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JP2004195599A - On-substrate structure and method for forming protrusions used for the structure - Google Patents

On-substrate structure and method for forming protrusions used for the structure Download PDF

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JP2004195599A
JP2004195599A JP2002367717A JP2002367717A JP2004195599A JP 2004195599 A JP2004195599 A JP 2004195599A JP 2002367717 A JP2002367717 A JP 2002367717A JP 2002367717 A JP2002367717 A JP 2002367717A JP 2004195599 A JP2004195599 A JP 2004195599A
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Japan
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substrate
etching
forming
plate
beam portion
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JP2002367717A
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Japanese (ja)
Inventor
Atsushi Fujita
藤田  淳
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Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Publication date
Application filed by Mitsubishi Electric Corp filed Critical Mitsubishi Electric Corp
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Abstract

【課題】梁部と基板との吸着を効果的に防止できる基板上構造体と、その構造体に用いる突起の簡便な形成方法を提供する。
【解決手段】基板10上に、基板に固定される固定部13aと基板との間隔を変化させることが可能な移動端13bとを有する板状梁部A1を備え、板状梁部は基板上に犠牲層11を介して形成された後に犠牲層を除去することにより固定部以外を基板から分離した基板上構造体であって、基板10の上面における板状梁部A1と対向する部分に、錐形状の複数の突起P1からなる吸着防止構造、又は板状梁部の基板に対向する一方の主面に、ランダムの高さを有する複数の突起からなる吸着防止構造を備えた。
【選択図】 図1
The present invention provides a structure on a substrate that can effectively prevent attraction between a beam portion and a substrate, and a simple method of forming projections used for the structure.
A plate beam A1 having a fixed portion 13a fixed to the substrate and a movable end 13b capable of changing a distance between the substrate is provided on the substrate 10, and the plate beam is provided on the substrate. Is formed on the substrate by removing the sacrifice layer after the sacrifice layer 11 is interposed therebetween, and the structure other than the fixed portion is separated from the substrate. An adsorption prevention structure including a plurality of conical projections P1 or an adsorption prevention structure including a plurality of projections having random heights is provided on one main surface of the plate-shaped beam portion facing the substrate.
[Selection diagram] Fig. 1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
光スイッチ等に使用される静電アクチュエーター等の基板上構造体と、その構造体に用いる突起の形成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
MEMS(マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム:Micro-Electro Mechanical System)に用いられる静電力を利用した駆動機構として、シリコン基板上に形成された固定電極と、その上面に形成された絶縁保護膜と、ある空間を有して対向する可動電極と、この電極を所定の位置に保持する支持部材とからなる静電アクチュエータがある。
【0003】
しかしながら、例えば、シリコン基板上に片持ち梁構造を形成する場合、次のような問題がある。(1)中空構造を形成するための犠牲層除去工程での吸着と(2)外力により動作させた時に接触して生じる吸着、である。
以下この2つの問題を説明する。
【0004】
(1)の問題は、中空構造を形成するためウェットプロセスで犠牲層除去後乾燥させる工程をとるが、この際に液体/気体界面の表面張力により上部部材が下に引張られ、構成部材の剛性が低いと、この引張力に抗することができずに下部部材と接触することで生じている。一方、(2)の問題は中空部分を有する2物体が外力により接触した時に、表面が共に平滑であると接触界面に凝集した水分により吸着することにより生じる。
このように、微小空間をもつ構造物を形成する場合、その作製プロセスと駆動時の双方で、吸着するという問題がある。
【0005】
これらの問題を解決するために、例えば、非特許文献1の第20頁の図6に示されているように、可動側構造体に突起を設けたり、非特許文献2の図2にあるように、ばね構造体を電極間に配して、吸着力より大きな力で、構造体を引き剥がしたり、パーフルオロジシルトリクロロシラン(FDTS)を用いて化学的な表面処理を施し付着した水分による吸着力を低減する方法が提案されている。
【0006】
また、非特許文献3、非特許文献4には、EB露光システムや、光造形法を用いて、微細な突起できることが報告されているが、極めて特殊な製造装置を用いないとこのような表面加工ができない。
【0007】
【非特許文献1】
羽根一博、「MEMS技術と光技術(光通信)」、日本光学会第28回冬季講習会資料、日本光学会、2002年1月21日、p20。
【非特許文献2】
Li Fan,et al. “Digital MEMS switch for planar photonic crossconnects”OFC2002, p93-94,Tu04
【非特許文献3】
Hiroshi Toyota et al. “Fabrication of Microcone Array for Antireflection Structred Surface”Jpn. J. Appl. Phys. Vol.40(2001)pp.L747-L749,
【非特許文献4】
Shoji Maruo and Koji Ikuta,“Three-dimensional microfabrication by use of single-photon-absorbed polymerization”Appl. Phys. Lett. Vol.76(2000) No.19 pp.2656-2685,
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、梁部と基板との吸着を効果的に防止できる基板上構造体と、その構造体に用いる突起の簡便な(特殊な製造装置を用いなくとも作製可能な)形成方法を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
以上の目的を達成するために、本発明にかかる基板上構造体は、基板上に、該基板に固定される固定部と上記基板との間隔を変化させることが可能な移動端とを有する板状梁部を備え、該板状梁部は上記基板上に犠牲層を介して形成された後に上記犠牲層を除去することにより上記固定部を除いて上記基板から分離されてなる基板上構造体であって、
上記基板の上面における上記板状梁部と対向する部分に、錐形状の複数の突起からなる吸着防止構造又は、上記板状梁部の上記基板に対向する一方の主面に、ランダムの高さを有する複数の突起からなる吸着防止構造を備えたことを特徴とするものである。
以上のように構成された本発明にかかる基板上構造体は、上記基板上に犠牲層を介して、上記板状梁部を形成して犠牲層を除去するという過程において、微小な上記突起からなる吸着防止構造を形成できるので、梁部と基板との吸着を効果的に防止でき、かつその吸着防止構造を特殊な製造装置を用いることなく簡便な方法で形成できる。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明に係る実施の形態について説明する。
実施の形態1.
