JP3585337B2 - Micro device having hollow beam and method of manufacturing the same - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、温度センサ、赤外線センサ、振動センサ、加速度センサ及びマイクロジャイロ等のマイクロデバイス及びその製造方法に関し、特に、シリコン基板からの熱影響を極力抑制することができる中空梁を有するマイクロデバイス及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
温度センサ等のマイクロデバイスはシリコン基板の上に形成されているが、このシリコン基板からの熱影響を最小限にするために、デバイスを梁により支持したシリコン基板上に形成する技術が公知である。
【0003】
図6は従来の中空梁を有するマイクロデバイスを示す断面図である。シリコン基板1の表面に凹部2が形成されており、このシリコン基板1の上に、SiO2膜3及びSi3N4膜4が形成されている。そして、このSiO2膜3及びSi3N4膜4は、凹部2上で細い梁状(線状)にエッチング形成されており、この梁部の中央に多結晶シリコン層5が設けられている。この多結晶シリコン層5上に温度センサ等の機能素子が形成されている。この従来のマイクロデバイスにおいては、センサが形成された多結晶シリコン層5はSiO2膜3及びSi3N4膜4の積層体からなる梁上に支持され、基板としてのこれらの積層体に対する接触面積が極めて小さいので、センサはその支持基板からの熱の影響を受けにくいという利点がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来の中空梁を有するマイクロデバイスは、SiO2膜3とSi3N4膜4との積層体で構成されているので、その内部応力及び熱膨張の差により反り及び撓みが生じやすいという欠点がある。また、温度センサ等の機能素子が形成される基板は、多結晶シリコン層5であるので、単結晶基板上に機能素子を形成した場合と比較して、その感度が低い。
【0005】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、梁の反り及び撓みが極めて少なく、また、感度が優れた中空梁を有するマイクロデバイス及びその製造方法を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る中空梁を有するマイクロデバイスは、その表面に凹部が形成されたシリコン基板と、前記凹部周縁部上の部分と凹部上に掛け渡された線状の梁部分とを有しシリコン酸化膜、シリコン窒化膜及びシリコン酸化膜の3層からなる3層体と、前記梁部分の中心部上に設けられたシリコン層からなる素子形成部とを有することを特徴とする。
【0007】
この中空梁を有するマイクロデバイスにおいて、前記シリコン層は単結晶シリコン層であることが好ましい。
【0008】
本発明に係る中空梁を有するマイクロデバイスの製造方法は、第1シリコン基板上に第1シリコン酸化膜を形成する工程と、第2シリコン基板上に第2シリコン酸化膜とその上にシリコン窒化膜とを形成する工程と、前記第1シリコン酸化膜とシリコン窒化膜とを重ねて第1及び第2シリコン基板を相互に接合する工程と、前記第2シリコン基板を研削して所定の厚さにする工程と、前記第2シリコン基板をエッチングして素子形成部を形成する工程と、前記第1シリコン酸化膜、シリコン窒化膜及び第2シリコン酸化膜をエッチングして線状の梁部分を形成する工程と、前記梁部分の下方の前記第1シリコン基板の表層部をエッチングして前記梁部分の下方に凹部を形成する工程と、を有することを特徴とする。
【0009】
この中空梁を有するマイクロデバイスの製造方法において、前記第2シリコン基板は単結晶シリコン基板であることが好ましい。
【0010】
本発明においては、梁部分はシリコン酸化膜、シリコン窒化膜及びシリコン酸化膜の3層積層体から構成されており、同種の2層に異種の1層が挟まれているので、温度変化が生じてもそれにより梁部分に反り及び撓みが生じることはない。また、本発明方法においては、第1シリコン基板と第2シリコン基板とを貼り合わせ、その後、前記第2シリコン基板を研削して所定厚さにすることにより、素子形成用のシリコン層を形成するので、この素子の基板となるシリコン層は単結晶シリコン基板とすることができる。このため、この単結晶シリコン層上に感温素子等の機能素子を形成すれば、感度が高いマイクロデバイスを得ることができる。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図1は、本発明の実施例に係るマイクロデバイスを示す断面図(a)及び平面図(b)である。シリコン基板11の表面(貼り合わせ面)には、凹部12が形成されており、このシリコン基板11の上に、SiO2膜13、Si3N4膜14及びSiO2膜15からなる3層積層体が形成されている。この積層体はシリコン基板11の凹部12の周縁部上の部分21と、凹部12上の梁部分22とからなり、梁部分22は、周縁部上部分21の4隅部からその中心部に向けて延びる線状のものである。そして、梁部分22はこの線状の部分が集まる中心部に矩形の部分を有する。この積層体の中心部の矩形部分上に、矩形の単結晶シリコン層16が設けられている。この単結晶シリコン層16には、酸素センサ等の機能素子が形成されている。
