JP2021076424A

JP2021076424A - MEMS structure

Info

Publication number: JP2021076424A
Application number: JP2019201706A
Authority: JP
Inventors: 藤塚　徳夫; Tokuo Fujitsuka; 徳夫藤塚; 基弘藤吉; Motohiro Fujiyoshi; 敬一島岡; Keiichi Shimaoka; 明石　照久; Teruhisa Akashi; 照久明石; 船橋　博文; Hirofumi Funahashi; 博文船橋; 良幸畑; Yoshiyuki Hata; 勝昭後藤; Katsuaki Goto; 翔太原田; Shota Harada
Original assignee: Denso Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Denso Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2019-11-06
Filing date: 2019-11-06
Publication date: 2021-05-20
Anticipated expiration: 2039-11-06
Also published as: JP7166238B2

Abstract

To provide an MEMS structure with which it is possible to alleviate stresses due to the thermal deformation of a circuit board, etc.SOLUTION: An MEMS structure comprises a flat plate part, an MEMS sensor, a support frame, a support part, a cap part, and a substrate. The MEMS sensor is formed on the surface of the flat plate part. The support frame is arranged so as to enclose the periphery of the flat plate part when the flat plat part is seen from vertically above. The support part is of a beam shape for partly connecting the outer circumference of the flat plate part and the inner circumference of the support frame. The support part is composed of the same material as the material constituting the flat plate part or the MEMS sensor, and supports the flat plate part in the air. The cap part shuts the top of the support frame. The cap part forms a first space between the surface of the flat plate part and the bottom of the cap part. The substrate shuts the bottom of the flat plate part. The substrate forms a second space between the bottom of the flat plate part and the surface of the substrate. The first and second spaces are kept airtight.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本明細書は、ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）構造体に関する。 The present specification relates to a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) structure.

支持基板と、支持基板に対して相対的に変位可能な変位部とを備えるＭＥＭＳ構造体が知られている。変位部は、梁状部材等によって、支持基板と離間した状態で支持されており、梁状部材が変形することによって、支持基板に対して変位することができる。このようなＭＥＭＳ構造体は、例えば、加速度、角速度等の慣性力等の物理量を検知するためのセンサとして応用されている。特許文献１には、加速度センサとして用いられるＭＥＭＳ構造体の一例が開示されている。 A MEMS structure having a support substrate and a displacement portion that is relatively displaceable with respect to the support substrate is known. The displacement portion is supported by a beam-shaped member or the like in a state of being separated from the support substrate, and can be displaced with respect to the support substrate by deforming the beam-shaped member. Such a MEMS structure is applied as a sensor for detecting physical quantities such as inertial forces such as acceleration and angular velocity, for example. Patent Document 1 discloses an example of a MEMS structure used as an acceleration sensor.

特開２０１５−２２４９３０号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2015-224930

ＭＥＭＳ構造体に作用する熱応力がＭＥＭＳセンサまで伝達してしまうと、ゼロ点出力が変動するなどの悪影響がＭＥＭＳセンサに発生してしまう。またＭＥＭＳセンサは、高いＱ値を実現する等のために、気密が保たれた空間（例：一定圧力中や真空中など）で動作させる必要がある。 If the thermal stress acting on the MEMS structure is transmitted to the MEMS sensor, adverse effects such as fluctuation of the zero point output will occur in the MEMS sensor. Further, the MEMS sensor needs to be operated in an airtight space (eg, in a constant pressure or in a vacuum) in order to realize a high Q value or the like.

本明細書が開示するＭＥＭＳ構造体の一実施形態は、平板部と、ＭＥＭＳセンサと、支持枠体と、支持部と、キャップ部と、基板と、を備えるＭＥＭＳ構造体である。ＭＥＭＳセンサは、平板部の表面に形成されている。支持枠体は、平板部を垂直上方からみたときに平板部の周囲を取り囲むように配置されている。支持部は、平板部の外周部と支持枠体の内周部との一部を接続する梁形状の支持部である。支持部は、平板部またはＭＥＭＳセンサを構成している材料と同一材料で構成されており、平板部を空中に支持する。キャップ部は、支持枠体の上部を塞ぐ。キャップ部は、平板部の表面とキャップ部の底面との間に第１の空間を形成する。基板は、支持枠体の下部を塞ぐ。基板は、平板部の底面と基板の表面との間に第２の空間を形成する。第１の空間および第２の空間の気密性が保たれている。 One embodiment of the MEMS structure disclosed herein is a MEMS structure including a flat plate portion, a MEMS sensor, a support frame, a support portion, a cap portion, and a substrate. The MEMS sensor is formed on the surface of the flat plate portion. The support frame body is arranged so as to surround the periphery of the flat plate portion when the flat plate portion is viewed from above vertically. The support portion is a beam-shaped support portion that connects a part of the outer peripheral portion of the flat plate portion and the inner peripheral portion of the support frame body. The support portion is made of the same material as the flat plate portion or the material constituting the MEMS sensor, and supports the flat plate portion in the air. The cap portion closes the upper part of the support frame body. The cap portion forms a first space between the surface of the flat plate portion and the bottom surface of the cap portion. The substrate closes the lower part of the support frame. The substrate forms a second space between the bottom surface of the flat plate portion and the surface of the substrate. The airtightness of the first space and the second space is maintained.

支持部によって平板部を空中に支持することで、平板部が支持枠体と同様に変位してしまうことを抑制できる。よって、ＭＥＭＳ構造体に熱応力が作用した場合においても、平板部表面のＭＥＭＳセンサに熱応力が伝わることを抑制できる。また、支持枠体の上部を塞ぐキャップ部によって第１の空間を形成し、支持枠体の下部を塞ぐ基板によって第２の空間を形成することができる。第１の空間および第２の空間の気密性を保つことができる。熱応力の緩和機能と気密保持機能とを両立することが可能となる。 By supporting the flat plate portion in the air by the support portion, it is possible to prevent the flat plate portion from being displaced in the same manner as the support frame body. Therefore, even when a thermal stress acts on the MEMS structure, it is possible to suppress the transfer of the thermal stress to the MEMS sensor on the surface of the flat plate portion. Further, the first space can be formed by the cap portion that closes the upper part of the support frame body, and the second space can be formed by the substrate that closes the lower part of the support frame body. The airtightness of the first space and the second space can be maintained. It is possible to achieve both a thermal stress relaxation function and an airtightness maintenance function.

支持枠体、平板部、支持部、ＭＥＭＳセンサは、積層体によって形成されていてもよい。積層体は、半導体を材料とする支持基板層と、支持基板層の表面に接する絶縁層と、絶縁層の表面に接しており半導体を材料としており支持基板層よりも薄い表面層と、を備えていてもよい。支持枠体および平板部は、支持基板層で形成されていてもよい。支持枠体と平板部とは、平板部の外周に沿って配置された支持基板層を貫通するトレンチによって分離されていてもよい。支持部およびＭＥＭＳセンサは、表面層で形成されていてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。 The support frame body, the flat plate portion, the support portion, and the MEMS sensor may be formed of a laminated body. The laminate includes a support substrate layer made of a semiconductor, an insulating layer in contact with the surface of the support substrate layer, and a surface layer in contact with the surface of the insulating layer and made of a semiconductor and thinner than the support substrate layer. You may be. The support frame body and the flat plate portion may be formed of a support substrate layer. The support frame body and the flat plate portion may be separated by a trench penetrating the support substrate layer arranged along the outer periphery of the flat plate portion. The support and the MEMS sensor may be formed of a surface layer. Details of the effect will be described in Examples.

支持基板層で形成されている支持枠体の厚さは、支持基板層で形成されている平板部の厚さよりも厚くてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。 The thickness of the support frame formed by the support substrate layer may be thicker than the thickness of the flat plate portion formed by the support substrate layer. Details of the effect will be described in Examples.

表面層で形成されているストッパ部であって、平板部を垂直上方からみたときに平板部と支持枠体の境界をまたぐように平板部の領域内および支持枠体の領域内に配置されているストッパ部をさらに備えていてもよい。ストッパ部の底面は、平板部の表面または支持部の上面の一方にのみ固定されていてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。 It is a stopper portion formed of a surface layer, and is arranged in the area of the flat plate portion and the region of the support frame body so as to straddle the boundary between the flat plate portion and the support frame body when the flat plate portion is viewed from above vertically. A stopper portion may be further provided. The bottom surface of the stopper portion may be fixed to only one of the surface of the flat plate portion and the upper surface of the support portion. Details of the effect will be described in Examples.

