JP3537631B2 - 微小機械装置およびその製造方法 - Google Patents
微小機械装置およびその製造方法Info
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Description
密封止して形成された微小機械装置およびその製造方法
に関するものである。
により、半導体基板上に微細な梁構造を作製すること
で、半導体センサやアクチュエーター等の可動部を有す
る微小機械素子(マイクロマシン)を作製した例が多数
報告されている。この手法により形成された微小機械素
子は、基本的にはLSI製造と同じ技術によって形成さ
れるため、微小機械素子の駆動回路または検出回路の集
積が容易である。したがって、大量生産が可能となり、
微細構造を安価な製造コストで容易に形成できる等の利
点を有する。
からのゴミや湿気等の侵入を防ぐために気密封止される
必要がある。また、微小機械装置として作製される圧力
センサーや流量制御装置等は、その機能を実現するため
には半導体基板上に中空構造を形成する必要がある。例
えば、図7に示すように半導体基板61に凹部63を形
成し、その表面に絶縁膜64を形成してから凹部63内
に微小機械素子(図示せず)を設置し、薄膜62によっ
て気密封止することが要求される。
スパッタ法などの膜形成法では、基板表面にのみ膜が形
成されるため、微小機械素子の可動部分に接触させずに
気密封止することは不可能である。現在、微小機械素子
を形成したシリコン基板の気密封止には、気密封止用の
ガラス基板を陽極接合技術によってシリコン基板に接合
する方法が広く用いられている。
微小機械素子を気密封止する例を図8に示す。図8は気
密封止にガラス基板を用いた従来例を示す断面図であ
る。図8(a)において、シリコン基板51上には絶縁
膜52が形成され、絶縁膜52には凹部53が形成され
ている。絶縁膜52の上にはポリシリコンによって形成
された微小機械素子54と、微小機械素子54の形状に
合わせて加工の施されたガラス基板55とが配置されて
いる。
4の可動部分を確保するための空間57の他に、微小機
械素子54と導通を取るためのスルーホール56も形成
されている。シリコン基板51とガラス基板55とを図
8(b)の様に位置合わせを行った後、陽極接合によっ
て接合する。その後、図8(c)に示すように、スルー
ホール56内に導電性ペースト58を埋め込んだ後、こ
の導電性ぺ一スト58に取り出し電極59を接続する。
いて説明する。図9はガラスとシリコンとの陽極接合の
原理を示す説明図である。ガラス71とシリコン72と
の接合は、両者を重ね合わせた後に300〜500℃に
加熱するとともに1000V程度の電圧を印加すること
によって行われる。この結果、ガラス71の内部のイオ
ンが移動する。そして、ガラス71内部のシリコン72
側の負電荷とシリコン72の正電荷による静電力で表面
同士が引き合って接触し共有結合を形成してガラス71
とシリコン72とは接合される。
8(c)に示すように、1枚の半導体基板上に1層の微
小機械素子を作製していた。そのため、複数の微小機械
素子を作製する際、同一平面上に形成することができな
い微小機械素子については新たに別の基板上に作製しな
ければならず、微小機械装置の集積および小型化にとっ
て大きな支障となっていた。本発明は、このような課題
を解決するためのものであり、同一半導体基板内に高密
度に集積した微小機械装置およびその製造方法を提供す
ることを目的とする。
るために、本発明に係る微小機械装置は、半導体基板上
に順次積層された第1および第2の絶縁膜と、可動領域
として中空構造が確保された状態で第1の絶縁膜内に気
密封止された第1の微小機械素子と、可動領域として中
空構造が確保された状態で第2の絶縁膜内に気密封止さ
れた第2の微小機械素子とを備えたものである。このよ
うに構成することにより本発明に係る微小機械装置は、
従来よりも高密度に微小機械素子を集積することができ
る。また、本発明に係る微小機械装置の製造方法は、凹
部の開口面よりも広い面積のフィルム上に薄膜を形成す
る工程と、上記フィルムに形成された上記薄膜と上記凹
部とを互いに向かい合わせ、上記凹部の開口面を覆うよ
うにして上記薄膜を上記フィルムとともに上記凹部上に
載置する工程と、上記フィルムに所定の圧力を付加する
ことによって上記薄膜を上記凹部上に転写する工程と、
この転写された薄膜から上記フィルムを剥離する工程と
を有するものである。したがって、凹部内に形成された
微小機械装置を、ガラス基板よりも薄い薄膜によって気
密封止することができ、積層構造の微小機械素子を容易
に作製することができる。
について図を用いて説明する。まず、微小機械素子の気
密封止の方法について説明する。本発明においては、従
来のガラス基板を用いた場合の問題点を克服するため、
以下のような手法を新たに提案する。図1は微小機械素
