JP2014233059A - Ｍｅｍｓ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】スリットを形成しても応力の集中を低減することができるＭＥＭＳ素子を提供する。
【解決手段】固定電極あるいは可動電極のいずれか一方に、複数のスリット４ａ１、４ａ２、４ｂ１、４ｂ２、４ｃ１、４ｃ２、４ｄ１、４ｄ２、４ｄ３が形成されており、このスリットの少なくとも１つの開口形状を、開口端部が湾曲した曲線からなるように形成する。湾曲させる方向は、外側のスリットは外側に、内側のスリットは内側に湾曲させることで、スリット間の応力集中を緩和する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＭＥＭＳ素子に関し、特にマイクロフォン、各種センサ、スイッチ等として用いられる容量型のＭＥＭＳ素子に関する。

従来、半導体プロセスを用いたＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)素子では、半導体基板上に固定電極、犠牲層及び可動電極を形成した後、犠牲層の一部を除去することで、スペーサーを介して固定された固定電極と可動電極との間にエアーギャップ（中空）構造が形成されている。

例えば、容量型ＭＥＭＳ素子であるコンデンサマイクロフォンでは、音圧を通過させる複数の貫通孔を備えた固定電極と、音圧を受けて振動する可動電極（ダイヤフラム膜）とを対向して配置し、音圧を受けて振動する可動電極の変位を電極間の容量変化として検出する構成となっている。

ところで、コンデンサマイクロフォンの感度を上げるには、音圧による可動電極の変位を大きくする必要がある。そのため可動電極は、引っ張り応力が残留する膜を用いるのが一般的である。一方この残留応力が大きすぎると可動電極の破損の原因となってしまう。

そこで、膜自体の残留応力を制御する方法や、構造上の工夫により残留応力の影響を緩和する方法が提案されている。具体的には、前者の場合、固定電極をＬＰＣＶＤ（Low Pressure Chemical Vapor Deposition）法により堆積させ、堆積後のアニール条件等を制御して残留応力を調整する方法が、後者の場合、固定電極にスリットを形成する方法（特許文献１）により残留応力を調整する方法が提案されている。

スリットを形成する場合、その配置や開口形状を種々変更することが可能であるが、一般的には、図３（ａ）に示すようにスリット列を２列にし、相互に端部が重ならないように千鳥状に配置していた。

特開２００７−２１００８３号公報

従来提案されている膜の形成条件を制御することで膜自体の残留応力を制御する方法では、膜の形成条件のわずかな違いにより残留応力のばらつきが大きくなり、高精度の制御が困難であった。さらにＭＥＭＳ素子を実装する際、実装基板上に固定すると実装構造に起因する応力が加わり、実装前後で膜に加わる応力が変化してしまい、更に制御が難しくなるという問題があった。

一方、比較的制御が容易なスリットを形成する方法では、図３（ｂ）に示すようにスリットの開口形状が直線状に切り取られた形状であるため、スリット列の間に応力集中が発生してしまい、応力が集中したスリット列の間で膜の破損が生じてしまうという問題があった。

本発明は、上記問題点を解消し、スリットを形成しても応力の集中を低減することができるＭＥＭＳ素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本願請求項１に係る発明は、バックチャンバーを備えた基板と、該基板上に、スペーサーを挟んで固定電極と可動電極とを配置することでエアーギャップが形成されたＭＥＭＳ素子において、前記固定電極および前記可動電極の少なくともいずれか一方に、複数のスリットが形成されており、前記スリットは、前記スペーサーとの接続端に沿って配置された少なくとも１つ以上のスリットからなる第１のスリットと、該第１のスリットの内側に配置された少なくとも１つ以上のスリットからなる第２のスリットとを備え、前記第１のスリットあるいは前記第２のスリットの少なくともいずれか一方の前記スリットのうち少なくとも１つは、開口端部が前記スペーサー側あるいはその反対側に湾曲した曲線からなる開口形状を有していることを特徴とする。

