(57)【要約】  ＭＥＭＳ素子の所望の輪郭に順応するミクロン寸法の表面を形成する方法であって、その上面に凹部を有する結晶質シリコン基板を提供する工程、前記基板の上面に結晶質シリコンの薄層を提供する工程、前記層を前記基板に真空条件で融着する工程、及び前記層に熱及び圧力を加え、前記凹部内に前記層を所望の輪郭に塑性変形させる工程を具備する方法。基板は、ジップ原理に基づき動作する静電ＭＥＭＳ素子の固定電極を形成する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所望の輪郭に順応するミクロン寸法の表面を形成する方法であって、その表面に凹部を有する基板を提供する工程、前記基板の表面に所定の材料層を提供し、前記凹部を覆う工程、前記層の少なくともエッジ領域を前記基板に接合する工程、及び前記層に熱及び圧力を加え、前記凹部内に前記層を所望の輪郭に塑性変形させる工程を具備する方法。
【請求項２】
前記層は、更なる塑性変形を防止するのに有効である、前記凹部の表面に隣接するように塑性変形する請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記層は、その後の熱の付加が塑性変形を可能とし、前記凹部内に前記層を引き入れるように、前記凹部と層との間の空間は、真空圧を形成するように排気される請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記層は、前記基板表面に融着される請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記塑性変形は、外部大気圧下で生ずる請求項３又は４に記載の方法。
【請求項６】
前記所望の輪郭は、１ｍｍ〜５０ｍｍの幅又は径、及び５０〜１０００ミクロンの深さを有する皿状である請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
前記層を構成する材料は、結晶質シリコンである請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
前記基板は、結晶質シリコンの層を備え、隔膜は更により薄い結晶質シリコンの層を備える請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記層を構成する材料は、ガラスである請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
前記塑性変形した層に、少なくとも１つのベント孔を有する請求項１〜９のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
前記凹部は、グレイスケールエッチングにより形成される請求項１〜１０のいずれかに記載の方法。
【請求項１２】
その表面に凹部を有する基板、及び前記基板に接合され、所望の輪郭に順応する凹部の表面を構成するように塑性変形した所定の材料の単一層を備えるＭＥＭＳ素子。
【請求項１３】
前記所定の材料は、結晶質ガラス及びガラスの一方である請求項１２に記載の素子。
【請求項１４】
前記凹部の表面は、１ｍｍ〜５０ｍｍの幅又は径、及び５０〜１０００ミクロンの深さを有する皿状である請求項１２又は１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記凹部の表面に形成された少なくとも１つのベント孔を有する請求項１１〜１４のいずれかに記載の素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ミクロンスケールで素子を製造する方法、及びそのようにして製造された素子、特に、これのみではないが、静電アクチュエータとして使用されるＭＥＭＳ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
静電力の影響で移動する片持ちばりのような部品を有するＭＥＭＳ素子が周知である。いわゆる「ジップ（ＺＩＰ）」原理で動作する静電ＭＥＭＳアクチュエータが知られており可動部分がより大きい変位を示すという利点を有する。J.-R. Frutos, Y. Bailly, C. Edouard, F. Bastien & M. de Labachelerie, Microactionneurs electrostatiques pour le controle aerodynamique, 39eme colloque d'Aerodynamique Appliquee, March 22-24 2004, Paris, France
