JP2010010803A - 電子素子 - Google Patents

Abstract

【課題】圧力に対して堅牢で、かつ内包する構造体の大きさや機能を制限しない封止方法を提供する。
【解決手段】梁と、梁を囲む空隙と、梁と空隙を包含する殻構造と、からなる封止構造１単位が基板上に形成され、該封止構造が複数個連接構成されることにより、梁および空隙および殻構造が連接され、連接された梁が、ばね構造、または質量構造、またはばねと質量の複合構造、を構成するもので、梁２と、前記梁２を囲む空隙ｇを隔てて、前記梁を囲むように形成された殻部１１と、からなる封止構造が基板上に一体形成され、前記梁の前記基板１との対向面を除く他の面は、前記梁と一定間隔の空隙を隔てて前記殻部１１で囲まれたことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は電子素子、特にＭＥＭＳ(Micro-Electro Mechanical Systems)素子に係り、微小機械要素が変位するスイッチ素子や、微小機械要素が振動する共振器、フィルタ、発振器、ジャイロスコープ、圧力センサ、光スキャナ、質量検出素子等において、微小機械要素の封止を実現するものに関する。

従来の封止構造を有する振動型圧力センサについて図１６を参照して説明する。図１６は「特許文献１」に公開されているＭＥＭＳ技術を用いた圧力センサの断面図である。振動子は単結晶シリコンの梁である。真空室はエピタキシャル成長させたシリコンの不純物濃度に対するエッチングレートの差異を利用した犠牲層エッチング技術により形成されている。

シェルも薄膜形成技術で形成され、シェルと梁の間の静電容量が形成されている。梁はその両端を測定ダイアフラムに繋留され、共振周波数近傍で振動可能であり、測定ダイアフラムに与えられた圧力による梁の応力変化を共振周波数変化としてとらえ、圧力センサとしての機能を発現する。

梁の共振の先鋭度をあらわすＱ値は、梁周辺の空気の粘性により劣化する。従って、真空室を真空に保つことにより、高いＱ値を維持できる。Ｑ値が高いほど圧力による共振周波数変化を敏感にセンシングすることができる。
このように薄膜プロセスのみで共振する梁を真空に封止することができるので、素子のパッケージング工程における真空封止工程が不要となり、安価に圧力センサを提供することが可能となっている。

特開２００５−３７３０９号公報

「特許文献１」記載の薄膜プロセスによる封止技術は圧力センサのみではなく、ＭＥＭＳ技術を利用したスイッチ素子、共振器、フィルタ、発振器、ジャイロスコープ、光スキャナ、質量検出素子等への展開も可能である。封止の目的は、振動子を真空中で可動な状態に維持するためだけではない。真空を必要としなくても、封止外部の湿度やゴミから隔離する目的や、樹脂トランスファモールドによるパッケージの際の樹脂充填圧力から封止内部を保護する目的などにも利用することができる。

しかしながら、多種多様な機能素子の封止に特許文献１の封止技術をそのまま転用することはできない。その理由は大別して２つある。
理由の１つは、封止構造によっては封止構造内外の圧力差に封止構造が耐えることができなくなる。例えばパッケージング工程における樹脂封止工程では、高圧がかかるのでそれにつぶされないようにすることが必要である。この課題は特に、封止構造内の機能素子が大面積となる場合に顕著となる。

図１７（ａ）および（ｂ）は基板上に２μｍの膜厚の多結晶シリコン膜で一辺Ｌμｍの正方形の真空キャビティを形成したときの上面図と断面図である。真空キャビティは高さ５μｍの高さを維持するように、厚み５μｍの犠牲層を形成しこの犠牲層を除去して真空封止する。このとき、封止膜である多結晶シリコンの引張り応力のために、封止膜は凹状にたわむ。さらに真空キャビティ内外の気圧差１気圧のためにたわみ量が増加する。図１８は、長さＬと封止膜のたわみ量（もっともたわみ量の大きいＬ×Ｌの正方形の中心部分）の関係を示したグラフである。Ｌ＝５００μｍのとき、封止膜はその応力のみで０．４μｍ程度凹状にたわむだけではなく、さらに気圧差のためにトータルで５μｍ程度も凹状にたわみ、真空キャビティの当初の高さ５μｍを押しつぶす格好となる。この５μｍの凹状たわみにより真空キャビティ内の真空度が悪化するだけではなく、真空キャビティ内の機能素子に封止膜が接触して機能素子の動作が阻害される。

理由の２つ目は、「特許文献１」の圧力センサは、シェル全体と梁の間で容量を形成し、静電力で梁に駆動力を与える構造であるため、梁表面の部分的な任意箇所に静電力を付与することができない。そのためたわみ振動モードの基本モードが励振される。たわみ振動モードの高次モードや、他のモードであるねじり振動モードなどを使用することができず、高次の高い周波数を用いたり、ねじり振動で光をスキャンするなどの用途展開が難しいという課題があった。

