JP2009226498A - マイクロマシン装置及びマイクロマシン装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 マイクロマシンの振動を抑えることにより、出力信号のノイズを低減できるマイクロマシン装置及びマイクロマシン装置の製造方法を提供する。
【解決手段】 主面上に信号用配線１５が設けられた基板１１と、前記基板１１の前記主面上に設けられ、前記信号用配線１５を跨ぐ梁部１６を有し、電界の作用により前記梁部が前記信号用配線に接離するように弾性変形するとともに、該変形に伴って電気特性を変化させるマイクロマシン１６と、前記梁部の前記信号線１５と反対側に配置され、前記梁部の前記信号線から離間する変形を規制する規制ブリッジ１８と、前記基板１１の主面上に設けられ、中空部１７を介して前記マイクロマシンを覆う封止体２０と、を備えたことを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、例えば微小電気機械部品のパッケージング等のマイクロマシン装置及びマイクロマシン装置の製造方法に関する。

マイクロマシン装置の一例として、図１０〜図１２に示されるように、基板１０２上に動作を伴うマイクロマシンとしてのＭＥＭＳ素子１０４が搭載され、中空に封止された、微小電気機械部品（ＭＥＭＳ：Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ−Ｓｙｓｔｅｍｓ）１０１が知られている（例えば、特許文献１または２参照）。微小電気機械部品１０１は、基板１０２、絶縁層１０３、ＭＥＭＳ素子１０４、信号用配線１０５、駆動電極１０６、下部電極１０７、第１封止体１０８および第２封止体１０９で構成され、内部に中空部１１０を構成する。ＭＥＭＳ素子１０４は両持ちの梁構造であり、梁の中央部分が信号用配線１０５と数μｍ程度のギャップを持って成形されている。ＭＥＭＳ素子１０４の直下の絶縁層１０３には、信号用配線１０５がＡｕなどで形成されている。ＭＥＭＳ素子１０４は、ばね特性の高いＰｏｌｙ−Ｓｉ（ポリシリコン）もしくはＡｌ（アルミニウム）などで構成されており、静電力等の駆動力を与えることで信号用配線１０５の方へ近接する。また、この駆動力を除荷すると、ＭＥＭＳ素子１０４は自身のばね特性により、再び信号用配線１０５とギャップを持った位置に戻る。このようにＭＥＭＳ素子１０４と信号用配線１０５との間のギャップを変化させることで、可変電気容量、スイッチングなどの機能を果たす。

ＭＥＭＳ素子１０４の動作と保護のため、これを中空に封止する必要がある。製造コストの低減や小型化を目的として成膜プロセスによるマイクロマシン装置の製造方法が提供されている。図１３に示すように、まずＭＥＭＳ素子１０４と基板間にギャップを持たせるために、後の工程で完全に除去する犠牲層１１１を基板１０２上に形成する。ついで、ＭＥＭＳ素子１０４を、犠牲層１１１上に形成する。この犠牲層１１１上に形成されたＭＥＭＳ素子１０４に、第２の犠牲層１１２を形成する。第２の犠牲層１１２上に、第１封止体１０８を形成する。第１封止体１０８に、成膜中もしくは成膜後に、ＭＥＭＳ素子１０４の周囲の犠牲層１１１，１１２を除去する際にエッチング材を導入するための開口形状部１０８ａを形成する。犠牲層除去用エッチング材を開口形状部１０８ａより導入し、全ての犠牲層１１１，１１２を完全に除去する。最後に第２封止体１０９を、開口形状部１０８ａが完全に閉口するまで第１封止体１０８上に形成する。

以上により、図１０に示すように、第１および第２封止体１０８，１０９で構成された封止体によって、ＭＥＭＳ素子１０４を中空に封止することが可能となる。中空部１１０は減圧された雰囲気となっている。なお、ここでは、第２封止体１０９をＣＶＤ、スパッタリング等の成膜方法で形成する際に、開口形状部１０８ａの直下に膜材が堆積するため、ＭＥＭＳ素子１０４に膜材を堆積させないよう、ＭＥＭＳ素子１０４から離れた位置に開口形状部１０８ａが設けられている。
特開２００５−２０７９５９号公報 米国特許第７００８８１２Ｂ１号

