(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-12-19
(45)【発行日】2022-12-27
(54)【発明の名称】密度を高めたＭＥＭＳ素子
(51)【国際特許分類】
B81C 1/00 20060101AFI20221220BHJP
B81B 3/00 20060101ALI20221220BHJP
H01L 29/84 20060101ALI20221220BHJP
H01L 21/3065 20060101ALI20221220BHJP
【ＦＩ】
B81C1/00
B81B3/00
H01L29/84 A
H01L21/302 104C
【請求項の数】
8
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2020178583
(22)【出願日】2020-10-26
(65)【公開番号】P2021091082
(43)【公開日】2021-06-17
【審査請求日】2021-02-10
(31)【優先権主張番号】20195920
(32)【優先日】2019-10-28
(33)【優先権主張国・地域又は機関】FI
(73)【特許権者】
【識別番号】000006231
【氏名又は名称】株式会社村田製作所
(74)【代理人】
【識別番号】100189430
【弁理士】
【氏名又は名称】吉川 修一
(74)【代理人】
【識別番号】100190805
【弁理士】
【氏名又は名称】傍島 正朗
(72)【発明者】
【氏名】マルコ・ピューサ
【審査官】永井 友子
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第２０１６／０１６７９５４（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２００７／０１４１７７９（ＵＳ，Ａ１）
【文献】独国特許出願公開第１０２０１４２２４５６８（ＤＥ，Ａ１）
【文献】特表２０１９－５２１５１８（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１３／０２９９９２５（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特表２０１０－５０８６６１（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ８１Ｃ １／００
Ｂ８１Ｂ ３／００
Ｈ０１Ｌ ２９／８４
Ｈ０１Ｌ ２１／３０６５
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
シリコンウェハ内に可動回転子を備える微小電気機械デバイスを製造する方法であって、ａ１）回転子本体および／または１以上の固定子電極から１以上の回転子電極を分離する分離領域の水平寸法を規定するように、第１エッチングマスクを前記回転子の上面にパターニングするステップと、
ａ２）前記第１エッチングマスクによって保護されていない前記回転子の領域に、プラズマエッチング工程で複数の第１溝をエッチングするステップと、
ａ３）前記複数の第１溝にセルフサポート材料を充填するステップと、
ａ４）前記１以上の回転子電極の水平寸法を規定するように、充填溝エッチングマスクを前記分離領域に隣接して前記回転子の上面にパターニングするステップと、
ａ５）前記充填溝エッチングマスクによって保護されていない前記回転子の領域に、前記１以上の充填溝をエッチングするステップと、
ｂ１）プラズマエッチング工程において、少なくとも１０の深さ／幅アスペクト比を有する１以上の充填溝を前記回転子にエッチングするステップと、
ｂ２）前記１以上の充填溝に高密度領域が形成されるように、原子層堆積により前記１以上の充填溝内にシリコンより高い密度を有する高密度材料を堆積させることによって前記１以上の充填溝に前記高密度材料を充填するステップと、
ｃ１）前記セルフサポート材料を前記複数の第１溝から除去し、回転子櫛構造体を前記シリコンウェハからリリースするステップとを含む
方法。
【請求項2】
前記高密度材料は、タングステン、タンタル、イットリウム、ネオジム、セリウム、ランタン、ジルコニウム、インジウム、ニオブ、モリブデンまたはハフニウムの炭化物である請求項１に記載の方法。
【請求項3】
前記高密度材料は、タングステン、タンタル、イットリウム、ネオジム、セリウム、ランタン、ジルコニウム、インジウム、ニオブ、モリブデンまたはハフニウムの窒化物である
請求項１に記載の方法。
【請求項4】
前記高密度材料は、タングステン、タンタルまたはイットリウムの酸化物である請求項１に記載の方法。
【請求項5】
