(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンオンインシュレータウェハ上に３次元マイクロヒンジを直接形成する表面マイクロマシニング製造方法であって、
（ａ）単一層のシリコン単結晶内において所望のヒンジピンの表面の周りに開口部を画定するステップと、
（ｂ）ヒンジとなる領域下の前記開口部と隣接関係に配置された酸化物材料を除去するために、前記開口部にエッチングプロセスを施すステップと、
（ｃ）ヒンジピンと後に堆積されるキャップとの間にギャップを画定するために熱酸化物を成長させるステップと、
（ｄ）ヒンジピンを回動可能に保持するためのキャップを画定するために、ポリシリコンを堆積し、エッチングするステップと、
（ｅ）成長した酸化物を取り除き、前記キャップの内側でピンが回転できるようにウエットエッチングを行うステップと、
を含むことを特徴とする表面マイクロマシニング製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の表面マイクロマシニング製造方法において、
前記ステップ（ｃ）の直後に、前記熱酸化物によって完全には覆われていない微細なギャップを覆うのに十分な化学的気相成長された酸化物の薄い層を堆積することを特徴とする表面マイクロマシニング製造方法。
【請求項３】
請求項１に記載の表面マイクロマシニング製造方法において、
接続されたミラー構造を前記シリコンウェハからリフトアップするステップを含むことを特徴とする表面マイクロマシニング製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面マイクロマシニング方法による、マイクロヒンジの製造方法に関する。より詳細には、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）ウェハ上に自己整合されたマイクロヒンジの作製を可能にする製造方法に関する。この独特のシリコン構造は、自由回転するヒンジ結合されたマイクロ素子を必要とするマイクロ電子機械システム（以降「ＭＥＭＳ」）において使用することができる。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロメートル及びミリメートルスケールのマイクロ電子機械システム（ＭＥＭＳ）技術に基づくマイクロ装置は、マイクロセンサ、マイクロ流体制御システム及びマイクロマシーンにおいて広く使用される。現在、ＭＥＭＳセンサは、自動車、医療機器及びプロセス制御応用例などの非常に広範囲な様々な分野で使用されている。このような使用において、密に詰め込まれた小さなセンサによって圧力、温度、加速度、ガス濃度及び多くの他の物理的又は化学的な状態を正確に決定することができる。部分的には、電子制御回路（ＶＬＳＩ技術を用いて）を関連付けかつ集積することが容易であるために、マイクロ装置は、集積回路の生産に使用されるような半導体ウェハの形態で市販されている結晶シリコンなど、半導体材料基板から一般に構築される。残念なことに、そのようなウェハタイプの基板は、一般に、約１０ｃｍから２０ｃｍの直径及び１ｍｍ未満の厚みを有するサイズに限定される。ＭＥＭＳの多くの可能性のある応用例は、全ての３次元においてセンチメートルスケールで配分されたマイクロ装置のアレイを必要とするため、シリコン基板に基づく大きなマイクロ装置アレイの構成、配分、取り付け及び相互接続に相当なコストが伴う。３次元ＭＥＭＳの効果的かつ効率的な作製を可能にする低価格で信頼性のある構築方法は、このタイプの技術を取り扱う現況技術の研究の核心である。
【０００３】
３次元（３Ｄ）ＭＥＭＳの主な利点は、表面マイクロマシニング方法によって作製されたマイクロヒンジの概念を中心に発展した。従来のマイクロファブリケーションプロセスは、厳密に２次元（２Ｄ）で押し出された装置を構築できるだけであるため、幾分制限されていた。マイクロヒンジは、元々平坦な２次元部品であったものを折り畳むことを可能にすることによって、マイクロ電子機械システム（ＭＥＭＳ）の世界に大変革をもたらした。部品は、依然として平面内で構築されているが、構築されたときにヒンジ結合され、または鎖状に結ばれる。プロセスの終わりで、部品は平面から折り畳まれて係止される。多くの複雑な構成が、この方法を用いて構築され、応用例は、マイクロ光学部品（例えば、光学スイッチ）、センサ及びアクチュエータを含む。この技術分野でなされた最初の業績のある例は、ケイ・エス・ジェイ・ピスターらの「Ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｅｄ  ｈｉｎｇｅｓ」（Ｓｅｎｓｅｒｓ  Ａｃｔｕａｔｏｒ  Ａ、３３巻、２４９〜２５６頁、１９９２年）に記載され、また、最近の要約は、ジェイ・バスティーロ、アール・ティー・ハウ、アール・エス・ミラーの「Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ  ｆｏｒ  Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ」（Ｐｒｏｃ．