しかしながら、上記の技術では、以下のような問題があった。すなわち、梁状のＭＥＭＳ素子は、そのばね特性により、静電力を除荷したときの振動が静定しにくいため、出力信号にノイズを含む原因となる。特に、中空部１１０内の減圧された雰囲気では流体抵抗が小さいため、ＭＥＭＳ素子の振動を静定することが困難である。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、マイクロマシンの振動を収まりやすくすることにより、出力信号のノイズを低減できるマイクロマシン装置を提供することを目的とする。

本発明の一形態にかかるマイクロマシン装置は、主面上に信号用配線が設けられた基板と、前記基板の前記主面上に設けられ、前記信号用配線を跨ぐ梁部を有し、電界の作用により前記梁部が前記信号用配線に接離するように弾性変形するとともに、該変形に伴って電気特性を変化させるマイクロマシンと、前記梁部の前記信号線と反対側に配置され、前記梁部の前記信号線から離間する変形を規制する規制部材と、前記基板の主面上に設けられ、中空部を介して前記マイクロマシンを覆う封止体と、を備えたことを特徴とする。

本発明の一形態にかかるマイクロマシン装置の製造方法は、信号線が設けられた基板の主面上に、電界の作用により変形する両持ち梁形状の梁部を有するとともに該変形に伴って前記信号線との相対関係を変化させて電気特性を変化させるマイクロマシンを配する工程と、前記マイクロマシン上に、前記梁部を挟んで前記信号線と反対側に配置され、前記梁部が前記信号線から離間する変形を規制する規制部材を配する工程と、前記マイクロマシン及び規制部材上に犠牲層を形成する工程と、前記犠牲層及び前記基板の主面上に、前記犠牲層を介して前記マイクロマシンを覆うとともに、前記犠牲層に連通する開口形状部を有する第１封止体を形成する工程と、前記開口形状部から犠牲層除去用の流体を導入して前記犠牲層を除去する工程と、前記第１封止体上に、第２封止体を成膜する工程と、を備えたことを特徴とする。

本発明は、出力信号のノイズが低減されたマイクロマシン装置の提供を可能とする。

以下に本発明の第１実施形態にかかるマイクロマシン装置１について、図１乃至図３を参照して説明する。なお、各図において適宜構成を拡大・縮小・省略して概略的に示している。図中Ｘ，Ｙ，Ｚは、互いに直交する三方向を示している。

マイクロマシン装置１は例えば微小電気機械部品（ＭＥＭＳ）であり、基板を構成するベース基板１１及び絶縁層１２と、信号用配線１５と、ＭＥＭＳ素子１６（マイクロマシン）と、規制ブリッジ１８（規制部材）等を備えるとともに、封止体２０が基板と結合して、内部に常圧の気体が封入された雰囲気が形成される中空部１７を形成した状態で、気密に封止されている。封止体２０は、中空部１７を規定する第１封止体２１と第２封止体２２とが順次積層されて構成されている。

ベース基板１１は、シリコン（Ｓｉ）基板、ガラス基板、またはサファイア基板であり、所定の板形状に形成されている。
絶縁層１２は、ベース基板１１上に形成され、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）からなる。これらベース基板１１及び絶縁層１２により基板が構成される。

絶縁層１２の上面には、下部電極１３、駆動電極１４、信号用配線１５及びＭＥＭＳ素子１６が形成されている。信号用配線１５はＡｕ（金）などで形成され、図２中Ｙ方向に延びて形成されている。駆動電極１４は、絶縁層１２上であって、信号用配線１５を挟んで図中Ｘ方向における両側に設けられている。

