特開 2024-46887 デバイスの製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024046887

(43)【公開日】2024-04-05

(54)【発明の名称】デバイスの製造方法

(51)【国際特許分類】

   H03H 3/02 20060101AFI20240329BHJP

   H03H 9/24 20060101ALI20240329BHJP

【ＦＩ】

H03H3/02 B

H03H9/24 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022152238

(22)【出願日】2022-09-26

(71)【出願人】

【識別番号】000002369

【氏名又は名称】セイコーエプソン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100179475

【弁理士】

【氏名又は名称】仲井 智至

(74)【代理人】

【識別番号】100216253

【弁理士】

【氏名又は名称】松岡 宏紀

(74)【代理人】

【識別番号】100225901

【弁理士】

【氏名又は名称】今村 真之

(72)【発明者】

【氏名】金井 俊起

(72)【発明者】

【氏名】黒川 賢一

(72)【発明者】

【氏名】山内 幸夫

【テーマコード（参考）】

5J108

【Ｆターム（参考）】

5J108BB01

5J108CC06

5J108DD05

5J108KK01

5J108KK02

5J108MM08

5J108MM11

(57)【要約】

【課題】共振周波数のばらつきを抑えることが可能な、デバイスの製造方法を提供する。
【解決手段】素子５０と、素子５０を駆動するための素子電極６１，６２と、素子５０の周囲に配置された枠部７０と、枠部７０に配置され素子電極６１，６２に接続された電極パッド８０と、を有する素子基板１０と、素子基板１０の一方面側に接合された支持基板２０と、を備えたデバイスの製造方法であって、エッチング液に耐性を有し、素子５０の外形と枠部７０との間の第１開口部２０１と、電極パッド８０上の第２開口部２０２と、を有する保護膜２００を、枠部７０の他方面側、及び素子５０の他方面側に形成する工程と、エッチング液により第１開口部２０１を通して支持基板２０をエッチングし、素子５０と支持基板２０との間に空間９０を形成する工程と、を含む。
【選択図】図８

【特許請求の範囲】

【請求項1】

素子と、前記素子を駆動するための素子電極と、前記素子の周囲に配置された枠部と、前記枠部に配置され前記素子電極に接続された電極パッドと、を有する素子基板と、
前記素子基板の一方面側に接合された支持基板と、
を備えたデバイスの製造方法であって、
エッチング液に耐性を有し、前記素子の外形と前記枠部との間の第１開口部と、前記電極パッド上の第２開口部と、を有する保護膜を、前記枠部の他方面側、及び前記素子の他方面側に形成する工程と、
前記エッチング液により前記第１開口部を通して前記支持基板をエッチングし、前記素子と前記支持基板との間に空間を形成する工程と、
を含む、デバイスの製造方法。

【請求項2】

請求項１に記載のデバイスの製造方法であって、
前記電極パッドは、前記第２開口部から露出する面に窒化チタンが配置されている、デバイスの製造方法。

【請求項3】

請求項１又は請求項２に記載のデバイスの製造方法であって、
前記保護膜は、酸化シリコンである、デバイスの製造方法。

【請求項4】

請求項１又は請求項２に記載のデバイスの製造方法であって、
前記支持基板は、シリコン基板であり、
前記エッチング液は、水酸化テトラメチルアンモニウムである、デバイスの製造方法。

【請求項5】

請求項１又は請求項２に記載のデバイスの製造方法であって、
前記保護膜を形成する工程の後に、前記第１開口部及び前記第２開口部を同時に形成する工程を有する、デバイスの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、デバイスの製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、振動デバイスを形成するために、振動部の上や電極パッドの上に形成されたシリコン酸化膜をマスクとしてウェットエッチングを行い、振動部の下側にキャビティ（空洞）を形成し、その後、電極パッド上のシリコン酸化膜を除去するために、更に、ウェットエッチングを行い、電極パッドの表面を露出させる、振動デバイスの製造方法が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２０－３６０６３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、電極パッド上のシリコン酸化膜を除去した際に、振動部の周囲に配置され、共振周波数の補正に用いられるシリコン酸化膜も除去してしまうことから、振動素子の共振周波数のバラツキが大きくなるという課題がある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

