(57)【要約】【課題】電気機械素子の製造方法において、カプセル封止の気密性、安全性を向上する。【解決手段】電気機械素子を覆うように犠牲層を形成する工程と、犠牲層上にオーバーコート膜２９を形成し、該オーバーコート膜２９に犠牲層へ通じる開口部３０を形成する工程と、開口部３０を通じて犠牲層を除去する工程と、オーバーコート膜２９と同じ膜３４により開口部３０を封止する工程とを有することを特徴とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気機械素子の製造方法であって、
前記電気機械素子を覆うように犠牲層を形成する工程と、
前記犠牲層上にオーバーコート膜を形成し、該オーバーコート膜に前記犠牲層へ通じる開口部を形成する工程と、
前記開口部を通じて前記犠牲層を除去する工程と、
前記オーバーコート膜と同じ膜により前記開口部を封止する工程とを有する
ことを特徴とする電気機械素子の製造方法。
【請求項２】
基板上に下部電極と可動部を有した中空構造の電気機械素子の製造方法であって、
前記可動部を含んで後に中空構造となる領域を覆うように、前記下部電極と前記可動部間に形成した第１の犠牲層と連続する第２の犠牲層を形成する工程と、
前記第２の犠牲層上にオーバーコート膜を形成し、該オーバーコート膜に前記第２の犠牲層へ通じる開口部を形成する工程と、
前記開口部を通じて前記第１及び第２の犠牲層を除去する工程と、
前記オーバーコート膜と同じ膜により前記開口部を封止する工程とを有する
ことを特徴とする電気機械素子の製造方法。
【請求項３】
前記開口部を封止する工程では、スパッタエッチングにより前記オーバーコート膜の一部選択的な削剥と再付着で前記開口部を封止する
ことを特徴とする請求項２記載の電気機械素子の製造方法。
【請求項４】
前記スパッタエッチングは、Ａｒイオンストリームエッチングを用いる
ことを特徴とする製造方法３記載の電気機械素子の製造方法。
【請求項５】
前記第１の犠牲層を、前記開口部が形成される領域部分を除いて形成し、
前記第２の犠牲層を、前記第１の犠牲層が除かれた段差に沿って前記基板上に延長して形成する
ことを特徴とする請求項２記載の電気機械素子の製造方法。
【請求項６】
前記基板上の前記開口部が形成される領域に、前記下部電極と同じ膜で下地層を形成し、
前記下地層上を含んで前記第２の犠牲層を形成する
ことを特徴とする請求項２記載の電気機械素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気機械素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
１９７０年代から始まった電気機械素子、いわゆるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）の研究開発は、現在では、各種センサ、アクチュエータ、ディスプレイ等の光学素子、バイオＭＥＭＳ、帯域フィルタ等の高周波素子、パワーＭＥＭＳなど様々な分野に展開されている。例えば加速度センサ、マイクロミラーデバイス等の一部デバイスは、商品化され、日常生活の中のも見られるようになってきた。
【０００３】
ＭＥＭＳ素子は機械的な駆動を伴うため、素子の周囲に中空構造が必要である。一般的にＭＥＭＳ素子の製造は、犠牲層と呼ばれる材料を素子周辺に充填して置き、後工程で犠牲層を除去することにより、可動部を有する中空構造を形成している。このようにして作製されたＭＥＭＳ素子は、そのままでは大気に露出した状態になる。
【０００４】
圧力センサなど一部のデバイスを除いては、工程大気中の水分やダスト等の付着をはじめ、使用環境の影響を直接受けるため、その信頼性の維持に支障を来すことが予想される。また、デバイス作製時の実装工程などでも、使用時よりも厳しい環境に晒されるため、その歩留りの低下も著しい。また、機械的共振を利用した一部のデバイスでは、その特性上、減圧下での動作が望ましい場合もある。
【０００５】
このような理由から、ＭＥＭＳ素子は最終的には何らかの形で封止された形状となる。容易に考えられる手段としては気密性パッケージを用いることが挙げられる。しかし、気密性パッケージは、モールドパッケージ等と比べてコスト的に不利であり、安価なデバイスに適用するのは難しい。
【０００６】
特許文献１では、ＭＥＭＳ素子の犠牲層を除去した後、ＳｉＯ２ 等の絶縁材料を指向性の成膜法で形成することでＭＥＭＳ素子をカプセル封止することが提案されている。この場合は、ウェハレベルでの封止が可能なため、気密パッケージに比べてコスト低減効果が高い。
