JP2020092219A

JP2020092219A - Ｍｅｍｓ素子

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Publication number: JP2020092219A
Application number: JP2018229678A
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: 2018-12-07
Filing date: 2018-12-07
Publication date: 2020-06-11
Anticipated expiration: 2038-12-07
Also published as: JP7173663B2

Abstract

【課題】ＭＥＭＳ素子のハンドル基板に力が加わった場合でも特性変動の少ないＭＥＭＳ素子を提供する。【解決手段】熱膨張係数の小さい支持膜７と変形可能な連結部材６を介してハンドル基板１上に可動電極膜５を配置する構造のため、熱収縮等によりハンドル基板１に寸法変動があったとしても、その寸法変動による応力を支持膜７が抑制し、さらに連結部材６が変形することで吸収し、可動電極膜５にその応力が伝わることがなく、出力特性の変動を抑制することが可能となる。【選択図】図１

Description

本発明はＭＥＭＳ素子に関し、特にマイクロフォン、各種センサ等として用いられるＭＥＭＳ素子に関する。

半導体プロセスを用いたＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)素子として、半導体基板上に可動電極、犠牲層および固定電極を形成した後、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）構造が形成された容量型のＭＥＭＳ素子が知られている。

例えば、容量型のＭＥＭＳ素子では、複数の貫通孔を備えた固定電極と、音圧等を受けて振動する可動電極とを対向して配置し、振動によ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。この種のＭＥＭＳ素子は、例えば特許文献１に記載されている。

従来のＭＥＭＳ素子の動作を図１０に模式的に示す。ハンドル基板２１上に絶縁膜２２を介して導電性の可動電極を含む可動電極膜２３（振動膜に相当）と導電性の固定電極を含む固定電極膜２４がスペーサー２５を介して配置され、音圧等を受けて可動電極膜２３が振動すると、固定電極膜２４との間の距離が変化し、固定電極膜２４の固定電極と可動電極膜２３の可動電極との間で形成されているキャパシタの容量値が変化する。この容量値を図示しない電極から取り出すことで、可動電極膜２３が受ける音圧等に応じた出力信号を得ることが可能となる。

特開２０１１−５５０８７号公報

従来のＭＥＭＳ素子は、熱膨張や熱収縮によりハンドル基板２１の寸法が変動し、可動電極膜２３を変形させ、可動電極膜２３が固定電極膜２４に近づくあるいは離れるという変位が生じる。そのため、可動電極膜２３と固定電極膜２４との間の寸法が変動して出力特性が変動してしまうという問題があった。本発明はこのような問題点を解消し、ＭＥＭＳ素子のハンドル基板に寸法変動があった場合でも特性変動の少ない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、バックチャンバーを備えたハンドル基板上に、固定電極を含む固定電極膜と可動電極を含む可動電極膜とが対向配置しているＭＥＭＳ素子において、前記固定電極膜は、スペーサーを介して前記ハンドル基板上に配置し、前記可動電極膜は、前記固定電極膜と前記ハンドル基板の間に配置し、前記バックチャンバーを囲むように前記ハンドル基板表面に配置された該ハンドル基板よりも熱膨張係数の小さい支持膜上に、前記ハンドル基板が変形したときに前記可動電極が変位しないように変形可能な連結部材を配置し、前記支持膜と前記連結部材により前記可動電極と前記ハンドル基板とを接続し、前記可動電極膜と対向する前記ハンドル基板の一部は導電性領域であり、該導電性領域上に少なくとも１つの前記連結部材と引出電極を配置し、前記可動電極と前記引出電極とを前記少なくとも１つの連結部材と前記導電性領域により電気的に接続してい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記載のＭＥＭＳ素子において、前記連結部材は、第１の端部と、該第１の端部から立ち上がる第１の立ち上がり部と、第２の端部と、該第２の端部から立ち上がる第２の立ち上がり部と、前記第１の立ち上がり部の他端と前記第２の立ち上がり部の他端とを接続する頂部とからなるアーチ形状であり、前記頂部が前記可動電極に接続し、前記第１の端部が前記バックチャンバーの中心と反対方向に延出し、前記第２の端部が前記バックチャンバーの中心方向に延出し、それぞれ前記支持膜に接続するとともに前記第１の端部あるいは前記第２の端部の少なくとも一部が前記導電性領域に接続していることを特徴とする。