子の気密封止に使用されるフィルムおよび薄膜を示す断
面図である。図1において、フィルム1の上にはシリコ
ン酸化物前駆体2が形成されている。
てポリテトラフルオロエチレン(PTFE)フィルムを
使用し、シリコン酸化物前駆体2はSOG材料のシリカ
系絶縁膜形成用塗布液を用いた。フィルム1の厚さは1
00〜200μmとしフィルム1の一面には、シリコン
酸化物前駆体2が塗布され、その後乾燥させることによ
り3〜10μmの薄膜が形成されている。シリコン酸化
物前駆体2の乾燥は、温度120℃の下で時間6〜10
分に亘って行われる。
ィルムを例に挙げたが、これに限られるものではない。
フィルム1上にシリコン酸化物前駆体2が形成可能であ
れぱ、他の材料のフィルムを用いてもよいことは言うま
でもない。また、シリコン酸化物前駆体2の材料も上記
のものに限られるものではない。必要とする粘度および
硬度を有するとともに400℃以下の熱処理でシリコン
酸化膜に変質が可能なものであれば、他の材料によるシ
リコン酸化物前駆体を用いても構わない。
物質であり、フィルム上での乾燥温度および乾燥時間を
変化させれば、このシリコン酸化物前駆体2の硬度は自
由に調整可能である。すなわち、硬度を調整することに
より、半導体基板の巨大な凹部中に入り込むことなくシ
リコン酸化物前駆体2によって凹部の開口部を気密封止
することが可能である。また、シリコン酸化物前駆体2
は、熱処理によって通常のシリコン酸化物と同等の膜質
および硬度を有するシリコン酸化物に変化するため、気
密封止後も洗浄や熱処理等のICプロセスで行われる処
理の実施も可能となる。
いて図2,3を用いて説明する。図2,3は本発明に係
る気密封止の工程の一つの実施の形態を示す断面図であ
る。これらは図1で作成された薄膜を用いて、半導体基
板上に形成した微小機械素子を気密封止する工程を示す
ものである。
リコン基板13上には、第一の絶縁膜14と犠牲膜15
と第二の絶縁膜16とが順次堆積されて形成されてい
る。図2(b)において、絶縁膜16に対してリソグラ
フィー工程とエッチング工程を施すことにより、犠牲膜
15が露出するように凹部17を形成する。図2(c)
において、この凹部17を含む基板全面にAlを100
0nm堆積した後、リソグラフィー工程とエッチング工
程とによって微小機械素子18を形成する。
よって微小機械素子18の下周辺の犠牲膜15を除去し
て空間19を形成する。ここで、図4は微小機械素子の
詳細な構成を示す断面図および平面図である。図4に示
すように本実施の形態では、微小機械素子18としてシ
リコン基板13に対して水平方向の加速度を測定するた
めの静電容量型一次元加速度センサーをAlによって作
製した。また、図4から明らかなように微小機械素子1
8の構造は梁構造になっている。なお、凹部19の開口
部は、100μm角の正方形としている。
囲気下でのプラズマエッチングを使用した。また、絶縁
膜14,16はCVD法によってSiH4+O2雰囲気下
でSiO2を2000nm堆積し、犠牲膜15は膜厚が
500nmのSiNを使用した。
たフィルム11上の膜厚3〜10μmのシリコン酸化物
前駆体12を、凹部17等を含む基板上に載置し、その
後加熱しながら所定の圧力で押圧することによって薄膜
18を基板上に転写する。ここで転写方法としては薄膜
が形成可能な転写方法であればいかなる手法でも良い。
れる。また、図1で既に説明したようにシリコン酸化物
前駆体12は、フィルム11上の乾燥によって必要とす
る硬度に調整されている。そのため、凹部17の中に入
り込まずに凹部17の開口部を塞ぐことができる。
することによって基板上にシリコン酸化物前駆体12が
形成される。その結果、微小機械素子18の周辺には空
間17aが確保される。なお、図3(f)の工程は大気
中で実施される。
体12に対して熱処理を施すことにより、基板上のシリ
コン酸化物前駆体12はシリコン酸化膜20に変化す
る。本実施の形態では、酸素雰囲気下で400℃の熱処
理を行った。この熱処理により、転写されたシリコン酸
化物前駆体12は通常のシリコン酸化物と同等の膜質お
よび硬度を有するシリコン酸化物20となる。その結
果、微小機械素子に対して可動空間を確保しながら気密
封止することができ、また気密封止を行った後も洗浄や
リソグラフィーなどのICプロセスで用いられる処理を
行うことが可能である。なお、図3(g)の工程は、酸
素または水蒸気の雰囲気中で実施される。
機械素子の製造工程について説明する。図5,6は本発
明に係る微小機械装置の製造工程の一つの実施の形態を
示す断面図である。ここでは、絶縁膜にコンタクトホー
ルを形成して上部から電極を取り出すとともに複数の微
小機械素子を積層して形成した例を示す。
には図2(c)と同様の構造が形成され、形成法は以下
のとおりである。すなわち、シリコン基板23上に第一
の絶縁膜24を形成した後に、Al膜を堆積し、次にリ
ソグラフィー工程とエッチング工程とによって電極25
