ＭＥＭＳ可変キャパシタの製造方法
面外可変オーバーラップ式ＭＥＭＳキャパシタを製造する方法は、互いの上部に積層した、第１層（４１）、第２層（４２）および第３層（４３）を備えた基板（４０）を用意することと、単一のエッチングマスク（５０）を用いて、第３層（４３）を通り、第２層（４２）を通り、第１層（４１）に至る複数の第１溝（７０）をエッチングすることとを含む。複数の第１溝（７０）をエッチングすることは、第３層（４３）にある複数の第１フィンガー（５１）および第１層（４１）にある複数の第２フィンガー（５２）を規定する。単一のマスクを使用することによって、プロセスは自己整合される。該方法は、複数の第１溝（７０）が設けられた第１領域において、第２層（４２）を除去することをさらに含み、これにより複数の第１フィンガー（５１）と複数の第２フィンガー（５２）との間にスペースまたはギャップを形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エネルギーハーベスタ(harvester)、詳細には、静電気エネルギーハーベスタの分野に関する。特に本発明は、ＭＥＭＳ（微小電気機械システム）可変キャパシタおよびこうしたＭＥＭＳ可変キャパシタの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
将来の無線センサネックワークが、典型的には、数ｃｍ３の空間を占めるセンサノードを備えるようになる。これらのセンサノードに電力を供給するための電池の小型化は、技術的な制約および蓄積密度の損失に直面する。定期的な時間間隔、例えば、月ごとに電池を交換または再充電することは、極めて高価になり、例えば、分散システムや埋め込みシステムでは不可能なことでもある。廃棄した環境エネルギーの回復をベースとしたエネルギースカベンジャ(scavenger)は、可能性のある電池の代替品である。幾つかのスカベンジャ概念は、光エネルギー（太陽電池を使用）、熱エネルギー（熱電発電機）、圧力エネルギー、または運動エネルギーの変換をベースとして提案されている。
【０００３】
運動エネルギースカベンジャは、機械的運動の形態（例えば、振動またはランダム変位の形態）を電気エネルギーに変換する。運動エネルギーから電気エネルギーへの変換では、例えば、圧電機構、静電機構または電磁機構をベースとした種々の変換機構を採用できる。圧電スカベンジャは、機械的な応力が印加された場合に電荷を発生する活性材料を使用する。静電スカベンジャは、電気絶縁された帯電キャパシタ板の間の相対運動を利用して、エネルギーを発生する。電磁スカベンジャは、電磁誘導のファラデーの法則をベースとして、磁場勾配と導体との間の相対運動から電気エネルギーを発生する。
【０００４】
静電エネルギー変換が、機械的振動によって駆動される可変静電容量構造をベースとして、最大静電容量と最小静電容量との間で振動する。外部振動から生ずる地震質量(seismic mass)の運動が、静電容量の変化に転換され、そして、キャパシタでの電荷の変化に転換される。これにより、負荷回路を通る電流が生じて、運動エネルギーから電気エネルギーへの変換が行われる。微細加工された静電スカベンジャにおいて、電気絶縁されたキャパシタ板の間の相対運動は、固定電極と可動電極（即ち、固定電極に対して相対的に移動可能）を設けることによって得られる。しばしば、可動電極および固定電極は、平行な複数の浅いキャパシタ板を備え、フィンガー(finger)と称される。両方の電極のフィンガーは、相互に入り込んでもよく、そうでなくてもよい。地震質量を可動電極に取り付けてもよい。
【０００５】
固定電極および可動電極は、同じ面に配置してもよい（面内(in-plane)）。キャパシタ板間の相対運動は、フィンガーのオーバーラップ面積を変化させること（面内可変オーバーラップ式キャパシタ）、またはフィンガー間の間隙を変化させること（面内間隙閉鎖式キャパシタ）を含んでもよい。代替として、可動電極および固定電極は、異なる面に配置してもよく（面外(out-of-plane)）、電極間の間隔または間隙を備える。キャパシタ板の間の相対運動は、２つの大きな板の間の間隙を変化させること（面外間隙閉鎖式キャパシタ）、または複数のフィンガー間のオーバーラップを変化させること（面外可変オーバーラップ式キャパシタ）を含んでもよい。
【０００６】
面外可変オーバーラップの手法は、面内オーバーラップの手法と比べて、地震質量のより大きな変位および、より大きな静電容量変化を可能にし、間隙閉鎖式キャパシタと比べて、引き込み現象(pull-in effect)に対する感受性が低くなる。面外可変オーバーラップ式キャパシタの固定電極および可動電極は、並列接続された複数の平行板キャパシタを形成する。
【０００７】
先行技術のシステムにおいて、こうした面外可変オーバーラップ構造は、少なくとも２つの基板をベースとして製造され、例えば、文献（G. Altena et al. in "Electrostatic energy scavengers for wireless autonomous sensor nodes", Smart Systems Integration 2007, proceedings of the 1st European Conference and Exhibition on Integration Issues of Miniaturized Systems - MEMS, MOEMS, ICs and Electronic Components, pages 359-366, March 2007）で報告されている。
【０００８】
図１は、こうした先行技術の面外可変オーバーラップ式キャパシタ構造の断面を示す。この構造は、第１基板１０、例えば、ガラス基板または他の適切な基板の上に形成された複数の固定フィンガー１１を含む固定電極を備える。それは、可動電極をさらに備え、可動電極に物理的に取り付けられた複数の可動フィンガー２１および地震質量２２を含む。可動フィンガー２１および地震質量２２は、第２基板２０、例えば、シリコン基板または他の適切な基板から製作される。キャパシタの可動電極は、例えば、質量２２およびサスペンション（図１では不図示）とともに微細加工されたバルクである。
【０００９】
第１基板１０および第２基板２０は、接着剤３１、例えば、感光性ＢＣＢ層を用いて互いに接着接合される。しばしば第３基板が追加され（図１では不図示）、第１基板１０が接合された側とは反対側で第２基板２０と接合される。この第３基板は、ＭＥＭＳ構造を、可能ならば、ダンピング損失を低減するために真空に包装するために使用できる。第３構造は、電極またはエレクトレットを用いて、キャパシタを分極させる手段としても使用できる。こうした先行技術の面外可変オーバーラップ式キャパシタの製造が比較的複雑であり、少なくとも２つの基板１０，２０と、少なくとも４つのパターニングステップ（基板当たり２つ）と、第１基板１０上の固定フィンガー１１と第２基板２０上の可動フィンガー２１との間の良好なアライメントでのウエハ接合ステップとを必要とする。キャパシタの固定電極と可動電極との間の間隙３２のサイズは、接着剤３１の厚さを調整することによって、１マイクロメータ以下に制御可能である。例えば、高さ分布(topography)を有する基板に接着剤をスピンコートすることから由来する等、接着層での厚さ不均一性の場合、間隙３２での変動が生じることがある。キャパシタの性能は、ウエハ接合作業のアライメントの精度、主に回転アライメントの精度に依存するであろう。さらに、歩留まりは、ウエハ接合後での接合欠陥の量に依存する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、面外可変オーバーラップ式ＭＥＭＳキャパシタ構造を製造する方法を提供することであり、該方法は先行技術より複雑でない。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的は、本発明に係る方法によって達成される。
【００１２】
本発明に係る方法が、単一基板をベースとして、先行技術の方法と比べて、少ない処理ステップ、例えば、少ないパターニングステップで、面外可変ＭＥＭＳキャパシタの製造を可能にする。本発明の実施形態において、ウエハ接合ステップの必要性が回避され、先行技術の方法と比べて、より良好な信頼性および、より高い歩留まりをもたらす。本発明の実施形態に係る方法が、固定電極の固定フィンガーと可動電極の可動フィンガーとの間の正確なアライメント（「セルフアライメント」）を可能にし、固定電極と可動電極との間の良好に制御された間隙をもたらす。
【００１３】
本発明の実施形態に係る面外可変オーバーラップ式ＭＥＭＳキャパシタの製造方法は、互いの上部に積層した、第１層、第２層および第３層を備えた基板を用意することと、単一のエッチングマスクを用いて、第３層を通り、第２層を通り、第１層に至る複数の第１溝をエッチングすることとを含む。複数の第１溝をエッチングすることは、第３層にある複数の第１フィンガーおよび第１層にある複数の第２フィンガーを規定する。
【００１４】
該方法は、複数の第１溝が設けられた第１領域において、第２層を除去することをさらに含んでもよく、これにより複数の第１フィンガーと複数の第２フィンガーとの間にスペースまたはギャップ、例えば、エアまたはガスギャップを形成する。エアギャップは、真空状態でもよく、あるいはガスで充填してもよい。第１領域は、基板の層の面に対して平行な面内にある２次元エリアとして定義され、その２次元エリアは、第１溝が設けられる基板の場所を覆う。
【００１５】