本発明は、前記実情に鑑みてなされたもので、高強度の封止構造をもつ電子素子を提供することを目的とする。
また本発明は、大面積を有するＭＥＭＳ素子をも封止膜で封止し、かつ封止膜内外の気圧差や、トランスファモールド工程における封止膜上部への加圧に対しても封止膜が堅牢であって、封止膜内部にキャビティ形状を保ち、高機能の電子素子を提供することを目的とする。
また、本発明は、所望の振動モードを持つ梁を有する電子素子を提供することを目的とする。
また、本発明は、ねじり振動モードを持つ梁を有する電子素子を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明者は種々の実験を重ねた結果、図１８に示すように、封止面積が小さいほど封止膜内外の圧力差に封止膜は堅牢であることに着目し、大きな面積の封止を可能にする封止構造を提供するものである。また、その封止構造において、封止膜内部の機能素子のたわみかたや振動方向に多様性を付与する封止構造を提供するものである。

本発明の封止構造を有する電子素子は、梁と、梁を囲む空隙と、梁と空隙を包含する殻構造（殻部）と、からなる封止構造１単位が基板上に形成され、該封止構造が複数個連接構成されることにより、梁および空隙および殻構造が連接され、連接された梁が、ばね構造、または質量構造、またはばねと質量の複合構造、を構成することを特徴とする。
この構成によれば、殻構造の内面および外面に印加される圧力差による殻構造のたわみを抑制することができる。

本発明の電子素子は、梁と、前記梁を囲む空隙を隔てて、前記梁を囲むように形成された殻部とからなる封止構造が基板上に一体形成され、前記梁の前記基板との対向面を除く他の面は、前記梁と一定間隔の空隙を隔てて前記殻部で囲まれたことを特徴とする。

この構成により、樹脂封止工程において、高圧がかかる場合にも、殻部が、基板上に一体形成されているため、圧力に対して、機械的強度の向上を図ることができ、堅牢な封止構造を提供することが可能となる。
また、この構成によれば、一定幅の空隙を介して殻部が梁を囲むように構成することで殻部が梁を駆動するための電極や、梁の動きを検知する電極を兼ねることができるため、電子素子の製造プロセスの簡易化と、電子素子の低背化が可能となる。

また本発明の封止構造を有する電子素子は、梁および殻構造が導電性を有し、両者間の静電力が梁の変位または振動を誘起させる電子素子、または、両者間の静電結合によって、梁の変位または振動を検知する電子素子を含む。
この構成によれば、殻構造が梁を駆動するための電極や、梁の動きを検知する電極を兼ねることができるため、電子素子の製造プロセスの簡易化と、電子素子の低背化が可能となる。

また本発明の封止構造を有する電子素子は、梁または殻構造が部分的に導電性を有するものを含む。
この構成によれば、殻構造内部の梁に対して部分的に静電結合を形成することができる。従って梁のたわませかたや励起する振動モードを、導電性を有する場所によって決定することができる。また、この構成によれば、部分的に導電性を有する構造の調整により、ねじり振動の励起が容易となる。

また本発明の封止構造を有する電子素子のばね構造、または質量構造、またはばねと質量の複合構造は、複数個の梁封止構造を連接したものを含む。
この構成によれば、直列およびまたは並列に配列するようにし、１単位の梁の寸法を調整して梁の剛性を調整することで、剛性が高い網目状の質量構造を形成して慣性センサを構成したり、逆に大面積で弾性的な網目状振動体を形成することもでき、電子素子としての用途が広がる。

また本発明の封止構造を有する電子素子は、ばね構造は両持ち梁または片持ち梁であり、梁の長さ方向を軸として、非対称に質量構造が前記梁で構成されたばね構造に連接されたものを含む。
この構成によれば、ねじり振動モードを利用した、高いＱ値を有する高精度・高感度の振動デバイスを構成することが可能である。

また、本発明の封止構造を有する電子素子において、前記基板は、前記基板表面に形成された絶縁膜を介して前記殻部に当接せしめられることで、より強固な構造体を構成することができる。

また本発明の封止構造を有する電子素子は、梁は単結晶材料であり、梁の側面は結晶方位面であり、梁断面は三角形もしくは台形であり、殻構造は梁側面に堆積した犠牲層上への膜形成により構成され、空隙は犠牲層を除去することにより構成されたものを含む。
この構成によれば、梁表面の平坦性が得られ、かつ犠牲層厚で決定される梁と殻構造間のギャップを均一な狭ギャップとすることで、梁と殻構造間の静電結合度を向上させることができるので、高効率の電気−機械変換能を有する電子素子を構成できる。

