JPWO2014050229A1 - キャビティーを備えたデバイス部材およびキャビティーを備えたデバイス部材の製造方法 - Google Patents

キャビティーを備えたデバイス部材およびキャビティーを備えたデバイス部材の製造方法 Download PDF

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Abstract

(課題)キャビティー内に封止層が侵入して、キャビティーを埋めてしまうおそれがなく、所期の目的とする所定の形状を有するキャビティーを、簡単な工程で形成することができ、しかも、デバイスとして所期の機能を有するデバイス部材およびその製造方法を提供する。(解決手段)半導体からなる基板部材12と、基板部材12の上面に形成された絶縁性を有する中間層14と、中間層14の上面に形成された半導体からなる上面層16と、上面層16に形成された開口部18と、開口部18を封止するように形成されたガス透過性の封止層20とを備え、キャビティー22が、封止層20を介して透過させるエッチングガスによって、中間層14を除去することにより形成されたキャビティー22である。

Description

本発明は、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)の技術分野に属し、キャビティーを備えたデバイス部材およびキャビティーを備えたデバイス部材の製造方法に関する。
このようなキャビティーを備えたデバイス部材は、例えば、静電容量型の圧力センサ、インクジェットプリンターヘッド、医療やバイオテクノロジーなどに用いられるマイクロ流路デバイスなどとして利用することができる。
このような静電容量型の圧力センサは、例えば、冷凍、冷蔵、空調機器用の冷媒圧力センサ、給水、産業用ポンプなどの水圧センサ、蒸気ボイラの蒸気圧センサ、空/油圧産業機器の空/油圧センサ、自動車などの圧力センサなど各種の用途に使用されている。
ところで、従来より、この種のキャビティーを備えたデバイス部材として、例えば、静電容量型の圧力センサについては、特許文献1(特開2004−260187号公報)に開示された製造方法が提案されている。
図9〜図13は、このような従来のキャビティーを備えたデバイス部材の製造方法の工程を示す概略図である。
図9(A)に示したように、例えば、Siからなる基板部材102と、この基板部材102の上面に形成されたSiOからなる中間層104と、中間層104の上面に形成されたSiからなる上面層106とから構成される、SOI(Silicon On Insulator)ウェハーからなるデバイス材料101を用意する。
次に、図9(B)に示したように、上面層106の上面に、例えば、ポジ型のフォトレジスト層108を形成する。そして、図9(C)に示したように、このフォトレジスト層108の上面から、所定のパターンのフォトマスク110を介して、フォトレジスト層108を、例えば、紫外線(UV)で露光する。
その後、例えば、TMAH(Tetra Methyl Ammonium Hydroxide)などの現像液により現像する。この結果、図10(A)に示したように、露光された部分のフォトレジストが除去され、フォトレジスト層108が所定のパターンで残存することになる。
この状態で、図10(B)に示したように、フォトレジスト層108をマスクとして、上面層106を、深堀りRIE(Deep Reactive Ion Etching)の手法を用いて、例えば、「ボッシュプロセス」と呼ばれる「SFによるエッチングとCによるパッシベーションを交互に行う工程」を進めていく。これにより、上面層106に、所定のパターンで残存しているフォトレジスト層108と同じパターンの開口部112が形成される。次に、図10(C)に示したように、全てのフォトレジスト層108を除去する。
そして、図11(A)に示したように、例えば、HFガスを用いて、中間層104をエッチング処理することによって、中間層104には所定のパターンの空隙114が形成される。
そして、図11(B)に示したように、上面層106の上面から、例えば、アルミニウムなどの金属、ポリシリコンなどの半導体、または、パリレンなどの樹脂を蒸着させることによって、封止層116を形成する。これにより、上面層106に形成された開口部112に、封止層116の一部が入り込み封止され、キャビティー118が形成される。
次に、図11(C)に示したように、封止層116の上面に、例えば、ポジ型のフォトレジスト層120をスピンコートする。
その後、図12(A)に示したように、このフォトレジスト層120の上面から、所定のパターンのフォトマスク122を介して、フォトレジスト層120を、例えば、紫外線(UV)で露光する。その後、例えば、TMAH(Tetra Methyl Ammonium Hydroxide)などの現像液により現像する。この結果、図12(B)に示したように、露光された部分のフォトレジストが除去され、フォトレジスト層120が所定のパターンで残存することになる。
次に、例えば、封止層116がアルミニウムの場合には、アルミニウムエッチング液を用いて、また、封止層116が樹脂の場合には、Oプラズマを用いたOアッシングによって、図12(C)に示したように、封止層116から不要な部分を除去する。
その後、全てのフォトレジスト層120を除去することによって、図13に示したように、所定のパターンに封止層116が形成されたデバイス部材100が得られる。
なお、図示しないが、デバイス部材100には、その用途にしたがって、上面層106には、所定の回路、ストレンゲージ(Strain gauge)、対向電極などが形成されることになる。
図15は、従来の製造方法で製造したデバイス部材100を、静電容量型の圧力センサとして用いる場合の概略を示す模式図である。
図15に示したように、圧力センサ200は、ダイヤフラム202として、上記の封止層116で封止された上面層106を用いている。また、ダイヤフラム202は対向電極204として使用されるとともに、Siからなる基板部材102自体も対向電極206として使用される。
そして、図15(A)、(B)に示したように、キャビティー118の圧力をP1、外部からダイヤフラム202にかかる圧力をP2とした時に、この圧力差を検出するのが圧力センサである。
