JPH05302182A

JPH05302182A - 櫛歯式アクチュエータの製造方法

Info

Publication number: JPH05302182A
Application number: JP30273492A
Authority: JP
Inventors: Tomoaki Gotou; 友彰後藤
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1992-02-25
Filing date: 1992-11-13
Publication date: 1993-11-16
Anticipated expiration: 2016-06-18
Also published as: JP3178123B2

Abstract

(57)【要約】【目的】櫛歯式の可動電極と固定電極を組み合わされた
状態で基体から作り出して、電極間隙をμｍオーダにす
ることができるようにする。【構成】ＳＦ₆ガスとＯ₂ガスの混合ガスを用いてのド
ライエッチングによりAlマスクあるいはシリコン酸化膜
マスクを設けたシリコン基体を加工する。これにより垂
直な側壁をもつ凹部ないし貫通孔が形成でき、任意の形
状、寸法の可動部と固定部とからなる櫛歯式アクチュエ
ータが得られる。さらに、エッチングストップ層として
のシリコン酸化膜をシリコン基体に埋設することにより
一層高精度の加工が可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、１個のシリコン基体を
加工して櫛歯式の固定電極と可動電極とが組合わせられ
た状態で作製する櫛歯式アクチュエータの製造方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】例えば光を走査するためのミラーの駆動
に用いる櫛歯式アクチュエータは、図２に示すような可
動部21のミラー22と一体に形成している櫛歯式可動電極
23が、固定部24の櫛歯式固定電極25の間隙に、拡大図Ａ
に示すように組合わされており、可動部21を支持部26に
より支持する固定部24がガラス基板27の上に取り付けら
れている。そして、表面に絶縁膜を被着した両電極23、
25の間に電圧を印加することにより生ずる静電気的な力
で可動部21が動き、ミラー22が回転する。このようなア
クチュエータでは、可動電極23と固定電極25とができれ
ば５μｍ程度の間隙をもって近接していることが要求さ
れる。従って、別個に加工された可動部21と固定部24を
可動電極23と固定電極25が変形しないで噛み合うように
組合わせることは難しいので、できれば一つの基体から
両者がμｍオーダの間隙を介して組合わされた状態で加
工することが望ましい。そのためには、微細加工が可能
なシリコン基体から作り出すことが考えられる。

【０００３】シリコン基体に、両者から加工を施し、所
定の大きさの櫛歯式アクチュエータを組合わされた状態
で製造する従来の方法は、図３(a) に示すように、単結
晶シリコン基板１の両面にシリコン酸化膜２およびシリ
コン窒化膜３を被加工部が露出するように被着し、図３
(b) に示すように、まず浅掘り側からアルカリ系溶液で
シリコン基板１をエッチングして凹部を形成し、つぎに
図３(c) に示すように、深掘り側から弗酸系溶液でエッ
チングして凹部および貫通孔を形成し、ミラー部22およ
び可動電極23と固定電極25とを作り出そうというもので
ある。あるいは、図４(a) 、(b) 、(c) に示すように、
まず深掘り側から上記と同様に加工を行い、つぎに浅掘
り側を加工して櫛歯式アクチュエータを製造しようとす
るものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記のような湿式エッ
チングでシリコン基体を加工する方法では、エッチング
液に弗酸系溶液を用いるため、エッチングが等方的に進
行し、図示のような丸みのついた形状にしか加工できな
い。このことは固定電極25と可動電極23とをできるだけ
近接して組合わせたい櫛歯式アクチュエータの製造方法
としては不適である。そこで、垂直な側壁を形成するた
めに、単結晶シリコン基板の面方位ごとにエッチング速
度が異なることを利用したアルカリ系溶液により加工を
行えば、面方位に応じて正確な加工が可能であるが、形
状が面方位に依存するため、任意の大きさで、任意の形
状の櫛歯式アクチュエータを形成することは困難であ
る。また、シリコン基板の面方位が限定されるため、設
計上で限定条件が多くなるという欠点がある。

【０００５】さらに、湿式エッチングにおいてはマスク
の厚さに限度があるため深いエッチングができず、ま
た、加工する側と反対側の面を保護する必要があるが、
深い加工のためのエッチング操作に耐える保護を行うこ
とも困難である。従って、湿式エッチングは深い加工を
要する櫛歯式アクチュエータの製造には利用できないと
いう欠点がある。

