JPH08102544A

JPH08102544A - 金属の陽極処理膜による微小機械装置

Info

Publication number: JPH08102544A
Application number: JP6271936A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Sato; 洋一佐藤
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-09-29
Filing date: 1994-09-29
Publication date: 1996-04-16

Abstract

(57)【要約】【目的】この発明は、金属を陽極処理することによっ
て得られる絶縁物を、構造体に利用した微小機械装置の
提供に関するものである。【構成】この微小機械装置は、半導体などの基体上
に、金属を陽極処理することによって得られる絶縁物を
材料として、構造体や動く部分を構成する。選択図はそ
の一例であるが、基体１と、その上に一部分が接続して
いる支持部分と、これに繋がっている梁２が存在する。
この梁は、基体からは分離しており、外部からの圧力、
選択図では電極３に印加する電圧により曲がったり振動
したりする。以上は１つの例であるが、金属を陽極処理
することによって得られる絶縁物と樹脂材料を犠牲層に
する組み合わせによって、様々な微小機械装置を得るこ
とができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体および金属など
を構成材料とした微小機械装置の構成に関するもので、
容易に複雑な微小機械装置を構成することができること
を目的としたものである。半導体集積回路の進歩に伴い
微細加工技術は著しく進歩した。１９８７年頃より、こ
の微細加工技術を利用して、大きさが１ミリメートル以
下程度の微小な機械を製作することが提案され、マイク
ロマシンあるいはマイクロメカニクスなどと呼ばれる新
しいデバイスの研究開発が開始された。学会ではＭｉｃ
ｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ−Ｓｙｓ
ｔｅｍ（ＭＥＭＳメムス）が使用されている。ここで
は以下ＭＭと略記する。基本的な材料は、産業上の利用
目的によって異なっているが、主に半導体、金属、セラ
ミックス、形状記憶合金、ガラスなどが使われている。
半導体ではシリコンが主に用いられ、１９８９年のＴＲ
ＡＮＳＤＵＣＥＲＳ´８９で静電気を動力とした、直径
が１００ミクロン以下のモータが回転したことが発表さ
れた。また数ミクロン程度の物体をつかむマイクログリ
ッパーが、顕微鏡下で動作する様は、多くの研究者の注
目を引くものであった。現在、研究開発が進められてい
る段階で、微小センサ、医療用の各種機器、狭所作業用
ロボットなどの実現に期待が寄せられている。また光通
信における発光素子とファイバーとの接続技術など、従
来の微細技術がＭＭの分野に組み入れられている面があ
ると考えられる。以上のような外部状況の中で、本発明
は新しい構成による微小機械装置の提案をするものであ
る。

