Method of fabricating mems device and mems device

本発明は、ＭＥＭＳデバイスの製造方法およびそれによって製造されたＭＥＭＳデバイスに関する。

近年において、マイクロマシニング技術（「ＭＥＭＳ技術」ということがある。ＭＥＭＳ：Micro Electro Mechanical Systems）により形成される微小構造を有するデバイス（ＭＥＭＳデバイス）が、様々な分野で応用されている。

例えば、携帯電話機をはじめとする移動体通信機において、高周波回路用のＲＦデバイスである可変キャパシタおよびスイッチなどについて、ＭＥＭＳ技術による開発が進められている。

これらのＭＥＭＳデバイスでは、基板上において上下方向に移動可能な梁構造がしばしば必要となる。

例えば、基板の凹部を跨ぐように設けられた圧電膜、圧電膜の中央部に設けられた第１電極を有する可動梁、および第１電極と対向するよう凹部に設けられた第２電極を備えたＭＥＭＳデバイスが提案されている（特許文献１）。

また、空洞の下部に位置する下部電極と、空洞の上部または内部に位置するアクチュエータと、アクチュエータに結合される上部電極とを有したＭＥＭＳデバイスが提案されている（特許文献２）。

ＭＥＭＳデバイスにおいては、通常、可動梁のような第２の電極の下方に、その支持基部となる基部電極や第２の電極を駆動するための駆動電極などの第１の電極が存在する。 そのため、ＭＥＭＳデバイスの製造過程において、第２の電極は、第１の電極の存在によって表面が凹凸となった箇所の上に形成されることとなる。

しかし、可動梁それ自体は、応力集中などの影響を避けるため、なるべく表面が平坦な箇所に形成するのが好ましい。 表面の平坦域を確保するために、通常は、レジストなどの樹脂材料をスピンコートなどにより塗布して平坦な犠牲層を形成する。 そうしておいて、平坦な犠牲層の上に、可動梁の材料を適用してパターニングする。 その後に犠牲層を除去することで、中空の可動梁を形成する。

ところが犠牲層の材料として樹脂を用いた場合に、樹脂の温度特性の点から、可動梁の形成工程および犠牲層を除去するまでの種々の工程において、加熱工程やリフトオフ工程が適用できなくなるといった、プロセス上の制約が大きくなる。

これに対し、犠牲層の材料として融点の高いＳｉ（シリコン）を用いることにより、ＭＥＭＳデバイスの製造過程における加熱やリフトオフといったプロセス上の自由度が向上する。

しかし、犠牲層の材料にＳｉを用いた場合に、その形成のためにスパッタリングなどを行うことになるが、Ｓｉは結晶成長が行われ易いため、基板上の細かな凹凸を起点として、その凹凸が強調されるような形状になり易い。 また、基板に垂直な側面が存在した場合に、その側壁から膜が形成された部分と基板平面から形成された部分との境界部に鋭角の凹みが生じたりする。

このように、Ｓｉを用いた場合に犠牲層の表面が凸凹になり易く、その上に形成される可動梁のような第２の電極を適正に形成することが容易でない。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、Ｓｉを材料として用いた場合でも犠牲層の表面をできるだけ平坦とすることができ、犠牲層の上に形成される可動梁のような第２の電極を適正に形成することのできる方法を提供することを目的とする。

ここで述べる実施形態の方法は、基板の上方に、少なくとも一方の端部にテーパ側壁を有した第１の電極を形成する工程と、前記第１の電極が形成されていない領域から延びて前記第１の電極のテーパ側壁の上方に重なるようにかつ端部に当該テーパ側壁と逆の方に傾斜するテーパ側壁を有する犠牲層を形成する工程と、前記第１の電極の上に、前記犠牲層のテーパ側壁に当接するスペーサ層を形成する工程と、前記犠牲層および前記スペーサ層の上に第２の電極を形成する工程と、前記第２の電極を形成した後で前記犠牲層を除去する工程と、を含む。

本発明によると、Ｓｉを材料として用いた場合でも犠牲層の表面をできるだけ平坦とすることができ、犠牲層の上に形成される可動梁のような第２の電極を適正に形成することができる。