ｏｆ  ｔｈｅ  ＩＥＥＥ、第８６巻、１５５２〜１５７４頁、１９９８年）に記載されている。しかしながら、これらの文献に記載された技術に関する否定的な要素は、表面マイクロマシニング方法によってマイクロヒンジまたはヒンジ結合部を作製するための元のプロセス技術及び元のヒンジ構成が、多くの欠点を有することである。１つの特定の欠点は、これらヒンジの作成に使用されるプロセスの複雑性である。知られているプロセス技術は、プロセスを完成するために関連するリソグラフィ技術とともに、少なくとも５つのフィルム層（例えば、ポリシリコンの３つの層、および二酸化シリコンの２つの層）の堆積を必要とする。特に、作製プロセスは、このプロセスをシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）ウェハに直接集積しようとすると、著しく複雑になる。
【０００４】
図１、図２及び図３には、従来技術として明示された技術分野になった、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）上の表面マイクロマシニングに関する基本的な知られている技術が示されている。図１は、絶縁体１５及びシリコン基板１１上のシリコン層１０でどのように開始するかを示す。図２は、その後、材料、すなわち二酸化シリコンの層１２が、シリコン上に堆積されることを示す。図３は、その後、フォトレジスト材料の層１４が、二酸化シリコン上に堆積されることを示す。その後、構造は、バイナリ・フォトマスクの下で照射されてフォトレジストが現像され、過剰なフォトレジスト材料は取り除かれる。その後、露出された材料１２及び／又はシリコン層１０を取り除くためにエッチングされる。その直後、残っているフォトレジストが剥離される。これら全てのプロセスステップは、各構造層及び犠牲層に関して繰り返される。フローティングヒンジを構築するために、３層のポリシリコン及び２層の二酸化シリコンが必要である。層間の適切な接続が必要なためにより多くの層が追加され、複雑性は指数関数的に増加する。例えば、第１の層に関して１つのフォトリソグラフィ及びエッチングステップが必要である。しかし、第１及び第２の層を接続するための第３の層では、第２の層にホールを開けるために他のエッチングが必要である。関連する製造コストは、プロセスの複雑性とともに上昇する。さらに、様々な材料の層の厚み及び正確な数は、大きなトポロジー及び応力の問題を引き起こす可能性がある。大きなトポロジーは、特徴サイズを限定する適切なリソグラフィを妨げる。応力は、クラックの問題を引き起こす。
【０００５】
【非特許文献１】
ケイ・エス・ジェイ・ピスター他、Ｓｅｎｓｅｒｓ  Ａｃｔｕａｔｏｒ  Ａ、１９９２年、第３３巻、ｐ２４９〜２５６
【非特許文献２】
ジェイ・バスティーロ、アール・ティー・ハウ、アール・エス・ミラー、Ｐｒｏｃ．ｏｆ  ｔｈｅ  ＩＥＥＥ、１９９８年、第８６巻、ｐ１５５２〜１５７４
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の特徴の主な目的は、上述した欠点を回避する作製プロセスを提供することである。
【０００７】
また、本発明の主な目的は、シリコンオンインシュレータウェハ上のマイクロヒンジの構成を可能にする、以前に知られていた方法より簡単な方法を提供することである。本発明のさらなる目的は、マイクロヒンジ構造のヒンジ枢転可能な部分が、ヒンジステープル部分に対して自己整合されるため、従来の構造によって示されるより小さいヒンジ公差を有する３次元マイクロヒンジを形成するための表面マイクロマシニング製造方法を示すことである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決できる本発明は、シリコンオンインシュレータウェハ上に３次元マイクロヒンジを直接形成する表面マイクロマシニング製造方法であって、（ａ）単一層のシリコン単結晶内において所望のヒンジピンの表面の周りに開口部を画定するステップと、（ｂ）ヒンジとなる領域下の前記開口部と隣接関係に配置された酸化物材料を除去するために、前記開口部にエッチングプロセスを施すステップと、（ｃ）ヒンジピンと後に堆積されるキャップとの間にギャップを画定するために熱酸化物を成長させるステップと、（ｄ）ヒンジピンを回動可能に保持するためのキャップを画定するために、ポリシリコンを堆積し、エッチングするステップと、（ｅ）成長した酸化物を取り除き、前記キャップの内側でピンが回転できるようにウエットエッチングを行うステップとを含むことを特徴とする。
