TWI617793B - 微機械裝置及其製造方法 - Google Patents

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Masaru Soeda
Masashi Sekine
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    • B81B2201/02—Sensors
    • B81B2201/0264—Pressure sensors

Abstract

本發明的微機械裝置及其製造方法可更容易地防止在各種環境下使用的微機械裝置中的黏著。
微機械裝置包括可動部(103)，前述可動部(103)藉由支承部(102)支承在基板(101)上，在可動區域內與基板(101)隔開配置，且能夠在可動區域內朝基板(101)方向變位。該微機械裝置包括第1凸部(104)，前述第1凸部(104)形成於在可動區域內相對的基板(101)的面(101a)上，具有與可動部(103)的面(103a)相對的平坦的上表面(104a)。該微機械裝置包括：複數個第2凸部(105)，它們形成於第1凸部(104)的上表面(104a)；以及複數個第3凸部(106)，它們形成於可動部(103)的面(103a)的與第1凸部(104)相對的區域(122)內，大小與第2凸部(105)相同。

Description

微機械裝置及其製造方法
本發明涉及一種配備微細可動部的微機械裝置及其製造方法。
近年來，在開關或傳感器中，使用透過機械性動作來發揮功能的微機械裝置的MEMS(Micro Electro Mechanical System(微電子機械系統))受到重視。MEMS已作為壓力傳感器或加速度傳感器而加以使用，與LSI一起逐漸成為重要零件。MEMS具有立體結構，前述立體結構藉由使用薄膜形成技術、光刻技術及各種蝕刻技術的微細加工而具備微細的可動結構體。
例如，在靜電電容式壓力傳感器中，如圖4A、圖4B所示，利用支承部403將由於壓力而發生變位的較薄的膜片401以隔開的方式支承並配置在基板402上。在基板402與膜片401之間存在空隙，在面向空隙的各部位相對配置電極(未圖示)，形成電容。被測定介質的壓力施加至膜片401的形成電容那一面的相反側那一面，在該壓力施加下，膜片401內對應於空隙的部分發生變形。前述電極間的距離對應於該變化而發生變化，電極間的電容對應於該變化而發生變化，成為傳感器輸出。若空隙為真空，則該壓力傳感器可測量絕對壓力。
這種微機械裝置存在如下情況：變形後的可動部的一部分與 基板接合，而可動部沒有在由彈性力產生的反彈下復原(參考專利文獻1、2、3、4、5、6)。該現象稱為黏著或固著等，在微機械裝置中是一個問題。例如，就像靜電電容式隔膜真空計那樣測量比大氣壓小的壓力的壓力傳感器而言，由於在搬送、安裝時或維護時會暴露在大氣中，因此會頻繁發生被施加測量範圍以上的過大壓力的狀況。當如此被施加過大壓力時，受壓的膜片401會像圖4C所示那樣超過實際使用範圍而較大程度地彎曲，導致膜片401的一部分接觸到基板402(觸底)。
因膜片401的厚度以及變形區域的大小還有膜片401的材料等設計參數的不同，前述觸底的狀態不一樣，但大多數情況下，觸底會導致黏著的發生。在壓力傳感器的情況下，當發生黏著時，即便去除壓力，膜片也不會復原而給出猶如施加有壓力一樣的輸出，從而導致測定的錯誤。尤其是在由表面粗糙度(Rz)為0.1~數nm的極為平坦的基材製作的微機械裝置中，是一個大問題。
