JP2017121028A - MEMS element - Google Patents

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孝英 臼井
Takahide Usui
孝英 臼井
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a structure of a MEMS element for preventing breakage of a film while improving sensitivity of the MEMS element.SOLUTION: A plurality of slits 4a and 4b are formed adjacently to a movable electrode 3 (diaphragm film), and have a shape having an opening shape with a slit width widened on a side opposite to the opposing slit.SELECTED DRAWING: Figure 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。   The present invention relates to a MEMS element, and more particularly to a capacitive MEMS element used as a microphone, various sensors, switches, and the like.

従来、半導体プロセスを用いたMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)素子は、半導体基板上に固定電極、犠牲層(絶縁膜)およ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。   Conventionally, a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) element using a semiconductor process has a fixed electrode, a sacrificial layer (insulating film), and a movable electrode formed on a semiconductor substrate, and then a part of the sacrificial layer is removed to form a spacer An air gap (hollow) structure is formed between the fixed electrode fixed via the movable electrode and the movable electrode.

例えば、容量型の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(ダイアフラム膜)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。   For example, in a capacitor microphone that is a capacitive MEMS element, a fixed electrode having a plurality of through holes that allow sound pressure to pass therethrough and a movable electrode (diaphragm film) that vibrates in response to the sound pressure are arranged to face each other. The displacement of the movable electrode that vibrates in response to sound pressure is detected as a change in capacitance between the electrodes.

一般的に、コンデンサマイクロフォンの感度を上げるためには、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、可動電極の外周に、外周側から中心方向に延出するスリットを形成して可動電極を支える面積を狭くする方法や、図3に示すように可動電極の外周に沿ってスリットを形成する方法(特許文献1)を用いるのが一般的である。一方、このスリット幅が広すぎると低域感度が低下してしまう。また、スリット幅が狭すぎるとスリット端部に応力が集中するため、可動電極の破損の原因となってしまう。   Generally, in order to increase the sensitivity of a condenser microphone, it is necessary to increase the displacement of the movable electrode due to sound pressure. Therefore, a slit is formed on the outer periphery of the movable electrode so as to narrow the area supporting the movable electrode by extending a slit extending from the outer peripheral side toward the center, or a slit is formed along the outer periphery of the movable electrode as shown in FIG. The method (Patent Document 1) is generally used. On the other hand, if the slit width is too wide, the low frequency sensitivity is lowered. In addition, if the slit width is too narrow, stress concentrates on the slit end, which causes damage to the movable electrode.

そこで、スリット幅を狭くする場合には、スリット端にスリット幅よりも大きな直径を有する円形の開口形状を形成する方法により応力の集中を調整する方法が提案されている。図4は、この種のMEMS素子のスリット構造の説明図を示す。図4に示すようにダイアフラム膜3に2列のスリット列が形成され、相互の端部が重ならないように千鳥状に配置している。また、スリットの端部に略円形の開口形状が形成されている。   Therefore, in the case of narrowing the slit width, a method of adjusting the stress concentration by a method of forming a circular opening shape having a diameter larger than the slit width at the slit end has been proposed. FIG. 4 is an explanatory view of the slit structure of this type of MEMS element. As shown in FIG. 4, two slit rows are formed in the diaphragm film 3 and are arranged in a staggered manner so that their ends do not overlap each other. A substantially circular opening shape is formed at the end of the slit.

特開2007−210083号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2007-210083

ところで、ダイアフラム膜3にスリット端にスリット幅よりも大きな直径を有する円形の開口形状を有するスリット4を形成した場合、円形の開口形状がスリット列の間に配置してしまう。そのため、円形の開口形状と隣接するスリット列との間の寸法が狭くなる領域に応力集中が発生してしまい、スリット列の破損が生じてしまうという問題があった。本発明は、この様な問題を解決するため、MEMS素子の低域感度の向上と、スリット間の応力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。   By the way, when the slit 4 having a circular opening shape having a diameter larger than the slit width is formed at the slit end in the diaphragm film 3, the circular opening shape is disposed between the slit rows. Therefore, there is a problem that stress concentration occurs in a region where the dimension between the circular opening shape and the adjacent slit row becomes narrow, and the slit row is damaged. In order to solve such problems, an object of the present invention is to provide a MEMS element capable of improving the low frequency sensitivity of the MEMS element and reducing stress concentration between slits.

