WO2003055789A1

WO2003055789A1 - Procede de fabrication d'elements de systeme microelectromecanique

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Publication number: WO2003055789A1
Application number: PCT/JP2002/013128
Authority: WO
Inventors: Koichi Ikeda; Takashi Kinoshita
Original assignee: Sony Corporation
Priority date: 2001-12-26
Filing date: 2002-12-16
Publication date: 2003-07-10
Also published as: US20040077119A1; JP2003200395A; EP1460036A4; US6838304B2; EP1460036A1; JP3770158B2; US20050085000A1; US6946315B2; KR20040070432A; TW200307643A; TWI223642B

Description

明細書

MEMS素子の製造方法技術分野

本発明は、静電駆動型の MEMS素子の製造方法に関する。背景技術 .

微細技術の進展に伴い、いわゆるマイクロマシン（MEMS ： M i c r o E l e c t r o M e c h a n i c a l S y s t e m s . 超小型電気的 ·機械的複合体）素子、及び MEMS素子を組み込んだ小型機器が、注目されている。

MEMS素子は、シリコン基板、ガラス基板等の基板上に微細構造体として形成され、機械的駆動力を出力する駆動体と、駆動体を制御する半導体集積回路等とを電気的に、更に機械的に結合させた素子である。 M E M S素子の基本的な特徴は、機械的構造として構成されている駆動体が素子の一部に組み込まれていることであって、駆動体の駆動は、電極間のクーロン引力などを応用して電気的に行われる。

図 1 1及び図 1 2は、光の反射や回折を利用し、光スィッチ、光変調素子に適用される光学 M EMS素子の代表的な構成を示す o

図 1 1に示す光学 ME MS素子 1は、基板 2 と、基板 2上に形成した基板側電極 3 と、基板側電極 3に対向して平行に配置した駆動側電極 4を有するビーム（梁） 6 と、このビーム 6の一端を支持する支持部 7 とを備えて成る。ビーム 6 と基板側電極 3 とは

、その間の空隙 8によって電気的に絶縁されている。

基板 2は、例えば、シリコン（S i ) やガリゥム砒素（G a A s ) などの半導体基板上に絶縁膜を形成した基板、ガラス基板のような絶縁性基板などの所要基板が用いられる。基板側電極 3は、不純物をドーピングした多結晶シリコン膜、金属膜（例えば W 蒸着膜）などで形成される。ビーム 6 は、例えばシリコン窒化膜 ( S i N膜）等の絶縁膜 5 、その上面に形成された膜厚 1 0 0 n m程度の例えば A 1膜からなる反射膜を兼ねる駆動側電極 4 とから構成される。このビーム 6 は、支持部 7にその一端を支持した、所謂片持ち梁式に形成される。

この光学 M E M S素子 1 では、基板側電極 3 と駆動側電極 4 に与える電位に応じて、ビーム 6が基板側電極 3 との間の静電引力又は静電反発力により変位し、例えば図 1 1 の実線と破線で示すように、基板側電極 3 に対して平行状態と傾斜状態に変位する。図 1 2 に示す光学 M E M S素子 1 1 は、基板 1 2 と、基板 1 2 上に形成した基板側電極 1 3 と、基板側電極 1 3をプリッジ状に跨ぐビーム 1 4 とを備え成る。ビーム 1 4 と基板側電極 1 3 とは、その間の空隙 8 によって電気的に絶縁されている。

ビーム 1 4 は、基板側電極 3をプリッジ状に跨いで基板 1 2上に立脚する例えば S i N膜からなるプリッジ部材 1 5 と、基板側電極 1 3に対向して相互に平行にブリッジ部材 1 5上に設けられた、例えば膜厚 1 0 0 n m程度の A 1膜からなる反射膜を兼ねる駆動側電極 1 6 とから構成される。基板 1 2、基板側電極 1 3、ビーム 1 4等は、図 1 1で説明したと同様の構成、材料を採り得る。ビーム 1 4 は、その両端が支持された所謂両持ち梁式に形成れ o

この光学 M E M S素子 1 1 では、基板側電極 3 と駆動側電極 4 に与える電位に応じて、ビーム 1 4が基板側電極 1 3 との間の静電引力又は静電反発力により変位し、例えば図 1 2 の実線と破線で示すように、基板側電極 3 に対して平行状態と凹み状態に変位する 0 これ等の光学 M E M S素子 1、 1 1は、光反射膜を兼ねる駆動側電極 4、 1 6の表面に光が照射され、ビーム 4、 1 4の駆動位置に応じて、その光の反射方向が異なるのを利用して、一方向の反射光を検出してスィツチ機能を持たせた、光スィッチとして適用できる。

また、光学 MEMS素子 1、 1 1は、光強度を変調させる光変調素子として適用できる。光の反射を利用するときは、ビーム 4 、 1 4を振動させて単位時間当たりの一方向の反射光量で光強度を変調する。この光変調素子は、いわゆる時間変調である。

光の回折を利用するときは、共通の基板側電極 3、 1 3に対して複数のビーム 6、 1 4を並列配置して光変調素子を構成し、共通の基板側電極 3、 1 3に対する例えば 1つ置きのビーム 6、 1 4の近接、離間の動作により、光反射膜を兼ねる駆動側電極の高さを変化させ、光の回折によつて駆動側電極で反射する光の強度を変調する。この光変調素子は、いわゆる空間変調である。

