JPH09512955A - 高い垂直アスペクト比の薄膜構造体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 この発明は、電気回路と機械素子が同じシリコンチップ上に集積される微小電気機械システムの分野に関する。ここに記載の方法は、薄膜デポジションプロセスを使用して、高さ（ｙ）が１５０マイクロメートルを超える薄膜構造体（２０）の製作を可能にする。そのような構造体の効率的な製作のための再使用可能なモールドとして、ウエハ（６０，５２）を採用することもできる。

Description

【発明の詳細な説明】 高い垂直アスペクト比の薄膜構造体 発明の背景 この発明は、概しては微小加工構造体に関し、より詳しくは三次元の薄膜微小 加工構造体に関する。 微小電気機械システム（マイクロエレクトロメカニカルシステム＝ＭＥＭＳ） は、微小機械素子（マイクロメカニカルデバイス）と微小電子素子（マイクロエ レクトロニックデバイス）を同じシリコンチップの上に集積している。これらの システムは、マイクロセンサやマイクロアクチュエータなどの多くの有用な応用 面を有する。衝突の際に自動車内でのエアバッグの展開をトリガするのに使用さ れる加速度計チップは、マイクロセンサの一例である。流体回路を制御するのに 用いられるマイクロバルブは、マイクロアクチュエータの一例である。 微小構造体（マイクロストラクチャ）は、デポジットした（堆積させた）薄膜 を所望の形状になるようにホトリソグラフィおよびエッチング処理することによ り作られる。これは、薄膜が表面上にのみ堆積（デポジット）されることから、 表面微小加工と呼ばれる。これは、構造体の高さをおおよそ膜の厚みに制限する 。膜は、典型的には、化学蒸着（ＣＶＤ）のプロセスにより形成される。 典型的に、犠牲材料が必要なところには、どこにも二酸化ケイ素の層が用いら れる。製造の最終ステップは、連通路、すなわち微小構造体の可動部品の間のク リアランスを開けるためにこの材料をエ ッチングで除去することである。層間コンタクトおよびボンディングの必要な個 所を除いて、すでに堆積された構造層と直接接触して次の構造層が堆積されない ように、プロセス中に犠牲層が必要である。結果として出来上がる構造体は、顕 微鏡的な厚みを有するものなので、顕微鏡的な力に対してのみ壊れないで持ちこ たえることができる。要求される任意の形のミリスケール構造体（１００ミクロ ンのオーダーの寸法を有する構造体）を作るやり方に対して永いこと必要性があ った。例えば、液体または気体の試薬を用いるマイクロスケール化学プロセシン グの分野におけるような流体システムに使用し得る配管用マニホルドおよび囲ま れた容器。 シリコンウエハの化学的エッチングによりミリスケール構造体を作るための方 法はあるが、これらは或る結晶面に限られていて、要求されるかも知れないいか なる任意の形でも作るのには使用できない。 したがって、この発明の目的は、自立の、高い垂直アスペクト比の薄膜構造体 を提供することである。 この発明の他の目的は、プレーナ型電子回路と集積された高い垂直アスペクト 比の薄膜構造体を提供することである。 この発明のさらに他の面は、自立の、中空薄膜構造体を提供することである。 この発明の追加の目的および利点は、以下に続く説明の中に述べられ、部分的 にはその説明から自明であり、またはこの発明の実施によって分かるであろう。 この発明の目的および利点は、請求項において特に指摘される手段および組合せ によって、実現されそして得られるであろう。 発明の概要 この発明は、そのいかなる方向の大きさもその薄膜の厚みの約２倍よりも大き い、自立薄膜構造体に向けられている。自立構造体とは、基板に取り付けられて いない構造体である。 そのような構造体は、この発明の製作方法により可能となったのである。これ らの方法は、モールドを用意するステップ、モールドを犠牲薄膜層でコーティン グするステップ、そして犠牲薄膜層の上に薄膜をその厚みがモールドの最大深さ よりも小さいように成長させるステップを含んでいる。