JP6087752B2 - Fabrication method of micro mechanical structure - Google Patents
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Description
本発明は、SiCより構成された微細な構造を作製する微細機械構造の作製方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a fine mechanical structure for producing a fine structure made of SiC.
機械的な動作で種々の機能を発揮するマイクロエレクトロメカニカルシステム(MEMS)が、センサーなどさまざまな応用で使用されている。現在、MEMSは、主にSiを用いて作製されている。これに対し、Siに比較して、高いヤング率,高温での高い降伏強度、高い化学的安定性などの特徴を有する炭化ケイ素(SiC)が、MEMSの材料として注目を集めている。SiCを用いたMEMS(SiC−MEMS)の研究開発は、Si上に堆積した3C−SiCや、多結晶SiC,アモルファスSiCが中心であった。しかしながら、3C−SiCは、結晶欠陥を多く含み、また、多結晶SiC,アモルファスSiCは、単結晶SiCに比べると、上述した特性が劣るという問題がある。 Microelectromechanical systems (MEMS) that exhibit various functions in mechanical operation are used in various applications such as sensors. Currently, MEMS are mainly manufactured using Si. On the other hand, silicon carbide (SiC) having characteristics such as a high Young's modulus, a high yield strength at a high temperature, and a high chemical stability as compared with Si has attracted attention as a material for MEMS. The research and development of MEMS using SiC (SiC-MEMS) has centered on 3C-SiC deposited on Si, polycrystalline SiC, and amorphous SiC. However, 3C-SiC has many crystal defects, and polycrystalline SiC and amorphous SiC have problems that the above-described characteristics are inferior to single-crystal SiC.
これに対し、高品質SiC単結晶ウエハーを用いてMEMSを作る研究も一部行われている。高品質SiC単結晶ウエハーを用いる場合、微細加工は難しいが、結晶欠陥が少なく、SiC本来の特性が得られる。発明者らは、単結晶SiCウエハーにSiCのp層およびn層を積層し、光電気化学エッチングもしくは電気化学エッチングを用い、p層またはn層の選択的エッチングを行うことで、薄膜(メンブレン)やブリッジ、カンチレバーなどのMEMSの基本構造を作製する技術を提案している(非特許文献1参照)。 On the other hand, some studies have been conducted to make MEMS using high-quality SiC single crystal wafers. When a high quality SiC single crystal wafer is used, fine processing is difficult, but there are few crystal defects, and the original characteristics of SiC can be obtained. The inventors laminated a p-layer and an n-layer of SiC on a single crystal SiC wafer, and performed selective etching of the p-layer or n-layer using photoelectrochemical etching or electrochemical etching, thereby forming a thin film (membrane). Has proposed a technique for fabricating a basic structure of MEMS such as a bridge, a cantilever, and the like (see Non-Patent Document 1).
単結晶SiCで作製したカンチレバー共振器は、230000という非常に高いQ値をもつ素晴らしい共振特性を持つ。これは、Si基板上に形成した3C−SiC薄膜により形成したカンチレバー共振器のQ値の約10倍であり、また、Siカンチレバー共振器の20倍に相当する(非特許文献1参照)。この結果は、高感度センサーなど、MEMSの応用上、極めて有用な特性である。 A cantilever resonator made of single crystal SiC has excellent resonance characteristics with a very high Q value of 230000. This is about 10 times the Q value of the cantilever resonator formed by the 3C-SiC thin film formed on the Si substrate, and corresponds to 20 times the Si cantilever resonator (see Non-Patent Document 1). This result is a very useful characteristic for MEMS applications, such as a high sensitivity sensor.
しかしながら、単結晶SiC−MEMSには大きな問題点がある。単結晶SiC−MEMSの技術では、単結晶SiC基板上にホモエピタキシャル成長したSiC膜を用いて微細なMEMSを構成している。このようなMEMSでは、基板とMEMS構造が共にSiCで作られており、MEMS構造には内部応力が存在しない。一般的なMEMSにおいては、MEMSを構成する層の薄膜の堆積条件で内部応力を制御することで、応力緩和による形状変化や内部応力による特性制御が行われるが、この特性制御を行うことが、単結晶SiC−MEMSでは不可能である。 However, single crystal SiC-MEMS has a big problem. In the single crystal SiC-MEMS technology, a fine MEMS is configured using an SiC film homoepitaxially grown on a single crystal SiC substrate. In such a MEMS, both the substrate and the MEMS structure are made of SiC, and there is no internal stress in the MEMS structure. In general MEMS, the internal stress is controlled by the deposition conditions of the thin film of the layer constituting the MEMS, whereby the shape change by stress relaxation and the characteristic control by the internal stress are performed. This is not possible with single crystal SiC-MEMS.