図 1 3は、 S L M (シリコンライトマシーン）社がレーザディスプレイ用光強度変換素子、つまり光変調器として開発した G L V (G r a t i n g L i g h t V a l v e ) デバイスの構成をす。

G L Vデバイス 2 1は、図 1 3 Aに示すように、ガラス基板等の絶縁基板 2 2上に W薄膜といった高融点金属やその窒化膜、あるいは、多結晶シリコン薄膜による共通の基板側電極 2 3が形成され、この基板側電極 2 3に交叉してプリッジ状に跨ぐ複数、本例では 6つのビーム 2 4 [ 2 4 ! , 2 4₂ 、 2 4₃ 、 2 4₄ 、 2 4₅ 、 2 4 _s 〕が並列配置されてなる。基板側電極 2 3及びビーム 2 4の構成は、前述の図 1 1で説明したと同じ構成である。即ち、図 1 3 Bに示すように、ビーム 2 4では、例えば S i N膜によるブリッジ部材 2 5の基板側電極 2 3 と平行する面上に膜厚 1 0 0 n m程度の A 1膜による反射膜兼駆動側電極 2 6が形成されてなる。

プリッジ部材 2 5 と、その上に設けられた反射膜兼駆動側電極 2 6 とからなるビーム 2 4 は、リボンと通称されている部位である。

ビーム 2 4の反射膜兼駆動電極 2 6 として使用したアルミニゥム膜（A 1膜）は、（1) 比較的容易に成膜できる金属であること、（2) 可視光領域での反射率の波長分散が小さいこと、 ( 3)

A 1膜表面に生成したアルミナ自然酸化膜が保護膜となって反射面を保護すること等の理由から、光学部品材料として好ましい金属でめる。

また、ブリッジ部材 2 5を構成する S i N膜（窒化シリコン膜 ) は、減圧 C V D法によつて成膜された S i N膜であって、その強度、弾性定数等の物理値が、プリッジ部材 2 5の機械的駆動に対して適切であるとして選定されている。

基板側電極 2 3 と反射膜兼駆動側電極 2 6 との間に微小電圧を印加すると、前述した静電現象によってビーム 2 4が基板側電極 2 3 に向かって近接し、また、電圧の印加を停止すると離間してもとの状態に戻る。

G L Vデバイス 2 1 は、基板側電極 2 3に対する複数のビーム

2 4の近接、離間の動作（即ち、 1つ置きのビームの近接、離間の動作）により、光反射膜兼駆動側電極 2 6 の高さを交互に変化させ、光の回折によって（ 6つのビーム 2 4全体に対して 1つの光スポッ卜が照射される）、駆動側電極 2 6で反射する光の強度を変調する。

静電引力及び静電反発力を利用して駆動するビームの力学的特性は、 C V D法等で成膜される S i N膜の物性によってほぼ決定され、 A 1膜はミラ一としての役割が主である。ところで、 M E M S素子における基板側電極は、上述したようにシリコンや G a A sなどの半導体基板上の絶縁層上、あるいはガラス基板等の絶縁性基板上に形成される。その電極材料としては、不純物をド一ビングした多結晶シリコン膜ゃ金属膜が使用される。しかしながら、これらの電極材料は結晶構造を有するため

、表面に凹凸が発生する。例えば、多結晶シリコン電極の場合、 A F M (原子間力顕微鏡）分析によると、表面の粗度 R M S (平方自乗平均）値を制御することは、製造工程の温度制御を厳密に行うことにより達成できるものであり、通常の成膜手法と、従来実施されてきた半導体製造工程を経た後には容易に 2 0 n m以上の表面凹凸を生成し得ることが知られている。その程度は材料や形成方法に依存する。

この表面凹凸は、電気的な特性や M E M S素子の動作特性上、大きな問題とはなりにくいが、特に、光学 M E M S素子を製造する際にしばしば問題となっていた。即ち、上述したような光学 M E M S素子の基板側電極は、光反射膜を兼ねる駆動側電極の下部に位置されることが多い。この場合、製造工程において、下層膜の表面凹凸は上層膜に順次転写されることになり、最上層にある光学的に重要な膜表面には、拡大転写された表面凹凸を有する駆動側電極、すなわち反射膜が形成されることになる。

M E M S素子の製造方法の 1つに、薄膜の積層とその加工を繰り返すことにより多層構造を作成し、その後、多層構造膜の 1つの膜を選択的に除去して基板側電極とビーム間に空隙を有する、いわゆる中空構造を作るようにした製法である。この製法を図 1 4に示す。この例は、上述の図 1 1の M E M S素子 1の製造に適用した場合である。

先ず、図 1 4 Aに示すように、例えばシリコン基板 8の上面に S i 0 ₂ 膜等の絶縁膜 9 を形成した基板 2上に、例えば多結晶シリコン膜による基板側電極 3を形成し、支持部 7を形成した後、基板側電極 3を含む面上に空隙形成用の犠牲層 1 8を形成する。次に、図 1 4 Bに示すように、支持部 7上及び犠牲層 1 8上にビ —ムとなる例えばシリコン窒化（ S i N) 膜 5及び駆動側電極材料層の例えばアルミニゥム（ A 1 ) 膜 4 ' を形成する。次に、図

