(57)【要約】【課題】  基板上に浮いた状態で支持される可動構造体を備えるＭＥＭＳデバイスにおいて、可動構造体における反りの発生を抑制する技術を提供する。【解決手段】  本発明は、基板上に浮いた状態で支持される可動構造体を備えるＭＥＭＳデバイスとして具現化される。可動構造体は、下側絶縁層と、下側絶縁層の上方に形成された導電層と、導電層の上方に形成された上側絶縁層を備えている。下側絶縁層の外形形状にはアライメント余裕が設けられている。そのＭＥＭＳデバイスは、上側絶縁層の厚さが下側絶縁層の厚さよりも大きいことを特徴とする。【選択図】  図４
2012045658.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に浮いた状態で支持される可動構造体を備えるＭＥＭＳデバイスであって、
可動構造体は、下側絶縁層と、下側絶縁層の上方に形成された導電層と、少なくとも導電層の上方に形成された上側絶縁層を備えており、
下側絶縁層の外形形状にはアライメント余裕が設けられており、
上側絶縁層が下側絶縁層よりも厚く形成されていることを特徴とするＭＥＭＳデバイス。
【請求項２】
可動構造体が、ミラーを備える可動部と、可動部を支持するトーションビームから構成されていることを特徴とする請求項１のＭＥＭＳデバイス。
【請求項３】
可動部における残留応力が釣り合うように、上側絶縁層の厚さが設定されている請求項２のＭＥＭＳデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体集積回路作製技術を利用して３次元構造を備えるＭＥＭＳデバイスを製造する技術が開発されており、圧力センサ、加速度センサ、ジャイロスコープ、光偏向装置、ＲＦスイッチ、可変容量キャパシタ等の各種デバイスが実現されている。半導体集積回路作製技術で３次元構造を実現するために、犠牲層を含む積層板を選択的かつ局所的にエッチングする技術が利用される。本明細書でいうＭＥＭＳデバイスとは、成膜技術とエッチング技術に代表される半導体集積回路作製技術を利用し、犠牲層を含む積層板を選択的かつ局所的にエッチングすることによって実現された３次元構造を備える装置をいう。
【０００３】
上記のＭＥＭＳデバイスの中には、基板から浮いた状態で支持される可動構造体を備えており、その可動構造体が、下側絶縁層と、下側絶縁層の上方に形成された導電層と、少なくとも導電層の上方に形成された上側絶縁層を備えるものがある。例えば、光偏向装置を実現するＭＥＭＳデバイスでは、基板に形成された固定電極と、可動構造体の内部の可動電極（導電層）の間に静電引力を作用させて、可動構造体を揺動軸の周りに揺動させることで、可動構造体に設けられたミラーの傾き角を変化させる。このようなＭＥＭＳデバイスが、例えば特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１２５７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のようなＭＥＭＳデバイスを作製する際は、可動構造体は以下のような製造プロセスを経て形成される。まず、基板上に形成された犠牲層の上方に下側絶縁層を成膜し、その後に、下側絶縁層の上方に導電層を積層する。その後、フォトエッチング処理によって導電層を所望の外形形状に加工した後、導電層の上面と側面に上側絶縁層を成膜する。その後、下側絶縁層を所望の外形形状に加工した後、等方性エッチング処理によって下方の犠牲層を除去する。
【０００６】
上記の製造プロセスにおいて、下側絶縁層の外形形状を加工する際には、通常はアライメント余裕が設けられている。このアライメント余裕が設けられていることで、最終的な外形形状としては、下側絶縁層が導電層や上側絶縁層よりも幅広に形成されることになる。
【０００７】
