(57)【要約】  複数の貫通孔を高密度に配置でき、貫通孔の先端部が先細りしている形状のMEMSデバイスおよびその製造方法を提供する。（100）結晶面を平面に持つシリコン基板に、任意の寸法の四角形パターニングを配置し、高アスペクト比が加工できるドライエッチング加工によって任意の深さまでエッチング加工を行う工程、およびイソプロピルアルコールが混合された水酸化カリウム水溶液によって異方性ウエットエッチング加工を行う工程を含む加工によって側面が垂直な貫通孔で底部が先細りの貫通孔を提供する。
2013145287.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の表面と第二の表面を有する半導体基板と、該第一の表面から半導体基板中に形成された孔であって、第一の表面の開口部からの側面がほぼ垂直面であり内部において斜面となって孔径が小さくなっている垂直孔とを有するデバイス構造を用いたことを特徴とするMEMSデバイス。
【請求項２】
請求項1のMEMSデバイスにおいて、上記垂直孔は上記第一の表面から上記第二の表面に至る貫通孔であることを特徴とするMEMSデバイス。
【請求項３】
請求項1のMEMSデバイスにおいて、上記貫通孔に絶縁膜を介して、導電材料からなる電気配線が形成されて配線構造が形成され、配線基板が構成されたことを特徴とするMEMSデバイス。
【請求項４】
請求項3のMEMSデバイスにおいて、センサー部を構成するデバイス基板が上記配線基板と接続され、上記導通材料からなる電気配線がデバイス基板の電極に接合され、デバイス基板のセンサー部の信号が上記配線基板を介して取り出されることを特徴とするMEMSデバイス。
【請求項５】
請求項4のMEMSデバイスにおいて、上記配線基板が少なくとも２個積層されて設けられ、第一の電極基板の電気配線と第二の電極基板の電気配線が接合されており、第一の配線基板と第二の配線基板を介してデバイス基板のセンサー部の信号が上記配線基板を介して取り出されることを特徴とするMEMSデバイス。
【請求項６】
請求項2のMEMSデバイスにおいて、上記貫通孔の底部ははんだによって封止されていることを特徴とするMEMSデバイス
【請求項７】
請求項2のMEMSデバイスにおいて、上記貫通孔の底部周辺部は、金とすずの合金層からなる接合材料によって形成されていることを特徴とするMEMSデバイス。
【請求項８】
請求項1のMEMSデバイスにおいて、上記半導体基板に複数の上記貫通孔が形成されてノズル構造が形成され、流体デバイスが構成されたことを特徴とするMEMSデバイス。
【請求項９】
請求項1から8のいずれか一項に記載のMEMSデバイスにおいて、上記半導体基板は第一の表面を（１００）面とするシリコン基板であり、垂直面が（１１０）面、斜面が（１１１）面であることを特徴とするMEMSデバイス。
【請求項１０】
第一の表面と第二の表面を有する半導体基板と、該半導体基板中に形成された第一の表面から第二の表面に至る貫通孔であって、第一の表面の開口部からの側面がほぼ垂直面であり底部近傍において斜面となって孔径が小さくなっていて、該貫通孔の底部近傍の斜面と上記第二の表面との角度が５４．７度となっている貫通孔とを有するデバイス構造を用いたことを特徴とするMEMSデバイス。
【請求項１１】
請求項10のMEMSデバイスにおいて、上記半導体基板は第一の表面を（１００）とするシリコン基板であり、垂直面が（１１０）面、底部近傍の斜面が（１１１）面であることを特徴とするMEMSデバイス。
【請求項１２】
（100）結晶面を主表面に有するシリコン基板にマスクパターンを配置する工程と、該マスクを介して、ドライエッチング加工によって任意の深さまでエッチング加工を行い、垂直孔を形成する工程と、該垂直孔に対して異方性ウエットエッチング加工を行い底部近傍に斜面に囲まれた連通孔を形成する工程とを有する垂直孔製造工程により、前記シリコン基板に垂直孔を有するデバイス構造を製作してMEMSデバイスの製造方法。
【請求項１３】
請求項12のMEMSデバイスの製造方法において、上記マスクパターンは任意の寸法の四角形パターンであり、当該マスクを介してドライエッチング加工によって任意の深さまで四角形パターンのエッチング加工を行い上記垂直孔を形成する工程と、該垂直孔に対してイソプロピルアルコールが混合されたアルカリ系エッチング液によってエッチング加工を行い上記斜面に囲まれた連通孔を形成する工程とを有することを特徴とするMEMSデバイスの製造方法。
【請求項１４】
請求項13のMEMSデバイスの製造方法において、上記異方性ウエットエッチング加工はイソプロピルアルコールが混合された水酸化カリウム水溶液またはテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド水溶液（TMAH）によってエッチング加工を行う工程であることを特徴とするMEMSデバイスの製造方法。
