WO2001053194A1

WO2001053194A1 - Microdevice and its production method

Info

Publication number: WO2001053194A1
Application number: PCT/JP2000/000222
Authority: WO
Inventors: Yukihisa Yoshida; Martial Chabloz; Jiwei Jiao; Tsukasa Matsuura; Kazuhiko Tsutsumi
Original assignee: Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha
Priority date: 2000-01-19
Filing date: 2000-01-19
Publication date: 2001-07-26
Also published as: EP1203748B1; US6528724B1; EP1203748A4; DE60034791D1; KR20020003213A; DE60034791T2; EP1203748A1; KR100450804B1

Description

明細書マイクロデバイスとその製造方法

技術分野

本発明は、慣性力センサや光スィツチ等に用いられるマイクロデバイスであつて、絶縁体基板と、その絶縁体基板上に形成されたシリコンの梁状構造体とからなるマイクロデバイス及びその製造方法に関する。背景技術

近年、誘導結合型プラズマ（ICP) を活性源とする反応性イオンエッチング技術（以下、 ICP- RIE法という。）により、シリコンを 1 0 0 // m以上深堀りすることが可能となった。本手法は、マイクロマシ一二ングによるデバイス開発の分野で、高ァスぺクト比のシリコンの構造体を十分速いエッチング速度で作製する新しい手法として注目されている。従来、シリコン基板の深堀エッチングの方法としては、アルカリ溶液を用いたウエット法が主流であった。ウエット法においては、エッチング方向がシリコンの結晶方位に依存するので、所望の構造体を作製するのは困難であった。しかし、 ICP- RIEはドライ法であるので、エッチング異方性がない。したがって、 ICP- RIE法は、ウエット法に比べ、構造体形状の設計自由度を格段に増加させるという利点を有している。

しかしながら、写真製版などによりマスク層を所望のパターンに形成したシリコン基板をドライエツチングによつて加工する場合、エツチングされる面積（開口面積）の広レ、ところでは狭し、ところよりもエツチング速度が速くなるという現象が生じる。この現象はマイクロローデイング効果と呼ばれ、半導体プロセスでは良く知られた現象である。この現象は、本発明が対象とするマイクロデバイス、すなわち、絶縁体基板とその絶縁体基板上に形成されたシリコンの梁状構造体とからなるマイクロデバイスに対し、以下に述べる悪影響を与える。

従来のマイク口デバイス 1 0 0の基本的な構造の一例として慣性力センサの構造が、図 1 5と図 1 6に示される。図 1 5は模式的な平面図であり、図 1 6は図 1 5の X VI— X VI' 線における断面図である。慣性力センサ 1 0 0は、表面に凹部 1 0 2を有する絶縁体基板 1 0 1と、絶縁体基板 1 0 1の表面に凹部を挟むように接合されたシリコンの梁状構造体 1 0 4とからなる。さらに、梁状構造体 1 0 4は、 2つの電極部 1 0 5 , 1 0 5からなる。そして、各電極部 1 0 5は、支持部 1 0 6と複数の片持ち梁 1 0 7とからなる。片持ち梁 1 0 7は、互いに微小隙間を介して対向するように配設されている。

図 1 7は、図 1 5の慣性力センサの従来の製造工程を示す模式断面図である。同様な作製方法は、例えば、以下の文献に記載されている。

Z. Xiao et al. , Proc. of Transducers ' 99, pp. 1518-1521, S. Kobayashi et al. , Proc. of Transducers ' 99， pp. 910—913.

工程 (a)ではシリコン基板 1 0 3、工程 (b)ではガラス基板 1 0 1が用意される。工程（c )では、写真製版によりマスク層 1 0 8がガラス基板 1 0 1の表面に形成され、続いて、工程（d ) で、ガラス基板 1 0 1の表面がフッ酸の希釈液などで数/ m〜数十/ / m程度エッチングされて凹部 1 0 2が形成される。工程（e )では、ガラス基板 1 0 1の表面にシリコン基板 1 0 3が陽極接合法により接合される。工程（ f )では、シリコン基板 1 0 3の表面に、図 1 5の梁状構造体 1 0 4の平面図の形状に応じたマスク層 1 0 9が写真製版により形成される。工程（g )では、 ICP - RIE法によりシリコン基板 1 0 3がエッチングされて貫通され、片持ち梁 1 0 7が形成される。その後、シリコン基板の表面に残るレジストは除去される。ここで工程（g )には問題がある。工程（f )のマスク層 1 0 9は、一般に開口幅の広い開口部と狭い開口部とを有している。したがって、マスク層 1 0 9を有するシリコン基板 1 0 3を ICP-RIE法などのドライエツチングによりエツチングする場合、マイクロローディング効果により開口幅の広い開口部のシリコン基板が開口幅の狭い開口部のシリコン基板より速くエッチングされる。よって、シリコン基板 1 0 3の中で、開口幅の広い開口部は、開口幅の狭い開口部に比べて早く貫通される。この時、シリコン基板 1 0 3の早く貫通された部分から、ガラス基板 1 0 1の凹部 1 0 2とシリコン基板 1 0 3の裏面との間にェツチングガスが侵入する。この侵入したエッチングガスは、最も狭い開口幅の開口部が完全に貫通されるまでシリコン基板 1 0 3の裏面を浸食するので、結果として、支持部 1 0 6の側壁や片持ち梁 1 0 7の底面や側壁が浸食される。その結果、梁状構造体 1 0 4の寸法に設計値からの大きなズレが生じ、デバイスとして目的とする特性が得られなくなる。

