CN102449906A - Mems元件以及mems元件的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的MEMS元件具有：在包括基板(1)、封装薄膜(7)、在垂直于基板(1)的表面的方向上隔着间隙而具有相互重叠的区域的、梁状结构体的可动部(3)和电极(5)；以及在基板1和封装薄膜(7)之间具有隔着电极(5)而形成的第一和第二空腔，其中，在垂直于基板表面的方向上，在可动部3侧中将空腔设为第一空腔(9)，将另一个空腔设为第二空腔时，在平行于基板表面的方向上，将第一空腔(9)与电极(5)接触的侧壁(A)的内侧表面(a)配置成比第二空腔(10)与侧壁(B)的电极(5)接触的内侧表面(b)更靠内侧，从而即使从封装薄膜(7)的外侧施加了机械应力，可动部(3)和电极(5)也不会碰撞。

Description

MEMS元件以及MEMS元件的制造方法
技术领域
本发明涉及MEMS(Micro-Electro Mechanical Systems，微型机电系统)元件，尤其涉及在具有微小间隙结构的MEMS谐振器中实现可靠性高的封装。
背景技术
参照图7和图8，说明现有的MEMS谐振器的一例。图7和图8是表示利用在专利文献1中公开的SOI(Silicon on insulator)基板制造的MEMS振荡器的结构的立体图和剖视图。如专利文献1所记载，该MEMS谐振器例如在滤波器中使用。这里，SOI基板是通过在硅基板上经由由氧化硅膜构成的BOX层(埋入氧化硅膜)而形成由单晶硅层构成的器件形成层来制造的基板。
在图7所示的MEMS谐振器的制造中，首先，在SOI基板中，进行各向异性蚀刻，形成截面三角形的梁状体(三角截面梁)，并形成用于形成间隙的氧化硅膜，之后形成电极202。之后，留下成为支承部的部分，除去间隙用的氧化硅和BOX层206。由此，作为振子201的三角截面梁开放而成为可动状态，具有空间(空腔)和窄的间隙的电极完成在具有突出结构的三角截面梁的侧面配置的空中突出结构部。
如图8所示，在振子201的下面形成空间(空腔)207。通过该制造方法，实现具有由利用了SOI基板的单晶硅构成的振子、和可进行静电激振/静电检测的电极端子的MEMS谐振器。在该制造方法中，由于用于形成间隙的膜和位于振子201的下层部的BOX层206都是氧化硅膜，所以在最后的分离(release)(结构开放)工艺中，能够同时实施间隙形成和结构开放，实现制造工艺的削减。专利文献1作为封装该谐振器的方法，公开了利用玻璃罩来覆盖的方法。
参照图9说明具有现有的封装结构的振动型压力传感器。图9是使用专利文献2所记载的MEMS技术而制造的压力传感器的剖视图。振子103是由单晶硅构成的梁。通过利用了因外延生长的硅的杂质浓度而产生的蚀刻速率的差异的牺牲层蚀刻技术，形成真空室105。
外壳104也通过薄膜形成技术而形成。在外壳104和梁(振子)103之间形成静电电容。梁的两端系留在测量膜，可在谐振频率附近振动。图9所示的元件通过作为谐振频率变化而取得因施加给测量膜的压力引起的梁的应力变化，从而发现作为压力传感器的功能。
表示梁的谐振的尖锐度的Q值随着梁周围的空气的粘性而恶化。因此，通过将真空室保持为真空，能够维持高的Q值。Q值越高，则越能够敏感地读出压力引起的谐振频率变化。
可仅通过薄膜工艺，利用将进行谐振的梁封装为真空的方法，来制造参照图9说明的压力传感器。因此，在该压力传感器的制造中，不需要元件的密封工艺中的真空封装工艺，由此，能够廉价地提供小型的压力传感器。
专利文献
专利文献1：美国专利第7358648号说明书
专利文献2：(日本)2005-37309号公报
发明内容
(发明要解决的课题)
专利文献2所记载的薄膜工艺的封装技术，除了压力传感器之外，还能够应用于利用了MEMS技术的谐振器、滤波器、振荡器、开关元件、陀螺仪、以及质量检测元件等中。封装的目的不仅仅是将振子在真空中维持可动的状态。在不需要真空的元件中，能够以从封装外部的湿度和尘埃中隔离的目的、或者从树脂传递模塑成型(transfer molding)的密封时的树脂填充压力中保护封装内部的目的，应用专利文献2所记载的技术。
但是，在如专利文献1所记载的MEMS谐振器中，不能直接应用专利文献2的封装技术。因此，作为封装方法，考虑在半导体元件的领域中一般进行的、树脂传递模塑成型的封装。但是，在专利文献1所记载的MEMS谐振器的树脂传递模塑成型的封装中，存在如下问题。
具体地说，在树脂传递模塑成型时，存在因从外部施加的压力，应封装的结构(尤其是电极)本身产生较大的歪斜，且电极和梁(可动部)碰撞的问题。在MEMS谐振器中，为了降低元件阻抗，需要将电极和梁(振子)之间的间隙设得较窄。在专利文献1所记载的MEMS谐振器被用作电子设备的定时器件的情况下，所述间隙大致为100～200nm，在树脂传递模塑成型时的压力下，不能保持该窄间隙。
