微小電気機械式装置及びその作製方法
【課題】可動部を有する微小電気機械式装置（ＭＥＭＳ）の機械的強度を向上させ、歩留まり及び信頼性を向上させる。
【解決手段】可動部を有する微小電気機械式装置（ＭＥＭＳ）において、従来では中空部であった部分に充填用材料を充填する。充填用材料としては、弾性を有する絶縁性材料を用いる。弾性を有する絶縁性材料は、例えばエラストマーが挙げられる。中空部が充填されることで、機械的強度が向上する。更には、作製工程中における構造体上部の反りを防止し、歩留まりが向上する。このようにして作製された微小電気機械式装置は、信頼性の高いものとなる。
【解決手段】可動部を有する微小電気機械式装置（ＭＥＭＳ）において、従来では中空部であった部分に充填用材料を充填する。充填用材料としては、弾性を有する絶縁性材料を用いる。弾性を有する絶縁性材料は、例えばエラストマーが挙げられる。中空部が充填されることで、機械的強度が向上する。更には、作製工程中における構造体上部の反りを防止し、歩留まりが向上する。このようにして作製された微小電気機械式装置は、信頼性の高いものとなる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
微小電気機械式装置に関する。また、該微小電気機械式装置の作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）の研究が盛んに進められている。ＭＥＭＳは、微小電気機械システムの略称であり、単にマイクロマシンと呼ばれることもある。マイクロマシンとは、一般的には、半導体微細加工技術を用いて作製した「立体構造を有し、可動する微小構造体」と「半導体素子を有する電子回路」とを集積した微細デバイスを指す。上記の微小構造体は半導体素子とは異なり、可動部を有することが一般的である。
【０００３】
上記の微小構造体は構造層と中空部とを有し、構造層は可動部を有する。構造層の可動部が動作するため、上記の微小構造体には機械的な強度が必要とされる。特許文献１には、機械的な強度の高い微小構造体の一例として、金属を用いて熱結晶化又はレーザ結晶化された多結晶シリコンを含む層を有し、当該層の下方又は上方に空間を有するマイクロマシンが開示されている。
【特許文献１】特開２００７−１００４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の微小構造体は、可動部の動作領域を確保するために、中空部を有する。中空部の形成は、まず中空部となる箇所に犠牲層を形成し、構造層等を形成後にこの犠牲層をエッチング等により除去することで行う。例えば、構造層の可動部が基板表面と垂直な方向に動作する微小構造体では、微小構造体の下部を形成し、この微小構造体の下部上に犠牲層を形成し、この犠牲層上に微小構造体の上部を形成し、微小構造体の上部形成後に犠牲層をエッチング等により除去する。このようにして、中空部を有する微小構造体を作製する。
【０００５】
しかし、上記のように犠牲層を用いて中空部を形成すると、作製工程中に微小構造体の上部電極と微小構造体の下部電極とが強く接触等することで破損し、又は破壊されやすくなるといった問題がある。また、上部電極と下部電極との間にスティッキングを生じることで、正常な動作ができなくなるといった問題があった。ここで、スティキングとは、微小構造体の可動部の動作によって、上部電極と下部電極とが強く接触して離れることができない状態となる現象をいう。
【０００６】
更には、犠牲層を用いて中空部を形成する場合には、犠牲層が完全にエッチングされず、エッチング残りが生じることも問題となっていた。
【０００７】
または、作製された微小構造体の上部が動作することで、微小構造体が破損し、又は破壊されることがある。これは中空部の高さが高い場合又は構造層の靭性が十分でない場合に特に顕著である。
【０００８】
更には、中空部を設けることで、その中空部を有する構造体が反り等により変形してしまい、所望の構造が得られないという問題がある。
【０００９】
上記問題に鑑み、作製工程を複雑化することなく上記問題が解決された微小構造体及びその作製方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一は、相対する一対の電極が空間により隔離され、可動する構造体に少なくとも一方の電極が設けられている微小構造体において、該空間に絶縁性材料が充填された構成を有する微小構造体である。該絶縁性材料は、可動部が動作する際に該絶縁性材料により形成された充填材料層が変形できるよう、弾性を有する材料を用いる。ここで、弾性を有する材料とは、構造層を支持することができ、且つ構造層の動作を妨げない程度の弾性率を有する材料をいう。
【００１１】
本発明の一は、微小構造体を有する微小電気機械式装置であって、前記微小構造体は、絶縁表面上に設けられた下部電極層と、該下部電極層上に設けられた充填材料層と、該充填材料層上に設けられた前記下部電極と対向する上部電極層と、該上部電極層上に設けられた構造層と、を有し、前記構造層は、前記下部電極層とに向かう方向又は前記下部電極層から遠ざかる方向に可動する構造を有し、好ましくは、前記充填材料層は、弾性を有する絶縁性材料を有することを特徴とする微小電気機械式装置である。
【００１２】
または、本発明の一は、微小構造体を有する微小電気機械式装置であって、前記微小構造体は、絶縁表面上に設けられた充填材料層と、該充填材料層上に設けられた上部電極層と、該上部電極層上に設けられた構造層と、を有し、前記構造層は、前記充填材料層の厚さ方向に可動する構造を有し、前記充填材料層は、弾性を有する絶縁性材料であることを特徴とする微小電気機械式装置である。
【００１３】
そして、上記構成を有する微小電気機械式装置において、前記絶縁性材料はエラストマー又は熱可塑性エラストマーであることが好ましい。
【００１４】
また、本発明の一は、絶縁表面上に下部電極層を形成し、前記下部電極層上に弾性を有する絶縁性材料からなる第１の充填材料層を形成し、前記第１の充填材料層上に上部電極層を形成し、前記上部電極層上に構造層を形成することを特徴とする微小電気機械式装置の作製方法である。
【００１５】
または、本発明の一は、絶縁表面上に下部電極層を形成し、前記下部電極層を上に弾性を有する絶縁性材料からなる膜を全面に形成し、前記弾性を有する絶縁性材料からなる膜上に金属マスクを選択的に形成し、前記金属マスクを用いて前記弾性を有する膜をエッチングして充填材料層を形成し、前記充填材料層上に上部電極層を形成し、前記上部電極層上に構造層を形成することを特徴とする微小電気機械式装置の作製方法である。
【００１６】
そして、上記構成を有する微小電気機械式装置の作製方法において、前記絶縁性材料はエラストマー又は熱可塑性エラストマーであることが好ましい。弾性を有する充填材料層を形成しやすいためである。また、熱可塑性エラストマーを用いることで、形成後の加工を良好に行うことができる。すなわち、様々な形状に加工することや、精度よく加工することが容易になる。
【００１７】
更には、前記エラストマー又は前記熱可塑性エラストマーは、溶媒に溶かされて形成されることが好ましい。溶媒を用いることで、スピンコーティング法等の好ましい各種の作製方法を適用することができるからである。
【００１８】
また、前記エラストマー又は前記熱可塑性エラストマーは、スピンコーティング法により形成されることが最も好ましい。スピンコーティング法を用いることで、充填材料層の厚さ及び膜質にむらを生じることなく形成できるからである。
【００１９】
なお、本明細書中において、弾性を有する材料とは、可動部である構造層の動作を阻害せず、且つ可動部である構造層の動作により塑性変形することなく、弾性変形するものをいう。
【００２０】
なお、本明細書中において、エラストマーとは、柔軟性及び反発弾性を有する有機系樹脂材料をいい、そのヤング率が約１．０×１０６Ｐａ以上１．０×１０７Ｐａ以下のものをいう。
【００２１】
なお、本明細書中において、熱可塑性エラストマーとは、常温ではエラストマーと同様に柔軟性及び反発弾性等を有し、加熱により成形可能となるエラストマーをいう。熱可塑性エラストマーには、ウレタン系、スチレン系、ビニル系又はエステル系等があるが、特定の材料に限定されない。
【００２２】
なお、弾性を有する材料としては、形成後に所定の処理（熱、薬液処理等）を行うことにより軟化し、又は硬化する材料を用いることが好ましい。特に、所定の処理を行うことにより軟化と硬化を可逆的に行うことができる材料を用いることが好ましい。
【発明の効果】
【００２３】
微小構造体の上部が動作することによる微小構造体の破損及び破壊を防止することができる。従って、中空部の高さが大きい場合又は構造層の靭性が十分に確保できない場合であっても、微小構造体を作製することができる。
【００２４】
電極間にスティッキングが生じず、反復して動作が可能な微小構造体を作製することができる。
【００２５】
また、作製工程において犠牲層を形成する必要がないため、犠牲層の残存に起因する歩留まりの低下を防止することができ、歩留まりよく微小構造体を作製することができる。
【００２６】
更には、複雑な作製工程を経ることなく、微小構造体を作製することができる。また、微小構造体が有する充填材料層の厚さを均一にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
実施の形態について、図面を参照して以下に説明する。ただし、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解されるため、以下に示す実施の形態の記載内容のみに限定して解釈されるものではない。
【００２８】
（実施の形態１）
微小構造体及び微小構造体の作製方法について、図面を参照して説明する。
【００２９】
図１は、本発明の微小構造体の断面図（図１（Ａ））及び上面図（図１（Ｂ））の一例を示す。図１の微小構造体では、基板１００上に下部電極層１０１が設けられ、下部電極層１０１上には充填材料層１０２が設けられている。充填材料層１０２上には上部電極層１０３が設けられ、上部電極層１０３上には構造層１０４が設けられている。下部電極層１０１と上部電極層１０３との間隔はｄ（ｍ）である。
【００３０】
下部電極層１０１と上部電極層１０３との間は充填材料層１０２により隔離され、容量素子が形成されている。ここで、下部電極と上部電極の面積が等しくＳ（ｍ２）であるとし、この容量素子の静電容量をＣ（Ｆ）、誘電率をε（Ｆ／ｍ）とすると、以下の式（１）が成立する。
【００３１】
【数１】
【００３２】
ここで、構造層１０４が押し下げられると、下部電極層１０１と上部電極層１０３との間隔ｄが変化し、静電容量が変化する。このときの静電容量の変化量ΔＣは、押し下げられる前の静電容量Ｃ０及び押し下げられた後の静電容量Ｃ１を用いると以下の式（２）で表される。
【００３３】
【数２】
【００３４】
すなわち、押し下げられる前の間隔をｄ０とし、押し下げられた後の間隔をｄ１とすると、ΔＣは以下の式（３）で表される。
【００３５】
【数３】
【００３６】
従って、ΔＣを検知することにより、下部電極層１０１と上部電極層１０３の間隔ｄの変化量が明らかになる。
【００３７】
なお、図２は、従来の微小構造体の一例を示す。図２の微小構造体では、図１の微小構造体において、充填材料層１０２が設けられている部分が中空部１１０になっている。なお、図２（Ａ）が断面図、図２（Ｂ）が上面図である。
【００３８】
次に、図１に示す微小構造体の作製方法の一例について図面を参照して説明する。まず、基板１００上に下部電極層１０１を選択的に形成する（図３（Ａ）を参照）。
【００３９】
基板１００には特に限定はなく、例えば、半導体基板、ガラス基板、石英基板、プラスチック基板又はステンレス基板等を用いることができるが、絶縁性基板を用いることが好ましい。半導体基板又はステンレス基板を用いる場合には、これらの基板上に絶縁膜を形成し、絶縁性表面とすることが好ましい。
【００４０】
下部電極層１０１は、例えば、導電膜を基板１００上に形成し、該導電膜上にフォトリソグラフィー法によりレジストマスクを形成し、該レジストマスクを用いて導電膜の所望の箇所をエッチング等により除去することで、選択的に形成することができる。下部電極層１０１を形成する材料は特に限定されず、導電性を有する材料により形成すればよい。導電性を有する材料としては、例えば、タンタル、タングステン、チタン、モリブデン、アルミニウム、銅から選ばれた元素又はこれらの元素を主成分とする合金材料若しくは化合物材料で形成すればよい。または、一導電型の不純物元素が添加されたシリコンでもよいし、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）等の透明導電膜を用いても良い。なお、形成方法についても特に限定されず、スパッタリング法、ＣＶＤ法又は液滴吐出法等を用いることができる。液滴吐出法を用いると、エッチングを行うことなく、所望のパターンを形成することができるため、工程数が削減される。なお、下部電極層１０１は、単層で形成しても良いし、複数の層を積層して形成しても良い。
【００４１】
次に、下部電極層１０１上に充填材料層１０２を形成する。充填材料層１０２は好ましくは有機材料により設けられるため、レジストマスクを用いたエッチングによるパターンの形成が困難である。そのため、金属膜をマスクとして用いる場合について以下に説明する。
【００４２】
まず、下部電極層１０１上に有機膜１２０を形成し、有機膜１２０上に金属膜１２１を形成し、金属膜１２１上にレジストマスク１２２を選択的に形成する（図３（Ｂ）を参照）。有機膜１２０は、後述の充填材料層１０２を形成する材料を用いて形成する。形成方法としては、例えばスピンコート法等を用いればよい。
【００４３】
次に、レジストマスク１２２を用いて金属膜１２１をエッチングすることで、金属マスク１２３を形成する（図３（Ｃ）を参照）。金属膜１２１のエッチングは、金属膜を構成する材料に応じて条件を設定すればよい。例えば、金属膜１２１の材料がタングステンである場合には、塩素ガス雰囲気におけるドライエッチングを用いることができる。レジストマスク１２２及び有機膜１２０に対してエッチング選択比がとれる（すなわち、金属膜１２１に対するエッチングレートが高く、有機膜１２０及びレジストマスク１２２に対するエッチングレートが低い）条件を適用することが好ましい。この後、レジストマスク１２２を除去する。
【００４４】
次に、金属マスク１２３を用いて有機膜１２０をエッチングすることで、充填材料層１０２を形成する（図３（Ｄ）を参照）。有機膜１２０のエッチングには、例えば酸素ガスを用いてドライエッチングを行えばよい。その後、金属マスク１２３を除去する。なお、金属マスク１２３を除去することなく、微小構造体の上部電極として用いても良い。金属マスク１２３を除去することなく微小構造体の上部電極として用いる場合には、エッチングにより所望の形状に加工しても良い。
【００４５】
なお、以上の説明では、充填材料層１０２の形成に金属マスクを用いたエッチングを適用した例を示したが、本発明は必ずしもこれに限定されない。例えば、有機膜１２０に感光性材料を混合させて露光を行うことで、パターンを形成することもできる。
【００４６】
以上説明したように、下部電極層１０１上に充填材料層１０２を選択的に形成することができる（図３（Ｅ）を参照）。充填材料層１０２は、微小構造体の動作に応じて変形するため、この変形に耐えうる弾性を有する絶縁性材料の膜により形成する。該材料膜を形成した後に下部電極層１０１と同様に所望の箇所をエッチング除去等することで、選択的に形成することができる。または、液滴吐出法等により選択的に形成しても良い。
【００４７】
本発明の充填材料層１０２を形成する材料としては、弾性を有する絶縁性材料を用いる。好ましくは、形成後に所定の処理（熱、薬液処理等）を行うことにより、軟化し、又は硬化する材料を用いる。このような材料として、例えば、エラストマー又は熱可塑性エラストマーが挙げられる。エラストマー又は熱可塑性エラストマーを用いると、形成が行いやすいため好ましい。
【００４８】
エラストマーとは、柔軟性及び反発弾性を有する有機系樹脂材料をいい、そのヤング率が約１．０×１０６Ｐａ以上１．０×１０７Ｐａ以下のものをいう。エラストマーの対義語としてプラストマーがある。
【００４９】
なお、充填材料層１０２を形成する材料としては、高分子エラストマーを用いることが好ましい。高分子エラストマーとしては、ポリウレタン樹脂、エチレン−酢酸ビニル樹脂、エチレン−エチルアクリレート樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリアミド系樹脂、ブタジエンゴム、ブチルゴム、スチレンブタジエンゴム、ニトリルゴム、イソプレンゴム、クロロプレンゴム若しくはシリコーンゴム等の合成ゴム類、又はそれらの変形体が挙げられるが、これらに限定されない。また、これらの材料の一又は複数種を組み合わせてもよいし、可塑剤等を添加して弾性率を調整してもよい。
【００５０】
高分子エラストマーの形成方法としては、例えば、含漬法、コーティング法、スクリーン法、グラビア法、スプレー法又は液滴吐出法等を用いればよい。これらの方法により形成する場合には、高分子エラストマーの材料を溶質として含む溶液により形成した後に、エラストマーを固化する必要がある。従って、充填材料層として用いる高分子エラストマーは、常温乾燥型エラストマー又は常温架橋型エラストマーであることが好ましい。常温乾燥型エラストマー又は常温架橋型エラストマーを用いると、エラストマーの固化を目的とした処理（加熱処理又は乾燥処理等）が不要であり、作製工程が簡略化するからである。
【００５１】
なお、常温乾燥型エラストマー又は常温架橋型エラストマーとしては、常温で乾燥するもの又は常温で架橋を形成するもののみならず、常温よりやや高い温度で乾燥するもの又は常温よりやや高い温度で架橋を形成するものも含まれる。また、常温乾燥型エラストマーにおける溶媒は、沸点が常温と同程度のものよりも常温よりやや高い程度の温度のものを用いることが好ましい。沸点が常温に近いものでは形成時に沸騰が起こる可能性があるからである。例えば、塩化メチレン（沸点：４０℃）又はアセトン（沸点：５６℃）等よりもベンゼン（沸点：８０℃）又はクロロホルム（沸点：６１℃）を用いることが好ましい。更には、一定時間以上放置することで蒸発しうる溶媒すべてを用いることができる。