また、キャビティー118内が真空の状態となるようにキャビティー118を封止し、これにより、キャビティー118内の圧力P1が真空となる圧力基準室として構成したものが、絶対圧力式の圧力センサである。
ところで、誘電体(絶縁体)を介して相互に分離された2枚の電極から構成される一般的なコンデンサーの容量Cは、下記の式で表される。
Figure 2014050229
ここで、εは電極間の誘電体(絶縁体)の誘電率、Sは電極の面積、dは、電極間の距離を表している。この式から明らかなように、容量Cは、電極間の誘電体(絶縁体)の誘電率ε、電極の面積Sにそれぞれ比例し、電極間の距離dに反比例する。
図15(A)、(B)に示した静電容量型の圧力センサ200も同様に、誘電体(絶縁体)である中間層104を介して相互に分離された2枚の電極である、対向電極204と対向電極206とから構成されている。
この場合、一方の電極を構成する対向電極204が、対向電極204にかかる圧力の変化によって変位するダイヤフラム202として用いられている。これにより、ダイヤフラム202として機能する対向電極204と、もう一方の電極を構成する対向電極206との間の電極間の距離dが変化するように構成されている。
従って、上記式からも明らかなように、静電容量型の圧力センサ200は、ダイヤフラム202として機能する対向電極204にかかる圧力の変化によって、対向電極204と対向電極206との間の電極間の距離dが変化すると、電極間の距離dに反比例して容量Cが変化する可変容量コンデンサーとみなすことができる。
また、図15(A)、(B)に示したように、対向電極204には、配線208の一端が接続され、対向電極206には、配線210の一端が接続されており、これらの配線208、210のいずれも、それぞれの他端が図示しない測定制御装置に接続されている。
これにより、これらの配線208、配線206を介して、測定制御装置によって対向電極204、対向電極206に対して電圧を印加することができるように構成されている。
これによって、上記式からも明らかなように、ダイヤフラム202として機能する対向電極204にかかる圧力の変化による対向電極204の変位、すなわち、対向電極204の変位による対向電極204と対向電極206との間の電極間の距離dの変化を、電極間の距離dに反比例した容量Cの変化として捉えることができる。
従って、この容量Cの変化と、ダイヤフラム202として機能する対向電極204にかかる圧力の変化量との関係が予め分かっていれば、容量Cを計測することによって、その時の対向電極204にかかる圧力を知ることができるので、圧力センサとして使用することができる。このような原理による圧力センサが、一般的に「静電容量型の圧力センサ」と呼ばれている。
また、図示しないが、圧力センサとして、静電容量型の圧力センサ以外にも、ダイヤフラムの表面にストレンゲージ(Strain gauge)を形成して、外部からの圧力によってダイヤフラムが変形して発生するピエゾ抵抗効果による電気抵抗の変化を圧力に換算するように構成したピエゾ抵抗型の圧力センサもある。
特開2004−260187号公報
しかしながら、従来の特許文献1に記載されているような、キャビティーを備えたデバイス部材の製造方法では、図13に示したように、封止材が空隙114の内部に侵入して(符号124参照)、空隙114を埋めてしまうおそれがあり、所期の目的とする所定の形状を有するキャビティー118を形成できないことがある。
なお、本明細書において、「空隙114」とは、封止材で封止される前に中間層の一部を除去することによって形成された空間を意味し、「キャビティー118」とは、封止層116で封止された後に形成された空間を意味する。
このような場合、例えば、静電容量型の圧力センサのデバイス部材として使用する場合に、内部に所定の形状のキャビティー118を有するダイヤフラム構造とすることが困難となり、圧力変化に応じた所定の静電容量変化を測定することができないため、高精度の圧力センサを提供することができなくなる。
また、このような状態を避けるためには、封止材が空隙114の内部に極力侵入しないようにする必要がある。そのため、従来のキャビティー118を備えたデバイス部材の製造方法では、厳しい条件で封止層116を形成する必要があったり、また、複雑な工程が必要であったりするため、製造コストが高くならざるを得ない。
本発明は、このような現状に鑑み、従来のキャビティーを備えたデバイス部材の製造方法のように、空隙内に不要な封止材が侵入して、空隙を埋めてしまうおそれがなく、所期の目的とする所定の形状を有するキャビティーを、簡単な工程で形成することができ、所期の機能を有するデバイス部材およびその製造方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、静電容量型の圧力センサのデバイス部材として使用する場合に、内部に所定の形状のキャビティーを有するダイヤフラム構造とすることができ、圧力変化に応じた所定の静電容量変化を測定することができる高精度の圧力センサを提供することを目的とする。
本発明は、前述したような従来技術における課題を解決することを目的として発明されたものであって、本発明のデバイス部材は、キャビティーを備えたデバイス部材であって、
半導体からなる基板部材と、前記基板部材の上面に形成された絶縁性を有する中間層と、
前記中間層の上面に形成された半導体からなる上面層と、前記上面層に形成された開口部と、前記上面層に形成された開口部を封止するように形成されたガス透過性の封止層とを備え、前記キャビティーが、前記封止層を介して透過するエッチングガスによって、前記中間層を除去することにより形成されたキャビティーであることを特徴とする。
また、本発明のデバイス部材の製造方法は、キャビティーを備えたデバイス部材の製造方法であって、半導体からなる基板部材と、前記基板部材の上面に形成された絶縁性を有する中間層と、前記中間層の上面に形成された半導体からなる上面層とを備えたデバイス材料を用意する工程と、前記上面層に、開口部を形成する工程と、前記上面層に形成された開口部を、ガス透過性の封止層で封止する工程と、前記ガス透過性の封止層を介して、エッチングガスを透過させることにより、前記中間層を除去してキャビティーを形成する工程とを備えることを特徴とする。
このように構成することによって、上面層に形成された開口部を、ガス透過性の封止層で封止して、この封止層を介して、エッチングガスを透過させることにより、中間層を除去することによってキャビティーを形成している。