【０００６】本発明の目的は、上述の欠点を除去し、シ
リコン基板を加工して所定の寸法形状を有する固定部と
可動部を同時に精度よく形成することのできる櫛歯式ア
クチュエータの製造方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は、一つのシリコン基体の両面からの加工
により狭い間隔を介して組合わせられる櫛歯式の可動電
極と櫛歯式の固定電極をそれぞれ有する可動部と固定部
を作り出す櫛歯式アクチュエータの製造方法において、
加工を六弗化硫黄と酸素の混合ガスを用いたドライエッ
チングにより行うものとする。そしてドライエッチング
の際のマスクが両面共アルミニウム薄膜よりなっても、
あるいはシリコン酸化膜よりなってもよい。また可動電
極と固定電極の間の間隙の加工の際のマスクのみシリコ
ン酸化膜よりなることも有効である。さらに、シリコン
酸化膜よりなるエッチングストップ層を介して重ねられ
た二つの部分を有するシリコン基体を用い、両面からそ
のエッチングストップ層まで達する凹部を形成したの
ち、凹部間に残存するエッチングストップ層のシリコン
酸化膜を除去することも有効である。そのエッチングス
トップ層を介して重ねられた二つの部分は、双方が単結
晶シリコンよりなってもよく、一方が単結晶シリコン、
他方が多結晶シリコンよりなってもよい。

【０００８】そのほか、シリコン基体の一面からのドラ
イエッチングによる加工によって形成される凹部の開口
面積に差のある場合に、開口面積の大きい凹部の形成さ
れる部分をシリコン基体のそれに覆われた部分がサイド
エッチングにより残存しない程度の細い幅のマスクによ
り複数のエッチング面積に分割すること、あるいは開口
面積の大きい凹部の形成と開口面積の小さい凹部の形成
を別のドライエッチング工程で行い、それぞれの工程に
おいて加工の対象とならない部分をマスクによって覆う
ことが有効である。

【０００９】

【作用】ＳＦ₆とＯ₂の嵌合ガスを用いたドライエッチ
ングの反応機構は、本出願人の特許出願に係る特開平２
−275626号公報に記載されているように、次のように考
えられる。まず、ＳＦ₆とＯ₂のそれぞれの反応ガス
は、プラズマ中で解離し、ＦラジカルとＯラジカルが生
成される。つぎに、プラズマ中のＯラジカルが被加工部
ウェットエッチングのSi原子と反応し、中間生成物とし
てSiＯが生成される。この中間生成物のSiＯとＦラジカ
ルとが反応し、SiＦ₄が生成される。このSiＦ₄は沸点
が非常に低いため、自然にガスとなって反応室外に排気
される。この反応機構によりシリコンが加工される。そ
の際、反応生成物が残らないため、微細な加工が可能に
なる。そして、形成された凹部の側壁はプラズマ中に残
存するＯラジカル等によって一時的に酸化され、このと
きの一時的な酸化物により凹部側壁は保護されながらエ
ッチングが進行する。この状態はシリコン基板に所定の
形状の凹部ないし貫通孔が形成されるまで保持されるの
で、凹部あるいは貫通孔の側壁はシリコン基体の主面に
垂直になる。

【００１０】また、このようなＳＦ₆＋Ｏ₂の混合ガス
を用いたドライエッチングにおいてはシリコンとシリコ
ン酸化膜との選択比が100 以上もある。従って、エッチ
ングで形成される凹部のシリコン基体中に埋設されてい
るエッチングストップ層のシリコン酸化膜に到達したこ
とを、例えばプラズマの発光スペクトル強度をモニター
することで検知し、その点を基準にして、さらにオーバ
ーエッチさせることで所定の大きさの垂直な側壁をもつ
凹部を形成することができる。

