JP2014024173A - マイクロメカニカル構造体の作製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロメカニカル構造体の製造工程において可動構造体を動作可能にした後で発生する可動構造体の変形を抑制する。
【解決手段】ＳＯＩ層１０３の表面の保護に用いていた保護層１０５を、例えば、酸素プラズマやＵＶ／オゾン等の活性酸素に暴露を行うことで灰化させて除去する。また、保護膜１０５の灰化処理によってＳＯＩ層１０３の表面が酸化され、薄い表面酸化層が形成されるため、この表面酸化層を、アルゴンプラズマ等の不活性ガス種によるプラズマ暴露により除去する。次に、可動構造体１３４などを動作可能な状態に分離したチップ（マイクロメカニカル構造体）全体を加熱処理する。
【選択図】 図１Ｈ

Description

本発明は、基体部の表面上に埋め込み絶縁層を介して形成された表面シリコン層を備えるＳＯＩ基板の表面シリコン層をパターニングすることで、可動構造体を形成するマイクロメカニカル構造体の作製方法に関する。

近年、半導体微細加工技術の高度化の延長線上に、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）が開発されている。ＭＥＭＳにおける三次元加工技術は、加速度センサ，角速度センサ，インクジェットプリンタヘッド，可動マイクロミラーを用いたディスプレイなどの情報の入出力機器に展開され、ユビキタスセンシングおよびユビキタスネットワークを構築する素子の基幹技術として期待されるに至っている。

この技術を用いて作製されるＭＥＭＳデバイスは、機械要素（可動構造体）と、機械要素を制御する電気要素とが、シリコン基板上にコンパクトに集積化されたものである。このようなＭＥＭＳデバイスの駆動方式としては、可動構造体と駆動電極などの電気要素との間に発生する静電引力を用いて可動部をメカニカルに動作させることで種々の機能を発現させる「静電駆動型」が主流となっている。このようなＭＥＭＳデバイスにおいては、可動構造体と電気要素の間のギャップを精密に制御することが重要となるため、可動構造体が平坦な状態に形成されることが望ましい。

また、特に、可動構造体をマイクロミラーとする通信用デバイスや光学デバイスにおいては、可動構造体であるマイクロミラーの変形は、挿入損失やクロストークなどの光学特性の劣化を引き起こすことに直結するため、可動構造体であるマイクロミラーの平坦化制御は重要な技術となる。

特許第０３８２７９７７号公報 米国特許第６３６９９３１号公報

しかしながら、現状では、以下に説明するように、可動構造体を対向する面から分離した段階で、可動構造体が湾曲しているという問題がある。

例えば、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いてミラーなどを備えるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）を作製する技術がある（特許文献１，特許文献２参照）。この技術では、基体部の上に埋め込み絶縁層を介して配置されるＳＯＩ層をパターニングしてミラー構造体を形成し、形成したミラー構造体に対応する領域の基体部に開口を形成し、ミラー構造体が回動などの動作を行えるようにしている。

具体的には、図５Ａの断面図に示すように、基体部５０１、埋め込み絶縁層５０２、およびＳＯＩ層５０３を備えるＳＯＩ基板の、ＳＯＩ層５０３をフォトリソグラフィ技術とエッチング技術を用いてパターニングする。このパターニングにより、枠部５３１，第１可動梁５３２ａ，第２可動梁５３２ｂ，ミラー構造体５３４，第１連結部５３３ａ，および第２連結部５３３ｂを形成する。

第１可動梁５３２ａおよび第２可動梁５３２ｂは、枠部５３１に一端が固定されて他端が変位可能とされ、他端の側で対向して所定の距離離間して１列に配置されている。また、ミラー構造体５３４は、第１可動梁５３２ａおよび第２可動梁５３２ｂと１列に配列されて第１可動梁５３２ａおよび第２可動梁５３２ｂの間に配置されている。また、１対の第１連結部５３３ａおよび第２連結部５３３ｂにより、第１可動梁５３２ａおよび第２可動梁５３２Ｂの各々の他端とミラー構造体５３４とが連結されている。

