(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶シリコン基板を加工して、少なくとも一つの揺動体と、支持基板と、前記揺動体を前記支持基板に対して揺動可能に支持する少なくとも一つの支持部と、を有する揺動体装置の製造方法であって、
アルカリ性溶液により前記単結晶シリコン基板を異方性エッチングし、揺動軸と垂直なＸ字形状の断面形状をもつ部分を形成する第１の工程と、
前記第１の工程の後に、０．６ｍｏｌ／ｌ以上５．８ｍｏｌ／ｌ以下のフッ化水素と、１０．５ｍｏｌ／ｌ以上１３．０ｍｏｌ／ｌ以下の硝酸と、を少なくとも含む混酸により前記部分の断面形状を変化させる第２の工程と、
を少なくとも含む前記支持部の形成工程を有することを特徴とする揺動体装置の製造方法。
【請求項２】
前記第２の工程は、前記第１の工程の後に、１．５ｍｏｌ／ｌ以上３．２ｍｏｌ／ｌ以下のフッ化水素と、１１．７ｍｏｌ／ｌ以上１２．５ｍｏｌ／ｌ以下の硝酸と、を少なくとも含む混酸により前記部分の断面形状を変化させる工程であることを特徴とする請求項１に記載の揺動体装置の製造方法。
【請求項３】
前記第２の工程において、
前記単結晶シリコン基板を、前記単結晶シリコン基板の表面と平行な方向に５０乃至３００ｃｙｃｌｅ／ｍｉｎで且つストロークが０．１乃至１０ｃｍの条件で往復運動させることを特徴とする請求項１又は２に記載の揺動体装置の製造方法。
【請求項４】
前記第２の工程において、
前記単結晶シリコン基板を、前記単結晶シリコン基板の表面と平行な方向に１８０乃至２９０ｃｙｃｌｅ／ｍｉｎで且つストロークが０．１乃至１０ｃｍの条件で往復運動させることを特徴とする請求項１又は２に記載の揺動体装置の製造方法。
【請求項５】
前記第２の工程において、
前記単結晶シリコン基板を、１乃至３０ｒｐｍで回転させることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の揺動体装置の製造方法。
【請求項６】
前記第２の工程の後に、
０．３ｍｏｌ／ｌ以上２９ｍｏｌ／ｌ以下のフッ化水素と０．１ｍｏｌ／ｌ以上１３ｍｏｌ／ｌ以下の硝酸とを少なくとも含む混酸により前記部分の断面形状を変化させることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の揺動体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は揺動体装置の製造方法に関する。より詳しくは、軸回りに揺動する部材を有するマイクロ力学量センサ、マイクロアクチュエーター、マイクロ光偏向器等に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体プロセスによってシリコン基板から製造される微小機械部材は、マイクロメータオーダの加工が可能であり、これらを用いて様々な微小機能素子が実現されている。特に、この様な技術によって形成される光偏向器は、ポリゴンミラー等の回転多面鏡を使用した光走査光学系に比べ、次の様な特徴がある。すなわち、光偏向器を小型化することが可能であること、消費電力が少ないこと、等の特徴がある。
【０００３】
この種の提案例として、半導体プロセスの一つである異方性ウェットエッチング技術を用いて作製した光偏向器がある（特許文献１参照）。
【０００４】
また、特許文献１では支持部の断面形状をＸ字形状にすることで、支持部のねじり軸の回りに比較的ねじれやすくて、ねじり軸に角度をなす方向に対して撓みにくい構造を実現している。
【特許文献１】特開２００２−３２１１９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
