微细机械装置的制作方法

本发明涉及一种配备微细可动部的微细机械装置。

背景技术：

近年来，在开关或传感器中，使用通过机械性动作来发挥功能的微细机械装置的MEMS(Micro Electro Mechanical System(微电子机械系统))受到重视。MEMS已作为压力传感器或加速度传感器而加以使用，与LSI一起逐渐成为重要零件。MEMS具有立体结构，所述立体结构通过使用薄膜形成技术、光刻技术及各种蚀刻技术的微细加工而具备微细的可动结构体。

例如，在静电电容式压力传感器中，如图5A、图5B所示，利用支承部503将由于压力而发生位移的较薄的膜片501以隔开的方式支承并配置在基板502上。在基板502与膜片501之间存在空隙，在面向空隙的各部位相对配置电极(未图示)，形成电容。被测定介质的压力施加至膜片501的形成电容那一面的相反侧那一面，在该压力施加下，膜片501的对应于空隙的部分发生变形。上述电极间的距离对应于该变化而发生变化，电极间的电容对应于该变化而发生变化，成为传感器输出。若空隙为真空，则该压力传感器可测量绝对压力。

在这种微细机械装置中，存在如下所示的称为吸合现象的问题。通常，当像静电电容式传感器那样对隔着某一距离平行相对的2个电极间施加电压时，会产生与距离的平方成反比的引力。因此，当因被施加压力而变形后的膜片501靠近基板502到极为接近的距离时，由于距离极短，因此被施加由电压引发的引力，所以膜片501被强力吸引而触底(吸合)。

此处，刚一触底，电极间就发生短路，因此由电压引发的引力消失，使得膜片501脱离基板502。不过，刚脱离之后便再次被施加由电压引发的引力，因此膜片501被强力吸引而再次触底。这些脱离与触底在电极间的距离极小的情况下会反复发生。

在静电电容式压力传感器的情况下，为了测量电容，必须施加电压，从而受到随之而来的引力的影响而产生吸合现象，结果，导致传感器输出成为反复发生上述触底与脱离的状态，而这样的传感器输出与膜片从被测定介质受到的压力无关地变得不稳定。该吸合现象在小型且电极间的距离较小、进而基材或电极上的接触部表面较为平滑的MEMS传感器中较为明显。

此外，上述微细机械装置存在如下情况：因上述触底等可动部的一部分与基板的接触而导致它们相接合，而可动部没有在由弹性力产生的反弹下复原(参考专利文献1、2、3、4、5)。该现象称为粘连或粘着等，在微细机械装置中是一个问题。

例如，就像上述隔膜真空计那样测量比大气压小的压力的压力传感器而言，由于在搬送、安装时或维护时会暴露在大气中，因此会频繁发生被施加测量范围以上的过大压力的状况。当如此被施加过大压力时，受压的膜片501会像图5C所示那样超过实际使用范围而较大程度地弯曲，导致膜片501的一部分接触到基板502(触底)。

因膜片501的厚度以及变形区域的大小还有膜片501的材料等设计参数的不同，上述触底的状态不一样，但尤其是在膜片的变形部分较薄的情况下，触底会导致粘连的发生。尤其是在为了抑制前文所述的吸合现象而设为在接触部位未形成有电极的构成的情况下，会明显发生粘连。认为其原因在于，在为了防止吸合现象而未形成有电极的区域内，在触底时，构成膜片501及基板502的材料彼此直接接触。

在压力传感器的情况下，当发生粘连时，即便去除压力，膜片也不会复原而给出犹如施加有压力一样的输出，从而导致测定的错误。尤其是在由表面粗糙度(Rz)为0.1～数nm的极为平坦的基材制作的微细机械装置中，是一个大问题。

为了防止上述粘连，业界有在触底的至少一面形成突起等微细结构而减少接触面积来抑制接触力。具体而言，使用熟知的半导体装置的制造技术，在构成微细机械装置的硅等半导体或石英等基材上形成微小的突起。例如，通过利用公知的光刻技术及蚀刻技术的图案化，形成数μm大小的突起部。此外，作为其他技术，还有形成使表面稳定的表面覆膜来减小所产生的引力的方法、通过喷砂等使表面变得粗糙来形成突起的方法。

【现有技术文献】

【专利文献】

【专利文献1】日本专利特表平10-512675号公报

【专利文献2】日本专利特开平11-340477号公报

【专利文献3】日本专利特开2000-040830号公报

【专利文献4】日本专利特开2000-196106号公报

【专利文献5】日本专利特开2002-299640号公报

技术实现要素：

【发明要解决的问题】

上述通过突起来减少接触面积的粘连对策在一定程度上较为有效，但是，尤其是在压力传感器的情况下，由于在被施加过大压力时会施加较大的应力，因此较小的突起会破坏膜片或基板。另一方面，若为了防止破坏而增大突起，则会增大接触面积而得不到对策的效果本身。如此，利用突起的粘连防止对策必须严格控制突起的部分的接触面的大小，控制较为复杂。