後述するようにこれらの各部分を分離した状態では、第１可動梁５３２ａおよび第２可動梁５３２ｂは、片持ち梁として機能し、第１連結部５３３ａおよび第２連結部５３３ｂの側の他端が、ＳＯＩ層５０３の平面の法線方向に変位可能となる。また、ミラー構造体５３４は、一対の第１連結部５３３ａおよび第２連結部５３３ｂを通る軸を中心に、回動可能となる。

次に、図５Ｂに示すように、上述した各部分を形成したＳＯＩ層５０３の表面に、有機樹脂からなる保護層５０５を形成する。

次に、第１可動梁５３２ａ，第２可動梁５３２ｂ，ミラー構造体５３４，第１連結部５３３ａ，および第２連結部５３３ｂを含む領域に対応する基体部５０１に、フォトリソグラフィ技術とエッチング技術とを用いて、埋め込み絶縁層５０２に到達する開口部５０１ａを形成する。次いで、開口部５０１ａに露出している埋め込み絶縁層５０２をエッチング除去し、開口部５０１ａに続く開口部５０２ａを形成する。開口部５０２ａの形成により、ＳＯＩ基板の裏面側からＳＯＩ層５０３の裏面に到達する開口部を形成する。

次いで、ダイシングを行いチップ化する。

次に、チップ化した後、ＳＯＩ層５０３の表面の保護に用いていた保護層５０５を、除去する。この除去では、酸素プラズマやＵＶ／オゾンなどの活性酸素に保護層５０５を暴露することで灰化させて除去する。また、ＳＯＩ層５０３による各構造体の表面に形成されている上記プラズマを用いた灰化処理によって酸化した層を、アルゴンプラズマなどの不活性ガス種によるプラズマ暴露を行うことで除去する。これらのことにより、第１可動梁５３２ａ，第２可動梁５３２ｂ，ミラー構造体５３４，第１連結部５３３ａ，および第２連結部５３３ｂが、各々分離されて動作可能な状態のマイクロメカニカル構造体が作製される。

ところが、上述した製造工程で作製されるマイクロメカニカル構造体の可動構造体５３４は、シリコン層（ＳＯＩ層）単体で構成されており、２種類以上の層から構成した多層構造とはなっていないにも関わらず、図５Ｄに例示するように、湾曲（変形）した状態となることが判明している。この原因は明らかではないが、有機材料からなる保護層５０５を灰化させ、続いて、不活性ガス種によるプラズマ暴露を行うことで、可動構造体５３４を動作可能に分離するマイクロメカニカル構造体の製造工程においては、避けることのできない問題となっている。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、マイクロメカニカル構造体の製造工程において可動構造体を動作可能にした後で発生する可動構造体の変形を抑制することを目的とする。

本発明に係るマイクロメカニカル構造体の作製方法は、基体部の表面上に埋め込み絶縁層を介して形成された表面シリコン層を備えるＳＯＩ基板の表面シリコン層をパターニングして素子形成領域に可動構造体を形成する第１工程と、素子形成領域の基体部の裏面より基体部および埋め込み絶縁層を貫通する開口部を形成し、開口部の周囲の埋め込み絶縁層を支持構造体として支持されて動作可能とされた可動構造体を備えるマイクロメカニカル構造体を形成する第２工程と、動作可能とされた可動構造体を備えるマイクロメカニカル構造体を形成した後で、マイクロメカニカル構造体を加熱する第３工程とを少なくとも備える。

上記マイクロメカニカル構造体の作製方法において、第３工程では、雰囲気が不活性ガスまたは真空の状態でマイクロメカニカル構造体を加熱すればよい。

上記マイクロメカニカル構造体の作製方法において、加熱時間＝４×１０^-5×ｅｘｐ（８３４０．７／絶対温度）の関係が満たされる加熱時間および絶対温度で示される加熱温度で、マイクロメカニカル構造体を加熱するとよい。

上記マイクロメカニカル構造体の作製方法において、第３工程では、温度条件５００℃でマイクロメカニカル構造体を加熱すればよい。また、第３工程では、マイクロメカニカル構造体を２時間加熱すればよい。

