(57)【要約】【課題】微小電気機械素子（ＭＥＭＳ素子）の特性劣化を回避し、信頼性に優れた微小電気機械装置及びその製造方法を提供する。【解決手段】半導体基板２上に形成されたＭＥＭＳ素子３と、ＭＥＭＳ素子３との間に空洞５を形成するとともに該素子３を四角錘台状に覆い、その上面の一部に貫通孔９が形成された空洞形成膜６と、空洞形成膜６内の貫通孔９直下のみに配置され、貫通孔９を塞いでＭＥＭＳ素子３を空洞５内に封止する封止層７とを備えている。封止層７は、エアロゾルデポジション法で形成されている。【選択図】図１
2009095938.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に微小電気機械素子を形成する工程と、
前記微小電気機械素子を覆う犠牲部材と、この犠牲部材を覆う膜とを形成する工程と、
前記膜の、微小電気機械素子の直上を除いた部位に貫通孔を形成する工程と、
前記貫通孔を通して前記犠牲部材を除去し、前記微小電気機械素子の周囲に空洞を形成する工程と、
前記膜上に、前記貫通孔を塞ぎ前記微小電気機械素子を空洞内に封止する封止層を、前記基板面に対して成膜材料を垂直方向に直進させて成膜する工程と
を備えることを特徴とする微小電気機械装置の製造方法。
【請求項２】
前記膜の外形が柱体状もしくは錘台状であり、前記貫通孔が前記柱体もしくは錘台の側面に形成されることを特徴とする請求項１に記載の微小電気機械装置の製造方法。
【請求項３】
前記膜の外形が錘台状であり、前記貫通孔が前記錘台の向かい合う２つの側面全体を除去して形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の微小電気機械装置の製造方法。
【請求項４】
基板上に形成された微小電気機械素子と、
前記微小電気機械素子との間に空洞を形成するとともに該素子を覆い、前記微小電気機械素子の直上を除いた部位に貫通孔を有する空洞形成膜と、
前記空洞形成膜内の前記貫通孔直下もしくは貫通孔近傍のみに配置され、前記貫通孔を塞いで前記微小電気機械素子を空洞内に封止する封止層と
を具備することを特徴とする微小電気機械装置。
【請求項５】
前記空洞形成膜の外形が錘台状であり、前記貫通孔が前記錘台の向かい合う２つの側面全体を除去して形成されることを特徴とする請求項４に記載の微小電気機械装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小電気機械装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）素子は、通常の半導体装置と同様に外界の影響から素子を保護するために気密に封止される。ただし、ＭＥＭＳ素子は、電気的な力、または加速度などの外力で変形する片持ち梁や両持ち梁構造の可動部を備えており、その動作特性から素子を空洞内に保持しなければならないため、空洞の状態を保持し得る封止構造を適用する必要がある。このような封止構造としては、従来から適用されている金属キャップタイプのパッケージが知られているが、パッケージの大型化が避けられないことから、近年の小型化要求には対応することができない。
【０００３】
このような問題に対応して、ＭＥＭＳ素子を覆う犠牲層を形成し、犠牲層に通じる貫通孔が形成された膜を犠牲層上に積層した後、この貫通孔から犠牲層を選択的に除去し、膜の貫通孔を塞ぐように封止層を積層して、ＭＥＭＳ素子を空洞内に封止した構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。従来、封止層は、スパッタ法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などにより形成されている。
【０００４】