本実施の形態1の基板上構造体は、基板10上に板状梁部A1が形成されてなる静電アクチュエーターであって、以下のように構成される。
本実施の形態1において、基板上構造体のベースとなる基板10は、それ自身で静電アクチュエーターの一方の電極を構成するために低抵抗シリコン基板を用いている。
また、板状梁部A1は、アクチュエーター基体13と基体13の上に形成された電極膜14とからなり、その電極膜14が静電アクチュエーターの他方の電極を構成する。
【0011】
そして、板状梁部A1はその一端部である固定部13aおいて基板10の上面に固定されている他は、基板10から離れており、基板10と電極膜14の間に印加される電圧値に対応して板状梁部A1の他端部である移動端13bの位置が変化する。
【0012】
ここで、特に実施の形態1の基板上構造体は、基板10の上面における板状梁部A1と対向する部分に錐形状の複数の突起P1が形成されており、その複数の突起P1により基板10と板状梁部A1の間の吸着を防止する吸着防止構造が構成されている。
より詳細に説明すると、本実施の形態1において、複数の錐形状の突起P1はそれぞれ、より好ましい形態として、その先端に近い部分ほど基板10の上面に対する勾配が急になるように形成された鋭いピークを有する先端部分を有しており、基板10(突起の先端)と板状梁部A1との接触可能面積を極めて小さくできることから基板10と板状梁部A1の吸着を効果的に防止できる。
【0013】
すなわち、静電アクチュエータにおける基板と板状梁部のように微小隙間(例えば、数μm)を介して対向する2物体間では、その微小隙間に大気中の水分が凝集しこの水分により2物体が吸着する。本発明はこの2物体間に上述したような形状の複数の突起P1を設けることにより、水分が凝集する面積を小さく抑えて吸着を防止したものである。さらに、本実施の形態1では、この水分が凝集する面積を出来るだけ小さくする為に、突起P1の先端形状を先端に近いほど傾斜の増分が大きくなるようにしてより効果的に吸着を防止している。
以下、本実施の形態1の基板上構造体である静電アクチュエーターの製造方法について説明する。
【0014】
(実施の形態1の製造方法)
本製造方法では、ベースとなる基板10として、固定電極を兼ねることができる低抵抗シリコン基板を用いて以下の工程を経て静電アクチュエーターが製造される。
<犠牲層11形成>
本製造方法では、まず、基板10の上面に板状梁部A1を中空構造とするために選択除去可能な材料を用いて犠牲層11を形成する。
具体的には、図2(a)に示すように、熱酸化膜からなる第1犠牲層11aを例えば、1.5μmの厚さに形成した上に、第1犠牲層11aとはエッチング速度の異なるTEOSシリコン酸化膜からなる第2犠牲層11b例えば1.0μmの厚さに成膜する。
これにより、エッチング速度が互いに異なる第1犠牲層11aと第2犠牲層11bからなる多層構造の犠牲層11が形成される(図2(b))。
ここで、TEOSシリコン酸化膜とは、テトラエチルオキシシランとオゾンの反応を用いてプラズマCVD法等により作製されたシリコン酸化膜であり、熱酸化膜に比べてHF水溶液に対するエッチングレートが1桁大きい(約10倍である)。
【0015】
<板状梁部A1成膜工程>
次に、犠牲層11の上に、LP(低圧)−CVDを用いて低応力シリコン窒化膜を例えば0.7μmの厚さに形成することにより、アクチュエーター基体用の絶縁膜13を形成して、その絶縁膜13上に、蒸着法によりCr膜を5nmの厚さに形成した上にAu膜を100nmの厚さに形成することにより、電極膜14を形成する(図2(c))。
【0016】
<エッチング用ホール形成工程>
次に、図2(d)に示すように、メタルマスク等を用いて、電極膜14及び絶縁膜13を貫通するエッチングホール12(例えば、直径4μm)を例えば20μmピッチで形成する。
【0017】
<板状梁部A1パターンニング工程>
パターンニング工程では、まず、絶縁膜13を板状梁部A1の形状にパターンニングし(図3(a))、その後、電極膜14を所定の形状にパターンニングする(図3(b))。
【0018】
<犠牲層11除去及び突起P1形成>
次に、50%のHF水溶液でエッチングすることにより犠牲層11を除去する(図3(c))。
このとき、パターンニングされた板状梁部A1の直下の犠牲層11では、エッチングホール12を介して各エッチングホール12から等方的エッチングが進む。
これにより、板状梁部A1の直下の犠牲層11では、図4に示すように、時間の経過とともに、略球面の等エッチング面EL1がエッチングホール12を中心として径が大きくなる方向に移動する。このような等方的なエッチングを、4つのエッチングホール12の中央に、4つの等エッチング面によって4角錐形状の突起P1が形成されるまで進行させる。このようにして形成された突起P1は、4つの等エッチング面にそれぞれ対応する4つの側面を有し鋭いピーク(先端)を有する。
すなわち、本方法により作製された突起P1において、4つの等エッチング面にそれぞれ対応して形成される4つの側面は、先端に近いほど基板10の上面に対する勾配が急となり、先端部分の面積を極めて小さくできる。
【0019】
尚、本実施の形態では、1つの錐形状の突起P1に対して等距離に4つのエッチングホールを形成するようにしたが、本発明はこれに限られるものではなく、1つの突起P1に対して設けられるエッチングホールの数は3以上であればよい。この際、3つのエッチングホールにより形成される突起は、略3角錐形状であり、一般にn(3以上整数)個のエッチングホールにより形成される突起は、概ねn角錐形状となるが、nが大きくなると実際は円錐形状に近くなる。
また、本実施の形態1では、犠牲層11をエッチングレートの異なる2つの層で形成(エッチングレートの大きい層を上に形成)しているので、突起の高さの制御が容易である。
【0020】
以上のようにして、板状梁部A1と基板10との間の吸着を効果的に防止できる基板上構造体が作製できる。
尚、上記製造方法の説明で例示した材料及び膜厚、すなわち、熱酸化膜からなる第1犠牲層11aを1.5μmの厚さに形成し、TEOSシリコン酸化膜からなる第2犠牲層11bを1.0μmの厚さに形成し、低応力シリコン窒化膜からなる絶縁膜13を0.7μmの厚さに形成し、Cr膜(5nm)/Au膜(100nm)からなる電極膜14を形成した上で、直径4μmのエッチングホール12を例えば20μmピッチで形成してエッチングした場合、高さhが0.9μm以下の鋭いピークを有する突起P1を形成することができた。
ここで、突起P1の高さは、所望の高さの突起P1が形成された時にエッチングを中止することによって、例えば、0.5μm等、任意の高さに設定できる。
【0021】
本発明者らは、以上説明した方法で、ピッチの異なる突起を設けた静電アクチュエータを作製して吸着防止効果を確認した。
作製したアクチュエータは、図1に示す構造のものであり、板状梁部A1の形状は、幅300μm×長さ1200μm、厚み0.7μmとし、基板10と板状梁部A1とのギャップは3.5μmに設定した。尚、板状梁部A1の電極14の面積は280μm×900μmとした。
そして、基板10の表面(固定電極表面)に、高さ約0.5μmの突起を10μm,40μm,60μm,80μmμmのピッチでそれぞれ形成した4種類の静電アクチュエーターを作製し、各静電アクチュエーターの両電極間に印加する電圧のON/OFFを繰り返し駆動させた時の動作状況を確認した。図5にはDC電圧を与えて繰り返し駆動した時の吸着状況を、20サンプルに対する吸着しないものの割合で示している。吸着確認試験の環境は、25℃、65%RHの雰囲気中とした。図5から明らかなように、突起を密に形成したほうが、吸着しにくいことがわかる。
【0022】
以上の実施の形態1の基板上構造体の製造方法では、板状梁部にエッチングホール12を形成して突起P1を形成するように構成しているので、エッチングホール12の形状及び配置に対応させて突起P1の形状及び配置を設定でき、所望の形状でかつ所望の位置に配列された突起P1を容易に形成することができる。
これにより、基板上構造体において、より効果的に吸着を防止することができる吸着防止構造を実現できる。
【0023】
また、本実施の形態の方法により作製された突起P1は、先端に近いほど基板10の上面に対する勾配が急となり、先端部分の面積を極めて小さくできるので、基板と板状梁部の接触面積を小さくでき、より効果的に板状梁部と基板との吸着を防止できる。
さらに、本実施の形態1では、板状梁部にエッチングホールを形成し、犠牲層を利用して突起P1を形成しているので、簡単に突起を形成できる。
【0024】
実施の形態2.
