JP3745648B2

JP3745648B2 - Microstructure manufacturing method

Info

Publication number: JP3745648B2
Application number: JP2001170853A
Authority: JP
Inventors: 昇男佐藤; 克之町田; 仁石井; 億久良木
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2001-06-06
Filing date: 2001-06-06
Publication date: 2006-02-15
Anticipated expiration: 2021-06-06
Also published as: JP2002365153A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置やマイクロマシン（ＭＥＭＳ：Micro Electro Mechanical Systems）などに利用される中空構造を有する微細構造の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
封止技術は、半導体チップをパッケージに封止する際、あるいは、ＭＥＭＳなど微小デバイスの分野における微小開口領域を封止する際に必要な技術である。封止することによって、封止された中空構造領域を外部からの異物流入や汚染から守り、また、内部の圧力・温度・湿度等の動作環境を一定に保つという効果が得られる。
【０００３】
このような効果が得られる封止された中空構造を作るには、つぎに示すようにすればよい。まず、中空構造とする領域に犠牲膜を形成し、犠牲膜の一部が外部に露出する開口部を備えた膜で犠牲膜を覆う。次いで、開口部を通して犠牲膜をエッチング除去することで、膜の内部に空間が形成された状態とする。最後に、膜に形成されている開口部を封止すれば、封止された中空構造が得られる。
【０００４】
このような中空構造を利用したものとして、「Ｐ．Ｒｅｙ」らは、静電容量の変化によって圧力変化をとらえる容量型圧力センサの作製方法を開発した（P.Rey,P.Charvet,M.T.Delaye, and S.Abouhassan,"A High Density Capacitive Pressure Sensor Array For Fingerprint Sensor Application",proceedings of Transducers'97,p1453-1456(1997)）。
【０００５】
このセンサの製造方法について、図７および図８を用いて説明する。まず、図７（ａ）に示すように、シリコン基板５０１上に１μｍのシリコン酸化膜５０２を熱酸化法により形成し、この上に公知のフォトリソグラフィ技術と堆積・エッチング技術を用いて下部電極５０３と犠牲層５０４と上部電極５０５とを順次形成する。犠牲層５０４の膜厚は、０．４μｍである。
【０００６】
つぎに図７（ｂ）に示すように、上部電極５０５と接する可動膜５０６としてＰＥＣＶＤ法(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition)によって、膜厚０．５μｍのシリコン窒化膜を堆積形成し、フォトリソグラフィを用いて開口部５０７を作製する。このときの上から見た透視図を図７（ｃ）に示す。さらに、図７（ｄ）に示すように開口部５０７を通して犠牲層５０４をエッチング除去する。最後に、図７（ｅ）に示すように、ＰＥＣＶＤ法によって窒化膜を堆積することで封止膜５０８を形成して、微細な中空構造５０９を形成する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、以上のＣＶＤによる封止法を用いた場合、封止材料が開口部５０７を通して内部に侵入して堆積し、封止された中空構造内部において柱状構造５０８ｂが大きな領域を占めるという問題があった。
また、中空構造５０９の上部を可動させて圧力を検出する構造の場合、封止材料で堆積形成された中空構造５０９内部の柱状構造５０８ｂが、可動膜５０６の一部を固定してしまい、可動領域を狭めるという問題があった。
【０００８】
この問題は、特に図９（ａ）に示すように２次元アレイ状に中空構造５０９を配列させたアレイ型のセンサ６００において顕著である。このセンサ６００を上から見た透視図を図９（ｂ）に、図９（ｂ）のＣＣ断面図を図９（ｃ）に示す。センサ６００を構成する各々の中空構造５０９からなる素子は、下部電極５０３、上部電極５０５、可動膜５０６、封止膜５０８を備える。封止膜５０８の中空構造内部に侵入した部分である柱状構造５０８ｂは、図９（ｂ）に示すように、可動膜５０６内で柱状構造５０８ｂの周囲の領域６０１を固定し、可動膜５０６の可動を大きく阻害する。この領域６０１は、センサとしては無駄な領域である。それゆえ、単一の中空構造素子の可動膜感度が低下するばかりでなく、中空構造素子を２次元アレイ状に配列させる集積度の向上を阻害し、また、センサ精度・分解能を低下させる要因となる。
【０００９】
また、図７（ｅ）に示すように、柱状構造５０８ｂと同じ厚さの膜が可動膜５０６上に形成されるが、封止によって可動膜５０６を厚くしすぎると可動しなくなる。一方、可動膜５０６が可動するように封止膜５０８を薄くしようとすると、開口部５０７の領域における柱状構造５０８の高さが低くなる。柱状構造５０８の高さが低く、この頭部が開口部５０７に到達しないと、封止した状態とならない。従って、封止膜５０８を薄くする場合、柱状構造５０８の頭部を開口部５０７底部に到達させて封止状態とするために、可動膜５０６とシリコン酸化膜５０２との距離を近づける必要がある。
【００１０】
つまり、上述した従来の封止法では、下部電極５０３と上部電極５０５の距離に制限があり、大きくすることができない。これを避けるために、図８(ａ）に示すように、封止膜５０８の一部を覆うレジストマスク５１０を用い、公知のエッチング技術により封止膜５０８を加工し、図８（ｂ）に示すように、開口部５０７の周囲だけに封止膜５０８ｃを残すようにしてもよい。
しかしながら、この場合は、封止膜を加工する新たなプロセスが必要となり、製造工程数が多くなり、コストの上昇を招く。
【００１１】
以上の問題点は、犠牲層を取り囲む可動膜の一部を開口し、ウエットエッチングによって横方向から犠牲層を除去する場合でも同じである。これについて図１０を用いて説明する。図７（ａ）と同じ工程を経て図１０（ａ）まで作製したのち、図１０（ｂ）に示すように、犠牲層５０４を取り囲む可動膜５０６ａを形成する。この際、可動膜５０６ａの側面は、犠牲膜５０４の側面を「コ」の字状に囲った状態とし、犠牲層５０４の側面の一部が露出した状態とする。このときの上から見た透視図を図１０（ｃ）に示す。
【００１２】
この後、ウエットエッチングにより可動膜５０６ａが開放している横方向から犠牲層５０４を除去し図１０（ｄ）の状態とする。この後、図１０（ｅ）のように、封止膜５０８をＣＶＤ法によって形成する。この場合も、封止膜５０８が厚くなり可動性が失われるという問題が生じる。また、図１０（ｆ）のように、封止膜５０８の不要な部分をエッチング除去し、部分５０８ｃだけ残す場合は、工程数が多くなるという問題が生じる。
【００１３】
以上説明したように、従来では、中空構造の封止部分以外の構造や特性や感度に悪影響を与えたり制限を設けたりせずに封止することが困難であった。
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、封止された微細な中空構造をより容易に形成できるようにすることを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の微細構造の製造方法は、基板上に凹部構造を形成する第１の工程と、凹部内に犠牲膜を充填する第２の工程と、開口部を備えた板状の蓋を、凹部構造の側壁より開口部が離間した状態で、凹部構造を覆うように配置して固定する第３の工程と、開口部より犠牲膜をエッチング除去して蓋の下に凹部による空間を形成する第４の工程と、蓋の上に液状の材料を塗布して塗布膜を形成し、この塗布膜を形成した直後に、例えば塗布膜が基板より下方に配置された状態とするなど、塗布膜が基板より力の作用する側に配置された状態とし、この後、塗布膜の流動性を低下させて塗布膜を固化することで蓋の上に封止膜を形成して開口部を塞ぐ第５の工程とを備えたものである。
この発明によれば、塗布することで形成した封止膜により、蓋の下の空間が封止される。
【００１５】
また、本発明に係る微細構造の製造方法は、基板上に凹部構造を形成する第１の工程と、凹部内に犠牲膜を充填する第２の工程と、開口部を備えた板状の蓋を、凹部構造の側壁より開口部が離間した状態で、凹部構造を覆うように配置して固定する第３の工程と、開口部より犠牲膜をエッチング除去して蓋の下に凹部による空間を形成する第４の工程と、蓋の上に液状の材料を塗布して塗布膜を形成し、これを固化することで蓋の上に封止膜を形成して開口部を塞ぐ第５の工程とを備え、塗布膜を形成したときの開口部以外の領域における塗布膜の膜厚をｔとし、空間外部と開口部との境界における開口部の断面積をａとし、空間と開口部との境界における開口部の断面の周囲の長さをｂとし、開口部内の体積をｃとし、異空間と開口部との境界における、塗布膜の開口部に進入した部分と開口部側壁との間の表面張力の大きさをｄとし、塗布膜の密度をｅとし、重力加速度をｇとすると、（ｃ＋ａ×ｔ）×ｅ×ｇ≦ｂ×ｄの関係が満たされているようにしたものである。
