JP2006321017A - Ｍｅｍｓ素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 加速度センサの検出精度やアクチュエータの動作精度を高めることが可能なＭＥＭＳ素子、およびその製造方法を提供すること。
【解決手段】 基板１と、基板１上に形成された第１電極としての下層電極２と、下層電極２と離間し、かつ対向する可動部３１を有する第２電極としての上層電極３と、を備えたＭＥＭＳ素子Ａであって、可動部３１には、複数の貫通孔３１ａが形成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、センサまたはアクチュエータなどに用いられるＭＥＭＳ素子およびその製造方法に関する。

従来のMicro Electro Mechanical System（以下ＭＥＭＳ）素子としては、図１２に示すものがある（たとえば、特許文献１参照）。同図に示されたＭＥＭＳ素子Ｘは、基板９１に形成された下層電極９２と、基板９１上の配線９５に接合された上層電極９３とを備えており、いわゆるサーフェス方式のＭＥＭＳ素子として構成されている。上層電極９３の可動部９３ａは、下層電極９２と図中上下方向に離間しつつ、対向している。

たとえば、ＭＥＭＳ素子Ｘを加速度センサに用いる場合には、図中上下方向の加速度の大きさを、下層電極９２と上層電極９３との間の静電容量の変化により検出する。すなわち、下層電極９２と上層電極９３との間の静電容量は、下層電極９２と上層電極９３の可動部９３ａとの間の隙間の大きさにより定まる。図中上下方向の加速度が生じると、その加速度に応じて可動部９３ａが上下動し、上記隙間が増減する。これにより、加速度の大きさに応じて、上記静電容量が変動する。この静電容量の変化を電気的に計測すれば、加速度の大きさが得られる。

図１３は、ＭＥＭＳ素子Ｘの製造工程の一過程を示している。ＭＥＭＳ素子Ｘの製造工程においては、下層電極９２を覆うように犠牲層９４を形成し、この犠牲層９４上に可動部９３ａを形成する。犠牲層９４を除去することにより、下層電極９２と可動部９３ａとを犠牲層９４の厚さ分だけ互いに離間させることができる。犠牲層９４の除去は、たとえば犠牲層９４を選択的に溶解可能なエッチング液を用いたウエットエッチングにより行う。

しかしながら、ＭＥＭＳ素子Ｘを用いた加速度センサの検出精度を高めるには、ＭＥＭＳ素子Ｘの静電容量が大きいほど好ましい。ＭＥＭＳ素子Ｘの静電容量を大きくするには、下層電極９２および可動部９３ａを大きくすることや、下層電極９２と可動部９３ａとの隙間を小さくすることが必要である。下層電極９２および可動部９３ａを大きくするほど、犠牲層９４を除去する時間が長くなる。このことは、ＭＥＭＳ素子Ｘの製造効率を低下させる。また、下層電極９２と可動部９３ａとの隙間が小さくなるほど、上記エッチング液の表面張力により、可動部９３ａが下層電極９２に付着するおそれが大きくなる。このように、ＭＥＭＳ素子Ｘを用いた加速度センサの検出精度を高めようとすると、ＭＥＭＳ素子Ｘの製造工程において不具合が生じることがあった。

上述した不具合は、ＭＥＭＳ素子Ｘが用いられたアクチュエータの動作精度を高める場合においても生じるおそれがある。ＭＥＭＳ素子Ｘがアクチュエータに用いられる場合には、下層電極９２と上層電極９３との間に電圧を印加することにより可動部９３ａが駆動される。そして、可動部９３ａの動作精度を高めるには、下層電極９２および可動部９３ａを大きくすることや、下層電極９２と可動部９３ａとの隙間を小さくすることが有利となるからである。

特開２００５−４０８８５号公報

本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、加速度センサの検出精度やアクチュエータの動作精度を高めることが可能なＭＥＭＳ素子、およびその製造方法を提供することをその課題とする。