以上説明してきたように、本発明によれば、樹脂封止工程において、高圧がかかる場合にも、堅牢な封止構造を提供することが可能となる。
また、一定幅の空隙を介して殻部が梁を囲むように構成することで殻部が梁を駆動するための電極や、梁の動きを検知する電極を兼ねることができるため、電子素子の製造プロセスの簡易化と、電子素子の低背化が可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
実施の形態の説明に先立ち、本発明の電子素子の概略を説明する。
本発明の電子素子は、梁と、前記梁を囲む空隙を隔てて、前記梁を囲むように形成された殻部とからなる封止構造が基板上に一体形成され、前記梁の前記基板との対向面を除く他の面は、前記梁と一定間隔の空隙を隔てて前記殻部で囲まれたことを特徴とする。

また本発明は、上記電子素子において、前記殻部は、前記基板表面に対して傾斜した表面を有するものを含む。
この構成により、安定した支持構造を得ることが出来る。傾斜していない、四角断面の場合、スパッタ法を用いて殻部を堆積すると、側面部分の厚みが上面の厚みよりも薄くなり、殻部の圧力に対する殻部の耐性が下がる。これに対し、梁の結晶面、たとえば（１１１）面に沿った傾斜面を殻構造に持たせることで、殻部の膜厚均一性が向上し、圧力に対する耐性が上がる。もっともＣＶＤ法で殻構造を堆積すれば、膜厚均一性はよく、圧力に対する耐性もよいのであるが、「傾斜した表面を有する」構造にすることで、製法はＣＶＤに限定されることなくスパッタを用いても圧力耐性のある封止構造を提供することができる。

また本発明は、上記電子素子において、前記梁は側面が結晶方位面に沿って形成された三角形または台形断面を有する単結晶材料で構成されたものを含む。
この構成により、結晶方位に基づく異方性エッチングにより容易に形状加工を行なうことができ、かつ、機械的強度の高い形状を得ることが可能となる。

また本発明は、上記電子素子において、前記封止構造が複数個連接構成されることにより、前記梁および殻部が連接されたものを含む。
この構成により、梁の寸法を調整して梁の剛性を調整することで、剛性が高い網目状の質量構造を複数個連接形成して慣性センサを構成したり、逆に大面積で弾性的な網目状振動体を形成することもでき、電子素子としての用途が広がる。なおここでばね構造とは、弾性振動または弾性変位を生じ得る構造体を言うものとし、質量構造とは、ばね構造に対しておもりとなるもので、慣性力によりばね構造を変位せしめたり、おもりとして梁の共振周波数を調整する役割を持つものとする。

また本発明は、上記電子素子において、前記梁および前記殻部が導電性を有し、両者間の静電力が前記梁の変位または振動を誘起させるように構成されたものを含む。
この構成によれば、梁の前記基板との対向面を除く他の面は、前記梁と一定間隔の空隙を隔てて前記殻部で囲まれているため、前記梁と前記殻部との間の容量結合により静電力を用いて梁に微小な動きを与えることが可能である。前記梁は振動子を構成していてもよいし、静的に変位するものでもよい。

また本発明は、上記電子素子において、前記梁と前記殻部との間の静電結合によって、梁の変位または振動を検知するものを含む。
この構成によれば、梁の前記基板との対向面を除く他の面は、前記梁と一定間隔の空隙を隔てて前記殻部で囲まれているため、梁の微小な動きを静電容量の変化として検出可能である。前記梁は振動子を構成していてもよいし、静的に変位するものでもよい。

また本発明は、上記電子素子において、前記梁または前記殻部が部分的に導電性を有するものを含む。
この構成によれば、前述したように、殻構造内部の梁に対して部分的に静電結合を形成することができる。従って梁のたわませかたや励起する振動モードを、導電性を有する場所によって決定することができる。この構成によれば、部分的に導電性を有する構造の調整により、ねじり振動の励起が容易となる。

また本発明は、上記電子素子において、前記殻部は、ノンドープの多結晶シリコンで構成され、選択的にドープされ導電性領域を形成したものを含む。
この構成により、形状を変更することなく、ドーピングに際してマスクを変更するだけで、所望のねじり振動を生起することが容易に達成可能となる。

また本発明は、上記電子素子において、前記殻部は、ドープト多結晶シリコンで構成され、選択的に酸素ドープされ、複数の導電性領域に分離形成されたものを含む。
この構成により、形状を変更することなく、ドーピングに際してマスクを変更するだけで、所望のねじり振動を生起することが容易に達成可能となる。