以往，為了防止前述黏著，業界有在可動部或基板中的至少一方的相對的表面形成突起等微細結構而減少接觸面積來抑制接觸力。具體而言，使用熟知的半導體裝置的製造技術，在構成微機械裝置的矽等半導體或石英等基材上形成微小的突起。例如，藉由利用公知的光刻技術及蝕刻技術的圖案化，形成數μm大小的突起部。此外，作為其他技術，還有形成使表面穩定的表面覆膜來減小所產生的引力的方法、藉由噴砂等使表面變得粗糙來形成突起的方法。
【現有技術文獻】 【專利文獻】
【專利文獻1】日本專利特表平10-512675號公報
【專利文獻2】日本專利特開平11-340477號公報
【專利文獻3】日本專利特開2000-040830號公報
【專利文獻4】日本專利特開2000-196106號公報
【專利文獻5】日本專利特開2002-299640號公報
【專利文獻6】日本專利特開2007-078439號公報
另外，為了使裝置應對使用環境而具有耐蝕性、耐壓性、耐熱性，藍寶石等晶體材料或氧化鋁陶瓷等材料一直被用於壓力傳感器。不過，這種材料具有高絕緣性，與矽或玻璃等情況相比，更容易發生黏著。尤其是當變為膜片較薄的結構時，數μm左右的大小的突起物並非有效對策。
因此，必須形成亞μm以下的尺寸的微小凹凸，但藍寶石或氧化鋁陶瓷等材料在具有高機械強度、高耐蝕性、耐化學藥品性的另一方面，比矽或玻璃等材料難加工，而亞μm以下的尺寸的微細加工極為困難。
此外，雖然還有利用使表面穩定的表面覆膜來防止黏著的技術，但在該情況下，表面覆膜大多使用有機材料，在高溫環境下使用的情況下，或者在將膜片與基板之間的空間設為真空的構成中，有機材料無法使用。
如上所述，以往存在如下問題：防止在各種環境下使用的微機械裝置中的黏著這一內容無法容易地實現。
本發明是為了消除如上問題而成，其目的在於做到可更容易地防止在各種環境下使用的微機械裝置中的黏著。
本發明的微機械裝置的製造方法為一種具備可動部，前述可動部藉由支承部而支承在基板上且在可動區域與基板隔開配置，且可在可動區域朝基板方向變位，其特徵在於，包括：第1步驟，在可動區域內相對的基板及可動部中的一方的表面形成第1凸部，前述第1凸部具有與基板或可動部中的另一方的表面相對的平坦的上表面；第2步驟，在第1凸部的上表面形成第1材料膜，該第1材料膜含有構成基板及可動部的材料的成分；第3步驟，加熱並煆燒第1材料膜，藉此使第1材料膜凝集及晶體化，從而在第1凸部的上表面形成複數個第2凸部；第4步驟，在基板或可動部中的另一方的表面的與第1凸部相對的區域內形成第2材料膜，該第2材料膜含有構成基板及可動部的材料的成分；以及第5步驟，加熱並煆燒第2材料膜，藉此使第2材料膜凝集及晶體化，從而在區域內形成大小與第2凸部相同的複數個第3凸部。
在前述微機械裝置的製造方法中，構成基板及可動部的材料為藍寶石或氧化鋁陶瓷，第1材料膜及第2材料膜由非晶氧化鋁構成即可。
在前述微機械裝置的製造方法中，第1材料膜及第2材料膜藉由原子層沉積法、濺鍍法、化學氣相生長法中的任一種而形成即可。此外，第1材料膜及第2材料膜也可藉由溶膠凝膠法而形成。此外，第1材料膜及第2材料膜也可藉由煆燒由金屬烷氧化物、金屬錯合物、金屬有機酸鹽中的任一種構成的塗膜而形成。
