JP6932491B2 - Ｍｅｍｓ装置を製造する方法 - Google Patents
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Description
本明細書は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）装置に関する。
特許文献１に、ＭＥＭＳ装置が開示されている。このＭＥＭＳ装置は、シリコン基板上に形成されており、気密に封止されたキャビティを備えている。このＭＥＭＳ装置では、キャビティとＭＥＭＳ装置の外部を連通する通気孔を介してキャビティの内圧を調整した後、通気孔を金属膜で塞いでキャビティを気密に封止する。このＭＥＭＳ装置によれば、通気孔を金属膜で塞ぐまではキャビティとＭＥＭＳ装置の外部が連通しているので、それまでの製造プロセスでキャビティの内部にアウトガスが発生しても、発生したアウトガスは通気孔を介してＭＥＭＳ装置の外部に抜け出ていく。このため、製造プロセスにおいて発生するアウトガスの影響によって、キャビティの内圧が変動してしまうことを抑制することができる。
特許文献１のＭＥＭＳ装置のように、通気孔を金属膜などの封止材で塞ぐ構成とすると、通気孔が形成された部材と封止材との間の熱膨張係数の相違によって、残留応力が生じる。キャビティとＭＥＭＳ装置の外部を連通する通気孔を設けることなく、キャビティの内圧を調整することが可能な技術が期待されている。
本明細書では、上記の課題を解決する。本明細書では、キャビティとＭＥＭＳ装置の外部を連通する通気孔を設けることなく、キャビティの内圧を調整することが可能な技術を提供する。
本明細書は、ＭＥＭＳ装置を開示する。ＭＥＭＳ装置は、シリコン基板上に形成されており、気密に封止されたキャビティを備えている。ＭＥＭＳ装置では、キャビティの内部に露出したシリコン基板の表面の少なくとも一部に窒化シリコン膜が形成されている。
上記のＭＥＭＳ装置を製造する際には、キャビティの内部に窒素ガスを封入した状態でキャビティを気密に封止しておき、例えば熱処理によって、キャビティの内部の窒素をシリコン基板の表面のシリコンと反応させて、窒化シリコン膜を形成する。この際、窒化シリコン膜の形成に伴って、キャビティ内の窒素ガスが減少し、キャビティ内の圧力が低減する。このため、例えば熱処理の条件を調整して、形成される窒化シリコン膜の量を制御することによって、キャビティ内の圧力を所望の圧力に調整することができる。上記のＭＥＭＳ装置によれば、キャビティとＭＥＭＳ装置の外部を連通する通気孔を形成することなく、キャビティの内圧を調整することができる。
上記のＭＥＭＳ装置では、キャビティが、シリコン基板である支持基板と、酸化シリコン膜を介して支持基板と接合された、シリコン基板であるエレメント基板と、酸化シリコン膜を介してエレメント基板と接合された、シリコン基板であるキャップ基板に跨って形成されていてもよい。この場合、窒化シリコン膜は、キャビティの内部に露出した、支持基板、エレメント基板またはキャップ基板の表面の少なくとも一部に形成されていてもよい。
一般に、酸化シリコン膜を介して２つのシリコン基板を接合する場合、ＯＨ基接合を用いる。ＯＨ基接合によって基板を接合する際には、接合面を酸素プラズマ雰囲気中で活性化し、その後に大気に暴露させて、活性化した表面に大気中の水分子に起因するＯＨ基を付着させる。この際に、活性化した表面に大気中の余計なガス分子が吸着してしまい、基板同士を接合した後に、これらのガス分子が脱離してキャビティの内部にアウトガスが発生してしまう。気密に封止されたキャビティの内部にこのようなアウトガスが発生すると、キャビティの内圧が上昇し、キャビティの内圧が想定している圧力とは異なるものとなってしまう。上記のＭＥＭＳ装置は、支持基板にエレメント基板を接合し、さらにエレメント基板にキャップ基板を接合して、気密に封止されたキャビティを形成する際に、窒素ガス雰囲気下で基板同士の接合を行なうことで、キャビティの内部に窒素ガスを封入することができる。そして、例えば熱処理によって、キャビティの内部の窒素をシリコン基板の表面のシリコンと反応させて、窒化シリコン膜を形成することで、キャビティ内の圧力を低減することができる。上記のＭＥＭＳ装置によれば、キャビティの内部に発生するアウトガスの影響によって、キャビティの内圧が変動してしまうことを抑制することができる。
上記のＭＥＭＳ装置は、キャビティの内部に露出したシリコン基板の表面の他の部分に、酸化シリコン膜が形成されていてもよい。
キャビティの内部に露出したシリコン基板の表面に酸化シリコン膜が形成されていると、酸化シリコン膜が形成されている範囲では、キャビティの内部の窒素ガスとの反応によって窒化シリコン膜が形成されることはない。すなわち、キャビティの内部に露出したシリコン基板の表面に形成された酸化シリコン膜は、窒素ガスとシリコンとの反応を防ぐバリアとして機能する。上記のＭＥＭＳ装置によれば、キャビティの内部に露出したシリコン基板の表面のうち、窒素ガスと反応させる範囲を自由に調整することができる。
上記のＭＥＭＳ装置は、キャビティの内部の残留ガスが、窒素ガス、アルゴンガス、水素ガス、または水蒸気を含んでいてもよい。