上記発明において、第５の工程では、塗布膜を形成した直後に、塗布膜が基板より力の作用する側に配置された状態とし、この後、塗布膜の流動性を低下させて塗布膜を固化する。また、第５の工程では、塗布膜を形成した直後に、塗布膜が基板より下方に配置された状態として塗布膜が基板より力の作用する側に配置された状態とし、この後、塗布膜の流動性を低下させて塗布膜を固化する。
【００１６】
上記発明において、犠牲膜上およびこの犠牲膜周囲にかけて金をメッキすることで蓋を形成し、ポリイミドから構成され液状の材料を塗布して塗布膜を形成する。また、感光性を有するポリイミドから構成された液状の材料を塗布して塗布膜を形成し、フォトリソグラフィによって塗布膜の開口部周辺以外の領域を除去して残った部分を固化することで、蓋の開口部領域上に封止膜を形成して開口部を塞ぐ。
【００１７】
【発明の実施の形態】
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１は、本発明の実施形態における微細構造の製造方法を説明する工程図である。本実施の形態では、中空構造の上部が可動可能であり、容量が検出できる構造を例にとって説明する。
まず、図１（ａ）に示すように、シリコンなどの半導体材料からなる基板１０１上に、層間絶縁膜１０２を形成する。層間絶縁膜１０２下の基板１０１には、図示していないが、検出回路などの他の集積回路が形成され、複数の配線からなる配線構造を備えている。
【００１８】
層間絶縁膜１０２を形成した後、まず、蒸着法により膜厚０．１μｍのチタン膜と膜厚０．１μｍの金膜との２層膜からなるシード層１０３を形成する。
つぎに、公知のフォトリソグラフィ技術により、所定の領域に開口部を備えた膜厚５μｍのレジストパターンを形成する。レジストパターンを形成したら、開口部に露出している下層のシード層１０３上に、電解メッキにより金メッキ膜からなる金属パターンを膜厚１μｍの厚さで形成し、この後レジストパターンを除去し、図１（ｂ）に示すように、電極パターン１０４ａを形成する。
【００１９】
つぎに、レジストによって電極パターン１０４ａを覆い、かつ、開口部によってシード層１０３の所定領域を露出させたレジストパターンを５μｍの厚さで形成する。このレジストパターンを形成したら、開口部に露出した下層のシード層１０３上に、電解メッキにより金メッキ膜からなる膜厚３μｍの枠状の構造体１０５ａを形成する。なお、この後レジストパターンは除去する。
【００２０】
つぎに、電極パターン１０４ａと枠状の構造体１０５ａをマスクとして、シード層１０３を選択的にエッチングする。このエッチングでは、まず、ヨウ素、ヨウ化アンモニウム、水、エタノールからなるエッチング液を用い、シード層上層の金を選択的に除去する。次いで、ＨＦ系のエッチング液を用い、シード層下層のチタンを選択的に除去する。
この結果、図１（ｄ）に示すように、基板１０１上に下部電極１０４と、下部電極１０４と絶縁分離された支持部材１０５とが形成される。この支持部材１０５は、後述する可動電極を支持するものであり、各下部電極１０４の周囲を囲むように枠状に形成されている。なお、支持部材を格子状に形成して複数の升を構成し、この升中央部に下部電極を配置することで、後述する容量検出素子を２次元アレイ状に配列させた構造が得られる。
【００２１】
つぎに、下部電極１０４と支持部材１０５を覆うように基板１０１上に感光性を有する樹脂膜をスピン塗布により形成する。この後、加熱処理（プリベーク）を施し、公知のフォトリソグラフィ技術により樹脂膜を加工し、支持部材１０５の上部のみを露出させる。さらに、加熱処理をして樹脂膜を熱硬化させ、化学的機械的研磨により表面を平坦化し、図１（ｅ）に示すように、犠牲層１０６を形成する。
【００２２】
つぎに、支持部材１０５と犠牲層１０６の上面に、まず、チタンと金からなるシード層１０７を蒸着法によって形成し、次いで、公知のフォトリソグラフィ技術によって、下層のシード層１０７が部分的に露出する平面視矩形状の開口部を有するレジストパターンを形成する。この開口部内には、レジストが島状に残って、部分的に下層のシード層を隠した状態とする。
【００２３】
次いで、形成したレジストパターンの開口部に露出しているシード層１０７上に、電解メッキにより金メッキ膜を形成することで、図１（ｆ）に示すように、膜厚１.３μｍ程度の金属パターン１０８ａを形成する。なお、この後、レジストパターンは除去する。上述したように、島状のレジストの存在により、形成した金属パターン１０８ａには、開口部１０９が形成され、下層のシード層１０７が露出した領域が形成される。
【００２４】
図２（ａ）は、形成した金属パターン１０８ａの構成を示す平面図である。本実施の形態では、上記島状のレジスト部分を、レジストパターンの開口部内の４隅に近い４箇所に設けることで、金属パターン１０８ａに４つの開口部１０９を設けるようにした。金属パターン１０８ａに設ける開口部１０９は、支持部材１０５に接することが無く、また、下部電極１０４上の領域にかからないように配置する。言い換えると、開口部１０９は、金属パターン１０８ａの、支持部材１０５と下部電極１０４との間の領域上に、支持部材１０５上の領域および下部電極１０４上の領域より離間して配置する。
【００２５】
本実施の形態においては、開口部１０９は直径４μｍの平面視円形とし、支持部材１０５の内側端から８μｍ離間させ配置した。
以上説明したように、金属パターン１０８ａを形成したら、金属パターン１０８ａをマスクとしてシード層１０７をウエットエッチングして加工し、図２（ｂ）に示すように、加工したシード層とマスクとした金属パターンとからなる可動電極（蓋）１０８を形成する。形成された可動電極１０８には、下層の犠牲膜１０６が露出する開口部１０９が４箇所設けられた状態となっている。
【００２６】
つぎに、可動電極１０８まで形成した基板１０１を、酸素ガスを主体としたプラズマ中に曝し、開口部１０９を介してプラズマにより生成されたエッチング種を犠牲層１０６に接触させ、犠牲層１０６をエッチング除去する。この結果、図２（ｃ）に示すように、支持部材１０５に支えられた可動電極１０８と、層間絶縁膜１０２との間に、空間が形成される。この空間は、側方が枠状の支持部材１０５により囲われ、上方は、可動電極１０８に覆われているが、可動電極の開口部１０９を介し、外部と連通した状態となっている。すなわち、空間は封止されていない。
【００２７】
つぎに、図２（ｄ）に示すように、可動電極１０８上に、有機ポリマー樹脂をスピン塗布することで、封止膜（塗布膜）１１０を形成する。有機ポリマー樹脂としては、金メッキ膜に対する濡れ性の悪いものが好ましく、例えば、ポリベンゾオキサゾール(もしくはこの前駆体)などを用いる。ポリベンゾオキサゾールをベースとする樹脂としては、例えば、住友ベークライト株式会社製の「ＣＲＣ８３００」がある。
【００２８】
基板１０１を７０００ｒｐｍの回転数で１２秒間回転させた状態で、上記ポリベンゾオキサゾール樹脂をスピン塗布することで、膜厚１μｍの封止膜１１０が形成できる。このようにして、封止膜１１０を形成した後、図３（ａ）に示すように、直ちに封止膜１１０形成面を下側にし、基板１０１を１２０℃（１０分間）加熱する。この加熱により、封止膜１１０の溶媒成分を蒸発させ、封止膜１１０の流動性を低下させる。
【００２９】
このように、塗布した封止膜１１０が下側、すなわち、重力の作用する側に配置することで、封止膜１１０が、可動電極１０８の開口部１０９より可動電極１０８下の空間に進入することを抑制する。すなわち、封止膜１１０が、基板１０１や可動電極１０８より、力（重力）の作用する側に配置された状態とする。言い換えると、塗布された封止膜１１０に作用する力の方向には、可動電極１０８が存在していない状態とする。
【００３０】
なお、以降に説明するように、塗布する封止膜１１０の材料の可動電極１０８に対する濡れ性が良くない状態とし、開口部１０９内壁に到達した塗布する材料の表面張力が、内壁に到達した材料に加わる重力より大きい場合は、基板１０１を反転させて封止膜１１０形成面が下方に配置した状態とする必要はない。
【００３１】
さらに連続し、封止膜１１０を３１０℃で３０分アニールすることで、有機ポリマー樹脂（封止膜１１０）の溶質部分に脱水・閉環反応を起こさせ、封止膜１１０を熱硬化させる。この硬化により、封止膜１１０の流動性はなくなり、図３（ｂ）に示すように、開口部１０９が、封止膜１１０により閉じられ、可動電極１０８の下の空間が完全に封止された微細中空構造体１１２が得られる。
【００３２】
この後、図３（ｃ）に示すように、封止膜１１０の下部電極１０４上の領域に、突起状構造体１１３を形成し、より感度良く圧力などを検出できる検出素子１１４を得る。突起状構造体１１３は、感光性ポリイミドを膜厚５〜１０μｍ程度に形成し、フォトリソグラフィ技術により構造体形成領域以外を露光し、現像処理してから、３１０℃で３０分アニールして熱硬化させることで形成できる。
【００３３】
以上説明したことにより製造した容量などを検出する検出素子１１４において、突起状構造体１１３に対象とすべき表面形状が接触すると、突起状構造体１１３が押し込まれて可動電極１０８が下方にたわみ、下部電極１０４と可動電極１０８との間に形成されている静電容量が変化する。この静電容量の変化を、基板１０１上に形成されている(図示していない)集積回路によって増幅・変換して検出する。この検出素子１１４を２次元アレイ状に配列させれば、高分解能の容量型圧力センサとすることができる。
【００３４】
図３（ｂ）において、開口部近傍の封止膜以外の部分を除去したい場合における中空構造作製方法を図４に説明する。