1 4 Cに示すように、レジストマスク 1 9を介してシリコン窒化膜 5及びアルミニウム膜 4 をパターユングしてシリコン窒化膜 5 とアルムニゥムの駆動側電極 4からなるビーム 6を形成する。その後、図 1 4 Dに示すように、犠牲層 1 8を除去して基板側電極 3 とビーム 6 との間に空隙 8を形成して、 M E M S素子 1を製 te, 9 る。

犠牲層 1 8は、シリコン（例えば非晶質シリコン、多結晶シリコン等）や、シリコン酸化膜が用いられている。犠牲層 1 8がシリコンの場合は、例えば硝酸とフッ酸の混合液や、フッ素（F ) を含むガスのガスエッチングによって除去することができ、犠牲層 1 8が酸化膜の場合は、フッ酸溶液や、フッ化炭素ガスを使用するプラズマエッチングにより除去することが一般的である。

このような基板側電極（ a ) と空隙形成用の犠牲層（b ) と反射膜を兼ねる駆動側電極（ c ) の 3層構成で作製された光学 M E M S素子においては、それぞれの膜単独での観測される表面凹凸の最大値を、 R_max ( a ) 、 R_max (b ) 、 R_max ( c ) とすると、 3層の積層膜を形成したときの最上層の表面では、これらの最大値の和が、発生する可能性のある表面凹凸量になる。

光学部品の性能で表現すると、アルミニゥム（A 1 ) を反射膜とする光学 ME M S素子において、 A 1膜の反射率は理想的なバルク A 1膜では 9 2 %が得られるはずであるが、この表面凹凸量の制御が行われないと、この反射率は数％以上の劣化を示し 8 5 %程度しか得られないこともある。極端な場合、表面が曇ってしまったように見えることもある。このような光学 M E M S素子は、例えば図 1 5 (駆動部分の要部の拡大図）に示すように、基板側電極 3を多結晶シリコンで形成した場合、その多結晶シリコン膜の表面の凹凸が拡大してビーム ( A 1 /' S i N積層膜） 6を構成する駆動側電極（A 1膜） 4 の表面に転写され、駆動側電極をミラ一とする光反射率が劣化する。

また、設計上の課題もある。 M E M S振動子、即ちビームの共振周波数は、振動の質量や、駆動部を支える各部位の膜の張力等で設計されるが、一般に設計時には各膜の物性値は理想的な薄膜状態での物性値を使用して計算、設計されることが現状である。ところで、例えば、図 1 6 に示すように、基板側電極 3に 0 . 3 〃 mの半球 aが存在した場合、この上に 0 . 5 ;u mの犠牲層 1 8 を堆積すると、等方的な成膜では 1 . 3 m径の半球 bになり、さらにその上にビーム 6が堆積され、ビーム 6 の表面凹凸が拡大することになる。

ビームの厚さがこの 1 . 3 mと比較して十分厚い場合は、ビ —ム 6 の凹凸として観測される。しかしビーム膜厚が薄くなると、ビーム 6 自身の形状が変形して、例えば折りたたみ構造をとるようにも観測される（図 1 7参照）。このとき、 M E M S素子は、設計通りの動特性が得られない問題が発生する。図 1 8 は、その例を示したものである。ビーム 6の膜の張力を利用して M E M S素子の駆動を行う場合、ビーム 6の膜形状が張力により両端から引っ張られると、蛇腹構造が伸びきつてしまい、あたかもパネで近似される物性値が大きく変動することになる。

このように、基板側電極表面の凹凸は、ビームの表面粗度だけでなく、共振周波数等の M E M S素子固有パラメ一夕の変動の要因となっていた。発明の開示

本発明は、ビーム表面の平坦化を図り、ビーム形状のバラツキを低減し、性能向上及び性能の均一性向上を図った M E M S素子の製造方法を提供するものである。

本発明に係る M E M S素子の製造方法は、基板上に基板側電極を形成する工程と、基板側電極上に流動性膜を形成し、該流動性膜の平坦化された表面上に犠牲層を形成する工程と、犠牲層上に駆動側電極を有するビームを形成する工程と、犠牲層を除去する工程とを有する。

本発明に係る M E M S素子の製造方法は、基板上に基板側電極を形成する工程と、基板側電極上に、保護膜を介してまたは介さないで犠牲層を形成する工程と、犠牲層上に流動性膜を形成し、該流動性膜の平坦化された表面上に駆動側電極を有するビームを形成する工程と、犠牲層を除去する工程とを有する。

上記流動性膜としては、段差被覆形状が流動形状となるシリケ

— 卜ガラス膜を用いることができる。シリケ一卜ガラス膜を、燐、ホウ素、又は両者を含有するシリケ一トガラス膜で形成し、このシリケ一トガラス膜の堆積後に熱処理して前記シリケートガラス膜の表面を平坦化することができる。

シリケ一トガラス膜を、オゾンとアルコキシシランを原料とした C V D法によるシリコン酸化膜で形成することができる。

本発明の M E M S素子の製造方法では、基板上に基板側電極を形成した後、基板側電極上に流動性膜を形成し、その流動性膜の平坦化された表面上に犠牲層、ビームを順次堆積するので、ビーム表面が凹凸のない平坦面となる。その後、犠牲層を除去するので、表面が平坦化された駆動側電極を有するビームを基板側電極に対して所要の空隙をもつて形成することができる。