デバイスの製造方法は、素子と、前記素子を駆動するための素子電極と、前記素子の周囲に配置された枠部と、前記枠部に配置され前記素子電極に接続された電極パッドと、を有する素子基板と、前記素子基板の一方面側に接合された支持基板と、を備えたデバイスの製造方法であって、エッチング液に耐性を有し、前記素子の外形と前記枠部との間の第１開口部と、前記電極パッド上の第２開口部と、を有する保護膜を、前記枠部の他方面側、及び前記素子の他方面側に形成する工程と、前記エッチング液により前記第１開口部を通して前記支持基板をエッチングし、前記素子と前記支持基板との間に空間を形成する工程と、を含む。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】振動デバイスの構成を示す平面図。

【図2】図１に示す振動デバイスのＡ－Ａ線に沿う断面図。

【図3】振動デバイスの製造方法を示す断面図。

【図4】振動デバイスの製造方法を示す断面図。

【図5】振動デバイスの製造方法を示す断面図。

【図6】振動デバイスの製造方法を示す断面図。

【図7】振動デバイスの製造方法を示す断面図。

【図8】振動デバイスの製造方法を示す断面図。

【発明を実施するための形態】

【0007】

まず、図１及び図２を参照しながら、振動デバイス１００の構成を説明する。

【0008】

図１及び図２に示すように、振動デバイス１００は、素子基板１０と、素子基板１０の一方面側に接合された支持基板２０と、を備えている。具体的には、振動デバイス１００は、素子基板１０と支持基板２０との間にＢＯＸ（Buried Oxide）層３０を有するＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板４０を有している。

【0009】

ＳＯＩ基板４０は、シリコン層１０ａと、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）層３０ａと、シリコン層２０ａとが、この順で積層された基板である。シリコン層１０ａは、例えば、単結晶シリコンで構成される。素子基板１０は、シリコン層１０ａを有する。支持基板２０は、シリコン層２０ａを有する。

【0010】

素子基板１０は、素子５０と、素子５０を駆動するための素子電極６１，６２と、素子５０の周囲に配置された枠部７０と、枠部７０に配置され素子電極６１，６２と電気的に接続された電極パッド８０と、を有する。

【0011】

素子５０は、酸化シリコン層３０ａの一部と、シリコン層１０ａの一部と、からなる基部１１を有する。更に、素子５０は、基部１１側から順に、素子調整層１２ａと、圧電駆動部６０と、素子調整層１２ｂと、保護膜２００と、を有する。なお、本実施形態の振動デバイス１００は、素子５０を３つ有している。

【0012】

素子５０と支持基板２０との間には、素子５０が振動する領域である空間９０（キャビティとも称する）が設けられている。

【0013】

素子調整層１２ａ，１２ｂは、素子５０の共振周波数の温度特性を補正するために設けられている。シリコンは、温度が高くなるにつれて低下する共振周波数を有しており、一方、シリコン酸化膜は、温度が高くなるにつれて上昇する共振周波数を有している。従って、素子５０の周囲に、酸化シリコンである素子調整層１２ａ,１２ｂを配設することにより、共振周波数の温度特性をフラットに近付けることができる。

【0014】

圧電駆動部６０は、第１素子電極６１と、圧電体層６３と、第２素子電極６２と、を含んでいる。第１素子電極６１及び第２素子電極６２は、圧電体層６３を挟むように配設されている。

【0015】

第１素子電極６１の材料は、例えば、モリブデン（Ｍｏ）である。圧電体層６３の材料は、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）である。第２素子電極６２の材料は、例えば、モリブデン（Ｍｏ）である。