GaAs系MEMSでは、AlxGa1-xAsやInxGa1-xAsなど格子定数の異なる混晶半導体を堆積することで内部応力を制御できる。しかし、SiCの場合、SixC1-xはx=0.5付近は存在せず、異なる組成比の積層構造を利用する上述した方法を用いることはできない。 In GaAs-based MEMS, internal stress can be controlled by depositing mixed crystal semiconductors having different lattice constants such as Al x Ga 1-x As and In x Ga 1-x As. However, in the case of SiC, Si x C 1-x does not exist in the vicinity of x = 0.5, and the above-described method using a laminated structure having different composition ratios cannot be used.
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、単結晶SiCを用いたMEMSにおいて、形状変化や特性制御ができるようにすることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to enable shape change and characteristic control in a MEMS using single crystal SiC.
本発明に係る微細機械構造の作製方法は、基板の上に単結晶のSiCから構成された互いに平行な第1面および第2面を有する変形部および一部の変形部を支持する支持部とを備える微細構造を形成する工程と、微細構造を形成した後に、微細構造の表面を熱酸化して第1面および第2面の各々に同時に酸化シリコン層を形成する熱酸化工程とを備え、第1面と第2面とは、熱酸化により形成される酸化シリコン層の成長速度が異なる結晶面とする。 A method for producing a micromechanical structure according to the present invention includes a deformable portion having a first surface and a second surface that are parallel to each other, and a support portion that supports a portion of the deformable portion, which are made of single-crystal SiC on a substrate. And a thermal oxidation step of forming a silicon oxide layer on each of the first and second surfaces by thermally oxidizing the surface of the microstructure after forming the microstructure, The first surface and the second surface are crystal surfaces having different growth rates of the silicon oxide layer formed by thermal oxidation.
上記微細機械構造の作製方法において、第1面は、(0001)面から10度以内の範囲の結晶面とすればよい。 In the method for manufacturing a fine mechanical structure, the first surface may be a crystal plane within a range of 10 degrees from the (0001) plane.
上記微細機械構造の作製方法において、第1面に形成される酸化シリコン層の層厚は、10〜200nmとすればよい。また、第1面に形成される酸化シリコン層の層厚は、第2面に形成される酸化シリコン層の層厚の5倍以上の状態とするとよい。 In the method for manufacturing a fine mechanical structure, the thickness of the silicon oxide layer formed on the first surface may be 10 to 200 nm. In addition, the thickness of the silicon oxide layer formed on the first surface is preferably 5 times or more the thickness of the silicon oxide layer formed on the second surface.
以上説明したことにより、本発明によれば、単結晶SiCを用いたMEMSにおいて、形状変化や特性制御ができるようになるという優れた効果が得られる。 As described above, according to the present invention, it is possible to obtain an excellent effect that shape change and characteristic control can be performed in a MEMS using single crystal SiC.
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、本発明の実施の形態における微細機械構造の作製方法を説明するための説明図である。図1では、作製途中の工程における断面を模式的に示している。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is an explanatory diagram for explaining a method of manufacturing a fine mechanical structure in an embodiment of the present invention. In FIG. 1, the cross section in the process in the middle of preparation is typically shown.
まず、図1の(a)に示すように、単結晶SiCからなる基板101を用意する。例えば、基板101は、主表面を(0001)面とすればよい。また、基板101は、p型の単結晶SiCから構成されていればよい。次に、基板101の表面に、n型のSiCからなるn型層102を形成する。例えば、基板101の上にn型の単結晶SiCをエピタキシャル成長すればよい。n型層102は、例えば、層厚1μm程度とすればよい。
First, as shown in FIG. 1A, a
次に、図1の(b)に示すように、n型層102を貫通する開口領域103を形成する。例えば、よく知られたフォトリソグラフィー技術とエッチング技術とにより形成したNiマスクを用い、反応性イオンエッチング(RIE)によりn型層102を選択的にエッチングすることで、開口領域103を形成すればよい。なお、開口領域103の形成に用いたNiマスクは、除去しておく。
Next, as shown in FIG. 1B, an
次に、電気化学エッチングにより、開口領域103を介して基板101を選択的にエッチングすることで、図1の(c)に示すように、微細構造104を形成する。この例では、微細構造104は、基板101の一部により構成された支持部106と、支持部106によって一端が支持された変形部105を備える、例えば板状の片持ち梁(カンチレバー)である。この場合、変形部105は、n型層102から構成されたものとなる。変形部105は、支持部106により固定されている箇所より、図1の紙面左側の先端部までの長さが、例えば120μmとされている。