設計にぉレ、て、開口幅を極力同じにすることでマイクロ口一ディング効果に起因する支持部や片持ち梁部の浸食を抑制できる。しカゝし、この方法はデバイス構造の設計自由度を著しく低下させる。また、設計において、開口幅を同じにしても、実際の加工では、上記の支持部や片持ち梁部の浸食を完全に抑制するのは困難である。なぜなら、貫通を確実にするために若干オーバーエッチングするのが常套だからである。

そこで、本発明の目的は、マイクロローデイング効果に起因するシリコンの支持部や片持ち梁の浸食を抑制して、デバイス構造の設計自由度を有し、つ、高精度のシリコンの梁状構造体を有するマイクロデバイス及びその製造方法を提供することである。発明の開示

本発明者らは、上記課題を解決すべく、鋭意研究を重ねた結果、絶縁性基板の少なくとも片持ち梁の直下の凹部表面に形成され、支持部と導通した導電性膜を有するマイクロデバイスが上記課題を解決できることを見出して、本発明を完成させたものである。

すなわち、本発明のマイクロデバイスは、表面に凹部を有する絶縁体基板と、該絶縁体基板の表面側に凹部を挟むように形成されたシリコンの梁状構造体とからなり、該梁状構造体が、少なくとも 1つの機能部からなり、該機能部が、絶縁体基板に接合された支持部と該支持部と一体形成され凹部上に張出した少なくとも 1つの片持ち梁とを有するマイクロデバイスにおいて、支持部と電気的に導通し、少なくとも、片持ち梁の直下の凹部表面に形成された導電性膜を有することを特徴とする。

本発明のマイクロデバイスは、以下のような作用を有する。

シリコンの支持部や片持ち梁が浸食される原因は、前述のように、ドライエッチングの際に、先に貫通した部分からシリコン基板の裏面と絶縁基板の凹部との間隙にエッチングガスが侵入することである。そもそも、ドライエッチングによるシリコン基板のェツチング機構は、正電荷をもつ活性化ィオンがシリコン基板直上に形成された負バイアスで加速され、十分なエネルギーをもってシリコン基板に衝突することである。 ICP- RIE法の場合、活性化されたエッチングガスは、通常、フッ化硫黄イオン（SFx⁺) である。これはシリコンと反応することでフッ化シリコン（SiFx) となり、外部に放出される。またシリコン基板直上の負バイァスは、シリコン基板が設置される陰極を兼ねる基板ホルダーに高周波を印加することで形成される。

したがって、シリコン基板の裏面が浸食される原因は、シリコン基板の裏面と絶縁性基板の凹部との間隙に侵入した SFx+が絶縁性基板面で反跳され、シリコン基板の裏面に衝突するためと考えられる。ここで、絶縁性基板面で生じる SFx⁺の反跳には、運動論的な散乱以外に、電気的斥力によるものが考えられる。電気的斥力について、図 1 3と図 1 4を用いて、以下に説明する。

図 1 3は、凹部を有する絶縁性基板 4 1の表面に、凹部 4 2を挟むように接合されたシリコン基板 4 5を示す模式断面図であり、シリコン基板 4 5がドライエツチングされている状態を示している。シリコン基板 4 5の表面には機能部形成用のマスク層 5 0が形成されている。シリコン基板 4 5はドライエッチングされて、支持部 4 6と複数の片持ち梁 4 7とになる。

ドライエッチング時には、幾度となく衝突するエッチングガス、例えば、 SFx⁺ 5 1により、絶縁性基板 4 1の凹部 4 2の表面が正電荷 5 2に帯電する。正に帯電した凹部 4 2の表面は、次に飛来してくる SFx⁺ 5 1を斥ける。斥力を受けた SFx⁺ 5 1は、凹部 4 2に到達する前にその運動方向を変えられシリコン基板 4 5 の裏面をたたく。また、本来絶縁性基板 4 1に対し垂直に入射するはずの SF_X ⁺ 5 1力表面が正に帯電した凹部 4 2によりその軌道を曲げられ、支持部 4 6の側壁に衝突することも考えられる。

したがって、シリコン基板 4 5の裏面あるいは支持部 4 6の浸食を抑制するには、絶縁性基板 4 1の凹部 4 2の表面が正に帯電することを防止することが有効な手段である。

本発明においては、図 1 4に示すように、絶縁性基板 4 1の凹部 4 2の表面に導電性膜 4 3が形成され、これを支持部 4 6と導通させることにより、絶縁性基板 4 1の凹部 4 2の表面が正に帯電することを防止できる。すなわち、エツチングガスは、導電性膜 4 3に衝突するとその電荷は支持部 4 6を通って漏洩して不活性化する。また、ドライエッチング時にはシリコン基板 4 5は基板ホルダーと同電位であり、負の電位に保持されているので、エッチングガスは、導電性膜 4 3に衝突するとその電荷が中和され不活性化が促進される。