また、本発明の M E M S素子の他の製造方法では、基板上に基板側電極を形成した後、基板側電極に保護膜を介してまたは介さないで犠牲層を形成し、次いで犠牲層上に流動性膜を形成し、その流動性膜の平坦化された表面上にビームを形成するので、ビ— ム表面が凹凸のない平坦面となる。その後、犠牲層を除去するので、表面が平坦化された駆動側電極を有するビームを基板側電極に対して所要の空隙をもつて形成することができる。

上述した本発明に係る M E M S素子の製造方法によれば、犠牲層の堆積前、又は堆積後に流動性膜を形成し、流動性膜の流動化で平坦化された膜上にビームを構成する絶縁膜、駆動側電極を形成するので、最終的に表面が平坦化されたビームを形成することができる。従って、ビームの膜の均一性が得られビームの膜形状のバラツキを低減することができ、 .ビームの物性値を大きく変動することがない。また、ビームの表面凹凸を無くすと共に、ビームの振動特性のバラツキを低減することができるので、 M E M S 素子の性能の均一性を高め、高品質の M E M S素子の大量生産を可能にする。本発明の製法で製造された M E M S素子を、光の反射あるいは回折を利用した、例えば光スィッチ、或いは光変調素子等に用いられる光学 M E M S素子に適用するときは、光反射膜に兼用される駆動側電極での光反射率が向上し、光学 M E M S素子としての光利用効率の向上を図ることができる。図面の簡単な説明

図 1 A〜Cは本発明に係る一代表的な静電駆動型 M E M S素子の製造方法の一実施の形態を示す製造工程図（その 1 ) である。

図 2 A〜Cは本発明に係る一代表的な静電駆動型 M E M S素子の製造方法の一実施の形態を示す製造工程図（その 2 ) である。

図 3 Aは図 2 Dの要部の拡大断面図であり、図 3 Bは図 2 Fの要部の拡大断面図である。図 4 A〜Cは本発明に係る一代表的な静電駆動型 MEM S素子の製造方法の他の実施の形態を示す製造工程図（その 1 ) である o

図 5 A〜Bは本発明に係る一代表的な静電駆動型 M EM S素子の製造方法の他の実施の形態を示す製造工程図（その 2 ) である

O

図 6 A〜Cは本発明に係る一代表的な静電駆動型 MEM S素子の製造方法の他の実施の形態を示す製造工程図（その 1 ) である o

図 7 A〜 Bは本発明に係る一代表的な静電駆動型 M E M S素子の製造方法の他の実施の形態を示す製造工程図（その 2 ) である o

図 8 Aは図 4 Cの要部の拡大断面図であり、図 8 Bは図 5 Eの要部の拡大断面図である。

図 9 Aは本発明の流動性膜の形成に適用されるマスクのレイァゥト図であり、図 9 Bはその断面図である。

図 1 Q A〜 Dは本発明に係る他の代表的な静電駆動型 M E M S 素子の製造方法の一実施の形態を示す製造工程図である。

図 1 1 は従来の説明に供する光学 M E M S素子の代表的な一例である。

図 1 2 は従来の説明に供する光学 ME M S素子の代表的な他の例である。

図 1 3 Aは従来の G L Vデバイスを示す構成図であり、図 1 3 Bはその断面図である。

図 1 4 A〜Dは従来の静電駆動型 ME M S素子の製造方法を示す製造工程図である。

図 1 5 は従来の光学 M E M S素子の駆動側電極の凹凸を示す要部の断面図である。図 1 6 は下層の凹凸が上層に拡大転写される状態の説明図である。

図 1 7 は従来の製法で得られたビームの膜形状を示す断面図である。

図 1 8 は従来の製法で得られたビームの膜形状を示す断面図であ o 発明を実施するための最良の形態

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図 1〜図 3 は、本発明の M E M S素子の製造方法の一実施の形態を示す。本例は代表的な静電駆動型の M E M S素子の製造に適用した場合である。

先ず、図 1 Aに示すように、基板、本例では半導体基板 3 2上に絶縁膜 3 3を形成した基板 3 1上に、基板側電極 3 4を形成する。半導体基板 3 2 は、例えばシリコン（ S i ) 基板、ガリウム砒素（G a A s ) 基板等を用いることができ、絶縁膜 3 3 は、シリコン酸化（ S i 0 ₂ ) 膜、シリコン窒化（ S i N ) 膜等で形成することができる。基板側電極 3 4 は、不純物をドーピングした多結晶シリコン膜、金属膜等で形成することができ、本例では不純物をドーピングした多結晶シリコン膜で形成する。多結晶シリコン膜による基板側電極 3 4の表面 3 4 aは、図 3 Aに示すように、著しい凹凸を有している。

次に、図 1 Bに示すように、基板側電極 3 4上を含む全面に流動化により表面が平坦化された流動性膜 3 5を形成する。

この流動性膜 3 5 は次のようにして形成することができる。例えば、流動性膜 3 5 として、燐ドープ、或いはホウ素ドープ、あるいはこの両者（燐とホウ素）をドープしたシリコン酸化膜、いわゆる P S G (燐シリケ一トガラス）膜、 B S G (ホウ素シリケ一トガラス）膜、或いは P B S G (燐ホウ素シリケ一トガラス）、膜を C V D (化学気相成長）法により形成する。導入する燐、ホウ素の濃度はそれぞれ 7 w t %程度とすることができ、それぞれ単体をド一プしたもの、両者をド一プした上記の'シリケ一トガラス膜を使用することができる。このような不純物ド一プのシリケ一トガラス膜による流動性膜 3 5を形成した後、 7 5 0 °C 以上の温度でァニール処理を行って流動化し、流動性膜 3 5の表面を平滑化する。 C V Dは、シランガス 5 0 c c /分と N 2 0ガス 1 0 0 c c /分を反応ガスとしたホットウオールタイプの C V Dにより行う。燐をドープする原料は、 P H ₃ を使用し、ホウ素をドープする原料は、 B ₂ H 6 を使用する。ァニールは、例えば窒素ガス雰囲気で 8 5 0 ° ( 、 3 0分行うことができる。