【０００９】
本発明の前述の態様および他の特徴は、添付の図面とともに以下の記載で説明する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の特徴は、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）ウェハの上部にマイクロヒンジを構築する新規な方法を記述する。この方法は、ウェハ平面からリフトアップすることができるヒンジの作製を可能にする。この方法は、ただ１回のポリシリコン堆積だけを必要とし、かつプロセス複雑性及びコストを著しく低減する。本発明によって製造されたヒンジは、自己整合され、従来のポリシリコンヒンジ（一般的に、３層のポリシリコンの堆積を必要とする）より小さい公差を有する。さらに、本発明によるプロセスは、移動プレートが単結晶シリコンの外で完全に構築されることを可能にし、かつ、ポリシリコンミラーに関係する応力及び疲労破壊の問題を著しく低減する。
【００１１】
本発明によるプロセスは、堆積技術による必要なポリシリコンの層数を低減するために、従来の表面マイクロマシニングに拡張されることができる。応用例は非常に広く、多くの可動マイクロ装置、特にマイクロ光学スイッチ、マイクロ分光解析装置、マイクロ表示装置及び電子ペーパーに関して用いられることができる。
【００１２】
本明細書に記載されるヒンジは、一般に表面マイクロマシニングプロセスによって構築される。
【００１３】
本明細書に記載される本発明の実施形態は、他の方法を提案する。２つのポリシリコン層によってステープルで止められたヒンジポストを有する代わりに、本発明は、図４に示されたような同じ層（堆積）でポストを完全に取り囲むステープルについて記載する。この構成は、ポリシリコン及び熱的に成長した酸化物の特性を一致させること、並びに二酸化シリコンのウエットエッチングのアンダーカッティング性能の利点によって実現される。図示されるように、マイクロヒンジ装置Ｍに関する基本的な基盤となる基板４２を備えるマイクロヒンジ装置Ｍが示されている。アンカープレート４１が、基板４２上に支持され、ヒンジピン４３Ａを取り囲みかつ保持するステープル４０がアンカープレート４１に係止される。アンカープレート４１と基板４２との間には埋め込み酸化物の層が配置され、その層は電気的絶縁のために必要である。「フラップ」、「移動プレート」又は「ミラー」４３は、ヒンジピン４３Ａの周りのプレートの外側の矢印４４の方向に回転することができる。アンカープレート４１、移動プレート４３及びピン４３Ａは、全て単結晶シリコンから作られる。ステープル４０が、多結晶シリコンで作られる。全ての部品は、基板４２から電気的に絶縁される。
【００１４】
図５から１２は、本発明によって画定される特定のプロセスステップの主な作製ステップにおけるＭＥＭ装置の断面図を示す。図５に示されるように、開始材料は、好ましくは約１から５ミクロンメートルの厚みを有する単結晶シリコン層５１を備えるＳＯＩウェハ５０である。結晶シリコン層５１は埋め込み酸化物層５２を覆って載り、次に、埋め込み酸化物層５２が基板５３また単結晶シリコン層上に堆積される。まず、シリコン単結晶層５１内にトレンチ５４（スロット）を形成するエッチングによって、図６に示されるように、スロットがヒンジピンの周りに画定される。その後、ヒンジピンの下の酸化物を取り除くために、ウエットエッチングが実行される（図７）。「ｄ」は、エッチングプロセス後における各ピン５２上の各シリコン結晶層５１間の距離である。ピンと堆積されるべきポリシリコンキャップとの間のギャップを画定するために、次のステップで熱酸化物５６を成長させる（図８）。フィールドにおいて熱的に成長した酸化物によって完全にはシールされない微細なギャップを覆い、さらにスロット開口の角を落とすために、直後に任意のＣＶＤ酸化物の薄い層（ＬＴＯ：Ｌｏｗ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｏｘｉｄｅ（低温酸化物））５５を堆積することができる（図９）。ピンの周りのトレンチの幅がより大きいため、ＣＶＤ酸化物は、上部コーナーの角を落とすだけであり、トレンチ開口の密封はしない。熱酸化物層５６の厚みは、図７に示される「ｄ」の寸法の約半分の厚みであり、ＬＴＯ層５５の厚みは、熱酸化物層５６の厚みの半分未満である。ポリシリコンアンカーのエッチングは、次のステップで実行される（図１０）。その後、ポリシリコン５９が堆積され（図１１）、ヒンジキャップを画定するためにエッチングされる。ポリシリコンは優れた適合性を有するため、ポリシリコンは、ピンの下のギャップに完全に充填されてピンの周りを包む。この特徴は、ヒンジ５８を完全に平面からリフトアップされることを可能にする（図１２）。直接の比較に関して、同じ機能性を実現するために、従来の表面マイクロマシニング技術では少なくとも３つのポリシリコン堆積を行う必要がある。最後のステップにおいて、犠牲酸化物が、フッ化水素酸によってエッチング除去され、ミラーが、平面からリフトアウトされる。リフトアウトされたプラットフォームを構築するために、ミラープレートを縦続接続することができる。