また本発明は、上記電子素子において、前記封止構造の少なくとも一部がマトリクス状に連接されたものを含む。
この構成により、１単位の封止構造を複数個、マトリックス状に連結することで、機械的強度を低下させることなく、信頼性の高い封止構造を形成することができる。ここで１単位の封止構造を直列およびまたは並列に連結することで、所望の大きさの構造を形成することができる。また、最適な強度を持つ大きさの複数個の封止構造をマトリックス状に連結するなどの構成をとるようにしてもよい。

また本発明は、上記電子素子において、前記梁の長手方向に沿った軸に対して非対称となるように質量構造がばね構造に連設されたものを含む。
この構成により、この梁に対し、容易にねじり振動モードを生起することが可能となる。

また本発明は、上記電子素子において、前記殻部は、前記梁の長手方向に沿った軸に対して、導電性領域が非対称となるように、形成されたものを含む。
この構成により、この梁に対し、容易にねじり振動モードを生起することが可能となる。

また本発明は、上記電子素子において、前記基板上に半導体装置が集積化せしめられ、一体的に樹脂封止のなされたものを含む。
この構成により、樹脂封止工程において高圧がかかっても堅牢な構造であるため、信頼性の高い電子素子を提供することが可能となる。

（実施の形態１）
次に本発明の実施の形態1について説明する。
図1および図２は発明の実施の形態１における電子素子としての電気機械素子を示す図である。図１（ａ）は、この電気機械素子を構成するシリコン梁の上面図である。
この電子素子は、梁２と、前記梁２を囲む空隙ｇを隔てて、前記梁２を囲むように形成された殻部１１とからなる封止構造が基板上に一体形成され、前記梁２の前記基板との対向面を除く他の面は、前記梁と一定間隔の空隙を隔てて前記殻部で囲まれたことを特徴とする。
また、殻部１１は、前記基板１との当接領域Ｒｃと、前記空隙を介して前記梁に対向する非当接領域Ｒｎとを有し、前記梁の前記基板との対向面と、前記当接領域は、同一平面上にあり、前記梁の長手方向に垂直な断面において存在する前記非当接領域は、前記当接領域に囲まれている。
この構成により、当接領域は、例えば単結晶シリコンと絶縁膜と多結晶シリコンとの3層構造となり、機械的強度を高めることができる。

ここで、振動により変位する部分は両持ち梁構造で、両端がアンカー部として基板に固定されている。本実施の形態ではシリコンの加工を、ＴＭＡＨなどを用いた結晶異方性エッチングで行っているため、梁２とアンカー部１２の上面は（１００）面で、側面は（１１１）面で構成されている。図１（ｂ）はこの振動子としての梁２およびアンカー部１２の上方に導電性の膜からなる殻部１１（シェル）を形成した状態を示す。殻部１１と梁２とは接触しないように間に空隙（ギャップ）ｇが設けられており、かつ空隙は殻部により密閉すなわち封止されている。梁２と殻部１１との間に図１（ｂ）に示すように交流電圧による静電力を印加することで、交流電圧の周波数が梁の固有振動数に一致したところで梁の共振を得ることができる共振器を形成できる。空隙中は大気でもよいが、鋭い共振を必要とする場合は減圧して真空とすることが望ましい。

図１（ｂ）の破線内に示した封止構造１単位分の詳細を図２に斜視図として示す。振動子となる梁は単結晶シリコンである。結晶異方性エッチング加工で形成することで、梁の上面と下面は（１００）面、側面は（１１１）面で形成される台形断面となる。断面形状は台形に限らず、上面をゼロに近づけた三角形断面でもよい。

梁２のまわりには空隙ｇ、Ｇを介して多結晶シリコンにより殻部１１を形成している。殻部１１は絶縁膜（酸化シリコン）３を介して基板１と接続され、空隙ｇは真空封止されている。このような構造はＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を出発材料として半導体製造プロセスを用いて形成可能である。絶縁膜３はＢＯＸ層に、梁２はＳＯＩ層に対応する。図１（ｂ）のアンカー１２はＢＯＸ層である絶縁膜３を介して基板１に繋留されている。また殻部１１を構成する膜はアンカー１２上に犠牲層を介して繋留されている。これは梁３と殻部１１間の空隙ｇを犠牲層膜除去技術で形成するが、除去レートや除去時間を調整することでアンカー１２上の犠牲層１５はすべて除去されることなく一部が残留するように加工したためである。

梁２に対して殻部１１で封止した場合、図１７に示したメンブレン状の構造で封止するよりも強固な封止を実現することができる。図１および図２に示した本発明の実施の形態1の電気機械素子の構成において、梁２の厚み３μｍ、殻部１１の厚み２μｍとした場合、殻部１１の内外に気圧差１００気圧を与えても、殻部１１内部の容積は０．３％しか減らない。樹脂トランスファモールドを殻部上に行っても殻部がつぶされて梁に接触したり、殻部内部を真空に保っていた場合はその真空度が劣化することがない。