上記マイクロメカニカル構造体の作製方法において、第１工程の後で、表面シリコン層の少なくとも素子形成領域を覆う有機樹脂からなる保護層を形成してから開口部を形成し、開口部を形成した後で、有機材料の灰化処理により保護層を除去し、保護層を除去した後の可動構造体の表面の酸化層をプラズマ処理により除去することで、動作可能とされた可動構造体を備えるマイクロメカニカル構造体を形成するとよい。

以上説明したことにより、本発明によれば、マイクロメカニカル構造体の製造工程において可動構造体を動作可能にした後で発生する可動構造体の変形が抑制できるようになるという優れた効果が得られる。

図１Ａは、本発明の実施の形態におけるマイクロメカニカル構造体の作製方法を説明するための各工程における状態を説明するための構成図である。 図１Ｂは、本発明の実施の形態におけるマイクロメカニカル構造体の作製方法を説明するための各工程における状態を説明するための構成図である。 図１Ｃは、本発明の実施の形態におけるマイクロメカニカル構造体の作製方法を説明するための各工程における状態を説明するための構成図である。 図１Ｄは、本発明の実施の形態におけるマイクロメカニカル構造体の作製方法を説明するための各工程における状態を説明するための構成図である。 図１Ｅは、本発明の実施の形態におけるマイクロメカニカル構造体の作製方法を説明するための各工程における状態を説明するための構成図である。 図１Ｆは、本発明の実施の形態におけるマイクロメカニカル構造体の作製方法を説明するための各工程における状態を説明するための構成図である。 図１Ｇは、本発明の実施の形態におけるマイクロメカニカル構造体の作製方法を説明するための各工程における状態を説明するための構成図である。 図１Ｈは、本発明の実施の形態におけるマイクロメカニカル構造体の作製方法を説明するための各工程における状態を説明するための構成図である。 図２は、加熱時間と可動構造体１３４の曲率との関係を示す特性図である。 図３は、縦軸を「加熱処理前後における可動構造体１３４の曲率の変動量について自然対数をとった値」とし、横軸を「絶対温度の逆数」とするアレニウスプロットである。 図４は、曲率緩和現象の飽和時間と加熱処理温度における絶対温度の逆数の関係を示す特性図である。 図５Ａは、従来のマイクロメカニカル構造体の作製方法を説明するための各工程における状態を説明するための断面図である。 図５Ｂは、従来のマイクロメカニカル構造体の作製方法を説明するための各工程における状態を説明するための断面図である。 図５Ｃは、従来のマイクロメカニカル構造体の作製方法を説明するための各工程における状態を説明するための断面図である。 図５Ｄは、従来のマイクロメカニカル構造体の作製方法を説明するための各工程における状態を説明するための断面図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１Ａ〜図１Ｈは、本発明の実施の形態におけるマイクロメカニカル構造体の作製方法を説明するための各工程における状態を説明するための構成図である。ここで、図１Ａ，図１Ｂ，図１Ｄ〜図１Ｈは、断面を模式的に示している。また、図１Ｃは、平面図であり、ａａ’線の断面が、図１Ａ，図１Ｂ，図１Ｄ〜図１Ｈに示されている。

まず、図１Ａに示すように、例えば、単結晶シリコンからなる基体部１０１、埋め込み絶縁層１０２、および単結晶シリコンからなる表面シリコン層（ＳＯＩ層）１０３を備えるＳＯＩ基板を用意する。例えば、基体部１０１の板厚は４００μｍ、埋め込み絶縁層１０２の層厚は１．０μｍ、ＳＯＩ層１０３の層厚は４．７μｍである。

次に、ＳＯＩ層１０３を公知のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術とによりパターニングし、図１Ｂ，図１Ｃに示すように、枠部１３１，第１可動梁１３２ａ，第２可動梁１３２ｂ，可動構造体１３４，第１連結部１３３ａ，および第２連結部１３３ｂを形成する。