下側絶縁層が上側絶縁層よりも幅広に形成されると、成形時の残留応力のバランスが崩れて、可動構造体に反りが生じてしまう。可動構造体に反りが生じると、可動構造体の動作が設計上想定されている動作とは異なるものとなってしまう。例えば、ＭＥＭＳデバイスが静電駆動式の光偏向装置である場合には、可動構造体に反りが生じると、駆動電圧やミラーの傾き角が設計値から大きく外れてしまう。上記のようなＭＥＭＳデバイスを作製する上で、可動構造体における反りの発生を抑制することが可能な技術が期待されている。
【０００８】
本発明は上記の課題を解決する。本発明では、基板上に浮いた状態で支持される可動構造体を備えるＭＥＭＳデバイスにおいて、可動構造体における反りの発生を抑制する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、基板上に浮いた状態で支持される可動構造体を備えるＭＥＭＳデバイスとして具現化される。可動構造体は、下側絶縁層と、下側絶縁層の上方に形成された導電層と、導電層の上方に形成された上側絶縁層を備えている。下側絶縁層の外形形状にはアライメント余裕が設けられている。そのＭＥＭＳデバイスは、上側絶縁層の厚さが下側絶縁層の厚さよりも大きいことを特徴とする。
【００１０】
上記のＭＥＭＳデバイスでは、アライメント余裕により幅広の外形形状に形成された下側絶縁層と、下側絶縁層よりも厚く形成された上側絶縁層の間で、残留応力のバランスを取ることができる。残留応力に起因する可動構造体の反りの発生を抑制することができる。
【００１１】
上記のＭＥＭＳデバイスは、可動構造体が、ミラーを備える可動部と、可動部を支持するトーションビームから構成されていることが好ましい。
【００１２】
このＭＥＭＳデバイスは、いわゆる光偏向装置として用いることができる。このＭＥＭＳデバイスでは、ミラーを備える可動部における反りの発生が抑制されているので、駆動電圧やミラーの傾き角を設計値の通りにすることができる。品質の安定した光偏向装置を実現することができる。
【００１３】
上記のＭＥＭＳデバイスでは、可動部における残留応力が釣り合うように、上側絶縁層の厚さが設定されていることが好ましい。
【００１４】
一般に、光偏向装置を実現するＭＥＭＳデバイスを作製する際には、トーションビームと可動部は、同じ製造プロセスにおいて同時に形成されることが多く、下側絶縁層の厚さや、導電層の厚さや、上側絶縁層の厚さは共通とされることが多い。しかしながら、トーションビームは可動部に比べて細長い形状で形成されるため、トーションビームと可動部では、下側絶縁層の外形形状において同じ大きさのアライメント余裕を設けた場合でも、そのアライメント余裕が残留応力のバランスに及ぼす影響が異なる。このため、可動部での残留応力が釣り合うように上側絶縁層の厚さを設定すると、トーションビームでの残留応力が釣り合わず、トーションビームでの残留応力が釣り合うように上側絶縁層の厚さを設定すると、可動部での残留応力が釣り合わなくなってしまうことがある。
【００１５】
そこで、上記のＭＥＭＳデバイスでは、可動部における残留応力が釣り合うように、上側絶縁層の厚さが設定されている。このＭＥＭＳデバイスでは、トーションビームに比べて剛性の高い可動部を反りが生じないように形成し、その可動部によってトーションビームの端部を拘束することによって、結果的にトーションビームにおける反りの発生も抑制することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、基板上に浮いた状態で支持される可動構造体を備えるＭＥＭＳデバイスにおいて、可動構造体の反りの発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施例１の光偏向装置１０の平面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【図４】図２のＩＶ−ＩＶ線拡大断面図である。
【図５】実施例１の光偏向装置１０の製造方法を説明する図である。
【図６】実施例１の光偏向装置１０の製造方法を説明する図である。
【図７】実施例１の光偏向装置１０の製造方法を説明する図である。