キャビティの内部に窒素ガスを封入した状態で、例えば熱処理によって、キャビティの内部の窒素をシリコン基板の表面のシリコンと反応させて、窒化シリコン膜を形成する場合、キャビティの内部には、シリコンとの反応に用いられなかった窒素ガスが残留することがある。また、キャビティの内部には、シリコン基板をエッチングする際に使用されるアルゴンガスが残留することがある。また、キャビティの内部には、ＯＨ基接合に起因する水素ガスが残留することがある。また、キャビティの内部には、ＯＨ基接合に起因する水蒸気が残留することがある。上記のＭＥＭＳ装置によれば、キャビティの内部にこれらの残留ガスが存在する場合についても、キャビティ内の圧力を所望の圧力に調整することができる。
（実施例１）
図１−図３は、本実施例のＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）装置２の構成を模式的に示している。ＭＥＭＳ装置２は、支持基板４と、エレメント基板６と、キャップ基板８を、この順に積層した積層基板に形成されている。以下では、支持基板４、エレメント基板６およびキャップ基板８が積層されている方向をＺ方向とし、Ｚ方向に直交する方向をＸ方向とし、Ｚ方向およびＸ方向に直交する方向をＹ方向とする。また、以下では、Ｚ方向正方向を上方向ともいい、Ｚ方向負方向を下方向ともいう。支持基板４、エレメント基板６およびキャップ基板８は、例えば、導電性を付与されたシリコン基板である。
図１−図３は、本実施例のＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）装置２の構成を模式的に示している。ＭＥＭＳ装置２は、支持基板４と、エレメント基板６と、キャップ基板８を、この順に積層した積層基板に形成されている。以下では、支持基板４、エレメント基板６およびキャップ基板８が積層されている方向をＺ方向とし、Ｚ方向に直交する方向をＸ方向とし、Ｚ方向およびＸ方向に直交する方向をＹ方向とする。また、以下では、Ｚ方向正方向を上方向ともいい、Ｚ方向負方向を下方向ともいう。支持基板４、エレメント基板６およびキャップ基板８は、例えば、導電性を付与されたシリコン基板である。
図２に示すように、支持基板４の上面には、下側キャビティ溝１０が形成されている。下側キャビティ溝１０は、直方体形状の空間を形成する陥凹である。支持基板４の上面のうち、下側キャビティ溝１０が形成されていない箇所を、支持面１２ともいう。支持基板４の下面には、酸化シリコン膜１４が形成されている。支持基板４の上面には、酸化シリコン膜１６が形成されている。酸化シリコン膜１６は、支持基板４の上面において、支持面１２上だけでなく、下側キャビティ溝１０の側面１０ａおよび底面１０ｂにも形成されている。支持面１２は、酸化シリコン膜１６を介して、エレメント基板６に接合されている。
図３に示すように、エレメント基板６には、可動電極部１８と、第１固定電極部２０と、第２固定電極部２２と、周辺部２４が形成されている。可動電極部１８と、第１固定電極部２０と、第２固定電極部２２と、周辺部２４は、エレメント基板６を上面から下面までエッチングすることによって、互いに分離されている。
可動電極部１８は、第１可動電極端子部２６と、第１可動電極梁２８と、第１Ｙ方向バネ部３０と、中央可動マス３２と、第１可動櫛歯電極部３４と、第２可動櫛歯電極部３６と、第２Ｙ方向バネ部３８と、第２可動電極梁４０と、第２可動電極端子部４２を備えている。第１可動電極端子部２６と、第１可動電極梁２８と、第１Ｙ方向バネ部３０と、中央可動マス３２と、第１可動櫛歯電極部３４と、第２可動櫛歯電極部３６と、第２Ｙ方向バネ部３８と、第２可動電極梁４０と、第２可動電極端子部４２は、継ぎ目なく一体的に形成されており、同電位に維持されている。第１可動電極端子部２６は、エレメント基板６を上方から平面視したときに、長方形状に形成されている。第１可動電極梁２８は、Ｙ方向に沿って延びる直線状の部材であって、第１可動電極端子部２６と第１Ｙ方向バネ部３０を連結している。第１可動電極梁２８のＹ方向正方向の端部が第１可動電極端子部２６に連結しており、第１可動電極梁２８のＹ方向負方向の端部が第１Ｙ方向バネ部３０に連結している。第１Ｙ方向バネ部３０は、エレメント基板６を上方から平面視したときに、Ｘ方向を長手方向とする長方形の枠形状に形成されている。中央可動マス３２は、Ｙ方向に沿って延びる直線状の部材であって、第１Ｙ方向バネ部３０と第２Ｙ方向バネ部３８を連結している。中央可動マス３２のＹ方向正方向の端部が第１Ｙ方向バネ部３０に連結しており、中央可動マス３２のＹ方向負方向の端部が第２Ｙ方向バネ部３８に連結している。中央可動マス３２のＸ方向正方向の側面からは、第１可動櫛歯電極部３４がＸ方向に沿って延びている。中央可動マス３２のＸ方向負方向の側面からは、第２可動櫛歯電極部３６がＸ方向に沿って延びている。第２Ｙ方向バネ部３８は、エレメント基板６を上方から平面視したときに、Ｘ方向を長手方向とする長方形の枠形状に形成されている。第２可動電極梁４０は、Ｙ方向に沿って延びる直線状の部材であって、第２Ｙ方向バネ部３８と第２可動電極端子部４２を連結している。第２可動電極端子部４２は、エレメント基板６を上方から平面視したときに、長方形状に形成されている。
第１Ｙ方向バネ部３０は、第１可動電極梁２８と中央可動マス３２の、Ｙ方向の相対変位に対する剛性が低く、Ｘ方向およびＺ方向の相対変位に対する剛性が高い形状に形成されている。このため、第１Ｙ方向バネ部３０は、第１可動電極梁２８と中央可動マス３２のＹ方向の相対変位に対して弾性変形し、Ｘ方向およびＺ方向の相対変位に対して弾性変形しない、Ｙ方向バネとして機能する。同様に、第２Ｙ方向バネ部３８は、中央可動マス３２と第２可動電極梁４０の、Ｙ方向の相対変位に対する剛性が低く、Ｘ方向およびＺ方向の相対変位に対する剛性が高い形状に形成されている。このため、第２Ｙ方向バネ部３８は、中央可動マス３２と第２可動電極梁４０のＹ方向の相対変位に対して弾性変形し、Ｘ方向およびＺ方向の相対変位に対して弾性変形しない、Ｙ方向バネとして機能する。