J.-R Frutos, Y. Bailly, D. Vernier, J.-F Manceau, F. Bastien, M. de Labachelerie, "An electrostatically actuated valve for turbulent boundary layer control", session A1L-E, 4th IEEE Intl. Conf. on Sensors, Irvine, California, Oct 31- Nov 1, 2005.を参照のこと。
【０００３】
ジップ素子は、固定電極と可動電極とを有する。可動電極が固定電極に向って移動するに従って、可動電極は一方の端部から固定電極と徐々に接触するに至る。そのため、電極は、ジップファスナーに類似の形で一緒に移動する。「ジップ」の動作原理は、次の通りである。２つの平行電極間の静電圧力（ｐｅｌ）は、以下の式で与えられ、（Ｖ）は電圧、（ｄ）は電極間のギャップ、（ε０）は真空の誘電率である。
【０００４】
ｐｅｌ＝（ε０／２ｄ２）Ｖ２
静電力は、電極間の距離の二乗に逆比例し、電極間のギャップが最小のときに、利用可能な最大の力が生ずる。可動及び静止電極間の閉鎖点において小さいギャップが常に維持されるように電極を配置することにより、大きい偏向を生ずることが可能である。可動電極がぶれるに従って、それと固定電極との間の閉鎖点は、それ及び電極「ジップ」と一緒に移動する。このように電極を配置することにより、そうでない場合に平行電極により得られるよりも、より大きい偏向を達成することが可能である。
【０００５】
ジップ効果は、順応する可動電極、及び所定の形状及び輪郭の固定電極の使用により達成される。最大の効果を得るためには、固定電極の表面は、段差のないなだらかな連続した輪郭を有することが望ましく、可能な限り平滑な表面仕上げを有するのが好ましい。
【０００６】
一般に、ＭＥＭＳ素子は、結晶質シリコンの基板を有し、それは任意の形状のなだらかな輪郭の形成のためには問題がある。通常の微細加工技術は一般に平面的であり、シリコンの平面形状を形成する方法は普通ではない。２つの深い反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）技術（「ＤＲＩＥ  ｌａｇ」としても知られている、グレイスケールマスキング及びアスペクト比誘引差動（differencial）エッチング）が提案されたが、これらの方法により生成された表面は、ジップアクチュエータの用途には荒れすぎており、大きい深さでエッチングされた断面輪郭には問題がある。グレイスケールマスキングでは、サイズが可変な伝播光のためのサブ解像度領域を有する画素に、リソグラフマスクが分割される。
【０００７】
マスクを通しての露光後のホトレジスト材料は、サブ解像度領域に応じた可変深さを有している。ＤＲＩＥプロセスによるホトレジストのエッチングにより、基板表面に所望の傾斜が生ずるであろう。ＤＲＩＥプロセスの詳細は、「“Microfabrication of 3D silicon MEMS structures using gray-scale lithography and deep reactive ion etching”, C.M. Waits et al,, Sensors and Actuators A 119 (2005) 245-253」に記載されている。この技術によりなだらかな輪郭を達成することは可能ではあるが、よりなだらかで滑らかな輪郭が望まれている。
【０００８】
米国特許第６,７２４,２４５及び第６,５１４,３８９には、その製造のある段階で、その表面に少なくとも１つの凹部を有する半導体ウエハーについて開示されている。この凹部を埋めるため、及びその後のプロセスのために平らなウエハー表面を提供するために、凹部は、試料表面上に金属層のサンドイッチを堆積し、熱及び圧力を加えてサンドイッチを変形させて凹部を充填することにより、埋められる。
【０００９】
ＵＳ−Ａ−２００３／０２３１９６７には、湾曲したポンプ電極が、酸化物／ポリシリコン／窒化物のサンドイッチ層をへこませることにより形成されることが開示されている。そのような層は、基板の表面に形成され、このサンドイッチを介して基板内にＤＲＩＥによりエッチングされ、孔が形成される。その後、この孔を介してシリコンのウエットエッチングによりサンドイッチの下に凹部が形成され、サンドイッチに固有のストレスが、湾曲した形状への弾性変形及びサンドイッチのへこみを生じさせる。変形が弾性的であるので、ある条件、例えば温度変化のような条件の下で変形が失われるか又は変化し、或いはサンドイッチの層を除去するためのその後の処理の必要性が生ずる。
【００１０】
異なる、関連しない分野では、「Huff, M.A. Nikolich, A.D. Schmidt, M.A. in: Solid-State Sensors and Actuators, 1991. Digest of Technical Papers, TRANSDUCERS '91., 1991 International Conference : 24-27 June 1991  pages: 177  180」には、機械的ヒステリシスをもった閾値圧力スイッチについて報告されている。ウエハーの貼り合わせにより形成された封止キャビティ内のトラップされたガスの膨張が、キャビティ上に接着されたシリコン薄膜を塑性変形させて、球形のキャップを形成するために使用される。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の概念は、基板内の凹部上に置かれたシリコンの層又は隔膜を提供することにより、ＭＥＭＳ素子のための所望の輪郭を形成することに基づいている。前記層は、次いで熱及び力の付加により凹部の表面に向って塑性変形される。得られたシリコン層の表面は非常になめらかであり、所望の輪郭に順応する。上述したように、シリコンの塑性変形は、他の関連しない分野で報告されているが、本発明によるシリコンの塑性変形は、これまで報告されていない。
【００１２】
本発明は、第１の態様において、所望の輪郭に順応するミクロン寸法の表面を形成する方法を提供し、この方法は、その表面に凹部を有する基板を提供する工程、前記基板の表面に所定の材料層を提供し、前記凹部を覆う工程、前記層の少なくともエッジ領域を前記基板に接合する工程、及び前記層に熱及び圧力を加え、前記凹部内に前記層を所望の輪郭に塑性変形させる工程を具備する。
【００１３】
好ましくは、層は、凹部を囲む領域において基板に接着され、凹部と層との間の空隙は、真空圧を形成するように排気される。熱の付加が塑性変形及び凹部の荒れた輪郭に層を引き入れることを可能とする。層の変形は、層が凹部の表面に係止するときに、凹部の表面が、更に変形することのストップとして作用することにおいて、凹部により制御される。
【００１４】
排気されるキャビティのため、層の前後の圧力差は、十分に独立に制御され得る。即ち、温度に依存しない。圧力と温度の組合せは、採用される材料に適合するように使用される。その後、変形を安定化するために、塑性変形された層に、ベント孔が形成される。
【００１５】
本発明による方法は、一般に、上述のグレースケールエッチングプロセスよりも、より平滑でより正確な輪郭を生成する。或いは、本発明のプロセスは、必要な程度の平滑性及び正確さで、グレースケールプロセスよりも、より簡単かつ安価に、輪郭を生成する。本発明のプロセスは、歪みのメカニズムが結晶格子の転位の移動を含むので、一般に非常に平滑である。転位の段差は、数原子間距離、数百ピコメートル、即ち上述のグレースケールプロセスよりも２−３桁小さい。ガラスのようなアモルファス材料の場合は、転位から生ずる結晶の段差がないので、平滑であろう。そのため、本発明によると、原子スケールで平滑である連続表面を生成することが可能である。これに対し、アスペクト比誘因ＤＲＩＥ  ｌａｇにより生じた傾斜は、通常、数ミクロンの（比較的顕著な）段差を有する。
【００１６】
好ましくは、基板は、所望のプラットフォームに順応し、所望の深さの凹部形状で、凹部が形成されている。他の態様では、凹部は、グレースケールエッチングされる。例えば、グレースケールエッチングによる段差において、キャビティの床を成形することにより、より良好な形状制御が可能である。
【００１７】
基板の材料は、結晶質シリコン叉はパイレックス（登録商標）ガラスのようなガラスである。ある用途では、例えば、金属、セラミック、及び熱可塑性ポリマー、叉は所定の条件下で弾性から可塑性への転移を示す他の材料を用いることができる。
【００１８】
前記層の寸法に関し、その幅及び径は、ミルメートルのオーダー、即ち１ｍｍ〜５０ｍｍである。凹部内の変形層の深さは、１００ミクロンのオーダーであり、即ち、５０〜１０００ミクロンである。
【００１９】
第２の態様では、本発明は、その表面に凹部を有する基板、及び前記基板に接合され、所望の輪郭に順応する凹部の表面を構成するように塑性変形した所定の材料の単一層を備えるＭＥＭＳ素子を提供する。
【００２０】
本発明のＭＥＭＳ素子は、様々な用途に用いることができる。１つの好ましい態様では、それは、上述の型のジップ静電アクチュエータにおいて、平滑でゆるやかな輪郭の表面を有する固定電極を提供するために使用される。或いは、この素子は、他の用途、例えば光学用途に使用するためのレンズを構成するために使用される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の好ましい実施形態は、シリコンで製造された皿型の固定電極を備える。より厚い基体ウエハに必要な深さに凹部をエッチングにより形成することにより、真空キャビティが形成される。より薄いキャップ層叉は隔膜が、真空下で基体ウエハに接合される。ウエハは、次いで、大気圧下で、塑性流がシリコンに生じる温度を超える温度に加熱され、シリコン隔膜の前後に生じる圧力差が、歪みプロセスを引き起こすに必要な負荷を提供する。塑性変形プロセスを引き起こすために大気圧が使用されるので、このことは、キャップ隔膜の全面上に均一に加えられる負荷を生じ、平滑な曲面を生ずる。
【００２２】
図１〜３を参照すると、６ｍｍ×１０ｍｍの矩形Ｒ及び１２ｍｍ径の円形キャビティＣのセットを生成した結晶質シリコンに、パターンが形成された。それぞれのキャビティは、図１に示すプロセスにより形成された。
【００２３】
このように、図１（Ａ）は、基板１を形成するシリコンウエハの一部を示す。
【００２４】
図１（Ｂ）では、凹部４のキャビティがＤＲＩＥ（深い反応性イオンエッチング）を用いて、基板２に必要な深さにエッチングされる。
【００２５】
図１（Ｃ）では、薄いキャップウエハ叉は層６が、凹部４を覆い、真空下で基板ウエハ２に接合される。
【００２６】
図１（Ｄ）では、接合されたウエハが高温及び大気圧下でアニールされる。これにより、キャビティ内のキャップ層の塑性変形が生ずる。シリコンキャップウエハの塑性変形は、キャビティの深さにより制限され、そのとき、キャップウエハは凹部の基部と接触し、更なる変形が防止される。
【００２７】
それぞれのキャビティ４は、５２５μｍの厚さの基板ウエハ２に１００μｍの深さにエッチングを施すことにより形成される。洗浄後、１５０μｍの厚さのキャップウエハ６が、熱及び機械的圧力を含む直接融着により、真空下でベースウエハに接着される。その条件は、例えば、真空＜１０−４ｍバール、温度５００℃、３時間、及び１０００ニュートンの機械的圧力である。
【００２８】
接合されたウエハは、大気圧下、窒素中、１０００℃で４時間、アニールされる。この高温アニールは、融着プロセスを完了し、所定の形でキャップウエハの塑性変形を生じさせる。
【００２９】
図２及び３は、キャップウエハの表面及び得られた歪みを示す。歪んだ表面の測定は、明白な段差及びキンクのない、端部から中央部にかけて平滑な対称曲面を示した。歪みは、キャップウエハが真空キャビティの基部に接触したときに停止し、そのため、この方法は、最終的な曲面に対する良好な制御性を与える。
【００３０】
その程度の塑性変形が確立されるように、圧力差を解消するためにキャップウエハがエッチングされて、孔Ｈが形成される。キャビティがベントされる前後に行われた最大のキャビティ深さの測定は、事実上、差がない（＜１μｍ）ことを示し、これは、歪みの主要部分がシリコンの塑性流によるものであり、そのため永久であることを示した。１２ｍｍ径の円形のキャビティＣの１つの断面図が描かれ、図４に示され、その断面は、弾性戻りの小さいしるしを示した。基板が固定電極を形成する静電アクチュエータの用途のためには、このことは、キャビティがベントされる固定電極の下に形成されることを可能とし、そのためその形状及び偏向は、アクチュエータの使用中の周囲圧力のその後の変化により影響されないであろう。
【００３１】