【0016】

電極パッド８０は、平面視で、素子５０の両側の枠部７０に２つ配置されている。なお、本実施形態では、素子５０が３つ配置されている。この場合、両端の２つの素子５０の第２素子電極６２と電極パッド８０Ａとが電気的に接続されている。また、真ん中の素子５０の第２素子電極６２と電極パッド８０Ｂとが電気的に接続されている。なお、３つの素子５０の第１素子電極６１（図２参照）は、互いに同電位に電気的に接続されている。

【0017】

電極パッド８０は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）に銅（Ｃｕ）を微量添加して構成された下部電極パッド８１と、窒化チタン（ＴｉＮ）で構成された上部電極パッド８２と、が積層されている。このように、窒化チタンで構成された上部電極パッド８２が、第２開口部２０２を介して上面に露出しているので、空間９０を形成するためのエッチング処理によって、下部電極パッド８１がエッチングされることを抑えることができる。

【0018】

２つの電極パッド８０を介して、第１素子電極６１と第２素子電極６２との間に電圧が印加されると、それによって圧電体層６３が伸縮して、隣り合う素子５０が互いに逆相で振動する。その振動は固有の共振周波数において大きく励起されて、インピーダンスが最小となる。その結果、この素子５０を発振回路に接続することで、主に素子５０の共振周波数によって決定される発振周波数で発振する。

【0019】

保護膜２００は、振動デバイス１００における素子５０及び枠部７０の他方面側を覆うように設けられている。素子５０の外形と枠部７０との間の保護膜２００には、第１開口部２０１が設けられている。電極パッド８０の上の保護膜２００には、第２開口部２０２が設けられている。

【0020】

保護膜２００は、エッチング液に耐性を有する材料で構成されている。保護膜２００の材料としては、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）が挙げられる。エッチング液は、例えば、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）である。

【0021】

次に、図３～図８を参照しながら、振動デバイス１００の製造方法を説明する。

【0022】

まず、図３に示す工程では、素子基板１０としてシリコン層１０ａ、ＢＯＸ層３０として酸化シリコン層３０ａ、支持基板２０としてシリコン層２０ａ、が積層されたＳＯＩ基板４０を準備する。

【0023】

素子基板１０の厚みは、例えば、５μｍである。ＢＯＸ層３０の厚みは、例えば、１μｍである。支持基板２０の厚みは、例えば、６００μｍである。

【0024】

次に、図４に示す工程では、ＳＯＩ基板４０の上に、圧電駆動部６０を形成する。具体的には、まず、ＳＯＩ基板４０に熱処理を施し、ＳＯＩ基板４０の表面に、１μｍ程度の酸化シリコンからなる熱酸化膜１２ａを形成する。この熱酸化膜１２ａの一部は、後の素子調整層１２ａとなる。

【0025】

次に、第１素子電極６１となるモリブデン膜６１ａを、例えば、スパッタ装置を用いて、１００ｎｍ成膜する。その後、モリブデン膜６１ａの上に、圧電体層６３となる窒化アルミニウム膜６３ａを、例えば、スパッタ装置を用いて、３００ｎｍ成膜する。次に、第２素子電極６２となるモリブデン膜６２ａを、例えば、スパッタ装置を用いて、１００ｎｍ成膜する。

【0026】

次に、モリブデン膜６２ａの上に、レジストを塗布し、フォトリソグラフィー法を用いて、レジストをパターニングしてレジストパターンを形成する。その後、レジストパターンをマスクとして、モリブデン膜６２ａをエッチング処理（例えば、ドライエッチング）することにより、第２素子電極６２を完成させる。次に、レジストパターンを剥離した後、同様に、フォトリソグラフィー法及びエッチング法を施すことにより、圧電体層６３と第１素子電極６１を形成する。以上により、圧電駆動部６０が完成する。

【0027】

次に、図５に示す工程では、枠部７０の領域に、電極パッド８０を形成する。具体的には、まず、圧電駆動部６０及び熱酸化膜１２ａを覆うように、酸化シリコン膜１２ｂを成膜する。酸化シリコン膜１２ｂの製造方法としては、例えば、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法が用いられる。この酸化シリコン膜１２ｂの一部は、後の素子調整層１２ｂとなる。