【００５２】
なお、常温とは、一般には概ね１５℃以上２５℃以下の温度範囲をいうが、本発明はこれに限定されない。常温乾燥型エラストマー又は常温架橋型エラストマーとしては、約０℃以上約１００℃以下で乾燥するもの又は約０℃以上約１００℃以下で架橋を形成するものを用いればよい。勿論、乾燥又は架橋の形成が上記温度範囲内で低温であることが好ましい。
【００５３】
充填材料層１０２として用いるエラストマー又は熱可塑性エラストマーの形成方法として、最も好ましくはスピンコーティング法を用いる。スピンコーティング法を用いることで、充填材料層１０２の厚さ及び膜質にむらを生じることなく形成できるからである。充填材料層１０２の厚さ及び膜質の均一性を高くすることで、充填材料層１０２の強度分布におけるむらの発生を防止することができるため、歩留まり及び信頼性が向上し、好ましい。
【００５４】
常温乾燥型エラストマーは、常温で揮発する有機溶剤に高分子エラストマーの固形物を溶解させることで作製することができる。例えば、溶剤希釈型ウレタン又は溶剤希釈型アクリル等を用いればよい。
【００５５】
常温架橋型エラストマーは、空気中の水分を吸収して硬化する湿気硬化型又は紫外光（ＵＶ）、電子ビーム（ＥＢ）若しくは可視光等のエネルギーによって硬化するもの（ＵＶ硬化型、ＥＢ硬化型若しくは可視光硬化型）を用いればよい。可視光硬化型を用いる場合には、可視光を遮断した空間にて所定の処理を行い、エラストマーの硬化時にのみ可視光に暴露すればよい。可視光硬化型を用いることで、既に形成している層に紫外光又は電子ビーム等を照射することなく充填材料層を形成することができるため、紫外光又は電子ビーム等を照射するための設備が不要であり、好ましい。これらは、エラストマーを有機溶剤等に溶解させ、またはエラストマーを水に分散させ、または溶剤等の媒体を用いることなく作製することができる。
【００５６】
高分子エラストマーの固形物を水に分散させて塗布する場合には、均一に形成することが困難である。ソリッドインクは疎水性の成分が多いためである。従って、エラストマーを水に分散させることなく形成することが好ましい。常温架橋型としては、例えば湿気硬化ウレタン樹脂又は紫外線硬化アクリル樹脂等を用いることができる。常温乾燥型エラストマー及び常温架橋型エラストマーでは特に高温にすることなく形成することができ、既に形成している層を変質等させることなく充填材料層を形成することができる。
【００５７】
また、エラストマーは所望の形状に加工することが困難であるため熱可塑性エラストマーを用いてもよい。熱可塑性エラストマーを用いることで、成形が容易になるため好ましい。すなわち、様々な形状に加工することや、精度よく加工することが容易になるため好ましい。
【００５８】
なお、熱可塑性エラストマーとは、常温ではエラストマーと同様に柔軟性及び反発弾性等を有し、加熱により塑性を発現するエラストマーをいう。熱可塑性エラストマーには、ウレタン系、スチレン系、ビニル系又はエステル系等があるが、特定の材料に限定されない。または、所定の処理を行うことにより可塑性を発現する材料を用いてもよい。
【００５９】
次に、充填材料層１０２上に上部電極層１０３を形成する（図３（Ｆ）を参照）。上部電極（第２の電極）は、下部電極（第１の電極）と対向する位置に形成される。上部電極層１０３の形成は、下部電極層１０１と同様の材料を用いて、同様の方法により形成すればよい。即ち、導電膜を全面に形成し、所望の箇所をエッチング除去等することで形成すればよい。
【００６０】
次に、充填材料層１０２を覆って、上部電極層１０３上に構造層１０４を選択的に形成する（図３（Ｇ）を参照）。構造層１０４の形成は、第１の電極層等と同様に、材料膜を全面に形成し、この材料膜の所望の箇所をエッチング除去して形成すればよい。
【００６１】
構造層１０４の材料としては、ある程度の靭性を有する材料であれば特定の材料に限定されない。例えば、アルミニウム膜にチタン膜が積層され、該チタン膜上に酸化窒化シリコンが形成された、積層構造体を用いることができる。ここで、アルミニウム膜及びチタン膜はスパッタリング法により形成し、酸化窒化シリコン膜はＣＶＤ法等により形成すればよいが、形成方法についても特に限定されない。
【００６２】
以上説明したように、本発明の微小構造体を形成することができる。本発明の微小構造体は従来の微小構造体とは異なり、中空部に変形可能な材料が充填されている。そのため、中空部を有する従来の微小構造体よりも機械的強度の高い微小構造体を作製することができる。機械的強度が向上することで、作製工程中又は動作中の不良の発生を防ぐことができるため、歩留まりが向上し、信頼性が向上する。
【００６３】
また、本発明の微小構造体は中空部を有さないため、犠牲層を形成する必要がない。従って、犠牲層を形成する工程及び犠牲層を除去する工程が不要であり、作製工程数を減らすことができる。また、従来の微小構造体の作製では、犠牲層のエッチング除去が十分でない場合、残存した犠牲層により歩留まりが低下することがあった。本発明を適用することで、このような残存した犠牲層による歩留まりの低下を防ぐことができ、歩留まりが向上する。
【００６４】
また、上部電極層１０３及び構造層１０４により微小構造体が歪みゲージを構成している場合には、下部電極層１０１を形成しなくても良い。また、本発明はセンサのみならず、アクチュエータにも適用することができる。
【００６５】
または、構造層１０４にバイメタルを適用すると、バイメタル効果により駆動するアクチュエータを作製することができる。
【００６６】
このような微小構造体を用いることで、力学的センサを作製することができる。この力学的センサにより、例えば圧力センサを作製することができる。また、上記のアクチュエータにより、干渉方式のディスプレイ等を作製することができる。
【００６７】
また、上記の説明では、充填材料層の側面がテーパ形状でない場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、充填材料層の側面はテーパ形状であっても良い（図１０（Ａ）を参照）。図１０（Ａ）に示す微小構造体では、基板１００上に下部電極層１３１が設けられ、下部電極層１３１上に充填材料層１３２が設けられている。充填材料層１３２上には上部電極層１３３が設けられ、上部電極層１３３上には構造層１３４が設けられている。充填材料層１３２の側面はテーパ形状に加工されている。充填材料層１３２の側面をテーパ形状とすることで、この上に形成される構造層等を被覆性よく形成することができる。そのため、微小構造体の下部電極層１３１及び上部電極層１３３に電気的に接続される配線の断切れを防ぐことができ、作製工程における歩留まりが向上する。
【００６８】
更には、本発明の充填材料層は液滴吐出法によって形成することもできる（図１０（Ｂ）を参照）。図１０（Ｂ）に示す微小構造体では、基板１００上に下部電極層１３６が設けられ、下部電極層１３６上に充填材料層１３７が設けられている。充填材料層１３７上には上部電極層１３８が設けられ、上部電極層１３８上には構造層１３９が設けられている。液滴吐出法により形成した充填材料層１３７は、曲面状に形成されている。すなわち、充填材料層の表面が曲面となるように形成しても良い。
【００６９】
以上説明したように、本発明は一つの形態に限定されず、様々な構造の微小構造体に適用することが可能である。従来の微小構造体では中空部であった空間に充填材料層を設けることで、微小構造体の上部が動作することによる微小構造体の破損及び破壊を防止することができる。従って、中空部の高さが大きい場合又は構造層の靭性が十分に確保できない場合であっても、機械的強度が高く、信頼性の高い、可動部を有する微小構造体を歩留まりよく作製することができる。
【００７０】
また、微小構造体では、下部電極と上部電極とが接触しないため電極間のスティッキングが生じず、反復して動作が可能な微小構造体を作製することができる。
【００７１】
また、本発明の微小構造体の作製工程においては犠牲層を形成する必要がないため、犠牲層のエッチング残りに起因する不良の発生を防止し、歩留まりよく微小構造体を作製することができる。
【００７２】
更には、本発明の微小構造体の作製方法を用いることで、複雑な作製工程を経ることなく、微小構造体を作製することができる。また、微小構造体が有する充填材料層の厚さを均一にすることができる。
【００７３】
なお、本実施の形態は最も簡略な一例を示したのみであり、微小構造体の機能に応じて様々な形態にすることが可能である。特に、微小構造体のサイズ又は形状等は実施者が必要に応じて適宜変更しうるものである。
【００７４】
以上説明したように、本発明の微小構造体を作製することができる。
【００７５】
（実施の形態２）
本実施の形態では、本発明の半導体装置の構成例及びその作製方法について図面を参照して説明する。
【００７６】
本発明の半導体装置は、マイクロマシンの分野に属するものであり、一般に、マイクロメートルからミリメートル単位の大きさを有する。また、ある機械装置の部品として組み込まれるために作製される場合は、組み立て時に扱いやすいよう、半導体装置がメートル単位の大きさを有する場合もある。
【００７７】
図４に、本発明の半導体装置の一例についてブロック図を示す。本発明の半導体装置２３１は電気回路部２３２及び構造体部２３３を有する。電気回路部２３２は、半導体素子を用いて設けられ、構造体部２３３を制御する制御回路２３４、及び外部の制御装置２３０と通信を行うインターフェース２３５を有する。また、構造体部２３３は、微小構造体により設けられたセンサ２３６、アクチュエータ２３７及びスイッチ等を有する。構造体部２３３は、センサ、アクチュエータ及びスイッチのいずれか一を有していても良い。
【００７８】
また、電気回路部２３２は、構造体部２３３が得た情報を処理するための中央演算処理装置、及び処理した情報を記憶するメモリ等を有していてもよい。
【００７９】
外部の制御装置２３０は、半導体装置２３１を制御する信号を送信し、半導体装置２３１が得た情報を受信し、または半導体装置２３１に駆動電力を供給する等の動作を行う。
【００８０】
なお、本発明は上記の構成例のみに限定されない。つまり、本発明の半導体装置は、微小構造体を制御する電気回路、及び該電気回路により制御される微小構造体を有していればよく、その他の構成は図４に限定されない。
【００８１】
次に、上記で説明した本発明の半導体装置を作製するために、同一基板上に微小構造体と、半導体素子とを作製する方法について、図５乃至図７を参照して説明する。各図面は、上面図と、上面図のＯ−Ｐにおける断面図を示す。
【００８２】
本発明の微小構造体及び半導体素子は、一の絶縁表面を有する基板（以下、絶縁性基板という。）上に形成することができる。ここで絶縁性基板としては、ガラス基板、石英基板又はプラスチック基板等が挙げられる。さらに、金属等の導電性基板、又はシリコン等の半導体基板上に絶縁性を有する層を形成した基板でもよい。一のプラスチック基板に微小構造体と半導体素子とを形成することにより、柔軟性が高く、薄型の半導体装置を作製することができる。また、ガラス基板を研磨等により薄くすることによって、薄型の半導体装置を作製することもできる。
【００８３】
本発明の半導体装置では、微小構造体が充填材料層を有する。充填材料層は実施の形態１にて説明したようにエラストマーにより形成されることが好ましい。しかし、エラストマーは薄膜トランジスタの作製工程に耐えうる程度の耐熱性を有していない場合が多いため、本実施の形態では、基板上にまずは薄膜トランジスタを形成し、その後、微小構造体を形成する作製方法について説明する。
【００８４】
まず、絶縁性基板２０１上に下地膜２０２を形成する。下地膜２０２は、酸化シリコン系材料膜又は窒化シリコン系材料膜等により絶縁膜を単層で、又は積層して形成する。ここでは下地膜２０２として２層構造の絶縁膜を形成する場合を説明する。なお、特に必要のない場合には下地膜２０２を設けなくても良い。
【００８５】
なお、酸化シリコン系材料とは、酸素とシリコンとを主成分とする酸化シリコン、または酸化シリコンが窒素を含有し、且つ酸素の含有量が窒素の含有量よりも多い酸化窒化シリコンをいう。窒化シリコン系材料とは、窒素とシリコンとを主成分とする窒化シリコン、または窒化シリコンが酸素を含有し、窒素の含有量が酸素の含有量よりも多い窒化酸化シリコンをいう。
【００８６】
本実施の形態では、下地膜２０２は２層の積層構造とする。下地膜２０２の１層目としては、例えば、プラズマＣＶＤ法により、ＳｉＨ４、ＮＨ３、Ｎ２Ｏ及びＨ２を反応ガスとして用いて形成される窒化シリコン系材料膜を１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の厚さで、好ましくは５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の厚さで形成する。ここでは、膜厚５０ｎｍの窒化酸化シリコン膜を形成する。次に、１層目の上に下地膜２０２の２層目としてプラズマＣＶＤ法により、ＳｉＨ４とＮ２Ｏを反応ガスとして用いて形成される酸化シリコン系材料膜を５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の厚さで、好ましくは１００ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の厚さで形成する。ここでは、膜厚１００ｎｍの酸化窒化シリコン膜を形成する。
【００８７】
次に、下地膜２０２上に半導体膜を形成し、任意の形状にエッチング等することで、半導体層２０４を得る（図５（Ａ１）及び（Ａ２）を参照）。半導体層２０４は、主成分としてシリコンを有する材料から形成することができる。シリコンを有する材料としては、シリコンからなる材料、またはゲルマニウムを０．０１〜４．５ａｔｏｍｉｃ％程度有するシリコンゲルマニウム材料等が挙げられる。
【００８８】
半導体層２０４には、結晶状態を有するもの、または非晶質状態を有するものを用いることができる。ここでは、非晶質半導体膜を形成し、該非晶質半導体膜に対して加熱処理を行うことで結晶化される、結晶性半導体膜を形成する。加熱処理には、加熱炉による加熱、レーザ照射若しくはレーザ光の代わりにランプから発する光の照射（以下、ランプアニールという。）又はそれらを組み合わせて用いることができる。
【００８９】
レーザ照射を用いる場合には、連続発振型のレーザ光（ＣＷレーザ光）やパルス発振型のレーザ光（パルスレーザ光）を用いることができる。レーザ光としては、Ａｒレーザ、Ｋｒレーザ、エキシマレーザ、ＹＡＧレーザ、Ｙ２Ｏ３レーザ、ＹＶＯ４レーザ、ＹＬＦレーザ、ＹＡｌＯ３レーザ、ガラスレーザ、ルビーレーザ、アレキサンドライトレーザ、Ｔｉ：サファイヤレーザ、銅蒸気レーザ若しくは金蒸気レーザのうち一種又は複数種から発振されるレーザ光を用いることができる。このようなレーザ光の基本波、又は第２高調波から第４高調波のレーザ光を照射することで、大粒径の結晶を得ることができる。例えば、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザ（基本波１０６４ｎｍ）の第２高調波（５３２ｎｍ）又は第３高調波（３５５ｎｍ）を用いることができる。このときのレーザ光のエネルギー密度は０．０１ＭＷ／ｃｍ２以上１００ＭＷ／ｃｍ２以下程度、好ましくは０．１ＭＷ／ｃｍ２以上１０ＭＷ／ｃｍ２以下とする。そして、走査速度を１０ｃｍ／ｓｅｃ以上２０００ｃｍ／ｓｅｃ以下程度とする。
【００９０】
なお、連続発振の基本波のレーザ光と連続発振の高調波のレーザ光とを照射してもよいし、連続発振の基本波のレーザ光とパルス発振の高調波のレーザ光とを照射してもよい。
【００９１】
また、パルス発振型のレーザ光であって、半導体層がレーザ光によって溶融した後固化するまでの間に、次のパルスのレーザ光を照射できる周波数で発振させたレーザ光を用いることもできる。このような周波数でレーザ光を発振させることで、走査方向に向かって連続的に成長した結晶粒を得ることができる。具体的なレーザ光の発振周波数は１０ＭＨｚ以上とする。これは、通常用いられている数十Ｈｚ〜数百Ｈｚの周波数帯と比較すると、著しく高いものである。
【００９２】
または、レーザ照射以外の手段により加熱処理を行っても良い。例えば、加熱炉を用いた加熱処理を行うことができる。加熱炉を用いる場合には、非晶質半導体膜に対して４００℃以上５５０℃以下で２時間以上２０時間以下の加熱を行うとよい。このとき、徐々に高温となるように温度を４００℃以上５５０℃以下の範囲で多段階に設定するとよい。多段階で設定する場合、一段階目の温度を４００℃程度とすることで、非晶質半導体膜に含まれる水素等が放出されるため、結晶化の際の膜荒れを低減し、又は膜の消失を防止することができる。さらに、結晶化を助長する金属、例えばニッケルを用いることで比較的低温の加熱で結晶化が可能なため好ましい。結晶化を助長する金属としては、ニッケルのみならず、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕ等の金属を用いることもできる。
【００９３】
更には、加熱炉による加熱処理と、レーザによる加熱処理とを併用して非晶質半導体膜の結晶化を行っても良い。
【００９４】
なお、結晶化を助長する金属は半導体装置の汚染源となるため、結晶化した後に除去し、又は低減させることが好ましい。この場合、加熱炉による加熱処理又はレーザ照射による加熱処理で結晶化した後、半導体層上にゲッタリングシンクとなる層を形成して加熱することにより、金属をゲッタリングシンクへ移動させて、金属を除去し、又は低減させることができる。ゲッタリングシンクとしては、多結晶半導体膜や不純物元素が添加された半導体膜を用いることができる。例えば、半導体膜上にアルゴン等の不活性元素が添加された多結晶半導体膜を形成し、これをゲッタリングシンクとして用いることができる。不活性元素を添加することによって、多結晶半導体膜にひずみを生じさせることができ、ひずみにより効果的に金属を捕獲することができる。また、リン等の元素を添加した半導体膜を形成することによって、金属を捕獲することもできる。