【０００２】

【従米技術】図１に本発明になる第１の実施例として、
比較的簡単な構造である静電引付け形片持梁の斜視図を
示す。１は半導体基体、２はアルミニウムの陽極処理に
よって得られた酸化アルミニウム膜で作られている梁、
３はこの梁を引き付けるためのアルミニウム電極、４は
２と同様の酸化アルミニウム膜である。これと同等の機
能をもつ構造を、従来技術で製造する場合の工程概略を
図２に示す。Ａのように半導体基体１の表面に、熱酸化
法により薄い酸化膜５を成長させる。次にＢのようにフ
ォトリソグラフィーを用いて、前記の酸化膜５の一部分
の酸化膜を除去し、半導体基体１の表面を露出し、つづ
いて熱拡散あるいはイオンインプランテーションなどに
よりＰＮ接合による電極６を形成する。次にＣに示すよ
うにフォトリソグラフィー技術を用いて、梁の支持部と
なる部分に孔７を開け、半導体基体１を露出させる。次
にＤに示すように熱ＣＶＤ法あるいはプラズマＣＶＤ法
などにより、表面にシリコン多結晶膜８を付着する。こ
のときシリコンの多結晶には、抵抗率を調整するために
所定の不純物を添加する場合もある。つづいてＥのよう
に、フォトリソグラフィー技術により多結晶膜を所定の
梁状構造体９に形成する。そして弗素酸溶液に漬け、酸
化膜５を溶解するとＦに示すごとく、梁の部分が支持部
を除き前記半導体基体１と分離する。したがって、電極
６と基板１との間に電圧を印加すると、梁は静電誘導に
よる引力を受け湾曲する。このように、後の工程で溶か
し去ることによって、半導体基体１と片持ち梁９とを分
離することを目的につける膜５のことを、その機能面か
らは犠牲層と呼んでいる。この説明では、犠牲層を熱酸
化で生成したが、もちろん公知の技術である熱ＣＶＤ
法、プラズマＣＶＤ法、スパッタ法などでも良い。また
本説明で述べたＭＭの例では、１個のＰＮ接合で電極を
形成したが、多くの場合ＭＭは、これを制御する電子回
路が必要であり、かつＭＭと同一基体上に構成されるこ
とが望ましい。この場合は、従来技術でつくられる集積
回路の製造プロセスとの適合が極めて重要となる。図３
にＭＭと集積回路が同一基体上に構成されているモデル
を斜視図で示す。１０は制御部分が集積されている電子
回路部分、１１は機械部分である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】以上、説明した従来技
術によって構成されるＭＭには、いくつかの好ましくな
い問題を含んでいる。以下代表的な問題について述べ
る。第一は製造に要する処理温度が高いことである。前
述の説明で、たとえば犠牲層である酸化膜の生成に要す
る温度は、熱酸化法によると約１０００〜１２００℃、
比較的低温度であるプラズマＣＶＤ法でも４００〜６０
０℃の加熱が必要となる。膜質を考慮するとあまり低温
度での生成は望ましくない。また構造体である片持梁の
部分になるシリコン多結晶膜の生成の場合でも、熱ＣＶ
Ｄ法では７００℃、プラズマＣＶＤで４００℃程度の加
熱が必要となる。またＰＮ接合を熱拡散法で作る場合に
は、１０００℃程度の温度になる。このような高温度の
処理においては成長する酸化膜や窒化膜などに大きな熱応力が加わ
り、ソリやヒビ割れ、曲りなどが発生する。酸化膜と窒化膜などの複合膜の場合は、熱膨脹係数の
差により同様のヒビやソリ、曲りが発生する。ＭＭは可
動部分のある構造体であることから、このようなヒビ、
ソリなどの発生は致命的な欠陥となりやすい。金属、とくに最も使いやすく、集積回路で実績のある
アルミニウムは、シリコンとの合金温度が約６００℃で
ある。したがってアルミニウム金属がある場合には、そ
の合金温度以上の温度での処理はできず、最終機能から
みると不十分な構成にならざるを得ない。例えば、図２
で電極部分は本来ならばアルミニウムが望ましいが、前
述の理由によりＰＮ接合のみにならざるを得ない。当然
のことながら、図３のような構成を作るのは極めて難し
い。第二は犠牲層の問題である。従来技術では、前述の
ように犠牲層は主にシリコン酸化膜で作られている。し
たがってシリコン酸化膜のエッチングには弗酸が使用されるの
で、同時に低温度で作られた窒化膜、アルミニウム膜な
ども侵される。一方、犠牲層は装置として完成した最後
の工程で除去されるものであるから、必要な膜も除去さ
れてしまう。図２のＦのように、Ｅではついていた酸化
膜５が無いのはこのためである。酸化膜を残すには、な
んらかの方法で保護膜を設ける必要がある。特に図３に
示したように、従来技術による集積回路と同一基体にＭ
Ｍを構成するときには、すでにアルミニウムなどの金属
膜で配線が完了している場合が多いから、なんらかの方
法で保護する必要がある。集積回路のＰＮ接合部分は外気の影響を受けやすく、
空気中に露出すると電気的特性が大きく劣化する。これ
はトランジスタの発展の歴史が裏付けており、ＰＮ接合
面をつねに酸化膜で覆うプレーナー方式の発明により、
半導体デバイスは飛躍的に発達したのである。したがっ
てＰＮ接合はつねに酸化膜で覆われていることが必要で
ある。しかるに、酸化膜犠牲層では、これを除去する時
に、同時にＰＮ接合領域の被膜をも除去してしまうこと
になる。図２の場合も、Ｆに示すようにＰＮ接合は表面
に露出しており望ましい姿にはなっていない。

