(57)【要約】【課題】マイクロマシンの所望の領域に選択的に有機膜が形成できるようにする。【解決手段】カチオン種であるスルフォニウムイオンを含有する電着液（例えば、日本ペイント（株）、ＩＮＳＵＬＥＥＤ）に、上述した可動部電極１０４，支持部１０７，及び可動部１０８が形成された基板１０１と白金からなる対向電極とを浸漬し、可動部電極１０４，支持部１０７，及び可動部１０８に負電圧を印加するとともに、上記対向電極に正電圧を印加する。すなわち、可動部電極１０４，支持部１０７，及び可動部１０８を負極とし、対向電極を正極として電着液中に浸漬し、定電圧源を用いて電圧を印加し、カチオン電着を行う。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に導電性を備える第１構造体が形成された状態とする第１工程と、
導電性を備える第２構造体が、前記第１構造体とは絶縁分離して前記基板の上に形成された状態とする第２工程と、
前記第１構造体及び前記第２構造体を、カチオン種が含まれた電着液中に浸漬し、前記第１構造体と前記第２構造体との少なくともひとつに電圧を印加し、前記第１構造体の表面と前記第２構造体の表面との少なくともひとつに、電着により前記カチオン種から構成された有機薄膜が形成された状態とする第３工程と
を備えることを特徴とするマイクロマシンの製造方法。
【請求項２】
請求項１記載のマイクロマシンの製造方法において、
前記第２構造体は、前記基板の表面と離間して所定の方向に延在する可動部分を備えた可動構造体であり、
前記第１構造体は、前記可動部分の動作を制御する制御電極である
ことを特徴とするマイクロマシン。
【請求項３】
請求項１又は２記載のマイクロマシンの製造方法において、
前記カチオン種は、スルフォニウムイオンである
ことを特徴とするマイクロマシンの製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のマイクロマシンの製造方法において、
前記第３工程は、前記電着液の液温を所定温度以下として行う
ことを特徴とするマイクロマシンの製造方法。
【請求項５】
請求項４記載のマイクロマシンの製造方法において、
前記第３工程は、所定値以下の前記電圧を印加する
ことを特徴とするマイクロマシンの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電極などの表面が樹脂膜で被覆されたマイクロマシンの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＥＭＳ（MicroElectro Mechanical System）デバイスでは、微細な可動部や制御電極などが３次元的に配置されて構成されたマイクロマシンが用いられている（非特許文献１参照）。このようなマイクロマシンのシリコンや金属の構造体からなる可動部の駆動は、これに対向して配置した電極の発生する静電力によって行われている。例えば、図６（ａ）に示すように、絶縁膜６０２が形成されたシリコンなどからなる基板６０１上に、支持部６０３により支持された可動部６０４は、可動部６０４の先端部下の基板６０１上に設けられた電極６０５の発生する静電気により駆動させるようにしている。
【０００３】
このような構成においては、電極６０５から発生させた静電気により可動部６０４を電極６０５方向に引き寄せ、かつ、下地の電極６０５との間に任意の距離を保って静止させることは、容易ではない。電極６０５が引きつける引力と、可動部６０４が元に戻ろうとする弾性力とのバランスは、不安定で崩れやすいためである。これらのバランスが崩れ、例えば、引力の方が勝れば、可動部６０４の先端部が電極６０５の表面に接触することになる。
【０００４】
可動部６０４に導電性材料や半導体材料が用いられ、接触した際に電極６０５と可動部６０４に導通があると、図６（ｂ）に示すように、接触箇所６０６が反応して接合してしまい、可動部６０４の弾性力による反発では元に戻らなくなる場合がある。この現象はスティッキングや固着などと呼ばれ、マイクロマシンにおける可動部駆動時の問題となっている。また、接触による摩擦で、可動部６０４は電極６０５が損傷を受けるなどの問題がある。
【０００５】
上述した可動部先端部と電極との接触による問題を回避するには、少なくとも一方の接触面が有機樹脂などの保護膜で覆われていれば良い。これを実現するためには、例えば、電極の表面だけに有機薄膜を形成すればよい。接触する部分以外に不要に有機膜が形成されると、例えば、可動部の動作を妨げる原因になる。
このような有機膜の形成技術としては、蒸着法，スパッタ法，スピンコート法などが提案されている（非特許文献２参照）。
【０００６】
しかしながら、上述した従来の技術は、プレーナープロセスに適用させた二次元的な成膜手法であるため、マイクロマシンのような三次元の複雑な構造体では、電極の表面のみなど所望の領域に有機薄膜などの不導体を形成することが困難である。
一方、立体的な構造体に対して有機樹脂などの不導体の膜を形成する技術として、電着法が提案されている。電着法は、溶媒中に分散（溶解）させた薄膜形成材料を電気泳動させ、金属などの導体表面に析出及び付着させる技術である（非特許文献３参照）。
【０００７】
なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
【非特許文献１】James A. Knapp and Maarten P. de Boer, "Mechanics of Microcantilever Beams Subject to Combined Electrostatic and Adhesive Forces", Journal of microelectromechanical System, Vol.11, No.6, (2002).
