JP5449300B2 - 微小機械デバイス及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、微小機械デバイス及びその製造方法に関し、特に隙間を有する微小機械デバイス及びその製造方法に関するものである。

微小機械デバイスの製造工程において、二つの材料層の間に隙間を形成する必要がある。現在、隙間を形成する方法は、二つの材料層の間に犠牲層を形成してから、一部の犠牲層をエッチングし、隙間を形成する方法である。エッチング方法は、主に、ウェットエッチング（Ｗｅｔ ｅｔｃｈｉｎｇ）方法及びドライエッチング（Ｄｒｙ Ｅｔｃｈｉｎｇ）方法を含む。

ウェットエッチング方法は、腐食溶液で犠牲層を浸漬し、該犠牲層を除去することである。該ウェットエッチング方法は、コストが低く、工程が簡単で、選択的に異なる材料をエッチングすることができるという優れた点がある。しかし、ウェットエッチング方法により、等方的にエッチングし、即ち、横向及び縦向に沿ってエッチングする速度が同じであるから、エッチング方法により、所定のパターンを形成することが困難である。

一般的に、腐食溶液を使用せずにエッチングする全ての方法は、ドライエッチング方法と呼ばれている。ドライエッチング方法は、ガスエッチング、プラズマエッチング、イオンエッチング及び反応性イオンエッチングなどがある。該ドライエッチング方法により、異方的にエッチングすることができるので、所定のパターンを形成することができる。しかし、ドライエッチング方法は、選択的にエッチングすることが出来ず、工程が複雑で、量産できないという問題がある。

大規模な集積回路技術及び微小機械技術の発展に伴って、微小電子素子に対して、微小化及び精確化が要求されていくので、二つの材料層の間に形成された隙間も小さくなり、犠牲層をできるだけ薄くする要望がある。しかし、該犠牲層が薄くなる場合、ウェットエッチングでもドライエッチングでも課題がある。例えば、ウェットエッチングの場合、微小電子素子は要求の精度を満足できず、材料層の間の隙間が小さいので、犠牲層の両端が接着しやすいという問題がある。また、ドライエッチングの場合、微細構造の精度を良く制御することができるが、ドライエッチングのイオンが高いエネルギーを有し、犠牲層を除く材料に衝突し、材料の性能に影響を及ぼす。

Ｃ．Ｈ．Ｍａｓｔｒａｎｇｅｌｏは、第一材料層と第二材料層の間に犠牲層をエッチングすることを通じて、隙間を形成する方法（非特許文献１を参照）を提供する。該方法により、第一材料層に犠牲層を堆積し、ドライエッチングで該犠牲層をエッチングし、凹槽を形成し、該犠牲層にパターン化された第二材料層を堆積し、犠牲層の一部を露出するために、該犠牲層をエッチングしてウィンドウを形成する。前記犠牲層に凹槽があるため、該犠牲層にパターン化された前記第二材料層を堆積する場合、該第二材料層が該凹槽に堆積できる。ウェットエッチングで前記犠牲層を除去し、前記第一材料層と前記第二材料層との間に隙間を形成し、該第二材料層の前記第一材料層に相対する表面に凸部を形成する。該凸部は、前記第一材料層と前記第二材料層とが接着することを防止できる。

Ａｄｈｅｓｉｏｎ−ｒｅｌａｔｅｄ ｆａｉｌｕｒｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｉｎ ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｔｒｉｂｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏ１３，Ｐ２２３（１９９７）

しかし、前記凸部の材料は、前記第二材料層の材料と同じであるから、前記第一材料層と前記第二材料層が接着することを良く防止できない。前記犠牲層に凹槽があるから、該犠牲層に前記パターン化された第二材料層を堆積する工程は複雑である。従って、前記隙間を形成する方法は、複雑で、量産に不便である。

従って、本発明は、二つの材料層が接着することを良く防止できる微小機械デバイス及び、工程が簡単で、量産に便利であるその製造方法を提供する。

微小機械デバイスの製造方法、基板を提供し、該基板に第一材料層を形成する第一ステップと、前記第一材料層に犠牲層を形成する第二ステップと、前記犠牲層に第二材料層を形成する第三ステップと、犠牲層の一部をドライエッチング方法でエッチングする第四ステップと、残った前記犠牲層をウェットエッチング方法でエッチングし、前記第一材料層と前記第二材料層との間に隙間を形成するとともに、前記第二材料層の前記第一材料層に相対する表面に凸部を形成する第五ステップと、を含む。