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、前記可動電極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のスリットを備え、前記第1のスリットのうち少なくとも1つは、開口端部に該スリットの延長線より前記スペーサー側にスリット幅を拡げた曲率を持った形状に区画された開口形状を有し、前記第2のスリットのうち少なくとも1つは、開口端部に該スリットの延長線より前記スペーサー側と反対側にスリット幅を拡げた曲率を持った形状に区画された開口形状を有していることを特徴とする。   In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, an air gap is formed by arranging a substrate having a back chamber and a fixed electrode and a movable electrode on the substrate with a spacer interposed therebetween. In the MEMS element, a plurality of slits are formed in the movable electrode, and the slits include a first slit composed of at least one slit disposed along a connection end with the spacer, and the first slit. A second slit comprising at least one slit disposed inside the slit, and at least one of the first slits is a slit closer to the spacer than an extension line of the slit at an opening end. An opening shape that is partitioned into a shape having an expanded curvature is provided, and at least one of the second slits extends to the opening end. Characterized in that it has a than the spacers side opening shape that is defined in a shape having a curvature expand the slit width on the opposite side of the line.

本発明のMEMS素子は、可動電極の外周に沿ってスリットが形成できるため、残留応力による感度の影響を低減でき、感度のばらつきの少ないMEMS素子を供給することが可能となる。   Since the MEMS element of the present invention can form slits along the outer periphery of the movable electrode, the influence of sensitivity due to residual stress can be reduced, and a MEMS element with little variation in sensitivity can be supplied.

また、本発明のMEMS素子は、スリットの形状を対向するスリットとは反対側にスリット幅を拡げた開口形状を備える形状とすることで、スリット列間の寸法をほぼ一定としている。このため、スリット端部の応力の集中を緩和し、可動電極の破損を防止することが可能となる。特に低域感度を向上させるため、スリット幅を狭くした場合であっても、スリット端部に応力が集中することがなく効果が大きい。   Moreover, the MEMS element of this invention makes the dimension between slit row | line | columns substantially constant by setting it as the shape provided with the opening shape which expanded the slit width on the opposite side to the slit which opposes the shape of a slit. For this reason, it becomes possible to relieve the stress concentration at the slit end and prevent the movable electrode from being damaged. In particular, in order to improve the low frequency sensitivity, even when the slit width is narrowed, the stress is not concentrated on the slit end, and the effect is great.

本発明のMEMS素子の製造工程の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing process of the MEMS element of this invention. (a)は本発明の実施例のMEMS素子のスリット構造を説明する図である。(b)は(a)に示すA部の拡大図である。(A) is a figure explaining the slit structure of the MEMS element of the Example of this invention. (B) is an enlarged view of the A section shown in (a). 従来のMEMS素子のスリット構造を説明する図である。It is a figure explaining the slit structure of the conventional MEMS element. (a)は従来のMEMS素子のスリット構造を説明する図である。(b)は(a)に示すA部の拡大図である。(A) is a figure explaining the slit structure of the conventional MEMS element. (B) is an enlarged view of the A section shown in (a).

本発明に係るMEMS素子は、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、対向するスリットの外側の端部に所望の開口形状を備えることで、可動電極の破損を防止することが可能となる。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。   In the MEMS element according to the present invention, at least two or more slits are formed adjacent to the movable electrode, and the movable electrode is damaged by providing a desired opening shape at the outer end of the facing slit. It becomes possible to prevent. Examples of the present invention will be described below by taking a condenser microphone as an example of the MEMS element.

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、スリット間の応力集中を緩和するためのスリット4が形成される。   First, a thermal oxide film 2 having a thickness of about 1 μm is formed on a silicon substrate 1 having a crystal orientation (100) plane of 420 μm, and a thickness of 0 is formed on the thermal oxide film 2 by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method. A 4 μm conductive polysilicon film is laminated. Next, patterning is performed by a normal photolithographic method to form a diaphragm film 3 to be a movable electrode (FIG. 1a). Here, according to the present invention, as will be described later, the diaphragm 4 is formed in the diaphragm film 3 for relaxing stress concentration between the slits.

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)。   Thereafter, in accordance with a normal manufacturing process, a sacrificial layer 5 made of a USG (Undoped Silicate Glass) film having a thickness of about 2.0 to 4.0 μm is laminated on the diaphragm film 3, and the sacrificial layer 5 is further thickened. A conductive polysilicon film having a thickness of about 0.1 to 1.0 μm is stacked. Next, patterning is performed by a normal photolithographic method to form a fixed electrode film 6 in a stacked manner (FIG. 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)。   A part of the sacrificial layer 5 is removed by etching, and a part of the diaphragm film 3 previously formed is exposed. At this time, the scribe line is also opened. A wiring film 7 made of a conductor film such as aluminum connected to the exposed diaphragm film 3 and fixed electrode 6 is formed (FIG. 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)。   After the nitride film 8 is deposited on the entire surface, a through hole 9 for transmitting the sound pressure to the diaphragm film 3 is formed by a normal photolithographic method, and the sacrificial layer 5 is exposed in the through hole 9. Thereafter, the silicon substrate 1 is removed from the back surface side of the silicon substrate 1 until the thermal oxide film 2 is exposed, and a back chamber 10 is formed (FIG. 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に固定電極膜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)。   Thereafter, the fixed electrode film 6 and the diaphragm film 3 are fixed to the spacer 11 formed by removing a part of the sacrificial layer 5 through the through-holes 9 formed in the nitride film 8 and the fixed electrode film 6, and the air gap structure is formed. It is formed. By this etching, part of the thermal oxide film 2 is also removed, and the diaphragm film 3 in which the slits 4 are formed is exposed (FIG. 1e).