【００１１】

【実施例】以下、図を引用して本発明のいくつかの実施
例について説明する。図１(a) 〜(c) に示した実施例で
は、まず厚さ約300 μｍのシリコン基板１の両面に、厚
さ約１μｍのアルミニウムからなる薄膜を形成し、さら
に、シリコン基板１の被加工部が露出するように燐硝酸
等のエッチング液を用いてSi基板上にAl薄膜４のマスク
パターンを形成する( 図１(a))。つぎに、図５に示すよ
うな陽極結合方式の平行平板型ドライエッチング装置を
用いて片面ずつエッチングを行う。この装置は、本出願
人の特許出願に係る特開平２−280324号公報に記載され
ているもので、反応室31内にステージを兼ねる下部電極
32と５〜100mm の範囲にある距離離れて上部電極33が対
向している。反応室の底板34の周辺部に分散して設けら
れた排気管35が底板と平行に下部電極32の中心に向かっ
て開口している。上部電極33にはマッチングチューナ36
を介して高周波電源37が接続されている。反応室31の頂
部38と上部電極33の接続体39との間隙40が反応ガス41の
導入口となる。このような陽極結合方式の平行平板型ド
ライエッチング装置の反応室31内の下部電極ステージ32
上に、図１(a) に示したようなAlマスクパターン４を形
成したSi基板１を置き、反応室31内にＳＦ₆とＯ₂を７
対３の割合で混合した反応ガス41を導入口40から流入さ
せ、反応室31内を約50Paの圧力に保持し、下部電極32と
対向した上部電極33との間に約１Ｗ／cm²の高周波電力
を印加して、露出した被加工部のシリコンとプラズマ42
内に残存するラジカルや反応ガスイオンとの間に物理化
学的反応等を起こさせることで基板１の被加工部からSi
を除去し、Si基板１に厚さ１μｍだけの底部11を残し
て、所定の大きさで側壁が垂直な形状をもつ凹部51、52
を形成する (図１(b))。なお、ＳＦ₆とＯ₂の混合ガス
中のＯ₂の混合比は０〜60％の範囲で、反応室内の圧力
は５〜150Pa の範囲で、また高周波電力は0.３〜2.０Ｗ
／cm²の範囲で選定できる。つぎに、シリコン基板１を
裏返して凹部51、52が下方に来るように電極ステージ32
上に置き、Si基板を同様に加工して所定の大きさで側壁
が垂直な貫通孔53を形成する (図１(c))。これにより厚
さ10μｍ、幅130 μｍの可動電極23と厚さ20μｍ、高さ
300 μｍの固定電極25が10μｍの間隙をおいて組合わさ
れた状態の可動部と固定部をもつ櫛歯式アクチュエータ
の複数個を同時に形成できる。可動部のミラー部22は凹
部51に対向して形成される。

【００１２】上の実施例では最初に深掘り加工を行って
凹部51、52を形成し、次に浅掘り加工を行って貫通孔53
を形成したが、逆に浅掘り加工を先に行ってもよい。ま
た、深さ10μｍ程度の浅掘り加工は、陰極結合方式のド
ライエッチング装置を用いた反応性イオンエッチング
(ＲＩＥ) 方法によっても加工できる。このように加工
順序の入れ換えあるいは加工方法の変更が可能なこと
は、以下の各実施例においても同様である。

【００１３】図６(a) 〜(c) に示した実施例では、二面
上のマスクパターンはシリコン酸化膜２で弗酸などのエ
ッチング液により形成し、他面上のマスクパターンはAl
膜４で形成する (図６(a))。こうして図１について述べ
た実施例と同様に凹部51、52貫通孔53を加工し、可動電
極23および固定電極25をもつ櫛歯式アクチュエータを形
成する (図６(b) 、(c))。シリコン酸化膜２をマスクに
用いると、Alマスクに較べてサイドエッチング量が半分
になるため、この実施例のように可動電極23と固定電極
25の間の狭く長い貫通孔53を形成する浅掘り加工のため
のマスクに用いることが有利である。また、ミラー部22
に半導体素子を集積する場合には、Alマスクを用いるこ
とができないので絶縁性のシリコン酸化膜を用いること
が有利である。ただし、シリコン酸化膜２は、ＳＦ₆と
Ｏ₂の混合ガスを用いたドライエッチングにおけるSiと
の選択比がAlに比して小さいため、深い凹部の加工や厚
い基板への貫通孔の加工における両面のマスクに用いる
ことはできないが、200 μｍ程度以下の厚さのシリコン
基板への加工の際には両面のマスクに用いることができ
る。