キャップ部の下面に配置されており、平板部の表面と対向している第１突起部をさらに備えていてもよい。第１突起部は、平板部を垂直上方からみたときに平板部が配置されている領域内に配置されていてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。 A first protrusion that is arranged on the lower surface of the cap portion and faces the surface of the flat plate portion may be further provided. The first protrusion may be arranged in the region where the flat plate portion is arranged when the flat plate portion is viewed from above vertically. Details of the effect will be described in Examples.

基板の表面に配置されており平板部の底面と対向している第２突起部をさらに備えていてもよい。第２突起部は、平板部を垂直上方からみたときに平板部が配置されている領域内に配置されていてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。 A second protrusion which is arranged on the surface of the substrate and faces the bottom surface of the flat plate portion may be further provided. The second protrusion may be arranged in the region where the flat plate portion is arranged when the flat plate portion is viewed from above vertically. Details of the effect will be described in Examples.

基板の表面に形成されており平板部の底面と対向している窪み部をさらに備えていてもよい。窪み部は、平板部を垂直上方からみたときに平板部が配置されている領域内に形成されていてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。 A recess portion formed on the surface of the substrate and facing the bottom surface of the flat plate portion may be further provided. The recessed portion may be formed in the region where the flat plate portion is arranged when the flat plate portion is viewed from above vertically. Details of the effect will be described in Examples.

本明細書が開示するＭＥＭＳ構造体の一実施形態は、平板部と、ＭＥＭＳセンサと、支持枠体と、支持部と、キャップ部と、を備えるＭＥＭＳ構造体である。ＭＥＭＳセンサは、平板部の表面に形成されている。支持枠体は、平板部を垂直上方からみたときに平板部の周囲を取り囲むように配置されている。支持部は、平板部の外周部の全周と支持枠体の内周部の全周とを接続するメンブレン形状の支持部である。支持部は、平板部またはＭＥＭＳセンサを構成している材料と同一材料で構成されており、平板部を空中に支持する。キャップ部は、支持枠体の上部を塞ぐ。キャップ部は、平板部の表面とキャップ部の底面との間に第１の空間を形成する。第１の空間の気密性が保たれている。効果の詳細は実施例で説明する。 One embodiment of the MEMS structure disclosed herein is a MEMS structure including a flat plate portion, a MEMS sensor, a support frame, a support portion, and a cap portion. The MEMS sensor is formed on the surface of the flat plate portion. The support frame body is arranged so as to surround the periphery of the flat plate portion when the flat plate portion is viewed from above vertically. The support portion is a membrane-shaped support portion that connects the entire circumference of the outer peripheral portion of the flat plate portion and the entire circumference of the inner peripheral portion of the support frame body. The support portion is made of the same material as the flat plate portion or the material constituting the MEMS sensor, and supports the flat plate portion in the air. The cap portion closes the upper part of the support frame body. The cap portion forms a first space between the surface of the flat plate portion and the bottom surface of the cap portion. The airtightness of the first space is maintained. Details of the effect will be described in Examples.

支持枠体、平板部、支持部、ＭＥＭＳセンサは、積層体によって形成されていてもよい。積層体は、半導体を材料とする支持基板層と、支持基板層の表面に接する絶縁層と、絶縁層の表面に接しており半導体を材料としており支持基板層よりも薄い表面層と、を備えていてもよい。支持部は、平板部の外周に沿って配置された未貫通のトレンチによって形成されていてもよい。支持枠体および平板部は、トレンチによって分離された支持基板層で形成されていてもよい。ＭＥＭＳセンサは、表面層で形成されていてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。 The support frame, flat plate, support, and MEMS sensor may be formed of a laminated body. The laminate includes a support substrate layer made of a semiconductor, an insulating layer in contact with the surface of the support substrate layer, and a surface layer in contact with the surface of the insulating layer and made of a semiconductor and thinner than the support substrate layer. You may be. The support portion may be formed by a non-penetrating trench arranged along the outer circumference of the flat plate portion. The support frame body and the flat plate portion may be formed of a support substrate layer separated by a trench. The MEMS sensor may be formed of a surface layer. Details of the effect will be described in Examples.

第１の空間と、支持部の下方側の空間との間に圧力差が存在していてもよい。圧力差によって支持部の少なくとも一部が座屈していてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。 There may be a pressure difference between the first space and the space below the support portion. At least a part of the support may be buckled due to the pressure difference. Details of the effect will be described in Examples.

支持部は、メンブレン形状の一部の厚さが薄くなった形状を有していてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。 The support portion may have a shape in which a part of the membrane shape is thinned. Details of the effect will be described in Examples.

実施例１のＭＥＭＳ構造体の概略平面図である。It is a schematic plan view of the MEMS structure of Example 1. FIG. 図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line II-II of FIG. 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line III-III of FIG. 図１のＩＶ−ＩＶ線断面図である。FIG. 1 is a sectional view taken along line IV-IV of FIG. ＭＥＭＳ構造体１の製造工程を説明する図である。It is a figure explaining the manufacturing process of the MEMS structure 1. 実施例２に係るＭＥＭＳ構造体の概略平面図である。It is a schematic plan view of the MEMS structure which concerns on Example 2. FIG. 図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。FIG. 6 is a sectional view taken along line VII-VII of FIG. メンブレン部の製造工程を説明する図である。It is a figure explaining the manufacturing process of the membrane part. メンブレン部の製造工程を説明する図である。It is a figure explaining the manufacturing process of the membrane part. 実施例３に係るＭＥＭＳ構造体の概略平面図である。It is a schematic plan view of the MEMS structure which concerns on Example 3. FIG. 図１０のＸＩ−ＸＩ線断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view taken along the line XI-XI of FIG. 変形例のＭＥＭＳ構造体の概略断面図である。It is the schematic sectional drawing of the MEMS structure of the modification. 変形例のＭＥＭＳ構造体の概略断面図である。It is the schematic sectional drawing of the MEMS structure of the modification. 変形例のＭＥＭＳ構造体の概略断面図である。It is the schematic sectional drawing of the MEMS structure of the modification. 変形例のＭＥＭＳ構造体の概略断面図である。It is the schematic sectional drawing of the MEMS structure of the modification.

図１に、実施例１に係るＭＥＭＳ構造体１の平面図を示す。図１は、分かりやすさのために、キャップ部を除去した状態を示している。また、支持基板層ＢＬ（図２〜図４参照）をグレーの塗りつぶしで示すとともに、表面層ＳＬをハッチングで示している。図２は、図１のII−II線における断面図である。図３は、図１のIII−III線における断面図である。図４は、図１のIV−IV線における断面図である。 FIG. 1 shows a plan view of the MEMS structure 1 according to the first embodiment. FIG. 1 shows a state in which the cap portion is removed for the sake of clarity. Further, the support substrate layer BL (see FIGS. 2 to 4) is shown by filling in gray, and the surface layer SL is shown by hatching. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line II-II of FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line III-III of FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line IV-IV of FIG.

ＭＥＭＳ構造体１は、平板部１０、ＭＥＭＳセンサ２０、支持枠体３０、支持梁４１〜４４、アンカー部４５、キャップ部５０、基板６０、配線部７１および７２、電源パッド部７３および７４、パッド電極８１および８２、貫通電極８４、突起パッド部９１〜９４を備えている。 The MEMS structure 1 includes a flat plate portion 10, a MEMS sensor 20, a support frame body 30, support beams 41 to 44, an anchor portion 45, a cap portion 50, a substrate 60, wiring portions 71 and 72, power supply pads portions 73 and 74, and pads. The electrodes 81 and 82, the through electrodes 84, and the protrusion pad portions 91 to 94 are provided.

図２の断面図に示すように、ＭＥＭＳ構造体１のうち、キャップ部５０および基板６０以外の構造は、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）ウェハを材料として形成されている。ＳＯＩウェハは、ｚ軸の負方向から正方向に向かってこの順序で積層された、支持基板層ＢＬ、絶縁層ＩＬ、表面層ＳＬ、を備えた積層体である。支持基板層ＢＬおよび表面層ＳＬの材料はシリコンである。支持基板層ＢＬは、表面層ＳＬと比較して積層方向の厚さが厚い。絶縁層ＩＬは、シリコン酸化物であり、支持基板層ＢＬおよび表面層ＳＬよりも薄い。図２を用いて具体的に説明する。支持枠体３０および平板部１０は、支持基板層ＢＬで形成されている。支持梁４１および４２、ＭＥＭＳセンサ２０、突起パッド部９１および９２は、表面層ＳＬで形成されている。 As shown in the cross-sectional view of FIG. 2, in the MEMS structure 1, the structures other than the cap portion 50 and the substrate 60 are formed by using an SOI (Silicon on Insulator) wafer as a material. The SOI wafer is a laminated body including a support substrate layer BL, an insulating layer IL, and a surface layer SL, which are laminated in this order from the negative direction of the z-axis to the positive direction. The material of the support substrate layer BL and the surface layer SL is silicon. The support substrate layer BL is thicker in the stacking direction than the surface layer SL. The insulating layer IL is a silicon oxide and is thinner than the support substrate layer BL and the surface layer SL. This will be specifically described with reference to FIG. The support frame body 30 and the flat plate portion 10 are formed of the support substrate layer BL. The support beams 41 and 42, the MEMS sensor 20, and the protrusion pad portions 91 and 92 are formed of the surface layer SL.