しかしながら、例えばＣＶＤ法などで封止層を形成すると、貫通孔から回り込んだ成膜材料などがＭＥＭＳ素子に付着しやすく、素子特性を劣化させる要因となっていた。
【特許文献１】特開２００５−１２３５６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、微小電気機械素子（ＭＥＭＳ素子）の特性劣化を回避し、信頼性に優れた微小電気機械装置及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様に係る微小電気機械装置の製造方法は、基板上に微小電気機械素子を形成する工程と、前記微小電気機械素子を覆う犠牲部材と、この犠牲部材を覆う膜とを形成する工程と、前記膜の、微小電気機械素子の直上を除いた部位に貫通孔を形成する工程と、前記貫通孔を通して前記犠牲部材を除去し、前記微小電気機械素子の周囲に空洞を形成する工程と、前記膜上に、前記貫通孔を塞ぎ前記微小電気機械素子を空洞内に封止する封止層を、基板面に対して成膜材料を垂直方向に直進させて成膜する工程とを備えることを特徴としている。
【０００７】
また、本発明の一態様に係る微小電気機械装置は、基板上に形成された微小電気機械素子と、前記微小電気機械素子との間に空洞を形成するとともに該素子を覆い、前記微小電気機械素子の直上を除いた部位に貫通孔を有する空洞形成膜と、前記空洞形成膜内の前記貫通孔直下もしくは貫通孔近傍のみに配置され、前記貫通孔を塞いで前記微小電気機械素子を空洞内に封止する封止層とを具備することを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
上記構成により、微小電気機械素子（ＭＥＭＳ素子）の特性劣化を回避し、信頼性に優れた微小電気機械装置及びその製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。なお、以下では本発明の実施形態を図面に基づいて述べるが、それらの図面は図解のために提供されるものであり、本発明はそれらの図面に限定されるものではない。
【００１０】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る微小電気機械装置（以下、ＭＥＭＳ装置とする。）の構成を模式的に示す断面図である。
【００１１】
図１に示すように、第１の実施形態のＭＥＭＳ装置１は、半導体基板２と、ＭＥＭＳ素子３と、空洞形成膜６と、封止層７とを備えている。
【００１２】
半導体基板２上には、ＭＥＭＳ素子３を動作させるための信号線や電源線、接地線等の配線層８が絶縁層４を介して形成されている。本実施形態では、基板に、半導体基板２を用いたが、これ以外に、例えばガラス、合成樹脂などの絶縁性基板を用いることもできる。
【００１３】
配線層８は、ＭＥＭＳ素子３と電気的に接続され外部との間で電気信号等のやりとりを行う。配線層８には、例えばＡｕ、Ｃｒ、Ｒｔ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｐｔ等から構成される金属薄膜、これらの合金薄膜、あるいはこれらを多層積層した導体薄膜等を適用することができる。この場合、スパッタリング法、金属蒸着法、ＣＶＤ法等により金属薄膜等を形成した後、フォトリソグラフィー等でパターニングする。また、配線層８の形態は、特に限定されるものではなく、例えばコプレーナ線路、マイクロストリップ線路、グランド付きコプレーナ線路、あるいは単純な薄膜信号線路など要求される仕様に応じて適宜選択できる。
【００１４】
ＭＥＭＳ素子３は、可動部３１と支持部３２，３３とを備えた両持ち梁構造であり、可動部３１が半導体基板２の厚み方向に変形可能に構成されている。可動部３１は、Ａｌ、Ｃｕなどの金属薄膜から構成される。本実施形態では、両持ち梁構造のＭＥＭＳ素子３を用いたが、片持ち梁構造のＭＥＭＳ素子３を用いることもできる。ＭＥＭＳ素子３には、例えば静電気式マイクロスイッチ、静電マイクロリレー、マイクロメカニカルリレー、加速度センサ、圧力センサ、アクチュエーター等を適用することができる。