なお、例えば、中間層がSiOからなる場合において、エッチングガスによる化学反応式を表すと下記の式のようになる。
SiO+4HF(gas)→SiF(gas)+HO(gas)
従って、SOI(Silicon On Insulator)ウェハーにより、絶対圧力式の圧力センサを製作する場合を考慮すれば、この封止層は、エッチングガスであるHFガスが、絶対に透過しなければならないという条件の他に、ガス状のSiFとHOが、透過して抜けるのが望ましい。
すなわち、この封止層は、絶縁性を有する中間層が、エッチングガスによりエッチングされて発生するガスも透過させるガス透過性を有するのが望ましい。
従って、従来のキャビティーを備えたデバイス部材の製造方法のように、空隙内に封止材が侵入して、キャビティー形成のための空隙を埋めてしまうおそれがない。
これにより、所期の目的とする所定の形状を有するキャビティーを、簡単な工程で形成することができ、しかも、所期の機能を有するデバイス部材を提供することができる。
また、上面層に形成された開口部を、ガス透過性の封止層で封止する際に、例えば、封止材には液体のフォトレジストを用いてスピンコートすることにより、液体の毛細管現象により開口部に入り込み封止されるので、開口部全体がガス透過性の封止材で封止される。
従って、従来のように、厳しい条件で封止層を形成する必要がなく、また、複雑な工程が不要で、製造コストを低減することができ、しかも、極めて安定的に優れた品質のデバイス部材を提供することができる。
また、本発明のデバイス部材は、前記封止層の上面に、ガス不透過性の保護膜を備えることを特徴とする。
また、本発明のデバイス部材の製造方法は、ガス不透過性の保護膜を形成する工程を備えることを特徴とする。
このように構成することによって、封止層の上面に、ガス不透過性の保護膜を備えるので、デバイス部材のキャビティー内に外部からガスが侵入せず、キャビティー内が汚染されることがない。また、キャビティー内のガスの出入りもなくなるために、キャビティー内の内圧が変化することがなく、所期の機能を有するデバイス部材を提供することができる。
また、本発明のデバイス部材は、前記キャビティーが、真空の状態であることを特徴とする。
また、本発明のデバイス部材の製造方法は、真空条件下で、ガス不透過性の保護膜を形成する工程を実施することによって、前記キャビティーを、真空の状態とすることを特徴とする。
なお、この場合、「真空」とは、絶対真空、絶対真空に近い状態、または、圧力センサとして用いて支障のない程度に大気圧に比べて減圧した状態を包含する意味である。
このように構成することによって、従来のデバイス部材の製造方法では、LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)や、キャビティー内に残留した水素を燃焼させて真空室を形成しているため、例えば、SOI(Silicon On Insulator)ウェハーなどからなるデバイス材料を、高温にする必要があった。このため、高温に対する耐性がない材料を使用することができず、材料が限定され、汎用性に欠けるなどの問題がある。
これに対して、本発明によれば、キャビティー内を真空にするために、例えば、金属の真空蒸着などの非常に簡単なプロセスを用いて、封止層の上面にガス不透過性の保護膜を形成することができるとともに、キャビティー内に不純ガスなどが残留することのない真空の状態に封止された圧力基準室を備えたデバイス部材を提供することができる。
従って、例えば、静電容量型の絶対圧力式の圧力センサなどを簡単に低コストで製造することができ、しかも、従来に比べて品質が安定した圧力センサなどを製造することが可能である。
また、本発明のデバイス部材は、前記基板部材がSiであり、前記中間層がSiOであり、前記上面層がSiであることを特徴とする。
また、本発明のデバイス部材の製造方法は、前記デバイス材料が、前記基板部材がSiであり、前記中間層がSiOであり、前記上面層がSiである、SOI(Silicon On Insulator)ウェハーであることを特徴とする。
このように、本発明では、基板部材がSiであり、中間層がSiOであり、上面層がSiであるSOI(Silicon On Insulator)ウェハーをデバイス材料として使用している。
このようなSOI(Silicon On Insulator)ウェハーは、そのウェハー製造工程において、中間層SiOの厚さ(すなわち、基板部材と上面層間のギャップ)を容易に一定とすることができる。
従って、このようなSOI(Silicon On Insulator)ウェハーをデバイス材料として用いて、中間層であるSiOを除去することによって、キャビティー形成の際の、基板部材と上面層間のギャップばらつきが小さく、均一なギャップのキャビティーを形成することができる。
さらに、SOI(Silicon On Insulator)ウェハーは、均一な品質のものを大量に得ることができ汎用性があり、製造方法が簡単に済むため、製造コストも低減することができる。
しかも、上面層がSiであるので、上面層に開口部を形成する工程を、例えば、フォトリソグラフィーにより露光された部分と露光されていない部分からなるパターンを形成し、現像した後、深堀りRIE(Deep Reactive Ion Etching)の手法を用いて、エッチング処理することによって、上面層に開口部を形成することができる。
従って、フォトリソグラフィーを用いているので、パターン化が容易であり、このパターンを用いて大量に、しかも、良好な再現性をもって上面層に所定のパターンを形成することができる。
また、中間層がSiOであるので、上面層に形成された開口部を、ガス透過性の封止層で封止して、このガス透過性の封止層を介して、例えば、HFガスからなるエッチングガスを透過させることにより、中間層を除去することによってキャビティーを簡単に形成することができる。
従って、複雑な工程が不要で、製造コストを低減することができ、しかも、極めて安定的に優れた品質のデバイス部材を提供することができる。
また、本発明は、前述のいずれかに記載のデバイス部材を用いたことを特徴とする静電容量型の圧力センサである。
また、本発明は、前述のいずれかに記載のデバイス部材の製造方法によって得られたデバイス部材を用いたことを特徴とする静電容量型の圧力センサである。