第１可動電極端子部２６と、第２可動電極端子部４２は、いずれも、酸化シリコン膜１６を介して、支持基板４の支持面１２に固定されている。従って、中央可動マス３２と、第１可動櫛歯電極部３４と、第２可動櫛歯電極部３６は、支持基板４に対して、Ｙ方向に相対変位が可能であり、Ｘ方向およびＺ方向に相対変位が不能である。
第１固定電極部２０は、第１固定電極端子部４４と、第１固定電極支持梁４６と、第１固定櫛歯電極支持部４８と、第１固定櫛歯電極部５０を備えている。第１固定電極端子部４４と、第１固定電極支持梁４６と、第１固定櫛歯電極支持部４８と、第１固定櫛歯電極部５０は、継ぎ目なく一体的に形成されており、同電位に維持されている。第１固定電極端子部４４は、エレメント基板６を上方から平面視したときに、長方形状に形成されている。第１固定電極支持梁４６は、第１固定電極端子部４４と第１固定櫛歯電極支持部４８を連結している。第１固定電極支持梁４６は、第１固定電極端子部４４のＹ方向正方向の側面からＹ方向に沿って延び、その後Ｘ方向負方向に屈曲してＸ方向に沿って延び、第１固定櫛歯電極支持部４８のＸ方向正方向の側面に接続している。第１固定櫛歯電極支持部４８は、Ｙ方向に沿って延びる直線状の部材である。第１固定櫛歯電極支持部４８のＸ方向負方向の側面からは、第１固定櫛歯電極部５０がＸ方向に沿って延びている。第１固定櫛歯電極部５０は、第１可動櫛歯電極部３４と、互いに噛み合うように配置されている。
第１固定電極端子部４４と、第１固定電極支持梁４６の一部は、酸化シリコン膜１６を介して、支持基板４の支持面１２に固定されている。従って、第１固定櫛歯電極支持部４８と、第１固定櫛歯電極部５０は、支持基板４に対して、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向に相対変位が不能である。
第２固定電極部２２は、第２固定電極端子部５２と、第２固定電極支持梁５４と、第２固定櫛歯電極支持部５６と、第２固定櫛歯電極部５８を備えている。第２固定電極端子部５２と、第２固定電極支持梁５４と、第２固定櫛歯電極支持部５６と、第２固定櫛歯電極部５８は、継ぎ目なく一体的に形成されており、同電位に維持されている。第２固定電極端子部５２は、エレメント基板６を上方から平面視したときに、長方形状に形成されている。第２固定電極支持梁５４は、第２固定電極端子部５２と第２固定櫛歯電極支持部５６を連結している。第２固定電極支持梁５４は、第２固定電極端子部５２のＹ方向正方向の側面からＹ方向に沿って延び、その後Ｘ方向正方向に屈曲してＸ方向に沿って延び、第２固定櫛歯電極支持部５６のＸ方向負方向の側面に接続している。第２固定櫛歯電極支持部５６は、Ｙ方向に沿って延びる直線状の部材である。第２固定櫛歯電極支持部５６のＸ方向正方向の側面からは、第２固定櫛歯電極部５８がＸ方向に沿って延びている。第２固定櫛歯電極部５８は、第２可動櫛歯電極部３６と、互いに噛み合うように配置されている。
第２固定電極端子部５２と、第２固定電極支持梁５４の一部は、酸化シリコン膜１６を介して、支持基板４の支持面１２に固定されている。従って、第２固定櫛歯電極支持部５６と、第２固定櫛歯電極部５８は、支持基板４に対して、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向に相対変位が不能である。
周辺部２４は、エレメント基板６を上方から平面視したときに、可動電極部１８と、第１固定電極部２０と、第２固定電極部２２を取り囲む形状に形成されている。周辺部２４の大部分は、酸化シリコン膜１６を介して、支持基板４の支持面１２に固定されている。
図２に示すように、キャップ基板８の下面には、上側キャビティ溝６０が形成されている。上側キャビティ溝６０は、直方体形状の空間を形成する陥凹である。キャップ基板８の下面のうち、上側キャビティ溝６０が形成されていない箇所を、支持面６２ともいう。キャップ基板８の支持面６２には、酸化シリコン膜６４が形成されている。キャップ基板８の上側キャビティ溝６０の側面６０ａおよび底面６０ｂには、窒化シリコン膜６６が形成されている。キャップ基板８の上面には、酸化シリコン膜６８が形成されている。キャップ基板８の支持面６２は、酸化シリコン膜６４を介して、エレメント基板６の周辺部２４に接合されている。
図１に示すように、キャップ基板８の酸化シリコン膜６８の上面には、エレメント基板６の第１可動電極端子部２６と、第２可動電極端子部４２と、第１固定電極端子部４４と、第２固定電極端子部５２に対応して、第１可動電極パッド７０、第２可動電極パッド７２、第１固定電極パッド７４、第２固定電極パッド７６が形成されている。第１可動電極パッド７０、第２可動電極パッド７２、第１固定電極パッド７４および第２固定電極パッド７６は、例えば、アルミニウム等の金属によって形成されている。図２に示すように、第１可動電極パッド７０、第２可動電極パッド７２、第１固定電極パッド７４および第２固定電極パッド７６は、エレメント基板６の第１可動電極端子部２６、第２可動電極端子部４２、第１固定電極端子部４４および第２固定電極端子部５２と、対応する貫通電極７８を介して電気的に接続されている。貫通電極７８は、キャップ基板８を上面から下面まで貫通するように形成されている。貫通電極７８は、例えば、導電性を付与されたポリシリコンと、そのポリシリコンの周囲を覆う絶縁性の酸化シリコンから構成されている。
