JP4977850B2 - 微小電気機械システムおよび微小電気機械システム製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガスが充填されるチャンバを有する微小電気機械システム、およびその製造方法に関する。

従来、微少なセンサーやアクチュエータとして、シリコンプロセス技術を用いた、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）が知られている（特許文献１）。
このような微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）では、基層であるシリコンとガラスを相互接合させて多層構造とし、その中間に密閉チャンバを形成し、このチャンバ内に所期の機能を実現するための微小機械部品を形成している。
このような微小電気機械システムにおいては、一般にシリコンとガラスは高温（約６５０Ｋ）かつ高圧（５００〜１０００Ｖ）のもとで行われる陽極接合により接合される。

米国特許第６４６５８５４号

前述のような微小電気機械システムでは、内部に密閉されるチャンバにガスを充填することが有効である。
ところが、このようなガスの充填を行う場合、各層の接合過程において電界が発生し、その結果、自由電子が加速され、充填されたガスのイオン化が生じることがある。イオン化されたガスは紫外線（ＵＶ）を放出し、紫外線はチャンバ内の表面特性を変化させる可能性があるほか、チャンバ内の電子部品の安定性に悪影響を与える可能性がある。

上述の問題を最小限に抑える方法のひとつに、接合圧力を低下させることにより電界強度を弱め、紫外線の放出を減少させる方法がある。しかし、この方法では、接合圧力が低下しすぎると、接合が脆弱となるという問題がある。
このようなことから、適切な接合圧力を確保しつつ、電界強度を弱めて、紫外線の放出を減少させる技術が要望されている。

本発明の目的は、接合時の紫外線の放出を低減でき、かつ層構造の接合圧力が確保できる微小電気機械システムおよびその製造方法を提供することにある。

本発明による微小電気機械システムは、
層状の構造の一部に微小機械部品を有する微小電気機械システムであって、
表裏を貫通するキャビティを有しかつこのキャビティ内に前記微小機械部品が設けられる基層と、
前記基層を挟んで配置されかつそれぞれ前記基層に陽極接合された第１密閉層および第２密閉層と、
前記基層の前記キャビティを前記第１密閉層および前記第２密閉層で封止して形成されかつ内部にガスが充填されたチャンバと、
前記第２密閉層の表面のうち前記チャンバ内に露出される領域を覆い、かつ前記基層と電気的に接触する電極と、を有することを特徴とする。

本発明の微小電気機械システム製造方法は、
層状の構造の一部に微小機械部品を有する微小電気機械システムを製造するための微小電気機械システム製造方法であって、
基層に表裏を貫通するキャビティを形成しかつこのキャビティ内に前記微小機械部品を形成する工程と、
前記基層に対し第１密閉層を真空状態で陽極接合する工程と、
前記基層に対し第２密閉層をガスの存在する状態で陽極接合することにより、前記キャビティを封止してチャンバを形成し、このチャンバの内部にガスを充填する工程と、を備え、
前記第２密閉層の陽極接合の前に、前記第２密閉層の表面のうち、前記チャンバ内に露出される領域を覆うように、かつ前記第２密閉層と前記基層との接合時に前記基層と電気的に接触するように、電極を形成する工程を備えたことを特徴とする。

次に、本発明の一実施形態を添付の図面を参照して説明する。
図１において、微小電気機械システム１０は、基層１と、この基層１を挟んで配置された第１密閉層２および第２密閉層３とを有する多層構造とされている。
本実施形態において、第１密閉層２および第２密閉層３はガラス層、基層１はシリコン層である。

基層１には微小機械部品４が設けられている。
具体的に、基層１には所定位置に表裏を貫通するキャビティ１Ａが形成され、このキャビティ１Ａの内部に基層１から連続する微小機械部品４が形成されている。この微小機械部品４は、例えば基層１にキャビティ１Ａを形成する際に、この微小機械部品４を残すように穿孔を行うことで形成される。この穿孔にはエッチング等の既存のシリコンプロセスが適宜利用できる。
本実施形態において、微小機械部品４は基層１の表面側（第１密閉層２が接合される側）に沿って形成されている。キャビティ１Ａは周囲の内壁が傾斜され、基層１の表面側に対して裏面側（第２密閉層３が接合される側）がやや広く形成されている。このようなキャビティ１Ａの形状および微小機械部品４の表面側への配置により、キャビティ１Ａの穿孔処理は基層１の裏面側から行うことが極めて効率的である。