Next, the
上述したことにより形成された微細構造104において、板状もしくは直方体状に形成された変形部105は、互いに平行な第1面105aおよび第2面105bを有している。変形部105の表面および裏面が、第1面105aおよび第2面105bである。前述したように、基板101は、主表面を(0001)面としており、この上に、エピタキシャル成長したn型層102より変形部105が構成されている。従って、第1面105aは、(0001)面となり、第2面105bは、(000−1)面となる。これは、第1面105aと第2面105bとは、熱酸化により形成される酸化シリコン層の成長速度が異なる結晶面の状態である。また、上述した微細構造104の形成によれば、第2面105bが、基板101の側を向いた状態となる。
In the
以上のように微細構造104を形成した後で、第1面105aおよび第2面105bを同時に熱酸化し、図1の(d)に示すように、第1面105aには酸化シリコン層151が形成され、第2面105bには、酸化シリコン層152が形成された状態とする。微細構造104を形成した基板101を、よく知られた熱酸化炉の中の酸素ガスの雰囲気で900〜1000℃程度に加熱すればよい。
After forming the
上述したように、第1面105aと第2面105bとは、熱酸化により形成される酸化シリコン層の成長速度が異なる結晶面の状態であり、この例では、第2面105bの方が、酸化シリコン層の成長速度が速い。従って、酸化シリコン層151より酸化シリコン層152の方が厚く形成される。なお、熱酸化により形成される酸化シリコン層は、第1面105aおよび第2面105bに限らず、熱酸化の工程で露出しているSiCの全ての面に形成される。
As described above, the
以上のように熱酸化をした後、熱酸化炉の内部温度を室温(20〜25℃程度)にまで冷却し、基板101(微細構造104)を搬出すれば、図1(e)に示すように、変形部105の一部が、基板101より離れる方向に変形する。前述したように、熱酸化のときに、酸化シリコン層152の方が厚く形成されるため、冷却されると、変形部105は、より薄い酸化シリコン層151の側に反る状態となる。
After the thermal oxidation as described above, the internal temperature of the thermal oxidation furnace is cooled to room temperature (about 20 to 25 ° C.) and the substrate 101 (fine structure 104) is carried out, as shown in FIG. In addition, a part of the
上述したように、本発明では、微細構造を形成する単結晶SiCの結晶方位を適宜に選択し、選択した条件で熱酸化を行うことで、リソグラフィーや特殊な処理を行わずに、微細構造を構成する例えば板状の変形部の、互いに平行な2つの面に各々異なる厚さの酸化シリコン層を形成することで、単結晶SiCより形成した微細構造の内部応力の制御を可能にしたところに特徴がある。 As described above, in the present invention, the crystal orientation of the single crystal SiC that forms the microstructure is appropriately selected, and thermal oxidation is performed under the selected conditions, so that the microstructure can be obtained without performing lithography or special processing. For example, by forming silicon oxide layers with different thicknesses on two parallel surfaces of a plate-shaped deformed part, for example, it is possible to control the internal stress of a microstructure formed from single crystal SiC. There are features.
単結晶SiCの熱酸化は、SiCを用いたMOSFETの研究開発の過程で詳細に調べられている。熱酸化により、SiCのSiは、酸化シリコン層となり、Cは主に炭酸ガスとして排出される。熱酸化速度は、SiC結晶面方位に大きく依存することが知られている。最も酸化速度が遅い面は(0001)面近傍であり、最も早い面は(000−1)面近傍である(非特許文献2参照)。 The thermal oxidation of single crystal SiC has been investigated in detail in the course of research and development of MOSFETs using SiC. By thermal oxidation, SiC of SiC becomes a silicon oxide layer, and C is mainly discharged as carbon dioxide gas. It is known that the thermal oxidation rate greatly depends on the SiC crystal plane orientation. The surface with the slowest oxidation rate is in the vicinity of the (0001) plane, and the fastest surface is in the vicinity of the (000-1) plane (see Non-Patent Document 2).
したがって、MEMSを構成する変形部の互いに平行な一方の面を(0001)面近傍とし、他方の面を(000−1)面近傍にすれば、単に熱酸化を行うことで、一方の面、および他方の面に異なる厚さの酸化シリコン層を形成できる。SiCの微細構造を作製するプロセスを考慮すると、良好なホモエピタキシャル成長ができる面として、完全な(0001)面、(000−1)面とはせずに、当該面から0.5度〜10度程度傾けた面にする方が好ましい。 Therefore, if one surface parallel to each other of the deformed portion constituting the MEMS is set to the vicinity of the (0001) plane and the other surface is set to the vicinity of the (000-1) plane, one surface is obtained by simply performing thermal oxidation. In addition, silicon oxide layers having different thicknesses can be formed on the other surface. Considering the process for producing the SiC microstructure, the plane that can be favorably homoepitaxially grown is not a complete (0001) plane and (000-1) plane, but 0.5 to 10 degrees from the plane. It is preferable to make the surface inclined to some extent.