前記第三ステップにおいて、前記犠牲層の表面にフォトレジスト層を塗布する第一サブステップと、前記フォトレジスト層に露光、現像を行って、パターン化されたフォトレジスト層を形成し、犠牲層の一部を露出させる第二サブステップと、前記パターン化されたフォトレジスト層及び前記の露出された犠牲層に第二材料層を形成する第三サブステップと、前記構造を有機溶剤に浸漬し、前記パターン化されたフォトレジスト層と、該パターン化されたフォトレジスト層に形成された第二材料層とを除去し、前記犠牲層にパターン化された第二材料層を形成する第四サブステップと、を含む。

前記第二材料層の厚さが、前記フォトレジスト層の厚さより、小さい。

従来の微小機械デバイスと比べると、本発明の微小機械デバイスは、前記パターン化された第二材料層の前記第一材料層に相対する表面に少なくとも一つの凸部が設置されるため、前記第一材料層と前記パターン化された第二材料層とが接着することを防止できる。前記凸部の材料は、前記第一材料層と前記パターン化された第二材料層との材料と異なるから、該第一材料層と該パターン化された第二材料層とが接着することを良く防止できる。また、前記微小機械デバイスの製造方法は、工程が簡単で、量産に便利である。

本発明の実施形態に係る微小機械デバイスの構造を示す図である。 本発明の実施形態に係る微小機械デバイスの製造方法を示す図である。 本発明の実施形態に係る微小機械デバイスの製造方法のフローチャートである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

（実施形態１）
図１を参照すると、本実施形態は、微小機械デバイス１５を提供する。該微小機械デバイス１５は、基板１０、第一材料層１２及びパターン化された第二材料層１６を含む。前記第一材料層１２は、前記基板１０の表面に設置し、前記パターン化された第二材料層１６は、一部の犠牲層１４で支持され、前記第一材料層１２との間に隙間がある。即ち、前記パターン化された第二材料層１６は、前記第一材料層１２と分離して設置する。前記パターン化された第二材料層１６の前記第一材料層１２に相対する表面に少なくとも一つの凸部２２が設置される。

前記第一材料層１２の材料は、金属、合金又は複合材料である。前記パターン化された第二材料層１６の材料は、金属、合金又は複合材料である。本実施形態において、前記第一材料層１２と前記パターン化された第二材料層１６との材料が同じであり、銅であることが好ましい。該凸部２２の材料は、前記第一材料層１２と前記パターン化された第二材料層１６との材料と異なる。

前記微小機械デバイス１５において、前記パターン化された第二材料層１６の前記第一材料層１２に相対する表面に少なくとも一つの凸部２２が設置されるため、前記第一材料層１２と前記パターン化された第二材料層１６とが接着することを防止できる。また、前記凸部２２の材料は、前記第一材料層１２と前記パターン化された第二材料層１６との材料と異なるから、該第一材料層１２と該パターン化された第二材料層１６とが接着することを良く防止できる。

図２と図３を参照し、本実施形態は、前記微小機械デバイス１５の製造方法を提供する。該製造方法は、下記のステップを含む。

第一ステップでは、シリコン基板１０を提供し、該シリコン基板１０に第一材料層１２を形成する。

前記第一材料層１２の材料は、金属、合金又は複合材料である。該第一材料層１２の厚さに制限はない。本実施形態において、前記第一材料層１２の材料が銅であることが好ましく、厚さが１００ナノメートルである。

前記シリコン基板１０に第一材料層１２を形成する方法は、プラズマ化学気相成長法（Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，ＰＥＣＶＤ）又は減圧化学気相成長法（Ｌｏｗ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，ＬＰＣＶＤ）である。本実施形態において、プラズマ化学気相成長法を採用する。

第二ステップでは、前記第一材料層１２に犠牲層１４を形成する。

前記犠牲層１４の材料は、金属又は二酸化珪素である。該犠牲層１４の厚さが二つの材料層の間に形成しようとする隙間の高さと関係がある。本実施形態の製造方法で形成された隙間の高さが１０ナノメートルであるから、前記犠牲層１４の厚さは、１０ナノメートル以上である。本実施形態において、前記犠牲層１４の厚さが４マイクロメートルである。

