JP2019042872A

JP2019042872A - Ｍｅｍｓ素子及びその製造方法

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Publication number: JP2019042872A
Application number: JP2017169039A
Authority: JP
Inventors: 新一荒木; Shinichi Araki
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2017-09-02
Filing date: 2017-09-02
Publication date: 2019-03-22
Anticipated expiration: 2037-09-02
Also published as: JP6885828B2

Abstract

【課題】組立工程やマウント工程で急熱、急冷を受けた場合でも歪むことなく、構造的に強く、安定した特性を得ることができるようにする。【解決手段】例えば、ハンドル基板１１の上面側に外段差１１ｄ（Ｄａ）が形成され、この外段差１１ｄに嵌合する形で、可動電極１３と固定電極１５がエアーギャップ７を介して支持層１４により支持された構造体が形成され、段差部Ｄａでハンドル基板１１と構造体が嵌まり込むメサ型とすることにより、全体の構造的な強度を高めることができる。更に、構造強化のために、固定電極１５の外側の保護膜１６と同じ材料である窒化膜１９をハンドル基板１１の裏面に設ける。【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等の各種センサとして用いられるＭＥＭＳ素子の構造及びその製造方法に関する。

従来から、トランスデューサ、マイクロフォン、センサ、アクチュエータ等に、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）素子が用いられる。例えば、電子機器に使われるトランスデューサ（マイクロフォン装置等）は、携帯電話やパーソナルコンピュータ、また車載器等にも搭載されている。

図９に、マイクロフォン装置（コンデンサマイクロフォン）として用いられる従来のトランスデューサの構成が示されており、図９において、符号の１はハンドル基板、２は酸化膜、３は可動電極、４は支持層、５は複数の音孔を有する固定電極、６は保護膜、７はエアーギャップ、８はキャビティである。このようなトランスデューサによれば、可動電極３と固定電極５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３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ことができる。

特開２０１４−２３３０５９号公報

通常、トランスデューサは、図９の構成部分の形成工程を完了した後、回路基板上に他の部品と共に組み付ける組立工程が実施されるが、この組立では摂氏１００℃を超える工程があり、更にその後もプロダクトラインに送られてソルダー工程、リフロー工程等を経て、パッケージングされる。
このため、トランスデューサは、急熱や急冷等を受け、パッケージ基材との熱膨張や熱収縮の物性の違いにより、トランスデューサには引っ張られたり押されたり等の外力が加わり、上記可動電極３と固定電極５との間の距離（エアーギャップ７の間隔）が一定に保てない等の問題が生じ、安定した特性が得られない場合があった。

図１０には、ＭＥＭＳ素子へかかる外力の一例が示されており、図１０（ａ）のように、トランスデューサは、回路基板（ＰＣＢ）５０に接着剤５１を介して接着した場合、例えば急熱を受けると、図１０（ｂ）のようにハンドル基板１への内側への外力により可動電極３と固定電極５の構造体が内側に歪み、また急冷を受けると、図１０（ｃ）のようにハンドル基板１への外側への外力により可動電極３と固定電極５の構造体が外側に歪み、特に可動電極３と固定電極５との距離（平行配置）に影響を与えることになる。

従来のトランスデューサの場合、音圧を受けて振動する可動電極３とこれに対向する固定電極５との距離はできるだけ一定になるようにウェーハ工程で工夫がなされているが、組立工程やマウント工程での温度変化により、平行配置される可動電極３と固定電極５の構造体に歪みが生じることになるため、外力に対して強い、熱耐性のあるトランスデューサが望まれている。