【非特許文献２】金原粲，藤原英夫，「薄膜」，裳華房，１９７９年
【非特許文献３】御堂河内奨，岡保宏，根本幸宏，「電着塗装における均一性向上技術」，塗料の研究，Ｎｏ．１３６，Ａｐｒ．２００１．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述した電着法による有機膜の形成は、自動車の筐体などへの塗装技術であり、半導体装置とともに利用されるマイクロマシンの微細な構造体に適用させる、薄膜形成の技術は提案されていない。
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、マイクロマシンの所望の領域に選択的に有機膜が形成できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係るマイクロマシンの製造方法は、例えば半導体からなる基板の上に導電性を備える第１構造体が形成された状態とする第１工程と、導電性を備える第２構造体が、第１構造体とは絶縁分離して基板の上に形成された状態とする第２工程と、第１構造体及び第２構造体を、カチオン種が含まれた電着液中に浸漬し、第１構造体と第２構造体の少なくとも１つに電圧を印加し、第１構造体の表面と第２構造体の表面との少なくとも１つに、電着によりカチオン種から構成された有機薄膜が形成された状態とする第３工程とを備えるようにしたものである。
従って、基板の上に形成された構造体に選択的に有機薄膜が形成される。
【００１０】
上記マイクロマシンの製造方法において、第２構造体は、基板の表面と離間して所定の方向に延在する可動部分を備えた可動構造体であり、第１構造体は、可動部分の動作を制御する制御電極である。
上記マイクロマシンの製造方法において、カチオン種は、スルフォニウムイオンであればよい。
【００１１】
また、上記マイクロマシンの製造方法において、第３工程は、電着液の液温を所定温度以下として行うことで、形成される有機薄膜の最大膜厚が制限されるようになる。また、第３工程は、所定値以下の電圧を印加する用にすることで、形成される有機薄膜の最大膜厚が制御（可変）できるようになる。
【発明の効果】
【００１２】
以上説明したように、本発明によれば、カチオン種が含まれた電着液を用いた電着により、第１構造体の表面と第２構造体の表面の少なくとも１つに有機薄膜が形成された状態とすることで、基板の上に形成された構造体に選択的に有機薄膜が形成されるようにしたので、マイクロマシンの所望の領域に選択的に有機膜が形成できるようになるという優れた効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の要諦をなす最も簡単な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マイクロマシンの製造法の一例を示す工程図である。
まず、図１（ａ）に示すように、例えば、熱酸化法ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などにより、シリコンからなる半導体基板１０１上に絶縁層１０２が形成された状態とする。次に、金／クロムもしくは金／チタンの膜を、順次、蒸着法などにより形成し、これらの金属膜を公知のフォトリソグラフィ技術とウエットエッチングによって加工することで、所望の形状からなる可動部電極１０４及び制御電極（第１構造体）１０５が、絶縁層１０２の上に形成された状態とする。
【００１４】
ついで、可動部電極１０４と制御電極１０５を含む絶縁層１０２上に、ＣＶＤ法によって酸化シリコンの堆積膜を形成し、この膜をパターニングすることで、図１（ｂ）に示すように、可動部電極１０４の一部が露出する開口部１０６ａを備えた犠牲膜１０６が形成された状態とする。
次に、犠牲膜１０６上に、ＣＶＤ法によってポリシリコンを堆積し、開口部１０６ａ内を充填した状態でポリシリコン膜を形成した後、このポリシリコン膜を公知のフォトリソグラフィ技術とウエットエッチングによって加工し、図１（ｃ）に示すように、支持部１０７及びこれに支持された可動部（第２構造体）１０８が形成された状態とする。
【００１５】