このように構成することによって、静電容量型の圧力センサのデバイス部材として使用する場合に、内部に所定の形状のキャビティーを有するダイヤフラム構造とすることができ、圧力変化に応じた所定の静電容量変化を測定することができる高精度の圧力センサを提供することができる。
本発明によれば、上面層に形成された開口部を、ガス透過性の封止層で封止して、この封止層を介して、エッチングガスを透過させることにより、中間層を除去することによってキャビティーを形成している。
従って、従来のキャビティーを備えたデバイス部材の製造方法のように、空隙内に封止材が侵入して、キャビティー形成のための空隙を埋めてしまうおそれがない。
これにより、所期の目的とする所定の形状を有するキャビティーを、簡単な工程で形成することができ、しかも、所期の機能を有するデバイス部材を提供することができる。
また、上面層に形成された開口部を、ガス透過性の封止層で封止する際に、例えば、封止材には液体のフォトレジストを用いてスピンコートすることにより、液体の毛細管現象により開口部に入り込み封止されるので、開口部全体がガス透過性の封止材で封止される。
従って、従来のように、封止材で封止する際に、厳しい条件で封止層を形成する必要がなく、また、複雑な工程が不要で、製造コストを低減することができ、しかも、極めて安定的に優れた品質のデバイス部材を提供することができる。
図1は、本発明のキャビティーを備えたデバイス部材の部分拡大断面図である。 図2は、本発明のキャビティーを備えたデバイス部材の製造方法を説明する部分拡大断面図である。 図3は、本発明のキャビティーを備えたデバイス部材の製造方法を説明する部分拡大断面図である。 図4は、本発明のキャビティーを備えたデバイス部材の製造方法を説明する部分拡大断面図である。 図5は、本発明のキャビティーを備えたデバイス部材の製造方法を説明する部分拡大断面図である。 図6は、本発明のキャビティーを備えたデバイス部材の別の実施例の部分拡大断面図である。 図7は、本発明のキャビティーを備えたデバイス部材の製造方法を説明する部分拡大断面図である。 図8は、本発明のキャビティーを備えたデバイス部材の製造方法を説明する部分拡大断面図である。 図9は、従来のキャビティーを備えたデバイス部材の製造方法を説明する部分拡大断面図である。 図10は、従来のキャビティーを備えたデバイス部材の製造方法を説明する部分拡大断面図である。 図11は、従来のキャビティーを備えたデバイス部材の製造方法を説明する部分拡大断面図である。 図12は、従来のキャビティーを備えたデバイス部材の製造方法を説明する部分拡大断面図である。 図13は、従来のキャビティーを備えたデバイス部材の部分拡大断面図である。 図14は、本発明の製造方法で製造したデバイス部材10を、静電容量型の圧力センサとして用いる場合の概略を示す模式図である。 図15は、従来の製造方法で製造したデバイス部材100を、静電容量型の圧力センサとして用いる場合の概略を示す模式図である。
以下、本発明の実施の形態(実施例)を図面に基づいてより詳細に説明する。
図1は、本発明のキャビティーを備えたデバイス部材の部分拡大断面図である。
図1において、符号10は、全体で本発明のキャビティーを備えたデバイス部材を示している。
図1に示したように、本発明のデバイス部材10は、半導体からなる基板部材12を備えており、この基板部材12の上面に絶縁性を有する中間層14が形成されている。また、この中間層14の上面には、半導体からなる上面層16が形成されている。
さらに、上面層16には、所定のパターン形状に形成された開口部18を備えており、この上面層16に形成された開口部18を封止するように形成されたガス透過性の封止層20を備えている。
また、図1に示したように、このガス透過性の封止層20に対応する中間層14の一部には、キャビティー22が形成されている。なお、このキャビティー22は、ガス透過性の封止層20を透過するエッチングガスによって形成されたものである。
また、基板部材12は、例えば、Siなどの半導体を使用することができ、デバイス部材10の用途に応じて、適宜選択すればよく、特に限定されるものではない。
一方、中間層14としては、絶縁性を有し、ガス透過性の封止層20を透過するエッチングガスによってエッチングされるものであれば良く、使用するエッチングガスの種類に応じて適宜選択すればよい。例えば、エッチングガスとしてHFガスを選択した場合、中間層14としては、例えば、SiOなどの酸化物などを使用することができる。
さらに、上面層16は、基板部材12と同様に、例えば、Siなどの半導体を使用することができ、デバイス部材10の用途に応じて、適宜選択すればよく、特に限定されるものではない。
また、ガス透過性の封止層20としては、使用するエッチングガスの種類に応じて、このエッチングガスを透過するものを、適宜選択すれば良く、特に限定されるものではない。例えば、エッチングガスとしてHFガスを選択した場合、ガス透過性の封止層20としては、例えば、マイクロケム(Microchem)社製のネガ型のフォトレジスト「SU−8(商品名)」などを用いることができる。
なお、例えば、中間層14がSiOからなる場合において、エッチングガスによるキャビティー形成を化学反応式で表すと下記の式のようになる。
SiO+4HF(gas) →SiF(gas)+HO(gas)
従って、SOI(Silicon On Insulator)ウェハーにより絶対圧力式の圧力センサを製作する場合を考慮すれば、封止層20は、エッチングガスであるHFガスが、絶対に透過しなければならないという条件の他に、ガス状のSiFとHOが、封止層20を透過するのが望ましい。
すなわち、封止層20は、中間層14が、エッチングガスによりエッチングされる際に発生するガスも透過させるガス透過性を有するのが望ましい。
このように本発明において、「ガス透過性の封止層20」の「ガス透過性」とは、エッチングガスと、中間層14がエッチングガスによりエッチングされる際に発生する全てのガスを透過させることを意味するものである。
例えば、デバイス材料としてSOI(Silicon On Insulator)ウェハーを、エッチングガスとしてHFガスを用いる場合、ガス透過性の封止層20に求められるガス透過性としては、例えば、HFガスからなるエッチングガスと、SiFガス、HOガスなどのエッチングによる反応ガスが全て透過させることができるのが望ましい。
このように構成される本発明のデバイス部材10の製造方法について、図2〜図5について、以下に説明する。