基層１の表裏には第１密閉層２および第２密閉層３が接合され、これにより３つの層からなる多層構造が形成されている。
第１密閉層２および第２密閉層３は、前述した通りガラス層であり、基層１を挟んだ状態で配置され、それぞれ基層１に陽極接合により接合される。
これらの第１密閉層２および第２密閉層３により、前述したキャビティ１Ａの表裏の開口部分が覆われて密封される。これにより、微小機械部品４の周辺にチャンバ５が形成される形成されるように構成される。このチャンバ５にはガス９が充填される。

第１密閉層２には、そのキャビティ１Ａを覆う部分に凹部２Ａが形成されている。
凹部２Ａは、第１密閉層２と基層１とが接合された際にキャビティ１Ａに連通され、これらの凹部２Ａとキャビティ１Ａとを併せてチャンバ５が形成される。この凹部２Ａにより、チャンバ５が基層１の第１密閉層２の内側まで拡張され、表面側（第１密閉層２が接合される側）に沿って微小機械部品４を配置した場合でも、微小機械部品４と第１密閉層２とが機械的に干渉等することが回避できる。

第２密閉層３には、そのキャビティ１Ａを覆う部分に電極６が形成されている。
電極６は、第２密閉層３の表面のうち、第２密閉層３と基層１とが接合された際にチャンバ５内に露出する領域の略全体を覆うように形成されている。
電極６および前記領域は平面矩形とされ、電極６は当該領域よりやや小さく形成され、当該領域の周辺部は電極６の外周においてチャンバ５内に露出している。
電極６の各辺縁には突起状の電極接触構造７が形成され、基層１に対する電気的導通がとられている。電極接触構造７は、電極６の各編円から外向きに延び、その先端部分は漸次薄く形成され、基層１と第２密閉層３との接合部分に挟持されており、これにより基層１に対して電気的な接触を確保している。

電極６は、基層１と第２密閉層３とが接合された状態において、基層１の裏面側に配置される。一方、微小機械部品４は、基層１と第１密閉層２とが接合された状態において、基層１の表面側に配置される。従って、電極６はと微小機械部品４とは、基層１の厚み、つまり基層１として利用するシリコンウエハの厚みに対応した十分な距離（通常、１００〜１０００ｕｍ）に隔てて設けられる。この点で、電極６は容量読み取り用電極または電子静電駆動用電極（通常、１０ｕｍ以下の僅かな距離におかれる）と相違する。

次に、前述した構成の微小電気機械システム１０の製造手順について説明する。
微小電気機械システム１０の製造にあたっては、先ず基層１を準備する。
基層１は、半導体製造に利用される既存のシリコンウエハを用い、これに既存のシリコンプロセスを適宜利用してキャビティ１Ａおよび微小機械部品４を形成する。
基層１の準備と並行して、第１密閉層２に凹部２Ａを形成しておくとともに、第２密閉層３の表面に電極６を形成しておく。

次に、基層１に対して第１密閉層２を真空状態で陽極接合する（第１の接合過程）。具体的には、既存の密閉式の半導体製造装置を用い、基層１と第１密閉層２とを収めたプロセスチャンバを真空状態にした上で、基層１と第１密閉層２との陽極接合を行う。
続いて、基層１（表面に第１密閉層２が接合された）に対して第２密閉層３を陽極接合する（第２の接合過程）。この接合によりチャンバ５を密封するとともに、このチャンバ５内にガス９を充填する。具体的には、既存の密閉式の半導体製造装置を用い、基層１と第２密閉層３とを収めたプロセスチャンバ内にガス９を充満させておき、このガス９の雰囲気下で基層１と第２密閉層３との陽極接合を行う。この処理により、キャビティ５が封止されて密閉されたチャンバ５を形成され、かつチャンバ５の内部には雰囲気のガス９が充満した状態になる。
以上により本実施形態の微小電気機械システム１０が製造される。