此外，本發明的微機械裝置包括：可動部，其藉由支承部支承在基板上，在可動區域內與基板隔開配置，且能夠在可動區域內朝基板方向變位；第1凸部，其形成於在可動區域內相對的基板及可動部中的一方的表面，具有與基板或可動部中的另一方的表面相對的平坦的上表面；複數個第2凸部，形成於第1凸部的上表面；以及複數個第3凸部，形成於基板或可動部中的另一方的表面的與第1凸部相對的區域內，大小與第2凸部相同，並且，第2凸部及第3凸部是藉由將含有構成基板及可動部的材料的成分的材料膜加熱並煆燒來使材料膜凝集及晶體化而形成。
藉由以上所說明的內容，根據本發明，獲得如下優異效果：可更容易地防止在各種環境下使用的微機械裝置中的黏著。
101‧‧‧基板
101a‧‧‧面
102‧‧‧支承部
103‧‧‧可動部
103a‧‧‧面
104‧‧‧第1凸部
104a‧‧‧上表面
105‧‧‧第2凸部
106‧‧‧第3凸部
121‧‧‧可動區域
122‧‧‧區域
圖1A係表示本發明的實施形態中的微機械裝置的構成例的剖面圖。
圖1B係表示本發明的實施形態中的微機械裝置的局部構成例的剖面圖。
圖2A係用以表示說明本發明的實施形態中的微機械裝置的製造方法的、中途步驟的狀態的剖面圖。
圖2B係用以表示說明本發明的實施形態中的微機械裝置的製造方法的、中途步驟的狀態的剖面圖。
圖2C係用以表示說明本發明的實施形態中的微機械裝置的製造方法的、中途步驟的狀態的剖面圖。
圖2D係用以表示說明本發明的實施形態中的微機械裝置的製造方法的、中途步驟的狀態的剖面圖。
圖2E係用以表示說明本發明的實施形態中的微機械裝置的製造方法的、中途步驟的狀態的剖面圖。
圖2F係用以表示說明本發明的實施形態中的微機械裝置的製造方法的、中途步驟的狀態的剖面圖。
圖2G係用以表示說明本發明的實施形態中的微機械裝置的製造方法的、中途步驟的狀態的剖面圖。
圖2H係用以表示說明本發明的實施形態中的微機械裝置的製造方法的、中途步驟的狀態的剖面圖。
圖3A係表示利用原子力顯微鏡對藉由原子層沉積法而形成的非晶氧化鋁的膜進行觀察所得的結果的照片。
圖3B係表示利用原子力顯微鏡對將藉由原子層沉積法而形成的非晶氧化鋁的膜煆燒而晶體化之後的狀態進行觀察所得的結果的照片。
圖3C係表示利用透射電子顯微鏡對塗敷鋁有機金屬化合物的溶液並進行煆燒而製作的非晶氧化鋁膜晶體化之後的狀態的截面進行觀察所得的結果的照片。
圖4A係表示壓力傳感器的局部構成的截面立體圖。
圖4B係表示壓力傳感器的局部構成的截面立體圖。
圖4C係表示壓力傳感器的局部構成的截面立體圖。
下面，參考圖1A、圖1B，對本發明的實施形態進行說明。 圖1A為表示本發明的實施形態中的微機械裝置的構成例的剖面圖。此外，圖1B為表示本發明的實施形態中的微機械裝置的局部構成例的剖面圖。圖1B是對圖1A的一部分進行放大表示。
該微機械裝置包括可動部103，前述可動部103藉由支承部102支承在基板101上，在可動區域121內與基板101隔開配置，且能夠在可動區域121內朝基板101方向變位。可動部103藉由可動區域121周圍的固定部而固定在支承部102上。例如，支承部102一體形成於基板101上。再者，也可在可動部103那一側與可動部103一體形成有支承部102。
該微機械裝置例如是可動部103為膜片的壓力傳感器。例如，基板101及可動部103由藍寶石構成，並且，雖未圖示，但在可動部103及基板101間的空隙處的相對的各個面上形成有電極。受壓的可動部103朝基板101方向變位，由此，各電極的間隔發生變化，從而使得電容發生變化。藉由該電容變化來測定可動部103所受到的壓力。若將電極形成區域設為真空，則可用作能夠測定絕對壓力的壓力傳感器。
