JP4814249B2

JP4814249B2 - Microfabrication

Info

Publication number: JP4814249B2
Application number: JP2007540726A
Authority: JP
Inventors: ヒュッカー、マーティン・ジョン; ワーソプ、クライド
Original assignee: BAE Systems PLC
Current assignee: BAE Systems PLC
Priority date: 2005-10-20
Filing date: 2006-10-20
Publication date: 2011-11-16
Anticipated expiration: 2026-10-20
Also published as: JP2008517792A; GB0521359D0

Description

本発明は、ミクロンスケールで素子を製造する方法、及びそのようにして製造された素子、特に、これのみではないが、静電アクチュエータとして使用されるＭＥＭＳ素子に関する。 The present invention relates to a method of manufacturing a device on a micron scale and to a device manufactured in that way, in particular, but not exclusively, a MEMS device used as an electrostatic actuator.

静電力の影響で移動する片持ちばりのような部品を有するＭＥＭＳ素子が周知である。いわゆる「ジップ（ＺＩＰ）」原理で動作する静電ＭＥＭＳアクチュエータが知られており可動部分がより大きい変位を示すという利点を有する。J.-R. Frutos, Y. Bailly, C. Edouard, F. Bastien & M. de Labachelerie, Microactionneurs electrostatiques pour le controle aerodynamique, 39eme colloque d'Aerodynamique Appliquee, March 22-24 2004, Paris, France
J.-R Frutos, Y. Bailly, D. Vernier, J.-F Manceau, F. Bastien, M. de Labachelerie, "An electrostatically actuated valve for turbulent boundary layer control", session A1L-E, 4th IEEE Intl. Conf. on Sensors, Irvine, California, Oct 31- Nov 1, 2005.を参照のこと。 MEMS devices having parts such as cantilever beams that move under the influence of electrostatic forces are well known. Electrostatic MEMS actuators operating on the so-called “ZIP” principle are known and have the advantage that the moving parts exhibit a greater displacement. J.-R. Frutos, Y. Bailly, C. Edouard, F. Bastien & M. de Labachelerie, Microactionneurs electrostatiques pour le controle aerodynamique, 39eme colloque d'Aerodynamique Appliquee, March 22-24 2004, Paris, France
J.-R Frutos, Y. Bailly, D. Vernier, J.-F Manceau, F. Bastien, M. de Labachelerie, "An electrostatically actuated valve for turbulent boundary layer control", session A1L-E, 4th IEEE Intl. See Conf. On Sensors, Irvine, California, Oct 31- Nov 1, 2005.

ジップ素子は、固定電極と可動電極とを有する。可動電極が固定電極に向って移動するに従って、可動電極は一方の端部から固定電極と徐々に接触するに至る。そのため、電極は、ジップファスナーに類似の形で一緒に移動する。「ジップ」の動作原理は、次の通りである。２つの平行電極間の静電圧力（ｐ_ｅｌ）は、以下の式で与えられ、（Ｖ）は電圧、（ｄ）は電極間のギャップ、（ε_０）は真空の誘電率である。 The zip element has a fixed electrode and a movable electrode. As the movable electrode moves toward the fixed electrode, the movable electrode gradually comes into contact with the fixed electrode from one end. Thus, the electrodes move together in a manner similar to a zip fastener. The operation principle of “zip” is as follows. The electrostatic pressure (p _el ) between two parallel electrodes is given by the following equation: (V) is the voltage, (d) is the gap between the electrodes, and (ε ₀ ) is the dielectric constant of the vacuum.

ｐ_ｅｌ＝（ε_０／２ｄ^２）Ｖ^２
静電力は、電極間の距離の二乗に逆比例し、電極間のギャップが最小のときに、利用可能な最大の力が生ずる。可動及び静止電極間の閉鎖点において小さいギャップが常に維持されるように電極を配置することにより、大きい偏向を生ずることが可能である。可動電極がぶれるに従って、それと固定電極との間の閉鎖点は、それ及び電極「ジップ」と一緒に移動する。このように電極を配置することにより、そうでない場合に平行電極により得られるよりも、より大きい偏向を達成することが可能である。 p _el = (ε ₀ / 2d ² ) V ²
The electrostatic force is inversely proportional to the square of the distance between the electrodes, and the maximum available force occurs when the gap between the electrodes is minimal. By arranging the electrodes so that a small gap is always maintained at the closing point between the movable and stationary electrodes, a large deflection can be produced. As the movable electrode shakes, the closure point between it and the fixed electrode moves with it and the electrode “zip”. By arranging the electrodes in this way, it is possible to achieve a greater deflection than would otherwise be obtained with parallel electrodes.