此外，与硅或玻璃等情况相比，用于使装置应对使用环境而具有耐蚀性、耐压性、耐热性的蓝宝石等晶体材料或氧化铝陶瓷等具有高绝缘性的材料更容易发生粘连。尤其是当变为膜片较薄的结构时，数μm左右的大小的突起物并非有效对策。

因此，必须形成亚μm以下的尺寸的微小凹凸，但蓝宝石或氧化铝陶瓷等材料在具有高机械强度、高耐蚀性、耐化学药品性的另一方面，比硅或玻璃等材料难加工，而亚μm以下的尺寸的微细加工极为困难。

此外，虽然还有利用使表面稳定的表面覆膜来防止粘连的技术，但在该情况下，表面覆膜大多使用有机材料，在高温环境下使用的情况下，或者在将膜片与基板之间的空间设为真空的构成中，有机材料无法使用。

如上所述，以往存在如下问题：防止在各种环境下使用的、使用蓝宝石等高绝缘性基材的微细机械装置中的粘连这一内容无法容易地实现。

本发明是为了消除如上问题而成，其目的在于做到可更容易地防止在各种环境下使用的、使用高绝缘性基材的微细机械装置中的粘连。

【解决问题的技术手段】

本发明的微细机械装置包括：基板，其由绝缘体构成；可动部，其通过支承部支承在基板上，在可动区域内与基板隔开配置，且能够在可动区域内朝基板方向位移，所述可动部由绝缘体构成；凸部，其形成于在可动区域内相对的基板及可动部中的其中一方的表面；电极，其形成于在可动区域内相对的基板及可动部各自的表面；电极未形成部，其设置于在形成有凸部的区域内相对的基板及可动部中的至少一方的表面，未形成有电极；以及防静电层，其形成于设置在基板及可动部中的至少一方的表面上的电极未形成部中的至少一方，与形成有所述防静电层那一侧的电极连接，防静电层由表面电阻为防静电级的材料构成。

在上述微细机械装置中，防静电层的表面电阻设为10⁹～10¹⁴Ω/□即可。

在上述微细机械装置中，防静电层的表面电阻宜设定为如下状态：防静电层相对于所连接的电极而形成的电阻乘以防静电层与所连接的电极之间所形成的电容而得的时间常数为如下范围，即，比在动作时施加至在可动区域内相对的基板及可动部各自的表面上所形成的2个电极的交流电压的振动周期大。

在上述微细机械装置中，防静电层由半导体构成即可。此外，防静电层也可由氧化钛、氧化铟、氧化锌、氧化锡、氧化钌、氧化锆中的至少1种构成。此外，防静电层也可由AlN、TiN、TiC、SiN中的任一种构成。此外，防静电层也可在配置防静电层的区域内导入金属来形成。在该情况下，金属为钛、铌、钽、镍、铁、铬、锰中的至少1种即可。此外，防静电层也可由原子层级别的厚度的氧化金属层构成。氧化金属层由钼的氧化物、钨的氧化物中的至少1种构成即可。

在上述微细机械装置中，绝缘体为蓝宝石、氧化铝陶瓷中的任一种即可。

【发明的效果】

通过以上所说明的内容，根据本发明，获得如下优异效果：可更容易地防止在各种环境下使用的、使用高绝缘性基材的微细机械装置中的粘连。

附图说明

图1A为表示本发明的实施方式中的微细机械装置的构成例的截面图。

图1B为表示本发明的实施方式中的微细机械装置的局部构成例的截面图。

图2为表示本发明的实施方式中的另一微细机械装置的局部构成例的截面图。

图3为表示本发明的实施方式中的另一微细机械装置的局部构成例的截面图。

图4为用以说明本发明的实施方式中的微细机械装置的动作状态的说明图。

图5A为表示压力传感器的局部构成的截面立体图。

图5B为表示压力传感器的局部构成的截面立体图。

图5C为表示压力传感器的局部构成的截面立体图。

具体实施方式

下面，参考图1A、图1B，对本发明的实施方式进行说明。图1A为表示本发明的实施方式中的微细机械装置的构成例的截面图。此外，图1B为表示本发明的实施方式中的微细机械装置的局部构成例的截面图。图1B是对图1A的一部分进行放大表示。

该微细机械装置包括：基板101，其由绝缘体构成；以及可动部103，其通过支承部102支承在基板101上，在可动区域121内与基板101隔开配置，且能够在可动区域121内朝基板101方向位移，该可动部103由绝缘体构成。可动部103通过可动区域121周围的固定部而固定在支承部102上。例如，支承部102一体形成于基板101上。再者，也可在可动部103那一侧与可动部103一体形成有支承部102。

