微细机械装置及其制造方法与流程

本发明涉及一种配备微细可动部的微细机械装置及其制造方法。

背景技术：

近年来，在开关或传感器中，使用通过机械性动作来发挥功能的微细机械装置的MEMS(Micro Electro Mechanical System(微电子机械系统))受到重视。MEMS已作为压力传感器或加速度传感器而加以使用，与LSI一起逐渐成为重要零件。MEMS具有立体结构，所述立体结构通过使用薄膜形成技术、光刻技术及各种蚀刻技术的微细加工而具备微细的可动结构体。

例如，在静电电容式压力传感器中，如图8A所示，利用支承部403将由于压力而发生位移的微细的膜片(可动部)401以隔开的方式支承并配置在基板402上。在基板402与膜片401之间存在空隙404，在面向空隙404的各部位相对配置电极(未图示)，形成电容。

如图8B所示，被测定介质的压力施加至膜片401的形成电容那一面的相反侧那一面，在该压力施加下，膜片401发生变形。上述电极间的距离对应于该变化而发生变化，电极间的电容对应于该变化而发生变化，成为传感器输出。若空隙404为真空，则该压力传感器可测量绝对压力。

这种微细机械装置存在如下情况：变形后的可动部的一部分与基板接合，而可动部没有在由弹性力产生的反弹下复原(参考专利文献1、2、3、4、5、6)。该现象称为粘连或粘着等，在微细机械装置中是一个问题。

例如，就像静电电容式隔膜真空计那样测量比大气压小的压力的压力传感器而言，由于在搬送、安装时或维护时会暴露在大气中，因此会频繁发生被施加测量范围以上的过大压力的状况。当如此被施加过大压力时，受压的膜片401会像图8C所示那样超过实际使用范围而较大程度地弯曲，导致膜片401的一部分接触到基板402(触底)。

因膜片401的厚度以及变形区域的大小还有膜片401的材料等设计参数的不同，上述触底的状态不一样，但大多数情况下，触底会导致粘连的发生。当发生粘连时，即便去除压力，膜片401也不会复原而给出犹如施加有压力一样的输出，从而导致测定的错误。尤其是在隔膜真空计的情况下，由于基板与可动部之间维持为真空状态，因此存在更容易发生粘连的倾向。

此外，我们知道，在膜片触底时，除了上述粘连现象以外，还会发生下述那样的由测量电压所引起的吸合现象。通常，当像静电电容式压力传感器那样对隔着某一距离平行相对的2块电极间施加电压时，会产生与距离的平方成反比的引力(由电压引发的引力)。因此，当在被施加压力时发生了变形的膜片靠近基板到极为接近的距离时，由于膜片与基板之间的距离极窄，因此由电压引发的引力较大，导致膜片被强力吸引而触底(吸合)。

此处，刚一触底，电极间就发生短路，因此由电压引发的引力消失，使得膜片脱离基板。不过，刚脱离之后便再次被施加由电压引发的引力，因此膜片被强力吸引而再次触底。在电极间的距离极小的情况下，这种触底与脱离会反复发生。

在静电电容式压力传感器的情况下，为了测量电容，必须施加电压，从而受到随之而来的由电压引发的引力的影响而产生吸合现象，结果，反复发生上述触底与脱离，导致传感器的输出与膜片所受到的压力无关地变得不稳定。该吸合现象在小型且电极间的距离较小、进而基材或电极上的接触部表面较为平滑的MEMS传感器中较为明显。

【现有技术文献】

【专利文献】

【专利文献1】日本专利特表平10-512675号公报

【专利文献2】日本专利特开平11-340477号公报

【专利文献3】日本专利特开2000-040830号公报

【专利文献4】日本专利特开2000-196106号公报

【专利文献5】日本专利特开2002-299640号公报

【专利文献6】日本专利特开2007-078439号公报

技术实现要素：

【发明要解决的问题】

在以往的微细机械装置中，为了防止上述那样的由电压所引起的吸合现象和粘连现象，有在可动部或基板中的至少一方的相对的面上形成突起等微细结构而减少接触面积来抑制接触力。具体而言，使用熟知的半导体装置的制造技术，在构成微细机械装置的硅等半导体或石英等基材上形成微小的突起。例如，通过利用公知的光刻技术及蚀刻技术的图案化，在半导体或石英等基材上形成数μm左右的大小的突起。再者，本说明书中提到的所谓基材，是指对基板及可动部进行统称的构件。