ジップ効果は、順応する可動電極、及び所定の形状及び輪郭の固定電極の使用により達成される。最大の効果を得るためには、固定電極の表面は、段差のないなだらかな連続した輪郭を有することが望ましく、可能な限り平滑な表面仕上げを有するのが好ましい。 The zip effect is achieved through the use of a conforming movable electrode and a fixed electrode of a predetermined shape and contour. In order to obtain the maximum effect, it is desirable that the surface of the fixed electrode has a smooth continuous contour without a step, and preferably has a surface finish that is as smooth as possible.

一般に、ＭＥＭＳ素子は、結晶質シリコンの基板を有し、それは任意の形状のなだらかな輪郭の形成のためには問題がある。通常の微細加工技術は一般に平面的であり、シリコンの平面形状を形成する方法は普通ではない。２つの深い反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）技術（「ＤＲＩＥｌａｇ」としても知られている、グレイスケールマスキング及びアスペクト比誘引差動（differencial）エッチング）が提案されたが、これらの方法により生成された表面は、ジップアクチュエータの用途には荒れすぎており、大きい深さでエッチングされた断面輪郭には問題がある。グレイスケールマスキングでは、サイズが可変な伝播光のためのサブ解像度領域を有する画素に、リソグラフマスクが分割される。 In general, MEMS devices have a crystalline silicon substrate, which is problematic for the formation of a smooth contour of any shape. Conventional microfabrication techniques are generally planar, and methods for forming a planar shape of silicon are not common. Two deep reactive ion etching (DRIE) techniques (gray scale masking and aspect ratio induced differential etching, also known as “DRIE lag”) have been proposed, but produced by these methods The surface is too rough for zip actuator applications, and there are problems with cross-sectional profiles etched at large depths. In gray scale masking, a lithographic mask is divided into pixels having sub-resolution areas for propagating light of variable size.

マスクを通しての露光後のホトレジスト材料は、サブ解像度領域に応じた可変深さを有している。ＤＲＩＥプロセスによるホトレジストのエッチングにより、基板表面に所望の傾斜が生ずるであろう。ＤＲＩＥプロセスの詳細は、「“Microfabrication of 3D silicon MEMS structures using gray-scale lithography and deep reactive ion etching”, C.M. Waits et al,, Sensors and Actuators A 119 (2005) 245-253」に記載されている。この技術によりなだらかな輪郭を達成することは可能ではあるが、よりなだらかで滑らかな輪郭が望まれている。 The photoresist material after exposure through the mask has a variable depth depending on the sub-resolution region. Etching the photoresist by the DRIE process will produce the desired tilt on the substrate surface. Details of the DRIE process are described in “Microfabrication of 3D silicon MEMS structures using gray-scale lithography and deep reactive ion etching”, C.M. Waits et al, Sensors and Actuators A 119 (2005) 245-253. Although it is possible to achieve a smooth contour with this technique, a smoother and smoother contour is desired.

米国特許第６,７２４,２４５及び第６,５１４,３８９には、その製造のある段階で、その表面に少なくとも１つの凹部を有する半導体ウエハーについて開示されている。この凹部を埋めるため、及びその後のプロセスのために平らなウエハー表面を提供するために、凹部は、試料表面上に金属層のサンドイッチを堆積し、熱及び圧力を加えてサンドイッチを変形させて凹部を充填することにより、埋められる。 U.S. Pat. Nos. 6,724,245 and 6,514,389 disclose a semiconductor wafer having at least one recess in its surface at some stage of its manufacture. To fill this recess and to provide a flat wafer surface for subsequent processing, the recess deposits a sandwich of metal layers on the sample surface and deforms the sandwich by applying heat and pressure to deform the sandwich. It is filled by filling.

ＵＳ−Ａ−２００３／０２３１９６７には、湾曲したポンプ電極が、酸化物／ポリシリコン／窒化物のサンドイッチ層をへこませることにより形成されることが開示されている。そのような層は、基板の表面に形成され、このサンドイッチを介して基板内にＤＲＩＥによりエッチングされ、孔が形成される。その後、この孔を介してシリコンのウエットエッチングによりサンドイッチの下に凹部が形成され、サンドイッチに固有のストレスが、湾曲した形状への弾性変形及びサンドイッチのへこみを生じさせる。変形が弾性的であるので、ある条件、例えば温度変化のような条件の下で変形が失われるか又は変化し、或いはサンドイッチの層を除去するためのその後の処理の必要性が生ずる。 US-A-2003 / 0231967 discloses that curved pump electrodes are formed by indenting an oxide / polysilicon / nitride sandwich layer. Such a layer is formed on the surface of the substrate and is etched by DRIE through this sandwich into the substrate to form holes. Thereafter, a recess is formed under the sandwich by wet etching of silicon through this hole, and stress inherent to the sandwich causes elastic deformation to the curved shape and depression of the sandwich. Because the deformation is elastic, the deformation is lost or changed under certain conditions, such as temperature changes, or there is a need for subsequent processing to remove the sandwich layer.