この実施の形態2の基板上構造体は、実施の形態1とは異なる方法により突起P21を形成したものであり、以下のように作製される。
<絶縁膜21の成膜>
実施の形態2の製造方法では、ベース基板20により固定電極を構成するために、実施の形態1と同様、基板20として低抵抗シリコン基板を用い、最初に、ベース基板20上に突起を構成するためのSiOxからなる絶縁膜21を成膜する(図6(a))。
【0025】
<メタルマスク形成及びエッチングホール形成>
次に、例えばCrからなるメタルマスク膜を絶縁膜21上に成膜して、突起P20を形成するためのエッチングホールEhを形成することにより、エッチングホールを備えたエッチングマスクM1を作製する(図7(a))。
ここで、本実施の形態2においては、図7(a)に示すように、突起P20の形成すべき位置を中心として、その中心から等距離になるようにかつ隣接する2つの間隔が互いに等しくなるように3つのエッチングホールEhを形成するようにしている。すなわち、実施の形態2では、1つの突起P20に対して、3つのエッチングホールをそれらの中心により正三角形が構成されるように配置し、その重心に突起P20が形成されるようにしている。
尚、本発明は、メタルマスクを構成する材料により特に限定されるものではなく、絶縁膜21をエッチングする際に用いるエッチング液に対して耐性を有するものであれば使用でき、例えば、絶縁膜21をSiO2により形成し、そのエッチング液としてHF水溶液を用いる場合にはCr,Mo,W,Ni,Au等の材料を用いることができる。
【0026】
<エッチング工程:突起形成>
次に、エッチングホールEhを有するメタルマスクM1を用いて絶縁膜21をエッチングホールEhを介して等方的にエッチングする。
このエッチングの際、球状の等エッチング面EL1がエッチングホールEhを中心として径が大きくなる方向に進行し、3つのエッチングホールEhの重心の直下に3つの等エッチング面EL2によって錐形状の突起P20が形成される。
このようにして、3つの等エッチング面EL2にそれぞれ対応する3つの側面P2aを有し鋭いピーク(先端)を持った突起P21が形成される。
すなわち、本方法により作製された突起P21において、3つの等エッチング面にそれぞれ対応して形成される3つの側面は、先端に近いほど基板20の上面に対する勾配が急となり、先端部分の面積を極めて小さくできる。
尚、図7(b)において、P2bの符号を付して示すものは、2つの側面P2aが交わる稜線である。
また、突起P21を形成する領域以外に位置する絶縁膜21は、エッチングホールの無いメタルマスクM1によって覆われており、このエッチング工程では除去されずに残るが、最終的には犠牲層として除去される。
【0027】
<突起保護膜形成>
以上のようにして形成した突起P21aの表面に、後述のSiOxからなる犠牲層を除去する際に突起P21a(SiOxからなる)を保護するために、犠牲層のエッチング液に対して耐性のある保護膜P21b(犠牲層及び突起P21aをSiOxにより形成する場合にあっては、例えば、LP-CVDによるSiNx膜)を形成する。
【0028】
<平坦化工程>
次に、複数の突起P21によってできた表面の凹凸をSOG膜22を形成することにより平坦化処理をする(図8(a))。ここで、SOG膜とは、シラノール(Si(OH)4)をアルコールに溶かしたものを回転塗布した後に400℃程度の温度でベーキングすることにより形成された膜である。
尚、このSOG膜22は最終的には犠牲層として除去される。
【0029】
<板状梁部形成工程>
次に、板状梁部を構成するためのSiNx膜23を形成して、板状梁部の形状にパターンニングし(図8(b))、そのパターンニングされたSiNx膜23上に電極膜24を形成して所定形状にパターンニングする(図8(c))。
そして、犠牲層として残されていた絶縁層21及びSOG膜22をフッ酸溶液等によりエッチングすることにより除去する(図8(d))。
【0030】
以上の実施の形態2では、板状梁部A2と基板20との吸着を効果的に防止できる基板上構造体が作製できる。
【0031】
また、以上の実施の形態2の製造方法によれば、突起を形成するためのマスクを板状梁部とは別に形成して突起を形成しているので、所定の突起(形状及び配置)を形成するのに適したマスク(マスクとして好ましい材料と膜厚に設定できる)を用いて所望の突起を形成することができ、より適切な吸着防止構造を実現できる。
【0032】
以上の実施の形態1及び2に関する説明では、本発明に使用することができる好ましい材料を及び具体的な形状(膜厚等)を例示しながら説明したが、本発明はこれらの具体的な材料や形状に限定されるものではない。
例えば、SiOx膜を選択除去可能な犠牲層膜として用い、選択除去するためのエッチング液をHFとした場合、板状梁部A1を構成するための選択性の有る絶縁膜としては、SiNxに換えてポリシリコンを用いることもできる。
また、電極材料として、アルミ、金や白金等を用いることができる。
【0033】
また、SiOxに換えて、ポリイミドやレジスト等の有機物を選択除去可能な犠牲層膜11として用いることもできる。ポリイミドやレジスト等の有機物を犠牲層膜11として用いる場合、選択除去するために酸素プラズマのドライエッチングを使用でき、板状梁部A1を構成するための選択性の有る絶縁膜としてSiOx、ポリシリコン又はSiNxを、電極材料としては、アルミ、金や白金等を用いることができる。
【0034】
また、AuとSiNxの密着力を強化するために、Cr下地膜を設けたが、NiCr、Ti、Ti/Pt等の膜を用いても良い。
【0035】
本実施の形態1及び2では、2つの電極膜が水平で対向している静電アクチュエータを例として挙げて説明したが、電極の向きはこれに限るものではなく、電極面が垂直方向になっていても良い。その場合に、突起は垂直な電極面に対して垂直かつ対向する電極面側に設ければよい。さらに、ここでは静電アクチュエータを取り上げたが、これに限るものではなく、静電力に限らず、外力により接触する2物体の表面に対して、突起を少なくとも一方の面に対して垂直かつ接触対向面側に設ければよい。さらに、シリコン基板により固定電極を兼ねるように形成したが、別途メタル配線を行い、その上に絶縁膜を形成した後に、突起をその上に設けても良い。
【0036】
実施の形態3.
本発明に係る実施の形態3の基板上構造体は、板状梁部における基板に対向する主面にランダムな高さを有する複数の突起を形成している点で実施の形態1及び2とは異なり、以下のようにして容易に作製される。
【0037】
本製造方法ではまず、シリコン基板30上にSiOxからなる熱酸化膜31を形成する(図9(a))。
次に、熱酸化膜31に微小凹みを形成するためのCrからなるエッチングマスクM3を形成して、微小窪み(突起)を形成する領域(板状梁部を形成するための領域)を除いてレジスト膜R3を形成する。そしてクロムからなるエッチングマスクM3を用いて、フッ化水素酸とフッ化アンモニウムの混合液であるバッファードフッ酸(BHF)(16%)により熱酸化膜31を数秒程度エッチングする。
このエッチングマスクを構成するための材料として実施の形態3ではクロムを選択し、並行平板式マグネトロンスパッタ装置を用いて、基板回転させながらDC100Wで10秒程度の成膜により、例えば、1nm以下の厚さになるようにクロムからなるエッチングマスクM3を形成する。
【0038】
このように、マスクとしては極めて薄く形成されたエッチングマスクM3には、極めて小さい多数のピンホールがマスク全体に均一に存在する。本発明はこのピンホールを利用するものであり、この多数のピンホールを有するエッチングマスクM3を介して、熱酸化膜31をエッチングすることにより、ピンホールにそれぞれ対応して微小凹みが形成される(図9(b))。尚、このマスクのピンホールを利用した微小凹みの形成についての詳細は後述する。
【0039】
そして、エッチングにより熱酸化膜31に微小凹部が形成された後、レジストR3とエッチングマスクM3を除去し、板状梁部を構成するためのSiNx膜33を形成して所望の板状梁部の形状にパターンニングする(図9(c))。SiNx膜33は低応力膜としてLP(低圧)−CVD装置を用いて成膜する。
【0040】
次に、電極膜であるCr/Auを成膜し、所定の形状にパターニングする(図10(a))。
そして、犠牲層でもある熱酸化膜31を固定端33aの直下を除いてHF等により除去することにより、中空構造を形成する。
このようにして、板状梁部の基板と対向する主面に多数の突起を有し、吸着しにくい構造物を作製することができる。
この際、上部可動部材である板状梁部に反りが発生しないように各構成薄膜の膜応力を制御することが好ましいが、上述した方法は反り返っている部材であっても適用できる。
【0041】
以下、エッチングマスクのピンホールを利用した微小凹みの形成についての詳細に説明する。
本実施の形態3の製造方法は、エッチングマスクを形成する時に、エッチング液の浸透が可能なピンホールができるようにエッチングマスクの成膜条件及び厚さを設定して、そのピンホールを利用してそのマスクの下の層に微小凹部を形成するものである。
従って、微小凹部の形状(深さ(絶対寸法としての深さ)、開口径に対する深さ等)は、主として、エッチングマスクの厚さ等とエッチング時間とによって決定され、エッチングマスクの膜厚とエッチング時間との間には最適な解がある。
また、吸着防止用の突起は、突起を形成する領域内において比較的多くの突起がほぼ均一に分布していることが好ましいので、エッチングマスクとしてはできるだけ多くのピンホールが均一に分布するように薄膜で形成することが好ましい。
【0042】
本発明者らの検討によると、エッチングマスクの膜厚を1nm以下にすれば、所望の微小凹部を形成するためのエッチング条件(特にエッチング時間)の設定は比較的容易であり、所望の突起(突起形状及び突起の分布)に対応した微小凹部を容易に形成できることが確認されている。
エッチングマスクの厚さが1nm以上では、厚さが厚くなるにしたがって、所望の微小凹部を形成するためのエッチング条件の設定は難しくなる。
また、エッチングマスクが厚くなると、ピンホールが必要な領域全体に一様に存在しないようになり、その点からもエッチングマスクの厚さは1nm以下に設定することが好ましい。
【0043】
一例として、エッチングマスクとして、膜厚が0.7nmのクロム膜を用いて下地膜のSiO2膜を、4種類のエッチング時間(2.25分、3.0分、3.75分、5.25分)でエッチングした場合のそれぞれの表面形状を原子間力顕微鏡(AFM)にて測定した結果を図11〜14に示す。
尚、本例において、エッチングマスクとしてのクロム膜は、スパッタリング装置を用いて以下の条件で作製した。
(1)到達真空度:1×10−6Torr以下、
(2)アルゴンガス圧:2〜3Torr、
(安定放電が可能な範囲で極力小さく設定)
(3)基板温度:20℃、
(基板に付着したスパッタ粒子の移動ができるだけ少なくなるように設定)
(4)DCマグネトロンスパッタパワー:100W〜300W、
(精度良く膜厚を制御できるように設定)
(5)サンプルとターゲット間の距離:15cm、
(プラズマの影響が少なくなるように設定)
(6)成膜時間:4sec/100W、
(0.7nm厚さになるように設定)
【0044】
上記例において、さらにエッチング時間4.5分のものを加え、エッチング時間に対するエッチングの深さを図15に示し、エッチング時間に対する表面粗さを図16に示す。
図15,16から、エッチング時間が長くなると、全体的にエッチング面が後退していくこと、およびそれに連れてエッチング面の表面荒さが小さくなってしまうことがわかる。一方、図1に示す構造体において、板状梁部の大きさを0.3mm幅×0.9mm長とし、板状梁部(SiNx)の膜厚を0.7μm、基板と板状梁部の間隔を2.5μmに設定した場合、表面粗さRaが10nm程度(エッチングをする前の初期のSiOx膜の表面荒さRa:3nm)となれば吸着しなくなることが実験的に確認されている。
従って、エッチングマスクとしてスパッタリングで成膜したクロム膜の膜厚が0.7nm(成膜時間:4sec)の時、吸着に対し有効な突起を形成するための表面形状となるエッチング時間は3.0分から3.75分の間にあることがわかる。
【0045】
ただし、吸着するかしないかは、中空構造の大きさ(板状梁部と基板との間隔)、製造時及び使用時にかかり得る外力及び温湿度環境に大きく影響されるので、適用するデバイス構造に対して、最適な突起形状及びそれに対応する最適表面粗さは異なるものである。従って、本発明を適用するにあたっては適用するデバイス構造に対応して別途最適化が必要である。
【0046】
以上の実施の形態3では、犠牲層の表面に極めて微小な凹部を形成することができるので、サブμm以下の突起を極めて狭いピッチ(例えば、サブμm以下のピッチ)で形成することができ、板状梁部の下面(基板と対向する面)に効果的に吸着を防止できる吸着防止構造を形成できる。
【0047】
また、以上の実施の形態1〜3で説明した吸着防止構造は、それぞれ特有の製造方法により形成された極めて小さな突起により構成されているので、それらの吸着防止構造を備えた静電アクチュエーターは、アクチュエーター動作をさせるための静電界分布が突起により乱されることがほとんどない。