他の例としては、流動性膜 3 5であるシリケ一トガラス膜を、オゾンとアルコキシシランを原料とした C V D法によるシリコン酸化膜で形成することができる。例えば、 T E O S (テトラエトキシシラン）とオゾンを原料とする常圧 C V D法によりシリコン酸化膜を形成する。成膜条件としては、流量を T E 0 S ： 4 0 c c /分、オゾン： 3 5 0 c c /分程度とし、オゾンを輸送するための酸素、希釈窒素を用い、基板温度を 3 5 0 °C程度に設定する。 T E 〇 S /オゾンを原料とした C V Dでは、流動化しながら成膜され、流動性膜 3 5を成膜した状態で既に表面は平滑化している。このシリケ一トガラス膜は、ノンド一プ膜で形成することもでき、不純物ド一プ膜（例えば、 B S G膜、 P S G膜）で形成することもできる。 T E O S /オゾンによる C V Dの特徵として、段差基板上への被覆形状が上例で示した B S G膜， P S G膜， B

P S G膜と同様の流動形状が得られることが挙げられる。本例においても、堆積されたノンドープのニ酸化シリコン膜は、基板側電極 2 3表面の凹凸を平坦化し、非常に平滑な表面を得ることができた。その他の物性、膜特性では、上例の不純物ド一プのシリケ一卜膜と、オゾン T E 0 S C V D酸化膜とで大きな差がなく、いずれの方法でも後述する所望の M E M S素子が得られる。本例では、 T E 0 Sを用いたが、その他の、例えばテトラメトキシシラン、テトライソプロボキシシラン等のアルコキシシランを用いても良い。なお、アルコキシシランの炭素数が大きくなると流動形状が得られにくくなることから、所望の表面平滑度を得るためにより厚い膜が必要となる。また、フッ化トリエトキシシラン〔 ( C ₂ H ₅ 0 ) 3 C F〕等のフッ素含有原料を使用してもよい。その場合にも同様の構造が得られ、さらに堆積される膜がフッ素を含有することから、低誘電率膜を得ることができる付加価値が発生し、 M E M S素子の特性向上に寄与する。

次に、図 1 Cに示すように、流動性膜 3 5の上面に支持部となるシリコン窒化（ S i N ) 膜、シリコン酸化（ S i 0 ₂ ) 膜等の絶縁膜、本例ではシリコン窒化膜を C V D法等により成膜し、パ夕一ニングして基板側電極 3 4 より離れた位置にシリコン窒化膜による支持部 3 6を形成する。

次に、図 2 Aに示すように、全面に空隙形成用の犠牲層、本例では非晶質シリコン層 3 7を形成し、支持部 3 6 の面と同一面となるように非晶質シリコン層 3 7をエッチバックする。なお、犠牲層 3 7 としては、非晶質の他、非晶質シリコン膜、フォトレジス卜膜、あるいは支持部 3 6 と後述のビームを構成する絶縁膜とエッチングレートの異なる絶縁膜（例えばシリコン酸化膜、シリコン窒化膜など）等を用いることができる。しかしながら、 M E M S素子の性能を向上する目的のためには、犠牲層に用いる膜自身の粒径成長を制御しつつ、膜種を選択しないと、本発明により、平坦化を達成した下部電極/流動性膜の効果が消失してしまうことがあるので注意が必要である。 P T/JP02/13128 次いで、支持部 3 6及び犠牲層である非晶質シリコン層 3 7上を含んで全面に、例えばシリコン窒化膜、シリコン酸化膜等の絶縁膜、本例ではシリコン窒化膜 3 8を形成し、さらにその上に駆動側電極材料層 3 9 ' 、本例では A 1材料層を形成する。図 3 A は、その拡大した要部を示す。駆動側電極材料層としては、銀 A g膜、アルミニウム（ A 1 ) 主成分とする A 1膜、あるいはチタン T i 、タングステン W、モリブデン M 0、タンタル T aなどの高融点金属膜、等を用いることができる。

次に、図 2 Bに示すように、レジス卜マスク 4 0を形成し、このレジストマスク 4 0を介して駆動側電極材料層 3 9 ' 及びその下のシリコン窒化膜 3 8を選択的にエツチング除去して支持部 3 6 に支持される、駆動側電極（A 1電極） 3 9及びシリコン窒化膜 3 8からなるビーム 4 1を形成する。

次に、図 2 Cに示すように、犠牲層である多結晶シリコン層 3 7を例えば X e F ₂ ガスによるガスエッチングにより、除去し基板側電極 3 4 (実質的には流動性膜 3 5 ) とビーム 4 1 との間に空隙 4 2を形成して、ビーム 4 1を片持ち梁式に構成した目的の静電型の M E M S素子 4 3を得る。図 3 Bはその拡大したビーム 4 1を含む要部を示す。