【００９５】
また、半導体層２０４は、非晶質半導体膜又はこれを結晶化したものに限定されない。例えば、水素イオンのドーピング等により損傷層が形成された半導体基板を絶縁性基板２０１上、又は絶縁性基板２０１上に絶縁膜が形成されたものに貼り合わせ、損傷層から剥離することで形成される単結晶半導体層を用いても良い。なお、ここで、半導体基板が貼り合わせられた面にも、絶縁膜が設けられていても良い。このような工程にて形成された半導体層は電気的特性が非常に良好な（例えば、移動度が高い）ため、本発明の微小構造体を用いた高機能な半導体装置を提供することができる。例えば、消費電力が低減される。更には、図４における電気回路部２３２が占有する面積を小さくすることができる。
【００９６】
なお、本発明に係る微小構造体は可変容量型であるため、静電容量の微小変化量を検出する必要がある。そのため、半導体層として結晶性が良好な半導体を用いることは、非常に有効である。
【００９７】
次に、半導体層２０４上にゲート絶縁膜２０６を形成する（図５（Ａ１）及び（Ａ２）を参照）。ゲート絶縁膜２０６は、下地膜２０２と同様、酸化シリコン系材料又は窒化シリコン系材料等を用いて、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等により形成することができる。本実施の形態では、ゲート絶縁膜２０６として、プラズマＣＶＤ法により１１０ｎｍの厚さの酸化窒化シリコン膜を形成する。勿論、ゲート絶縁膜２０６は酸化窒化シリコン膜に限定されるものではなく、他のシリコンを含む絶縁膜を単層で、又は積層して形成しても良い。
【００９８】
また、ゲート絶縁膜２０６は高密度プラズマ処理によって形成することもできる。ここで、高密度プラズマ処理とは、プラズマ密度が１×１０１１ｃｍ−３以上、好ましくは１×１０１１ｃｍ−３以上９×１０１５ｃｍ−３以下で、マイクロ波（例えば周波数２．４５ＧＨｚ）等の高周波を用いたプラズマ処理をいう。このような条件でプラズマを発生させると、低電子温度が０．２ｅＶ以上２．０ｅＶ以下となる。このように低電子温度の高密度プラズマは、活性種の運動エネルギーが低いためプラズマダメージが少なく、欠陥の少ない膜を形成することを可能とする。このように、高密度プラズマ処理により形成された絶縁膜は、当該絶縁膜と絶縁膜に接触する層との間の界面状態が良好になる。そのため、高密度プラズマ処理を用いてゲート絶縁膜２０６を形成すると、半導体層２０４との界面状態を良好にすることができる。その結果、半導体素子の電気的特性を向上させることができる。
【００９９】
更には、ゲート絶縁膜２０６のみならず、下地膜２０２や他の絶縁膜の形成にも、高密度プラズマ処理を用いることが可能である。
【０１００】
次に、ゲート絶縁膜２０６上に半導体素子を構成するゲート電極層２０７となる導電膜を形成し、エッチング等により所望の形状の導電層を得る（図５（Ｂ１）及び（Ｂ２）を参照）。ゲート電極層２０７は、タングステン等の導電性を有する金属又は化合物等を用いて、スパッタリング法又はＣＶＤ法等により形成することができる。なお、ゲート電極層２０７を二種以上の導電性の材料を積層することで形成しても良い。また、側面をテーパ形状にエッチングしてもよい。なお、ここでは、タングステン膜を単層で形成し、これをゲート電極層とする。
【０１０１】
所望の形状を得るためのパターンの形成は、フォトリソグラフィー法を用いてレジストマスクを形成し、異方性のドライエッチングにより行う。エッチング方法としては、例えばＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ：誘導結合型プラズマ）エッチング法を用いることができる。エッチング条件（コイル型の電極に印加される電力量、絶縁性基板２０１側の電極に印加される電力量、絶縁性基板２０１側の電極の温度等）は、被エッチング膜の厚さ等を考慮して決定する。なお、エッチング用ガスとしては、Ｃｌ２、ＢＣｌ３、ＳｉＣｌ４若しくはＣＣｌ４等の塩素系ガス、ＣＦ４、ＳＦ６若しくはＮＦ３等のフッ素系ガス又はＯ２ガスを用いることができる。
【０１０２】
次に、半導体層２０４の所定の領域に不純物元素を添加して、Ｐ型不純物領域２１１及びＮ型不純物領域２１２を形成する（図５（Ｃ１）及び（Ｃ２）を参照）。これらの不純物領域は、フォトリソグラフィー法によりレジストマスクを形成し、不純物元素を添加することで選択的に形成することができる。不純物元素を添加する方法としては、イオンドープ法又はイオン注入法を適用することができる。Ｎ型を付与する不純物元素として、典型的にはリン（Ｐ）又は砒素（Ａｓ）を用い、Ｐ型を付与する不純物元素としてはボロン（Ｂ）を用いることができる。
【０１０３】
次に、プラズマＣＶＤ法等によって窒化シリコン系材料や酸化シリコン系材料からなる絶縁膜を形成し、当該絶縁膜を垂直方向に異方性エッチングすることで、ゲート電極層２０７の側面に接する絶縁層（以下、サイドウォール２０９と記載する）を形成する（図５（Ｃ１）及び（Ｃ２）を参照）。
【０１０４】
次に、Ｎ型不純物領域２１２を有する半導体層２０４に更に不純物元素を添加し、サイドウォール２０９の下方に設けられたＮ型不純物領域２１２よりも不純物濃度が高い、高濃度Ｎ型不純物領域２１０を形成する。
【０１０５】
また、ゲート電極層２０７を異なる導電性材料により積層し、側面をテーパ形状とする場合、必ずしもサイドウォール２０９を形成しなくてもよい。ゲート電極層２０７の側面をテーパ形状とすると、一度の不純物元素の添加でＮ型不純物領域２１２及び高濃度Ｎ型不純物領域２１０を形成することができるからである。
【０１０６】
なお、以上のように高濃度Ｎ型不純物領域２１０とＮ型不純物領域２１２とを形成することで、薄膜トランジスタをＬＤＤ（Ｌｉｇｈｔｌｙ Ｄｏｐｅｄ Ｄｒａｉｎ）構造とすることができる。薄膜トランジスタをＬＤＤ構造とすることで短チャネル効果を防止することができる。薄膜トランジスタのサイズが小さいほど短チャネル効果が生じやすいため、薄膜トランジスタのサイズが小さくなるほどＬＤＤ構造とすることが好ましい。なお、Ｎ型半導体素子のみをＬＤＤ構造とすればよい。
【０１０７】
次に、不純物領域を形成した後、不純物元素を活性化するために加熱、又は赤外光若しくはレーザ光の照射を行う。また、活性化と同時にゲート絶縁膜２０６へのプラズマダメージ又はゲート絶縁膜２０６と半導体層２０４との界面へのプラズマダメージを回復することができる。特に、室温〜３００℃の雰囲気中において、絶縁性基板２０１の表面又は裏面からエキシマレーザにより不純物元素を活性化させると、効果的に活性化を行うことができる。またＹＡＧレーザの第２高調波を照射して活性化させてもよい。ＹＡＧレーザはメンテナンス頻度が少ないため、レーザ照射手段として好ましい。
【０１０８】
また、酸化窒化シリコン又は酸化シリコン等の絶縁性材料からなるパッシベーション膜をゲート電極層２０７となる導電層及び半導体層２０４を覆うように形成してもよい。更には、パッシベーション膜を形成後に加熱し、又は赤外光の照射若しくはレーザ光の照射を行って水素化することも可能である。例えば、プラズマＣＶＤ法を用いて、酸化窒化シリコン膜を１００ｎｍの厚さで形成し、その後、クリーンオーブンを用いて、３００〜５５０℃で１〜１２時間加熱することで、半導体層２０４の水素化を行うことができる。例えば、クリーンオーブンを用いて、窒素雰囲気中で４１０℃、１時間の加熱を行う。この工程でパッシベーション膜に水素を含ませ、不純物元素の添加によって生じた半導体層２０４のダングリングボンドを終端することもできる。また、同時に、上記した不純物領域の活性化処理を行うこともできる。
【０１０９】
上記の工程により、薄膜トランジスタである、Ｎ型半導体素子２１３と、Ｐ型半導体素子２１４とが形成される（図５（Ｃ１）及び（Ｃ２）を参照）。
【０１１０】
続いて、半導体素子の全体を覆うように層間絶縁層２１５を形成する（図６（Ａ１）及び（Ａ２）を参照）。層間絶縁層２１５は、絶縁性を有する無機材料又は有機材料等により形成することができる。無機材料としては、酸化シリコン又は窒化シリコン等を用いることができる。有機材料としては、ポリイミド、アクリル、ポリアミド、ポリイミドアミド、レジスト若しくはベンゾシクロブテン、シロキサン樹脂又はポリシラザンを用いることができる。なお、シロキサン樹脂とは、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む樹脂に相当する。シロキサンは、シリコンと酸素との結合で骨格構造が構成される。置換基として、有機基（例えばアルキル基、芳香族炭化水素）やフルオロ基を用いてもよい。ポリシラザンは、シリコンと窒素との結合を有するポリマー材料を出発原料として形成される。
【０１１１】
なお、層間絶縁層２１５として、無機材料を用いてＣＶＤ法等により形成する場合には、形成した後にＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法等により平坦化することが好ましい。
【０１１２】
次に、層間絶縁層２１５及びゲート絶縁膜２０６を順次エッチングし、コンタクトホールを形成する。エッチング処理は、ドライエッチング法又はウエットエッチング法により行うことができる。本実施の形態では、ドライエッチング法によりコンタクトホールを形成する。
【０１１３】
次に、層間絶縁層２１５上及びコンタクトホール２１６に導電層２１７を形成し、所望の形状にエッチング等することで、ソース電極及びドレイン電極、更には電気回路を構成する配線を形成する（図６（Ａ１）及び（Ａ２）を参照）。導電層２１７としては、アルミニウム、チタン、モリブデン、タングステン若しくはシリコンの元素からなる膜又はこれらの元素を用いた合金膜を用いることができる。
【０１１４】
また、導電層２１７がレイアウトの制約上、矩形となり、角部を有するパターンの場合には、丸みを帯びた形状となるようにエッチング等を行うことが好ましい。丸みを帯びた形状にエッチングすることによって、作製工程中のゴミの発生を抑え、歩留まりを向上させることができる。これは、ゲート電極層及び半導体層等についても同様である。
【０１１５】
以上の工程により、薄膜トランジスタと、薄膜トランジスタを覆う層間絶縁層２１５と、薄膜トランジスタに接続される配線となる導電層２１７と、を形成することができる。
【０１１６】
次に、層間絶縁層２１５上に微小構造体を作製する。微小構造体の作製方法は、実施の形態１にて説明した工程を適用すればよい。
【０１１７】
なお、ここでは導電層２１７が薄膜トランジスタのソース電極及びドレイン電極、並びに微小構造体の下部電極となる場合について説明する。従って、上記の工程にて微小構造体の下部電極は既に形成されている。しかし、本発明はこれに限定されず、導電層２１７と微小構造体の下部電極を別々に形成しても良い。
【０１１８】
次に、導電層２１７により形成された下部電極上に充填材料層２１８を形成する。充填材料層２１８の形成は、実施の形態１における充填材料層１０２と同様の材料及び同様の方法で行えばよい。
【０１１９】
次に、所望のパターンに形成された充填材料層２１８上に上部電極を形成する導電層２１９を形成し、所望のパターンに形成された導電層２１９上に構造層２２０を形成する。導電層２１９及び構造層２２０の形成は、実施の形態１における上部電極層１０３及び構造層１０４と同様の材料及び同様の方法で行えばよい。
【０１２０】
以上説明したように、本発明の微小構造体とトランジスタとを同一基板上に作製することができる（図７（Ａ１）及び（Ａ２）を参照）。
【０１２１】
なお、導電層２１７が微小構造体の下部電極ではなく、上部電極を形成していてもよい（図７（Ｂ）を参照）。
【０１２２】
なお、上記の説明では、トランジスタとして薄膜トランジスタを用いた場合を説明したが、本発明はこれに限定されず、トランジスタはＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｔｏｒ）であってもよい。また、基板としてＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いても良い（図９を参照）。図９（Ａ）は導電層２３８がＦＥＴのソース電極及びドレイン電極、並びに微小構造体の下部電極となる例であり、図９（Ｂ）は、導電層２３９がＦＥＴのソース電極及びドレイン電極、並びに微小構造体の上部電極となる例である。
【０１２３】
なお、本実施の形態ではトランジスタの形成後に、該トランジスタを覆って形成した層間絶縁層上に微小構造体を作製する場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。微小構造体が有する充填材料層が、トランジスタの作製工程中における温度により、又は用いる薬液等により、破損又は変質等しないのであれば、トランジスタの各層を形成しつつ、微小構造体の各層を形成することもできる。例えば、トランジスタのゲート電極と微小構造体の下部電極を同一の層のパターニングにより形成し、トランジスタのソース電極及びドレイン電極と微小構造体の上部電極を同一の層のパターニングにより形成することができる。例えば、有機トランジスタを用いることでこれを実現することができる。有機トランジスタとは、ペンタセン等の有機半導体を適用したトランジスタである。以下に、有機薄膜トランジスタ（以下、有機ＴＦＴという。）の作製方法の一例について簡単に説明する。
【０１２４】
図８は、トランジスタとしてボトムコンタクト型の有機ＴＦＴを用いた場合の上面図及び断面図を示す。ボトムコンタクト型有機ＴＦＴでは、ソース電極及びドレイン電極を形成した後に、有機半導体膜を形成する。
【０１２５】
まず、絶縁性基板３０１上に下地膜３０２を形成し、下地膜３０２上にゲート電極層３０７を形成する。下地膜３０２は下地膜２０２と同様に、ゲート電極層３０７はゲート電極層２０７と同様に形成することができる。
【０１２６】
なお、絶縁性基板３０１は、絶縁性基板２０１と同様のものを用いることができる。しかし、絶縁性基板３０１として、好ましくは、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）に代表されるプラスチックや、アクリル等の合成樹脂からなる基板を用いるとよい。このような合成樹脂から成る基板は、可撓性を有し、更には軽量である。
【０１２７】
また、ゲート電極層３０７はスパッタリング法の他、スクリーン印刷法、ロールコーター法、液滴吐出法、スピンコート法又は蒸着法等により形成しても良いし、電極材料は金属及び金属化合物の他、導電性高分子等を使用しても良い。
【０１２８】
液滴吐出法は、選択的にパターンを形成することが可能な方法であり、導電膜や絶縁膜等の材料が混入された組成物の液滴を選択的に吐出（噴出も含む。）して導電膜を形成する方法である。液滴吐出法として、代表的にはインクジェット法がある。
【０１２９】
液滴吐出法により導電膜を形成する場合には、溶媒中に導電体を混入させて用いる。溶媒中に混入させる導電体として、金、銀、銅、白金、パラジウム、タングステン、ニッケル、タンタル、ビスマス、鉛、インジウム、錫、亜鉛、チタン若しくはアルミニウム、これらからなる合金、これらの分散性ナノ粒子又はハロゲン化銀の微粒子を用いることができる。
【０１３０】
スクリーン印刷法等により導電膜を形成する場合には、導電性ペーストを用いる。導電性ペーストとしては、導電性カーボンペースト、導電性銀ペースト、導電性銅ペースト若しくは導電性ニッケルペースト等を用いることができる。導電性ペーストで所定のパターンを形成した後に乾燥させ、約１００〜２００℃で加熱処理を行って平坦化（レベリングともいう。）し、硬化させるとよい。
【０１３１】
なお、ゲート電極層３０７により、薄膜トランジスタのゲート電極のみならず、微小構造体の下部電極をも形成することができる。
【０１３２】
ゲート電極層３０７を形成した後にゲート絶縁膜３０６を形成する。ゲート絶縁膜３０６はゲート絶縁膜２０６と同様の材料及び同様の方法によって形成すればよい。ここではＣＶＤ法を用いるが、スパッタ法、スピンコート法又は蒸着法等で形成しても良い。または、層間絶縁層２１５と同様にシロキサン樹脂又はポリシラザン等を用いても良い。または、ゲート絶縁膜として、ゲート電極を陽極酸化して形成される絶縁膜を用いてもよい。
【０１３３】
次に、微小構造体の充填材料層３１８、上部電極層３１９及び構造層３２０を形成する。充填材料層３１８は、実施の形態１における充填材料層１０２と同様の材料及び同様の方法により形成すればよい。上部電極層３１９は、ゲート電極層３０７と同様の材料及び同様の方法により形成すればよい。構造層３２０は、実施の形態１における構造層１０４と同様の材料及び同様の方法により形成すればよい。
【０１３４】
次に、ゲート絶縁膜３０６の上に薄膜トランジスタのソース電極及びドレイン電極層３１６を形成する。ソース電極及びドレイン電極層３１６は、ゲート電極層３０７と同様の材料及び同様の方法により形成することができる。なお、ソース電極及びドレイン電極層３１６は、後に形成される有機半導体膜とオーミック接合する必要がある。そのため、有機半導体膜の材料がｐ型の導電型を有する場合には、有機半導体膜の材料のイオン化ポテンシャルよりも仕事関数が大きい材料を用いることが好ましく、ｎ型の導電型を有する場合には、有機半導体膜の材料のイオン化ポテンシャルよりも仕事関数が小さい材料を用いることが好ましい。ここでは、有機半導体膜の材料としてｐ型のペンタセンを用いるため、仕事関数が比較的高いタングステンをソース電極及びドレイン電極層３１６の材料として採用する。しかし、これに限定されない。
【０１３５】