犠牲薄膜層は、次いでエ ッチングされ、自立の薄膜構造体が得られる。 そのような構造体は、プレーナ型薄膜を用いて達成できるのよりも、大きい寸 法の流体素子および微小機械システムの製作を可能とする。 図面の簡単な説明 添付の図面は、この明細書に組み入れられこの明細書の一部をなすものである が、この発明の好ましい実施態様を模型的に図解し、上記の概要説明および下記 の好ましい実施態様の詳細な説明と一緒に、この発明の原理を説明する役を果た すものである。 図１は、この発明による高い垂直アスペクト比の微小電気機械構造体（ＨＡＲ ＭＥＭＳ）の一部分の模型的斜視図である。 図２は、図１の構造体を製作するのに使うモールドの一部分の模型的斜視図で ある。 図３Ａ〜３Ｄは、ＨＡＲＭＥＭＳの製作の各段階の模型的断面図である。 図４は、ＨＡＲＭＥＭＳをモールドから引き抜いたところを図解 する模型的断面図である。 図５Ａ〜５Ｂは、ＨＡＲＭＥＭＳとして形成された超小型張力検査機械の動作 を図解する模型的平面図である。 図６Ａ〜６Ｃは、配管用マニホルドおよびソリッドＨＡＲＭＥＭＳの製作を図 解する模型的断面図である。 図７Ａは、この発明によるポート付きの囲まれた容器の模型的斜視図である。 図７Ｂ〜７Ｅは、図７Ａの囲まれた容器の製作を図解する模型的断面図である 。 図８Ａおよび８Ｂは、この発明による静水アクチュエータまたは周囲圧力計の 異なる圧力における模型的斜視図である。 図９Ａ〜９Ｅは、ＨＡＲＭＥＭＳおよび表面シリコンを有するシリコンオンイ ンシュレータ（ＳＯＩ）の製作を図解する模型的断面図である。 図１０は、図９Ａ〜９Ｅのプロセスを使って作った機械の平面図である。 図１１Ａおよび１１Ｂは、ＨＡＲＭＥＭＳおよび薄膜トランジスタ品質の再結 晶シリコンを有するＳＯＩ構造体の製作における各ステップを図解する模型的断 面図である。 図１２Ａ〜１２Ｅは、非常に高い垂直アスペクト比を有する微小機械構造体の 製作における各ステップを図解する模型的断面図である。 図１３は、ウエハに対する機械的クリアランスの大きい二つのカンチレバービ ームの模型的斜視図である。 図１４Ａ〜１４Ｈは、図１３の構造体の製作における各ステップを図解する模 型的断面図である。 好ましい実施態様の説明 この発明をいくつかの好ましい実施態様によって説明する。好ましい実施態様 は、高い垂直アスペクト比の薄膜構造体（ＨＡＲＭＥＭＳ）およびその製作方法 である。そのような構造体の一部分２０を図１に示す。 構造体２０は、ハネカム状になった薄膜のビームまたはリブ２２の網目構造体 である。ビームまたはリブ２２を形成する薄膜は、垂直面の方向に延びている。 構造体２０の垂直方向の長さ、寸法ｙで表す、は、約５ミクロンから約２５０ミ クロンの範囲を取り得るが、好ましい値は、使用中の構造体に掛かる力によって 決められ、ビーム２２の厚みよりずっと大きい値であり、典型的には約５ミクロ ンから約１５ミクロンの範囲とすることができる。構造体２０は、軽量で、その 機械的強度は、平面状の薄膜の機械的強度よりずっと大きい。曲げこわさは、厚 みの三乗で大きくなるので、１００ミクロンの厚みのハネカムは、今日の表面シ リコンの技術において作られる典型的な２ミクロンのビームより約１２５，００ ０倍もこわい。構造体２２は、自立型のものであり、そのいずれの方向への寸法 も、その薄膜の形成するビーム２２の厚みの２倍よりも大きい。 構造体２０は、図２のモールド２４を使って製作することができる。モールド ２４は、シリコンウエハなどの基板にホトリソグラフィ法によりパターン形成し た垂直トレンチ２６を異方性エッチングすることによって形成することができる 。トレンチ２６の深さは、製作すべきＨＡＲＭＥＭＳの所望の垂直寸法に等しい 。トレンチ２６は、ウエハの全体を通して延びていないで、エッチングされない シリコンベース２８が残されている。 シリコンモールドを形成するには、シリコンウエハに、必要なトレンチエッチ ング深さのためのマスクの役を果たす充分な二酸化ケイ素を、コーティングする こともできる。