【図８】実施例１の光偏向装置１０の製造方法を説明する図である。
【図９】実施例１の光偏向装置１０の製造方法を説明する図である。
【図１０】実施例１の光偏向装置１０の製造方法を説明する図である。
【図１１】実施例１の光偏向装置１０の製造方法を説明する図である。
【図１２】実施例１の光偏向装置１０の製造方法を説明する図である。
【図１３】実施例１の光偏向装置１０の製造方法を説明する図である。
【図１４】実施例１の光偏向装置１０の製造方法を説明する図である。
【図１５】実施例１の光偏向装置１０の製造方法を説明する図である。
【図１６】実施例１の光偏向装置１０の製造方法を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
好ましい実施例の特徴を最初に列記する。
（特徴１）可動構造体の導電層はポリシリコン層である。
（特徴２）可動構造体の下側絶縁層と上側絶縁層は酸化シリコン層である。
【実施例１】
【００１９】
以下では図面を参照しながら、実施例１に係るＭＥＭＳデバイスである光偏向装置１０について説明する。図１は、光偏向装置１０の平面図であり、図２は図１のＩＩ−ＩＩ線断面図であり、図３は図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。図２および図３に示すように、光偏向装置１０は、半導体ウェハ１５０の上方に、基板下層１００と、基板上層２００と、ミラー層３００が順に積層された三層構造を有している。以下では半導体ウェハ１５０と基板下層１００の組み合わせを、単に基板と称することがある。後述するように、光偏向装置１０は半導体製造プロセスを利用して製造される。なお、図１では図の明瞭化のために、ミラー層３００の図示を省略している。
【００２０】
基板上層２００には、可動部２０２が形成されている。図１に示すように、可動部２０２は平面視したときに矩形の枠形状となるように形成されている。可動部２０２の内側には、基板下層１００から上方に向けて伸びる支持柱１０２が設けられている。可動部２０２は一対のトーションビーム２０４、２０６を介して支持柱１０２に支持されている。トーションビーム２０４、２０６によって、可動部２０２は基板下層１００から浮いた状態で支持されている。
【００２１】
図１に示すように、トーションビーム２０４、２０６は、何れも細長い形状に形成されている。トーションビーム２０４、２０６に沿う方向の揺動軸Ｃ周りのトルクが可動部２０２に作用すると、可動部２０２を支持するトーションビーム２０４、２０６がねじれ変形して、可動部２０２は揺動軸Ｃの周りを揺動する。
【００２２】
図２および図３に示すように、可動部２０２は、可動電極２１０と、可動電極２１０の周囲に形成された絶縁層２１２、２１４から構成されている。絶縁層２１２の上面に可動電極２１０が形成されており、可動電極２１０の上面および側面に絶縁層２１４が形成されている。
【００２３】
図３に示すように、トーションビーム２０４は、可動部２０２の可動電極２１０と導通する導電層２１６と、導電層２１６の周囲に形成された絶縁層２１８、２２０を備えている。絶縁層２１８の上面に導電層２１６が形成されており、導電層２１６の上面および側面に絶縁層２２０が形成されている。導電層２１６は、可動部２０２の可動電極２１０および支持柱１０２の内部に形成された導電層１０４に連続している。絶縁層２１８は、可動部２０２の絶縁層２１２および支持柱１０２の側面に形成された絶縁層１０６に連続している。絶縁層２２０は、可動部２０２の絶縁層２１４および支持柱１０２の上面に形成された絶縁層１０８に連続している。
【００２４】
トーションビーム２０６は、可動部２０２の可動電極２１０と導通する導電層２２２と、導電層２２２の周囲に形成された絶縁層２２４、２２６を備えている。絶縁層２２４の上面に導電層２２２が形成されており、導電層２２２の上面および側面に絶縁層２２６が形成されている。導電層２２２は、可動部２０２の可動電極２１０および支持柱１０２の内部に形成された導電層１０４に連続している。絶縁層２２４は、可動部２０２の絶縁層２１２および支持柱１０２の側面に形成された絶縁層１０６に連続している。絶縁層２２６は、可動部２０２の絶縁層２１４および支持柱１０２の上面に形成された絶縁層１０８に連続している。
