機能性膜のパターン形成方法
【課題】高温プロセスを用いて機能性膜を形成することが可能であり、汎用性が高く、簡易で実用的な機能性膜のパターン形成方法を提供する。
【解決手段】この方法は、特定のエッチング液により選択的にエッチングされる第１の犠牲層を基板上に直接又は間接的に形成する工程と、熱又は物理的作用力に対する耐性が第１の犠牲層よりも弱い第２の犠牲層を第１の犠牲層上に形成する工程と、第１及び第２の犠牲層が形成された基板上に、機能性材料によって機能性膜を形成する工程と、第２の犠牲層に熱及び／又は物理的作用力を加えて第２の犠牲層を部分的に除去することにより、特定のエッチング液を第１の犠牲層に到達させる通過孔、クラック、又は隙間を形成する工程と、特定のエッチング液を用いて、通過孔等を介して第１の犠牲層をエッチングすることにより、第１及び第２の犠牲層と第２の犠牲層の上の機能性膜とを除去する工程とを具備する。
【解決手段】この方法は、特定のエッチング液により選択的にエッチングされる第１の犠牲層を基板上に直接又は間接的に形成する工程と、熱又は物理的作用力に対する耐性が第１の犠牲層よりも弱い第２の犠牲層を第１の犠牲層上に形成する工程と、第１及び第２の犠牲層が形成された基板上に、機能性材料によって機能性膜を形成する工程と、第２の犠牲層に熱及び／又は物理的作用力を加えて第２の犠牲層を部分的に除去することにより、特定のエッチング液を第１の犠牲層に到達させる通過孔、クラック、又は隙間を形成する工程と、特定のエッチング液を用いて、通過孔等を介して第１の犠牲層をエッチングすることにより、第１及び第２の犠牲層と第２の犠牲層の上の機能性膜とを除去する工程とを具備する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ：micro electrical mechanical system）等の微細な機器において用いられる機能性膜のパターン形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体製造プロセスを応用した微小電気機械システム（ＭＥＭＳ：micro electrical mechanical system）の研究開発が盛んに行われている。その中でも、機能性膜として圧電膜を用いる圧電ＭＥＭＳは、高出力のアクチュエータとして注目されており、マイクロポンプ、マイクロカンチレバー、微小超音波トランスデューサ等に利用されている。ここで、機能性膜とは、積層コンデンサにおける誘電体膜や、圧電アクチュエータにおける圧電膜のように、素子の機能を発揮させる主要部分（通常、電極に挟まれた層）のことである。また、機能性膜を構成する機能性材料としては、誘電体、圧電体、磁性体、焦電体、半導体のように、電界や磁界を印加することにより所定の機能を発現する電子セラミックス等の材料が用いられる。
【０００３】
このようなＭＥＭＳにおいては、機能性膜を精細にパターン形成することが重要である。しかしながら、従来においては、膜厚が５μｍ程度又はそれ以上の機能性膜に対して、精細にパターン形成できる適切な方法や、それに用いられる適切な材料はあまりなかった。例えば、エッチング法やイオンビーム法は、基板や周辺の素子にダメージを与えたり、プロセス時間が長い、製造コストが高いといったデメリットがあるので、機能性膜のパターン形成に適用するのはあまり実用的でない。また、リフトオフ法は、エッチング法に比較して材料依存度が少ないという点で汎用性は高いが、リフトオフ法において犠牲層として一般的に用いられるフォトレジストは、１５０℃程度で変形したり焦げ付いてしまうので、プロセス温度（成膜温度）がそれ以上になる場合には適用することができない。
【０００４】
リフトオフ法においては、犠牲層として、レジスト以外にも、酸化シリコン（ＳｉＯ２）や、ポリシリコンや、アルミニウム（Ａｌ）等が用いられ、その場合には、成膜温度に対する制約は緩和される。しかしながら、酸化シリコンを除去する際に用いられるフッ酸（フッ化水素酸）や、アルミニウムを除去する際に用いられる酸又はアルカリ溶液は、機能性膜にダメージを与えるおそれがある。また、ポリシリコンを除去する際に用いられるフッ化キセノン（ＸｅＦ２）ガスは高価なので、製造コストが上昇してしまう。さらに、機能性膜が犠牲層よりも厚い場合には、エッチング液（エッチャント）の浸透が機能性膜に阻まれて犠牲層まで到達し難くなるので、犠牲層を除去するのが困難になる。
【０００５】
関連する技術として、特許文献１には、シリコン層に所望の機能性膜よりも深い溝状または間隙状のパターンを刻設して型を形成する工程と、少なくとも上記型のパターンの溝または間隙に、上記シリコン層よりも薄い層厚に機能性材料を堆積させる工程と、上記型を除去して機能性膜のパターンを得る工程とを含む微細装置の製造方法が開示されている。即ち、特許文献１においては、犠牲層（Ｓｉ層）の厚さを機能性膜（ＰＺＴ層）よりも若干厚くすることにより、それらの段差によって形成される隙間を通じて、エッチングガスによる犠牲層の選択的なエッチングを進行させている（段落番号００２７）。
【０００６】
しかしながら、犠牲層を厚くすると、犠牲層の応力によって機能性膜が影響を受けるおそれがある。また、犠牲層の形成及び除去プロセスに長時間を要するようになるので、製造コストが増加してしまう。さらに、特許文献１においては、犠牲層として、耐熱性に乏しいフォトレジスト及び有機化合物フィルムを使用するので、機能性膜を形成する温度を低く抑えなければならないという制約がある。また、犠牲層としてシリコンが使用されているので、フッ化キセノン等の高価なエッチングガスが必要となり、製造コストが増加する。
【０００７】
一方、特許文献２には、ＣＭＯＳ回路がダメージを受けて特性劣化することなく、エアーギャップの音響絶縁構造を形成するために、犠牲層の材料としてゲルマニウム（Ｇｅ）を用いること、及び、これを除去するために過酸化水素水（Ｈ２Ｏ２）を用いてエッチングすることを基本とした工程によって半導体集積回路上にエアーギャップ音響絶縁構造を有する圧電薄膜共振子を形成することが開示されている。しかしながら、ゲルマニウムを犠牲層として使う場合には、エッチャントの犠牲層への到達を確保するために、基板上に段差を形成する等の工程が必要となる。
【特許文献１】特開２００１−３４７４９９号公報
【特許文献２】特開２００４−２８２５１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、本発明は、上記課題を解決し、高温プロセスを用いて機能性膜を形成することが可能であり、汎用性が高く、簡易で実用的な機能性膜のパターン形成方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明の１つの観点に係る機能性膜のパターン形成方法は、電界又は磁界を印加することにより所定の機能を発現する機能性材料によって構成される機能性膜のパターンを形成する方法であって、特定のエッチング液により選択的にエッチングされる第１の犠牲層を基板上に直接又は間接的に形成する工程（ａ）と、熱又は物理的作用力に対する耐性が第１の犠牲層よりも弱い第２の犠牲層を第１の犠牲層上に形成する工程（ｂ）と、第１及び第２の犠牲層が形成された基板上に、機能性材料によって機能性膜を形成する工程（ｃ）と、第２の犠牲層に熱及び／又は物理的作用力を加えて第２の犠牲層を部分的に除去することにより、特定のエッチング液を第１の犠牲層に到達させる通過孔、クラック、又は隙間を形成する工程（ｄ）と、特定のエッチング液を用いて、工程（ｄ）において形成された通過孔、クラック、又は隙間を介して第１の犠牲層をエッチングすることにより、第１の犠牲層と第２の犠牲層及び第２の犠牲層上に形成された機能性膜とを除去する工程（ｅ）とを具備する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、第２の犠牲層に熱又は物理的作用力を加えて第２の犠牲層を部分的に除去することにより特定のエッチング液を第１の犠牲層に到達させる通過孔を形成するので、第１の犠牲層として、特定のエッチング液にはエッチングされるが耐熱性の高い無機材料を用いることができる。従って、高温プロセスを用いて機能性膜を形成することが可能であり、汎用性が高く、簡易で実用的な機能性膜のパターン形成方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
本発明の各実施形態に係る機能性膜のパターン形成方法においては、基板上に耐熱性を有する犠牲層が形成され、犠牲層上に機能性膜が形成され、機能性薄膜がリフトオフ法によって加工される。犠牲層は、互いに異なる特性を有する少なくとも第１の犠牲層と第２の犠牲層とを含んでいる。