二酸化ケイ素は、シリコンエッチングプロセスの諸条件の下で比 較的長時間持ちこたえるので、シリコンをエッチングするためのマスクとして使 用するのに好適な材料である。二酸化ケイ素は、シリコンウエハを熱酸化するか 、化学蒸着するかにより、成長させることができる。その二酸化ケイ素にホトレ ジストをコーティングする。ホトレジストは、ＨＡＲＭＥＭＳのための所望のレ イアウトを有するマスクで露光する。ホトレジストは、次いで、現像して硬化す る。パターンをエッチングして、トレンチをエッチングする箇所のシリコンを露 出させる。エッチングは、フッ酸を使った湿式エッチングなどの公知の方法で行 うことができるが、またはより好ましくは、酸化物マスクをプラズマエッチング により異方性エッチングして酸化物に垂直なサイドウォークを残し、あまり横方 向エッチングが生じないようにする。 次いで、プラズマエッチングを使用して、深くシリコンにトレンチを異方性エ ッチングする。このプロセスの諸パラメータは、塩素１８０ｓｃｃｍ、ヘリウム ４００ｓｃｃｍ、３００ワット、４２５ミリトリチェリ、そしてギャップ０．８ ｃｍとすることができる。エッチング用プラズマは、酸化物の下に有るシリコン に接触しないようにする。このエッチングステップは、酸化物マスクが完全に消 費されない内に終えなければならない。典型的には、シリコンを２０ミクロンエ ッチングする間に、酸化物の厚みは１ミクロンだけ減少する。 ウエハのエッチングした表面は、所望とあれば、その上に熱酸化膜を１ミクロ ン成長させ、次いで４９％フッ酸（ＨＦ）の溶液でこ の酸化膜をエッチング除去することによって、より平滑化してもよい。次いで、 ドープされていない（この場合、ドープされていないとは、純粋な二酸化ケイ素 を意味する）ＣＶＤ二酸化ケイ素を１ミクロン堆積（デポジット）させてもよい 。この材料は、低温酸化物（ＬＴＯ）と呼ばれる。出来上がりのトレンチ２６の 断面を図３Ａに示す。この時点で、図２のモールド２４のようなモールドが得ら れている。 次いで、犠牲層２８がデポジット（堆積）される（図３Ｂ）。この層は、約４ ミクロンまでの厚さのリンガラス（ＰＳＧ）で形成することができる。リンガラ スは、ＨＦ中でのエッチング速度が速く、ＨＡＲＭＥＭＳを最後にモールドから 外すのを容易にする。コーティングしたモールドは、アニールしてＰＳＧの密度 を高めリフローさせ、表面を滑らかにしてもよい。ＬＴＯ層は、シリコンウエハ の中にリンが拡散するのを防ぐ。 残りのトレンチ容積は、次いでＣＶＤポリシリコン２５で満たす。トレンチが 確実に満たされてしまうように、デポジションは５８０℃のような低温で行うこ ともできる。トレンチが完全に満たされると、図３Ｂの構造体が得られる。モー ルド２４のトレンチ２６および上面２７は、犠牲層２８でコーティングされる。 残りのトレンチ容積は、シリコンで満たされ、ビーム２２を形成する。ビーム２ ２を形成するポリシリコン薄膜の厚みは、モールド２４の深さより小さい。ポリ シリコンの層３０は、モールドも覆っている。層３０は、層２５が形成されたと 同時に形成されたものである。この出願と同時に出願されこの出願の譲受人に譲 渡された継続中出願「微小組み立てされた粒子フィルタ」に記載された強化粒子 フィルタのようなある応用のためには、最上面３０は、そのまま完成デバイスの 一部 としてもよい。その場合は、その後でホトリソグラフィによりパターン加工して もよい。もし、平らなプレーナ形の表面が要求されれば、図３Ｃに示すように、 ウエハをラップ掛けしポリッシュして、層３０の一部または全部を取り除いても よい。その後で、ウエハをアニールしてポリシリコン中の内部応力を軽減させ、 およびＰＳＧからポリシリコンの中へリンを拡散させて導電性にすることもでき る。もし、非導電性のポリシリコンが必要であれば、ポリシリコンのデポジショ ンに先だってドープされていないＬＴＯでコーティングすることができる。 ＨＡＲＭＥＭＳは、次いで犠牲酸化層をエッチング除去することにより、ウエ ハから離すことができる。