該方法は、複数の第１溝が設けられた第１領域を包囲する第２領域において、第１層を通る第２溝をエッチングすることをさらに含んでもよく、これにより複数の第２フィンガーと接続された地震質量を規定する。第２領域についても基板の層の面に対して平行な面内にある２次元エリアであり、第２領域は第１領域より小さくない。
【００１６】
該方法は、地震質量と第３層との間の領域において、第２層を除去することをさらに含んでもよく、これにより地震質量および複数の第２フィンガーを基板の残部から切り離し、地震質量および複数の第２フィンガーが、例えば、外部振動に応答して固定フィンガーに対して移動可能になる。
【００１７】
第１層の厚さは、例えば、１００マイクロメータ〜１０００マイクロメータの範囲、２００マイクロメータ〜８００マイクロメータの範囲、または５００マイクロメータ〜７００マイクロメータの範囲にすることができる。
【００１８】
第２層の厚さは、例えば、１マイクロメータ〜５マイクロメータの範囲、または１マイクロメータ〜３マイクロメータの範囲、例えば、２マイクロメータを含む範囲にすることができる。
【００１９】
第３層の厚さは、例えば、１０マイクロメータ〜１００マイクロメータの範囲、１０マイクロメータ〜５０マイクロメータの範囲、１０マイクロメータ〜３０マイクロメータの範囲、例えば、２０マイクロメータにすることができる。
【００２０】
基板は、例えば、ＳＯＩ基板でもよく、第１層はＳＯＩ基板のハンドリング層であり、第２層はＳＯＩ基板の埋め込み酸化物層であり、第３層はＳＯＩ基板のデバイス層である。
【００２１】
本発明の実施形態に係る方法が、エネルギースカベンジャデバイスの製造プロセス、または、センサ、例えば、加速度センサの製造プロセスにおいて好都合に使用できる。
【００２２】
発明とみなされる主題は、本文書の終わりにある請求項の欄において詳しく指摘し、明確に請求している。添付図面とともに読んだ場合、本発明は、構成、動作方法に関して、その特徴および利点とともに、下記の詳細な説明の参照によって最もよく理解されるであろう。
【００２３】
本発明および、先行技術に対して達成される利点を要約する目的で、本発明の一定の目的および利点を上述している。当然ながら、こうした目的または利点の全てが本発明のいずれか特定の実施形態に従って必ず達成されるわけではないことは理解すべきである。こうして、例えば、本発明が、ここで教示したような１つの利点または複数の利点を達成または最適化するような方法で、ここで教示または提示したような他の目的または利点を必ずしも達成することなく、具体化または実施できることは、当業者は認識するであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】先行技術の面外可変オーバーラップ式キャパシタ構造の断面を示す。
【図２ａ】本発明の実施形態に係る製造プロセスを示す。
【図２ｂ】本発明の実施形態に係る製造プロセスを示す。
【図２ｃ】本発明の実施形態に係る製造プロセスを示す。
【図２ｄ】本発明の実施形態に係る製造プロセスを示す。
【図２ｅ】本発明の実施形態に係る製造プロセスを示す。
【図２ｆ】本発明の実施形態に係る製造プロセスを示す。
【図２ｇ】本発明の実施形態に係る製造プロセスを示す。
【図３】本発明の実施形態に係る方法を示すフローチャートである。
【００２５】
異なる図面において、同じ参照符号は、同じまたは類似の要素を参照している。請求項中の参照符号の何れもが、範囲を限定するものと解釈すべきでない。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
ここで開示した方法およびデバイスは、特定の実施形態に関して一定の図面を参照しながら説明しているが、本発明はこれによって限定されず、請求項によってのみ限定される。ここで記載した図面は、概略的に過ぎず、限定的なものでない。図面において、幾つかの要素のサイズは強調していることがあり、説明目的のため、スケールどおりに描いていない。寸法および相対寸法は、本発明の実際の実施品と対応していない。
【００２７】
さらに、説明および請求項での用語「第１」「第２」などは、類似の要素を区別するために使用しており、必ずしも時間的または空間的な順番をランキングや他の方法で記述するためではない。ここで使用した用語は、適切な状況下で交換可能であり、ここで本発明の実施形態は、ここで説明したり図示したものとは別の順番で動作可能であると理解すべきである。
【００２８】
さらに、説明および請求項での用語「上(top)」、「下(bottom)」、「の上に(over)」、「の下に(under)」等は、説明目的で使用しており、必ずしも相対的な位置を記述するためのものでない。こうして用いた用語は、適切な状況下で交換可能であって、ここで説明した本発明の実施形態がここで説明または図示した以外の他の向きで動作可能であると理解すべきである。
【００２９】
用語「備える、含む(comprising)」は、それ以降に列挙された手段に限定されるものと解釈すべきでなく、他の要素またはステップを除外していない。記述した特徴、整数、ステップまたは構成要素の存在を、参照したように特定するように解釈する必要があるが、１つ又はそれ以上の他の特徴、整数、ステップまたは構成要素、あるいはこれらのグループの存在または追加を除外していない。こうして表現「手段Ａ，Ｂを備えるデバイス」の範囲は、構成要素Ａ，Ｂのみから成るデバイスに限定すべきでない。それは、本発明に関して、デバイスの関連する構成要素だけがＡおよびＢであることを意味する。
【００３０】
本明細書を通じて「一実施形態」または「実施形態」への参照は、実施形態との関連で記載した特定の特徴、構造または特性が本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。本明細書を通じていろいろな場所での「一実施形態」または「実施形態」の語句の出現は、必ずしも全て同じ実施形態を参照していないが、そうこともある。さらに、１つ又はそれ以上の実施形態において、本発明から当業者にとって明らかなように、特定の特徴、構造または特性は、いずれか適切な方法で組み合わせてもよい。
【００３１】
同様に、本発明の例示の実施形態の説明において、本発明を合理化し、本発明の１つ又はそれ以上の種々の態様の理解を支援する目的で、単一の実施形態、図面、または説明において、いろいろな特徴が一緒にグループ化していることがあると理解すべきである。しかしながら、この発明の方法は、請求項の発明が、各請求項で明示的に記載したものより多くの特徴を必要とするという意図を反映していると解釈すべきでない。むしろ下記の請求項が反映しているように、発明の態様は、単一の前述した実施形態の全ての特徴より少ない場合がある。こうして詳細な説明に追従する請求項は、この詳細な説明の中に明示的に組み込まれており、各請求項は、本発明の別々の実施形態として自立している。
【００３２】
さらに、ここで説明した幾つかの実施形態が、他の実施形態に含まれる幾つかの他でない特徴を含むとともに、当業者によって理解されるように、異なる実施形態の特徴の組合せが本発明の範囲内にあって、異なる実施形態を構成することを意味する。例えば、下記の請求項において、請求した実施形態の何れも、何れの組合せで使用可能である。
【００３３】
ここで提供した説明において、多数の具体的な詳細を説明している。しかしながら、本発明の実施形態は、これらの具体的な詳細なしで実施してもよいことは理解されよう。別の例では、この説明の理解を曖昧にしないために、周知の方法、構造および技法は詳細には示していない。
【００３４】
開示した方法およびデバイスは、本発明の幾つかの実施形態の詳細な説明によって説明している。本発明の他の実施形態が、本発明の技術的教示から逸脱することなく、当業者の知識に従って構成できることは明らかであり、本発明は、添付の請求項の用語によってのみ限定される。
【００３５】
本発明の目的は、面外可変オーバーラップ式ＭＥＭＳキャパシタ構造を製造する方法を提供することであり、該方法は、先行技術の方法よりも複雑でなく、必要とされる処理ステップが少なくなり（より少ないパターニングステップ及び／又はより少ないリソグラフステップ）、例えば、ウエハ接合など、歩留まり減少ステップの必要性が回避される。従って、本発明の製造方法は、先行技術の方法と比べて、より安価になり、より高い歩留まりを有することが可能になる。
【００３６】
この目的は、図３に概略的に図示するように、本発明の実施形態に係る面外可変オーバーラップ式キャパシタ構造を製造することによって達成されるものであり、少なくとも３つの層、即ち、互いの上部に積層した第１層、第２層または中間層、および第３層を備えた単一基板、例えば、ＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）基板からスタートする（ステップ３０）。層スタックの第１層は、可動電極および地震質量を形成するために用いられ、層スタックの第２層または中間層の厚さは、可動電極と固定電極との間の間隙を規定しており、層スタックの第３層は、可動電極を形成するために用いられる。
【００３７】
本発明の実施形態に係る方法は、単一マスクを用いて、第３層および第２層を通って第１層に至る溝をエッチングすることを含み（ステップ３１）、第３層の第１フィンガー組および第１層の第２フィンガー組をセルフアライメント法で形成している。本発明の実施形態によれば、固定電極は、互いに平行に配列した複数の固定フィンガー、例えば、矩形状フィンガーを含んでもよい。可動電極は、互いに平行に配列した複数の可動フィンガー、例えば、矩形状フィンガーを含んでもよい。
【００３８】