【０００７】
また、カプセル封止には、ＣＶＤ法等による気相成長膜で封止膜を形成することも試みられている。
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−９４３２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、従来の蒸着法やスパッタリング法等の指向性の成膜方法で犠牲層を除去した後の開口部を封止した場合、段差部分では封止膜にシーム（いわゆる継ぎ目）などが形成されてしまい、気密性に関する信頼性が低下する。特許文献１では、封止材料と被覆材料が異なるために、その後の製造工程や使用時において、熱膨張率の違いによる封止部のクラックや剥離などが懸念される。
【００１０】
カプセル封止での問題点に付いてさらに図９の比較例を用いて説明する。図９は片持ち梁構造のＭＥＭＳ素子、すなわち電気機械素子のカプセル封止に適用した場合である。
図９Ａに示すように、半導体基板１の表面に絶縁膜２を形成した基板３上に下部電極４を形成し、下部電極４上に所要の空間に対応する厚さｔ１の第１の犠牲層５を形成する。この第１の犠牲層５は下部電極４を被覆している。次いで、一端の支持部６が基板３に支持されるように第１の犠牲層５上にかけて上部電極を兼ねる可動部、いわゆるビーム（梁）７を形成する。次に、後工程で中空構造となる下部電極３、第１の犠牲層５及びビーム７を含む領域及びその周囲を覆って基板３上に延長する第２の犠牲層８を形成する。この第２の犠牲層８上にオーバーコート膜９を形成し、このオーバーコート膜９の基板３上に対応する部分に開口部１０を形成する。
【００１１】
次に、図９Ｂに示すように、開口部１０を通じてウェットエッチング処理して第１及び第２の犠牲層５及び８を除去する。この工程で下部電極３と空間１１を挟んでビーム８とが対向してなる中空構造の電気機械素子本体１２が形成される。
次に、図９Ｃに示すように、蒸着法あるいはスパッタリング法により、オーバーコート膜９とは異なる材料の封止膜１３で開口部１０を封止して、素子本体１２をオーバーコート膜９にてカプセル封止してなる電気機械素子１４を製造する。
【００１２】
このようにして、蒸着法あるいはスパッタリング法で封止膜１３を形成した場合には、封止膜１３の底部の段差分でシームが形成される。すなわち、図１０の拡大図で示すように、蒸着やスパッタリングによる成膜では、開口部１０内において、平坦な底面（基板３の面）から積み上がっていく膜成分３Ａと、側壁から成長する膜成分３Ｂとがあり、その境界部分でシーム１４などが発生し易くなる。このシーム１４は後工程での熱履歴等でクラックや剥離を起こす要因となる。従って、蒸着膜やスパッタ膜などによる封止では気密性に関する信頼性が低下する。
【００１３】
一方、ＣＶＤ法等による封止膜は、カバレッジを改善することができるが、中空構造内への膜付着や、有害な原料ガスが一緒にカプセル内に封入されてしまうという問題が発生する。
【００１４】
本発明は、上述の点に鑑み、上述のようなクラック、剥離、あるいは有害物の封入等の不都合が生じることなくカプセル封止を可能にした、気密性、安全性に優れた電気機械素子の製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明に係る電気機械素子の製造方法は、電気機械素子を取り囲むオーバーコート膜の開口部を、オーバーコート膜と同じ膜により封止することを特徴とする。
【００１６】
本発明では、オーバーコート膜の開口部をオーバーコート膜と同じ膜で封止するので、熱膨張係数の差による封止部のクラック、剥離が発生し難い。また、不活性ガスのみを用いているため、有害物を封入することもない。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る電気機械素子の製造方法によれば、封止部でのクラック、剥離が発生し難く、同時に有害物も封入することがないので、気密性、安全性に優れた電気機械素子を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１９】
図１及び図２に、本発明に係る電気機械素子の製造方法の一実施の形態を示す。同図は、電気機械素子本体として、片持ち梁構造を例として模式的に示したものである。本発明で対象とする電気機械素子は、マイクロメータスケール、ナノメータスケールの素子である。
【００２０】