を形成する。さらに、犠牲膜26を堆積した後、リソグ
ラフィー工程とエッチング工程とによって加工する。こ
の後、第二の絶縁膜27を堆積し、リソグラフィー工程
とエッチング工程とによって犠牲膜26の表面が露出す
るように凹部を形成する。
程とエッチング工程とにより、微小機械素子29を形成
する。さらに、等方性エッチングにより、犠牲膜26を
除去し、空間30を形成する。図2と同様に微小機械素
子29としては、基板に対し水平方向の加速度を測定す
る静電容量型加速度センサーを作製した。または、垂直
方向のセンサーを作製してもよい。
成したシリコン酸化物前駆体22を基板上に載置し、加
熱しながらフィルム21とともにこのシリコン酸化物前
駆体22を基板に対して押しつけることによって絶縁膜
27および微小機械素子29上に転写する。図5(d)
において、フィルム21を剥離する。図6(e)におい
て、シリコン酸化物前駆体22を熱処理することによ
り、シリコン酸化膜31を形成する。この結果、凹部2
8内の微小機械素子29および電極25は気密封止され
る。
に、リソグラフィー工程とエッチング工程とにより微小
機械素子29の一部を露出するためのコンタクトホール
を形成した後、引き出し電極32を形成する。この結
果、半導体基板の上面から電極を引き出すことができ
る。さらに、シリコン酸化物31および絶縁膜27にコ
ンタクトホールを開口した後、引き出し電極33を形成
する。
ことによって積層構造に配置した微小機械素子を形成す
ることができる。すなわち、電極33の上には空間36
を確保したまま絶縁膜34が堆積され、空間36の上に
は微小機械素子37が形成されている。微小機械素子3
7の上には空間38を確保したままシリコン酸化物35
によって気密封止され、このシリコン酸化物35に開口
されたコンタクトホールを介して電極39は微小機械素
子37に接続されている。
ルム上に形成する薄膜に、シリコン酸化物前駆体を用い
た。しかし、フィルム上への形成、半導体基板上への転
写および剥離により、凹部の中空空間を維持しながら開
口部を塞ぐことが可能であれば、他の材料の薄膜であっ
ても構わない。
Nで形成した。さらに、犠牲膜の除去には、CF4+O2
雰囲気下でのプラズマエッチングを使用した。しかし、
半導体基板上に凹部を形成し、その中に可動部を有する
微小機械素子の形成が可能であれば、微小機械素子や犠
牲膜の材料および犠牲膜の除去法は、他の手法でも構わ
ない。
る微小機械装置を形成したが、半導体基板上に凹部を形
成し、その中に微小機械素子を形成可能であれば、他の
構造を有する微小機械装置であっても構わない。例え
ば、一個の絶縁膜内に高さを違えて設けた複数の空間に
それぞれ微小機械素子を配置した構造をとっても良い
し、複数堆積された絶縁膜に高さを違えて設けられた空
間に微小機械素子を配置する構成をとっても良い。
部を開口してその中に微小機械素子を設置するのではな
く、図7に示すように半導体基板に凹部を開口してその
表面に絶縁膜を形成してから微小機械素子を設置しても
良い。
機械装置は、積層して微小機械素子を形成することによ
り、従来と比べ半導体基板上に高密度に集積させること
ができる。また、本発明に係る微小機械装置の製造方法
は、以下に示す効果がある。 (1)フィルム上に形成した薄膜を半導体基板上に転写
するという非常に簡便な工程で微小機械素子の気密封止
を実現することができる。 (2)気密封止用のガラス基板を必要としないため、製
造コストの削減が可能である。 (3)気密封止用のガラス基板を陽極接合するようなガ
ラス基板の加工および接合時の位置合わせを必要としな
いため、工程を簡略化できる。 (4)本手法で形成される薄膜の膜厚は数μm程度の膜
厚にすることができ、通常のICプロセスの手法で基板
上面から電極を引き出すことが可能である。また、層間
接続が容易となるため、半導体基板上に積層構造に微小
機械素子を配置することができ、半導体基板上に高密度
に微小機械素子を搭載することが実現できる。 (5)薄膜としてSOG塗布液を用いたシリコン酸化物
を利用した場合、転写後の熱処理によって通常のシリコ
ン酸化物と同等の硬度および膜質を有するようになるた
め、気密封止後も洗浄や熱処理など通常のICプロセス
を行うことが可能となる。
示す断面図である。
ある。
ある。
る。
断面図である。
断面図である。
断面図である。
極、34…絶縁膜、36,38…空間、37…微小機械
素子。
Claims (8)
- 【請求項1】 半導体基板上に順次積層された第1およ
び第2の絶縁膜と、 可動領域として中空構造が確保された状態で第1の絶縁
膜内に気密封止された第1の微小機械素子と、 可動領域として中空構造が確保された状態で第2の絶縁
膜内に気密封止された第2の微小機械素子とを備えたこ
とを特徴とする微小機械装置。 - 【請求項2】 請求項1において、 前記第1および第2の微小機械素子は、第1および第2