前述したように、電気化学、あるいは光電気化学的なエッチングにより変形部の形状を形成する場合、異なる導電型の層を形成することになる。このために、エピタキシャル成長およびイオン注入を行うことになるが、これらを(0001)面および(000−1)面を対象として行う場合、一般には、数度以上のオフ角を付けるようにしている。ただし、本発明では、(0001)面と(000−1)面とに形成される熱酸化膜の成長速度の差を利用している。この差は、オフ角を増やして行くと減少し、オフ角を90度とした面では、上述した差がなくなる。 As described above, when the shape of the deformed portion is formed by electrochemical or photoelectrochemical etching, layers of different conductivity types are formed. For this reason, epitaxial growth and ion implantation are performed. When these are performed on the (0001) plane and the (000-1) plane, an off angle of several degrees or more is generally added. However, in the present invention, the difference in the growth rate of the thermal oxide film formed on the (0001) plane and the (000-1) plane is used. This difference decreases as the off-angle is increased, and the above-described difference disappears in the plane where the off-angle is 90 degrees.
熱酸化により第1面に形成される酸化シリコン層と第2面に形成される酸化シリコン層との間に2倍以上の層厚差を得るためには、オフ角10度程度に抑えることが望ましい。この大きな層厚さを得る観点では、オフ角を0とすることが最もよい、一方、作製のし易さの観点では、オフ角を0.5度以上とした方がよいが、10度程度の方位ずれであれば、第1面と第2面との間の熱酸化速度の差は十分にあり問題はない。 In order to obtain a layer thickness difference of more than twice between the silicon oxide layer formed on the first surface and the silicon oxide layer formed on the second surface by thermal oxidation, the off angle should be suppressed to about 10 degrees. desirable. From the viewpoint of obtaining this large layer thickness, it is best to set the off angle to 0. On the other hand, from the viewpoint of ease of manufacture, the off angle is preferably set to 0.5 degrees or more, but about 10 degrees. If there is a misorientation, the difference in thermal oxidation rate between the first surface and the second surface is sufficient and there is no problem.
例えば、変形部がカンチレバー構造であれば、上述した熱酸化のプロセスを行うことで、カンチレバーを反り上がらせることができる。反り上がった形状のカンチレバーは、流体を扱うMEMSにおいては非常に有用な構造である。 For example, if the deformed portion has a cantilever structure, the cantilever can be warped by performing the above-described thermal oxidation process. A cantilever with a warped shape is a very useful structure in a MEMS that handles fluid.
例えば、図2に示すように、主表面を(0001)面とした単結晶SiCの基板201上に形成した変形部205および支持部206を備える微細構造を、流路211に配置する。上述同様に、熱酸化により変形部205には、酸化シリコン層251および酸化シリコン層252が形成され、変形部205は、基板201より離れる方向に沿っている。なお、流路211は、基板201の上に固定された流路基板201aに形成された流路溝により構成されている。
For example, as shown in FIG. 2, a fine structure including a deforming
この微細機械構造によるMEMSによれば、流路211内を流体が流れることによる変形部205の変位の変化を検出する構成とすれば、流れる流体の状態を検出するセンサーとすることができる。変形部205は、先端部が流路基板201a側の内壁に近づく状態に反っており、図2の紙面右側より左側に流体が流れる状態が発生すれば、変形部205の酸化シリコン層251形成側に流体があたり、例えば、変形部205の先端部が基板201の側に変位する。この変位の状態を検出すれば、流路211内を流れる流体の状態を検出することができる。
According to the MEMS having this fine mechanical structure, if the change of the displacement of the deforming
また、例えば、図3に示すように、流路211の流路基板201a側の内壁に変形部205の先端部を近設する状態とすれば、逆止弁として用いることができる。方向301へは変形部205が基板201の側に変形することで流体が流れ、方向302には変形部205が流路基板201a側の内壁側に変形して当接し、流体の流れをせき止める。
Further, for example, as shown in FIG. 3, if the tip of the
作製するMEMSデバイスによっては、図4,図5に示すように、支持部402が形成されている基板401の平面の面内方向に屈曲する変形部405を備える微細構造404が必要な場合がある。なお、図4において、(a)は、(b)におけるaa’線における断面を示している。図5も、図4の(a)と同様の断面を示している。直方体状の変形部405を考えたとき、基板401の表面401aを(0001)面と直交する結晶面とすることにより、上述した状態が実現できる。また、図5では、各々複数の変形部405を備える2つの支持部402を、変形部405が形成されている面で向かい合わせて配置した状態を示している。
