JP2017212530A

JP2017212530A - Ｍｅｍｓ素子

Info

Publication number: JP2017212530A
Application number: JP2016103309A
Authority: JP
Inventors: 竜平根本; Ryuhei Nemoto; 孝英臼井; Takahide Usui
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2016-05-24
Filing date: 2016-05-24
Publication date: 2017-11-30
Anticipated expiration: 2036-05-24
Also published as: JP6679044B2

Abstract

【課題】ＭＥＭＳ素子の感度の向上に好適なＭＥＭＳ素子を提供する。【解決手段】支持基板１上に、外圧を受けて変位する可動電極膜３を配置し、可動電極膜は表面に少なくとも二つの電極５ａ，５ｂのいずれかに接続した複数の電極突起７を備え、可動電極膜の変位とともに各電極突起間の距離が変化し、距離の変化に応じて変化する二つの電極間の容量値から可動電極膜が受けた外圧の大きさを検知する。電極突起を同心円状に配置してもよい。また、電極と電極突起との間、および電極突起間を接続する配線を、相互に重ならないように配置してもよい。電極突起の表面を絶縁層２で被覆してもよい。【選択図】図３

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。

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１３を備えた固定電極１２と、音圧を受けて振動する可動電極１０とを対向して配置し、音圧を受けて振動する可動電極１０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（図８）。

ところで、コンデンサマイクロフォンのＳ／Ｎ比を向上させるためには、音圧による可動電極の変位を大きくする必要がある。また、可動電極１０と固定電極１２とで形成されるエアーギャップ１４内で発生するノイズを小さくすればよいことが知られている（特許文献１段落番号０００３〜０００６）。

エアーギャップ１４内で発生するノイズを小さくすることは、可動電極１０と固定電極１２の間の寸法（エアーギャップの間隔）を大きくすることで解決できる。しかしながら、可動電極１０と固定電極１２の間の寸法を大きくすることは、検出する容量値（シグナル）の低下も招き、Ｓ／Ｎ比の向上のためには効果的ではない。

さらにまた貫通孔１３を音圧が通過する際に発生するノイズを小さくする必要もある。この貫通孔１３で発生するノイズを小さくすることは、貫通孔１３を大きくすることで解決できる。しかしながら、貫通孔１３を大きくすることも、検出する容量値（シグナル）の低下を招き、Ｓ／Ｎ比の向上のためには効果的ではない。

特開２０１２−１７５５０９号公報

従来のＭＥＭＳ素子において、可動電極１０と固定電極１２の間隔や貫通孔１３の大きさを調整する方法では、間隔を広げたり、貫通孔１３を大きくするとノイズの減少と同時にシグナルが減少し、逆に間隔を狭くしたり、貫通孔１３を小さくするとシグナルの増加と同時にノイズが増加し、所望の特性を得ることが難しかった。本発明はこのような問題を解消し、感度の向上に好適な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、支持基板上に、外圧を受けて変位する可動電極膜を配置し、該可動電極膜は表面に少なくとも二つの電極のいずれかに接続した複数の電極突起を備え、前記可動電極膜の変位とともに各前記電極突起間の距離が変化し、該距離の変化に応じて変化する前記二つの電極間の容量値から前記可動電極膜が受けた前記外圧の大きさを検知することを特徴とする

本願請求項２に係る発明は、請求項１に記載のＭＥＭＳ素子において、前記電極突起を同心円状に配置することを特徴とする。

本願請求項３に係る発明は、請求項１または２いずれか記載のＭＥＭＳ素子において、前記電極と前記電極突起との間、および前記電極突起間を接続する配線を、相互に重ならないように配置することを特徴とする。