然而，在隔膜真空计中，为了使装置应对使用环境而具有耐酸性或耐热性，使用蓝宝石等晶体材料或氧化铝陶瓷等材料。与硅或玻璃等情况相比，这种具有高绝缘性的材料更容易发生粘连。

即，初期并未带电的绝缘电阻较大的基板及可动部反复接触会导致接触带电的发生，从而在表面产生静电。基材的绝缘电阻较大，且接触的环境也处于真空中，导致这些静电没有散逸的地方，因此每当反复接触时，静电会被积累，认为在基板与可动部之间会产生静电引力而发生粘连。

尤其是当变为膜片较薄的结构时，数μm左右的大小的突起并非有效对策。为了抑制这种接触带电的发生，进一步减少接触面积本身是较为有效的对策。因此，例如考虑形成亚μm以下的尺寸的微小凹凸，但蓝宝石或氧化铝陶瓷等材料在具有高机械强度、高耐蚀性、耐化学药品性的另一方面，比硅或玻璃等材料难加工，而亚μm以下的尺寸的微细加工极为困难。

再者，虽然还有利用使表面稳定的表面覆膜来防止粘连的技术，但在该情况下，表面覆膜大多使用有机材料，在高温环境下使用的情况下，或者在将膜片与基板之间的空间设为真空的构成中，有机材料无法使用。

此外，形成亚μm以下的凹凸结构的现有技术通常认为有2种。

1种是喷砂等以机械方式将表面变得粗糙的方法，但粗糙度难以控制，并且会形成基材的破坏起点，对配备可动部的压力传感器采用这种方法风险较大。

另1种是利用半导体制造工艺中所使用的步进式曝光机或电子束描绘曝光装置的方法。但是，根据真空计的使用用途或条件的不同，也有例如像可动部的厚度较厚、要测量的压力的范围较大的传感器等那样不需要数nm～数百nm的凹凸的产品，若考虑到这一点，则可与不需要凹凸的产品通用的工序或装置的比例就会降低，在制造成本或生产管理等方面较为不利。

此外，即便利用步进式曝光机或电子束描绘曝光装置在蓝宝石或氧化铝陶瓷等基材上局部性地形成了数nm～数百nm的凹凸，也难以抑制由电压所引起的引力。即，在数nm～数百nm的表面粗糙度下，高度最多也只有数nm～数百nm左右，无法防止吸合现象。

出于这种情况，尤其是使用蓝宝石或氧化铝陶瓷等这样的高绝缘性基材的微细机械装置，处于难以采取有效的防粘连对策的状况。

本发明是为了解决这种问题而成，其目的在于在使用高绝缘性基材的微细机械装置中获得有效的防粘连对策。

【解决问题的技术手段】

本发明的微细机械装置的制造方法为包括可动部的微细机械装置的制造方法，所述可动部通过支承部支承在基板上，在可动区域内与基板隔开配置，且能够在可动区域内朝基板方向位移，该微细机械装置的制造方法的特征在于，包括：第1工序，于在可动区域内相对的基板及可动部中的至少一方的表面形成第1凸部，所述第1凸部具有与基板或可动部中的另一方的表面相对的平坦的上表面；以及第2工序，邻接于第1凸部的周围而形成第2凸部，所述第2凸部具有比该第1凸部的上表面低的平坦的上表面，第2工序是采用接近式曝光掩模实施使用正性光刻胶的光刻及蚀刻来形成第2凸部，并在形成该第2凸部之际的曝光时在正性光刻胶内产生衍射光发生干涉而相长的区域，由此在第1凸部的上表面以及第2凸部的上表面形成凹部。

此外，本发明的微细机械装置的特征在于，包括：可动部，其通过支承部支承在基板上，在可动区域内与基板隔开配置，且能够在可动区域内朝基板方向位移；第1凸部，其形成于在可动区域内相对的基板及可动部中的至少一方的表面，具有与基板或可动部中的另一方的表面相对的平坦的上表面；以及第2凸部，其邻接形成于第1凸部的周围，具有比该第1凸部的上表面低的平坦的上表面，第2凸部是采用接近式曝光掩模实施使用正性光刻胶的光刻及蚀刻而形成的，第1凸部的上表面以及第2凸部的上表面具有凹部，所述凹部是通过在形成第2凸部之际的曝光时在正性光刻胶内产生衍射光发生干涉而相长的区域而形成的。