異なる、関連しない分野では、「Huff, M.A. Nikolich, A.D. Schmidt, M.A. in: Solid-State Sensors and Actuators, 1991. Digest of Technical Papers, TRANSDUCERS '91., 1991 International Conference : 24-27 June 1991 pages: 177 180」には、機械的ヒステリシスをもった閾値圧力スイッチについて報告されている。ウエハーの貼り合わせにより形成された封止キャビティ内のトラップされたガスの膨張が、キャビティ上に接着されたシリコン薄膜を塑性変形させて、球形のキャップを形成するために使用される。 In a different, unrelated field, see `` Huff, MA Nikolich, AD Schmidt, MA in: Solid-State Sensors and Actuators, 1991.Digest of Technical Papers, TRANSDUCERS '91., 1991 International Conference: 24-27 June 1991 pages: 177 180 "reports a threshold pressure switch with mechanical hysteresis. The expansion of the trapped gas in the sealed cavity formed by wafer bonding is used to plastically deform the silicon thin film adhered on the cavity to form a spherical cap.

本発明の概念は、基板内の凹部上に置かれたシリコンの層又は隔膜を提供することにより、ＭＥＭＳ素子のための所望の輪郭を形成することに基づいている。前記層は、次いで熱及び力の付加により凹部の表面に向って塑性変形される。得られたシリコン層の表面は非常になめらかであり、所望の輪郭に順応する。上述したように、シリコンの塑性変形は、他の関連しない分野で報告されているが、本発明によるシリコンの塑性変形は、これまで報告されていない。 The concept of the present invention is based on forming a desired profile for a MEMS device by providing a layer or diaphragm of silicon placed over a recess in the substrate. The layer is then plastically deformed towards the surface of the recess by the application of heat and force. The surface of the resulting silicon layer is very smooth and adapts to the desired contour. As described above, plastic deformation of silicon has been reported in other unrelated fields, but plastic deformation of silicon according to the present invention has not been reported so far.

本発明は、第１の態様において、所望の輪郭に順応するミクロン寸法の表面を形成する方法を提供し、この方法は、その表面に凹部を有する基板を提供する工程、前記基板の表面に所定の材料層を提供し、前記凹部を覆う工程、前記層の少なくともエッジ領域を前記基板に接合する工程、及び前記層に熱及び圧力を加え、前記凹部内に前記層を所望の輪郭に塑性変形させる工程を具備する。 The present invention provides, in a first aspect, a method for forming a micron sized surface that conforms to a desired contour, the method comprising providing a substrate having a recess in the surface, wherein the surface of the substrate is predetermined. Providing a material layer and covering the recess, bonding at least an edge region of the layer to the substrate, and applying heat and pressure to the layer to plastically deform the layer into a desired contour in the recess The process to make it comprises.

好ましくは、層は、凹部を囲む領域において基板に接着され、凹部と層との間の空隙は、真空圧を形成するように排気される。熱の付加が塑性変形及び凹部の荒れた輪郭に層を引き入れることを可能とする。層の変形は、層が凹部の表面に係止するときに、凹部の表面が、更に変形することのストップとして作用することにおいて、凹部により制御される。 Preferably, the layer is adhered to the substrate in the area surrounding the recess, and the gap between the recess and the layer is evacuated to form a vacuum pressure. The addition of heat makes it possible to draw the layer into the rough contour of the plastic deformation and recess. The deformation of the layer is controlled by the recess in that the surface of the recess acts as a stop for further deformation when the layer locks to the surface of the recess.

排気されるキャビティのため、層の前後の圧力差は、十分に独立に制御され得る。即ち、温度に依存しない。圧力と温度の組合せは、採用される材料に適合するように使用される。その後、変形を安定化するために、塑性変形された層に、ベント孔が形成される。 Due to the evacuated cavity, the pressure difference across the layer can be controlled sufficiently independently. That is, it does not depend on temperature. A combination of pressure and temperature is used to suit the material employed. Thereafter, vent holes are formed in the plastically deformed layer in order to stabilize the deformation.