本実施形態によれば、以下に述べるような効果がある。
微小機械部品４を収めるチャンバ５内に電極６を設け、この電極６を基層１に電気的に導通させることで、チャンバ５内の電界強度を弱めてガス９の雰囲気下であっても紫外線の放出を抑制することができ、チャンバ５内に充填されるガス９のイオン化を抑制することができる。
すなわち、陽極接合の際、電極６の電位は、電極接触構造７による電気的な同友により、基層１のシリコン電位に固定される。そのため、第２密閉層３および基層１の電極６との接触面における電界強度は弱くなる。
第１密閉層２を基層１に接合させる第１の接合過程において、第１密閉層２と基層１とは真空下で陽極接合される。このため第１の接合過程では、ガス９が存在しないため紫外線は放出されない。
一方、第２密閉層３を基層１に接合させる第２の接合過程においては、第２密閉層３と基層１とをガス９の存在する状態で陽極接合される。但し、ガス９の雰囲気下であっても、前述の通り電極６によりチャンバ５内の電界強度が弱められるため、紫外線放出は少なくなる。
このため、本実施形態によれば、ガス９の雰囲気下での接合時にもチャンバ５内の不必要な影響を回避することができ、基層１と第１密閉層２および基層１と第２密閉層３との接合の何れにおいても好適な接合強度を保持したまま、紫外線放出を大幅に低減することができる。これにより各層の接合圧力を弱める必要を回避でき、適切な接合圧力を確保することができる。

また、電極６を第２密閉層３の表面に形成しておき、基層１と第２密閉層３との接合に伴ってチャンバ５内に配置されるようにしたため、電極６をチャンバ５内に独立して設置する等の構造に比べて小型化が可能であり、かつ製造手順も簡略にできる。
さらに、基層１と第１密閉層２とを接合した上で、第２密閉層３との接合を行うことでチャンバ５が密閉されるようにし、かつガス９の雰囲気下でこの接合を行うことでガス９のチャンバ５内への充填も一括して行うことができる。これにより、構造の簡略化とともに、製造手順の簡略化が図れる。

図３および図４には本発明の他の実施形態が示されている。
本実施形態において、基層１、第１密閉層２、第２密閉層３の各構成は基本的に図１および図２の実施形態と同様である。このため、共通する要素に関しては同じ符号を付し、重複する説明を省略する。
本実施形態においては、電極６の形状が異なる。
すなわち、前述した図１および図２の実施形態においては、電極６は第２密閉層３のチャンバ５内に露出する領域よりもやや小さく、かつ四辺に設けられた突起状の電極接触構造７により基層１との電気的導通を得ていた。

これに対し、本実施形態においては、電極６は第２密閉層３のチャンバ５内に露出する領域よりもやや大きく、かつ四辺の全周にわたって電極接触構造７とされ、基層１と第２密閉層３との接合部分に挟まれ、これにより基層１との電気的導通を得ている。
このように、電極６の形状は実施にあたって適宜選択することができる。そして、図３および図４の実施形態のように、全周にわたる電極接触構造７を用いることで、基層１との導通を確実なものにできる。
但し、図１および図２の実施形態のように、突起状の電極接触構造７を用いることで、基層１と第２密閉層３との接合面積に対する占有を抑制することができる。
微小電気機械システム１０においては、本来最大限の接合面積が確保できるよう電極６の占有面積を最小限に抑えることが好ましい。この点で、電極６の接合面積への侵食度合いを低減できるため、図１および図２の実施形態は有益である。

なお、本発明は前記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成しようとする範囲内での変形等は本発明に含まれるものである。
前記実施形態では、基層１にシリコンを用いたが、他の半導体材料などであってもよい。
前記実施形態では、第１密閉層２および第２密閉層３にそれぞれガラスを用いたが、何れかあるいは双方を他の基板材料としてもよく、機械的あるいは電気的な特性を考慮して適宜選択すればよい。
前記実施形態では、微小機械部品４と電極６との間の距離を基層１に用いるウエハの厚み（約１００ｕｍ以上）に対応させたが、この距離は実施にあたって適宜設定すればよい。但し、１００ｕｍ以下とすると微小機械部品４と電極６との距離が小さくなって静電容量の影響が無視できなくなる可能性などがあり、約１００ｕｍ以上としておくことが望ましい。
前記実施形態では、基層１と電極６との電気的導通を突起状の電極接触構造７あるいは全周にわたる電極接触構造７により確保したが、他の形態を利用してもよい。
更に、電極６は第２密閉層３の表面のうち、チャンバ５内に露出される領域を略全面にわたって覆うように形成したが、電極６は、必ずしも第２密閉層３の表面チャンバ５内に露出している領域全体を覆う必要はなく、より縮小されてもよい。

