JP2002239999A - マイクロマシンおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 安価でかつ実用的な機械的強度を備えたマイ
クロマシンを提供すること。 【解決手段】 支持体１７を軟質で内部応力の小さい有
機膜１６により形成し、この支持体１７により機能素子
１３を上方から支持することにより、反りや破損を生ず
ることがないようにしたもの。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、微細加工技術を利
用して作成される微小な機械的構造であるマイクロマシ
ンおよびその製造方法に係り、特に、その機能素子の支
持構造に特徴を有するマイクロマシンおよびその製造方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】マイクロマシンは、一般に、１ｍｍ未満
の要素部品により構成される微小機械であるが、近年の
マイクロマシン技術の進展はめざましく、様々な電気
的、光学的、機械的機器へのマイクロマシンの応用が進
められている。

【０００３】このようなマイクロマシンの一例として、
現在実用化されている熱型赤外線センサについて説明す
る。

【０００４】図８において、外縁部を基板１に支持され
水平方向に延在する薄膜２上の中央部位には、特定の機
能を発揮し得る機能素子の一例としての感温素子３が載
置されており、この感温素子３からの出力は、薄膜２上
に形成された薄膜電極４を介して取り出されるようにな
っている。したがって、前記感温素子３の直下の薄膜２
の下方には、前記基板１の存在しない空洞部５が形成さ
れることになる。なお、熱型赤外線センサとしての感度
を良好にするためには、感温素子３が単独で空洞部５上
にあることが理想的であるが、このような構成では実用
的な機械的強度が得られないため、前述したように支持
体としての薄膜２上に感温素子３を載置している。

【０００５】したがって、熱型赤外線センサの感度を向
上させるためには、前記薄膜２を、熱伝導率ができるだ
け小さい材料によりできるだけ薄く形成することが有効
である。このような理由から、前記薄膜２には、厚さ数
μｍの酸化シリコン、窒化シリコン、あるいはこれらの
積層膜が用いられている。また、前記空洞部５は、基板
１に単結晶シリコンを用いるとともに、水酸化カリウム
水溶液などによる異方性エッチング技術を利用して形成
されている。

【０００６】前記熱型赤外線センサは、前記空洞部５を
満たす気体、あるいは真空の熱絶縁性が非常に大きいと
いう特性を利用した機器であるが、他にも空洞部５の様
々な特性を利用した各種機器が開発されている。

【０００７】例えば、前記感温素子３の代わりに圧電素
子を形成すると、高周波かつ高いＱ値で発振する共振子
になる。この場合は、空洞部５の音響インピーダンスが
非常に小さいという特性を利用しているのである。

【０００８】また、前記感温素子３の代わりにコイルを
形成すれば、容易に寄生容量の小さなインダクタを得る
ことができる。この場合は、空洞部５の誘電率が小さい
という特性を利用しているのである。

【０００９】このほかにも空洞部５の特性を利用した種
々の機器が実用化あるいは開発途上にあり、今後も空洞
部５上に機能素子が保持されたマイクロマシンの構造
は、有用である。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
た従来のマイクロマシンには、下記のような問題点があ
った。

【００１１】まず、支持体を構成する薄膜２が硬質の無
機材料製薄膜であり、また、内部応力を制御することが
難しいため、工程の状態がわずかに変動しただけで、支
持体が反ったり、最悪の場合には破損するという問題が
あった。

【００１２】さらに、支持体用薄膜２の製造装置とし
て、化学蒸着装置（ＣＶＤ）などの高価な装置が必要で
あるため、製造される機器の価格が高価になっていた。

【００１３】さらにまた、空洞部５は基板１の材料を溶
液中においてエッチングする、いわゆるウェットエッチ
ング技術により形成されるため、溶液の粘性により、エ
ッチング中やその後の洗浄中に支持体用の薄膜２が破損
し、歩留まりを低下させていた。このことによっても、
機器の価格が高価になっていた。

【００１４】本発明はこのような従来のものにおける問
題点を克服し、安価でかつ実用的な機械的強度を備えた
マイクロマシンを提供することを目的としている。

【００１５】また、本発明は、このような安価でかつ実
用的な機械的強度を備えたマイクロマシンを良好に製造
することのできるマイクロマシンの製造方法を提供する
ことを目的としている。

