JP2018058150A - Ｍｅｍｓ素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】強度の低下がなく、可動電極の大きな変位により感度を向上させ、しかも面積効率よく感度を高めることが可能となるようにする。【解決手段】バックチャンバー１０を有する基板１上に固定電極５を配置し、この固定電極５にエアーギャップＧを介して略平行に、変位可能な可動電極３を配置したＭＥＭＳ素子において、絶縁膜６から固定電極５に形成された孔ｈを貫通し、可動電極３まで到達する支持柱７を、可動電極面においてマトリクス状に配置する。これにより、薄い可動電極３と狭いエアーキャップＧを実現し、感度を高めることができる。【選択図】図１

Description

本発明はＭＥＭＳ素子及びその製造方法、特にトランスデューサー等の各種センサとして用いられるＭＥＭＳ素子及びその製造方法に関する。

従来から、トランスデューサー、センサ、アクチュエータ、電子回路等に、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）素子が用いられている。

図４に、従来のＭＥＭＳ素子であるトランスデューサー（マイクロフォン）の一例が示されており、このマイクロフォンでは、半導体基板１１に絶縁膜１２を介して厚さ０．２〜２．０μｍ程度の可動電極１３が形成されると共に、支持層１４を介して固定電極１５が設けられる。この固定電極１５と可動電極１３は、２．０〜５．０μｍ程度のエアーギャップＧを介して平行となるように配置され、上記固定電極１５とその上の絶縁膜１６に、多数の音孔１８が形成される。上記支持層１４は、可動電極１３の上に形成された犠牲層の一部であり、この犠牲層の一部を除去することで、可動電極１３と固定電極１５との間にエアーギャップ（中空）Ｇが形成される。なお、１９は固定電極１５に接続する電極、２０はバックチャンバーであり、可動電極１３に接続する電極は、図示を省略している。

このようなマイクロフォンは、基板１１上に作製された可動電極１３と固定電極１５とが平行平板型コンデンサを形成し、音圧によって可動電極が振動して生じる静電容量の変位を検出することにより、音声を電気信号に変換する構成となっている。

特開２０１４−２３３０５９号公報

ところで、上述のように、マイクロフォンの感度は、音孔１８からの音圧を受けた可動電極１３が変位して生じる静電容量の変化を検出するため、感度を上げるには、この可動電極１３の変位を大きくする必要がある。
そこで、感度を上げるため、可動電極１３のバネを弱くする方法が一般的に行われるが、この方法は、可動電極１３の強度が低下する原因となり、可動電極１３のバネを弱くすると同時に、ある程度の強度を保つということは難しい問題であった。

このような問題は、上記マイクロフォンに限らず、変位や振動を電気量に変換する他のＭＥＭＳ素子についても同様に解決課題となる。
また、ＭＥＭＳ素子において、感度領域の面積効率を高めることができれば、感度向上だけでなく、素子の小型化にも貢献できることになる。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、強度の低下がなく、可動電極の大きな変位により感度を向上させ、しかも面積効率よく感度を高めることが可能となるＭＥＭＳ素子を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１の発明に係るＭＥＭＳ素子は、バックチャンバーを有する基板上に、固定電極と、この固定電極にエアーギャップを介して略平行に配置された変位可能な可動電極とを備えたＭＥＭＳ素子において、上記固定電極に形成された孔を貫通しかつ上記可動電極まで延出してこの可動電極を支持する支持柱を設け、上記可動電極に上記支持柱で支持された可動小領域を配列したことを特徴とする。
請求項２の発明は、上記固定電極の上記エアーギャップとは反対側に形成された絶縁膜に、上記支持柱を一体に結合させる構成としたことを特徴とする。
請求項３の発明は、上記支持柱を、上記可動電極面に対しマトリクス状に配置したことを特徴とする。

請求項４の発明に係るＭＥＭＳ素子の製造方法は、基板上に、可動電極、エアーギャップを形成するための犠牲層及び固定電極を形成する工程と、上記固定電極及び犠牲層に上記可動電極まで到達する貫通孔を形成する工程と、上記固定電極の上記エアーギャップとは反対側から上記貫通孔を通って上記可動電極に到達し、この可動電極を支持する支持柱を形成する支持柱形成工程と、上記犠牲層の一部を除去してエアーギャップを形成する工程と、上記基板にバックチャンバーを形成する工程と、を含んでなることを特徴とする。
請求項５の発明は、上記支持柱形成工程では、上記貫通孔が形成された上記固定電極表面に絶縁材を堆積させることにより、上記絶縁材を上記貫通孔に埋め込み上記支持柱を形成することを特徴とする。

以上の構成によれば、可動電極を例えば複数の支持柱で支持することで、可動電極に複数の可動小領域が設けられ、可動電極を従来より薄くすることで、必要な変位が保たれた可動小領域が複数、並列に配列されることになる。この可動電極は、マクロでは固定電極と似た物性となり、平行平板型のコンデンサに近い挙動をするので、ＳＮＲの向上に寄与できることになる。