關於設為前述那樣的構成的微機械裝置，在實施形態中，首先包括第1凸部104，前述第1凸部104形成於在可動區域121內相對的基板101的面101a上，具有與可動部103的面103a相對的平坦的上表面104a。第1凸部104例如為設為俯視時圓形的柱子，直徑設為1~數十μm。此外，在該例中，包括複數個第1凸部104，相鄰的第1凸部104的間隔例如設為0.5mm左右。
此外，該微機械裝置包括：複數個第2凸部105，它們形成於第1凸部104的上表面104a；以及複數個第3凸部106，它們形成於可動 部103的面103a的與第1凸部104相對的區域122內，大小與第2凸部105相同。直徑1~數十μm的圓形區域內所形成的複數個第2凸部105在俯視時的直徑以及剖面的高度為數nm~數百nm的大小即可。藉由複數個第2凸部105，第1凸部104的上表面104a形成有數nm~數百nm的表面粗糙度的表面凹凸。
與第2凸部105一樣，直徑1~數十μm的圓形區域內所形成的複數個第3凸部106在俯視時的直徑以及剖面的高度也為數nm~數百nm的大小即可。藉由複數個第3凸部106，可動部103的面103a的區域122形成有數nm~數百nm的表面粗糙度的表面凹凸。
前述實施形態中的第2凸部105及第3凸部106是藉由將含有構成基板101及可動部103的材料的成分的材料膜加熱並煆燒來使材料膜凝集及晶體化而形成的。根據包括如此形成的第2凸部105及第3凸部106的實施形態，不藉由微細加工而形成有亞μm以下的尺寸的微小凹凸，從而可更容易地防止在各種環境下使用的微機械裝置中的黏著。
另外，為了測量等動作，在基板101與可動部103之間施加有電壓，我們知道，該外加電壓會引起吸附現象的發生而成為問題。雖然局部的表面粗糙度為數nm~數百nm的表面凹凸可抑制黏著，但在該表面粗糙度下，高度最多也只有數nm~數百nm左右，無法防止前述吸附現象。相對於此，藉由配備高度為數μm的第1凸部104，可抑制前述吸附現象。
下面，使用圖2A~圖2H，對本發明的實施形態中的微機械裝置的製造方法進行說明。圖2A~圖2H為用以說明本發明的實施形態中的微機械裝置的製造方法的、表示中途步驟的狀態的剖面圖。
首先，如圖2A所示，於在可動區域121內相對的基板101的面101a上形成具有平坦的上表面104a的第1凸部104(第1步驟)。上表面104a形成為在組裝後的狀態下與可動部103的面103a相對的狀態。例如，藉由利用公知的光刻技術及蝕刻技術將基板101的面101a圖案化來形成第1凸部104即可。在為μm級別的圖案的第1凸部104的形成中，在光刻步驟中不需要縮小投影曝光裝置或電子束描繪裝置等昂貴的裝置、系統，使用等倍曝光裝置即可，不會導致成本上升。
接著，如圖2B所示，在包括第1凸部104的上表面104a的面101a的整個區域內形成含有構成基板101及可動部103的材料的成分的第1材料膜201。例如，第1材料膜201由非晶氧化鋁(具有α相以外的晶相的氧化鋁)構成。例如，第1材料膜201藉由原子層沉積法、濺鍍法、化學氣相生長法中的任一種而形成即可。此外，第1材料膜201也可藉由使用含有鋁離子的溶膠的溶膠凝膠法來形成。此外，第1材料膜201也可藉由對由含有鋁原子的金屬烷氧化物、金屬錯合物、金屬有機酸鹽中的任一種構成的塗膜進行煆燒而形成。
