JP2005342817A - 中空構造素子およびその製造方法ならびに電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】１次スティクションおよび２次スティクションを防止して信頼性の高い中空構造素子を製造すること。
【解決手段】本発明は、基板１０に設けられた凹部１０ａに埋め込まれる犠牲層を介して構造体２が設けられ、その犠牲層をエッチングすることで凹部１０ａ内に中空空間Ｓを構成して成る中空構造素子１において、凹部１０ａの内面に、犠牲層をエッチングするエッチャントと反応して所定の生成物を形成できる材質から成る薄膜１１が設けられているものである。また、本発明は、基板１０に凹部１０ａを形成した後、凹部１０ａの内面に、犠牲層をエッチングするエッチャントと反応して所定の生成物を形成できる材質から成る薄膜１１を形成し、この薄膜１１を介して犠牲層を埋め込む製造方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、犠牲層をエッチングすることで形成される中空空間を介して構造体が設けられた中空構造素子およびその製造方法ならびにこの中空構造素子を備える電子機器に関する。

近年、中空構造を利用した微小電気機械デバイス、いわゆるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）が様々な分野で研究、開発され、一部は商品化されている。その製造方法は、主にシリコンの深掘りエッチング等で厚膜の構造体を形成するバルクマイクロマシニングと、一般的な半導体プロセスを利用し薄膜の堆積と加工を繰り返して構造体を形成する表面マイクロマシニングに大別されるが、いずれも犠牲層と呼ばれる材料を中空にしたい箇所に充填しておき、構造体の形成後にこれを除去して中空構造を形成することが特徴である。

構造体を構成する材料には各種あるが、その機械的、電気的特性や化学的性質から単結晶もしくは多結晶のシリコンが用いられることが多い。この構造体に損傷を与えずに中空構造を形成するため、犠牲層は構造体とのエッチング選択比が高い材料である必要があり、またこれに応じたエッチャントが用いられる。シリコン構造体の場合、犠牲層としてはシリコン酸化膜、これを除去するエッチャントとしてフッ化水素酸水溶液が用いられるのが一般的である。

ここで、フッ化水素酸溶液を用いて犠牲層を除去する場合、エッチング後の乾燥時に構造体とその支持基板または隣接する構造体との隙間に水の表面張力が発生するが、構造体の剛性が低い場合、構造体と基板または構造体同士が吸い寄せられそのまま固着する、いわゆるスティクションが発生してしまう。

このスティクションは、犠牲層除去工程で発生するいわゆる１次スティクションと、その後の液体を用いるプロセスやデバイス作成後の衝撃や大気中の湿度等の外部環境により生じる２次スティクションとがあるが、いずれも構造体の剛性や隣接構造物との隙間等のデバイス構造に依存する。

特に最近では、ＭＥＭＳデバイスの感度向上や動作電圧の低減等のため構造体の剛性を低くしたり犠牲層を薄くしたりする事例が増えており、そのためスティクションはＭＥＭＳデバイスの大きな不良要素の一つとして、その改善が検討されている。

１次スティクションの防止に関しては、水の表面張力の発生を抑えるという観点から様々な検討が進められている。特許文献１では犠牲層除去時の乾燥に凍結乾燥法を応用することを提案しており、特許文献２ではその際の堆積膨張による構造体の破損を防止する改善策が示されている。また特許文献３では超臨界流体を利用した乾燥装置を提案し、これを用いてスティクションが防止できるとしている。また、フッ化水素酸をガスとして供給し、水の発生を抑えるという手法も多数検討されている（例えば、特許文献４）。

一方、２次スティクションに関しては、シリル化等の表面処理により構造体の表面エネルギーを低下させ、固着を防止する手法が特許文献５等で提案されている。また不純物濃度を変化させたシリコン表面を薬液や電解エッチング等によって面荒れさせて接触面積を減らし、スティクションを防止するという検討も行われている（例えば、特許文献６）。