また本願請求項２に係る発明は、請求項１記載のＭＥＭＳ素子において、該ＭＥＭＳ素子はコンデンサマイクロフォンであって、前記固定電極は、音圧を伝えるための複数の貫通孔を備えた電極を構成し、前記可動電極は、音圧によって振動する電極を構成し、該可動電極に前記湾曲した曲線からなる開口形状を有する前記第１のスリットおよび前記第２のスリットが形成されていることを特徴とする。

また本願請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２いずれか記載のＭＥＭＳ素子において、前記前記第１のスリットの開口端部は、前記スペーサー側に湾曲した曲線からなる開口形状を有しており、前記第２のスリットの開口端部は、前記スペーサー側と反対側に湾曲した曲線からなる開口形状を有していることを特徴とする。

本発明のＭＥＭＳ素子は、固定電極の外周部にスリットを入れることができるので、残留応力による感度への影響を低減でき、感度のばらつきの少ないＭＥＭＳ素子を提供することが可能となる。

また、本発明のスリット形状は、対向するスリット列とは反対側に湾曲するように開口形状を形成することで、スリット間への応力集中が緩和され、破断強度を高くすることができる。

更に本発明のスリットによりスペーサーと電極膜とを連結するバネ構造や梁構造を形成することができ、そのスリット間の応力集中を緩和することでバネ構造や梁構造の破壊強度を高くすることも可能となる。

本発明のＭＥＭＳ素子の製造工程の説明図である。 本発明のＭＥＭＳ素子のスリット構造を説明する図である。 従来のＭＥＭＳ素子のスリット構造を説明する図である。

本発明に係るＭＥＭＳ素子は、固定電極あるいは可動電極に、少なくとも２つ以上のスリットが隣接して形成されており、その間に応力が集中する場合に、スリットの端部を湾曲した曲線からなる開口形状とすることで、スリット間の応力集中を緩和する構造としている。以下、ＭＥＭＳ素子としてコンデンサマイクロフォンを例にとり、本発明の実施例について説明する。

まず、結晶方位（１００）面の厚さ４２０μｍのシリコン基板１上に、厚さ１μｍ程度の熱酸化膜２を形成し、熱酸化膜２上に、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により厚さ０．４μｍの導電性ポリシリコン膜を積層形成する。次に通常のフォトリソグラフ法によりパターニングし、可動電極となるダイアフラム膜３を形成する（図１ａ）。ここで本発明は、ダイアフラム膜３に後述するように所定の形状を有するスリット４が形成されている。

以下、通常の製造工程に従い、ダイアフラム膜３上に、厚さ２．０〜４．０μｍ程度のＵＳＧ(Undoped Silicate Glass)膜からなる犠牲層５を積層形成し、さらに犠牲層５上に、厚さ０．１〜１．０μｍ程度の導電性ポリシリコン膜を積層形成する。次に通常のフォトリソグラフ法によりパターニングし、固定電極膜６を積層形成する（図１ｂ）。

犠牲層５の一部をエッチング除去し、先に形成したダイアフラム膜３の一部を露出させる。このとき、スクライブラインも開口する。露出したダイアフラム膜３および固定電極６にそれぞれ接続するアルミニウム等の導体膜からなる配線膜７を形成する（図１ｃ）。

全面に窒化膜８を堆積させた後、通常のフォトリソグラフ法にて音圧をダイアフラム膜３に伝えるための貫通孔９を形成し、貫通孔９内に犠牲層５を露出させる。その後、シリコン基板１の裏面側から熱酸化膜２が露出するまでシリコン基板１を除去し、バックチャンバー１０を形成する（図１ｄ）。

その後、窒化膜８および固定電極膜６に形成された貫通孔９を通して犠牲層５の一部を除去して形成されたスペーサー１１に固定電極極６とダイアフラム膜３が固定され、エアーギャップ構造が形成される。このエッチングにより、熱酸化膜２の一部も除去され、スリット４が形成されたダイアフラム膜３が露出する（図１ｅ）。

次に本発明のスリット４の構造について説明する。図２は、スリット４が形成されているダイアフラム膜３を固定電極６側から模式的に表している。図４中点線で示した部分は、円の外側で、スペーサー１１によって固定されてる部分を示している。本発明のＭＥＭＳ素子のスリット４は、その開放端が湾曲した曲線からなる開口形状を有しており、従来のような直線的な辺が交わるような開口形状を有していないことを特徴としている。その具体例を図２に示す。