支持部の最大ねじり角度、つまり支持部が破断する角度（破壊角度）は、支持部の断面形状に依存する。例えば、特許文献１では断面形状がＸ字形状の支持部の角部を等方性エッチングにより丸くすることで、角部への応力集中を緩和している。
【０００６】
しかしながら、本発明者らが鋭意検討した結果、支持部の破断角度は支持部の断面形状にのみ依存するのではなく、異方性エッチングプロセスにおけるエッチング溶液の濃度にも依存するという知見を得た。
【０００７】
よって本発明の目的は、断面形状がＸ字形状の支持部の破断角度を向上するための揺動体装置の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題に鑑み本発明の揺動体装置の製造方法は、単結晶シリコン基板を加工して、少なくとも一つの揺動体と、支持基板と、前記揺動体を前記支持基板に対して揺動可能に支持する少なくとも一つの支持部と、を有する揺動体装置の製造方法であって、
アルカリ性溶液により前記単結晶シリコン基板を異方性エッチングし、揺動軸と垂直なＸ字形状の断面形状をもつ部分を形成する第１の工程と、
前記第１の工程の後に、０．６ｍｏｌ／ｌ以上５．８ｍｏｌ／ｌ以下のフッ化水素と、１０．５ｍｏｌ／ｌ以上１３．０ｍｏｌ／ｌ以下の硝酸と、を少なくとも含む混酸により前記部分の断面形状を変化させる第２の工程と、
を少なくとも含む前記支持部の形成工程を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る揺動体装置の製造方法を用いることにより、断面形状がＸ字形状の支持部の破断角度を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下に、本発明の実施の形態について図を用いて説明する。
【００１１】
図１に示すように、本実施形態の揺動体装置１は、少なくとも一つの揺動体３と、支持基板５と、揺動体３を支持基板５に対して揺動可能に支持する少なくとも一つの支持部４と、を有する。揺動体３は支持部４の長手方向を中心として回転運動する。
【００１２】
また、本実施形態の揺動体装置の製造方法は、少なくとも以下の工程を含む支持部の形成工程を有する。
【００１３】
アルカリ性溶液により前記単結晶シリコン基板を異方性エッチングし、揺動軸と垂直なＸ字形状の断面形状をもつ部分を形成する第１の工程。第１の工程の後に、０．６ｍｏｌ／ｌ以上５．８ｍｏｌ／ｌ以下のフッ化水素と、１０．５ｍｏｌ／ｌ以上１３．０ｍｏｌ／ｌ以下の硝酸と、を少なくとも含む混酸により前記部分の断面形状を変化させる第２の工程。ここで、ｍｏｌ／ｌは体積モル濃度の単位であり、１リットルあたりに含まれるフッ化水素（ＨＦ）と硝酸（ＨＮＯ３）それぞれの物質量（単位：ｍｏｌ）を示す。
【００１４】
図２を用いて本実施形態の揺動体装置の製造方法について詳細に説明する。
【００１５】
図２の工程１では、単結晶シリコン基板２の両面に、保護膜６（例えば、ＳｉＯ２や低圧化学気相成長法で作製した窒化シリコン等）を成膜する。この保護膜は、後のエッチング工程でマスク材となる。単結晶シリコン基板には、面方位が（１００）のシリコンウエハを使用する。そして、フォトリソグラフィ技術で、保護膜６のパターニングを行う。保護膜６のパターニングは、図２の工程２に示すＷａ、Ｗｂ、Ｗｇが下記の条件を満たすように作製する。
【００１６】
次に、図２の工程３に示すように、ＫＯＨのようなアルカリ溶液である異方性エッチング溶液を用いて、単結晶シリコン基板２の両面からエッチングを行う。シリコンの異方性エッチングは、（１００）面で速く進み、（１１１）面で遅く進むため、エッチングは、まず、掘り進むにつれて開口部が狭くなるように進行する。