次に、ゲート絶縁膜３０６とソース電極及びドレイン電極層３１６上に有機半導体膜３０４を形成する。上記したように、本実施の形態の有機半導体膜の材料としてはペンタセンを用いる。しかし、有機半導体膜の材料はこれに限定されず、有機分子性結晶又は有機高分子化合物を用いればよい。具体的な有機分子性結晶は、多環芳香族化合物、共役二重結合系化合物、カロテン若しくはマクロ環化合物又はこれらの錯体、フタロシアニン若しくは電荷移動型錯体（ＣＴ錯体）等が挙げられる。例えば、アントラセン、テトラセン、ペンタセン、６Ｔ（ヘキサチオフェン）、ＴＣＮＱ（テトラシアノキノジメタン）、ＴＴＦ（テトラチアフルバレン）：ＴＣＮＱ（テトラシアノキノジメタン）錯体、ＤＤＰＨ（ジフェニルピクリルヒドラジル）、色素、タンパク、ＰＴＣＤＡ等のペリレンテトラカルボン酸誘導体、ＮＴＣＤＡ等のナフタレンテトラカルボン酸誘導体等を用いることができる。また、具体的な有機高分子化合物としては、π共役系高分子、フタロシアニン金属錯体又はヨウ素錯体等が挙げられる。特に、骨格が共役二重結合から構成されるπ共役系高分子である、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチエニレン、ポリチオフェン誘導体、ポリ（３アルキルチオフェン）、ポリパラフェニレン誘導体又はポリパラフェニレンビニレン誘導体を用いることが好ましい。
【０１３６】
また、有機半導体膜３０４の形成には、膜厚の均一な膜が形成できる方法を用いればよい。具体的な方法としては、蒸着法、スピンコート法、バーコート法、溶液キャスト法又はディッピング法等を用いればよい。ここでは、有機半導体材料であるペンタセンを蒸着法の一種である真空蒸着法によって、ゲート絶縁膜３０６とソース電極及びドレイン電極層３１６の上に有機半導体膜３０４として形成する。有機半導体膜３０４は、マスクを介して形成する等、選択的に形成することが好ましい。
【０１３７】
なお、有機半導体膜を形成する前処理として、有機半導体膜の被形成面に対してプラズマ処理を行ってもよい。または、有機半導体膜の被形成面に対して密着性若しくは界面状態を良好にする膜、例えば自己組織化単分子膜（ＳＡＭ）又は配向膜を形成してもよい。
【０１３８】
そして、有機半導体膜の形成後に絶縁性基板３０１を加熱処理する。加熱処理の温度は、有機半導体膜３０４が蒸発又は分解する温度よりも低い温度を上限とする。この温度範囲内であって、高い温度により加熱処理することで、有機ＴＦＴの特性が良好になる。また、このときの温度は、有機半導体膜の融点以下が好ましい。
【０１３９】
なお、加熱処理は大気中で行なってもよいが、酸素又は水による有機半導体膜の劣化を考慮して、窒素やアルゴン等の不活性ガス雰囲気中で行なうことが好ましい。更には、減圧下（例えば１．３×１０−３Ｐａ〜６．７×１０４Ｐａ）で加熱処理を行うことがより好ましい。
【０１４０】
なお、本発明は上記の説明に限定されず、有機ＴＦＴを形成した後に微小構造体を形成しても良いし、微小構造体を形成した後に有機ＴＦＴを形成しても良い。
【０１４１】
以上説明したように、ボトムコンタクト型の有機ＴＦＴと微小構造体とを同一基板上に作製することができる（図８（Ａ１）及び（Ａ２）を参照）。
【０１４２】
なお、本願の有機ＴＦＴは、保護膜で覆うことが好ましい。ここで、保護膜としては絶縁性無機膜を用いる。絶縁性無機膜により有機ＴＦＴを覆うことで、微小構造体の形成により生じうる、有機半導体膜へのダメージを低減することができ、有機ＴＦＴの電気的特性への影響を低減することができる。保護膜３２２は、少なくとも有機半導体膜３０４を覆うものとする。
【０１４３】
なお、本発明に適用する有機ＴＦＴは、上記説明したボトムコンタクト型に限定されず、トップコンタクト型であってもよい。その作製方法について、図８（Ｂ１）及び（Ｂ２）を参照して、以下に簡単に説明する。
【０１４４】
まず、ボトムコンタクトの場合と同様の材料及び同様の方法により、ゲート電極層４０７を絶縁性基板４０１上に形成し、ゲート電極層４０７を覆ってゲート絶縁膜４０６を形成する。なお、絶縁性基板４０１上には下地膜４０２が形成されている。
【０１４５】
なお、ゲート電極層４０７により、薄膜トランジスタのゲート電極のみならず、微小構造体の下部電極も形成する。
【０１４６】
次に、微小構造体の充填材料層４１８、上部電極層４１９及び構造層４２０を形成する。充填材料層４１８は、実施の形態１における充填材料層１０２と同様の材料及び同様の方法により形成すればよい。上部電極層４１９は、ゲート電極層４０７と同様の材料及び同様の方法により形成すればよい。構造層４２０は、構造層１０４と同様の材料及び同様の方法により形成すればよい。
【０１４７】
次に、ゲート絶縁膜４０６上に有機半導体膜４０４を形成する。なお、本実施の形態の有機半導体材料としてもペンタセンを用いる。しかし、有機半導体膜材料はこれに限定されず、有機分子性結晶又は有機高分子化合物を用いればよい。具体的な有機分子性結晶は、多環芳香族化合物、共役二重結合系化合物、カロテン若しくはマクロ環化合物又はこれらの錯体、フタロシアニン若しくは電荷移動型錯体（ＣＴ錯体）等が挙げられる。例えば、アントラセン、テトラセン、ペンタセン、６Ｔ（ヘキサチオフェン）、ＴＣＮＱ（テトラシアノキノジメタン）、ＴＴＦ（テトラチアフルバレン）：ＴＣＮＱ（テトラシアノキノジメタン）錯体、ＤＤＰＨ（ジフェニルピクリルヒドラジル）、色素、タンパク、ＰＴＣＤＡ等のペリレンテトラカルボン酸誘導体、ＮＴＣＤＡ等のナフタレンテトラカルボン酸誘導体等を用いることができる。また、具体的な有機高分子化合物としては、π共役系高分子、フタロシアニン金属錯体又はヨウ素錯体等が挙げられる。特に、骨格が共役二重結合から構成されるπ共役系高分子である、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチエニレン、ポリチオフェン誘導体、ポリ（３アルキルチオフェン）、ポリパラフェニレン誘導体又はポリパラフェニレンビニレン誘導体を用いることが好ましい。
【０１４８】
また、有機半導体膜４０４の形成には、膜厚の均一な膜が形成できる方法を用いればよい。具体的には、蒸着法、スピンコート法、バーコート法、溶液キャスト法又はディッピング法等を用いればよい。ここでは、有機材料であるペンタセンを真空蒸着法によって、ゲート絶縁膜４０６上に形成する。有機半導体膜４０４は、マスクを介して形成する等、選択的に形成することが好ましい。
【０１４９】
なお、有機半導体膜を形成する前処理として、有機半導体膜の被形成面に対してプラズマ処理を行ってもよい。または、有機半導体膜の被形成面に対して密着性を向上させる膜若しくは界面状態を良好にする膜、例えば自己組織化単分子（ＳＡＭ）膜又は配向膜等を形成してもよい。
【０１５０】
なお、ここでは充填材料層４１８の形成後に有機半導体膜４０４を形成しているが、有機半導体膜４０４の形成後に充填材料層４１８を形成しても良い。ゲート電極層４０７の形成後、ソース電極及びドレイン電極層４１６の形成前に充填材料層４１８を形成すればよい。しかし、有機半導体膜の電気的特性を良好にするためには充填材料層４１８の形成後に有機半導体膜４０４を形成することが好ましい。その場合、上記の紫外光の照射処理又はプラズマ処理は、充填材料層４１８の形成後、有機半導体膜４０４の形成前に行うことが好ましい。
【０１５１】
その後、ソース電極及びドレイン電極層４１６を形成する。ソース電極及びドレイン電極層４１６は、ボトムコンタクトの場合と同様の材料及び同様の形成方法によればよい。
【０１５２】
なお、ソース電極及びドレイン電極層４１６は、有機半導体膜４０４とオーミック接合する必要がある。そのため、有機半導体膜の材料がｐ型の導電型を有する場合には、有機半導体膜の材料のイオン化ポテンシャルよりも仕事関数が大きい材料を用いることが好ましく、ｎ型の導電型を有する場合には、有機半導体膜の材料のイオン化ポテンシャルよりも仕事関数が小さい材料を用いることが好ましい。ここでは、有機半導体膜の材料としてｐ型のペンタセンを用いるため、仕事関数が比較的高いタングステンをソース電極及びドレイン電極層４１６の材料として採用する。
【０１５３】
そして、有機半導体膜の形成後に絶縁性基板４０１を加熱処理する。加熱処理の温度は、有機半導体膜４０４が蒸発又は分解する温度よりも低い温度を上限とする。この温度範囲内であって、高い温度により加熱処理することで、有機ＴＦＴの特性が良好になる。また、このときの温度は、有機半導体膜の融点以下が好ましい。
【０１５４】
なお、加熱処理は大気中で行なってもよいが、酸素又は水による有機半導体膜の劣化を考慮して、窒素やアルゴン等の不活性ガス雰囲気中で行なうことが好ましい。更には、減圧中（例えば１．３×１０−３Ｐａ〜６．７×１０４Ｐａ）で加熱処理を行うことがより好ましい。
【０１５５】
なお、本発明は上記の説明に限定されず、有機ＴＦＴを形成した後に微小構造体を形成しても良いし、微小構造体を形成した後に有機ＴＦＴを形成しても良い。
【０１５６】
以上説明したように、トップコンタクト型の有機ＴＦＴと微小構造体とを同一基板上に作製することができる（図８（Ｂ１）及び（Ｂ２）を参照）。
【０１５７】
なお、本実施の形態の有機ＴＦＴは、保護膜で覆うことが好ましい。ここで、保護膜としては絶縁性無機膜を用いる。絶縁性無機膜により有機ＴＦＴを覆うことで、微小構造体の形成により生じうる、有機半導体膜へのダメージを低減することができ、有機ＴＦＴの電気的特性への影響を低減することができる。保護膜４２２は、少なくとも有機半導体膜４０４を覆うものとする。
【０１５８】
なお、上記の説明では、微小構造体の下部電極とゲート電極が同一の層のパターニングにより同一の工程にて形成され、微小構造体の上部電極とソース電極及びドレイン電極が同一の層のパターニングにより同一の工程にて形成される場合を説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、有機ＴＦＴを用いる場合であっても、これらを同一の層として同一の工程にて形成しなくても良い。
【０１５９】
また、本発明は、同一基板上に微小構造体と半導体素子を作製することで、組み立てやパッケージが不要な、製造コストのかからない半導体装置を提供することができる。また、製造工程を大幅に削減することができる。
【０１６０】
以上のように、本発明の微小構造体とトランジスタを同一基板上に形成することができる。また、上記のように、本発明の微小構造体は様々な方法を適用して作製することができる。
【０１６１】
以上のようにして作製した本発明の微小構造体は、圧力センサ又は干渉方式のディスプレイ等に適用することができる。
【０１６２】
（実施の形態３）
本発明を適用してひずみゲージ（ストレインゲージともいう。）を作製することができる。本実施の形態では、本発明を適用して作製したひずみゲージについて図面を参照して説明する。
【０１６３】
図１１は、本発明を適用した微小構造体により作製した、ひずみゲージの模式図を示す。なお、図１１（Ｂ）は上面図を示し、図１１（Ａ）は図１１（Ｂ）のＸ−Ｘ’における断面図を示す。
【０１６４】
図１１に示す微小構造体は、基板５００上に充填材料層５０１が設けられ、充填材料層５０１上に導電層５０２が設けられ、導電層５０２上に構造層５０３が設けられている。導電層５０２は、所定の長さを有するようパターンが形成されている。
【０１６５】
ここで、ひずみゲージについて説明する。ひずみゲージとは、物体がひずんだときに生ずる抵抗値の変化量を測定し、該変化量から物体のひずみ量を測定することができる測定器をいう。このときの抵抗値の変化量は非常に小さいため、ホイートストンブリッジ回路を用いて電圧に変換することで検出する。
【０１６６】
図１２は、本実施の形態にて用いるホイートストンブリッジ回路を示す。図１２に示すホイートストンブリッジ回路は、ひずみゲージ５１０、第１の抵抗素子５１１、第２の抵抗素子５１２及び第３の抵抗素子５１３を有し、一般によく知られたホイートストンブリッジ回路が有する４つの抵抗素子の一をひずみゲージとしたものである。ひずみゲージの初期抵抗値をｒ、第１の抵抗素子５１１の抵抗値をＲ１、第２の抵抗素子５１２の抵抗値をＲ２、第３の抵抗素子５１３の抵抗値をＲ３とすると、出力電圧Ｖｏｕｔと入力電圧Ｖｉｎの間には次式（４）の関係式が成り立つ。
【０１６７】
【数４】
【０１６８】
ここで、ｒ＝Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒとし、ひずみゲージにひずみが導入されて抵抗値がＲ＋ΔＲに変化したとすると、出力電圧Ｖｏｕｔの変化量ΔＶｏｕｔは次式（５）にて表される。
【０１６９】
【数５】
【０１７０】
抵抗値Ｒを十分に大きくとると、ΔＲ≪Ｒとなるため、ΔＶｏｕｔは次式（６）にて表される。
【０１７１】
【数６】
【０１７２】
ここで、Ｋは実験的に求められるゲージ率であり、一定の値である。ひずみ量εとゲージ率Ｋの間には、εＫ＝ΔＲ／Ｒの関係が成り立つ。そのため、ΔＲを測定することで、ひずみ量εを求めることができる。本実施の形態にて説明したひずみゲージはマトリクス状に配置されていてもよい。
【０１７３】
本発明の微小構造体を適用してひずみゲージを作製することで、構造層が破壊されることを防止することができる。そのため、機械的強度が高く且つ信頼性の高い、可動部を有するひずみゲージを提供することができる。また、ひずみゲージの作製工程における歩留まりを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１７４】
【図１】微小構造体の一例を説明する図。
【図２】微小構造体の一例を説明する図。
【図３】微小構造体の作製方法の一例を説明する図。
【図４】微小電気機械装置の一例を説明するブロック図。
【図５】微小電気機械装置の作製方法の一例を説明する図。
【図６】微小電気機械装置の作製方法の一例を説明する図。
【図７】微小電気機械装置の作製方法の一例を説明する図。
【図８】微小電気機械装置の一例を説明する図。
【図９】微小電気機械装置の一例を説明する図。
【図１０】微小構造体の一例を説明する図。
【図１１】微小構造体を適用したひずみゲージを説明する図。
【図１２】微小構造体を適用したひずみゲージを説明する図。
【符号の説明】
【０１７５】
１００ 基板
１０１ 下部電極層
１０２ 充填材料層
１０３ 上部電極層
１０４ 構造層
１１０ 中空部
１２０ 有機膜
１２１ 金属膜
１２２ レジストマスク
１２３ 金属マスク
１３１ 下部電極層
１３２ 充填材料層
１３３ 上部電極層
１３４ 構造層
１３６ 下部電極層
１３７ 充填材料層
１３８ 上部電極層
１３９ 構造層
２０１ 絶縁性基板
２０２ 下地膜
２０４ 半導体層
２０６ ゲート絶縁膜
２０７ ゲート電極層
２０９ サイドウォール
２１０ 高濃度Ｎ型不純物領域
２１１ Ｐ型不純物領域
２１２ Ｎ型不純物領域
２１３ Ｎ型半導体素子
２１４ Ｐ型半導体素子
２１５ 層間絶縁層
２１６ コンタクトホール
２１７ 導電層
２１８ 充填材料層
２１９ 導電層
２２０ 構造層
２３０ 制御装置
２３１ 半導体装置
２３２ 電気回路部
２３３ 構造体部
２３４ 制御回路
２３５ インターフェース
２３６ センサ
２３７ アクチュエータ
２３８ 導電層
２３９ 導電層
３０１ 絶縁性基板
３０２ 下地膜
３０４ 有機半導体膜
３０６ ゲート絶縁膜
３０７ ゲート電極層
３１６ ドレイン電極層
３１８ 充填材料層
３１９ 上部電極層
３２０ 構造層
３２２ 保護膜
４０１ 絶縁性基板
４０２ 下地膜
４０４ 有機半導体膜
４０６ ゲート絶縁膜
４０７ ゲート電極層
４１６ ドレイン電極層
４１８ 充填材料層
４１９ 上部電極層
４２０ 構造層
４２２ 保護膜
５００ 基板
５０１ 充填材料層
５０２ 導電層
５０３ 構造層
５１０ ゲージ
５１１ 抵抗素子
５１２ 抵抗素子
５１３ 抵抗素子
【技術分野】
【０００１】
微小電気機械式装置に関する。また、該微小電気機械式装置の作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）の研究が盛んに進められている。ＭＥＭＳは、微小電気機械システムの略称であり、単にマイクロマシンと呼ばれることもある。マイクロマシンとは、一般的には、半導体微細加工技術を用いて作製した「立体構造を有し、可動する微小構造体」と「半導体素子を有する電子回路」とを集積した微細デバイスを指す。上記の微小構造体は半導体素子とは異なり、可動部を有することが一般的である。
【０００３】
上記の微小構造体は構造層と中空部とを有し、構造層は可動部を有する。構造層の可動部が動作するため、上記の微小構造体には機械的な強度が必要とされる。特許文献１には、機械的な強度の高い微小構造体の一例として、金属を用いて熱結晶化又はレーザ結晶化された多結晶シリコンを含む層を有し、当該層の下方又は上方に空間を有するマイクロマシンが開示されている。
【特許文献１】特開２００７−１００４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の微小構造体は、可動部の動作領域を確保するために、中空部を有する。中空部の形成は、まず中空部となる箇所に犠牲層を形成し、構造層等を形成後にこの犠牲層をエッチング等により除去することで行う。例えば、構造層の可動部が基板表面と垂直な方向に動作する微小構造体では、微小構造体の下部を形成し、この微小構造体の下部上に犠牲層を形成し、この犠牲層上に微小構造体の上部を形成し、微小構造体の上部形成後に犠牲層をエッチング等により除去する。このようにして、中空部を有する微小構造体を作製する。
【０００５】
しかし、上記のように犠牲層を用いて中空部を形成すると、作製工程中に微小構造体の上部電極と微小構造体の下部電極とが強く接触等することで破損し、又は破壊されやすくなるといった問題がある。また、上部電極と下部電極との間にスティッキングを生じることで、正常な動作ができなくなるといった問題があった。ここで、スティキングとは、微小構造体の可動部の動作によって、上部電極と下部電極とが強く接触して離れることができない状態となる現象をいう。
【０００６】
更には、犠牲層を用いて中空部を形成する場合には、犠牲層が完全にエッチングされず、エッチング残りが生じることも問題となっていた。
