JP4401442B2 - マイクロメカニカル式の装置のための製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロメカニカル式の装置特にマイクロメカニカル式の振動ミラーのための製造方法に関する。
任意のマイクロメカニカル式の装置に使用可能であるが、本発明及び本発明の課題はマイクロメカニカル式の振動ミラーに関連するものである。
マイクロメカニカル式の振動ミラーのための多くの構造的な変化実施例が存在する。例えば、”Texas Instruments, L.J. Hornbeck, Proc. Soc. Photo-Opt. Instrum. Eng. 1150(1989) 86; J. Buehler et al. J. MEMS 6(1997) 126“に開示されているように、アルミニウム・ダイヤフラムは静電的な力によって変位させることができる。
単結晶クリスタルのシリコン［IBM,K. E. Petersen, IBM J. Res. Develop. 24(1980) 631］又は多結晶シリコン［CSEM, V.P. Jaecklin et al., Proc. IEEE Micro Electro Mech. System Workshop, FL, USA(1993) 124］より成る可動なミラーについても同様に開示されている。
本発明の課題は、特に数百μｍの範囲内の側方寸法を有する大きいミラーにおいて、僅かな度数範囲内の非常に小さい角度変位が可能であって、この小さい角度変位が制限された最大可能な縁部変位を生ぜしめるようにすることである。表面マイクロメカニカルの考え方においては、縁部変異は数マイクロメートルの小さい基板間隔によって制限され、これに対してバルク・マイクロメカニカルの構成部材においては、厚いねじりばね懸架部は、大きい駆動電圧においても比較的小さいねじり角度だけが許容されるか、若しくは製造許容誤差がミラー特性の大きいばらつきを生ぜしめることになる。
発明の利点
請求項１の特徴を有する本発明による製造方法は、公知の解決策に対して、プロセス技術を困難なものにすることなしに、大きい変位角度が得られるという利点を有している。
本発明に基づく考え方は、マイクロメカニカル式の装置特にシリコンより成る共振式の振動ミラー装置を、接続ウエブ有利にはシリコンより成る長いバーに、その長手方向軸線を中心にして回転するような形式で自由可動に懸架したという点にある。またバルク材料は完全に取り除くことができる。つまりウェーハは局所的に貫通孔開けされているので、装置は接続ウエブを中心にして、装置の一部が取り除かれたバルク材料（Bulkmaterial）の領域内に突入するような振幅を有するねじり振動を行うことができる。
共振式の振動ミラー装置の場合には、ミラーの反射面は同時にミラーを調節するためのアクチュエータとして用いられる。例えば調節された対抗ボンドによってミラーの下側に位置決めされた対抗電極は、ミラー面と共にコンデンサを形成する。電圧を供給することによって、ミラーエレメントは変位せしめられる。この装置は周囲圧力で駆動することができる。何故ならばミラーと対抗ボンディングされた駆動電極との間の大きい間隔に基づいて比較的わずかな空気摩擦しか存在しないからである。ミラーエレメントがアクチュエータによってその機械的な共振にさらされると、静電的な力によって得られる、アクチュエータの変位は、機械的な品質のファクターによって高められる。
従属請求項には、請求項１に記載した製造方法の有利な変化実施例及び改良について記載されている。
有利な実施態様によれば、まず、第３の層の領域をエッチングによって堀り込み、次いで第１の層をエッチングによって堀り込み、次いで第２の層の領域を取り除くようにした。
本発明の別の有利な実施態様によれば、第３の層の領域をエッチングによる堀り込みを、異方性の裏側エッチングによって行うようにした。確立されたウエット（湿式）エッチング法例えばＫＯＨ，ＴＭＡＨによって、シリコンに深い構造を安価にエッチングすることができる。構造化には、凸状の角縁部を保護するための補正構造が必要である。