本発明による方法は、一般に、上述のグレースケールエッチングプロセスよりも、より平滑でより正確な輪郭を生成する。或いは、本発明のプロセスは、必要な程度の平滑性及び正確さで、グレースケールプロセスよりも、より簡単かつ安価に、輪郭を生成する。本発明のプロセスは、歪みのメカニズムが結晶格子の転位の移動を含むので、一般に非常に平滑である。転位の段差は、数原子間距離、数百ピコメートル、即ち上述のグレースケールプロセスよりも２−３桁小さい。ガラスのようなアモルファス材料の場合は、転位から生ずる結晶の段差がないので、平滑であろう。そのため、本発明によると、原子スケールで平滑である連続表面を生成することが可能である。これに対し、アスペクト比誘因ＤＲＩＥｌａｇにより生じた傾斜は、通常、数ミクロンの（比較的顕著な）段差を有する。 The method according to the invention generally produces a smoother and more accurate contour than the gray scale etching process described above. Alternatively, the process of the present invention produces contours more easily and cheaply than a gray scale process with the required degree of smoothness and accuracy. The process of the present invention is generally very smooth because the strain mechanism involves the movement of dislocations in the crystal lattice. The dislocation step is a few atomic distances, a few hundred picometers, or 2-3 orders of magnitude smaller than the gray scale process described above. In the case of an amorphous material such as glass, it will be smooth because there are no crystal steps resulting from dislocations. Therefore, according to the present invention, it is possible to produce a continuous surface that is smooth on an atomic scale. In contrast, the slope caused by the aspect ratio induced DRIE lag typically has a (relatively significant) step of a few microns.

好ましくは、基板は、所望のプラットフォームに順応し、所望の深さの凹部形状で、凹部が形成されている。他の態様では、凹部は、グレースケールエッチングされる。例えば、グレースケールエッチングによる段差において、キャビティの床を成形することにより、より良好な形状制御が可能である。 Preferably, the substrate conforms to a desired platform and has a recess having a desired depth and is formed with a recess. In other embodiments, the recess is grayscale etched. For example, it is possible to control the shape better by forming the floor of the cavity at the step due to the gray scale etching.

基板の材料は、結晶質シリコン叉はパイレックス（登録商標）ガラスのようなガラスである。ある用途では、例えば、金属、セラミック、及び熱可塑性ポリマー、叉は所定の条件下で弾性から可塑性への転移を示す他の材料を用いることができる。 The material of the substrate is glass such as crystalline silicon or Pyrex glass. In some applications, for example, metals, ceramics, and thermoplastic polymers can be used, or other materials that exhibit an elastic to plastic transition under certain conditions.

前記層の寸法に関し、その幅及び径は、ミルメートルのオーダー、即ち１ｍｍ〜５０ｍｍである。凹部内の変形層の深さは、１００ミクロンのオーダーであり、即ち、５０〜１０００ミクロンである。 With respect to the dimensions of the layer, its width and diameter are on the order of milmeters, ie 1 mm to 50 mm. The depth of the deformation layer in the recess is on the order of 100 microns, ie 50 to 1000 microns.

第２の態様では、本発明は、その表面に凹部を有する基板、及び前記基板に接合され、所望の輪郭に順応する凹部の表面を構成するように塑性変形した所定の材料の単一層を備えるＭＥＭＳ素子を提供する。 In a second aspect, the invention comprises a substrate having a recess on its surface, and a single layer of a predetermined material that is plastically deformed to form a surface of the recess that is bonded to the substrate and conforms to a desired contour. A MEMS device is provided.

本発明のＭＥＭＳ素子は、様々な用途に用いることができる。１つの好ましい態様では、それは、上述の型のジップ静電アクチュエータにおいて、平滑でゆるやかな輪郭の表面を有する固定電極を提供するために使用される。或いは、この素子は、他の用途、例えば光学用途に使用するためのレンズを構成するために使用される。 The MEMS element of the present invention can be used for various applications. In one preferred embodiment, it is used in a zip electrostatic actuator of the type described above to provide a fixed electrode with a smooth and gently contoured surface. Alternatively, the element is used to construct a lens for use in other applications, such as optical applications.