本願請求項３に係る発明は、請求項２記載のＭＥＭＳ素子において、前記連結部材は、少なくとも前記第２の端部および前記第２の立ち上がり部を除いた前記第１の端部、前記第１の立ち上がり部および前記頂部とからなり、前記第１の端部が前記導電体領域に接続している第１型の連結部材、または、少なくとも前記第１の端部および前記第１の立ち上がり部を除いた前記第２の端部、前記第２の立ち上がり部および前記頂部とからなり、前記第２の端部が前記導電性領域に接続している第２型の連結部材のいずれかからなることを特徴とする。

本願請求項４に係る発明は、請求項３記載のＭＥＭＳ素子において、前記連結部材は、前記第１型の連結部材および前記第２型の連結部材からなり、該第１型の連結部材と該第２型の連結部材とが交互かつ前記バックチャンバーを挟んで対向する位置に同じ型の連結部材を配置していることを特徴とする。

本願請求項５に係る発明は、請求項１乃至請求項４いずれか記載のＭＥＭＳ素子において、複数の前記連結部材のうち少なくとも１つを柱状とし、該柱状の連結部材を前記導電性領域上に配置することを特徴とする。

本発明のＭＥＭＳ素子は、熱収縮等によりハンドル基板に寸法変動があった場合でも、熱膨張係数の小さな支持膜および変形可能な連結部材を介してハンドル基板上に可動電極膜を配置するため、ハンドル基板の寸法変動により生じる応力を支持膜が抑制し、連結部材が変形して吸収することで、熱収縮等による可動電極膜への影響をなくし、安定した出力特性のＭＥＭＳ素子を得ることができる。

また、連結部材のうち１つを柱状とし、ハンドル基板の一部に形成した導電性領域上に配置し、出力信号を得る構造とすることで、可動電極と引出電極との導通経路を確保することができ、安定した出力特性かつ高出力のＭＥＭＳ素子を得ることができる。

さらにまた、本発明のＭＥＭＳ素子は、支持膜をＳｉＯ₂やＳｉＮで構成することで、通常の半導体装置の製造工程でのみで形成することができるため、非常に簡便にＭＥＭＳ素子を形成することができるという利点がある。

本発明の第１の実施例のＭＥＭＳ素子を説明する図である。本発明の第１の実施例のＭＥＭＳ素子の一部拡大図である。本発明の第１の実施例のＭＥＭＳ素子を説明する図である。本発明の第２の実施例のＭＥＭＳ素子を説明する図である。本発明の第２の実施例のＭＥＭＳ素子の一部拡大図である。本発明の第３の実施例のＭＥＭＳ素子を説明する図である。本発明の第３の実施例のＭＥＭＳ素子の一部拡大図である。本発明の第５の実施例のＭＥＭＳ素子を説明する図である。本発明の第５の実施例のＭＥＭＳ素子を説明する図である。一般的なＭＥＭＳ素子の動作を説明する図である。

本発明のＭＥＭＳ素子は、熱膨張係数の小さな支持膜および変形可能な連結部材を介してハンドル基板上に可動電極膜を配置する構造のため、熱収縮等によりハンドル基板に寸法変動があったとしても、その寸法変動により生じる応力を支持膜が抑制し、さらに連結部材が変形することで吸収し、可動電極膜にその応力が伝わることがなく、可動電極膜が変位することがないので、出力特性の変動を抑制することが可能となる。以下、本発明の実施例について詳細に説明する。

本発明の第１の実施例について説明する。図１は本発明の第１の実施例の説明図である。図１に示すように本実施例のＭＥＭＳ素子は、例えばシリコン基板からなるハンドル基板１上に絶縁膜２およびスペーサー３を介して、固定電極を含む固定電極膜４を配置している。一方可動電極を含む可動電極膜５は連結部材６および支持膜７を介して、ハンドル基板１上に固定電極膜４と対向するように配置している。連結部材６は、変形可能であって導電性を有しており、例えばドープドポリシリコン等で形成することができる。また支持膜７は、ハンドル基板１よりも熱膨張係数が小さいものであって、例えばＳｉＯ₂やＳｉＮ等で形成することができる。

図２は、可動電極膜５、連結部材６、支持膜７および導電性領域８の一部拡大図である。図２に示すように連結部材６は、第１の端部６Ａ、第１の立ち上がり部６Ｂ、頂部６Ｃ、第２の立ち上り部６Ｄおよび第２の端部６Ｅからなり可動電極膜５側に凸となるアーチ形状であり、第１の端部６Ａがバックチャンバー９の中心と反対方向に延出し、ハンドル基板１上に形成された導電性領域８に接続しており、第２の端部６Ｅはバックチャンバー９の中心方向に延出し、ハンドル基板１上に形成された支持膜７に接続し、頂部６Ｃが可動電極膜５に接続している。