この M E M S素子 4 3 は、凹凸の著しい基板側電極 3 4の表面に保護膜を兼ねる表面平坦な流動性膜 3 5を有し、かつ流動性膜 3 5から所要の空隙 4 2だけ離れて表面及び流動性膜に対向する裏面が平坦化されたビーム 4 1 を有するように構成される。

本実施の形態に係る M E M S素子の製造方法によれば、多結晶シリコンによる基板側電極 3 4を形成した後、流動性膜 3 5を形成し、その表面 3 5 aが平坦化された流動性膜 3 5上に順に犠牲層 3 7、ビームを構成するシリコン窒化膜 3 8及び駆動側電極材料層 3 9 ' を堆積することにより、犠牲層 3 7 の表面、シリコン窒化膜 3 8 の表面、駆動側電極材料層 3 9 ' の表面は平坦化され、最終的に表面が平坦化されたビーム 4 1を形成することができる。即ち、例えば駆動側電極 3 9 を A 1膜で形成するときは、 A 1膜表面は A 1膜の結晶グレインによる凹凸だけが反映されることになる。その結果、図 3 Bに示すように、平坦性の良好なビーム 4 1が形成される。

従って、ビーム 4 1の膜の均一性が得られビームの膜形状のバラツキを低減することができ、ビームの物性値を大きく変動することがない。ビームの膜全体での揺らぎのない M E M S素子を得ることができる。

また、ビーム 4 1 の表面凹凸を無くすと共に、ビーム 4 1の振動数等のバラツキを低減することができるので、 M E M S素子の性能の均一性を高め、高品質の M E M S素子 4 3の大量生産を可能にする。

本実施の形態で製造された M E M S素子 4 3を、光の反射あるいは回折を利用した、例えば光スィッチ、或いは光変調素子等に . 用いられる光学 M E M S素子に適用するときは、光反射膜に兼用される駆動側電極 3 9 での光反射率が向上し、光学 M E M S素子としての光利用効率の向上を図ることができる。

上述の実施の形態では、支持部 3 6をバタ—ニングにより形成したが、この支持部の形成方法について、さらにもう一つの方法を示す。図 4〜図 5 はこの方法を採用した本発明の M E M S素子の製造方法の他の実施の形態を示す。

先ず、図 1 Bと同様に、図 4 Aに示すように、例えば半導体基板 3 2上に絶縁膜 3 3を形成した基板 3 1上に、パターニングされた基板側電極 3 4を形成し、基板側電極 3 4上に流動性膜 3 5 を堆積する。次いで、平坦化した基板全面に対して、犠牲層となる例えば非晶質シリコン膜 5 0 を堆積する。次に、、図 4 Bに示すように、非晶質シリコン膜 5 0 の所定部分、即ち、後に形成されるビ一ムを支える支持部（支柱：ポスト ) に対応する部分に開孔部 5 1を形成する。

次に、図 4 Cに示すように、開孔部 5 1内を含んで非晶質シリコン膜 5 0上に、絶縁膜（例えばシリコン窒化膜） 3 8 と、その上の駆動側電極材料層（例えば A 1材） 3 9 ' からなる A 1 Z S i N積層膜を形成する。ここで、開孔部 5 1の側壁に形成された A 1 / S i N積層膜は、そのままビームを支える支持部 5 2、即ち中心が空洞となった円柱ないしは角柱のポストとなる。

次に、図 5 Aに示すように、シリコン窒化膜 3 8及び非晶質シリコン膜 3 9 ' による A 1 Z S i N積層膜をパターニングしてシリコン窒化膜 3 8及びその上の駆動側電極 3 9から成るビーム 4 1を形成する。次いで、犠牲層である非晶質シリコン膜を除去して、図 5 Bに示すように、目的の M E M S素子 4 4を得る。図 5 Bでは、支持部 5 2からー方向のビーム 4 1を長くしているので

、所謂片持ち梁の M E M S構造を得ることができる。

本実施の形態においても、前述の図 1〜図 3の製法と同様の効果が得られる。また、本実施の形態で製造された M E M S素子 4 4 も、前述の M E M S素子 4 3 と同様に、例えば光スィッチ、光変調素子等に用いられる光学 M E M S素子に適用して好適である o

図 6〜図 8 は、本発明の M E M S素子の製造方法の他の実施の形態を示す。本例も前述と同様のビームを片持ち梁式にした代表的な静電駆動型の M E M S素子の製造に適用した場合である。先ず、図 6 Aに示すように、基板、本例ではシリコン半導体基板 3 2上にシリコン酸化（ S i 0 ₂ ) 膜などの絶縁膜 3 3を形成した基板 3 1上に、基板側電極 3 4を形成する。基板側電極 3 4 は、不純物をドービングした多結晶シリコン膜、金属膜等で形成することができ、本例では不純物をド一ビングした多結晶シリコン膜で形成する。多結晶シリコン膜による基板側電極 3 4の表面 3 4 aは、図 8 Aに示すように、著しい凹凸を有している。