また、本発明に用いる導電性膜は、少なくとも片持ち梁の直下の凹部表面に形成されていれば良レ、が、凹部の表面の全面に形成された導電性膜を用いることが好ましい。凹部の表面の全面の帯電を防止できるので、シリコン基板の裏面の浸食をより抑制できる。

本発明の ' 性力センサは、表面に凹部を有する絶縁体基板と、該絶縁体基板の表面側に凹部を挟むように形成されたシリコンの梁状構造体とからなり、該梁状構造体が、可動電極部と固定電極部とからなり、可動及び固定電極部が、それぞれ、絶縁体基板に接合された支持部と、該支持部と一体形成され凹部上に張出した複数の片持ち梁の電極からなる櫛状電極部とを有し、可動及び固定電極部の片持ち梁が互いに微小隙間を介して対向するように配設されて成る慣性力センサにおいて、支持部と電気的に導通し、少なくとも、片持ち梁の直下の凹部表面に形成された導電性膜を有することを特徴とする。

本発明の'慣性力センサは、支持部と電気的に導通し、少なくとも、片持ち梁の直下の凹部表面に形成された帯電防止用の導電性膜を有している。よって、片持ち梁をドライエッチングにより形成する場合、正電荷を有するエッチングガスが導電性膜に衝突し電荷が漏洩及び電荷が中和され不活性になるので、支持部ゃ片持ち梁が浸食されない。したがって、可動電極と固定電極の櫛状電極部を構成する片持ち梁の隙間の距離がバラックことがないので、感度低下や特性のバラツキの抑制された慣性カセンサを提供できる。

また、本発明のマイクロデバイスは、表面に凹部を有する絶縁体基板と、該絶縁体基板の表面側に凹部を挟むように形成されたシリコンの梁状構造体と、該梁状構造体上に固定され所定間隔で配置された複数の光ファイバ一を保持する光フ；ーホルダーと、絶縁体基板の裏面と梁状構造体上とに対向するように固定された電磁吸着手段とからなり、梁状構造体が開口部を有する支持部と該支持部と一体形成された片持ち梁とからなり、支持部は絶縁体基板に接合され開口部の内壁の一端に固定ミラーを有し、片持ち梁は開口部の内壁の他端から前方に張り出すように形成され、片持ち梁の先端部には可動ミラ一が固定ミラーと対向するように表面に立設される一方、片持ち梁の裏面には電磁吸着手段に反応する磁性膜が形成され、電磁吸着手段が磁性膜を介して片持ち梁の先端部の裏面を絶縁性基板の凹部に吸着させ、光ファイバ一からの光を反射させる反射ミラーを可動ミラーから固定ミラ一に切替えて、光路を切替える光スィツチにも用いることがでさる。

上記光スィッチは、支持部と電気的に導通し、少なくとも、片持ち梁の直下となる凹部表面に形成された帯電防止用の導電性膜を有している。よって、シリコン基板から片持ち梁を反応性エッチングにより形成する場合、正電荷を有するェツチングガスが導電性膜に衝突し電荷が漏洩及び電荷が中和され不活性になるので、エッチングガスが片持ち梁の裏面を浸食することがない。したがって、形状精度の高い片持ち梁を有するので、光路切替に対する応答性悪化や特性のバラッキの抑制された光スィツチを提供できる。

本発明のマイクロデバイスの製造方法は、表面に凹部を有する絶縁体基板と、該絶縁体基板の表面側に凹部を挟むように形成されたシリコンの梁状構造体とからなり、該梁状構造体が、少なくとも 1つの機能部からなり、該機能部が絶縁体基板に接合された支持部と該支持部と一体形成され凹部上に張出した少なくとも 1つの片持ち梁を有するマイクロデバイスの製造方法において、少なくとも、絶縁性基板の少なくとも片持ち梁の直下に位置する凹部の表面に導電性膜を形成するとともに、該導電性膜を凹部の周囲の表面に延出させて支持部との導通部を形成する工程と、シリコン基板の表面に支持部の形状に応じて第 1のマスク層を形成する工程と、第 1のマスク層を形成したシリコン基板の表面をエッチングして支持部を形成する工程と、支持部を有するシリコン基板と導電性膜を有する絶縁性基板とを、表面同士が対向するように接合する工程と、接合されたシリコン基板の裏面に片持ち梁の形状に応じて第 2のマスク層を形成する工程と、第 2のマスク層を形成したシリコン基板の裏面をドライエッチングによりシリコン基板を貫通するようにエッチングし、凹部上に張出した所望パターンの片持ち梁を形成する工程を含むことを特徴とする。

本発明の製造方法においては、絶縁性基板の凹部の表面に帯電防止用の導電性膜を形成する。その際、導電性膜の一部を凹部の周囲の表面に延出させて、支持部との導通部を形成する。導電性膜を支持部と電気的に導通させることにより、導電性膜の電位が支持部と電気的に接続する基板ホルダーと同電位に維持され、負バイアスを受けている。したがって、第 2のマスク層を形成したシリコン基板の裏面をドライエッチングによりシリコン基板を貫通するようにエッチングする場合に、正の電荷を有するエッチングガスは、導電性膜に衝突して電荷が漏洩及び電荷が中和され不活性となるので、シリコン基板の裏面が浸食されることがなレ、。結果として、支持部の側壁や片持ち梁の底面及び側壁が浸食されることがないので、マスク層の開口幅を極力同じとなるように設計する必要がない。したがつて、本発明の製造方法は、高精度のシリコンの梁状構造体を有し、設計自由度の大きいマイクロデバイスの製造方法を提供できる。