【００１５】
空洞形成膜６は、その内側にＭＥＭＳ素子３の動作特性に必要な空洞５が形成され、ＭＥＭＳ素子３を覆うようにして半導体基板２上に形成されている。また、空洞形成膜６は、貫通孔９を備えている。空洞形成膜６の外形は、例えば、四角柱、円柱などの柱体状、全体として円錐、六角錐、四角錐等の錐体の頂部を切除した錘台状、半球形（ドーム）状などである。本実施形態では、空洞形成膜６の外形は四角錘台状であり、貫通孔９は四角錘台の上面の一部（ただし、ＭＥＭＳ素子３の直上を除いた部位）に配置されている。
【００１６】
封止層７は、空洞形成膜６上に形成され、空洞形成膜６に設けられた貫通孔９を塞いで、空洞５内にＭＥＭＳ素子３を封止する。封止層７は、基板２面に対して成膜材料を垂直方向に直進させて成膜する方法によって形成される。このような方法としては、例えば、後述するエアロゾルデポジション法（以下、ＡＤ法とする）、ＳＴＰ（Ｓpin coating film Ｔransfer and hot-Ｐressing）法などが挙げられる。なかでも、無加熱での成膜が可能であり、ＭＥＭＳ素子３に与えるダメージが極めて少ないことから、ＡＤ法を用いることが好ましい。本実施形態では、ＡＤ法を用いる。封止層７の形状は、制限されず、空洞形成膜６と同様の形状でも、これ以外の形状でもよく、本実施形態では、大小異なる２つの四角錘台を積層した形状である。
【００１７】
また、本実施形態では、貫通孔９が空洞形成膜６の上面の一部（ただし、ＭＥＭＳ素子３の直上を除いた部位）に形成されているため、封止層７の一部が空洞形成膜６内の貫通孔９直下に堆積している。封止層７はＡＤ法で成膜されているため、基板２面に対して成膜材料を垂直方向に直進させることが可能であり、貫通孔９から成膜材料などが回り込むことなく、ＭＥＭＳ素子３への成膜材料の付着が極めて少ない。さらに、封止層７の一部を図１のように空洞形成膜６内に堆積させることで、空洞形成膜６端部の機械的強度を向上させることができる。
【００１８】
上述した本実施形態のＭＥＭＳ装置１は、例えば以下のようにして製造される。図２（ａ）〜（ｇ）は、図１に示すＭＥＭＳ装置１の製造方法を模式的な断面で示す工程図である。
【００１９】
まず、図２（ａ）に示すように、半導体基板２上に絶縁層４を介して配線層８を形成し、この配線層８上に、可動部３１と支持部３２，３３からなるＭＥＭＳ素子３を形成する。配線層８は、絶縁層４上にスパッタリング法で金属薄膜（例えばＡｌ膜、Ｃｕ膜など）を形成した後、これをフォトリソグラフィー法でパターニングして形成される。配線層８の一部には、配線保護用の絶縁層（不図示）を形成しておく。ＭＥＭＳ素子３は、ポリイミドなどの犠牲層を利用した周知の方法で作成される。
【００２０】
続いて、半導体基板２にポリイミドなどの犠牲層１０を積層し、この犠牲層１０上にレジスト１２等の有機絶縁膜を塗布する。レジスト１２は、次工程のテーパエッチングにおいてマスク材として使用されるものであり、犠牲層１０とともに犠牲部材として空洞形成膜６の形成にも利用される。
【００２１】
図２（ｂ）に示すように、レジスト１２をマスク材として使用し、犠牲層１０をテーパエッチングにより四角錘台状にする。テーパエッチングでは、エッチングガスのガス条件を制御して、テーパの角度を調整する。テーパエッチングは、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などのドライエッチングにより行われる。テーパエッチングの際には、エッチングの進行とともに、レジスト１２の厚みが薄くなりやすい。このため、エッチング終了後に少なくとも犠牲層１０の上面がレジスト１２で覆われるように、犠牲層１０上に形成するレジスト１２の厚さを予め決めておくことが好ましい。