先ず、図2(A)に示したように、例えば、Siからなる基板部材12と、この基板部材12の上面に形成されたSiOからなる中間層14と、中間層14の上面に形成されたSiからなる上面層16とから構成される、SOI(Silicon On Insulator)ウェハーからなるデバイス材料1を用意する。
次に、図2(B)に示したように、上面層16の上面に、例えば、ポジ型のフォトレジスト層24を形成する。そして、図2(C)に示したように、このフォトレジスト層24の上面から、所定のパターンのフォトマスク26を介して、フォトレジスト層24を、例えば、紫外線(UV)で露光する。その後、例えば、TMAH(Tetra Methyl Ammonium Hydroxide)などの現像液により現像する。
これにより、図3(A)に示したように、露光された部分のフォトレジストが除去され、フォトレジスト層24が所定のパターンで残存することになる。
この状態で、図3(B)に示したように、フォトレジスト層24をマスクとして、上面層16を、深堀りRIE(Deep Reactive Ion Etching)の手法を用いて、例えば、「ボッシュプロセス」と呼ばれる「SFによるエッチングとCによるパッシベーションを交互に行う工程」を進めていく。これにより、上面層16に、所定のパターンで残存しているフォトレジスト層24と同じパターンの開口部18が形成される。次に、図3(C)に示したように、全てのフォトレジスト層24を除去する。
そして、図4(A)に示したように、例えば、マイクロケム(Microchem)社製のネガ型のフォトレジスト「SU−8(商品名)」からなる封止材を、上面層16の上面にスピンコートすることによって、ガス透過性の封止層20を形成する。
この場合、「SU−8(商品名)」がもともと液体であって、上面層16に形成された開口部18内に、「SU−8(商品名)」が、液体の毛細管現象により開口部18に入り込み封止されるので、開口部18全体が封止材で封止されることになる。
次に、図4(B)に示したように、所定のパターンのフォトマスク28を介して、「SU−8(商品名)」を、例えば、紫外線(UV)で露光する。そして、その後、95℃でベーキング後、例えば、PGMEA(Propylene Glycol Monomethyl Ether Acetate)などの現像液により現像する。これにより、図4(C)に示したように、露光された部分の封止材である「SU−8(商品名)」が残り、ガス透過性の封止層20が所定のパターンで残存することになる。
この状態で、図5の矢印で示したように、ガス透過性の封止層20に、エッチングガスを透過させることにより、例えば、HFガスを用いて、中間層14をエッチング処理することによって、中間層14の一部を除去し、所定のパターンで、キャビティー22を形成する。
これによって、図1に示したように、キャビティー22が形成されたデバイス部材10を製造することができる。
この場合、Siからなる上面層16と、Siからなる基板部材12との間に、キャビティー22が形成されている。従って、上面層16を、圧力の変化によって変位するダイヤフラムとして、かつ一方の電極を構成する対向電極として用い、基板部材12をもう一方の電極を構成する対向電極として用いることによって、可変容量コンデンサーとみなすことができる。
図14は、本発明の製造方法で製造したデバイス部材10を、静電容量型の圧力センサとして用いる場合の概略を示す模式図である。
図14に示したように、圧力センサ50は、ダイヤフラム52として、上記の封止層20で封止された上面層16を用いている。また、ダイヤフラム52は対向電極54として使用されるとともに、Siからなる基板部材12自体も対向電極56として使用される。
そして、図14(A)、(B)に示したように、キャビティー18の圧力をP1、外部からダイヤフラム52にかかる圧力をP2とした時に、この圧力差を検出するのが圧力センサである。
また、キャビティー18内が真空の状態となるようにキャビティー18を封止し、これにより、キャビティー18内の圧力P1が真空となる圧力基準室として構成したものが、絶対圧力式の圧力センサである。
ところで、誘電体(絶縁体)を介して相互に分離された2枚の電極から構成される一般的なコンデンサーの容量Cは、下記の式で表される。
Figure 2014050229
ここで、εは電極間の誘電体(絶縁体)の誘電率、Sは電極の面積、dは、電極間の距離を表している。この式から明らかなように、容量Cは、電極間の誘電体(絶縁体)の誘電率ε、電極の面積Sにそれぞれ比例し、電極間の距離dに反比例する。
図14(A)、(B)に示した静電容量型の圧力センサ50も同様に、誘電体(絶縁体)である中間層14を介して相互に分離された2枚の電極である、対向電極54と対向電極56とから構成されている。
この場合、一方の電極を構成する対向電極54が、対向電極54にかかる圧力の変化によって変位するダイヤフラム52として用いられている。これにより、ダイヤフラム52として機能する対向電極54と、もう一方の電極を構成する対向電極56との間の電極間の距離dが変化するように構成されている。
従って、上記式からも明らかなように、静電容量型の圧力センサ50は、ダイヤフラム52として機能する対向電極54にかかる圧力の変化によって、対向電極54と対向電極56との間の電極間の距離dが変化すると、電極間の距離dに反比例して容量Cが変化する可変容量コンデンサーとみなすことができる。
また、図14(A)、(B)に示したように、対向電極54には、配線58の一端が接続され、対向電極56には、配線60の一端が接続されており、これらの配線58、60のいずれも、それぞれの他端が図示しない測定制御装置に接続されている。
これにより、これらの配線58、配線56を介して、測定制御装置によって対向電極54、対向電極56に対して電圧を印加することができるように構成されている。
これによって、上記式からも明らかなように、ダイヤフラム52として機能する対向電極54にかかる圧力の変化による対向電極54の変位、すなわち、対向電極54の変位による対向電極54と対向電極56との間の電極間の距離dの変化を、電極間の距離dに反比例した容量Cの変化として捉えることができる。
従って、この容量Cの変化と、ダイヤフラム52として機能する対向電極54にかかる圧力の変化量との関係が予め分かっていれば、容量Cを計測することによって、その時の対向電極54にかかる圧力を知ることができるので、圧力センサとして使用することができる。このような原理による圧力センサが、一般的に「静電容量型の圧力センサ」と呼ばれている。