図３は、可動電極膜５、連結部材６、支持膜７、導電性領域８およびハンドル基板１の配置を示す図である。図３に示すように、バックチャンバー９を囲むようにハンドル基板１上に支持膜７を形成し、この支持膜７上に連結部材６を形成し、支持膜７および連結部材６により可動電極膜５を支持している。また、図１、図２および図３示すように、１つの連結部材６の第２の端部６Ｅを支持膜７上に配置し、第１の端部６Ａをハンドル基板１の一部に形成した導電性領域８上に配置し、この導電性領域８が引出電極１０とも接続している。ここで、連結部材６は導電性を有しているため、可動電極膜５を構成する可動電極と引出電極１０とが連結部材６および導電性領域８を介して電気的に接続している。なお、図２に示す例では連結部材６の第１の端部６Ａを導電性領域８上に配置し、第２の端部６Ｅを支持膜７上に配置したものを記載したが、第１の端部６Ａあるいは第２の端部６Ｅの少なくとも一部が導電性領域８に配置していればよい。また、図３に示す例では導電性領域８上に連結部材６を１つ配置したものを記載したが、導電性領域８を広く形成し導電性領域８上に複数の連結部材を配置してもよい。ただし、導電性領域８は支持膜７と比較して熱膨張係数が大きいため、支持膜７形成領域の一部に形成される導電性領域８の大きさや配置は、支持膜７の効果を損なわないよう適宜設定されることになる。さらにまた、図３に示す例では連結部材６を８つ配置したものを記載したが、２つ以上配置すればよく、バランスよく配置すればよい。

このような構造の本発明のＭＥＭＳ素子は、可動電極膜５がバックチャンバー９を囲むようにハンドル基板１に形成したハンドル基板１よりも熱膨張係数の小さい支持膜７と、この支持膜７上に形成したアーチ形状の変形可能な連結部材６とを介してハンドル基板１上に配置された構造であることから、熱収縮等によりハンドル基板１に寸法変動があったとしても、支持膜７はハンドル基板１よりも熱膨張係数が小さく、熱収縮等による寸法変動が小さいため、ハンドル基板１の寸法変動により生じる応力が連結部材６に伝わることを抑制し、さらに連結部材６が変形することで吸収し、可動電極膜５にその応力が伝わることがなくなる。つまり、ハンドル基板１の寸法変動により可動電極膜５が固定電極膜４に近づくあるいは離れるという変位が生じることがなく、出力特性の変動を抑制することが可能となり、安定した出力特性を得ることができる。

次に本発明の第２の実施例について説明する。図４は本発明の第２の実施例のＭＥＭＳ素子の説明図であり、図５は可動電極膜５、連結部材６−ａ（第１型の連結部材に相当）、支持膜７および導電性領域８の一部拡大図である。図４および図５に示すように本実施例のＭＥＭＳ素子は、上記第１の実施例におけるアーチ形状の連結部材６の第２の端部６Ｅと第２の立ち上がり部６Ｄを除き、バックチャンバー９の中心と反対方向に延出する第１の端部６Ａ、第１の立ち上がり部６Ｂおよび頂部６Ｃで構成する形状とし、頂部６Ｃが可動電極膜５に接続し、第１の端部６Ａが前記ハンドル基板１上に形成された導電性領域８に接続する構造としている。

このような構造の本発明のＭＥＭＳ素子は、上記第１の実施例と同様に、可動電極膜５がバックチャンバー９を囲むようにハンドル基板１に形成したハンドル基板１よりも熱膨張係数の小さい支持膜７と、この支持膜７上に形成した変形可能な連結部材６−ａとを介してハンドル基板１上に配置された構造であることから、熱収縮等によりハンドル基板１に寸法変動があったとしても、支持膜７はハンドル基板１よりも熱膨張係数が小さく、熱収縮等による寸法変動が小さいため、ハンドル基板１の寸法変動により生じる応力が連結部材６−ａに伝わることを抑制し、さらに連結部材６−ａが変形することで吸収し、可動電極膜５にその応力が伝わることがなくなる。つまり、ハンドル基板１の寸法変動により可動電極膜５が固定電極膜４に近づくあるいは離れるという変位が生じることがなく、出力特性の変動を抑制することが可能となり、安定した出力特性を得ることができる。