特定の実施形態において、固定フィンガーの数および位置は、可動フィンガーの数および位置に対応している。可動フィンガー（および可動フィンガーに取り付けられた地震質量）は、例えば、外部振動に応答して、固定フィンガーに対して相対移動可能である。フィンガーの平行配列の代わりに、本発明の代替の実施形態において、他の構成、例えば、フィンガーが放射状に位置決めされ（車輪のスポークと同様）、固定フィンガーに対する可動フィンガーの相対運動が回転であるような構成が可能である。一般に、フィンガーの配向は、可動電極の運動方向に対して実質的に垂直である。
【００３９】
本発明の実施形態に係る方法において、少なくとも３つの層を含む基板および、第１フィンガー組および第２フィンガー組を規定するための単一マスクの使用に起因して、ウエハ接合ステップの必要性が回避され、先行技術の方法と比べて、より良好な信頼性および高い歩留まりをもたらす。
【００４０】
本発明の実施形態に係る方法が、固定電極の複数の固定フィンガーと可動電極の複数の可動フィンガーとの間で正確なアライメント（「セルフアライメント」）を可能にする。複数の固定フィンガーと複数の可動フィンガーとの間のアライメントが、単一のエッチングマスクを用いて、第３層および第２層を完全に通過し、部分的に第１層に達する、基板内の複数の第１溝の異方性エッチングによってフィンガーを形成することによって、得られる。こうして複数の固定フィンガーおよび複数の可動フィンガーは「自己整合」され、製造プロセス自体が固定フィンガーと可動フィンガーとの間のアライメントを生じさせることを意味し、特定のアライメントステップの必要性が回避される。
【００４１】
本発明の実施形態において、単一基板、例えば、ＳＯＩ基板での第２中間層の厚さおよび厚さ均一性を制御することによって、固定電極と可動電極との間の間隙について良好な制御が得られる。さらに説明したように、固定電極と可動電極との間のエリアにおける第２中間層を除去することにより、間隙が形成される（ステップ３２）。例えば、キャパシタ構造を形成するためにＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）基板を使用した場合、中間層は、ＳＯＩ基板の埋め込み酸化物（ＢＯＸ）層で形成してもよい。ＢＯＸ層は、ハンドル層（第１層）またはデバイス層（第３層）のいずれかの上に成長した熱シリコン酸化物層からなり、基板エリア全体で極めて制御された均一な厚さを有する。
【００４２】
本発明の実施形態において、固定電極と可動電極との間の間隙は、例えば、エアギャップまたは真空ギャップにできる。しかしながら、間隙中の材料が適切な電気的特性を有し、可動電極の所望の運動を可能にするものであれば、他の材料、例えば、ガスまたは液体などで間隙を充填してもよい。真空の使用は、摩擦および空気またはガスの圧縮に起因したエネルギー損失を低減できる。
【００４３】
本発明は、面外可変オーバーラップ式キャパシタ構造を製造するために、ＳＯＩウエハまたは基板を使用した例示の実施形態についてさらに説明する。ＳＯＩ基板を使用した場合、ハンドリング層は、可動電極および地震質量を形成するための第１層として用いられ、埋め込み絶縁層、例えば、シリコン酸化物層は、固定電極と可動電極との間の間隙を規定するための第２層として用いられ、デバイス層（本実施形態では、シリコン層）は、固定電極を形成するための第３層として用いられる。
【００４４】
ＳＯＩ以外の基板も、本発明の実施形態に係る面外可変キャパシタを製造するために使用できる。本発明の実施形態において、互いの上部に積層された少なくとも３つの層を含む何れか適切な基板が使用できる。第２層または中間層は、例えば、等方性エッチングによって、他の層に対して選択的に除去可能な層である。第２層は、絶縁層でもよい。第１層および第３層は、導電性であってもよく、中間層に対して選択的な方法でほぼ直線的な側壁でパターン形成、例えば、エッチングできる。
【００４５】
例えば、本発明の実施形態において、中間層は、ポリマー、例えば、ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）またはＳＵ−８などを含んでもよい。例えば、ポリマー層、例えば、スピンコートしたポリマー層を用いて、高さ分布無しの第１層および高さ分布無しの第２層を接合することによって、基板が形成できる。第２層および第３層での高さ分布が無いために、ポリマー層の良好な厚さ制御が得られる。ポリマー層は、第１層及び／又は第３層のエッチングの際にエッチング停止層として機能でき、例えば、Ｏ２またはＯ２／ＣＦ４エッチングによって、切り離しのために容易に除去できる。
【００４６】
一例として、本発明の実施形態において、第１および第３導電層は、ドライエッチングによってパターン形成可能な半導体材料を含んでもよく、あるいは、例えば、レーザアブレーションによってパターン形成可能な金属を含んでもよい。本発明の特定の実施形態において、単結晶シリコンが第１層および第３層の材料として好ましい。それは、クリープ(creep)および疲労に対して鈍感で、極めて信頼性が高く、長寿命である高いＱの共振器を実現できるためである。
【００４７】
この層をパターン形成するために用いるエッチングプロセスに関連した制約を考慮すると、第１層の厚さは、可能な限り大きいことが好ましい。第１層が厚いほど、所定のキャパシタ面積について地震質量を大きくできる。例えば、第１層の厚さは、例えば、１００マイクロメータ〜１０００マイクロメータの範囲、例えば、２００マイクロメータ〜８００マイクロメータの範囲、例えば、５００マイクロメータ〜７００マイクロメータの範囲にすることができる。しかしながら、本発明はこれに限定されない。
【００４８】
第３層の厚さは、例えば、１０マイクロメータ〜１００マイクロメータの範囲、例えば、１０マイクロメータ〜５０マイクロメータの範囲、例えば、１０マイクロメータ〜３０マイクロメータの範囲、例えば、２０マイクロメータにすることができる。しかしながら、本発明はこれに限定されない。第３層の厚さは、処理特性に応じて、例えば、この層をパターン形成するために使用されるエッチングプロセスの信頼性に応じて、選択してもよい。
【００４９】
中間層は、可動電極が固定電極に付着するリスクを増加させることなく、機械エネルギーと電気エネルギーとの間の良好なエネルギー結合を提供するのに充分に薄いことが好ましい。例えば、第２層または中間層の厚さは、１マイクロメータ〜５マイクロメータの範囲、例えば、１マイクロメータ〜３マイクロメータの範囲、例えば、２マイクロメータにすることができる。しかしながら、本発明はこれに限定されない。
【００５０】
面外可変オーバーラップ式キャパシタ構造を製造するための本発明の実施形態に係る方法が、例えば、エネルギーハーベスタまたはスカベンジャ装置のための製造プロセスの一部として使用可能である。ＭＥＭＳ可変キャパシタは、例えば、ＲＦデバイスでの同調およびスイッチング、そして、センシング応用や例えば、加速度計など、他の応用においても使用可能である。
【００５１】
本発明の一実施形態に係る製造方法を図２（ａ）〜図２（ｇ）に示す。図示した方法は、ＳＯＩウエハの使用と、単一のエッチングマスクを用いた、ＳＯＩウエハのデバイス層（第３層）を通り、埋め込み酸化物層（第２層）を通り、部分的にハンドリング層（第１層）に至る第１溝のＤＲＩＥ（深堀り反応性イオンエッチング）エッチングとをベースにしており、そして、切り離しエッチングが続く。
【００５２】
各々が可変キャパシタの１つの電極を備えている２つの別個の基板を使用する先行技術の手法とは反対に、本発明の実施形態の方法では、単一のＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）基板を使用しており、電極の一方（例えば、質量を備えた可動電極）がＳＯＩ基板のハンドリング層（第１層）に製作され、他方の電極（好ましくは、固定電極）がＳＯＩ基板のデバイス層（第３層）に製作されている。ＳＯＩ基板を使用することによって、２つの電極は単一のリソグラフステップを用いて製作可能であり、こうして両方の電極のフィンガーを互いに自己整合させて、ウエハ接合の必要性を排除している。フィンガーを含む２つのキャパシタ板の間の必要な垂直分離（「ギャップ」とも称される）が、切り離した機械構造を生成するために、フィンガー間で局所的に除去される埋め込み酸化物層により、例えば、エッチングによって設けられる。
【００５３】
図２（ａ）に示すように、本発明の実施形態の方法は、薄い埋め込み絶縁層、例えば、酸化物層４２を備えた厚い半導体（例えば、シリコン）のハンドリング層４１と、埋め込み酸化物層４２の上部にある薄い半導体（例えば、シリコン）のデバイス層４３とを備えたＳＯＩ基板４０を用いてスタートする。ハンドリング層４１の厚さは、例えば、６２５マイクロメータのオーダーでもよく、絶縁層４２の厚さは、例えば、２マイクロメータにでき、デバイス層４３は、例えば、２０マイクロメータの厚さにできる。
【００５４】
図２（ｂ）は、ＳＯＩ基板４０のデバイス層４３において、複数の第１フィンガー５１、例えば、固定フィンガーを含む第１電極、例えば、固定電極の形成を示す。第１電極の形成は、第１マスク５０、例えば、リソグラフマスクをデバイス層４３の上に形成することと、異方性エッチングステップを行って、デバイス層に深い急斜面の溝を生成することとを含む。例えば、デバイス層４３を通って、絶縁層、例えば、酸化物層４２に達するまで、ＤＲＩＥ（ドライ反応性イオンエッチング）ステップを行ってもよい。ＤＲＩＥエッチングを使用することが特に有利である。これにより、デバイス層４３を通るほぼ直線的な側壁を持つ複数の溝を形成することが可能になるためである。
【００５５】