【００１２】
第１の犠牲層は、高温で機能性膜や基板と反応しないように融点が高く、例えば、２００℃以上、より好ましくは５００℃以上の耐熱性を有する。第１の犠牲層の材料としては、機能性薄膜や基板と比較して第１の犠牲層に対して選択性の高いエッチング液が存在するものが選択される。そのエッチング液は、機能性薄膜や基板に対してほとんど不活性であることが望ましい。例えば、好適な例として、第１の犠牲層と機能性薄膜とに対するエッチング選択比が５０対１以上であるエッチング液が使用される。選択比が５０対１以上であれば、第１の犠牲層と機能性膜との厚み比が例えば１：２である場合に、エッチングによる機能性膜の膜厚減小を１％以下に抑えることができる。通常の典型的例では、第１の犠牲層と機能性膜との厚み比はこれ以上であるので、選択比が５０対１以上であれば充分に機能性膜に対するダメージを抑えられる。好適な例として、第１の犠牲層と機能性薄膜とに対するエッチング選択比が５０対１以上であるエッチング液について説明したが、エッチング選択比が１０対１以上であるエッチング液を用いても良く、選択比が１０対１以上あれば機能性膜に対するダメージを抑えることが可能である。
【００１３】
また、第２の犠牲層は、第１の犠牲層と同様に、高温で機能性膜や基板と反応しないように融点が高く、例えば、２００℃以上、より好ましくは５００℃以上の耐熱性を有するが、熱又は物理的作用力に対する耐性が第１の犠牲層よりも弱い。第２の犠牲層の材料としては、熱又は物理的作用力を加えると、部分剥離を起こしたり貫通孔が形成されることにより、エッチング液を第１の犠牲層まで到達させるものが選択される。
【００１４】
以上の条件を満たす材料の例としては、第１の犠牲層の材料として、ゲルマニウム（Ｇｅ）が存在し、第２の犠牲層の材料として、カーボン（Ｃ）、より好ましくはＤＬＣ（ダイアモンドライクカーボン、硬質カーボン）が存在する。ゲルマニウムとＤＬＣは、共に融点が高く、圧電膜等の機能性膜を形成するための高温プロセスに充分に耐えることができる。また、ゲルマニウムには、ゲルマニウムを溶解できる過酸化水素水（Ｈ２０２）というエッチング液が存在し、過酸化水素水は、ほとんどの機能性膜や基板に対して不活性である。
【００１５】
ＤＬＣは、大気雰囲気中において６００℃の高温で熱処理（アニール）されると、ガス化して炭酸ガス（ＣＯ２）となり、ＤＬＣ上に形成された機能性膜を部分的に剥離する。このアニール、及び、アニール後に行われる超音波洗浄や綿棒等による擦りなどの物理的作用により、ＤＬＣ上に形成された機能性膜が部分的に除去される。アニール及び超音波洗浄後に、機能性膜が形成されている基板をエッチング液である過酸化水素水に入れると、過酸化水素水がＤＬＣの剥離部分から下層に入り込んで、第１の犠牲層であるゲルマニウムの表面に到達し、ゲルマニウムが溶解されて完全に除去される。これにより、第２の犠牲層の残渣及びその上に形成された機能性膜も完全に除去される。
【００１６】
また、この効果により、機能性膜の膜厚が犠牲層の膜厚より厚くて通常のリフトオフ法ではパターン加工が困難な場合でも、機能性膜をパターン加工することが可能である。機能性膜の膜厚がさらに厚い場合には、基板に段差を設けて、機能性膜をそれぞれ個別化することにより、リフトオフ・プロセスをより確実に実行して、機能性膜をパターン加工することが可能である。
【００１７】
以下に、本発明の第１の実施形態に係る機能性膜のパターン形成方法について説明する。第１の実施形態においては、第１の犠牲層の材料としてゲルマニウムが用いられ、第２の犠牲層の材料としてＤＬＣが用いられる。
【００１８】
図１Ａ〜図１Ｈは、本発明の第１の実施形態に係る機能性膜のパターン形成方法を説明するための断面図である。まず、図１Ａに示されるように、基板１の上に下部電極層２が形成される。基板１の材料としては、シリコン（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、ステンレス鋼（ＳＵＳ）の内の少なくとも１つを含む材料が用いられる。酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）としてサファイヤが用いられても良い。下部電極層２は、１種類の金属によって形成されても良いし、隣接する層との整合性を高めるために配置される密着層と高い導電率を有する導電層とを含む多層構造として形成されても良い。本実施形態においては、例えば、シリコンの基板１の上に、スパッタ法を用いて、密着層として２０ｎｍ厚のチタンと導電層として２００ｎｍ厚のプラチナとにより構成されるＴｉ／Ｐｔ下部電極層２が形成される。
【００１９】
次に、図１Ｂに示されるように、下部電極層２が形成された基板１上に、通常のリソグラフィ法によって、所定のパターンを有するレジスト層３が形成される。この工程において、最終的に機能性膜が形成される領域にレジストパターンが設けられる。
【００２０】
図１Ｃに示されるように、下部電極層２及びレジスト層３が形成された基板１上に、例えば、スパッタ法を用いて、ゲルマニウムを材料とする２００ｎｍ厚の第１の犠牲層４が形成される。ゲルマニウムは、耐熱性に優れ、機能性膜や基板に対して不活性であると共に、後の工程で過酸化水素水（Ｈ２Ｏ２）をエッチング液として使用した場合に、機能性膜や基板に対して高いエッチング選択比を有する。
【００２１】
図１Ｄに示されるように、第１の犠牲層４の上に、例えば、スパッタ法を用いて、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）を材料とする１００ｎｍ厚の第２の犠牲層５が形成される。ＤＬＣは、真空中では耐熱性を有するが、後の工程で大気雰囲気中において高温（６００℃）で熱処理（アニール）されると炭酸ガスを生じて、第２の犠牲層５上の機能性膜を部分的に剥離する。
【００２２】
第１の犠牲層４及び第２の犠牲層５が形成された基板１は、アセトンに浸され、通常のリフトオフ法により、図１Ｅに示されるように、レジストパターン上の第１の犠牲層４及び第２の犠牲層５が除去される。その結果、第１の犠牲層４及び第２の犠牲層５がパターニングされ、最終的に機能性膜が形成される領域に、第１の犠牲層４及び第２の犠牲層５に囲まれた開口６が設けられる。
【００２３】
図１Ｆに示されるように、第１の犠牲層４及び第２の犠牲層５がパターニングされた基板１上に、機能性膜７が形成される。機能性膜７は、誘電体、圧電体、磁性体、焦電体、半導体のように、電界又は磁界を印加することにより所定の機能を発現する機能性材料によって構成される。本実施形態においては、スパッタ法を用いて、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を材料とする３μｍ厚の圧電膜が形成される。機能性膜７としては、ＰＺＴ以外の圧電体、誘電体、磁性体、焦電体、半導体、又は、超伝導材料を含む膜を形成しても良い。あるいは、スパッタ法の替りに、化学気相成長方法（ＣＶＤ）や物理的気相成長方法（ＰＶＤ）等の中から公知の方法を選択して、機能性膜を形成しても良い。公知の方法として、例えば、蒸着法又はＭＢＥ法を使用して機能性膜を形成しても良い。機能性膜を形成する際の温度は、約２００℃以上、より好ましくは約５００℃以上とされる。一般に、ＣＶＤによる成膜温度は３００℃以上であり、スパッタ法による圧電膜等の成膜温度は５００℃以上である。
【００２４】
基板１を大気雰囲気中において６００℃の温度で１時間アニールして、ＤＬＣをガス化して炭酸ガス（ＣＯ２）とすることにより、図１Ｇに示されるように、第２の犠牲層５及び機能性膜７が部分的に剥離される。その後、基板１をアセトンに浸し、超音波洗浄することにより、第２の犠牲層５及び機能性膜７がさらに部分的に剥離される。このようにして、次の工程において第１の犠牲層４をエッチングするエッチング液を第１の犠牲層４に到達させるための通過孔８、クラック、隙間（以下「通過孔８等」とも記載する。）が、この工程において形成される。図２は、図１Ｇにおける機能性膜を上からみた状態を示す平面図である。基板の下部電極の上に直接形成された機能性膜７が方形に示され、方形の機能性膜７の外側で、犠牲層の上に形成された機能性膜に、通過孔８、クラック、隙間が形成されている。
【００２５】