図２に示すように、ＭＥＭＳ装置２においては、支持基板４の下側キャビティ溝１０と、キャップ基板８の上側キャビティ溝６０によって、キャビティ８０が形成されている。キャビティ８０の内部には、エレメント基板６の、第１Ｙ方向バネ部３０と、中央可動マス３２と、第１可動櫛歯電極部３４と、第２可動櫛歯電極部３６と、第２Ｙ方向バネ部３８と、第１固定櫛歯電極支持部４８と、第１固定櫛歯電極部５０と、第２固定櫛歯電極支持部５６と、第２固定櫛歯電極部５８が収容されている。キャビティ８０は、ＭＥＭＳ装置２の外部から気密に封止されている。キャビティ８０の内部には、例えば、窒素ガス、アルゴンガス、水素ガス、水蒸気、またはこれらの混合ガスなどが、残留ガスとして封入されている。キャビティ８０の内部は、例えば数十Ｐａ程度の高真空の圧力に調整されている。
ＭＥＭＳ装置２は、Ｙ方向の加速度を検出する加速度センサとして機能する。ＭＥＭＳ装置２にＹ方向の加速度が作用すると、エレメント基板６の可動電極部１８において、中央可動マス３２と、第１可動櫛歯電極部３４と、第２可動櫛歯電極部３６が、第１Ｙ方向バネ部３０および第２Ｙ方向バネ部３８の剛性に抗して、支持基板４に対して相対的にＹ方向に変位する。この際の中央可動マス３２と、第１可動櫛歯電極部３４と、第２可動櫛歯電極部３６のＹ方向の変位量は、ＭＥＭＳ装置２に作用するＹ方向の加速度に比例したものとなる。
中央可動マス３２と、第１可動櫛歯電極部３４と、第２可動櫛歯電極部３６が、支持基板４に対して相対的にＹ方向に変位すると、第１可動櫛歯電極部３４と第１固定櫛歯電極部５０の間隔が変化するとともに、第２可動櫛歯電極部３６と第２固定櫛歯電極部５８の間隔が変化する。本実施例では、中央可動マス３２と、第１可動櫛歯電極部３４と、第２可動櫛歯電極部３６が、支持基板４に対してＹ方向正方向に相対変位すると、第１可動櫛歯電極部３４と第１固定櫛歯電極部５０の間隔が広がり、第２可動櫛歯電極部３６と第２固定櫛歯電極部５８の間隔が狭まる。逆に、中央可動マス３２と、第１可動櫛歯電極部３４と、第２可動櫛歯電極部３６が、支持基板４に対してＹ方向負方向に相対変位すると、第１可動櫛歯電極部３４と第１固定櫛歯電極部５０の間隔が狭まり、第２可動櫛歯電極部３６と第２固定櫛歯電極部５８の間隔が広がる。
第１可動櫛歯電極部３４と第１固定櫛歯電極部５０の間隔が変化すると、可動電極部１８と第１固定電極部２０の間の静電容量の大きさが変化する。可動電極部１８と第１固定電極部２０の間の静電容量の大きさの変化は、第１可動電極パッド７０または第２可動電極パッド７２と、第１固定電極パッド７４を、例えばＣＶ変換回路（図示せず）に接続することによって、検出することができる。また、第２可動櫛歯電極部３６と第２固定櫛歯電極部５８の間隔が変化すると、可動電極部１８と第２固定電極部２２の間の静電容量の大きさが変化する。可動電極部１８と第２固定電極部２２の間の静電容量の大きさの変化は、第１可動電極パッド７０または第２可動電極パッド７２と、第２固定電極パッド７６を、例えばＣＶ変換回路（図示せず）に接続することによって、検出することができる。本実施例のＭＥＭＳ装置２では、可動電極部１８と第１固定電極部２０の間の静電容量の大きさの変化と、可動電極部１８と第２固定電極部２２の間の静電容量の大きさの変化について、差動検出することによって、中央可動マス３２と、第１可動櫛歯電極部３４と、第２可動櫛歯電極部３６の、支持基板４に対するＹ方向の相対変位量を精度良く検出することができ、これによってＭＥＭＳ装置２に作用するＹ方向の加速度を精度良く検出することができる。
以下では図４−図１８を参照しながら、ＭＥＭＳ装置２の製造方法について説明する。
まず、図４に示すように、支持基板４として、不純物のドーピングによって導電性を付与されたシリコン基板を用意する。そして、支持基板４の上面にレジスト８２を塗布して、ホトリソグラフィによりパターンを形成する。
次いで、図５に示すように、支持基板４の上面から深掘りエッチング（DRIE: Deep Reactive Ion Etching）によって所定深さ（例えば５０μｍ）のトレンチを形成することで、支持基板４の上面に下側キャビティ溝１０を形成する。
次いで、図６に示すように、酸素アッシングによって支持基板４の上面のレジスト８２を除去した後、支持基板４の下面と上面をそれぞれ熱酸化させることで、酸化シリコン膜１４と酸化シリコン膜１６を形成する。酸化シリコン膜１６は、支持基板４の上面の支持面１２だけでなく、下側キャビティ溝１０の側面１０ａと底面１０ｂにも形成される。なお、酸化シリコン膜１４および酸化シリコン膜１６は、例えば、ＬＰＣＶＤ（Low Pressure Chemical Vapor Deposition）やＰＣＶＤ（Plasma Chemical Vapor Deposition）によって形成してもよい。