次にスリット4の形状について説明する。本発明のMEMS素子のスリット4は、対向するスリットのそれぞれのスリットの開口端部に、その延長線より外側にスリット幅を拡げた曲率を持った形状に区画された開口形状を有していることを特徴としている。その具体例を図2に示す。図2は、スリット4が形成されているダイアフラム膜3を固定電極側6から模式的に表している。   Next, the shape of the slit 4 will be described. The slit 4 of the MEMS element of the present invention has an opening shape partitioned into a shape having a curvature with the slit width widened outward from the extension line at the opening end of each of the opposing slits. It is characterized by that. A specific example is shown in FIG. FIG. 2 schematically shows the diaphragm film 3 in which the slits 4 are formed from the fixed electrode side 6.

ダイアフラム膜3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11側に形成されたスリット列の一つのスリット4aは、スペーサー側の端部に略円形パターンを有し、その内側に形成されたスリット列の4bは、スペーサー側と反対側の端部に略円形パターンを有している。このように形成すると、スリット列間の寸法は、全周にわたりほぼ一定となる。このため、スリット端部に応力が集中することはなく、ダイアフラム膜3の破損を防止することができる。   The diaphragm film 3 has two slit rows. Of the two slit rows, one slit 4a of the slit row formed on the spacer 11 side has a substantially circular pattern at the end on the spacer side, and 4b of the slit row formed on the inside thereof is a spacer A substantially circular pattern is provided at the end opposite to the side. When formed in this way, the dimension between the slit rows is substantially constant over the entire circumference. For this reason, stress is not concentrated on the slit end, and the diaphragm film 3 can be prevented from being damaged.

スリットの列が3列以上形成されている場合は、スペーサーに最も近いスリットの列とスペーサーに最も遠い(ダイアフラム膜3の中心に最も近い)スリットの列がこのような形状であればよい。   When three or more slit rows are formed, the slit row closest to the spacer and the slit row farthest from the spacer (closest to the center of the diaphragm film 3) may have such a shape.

なお、スリット端部の開口形状を略円形に形成する場合を例にとり説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、曲率をもつ形状であればよい。例えば、ドロップ型、曲率をもつ四角の形状を形成してもよい。   In addition, although the case where the opening shape of the slit end portion is formed in a substantially circular shape has been described as an example, the present invention is not limited to this, and any shape having a curvature may be used. For example, a rectangular shape having a drop shape and a curvature may be formed.

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 1: silicon substrate, 2: thermal oxide film, 3: diaphragm film, 4: slit, 5: sacrificial layer, 6: fixed electrode film, 7: wiring film, 8: nitride film, 9: through hole, 10: back chamber , 11: Spacer

Claims (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、
前記可動電極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のスリットを備え、
前記第1のスリットのうち少なくとも1つは、開口端部に該スリットの延長線より前記スペーサー側にスリット幅を拡げた曲率を持った形状に区画された開口形状を有し、前記第2のスリットのうち少なくとも1つは、開口端部に該スリットの延長線より前記スペーサー側と反対側にスリット幅を拡げた曲率を持った形状に区画された開口形状を有していることを特徴とするMEMS素子。
In a MEMS element in which an air gap is formed by arranging a substrate having a back chamber and a fixed electrode and a movable electrode on the substrate with a spacer interposed therebetween,
A plurality of slits are formed in the movable electrode,
The slit includes a first slit composed of at least one slit disposed along a connection end with the spacer, and a first slit composed of at least one slit disposed inside the first slit. With two slits,
At least one of the first slits has an opening shape partitioned into a shape having a curvature in which the slit width is widened toward the spacer side from the extension line of the slit at the opening end, and the second slit At least one of the slits has an opening shape that is partitioned into a shape having a curvature in which the slit width is widened to the opposite side to the spacer side from the extension line of the slit at the opening end. MEMS element to do.
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