支持枠体３０は、平板部１０を垂直上方（ｚ軸正方向）からみたときに平板部１０の周囲を取り囲むように配置されている。支持枠体３０と平板部１０とは、支持基板層ＢＬを貫通するトレンチＴＬ１によって分離されている。 The support frame body 30 is arranged so as to surround the periphery of the flat plate portion 10 when the flat plate portion 10 is viewed from vertically above (the z-axis positive direction). The support frame body 30 and the flat plate portion 10 are separated by a trench TL1 penetrating the support substrate layer BL.

支持梁４１〜４４は、平板部１０の外周部の四隅部分と、支持枠体３０の内周部の四隅部分とを接続する、梁形状の支持部である。支持梁４１〜４４は、平板部１０を空中に支持している。図２を用いて、支持梁４１の構造を説明する。支持梁４１は、梁部４１ｂ、アンカー部４１ａおよび４５を備えている。梁部４１ｂ、アンカー部４１ａおよび４５は、ＭＥＭＳセンサ２０を構成している材料（表面層ＳＬ）と同一材料で構成されている。アンカー部４１ａは、絶縁層４１ｃによって平板部１０の表面に固定されている。アンカー部４５は、絶縁層４５ｃによって支持枠体３０の表面に固定されている。絶縁層４１ｃおよび４５ｃは、ＳＯＩウェハの絶縁層ＩＬで形成された層である。支持梁４１の両端は、アンカー部４１ａおよび４５に接続されている。なお、支持梁４２〜４４の構造は、支持梁４１と同様であるため、説明を省略する。 The support beams 41 to 44 are beam-shaped support portions that connect the four corner portions of the outer peripheral portion of the flat plate portion 10 and the four corner portions of the inner peripheral portion of the support frame body 30. The support beams 41 to 44 support the flat plate portion 10 in the air. The structure of the support beam 41 will be described with reference to FIG. The support beam 41 includes a beam portion 41b and anchor portions 41a and 45. The beam portion 41b and the anchor portions 41a and 45 are made of the same material as the material (surface layer SL) constituting the MEMS sensor 20. The anchor portion 41a is fixed to the surface of the flat plate portion 10 by the insulating layer 41c. The anchor portion 45 is fixed to the surface of the support frame 30 by the insulating layer 45c. The insulating layers 41c and 45c are layers formed by the insulating layer IL of the SOI wafer. Both ends of the support beam 41 are connected to the anchor portions 41a and 45. Since the structures of the support beams 42 to 44 are the same as those of the support beams 41, the description thereof will be omitted.

図２〜図４の断面図に示すように、キャップ部５０は、支持枠体３０の上部を塞いでいる。平板部１０の表面とキャップ部５０の底面との間に、第１の空間ＳＰ１が形成されている。また基板６０は、支持枠体３０の下部を塞いでいる。平板部１０の底面と基板６０の表面との間に、第２の空間ＳＰ２が形成されている。キャップ部５０および基板６０により、第１の空間ＳＰ１および第２の空間ＳＰ２の気密性が保たれている。 As shown in the cross-sectional views of FIGS. 2 to 4, the cap portion 50 closes the upper portion of the support frame body 30. A first space SP1 is formed between the surface of the flat plate portion 10 and the bottom surface of the cap portion 50. Further, the substrate 60 closes the lower part of the support frame 30. A second space SP2 is formed between the bottom surface of the flat plate portion 10 and the surface of the substrate 60. The airtightness of the first space SP1 and the second space SP2 is maintained by the cap portion 50 and the substrate 60.

キャップ部５０の下面には、窪み部５３が形成されている（図２参照）。窪み部５３は、平板部１０を垂直上方（ｚ軸の正方向）からみたときに、平板部１０が配置されている領域を含むように形成されている。これにより、キャップ部５０の裏面とＭＥＭＳセンサ２０とのクリアランスＣＬ１を確保することができる。 A recessed portion 53 is formed on the lower surface of the cap portion 50 (see FIG. 2). The recessed portion 53 is formed so as to include a region in which the flat plate portion 10 is arranged when the flat plate portion 10 is viewed from vertically above (the positive direction of the z-axis). As a result, the clearance CL1 between the back surface of the cap portion 50 and the MEMS sensor 20 can be secured.

窪み部５３の一部には、第１突起部５１〜５４が配置されている。なお図２では、第１突起部５１および５２のみが図示されている。第１突起部５１〜５４は、平板部１０を垂直上方からみたときに、平板部１０が配置されている領域内に配置されている。具体的には、第１突起部５１〜５４の各々は、突起パッド部９１〜９４の各々と対向する位置に配置されている。 First protrusions 51 to 54 are arranged in a part of the recess 53. In FIG. 2, only the first protrusions 51 and 52 are shown. The first protrusions 51 to 54 are arranged in the region where the flat plate portion 10 is arranged when the flat plate portion 10 is viewed from vertically above. Specifically, each of the first protrusions 51 to 54 is arranged at a position facing each of the protrusion pad portions 91 to 94.

基板６０の表面には、窪み部６３が形成されている（図２参照）。窪み部６３は、平板部１０を垂直上方からみたときに、平板部１０が配置されている領域を含むように形成されている。これにより、平板部１０の裏面と基板６０表面とのクリアランスＣＬ２を確保することができる。 A recess 63 is formed on the surface of the substrate 60 (see FIG. 2). The recessed portion 63 is formed so as to include a region in which the flat plate portion 10 is arranged when the flat plate portion 10 is viewed from above vertically. As a result, the clearance CL2 between the back surface of the flat plate portion 10 and the front surface of the substrate 60 can be secured.

窪み部６３の一部には、第２突起部６１および６２が配置されている。第２突起部６１および６２は、平板部１０の底面と対向するように配置されている。すなわち第２突起部６１および６２は、平板部１０を垂直上方からみたときに、平板部１０が配置されている領域内に配置されている。 Second protrusions 61 and 62 are arranged in a part of the recess 63. The second protrusions 61 and 62 are arranged so as to face the bottom surface of the flat plate portion 10. That is, the second protrusions 61 and 62 are arranged in the region where the flat plate portion 10 is arranged when the flat plate portion 10 is viewed from above vertically.

第１突起部５１〜５４および突起パッド部９１〜９４により、平板部１０の上方側（ｚ軸の正方向側）への変位を抑制することができる。同様に、第２突起部６１および６２により、平板部１０の下方側（ｚ軸の負方向側）への変位を抑制することができる。よって例えば、熱応力が印加されて平板部１０が上方側や下方側に変位した場合においても、平板部１０がキャップ部５０や基板６０に固着してしまうことがない。また例えば、過度の衝撃が印加された場合（例：ＭＥＭＳ構造体１を搭載した車両が段差を乗り越える場合など）においても、平板部１０の変位量を所定量以下に規制できるため、支持梁４１〜４４が損傷してしまうことがない。 The first protrusions 51 to 54 and the protrusion pads 91 to 94 can suppress the displacement of the flat plate portion 10 to the upper side (the positive direction side of the z-axis). Similarly, the second protrusions 61 and 62 can suppress the displacement of the flat plate portion 10 to the lower side (the negative direction side of the z-axis). Therefore, for example, even when the flat plate portion 10 is displaced upward or downward due to the application of thermal stress, the flat plate portion 10 does not stick to the cap portion 50 or the substrate 60. Further, for example, even when an excessive impact is applied (eg, when a vehicle equipped with the MEMS structure 1 gets over a step), the displacement amount of the flat plate portion 10 can be regulated to a predetermined amount or less, so that the support beam 41 ~ 44 will not be damaged.