【0012】
このように構成されたマイクロデバイスにおいては、単結晶シリコン層16に機能素子が形成されているので、温度センサ等の感度が優れている。また、図5(a)に示すように、SiO2膜はSi層に比して熱膨張係数が大きく、このため、温度が上昇すると積層体はSiO2膜が外側になるように撓み、図5(b)に示すように、Si3N4膜はSi層に比して熱膨張係数が低く、このため、温度が上昇すると積層体はSi3N4膜が内側になるように撓む。このように、酸化膜と窒化膜とは逆向きの応力を有する。従って、本実施例のように、SiO2膜13と、Si3N4膜14と、SiO2膜15とを積層した3層構造の梁においては、熱膨張係数が小さいSi3N4膜を中心とし熱膨張係数が大きなSiO2膜がその両側に配置されているので、2つの界面において逆の向きの応力を受け、SiO2膜13,15とSi3N4膜14との熱膨張が相殺し合うので、反り及び撓みが発生することはない。
【0013】
次に、図2乃至図4及び図1に基づいて本実施例のマイクロデバイスの製造方法について説明する。先ず、図2に示すように、第1シリコン基板11上に、SiO2膜13を例えば5000Åの厚さに形成する。一方、ボンドシリコン基板17の表面にSiO2膜15を例えば5000Åの厚さに形成し、更にこのSiO2膜15の上にSi3N4膜14を例えば1500Åの厚さに形成する。
【0014】
そして、図3に示すように、Si3N4膜14とSiO2膜13とを重ね、挟圧力を印加しつつ例えば1100℃に加熱することにより、両者を直接接合する。
【0015】
更に、図4に示すように、ボンド基板17における接合面の反対側の面を研磨し、その厚さを例えば5μmにする。このようにして、薄膜の単結晶シリコン層18を得る。
【0016】
次いで、単結晶シリコン層18に酸素センサ等の所定の機能素子を半導体薄膜形成技術により形成する。その後、図1(b)に示すように、単結晶シリコン層18をエッチングによりパターニングすることにより、中心部に微細な素子16を残存させる。次いで、SiO2膜15,Si3N4膜14及びSiO2膜13からなる積層体をエッチングして、ブリッジとなる梁部分22をパターン形成する。更に、梁部分の下方のシリコン基板11を所定形状にエッチングすることにより、シリコン基板11の表面に矩形の凹部12を形成する。
【0017】
本実施例においては、このシリコン基板11のエッチング時に、ボンドシリコン基板側にSi3N4膜14が形成されているので、引張り応力が印加されたシリコン基板11と、圧縮応力が印加されたシリコン基板18との接合界面にエッチング液が入り込むことがない。このため、図1に示すシリコン基板11の凹部12を形成する際に、SiO2膜13と、Si3N4膜14との界面にエッチング液が入り込み、ウエハが剥離するようなことはない。
【0018】
また、本実施例においては、ボンド基板を貼り合わせ、このボンド基板を研磨することにより、機能素子を形成する薄膜のシリコン層を得ているので、機能素子を形成する薄膜シリコン層を単結晶シリコン層とすることができる。このため、本実施例により、感度が優れたセンサ素子を容易に得ることができる。
【0019】
なお、本発明は上記実施例に限定されず、例えば、凹部の代わりに、シリコン基板を貫通する凹部とすることもできる。
【0020】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、機能素子を形成するシリコン層を支持する梁部分に、シリコン酸化膜と、シリコン窒化膜と、シリコン酸化膜との3層積層体を使用しているので、梁部分に反り及び撓みが生じることを防止できる。また、シリコン窒化膜とシリコン酸化膜とを直接接合しているので、界面の密着性がよい膜を形成することができ、このため、シリコン基板のエッチング時の薬品のしみ込みを防止することができる。更に、素子形成用のシリコン層として単結晶シリコン層を使用した場合は、高感度の素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例を示す図であり、(a)は断面図、(b)は平面図である。
【図2】本発明の実施例方法を示す1工程の図である。
【図3】図2の次の工程を示す図である。
【図4】図3の次の工程を示す図である。
【図5】反りを説明する図である。
【図6】従来のマイクロデバイスを示す断面図である。
【符号の説明】
1,11:シリコン基板
2,12:凹部
3,13,15:SiO2膜
4,14:Si3N4膜
17:ボンドシリコン基板
16,18:単結晶シリコン層[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a micro device such as a temperature sensor, an infrared sensor, a vibration sensor, an acceleration sensor, and a micro gyro and a method for manufacturing the same, and in particular, a micro device having a hollow beam capable of minimizing the influence of heat from a silicon substrate, and It relates to the manufacturing method.