まず第１の例を２（ａ）に示す。ダイアフラム膜には、２列のスリット列が形成されている。２列のスリット列の内、スペーサー側に形成されたスリット列の一つのスリット４ａ１は、その端部がスペーサー側に湾曲した開口形状を有し、その内側に形成されたスリット列のスリット４ａ２は、その端部が中心方向（スペーサー側と反対側）に湾曲した開口形状を有している。このように形成すると、図３に示すようにスリットの端部がほぼ直角に開口する場合と比較して、１つのスリット端部と隣接する別のスリットとの間に集中する応力を小さくすることができる。具体的には、図３に示す場合には、最大応力が３３２ＭＰａであったものが、端部の形状を変えただけで、最大応力が２７７ＭＰａとなり、応力集中が緩和されることが確認された。

なお、スリットの形状は、図２（ａ）の他に、図２（ｂ）および図２（ｃ）に示すように、いずれか一方のスリット列のスリット４ｂ１、４ｃ２のみのスリットの端部の形状を変え、他方のスリット列のスリット４ｂ２、４ｃ１は従来のスリット形状のままであっても、従来例より応力集中が緩和される。図に示すように２列のスリット列が形成されている場合、外周側のスリットは、外側に湾曲するように形成し、内側のスリットは、内側に湾曲するように形成することで、応力緩和の効果は大きくなる。さらに、図２（ｄ）に示すように、２列以上のスリット列とし、一部のスリット列のスリット４ｄ１、４ｄ３のみの端部の形状を変え、残りのスリット列のスリット４ｄ２は従来のスリット形状のままとしても良い。またスリットの幅を端部で変更することも可能である。これらのいずれの形状にするかは、スリットが形成される膜の残留応力に応じて適宜変更することができる。

なおスリット列の全てのスリットの端部の形状を変える代わりに、一部のスリットの端部の形状を変えることも可能であり。ダイアフラム膜に発生する応力を緩和するように種々変更することが可能である。

また、図に示すように外周側全部にスリットを形成する代わりに一部のみに形成することで、バネ構造や梁構造とすることも可能である。

１：シリコン基板、２：熱酸化膜、３：ダイアフラム膜、４：スリット、５：犠牲層、６：固定電極膜、７：配線膜、８：窒化膜、９：貫通孔、１０：バックチャンバー、１１：スペーサー

Claims (3)

1. バックチャンバーを備えた基板と、該基板上に、スペーサーを挟んで固定電極と可動電極とを配置することでエアーギャップが形成されたＭＥＭＳ素子において、
   前記固定電極および前記可動電極の少なくともいずれか一方に、複数のスリットが形成されており、
   前記スリットは、前記スペーサーとの接続端に沿って配置された少なくとも１つ以上のスリットからなる第１のスリットと、該第１のスリットの内側に配置された少なくとも１つ以上のスリットからなる第２のスリットとを備え、
   前記第１のスリットあるいは前記第２のスリットの少なくともいずれか一方の前記スリットのうち少なくとも１つは、開口端部が前記スペーサー側あるいはその反対側に湾曲した曲線からなる開口形状を有していることを特徴とするＭＥＭＳ素子。
2. 請求項１記載のＭＥＭＳ素子において、
   該ＭＥＭＳ素子はコンデンサマイクロフォンであって、
   前記固定電極は、音圧を伝えるための複数の貫通孔を備えた電極を構成し、前記可動電極は、音圧によって振動する電極を構成し、
   該可動電極に前記湾曲した曲線からなる開口形状を有する前記第１のスリットおよび前記第２のスリットが形成されていることを特徴とするＭＥＭＳ素子。
3. 請求項１又は請求項２いずれか記載のＭＥＭＳ素子において、
   前記前記第１のスリットの開口端部は、前記スペーサー側に湾曲した曲線からなる開口形状を有しており、前記第２のスリットの開口端部は、前記スペーサー側と反対側に湾曲した曲線からなる開口形状を有していることを特徴とするＭＥＭＳ素子。

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