【００１４】図７(a) 〜(c) はシリコン酸化膜をエッチ
ングストップ層として用いた実施例を示す。この場合
は、シリコン基板１の上にシリコン酸化膜２を介して厚
さ１μｍのシリコン層６が積層されている。このような
基体は、２枚の単結晶シリコン板を酸化膜を介して密着
させ、加熱してはり合わせたのち、必要に応じて研削に
よって所定の厚さにすることにより容易に作ることがで
きる。この場合、両面にアルミニウムマスク４を設け
(図(a))、上記の実施例と同様に深掘り加工 (図７(b))
および浅掘り加工 (図７(c))で行うと、シリコンとシリ
コン酸化膜のドライエッチングにおける選択比が100 以
上あり、どの面からのエッチングもシリコン酸化膜２で
停止する。従って、このあとシリコン酸化膜２をオーバ
ーエッチングなどで除去すれば、所定の寸法、形状の固
定部と可動部の分離した櫛歯式アクチュエータが形成で
きる。この実施例においても、シリコン基板１の厚さが
200 μｍ以上あるときは、シリコン層６の加工のための
浅掘り側のマスクをシリコン酸化膜で形成することも有
効である。また厚さ200 μｍ以下の場合は両面のマスク
をシリコン酸化膜に置き換えてもよい。

【００１５】図８(a) 〜(c) に示した実施例では、シリ
コン酸化膜のエッチングストップ層を有する基体を、例
えば厚さ300 μｍのシリコン基板１の一面上にシリコン
酸化膜を形成し、その上に厚さ10μｍの多結晶シリコン
層７を積層することによって形成する。このあと、両面
にアルミニウム膜のマスク４を形成し (図８(a))、上記
の実施例と同様にドライエッチングによる加工を行う
と、図７(c) と同様に所定の寸法、形状の凹部51、52、
貫通孔53が形成できる (図８(b) 、(c))。

【００１６】さて、櫛歯式アクチュエータがより小型化
されると、ドライエッチングの際に被エッチング面積が
異なる部分でエッチレートが異なることがある。すなわ
ち、被エッチング面積が大きい部分のエッチレートが他
の部分のそれより大きくなることがある。その効果が大
きく効き、均一な深掘り加工が困難な場合がある。そこ
で、図９ (a)〜(d) に示す実施例では、ミラー部を残す
ために被エッチング面積の大きくなる被加工部８には、
予めエッチング面積が幅の狭い多数の部分に区分される
ようにマスク４を密に形成する (図９(a))。次に図１に
ついて述べた実施例と同様の条件で深掘り加工を行う
(図９(b))。このとき予めエッチング面積を細かく区分
した部分８は他の部分より速く加工されるが、マスクパ
ターンが密であるため、狭い隔壁９が残留せず、所定の
大きさで側壁が垂直な凹部51が形成される (図９(c))。
そして続く浅掘り加工で図７(c) と同様の形状が得られ
る (図９(d))。また、図のようにシリコン酸化膜２のエ
ッチングストップ層を設けた場合は、被エッチング面積
が異なるため部分的にエッチング速度に差が生じても、
このシリコン酸化膜で十分吸収され、所定の寸法の垂直
凹部が形成できるという利点がある。

【００１７】図10(a) 〜(e) の示す実施例では、深掘り
加工側に最初に設けるAlマスク４のパターンは、被エッ
チング面積の大きい部分８には設けない (図10(a))。そ
して各実施例と同様に深掘り加工を行うと、部分８にの
み大きな凹部51が形成される(図10(b))。次に他の部分
にもAlマスク４のパターンを形成すると共に凹部内部も
Al薄膜４で覆い (図10(c))、再び深掘り加工を行い、凹
部52を形成 (図10(d))、さらに反対面からの浅掘り加工
で貫通孔53を形成することにより櫛歯式アクチュエータ
を得る (図10(e))。

【００１８】以上の図８、図９、図10に示した実施例に
おいても、上述のようにAlマスク４を片面、あるいは両
面共シリコン酸化膜マスク２に置き換えてもよいことは
勿論である。