【０００４】

【課題解決の手段】本発明では、新しい方式を導入する
ことによって、前述の諸課題を解決することができる。
本発明による前述の課題解決の要件は、低温度で得られ
る絶縁物の利用である。この絶縁物は、良く知られてい
るスパッタ法でも付着させることができるが、金属膜の
陽極処理によって得られる絶縁物を利用することが最適
手段である。いろいろな金属の中でも、特にアルミニウ
ムの陽極処理は、陽極酸化として１８５４年頃より知ら
れており、１９２３年以降には工業化されている。本発
明は、この技術で得られた絶縁物（アルミニウムの場合
は酸化アルミニウム）で微小機械装置を構成するもので
ある。まずシリコン基体を、熱酸化することにより表面
を酸化膜で覆う。用途に応じては特に覆う必要はない。
また酸化膜にこだわるものでもない。この酸化膜上にア
ルミニウム膜を真空蒸着あるいはスパッタなどの手段に
より堆積する。次にこのアルミニウム面を陽極に、プラ
チナ板を陰極として、希硫酸あるいは蓚酸などの溶液中
で所定の電圧を印加すると、アルミニウム膜はしだいに
酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）に変化し、やがて全体
が絶縁物になる。この方法によれば、加わる熱は金属の
真空蒸着のときの輻射熱程度であり、前述の課題第一に
述べたような高温度処理はない。また低温度であるか
ら、第二の課題である犠牲層に樹脂材料を使用すること
が可能になる。たとえばポリイミドの場合、カタログ値
によると常用２００℃であるので十分可能である。ま
た、集積回路の製造に使用されているフォトレジスト類
も使うことができる。したがって、酸化膜犠牲層に伴う
前述の好ましくない問題点はすべて解決することができ
る。このように、金属の陽極処理によって得られる膜を
利用することにより前述した課題はすべて解決すること
ができる。

【０００５】

【作用】前述したように手段はきわめて容易なものであ
るが、そこから得られる作用効果は大きい。すなわち前
述のように、金属を陽極処理することによって得られる
絶縁物を使用するのだから、蒸着時の輻射熱程度で１０
０℃以下である。また状況により、蒸発源との距離を調
節することによってこの温度を調節することができる。
したがって低温度での工程を作ることができるので、複
雑な構造体を構成することが可能になる。さらに、フォ
トリソグラフィーによりレジストパターンで金属面を覆
ったまま陽極処理を行えば、所定の形状に金属の部分を
残すことも可能である。さらに金属層と絶縁物層との選
択エッチングも適当なエッチング液により可能となる。
また金属膜の最下層を金属のまま残し、その他はすべて
絶縁物に変えることができる。このためには、処理時間
を調節すればよい。この構造だと、梁の下側が金属で残
るから、対向する金属電極との間に電圧を印加すること
で、梁を引き付けることができる。さらに自由に形状を
作ることの出来る紫外線硬化樹脂を利用すると、より複
雑な構造体を構成することが可能となり、マイクロマシ
ンに大きな進歩をもたらすこととなる。