Depending on the MEMS device to be manufactured, as shown in FIGS. 4 and 5, there may be a case where a
例えば、表面401aを(11−20)面や(1−100)面とすれば、基板401の裏面はこの結晶面と等価な(−1−120)面、(−1100)面となり、熱酸化速度は同一となり、表面・裏面には同一の厚さの酸化シリコン層が形成される。一方、直方体状の変形部405の長手方向を適切に設定すれば、表面401a(裏面)に直交する側面となる第1面405a,第2面405bは、(0001)面および(000−1)面となる。この結果、第1面405aに形成される酸化シリコン層451と、第2面405bに形成される酸化シリコン層452とは、異なる層厚となり、変形部405は、表面401aの平面方向(面内方向)に反るものとなる。
For example, if the
また、直方体状の変形部405の長手方向の状態(長さなど)を変えることで、同一のウエハー上であっても、反り量の制御が可能である。1つのチップにさまざまな方向を向いたカンチレバー(変形部)を作製すれば、各々に異なる反り量を付加することができる。
Further, the amount of warpage can be controlled even on the same wafer by changing the longitudinal state (length, etc.) of the rectangular
上述した場合であっても、基板401の表面401aは、完全に(0001)面に直交した面ではなく、直交した面から20度程度のずれがあっても問題はない。ところで、(11−20)面から(0001)面もしくは(000−1)面方向に傾ける場合には、前述したように、オフ角は10度程度とした方がよい。また、(11−20)面から(1−100)面方向に傾ける場合には、側面は(0001)、(000−1)面であり、オフ角は10度を超えてもよい。なお、(11−20)面と(1−100)面の角度差は30度であり、各々の面から15度の範囲は、結晶学的に(0001)面に垂直な全ての面が含まれるようになる。
Even in the case described above, the
微細構造(変形部)の反り量は、変形部の幅,長さ,厚さなどの形状、互いに平行な第1面および第2面の酸化シリコン層の厚さの差、酸化シリコン層の形成雰囲気,形成温度などにより任意に制御可能である。 The amount of warpage of the fine structure (deformed portion) includes the shape, such as the width, length, and thickness of the deformed portion, the difference in thickness between the silicon oxide layers on the first surface and the second surface parallel to each other, and the formation of the silicon oxide layer. It can be controlled arbitrarily according to the atmosphere and forming temperature.
上述したことにより、単結晶SiCからなる微細構造を構成する変形部に、内部応力や反りを導入することが可能となる。 As described above, it is possible to introduce internal stress and warpage into the deformed portion constituting the fine structure made of single crystal SiC.
ところで、MEMSとして用いる単結晶SiCによる微細構造(微細機械構造)の極めて高いQ値は、SiCに由来するものであって、酸化シリコン層を形成すると、Q値が低下して単結晶SiCの利点が低下する可能性がある。実験の結果、酸化シリコン層の厚さ(厚い方)が50nm程度までであれば、Q値は半分程度になるが、Siより形成したMEMSを大幅に上回るQ値は維持されることを確認しており問題はない。 By the way, the extremely high Q value of the fine structure (micro mechanical structure) of single crystal SiC used as MEMS is derived from SiC. When a silicon oxide layer is formed, the Q value is lowered and the advantage of single crystal SiC is obtained. May be reduced. As a result of the experiment, if the thickness (thickness) of the silicon oxide layer is up to about 50 nm, the Q value will be about half, but it was confirmed that the Q value far exceeding the MEMS formed from Si is maintained. There is no problem.
次に、実際に作製した微細機械構造について説明する。以下では、図1を用いて説明した実施の形態における微細機械構造(変形部の長さが120μm)を実際に作製した結果について説明する。作製した変形部の形状を、光学プロファイラーで測定した結果を図6に示す。図6は、熱酸化をする前の段階の変形部の測定結果である。 Next, the actually produced fine mechanical structure will be described. Below, the result of actually producing the fine mechanical structure (the length of the deformed portion is 120 μm) in the embodiment described with reference to FIG. 1 will be described. The result of measuring the shape of the produced deformed portion with an optical profiler is shown in FIG. FIG. 6 shows the measurement result of the deformed portion before the thermal oxidation.