また、片持ち梁を形成するのに用いるドライエッチングには、 ICP- RIE法を用いることが好ましい。高ァスぺクト比のシリコンの梁状構造体をより短時間で形成することができる。図面の簡単な説明

図 1は、本発明の実施の形態 1に係る加速度センサの全体構造を示す模式的な分解斜視図である。

図 2は、本発明の実施の形態 1に係る加速度センサの構造を示す図であり、梁状構造体を抽出した平面図である。

図 3は、本発明の実施の形態 1に係る加速度センサの構造を示す図であり、下ガラス基板と導電性膜を抽出した平面図である。

図 4は、本発明の実施の形態 1に係る加速度センサの構造を示す図であり、図 2の IV— IV' 線断面図である。

図 5は、本発明の実施の形態 2に係る光スィツチの全体構造を示す模式的な分解斜視図である。図 6は、本発明の実施の形態 2に係る光スィツチの構造を示す図であり、図 5 の VI— VI，線断面図である。

図 7は、本発明の製造方法に係る実施の形態 3を示す図であり、実施の形態 1 に係る加速度センサの製造工程を示す模式断面図（その 1 ) である。

図 8は、実施の形態 1に係る加速度センサの製造工程を示す模式断面図（その

2 ) である。

図 9は、本発明に係るマイクロデバィスの製造方法の実施例における絶縁性基板に接合された梁状構造体の構造を示す図であり、（a ) は ICP-RIE法によるェッチング後の構造を示す模式断面図、（ b ) はエツチング後の耐衝撃用ストツバ —の構造を示す拡大した斜視図、そして（c ) はエッチング後の片持ち梁の構造を示す拡大した斜視図である。

図 1 0は、比較例 1における絶縁性基板に接合された梁状構造体の構造を示す図であり、（a ) は ICP-RIE法によるエッチング後の構造を示す模式断面図、 ( b ) はェツチング後の耐衝撃用ストッパーの構造を示す拡大した斜視図、そして（c ) はエッチング後の片持ち梁の構造を示す拡大した斜視図である。

図 1 1は、比較例 2における絶縁性基板に接合された梁状構造体の構造を示す図であり、（a ) は ICP-RIE法によるエッチング後の構造を示す模式断面図、

( b ) はヱツチング後の耐衝撃用ストッパーの構造を示す拡大した斜視図、そして（c ) はエッチング後の片持ち梁の構造を示す拡大した斜視図である。

図 1 2は、比較例 3における絶縁性基板に接合された梁状構造体の構造を示す図であり、（a ) は ICP-RIE法によるエッチング後の構造を示す模式断面図、

( b ) はエッチング後の耐衝撃用ストッパーの構造を示す拡大した斜視図、そして（c ) はエッチング後の片持ち梁の構造を示す拡大した斜視図である

図 1 3は、本発明の作用原理を示す図（その 1 ) である。

図 1 4は、本発明の作用原理を示す図（その 2 ) である。

図 1 5は、従来のマイクロデバイスの構造を示す図であり、基本的な構造の梁状構造体を抽出した平面図である。

図 1 6は、従来のマイクロデバイスの構造を示す図であり、図 1 5の X VI— X VI ' 線断面図である。図 1 7は、図 1 5のマイクロデバイスの製造工程を示す模式的な断面図である _c 発明を実施するための最良の形態

実施の形態 1 .

本発明のマイクロデバイスの一例として、加速度センサへの応用例について述ベる。図 1は加速度センサの分解斜視図、図 2はシリコンの梁状構造体を抽出した加速度センサの平面図、図 3は下ガラス基板と導電性膜とを抽出した加速度センサの平面図、そして、図 4は IV- IV' 線での加速度センサの断面図である。

図 1の斜視図に示すように、加速度センサ 1は、シリコンの梁状構造体 2 1と、表面に凹部 3を有する下ガラス基板 2と、表面に凹部 7を有する上ガラス基板 6 とからなる。そして、加速度センサ 1は、凹部 3と凹部 7とが対向するように梁状構造体 2 1が下ガラス基板 2と上ガラス基板 6とで挟むように接合された構造を有し、センサ内部は気密封止されている。ここで、上ガラス基板 6は基板を貫通する外部回路接続用の電極取出し部 9， 1 0を有し、その電極取出し部 9 , 1 0 は梁状構造体 2 1と接触し、電気的に導通している。

図 1に示すように、梁状構造体 2 1は、可動電極部 2 2と固定電極 2 3， 2 3 の 2つの機能部と、封止部 2 4からなる。さらに、図 2に示すように、可動電極部 2 2は、凹部 3上に張出した複数の片持ち梁 2 6と基部 2 7とからなる櫛状電極部 2 5と、櫛状電極部 2 5の左右に設けら状電極部 2 5の上下方向の変位を規制する耐衝撃用ストッパー 2 8 , 2 8と、耐衝撃用ストッパー 2 8 , 2 8と連接され櫛状電極部 2 5と耐衝撃用ストッパー 2 8 , 2 8とを宙支する 2本の梁部 2 9 , 2 9と、そして、梁部 2 9， 2 9を支持し下ガラス基板 2に接合された支持部 3 0， 3 0とからなる。ここで、耐衝撃用ストッパー 2 8は、強い衝撃に対する梁部 2 9 , 2 9や櫛状電極部 2 5の破損を防止する効果も有する。そして、可動電極部 2 2は、一体形成されている。