为了避免这个课题，如图10所示，具有与电极分开形成了封装结构，且在电极305和可动部(振子)303的上下形成空腔的方法。在图10中，符号301表示基板，302、306表示牺牲层，307表示封装薄膜。通过将牺牲层203、306的一部分除去而形成空腔，牺牲层203、306的剩余的部分构成划定空腔的侧壁。根据该方法，能够由封装薄膜307获得封装结构。但是，即使采用了图10所示的结构，在对该元件进一步通过树脂传递模塑成型来进行封装的情况下，发明人新发现了产生如下课题的问题。
具体地说，在图10所示的结构的MEMS谐振器中，若电极侧的空腔的B比可动部侧的空腔的侧壁A更靠内侧，则在树脂传递模塑成型时施加的压力传递到封装薄膜，该力进一步通过空腔侧壁而传递到电极。施加到电极的力的方向平行于元件的厚度方向。因此，若电极侧的空腔的侧壁比可动部侧的空腔的侧壁更靠内侧，即在电极侧的侧壁的下面存在空间，则电极因对电极向下施加的力而弯曲。其结果，如图10所示，电极向下移动，有时会与可动部产生碰撞。
图11是表示计算了在施加外压时的封装薄膜的厚度方向的变形量的结果的曲线图。各个线表示封装薄膜的膜厚的差异，膜厚越厚，则变形量越小。在树脂传递模塑成型时，约1E+07Pa(100气压)～1.5E+07Pa(150气压)左右的压力施加在封装薄膜上。因此，即使将封装薄膜的膜厚加厚到4μm，在150气压下，也会变形300nm左右。
这样带来较大的变形的外压会使电极和可动部碰撞。即，图10所示的MEMS谐振器具有施加到封装薄膜的力直接传递到电极而使电极弯曲的结构。因此，例如，若电极305和可动部303之间的间隙为100～300nm左右，则在图11的斜线部中，不能保持间隙，电极和可动部碰撞。为了避免碰撞，需要使用至少6～7μm以上的膜厚的封装薄膜。但是，只要应用当前的半导体薄膜形成技术，这样厚度的膜只能通过层叠多个薄膜而形成，这包括生产量恶化的其他课题。
(用于解决课题的手段)
为了解决所述课题，本发明提供一种具有如下结构的MEMS元件：在树脂传递模塑成型等时施加了外压时，在电极接近可动部的方向上，防止向电极施加应力的结构。即，本发明提供一种MEMS元件，
具有基板和封装薄膜，
将进行机械振动的可动部和邻近所述可动部的电极设置在所述基板和所述封装薄膜之间，所述可动部和所述电极在垂直于所述基板表面的方向上隔着间隙而具有相互重叠的区域，
在所述基板与所述封装薄膜之间，形成由所述电极隔开的第一空腔和第二空腔，
从位于所述可动部和所述电极重叠的区域的所述电极看时，所述第一空腔在垂直于所述基板表面的方向上位于所述可动部侧，
从位于所述可动部和所述电极重叠的区域的所述电极看时，所述第二空腔在垂直于所述基板表面的方向上位于所述可动部的相反侧，
在平行于所述基板表面的方向上，所述第一空腔与所述电极接触的侧壁A的内侧表面比所述第二空腔与所述电极接触的侧壁B的内侧表面更靠内侧。
本发明的MEMS元件的特征在于，具有隔着电极而划分的两个空腔(第一空腔和第二空腔)，在平行于所述基板表面的方向上，所述第一空腔与所述电极接触的侧壁A的内侧表面比所述第二空腔与所述电极接触的侧壁B的内侧表面更靠内侧，从位于所述可动部和所述电极重叠的区域的所述电极看时，第一空腔在垂直于所述基板表面的方向上位于所述可动部的相反侧，从位于所述可动部和所述电极重叠的区域的所述电极看时，第二空腔在垂直于所述基板表面的方向上位于所述可动部的相反侧。通过这个特征，即使在向封装薄膜施加了机械压力的情况下，也能够防止在电极中产生接近可动部的方向的应力。其结果，避免电极和可动部的碰撞，保持电极和可动部之间的间隙。此外，在本发明的MEMS元件中，由于不需要加厚封装薄膜来减小在施加了外压时的变形量，所以能够将封装薄膜设为具有例如2μm以下的较小膜厚的薄膜。使用这样小的膜厚的封装薄膜有利于减少MEMS元件的制造时间。
本发明还提供具有所述结构的本发明的MEMS元件的制造方法。本发明的制造方法包括：通过第一牺牲层的除去而形成所述第一空腔的工艺；以及通过第二牺牲层的除去而形成所述第二空腔的工艺。两个牺牲层的除去可以在同一个蚀刻工艺中最先除去第二牺牲层、接着除去第一牺牲层来实现，或者也可以在同一个蚀刻工艺中最先除去第一牺牲层、接着除去第二牺牲层来实现。在最先除去第一牺牲层的情况下，需要将第一牺牲层和第二牺牲层的材料选择为第二牺牲层的蚀刻速率大于第一牺牲层的蚀刻速率，从而确保在平行于基板表面的方向上，第二空腔与电极接触的侧壁的内侧表面比第一空腔与电极接触的侧壁的内侧表面更靠外侧。
优选以使用树脂对封装薄膜的外侧进行了模塑成型的方式，提供本发明的MEMS元件。通过树脂模塑成型，实现坚固的封装结构。如上所述，由于本发明的MEMS元件是避免因树脂模塑成型时施加的压力而引起的电极和可动部的碰撞的结构，所以适合树脂模塑成型的封装。
附图说明
图1是表示本发明的第一实施方式的MEMS元件的封装结构的一例的剖视图。