【００２５】
図１および図２に示すように、基板下層１００には一対の固定電極１１０、１１２が形成されている。固定電極１１０、１１２は支持柱１０２を間に挟んで対称な位置に配置されている。固定電極１１０は、可動部２０２の一方の長辺枠部（図１の上方、図２の左方の長辺枠部）と対向するように配置されており、固定電極１１２は、可動部２０２の他方の長辺枠部（図１の下方、図２の右方の長辺枠部）と対向するように配置されている。固定電極１１０はその上面が絶縁層１１４によって覆われており、固定電極１１２はその上面が絶縁層１１６によって覆われている。固定電極１１０は基板下層１００の表面に露出して形成された端子電極１１８と導通しており、固定電極１１２は基板下層１００の表面に露出して形成された端子電極１２０と導通している。さらに、図１および図２に示すように、基板下層１００には導電層１２２が形成されている。導電層１２２は支持柱１０２の内部の導電層１０４と、基板下層１００の表面に露出して形成された端子電極１２４の間を導通している。導電層１２２はその上面が絶縁層１２６によって覆われている。固定電極１１０、１１２、導電層１２２は、互いに絶縁されている。
【００２６】
図２および図３に示すように、ミラー層３００にはミラー３０２が形成されている。ミラー３０２は支持柱１０２、可動部２０２、トーションビーム２０４、２０６等を覆い隠す大きさの平板状に形成されている。図２に示すように、ミラー３０２は、可動部２０２から上方に向けて伸びる支持脚３０４によって支持されている。
【００２７】
光偏向装置１０は、静電駆動式であり、固定電極１１０に印加する駆動電圧と固定電極１１２に印加する駆動電圧とを制御することによって、可動部２０２を揺動軸Ｃの周りで揺動させて、ミラー３０２を揺動させる。端子電極１１８、１２０を駆動信号生成器等に接続することによって、固定電極１１０、１１２に印加する駆動電圧等を制御することができる。
【００２８】
例えば、可動電極２１０に導通する端子電極１２４を接地し、固定電極１１０、１１２に導通する端子電極１１８、１２０をそれぞれ駆動信号生成器（図示しない）に接続する。駆動信号生成器を用いて、端子電極１１８に駆動電圧を印加すると、接地されている可動電極２１０と固定電極１１０との間に静電引力が発生し、可動部２０２の固定電極１１０に対向する長辺枠部（図１の上方、図２の左方の長辺枠部）が基板下層１００側に吸引される。逆に、端子電極１２０に駆動電圧を印加すると、接地されている可動電極２１０と固定電極１１２との間に静電引力が発生し、可動部２０２の固定電極１１２に対向する長辺枠部（図１の下方、図２の右方の長辺枠部）が基板下層１００側に吸引される。これにより、可動部２０２を揺動軸Ｃ周りで揺動することができる。可動部２０２が揺動することで、支持脚３０４によって可動部２０２に支持されているミラー３０２も揺動する。
【００２９】
図４は図２のＩＶ−ＩＶ線で囲まれた領域の拡大断面図である。図４に良く示すように、可動部２０２の絶縁層２１２は、その上方の可動電極２１０（導電層）や絶縁層２１４に比べて、幅広に形成されている。これは、後述する製造プロセスにおいて、絶縁層２１２の外形形状をフォトエッチング処理でトリミングする際に、アライメント余裕が設けられているためである。
【００３０】
また、絶縁層２１４は、下方の絶縁層２１２に比べて、厚みが大きくなるように形成されている。もし絶縁層２１４と絶縁層２１２を同じ厚みで形成した場合、アライメント余裕の分だけ絶縁層２１２の方が絶縁層２１４よりも面積が大きくなり、可動部２０２の中立軸まわりの残留応力のバランスが崩れてしまう。成形時の残留応力のバランスが崩れると、可動部２０２に反りが生じてしまい、可動部２０２の動作が設計時に想定したものとは異なるものとなってしまう。そこで、本実施例では、成形時の残留応力が釣り合うように、絶縁層２１２のアライメント余裕の大きさに基づいて、絶縁層２１４が絶縁層２１２より厚くなるように形成される。このような構成とすることによって、成形時の残留応力が釣り合い、可動部２０２における反りの発生を抑制することができる。