【0028】

次に、電極パッド８０となるアルミニウム（Ａｌ）に銅（Ｃｕ）を微量添加したアルミニウム合金膜８０ａと、窒化チタン（ＴｉＮ）膜８０ｂと、を成膜する。成膜する方法としては、例えば、スパッタ装置が挙げられる。アルミニウム合金膜８０ａの厚みは、例えば、３００ｎｍである。窒化チタン膜８０ｂの厚みは、例えば、１００ｎｍである。その後、フォトリソグラフィー法及びエッチング法を施すことにより、電極パッド８０が完成する。

【0029】

次に、図６に示す工程では、素子５０の周囲及び枠部７０の周囲に保護膜２００を形成する。具体的には、まず、電極パッド８０及び酸化シリコン膜１２ｂを覆うように、酸化シリコン膜１２ｃを成膜する。次に、素子５０となる部分を一括ドライエッチングで酸化シリコン層３０ａまで形成する。その後、エッチング液である、水酸化テトラメチルアンモニウムに対して、耐性のある保護膜２００を、素子５０や枠部７０の他方面側に、全面成膜する。

【0030】

保護膜２００は、シリコン（Ｓｉ）に対するエッチング選択比が、１０００以上ある酸化シリコン（ＳｉＯ₂）である。保護膜２００を成膜する方法としては、例えば、高密度プラズマＣＶＤ法が挙げられる。保護膜２００の厚みは、例えば、５００ｎｍである。これにより、素子５０の上面や側壁、枠部７０の上面や側壁に、保護膜２００が成膜される。

【0031】

次に、図７に示す工程では、素子５０の外形と枠部７０との間に第１開口部２０１を形成し、電極パッド８０の上に第２開口部２０２を形成する。なお、保護膜２００に形成する第１開口部２０１と第２開口部２０２とは、フォトリソグラフィー法及びエッチング法を用いて、同時に形成する。

【0032】

この場合、第１開口部２０１は、支持基板２０の上であり、第２開口部２０２は、電極パッド８０の上となり、段差にして、およそ７μｍある。よって、フォトリソグラフィー法を用いた場合、第１開口部２０１及び第２開口部２０２を同時にフォーカスすることが難しい。

【0033】

しかしながら、振動特性に直結する空間９０の形成に比べて、電極パッド８０の上は寸法要求精度が低いため、第１開口部２０１にフォーカスして開口することにより、素子５０の特性ばらつきを低減することができる。

【0034】

なお、ドライエッチングの際は、第１開口部２０１の部分では、支持基板２０であるシリコン層２０ａでエッチングがストップするように、また、第２開口部２０２の部分では、窒化チタンで構成された上部電極パッド８２でエッチングがストップするように、エッチングの加工条件とオーバーエッチ率を調整する必要がある。

【0035】

次に、図８に示す工程では、エッチング液により第１開口部２０１を通して、支持基板２０をエッチング処理し、素子５０と支持基板２０との間に、空間９０を形成する。具体的には、エッチング液は、１１％濃度の水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）である。

【0036】

空間９０は、素子５０が振動した際に、底部に接触しない深さまでエッチングする必要があり、例えば、深さが７５μｍである。酸化シリコンからなる保護膜２００と、窒化チタンからなる上部電極パッド８２とは、どちらも、水酸化テトラメチルアンモニウムに対して極めて高い選択比をもつため、殆ど削れることなく、素子５０を形成することができる。

【0037】

２つの素子電極６１，６２を通して、素子５０に特定の周波数で交流電圧を印加することにより、３つの素子５０がウォークモードで共振し、安定したクロックを生成するタイミングデバイスとして動作する。