平板部１０の表面には、ＭＥＭＳセンサ２０が形成されている（図１参照）。本実施例では、ＭＥＭＳセンサ２０は角速度センサである。ＭＥＭＳセンサ２０は、本技術の説明のために簡略化して示している。ＭＥＭＳセンサ２０は、アンカー部２１ａ〜２４ａ、梁部２１ｂ〜２４ｂ、変位部２５、櫛歯電極２６、固定電極２７、を備えている。変位部２５は、矩形形状であり、平板部１０の略中央位置に配置されている。アンカー部２１ａ〜２４ａは、変位部２５の四隅に配置されている。梁部２１ｂ〜２４ｂは、変位部２５の外周部の四隅部分と、アンカー部２１ａ〜２４ａとを接続する、梁形状の支持部である。図３に示すように、アンカー部２１ａおよび２２ａは、絶縁層２１ｃおよび２２ｃを介して平板部１０の表面に固定されている。絶縁層２１ｃおよび２２ｃは、ＳＯＩウェハの絶縁層ＩＬで形成された層である。一方、梁部２１ｂおよび２２ｂ、変位部２５、櫛歯電極２６の下面には、絶縁層が存在しない。これにより、梁部２１ｂおよび２２ｂによって、変位部２５が空中に支持されている。なお、アンカー部２３ａ、２４ａおよび梁部２３ｂ、２４ｂの構造は、アンカー部２１ａ、２２ａおよび梁部２１ｂ、２２ｂの構造と同様であるため、説明を省略する。 A MEMS sensor 20 is formed on the surface of the flat plate portion 10 (see FIG. 1). In this embodiment, the MEMS sensor 20 is an angular velocity sensor. The MEMS sensor 20 is shown in a simplified manner for the purpose of explaining the present technology. The MEMS sensor 20 includes anchor portions 21a to 24a, beam portions 21b to 24b, displacement portions 25, comb tooth electrodes 26, and fixed electrodes 27. The displacement portion 25 has a rectangular shape and is arranged at a substantially central position of the flat plate portion 10. The anchor portions 21a to 24a are arranged at the four corners of the displacement portion 25. The beam portions 21b to 24b are beam-shaped support portions that connect the four corner portions of the outer peripheral portion of the displacement portion 25 and the anchor portions 21a to 24a. As shown in FIG. 3, the anchor portions 21a and 22a are fixed to the surface of the flat plate portion 10 via the insulating layers 21c and 22c. The insulating layers 21c and 22c are layers formed by the insulating layer IL of the SOI wafer. On the other hand, there is no insulating layer on the lower surfaces of the beam portions 21b and 22b, the displacement portion 25, and the comb tooth electrode 26. As a result, the displacement portion 25 is supported in the air by the beam portions 21b and 22b. Since the structures of the anchor portions 23a and 24a and the beam portions 23b and 24b are the same as the structures of the anchor portions 21a and 22a and the beam portions 21b and 22b, the description thereof will be omitted.

アンカー部２１ａは、配線部７２を介して電源パッド部７４に接続されている。電源パッド部７４上には、パッド電極８２が形成されている。パッド電極８２の表面には、キャップ部５０を貫通する貫通電極８４（図３参照）が接続している。 The anchor portion 21a is connected to the power supply pad portion 74 via the wiring portion 72. A pad electrode 82 is formed on the power pad portion 74. A through electrode 84 (see FIG. 3) penetrating the cap portion 50 is connected to the surface of the pad electrode 82.

変位部２５には、櫛歯電極２６が配置されている。また平板部１０には、櫛歯形状の固定電極２７が、絶縁層２７ａを介して固定されている（図１および図２参照）。固定電極２７は、配線部７１を介して電源パッド部７３に接続されている。電源パッド部７３上には、パッド電極８１（図１参照）が形成されている。パッド電極８１の表面には、キャップ部５０を貫通する貫通電極８３（不図示）が接続している。櫛歯電極２６および固定電極２７は、変位部２５を振動させるための駆動用電極である。なお図１では、駆動用電極を１つのみ記載しているが、駆動用電極は複数配置されていてもよい。また図１では、角速度に伴う変位を検出する検出用電極は、記載を省略している。 A comb tooth electrode 26 is arranged in the displacement portion 25. Further, a comb-shaped fixed electrode 27 is fixed to the flat plate portion 10 via an insulating layer 27a (see FIGS. 1 and 2). The fixed electrode 27 is connected to the power supply pad portion 73 via the wiring portion 71. A pad electrode 81 (see FIG. 1) is formed on the power pad portion 73. A through electrode 83 (not shown) penetrating the cap portion 50 is connected to the surface of the pad electrode 81. The comb tooth electrode 26 and the fixed electrode 27 are driving electrodes for vibrating the displacement portion 25. Although only one drive electrode is shown in FIG. 1, a plurality of drive electrodes may be arranged. Further, in FIG. 1, the detection electrode for detecting the displacement due to the angular velocity is omitted.

貫通電極８３および８４に不図示のボンディングワイヤを介して検出回路を接続することによって、組立・実装を可能にすることができる。ＭＥＭＳ構造体１に角速度が加わり、変位部２５が平板部１０に対して変位すると、不図示の検出用電極が備える櫛歯電極の重なり面積が変化して、静電容量が変化する。この静電容量の変化を不図示の検出回路で観測することで、角速度に伴う変位を検知することができる。 Assembling / mounting can be enabled by connecting a detection circuit to the through electrodes 83 and 84 via a bonding wire (not shown). When an angular velocity is applied to the MEMS structure 1 and the displacement portion 25 is displaced with respect to the flat plate portion 10, the overlapping area of the comb tooth electrodes included in the detection electrodes (not shown) changes, and the capacitance changes. By observing this change in capacitance with a detection circuit (not shown), it is possible to detect the displacement due to the angular velocity.

（製造工程）
図５を用いて、ＭＥＭＳ構造体１の製造工程を説明する。図５は、図３に対応する断面図である。ステップＳ１において、ＳＯＩウェハを準備する。ステップＳ２において、ＳＯＩウェハを加工し、図５の中央に示す中間形成体２を作成する。中間形成体２の作成は、周知のフォトリソグラフィおよびエッチング技術により可能であるため、詳細な説明を省略する。これにより、多数の中間形成体２が上にアレイ状に並んでいるＳＯＩウェハが形成される。 (Manufacturing process)
The manufacturing process of the MEMS structure 1 will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a cross-sectional view corresponding to FIG. In step S1, the SOI wafer is prepared. In step S2, the SOI wafer is processed to prepare the intermediate forming body 2 shown in the center of FIG. Since the intermediate formed body 2 can be produced by a well-known photolithography and etching technique, detailed description thereof will be omitted. As a result, an SOI wafer in which a large number of intermediate formed bodies 2 are arranged in an array on the top is formed.

ステップＳ３において、基板６０の接合が行われる。具体的には、多数の窪み部６３がアレイ状に並んでいるシリコンウェハを形成する。シリコンウェハ上の窪み部６３の各々の位置は、ＳＯＩウェハ上の中間形成体２の各々の位置に対応している。ＳＯＩウェハの裏面に、基板６０を接合する（図５、矢印Ｙ１）。 In step S3, the substrate 60 is joined. Specifically, a silicon wafer in which a large number of recesses 63 are arranged in an array is formed. Each position of the recess 63 on the silicon wafer corresponds to each position of the intermediate forming body 2 on the SOI wafer. The substrate 60 is bonded to the back surface of the SOI wafer (FIG. 5, arrow Y1).

ステップＳ４において、キャップ部５０の接合が行われる。具体的には、多数の窪み部５３がアレイ状に並んでいるシリコンウェハを形成する。シリコンウェハ上の窪み部５３の各々の位置は、ＳＯＩウェハ上の中間形成体２の各々の位置に対応している。ＳＯＩウェハの表面に、キャップ部５０を接合する（図５、矢印Ｙ２）。 In step S4, the cap portion 50 is joined. Specifically, a silicon wafer in which a large number of recesses 53 are arranged in an array is formed. Each position of the recess 53 on the silicon wafer corresponds to each position of the intermediate forming body 2 on the SOI wafer. The cap portion 50 is bonded to the surface of the SOI wafer (FIG. 5, arrow Y2).

ステップＳ５において、貫通電極８３および８４（図３参照）を形成する。ステップＳ６において、ＭＥＭＳ構造体１を貼り合わせウェハから個片化する。キャップ部５０および基板６０の接合後に、ＭＥＭＳ構造体１をＳＯＩウェハから個片化することで、ＷＬＰ（Wafer Level Package）での気密保持が可能となる。ＷＬＰにより、ＭＥＭＳ構造体１の製造コストを削減することができる。 In step S5, through electrodes 83 and 84 (see FIG. 3) are formed. In step S6, the MEMS structure 1 is separated from the bonded wafer. By separating the MEMS structure 1 from the SOI wafer after joining the cap portion 50 and the substrate 60, airtightness can be maintained by WLP (Wafer Level Package). With WLP, the manufacturing cost of the MEMS structure 1 can be reduced.