上記課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。

本発明の第１の側面によって提供されるＭＥＭＳ素子は、基板と、上記基板上に形成された第１電極と、上記第１電極と離間し、かつ対向する可動部を有する第２電極と、を備えたＭＥＭＳ素子であって、上記可動部には、複数の貫通孔が形成されていることを特徴としている。

このような構成によれば、上記ＭＥＭＳ素子の製造において、上記複数の貫通孔を利用したドライエッチングにより、上記第１電極および上記第２電極間に介在する犠牲層などを適切に除去可能である。ドライエッチングによれば、上記第２電極の上記可動部が上記第１電極に付着するおそれがない。これにより、上記可動部および上記第１電極の大型化と、上記可動部および上記第１電極間の距離の縮小化とを図ることができる。したがって、上記ＭＥＭＳ素子の静電容量を大きくすることが可能であり、このＭＥＭＳ素子を用いた加速度センサの検出精度を向上させることができる。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記貫通孔は、その開口幅が上記第１電極と上記第２電極の上記可動部との距離の５〜１０倍である。このような構成によれば、ドライエッチングを用いて上記犠牲層を適切に除去しつつ、上記可動部の開口率が不当に大きくなることを回避することができる。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記複数の貫通孔は、互いに同じサイズのものが一定の密度で配置されている。このような構成によれば、上記犠牲層を均一に除去するのに適している。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記複数の貫通孔は、マトリクス状に配置されている。このような構成によれば、上記犠牲層を均一に除去するのにさらに適している。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記複数の貫通孔は、上記第１電極と上記第２電極の上記可動部との距離の１５〜２５倍のピッチで配置されている。このような構成によれば、ドライエッチングを用いて上記犠牲層を均一に除去することが可能である。

本発明の第２の側面によって提供されるＭＥＭＳ素子の製造方法は、基板上に第１電極を形成する工程と、上記第１電極を覆うように犠牲層を形成する工程と、上記犠牲層上に導体層を形成する工程と、上記導体層に対してパターニングを施すことにより第２電極を形成する工程と、上記犠牲層のうち上記第１電極および上記第２電極に挟まれた部分を除去する工程と、を有するＭＥＭＳ素子の製造方法であって、上記パターニングにおいては、上記導体層のうち上記犠牲層を介して上記第１電極と対向する部分に複数の貫通孔を形成し、かつ上記犠牲層を除去する工程は、ドライエッチングにより行うことを特徴としている。このような構成によれば、本発明の第１の側面に係るＭＥＭＳ素子を適切に製造することができる。特に、上記複数の貫通孔を利用したドライエッチングによれば、上記可動部の拡大化を図った場合であっても、上記犠牲層を適切に除去可能である。また、上記可動部が上記第１電極に付着するおそれもない。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記パターニングにおいては、上記貫通孔の開口幅を上記犠牲層の厚さの５〜１０倍とする。このような構成によれば、上記犠牲層を適切に除去しつつ、上記可動部の開口率が不当に大きくなることを回避することができる。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記パターニングにおいては、上記複数の貫通孔のうち隣り合うものどうしのピッチを上記犠牲層厚さの１５〜２５倍とする。このような構成によれば、ドライエッチングを用いて上記犠牲層を適切に除去しつつ、上記可動部の開口率が不当に大きくなることを回避するのにより適している。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。

以下、本発明の好ましい実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。

図１および図２は、本発明の第１の側面に係るＭＥＭＳ素子の第１実施形態を示している。図１に示すように、ＭＥＭＳ素子Ａは、基板１と、この基板１上に形成された第１電極としての下層電極２、第２電極としての上層電極３、絶縁層４、および支持層２１とを備えており、いわゆるサーフェス方式のＭＥＭＳ素子として構成されている。ＭＥＭＳ素子Ａは、たとえば、図中上下方向の加速度を検出するための加速度センサに用いられる。

基板１は、下層電極２および上層電極３を支持するためのものであり、たとえばＡｌ₂Ｏ₃などの絶縁材料からなる。本実施形態においては、基板１は、その厚さが１ｍｍ程度とされている。基板１の図中上面は、グレーズ層１１により覆われている。グレーズ層１１は、下層電極２などを形成するのに適した平滑面を形成するためのものであり、たとえばガラス成分を含む液体を印刷した後に焼成することにより形成される。