図３Ｄのビーム２２は、このようにして作られる。 表面微小加工された微小構造体は、モールドの中にまだ有る内にＨＡＲＭＥＭ Ｓの最上面に作り上げることもできる。 もし、トレンチのエッチングを、ウエハのアンダカットが生じる条件下で行う と、中空のビームを作ることができる。そのビームは、流体を導いたり、静水圧 に応答して動かしたりするのに使うことができる。中空の構造体を製作する他の 方法は、下記において述べる。 図４は、モールドにコーティングした犠牲層をエッチングした後で、モールド ４４からＨＡＲＭＥＭＳ３２と３４を取り外すところを示している。犠牲層をエ ッチングする前にウエハがラップ掛けされポリッシュされていれば、図示のよう にＨＡＲＭＥＭＳはモールドの上面４６を越えて延びる。ワックス３８のコーテ ィングなどの粘着表面を有する平らなウエハ３６を使って、構造体３２および３ ４をモールドから持ち上げてもよい。 もし、モールド４４がｎ型のシリコンであれば、モールドのキャ ビティに通じる長い小径の連通路４０を、モールドの背面からその肉厚を通して 光電気化学的にエッチングして、開けてもよい。電気化学的エッチングのために 採りうるプロセスパラメータとしては、エッチング電流が１０ｍＡ／ｃｍ²、Ｈ Ｆ濃度が１０％、陰極が白金、そしてウエハの背面、つまりトレンチがパターニ ングされているのと反対の側に光を照射し続けることである。モールドのキャビ ティの底を液圧源に接続する技術を使用してもよい。好ましい加工液は、トリト ンＸ１００、アメリカ合衆国６３１１８ミズリー州セントルイス市デカルブ３５ ００所在のシグマケミカル社から入手可能であるが、などの界面活性剤０．１％ を含む脱イオン水である。この発明によりモールド４４内で製作された各部品の 構成状態を維持するためには、第二のウエハ（図示せず）の中に受け用のキャビ ティをエッチングで作っておいて、直接その中に部品を押し出してもよい。 この発明の構造体を使って組み立てる機械は、典型的には、可撓性のリンクで 接続された剛性のビームで成り立っている。剛性の構造体は、薄膜を使って図１ に示されたようなハネカム構造体を構成することにより、薄膜で作ることができ る。ハネカム領域の外周辺部は、一般的に参照数字５５（図５Ａおよび５Ｂ）で 示すが、任意の所望の機械部品の形に作られる。このようにして、全体的に比較 的薄い堆積膜からなる剛性の三次元機械部品を生産する。そのような構造体中の 可撓性接続リンクは、図５Ａおよび５Ｂのリンク５２および５８のようなシリコ ンの単純な単一棒であってもよい。 上述したように製作される微小張力検査機械４８のレイアウトは、図５Ａおよ び５Ｂに示されている。これらの図において、円形フレーム５４および部材５６ は、現実には、詳細は小さすぎて表せない が、図１のようなハネカム構造体である。これらの図において描かれている細い 線は、リンク５８およびバネ５２など、可撓性の薄膜接続リンクである。張力検 査構造５０へは、フレーム５４を通して電流が流され、その結果加熱され膨張す る。図５Ａは、均一な温度にある機械４８を示している。図５Ｂでは、フレーム ５４が機械の残りの部分よりも高い温度にある。その結果、リンク５０には引っ 張り応力がかかっている。 配管用マニホルドは、図６Ａのシリコンウエハ６０および６２のように、二つ のウエハを使ってモールドを形成することによって製作することができる。配管 用マニホルドは、微小規模の化学反応のための液体の流れを制御するのに使うこ とができる。ウエハ６０は、上述したように、その中へエッチングして刻み込ん だモールドキャビティ６８および７０を有する。ウエハ６２は、平らである。二 つのウエハは、陽極ボンディングまたは親水性加熱ボンディングにより、つなぎ 合わされる。これが上手く行くためには、ウエハの接触面７２および７４（図６ Ａ）は、大きい接触面積を確保するように極度に平坦でなければならない。