エッチングの際、絶縁層、例えば、シリコン酸化物層４２は、エッチング停止層として機能する。ＤＲＩＥエッチングステップでは、一実施形態において、「ボッシュプロセス(Bosch process)」、即ち、標準的で略等方性のプラズマエッチングステップ（例えば、ＳＦ６／Ｏ２プラズマを用いる）およびパッシベーション層、例えば、ポリマーの堆積ステップ（例えば、Ｃ４Ｆ８プラズマを用いる）を交互に繰り返すプロセスが使用できる。代替として、例えば、連続ＳＦ６／Ｏ２プラズマを用いて低温（例えば、-１１０℃）での低温(cryogenic)エッチングプロセスが使用可能である。
【００５６】
次のステップにおいて、図２（ｃ）に示すように、同じ第１マスク５０を用いて、埋め込み絶縁層、例えば、酸化物層４２を、既に形成した溝において除去する。絶縁層４２の除去は、エッチングによって行うことかできる。このエッチングステップは、ＳＯＩ基板４０のハンドリング層４１に達するまで、例えば、例えば、ＣＨＦ３プラズマを用いたＲＩＥ（反応性イオンエッチング）ステップにすることができる。ハンドリング層４１は、ＲＩＥエッチングのためのエッチング停止層として機能する。
【００５７】
その後、再び同じ第１マスク５０を用いて、図２（ｄ）に示すように、ハンドリング層４１は、既に形成した溝の底部において、数マイクロメータ、例えば、１０マイクロメータの深さまで部分的に除去される。ハンドリング層４１の部分除去は、エッチングによって行ってもよい。このエッチングステップは、例えば、ＤＲＩＥエッチングステップにできる。溝の底部におけるハンドリング層４１材料の部分除去は、複数の第２フィンガー５２、例えば、可動フィンガーを含む第２電極、例えば、可動電極を規定するために行われる。ＤＲＩＥエッチングステップでは、標準的で略等方性のプラズマエッチングステップ（例えば、ＳＦ６／Ｏ２プラズマを用いる）およびパッシベーション層、例えば、ポリマーの堆積ステップ（例えば、Ｃ４Ｆ８プラズマを用いる）を交互に繰り返す「ボッシュプロセス」が使用できる。代替として、例えば、連続ＳＦ６／Ｏ２プラズマを用いて低温（例えば、−１１０℃）での低温エッチングプロセスが使用可能である。
【００５８】
図２（ｄ）に示すように、これにより、デバイス層４３を通り、埋め込み絶縁層、例えば、酸化物層４２を通って、ハンドリング層４３に至る複数の第１溝７０が得られる。このステップの後、第１マスク５０は、いずれか適切な方法で、例えば、Ｏ２プラズマエッチングによって除去可能である。しかしながら、第１マスク５０は、プロセスのより後の段階で除去することも可能である。
【００５９】
本発明の実施形態に係る方法は、ＳＯＩ基板４０の裏面、即ち、複数の第１溝７０が存在する面とは反対にあるＳＯＩ基板４０の面からハンドリング層４１を通って、第２溝８０をエッチングすることをさらに含む。ハンドリング層４１を通るエッチングが、基板４０の裏面に配置した第２マスク６０を用いて、例えば、ＤＲＩＥエッチング（例えば、ボッシュプロセスを用いて、または低温エッチングにより）行うことができる。第２マスク６０、例えば、ＳｉＯ２マスクは、既設することができるが、製造プロセスの初めに（例えば、第１マスク５０を設ける前に）設ける必要はない。ハンドリング層４１を通るエッチングステップは、埋め込み絶縁層、例えば、シリコン酸化物層４２に到達するまで続行し、地震質量５３（図２（ｅ））、サスペンション要素（不図示）およびアンカーポイント（不図示）を規定する。アンカーポイントおよびサスペンション要素が、地震質量５３をハンドリング層４１に柔軟に接続するために設けられる。
【００６０】
ＳＯＩ基板４０の裏面にある第２マスク６０は、第２溝がハンドリング層４１を通ってエッチングされる場所が、複数の第１溝７０が存在するエリアを少なくとも覆うエリアに及ぶようにしている。第２マスク６０と、複数の第１溝７０（複数のフィンガー５１，５２を規定）が配置されるエリアとの間のアライメントが、例えば、裏側顕微鏡を備えたマスクアライナーを用いて行うことができる。このアライメントの精度要求は低い。主な要求は、基板表面に対して平行な面内で、複数の第１溝７０によってカバーされるエリアは、質量５３によってカバーされるエリアの範囲内である点である。
【００６１】
次に、図２（ｆ）に示すように、第１切り離しステップが行われ、埋め込み絶縁層、例えば、シリコン酸化物層４２は、複数の第１フィンガー５１と複数の第２フィンガー５２との間の領域において除去される。切り離しステップは、例えば、基板の前面（即ち、複数の第１フィンガー５１の面）に供給される気相ＨＦを用いて、埋め込み絶縁層４２を除去することを含んでもよい。複数の第１フィンガー５１と複数の第２フィンガー５２との間の領域における埋め込み絶縁層、例えば、二酸化シリコン層の除去は、固定電極と可動電極との間にギャップまたはスペースの形成をもたらす。
【００６２】
最後に、第２切り離しステップが行われ（図２（ｇ））、埋め込み絶縁層、例えば、シリコン酸化物層４２は、地震質量５３とデバイス層４３との間の領域でさらに除去され、これにより地震質量５３および第２可動電極を切り離し、その結果、地震質量および可動電極は、固定電極に対して移動可能になる。第２切り離しステップは、基板の裏面に供給される気相ＨＦを用いて行うことができる。
【００６３】
代替の実施形態では、２つの切り離しステップの順序は反対でもよく、即ち、最初に第２切り離しステップを行って、次に第１切り離しステップを行ってもよい。両方の切り離しステップを行った後、地震質量５３は、サスペンション要素（不図示）を用いてハンドリング層４１と接続されている。第１切り離しステップおよび第２切り離しステップにおいて気相ＨＦを用いることの利点は、湿式プロセスで起こり得る固着問題が回避される点である。
【００６４】
図２（ａ）〜図２（ｇ）に示すように、本発明の実施形態に係る、面外可変オーバーラップ式ＭＥＭＳキャパシタ構造の製造方法は、１つのウエハおよび２つのリソグラフステップ（基板の各面で１つ）を要するのみである。このことは、２つの基板を使用し、ウエハ接合を用いて互いに貼り付けて、４つのリソグラフステップ（基板当たり２つ）を用いる先行技術の方法と比べて、利点である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エネルギーハーベスタ(harvester)、詳細には、静電気エネルギーハーベスタの分野に関する。特に本発明は、ＭＥＭＳ（微小電気機械システム）可変キャパシタおよびこうしたＭＥＭＳ可変キャパシタの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
将来の無線センサネックワークが、典型的には、数ｃｍ３の空間を占めるセンサノードを備えるようになる。これらのセンサノードに電力を供給するための電池の小型化は、技術的な制約および蓄積密度の損失に直面する。定期的な時間間隔、例えば、月ごとに電池を交換または再充電することは、極めて高価になり、例えば、分散システムや埋め込みシステムでは不可能なことでもある。廃棄した環境エネルギーの回復をベースとしたエネルギースカベンジャ(scavenger)は、可能性のある電池の代替品である。幾つかのスカベンジャ概念は、光エネルギー（太陽電池を使用）、熱エネルギー（熱電発電機）、圧力エネルギー、または運動エネルギーの変換をベースとして提案されている。
【０００３】
運動エネルギースカベンジャは、機械的運動の形態（例えば、振動またはランダム変位の形態）を電気エネルギーに変換する。運動エネルギーから電気エネルギーへの変換では、例えば、圧電機構、静電機構または電磁機構をベースとした種々の変換機構を採用できる。圧電スカベンジャは、機械的な応力が印加された場合に電荷を発生する活性材料を使用する。静電スカベンジャは、電気絶縁された帯電キャパシタ板の間の相対運動を利用して、エネルギーを発生する。電磁スカベンジャは、電磁誘導のファラデーの法則をベースとして、磁場勾配と導体との間の相対運動から電気エネルギーを発生する。
【０００４】
静電エネルギー変換が、機械的振動によって駆動される可変静電容量構造をベースとして、最大静電容量と最小静電容量との間で振動する。外部振動から生ずる地震質量(seismic mass)の運動が、静電容量の変化に転換され、そして、キャパシタでの電荷の変化に転換される。これにより、負荷回路を通る電流が生じて、運動エネルギーから電気エネルギーへの変換が行われる。微細加工された静電スカベンジャにおいて、電気絶縁されたキャパシタ板の間の相対運動は、固定電極と可動電極（即ち、固定電極に対して相対的に移動可能）を設けることによって得られる。しばしば、可動電極および固定電極は、平行な複数の浅いキャパシタ板を備え、フィンガー(finger)と称される。両方の電極のフィンガーは、相互に入り込んでもよく、そうでなくてもよい。地震質量を可動電極に取り付けてもよい。
【０００５】
固定電極および可動電極は、同じ面に配置してもよい（面内(in-plane)）。キャパシタ板間の相対運動は、フィンガーのオーバーラップ面積を変化させること（面内可変オーバーラップ式キャパシタ）、またはフィンガー間の間隙を変化させること（面内間隙閉鎖式キャパシタ）を含んでもよい。代替として、可動電極および固定電極は、異なる面に配置してもよく（面外(out-of-plane)）、電極間の間隔または間隙を備える。キャパシタ板の間の相対運動は、２つの大きな板の間の間隙を変化させること（面外間隙閉鎖式キャパシタ）、または複数のフィンガー間のオーバーラップを変化させること（面外可変オーバーラップ式キャパシタ）を含んでもよい。
【０００６】