图2(a)～(c)是表示使用树脂对本发明的第一实施方式的MEMS元件进行了模塑成型封装的结构的一例的剖视图。
图3(a)～(e)是表示本发明的第一实施方式的MEMS元件的制造方法的工艺流程的剖视图。
图4是表示本发明的第二实施方式的MEMS元件的封装结构的一例的剖视图。
图5是表示本发明的第三实施方式的MEMS元件的封装结构的一例的剖视图。
图6是本发明的第三实施方式的MEMS元件的封装结构的其他例子，且是表示在基板上形成了贯通口的结构的剖视图。
图7是现有的三角梁扭转谐振器的立体图。
图8是现有的三角梁扭转谐振器的剖视图。
图9是表示现有的MEMS元件的封装结构的剖视图。
图10是表示现有的MEMS元件的薄膜封装结构的剖视图。
图11是表示施加到封装薄膜的外压和封装薄膜的厚度方向的变形量之间的关系的曲线图。
图12是表示图1所示的MEMS元件的一部分，且是说明O、A1、B1、C1、D1、E1以及F1的剖视图。
图13是表示在图12中改变了B1/A1时的E1/C1以及F1/D1的曲线图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的实施方式。
(第一实施方式)
图1是表示了本发明的第一实施方式的MEMS元件的结构例的剖视图。在图示的MEMS元件中，在基板1上形成了由两层构成的第一牺牲层2、4，在图1中，在下侧的第一牺牲层2的上面形成作为梁结构体的可动部3，在上侧的第一牺牲层4的上面形成电极5。可动部3和电极5在垂直于基板1的表面的方向上，隔着间隙而具有互不相同的区域(即，在图示的方式中，可动部3的主表面和电极5的主表面以平行于基板表面的方式相互对置)，构成振子。可动部3具有在垂直于纸面的方向上延伸的梁能够振动且其端部固定的结构。可动部3和电极5通过微小间隙而构成静电电容，根据对电极5施加电压而产生的静电力，以弯曲、扩展或者扭转等的模式激励可动部3。这里，“垂直于基板表面的方向”也可以说是基板(进而是元件)的厚度方向。因此，“垂直于基板表面的方向”也可以说是在半导体薄膜形成技术中膜层叠的方向。
在图示的方式中，从位于电极5和可动部3重叠的区域的电极5看，在基板1的厚度方向中，位于可动部3侧的空腔成为第一空腔。因此，在图示的方式中，从电极5看，位于下侧方向的空腔、即用符号9表示的空间成为第一空腔。这里，被基板1、第一牺牲层2、4以及电极5包围而形成第一空腔9。在图1中表示的第一牺牲层2、4是通过蚀刻未除去的部分，这个部分构成划定第一空腔9的侧面(垂直于基板表面的方向的面)的侧壁。在图1中表示的侧壁是，在图中构成可动部3的梁的两侧、即位于向平行于梁延伸的方向的方向延伸的梁的两侧边缘侧的、与电极5接触的侧壁(在图1中用A表示)。如图所示，在牺牲层由两个以上的层构成，且各个层的内侧表面位于不同的位置时，根据与第二空腔的侧壁B的内侧表面的关系，决定与电极接近的一侧、即与电极接触的一侧的牺牲层的内侧表面的位置(在图1中用a表示的位置)。
在电极5上形成第二牺牲层6，再在第二牺牲层6上形成封装薄膜7。如上所述，第一空腔是从电极5看时位于可动部3侧、即位于下侧方向的空腔，所以第二空腔是从电极5看时位于可动部3的相反侧、即位于上侧的空腔。因此，在图示的方式中，用符号10表示的空间成为第二空腔。这里，被电极5、第二牺牲层6以及封装薄膜7包围而形成第二空腔10。在图1中表示的第二牺牲层6是通过蚀刻而未除去的部分，这个部分构成划定第二空腔10的侧面的侧壁。在图1中表示的侧壁为，从构成可动部3的梁延伸的方向看时位于两侧的、与电极5接触的侧壁(在图1中用B表示)。在第二牺牲层由两个以上的层构成，且各个层的内侧表面位于不同的位置时，决定第一空腔的侧壁A的内侧表面的位置的基础上，考虑与电极接近的一侧、即与电极接触的一侧的层的内侧表面的位置(在图1中用b表示的位置)。
在封装薄膜7中，形成了贯通口8。为了除去牺牲层来形成空腔，该贯通口8作为蚀刻孔而形成在期望的位置上。此外，在电极5中也形成了用于除去第一牺牲层2、4的贯通口12。第一牺牲层2、4和第二牺牲层6也可以由相同或者同种材料形成。蚀刻也可以通过如下方法来实施：从贯通口8导入蚀刻气体等，从而除去第二牺牲层6，进一步使蚀刻气体等经由贯通口12，从而除去第一牺牲层4、第一牺牲层2。即，也可以按照第二牺牲层6、第一牺牲层4和第一牺牲层2的顺序除去。此时，例如，由于在第一牺牲层4进行蚀刻时，第二牺牲层6也同样被浸渍，所以在平行于基板表面的方向(水平方向)上，第二空腔10具有比第一空腔9更大的尺寸。即，在平行于基板表面的方向(水平方向)上，划定第一空腔9的侧壁A的内侧表面a比划定第二空腔10的侧壁B的内侧表面b更靠内侧。