在本发明中，在可动区域内相对的基板及可动部中的至少一方的表面形成第1凸部，所述第1凸部具有与基板或可动部中的另一方的表面相对的平坦的上表面。例如，将基板侧那一面设为其中一面，将可动部侧那一面设为另一面，在其中一面(基板侧那一面)形成具有与另一面(可动部侧那一面)相对的平坦的面的第1凸部。继而，邻接于该第1凸部的周围而形成第2凸部，所述第2凸部具有比第1凸部的上表面低的平坦的上表面。该第2凸部是采用接近式曝光掩模实施使用正性光刻胶的光刻及蚀刻而形成的。在本发明中，在形成该第2凸部之际的曝光时，故意在正性光刻胶内产生衍射光发生干涉而相长的区域，从而在第1凸部的上表面以及第2凸部的上表面形成凹部。例如，在第1凸部的上表面形成1个凹部、在第2凸部的上表面形成多个凹部。

在本发明中，通过在形成第2凸部之际的曝光时在正性光刻胶内产生衍射光发生干涉而相长的区域，可在突起(第1凸部及第2凸部)的上表面局部性地形成微小的凹部。例如，可在数μm左右的大小的突起的上表面形成亚μm以下的尺寸的凹部。结果，接触面积减少，不仅可针对静电引力，还可针对分子间力等其他引力而降低粘连的概率或程度。此外，突起的上表面上所形成的凹部的角部为带有弧度的形状，可消除破坏起点。此外，也可在数μm左右的大小的突起的上表面以无破坏起点的方式形成数nm～数百nm的微细的凹凸，不仅可防止粘连现象，还可防止吸合现象。进而，与利用步进式曝光机或电子束描绘曝光装置的情况相比，由于能够与不需要凹凸的产品通用的工序或装置的比例较高，因此在制造成本或生产管理等方面具有优势。

【发明的效果】

根据本发明，在邻接于第1凸部的周围而形成具有比该第1凸部的上表面低的平坦的上表面的第2凸部之际的曝光时，在正性光刻胶内产生衍射光发生干涉而相长的区域，由此，在第1凸部的上表面以及第2凸部的上表面形成了凹部，因此可在使用高绝缘性基材的微细机械装置中获得有效的防粘连对策。

附图说明

图1A为表示本发明的实施方式中的微细机械装置的构成例的截面图。

图1B为表示本发明的实施方式中的微细机械装置的局部构成例的截面图。

图2为该微细机械装置中的形成于基板侧那一面的突起的俯视图。

图3A为用以说明本发明的实施方式中的微细机械装置的制造方法的、表示中途工序(第1工序)的状态的截面图。

图3B为用以说明本发明的实施方式中的微细机械装置的制造方法的、表示中途工序(第1工序)的状态的截面图。

图3C为用以说明本发明的实施方式中的微细机械装置的制造方法的、表示中途工序(第1工序)的状态的截面图。

图3D为用以说明本发明的实施方式中的微细机械装置的制造方法的、表示中途工序(第1工序)的状态的截面图。

图4A为用以说明本发明的实施方式中的微细机械装置的制造方法的、表示中途工序(第2工序)的状态的截面图。

图4B为用以说明本发明的实施方式中的微细机械装置的制造方法的、表示中途工序(第2工序)的状态的截面图。

图4C为用以说明本发明的实施方式中的微细机械装置的制造方法的、表示中途工序(第2工序)的状态的截面图。

图4D为用以说明本发明的实施方式中的微细机械装置的制造方法的、表示中途工序(第2工序)的状态的截面图。

图5为表示使用斜侧照明、利用电子显微镜对第2工序中所形成的突起的上表面进行观察而得的结果的照片。

图6为表示本发明的实施方式中的微细机械装置的另一构成例的截面图。

图7为表示本发明的实施方式中的微细机械装置的另一构成例的截面图。

图8A为表示压力传感器的局部构成的截面立体图。

图8B为表示压力传感器的局部构成的截面立体图。

图8C为表示压力传感器的局部构成的截面立体图。

具体实施方式

下面，根据附图，对本发明的实施方式进行详细说明。图1A为表示本发明的实施方式中的微细机械装置的构成例的截面图。此外，图1B为表示本发明的实施方式中的微细机械装置的局部构成例的截面图。图1B是对图1A的一部分进行放大表示。