シリコンウェハ内に可動回転子を備える微小電気機械デバイスであって、前記可動回転子は、１以上の高密度領域と１以上の回転子電極とを有し、前記回転子内の前記１以上の高密度領域は、シリコンより高い密度を有する少なくとも１つの高密度材料を含み、前記１以上の高密度領域は、前記回転子の１以上の充填溝に前記少なくとも１つの高密度材料を充填することによって前記シリコンウェハ内に形成されており、前記１以上の充填溝は、少なくとも１０の深さ／幅アスペクト比を有し、前記１以上の充填溝は、原子層堆積（ＡＬＤ）工程において前記充填溝内に前記高密度材料を堆積させることによって充填されており、前記微小電気機械デバイスは、１以上の回転子電極および１以上の固定子電極によって形成された容量性力トランスデューサを備え、前記１以上の高密度領域は、前記可動回転子内に前記１以上の回転子電極を形成し、前記１以上の回転子電極は、分離領域によって回転子本体および／または前記１以上の固定子電極から分離されている
微小電気機械デバイス。
【請求項6】
前記高密度材料は、タングステン、タンタル、イットリウム、ネオジム、セリウム、ランタン、ジルコニウム、インジウム、ニオブ、モリブデンまたはハフニウムの炭化物である請求項５に記載の微小電気機械デバイス。
【請求項7】
前記高密度材料は、タングステン、タンタル、イットリウム、ネオジム、セリウム、ランタン、ジルコニウム、インジウム、ニオブ、モリブデンまたはハフニウムの窒化物である請求項５に記載の微小電気機械デバイス。
【請求項8】
前記高密度材料は、タングステン、タンタルまたはイットリウムの酸化物である請求項５に記載の微小電気機械デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、微小電気機械（ＭＥＭＳ）デバイスに関し、より詳細には、可動構造体を有するシリコンＭＥＭＳデバイスに関する。さらに、本開示は、可動構造体の密度を高めるためにシリコンより重い材料を使用することに関する。
【背景技術】
【0002】
通常、微小電気機械（ＭＥＭＳ）デバイスはシリコン基板から製造される。各デバイスは、好ましくは、ウェハ１つ当たりのＭＥＭＳダイの数が最大になり得るように基板上の消費表面積をできるだけ小さくすべきである。しかしながら、小型化は、可動構造体の動きを測定することによって出力信号が生成される、加速度計およびジャイロスコープなどのデバイスには、新たな課題をもたらし得る。可動構造体のサイズが小さくなると、出力信号は、周囲環境に対してより感度が高くなる。非常に小さく軽量の構造体は、周囲の気体分子のブラウン運動から生じる望ましくない動きを受ける可能性がある。これは、出力信号中に熱ノイズを生成する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】米国特許出願公開第２０１６／０１７８６５６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
熱ノイズは、可動構造体の重量を増加させることによって低減することができる。重量増加（面積増加なし）は、例えば、より厚いシリコン基板から構造体を作製することによって達成することができる。しかしながら、より厚い基板で得ることができる重量増加はかなり限定され、厚い基板が使用される場合、製造工程中に小さい凹凸から時々生じ得る構造的ばらつきが通常大きくなる。
【0005】
また、重量は、可動構造体上に追加の材料を堆積させることによって増加させることができる。しかしながら、シリコン構造体の上により重い材料を加えることにより、構造体の重心がデバイスウェハの垂直中点からずれる。これによって、可動構造体のバランスが崩れ、可動構造体は、意図した測定方向とは異なる方向の加速度などの他軸の動きに対して感度が高くなり得る。
【0006】
あるいは、可動構造体の重量は、可動構造体の密度をある特定の領域において高めることで増加させることができる。特許文献１には、化学蒸着工程、スパッタリング工程または電気めっき工程において高密度金属が充填されるウェルを含むシリコン系ＭＥＭＳデバイスが開示されている。この手法に関する課題は、狭く深いウェル内に高密度金属をコンフォーマルに堆積させることができないことである。したがって、ウェルは比較的広くなければならず、この方法は、熱ノイズの影響が最も大きい小型可動構造体に適さない。高密度金属がウェル内にコンフォーマルに充填されない場合、可動構造体の重心はウェハの垂直中点からずれる可能性があり、これは、上述した望ましくない他軸感度につながる。
【0007】
さらに、特許文献１の方法を狭いウェルに用いると、堆積した高密度金属に空隙が生じることがある。これにより、ウェル内の金属の全質量は減少する。また、空隙は、後処理中に開き、製造問題を引き起こす恐れがある。空隙の形成は、ピラミッド状または円錐状のウェルを用いることによって低減することはできるが、自動的に不均一な垂直質量分布を形成し、これも他軸感度につながるであろう。
【0008】
本開示の目的は、上記の欠点を緩和する方法および装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本開示の目的は、独立クレームに記載することを特徴とする方法および構成によって達成される。本開示の好ましい実施形態を従属クレームに開示する。
【0010】