次いで、図７に示すように、エレメント基板６として、不純物のドーピングによって導電性を付与されたシリコン基板を用意し、エレメント基板６を支持基板４に接合させる。具体的には、まずエレメント基板６の下面と支持基板４の上面をそれぞれ、酸素プラズマに曝して、表面活性化処理を行なう。そして、エレメント基板６の下面と支持基板４の上面をそれぞれ、大気中に一旦暴露し、活性化された表面に大気中の水分を付与することで、それぞれの表面がＯＨ基で終端される。そして、エレメント基板６の下面を支持基板４の上面に貼り合わせることで、エレメント基板６と支持基板４がＯＨ基接合される。そして、接合強度を増大させるために、支持基板４とエレメント基板６に９００℃程度の熱処理を行なう。これによって、エレメント基板６が支持基板４に接合される。なお、エレメント基板６と支持基板４の接合は、例えば、真空中で行ってもよい。
次いで、図８に示すように、エレメント基板６を上面から研磨して、エレメント基板６を所定厚さ（例えば４０μｍ）にする。
次いで、図９に示すように、エレメント基板６の上面にレジスト８４を塗布して、ホトリソグラフィによりパターンを形成する。
次いで、図１０に示すように、エレメント基板６の上面から下面まで達する深掘りエッチング（DRIE: Deep Reactive Ion Etching）によって、エレメント基板６に、可動電極部１８と、第１固定電極部２０と、第２固定電極部２２と、周辺部２４を形成する。
次いで、図１１に示すように、酸素アッシングによってエレメント基板６の上面のレジスト８４を除去する。
次いで、図１２に示すように、キャップ基板８として、不純物のドーピングによって導電性を付与されたシリコン基板を用意する。なお、図１２−図１４では、キャップ基板８への加工プロセスに合わせて、上下を反転させて図示している。そして、キャップ基板８の下面（図１２の上側の面）と上面（図１２の下側の面）をそれぞれ熱酸化させることで、酸化シリコン膜６４と酸化シリコン膜６８を形成する。なお、酸化シリコン膜６４および酸化シリコン膜６８は、例えば、ＬＰＣＶＤ（Low Pressure Chemical Vapor Deposition）やＰＣＶＤ（Plasma Chemical Vapor Deposition）によって形成してもよい。そして、キャップ基板８の下面（図１２の上側の面）にレジスト８６を塗布して、ホトリソグラフィによりパターンを形成する。
次いで、図１３に示すように、キャップ基板８の下面（図１３の上側の面）からのドライエッチング（RIE: Reactive Ion Etching）によって、酸化シリコン膜６４を部分的に除去する。そして、キャップ基板８の下面（図１３の上側の面）からの深掘りエッチング（DRIE: Deep Reactive Ion Etching）によって所定深さ（例えば５０μｍ）のトレンチを形成することで、キャップ基板８の下面（図１３の上側の面）に上側キャビティ溝６０を形成する。
次いで、図１４に示すように、酸素アッシングによってキャップ基板８の下面（図１４の上側の面）のレジスト８６を除去する。そして、酸素アッシングによって上側キャビティ溝６０の側面６０ａおよび底面６０ｂに形成された薄い酸化膜を、希フッ酸で除去する。
次いで、図１５に示すように、キャップ基板８をエレメント基板６に接合させる。具体的には、まずエレメント基板６の上面を酸素プラズマに曝して、表面活性化処理を行なう。そして、エレメント基板６の上面を大気中に一旦暴露し、活性化された表面に大気中の水分を付与することで、それぞれの表面がＯＨ基で終端される。そして、キャップ基板８の下面をエレメント基板６の上面に貼り合わせることで、キャップ基板８とエレメント基板６がＯＨ基接合される。これによって、気密に封止されたキャビティ８０が形成される。ここで、キャップ基板８の下面を、エレメント基板６の上面と同様に表面活性化処理を行ってもよい。なお、キャップ基板８とエレメント基板６の接合は、窒素ガス環境下で行なう。具体的には、真空チャンバ内に窒素ガスを流し、減圧雰囲気の状態で、キャップ基板８とエレメント基板６の接合を行なう。これによって、キャビティ８０の内部には、低圧の窒素ガスが封入される。そして、接合強度を増大させるために、支持基板４、エレメント基板６およびキャップ基板８に９００℃程度の熱処理を行なう。
次いで、図１６に示すように、キャビティ８０の内部の圧力を調整するために、高温（例えば９５０℃）で長時間（例えば５時間以上）のアニールを行なう。これによって、キャビティ８０の内部の窒素の一部が、キャビティ８０の内部に露出しているキャップ基板８の上側キャビティ溝６０の側面６０ａおよび底面６０ｂのシリコンと反応して、窒化シリコン膜６６が形成されるとともに、キャビティ８０の内部の圧力が低下する。アニールの条件を調整することによって、キャビティ８０の内部の圧力を所望の圧力に調整することができる。また、上記のアニールの際には、ＯＨ基接合に起因する水素ガスが、シリコンの内部を拡散して外部に排出される。
次いで、図２に示すように、キャップ基板８に貫通電極７８を形成し、キャップ基板８の酸化シリコン膜６８の上面に第１可動電極パッド７０、第２可動電極パッド７２、第１固定電極パッド７４、第２固定電極パッド７６を形成することによって、ＭＥＭＳ装置２を製造することができる。
（実施例２）
本実施例のＭＥＭＳ装置１０２は、実施例１のＭＥＭＳ装置２と略同様の構成を備えている。以下では、本実施例のＭＥＭＳ装置１０２について、実施例１のＭＥＭＳ装置２と相違する点についてのみ説明する。
本実施例のＭＥＭＳ装置１０２は、実施例１のＭＥＭＳ装置２と略同様の構成を備えている。以下では、本実施例のＭＥＭＳ装置１０２について、実施例１のＭＥＭＳ装置２と相違する点についてのみ説明する。