第三ステップでは、前記犠牲層１４にパターン化された第二材料層１６を形成する。

本実施形態において、金属剥離技術で前記犠牲層１４にパターン化された第二材料層１６を形成する。具体的には、前記犠牲層１４の表面にフォトレジスト層１８を塗布する。該フォトレジスト層１８に露光、現像を行って、パターン化されたフォトレジスト層１８を形成し、犠牲層１４の一部を露出させる。プラズマ化学気相成長法又は減圧化学気相成長法で前記パターン化されたフォトレジスト層１８及び前記の露出された犠牲層１４に第二材料層１６を形成する。前記第二材料層１６の厚さが前記パターン化されたフォトレジスト層１８の厚さより小さく設定されている。これによって、前記パターン化されたフォトレジスト層１８に形成された第二材料層１６と、前記犠牲層１４に形成された第二材料層１６との間に高度差があるので、前記フォトレジスト層１８に形成された第二材料層１６と、前記犠牲層１４に形成された第二材料層１６とが接触できないようになる。

前記構造を有機溶剤に浸漬する。該有機溶剤がアセトン（ａｃｅｔｏｎｅ）、テトラクロロメタン（ｔｅｔｒａｃｈｌｏｒｏｍｅｔｈａｎｅ）及びクロロホルム （ｃｈｌｏｒｏｆｏｒｍ）など、フォトレジストを溶解できる有機溶剤である。本実施形態において、該有機溶剤がアセトンである。前記パターン化されたフォトレジスト層１８がアセトンで溶解された場合、前記パターン化されたフォトレジスト層１８に形成された前記第二材料層１６と、前記犠牲層１４に形成された第二材料層１６とが接触できないので、前記パターン化されたフォトレジスト層１８に形成された第二材料層１６が前記犠牲層１４から落ち、該犠牲層１４にパターン化された第二材料層１６が形成される。同時に、犠牲層１４の一部が露出され、ウィンドウ（図示せず）が形成される。

前記第二材料層１６の材料は、金属、合金又は複合材料である。該第二材料層１６の厚さに制限はない。本実施形態において、前記第二材料層１６の材料が銅であることが好ましく、厚さが１００ナノメートルである。

第四ステップでは、ドライエッチング方法で一部の犠牲層１４をエッチングする。

反応性イオンエッチング方法でエッチングされたウィンドウを通じて、前記犠牲層１４をエッチングし、残る犠牲層１４の厚さを前記犠牲層１４の厚さの五分の一から三分の二とする。この後、前記犠牲層１４に複数の凹槽２０が形成される。

本実施形態において、まず、所定の時間の間反応性イオンエッチング方法で前記犠牲層１４をエッチングする。次に、前記時間及び前記犠牲層１４のエッチングされた厚さによって、該反応性イオンエッチングの速度を計算する。該反応性イオンエッチングの速度に応じて、エッチング時間を制御し、前記犠牲層１４をエッチングし、該犠牲層１４の厚さを二分の一の程度まで減少させる。即ち、反応性イオンエッチングした後、該犠牲層１４の厚さを２マイクロメートルにさせる。

前記反応性イオンエッチングする過程において、イオンが前記犠牲層１４に高エネルギーで衝突するので、衝突された犠牲層１４に反応物が形成されて、前記凹槽２０の側壁に付着し、該凹槽２０の側壁に保護膜（図示せず）が形成される。

また、前記反応性イオンエッチングに制限されず、ケミカリー・アシステッド・イオン・ビーム・エッチング（ｃｈｅｍｉｃａｌｌｙ ａｓｓｉｓｔｅｄ ｂｅａｍ ｅｔｃｈｉｎｇ ，ＣＡＩＢＥ）又は磁気強化反応イオンエッチング（ｍａｇｎｅｔｒｏｎ ｅｎｈａｎｃｅｄ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｉｏｎ ｅｔｃｈｉｎｇ，ＭＥＲＩＥ）を利用して、一部の犠牲層１４をエッチングすることができる。

第五ステップでは、前記犠牲層１４をエッチングし、前記第一材料層１２と前記パターン化された第二材料層１６との間に隙間を形成する。同時に、前記パターン化された第二材料層１６の前記第一材料層１２に相対する表面に、該犠牲層１４を凸部２２に形成させる。

前記第四ステップにおいて形成された構造を腐食溶液に置き、３分間〜１時間浸漬した後、前記構造を取り出す。該構造を洗浄し、窒素ガスで該構造を吹いて乾燥させる。

前記構造を浸漬する過程において、前記犠牲層１４が前記腐食溶液でエッチングされ、前記第一材料層１２と前記パターン化された第二材料層１６との間に隙間が形成される。

前記腐食溶液は、緩衝溶液である。該緩衝溶液は、フッ化水素酸（ｈｙｄｒｏｆｌｕｏｒｉｃ ａｃｉｄ，ＨＦ）溶液、水酸化アンモニウム（ａｍｍｏｎｉｕｍ ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ，ＮＨ_４ＯＨ）溶液又はフッ化アンモニウム（ａｍｍｏｎｉｕｍ ｆｌｕｏｒｉｄｅ，ＮＨ_４Ｆ）溶液の一種又は数種である。該緩衝溶液のＰＨ値は、３〜４．５である。本実施形態において、該緩衝溶液は、フッ化水素酸溶液と水酸化アンモニウム溶液の混合溶液であることが好ましく、ＰＨ値が４である。