本発明によれば、可動電極を支持柱により支持して複数の可動小領域を設けたので、可動電極を従来より薄くしても強度の低下がなく、エアーギャップＧの間隔も狭くすることができるので、可動電極の十分な変位により感度を向上させることが可能となる。
また、可動電極も従来のように円形に限らず、四角形に近い形にすることができるので、従来と同じ素子面積の中に大きな感度領域を設定することができ、面積効率よく感度を高めることが可能となり、小型化にも貢献できるという利点がある。

本発明の実施例のＭＥＭＳ素子であるマイクロフォンの構成を示し、図（Ａ）は断面図、図（Ｂ）は平面図である。 図１のマイクロフォンの一部を拡大した図である。 実施例のマイクロフォンの製造工程を示す断面図である。 従来例のマイクロフォンの構成を示し、図（Ａ）は断面図、図（Ｂ）は平面である。

図１乃至図２に、実施例のＭＥＭＳ素子（トランスデューサー）であるマイクロフォンの構成が示されており、図１において、１はシリコン基板、２は絶縁膜、３は絶縁膜２の上に形成された可動電極、４は支持層、５は支持層４で支持され、可動電極３に対し平行に配置された固定電極、６は絶縁膜、７は複数設けられた支持柱であり、この支持柱７は絶縁膜６と一体であり、エアーギャップＧ内に延出して可動電極３に結合され、可動電極３を複数点で支持する柱となる。従って、この支持柱７で囲まれる領域が可動小領域となり、これが１つの小さな可動電極を構成することになる。また、８は絶縁膜６及び固定電極５を貫通する音孔、Ｇは可動電極３と固定電極５の間のエアーギャップ、１０はバックチャンバー、１９は固定電極５に接続する電極である。なお、可動電極３に接続する電極は、図示を省略している。

次に、図３に基づいて、実施例のマイクロフォンの製造工程を説明する。
まず、図３（Ａ）の工程（電極形成工程）では、結晶方位（１００）面の厚さ４２０μｍのシリコン基板１の上に、厚さ１μｍ程度の熱酸化膜２ａ（絶縁膜２となる）が形成され、この熱酸化膜２ａ上に、ＣＶＤ（Chemical Vaper Deposition）法により厚さ０．０１〜０．１０μｍ程度の非常に薄い導電性ポリシリコン膜（３）を積層形成し、その後、通常のフォトリソグラフ法により導電性ポリシリコン膜をパターニングすることで、可動電極３が形成される。

このときのポリシリコン膜（３）の厚さは、可動電極３の可動小領域のサイズと破壊強度を考慮して所望の厚さとする。即ち、従来の可動電極の厚さは、０．２〜２．０μｍ程度とされるが、実施例では、上述のように、支持柱７で可動小領域が設定されるので、この可動小領域の大きさを考慮して従来と比較して２０分の１程度まで薄くしている。なお、この可動電極３としては、上記ポリシリコン（多結晶シリコン）膜の他に、シリコン単結晶、アモルファスシリコン等でいずれも不純物を添加したものを用いることができる。

次いで、可動電極３上に、厚さ０．５〜１．０μｍ程度の薄いＵＳＧ（Undoped Silicate Glass）膜からなる犠牲層４ａ（支持層４となる）を積層形成する。この犠牲層４ａの上に、厚さ０．１〜１．０μｍ程度の導電性ポリシリコン膜（５）を積層形成し、フォトリソグラフ法により導電性ポリシリコン膜（５）をパターニングすることで、固定電極５が形成される。上記の犠牲層４ａの中心側は、最終的に除去されて可動電極−固定電極間のエアーギャップＧとなるが、このエアーギャップＧも従来と比べて狭くする。即ち、従来のエアーギャップＧの間隔は、２〜５μｍ程度であるが、実施例では可動小領域の大きさを考慮して０．１〜１．０μｍ程度まで狭くしている。

図３（Ｂ）の工程（貫通孔形成工程）では、上記固定電極５と犠牲層４ａに対し、通常のフォトリソグラフ法により、図１（Ｂ）の支持柱７で示されるようにマトリクス状に複数のホールｈを形成する。このホールｈは、固定電極５と犠牲層４ａを貫通して可動電極３に達するように形成される。このマトリクス状のホールｈの間隔は、可動電極３で設定される可動小領域の大きさを決定するため、可動電極３のバネの強さと強度を考慮して、所望の間隔に形成することになる。

図３（Ｃ）の工程（支持柱形成工程）では、固定電極５を設けた素子の上面全面に、絶縁膜としての厚さ０．２μｍ〜２．０μｍ程度の窒化膜６ａを堆積させ、同時にマトリクス状のホールｈの内部に、支持柱７となる窒化膜６ａを埋め込む。この窒化膜６ａにより、固定電極５上の絶縁膜６と、この絶縁膜６から貫通孔ｈと介して可動電極３に結合する支持柱７が形成される。この窒化膜（シリコンナイトライド）６ａの代わりに、酸素添加多結晶シリコン、酸化膜等の絶縁材料を用いてもよい。