図１７に示すように、本実施例のＭＥＭＳ装置１０２では、キャップ基板８の上側キャビティ溝６０の側面６０ａおよび底面６０ｂには、酸化シリコン膜１０４が形成されている。また、本実施例のＭＥＭＳ装置１０２では、エレメント基板６のうち、キャビティ８０の内部に収容されている、エレメント基板６の、第１Ｙ方向バネ部３０と、中央可動マス３２と、第１可動櫛歯電極部３４と、第２可動櫛歯電極部３６と、第２Ｙ方向バネ部３８と、第１固定櫛歯電極支持部４８と、第１固定櫛歯電極部５０と、第２固定櫛歯電極支持部５６と、第２固定櫛歯電極部５８の表面に、窒化シリコン膜１０６が形成されている。
本実施例のＭＥＭＳ装置１０２の製造方法は、実施例１のＭＥＭＳ装置２と略同様であるが、本実施例のＭＥＭＳ装置１０２を製造する際には、図１３に示すように、キャップ基板８の下面（図１３の上側の面）に上側キャビティ溝６０を形成した後、キャップ基板８の下面（図１３の上側の面）を熱酸化させることで、酸化シリコン膜１０４を形成する。その後、キャップ基板８の下面とエレメント基板６の上面をそれぞれ、酸素プラズマに曝して、表面活性化処理を行なう。つまり、接合面の両面を活性化させる。その後、キャップ基板８の下面とエレメント基板６の上面をそれぞれ、大気中に一旦暴露し、活性化された表面に大気中の水分を付与することで、それぞれの表面がＯＨ基で終端される。その後に、キャップ基板８をエレメント基板６に接合させる。この場合、その後に、図１６に示す、高温（例えば９５０℃）で長時間（例えば５時間以上）のアニールを行なうと、上側キャビティ溝６０の側面６０ａおよび底面６０ｂではキャビティ８０の内部にシリコンが露出していないので、上側キャビティ溝６０の側面６０ａおよび底面６０ｂには窒化シリコン膜が形成されることはない。すなわち、酸化シリコン膜１０４が、窒化シリコン膜の形成を防ぐバリアとして機能する。なお、この場合には、キャビティ８０の内部に露出している、エレメント基板６の第１Ｙ方向バネ部３０と、中央可動マス３２と、第１可動櫛歯電極部３４と、第２可動櫛歯電極部３６と、第２Ｙ方向バネ部３８と、第１固定櫛歯電極支持部４８と、第１固定櫛歯電極部５０と、第２固定櫛歯電極支持部５６と、第２固定櫛歯電極部５８の表面に、窒化シリコン膜１０６が形成されるとともに、キャビティ８０の内部の圧力が低下する。本実施例のＭＥＭＳ装置１０２においても、アニールの条件を調整することによって、キャビティ８０の内部の圧力を所望の圧力に調整することができる。
（実施例３）
本実施例のＭＥＭＳ装置１１２は、実施例１のＭＥＭＳ装置２と略同様の構成を備えている。以下では、本実施例のＭＥＭＳ装置１１２について、実施例１のＭＥＭＳ装置２と相違する点についてのみ説明する。
本実施例のＭＥＭＳ装置１１２は、実施例１のＭＥＭＳ装置２と略同様の構成を備えている。以下では、本実施例のＭＥＭＳ装置１１２について、実施例１のＭＥＭＳ装置２と相違する点についてのみ説明する。
図１８に示すように、本実施例のＭＥＭＳ装置１１２では、キャップ基板８の上側キャビティ溝６０の側面６０ａおよび底面６０ｂには、酸化シリコン膜１１４が形成されている。また、本実施例のＭＥＭＳ装置１１２では、支持基板４の上面に下側キャビティ溝が形成されておらず、キャビティ８０に対応する範囲で支持基板４の上面の酸化シリコン膜１６が除去されており、支持基板４の上面の酸化シリコン膜１６が除去された範囲に窒化シリコン膜１１６が形成されている。
本実施例のＭＥＭＳ装置１１２の製造方法は、実施例１のＭＥＭＳ装置２と略同様であるが、本実施例のＭＥＭＳ装置１１２を製造する際には、まず、支持基板４と、酸化シリコン膜１６と、エレメント基板６が積層されたＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用意する。この場合、図４−図８の工程は不要である。次いで、図９と同様に、エレメント基板６の上面にレジスト８４を塗布して、ホトリソグラフィによりパターンを形成する。次いで、図１０と同様に、エレメント基板６の上面から下面まで達する深掘りエッチング（DRIE: Deep Reactive Ion Etching）によって、エレメント基板６に、可動電極部１８と、第１固定電極部２０と、第２固定電極部２２と、周辺部２４を形成する。次いで、ベーパーＨＦエッチングを用いた犠牲層エッチングによって、キャビティ８０に対応する範囲の酸化シリコン膜１６を除去して、第１Ｙ方向バネ部３０、中央可動マス３２、第１可動櫛歯電極部３４、第２可動櫛歯電極部３６、第２Ｙ方向バネ部３８等の可動部をリリースする。なお、この犠牲層エッチングにおいては、第１可動電極端子部２６、第２可動電極端子部４２、第１固定電極端子部４４、第２固定電極端子部５２等の固定部に対応する酸化シリコン膜１６は、両側に多少のアンダーカットは生じるものの、完全に除去されることはない。なお、必要であれば、第１Ｙ方向バネ部３０、中央可動マス３２、第１可動櫛歯電極部３４、第２可動櫛歯電極部３６、第２Ｙ方向バネ部３８等の可動部に、犠牲層エッチング用のエッチングホールを設けてもよい。また、本実施例のＭＥＭＳ装置１１２を製造する際には、図１３に示すように、キャップ基板８の下面（図１３の上側の面）に上側キャビティ溝６０を形成した後、キャップ基板８の下面（図１３の上側の面）を熱酸化させることで、酸化シリコン膜１１４を形成する。この場合、その後に、図１６に示す、高温（例えば９５０℃）で長時間（例えば５時間以上）のアニールを行なうと、上側キャビティ溝６０の側面６０ａおよび底面６０ｂではキャビティ８０の内部にシリコンが露出していないので、上側キャビティ溝６０の側面６０ａおよび底面６０ｂには窒化シリコン膜が形成されることはない。すなわち、酸化シリコン膜１０４が、窒化シリコン膜の形成を防ぐバリアとして機能する。なお、この場合には、キャビティ８０の内部に露出している支持基板４の上面に、窒化シリコン膜１１６が形成されるとともに、キャビティ８０の内部の圧力が低下する。本実施例のＭＥＭＳ装置１１２においても、アニールの条件を調整することによって、キャビティ８０の内部の圧力を所望の圧力に調整することができる。