またキャップ部５０や基板６０を接合することで、ＭＥＭＳ構造体１のフットプリントを増大させることなく、厚みおよび体積を増加させることができる。これにより、ＭＥＭＳ構造体１の熱容量を増加することができるため、温度変化に対する安定性を高めることが可能となる。 Further, by joining the cap portion 50 and the substrate 60, the thickness and volume can be increased without increasing the footprint of the MEMS structure 1. As a result, the heat capacity of the MEMS structure 1 can be increased, so that the stability against temperature changes can be improved.

（効果）
ＭＥＭＳ構造体１を回路基板等に接合して使用するに際して、回路基板が熱変形によって反る等によって、ＭＥＭＳ構造体１の支持枠体３０がｚ方向に変位してしまう場合がある。そこで実施例１のＭＥＭＳ構造体１では、ＳＯＩウェハの支持基板層ＢＬを貫通するトレンチＴＬ１を形成することによって、支持枠体３０と平板部１０とを分離している。そして、支持枠体３０と平板部１０とを、可撓性の支持梁４１〜４４によって接続している。支持梁４１〜４４が弾性変形することによって、平板部１０が支持枠体３０と同様に変位することを抑制することができる。すなわち、ＭＥＭＳ構造体１に作用する熱応力を、支持梁４１〜４４の変形によって吸収することができるため、平板部１０上のＭＥＭＳセンサ２０に熱応力が伝わることを抑制できる。ＭＥＭＳセンサ２０のゼロ点出力が変動することを抑制することが可能となる。 (effect)
When the MEMS structure 1 is used by joining it to a circuit board or the like, the support frame 30 of the MEMS structure 1 may be displaced in the z direction due to the circuit board being warped due to thermal deformation or the like. Therefore, in the MEMS structure 1 of the first embodiment, the support frame 30 and the flat plate portion 10 are separated by forming a trench TL1 that penetrates the support substrate layer BL of the SOI wafer. Then, the support frame body 30 and the flat plate portion 10 are connected by flexible support beams 41 to 44. By elastically deforming the support beams 41 to 44, it is possible to prevent the flat plate portion 10 from being displaced in the same manner as the support frame body 30. That is, since the thermal stress acting on the MEMS structure 1 can be absorbed by the deformation of the support beams 41 to 44, it is possible to suppress the transfer of the thermal stress to the MEMS sensor 20 on the flat plate portion 10. It is possible to suppress fluctuations in the zero point output of the MEMS sensor 20.

ＭＥＭＳセンサ２０は、櫛型電極の間や、変位部２５と平板部１０との間にダストが噛み込むと動作しなくなるという問題がある。またＭＥＭＳセンサ２０は、一定圧力中や真空中で動作する。よってＭＥＭＳ２０センサは、気密を保つ必要がある。しかし実施例１のＭＥＭＳ構造体１（図２〜図４参照）では、熱応力を緩和するために、支持基板層ＢＬを貫通するトレンチＴＬ１を形成している。このトレンチＴＬ１により、ＭＥＭＳセンサ２０の裏面側（ｚ軸の負方向側）へ、気体のリークパスが形成されてしまう。そこで、基板６０によってＭＥＭＳセンサ２０の裏面側を塞ぐとともに、キャップ部５０によってＭＥＭＳセンサ２０の表面側（ｚ軸の正方向側）を塞ぐ構造を採用している。これにより、ＭＥＭＳセンサ２０の裏面側および表面側への、気体のリークパスを消滅させることができる。熱応力の緩和機能と気密保持機能とを両立することが可能となる。 The MEMS sensor 20 has a problem that it does not operate when dust is caught between the comb-shaped electrodes or between the displacement portion 25 and the flat plate portion 10. Further, the MEMS sensor 20 operates in a constant pressure or in a vacuum. Therefore, the MEMS20 sensor needs to be kept airtight. However, in the MEMS structure 1 of Example 1 (see FIGS. 2 to 4), a trench TL1 penetrating the support substrate layer BL is formed in order to relieve the thermal stress. Due to this trench TL1, a gas leak path is formed on the back surface side (negative direction side of the z-axis) of the MEMS sensor 20. Therefore, a structure is adopted in which the back surface side of the MEMS sensor 20 is closed by the substrate 60 and the front surface side (the positive direction side of the z-axis) of the MEMS sensor 20 is closed by the cap portion 50. As a result, the gas leak path to the back surface side and the front surface side of the MEMS sensor 20 can be eliminated. It is possible to achieve both a thermal stress relaxation function and an airtightness maintenance function.

実施例２は、未貫通のトレンチＴＬ２０１によって形成された、メンブレン形状の支持部を備える実施例である。実施例１と異なる点のみ説明する。図６に、実施例２に係るＭＥＭＳ構造体２０１の平面図を示す。図７は、図６のVII−VII線における断面図である。実施例１のＭＥＭＳ構造体１と同様の部位には同一符号を付すことで、説明を省略する。また、実施例２に特有の部位については、符号を２００番台にすることで区別する。 Example 2 is an example including a membrane-shaped support portion formed by a non-penetrating trench TL201. Only the points different from the first embodiment will be described. FIG. 6 shows a plan view of the MEMS structure 201 according to the second embodiment. FIG. 7 is a cross-sectional view taken along the line VII-VII of FIG. The same parts as those of the MEMS structure 1 of the first embodiment are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted. Further, the parts peculiar to the second embodiment are distinguished by setting the reference numerals in the 200s.

実施例２のＭＥＭＳ構造体２０１は、実施例１の支持梁４１〜４４に代えて、メンブレン部２４１を備えている。図６では、分かりやすさのために、メンブレン部２４１を点線で示している。メンブレン部２４１は、平板部１０の外周部の全周と支持枠体３０の内周部の全周とを接続する、メンブレン形状の支持部である。 The MEMS structure 201 of the second embodiment includes a membrane portion 241 instead of the support beams 41 to 44 of the first embodiment. In FIG. 6, the membrane portion 241 is shown by a dotted line for the sake of clarity. The membrane portion 241 is a membrane-shaped support portion that connects the entire circumference of the outer peripheral portion of the flat plate portion 10 and the entire circumference of the inner peripheral portion of the support frame body 30.

図７の断面図に示すように、支持枠体３０と平板部１０とは、トレンチＴＬ２０１によって分離されている。トレンチＴＬ２０１は、支持基板層ＢＬの裏面側から表面側（ｚ軸の負方向側から正方向側）へ伸びており、支持基板層ＢＬの表面に到達することなく未貫通に形成されている。未貫通のトレンチＴＬ２０１の上端には、残存する支持基板層ＢＬによってメンブレン部２４１が形成されている。すなわちメンブレン部２４１は、平板部１０を構成している材料（支持基板層ＢＬ）と同一材料で構成されている。メンブレン部２４１は、平板部１０を空中に支持している。 As shown in the cross-sectional view of FIG. 7, the support frame body 30 and the flat plate portion 10 are separated by a trench TL201. The trench TL201 extends from the back surface side to the front surface side (from the negative direction side of the z-axis to the positive direction side) of the support substrate layer BL, and is formed so as not to reach the surface of the support substrate layer BL. A membrane portion 241 is formed at the upper end of the non-penetrating trench TL201 by the remaining support substrate layer BL. That is, the membrane portion 241 is made of the same material as the material (support substrate layer BL) constituting the flat plate portion 10. The membrane portion 241 supports the flat plate portion 10 in the air.

平板部１０は、ｎ型領域１０ｎと、その表面に配置されているｐ型領域１０ｐを備えている。支持枠体３０は、ｎ型領域３０ｎと、その表面に配置されているｐ型領域３０ｐを備えている。ｐ型領域１０ｐおよび３０ｐの厚さは、ｎ型領域１０ｎおよび３０ｎの厚さよりも薄い。メンブレン部２４１は、ｐ型領域１０ｐおよび３０ｐと同一平面内に位置しており、ｐ型領域１０ｐおよび３０ｐと同等の厚さを有している。メンブレン部２４１は、ｐ型領域である。メンブレン部２４１の厚さは、例えば１０μｍ以下である。また、実施例２のＭＥＭＳ構造体２０１は、実施例１の基板６０（図２）を備えていない。 The flat plate portion 10 includes an n-type region 10n and a p-type region 10p arranged on the surface thereof. The support frame body 30 includes an n-type region 30n and a p-type region 30p arranged on the surface thereof. The thickness of the p-type regions 10p and 30p is thinner than the thickness of the n-type regions 10n and 30n. The membrane portion 241 is located in the same plane as the p-type regions 10p and 30p, and has the same thickness as the p-type regions 10p and 30p. The membrane portion 241 is a p-type region. The thickness of the membrane portion 241 is, for example, 10 μm or less. Further, the MEMS structure 201 of the second embodiment does not include the substrate 60 (FIG. 2) of the first embodiment.