一方、固定電極部 2 3， 2 3は、それぞれ、凹部 3上に張出して可動電極部 2 2の櫛状電極部 2 5の複数の片持ち梁 2 6と微小隙間を介して対向するように配設された複数の片持ち梁 3 1 Aからなる櫛状電極部 3 1と、櫛状電極部 3 1を支持し下ガラス基板 2に接合された支持部 3 2とからなる。そして、固定電極 2 3， 2 3は、それぞれ、一体形成されている。

図 3に示すように、導電性膜 4は下ガラス基板 2の凹部 3の全面に形成されてレ、る。導電性膜 4の一部は、凹部 3の周囲の表面に延出し、可動電極 2 2の支持部 2 3との電気的な導通を確保する導通部 5を構成している。図 1に示すように、支持部 2 3は導通部 5の直上に接合されている。

本実施の形態では、導通部 5を可動電極 2 2の支持部 2 3の直下となるように形成した例を示したが、固定電極 2 3の支持部 3 2の直下に形成しても同様の効果を有する。

なお、図 4に示すように、上ガラス基板 6の凹部 7には金属膜 8が形成されてレ、る。金属膜 8は、シリコンの梁状構造体 2 1と上ガラス基板 6とを陽極接合する際に、既に形成されている可動電極部 2 2が上ガラス基板 6に付着する（スティッキング）のを防止する。

ここで、本発明の加速度センサ 1は、シリコンの梁状構造体 2 1の面内にあつて、紙面の水平方向の加速度を検出する。複数の片持ち梁で構成された櫛状電極部 2 5 , 3 1は、限られたセンサ面積内で、静電容量変化に比例する電極の対向面積を極力大きくすることに寄与する。

支持部 2 3と導通した帯電防止用の導電性膜 4は、櫛状電極部 2 5， 3 1を ICP- RIE法で形成する場合、凹部の表面が正に帯電するのを防止する。すなわち、正の電荷を有するエッチングガスは、ドライエッチング時において、導電性膜 4 に衝突して正電荷が支持部 2 3を介して漏洩し、かつ、支持部 2 3の負電位により電荷が中和されて不活性化する。よって、正の電荷を有するエッチングガスが凹部 3の電気的斥力を受けて、シリコン基板の裏面をたたくことがないので、櫛状電極部 2 5 , 3 1ゃ耐衝撃用ストッパー 2 8 , 2 8、そして支持部 3 0， 3 2の側壁が浸食されることがない。したがって、本発明の加速度センサは、櫛状電極部の複数の片持ち梁の隙間が高精度に形成され、かつ、可動電極部や固定電極部の重量が所望の値に制御可能であるので、センサの感度低下やセンサ毎の特性の導電性膜を構成する導電性材料には、クロム、アルミニウム、ニッケル、タンタル、白金、ニッケル、金等の蒸着可能な金属を用いることができる。ガラス基板に対する密着性に優れたクロムが好ましい。また、導電性膜の厚さは、 1 0 η m〜l i m、好ましくは 2 0 0 η π！〜 5 0 0 n mである。 1 O n mより薄いと反応性ェツチング時の耐久性が十分でなく、 1 / mを超えると膜の形成に長時間を要するからである。

絶縁性基板には、所望形状に加工可能であればいずれの絶縁体も用いることができる力ガラス基板が好ましい。

実施の形態 2 .

本発明のマイクロデバイスの一例として、光スィッチへの応用例について述べる。図 5は光スィッチ 6 0の構造を模式的に示す分解斜視図、そして、図 6は VI -VI' 線での光スィッチ 6 0の断面図である。本発明に係る光スィッチ 6 0は、図 5に示すように、表面に凹部 6 2を有する絶縁性基板 6 1 と、絶縁性基板 6 1 の表面側に凹部 6 2を挟むように接合されたシリコンの梁状構造体 6 5と、梁状構造体 6 5上に固定され所定間隔で配置された複数の光ファイバ一 7 3を保持する光フアイバ一ホルダー 7 2と、絶縁性基板 6 1の裏面と梁状構造体 6 5上とに対向するように固定された図示しない電磁吸着手段 7 5とからなる。

開口部 6 7を有する支持部 6 6と片持ち梁 6 8とからなる梁状構造体 6 5が機能部を構成している。さらに、梁状構造体 6 5は、開口部 6 7の内壁の一端に固定ミラ一7 2を有し、片持ち梁 6 8は開口部 6 7の内壁の他端から前方に張り出すように形成され、片持ち梁 6 8の先端部 6 9には可動ミラー 7 1が固定ミラー 7 2と対向するように表面に立設され、片持ち梁 6 8の先端部 6 9の裏面には電磁吸着手段 7 5に反応して引き寄せられる磁性膜 7 0が形成されている。また、絶縁性基板の凹部 6 2には、少なくとも片持ち梁 6 8の直下となる表面に導電性膜 6 3が形成され、さらに、凹部 6 2の周囲の表面に延出した導電性膜の一部はシリコン基板 6 5の支持部 6 6と導通する導通部 6 4を形成している。また、電磁吸着手段 7 5は、上部支持基板 8 0上に固定された第 1の永久磁石 7 6と、絶縁性基板 6 1の裏面に片持ち梁 6 8を挟むように対向して固定された第 2の永久磁石 7 7と、永久磁石 7 7を囲むように固定され、卷回されたコイル 7 8を有する電磁石 7 9とからなる。