絶縁層１２の上面には、ＭＥＭＳ素子１６が形成されている。ＭＥＭＳ素子１６は封止体２０の外部に通じる下部電極１３に接続されている。ＭＥＭＳ素子１６の直下の絶縁層１２の表面には、信号用配線１５が配置されている。

ＭＥＭＳ素子１６はマイクロマシンの可動機構部であり、段差を有する両持ち梁状を成し、その両端部分は下部電極１３に接続され、中央の梁部１６ａは、信号用配線１５と数μｍ程度のギャップを持って離間して配されている。例えば、後述するように数μｍ程度の厚さをもつ犠牲層２３ａ上にＭＥＭＳ素子１６を形成するような製造プロセスを経ることでギャップ構造を確保することが可能である。

ＭＥＭＳ素子１６は、例えばＰｏｌｙ−ＳｉやＡｌ等で構成された矩形の板状部材がＳｉＯ_２等の絶縁材料から矩形の板状に構成された接続継手１９を介して接続されて両持ち梁状に構成されている。この梁状のＭＥＭＳ素子１６は、ばね特性を有し、その中央部分が上下方向に変位するように厚み方向に弾性的に曲げ変形可能であり、弾性復元力を有する。

ＭＥＭＳ素子１６は、例えば、電界の作用として駆動電極１４から静電力等の駆動力が与えられると、弾性変形して中央部分が信号用配線１５の方へ近接し、駆動力が除去されると、自身のばね特性により、再び元の位置に戻る。すなわち、ＭＥＭＳ素子１６は、静電力等の駆動力が印加、除荷されることにより、ＭＥＭＳ素子１６が駆動力に応じて信号用配線１５との間隔を変化させるように変形することで、マイクロマシン装置１の電気特性を変える。その変え方に応じて、可変電気容量、スイッチングなどの機能を果たす。

ＭＥＭＳ素子１６の梁部１６ａには、厚み方向に貫通された複数の開口１６ｂが形成されている。このため、梁部１６ａは、プルイン時に下方へ変形しやすい上、犠牲層除去用のドライエッチングガスがこの開口１６ｂを通ることにより短時間で犠牲層１８をエッチングすることが可能となる。

複数の規制ブリッジ１８は、ＴｉＮ、ＡｌなどＭＥＭＳ素子１６と同質材でも可能であるが、ＭＥＭＳ素子１６の電気特性に影響しにくい絶縁性材料（ＳｉＯ、ＳｉＮ）で構成されていることが好ましい。

規制ブリッジ１８はＭＥＭＳ素子１６上に支持されて、信号用配線１５を跨ぐ方向に延びる両持ち梁状を成す。規制ブリッジ１８は、ＭＥＭＳ素子１６を挟んで信号用配線１５と反対側、すなわち上方に配置されている。規制ブリッジ１８は、その両端部分がＭＥＭＳ素子１６に支持されて結合しているとともに、その中央部分が所定のギャップを介してＭＥＭＳ素子１６の梁部１６ａを上方から覆う。ＭＥＭＳ素子１６の静電力が除荷された際に梁部１６ａが信号用配線１５から離間するように上方へ変形した場合に、このＭＥＭＳ素子１６に規制ブリッジ１８が接触することにより変形を規制する。

この規制ブリッジ１８でＭＥＭＳ素子１６が上側から覆われていることにより、ＭＥＭＳ素子１６に膜材が堆積することが防止されるため、後述するように犠牲層２３除去用のドライエッチングガスを導入するための開口形状部２１ａをＭＥＭＳ素子１６の周囲に加え、ＭＥＭＳ素子１６の直上にも配置することが可能である
第１封止体２１は、その辺縁部分がＭＥＭＳ素子１６と離間した位置で周囲の絶縁層１２の上面に結合しているとともに、その中央部分が中空部１７を介してＭＥＭＳ素子１６を上方から覆うように形成されている。すなわち、第１封止体２１はＭＥＭＳ素子１６から離間している。