（効果）
ＭＥＭＳ構造体２０１に作用する熱応力を、メンブレン部２４１の変形によって吸収することができるため、平板部１０上のＭＥＭＳセンサ２０に熱応力が伝わることを抑制できる。またメンブレン部２４１により、ＭＥＭＳセンサ２０の裏面側（ｚ軸の負方向側）への気体のリークパスを封止することができる。よって、ＭＥＭＳセンサ２０の裏面側を封止する基板６０を備えることなく、ＭＥＭＳセンサ２０の気密を保つことが可能となる。 (effect)
Since the thermal stress acting on the MEMS structure 201 can be absorbed by the deformation of the membrane portion 241, it is possible to suppress the transmission of the thermal stress to the MEMS sensor 20 on the flat plate portion 10. Further, the membrane portion 241 can seal the gas leak path to the back surface side (negative direction side of the z-axis) of the MEMS sensor 20. Therefore, it is possible to maintain the airtightness of the MEMS sensor 20 without providing the substrate 60 for sealing the back surface side of the MEMS sensor 20.

（製造工程）
図８および図９を用いて、メンブレン部２４１の製造工程を説明する。ステップＳ２０１において、支持基板層ＢＬと絶縁層ＩＬとの間に、シリコンのｐ型層ＢＬｐが挿入されているＳＯＩウェハを準備する。このようなＳＯＩウェハの作成方法の一例を説明する。ｎ型シリコンの支持基板層ＢＬの表面に、イオン注入により厚さ１０μｍのｐ型層を形成する。その後、絶縁層ＩＬおよび表面層ＳＬを積層する。 (Manufacturing process)
The manufacturing process of the membrane portion 241 will be described with reference to FIGS. 8 and 9. In step S201, an SOI wafer in which a silicon p-type layer BLp is inserted between the support substrate layer BL and the insulating layer IL is prepared. An example of a method for producing such an SOI wafer will be described. A p-type layer having a thickness of 10 μm is formed on the surface of the n-type silicon support substrate layer BL by ion implantation. Then, the insulating layer IL and the surface layer SL are laminated.

ステップＳ２０２において、ＳＯＩウェハを加工し、表面層ＳＬを用いてＭＥＭＳセンサ２０等を作成する。ステップＳ２０３において、図８に示すように、支持基板層ＢＬの裏面にハードマスクＨＭを形成する。ハードマスクＨＭは、トレンチＴＬ２０１に対応した開口部ＯＰを有している。ハードマスクＨＭは、例えば、シリコン酸化膜である。ステップＳ２０４において、ＤＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching）技術により、支持基板層ＢＬ側からトレンチＴＬ２０１を加工する。このとき、ｐ型層ＢＬｐまで到達しないように、加工を途中で終了する（領域Ｒ１参照）。 In step S202, the SOI wafer is processed and the MEMS sensor 20 and the like are created using the surface layer SL. In step S203, as shown in FIG. 8, a hard mask HM is formed on the back surface of the support substrate layer BL. The hard mask HM has an opening OP corresponding to the trench TL201. The hard mask HM is, for example, a silicon oxide film. In step S204, the trench TL201 is processed from the support substrate layer BL side by the DRIE (Deep Reactive Ion Etching) technique. At this time, the processing is terminated in the middle so as not to reach the p-type layer BLp (see region R1).

ステップＳ２０５において、ウェットエッチングによりトレンチＴＬ２０１を完成させる。図９を用いて説明する。エッチング薬液ＥＣが満たされているエッチング槽ＥＴを用意する。エッチング薬液ＥＣの一例としては、ＫＯＨ（水酸化カリウム）溶液、またはＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）溶液が挙げられる。エッチング槽ＥＴ内には、白金電極ＰＥが配置されている。次に、ｐ型層ＢＬｐに接続する配線ＷＲを、ＳＯＩウェハに接続する。また、表面層ＳＬの上面を、レジストなどの保護層ＰＬで被覆する。その後、ＳＯＩウェハをエッチング槽ＥＴ内に浸漬する。同時に、ｐ型層ＢＬｐと白金電極ＰＥの間に、所定電圧Ｖ１を印加する。支持基板層ＢＬのｎ型シリコンが等方エッチングされ、エッチングがｐ型層ＢＬｐまで到達すると、エッチングが停止する。これは、ＰＮ接合エッチングストップ技術として公知である。これにより、メンブレン部２４１が完成する。 In step S205, the trench TL201 is completed by wet etching. This will be described with reference to FIG. Prepare an etching tank ET filled with the etching chemical solution EC. Examples of the etching chemical solution EC include a KOH (potassium hydroxide) solution or a TMAH (tetramethylammonium hydroxide) solution. A platinum electrode PE is arranged in the etching tank ET. Next, the wiring WR connected to the p-type layer BLp is connected to the SOI wafer. Further, the upper surface of the surface layer SL is covered with a protective layer PL such as a resist. Then, the SOI wafer is immersed in the etching tank ET. At the same time, a predetermined voltage V1 is applied between the p-type layer BLp and the platinum electrode PE. When the n-type silicon of the support substrate layer BL is isotropically etched and the etching reaches the p-type layer BLp, the etching is stopped. This is known as a PN junction etching stop technique. As a result, the membrane portion 241 is completed.

ＰＮ接合エッチングストップ技術により、メンブレン部２４１の厚さを、ｐ型層ＢＬｐと同等の厚さに正確に制御することができる。ｐ型層ＢＬｐはイオン注入で形成するため、ｐ型層ＢＬｐの厚さおよび面内分布は正確に設定可能である。よって、メンブレン部２４１の厚さおよび面内分布を、高精度に制御することができる。メンブレン部２４１の剛性を一定にすることができるため、安定した応力緩和効果を実現可能となる。 The thickness of the membrane portion 241 can be accurately controlled to the same thickness as the p-type layer BLp by the PN junction etching stop technology. Since the p-type layer BLp is formed by ion implantation, the thickness and in-plane distribution of the p-type layer BLp can be set accurately. Therefore, the thickness and in-plane distribution of the membrane portion 241 can be controlled with high accuracy. Since the rigidity of the membrane portion 241 can be made constant, a stable stress relaxation effect can be realized.

実施例３は、ストッパ部を備える実施例である。実施例１と異なる点のみ説明する。図１０に、実施例３に係るＭＥＭＳ構造体３０１の平面図を示す。図１１は、図１０のXI−XI線における断面図である。実施例１のＭＥＭＳ構造体１と同様の部位には同一符号を付すことで、説明を省略する。また、実施例３に特有の部位については、符号を３００番台にすることで区別する。 The third embodiment is an embodiment including a stopper portion. Only the points different from the first embodiment will be described. FIG. 10 shows a plan view of the MEMS structure 301 according to the third embodiment. FIG. 11 is a cross-sectional view taken along the line XI-XI of FIG. The same parts as those of the MEMS structure 1 of the first embodiment are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted. Further, the parts peculiar to the third embodiment are distinguished by setting the reference numerals in the 300s.

実施例３のＭＥＭＳ構造体３０１は、実施例１のＭＥＭＳ構造体１に対して、さらにストッパ部３１１〜３１４を備えている。ストッパ部３１１〜３１４は、平板部１０を垂直上方（ｚ軸の正方向）からみたときに、平板部１０と支持枠体３０の境界であるトレンチＴＬ１をまたぐように配置されている（図１０）。ストッパ部３１１〜３１４の一端は平板部１０の領域内に配置され、他端は支持枠体３０の領域内に配置されている。 The MEMS structure 301 of the third embodiment further includes stoppers 31 to 314 with respect to the MEMS structure 1 of the first embodiment. The stopper portions 31 to 314 are arranged so as to straddle the trench TL1 which is the boundary between the flat plate portion 10 and the support frame body 30 when the flat plate portion 10 is viewed from vertically above (the positive direction of the z-axis) (FIG. 10). ). One end of the stopper portions 31 to 314 is arranged in the region of the flat plate portion 10, and the other end is arranged in the region of the support frame body 30.

図１１の断面図を用いて、ストッパ部３１３および３１４の構造を説明する。ストッパ部３１３および３１４は、表面層ＳＬで形成されている。ストッパ部３１３の底面は、ＳＯＩウェハの絶縁層３１３ｃによって支持枠体３０の表面のみに固定されている。ストッパ部３１４の底面は、絶縁層３１４ｃによって平板部１０の表面のみに固定されている。絶縁層３１３ｃおよび３１４ｃは、ＳＯＩウェハの絶縁層ＩＬで形成された層である。なお、ストッパ部３１２および３１１の各々の構造は、ストッパ部３１３および３１４と同様であるため、説明を省略する。 The structures of the stopper portions 313 and 314 will be described with reference to the cross-sectional view of FIG. The stopper portions 313 and 314 are formed of the surface layer SL. The bottom surface of the stopper portion 313 is fixed only to the surface of the support frame 30 by the insulating layer 313c of the SOI wafer. The bottom surface of the stopper portion 314 is fixed only to the surface of the flat plate portion 10 by the insulating layer 314c. The insulating layers 313c and 314c are layers formed by the insulating layer IL of the SOI wafer. Since the structures of the stopper portions 312 and 311 are the same as those of the stopper portions 313 and 314, the description thereof will be omitted.