本実施形態のＭＥＭＳデバイスの概略の構造を示す図である。

ＭＥＭＳデバイスの製造過程における可動電極の形状の例を示す図である。

ＭＥＭＳデバイスの製造工程を示す図である。

ＭＥＭＳデバイスの製造工程を示す図である。

ＭＥＭＳデバイスの製造工程を示す図である。

ＭＥＭＳデバイスの製造工程を示す図である。

マスクの位置と各層の位置関係を示す図である。

比較のためのマスクの位置と各層の位置関係を示す図である。

実験により製造した可動電極の写真に基づく断面図である。

本実施形態の概略の製造工程を示すフローチャートである。

以下においては、ＭＥＭＳデバイスとして、可変容量型のＭＥＭＳキャパシタ１について説明する。

図１において、ＭＥＭＳキャパシタ１は、基板１１、固定電極１２、誘電体層１３、支持部１４、および可動電極１５などからなる。

ＭＥＭＳキャパシタ１は、基板１１上に固定電極１２および可動電極１５が設けられたものである。 固定電極１２と可動電極１５との間に印加する電圧による静電吸引力によって、可動電極１５が撓み、それらの間の静電容量が可変される。 可動電極１５は可動梁の一例である。

誘電体層１３によって、固定電極１２と可動電極１５との間の静電容量が真空の場合のεｒ倍（εｒは誘電体層１３の比誘電率）となり、またそれらの間の短絡が防止される。

支持部１４は、基部電極１４ａおよびスペーサ１４ｂを有し、可動電極１５の両端部を支持するように設けられている。 つまり、支持部１４は、可動電極１５の付け根の部分であり、その中でも基部電極１４ａは、可動電極１５および支持部１４の全体の土台となる部分である。

基板１１として、ガラス基板または熱酸化膜つきのＳｉ基板などが用いられる。 固定電極１２、基部電極１４ａ、および可動電極１５の材料として、金、銅、アルミニウムなどの金属材料が用いられる。 また、スペーサ１４ｂの材料として、アルミニウム、銅、金などの金属材料が用いられる。

なお、ＭＥＭＳキャパシタ１の構造は、図１に示す以外の種々の構造とすることができる。

図２には、図１に示すＭＥＭＳキャパシタ１の右側の支持部１４が拡大して示されている。 なお、ＭＥＭＳキャパシタ１の左側の支持部１４については、概ね図２と左右対称であって、左右の基部電極１４ａおよびスペーサ１４ｂは同時に形成される。

図２において、可動電極１５は、その両端部において、基部電極１４ａおよびスペーサ１４ｂからなる支持部１４によって基板１１上に支持されている。

ＭＥＭＳキャパシタ１の製造過程において、基部電極１４ａ、スペーサ１４ｂ、および犠牲層２１を、パターニングまたはリフトオフなどによって形成する。 その後、スペーサ１４ｂおよび犠牲層２１の上に、可動電極１５をスパッタリングまたはリフトオフなどによって形成する。 その後、犠牲層２１を除去することによって、中空の可動電極１５が形成される。

次に、ＭＥＭＳキャパシタ１の製造方法について、支持部１４およびそれに隣接する犠牲層２１の部分を中心に説明する。

図３〜図６には、図２に対応した部分の製造工程が示されている。 これら図２〜図６においては、各部の形状を示すために、図１および図２と比べて横方向を大きく拡大して示している。

図３（Ａ）に示すように、基板１１を準備し、基板１１の上に、固定電極１２および基部電極１４ａの元となる電極層ＢＭを、金、銅、アルミニウムなどによるスパッタリングまたはメッキなどによって形成する。 電極層ＢＭの厚さは例えば０．５〜数μｍ程度である。 そして、電極層ＢＭの上にレジストＢＲ１を塗布する。

図３（Ｂ）に示すように、レジストＢＲ１をパターニングし、パターニングされたレジストＢＲＰ１とする。 すなわち、このパターニングに際し、基部電極１４ａのためのマスクＭ１の端をマスク位置ＰＭ１に合わせる。

マスク位置ＰＭ１は、後で述べるマスク位置ＰＭ２よりもＭＥＭＳキャパシタ１の中央寄りである。 これにより、マスク位置ＰＭ１よりも右側部分にレジストＢＲＰ１が残ることとなり、レジストＢＲＰ１によって基部電極１４ａがパターニングされる。