面外可変オーバーラップの手法は、面内オーバーラップの手法と比べて、地震質量のより大きな変位および、より大きな静電容量変化を可能にし、間隙閉鎖式キャパシタと比べて、引き込み現象(pull-in effect)に対する感受性が低くなる。面外可変オーバーラップ式キャパシタの固定電極および可動電極は、並列接続された複数の平行板キャパシタを形成する。
【０００７】
先行技術のシステムにおいて、こうした面外可変オーバーラップ構造は、少なくとも２つの基板をベースとして製造され、例えば、文献（G. Altena et al. in "Electrostatic energy scavengers for wireless autonomous sensor nodes", Smart Systems Integration 2007, proceedings of the 1st European Conference and Exhibition on Integration Issues of Miniaturized Systems - MEMS, MOEMS, ICs and Electronic Components, pages 359-366, March 2007）で報告されている。
【０００８】
図１は、こうした先行技術の面外可変オーバーラップ式キャパシタ構造の断面を示す。この構造は、第１基板１０、例えば、ガラス基板または他の適切な基板の上に形成された複数の固定フィンガー１１を含む固定電極を備える。それは、可動電極をさらに備え、可動電極に物理的に取り付けられた複数の可動フィンガー２１および地震質量２２を含む。可動フィンガー２１および地震質量２２は、第２基板２０、例えば、シリコン基板または他の適切な基板から製作される。キャパシタの可動電極は、例えば、質量２２およびサスペンション（図１では不図示）とともに微細加工されたバルクである。
【０００９】
第１基板１０および第２基板２０は、接着剤３１、例えば、感光性ＢＣＢ層を用いて互いに接着接合される。しばしば第３基板が追加され（図１では不図示）、第１基板１０が接合された側とは反対側で第２基板２０と接合される。この第３基板は、ＭＥＭＳ構造を、可能ならば、ダンピング損失を低減するために真空に包装するために使用できる。第３構造は、電極またはエレクトレットを用いて、キャパシタを分極させる手段としても使用できる。こうした先行技術の面外可変オーバーラップ式キャパシタの製造が比較的複雑であり、少なくとも２つの基板１０，２０と、少なくとも４つのパターニングステップ（基板当たり２つ）と、第１基板１０上の固定フィンガー１１と第２基板２０上の可動フィンガー２１との間の良好なアライメントでのウエハ接合ステップとを必要とする。キャパシタの固定電極と可動電極との間の間隙３２のサイズは、接着剤３１の厚さを調整することによって、１マイクロメータ以下に制御可能である。例えば、高さ分布(topography)を有する基板に接着剤をスピンコートすることから由来する等、接着層での厚さ不均一性の場合、間隙３２での変動が生じることがある。キャパシタの性能は、ウエハ接合作業のアライメントの精度、主に回転アライメントの精度に依存するであろう。さらに、歩留まりは、ウエハ接合後での接合欠陥の量に依存する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、面外可変オーバーラップ式ＭＥＭＳキャパシタ構造を製造する方法を提供することであり、該方法は先行技術より複雑でない。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的は、本発明に係る方法によって達成される。
【００１２】
本発明に係る方法が、単一基板をベースとして、先行技術の方法と比べて、少ない処理ステップ、例えば、少ないパターニングステップで、面外可変ＭＥＭＳキャパシタの製造を可能にする。本発明の実施形態において、ウエハ接合ステップの必要性が回避され、先行技術の方法と比べて、より良好な信頼性および、より高い歩留まりをもたらす。本発明の実施形態に係る方法が、固定電極の固定フィンガーと可動電極の可動フィンガーとの間の正確なアライメント（「セルフアライメント」）を可能にし、固定電極と可動電極との間の良好に制御された間隙をもたらす。
【００１３】
本発明の実施形態に係る面外可変オーバーラップ式ＭＥＭＳキャパシタの製造方法は、互いの上部に積層した、第１層、第２層および第３層を備えた基板を用意することと、単一のエッチングマスクを用いて、第３層を通り、第２層を通り、第１層に至る複数の第１溝をエッチングすることとを含む。複数の第１溝をエッチングすることは、第３層にある複数の第１フィンガーおよび第１層にある複数の第２フィンガーを規定する。
【００１４】
該方法は、複数の第１溝が設けられた第１領域において、第２層を除去することをさらに含んでもよく、これにより複数の第１フィンガーと複数の第２フィンガーとの間にスペースまたはギャップ、例えば、エアまたはガスギャップを形成する。エアギャップは、真空状態でもよく、あるいはガスで充填してもよい。第１領域は、基板の層の面に対して平行な面内にある２次元エリアとして定義され、その２次元エリアは、第１溝が設けられる基板の場所を覆う。
【００１５】
該方法は、複数の第１溝が設けられた第１領域を包囲する第２領域において、第１層を通る第２溝をエッチングすることをさらに含んでもよく、これにより複数の第２フィンガーと接続された地震質量を規定する。第２領域についても基板の層の面に対して平行な面内にある２次元エリアであり、第２領域は第１領域より小さくない。
【００１６】
該方法は、地震質量と第３層との間の領域において、第２層を除去することをさらに含んでもよく、これにより地震質量および複数の第２フィンガーを基板の残部から切り離し、地震質量および複数の第２フィンガーが、例えば、外部振動に応答して固定フィンガーに対して移動可能になる。
【００１７】
第１層の厚さは、例えば、１００マイクロメータ〜１０００マイクロメータの範囲、２００マイクロメータ〜８００マイクロメータの範囲、または５００マイクロメータ〜７００マイクロメータの範囲にすることができる。
【００１８】
第２層の厚さは、例えば、１マイクロメータ〜５マイクロメータの範囲、または１マイクロメータ〜３マイクロメータの範囲、例えば、２マイクロメータを含む範囲にすることができる。
【００１９】
第３層の厚さは、例えば、１０マイクロメータ〜１００マイクロメータの範囲、１０マイクロメータ〜５０マイクロメータの範囲、１０マイクロメータ〜３０マイクロメータの範囲、例えば、２０マイクロメータにすることができる。
【００２０】
基板は、例えば、ＳＯＩ基板でもよく、第１層はＳＯＩ基板のハンドリング層であり、第２層はＳＯＩ基板の埋め込み酸化物層であり、第３層はＳＯＩ基板のデバイス層である。
【００２１】
本発明の実施形態に係る方法が、エネルギースカベンジャデバイスの製造プロセス、または、センサ、例えば、加速度センサの製造プロセスにおいて好都合に使用できる。
【００２２】
発明とみなされる主題は、本文書の終わりにある請求項の欄において詳しく指摘し、明確に請求している。添付図面とともに読んだ場合、本発明は、構成、動作方法に関して、その特徴および利点とともに、下記の詳細な説明の参照によって最もよく理解されるであろう。
【００２３】
本発明および、先行技術に対して達成される利点を要約する目的で、本発明の一定の目的および利点を上述している。当然ながら、こうした目的または利点の全てが本発明のいずれか特定の実施形態に従って必ず達成されるわけではないことは理解すべきである。こうして、例えば、本発明が、ここで教示したような１つの利点または複数の利点を達成または最適化するような方法で、ここで教示または提示したような他の目的または利点を必ずしも達成することなく、具体化または実施できることは、当業者は認識するであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】先行技術の面外可変オーバーラップ式キャパシタ構造の断面を示す。
【図２ａ】本発明の実施形態に係る製造プロセスを示す。
【図２ｂ】本発明の実施形態に係る製造プロセスを示す。
【図２ｃ】本発明の実施形態に係る製造プロセスを示す。
【図２ｄ】本発明の実施形態に係る製造プロセスを示す。
【図２ｅ】本発明の実施形態に係る製造プロセスを示す。
【図２ｆ】本発明の実施形態に係る製造プロセスを示す。
【図２ｇ】本発明の実施形態に係る製造プロセスを示す。
【図３】本発明の実施形態に係る方法を示すフローチャートである。
【００２５】
異なる図面において、同じ参照符号は、同じまたは類似の要素を参照している。請求項中の参照符号の何れもが、範囲を限定するものと解釈すべきでない。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
ここで開示した方法およびデバイスは、特定の実施形態に関して一定の図面を参照しながら説明しているが、本発明はこれによって限定されず、請求項によってのみ限定される。ここで記載した図面は、概略的に過ぎず、限定的なものでない。図面において、幾つかの要素のサイズは強調していることがあり、説明目的のため、スケールどおりに描いていない。寸法および相対寸法は、本発明の実際の実施品と対応していない。
【００２７】
さらに、説明および請求項での用語「第１」「第２」などは、類似の要素を区別するために使用しており、必ずしも時間的または空間的な順番をランキングや他の方法で記述するためではない。ここで使用した用語は、適切な状況下で交換可能であり、ここで本発明の実施形態は、ここで説明したり図示したものとは別の順番で動作可能であると理解すべきである。
【００２８】