ついで、フッ酸溶液によるウエットエッチングによって、酸化シリコンからなる犠牲膜１０６を選択的に除去し、図１（ｄ）に示すように、制御電極１０５の上に延在する可動部分を備えた可動部１０８が支持部１０７に支持された状態で形成された状態とする。可動部１０８は、上記可動部分が制御電極１０５の上に所定距離離間して配置され、制御電極１０５に電気信号を印加することで、電界の作用により上記可動部分が所定の方向に作動（変位）する。このように、可動部分は、制御電極１０５により動作が制御される。
【００１６】
次に、カチオン種であるスルフォニウムイオンを含有する電着液（例えば、日本ペイント（株）、ＩＮＳＵＬＥＥＤ）に、上述した可動部電極１０４，支持部１０７，及び可動部１０８が形成された半導体基板１０１と白金からなる対向電極とを浸漬し、可動部電極１０４，支持部１０７，及び可動部１０８に負電圧を印加するとともに、上記対向電極に正電圧を印加する。すなわち、可動部電極１０４，支持部１０７，及び可動部１０８を負極とし、対向電極を正極として電着液中に浸漬し、定電圧源を用いて電圧を印加し、カチオン電着を行う。
【００１７】
以上の操作により、電着液に分散（溶解）している有機薄膜形成材料が、負電圧が印加された可動部電極１０４，支持部１０７，及び可動部１０８の表面に析出し、これら表面に膜厚数十ｎｍ〜５μｍ程度の有機薄膜１０９が形成された状態が得られる（図１（ｅ））。上記電着液に分散（溶解）している材料は、負電圧が印加されていない絶縁層１０２及び制御電極１０５表面には付着せず、負電圧が印加されている部分に選択的に析出して有機薄膜１０９を形成する。
【００１８】
なお、本実施の形態では、支持部１０７及び可動部１０８をポリシリコンから構成し、可動部電極１０４及び制御電極１０５を金／クロムもしくは金／チタンから構成したが、これらは、電着により有機薄膜１０９が形成できる導体であれば良い。上述の導体として、例えば、銅／クロムもしくは銅／チタン、あるいは、ＳＵＳ、鉄などの金属や、あるいは、高濃度にドーピングしたｎ形シリコン、あるいは、高濃度にドーピングしたｐ形シリコン、あるいは、ポリアセチレン、ポリアズレン、ポリフェニレン、ポリフェニレンビニレン、ポリアセン、ポリフェニルアセチレン、ポリジアセチレンなどの炭化水素系導電性ポリマーや、あるいは、ポリピロール、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリチエニレンビニレンなどのヘテロ原子含有系導電性ポリマーや、あるいは、電荷移動錯体でも構成できる。
【００１９】
また、上述では、可動部電極１０４，支持部１０７，及び可動部１０８のみに有機薄膜１０９を形成するようにしたが、これに限定されるものではない。例えば、選択的に制御電極１０５に負電圧を印加することで、制御電極１０５だけに有機薄膜１０９を形成することができる。また、可動部１０８（可動部電極１０４及び支持部１０７を含む）と制御電極１０５との両方に負電圧を印加することで、可動部１０８（可動部電極１０４、及び、支持部１０７を含む）と制御電極１０５との両方に有機薄膜１０９を形成することも可能である。
【００２０】
また、上述では、電着液としてスルフォニウムイオンを含有する液を用いたが、カチオン種を含有する液であればこれに限定されるものではない。
【００２１】
次に、本発明の実施の形態における他のマイクロマシンの製造方法例について説明する。図２は、本発明の実施の形態におけるマイクロマシンの製造法を示す工程図である。
まず、図２（ａ）に示すように、例えば、ｎ形の不純物が高濃度にドーピングされた膜厚２μｍ程度のシリコン層２１０と膜厚４μｍ程度の埋め込み絶縁層２０２とシリコン基板部２０１から構成されるＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用意する。ついで、シリコン層２１０公知のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術によって加工し、図２（ｂ）に示すように、所望の形状からなる支持部２０７及び可動部２０８が、埋め込み絶縁層２０２の上に形成された状態とする。
【００２２】
ついで、図２（ｃ）に示すように、支持部２０７及び可動部２０８を含む埋め込み絶縁層２０２の上に、例えばチタンからなる膜厚０．１μｍ程度の下部シード層２０３ａが形成された状態とし、続いて、下部シード層２０３ａ上に、例えば金からなる膜厚０．３μｍ程度の上部シード層２０３ｂが形成された状態とする。ついで、この上にレジストを塗布して形成したレジスト膜をパターニングし、上部シード層２０３ｂの一部が露出する開口部２０６ａを備えたレジスト膜２０６が形成された状態とする。