【０００７】
または、作製された微小構造体の上部が動作することで、微小構造体が破損し、又は破壊されることがある。これは中空部の高さが高い場合又は構造層の靭性が十分でない場合に特に顕著である。
【０００８】
更には、中空部を設けることで、その中空部を有する構造体が反り等により変形してしまい、所望の構造が得られないという問題がある。
【０００９】
上記問題に鑑み、作製工程を複雑化することなく上記問題が解決された微小構造体及びその作製方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一は、相対する一対の電極が空間により隔離され、可動する構造体に少なくとも一方の電極が設けられている微小構造体において、該空間に絶縁性材料が充填された構成を有する微小構造体である。該絶縁性材料は、可動部が動作する際に該絶縁性材料により形成された充填材料層が変形できるよう、弾性を有する材料を用いる。ここで、弾性を有する材料とは、構造層を支持することができ、且つ構造層の動作を妨げない程度の弾性率を有する材料をいう。
【００１１】
本発明の一は、微小構造体を有する微小電気機械式装置であって、前記微小構造体は、絶縁表面上に設けられた下部電極層と、該下部電極層上に設けられた充填材料層と、該充填材料層上に設けられた前記下部電極と対向する上部電極層と、該上部電極層上に設けられた構造層と、を有し、前記構造層は、前記下部電極層とに向かう方向又は前記下部電極層から遠ざかる方向に可動する構造を有し、好ましくは、前記充填材料層は、弾性を有する絶縁性材料を有することを特徴とする微小電気機械式装置である。
【００１２】
または、本発明の一は、微小構造体を有する微小電気機械式装置であって、前記微小構造体は、絶縁表面上に設けられた充填材料層と、該充填材料層上に設けられた上部電極層と、該上部電極層上に設けられた構造層と、を有し、前記構造層は、前記充填材料層の厚さ方向に可動する構造を有し、前記充填材料層は、弾性を有する絶縁性材料であることを特徴とする微小電気機械式装置である。
【００１３】
そして、上記構成を有する微小電気機械式装置において、前記絶縁性材料はエラストマー又は熱可塑性エラストマーであることが好ましい。
【００１４】
また、本発明の一は、絶縁表面上に下部電極層を形成し、前記下部電極層上に弾性を有する絶縁性材料からなる第１の充填材料層を形成し、前記第１の充填材料層上に上部電極層を形成し、前記上部電極層上に構造層を形成することを特徴とする微小電気機械式装置の作製方法である。
【００１５】
または、本発明の一は、絶縁表面上に下部電極層を形成し、前記下部電極層を上に弾性を有する絶縁性材料からなる膜を全面に形成し、前記弾性を有する絶縁性材料からなる膜上に金属マスクを選択的に形成し、前記金属マスクを用いて前記弾性を有する膜をエッチングして充填材料層を形成し、前記充填材料層上に上部電極層を形成し、前記上部電極層上に構造層を形成することを特徴とする微小電気機械式装置の作製方法である。
【００１６】
そして、上記構成を有する微小電気機械式装置の作製方法において、前記絶縁性材料はエラストマー又は熱可塑性エラストマーであることが好ましい。弾性を有する充填材料層を形成しやすいためである。また、熱可塑性エラストマーを用いることで、形成後の加工を良好に行うことができる。すなわち、様々な形状に加工することや、精度よく加工することが容易になる。
【００１７】
更には、前記エラストマー又は前記熱可塑性エラストマーは、溶媒に溶かされて形成されることが好ましい。溶媒を用いることで、スピンコーティング法等の好ましい各種の作製方法を適用することができるからである。
【００１８】
また、前記エラストマー又は前記熱可塑性エラストマーは、スピンコーティング法により形成されることが最も好ましい。スピンコーティング法を用いることで、充填材料層の厚さ及び膜質にむらを生じることなく形成できるからである。
【００１９】
なお、本明細書中において、弾性を有する材料とは、可動部である構造層の動作を阻害せず、且つ可動部である構造層の動作により塑性変形することなく、弾性変形するものをいう。
【００２０】
なお、本明細書中において、エラストマーとは、柔軟性及び反発弾性を有する有機系樹脂材料をいい、そのヤング率が約１．０×１０６Ｐａ以上１．０×１０７Ｐａ以下のものをいう。
【００２１】
なお、本明細書中において、熱可塑性エラストマーとは、常温ではエラストマーと同様に柔軟性及び反発弾性等を有し、加熱により成形可能となるエラストマーをいう。熱可塑性エラストマーには、ウレタン系、スチレン系、ビニル系又はエステル系等があるが、特定の材料に限定されない。
【００２２】
なお、弾性を有する材料としては、形成後に所定の処理（熱、薬液処理等）を行うことにより軟化し、又は硬化する材料を用いることが好ましい。特に、所定の処理を行うことにより軟化と硬化を可逆的に行うことができる材料を用いることが好ましい。
【発明の効果】
【００２３】
微小構造体の上部が動作することによる微小構造体の破損及び破壊を防止することができる。従って、中空部の高さが大きい場合又は構造層の靭性が十分に確保できない場合であっても、微小構造体を作製することができる。
【００２４】
電極間にスティッキングが生じず、反復して動作が可能な微小構造体を作製することができる。
【００２５】
また、作製工程において犠牲層を形成する必要がないため、犠牲層の残存に起因する歩留まりの低下を防止することができ、歩留まりよく微小構造体を作製することができる。
【００２６】
更には、複雑な作製工程を経ることなく、微小構造体を作製することができる。また、微小構造体が有する充填材料層の厚さを均一にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
実施の形態について、図面を参照して以下に説明する。ただし、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解されるため、以下に示す実施の形態の記載内容のみに限定して解釈されるものではない。
【００２８】
（実施の形態１）
微小構造体及び微小構造体の作製方法について、図面を参照して説明する。
【００２９】
図１は、本発明の微小構造体の断面図（図１（Ａ））及び上面図（図１（Ｂ））の一例を示す。図１の微小構造体では、基板１００上に下部電極層１０１が設けられ、下部電極層１０１上には充填材料層１０２が設けられている。充填材料層１０２上には上部電極層１０３が設けられ、上部電極層１０３上には構造層１０４が設けられている。下部電極層１０１と上部電極層１０３との間隔はｄ（ｍ）である。
【００３０】
下部電極層１０１と上部電極層１０３との間は充填材料層１０２により隔離され、容量素子が形成されている。ここで、下部電極と上部電極の面積が等しくＳ（ｍ２）であるとし、この容量素子の静電容量をＣ（Ｆ）、誘電率をε（Ｆ／ｍ）とすると、以下の式（１）が成立する。
【００３１】
【数１】
【００３２】
ここで、構造層１０４が押し下げられると、下部電極層１０１と上部電極層１０３との間隔ｄが変化し、静電容量が変化する。このときの静電容量の変化量ΔＣは、押し下げられる前の静電容量Ｃ０及び押し下げられた後の静電容量Ｃ１を用いると以下の式（２）で表される。
【００３３】
【数２】
【００３４】
すなわち、押し下げられる前の間隔をｄ０とし、押し下げられた後の間隔をｄ１とすると、ΔＣは以下の式（３）で表される。
【００３５】
【数３】
【００３６】
従って、ΔＣを検知することにより、下部電極層１０１と上部電極層１０３の間隔ｄの変化量が明らかになる。
【００３７】
なお、図２は、従来の微小構造体の一例を示す。図２の微小構造体では、図１の微小構造体において、充填材料層１０２が設けられている部分が中空部１１０になっている。なお、図２（Ａ）が断面図、図２（Ｂ）が上面図である。
【００３８】
次に、図１に示す微小構造体の作製方法の一例について図面を参照して説明する。まず、基板１００上に下部電極層１０１を選択的に形成する（図３（Ａ）を参照）。
【００３９】
基板１００には特に限定はなく、例えば、半導体基板、ガラス基板、石英基板、プラスチック基板又はステンレス基板等を用いることができるが、絶縁性基板を用いることが好ましい。半導体基板又はステンレス基板を用いる場合には、これらの基板上に絶縁膜を形成し、絶縁性表面とすることが好ましい。
【００４０】
下部電極層１０１は、例えば、導電膜を基板１００上に形成し、該導電膜上にフォトリソグラフィー法によりレジストマスクを形成し、該レジストマスクを用いて導電膜の所望の箇所をエッチング等により除去することで、選択的に形成することができる。下部電極層１０１を形成する材料は特に限定されず、導電性を有する材料により形成すればよい。導電性を有する材料としては、例えば、タンタル、タングステン、チタン、モリブデン、アルミニウム、銅から選ばれた元素又はこれらの元素を主成分とする合金材料若しくは化合物材料で形成すればよい。または、一導電型の不純物元素が添加されたシリコンでもよいし、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）等の透明導電膜を用いても良い。なお、形成方法についても特に限定されず、スパッタリング法、ＣＶＤ法又は液滴吐出法等を用いることができる。液滴吐出法を用いると、エッチングを行うことなく、所望のパターンを形成することができるため、工程数が削減される。なお、下部電極層１０１は、単層で形成しても良いし、複数の層を積層して形成しても良い。
【００４１】
次に、下部電極層１０１上に充填材料層１０２を形成する。充填材料層１０２は好ましくは有機材料により設けられるため、レジストマスクを用いたエッチングによるパターンの形成が困難である。そのため、金属膜をマスクとして用いる場合について以下に説明する。
【００４２】
まず、下部電極層１０１上に有機膜１２０を形成し、有機膜１２０上に金属膜１２１を形成し、金属膜１２１上にレジストマスク１２２を選択的に形成する（図３（Ｂ）を参照）。有機膜１２０は、後述の充填材料層１０２を形成する材料を用いて形成する。形成方法としては、例えばスピンコート法等を用いればよい。
【００４３】
次に、レジストマスク１２２を用いて金属膜１２１をエッチングすることで、金属マスク１２３を形成する（図３（Ｃ）を参照）。金属膜１２１のエッチングは、金属膜を構成する材料に応じて条件を設定すればよい。例えば、金属膜１２１の材料がタングステンである場合には、塩素ガス雰囲気におけるドライエッチングを用いることができる。レジストマスク１２２及び有機膜１２０に対してエッチング選択比がとれる（すなわち、金属膜１２１に対するエッチングレートが高く、有機膜１２０及びレジストマスク１２２に対するエッチングレートが低い）条件を適用することが好ましい。この後、レジストマスク１２２を除去する。
【００４４】
次に、金属マスク１２３を用いて有機膜１２０をエッチングすることで、充填材料層１０２を形成する（図３（Ｄ）を参照）。有機膜１２０のエッチングには、例えば酸素ガスを用いてドライエッチングを行えばよい。その後、金属マスク１２３を除去する。なお、金属マスク１２３を除去することなく、微小構造体の上部電極として用いても良い。金属マスク１２３を除去することなく微小構造体の上部電極として用いる場合には、エッチングにより所望の形状に加工しても良い。
【００４５】
なお、以上の説明では、充填材料層１０２の形成に金属マスクを用いたエッチングを適用した例を示したが、本発明は必ずしもこれに限定されない。例えば、有機膜１２０に感光性材料を混合させて露光を行うことで、パターンを形成することもできる。
【００４６】
以上説明したように、下部電極層１０１上に充填材料層１０２を選択的に形成することができる（図３（Ｅ）を参照）。充填材料層１０２は、微小構造体の動作に応じて変形するため、この変形に耐えうる弾性を有する絶縁性材料の膜により形成する。該材料膜を形成した後に下部電極層１０１と同様に所望の箇所をエッチング除去等することで、選択的に形成することができる。または、液滴吐出法等により選択的に形成しても良い。
【００４７】
本発明の充填材料層１０２を形成する材料としては、弾性を有する絶縁性材料を用いる。好ましくは、形成後に所定の処理（熱、薬液処理等）を行うことにより、軟化し、又は硬化する材料を用いる。このような材料として、例えば、エラストマー又は熱可塑性エラストマーが挙げられる。エラストマー又は熱可塑性エラストマーを用いると、形成が行いやすいため好ましい。
【００４８】
エラストマーとは、柔軟性及び反発弾性を有する有機系樹脂材料をいい、そのヤング率が約１．０×１０６Ｐａ以上１．０×１０７Ｐａ以下のものをいう。エラストマーの対義語としてプラストマーがある。
【００４９】
なお、充填材料層１０２を形成する材料としては、高分子エラストマーを用いることが好ましい。高分子エラストマーとしては、ポリウレタン樹脂、エチレン−酢酸ビニル樹脂、エチレン−エチルアクリレート樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリアミド系樹脂、ブタジエンゴム、ブチルゴム、スチレンブタジエンゴム、ニトリルゴム、イソプレンゴム、クロロプレンゴム若しくはシリコーンゴム等の合成ゴム類、又はそれらの変形体が挙げられるが、これらに限定されない。また、これらの材料の一又は複数種を組み合わせてもよいし、可塑剤等を添加して弾性率を調整してもよい。
【００５０】
高分子エラストマーの形成方法としては、例えば、含漬法、コーティング法、スクリーン法、グラビア法、スプレー法又は液滴吐出法等を用いればよい。これらの方法により形成する場合には、高分子エラストマーの材料を溶質として含む溶液により形成した後に、エラストマーを固化する必要がある。従って、充填材料層として用いる高分子エラストマーは、常温乾燥型エラストマー又は常温架橋型エラストマーであることが好ましい。常温乾燥型エラストマー又は常温架橋型エラストマーを用いると、エラストマーの固化を目的とした処理（加熱処理又は乾燥処理等）が不要であり、作製工程が簡略化するからである。
【００５１】
なお、常温乾燥型エラストマー又は常温架橋型エラストマーとしては、常温で乾燥するもの又は常温で架橋を形成するもののみならず、常温よりやや高い温度で乾燥するもの又は常温よりやや高い温度で架橋を形成するものも含まれる。また、常温乾燥型エラストマーにおける溶媒は、沸点が常温と同程度のものよりも常温よりやや高い程度の温度のものを用いることが好ましい。沸点が常温に近いものでは形成時に沸騰が起こる可能性があるからである。例えば、塩化メチレン（沸点：４０℃）又はアセトン（沸点：５６℃）等よりもベンゼン（沸点：８０℃）又はクロロホルム（沸点：６１℃）を用いることが好ましい。更には、一定時間以上放置することで蒸発しうる溶媒すべてを用いることができる。
【００５２】
なお、常温とは、一般には概ね１５℃以上２５℃以下の温度範囲をいうが、本発明はこれに限定されない。常温乾燥型エラストマー又は常温架橋型エラストマーとしては、約０℃以上約１００℃以下で乾燥するもの又は約０℃以上約１００℃以下で架橋を形成するものを用いればよい。勿論、乾燥又は架橋の形成が上記温度範囲内で低温であることが好ましい。
【００５３】
充填材料層１０２として用いるエラストマー又は熱可塑性エラストマーの形成方法として、最も好ましくはスピンコーティング法を用いる。スピンコーティング法を用いることで、充填材料層１０２の厚さ及び膜質にむらを生じることなく形成できるからである。充填材料層１０２の厚さ及び膜質の均一性を高くすることで、充填材料層１０２の強度分布におけるむらの発生を防止することができるため、歩留まり及び信頼性が向上し、好ましい。
【００５４】
常温乾燥型エラストマーは、常温で揮発する有機溶剤に高分子エラストマーの固形物を溶解させることで作製することができる。例えば、溶剤希釈型ウレタン又は溶剤希釈型アクリル等を用いればよい。
【００５５】
常温架橋型エラストマーは、空気中の水分を吸収して硬化する湿気硬化型又は紫外光（ＵＶ）、電子ビーム（ＥＢ）若しくは可視光等のエネルギーによって硬化するもの（ＵＶ硬化型、ＥＢ硬化型若しくは可視光硬化型）を用いればよい。可視光硬化型を用いる場合には、可視光を遮断した空間にて所定の処理を行い、エラストマーの硬化時にのみ可視光に暴露すればよい。可視光硬化型を用いることで、既に形成している層に紫外光又は電子ビーム等を照射することなく充填材料層を形成することができるため、紫外光又は電子ビーム等を照射するための設備が不要であり、好ましい。これらは、エラストマーを有機溶剤等に溶解させ、またはエラストマーを水に分散させ、または溶剤等の媒体を用いることなく作製することができる。
【００５６】
高分子エラストマーの固形物を水に分散させて塗布する場合には、均一に形成することが困難である。ソリッドインクは疎水性の成分が多いためである。従って、エラストマーを水に分散させることなく形成することが好ましい。常温架橋型としては、例えば湿気硬化ウレタン樹脂又は紫外線硬化アクリル樹脂等を用いることができる。常温乾燥型エラストマー及び常温架橋型エラストマーでは特に高温にすることなく形成することができ、既に形成している層を変質等させることなく充填材料層を形成することができる。
【００５７】
また、エラストマーは所望の形状に加工することが困難であるため熱可塑性エラストマーを用いてもよい。熱可塑性エラストマーを用いることで、成形が容易になるため好ましい。すなわち、様々な形状に加工することや、精度よく加工することが容易になるため好ましい。
【００５８】
なお、熱可塑性エラストマーとは、常温ではエラストマーと同様に柔軟性及び反発弾性等を有し、加熱により塑性を発現するエラストマーをいう。熱可塑性エラストマーには、ウレタン系、スチレン系、ビニル系又はエステル系等があるが、特定の材料に限定されない。または、所定の処理を行うことにより可塑性を発現する材料を用いてもよい。
【００５９】