【００１７】
Ｗｇの幅を有する開口部においては、単結晶シリコン基板２の中央に達する前にすべての面が（１１１）面になりエッチングがストップするため、Ｖ字状の溝が形成される。また、Ｗａの幅を有する開口部においては、単結晶シリコン基板２を貫通するまでエッチングが進行する。単結晶シリコン基板の（１１１）面は、（１００）面に対して、５４．７度の角度を有する。よって、ここでは、Ｗｇ＜ｔ／ｔａｎ５４．７°、Ｗａ＞ｔ／ｔａｎ５４．７°の関係を満たしている。ここで、ｔは単結晶シリコン基板２の厚みである。開口部の上下からの穴が貫通したあとは、エッチングは側方に進み、（１１１）面に到達して、エッチングがストップする。このとき支持部４の断面は図２の工程３のようにＸ字形状になる。
【００１８】
図２の工程４では、単結晶シリコン基板２に対して、フッ化水素と硝酸を含む混酸によって等方性エッチングを行い、断面形状がＸ字形状である支持部にフィレット加工を施し、角部を丸くする。
【００１９】
異方性エッチングの直後は、前記支持部のＸ字断面の楔形状部分が鋭利になっているので、ねじり運動をした際に応力が集中し易く、ねじり破壊が起こり易い。等方性エッチングによるフィレット加工を施すことで、工程３に示すＸ字形状の断面形状を工程４に示すＸ字形状の断面形状に変化させることができる。これにより、支持部がねじり運動した際に各部にかかる応力を分散することができ、支持部のねじり破壊角度を向上することができる。
【００２０】
図３は、断面形状がＸ字形状である支持部のＰ点とＱ点（図２の工程４参照）における曲率半径の平均値と破断角との関係を示す。ここで、破断角とは揺動体３の変位角を徐々に増加させた際に揺動体３が破断する直前の変位角のことである。
【００２１】
図３のＡ点は異方性エッチング後、フィレット加工を施さない場合の破断角を示す点である。Ｂ点は、異方性エッチング後にフッ化水素３．２ｍｏｌ／ｌ、硝酸１１．７ｍｏｌ／ｌの混酸で支持部に等方性エッチングを施した場合の破断角を示す点である。Ｃ点は、異方性エッチング後にフッ化水素１．５ｍｏｌ／ｌ、硝酸１２．５ｍｏｌ／ｌの混酸で支持部に等方性エッチングを施した場合の破断角を示す点である。Ｄ点は、異方性エッチング後にフッ化水素２．９ｍｏｌ／ｌ、硝酸９．２ｍｏｌ／ｌの混酸で支持部に等方性エッチングを施した場合の破断角を示す点である。
【００２２】
図３に示すように、Ｃ点で最も破断角が大きくなり、続いてＢ点で破断角が大きくなる結果となった。しかし、曲率半径がＢ点よりも大きいＤ点では、破断角がＢ点よりも小さくなった。よって、支持部の曲率半径が大きくなれば必ず破断角が向上するというわけではない。
【００２３】
そこで本発明者らは断面形状がＸ字形状の支持部のＰ点およびＱ点（図２の工程４参照）における応力拡大係数に着目した。
【００２４】
ここで、応力拡大係数とは亀裂先端における応力場の強さを定義する量であり、この値が大きい程亀裂が進展しやすい。本実施形態では、Ｘ字断面形状を有する支持部のＰ点およびＱ点における表面粗さを測定し、これらの表面粗さの値を用いて応力拡大係数を算出している。つまり、表面が粗いほど亀裂が深いため応力拡大係数が大きくなる傾向がある。
【００２５】
図４（ａ）に支持部のＰ点とＱ点における応力拡大係数の平均値と破断角との関係を示す。また、図４（ｂ）にエッチング溶液の硝酸濃度と応力拡大係数との関係を示す。
【００２６】