また、１次スティクションと２次スティクションとを共に抑制する方法としては、対向する面の一方に固着防止用の突起を形成しておくという提案がある（例えば、特許文献７）。また、特許文献８では、対向するシリコン面の一方について陽極化成処理による凹凸を形成し、疎水性を上げてスティクションを防止している。

特開平３−５０２２６８号公報 特開平１１−２９４９４８号公報 特表２００３−５１０８０１号公報 特開２００１−１２９７９８号公報 特表２００３−５１０８０１号公報 特開２０００−３４９０６５号公報 特開２００２−１６０３６３号公報 特開平１１−３４０４７７号公報

しかしながら、１次スティクションの防止に関する特許文献１〜４に記載の技術では、犠牲層を除去する際に用いる手法であり、これ以降で発生が懸念される２次スティクションに関しては有効な手段ではない。一方、２次スティクションに関する特許文献５〜６に記載の技術では、これらはいずれも１次スティクションが起こっていないデバイスを対象とした手法であり、全てのデバイスに応用できるとは限らない。また、１次スティクションと２次スティクションとを共に抑制する特許文献７に記載の技術では、突起形成のためのフォトリソグラフィー等の工程数増加や狭い隙間には突起が許容されない等の問題があり、また特許文献８に記載の技術では、エッチング時に片方の構造体に通電を行う必要があるため、デバイス構造によっては適用が困難な場合がある。

本発明はこのような課題を解決するために成されたものである。すなわち、本発明は、犠牲層を介して構造体が設けられ、その犠牲層をエッチングすることで中空空間を構成して成る中空構造素子において、中空空間を構成する内面に、犠牲層をエッチングするエッチャントと反応して所定の生成物を形成できる材質から成る薄膜が設けられているものである。

また、本発明は、犠牲層を介して構造体を設けた後、この犠牲層をエッチングすることで中空空間を構成する中空構造素子の製造方法において、予め中空空間となる部分の内面に、犠牲層をエッチングするエッチャントと反応して所定の生成物を形成できる材質から成る薄膜を形成し、この薄膜を介して犠牲層を埋め込む方法である。

このような本発明では、犠牲層をエッチングすることで、中空空間となる部分の内面に設けた薄膜とエッチャントとの反応によって所定の生成物が形成され、この生成物によって構造体と中空空間の内面との直接の密着を回避して１次スティクションの防止を図ることができる。また、エッチャントとの反応によって薄膜表面に凹凸が形成されるため、生成物を除去した後に薄膜表面に凹凸が残り、構造体との接触面積を低減して２次スティクションを防止できる。

したがって、本発明によれば、構造体に対向する表面に配置した薄膜により、犠牲層エッチングの際にその表面に反応物が生成されるため、構造体とそれに対向する表面とが直接接触することを回避でき、剛性の低い構造体を用いるデバイスであっても１次スティクションを防ぐことが可能となる。この反応物は加熱等のドライプロセスで完全に除去が可能なため、最終的にはスティクションのない良好な中空構造を形成することができる。また、本発明で配置した犠牲層エッチングの際に反応物を生成する薄膜は、反応により表面が凹凸になることから、この凹凸面が構造体と対向する表面に形成される状態となり、犠牲層エッチング以降のプロセス、および最終デバイス形態となった後にも、大気中の湿度や衝撃などの外部環境が起因となる２次スティクションを抑制することが可能となる。しかも、反応生成物や薄膜表面の凹凸は犠牲層をエッチングする際に形成されることから、特別な工程を追加することなく１次および２次スティクションを防止できる構成を実現することが可能となる。これにより、信頼性の高い中空構造素子を容易に提供することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づき説明する。図１は、本実施形態に係る中空構造素子を説明する模式断面図である。本実施形態に係る中空構造素子１は、中空構造をもつデバイス内の固着が懸念される表面に所定の材料（薄膜１１）を配置し、犠牲層エッチング時に用いるエッチャントと薄膜１１との反応で形成される生成物（反応生成物）を１次スティクションに対する緩衝材として利用し、同時に反応生成物表面または反応生成物を除去した後の薄膜１１表面の凹凸１１ａを２次スティクションの防止に利用することを特徴としている。