そこ には、層６４および６６のような二酸化ケイ素の、または他の容易にエッチング できる材料の、シリコンを隔てる薄い層を設け、ウエハアセンブリが後で離せる ようにしなければならない。層６４および６６は、好ましくは、厚みが０．５ミ クロンのオーダの熱酸化物である。ウエハが接着し合わされた後で、ＰＳＧの犠 牲層７６（図６Ｂ）がデポジットされる。説明したように、これは高エッチング 速度材料である。もし、接着されたウエハ間の接触すべきところで、表面の欠陥 か粒子汚染かのため接触していないところに、何らかの空所でもあれば、ＰＳＧ がそのような空所を、ラインモールドキャビティ６８および７０同様、 充填する。ＰＳＧ層７６は、厚みを１〜１０ミクロンとすることができる。ＰＳ Ｇは、アニールして密度を高くする。このステップは、１０５０℃で１時間行っ てもよい。低圧化学蒸着（ＬＰＣＶＤ）ポリシリコンを蒸着し、次いで内部応力 を低減するためにアニールする。構造体層７８が仕上がり部品８０および８２を 形成する。構造体層は、厚さが１から３ミクロンで、１０００℃で１時間アニー ルしてもよい。もし、応力低減アニールが各々３ミクロンの追加ポリシリコンを 重ねた後に行われると、より厚いポリシリコンを積み上げることができる。ポリ シリコンの代わりに、他のＣＶＤ膜を使うこともできる。例えば、窒化ケイ素部 品を作ることもできる。 ボリシリコンのデポジションとアニールが完了した後、犠牲酸化層７６がエッ チングされるように、ウエハの外側に積み重ねられたポリシリコンを取り除かな ければならない。ホトレジストをまずウエハに着けて、ポリシリコンをモールド キャビティへの入り口ポートのところで保護する。小さい入力ポートは、単にホ トレジストで詰め栓し、幅広の入力ポートの場合は、ホトレジストがモールドキ ャビティの中へ流れ込むかもしれない。エッチング用プラズマがポリシリコン部 品、それもウエハの外側のポリシリコン膜だけは、それを叩くための連通路があ ってはならない。 一旦ポリシリコンがウエハアセンブリの外側から取り除かれると、犠牲酸化物 が露出しＨＦによりエッチングできる。酸化物およびＰＳＧは、モールドキャビ ティの存在のために複雑な輪郭をしているが、連続した膜であるので、酸化物お よびＰＳＧの全部をエッチングするのにＨＦ溶液を使用してもよい。ポリシリコ ンは、ＨＦではエッチングされない。光子がｎ型シリコンにエッチングを生じさ せ得るので、エッチングチャンバを不透明層（アルミ箔など）で覆う のが好ましい。 一旦犠牲材料が溶解されると、ウエハを分離できて、部品を取り出すことがで きる。出来上がりの部品８０および８２を図６Ｃに示す。 同じプロセスを使って、図７Ａの容器８４のような、ポート付きの囲まれた容 器を、ポート８６、８８および９０と一緒に作ることができる。このような容器 は、図８Ａおよび図８Ｂのマイクロアクチュエータ１０４のような流体素子とし て使うことができる。容器のサイズは、例えば、約５ミクロン×５ミクロン×１ ００ミクロンである。ポートは、容器の本体を形成するのに使用するモールドキ ャビティからモールドの外部へ通じる通路を設けることにより形成される。容器 ８４を製作するのに使用するモールド９２および９４を、図７Ｂに断面で示す。 容器８４の本体は、モールド９４のキャビティ９６を使って形成される。ポート ８６は、モールド９４の連通路９８を使って形成される。ポート８８および９０ は、モールド９２の連通路９８およびモールド９２の別の連通路（図示せず）を 使って形成される。連通路は、ホトエレクトロケミカルエッチングを使って製作 することができる。モールド９２および９４は、上述のように、配管用マニホル ド製作の場合は、結合され二酸化ケイ素の犠牲層でコーティングされる。上述し 図７Ｃに示したように、ポリシリコンの構造体層１０２が次いで付けられアニー ルされる。モールド外側の上のポリシリコン１０２は、上述し図７Ｄに示したよ うに取り除かれ、後に容器８４のポリシリコン構造体が残る。容器は、それから 、図７Ｅに示すように、モールドにコーティングされている犠牲層をエッチング することにより、外される。 