すなわち、図３（Ｃ）に示すように、適当なエッチング液を用いて電極層ＢＭのエッチングを行い、基部電極１４ａを形成する。 つまり、電極層ＢＭのレジストＢＲＰ１のない部分は除去され、電極層ＢＭのレジストＢＲＰ１のある部分のみが基部電極１４ａとして残る。

このとき、エッチング液として、適度な界面活性剤などが入った液を用いる。 これにより、レジストＢＲ１と電極層ＢＭとの隙間にエッチング液が入り込み、形成される基部電極１４ａは、アンダーカットとなり、その端部に比較的緩やかな傾斜を持ったテーパ側壁ＴＳ１が形成される。

テーパ側壁ＴＳ１の先端位置（図の左端位置）は、マスク位置ＰＭ１とほぼ同じである。 なお、このとき、他方の基部電極１４ａおよび固定電極１２も同時に形成される。 また、誘電体層１３については、固定電極１２を形成した後で適当な工程において形成しておけばよい。

そして、レジストＢＲＰ１を取り去った後で、新しいレジストＢＲ２を塗布する。 塗布したレジストＢＲ２をパターニングし、図４（Ａ）に示すようにパターニングされたレジストＢＲＰ２とする。

レジストＢＲＰ２は、後の犠牲層のリフトオフのためにパターニングされたものでありる。 すなわち、このレジストＢＲＰ２のパターニングに際し、そのためのマスクＭ２の端をマスク位置ＰＭ２に合わせる。 これにより、マスク位置ＰＭ２よりも右側部分にレジストＢＲＰ２が残る。

なお、このマスク位置ＰＭ２は、マスク位置ＰＭ１よりも図の右方であって、基部電極１４ａのテーパ側壁ＴＳ１の頂部の近辺か、または頂部よりも右方の平坦部と重なる位置にある。

次に、図４（Ｂ）に示すように、基板１１上の基部電極１４ａおよびレジストＢＲＰ２の上に、第１の犠牲層ＢＧ１をスパッタリングなどによって形成する。 第１の犠牲層ＢＧ１の材料として、ここではＳｉ（シリコン）を用いる。 このとき、第１の犠牲層ＢＧ１の厚さを基部電極１４ａの厚さと同じにしておく。

そして、レジストＢＲＰ２を、その上の第１の犠牲層ＢＧ１とともに取り去る。 これにより、図４（Ｃ）に示すように、パターニングされた第１の犠牲層ＢＧＰ１が、リフトオフにより形成される。

さらに、図５（Ａ）に示すように、それら全体の上に、第２の犠牲層ＢＧ２をスパッタリングなどによって形成する。 第２の犠牲層ＢＧ２は、その上面が後で形成する可動電極１５の下面と同じ高さになるような厚さとする。 第２の犠牲層ＢＧ２の上に、図５（Ｂ）に実線と二点鎖線で示すように、新しいレジストＢＲ３を塗布する。

塗布したレジストＢＲ３をパターニングし、図５（Ｂ）の実線で示すようにパターニングされたレジストＢＲＰ３とする。 このレジストＢＲＰ３のパターニングに際し、そのマスクＭ３の端を、マスクＭ２の場合と同じマスク位置ＰＭ２に合わせる。 これにより、マスク位置ＰＭ２よりも左側部分にレジストＢＲＰ３が残る。

次に、ドライエッチングなどによって第２の犠牲層ＢＧ２をパターニングする。 これにより、図５（Ｃ）に示すようにパターニングされた第２の犠牲層ＢＧＰ２が形成される。 エッチングによって、第２の犠牲層ＢＧＰ２および第１の犠牲層ＢＧＰ１は、ともに、レジストＢＲＰ３に対してアンダーカットとなり、その端部にテーパ端面ＴＳ２が形成される。 テーパ端面ＴＳ２は、基部電極１４ａのテーパ側壁ＴＳ１とは逆の方向に傾斜する端面である。