図４（ａ）は図２（ｄ）と同じ状態を示す。つぎに、前述したように封止膜（塗布膜）１１０形成面を下側にし、基板１０１を１２０℃（１０分間）加熱する。この加熱により、封止膜１１０の溶媒成分を蒸発させ、封止膜１１０の流動性を低下させる。
この後、公知のフォトリソグラフィ法によって開口部近傍以外を感光させ、現像により感光部を除去し、図４（ｂ）に示すように、開口部近傍の封止膜１１０ｃのみ残す。
【００３５】
この後、図４（ｃ）のように、基板１０１を重力に対して鉛直下向きになるように逆さまにして、窒素ガス雰囲気中で、３０分の間３１０℃に加熱するアニールを施して、封止膜１１０ｃを熱硬化させる。なお、部分的に残された封止膜１１０ｃが、流動性がほぼない状態となっていれば、熱硬化の段階で基板１０１を逆さまにする必要はない。さらに、図３（ｃ）と同様に突起状構造体１１３を形成すれば、図４（ｄ）に示すように、封止され突起状構造体１１３を備えた微細中空構造１１２ａが形成される。
【００３６】
以上説明したように、本実施の形態によれば、開口部を備えた板状の蓋の下部に凹部を配置することで蓋の下部に空間を設けるようにした微細構造を、蓋の上に塗布により封止膜を形成することによって容易に封止できる。ここで、上記実施の形態においては、可動電極１０８が、蓋であり、層間絶縁膜１０２上に形成した枠状の支持部材１０５により、凹部が形成された状態となっている。
【００３７】
このように構成した本実施の形態によれば、空間を形成するために設けた可動電極（蓋）の開口部を微細構造の支持部材（凹部側壁）に接触しない状態に配置することで、塗布する液の空間内への流入を防ぐようにした。なお、塗布する液は、封止膜を形成するものである。
従って、封止した状態でも、蓋の下部に形成される空間が、封止前の状態を維持できる。この結果、本実施の形態によれば、蓋を可動可能に形成した場合であっても、封止後に蓋の可動が阻害されることがなくなる。
【００３８】
つぎに、図２（ｄ）、および図３（ａ）に示した、液状材料を塗布することで封止を可能にする原理について、図５を用いて説明する。図５（ａ）は、スピン塗布によって封止膜となる封止液３０１が、封止対象である微細構造３０３の開口部３０２の上部に到達した状態を示す模式的な断面図である。まず、開口部３０２は、微細構造３０３の内部空間側壁３０３ａから離間している。開口部３０２上部の封止液３０１は、図５（ｂ）に示すように重力によって内部空間３０４に流入してくる。
【００３９】
図５（ｂ）の拡大図を図５（ｃ）に示す。封止液３０１が流れ込んでくるとき、開口部３０２の上部領域にある封止液３０１ｂの体積をｖ、封止液３０１の密度をρ、円形の開口部３０２の半径をｒ、封止液３０１と開口部内壁３０５との接触角をφ、封止液３０１と開口部内壁３０５を形成している材料との表面張力の大きさをγ、重力加速度をｇとする。なおここでは、開口部内壁３０５を形成している材料は、微細構造３０３を形成している材料と同じとしてある。
【００４０】
接触角φが鋭角のとき「封止液が開口部内壁を濡らす」といい、表面張力は封止液３０１を流入させる方向に働く。一方、接触角φが鈍角のとき「封止液が開口部内壁を濡らさない」といい、表面張力は封止液３０１の流入を妨げる方向に働く。また、重力によって封止液３０１を流入させようとうする力は、矢印３０７によって示され、この向きは鉛直下向き、大きさはｖρｇである。一方、接触角φが鈍角の時の表面張力は矢印３０８によって示される。
接触角φが鈍角であり、封止液３０１が開口部内壁３０５を濡らさないとき、表面張力γによる封止液３０１の流入を妨げる鉛直上向き方向に働く力は、２πｒγｃｏｓ（π−φ）である。
【００４１】
ｖρｇ＞２πｒγｃｏｓ（π−φ）ならば封止液３０１は流入し、ｖρｇ≦２πｒγｃｏｓ（π−φ）ならば封止液３０１の流入は止まる。従って、表面張力γが大きく、封止液３０１が開口部内壁３０５を濡らさない材料を選択すれば、封止液３０１は、図５（ｂ）に示すように、開口部内壁３０５を伝って内部空間３０４に到達する前に流入が停止する。
一方、表面張力γが小さく、封止液３０１の開口部内壁３０５に対する接触角φが小さい場合、封止液３０１の先端は内部空間上壁３０９に到達し、図５（ｅ）に示すように、内部空間上壁３０９を伝って広がっていこうとする。
【００４２】
接触角は材料の組み合わせにより決まる一定値であるので、封止液３０１が開口部内壁３０５から内部空間上壁３０９に到達する際に、表面張力の方向が最大９０度回転する。図５（ｄ）に示すように、内部空間上壁３０９を広がるまでの途中過程における回転角（接触角の変化）をαとすると、表面張力による鉛直上向きの力は、２πｒγｃｏｓ（π−（φ＋α））＝２πｒγｃｏｓ（（π−φ）−α）となる。
【００４３】
φが鈍角であるので、（π−φ）は鋭角であり、０≦α≦９０°であることを考えると、途中過程において、表面張力は完全に鉛直上向きになる状態があり、２πｒγをとる。従って、ｖρｇ≦２πｒγならば、図５（ｂ）に示すように、封止液３０１が開口部内壁３０５で停止しなくても、内部空間上壁３０９を広がる前に流入が停止する。これに対し、ｖρｇ＞２πｒγの場合は、図５（ｅ）に示すように、封止液３０１が内部空間上壁３０９を伝って広がっていく。
【００４４】
この際、表面張力は、封止液３０１と内部空間上壁３０９の接触している外周の長さに比例するので、広がっていくにつれ表面張力の総和は大きくなる。同時に、封止液３０１も液滴形状をして広がり体積も大きくなるので、重力により封止液滴３０１ｃを広げようとする力も大きくなる。図５（ｅ）に示すように、封止液滴３０１ｃを半球と近似し、この半径をｒ′とすると、表面張力はｒ′に比例して大きくなり、封止液滴３０１ｃへの重力は、ｒ′の３乗に比例して大きくなる。
【００４５】
従って、封止液３０１の流入は停止せず、封止液３０１が内部空間下壁３１０に達するか、内部空間３０４が封止液３０１で満たされてしまう。ただし、図５(ｆ）に示すように、開口部３０２上部の封止膜３０１が窪むことによって体積が減少するときは、この限りではない。
以上説明したように、開口部３０２が内部空間側壁３０３ａから離間しているときについて、封止液３０１の流入が停止する。
【００４６】
ところで、液状の材料の密度をρとし、塗布膜が形成された段階における開口部に進入した部分とこの上の領域の部分とを合わせた液状の材料の体積をｖとし、開口部の半径をｒとし、液状の材料の開口部内壁における表面張力をγとし、重力加速度をｇとすると、ｖρｇ≦２πｒγの関係が満たされていれば、封止液の流入を抑制できるものとしたが、これは、開口部がほぼ円柱の場合である。
【００４７】
開口部が他の柱形状などの場合は、以下に示すこととなる。
塗布膜を形成したときの開口部以外の領域における塗布膜の膜厚をｔとし、空間外部と開口部との境界における開口部の断面積をａとし、空間と開口部との境界における開口部の断面の周囲の長さをｂとし、開口部内の体積をｃとし、空間と開口部との境界における、塗布膜の開口部に進入した部分と開口部側壁との間の表面張力の大きさをｄとし、塗布膜の密度をｅとし、重力加速度をｇとすると、（ｃ＋ａ×ｔ）×ｅ×ｇ≦ｂ×ｄの関係が満たされていれば、封止液（塗布膜の開口部に進入した部分）の流入を抑制できるようになる。
【００４８】
つぎに、犠牲層をエッチングするために設ける開口部が、内部空間の側壁に接触している場合について説明する。これは、図６（ａ）に示すように、開口部３０２ａが内部空間側壁３０３ａに隣接し、開口部内壁３０５ａの一部が内部空間側壁３０３ａに連続している場合である。図６（ａ）では、封止液３０１が塗布されてこの一部が開口部３０２ａ内に進入した状態を示している。
【００４９】
前述したように、重力の大きさより表面張力の方が大きい場合、すなわち、ｖρｇ≦２πｒγｃｏｓ（π−φ）ならば、図５（ｃ）に示した場合と同様に、液の流入が停止する。これに対し、重力より表面張力の方が小さい場合、図６（ｂ）に示すように、開口部３０２ａに進入した封止液３０１の一部が、内部空間上壁３０９に到達する。しかしながら、この場合、図５（ｄ）に示した場合に比較して、表面張力の向きが回転する領域が少ない。
【００５０】
封止液３０１が内部空間上壁３０９と接している部分は、表面張力の向きが変化して鉛直上向き成分が大きくなるが、封止液３０１が内部空間側壁３０５ａと接している部分は、表面張力の向きが変化しない。従って、図６に示すように、開口部３０２ａが内部空間側壁３０３ａに隣接している場合、封止液３０１の流入を妨げる力が少なく、封止液３０１が流入しやすくなる。この結果、封止液３０１が内部空間側壁３０３を伝って内部空間下壁３１０に到達した後は、図６（ｃ）に示すように、封止液３０１の圧力によって内部空間３０４が封止液３０１によって満たされていく。
【００５１】
以上は、封止液流入時の力の関係について説明したが、実際の工程においては図３（ａ）に示すように、封止液を塗布して封止膜１１０を形成した後、基板１０１を逆さまにして加熱する。加熱することによって、塗布した封止膜１１０（封止液）の溶媒成分が揮発するなどのことにより粘性が上昇し、最終的に固化（硬化）する。図５（ａ）から図５（ｄ）に至るように、封止液３０１が開口部内壁３０５を伝わって内部空間３０４に進入するまでの時間は、粘性が大きいほど長い。
【００５２】
このことは、「液体が一定時間内に細管を流れるときの流量は粘性に反比例する」というポアズイユの式によっても明らかである。また、微細構造３０３の膜厚、すなわち、開口部３０２が長いほど流入に時間がかかる。
また、ベーク時に基板１０１を逆さまにすることによって、図４で説明した重力の向きが、封止液３０１を内部空間３０４に流入させようとはしない方向に働くようになる。
【００５３】