该微细机械装置100(100A)包括可动部103，所述可动部103通过支承部102支承在基板101上，在可动区域121内与基板101隔开配置，且能够在可动区域121内朝基板101方向位移。可动部103固定在支承部102上。

该微细机械装置100A例如为可动部103为膜片的压力传感器。例如，基板101及可动部103由蓝宝石构成，并且，虽未图示，但在可动部103及基板101之间的空隙104处的相对的各个面上形成有电极。

在该微细机械装置100A中，受压的可动部103朝基板101方向位移，由此，各电极的间隔发生变化，从而使得电容发生变化。通过该电容变化来测定可动部103所受到的压力。若将电极形成区域设为真空，则可用作能够测定绝对压力的压力传感器。

在该微细机械装置100A中，于在可动区域121内相对的基板101侧那一面101a形成有多个突起105。该突起105为由设为俯视时圆形的小径部105-1和大径部105-2构成的高低差结构的突起，邻接于小径部105-1的周围而形成有大径部105-2，所述大径部105-2具有比小径部105-1的上表面105a低的平坦的上表面105b。

在该例中，小径部105-1的直径φ1设为3μm左右，大径部105-2的直径φ2设为9μm左右，相邻突起105的间隔L设为0.5mm左右。此外，小径部105-1与大径部105-2的高度的差(高低差)h设为0.2μm左右。

在该突起105中，小径部105-1相当于本发明中提到的第1凸部，大径部105-2相当于第2凸部。以下，将小径部105-1称为第1凸部，将大径部105-2称为第2凸部。该突起105是实施采用接近式曝光掩模的光刻及蚀刻而形成的。该突起105的形成过程将于后文叙述。

图2表示突起105的俯视图。在本实施方式中，在第1凸部105-1的上表面105a以及第2凸部105-2的上表面105b形成有凹部106。在该例中，在第1凸部105-1的上表面105a的中央形成有1个凹部106，在第2凸部105-2的上表面105b形成有多个凹部106。此外，这些凹部106的俯视时的直径及深度设为亚μm以下，第1凸部105-1的上表面105a上所形成的凹部106的直径比第2凸部105-2的上表面105b上所形成的凹部106的直径大一些。

下面，使用图3A～图3D以及图4A～图4D，对该微细机械装置100A的制造方法进行说明。图3A～图3D以及图4A～图4D为用以说明该微细机械装置100A的制造方法的、表示中途工序的状态的截面图。

[第1工序：第1凸部的形成]

首先，如图3A～图3D所示，对基板101实施第1次采用接近式曝光掩模的光刻及蚀刻，在基板101的面101a上形成具有平坦的上表面105a的第1凸部105-1。

再者，在图3A中，1为玻璃，2为形成于玻璃1的下表面的圆形的铬掩模(接近式曝光掩模)，3是作为感光层形成在基板101的面101a上的正性光刻胶。

对该第1凸部105-1的形成过程进行具体说明。首先，在基板101的面101a上形成正性光刻胶3作为感光层(图3A)。

接着，设为使铬掩模2的下表面接近正性光刻胶3的上表面的状态，并从玻璃1的上方照射光(紫外线)，进行对正性光刻胶3的曝光(图3B)。

于是，在正性光刻胶3中形成受到了光的照射的曝光部分3-1、以及在铬掩模2的阴影下未受到光的照射的非曝光部分3-2。其后，若进行显影，则非曝光部分3-2留下(图3C)。

接着，以气相或液相实施蚀刻，由此，对未被非曝光部分3-2覆盖的基板101的面101a进行削减。其后，去除非曝光部分3-2，由此，在基板101的面101a上获得具有平坦的上表面105a的第1凸部105-1(图3D)。

[第2工序：第2凸部的形成]

接着，如图4A～图4D所示，对基板101实施第2次采用接近式曝光掩模的光刻及蚀刻，邻接于基板101的面101a上所形成的第1凸部105-1的周围而形成第2凸部105-2，所述第2凸部105-2具有比该第1凸部105-1的上表面105a低的平坦的上表面105b。