従って、本実施の形態1〜3にかかる静電アクチュエーターは、安定したアクチュエーター動作を劣化させることなく基板と板状梁部の吸着を防止できるので、安定して動作が可能でかつ信頼性を高くできる。
【0048】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、板状梁部と基板との吸着を効果的に防止できる基板上構造体と、その吸着防止構造を簡便に形成できる突起形成方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る実施の形態1の基板上構造体の斜視図である。
【図2】実施の形態1の基板上構造体の製造方法における前半の工程を示す断面図である。
【図3】実施の形態1の基板上構造体の製造方法における後半の工程を示す断面図である。
【図4】実施の形態1の基板上構造体の製造方法において、突起が形成される様子を示す平面図(a)と断面図(b)である。
【図5】実施の形態1の基板上構造体における突起間隔に対する吸着しない割合を示すグラフである。
【図6】実施の形態2の基板上構造体の製造方法における前半の工程を示す断面図である。
【図7】実施の形態2の基板上構造体の製造方法において、突起が形成される様子を示す平面図(a)と断面図(b)である。
【図8】実施の形態2の基板上構造体の製造方法における後半の工程を示す断面図である。
【図9】実施の形態3の基板上構造体の製造方法における前半の工程を示す断面図である。
【図10】実施の形態3の基板上構造体の製造方法における後半の工程を示す断面図である。
【図11】実施の形態3の製造方法において、ピンホールを有するエッチングメタルマスク(0.7nmのクロム膜)を用いて下地膜のSiO2膜を、2.25分間エッチングした場合のは表面写真(a)と断面形状(b)である。
【図12】実施の形態3の製造方法において、ピンホールを有するエッチングメタルマスク(0.7nmのクロム膜)を用いて下地膜のSiO2膜を、3.0分間エッチングした場合のは表面写真(a)と断面形状(b)である。
【図13】実施の形態3の製造方法において、ピンホールを有するエッチングメタルマスク(0.7nmのクロム膜)を用いて下地膜のSiO2膜を、3.75分間エッチングした場合の断面形状である。
【図14】実施の形態3の製造方法において、ピンホールを有するエッチングメタルマスク(0.7nmのクロム膜)を用いて下地膜のSiO2膜を、5.25分間エッチングした場合の断面形状である。
【図15】実施の形態3の製造方法におけるエッチング時間に対する深さを示すグラフである。
【図16】実施の形態3の製造方法におけるエッチング時間に対する表面粗さを示すグラフである。
【符号の説明】
10,20,30 基板、11 犠牲層、11a 第1犠牲層、11b 第2犠牲層、12,Eh エッチングホール、13 アクチュエーター基体、13a,33a 固定部、13b 移動端、14,24 電極膜、22 SOG膜、23SiNx膜、31 熱酸化膜、A1,A2 板状梁部、P1,P21,P21a 突起、EL1,EL2 等エッチング面、M1,M3 エッチングマスク、P2a 突起の側面、P21b 保護膜、R3 レジスト膜。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an on-substrate structure such as an electrostatic actuator used for an optical switch and the like, and a method for forming a projection used for the structure.
[0002]
[Prior art]
As a drive mechanism using electrostatic force used in MEMS (Micro-Electro Mechanical System), a fixed electrode formed on a silicon substrate, an insulating protective film formed on the upper surface, 2. Description of the Related Art There is an electrostatic actuator including a movable electrode that faces a certain space and a support member that holds the electrode at a predetermined position.
[0003]
However, for example, when forming a cantilever structure on a silicon substrate, there are the following problems. (1) Adsorption in the sacrificial layer removing step for forming the hollow structure, and (2) Adsorption caused by contact when operated by external force.
Hereinafter, these two problems will be described.
[0004]
The problem of (1) is to remove the sacrificial layer by a wet process to form a hollow structure and then to dry the sacrificial layer. At this time, the upper member is pulled down by the surface tension of the liquid / gas interface, and the rigidity of the constituent members is reduced. Is low, this is caused by contact with the lower member without being able to withstand the pulling force. On the other hand, the problem (2) is caused by the fact that when two objects having a hollow portion come into contact with each other by external force, if the surfaces are both smooth, they are adsorbed by the coagulated moisture at the contact interface.
As described above, when a structure having a minute space is formed, there is a problem that the structure is adsorbed in both the manufacturing process and the driving.
[0005]
In order to solve these problems, for example, as shown in FIG. 6 on page 20 of Non-Patent Document 1, a protrusion is provided on the movable side structure, or as shown in FIG. In addition, a spring structure is arranged between the electrodes, and the structure is peeled off with a force greater than the adsorption force, or a chemical surface treatment is applied using perfluorodisiltrichlorosilane (FDTS) to remove the water. A method for reducing the attraction force has been proposed.
[0006]
Non-Patent Documents 3 and 4 report that fine projections can be formed by using an EB exposure system or stereolithography, but such a surface cannot be obtained without using a very special manufacturing apparatus. Cannot be processed.
[0007]
[Non-patent document 1]
Kazuhiro Hane, "MEMS Technology and Optical Technology (Optical Communication)", Materials of the 28th Winter Seminar of the Optical Society of Japan, Optical Society of Japan, January 21, 2002, p20.
[Non-patent document 2]
Li Fan, et al. “Digital MEMS switch for planar photonic crossconnects” OFC2002, p93-94, Tu04
[Non-Patent Document 3]
Hiroshi Toyota et al. “Fabrication of Microcone Array for Antireflection Structred Surface” Jpn. J. Appl. Phys. Vol.40 (2001) pp.L747-L749,
[Non-patent document 4]
Shoji Maruo and Koji Ikuta, “Three-dimensional microfabrication by use of single-photon-absorbed polymerization” Appl. Phys. Lett.Vol.76 (2000) No.19 pp.2656-2685,
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
In view of the above, the present invention provides a structure on a substrate that can effectively prevent attraction between the beam portion and the substrate, and a method for easily forming a projection used for the structure (can be manufactured without using a special manufacturing apparatus). The purpose is to provide.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, an on-substrate structure according to the present invention includes a plate having a fixed portion fixed to the substrate and a movable end capable of changing a distance between the substrate and the fixed portion. An on-substrate structure comprising a beam-like portion, wherein the plate-like beam portion is formed on the substrate via a sacrificial layer, and then the sacrificial layer is removed to remove the fixing portion and separate from the substrate. And
In the portion of the upper surface of the substrate facing the plate-like beam portion, a suction prevention structure composed of a plurality of conical projections, or on one main surface of the plate-like beam portion facing the substrate, a random height And a suction prevention structure comprising a plurality of protrusions having the following.