贯通口8和贯通口12的形状和数目在它们作为蚀刻孔如所期望那样起作用的情况下，并没有特别限定。例如，也可以作为贯通口8，在封装薄膜7中设置多个从上面看时大致具有圆形的口。此外，也可以作为贯通口12，设置一个或者沿着平行于可动部3的梁延伸的方向的方向设置多个从上面看时大致具有圆形或者大致具有矩形的口。或者，也可以作为贯通口12，在平行于可动部3的梁延伸的方向的方向上，在电极5整体中设置从上面看时缝隙状的开口部。此时，电极5具有以缝隙状的贯通口12作为边界而分为两个的结构，两个部分都成为在第二牺牲层6和第一牺牲层2、4之间固定的悬臂梁。
图2(a)表示使用树脂11对图1所示的MEMS元件的封装薄膜7的表面和元件的侧面进行模塑成型的方式。如图2(b)所示，在实施树脂11的传递模塑成型时施加到封装薄膜7的压力施加在第二空腔的侧壁B上，侧壁B在与电极5的接点中按入电极5。但是，由于在电极5的下方作为层叠结构而存在第一牺牲层4、第一牺牲层2、基板1且被固定，所以被按入的电极5只有其表面侧变形。其结果，在电极5和侧壁B之间的接点部位附近，在朝向接点的方向上产生应力，在电极5的中空部位(未固定的部分)中，如图2(c)所示，表面侧向接点方向拉伸。此外，由于电极5和侧壁B的接点的下侧固定于第一空腔的侧壁A(第一牺牲层4)，所以在电极5的中空部分产生向上(远离可动部3的方向)的应力。通过该应力的产生，避免了电极5和可动部3的碰撞，保持了间隙。
优选根据元件的尺寸和形状、电极和可动部的位置、形状和尺寸、以及向封装薄膜施加了压力时在电极中产生的机械应力等，适当地决定使第一空腔的侧壁A的内侧表面a比第二空腔的侧壁B的内侧表面b更靠内侧多少。以下，使用模拟结果，说明使第一空腔的侧壁A的内侧表面a比第二空腔的侧壁B的内侧表面b更靠内侧多少。
图13是模拟了在作为模塑成型压力而将100气压施加到封装薄膜7时的、相对于第二空腔的侧壁B的位置的、电极5和封装薄膜7的厚度方向的最大位移的结果。图12是说明在成为模拟了电极5和封装薄膜7的厚度方向的最大位移时的变数的A1、B1、电极5与可动部3之间的距离C1、以及电极5与封装薄膜7之间的距离D1的剖视图，相当于图1所示的剖视图的一部分。
在图12中，用O表示的位置是电极5的基准位置。这里，电极的基准位置是如下部位：在实施传递模塑成型时向封装薄膜施加压力(模塑成型压力)，由此向电极施加厚度方向的力而使电极产生位移的情况下，在与可动部对置的区域中电极的厚度方向的位移成为最大的部位。因此，如图1所示的MEMS元件所示，开口部12是缝隙状的开口部，在分离的悬臂梁电极中长的一方的前端位置和可动部的侧边一致的情况下，基准位置O成为长的一方的前端(即，与开口部12的边界)。在开口部12为圆形，电极5未以开口部12为边界而分为两个且第二空腔的侧壁B相对于可动部3位于左右对称的位置的情况下，与可动部3的中心对置的位置被决定为基准位置O。即，在该剖视图中，假设电极以开口部为边界分离为两个悬臂梁，将长的悬臂梁的前端设为基准位置O。
A1是在平行于基板表面的方向且垂直于可动部3的梁延伸的方向的方向上、从基准位置O到第一空腔的侧壁A为止的距离，B1是在平行于基板表面的方向且垂直于可动部3的梁延伸的方向的方向上、从基准位置O到第二空腔的侧壁B为止的距离。在第一空腔的侧壁A不平行于可动部3的梁延伸的方向的情况下(例如，在从上方看侧壁A时，侧壁A弯曲的情况下)，根据侧壁A的形状和开口部12的位置决定基准位置O，并根据该基准位置O而决定A1(厚度方向上的电极的位移最大的位置中的、该位置与侧壁A之间的规定方向上的距离)。对于B1也是同样的。C1是垂直于基板表面的方向上的、电极5与可动部3之间的最短距离，D1是垂直于基板表面的方向上的、电极5与封装薄膜7之间的最短距离。
将改变了B1/A1时的、电极5在垂直于基板表面的方向(即，厚度方向)的最大位移设为E1、封装薄膜7在垂直于基板表面的方向(即，厚度方向)的位移设为F1，通过计算求出E1/C1和F1/D1来实施模拟。在图12中，将横轴设为B1/A1、纵轴(左轴)设为E1/C1、纵轴(右轴)设为F1/D1。实线(左轴)表示在改变了第一、第二空腔的侧壁的位置关系时的电极5在厚度方向的最大位移，虚线(右轴)表示在改变了第一、第二空腔的侧壁的位置关系时的封装薄膜7在厚度方向的最大位移。这里，若E1/C1(左轴)位于正的区域，则意味着电极5远离可动部3，若E1/C1位于负的区域，则意味着电极5接近可动部3。因此，E1/C1＝-1.0表示电极5和可动部3接触的情况。此外，同样地，若F1/D1(右轴)位于正的区域，则意味着封装薄膜7远离电极5，若F1/D1位于负的区域，则意味着封装薄膜7接近电极5。因此，F1/D1＝-1.0表示封装薄膜7和电极5接触的情况。
在B1/A1(横轴)为1.0、即A1＝B1时，第一空腔的侧壁A的位置和第二空腔的侧壁B的位置一致。因此，B1/A1＞1.0表示第一空腔的侧壁A比第二空腔的侧壁B更靠内侧的情况，且B1/A1＜1.0表示第一空腔的侧壁A比第二空腔的侧壁B更靠外侧的情况。