【００１６】

【課題を解決するための手段】前述した目的を達成する
ため本発明のマイクロマシンの特徴は、支持体を有機膜
により形成し、この支持体により機能素子を上方から支
持した点にある。そして、このような構成を採用したこ
とにより、軟質で内部応力の小さい有機膜を支持体に使
用するので、反りや破損を生ずることがない。

【００１７】本発明のマイクロマシンの製造方法の特徴
は、基板表面上の一部に多孔質シリコン体を形成し、多
孔質シリコン体上に機能素子を形成し、この機能素子の
少なくとも一部を被覆するとともに、多孔質シリコン体
が形成されていない領域の一部を被覆するように有機膜
のパターンを形成し、ドライエッチングにより前記多孔
質シリコン体を除去することにより少なくとも前記機能
素子の下方に空洞部を形成する点にある。そして、この
ような構成を採用したことにより、ドライエッチング速
度が通常のシリコンと比較して桁違いに大きい多孔質シ
リコン体を使用するので、多孔質シリコン体を犠牲層と
して利用することにより、ドライエツチンクにより空洞
部を形成することができ、支持体の破損による歩留まり
の低下を招来することがない。

【００１８】

【発明の実施の形態】図１および図２は、本発明に係る
マイクロマシンの実施形態を示す図であり、図１におい
て、シリコン単結晶製の基板１１が配設されており、こ
の基板１１の表面１１Ａのほぼ中央部には、凹部からな
る空洞部１５が形成されている。この空洞部１５は、平
面ほぼ正方形をなし、かつ深さが基板１１の厚さのほぼ
１／３程度の寸法に形成されている。なお、この空洞部
１５は、後述するように陽極酸化法で形成された多孔質
シリコン体１６を犠牲層として形成されるため、各隅部
が面取りされた形状とされている。

【００１９】前記空洞部１５上には、特定の機能を発揮
し得る機能素子１３が位置しており、この機能素子１３
は有機膜１７により上方から支持されている。

【００２０】なお、本実施形態においては、機能素子１
３から両側に電極１４，１４が引き出されているが、こ
れは何らかの電気信号を入出力する機能素子１３を想定
して図示したもので、本発明において必要不可欠なもの
ではない。例えば、光学的に入出力する機能素子１３で
あれば、各電極１４が不要になる場合もある。また、図
示はしていないが、基板１１が電気伝導性を有し、機能
素子１３を電気的に絶縁する必要がある場合には、各電
極１４と基板１１との間に電気絶縁性の薄膜を介在させ
ることになる。

【００２１】前記機能素子１３は、前述したように有機
膜１７により上方からブリッジ状に支持されて空洞部１
５上に形成されている。この有機膜１７は、ドライエッ
チングにより空洞部１５を形成するために前記空洞部１
５の形成予定部位に開口している２つの長方形状のエッ
チングホール１９，１９と、前記各電極１４に連通する
電極パッド１４Ａの上部を露出する開口２０とを除く前
記基板１１の表面１１Ａの全域上に形成されている。

【００２２】そして、前記有機膜１７は、空洞部１５上
に臨んでいる前記機能素子１３の全域を上部から接着状
態において被覆するような形状とされており、この機能
素子１３を機械的に補強する役割を備えている。この結
果、機械的強度に優れたマイクロマシンの構造が得られ
る。

【００２３】なお、図２では機能素子１３の全域を被覆
するように有機膜１７のパターンを形成しているが、必
要であれば、図３のように機能素子１３および電極１４
の一部が露出する正方形状の開口部２１を有するように
有機膜１７のパターンを形成してもよい。

【００２４】つぎに、前述した図１ないし図３のマイク
ロマシンの製造方法の実施形態を図４ないし図８を参照
して説明する。

【００２５】まず、図４に示すように、基板としてシリ
コン単結晶製の基板１１を準備する。シリコンの導電型
ならびに比抵抗は任意に選択可能であるが、多孔質シリ
コン体１６を形成することの容易さ、およびその空孔率
をできるだけ大きくするためには、比抵抗が０．００１
〜０．１Ω・ｃｍの範囲、より好ましくは約０．０１Ω
・ｃｍのｐ型シリコン基板がこの基板１１として好適で
ある。

【００２６】まず、基板１１の表面１１Ａ面上の所望の
位置（本実施形態においては中央部）に多孔質シリコン
体を形成するためフォトレジストのマスク（図示せず）
を形成し、このマスク上から基板１１に対する露光を行
う。続いて、この基板１１をフッ酸系溶液中に浸漬し、
フッ酸系溶液中でシリコンを陽極酸化することによりマ
スク開口部に対向する基板１１の表面１１Ａに多孔質シ
リコン体１６を形成する。