【０００６】

【実施例】以下、本発明の簡単で好適な実施例を図面を
参照しながら述べる。図４は試作に用いた陽極処理装置
の例である。耐酸性容器１２に、処理に必要な薬品、た
とえば５％硫酸や１０％蓚酸などが入っている。表面は
処理されるためのアルミニウム膜１３がついており、裏
面からの電流の漏れを防ぐために、ワックス１４で覆わ
れているウエハ１５を準備し、ウエハを陽極に、白金板
１６を陰極に、図のように電源に接続し定電圧を印加す
る。図５に電流と処理時間の関係例を示す。電流はある
時間を経過すると急激に減少し、アルミニウムは酸化ア
ルミニウムに変わる。図６に、図１に示した静電気引付
け形片持梁を例として、本発明による技術での製造方法
を説明する。Ａに示すように半導体基体１を熱酸化法に
よりその表面に薄い酸化膜５を成長させる。次にＢのよ
うに、全面に第１のアルミニウム膜１７を蒸着する。つ
づいてフォトリソグラフィーを用いて、梁を引き付ける
ための電極となる部分をレジスト１８で覆い陽極処理を
行う。するとＣに示すように、電極部分はアルミニウム
のまま残り、他は酸化アルミニウム４に変わる。つづい
てＤのように犠牲層となる樹脂材料（この場合はフォト
レジスト）１９を所定の厚さ付着し、梁の支持部になる
部分のフォトレジストに孔２０をあける。つづいてＥに
示すように、全面に第２のアルミニウムを蒸着し、その
全面を陽極処理すると第２の酸化アルミニウム膜２１に
変わる。その後Ｆに示すように所定の梁の形にエッチン
グし、最後に犠牲層を溶剤で除去することによって片持
梁２を得ることができる。このときＥの段階で梁形状を
作り、その後陽極処理をしてもよい。以上の工程の中に
は、高温度での処理は全く無いので前述したような不具
合点は生じない。また高温度処理が無い故に犠牲層とし
て樹脂材料が使用でき工程が簡単になる。また図７には
第２の実施例として、静電駆動型の微小薄膜移動装置を
構成した例を示す。Ａは斜視図、ＢはＡのａｂ断面図で
ある。１は半導体基体、２２は複数本のアルミニウム金
属でできている駆動電極バー、２３は陽極処理によって
作られた微小薄膜移動子、２４は移動子が飛び出さない
ための、これも陽極処理によって作られた枠である。電
極にパルス電圧を順次印加することによって、移動子に
静電誘導によって蓄えられている静電気と引き合い、そ
の力で移動子は移動する。この構造を従来技術で実現す
るためには、最低でも数百度以上の熱処理が必要にな
る。図７のＢでわかるように、移動子２３は基体１や枠
２４と完全に分離している。図では分離している状態を
分りやすくするために、移動子２３を浮かして描いてあ
るが、実際には移動子下部の犠牲層を除去した時点で、
移動子の重さで電極上に落ちる。また、図８に枠の作り
方と犠牲層の関連を分りやすく示す。Ａで１は半導体基
体、２５はフォトレジストからなる第１の犠牲層、２３
は移動子、２６は２５と同様第２の犠牲層である。Ｂに
示すように、枠２４を作るために第１、第２の犠牲層２
５、２６に孔をあけ、アルミニウムを蒸着した後に陽極
処理を行い酸化アルミニウムに変える。枠の形状にした
あと、すべての犠牲層を除去することによって、図７の
ような構造を得ることができる。このように、犠牲層に
樹脂材料を使用できるのは低温度処理で得られる膜の存
在が大きく、これを実現するためには陽極処理は最適な
のである。以上の説明の中で、基体として半導体材料を
例としたが、半導体に限らずガラス、セラミックなど、
陽極処理の際に使用する酸性液に耐えうる材料であれば
よい。以上は陽極処理によって得られる絶縁物で説明し
たが、用途によっては高抵抗体であっても良い。また同
様の工程を繰り返すことで、構造体を多層にすることも
可能である。