下層電極２は、グレーズ層１１上に形成されており、２ｍｍ角程度の略矩形状とされている。下層電極２は、たとえばＡｌからなり、その厚さが１．２μｍ程度とされる。下層電極２には、配線（図示略）が接続されている。

下層電極２の両側方には、一対の支持層２１が形成されている。支持層２１は、上部電極３を基板１に対して固定するためのものである。支持層２は、たとえば下部電極２と同様にＡｌからなり、その厚さが１．２μｍ程度とされる。

一対の支持層２１の図中上方には、一対バリアメタル層５１を介して一対の絶縁層４が積層されている。絶縁層４は、たとえばＳｉからなり、その厚さが２．０μｍ程度とされる。バリアメタル層５１は、支持層２１と絶縁層４とが不当に反応することを防止するためのものである。バリアメタル層５１は、たとえばＴｉＮからなり、その厚さが２５０Å程度とされる。

一対の絶縁層４の図中上方には、一対のバリアメタル層５２を介して上層電極３が設けられている。バリアメタル層５２は、絶縁層４と上層電極３とが不当に反応することを防止するためのものである。バリアメタル層５２は、たとえばＴｉＮからなり、その厚さが２５０Å程度とされる。

上層電極３は、駆動部３１、一対の支持部３２および一対のアンカー部３３を有している。上層電極３は、たとえばＡｌからなり、その厚さが０．６μｍ程度とされる。

可動部３１は、下層電極２と距離ｄを隔てて対向しており、下層電極２との間にＭＥＭＳ素子Ａの静電容量を形成するためのものである。本実施形態においては、距離ｄは、２．０μｍ程度とされ、絶縁層４の厚さとほぼ同じである。可動部３１は、下層電極２と同様に２ｍｍ角程度の略矩形状である。

可動部３１には、複数の貫通孔３１ａがマトリクス状に形成されている。貫通孔３１ａは、断面正方形状であり、開口幅としての一辺の長さｗが１５μｍ程度とされる。一辺の長さｗとしては、距離ｄの５〜１０倍程度が好ましい。また、複数の貫通孔３１ａのピッチｐは、４０μｍ程度とされる。ピッチｐとしては、距離ｄの１５〜２５倍程度が好ましい。可動部３１は、一対の支持部３２を介して一対のアンカー部３３に繋がっており、いわゆる両持ち支持されている。なお、図１および図２において、長さｗおよびピッチｐと、距離ｄとは、作図の便宜上、上述した寸法関係とは異なる比率で表されている。

支持部３２は、可動部３１と比べて細状とされており、比較的弾性変形が容易となっている。図中上下方向の加速度が生じると、支持部３２には、可動部３１の質量に比例した慣性力が作用する。この慣性力により支持部３２が撓むこととなり、可動部３１の上下動が許容される。

一対のアンカー部３３は、上層電極３を基板１に対して固定するためのものであり、バリアメタル層５２を介して絶縁層４に接合されている。また、アンカー部３３は、配線（図示略）に対してたとえばワイヤにより接続されている。上述した下層電極２が接続された配線（図示略）と、アンカー部３３が接続された配線（図示略）とを利用して、ＭＥＭＳ素子Ａの静電容量を測定することが可能である。

次に、ＭＥＭＳ素子Ａの製造方法について、図面を参照しつつ以下に説明する。

まず、図３に示すように、Ａｌ₂Ｏ₃からなる基板材料１Ａを用意する。この製造方法においては、基板材料１Ａとして、ＭＥＭＳ素子Ａを複数個製造可能なサイズのものを用いる。基板材料１Ａ上に、ガラス成分を含んだ液体を印刷し、これを焼成することによりグレーズ層１１を形成する。