図6のグラフの中で、右側の水平な部分が支持部であり、ここより図6の紙面左側に向かって一度下がっている部分が、アンダーカットされることで中空構造となる部分が開始する部分を示し、更に左側の徐々に上がっている部分が変形部(長さ120μm)である。また、グラフの0.01mmで落ち込んでいる箇所が、変形部(カンチレバー)の先端部となる。 In the graph of FIG. 6, the horizontal portion on the right side is the support portion, and the portion that once falls toward the left side of FIG. 6 from here is undercut to start the portion that becomes a hollow structure. The part which shows a part and is gradually raised on the left side is a deformation | transformation part (length 120 micrometers). Moreover, the part which has fallen by 0.01 mm of a graph becomes a front-end | tip part of a deformation | transformation part (cantilever).
図6では、縦軸を拡大しているが、変形部についてみれば、長さ120μmに対して0.3μm程度上側に反っているだけで、実際上はほぼ水平と言える。これは、単結晶SiCで作られているために、内部応力がほとんどないためである。MEMSでは望まない(必要としない)反りは問題になるが、上述した結果は、単結晶SiCより構成した微細構造では、そのような問題がほとんど生じないことを示している。 In FIG. 6, the vertical axis is enlarged, but in the case of the deformed portion, it can be said that it is substantially horizontal only by warping upward by about 0.3 μm with respect to the length of 120 μm. This is because there is almost no internal stress because it is made of single crystal SiC. Although unwanted (not required) warpage is a problem in MEMS, the above-described results show that such a problem hardly occurs in a fine structure composed of single crystal SiC.
次に、上述した変形部に対して熱酸化をすることで反りを与えた状態について説明する。熱酸化は、酸素ガスの雰囲気で、1000℃・2時間の条件で行った。この条件では、(0001)面である第1面の酸化シリコン層は層厚5nm程度、(000−1)面である第2面の酸化シリコン層は層厚40−50nm程度となる。このように作製した熱酸化後の微細構造(変形部)の形状を、光学プロファイラーで測定した結果を図7に示す。図7に示されているように、極めて明確に上方(基板側より離れる第1面側の方向)に反っている。反り量は2μmに達しており、熱酸化前の0.3μmと比べると格段に大きい。 Next, a state in which warpage is given by performing thermal oxidation on the above-described deformed portion will be described. Thermal oxidation was performed in an oxygen gas atmosphere at 1000 ° C. for 2 hours. Under this condition, the silicon oxide layer on the first surface which is the (0001) plane has a thickness of about 5 nm, and the silicon oxide layer on the second surface which is the (000-1) plane has a thickness of about 40-50 nm. FIG. 7 shows the result of measuring the shape of the microstructure (deformed part) after thermal oxidation thus produced with an optical profiler. As shown in FIG. 7, it is very clearly warped upward (in the direction of the first surface away from the substrate side). The amount of warpage has reached 2 μm, which is much larger than 0.3 μm before thermal oxidation.
反りの生じる主要なメカニズムは以下の通りである。SiCとSiO2の間には、熱膨張係数差がある。熱酸化を行っているときの温度(熱酸化温度)において、歪みが緩和していると考えると、熱酸化温度から室温に降温する過程で、SiCがSiO2に比べて大きく収縮するため、SiCには引っ張り応力が働く。 The main mechanisms for warping are as follows. There is a difference in thermal expansion coefficient between SiC and SiO 2 . Considering that the strain is relaxed at the temperature during thermal oxidation (thermal oxidation temperature), SiC contracts more than SiO 2 in the process of lowering the temperature from the thermal oxidation temperature to room temperature. Tensile stress acts on.
上述した例では、第2面における酸化シリコン層の方が厚いため、収縮の差による応力の発生は、第2面の側の酸化シリコン層とSiCとの間の関係が支配的となる。このとき、第2面の酸化シリコン層に比較してSiCの方が大きく収縮するので、SiCかなる変形部(カンチレバー)の先端は、基板の側から離れるように上方に反り上がる形となる。 In the example described above, since the silicon oxide layer on the second surface is thicker, the relationship between the silicon oxide layer on the second surface side and SiC is dominant in the generation of stress due to the difference in shrinkage. At this time, since SiC contracts more significantly than the silicon oxide layer on the second surface, the tip of the deformed portion (cantilever) made of SiC is warped upward away from the substrate side.
下(基板の側)に向かって反りを与えたければ、上述した構成とは裏表を逆にし、主表面を(000−1)面とした単結晶SiC基板を用い、基板の側を第1面とし、これに平行な第2面が(000−1)面近傍となるような変形部を形成し、この後、熱酸化を行えば良い。 If you want to warp downward (on the substrate side), use a single crystal SiC substrate with the main surface of the (000-1) plane opposite to the above-described configuration, and the substrate side is the first surface Then, a deformed portion whose second surface parallel to this is in the vicinity of the (000-1) plane is formed, and then thermal oxidation is performed.
