JP2016170089A - Mems装置及びmemsシステム - Google Patents

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Abstract

【課題】 熱電対等の特殊な素子を用いることなくドーム内の圧力をモニタすることができ、密閉型MEMS装置の信頼性の向上をはかる。【解決手段】 MEMS装置であって、基板10と、基板10上に設けられた、第1のMEMS素子100と、基板10上に設けられた、圧力モニタ用の第2のMEMS素子200と、基板10と共に、第1のMEMS素子100及び第2のMEMS素子200を収容するための空洞を形成したドーム状の薄膜構造体160,260とを具備した。【選択図】 図1

Description

本発明の実施形態は、MEMS素子を用いたMEMS装置及びMEMSシステムに関する。
MEMS素子を用いた圧力センサは、気密封止された薄膜ドーム内に可動電極と固定電極が設置されている。そして、外圧変化に応じて、ドームと可動電極が変位し、可動電極と固定電極との間の容量が変化する。この容量の変化を検出することにより、圧力を測定している(特許文献1)。
しかし、この種の圧力センサにおいては、ドームの密閉性が重要であり、ドーム内の圧力に異常があると、正確な測定ができなくなる。また、ドーム内の圧力をモニタするために熱電対を利用したマイクロ真空計を用いると、製造コストの増大を招いてしまう。
特開2013−103285号公報
発明が解決しようとする課題は、熱電対等の特殊な素子を用いることなくドーム内の圧力をモニタすることができ、信頼性の向上をはかり得るMEMS装置及びMEMSシステムを提供することにある。
実施形態のMEMS装置は、基板と、前記基板上に設けられた第1のMEMS素子と、前記基板と共に前記第1のMEMS素子を収容するための空洞を形成したドーム状の薄膜構造体と、前記空洞内で前記基板上に設けられた、前記空洞内の圧力をモニタするための第2のMEMS素子と、を具備している。
第1の実施形態に係わるMEMS装置の概略構成を示す断面図。 第1の実施形態に係わるMEMS装置の概略構成を示す平面図。 第1の実施形態のMEMS装置の製造工程の前半を示す断面図。 第1の実施形態のMEMS装置の製造工程の後半を示す断面図。 第1の実施形態に用いた第2のMEMS素子に印加する直流電圧と可動電極の変位量との関係を示す模式図。 第1の実施形態に用いた第2のMEMS素子における可動電極の振動特性を示す特性図。 第1の実施形態に用いた第2のMEMS素子のQ値測定回路の一例を示す図。 第1の実施形態に用いた第2のMEMS素子に高周波電圧を印加したときの、印加周波数と可動電極の変位量との関係を示す特性図。 第2の実施形態に係わるMEMSシステムの概略構成を示す図。 第3の実施形態に係わるMEMS装置の概略構成を示す断面図。 第3の実施形態に係わるMEMS装置の概略構成を示す平面図。
以下、実施形態のMEMS装置及びMEMSシステムを、図面を参照して説明する。
(第1の実施形態)
図1及び図2は、第1の実施形態に係わるMEMS装置の概略構成を説明するためのもので、図1は断面図、図2は平面図である。このMEMS装置は、圧力センサとして用いられるものである。
Si等の基板10上に、外部圧力測定用の第1のMEMS素子100と内部圧力モニタ用の第2のMEMS素子200とが隣接配置されている。
第1のMEMS素子100は、メインの圧力センサとして機能するものであり、次のように構成されている。
Si等の基板10上に、例えば平板状の第1の固定電極(下部電極)120と第1の配線131,132が設けられている。固定電極120の平面パターンは、基本的には多角形(八角形)である。配線131,132は、固定電極110の外側に設けられている。固定電極120及び配線131,132の材料は、例えばAl又はAlCu合金である。固定電極120及び配線131,132はSiN膜40で被覆されており、配線131,132上においてSiN膜40に開口が設けられている。