次いで、図４に示すように、グレーズ層１１上に第１導体層２Ａを形成する。第１導体層２Ａの形成は、たとえばＡｌを用いたスパッタ法により行う。この際、第１導体層２Ａの厚さを、１．２μｍ程度とする。第１導体層２Ａ上には、ＴｉＮ層５１Ａを形成する。
ＴｉＮ層５１Ａの形成は、たとえばスパッタ法を用いて、その厚さが２５０Å程度となるように行う。

ＴｉＮ層５１Ａを形成した後は、ＴｉＮ層５１Ａに対してパターニングを施すことにより、図５に示す一対のバリアメタル層５１を形成する。ＴｉＮ層５１Ａに対するパターニングは、たとえば、フォトリソグラフィの手法によりマスキングを施した後に、エッチングガスとしてＣＦ₄を含んだガスを用いたドライエッチングにより行う。

次いで、第１導体層２Ａに対してパターニングを施すことにより、図６に示す下層電極２および一対の支持層２１を形成する。このパターニングは、たとえばＡｌを選択的に溶解可能なエッチング液を用いたウエットエッチングにより行う。

下層電極２および支持層２１を形成した後は、図７に示すように、下層電極２、一対の支持層２１および一対のバリアメタル層５１を覆うように犠牲層４Ａを形成する。犠牲層４Ａの形成は、たとえばＳｉを用いたスパッタリングにより行う。この際、犠牲層４Ａのうち下層電極２を覆う部分の厚さを、２．０μｍ程度とする。

次いで、図８に示すように、たとえばＴｉＮを用いたスパッタ法により、ＴｉＮ層５２Ａを形成する。この際、ＴｉＮ層５２Ａの厚さを、２５０Å程度とする。ＴｉＮ層５２Ａ上には、ＴｉＮ層５２Ａ上に第２導体層３Ａを形成する。第２導体層３Ａの形成は、たとえばＡｌを用いたスパッタ法により行う。この際、第２導体層３Ａの厚さを、１．２μｍ程度とする。

次いで、第２導体層３Ａに対して、パターニングを施す。このパターニングは、たとえば、フォトリソグラフィの手法によりマスキングを施した後に、Ａｌを選択的に溶解可能なエッチング液を用いたウエットエッチングにより行う。このパターニングにより、図９に示す上層電極３が得られる。上記パターニングにおいては、可動部３１のサイズを２ｍｍ角程度とする。このパターニングにおいては、複数の貫通孔３１ａの形成も同時に行う。複数の貫通孔３１ａは、それぞれを１辺の長さｗが１５μｍ程度の断面正方形状とする。隣り合う貫通孔３１ａどうしのピッチｐは、４０μｍ程度とする。

上層電極３１を形成した後は、ＴｉＮ層５２Ａのうち上層電極３の一対のアンカー部３３直下に位置する部分以外を除去することにより、図１０に示す一対のバリアメタル層５２を形成する。このパターニングは、たとえばエッチングガスとしてＣＦ₄を含んだガスを用いたドライエッチングにより行う。このドライエッチングにおいては、複数の貫通孔３１ａを利用して、上記エッチングガスをＴｉＮ層５２Ａに接触させる。これにより、可動部３１のサイズを比較的大きくした場合であっても、ＴｉＮ層５２Ａのうち可動部３１の直下に位置する部分を適切に除去することが可能である。

次いで、犠牲層４Ａのうち一対の支持層２１と一対のアンカー部３３とに挟まれた部分以外を除去する。この除去処理は、図１１に示すように、たとえば犠牲層４Ａの材質であるＳｉを選択的に溶解可能なエッチングガスＧを用いたドライエッチングにより行う。このドライエッチングにおいては、エッチングガスＧを複数の貫通孔３１ａを通過させて、可動部３１に対する図中下方空間へと供給する。これにより、犠牲層４Ａのうち可動部３１の図中下方に位置する部分に対してエッチングガスＧを適切に接触させることができる。したがって、可動部３１のサイズを比較的大きくした場合であっても、犠牲層４Ａを適切に除去することができる。また、上記ドライエッチングに要する時間を短縮することも可能である。上記ドライエッチングの結果、可動部３１を下層電極２との間に距離ｄを隔てて対向させることができる。犠牲層４Ａのうち残存した部分は、一対の絶縁層４となる。この後は、下層電極２および上層電極３に通電するための配線（図示略）などを形成した後に、基板材料１Ａを分割することにより、図１に示すＭＥＭＳ素子Ａが複数個得られる。