【００３１】
具体的には、本実施例の光偏向装置１０では、以下の数式１を満足するように、絶縁層２１４の厚さを設定する。
【００３２】
【数１】
2012045658.tif 000003
【００３３】
ここで、σOは絶縁層２１２、２１４に生じる残留応力であり、σPは可動電極２１０（導電層）に生じる残留応力であり、Wは可動電極２１０（導電層）の幅であり、wは絶縁層２１２にアライメント余裕により形成されるつば部の幅であり、ybは絶縁層２１２の中立軸からの距離であり、yuは絶縁層２１４の中立軸からの距離であり、tbは絶縁層２１２の厚さであり、tuは絶縁層２１４の厚さであり、αtuは絶縁層２１４を形成する熱酸化処理において絶縁層２１２のつば部の下方に形成される余剰の熱酸化膜の厚さである。
【００３４】
あるいは、可動電極２１０（導電層）に比べて、絶縁層２１２、２１４がともに十分薄い場合には、以下の数式２を満足するように、絶縁層２１４の厚さを設定する。
【００３５】
【数２】
2012045658.tif 000004
【００３６】
以上のように絶縁層２１４の厚さを調整して、絶縁層２１４を絶縁層２１２より厚く形成することで、可動部２０２における反りの発生を抑制することができる。
【００３７】
なお、図４は可動部２０２の断面を示しているが、トーションビーム２０４、２０６も同様の構成を備えている。すなわち、トーションビーム２０４については、絶縁層２１８にはアライメント余裕が設けられており、それに応じて、絶縁層２２０は絶縁層２１８より厚く形成されている。また、トーションビーム２０６については、絶縁層２２４にはアライメント余裕が設けられており、それに応じて、絶縁層２２６は絶縁層２２４より厚く形成されている。このような構成とすることによって、成形時の残留応力が釣り合い、トーションビーム２０４、２０６における反りの発生を抑制することができる。
【００３８】
以下では図５〜図１６を参照しながら、本実施例のＭＥＭＳデバイスの製造方法を説明する。図５〜図１６は、図１のＩＩ−ＩＩ断面、すなわち、図２の断面に対応している。
【００３９】
まず図５に示すように、材料ウェハ１３０を準備する。材料ウェハ１３０の材料には、例えば単結晶シリコンを用いることができる。次に、図６に示すように、熱酸化処理を行い、上面に絶縁層である酸化膜１３２を形成する。そして、図７に示すように、ＬＰＣＶＤ（Low Pressure CVD）法により酸化膜１３２の上面にポリシリコンを積層して、フォトエッチング処理を行って、ポリシリコン層１３４を形成する。ここで形成されるポリシリコン層１３４は、固定電極１１０、１１２、導電層１２２に相当する。次に、図８に示すように、熱酸化処理を行い、ポリシリコン層１３４の上面および側面に絶縁膜である酸化膜１３６を成膜して、フォトエッチング処理を行う。ここで形成される酸化膜１３６が、絶縁層１１４、１１６、１２６に対応する。
【００４０】
次に、図９に示すように、ＬＰＣＶＤ法によりポリシリコンを積層し、その上面をＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）によって平坦化して、第１犠牲層１３８を形成する。そして、図１０に示すように、支持柱１０２の外形形状に対応して、フォトエッチング処理によって第１犠牲層１３８にトレンチを形成する。そして、図１１に示すように、熱酸化処理を行って、絶縁膜である酸化膜１４０を成膜した後、フォトエッチング処理を行う。ここで形成される酸化膜１４０が、支持柱１０２の側面の絶縁層１０６、トーションビーム２０４、２０６の絶縁層２１８、２２４、可動部２０２の絶縁層２１２に相当する。
【００４１】