第１封止体２１は、厚さ１〜２μｍ程度の膜であり、ＭＥＭＳ素子１６と数〜数十μｍ程度距離を保って設置される。例えば、後述するように、数十μｍ程度の厚さをもつ犠牲層を形成した後に第１封止体２１を形成し、犠牲層２３を除去することにより、中空部１７の形成が可能となる
第１封止体２１は、製造工程において、犠牲層除去用のドライエッチングガス（Ｏ_２プラズマガス等）の導入のために設けられた開口であった第１開口形状部２１ａが複数設けられている。第１開口形状部２１ａは、ＭＥＭＳ素子１６の直上であり、かつ複数の規制ブリッジ１８の直上に対応する位置を含めて複数箇所に配置されている。この開口形状部２１ａを含む第１封止体２１の外側は、第２封止体２２に覆われている。

第２封止体２２は、１〜２μｍ程度の厚みを有する膜であり、ＳｉＮ（シリコンナイトライド）等の無機材料から構成されている。第２封止体２２は第１開口形状部２１ａを気密に閉塞して、中空部１７を密封するように成膜される。

このような構成のマイクロマシン装置１において、駆動電流が印加されたプルイン時には、図４に示すように、の中央部分が下方に向かって変位するように梁部１６ａが変形し、信号用配線１５に接触するとともに、中央部分の左右近傍が駆動電極１４にそれぞれ接触する。

駆動電流を除荷したプルアウトの際には、図５に示すように、プルイン時の変形が元に戻るよう弾性復元力が生じ、これにより中央部分が信号用配線１５及び駆動電極１４から離れる方向すなわち上方に向かって変位するように梁部１６ａが変形する。この弾性復元力により梁部１６ａが厚み方向に振動する。

この際、上方に変位した梁部１６ａが上方に配置された規制ブリッジ１８に当接し、反力を受けることにより振動がすぐに静定される。したがって、電力除荷後の減衰時間が短縮される。

次に、本実施形態にかかるマイクロマシン装置１の製造方法について図６乃至図１１を参照して説明する。
まず、図６に示すように、ベース基板１１上に絶縁層１２を形成し、絶縁層１２上に信号用配線１５を形成する。ついで、ＭＥＭＳ素子１６として、例えば、Ａｕを構成材料として用いたカンチレバー構造を有する静電駆動型高周波用スイッチを形成する。

このとき、まず信号用配線１５とＭＥＭＳ素子１６との間にギャップを持たせるために、信号用配線１５上に、後の工程で完全に除去する所定形状の犠牲層２３ａを形成して段差を形成してから、この犠牲層２３ａ上にＭＥＭＳ素子１６を形成する。以上により、ＭＥＭＳ素子１６が、段差を有し、信号用配線１５から離間する梁部１６ａを有する所定の両持ち梁形状に形成される。

特に、開口１６ｂが、２次元的に配置されていると、犠牲層２３ａを除去する際、短時間でエッチングが可能である。

ついで、ＭＥＭＳ素子１６上に無機材料を用いて段差を有する梁状の規制ブリッジ１８を形成する。このとき、まず、ＭＥＭＳ素子１６との間にギャップを持たせるために、ＭＥＭＳ素子１６上に、後の工程で完全に除去する所定形状の犠牲層２３ｂを形成して段差を形成してから、この犠牲層２３ｂ上に規制ブリッジ１８を形成する。以上により、規制ブリッジ１８が、両端においてＭＥＭＳ素子１６に支持されるとともに、中央部分が段差を有してＭＥＭＳ素子１６から離間する梁部分を有する所定の両持ち梁形状に形成される。

さらに、図７に示すように、ＭＥＭＳ素子１６及び規制ブリッジ１８が形成された状態の上に、ＭＥＭＳ素子１６を覆うように犠牲層２３ｃを形成する。

犠牲層２３ａ、２３ｂ，２３ｃは、例えば、スピンコート法によりポリイミド膜が成膜され、パターニングにより所定形状に形成され、硬化されて構成されている。

図８に示すように、犠牲層２３ａ，２３ｂの形成後、第１封止体２１として、プラズマＣＶＤ装置により、ＳｉＯ_２を、所定厚さで形成する。

さらに、フォトリソグラフィ処理等により、第１封止体２１に、成膜中もしくは成膜後にＭＥＭＳ素子１６の周囲の犠牲層２３ａ，２３ｂ、２３ｃを除去する際に除去材を導入するための犠牲層除去用の開口であり、犠牲層除去の後で閉塞される開口形状部２１ａを複数形成する。