の絶縁膜に開口されたスルーホール中の電極を介して電
気的に接続されていることを特徴とする微小機械装置。 - 【請求項3】 半導体基板上に絶縁膜を形成する工程
と、この絶縁膜に凹部を形成する工程と、この凹部内に
可動領域を確保した状態で微小機械素子を形成する工程
とを有する微小機械装置の製造方法において、 前記凹部の開口面よりも広い面積のフィルム上に薄膜を
形成する工程と、 前記フィルムに形成された前記薄膜と前記凹部とを互い
に向かい合わせ、前記凹部の開口面を覆うようにして前
記薄膜を前記フィルムとともに前記凹部上に載置する工
程と、 前記フィルムに所定の圧力を付加することによって前記
薄膜を前記凹部上に転写する工程と、 この転写された薄膜から前記フィルムを剥離する工程と
を有することを特徴とする微小機械装置の製造方法。 - 【請求項4】 半導体基板の主表面に凹部を形成する工
程と、この凹部の表面に絶縁膜を形成する工程と、この
絶縁膜の形成された凹部内に可動領域を確保した状態で
微小機械素子を形成する工程とを有する微小機械装置の
製造方法において、 前記凹部の開口面よりも広い面積のフィルム上に薄膜を
形成する工程と、 前記フィルムに形成された前記薄膜と前記凹部とを互い
に向かい合わせ、前記凹部の開口面を覆うようにして前
記薄膜を前記フィルムとともに前記凹部上に載置する工
程と、 前記フィルムに所定の圧力を付加することによって前記
薄膜を前記凹部上に転写する工程と、 この転写された薄膜から前記フィルムを剥離する工程と
を有することを特徴とする微小機械装置の製造方法。 - 【請求項5】 請求項3または4において、 前記微小機械素子の上にさらに絶縁膜を形成する工程
と、 この絶縁膜に凹部を形成してこの凹部内に微小機械素子
を形成する工程と、 前記凹部の開口面よりも広い面積のフィルム上に薄膜を
形成する工程と、 前記フィルムに形成された前記薄膜と前記凹部とを互い
に向かい合わせ、前記凹部の開口面を覆うようにして前
記薄膜を前記フィルムとともに前記凹部上に載置する工
程と、 前記フィルムに所定の圧力を付加することによって前記
薄膜を前記凹部上に転写する工程と、 この転写された薄膜から前記フィルムを剥離する工程と
を有し、微小機械素子の積層構造を形成することを特徴
とする微小機械装置の製造方法。 - 【請求項6】 請求項5において、 前記微小機械素子が気密封止されている絶縁膜にコンタ
クトホールを開口する工程と、 このコンタクトホール中に電極を形成する工程とを有
し、 この電極を介して微小機械素子同士を電気的に接続する
ことを特徴とする微小機械装置の製造方法。 - 【請求項7】 請求項3または4において、 前記薄膜は、前記フィルムの一面に塗布されたSOG材
料のシリカ系絶縁膜形成用塗布液を乾燥させることによ
り形成された薄膜であることを特徴とする微小機械装置
の製造方法。 - 【請求項8】 請求項3または4において、 前記フィルムは、ポリテトラフルオロエチレンによって
形成されたフィルムであることを特徴とする微小機械装
置の製造方法。
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JP11957297A JP3537631B2 (ja) | 1997-05-09 | 1997-05-09 | 微小機械装置およびその製造方法 |
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JPH10313139A JPH10313139A (ja) | 1998-11-24 |
JP3537631B2 true JP3537631B2 (ja) | 2004-06-14 |
Family
ID=14764674
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JP11957297A Expired - Fee Related JP3537631B2 (ja) | 1997-05-09 | 1997-05-09 | 微小機械装置およびその製造方法 |
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JP4800851B2 (ja) * | 2006-06-07 | 2011-10-26 | 日本電信電話株式会社 | 薄膜形成方法及び装置 |
JP5172400B2 (ja) * | 2008-03-11 | 2013-03-27 | 日本電信電話株式会社 | 微細構造体の製造方法 |
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- 1997-05-09 JP JP11957297A patent/JP3537631B2/ja not_active Expired - Fee Related
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