つまり、パターニングされた第１の犠牲層ＢＧＰ１および第２の犠牲層ＢＧＰ２によって、それらを合わせた全体としての犠牲層ＢＧＰ０（２１）が形成される。 この犠牲層ＢＧＰ０は、基部電極１４ａが形成されていない領域から延びて、基部電極１４ａのテーパ側壁ＴＳ１の上方に重なるように、かつ端部にテーパ端面ＴＳ２を有するように、形成される。

このとき、犠牲層ＢＧＰ０のテーパ端面ＴＳ２は、基部電極１４ａのテーパ側壁ＴＳ１の上方に形成されるので、犠牲層ＢＧＰ０のテーパ端面ＴＳ２が傾斜のない水平面の上に形成された場合と比べて水平線とのなす角度が小さくなり、傾斜が緩く形成される。

次に、図６（Ａ）に示すように、スペーサ１４ｂを形成するためのスペーサ層ＢＳを、スパッタリングなどによって形成する。 このとき、スペーサ１４ｂは、その上面が後で形成する可動電極１５の下面と同じ高さ、つまり犠牲層ＢＧＰ０の上面と同じ高さになるような厚さとする。

そして、レジストＢＲＰ３を、その上のスペーサ層ＢＳとともに取り去る。 これにより、図６（Ｂ）に示すようにスペーサ１４ｂが形成される。 スペーサ１４ｂは、その端面が犠牲層ＢＧＰ０のテーパ端面ＴＳ２に当接した状態となる。

したがって、マスクＭ３は、犠牲層ＢＧＰ０のエッチング形成のためのマスクとスペーサ１４ｂのリフトオフ形成のためのマスクとの、両方の機能を兼ねたこととなる。

次に、スペーサ１４ｂおよび犠牲層ＢＧＰ０の上に、図６（Ｃ）に示すように可動電極１５を、スパッタリングやリフトオフなどによって形成する。 そして、犠牲層ＢＧＰ０を除去することによって、中空の可動電極１５となる。

図７において、各マスクＭ１〜４の位置関係および各マスクＭ１〜４によってパターニングされた各層の位置関係が示されている。

図７（Ａ）において、基部電極１４ａをパターニングするためのマスクＭ１の位置は、マスク位置ＰＭ１である。 これに対し、第１の犠牲層ＢＧＰ１をパターニングするためのマスクＭ２、および犠牲層ＢＧＰ０（２１）およびスペーサ１４ｂをパターニングするためのマスクＭ３の位置は、マスク位置ＰＭ２である。

このように、マスクＭ１とマスクＭ２，３とでは、パターニングされたエッジの位置が異なるように配置される。 その結果、図７（Ｂ）に示されるように、基部電極１４ａのテーパ側壁ＴＳ１の頂部ＴＢ１の位置を中心位置とした犠牲層ＢＧＰ０の厚さ寸法Ｌ１の範囲内の位置に、当該犠牲層ＢＧＰ０のテーパ端面ＴＳ２の少なくとも一部が重なるように、犠牲層ＢＧＰ０が形成される。

このとき、犠牲層ＢＧＰ０のテーパ端面ＴＳ２の頂部ＴＢ２が、基部電極１４ａのテーパ側壁ＴＳ１の上方に位置するように、犠牲層ＢＧＰ０を形成するのが好ましい。 しかし、頂部ＴＢ２の位置が必ずしも基部電極１４ａのテーパ側壁ＴＳ１の上方に位置しなくてもよい。

マスクＭ１〜３をこのように配置して犠牲層ＢＧＰ０を形成することにより、犠牲層ＢＧＰ０の表面の凹凸を少なくし、十分に平坦な状態とすることができる。 これにより、犠牲層ＢＧＰ０およびスペーサ１４ｂの上に形成される可動電極１５は、適正な形状となり、十分な強度を得てその機能を十分に果たすことが可能となる。

ここで、本実施形態の製造方法と比較するために、マスクＭ１〜３を同じ位置に配置して製造した場合について説明する。

すなわち、比較例では、図８（Ａ）に示すように、３つのマスクＭ１〜３を全て同じマスク位置ＰＭ２に配置する。 マスクＭ１〜３の配置以外については、上に述べた本実施形態と同じ工程とする。