次に、充填材料層１０２上に上部電極層１０３を形成する（図３（Ｆ）を参照）。上部電極（第２の電極）は、下部電極（第１の電極）と対向する位置に形成される。上部電極層１０３の形成は、下部電極層１０１と同様の材料を用いて、同様の方法により形成すればよい。即ち、導電膜を全面に形成し、所望の箇所をエッチング除去等することで形成すればよい。
【００６０】
次に、充填材料層１０２を覆って、上部電極層１０３上に構造層１０４を選択的に形成する（図３（Ｇ）を参照）。構造層１０４の形成は、第１の電極層等と同様に、材料膜を全面に形成し、この材料膜の所望の箇所をエッチング除去して形成すればよい。
【００６１】
構造層１０４の材料としては、ある程度の靭性を有する材料であれば特定の材料に限定されない。例えば、アルミニウム膜にチタン膜が積層され、該チタン膜上に酸化窒化シリコンが形成された、積層構造体を用いることができる。ここで、アルミニウム膜及びチタン膜はスパッタリング法により形成し、酸化窒化シリコン膜はＣＶＤ法等により形成すればよいが、形成方法についても特に限定されない。
【００６２】
以上説明したように、本発明の微小構造体を形成することができる。本発明の微小構造体は従来の微小構造体とは異なり、中空部に変形可能な材料が充填されている。そのため、中空部を有する従来の微小構造体よりも機械的強度の高い微小構造体を作製することができる。機械的強度が向上することで、作製工程中又は動作中の不良の発生を防ぐことができるため、歩留まりが向上し、信頼性が向上する。
【００６３】
また、本発明の微小構造体は中空部を有さないため、犠牲層を形成する必要がない。従って、犠牲層を形成する工程及び犠牲層を除去する工程が不要であり、作製工程数を減らすことができる。また、従来の微小構造体の作製では、犠牲層のエッチング除去が十分でない場合、残存した犠牲層により歩留まりが低下することがあった。本発明を適用することで、このような残存した犠牲層による歩留まりの低下を防ぐことができ、歩留まりが向上する。
【００６４】
また、上部電極層１０３及び構造層１０４により微小構造体が歪みゲージを構成している場合には、下部電極層１０１を形成しなくても良い。また、本発明はセンサのみならず、アクチュエータにも適用することができる。
【００６５】
または、構造層１０４にバイメタルを適用すると、バイメタル効果により駆動するアクチュエータを作製することができる。
【００６６】
このような微小構造体を用いることで、力学的センサを作製することができる。この力学的センサにより、例えば圧力センサを作製することができる。また、上記のアクチュエータにより、干渉方式のディスプレイ等を作製することができる。
【００６７】
また、上記の説明では、充填材料層の側面がテーパ形状でない場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、充填材料層の側面はテーパ形状であっても良い（図１０（Ａ）を参照）。図１０（Ａ）に示す微小構造体では、基板１００上に下部電極層１３１が設けられ、下部電極層１３１上に充填材料層１３２が設けられている。充填材料層１３２上には上部電極層１３３が設けられ、上部電極層１３３上には構造層１３４が設けられている。充填材料層１３２の側面はテーパ形状に加工されている。充填材料層１３２の側面をテーパ形状とすることで、この上に形成される構造層等を被覆性よく形成することができる。そのため、微小構造体の下部電極層１３１及び上部電極層１３３に電気的に接続される配線の断切れを防ぐことができ、作製工程における歩留まりが向上する。
【００６８】
更には、本発明の充填材料層は液滴吐出法によって形成することもできる（図１０（Ｂ）を参照）。図１０（Ｂ）に示す微小構造体では、基板１００上に下部電極層１３６が設けられ、下部電極層１３６上に充填材料層１３７が設けられている。充填材料層１３７上には上部電極層１３８が設けられ、上部電極層１３８上には構造層１３９が設けられている。液滴吐出法により形成した充填材料層１３７は、曲面状に形成されている。すなわち、充填材料層の表面が曲面となるように形成しても良い。
【００６９】
以上説明したように、本発明は一つの形態に限定されず、様々な構造の微小構造体に適用することが可能である。従来の微小構造体では中空部であった空間に充填材料層を設けることで、微小構造体の上部が動作することによる微小構造体の破損及び破壊を防止することができる。従って、中空部の高さが大きい場合又は構造層の靭性が十分に確保できない場合であっても、機械的強度が高く、信頼性の高い、可動部を有する微小構造体を歩留まりよく作製することができる。
【００７０】
また、微小構造体では、下部電極と上部電極とが接触しないため電極間のスティッキングが生じず、反復して動作が可能な微小構造体を作製することができる。
【００７１】
また、本発明の微小構造体の作製工程においては犠牲層を形成する必要がないため、犠牲層のエッチング残りに起因する不良の発生を防止し、歩留まりよく微小構造体を作製することができる。
【００７２】
更には、本発明の微小構造体の作製方法を用いることで、複雑な作製工程を経ることなく、微小構造体を作製することができる。また、微小構造体が有する充填材料層の厚さを均一にすることができる。
【００７３】
なお、本実施の形態は最も簡略な一例を示したのみであり、微小構造体の機能に応じて様々な形態にすることが可能である。特に、微小構造体のサイズ又は形状等は実施者が必要に応じて適宜変更しうるものである。
【００７４】
以上説明したように、本発明の微小構造体を作製することができる。
【００７５】
（実施の形態２）
本実施の形態では、本発明の半導体装置の構成例及びその作製方法について図面を参照して説明する。
【００７６】
本発明の半導体装置は、マイクロマシンの分野に属するものであり、一般に、マイクロメートルからミリメートル単位の大きさを有する。また、ある機械装置の部品として組み込まれるために作製される場合は、組み立て時に扱いやすいよう、半導体装置がメートル単位の大きさを有する場合もある。
【００７７】
図４に、本発明の半導体装置の一例についてブロック図を示す。本発明の半導体装置２３１は電気回路部２３２及び構造体部２３３を有する。電気回路部２３２は、半導体素子を用いて設けられ、構造体部２３３を制御する制御回路２３４、及び外部の制御装置２３０と通信を行うインターフェース２３５を有する。また、構造体部２３３は、微小構造体により設けられたセンサ２３６、アクチュエータ２３７及びスイッチ等を有する。構造体部２３３は、センサ、アクチュエータ及びスイッチのいずれか一を有していても良い。
【００７８】
また、電気回路部２３２は、構造体部２３３が得た情報を処理するための中央演算処理装置、及び処理した情報を記憶するメモリ等を有していてもよい。
【００７９】
外部の制御装置２３０は、半導体装置２３１を制御する信号を送信し、半導体装置２３１が得た情報を受信し、または半導体装置２３１に駆動電力を供給する等の動作を行う。
【００８０】
なお、本発明は上記の構成例のみに限定されない。つまり、本発明の半導体装置は、微小構造体を制御する電気回路、及び該電気回路により制御される微小構造体を有していればよく、その他の構成は図４に限定されない。
【００８１】
次に、上記で説明した本発明の半導体装置を作製するために、同一基板上に微小構造体と、半導体素子とを作製する方法について、図５乃至図７を参照して説明する。各図面は、上面図と、上面図のＯ−Ｐにおける断面図を示す。
【００８２】
本発明の微小構造体及び半導体素子は、一の絶縁表面を有する基板（以下、絶縁性基板という。）上に形成することができる。ここで絶縁性基板としては、ガラス基板、石英基板又はプラスチック基板等が挙げられる。さらに、金属等の導電性基板、又はシリコン等の半導体基板上に絶縁性を有する層を形成した基板でもよい。一のプラスチック基板に微小構造体と半導体素子とを形成することにより、柔軟性が高く、薄型の半導体装置を作製することができる。また、ガラス基板を研磨等により薄くすることによって、薄型の半導体装置を作製することもできる。
【００８３】
本発明の半導体装置では、微小構造体が充填材料層を有する。充填材料層は実施の形態１にて説明したようにエラストマーにより形成されることが好ましい。しかし、エラストマーは薄膜トランジスタの作製工程に耐えうる程度の耐熱性を有していない場合が多いため、本実施の形態では、基板上にまずは薄膜トランジスタを形成し、その後、微小構造体を形成する作製方法について説明する。
【００８４】
まず、絶縁性基板２０１上に下地膜２０２を形成する。下地膜２０２は、酸化シリコン系材料膜又は窒化シリコン系材料膜等により絶縁膜を単層で、又は積層して形成する。ここでは下地膜２０２として２層構造の絶縁膜を形成する場合を説明する。なお、特に必要のない場合には下地膜２０２を設けなくても良い。
【００８５】
なお、酸化シリコン系材料とは、酸素とシリコンとを主成分とする酸化シリコン、または酸化シリコンが窒素を含有し、且つ酸素の含有量が窒素の含有量よりも多い酸化窒化シリコンをいう。窒化シリコン系材料とは、窒素とシリコンとを主成分とする窒化シリコン、または窒化シリコンが酸素を含有し、窒素の含有量が酸素の含有量よりも多い窒化酸化シリコンをいう。
【００８６】
本実施の形態では、下地膜２０２は２層の積層構造とする。下地膜２０２の１層目としては、例えば、プラズマＣＶＤ法により、ＳｉＨ４、ＮＨ３、Ｎ２Ｏ及びＨ２を反応ガスとして用いて形成される窒化シリコン系材料膜を１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の厚さで、好ましくは５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の厚さで形成する。ここでは、膜厚５０ｎｍの窒化酸化シリコン膜を形成する。次に、１層目の上に下地膜２０２の２層目としてプラズマＣＶＤ法により、ＳｉＨ４とＮ２Ｏを反応ガスとして用いて形成される酸化シリコン系材料膜を５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の厚さで、好ましくは１００ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の厚さで形成する。ここでは、膜厚１００ｎｍの酸化窒化シリコン膜を形成する。
【００８７】
次に、下地膜２０２上に半導体膜を形成し、任意の形状にエッチング等することで、半導体層２０４を得る（図５（Ａ１）及び（Ａ２）を参照）。半導体層２０４は、主成分としてシリコンを有する材料から形成することができる。シリコンを有する材料としては、シリコンからなる材料、またはゲルマニウムを０．０１〜４．５ａｔｏｍｉｃ％程度有するシリコンゲルマニウム材料等が挙げられる。
【００８８】
半導体層２０４には、結晶状態を有するもの、または非晶質状態を有するものを用いることができる。ここでは、非晶質半導体膜を形成し、該非晶質半導体膜に対して加熱処理を行うことで結晶化される、結晶性半導体膜を形成する。加熱処理には、加熱炉による加熱、レーザ照射若しくはレーザ光の代わりにランプから発する光の照射（以下、ランプアニールという。）又はそれらを組み合わせて用いることができる。
【００８９】
レーザ照射を用いる場合には、連続発振型のレーザ光（ＣＷレーザ光）やパルス発振型のレーザ光（パルスレーザ光）を用いることができる。レーザ光としては、Ａｒレーザ、Ｋｒレーザ、エキシマレーザ、ＹＡＧレーザ、Ｙ２Ｏ３レーザ、ＹＶＯ４レーザ、ＹＬＦレーザ、ＹＡｌＯ３レーザ、ガラスレーザ、ルビーレーザ、アレキサンドライトレーザ、Ｔｉ：サファイヤレーザ、銅蒸気レーザ若しくは金蒸気レーザのうち一種又は複数種から発振されるレーザ光を用いることができる。このようなレーザ光の基本波、又は第２高調波から第４高調波のレーザ光を照射することで、大粒径の結晶を得ることができる。例えば、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザ（基本波１０６４ｎｍ）の第２高調波（５３２ｎｍ）又は第３高調波（３５５ｎｍ）を用いることができる。このときのレーザ光のエネルギー密度は０．０１ＭＷ／ｃｍ２以上１００ＭＷ／ｃｍ２以下程度、好ましくは０．１ＭＷ／ｃｍ２以上１０ＭＷ／ｃｍ２以下とする。そして、走査速度を１０ｃｍ／ｓｅｃ以上２０００ｃｍ／ｓｅｃ以下程度とする。
【００９０】
なお、連続発振の基本波のレーザ光と連続発振の高調波のレーザ光とを照射してもよいし、連続発振の基本波のレーザ光とパルス発振の高調波のレーザ光とを照射してもよい。
【００９１】
また、パルス発振型のレーザ光であって、半導体層がレーザ光によって溶融した後固化するまでの間に、次のパルスのレーザ光を照射できる周波数で発振させたレーザ光を用いることもできる。このような周波数でレーザ光を発振させることで、走査方向に向かって連続的に成長した結晶粒を得ることができる。具体的なレーザ光の発振周波数は１０ＭＨｚ以上とする。これは、通常用いられている数十Ｈｚ〜数百Ｈｚの周波数帯と比較すると、著しく高いものである。
【００９２】
または、レーザ照射以外の手段により加熱処理を行っても良い。例えば、加熱炉を用いた加熱処理を行うことができる。加熱炉を用いる場合には、非晶質半導体膜に対して４００℃以上５５０℃以下で２時間以上２０時間以下の加熱を行うとよい。このとき、徐々に高温となるように温度を４００℃以上５５０℃以下の範囲で多段階に設定するとよい。多段階で設定する場合、一段階目の温度を４００℃程度とすることで、非晶質半導体膜に含まれる水素等が放出されるため、結晶化の際の膜荒れを低減し、又は膜の消失を防止することができる。さらに、結晶化を助長する金属、例えばニッケルを用いることで比較的低温の加熱で結晶化が可能なため好ましい。結晶化を助長する金属としては、ニッケルのみならず、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕ等の金属を用いることもできる。
【００９３】
更には、加熱炉による加熱処理と、レーザによる加熱処理とを併用して非晶質半導体膜の結晶化を行っても良い。
【００９４】
なお、結晶化を助長する金属は半導体装置の汚染源となるため、結晶化した後に除去し、又は低減させることが好ましい。この場合、加熱炉による加熱処理又はレーザ照射による加熱処理で結晶化した後、半導体層上にゲッタリングシンクとなる層を形成して加熱することにより、金属をゲッタリングシンクへ移動させて、金属を除去し、又は低減させることができる。ゲッタリングシンクとしては、多結晶半導体膜や不純物元素が添加された半導体膜を用いることができる。例えば、半導体膜上にアルゴン等の不活性元素が添加された多結晶半導体膜を形成し、これをゲッタリングシンクとして用いることができる。不活性元素を添加することによって、多結晶半導体膜にひずみを生じさせることができ、ひずみにより効果的に金属を捕獲することができる。また、リン等の元素を添加した半導体膜を形成することによって、金属を捕獲することもできる。
【００９５】
また、半導体層２０４は、非晶質半導体膜又はこれを結晶化したものに限定されない。例えば、水素イオンのドーピング等により損傷層が形成された半導体基板を絶縁性基板２０１上、又は絶縁性基板２０１上に絶縁膜が形成されたものに貼り合わせ、損傷層から剥離することで形成される単結晶半導体層を用いても良い。なお、ここで、半導体基板が貼り合わせられた面にも、絶縁膜が設けられていても良い。このような工程にて形成された半導体層は電気的特性が非常に良好な（例えば、移動度が高い）ため、本発明の微小構造体を用いた高機能な半導体装置を提供することができる。例えば、消費電力が低減される。更には、図４における電気回路部２３２が占有する面積を小さくすることができる。
【００９６】
なお、本発明に係る微小構造体は可変容量型であるため、静電容量の微小変化量を検出する必要がある。そのため、半導体層として結晶性が良好な半導体を用いることは、非常に有効である。
【００９７】
次に、半導体層２０４上にゲート絶縁膜２０６を形成する（図５（Ａ１）及び（Ａ２）を参照）。ゲート絶縁膜２０６は、下地膜２０２と同様、酸化シリコン系材料又は窒化シリコン系材料等を用いて、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等により形成することができる。本実施の形態では、ゲート絶縁膜２０６として、プラズマＣＶＤ法により１１０ｎｍの厚さの酸化窒化シリコン膜を形成する。勿論、ゲート絶縁膜２０６は酸化窒化シリコン膜に限定されるものではなく、他のシリコンを含む絶縁膜を単層で、又は積層して形成しても良い。
【００９８】
また、ゲート絶縁膜２０６は高密度プラズマ処理によって形成することもできる。ここで、高密度プラズマ処理とは、プラズマ密度が１×１０１１ｃｍ−３以上、好ましくは１×１０１１ｃｍ−３以上９×１０１５ｃｍ−３以下で、マイクロ波（例えば周波数２．４５ＧＨｚ）等の高周波を用いたプラズマ処理をいう。このような条件でプラズマを発生させると、低電子温度が０．２ｅＶ以上２．０ｅＶ以下となる。このように低電子温度の高密度プラズマは、活性種の運動エネルギーが低いためプラズマダメージが少なく、欠陥の少ない膜を形成することを可能とする。このように、高密度プラズマ処理により形成された絶縁膜は、当該絶縁膜と絶縁膜に接触する層との間の界面状態が良好になる。そのため、高密度プラズマ処理を用いてゲート絶縁膜２０６を形成すると、半導体層２０４との界面状態を良好にすることができる。その結果、半導体素子の電気的特性を向上させることができる。
【００９９】
更には、ゲート絶縁膜２０６のみならず、下地膜２０２や他の絶縁膜の形成にも、高密度プラズマ処理を用いることが可能である。
【０１００】
次に、ゲート絶縁膜２０６上に半導体素子を構成するゲート電極層２０７となる導電膜を形成し、エッチング等により所望の形状の導電層を得る（図５（Ｂ１）及び（Ｂ２）を参照）。ゲート電極層２０７は、タングステン等の導電性を有する金属又は化合物等を用いて、スパッタリング法又はＣＶＤ法等により形成することができる。なお、ゲート電極層２０７を二種以上の導電性の材料を積層することで形成しても良い。また、側面をテーパ形状にエッチングしてもよい。なお、ここでは、タングステン膜を単層で形成し、これをゲート電極層とする。