なお、図示しないが、圧力センサとして、静電容量型の圧力センサ以外にも、ダイヤフラムの表面にストレンゲージ(Strain gauge)を形成して、外部からの圧力によってダイヤフラムが変形して発生するピエゾ抵抗効果による電気抵抗の変化を圧力に換算するように構成したピエゾ抵抗型の圧力センサに適用することもできる。
このように構成することによって、上面層16に形成された開口部18を、ガス透過性の封止層20で封止して、このガス透過性の封止層20に、エッチングガスを透過させることにより、中間層14にキャビティー22を形成している。
従って、従来のキャビティーを備えたデバイス部材の製造方法のように、空隙内に封止材が侵入して、キャビティー形成のための空隙を埋めてしまうおそれがない。
これにより、所期の目的とする所定の形状を有するキャビティー22を、簡単な工程で形成することができ、しかも、所期の機能を有するデバイス部材10を提供することができる。
また、上面層16に形成された開口部18を、封止する際に、例えば、封止材に液体のフォトレジストを用いてスピンコートすることにより、液体の毛細管現象により開口部18に入り込み封止するので、開口部18全体がガス透過性の封止層20で封止される。
従って、従来のように、封止材で封止する際に、厳しい条件で封止層を形成する必要がなく、また、複雑な工程が不要で、製造コストを低減することができ、しかも、極めて安定的に優れた品質のデバイス部材10を提供することができる。
さらに、このように、基板部材12がSiであり、中間層14がSiOであり、上面層16がSiであるSOI(Silicon On Insulator)ウェハーをデバイス材料として使用している。
このようなSOI(Silicon On Insulator)ウェハーは、そのウェハー製造工程において、中間層14であるSiOの厚さ(すなわち、基板部材12と上面層16間のギャップ)を容易に一定とすることができる。
従って、このようなSOI(Silicon On Insulator)ウェハーをデバイス材料として用いて、中間層14であるSiOを除去することによって、キャビティー22の形成の際の、基板部材12と上面層16間のギャップばらつきが小さく、均一なギャップのキャビティー22を形成することができる。
さらに、SOI(Silicon On Insulator)ウェハーは、均一な品質のものを大量に得ることができ汎用性があり、製造方法が簡単に済むため、製造コストも低減することができる。
しかも、上面層16がSiであるので、上面層16に開口部18を形成する工程を、例えば、フォトリソグラフィーにより露光された部分と露光されていない部分からなるパターンを形成し、現像した後、深堀りRIE(Deep Reactive Ion Etching)の手法を用いて、エッチング処理することによって、上面層16に開口部18を形成することができる。
従って、フォトリソグラフィーを用いているので、パターン化が容易であり、このパターンを用いて大量に、しかも、良好な再現性をもって上面層16に所定のパターンを形成することができる。
また、中間層14がSiOであるので、上面層16に形成された開口部18を、ガス透過性の封止層20で封止して、このガス透過性の封止層20に、エッチングガスを透過させることにより、例えば、HFガスを用いて、中間層14をエッチング処理することによって、中間層14の一部を除去し、所定のパターンでキャビティー22を簡単に形成することができる。
従って、複雑な工程が不要で、製造コストを低減することができ、しかも、極めて安定的に優れた品質のデバイス部材10を提供することができる。
図6は、本発明のキャビティーを備えたデバイス部材の別の実施例の部分拡大断面図である。
この実施例のデバイス部材10は、図1に示したデバイス部材10と基本的には同様な構成であり、同一の構成部材には、同一の参照番号を付して、その詳細な説明を省略する。
この実施例のデバイス部材10では、図6に示したように、ガス透過性の封止層20の上面に、ガス不透過性の保護膜30を備えている。
この場合、ガス不透過性の保護膜30としては、デバイス部材10の用途に応じて適宜選択すれば良く、特に限定されるものではないが、例えば、蒸着などによって、アルミニウムなどの金属、ポリシリコンなどの半導体、パリレンなどの樹脂などを用いて形成することができる。
この場合、「ガス不透過性の保護膜30」の「ガス不透過性」とは、保護膜30、ガス透過性の封止層20を透過して、キャビティー22内に外部からガスが侵入しないことを意味する。これによって、キャビティー22内が汚染されることがなく、キャビティー22内のガスの出入りもなくなり、キャビティー22内の内圧が変化しなくなる。
また、保護膜30の膜厚についても、デバイス部材10の用途に応じて適宜選択すれば良く、特に限定されるものではないが、例えば、100nm〜5μm、好ましくは、保護膜30がアルミニウムの場合には、100nm〜200nm、保護膜30がパリレンの場合には、2μm〜5μmの範囲にあるのが、キャビティー22内にガスが侵入しないようにするためには望ましい。
このように構成されるデバイス部材10によれば、封止層20の上面に、ガス不透過性の保護膜30を備えるので、デバイス部材10のキャビティー22内に外部からガスが侵入せず、キャビティー22内が汚染されることがない。また、キャビティー22内のガスの出入りもなくなるために、キャビティー22内の内圧が変化することがなく、所期の機能を有するデバイス部材10を提供することができる。
この場合、キャビティー22が、真空の状態であるのが望ましい。すなわち、真空条件下で、ガス不透過性の保護膜30を形成する工程を実施することによって、キャビティー22を、真空の状態とするのが望ましい。
なお、この場合、「真空」とは、絶対真空、絶対真空に近い状態、または、圧力センサとして用いて支障のない程度に大気圧に比べて減圧した状態を包含する意味である。
このように構成することによって、従来のデバイス部材の製造方法では、LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)や、キャビティー内に残留した水素を燃焼させて真空室を形成しているため、例えば、SOI(Silicon On Insulator)ウェハーなどからなるデバイス材料を、高温にする必要があった。このため、高温に対する耐性がない材料を使用することができず、材料が限定され、汎用性に欠けるなどの問題がある。