固定電極120の上方に、平板状の第1の可動電極(上部電極)150が上下方向に可動可能に設けられている。可動電極150の平面パターンは固定電極120と同様に基本的には多角形(八角形)であり、可動電極150は固定電極120と対向するように配置されている。可動電極150の端部は、第1のバネ部151,152を介して配線131,132に接続されている。
可動電極150及びバネ部151,152の材料は、例えばAlやAlCu合金等である。バネ部151,152は可動電極150と一体に形成され、可動電極150の平面部よりも膜厚が薄くなっている。さらに、バネ部を設ける位置は可動電極150の対向する2箇所に限らず、可動電極150の中心に対して90度ずつずらした4箇所であっても良い。
基板10上には、固定電極120、配線131,132、及び可動電極150を収容するための第1の空洞を形成するように、積層構造の第1の薄膜ドーム(薄膜構造体)160が設けられている。そして、この薄膜ドーム160内は真空封止されている。薄膜ドーム160は、例えばSiOやSiN等の第1の絶縁膜161、ポリイミド等の有機樹脂膜162、及びSiOやSiN等の第2の絶縁膜163の積層構造となっている。
薄膜ドーム160の内側の中央部には、アンカー165が設けられている。可動電極150は、アンカー165を介して、薄膜ドーム160の内側の中央部に接合されている。これにより、可動電極150は薄膜ドーム160と共に上下方向に移動可能となっている。
第2のMEMS素子200は、第1のMEMS素子100と同様に、第2の固定電極220、第2の配線231,232、第2の可動電極250、及び第2の薄膜ドーム(薄膜構造体)260で構成されており、基本的な構成は第1のMEMS素子100と同様である。第2のMEMS素子200が第1のMEMS素子100と異なる点は、アンカー165に相当する部分が無く、第2の可動電極250と第2の空洞を形成するための第2の薄膜ドーム260とが接続されていない点である。
また、第1の薄膜ドーム160と第2の薄膜ドーム260は、一部が接続部300により接続されている。これにより、第1の薄膜ドーム160の第1の空洞と第2の薄膜ドーム260の第2の空洞とが連通されている。
次に、本実施形態のMEMS装置の製造方法を、図3及び図4を参照して説明する。
まず、図3(a)に示すように、Si等の基板10上に、固定電極(1MTL)を形成する。例えば、Alスパッタで基板10上の全面にAl膜を形成した後、リソグラフィ、RIEにより、第1のMEMS素子領域に第1の固定電極120及び第1の配線131,132を形成すると共に、第2のMEMS素子領域に第2の固定電極220及び第2の配線231,232を形成する。続いて、プラズマCVD法などにより、SiN膜40を堆積させた後、例えばリソグラフィ及びRIEを用いることにより、所望の部分の開口を行う。
次いで、図3(b)に示すように、第1及び第2のMEMS素子領域で、固定電極120,220及び配線131,131,231,232を覆うように、第1の犠牲層43(SAC1)を形成する。この犠牲層43には、Cを主成分とする有機樹脂の塗布膜、例えばポリイミドを用いる。犠牲層43の膜厚は、例えば数100nm〜数μmである。続いて、犠牲層43を所望の形状にパターニングする。これにより、配線131,132,231,232の一部が露出される。
次いで、図3(c)に示すように、可動電極(2MTL)の形成を行う。例えば、Alスパッタにより全面にAl膜を形成した後、リソグラフィ及びウェットエッチングにより、第1及び第2のMEMS素子領域にAl膜を残す。これにより、第1のMEMS素子領域に第1の可動電極150を形成すると共に、第2のMEMS素子領域に第2の可動電極250を形成する。
ここで、可動電極150の平坦部と配線131,132との間はAlの膜厚が薄く形成され、この部分がバネ部151,152として機能することになる。同様に、可動電極250の平坦部と配線231,232との間はAlの膜厚が薄く形成され、この部分がバネ部251,252として機能することになる。