此外，该微细机械装置包括凸部104，所述凸部104形成于在可动区域121内相对的基板101及可动部103的基板101侧那一面101a。凸部104例如为设为俯视圆形的柱子，直径设为1～数十μm。此外，该例包括多个凸部104，相邻凸部104的间隔例如设为0.5mm左右。

再者，也可于在可动区域121内相对的基板101及可动部103的可动部103侧那一面103a形成有凸部。此外，于在可动区域121内相对的基板101及可动部103各自的表面形成有电极105、电极106。

该微细机械装置例如为可动部103为膜片的压力传感器。例如，基板101及可动部103由蓝宝石构成。受压的可动部103朝基板101方向位移，由此，可动区域121内的电极105与电极106的间隔发生变化，从而使得电容发生变化。通过该电容变化来测定可动部103所受到的压力。若将电极形成区域设为真空，则可用作能够测定绝对压力的压力传感器。

此外，该微细机械装置于在形成有凸部104的区域内相对的基板101及可动部103两方的表面配备有未形成有电极的电极未形成部107a及电极未形成部107b。电极未形成部107a及电极未形成部107b例如设为在俯视时为相同面积的圆形，电极未形成部107a和电极未形成部107b在俯视时中心设为相同位置。

此外，该微细机械装置在基板101的电极未形成部107a配备有防静电层108。防静电层108与形成有防静电层108那一侧的电极105连接。此外，防静电层108由表面电阻为防静电级的材料构成。例如，防静电层108的表面电阻设为10⁹～10¹⁴Ω/□即可。作为这种材料，有硅或碳化硅等半导体。此外，防静电层108也可由氧化钛、氧化铟、氧化锌、氧化锡、氧化钌、氧化锆等金属氧化物构成。

此外，防静电层108也可由AlN、TiN、TiC、SiN等碳化物、氮化物构成。此外，防静电层108也可在配置防静电层108的区域内导入金属来形成。通过导入金属来形成金属添加区域，可做成防静电级。作为这种金属，有钛、铌、钽、镍、铁、铬、锰等。例如，通过沉积金属并加热来使金属热扩散，之后，将剩余的金属蚀刻去除即可。另外，还有通过离子注入将这些离子导入至基板的方法。

防静电层108也可由原子层级别的厚度的氧化金属层构成。例如，利用由钼氧化物、钨的氧化物等构成的原子层级别的厚度的氧化金属层来构成防静电层108即可。氧化钼或氧化钨与蓝宝石等相比蒸气压较低。只要通过将该材料与由蓝宝石构成的基板101一起在同一炉内加热至900℃左右来使上述氧化金属蒸发(升华)，就能在基板101的表面形成原子层级别的厚度的上述氧化金属层。

根据上述实施方式，当受压的可动部103超过实际使用范围而较大程度地弯曲时，可动部103的一部分面103a触底于基板101的凸部104的上表面。在该状态下，由于在接触到的部位形成有防静电层108而不会带电，因此不会发生粘连。此外，在因触底而接触到的部位，电极105与电极106不会连接，因此当然也不会发生反复进行触底与脱离的现象。

此处，对达成本发明的详情进行说明。首先，如前文所述，于在可动区域121内相对的基板101的面101a以及可动部103的面103a，若在各自的整个区域内形成有电极，则在触底时，这些电极会发生接触而成为问题。为了消除该问题，设为在接触部位不配置电极的状态。然而，在未形成有电极的部位，基板101的面101a与可动部103的面103a会直接接触。

如此，当反复发生绝缘电阻较大的基板101与可动部103的接触时，会发生接触带电而导致表面产生静电。基板101及可动部103的绝缘电阻较大，且接触环境也处于真空中，导致这些静电没有散逸的地方，因此每当反复接触时，静电会被积累。这在接触环境为真空的绝对压力计中发生得更频繁。结果，认为在基板101与可动部103之间产生静电引力而发生粘连。

为了抑制这种接触带电的发生，减少接触面积本身是较为有效的对策。为此，形成凸部104，从而减小触底时的接触面积。然而，在蓝宝石等绝缘材料中，我们知道，可容易地形成为数μm左右的图案的凸部104，但nm级别的微细加工极为困难。因而，能容易地实现的凸部104的尺寸为数μm单位。

不过，数μm左右的大小的凸部104对于上述由静电引起的粘连而言并非有效对策。

对此，在触底时发生接触的部位设置由电阻值较小的材料构成的防静电层108。由于在触底时接触的是防静电层108，因此电荷在防静电层108上被中和，使得静电引力也不起作用，从而可防止粘连。