本発明の好ましい実施形態は、シリコンで製造された皿型の固定電極を備える。より厚い基体ウエハに必要な深さに凹部をエッチングにより形成することにより、真空キャビティが形成される。より薄いキャップ層叉は隔膜が、真空下で基体ウエハに接合される。ウエハは、次いで、大気圧下で、塑性流がシリコンに生じる温度を超える温度に加熱され、シリコン隔膜の前後に生じる圧力差が、歪みプロセスを引き起こすに必要な負荷を提供する。塑性変形プロセスを引き起こすために大気圧が使用されるので、このことは、キャップ隔膜の全面上に均一に加えられる負荷を生じ、平滑な曲面を生ずる。 A preferred embodiment of the present invention comprises a dish-shaped fixed electrode made of silicon. A vacuum cavity is formed by etching a recess to a required depth in a thicker substrate wafer. A thinner cap layer or diaphragm is bonded to the substrate wafer under vacuum. The wafer is then heated under atmospheric pressure to a temperature above which the plastic flow occurs in the silicon, and the pressure differential that occurs across the silicon diaphragm provides the necessary load to trigger the strain process. Since atmospheric pressure is used to cause the plastic deformation process, this creates a load that is uniformly applied over the entire surface of the cap diaphragm, resulting in a smooth curved surface.

図１〜３を参照すると、６ｍｍ×１０ｍｍの矩形Ｒ及び１２ｍｍ径の円形キャビティＣのセットを生成した結晶質シリコンに、パターンが形成された。それぞれのキャビティは、図１に示すプロセスにより形成された。 1-3, a pattern was formed on crystalline silicon that produced a set of 6 mm × 10 mm rectangle R and 12 mm diameter circular cavity C. Each cavity was formed by the process shown in FIG.

このように、図１（Ａ）は、基板１を形成するシリコンウエハの一部を示す。 Thus, FIG. 1A shows a part of a silicon wafer forming the substrate 1.

図１（Ｂ）では、凹部４のキャビティがＤＲＩＥ（深い反応性イオンエッチング）を用いて、基板２に必要な深さにエッチングされる。 In FIG. 1B, the cavity of the recess 4 is etched to the required depth for the substrate 2 using DRIE (deep reactive ion etching).

図１（Ｃ）では、薄いキャップウエハ叉は層６が、凹部４を覆い、真空下で基板ウエハ２に接合される。 In FIG. 1C, a thin cap wafer or layer 6 covers the recess 4 and is bonded to the substrate wafer 2 under vacuum.

図１（Ｄ）では、接合されたウエハが高温及び大気圧下でアニールされる。これにより、キャビティ内のキャップ層の塑性変形が生ずる。シリコンキャップウエハの塑性変形は、キャビティの深さにより制限され、そのとき、キャップウエハは凹部の基部と接触し、更なる変形が防止される。 In FIG. 1D, the bonded wafer is annealed at high temperature and atmospheric pressure. This causes plastic deformation of the cap layer in the cavity. The plastic deformation of the silicon cap wafer is limited by the depth of the cavity, at which time the cap wafer contacts the base of the recess and further deformation is prevented.

それぞれのキャビティ４は、５２５μｍの厚さの基板ウエハ２に１００μｍの深さにエッチングを施すことにより形成される。洗浄後、１５０μｍの厚さのキャップウエハ６が、熱及び機械的圧力を含む直接融着により、真空下でベースウエハに接着される。その条件は、例えば、真空＜１０^−４ｍバール、温度５００℃、３時間、及び１０００ニュートンの機械的圧力である。 Each cavity 4 is formed by etching the substrate wafer 2 having a thickness of 525 μm to a depth of 100 μm. After cleaning, a cap wafer 6 having a thickness of 150 μm is bonded to the base wafer under vacuum by direct fusion including heat and mechanical pressure. The conditions are, for example, vacuum <10 ⁻⁴ mbar, temperature 500 ° C., 3 hours, and 1000 Newton mechanical pressure.

接合されたウエハは、大気圧下、窒素中、１０００℃で４時間、アニールされる。この高温アニールは、融着プロセスを完了し、所定の形でキャップウエハの塑性変形を生じさせる。 The bonded wafer is annealed at 1000 ° C. for 4 hours in nitrogen at atmospheric pressure. This high temperature anneal completes the fusing process and causes plastic deformation of the cap wafer in a predetermined manner.

図２及び３は、キャップウエハの表面及び得られた歪みを示す。歪んだ表面の測定は、明白な段差及びキンクのない、端部から中央部にかけて平滑な対称曲面を示した。歪みは、キャップウエハが真空キャビティの基部に接触したときに停止し、そのため、この方法は、最終的な曲面に対する良好な制御性を与える。 2 and 3 show the surface of the cap wafer and the resulting strain. Measurement of the distorted surface showed a smooth symmetric curved surface from end to center with no obvious steps and kinks. The distortion stops when the cap wafer contacts the base of the vacuum cavity, so this method gives good controllability over the final curved surface.