図３（Ｄ）の工程（音孔形成工程）では、通常のフォトリソグラフ法により、可動電極３と固定電極５にそれぞれ接続する配線部パターン及び電極１９が厚さ１．０〜３．０μｍのＡｌＣｕ膜によって形成される。なお、図では、可動電極に形成する配線部を省略している。また、絶縁膜６及び固定電極５を貫通し、犠牲層４ａの一部を露出させる音孔８が形成される。

図３（Ｅ）の工程（バックチャンバー及びエアーギャップ形成工程）では、シリコン基板１の裏面側から可動電極３の下部の熱酸化膜２ａが露出するまでシリコン基板１を除去することで、バックチャンバー１０が形成される。
次いで、一般的な容量型ＭＥＭＳ素子の製造工程と同様に、固定電極５に形成された音孔８を通して犠牲層４ａの一部を除去し、可動電極３と固定電極５の間にエアーギャップＧが形成される。このとき、可動電極３下部の熱酸化膜２ａも除去される。固定電極５と可動電極３との間には、支持柱７があるため、従来より狭いエアーギャップＧとしてもステッキングが生じることもない。

以上のようにして製作されたマイクロフォンは、図１（Ａ），（Ｂ）のように構成されるが、実施例によれば、可動電極３を極めて薄く形成した上で、図１（Ｂ）のように、マトリクス状に配列した支持柱７によって可動電極３に複数の可動小領域が設定されるので、図２に示されるように、音孔８から音圧を受けると、可動電極３では支持柱間のそれぞれの可動小領域が変位・振動し、この可動小領域が大きく変位・振動する。可動電極３に対向する固定電極５は、従来より近い位置に配置しているので、感度の向上を図ることが可能となる。

また、本願発明では、図１（Ｂ）に示されるように、可動電極３及び固定電極５の配置領域、そしてバックチャンバー１０の開口を円ではなく、四角形や楕円形にして、従来よりも広くし、素子における感度領域（振動膜）の面積効率を高めることができる。即ち、従来では、図４（Ｂ）で示されるように、感度領域（又はバックチャンバー２０の開口）が円形となるが、本願発明は、可動小領域を複数配置する形になるので、感度領域の形を自由に選択できる。矩形の素子の場合、感度領域を円よりも矩形に近い形とした方がその面積が大きくなり、実施例では、可動電極３及び固定電極５の領域とバックチャンバー開口を矩形に近い形として、感度領域の面積効率を高めている。一方、感度が十分な場合には、素子の小型化を図ることが可能になる。

１，１１…シリコン基板、 ２，１２…絶縁膜、
２ａ…熱酸化膜、 ３，１３…可動電極、
４，１４…支持層、 ４ａ…犠牲層、
５，１５…固定電極、 ６，１６…絶縁膜、
６ａ…窒化膜、 ７…支持柱、
８，１８…音孔、 １０，２０…バックチャンバー、
ｈ…ホール（貫通孔）、 Ｇ…エアーギャップ。

Claims (5)

1. バックチャンバーを有する基板上に、固定電極と、この固定電極にエアーギャップを介して略平行に配置された変位可能な可動電極とを備えたＭＥＭＳ素子において、
   上記固定電極に形成された孔を貫通しかつ上記可動電極まで延出してこの可動電極を支持する支持柱を設け、上記可動電極に上記支持柱で支持された可動小領域を配列したことを特徴とするＭＥＭＳ素子。
2. 上記固定電極の上記エアーギャップとは反対側に形成された絶縁膜に、上記支持柱を一体に結合させる構成としたことを特徴とする請求項１記載のＭＥＭＳ素子。
3. 上記支持柱は、上記可動電極面に対しマトリクス状に配置したことを特徴とする請求項１又は２記載のＭＥＭＳ素子。
4. 基板上に、可動電極、エアーギャップを形成するための犠牲層及び固定電極を形成する工程と、
   上記固定電極及び犠牲層に上記可動電極まで到達する貫通孔を形成する工程と、
   上記固定電極の上記エアーギャップとは反対側から上記貫通孔を通って上記可動電極に到達し、この可動電極を支持する支持柱を形成する支持柱形成工程と、
   上記犠牲層の一部を除去してエアーギャップを形成する工程と、
   上記基板にバックチャンバーを形成する工程と、を含んでなるＭＥＭＳ素子の製造方法。
5. 上記支持柱形成工程では、上記貫通孔が形成された上記固定電極表面に絶縁材を堆積させることにより、上記絶縁材を上記貫通孔に埋め込み上記支持柱を形成することを特徴とする請求項４記載のＭＥＭＳ素子の製造方法。

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