次に、基板１を過酸化水素水のエッチング液に浸すことにより、第２の犠牲層５及び機能性膜７内に形成された通過孔８等を通して、過酸化水素水のエッチング液がゲルマニウムの第１の犠牲層４に到達し、第１の犠牲層４がエッチング液によってエッチングされる。この時のエッチング選択比はゲルマニウム１００：ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）１以上でありＰＺＴにダメージはなかった。その結果、図１Ｈに示されるように、第１の犠牲層４と、第１の犠牲層４上にある第２の犠牲層５及び機能性膜７の残渣が除去され、機能性膜７の所望のパターンが形成される。
【００２６】
以上において、第１の犠牲層４の材料としてゲルマニウムを用いる場合について説明したが、第１の犠牲層４の材料としてゲルマニウムの替りに金（Ａｕ）を用いても良い。金の融点は約１０６４℃であるので、機能性膜を形成するためのほとんどの高温プロセスに十分に耐えることができる。さらに、金には、ほとんどの機能性材料や基板材料に対して不活性なエッチング液、又は、エッチング選択性が高いエッチング液（例えば、エッチング選択比が５０対１以上）が存在する。具体的には、５重量％のヨウ素（Ｉ２）と、１０重量％のヨウ化カリウム（ＫＩ）とを、８５重量％の水（Ｈ２Ｏ）に溶解させたエッチング液は、ＰＺＴやシリコンに対して不活性である。また他に第１の犠牲層４の材料として、タングステン（Ｗ）も融点が高く（３４２２℃）、ゲルマニウムと同様、過酸化水素にエッチングされるので、用いることができる。
【００２７】
次に、本発明の第２の実施形態に係る機能性膜のパターン形成方法について説明する。第２の実施形態に係る機能性膜のパターン形成方法は、第１の実施形態におけるよりも機能性膜を更に厚くする場合により適している。なお、第２の実施形態において用いられる基板、第１及び第２の犠牲層、機能性膜の材料や、エッチング液の種類については、第１の実施形態におけるものと同様である。
【００２８】
図３Ａ〜図３Ｇは、本発明の第２の実施形態に係る機能性膜のパターン形成方法を説明するための図である。まず、図３Ａに示すように、基板２１上にフォトリソグラフィ法によってレジスト層２２が形成され、基板２１上の所定の領域にレジストパターンが設けられる。基板２１としては、シリコンウエハが用いられる。次に、基板２１に対して異方性ドライエッチングが施され、その後、アセトン等によりレジスト層２２が除去される。それにより、図３Ｂに示すように、基板２１に凹凸パターンが形成される。
【００２９】
本実施形態においては、凹凸パターンの内の凹部２１ａに機能性膜が形成される。なお、基板２１の凹部２１ａはボッシュ法によって形成されても良く、その深さは、例えば、約１５μｍである。ここで、ボッシュ法とは、側壁をコーティングしながら底をエッチングする異方性ドライエッチング法であり、アスペクト比が高いパターンを形成できるという特徴を有している。なお、基板２１に凹凸パターンを形成する際には、上記の方法以外にも、アルカリ溶液によるウェットエッチング法等の公知の方法を用いても良い。
【００３０】
次に、図３Ｃに示されるように、公知のリソグラフィ法によって基板２１の凹部にレジスト層２３が形成された後に、基板の主面上に、第１の犠牲層２４及び第２の犠牲層２５が形成される。
【００３１】
次に、図３Ｄに示されるように、一般的なリフトオフ法によって、凹部のレジスト層２３上に形成された第１の犠牲層２４及び第２の犠牲層２５が除去され、基板２１に形成された凸部パターン上に、第１の犠牲層２４及び第２の犠牲層２５が残される。
【００３２】
次に、図３Ｅに示されるように、凸部パターン上に第１の犠牲層２４及び第２の犠牲層２５が残された基板２１の主面上に、約５００℃の高温の成膜温度で機能性膜２６が形成される。
【００３３】
図３Ｆに示されるように、基板２１を大気雰囲気中において６００℃の温度で１時間アニールして、ＤＬＣをガス化して炭酸ガス（ＣＯ２）とすることにより、ＤＬＣの第２の犠牲層２５及びＰＺＴの機能性膜２６が部分的に剥離される。その後、基板をアセトンに浸し、超音波洗浄することにより、第２の犠牲層２５及び機能性膜２６がさらに部分的に剥離される。このようにして、通過孔８が形成される。
【００３４】
次に、基板２１を過酸化水素水に浸すことにより、第２の犠牲層２５及び機能性膜２６内に形成された通過孔８を通して、過酸化水素水のエッチング液がゲルマニウムの第１の犠牲層２４に到達し、第１の犠牲層２４がエッチング液によってエッチングされる。その結果、図３Ｇに示されるように、第１の犠牲層２４と、第１の犠牲層２４上にある第２の犠牲層２５及び機能性膜２６の残渣が除去され、機能性膜２６の所望のパターンが形成される。
【００３５】
このように、本実施形態によれば、基板に段差（凹凸パターン）を設けて、機能性膜が形成される領域を予め個別化しておくことにより、機能性膜がさらに厚い場合においても、犠牲層及びその上の機能性膜をより確実に剥離することが可能となる。
【００３６】
以上説明したように、本発明の第１及び第２の実施形態によれば、高い耐熱性を有する犠牲層が用いられるので、従来のようにレジストを用いる場合には不可能であった温度（２００℃以上、望ましくは５００℃以上）で機能性膜を形成できるようになる。また、第２の犠牲層に熱及び／又は物理的作用力を加えることにより、第２の犠牲層内に第１の犠牲層に対するエッチング液の通過孔が形成されるので、機能性膜の厚さが犠牲層よりも厚い場合においても、第１及び第２の犠牲層及びその上の機能性膜を、容易且つ綺麗に除去することが可能となる。
【００３７】
次に、本発明の第１の実施形態に係る機能性膜のパターン形成方法を適用した圧電デバイスの製造方法について説明する。
図４Ｈは、ダイアフラム（隔膜）型圧電アクチュエータを示す断面図である。ここで、ダイアフラム型圧電アクチュエータとは、下部電極層３３と上部電極層３９との間に電圧を印加して機能性膜（圧電膜）３８を伸縮させることにより、ダイアフラム３１ｂ〜３３を変位させるアクチュエータのことである。このようなアクチュエータは、マイクロポンプや、超音波トランスデューサや、インクジェットヘッド等に適用される。
【００３８】
図４Ａ〜図４Ｈに示されるように、ダイアフラム型圧電アクチュエータは、次のようにして製造される。まず、図４Ａに示されるように、基板３１が用意される。本実施形態においては、基板３１として、厚さが０．４ｍｍの支持層３１ａと、酸化シリコン層３１ｂと、厚さが１０μｍの活性層３１ｃとを含み、直径が４インチのＳＯＩウエハが用いられる。そして、基板３１を電気炉において熱処理することにより、活性層３１ｃ上に０．５μｍ厚の熱酸化膜３２が形成される。
【００３９】
次に、図４Ｂに示されるように、ボッシュ法等の異方性ドライエッチングにより、支持層３１ａに、開口部３１ｄが形成される。
さらに、図４Ｃに示されるように、基板３１に形成された熱酸化膜３２の上に、下部電極層３３が形成される。下部電極層３３は、１種類の金属によって形成されていても良いし、隣接する層との接合性を高めるために配置される密着層と高い導電率を有する導電層とを含む２層構造としても良い。本実施形態において、下部電極層３３は、密着層として１０ｎｍ厚のチタン（Ｔｉ）層と、導電層として１００ｎｍ厚の白金（Ｐｔ）層とを含んでいる。
【００４０】
図４Ｄに示されるように、通常のリソグラフィ法によってレジスト層３４が形成され、レジストパターンが設けられる。次に、レジストパターンが設けられた基板上に、例えば、スパッタ法を用いて、ゲルマニウム（Ｇｅ）を材料とする２００ｎｍ厚の第１の犠牲層３５が形成される。その後、第１の犠牲層３５上に、例えば、スパッタ法を用いて、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）を材料とする１００ｎｍ厚の第２の犠牲層３６が形成される。
【００４１】
第１の犠牲層３５及び第２の犠牲層３６が形成された基板３１は、アセトンに浸され、通常のリフトオフ法により、図４Ｅに示されるように、レジストパターン上の第１の犠牲層３５及び第２の犠牲層３６が除去される。その結果、最終的に機能性膜が形成される領域に、第１の犠牲層３５及び第２の犠牲層３６に囲まれた開口３７が設けられる。
【００４２】
図４Ｆに示されるように、機能性膜３８が形成される。本実施形態においては、スパッタ法を用いて、機能性膜３８として、３μｍ厚のＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を材料とする圧電膜が形成される。スパッタ法の替りに、化学気相成長方法（ＣＶＤ）や物理的気相成長方法（ＰＶＤ）等の中から公知の方法を選択して、機能性膜を形成するようにしても良い。
【００４３】