【００２２】
続いて、図２（ｃ）に示すように、四角錘台状の犠牲層１０とレジスト１２全体を覆うように、空洞形成膜６をスパッタ法、ＣＶＤ法等で成膜する。空洞形成膜６としては、その成膜プロセスで犠牲層１０がダメージを受け難く、犠牲層１０と空洞形成膜６との間でのエッチングの選択性の点から、本実施形態では、ＳｉＯ２等を用いる。
【００２３】
図２（ｄ）に示すように、空洞形成膜６の一部、ここでは四角錘台の上面の一部をフォトリソグラフィー法、ドライエッチング法等を用いて除去し、犠牲部材（犠牲層１０とレジスト１２）を除去するための貫通孔９を空洞形成膜６に形成する。貫通孔９は、空洞形成膜６の上面の一部に形成されるが、貫通孔９の形成とこれに続くエッチングによって、ＭＥＭＳ素子３の特性に悪影響が及ばないように、ＭＥＭＳ素子３の直上にあたる部位を避けるようにして設ける。
【００２４】
続いて、図２（ｅ）に示すように、空洞形成膜６に設けた貫通孔９から、アッシングにより、レジスト１２と、ポリイミドからなる犠牲層１０を一括して除去し、ＭＥＭＳ素子３の周囲に空洞５を形成する。
【００２５】
続いて、図２（ｆ）に示すように、空洞形成膜６上に、ＡＤ法を用いてセラミック材料（例えばＡｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、ＭｇＢ２、ＰＺＴ［Ｐｂ（Ｚｒ５２，Ｔｉ４８）Ｏ３］、Ｎｉ−Ｚｎ−Ｆｅ３Ｏ４など）等からなる薄膜を成膜する。そして、フォトリソグラフィー法、ドライエッチング法によりパターニングして封止層７を形成する（図２（ｇ）参照）。これにより、封止層７で貫通孔９を塞ぎ、ＭＥＭＳ素子３を空洞５内に封止する。
【００２６】
ＡＤ法は、セラミック材料などの成膜材料を機械的に粉砕して０．０８〜２μｍ程度の微粒子状にしたものを、減圧下の雰囲気でガスと攪拌、混合してエアロゾル化し、これをガス搬送して１ｍｍ以下の微小開口のノズルに通し、基板などに噴射して被膜を形成する方法である。ガス搬送された微粒子は微小開口のノズルを通すことで、数百ｍ／ｓｅｃまで容易に加速される。この加速された微粒子の運動エネルギーが、基板などに衝突して局所的な熱エネルギーに変換され、基板と微粒子との間の結合や、微粒子同士の結合を実現する。このようにＡＤ法は無加熱での成膜が可能であり、基板の温度上昇もわずかであるため、ＭＥＭＳ素子３に与えるダメージが極めて少ない。
【００２７】
また、ＡＤ法は、高密度で、密着強度の高い成膜が可能であるため、ＡＤ法により形成された封止層７は、封止信頼性に優れている。
【００２８】
また、ＡＤ法は、ノズルから噴射された微粒子の直進性が高いため、基板に対して垂直方向に微粒子を噴射することで、貫通孔９から成膜材料などが回り込むことなく、基板に対して垂直な方向に微粒子を堆積させることができ、ＭＥＭＳ素子３への成膜材料の付着が極めて少ない。
【００２９】
以上説明したように、本実施形態によれば、ＡＤ法を用いて封止層７を形成することで、ＭＥＭＳ素子３の特性劣化を防止でき、歩留まりよく、高信頼性のＭＥＭＳ装置１を提供することができる。
【００３０】
なお、封止層７について、ＡＤ法でセラミック材料等からなる薄膜を成膜した後、フォトリソグラフィー法、ドライエッチング法でパターニングして形成しているが、これ以外に、遮蔽マスクを使用することもできる。この場合、空洞形成膜６の所定位置に合わせて位置決めされた遮蔽マスク上に、ＡＤ法を用いてセラミック材料をノズルから供給し、これを移動させることで、一度に成膜とパターニングを行って封止層７を形成することができ、作業効率を向上させることができる。
【００３１】