【請求項１５】
請求項13のMEMSデバイスの製造方法において、上記異方性ウエットエッチング加工はイソプロピルアルコールが過飽和に混合された水酸化カリウム水溶液またはテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド水溶液（TMAH）によってエッチング加工を行う工程であることを特徴とするMEMSデバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はMEMSデバイスとその製造方法に関し、特に、MEMSデバイスによって微小なセンサー等の微小デバイスの配線構造等を形成する際のデバイス構造およびその製造方法、さらにはMEMSデバイスによって微小デバイスの微細な流路構造等を形成する際のデバイス構造およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、MEMSデバイスは、半導体デバイスと比較してアスペクト比（加工深さ／開口幅の比）が高い微小構造体が形成できる利点から、圧力センサーおよび加速度センサー等の物理センサー、静電力や圧電方式を適用したマイクロミラーおよびマイクロアクチュエータ等の機構部、インクジェット用ノズル等の流体デバイスに幅広く適用されている。【０００３】
これらの微小構造体には主にシリコン等の半導体材料が適用されて加工、製作されている。その加工法は、例えばシリコン結晶面のエッチング速度の差を利用して構造体を形成する異方性ウエットエッチング法、および高アスペクト比の溝を加工できるICP（Induction Coupled Plasma）方式のRIE（Reactive Ion Etching）装置を適用したドライエッチング法がある。MEMSデバイスの加工により、シリコンからなる立体構造および可動構造を形成することが可能であり、加工精度も機械加工と比較して優れているため、各種構造体に適用することができる。【０００４】
ドライエッチング法と異方性ウエットエッチング法を組み合わせて加工する方法が、非特許文献1に記載されている。この文献ではドライエッチング法で加工した穴側面に形成されたスキャロップをなめらかに加工するため、イソプロピルアルコール（IPA）を混合した水酸化カリウム水溶液を適用してエッチングを行い穴の側面の表面粗さを改善している。この方法を適用した構造体は、シリコン構造体からなるモールドの型に適用されている。【０００５】
MEMS流体デバイスでは、複数のシリコンノズルを配置すると液の撹拌や混合などに有利である。シリコンノズル構造体などの微細構造を形成するには、貫通孔の先端部が細孔形状となることが好ましい。従来の構造では平面上にノズル形状をパターニングして、平面的に部分エッチングすることによって溝を形成し、平面的に適用する方式が一般的である。しかし、近年では、インクジェットプリンター用のノズルとして立体的な構造も必要とされている。貫通孔を一括して製造する方法として特許文献１がある。特許文献1は、垂直孔を加工できるドライエッチング法において多段マスクを適用して、テーパ形状の開口部の先端に連続して垂直孔形状の開口部を形成し、貫通孔が設けられた構造体を一括して製造する方法が記載されている。より詳細には開口部から斜面が形成され、孔の先端部が垂直な構造となっている。【０００６】
また、MEMSセンサーおよびアクチュエータでは、個別もしくは複数の配線をデバイス基板から引き出すことによって、各種センサーおよびアクチュエータとして可動またはセンシング機能を有することができる。これらのMEMS構造体は、主に可動部もしくはセンシング部が加工されたデバイス基板と電気的な信号のやり取りを行う電極基板に分かれる。また、場合によっては蓋などのキャップ基板が含まれる構造もある。【０００７】
MEMS構造体の配線引き出し方法は、一般的にデバイス基板から水平に引き出す方式（横方向）と垂直（縦方向）に引き出す方式が考えられる。特許文献2には、垂直に配線を引き出す方式が記載されており、デバイス基板に作られた構造体とは離れた位置に貫通配線構造が形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開2009−44031号公報
【特許文献２】特開2009−59941号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】J.Micromech.Microeng.13(2003)S57-S61
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１の様に、MEMS流体デバイスにおいて、貫通孔の先端に細孔ノズル構造体を形成する方法は、基板表面から斜面を有する構造体を形成し、その後垂直な孔を有する構造体を形成することによって実現される。【００１１】