図４（ａ）、（ｂ）の各点における記号は、図３の各点における記号と対応している。つまり、Ｂ点はフッ化水素３．２ｍｏｌ／ｌ、硝酸１１．７ｍｏｌ／ｌの混酸、Ｃ点はフッ化水素１．５ｍｏｌ／ｌ、硝酸１２．５ｍｏｌ／ｌの混酸、Ｄ点はフッ化水素２．９ｍｏｌ／ｌ、硝酸９．２ｍｏｌ／ｌの混酸を用いてエッチングしている。図４（ａ）に示すように、応力拡大係数が小さいＢ点、Ｃ点では破断角が大きい結果となった。また、図４（ｂ）に示すように、エッチング溶液中の硝酸濃度が増加するにつれて応力拡大係数が低下する結果となった。しかし、硝酸濃度が極端に増加し、フッ化水素濃度を低下した場合には、エッチングレートが極端に遅くなるため、工業的な利用の上では不便となる。エッチングレートが０．０１μｍ/ｓｅｃ以上必要であると考えた場合、フッ化水素濃度は０．６ｍｏｌ／ｌ以上、硝酸濃度は１３．０ｍｏｌ／ｌ以下となる。
【００２７】
また、揺動体装置の用途を考慮すると、２０度程度の動作角度が必要である。この場合は、最低でも揺動体装置の破断角は２５度以上必要である。図４（a）より破断角が２５度の場合は、応力拡大係数は１．２程度である。図４（b）より応力拡大係数を１．２とするには、混酸の硝酸濃度は１０．５ｍｏｌ／ｌとなる。この場合、高濃度の硝酸と高濃度のフッ化水素から混酸を調合すると、フッ化水素濃度は５．８ｍｏｌ／ｌとなる。
【００２８】
つまり、本実施形態では等方性エッチング工程（図２の工程４）で、エッチング溶液の濃度を０．６ｍｏｌ／ｌ以上５．８ｍｏｌ／ｌ以下のフッ化水素と、１０．５ｍｏｌ／ｌ以上１３．０ｍｏｌ／ｌ以下の硝酸と、を少なくとも含む混酸とする。更に好適な範囲の混酸は、１．５ｍｏｌ／ｌ以上３．２ｍｏｌ／ｌ以下のフッ化水素と、１１．７ｍｏｌ／ｌ以上１２．５ｍｏｌ／ｌ以下の硝酸と、を少なくとも含む混酸である。
【００２９】
このように、上記組成の混酸を用いることで、トーションバーのＸ断面形状のＰ点およびＱ点における応力拡大係数を低減することができ、ねじり振動に対しての破断角を大きくすることができる。
【００３０】
上述した本発明に係る揺動体装置の製造方法は、例えばマイクロ力学量センサ、マイクロアクチュエーター、マイクロ光偏向器の製造方法として適用が可能である。
【００３１】
次に、単結晶シリコン基板を異方性エッチング後に混酸で等方性エッチングする手法（図２の工程４）について図５を用いて説明する。
【００３２】
図５のエッチング装置は、混酸７を有するエッチング溶液槽と単結晶シリコン基板２を保持する機構、および保持した単結晶シリコン基板２を回転する回転機構を有する機構部８とを有する。
【００３３】
等方性エッチング工程では、単結晶シリコン基板２を機構部８に保持した後、混酸７に浸し、単結晶シリコン基板２の面に対して平行方向（図５の矢印Ａの方向）に機構部８を往復運度させる。このとき、更に単結晶シリコン基板２を面内方向（図５の矢印Ｂの方向）に回転させてもよい。例えば、図５の矢印Ａの方向には５０乃至３００ｃｙｃｌｅ／ｍｉｎ、ストロークが０．１乃至１０ｃｍの条件で単結晶シリコン基板２を往復運動させる。また、図５の矢印Ｂの方向に回転させる場合は、回転速度を１乃至３０ｒｐｍとする。
【００３４】
上記手法を用いることで、揺動体装置１の各部に対して、曲率半径の大きなフィレット加工を施すことが可能となり、揺動体装置１がねじり運動をした際に各部にかかる応力を効果的に分散することが可能となる。
【００３５】
上記手法を用いて等方性エッチングを施した場合と、上記手法を用いないで等方性エッチングを施した場合を比較すると、以下のような結果となった。つまり、単結晶シリコン基板を上記手法で等方性エッチングしたほうが、単結晶シリコン基板を手動で揺動させて等方性エッチングした場合よりも、破断角度が向上する結果となった。