（実施例４）
実施例１のＭＥＭＳ装置２、実施例２のＭＥＭＳ装置１０２および実施例３のＭＥＭＳ装置１１２は、いずれも、加速度センサとして機能するものであったが、本明細書が開示する、窒化シリコン膜の形成によるキャビティ内圧の調整は、他のＭＥＭＳ装置にも適用することができる。
実施例１のＭＥＭＳ装置２、実施例２のＭＥＭＳ装置１０２および実施例３のＭＥＭＳ装置１１２は、いずれも、加速度センサとして機能するものであったが、本明細書が開示する、窒化シリコン膜の形成によるキャビティ内圧の調整は、他のＭＥＭＳ装置にも適用することができる。
図１９に示す本実施例のＭＥＭＳ装置２０２は、圧力センサのダイヤフラムとして機能する。ＭＥＭＳ装置２０２は、支持基板２０４と、キャップ基板２０６が積層した積層基板に形成されている。支持基板２０４とキャップ基板２０６は、導電性を付与されたシリコン基板である。支持基板２０４の上面には、酸化シリコン膜２０８が形成されている。キャップ基板２０６の下面には、キャビティ溝２１０が形成されている。キャップ基板２０６の下面のうち、キャビティ溝２１０が形成されていない箇所を、支持面２１２ともいう。支持基板２０４の上面の酸化シリコン膜２０８と、キャップ基板２０６の下面の支持面２１２は、ＯＨ基接合によって接合されている。また、キャビティ溝２１０の側面２１０ａと底面２１０ｂには、窒化シリコン膜２１４が形成されている。
ＭＥＭＳ装置２０２においては、支持基板２０４の上面と、キャップ基板２０６の下面のキャビティ溝２１０によって、キャビティ２１６が形成されている。キャップ基板２０６のキャビティ２１６が形成されている箇所は、キャビティ２１６の内部の圧力と、ＭＥＭＳ装置２０２の外部の圧力の差に応じて変形するダイヤフラムとして機能する。ダイヤフラムの変形を、例えばひずみゲージ（図示せず）によって検出することで、ＭＥＭＳ装置２０２の外部の圧力を検出することができる。
本実施例のＭＥＭＳ装置２０２においても、製造時に、キャビティ２１６の内部に窒素ガスを封入した状態で支持基板２０４とキャップ基板２０６を接合した後に、高温（例えば９５０℃）で長時間（例えば５時間以上）のアニールを行なう。これによって、キャビティ２１６の内部の窒素ガスの一部が、キャビティ２１６の内部に暴露しているキャビティ溝２１０の側面２１０ａおよび底面２１０ｂのシリコンと反応して、窒化シリコン膜２１４が形成されるとともに、キャビティ２１６の内部の圧力が低下する。アニールの条件を調整することによって、キャビティ２１６の内部の圧力を所望の圧力に調整することができる。
以上の各実施例で示した窒化シリコン膜６６、１０６、１１６、２１４の厚みは、キャビティ８０、２１６に封入される窒素の量に依存する。そのため、窒化シリコン膜６６、１０６、１１６、２１４は、単原子層の場合もあるし、窒化シリコンが点在する場合もあるし、酸化シリコンと窒化シリコンが混在する場合もある。以上の各実施例でいう窒化シリコン膜６６、１０６、１１６、２１４は、これらのいずれかを含む層のことである。
以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
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。
２：ＭＥＭＳ装置； ４：支持基板； ６：エレメント基板； ８：キャップ基板； １０：下側キャビティ溝； １０ａ：側面； １０ｂ：底面； １２：支持面； １４：酸化シリコン膜； １６：酸化シリコン膜； １８：可動電極部； ２０：第１固定電極部； ２２：第２固定電極部； ２４：周辺部； ２６：第１可動電極端子部； ２８：第１可動電極梁； ３０：第１Ｙ方向バネ部； ３２：中央可動マス； ３４：第１可動櫛歯電極部； ３６：第２可動櫛歯電極部； ３８：第２Ｙ方向バネ部； ４０：第２可動電極梁； ４２：第２可動電極端子部； ４４：第１固定電極端子部； ４６：第１固定電極支持梁； ４８：第１固定櫛歯電極支持部； ５０：第１固定櫛歯電極部； ５２：第２固定電極端子部； ５４：第２固定電極支持梁； ５６：第２固定櫛歯電極支持部； ５８：第２固定櫛歯電極部； ６０：上側キャビティ溝； ６０ａ：側面； ６０ｂ：底面； ６２：支持面； ６４：酸化シリコン膜； ６６：窒化シリコン膜； ６８：酸化シリコン膜； ７０：第１可動電極パッド； ７２：第２可動電極パッド； ７４：第１固定電極パッド； ７６：第２固定電極パッド； ７８：貫通電極； ８０：キャビティ； ８２：レジスト； ８４：レジスト； ８６：レジスト； １０２：ＭＥＭＳ装置； １０４：酸化シリコン膜； １０６：窒化シリコン膜； １１２：ＭＥＭＳ装置； １１４：酸化シリコン膜； １１６：窒化シリコン膜； ２０２：ＭＥＭＳ装置； ２０４：支持基板； ２０６：キャップ基板； ２０８：酸化シリコン膜； ２１０：キャビティ溝； ２１０ａ：側面； ２１０ｂ：底面； ２１２：支持面； ２１４：窒化シリコン膜； ２１６：キャビティ