従って、図２に示す封止構造を１単位とするとこの１単位（１封止ユニット１１Ｕ）をそのまま直列に接続した構成である図１（ｂ）の構成においても、堅牢な封止構造を有する梁型機能素子を形成できる。
この構成によれば、樹脂封止工程において、高圧がかかる場合にも、殻部が、基板との当接領域が非当接領域を囲むように構成され、大面積にわたって非当接領域が連続しないように構成されているため、圧力に対して、機械的強度の向上を図ることができ、堅牢な封止構造を提供することが可能となる。

また、一定幅の空隙を介して殻部が梁を囲むように構成しているため、殻部が梁を駆動するための電極や、梁の動きを検知する電極を兼ねることができ、電子素子の製造プロセスの簡易化と、電子素子の低背化が可能となる。
さらにまた、傾斜していない、たとえば、図６に示すように、四角断面の場合、スパッタ法を用いて殻部を堆積すると、側面部分の厚みが上面の厚みよりも薄くなり、殻部の圧力に対する殻部の耐性が下がる。これに対し、梁の結晶面、たとえば（１１１）面に沿った傾斜面を殻構造に持たせることで、殻部の膜厚均一性が向上し、圧力に対する耐性が上がる。もっともＣＶＤ法で殻構造を堆積すれば、膜厚均一性はよく、圧力に対する耐性もよいのであるが、「傾斜した表面を有する」構造にすることで、製法はＣＶＤに限定されることなくスパッタを用いても圧力耐性のある封止構造を提供することができる。

次に、発明の実施の形態１の電気素子の製造方法について説明する。図３および図４は本発明の実施の形態１における電子素子としての電気機械素子の製造方法を示す図である。
まず、材料基板としてシリコン基板表面に、絶縁膜３としての酸化シリコン層を介して単結晶シリコン薄膜（２）を形成したＳＯＩ基板を用意する。

次いで、図３(a)に示すように、フォトリソグラフィによりマスクパターンを形成し、このマスクパターンを用いて異方性エッチングを行うことにより、（傾斜角５４．７度の）傾斜した側面をもつ断面台形の振動子としての梁２を形成する。そして露出したＢＯＸ層をエッチングした後、犠牲層となる絶縁膜１５として酸化シリコン層を成膜する。

そして図３(ｂ)に示すように、この絶縁膜１５上に、ＣＶＤ法により、殻部１１となるドープト多結晶シリコン層を成膜する。このとき、平坦な膜を形成するように減圧ＣＶＤ法などを用いるのが望ましい。

次に、図３(ｃ)に示すように、この殻部１１となる多結晶シリコン層にマスクパターンを形成して、形状加工を行い、梁２の周辺以外に形成された絶縁膜１５を露出する。

そして、図４(ａ)に示すように、表面に露呈する絶縁膜５を弗酸を用いたエッチングにより除去し、エアギャップｇを形成するとともに梁２の下にある絶縁膜３を除去する。

この後図４(ｂ)に示すように、再度減圧ＣＶＤ法により、封止層１６としての多結晶シリコン層を形成する。なお、この封止層１６は、多結晶シリコン層に限定されることなく、窒化シリコンや酸化シリコンなどの絶縁膜でもよい。
そして最後に、インジェクションモールドにより、樹脂封止を行い、電気機械素子が完成する。

このようにして、図１および図２に示した電気機械素子を作業性よく形成することができる。

なお、前記実施の形態１では、固定電極の役割と封止用の殻としての役割とを具有する殻部１１を基板１上のポストとしての絶縁膜３を介して形成しており、振動子である梁２下のこのポストに対応する部分をエッチング除去することにより、梁２で構成される振動子を選択的に可動にすることができる。
また、梁２の上面は水平面、側面は傾斜面であり、この水平面および傾斜面に沿って所定の間隔のエアギャップｇを隔てて殻部１１が大面積にわたって対向しており、電圧をかけることで良好に静電力が作用するように構成されている。

なお、前記実施の形態では、振動子を構成する断面台形の梁２を単結晶シリコンで構成しているため、この振動子のパターニングに際し、シリコンの異方性エッチングにより極めて制御性よく形状加工を行うことができる。

また、本実施の形態では出発材料を構成する材料基板としてシリコン基板に単結晶シリコン基板を貼着して形成したＳＯＩ基板を用いたが、多結晶シリコンあるいはアモルファスシリコンを貼着したＳＯＩ基板を用いてもよいことはいうまでもない。このときは単結晶の結晶面に依存する異方性エッチングをエッチング終点として用いるという制御ができない。