図１に示す中空構造素子１は、ＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）と呼ばれる薄膜の構造体２を備えた音響共鳴器の例であり、シリコン等の基板１に形成した凹部１０ａの内部を中空空間Ｓとし、この中空空間Ｓ上に構造体２を例えば片持ち梁状に形成した構成となっている。構造体２は、下部電極１２、圧電体膜１３、上部電極１４を積層した構造となっており、２つの電極（下部電極１２、上部電極１４）の間に時間と共に変化する電解を印加することで、圧電体膜１３の圧電効果によって電気エネルギーの一部を力学的エネルギー（音波）へと変換するものである。

本実施形態の中空構造素子１では、中空空間Ｓを形成するために凹部１０ａ内に予め埋め込む犠牲層（図示せず）をエッチングによって除去する際、エッチャントと反応して生成物（反応生成物）を形成できる薄膜１１を凹部１０ａの表面に備えており、この薄膜１１の表面に、反応生成物の形成時にできる凹凸１１ａを利用して構造体２のスティッキングを防止している。

つまり、犠牲層をエッチングする工程で、そのエッチングに用いるエッチャントと反応して凹凸１１ａを形成できるため、特別な工程を追加することなく、既存の工程のみで構造体２の対向面に凹凸１１ａを設けることができる。この凹凸１１ａによって構造体２との接触面積を低減することができ、構造体２が凹部１１ａの内面に密着しようとしても、その密着する力より構造体２の弾性力の方が勝る状態となり、スティッキングを防止できるようになる。

次に、本実施形態に係る中空構造素子の製造方法を説明する。なお、ここでもＦＢＡＲから成る音響共鳴器を例として説明する。既知の技術であるＦＢＡＲは、一般的に基板表面に下部電極、圧電膜、上部電極を順次堆積させることにより製作されている。したがって、空気／共鳴器界面の上部は自然に形成されることになるが、下部界面は下部電極下に中空構造を形成する製造上の工夫が必要である。特開２００２−１４００７５号公報に記載の技術では、基板に中空構造となる空間を形成した後、犠牲層としてＰＳＧ（リン酸シリケートガラス）を充填し、デバイス形成後に犠牲層へのコンタクトを開口し、最後にフッ化水素酸溶液にて犠牲層をエッチングすることで中空構造を形成している。しかし、デバイス寸法が大きくなるにつれてエッチング後の乾燥時に生じる水の表面張力も大きくなるため、スティクションの問題が顕在化してくることは自明であり、本発明のような工夫が必要となってくる。以下、本発明を適用したＦＢＡＲの製造工程を順に説明する。

先ず、図２（ａ）に示すように、基板１０の一部に下部電極／空気界面を形成するための凹部１０ａを形成する。基板1には１０００Ω/□以上の高抵抗のシリコン単結晶基板を用い、凹部１０ａは公知の技術であるＫＯＨによる異方性エッチングにより約１μｍの深さで形成する。

次いで、図２（ｂ）に示すように、凹部１０ａを形成した基板１０の上に１次および２次スティクションを防止するための材料としてＳｉＮ（窒化シリコン）から成る薄膜１１を減圧ＣＶＤ法により３００ｎｍ成膜する。

その後、図３（ａ）に示すように、ＰＳＧ膜を犠牲層２０として約１．２μｍ厚で成膜し、公知のＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法による研磨でＰＳＧ膜を凹部１０ａの内部に埋め込む。その際、凹部１０ａの段差が大きく、またデバイス面積も広いため、そのまま研磨したのでは凹部１０ａの中のＰＳＧ膜が膜減りしてしまう（ディッシング）。ここでは凹部１０ａを作ったマスクの反転パターンを用いて凹部１０ａの外のＰＳＧ膜をあらかじめ除去し、凹部１０ａの周辺部のみに残ったＰＳＧ膜を高速低加重の条件で研磨することでディッシングを抑制し、非常に平坦なＰＳＧ膜表面を形成する。なお、これ以外にも研磨圧力依存性の急峻なＣｅＯ₂ベースのスラリーを用いることで、反転マスクを用いなくても同様な研磨が可能となる。