酸化シリコン層の厚さの調整(制御)として、例えば、熱酸化した後に形成された酸化シリコン層をある程度エッチングしてもよい。このエッチングにより、第1面および第2面に形成されている酸化シリコン層の厚さを各々制御すればよい。 As adjustment (control) of the thickness of the silicon oxide layer, for example, the silicon oxide layer formed after thermal oxidation may be etched to some extent. By this etching, the thicknesses of the silicon oxide layers formed on the first surface and the second surface may be controlled.
ところで、変形部に有意な反りを与えるためには、より厚く形成する側(第2面)の酸化シリコン層の厚さが10nm以上あることが重要となる。一方、酸化シリコン層の厚さの増加とともに、変形部の共振特性が低下する。共振特性を利用する場合、変形部に形成される酸化シリコン層の厚さは、200nm以下とした方がよい。共振特性を利用しない場合、変形部に形成される酸化シリコン層の層厚は、200nmを超えてもよい。 By the way, in order to give a significant warp to the deformed portion, it is important that the thickness of the silicon oxide layer on the side to be formed thicker (second surface) is 10 nm or more. On the other hand, as the thickness of the silicon oxide layer increases, the resonance characteristics of the deformed portion deteriorate. When utilizing the resonance characteristics, the thickness of the silicon oxide layer formed in the deformed portion is preferably 200 nm or less. When the resonance characteristic is not used, the thickness of the silicon oxide layer formed in the deformed portion may exceed 200 nm.
また、第2面に形成される酸化シリコン層が、第1面に形成される酸化シリコン層より5倍以上厚い状態とするとよい。上述したように、酸化シリコン層がより厚いほど、変形部に有意な反りを与えやすいが、上述した2つの酸化シリコン層の厚さに5倍以上の差を設けることで、酸化シリコン層をより薄い状態としても、変形部により大きな反りを与えることができる。 In addition, the silicon oxide layer formed on the second surface may be five times thicker than the silicon oxide layer formed on the first surface. As described above, the thicker the silicon oxide layer, the easier it is to give a significant warp to the deformed portion. However, by providing a difference of 5 times or more in the thickness of the two silicon oxide layers described above, the silicon oxide layer is more Even in a thin state, a large warp can be given to the deformed portion.
ところで、上述したように形状制御が行えても、単結晶SiCを用いたMEMSの特色である高いQ値が失われてしまっては魅力が半減してしまう。図8,図9に、上述したように作製した熱酸化前後の変形部(カンチレバー)の共振特性(真空中)を示す。図8は、熱酸化を行う前の変形部の共振特性(真空中)を示す特性図である。図9は、上述した熱酸化をした後の変形部の共振特性(真空中)を示す特性図である。 By the way, even if the shape can be controlled as described above, if the high Q value, which is a characteristic of MEMS using single crystal SiC, is lost, the attractiveness is reduced by half. 8 and 9 show the resonance characteristics (in vacuum) of the deformed portion (cantilever) before and after thermal oxidation produced as described above. FIG. 8 is a characteristic diagram showing the resonance characteristics (in vacuum) of the deformed part before thermal oxidation. FIG. 9 is a characteristic diagram showing the resonance characteristics (in vacuum) of the deformed portion after the above-described thermal oxidation.
図8に示すように、熱酸化前はQ=170000という極めて高い値を示している。また、図9に示すように、熱酸化後では、若干低下はするが、Q=90000という高い値を維持している。必要とされるQ値を維持可能な範囲で、変形部の形状・寸法や熱酸化による酸化シリコン層の厚さ、条件を設定することが重要である。 As shown in FIG. 8, it shows a very high value of Q = 17,000 before thermal oxidation. Further, as shown in FIG. 9, after thermal oxidation, although it is slightly lowered, a high value of Q = 90000 is maintained. It is important to set the shape and dimensions of the deformed portion, the thickness of the silicon oxide layer by thermal oxidation, and the conditions within a range in which the required Q value can be maintained.
以上に説明したように、本発明によれば、単結晶SiCにおける熱酸化により形成される酸化シリコン層の成長速度が異なる結晶面を備える点を用い、互いに平行な第1面および第2面を有する変形部を熱酸化することで、第1面と第2面とに異なる厚さの酸化シリコン層を形成するようにしたので、単結晶SiCを用いたMEMSにおいて、形状変化や特性制御ができるようになる。 As described above, according to the present invention, the first surface and the second surface that are parallel to each other are used by using the point that the silicon oxide layer formed by thermal oxidation in single-crystal SiC has different crystal planes. Since the silicon oxide layers having different thicknesses are formed on the first surface and the second surface by thermally oxidizing the deformed portion, it is possible to change the shape and control the characteristics in the MEMS using single crystal SiC. It becomes like this.
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、上述では、変形部としてカンチレバーを例に説明したが、これに限るものではない。変形部は、両持ちの梁(ブリッジ)構造でもよく、また、メンブレン構造であってもよい。いずれの構造であっても、例えば、図2を用いて説明したMEMSが実現できる。 The present invention is not limited to the embodiment described above, and many modifications and combinations can be implemented by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. It is obvious. For example, in the above description, a cantilever has been described as an example of the deformable portion, but the present invention is not limited to this. The deformable portion may have a dual-supported beam (bridge) structure or a membrane structure. Regardless of the structure, for example, the MEMS described with reference to FIG. 2 can be realized.
また、メンブレン構造は、例えば、次に示すようにして形成すればよい。まず、主表面を(0001)面としたp型の単結晶SiC基板の上に形成したn型の単結晶SiC層に貫通孔を形成し、電気化学エッチングにより、形成した貫通孔を介して平面方向に均一に単結晶SiC基板をエッチングして空洞部を形成する。これにより、貫通孔を中心としたメンブレン(変形部)を備えるメンブレン構造が形成できる。メンブレン構造の空洞側の裏面は、(000−1)面となる。この後、熱酸化を行えば、貫通孔を介して空洞部の内部壁面にも酸化シリコン層が形成され、空洞部の外側の(0001)面のメンブレン表面と、空洞部内側の(000−1)面のメンブレン裏面とは、酸化シリコン層の厚さが異なる状態となる。この結果、メンブレンが空洞部とは反対側に凸に変形する微細機械構造が得られる。 The membrane structure may be formed as follows, for example. First, a through hole is formed in an n-type single crystal SiC layer formed on a p-type single crystal SiC substrate having a (0001) plane as a main surface, and a plane is formed through the formed through hole by electrochemical etching. A single crystal SiC substrate is etched uniformly in the direction to form a cavity. Thereby, the membrane structure provided with the membrane (deformed part) centering on the through hole can be formed. The back surface on the cavity side of the membrane structure is the (000-1) plane. Thereafter, if thermal oxidation is performed, a silicon oxide layer is also formed on the inner wall surface of the cavity through the through hole, and the membrane surface on the (0001) plane outside the cavity and the (000-1) inside the cavity (000-1). The thickness of the silicon oxide layer is different from that of the membrane back surface. As a result, a fine mechanical structure is obtained in which the membrane deforms convexly on the side opposite to the cavity.
101…基板、102…n型層、103…開口領域、104…微細構造、105…変形部、105a…第1面、105b…第2面、106…支持部、151,152…酸化シリコン層。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記微細構造を形成した後に、前記微細構造の表面を熱酸化して前記第1面および前記第2面の各々に同時に酸化シリコン層を形成する熱酸化工程と
を備え、
前記第1面と前記第2面とは、熱酸化により形成される酸化シリコン層の成長速度が異なる結晶面とすることを特徴とする微細機械構造の作製方法。 A shape forming step of forming a microstructure comprising a deformable portion having a first surface and a second surface that are parallel to each other, and a support portion that supports a portion of the deformable portion, formed of single-crystal SiC on a substrate. When,
A thermal oxidation step of forming a silicon oxide layer on each of the first surface and the second surface by thermally oxidizing the surface of the microstructure after forming the microstructure; and
The method for manufacturing a fine mechanical structure, wherein the first surface and the second surface are crystal surfaces having different growth rates of a silicon oxide layer formed by thermal oxidation.
前記第1面は、(0001)面から10度以内の範囲の結晶面とすることを特徴とする微細機械構造の作製方法。 In the manufacturing method of the micro mechanical structure of Claim 1,
The method for manufacturing a micromechanical structure, wherein the first surface is a crystal plane within a range of 10 degrees from a (0001) plane.
前記第1面に形成される酸化シリコン層の層厚は、10〜200nmとすることを特徴とする微細機械構造の作製方法。 In the manufacturing method of the micro mechanical structure of Claim 1 or 2,
The method for manufacturing a micromechanical structure, wherein the silicon oxide layer formed on the first surface has a thickness of 10 to 200 nm.
前記第1面に形成される酸化シリコン層の層厚は、前記第2面に形成される酸化シリコン層の層厚の5倍以上の状態とすることを特徴とする微細機械構造の作製方法。 In the manufacturing method of the micro mechanical structure of any one of Claims 1-3,
The method for manufacturing a micromechanical structure, wherein the thickness of the silicon oxide layer formed on the first surface is not less than five times the thickness of the silicon oxide layer formed on the second surface.
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