【００１９】

【発明の効果】本発明によれば、ＳＦ₆とＯ₂混合ガス
を用いたドライエッチングにより加工することにより、
反応生成物が残留せず、垂直な側壁をもつ凹部ないし貫
通孔が形成できるため、狭い間隙を介する可動電極と固
定電極とが組合わされる櫛歯式アクチュエータを、一つ
のシリコン基体から組み合わされた状態で任意の大き
さ、形状で作りだすことができ、設計に余裕が生じるの
で、センサやマイクロマシンの制作要求に応じた櫛歯式
アクチュエータの小型化が可能になる。さらにシリコン
酸化膜をエッチングストップ層として用いることによ
り、より高精度の加工も期待できる。また、大口径のシ
リコンウエーハから均一に多数のアクチュエータが同時
に作成できるので、低価格化も達成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のシリコン基板加工工程を
(a) 〜(c) の順に示す断面図

【図２】櫛歯式アクチュエータの概要を示す斜視図

【図３】従来のシリコン基板加工工程を(a) 〜(c) の順
に示す断面図

【図４】従来の別のシリコン基板加工工程を(a) 〜(c)
の順に示す断面図

【図５】本発明の実施例に用いるドライエッチング装置
の断面図

【図６】本発明の別の実施例のシリコン基板加工工程を
(a) 〜(c) の順に示す断面図

【図７】本発明の別の実施例のシリコン基板加工工程を
(a) 〜(c) の順に示す断面図

【図８】本発明の別の実施例のシリコン基板加工工程を
(a) 〜(c) の順に示す断面図

【図９】本発明の別の実施例のシリコン基板加工工程を
(a) 〜(d) の順に示す断面図

【図１０】本発明の別の実施例のシリコン基板加工工程
を(a) 〜(e) の順に示す断面図

【符号の説明】

１シリコン基板２シリコン酸化膜２１可動部２２ミラー部２３可動電極２４固定部２５固定電極４アルミニウム薄膜５１凹部５２凹部５３貫通孔６単結晶シリコン層７多結晶シリコン層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一つのシリコン基体の両面からの加工によ
り狭い間隔を介して組合わせられた櫛歯式の可動電極と
櫛歯式の固定電極をそれぞれ有する可動部と固定部を作
り出す櫛歯式アクチュエータの製造方法において、加工
を六弗化硫黄と酸素の混合ガスを用いたドライエッチン
グにより行うことを特徴とする櫛歯式アクチュエータの
製造方法。
【請求項２】ドライエッチングの際の両面のマスクがア
ルミニウム薄膜よりなる請求項１記載の櫛歯式アクチュ
エータの製造方法。
【請求項３】ドライエッチングの際の両面のマスクがシ
リコン酸化膜よりなる請求項１記載の櫛歯式アクチュエ
ータの製造方法。
【請求項４】可動電極と固定電極の間の間隙を形成する
加工の際のマスクのみがシリコン酸化膜よりなる請求項
１記載の櫛歯式アクチュエータの製造方法。
【請求項５】シリコン酸化膜よりなるエッチングストッ
プ層を介して重ねられた二つの部分を有するシリコン基
体を用い、両面からそのエッチングストップ層まで達す
る凹部を形成したのち、凹部間に残存したエッチングス
トップ層のシリコン酸化膜を除去する請求項１ないし４
のいずれかに記載の櫛歯式アクチュエータの製造方法。
【請求項６】エッチングストップ層を介して重ねられた
二つの部分の双方が単結晶シリコンよりなる請求項５記
載の櫛歯式アクチュエータの製造方法。
【請求項７】中間層を介して重ねられた二つの部分の一
方が単結晶シリコン、他方が多結晶シリコンよりなる請
求項５記載の櫛歯式アクチュエータの製造方法。
【請求項８】シリコン基体の一面からのドライエッチン
グによる加工によって形成される凹部の開口面積に差の
ある場合に、開口面積の大きい凹部の形成される部分を
シリコン基体のそれに覆われた部分がサイドエッチング
により残存しない程度の細い幅のマスクにより複数のエ
ッチング領域に分割する請求項１ないし７のいずれかに
記載の櫛歯式アクチュエータの製造方法。
【請求項９】一面からのドライエッチングによる加工に
よって形成される凹部の開口面積に差のある場合に、開
口面積の大きい凹部を形成と開口面積の小さい凹部の形
成を別のドライエッチング工程で行い、それぞれの工程
において加工の対象とならない部分をマスクによって覆
う請求項１ないし７のいずれかに記載の櫛歯式アクチュ
エータの製造方法。