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、組立工程やマウント工程で急熱、急冷を受けた場合でも歪むことなく、構造的に強く、安定した特性を得ることができるＭＥＭＳ素子及びその製造方法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の発明は、可動電極と固定電極を支持層により所定のエアーギャップを持って配置した構造体と、中央部にキャビティを有するハンドル基板と、を備え、上記ハンドル基板上に上記構造体を配置するＭＥＭＳ素子において、上記ハンドル基板の上面側に形成された外段差又は凹部と、上記構造体の下側に形成された上記ハンドル基板側の外段差又は凹部に嵌合する段差又は凸部とにより、上記ハンドル基板と構造体とを嵌合配置することを特徴とするＭＥＭＳ素子。
請求項２の発明は、可動電極と固定電極を支持層により所定のエアーギャップを持って配置した構造体と、中央部にキャビティを有するハンドル基板と、を備え、上記ハンドル基板上に上記構造体を配置するＭＥＭＳ素子において、上記ハンドル基板の上面側に形成された内段差と、上記構造体の下側に形成された上記ハンドル基板側の内段差に嵌合する段差とにより、上記ハンドル基板と構造体とを嵌合配置することを特徴とする。
請求項３の発明は、上記構造体の表面側に位置する上記可動電極又は固定電極の一方の上に形成された保護膜と、上記ハンドル基板の下面に形成された上記構造体とハンドル基板の組立て体の構造を強化する膜とを備え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、ハンドル基板上に、外段差又は凹部を形成する工程と、上記ハンドル基板上に、酸化膜を介して上記ハンドル基板側の外段差又は凹部に嵌合する下部支持層を形成する工程と、上記ハンドル基板及び下部支持層の上に可動電極又は固定電極の一方の電極を形成する工程と、上側支持層となる犠牲層を介して上記一方の電極に対し所定の間隔を持って上記可動電極又は固定電極の他方の電極を形成する工程と、上記ハンドル基板の中央部にキャビティを開けると共に、上記犠牲層の一部を除去し、上記可動電極−固定電極間に所定のエアーギャップを形成する工程と、を含んでなることを特徴とする。
請求項５の発明に係るＭＥＭＳ素子の製造方法は、ハンドル基板上に、内段差を形成する工程と、上記ハンドル基板上に、酸化膜を介して可動電極又は固定電極の一方の電極を形成する工程と、上記ハンドル基板側の内段差に嵌合し、支持層となる犠牲層を形成する工程と、上記犠牲層を介して上記一方の電極に対し所定の間隔を持って上記可動電極又は固定電極の他方の電極を形成する工程と、上記ハンドル基板の中央部にキャビティを開けると共に、上記犠牲層の一部を除去し、上記可動電極と固定電極との間に所定のエアーギャップを形成する工程と、を含んでなることを特徴とする。
請求項６の発明に係る製造方法は、表面側に位置する上記可動電極又は固定電極の一方の上に保護膜を形成すると共に、上記ハンドル基板の下面に、素子全体の構造を強化する膜を形成したことを特徴とする。

以上の構成によれば、第１の構造では、ハンドル基板の上面側に外段差（外側に下がる段差）が形成され、この外段差に嵌合する形で、可動電極と固定電極がエアーギャップを介して支持層により支持された構造体が形成され、ハンドル基板の外段差に構造体の段差が嵌まり込むメサ型とすることにより、全体の構造的な強度を高めることができる。なお、上記ハンドル基板側の外段差を凹部とし、この凹部に構造体側の凸部を嵌合させる構成としてもよい。

第２の構造では、ハンドル基板の上面側に内段差（内側に下がる段差）が形成され、この内段差に嵌合する形で、可動電極と固定電極がエアーギャップを介して支持層により支持された構造体が形成され、ハンドル基板の内段差に構造体の段差が嵌まり込んで形成されたプレーナ型とすることにより、全体の構造的な強度を高めることができる。なお、固定電極と可動電極の位置関係は、固定電極が表面側に配置される場合、可動電極が表面側に配置される場合のいずれでもよい。

また、上記の第１及び第２の構造において、固定電極（又は可動電極）の上に保護膜を形成する場合に、ＭＥＭＳ素子の反対側となるハンドル基板の下面に、保護膜と同等の材料からなる膜で、ハンドル基板の材料よりも熱膨張係数の小さな膜、例えば窒化膜を形成することにより、全体の構造を更に強化することができる。

本発明によれば、ハンドル基板と構造体を段差等により嵌合して形成するので、またハンドル基板の下部に強化膜を設けるので、組立工程やマウント工程で急熱、急冷を受けた場合でも歪むことなく、構造的に強く、安定した特性のＭＥＭＳ素子を得ることができる。

本発明に係る第１実施例のＭＥＭＳ素子の構成を示す断面図である。第１実施例の構成を示し、図（ａ）は断面図、図（ｂ）は上面図である。第１実施例のＭＥＭＳ素子の製造方法で、その前半の工程を示す断面図である。第１実施例のＭＥＭＳ素子の製造方法で、その後半の工程を示す断面図である。本発明に係る第２実施例のＭＥＭＳ素子の構成を示す断面図である。第２実施例の構成を示し、図（ａ）は断面図、図（ｂ）は上面図である。第２実施例のＭＥＭＳ素子の製造方法で、その前半の工程を示す断面図である。第２実施例のＭＥＭＳ素子の製造方法で、その後半の工程を示す断面図である。従来のＭＥＭＳ素子の構成を示す断面図である。従来のＭＥＭＳ素子製作後の組立工程等での外力の影響を示し、図（ａ）は常温時、図（ｂ）は急熱時、図（ｃ）は急冷時の状態である。