本発明の別の有利な実施態様によれば、第１の層のエッチングによる堀り込みを、ドライ（乾式）エッチングによって行うようにした。ウエットエッチング法によれば、確実なプロセスで＞１００μｍの側方寸法だけを有するマイクロメカニカル式のばね懸架部が実現される。これに対して表面マイクロメカニカルにおいては、ドライエッチングプロセス（プラズマトレンチ）によって、１０μｍの側方寸法を有し、ひいては大きいアスペクト比を有する任意の構造が基板内に垂直にエッチングされる。勿論、深いエッチング＞１００μｍは費用の理由により効果的に利用できない。
大きい変位角度を有するマイクロミラーを製造するための本発明による方法は、有利な形式で、側方に大きく溶解される、ミラー構造のドライエッチングと、裏側構造の一般的な深いエッチングとの組合せから成っている。
本発明の別の有利な実施態様によれば、まず第１の層をエッチングによって堀り込み、次いで第２の層の領域を取り除き、第３の層の領域のエッチングによる堀り込みを行うようにした。
本発明の別の有利な実施態様によれば、第３の層の領域のエッチングによる堀り込みを、第３の層の領域を多孔性にするために異方性の裏側エッチングによって行い、次いで多孔性にされた領域を取り除くようにした。この場合、前側保護（保護層又はエッチボックス；Aetzdose）は必要ではなく、例えばゴールド又はクローム／ゴールド又はSiO₂+Cr+Auその他が必要である。大きい部材においては、（１００）標準ウェーハにおける面消費は、ＫＯＨ・エッチングされた裏側空洞に対して著しく低減される。
別の有利な実施態様によれば、第２の層の領域をアノード化電解質内で直接取り除くようにした。中間の第２の層の付加的なエッチング例えば犠牲層エッチングは必要ない。何故ならば、第２の層例えば酸化物は、アノード化電解質内でエッチングされるからである。アノード化は、一般的な半導体製造において問題はない、ＫＯＨ及びＮａＯＨが使用されるのではなく、例えばフッ化水素酸及びＤＩ・水等のＣＭＯＳ・コンパチブルなプロセス液導体（Prozessfluessigleiten）が使用される。
本発明の別の実施態様によれば、対抗電極をベース上に取り付け、該ベースを第３の層上にボンディングして、対抗電極がほぼ島領域に向き合って位置するようにする段階を行うようにした。この場合、ミラーを容量的に駆動するための対抗電極は、有利な形式で適当な絶縁材料に対抗ボンディングされる。
本発明の別の有利な実施態様によれば、絶縁層を介在してシリコン基板層上に３層構造として設けられたＳＯＩ層を備えたＳＯＩ構造を準備する段階を行うようにした。これはマイクロメカニックスにおいて一般的な標準構造である。
本発明の別の有利な実施態様によれば、接続ウエブとして、第１の層の狭く残された領域を使用するようにした。この狭い領域は、エッチングプロセスによる適当なマスク形状によって形成される。これは、振動ミラー装置の場合においては、ねじりばねとして使用される。
本発明の別の実施態様によれば、接続ウエブとして、有利な形式で金属製の追加層を使用するようにした。この追加層は、振動ミラー装置の場合にはねじりばねとして使用される。別の装置を実現する場合には、接続ウエブは支承部材として使用される。
図面
本発明の実施例が図面に示されていて、以下に詳しく説明されている。
図１ａ乃至図１ｅには、振動ミラーを製造するための本発明による方法の有利な第１実施例によるプロセス段階の横断面図が示されており、
図２ａ乃至図２ｅには、振動ミラーを製造するための本発明による方法の有利な第２実施例によるプロセス段階の横断面図が示されており、
図３には、図１ｄ若しくは図２ｄのプロセス段階における振動ミラーの平面図が示されている。
実施例の説明
図１ａ乃至図１ｅには、振動ミラーを製造するための本発明による方法の有利な第１実施例によるプロセス段階の横断面図が示されている。
図１ａにＳＯＩ層１０を備えたＳＯＩウェーハ構造が示されており、このＳＯＩウェーハ構造は、絶縁層２０（例えば酸化層）を介在させてシリコン基板層３０上に設けられている。