本願請求項４に係る発明は、請求項１乃至３いずれか記載のＭＥＭＳ素子において前記電極突起の表面を絶縁層で被覆することを特徴とする。

本発明のＭＥＭＳ素子は、エアーギャップや貫通孔を備える従来のＭＥＭＳ素子とは全く異なる構造とすることで、従来例で示したエアーギャップや貫通孔に起因するノイズの発生がなくなる。本発明のＭＥＭＳ素子では、一組の電極突起間で発生するノイズによる容量変化は抑えられないものの、このノイズによる容量変化は、隣り合う電極突起間で相殺されるため、ＭＥＭＳ素子から出力されるノイズが抑制され、感度を向上させることが可能となる。

また本発明のＭＥＭＳ素子は、電極突起を同心円状に配置することで、外圧による可動電極膜の動きに影響を与えることがない。また、可動電極膜の変位が効果的に電極突起の変位となるため、より感度の向上が期待される。

さらに本発明のＭＥＭＳ素子は、各電極に繋がる配線を重なり合わない１層の配線構造とすることで、多層で形成した場合に発生する配線層間の寄生容量が発生せず、感度の低下を抑制することを可能としている。

さらに本発明のＭＥＭＳ素子は、電極突起の先端を絶縁層で被覆することで、設計値以上の音圧を受け、電極突起同士が触れた場合におこるショートを防止することができ、電極突起の破損等を防止することができる。

本発明のＭＥＭＳ素子を説明する図である。本発明のＭＥＭＳ素子を説明する図である。本発明のＭＥＭＳ素子を説明する図である。本発明のＭＥＭＳ素子を説明する図である。本発明のＭＥＭＳ素子を説明する図である。本発明のＭＥＭＳ素子を説明する図である。本発明のＭＥＭＳ素子を説明する図である。従来のＭＥＭＳ素子を説明する図である。

本発明に係るＭＥＭＳ素子は、少なくとも二つの電極のいずれかに接続した複数の電極突起を備えた可動電極膜と、可動電極膜を支持する基板とを備え、可動電極膜に受けた外圧により電極突起間の距離が変位し、この変位から外圧の大きさを検知できることになる。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。

本発明の第１の実施例について、その製造工程に従い説明する。まず、結晶方位（１００）面の厚さ４２０μｍのシリコン基板１（支持基板に相当）に、通常のフォトリソグラフ法により幅０．１〜２．０μｍ程度、深さ１．０〜１０．０μｍ程度の凹部を複数形成する。その後、厚さ０．５〜１．０μｍ程度の熱酸化膜２をシリコン基板１表面および凹部内面に形成する。次に凹部を充填するように、厚さ０．１〜５．０μｍの導電性ポリシリコン膜を熱酸化膜２の全面に積層後、通常のフォトリソグラフ法によりパターニングし、可動電極膜３を形成する。図１に示すように、凹部内に充填された導電性ポリシリコン膜は、電極突起となり、各電極突起が後述する電極部５ａ、５ｂに接続する。図１に示す例では、電極突起７ａ，７ｃ，７ｄ，７ｆが一方の電極部に接続し、電極突起７ｂ，７ｅが他方の電極部に接続することになる。

その後、可動電極膜３上に厚さ１．０〜４．０μｍ程度のＵＳＧ(Undoped Silicate Glass)膜からなる絶縁膜４を積層形成し、所定のパターニングを行う。次に絶縁膜４上に、厚さ１μｍ程度の導電性膜を積層形成後、通常のフォトリソグラフ法によりパターニングし、可動電極膜３に接続する電極部５ａ、５ｂを形成する（図２）。電極部５ａと５ｂは異なる極性であり、後工程で完成する電極突起７ａ〜７ｆが交互に異なる極性を有することになる。

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および熱酸化膜２の一部をドライエッチング法により除去し、バックチャンバー６および電極突起７を形成する（図３）。

次に、このように形成したＭＥＭＳ素子の動作について説明する。音圧により可動電極膜３が上下に変位すると、隣り合う電極突起７の先端の距離が変位する。図４（ａ）は、可動電極膜３が下方向に変位した状態を示している。この場合、電極突起７の先端部の相互の距離は拡がることになる。一方、図４（ｂ）は、可動電極膜３が上方向に変位した状態を示している。この場合、電極突起７の先端部の相互の距離は狭くなることになる。各電極突起７はそれぞれ別の極性を有しているため、隣り合う電極突起７の先端の距離が変位すると、隣り合う電極突起７間の容量が変化する。この容量の変化を電気信号として出力し、可動電極膜が受ける外圧の大きさを検出することができる。