前記犠牲層１４をエッチングする過程において、前記凹槽２０の側壁に保護膜が被覆されるから、前記凹槽２０の側壁に隣接する犠牲層１４をエッチングする速度が遅くなる。前記凹槽２０の側壁に隣接する犠牲層１４をエッチングする速度は、前記凹槽２０の底部の犠牲層１４をエッチングする速度より遅いので、前記第一材料層１２と前記パターン化された第二材料層１６との間に隙間を形成し、同時に、前記パターン化された第二材料層１６の前記第一材料層１２に相対する表面に凸部２２を形成することができる。

ドライエッチングの速度が一定である場合、前記凸部２２の大きさは、前記ドライエッチングの時間と関係がある。即ち、該ドライエッチングの時間が短い場合、形成された凸部２２が大きく、該ドライエッチングの時間が長い場合、形成された凸部２２が小さい。しかし、該ドライエッチングの時間が短すぎる場合、前記第一材料層１２と前記パターン化された第二材料層１６との間に隙間を形成することができず、該ドライエッチングの時間が長すぎる場合、前記第二材料層１６の前記第一材料層１２に相対する表面に凸部２２を形成することができない。

前記微小機械デバイス１５の製造方法において、前記犠牲層１４をエッチングすることを通じて、二つの材料層の間に隙間を形成するとともに、前記パターン化された第二材料層１６の前記第一材料層１２に相対する表面に凸部２２が形成される。前記第一材料層１２と前記第二材料層１６との隙間が非常に狭い場合、該凸部２２により、該第一材料層１２と該第二材料層とが互いに接着することを防止できる。また、前記微小機械デバイス１５の製造方法は、工程が簡単で、量産に便利であるという優れた点がある。

１０ 基板
１２ 第一材料層
１４ 犠牲層
１６ 第二材料層
１８ フォトレジスト層
２０ 凹槽
２２ 凸部
１５ 微小機械デバイス

Claims (3)

1. 基板を提供し、該基板に第一材料層を形成する第一ステップと、
   前記第一材料層に犠牲層を形成する第二ステップと、
   前記犠牲層にパターン化された第二材料層を形成し、前記犠牲層の一部を露出させる第三ステップと、
   前記犠牲層の露出された一部をドライエッチング方法でエッチングし、薄くならせて、前記犠牲層に複数の凹槽を形成する第四ステップと、
   残した前記犠牲層をウェットエッチング方法でエッチングし、前記第一材料層と前記第二材料層との間に隙間を形成するとともに、前記第二材料層の前記第一材料層に相対する表面に凸部を形成する第五ステップと、
   を含み、
   前記第四ステップにおいて、反応性イオンエッチング方法で前記犠牲層をエッチングし、該反応性イオンエッチングする過程において、イオンが前記犠牲層に高エネルギーで衝突し、衝突された犠牲層に反応物が形成されて、前記凹槽の側壁に付着し、該凹槽の側壁に保護膜が形成され、前記第五ステップにおいて、前記凹槽の側壁に隣接する犠牲層をエッチングする速度は、前記凹槽の底部の犠牲層をエッチングする速度より遅くなり、犠牲層からなる凸部を形成することを特徴とする微小機械デバイスの製造方法。
2. 前記第三ステップにおいて、
   前記犠牲層の表面にフォトレジスト層を塗布する第一サブステップと、
   前記フォトレジスト層に露光、現像を行って、パターン化されたフォトレジスト層を形成し、犠牲層の一部を露出させる第二サブステップと、
   前記パターン化されたフォトレジスト層及び前記の露出された犠牲層に第二材料層を形成する第三サブステップと、
   前記構造を有機溶剤に浸漬し、前記パターン化されたフォトレジスト層と、該パターン化されたフォトレジスト層に形成された第二材料層とを除去し、前記犠牲層にパターン化された第二材料層を形成する第四サブステップと、
   を含むことを特徴とする、請求項１に記載の微小機械デバイスの製造方法。
3. 前記第二材料層の厚さが、前記フォトレジスト層の厚さより、小さいことを特徴とする、請求項１又は２に記載の微小機械デバイスの製造方法。

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