電磁石 7 9に電流を流さない状態では、片持ち梁 6 8は絶縁性基板 6 1から所定距離離間し先端部 6 9が上部支持基板 8 0に当接する位置に保持され、光ファィバー 7 4からの光を可動ミラー 7 1で反射する。次いで、第 2の永久磁石 7 7 と同方向に磁化させるように電磁石 7 9に電流を流すと、磁性膜 7 0が引き寄せられ先端部 6 9が絶縁性基板 6 1に吸着された状態で片持ち梁 6 8が固定される。この時、光ファイバ一 7 4からの光を反射する反射ミラーが可動ミラ一 7 1から固定ミラ一 7 2に切替えられる。光ファイバ一 7 4からの光は固定ミラー 7 2により反射されて光路が切替わる。

本実施の形態においては、片持ち梁 6 8の直下となる絶 f彖！生基板 6 1の凹部 6 2の表面にシリコン基板 6 5の支持部 6 6と導通する導電性膜 6 3を設けたので、反応性ドライエッチングにより片持ち梁 6 8を形成する際、凹部の表面が正に帯電するのを防止する。よって、正の電荷を有するエッチングガスが凹部 6 2の電気的斥力を受けてシリコン基板の裏面をたたくことがないので、片持ち梁 6 8が浸食されることがない。したがって、形状や寸法精度、そして重量が高精度に形成された梁状構造体を有するので、光路切替の応答性悪化が抑制され、高い信頼性を光スィツチに提供できる。

実施の形態 3 .

本発明の製造方法について、マイクロデバイスの一例として加速度センサを例にとり説明する。図 7， 8は、実施の形態 1の加速度センサの作製工程を示す模式断面図である。

工程（a ) 〜 ( d ) では、シリコン基板の表面が加工され梁状構造体の支持部が形成され、工程（e ) 〜 ( h ) では、下ガラス基板に導電性膜が形成される。そして、工程（ i ) 〜（k ) でシリコン基板と下ガラス基板とが接合され、さらにシリコン基板が加工され梁状構造体の櫛状電極部が形成される。そして、工程 ( q ) では、工程（P ) で加工された上ガラス基板が梁状構造体の上に接合され、工程（r ) では、上ガラス基板に電極取出し部が形成されて、図 4の断面図に対応する構造を有する加速度センサが作製される。以下、各工程について、詳細に説明する。

すなわち、工程（a ) では、表面に l mの熱酸化膜 3 3を有するシリコン基板 2 0 (厚さ 4 0 0 i m) が用意される。そして、工程（b ) では、シリコン基板 2 0の熱酸化膜 3 3がバッファードフッ酸で除去される。工程（c ) では、シリコン基板 2 0の表面に、写真製版により支持部の形状に応じたレジストからなる第 1のマスク層 3 4が形成される。工程（d ) では、 ICP - RIE法によるドライエッチングにより第 1のマスク層 3 4を有するシリコン基板 2 0が深さ 2 5 0 μ mまでエッチングされる。その後、表面に残るレジストが除去されて支持部 3 2 や封止部 2 4、そして耐衝撃用ストッパー 2 8が形成される。

そして、工程（e ) では、下ガラス基板 2 (厚さ 4 0 0 /i m) が用意される。工程（f ) では、下ガラス基板 2の表面が写真製版され、凹部形成用のレジストからなるマスク層 1 2が形成される。そして、工程（g ) では、フッ酸 1 0 %水溶液により下ガラス基板 2の表面が 2 0 / mエッチングされ、凹部 3が形成される。次いで、工程（h ) で C r膜が凹部 3の全面及び凹部 3の周囲の表面に一部に延出するように写真製版により成膜され、 C rからなる導電性膜 4が形成される。そして、凹部 3の周囲の一部に延出した導電性膜 4はシリコン基板 2 0と導通する導通部 5を形成する。

そして、工程（ i ) では、下ガラス基板 2の表面とシリコン基板 2 0の表面とが陽極接合法を用いて接合される。このとき、導通部 5で導電性膜 4とシリコン基板 2 0とが接続される。次いで、工程（j ) では、シリコン基板 2 0の裏面が写真製版され、レジストからなる第 2のマスク層 3 5が形成される。その後、電子サイクロトロン共鳴反応^ィオンェッチイング法（以下、 ECR- RIE法と略す。）により熱酸ィヒ膜マスク 3 3が形成される。そして、工程（k ) では、第 2 のマスク層 3 5と熱酸化膜 3 3とをマスクにして、 ICP - RIE法によりシリコン基板 2 0の裏面が少なくとも 1 5 0 μ mの深さエッチングされる。これにより、シリコン基板 2 0が貫通して櫛状電極部 2 5 , 3 1が形成される。ここで、櫛状電極部 2 5については、片持ち梁 2 6のみが図示されている。その後、シリコン基板 2 0の裏面に残る熱酸化膜 3 3は ECR - RIE法により除去される。なお、エッチングの深さ 1 5 0 μ mは、シリコン基板 2 0の厚さ 4 0 0 mから、工程（d ) におけるエッチング深さ 2 5 0 // mを差し引いて求められる。