先ず、図１Ａに示すように、基板２３を用意する。基板２３は、例えばシリコンなどの半導体基板上に例えばシリコン酸化膜、シリコン窒化膜等による絶縁膜を形成した基板、石英基板やガラス基板のような絶縁性基板等が用いられる。本例では、シリコン半導体基板２１上に絶縁膜２２を形成した基板２３を用いる。この絶縁膜２２は、後工程での犠牲層を選択的にエッチング除去するときの下地ストッパ膜となる。本例では減圧ＣＶＤ法によるシリコン窒化膜で絶縁膜２２を成膜する。
【００２１】
次に、図１Ｂに示すように、基板２３上に下部電極２４を形成する。下部電極２４は例えば多結晶シリコンで形成することができる。本例では減圧ＣＶＤ法による多結晶シリコン膜で下部電極２４を成膜する。
【００２２】
次に、図１Ｃに示すように、下部電極２４を覆うように選択的に第１の犠牲層２５を形成する。その後、第１の犠牲層２５上に可動部となるビーム（梁）２６を形成する。このビーム２６は一端が支持部２７により基板２３に支持される。第１の犠牲層２５は全面に形成した後、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を用いて下部電極２４を覆う部分を残して他部をエッチング除去する。下部電極２４上の第１の犠牲層２５の厚みｔ２は、最終的に下部電極２４とビーム２６間の空間間隔に対応する厚みに設定される。第１の犠牲層２５としては、本例では基板２３の絶縁膜２２とエッチングレートが異なる減圧ＣＶＤ法によるシリコン酸化膜で成膜する。
【００２３】
次に、図１Ｄに示すように、ビーム２６を含んで後に中空構造となる領域、すなわち電気機械素子本体となる領域を覆って第１の犠牲層２５と連続するように第２の犠牲層２８を形成する。すなわち第１の犠牲層２５と連続して電気機械素子本体となる領域を覆い一部基板２３上に延長するように、第２の犠牲層２８を形成する。第２の犠牲層２８は、本例では減圧ＣＶＤ法によるシリコン酸化膜で成膜する。第２の犠牲層２８の膜厚ｔ３は、完成後に可動部である電気機械素子２６の可動を妨げない空間が形成されるに足る膜厚とする。
【００２４】
次に、図２Ｅに示すように、第２の犠牲層２８を覆うようにオーバーコート膜２９を形成する。オーバーコート膜２９は、本例では基板２３の絶縁膜２２と同じ減圧ＣＶＤによるシリコン窒化膜で成膜する。
【００２５】
次に、図２Ｆに示すように、オーバーコート膜２９の一部、すなわち基板２３上に延長する第２の犠牲層２８上に対応した部分の一部に、開口部３０を形成する。この開口部３０は後の犠牲層２５、２７を除去する際のエッチャント導入口及び犠牲層排出口となるものである。
【００２６】
次に、図２Ｇに示すように、開口部３０を通じてエッチング処理にて第１及び第２の犠牲層２５及び２８を除去する。本例では５０％のフッ酸（ＨＦ）溶液を用いたウェットエッチングにより第１及び第２の犠牲層２５及び２８を除去する。この犠牲層２５、２７の除去により、下部電極２４と空間３１を挟んで対向するビーム２６とからなる電気機械素子本体３２が形成される。また、電気機械素子本体３２と空間３３を挟んでオーバーコート膜２９が形成される。オーバーコート膜２９の全周囲は基板２３上に気密的に支持されている。開口部３０の底部には空間３１及び３３に連通する空洞部（間隙）３６が形成される。
【００２７】
次に、図２Ｈに示すように、スパッタエッチング法を用いてオーバーコート膜２９の一部を削剥し、削剥したオーバーコート膜の粒子を開口部３０内の底部の空洞部３６に再付着させて封止膜３４を形成し、この封止膜３４により実質的に開口部３０を封止する。
【００２８】
以降は、一般的なＣＶＤ法による層間膜の形成とタングステン（ｗ）プラグ、アルミニウム（Ａｌ）配線のメタライゼーションを行い、電気機械素子本体３２への配線を形成する。このようにして、目的の静電駆動型の電気機械素子本体３２をオーバーコート膜２９で完全気密封止した、いわゆるカプセル封止の電気機械素子３５を得る。この電気機械素子３５は、下部電極２４とビーム２６間にかかる静電気力によりビーム２６が可動する、いわゆる静電駆動型の電気機械素子である。
【００２９】
本実施の形態の製造方法は、特に、開口部３０の封止方法に特徴がある。図３を参照して更に詳述する。スパッタエッチングにおいては、装置構造や条件を工夫することで、平坦部に比べて段差部、つまり角部が集中的にスパッタされるようにすることが可能である。本実施の形態ではこの現象を積極的に利用する。例えば、Ａｒイオンストリームエッチングを用いた場合、ダウンストリームのＡｒイオンのスパッタリングが水平方向に対し４５°〜６０°の方向に強く働き、平坦部ではほとんどエッチングされないプロセス条件が存在する。