さらに、説明および請求項での用語「上(top)」、「下(bottom)」、「の上に(over)」、「の下に(under)」等は、説明目的で使用しており、必ずしも相対的な位置を記述するためのものでない。こうして用いた用語は、適切な状況下で交換可能であって、ここで説明した本発明の実施形態がここで説明または図示した以外の他の向きで動作可能であると理解すべきである。
【００２９】
用語「備える、含む(comprising)」は、それ以降に列挙された手段に限定されるものと解釈すべきでなく、他の要素またはステップを除外していない。記述した特徴、整数、ステップまたは構成要素の存在を、参照したように特定するように解釈する必要があるが、１つ又はそれ以上の他の特徴、整数、ステップまたは構成要素、あるいはこれらのグループの存在または追加を除外していない。こうして表現「手段Ａ，Ｂを備えるデバイス」の範囲は、構成要素Ａ，Ｂのみから成るデバイスに限定すべきでない。それは、本発明に関して、デバイスの関連する構成要素だけがＡおよびＢであることを意味する。
【００３０】
本明細書を通じて「一実施形態」または「実施形態」への参照は、実施形態との関連で記載した特定の特徴、構造または特性が本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。本明細書を通じていろいろな場所での「一実施形態」または「実施形態」の語句の出現は、必ずしも全て同じ実施形態を参照していないが、そうこともある。さらに、１つ又はそれ以上の実施形態において、本発明から当業者にとって明らかなように、特定の特徴、構造または特性は、いずれか適切な方法で組み合わせてもよい。
【００３１】
同様に、本発明の例示の実施形態の説明において、本発明を合理化し、本発明の１つ又はそれ以上の種々の態様の理解を支援する目的で、単一の実施形態、図面、または説明において、いろいろな特徴が一緒にグループ化していることがあると理解すべきである。しかしながら、この発明の方法は、請求項の発明が、各請求項で明示的に記載したものより多くの特徴を必要とするという意図を反映していると解釈すべきでない。むしろ下記の請求項が反映しているように、発明の態様は、単一の前述した実施形態の全ての特徴より少ない場合がある。こうして詳細な説明に追従する請求項は、この詳細な説明の中に明示的に組み込まれており、各請求項は、本発明の別々の実施形態として自立している。
【００３２】
さらに、ここで説明した幾つかの実施形態が、他の実施形態に含まれる幾つかの他でない特徴を含むとともに、当業者によって理解されるように、異なる実施形態の特徴の組合せが本発明の範囲内にあって、異なる実施形態を構成することを意味する。例えば、下記の請求項において、請求した実施形態の何れも、何れの組合せで使用可能である。
【００３３】
ここで提供した説明において、多数の具体的な詳細を説明している。しかしながら、本発明の実施形態は、これらの具体的な詳細なしで実施してもよいことは理解されよう。別の例では、この説明の理解を曖昧にしないために、周知の方法、構造および技法は詳細には示していない。
【００３４】
開示した方法およびデバイスは、本発明の幾つかの実施形態の詳細な説明によって説明している。本発明の他の実施形態が、本発明の技術的教示から逸脱することなく、当業者の知識に従って構成できることは明らかであり、本発明は、添付の請求項の用語によってのみ限定される。
【００３５】
本発明の目的は、面外可変オーバーラップ式ＭＥＭＳキャパシタ構造を製造する方法を提供することであり、該方法は、先行技術の方法よりも複雑でなく、必要とされる処理ステップが少なくなり（より少ないパターニングステップ及び／又はより少ないリソグラフステップ）、例えば、ウエハ接合など、歩留まり減少ステップの必要性が回避される。従って、本発明の製造方法は、先行技術の方法と比べて、より安価になり、より高い歩留まりを有することが可能になる。
【００３６】
この目的は、図３に概略的に図示するように、本発明の実施形態に係る面外可変オーバーラップ式キャパシタ構造を製造することによって達成されるものであり、少なくとも３つの層、即ち、互いの上部に積層した第１層、第２層または中間層、および第３層を備えた単一基板、例えば、ＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）基板からスタートする（ステップ３０）。層スタックの第１層は、可動電極および地震質量を形成するために用いられ、層スタックの第２層または中間層の厚さは、可動電極と固定電極との間の間隙を規定しており、層スタックの第３層は、可動電極を形成するために用いられる。
【００３７】
本発明の実施形態に係る方法は、単一マスクを用いて、第３層および第２層を通って第１層に至る溝をエッチングすることを含み（ステップ３１）、第３層の第１フィンガー組および第１層の第２フィンガー組をセルフアライメント法で形成している。本発明の実施形態によれば、固定電極は、互いに平行に配列した複数の固定フィンガー、例えば、矩形状フィンガーを含んでもよい。可動電極は、互いに平行に配列した複数の可動フィンガー、例えば、矩形状フィンガーを含んでもよい。
【００３８】
特定の実施形態において、固定フィンガーの数および位置は、可動フィンガーの数および位置に対応している。可動フィンガー（および可動フィンガーに取り付けられた地震質量）は、例えば、外部振動に応答して、固定フィンガーに対して相対移動可能である。フィンガーの平行配列の代わりに、本発明の代替の実施形態において、他の構成、例えば、フィンガーが放射状に位置決めされ（車輪のスポークと同様）、固定フィンガーに対する可動フィンガーの相対運動が回転であるような構成が可能である。一般に、フィンガーの配向は、可動電極の運動方向に対して実質的に垂直である。
【００３９】
本発明の実施形態に係る方法において、少なくとも３つの層を含む基板および、第１フィンガー組および第２フィンガー組を規定するための単一マスクの使用に起因して、ウエハ接合ステップの必要性が回避され、先行技術の方法と比べて、より良好な信頼性および高い歩留まりをもたらす。
【００４０】
本発明の実施形態に係る方法が、固定電極の複数の固定フィンガーと可動電極の複数の可動フィンガーとの間で正確なアライメント（「セルフアライメント」）を可能にする。複数の固定フィンガーと複数の可動フィンガーとの間のアライメントが、単一のエッチングマスクを用いて、第３層および第２層を完全に通過し、部分的に第１層に達する、基板内の複数の第１溝の異方性エッチングによってフィンガーを形成することによって、得られる。こうして複数の固定フィンガーおよび複数の可動フィンガーは「自己整合」され、製造プロセス自体が固定フィンガーと可動フィンガーとの間のアライメントを生じさせることを意味し、特定のアライメントステップの必要性が回避される。
【００４１】
本発明の実施形態において、単一基板、例えば、ＳＯＩ基板での第２中間層の厚さおよび厚さ均一性を制御することによって、固定電極と可動電極との間の間隙について良好な制御が得られる。さらに説明したように、固定電極と可動電極との間のエリアにおける第２中間層を除去することにより、間隙が形成される（ステップ３２）。例えば、キャパシタ構造を形成するためにＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）基板を使用した場合、中間層は、ＳＯＩ基板の埋め込み酸化物（ＢＯＸ）層で形成してもよい。ＢＯＸ層は、ハンドル層（第１層）またはデバイス層（第３層）のいずれかの上に成長した熱シリコン酸化物層からなり、基板エリア全体で極めて制御された均一な厚さを有する。
【００４２】
本発明の実施形態において、固定電極と可動電極との間の間隙は、例えば、エアギャップまたは真空ギャップにできる。しかしながら、間隙中の材料が適切な電気的特性を有し、可動電極の所望の運動を可能にするものであれば、他の材料、例えば、ガスまたは液体などで間隙を充填してもよい。真空の使用は、摩擦および空気またはガスの圧縮に起因したエネルギー損失を低減できる。
【００４３】
本発明は、面外可変オーバーラップ式キャパシタ構造を製造するために、ＳＯＩウエハまたは基板を使用した例示の実施形態についてさらに説明する。ＳＯＩ基板を使用した場合、ハンドリング層は、可動電極および地震質量を形成するための第１層として用いられ、埋め込み絶縁層、例えば、シリコン酸化物層は、固定電極と可動電極との間の間隙を規定するための第２層として用いられ、デバイス層（本実施形態では、シリコン層）は、固定電極を形成するための第３層として用いられる。
【００４４】
ＳＯＩ以外の基板も、本発明の実施形態に係る面外可変キャパシタを製造するために使用できる。本発明の実施形態において、互いの上部に積層された少なくとも３つの層を含む何れか適切な基板が使用できる。第２層または中間層は、例えば、等方性エッチングによって、他の層に対して選択的に除去可能な層である。第２層は、絶縁層でもよい。第１層および第３層は、導電性であってもよく、中間層に対して選択的な方法でほぼ直線的な側壁でパターン形成、例えば、エッチングできる。
【００４５】
例えば、本発明の実施形態において、中間層は、ポリマー、例えば、ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）またはＳＵ−８などを含んでもよい。例えば、ポリマー層、例えば、スピンコートしたポリマー層を用いて、高さ分布無しの第１層および高さ分布無しの第２層を接合することによって、基板が形成できる。第２層および第３層での高さ分布が無いために、ポリマー層の良好な厚さ制御が得られる。ポリマー層は、第１層及び／又は第３層のエッチングの際にエッチング停止層として機能でき、例えば、Ｏ２またはＯ２／ＣＦ４エッチングによって、切り離しのために容易に除去できる。