图12的模拟的结果，确认了在B1/A1大于1.0的区域中，E1/C1(实线)成为0以上的正值的情况。即，通过将第一空腔的侧壁A设在比第二空腔的侧壁B更靠内侧的位置上，从而能够维持电极5与可动部3之间的间隙，或者能够使电极5远离可动部3。其中，若考虑贯通口(蚀刻孔)的掩膜位置精度和蚀刻的偏差，则优选侧壁B的内侧表面b的位置位于比侧壁A的内侧表面a的位置更靠向外侧1μm以上。
此外，在B1/A1在1.1附近时，E1/C1表示峰值，在B1/A1≥1.5时，E1/C1大致接近0。如图2的(b)、(c)所示，这表示在电极5和侧壁B的接点附近处电极5的表面变形，在电极5的基准位置O中，电极5在远离可动部3的方向上受到应力的效果在B1/A1＝1.0和B1/A1＝1.5之间增加。
此外，图12表示若B1/A1为1.5以上，则施加到电极5的基准位置O的应力减小，电极5在厚度方向上基本上不会产生位移的情况。即，可以说若B1/A1为1.5以上，则即使模塑成型压力施加到封装薄膜7，电极5与可动部3之间的距离基本上也不会从没有对封装薄膜7施加模塑成型压力时的距离产生变化。这意味着，若B1/A1为1.5以上，则有没有应用模塑成型压力无关地，电极5-封装薄膜7的间隙大致保持恒定。因此，优选将B1/A1设为1.5以上。这是为了能够减小或者消除在施加了模塑成型压力的期间的电极-封装薄膜之间的间隙的值与该间隙的设计值之差。
无论B1/A1为任意值，用虚线表示的F1/D1都位于小于0的负的区域。这表示无论将第一空腔的侧壁A相对第二空腔的侧壁B如何配置，封装薄膜7都通过模塑成型压的应用而产生位移。此外，根据图12可知，随着B1/A1增大，封装薄膜7向接近电极5的方向变形的量增大。此外，图12表示若B1/A1取3.2附近的值，则F1/D1成为-1.0，即封装薄膜7与电极5接触。由于若封装薄膜7与电极5接触，则不能确保谐振器动作，所以优选将B1/A1设为3.2以下。
此外，不论第一空腔的尺寸的大小如何，若第二空腔10的尺寸大，则有时在树脂传递模塑成型时，封装薄膜7弯曲，会与电极5和/或可动部3接触。因此，优选考虑电极5或可动部3与封装薄膜7的间隙、封装薄膜7的弹性模量(Young′s modulus)以及膜厚，以施加了100～150气压左右的压力时封装薄膜7不会与电极5和/或可动部3接触的程度，决定第二空腔的尺寸以及侧壁B的内侧表面的位置。
例如，由具有10μm以下的膜厚的SiGe构成封装薄膜7，在电极5和封装薄膜7的间隙为1μm的情况下，第二空腔10的宽度(在将基板1的表面设为x-y坐标面、且将平行于可动部3的梁延伸的方向的方向设为y方向时，x方向的尺寸)为200μm左右时，在模塑成型压力100～150气压下，封装薄膜7与电极5和/或可动部3接触。因此，在这种结构的MEMS元件中，优选将侧壁B的内侧表面的位置决定为第二空腔的宽度小于200μm。
在图1所示的MEMS元件中，划定第一空腔9的侧壁A由具有高低差的两个层形成。如后所述，这是通过例如使用SOI基板且不设置蚀刻停止(etching stop)的情况下制造而产生的。在图1所示的MEMS元件的变形例中，两个第一牺牲层的内侧表面既可以是同一个位置，或者也可以是在平行于基板表面的方向上下侧的第一牺牲层2的内侧表面比上侧的第一牺牲层4的内侧表面更靠外侧的位置。
如上所述，需要在本发明的MEMS元件中，在划定第一空腔的侧壁中、与电极接触的侧壁的内侧表面在平行于基板表面的方向上比与第二空腔接触的电极的侧壁的内侧表面更靠内侧。另外，在图1所示的MEMS元件中，与第一和第二空腔接触的电极的侧壁A和B位于可动部3的梁的两侧，例如，在从上方看时图1所示的空腔为大致矩形的情况下，处于沿着平行于梁延伸的方向的方向的位置。因此，除此之外的侧壁，例如在图1所示的MEMS元件中，从上方看时空腔为大致矩形的情况下，在图1中未示出的、处于沿着与垂直于可动部3的梁延伸的方向的方向(在图中左右方向)大致平行的方向的位置的、第一空腔的侧壁，既可以比处于沿着垂直于可动部3的梁延伸的方向的方向的位置的第二空腔的侧壁的内侧表面更靠外侧，或者也可以更靠内侧。但是，在使用后述的工艺制造本发明的MEMS元件的情况下，一般第一空腔的侧壁整体的内侧表面比第二空腔的侧壁整体的内侧表面更靠内侧。
图3是表示图1的MEMS元件的制造方法的一例的工艺流程图。首先，如图3(a)所示，准备由硅基板31、BOX层(埋入氧化硅膜)32(对应于图1的2)、单晶硅层33(对应于图1的3)构成的SOI基板。在该SOI基板中，实施光刻工艺和蚀刻工艺，图案形成单晶硅层33。接着，如图3(b)所示，使氧化硅膜34(对应于图1的4)成膜。接着，如图3(c)所示，作为导电层35(对应于图1的5)，例如使Pt或者Al等金属材料或者多孔硅等成膜，通过光刻工艺和蚀刻工艺进行图案形成，获得具有期望的图案的导电层35。