【００２７】具体的には、フッ酸系溶液として、たとえ
ばフッ酸：エタノール：水＝４０：５０：１０の混合溶
液中において、白金を陰極として５０ｍＡ／ｃｍ² の電
流を流せば、空孔率が約７５％の多孔質シリコン体１６
が得られる。この多孔質シリコン体１６の厚さは、シリ
コンを陽極酸化する時間により調整可能であるが、機械
的強度や除去容易性から多孔質シリコン体１６の厚さは
１〜１００μｍの範囲、より好ましくは１０〜５０μｍ
の範囲が適当である。

【００２８】前述した工程により、図４に示すように、
基板１１の表面１１Ａにおける中央部に、所望の厚さの
多孔質シリコン体１６が形成される。

【００２９】なお、図示は省略したが、後述する機能素
子１３と基板１１との電気絶縁性が必要な場合には、多
孔質シリコン体１６を形成した後、基板１１の表面１１
Ａに電気絶縁性薄膜を形成しておく。この電気絶縁性薄
膜材料としては、後の工程においてＣＦ₄ とＯ₂ の混合
ガスでドライエッチングできるものが好都合であり、た
とえば酸化シリコンが好適である。

【００３０】つぎに、図５に示すように、基板１１の表
面１１Ａに、機能素子１３および電極１４を形成する。

【００３１】前記機能素子１３としては種々のものが適
用可能である。すなわち、この機能素子１３として た
とえば熱型赤外線センサであればアンチモンとビスマス
の薄膜熱電対、共振子であれば酸化亜鉛薄膜を薄膜電極
により挟持した素子、インダクタであれば銅薄膜をコイ
ル状にパターニングした素子などがある。

【００３２】前述した機能素子１３および電極１４は、
一般的な薄膜技術あるいは厚膜技術などを利用して形成
すればよい。

【００３３】前述した工程により、図５に示すように、
多孔質シリコン体１６上に機能素子１３が形成されると
ともに、この多孔質シリコン体１６と同一平面上に位置
し、この多孔質シリコン体１６から延在する電極が多孔
質シリコン体１６および基板１１の表面１１Ａ上に形成
される。

【００３４】つぎに、図６に示すように、有機膜１７か
らなり機能素子１３を支持する支持体１８を形成する。

【００３５】有機膜１７は、感光性有機材料をフォトリ
ソ技術で形成してもよいし、非感光性有機材料を印刷、
ディスぺンスなどの技術により形成してもよい。

【００３６】このうち感光性有機材料の場合の例を挙げ
ると、東京応化工業製ＯＦＰＲフォトレジストを、標準
的な条件のもとでコーティングおよびパターニングすれ
ばよい。また、有機膜１７の膜厚は、厚すぎると空洞部
１５上に機能素子１３を形成する効果が得にくくなる
し、薄すぎると機械的強度が低下するので、０．１〜１
００μｍの範囲、より好ましくは１〜１０μｍの範囲が
好ましい。

【００３７】前述した工程により、図６に示すように、
機能素子１３および電極１４の少なくとも一部を覆うよ
うに有機膜１７からなる支持体１８が形成される。

【００３８】なお、有機膜１７に他の機能を設けること
も可能である。たとえば熱型赤外線センサの場合には、
上記ＯＦＰＲフォトレジストに代えて、黒体顔料を分散
したフォトレジスト、たとえば東京応化工業製ＣＦＰＲ
−ＢＫフォトレジストを使用すると、赤外線の吸収率が
向上し、より高感度の赤外線センサが得られる。

【００３９】つぎに、図７に示すように、空洞部１５を
形成する。

【００４０】前記空洞部１５は、ドライエッチング技術
により形成されるが、前記機能素子１３の直下の多孔質
シリコン体１６はサイドエッチングにより除去されるの
で、リアクティイオンエッチングのような異方性エッチ
ングよりも等方性エッチングにより空洞部１５を形成す
ることが望ましい。この等方性エッチングとしては、た
とえば徳田製作所製のケミカルドライエッチング装置を
利用することができる。