本開示は、原子層堆積を用いて複数の高アスペクト比溝内に高密度材料を堆積させることによって可動シリコンＭＥＭＳ構造体の密度を高めるという発想に基づく。本開示の方法および構成の利点は、可動ＭＥＭＳ構造体の密度が増加し得るように複数の溝をコンフォーマルに充填することができることである。
【図面の簡単な説明】
【0011】
以下に、添付図面を参照しながら、好ましい実施形態によって本開示をより詳細に説明する。
【発明を実施するための形態】
【0012】
本開示では、シリコンウェハ内に作製される微小電気機械（ＭＥＭＳ）デバイスについて説明する。シリコンウェハは、デバイスウェハとも呼び得る。ＭＥＭＳデバイスを構成する微小機械構造体は、エッチング法およびコーティング法によってウェハ内に製造されてもよい。本明細書において、「シリコンウェハ」という用語は、シリコンからなる薄い基板を指し、これは、ウェハをエッチングおよびコーティングすることによって微小電気機械構造体が製造される構造体層（デバイス層とも呼び得る）を形成する。通常、この基板は、別個のはるかに厚いハンドルウェハまたはサポートウェハからの構造的支持を必要とする。
【0013】
本開示において、シリコンウェハと平行な平面を図示し、ｘｙ平面と呼ぶ。これは、デバイス面とも呼び得る。「水平」という用語は、この平面を指す。「垂直」という用語は、水平デバイス面に垂直な方向を指し、図のｚ軸として示す。「上」および「下」という用語は、ｚ座標の差を指す。「高さ」および「深さ」という用語は、（ｚ方向の）垂直距離を指し、「幅」および「長さ」は、（ｘ方向またはｙ方向のいずれかの）水平距離を指す。
【0014】
「垂直」または「水平」などの用語は、ＭＥＭＳデバイスの製造時または使用時のシリコンウェハの向きについて何も示唆していない。デバイスおよびシリコンウェハは、使用中または製造中に任意の適切な方向、例えば、本開示において「水平」と呼ぶ平面が垂直面になるように横に向けられてもよい。言いかえれば、「水平」および「垂直」という用語は、一方がシリコンウェハの表面と平行であり、他方がその表面に垂直である直交する二方向を規定しているに過ぎない。
【0015】
［デバイス例］
本開示では、シリコンウェハ内に可動回転子を備える微小電気機械デバイスについて説明する。回転子は、１以上の高密度領域を有する。回転子内の１以上の高密度領域は、シリコンより高い密度を有する少なくとも１つの高密度材料を含む。１以上の高密度領域は、シリコンウェハの１以上の充填溝に少なくとも１つの高密度材料を充填することによってシリコンウェハ内に形成されている。シリコンウェハの１以上の充填溝は、少なくとも１０の深さ／幅アスペクト比を有する。１以上の充填溝は、原子層堆積（ＡＬＤ）工程において充填溝内に高密度材料を堆積させることによって充填されている。各高密度領域の形状は、当該高密度領域が形成される充填溝の形状に一致する。
本開示では、シリコンウェハ内に可動回転子を備える微小電気機械デバイスについて説明する。回転子は、１以上の高密度領域を有する。回転子内の１以上の高密度領域は、シリコンより高い密度を有する少なくとも１つの高密度材料を含む。１以上の高密度領域は、シリコンウェハの１以上の充填溝に少なくとも１つの高密度材料を充填することによってシリコンウェハ内に形成されている。シリコンウェハの１以上の充填溝は、少なくとも１０の深さ／幅アスペクト比を有する。１以上の充填溝は、原子層堆積（ＡＬＤ）工程において充填溝内に高密度材料を堆積させることによって充填されている。各高密度領域の形状は、当該高密度領域が形成される充填溝の形状に一致する。
【0016】
本開示において、「回転子」という用語は、デバイスが使用されている時に動きを受けるように設計されたデバイス層内の可動部分を指す。この動きは、例えば、ｘ軸、ｙ軸、および／もしくはｚ軸のうちのいずれかに沿った線形平行移動、またはこれらの軸のうちの１以上を中心とする回転であってもよい。いくつかの動きは、例えばＭＥＭＳデバイスが加速度または角回転を受ける時に、外力によって引き起こされ得る。他の動きは、例えば、回転子に接続された容量性または圧電性力トランスデューサによって引き起こされ得る。他の力トランスデューサを使用して、回転子の動きを測定してもよい。用途によっては、回転子はプルーフマスまたはコリオリマスと呼ばれることがある。
【0017】
力トランスデューサは、例えば、回転子上に１セットの回転子電極と、固定子上に１セットの隣接する固定子電極とを含む容量性トランスデューサであってもよい。本明細書において、「固定子」という用語は、例えば、デバイスウェハの不動部分（すなわち、実際上、周囲のデバイスパッケージに対して静止していると考えることができる部分）を指す。あるいは、「固定子」という用語は、ＭＥＭＳデバイスが囲まれる筐体またはパッケージの壁などの、デバイスウェハに隣接する他の固定構造体を指してもよい。回転子電極および固定子電極は、例えば、多数の互いに入り込んだフィンガー電極を含んでもよく、または、１つの固定子電極板と対をなし、かつ平行板測定のために平行に配置された単に１つの回転子電極板を含んでもよい。