次に本発明の第３の実施例について説明する。図６は本発明の第３の実施例のＭＥＭＳ素子の説明図であり、図７は可動電極膜５、連結部材６−ｂ（第２型の連結部材に相当）、支持膜７および導電性領域８の一部拡大図である。図６および図７に示すように本実施例のＭＥＭＳ素子は、上記第１の実施例におけるアーチ形状の連結部材６の第１の端部６Ａと第１の立ち上がり部６Ｂを除き、バックチャンバー９の中心方向に延出する第２の端部６Ｅ、第２の立ち上がり部６Ｄおよび頂部６Ｃで構成する形状とし、頂部６Ｃが可動電極膜５に接続し、第２の端部６Ｅが前記ハンドル基板１上に形成された導電性領域８に接続する構造としている。

このような構造の本発明のＭＥＭＳ素子は、上記第１および第２の実施例と同様に、可動電極膜５がバックチャンバー９を囲むようにハンドル基板１に形成したハンドル基板１よりも熱膨張係数の小さい支持膜７と、この支持膜７上に形成した変形可能な連結部材６−ｂとを介してハンドル基板１上に配置された構造であることから、熱収縮等によりハンドル基板１に寸法変動があったとしても、支持膜７はハンドル基板１よりも熱膨張係数が小さく、熱収縮等による寸法変動が小さいため、ハンドル基板１の寸法変動により生じる応力が連結部材６−ｂに伝わることを抑制し、さらに連結部材６−ｂが変形することで吸収し、可動電極膜５にその応力が伝わることがなくなる。つまり、ハンドル基板１の寸法変動により可動電極膜５が固定電極膜４に近づくあるいは離れるという変位が生じることがなく、出力特性の変動を抑制することが可能となり、安定した出力特性を得ることができる。

次に本発明の第４の実施例について説明する。本実施例のＭＥＭＳ素子は、上記第２の実施例における連結部材６−ａと上記第３の実施例における連結部材６−ｂを交互に配置し、かつバックチャンバー８を挟んで向かい合う連結部材は同じ形状のものを配置する構造とすることも可能である。

このような構造の本発明のＭＥＭＳ素子は、上記第１乃至第３の実施例と同様に、可動電極膜５がバックチャンバー９を囲むようにハンドル基板１に形成したハンドル基板１よりも熱膨張係数の小さい支持膜７と、この支持膜７上に形成した変形可能な連結部材６−ａ、６−ｂとを介してハンドル基板１上に配置された構造であることから、熱収縮等によりハンドル基板１に寸法変動があったとしても、支持膜７はハンドル基板１よりも熱膨張係数が小さく、熱収縮等による寸法変動が小さいため、ハンドル基板１の寸法変動により生じる応力が連結部材６−ａ、６−ｂに伝わることを抑制し、さらに連結部材６−ａ、６−ｂが変形することで吸収し、可動電極膜５にその応力が伝わることがなくなる。つまり、ハンドル基板１の寸法変動により可動電極膜５が固定電極膜４に近づくあるいは離れるという変位が生じることがなく、出力特性の変動を抑制することが可能となり、安定した出力特性を得ることができる。

次に本発明の第５の実施例について説明する。図８は本発明の第５の実施例のＭＥＭＳ素子の説明図であり、図９は図８に示す可動電極膜５、連結部材６、支持膜７、ハンドル基板１および導電性領域８の配置を示す図である。図８および図９に示すように本実施例のＭＥＭＳ素子は、上記第１の実施例における連結部材６のうち少なくとも１つを柱状の連結部材１１とし、導電性領域８上に配置する構造としている。ここで、図９に示す例では導電性領域８上に柱状の連結部材１１を１つ配置したものを記載したが、柱状の連結部材１１は１つに限るものではない。ただし、アーチ形状の変形可能な連結部材６と比較して変形性が劣るため、配置する数はおのずと制限されることになる。なお、図９に示す例では、柱状の連結部材１１が円柱であるものを記載したが、角柱であってもよい。また、図８および図９に示す例では、柱状以外の連結部材６の形状が第１の実施例で説明した形状であるアーチ形状のものを記載したが、第２〜第４の実施例で説明した連結部材の形状、配置であってもよい。