特許文献1では、貫通孔の形状が先端において細孔となっているが、開口部からは斜面形状の孔となっており、底部周辺は垂直な側面と平面的な底面からなる孔を形成している。この構造では開口部から斜面が広がっており、高密度に貫通孔を配置することは困難でMEMSデバイスの小型化には限界があると推測される。また、この接合構造体では位置ずれなどが発生するため、性能を劣化させる可能性があり、小型化は益々困難である。また、シリコンの異方性ウエットエッチングによって制作されたデバイス構造による（111）結晶面からなる斜面と比較して、角度的に鋭角になっていると思われるが、形状的には大きな差異は認められないと考えられる。【００１２】
この構造の製作には、異方性ウエットエッチング法を適用して斜面を形成し、垂直な孔を有する構造体と接合によって組み合わせる構造が考えられる。そのためには、表面側から水酸化カリウム水溶液などの異方性ウエットエッチング加工によって表面側を形成し、裏面側からドライエッチング加工によって垂直な溝を形成しても同様の形状は加工できるが、位置合わせや連続加工の点で難しくなる。【００１３】
さらに、特許文献1では斜面の加工にドライエッチング法を適用しているため、形状の制御が困難であるとことが懸念される。【００１４】
デバイス基板からの電極取り出しは、可動部またはセンシング部が形成されたデバイス基板から、電極基板に形成された貫通孔上に絶縁物を形成し、その上に電気的な導体を配置して形成された取り出し配線を介して行う方法が有利である。特に、貫通孔の先端が先細りした構造体は、そこに電気的な配線を行うことによって、MEMSデバイスから垂直に配線を引き出す構造体、例えば、電極基板として適用でき、微小構造の製作上有利である。【００１５】
デバイス基板から垂直に電極取り出しを行う構造は、電極パッドをMEMSデバイスの上に配置することができる点から寸法を小さくできる。この構造では1枚のシリコン基板から取り出せるチップ数も増加することにつながり、コスト的なメリットがある。【００１６】
デバイス基板から垂直に電極取り出しを行う方法は、シリコンの異方性ウエットエッチングを適用した（111）結晶面の斜面を形成し、その斜面に沿って配線を形成する方式およびドライエッチング法によって垂直な穴を形成し、その穴をリンなどがドープされたPoly-シリコン（ポリシリコン）で埋め込むことによって配線を形成する2つの方式が考えられる。【００１７】
シリコンの異方性ウエットエッチングではMEMSデバイス表面に形成される寸法は、電極基板の厚さの約1.4倍開口部が広がることになる。そのため、開口部以外の部分に外部との電気的なやり取りを行う電極パッドを形成しなければならないため、電極パッド面積は大きくなる。【００１８】
また、ドライエッチング法で形成する貫通孔の構造ではアスペクト比は20程度が限界であり、基板が厚くなると孔径も必然的に大きくなる。また、孔径をすべて埋め込むにも限界があることから、厚い基板を適用することが困難となり、加工も複雑となることが懸念される。電極基板が薄い場合には、最終的に実施されるパッケージ工程において樹脂成形圧力によってデバイスが変形し、性能が劣化する可能性がある。【００１９】
電極基板において、デバイス基板との電気的な接触部を小さくできる構造は、可動部またはセンシング部の面積を大きく形成できる観点から、デバイスの小型化にもつながる。【００２０】
特許文献2には貫通配線を垂直に引き出す構造が記載されているが、貫通配線の位置はデバイス構造体の外側に配置されており、チップの小型化には限界があると考えられる。【００２１】
また、特許文献1の構造に配線構造を形成しても、開口部から斜面が広がっていることからMEMSデバイスの小型化には限界があると予測される。【００２２】
そこで本発明の目的は、MEMSデバイスの小型化に適した配線構造等やノズル構造等を実現できるデバイス構造を有するMEMSデバイスの構造とその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明は、開口部から側面がほぼ垂直に伸びる縦孔の先端部が斜面となって先細りした構造の縦孔、特に貫通孔を有するMEMSデバイスおよびその製造方法を提供する。【００２４】
本発明の一例によると、貫通孔を形成するために、（100）結晶面を平面に有するシリコン基板に、任意の寸法の四角形マスクパターニングを配置する工程、このマスクを介して、高アスペクト比が加工できるドライエッチング加工によって任意の深さまで四角形パターンのエッチング加工を行う工程、およびイソプロピルアルコールが混合された水酸化カリウム水溶液やテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド水溶液（TMAH）等のアルカリ性エッチャントによってウエットエッチングを行う工程を含む加工によって、開口部より側面が垂直な縦孔を形成し、その先端部に先細りの孔を形成することにより、側面が垂直な縦孔に先端が先細りの孔を連通させた貫通孔構造を提供できる。【００２５】