図１ｂには、シリコン基板層３０が絶縁層２０まで、ウエットエッチングによって堀り込まれている。これは有利な形式でＴＭＡＨ、ＫＯＨによって行われ、空洞領域７０を製造するために、前側がエッチング保護され、後ろ側がマスキングされたＳＯＩウェーハにおいて実施される。
次いで図１ｃによれば、ＳＯＩ層１０のエッチングによる堀り込みが、絶縁層２０上に存在する島領域４０を形成するために、絶縁層２０まで行われる。この島領域４０は、２つの接続ウエブ５０（図３参照）を介して、島領域４０を取り囲むＳＯＩ層１０の領域６０に接続されている。エッチングは、裏側・空洞領域７０の塗装後に適当なドライエッチング法例えばプラズマトレンチ（Plasmatrench）によって行われる。それによって、マスキングされた接続ウエブ５０を残して、ばね懸架部を備えたミラー構造が、ＳＯＩ層１０の薄いシリコン内に構造化される。
図１ｄによれば、絶縁層２０をガス層内でエッチングすることによって、又は湿式化学式にエッチングすることによって、ミラー構造は、絶縁層２０の取り除かれた領域７５を形成することによって、浮動若しくは片持ち式（freitragend）である。
図１ｅによれば、振動ミラーを駆動するために適した電極１１０及び１２０が、絶縁されたベース１００の裏側に取り付けられており、ベース１００はシリコン基板層３０上にボンディングされているか又は接着されている。振動ミラーの、導電性の高ドーピングされたシリコンは、対抗電極として働くので、ねじり振動は、Ｔ及びＴ′で示された方向で可能である。これらのＴ及びＴ′で示された方向は、振動ミラーの一部がシリコン基板層３０のエッチングによって堀り込まれた領域７０内に突入する振幅を有している。
図２ａ乃至図２ｅには、振動ミラーを製造するための本発明による方法の有利な第２実施例によるプロセス段階の横断面図が示されている。
図２ａは図１ａと同じ図がつまり一般的なＳＯＩ構造が示されている。
第１実施例との違いは、図２ｂによれば、まずＳＯＩ層１０のエッチングが振動ミラー（２つの接続ウエブ５０を介して、絶縁領域４０を取り囲む第１の層の領域６０に接続されている）に相当する絶縁領域４０を形成するために、絶縁層２０まで行われる、という点にある。これは、第１実施例におけるのと同様に、高い側方分解能（Lateralaufloesung）を有する適当なドライエッチング法によって行われる。
図２ｃによれば、例えばゴールドによって相応にマスキングされた裏側において、アノード化が行われる。この場合、形成しようとする裏側・空洞領域８０の完全なアノード化において、電圧の急激な変化（Spannungsprung）によって末端の確認が可能である。高ドーピングされたバルク（Bulk）の電解質の接触がカソード側で行われる。同時に、中間層２０の酸化物は領域８５を形成するためにアノード化された電解質例えばフッ化水素酸（Flusssauere）内で直接行われる。アノード化パラメータを適当に選択することによって、アノード化率は、酸化物より成る絶縁層２０のエッチング率よりも著しく大きく選択することができる。これによって上側のＳＯＩ層１０の周囲領域のわずかなサイドエッチングだけが行われる。
次いで図２ｄによれば、ＮＨ_３、希釈されたＫＯＨ又はこれと類似のものによって、領域８０における多孔性のシリコンの溶解が行われる。
図２ｅによれば、図１ｅと同様に、振動ミラーを駆動するために適当な対抗電極１１０，１２０が設けられている。これらの対抗電極１１０，１２０は、ベース１００上に絶縁して設けられており、このベース１００は、例えば接着又はボンディングによってＳＯＩ構造に結合される。
図３には、図１ｄ若しくは図２ｄのプログラム段階における振動ミラーの平面図が示されており、この場合、この図３には、ねじりばねとしての２つの接続ウエブ５０が明示されており、これらの接続ウエブ５０は、このように形成された振動ミラー４０のための回転軸線Ａを規定している。
本発明は、以上のように有利な実施例を用して説明されているが、これらの実施例のみに限定されるものではなく、多くの変化実施例が可能である。
例えば付加的な電極を、第３の層側に向いた、島領域の面上に設けてもよい。