ついで、犠牲層除去用のエッチング材を開口形状部２１ａより導入し、図９に示すように、全ての犠牲層２３ａ，２３ｂ，２３ｃを完全に除去する。例えば、多結晶シリコンを選択的に除去するＸｅＦ_２ガスを、開口形状部２１ａから導入することにより、全ての犠牲層が除去される。この結果、第１封止体２１覆われる内部に外部側と連通する中空部１７が形成される。

ついで、第１封止体２１上に、ついで、例えば、プラズマＣＶＤ装置もしくはスパッタ装置により、第１封止体２１を覆うように、低透湿のＳｉＮを、例えば数μｍ以上の厚さで成膜し、第２封止体２２を形成する。この第２封止体２２が薄膜プロセスによって形成されることで、第１封止体２１の開口形状部２１ａが密封されることにより、中空部１７の気密性が保たれ、内気の漏れが防止される。

以上により、図１及び図２に示すマイクロマシン装置１が完成する。このようにして構成されたマイクロマシン装置１としてのパッケージは、例えばドライバＩＣチップ等に用いることができる。

本実施形態にかかる及びマイクロマシン装置１及びマイクロマシン装置１の製造方法は以下に掲げる効果を奏する。すなわち、ＭＥＭＳ素子１６上方に規制ブリッジ１８を設けたことにより、駆動電力を除荷した場合にＭＥＭＳ素子１６の弾性復元力により生じる振動を抑制することができる。なお、規制ブリッジ１８は上方にのみ設けられているため、下方に変形して信号用配線１５に接するプルインの際の特性に対する影響は少ない。

例えば、図４及び図５に示す梁部１６ａの中央における振動は、規制ブリッジ１８が無い場合の中空封止構造と比べ、その減衰率を３倍以上とすることが可能である。したがって、出力信号のノイズを抑え、部品としての精度を向上することができる。

規制ブリッジ１８によりＭＥＭＳ素子１６の上方が覆われることにより、第一封止体のＭＥＭＳ素子上部に対応するＭＥＭＳ素子１６の近くを含む多数の開口形状部２１ａを設けても、第２封止体がＭＥＭＳ素子１６に堆積しないので、開口形状部の位置が限定されない。したがって、犠牲層２３除去時間を短縮することが可能となる。

ＭＥＭＳ素子１６の梁部１６ａを貫通する開口を多数設けたことにより、駆動電流を印加したプルインの際に変形しやすい構造とするとともに、犠牲層２３除去の際のエッチングガスの流動を可能として除去時間を短縮することが可能となる。
さらに、封止体２０は、ＳｉＯ_２、ＳｉＮなどの絶縁性を有する材料で構成されているため、導電性をもつＭＥＭＳ素子１６との間に電気容量を形成しない。したがって、ＭＥＭＳ素子１６と周囲の導体とでの容量形成を回避し可変電気容量を用途とした電気機械部品において、高い容量変化をもつ性能を実現できる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、各構成要素の材質、形状、配置、サイズ、構造・動作等を適宜変更して実施することができる。

例えば梁部１６ａは接続継手１９を介して接続されている場合について説明したが、梁部１６ａが１つの板状の部材によって形成されている場合も同様である。

また、パターニング方法や犠牲層の除去方法の一例としては、エッチングガスによるドライエッチングや、薬液によるウェットエッチング等が挙げられる。また、複数の犠牲層２３ａ，２３ｂ，２３ｃは同一材料でなくても良い。また、基板として、ベース基板１１上に絶縁層１２を備えた構造について説明したが絶縁層１２を省略してベース基板１１のみで基板を構成し、このベース基板１１上にＭＥＭＳ素子１６、信号用配線１５を形成してもよい。