図１,図２に、第１実施例のＭＥＭＳ素子の１例としてのコンデンサマイクロフォン装置の構成が示されており、図１の符号１１はシリコンからなるハンドル基板、１２は酸化膜、１３は可動電極、１４は支持層、１５は複数の音孔（アコースティックホール）ｈを有する固定電極、１６は窒化膜からなる保護膜、７はエアーギャップ、８はキャビティ、１９は窒化膜［強化膜：ハンドル基板よりも熱膨張係数が小さい膜］、３１は可動電極用取出し電極、３２は固定電極用取出し電極である。
上記ハンドル基板１１の上に、上側の基準面から外側へ下がる外段差が形成され、固定電極１３と支持層１４（構造体）には、ハンドル基板側の外段差に嵌合する段差が形成されることにより、段差部Ｄａでハンドル基板１１と固定電極１３及び支持層１４の部分が嵌合配置される。

次に、図３及び図４に基づき、第１実施例のＭＥＭＳ素子の製造について説明する。
図３（ａ）では、ハンドル基板１１を投入してプロセスを開始し、最初にフォトリソグラフィーとエッチングにより、ハンドル基板１１の周辺を約５ミクロン程、除去することにより、外段差１１ｄを形成する。この外段差１１ｄは、後のキャビティーエッチングでキャビティ８が重ならないように設計される。
図３（ｂ）では、ハンドル基板１１の上に、熱酸化膜１２を１ミクロン程、成長させておき、その後、ＣＶＤ（化学蒸着）法にて６〜７ミクロン程、支持層１４の一部を形成するためのＳｉＯ_２膜（１４ａ）を堆積する。
図３（ｃ）では、ＣＭＰ（化学機械研磨）法により、ＳｉＯ_２膜（１４ａ）の上側をハンドル基板１１の酸化膜１２が露出するまで削り、表面が平坦化された下部支持層１４ａを形成する。
図３（ｄ）では、ハンドル基板１及び下部支持層１４ａの上に、可動電極１３となる不純物添加ポリシリコンを形成する。この可動電極１３の形成としては、イオン注入法、ＣＶＤ法からの拡散法等がある。その後、ＣＶＤ法にて上部支持層となる犠牲層１４ｂを３ミクロン程、堆積させておく。
図３（ｅ）では、犠牲層１４ｂの上に、固定電極１５となる不純物添加ポリシリコンを堆積し、フォトリソグラフィーとエッチングにより不要部分を除去して音孔ｈとなる孔を有する固定電極１５を形成する。

次に、図４（ｆ）では、表面保護のためのレジストやＳｉＯ_２膜をＣＶＤ法で付けておき、ＣＭＰにかけてハンドル基板１１の裏面を所望の厚さまで削り、その後、表面保護のためのレジストやＳｉＯ_２膜をエッチングする。
図４（ｇ）では、固定電極１５及び犠牲層１４ｂの上に、保護膜１６としての窒化膜を堆積させると共に、ハンドル基板１１の裏面にも、強化膜として窒化膜１９を堆積させる。この窒化膜１９は、シリコンからなるハンドル基板１１よりも熱膨張係数が小さく、急熱、急冷等による全体の構造体の変形を抑制する効果を奏する。
図４（ｈ）では、固定電極１５及び保護膜１６に音孔ｈを開ける。
図４（ｉ）では、フォトリソグラフィーとエッチングにより、可動電極１３に接続される可動電極用取出し電極３１、固定電極１５に接続される固定電極用取出し電極３２を形成し、必要な配線を施す。
図４（ｊ）では、ハンドル基板１１の中央にフォトリソグラフィーとエッチングによりキャビティ８を開口し、その後、フッ酸によって犠牲層１４ｂの一部を除去することにより上部支持層（１４）を形成し、可動電極１３と固定電極１５との間にエアーギャップ７を形成する。

このようにして、第１実施例では、ハンドル基板１１に形成した外段差１１ｄに対して、支持層１４により形成された段差が段差部Ｄａで嵌合・接着することにより、可動電極１３、支持層１４及び固定電極１５からなる構造体がハンドル基板１１の上に成形され、また素子表面側の固定電極１５の窒化膜と同じ窒化膜をハンドル基板１１の裏面に設ける（ハンドル基板の材料よりも熱膨張係数が小さい材料の膜を設ける）ことにより、急熱（１００℃以上）、急冷等に対する熱耐性があり、引っ張られたり押されたりする外力に対抗する構造的に強いＭＥＭＳ素子を得ることができる。

第１実施例では、ハンドル基板１１の外段差１１ｄを用いて構造体を嵌合配置したが、図１の点線で示されるように、ハンドル基板１１に凹部１１ｅを形成し、この凹部１１ｅに構造体に形成された凸部（可動電極１３と支持層１４からなる部分）を嵌合して、強固なＭＥＭＳ素子を得ることも可能である。

図５，図６に、第２実施例のコンデンサマイクロフォン装置の構成が示されており、符号２１はシリコンからなるハンドル基板、２２は酸化膜、２３は可動電極、２４は支持層、２５は複数の音孔（アコースティックホール）ｈを有する固定電極、２６は窒化膜からなる保護膜、７はエアーギャップ、８はキャビティ、２９は窒化膜（強化膜）、４１は可動電極用取出し電極、４２は固定電極用取出し電極である。
上記ハンドル基板２１の上に、基準面（上面）から内側へ下がる内段差２１ｄが形成され、固定電極２３と支持層２４（構造体）には、ハンドル基板側の内段差２１ｄに嵌合する段差が形成されることにより、段差部Ｄｂでハンドル基板２１と固定電極２３及び支持層２４の部分が嵌合配置される。

次に、図７及び図８に基づき、第２実施例のＭＥＭＳ素子の製造について説明する。
図７（ａ）では、ハンドル基板２１を投入してプロセスを開始し、ハンドル基板２１の中央部をフォトリソグラフィーとエッチングにより除去し、深さ４ミクロン程度の内段差２１ｄを形成する。この内段差２１ｄは、後のキャビティーエッチングでキャビティ８が重ならないように設計する。また、その後の工程で、可動電極２３の引出し用に配線を通す部分２１ｅに約１ミクロンのエッチングも併せて実施し、これにより出来上がりの段差をなくすようにする。
図７（ｂ）では、ハンドル基板２１の上に、熱酸化膜２２を１ミクロン程、成長させ、その上に、可動電極２３となる不純物添加ポリシリコンを形成する。ここでは、内段差２１ｄの部分をエッチングするためにスプレイレジストコータを用いて不純物添加ポリシリコンのパターニングを実施する。
図７（ｃ）では、４ミクロン程度の内段差２１ｄを埋めるために、気相成長式のＣＶＤ膜を使い、支持層となる犠牲層２４ａを形成し、
図７（ｄ）では、ＣＭＰ法にて、可動電極２３の引出し電極部分が露出されないように、上面の平坦化を実施する。
図７（ｅ）では、固定電極２５となる不純物添加ポリシリコンを堆積し、フォトリソグラフィーとエッチングにより不要部分を除去して、音孔ｈとなる孔を有する固定電極２５を形成する。

次に、図８（ｆ）では、ＣＭＰ法にてハンドル基板２１の裏面を所望の厚さになるように削る。
図８（ｇ）では、固定電極２５、支持層２４及び酸化膜２２の上に、保護膜２６としての窒化膜を堆積させると共に、ハンドル基板２１の裏面にも、強化膜としての窒化膜２９を堆積させる。更に、音孔ｈと、可動電極２３の取出し電極部、固定電極２５の取出し電極部の保護膜２６をフォトリソグラフィーとエッチングにより除去する。
図８（ｈ）では、配線としてアルミニウムをスパッタし、電極部にアルミニウムを残すようにフォトリソグラフィーとエッチングを実施し、可動電極２３の取出し電極４１と固定電極２５の取出し電極４２を形成する。
図８（ｉ）では、ハンドル基板２１の裏側に、フォトリソグラフィーとエッチングによりキャビティ８を形成し、
図８（ｊ）では、フッ酸にて犠牲層２４ａの一部を除去することにより、支持層２４を形成し、可動電極２３と固定電極２５との間にエアーギャップ７を形成する。