另外，虽然金属等材料也是电阻值较小的材料，但在该情况下，与形成有电极的状态相同，存在发生电极105与电极106之间的连接的情况，会成为问题。相对于此，在上述实施方式中，是利用表面电阻为防静电级的材料构成防静电层108，并将其连接至电极105而构成。此外，通过将防静电层108设置在成为在触底时发生接触的区域的、配置有凸部104的区域内，实现了在触底时接触防静电层108的状态。

例如，设为相较于在使微细机械装置动作时施加至电极105与电极106之间的交流电压的周期而言防静电层108的时间常数足够大即可。通过以如此方式构成，防静电层108表面的电荷可通过防静电层108所连接的电极105而散逸至外部，因此可防止发生粘连。

另外，也可像图2所示那样在基板101的电极未形成部107a设置防静电层108a，且在可动部103的电极未形成部107b设置防静电层108b。防静电层108b与电极106连接配置。在该情况下，在触底时，防静电层108a与防静电层108b相接触。

此外，也可像图3所示那样在可动部103那一侧不设置电极未形成部而在面103a的朝向凸部104区域的区域内形成有电极106。在该情况下，在触底时，电极106与防静电层108相接触。

如前文所述，防静电层108的表面电阻宜设为如下状态：防静电层108相对于所连接的电极105而形成的电阻R乘以防静电层108与电极105之间所形成的电容C而得的时间常数RC为如下范围，即，比在动作时施加至在可动区域121内相对的电极105与电极106之间的交流电压的振动周期T大(RC＞＞T)。

使用图4，对上述防静电层108的时间常数进行更具体的说明。图4为表示设为使用图3的构成的微细机械装置的可动部103着底于基板101的状态的一部分的截面图。此处，微细机械装置为可动部103为膜片的压力传感器，动作时的测量电压为交流。

如图4所示，将触底瞬间的电极106的电位设为0、电极105的电位设为V₀sin(2πft)。接触到电极106的凸部104上的防静电层108的电位当然也为0，但是，若与处于相同面的电极105之间的电阻过小，则防静电层108也会迅速成为V₀sin(2πft)，导致与电位0的电极106之间产生电位差，因此会产生由电压引起的静电引力，从而导致前文所述的测量电压中的异常的发生。

相对于此，若将防静电层108与电极105的电阻设为R、将防静电层108与电极105之间的电容设为C，则防静电层108以及施加有交流的电极105可仅仅视为1次滤波器(RC电路)。因而，若相对于施加至电极105的交流的振动频率f而言所定义的RC电路的截止频率1/(2πRC)足够小，则防静电层108表面的电位不会追随周边的电极105而保持为0，使得与电极106之间不会产生电位差。结果，不会产生静电引力，从而可防止前文所述的测量电压中的异常。

另一方面，由于因接触而产生的静电所造成的带电的扩散为直流，因此，若将初期所带电荷设为Q₀，则该电荷会以Q₀exp(-t/RC)的方式发生衰减。若时间常数RC与上述压力传感器的响应速度相比足够小，则不会发生导致带电的粘连，而通常来讲，若防静电层108的表面电阻为10⁹～10¹⁴Ω/□，则不易带电，静电将迅速被去除。如此，为了避免由粘连及测量电压引起的异常，就防静电层108上与处于其相同面的电极105的电阻而言，为了截止频率而限制下限、为了防静电而限制上限即可。

上述效果的顺序为使用图3而说明过的构成＞使用图2而说明过的构成＞使用图1A、图1B而说明过的构成。在触底时防静电层与电极相接触的使用图3而说明过的构成中，由于由接触带电产生的电荷最容易散逸，因此所获得的由防静电层产生的效果最高。相对于此，在触底时单侧为绝缘体的使用图1A、图1B而说明过的构成中，由防静电层产生的效果较低。

再者，电极未形成部可设置于在形成有凸部的区域内相对的基板及可动部两方的表面，也可设置在任一方。在电极未形成部设置在两方的情况下，防静电层可形成于基板及可动部两方的表面所设置的电极未形成部各方，也可设置在任一方。此外，在电极未形成部设置于在形成有凸部的区域内相对的基板及可动部中的任一方的情况下，防静电层形成于任一方的电极未形成部即可。

如以上所说明，根据本发明，由于在基板与位移后的可动部相接触的、形成有凸部的部位设置有防静电层，因此可更容易地防止在各种环境下使用的、使用高绝缘性基材的微细机械装置中的粘连。

再者，本发明并不限定于以上所说明的实施方式，显然，可由在该领域内具有通常的知识的人员在本发明的技术思想内实施大量变形及组合。

符号说明

101…基板、101a…面、102…支承部、103…可动部、103a…面、104…凸部、105…电极、106…电极、107a、107b…电极未形成部、108…防静电层、121…可动区域。