これに対して、本発明によれば、キャビティー22内を真空にするために、例えば、金属の真空蒸着などの非常に簡単なプロセスを用いて、封止層20の上面にガス不透過性の保護膜30を形成することができるとともに、キャビティー22内に不純ガスなどが残留することのない真空の状態に封止された圧力基準室を備えたデバイス部材10を提供することができる。
従って、例えば、静電容量型の絶対圧力式の圧力センサなどを簡単に低コストで製造することができ、しかも、従来に比べて品質が安定した圧力センサなどを製造することが可能である。
このように構成される本発明のデバイス部材10の製造方法について、図7〜図8について、以下に説明する。
先ず、上記実施例1のデバイス部材10の製造方法と、図2〜図5までの工程は同じである。
図5に示したように、ガス透過性の封止層20に、エッチングガスを透過させることにより、中間層14をエッチング処理することによって、中間層14の一部を除去し、所定のパターンで、キャビティー22を形成する。
その後、図7(A)に示したように、このガス透過性の封止層20の上面に、例えば、蒸着などによって、アルミニウムなどの金属、ポリシリコンなどの半導体、パリレンなどの樹脂などを用いて、保護膜30を形成する。
次に、図7(B)に示したように、保護膜30の上面に、例えば、ポジ型のフォトレジスト層32をスピンコートする。そして、図7(C)に示したように、このフォトレジスト層32の上面から、所定のパターンのフォトマスク34を介して、フォトレジスト層32を、例えば、紫外線(UV)で露光する。その後、例えば、TMAH(Tetra Methyl Ammonium Hydroxide)などの現像液により現像する。
これにより、図8(A)に示したように、露光された部分のフォトレジストが除去され、フォトレジスト層32が所定のパターンで残存することになる。
この状態で、図8(B)に示したように、フォトレジスト層32をマスクとして、上面層16を、例えば、混酸などのアルミニウムエッチャントを用いて、エッチング処理することによって、所定のパターンに保護膜30を除去する。その後、全てのフォトレジスト層32を除去する。
これにより、図8(C)に示したように、封止層20の上面に、ガス不透過性の保護膜30を備えたデバイス部材10を製造することができる。
上記実施例1、実施例2と同様にして、ガス不透過性の保護膜30を備えたデバイス部材10を製造した。
すなわち、図2(A)に示したように、Siからなる基板部材12と、この基板部材12の上面に形成された、SiOからなる中間層14と、中間層14の上面に形成された、Siからなる上面層16とから構成される、SOI(Silicon On Insulator)ウェハーからなるデバイス材料1を用意した。
このデバイス材料1を、アンモニア過水を用いて洗浄した。また、HF水溶液(1/100に希釈)により、1min、洗浄した。
そして、デバイス材料1の上面層16の上面に、プライマーを塗布し、その上面に、図2(B)に示したように、上面層16の上面に、シップレイ(SHIPLEY)社製のポジ型のフォトレジスト「S1805G(商品名)」を用いて、4000rpm/30secでスピンコートすることによって、フォトレジスト層24を形成した。
次に、図2(C)に示したように、このフォトレジスト層24の上面から、所定のパターンのフォトマスク26を介して、フォトレジスト層24を、3sec、紫外線(UV)で露光した。
その後、TMAH(Tetra Methyl Ammonium Hydroxide)(東京応化工業株式会社製の現像液「NMD−3(商品名)」)により、1min、現像を行った。
これにより、図3(A)に示したように、露光された部分のフォトレジストが除去され、フォトレジスト層24が所定のパターンで残存することになる。
この状態で、図3(B)に示したように、フォトレジスト層24がマスクとして、上面層16を、深堀りRIE(Deep Reactive Ion Etching)の手法を用いて、「ボッシュプロセス」と呼ばれる「SFによるエッチングとCによるパッシベーションを交互に行う工程」を進めていった。これにより、上面層16に、所定のパターンで残存しているフォトレジスト層24と同じパターンの開口部18を形成した。
次に、図3(C)に示したように、Oプラズマを用いたOアッシング、2minによって、全てのフォトレジスト層24を除去した。そして、図4(A)に示したように、マイクロケム(Microchem)社製のネガ型のフォトレジスト「SU−8(商品名)」からなる封止材を、上面層16の上面に2000rpm/30secでスピンコートすることによって、ガス透過性の封止層20を形成した。
この場合、「SU−8(商品名)」がもともと液体であって、上面層16に形成された開口部18内に、「SU−8(商品名)」が、液体の毛細管現象により開口部18に入り込み封止されるので、開口部18全体が封止材で封止されることになる。
次に、図4(B)に示したように、所定のパターンのフォトマスク28を介して、「SU−8(商品名)」を、30sec、紫外線(UV)で露光した。
そして、その後、95℃、3min、ベーキング後、現像液であるPGMEA(Propylene Glycol Monomethyl Ether Acetate)により、1min、現像を行った。これにより、図4(C)に示したように、露光およびベーキングされた部分の封止材である「SU−8(商品名)」が残り、ガス透過性の封止層20が所定のパターンで残存することになる。
この状態で、図5の矢印で示したように、ガス透過性の封止層20に、エッチングガスであるHFガスを、20min、透過させることによって、中間層14の一部を除去し、所定のパターンで、キャビティー22を形成した。
次に、図7(A)に示したように、このガス透過性の封止層20の上面に、真空蒸着によって、アルミニウムを用いて、200nmの厚さの保護膜30を形成した。
そして、保護膜30の上面に、プライマーを塗布し、その上面に、図7(B)に示したように、保護膜30の上面に、シップレイ(SHIPLEY)社製のポジ型のフォトレジスト「S1818G(商品名)」を、3000rpm/30secでスピンコートすることによって、フォトレジスト層32を形成した。