なお、本発明の電気機械素子では、構造として側面が基板に対して傾斜する斜面を有する台形断面梁を用いたが、構造の側面が基板に対して垂直である四角形、及び長方形の梁型共振器においてもこの電極の配置により、同様の効果を得ることができる。

また、本発明の電気機械素子では、振動子を構成する梁２の両端がアンカー１２により支持されているが、この支持が片持ちである構造、及び中心から支持されている構造においても、同様の効果を得ることができる。

なお、殻部の一部または梁構造の一部を導電性としてもよい。図１（ｂ）の構成では、両持ち梁は図５（ａ）の断面図に示すように基板に対して垂直方向にのみ変位する。または基板垂直方向にたわみモードで振動する。これは梁２と殻部１１間の静電力が梁に対して基板垂直方向に作用するからである。

図５（ｂ）に示すように、殻部の一部を他より導電性の高い状態とすることで静電力で梁２にねじりモーメントを与えることができる。ねじり振動モードを用いることで光をスキャンするなどの用途展開が広がる。また、たわみモードよりも高い共振周波数が同一寸法の梁で得られるために、共振器の高周波化に適している。厚み３μｍ、長さ１００μｍの両持ち梁の場合、たわみ振動モードは約４ＭＨｚであるのに対し、ねじり振動モードは２０ＭＨｚである。またねじり振動モードはたわみ振動モードに比べて、両端支持部からの振動散逸が小さいので概してＱ値が高く、高精度・高感度の共振器を得ることができる。

図５（ｂ）のように殻部を絶縁性領域１１ｉあるいは導電性の低い領域とし、部分的に導電性領域１１ｃとなるようにしてもよい。このような構成にするには、たとえば導電性の低い殻部をシリコンで形成し、導電性を高めたい箇所にのみ選択的にドーピングを行い、高濃度不純物領域とすることで実現可能である。または図５（ｃ）のように、殻部１１を導電性膜（導電性領域）１１ｃと絶縁性膜（絶縁性領域）１１ｉの複合膜とすることでも実現可能である。

なお、導電部（導電性領域）１１ｃで構成された殻部１１側ではなく、図５（ｄ）のように梁２側の一部を高濃度不純物領域２ｃとするなどの方法により導電性にしても、図５（ｂ）と等価の効果が得られる。

たわみ振動やねじり振動モードの高次モードを励起させるためには、梁の振動モードの同相の複数の腹部分に相対する殻部の部分のみ導電性を持たせるようにすればよい。

なお、本実施例では梁断面を台形もしくは三角形としたが、台形、三角形に限定されるものではない。図６は、矩形断面梁を用いた構造断面図である。梁２を構成するシリコン材をＤｅｅｐ−ＲＩＥ技術を用いて加工した。

ただし台形や三角形断面の場合は次の利点がある。結晶面異方性エッチング技術で形成した台形または三角形断面梁の表面を、Ｄｅｅｐ-ＲＩＥ加工面と比較すると加工に伴う荒れがなく平坦である。その平坦な面上に形成される犠牲層で決定される空隙は、狭く均一に形成可能であり、梁と殻部間の静電結合度を向上させ、高効率の電気−機械変換能を有する電子素子実現に寄与する。

（実施の形態２）
次に本発明の実施の形態２について説明する。
本実施の形態では、封止構造内の電子素子のばね構造、または質量構造、またはばねと質量の複合構造を、複数個の梁封止構造を直・並列に連接させて形成した構成について説明する。

図７および図８は実施の形態１で述べた図１の両持ち梁構造を拡張し、大面積の両持ち梁とした構成である。図８は図７のＡ−Ａ断面図である。説明のため、図７（ａ）では、殻部は図示していないが、図１同様、梁上方に空隙を介して殻部を設けて梁構造を封止している。図７（ａ）の両持ち梁は図示したとおり、封止構造１単位を図７（ｂ）に示すように構成されこの封止構造1単位がマトリックス状となるように複数個直・並列に連接されている。図７（ｂ）中、図２に示した構造と同一部位には同一符号を付した。封止構造１単位の詳細は図２に記載したとおりである。図２の封止構造１単位は封止内外の圧力差に耐えうる堅牢な構造であるので、これを直・並列すなわちマトリックス状に連接させた図７の構造もまた同等に堅牢であり、封止内部を高い真空に保っても、また殻部上部にトランスファモールドの樹脂充填圧力を加えても封止構造はおしつぶされない。

前記実施の形態１で説明した図１の梁に比べて図７のトータル梁面積は大きくなっており、図７のほうが図１に比べて静電容量を大きく確保できる。これは梁を静電型トランスデューサとしてたわませたり振動させて使用する場合、トランスデューサのインピーダンスが下がり、低ノイズのトランスデューサを構成できる効用が得られる。