次に、ＭＥＭＳ素子Ａの作用について説明する。

本実施形態によれば、可動部３１に形成された複数の貫通孔３１ａを利用して、図１０に示す犠牲層４Ａをドライエッチングにより適切に除去できる。犠牲層４Ａを除去する手段としてウエットエッチングを用いる場合と異なり、可動部３１が下層電極２に付着するおそれがない。このため、可動部３１の拡大化、および距離ｄの縮小化が可能である。ＭＥＭＳ素子Ａの静電容量は、可動部３１のサイズに比例し、距離ｄに反比例する。したがって、ＭＥＭＳ素子Ａの静電容量を大きくするのに適している。このようなＭＥＭＳ素子Ａを加速度センサに用いれば、加速度に起因する静電容量の変化量を検出しやすいという利点がある。また、距離ｄが小さいほど、加速度に起因して可動部３１が上下動した場合に、ＭＥＭＳ素子Ａの静電容量の変化量が大きくなる。以上より、このＭＥＭＳ素子Ａを用いた加速度センサの検出精度を高めることができる。

複数の貫通孔３１ａを、１辺の長さｗが１５μｍ程度の断面正方形状とすることにより、これらの貫通孔３１ａを利用して犠牲層４Ａを除去するためのエッチングガスを適切に通過させることが可能である。１辺の長さｗとしては、距離ｄの５〜１０倍程度とすれば、上記エッチングガスを適切に通過させるとともに、可動部３１の開口率を不当に大きくしてしまうおそれがない。

また、隣り合う貫通孔３１ａのピッチｐを４０μｍとすれば、隣り合う貫通孔３１ａを通過した上記エッチングガスにより、図１１に示す犠牲層４Ａのうちこれらの貫通孔３１ａの間に位置する部分を比較的短時間で除去することができる。犠牲層４Ａの除去時間の短縮と、可動部３１の開口率の不当な増大防止との観点から、ピッチｐとしては、距離ｄの１５〜２５倍程度が好ましい。

なお、ＭＥＭＳ素子Ａをアクチュエータに用いた場合においても、その動作精度を高めることができる。すなわち、駆動部として機能する可動部３１のサイズが大きいほど、可動部３１と下層電極２との間に電圧を印加した際の可動部３１の上下動を大きくすることができる。また、可動部３１と下層電極２との距離ｄが小さいほど、可動部３１と下層電極２とに印加した電圧の変動によって可動部３１に作用する力も大きくなる。これらは、上記アクチュエータの動作精度の向上に有利である。

本発明に係るＭＥＭＳ素子は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係るＭＥＭＳ素子の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。また、本発明に係るＭＥＭＳ素子の製造方法は、上述した実施形態に限定されない。本発明に係るＭＥＭＳ素子の製造方法の具体的な構成は、種々に変更自在である。

複数の貫通孔としては、断面正方形状のものに限定されず、たとえば断面円形状であってもよい。断面円形状の貫通孔の場合、その直径が本発明でいう開口幅に相当する。複数の貫通孔の配置としては、マトリクス状に限定されず、たとえば近接する３つの貫通孔が正三角形の頂点に相当する配置であってもよい。

可動部としては、矩形状のものに限定されず、矩形状以外の多角形状や円形状であってもよい。第２電極としての上層電極は、可動部が両持ち支持された構造に限定されず、たとえば可動部が片持ち支持された構造であってもよい。