The on-substrate structure according to the present invention having the above-described structure is characterized in that, in the process of forming the plate-like beam portion and removing the sacrificial layer via the sacrificial layer on the substrate, Since the suction preventing structure can be formed, the suction between the beam portion and the substrate can be effectively prevented, and the suction preventing structure can be formed by a simple method without using a special manufacturing apparatus.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
Embodiment 1 FIG.
The on-substrate structure of the first embodiment is an electrostatic actuator in which a plate-like beam portion A1 is formed on a substrate 10, and is configured as follows.
In the first embodiment, the substrate 10 serving as the base of the on-substrate structure uses a low-resistance silicon substrate to form one electrode of the electrostatic actuator by itself.
Further, the plate-like beam portion A1 includes an actuator base 13 and an electrode film 14 formed on the base 13, and the electrode film 14 constitutes the other electrode of the electrostatic actuator.
[0011]
The plate-like beam portion A1 is apart from the substrate 10 except that it is fixed to the upper surface of the substrate 10 at the fixing portion 13a, which is one end thereof, and is a voltage applied between the substrate 10 and the electrode film 14. The position of the moving end 13b, which is the other end of the plate-like beam portion A1, changes according to the value.
[0012]
Here, in particular, in the on-substrate structure according to the first embodiment, a plurality of conical protrusions P1 are formed on a portion of the upper surface of the substrate 10 facing the plate-like beam portion A1, and the plurality of protrusions P1 form the substrate. A suction prevention structure for preventing suction between the plate 10 and the plate-like beam portion A1 is configured.
More specifically, in the first embodiment, each of the plurality of conical-shaped protrusions P1 is more preferably formed as a sharp shape formed such that the gradient toward the upper surface of the substrate 10 becomes steeper toward the tip. It has a tip portion having a peak, and the contactable area between the substrate 10 (tip of the protrusion) and the plate-like beam portion A1 can be extremely small, so that the suction between the substrate 10 and the plate-like beam portion A1 can be effectively prevented. .
[0013]
In other words, between two objects facing each other via a minute gap (for example, several μm) like a substrate and a plate-like beam in an electrostatic actuator, moisture in the atmosphere agglomerates in the minute gap, and the two objects are separated by the moisture. Adsorb. In the present invention, by providing a plurality of protrusions P1 having the above-described shape between the two objects, the area where moisture is agglomerated is suppressed to be small and adsorption is prevented. Further, in the first embodiment, in order to minimize the area where the water aggregates as much as possible, the tip of the projection P1 is set closer to the tip so that the increment of the inclination is increased to prevent the adsorption more effectively. ing.
Hereinafter, a method for manufacturing the electrostatic actuator that is the on-substrate structure according to the first embodiment will be described.
[0014]
(Manufacturing Method of First Embodiment)
In the present manufacturing method, an electrostatic actuator is manufactured through the following steps using a low-resistance silicon substrate that can also serve as a fixed electrode as the base substrate 10.
<Formation of sacrificial layer 11>
In this manufacturing method, first, a sacrifice layer 11 is formed on the upper surface of the substrate 10 by using a material that can be selectively removed to make the plate-like beam portion A1 have a hollow structure.
More specifically, as shown in FIG. 2A, a first sacrificial layer 11a made of a thermal oxide film is formed to a thickness of, for example, 1.5 μm, and has a different etching rate from the first sacrificial layer 11a. The second sacrificial layer 11b made of a different TEOS silicon oxide film is formed to a thickness of, for example, 1.0 μm.
As a result, a sacrifice layer 11 having a multilayer structure composed of the first sacrifice layer 11a and the second sacrifice layer 11b having different etching rates is formed (FIG. 2B).
Here, the TEOS silicon oxide film is a silicon oxide film formed by a plasma CVD method or the like using a reaction between tetraethyloxysilane and ozone, and has an order of magnitude higher etching rate with respect to an HF aqueous solution than a thermal oxide film ( About 10 times).
[0015]
<Plate beam part A1 film formation process>
Next, an insulating film 13 for an actuator base is formed on the sacrificial layer 11 by forming a low-stress silicon nitride film to a thickness of, for example, 0.7 μm using LP (low pressure) -CVD. An electrode film 14 is formed on the insulating film 13 by forming a Cr film to a thickness of 5 nm by an evaporation method and then forming an Au film to a thickness of 100 nm (FIG. 2C).
[0016]
<Etching hole forming step>
Next, as shown in FIG. 2D, an etching hole 12 (for example, a diameter of 4 μm) penetrating the electrode film 14 and the insulating film 13 is formed at a pitch of, for example, 20 μm using a metal mask or the like.
[0017]
<Pattern beam A1 patterning process>
In the patterning step, first, the insulating film 13 is patterned into the shape of the plate-like beam portion A1 (FIG. 3A), and thereafter, the electrode film 14 is patterned into a predetermined shape (FIG. 3B). .
[0018]
<Removal of sacrificial layer 11 and formation of protrusion P1>
Next, the sacrificial layer 11 is removed by etching with a 50% HF aqueous solution (FIG. 3C).
At this time, in the sacrificial layer 11 immediately below the patterned plate-shaped beam portion A1, isotropic etching proceeds from each of the etching holes 12 via the etching holes 12.
As a result, in the sacrificial layer 11 immediately below the plate-shaped beam portion A1, as shown in FIG. 4, the substantially spherical iso-etched surface EL1 moves in the direction in which the diameter increases with the etching hole 12 as the center with time. . Such isotropic etching proceeds until four pyramid-shaped projections P1 are formed at the center of the four etching holes 12 by the four equally etched surfaces. The projection P1 thus formed has four peaks corresponding to the four equally etched surfaces, and has a sharp peak (tip).
That is, in the projections P1 produced by the present method, the four side surfaces formed respectively corresponding to the four equally etched surfaces have a steeper gradient with respect to the upper surface of the substrate 10 as being closer to the front end, and the area of the front end portion is extremely large. Can be smaller.
[0019]
In the present embodiment, four etching holes are formed equidistantly from one conical projection P1, but the present invention is not limited to this. The number of etching holes provided may be three or more. At this time, the projection formed by the three etching holes has a substantially triangular pyramid shape, and the projection formed by n (3 or more integer) etching holes generally has an n-pyramid shape, but n is large. Then, it actually becomes closer to a conical shape.
Further, in the first embodiment, since the sacrificial layer 11 is formed of two layers having different etching rates (a layer having a high etching rate is formed thereon), it is easy to control the height of the protrusion.
[0020]
As described above, the on-substrate structure that can effectively prevent the adsorption between the plate-shaped beam portion A1 and the substrate 10 can be manufactured.
The material and film thickness exemplified in the above description of the manufacturing method, that is, the first sacrificial layer 11a made of a thermal oxide film is formed to a thickness of 1.5 μm, and the second sacrificial layer 11b made of a TEOS silicon oxide film is formed. An insulating film 13 made of a low stress silicon nitride film was formed to a thickness of 1.0 μm, an insulating film 13 made of a low stress silicon nitride film was formed to a thickness of 0.7 μm, and an electrode film 14 made of a Cr film (5 nm) / Au film (100 nm) was formed. When the etching holes 12 having a diameter of 4 μm were formed at a pitch of, for example, 20 μm, and the etching was performed, the protrusions P1 having a sharp peak with a height h of 0.9 μm or less could be formed.
Here, the height of the projection P1 can be set to an arbitrary height, for example, 0.5 μm, by stopping the etching when the projection P1 having a desired height is formed.
[0021]
The present inventors manufactured an electrostatic actuator provided with protrusions having different pitches by the method described above, and confirmed the adsorption preventing effect.