また、本発明の縦孔は、垂直側面が（110）であり、先端部の斜面の結晶面が（111）結晶面となることから、貫通孔先端部の角度は、平面部との角度が約54.7度となっている。なお、縦孔の垂直側面は垂直とするが、ほぼ垂直であれば良く、シリコンの（110）面が異方性エッチングで垂直側面として形成されることを利用するが、他のエッチング方法によりほぼ垂直な縦孔が形成できれば良い。また、本発明の縦孔は貫通孔でなくとも良く、非貫通孔としての利用も考えられる。【００２６】
前記、貫通孔を高密度に配置することによって形状精度に優れたノズル構造体ができるため、MEMSノズルもしくはMEMS流体デバイスにも適用できる。【００２７】
さらに、貫通孔に酸化膜などの絶縁膜を形成して、その上に導通材料からなる電気的配線を行うことによってMEMSデバイスの電極基板としても適用できる。本発明では、貫通孔は開口部からほぼ垂直に形成されており、先端部が小さく形成できることによって、デバイス構造またはセンシング構造との電気的な接点を小さくできることから小型化に寄与できる。【００２８】
本発明のMEMSデバイスでは、貫通孔の先細り部分の先端は、面積が小さくなるため、容易に、はんだ材料による封止することが可能であり、デバイス基板内の圧力を調圧しながら封止することが可能である。【００２９】
また、貫通孔の先細り部分周辺部は、面積が小さいことから、はんだ封止以外に、金とすずの合金層からなる接合材料によって形成されていても良い。【００３０】
2枚の電極基板を積層して、開口部同士を接合によって、電気的に、かつ、構造的につながっている構造では、デバイス基板との接触を小さく、かつ、電極基板表面の電極パッドの寸法も小さく形成できる。また、多層とすることで電極基板を厚く形成することが可能となり、樹脂パッケージ形成時の圧力にも十分、対応することができ、変形などの不具合は発生しない。【００３１】
以上より、本発明のMEMSデバイスは、第一の表面と第二の表面を有する半導体基板と、該第一の表面から半導体基板中に形成された孔であって、第一の表面の開口部からの側面がほぼ垂直面であり内部において斜面となって孔径が小さくなっている縦孔とを有するデバイス構造を用いたことを特徴とするMEMSデバイスであり、特に、上記縦孔が上記第一の表面から上記第二の表面に至る貫通孔であることを特徴とするMEMSデバイスである。【００３２】
また、本発明のMEMSデバイスの製造方法は、半導体基板にマスクパターンを配置する工程と、該マスクを介して、ドライエッチング加工によって任意の深さまでエッチング加工を行い、側面がほぼ垂直な縦孔を形成する工程と、該縦孔に対して異方性ウエットエッチング加工を行い縦孔の底部近傍に斜面に囲まれた先細り形状の連通孔を形成する工程とを有する縦孔の製造工程により、前記半導体基板に縦孔、特に貫通孔を有するデバイス構造を精度よく製作することを特徴とするMEMSデバイスの製造方法である。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、MEMSデバイス構造体において貫通孔の先端部が先細り形状となっている構造を形成できることから、MEMS流体デバイスの微細なノズル等が構成でき、また先細り形状の貫通孔に配線構造を形成できることから、微細な配線構造を有するMEMSセンサーおよびアクチュエータ等を構成できる。【００３４】
また、本発明の製造方法によれば、半導体基板の主表面からのドライエッチングに引き続いて異方性ウエットエッチングを行うことにより、縦孔の底部に斜面で囲まれた先細り形状の孔を連通して製作することができる。【００３５】
このように、本発明によれば、小型化の容易なMEMSデバイスおよびその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施例の貫通孔形状を説明する断面図
【図２】本発明の実施例の貫通孔形状を説明する詳細断面図
【図３】本発明の実施例の貫通孔形状を説明するプロセス図
【図４】本発明の実施例のMEMSノズルデバイスを説明する断面図
【図５】本発明の実施例のMEMSデバイスを説明する断面図
【図６】本発明の実施例の別のMEMSデバイスを説明する断面図
【図７】従来の貫通孔形状を説明するプロセス図
【図８】従来の異方性ウエットエッチング法によるデバイス構造を説明する断面図
【図９】従来のドライエッチング法によるデバイス構造を説明する断面図
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、本発明の実施例を図面によって説明する。なお、以下に説明する実施例は実施形態を説明する代表例であって、これら実施例で本発明の構成が何ら制限されるものではない。