（効果）
ストッパ部３１３の下面と平板部１０の上面との干渉（領域Ｒ３０１参照）により、平板部１０の上方側（ｚ軸の正方向側）への変位を抑制することができる。同様に、ストッパ部３１４の下面と支持枠体３０の上面との干渉（領域Ｒ３０２参照）により、平板部１０の下方側（ｚ軸の負方向側）への変位を抑制することができる。よって、過度の衝撃が平板部１０に印加された場合においても、平板部１０の上下方向の変位量を所定量以下に規制できるため、支持梁４１〜４４が損傷してしまうことがない。 (effect)
Due to the interference between the lower surface of the stopper portion 313 and the upper surface of the flat plate portion 10 (see region R301), the displacement of the flat plate portion 10 to the upper side (the positive direction side of the z-axis) can be suppressed. Similarly, the displacement of the flat plate portion 10 to the lower side (negative direction side of the z-axis) can be suppressed due to the interference between the lower surface of the stopper portion 314 and the upper surface of the support frame body 30 (see region R302). Therefore, even when an excessive impact is applied to the flat plate portion 10, the amount of vertical displacement of the flat plate portion 10 can be regulated to a predetermined amount or less, so that the support beams 41 to 44 are not damaged.

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。 Although specific examples of the present invention have been described in detail above, these are merely examples and do not limit the scope of claims. The techniques described in the claims include various modifications and modifications of the specific examples illustrated above.

（変形例１）
実施例２において、メンブレン形状の支持部を形成する方法は様々であって良い。例えば、図１２に示す、ＭＥＭＳ構造体４０１のような構造であってもよい。図１２において、実施例２（図７）と同様の部位には同一符号を付すことで、説明を省略する。また、変形例１に特有の部位については、符号を４００番台にすることで区別する。ＭＥＭＳ構造体４０１は、Ｗ−ＳＯＩウェハを材料として形成されている。Ｗ−ＳＯＩウェハは、支持基板層ＢＬ、第１絶縁層ＩＬ１、中間層ＭＬ、第２絶縁層ＩＬ２、表面層ＳＬ、がこの順番に積層された積層体である。中間層ＭＬの材料はシリコンである。中間層ＭＬは、表面層ＳＬと比較して積層方向の厚さが薄い。第１絶縁層ＩＬ１および第２絶縁層ＩＬ２は、シリコン酸化物である。 (Modification example 1)
In Example 2, there may be various methods for forming the membrane-shaped support portion. For example, it may have a structure such as the MEMS structure 401 shown in FIG. In FIG. 12, the same parts as those in the second embodiment (FIG. 7) are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted. Further, the parts peculiar to the modified example 1 are distinguished by setting the reference numerals in the 400 series. The MEMS structure 401 is formed by using a W-SOI wafer as a material. The W-SOI wafer is a laminate in which the support substrate layer BL, the first insulating layer IL1, the intermediate layer ML, the second insulating layer IL2, and the surface layer SL are laminated in this order. The material of the intermediate layer ML is silicon. The intermediate layer ML is thinner in the stacking direction than the surface layer SL. The first insulating layer IL1 and the second insulating layer IL2 are silicon oxides.

図１２の断面図に示すように、支持枠体３０と平板部１０とは、トレンチＴＬ４０１によって分離されている。トレンチＴＬ４０１は、支持基板層ＢＬの裏面側から表面側（ｚ軸の負方向側から正方向側）へ伸びており、支持基板層ＢＬおよび第１絶縁層ＩＬ１を貫通して、中間層ＭＬの下面で停止している。未貫通のトレンチＴＬ４０１の上端には、中間層ＭＬによってメンブレン部４４１が形成されている。すなわちメンブレン部４４１は、平板部１０を構成している材料（中間層ＭＬ）と同一材料で構成されている。 As shown in the cross-sectional view of FIG. 12, the support frame body 30 and the flat plate portion 10 are separated by a trench TL401. The trench TL401 extends from the back surface side to the front surface side (from the negative direction side of the z-axis to the positive direction side) of the support substrate layer BL, penetrates the support substrate layer BL and the first insulating layer IL1, and of the intermediate layer ML. It is stopped on the bottom surface. A membrane portion 441 is formed by an intermediate layer ML at the upper end of the non-penetrating trench TL401. That is, the membrane portion 441 is made of the same material as the material (intermediate layer ML) constituting the flat plate portion 10.

変形例１に係るメンブレン部４４１の製造工程を説明する。ステップＳ２０１〜Ｓ２０３までの内容は、実施例２と同様である。ステップＳ２０４ａにおいて、ＤＲＩＥ技術により、支持基板層ＢＬ側からトレンチＴＬ４０１を加工する。このとき、シリコン酸化膜に対してシリコンのエッチングレートが十分に高い条件を用いることで、第１絶縁層ＩＬ１の下面でエッチングを停止する。ステップＳ２０５ａにおいて、シリコンに対してシリコン酸化膜のエッチングレートが十分に高い条件に切り替える。これにより、中間層ＭＬの下面でエッチングを停止する。エッチング選択比を用いることで、メンブレン部４４１の厚さを、中間層ＭＬと同等の厚さに正確に制御することができる。 The manufacturing process of the membrane portion 441 according to the first modification will be described. The contents of steps S201 to S203 are the same as those in the second embodiment. In step S204a, the trench TL401 is processed from the support substrate layer BL side by the DRIE technique. At this time, by using the condition that the etching rate of silicon is sufficiently high with respect to the silicon oxide film, the etching is stopped on the lower surface of the first insulating layer IL1. In step S205a, the condition is switched to a condition in which the etching rate of the silicon oxide film is sufficiently higher than that of silicon. As a result, etching is stopped at the lower surface of the intermediate layer ML. By using the etching selectivity, the thickness of the membrane portion 441 can be accurately controlled to the same thickness as the intermediate layer ML.

（変形例２）
実施例２において、メンブレン部の形状は様々であって良い。例えば、図１３のメンブレン部５４１に示すように、メンブレン部の少なくとも一部が座屈している形状であってもよい。図１３のＭＥＭＳ構造体５０１では、第１の空間ＳＰ１と、メンブレン部５４１の下方側（ｚ軸の負方向側）の空間との間に圧力差が存在している。具体的には、第１の空間ＳＰ１側が負圧である。よって、メンブレン部５４１は、第１の空間ＳＰ１側に突出するように座屈している。これにより、メンブレン部５４１を、座屈していない場合に比して変形しやすくすることができるため、熱応力の緩和能力を高めることが可能となる。 (Modification 2)
In Example 2, the shape of the membrane portion may be various. For example, as shown in the membrane portion 541 of FIG. 13, at least a part of the membrane portion may be buckled. In the MEMS structure 501 of FIG. 13, there is a pressure difference between the first space SP1 and the space on the lower side (negative direction side of the z-axis) of the membrane portion 541. Specifically, the first space SP1 side has a negative pressure. Therefore, the membrane portion 541 is buckled so as to project toward the first space SP1. As a result, the membrane portion 541 can be easily deformed as compared with the case where the membrane portion 541 is not buckled, so that the ability to relax the thermal stress can be enhanced.

また例えば、図１４のＭＥＭＳ構造体６０１が備えるメンブレン部６４１に示すように、メンブレン部の一部の厚さが薄くなった形状であってもよい。具体的には、メンブレン部６４１は、上面に段差ＳＴが形成されている。段差ＳＴは、局所的なエッチングを行うことにより形成することができる。段差ＳＴを起点としてメンブレン部５４１を変形しやすくすることができるため、熱応力の緩和能力を高めることが可能となる。なお、段差ＳＴの断面形状は、半円形状や溝形状など、様々であってよい。また段差ＳＴは、メンブレン部の裏面に形成されていてもよい。 Further, for example, as shown in the membrane portion 641 included in the MEMS structure 601 of FIG. 14, a part of the membrane portion may have a reduced thickness. Specifically, the membrane portion 641 has a step ST formed on the upper surface thereof. The step ST can be formed by performing local etching. Since the membrane portion 541 can be easily deformed starting from the step ST, it is possible to enhance the ability to relax the thermal stress. The cross-sectional shape of the step ST may be various, such as a semicircular shape or a groove shape. Further, the step ST may be formed on the back surface of the membrane portion.