【００１５】
図１３は、本発明の特徴を利用して形成されたヒンジシステムを示す。シリコン自己整合されたマイクロヒンジによって接続されたチェーン状のプラットフォームは任意の角度で矢印６４の方向に持ち上げることができる。基板６２によって支持された様々なプラットフォーム６１の全てがそうであるように、ヒンジポストは全て単結晶シリコンで形成されている。構造的な動きは、矢印６３の方向、さらに左である。プラットフォーム６１は、一般に、矢印６３の方向に、すなわち右にマイクロアクチュエータを押圧するために、マイクロアクチュエータに接続される。矢印６３の方向に押圧されたとき、全体構造は、矢印６４の方向に引き上げられる（平面から離れる）。さらに、各プレート６１の角度は、矢印６３の方向に動かすことによって制御される。
【００１６】
図１３の上部に示されるように、表面６６は、プラットフォーム６１上に配置される。表面６６は、例えば、金属反射体、微細にエッチングされた格子、または大きなホールであることができる。
【００１７】
図１４は、３つの多結晶シリコンの層が必要である従来のシリコンヒンジ構造を示す。このような構造は、図１５に示すように、１層の多結晶シリコンのみを必要とする本発明における自己整合されたヒンジ（ＳＡＨ）と直接対比されるものである。図１４及び図１５は、自己整合されたヒンジの公差（図１５）が、図に示される従来のヒンジの公差より良い理由をを示す。
【００１８】
ヒンジ公差は、ヒンジポスト（ピン）とポストを取り囲むキャップと間のギャップによって画定される。従来のマイクロヒンジにおいて、ギャップは、側方でｗ２であり、上部でｔ１であり、下部でｔ３である。本発明において記載されるプロセスで形成される自己整合されたマイクロヒンジでは、ギャップは、それぞれｗ３、ｔ４、ｔ５となる。
【００１９】
従来のヒンジに関して、ｔ１及びｔ２は、酸化物１及び酸化物２の厚みによって決定される。これらは、一般に、約１．５μｍから２．５μｍである。ｗ２は、エッチング及びアライメント性能によって決定される。基本的には、ｗ１は、ポリシリコン層３の堆積前になされるエッチングによって決まる。ｗ１のエッチングは、酸化物層１及び酸化物層２を介して行わなければならず、そのため、そのエッチングマスクは妥当な厚みを有さなければならない（図１４におけるｔ６）。ＭＥＭＳを構築するために一般に使用される層対層のコンタクトリソグラフィのアライメント精度は約１μｍ〜１．５μｍより悪い。従って、ｗ２は、ｗ１のエッチングのシフトを引き起す偶発性のリソグラフィのアライメント誤差を抑制し、ポリシリコン層３を後でポリシリコン層２のヒンジポストへブリッジするするために、妥当に十分な大きさを持たなければならない。１μｍ〜１．５μｍのアライメント精度を仮定すると、その値は一般に約３μｍである。さらに、通常（ｔ１＋ｔ３）の２〜３倍であるｗ１は十分に広くなければならず、良好なエッチング及びポリシリコン層３とポリシリコン層１とをプロセスの最後に適切に接続できるものでなければならない。
【００２０】
自己整合されたヒンジの場合において（図１５）、ｔ４は、ｔ５及びｗ３にほぼ等しくなければならない。なぜなら、これらは全て同時に成長されるからである。熱酸化物は、「適合的」であり、その厚みがほぼどこでも等しいことを意味する。ｗ３は、約１μｍであるか、または約１．５μｍ以下でなければならない。これは、ヒンジを回転させるためにちょうど良い大きさでなければならない。ｗ４を有するホールを画定するための追加のリソグラフィ／エッチングステップは無く、アライメント、マスク厚み／ステップカバレージなどに関係しない。ｗ４はｔ８の約２分の１である。
【００２１】
従って、ｗ２は通常３μｍとなり、ｗ３は通常１μｍから１．５μｍとなる。すなわち、本発明のプロセスによって作られるマイクロヒンジはより良好な公差を有する。ｗ１が通常４×（２〜３）＝８〜１２μｍであり、ｗ４が２〜３μｍだけであることに加えて、本発明のプロセスにより作られたマイクロヒンジはより小さいことに気が付く。しかし、サイズの違いは、キャップが同様に下方にアンカーされる必要があるため重要ではない。ｗ５は、ｗ３の約２倍でなければならず、約３μｍである。間隔ｗ６はさらに４〜５μｍ追加される。
【００２２】