【００４１】また、前記多孔質シリコン体１６のエッチ
ングは、たとえばＣＦ₄ と０₂ の混合ガスにより可能で
ある。このガス系のエッチングの場合、アフターコロー
ジョンは発生しないので、エッチング後の洗浄は不要で
ある。

【００４２】前述した工程により、図７に示すように、
空洞部１５が形成され、この空洞部１５上に機能素子１
３を有機膜１７が上方から支持する構造が形成される。
なお、この空洞部１５の形成は、機器をパッケージに実
装した後に行うことも可能である。

【００４３】以上説明した本実施形態のマイクロマシン
の製造方法によれば、多孔質シリコン体１６はドライエ
ッチング速度が通常のシリコンと比較して桁違いに大き
いので、多孔質シリコン体１６を犠牲層として利用する
ことにより、ドライエッチングにより空洞部１５を形成
することができ、支持体１８の破損による歩留まり低下
を招来することがない。

【００４４】なお、本発明は、前述した実施の形態に限
定されるものではなく、必要に応じて種々の変更が可能
である。たとえば、基板の材料は単結晶シリコンに限定
されるものではなく、多結晶シリコン基板や、任意の基
板に多結晶シリコン、あるいは、アモルファスシリコン
を成膜した基板を使用してもよい。また、各材料の密着
性やエッチング選択性が不十分な場合には、適当な密着
層や耐エッチング層を追加してもよい。

【００４５】なお、本発明は、前述した実施形態に限定
されるものではなく、必要に応じて種々の変更が可能で
ある。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように本発明のマイクロマ
シンによれば、安価で、かつ実用的な機械的強度を有す
ることができる。すなわち、本発明のマイクロマシン
は、支持体を有機膜により形成し、前記支持体により機
能素子を上方から支持したので、工程を大幅に簡素化、
ならびに安定化できる。また、有機膜は軟質で内部応力
も小さいので、反りや破損を生ずることがなく、従来の
無機材料製薄膜と比較すると機械的強度が向上する。

【００４７】一方、本発明のマイクロマシンの製造方法
によれば、マイクロマシンを歩留まりよく製造すること
ができる。すなわち、本発明のマイクロマシンの製造方
法は、基板表面上の一部に多孔質シリコン体を形成し、
多孔質シリコン体上に機能素子を形成し、この機能素子
の少なくとも一部を被覆するとともに、多孔質シリコン
体が形成されていない領域の一部を被覆するように有機
膜のパターンを形成し、ドライエッチングにより前記多
孔質シリコン体を除去することにより少なくとも前記機
能素子の下方に空洞部を形成するので、工程中の支持体
の破損による歩留まり低下を招来することがない。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係るマイクロマシンの実施形態を示
す縦断面図で、図２のＡ−Ａ線に沿った断面図

【図２】 図１のマイクロマシンの平面図

【図３】 本発明に係るマイクロマシンの他の実施形態
を示す平面図

【図４】 本発明に係るマイクロマシンの製造方法の実
施形態における最初の工程を示す断面図

【図５】 本発明に係るマイクロマシンの製造方法の実
施形態における図４のつぎの工程を示す断面図

【図６】 本発明に係るマイクロマシンの製造方法の実
施形態における図５のつぎの工程を示す断面図

【図７】 本発明に係るマイクロマシンの製造方法の実
施形態における図６のつぎの工程を示す断面図

【図８】 従来のマイクロマシンを示す縦断面図

【符号の説明】

１，１１ 基板 ２ 薄膜 ３ 感温素子 ４ 薄膜電極 ５，１５ 空洞部 １３ 機能素子 １４ 電極 １６ 多孔質シリコン体 １７ 有機膜 １８ 支持体

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板に保持されている支持体により機能
   素子を支持し、この機能素子の下方の前記基板に空洞部
   を形成したマイクロマシンであって、 前記支持体を有機膜により形成し、前記支持体により前
   記機能素子を上方から支持したことを特徴とするマイク
   ロマシン。
2. 【請求項２】 基板表面上の一部に多孔質シリコン体を
   形成し、多孔質シリコン体上に機能素子を形成し、この
   機能素子の少なくとも一部を被覆するとともに、多孔質
   シリコン体が形成されていない領域の一部を被覆するよ
   うに有機膜のパターンを形成し、ドライエッチングによ
   り前記多孔質シリコン体を除去することにより少なくと
   も前記機能素子の下方に空洞部を形成することを特徴と
   するマイクロマシンの製造方法。