JP2022071552A - Ｍｅｍｓモジュール及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】可動部の膜厚を小さくして感度を高めつつ、共振による可動部の破損を抑制するＭＥＭＳモジュールを提供する。また、当該ＭＥＭＳモジュールの製造方法を提供する。【解決手段】内部に中空部が形成された基板を備えるＭＥＭＳモジュールであって、前記中空部上の、前記基板の一部分である可動部を有し、前記可動部は、前記中空部内の気圧と前記中空部外の気圧との差によって形状が変形可能な厚さを有し、前記可動部の一部には空洞部が形成されている、ＭＥＭＳモジュール。【選択図】図１

Description

本実施形態は、ＭＥＭＳモジュール及びその製造方法に関する。

半導体集積回路の製造に用いられる微細加工技術を利用して、機械要素部品と電子回路とを集積化したデバイスであるＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）素子が知られている。

ＭＥＭＳ素子は、中空部と当該中空部を塞ぐ可動部とを有する。特許文献１に開示された構成においては、凹部が形成されたＳｉ基板の裏側にガラス基板を接合することより、中空部が形成されている。この接合は、中空部が密閉される場合、微細な隙間が生じないようにすることが求められる。また、可動部を比較的薄肉の部位として仕上げる場合、前記凹部を形成するためにＳｉ基板を深く掘り込む必要がある。

また、ＭＥＭＳ素子は、圧力センサに組み込まれて使用されることもある。圧力センサは、外気圧の変化がＭＥＭＳ素子の可動部の端に生じる応力を変化させ、可動部の変形に応じてゲージ抵抗が変化し、そのゲージ抵抗の変化が出力電圧の変化として出力される。圧力センサの感度は、ＭＥＭＳ素子の可動部（メンブレンともいう）を薄くすることで高めることができるが可動部の強度が低下し、共振により可動部が破損するおそれがある。

国際公開第２０１１／０１０５７１号

本実施形態の一態様は、可動部の膜厚を小さくして感度を高めつつ、共振による可動部の破損を抑制するＭＥＭＳモジュールを提供する。また、本実施形態の他の一態様は、当該ＭＥＭＳ素子の製造方法を提供する。

本実施形態は、ＭＥＭＳモジュールに含まれるＭＥＭＳ素子の可動部に空洞部を設けることにより当該可動部を軽量化する。本実施形態の一態様は以下のとおりである。

本実施形態の一態様は、内部に中空部が形成された基板を備えるＭＥＭＳモジュールであって、前記中空部上の、前記基板の一部分である可動部を有し、前記可動部は、前記中空部内の気圧と前記中空部外の気圧との差によって形状が変形可能な厚さを有し、前記可動部の一部には空洞部が形成されている、ＭＥＭＳモジュールである。

また、本実施形態の他の一態様は、半導体層を備える基板に複数の溝部を形成し、前記溝部の底面から前記溝部の深さ方向に垂直な方向に前記基板をエッチングして、前記複数の溝部をつなぐ中空部を形成し、前記基板に対して水素を含む雰囲気下で熱処理を行い、前記熱処理によって溶融した前記基板の一部が前記溝部の深さ方向の両端部を塞いで空洞部を形成する、ＭＥＭＳモジュールの製造方法である。

また、本実施形態の他の一態様は、酸化膜上に半導体層が積層された基板の表面に前記酸化膜に達する複数の溝部を形成し、前記酸化膜の一部を除去して前記複数の溝部をつなぐ中空部を形成し、前記基板に対して水素を含む雰囲気下で熱処理を行い、前記熱処理によって溶融した前記基板の一部が前記溝部の深さ方向の両端部を塞いで空洞部を形成する、ＭＥＭＳモジュールの製造方法である。

また、本実施形態の他の一態様は、半導体層を備える第１の基板、及び酸化膜上に半導体層が積層された第２の基板を準備し、前記第１の基板に第１の開口部を形成し、前記第２の基板に第２の開口部を形成し、前記第１の開口部を形成した前記第１の基板上に、前記第１の開口部及び前記第２の開口部が重畳するように前記第２の基板を接合して、前記第１の基板の前記第１の開口部に前記中空部、前記第２の基板の前記第２の開口部に空洞部をそれぞれ形成する、ＭＥＭＳモジュールの製造方法である。

本実施形態によれば、可動部の膜厚を小さくして感度を高めつつ、共振による可動部の破損を抑制するＭＥＭＳモジュールを提供することができる。また、当該ＭＥＭＳモジュールの製造方法を提供する
ことができる。

図１は、本実施形態に係るＭＥＭＳモジュールを示す斜視図である。 図２は、本実施形態に係るＭＥＭＳモジュールを示す要部斜視図である。 図３は、図１のＶ－Ｖ線に沿う断面図である。 図４は、本実施形態に係るＭＥＭＳ素子の一例を示す平面図である。 図５は、図４の断面図である。 図６は、本実施形態に係るＭＥＭＳ素子の他の一例を示す平面図である。 図７は、図６の断面図である。 図８は、本実施形態に係るＭＥＭＳ素子の他の一例を示す断面図である。 図９は、本実施形態に係るＭＥＭＳ素子の他の一例を示す断面図である。 図１０は、本実施形態に係るＭＥＭＳ素子の製造方法を示す断面図である（その１）。 図１１は、本実施形態に係るＭＥＭＳ素子の製造方法を示す断面図である（その２）。 図１２は、本実施形態に係るＭＥＭＳ素子の製造方法を示す断面図である（その３）。 図１３は、本実施形態に係るＭＥＭＳ素子の製造方法を示す断面図である（その４）。 図１４は、本実施形態に係るＭＥＭＳ素子の他の製造方法を示す断面図である（その１）。 図１５は、本実施形態に係るＭＥＭＳ素子の他の製造方法を示す断面図である（その２）。 図１６は、本実施形態に係るＭＥＭＳ素子の他の製造方法を示す断面図である（その３）。 図１７は、本実施形態に係るＭＥＭＳ素子の他の製造方法を示す断面図である（その４）。 図１８は、本実施形態に係るＭＥＭＳ素子の他の製造方法を示す断面図である（その１）。 図１９は、本実施形態に係るＭＥＭＳ素子の他の製造方法を示す断面図である（その２）。 図２０は、本実施形態に係るＭＥＭＳ素子の他の製造方法を示す断面図である（その３）。 図２１は、本実施形態に係るＭＥＭＳ素子の他の製造方法を示す断面図である（その４）。 図２２（ａ）は、メンブレンの膜厚における、メンブレンの変動と共振周波数との関係を示す図であり、図２２（ｂ）は、メンブレンの膜厚における、共振周波数とメンブレンの膜厚との関係を示す図である。 図２３は、各構成における、メンブレンの変動と共振周波数との関係を示す図である。 図２４は、熱処理後のメンブレンの断面図である。

次に、図面を参照して、本実施形態について説明する。以下に説明する図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各構成部品の厚みと平面寸法との関係等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面の相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

また、以下に示す実施形態は、技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、各構成部品の材質、形状、構造、配置等を特定するものではない。本実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

具体的な本実施形態の一態様は、以下の通りである。

＜１＞ 内部に中空部が形成された基板を備えるＭＥＭＳモジュールであって、前記中空部上の、前記基板の一部分である可動部を有し、前記可動部は、前記中空部内の気圧と前記中空部外の気圧との差によって形状が変形可能な厚さを有し、前記可動部の一部には空洞部が形成されている、ＭＥＭＳモジュール。

＜２＞ 前記可動部は、前記空洞部と隣接する支持部を有する、＜１＞に記載のＭＥＭＳモジュール。

＜３＞ 前記中空部は、前記空洞部と連通する、＜１＞に記載のＭＥＭＳモジュール。

＜４＞ 前記可動部は、前記空洞部の中に厚さ方向に突出する支持部を有する、＜３＞に記載のＭＥＭＳモジュール。

＜５＞ 前記基板はシリコンからなる、＜１＞～＜４＞のいずれか１項に記載のＭＥＭＳモジュール。

＜６＞ 前記基板はシリコン層及び酸化シリコン層を含む、＜１＞～＜５＞のいずれか１項に記載のＭＥＭＳモジュール。

＜７＞ 前記空洞部において、深さ方向における中央部が両端部より細い、＜１＞～＜６＞のいずれか１項に記載のＭＥＭＳモジュール。

＜８＞ 前記中空部において、中央部から端部に連れて徐々に前記空洞部の端部に近接している、＜１＞～＜７＞のいずれか１項に記載のＭＥＭＳモジュール。

＜９＞ 前記空洞部は複数あり、前記複数の空洞部において、前記中空部の端部側の空洞部の深さは、前記中空部の中央部の空洞部の深さより小さい、＜１＞～＜８＞のいずれか１項に記載のＭＥＭＳモジュール。

＜１０＞ 半導体層を備える基板に複数の溝部を形成し、前記溝部の底面から前記溝部の深さ方向に垂直な方向に前記基板をエッチングして、前記複数の溝部をつなぐ中空部を形成し、前記基板に対して水素を含む雰囲気下で熱処理を行い、前記熱処理によって溶融した前記基板の一部が前記溝部の深さ方向の両端部を塞いで空洞部を形成する、ＭＥＭＳモジュールの製造方法。

＜１１＞ 中空部は、エッチングにより形成する、＜１０＞に記載のＭＥＭＳモジュールの製造方法。

＜１２＞ 酸化膜上に半導体層が積層された基板の表面に前記酸化膜に達する複数の溝部を形成し、前記酸化膜の一部を除去して前記複数の溝部をつなぐ中空部を形成し、前記基板に対して水素を含む雰囲気下で熱処理を行い、前記熱処理によって溶融した前記基板の一部が前記溝部の深さ方向の両端部を塞いで空洞部を形成する、ＭＥＭＳモジュールの製造方法。

＜１３＞ 前記酸化膜は、酸化シリコン層である、＜１２＞に記載のＭＥＭＳモジュールの製造方法。

＜１４＞ 前記熱処理は、１１００～１２００℃で行い、前記半導体層に熱マイグレーション現象を生じさせて前記溝部の深さ方向の両端部を塞いで前記空洞部を形成する、＜１０＞～＜１３＞のいずれか１項に記載のＭＥＭＳモジュールの製造方法。

＜１５＞ 半導体層を備える第１の基板、及び酸化膜上に半導体層が積層された第２の基板を準備し、前記第１の基板に第１の開口部を形成し、前記第２の基板に第２の開口部を形成し、前記第１の開口部を形成した前記第１の基板上に、前記第１の開口部及び前記第２の開口部が重畳するように前記第２の基板を接合して、前記第１の基板の前記第１の開口部に中空部、前記第２の基板の前記第２の開口部に空洞部をそれぞれ形成する、ＭＥＭＳモジュールの製造方法。

＜１６＞ 前記酸化膜は、酸化シリコン層である、＜１５＞に記載のＭＥＭＳモジュールの製造方法。

＜１７＞ 前記半導体層は、シリコン層である、＜１０＞～＜１６＞のいずれか１項に記載のＭＥＭＳモジュールの製造方法。

本実施形態に係るＭＥＭＳモジュールＡ１について説明する。

図１は、ＭＥＭＳモジュールＡ１を示す斜視図である。図２は、図１に示すＭＥＭＳモジュールＡ１の一部の構成（後述のカバー６及び接合材７等）を省略した要部斜視図である。図３は、図１のＶ－Ｖ線に沿う断面図である。ＭＥＭＳモジュールＡ１は、基板１、電子部品２、ＭＥＭＳ素子３、複数のボンディングワイヤ４、カバー６、及び接合材７を備えている。本実施形態のＭＥＭＳモジュールＡ１は、気圧を検出するものであり、例えば、携帯端末などの各種電子機器の回路基板に表面実装される。例えば、携帯端末においては、ＭＥＭＳモジュールＡ１は大気圧を検出する。検出された大気圧は、高度を演算するための情報として用いられる。なお、本実施形態に係るＭＥＭＳモジュールの用途は、気圧センサ（圧力センサ）に限定されない。

また、本実施形態において、ＭＥＭＳモジュールＡ１の厚さ方向（平面視方向）をｚ方向（ｚ１－ｚ２方向）とし、ｚ方向に直交するＭＥＭＳモジュールＡ１の一方の辺に沿う方向をｘ方向（ｘ１－ｘ２方向）、ｚ方向及びｘ方向に直交する方向をｙ方向（ｙ１－ｙ２方向）とする。本実施形態においては、ＭＥＭＳモジュールＡ１は、例えば、ｘ方向及びｙ方向寸法が、２ｍｍ程度、ｚ方向寸法が０．８ｍｍ～１ｍｍ程度である。

基板１は、図２等に示すように、電子部品２を搭載し、ＭＥＭＳモジュールＡ１を各種電子機器の回路基板に実装するための部材である。基板１は、図３に示すように、基材１Ａ、配線部１Ｂ、及び絶縁層１Ｃを有する。なお、基板１の具体的な構成は、特に限定されず、電子部品２及びＭＥＭＳ素子３等の電子素子を適切に支持しうるものであればよい。

基材１Ａは、電気絶縁体からなり、基板１の主要構成部材である。基材１Ａとしては、例えば、ガラスエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、セラミックスなどが挙げられる。基材１Ａは、例えば、平面視矩形状の板状であり、搭載面１ａ、実装面１ｂ、及び側面１ｃを有する。搭載面１ａ及び実装面１ｂは、基板１の厚さ方向（ｚ方向）において互いに反対側を向いている。搭載面１ａは、ｚ１方向を向く面であり、電子部品２が搭載される面である。実装面１ｂは、ｚ２方向を向く面であり、ＭＥＭＳモジュールＡ１を各種電子機器の回路基板に実装する際に利用される面である。側面１ｃは、搭載面１ａ及び実装面１ｂを繋ぐ面であり、ｘ方向またはｙ方向を向いており、ｚ方向に平行である。本実施形態においては、基板１のｚ方向の寸法は１００～２００μｍ程度であり、ｘ方向及びｙ方向の寸法はそれぞれ２ｍｍ程度である。

配線部１Ｂは、電子部品２及びＭＥＭＳ素子３とＭＥＭＳモジュールＡ１外の回路等とを導通させるための導通経路をなすものである。配線部１Ｂとしては、例えば、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｕ等の１種類または複数種類の金属からなり、例えば、メッキによって形成される。本実施形態においては、配線部１Ｂは、複数の搭載面部１００及び裏面パッド１９を有するが、これらは配線部１Ｂの具体的な構成の一例であり、その構成は特に限定されない。

複数の搭載面部１００は、基材１Ａの搭載面１ａに形成されており、互いに離間した複数の独立領域である。搭載面部１００は、電極パッド１１を有し、電極パッド１１には、ボンディングワイヤ４の端部がボンディングされる。

裏面パッド１９は、実装面１ｂに設けられており、ＭＥＭＳモジュールＡ１を回路基板等に実装する際に、導通接合される電極として用いられるものである。裏面パッド１９は、搭載面部１００の適所と導通している。

絶縁層１Ｃは、配線部１Ｂの適所を覆うことにより、当該部位を絶縁保護する。絶縁層１Ｃは、絶縁材料からなるものであり、例えば、レジスト樹脂によって形成される。絶縁層１Ｃは、例えば、平面視矩形環状に形成されてもよい。

接合材７は、基板１及びカバー６を接合するものであり、例えば、Ａｇ等の金属を含むペースト接合材からなる。本実施形態においては、接合材７は、平面視において矩形環状に設けられており、そのすべてが絶縁層１Ｃと重なる領域に形成されている。

電子部品２は、センサが検出した電気信号を処理するものであり、いわゆるＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）素子として構成されている。電子部品２は、例えば、温度センサを備えていてもよく、当該温度センサが検出した電気信号、及び、ＭＥＭＳ素子３が検出した電気信号の処理を行う。電子部品２は、温度センサが検出した電気信号とＭＥＭＳ素子３が検出した電気信号とをマルチプレクサで多重化して、アナログ／デジタル変換回路でデジタル信号に変換する。そして、信号処理部が、クロック信号に基づいて、記憶部の記憶領域を利用しながら、増幅やフィルタリング、論理演算などの処理を行う。信号処理後の信号は、インターフェイスを介して出力される。これにより、ＭＥＭＳモジュールＡ１は、気圧及び気温を検出した信号を適切な信号処理を行った上で、出力することができる。

電子部品２は、基板上に各種素子を搭載してパッケージングした制御のためのものである。電子部品２は、平面視矩形状の板状であり、搭載面２ａ、実装面２ｂ、及び側面２ｃを有する。搭載面２ａ及び実装面２ｂは、電子部品２の厚さ方向（ｚ方向）において互いに反対側を向いている。搭載面２ａは、ｚ１方向を向く面であり、ＭＥＭＳ素子３が搭載される面である。実装面２ｂは、ｚ２方向を向く面であり、電子部品２を基板１の搭載面１ａ に実装する際に利用される面である。側面２ｃは、搭載面２ａ及び実装面２ｂを繋ぐ面であり、ｘ方向またはｙ方向を向いており、ｚ方向に平行である。本実施形態においては、電子部品２のｚ方向の寸法は、例えば、８０μｍ程度であり、ｘ方向及びｙ方向の寸法は、例えば、それぞれ１～１．２ｍｍ程度である。

電子部品２は、基板１の搭載面１ａのｘ１方向及びｙ１方向寄りに搭載されている。電子部品２と基板１とは、図示しないダイアタッチフィルムなどによって接合されている。電子部品２の搭載面２ａには、複数の電極パッド２１が設けられている。電極パッド２１は、基板１の電極パッド１１に導通接合される電極として用いられる。電極パッド２１には、ボンディングワイヤ４がボンディングされる。電極パッド２１は、例えば、Ａｌやアルミ合金などの金属からなり、例えば、メッキによって形成される。電極パッド２１は、搭載面２ａの配線パターンに接続しており、ＭＥＭＳ素子３が搭載される領域を囲むように配置されている。

本実施形態においてＭＥＭＳ素子３は、気圧を検出するための気圧センサとして構成されているがこれに限定されない。ＭＥＭＳ素子３は、気圧を検出し、その検出結果を電気信号として電子部品２に出力する。図３～図５に示すように、ＭＥＭＳ素子３は、立方体形状であり、主面３ａ、実装面３ｂ、及び側面３ｃを有する基板３０を備える。主面３ａ及び実装面３ｂは、ＭＥＭＳ素子３の厚さ方向（ｚ方向）において互いに反対側を向いている。主面３ａは、ｚ１方向を向く面である。実装面３ｂは、ｚ２方向を向く面であり、ＭＥＭＳ素子３を電子部品２に実装する際に利用される面である。側面３ｃは、主面３ａ及び実装面３ｂを繋ぐ面であり、ｘ方向またはｙ方向を向いており、ｚ方向に平行である。本実施形態においては、ＭＥＭＳ素子３のｚ方向の寸法は、例えば、２００～３００μｍ程度であり、ｘ方向及びｙ方向の寸法は、例えば、それぞれ０．７～１．０ｍｍ程度である。

基板３０は、半導体層を含み、半導体層としては、例えば、シリコン層等が挙げられる。基板３０は、例えば、シリコン層のみからなってもよいし、酸化シリコン層などの酸化膜とシリコン層の積層膜からなってもよい。基板３０の内部には中空部３６０が設けられている。また、基板３０の一部分は、中空部３６０の上に可動部３４０があり、可動部３４０と中空部３６０の間には接続部３６５がある。可動部３４０は、空洞部３５０を有する。空洞部３５０のｚ方向寸法（深さ）は、例えば、１～１２μｍである。さらに、基板３０には固定部３７０設けられている。

可動部３４０は、ｚ方向視において中空部３６０と重畳し、気圧を検出すべくｚ方向に可動する。本実施形態においては、可動部３４０は、ｚ方向視矩形状である。可動部３４０の膜厚Ｔは、中空部３６０内の気圧と中空部３６０外の気圧との差によって形状が変形可能な厚さであればよく、例えば、５～１５μｍである。

可動部３４０は、膜厚を小さくすると張りが弱くなり、変形しやすい状態になる。このため、センサ等の感度はよくなるが共振周波数が小さくなったり、可動部３４０の強度が低下し、共振により可動部３４０が破損したりするおそれがある。共振周波数は、物体の質量を小さくすることによってより高くなる。本実施形態では、可動部３４０は、空洞部３５０を有することにより軽量化されているため、共振周波数を高くすることができる。また、可動部３４０は、さらに、空洞部３５０と隣接する支持部３５５を有することが好ましい。支持部３５５により、可動部３４０の強度を高めることができる。可動部３４０が動作する際に、可動部３４０の端には応力が生じるため、空洞部３５０は可動部３４０の端から多少離れるように設けられている。また、空洞部３５０の大きさや個数、支持部３５５の幅や間隔等は特に限定されず、ＭＥＭＳ素子３の用途に合わせて適宜調整すればよい。

中空部３６０は、基板３０内に設けられた空洞であり、本実施形態においては、密閉されている。中空部３６０は、真空であってもよい。また、本実施形態においては、中空部３６０は、ｚ方向視矩形状であり、空洞部３５０の全体は中空部３６０と重畳しているが、これに限られない。中空部３６０のｚ方向寸法（深さ）は、例えば、５～１５μｍである。

固定部３７０は、可動部３４０を支持する部位であり、可動部３４０が動作する際に、基板１や電子部品２に対して固定された部位である。本実施形態においては、基板３０のうち可動部３４０、中空部３６０、及び接続部３６５以外の部分を固定部３７０とする。

本実施形態においては、可動部３４０、接続部３６５及び固定部３７０は、互いの境界に接合部を有さない、同一、かつ、単一の半導体からなる。本実施形態においては、可動部３４０、接続部３６５及び固定部３７０はシリコンからなる。主面３ａは、凹部を有している。凹部は、主面３ａのうちｚ方向視において中空部３６０と重畳する領域に位置し、ｚ方向になだらかに凹んでいる。

ＭＥＭＳ素子３は、中空部３６０内の気圧と中空部３６０外の気圧との差で変形する可動部３４０の形状（歪み具合）に応じた電気信号を生成して、電子部品２に出力する。基板３０の主面３ａには、可動部３４０の変形に応じて抵抗値が変化するゲージ抵抗が設けられている。また、基板３０の主面３ａには、スパッタリング等により金属配線が形成され、金属配線の所定の位置に、電極パッド３４が形成されている。

ボンディングワイヤ４は、基板１の電極パッド１１と、電子部品２の電極パッド２１、又はＭＥＭＳ素子３の電極パッド３４と、を導通させ、例えば、Ａｕ等の金属からなる。なお、ボンディングワイヤ４の素材は限定されず、例えばＡｌ、Ｃｕなどであってもよい。ボンディングワイヤ４の一端は電極パッド１１にボンディングされており、他端は電極パッド２１または電極パッド３４にボンディングされている。

カバー６は、金属製の箱形状の部材であり、電子部品２、ＭＥＭＳ素子３、及びボンディングワイヤ４を囲うようにして、基板１の搭載面１ａに接合材７によって接合されている。図示された例においては、カバー６は、平面視矩形状である。なお、カバー６は金属以外の素材であってもよい。また、カバー６の製造方法は特に限定されない。カバー６と基板１との間の空間は、中空になっている。

カバー６は、図１及び図３に示すように、開口部６１及び延出部６２を有する。開口部６１は、内部に外気を取り入れるためのものである。開口部６１が設けられ、中空になっていることで、ＭＥＭＳ素子３はＭＥＭＳモジュールＡ１の周囲の気圧（例えば、大気圧）を検出することができ、電子部品２の温度センサはＭＥＭＳモジュールＡ１の周囲の気温を検出することができる。本実施形態では、開口部６１は、電子部品２の電極パッド２１のｚ１方向側の位置に１つだけ配置されている。なお、開口部６１の数は、特に限定されない。延出部６２は、開口部６１の端縁から延出しており、平面視において開口部６１の少なくとも一部と重なる。延出部６２は、先端に向かうほどｚ２方向に位置しており、先端に向かうほど基板１に近づくように傾斜している。また、図示された構成においては、延出部６２の先端は、平面視において電子部品２及びＭＥＭＳ素子３を避けた位置に設けられている。また、延出部６２の根元は、電子部品２及びＭＥＭＳ素子３と重畳する位置に設けられている。

また、ＭＥＭＳモジュールＡ１は、ＭＥＭＳ素子３の代わりに、図６及び図７に示すようなＭＥＭＳ素子３Ａを備えていてもよい。ＭＥＭＳ素子３Ａは、空洞部３５０及び中空部３６０が連通する構成となっており、空洞部３５０の中に支持部３５５が可動部３４０の厚さ方向（ｚ方向）に突出している。ＭＥＭＳ素子３Ａは、可動部３４０をＭＥＭＳ素子３より軽量化でき、共振周波数をより高くすることができる。

また、ＭＥＭＳ素子３において、空洞部を有していても可動部の強度に影響を及ぼさない場合、可動部に支持部を設けなくてもよく、ＭＥＭＳモジュールＡ１は、例えば、図８に示すようなＭＥＭＳ素子３Ｂ、図９に示すようなＭＥＭＳ素子３Ｃを備えていてもよい。

次に、ＭＥＭＳモジュールＡ１に含まれるＭＥＭＳ素子３の製造方法について説明する。

（製造方法１）
まず、図１０に示すように、半導体層からなる基板３０を準備する。当該半導体層としては、例えば、シリコン層が挙げられる。基板３０の厚さは、例えば、７００～８００μｍ程度である。

次に、図１１に示すように、基板３０に複数の溝部３１を形成する。溝部３１は、例えば、ボッシュ法等の深掘りエッチングにより形成することができる。なお、複数の溝部３１の寸法等の一例を挙げると、ｚ方向視円形状とされた溝部３１の主面における直径が０．２～０．８μｍ、隣り合う溝部３１のピッチ（中心間距離）が０．４～１．４μｍである。また、本実施形態においては、複数の溝部３１のