(57)【要約】【課題】振動部に対する支持部の振動の影響を防止し、精度良好に振動部を振動させることが可能なマイクロマシを得る。【解決手段】基板２上に立設された支持部１０ａと、支持部１０ａから基板２の上方に空間部Ａを介して延設された振動部１１とを備えたマイクロマシンにおいて、支持部１０ａは、基板２との接合部側が、振動部１１の下方に張り出した形状に成形されている。支持部１０ａと振動部１１とは、同一膜７，８のパターニングにより一体に形成されていても良いし、別体として構成されていても良い。【選択図】　　　　図１
2004130396.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に立設された支持部と、前記支持部から前記基板の上方に空間部を介して延設された振動部とを備えたマイクロマシンにおいて、
前記支持部は、前記基板との接合部側が、前記振動部の下方に張り出した形状に成形されている
ことを特徴とするマイクロマシン。
【請求項２】
請求項１記載のマイクロマシンにおいて、
前記支持部は、上面積よりも底面積が広い柱状であり、
前記振動部は、前記支持部の上面から前記基板の上方に延設されている
ことを特徴とするマイクロマシン。
【請求項３】
請求項１記載のマイクロマシンにおいて、
前記支持部と振動部とは、同一膜のパターニングにより一体に形成されている
ことを特徴とするマイクロマシン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はマイクロマシンに関し、基板上に空間部を介して振動部を設けてなるマイクロマシンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
微細技術の進展に伴い、いわゆるマイクロマシン（ＭＥＭＳ：Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ、超小型電気的・機械的複合体）素子、およびＭＥＭＳ素子を組み込んだ小型機器が注目されている。
【０００３】
ＭＥＭＳ素子は、シリコン基板、ガラス基板等の基板上に微細構造体として形成され、機械的駆動力を出力する駆動体と、駆動体を制御する半導体集積回路等とを、電気的・機械的に結合させた素子である。ＭＥＭＳ素子の基本的な特徴は、機械的構造として構成されている駆動体が素子の一部に組み込まれていることであって、駆動体の駆動は、電極間のクーロン引力などを応用して電気的に行われる。
【０００４】
このようなＭＥＭＳ素子の一例として、いわゆる両持ち梁方式の静電駆動型のＭＥＭＳ素子の構成を、その製造工程順に説明する。先ず、図９（１）に示すように、基板２上に絶縁膜３を介して下部電極４をパターン形成した後、この下部電極を層間絶縁膜５で覆う。次に、図９（２）に示すように、層間絶縁膜５上に、当該層間絶縁膜５に対して選択的にエッチング除去可能な材料（例えばポリシリコン）からなる犠牲層６を形成する。そして、下部電極４を挟んだ両側となる犠牲層６部分に、層間絶縁膜５に達する孔パターン６ａを形成する。その後、図９（３）に示すように、孔パターン６ａの内壁を覆う状態で、絶縁性の下地膜７および電極膜８をこの順に犠牲層６上に形成する。そして、これらの下地膜７および電極膜８をパターニングすることで、２つの孔パターン６ａの内壁を覆う部分を支持部１０とし、これらの支持部１０から下部電極４を跨ぐように基板２の上方に延設された部分を振動部１１とした構造体を形成する。次いで、図９（４）に示すように、支持部１０および振動部１１を構成する下地膜７および電極膜８、さらには下層の層間絶縁膜５に対して選択的に犠牲層６をエッチング除去し、振動部１１の下部に空間部Ａを形成する。
【０００５】
以上により、基板２の上方に空間部Ａを介して、両側の支持部１０から延設された振動部１１を有するＭＥＭＳ素子が得られる。このＭＥＭＳ素子においては、略円柱状の底面および周壁を積層膜で覆った形状の支持部１０と、これに支持された振動部１１とが、同一膜のパターニングにより一体に形成されたものとなる。
【０００６】
このような構成のＭＥＭＳ素子は、振動部１１を構成する電極膜８が上部電極８ａとなる。そして、例えば空間部Ａによって絶縁された下部電極４と上部電極８ａとの間に微小電圧を印加すると、静電現象によって振動部１１が下部電極４に向かって接近し、また、電圧の印加を停止すると、離間して元の状態に戻る。そして、このような振動部１１の動作（振動）により、上部電極８ａの高さを変えて反射する光の強度を変調し、光変調素子として機能する。また、特定の周波数で振動部１１を振動させた周波数フィルタとして機能させることもできる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した構成のＭＥＭＳ素子においては、機械特性を決定するのは、振動部１１の物理的な大きさ、すなわち振動部１１の幅、膜厚、長さである。
【０００８】
しかしながら、上記構造のＭＥＭＳ素子の動作を詳細に検討すると、駆動部１１の動作ほどには検出されないが、振動部１１を支える支持部１０もある動き（振動）を起こすことが知られている。このような、支持部１０の振動は、これを支持する振動部１１の動き（振動）に対して、大きな影響を与えることになり、振動部１１における振動の精度（周波数や振幅の精度）を低下させる要因になる。
【０００９】
また、基板２（層間絶縁膜５）に対する支持部１０の接合部、および支持部１０と振動部１１との接合部には、これらを構成する各薄膜のグレインや、各薄膜を加工する際の各エッジのシャープネスなどにより、歪み（残留応力）が蓄積される。そして、このような歪みも、上述した振動部１１の振動の精度を低下させる要因となっている。
【００１０】
そこで本発明は、振動部に対する支持部の振動の影響を防止し、精度良好に振動部を振動させることが可能なマイクロマシを得ることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するための本発明は、基板上に立設された支持部と、この支持部から基板の上方に空間部を介して延設された振動部とを備えたマイクロマシンにおいて、支持部が次のような構成であることを特徴としている。すなわち、支持部は、基板との接合部側が、振動部の下方に張り出した形状に成形されている。
【００１２】
このような構成のマイクロマシンによれば、振動部を支持する支持部における基板との接合部側が、振動部の下方に張り出している。このため、振動部を基板側に接近させた場合に、基板との接合部を支点として支持部が振動部側に引っ張られ難くなり、振動部の動きに連動する支持部の動きが小さく抑えられる。したがって、振動部の振動に対する支持部の振動の影響を小さく抑えることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のマイクロマシンの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下の各実施形態で説明するマイクロマシン（いわゆるＭＥＭＳ素子）は、基板上に空間部を介して振動部を設けてなるマイクロマシンであり、例えば光変調素子を構成するものであることとする。また、図９（４）に示した従来のマイクロマシンと同様の構成要素には同一の符号を付して説明を行うこととする。
【００１４】
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態のマイクロマシンの構成を示す断面図である。この図に示す第１実施形態のマイクロマシンが、図９（４）を用いて説明した従来のマイクロマシンと異なるところは、支持部１０ａの形状にあり、他の部分の構成は同様であることとする。
【００１５】
すなわち、この図に示すマイクロマシンは、基板２、この上部に絶縁膜３を介してパターン形成された下部電極４、下部電極４を埋め込む状態で形成された層間絶縁膜５、層間絶縁膜５上に立設された支持部１０ａ、および両端部が支持部１０ａに支持された振動部１１で構成されている。
【００１６】
ここで、支持部１０ａおよび振動部１１は、下地膜７上に電極膜８を設けた積層膜をパターニングしてなるもので、一体に形成されていることとする。
【００１７】
そして、支持部１０ａは、下部電極４を挟んだ両側において層間絶縁膜５に接合された積層膜部分を上方に立ち上げた形状を有している。また、振動部１１は、各支持部１０ａを構成する積層膜の上端部分を屈曲させ、さらに帯状に成形した膜部分を下部電極４上を跨ぐ状態で支持部１０ａ−１０ａ間に掛け渡したブリッジ状とすることで、層間絶縁膜５上に中空部Ａを介して配置されている。
【００１８】
そして特に、本第１実施形態においては、基板２表面に対して略平行に設けられた振動部１１から、この振動部１１と一体に形成された支持部１０ａにかけて積層膜が鋭角をなして屈曲されており、これにより支持部１０ａの下部（基板２上を覆う絶縁膜５との接合部）側が、振動部１１の下方に張り出した形状に成形されているところが特徴的な構成となっている。ここで、振動部１１から支持部１０ａにかけての積層膜の屈曲部分は、微視的に見てＲ状をなしていても良い。
【００１９】
次に、図２および図３の製造工程図を用い、本第１実施形態のマイクロマシンのさらに詳しい構成を、その製造工程順に説明する。尚、ここで示す製造工程は、上記構成のマイクロマシンを形成するための一例であり、本第１実施形態のマイクロマシンは、このような製造方法によって限定されるものではない。
【００２０】
先ず、図２（１）に示すように、例えば例えばシリコン（Ｓｉ）やガリウム砒素（ＧａＡｓ）などの半導体からなる基板２上を、例えば酸化シリコンからなる絶縁膜３で覆う。尚、基板２と絶縁膜３とを一体とし、ガラス基板のような絶縁性基板を用いても良い。
【００２１】
次に、絶縁膜３上に、例えば不純物をドーピングした多結晶シリコン膜や、金属膜（例えばＷ蒸着膜）などをパターニングしてなる下部電極４を形成する。そして、この下部電極４を埋め込む状態で、例えば酸化シリコン上に窒化シリコンを積層してなる層間絶縁膜５を、絶縁膜３上に形成する。尚、下部電極４の形成および以下の工程における各部材のパターニングは、リソグラフィー工程によって形成されたレジストパターンをマスクにした材料膜のパターンエッチングによって行われることとする。また、ここでは、基板２〜層間絶縁膜５までが、請求項に示す基板となる。
【００２２】
次に、この層間絶縁膜５上において支持部が配置される位置、すなわち下部電極４を挟む位置に、柱状のポスト２１をパターン形成する。このポスト２１は、以降の工程で形成される犠牲層および層間絶縁膜５に対して選択的に除去可能な材料で構成されることとする。このため、犠牲層がポリシリコンで形成され、層間絶縁膜５の表面が窒化シリコンからなる場合には、ポスト２１の構成材料として、ポリシリコン、アモルファスシリコン、Ｗ、Ｍｏなどの金属を用いることで、下地との加工選択比を得ることが容易となる。ただし、制御性のある加工技術を有する場合には、ポスト２１の構成材料として、下地表面と同様の窒化シリコンや、酸化シリコンを用いても良いことは言うまでもない。
【００２３】
次に、図２（２）に示すように、ポスト２１を覆う状態で、層間絶縁膜５上にポスト２１と同様の材質からなる側壁形成用の膜（側壁膜）２３を形成する。この側壁膜２３は、埋め込み特性の良好な成膜方法で形成されることとし、ポスト２１による凸状の壁部がなだらかになる程度の膜厚で成膜されることとする。
【００２４】
その後、図２（３）に示すように、この側壁膜２３をエッチバックし、これによってポスト２１の周壁にサイドウォールを残し、円錐台形状のポスト２１を得る。尚、以上の工程は、ポスト２１を形成する際のパターンエッチングにおいて、等方性の強い条件でのエッチングを行うことで、側壁テーパ形状のポスト２１を形成するようにしても良い。
【００２５】
次いで、図２（４）に示すように、ポスト２１の露出面を酸化させて酸化膜２５で覆う。これは、次に形成される犠牲層（例えばポリシリコン）のエッチング時に、この犠牲層と同材料で形成されたポスト２１の侵食を防止するためである。
【００２６】
以上の後、図３（１）に示すように、酸化膜２５で覆われたポスト２１を埋め込むように、層間絶縁膜５上に犠牲層２７を形成する。この犠牲層２７は、例えばポリシリコンで構成されることとする。
【００２７】
次に、図３（２）に示すように、ポスト２１を覆う酸化膜２５が露出するまで犠牲層２７を表面側からＣＭＰ（ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）研磨すると共に、研磨面を平坦化する。
【００２８】
その後、図３（３）に示すように、犠牲層２７および層間絶縁膜５に対して、酸化膜（２５）で覆われたポスト（２１）を選択的にエッチング除去する。これによって、犠牲層２７の下部電極４の両脇となる位置に、１対の孔パターン２７ａを形成する。
【００２９】
しかる後、孔パターン２７ａの内壁を覆う状態で、犠牲層２７上に、絶縁性の下地膜７および電極膜８をこの順に形成する。この際、例えば、下地膜７として窒化シリコン膜（ＳｉＮ膜）を形成し、電極膜８として膜厚１００ｎｍ程度のＡｌ膜を形成する。そして、この下地膜７と電極膜８とからかる積層膜をパターニングすることで、この積層膜からなる支持部１０ａおよび振動部１１を形成する。この際、孔パターン１０ａ内に積層膜部分が残り、さらに孔パターン１０ａ内に残した積層膜部分に連続した状態で孔パターン１０ａ間に帯状の積層膜部分が残る様に、積層膜のパターニングを行うこととする。これにより、円錐台形状の底面および周壁を囲む膜形状の支持部１０ａと、これらの支持部１０ａから延設されて両端部が支持部１０ａによって支持された帯状の振動部１１を形成する。
【００３０】
以上の後、下地膜７および電極膜８、さらには層間絶縁膜５に対して選択的に、犠牲層２７をエッチング除去する。この際、ポリシリコンからなる犠牲層２７を、例えばＨＦ蒸気や、ＸｅＦ２ガスなどによりガスエッチングすることが有効である。尚、例えば、犠牲層２７が酸化シリコン膜からなる場合には、希フッ酸溶液を用いたウェットエッチングを行っても良い。
【００３１】
以上により、図１に示したように、層間絶縁膜５と下地膜７および電極膜８で構成された帯状の振動部１１との間に空間部Ａを形成し、マイクロマシンを完成させる。
【００３２】
以上の様にして得られたマイクロマシンは、図１を用いて説明したように、振動部１１から、この振動部１１と一体に形成された支持部１０ａにかけて積層膜が鋭角をなして屈曲され、これにより支持部１０ａの下部（基板２上を覆う絶縁膜５との接合部）側が、振動部１１の下方に張り出した形状に成形されている。
【００３３】
このため、従来の円柱状の支持部１０の場合と比較して、例えば下部電極４とパターニングされた電極膜８からなる上部電極８との間に電圧を印加し、静電現象によって振動部１１を下部電極４に向かって接近させた場合、基板との接合部を支点として支持部１０ａが振動部１１側に引っ張られ難くなり、振動部１１の動きに連動する支持部１０ａの動きを小さく抑えることが可能になる。また、支持部１０ａに蓄積された残留応力が、振動部１１に及ぼす影響も抑えられる。
【００３４】
したがって、振動部１１の振動に対する支持部１０ａの振動の影響を小さく抑えることができ、この結果として、振動部１１のみを精度良く振動（動作）させることが可能になり、素子性能の向上を図ることができる。
【００３５】
＜第２実施形態＞
図４は、本発明の第２実施形態のマイクロマシンの構成を示す断面図である。この図に示す第２実施形態のマイクロマシンが、図９（４）を用いて説明した従来のマイクロマシンと異なるところは、支持部１３および振動部１５の構成にあり、他の部分の構成は同様であることとする。
【００３６】
すなわち、この図に示すマイクロマシンは、第１実施形態と同様の基板２、絶縁膜３、下部電極４、および層間絶縁膜５を有すると共に、本第２実施形態に特有の支持部１３、および支持部１３に支持された振動部１５を備えている。
【００３７】
このうち、支持部１３は、下部電極４を挟んだ両側における層間絶縁膜５上に、円錐台形状を有して設けられている。また、振動部１５は、帯状の両端部を各支持部１３の上面に両端部を載置・接合させた状態で、層間絶縁膜５の上部に中空部Ａを介して設けられており、下部電極４上を跨ぐように配置されている。
【００３８】
そして特に、本第２実施形態においては、支持部１３を円錐台形状としたことで、これにより支持部１３の下部（基板２上を覆う絶縁膜５との接合部）側が、振動部１５の下方に張り出した形状に成形されているところが特徴的な構成となっている。
【００３９】
次に、以上のような第２実施形態の構成のマイクロマシンの製造工程の一例を説明する。尚、ここで示す製造工程は、上記構成のマイクロマシンを形成するための一例であり、本第２実施形態のマイクロマシンは、製造方法によって限定されるものではない。
【００４０】
先ず、第１実施形態において図２（１）〜図２（４）および図３（１），図３（２）を用いて説明したと同様の工程を行い、下部電極４を埋め込んで形成された層間絶縁膜５上に酸化膜２５で覆われた円錐台形状のポスト２１を形成すると共に、このポスト２１を埋め込んで形成された犠牲層２７をポスト２１の上面を露出させた状態で平坦化する。
【００４１】
以上の後、図５に示すように、ポスト２１上を含む犠牲層２７上に、第１実施形態と同様に、絶縁性の下地膜７および電極膜８をこの順に形成する。そして、この下地膜７と電極膜８とからかる積層膜をパターニングすることで、この積層膜からなる帯状の振動部１５を形成する。この際、２つのポスト２１の上面に帯状の積層膜部分が掛け渡される様に、積層膜のパターニングを行うこととする。これにより、２つのポスト２１を支持部１３とし、この支持部１３によって支持されると共に下部電極４上を跨ぐ形状の振動部１５を得る。
【００４２】
次に、第１実施形態同様に、下地膜７および電極膜８、さらには層間絶縁膜５に対して選択的に、犠牲層２７をエッチング除去する。これにより、図４に示したように、層間絶縁膜５と下地膜７および電極膜８で構成された帯状の振動部１５との間に空間部Ａを形成し、マイクロマシンを完成させる。
【００４３】
以上の様にして得られたマイクロマシンは、図４を用いて説明したように、支持部１３を円錐台形状としたことで、これにより支持部１３の下部（基板２上を覆う層間絶縁膜５との接合部）側が、振動部１５の下方に張り出した形状となっている。このため、第１実施形態と同様に、振動部１５の動きに連動する支持部１０ａの動きを小さく抑えて振動部１５のみを精度良く振動（動作）させることが可能になり、素子性能の向上を図ることが可能になる。尚、有限要素法による計算では、振動部と支持部の接点にかかる応力が、側壁の垂直加工形状の支持部を用いたもので８（圧力任意単位）に対して、本第２実施形態の構成では７（圧力任意単位）まで低減できた（緩和率１２．５％）という計算結果が得られた。
【００４４】
次に、図６、図７には、第２実施形態のマイクロマシンの変形例を示す。すなわち、図４を用いて説明した第２実施形態においては、支持部１３が、側壁テーパ形状の円錐台形状である場合を説明した。しかし、支持部１３は、基板２上を覆う層間絶縁膜５との接合部側が、振動部１５の下方に張り出した形状となっていれば、このような円錐台形状に限定されることはない。
【００４５】
すなわち、図６の変形例−１の構成図に示すように、円柱上に一回り小さな円柱を同軸にして重ねた形状の支持部１３ａであっても良い。また、図７の変形例−２の構成図に示す支持部１５ｂのように、円錐台の上部に、この円錐台の上面を底面とした円柱を同軸にして重ねた形状の支持部１３ｂであっても良い。
【００４６】
このような支持部１３ａ，１３ｂであれば、下方の円柱が振動部１５の下に張り出した構成となるため、図４を用いて説明した構成のマイクロマシンと同様の効果を得ることができる。尚、このような形状についても、上と同様な有限要素法による応力の集中度を計算したところ、緩和率は３０％にも達するという結果が得られた。
【００４７】
尚、以上説明した第１実施形態および第２実施形態では、２つの支持部によって振動部の両端を支持する構成を説明した。しかし、本発明は、各実施形態で説明した支持部を他の支持部と組み合わせて振動部１５を支持しても良い。ただしこの場合、各実施形態で説明した支持部で振動部の両端を支持し、さらにこの振動部から外側に延設された積層膜部分を他の支持部、例えば円柱形の支持部で支持するようにする。例えば、図８には、図４を用いて説明した支持部１３を、円柱形の支持部１７と組み合わせて用いた場合を図示した。この図に示すように、振動部１５の両端を支持部１３で支持することで、振動部１５の下方に支持部１３の下部を張り出させる。そして、この振動部１５からさらに支持部１３の外側に延設された積層膜部分を、円柱形状の支持部１７で支持させる構成とする。
【００４８】
このような構成にすることで、支持部１３からさらに外側に延設された積層膜部分の振動が、振動部１５に影響を及ぼすことを防止できる。このため、さらに精度良く振動部１５を振動（動作）させることが可能になる。
【００４９】
また、本発明は、振動分の一端を支持部によって支持する構成のマイクロマシンにも適用可能であり、同様の効果を得ることができる。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のマイクロマシンによれば、振動部を支持する支持部の下部を、当該振動部の下方に張り出させた構成とすることで、振動部に連動する支持部の動きを抑えることが可能になり、振動部のみを精度良く振動（動作）させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態のマイクロマシンの構成を示す図である。
【図２】第１実施形態のマイクロマシンの製造を示す断面工程図（その１）である。
【図３】第１実施形態のマイクロマシンの製造を示す断面工程図（その２）である。
【図４】第２実施形態のマイクロマシンの構成を示す図である。
【図５】第２実施形態のマイクロマシンの製造を示す断面工程図である。
【図６】第２実施形態のマイクロマシンの構成の変形例−１を示す図である。
【図７】第２実施形態のマイクロマシンの構成の変形例−２を示す図である。
【図８】第２実施形態のマイクロマシンの構成の変形例−３を示す図である。
【図９】従来のマイクロマシンおよびその製造を示す断面工程図である。
【符号の説明】
２…基板、１０ａ，１３，１３ａ，１３ｂ…支持部、１１，１５…振動部、Ａ…空間部
【図１】
2004130396.tif 000003
【図２】
2004130396.tif 000004
【図３】
2004130396.tif 000005
【図４】
2004130396.tif 000006
【図５】
2004130396.tif 000007
【図６】
2004130396.tif 000008
【図７】
2004130396.tif 000009
【図８】
2004130396.tif 000010
【図９】
2004130396.tif 000011