【0018】
回転子は、ばねによって固定構造体から懸架されてもよい。固定構造体は、シリコンウェハ自体であってもよい。ばねは、回転子が形成される同じエッチング工程においてシリコンウェハ内に形成されてもよい。ばねは、ばねに撓み変形させる少なくとも１つの適切に薄い寸法を有するバーまたは梁であってもよい。この撓み変形により、回転子は動くことができる。回転子の動きは振動であってもよく、その場合、懸架ばねのばね定数は、振動振幅の１つの決定因子である。ばねは、懸架部とも呼び得る。
【0019】
図１は、ＭＥＭＳデバイス内の回転子１１の側面図を示す。回転子は、シリコン基板１２内に形成されている。回転子は、複数の充填溝がエッチングされた第１水平領域１４１を有する。複数の充填溝には、ＡＬＤ工程において高密度材料が充填され、シリコンウェハ１２内の各第１水平領域１４１にわたって１セットの平行な高密度領域１７（この場合、ｙ方向に延在する）が形成されている。また、回転子１１は、長さ／幅および高さ／幅アスペクト比の大きいフィンガー状回転子電極１５がシリコンウェハ１２内に形成された第２水平領域１４２を有する（長さは、図示したｘｚ平面に垂直なｙ方向に測定され、幅は、ｘ方向に測定され、高さは、ｚ方向に測定される）。第２水平領域１４２は、灰色の柱として示した回転子電極を含む。回転子電極は、回転子櫛構造体を形成する。第２水平領域１４２は、また、回転子櫛構造体を回転子の本体から分離する、白色の開口部として示した１セットの分離領域も有する。分離領域は、回転子櫛同士も互いに分離する。また、これらの分離領域は、隣接する固定子櫛構造体から回転子櫛構造体を分離してもよい。明瞭さを保つために、本開示には隣接する固定子櫛構造体を形成し得る固定子電極を示していない。これらの固定子電極は、例えば、回転子電極と互いに入り込んでいてもよい。
【0020】
また、回転子は、回転子電極のない本体であってもよい。この場合、回転子の動きは、懸架ばね上に配置された圧電アクチュエータによって引き起こされ、感知されてもよい。その際、容量性電極および櫛構造体が必要なくてもよい。
【0021】
【0022】
深さ、形状、堆積方法および材料についての以下の考慮事項は、本開示に示すすべての実施形態に当てはまる。
【0023】
高密度領域１７の垂直高さに一致する複数の充填溝の垂直深さは、図１において文字Ｄで示している。各高密度領域は、図１において同じ垂直高さＤを有する。場合によっては、シリコンウェハ内に高さの異なる高密度領域を形成することが有益であり得るが、その際、余分なマスキングステップが必要となる。
【0024】
図１に示すように、高密度領域１７の高さＤは、シリコンウェハ１２の厚さＴとほぼ等しくてもよい。厚さＴは、例えば５０μｍであってもよく、高さＤは、４０μｍ～５０μｍであってもよい。複数の充填溝は、図１に示すｘｚ平面に垂直なｙ方向に直線的に延在するように、ｘｙ平面内に矩形形状を有してもよい。あるいは、複数の充填溝は、ｘｙ平面内に任意の他の適切な形状を有してもよく、この形状は、回転子のバランス取りなどの設計制約、またはシリコンウェハ１２の上面における電気配線の面積要件に基づいて選択されてもよい。
【0025】
高さＤに通常一致する複数の充填溝の深さは、例えば２０～１００μｍであってもよい。この深さは、ウェハ厚さＴによって制限される。高密度領域１７の幅Ｗも、図１に示している。この幅は、１０μｍ未満、５μｍ未満または２μｍ未満であってもよい。高密度領域の高さ／幅アスペクト比に一致し得る充填溝の深さ／幅アスペクト比Ｄ／Ｗは、例えば、１０より大きく、１５より大きく、または２０より大きくてもよい。ｘｙ平面内における充填溝のパターニングが矩形以外である場合、対応するＤ／Ｗアスペクト比は、幅Ｗが溝パターンの最も狭い部分に一致するように算出されてもよく、充填溝の結果として得られるＤ／Ｗ値は、上に挙げたもののうちのいずれであってもよい。
【0026】
ｘｙ平面において、充填溝は、例えば、正方形、矩形もしくは円形のパターン、２つの矩形が互いに交差する十字パターン、または、これらのパターンの任意の組合せを有してもよい。異なるようにパターニングされた複数の充填溝が同じ回転子内に形成されてもよく、それらの充填溝のｘｙ平面内における表面積は、一般に、重要になり得る設計上のあらゆる考慮事項を満たすように自由に最適化することができる。
【0027】
深さ／幅アスペクト比が大きい溝は、原子層堆積（ＡＬＤ）によってコンフォーマルに充填することができる。コンフォーマルに充填するとは、図１に示すように、溝のいずれの部分にもギャップまたはエアポケットを残すことなく溝に高密度材料が充填されることを意味する。それによって、高密度材料は、各充填溝の垂直方向において均一に分布し、回転子の密度分布は、充填溝の配置および形状の点で計画された分布に一致する。
【0028】