【０１０１】
所望の形状を得るためのパターンの形成は、フォトリソグラフィー法を用いてレジストマスクを形成し、異方性のドライエッチングにより行う。エッチング方法としては、例えばＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ：誘導結合型プラズマ）エッチング法を用いることができる。エッチング条件（コイル型の電極に印加される電力量、絶縁性基板２０１側の電極に印加される電力量、絶縁性基板２０１側の電極の温度等）は、被エッチング膜の厚さ等を考慮して決定する。なお、エッチング用ガスとしては、Ｃｌ２、ＢＣｌ３、ＳｉＣｌ４若しくはＣＣｌ４等の塩素系ガス、ＣＦ４、ＳＦ６若しくはＮＦ３等のフッ素系ガス又はＯ２ガスを用いることができる。
【０１０２】
次に、半導体層２０４の所定の領域に不純物元素を添加して、Ｐ型不純物領域２１１及びＮ型不純物領域２１２を形成する（図５（Ｃ１）及び（Ｃ２）を参照）。これらの不純物領域は、フォトリソグラフィー法によりレジストマスクを形成し、不純物元素を添加することで選択的に形成することができる。不純物元素を添加する方法としては、イオンドープ法又はイオン注入法を適用することができる。Ｎ型を付与する不純物元素として、典型的にはリン（Ｐ）又は砒素（Ａｓ）を用い、Ｐ型を付与する不純物元素としてはボロン（Ｂ）を用いることができる。
【０１０３】
次に、プラズマＣＶＤ法等によって窒化シリコン系材料や酸化シリコン系材料からなる絶縁膜を形成し、当該絶縁膜を垂直方向に異方性エッチングすることで、ゲート電極層２０７の側面に接する絶縁層（以下、サイドウォール２０９と記載する）を形成する（図５（Ｃ１）及び（Ｃ２）を参照）。
【０１０４】
次に、Ｎ型不純物領域２１２を有する半導体層２０４に更に不純物元素を添加し、サイドウォール２０９の下方に設けられたＮ型不純物領域２１２よりも不純物濃度が高い、高濃度Ｎ型不純物領域２１０を形成する。
【０１０５】
また、ゲート電極層２０７を異なる導電性材料により積層し、側面をテーパ形状とする場合、必ずしもサイドウォール２０９を形成しなくてもよい。ゲート電極層２０７の側面をテーパ形状とすると、一度の不純物元素の添加でＮ型不純物領域２１２及び高濃度Ｎ型不純物領域２１０を形成することができるからである。
【０１０６】
なお、以上のように高濃度Ｎ型不純物領域２１０とＮ型不純物領域２１２とを形成することで、薄膜トランジスタをＬＤＤ（Ｌｉｇｈｔｌｙ Ｄｏｐｅｄ Ｄｒａｉｎ）構造とすることができる。薄膜トランジスタをＬＤＤ構造とすることで短チャネル効果を防止することができる。薄膜トランジスタのサイズが小さいほど短チャネル効果が生じやすいため、薄膜トランジスタのサイズが小さくなるほどＬＤＤ構造とすることが好ましい。なお、Ｎ型半導体素子のみをＬＤＤ構造とすればよい。
【０１０７】
次に、不純物領域を形成した後、不純物元素を活性化するために加熱、又は赤外光若しくはレーザ光の照射を行う。また、活性化と同時にゲート絶縁膜２０６へのプラズマダメージ又はゲート絶縁膜２０６と半導体層２０４との界面へのプラズマダメージを回復することができる。特に、室温〜３００℃の雰囲気中において、絶縁性基板２０１の表面又は裏面からエキシマレーザにより不純物元素を活性化させると、効果的に活性化を行うことができる。またＹＡＧレーザの第２高調波を照射して活性化させてもよい。ＹＡＧレーザはメンテナンス頻度が少ないため、レーザ照射手段として好ましい。
【０１０８】
また、酸化窒化シリコン又は酸化シリコン等の絶縁性材料からなるパッシベーション膜をゲート電極層２０７となる導電層及び半導体層２０４を覆うように形成してもよい。更には、パッシベーション膜を形成後に加熱し、又は赤外光の照射若しくはレーザ光の照射を行って水素化することも可能である。例えば、プラズマＣＶＤ法を用いて、酸化窒化シリコン膜を１００ｎｍの厚さで形成し、その後、クリーンオーブンを用いて、３００〜５５０℃で１〜１２時間加熱することで、半導体層２０４の水素化を行うことができる。例えば、クリーンオーブンを用いて、窒素雰囲気中で４１０℃、１時間の加熱を行う。この工程でパッシベーション膜に水素を含ませ、不純物元素の添加によって生じた半導体層２０４のダングリングボンドを終端することもできる。また、同時に、上記した不純物領域の活性化処理を行うこともできる。
【０１０９】
上記の工程により、薄膜トランジスタである、Ｎ型半導体素子２１３と、Ｐ型半導体素子２１４とが形成される（図５（Ｃ１）及び（Ｃ２）を参照）。
【０１１０】
続いて、半導体素子の全体を覆うように層間絶縁層２１５を形成する（図６（Ａ１）及び（Ａ２）を参照）。層間絶縁層２１５は、絶縁性を有する無機材料又は有機材料等により形成することができる。無機材料としては、酸化シリコン又は窒化シリコン等を用いることができる。有機材料としては、ポリイミド、アクリル、ポリアミド、ポリイミドアミド、レジスト若しくはベンゾシクロブテン、シロキサン樹脂又はポリシラザンを用いることができる。なお、シロキサン樹脂とは、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む樹脂に相当する。シロキサンは、シリコンと酸素との結合で骨格構造が構成される。置換基として、有機基（例えばアルキル基、芳香族炭化水素）やフルオロ基を用いてもよい。ポリシラザンは、シリコンと窒素との結合を有するポリマー材料を出発原料として形成される。
【０１１１】
なお、層間絶縁層２１５として、無機材料を用いてＣＶＤ法等により形成する場合には、形成した後にＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法等により平坦化することが好ましい。
【０１１２】
次に、層間絶縁層２１５及びゲート絶縁膜２０６を順次エッチングし、コンタクトホールを形成する。エッチング処理は、ドライエッチング法又はウエットエッチング法により行うことができる。本実施の形態では、ドライエッチング法によりコンタクトホールを形成する。
【０１１３】
次に、層間絶縁層２１５上及びコンタクトホール２１６に導電層２１７を形成し、所望の形状にエッチング等することで、ソース電極及びドレイン電極、更には電気回路を構成する配線を形成する（図６（Ａ１）及び（Ａ２）を参照）。導電層２１７としては、アルミニウム、チタン、モリブデン、タングステン若しくはシリコンの元素からなる膜又はこれらの元素を用いた合金膜を用いることができる。
【０１１４】
また、導電層２１７がレイアウトの制約上、矩形となり、角部を有するパターンの場合には、丸みを帯びた形状となるようにエッチング等を行うことが好ましい。丸みを帯びた形状にエッチングすることによって、作製工程中のゴミの発生を抑え、歩留まりを向上させることができる。これは、ゲート電極層及び半導体層等についても同様である。
【０１１５】
以上の工程により、薄膜トランジスタと、薄膜トランジスタを覆う層間絶縁層２１５と、薄膜トランジスタに接続される配線となる導電層２１７と、を形成することができる。
【０１１６】
次に、層間絶縁層２１５上に微小構造体を作製する。微小構造体の作製方法は、実施の形態１にて説明した工程を適用すればよい。
【０１１７】
なお、ここでは導電層２１７が薄膜トランジスタのソース電極及びドレイン電極、並びに微小構造体の下部電極となる場合について説明する。従って、上記の工程にて微小構造体の下部電極は既に形成されている。しかし、本発明はこれに限定されず、導電層２１７と微小構造体の下部電極を別々に形成しても良い。
【０１１８】
次に、導電層２１７により形成された下部電極上に充填材料層２１８を形成する。充填材料層２１８の形成は、実施の形態１における充填材料層１０２と同様の材料及び同様の方法で行えばよい。
【０１１９】
次に、所望のパターンに形成された充填材料層２１８上に上部電極を形成する導電層２１９を形成し、所望のパターンに形成された導電層２１９上に構造層２２０を形成する。導電層２１９及び構造層２２０の形成は、実施の形態１における上部電極層１０３及び構造層１０４と同様の材料及び同様の方法で行えばよい。
【０１２０】
以上説明したように、本発明の微小構造体とトランジスタとを同一基板上に作製することができる（図７（Ａ１）及び（Ａ２）を参照）。
【０１２１】
なお、導電層２１７が微小構造体の下部電極ではなく、上部電極を形成していてもよい（図７（Ｂ）を参照）。
【０１２２】
なお、上記の説明では、トランジスタとして薄膜トランジスタを用いた場合を説明したが、本発明はこれに限定されず、トランジスタはＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｔｏｒ）であってもよい。また、基板としてＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いても良い（図９を参照）。図９（Ａ）は導電層２３８がＦＥＴのソース電極及びドレイン電極、並びに微小構造体の下部電極となる例であり、図９（Ｂ）は、導電層２３９がＦＥＴのソース電極及びドレイン電極、並びに微小構造体の上部電極となる例である。
【０１２３】
なお、本実施の形態ではトランジスタの形成後に、該トランジスタを覆って形成した層間絶縁層上に微小構造体を作製する場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。微小構造体が有する充填材料層が、トランジスタの作製工程中における温度により、又は用いる薬液等により、破損又は変質等しないのであれば、トランジスタの各層を形成しつつ、微小構造体の各層を形成することもできる。例えば、トランジスタのゲート電極と微小構造体の下部電極を同一の層のパターニングにより形成し、トランジスタのソース電極及びドレイン電極と微小構造体の上部電極を同一の層のパターニングにより形成することができる。例えば、有機トランジスタを用いることでこれを実現することができる。有機トランジスタとは、ペンタセン等の有機半導体を適用したトランジスタである。以下に、有機薄膜トランジスタ（以下、有機ＴＦＴという。）の作製方法の一例について簡単に説明する。
【０１２４】
図８は、トランジスタとしてボトムコンタクト型の有機ＴＦＴを用いた場合の上面図及び断面図を示す。ボトムコンタクト型有機ＴＦＴでは、ソース電極及びドレイン電極を形成した後に、有機半導体膜を形成する。
【０１２５】
まず、絶縁性基板３０１上に下地膜３０２を形成し、下地膜３０２上にゲート電極層３０７を形成する。下地膜３０２は下地膜２０２と同様に、ゲート電極層３０７はゲート電極層２０７と同様に形成することができる。
【０１２６】
なお、絶縁性基板３０１は、絶縁性基板２０１と同様のものを用いることができる。しかし、絶縁性基板３０１として、好ましくは、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）に代表されるプラスチックや、アクリル等の合成樹脂からなる基板を用いるとよい。このような合成樹脂から成る基板は、可撓性を有し、更には軽量である。
【０１２７】
また、ゲート電極層３０７はスパッタリング法の他、スクリーン印刷法、ロールコーター法、液滴吐出法、スピンコート法又は蒸着法等により形成しても良いし、電極材料は金属及び金属化合物の他、導電性高分子等を使用しても良い。
【０１２８】
液滴吐出法は、選択的にパターンを形成することが可能な方法であり、導電膜や絶縁膜等の材料が混入された組成物の液滴を選択的に吐出（噴出も含む。）して導電膜を形成する方法である。液滴吐出法として、代表的にはインクジェット法がある。
【０１２９】
液滴吐出法により導電膜を形成する場合には、溶媒中に導電体を混入させて用いる。溶媒中に混入させる導電体として、金、銀、銅、白金、パラジウム、タングステン、ニッケル、タンタル、ビスマス、鉛、インジウム、錫、亜鉛、チタン若しくはアルミニウム、これらからなる合金、これらの分散性ナノ粒子又はハロゲン化銀の微粒子を用いることができる。
【０１３０】
スクリーン印刷法等により導電膜を形成する場合には、導電性ペーストを用いる。導電性ペーストとしては、導電性カーボンペースト、導電性銀ペースト、導電性銅ペースト若しくは導電性ニッケルペースト等を用いることができる。導電性ペーストで所定のパターンを形成した後に乾燥させ、約１００〜２００℃で加熱処理を行って平坦化（レベリングともいう。）し、硬化させるとよい。
【０１３１】
なお、ゲート電極層３０７により、薄膜トランジスタのゲート電極のみならず、微小構造体の下部電極をも形成することができる。
【０１３２】
ゲート電極層３０７を形成した後にゲート絶縁膜３０６を形成する。ゲート絶縁膜３０６はゲート絶縁膜２０６と同様の材料及び同様の方法によって形成すればよい。ここではＣＶＤ法を用いるが、スパッタ法、スピンコート法又は蒸着法等で形成しても良い。または、層間絶縁層２１５と同様にシロキサン樹脂又はポリシラザン等を用いても良い。または、ゲート絶縁膜として、ゲート電極を陽極酸化して形成される絶縁膜を用いてもよい。
【０１３３】
次に、微小構造体の充填材料層３１８、上部電極層３１９及び構造層３２０を形成する。充填材料層３１８は、実施の形態１における充填材料層１０２と同様の材料及び同様の方法により形成すればよい。上部電極層３１９は、ゲート電極層３０７と同様の材料及び同様の方法により形成すればよい。構造層３２０は、実施の形態１における構造層１０４と同様の材料及び同様の方法により形成すればよい。
【０１３４】
次に、ゲート絶縁膜３０６の上に薄膜トランジスタのソース電極及びドレイン電極層３１６を形成する。ソース電極及びドレイン電極層３１６は、ゲート電極層３０７と同様の材料及び同様の方法により形成することができる。なお、ソース電極及びドレイン電極層３１６は、後に形成される有機半導体膜とオーミック接合する必要がある。そのため、有機半導体膜の材料がｐ型の導電型を有する場合には、有機半導体膜の材料のイオン化ポテンシャルよりも仕事関数が大きい材料を用いることが好ましく、ｎ型の導電型を有する場合には、有機半導体膜の材料のイオン化ポテンシャルよりも仕事関数が小さい材料を用いることが好ましい。ここでは、有機半導体膜の材料としてｐ型のペンタセンを用いるため、仕事関数が比較的高いタングステンをソース電極及びドレイン電極層３１６の材料として採用する。しかし、これに限定されない。
【０１３５】
次に、ゲート絶縁膜３０６とソース電極及びドレイン電極層３１６上に有機半導体膜３０４を形成する。上記したように、本実施の形態の有機半導体膜の材料としてはペンタセンを用いる。しかし、有機半導体膜の材料はこれに限定されず、有機分子性結晶又は有機高分子化合物を用いればよい。具体的な有機分子性結晶は、多環芳香族化合物、共役二重結合系化合物、カロテン若しくはマクロ環化合物又はこれらの錯体、フタロシアニン若しくは電荷移動型錯体（ＣＴ錯体）等が挙げられる。例えば、アントラセン、テトラセン、ペンタセン、６Ｔ（ヘキサチオフェン）、ＴＣＮＱ（テトラシアノキノジメタン）、ＴＴＦ（テトラチアフルバレン）：ＴＣＮＱ（テトラシアノキノジメタン）錯体、ＤＤＰＨ（ジフェニルピクリルヒドラジル）、色素、タンパク、ＰＴＣＤＡ等のペリレンテトラカルボン酸誘導体、ＮＴＣＤＡ等のナフタレンテトラカルボン酸誘導体等を用いることができる。また、具体的な有機高分子化合物としては、π共役系高分子、フタロシアニン金属錯体又はヨウ素錯体等が挙げられる。特に、骨格が共役二重結合から構成されるπ共役系高分子である、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチエニレン、ポリチオフェン誘導体、ポリ（３アルキルチオフェン）、ポリパラフェニレン誘導体又はポリパラフェニレンビニレン誘導体を用いることが好ましい。
【０１３６】
また、有機半導体膜３０４の形成には、膜厚の均一な膜が形成できる方法を用いればよい。具体的な方法としては、蒸着法、スピンコート法、バーコート法、溶液キャスト法又はディッピング法等を用いればよい。ここでは、有機半導体材料であるペンタセンを蒸着法の一種である真空蒸着法によって、ゲート絶縁膜３０６とソース電極及びドレイン電極層３１６の上に有機半導体膜３０４として形成する。有機半導体膜３０４は、マスクを介して形成する等、選択的に形成することが好ましい。
【０１３７】
なお、有機半導体膜を形成する前処理として、有機半導体膜の被形成面に対してプラズマ処理を行ってもよい。または、有機半導体膜の被形成面に対して密着性若しくは界面状態を良好にする膜、例えば自己組織化単分子膜（ＳＡＭ）又は配向膜を形成してもよい。
【０１３８】
そして、有機半導体膜の形成後に絶縁性基板３０１を加熱処理する。加熱処理の温度は、有機半導体膜３０４が蒸発又は分解する温度よりも低い温度を上限とする。この温度範囲内であって、高い温度により加熱処理することで、有機ＴＦＴの特性が良好になる。また、このときの温度は、有機半導体膜の融点以下が好ましい。
【０１３９】
なお、加熱処理は大気中で行なってもよいが、酸素又は水による有機半導体膜の劣化を考慮して、窒素やアルゴン等の不活性ガス雰囲気中で行なうことが好ましい。更には、減圧下（例えば１．３×１０−３Ｐａ〜６．７×１０４Ｐａ）で加熱処理を行うことがより好ましい。
【０１４０】
なお、本発明は上記の説明に限定されず、有機ＴＦＴを形成した後に微小構造体を形成しても良いし、微小構造体を形成した後に有機ＴＦＴを形成しても良い。
【０１４１】
以上説明したように、ボトムコンタクト型の有機ＴＦＴと微小構造体とを同一基板上に作製することができる（図８（Ａ１）及び（Ａ２）を参照）。
【０１４２】
なお、本願の有機ＴＦＴは、保護膜で覆うことが好ましい。ここで、保護膜としては絶縁性無機膜を用いる。絶縁性無機膜により有機ＴＦＴを覆うことで、微小構造体の形成により生じうる、有機半導体膜へのダメージを低減することができ、有機ＴＦＴの電気的特性への影響を低減することができる。保護膜３２２は、少なくとも有機半導体膜３０４を覆うものとする。
【０１４３】
なお、本発明に適用する有機ＴＦＴは、上記説明したボトムコンタクト型に限定されず、トップコンタクト型であってもよい。その作製方法について、図８（Ｂ１）及び（Ｂ２）を参照して、以下に簡単に説明する。