次いで、図4(d)に示すように、第2の犠牲層44(SAC2)を形成する。この犠牲層44は、第1の犠牲層43と同じ材料である。続いて、第1及び第2のMEMS素子領域以外の犠牲層44を除去する。このとき、第1のMEMS素子領域の一部と第2のMEMS素子領域との一部とが接続されるように犠牲層44を残す。また、第1のMEMS素子領域では、犠牲層44が可動電極150まで開口されるパターニングを行う。即ち、アンカーを形成する部分に開口44aを形成する。
次いで、図4(e)に示すように、CVD法等で厚さ100nm〜数μmのSiO膜61(CAP1)を堆積させた後、リソグラフィ及びRIEを用いることにより、所望の部分の開口を行う。ここで、第1のMEMS素子領域側のSiO膜を161と定義し、第2のMEMS素子領域側のSiO膜を261と定義する。SiO膜161の一部がアンカー165となり、アンカー165は第1のMEMS素子領域において可動電極150の上面と接触することになる。
また、SiO膜61のパターニングに際して、図示しないレジストパターンとSiO膜61との選択比を調整することにより、開口の形状が、外側から内側に向かって次第に径が大きくなることが望ましい。言い換えると、開口の形状が外側から内側に向かって次第に径が小さくなるテーパ形状であることが望ましい。これは、後工程において第1及び第2の犠牲層43,44を除去した後に、開口の封止特性を向上させるためである。
次いで、図4(f)に示すように、SiO膜161,261の開口部を通じて、第1及び第2の犠牲層43,44を、例えばO2 アッシングにより除去する。その結果、MEMS素子の可動部が動作するための空間としてのキャビティ(空洞)が得られる。
これ以降は、SiO膜161,261上にポリイミド膜162,262(PI)を形成することにより、SiO膜161,261の開口をポリイミド膜162,262で塞ぐ。さらに、CVD法等で厚さ100nm〜数μmのSiN膜163,263を堆積させることにより、前記図1に示す構造が完成することになる。
次に、第1及び第2のMEMS素子100,200の機能について説明する。
第1のMEMS素子100は、圧力センサとして用いられる通常のMEMSと同様であり、内部の空洞の真空と外部の圧力との差圧により可動電極150が下側に押圧されている。そして、外部圧力の大きさにより、可動電極150と固定電極120との距離が変わるため、可動電極150と固定電極120と間の静電容量を測定することにより、外部圧力の測定が可能となっている。
第2のMEMS素子200による圧力モニタの原理は、以下の通りである。
図5(a)に可動電極250の入力電圧を示し、図5(b)に可動電極250の変位を示す。固定電極220と可動電極250との間に直流電圧を印加していない場合、可動電極250は固定電極220とは離れている(up状態)。固定電極220と可動電極250との間に直流電圧を印加(pull in)すると、可動電極250は固定電極220側に吸引され、固定電極220側に接触する(down状態)。この状態から電圧印加を停止(pull out)すると、可動電極250は固定電極220側から離れる。
このとき、可動電極250はバネ部251,252を介して配線231,232に接続されているため、可動電極250は一定時間振動することになる。この振動時間は、可動電極250の周りの圧力、即ちセンサ周辺の圧力によって変化する。即ち、空気圧が抵抗となり、空気圧が小さいほど振動(Q値)が大きくなる。従って、上記の振動特性を測定することにより、センサ周辺の圧力を測定することが可能となる(非特許文献1)。
図6は、可動電極250の振動特性をより詳しく示す図である。振動の最初のピークをA1、最初のピークから1周期の定時間Tp後のピークをA2とすると、Q値は、
Q=π/log(A1/A2)
として算出される。このQ値の変化は、0.1〜10kPaの低圧領域で特に大きいため、真空又は低圧領域の測定に有効となる。
また、例えば図7に示すように、固定電極220と可動電極250との間に、共振周波数付近の高周波電圧を印加する。高周波電圧を印加すると、可動電極250は、図8に示すように、ある共振周波数で変位量がピークを持つ。そして、このピーク値が可動電極250の周りの圧力によって変化する。即ち、気圧増加に応じてピークの鋭さ(Q値)が減少する。従って、ピーク値を測定することにより、圧力を測定することが可能となる。