以上のように本発明のＭＥＭＳ素子は、可動電極膜３のみの構造であるため、可動電極と固定電極からなる従来構造のＭＥＭＳ素子において可動電極と固定電極の間（エアーギャップ）で発生するノイズが発生しない。また、貫通孔がないため、貫通孔によるノイズが発生しない。さらにまた、電極突起７間で発生するノイズについては抑制することは難しいものの、例えば図５に示すように一対の電極突起間の距離が拡がるようなノイズが発生した場合、この電極突起間の容量は減少するが、その隣の電極突起との間の距離は狭くなり、容量は増加するため、容量変化をキャンセルすることができる。部分的なノイズは抑制され、全ての電極突起間の距離が拡がる（または狭くなる）変化を起こす音圧の変化のみに容量の変化が起こることとなる。その結果、Ｓ／Ｎ比が改善され、感度を向上させることができる。

また、配線部を１層の配線構造としているため、多層で形成した場合に発生する配線層間の寄生容量が発生せず、感度の低下を抑制することができる。

さらにまた、電極突起７の先端は絶縁層で被覆しているため、設計値以上の音圧を受け、電極突起同士が触れた場合に起こるショートを防止することができる。

次に電極突起の配置について説明する。図６は電極突起７が形成されている可動電極膜３をバックチャンバー６側から模式的に表しており、電極突起７を同心円状に形成している。このような構造により、可動電極膜３の変位を妨げることがない。また、可動電極膜３の変位が効率的に電極突起７の変位となるため、より感度を向上することができる。

図７は電極突起７が形成されている可動電極膜３を電極部５ａ、５ｂ側（バックチャンバー６側の反対側）から模式的に表しており、電極部５ａ、５ｂと電極突起７の配線例を示している。隣り合う電極突起７を交互に接続するように配線することで、隣り合う電極突起７は異なる極性を有している。このような構成により、配線部を１層の配線構造とすることができる。

以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこれらに限定されるものでないことは言うまでもない。たとえば、可動電極膜３の形状は円形に限定するものではなく、長方形など矩形形状としてもよい。また、電極突起７をバックチャンバー側に設けたが、その反対側（外圧を受ける側）に設けてもよい。

また、ベントホール８については、バックチャンバー６内の気圧と外気圧と同じにするためだけに設けるので、音響に合わせて大きさや形状を調整できる利点がある。

１：シリコン基板、２：熱酸化膜、３：可動電極膜、４：絶縁膜、５ａ，５ｂ：電極部、６：バックチャンバー、７：電極突起、８：ベントホール、９：配線、１０：可動電極、１１：スペーサー、１２：固定電極、１３：貫通孔、１４：エアーギャップ

Claims

支持基板上に、外圧を受けて変位する可動電極膜を配置し、該可動電極膜は表面に少なくとも二つの電極のいずれかに接続した複数の電極突起を備え、前記可動電極膜の変位とともに各前記電極突起間の距離が変化し、該距離の変化に応じて変化する前記二つの電極間の容量値から前記可動電極膜が受けた前記外圧の大きさを検知することを特徴とするＭＥＭＳ素子。
請求項１に記載のＭＥＭＳ素子において、
前記電極突起を同心円状に配置することを特徴とするＭＥＭＳ素子。
請求項１または２いずれか記載のＭＥＭＳ素子において、
前記電極と前記電極突起との間、および前記電極突起間を接続する配線を、相互に重ならないように配置することを特徴とするＭＥＭＳ素子。
請求項１乃至３いずれか記載のＭＥＭＳ素子において、
前記電極突起の表面を絶縁層で被覆することを特徴とするＭＥＭＳ素子。