次いで、この上に下部電極１２としてモリブデン、圧電膜１３として窒化アルミニウム、上部電極１４としてモリブデンを、それぞれスパッタ法を用いて成膜し、公知のドライエッチング法にて所望の構造体２の形状に加工した後、犠牲層２０を除去するためのコンタクト１５を同様にドライエッチング法にて開口する。

次に、フッ化水素酸溶液によるエッチングで犠牲層２０の一部を除去した後、無水フッ化水素酸と水蒸気との混合ガスを用いて残りの犠牲層２０を除去する。この際、フッ化水素酸溶液では犠牲層２０はＳｉＮから成る薄膜１１と高選択比を保ちながらエッチングされるが、無水フッ化水素酸と水蒸気との混合ガスによるエッチングでは薄膜１１との反応生成物３０が形成される（図３（ｂ）参照）。なお、犠牲層２０のエッチングは、初めから無水フッ化水素酸と水蒸気との混合ガスによるエッチングで行ってもよい。

ここで、無水フッ化水素酸ガスや水蒸気の流量によっては局所的にエッチング副生成物として水が発生するため、スティクションが発生する場合もあるが（図３（ｃ）参照）、本実施形態では反応生成物３０により下部電極１２は直接下地の基板１０とは接触しないため、１次スティクションは起こらない。このように、反応生成物３０があることで構造体２の１次スティクションを防止できることから、反応生成物３０は凹部１０ａからはみ出ない程度で凹部１０ａに埋め込まれることが理想的である。反応生成物３０の量はエッチング条件や薄膜１０の厚さ等によって制御することができる。

次いで、この反応生成物３０を水によるリンスや加熱により完全に除去する。本実施形態では３００℃、２０分の加熱により反応生成物３０を揮発させる。これにより、図３（ｂ）や図３（ｃ）に示す状態のデバイスについても完全な中空構造が形成される（図４参照）。

そして、反応生成物３０を除去した後の薄膜１１の表面には、反応による侵食のため凹凸１１ａが形成される。以降の工程、さらに最終デバイス形態となった後も、この凹凸１１ａにより固着面の接触面積が少なくなるため、構造体２の２次スティクションを抑制することができる。この凹凸１１ａは無水フッ化水素酸ガスや水蒸気の流量等である程度所望の寸法で形成することができる。

一例として、エッチング条件を調整して凹凸の寸法を変化させたときのＳｉＮから成る薄膜１１の表面のＳＥＭ観察写真を図５に示す。無水フッ化水素酸と水蒸気の混合ガスを用いて、図５（ａ）はＨＦ＝５００cc/min、Ｈ₂Ｏ＝１．５l/minの条件で、図５（ｂ）はＨＦ＝２００cc/min、Ｈ₂Ｏ＝２．０l/minの条件でそれぞれ処理した際の薄膜表面の状態である。エッチング条件により凹凸の寸法が制御されていることがわかる。

以上のように、本実施形態の製造方法を適用することで、スティクションが懸念される中空構造を備える半導体デバイスにおいて、１次および２次スティクションを簡便に防止することが可能となる。