进一步，如图3(d)所示，在导电层35上依次使氧化硅膜36(对应于图1的6)、作为形成封装薄膜的材料的膜37(对应于图1的7)成膜。这里，形成膜37的材料例如是多孔硅、Pt、Al以及Al2O3等，在牺牲层除去工艺中从具有耐性的材料中选择。最后，如图3(e)所示，通过光刻工艺和蚀刻工艺，在膜37中打开贯通口38(对应于图1的8)，从该贯通口导入蚀刻气体或者蚀刻剂，从而依次除去氧化硅膜36、氧化硅膜34、BOX层32的期望的区域。通过实施以上的工艺，实现图1的结构。根据该制造方法，即使在膜36、34以及层32由相同或者同种材料构成的情况下，也能够通过一个蚀刻工艺，无需特殊的控制，就能够将第一空腔和第二空腔形成为第一空腔的侧壁整体的内侧表面在平行于基板表面的方向上比第二空腔的侧壁整体的内侧表面更靠内侧。
虽然在图1和图3中没有记载，但也可以在从贯通口8(39)导入蚀刻气体等，从而除去期望量的第一牺牲层2(32)、4(34)以及第二牺牲层6(36)之后，用薄膜等覆盖封装薄膜7(37)的表面，在贯通口上盖住盖子，密封第一空腔9和第二空腔10。
在使用半导体工艺来制造MEMS元件的情况下，能够使用各种方法获得同一个结构。因此，应注意本发明的MEMS元件的制造方法并不限于图3所示的流程图。
(第二实施方式)
图4是表示了本发明的第二实施方式的MEMS元件的结构例的剖视图。图1所示的MEMS元件是如下结构：板状的电极和板状的可动部在垂直于基板表面的方向上隔着间隙而具有相互重叠的区域，且两者的主表面相互平行。相对于此，图4所示的MEMS元件具有如下结构：包括具有三角截面结构(即，三角柱状)的梁的可动部3，电极5的侧面与三角形的可动部3的斜面平行对置。在该MEMS元件中，可动部3和电极5在垂直于基板表面的方向上隔着间隙而具有相互重叠的区域(可动部3的斜面和平行于该面的电极5的侧面)。在图4所示的MEMS元件中，从电极5看时，可动部3的一侧是下侧(若向下侧按压电极5，则与可动部3接触)。因此，从电极5看时，第一空腔9和第二空腔10分别是位于下侧和上侧的空间。与图1的MEMS元件相同地，在平行于基板表面的方向上，第一空腔的侧壁A的内侧表面a比第二空腔的侧壁B的内侧表面b更靠内侧。通过该侧壁结构获得的效果如参照图1所说明的那样。
在图4所示的MEMS元件中，划定第一空腔9的侧壁A由一层牺牲层构成。这是因为通过在使用SOI基板形成由单晶硅构成的可动部3之后，通过BOX层表面形成成为电极的层的方法，制造MEMS元件。由于其他的要素如之前在第一实施方式中关联说明的那样，所以在此省略其说明。
在图4所示的MEMS元件中，以可动部3为中心，电极5形成为在图的左右(垂直于可动部3的梁延伸的方向的方向且垂直于厚度方向的方向)对称。因此，关于实施方式1，如图4所示，参照图12和图13说明的决定A1和B1时的电极5的基准位置成为经过电极5的上侧前端的位置。
以上，说明了可动部的形状不同的两种MEMS元件。在垂直于基板表面的方向上经由微小间隙而电极和可动部具有相互重叠的区域的结构中，可同样应用本发明。
(第三实施方式)
图5是表示了本发明的第三实施方式的MEMS元件的结构例的剖视图。在图示的MEMS元件中，在基板1上形成第二牺牲层12，在第二牺牲层12上形成电极5，在电极5的上方设置了可动部3，第一牺牲层13、16形成在电极5的上面。在图示的方式中，在第一牺牲层16上设置了封装薄膜7。
电极5和可动部3经由微小间隙在垂直于基板1的表面的方向上具有相互重叠的区域(即，在图示的方式中，电极5的主表面和可动部3的主表面相互对置成平行于基板表面)，从而构成振子。可动部3和电极5通过微小间隙而构成静电电容，根据对电极5施加电压而产生的静电力，以弯曲、扩展或者扭转等的模式激励可动部3。
在图5中，从电极5看时，可动部3的一侧是电极5的上侧。因此，在图示的方式中，从电极5看时，位于上侧的空腔、即用符号20表示的空间成为第一空腔20。这里，被基板5、第一牺牲层13、16以及封装薄膜7包围而形成第一空腔20。在图4中表示的第一牺牲层13、16是通过蚀刻而未除去的部分。如关于第一实施方式所说明，根据与后述的第二空腔的侧壁B的内侧表面b的位置关系，决定在划定第一空腔20的侧壁中、由与电极5接触的第一牺牲层13构成的侧壁A的内侧表面(在图5中用a表示的位置)的位置。
在图5中，从电极5看时，位于下侧的空腔、即用符号19表示的空间是第二空腔。这里，被基板1、第二牺牲层12以及电极5包围而形成第二空腔19。划定第二空腔19的侧壁B是第二牺牲层12，且是通过蚀刻而未除去的部分。如参照图1、图12以及图13所说明那样，优选考虑在对封装薄膜7施加了机械压力时在电极5中产生的机械应力，来决定使第一空腔的侧壁A的内侧表面比第二空腔的侧壁B的内侧表面更靠内侧多少，使得在对封装薄膜7施加了机械压力时保持电极5与可动部3的间隙。