自己整合されたマイクロヒンジの走査電子顕微鏡写真は、図１６および図１７に示されている。図１６において、４個のヒンジが、右側のミラープレートを左のミラープレートに接続する。ピンは、右側プレートの部品であり、ポリキャップは、左側ミラープレートを下方に係止する。犠牲酸化物が取り除かれ、ポリキャップが、単結晶シリコンヒンジの周りを包むことがわかる。図１６において、右側プレートが上に回転する。また、図１７には他のヒンジの拡大図が示され、本発明の実施形態による自己整合されたヒンジの公差がより小さいことを示す。
【００２３】
前述の説明は、本発明を例示するだけであることが理解されよう。様々な変形および修正が、本発明から逸脱することなく当業者によって考案されることができる。従って、本発明は、特許請求の範囲内にある全てのそのような代替、修正及び変形を含むことを意図している。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ＭＥＭＳを作製するための従来技術の方法を示す平面図である。
【図２】  ＭＥＭＳを作製するための従来技術の方法を示す平面図である。
【図３】  ＭＥＭＳを作製するための従来技術の方法を示す平面図である。
【図４】  ＳＯＩウェハヒンジ構造上の単結晶シリコン層の３次元図である。
【図５】  本発明によって画定されるプロセスの特定の特徴による、マイクロヒンジの製造に用いられるプロセスステップを示す平面図である。
【図６】  本発明によって画定されるプロセスの特定の特徴による、マイクロヒンジの製造に用いられるプロセスステップを示す平面図である。
【図７】  本発明によって画定されるプロセスの特定の特徴による、マイクロヒンジの製造に用いられるプロセスステップを示す平面図である。
【図８】  本発明によって画定されるプロセスの特定の特徴による、マイクロヒンジの製造に用いられるプロセスステップを示す平面図である。
【図９】  本発明によって画定されるプロセスの特定の特徴による、マイクロヒンジの製造に用いられるプロセスステップを示す平面図である。
【図１０】  本発明によって画定されるプロセスの特定の特徴による、マイクロヒンジの製造に用いられるプロセスステップを示す平面図である。
【図１１】  本発明によって画定されるプロセスの特定の特徴による、マイクロヒンジの製造に用いられるプロセスステップを示す平面図である。
【図１２】  本発明によって画定されるプロセスの特定の特徴による、マイクロヒンジの製造に用いられるプロセスステップを示す平面図である。
【図１３】  任意の角度でプラットフォームの基板をリフトアップさせることができる、プラットフォームを形成するために自己整合されたマイクロヒンジによって接続された連鎖されたプレートの３次元図である。
【図１４】  従来のマイクロヒンジと、本発明のプロセスによって作られたマイクロヒンジとの間の比較を示す。
【図１５】  従来のマイクロヒンジと、本発明のプロセスによって作られたマイクロヒンジとの間の比較を示す。
【図１６】  本明細書に記載されたプロセスによって形成された自己整合されたマイクロヒンジの走査電子顕微鏡写真である。
【図１７】  本明細書に記載されたプロセスによって形成された自己整合されたマイクロヒンジの走査電子顕微鏡写真である。
【符号の説明】
１０  シリコン層、１１  シリコン基板、１２  二酸化シリコン層、１４  フォトレジスト層、１５  絶縁体、４０  ステープル、４１  アンカープレート、４２，５３，６２  基板、４２Ａ  ヒンジピン、４３  フラップ（移動プレート、ミラー）、４４，６３，６４  矢印、５０  ＳＯＩウェハ、５１  結晶シリコン層、５２  埋め込み酸化物、５４  トレンチ（スロット）、５５  低温酸化物、５６  熱酸化物、５８  ヒンジ、５９  ポリシリコン、６１  プラットフォーム、６６  表面、Ｍ  マイクロヒンジ装置。
【図１】
0004313576.tif 000002
【図２】
0004313576.tif 000003
【図３】
0004313576.tif 000004
【図４】
0004313576.tif 000005
【図５】
0004313576.tif 000006
【図６】
0004313576.tif 000007
【図７】
0004313576.tif 000008
【図８】
0004313576.tif 000009
【図９】
0004313576.tif 000010
【図１０】
0004313576.tif 000011
【図１１】
0004313576.tif 000012
【図１２】
0004313576.tif 000013
【図１３】
0004313576.tif 000014
【図１４】
0004313576.tif 000015
【図１５】
0004313576.tif 000016
【図１６】
0004313576.tif 000017
【図１７】
0004313576.tif 000018