第１可動梁１３２ａおよび第２可動梁１３２ｂは、枠部１３１に一端が固定されて他端が変位可能とされ、他端の側で対向して所定の距離離間して１列に配置されている。また、可動構造体１３４は、第１可動梁１３２ａおよび第２可動梁１３２ｂと１列に配列されて第１可動梁１３２ａおよび第２可動梁１３２ｂの間に配置されている。また、１対の第１連結部１３３ａおよび第２連結部１３３ｂにより、第１可動梁１３２ａおよび第２可動梁１３２Ｂの各々の他端と可動構造体１３４とが連結されている。可動構造体１３４は、第１連結部１３３ａおよび第２連結部１３３ｂを介して第１可動梁１３２ａおよび第２可動梁１３２Ｂに支持されている。

後述するようにこれらの各構造体を絶縁層１０２などから分離した状態では、第１可動梁１３２ａおよび第２可動梁１３２ｂは、片持ち梁として機能し、第１連結部１３３ａおよび第２連結部１３３ｂの側の他端が、ＳＯＩ層５０３の平面の法線方向に変位可能となる。また、可動構造体１３４は、一対の第１連結部１３３ａおよび第２連結部１３３ｂを通る軸を中心に、回動可能となる。なお、この段階では、各構造体は、埋め込み絶縁層１０２の上に固定されており、埋め込み絶縁層１０２の平面上で、隙間１３５により分離している状態である。

これらの構造体のパターニングでは、公知のフォトリソグラフィ技術により形成したレジストパターンをマスクとしたＲＩＥ（Reactive Ion Etching）を用い、ＳＯＩ層１０３のエッチング加工を行えば良い。また、このエッチング加工では、埋め込み絶縁層１０２をエッチングストップ層として用いることができる。また、これらの構造体は、素子形成領域に形成する。

次に、図１Ｄに示すように、ＳＯＩ層１０３の上に、有機樹脂からなる保護層１０５を形成する。保護層１０５は、ＳＯＩ層１０３の、少なくとも上述した各構造体を備える素子形成領域を覆う状態に形成すればよい。保護層１０５は、例えば、レジストを塗布し、これを加熱処理（熱硬化）することで形成すればよい。また、この加熱処理は、窒素雰囲気下、温度２５０℃で３０分間の条件で行えば良い。

次に、図１Ｅに示すように、基体部１０１に、埋め込み絶縁層１０２が露出する開口部１０１ａを形成する。開口部１０１ａは、第１可動梁５３２ａ，第２可動梁５３２ｂ，ミラー構造体５３４，第１連結部５３３ａ，および第２連結部５３３ｂを含む素子形成領域に対応して形成する。例えば、公知のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術とにより、開口部１０１ａを形成すればよい。また、このエッチング処理は、ドライエッチングにより行い、また、埋め込み絶縁層１０２をエッチングストップ層として用いれば良い。

次に、開口部１０１ａに露出している埋め込み絶縁層１０２をエッチング除去し、図１Ｆに示すように、開口部１０１ａに続く開口部１０２ａを形成する。開口部１０２ａの形成により、ＳＯＩ基板の裏側面よりＳＯＩ層１０３の裏面に到達する開口部が形成されたことになる。埋め込み絶縁層１０２のエッチングでは、例えば、フッ化水素酸緩衝液（ＢＨＦ）を用いたウエットエッチングにより行えば良い。また、埋め込み絶縁層１０２のエッチングは、大気中におけるフッ化水素ガスの暴露を用いたドライエッチングでも行えることを確認している。

次に、ダイシングを行い、チップ化する。ダイシングには、ダイシングソーを用いる公知のブレードダイシングを用いれば良い。なお、図１Ｃは、１つのチップの領域を例示している。

次に、ＳＯＩ層１０３の表面の保護に用いていた保護層１０５を、例えば、酸素プラズマやＵＶ／オゾンなどの活性酸素に暴露を行うことで灰化させて除去する。また、保護膜１０５の灰化処理によってＳＯＩ層１０３の表面が酸化され、薄い表面酸化層が形成されるため、この表面酸化層を、アルゴンプラズマなどの不活性ガス種によるプラズマ暴露により除去する。これらの保護層１０５の除去により、図１Ｇに示すように、可動構造体１３４，第１連結部１３３ａ，および第２連結部１３３ｂを、各々が動作可能な状態に分離する。この状態では、可動構造体１３４が変形（湾曲）している。