図８Ａの一つのポート１０６を有する曲がった囲まれた容器１０ ４は、静水圧アクチュエータとしてまたはブルドン管圧力計として使用すること ができる。内部の圧力の方が外部の圧力よりも大きい場合は、曲がった管は図８ Ｂに示されるように真っ直ぐに延びようとする。 ＨＡＲＭＥＭＳは、ＨＡＲＭＥＭＳモールドとして使用するウエハの表面に付 けられた表面シリコンと一緒に集積化してもよい。「表面シリコン」なる用語は 、厚み（それらが形成されて載っているウエハに垂直な方向）が２から６ミクロ ンのオーダーのシリコン構造体のことを称する。結果として出来上がった構造体 は、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）構造体である。ＳＯＩは、シリコン ウエハの上に二酸化ケイ素の層が形成され（典型的には、１から数ミクロンの厚 み）、次いでこの酸化物表面の上に第二のシリコンウエハが結合されたものであ る。第二のウエハは、ラップ掛けで薄くし、ポリッシュして、応用対象により１ から数ミクロンの厚みの単結晶超大規模集積（ＶＬＳＩ）品質のシリコンのほん の薄い層を残す。この発明は、ＨＡＲＭＥＭＳモールドウエハを基礎として使っ てＳＯＩウエハを組み立て、次いでＳＯＩウエハの複数領域を埋め込みＨＡＲＭ ＥＭＳにつなぎ留めることを可能にする。最終のエッチングによる開放ステップ の後、シリコンダイスに妨げられることなく、これは微小回路を持ったマイクロ マシンを生産する。これは、体積と質量を極小にしなければならない応用に有用 である。 ＳＯＩの基礎として使用するモールドウエハの製作は、ウエハの背面に整列（ アラインメント）パターンをエッチングすることから始まる。この整列パターン は、両面整列機械において後行程におけるマスク層を互いに精密なレジストレー ションに位置決めするために基準として使用されるものである。次いで、２ミク ロンのＬＴＯ がウエハ上に堆積され１０５０℃で１時間アニールして高密度化される。ＬＴＯ はパターン付けされ、表面シリコン構造体のためのエッチングマスクを提供する 。ウエハのシリコンは、表面シリコン構造体の所望の厚みに犠牲酸化物の厚みを 加えた値に等しい深さにプラズマエッチングされる。図９Ａは、上述のようにし て提供された窪み１１０を有するウエハ１０８を示す。 ＨＡＲＭＥＭＳのためのトレンチ１１２（図９Ａ）が次に製作される。上述の ようにして、４ミクロンのＬＴＯが堆積されて、高密度化される。ＬＴＯは、Ｈ ＡＲＭＥＭＳモールドのトレンチ１１２をエッチングするためのマスクを提供す るために、パターン付けされる。シリコンウエハは、所望のＨＡＲＭＥＭＳプラ ス所望の犠牲酸化物の深さまでプラズマエッチングされる。次いで、全部の酸化 物がＨＦによって除去される。前に説明したように、ウエハは、随意に、熱的に 二酸化物化し、酸化物をＨＦで除去してエッチングにより作られた表面を滑らか にしてもよい。この時点で、モールドウエハは仕上がり、その最終的な形状を図 ９Ａにウエハ１０８について示す。 犠牲ＰＳＧ層１１４（図９Ａ）を次いでデポジットし、高密度化させる。次に 、アモルファスＬＰＣＶＤシリコンの構造体層１１６をデポジットしアニールす る。ウエハをラップ掛けし、元のシリコン表面までポリッシュする。それは、機 械的構造体がその中に埋め込まれていることを除いて、新しいウエハのように見 える。 ＬＰＣＶＤシリコンの層を次にデポジットし、熱的に酸化させて二酸化ケイ素 １１８（図９Ｂ）の層を作る。第二のシリコンウエハ（図示せず）を二酸化ケイ 素の表面に接着する。この第二のシリコンウエハをラップ掛けし、ポリッシュし て、電子的シリコン層１２ ０のための所望の最終厚みにする。結果として出来上がったウエハ１２２は、正 に標準ＳＯＩウエハのように見え、そのようにプロセスされる。 ウエハ１２２の背面の整列パターンを基準として使って、アンカーコンタクト ホールのためのパターンをホトリソグラフィによりＳ０１層１２０の上に載せる 。コンタクトホールは、埋め込まれたシリコン構造の上方に有る。