在封装薄膜7中，形成了贯通口8。为了除去牺牲层而形成空腔，该贯通口8作为蚀刻孔而形成在期望的位置上。在制造图5所示的方式的MEMS元件时，也可以由牺牲层除去时的蚀刻速率互不相同的材料形成第一牺牲层13、16和第二牺牲层12。更具体地说，各个牺牲层的材料选择为第二牺牲层12的蚀刻速率大于第一牺牲层13、16的蚀刻速率。其结果，若从贯通口8导入的蚀刻气体或蚀刻剂除去第一牺牲层16，进一步通过开口部12，依次除去第一牺牲层13、第二牺牲层12，则第二空腔19在平行于基板表面的方向上具有比第一空腔20更大的尺寸。即，划定第一空腔20的侧壁A的内侧表面a比划定第二空腔19的侧壁B的内侧表面b在平行于基板表面的方向上更靠内侧。
如图2(a)所示，在通过树脂的传递模塑成型对具有该结构的MEMS元件进行封装的情况下，施加到封装薄膜7的压力通过侧壁A，在下侧的第一牺牲层13和电极5的接点中按入电极5。由于在侧壁A和电极5的接点中电极5的下方成为空洞，所以电极5直接被按压。因此，在电极5中产生作用于可动部3的相反侧的应力成分，其结果，能够避免电极5和可动部3的碰撞。即，在图5的结构中，在将模塑成型压力施加到封装薄膜7时，封装薄膜7和电极5作为一体向厚度方向进行位移，进行如图12的虚线所示的动作。因此，通过使第一空腔的侧壁A的位置比第二空腔的侧壁B的位置更靠内侧，从而电极5向远离可动部3的方向进行位移。
图6是表示了本发明的第三实施方式的MEMS元件的其他结构例的剖视图。图6所示的MEMS元件与图5的MEMS元件的不同点在于，作为用于除去牺牲层来形成空腔的蚀刻孔，在基板1中形成了贯通口18。此外，在这个方式中，第一牺牲层13、16和第二牺牲层12由相同或者同种材料形成。可通过以下方法制造本方式的MEMS元件，即：从贯通口18导入蚀刻气体或者蚀刻剂，将第二牺牲层12、第一牺牲层13、第一牺牲层16按照这个顺序除去。
通过从贯通口18导入蚀刻气体等，暴露于蚀刻气体等的时间在第二牺牲层12中更长。因此，即使在将全部牺牲层的材料设为相同的情况下，在平行于基板表面的方向上，第二空腔19具有比第一空腔20更大的尺寸。即，在平行于基板表面的方向上，划定第一空腔20的侧壁A的内侧表面a比划定第二空腔19的侧壁B的内侧表面b更靠内侧。由此，在利用树脂对封装薄膜7的表面和元件的侧面进行模塑成型封装的情况下，根据参照图5说明的机构，能够避免电极5和可动部3的碰撞。
虽然在图5中没有记载，但也可以从贯通口8导入蚀刻气体等而除去期望量的第一牺牲层13、16以及第二牺牲层12之后，用薄膜等覆盖封装薄膜7的表面，在贯通口上盖住盖子，密封第一空腔20和第二空腔19。同样地，虽然在图6中没有记载，但也可以从贯通口8导入蚀刻气体等而除去期望量的第一牺牲层13、16以及第二牺牲层12之后，用薄膜覆盖基板1的表面(在图中位于下侧的曝光表面)，在贯通口上盖住盖子，密封第一空腔20和第二空腔19。
在图5和图6中，在平行于基板表面的方向上，第一牺牲层16的内侧表面比第一牺牲层13的内侧表面更靠内侧。在第一牺牲层由两个以上的层构成的情况下，这些层的内侧表面的位置关系并没有特别限定。例如，在图5和图6所示的MEMS元件中，也可以只有在平行于基板表面的方向上，由与电极接触的5的第一牺牲层13构成的侧壁A的内侧表面a比由第二牺牲层12构成的侧壁B的内侧表面b更靠内侧的情况下，在平行于基板表面的方向上，上侧的第一牺牲层16的内侧表面比下侧的第一牺牲层13的内侧表面更靠外侧。
在图5和图6中表示了电极和可动部的主表面垂直于基板表面，且电极和可动部的主表面相互平行的结构。在图5和图6所示的方式的变形例中，也可以具有电极和可动部在垂直于基板表面的方向上隔着间隙而具备相互重叠的区域的其他结构。
(产业上的可利用性)
本发明的MEMS元件具备在垂直于基板表面的方向上隔着间隙而具有相互重叠的区域的电极和可动部，利用封装薄膜进行封装之后，即使在树脂模塑成型时施加了机械压力，也能够避免电极和可动部的碰撞，且在这一点上实现高的可靠性。因此，本发明的MEMS元件可广泛地应用于开关元件、谐振器、滤波器、振荡器、陀螺仪、压力传感器以及质量检测元件等器件以及使用了它们的电子设备中。
符号说明：
1  基板
2、4、6、12、13、16  牺牲层
3  可动部(梁)
5  电极
7  封装薄膜
8、18  贯通口(蚀刻孔)
9、10、19、20  空腔
11  树脂
A  划定第一空腔的侧壁
B  划定第二空腔的侧壁
a  侧壁A的内侧表面
b  侧壁B的内侧表面

Claims (15)

1.一种微型机电系统元件，其中，
具有基板和封装薄膜，
将进行机械振动的梁结构体的可动部和邻近所述可动部的电极设置在所述基板和所述封装薄膜之间，所述可动部和所述电极在垂直于所述基板表面的方向上隔着间隙而具有相互重叠的区域，
在所述基板和所述封装薄膜之间，形成由所述电极隔开的第一空腔和第二空腔，
从位于所述可动部和所述电极重叠的区域的所述电极看时，所述第一空腔在垂直于所述基板表面的方向上位于所述可动部侧，
从位于所述可动部和所述电极重叠的区域的所述电极看时，所述第二空腔在垂直于所述基板表面的方向上位于所述可动部的相反侧，