The manufactured actuator has the structure shown in FIG. 1, and the shape of the plate-like beam A1 is 300 μm in width × 1200 μm in length and 0.7 μm in thickness, and the gap between the substrate 10 and the plate-like beam A1 is 3 μm. It was set to 0.5 μm. In addition, the area of the electrode 14 of the plate-shaped beam part A1 was 280 μm × 900 μm.
Then, four types of electrostatic actuators in which protrusions having a height of about 0.5 μm are formed at a pitch of 10 μm, 40 μm, 60 μm, and 80 μm μm on the surface of the substrate 10 (the surface of the fixed electrode) are manufactured. The operation status when the ON / OFF of the voltage applied between both electrodes was repeatedly driven was confirmed. FIG. 5 shows the state of adsorption when a DC voltage is applied to repeatedly drive, by the ratio of non-adsorption to 20 samples. The environment for the adsorption confirmation test was an atmosphere of 25 ° C. and 65% RH. As is clear from FIG. 5, it can be seen that the denser the protrusions, the more difficult it is to adsorb.
[0022]
In the above-described method for manufacturing an on-substrate structure according to the first embodiment, since the projection P1 is formed by forming the etching hole 12 in the plate-shaped beam portion, the shape and the arrangement of the etching hole 12 can be adjusted. Thus, the shape and arrangement of the protrusions P1 can be set, and the protrusions P1 having a desired shape and arranged at a desired position can be easily formed.
This makes it possible to realize an adsorption prevention structure that can more effectively prevent adsorption in the on-substrate structure.
[0023]
In addition, the protrusion P1 manufactured by the method of the present embodiment has a steep gradient with respect to the upper surface of the substrate 10 as it is closer to the tip, and the area of the tip can be extremely small. It is possible to reduce the size, and it is possible to more effectively prevent the plate-like beam portion from adsorbing to the substrate.
Further, in the first embodiment, since the etching hole is formed in the plate-like beam portion and the projection P1 is formed using the sacrificial layer, the projection can be easily formed.
[0024]
Embodiment 2 FIG.
The on-substrate structure according to the second embodiment has protrusions P21 formed by a method different from that of the first embodiment, and is manufactured as follows.
<Deposition of insulating film 21>
In the manufacturing method according to the second embodiment, a low-resistance silicon substrate is used as the substrate 20 and a projection is first formed on the base substrate 20 as in the first embodiment, in order to form a fixed electrode using the base substrate 20. An insulating film 21 made of SiOx is formed (FIG. 6A).
[0025]
<Metal mask formation and etching hole formation>
Next, a metal mask film made of, for example, Cr is formed on the insulating film 21, and an etching hole Eh for forming the projection P20 is formed, thereby manufacturing an etching mask M1 having an etching hole (FIG. 7 (a)).
Here, in the second embodiment, as shown in FIG. 7 (a), the center of the position where the projection P20 is to be formed is equidistant from the center, and two adjacent intervals are equal to each other. Thus, three etching holes Eh are formed. That is, in the second embodiment, three etching holes are arranged for one projection P20 so that an equilateral triangle is formed by their centers, and the projection P20 is formed at the center of gravity.
The present invention is not particularly limited by the material constituting the metal mask, and any material having resistance to an etchant used for etching the insulating film 21 can be used. Is formed of SiO2 and a material such as Cr, Mo, W, Ni, Au or the like can be used when an HF aqueous solution is used as an etching solution.
[0026]
<Etching process: projection formation>
Next, the insulating film 21 is isotropically etched through the etching hole Eh using the metal mask M1 having the etching hole Eh.
At the time of this etching, the spherical equal etching surface EL1 advances in the direction in which the diameter increases with the etching hole Eh as the center, and the conical projection P20 is formed by the three equal etching surfaces EL2 immediately below the center of gravity of the three etching holes Eh. It is formed.
In this manner, a projection P21 having three side surfaces P2a respectively corresponding to the three equal etching surfaces EL2 and having sharp peaks (tips) is formed.
That is, in the projections P21 produced by the present method, the three side surfaces formed respectively corresponding to the three equally etched surfaces have a steeper gradient with respect to the upper surface of the substrate 20 as being closer to the front end, and the area of the front end portion is extremely large. Can be smaller.
In FIG. 7 (b), what is denoted by reference numeral P2b is a ridge line where two side surfaces P2a intersect.
The insulating film 21 located in a region other than the region where the protrusion P21 is formed is covered with a metal mask M1 having no etching hole, and remains without being removed in this etching step, but is finally removed as a sacrificial layer. You.
[0027]
<Protrusion protection film formation>
In order to protect the projections P21a (made of SiOx) on the surface of the projections P21a formed as described above when removing a sacrificial layer made of SiOx described later, protection that is resistant to the etching solution of the sacrificial layer. A film P21b (in the case where the sacrificial layer and the protrusion P21a are formed of SiOx, for example, a SiNx film by LP-CVD) is formed.
[0028]
<Planarization process>
Next, the surface irregularities formed by the plurality of projections P21 are flattened by forming the SOG film 22 (FIG. 8A). Here, the SOG film is a film formed by spin-coating a material obtained by dissolving silanol (Si (OH) 4) in alcohol and baking at a temperature of about 400 ° C.
The SOG film 22 is finally removed as a sacrificial layer.
[0029]
<Plate beam forming process>
Next, an SiNx film 23 for forming the plate-like beam portion is formed and patterned into the shape of the plate-like beam portion (FIG. 8B), and an electrode film is formed on the patterned SiNx film 23. 24 are formed and patterned into a predetermined shape (FIG. 8C).
Then, the insulating layer 21 and the SOG film 22 remaining as the sacrificial layer are removed by etching with a hydrofluoric acid solution or the like (FIG. 8D).
[0030]
In the above-described second embodiment, an on-substrate structure that can effectively prevent adsorption of the plate-like beam portion A2 and the substrate 20 can be manufactured.
[0031]
Further, according to the manufacturing method of the second embodiment, since the projections are formed by forming the masks for forming the projections separately from the plate-shaped beam portions, the predetermined projections (shape and arrangement) can be formed. A desired projection can be formed using a mask suitable for formation (a material and a film thickness can be set as a preferable mask), and a more appropriate suction prevention structure can be realized.
[0032]
In the above description of Embodiments 1 and 2, preferred materials that can be used in the present invention and specific shapes (thicknesses and the like) have been described, but the present invention is not limited to these specific materials. The shape and shape are not limited.
For example, when an SiOx film is used as a sacrificial layer film that can be selectively removed and an etching solution for selective removal is HF, a selective insulating film for forming the plate-like beam portion A1 is replaced with SiNx. Alternatively, polysilicon may be used.
In addition, aluminum, gold, platinum, or the like can be used as an electrode material.
[0033]
Further, instead of SiOx, an organic material such as polyimide or resist can be used as the sacrificial layer film 11 which can be selectively removed. When an organic substance such as polyimide or resist is used as the sacrificial layer film 11, dry etching of oxygen plasma can be used for selective removal, and a selective insulating film for forming the plate-like beam portion A1 is formed of SiOx or polysilicon. Alternatively, SiNx can be used, and aluminum, gold, platinum, or the like can be used as an electrode material.
[0034]
Although a Cr underlayer is provided to enhance the adhesion between Au and SiNx, a film of NiCr, Ti, Ti / Pt or the like may be used.
[0035]
In the first and second embodiments, an electrostatic actuator in which two electrode films are horizontally opposed to each other has been described as an example. However, the direction of the electrodes is not limited to this, and the electrode surface is in a vertical direction. May be. In this case, the protrusion may be provided on the electrode surface side that is perpendicular to and opposed to the vertical electrode surface. Furthermore, although the electrostatic actuator has been described here, the present invention is not limited to this, and is not limited to electrostatic force. It may be provided on the surface side. Further, although the silicon substrate is formed so as to also serve as the fixed electrode, a metal wiring may be separately formed, an insulating film may be formed thereon, and then a protrusion may be provided thereon.
[0036]
Embodiment 3 FIG.
The on-substrate structure according to the third embodiment of the present invention is different from the first and second embodiments in that a plurality of protrusions having random heights are formed on the main surface of the plate-shaped beam portion facing the substrate. Is different and is easily produced as follows.
[0037]
In this manufacturing method, first, a thermal oxide film 31 made of SiOx is formed on a silicon substrate 30 (FIG. 9A).