図７の構造では封止構造を連接させて両持ち梁としたが、変形例として図９のように４辺をアンカーとしたメンブレン構造としても同様の効果を得ることができる。ここでも直・並列すなわちマトリックス状に１封止ユニットＵが連接されており、１つで構成される場合よりも大幅に強度の向上をはかることができる。

また、複数個の封止構造を直・並列に連接させた質量構造を形成することもできる。図１０は図２の封止構造(１ユニットＵ)を連接させて形成したねじり梁２と図７（ｂ）の封止構造を連接して形成したパドル１３を有するねじり振動子である。説明のため、殻部は図示していない。ねじり梁２に対してパドル１３は付加質量となっており、付加質量がない単純両持ち梁にくらべてねじり共振周波数を低下させることができる。したがって本構成は慣性センサや、低周波数用途の発振器に適用可能となる。
ここでも直・並列すなわちマトリックス状に１ユニットＵが連接されており、１つで大きく構成される場合に比べ、大幅に強度の向上をはかることができる。これは図１８からも明らかである。

図１１（ａ）および（ｂ）にはパドルつきねじり梁とその上部に被う殻部を並べて示している。実施の形態１で述べたように、殻部１１は図のように部分的に導電性を有するものとする。図１２（ａ）はパドルつきねじり梁上方に殻部１１を形成した場合の上面図である。図１２（ｂ）は図１２（ａ）のＡ−Ａ断面図であり、図１２（ｃ）は図１２（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。本実施の形態では、ねじり梁のねじり軸に対して対称の位置に殻部の２つの導電性領域１１ｃが配置されている。導電性領域１１ｃを有する部位と、絶縁性領域１１ｉを有する部位について断面図をあわせて示した。この導電性殻構造は、絶縁性殻構造内に導電性膜（導電性領域１１ｃ）から構成され、絶縁性殻構造（絶縁性領域１１ｉ）は、絶縁性膜のみから構成されている。殻部の導電性領域１１ｃに接続された端子Ｑ、Ｑ’は電気的に逆位相の関係になる。ねじり梁をねじり共振器として用いる場合は、Ｑ、Ｑ’に逆相の交流電圧を与えてねじり振動モードを励起させることができる。もしくはＱのみに交流電圧を与えてもねじり振動モードを励起できる。このときＱ’は振動モニタ電極として利用できる。

さらには、殻部を導電性と絶縁性の複合膜とせず、導電性の単層膜のみでもねじり振動モードを励起する簡易な構成を図１３に示す。図１３では、ねじり梁の長さ方向を軸にパドル１３が片方のみに設けられ、梁の中心軸に対して非対称に形成されている。この構成では殻部がすべて導電性でも、静電力により梁にねじりモーメントを与えることができる。

ねじり振動モードはたわみ振動モードに比べて、両端支持部からの振動散逸が小さいので概してＱ値が高く、高精度・高感度の共振器を得ることができる。

なお、図１０、図１１、図１３ともにねじりの主軸は両持ち梁としたが、片持ち梁としてその先端にパドル１３を付加した構成でもよい。

以上、本実施の形態によれば、梁の寸法を調整して梁の剛性を調整することで、大面積で弾性的な網目状振動体を形成したり、逆に剛性が高い網目状の質量構造を形成して慣性センサや低周波共振器を構成し、堅牢に封止された電子素子としての用途を広げることができる。

図１４および図１５に、例として図７のように封止構造１単位が直・並列に複数個連接された封止構造の製造方法について説明する。
図１４（ａ）に示すように、ＳＯＩ基板のＳＯＩ層に対してＴＭＡＨ溶液で結晶異方性エッチングを行い、梁側面を（１００）（１１１）面で形成する。
次に図１４（ｂ）に示すように、絶縁層（ＢＯＸ層）３の露出した部分をエッチングした後、犠牲層として除去されるシリコン酸化膜を堆積し、続いて殻部１１の一部となる多結晶シリコンを堆積する。

この後図１４（ｃ）に示すように、隣接する梁とのすき間をエッチングして彫り下げ、犠牲層を露出させる。

そして図１５（ａ）に示すように、犠牲層とＢＯＸ層を弗酸で除去する。
この後図１５（ｂ）に示すように、封止層１６を堆積する。このとき真空中で堆積すると殻部の中は真空封止される。封止層は再び多結晶シリコンを用いてよい。
そして最後に、図１５（ｃ）に示すように、このようにして得られた殻部上に樹脂モールドを行い、封止部１７を形成する。
以上の工程で本発明の実施の形態に示す封止構造を実現することができる。