以上説明したように、開口部を内部空間側壁に隣接しないように配置することによって、表面張力の上向きの成分を大きくし、封止液の流入を妨げることができる。この際、封止液が開口部を形成している材料を濡らしにくく、この両者間の表面張力が大きいほど、あるいは、開口部の半径が小さいほど、あるいは、開口部が長いほど、あるいは、封止液として室温で粘性が高く加熱固化によって粘性がさらに高くなる性質の材料を使うほど、あるいは、封止液を塗布後逆さまにするまでの時間が短いほど、封止液が開口部を通して内部空間に流入せずに封止できる。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、塗布することで形成した封止膜で、蓋の下の空間を封止するようにしたので、封止された微細な中空構造をより容易に形成できるようになるというすぐれた効果が得れる。従って、特に圧力センサやＭＥＭＳなどにおいて、微細中空構造を備えた素子を２次元配列させた構造においては、各素子の可動部の感度を上昇させるだけでなく、高精度な容量検出が可能となる。また、封止膜を形成する液状の材料は、蓋下の空間底部に到達することがないので、中空構造素子の中空部分の高さを低く制限する必要がなく、任意の高さの中空構造が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における微細構造の製造方法を説明する工程図である。
【図２】図１に続く、微細構造の製造方法を説明する工程図である。
【図３】図２に続く、微細構造の製造方法を説明する工程図である。
【図４】本発明の他の形態における微細構造の製造方法を説明する工程図である。
【図５】塗布した液状材料の開口部における状態を示す概略的な断面図である。
【図６】塗布した液状材料の開口部における状態を示す概略的な断面図である。
【図７】従来よりある微細構造であるセンサの製造過程を示す工程図である。
【図８】従来よりある微細構造であるセンサの製造過程を示す工程図である。
【図９】従来よりある微細構造であるセンサの構成を示す斜視図（ａ），平面図（ｂ），断面図（ｃ）である。
【図１０】従来よりある微細構造であるセンサの製造過程を示す工程図である。
【符号の説明】
１０１…基板、１０２…層間絶縁膜、１０３…シード層、１０４…下部電極、１０４ａ…電極パターン、１０５ａ…構造体、１０５…支持部材、１０６…犠牲層、１０７…シード層、１０８…可動電極（蓋）、１０８ａ…金属パターン、１０９…開口部、１１０…封止膜。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a fine structure having a hollow structure used for a semiconductor device, a micro machine (MEMS), and the like.
[0002]
[Prior art]
The sealing technique is a technique necessary when sealing a semiconductor chip into a package or sealing a minute opening region in the field of a minute device such as MEMS. By sealing, the sealed hollow structure region can be protected from the inflow and contamination of foreign matter from the outside, and the operation environment such as internal pressure, temperature, and humidity can be kept constant.
[0003]
What is necessary is just to show as follows, in order to make the sealed hollow structure from which such an effect is acquired. First, a sacrificial film is formed in a region having a hollow structure, and the sacrificial film is covered with a film having an opening part of which is exposed to the outside. Next, the sacrificial film is removed by etching through the opening so that a space is formed inside the film. Finally, if the opening formed in the membrane is sealed, a sealed hollow structure can be obtained.
[0004]
Using such a hollow structure, “P. Rey” et al. Have developed a method for producing a capacitive pressure sensor that captures pressure changes by changing capacitance (P. Rey, P. Charvet, MTDelaye). , and S. Abouhassan, "A High Density Capacitive Pressure Sensor Array For Fingerprint Sensor Application", proceedings of Transducers '97, p1453-1456 (1997)).
[0005]
  A method for manufacturing this sensor will be described with reference to FIGS. First, as shown in FIG. 7A, a 1 μm-thick silicon oxide film 502 is formed on a silicon substrate 501 by a thermal oxidation method.SogA lower electrode 503, a sacrificial layer 504, and an upper electrode 505 are sequentially formed using a luffy technique and a deposition / etching technique. The thickness of the sacrificial layer 504 is 0.4 μm.
[0006]
Next, as shown in FIG. 7B, a silicon nitride film having a film thickness of 0.5 μm is deposited by PECVD (Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition) as the movable film 506 in contact with the upper electrode 505, and photolithography is performed. An opening 507 is formed using the same. A perspective view seen from above is shown in FIG. Further, the sacrificial layer 504 is removed by etching through the opening 507 as shown in FIG. Finally, as shown in FIG. 7E, a sealing film 508 is formed by depositing a nitride film by PECVD, and a fine hollow structure 509 is formed.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the above-described sealing method by CVD is used, there is a problem that the sealing material enters and accumulates through the openings 507 and the columnar structure 508b occupies a large area inside the sealed hollow structure. It was.
In the case of detecting the pressure by moving the upper portion of the hollow structure 509, the columnar structure 508b inside the hollow structure 509 formed by deposition with a sealing material fixes a part of the movable film 506 and is movable. There was a problem of narrowing the area.