【００２３】
次に、レジスト膜２０６の開口部２０６ａに露出した上部シード層２０３ｂ上に、電解メッキ法により金からなる金属パターン２０５が形成された状態とする。金属パターン２０５は、上面が、支持部２０７及び可動部２０８と同じ高さに形成された状態とし、金属パターン２０５，支持部２０７，及び可動部２０８の表面により、ほぼ同一平面が形成される平坦な状態とする。形成された金属パターン２０５は、同一材料である金から構成された下層の上部シード層２０３ｂと一体となる。また、金属パターン２０５と可動部２０８との各々の対向面は、例えば、２〜４μｍ程度離間している。
【００２４】
次に、レジスト膜２０６を除去した後、金属パターン２０５をマスクとし、ヨウ素／ヨウ化アンモニウム溶液を用いたウエットエッチング法により金からなる上部シード層２０３ｂを選択的にエッチング除去し、続いて、フッ酸溶液によるウエットエッチングでチタンからなる下部シード層２０３ａを選択的に溶解させて除去し、図２（ｄ）に示すように、制御電極２１５が形成された状態とする。制御電極２１５は、一部の下部シード層２０３ａ，一部の上部シード層２０３ｂ，及び金属パターン２０５から構成されている。
【００２５】
更に、これらの上にレジストを塗布してレジスト膜を形成し、レジスト膜をパターニングすることで支持部２０７の一部が露出する開口部を備えたレジストパターンを形成し、開口部に電解メッキ法により金をメッキすることで、図２（ｅ）に示すように、金からなる可動部電極２０４が、支持部２０７の上に形成された状態とする。
【００２６】
次に、カチオン種であるスルフォニウムイオンを含有する電着液（例えば、日本ペイント（株）、ＩＮＳＵＬＥＥＤ）に、上述した制御電極２１５が形成された基板と白金からなる対向電極とを浸漬し、制御電極２１５に負電圧を印加するとともに、上記対向電極に正電圧を印加する。すなわち、制御電極２１５を負極とし、対向電極を正極として電着液中に浸漬し、定電圧源を用いて電圧を印加してカチオン電着を行う。
【００２７】
以上の操作により、電着液に分散（溶解）している有機薄膜形成材料を、負電圧が印加された制御電極２１５の表面に析出させ、図２（ｆ）に示すように、制御電極２１５の露出している表面に膜厚０．２μｍ程度の有機薄膜２０９が形成された状態とする。上記電着液に分散（溶解）している材料は、負電圧が印加されていない埋め込み絶縁層２０２，可動部電極２０４，支持部２０７，及び可動部２０８の表面には付着せず、負電圧が印加されている部分に選択的に析出して有機薄膜２０９を形成する。
【００２８】
なお、本実施の形態では、可動部２０８を高濃度にドーピングしたｎ形シリコンから構成し、制御電極２１５を金／クロムもしくは金／チタンから構成したが、これらは、電着により有機薄膜２０９が形成できる導体であれば良い。上述の導体として、例えば、銅／クロムもしくは銅／チタン、あるいは、ＳＵＳ、鉄などの金属や、あるいは、高濃度にドーピングしたｐ形シリコンもしくはポリシリコン、あるいは、ポリアセチレン、ポリアズレン、ポリフェニレン、ポリフェニレンビニレン、ポリアセン、ポリフェニルアセチレン、ポリジアセチレンなどの炭化水素系導電性ポリマーや、あるいは、ポリピロール、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリチエニレンビニレンなどのヘテロ原子含有系導電性ポリマーや、あるいは、電荷移動錯体でも構成できる。
【００２９】
また、上述では、制御電極２１５だけに有機薄膜２０９を形成するようにしたが、これに限定されるものではない。例えば、可動部電極２０４を形成する前に、支持部２０７及び可動部２０８のみに負電圧を印加することで、選択的に支持部２０７及び可動部２０８に有機薄膜２０９を形成することができる。
【００３０】
また、可動部電極２０４を形成する前に、可動部２０８（支持部２０７を含む）に負電圧印加し、可動部電極２０４を形成した後、制御電極２１５に負電圧印加することで、可動部２０８（支持部２０７を含む）及び制御電極２１５の両方に有機薄膜２０９を形成することもできる。
【００３１】
なお、フッ酸溶液によるウエットエッチングで埋め込み絶縁層２０２を選択的に溶解させて除去した後に、制御電極２１５の表面に電着により有機薄膜２０９が形成された状態としてもよい。
また、上述では、電着液としてスルフォニウムイオンを含有する液を用いたが、カチオン種を含有する液であればこれに限定されるものではない。