このようにして、第２実施例では、ハンドル基板２１に形成した内段差２１ｄに対して、可動電極２３及び支持層２４により形成された構造体の段差が段差部Ｄａで嵌合・接着することにより、可動電極２３、支持層２４及び固定電極２５からなる構造体がハンドル基板２１の上に成形され、また素子表面側の固定電極２５の保護膜２６と同じ窒化膜（ハンドル基板２１の材料よりも熱膨張係数が小さい材料の膜）２９をハンドル基板２１の裏面に設けることにより、熱耐性があり、構造的に強いＭＥＭＳ素子を得ることができる。

上記第１及び第２の実施例では、図４（ｆ）、図８（ｆ）に示されるように、ハンドル基板１１，２１の裏面を削って、所望の厚さにしたが、ハンドル基板の最終的な厚さに合わせた薄いハンドル基板１１，２１を用いてウェーハ工程を実施することにより、ハンドル基板１１，２１の裏面を削る工程をなくすこともできる。
また、上記実施例では、可動電極１３，２３を内側、固定電極１５，２５を外側に配置したが、反対に固定電極１５，２５を内側、可動電極１３，２３を外側に配置する構成としてもよい。

１，１１，２１…ハンドル基板、２,１２，２２…酸化膜、
３，１３，２３…可動電極、
４，１４，２４…支持層、５，１５，２５…固定電極、
６，１６，２６…保護膜、７…エアーギャップ、
８…キャビティ、１１ｄ…外段差、
１１ｅ…凹部、２１ｄ…内段差、
１９，２９…窒化膜、ｈ…音孔、
Ｄａ，Ｄｂ…段差部。

Claims

可動電極と固定電極を支持層により所定のエアーギャップを持って配置した構造体と、中央部にキャビティを有するハンドル基板と、を備え、上記ハンドル基板上に上記構造体を配置するＭＥＭＳ素子において、
上記ハンドル基板の上面側に形成された外段差又は凹部と、上記構造体の下側に形成された上記ハンドル基板側の外段差又は凹部に嵌合する段差又は凸部とにより、上記ハンドル基板と構造体とを嵌合配置することを特徴とするＭＥＭＳ素子。
可動電極と固定電極を支持層により所定のエアーギャップを持って配置した構造体と、中央部にキャビティを有するハンドル基板と、を備え、上記ハンドル基板上に上記構造体を配置するＭＥＭＳ素子において、
上記ハンドル基板の上面側に形成された内段差と、上記構造体の下側に形成された上記ハンドル基板側の内段差に嵌合する段差とにより、上記ハンドル基板と構造体とを嵌合配置することを特徴とするＭＥＭＳ素子。
上記構造体の表面側に位置する上記可動電極又は固定電極の一方の上に形成された保護膜と、
上記ハンドル基板の下面に形成された上記構造体とハンドル基板の組立て体の構造を強化する膜とを備えたことを特徴とする請求項１又は２記載のＭＥＭＳ素子。
ハンドル基板上に、外段差又は凹部を形成する工程と、
上記ハンドル基板上に、酸化膜を介して上記ハンドル基板側の外段差又は凹部に嵌合する下部支持層を形成する工程と、
上記ハンドル基板及び下部支持層の上に可動電極又は固定電極の一方の電極を形成する工程と、
上側支持層となる犠牲層を介して上記一方の電極に対し所定の間隔を持って上記可動電極又は固定電極の他方の電極を形成する工程と、
上記ハンドル基板の中央部にキャビティを開けると共に、上記犠牲層の一部を除去し、上記可動電極−固定電極間に所定のエアーギャップを形成する工程と、を含んでなるＭＥＭＳ素子の製造方法。
ハンドル基板上に、内段差を形成する工程と、
上記ハンドル基板上に、酸化膜を介して可動電極又は固定電極の一方の電極を形成する工程と、
上記ハンドル基板側の内段差に嵌合し、支持層となる犠牲層を形成する工程と、
上記犠牲層を介して上記一方の電極に対し所定の間隔を持って上記可動電極又は固定電極の他方の電極を形成する工程と、
上記ハンドル基板の中央部にキャビティを開けると共に、上記犠牲層の一部を除去し、上記可動電極と固定電極との間に所定のエアーギャップを形成する工程と、を含んでなるＭＥＭＳ素子の製造方法。
表面側に位置する上記可動電極又は固定電極の一方の上に保護膜を形成すると共に、
上記ハンドル基板の下面に、素子全体の構造を強化する膜を形成したことを特徴とする請求項４又は５記載のＭＥＭＳ素子の製造方法。