また本発明は、ＳＯＩ構造に限定されるものではなく、マイクロメカニカルな装置のすべての汎用の材料のために使用可能である。
本発明の製造方法によれば、レーザ装置、バーコードレーザ、スペース監視（Raumueberwachung）、自動車のシートライニング識別（Sitzbelegungserkennung）又はこれと類似のものに用いる非常に大きい振幅のためのマイクロメカニカル式の振動ミラーを製造することができる。
以上述べた実施例ではミラー構造が示されているが、本発明は、島領域がミラーエレメントではなく、その他のメカニカル式のアクチュエータ例えば調節部材又はこれと類似のものである構造にも使用することができる。

Claims (11)

1. マイクロメカニカル式の振動ミラー装置のための製造方法であって、
   第１の層（１０）と第２の層（２０）と第３の層（３０）とを有する３層の構造体（１０，２０，３０）を準備し、この際に第２の層（２０）を第１の層（１０）と第３層（３０）との間に設置する段階と、
   第１の層（１０）を、第２の層までエッチングによって堀り込んで、島領域（４０）を形成し、この島領域（４０）が、第２の層（２０）上に存在する、１つ又は多数の接続ウエブ（５０）を介して島領域（４０）を取り囲む第１の層（１０）の領域に接続されるようにする段階と、
   第３の層（３０）の領域（７０，８０）を、第２の層（２０）までエッチングによって堀り込み、第２の層（２０）の領域（７５，８５）を前記島領域（４０）を残して取り除き、この島領域（４０）が、１つ又は多数の接続ウエブ（５０）を中心にして運動有利にはねじり振動それも、島領域（４０）の部分が第３の層（３０）のエッチングによって堀り込まれた領域（７０，８０）内に突入するような振幅を有するねじり振動を行うことができるようにする段階とを有する、
   ことを特徴とする、マイクロメカニカル式の装置のための製造方法。
2. まず、第３の層（３０）の領域（７０）をエッチングによって堀り込み、次いで第１の層（１０）をエッチングによって堀り込み、次いで第２の層（２０）の領域（７５）を取り除く、請求項１記載の方法。
3. 第３の層（３０）の領域（７０）のエッチングによる堀り込みを、異方性の裏側エッチングによって行う、請求項２記載の方法。
4. 第１の層（１０）のエッチングによる堀り込みを、ドライエッチングによって行う、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. まず第１の層（１０）を第２の層（２０）までエッチングによって堀り込み、次いで第２の層（２０）の領域（８５）を第３の層（３０）まで取り除き、次いで第３の層（３０）の領域（８０）をエッチングによって堀り込む、請求項１記載の方法。
6. 第３の層（３０）の領域（８０）のエッチングによる堀り込みを、第３の層（３０）の領域（８０）を多孔性にするために異方性の裏側エッチングによって行い、次いで多孔性にされた領域（８０）を取り除く、請求項５記載の方法。
7. 第２の層（２０）の領域（２０）をアノード化電解質内で直接取り除く、請求項６記載の方法。
8. 対抗電極（１１０，１２０）をベース（１００）上に取り付け、該ベース（１００）を第３の層（３０）上にボンディングして、対抗電極（１１０，１２０）がほぼ島領域（４０）に向き合って位置するようにする段階を行う、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
9. 絶縁層（２０）を介在してシリコン基板層（３０）上に３層構造（１０，２０，３０）として設けられたＳＯＩ層（１０）を備えたＳＯＩ構造を準備する段階を行う、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
10. 接続ウエブ（５０）として、第１の層（１０）の狭く残された領域を使用する、請求項１から９までのいずれか１項記載の方法。
11. 接続ウエブ（５０）として、金属製の追加的な層の狭い領域を使用する、請求項１から１０までのいずれか１項記載の方法。

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