【００３６】
図６は、上記エッチング装置を用いて矢印Ａ方向に機構部８を往復運動させた場合の、往復運動のスピードと破断角度の関係を示すグラフである。このときのＡ方向へのストロークは３ｃｍである。またＢ方向への基板の回転はしていない。このとき用いたエッチング溶液は、図３および図４（ａ）のＣ点で用いたエッチング溶液と同一組成のものである。つまり、フッ化水素１．５ｍｏｌ／ｌ、硝酸１２．５ｍｏｌ／ｌの混酸である。尚、図３および図４（ａ）の実験では、手動で等方性エッチングを行っている。
【００３７】
図６の結果から、上記エッチング装置を用いたほうが、手動で等方性エッチングを行う場合よりも破断角度が向上する。特に、Ａ方向の振動スピードが１８０乃至２９０ｃｙｃｌｅ／ｍｉｎの場合に、より破断角度が向上する。ここで、グラフ中の直線はばらつきの範囲を示すエラーバーである。
【００３８】
尚、上記機構部８を用いた等方性エッチング方法は一例であり、本実施形態に係る組成を有する混酸を用いる場合は他の手法により等方性エッチングを施してもよい。
【００３９】
等方性エッチングに用いる混酸７の液温は常温でもよく、また温調器によって温度を一定に保ってもよい。エッチング中に混酸７の攪拌を行ってもよい。等方性エッチングの際には、同時に複数枚の単結晶シリコン基板２を混酸７に入れて処理してもよい。等方性エッチング中の混酸７は、ポンプによって循環してもよい。また、混酸７を循環させる場合は、フィルターを用いて混酸７中の不純物を取り除いてもよい。
【００４０】
等方性エッチングの前後、若しくは等方性エッチング中に、滴下装置を用いて混酸７のフッ化水素濃度と硝酸の濃度を調整若しくは維持してもよい。
【００４１】
等方性エッチングの終了を検知する手段として、エッチング時間を管理してもよいし、等方性エッチングの終了を検知する手段として、混酸７から単結晶シリコン基板２を取り出して、揺動体装置１の各部の寸法を測定してもよい。また、等方性エッチングの終了を検知する手段として、混酸７のシリコン濃度を測定してシリコンの溶解量により判断してもよい。
【００４２】
更に、前記混酸７により等方性エッチングを行う工程の後に、フッ化水素０．３ｍｏｌ／ｌ以上２９ｍｏｌ／ｌ以下、硝酸０．１ｍｏｌ／ｌ以上１３ｍｏｌ／ｌ以下の混酸で、単結晶シリコン基板２をエッチングしてもよい。この混酸を用いて更に等方性エッチングを行うことにより、揺動体装置１の被エッチング面の表面粗さを改善することが可能となり、揺動体装置１の破断角を向上することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明を用いて作製した揺動体装置を示す図である。
【図２】本発明を用いて揺動体装置を作製する場合の各工程を示す図である。
【図３】本発明を適用した場合の支持部の曲率半径と破壊角度の関係を示す図である。
【図４】（ａ）本発明を適用した場合の支持部の応力拡大係数と破壊角度の関係を示す図である。（ｂ）硝酸濃度と応力拡大係数の関係を示す図である。
【図５】本発明のエッチング装置の正面図（ａ）および側面図（ｂ）である。
【図６】本発明のエッチング装置を用いた場合の、振動スピードと破断角度の関係を示す図である。
【符号の説明】
【００４４】
１  揺動体装置
２  単結晶シリコン基板
３  揺動体
４  支持部
５  支持基板
６  保護膜
７  混酸
８  機構部
９  エッチング槽
【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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