【００３０】
本実施の形態では、図３に示すように、一具体例として、オーバーコート膜２９のシリコン窒化（ＳｉＮ）膜の膜厚ｔ４を３００ｎｍ、封止する空洞部（隙間）３６の高さｈ１、すなわち間隙３６に相当する第２の犠牲層２８の膜厚ｔ２（図１Ｄ参照）を５０ｎｍとした。オーバーコート膜２９の開口部３０は、一辺が０．５μｍのホールを複数個配置する構造とした。Ａｒイオンストームエッチングにより、開口部３０の上部エッジ３０ａが集中的に選択的スパッタエッチングされ、そのスパッタエッチングされたオーバーコート膜２９のシリコン窒化物粒子が開口部３０の側壁及び底部に再付着される。この再付着膜、すなわち封止膜３４により開口部３０内の空洞部３６が封止され、実質的に開口部３０が封止される。
【００３１】
上記スパッタエッチングでの重要な点は、Ａｒイオンのエネルギーである。Ａｒイオンのエネルギーが大きすぎると平坦部のエッチングが加速され、小さすぎると上端エッジ３０ａのエッチングが進まない。本例では、イオンエネルギーに影響の大きいプロセスパラメータである真空度とＲＦパワーについて、それぞれ０．１Ｔｏｒｒ、８００Ｗでの処理を２分間行い、開口部３０の側面及び底面に１００ｎｍ前後の再付着膜、いわゆる封止膜３４を形成して開口部３０を封止した。
【００３２】
上述した本実施の形態に係る電気機械素子の製造方法によれば、電気機械素子本体３２を外部から気密的に保護するオーバーコート膜２９の開口部封止を、オーバーコート膜２９と同材料で封止することにより、オーバーコート膜２９と封止膜３４との熱膨張係数差がなく、後工程における熱処理等で封止膜３４の剥離、クラック発生などを抑制することができる。
【００３３】
また、平坦部に比べて段差部が選択的にエッチングされるスパッタエッチング法、例えばＡｒイオンストリームエッチングを用いることにより、オーバーコート膜２９の一部のスパッタエッチングと再付着によって封止すべき開口部３０内に封止膜３４を形成することができる。このオーバーコート膜２９と同材料を堆積するので、封止膜３４に従来のスパッタ膜のようなシームも形成され難く、気密性に関する信頼性を向上することができる。さらに、オーバーオート膜２９内の空洞部３６への有害物質、例えばＣＶＤ原料ガスの混入等の問題も起こらない。
【００３４】
また、封止膜３４となる封止材料の飛散距離が他の方法に比べて短いため、すなわち、オーバーコート膜２９の開口部３０の上部エッジ３０ａから空洞部３６の入り口までの短い距離となるため、封止膜３４のカバレッジが良好となる。
【００３５】
本実施の形態の電気機械素子は、前述した各種センサ、アクチュエータ、光スイッチや光変調器や光を使ったディスプレイ等の光学素子、バイオＭＥＭＳ、帯域フィルタ等の振動子、パワーＭＥＭＳなどの各種デバイスに適用することができる。
【００３６】
図４及び図５は、本発明の封止方法の実施の形態例を示す。封止するには、開口部３０の底部の空洞部３６の高さｈ１が出来るだけ小さいことが望まれる。図４及び図５の実施の形態例はこの点を考慮した封止方法である。
【００３７】
図４は、基本的に図１及び図２の製法と同じである。図４において、図１及び図２と対応する部分は同一符号を付して重複説明を省略する。本実施の形態は、図４Ａに示すように、第１の犠牲層２５を成膜後、パターニングして下部電極２４及びビーム２６に対応する領域を残して他を選択エッチングして除去する。その後、第２の犠牲層２８を成膜する。第２の犠牲層２８は、ビーム２６を覆うと共に、第１の犠牲層２５の段差に沿って基板２３上に延長するように成膜される。そして、オーバーコート膜２９を成膜し、基板２３上に延長された第２の犠牲層２８に対応するオーバーコート膜２９の部分に開口部３０を形成する。この開口部３０内では第２の犠牲層２８の膜厚ｔ３で規制される高さｈ１の空洞部３６が形成される。
【００３８】
次に、図４Ｂに示すように、開口部３０を通じて第１及び第２の犠牲層２５及び２８を選択的に除去した後、Ａｒイオンストリームエッチングを用いてオーバーコート膜２９の開口部３０の上端縁を削剥すると共に、開口部１９内に再付着させて空洞部３６を封止する封止膜３４を形成する。
【００３９】
図４の例では、空洞部３６の高さｈ１が第２の犠牲層２８の膜厚ｔ３で規制されるので小さくできる。そして、基板２３の表面の下地ストッパ膜２２とオーバーコート膜２９と封止膜３４とが同じ材料のシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）で形成されるので、後工程での剥離、クラックなどを発生させることなく、確実な気密封止が得られる。