次に、図 6 Bに示すように、基板側電極 3 4の表面に絶縁膜による保護膜、本例ではシリコン酸化（ S i 0 ₂ ) 膜 4 6を形成した後、基板 3 1の面上に支持部となるシリコン窒化（ S i N ) 膜、シリコン酸化（ S i 0 ₂ ) 膜等の絶縁膜、本例ではシリコン窒化膜を C V D法等により成膜し、パターニングして基板側電極 3 4 より離れた位置にシリコン窒化膜による支持部 3 6を形成する o

次いで、全面に空隙形成用の犠牲層、本例では多晶質シリコン層 3 7を形成し、支持部 3 6 の面と同一面となるように多晶質シリコン層 3 7をエッチバックする。なお、犠牲層 3 7 としては、前述と同様に多結晶シリコン膜の他、非晶質シリコン膜、フォトレジスト膜、あるいは支持部 3 6 と後述のビームを構成する絶縁膜とエッチングレ一トの異なる絶縁膜（例えばシリコン酸化膜、シリコン窒化膜など）等を用いることができる。

次に、図 6 Cに示すように、支持部 3 6及び犠牲層である多結晶シリコン層 3 7上を含んで全面に、前述と同様の流動化により表面が平坦化された流動性膜 3 5を形成する。この流動性膜 3 5 は、前述と同様に不純物ド一プしたシリケ一トガラス膜（例えば、 B S G膜、 P S G膜、 P B S G膜等）を形成した後にァニール処理して形成する方法で、或いはオゾンとアルコキシシランを原料とした C V D法によるシリコン膜で形成することができる。

この流動性膜 3 5上に例えばシリコン窒化膜、シリコン酸化膜等の絶縁膜、本例ではシリコン窒化膜 3 8を形成し、さらにその上に駆動側電極材料層 3 9 ' 、本例では A 1材料層を形成する。図 8 Aは、その拡大した要部を示す。駆動側電極材料層としては、前述と同様に A g膜、アルミニウム（A 1 ) 主成分とする A 1 膜、あるいはチタン T i 、タングステン W、モリブデン M 0、夕ンタル T aなどの高融点金属膜、等を用いることができる。

次に、図 7 Aに示すように、レジストマスク 4 0を形成し、このレジス卜マスク 4 0を介して駆動側電極材料層 3 9 ' 及びその下のシリコン窒化膜 3 8、流動性膜 3 5を選択的にエツチング除去して支持部 3 6 に支持される、駆動側電極（A 1電極） 3 9及びシリコン窒化膜 3 8からなるビーム 4 1を形成する。本例では流動性膜 3 5を残すようにしているので、ビーム 4 1 は駆動側電極 3 9、シリコン窒化膜 3 8及び流動性膜 3 5の 3層膜で形成され。

次に、図 7 Bに示すように、犠牲層である多結晶シリコン層 3 7 を除去する。犠牲層 3 7を多結晶シリコンで形成した場合には、前述したように X e F ₂ ガスによるガスエツチングを用いて容易に除去できる。犠牲層 3 7 の除去によって基板側電極 3 4 (実質的には保護膜 4 6 ) とビーム 4 1 との間に空隙 4 2を形成して、ビームを片持ち梁式に構成した目的の静電型の M E M S素子 4 7を得る。図 8 Bはその拡大したビーム 4 1を含む要部を示す。この M E M S素子 4 7 は、凹凸の著しい基板側電極 3 4 (実質的には保護膜 4 6 ) から所要の空隙 4 2だけ離れて、表面及び流動性膜に対向する裏面が平坦化されたビーム 4 1を有するように構成される。

シリケ一トガラスによる流動性膜 3 5の膜応力は、シリコン窒化膜と比較して十分小さいので、使用態様によっては本例のようにビーム 4 1下面の流動性膜 3 5を残すことができる。その他、流動性膜 3 5を希フッ酸溶液を用いて除去し、超臨界乾燥して駆動側電極 3 9 とシリコン窒化膜 3 8の 2層膜でビーム 4 1を形成することもできる。上例では、基板側電極 3 4を多結晶シリコンで形成し、犠牲層 3 7 をシリコンで形成するために、基板側電極 3 4 の表面にエツチングストッパを兼ねる保護層 4 6を形成したが、犠牲層 3 7 の材料によっては、この保護層 4 6 を省略することができる。

ここでは、犠牲層薄膜材料に下地凹凸を正確に転写することが出来る非晶質シリコンを使用したため、流動性膜 3 5 の基板側電極 3 4に対面する下面と基板側電極 3 4上の絶縁膜 4 6の表面の凹凸は、組み合わされるような概念図を示したが、犠牲層薄膜材料に例えば多結晶シリコンを使用すると、多結晶シリコン自身の粒径分布があるために、流動性膜 3 5下面の方が大きくうねった構造となる。

本実施の形態に係る M E M S素子の製造方法によれば、多結晶シリコンによる基板側電極 3 4、保護膜 4 6、犠牲層 3 7を形成した後、流動性膜 3 5を形成し、その表面 3 5 aが平坦化された流動性膜 3 5上に順にビームを構成するシリコン窒化膜 3 8及び駆動側電極材料層 3 9 ' を堆積することにより、前述の実施の形態と同様に、シリコン窒化膜 3 8 の表面、駆動側電極材料層 3 9 ' の表面は平坦化され、最終的に表面が平坦化されたビーム 4 1 を形成することができる。