なお、上記の実施形態では、主として基板に凹部を形成し、この凹部に犠牲層を埋め込んだ状態で構造物を形成し、犠牲層をエッチングすることで凹部内に中空空間を構成する中空構造素子の例を説明したが、本発明は、凹部を形成しないで基板上に犠牲層、構造体を積層形成し、犠牲層の一部をエッチングすることで基板上に中空空間を構成する中空構造素子であっても適用可能である。また、本実施形態に係る中空構造素子はＦＢＡＲに限らず、他の中空構造を備える各種デバイス、例えば加速度センサや圧力センサ等においても容易に適用が可能である。また固着を防止するための薄膜１１の材料はＳｉＮに限定されず、エッチャントとの反応によって形成される生成物を加熱等のドライプロセスによって容易に除去できる材料であればよい。また、薄膜１１の配置も全面にある必要はなく、固着が予想される箇所に局所的に配置することでもその効果を発揮できる。

本実施形態に係る中空構造素子を説明する模式断面図である。 本実施形態に係る中空構造素子の製造方法を説明する模式断面図（その１）である。 本実施形態に係る中空構造素子の製造方法を説明する模式断面図（その２）である。 本実施形態に係る中空構造素子の製造方法を説明する模式断面図（その３）である。 薄膜表面のＳＥＭ観察写真を示す図である。

符号の説明

１…中空構造素子、２…構造体、１０…基板、１０ａ…凹部、１１…薄膜、１１ａ…凹凸、１２…下部電極、１３…圧電体膜、１４…上部電極、Ｓ…中空空間

Claims (14)

1. 犠牲層をエッチングすることで中空空間を構成して成る中空構造素子において、
   前記中空空間を構成する内面には前記犠牲層をエッチングするエッチャントと反応して所定の生成物を形成できる材質から成る薄膜が設けられている
   ことを特徴とする中空構造素子。
2. 前記薄膜は、形成される前記生成物が加熱によって除去できる材質から成る
   ことを特徴とする請求項１記載の中空構造素子。
3. 前記薄膜は窒化シリコン膜から成る
   ことを特徴とする請求項１記載の中空構造素子。
4. 前記薄膜の表面には凹凸が設けられている
   ことを特徴とする請求項１記載の中空構造素子。
5. 犠牲層を介して構造体を設けた後、この犠牲層をエッチングすることで中空空間を構成する中空構造素子の製造方法において、
   予め、前記中空空間となる部分の内面に、前記犠牲層をエッチングするエッチャントと反応して所定の生成物を形成できる材質から成る薄膜を形成し、この薄膜を介して前記犠牲層を形成する
   ことを特徴とする中空構造素子の製造方法。
6. 前記犠牲層をエッチングする際、前記エッチャントと前記薄膜との反応によって前記薄膜の表面に凹凸を形成する
   ことを特徴とする請求項５記載の中空構造素子の製造方法。
7. 前記犠牲層をエッチングする際、前記エッチャントと反応して形成される前記生成物を前記凹部からはみ出さないように生成する
   ことを特徴とする請求項５記載の中空構造素子の製造方法。
8. 前記犠牲層のエッチングは、ドライプロセスによって行う
   ことを特徴とする請求項５記載の中空構造素子の製造方法。
9. 前記犠牲層のエッチングは、初めから途中までウエットプロセスで行い、その後、ドライプロセスによって完了する
   ことを特徴とする請求項５記載の中空構造素子の製造方法。
10. 前記前記生成物を形成した後、この生成物をドライプロセスによって除去する
    ことを特徴とする請求項５記載の中空構造素子の製造方法。
11. 前記生成物を形成した後、この生成物を加熱によって除去する
    ことを特徴とする請求項５記載の中空構造素子の製造方法。
12. 前記薄膜は窒化シリコン膜から成る
    ことを特徴とする請求項５記載の中空構造素子の製造方法。
13. 前記エッチャントは、フッ化水素酸ガスから成る
    ことを特徴とする請求項５記載の中空構造素子の製造方法。
14. 犠牲層をエッチングすることで中空空間を構成して成る中空構造素子を備える電子機器において、
    前記中空空間を構成する内面には前記犠牲層をエッチングするエッチャントと反応して所定の生成物を形成できる材質から成る薄膜が設けられている
    ことを特徴とする電子機器。