【００４０】
図５は、他の例である。図５において、図１及び図２と対応する部分は同一符号を付して重複説明を省略する。本実施の形態は、図５Ａに示すように、基板２３上の後工程で形成する開口部３０に対応する領域に、下部電極２４の形成工程で同時に下部電極２４と同じ材料、本例では多結晶シリコン膜による下地層４１を形成する。その後、下部電極２４上及び下地層４１上にわたって同じ膜厚の第１の犠牲層２５を形成する。さらに、ビーム２６を形成した後、第２の犠牲層２８を成膜する。続いて、オーバーコート膜２９を成膜し、下地層４１に対応する部分に開口部３０を形成する。
【００４１】
次に、図５Ｂに示すように、開口部３０を通じて第１及び第２の犠牲層２５及び２８を選択的に除去した後、Ａｒイオンストリームエッチングを用いてオーバーコート膜２９の開口部３０の上端縁を削剥すると共に、開口部１９内に再付着させて空洞部３６を封止する封止膜３４を形成する。
【００４２】
図５の例では、下部電極２４と同時に開口部３０側に下地層４１を形成し、下地層４１で嵩上げした状態で第１及び第２の犠牲層２５及び２８を形成するので、第２の犠牲層２８の段差を少なくして空洞部３６の高さｈ１を小さくすることができる。従って、封止膜３４により確実な気密封止が得られる。
【００４３】
なお、本発明は、素子の封止に関するものであり、封入されるデバイスの種類、形状を問わないのは言うまでもない。
例えば、上述の例では封止する素子として片持ち梁構造の電気機械素子本体を適用したが、図６〜図８に示す他の電気機械素子本体を適用することもできる。なお、同図において、図１及び図２と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
【００４４】
図６は、ビームの両端の支持部２７Ａ，２７Ｂを基板２３に支持した両持ち梁構造の電気機械素子本体を示す。
図７は、下部電極として２つの下部電極３４Ａ，３４Ｂを有してビーム２６を片持ち梁構造とした電気機械素子本体を示す。
図８は、下部電極として２つの下部電極３４Ａ，３４Ｂを有してビーム２６を両持ち梁構造とした電気機械素子本体を示す。
【００４５】
さらに、図示しないが、例えば帯域フィルタに適用した場合には、複数の電気機械素子本体を並列化して電気機械素子を構成することもできる。
これらの電気機械素子は、いずれも、用途に応じて選択されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】Ａ〜Ｄ  本発明に係る電気機械素子の製造方法の一実施の形態を示す製造工程図（その１）である。
【図２】Ｅ〜Ｈ  本発明に係る電気機械素子の製造方法の一実施の形態を示す製造工程図（その２）である。
【図３】本発明の説明に供する封止部分の拡大図である。
【図４】Ａ，Ｂ  本発明に係る電気機械素子の製造方法の他の実施の形態の製造工程図である。
【図５】Ａ，Ｂ  本発明に係る電気機械素子の製造方法の他の実施の形態の製造工程図である。
【図６】本発明に係る電気機械素子本体の他の実施の形態を示す概略図である。
【図７】本発明に係る電気機械素子本体の他の実施の形態を示す概略図である。
【図８】本発明に係る電気機械素子本体の他の実施の形態を示す概略図である。
【図９】Ａ〜Ｃ  比較例に係る電気機械素子の製造工程図である。
【図１０】比較例の説明に供する封止部分の拡大図である。
【符号の説明】
【００４７】
２１・・半導体基板、２２・・絶縁膜、２３・・基板、２４・・下部電極、２５・・第１の犠牲層、２６・・ビーム（可動部）、２７・・支持部、２８・・第２の犠牲層、２９・・オーバーコート膜、３０・・開口部、３１・・空間、３２・・電気機械素子本体、３３・・空間、３４・・封止部、３５・・電気機械素子、３６・・空洞部、４１・・下地層
【図１】
2007253265.tif 000003
【図２】
2007253265.tif 000004
【図３】
2007253265.tif 000005
【図４】
2007253265.tif 000006
【図５】
2007253265.tif 000007
【図６】
2007253265.tif 000008
【図７】
2007253265.tif 000009
【図８】
2007253265.tif 000010
【図９】
2007253265.tif 000011
【図１０】
2007253265.tif 000012