【００３８】
図1および図2を用いて本発明の実施例による貫通孔形状を説明する。図1より、シリコン基板1に形成された貫通孔2の形状は、シリコン基板の表面側1aより、垂直形状を維持しながら底面側へつながっており、シリコン基板裏面側1bで、先が細く形成された形状となっている。なお、本発明では貫通孔の先端部は先細りした形状となっているが、最先端部の開口幅は用途によって自由にコントロールすることができる。
【００３９】
次に図2を用いて結晶方位について説明する。シリコン基板には1aおよび1b平面部は（100）結晶方位となっており、貫通孔の垂直な側面2aは（110）結晶方位と、斜面部2bは（111）結晶方位となっている。そのため、貫通孔先端部とシリコン基板平面部との角度3は約54.7度となる。本発明の貫通孔は、垂直な側面が（110）結晶面で囲まれ、貫通孔の底部斜面は（111）結晶面で囲まれていることから開口部の幅D2は次の式１で示すことができる。言い換えれば本発明の貫通孔形状は次式の関係が成立する。
（式１）
D2＝（D1×√2）+D3
次に貫通孔の製造プロセスについて図3を用いて説明する。はじめにシリコン基板1を準備する［図3（a）］。シリコン基板の両面に熱酸化膜4を形成する［図3（b）］。酸化膜厚は、その後、フォトリソプロセスによって、レジスト塗布、現像、露光によって貫通孔の開口部5だけ熱酸化膜を除去する［図3（c）］。前記開口部5の形状は4角形が好ましく、その他の形状では側面に多種の結晶面が出現するため、形状の安定性に欠ける。本実施例では、一辺が５０μｍの４角形の開口パターンを使用した。
【００４０】
次に、高アスペクト比の溝を加工できるICP方式のRIE装置を適用したドライエッチング法を適用して垂直な溝6を形成する［図3（d）］。ドライエッチング方法は、非特許文献１に開示されたボッシュプロセス法が適している。このボッシュプロセス法では、フッ化硫黄系のSF6等のガスを用いたドライエッチングとフッ化炭素系のCHF3やC4F8等のガスを用いたパッシベーションを交互に繰り返すことにより異方性エッチングを行う方法である。本実施例では、ドライエッチングプロセスで、SF6ガスを用い、圧力３Pa、流量３００ｓｃｃｍにて７秒のドライエッチングを行い、パッシベーションプロセスで、C4F8ガスを用い、圧力１．４Pa、流量２００ｓｃｃｍにて４秒のパッシベーションを行い、両プロセスを交互に５６分間行った。また、基板温度は２０°Cに保持し、ドライエッチングプロセスにおける主出力は１０００W、バイアス出力は８０Wとした。なお、ドライエッチングに使用されるガス種は上記実施例のものに限定されるものではない。
【００４１】
最後にイソプロピルアルコール（IPA）を過飽和状態で混合した水酸化カリウム水溶液を適用して異方性ウエットエッチングを実施する。４０ｗ％のKOH水溶液にIPAを過飽和に混合し、６７°Cで異方性ウエットエッチングを行った。IPAを過飽和としたのは、IPAが蒸発して減少するのを補うためである。この異方性ウエットエッチングにより、ドライエッチングで加工した穴の底部は異方性エッチングによって斜面を形成し、本発明の貫通孔2を形成できる［図3（e）］。
【００４２】
本発明の実施例では、ドライエッチング後に水酸化カリウム水溶液にイソプロピルアルコールを添加してウエットエッチングを実施している。これにより、（110）結晶面が、（100）結晶面と比較してエッチング速度が遅くなる性質を利用している。
【００４３】
図7(a)から図７(d)までの工程は、図3(a)から図3(d)までと同様となるが、一般的には図7に示すように、イソプロピルアルコールを添加しない水酸化カリウム水溶液を適用した場合には、図7（e）に示すように貫通孔の内面はすべて（111）結晶面で覆われ、貫通孔の側面がへこんだ構造となる。
【００４４】
本発明では微細なノズルデバイスを製造することが可能である。図4は本発明の実施例のMEMSノズルデバイスを説明する断面図である。図４ではインクを吐出する産業用インクジェットプリンタの一例を示した。インクタンク16より、ポンプ15によって供給されたインクはインク槽14に供給され、圧電素子17の振動によって、インクはノズルデバイス13内に配置された本発明の形状の貫通孔2を通過して、ノズルデバイス13からインクがインク射出方向18に射出される構成となっている。本発明のノズルデバイスは産業用だけでなく、民生用としても適用することが可能である。
【００４５】
より詳細には、産業用インクジェットプリンタは、連続的に形成した液滴を偏向して使用するコンティニュアスインクジェット方式があり、被印字物のマーキングには速乾性を有する溶剤系のインクが適用できる。図4の構成に帯電電極および偏向電極を組み合わせることによって、任意のインクをマーキングすることができる。
【００４６】