【０００７】

【発明の効果】以上のように、従来技術の持つ欠点を解
決できるが、本方法はそればかりでなく次にあげるよう
な新しい効果を発揮する。たとえば図９のＡに示すよう
に、第１のアルミニウムを陽極処理するとき、最下層を
アルミニウム２８のまま残し、上層を絶縁物２７に変え
る。その後この膜２７の上部に、再び上部電極用のアル
ミニウム膜２９を付着させると、絶縁物の両面を金属で
挟んだサンドイッチ構造が得られる。この構造は電気的
にはコンデンサである。したがって片持梁にこのサンド
イッチ構造を使用すると、梁の曲りや振動を容量の変化
分として取り出す事ができ、機械的な動きを電気的な信
号に変換するトランスデューサーやセンサとして使用す
ることが可能となる。アルミニウム金属の場合には、陽
極処理を行うとき硫酸、蓚酸など強酸を用いると多孔質
の絶縁物になる。Ｆ．Ｋｅｌｌｅｒ等の研究では（Ｊ．
Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉ．Ｓｏｃ．，１００（１９５
３），４１１）、この孔は長い六角柱のセルの密集によ
って構成され、セルの発達の方向は金属面にたいして垂
直である。電解液によるが、孔の密度は約１０^８／ｃｍ
^２程度で表面積は大きい。したがって膜は吸着力が強
く、染色することが出来る。この性質を利用して、黒色
に染色すると熱吸収が良くなる。仮に梁の一部を黒く染
色し、レーザ光の照射により加熱すると、梁の温度が上
昇し膨脹する。この変化を前述したのと同様に電気信号
に変換すると、熱電トランスデューサーやセンサを実現
することができる。また、電解液を変えることによっ
て、無孔質の膜をつくることもできるし、純水煮沸によ
る封孔処理もできる。本発明は、このような特性を持つ
材料で構造体が作られているから、その組み合わせによ
り、更に多くの応用の可能性が期待される。また、犠牲
層に樹脂材料を使用できることは、樹脂材料を色々な形
に加工したのちに、金属を付着させ陽極処理することに
よって、従来技術では実現不可能である形状を得ること
が可能になる。たとえば紫外線硬化樹脂には形状を作る
性質があるが、この表面にアルミニウム膜を付着させた
のちに本発明の構造体を形成すれば、その応用範囲は極
めて広くなる。以上のように、本発明は、きわめて多く
の機能を持つ微小機械装置を実現することができるもの
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による微小機械装置の第１の実施例。静
電引付け形片持梁。

【図２】図１を従来技術で製造するときの工程。

【図３】集積回路と一体にした微小機械装置のモデル
図。

【図４】試作に用いた陽極処理装置

【図５】アルミニウム膜の陽極処理時の電流と処理時間
の関係。

【図６】図１の例を本発明による技術で製造するときの
工程。

【図７】本発明による微小機械装置の第２の実施例。静
電駆動型微小薄膜移動装置

【図８】図７の微小機械装置における枠部分製造の詳細
図と犠牲層

【図９】トランスデューサーとしての梁の実施例

【符号の説明】

１…半導体基体２…陽極処理によって作られた酸化アルミニウム膜によ
る梁３…アルミニウム電極４…陽極処理によって作られた酸化アルミニウム絶縁膜５…酸化膜６…ＰＮ接合による電極７…梁の支持部のために酸化膜を除去した孔８…シリコン多結晶膜９…シリコン多結晶膜からなる梁１０…集積回路部分１１…微小機械部分１２…耐酸性容器１３…アルミニウム膜１４…ワックス膜１５…ウエハ１６…白金板１７…第１のアルミニウム膜１８…フォトレジスト膜１９…犠牲層となるフォトレジスト膜２０…フォトレジスト膜にあいた孔２１…梁になる酸化アルミニウム膜２２…アルミニウム金属の駆動電極バー２３…陽極処理によって作られた膜による移動子２４…陽極処理によって作られた膜による枠２５…犠牲層となる第１のフォトレジスト膜２６…犠牲層となる第２のフォトレジスト膜２７…酸化アルミニウム絶縁物の膜２８…残されたアルミニウム膜２９…上部電極用アルミニウム膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基体と、この基体上に金属の陽極処理によ
り、その全部または一部が絶縁物に変えられた材料から
なる構造体を有し、前記基体と前記構造体とは、少なく
とも一か所で接続されていることを特徴とした微小機械
装置。
【請求項２】基体と、この基体上に金属の陽極処理によ
り、その全部または一部が絶縁物に変えられた材料から
なる複数個の構造体を有し、前記構造体の内、少なくと
も一つは前記基体ならびに残りの構造体とは完全に分離
していること特徴とした微小機械装置。