本発明にかかる封止構造を有する電子素子は、大きな面積を有する素子をも封止膜で封止し、かつ封止膜内外の圧力差に対して封止膜が堅牢であるため、封止膜内部のキャビティを保ち、内部素子の動作を阻害しない。また、封止膜内部の梁構造などの機能素子のたわみ方向や振動モードが１つに限定されない。そのため特に微小機械要素が変位するスイッチ素子や、微小機械要素が振動する共振器、フィルタ、発振器、ジャイロスコープ、圧力センサ、光スキャナ、質量検出素子等への広い適用展開が可能である。

本発明の実施の形態１における電子素子の（ａ）シリコン梁上面図および（ｂ）シリコン梁上方に殻構造（殻部）を設けた状態の上面図 封止構造１単位分の詳細説明図 本発明の実施の形態１における電子素子の断面図で（ａ）殻部が導電体の場合および（ｂ）不純物ドーピングにより部分的に導電体とした場合および（ｃ）複合膜で部分的に導電体とした場合および（ｄ）梁側を部分的に導電体にした場合の各説明図 本発明の実施の形態１における電子素子の製造工程を示す図 本発明の実施の形態１における電子素子の製造工程を示す図 本発明の実施の形態１において梁断面を矩形とした場合の電子素子の断面図 本発明の実施の形態２における両持ち梁を示す図、（ａ）は上面図、（ｂ）は一単位を示す斜視図 図７のＡ−Ａ‘断面図 本発明の実施の形態２におけるメンブレンおよび上方に設けた殻部の上面図 本発明の実施の形態２におけるパドルつきねじり梁を用いた振動子の上面図（殻部省略） 本発明の実施の形態２における（ａ）パドルつきねじり梁と殻部の各説明図および（ｂ）パドルつきねじり梁の上方に殻部を形成した状態の説明図 本発明の実施の形態２における（ａ）パドルつきねじり梁と殻部の各説明図および（ｂ）パドルつきねじり梁のパドル上方に殻部を形成した状態の説明図および（ｃ）パドルつきねじり梁のねじり中心部上方に殻部を形成した状態の説明図 本発明の実施の形態２における別の形態のパドルつきねじり梁と殻部の説明図 本発明の実施の形態２の封止構造を形成する工程説明図 本発明の実施の形態２の封止構造を形成する工程説明図 従来の封止構造を有する電子素子の断面説明図 メンブレン型封止膜の説明図 封止膜内外圧力差によるメンブレン型封止膜のたわみの量をあらわすグラフ

Claims (14)

1. 梁と、前記梁を囲む空隙を隔てて、前記梁を囲むように形成された殻部と、
   からなる封止構造が基板上に一体形成され、
   前記梁の前記基板との対向面を除く他の面は、前記梁と一定間隔の空隙を隔てて前記殻部で囲まれた電子素子。
2. 請求項１に記載の電子素子であって、
   前記殻部は、前記基板表面に対して傾斜した表面を有する電子素子。
3. 請求項２に記載の電子素子であって、
   前記梁は側面が結晶方位面に沿って形成された三角形または台形断面を有する単結晶材料で構成された電子素子。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の電子素子であって、
   前記封止構造が複数個連接構成されることにより、前記梁および殻部が連接された電子素子。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の電子素子であって、
   前記梁および前記殻部が導電性を有し、両者間の静電力が前記梁の変位または振動を誘起させるように構成された電子素子。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の電子素子であって、
   前記梁と前記殻部との間の静電結合によって、梁の変位または振動を検知する電子素子。
7. 請求項５または６に記載の電子素子であって、
   前記梁または前記殻部が部分的に導電性を有する電子素子。
8. 請求項７に記載の電子素子であって、
   前記殻部は、ノンドープの多結晶シリコンで構成され、選択的にドープされ導電性領域を形成した電子素子。
9. 請求項７に記載の電子素子であって、
   前記殻部は、ドープト多結晶シリコンで構成され、選択的に酸素ドープされ、複数の導電性領域に分離形成された電子素子。
10. 請求項１乃至９のいずれかに記載の電子素子であって、
    前記封止構造を複数個マトリックス状に連接してなる電子素子。
11. 請求項１に記載の電子素子であって、
    前記梁の長手方向に沿った軸に対して非対称となるように質量構造が前記梁で構成されたばね構造に連接された電子素子。
12. 請求項１に記載の電子素子であって、
    前記殻部は、前記梁の長手方向に沿った軸に対して、導電性領域が非対称となるように、形成された電子素子。
13. 請求項１に記載の電子素子であって、
    前記基板は、前記基板表面に形成された絶縁膜を介して前記殻部に当接せしめられた電子素子。
14. 請求項１に記載の電子素子であって、
    前記基板上に半導体装置が集積化せしめられ、一体的に樹脂封止のなされた電子素子。