【００４６】
一例として、本発明の実施形態において、第１および第３導電層は、ドライエッチングによってパターン形成可能な半導体材料を含んでもよく、あるいは、例えば、レーザアブレーションによってパターン形成可能な金属を含んでもよい。本発明の特定の実施形態において、単結晶シリコンが第１層および第３層の材料として好ましい。それは、クリープ(creep)および疲労に対して鈍感で、極めて信頼性が高く、長寿命である高いＱの共振器を実現できるためである。
【００４７】
この層をパターン形成するために用いるエッチングプロセスに関連した制約を考慮すると、第１層の厚さは、可能な限り大きいことが好ましい。第１層が厚いほど、所定のキャパシタ面積について地震質量を大きくできる。例えば、第１層の厚さは、例えば、１００マイクロメータ〜１０００マイクロメータの範囲、例えば、２００マイクロメータ〜８００マイクロメータの範囲、例えば、５００マイクロメータ〜７００マイクロメータの範囲にすることができる。しかしながら、本発明はこれに限定されない。
【００４８】
第３層の厚さは、例えば、１０マイクロメータ〜１００マイクロメータの範囲、例えば、１０マイクロメータ〜５０マイクロメータの範囲、例えば、１０マイクロメータ〜３０マイクロメータの範囲、例えば、２０マイクロメータにすることができる。しかしながら、本発明はこれに限定されない。第３層の厚さは、処理特性に応じて、例えば、この層をパターン形成するために使用されるエッチングプロセスの信頼性に応じて、選択してもよい。
【００４９】
中間層は、可動電極が固定電極に付着するリスクを増加させることなく、機械エネルギーと電気エネルギーとの間の良好なエネルギー結合を提供するのに充分に薄いことが好ましい。例えば、第２層または中間層の厚さは、１マイクロメータ〜５マイクロメータの範囲、例えば、１マイクロメータ〜３マイクロメータの範囲、例えば、２マイクロメータにすることができる。しかしながら、本発明はこれに限定されない。
【００５０】
面外可変オーバーラップ式キャパシタ構造を製造するための本発明の実施形態に係る方法が、例えば、エネルギーハーベスタまたはスカベンジャ装置のための製造プロセスの一部として使用可能である。ＭＥＭＳ可変キャパシタは、例えば、ＲＦデバイスでの同調およびスイッチング、そして、センシング応用や例えば、加速度計など、他の応用においても使用可能である。
【００５１】
本発明の一実施形態に係る製造方法を図２（ａ）〜図２（ｇ）に示す。図示した方法は、ＳＯＩウエハの使用と、単一のエッチングマスクを用いた、ＳＯＩウエハのデバイス層（第３層）を通り、埋め込み酸化物層（第２層）を通り、部分的にハンドリング層（第１層）に至る第１溝のＤＲＩＥ（深堀り反応性イオンエッチング）エッチングとをベースにしており、そして、切り離しエッチングが続く。
【００５２】
各々が可変キャパシタの１つの電極を備えている２つの別個の基板を使用する先行技術の手法とは反対に、本発明の実施形態の方法では、単一のＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）基板を使用しており、電極の一方（例えば、質量を備えた可動電極）がＳＯＩ基板のハンドリング層（第１層）に製作され、他方の電極（好ましくは、固定電極）がＳＯＩ基板のデバイス層（第３層）に製作されている。ＳＯＩ基板を使用することによって、２つの電極は単一のリソグラフステップを用いて製作可能であり、こうして両方の電極のフィンガーを互いに自己整合させて、ウエハ接合の必要性を排除している。フィンガーを含む２つのキャパシタ板の間の必要な垂直分離（「ギャップ」とも称される）が、切り離した機械構造を生成するために、フィンガー間で局所的に除去される埋め込み酸化物層により、例えば、エッチングによって設けられる。
【００５３】
図２（ａ）に示すように、本発明の実施形態の方法は、薄い埋め込み絶縁層、例えば、酸化物層４２を備えた厚い半導体（例えば、シリコン）のハンドリング層４１と、埋め込み酸化物層４２の上部にある薄い半導体（例えば、シリコン）のデバイス層４３とを備えたＳＯＩ基板４０を用いてスタートする。ハンドリング層４１の厚さは、例えば、６２５マイクロメータのオーダーでもよく、絶縁層４２の厚さは、例えば、２マイクロメータにでき、デバイス層４３は、例えば、２０マイクロメータの厚さにできる。
【００５４】
図２（ｂ）は、ＳＯＩ基板４０のデバイス層４３において、複数の第１フィンガー５１、例えば、固定フィンガーを含む第１電極、例えば、固定電極の形成を示す。第１電極の形成は、第１マスク５０、例えば、リソグラフマスクをデバイス層４３の上に形成することと、異方性エッチングステップを行って、デバイス層に深い急斜面の溝を生成することとを含む。例えば、デバイス層４３を通って、絶縁層、例えば、酸化物層４２に達するまで、ＤＲＩＥ（ドライ反応性イオンエッチング）ステップを行ってもよい。ＤＲＩＥエッチングを使用することが特に有利である。これにより、デバイス層４３を通るほぼ直線的な側壁を持つ複数の溝を形成することが可能になるためである。
【００５５】
エッチングの際、絶縁層、例えば、シリコン酸化物層４２は、エッチング停止層として機能する。ＤＲＩＥエッチングステップでは、一実施形態において、「ボッシュプロセス(Bosch process)」、即ち、標準的で略等方性のプラズマエッチングステップ（例えば、ＳＦ６／Ｏ２プラズマを用いる）およびパッシベーション層、例えば、ポリマーの堆積ステップ（例えば、Ｃ４Ｆ８プラズマを用いる）を交互に繰り返すプロセスが使用できる。代替として、例えば、連続ＳＦ６／Ｏ２プラズマを用いて低温（例えば、-１１０℃）での低温(cryogenic)エッチングプロセスが使用可能である。
【００５６】
次のステップにおいて、図２（ｃ）に示すように、同じ第１マスク５０を用いて、埋め込み絶縁層、例えば、酸化物層４２を、既に形成した溝において除去する。絶縁層４２の除去は、エッチングによって行うことかできる。このエッチングステップは、ＳＯＩ基板４０のハンドリング層４１に達するまで、例えば、例えば、ＣＨＦ３プラズマを用いたＲＩＥ（反応性イオンエッチング）ステップにすることができる。ハンドリング層４１は、ＲＩＥエッチングのためのエッチング停止層として機能する。
【００５７】
その後、再び同じ第１マスク５０を用いて、図２（ｄ）に示すように、ハンドリング層４１は、既に形成した溝の底部において、数マイクロメータ、例えば、１０マイクロメータの深さまで部分的に除去される。ハンドリング層４１の部分除去は、エッチングによって行ってもよい。このエッチングステップは、例えば、ＤＲＩＥエッチングステップにできる。溝の底部におけるハンドリング層４１材料の部分除去は、複数の第２フィンガー５２、例えば、可動フィンガーを含む第２電極、例えば、可動電極を規定するために行われる。ＤＲＩＥエッチングステップでは、標準的で略等方性のプラズマエッチングステップ（例えば、ＳＦ６／Ｏ２プラズマを用いる）およびパッシベーション層、例えば、ポリマーの堆積ステップ（例えば、Ｃ４Ｆ８プラズマを用いる）を交互に繰り返す「ボッシュプロセス」が使用できる。代替として、例えば、連続ＳＦ６／Ｏ２プラズマを用いて低温（例えば、−１１０℃）での低温エッチングプロセスが使用可能である。
【００５８】
図２（ｄ）に示すように、これにより、デバイス層４３を通り、埋め込み絶縁層、例えば、酸化物層４２を通って、ハンドリング層４３に至る複数の第１溝７０が得られる。このステップの後、第１マスク５０は、いずれか適切な方法で、例えば、Ｏ２プラズマエッチングによって除去可能である。しかしながら、第１マスク５０は、プロセスのより後の段階で除去することも可能である。
【００５９】
本発明の実施形態に係る方法は、ＳＯＩ基板４０の裏面、即ち、複数の第１溝７０が存在する面とは反対にあるＳＯＩ基板４０の面からハンドリング層４１を通って、第２溝８０をエッチングすることをさらに含む。ハンドリング層４１を通るエッチングが、基板４０の裏面に配置した第２マスク６０を用いて、例えば、ＤＲＩＥエッチング（例えば、ボッシュプロセスを用いて、または低温エッチングにより）行うことができる。第２マスク６０、例えば、ＳｉＯ２マスクは、既設することができるが、製造プロセスの初めに（例えば、第１マスク５０を設ける前に）設ける必要はない。ハンドリング層４１を通るエッチングステップは、埋め込み絶縁層、例えば、シリコン酸化物層４２に到達するまで続行し、地震質量５３（図２（ｅ））、サスペンション要素（不図示）およびアンカーポイント（不図示）を規定する。アンカーポイントおよびサスペンション要素が、地震質量５３をハンドリング層４１に柔軟に接続するために設けられる。
【００６０】
ＳＯＩ基板４０の裏面にある第２マスク６０は、第２溝がハンドリング層４１を通ってエッチングされる場所が、複数の第１溝７０が存在するエリアを少なくとも覆うエリアに及ぶようにしている。第２マスク６０と、複数の第１溝７０（複数のフィンガー５１，５２を規定）が配置されるエリアとの間のアライメントが、例えば、裏側顕微鏡を備えたマスクアライナーを用いて行うことができる。このアライメントの精度要求は低い。主な要求は、基板表面に対して平行な面内で、複数の第１溝７０によってカバーされるエリアは、質量５３によってカバーされるエリアの範囲内である点である。
【００６１】
次に、図２（ｆ）に示すように、第１切り離しステップが行われ、埋め込み絶縁層、例えば、シリコン酸化物層４２は、複数の第１フィンガー５１と複数の第２フィンガー５２との間の領域において除去される。切り離しステップは、例えば、基板の前面（即ち、複数の第１フィンガー５１の面）に供給される気相ＨＦを用いて、埋め込み絶縁層４２を除去することを含んでもよい。複数の第１フィンガー５１と複数の第２フィンガー５２との間の領域における埋め込み絶縁層、例えば、二酸化シリコン層の除去は、固定電極と可動電極との間にギャップまたはスペースの形成をもたらす。
【００６２】
最後に、第２切り離しステップが行われ（図２（ｇ））、埋め込み絶縁層、例えば、シリコン酸化物層４２は、地震質量５３とデバイス層４３との間の領域でさらに除去され、これにより地震質量５３および第２可動電極を切り離し、その結果、地震質量および可動電極は、固定電極に対して移動可能になる。第２切り離しステップは、基板の裏面に供給される気相ＨＦを用いて行うことができる。
【００６３】
代替の実施形態では、２つの切り離しステップの順序は反対でもよく、即ち、最初に第２切り離しステップを行って、次に第１切り離しステップを行ってもよい。両方の切り離しステップを行った後、地震質量５３は、サスペンション要素（不図示）を用いてハンドリング層４１と接続されている。第１切り離しステップおよび第２切り離しステップにおいて気相ＨＦを用いることの利点は、湿式プロセスで起こり得る固着問題が回避される点である。
【００６４】
図２（ａ）〜図２（ｇ）に示すように、本発明の実施形態に係る、面外可変オーバーラップ式ＭＥＭＳキャパシタ構造の製造方法は、１つのウエハおよび２つのリソグラフステップ（基板の各面で１つ）を要するのみである。このことは、２つの基板を使用し、ウエハ接合を用いて互いに貼り付けて、４つのリソグラフステップ（基板当たり２つ）を用いる先行技術の方法と比べて、利点である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
面外可変オーバーラップ式ＭＥＭＳキャパシタを製造する方法であって、
互いの上部に積層した、第１層（４１）、第２層（４２）および第３層（４３）を備えた基板（４０）を用意することと、
単一のエッチングマスク（５０）を用いて、第３層（４３）を通り、第２層（４２）を通り、第１層（４１）に至る複数の第１溝（７０）をエッチングすることと、を含む方法。
【請求項２】
複数の第１溝（７０）をエッチングすることは、第３層（４３）にある複数の第１フィンガー（５１）および第１層（４１）にある複数の第２フィンガー（５２）を規定するようにした請求項１記載の方法。
【請求項３】
複数の第１溝（７０）が設けられた領域において、第２層（４２）を除去することをさらに含み、これにより複数の第１フィンガー（５１）と複数の第２フィンガー（５２）との間にギャップを形成するようにした請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
複数の第１溝（７０）が設けられた領域を包囲する領域において、第１層（４１）を通る第２溝（８０）をエッチングすることをさらに含み、これにより複数の第２フィンガー（５２）と接続された地震質量（５３）を規定するようにした請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
地震質量（５３）と第３層（４３）との間の領域において、第２層（４２）を除去することをさらに含み、これにより地震質量（５３）および複数の第２フィンガー（５２）を基板の残部から切り離すようにした請求項４記載の方法。
【請求項６】
第１層（４１）の厚さは、１００マイクロメータ〜１０００マイクロメータの範囲である請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
第２層（４２）の厚さは、１マイクロメータ〜５マイクロメータの範囲である請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
第３層（４３）の厚さは、１０マイクロメータ〜１００マイクロメータの範囲である請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
基板は、ＳＯＩ基板である請求項１〜８のいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
エネルギースカベンジャデバイスの製造方法、またはセンサの製造方法において実施される請求項１〜９のいずれかに記載の方法。
【請求項１】
面外可変オーバーラップ式ＭＥＭＳキャパシタを製造する方法であって、
互いの上部に積層した、第１層（４１）、第２層（４２）および第３層（４３）を備えた基板（４０）を用意することと、
単一のエッチングマスク（５０）を用いて、第３層（４３）を通り、第２層（４２）を通り、第１層（４１）に至る複数の第１溝（７０）をエッチングすることと、を含む方法。
【請求項２】
複数の第１溝（７０）をエッチングすることは、第３層（４３）にある複数の第１フィンガー（５１）および第１層（４１）にある複数の第２フィンガー（５２）を規定するようにした請求項１記載の方法。
【請求項３】
複数の第１溝（７０）が設けられた領域において、第２層（４２）を除去することをさらに含み、これにより複数の第１フィンガー（５１）と複数の第２フィンガー（５２）との間にギャップを形成するようにした請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
複数の第１溝（７０）が設けられた領域を包囲する領域において、第１層（４１）を通る第２溝（８０）をエッチングすることをさらに含み、これにより複数の第２フィンガー（５２）と接続された地震質量（５３）を規定するようにした請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
地震質量（５３）と第３層（４３）との間の領域において、第２層（４２）を除去することをさらに含み、これにより地震質量（５３）および複数の第２フィンガー（５２）を基板の残部から切り離すようにした請求項４記載の方法。
【請求項６】
第１層（４１）の厚さは、１００マイクロメータ〜１０００マイクロメータの範囲である請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
第２層（４２）の厚さは、１マイクロメータ〜５マイクロメータの範囲である請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
第３層（４３）の厚さは、１０マイクロメータ〜１００マイクロメータの範囲である請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
基板は、ＳＯＩ基板である請求項１〜８のいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
エネルギースカベンジャデバイスの製造方法、またはセンサの製造方法において実施される請求項１〜９のいずれかに記載の方法。
【図１】
【図２（ａ）】
【図２（ｂ）】
【図２（ｃ）】
【図２（ｄ）】
【図２（ｅ）】
【図２（ｆ）】
【図２（ｇ）】
【図３】
【図２（ａ）】
【図２（ｂ）】
【図２（ｃ）】
【図２（ｄ）】
【図２（ｅ）】
【図２（ｆ）】
【図２（ｇ）】
【図３】
【公表番号】特表２０１２−５３２４７０（Ｐ２０１２−５３２４７０Ａ）
【公表日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５１８９０６（Ｐ２０１２−５１８９０６）
【出願日】平成２２年７月１日（２０１０．７．１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２０１０／０５９３６２
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／００３８０３
【国際公開日】平成２３年１月１３日（２０１１．１．１３）
【出願人】（５９１０６０８９８）アイメック (302)
【氏名又は名称原語表記】ＩＭＥＣ
【出願人】（５０８２２３７８９）
【氏名又は名称原語表記】Ｓｔｉｃｈｔｉｎｇ ＩＭＥＣ Ｎｅｄｅｒｌａｎｄ
【出願人】（５９９０９８４９３）カトリーケ・ウニフェルジテイト・ルーベン・カー・イュー・ルーベン・アール・アンド・ディ (83)
【氏名又は名称原語表記】Ｋａｔｈｏｌｉｅｋｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｅｉｔ Ｌｅｕｖｅｎ，Ｋ．Ｕ．Ｌｅｕｖｅｎ Ｒ＆Ｄ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月１日（２０１０．７．１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２０１０／０５９３６２
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／００３８０３
【国際公開日】平成２３年１月１３日（２０１１．１．１３）
【出願人】（５９１０６０８９８）アイメック (302)
【氏名又は名称原語表記】ＩＭＥＣ
【出願人】（５０８２２３７８９）
【氏名又は名称原語表記】Ｓｔｉｃｈｔｉｎｇ ＩＭＥＣ Ｎｅｄｅｒｌａｎｄ
【出願人】（５９９０９８４９３）カトリーケ・ウニフェルジテイト・ルーベン・カー・イュー・ルーベン・アール・アンド・ディ (83)
【氏名又は名称原語表記】Ｋａｔｈｏｌｉｅｋｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｅｉｔ Ｌｅｕｖｅｎ，Ｋ．Ｕ．Ｌｅｕｖｅｎ Ｒ＆Ｄ
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]