本発明は、微小電気機械システムおよびその製造方法に利用することができる。

本発明の一実施形態にかかる微小電気機械システムの断面図である。 図１の実施形態にかかる電極構造を示す平面図である。 本発明の他の実施形態にかかる微小電気機械システムの部分断面図である。 図３の実施形態にかかる電極構造を示す平面図である。

符号の説明

１ 基層
１Ａ キャビティ
２ 第１密閉層
２Ａ 凹部
３ 第２密閉層
４ 微小機械部品
５ チャンバ
６ 電極
７ 電極接触構造
９ ガス
１０ 微小電気機械システム

Claims (12)

1. 層状の構造の一部に微小機械部品を有する微小電気機械システムであって、
   表裏を貫通するキャビティを有しかつこのキャビティ内に前記微小機械部品が設けられる基層と、
   前記基層を挟んで配置されかつそれぞれ前記基層に陽極接合された第１密閉層および第２密閉層と、
   前記基層の前記キャビティを前記第１密閉層および前記第２密閉層で封止して形成されかつ内部にガスが充填されたチャンバと、
   前記第２密閉層の表面のうち前記チャンバ内に露出される領域を覆い、かつ前記基層と電気的に接触する電極と、を有することを特徴とする微小電気機械システム。
2. 請求項１に記載の微小電気機械システムにおいて、前記基層がシリコンであることを特徴とする微小電気機械システム。
3. 請求項１または請求項２に記載の微小電気機械システムにおいて、前記第１密閉層および前記第２密閉層がガラスであることを特徴とする微小電気機械システム。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の微小電気機械システムにおいて、前記微小機械部品と前記電極との間の距離が、前記電極のいずれの点においても、約１００ｕｍ以上であることを特徴とする微小電気機械システム。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の微小電気機械システムにおいて、
   前記電極は少なくとも１つの電気接触構造を有し、
   前記電気接触構造は、前記第２密閉層の表面のうち、少なくとも１つの陽極接合された部分に接触するように構成され、
   前記接触は、前記電極に設けられた前記電気接触構造によってのみ行われるように構成されていることを特徴とする微小電気機械システム。
6. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の微小電気機械システムにおいて、前記電極は前記第２密閉層の表面のうち、前記チャンバ内に露出される領域を全面にわたって覆うように形成されている、ことを特徴とする微小電気機械システム。
7. 層状の構造の一部に微小機械部品を有する微小電気機械システムを製造するための微小電気機械システム製造方法であって、
   基層に表裏を貫通するキャビティを形成しかつこのキャビティ内に前記微小機械部品を形成する工程と、
   前記基層に対し第１密閉層を真空状態で陽極接合する工程と、
   前記基層に対し第２密閉層をガスの存在する状態で陽極接合することにより、前記キャビティを封止してチャンバを形成し、このチャンバの内部にガスを充填する工程と、を備え、
   前記第２密閉層の陽極接合の前に、前記第２密閉層の表面のうち、前記チャンバ内に露出される領域を覆うように、かつ前記第２密閉層と前記基層との接合時に前記基層と電気的に接触するように、電極を形成する工程を備えたことを特徴とする微小電気機械システム製造方法。
8. 請求項７に記載の微小電気機械システム製造方法において、前記基層としてシリコンを用いることを特徴とする微小電気機械システム製造方法。
9. 請求項７または請求項８に記載の微小電気機械システム製造方法において、前記第１密閉層および前記第２密閉層としてガラスを用いることを特徴とする微小電気機械システム製造方法。
10. 請求項７ないし請求項９のいずれかに記載の微小電気機械システム製造方法において、前記微小機械部品と前記電極との間の距離が、前記電極のいずれの点においても、約１００ｕｍ以上となるよう、前記第２密閉層と前記基層とを接合する、ことを特徴とする微小電気機械システム製造方法。
11. 請求項７ないし請求項１０のいずれかに記載の微小電気機械システム製造方法において、前記電極を、接合時に少なくとも１つの電気接触構造のみにより前記第２密閉層の表面のうち少なくとも１つの陽極接合された部分に接触させる、ことを特徴とする微小電気機械システム製造方法。
12. 請求項７ないし請求項９のいずれかに記載の微小電気機械システム製造方法において、前記電極は前記第２密閉層の表面のうち、前記チャンバ内に露出される領域を全面にわたって覆うように形成することを特徴とする微小電気機械システム製造方法。

Images