再者，在图4A中，10为玻璃，20为形成于玻璃10的下表面的铬掩模(接近式曝光掩模)，30是作为感光层形成在包括第1凸部105-1的基板101的面101a上的正性光刻胶。在该例中，铬掩模20的直径设为如下直径：比第1凸部105-1的直径φ1大，与邻接于第1凸部105-1的周围而形成的第2凸部105-2的直径φ2一致。此外，正性光刻胶30的厚度d设为1μm左右。

对该第2凸部105-2的形成过程进行具体说明。首先，在形成有第1凸部105-1的基板101的面101a上形成正性光刻胶30作为感光层(图4A)。

接着，设为使铬掩模20的下表面接近正性光刻胶30的上表面的状态，并从玻璃10的上方照射光(紫外线)，进行对正性光刻胶30的曝光(图4B)。在该例中，使铬掩模20的下表面与正性光刻胶30的上表面相隔数μm～十几μm左右来进行曝光。

于是，在正性光刻胶30中形成受到了光的照射的曝光部分30-1、以及在铬掩模20的阴影下未受到光的照射的非曝光部分30-2，而在该曝光时，会在第1凸部105-1的壁面(构成第1凸部105-1的面)、光刻胶30、铬掩模20、基板101的界面等发生光的衍射，从而在非曝光部分30-2内产生衍射光发生干涉而相长的区域。在图4B中，利用虚线将该衍射光发生干涉而相长的区域围起来表示为干涉区域SA。

在像本实施方式这样第1凸部105-1及铬掩模20的轮廓为圆形的情况下，会在由该铬掩模20的轮廓围成的区域内呈斑点状产生干涉区域SA。由此，无须特别对准就会自动地以亚μm以下的尺寸呈斑点状在非曝光部分30-2产生光刻胶厚度较薄或者因干涉而受到了影响的区域作为损伤区域。其后，若进行显影，则非曝光部分30-2留下(图4C)。再者，在图4C中，将非曝光部分30-2中所产生的损伤区域表示为SB。

接着，以气相或液相实施蚀刻，由此，对未被非曝光部分30-2覆盖的基板101的面101a进行削减。此时，在非曝光部分30-2中所产生的损伤区域SB内，光刻胶从中心开始溃决，在去除光刻胶之后便形成微小的凹坑。该凹坑成为后文使用图4D而说明的凹部106。

其后，去除非曝光部分30-2，由此，在邻接于第1凸部105-1的周围的位置获得具有比第1凸部105-1的上表面105a低的平坦的上表面105b的第2凸部105-2(图4D)。即，获得由第1凸部105-1和第2凸部105-2构成的高低差结构的突起105。

在该突起105中，在第1凸部105-1的上表面105a以及第2凸部105-2的上表面105b，因先前的蚀刻时的非曝光部分30-2中的损伤区域SB内的光刻胶的溃决而形成有微小的凹部106。在该例中，俯视时的直径及深度为亚μm以下的凹部106是在第1凸部105-1的上表面105a的中央形成1个，在第2凸部105-2的上表面105b形成多个。该凹部106的角部并不锐利，为带有弧度的形状。

图5表示该突起105中的凹部106的形成例。图5为表示使用斜侧照明、利用光学显微镜对突起105的上表面进行观察所得的结果的照片。根据该照片也可知道，在突起105的上表面，在其中央形成有1个凹部，且以围绕该中央的凹部的方式形成有多个凹部。该凹部在突起105的上表面周期性地形成为斑点状。

再者，在图5所示的凹部106的形成例中，光刻胶材料及曝光条件例如设为如下条件。

光刻胶材料：正性光刻胶，OFPR-800LB(东京应化工业(株))，膜厚1～3μm。

曝光条件：使用高压水银灯(主波长约365～436nm)。

曝光模式：硬接触及软接触。

曝光量：30～80mJ/cm^2

此外，蚀刻条件设为干式蚀刻，并且，例如设为如下条件。

蚀刻气体：BCL3或CL2。

气体流量：10sccm

功率：天线75W，偏压5W。

如此，根据本实施方式，在邻接于第1凸部105-1的周围形成具有比该第1凸部105-1的上表面低的平坦的上表面105b的第2凸部105-2之际的曝光时，在正性光刻胶30内产生衍射光发生干涉而相长的区域作为干涉区域SA，由此，可在数μm左右的大小的突起105(第1凸部105-1及第2凸部105-2)的上表面局部性地形成亚μm以下的尺寸的凹部106。