[0002]
[Prior art]
A micro device such as a temperature sensor is formed on a silicon substrate. In order to minimize a thermal effect from the silicon substrate, a technique for forming a device on a silicon substrate supported by beams is known. .
[0003]
FIG. 6 is a sectional view showing a micro device having a conventional hollow beam. A
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, since this conventional micro device having a hollow beam is composed of a laminate of the SiO 2 film 3 and the Si 3 N 4 film 4, warpage and bending are likely to occur due to differences in internal stress and thermal expansion. There is a disadvantage that. Further, since the substrate on which the functional element such as a temperature sensor is formed is the
[0005]
The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide a microdevice having a hollow beam with extremely low warpage and deflection and excellent sensitivity, and a method for manufacturing the same.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
A micro device having a hollow beam according to the present invention includes a silicon substrate having a concave portion formed on the surface thereof, a portion on the peripheral portion of the concave portion, and a linear beam portion bridged over the concave portion. It has a three-layer body composed of three layers of a film, a silicon nitride film and a silicon oxide film, and an element formation part composed of a silicon layer provided on a central portion of the beam portion.
[0007]
In the micro device having the hollow beams, the silicon layer is preferably a single crystal silicon layer.
[0008]
According to the method of manufacturing a micro device having a hollow beam according to the present invention, a first silicon oxide film is formed on a first silicon substrate, a second silicon oxide film is formed on a second silicon substrate, and a silicon nitride film is formed thereon. Forming the first silicon oxide film and the silicon nitride film, and bonding the first and second silicon substrates to each other; and grinding the second silicon substrate to a predetermined thickness. Forming a device forming portion by etching the second silicon substrate, and forming a linear beam portion by etching the first silicon oxide film, the silicon nitride film and the second silicon oxide film. And a step of etching a surface layer portion of the first silicon substrate below the beam portion to form a concave portion below the beam portion.
[0009]
In the method for manufacturing a micro device having a hollow beam, the second silicon substrate is preferably a single crystal silicon substrate.
[0010]
In the present invention, the beam portion is composed of a three-layer laminate of a silicon oxide film, a silicon nitride film, and a silicon oxide film. However, this does not cause warping or bending of the beam portion. Further, in the method of the present invention, a first silicon substrate and a second silicon substrate are bonded to each other, and then the second silicon substrate is ground to a predetermined thickness to form a silicon layer for element formation. Therefore, the silicon layer serving as the substrate of this element can be a single crystal silicon substrate. Therefore, if a functional element such as a temperature-sensitive element is formed on the single crystal silicon layer, a microdevice with high sensitivity can be obtained.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a sectional view (a) and a plan view (b) showing a micro device according to an embodiment of the present invention. A
[0012]
In the micro device configured as described above, since the functional element is formed in the single
[0013]
Next, a method for manufacturing the microdevice of this embodiment will be described with reference to FIGS. 2 to 4 and FIG. First, as shown in FIG. 2, an SiO 2 film 13 is formed on the
[0014]
Then, as shown in FIG. 3, the Si 3 N 4 film 14 and the SiO 2 film 13 are overlapped and heated to, for example, 1100 ° C. while applying a clamping pressure, so that the two are directly joined.
[0015]
Further, as shown in FIG. 4, the surface of the
[0016]
Next, a predetermined functional element such as an oxygen sensor is formed on the single
[0017]
In the present embodiment, since the Si 3 N 4 film 14 is formed on the bond silicon substrate side when the
[0018]
Further, in this embodiment, the bond substrate is bonded and the bond substrate is polished to obtain a thin-film silicon layer for forming the functional element. It can be a layer. Therefore, according to the present embodiment, a sensor element having excellent sensitivity can be easily obtained.
[0019]
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment. For example, instead of the concave portion, a concave portion penetrating the silicon substrate may be used.
[0020]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a three-layer laminate of a silicon oxide film, a silicon nitride film, and a silicon oxide film is used for a beam portion supporting a silicon layer forming a functional element. Therefore, it is possible to prevent the beam portion from warping and bending. In addition, since the silicon nitride film and the silicon oxide film are directly bonded, a film having good adhesiveness at the interface can be formed, and therefore, it is possible to prevent chemical penetration during etching of the silicon substrate. it can. Further, when a single crystal silicon layer is used as a silicon layer for forming an element, a highly sensitive element can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a view showing an embodiment of the present invention, in which (a) is a sectional view and (b) is a plan view.
FIG. 2 is a one-step diagram showing a method according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a view showing a step subsequent to FIG. 2;
FIG. 4 is a view showing a step subsequent to FIG. 3;
FIG. 5 is a diagram illustrating warpage.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a conventional micro device.
[Explanation of symbols]
1, 11:
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