（変形例３）
実施例１において、平板部１０の裏面と基板６０表面とのクリアランスを確保するための構造は、様々であってよい。例えば、図１５（Ａ）および図１５（Ｂ）のような構造でもよい。図１５（Ａ）および図１５（Ｂ）は、図２に対応する断面図である。図１５（Ａ）の構造では、平板部１０の厚さＴ１が、支持枠体３０の厚さＴ２よりも薄い。これにより、クリアランスＣＬ３が確保できる。図１５（Ｂ）の構造では、支持枠体３０が、追加層３１を介して基板６０上に配置されている。これにより、追加層３１の厚さと同等のクリアランスＣＬ４が確保できる。 (Modification example 3)
In the first embodiment, the structure for ensuring the clearance between the back surface of the flat plate portion 10 and the front surface of the substrate 60 may be various. For example, the structures shown in FIGS. 15 (A) and 15 (B) may be used. 15 (A) and 15 (B) are cross-sectional views corresponding to FIG. In the structure of FIG. 15A, the thickness T1 of the flat plate portion 10 is thinner than the thickness T2 of the support frame 30. As a result, the clearance CL3 can be secured. In the structure of FIG. 15B, the support frame 30 is arranged on the substrate 60 via the additional layer 31. As a result, a clearance CL4 equivalent to the thickness of the additional layer 31 can be secured.

（その他の変形例）
本実施例の梁部４１ｂ〜４４ｂ（図１、図２参照）の形状は、ストレートとしたが、この形状に限られず、様々な形状の梁を使用可能である。例えば、蛇行するミアンダ構造など、より剛性を低くすることができる構造であってもよい。また梁部の数も４本に限られず、要求スペックに応じて任意に設定することができる。 (Other variants)
The shapes of the beam portions 41b to 44b (see FIGS. 1 and 2) of this embodiment are straight, but the shape is not limited to this shape, and beams of various shapes can be used. For example, a structure capable of lowering the rigidity may be used, such as a meandering mianda structure. Further, the number of beams is not limited to four, and can be arbitrarily set according to the required specifications.

実施例１〜３および変形例は、少なくとも２つを組み合わせて実施することが可能である。 Examples 1 to 3 and the modified examples can be carried out in combination of at least two.

なお本明細書においては、角速度検出器を基本とした実施例を挙げてその動作を説明したが、この形態に限られない。各種の物理量、化学量、または光学量を検出する一般的なセンサに対しても、本明細書の技術を適用および展開することができる。 In this specification, the operation has been described with reference to an embodiment based on an angular velocity detector, but the present invention is not limited to this embodiment. The techniques herein can also be applied and applied to common sensors that detect a variety of physical, chemical, or optical quantities.

また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 In addition, the technical elements described in the present specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the techniques illustrated in the present specification or drawings can achieve a plurality of purposes at the same time, and achieving one of the purposes itself has technical usefulness.

１、２０１、３０１、４０１、５０１、６０１：ＭＥＭＳ構造体１０：平板部２０：ＭＥＭＳセンサ３０：支持枠体４１〜４４：支持梁４１ｂ〜４４ｂ：梁部５０：キャップ部６０：基板ＴＬ１：トレンチＢＬ：支持基板層ＩＬ：絶縁層ＳＬ：表面層 1, 201, 301, 401, 501, 601: MEMS structure 10: Flat plate 20: MEMS sensor 30: Support frame 41-44: Support beams 41b to 44b: Beam 50: Cap 60: Substrate TL1: Trench BL: Support substrate layer IL: Insulation layer SL: Surface layer

Claims

Flat plate and
The MEMS sensor formed on the surface of the flat plate portion and
A support frame body arranged so as to surround the flat plate portion when the flat plate portion is viewed from above vertically, and a support frame body.
A beam-shaped support portion that connects a part of the outer peripheral portion of the flat plate portion and the inner peripheral portion of the support frame body, and is made of the same material as the flat plate portion or the material constituting the MEMS sensor. The support portion that supports the flat plate portion in the air and the support portion
A cap portion that closes the upper portion of the support frame body and forms a first space between the surface of the flat plate portion and the bottom surface of the cap portion.
A substrate that closes the lower part of the support frame and forms a second space between the bottom surface of the flat plate portion and the surface of the substrate.
With
A MEMS structure in which the airtightness of the first space and the second space is maintained.

The support frame body, the flat plate portion, the support portion, and the MEMS sensor are formed of a laminated body.
The laminate is a support substrate layer made of a semiconductor, an insulating layer in contact with the surface of the support substrate layer, and a surface layer which is in contact with the surface of the insulating layer and is made of a semiconductor and is thinner than the support substrate layer. And, equipped with
The support frame body and the flat plate portion are formed of the support substrate layer.
The support frame body and the flat plate portion are separated by a trench penetrating the support substrate layer arranged along the outer circumference of the flat plate portion.
The MEMS structure according to claim 1, wherein the support portion and the MEMS sensor are formed of the surface layer.

The MEMS structure according to claim 2, wherein the thickness of the support frame formed by the support substrate layer is thicker than the thickness of the flat plate portion formed by the support substrate layer.

A stopper portion formed of the surface layer, which is in the region of the flat plate portion and of the support frame body so as to straddle the boundary between the flat plate portion and the support frame body when the flat plate portion is viewed from vertically above. The stopper portion arranged in the area is further provided, and the stopper portion is further provided.
The MEMS structure according to claim 2 or 3, wherein the bottom surface of the stopper portion is fixed to only one of the surface of the flat plate portion and the upper surface of the support portion.

A first protrusion which is arranged on the lower surface of the cap portion and faces the surface of the flat plate portion is further provided.
The MEMS structure according to any one of claims 1 to 4, wherein the first protrusion is arranged in a region where the flat plate portion is arranged when the flat plate portion is viewed from vertically above.

A second protrusion which is arranged on the surface of the substrate and faces the bottom surface of the flat plate portion is further provided.
The MEMS structure according to any one of claims 1 to 5, wherein the second protrusion is arranged in a region where the flat plate portion is arranged when the flat plate portion is viewed from vertically above.

A recess portion formed on the surface of the substrate and facing the bottom surface of the flat plate portion is further provided.
The MEMS structure according to any one of claims 1 to 6, wherein the recessed portion is formed in a region where the flat plate portion is arranged when the flat plate portion is viewed from vertically above.

Flat plate and
The MEMS sensor formed on the surface of the flat plate portion and
A support frame body arranged so as to surround the flat plate portion when the flat plate portion is viewed from above vertically, and a support frame body.
A membrane-shaped support portion that connects the entire circumference of the outer peripheral portion of the flat plate portion and the entire circumference of the inner peripheral portion of the support frame body, and is the same material as the flat plate portion or the material constituting the MEMS sensor. The support portion, which is composed of, and supports the flat plate portion in the air, and the support portion.
A cap portion that closes the upper portion of the support frame body and forms a first space between the surface of the flat plate portion and the bottom surface of the cap portion.
With
A MEMS structure in which the airtightness of the first space is maintained.

The support frame body, the flat plate portion, the support portion, and the MEMS sensor are formed of a laminated body.
The laminate is a support substrate layer made of a semiconductor, an insulating layer in contact with the surface of the support substrate layer, and a surface layer which is in contact with the surface of the insulating layer and is made of a semiconductor and is thinner than the support substrate layer. And, equipped with
The support portion is formed by a non-penetrating trench arranged along the outer circumference of the flat plate portion.
The support frame body and the flat plate portion are formed of the support substrate layer separated by the trench.
The MEMS structure according to claim 8, wherein the MEMS sensor is formed of the surface layer.

A stopper portion formed of the surface layer, which is in the region of the flat plate portion and of the support frame body so as to straddle the boundary between the flat plate portion and the support frame body when the flat plate portion is viewed from vertically above. The stopper portion arranged in the area is further provided, and the stopper portion is further provided.
The MEMS structure according to claim 9, wherein the bottom surface of the stopper portion is fixed to only one of the surface of the flat plate portion and the upper surface of the support portion.

There is a pressure difference between the first space and the space below the support portion.
The MEMS structure according to any one of claims 8 to 10, wherein at least a part of the support portion is buckled due to the pressure difference.

The MEMS structure according to any one of claims 8 to 11, wherein the support portion has a shape in which a part of the membrane shape is thinned.

A first protrusion which is arranged on the lower surface of the cap portion and faces the surface of the flat plate portion is further provided.
The MEMS structure according to any one of claims 8 to 12, wherein the first protrusion is arranged in a region where the flat plate portion is arranged when the flat plate portion is viewed from vertically above.