[0008]
This problem is particularly noticeable in an array type sensor 600 in which hollow structures 509 are arranged in a two-dimensional array as shown in FIG. A perspective view of the sensor 600 viewed from above is shown in FIG. 9B, and a CC cross-sectional view of FIG. 9B is shown in FIG. 9C. Each element composed of each hollow structure 509 constituting the sensor 600 includes a lower electrode 503, an upper electrode 505, a movable film 506, and a sealing film 508. As shown in FIG. 9B, the columnar structure 508b, which is a portion that has entered the hollow structure of the sealing film 508, fixes the area 601 around the columnar structure 508b in the movable film 506, and Significantly hinders mobility. This area 601 is a useless area for the sensor. Therefore, not only the sensitivity of the movable film of a single hollow structure element is lowered, but also the improvement in the degree of integration in which the hollow structure elements are arranged in a two-dimensional array is hindered, and the sensor accuracy and resolution are reduced. Become.
[0009]
As shown in FIG. 7E, a film having the same thickness as the columnar structure 508b is formed on the movable film 506. However, if the movable film 506 is too thick by sealing, the film cannot be moved. On the other hand, when the sealing film 508 is thinned so that the movable film 506 is movable, the height of the columnar structure 508 in the region of the opening 507 is decreased. If the height of the columnar structure 508 is low and this head does not reach the opening 507, it will not be sealed. Therefore, when the sealing film 508 is thinned, it is necessary to reduce the distance between the movable film 506 and the silicon oxide film 502 so that the head of the columnar structure 508 reaches the bottom of the opening 507 to be in a sealed state. .
[0010]
That is, in the conventional sealing method described above, the distance between the lower electrode 503 and the upper electrode 505 is limited and cannot be increased. In order to avoid this, as shown in FIG. 8A, a resist mask 510 covering a part of the sealing film 508 is used, and the sealing film 508 is processed by a known etching technique. As shown, the sealing film 508 c may be left only around the opening 507.
However, in this case, a new process for processing the sealing film is required, the number of manufacturing steps is increased, and the cost is increased.
[0011]
The above problems are the same even when a part of the movable film surrounding the sacrificial layer is opened and the sacrificial layer is removed from the lateral direction by wet etching. This will be described with reference to FIG. 10A is manufactured through the same process as FIG. 7A, and then a movable film 506a surrounding the sacrificial layer 504 is formed as shown in FIG. 10B. At this time, the side surface of the movable film 506 a is in a state in which the side surface of the sacrificial film 504 is surrounded by a “U” shape and a part of the side surface of the sacrificial layer 504 is exposed. A perspective view seen from above is shown in FIG.
[0012]
Thereafter, the sacrificial layer 504 is removed from the lateral direction in which the movable film 506a is opened by wet etching, and the state shown in FIG. Thereafter, as shown in FIG. 10E, a sealing film 508 is formed by a CVD method. Also in this case, there arises a problem that the sealing film 508 becomes thick and the mobility is lost. Also, as shown in FIG. 10F, when unnecessary portions of the sealing film 508 are removed by etching and only the portions 508c are left, there is a problem that the number of steps increases.
[0013]
As described above, conventionally, it has been difficult to perform sealing without adversely affecting the structure, characteristics, and sensitivity other than the sealing portion of the hollow structure or without providing a restriction.
The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to make it possible to more easily form a sealed fine hollow structure.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
  The microstructure manufacturing method of the present invention includes a first step of forming a recess structure on a substrate, a second step of filling a sacrificial film in the recess, and a plate-like lid having an opening. A third step of placing and fixing the concave structure so as to cover the concave structure with the opening spaced apart from the side wall of the structure; and a step of forming a space by the concave under the lid by etching away the sacrificial film from the opening. Step 4 and apply a liquid material on the lid to form a coating film,Immediately after forming the coating film, the coating film is placed on the side where the force acts on the substrate, for example, the coating film is placed below the substrate. Reduce coating filmAnd a fifth step of forming a sealing film on the lid and closing the opening.
  According to this invention, the space under the lid is sealed by the sealing film formed by coating.
[0015]
  The fine structure manufacturing method according to the present invention includes a first step of forming a concave structure on a substrate, a second step of filling a sacrificial film in the concave portion, and a plate-like lid provided with an opening. In a state where the opening is spaced apart from the side wall of the recess structure, and the third step is arranged and fixed so as to cover the recess structure, and the sacrificial film is removed by etching from the opening to create a space by the recess under the lid. Fourth step of forming, and a fifth step of forming a coating film by applying a liquid material on the lid and solidifying this to form a sealing film on the lid and closing the opening AndThe thickness of the coating film in a region other than the opening when the coating film is formed is t, the sectional area of the opening at the boundary between the outside of the space and the opening is a, and the opening at the boundary between the space and the opening The length of the circumference of the cross section is b, the volume in the opening is c, and the surface tension between the portion of the coating film entering the opening and the side wall of the opening at the boundary between the different space and the opening is large. When the thickness is d, the coating film density is e, and the gravitational acceleration is g, the relationship (c + a × t) × e × g ≦ b × d is satisfied.It is what.
  In the above invention, in the fifth step, immediately after forming the coating film,The coating film is placed on the side where the force acts from the substrate, and then the fluidity of the coating film is lowered to solidify the coating film.. Also,In the fifth step, immediately after forming the coating film,The state where the coating film is disposed below the substrate is set as a state where the coating film is disposed on the side on which the force acts than the substrate, and thereafter the fluidity of the coating film is lowered to solidify the coating film.
[0016]
In the above invention, a lid is formed by plating gold on the sacrificial film and around the sacrificial film, and a coating material is formed by applying a liquid material made of polyimide. In addition, a liquid material composed of photosensitive polyimide is applied to form a coating film, and the remaining portion of the coating film other than the periphery of the opening is removed by photolithography, and the remaining portion is solidified. A sealing film is formed on the opening region to close the opening.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a process diagram illustrating a method for manufacturing a microstructure in an embodiment of the present invention. In the present embodiment, a structure in which the upper part of the hollow structure is movable and the capacity can be detected will be described as an example.
First, as shown in FIG. 1A, an interlayer insulating film 102 is formed on a substrate 101 made of a semiconductor material such as silicon. Although not shown, another integrated circuit such as a detection circuit is formed on the substrate 101 below the interlayer insulating film 102 and has a wiring structure including a plurality of wirings.
[0018]
After the interlayer insulating film 102 is formed, first, a seed layer 103 composed of a two-layer film of a titanium film having a thickness of 0.1 μm and a gold film having a thickness of 0.1 μm is formed by vapor deposition.
Next, a resist pattern having a film thickness of 5 μm having an opening in a predetermined region is formed by a known photolithography technique. After forming the resist pattern, a metal pattern made of a gold plating film is formed by electrolytic plating on the lower seed layer 103 exposed in the opening to a thickness of 1 μm, and then the resist pattern is removed. As shown in FIG. 1B, an electrode pattern 104a is formed.
[0019]
Next, a resist pattern covering the electrode pattern 104a with a resist and exposing a predetermined region of the seed layer 103 with an opening is formed to a thickness of 5 μm. When this resist pattern is formed, a frame-like structure 105a having a film thickness of 3 μm made of a gold plating film is formed by electrolytic plating on the lower seed layer 103 exposed in the opening. Thereafter, the resist pattern is removed.
[0020]
Next, the seed layer 103 is selectively etched using the electrode pattern 104a and the frame-shaped structure 105a as a mask. In this etching, first, the gold on the seed layer is selectively removed using an etching solution composed of iodine, ammonium iodide, water, and ethanol. Next, titanium under the seed layer is selectively removed using an HF-based etching solution.
As a result, as shown in FIG. 1D, the lower electrode 104 and the support member 105 insulated from the lower electrode 104 are formed on the substrate 101. The support member 105 supports a movable electrode, which will be described later, and is formed in a frame shape so as to surround each lower electrode 104. The support member is formed in a lattice shape to form a plurality of ridges, and a lower electrode is disposed in the central portion of the ridge to obtain a structure in which capacitance detection elements to be described later are arranged in a two-dimensional array.
[0021]
Next, a resin film having photosensitivity is formed on the substrate 101 so as to cover the lower electrode 104 and the support member 105 by spin coating. Thereafter, heat treatment (pre-baking) is performed, the resin film is processed by a known photolithography technique, and only the upper portion of the support member 105 is exposed. Further, heat treatment is performed to heat cure the resin film, and the surface is flattened by chemical mechanical polishing to form a sacrificial layer 106 as shown in FIG.
[0022]
Next, a seed layer 107 made of titanium and gold is first formed on the upper surfaces of the support member 105 and the sacrificial layer 106 by vapor deposition, and then the lower seed layer 107 is partially exposed by a known photolithography technique. A resist pattern having a rectangular opening in plan view is formed. In this opening, the resist remains in an island shape, and the lower seed layer is partially hidden.