図９Ａ〜９Ｅ に図解された実施態様において、コンタクトホールはトレンチ１１２の上方にく ることになる。コンタクトホールは、ＳＯＩ層および次いで酸化層を通してエッ チングされ、埋め込まれたＨＡＲＭＥＭＳのポリシリコンの表面を露出させる。 ＬＰＣＶＤポリシリコンを次いでデポジットしてコンタクトホールを満たし、そ してＳ０Ｉ層を埋め込まれたシリコン構造に結合する。ポリシリコンの表面層を ラップ掛けしポリッシュして、コンタクトホール内のポリシリコンのみを残して 、ＳＯＩ層１２０の表面を露出させる。結果として出来上がる構造体１２４を図 ９Ｃに示す。 ここで、標準的なＶＬＳＩプロセスを使用してＳＯＩ層の中に電子素子を製作 してもよい。 ＳＯＩ層１２０をパターン付けしエッチングして、機械的構造体上の所望の箇 所に位置するアイランド１２６（図９Ｄ）のみを、アイランド１２６間に電流を 運ぶための可撓性の（正弦波形状のため）ドープされた導電性の相互間接続体と ともに、残す。電子素子（図示せず）は、標準的な窒化ケイ素パッシベーション 層（図示せず）でカバーされていて、これおよび後続のエッチングプロセスから 保護されている。ＳＯＩ層のパターン付けは、ポリシリコン層の表面構造体と協 同して相互作動することのできる表面シリコン型の機械 構造体１２７の層を提供することもできる。ここで、完成された機械１２８（図 ９Ｅ）は、上述のように、ウエハから離され、犠牲層１１４および１１８をエッ チングすることにより取り外される。 上記のプロセスを使って製作したマシン１４０のデザインを図１０に示す。剛 性の機械構造体１４２は、ＨＡＲＭＥＭＳでできている。これら構造体のいくつ かの上に横たわって、単結晶シリコン１４４の層が置かれ、ＨＡＲＭＥＭＳに対 してポリシリコンアンカー１４６でもってつなぎ留められる。この機械は、可撓 性のポリシリコンビーム１４８およびシリコン相互間接続体１５０をも備えてい る。 低機能の電子装置で間に合う場合は、電子回路層は、上述のようにして作るこ とができ、ただ、ＶＬＳＩ品質のシリコンを提供するＳＯＩ製法を使う代わりに 、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）品質のシリコンを使うことができる。図１０Ａに 示すように、プロセスのシーケンスは、熱的酸化膜１１８が形成される時点まで は、ＳＯＴを作るのに似ている。次に、再結晶用の窓１３０を層１１８を通して エッチングして、単結晶シリコンウエハの表面を露出させる。アモルファスポリ シリコンのＬＰＣＶＤ層１３２を次にデポジットし、図１１Ａの構造体１３４が 出来上がる。ウエハを次いで再結晶炉の中で約６００℃でアニールする。単結晶 ウエハ表面と接触しているアモルファスシリコン１３２の領域は、そこを結晶核 として結晶化プロセスへと進み、既存のシリコン結晶格子配列をウエハ表面から 上へ、そして横方向には全ＬＰＣＶＤシリコン膜に亘って、伝播させる。結果と してできた再結晶シリコン膜１３６（図１１Ｂ）は、ＶＬＳＩ回路としてはあま りにも欠陥が多すぎるが、多くの小規模集積（ＳＳＩ）の応用には間に合うので ある。結果として出来上が った構造体１３８は、図９Ｂの構造体１２２に似たものである。後続のステップ は、ＳＯＩデバイスの場合について上述したのと似たものである。 シリコンおよびＰＳＧ層の異方性エッチングでもって得られる垂直アスペクト 比は、ＰＳＧ層の非平坦性（平坦むら）により制限される。より高い垂直アスペ クト比の構造体を、図１２Ａ〜１２Ｅを参照して説明する方法を使って製作する ことができる。モールド１５２は、上述のように製作される。そのモールドは、 ＣＶＤポリシリコンの層１５４（図１２Ｂ）でコーティングされ、その厚みはＰ ＳＧの厚みよりも均一である。ポリシリコン１５４は、熱的に酸化されて犠牲層 １５５（図１２Ｃ）が得られる。この時点以降、プロセスは、前に説明したのと 同じである。ポリシリコンの構造体層１５６をデポジットし（図１２Ｃ）、表面 層をラップ掛けで削り（図１２Ｄ）、それに次いでポリシリコン構造体１５８（ 図１２Ｄ、１２Ｅ）を外す。 ＨＡＲＭＥＭＳ構造体を、ウエハに永久的に接着したままでウエハに対して最 終的に大きなクリアランスを持たせて製作することも可能である。そのような構 造体１６０を図１３に示す。この構造体は、基板１６２と、基板にアンカー１６ ６でつなぎ留められたビーム１６４とを備えている。そのような構造体は、図１ ４Ａ〜１４Ｄを参照して説明するようにして製作することができる。図１４Ａに 示すように、最初にウエハ１６２をＨＡＲＭＥＭＳのためのモールドとしての役 目をするトレンチ１６８を有してパターン付けする。窒化ケイ素とポリシリコン の二重層１７０を次いでデポジットして、後に続く陽極酸化ステップのためのマ スクの役およびアンカーの役をさせる。図１４Ｂに示すように、二重層１７０は 、ホトレジスト １７２を使用してパターン付けされる。二重層１７０は、次いでポリシリコンの ためにＣｌ₂を使って、窒化ケイ素のためにＣＦ₄とＤＣＦ₃を使って、異方性エ ッチングされる。出来上がりの構造体を図１４Ｃに示す。シリコンウエハ１６８ は、次いで陽極酸化されて、その結果できる多孔性のシリコンが酸化されて、二 酸化ケイ素１７２を含む図１４Ｄの構造体が得られる。図１４Ｅに示すように、 二重層１７０の最上部分が、次いで、例えばラッピングとポリシングによって除 去される。ポリシリコンの構造体層１７４が、図１４Ｆに示すように、デポジッ トされる。その最上層が、図１４Ｇに示すように、除去される。最後に、酸化物 １７２および二重層１７０がＨＦを使って除去される。アンカー１６６（図１３ ）は、ウエハ１６２のシリコンによってマスクされて、あまりエッチングされな い。 まとめていうと、高い垂直アスペクト比の薄膜構造体およびその製作方法を説 明した。このような構造体は、流体システムやミリスケールの微小機械システム を組み立てるのに使用することができる。 この発明を、好ましい実施態様について、説明した。しかしながら、この発明 は、ここに描かれ説明された実施態様に限定されるものではない。むしろ、発明 の範囲は、付属の請求項によって定義される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)， ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，Ｃ Ｈ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ， ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ，ＮＬ，Ｎ Ｏ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 フェラーリ モーロ アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94596 ウォルナット クリーク エクレ ストン 2815

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 自立薄膜構造体であって、 厚みを有する薄膜を備えてなり、該薄膜構造体のいかなる方向の大きさも該厚 みの約２倍よりも大きいことを特徴とするもの。 ２． 請求項１に記載の構造体であって、 さらに、その上に製作された電子デバイスを含むプレーナ型結晶シリコン部分 を備えてなることを特徴とするもの。 ３． 請求項２に記載の構造体であって、 さらに、永久的に取り付けられた基板を備えてなることを特徴とするもの。 ４． 中空の薄膜製の配管用マニホルド。 ５． ポートを有する中空の薄膜製の囲まれた容器。 ６． 微小機械要素の製作方法であって、 厚みを有するモールドを提供することと、 該モールドを犠牲薄膜層でコーティングすることと、 該犠牲薄膜層の上に薄膜を、該薄膜の厚みが該モールドの深さよりも小さいよ うに、成長させることと、 該犠牲薄膜層をエッチングすることと を含んでなる方法。