このような構造の本発明のＭＥＭＳ素子は、上記第１乃至第４の実施例と同様に、可動電極膜５がバックチャンバー９を囲むようにハンドル基板１に形成したハンドル基板１よりも熱膨張係数の小さい支持膜７と、この支持膜７上に形成したアーチ形状の変形可能な連結部材６とを介してハンドル基板１上に配置された構造であることから、熱収縮等によりハンドル基板１に寸法変動があったとしても、支持膜７はハンドル基板１よりも熱膨張係数が小さく、熱収縮等による寸法変動が小さいため、ハンドル基板１の寸法変動により生じる応力が連結部材６に伝わることを抑制し、さらに連結部材６が変形することで吸収し、可動電極膜５にその応力が伝わることがなくなり、安定した出力特性を得ることができるとともに、連結部材６のうち少なくとも１つを柱状の連結部材１１とし、導電性領域８上に配置する構造のため、可動電極膜５を構成する可動電極あるいは引出電極１０と導電性領域８の電気的接続が強くなり、上記実施例と比べて高出力を得ることができる。

以上本発明の実施例について説明したが、本発明の上記実施例に限定されるものでないことは言うまでもなく、具体的には、支持膜はハンドル基板の寸法変動による応力を抑制すればよく、支持膜の大きさ、配置等は適宜変更可能であり、連結部材はハンドル基板の寸法変動による応力を変形することで吸収すればよく、連結部材の大きさ、配置等は適宜変更可能である。

１：ハンドル基板、２：絶縁膜、３：スペーサー、４：固定電極膜、５：可動電極膜、６，６−ａ，６−ｂ：連結部材、６Ａ：第１の端部、６Ｂ：第１の立ち上がり部、６Ｃ：頂部、６Ｄ：第２の立ち上がり部、６Ｅ：第２の端部、７：支持膜、８：導電性領域、９：バックチャンバー、１０：引出電極、１１：柱状の連結部材、２１：ハンドル基板、２２：絶縁膜、２３：可動電極膜、２４：固定電極膜、２５：スペーサー

Claims

バックチャンバーを備えたハンドル基板上に、固定電極を含む固定電極膜と可動電極を含む可動電極膜とが対向配置しているＭＥＭＳ素子において、
前記固定電極膜は、スペーサーを介して前記ハンドル基板上に配置し、
前記可動電極膜は、前記固定電極膜と前記ハンドル基板の間に配置し、前記バックチャンバーを囲むように前記ハンドル基板表面に配置された該ハンドル基板よりも熱膨張係数の小さい支持膜上に、前記ハンドル基板が変形したときに前記可動電極が変位しないように変形可能な連結部材を配置し、前記支持膜と前記連結部材により前記可動電極と前記ハンドル基板とを接続し、
前記可動電極膜と対向する前記ハンドル基板の一部は導電性領域であり、該導電性領域上に少なくとも１つの前記連結部材と引出電極を配置し、前記可動電極と前記引出電極とを前記少なくとも１つの連結部材と前記導電性領域により電気的に接続していることを特徴とするＭＥＭＳ素子。
請求項１記載のＭＥＭＳ素子において、
前記連結部材は、第１の端部と、該第１の端部から立ち上がる第１の立ち上がり部と、第２の端部と、該第２の端部から立ち上がる第２の立ち上がり部と、前記第１の立ち上がり部の他端と前記第２の立ち上がり部の他端とを接続する頂部とからなるアーチ形状であり、
前記頂部が前記可動電極に接続し、
前記第１の端部が前記バックチャンバーの中心と反対方向に延出し、前記第２の端部が前記バックチャンバーの中心方向に延出し、それぞれ前記支持膜に接続するとともに前記第１の端部あるいは前記第２の端部の少なくとも一部が前記導電性領域に接続していることを特徴とするＭＥＭＳ素子。
請求項２記載のＭＥＭＳ素子において、
前記連結部材は、少なくとも前記第２の端部および前記第２の立ち上がり部を除いた前記第１の端部、前記第１の立ち上がり部および前記頂部とからなり、前記第１の端部が前記導電体領域に接続している第１型の連結部材、
または、少なくとも前記第１の端部および前記第１の立ち上がり部を除いた前記第２の端部、前記第２の立ち上がり部および前記頂部とからなり、前記第２の端部が前記導電性領域に接続している第２型の連結部材のいずれかからなることを特徴とするＭＥＭＳ素子。
請求項３記載のＭＥＭＳ素子において、
前記連結部材は、前記第１型の連結部材および前記第２型の連結部材からなり、該第１型の連結部材と該第２型の連結部材とが交互かつ前記バックチャンバーを挟んで対向する位置に同じ型の連結部材を配置していることを特徴とするＭＥＭＳ素子。
請求項１乃至請求項４いずれか記載のＭＥＭＳ素子において、
複数の前記連結部材のうち少なくとも１つを柱状とし、該柱状の連結部材を前記導電性領域上に配置することを特徴とするＭＥＭＳ素子。