そして、図7(C)に示したように、このフォトレジスト層32の上面から、所定のパターンのフォトマスク34を介して、フォトレジスト層32を、3sec、紫外線(UV)で露光した。
その後、TMAH(Tetra Methyl Ammonium Hydroxide)(東京応化工業株式会社製の現像液「NMD−3(商品名)」)により、1min、現像を行った。
これにより、図8(A)に示したように、露光された部分のフォトレジストが除去され、フォトレジスト層32が所定のパターンで残存することになる。
この状態で、図8(B)に示したように、フォトレジスト層32をマスクとして、上面層16を、アルミニウムエッチャント(混酸アルミニウム)を用いて、3min、エッチング処理することによって、所定のパターンに保護膜30を除去した。その後、全てのフォトレジスト層32を除去した。
これにより、図8(C)に示したように、封止層20の上面に、ガス不透過性の保護膜30を備えたデバイス部材10を製造することができた。
このデバイス部材10を用いて、絶対圧力式の圧力センサとして用いて実験を行ったところ、圧力と静電容量との関係が、リニアな相関関係があり、圧力センサとして信頼性を有することが明らかであった。
以上、本発明の好ましい実施の態様を説明してきたが、本発明はこれに限定されることはない。本発明のデバイス部材10は、例えば、静電容量型の圧力センサ、インクジェットプリンターヘッド、医療やバイオテクノロジーなどに用いられるマイクロ流路デバイスなどに利用することができるものであるが、種々のデバイス部材として使用できるなど本発明の目的を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
本発明は、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)の技術分野に属し、キャビティーを備えたデバイス部材およびキャビティーを備えたデバイス部材の製造方法に関する。
このようなキャビティーを備えたデバイス部材は、例えば、静電容量型の圧力センサ、インクジェットプリンターヘッド、医療やバイオテクノロジーなどに用いられるマイクロ流路デバイスなどとして利用することができる。
1 デバイス材料
10 デバイス部材
12 基板部材
14 中間層
16 上面層
18 開口部
20 封止層
22 キャビティー
24 フォトレジスト層
26 フォトマスク
28 フォトマスク
30 保護膜
32 フォトレジスト層
34 フォトマスク
50 圧力センサ
52 ダイヤフラム
54、56 対向電極
58、60 配線
100 デバイス材料
102 基板部材
104 中間層
106 上面層
108 フォトレジスト層
110 フォトマスク
112 開口部
114 空隙
116 封止層
118 キャビティー
120 フォトレジスト層
122 フォトマスク
200 圧力センサ
202 ダイヤフラム
204、206 対向電極
208、210 配線
本発明は、前述したような従来技術における課題を解決することを目的として発明されたものであって、本発明のデバイス部材は、
キャビティーを備えたデバイス部材であって、
半導体からなる基板部材と、
前記基板部材の上面に形成された絶縁性を有する中間層と、
前記中間層の上面に形成された半導体からなる上面層と、
前記上面層に形成された開口部と、
前記上面層に形成された開口部を封止するように形成されたガス透過性の封止層と、
前記封止層を介して透過するエッチングガスによって、前記中間層が除去された状態のキャビティーと、
を備えることを特徴とする。

Claims (10)

  1. キャビティーを備えたデバイス部材であって、
    半導体からなる基板部材と、
    前記基板部材の上面に形成された絶縁性を有する中間層と、
    前記中間層の上面に形成された半導体からなる上面層と、
    前記上面層に形成された開口部と、
    前記上面層に形成された開口部を封止するように形成されたガス透過性の封止層とを備え、
    前記キャビティーが、前記封止層を介して透過するエッチングガスによって、前記中間層を除去することにより形成されたキャビティーであることを特徴とするデバイス部材。
  2. 前記封止層の上面に、ガス不透過性の保護膜を備えることを特徴とする請求項1に記載のデバイス部材。
  3. 前記キャビティーが、真空の状態であることを特徴とする請求項2に記載のデバイス部材。
  4. 前記基板部材がSiであり、前記中間層がSiOであり、前記上面層がSiであることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載のデバイス部材。
  5. 請求項1から4のいずれかに記載のデバイス部材を用いたことを特徴とする静電容量型の圧力センサ。
  6. キャビティーを備えたデバイス部材の製造方法であって、
    半導体からなる基板部材と、
    前記基板部材の上面に形成された絶縁性を有する中間層と、
    前記中間層の上面に形成された半導体からなる上面層とを備えたデバイス材料を用意する工程と、
    前記上面層に、開口部を形成する工程と、
    前記上面層に形成された開口部を、ガス透過性の封止層で封止する工程と、
    前記ガス透過性の封止層を介して、エッチングガスを透過させることにより、前記中間層を除去してキャビティーを形成する工程と、
    を備えることを特徴とするデバイス部材の製造方法。
  7. 前記封止層の上面に、ガス不透過性の保護膜を形成する工程を備えることを特徴とする請求項6に記載のデバイス部材の製造方法。
  8. 真空条件下で、ガス不透過性の保護膜を形成する工程を実施することによって、前記キャビティーを、真空の状態とすることを特徴とする請求項7に記載のデバイス部材の製造方法。
  9. 前記デバイス材料が、前記基板部材がSiであり、前記中間層がSiOであり、前記上面層がSiであるSOI(Silicon On Insulator)ウェハーであることを特徴とする請求項6から8のいずれかに記載のデバイス部材の製造方法。
  10. 請求項6から9のいずれかに記載のデバイス部材の製造方法によって得られたデバイス部材を用いたことを特徴とする静電容量型の圧力センサ。
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