図４Ｇに示されるように、基板３１を大気雰囲気中において６００℃の温度で１時間アニールして、ＤＬＣをガス化して炭酸ガスとすることにより、第２の犠牲層３６及び機能性膜３８が部分的に剥離される。その後、基板３１をアセトンに浸し、超音波洗浄することにより、第２の犠牲層３６及び機能性膜３８がさらに部分的に剥離される。次の工程においてゲルマニウム（Ｇｅ）をエッチングする過酸化水素水エッチング液をゲルマニウム（Ｇｅ）第１の犠牲層に到達させるための通過孔８が、この工程において形成される。
【００４４】
次に、基板３１を過酸化水素水に浸すことにより、第２の犠牲層３６及び機能性膜３８内に形成された通過孔８等を通して、過酸化水素水のエッチング液がゲルマニウムの第１の犠牲層３５に到達し、第１の犠牲層３５がエッチング液によってエッチングされる。その結果、図４Ｈに示されるように、第１の犠牲層３５と、第１の犠牲層３５上にある第２の犠牲層３６及び機能性膜３８の残渣が除去されて、機能性膜（ＰＺＴの圧電膜）３８の所望のパターンが形成される。
【００４５】
そのように形成された機能性膜３８のパターン上に、上部電極層３９が形成される。即ち、フォトリソグラフィ法によって上部電極層３９のレジストパターンが形成され、スパッタ法により２０ｎｍ厚のチタン層及び１５０ｎｍ厚の白金層が形成される。さらに、アセトンによってレジストパターンが除去される。それにより、ダイアフラム型圧電アクチュエータが完成する。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明は、微小電気機械システム等の微細な機器において用いられる機能性膜のパターン形成において利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１Ａ】本発明の第１の実施形態に係る機能性膜のパターン形成方法を説明するための断面図である。
【図１Ｂ】本発明の第１の実施形態に係る機能性膜のパターン形成方法を説明するための断面図である。
【図１Ｃ】本発明の第１の実施形態に係る機能性膜のパターン形成方法を説明するための断面図である。
【図１Ｄ】本発明の第１の実施形態に係る機能性膜のパターン形成方法を説明するための断面図である。
【図１Ｅ】本発明の第１の実施形態に係る機能性膜のパターン形成方法を説明するための断面図である。
【図１Ｆ】本発明の第１の実施形態に係る機能性膜のパターン形成方法を説明するための断面図である。
【図１Ｇ】本発明の第１の実施形態に係る機能性膜のパターン形成方法を説明するための断面図である。
【図１Ｈ】本発明の第１の実施形態に係る機能性膜のパターン形成方法を説明するための断面図である。
【図２】図１Ｇにおける機能性膜を上から見た状態を示す平面図である。
【図３Ａ】本発明の第２の実施形態に係る機能性膜のパターン形成方法を説明するための断面図である。
【図３Ｂ】本発明の第２の実施形態に係る機能性膜のパターン形成方法を説明するための断面図である。
【図３Ｃ】本発明の第２の実施形態に係る機能性膜のパターン形成方法を説明するための断面図である。
【図３Ｄ】本発明の第２の実施形態に係る機能性膜のパターン形成方法を説明するための断面図である。
【図３Ｅ】本発明の第２の実施形態に係る機能性膜のパターン形成方法を説明するための断面図である。
【図３Ｆ】本発明の第２の実施形態に係る機能性膜のパターン形成方法を説明するための断面図である。
【図３Ｇ】本発明の第２の実施形態に係る機能性膜のパターン形成方法を説明するための断面図である。
【図４Ａ】本発明の第１の実施形態に係る機能性膜のパターン形成方法を適用した圧電デバイスの製造方法を説明するための断面図である。
【図４Ｂ】本発明の第１の実施形態に係る機能性膜のパターン形成方法を適用した圧電デバイスの製造方法を説明するための断面図である。
【図４Ｃ】本発明の第１の実施形態に係る機能性膜のパターン形成方法を適用した圧電デバイスの製造方法を説明するための断面図である。
【図４Ｄ】本発明の第１の実施形態に係る機能性膜のパターン形成方法を適用した圧電デバイスの製造方法を説明するための断面図である。
【図４Ｅ】本発明の第１の実施形態に係る機能性膜のパターン形成方法を適用した圧電デバイスの製造方法を説明するための断面図である。
【図４Ｆ】本発明の第１の実施形態に係る機能性膜のパターン形成方法を適用した圧電デバイスの製造方法を説明するための断面図である。
【図４Ｇ】本発明の第１の実施形態に係る機能性膜のパターン形成方法を適用した圧電デバイスの製造方法を説明するための断面図である。
【図４Ｈ】本発明の第１の実施形態に係る機能性膜のパターン形成方法を適用した圧電デバイスの製造方法を説明するための断面図である。
【符号の説明】
【００４８】
１、２１、３１ 基板
２、３３ 下部電極層
３、２２、２３、３４ レジスト層
４、２４，３５ 第１の犠牲層
５、２５、３６ 第２の犠牲層
６、３７ 開口
７、２６、３８ 機能性膜
８ 通過孔
２１ａ 凹部
３１ａ 支持層
３１ｂ 酸化シリコン層
３１ｃ 活性層
３１ｄ 開口
３２ 熱酸化膜
３９ 上部電極層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ：micro electrical mechanical system）等の微細な機器において用いられる機能性膜のパターン形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体製造プロセスを応用した微小電気機械システム（ＭＥＭＳ：micro electrical mechanical system）の研究開発が盛んに行われている。その中でも、機能性膜として圧電膜を用いる圧電ＭＥＭＳは、高出力のアクチュエータとして注目されており、マイクロポンプ、マイクロカンチレバー、微小超音波トランスデューサ等に利用されている。ここで、機能性膜とは、積層コンデンサにおける誘電体膜や、圧電アクチュエータにおける圧電膜のように、素子の機能を発揮させる主要部分（通常、電極に挟まれた層）のことである。また、機能性膜を構成する機能性材料としては、誘電体、圧電体、磁性体、焦電体、半導体のように、電界や磁界を印加することにより所定の機能を発現する電子セラミックス等の材料が用いられる。
【０００３】
このようなＭＥＭＳにおいては、機能性膜を精細にパターン形成することが重要である。しかしながら、従来においては、膜厚が５μｍ程度又はそれ以上の機能性膜に対して、精細にパターン形成できる適切な方法や、それに用いられる適切な材料はあまりなかった。例えば、エッチング法やイオンビーム法は、基板や周辺の素子にダメージを与えたり、プロセス時間が長い、製造コストが高いといったデメリットがあるので、機能性膜のパターン形成に適用するのはあまり実用的でない。また、リフトオフ法は、エッチング法に比較して材料依存度が少ないという点で汎用性は高いが、リフトオフ法において犠牲層として一般的に用いられるフォトレジストは、１５０℃程度で変形したり焦げ付いてしまうので、プロセス温度（成膜温度）がそれ以上になる場合には適用することができない。
【０００４】
リフトオフ法においては、犠牲層として、レジスト以外にも、酸化シリコン（ＳｉＯ２）や、ポリシリコンや、アルミニウム（Ａｌ）等が用いられ、その場合には、成膜温度に対する制約は緩和される。しかしながら、酸化シリコンを除去する際に用いられるフッ酸（フッ化水素酸）や、アルミニウムを除去する際に用いられる酸又はアルカリ溶液は、機能性膜にダメージを与えるおそれがある。また、ポリシリコンを除去する際に用いられるフッ化キセノン（ＸｅＦ２）ガスは高価なので、製造コストが上昇してしまう。さらに、機能性膜が犠牲層よりも厚い場合には、エッチング液（エッチャント）の浸透が機能性膜に阻まれて犠牲層まで到達し難くなるので、犠牲層を除去するのが困難になる。
【０００５】
関連する技術として、特許文献１には、シリコン層に所望の機能性膜よりも深い溝状または間隙状のパターンを刻設して型を形成する工程と、少なくとも上記型のパターンの溝または間隙に、上記シリコン層よりも薄い層厚に機能性材料を堆積させる工程と、上記型を除去して機能性膜のパターンを得る工程とを含む微細装置の製造方法が開示されている。即ち、特許文献１においては、犠牲層（Ｓｉ層）の厚さを機能性膜（ＰＺＴ層）よりも若干厚くすることにより、それらの段差によって形成される隙間を通じて、エッチングガスによる犠牲層の選択的なエッチングを進行させている（段落番号００２７）。
【０００６】
しかしながら、犠牲層を厚くすると、犠牲層の応力によって機能性膜が影響を受けるおそれがある。また、犠牲層の形成及び除去プロセスに長時間を要するようになるので、製造コストが増加してしまう。さらに、特許文献１においては、犠牲層として、耐熱性に乏しいフォトレジスト及び有機化合物フィルムを使用するので、機能性膜を形成する温度を低く抑えなければならないという制約がある。また、犠牲層としてシリコンが使用されているので、フッ化キセノン等の高価なエッチングガスが必要となり、製造コストが増加する。
【０００７】
一方、特許文献２には、ＣＭＯＳ回路がダメージを受けて特性劣化することなく、エアーギャップの音響絶縁構造を形成するために、犠牲層の材料としてゲルマニウム（Ｇｅ）を用いること、及び、これを除去するために過酸化水素水（Ｈ２Ｏ２）を用いてエッチングすることを基本とした工程によって半導体集積回路上にエアーギャップ音響絶縁構造を有する圧電薄膜共振子を形成することが開示されている。しかしながら、ゲルマニウムを犠牲層として使う場合には、エッチャントの犠牲層への到達を確保するために、基板上に段差を形成する等の工程が必要となる。
【特許文献１】特開２００１−３４７４９９号公報
【特許文献２】特開２００４−２８２５１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、本発明は、上記課題を解決し、高温プロセスを用いて機能性膜を形成することが可能であり、汎用性が高く、簡易で実用的な機能性膜のパターン形成方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明の１つの観点に係る機能性膜のパターン形成方法は、電界又は磁界を印加することにより所定の機能を発現する機能性材料によって構成される機能性膜のパターンを形成する方法であって、特定のエッチング液により選択的にエッチングされる第１の犠牲層を基板上に直接又は間接的に形成する工程（ａ）と、熱又は物理的作用力に対する耐性が第１の犠牲層よりも弱い第２の犠牲層を第１の犠牲層上に形成する工程（ｂ）と、第１及び第２の犠牲層が形成された基板上に、機能性材料によって機能性膜を形成する工程（ｃ）と、第２の犠牲層に熱及び／又は物理的作用力を加えて第２の犠牲層を部分的に除去することにより、特定のエッチング液を第１の犠牲層に到達させる通過孔、クラック、又は隙間を形成する工程（ｄ）と、特定のエッチング液を用いて、工程（ｄ）において形成された通過孔、クラック、又は隙間を介して第１の犠牲層をエッチングすることにより、第１の犠牲層と第２の犠牲層及び第２の犠牲層上に形成された機能性膜とを除去する工程（ｅ）とを具備する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、第２の犠牲層に熱又は物理的作用力を加えて第２の犠牲層を部分的に除去することにより特定のエッチング液を第１の犠牲層に到達させる通過孔を形成するので、第１の犠牲層として、特定のエッチング液にはエッチングされるが耐熱性の高い無機材料を用いることができる。従って、高温プロセスを用いて機能性膜を形成することが可能であり、汎用性が高く、簡易で実用的な機能性膜のパターン形成方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
本発明の各実施形態に係る機能性膜のパターン形成方法においては、基板上に耐熱性を有する犠牲層が形成され、犠牲層上に機能性膜が形成され、機能性薄膜がリフトオフ法によって加工される。犠牲層は、互いに異なる特性を有する少なくとも第１の犠牲層と第２の犠牲層とを含んでいる。
【００１２】
第１の犠牲層は、高温で機能性膜や基板と反応しないように融点が高く、例えば、２００℃以上、より好ましくは５００℃以上の耐熱性を有する。第１の犠牲層の材料としては、機能性薄膜や基板と比較して第１の犠牲層に対して選択性の高いエッチング液が存在するものが選択される。そのエッチング液は、機能性薄膜や基板に対してほとんど不活性であることが望ましい。例えば、好適な例として、第１の犠牲層と機能性薄膜とに対するエッチング選択比が５０対１以上であるエッチング液が使用される。選択比が５０対１以上であれば、第１の犠牲層と機能性膜との厚み比が例えば１：２である場合に、エッチングによる機能性膜の膜厚減小を１％以下に抑えることができる。通常の典型的例では、第１の犠牲層と機能性膜との厚み比はこれ以上であるので、選択比が５０対１以上であれば充分に機能性膜に対するダメージを抑えられる。好適な例として、第１の犠牲層と機能性薄膜とに対するエッチング選択比が５０対１以上であるエッチング液について説明したが、エッチング選択比が１０対１以上であるエッチング液を用いても良く、選択比が１０対１以上あれば機能性膜に対するダメージを抑えることが可能である。
【００１３】
また、第２の犠牲層は、第１の犠牲層と同様に、高温で機能性膜や基板と反応しないように融点が高く、例えば、２００℃以上、より好ましくは５００℃以上の耐熱性を有するが、熱又は物理的作用力に対する耐性が第１の犠牲層よりも弱い。第２の犠牲層の材料としては、熱又は物理的作用力を加えると、部分剥離を起こしたり貫通孔が形成されることにより、エッチング液を第１の犠牲層まで到達させるものが選択される。
【００１４】
以上の条件を満たす材料の例としては、第１の犠牲層の材料として、ゲルマニウム（Ｇｅ）が存在し、第２の犠牲層の材料として、カーボン（Ｃ）、より好ましくはＤＬＣ（ダイアモンドライクカーボン、硬質カーボン）が存在する。ゲルマニウムとＤＬＣは、共に融点が高く、圧電膜等の機能性膜を形成するための高温プロセスに充分に耐えることができる。また、ゲルマニウムには、ゲルマニウムを溶解できる過酸化水素水（Ｈ２０２）というエッチング液が存在し、過酸化水素水は、ほとんどの機能性膜や基板に対して不活性である。
【００１５】
ＤＬＣは、大気雰囲気中において６００℃の高温で熱処理（アニール）されると、ガス化して炭酸ガス（ＣＯ２）となり、ＤＬＣ上に形成された機能性膜を部分的に剥離する。このアニール、及び、アニール後に行われる超音波洗浄や綿棒等による擦りなどの物理的作用により、ＤＬＣ上に形成された機能性膜が部分的に除去される。アニール及び超音波洗浄後に、機能性膜が形成されている基板をエッチング液である過酸化水素水に入れると、過酸化水素水がＤＬＣの剥離部分から下層に入り込んで、第１の犠牲層であるゲルマニウムの表面に到達し、ゲルマニウムが溶解されて完全に除去される。これにより、第２の犠牲層の残渣及びその上に形成された機能性膜も完全に除去される。
【００１６】
また、この効果により、機能性膜の膜厚が犠牲層の膜厚より厚くて通常のリフトオフ法ではパターン加工が困難な場合でも、機能性膜をパターン加工することが可能である。機能性膜の膜厚がさらに厚い場合には、基板に段差を設けて、機能性膜をそれぞれ個別化することにより、リフトオフ・プロセスをより確実に実行して、機能性膜をパターン加工することが可能である。
【００１７】
以下に、本発明の第１の実施形態に係る機能性膜のパターン形成方法について説明する。第１の実施形態においては、第１の犠牲層の材料としてゲルマニウムが用いられ、第２の犠牲層の材料としてＤＬＣが用いられる。
【００１８】
図１Ａ〜図１Ｈは、本発明の第１の実施形態に係る機能性膜のパターン形成方法を説明するための断面図である。まず、図１Ａに示されるように、基板１の上に下部電極層２が形成される。基板１の材料としては、シリコン（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、ステンレス鋼（ＳＵＳ）の内の少なくとも１つを含む材料が用いられる。酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）としてサファイヤが用いられても良い。下部電極層２は、１種類の金属によって形成されても良いし、隣接する層との整合性を高めるために配置される密着層と高い導電率を有する導電層とを含む多層構造として形成されても良い。本実施形態においては、例えば、シリコンの基板１の上に、スパッタ法を用いて、密着層として２０ｎｍ厚のチタンと導電層として２００ｎｍ厚のプラチナとにより構成されるＴｉ／Ｐｔ下部電極層２が形成される。
【００１９】
次に、図１Ｂに示されるように、下部電極層２が形成された基板１上に、通常のリソグラフィ法によって、所定のパターンを有するレジスト層３が形成される。この工程において、最終的に機能性膜が形成される領域にレジストパターンが設けられる。
【００２０】
図１Ｃに示されるように、下部電極層２及びレジスト層３が形成された基板１上に、例えば、スパッタ法を用いて、ゲルマニウムを材料とする２００ｎｍ厚の第１の犠牲層４が形成される。ゲルマニウムは、耐熱性に優れ、機能性膜や基板に対して不活性であると共に、後の工程で過酸化水素水（Ｈ２Ｏ２）をエッチング液として使用した場合に、機能性膜や基板に対して高いエッチング選択比を有する。
【００２１】
図１Ｄに示されるように、第１の犠牲層４の上に、例えば、スパッタ法を用いて、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）を材料とする１００ｎｍ厚の第２の犠牲層５が形成される。ＤＬＣは、真空中では耐熱性を有するが、後の工程で大気雰囲気中において高温（６００℃）で熱処理（アニール）されると炭酸ガスを生じて、第２の犠牲層５上の機能性膜を部分的に剥離する。
【００２２】
第１の犠牲層４及び第２の犠牲層５が形成された基板１は、アセトンに浸され、通常のリフトオフ法により、図１Ｅに示されるように、レジストパターン上の第１の犠牲層４及び第２の犠牲層５が除去される。その結果、第１の犠牲層４及び第２の犠牲層５がパターニングされ、最終的に機能性膜が形成される領域に、第１の犠牲層４及び第２の犠牲層５に囲まれた開口６が設けられる。
【００２３】
図１Ｆに示されるように、第１の犠牲層４及び第２の犠牲層５がパターニングされた基板１上に、機能性膜７が形成される。機能性膜７は、誘電体、圧電体、磁性体、焦電体、半導体のように、電界又は磁界を印加することにより所定の機能を発現する機能性材料によって構成される。本実施形態においては、スパッタ法を用いて、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を材料とする３μｍ厚の圧電膜が形成される。機能性膜７としては、ＰＺＴ以外の圧電体、誘電体、磁性体、焦電体、半導体、又は、超伝導材料を含む膜を形成しても良い。あるいは、スパッタ法の替りに、化学気相成長方法（ＣＶＤ）や物理的気相成長方法（ＰＶＤ）等の中から公知の方法を選択して、機能性膜を形成しても良い。公知の方法として、例えば、蒸着法又はＭＢＥ法を使用して機能性膜を形成しても良い。機能性膜を形成する際の温度は、約２００℃以上、より好ましくは約５００℃以上とされる。一般に、ＣＶＤによる成膜温度は３００℃以上であり、スパッタ法による圧電膜等の成膜温度は５００℃以上である。
【００２４】
基板１を大気雰囲気中において６００℃の温度で１時間アニールして、ＤＬＣをガス化して炭酸ガス（ＣＯ２）とすることにより、図１Ｇに示されるように、第２の犠牲層５及び機能性膜７が部分的に剥離される。その後、基板１をアセトンに浸し、超音波洗浄することにより、第２の犠牲層５及び機能性膜７がさらに部分的に剥離される。このようにして、次の工程において第１の犠牲層４をエッチングするエッチング液を第１の犠牲層４に到達させるための通過孔８、クラック、隙間（以下「通過孔８等」とも記載する。）が、この工程において形成される。図２は、図１Ｇにおける機能性膜を上からみた状態を示す平面図である。基板の下部電極の上に直接形成された機能性膜７が方形に示され、方形の機能性膜７の外側で、犠牲層の上に形成された機能性膜に、通過孔８、クラック、隙間が形成されている。
【００２５】
次に、基板１を過酸化水素水のエッチング液に浸すことにより、第２の犠牲層５及び機能性膜７内に形成された通過孔８等を通して、過酸化水素水のエッチング液がゲルマニウムの第１の犠牲層４に到達し、第１の犠牲層４がエッチング液によってエッチングされる。この時のエッチング選択比はゲルマニウム１００：ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）１以上でありＰＺＴにダメージはなかった。その結果、図１Ｈに示されるように、第１の犠牲層４と、第１の犠牲層４上にある第２の犠牲層５及び機能性膜７の残渣が除去され、機能性膜７の所望のパターンが形成される。
【００２６】
以上において、第１の犠牲層４の材料としてゲルマニウムを用いる場合について説明したが、第１の犠牲層４の材料としてゲルマニウムの替りに金（Ａｕ）を用いても良い。金の融点は約１０６４℃であるので、機能性膜を形成するためのほとんどの高温プロセスに十分に耐えることができる。さらに、金には、ほとんどの機能性材料や基板材料に対して不活性なエッチング液、又は、エッチング選択性が高いエッチング液（例えば、エッチング選択比が５０対１以上）が存在する。具体的には、５重量％のヨウ素（Ｉ２）と、１０重量％のヨウ化カリウム（ＫＩ）とを、８５重量％の水（Ｈ２Ｏ）に溶解させたエッチング液は、ＰＺＴやシリコンに対して不活性である。また他に第１の犠牲層４の材料として、タングステン（Ｗ）も融点が高く（３４２２℃）、ゲルマニウムと同様、過酸化水素にエッチングされるので、用いることができる。
【００２７】
次に、本発明の第２の実施形態に係る機能性膜のパターン形成方法について説明する。第２の実施形態に係る機能性膜のパターン形成方法は、第１の実施形態におけるよりも機能性膜を更に厚くする場合により適している。なお、第２の実施形態において用いられる基板、第１及び第２の犠牲層、機能性膜の材料や、エッチング液の種類については、第１の実施形態におけるものと同様である。
【００２８】
図３Ａ〜図３Ｇは、本発明の第２の実施形態に係る機能性膜のパターン形成方法を説明するための図である。まず、図３Ａに示すように、基板２１上にフォトリソグラフィ法によってレジスト層２２が形成され、基板２１上の所定の領域にレジストパターンが設けられる。基板２１としては、シリコンウエハが用いられる。次に、基板２１に対して異方性ドライエッチングが施され、その後、アセトン等によりレジスト層２２が除去される。それにより、図３Ｂに示すように、基板２１に凹凸パターンが形成される。
【００２９】
本実施形態においては、凹凸パターンの内の凹部２１ａに機能性膜が形成される。なお、基板２１の凹部２１ａはボッシュ法によって形成されても良く、その深さは、例えば、約１５μｍである。ここで、ボッシュ法とは、側壁をコーティングしながら底をエッチングする異方性ドライエッチング法であり、アスペクト比が高いパターンを形成できるという特徴を有している。なお、基板２１に凹凸パターンを形成する際には、上記の方法以外にも、アルカリ溶液によるウェットエッチング法等の公知の方法を用いても良い。
【００３０】
次に、図３Ｃに示されるように、公知のリソグラフィ法によって基板２１の凹部にレジスト層２３が形成された後に、基板の主面上に、第１の犠牲層２４及び第２の犠牲層２５が形成される。
【００３１】
次に、図３Ｄに示されるように、一般的なリフトオフ法によって、凹部のレジスト層２３上に形成された第１の犠牲層２４及び第２の犠牲層２５が除去され、基板２１に形成された凸部パターン上に、第１の犠牲層２４及び第２の犠牲層２５が残される。
【００３２】
次に、図３Ｅに示されるように、凸部パターン上に第１の犠牲層２４及び第２の犠牲層２５が残された基板２１の主面上に、約５００℃の高温の成膜温度で機能性膜２６が形成される。
【００３３】
図３Ｆに示されるように、基板２１を大気雰囲気中において６００℃の温度で１時間アニールして、ＤＬＣをガス化して炭酸ガス（ＣＯ２）とすることにより、ＤＬＣの第２の犠牲層２５及びＰＺＴの機能性膜２６が部分的に剥離される。その後、基板をアセトンに浸し、超音波洗浄することにより、第２の犠牲層２５及び機能性膜２６がさらに部分的に剥離される。このようにして、通過孔８が形成される。
【００３４】
次に、基板２１を過酸化水素水に浸すことにより、第２の犠牲層２５及び機能性膜２６内に形成された通過孔８を通して、過酸化水素水のエッチング液がゲルマニウムの第１の犠牲層２４に到達し、第１の犠牲層２４がエッチング液によってエッチングされる。その結果、図３Ｇに示されるように、第１の犠牲層２４と、第１の犠牲層２４上にある第２の犠牲層２５及び機能性膜２６の残渣が除去され、機能性膜２６の所望のパターンが形成される。
【００３５】
このように、本実施形態によれば、基板に段差（凹凸パターン）を設けて、機能性膜が形成される領域を予め個別化しておくことにより、機能性膜がさらに厚い場合においても、犠牲層及びその上の機能性膜をより確実に剥離することが可能となる。
【００３６】
以上説明したように、本発明の第１及び第２の実施形態によれば、高い耐熱性を有する犠牲層が用いられるので、従来のようにレジストを用いる場合には不可能であった温度（２００℃以上、望ましくは５００℃以上）で機能性膜を形成できるようになる。また、第２の犠牲層に熱及び／又は物理的作用力を加えることにより、第２の犠牲層内に第１の犠牲層に対するエッチング液の通過孔が形成されるので、機能性膜の厚さが犠牲層よりも厚い場合においても、第１及び第２の犠牲層及びその上の機能性膜を、容易且つ綺麗に除去することが可能となる。
【００３７】
次に、本発明の第１の実施形態に係る機能性膜のパターン形成方法を適用した圧電デバイスの製造方法について説明する。
図４Ｈは、ダイアフラム（隔膜）型圧電アクチュエータを示す断面図である。ここで、ダイアフラム型圧電アクチュエータとは、下部電極層３３と上部電極層３９との間に電圧を印加して機能性膜（圧電膜）３８を伸縮させることにより、ダイアフラム３１ｂ〜３３を変位させるアクチュエータのことである。このようなアクチュエータは、マイクロポンプや、超音波トランスデューサや、インクジェットヘッド等に適用される。
【００３８】
図４Ａ〜図４Ｈに示されるように、ダイアフラム型圧電アクチュエータは、次のようにして製造される。まず、図４Ａに示されるように、基板３１が用意される。本実施形態においては、基板３１として、厚さが０．４ｍｍの支持層３１ａと、酸化シリコン層３１ｂと、厚さが１０μｍの活性層３１ｃとを含み、直径が４インチのＳＯＩウエハが用いられる。そして、基板３１を電気炉において熱処理することにより、活性層３１ｃ上に０．５μｍ厚の熱酸化膜３２が形成される。
【００３９】
次に、図４Ｂに示されるように、ボッシュ法等の異方性ドライエッチングにより、支持層３１ａに、開口部３１ｄが形成される。
さらに、図４Ｃに示されるように、基板３１に形成された熱酸化膜３２の上に、下部電極層３３が形成される。下部電極層３３は、１種類の金属によって形成されていても良いし、隣接する層との接合性を高めるために配置される密着層と高い導電率を有する導電層とを含む２層構造としても良い。本実施形態において、下部電極層３３は、密着層として１０ｎｍ厚のチタン（Ｔｉ）層と、導電層として１００ｎｍ厚の白金（Ｐｔ）層とを含んでいる。
【００４０】
図４Ｄに示されるように、通常のリソグラフィ法によってレジスト層３４が形成され、レジストパターンが設けられる。次に、レジストパターンが設けられた基板上に、例えば、スパッタ法を用いて、ゲルマニウム（Ｇｅ）を材料とする２００ｎｍ厚の第１の犠牲層３５が形成される。その後、第１の犠牲層３５上に、例えば、スパッタ法を用いて、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）を材料とする１００ｎｍ厚の第２の犠牲層３６が形成される。
【００４１】
第１の犠牲層３５及び第２の犠牲層３６が形成された基板３１は、アセトンに浸され、通常のリフトオフ法により、図４Ｅに示されるように、レジストパターン上の第１の犠牲層３５及び第２の犠牲層３６が除去される。その結果、最終的に機能性膜が形成される領域に、第１の犠牲層３５及び第２の犠牲層３６に囲まれた開口３７が設けられる。
【００４２】
図４Ｆに示されるように、機能性膜３８が形成される。本実施形態においては、スパッタ法を用いて、機能性膜３８として、３μｍ厚のＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を材料とする圧電膜が形成される。スパッタ法の替りに、化学気相成長方法（ＣＶＤ）や物理的気相成長方法（ＰＶＤ）等の中から公知の方法を選択して、機能性膜を形成するようにしても良い。
【００４３】
図４Ｇに示されるように、基板３１を大気雰囲気中において６００℃の温度で１時間アニールして、ＤＬＣをガス化して炭酸ガスとすることにより、第２の犠牲層３６及び機能性膜３８が部分的に剥離される。その後、基板３１をアセトンに浸し、超音波洗浄することにより、第２の犠牲層３６及び機能性膜３８がさらに部分的に剥離される。次の工程においてゲルマニウム（Ｇｅ）をエッチングする過酸化水素水エッチング液をゲルマニウム（Ｇｅ）第１の犠牲層に到達させるための通過孔８が、この工程において形成される。
【００４４】
次に、基板３１を過酸化水素水に浸すことにより、第２の犠牲層３６及び機能性膜３８内に形成された通過孔８等を通して、過酸化水素水のエッチング液がゲルマニウムの第１の犠牲層３５に到達し、第１の犠牲層３５がエッチング液によってエッチングされる。その結果、図４Ｈに示されるように、第１の犠牲層３５と、第１の犠牲層３５上にある第２の犠牲層３６及び機能性膜３８の残渣が除去されて、機能性膜（ＰＺＴの圧電膜）３８の所望のパターンが形成される。
【００４５】
そのように形成された機能性膜３８のパターン上に、上部電極層３９が形成される。即ち、フォトリソグラフィ法によって上部電極層３９のレジストパターンが形成され、スパッタ法により２０ｎｍ厚のチタン層及び１５０ｎｍ厚の白金層が形成される。さらに、アセトンによってレジストパターンが除去される。それにより、ダイアフラム型圧電アクチュエータが完成する。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明は、微小電気機械システム等の微細な機器において用いられる機能性膜のパターン形成において利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１Ａ】本発明の第１の実施形態に係る機能性膜のパターン形成方法を説明するための断面図である。
【図１Ｂ】本発明の第１の実施形態に係る機能性膜のパターン形成方法を説明するための断面図である。
【図１Ｃ】本発明の第１の実施形態に係る機能性膜のパターン形成方法を説明するための断面図である。
【図１Ｄ】本発明の第１の実施形態に係る機能性膜のパターン形成方法を説明するための断面図である。
【図１Ｅ】本発明の第１の実施形態に係る機能性膜のパターン形成方法を説明するための断面図である。
【図１Ｆ】本発明の第１の実施形態に係る機能性膜のパターン形成方法を説明するための断面図である。
【図１Ｇ】本発明の第１の実施形態に係る機能性膜のパターン形成方法を説明するための断面図である。
【図１Ｈ】本発明の第１の実施形態に係る機能性膜のパターン形成方法を説明するための断面図である。
【図２】図１Ｇにおける機能性膜を上から見た状態を示す平面図である。
【図３Ａ】本発明の第２の実施形態に係る機能性膜のパターン形成方法を説明するための断面図である。
【図３Ｂ】本発明の第２の実施形態に係る機能性膜のパターン形成方法を説明するための断面図である。
【図３Ｃ】本発明の第２の実施形態に係る機能性膜のパターン形成方法を説明するための断面図である。
【図３Ｄ】本発明の第２の実施形態に係る機能性膜のパターン形成方法を説明するための断面図である。
【図３Ｅ】本発明の第２の実施形態に係る機能性膜のパターン形成方法を説明するための断面図である。
【図３Ｆ】本発明の第２の実施形態に係る機能性膜のパターン形成方法を説明するための断面図である。
【図３Ｇ】本発明の第２の実施形態に係る機能性膜のパターン形成方法を説明するための断面図である。
【図４Ａ】本発明の第１の実施形態に係る機能性膜のパターン形成方法を適用した圧電デバイスの製造方法を説明するための断面図である。
【図４Ｂ】本発明の第１の実施形態に係る機能性膜のパターン形成方法を適用した圧電デバイスの製造方法を説明するための断面図である。
【図４Ｃ】本発明の第１の実施形態に係る機能性膜のパターン形成方法を適用した圧電デバイスの製造方法を説明するための断面図である。
【図４Ｄ】本発明の第１の実施形態に係る機能性膜のパターン形成方法を適用した圧電デバイスの製造方法を説明するための断面図である。
【図４Ｅ】本発明の第１の実施形態に係る機能性膜のパターン形成方法を適用した圧電デバイスの製造方法を説明するための断面図である。
【図４Ｆ】本発明の第１の実施形態に係る機能性膜のパターン形成方法を適用した圧電デバイスの製造方法を説明するための断面図である。
【図４Ｇ】本発明の第１の実施形態に係る機能性膜のパターン形成方法を適用した圧電デバイスの製造方法を説明するための断面図である。
【図４Ｈ】本発明の第１の実施形態に係る機能性膜のパターン形成方法を適用した圧電デバイスの製造方法を説明するための断面図である。
【符号の説明】
【００４８】
１、２１、３１ 基板
２、３３ 下部電極層
３、２２、２３、３４ レジスト層
４、２４，３５ 第１の犠牲層
５、２５、３６ 第２の犠牲層
６、３７ 開口
７、２６、３８ 機能性膜
８ 通過孔
２１ａ 凹部
３１ａ 支持層
３１ｂ 酸化シリコン層
３１ｃ 活性層
３１ｄ 開口
３２ 熱酸化膜