具体的には、共振周波数をf0 、半値幅をΔfとすると、
Q=f0 /Δf
として算出される。
このように第2のMEMS素子200で、薄膜ドーム60(160,260)内の圧力を測定することが可能となる。即ち、薄膜ドーム60の密閉性を測定することが可能となる。
従って本実施形態によれば、メインの第1のMEMS素子100と同じ空洞内に、内部気圧をモニタするモニタ用の第2のMEMS素子200を搭載し、故障判定や内部気圧変化に応じた補正を行うことができる。
即ち、第1のMEMS素子100による外部圧力の測定に際して、薄膜ドーム60内の密閉性を第2のMEMS素子200でモニタすることにより、誤測定を未然に防止することができ、測定の信頼性向上をはかることができる。さらに、第2のMEMS素子200の検出出力を基に第1のMEMS素子100の検出出力を補正することにより、薄膜ドーム60内に経時変化等による仮に僅かな漏れがあった場合も正確な測定が可能となる。
そしてこの場合、モニタ用の第2のMEMS素子200は、メインの第1のMEMS素子100と同じプロセスで同時に作製することができる。このため、熱電対を用いて内部圧力をモニタする場合と比較すると、製造工程を変えずに実施可能である。従って、熱電対型を採用するよりも製造コストを削減することができる。
また、2つの薄膜ドーム160,260を接続するための接続部300をできるだけ細くすることにより、第1のMEMS素子100における可動電極150の動作が、ドーム160,260を接続したことに伴って影響を受けることは殆ど無い。即ち、第1のMEMS素子100の測定動作に殆ど影響を与えることなく、ドーム内の圧力をモニタすることができる利点もある。
(第2の実施形態)
図9は、第2の実施形態に係わるMEMSシステムの概略構成を示す図である。なお、図1と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
本実施形態は、先に説明した第1の実施形態に加え、第1のMEMS素子100の各電極間の静電容量を検出する容量検出回路(MEMS動作検出回路)401、第2のMEMS素子200のQ値を測定するためのQ値測定回路(空洞内圧力検出回路)、更にはQ値測定回路402の出力信号に基づいて、容量検出回路401の出力を補正する補正回路(信号処理回路)403を設けたものである。
容量検出回路401は、第1のMEMS素子100の電極120,150間の静電容量を検出するものである。この静電容量は外部圧力の変化により変わることから、容量検出回路401は外部圧力を検出することになる。
Q値測定回路402は、前記図5に示すような電圧を印加した時に得られる前記図6に示すような振動特性からQ値を測定するものである。Q値は空洞内の圧力により変わることから、Q値測定回路402は空洞内の圧力を測定することになる。
補正回路403は、例えばQ値測定回路402の出力信号から、空洞内の圧力が正常(真空)な場合、容量検出回路401の出力信号から外部圧力を求める。Q値測定回路402の出力信号から、空洞内の圧力が異常な場合は、容量検出回路401の出力信号に基づく外部圧力の測定を停止する。
また、空洞内の圧力の変化が微小な場合、例えば経時変化により空洞内の真空度が僅かに停止した場合など、Q値測定回路402の出力信号を基に容量検出回路401の出力信号を補正することにより、空洞内の圧力変化に伴う測定誤差を低減することもできる。
このように本実施形態によれば、第1の実施形態で説明した第1及び第2のMEMS素子100,200に加え、容量検出回路401,Q値測定回路,及び補正回路403を設けることにより、ドーム内の圧力をモニタしながら外部圧力の測定を行うことができる。従って、第1のMEMS素子100による圧力測定の信頼性向上をはかることができる。
なお、各々の回路401〜403は、外部回路として基板10とは別の基板に設けても良いが、基板10にCMOS混載回路として設けても良い。基板10に回路401〜403を設けた場合、次のような利点もある。即ち、MEMS素子と回路との接続のための配線が最短となり、寄生容量を極力小さくすることができる。これは、圧力の測定に関して感度の向上に繋がる。さらに、MEMS素子の下地基板にCMOS混載回路を設けているため、ウェハレベルパッケージ構造で形成することができ、小型化が可能となる。