次に、可動構造体１３４などを動作可能な状態に分離したチップ（マイクロメカニカル構造体）全体を加熱処理し、変形していた可動構造体１３４を、図１Ｈに示すように、所望とする曲率未満（＜１ｍ^-1）に抑制した平坦な状態の可動構造体１３４とする。適宜に加熱処理を行うことで、可動構造体１３４を、所望とする曲率未満（＜１ｍ^-1）に抑制できる。

ここで、上述した分離後の加熱処理の時間（加熱時間）と、可動構造体１３４の曲率との関係の測定結果について図２を用いて説明する。図２は、加熱時間と可動構造体１３４の曲率との関係を示す特性図である。加熱処理の温度は５００℃とした。加熱時間２時間において、曲率の変化が飽和している。従って、加熱処理は、例えば、窒素雰囲気下で、温度５００℃（Ｔ＝７７３Ｋ）で２時間の条件で行えば良い。

また、可動構造体１３４の変形抑制のための加熱処理は、マイクロメカニカル構造体の酸化を避けるために、不活性な雰囲気で行うとよい、例えば、窒素，ヘリウム，ネオン，アルゴン，クリプトン，キセノンなどの不活性ガス、または、これらの混合ガスの雰囲気で加熱処理を行えばよい。また、加熱処理は、真空で行えばよいことは言うまでもない。

加熱処理条件（加熱処理温度と加熱処理時間）を定量的に求めるために、窒素雰囲気下で、加熱処理時間を２時間に固定し、処理温度をパラメータとした際の可動構造体１３４の曲率を計測した結果を図３に示す。図３は、縦軸を「加熱処理前後における可動構造体１３４の曲率の変動量について自然対数をとった値」とし、横軸を「絶対温度の逆数」とするアレニウスプロットである。ここで、可動構造体１３４は、第１可動梁１３２ａ，第２可動梁１３２ｂなどの配列方向に対して垂直な幅は、１００μｍ〜１４０μｍとし、配列方向の長さは、４５０μｍ〜６００μｍとし、厚さは、４μｍ〜１０μｍとした。

加熱処理温度５００℃以上（絶対温度の逆数：１／Ｔ≦０．０１２９Ｋ^-1）で曲率緩和の効果が温度によらず一定となるプラトー領域が現れる。これは、５００℃以上の加熱処理温度では、２時間より短時間に曲率緩和に関する反応が終了することを意味する。また、５００℃においてアレニウスプロットが変曲点を有することから、５００℃の加熱処理温度では、２時間で曲率緩和現象が終了することも示している。言い換えれば、「５００℃の加熱処理温度での曲率緩和における飽和時間は２時間である」となる。

従って、曲率緩和現象の活性化エネルギーは、２時間の加熱処理時間で曲率緩和が飽和に達しない５００℃以下（絶対温度の逆数：１／Ｔ≧０．０１２９Ｋ−１）における図３のアレニウスプロットの傾きから算出され、この値は、０．７４ｅＶと求められる。

また、求められる活性化エネルギーから、各温度に対する加速係数がアレニウスの式から一意に求められ、図４に示す「曲率緩和現象の飽和時間と加熱処理温度における絶対温度の逆数」の関係が得られる。

この関係は、「曲率緩和現象の飽和時間（時間；ｈ）＝４×１０^-5×ｅｘｐ（８３４０．７／絶対温度）」という式で近似される。また、曲率緩和現象の飽和時間を加熱処理時間と置き換え、「加熱処理時間（時間；ｈ）＝４×１０^-5×ｅｘｐ（８３４０．７／絶対温度）」の式を満足する加熱処理温度と加熱処理時間が、加熱処理条件の必要条件となる。なお、加熱処理条件は、上記関係式を含む図４の斜線領域でも良いことは言うまでもない。