３９ 上部電極層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電界又は磁界を印加することにより所定の機能を発現する機能性材料によって構成される機能性膜のパターンを形成する方法において、
特定のエッチング液により選択的にエッチングされる第１の犠牲層を基板上に直接又は間接的に形成する工程（ａ）と、
熱又は物理的作用力に対する耐性が前記第１の犠牲層よりも弱い第２の犠牲層を前記第１の犠牲層上に形成する工程（ｂ）と、
前記第１及び第２の犠牲層が形成された基板上に、機能性材料によって機能性膜を形成する工程（ｃ）と、
前記第２の犠牲層に熱及び／又は物理的作用力を加えて前記第２の犠牲層を部分的に除去することにより、前記特定のエッチング液を前記第１の犠牲層に到達させる通過孔、クラック、又は隙間を形成する工程（ｄ）と、
前記特定のエッチング液を用いて、工程（ｄ）において形成された通過孔、クラック、又は隙間を介して前記第１の犠牲層をエッチングすることにより、前記第１の犠牲層と前記第２の犠牲層及び前記第２の犠牲層上に形成された前記機能性膜とを除去する工程（ｅ）と、
を具備する機能性膜のパターン形成方法。
【請求項２】
工程（ｃ）が、２００℃以上の成膜温度で前記機能性膜を形成することを含む、請求項１記載の機能性膜のパターン形成方法。
【請求項３】
工程（ｃ）が、前記第１の犠牲層と前記第２の犠牲層とを足した厚みよりも厚くなるように前記機能性膜を形成することを含む、請求項１又は２記載の機能性膜のパターン形成方法。
【請求項４】
工程（ｃ）が、蒸着法、ＭＢＥ法、スパッタ法、化学気相成長法（ＣＶＤ）、又は、物理気相成長法（ＰＶＤ）により前記機能性膜を形成することを含む、請求項１〜３のいずれか１項記載の機能性膜のパターン形成方法。
【請求項５】
工程（ｅ）が、前記基板及び前記機能性膜に対して不活性なエッチング液、又は、前記第１の犠牲層と前記機能性膜とに対するエッチング選択比が１０対１以上であるエッチング液を用いて、前記第１の犠牲層をウェットエッチングすることを含む、請求項１〜４のいずれか１項記載の機能性膜のパターン形成方法。
【請求項６】
前記第１の犠牲層が、ゲルマニウム（Ｇｅ）を含む、請求項１〜５のいずれか１項記載の機能性膜のパターン形成方法。
【請求項７】
前記第１の犠牲層が、金（Ａｕ）を含む、請求項１〜５のいずれか１項記載の機能性膜のパターン形成方法。
【請求項８】
前記第２の犠牲層が、カーボン（Ｃ）を含む、請求項１〜７のいずれか１項記載の機能性膜のパターン形成方法。
【請求項９】
前記第２の犠牲層が、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）を含む、請求項８記載の機能性膜のパターン形成方法。
【請求項１０】
工程（ｄ）が、前記第２の犠牲層に対して超音波洗浄を施し、及び／又は、磁場を印加することを含む、請求項１〜９のいずれか１項記載の機能性膜のパターン形成方法。
【請求項１１】
前記基板が、シリコン（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、ガリウム砒素（ＧａＡＳ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、及び、ステンレス鋼の内の少なくとも１つを含む、請求項１〜１０のいずれか１項記載の機能性膜のパターン形成方法。
【請求項１】
電界又は磁界を印加することにより所定の機能を発現する機能性材料によって構成される機能性膜のパターンを形成する方法において、
特定のエッチング液により選択的にエッチングされる第１の犠牲層を基板上に直接又は間接的に形成する工程（ａ）と、
熱又は物理的作用力に対する耐性が前記第１の犠牲層よりも弱い第２の犠牲層を前記第１の犠牲層上に形成する工程（ｂ）と、
前記第１及び第２の犠牲層が形成された基板上に、機能性材料によって機能性膜を形成する工程（ｃ）と、
前記第２の犠牲層に熱及び／又は物理的作用力を加えて前記第２の犠牲層を部分的に除去することにより、前記特定のエッチング液を前記第１の犠牲層に到達させる通過孔、クラック、又は隙間を形成する工程（ｄ）と、
前記特定のエッチング液を用いて、工程（ｄ）において形成された通過孔、クラック、又は隙間を介して前記第１の犠牲層をエッチングすることにより、前記第１の犠牲層と前記第２の犠牲層及び前記第２の犠牲層上に形成された前記機能性膜とを除去する工程（ｅ）と、
を具備する機能性膜のパターン形成方法。
【請求項２】
工程（ｃ）が、２００℃以上の成膜温度で前記機能性膜を形成することを含む、請求項１記載の機能性膜のパターン形成方法。
【請求項３】
工程（ｃ）が、前記第１の犠牲層と前記第２の犠牲層とを足した厚みよりも厚くなるように前記機能性膜を形成することを含む、請求項１又は２記載の機能性膜のパターン形成方法。
【請求項４】
工程（ｃ）が、蒸着法、ＭＢＥ法、スパッタ法、化学気相成長法（ＣＶＤ）、又は、物理気相成長法（ＰＶＤ）により前記機能性膜を形成することを含む、請求項１〜３のいずれか１項記載の機能性膜のパターン形成方法。
【請求項５】
工程（ｅ）が、前記基板及び前記機能性膜に対して不活性なエッチング液、又は、前記第１の犠牲層と前記機能性膜とに対するエッチング選択比が１０対１以上であるエッチング液を用いて、前記第１の犠牲層をウェットエッチングすることを含む、請求項１〜４のいずれか１項記載の機能性膜のパターン形成方法。
【請求項６】
前記第１の犠牲層が、ゲルマニウム（Ｇｅ）を含む、請求項１〜５のいずれか１項記載の機能性膜のパターン形成方法。
【請求項７】
前記第１の犠牲層が、金（Ａｕ）を含む、請求項１〜５のいずれか１項記載の機能性膜のパターン形成方法。
【請求項８】
前記第２の犠牲層が、カーボン（Ｃ）を含む、請求項１〜７のいずれか１項記載の機能性膜のパターン形成方法。
【請求項９】
前記第２の犠牲層が、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）を含む、請求項８記載の機能性膜のパターン形成方法。
【請求項１０】
工程（ｄ）が、前記第２の犠牲層に対して超音波洗浄を施し、及び／又は、磁場を印加することを含む、請求項１〜９のいずれか１項記載の機能性膜のパターン形成方法。
【請求項１１】
前記基板が、シリコン（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、ガリウム砒素（ＧａＡＳ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、及び、ステンレス鋼の内の少なくとも１つを含む、請求項１〜１０のいずれか１項記載の機能性膜のパターン形成方法。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図１Ｄ】
【図１Ｅ】
【図１Ｆ】
【図１Ｇ】
【図１Ｈ】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図３Ｅ】
【図３Ｆ】
【図３Ｇ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図４Ｄ】
【図４Ｅ】
【図４Ｆ】
【図４Ｇ】
【図４Ｈ】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図１Ｄ】
【図１Ｅ】
【図１Ｆ】
【図１Ｇ】
【図１Ｈ】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図３Ｅ】
【図３Ｆ】
【図３Ｇ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図４Ｄ】
【図４Ｅ】
【図４Ｆ】
【図４Ｇ】
【図４Ｈ】
【公開番号】特開２００９−２１５１８（Ｐ２００９−２１５１８Ａ）
【公開日】平成２１年１月２９日（２００９．１．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１８４７３４（Ｐ２００７−１８４７３４）
【出願日】平成１９年７月１３日（２００７．７．１３）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１月２９日（２００９．１．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年７月１３日（２００７．７．１３）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
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