Claims (3)
- 気密に封止されたキャビティと、前記キャビティの内部に収容された可動電極と、前記キャビティの内部に収容された固定電極を備えるＭＥＭＳ装置であって、前記ＭＥＭＳ装置に加速度が作用した時に、前記可動電極が前記固定電極に対して相対的に変位することで、加速度センサとして機能する、前記ＭＥＭＳ装置を製造する方法であって、
シリコン基板である支持基板を用意する工程と、
前記支持基板の上面から深掘りエッチングを行って、前記キャビティに対応する下側キャビティ溝を形成する工程と、
前記支持基板の前記上面および前記下側キャビティ溝の表面に酸化シリコン膜を形成する工程と、
シリコン基板であるエレメント基板を用意する工程と、
前記エレメント基板の下面と前記支持基板の前記上面をＯＨ基接合する工程と、
前記エレメント基板の上面から前記下面まで達する深掘りエッチングを行って、前記キャビティの内部に収容される前記固定電極と前記可動電極を前記エレメント基板に形成する工程と、
シリコン基板であるキャップ基板を用意する工程と、
前記キャップ基板の下面に酸化シリコン膜を形成する工程と、
前記キャップ基板の前記下面から前記酸化シリコン膜を部分的に除去する工程と、
前記キャップ基板の前記下面から深掘りエッチングを行って、前記キャビティに対応する上側キャビティ溝を形成する工程と、
窒素ガス環境下で、前記キャップ基板の前記下面と前記エレメント基板の前記上面を、前記キャップ基板の下面に形成された前記酸化シリコン膜を介して、ＯＨ基接合することで、前記キャビティの内部に窒素ガスを封入する工程と、
前記支持基板、前記エレメント基板および前記キャップ基板のアニールを行う工程を備えており、
前記アニールの条件を調整することで、前記キャビティの内部の圧力が所望の圧力に調整される、方法。 - 気密に封止されたキャビティと、前記キャビティの内部に収容された可動電極と、前記キャビティの内部に収容された固定電極を備えるＭＥＭＳ装置であって、前記ＭＥＭＳ装置に加速度が作用した時に、前記可動電極が前記固定電極に対して相対的に変位することで、加速度センサとして機能する、前記ＭＥＭＳ装置を製造する方法であって、
シリコン基板である支持基板を用意する工程と、
前記支持基板の上面から深掘りエッチングを行って、前記キャビティに対応する下側キャビティ溝を形成する工程と、
前記支持基板の前記上面および前記下側キャビティ溝の表面に酸化シリコン膜を形成する工程と、
シリコン基板であるエレメント基板を用意する工程と、
前記エレメント基板の下面と前記支持基板の前記上面をＯＨ基接合する工程と、
前記エレメント基板の上面から前記下面まで達する深堀エッチングを行って、前記キャビティの内部に収容される前記固定電極と前記可動電極を前記エレメント基板に形成する工程と、
シリコン基板であるキャップ基板を用意する工程と、
前記キャップ基板の下面に酸化シリコン膜を形成する工程と、
前記キャップ基板の前記下面から前記酸化シリコン膜を部分的に除去する工程と、
前記キャップ基板の前記下面から深掘りエッチングを行って、前記キャビティに対応する上側キャビティ溝を形成する工程と、
前記キャップ基板の前記上側キャビティ溝の表面に酸化シリコン膜を形成する工程と、
窒素ガス環境下で、前記キャップ基板の前記下面と前記エレメント基板の前記上面を、前記キャップ基板の下面に形成された前記酸化シリコン膜を介して、ＯＨ基接合することで、前記キャビティの内部に窒素ガスを封入する工程と、
前記支持基板、前記エレメント基板および前記キャップ基板のアニールを行う工程を備えており、
前記アニールの条件を調整することで、前記キャビティの内部の圧力が所望の圧力に調整される、方法。 - 気密に封止されたキャビティと、前記キャビティの内部に収容された可動電極と、前記キャビティの内部に収容された固定電極を備えるＭＥＭＳ装置であって、前記ＭＥＭＳ装置に加速度が作用した時に、前記可動電極が前記固定電極に対して相対的に変位することで、加速度センサとして機能する、前記ＭＥＭＳ装置を製造する方法であって、
シリコン基板である支持基板と、酸化シリコン膜と、シリコン基板であるエレメント基板が積層されたＳＯＩ基板を用意する工程と、
前記エレメント基板の上面から下面まで達する深掘りエッチングを行って、前記キャビティの内部に収容される前記固定電極と前記可動電極を前記エレメント基板に形成する工程と、
前記エレメント基板の前記上面から犠牲層エッチングを行って、前記キャビティに対応する範囲の前記酸化シリコン膜を除去する工程と、
シリコン基板であるキャップ基板を用意する工程と、
前記キャップ基板の下面に酸化シリコン膜を形成する工程と、
前記キャップ基板の前記下面から前記酸化シリコン膜を部分的に除去する工程と、
前記キャップ基板の前記下面から深掘りエッチングを行って、前記キャビティに対応する上側キャビティ溝を形成する工程と、
前記キャップ基板の前記上側キャビティ溝の表面に酸化シリコン膜を形成する工程と、
窒素ガス環境下で、前記キャップ基板の前記下面と前記エレメント基板の前記上面を、前記キャップ基板の下面に形成された前記酸化シリコン膜を介して、ＯＨ基接合する工程と、
前記支持基板、前記エレメント基板および前記キャップ基板のアニールを行う工程を備えており、
前記アニールの条件を調整することで、前記キャビティの内部の圧力が所望の圧力に調整される、方法。
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