また、本実施形態では、封止層７の形成にＡＤ法を用いたが、ＳＴＰ法を用いることもできる。ＳＴＰ法を用いる場合、予め、フィルム上に成膜材料（例えばＳｉＯ２など）を塗布して膜を形成しておき、真空中でフィルム上の膜を空洞形成膜６に加圧、加熱して転写させた後、フィルムを剥離して、封止層７を空洞形成膜６上に形成する。このＳＴＰ法によれば、貫通孔９が空洞形成膜６の上面の一部に形成されていても、空洞形成膜６の内部に封止層７の一部が堆積することがない。
【００３２】
また、空洞形成膜６の外形を四角錘台状としたが、それ以外の錘台状でも、ドーム（半球形）状、柱体状でもよい。ドーム状にする場合には、犠牲層１０をフォトレジストや感光性材料などで形成し、３００℃程度でアニールしてドーム状にし、この上に貫通孔９を有する膜を形成し、貫通孔９から犠牲層１０を除去することで、ドーム状の空洞形成膜６が得られる。空洞形成膜６の外形には、錘台状またはドーム状を適用することが好ましい。これによれば、柱体状の場合と比べて、その上面と側面において膜の均一性に優れるため、全体をパッケージした場合にその衝撃と応力に対してクラックなどが発生しにくく、封止信頼性に優れている。
【００３３】
また、犠牲層１０には、ＳｉＯ２を用いてもよい。この場合、空洞形成膜６には、その成膜プロセスで犠牲層１０がダメージを受けにくく、犠牲層１０と空洞形成膜６との間でのエッチングの選択性の点から、ＳｉＮを用いることが好ましい。ＳｉＯ２からなる犠牲層１０は、空洞形成膜６に設けられた貫通孔９を通して、レジスト１２をアッシングにより除去し、ＳｉＯ２からなる犠牲層１０を選択的に溶解除去可能なバッファフッ酸などのエッチャントを使用して犠牲層１０を除去して、ＭＥＭＳ素子３の周囲に空洞５を形成する。レジスト１２はウエットエッチング法により除去することもでき、犠牲層１０がＳｉＯ２からなる場合には、ウエットエッチング法以外に、ＲＩＥ法やフッ酸蒸気によるドライエッチング法などを用いることもできる。
【００３４】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係るＭＥＭＳ装置について図３（ａ）、図３（ｂ）を用いて説明する。図３（ａ）は、本発明の第２の実施形態に係るＭＥＭＳ装置２１の構成を模式的に示す断面図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）に示したＭＥＭＳ装置２１で用いた空洞形成膜２４を模式的に示す斜視図である。第１の実施形態と同一の構成部分については、同一の符号を付してその説明を簡略化または省略する。
【００３５】
図３（ａ）に示すように、第２の実施形態のＭＥＭＳ装置２１は、第１の実施形態と同様に、半導体基板２、ＭＥＭＳ素子３、空洞形成膜２４及びＡＤ法により形成された封止層７を備えているが、第１の実施形態とは、犠牲層１０を除去するための貫通孔２２の位置や形状が異なる。
【００３６】
貫通孔２２は、空洞形成膜２４の側面のうち、少なくとも１つの側面に形成され、その形状は、側面の少なくとも一部が除去されて形成されていればよい。本実施形態では、貫通孔２２は、図３（ｂ）に示すように、四角錘台の向かい合う２つの側面に形成され、その形状は、側面全体を除去して形成される。これにより、貫通孔２２を四角錘台の上面の一部に配置した第１の実施形態と比べて、犠牲層１０を短時間で効率よく除去することができる。さらに、貫通孔２２が四角錘台の側面に位置しているため、ＡＤ法で封止層７を形成した場合に、空洞形成膜２４の内部に成膜材料が入り込みにくく、空洞形成膜２４内において封止層７は貫通孔２２近傍のみに配置され、ＭＥＭＳ素子３への成膜材料などの付着をより効果的に防止できる。なお、貫通孔２２は、犠牲層１０をより短時間で除去する上で、図３（ｂ）に示す、四角錘台の残りの２つの側面についても、その一部を除去して形成されてもよい。
【００３７】