その程度の塑性変形が確立されるように、圧力差を解消するためにキャップウエハがエッチングされて、孔Ｈが形成される。キャビティがベントされる前後に行われた最大のキャビティ深さの測定は、事実上、差がない（＜１μｍ）ことを示し、これは、歪みの主要部分がシリコンの塑性流によるものであり、そのため永久であることを示した。１２ｍｍ径の円形のキャビティＣの１つの断面図が描かれ、図４に示され、その断面は、弾性戻りの小さいしるしを示した。基板が固定電極を形成する静電アクチュエータの用途のためには、このことは、キャビティがベントされる固定電極の下に形成されることを可能とし、そのためその形状及び偏向は、アクチュエータの使用中の周囲圧力のその後の変化により影響されないであろう。 In order to eliminate the pressure difference, the cap wafer is etched to form holes H so that plastic deformation of that degree is established. Maximum cavity depth measurements made before and after the cavity is vented show that there is virtually no difference (<1 μm), because the main part of the strain is due to the plastic flow of silicon, Therefore, it was shown to be permanent. One cross-sectional view of a 12 mm diameter circular cavity C was drawn and shown in FIG. 4, the cross-section showing a small sign of elastic return. For electrostatic actuator applications where the substrate forms a fixed electrode, this allows the cavity to be formed under the fixed electrode to which it is vented, so that its shape and deflection are in use of the actuator. Will not be affected by subsequent changes in ambient pressure.

圧力差により負荷が加えられるので、ある知られた圧力でキャビティをシールし、アニール工程中に外圧を変化させることにより、同様の効果を達成することができる。このことは、最終のキャビティの深さをより微細にコントロールすることを可能とする。一般に、キャップウエハの構造の剛性が、キャビティウエハのそれよりも小さい必要があり、そのため歪みはキャビティウエハにのみ生じるが、構造の剛性は厚さの３乗に比例し、例えば、厚さが２倍になると曲げ抵抗は８倍となるので、このことは、配列が困難すぎるものではない。単結晶シリコンは、高度に異方性であり、その降伏応力は、温度及び結晶配列の双方により変化し、そのため、ウエハの型の選択は、正確なプロセス条件とある関係にある。シリコンに関するより詳細な情報は、「Fruhauf et al, J. Micromech. Microeng. 9 (1999) 305-312 “Silicon as a plastic material”」に記載されている。 A similar effect can be achieved by sealing the cavity at some known pressure and changing the external pressure during the annealing process, since the load is applied by the pressure differential. This makes it possible to finely control the depth of the final cavity. In general, the structure of the cap wafer needs to be less rigid than that of the cavity wafer, so that distortion occurs only in the cavity wafer, but the structure rigidity is proportional to the cube of the thickness, for example, a thickness of 2 This is not too difficult to arrange, since the fold resistance is 8 times greater. Single crystal silicon is highly anisotropic and its yield stress varies with both temperature and crystal alignment, so the choice of wafer type is in a relationship with the exact process conditions. More detailed information on silicon can be found in “Fruhauf et al, J. Micromech. Microeng. 9 (1999) 305-312“ Silicon as a plastic material ””.

明確な降伏応力は、このプロセスが自己制限的であることを意味している。このプロセス条件は、キャップ隔膜の中心が真空キャビティの基部に接触するまで降伏が続行するように支持されていないシリコン隔膜の応力が降伏点以上であるように、適合されている。この点において、過剰の支持は、隔膜の応力を降伏点以下に低下させ、そのため更なる塑性歪みは生じ得ない。 A clear yield stress means that this process is self-limiting. This process condition is adapted so that the stress of the unsupported silicon diaphragm is above the yield point so that yielding continues until the center of the cap diaphragm contacts the base of the vacuum cavity. In this respect, excessive support reduces the diaphragm stress below the yield point, so no further plastic strain can occur.