次に、図１２に示すように、ＬＰＣＶＤ法によりポリシリコンを積層し、リンなどの不純物を注入し、活性化アニールして導電性を付加し、フォトエッチング処理を行って、ポリシリコン層１４２を形成する。ここで形成されるポリシリコン層１４２が、可動部２０２の可動電極２１０、トーションビーム２０４、２０６の導電層２１６、２２２に相当する。そして、図１３に示すように、熱酸化処理を行い、ポリシリコン層１４２の上面と側面に絶縁膜である酸化膜１４４を成膜して、フォトエッチング処理を行う。ここで形成される酸化膜１４４が、支持柱１０２の上面の絶縁層１０８、可動部２０２の絶縁層２１４、トーションビーム２０４、２０６の絶縁層２２０、２２６に相当する。このフォトエッチング処理の際には、アライメント余裕が設けられている。
【００４２】
次に、図１４に示すように、ＬＰＣＶＤ法によりポリシリコンを積層し、その上面をＣＭＰによって平坦化して、第２犠牲層１４６を形成する。そして、図１５に示すように、支持脚３０４の外形形状に対応して、フォトエッチング処理によって第２犠牲層１４６にトレンチを形成する。そして、図１６に示すように、スパッタリングによってＡｌを積層し、その上面をＣＭＰによって平坦化し、フォトエッチング処理を行うことで、Ａｌ層１４８を形成する。ここで形成されるＡｌ層１４８がミラー３０２に相当する。その後、ＸｅＦ２ガス等を用いた等方性エッチング処理によって第１犠牲層１３８および第２犠牲層１４６を除去し、端子電極１１８、１２０、１２４の形成処理を行うことで、図１から図３に示す光偏向装置１０が完成する。
【００４３】
なお本実施例では、絶縁層が熱酸化処理によって形成される酸化シリコン層である場合について説明したが、絶縁層は窒化処理によって形成される窒化シリコン層であってもよい。
【００４４】
なお本実施例では、光偏向装置に適用する場合について説明したが、本発明が適用可能な範囲はこれに限られない。例えば、静電引力によって電極を動かし、接点をＯＮ／ＯＦＦするＭＥＭＳ式の高周波（ＲＦ）スイッチや、静電引力によって電極を動かし、コンデンサ間隔を変えることで静電容量を変化させるＭＥＭＳ式の可変容量キャパシタに、本発明を適用することもできる。
【００４５】
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００４６】
１０   光偏向装置
１００ 基板下層
１０２ 支持柱
１０４、１２２、２１６、２２２     導電層
１０６、１０８、１１４、１１６、１２６、２１２、２１４、２１８、２２０、２２４、２２６     絶縁層
１１０、１１２       固定電極
１１８、１２０、１２４      端子電極
１３０ 材料ウェハ
１３２、１３６、１４０、１４４     酸化膜
１３４、１４２       ポリシリコン層
１３８ 第１犠牲層
１４６ 第２犠牲層
１４８ Ａｌ層
１５０ 半導体ウェハ
２００ 基板上層
２０２ 可動部
２０４、２０６       トーションビーム
２１０ 可動電極
３００ ミラー層
３０２ ミラー
３０４ 支持脚
【図１】
2012045658.tif 000005
【図２】
2012045658.tif 000006
【図３】
2012045658.tif 000007
【図４】
2012045658.tif 000008
【図５】
2012045658.tif 000009
【図６】
2012045658.tif 000010
【図７】
2012045658.tif 000011
【図８】
2012045658.tif 000012
【図９】
2012045658.tif 000013
【図１０】
2012045658.tif 000014
【図１１】
2012045658.tif 000015
【図１２】
2012045658.tif 000016
【図１３】
2012045658.tif 000017
【図１４】
2012045658.tif 000018
【図１５】
2012045658.tif 000019
【図１６】
2012045658.tif 000020