高密度材料は、タングステン、タンタル、イットリウム、ネオジム、セリウム、ランタン、ジルコニウム、インジウム、ニオブ、モリブデンまたはハフニウムの炭化物であってもよく、例えば、ＷＣ、ＴａＣｘ（ｘは０．４～１）、ＹＣ２、ＮｄＣ２、ＣｅＣ２、ＣｅＣ２、ＺｒＣ、ＮｂＣ、Ｎｂ２Ｃ、ＭｏＣ、Ｍｏ２ＣまたはＨｆＣであってもよい。あるいは、高密度材料は、タングステン、タンタル、イットリウム、ネオジム、セリウム、ランタン、ジルコニウム、インジウム、ニオブ、モリブデンまたはハフニウムの窒化物、例えば、ＷＮ、ＷＮ２、ＴａＮまたはＨｆＮであってもよい。あるいは、高密度材料は、タングステン、タンタルまたはイットリウムの酸化物、例えば、ＷＯ３、Ｔａ２Ｏ５またはＹ２Ｏ３であってもよい。あるいは、高密度材料は、上に挙げた任意の元素の窒化物－炭化物混合物、酸化物－炭化物混合物もしくは窒化物－酸化物混合物、または上に挙げた材料のうちの２以上を含む複合材料であってもよい。
【0029】
上に挙げた材料のうちのいくつかは、非晶質構造体を有してもよい。このような材料から形成された高密度領域は、低い内部応力を示す。また、挙げた材料のうちのいくつかは、ＨＦなどの通常のエッチング剤に対して金属ほど反応しない。これにより、例えば、以下により詳細に説明する高密度回転子電極の製造が可能になる。さらに、挙げた材料のうちのいくつかは、高密度領域と、隣接するシリコン面との間に強い接着性を与える。
【0030】
図２は、別の実施形態の回転子２１の側面図を示す。参照番号２１、２２、２５および２４１は、図１の参照番号１１、１２、１５および１４１に対応する。しかしながら、回転子２１は、高密度領域２７が、回転子電極２５が形成される第２水平領域２４２にも存在している点で回転子１１と異なる。言いかえれば、高密度領域２７のうちの少なくともいくつかは、これらの高密度領域が回転子電極の一部を形成するように、回転子電極の寸法を規定する複数の充填溝に設けられている。高密度領域を有する回転子電極は、回転子基部２９を含む。図２に示すように、回転子電極のうちのいくつかは高密度領域を有してもよく、他の回転子電極はシリコンのみを含む。また、図２に示すデバイスは、第１水平領域２４１にも高密度領域２７を有する。あるいは、回転子は、回転子電極のみが高密度材料を含むように、第２水平領域にのみ高密度領域を有することができるであろう。
【0031】
図３は、別の実施形態の回転子３１の側面図を示す。参照番号３１、３２および３４１は、図２の参照番号２１、２２および２４１に対応する。回転子３１は、第２水平領域３４２の高密度領域３７が、対応する回転子電極３５全体を形成する点で回転子２１と異なる。言いかえれば、回転子電極は、図２の２９などの回転子基部を含まない。あるいは、回転子電極のうちのいくつかはシリコンからなってもよく、他の回転子電極は高密度材料からなる。前述同様、回転子は、第２水平領域３４２のみに、または両方の領域３４１および３４２に高密度領域を有してもよい。
【0032】
図１、図２および図３に示す回転子において、（図１に示すように）ＤがＴと等しくないことから、重心がウェハの垂直中点から僅かにずれる場合がある。回転子は、例えば、厚さがＴ－Ｄと等しいシリコンの追加の層を回転子の上に堆積させることによって、バランスを取り戻してもよい。あるいは、高密度領域に追加の複数のバランス溝（図示せず）をエッチングしてもよい。これらのバランス溝のエッチング中に高密度領域から除去される質量は、例えば（ＲＨＤ－ＲＳｉ）＊（Ｔ－Ｄ）＊Ａと等しくてもよく、ここで、ＲＨＤは高密度材料の密度であり、ＲＳｉはシリコンの密度であり、Ａは充填溝の水平面積である。
【0033】
回転子内の１以上の充填溝は、高密度材料を含むように１以上の回転子電極を規定してもよい。言いかえれば、１以上の高密度領域は、回転子内に１以上の回転子電極を形成してもよい。１以上の回転子電極は、分離領域によって回転子本体および／または１以上の固定子電極から分離されてもよい。回転子電極は、１セットの平行なフィンガー電極を含む回転子櫛構造体を形成してもよい。あるいは、回転子電極は、回転子板構造体を形成してもよい。回転子電極は、回転子の動きを検出するまたは回転子の動きを作動させるために使用可能な容量性トランスデューサを形成するように、隣接する固定子櫛構造体／固定子板構造体と対をなしてもよい。この場合、回転子電極に使用される高密度材料は、電気測定を容易にするために少なくとも部分的に導電性を有するべきである。回転子電極は、例えば、上記複数の充填溝に対して特定された高さ、幅、および高さ／幅アスペクト比のうちのいずれかを有してもよい。
【0034】
回転子電極の密度を高めることは、第２水平領域２４２が回転子の全水平表面積の比較的大きい部分を覆う用途、回転子電極が回転軸から最も遠く離れた回転子の一部である用途、または第１水平領域の回転子の水平面に複数の充填溝を形成することができない用途において、特に役立ち得る。
【0035】
［方法例］