圧力差により負荷が加えられるので、ある知られた圧力でキャビティをシールし、アニール工程中に外圧を変化させることにより、同様の効果を達成することができる。このことは、最終のキャビティの深さをより微細にコントロールすることを可能とする。一般に、キャップウエハの構造の剛性が、キャビティウエハのそれよりも小さい必要があり、そのため歪みはキャビティウエハにのみ生じるが、構造の剛性は厚さの３乗に比例し、例えば、厚さが２倍になると曲げ抵抗は８倍となるので、このことは、配列が困難すぎるものではない。単結晶シリコンは、高度に異方性であり、その降伏応力は、温度及び結晶配列の双方により変化し、そのため、ウエハの型の選択は、正確なプロセス条件とある関係にある。シリコンに関するより詳細な情報は、「Fruhauf et al, J. Micromech. Microeng. 9 (1999) 305-312 “Silicon as a plastic material”」に記載されている。
【００３２】
明確な降伏応力は、このプロセスが自己制限的であることを意味している。このプロセス条件は、キャップ隔膜の中心が真空キャビティの基部に接触するまで降伏が続行するように支持されていないシリコン隔膜の応力が降伏点以上であるように、適合されている。この点において、過剰の支持は、隔膜の応力を降伏点以下に低下させ、そのため更なる塑性歪みは生じ得ない。
【００３３】
他の実施形態は、キャップ層として陽極接合されたパイレックス（登録商標）ガラスの使用を含むものである。３００μｍの厚さのパイレックス（登録商標）ウエハ及び４２５μｍの厚さのシリコンウエハを用いて、テストが行われた。前のとおり、シリコンウエハに１００μｍのキャビティがエッチングにより形成された。パイレックス（登録商標）は、真空下４００℃で陽極接合された。接合が完了すると、温度が５５０℃に上昇され、接合チャンバー内が大気圧下で窒素によりパージされた。これらの条件は、ウエハが室温に冷却された後、３０分間保持された。ウエハを試験したところ、上述のように、ガラスの塑性変形が示された。このプロセスは、パイレックス（登録商標）の塑性流に必要な温度（５００−５５０℃）がシリコンの塑性流に必要な温度（＞７００℃）よりかなり低いので、設計により柔軟性を与え、歪みはキャップ層のみに制限され得る。このファクターは、非常に薄いウエハを、キャップ層及びキャビティ層の双方に用いることを可能とする。この変形例は、接合及び変形工程が、加工され得る材料の範囲を広げることに加えて、接合装置内のその場で単一のプロセスで行われ得るという利点を有する。
【００３４】
図５を参照すると、この図は、模式的に、ジップ原理に基づき動作し、図１を参照して上述したように形成された、平滑でゆるやかな輪郭の表面１２を有する固定電極１０を備える静電アクチュエータを示す。柔軟性電極１４は、その表面１２上で固定電極の上面に固定される。図５Ａに示すように、柔軟性可動電極１４は、動作の際に最初に、その外側端部から固定電極１０の曲面１２に引っ張られる。図５Ｂでは、電極１４の端部領域が表面１２に接触するに至るので、柔軟性可動電極の周縁部の回りの「消滅」ギャップ１６は、最大の利用可能な力を維持する。図５Ｃでは、ギャップ１６は、表面１２の中心に向って閉じている。得られた結果は、可動電極１４を大きい変位で偏向させることである。
【００３５】
以上の実施形態との関係で記載された特徴は、それ単独で、又は他の実施形態若しくは他の実施形態の任意の組合せに記載された１つ又はそれ以上の特徴との組合せで、用いることができる。更に、以上において記載されていない均等例及び変形例もまた、特許請求の範囲で限定された本発明の範囲を逸脱することなく採用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の好ましい実施形態のプロセスを示す線図である。
【図２】本発明の好ましい実施形態により製造された複数の素子を備えるシリコンウエハを示す図である。
【図３】本発明の好ましい実施形態により製造された複数の素子を備えるシリコンウエハを示す図である。
【図４】本発明の好ましい実施形態による素子の断面図である。
【図５Ａ】本発明の実施形態によるＭＥＭＳ素子の線図である。
【図５Ｂ】本発明の実施形態によるＭＥＭＳ素子の線図である。
【図５Ｃ】本発明の実施形態によるＭＥＭＳ素子の線図である。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【国際調査報告】
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2008517792.tif 000011