この他、本発明は、実施段階においてその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の１実施形態にかかるマイクロマシン装置を示す平面図。 同マイクロマシン装置の断面図。 同マイクロマシン装置の要部を拡大して示す平面図。 同マイクロマシン装置のプルイン時の動作を示す断面図。 同マイクロマシン装置のプルアウト時の動作を示す断面図。 同マイクロマシン装置の製造工程を示す断面図。 同マイクロマシン装置の製造工程を示す断面図。 同マイクロマシン装置の製造工程を示す断面図。 同マイクロマシン装置の製造工程を示す断面図。 マイクロマシン装置の一例の断面図。 同マイクロマシン装置の斜視図。 同マイクロマシン装置の平面図。 同マイクロマシン装置の製造工程を示す断面図。

符号の説明

１…マイクロマシン装置、１１…ベース基板、１２…絶縁層、
１３…下部電極、１４…駆動電極、１５…信号用配線、１６…ＭＥＭＳ素子、１６ａ…梁部、１６ｂ…開口、１７…中空部、１８…規制ブリッジ、２０…封止体、２１…第１封止体、２１ａ…第１開口形状部、２２…第２封止体、
２３ａ．２３ｂ．２３ｃ…犠牲層。

Claims (5)

1. 主面上に信号用配線が設けられた基板と、
   前記基板の前記主面上に設けられ、前記信号用配線を跨ぐ梁部を有し、電界の作用により前記梁部が前記信号用配線に接離するように弾性変形するとともに、該変形に伴って電気特性を変化させるマイクロマシンと、
   前記梁部の前記信号線と反対側に配置され、前記梁部の前記信号線から離間する変形を規制する規制部材と、
   前記基板の主面上に設けられ、中空部を介して前記マイクロマシンを覆う封止体と、
   を備えたことを特徴とするマイクロマシン装置。
2. 前記マイクロマシンは前記基板上に支持されて、前記信号用配線を跨ぐ方向に延びる両持ち梁状を成し、
   前記規制部材は、その両端が前記マイクロマシン上に支持されて、前記信号用配線を跨ぐ方向に延びる両持ち梁状を成すとともに前記マイクロマシンを外側から覆うことを特徴とする請求項１記載のマイクロマシン装置。
3. 前記梁部が、前記信号線と反対側に変位した際に前記規制部材に当接することにより、前記変位が規制されることを特徴とする請求項１又は２記載のマイクロマシン装置。
4. 前記封止体は、前記基板の主面上に設けられ、気体を収容した中空部を介して前記マイクロマシンを覆うとともに、前記中空部と外部とを連通する第１開口形状部を有する第１封止体と、前記第２封止体上に成膜され、前記開口形状部と外部とを密封する第２封止体と、を備え、
   前記開口形状部は、前記マイクロマシンの上方であって、かつ、前記規制部材の上方に配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載のマイクロマシン装置。
5. 信号線が設けられた基板の主面上に、電界の作用により変形する両持ち梁形状の梁部を有するとともに該変形に伴って前記信号線との相対関係を変化させて電気特性を変化させるマイクロマシンを配する工程と、
   前記マイクロマシン上に、前記梁部を挟んで前記信号線と反対側に配置され、前記梁部が前記信号線から離間する変形を規制する規制部材を配する工程と、
   前記マイクロマシン及び規制部材上に犠牲層を形成する工程と、
   前記犠牲層及び前記基板の主面上に、前記犠牲層を介して前記マイクロマシンを覆うとともに、前記犠牲層に連通する開口形状部を有する第１封止体を形成する工程と、
   前記開口形状部から犠牲層除去用の流体を導入して前記犠牲層を除去する工程と、
   前記第１封止体上に、第２封止体を成膜する工程と、
   を備えたことを特徴とするマイクロマシン装置の製造方法。

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