次に、高密度領域を有するデバイス構造体を製造する例示的方法について説明する。この方法は、プラズマエッチング工程において、少なくとも１０の深さ／幅アスペクト比を有する１以上の充填溝を回転子にエッチングするステップ（このステップはｂ１と呼び得る）と、次に、１以上の充填溝に高密度領域が形成されるように、原子層堆積により１以上の充填溝内に高密度材料を堆積させることによって１以上の充填溝に高密度材料を充填するステップ（このステップはｂ２と呼び得る）とを含む。
次に、高密度領域を有するデバイス構造体を製造する例示的方法について説明する。この方法は、プラズマエッチング工程において、少なくとも１０の深さ／幅アスペクト比を有する１以上の充填溝を回転子にエッチングするステップ（このステップはｂ１と呼び得る）と、次に、１以上の充填溝に高密度領域が形成されるように、原子層堆積により１以上の充填溝内に高密度材料を堆積させることによって１以上の充填溝に高密度材料を充填するステップ（このステップはｂ２と呼び得る）とを含む。
【0036】
プラズマエッチング工程は、深掘り反応性イオンエッチング工程（ＤＲＩＥ）、または、例えば水酸化カリウム（ＫＯＨ）もしくは水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）で行われるウェットエッチング工程であってもよい。
【0037】
高密度領域は、回転子本体（例えば、それぞれ図１、図２および図３の第１水平領域１４１、２４１および３４１に対応する）および／または回転子電極（それぞれ図２および図３の第２水平領域２４２および３４２に対応する）に製造されてもよい。図２および図３が示すように、これらの２つの手法を組み合わせて、回転子本体および回転子電極の両方に高密度領域を有する構造体を形成することができる。図１～図３と異なり、図４、図５、図７および図８は、回転子（中央）と、デバイスウェハ内の周囲の固定構造体（端部）との両方を示す。図６は、回転子のみを示す。
【0038】
本明細書において、「回転子本体」という用語は、回転子電極構造体を含まない回転子の水平領域を指す。回転子本体は、第１水平領域１４１、２４１および３４１と部分的または完全に同一の広がりを有してもよいが、高密度領域が存在しない領域を有してもよい。シリコンウェハは、例えば、充填溝のない回転子本体と、高密度材料からなる回転子電極とを含んでもよい。
【0039】
図４は、高密度材料から形成される回転子電極、例えば、図２および図３に示した上記回転子電極を作製するために用いることができる方法を示す。ステップｂ１およびｂ２を図に示している。順序は、左上の図から始まり、左の列に沿って下へ進み、次に、右上の図から続き、右の列を下へ進む。ハンドルウェハ４８上にデバイスウェハ４１を含むシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）・ウェハをステップａ０ａに示す。回転子はデバイスウェハ４１内に形成され、デバイスウェハ４１は、以下、シリコンウェハと呼ぶ。
【0040】
シリコンウェハ４１上に光抵抗性材料４２０を堆積させ（ステップａ０ｂ）、この材料をパターニングして、第１エッチングマスク４２を回転子の上面に形成する（ステップａ１）。第１エッチングマスク４２は、回転子本体および／または１以上の固定子電極から１以上の回転子電極を分離する分離領域の水平寸法を規定する。次に、第１エッチングマスク４２によって保護されていない回転子の領域に、プラズマエッチング工程で複数の第１溝４３をエッチングする（ステップａ２）。第１エッチングマスク４２を任意選択で除去した（ステップａ２ｂ）後、複数の第１溝４３にセルフサポート材料４４０を充填する（ステップａ３）。次に、シリコンウェハ上に別のマスク材料４５０を堆積させ（ステップａ３ａ）、パターニングして（ステップａ４）、１以上の回転子電極の水平寸法を規定するように、充填溝エッチングマスク４５を分離領域に隣接して回転子の上面に形成する。次に、充填溝エッチングマスク４５によって保護されていない回転子の領域に、１以上の充填溝４６をエッチングし（ステップａ５およびａ５ａ）、その後、ステップｂ１およびｂ２を行うことができる。この方法は、高密度材料が充填溝にしか残らないように、例えばプラズマエッチング工程において、シリコンウェハの上面から高密度材料を除去する任意選択の次のステップ（ステップｂ２ａ）を含んでもよい。その後、セルフサポート材料を複数の第１溝から除去し（ステップｃ１）、その結果、ここで複数の第１溝の空きスペースが分離領域になる。そして、シリコンウェハ４１をハンドルウェハ４８に付着させている接着層の除去を行うことによって、高密度回転子電極４７をシリコンウェハからリリースすることができる（ステップｃ１）。１以上の回転子電極４７は、示したｘｚ平面からｙ方向に離れたポイント（図示せず）において回転子本体に取り付けられている。
【0041】