本発明の実施例のノズルデバイスは、貫通孔2の形状がエッチング面で構成されており、微細かつ高精度に作ることが可能である点から、インクの吐出形状もそろえることができる。
【００４７】
図4では断面図で示しているが、用途によっては3次元的に配置しても良い。また、貫通孔はMEMS技術を適用して製造している点から高密度に配置することも可能である。
【００４８】
この他に、本発明の貫通孔構造は、MEMS流体デバイスにおける混合または撹拌などにも適用することができる。  
本発明では、シリコン基板に形成した貫通孔に酸化膜などの絶縁物を形成し、その上に電気的に導通できる配線を形成することができることからMEMSデバイスの配線構造へ応用することができる。
【００４９】
図5には本発明の実施例のMEMSデバイスとして、センサデバイスの一例を説明する図を示す。センサデバイスは駆動部もしくはセンシング部が形成されたデバイス基板7の上に電気的なやり取りを行うための電極基板19と下にキャップ基板8を配置することによって構成できる。
【００５０】
電極基板19には本発明の貫通孔2が形成されており、熱酸化膜4を介して任意のパターンで金属配線9aと電極パッド10が連続してつながっている。また、電極基板19の裏面側には任意の金属配線パターン9bが形成されている。デバイス基板7は電極基板19およびギャップ基板8と接合層11によって接合されており、デバイス基板の中は真空もしくは大気で封止された状態となっている。
【００５１】
一例として、デバイス基板の構造体7aは、くし歯型センサーの固定くし歯等の構造体であり、電気的に金属配線9aがつながっており、電極パッド10とつながっている構造となっている。デバイス基板の構造体7bは、くし歯センサーの可動用くし歯等の構造体であり、空中に浮いた構造となっており、可動することができる。これにより、加速度や角速度が外部から印加された場合に駆動され、金属配線との容量変化を把握することができる。また、静電気力を適用して駆動させることも可能となる。
【００５２】
本発明の貫通孔は先端部が先細りの斜面構造となっている。そのため、金属配線の形成は容易にスパッタ装置または蒸着装置などによって形成することが可能となる。また、CVD装置などによって形成しても良い。これにより、膜厚は厚く形成しなくとも、形状に沿った形で、配線を形成することができる。
【００５３】
金属配線材料は密着性を考慮して下地膜としてクロムやチタンを配置し、その上に金を配置すれば良い。また、熱的な耐熱性を向上させるためにクロムやチタンと金との間に白金やニッケルを配置しても良い。配線材料は前記に限らず、アルミニウムおよびドープされたシリコンなどの配線材料を適用しても良い。
【００５４】
また、デバイス基板の中は真空もしくは大気で封止されるため、デバイス基板の封止方法としては、貫通孔の先端部にはんだボールを挿入し、前記はんだボールを溶解することによって封止することが可能である。さらに接合によって導通させる構造を用いて封止しても良い。
【００５５】
基板間の接合方法も金とシリコンおよび金とすずの共晶を適用して行う共晶接合を適用することができる。
【００５６】
前記、デバイス基板は低抵抗のシリコン基板を適用することが好ましく、シリコン材料そのものが電極材料として適用できる。またキャップ基板または電極基板がはじめから接合されているSOI（Silicon on Insulator）基板を適用することも可能である。例えば、電極基板が接合されたSOI基板を用いると、電極基板の表面からデバイス基板に向けて貫通孔を形成するとき、絶縁膜（SiO2等）で、エッチングをストップさせることができる。
【００５７】
図５の構造ではデバイス基板の構造体7aとの電気的接触部が小さく、かつ、垂直に引き出している点から電極基板に配置された電極パッドを小さくできる。そのため、デバイス全体の寸法を小さくできることが可能で、1枚のウエハから取り出せる数も増えることから低コスト化につながる。
【００５８】
前記、電極基板では、電極基板の貫通孔周辺部を残して、エッチング加工によって除去し、貫通孔周辺部だけを飛び出させる構造を形成しても良い。この構造では、デバイス基板とのギャップを容易に作りこむことが可能となる。これにより、センサに対するギャップを作りこむことができる。
次に本発明と従来例との構造的な差異について説明する。
【００５９】
次にシリコンの異方性ウエットエッチング法を適用した従来の配線引き出しについて図8を用いて説明する。図8のデバイス基板７およびキャップ基板8は図5の構造と同様である。電極基板19にはシリコンの異方性ウエットエッチングを用いて斜面からなるシリコン異方性エッチング孔が形成されている。この構造では開口部から斜面が広がっており、金属配線はスパッタ装置もしくは蒸着装置で形成することが可能である。シリコン異方性エッチング孔の開口部の幅は、結晶方位の関係から、電極基板の厚さの約1.4倍となることから広く形成される。電極パッドの面積も入れると、電極基板の寸法はさらに大きくしなければならず、前記、シリコン異方性エッチング孔による電極引き出し構造では小型化は困難である。