一方、工程（1 ) では、上ガラス基板 6 (厚さ 4 0 0 // m) が用意される。上ガラス基板 6の表面が写真製版されて、レジス卜からなる凹部 7形成用のマスク層 1 3が形成される。そして、工程（n ) でフッ酸 1 0 %水溶液により表面が深さ 2 0 // mエッチングされ、凹部 7が形成される。次いで、工程（o ) で C r 膜が凹部 7の表面に写真製版により成膜され、 C rからなるスティッキング防止膜 8が形成される。そして、工程（p ) で、上ガラス基板 6にサンドブラストにより、貫通孔からなる電極引き出し部 1 0が設けられる。

そして、工程（q ) でシリコン基板 2 0の裏面と上ガラス基板 6の表面とが陽極接合により接合される。その後、工程（r ) で電極引き出し部 1 0に P tからなる電極膜 1 1を形成して、加速度センサ 1が作製される。

本発明の製造方法には、従来公知のドライエッチングを用いることができるが、高ァスぺクト比の梁状構造体を短時間で形成可能な ICP-RIE法を用いることが好ましい。

次に、本発明の製造方法の効果を確認した実験例にっレ、て説明する。

実施例 1は、 C rからなる導電性膜 4を下ガラス基板 2の凹部 3の表面に形成し、かつ、導通部 5を支持部 3 2の直下に形成し、 ICP-RIE法でシリコン基板をエッチングして梁状構造体を形成したもので、実施の形態 3に対応する。比較例 1は、絶縁性基板 2の凹部 3の表面に導電性膜 4が形成されていない以外は、実施の形態 3と同様の方法により梁状構造体を形成した。比較例 2は、耐衝撃用ストッパー 2 8の底面に保護膜として熱酸化膜 3 3を残存させた以外は、実施の形態 3と同様の方法により梁状構造体を形成した。そして、比較例 3は、導電性膜 4が下ガラス基板 2の凹部 3の表面のみに形成され、導通部 5を有しない以外は、実施の形態 3と同様の方法により梁状構造体が形成した。

上記 4種類の実験例に使用したマスクパターンは、開口幅の範囲は 5 / m〜5 0 μ mである。最小幅 5 μ mは、可動電極部と固定電極部の櫛状電極部を構成する各片持ち梁の隙間の間隔である。なお、これらの数値は、こうしたマイクロセンサの設計値として一般的である。また、 ICP-RIE法によるシリコンのエツチング速度は、本実験に先立って見積もり、開口幅 5 / mの箇所で 2 . 0 μ m/分、開口幅 5 0 μ mの箇所で 3 . 3〃m/分であった。この違いは、マイクロローデイング効果によるものである。従って、エッチング時間は、開口幅 5 // mの箇所で 1 5 0 m ÷ 2 . 0 μ ηι/分 = 7 5分、開口幅 5 0 mの箇所で 1 5 0 m ÷ 3 . 3 // m /分 = 4 5分となる。つまり、本構造体の貫通が完全に終了するまで、シリコン基板の裏面は 3 0分間（= 7 5分一 4 5分）、エッチングガスに曝されることになる。

以上の実験例の結果について、説明する。図 9〜1 2は、それぞれ実施例、比較例 1〜3の結果を示す図である。そして、（a ) ，（b ) ，（c ) は、それぞれ、 I CP - RIE法によるエッチング後の絶縁性基板とシリコン基板の構造を示す模式断面図、（ b ) はェツチング後の耐衝撃用ストッパーの構造を示す拡大した斜視図、そして（c ) はエッチング後の片持ち梁の構造を示す拡大した斜視図である。ここで、（b ) と（c ) は、シリコン基板の裏面を走査型電子顕微鏡（S E M) によって観察し写真撮影し、その結果を模式的に示したものである。図中の一点鎖線は、耐衝撃用ストッパー 2 8の本来の形状を示している。

実施例の場合、耐衝撃用ストッパー 2 8の底面は浸食を受けていなかった。また、片持ち梁 2 6は、ほぼ垂直な側壁を有していた。比較例 1の場合、耐衝撃用ストッパ一 2 8の底面は著しく浸食され、本来の設計値より 4 0 / m程度削られていた。また、片持ち梁 2 6の側壁は、浸食され先端が細くなつていた。また、比較例 2の場合、耐衝撃用ストッパー 2 8の底面は、熱酸化膜 3 3を底面とした錘状に浸食されていた。熱酸化膜 3 3は、 ICP - RIE法のマスク材として用いられ、そのエッチング速度はシリコンの約 1 Z l 0 0と遅レ、。従って、熱酸化膜 3 3で被覆された部分のシリコンは保護されるが、被覆された部分から離れるに従いシリコンは浸食されている。片持ち梁 2 6の側壁は、比較例 1と同様に、浸食され先端が細くなっていた。そして、比較例 3の場合、耐衝撃用ストッパー 2 8と片持ち梁 2 6は、共に比較例 1の場合と同様に浸食されていた。