Next, an etching mask M3 made of Cr for forming a minute dent in the thermal oxide film 31 is formed, excluding a region for forming a minute dent (projection) (a region for forming a plate-like beam portion). A resist film R3 is formed. Then, using the etching mask M3 made of chromium, the thermal oxide film 31 is etched for about several seconds with buffered hydrofluoric acid (BHF) (16%), which is a mixed solution of hydrofluoric acid and ammonium fluoride.
In the third embodiment, chromium is selected as a material for forming the etching mask, and a film is formed for about 10 seconds at 100 W DC while rotating the substrate using a parallel-plate magnetron sputtering apparatus. Then, an etching mask M3 made of chromium is formed so as to have a short thickness.
[0038]
As described above, in the etching mask M3 formed as an extremely thin mask, a large number of extremely small pinholes are uniformly present throughout the mask. The present invention utilizes the pinholes. By etching the thermal oxide film 31 through the etching mask M3 having the large number of pinholes, minute recesses are formed corresponding to the respective pinholes. (FIG. 9 (b)). The details of the formation of the minute recess using the pinhole of the mask will be described later.
[0039]
Then, after a minute concave portion is formed in the thermal oxide film 31 by etching, the resist R3 and the etching mask M3 are removed, and an SiNx film 33 for forming the plate-like beam portion is formed to form a desired plate-like beam portion. It is patterned into a shape (FIG. 9C). The SiNx film 33 is formed as a low stress film using an LP (low pressure) -CVD apparatus.
[0040]
Next, Cr / Au, which is an electrode film, is formed and patterned into a predetermined shape (FIG. 10A).
Then, a hollow structure is formed by removing the thermal oxide film 31, which is also a sacrificial layer, with HF or the like except for a portion immediately below the fixed end 33a.
In this way, it is possible to manufacture a structure that has a large number of protrusions on the main surface of the plate-shaped beam portion facing the substrate and is hard to be attracted.
At this time, it is preferable to control the film stress of each constituent thin film so that the plate-shaped beam portion as the upper movable member does not warp. However, the above-described method can be applied to a warped member.
[0041]
Hereinafter, the formation of the minute recess using the pinhole of the etching mask will be described in detail.
In the manufacturing method according to the third embodiment, when forming an etching mask, the film forming conditions and the thickness of the etching mask are set so as to form a pinhole through which an etching solution can penetrate, and the pinhole is used. To form minute concave portions in a layer below the mask.
Accordingly, the shape (depth (depth as an absolute dimension), depth relative to the opening diameter, etc.) of the minute concave portion is mainly determined by the thickness of the etching mask and the etching time, and the film thickness of the etching mask and the etching There is an optimal solution between time.
In addition, as for the protrusion for preventing adsorption, it is preferable that a relatively large number of protrusions are almost uniformly distributed in a region where the protrusion is formed, so that as many pinholes as possible are uniformly distributed as an etching mask. It is preferable to form a thin film.
[0042]
According to the study by the present inventors, if the thickness of the etching mask is 1 nm or less, the setting of etching conditions (especially etching time) for forming a desired minute concave portion is relatively easy, and the desired protrusion ( It has been confirmed that a minute concave portion corresponding to the shape of the protrusion and the distribution of the protrusion can be easily formed.
When the thickness of the etching mask is 1 nm or more, as the thickness increases, it becomes more difficult to set etching conditions for forming a desired minute concave portion.
Further, when the etching mask becomes thicker, the pinhole does not uniformly exist in the entire required region, and from that point, it is preferable to set the thickness of the etching mask to 1 nm or less.
[0043]
As an example, a chromium film having a thickness of 0.7 nm is used as an etching mask, and a SiO2 film as a base film is formed by four types of etching times (2.25 minutes, 3.0 minutes, 3.75 minutes, 5.25). FIGS. 11 to 14 show the results of measurement of the respective surface shapes obtained by etching using the atomic force microscope (AFM).
In this example, a chromium film as an etching mask was produced using a sputtering apparatus under the following conditions.
(1) Ultimate vacuum: 1 × 10 -6 Torr or less,
(2) Argon gas pressure: 2-3 Torr,
(Set as small as possible as long as stable discharge is possible)
(3) Substrate temperature: 20 ° C.
(Set so that the movement of sputter particles attached to the substrate is minimized)
(4) DC magnetron sputtering power: 100 W to 300 W
(Set so that film thickness can be controlled accurately)
(5) Distance between sample and target: 15 cm,
(Setting to reduce the influence of plasma)
(6) Film formation time: 4 sec / 100 W,
(Set to be 0.7nm thick)
[0044]
In the above example, an etching time of 4.5 minutes was further added, and the etching depth with respect to the etching time is shown in FIG. 15, and the surface roughness with respect to the etching time is shown in FIG.
From FIGS. 15 and 16, it can be seen that as the etching time becomes longer, the etched surface generally recedes, and the surface roughness of the etched surface decreases accordingly. On the other hand, in the structure shown in FIG. 1, the size of the plate-shaped beam portion is 0.3 mm width × 0.9 mm length, the thickness of the plate-shaped beam portion (SiNx) is 0.7 μm, Is set to 2.5 μm, it has been experimentally confirmed that if the surface roughness Ra becomes about 10 nm (the initial surface roughness Ra of the SiOx film before etching: Ra: 3 nm), no adsorption occurs. .
Therefore, when the thickness of a chromium film formed by sputtering as an etching mask is 0.7 nm (film formation time: 4 sec), the etching time for forming a surface effective for forming a projection effective for adsorption is 3.0. It turns out that it is between 3.75 minutes.
[0045]
However, whether or not it is adsorbed is greatly affected by the size of the hollow structure (the distance between the plate-like beam and the substrate), the external force that can be applied during manufacturing and use, and the temperature and humidity environment. On the other hand, the optimum protrusion shape and the corresponding optimum surface roughness are different. Therefore, when applying the present invention, it is necessary to separately optimize according to the device structure to be applied.
[0046]
In the above-described third embodiment, since extremely small concave portions can be formed on the surface of the sacrificial layer, projections of sub-μm or less can be formed at an extremely narrow pitch (for example, pitch of sub-μm or less). An adsorption preventing structure capable of effectively preventing adsorption can be formed on the lower surface of the plate-shaped beam portion (the surface facing the substrate).
[0047]
Further, since the anti-suction structures described in the first to third embodiments are configured by extremely small projections formed by the respective unique manufacturing methods, the electrostatic actuators having the anti-suction structures are: The electrostatic field distribution for operating the actuator is hardly disturbed by the protrusion.
Therefore, the electrostatic actuators according to the first to third embodiments can prevent the substrate and the plate-shaped beam from being attracted to each other without deteriorating the stable operation of the actuator. it can.
[0048]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, an on-substrate structure capable of effectively preventing adsorption of a plate-shaped beam portion and a substrate, and a projection forming method capable of easily forming the adsorption prevention structure are provided. it can.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view of an on-substrate structure according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the first half of a step in the method of manufacturing the on-substrate structure according to the first embodiment;
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the latter half of the method of manufacturing the on-substrate structure according to the first embodiment;
FIGS. 4A and 4B are a plan view and a cross-sectional view illustrating a state in which protrusions are formed in the method of manufacturing the on-substrate structure according to the first embodiment; FIGS.
FIG. 5 is a graph showing a non-adsorption ratio with respect to a protrusion interval in the on-substrate structure according to the first embodiment;
FIG. 6 is a cross-sectional view showing the first half of a method of manufacturing the on-substrate structure according to the second embodiment;
FIGS. 7A and 7B are a plan view and a cross-sectional view illustrating a state in which projections are formed in the method of manufacturing the on-substrate structure according to the second embodiment; FIGS.
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a latter half of a step in the method for manufacturing a structure on a substrate according to the second embodiment.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a first-half step in the method of manufacturing the on-substrate structure according to the third embodiment.
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a latter half of a step in the method for manufacturing an on-substrate structure according to the third embodiment.
FIG. 11 is a photograph of the surface when the SiO2 film as the base film is etched for 2.25 minutes using an etching metal mask having a pinhole (a chrome film of 0.7 nm) in the manufacturing method of the third embodiment. a) and the cross-sectional shape (b).
FIG. 12 is a photograph of the surface when the SiO2 film as the base film is etched for 3.0 minutes using an etching metal mask having a pinhole (a chrome film of 0.7 nm) in the manufacturing method of the third embodiment. a) and the cross-sectional shape (b).
FIG. 13 is a cross-sectional view showing a case where an underlayer SiO 2 film is etched for 3.75 minutes using an etching metal mask having a pinhole (a 0.7-nm chromium film) in the manufacturing method of the third embodiment. .