上述した本実施形態のＭＥＭＳ装置２１は、例えば以下のようにして製造される。図４（ａ）〜（ｆ）は、図３（ａ）に示すＭＥＭＳ装置２１の製造方法を模式的な断面で示す工程図である。本実施形態の製造方法は、第１の実施形態における製造方法とほぼ同様であるため、その説明を簡略化または省略する。
【００３８】
まず、図４（ａ）に示すように、半導体基板２上に絶縁層４を介して配線層８を形成し、この配線層８上に可動部３１と支持部３２，３３からなるＭＥＭＳ素子３を形成する。
【００３９】
続いて、半導体基板２にポリイミドなどの犠牲層１０を積層し、この犠牲層１０上にレジスト１２等の有機絶縁膜を塗布する。そして、上述した第１の実施形態と同様にして、テーパエッチングにより犠牲層１０を四角錘台状にする（図４（ｂ）参照）。
【００４０】
図４（ｃ）に示すように、四角錘台状の犠牲層１０とレジスト１２全体を覆うように、ＳｉＯ２等からなる空洞形成膜２４をスパッタ法、ＣＶＤ法等で成膜する。
【００４１】
続いて、空洞形成膜２４について、四角錘台の向かい合う２つの側面全体をフォトリソグラフィー法、ドライエッチング法を用いて除去し、犠牲部材（犠牲層１０とレジスト１２）を除去するための貫通孔２２を形成する（図３（ｂ）参照）。
【００４２】
図４（ｄ）に示すように、貫通孔２２から、レジスト１２と、ポリイミドからなる犠牲層１０をアッシングにより一括して除去し、ＭＥＭＳ素子３の周囲に空洞５を形成する。
【００４３】
続いて、図４（ｅ）に示すように、空洞形成膜２４上に、ＡＤ法を用いてセラミック材料（例えばＡｌＮ）等からなる薄膜を成膜する。そして、フォトリソグラフィー法、ドライエッチング法によりパターニングして封止層７を形成する（図４（ｆ））。これにより、封止層７で貫通孔２２を塞ぎ、ＭＥＭＳ素子３を空洞５内に封止する。
【００４４】
以上説明したように、本実施形態によれば、四角錘台の向かい合う２つの側面全体を除去して貫通孔２２を形成することで、貫通孔２２から犠牲層１０を短時間（１０〜１５分程度）で除去することができ、ＭＥＭＳ装置２１の生産性を向上させることができる。
【００４５】
また、貫通孔２２を四角錘台の側面に配置し、封止層７をＡＤ法により形成することで、ＭＥＭＳ素子３への成膜材料などの付着をより効果的に防止できる。
【００４６】
また、上述した第１の実施形態と同様に、封止層７については、遮蔽マスクを使用することもできる。これにより、成膜とパターニングを一度に行うことができるため、作業効率の向上が可能である。
【００４７】
また、第１の実施形態と同様に、ＳＴＰ法を用いて封止層７を形成することもできる。
【００４８】
なお、本発明は上記実施の形態の記載内容に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、上述の第１〜第２の実施形態において挙げた材料、構造、形状、基板、プロセスなどはあくまでも例に過ぎず、必要に応じて、これらと異なる材料、構造、形状、基板、プロセスなどを用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るＭＥＭＳ装置の構成を模式的に示す断面図。
【図２】図１に示すＭＥＭＳ装置の製造工程を模式的な断面で示す工程図。
【図３】本発明の第２の実施形態に係るＭＥＭＳ装置の構成を模式的に示す断面図と、空洞形成膜を示す斜視図。
【図４】図３（ａ）に示すＭＥＭＳ装置の製造工程を模式的な断面で示す工程図。
【符号の説明】
【００５０】
１，２１…ＭＥＭＳ装置、２…半導体基板、３…ＭＥＭＳ素子、４…絶縁層、５…空洞、６，２４…空洞形成膜、７…封止層、８…配線層、９，２２…貫通孔、１０…犠牲層、１２…レジスト。
【図１】
2009095938.tif 000003
【図２】
2009095938.tif 000004
【図３】
2009095938.tif 000005
【図４】
2009095938.tif 000006