従って、ビーム 4 1の膜の均一性が得られビームの膜形状のバラツキを低減することができ、ビームの物性値を大きく変動することがない。ビームの膜全体での揺らぎのない M E M S素子を得ることができる。また、ビーム 4 1の表面凹凸を無くすと共に、ビーム 4 1の振動数等のバラツキを低減することができるので、 M E M S素子の性能の均一性を高め、高品質の M E M S素子 4 3 の大量生産を可能にする。

本実施の形態で製造された M E M S素子 4 7を、光の反射あるいは回折を利用した、例えば光スィツチ、或いは光変調素子等に用いられる光学 M E M S素子に適用するときは、光反射膜に兼用される駆動側電極 3 9での光反射率が向上し、光学 M E M S素子としての光利用効率の向上を図ることができる。

本発明における流動性膜 3 5 は、少なくともビーム 4 1 に対応した部分の下だけに形成すればよい。従って、図 9 A， Bに示すように、基板側電極 3 4上を含んでビーム 4 1に対応する部分に流動性膜 3 5を形成するためには、レジストマスク 5 1を形成する。 5 2部分は開口である。このレジストパターンを使用して、駆動側電極 3 4を覆うように、流動性膜 3 5をエッチングすることにより図 9 Bの断面構造を得る。このことで、表面が平坦な駆動側電極 3 9を有するビーム 4 1を形成することができる。

上述の実施の形態では、ビームが片持ち梁式の M E M S素子の製造に適用したが、その他、前述の図 1 2に示すビームがプリッジ式の M E M S素子の製造にも適用することができる。

図 1 0 は、本発明の製造方法をビームを両持ち梁式とした M E

M S素子の製造に適用した場合である。本例は図 1〜図 2の工程を適用した場合である。

先ず、図 1 0 Aに示すように、基板、本例では半導体基板 3 2 上に絶縁膜 3 3を形成した基板 3 1上に、例えば多結晶シリコンによる基板側電極 3 4を形成する。次いで、基板側電極 3 4を含む基板 3 1上に前述と同様の流動化により表面が平坦化された流動性膜 3 5を形成する。

次に、図 1 0 Bに示すように、平坦化された流動性膜 3 5上に基板側電極 3 4の位置に対応するように、選択的に空隙形成用の犠牲層 3 7を形成する。

次に、図 1 0 Cに示すように、犠牲層 3 7上及び流動性膜 3 5 上を含んで絶縁膜の例えばシリコン窒化膜 3 8及び駆動側電極材料 3 9 の例えば A 1膜を順次形成し、バタ一ニングして、駆動側電極 3 6及びその下のプリッジ部となるシリコン窒化膜 3 8からなる両持ち梁式のビーム 5 4を形成する。

次に、図 1 0 Dに示すように、犠牲層 3 7を除去し、基板側電極（実質的には流動性膜） 3 4 とビーム 5 4 との間に空隙 5 5を形成して、ビーム 5 4をプリッジ状に形成した目的の静電駆動型の M E M S素子 5 6を得る。

なお、図示せざるも、ビームを両持ち梁式にした M EM S素子は、図 6〜図 7の工程を利用して製造することも可能である。図 1 0 に示す ME M S素子の製造方法においても、前述の実施の形態と同様の効果を奏する。

本発明の M E M S素子の製造方法は、図示せざるも前述の G L Vデバイス 2 1 の製造にも適用できる。

Claims

請求の範囲

. 基板上に基板側電極を形成する工程と、前記基板側電極上に流動性膜を形成し、該流動性膜の平坦化された表面上に犠牲層を形成する工程と、前記犠牲層上に駆動側電極を有するビームを形成する工程と、前記犠牲層を除去する工程とを有することを特徴とする M E M S素子の製造方法。

. 基板上に基板側電極を形成する工程と、前記基板側電極上に、保護膜を介してまたは介さないで犠牲層を形成する工程と、前記犠牲層上に流動性膜を形成し、該流動性膜の平坦化された表面上に駆動側電極を有するビ一ムを形成する工程と、前記犠牲層を除去する工程とを有することを特徴とする M E M S素子の製造方法。

. 前記流動性膜に段差被覆形状が流動形状となるシリケートガラス膜を用いることを特徴とする請求の範囲第 1項記載の M E M S素子の製造方法。

. 前記流動性膜に段差被覆形状が流動形状となるシリケ一トガラス膜を用いることを特徵とする請求の範囲第 2項記載の M E M S素子の製造方法。

. 前記シリゲートガラス膜を、燐、ホウ素、又は両者を含有するシリケ一トガラス膜で形成し、該シリヶ一トガラス膜の堆積後に熱処理して前記シリケ一トガラス膜の表面を平坦化することを特徴とする請求の範囲第 3項記載の M E M S素子の製造方法。

. 前記シリゲートガラス膜を、燐、ホウ素、又は両者を含有するシリケ一トガラス膜で形成し、該シリケ一トガラス膜の堆積後に熱処理して前記シリゲートガラス膜の表面を平坦化することを特徴とする請求の範囲第 4項記載の M E M S素子の製造方法。

. 前記シリケ一トガラス膜を、オゾンとアルコキシシランを原料とした C V D法によるシリコン酸化膜で形成することを特徴とする請求の範囲第 3項記載の M E M S素子の製造方法。 . 前記シリケ一トガラス膜を、オゾンとアルコキシシランを原料とした C V D法によるシリコン酸化膜で形成することを特徵とする請求の範囲第 4項記載の M E M S素子の製造方法。