在平行于所述基板表面的方向上，所述第一空腔与所述电极接触的侧壁(A)的内侧表面比所述第二空腔与所述电极接触的侧壁(B)的内侧表面更靠内侧。
2.根据权利要求1所述的微型机电系统元件，其中，
所述第一空腔的侧壁的内侧表面配置于：按照在向所述封装薄膜施加了机械压力时保持电极和可动部之间的间隙的方式，考虑向所述封装薄膜施加了机械压力时在所述电极中产生的机械应力而决定的位置上。
3.根据权利要求1所述的微型机电系统元件，其中，
在向所述电极施加了垂直于基板表面的方向的力时，将所述电极与所述可动部对置的区域中、在垂直于基板表面的方向上位移最大的位置设为基准位置(O)，
将所述侧壁(A)的位置(A1)与基准位置(O)的、平行于所述基板表面且垂直于构成所述可动部的梁的方向的距离设为A1，
将所述侧壁(B)的位置(B1)与基准位置(O)的、平行于所述基板表面且垂直于构成所述可动部的梁的方向的距离设为B1时，
B1/A1≥1.0。
4.根据权利要求1所述的微型机电系统元件，其中，
在向所述电极施加了垂直于基板表面的方向的力时，将所述电极与所述可动部对置的区域中、在垂直于基板表面的方向上位移最大的位置设为基准位置(O)，
将所述侧壁(A)的位置(A1)与基准位置(O)的、平行于所述基板表面且垂直于构成所述可动部的梁的方向的距离设为A1，
将所述侧壁(B)的位置(B1)与基准位置(O)的、平行于所述基板表面且垂直于构成所述可动部的梁的方向的距离设为B1时，
B1/A1≥1.5。
5.根据权利要求1所述的微型机电系统元件，其中，
在向所述电极施加了垂直于基板表面的方向的力时，将所述电极与所述可动部对置的区域中、在垂直于基板表面的方向上位移最大的位置设为基准位置(O)，
将所述侧壁(A)的位置(A1)与基准位置(O)的、平行于所述基板表面且垂直于构成所述可动部的梁的方向的距离设为A1，
将所述侧壁(B)的位置(B1)与基准位置(O)的、平行于所述基板表面且垂直于构成所述可动部的梁的方向的距离设为B1时，
B1/A1≤3.2。
6.根据权利要求1所述的微型机电系统元件，其中，
在平行于所述基板表面的方向上，所述第一空腔的侧壁整体的内侧表面比所述第二空腔的侧壁整体的内侧表面更靠内侧。
7.根据权利要求1所述的微型机电系统元件，其中，
所述第一空腔是除去第一牺牲层而形成的，所述第二空腔是除去第二牺牲层而形成的。
8.根据权利要求7所述的微型机电系统元件，其中，
在同一个蚀刻工艺中，最先除去所述第二牺牲层，之后除去所述第一牺牲层，形成所述第二空腔和第一空腔。
9.根据权利要求7所述的微型机电系统元件，其中，
所述第一牺牲层和所述第二牺牲层由互不相同的材料形成，各个牺牲层的材料选择为所述第二牺牲层的蚀刻速率大于所述第一牺牲层的蚀刻速率，在同一个蚀刻工艺中，最先除去所述第一牺牲层，之后除去所述第二牺牲层，形成所述第一空腔和第二空腔。
10.根据权利要求1所述的微型机电系统元件，其中，
利用树脂对所述封装薄膜的外侧进行模塑成型。
11.一种微型机电系统元件的制造方法，该制造方法制造微型机电系统元件，所述微型机电系统元件具有基板和封装薄膜，且在所述微型机电系统元件中，
将进行机械振动的可动部和邻近所述可动部的电极设置在所述基板和所述封装薄膜之间，所述可动部和所述电极在垂直于所述基板表面的方向上隔着间隙而具有相互重叠的区域，
在所述基板和所述封装薄膜之间，形成由所述电极隔开的第一空腔和第二空腔，
从位于所述可动部和所述电极重叠的区域的所述电极看时，所述第一空腔在垂直于所述基板表面的方向上位于所述可动部侧，
从位于所述可动部和所述电极重叠的区域的所述电极看时，所述第二空腔在垂直于所述基板表面的方向上位于所述可动部的相反侧，
在平行于所述基板表面的方向上，所述第一空腔与所述电极接触的侧壁(A)的内侧表面比所述第二空腔与所述电极接触的侧壁(B)的内侧表面更靠内侧，
所述微型机电系统元件的制造方法包括：
通过第一牺牲层的除去而形成所述第一空腔的工艺；以及
通过第二牺牲层的除去而形成所述第二空腔的工艺。
12.根据权利要求11所述的微型机电系统元件的制造方法，其中，
通过同一个蚀刻工艺来实施形成所述第一空腔和所述第二空腔的工艺，在所述蚀刻工艺中，最先除去所述第二牺牲层，之后除去所述第一牺牲层。
13.根据权利要求11所述的微型机电系统元件的制造方法，其中，
包括按照所述第二牺牲层的蚀刻速率大于所述第一牺牲层的蚀刻速率的方式选择所述第一牺牲层和所述第二牺牲层的材料的工艺；
通过同一个蚀刻工艺来实施形成所述第一空腔和所述第二空腔的工艺，在所述蚀刻工艺中，最先除去所述第一牺牲层，之后除去所述第二牺牲层。
14.一种微型机电系统振荡器，具有权利要求1～10的任一项所述的微型机电系统元件。
15.一种电子设备，具有权利要求1～10的任一项所述的微型机电系统元件和权利要求14所述的微型机电系统振荡器中的至少一个。
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