【００６０】
また、デバイス基板からの電気的信号の引き出しに、シリコンのドライエッチング法を適用した従来技術について図9を用いて説明する。図9のデバイス基板７およびキャップ基板8は図5の構造と同様である。電極基板19に形成された垂直なドライエッチング孔は内部が導体部20によって埋め込まれている構造が一般的である。これは高アスペクト比の溝に金属配線を形成しようとしても孔の底辺の角部において、断線するためである。すなわち、立体角の影響で、孔入口の角部がスパッタ時のイオンの流入を阻害するために、孔底面近傍の側壁には金属材料の形成が困難となる。
【００６１】
また、デバイス基板の内部を任意の圧力に調整する場合にも、ドライエッチング孔では孔径が大きいため、配線材料だけで封止することは困難となる。そのため、通常はドライエッチングによって形成した孔は、導体によって埋め込まれている場合が多い。
【００６２】
また、ドライエッチング孔ではアスペクト比の関係から電極基板を厚く形成できない制約も生じる。高アスペクト比の加工が可能なドライエッチング法を適用しても、加工が可能なアスペクト比は20程度であると言われている。すなわち、電極基板に形成する孔径を10μｍとしても、電極基板の厚さは200μｍが限界となる。
【００６３】
一方、MEMSデバイスではセンサー構造体を制御するために、制御用LSIとワイヤボンディングによって接続し、最終的に樹脂などによってパッケージされ、製品化されている。その場合、電極基板の厚さが薄いとパッケージされた後に外部雰囲気の影響による樹脂の変形などによって、センサーが誤動作することが考えられる。
【００６４】
本発明では、ドライエッチングによる孔の形成に続いて異方性ウエットエッチングを実施するので、さらに電極基板を厚くすることができる。また、図6に示すように、本発明の電極基板を重ねることによって、電極基板をさらに厚く形成することが可能である。
【００６５】
図６は、本発明の別の実施例のMEMSデバイスのデバイス構造を説明する断面図である。図６の実施例では、電極基板19aおよび19bの貫通孔２が上下に反転して配置した構成としたものである。
【００６６】
図６の電気的な取り出しはデバイス基板7の構造体7aは、電極基板19aの裏面側に配置された金属配線9bと接触しており、電極基板19aの貫通孔側面に形成された金属配線を通じて、電極基板19bの貫通孔に形成された金属配線9aにつながっている。電極基板9aおよび9bは接合層11によって電気的な導通を得ており、結果的にデバイス基板7から電極基板19bの表面に形成された電極パッド10まで電気的につなげることが可能となる。
【００６７】
また、電極基板9bの金属配線の出口は電極パッドの面積が小さくなり、センサーデバイス全体の小型化が可能となる。さらに、電極基板の厚さを任意に厚く形成できる構造を提供できる。これにより、樹脂形成した場合にも外力からデバイス部分を守ることができるため、信頼性に優れたデバイスを提供できる。
【００６８】
このように、図６の実施例のデバイス構造では、電極基板を厚く構成して、MEMSデバイスの強度を高める効果を得ることができる。
【００６９】
なお、本発明では対称形の電極基板の組合せだけでなく、電極基板19bの裏面側に任意の配線構造を作りこむことによって、配線の引きまわしによって任意の位置に電極パッドを引き出すことが可能となる。
【００７０】
以上の実施例に示した本発明のデバイス構造は、多種のMEMSデバイスに適用でき、流体デバイスやセンサーデバイスの他に圧力センサー、マイクロミラーなど電気的なやり取りが必要なMEMSデバイスに適用することができる。
【００７１】
本発明の実施例を説明したが本発明は上述の例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲にて様々な変更が可能であることは、当業者によって容易に理解されよう。
【符号の説明】
【００７２】
1…シリコン基板、
2…本発明の貫通孔、
3…貫通孔先端の角度、
4…熱酸化膜、
5…開口部、
6…ドライエッチング溝、
7…デバイス基板、
8…キャップ基板、
9、9a、9b…金属配線、
10…電極パッド、
11…接合層、
12…シリコン異方性エッチング孔、
13…ノズルデバイス、
14…インク槽、
15…ポンプ、
16…インクタンク、
17…圧電素子、
18…インク射出方向、
19、19a、19b…電極基板、
20…導体部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【手続補正書】