结果，接触面积降低，不仅可针对静电引力，还可针对分子间力等其他引力而降低粘连的概率或程度。此外，突起105的上表面上所形成的凹部106的角部为带有弧度的形状，可消除破坏起点。此外，也可在数μm左右的大小的突起105的上表面以无破坏起点的方式形成数nm～数百nm的微细的凹凸，不仅可防止粘连现象，还可防止吸合现象。进而，与利用步进式曝光机或电子束描绘曝光装置的情况相比，由于能够与不需要凹凸的产品通用的工序或装置的比例较高，因此在制造成本或生产管理等方面具有优势。

再者，在上述实施方式中，是于在可动区域121内相对的基板101侧那一面101a形成具有微小的凹部106的、由第1凸部105-1和第2凸部105-2构成的高低差结构的突起105，但也可像图6所示的微细机械装置100(100B)那样于在可动区域121内相对的可动部103侧那一面103a形成同样的突起105。此外，也可像图7所示的微细机械装置100(100C)那样于在可动区域121内相对的基板101侧那一面101a和可动部103侧那一面103a两方形成同样的突起105。

此外，在上述实施方式中，是将突起105设为数μm左右的大小，但也可设为数十μm左右(1～数十μm)。此外，虽然凹部106的尺寸也是设为亚μm以下，但只要在突起105的大小以下即可，可设为比亚μm大，也可设为例如数μm以下的尺寸。再者，实际的凹部106的俯视尺寸为亚μm～3μm左右。

此外，在上述实施方式中，是邻接于第1凸部105-1的周围而形成具有比该第1凸部105-1的上表面低的平坦的上表面105b的第2凸部105-2，但也能以与第2凸部105-2相同的方式在第2凸部105-2的下层进一步设置与第2凸部105-2相同的凸部。

即，在本发明中，凸部并不仅限于第1凸部和第2凸部，也可设为3层以上的多层(例如，第1凸部也包括在内的合计4～5层)。此外，在本发明中，在将凸部设为3层以上的多层的情况下，虽然至少要在第1凸部和第2凸部上形成凹部，但其他凸部上并非必须形成凹部。

如以上所说明，根据本实施方式，在邻接于第1凸部105-1的周围而形成具有比该第1凸部105-1的上表面低的平坦的上表面105b的第2凸部105-2之际的曝光时，在正性光刻胶30内产生衍射光发生干涉而相长的区域作为干涉区域SA，由此，在第1凸部105-1的上表面105a以及第2凸部105-2的上表面105b形成微小的凹部106，因此，可在使用蓝宝石或氧化铝陶瓷等这样的高绝缘性基材的微细机械装置100中获得有效的防粘连对策。

例如，使用微细膜片的静电电容式隔膜真空计被安装在制造装置上，进而，该制造装置被设置在生产现场而成为运转状态。在安装至制造装置的阶段、装置的维护中等，上述真空计会暴露在大气中，从真空计的使用来看，是配置在异常的高压下，为容易发生粘连的状态。例如，若在维护中发生粘连且不复原，则无法利用真空计实施正常的测定，导致对制造工艺产生不良影响。相对于此，根据本发明，由于不易发生粘连而且为容易自粘连复原的状态，因此可抑制上述那样的问题的产生。此外，在测量动作中，还防止产生吸合现象。

[实施方式的扩展]

以上，参考实施方式对本发明进行了说明，但本发明并不限定于上述实施方式。可在本发明的技术思想的范围内对本发明的构成或详情进行本领域技术人员可理解的各种变更。

符号说明

10 玻璃

20 铬掩模

30 正性光刻胶

30-1 曝光部分

30-2 非曝光部分

100(100A、100B、100C) 微细机械装置

101 基板

101a 面(基板侧那一面)

102 支承部

103 可动部

103a 面(可动部侧那一面)

104 空隙

105 突起

105-1 小径部(第1凸部)

105-2 大径部(第2凸部)

105a 上表面(第1凸部的上表面)

105b 上表面(第2凸部的上表面)

106 凹部

121 可动区域

SA 干涉区域

SB 损伤区域。