(第3の実施形態)
図10及び図11は、第2の実施形態に係わるMEMS装置を説明するためのもので、図10は断面図、図11は平面図である。なお、図1及び図2と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
本実施形態が先の第1の実施形態と異なる点は、第1及び第2のMEMS素子100,200を別々の薄膜ドーム内に設けるのではなく、同じ薄膜ドーム内に設置したことにある。即ち、第1の絶縁膜61、有機樹脂膜62、及び第2の絶縁膜63からなる1つの薄膜ドーム60内に、第1のMEMS素子100及び第2のMEMS素子200が収容されている。
このような構成であっても、先の第1の実施形態と同様に、第1のMEMS素子100で外部圧力を測定し、第2のMEMS素子200で空洞内の圧力をモニタすることができる。従って、第1の実施形態と同様の効果が得られる。また、薄膜ドーム60は一つであり、接続部300等のドームとは異なる構造部分を設ける必要がなくなるため、製造プロセスを簡略化できる利点もある。
(変形例)
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。
第1のMEMS素子は、必ずしも圧力センサに限るものではなく、機械的可動部を有し、ドーム状の薄膜構造体内に収容されるものであれば適用可能である。例えば、圧力センサ以外に、加速度センサ、ジャイロセンサ、更には発振器に適用することも可能である。さらに、第2のMEMS素子の構成は、固定電極と可動電極を有するものに限らず、ドーム内の圧力をモニタできるものであれば良い。
また、実施形態では、可動電極とバネ部を一体に形成しているが、可動電極とバネ部をそれぞれ別の材料の導電膜で形成しても構わない。例えば、配線上にアンカーを固定し、可動電極の端部に可動電極とは別体のバネ部の一端を接続し、バネ部の他端をアンカーに接続するようにしても良い。さらに、可動電極はAlやAlCu合金に限るものではなく、各種の導電材料を用いることが可能である。
本発明の幾つかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
10…基板
120,220…固定電極
131,132,231,232…配線
40…SiN膜
43…第1の犠牲層
44…第2の犠牲層
44a…開口
150,250…可動電極
151,152,251,252…バネ部
60,160,260…薄膜ドーム
60a,260a…貫通穴(接続穴)
61,161,261…SiO膜(第1の絶縁膜)
62,162,262…ポリイミド膜(樹脂膜)
63,163,263…SiN膜(第2の絶縁膜)
100…第1のMEMS素子
165…アンカー
200…第2のMEMS素子
300…接続部
401…容量検出回路(MEMS動作検出回路)
402…Q値測定回路(空洞内圧力検出回路)
403…補正回路(信号処理回路)

Claims (11)

  1. 基板と、
    前記基板上に設けられた第1のMEMS素子と、
    前記基板と共に前記第1のMEMS素子を収容するための空洞を形成したドーム状の薄膜構造体と、
    前記空洞内で前記基板上に設けられた、前記空洞内の圧力をモニタするための第2のMEMS素子と、
    を具備したことを特徴とするMEMS装置。
  2. 前記第2のMEMS素子は、前記基板上に固定された第2MEMS用固定電極と、前記第2MEMS用固定電極の上方に上下方向に可動可能に配置された第2MEMS用可動電極とを具備し、前記第2MEMS用可動電極の機械的振動特性から前記空洞内の圧力を測定するものであることを特徴とする請求項1記載のMEMS装置。
  3. 前記第2のMEMS素子では、前記第2MEMS用可動電極を直流電圧で駆動したときの前記第2MEMS用可動電極の振動の時間変化が測定されることを特徴とする、請求項1又は2に記載のMEMS装置。
  4. 前記第2のMEMS素子では、前記第2MEMS用可動電極に高周波電圧を印加したときの前記第2MEMS用可動電極の変位量の変化が測定されることを特徴とする、請求項1又は2に記載のMEMS装置。