他の実施形態は、キャップ層として陽極接合されたパイレックス（登録商標）ガラスの使用を含むものである。３００μｍの厚さのパイレックス（登録商標）ウエハ及び４２５μｍの厚さのシリコンウエハを用いて、テストが行われた。前のとおり、シリコンウエハに１００μｍのキャビティがエッチングにより形成された。パイレックス（登録商標）は、真空下４００℃で陽極接合された。接合が完了すると、温度が５５０℃に上昇され、接合チャンバー内が大気圧下で窒素によりパージされた。これらの条件は、ウエハが室温に冷却された後、３０分間保持された。ウエハを試験したところ、上述のように、ガラスの塑性変形が示された。このプロセスは、パイレックス（登録商標）の塑性流に必要な温度（５００−５５０℃）がシリコンの塑性流に必要な温度（＞７００℃）よりかなり低いので、設計により柔軟性を与え、歪みはキャップ層のみに制限され得る。このファクターは、非常に薄いウエハを、キャップ層及びキャビティ層の双方に用いることを可能とする。この変形例は、接合及び変形工程が、加工され得る材料の範囲を広げることに加えて、接合装置内のその場で単一のプロセスで行われ得るという利点を有する。 Other embodiments include the use of Pyrex glass that is anodically bonded as the cap layer. Tests were performed using a 300 μm thick Pyrex® wafer and a 425 μm thick silicon wafer. As before, a 100 μm cavity was formed in the silicon wafer by etching. Pyrex (R) was anodically bonded at 400 [deg.] C. under vacuum. When the joining was completed, the temperature was raised to 550 ° C., and the inside of the joining chamber was purged with nitrogen at atmospheric pressure. These conditions were held for 30 minutes after the wafer was cooled to room temperature. When the wafer was tested, it showed plastic deformation of the glass as described above. This process provides flexibility by design because the temperature required for Pyrex® plastic flow (500-550 ° C.) is significantly lower than that required for plastic flow of silicon (> 700 ° C.), and the strain is It can be limited only to the cap layer. This factor allows very thin wafers to be used for both the cap layer and the cavity layer. This variant has the advantage that in addition to expanding the range of materials that can be processed, the joining and deformation process can be performed in situ in a joining device in a single process.

図５を参照すると、この図は、模式的に、ジップ原理に基づき動作し、図１を参照して上述したように形成された、平滑でゆるやかな輪郭の表面１２を有する固定電極１０を備える静電アクチュエータを示す。柔軟性電極１４は、その表面１２上で固定電極の上面に固定される。図５Ａに示すように、柔軟性可動電極１４は、動作の際に最初に、その外側端部から固定電極１０の曲面１２に引っ張られる。図５Ｂでは、電極１４の端部領域が表面１２に接触するに至るので、柔軟性可動電極の周縁部の回りの「消滅」ギャップ１６は、最大の利用可能な力を維持する。図５Ｃでは、ギャップ１６は、表面１２の中心に向って閉じている。得られた結果は、可動電極１４を大きい変位で偏向させることである。 Referring to FIG. 5, this figure schematically comprises a fixed electrode 10 operating on the zip principle and having a smooth, gently contoured surface 12 formed as described above with reference to FIG. 1 shows an electrostatic actuator. The flexible electrode 14 is fixed on the upper surface of the fixed electrode on the surface 12 thereof. As shown in FIG. 5A, the flexible movable electrode 14 is first pulled from its outer end to the curved surface 12 of the fixed electrode 10 during operation. In FIG. 5B, the “extinguishing” gap 16 around the periphery of the flexible movable electrode maintains the maximum available force as the end region of the electrode 14 comes into contact with the surface 12. In FIG. 5C, the gap 16 is closed toward the center of the surface 12. The result obtained is to deflect the movable electrode 14 with a large displacement.

以上の実施形態との関係で記載された特徴は、それ単独で、又は他の実施形態若しくは他の実施形態の任意の組合せに記載された１つ又はそれ以上の特徴との組合せで、用いることができる。更に、以上において記載されていない均等例及び変形例もまた、特許請求の範囲で限定された本発明の範囲を逸脱することなく採用することができる。 Features described in relation to the above embodiments may be used alone or in combination with one or more features described in other embodiments or any combination of other embodiments. Can do. Furthermore, equivalents and modifications not described above can also be employed without departing from the scope of the invention as defined in the claims.

本発明の好ましい実施形態のプロセスを示す線図である。FIG. 2 is a diagram illustrating the process of a preferred embodiment of the present invention. 本発明の好ましい実施形態により製造された複数の素子を備えるシリコンウエハを示す図である。1 is a diagram showing a silicon wafer comprising a plurality of elements manufactured according to a preferred embodiment of the present invention. 本発明の好ましい実施形態により製造された複数の素子を備えるシリコンウエハを示す図である。1 is a diagram showing a silicon wafer comprising a plurality of elements manufactured according to a preferred embodiment of the present invention. 本発明の好ましい実施形態による素子の断面図である。1 is a cross-sectional view of a device according to a preferred embodiment of the present invention. 本発明の実施形態によるＭＥＭＳ素子の線図である。1 is a diagram of a MEMS device according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態によるＭＥＭＳ素子の線図である。1 is a diagram of a MEMS device according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態によるＭＥＭＳ素子の線図である。1 is a diagram of a MEMS device according to an embodiment of the present invention.