【提出日】平成24年10月19日(2012.10.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の表面と第二の表面を有する一枚の半導体基板と、該第一の表面から半導体基板中に形成された孔であって、第一の表面の開口部からの側面がほぼ垂直面であり、内部において垂直面から連続的に孔径が小さくなって斜面となり、第二の表面で側面が前記斜面で開口している垂直孔とを有するデバイス構造を用いたことを特徴とするＭＥＭＳデバイス。
【請求項２】
請求項１のＭＥＭＳデバイスにおいて、上記垂直孔は上記第一の表面から上記第二の表面に至る貫通孔であることを特徴とするＭＥＭＳデバイス。
【請求項３】
請求項１のＭＥＭＳデバイスにおいて、上記貫通孔に絶縁膜を介して、導電材料からなる電気配線が形成されて配線構造が形成され、配線基板が構成されたことを特徴とするＭＥＭＳデバイス。
【請求項４】
請求項３のＭＥＭＳデバイスにおいて、センサー部を構成するデバイス基板が上記配線基板と接続され、上記導通材料からなる電気配線がデバイス基板の電極に接合され、デバイス基板のセンサー部の信号が上記配線基板を介して取り出されることを特徴とするＭＥＭＳデバイス。
【請求項５】
請求項４のＭＥＭＳデバイスにおいて、上記配線基板が少なくとも２個積層されて設けられ、第一の電極基板の電気配線と第二の電極基板の電気配線が接合されており、第一の配線基板と第二の配線基板を介してデバイス基板のセンサー部の信号が上記配線基板を介して取り出されることを特徴とするＭＥＭＳデバイス。
【請求項６】
請求項２のＭＥＭＳデバイスにおいて、上記貫通孔の底部ははんだによって封止されていることを特徴とするＭＥＭＳデバイス。
【請求項７】
請求項２のＭＥＭＳデバイスにおいて、上記貫通孔の底部周辺部は、金とすずの合金層からなる接合材料によって形成されていることを特徴とするＭＥＭＳデバイス。
【請求項８】
請求項１のＭＥＭＳデバイスにおいて、上記半導体基板に複数の上記貫通孔が形成されてノズル構造が形成され、流体デバイスが構成されたことを特徴とするＭＥＭＳデバイス。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか一項に記載のＭＥＭＳデバイスにおいて、上記半導体基板は第一の表面を（１００）面とするシリコン基板であり、垂直面が（１１０）面、斜面が（１１１）面であることを特徴とするＭＥＭＳデバイス。
【請求項１０】
第一の表面と第二の表面を有する一枚の半導体基板と、該半導体基板中に形成された第一の表面から第二の表面に至る貫通孔であって、第一の表面の開口部からの側面がほぼ垂直面であり、底部近傍において垂直面から連続的に孔径が小さくなって斜面となり、第二の表面で側面が前記斜面で開口し、該開口部の斜面と上記第二の表面との角度が５４．７度となっている貫通孔とを有するデバイス構造を用いたことを特徴とするＭＥＭＳデバイス。
【請求項１１】
請求項１０のＭＥＭＳデバイスにおいて、上記半導体基板は第一の表面を（１００）とするシリコン基板であり、垂直面が（１１０）面、底部近傍の斜面が（１１１）面であることを特徴とするＭＥＭＳデバイス。
【請求項１２】
（１００）結晶面を主表面に有する一枚のシリコン基板にマスクパターンを配置する工程と、該マスクを介して、ドライエッチング加工によって任意の深さまでエッチング加工を行い、垂直孔を形成する工程と、該垂直孔に対して異方性ウエットエッチング加工を行い、内部において前記垂直孔から連続的に孔径が小さくなって側面が斜面となり、第二の表面で側面が前記斜面で開口し、底部近傍に斜面に囲まれた連通孔を形成する工程とを有する垂直孔製造工程により、前記シリコン基板に垂直孔を有するデバイス構造を製作するＭＥＭＳデバイスの製造方法。
【請求項１３】
請求項１２のＭＥＭＳデバイスの製造方法において、上記マスクパターンは任意の寸法の四角形パターンであり、当該マスクを介してドライエッチング加工によって任意の深さまで四角形パターンのエッチング加工を行い上記垂直孔を形成する工程と、該垂直孔に対してイソプロピルアルコールが混合されたアルカリ系エッチング液によってエッチング加工を行い上記斜面に囲まれた連通孔を形成する工程とを有することを特徴とするＭＥＭＳデバイスの製造方法。
【請求項１４】
請求項１３のＭＥＭＳデバイスの製造方法において、上記異方性ウエットエッチング加工はイソプロピルアルコールが混合された水酸化カリウム水溶液によってエッチング加工を行う工程であることを特徴とするＭＥＭＳデバイスの製造方法。
【請求項１５】
請求項１３のＭＥＭＳデバイスの製造方法において、上記異方性ウエットエッチング加工はイソプロピルアルコールが過飽和に混合された水酸化カリウム水溶液によってエッチング加工を行う工程であることを特徴とするＭＥＭＳデバイスの製造方法。
【国際調査報告】
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