  5. 前記薄膜構造体は、前記基板と共に前記第1のMEMS素子を収容するための第1の空洞を形成したドーム状の第1の薄膜構造体と、前記基板と共に前記第2のMEMS素子を収容するための第2の空洞を形成したドーム状の第2の薄膜構造体と、前記第1及び第2の空洞を空間的に接続する接続部と、を有することを特徴とする、請求項1〜4の何れかに記載のMEMS装置。
  6. 前記薄膜構造体は、複数の開口を有する第1の絶縁膜、第1の絶縁膜上に前記開口を塞ぐように形成された樹脂膜、及び前記樹脂膜上に形成された第2の絶縁膜を有することを特徴とする、請求項1〜5の何れかに記載のMEMS装置。
  7. 前記第1のMEMS素子は、前記基板上に固定された第1MEMS用固定電極と、前記第1MEMS用固定電極の上方に上下方向に可動可能に配置された第1MEMS用可動電極とを具備し、前記第1MEMS用固定電極と前記第1MEMS用可動電極との間の静電容量が測定されるものであることを特徴とする、請求項1〜6の何れかに記載のMEMS装置。
  8. 基板と、
    前記基板上に設けられた、機械的可動部を有する第1のMEMS素子と、
    前記基板と共に前記第1のMEMS素子を収容するための空洞を形成したドーム状の薄膜構造体と、
    前記基板上に固定された固定電極と、前記固定電極の上方に上下方向に可動可能に配置された可動電極とを有し、前記空洞内に収容された、前記空洞内の圧力をモニタするための第2のMEMS素子と、
    前記第1のMEMS素子に接続され、前記第1のMEMS素子の前記機械的可動部の変位又は歪みを検出するMEMS動作検出回路と、
    前記第2のMEMS素子に接続され、前記可動電極の機械的振動特性から前記空洞内の圧力を検出する空洞内圧力検出回路と、
    前記空洞内圧力検出回路の出力信号に基づいて、前記MEMS動作検出回路の出力信号を処理する信号処理回路と、
    を具備したことを特徴とするMEMSシステム。
  9. 前記薄膜構造体は、前記基板と共に前記第1のMEMS素子を収容するための第1の空洞を形成したドーム状の第1の薄膜構造体と、前記基板と共に前記第2のMEMS素子を収容するための第2の空洞を形成したドーム状の第2の薄膜構造体と、前記第1及び第2の空洞を空間的に接続する接続部と、を有することを特徴とする、請求項8に記載のMEMSシステム。
  10. 前記第1のMEMS素子は、前記基板上に固定された第1MEMS用固定電極と、前記第1MEMS用固定電極の上方に上下方向に可動可能に配置された第1MEMS用可動電極とを具備し、
    前記MEMS動作検出回路では、前記第1MEMS用固定電極と前記第1MEMS用可動電極との間の静電容量が測定されることを特徴とする、請求項8又は9に記載のMEMSシステム。
  11. 基板と、
    前記基板上に固定された第1の固定電極と、前記第1の固定電極の上方に上下方向に可動可能に配置された第1の可動電極と、を有する第1のMEMS素子と、
    前記基板と共に、前記第1の固定電極及び前記第1の可動電極を収容するための第1の空洞を形成したドーム状の第1の薄膜構造体と、
    前記基板上に固定された第2の固定電極と、前記第2の固定電極の上方に上下方向に可動可能に配置された第2の可動電極とを有し、前記空洞内の圧力をモニタするための第2のMEMS素子と、
    前記基板と共に、前記第2の固定電極及び前記第2の可動電極を収容するための第2の空洞を形成したドーム状の第2の薄膜構造体と、
    前記第1の薄膜構造体と前記第2の薄膜構造体との間に設けられ、前記第1の空洞と前記第2の空洞を空間的に接続する接続部と、
    を具備し、
    前記第1のMEMS素子では、前記第1の固定電極と前記第1の可動電極との間の静電容量が測定され、前記第2のMEMS素子では、前記第2の可動電極の機械的振動特性から前記第1及び第2の空洞内の圧力が測定されることを特徴とするMEMS装置。
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