Claims

基板の所望の表面輪郭に順応する、ミクロン寸法の表面を形成する方法であって、その表面に凹部を有する基板を提供する工程、前記基板の表面に所定の材料層を提供し、前記凹部を覆う工程、前記層の少なくとも前記凹部の周辺にある領域を前記基板に接合する工程、及び前記層に熱及び圧力を加え、前記凹部内に前記層を所望の表面輪郭に塑性変形させる工程を具備し、前記圧力は、前記層の上の大気と前記層の下の凹部の内部の圧力差により加えられ、
前記凹部と層との間の空間は、真空圧を形成するように排気され、排気後に前記熱を加えて塑性変形を可能とし、前記凹部内に前記層を引き入れ、
前記塑性変形は、外部大気圧下で生ずる、方法。A method of forming a micron-sized surface that conforms to a desired surface profile of a substrate, the method comprising providing a substrate having a recess on the surface, providing a predetermined material layer on the surface of the substrate, and forming the recess A step of covering, a step of bonding at least a region of the layer around the concave portion to the substrate, and a step of applying heat and pressure to the layer to plastically deform the layer into a desired surface contour in the concave portion. The pressure is applied by the pressure difference between the atmosphere above the layer and the interior of the recess below the layer;
The space between the recess and the layer is evacuated so as to form a vacuum pressure, and after the exhaust, the heat is applied to enable plastic deformation, and the layer is drawn into the recess ,
The method wherein the plastic deformation occurs under external atmospheric pressure .

前記層は、前記凹部の表面に接触するように塑性変形し、この接触により更なる塑性変形が防止される請求項１に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the layer is plastically deformed to contact the surface of the recess and further plastic deformation is prevented by the contact.

前記層は、前記基板表面に融着される請求項１または２に記載の方法。The method of claim 1 or 2 , wherein the layer is fused to the substrate surface.

前記所望の表面輪郭は、１ｍｍ〜５０ｍｍの幅又は径、及び５０〜１０００ミクロンの深さを有する皿状である請求項１〜３のいずれかに記載の方法。The method according to any one of claims 1 to 3 , wherein the desired surface contour is dish-shaped having a width or diameter of 1 mm to 50 mm and a depth of 50 to 1000 microns.

前記層を構成する材料は、結晶質シリコンである請求項１〜４のいずれかに記載の方法。The method according to claim 1 , wherein the material constituting the layer is crystalline silicon.

前記基板は、結晶質シリコンの層を備え、隔膜は更により薄い結晶質シリコンの層を備える請求項５に記載の方法。6. The method of claim 5 , wherein the substrate comprises a layer of crystalline silicon and the diaphragm comprises an even thinner layer of crystalline silicon.

前記層を構成する材料は、ガラスである請求項１〜４のいずれかに記載の方法。The method according to claim 1 , wherein the material constituting the layer is glass.

前記塑性変形した層に、少なくとも１つのベント孔を有する請求項１〜７のいずれかに記載の方法。The method according to claim 1, wherein the plastically deformed layer has at least one vent hole.

前記凹部は、グレイスケールエッチングにより形成される請求項１〜８のいずれかに記載の方法。The method according to claim 1 , wherein the recess is formed by gray scale etching.

前記層は、前記凹部の表面に接触するように塑性変形し、この接触により更なる塑性変形が防止され、前記塑性変形した層は、前記凹部の周辺から中心にかけて平滑な対称曲面を有する請求項１〜９のいずれかに記載の方法。The layer, the plastically deformed so as to contact the surface of the recess, the contact further plastic deformation is prevented by the layer and the plastic deformation claim having a smooth symmetric curved toward the center from the periphery of said recess The method in any one of 1-9 .

前記層は、前記凹部の中心において塑性変形した層が、前記凹部の周辺にある領域における前記基板の表面より下になるように変形する請求項１〜９のいずれかに記載の方法。The method according to claim 1 , wherein the layer is deformed so that a layer plastically deformed at the center of the recess is below the surface of the substrate in a region around the recess.

前記層の変形の後、前記凹部と前記層の間に空間がある請求項１〜９のいずれかに記載の方法。The method according to claim 1 , wherein after the deformation of the layer, there is a space between the recess and the layer.

前記凹部と前記層の間の空間は、真空圧を形成するように排気され、それによって前記層の前後に圧力差が形成される請求項１〜９のいずれかに記載の方法。The method according to claim 1 , wherein the space between the recess and the layer is evacuated to form a vacuum pressure, thereby creating a pressure difference across the layer.