本発明に係るＭＥＭＳ素子は、加速度センサをはじめフローセンサなどの各種センサ、アクチュエータなど、様々な用途に適用可能である。

本発明の第１の側面に係るＭＥＭＳ素子の一例を示す要部斜視図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う要部断面図である。 図１に示すＭＥＭＳ素子の製造方法の一例において、グレーズ層を形成する工程を示す要部断面図である。 図１に示すＭＥＭＳ素子の製造方法の一例において、第１導体層を形成する工程を示す要部断面図である。 図１に示すＭＥＭＳ素子の製造方法の一例において、バリアメタル層を形成する工程を示す要部断面図である。 図１に示すＭＥＭＳ素子の製造方法の一例において、下層電極を形成する工程を示す要部断面図である。 図１に示すＭＥＭＳ素子の製造方法の一例において、犠牲層を形成する工程を示す要部断面図である。 図１に示すＭＥＭＳ素子の製造方法の一例において、第２導体層を形成する工程を示す要部断面図である。 図１に示すＭＥＭＳ素子の製造方法の一例において、上層電極を形成する工程を示す要部断面図である。 図１に示すＭＥＭＳ素子の製造方法の一例において、ＴｉＮ層に対するパターニングを示す要部断面図である。 図１に示すＭＥＭＳ素子の製造方法の一例において、犠牲層の除去工程を示す要部断面図である。 従来のＭＥＭＳ素子の一例を示す断面図である。 従来のＭＥＭＳ素子の製造方法の一例において、犠牲層を形成する工程を示す断面図である。

符号の説明

Ａ ＭＥＭＳ素子
ｄ 距離
Ｇ エッチングガス
ｐ ピッチ
ｗ 一辺の長さ（開口幅）
１ 基板
２ 下層電極（第１電極）
２Ａ 第１導体層
３ 上層電極（第２電極）
３Ａ 第２導体層
４ 絶縁層
４Ａ 犠牲層
１１ グレーズ層
２１ 支持層
３１ 可動部
３１ａ 貫通孔
３２ 支持部
３３ アンカー部
５１，５２ バリアメタル層
５１Ａ，５２Ｂ ＴｉＮ層

Claims (8)

1. 基板と、
   上記基板上に形成された第１電極と、
   上記第１電極と離間し、かつ対向する可動部を有する第２電極と、
   を備えたＭＥＭＳ素子であって、
   上記可動部には、複数の貫通孔が形成されていることを特徴とする、ＭＥＭＳ素子。
2. 上記貫通孔は、その開口幅が上記第１電極と上記第２電極の上記可動部との距離の５〜１０倍である、請求項１に記載のＭＥＭＳ素子。
3. 上記複数の貫通孔は、互いに同じサイズのものが一定の密度で配置されている、請求項１または２に記載のＭＥＭＳ素子。
4. 上記複数の貫通孔は、マトリクス状に配置されている、請求項３に記載のＭＥＭＳ素子。
5. 上記複数の貫通孔は、上記第１電極と上記第２電極の上記可動部との距離の１５〜２５倍のピッチで配置されている、請求項３または４に記載のＭＥＭＳ素子。
6. 基板上に第１電極を形成する工程と、
   上記第１電極を覆うように犠牲層を形成する工程と、
   上記犠牲層上に導体層を形成する工程と、
   上記導体層に対してパターニングを施すことにより第２電極を形成する工程と、
   上記犠牲層のうち上記第１電極および上記第２電極に挟まれた部分を除去する工程と、を有するＭＥＭＳ素子の製造方法であって、
   上記パターニングにおいては、上記導体層のうち上記犠牲層を介して上記第１電極と対向する部分に複数の貫通孔を形成し、かつ
   上記犠牲層を除去する工程は、ドライエッチングにより行うことを特徴とする、ＭＥＭＳ素子の製造方法。
7. 上記パターニングにおいては、上記貫通孔の開口幅を上記犠牲層の厚さの５〜１０倍とする、請求項６に記載のＭＥＭＳ素子の製造方法。
8. 上記パターニングにおいては、上記複数の貫通孔のうち隣り合うものどうしのピッチを上記犠牲層厚さの１５〜２５倍とする、請求項６または７に記載のＭＥＭＳ素子の製造方法。

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