[0023]
Next, by forming a gold plating film by electrolytic plating on the seed layer 107 exposed in the opening of the formed resist pattern, a metal pattern with a film thickness of about 1.3 μm is formed as shown in FIG. 108a is formed. Thereafter, the resist pattern is removed. As described above, due to the presence of the island-shaped resist, the opening 109 is formed in the formed metal pattern 108a, and the region where the lower seed layer 107 is exposed is formed.
[0024]
FIG. 2A is a plan view showing the configuration of the formed metal pattern 108a. In this embodiment, the island-shaped resist portions are provided at four locations close to the four corners in the resist pattern opening, so that four openings 109 are provided in the metal pattern 108a. The opening 109 provided in the metal pattern 108 a is disposed so as not to contact the support member 105 and to cover a region on the lower electrode 104. In other words, the opening 109 is disposed on the region of the metal pattern 108 a between the support member 105 and the lower electrode 104, spaced from the region on the support member 105 and the region on the lower electrode 104.
[0025]
In the present embodiment, the opening 109 has a circular shape in a plan view with a diameter of 4 μm, and is spaced from the inner end of the support member 105 by 8 μm.
As described above, when the metal pattern 108a is formed, the seed layer 107 is wet-etched and processed using the metal pattern 108a as a mask, and the processed seed layer and the metal pattern using the mask as shown in FIG. 2B. A movable electrode (lid) 108 is formed. The formed movable electrode 108 is provided with four openings 109 through which the underlying sacrificial film 106 is exposed.
[0026]
Next, the substrate 101 formed up to the movable electrode 108 is exposed to plasma mainly composed of oxygen gas, and the etching species generated by the plasma is brought into contact with the sacrificial layer 106 through the opening 109 to etch the sacrificial layer 106. Remove. As a result, a space is formed between the movable electrode 108 supported by the support member 105 and the interlayer insulating film 102 as shown in FIG. This space is surrounded by a frame-shaped support member 105 on the side, and the upper side is covered with the movable electrode 108, but is in a state of communicating with the outside through the opening 109 of the movable electrode. That is, the space is not sealed.
[0027]
Next, as shown in FIG. 2D, the sealing film (coating film) 110 is formed on the movable electrode 108 by spin coating an organic polymer resin. As the organic polymer resin, those having poor wettability with respect to the gold plating film are preferable. For example, polybenzoxazole (or a precursor thereof) is used. An example of a resin based on polybenzoxazole is “CRC8300” manufactured by Sumitomo Bakelite Co., Ltd.
[0028]
A sealing film 110 having a thickness of 1 μm can be formed by spin-coating the polybenzoxazole resin with the substrate 101 rotated at 7000 rpm for 12 seconds. After forming the sealing film 110 in this way, as shown in FIG. 3A, the surface on which the sealing film 110 is formed is immediately turned downward, and the substrate 101 is heated at 120 ° C. (10 minutes). By this heating, the solvent component of the sealing film 110 is evaporated, and the fluidity of the sealing film 110 is lowered.
[0029]
As described above, the sealing film 110 that has been applied is disposed on the lower side, that is, on the side on which gravity acts, so that the sealing film 110 enters the space below the movable electrode 108 from the opening 109 of the movable electrode 108. To suppress that. That is, the sealing film 110 is disposed on the side on which the force (gravity) acts with respect to the substrate 101 and the movable electrode 108. In other words, the movable electrode 108 is not present in the direction of the force acting on the applied sealing film 110.
[0030]
In addition, as described below, the material of the sealing film 110 to be applied is in a state in which the wettability of the material to the movable electrode 108 is not good, and the surface tension of the material to be applied that has reached the inner wall of the opening 109 has reached the inner wall. If it is larger than the gravity applied to the substrate, it is not necessary to invert the substrate 101 so that the surface on which the sealing film 110 is formed is disposed below.
[0031]
Further, the sealing film 110 is annealed at 310 ° C. for 30 minutes, thereby causing a solute portion of the organic polymer resin (sealing film 110) to undergo a dehydration / ring-closing reaction, and the sealing film 110 is thermally cured. By this curing, the fluidity of the sealing film 110 is lost, and as shown in FIG. 3B, the opening 109 is closed by the sealing film 110, and the space under the movable electrode 108 is completely sealed. A fine hollow structure 112 is obtained.
[0032]
Thereafter, as shown in FIG. 3C, a protruding structure 113 is formed in a region on the lower electrode 104 of the sealing film 110, and a detection element 114 capable of detecting pressure or the like with higher sensitivity is obtained. The protruding structure 113 is formed by forming photosensitive polyimide to a thickness of about 5 to 10 μm, exposing the area other than the structure forming area by photolithography technology, developing the film, and then annealing at 310 ° C. for 30 minutes for thermosetting. Can be formed.
[0033]
In the detection element 114 that detects the capacitance or the like manufactured as described above, when the surface shape to be targeted comes into contact with the protruding structure 113, the protruding structure 113 is pushed in, and the movable electrode 108 bends downward. The electrostatic capacitance formed between the lower electrode 104 and the movable electrode 108 changes. This change in capacitance is detected by amplification and conversion by an integrated circuit (not shown) formed on the substrate 101. If the detection elements 114 are arranged in a two-dimensional array, a high-resolution capacitive pressure sensor can be obtained.
[0034]
FIG. 4 illustrates a hollow structure manufacturing method in the case where a portion other than the sealing film in the vicinity of the opening in FIG. 3B is desired to be removed.
FIG. 4A shows the same state as FIG. Next, as described above, the surface on which the sealing film (coating film) 110 is formed is directed downward, and the substrate 101 is heated at 120 ° C. (10 minutes). By this heating, the solvent component of the sealing film 110 is evaporated, and the fluidity of the sealing film 110 is lowered.
Thereafter, the portions other than the vicinity of the opening are exposed by a known photolithography method, and the exposed portion is removed by development to leave only the sealing film 110c in the vicinity of the opening as shown in FIG. 4B.
[0035]
After that, as shown in FIG. 4C, the substrate 101 is turned upside down so as to be vertically downward with respect to gravity, and annealed at 310 ° C. for 30 minutes in a nitrogen gas atmosphere, and sealed. The stop film 110c is thermally cured. Note that if the partially remaining sealing film 110c has almost no fluidity, it is not necessary to turn the substrate 101 upside down at the stage of thermosetting. Further, if the protruding structure 113 is formed in the same manner as in FIG. 3C, a fine hollow structure 112a that is sealed and includes the protruding structure 113 is formed as shown in FIG. 4D.
[0036]
As described above, according to the present embodiment, the fine structure in which a space is provided in the lower portion of the lid by disposing the concave portion in the lower portion of the plate-like lid having the opening is provided on the lid. It can be easily sealed by forming a sealing film by coating. Here, in the above embodiment, the movable electrode 108 is a lid, and a recess is formed by a frame-shaped support member 105 formed on the interlayer insulating film 102.
[0037]
According to the present embodiment configured as described above, the opening of the movable electrode (lid) provided to form the space is disposed so as not to contact the microstructure support member (concave side wall). To prevent the liquid flowing into the space. In addition, the liquid to apply | coat forms a sealing film.
Therefore, even in the sealed state, the space formed in the lower part of the lid can maintain the state before sealing. As a result, according to the present embodiment, even when the lid is formed to be movable, the movement of the lid is not hindered after sealing.
[0038]
Next, the principle of enabling sealing by applying a liquid material shown in FIG. 2D and FIG. 3A will be described with reference to FIG. FIG. 5A is a schematic cross-sectional view showing a state where the sealing liquid 301 that becomes a sealing film by spin coating reaches the upper portion of the opening 302 of the microstructure 303 to be sealed. First, the opening 302 is separated from the internal space side wall 303 a of the microstructure 303. The sealing liquid 301 above the opening 302 flows into the internal space 304 due to gravity as shown in FIG.
[0039]
An enlarged view of FIG. 5B is shown in FIG. When the sealing liquid 301 flows in, the volume of the sealing liquid 301b in the upper region of the opening 302 is v, the density of the sealing liquid 301 is ρ, the radius of the circular opening 302 is r, and the sealing liquid 301 The contact angle between the inner wall 305 and the opening inner wall 305 is φ, the surface tension between the sealing liquid 301 and the material forming the opening inner wall 305 is γ, and the gravitational acceleration is g. Here, the material forming the opening inner wall 305 is the same as the material forming the microstructure 303.