然後，藉由公知的光刻技術及蝕刻技術將第1材料膜201圖案化，如圖2C所示，設為僅在第1凸部104的上表面104a形成有第1材料膜202的狀態(第2步驟)。在該圖案化中，圖案尺寸也為μm級別，在光刻步驟中使用等倍曝光裝置即可，不會導致成本上升。此外，非晶氧化鋁與晶體狀態的氧化鋁相比耐化學藥品性較低，可進行使用酸或堿等的顯影處理，圖案化較為容易。
藉由加熱並煆燒第1材料膜202來使第1材料膜202凝集及 晶體化，如圖2D所示，在第1凸部104的上表面104a形成複數個第2凸部105(第3步驟)。
接著，準備成為可動部103的材料基板203，並像圖2E所示那樣在材料基板203的表面形成含有構成基板101及可動部103的材料的成分的第2材料膜204。例如，第2材料膜204由非晶氧化鋁(具有α相以外的晶相的氧化鋁)構成。例如，第2材料膜204藉由原子層沉積法、濺鍍法、化學氣相生長法中的任一種而形成即可。此外，第2材料膜204也可藉由使用含有鋁離子的溶膠的溶膠凝膠法來形成。此外，第2材料膜204也可藉由對由含有鋁原子的金屬烷氧化物、金屬錯合物、金屬有機酸鹽中的任一種構成的塗膜進行煆燒而形成。
接著，藉由公知的光刻技術及蝕刻技術將第2材料膜204圖案化，如圖2F所示，設為在規定區域內形成有第2材料膜205的狀態(第4步驟)。第2材料膜205形成於在組裝後的狀態下與第1凸部104相對的區域122內。在該圖案化中，圖案尺寸也為μm級別，在光刻步驟中使用等倍曝光裝置即可，不會導致成本上升。此外，非晶氧化鋁與晶體狀態的氧化鋁相比耐化學藥品性較低，可進行使用酸或鹼等的顯影處理，圖案化較為容易。
接著，藉由加熱並煆燒第2材料膜205來使第2材料膜205凝集及晶體化，如圖2G所示，在區域122內形成大小與第2凸部105相同的複數個第3凸部106(第5步驟)。接著，將材料基板203薄層化，如圖2H所示，設為在可動部103的面103a的與第1凸部104相對的區域122內形成有複數個第3凸部106的狀態。關於薄層化，例如，在壓力傳感器的情 況下，以對應於要測量的壓力而產生適當量的彎曲的方式酌情實施薄層化即可。其後，形成規定的電極，並將可動部103與基板101貼合，由此，實施形態中的微機械裝置完成。
此處，將利用原子力顯微鏡(AFM)對藉由原子層沉積法而形成的非晶氧化鋁的膜以及將該非晶質氧化鋁的膜煆燒而晶體化之後的狀態兩者進行觀察所得的結果示於圖3A、圖3B。如圖3A所示，非晶氧化鋁膜的表面形成得較為平坦。相對於此，如圖3B所示，在煆燒之後，微細的晶體成長起來而形成了凹凸。表面粗糙度(Rz)從0.9nm變為10倍的9.2nm。
此外，將利用透射電子顯微鏡對塗敷有機金屬化合物的溶液並進行煆燒而製作的非晶氧化鋁膜晶體化之後的狀態進行觀察所得的結果示於圖3C。圖3C為表示利用透射電子顯微鏡對晶體化之後的狀態的截面進行觀察所得的結果的照片。如圖3C所示，形成有約20nm的凹凸。
再者，上述中，是將第1凸部104形成於基板101那一側，但並不限於此，也可形成於可動部103那一側。第1凸部104形成於在可動區域121內相對的基板101及可動部103中的一方的表面即可。此外，第1凸部104具有與基板101或可動部103中的另一方的表面相對的平坦的上表面104a，且在該上表面104a形成有複數個第2凸部105即可。此外，第3凸部形成於基板101或可動部103中的另一方的表面的與第1凸部104相對的區域內即可。
如以上所說明，由於是藉由將含有構成微機械裝置的基板及可動部的構成材料的成分的材料膜加熱並煆燒來使材料膜凝集及晶體化而形成微小的突起部，因此微小的突起的形成較為容易，從而可更容易地防 止在各種環境下使用的微機械裝置中的黏著。