言いかえれば、ステップａ３、ａ３ａおよびａ４においてセルフサポート材料４４０により形成された仮壁４４間に複数の充填溝４６をエッチングすることによって、シリコンウェハ内に高密度回転子電極４７を形成することができる。セルフサポート材料は、仮壁材料とも呼び得る。本明細書において、「セルフサポート」という用語は、この材料が、シリコン壁で支持されていない場合でも自重で（または、製造工程中に当該材料に影響を及ぼし得るであろう他の要因から）崩壊も変形もすべきでないことを指す。例えばステップｂ１に示すように、仮壁４４は、複数の充填溝４６がエッチングされる場合でも、複数の第１溝４３の位置によって規定された位置に立ったままである。中壁４４は、支持されていない壁を示す。１以上の回転子電極が多数のフィンガー電極を含む実用的実施形態では、セルフサポート仮壁４４の大部分は、通常支持されていないであろう。
【0042】
セルフサポート材料４４０は、例えば二酸化ケイ素であってもよく、例えば、前駆体としてオルトケイ酸テトラエチル（ＴＥＯＳ）が使用される化学蒸着工程において堆積させてもよい。あるいは、セルフサポートエッチングマスク材料は、化学蒸着工程またはスピンオングラス工程において堆積する二酸化ケイ素または窒化ケイ素であってもよい。また、セルフサポートエッチングマスクの材料は、金属、例えば、ＰＶＤ工程において堆積するアルミニウム、または原子層堆積によって堆積する酸化アルミニウムＡｌ２Ｏ３であってもよい。他の代替物としては、蒸着またはスプレーコーティングによって堆積する、ポリイミドなどのポリマーまたはフォトレジストが挙げられる。
【0043】
実際には、セルフサポート材料に必要な物理的特性は、シリコンウェハにエッチングされる微小機械構造体の寸法、特に第１溝４３の寸法に依存する。複数の第１溝４３がｘ方向に比較的広い場合、比較的可撓性を有しかつ／または展性を有する材料４４０であってもロバストな仮壁４４を形成することができる。より狭い寸法では、仮壁４４が処理中に変形しないことを確実にするように、より剛性を有しかつ／またはより頑丈な材料４４０が必要となる。
【0044】
複数の充填溝４６は、ステップｂ１に示すように、薄いシリコン基部４９が各回転子電極４７の底部を形成するようにシリコンウェハ４１をほぼすべて貫通してエッチングしてもよい。次に、高密度材料４７０は、下にある基部４９上に堆積する。基部４９が薄い場合、または基部４９がステップｃ１の後に除去される場合には、高密度材料とシリコン回転子との間の接着は、高密度回転子櫛構造体が回転子本体に取り付けられているポイントにおいて当該高密度回転子櫛構造体の重量を確実に支持するために、十分に強くするべきである。
【0045】
図４はＳＯＩウェハ上で行う工程を示すが、別の方法でハンドルウェハに付着させたシリコンウェハに対しても、僅かな変更を加えて同じ工程を用いることができる。シリコンウェハは、例えば、ハンドルウェハとシリコンウェハとの間に空きスペース（またはキャビティ）ができるようにハンドルウェハ上方に懸架してもよい。
【0046】
図５は、少なくとも第２水平領域の下にキャビティ５２を有するシリコンウェハ５１内に高密度回転子電極を製造する工程をより詳細に示す。シリコンウェハ５１は、キャビティ壁の外側のハンドルウェハ５８上に位置する。この場合、キャビティ上方に可動回転子が形成され、可動回転子は、デバイス使用時に部分的にキャビティ内およびキャビティ外に動き得る。図５の参照番号５４０、５５０、５７０および５４～５９は、それぞれ図４の参照番号４４０、４５０、４７０および４４～４９に対応する。図５のステップａ３の前に行うステップも、図４のステップａ０ａ～ａ２ｂに対応する。キャビティ５２の存在は、これらのステップに影響を及ぼさない。複数の第１溝は、図４のステップａ２においてシリコンウェハ４１を貫通してエッチングするのと全く同じように、シリコンウェハ５１を貫通してエッチングする。図５のステップｂ１～ｂ２ａも、図４のステップｂ１～ｂ２ａに直接対応する。
【0047】
セルフサポート材料５４０は、先の例において言及した材料のうちのいずれであってもよい。しかしながら、考えられる材料の範囲は、選択された堆積方法によって制限される可能性があり、その逆も同様である。図５は、第１溝の深さ－幅アスペクト比が大きい場合にセルフサポート壁５４がとり得る形状を概略的に示し、セルフサポート材料５４０は蒸着工程において堆積させる。一方、図４に示した形状は、セルフサポート材料を原子層堆積によって堆積させる場合にセルフサポート壁がとる形状に対応する。
【0048】
通常、蒸着工程では第１溝の底部よりも上部が速く充填されるため、とがった断面を有する空きスペースが複数の第１溝に形成されている（ステップａ３）ことが図５から分かる。次に、複数の充填溝５６をエッチングする際（ステップｂ１）、同じとがった断面は、セルフサポート壁５４内に保持される。このことは、セルフサポート材料５４０に利用可能な材料選択または堆積方法を時々制限することがある。壁５４は、下からの追加的支持なしでステップｂ２ａにおいて高密度領域５７の重量の一部を保持するために、十分な構造的完全性を有するべきである。しかしながら、一旦（例えばステップｃ１ａにおいて）高密度回転子電極の形成が完了すると、取付ポイントは別のｙ座標に位置することから、全重量は図５７に示していない取付ポイントにおいて回転子本体によって保持される。