以上の結果から、比較例 3のように、導電性膜 4が下ガラス基板 2の凹部 3の表面にのみ形成されているだけでは、シリコン基板 2 0の裏面のエッチングガスによる浸食を防止できず、本発明の効果が得られない。また、比較例 1と比較例 3の場合に生じる耐衝撃用ストッパー 2 8の底面の浸食は、下ガラス基板 2とシリコン基板 2 0との間隔を広げるので、耐衝撃用ストッパーの役割を果たせなくなる。また、比較例 2の場合も含め、耐衝撃用ストッパー 2 8の浸食は可動電極部の質量を減少せしめるので、センサの感度低下を招く。さらに、比較例 1〜3 の場合に生じる片持ち梁の浸食は、片持ち梁間の距離を広げるため、センサの感度低下や素子毎の特性バラツキを招く。

以上述べたように、本発明のマイク口デバイスは、絶縁性基板の少なくとも、片持ち梁の直下となる凹部表面に、支持部と電気的に導通する導電性膜を有しており、ドライエッチング時の絶縁体基板の帯電を防止する。よって、片持ち梁や支持部が浸食されることがないので、形状及び寸法精度が高いシリコンの梁状構造を有する。したがって、高い信頼及び設計自由度を有する。

また、本発明のマイクロデバイスは、導電性膜が凹部表面の全面に形成されているので、凹部表面の全面の帯電を防止することができるので、片持ち梁や支持部の浸食をより抑制することができる。

また、本発明の慣性力センサは、絶縁性基板の少なくとも、櫛状電極を構成する片持ち梁の直下となる凹部表面に、支持部と電気的に導通する導電性膜を有しており、ドライエツチング時に絶縁体基板の帯電を防止できるので、櫛状電極部や支持部が浸食されることがない。よって、櫛状電極部や支持部の形状及び寸法精度が高いので、感度低下やセンサ毎の特性のバラツキを抑制できる。したがつて、信頼性の高レ、加速度センサゃ角速度センサを提供できる。

また、本発明のマイクロデバイスの製造方法は、ドライエッチング中における絶縁体基板の帯電を防止する導電性膜を形成する工程を有しているので、形状及び寸法精度に優れたシリコンの梁状構造体を有するマイク口デバイスの作製方法を提供できる。また、マイクロローデイング効果に規制されないので、梁状構造体を有するマイクロデバイスの設計自由度を著しく向上できる。

また、本発明の製造方法にはドライエツチングに ICP- RIE法を用いることにより、高ァスぺクト比の梁状構造体をより短時間で形成することが可能となる。

Claims

請求の範囲

1 . 表面に凹部を有する絶縁体基板と、該絶縁体基板の表面側に凹部を挟むように形成されたシリコンの梁状構造体とからなり、

該梁状構造体が、少なくとも 1つの機能部からなり、該機能部が、絶縁体基板に接合された支持部と該支持部と一体形成され凹部上に張出した少なくとも 1つの片持ち梁とを有するマイク口デバイスにおいて、

支持部と電気的に導通し、少なくとも、片持ち梁の直下の凹部表面に形成された導電性膜を有するマイク口デバイス。

2 . 導電性膜が凹部表面の全面に形成されて成る請求項 1記載のマイク口デバイス。

3 . 表面に凹部を有する絶縁体基板と、該絶縁体基板の表面側に凹部を挟むように形成されたシリコンの梁状構造体とからなり、

該梁状構造体が、可動電極部と固定電極部とからなり、可動及び固定電極部が、それぞれ、絶縁体基板に接合された支持部と、該支持部と一体形成され凹部上に張出した複数の片持ち梁の電極からなる櫛状電極部とを有し、可動及び固定電極部の片持ち梁が互いに微小隙間を介して対向するように配設されて成る慣性カセンサにおいて、

支持部と電気的に導通し、少なくとも、片持ち梁の直下の凹部表面に形成された導電性膜を有する慣性カセンサ。

4 . 表面に凹部を有する絶縁体基板と、該絶縁体基板の表面側に凹部を挟むように形成されたシリコンの梁状構造体とからなり、

該梁状構造体が、少なくとも 1つの機能部からなり、該機能部が絶縁体基板に接合された支持部と該支持部と一体形成され凹部上に張出した少なくとも 1つの片持ち梁を有するマイクロデバイスの製造方法において、少なくとも、

絶縁性基板の少なくとも片持ち梁の直下に位置する凹部の表面に導電性膜を形成するとともに、該導電性膜を凹部の周囲の表面に延出させて支持部との導通部を形成する工程と、

シリコン基板の表面に支持部の形状に応じて第 1のマスク層を形成する工程と、第 1のマスク層を形成したシリコン基板の表面をエッチングして支持部を形成する工程と、

支持部を有するシリコン基板と導電性膜を有する絶縁性基板とを、表面同士が対向するように接合する工程と、

接合されたシリコン基板の裏面に片持ち梁の形状に応じて第 2のマスク層を形成する工程と、

第 2のマスク層を形成したシリコン基板の裏面をドライエッチングによりシリコン基板を貫通するようにェツチングし、凹部上に張出した所望パターンの片持ち梁を形成する工程を含むマイクロデバイスの製造方法。

5 . 片持ち梁を形成する工程におけるドライエッチングに、誘導結合型反応性イオンエッチング法を用いる請求項 4記載の製造方法。