JP5129456B2 - Method of manufacturing structure having beam portion and MEMS device - Google Patents
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Description
本発明は、梁部を備えた構造体の製造方法およびMEMS(micro electro mechanical system)デバイスに関するものである。 The present invention relates to a method for manufacturing a structure including a beam portion and a micro electro mechanical system (MEMS) device.
従来から、マイクロマシニング技術を利用して梁部を備えた構造体(例えば、MEMSデバイスなど)を製造する製造方法が各所で研究開発されている(例えば、特許文献1,2参照)。
Conventionally, a manufacturing method for manufacturing a structure (for example, a MEMS device) having a beam portion using a micromachining technique has been researched and developed in various places (for example, see
可動部のあるMEMSデバイスとしては、例えば、加速度センサやジャイロセンサなどが広く知られているが、上記特許文献1には、可動部のないMEMSデバイスの一種であるマイクロヒータの製造方法が記載されている。以下、このマイクロヒータの製造方法について図7に基づいて説明する。
For example, an acceleration sensor or a gyro sensor is widely known as a MEMS device having a movable part. However,
まず、シリコン基板100の一表面上にTiO2膜からなる絶縁膜101を形成し、続いて、絶縁膜101上に発熱体103(図7(c)参照)の基礎となるPt膜からなる金属膜102を形成することにより、図7(a)に示す構造を得る。なお、上記特許文献1ででは、金属膜102の材料と絶縁膜101の材料との線膨張率差を小さくするために、絶縁膜101の材料としてTiO2を採用している。
First, an
次に、フォトリソグラフィ技術を利用して金属膜102上に発熱体の形状に応じてパターニングされた第1のレジスト層104を形成することにより、図7(b)に示す構造を得る。
Next, the structure shown in FIG. 7B is obtained by forming a
その後、第1のレジスト層104をマスクとして金属膜102の不要部分をエッチング除去することで金属膜102の一部からなる発熱体103を形成することにより、図7(c)に示す構造を得る。
Thereafter, unnecessary portions of the
さらにその後、第1のレジスト層104を除去してから、シリコン基板100の上記一表面側に梁部111(図7(f)参照)および梁部111を支持する支持部110の形状に応じてパターニングされた第2のレジスト層105を形成することにより、図7(d)に示す構造を得る。
Further, after removing the
続いて、第2のレジスト層105をマスクとして絶縁膜101の不要部をエッチング除去して開孔部106を形成することにより、図7(e)に示す構造を得る。
Subsequently, by using the
その後、開孔部106を通してシリコン基板100を上記一表面側からアルカリ系溶液(例えば、TMAH溶液、KOH溶液など)によって異方性エッチングして空洞部107を形成することでシリコン基板100から分離した梁部111を形成し、第2のレジスト層105を除去することにより、図7(f)に示す構造のマイクロヒータを得ている。
After that, the
要するに、上記特許文献1では、エッチング速度の結晶方位依存性を利用した異方性エッチングによって空洞部107を形成することで梁部111をシリコン基板100から分離している。
In short, in
また、従来からシリコン基板の一表面側に互いに異なる材料からなる薄膜を積層した後、最表面側の薄膜を所望の形状にパターニングした後でシリコン基板側の薄膜を犠牲層として選択的にエッチングして空洞部を形成することで構造体を製造する技術が表面マイクロマシニング技術として知られているが、上記特許文献2には、SOI基板の一表面側のシリコン層(活性層)をパターニングした後でSOI基板のSiO2膜の一部を犠牲層として選択的にエッチングして空洞部を形成することで上記シリコン層の一部からなる梁部を含む可動部をSOI基板の支持基板から分離する技術が開示されている。
ところで、上記特許文献1に開示された梁部を備えた構造体の製造方法では、シリコン基板100の上記一表面の面方位により空洞部107の形状が制約されるので、構造体やMEMSデバイスの形状に制約があった。なお、空洞部107を形成する分離工程において異方性エッチングの代わりに等方性エッチングを行うことも考えられるが、等方性エッチングでは、空洞部107の形状の制御がより難しかった。
By the way, in the method for manufacturing a structure including a beam portion disclosed in
また、一般的な表面マイクロマシニング技術では、上述の犠牲層の材料としてアルミニウムやポリイミドなどが用いられるが、一般的な表面マイクロマシニング技術を利用して梁部を備えた構造体を製造した場合には、梁部とシリコン基板の上記一表面との間のギャップ長が犠牲層の厚みにより制約されるので、分離した梁部がシリコン基板の上記一表面に張り付くスティッキングが起こりやすく、歩留まりが低下してしまうことがあった。 In general surface micromachining technology, aluminum, polyimide, or the like is used as the material of the above-described sacrificial layer. However, when a structure having a beam portion is manufactured using general surface micromachining technology. Since the gap length between the beam portion and the one surface of the silicon substrate is limited by the thickness of the sacrificial layer, sticking of the separated beam portion to the one surface of the silicon substrate is likely to occur, resulting in a decrease in yield. There was a case.
また、上述のようにSOI基板のSiO2膜を犠牲層として上記シリコン層の一部により梁部を構成した場合にも、分離した梁部が支持基板に張り付くスティッキングが起こりやすく、歩留まりが低下してしまうことがあった。また、SOI基板の上記シリコン層の一部により梁部を形成した場合には、上記シリコン層にトランジスタやICなどを形成することができるという利点があるが、SOI基板が高価であり、しかも、梁部の残留応力に起因してMEMSデバイスの所望の性能が得られないことがあった。 In addition, as described above, even when the beam portion is configured by a part of the silicon layer using the SiO 2 film of the SOI substrate as a sacrificial layer, sticking that the separated beam portion sticks to the support substrate easily occurs, and the yield decreases. There was a case. Further, when the beam portion is formed by a part of the silicon layer of the SOI substrate, there is an advantage that a transistor, an IC, or the like can be formed in the silicon layer, but the SOI substrate is expensive, The desired performance of the MEMS device may not be obtained due to the residual stress of the beam portion.
これに対して、上記特許文献1に開示された梁部を備えた構造体の製造方法では、空洞部107の内底面と梁部111とのギャップ長を十分に長くすることができるので、スティッキングを防止することができるが、エッチング速度の結晶方位依存性を利用した異方性エッチングにより空洞部107を形成することでシリコン基板100から分離した梁部111を形成する分離工程を行う前にエッチング部位以外をあらかじめ保護しておく必要があるとともに、分離工程におけるエッチング時間が長い(梁部111の幅寸法によっては6〜7時間のエッチング時間を要することもある)ので、製造コストが高くなってしまう。なお、誘導結合プラズマ(ICP)型のドライエッチング装置を用いたバルクマイクロマシニング技術によって梁部を備えた構造体を製造する技術も知られているが、ICP型のドライエッチング装置は高価であり、設備投資を含めた製造コストが高くなってしまう。
On the other hand, in the method for manufacturing a structure including a beam portion disclosed in
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、梁部を備えた構造体の形状の制約が少なく、製造コストの低コスト化が可能な梁部を備えた構造体の製造方法およびMEMSデバイスを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-mentioned reasons, and its purpose is that there are few restrictions on the shape of the structure provided with the beam portion, and the structure provided with the beam portion that can reduce the manufacturing cost. A manufacturing method and a MEMS device are provided.
請求項1の発明は、半導体基板の一表面側に形成した薄膜および前記半導体基板を加工して梁部を形成するようにした梁部を備えた構造体の製造方法であって、p形もしくはn形の前記半導体基板の前記一表面側に除去部位として形成する多孔質部の形状に応じてパターン設計した陽極を前記半導体基板の他表面側に形成する陽極形成工程と、前記陽極と電解液中で前記半導体基板の前記一表面側に配置される陰極との間に通電して前記半導体基板の前記一表面側に前記陽極よりも大きく厚みの面内分布を有する前記多孔質部を形成する陽極酸化工程と、陽極酸化工程の後で前記半導体基板の前記一表面側に前記薄膜を形成する薄膜形成工程と、薄膜形成工程の後で前記薄膜において前記梁部となる部位の周囲の不要部をエッチング除去して開孔部を形成する開孔部形成工程と、開孔部形成工程にて形成した開孔部を通して前記多孔質部を選択的にエッチング除去して空洞部を形成することで前記半導体基板から分離した梁部を形成する分離工程とを有することを特徴とする。
The invention according to
この発明によれば、陽極形成工程にて形成する陽極のパターンにより陽極酸化工程において半導体基板に流れる電流の電流密度の面内分布が決まるので、陽極酸化工程にて形成する多孔質部の厚みの面内分布を制御することが可能であり、当該多孔質部を分離工程で選択的にエッチング除去して空洞部を形成することで前記半導体基板から分離した梁部が形成されるから、梁部を備えた構造体の形状の制約が少なく、しかも、エッチング速度の結晶方位依存性を利用した異方性エッチングにより空洞部を形成する場合に比べてエッチング時間を短縮でき、製造コストの低コスト化が可能になる。 According to the present invention, since the in-plane distribution of the current density of the current flowing through the semiconductor substrate in the anodizing process is determined by the anode pattern formed in the anode forming process, the thickness of the porous part formed in the anodizing process is determined. The in-plane distribution can be controlled, and the beam portion separated from the semiconductor substrate is formed by selectively etching away the porous portion in the separation step to form the cavity portion. In addition, there are few restrictions on the shape of the structure with, and the etching time can be shortened compared to the case where the cavity is formed by anisotropic etching utilizing the crystal orientation dependence of the etching rate, and the manufacturing cost is reduced. Is possible.
請求項2の発明は、請求項1の発明において、前記薄膜形成工程では、前記薄膜として絶縁膜を形成することを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, in the thin film forming step, an insulating film is formed as the thin film.
この発明によれば、前記薄膜の材料としてSiO2、SiN、SiONなどの半導体製造プロセスにおいて一般的な絶縁材料を用いることで前記梁部の信頼性を高めることが可能になる。 According to the present invention, it is possible to increase the reliability of the beam portion by using a general insulating material in a semiconductor manufacturing process such as SiO 2 , SiN, or SiON as the material of the thin film.
請求項3の発明は、請求項1の発明において、前記薄膜形成工程では、前記薄膜として多層膜を形成することを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, in the thin film forming step, a multilayer film is formed as the thin film.
この発明によれば、前記薄膜の残留応力や膜厚の制御が容易になり、前記梁部の形状の自由度が高くなる。 According to this invention, the residual stress and film thickness of the thin film can be easily controlled, and the degree of freedom of the shape of the beam portion is increased.
請求項4の発明は、請求項1の発明において、前記半導体基板が単結晶シリコン基板であり、前記薄膜形成工程では、前記薄膜として少なくとも単結晶シリコン膜を形成することを特徴とする。 According to a fourth aspect of the invention, in the first aspect of the invention, the semiconductor substrate is a single crystal silicon substrate, and in the thin film formation step, at least a single crystal silicon film is formed as the thin film.
この発明によれば、前記薄膜に電子回路部などを形成することが可能であり、前記薄膜のうち前記梁部となる部位に電子回路部などを形成することも可能となる。 According to this invention, it is possible to form an electronic circuit portion or the like in the thin film, and it is also possible to form an electronic circuit portion or the like in a portion of the thin film that becomes the beam portion.
請求項5の発明は、請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の製造方法により製造された梁部を備えた構造体を有することを特徴とする。
The invention according to
この発明によれば、MEMSデバイスの製造コストの低コスト化を図れる。 According to the present invention, the manufacturing cost of the MEMS device can be reduced.
請求項6の発明は、請求項5の発明において、前記梁部にセンサ要素および当該センサ要素と協働する電子回路部が形成されてなることを特徴とする。
The invention of
この発明によれば、センサ要素と電子回路部との間の距離を短くすることができ、センサ性能の向上を図れる。 According to the present invention, the distance between the sensor element and the electronic circuit unit can be shortened, and the sensor performance can be improved.
請求項1の発明では、梁部を備えた構造体の形状の制約が少なく、製造コストの低コスト化が可能になるという効果がある。
In the invention of
請求項5の発明では、MEMSデバイスの製造コストの低コスト化を図れるという効果がある。
In the invention of
(実施形態1)
以下、半導体基板の一表面側に形成した薄膜および前記半導体基板を加工して梁部を形成するようにした梁部を備えた構造体の製造方法について図1(a)〜(e)を参照しながら説明する。
(Embodiment 1)
Hereinafter, referring to FIGS. 1A to 1E, a thin film formed on one surface side of a semiconductor substrate and a manufacturing method of a structure including a beam portion formed by processing the semiconductor substrate to form a beam portion will be described. While explaining.
まず、単結晶のシリコン基板からなる半導体基板1の一表面側(図1(a)の上面側)に除去部位として形成する多孔質シリコン部からなる多孔質部3(図1(b)参照)の形状に応じてパターン設計した陽極2を半導体基板1の他表面側(図1(a)の下面側)に形成する陽極形成工程を行うことによって、図1(a)に示す構造を得る。ここにおいて、陽極形成工程では、半導体基板1の上記一表面側に陽極2の基礎となるアルミニウム膜からなる導電性層を例えばスパッタ法や蒸着法によって成膜した後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して導電性層をパターニングすることによって導電性層の一部からなる陽極2を形成する。
First, a
陽極形成工程の後、上述の陽極2と陽極酸化用の電解液中で半導体基板1の上記一表面側に配置した陰極との間に通電して半導体基板1の上記一表面側に上述の多孔質部3を形成する陽極酸化工程を行うことによって、図1(b)に示す構造を得る。なお、本実施形態では、半導体基板1として、導電形がp形のものを用いているので、陽極酸化工程において半導体基板1の上記一表面側に光を照射する必要はないが、半導体基板1として導電形がn形のものを用いる場合には光を照射する必要がある。また、上述の電解液としては、55wt%のフッ化水素水溶液とエタノールとを1:1で混合した混合溶液を用いているが、フッ化水素水溶液の濃度やフッ化水素水溶液とエタノールとの混合比は特に限定するものではない。
After the anode forming step, current is passed between the
ところで、本実施形態では、上述のように半導体基板1としてシリコン基板を用いているので、半導体基板1の一部を陽極酸化工程において多孔質化する際には、ホールをh+、電子をe−とすると、以下の反応が起こっていると考えられる。
Si+2HF+(2−n)h+→SiF2+2H++ne−
SiF2+2HF→SiF4+H2
SiF4+2HF→SiH2F6
すなわち、シリコン基板からなる半導体基板1の陽極酸化では、Fイオンの供給量とホールh+の供給量との兼ね合いで多孔質化あるいは電解研磨が起こることが知られており、Fイオンの供給量の方がホールの供給量よりも多い場合には多孔質化が起こり、ホールh+の供給量がFイオンの供給量よりも多い場合には電解研磨が起こる。したがって、本実施形態のように半導体基板1として導電形がp形のものを用いている場合には、陽極酸化による多孔質化の速度はホールh+の供給量で決まるから、半導体基板1中を流れる電流の電流密度で多孔質化の速度が決まり、多孔質部3の厚みが決まることになる。ここで、例えば、陽極2の平面形状が円形状である場合には、陽極2の厚み方向に沿った中心線から離れるほど電流密度が徐々に小さくなるような電流密度の面内分布を有することとなり、半導体基板1の上記一表面側に形成される多孔質部3は、陽極2の上記中心線から離れるほど徐々に薄くなっている。なお、多孔質部3の形状は、陽極2の形状だけでなく、半導体基板1の抵抗率や厚み、電解液の電気抵抗値や、半導体基板1と陰極との間の距離、陰極の平面形状などによっても制御することができる。
By the way, in this embodiment, since the silicon substrate is used as the
Si + 2HF + (2-n) h + → SiF 2 + 2H + + ne −
SiF 2 + 2HF → SiF 4 + H 2
SiF 4 + 2HF → SiH 2 F 6
That is, in the anodic oxidation of the
上述の陽極酸化工程の後、半導体基板1の上記一表面側に絶縁膜からなる薄膜4を形成する薄膜形成工程を行うことによって、図1(c)に示す構造を得る。ここで、薄膜4を構成する絶縁膜としては、例えば、低応力のSiN膜や、応力調整したSiON膜や、SiO2膜とSiN膜との積層膜などを形成すればよい。ここにおいて、低応力のSiN膜を成膜するには、例えば、成膜方法としてLPCVD法を採用してSiリッチとなる条件で堆積させればよく、当該条件で堆積させることにより、一般的に引っ張り応力の強いSiN膜の応力を低減することができる。また、応力調整したSiON膜を成膜するには、例えば、成膜方法としてPECVD法を採用してSiH4ガスとN2OガスとN2ガス(あるいはNH3ガス)とのガス流量比を適宜設定してSiON膜のOとNとの組成比を調整することで応力を調整することができる。すなわち、SiO膜は残留応力が圧縮応力になるのに対して、SiON膜とすることで圧縮応力の低減を図ったり、残留応力を圧縮応力ではなく引張応力にすることが可能となる。また、SiO2膜とSiN膜との積層膜により薄膜4を構成する場合には、例えば、LPCVD法によるSiN膜の堆積工程、PECVD法によるSiO2膜の堆積工程、PECVD法によるSiN膜の堆積工程を順次行えばよく、引張応力の発生するSiN膜と圧縮応力の発生するSiO2膜とを積層することで応力を調整することができる。
After the above-described anodic oxidation step, a structure shown in FIG. 1C is obtained by performing a thin film forming step of forming the
上述の薄膜形成工程の後、薄膜4において梁部7(図1(e)参照)となる部位の周囲の不要部をエッチング除去して開孔部(貫通孔)5を形成する開孔部形成工程を行うことによって、図1(d)に示す構造を得る。なお、この開孔部形成工程を行うことにより、薄膜4は、梁部7に対応する部位と梁部7を支持する支持部8(図1(e)参照)に対応する部位とが残る。
After the above-described thin film forming step, an opening portion is formed in which an unnecessary portion around a portion that becomes the beam portion 7 (see FIG. 1E) in the
開孔部形成工程にて形成した開孔部5を通して多孔質部3を選択的にエッチング除去して空洞部6を形成することで半導体基板1から分離した梁部7を形成する分離工程を行うことによって、図1(e)に示す構造の梁部7を備えた構造体を得ることができるので、その後、ダイシング工程を行えばよい。ここにおいて、多孔質部3を選択的にエッチング除去するエッチング液としては、KOH溶液やTMAH溶液などのアルカリ系溶液を用いればよく、バルクのシリコン基板とは異なり、室温でも多孔質部3をエッチングすることができるので、エッチング選択比を高めることができる。ここで、多孔質シリコン部からなる多孔質部3のエッチング速度は、バルクのシリコン基板に比べて速く、多孔度にもよるが、室温でのエッチング速度として80℃〜100℃でのシリコン基板のエッチング速度の20〜30倍程度の値を得ることが可能であり、空洞部6の形成に要するエッチング時間を大幅に短縮することができる。また、分離工程においてエッチング液としてアルカリ系溶液を用いることで、アルミニウム膜からなる陽極2を分離工程においてエッチング除去することができるので、陽極2を除去するための工程を別途に設ける必要がないという利点もある。なお、上述の開孔部形成工程において形成する開孔部5の数は1つでもよいが、複数形成したほうが、分離工程において多孔質部3を選択的にエッチング除去する際のエッチング液の液抜けが容易になる。
The separation step of forming the
以上説明した本実施形態の梁部7を備えた構造体の製造方法によれば、陽極形成工程にて形成する陽極2のパターンにより陽極酸化工程において半導体基板1に流れる電流の電流密度の面内分布が決まるので、陽極酸化工程にて形成する多孔質部3の厚みの面内分布を制御することが可能であり、当該多孔質部3を分離工程で選択的にエッチング除去して空洞部6を形成することで半導体基板1から分離した梁部7が形成されるから、梁部7を備えた構造体の形状の制約が少なく、しかも、上記特許文献1のようにエッチング速度の結晶方位依存性を利用した異方性エッチングにより空洞部107(図7参照)を形成する場合に比べてエッチング時間を短縮でき、製造コストの低コスト化が可能になる。また、上述のように薄膜4の材料としてSiO2、SiN、SiONなどの半導体製造プロセスにおいて一般的な絶縁材料を用いることで梁部7の信頼性を高めることが可能になる。
According to the manufacturing method of the structure including the
(実施形態2)
本実施形態では、実施形態1にて説明した梁部7を備えた構造体の製造方法により製造される構造体を有し、図2に示すように梁部7上に素子部10の少なくとも一部を有するMEMSデバイスの一例として、図3に示す構成のマイクロヒータを例示する。
(Embodiment 2)
In the present embodiment, there is a structure manufactured by the method for manufacturing a structure including the
本実施形態のMEMSデバイスは、梁部7を備えた構造体を断熱構造に利用しており、薄膜4をSiO2膜とSiN膜との積層膜により構成してあり、薄膜4の一部からなる梁部7の上に所定形状にパターニングされたPt薄膜からなる発熱体11が形成され、薄膜4において梁部7を支持している支持部8の表面側に、発熱体11に電気的に接続されたパッド12,12が形成されている。したがって、一対のパッド12,12を介して発熱体11へ電流を流すことにより発熱体11を発熱させることができる。
The MEMS device of the present embodiment uses a structure including the
本実施形態のMEMSデバイスは、支持部8の平面形状が矩形枠状に形成されるとともに、梁部7の平面形状が短冊状の形状に形成されており、梁部7の両端部が支持部8の2つの角部に連続一体に形成されており、梁部7の幅方向の両側それぞれに三角形状の開孔部5が形成されている。ここで、本実施形態のMEMSデバイスでは、薄膜4を構成する下層のSiO2膜および上層のSiN膜それぞれの膜厚を1μm、0.1μmに設定し、空洞部6の深さ寸法を100μmに設定してあるが、これらの数値は特に限定するものでない。ただし、空洞部6の深さ寸法は、発熱体11で発生した熱が半導体基板1に吸熱されるのを防止するうえでは大きいほうが望ましい。
In the MEMS device of the present embodiment, the planar shape of the
しかして、本実施形態のMEMSデバイスでは、実施形態1にて説明した梁部7を備えた構造体の製造方法により製造される構造体を有しているので、当該MEMSデバイスの低コスト化を図れるとともに高性能化を図れる。なお、本実施形態では、薄膜4をSiO2膜とSiN膜との積層膜により構成しているが、薄膜4の材料は上記積層膜に限らず、例えば、ULSIなでで層間絶縁膜の材料として用いられている多孔質シリカのような低誘電率(low-k)絶縁材料を採用してもよく、low-k絶縁材料を採用することにより、断熱性を向上させることができる。
Therefore, since the MEMS device according to the present embodiment includes the structure manufactured by the method for manufacturing the structure including the
なお、本実施形態では、梁部7を備えた構造体を断熱構造に利用したMEMSデバイスの一例としてマイクロヒータを例示したが、この種の断熱構造を利用したMEMSデバイスとしては、マイクロヒータに限らず、例えば、赤外線センサや、超音波やインパルス状の圧力波を発生する圧力波発生装置なども考えられる。
In the present embodiment, the micro heater is illustrated as an example of the MEMS device using the structure including the
(実施形態3)
本実施形態では、実施形態1にて説明した梁部7を備えた構造体の製造方法により製造される構造体を有し、上述の図2に示すように梁部7上に素子部10の少なくとも一部を有するMEMSデバイスの一例として、図4に示す構成の共振型の超音波センサを例示する。
(Embodiment 3)
In this embodiment, it has a structure manufactured by the manufacturing method of the structure provided with the
本実施形態のMEMSデバイスでは、梁部7を備えた構造体を共振構造に利用しており、梁部7が支持部8に片持ちされ、素子部10として圧電素子が形成されている。圧電素子からなる素子部10は、梁部7と支持部8とに跨って平面形状が長方形状の下部電極13が形成され、下部電極13上に当該下部電極13よりも平面サイズの小さな長方形状の圧電薄膜14が形成され、圧電薄膜14上に当該圧電薄膜14よりも平面サイズの小さな長方形状の上部電極15が形成されており、下部電極13において圧電薄膜14が積層されていない部位上にパッド16aが形成され、上部電極15上にパッド16bが形成されている。ここで、各パッド16a,16bは、半導体基板1の厚み方向において支持部8に重なる位置に形成されている。
In the MEMS device of the present embodiment, a structure including the
なお、本実施形態のMEMSデバイスでは、実施形態2と同様に薄膜4をSiO2膜とSiN膜との積層膜により構成してあり、薄膜4を構成する下層のSiO2膜および上層のSiN膜それぞれの膜厚を1μm、0.1μmに設定し、空洞部6の深さ寸法を100μmに設定してあるが、これらの数値は特に限定するものでない。
In the MEMS device of the present embodiment, Yes in the same manner as a
しかして、本実施形態のMEMSデバイスでは、実施形態1にて説明した梁部7を備えた構造体の製造方法により製造される構造体を有しているので、当該MEMSデバイスの低コスト化を図れるとともに高性能化を図れる。
Therefore, since the MEMS device according to the present embodiment includes the structure manufactured by the method for manufacturing the structure including the
なお、本実施形態では、梁部7を備えた構造体を共振構造に利用したMEMSデバイスの一例として超音波センサを例示したが、この種の共振構造を利用したMEMSデバイスとしては、超音波センサに限らず、例えば、ジャイロセンサなども考えられる。
In the present embodiment, an ultrasonic sensor is exemplified as an example of a MEMS device using a structure including the
(実施形態4)
本実施形態では、実施形態1にて説明した梁部7を備えた構造体の製造方法に準じて製造されるMEMSデバイスとして、図5(g)に示すように梁部7上に例えば赤外線を検出するセンサ要素からなる素子部10が形成されるとともに、梁部7に素子部10と協働する電子回路部30が形成されたMEMSデバイスを例示する。
(Embodiment 4)
In this embodiment, as a MEMS device manufactured according to the manufacturing method of the structure including the
本実施形態では、梁部7の基礎となる薄膜4が、単結晶シリコン膜4aと絶縁膜4bとの積層膜により構成されており、絶縁膜4bのうち梁部7に対応する部位の上に素子部10が形成されるとともに、単結晶シリコン膜4aのうち梁部7に対応する部位の表面側に電子回路部30が形成されており、素子部10と電子回路部30とが絶縁膜4bのうち梁部7に対応する部位の厚み方向に貫設された複数の貫通孔配線(図示せず)を介して電気的に接続されている。電子回路部30は、抵抗、ダイオード、トランジスタなどを含んだ集積回路により構成されており、センサ要素である素子部10の出力信号を増幅する信号処理を行う機能を有するように回路設計してある。
In the present embodiment, the
しかして、本実施形態のMEMSデバイスでは、実施形態1にて説明した梁部7を備えた構造体の製造方法により製造される構造体を有しているので、当該MEMSデバイスの低コスト化を図れるとともに高性能化を図れる。また、本実施形態のMEMSデバイスでは、素子部10を構成するセンサ要素と電子回路部30との間の距離を短くすることができ、絶縁膜4bの厚み寸法により素子部10と電子回路部30との間の配線長を規定することができるから、素子部10からの微弱な出力信号にノイズが重畳されるのを抑制することができ、センサ性能の向上を図れる。
Therefore, since the MEMS device according to the present embodiment includes the structure manufactured by the method for manufacturing the structure including the
以下、本実施形態のMEMSデバイスの製造方法について図5(a)〜(g)を参照しながら説明するが、実施形態1にて説明した梁部7を備えた構造体の製造方法と同様の工程については説明を適宜省略する。
Hereinafter, the manufacturing method of the MEMS device according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 5A to 5G. However, the manufacturing method is the same as the manufacturing method of the structure including the
まず、単結晶のシリコン基板からなる半導体基板1の一表面側(図5(a)の上面側)に除去部位として形成する多孔質シリコン部からなる多孔質部3(図5(b)参照)の形状に応じてパターン設計した陽極2を半導体基板1の他表面側(図5(a)の下面側)に形成する陽極形成工程を行うことによって、図5(a)に示す構造を得る。
First, a
陽極形成工程の後、上述の陽極2と陽極酸化用の電解液中で半導体基板1の上記一表面側に配置した陰極との間に通電して半導体基板1の上記一表面側に上述の多孔質部3を形成する陽極酸化工程を行うことによって、図5(b)に示す構造を得る。
After the anode forming step, current is passed between the
上述の陽極酸化工程の後、半導体基板1の上記一表面側に例えばPECVD法、LPCVD法や、スパッタ法などのPVD法、などにより単結晶シリコン膜4aを形成する結晶成長工程を行うことによって、図5(c)に示す構造を得る。
After the above-described anodic oxidation step, by performing a crystal growth step of forming the single
次に、単結晶シリコン膜4aに周知のIC製造技術などを利用して上述の電子回路部30を形成する回路形成工程を行うことによって、図5(d)に示す構造を得る。
Next, the structure shown in FIG. 5D is obtained by performing a circuit forming process for forming the above-described
その後、単結晶シリコン膜4a上に絶縁膜4bを形成する絶縁膜形成工程を行い、続いて、薄膜形成技術、フォトリソグラフィ技術、エッチング技術などを利用して絶縁膜4b上に素子部10を形成する素子部形成工程を行うことによって、図5(e)に示す構造を得る。ここで、絶縁膜形成工程における絶縁膜4bの形成方法としては、実施形態1にて説明した薄膜4の形成方法と同様の方法を採用すればよい。なお、本実施形態では、上述のように単結晶シリコン膜4aと絶縁膜4bとで梁部7および支持部8の基礎となる薄膜4を構成しており、上述の結晶成長工程と絶縁膜形成工程とで薄膜4を形成する薄膜形成工程を構成している。
Thereafter, an insulating film forming step for forming the insulating film 4b on the single
上述の薄膜形成工程の後、薄膜4において梁部7(図5(g)参照)となる部位の周囲の不要部をエッチング除去して開孔部(貫通孔)5を形成する開孔部形成工程を行うことによって、図5(f)に示す構造を得る。なお、この開孔部形成工程を行うことにより、薄膜4は、梁部7に対応する部位と梁部7を支持する支持部8(図5(g)参照)に対応する部位とが残る。
After the above-described thin film forming step, an opening portion is formed in which an unnecessary portion around the portion that becomes the beam portion 7 (see FIG. 5G) in the
開孔部形成工程にて形成した開孔部5を通して多孔質部3を選択的にエッチング除去して空洞部6を形成することで半導体基板1から分離した梁部7を形成する分離工程を行うことによって、図5(g)に示す構造のMEMSデバイスを得ることができるので、その後、ダイシング工程を行えばよい。なお、本実施形態でも、分離工程においてエッチング液としてアルカリ系溶液を用いることで、アルミニウム膜からなる陽極2を分離工程においてエッチング除去することができるので、陽極2を除去するための工程を別途に設ける必要がないという利点もある。
The separation step of forming the
(実施形態5)
本実施形態では、実施形態1にて説明した梁部7を備えた構造体の製造方法に準じて製造されるMEMSデバイスとして、図6に示す構成の静電容量型の加速度センサを例示する。なお、実施形態1と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を適宜省略する。
(Embodiment 5)
In the present embodiment, a capacitive acceleration sensor having the configuration shown in FIG. 6 is illustrated as a MEMS device manufactured according to the method for manufacturing a structure including the
本実施形態の加速度センサは、薄膜4が単結晶シリコン膜により構成されており、梁部7の長手方向(図6の上下方向)の両端部には、それぞれ矩形枠状のばね部23が形成されて両ばね部23よりも内側の中間部が上記長手方向に変位可能となっている。ここにおいて、梁部7の幅方向の両側面にはそれぞれ複数本(図示例では、5本)の可動櫛歯電極22が梁部7の長手方向に列設されている。一方、支持部8の内側面であって梁部7との対向面には、梁部7の長手方向において可動櫛歯電極22にそれぞれ対向する複数本(図示例では、5本)の固定櫛歯電極21が列設されている。各可動櫛歯電極22と各固定櫛歯電極21とは互いに離間しており、梁部7が梁部7の長手方向に変位する際の可動櫛歯電極22と固定櫛歯電極21との距離変化に伴う静電容量の変化を検出できるようにしてある。
In the acceleration sensor of the present embodiment, the
上述の支持部8、梁部7、各ばね部23、各固定櫛歯電極21、各可動櫛歯電極22それぞれは単結晶シリコン膜からなる薄膜4の一部により構成されており、梁部7、各ばね部23、各固定櫛歯電極21、各可動櫛歯電極22は、半導体基板1に空洞部6を形成することにより、半導体基板1から分離されている。ここで、梁部7の一側面側に設けられた可動櫛歯電極22と他側面側に設けられた可動櫛歯電極22とは固定櫛歯電極21間に形成された櫛溝の中心線から互いに異なる向きにずれて配置されており、梁部7の長手方向に加速度が作用したときに梁部7の幅方向の両側で可動櫛歯電極22と固定櫛歯電極21との間の静電容量値の変化が異なることとなるから、加速度の向きを検出することが可能となる。また、可動櫛歯電極22と固定櫛歯電極21とは、薄膜4の適宜部位にイオン注入技術などによって絶縁分離部を設けることで短絡しないようにしてある。
本実施形態の加速度センサでは、梁部7の厚みは、薄膜4を構成する単結晶シリコン膜の成長膜厚により制御可能であり、当該単結晶シリコン膜の膜質はSOI基板のシリコン層(活性層)と同等の膜質を得ることができるので、SOI基板を用いて形成した加速度センサと同等の特性を得ることができる。
Each of the
In the acceleration sensor of this embodiment, the thickness of the
一方、SOI基板を用いた静電容量型の加速度センサでは、梁部が変位する際にSOI基板の支持基板に当たらないようにするために、梁部の下のSiO2膜の他に支持基板の一部を裏面側からエッチング除去する必要がある。しかしながら、本実施形態の加速度センサでは、空洞部6を形成することにより梁部7が半導体基板1に当たるのを防止することができる。また、パッケージングする際においても、カバー部材を支持部8と接合するだけでよいので、製造が容易になるとともにパッケージを含めた全体のコストを低減することができる。また、実施形態1でも説明した分離工程においてエッチング液としてTMAH溶液やKOH溶液などのアルカリ系溶液を用い室温で多孔質部を選択的にエッチング除去するようにすれば、分離工程でのエッチング時に、梁部7、各ばね部23、各固定櫛歯電極21、各可動櫛歯電極22などそれぞれに対応する部位が侵食されるのを防止することができ、センサ特性の劣化を防止することができる。
On the other hand, in the capacitance type acceleration sensor using the SOI substrate, in order to prevent the beam portion from hitting the support substrate of the SOI substrate when the beam portion is displaced, the support substrate in addition to the SiO 2 film below the beam portion. It is necessary to etch away a part of the surface from the back side. However, in the acceleration sensor of the present embodiment, it is possible to prevent the
しかして、本実施形態のMEMSデバイスでは、実施形態1にて説明した梁部7を備えた構造体の製造方法により製造される構造体を有しているので、当該MEMSデバイスの低コスト化を図れるとともに高性能化を図れる。
Therefore, since the MEMS device according to the present embodiment includes the structure manufactured by the method for manufacturing the structure including the
なお、本実施形態では、梁部7を備えた構造体を変位機構に利用したMEMSデバイスの一例として加速度センサを例示したが、この種の変位機構を利用したMEMSデバイスとしては、加速度センサに限らず、例えば、圧力センサやジャイロセンサなども考えられる。
In this embodiment, an acceleration sensor is illustrated as an example of a MEMS device that uses a structure including the
ところで、上記各実施形態では、半導体基板1としてシリコン基板を採用しているが、半導体基板1はシリコン基板に限らず、例えば、Ge基板,SiC基板などの陽極酸化処理による多孔質化が可能な他の半導体基板でもよい。
By the way, in each said embodiment, although the silicon substrate is employ | adopted as the
1 半導体基板
2 陽極
3 多孔質部
4 薄膜
5 開孔部
6 空洞部
7 梁部
8 支持部
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