【００３２】
最後に、フッ酸溶液によるウエットエッチングで埋め込み絶縁層２０２を選択的に溶解させて除去することで、図２（ｇ）に示す、支持部２０７が絶縁層２１１を介してシリコン基板部２０１の上に固定され、有機薄膜２０９に表面を保護された制御電極２１５が、絶縁層２１２を介してシリコン基板部２０１の上に固定された状態が得られる。図３の斜視図に示すように、可動部２０８は、支持部２０７の１つの角より延在した棒状構造体であり、可動部２０８は、制御電極２１５に電気信号を印加することで、電界の作用により所定の方向に作動する。
【００３３】
次に、図１に示したマイクロマシンにおける有機薄膜１０９の形成について、より詳細に説明する。電着の工程において、印加電圧を７Ｖのもとで、電着液（日本ペイント（株）、ＩＮＳＵＬＥＥＤ）の温度を２２．５℃から３５℃の範囲で可変させてカチオン電着を行い、形成された有機薄膜の膜厚を測定する。なお、負極表面に析出した有機薄膜は、１０分間水洗した後、引き続いて２３０℃で４０分のアニール処理をする。また、膜厚の測定は、触針式段差計で行う。
【００３４】
図４は、上述した膜厚の測定結果として温度と電着膜厚との関係を示す特性図である。
図４に示すように、電着液の温度（液温）が３０℃未満では、電着時間に無関係することなく、最大で膜厚２μｍ程度に有機薄膜が形成され、これ以上厚く形成されることがない。このように、本実施の形態によれば、電着液の温度を３０℃未満にすることで、有機薄膜の形成を自動的に停止させることが可能になり、電着時間を制御する必要がない。従って、電着処理時の電着液の温度を、所定の温度以下とすることで、処理時間に対するプロセスマージンを大きくすることができ、製造工程に余裕を与えることができる。
【００３５】
次に、印加電圧と形成される電着膜との関係について説明する。まず、電着の工程において、電着液の温度を２２．５℃に固定した条件とし、印加電圧を６Ｖから３０Ｖの範囲に変化させてカチオン電着を行い、形成された有機薄膜の膜厚を測定する。また、上述と同様に、負極表面に析出した有機薄膜は、１０分間水洗した後、引き続いて２３０℃で４０分のアニール処理をする。また、膜厚の測定は、触針式段差計で行う。
【００３６】
図５は、上述した膜厚の測定結果として印加電圧と電着膜厚との関係を示す特性図である。図５に示すように、電着液の温度が２５．５℃の条件で印加電圧を制御することで、電着膜の最大厚さを制御することが可能となる。例えば、印加電圧を３０Ｖ以下にすることで、電着により形成される有機膜の最大膜厚を、５μｍ以下にすることが可能となる。
従って、ＭＥＭＳデバイスなどの微小で複雑な三次元構造体に対し、５μｍ以下の一定（飽和）膜厚を有する有機薄膜などの不導体形成が可能となる。
【００３７】
以上に説明したように、電着液の温度を所定温度以下とし、また、印加電圧を所定電圧以下とすることで、電着処理の時間にかかわらず、５μｍ以下と薄い有機薄膜を、所望の箇所に形成することが可能となる。例えば、電着液に「日本ペイント（株）、ＩＮＳＵＬＥＥＤ」を用いる場合、電着液の温度を２５．５℃以下とし、印加電圧を６Ｖ以下とすることで、２μｍ以下の膜厚の有機薄膜を、マイクロマシンの所望の電極の表面に形成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施の形態におけるマイクロマシンの製造法の一例を示す工程図である。
【図２】本発明の実施の形態における他のマイクロマシンの製造方法例について説明する工程図である。
【図３】マイクロマシンの構成例を示す斜視図である。
【図４】膜厚の測定結果として温度と電着膜厚との関係を示す特性図である。
【図５】膜厚の測定結果として印加電圧と電着膜厚との関係を示す特性図である。
【図６】マイクロマシンにおける可動部の駆動を説明する説明図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０１…半導体基板、１０２…絶縁層、１０４…可動部電極、１０５…制御電極、１０６…犠牲膜、１０６ａ…開口部、１０７…支持部、１０８…可動部、１０９…有機薄膜。
【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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