可動構造体１３４のサイズに関し、幅１００μｍ〜１４０μｍとしたが、この値が長さと同じ６００μｍまでは曲率緩和の効果が得られる。厚さに関しては、ストーニーの式より厚くなるほど加熱処理前の曲率は小さくなるため、厚さが厚くなった場合でも曲率緩和の効果が得られる。

プロセス時間の短縮化の観点から、加熱処理温度は可能な限り高い方が良い。一方で、まず、高温になる程、曲率緩和現象以外に想定外の副反応が起こり得る。また、５００℃を超える温度での加熱処理が実施できるイナートオーブンを製造可能なメーカーは限定され、イナートオーブン自体が高価になるなどのデメリットがある。これらのことを総合的に判断すると、「加熱処理温度：５００℃、加熱処理温度時間：２時間」は適切な加熱処理条件と言える。

以上に説明したように、本発明によれば、保護層などを除去して可動構造体を分離した後に加熱処理するようにしたので、マイクロメカニカル構造体の製造工程において可動構造体を動作可能にした後で発生する可動構造体の変形を抑制し、可動構造体の変形を所望とする曲率未満（＜１ｍ^-1）に抑制できるようになる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、可動構造体の平面に反射構造が形成されていてもよい。

１０１…基体部、１０１ａ…開口部、１０２…埋め込み絶縁層、１０２ａ…開口部、１０３…表面シリコン層（ＳＯＩ層）、１０５…保護層、１３１…枠部、１３２ａ…第１可動梁、１３２ｂ…第２可動梁、１３３ａ…第１連結部、１３３ｂ…第２連結部、１３４…可動構造体、１３５…隙間。

Claims (6)

1. 基体部の表面上に埋め込み絶縁層を介して形成された表面シリコン層を備えるＳＯＩ基板の前記表面シリコン層をパターニングして素子形成領域に可動構造体を形成する第１工程と、
   前記素子形成領域の前記基体部の裏面より前記基体部および前記埋め込み絶縁層を貫通する開口部を形成し、開口部の周囲の前記埋め込み絶縁層を支持構造体として支持されて動作可能とされた前記可動構造体を備えるマイクロメカニカル構造体を形成する第２工程と、
   動作可能とされた前記可動構造体を備えるマイクロメカニカル構造体を形成した後で、前記マイクロメカニカル構造体を加熱する第３工程と
   を少なくとも備えることを特徴とするマイクロメカニカル構造体の作製方法。
2. 請求項１記載のマイクロメカニカル構造体の作製方法において、
   前記第３工程では、雰囲気が不活性ガスまたは真空の状態で前記マイクロメカニカル構造体を加熱することを特徴とするマイクロメカニカル構造体の作製方法。
3. 請求項２記載のマイクロメカニカル構造体の作製方法において、
   加熱時間＝４×１０^-5×ｅｘｐ（８３４０．７／絶対温度）の関係が満たされる加熱時間および前記絶対温度で示される加熱温度で、前記マイクロメカニカル構造体を加熱することを特徴とするマイクロメカニカル構造体の作製方法。
4. 請求項２記載のマイクロメカニカル構造体の作製方法において、
   前記第３工程では、温度条件５００℃で前記マイクロメカニカル構造体を加熱することを特徴とするマイクロメカニカル構造体の作製方法。
5. 請求項４記載のマイクロメカニカル構造体の作製方法において、
   前記第３工程では、前記マイクロメカニカル構造体を２時間加熱することを特徴とするマイクロメカニカル構造体の作製方法。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のマイクロメカニカル構造体の作製方法において、
   前記第１工程の後で、前記表面シリコン層の少なくとも前記素子形成領域を覆う有機樹脂からなる保護層を形成してから前記開口部を形成し、
   前記開口部を形成した後で、有機材料の灰化処理により前記保護層を除去し、前記保護層を除去した後の前記可動構造体の表面の酸化層をプラズマ処理により除去することで、動作可能とされた前記可動構造体を備えるマイクロメカニカル構造体を形成することを特徴とするマイクロメカニカル構造体の作製方法。

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