【0038】

以上述べたように、本実施形態の振動デバイス１００の製造方法は、素子５０と、素子５０を駆動するための素子電極６１，６２と、素子５０の周囲に配置された枠部７０と、枠部７０に配置され素子電極６１，６２に接続された電極パッド８０と、を有する素子基板１０と、素子基板１０の一方面側に接合された支持基板２０と、を備えた振動デバイス１００の製造方法であって、エッチング液に耐性を有し、素子５０の外形と枠部７０との間の第１開口部２０１と、電極パッド８０上の第２開口部２０２と、を有する保護膜２００を、枠部７０の他方面側、及び素子５０の他方面側に形成する工程と、エッチング液により第１開口部２０１を通して支持基板２０をエッチングし、素子５０と支持基板２０との間に空間９０を形成する工程と、を含む。

【0039】

この方法によれば、第１開口部２０１及び第２開口部２０２を有しエッチング液に耐性を有する保護膜２００を、枠部７０の他方面側、及び素子５０の他方面側に形成してからエッチングを行うので、第１開口部２０１を通して、素子５０と支持基板２０との間に空間９０を形成できると共に、第２開口部２０２によって、電極パッド８０の表面を露出させることができる。また、保護膜２００によって素子５０がエッチングされることが抑えられるので、素子５０の共振周波数のバラツキを低減することができる。

【0040】

また、本実施形態の振動デバイス１００の製造方法において、電極パッド８０は、第２開口部２０２から露出する面に窒化チタンからなる上部電極パッド８２が配置されていることが好ましい。この方法によれば、第２開口部２０２から、エッチング液に対して高い耐性を有する上部電極パッド８２が露出しているので、エッチングを行った際に、下部電極パッド８１が損傷することを抑えることができる。

【0041】

また、本実施形態の振動デバイス１００の製造方法において、保護膜２００は、酸化シリコンであることが好ましい。この方法によれば、保護膜２００が酸化シリコンであるので、エッチング液に対して耐性を有すると共に、エッチングを行った後に、そのまま素子５０として用いることができる。

【0042】

また、本実施形態の振動デバイス１００の製造方法において、支持基板２０は、シリコン基板であり、エッチング液は、水酸化テトラメチルアンモニウムであることが好ましい。この方法によれば、エッチング液に水酸化テトラメチルアンモニウムを用いるので、シリコン基板に、シリコンの結晶方位に従って空間９０を形成することができる。

【0043】

また、本実施形態の振動デバイス１００の製造方法において、保護膜２００を形成する工程の後に、第１開口部２０１及び第２開口部２０２を同時に形成する工程を有することが好ましい。この方法によれば、第１開口部２０１及び第２開口部２０２を同時に形成するので、製造工程を少なくすることが可能となり、かかる工数を少なくすることができる。

【0044】

以下、上記した実施形態の変形例を説明する。

【0045】

上記したように、ＭＥＭＳデバイスとして、三つの素子５０を有する振動デバイス１００の構成を説明したが、これに限定されない。ＭＥＭＳデバイスは、二つの素子５０を備えた音叉型の振動素子、角速度センサー素子、加速度センサー素子、圧力センサー素子、などにも適用することができる。また、圧電膜を用いた超音波センサーやタイミングデバイスで使われる共振子などが挙げられる。

【符号の説明】

【0046】

１０…素子基板、１０ａ…シリコン層、１１…基部、１２ａ…熱酸化膜（素子調整層）、１２ｂ…酸化シリコン膜（素子調整層）、１２ｃ…酸化シリコン膜、２０…支持基板、２０ａ…シリコン層、３０…ＢＯＸ層、３０ａ…酸化シリコン層、４０…ＳＯＩ基板、５０…素子、６０…圧電駆動部、６１…第１素子電極、６１ａ…モリブデン膜、６２…第２素子電極、６２ａ…モリブデン膜、６３…圧電体層、６３ａ…窒化アルミニウム膜、７０…枠部、８０…電極パッド、８０ａ…アルミニウム合金膜、８０ｂ…窒化チタン膜、８１…下部電極パッド、８２…上部電極パッド、９０…空間、１００…振動デバイス、２００…保護膜、２０１…第１開口部、２０２…第２開口部。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】