[0040]
When the contact angle φ is an acute angle, it is said that “the sealing liquid wets the inner wall of the opening”, and the surface tension acts in a direction in which the sealing liquid 301 flows. On the other hand, when the contact angle φ is an obtuse angle, it is said that “the sealing liquid does not wet the inner wall of the opening”, and the surface tension acts in a direction that prevents the inflow of the sealing liquid 301. Further, a force for causing the sealing liquid 301 to flow in by gravity is indicated by an arrow 307, and this direction is vertically downward and the magnitude is vρg. On the other hand, the surface tension when the contact angle φ is an obtuse angle is indicated by an arrow 308.
When the contact angle φ is an obtuse angle and the sealing liquid 301 does not wet the inner wall 305 of the opening, the force acting in the vertically upward direction that prevents the inflow of the sealing liquid 301 due to the surface tension γ is 2πrγcos (π−φ). .
[0041]
If vρg> 2πrγcos (π−φ), the sealing liquid 301 flows in. If vρg ≦ 2πrγcos (π−φ), the sealing liquid 301 stops flowing. Therefore, if a material having a large surface tension γ and the sealing liquid 301 does not wet the inner wall 305 of the opening is selected, the sealing liquid 301 passes through the inner wall 305 of the opening as shown in FIG. Inflow stops before reaching space 304.
On the other hand, when the surface tension γ is small and the contact angle φ of the sealing liquid 301 with respect to the opening inner wall 305 is small, the tip of the sealing liquid 301 reaches the inner space upper wall 309, as shown in FIG. , Trying to spread along the upper wall 309 of the internal space.
[0042]
Since the contact angle is a constant value determined by the combination of materials, when the sealing liquid 301 reaches the inner space upper wall 309 from the opening inner wall 305, the surface tension direction rotates by 90 degrees at the maximum. As shown in FIG. 5D, when the rotation angle (change in contact angle) in the middle of the process of expanding the inner space upper wall 309 is α, the vertically upward force due to the surface tension is 2πrγcos (π− (φ + α )) = 2πrγcos ((π−φ) −α).
[0043]
Since φ is an obtuse angle, (π−φ) is an acute angle, and considering that 0 ≦ α ≦ 90 °, there is a state in which the surface tension is completely vertically upward and takes 2πrγ. . Therefore, if vρg ≦ 2πrγ, even if the sealing liquid 301 does not stop at the opening inner wall 305 as shown in FIG. 5B, the inflow stops before expanding the inner space upper wall 309. On the other hand, when vρg> 2πrγ, as shown in FIG. 5E, the sealing liquid 301 spreads along the inner space upper wall 309.
[0044]
At this time, since the surface tension is proportional to the length of the outer periphery where the sealing liquid 301 and the inner space upper wall 309 are in contact with each other, the total surface tension increases as the surface tension increases. At the same time, since the sealing liquid 301 also has a droplet shape and expands, the volume of the sealing liquid 301c increases due to gravity. As shown in FIG. 5E, when the sealing droplet 301c is approximated as a hemisphere and this radius is r ′, the surface tension increases in proportion to r ′, and the gravity on the sealing droplet 301c is , R ′ increases in proportion to the third power.
[0045]
Accordingly, the inflow of the sealing liquid 301 does not stop, and the sealing liquid 301 reaches the inner space lower wall 310 or the inner space 304 is filled with the sealing liquid 301. However, this is not the case when the volume is reduced due to the depression of the sealing film 301 above the opening 302 as shown in FIG.
As described above, the inflow of the sealing liquid 301 stops when the opening 302 is separated from the inner space side wall 303a.
[0046]
By the way, the density of the liquid material is ρ, the volume of the liquid material that combines the part that has entered the opening at the stage where the coating film is formed and the part of the region above this is v, and the radius of the opening is If r is the surface tension at the inner wall of the opening of the liquid material and γ and the acceleration of gravity is g, the inflow of the sealing liquid can be suppressed if the relationship of vρg ≦ 2πrγ is satisfied. Is the case where the opening is substantially cylindrical.
[0047]
When the opening has another column shape or the like, it will be shown below.
The thickness of the coating film in a region other than the opening when the coating film is formed is t, the sectional area of the opening at the boundary between the outside of the space and the opening is a, and the opening at the boundary between the space and the opening The length of the circumference of the cross section is b, the volume in the opening is c, and the size of the surface tension between the portion that has entered the opening of the coating film and the side wall of the opening at the boundary between the space and the opening Is d, the coating film density is e, and the gravitational acceleration is g. If the relationship of (c + a × t) × e × g ≦ b × d is satisfied, the sealing liquid (opening portion of the coating film) Inflow of the part that has entered into) can be suppressed.
[0048]
Next, the case where the opening provided for etching the sacrificial layer is in contact with the side wall of the internal space will be described. This is a case where the opening 302a is adjacent to the inner space side wall 303a and a part of the opening inner wall 305a is continuous with the inner space side wall 303a as shown in FIG. FIG. 6A shows a state in which the sealing liquid 301 is applied and a part of the sealing liquid 301 enters the opening 302a.
[0049]
As described above, when the surface tension is larger than the magnitude of gravity, that is, when vρg ≦ 2πrγcos (π−φ), the inflow of the liquid stops as in the case shown in FIG. On the other hand, when the surface tension is smaller than the gravity, a part of the sealing liquid 301 that has entered the opening 302a reaches the upper wall 309 in the internal space as shown in FIG. However, in this case, the region in which the direction of the surface tension rotates is smaller than that in the case shown in FIG.
[0050]
The portion where the sealing liquid 301 is in contact with the inner space upper wall 309 changes the direction of the surface tension and increases the vertical upward component, but the portion where the sealing liquid 301 is in contact with the inner space side wall 305 a The direction of tension does not change. Therefore, as shown in FIG. 6, when the opening 302a is adjacent to the inner space side wall 303a, there is little force that prevents the sealing liquid 301 from flowing in, and the sealing liquid 301 can easily flow in. As a result, after the sealing liquid 301 reaches the inner space lower wall 310 along the inner space side wall 303, the inner space 304 is sealed by the pressure of the sealing liquid 301 as shown in FIG. It is filled with 301.
[0051]
The relationship between forces when the sealing liquid flows in has been described above. However, in the actual process, as shown in FIG. 3A, the sealing liquid 110 is formed by applying the sealing liquid and then the substrate 101. Heat upside down. By heating, the viscosity increases due to volatilization of the solvent component of the applied sealing film 110 (sealing liquid), and finally solidifies (hardens). As shown in FIG. 5A to FIG. 5D, the time until the sealing liquid 301 enters the internal space 304 through the opening inner wall 305 is longer as the viscosity is higher.
[0052]
This is also apparent from Poiseuille's equation that "the flow rate when a liquid flows through a narrow tube within a certain time is inversely proportional to the viscosity". In addition, the longer the film thickness of the microstructure 303, that is, the longer the opening 302, the longer the inflow takes.
Further, by turning the substrate 101 upside down at the time of baking, the direction of gravity described with reference to FIG. 4 works in a direction in which the sealing liquid 301 does not flow into the internal space 304.
[0053]
As described above, by disposing the opening so as not to be adjacent to the side wall of the internal space, the upward component of the surface tension can be increased and the inflow of the sealing liquid can be prevented. At this time, the sealing liquid hardly wets the material forming the opening, and the larger the surface tension between the two, the smaller the radius of the opening, the longer the opening, or the sealing. The more the material that has a high viscosity at room temperature and the viscosity becomes higher when heated and solidified as the stop solution, or the shorter the time until the seal solution is turned upside down after application, the more the seal solution passes through the opening. It can be sealed without flowing into.
[0054]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since the space under the lid is sealed with the sealing film formed by coating, the sealed fine hollow structure is more easily formed. The excellent effect of being able to do it is obtained. Therefore, particularly in a pressure sensor or MEMS, in a structure in which elements having a fine hollow structure are two-dimensionally arranged, not only the sensitivity of the movable portion of each element is increased, but also highly accurate capacitance detection is possible. . In addition, since the liquid material forming the sealing film does not reach the bottom of the space under the lid, it is not necessary to limit the height of the hollow portion of the hollow structure element to be low, and the hollow structure of any height Can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a process diagram illustrating a method for manufacturing a microstructure in an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a process diagram for explaining a manufacturing method of a microstructure following FIG. 1;
FIG. 3 is a process diagram illustrating the manufacturing method of the fine structure, following FIG. 2;
FIG. 4 is a process diagram illustrating a method for manufacturing a microstructure according to another embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing a state of an applied liquid material in an opening.