そうすると、図８（Ｂ）に示すように、基部電極１４ａｊの端部にはテーパ側壁ＴＳ１ｊが形成されるが、その先端位置は、マスク位置ＰＭ２とほぼ同じである。 犠牲層ＢＧＰ０ｊは、基部電極１４ａｊのテーパ側壁ＴＳ１ｊと重なることはなく、それらの間にＶ字形の大きな凹部ＨＢができてしまう。 そのため、スペーサ１４ｂｊは、その凹部ＨＢに沿った形状となり、やはり同様の凹部ができてしまう。

その結果、その上に形成される可動電極１５ｊは、マスク位置ＰＭ２の近辺において生じる凹みによって大きく括れた不適正な形状となる。 このような場合に、可動電極１５ｊは強度的に弱くなり、十分な機能を果たすことが困難となる。

図９は、実験によって製造した可動電極１５および可動電極１５ｊの断面を写真撮影に基づいて示す図である。

図９（Ａ）に示すように、本実施形態による方法で製造した場合に、犠牲層ＢＧＰ０の表面がかなり平坦となり、犠牲層ＢＧＰ０の上に形成される可動電極１５を、平坦な適正な形状とすることができた。

これに対し、３つのマスクＭ１〜３を全て同じマスク位置ＰＭ２に配置した場合には、図９（Ｂ）に示すように、可動電極１５ｊには大きな凹みと括れが生じ、平坦な適正な形状とすることができなかった。

このように、３つのマスクＭ１〜３を全て同じマスク位置ＰＭ２に配置した場合には、犠牲層ＢＧＰ０ｊは、基部電極１４ａｊのテーパ側壁ＴＳ１ｊの上方に重ならない。 そのため、犠牲層ＢＧＰ０ｊの成膜時に、犠牲層ＢＧＰ０ｊが基板１１の表面から直接に堆積されることとなり、犠牲層ＢＧＰ０ｊの端部のテーパ端面ＴＳ２ｊがかなり急峻なものつまり垂直に近いものとなってしまう。

その結果、犠牲層ＢＧＰ０ｊとスペーサ１４ｂｊとの間に、スペーサ材料で埋め込むことができないボイドＫＧ（図９参照）が生じることとなり、可動電極１５ｊを適切に形成することができない。

これに対し、本実施形態の方法によると、基部電極１４ａを形成するためのマスクＭ１のマスク位置ＰＭ１を他のマスクＭ２，３のマスク位置ＰＭ２と異ならせ、基部電極１４ａのテーパ側壁ＴＳ１がスペーサ１４ｂよりも外側に延長して形成されるようにする。

つまり、上に述べたように、基部電極１４ａのテーパ側壁ＴＳ１を外側に延ばして形成しておき、テーパ側壁ＴＳ１の上に重なるように犠牲層ＢＧＰ０を形成する。 その場合に、好ましくは、テーパ側壁ＴＳ１の頂部ＴＢ１の位置を中心位置として、犠牲層ＢＧＰ０の厚さ寸法Ｌ１の範囲内において犠牲層ＢＧＰ０のテーパ端面ＴＳ２の少なくとも一部が重なるようにする。 マスク位置ＰＭ２についてこのような調整幅を持たせるように、マスクＭ１〜３を設計する。

このようにして、テーパ側壁ＴＳ１の上に犠牲層ＢＧＰ０を形成する。 テーパ側壁ＴＳ１の上に犠牲層ＢＧＰ０が重なることにより、犠牲層ＢＧＰ０のテーパ端面ＴＳ２の傾斜が緩やかとなり、犠牲層ＢＧＰ０とスペーサ１４ｂとの間にはボイドＫＧのようなものが生じない。

つまり、スペーサ１４ｂの端部の側壁が犠牲層ＢＧＰ０のテーパ端面ＴＳ２の全体に密着するように形成される。 これにより、可動電極１５の下地となるスペーサ１４ｂの材料と犠牲層ＢＧＰ０とがなだらかに繋がることとなり、可動電極１５を平坦な適切な形状に形成することができる。 これにより、可動電極１５の強度が確保されることとなる。

なお、犠牲層ＢＧＰ０のテーパ端面ＴＳ２が基部電極１４ａのテーパ側壁ＴＳ１の途中の適当な位置で立ち上がるようにすることにより、テーパ端面ＴＳ２の傾斜をより緩やかにすることが可能である。 これにより、テーパ端面ＴＳ２の頂部の膨らみを抑えることができ、可動電極１５をより平坦なものとすることができる。

上に述べた本実施形態の方法によると、犠牲層２１にＳｉを用いることができるので、プロセスにおける温度制約が大幅に緩和される。 したがって、例えば可動電極１５を形成する際の基板温度を変えることができ、内部応力やリリース後の反り量などについて設計自由度が大幅に改善される。

因みに、犠牲層の材料として樹脂を用いた場合には、犠牲層を除去するまではプロセス温度が最高で１００°Ｃ程度に制約されるので、プロセス上の制約が大きい。 なお、犠牲層２１の材料として樹脂を用いることを妨げるものではない。

なお、上に述べた説明では、可動電極１５の両端の２つの支持部１４の内の一方について主に説明したが、上にも述べたように、これら２つの支持部１４は互いに同じ工程において同時に形成される。

すなわち、例えば、基部電極１４ａを形成する工程において、間隔をあけて互いに対向する端部がいずれもテーパ側壁ＴＳ１となるように２つの基部電極１４ａを形成する。 また、犠牲層ＢＧＰ０を形成する工程において、２つの基部電極１４ａのテーパ側壁ＴＳ１の間の領域から２つの基部電極１４ａのテーパ側壁ＴＳ１の上方に重なるように、犠牲層ＢＧＰ０を形成する。 その際に、犠牲層ＢＧＰ０の両方の端部にテーパ端面ＴＳ２を有するように形成する。

また、スペーサ１４ｂを形成する工程において、２つの基部電極１４ａの上に、かつ犠牲層ＢＧＰ０のテーパ端面ＴＳ２にそれぞれ当接するように、スペーサ１４ｂを形成する。

次に、本実施形態の製造方法について、フローチャートを参照して説明する。

図１０において、基板１１の上方に、端部にテーパ側壁ＴＳ１を有した基部電極１４ａを形成する（＃１１）。 このとき、固定電極１２を同時に形成する。 基部電極１４ａが形成されていない領域から延びて基部電極１４ａのテーパ側壁ＴＳ１の上方に重なるように、かつ端部にテーパ側壁ＴＳ１と逆の方に傾斜するテーパ端面ＴＳ２を有する犠牲層ＢＧＰ０を、形成する（＃１２）。

基部電極１４ａの上に、犠牲層ＢＧＰ０のテーパ端面ＴＳ２に当接するスペーサ層ＢＳ（スペーサ１４ｂ）を形成する（＃１３）。 犠牲層ＢＧＰ０およびスペーサ１４ｂの上に可動電極１５を形成する（＃１４）。 可動電極１５を形成した後で、犠牲層ＢＧＰ０を除去する（＃１５）。

上に述べた実施形態において、基板１１、固定電極１２、誘電体層１３、スペーサ１４ｂ、可動電極１５の材料、形状、寸法、形成方法、形成工程などは、上に述べた以外の種々のものとすることが可能である。 また、犠牲層ＢＧＰ０の形成の仕方として、上に述べた以外の種々の方法を採用することが可能である。

上に述べた実施形態では、ＭＥＭＳキャパシタ１を例にあげてその製造方法を説明したが、これとは構造の異なるＭＥＭＳキャパシタについても適用可能である。 例えば、可動電極１５を駆動するための駆動電極が固定電極１２とは別途設けられた構造でもよい。 また、ＭＥＭＳキャパシタ以外に、ＭＥＭＳスイッチ、高周波フィルタ、その他のＭＥＭＳデバイスの製造に適用することが可能である。

１ ＭＥＭＳキャパシタ（ＭＥＭＳデバイス）
１１ 基板１２ 固定電極１４ 支持部１４ａ 基部電極（第１の電極）
１４ｂ スペーサ１５ 可動電極（第２の電極）
２１ 犠牲層ＢＧＰ０ 犠牲層ＢＧ１ 第１の犠牲層（犠牲層）
ＢＧ２ 第２の犠牲層（犠牲層）
ＴＳ１ テーパ側壁ＴＳ２ テーパ端面ＴＢ１ 頂部