【０１４４】
まず、ボトムコンタクトの場合と同様の材料及び同様の方法により、ゲート電極層４０７を絶縁性基板４０１上に形成し、ゲート電極層４０７を覆ってゲート絶縁膜４０６を形成する。なお、絶縁性基板４０１上には下地膜４０２が形成されている。
【０１４５】
なお、ゲート電極層４０７により、薄膜トランジスタのゲート電極のみならず、微小構造体の下部電極も形成する。
【０１４６】
次に、微小構造体の充填材料層４１８、上部電極層４１９及び構造層４２０を形成する。充填材料層４１８は、実施の形態１における充填材料層１０２と同様の材料及び同様の方法により形成すればよい。上部電極層４１９は、ゲート電極層４０７と同様の材料及び同様の方法により形成すればよい。構造層４２０は、構造層１０４と同様の材料及び同様の方法により形成すればよい。
【０１４７】
次に、ゲート絶縁膜４０６上に有機半導体膜４０４を形成する。なお、本実施の形態の有機半導体材料としてもペンタセンを用いる。しかし、有機半導体膜材料はこれに限定されず、有機分子性結晶又は有機高分子化合物を用いればよい。具体的な有機分子性結晶は、多環芳香族化合物、共役二重結合系化合物、カロテン若しくはマクロ環化合物又はこれらの錯体、フタロシアニン若しくは電荷移動型錯体（ＣＴ錯体）等が挙げられる。例えば、アントラセン、テトラセン、ペンタセン、６Ｔ（ヘキサチオフェン）、ＴＣＮＱ（テトラシアノキノジメタン）、ＴＴＦ（テトラチアフルバレン）：ＴＣＮＱ（テトラシアノキノジメタン）錯体、ＤＤＰＨ（ジフェニルピクリルヒドラジル）、色素、タンパク、ＰＴＣＤＡ等のペリレンテトラカルボン酸誘導体、ＮＴＣＤＡ等のナフタレンテトラカルボン酸誘導体等を用いることができる。また、具体的な有機高分子化合物としては、π共役系高分子、フタロシアニン金属錯体又はヨウ素錯体等が挙げられる。特に、骨格が共役二重結合から構成されるπ共役系高分子である、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチエニレン、ポリチオフェン誘導体、ポリ（３アルキルチオフェン）、ポリパラフェニレン誘導体又はポリパラフェニレンビニレン誘導体を用いることが好ましい。
【０１４８】
また、有機半導体膜４０４の形成には、膜厚の均一な膜が形成できる方法を用いればよい。具体的には、蒸着法、スピンコート法、バーコート法、溶液キャスト法又はディッピング法等を用いればよい。ここでは、有機材料であるペンタセンを真空蒸着法によって、ゲート絶縁膜４０６上に形成する。有機半導体膜４０４は、マスクを介して形成する等、選択的に形成することが好ましい。
【０１４９】
なお、有機半導体膜を形成する前処理として、有機半導体膜の被形成面に対してプラズマ処理を行ってもよい。または、有機半導体膜の被形成面に対して密着性を向上させる膜若しくは界面状態を良好にする膜、例えば自己組織化単分子（ＳＡＭ）膜又は配向膜等を形成してもよい。
【０１５０】
なお、ここでは充填材料層４１８の形成後に有機半導体膜４０４を形成しているが、有機半導体膜４０４の形成後に充填材料層４１８を形成しても良い。ゲート電極層４０７の形成後、ソース電極及びドレイン電極層４１６の形成前に充填材料層４１８を形成すればよい。しかし、有機半導体膜の電気的特性を良好にするためには充填材料層４１８の形成後に有機半導体膜４０４を形成することが好ましい。その場合、上記の紫外光の照射処理又はプラズマ処理は、充填材料層４１８の形成後、有機半導体膜４０４の形成前に行うことが好ましい。
【０１５１】
その後、ソース電極及びドレイン電極層４１６を形成する。ソース電極及びドレイン電極層４１６は、ボトムコンタクトの場合と同様の材料及び同様の形成方法によればよい。
【０１５２】
なお、ソース電極及びドレイン電極層４１６は、有機半導体膜４０４とオーミック接合する必要がある。そのため、有機半導体膜の材料がｐ型の導電型を有する場合には、有機半導体膜の材料のイオン化ポテンシャルよりも仕事関数が大きい材料を用いることが好ましく、ｎ型の導電型を有する場合には、有機半導体膜の材料のイオン化ポテンシャルよりも仕事関数が小さい材料を用いることが好ましい。ここでは、有機半導体膜の材料としてｐ型のペンタセンを用いるため、仕事関数が比較的高いタングステンをソース電極及びドレイン電極層４１６の材料として採用する。
【０１５３】
そして、有機半導体膜の形成後に絶縁性基板４０１を加熱処理する。加熱処理の温度は、有機半導体膜４０４が蒸発又は分解する温度よりも低い温度を上限とする。この温度範囲内であって、高い温度により加熱処理することで、有機ＴＦＴの特性が良好になる。また、このときの温度は、有機半導体膜の融点以下が好ましい。
【０１５４】
なお、加熱処理は大気中で行なってもよいが、酸素又は水による有機半導体膜の劣化を考慮して、窒素やアルゴン等の不活性ガス雰囲気中で行なうことが好ましい。更には、減圧中（例えば１．３×１０−３Ｐａ〜６．７×１０４Ｐａ）で加熱処理を行うことがより好ましい。
【０１５５】
なお、本発明は上記の説明に限定されず、有機ＴＦＴを形成した後に微小構造体を形成しても良いし、微小構造体を形成した後に有機ＴＦＴを形成しても良い。
【０１５６】
以上説明したように、トップコンタクト型の有機ＴＦＴと微小構造体とを同一基板上に作製することができる（図８（Ｂ１）及び（Ｂ２）を参照）。
【０１５７】
なお、本実施の形態の有機ＴＦＴは、保護膜で覆うことが好ましい。ここで、保護膜としては絶縁性無機膜を用いる。絶縁性無機膜により有機ＴＦＴを覆うことで、微小構造体の形成により生じうる、有機半導体膜へのダメージを低減することができ、有機ＴＦＴの電気的特性への影響を低減することができる。保護膜４２２は、少なくとも有機半導体膜４０４を覆うものとする。
【０１５８】
なお、上記の説明では、微小構造体の下部電極とゲート電極が同一の層のパターニングにより同一の工程にて形成され、微小構造体の上部電極とソース電極及びドレイン電極が同一の層のパターニングにより同一の工程にて形成される場合を説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、有機ＴＦＴを用いる場合であっても、これらを同一の層として同一の工程にて形成しなくても良い。
【０１５９】
また、本発明は、同一基板上に微小構造体と半導体素子を作製することで、組み立てやパッケージが不要な、製造コストのかからない半導体装置を提供することができる。また、製造工程を大幅に削減することができる。
【０１６０】
以上のように、本発明の微小構造体とトランジスタを同一基板上に形成することができる。また、上記のように、本発明の微小構造体は様々な方法を適用して作製することができる。
【０１６１】
以上のようにして作製した本発明の微小構造体は、圧力センサ又は干渉方式のディスプレイ等に適用することができる。
【０１６２】
（実施の形態３）
本発明を適用してひずみゲージ（ストレインゲージともいう。）を作製することができる。本実施の形態では、本発明を適用して作製したひずみゲージについて図面を参照して説明する。
【０１６３】
図１１は、本発明を適用した微小構造体により作製した、ひずみゲージの模式図を示す。なお、図１１（Ｂ）は上面図を示し、図１１（Ａ）は図１１（Ｂ）のＸ−Ｘ’における断面図を示す。
【０１６４】
図１１に示す微小構造体は、基板５００上に充填材料層５０１が設けられ、充填材料層５０１上に導電層５０２が設けられ、導電層５０２上に構造層５０３が設けられている。導電層５０２は、所定の長さを有するようパターンが形成されている。
【０１６５】
ここで、ひずみゲージについて説明する。ひずみゲージとは、物体がひずんだときに生ずる抵抗値の変化量を測定し、該変化量から物体のひずみ量を測定することができる測定器をいう。このときの抵抗値の変化量は非常に小さいため、ホイートストンブリッジ回路を用いて電圧に変換することで検出する。
【０１６６】
図１２は、本実施の形態にて用いるホイートストンブリッジ回路を示す。図１２に示すホイートストンブリッジ回路は、ひずみゲージ５１０、第１の抵抗素子５１１、第２の抵抗素子５１２及び第３の抵抗素子５１３を有し、一般によく知られたホイートストンブリッジ回路が有する４つの抵抗素子の一をひずみゲージとしたものである。ひずみゲージの初期抵抗値をｒ、第１の抵抗素子５１１の抵抗値をＲ１、第２の抵抗素子５１２の抵抗値をＲ２、第３の抵抗素子５１３の抵抗値をＲ３とすると、出力電圧Ｖｏｕｔと入力電圧Ｖｉｎの間には次式（４）の関係式が成り立つ。
【０１６７】
【数４】
【０１６８】
ここで、ｒ＝Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒとし、ひずみゲージにひずみが導入されて抵抗値がＲ＋ΔＲに変化したとすると、出力電圧Ｖｏｕｔの変化量ΔＶｏｕｔは次式（５）にて表される。
【０１６９】
【数５】
【０１７０】
抵抗値Ｒを十分に大きくとると、ΔＲ≪Ｒとなるため、ΔＶｏｕｔは次式（６）にて表される。
【０１７１】
【数６】
【０１７２】
ここで、Ｋは実験的に求められるゲージ率であり、一定の値である。ひずみ量εとゲージ率Ｋの間には、εＫ＝ΔＲ／Ｒの関係が成り立つ。そのため、ΔＲを測定することで、ひずみ量εを求めることができる。本実施の形態にて説明したひずみゲージはマトリクス状に配置されていてもよい。
【０１７３】
本発明の微小構造体を適用してひずみゲージを作製することで、構造層が破壊されることを防止することができる。そのため、機械的強度が高く且つ信頼性の高い、可動部を有するひずみゲージを提供することができる。また、ひずみゲージの作製工程における歩留まりを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１７４】
【図１】微小構造体の一例を説明する図。
【図２】微小構造体の一例を説明する図。
【図３】微小構造体の作製方法の一例を説明する図。
【図４】微小電気機械装置の一例を説明するブロック図。
【図５】微小電気機械装置の作製方法の一例を説明する図。
【図６】微小電気機械装置の作製方法の一例を説明する図。
【図７】微小電気機械装置の作製方法の一例を説明する図。
【図８】微小電気機械装置の一例を説明する図。
【図９】微小電気機械装置の一例を説明する図。
【図１０】微小構造体の一例を説明する図。
【図１１】微小構造体を適用したひずみゲージを説明する図。
【図１２】微小構造体を適用したひずみゲージを説明する図。
【符号の説明】
【０１７５】
１００ 基板
１０１ 下部電極層
１０２ 充填材料層
１０３ 上部電極層
１０４ 構造層
１１０ 中空部
１２０ 有機膜
１２１ 金属膜
１２２ レジストマスク
１２３ 金属マスク
１３１ 下部電極層
１３２ 充填材料層
１３３ 上部電極層
１３４ 構造層
１３６ 下部電極層
１３７ 充填材料層
１３８ 上部電極層
１３９ 構造層
２０１ 絶縁性基板
２０２ 下地膜
２０４ 半導体層
２０６ ゲート絶縁膜
２０７ ゲート電極層
２０９ サイドウォール
２１０ 高濃度Ｎ型不純物領域
２１１ Ｐ型不純物領域
２１２ Ｎ型不純物領域
２１３ Ｎ型半導体素子
２１４ Ｐ型半導体素子
２１５ 層間絶縁層
２１６ コンタクトホール
２１７ 導電層
２１８ 充填材料層
２１９ 導電層
２２０ 構造層
２３０ 制御装置
２３１ 半導体装置
２３２ 電気回路部
２３３ 構造体部
２３４ 制御回路
２３５ インターフェース
２３６ センサ
２３７ アクチュエータ
２３８ 導電層
２３９ 導電層
３０１ 絶縁性基板
３０２ 下地膜
３０４ 有機半導体膜
３０６ ゲート絶縁膜
３０７ ゲート電極層
３１６ ドレイン電極層
３１８ 充填材料層
３１９ 上部電極層
３２０ 構造層
３２２ 保護膜
４０１ 絶縁性基板
４０２ 下地膜
４０４ 有機半導体膜
４０６ ゲート絶縁膜
４０７ ゲート電極層
４１６ ドレイン電極層
４１８ 充填材料層
４１９ 上部電極層
４２０ 構造層
４２２ 保護膜
５００ 基板
５０１ 充填材料層
５０２ 導電層
５０３ 構造層
５１０ ゲージ
５１１ 抵抗素子
５１２ 抵抗素子
５１３ 抵抗素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微小構造体を有する微小電気機械式装置であって、
前記微小構造体は、絶縁表面上に設けられた下部電極層と、該下部電極層上に設けられた充填材料層と、該充填材料層上に設けられた前記下部電極層と対向する上部電極層と、該上部電極層上に設けられた構造層と、を有し、
前記構造層は、前記下部電極層に向かう方向又は前記下部電極層から遠ざかる方向に可動する構造を有し、
前記充填材料層は、弾性を有する絶縁性材料であることを特徴とする微小電気機械式装置。
【請求項２】
微小構造体を有する微小電気機械式装置であって、
前記微小構造体は、絶縁表面上に設けられた充填材料層と、該充填材料層上に設けられた上部電極層と、該上部電極層上に設けられた構造層と、を有し、
前記構造層は、前記充填材料層の厚さ方向に可動する構造を有し、
前記充填材料層は、弾性を有する絶縁性材料であることを特徴とする微小電気機械式装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２において、
前記絶縁性材料はエラストマー又は熱可塑性エラストマーであることを特徴とする微小電気機械式装置。
【請求項４】
絶縁表面上に下部電極層を形成し、
前記下部電極層上に弾性を有する絶縁性材料からなる充填材料層を形成し、
前記充填材料層上に上部電極層を形成し、
前記上部電極層上に構造層を形成することを特徴とする微小電気機械式装置の作製方法。
【請求項５】
絶縁表面上に下部電極層を形成し、
前記下部電極層を覆って弾性を有する絶縁性材料からなる膜を全面に形成し、
前記弾性を有する絶縁性材料からなる膜上に金属マスクを選択的に形成し、
前記金属マスクを用いて前記弾性を有する絶縁性材料からなる膜をエッチングして充填材料層を形成し、
前記充填材料層上に上部電極層を形成し、
前記上部電極層上に構造層を形成することを特徴とする微小電気機械式装置の作製方法。
【請求項６】
請求項４又は請求項５において、
前記弾性を有する絶縁性材料は、エラストマー又は熱可塑性エラストマーであることを特徴とする微小電気機械式装置の作製方法。
【請求項７】
請求項６において、
前記弾性を有する絶縁性材料は、溶媒に溶かされて形成されることを特徴とする微小電気機械式装置の作製方法。
【請求項８】
請求項７において、
前記弾性を有する絶縁性材料は、スピンコーティング法により形成されることを特徴とする微小電気機械式装置の作製方法。
【請求項１】
微小構造体を有する微小電気機械式装置であって、
前記微小構造体は、絶縁表面上に設けられた下部電極層と、該下部電極層上に設けられた充填材料層と、該充填材料層上に設けられた前記下部電極層と対向する上部電極層と、該上部電極層上に設けられた構造層と、を有し、
前記構造層は、前記下部電極層に向かう方向又は前記下部電極層から遠ざかる方向に可動する構造を有し、
前記充填材料層は、弾性を有する絶縁性材料であることを特徴とする微小電気機械式装置。
【請求項２】
微小構造体を有する微小電気機械式装置であって、
前記微小構造体は、絶縁表面上に設けられた充填材料層と、該充填材料層上に設けられた上部電極層と、該上部電極層上に設けられた構造層と、を有し、
前記構造層は、前記充填材料層の厚さ方向に可動する構造を有し、
前記充填材料層は、弾性を有する絶縁性材料であることを特徴とする微小電気機械式装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２において、
前記絶縁性材料はエラストマー又は熱可塑性エラストマーであることを特徴とする微小電気機械式装置。
【請求項４】
絶縁表面上に下部電極層を形成し、
前記下部電極層上に弾性を有する絶縁性材料からなる充填材料層を形成し、
前記充填材料層上に上部電極層を形成し、
前記上部電極層上に構造層を形成することを特徴とする微小電気機械式装置の作製方法。
【請求項５】
絶縁表面上に下部電極層を形成し、
前記下部電極層を覆って弾性を有する絶縁性材料からなる膜を全面に形成し、
前記弾性を有する絶縁性材料からなる膜上に金属マスクを選択的に形成し、
前記金属マスクを用いて前記弾性を有する絶縁性材料からなる膜をエッチングして充填材料層を形成し、
前記充填材料層上に上部電極層を形成し、
前記上部電極層上に構造層を形成することを特徴とする微小電気機械式装置の作製方法。
【請求項６】
請求項４又は請求項５において、
前記弾性を有する絶縁性材料は、エラストマー又は熱可塑性エラストマーであることを特徴とする微小電気機械式装置の作製方法。
【請求項７】
請求項６において、
前記弾性を有する絶縁性材料は、溶媒に溶かされて形成されることを特徴とする微小電気機械式装置の作製方法。
【請求項８】
請求項７において、
前記弾性を有する絶縁性材料は、スピンコーティング法により形成されることを特徴とする微小電気機械式装置の作製方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００９−１３７００４（Ｐ２００９−１３７００４Ａ）
【公開日】平成２１年６月２５日（２００９．６．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２８９６８２（Ｐ２００８−２８９６８２）
【出願日】平成２０年１１月１２日（２００８．１１．１２）
【出願人】（０００１５３８７８）株式会社半導体エネルギー研究所 (5,264)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年６月２５日（２００９．６．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１１月１２日（２００８．１１．１２）
【出願人】（０００１５３８７８）株式会社半導体エネルギー研究所 (5,264)
【Ｆターム（参考）】
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