【0049】
一旦ステップｂ２において高密度回転子電極５７が形成されると、高密度材料が充填溝にしか残らないように高密度材料の余分な層をステップｂ２ａのプラズマエッチング工程において除去してもよい。次に、セルフサポート材料を複数の第１溝から除去し（ステップｃ１）、その結果、この領域が分離領域になる。複数の充填溝５６は、好ましくは、適切な厚さの基部５９が各充填溝の下にできるような深さまでエッチングするべきである（ステップｂ１）。この基部５９は、セルフサポート材料の除去後、高密度領域の下に残る。この場合、基部５９は、セルフサポート材料を除去した後、キャビティ５２内で等方性エッチングを行うことによって高密度回転子櫛構造体５７から完全に除去してもよい（ステップｃ１ａ）。
【0050】
図６は、回転子本体内に高密度領域を設ける方法を示す。ステップｂ１およびｂ２を再び示しており、参照番号６５、６６および６７０は、それぞれ図４の参照番号４５、４６および４７０に対応する。この場合、複数の充填溝６６は回転子本体内に形成する。複数の充填溝６６には、原子層堆積工程において高密度材料６７０を充填する。図４のように、高密度材料６７０のうちの回転子全体に積層された部分を除去し、そして工程が完了すると、高密度領域６８は、最終ステップｂ４において回転子本体の一部を形成する。
【0051】
図６に示す工程は、引き続き、各高密度領域６８の境界に沿って複数の第２溝をエッチングし、次に、下にあるウェハから高密度領域をリリースすることができるであろう。その後、先の例のように、高密度領域は高密度回転子電極を形成することができるであろう。しかしながら、高い精度および再現性が得られるように、これらの第２垂直溝のエッチングを制御するマスクを高密度領域６８の境界と位置合わせすることは、通常難しい。
【0052】
図７は、図３に示した回転子電極などの高密度回転子電極と、さらに任意選択で、同じ高密度材料からなる隣接する固定子電極とを作製する方法を示す。例えば図６の領域６８と同様に、シリコン・オン・インシュレータ・ウェハ内に高密度領域７８を形成する。次に、分離溝マスク７３によって保護されていない領域に１以上の分離溝７４をエッチングする。複数の分離溝は、隣接する電極構造体を互いに分離してもよい。その後、少なくとも回転子の下にある領域から絶縁層７７を除去する。この場合、回転子電極７５は、図７において唯一の可動部分であるが、回転子は、図１、図２および図３に関して上述した構造体のうちのいずれも含むことができるであろう。デバイスウェハに固定されたままの高密度領域７６は、例えば、ｘ方向の平行板測定用の固定子電極に用いられてもよい。あるいは、固定子電極は、フィンガー状回転子電極７５と互いに入り込んだフィンガー電極にすることができるであろうが、この選択肢は図７に示していない。
【0053】
用途によっては、高密度領域がシリコンの層間に挟まれている回転子電極を意図的に製造することが好ましい場合がある。図８は、この工程を、デバイスウェハ８１がハンドルウェハ８８に付着しているＳＯＩウェハ内でどのように行い得るかについて示す。
【0054】
図８のステップｂ２は、図６のステップｂ２に対応し、参照番号８７０は、図６の６７０に対応する。図８のｂ２に続くステップは、図６のｂ２に続くステップと異なる。シリコンウェハ上に溝マスク材料８９０を堆積させ（ステップｄ１）、パターニングして溝マスク８９を形成する（ステップｄ２）。ステップｄ２に示すように、溝マスク８９は、各高密度領域を覆い、また、高密度領域と、隣接するシリコン領域との各境界にわたって僅かな距離だけ延在する。
【0055】
次に、ＤＲＩＥ工程において複数の第２垂直溝８２をエッチングし（ステップｄ３）、溝マスク８９および他の残りのマスクを除去する（ステップｄ４およびｄ５）。ここでは、各高密度回転子電極８７は、シリコン壁８５が両側の側面に位置する高密度領域を中央に有する。言いかえれば、高密度回転子電極８７内の高密度領域は、２つのシリコン壁８５に挟まれている。図１に示したＳＯＩウェハでは、その後、デバイスウェハ８１をハンドルウェハ８８に付着させる接着層をエッチング除去することによって、回転子櫛構造体をリリースする。懸架されたシリコンウェハ内で同じ工程を行う場合は、リリースステップは必要ないかもしれない。任意選択の隣接する固定子電極８９も、同様のシリコン壁が側面に位置してもよい。
【0056】
いくつかの高密度材料は、シリコンウェハ内での複数の深い垂直溝のＤＲＩＥエッチング、または等方性リリースエッチングに使用されるエッチング液に反応する場合がある。他の高密度材料は、そのようなエッチング液に反応しない。図４および図５に示した工程において、高密度材料４７０／５７０は、好ましくは、セルフサポート壁４４／５４を除去するために使用されるエッチング液に反応すべきではない。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