例如，使用微細膜片的靜電電容式隔膜真空計被安裝在製造裝置上，進而，該製造裝置被設置在生產現場而成為運轉狀態。在安裝至製造裝置的階段、裝置的維護中等，前述真空計會暴露在大氣中，從真空計的使用來看，是配置在異常的高壓下，為容易發生黏著的狀態。例如，若在維護中發生黏著且不復原，則無法利用真空計實施正常的測定，導致對製造工藝產生不良影響。相對于此，根據本發明，由於不易發生黏著而且為容易從黏著復原的狀態，因此可抑制前述那樣的問題的產生。
再者，本發明並不限定於以上所說明的實施形態，顯然，可由在該領域內具有通常的知識的人員在本發明的技術思想內實施大量變形及組合。
101‧‧‧基板
101a‧‧‧面
103‧‧‧可動部
103a‧‧‧面
104‧‧‧第1凸部
104a‧‧‧上表面
105‧‧‧第2凸部
106‧‧‧第3凸部
122‧‧‧區域

Claims (6)

  1. 一種微機械裝置的製造方法，具備可動部，該可動部藉由支承部而支承於基板上且在可動區域與前述基板隔開配置，且可在前述可動區域朝前述基板方向變位，其特徵在於，包括：第1步驟，在前述可動區域內相對的前述基板及前述可動部中的其中一方的表面形成第1凸部，前述第1凸部具有與前述基板或前述可動部中的另一方的表面相對的平坦的上表面；第2步驟，在前述第1凸部的前述上表面形成第1材料膜，該第1材料膜含有構成前述基板及前述可動部的材料的成分；第3步驟，加熱並煆燒前述第1材料膜，藉此使前述第1材料膜凝集及晶體化，從而在前述第1凸部的前述上表面形成複數個第2凸部；第4步驟，在前述基板或前述可動部中的另一方的表面的與前述第1凸部相對的區域內形成第2材料膜，該第2材料膜含有構成前述基板及前述可動部的材料的成分；以及第5步驟，加熱並煆燒前述第2材料膜，藉此使前述第2材料膜凝集及晶體化，從而在前述區域內形成大小與前述第2凸部相同的複數個第3凸部。
  2. 如申請專利範圍第1項之微機械裝置的製造方法，其中，構成前述基板及前述可動部的材料為藍寶石或氧化鋁陶瓷，前述第1材料膜及前述第2材料膜由非晶氧化鋁構成。
  3. 如申請專利範圍第2項之微機械裝置的製造方法，其中，前述第1材料膜及前述第2材料膜是藉由原子層沉積法、濺鍍法、化 學氣相生長法中的任一種而形成。
  4. 如申請專利範圍第2項之微機械裝置的製造方法，其中，前述第1材料膜及前述第2材料膜是藉由溶膠凝膠法而形成。
  5. 如申請專利範圍第2項之微機械裝置的製造方法，其中，前述第1材料膜及前述第2材料膜是藉由煆燒由金屬烷氧化物、金屬錯合物、金屬有機酸鹽中的任一種構成的塗膜而形成。
  6. 一種微機械裝置，其特徵在於，包括：可動部，藉由支承部而支承在基板上且在可動區域與前述基板隔開配置，且可在前述可動區域朝前述基板方向變位；第1凸部，其形成於在前述可動區域內相對的前述基板及前述可動部中的其中一方的表面，具有與前述基板或前述可動部中的另一方的表面相對的平坦的上表面；複數個第2凸部，形成於前述第1凸部的前述上表面；以及複數個第3凸部，形成於前述基板或前述可動部中的另一方的表面的與前述第1凸部相對的區域內，大小與前述第2凸部相同，前述第2凸部及前述第3凸部是藉由將含有構成前述基板及前述可動部的材料的成分的材料膜加熱並煆燒來使前述材料膜凝集及晶體化而形成。
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