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing a state of an applied liquid material in an opening.
FIG. 7 is a process diagram showing a manufacturing process of a sensor having a conventional fine structure.
FIG. 8 is a process diagram showing a manufacturing process of a sensor having a conventional fine structure.
FIG. 9 is a perspective view (a), a plan view (b), and a cross-sectional view (c) showing a configuration of a sensor having a conventional fine structure.
FIG. 10 is a process diagram showing a manufacturing process of a sensor having a conventional fine structure.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Substrate, 102 ... Interlayer insulating film, 103 ... Seed layer, 104 ... Lower electrode, 104a ... Electrode pattern, 105a ... Structure, 105 ... Support member, 106 ... Sacrificial layer, 107 ... Seed layer, 108 ... Movable electrode ( Lid), 108a ... metal pattern, 109 ... opening, 110 ... sealing film.

Claims

基板上に凹部構造を形成する第１の工程と、
前記凹部内に犠牲膜を充填する第２の工程と、
開口部を備えた板状の蓋を、前記凹部構造の側壁より前記開口部が離間した状態で、前記凹部構造を覆うように配置して固定する第３の工程と、
前記開口部より前記犠牲膜をエッチング除去して前記蓋の下に前記凹部による空間を形成する第４の工程と、
前記蓋の上に液状の材料を塗布して塗布膜を形成し、この塗布膜を形成した直後に前記塗布膜が前記基板より力の作用する側に配置された状態とし、この後、前記塗布膜の流動性を低下させて前記塗布膜を固化することで前記蓋の上に封止膜を形成して前記開口部を塞ぐ第５の工程と
を備えたことを特徴とする微細構造の製造方法。 A first step of forming a recess structure on the substrate;
A second step of filling a sacrificial film in the recess;
A third step of arranging and fixing a plate-like lid provided with an opening so as to cover the recess structure in a state where the opening is separated from the side wall of the recess structure;
A fourth step of etching away the sacrificial film from the opening to form a space by the recess under the lid;
A liquid material is applied on the lid to form a coating film . Immediately after the coating film is formed, the coating film is placed on the side on which the force acts than the substrate, and then the coating is performed. And a fifth step of closing the opening by forming a sealing film on the lid by reducing the fluidity of the film and solidifying the coating film. Way .

基板上に凹部構造を形成する第１の工程と、
前記凹部内に犠牲膜を充填する第２の工程と、
開口部を備えた板状の蓋を、前記凹部構造の側壁より前記開口部が離間した状態で、前記凹部構造を覆うように配置して固定する第３の工程と、
前記開口部より前記犠牲膜をエッチング除去して前記蓋の下に前記凹部による空間を形成する第４の工程と、
前記蓋の上に液状の材料を塗布して塗布膜を形成し、この塗布膜を形成した直後に前記塗布膜が前記基板より下方に配置された状態として前記基板より力の作用する側に配置された状態とし、この後、前記塗布膜の流動性を低下させて前記塗布膜を固化することで前記蓋の上に封止膜を形成して前記開口部を塞ぐ第５の工程と
を備えたことを特徴とする微細構造の製造方法。 A first step of forming a recess structure on the substrate;
A second step of filling a sacrificial film in the recess;
A third step of arranging and fixing a plate-like lid having an opening so as to cover the recess structure in a state where the opening is separated from the side wall of the recess structure;
A fourth step of etching away the sacrificial film from the opening to form a space by the recess under the lid;
A liquid material is applied onto the lid to form a coating film, and immediately after the coating film is formed, the coating film is disposed below the substrate on the side on which the force acts. And a fifth step of closing the opening by forming a sealing film on the lid by reducing the fluidity of the coating film and solidifying the coating film.
A method of manufacturing a microstructure characterized by comprising:

基板上に凹部構造を形成する第１の工程と、
前記凹部内に犠牲膜を充填する第２の工程と、
開口部を備えた板状の蓋を、前記凹部構造の側壁より前記開口部が離間した状態で、前記凹部構造を覆うように配置して固定する第３の工程と、
前記開口部より前記犠牲膜をエッチング除去して前記蓋の下に前記凹部による空間を形成する第４の工程と、
前記蓋の上に液状の材料を塗布して塗布膜を形成し、これを固化することで前記蓋の上に封止膜を形成して前記開口部を塞ぐ第５の工程と
を備え、
前記塗布膜を形成したときの前記開口部以外の領域における前記塗布膜の膜厚をｔとし、
前記空間外部と前記開口部との境界における前記開口部の断面積をａとし、
前記空間と前記開口部との境界における開口部の断面の周囲の長さをｂとし、
前記開口部内の体積をｃとし、
前記空間と前記開口部との境界における、前記塗布膜の前記開口部に進入した部分と前記開口部側壁との間の表面張力の大きさをｄとし、
前記塗布膜の密度をｅとし、
重力加速度をｇとすると、
（ｃ＋ａ×ｔ）×ｅ×ｇ≦ｂ×ｄ
の関係が満たされていることを特徴とする微細構造の製造方法。 A first step of forming a recess structure on the substrate;
A second step of filling a sacrificial film in the recess;
A third step of arranging and fixing a plate-like lid having an opening so as to cover the recess structure in a state where the opening is separated from the side wall of the recess structure;
A fourth step of etching away the sacrificial film from the opening to form a space by the recess under the lid;
A fifth step of forming a coating film by applying a liquid material on the lid and solidifying the coating film to form a sealing film on the lid and closing the opening;
With
The film thickness of the coating film in a region other than the opening when the coating film is formed is t,
The sectional area of the opening at the boundary between the outside of the space and the opening is a,
The length around the cross section of the opening at the boundary between the space and the opening is b,
Let c be the volume in the opening,
The surface tension between the portion of the coating film that has entered the opening and the side wall of the opening at the boundary between the space and the opening is defined as d,
The density of the coating film is e,
If the gravitational acceleration is g,
(C + a × t) × e × g ≦ b × d
A method for manufacturing a microstructure characterized by satisfying the above relationship .

請求項３記載の微細構造の製造方法において、
前記第５の工程では、前記塗布膜を形成した直後に前記塗布膜が前記基板より力の作用する側に配置された状態とし、この後、前記塗布膜の流動性を低下させて前記塗布膜を固化することを特徴とする微細構造の製造方法In the manufacturing method of the microstructure according to claim 3 ,
In the fifth step, immediately after the coating film is formed, the coating film is placed on the side on which the force acts than the substrate, and then the fluidity of the coating film is reduced to reduce the coating film. For producing fine structure characterized by solidifying

請求項４記載の微細構造の製造方法において、
前記第５の工程では、前記塗布膜を形成した直後に前記塗布膜が前記基板より下方に配置された状態として前記塗布膜が前記基板より力の作用する側に配置された状態とし、この後、前記塗布膜の流動性を低下させて前記塗布膜を固化することを特徴とする微細構造の製造方法。In the manufacturing method of the microstructure according to claim 4,
Wherein in the fifth step, a state where the coating film is arranged on the side of the action of the force from the substrate in a state where the coating film is disposed below the substrate immediately after the formation of the coating film, this Then, the fluidity | liquidity of the said coating film is reduced and the said coating film is solidified , The manufacturing method of the microstructure characterized by the above-mentioned .

請求項１〜５いずれか１項に記載の微細構造の製造方法において、
前記第３の工程では、前記犠牲膜上およびこの前記犠牲膜周囲にかけて金をメッキすることで前記蓋を形成し、
前記第５の工程では、ポリイミドから構成され液状の材料を塗布して前記塗布膜を形成する
ことを特徴とする微細構造の製造方法。In the manufacturing method of the microstructure according to any one of claims 1 to 5 ,
In the third step, the lid is formed by plating gold on the sacrificial film and around the sacrificial film,
In the fifth step, the microstructure is manufactured by applying a liquid material made of polyimide to form the coating film .

請求項６記載の微細構造の製造方法において、In the manufacturing method of the microstructure according to claim 6,
感光性を有するポリイミドから構成された液状の材料を塗布して前記塗布膜を形成し、Applying a liquid material composed of photosensitive polyimide to form the coating film,
フォトリソグラフィによって前記塗布膜の前記開口部周辺以外の領域を除去して残った部分を固化することで、前記蓋の前記開口部領域上に封止膜を形成して前記開口部を塞ぐA region other than the periphery of the opening portion of the coating film is removed by photolithography, and the remaining portion is solidified to form a sealing film on the opening region of the lid so as to close the opening portion.
ことを特徴とする微細構造の製造方法。A method for producing a microstructure characterized by the above.