FIG. 14 is a cross-sectional view showing a case where an SiO2 film as a base film is etched for 5.25 minutes using an etching metal mask having a pinhole (a 0.7-nm chromium film) in the manufacturing method of the third embodiment; .
FIG. 15 is a graph showing a depth with respect to an etching time in the manufacturing method according to the third embodiment.
FIG. 16 is a graph showing surface roughness versus etching time in the manufacturing method of the third embodiment.
[Explanation of symbols]
Reference numerals 10, 20, 30 Substrate, 11 sacrificial layer, 11a first sacrificial layer, 11b second sacrificial layer, 12, Eh etching hole, 13 actuator base, 13a, 33a fixing portion, 13b moving end, 14, 24 electrode film, 22 SOG film, 23SiNx film, 31 thermal oxide film, A1, A2 plate beam, P1, P21, P21a projection, EL1, EL2 etching surface, M1, M3 etching mask, P2a projection side surface, P21b protective film, R3 resist film.

Claims (13)

基板上に、該基板に固定される固定部と上記基板との間隔を変化させることが可能な移動端とを有する板状梁部を備え、該板状梁部は上記基板上に犠牲層を介して形成された後に上記犠牲層を除去することにより上記固定部を除いて上記基板から分離されてなる基板上構造体であって、
上記基板の上面における上記板状梁部と対向する部分に、錐形状の複数の突起からなる吸着防止構造を備えた基板上構造体。
On the substrate, a plate-shaped beam portion having a fixed portion fixed to the substrate and a movable end capable of changing the distance between the substrate, the plate-shaped beam portion has a sacrifice layer on the substrate. An on-substrate structure that is separated from the substrate except for the fixing portion by removing the sacrificial layer after being formed through,
An on-substrate structure including a suction prevention structure including a plurality of conical projections at a portion of the upper surface of the substrate facing the plate-like beam portion.
上記複数の突起はそれぞれ、先端に近い部分ほど上記基板上面に対する勾配が急になるように形成された請求項1記載の基板上構造体。The on-substrate structure according to claim 1, wherein each of the plurality of protrusions is formed such that a portion closer to the tip has a steeper gradient with respect to the upper surface of the substrate. 上記突起はそれぞれ、その先端に近い部分ほど上記基板上面に対する勾配が急になるように形成された複数の側面によって構成された請求項1又は2に記載の基板上構造体。The on-substrate structure according to claim 1, wherein each of the protrusions is constituted by a plurality of side surfaces formed such that a slope closer to the top surface of the protrusion is steeper as the portion is closer to the tip. 上記梁部には上記突起に対応してそれぞれ該突起の先端部分から等距離の位置に複数の貫通孔が形成された請求項1〜3のうちのいずれか1つに記載の基板上構造体。The on-substrate structure according to any one of claims 1 to 3, wherein a plurality of through holes are formed in the beam portion at positions equidistant from a tip of the projection, respectively, corresponding to the projection. . 上記突起は異なる2つの層を含んでなる請求項1〜3のうちのいずれか1つに記載の基板上構造体。The on-substrate structure according to any one of claims 1 to 3, wherein the protrusion includes two different layers. 基板上に、該基板に固定される固定部と上記基板との間隔を変化させることが可能な移動端とを有する板状梁部を備え、該板状梁部は上記基板上に犠牲層を介して形成された後に上記犠牲層を除去することにより上記固定部を除いて上記基板から分離されてなる基板上構造体であって、
上記板状梁部の上記基板に対向する一方の主面に、ランダムの高さを有する複数の突起からなる吸着防止構造を備えた基板上構造体。
On the substrate, a plate-shaped beam portion having a fixed portion fixed to the substrate and a movable end capable of changing the distance between the substrate, the plate-shaped beam portion has a sacrifice layer on the substrate. An on-substrate structure that is separated from the substrate except for the fixing portion by removing the sacrificial layer after being formed through,
An on-substrate structure comprising a plate-shaped beam portion, on one main surface facing the substrate, having an adsorption prevention structure including a plurality of protrusions having random heights.
上記基板は導電性を有し、かつ上記板状梁部は上記基板に対向する電極膜を有しており、上記基板と電極膜との間に印加される電圧によって上記移動端の位置が変動する請求項1〜6のうちのいずれか1つに記載の基板上構造体。The substrate has conductivity, and the plate-shaped beam portion has an electrode film facing the substrate, and the position of the moving end is changed by a voltage applied between the substrate and the electrode film. The structure on a substrate according to any one of claims 1 to 6. 上記基板には第1の電極膜が形成され、かつ上記板状梁部は上記基板に対向する第2の電極膜を有しており、上記第1と第2の電極膜との間に印加される電圧によって上記移動端の位置が変動する請求項1〜6のうちのいずれか1つに記載の基板上構造体。A first electrode film is formed on the substrate, and the plate-like beam portion has a second electrode film facing the substrate, and a voltage is applied between the first and second electrode films. The on-substrate structure according to any one of claims 1 to 6, wherein the position of the moving end varies depending on the applied voltage. 基板上に突起を形成する方法であって、
基板上に第1の材料からなる第1の層を形成する第1層形成工程と、
上記第1の層の上に上記第1の層とは異なる第2の材料により第2の層を形成する第2層形成工程と、
上記第2の層において、上記突起を形成すべき点を中心としてその中心から等距離になるように少なくとも3つの貫通孔を形成する貫通孔形成工程と、
上記第2の層をマスクとして上記各貫通孔から上記第1の層を等方的にエッチングをするエッチング工程とを含み、
上記各貫通孔からのエッチングによる等エッチング面によって上記突起を形成することを特徴とする突起形成方法。
A method of forming protrusions on a substrate, comprising:
A first layer forming step of forming a first layer made of a first material on a substrate;
A second layer forming step of forming a second layer on the first layer with a second material different from the first layer;
A through-hole forming step of forming at least three through-holes in the second layer so as to be equidistant from the center of the point where the projection is to be formed;
An etching step of isotropically etching the first layer from each of the through holes using the second layer as a mask,
A method for forming projections, wherein the projections are formed on an etched surface by etching from the through holes.
上記第1層形成工程は、上記エッチング工程におけるエッチングレートの異なる2つの層を積層して形成することを含む請求項9記載の突起形成方法。10. The projection forming method according to claim 9, wherein the first layer forming step includes laminating and forming two layers having different etching rates in the etching step. 基板上に、一部で該基板上に固定された板状梁部の上記基板に対向する面に複数の突起を形成する方法であって、
基板上に犠牲層を形成する犠牲層形成工程と、
上記犠牲層の上に、エッチング液の浸透が可能な多数のピンホールが形成されるようにエッチングマスクを形成するマスク形成工程と、
上記エッチングマスクをマスクとして、上記ピンホールから上記犠牲層をエッチングすることにより、上記犠牲層にそれぞれ上記各ピンホールに対応した複数の穴を形成する穴形成工程と、
上記複数の穴を有する犠牲層の上に上記複数の穴を埋めるように上記板状梁部を形成するための膜を形成し、上記板状梁部の形状にパターンニングする梁部形成工程と、
上記犠牲層をエッチングにより上記固定部を除いて除去する犠牲層除去工程とを含む突起形成方法。
A method of forming a plurality of protrusions on a surface of a plate-like beam portion fixed on the substrate facing the substrate in part on the substrate,
A sacrificial layer forming step of forming a sacrificial layer on the substrate,
A mask forming step of forming an etching mask on the sacrificial layer so that a large number of pinholes capable of penetrating an etching solution are formed;
A hole forming step of forming a plurality of holes corresponding to the respective pin holes in the sacrificial layer by etching the sacrificial layer from the pin holes using the etching mask as a mask;
Forming a film for forming the plate-like beam portion so as to fill the plurality of holes on the sacrificial layer having the plurality of holes, and a beam portion forming step of patterning into a shape of the plate-like beam portion; ,
A sacrificial layer removing step of removing the sacrificial layer except for the fixing portion by etching.
上記エッチングマスクはCrからなる請求項11記載の突起形成方法。The method according to claim 11, wherein the etching mask is made of Cr. 上記Crからなるエッチングマスクが、1nm以下の厚さに形成された請求項12記載の突起形成方法。13. The projection forming method according to claim 12, wherein the etching mask made of Cr is formed to a thickness of 1 nm or less.
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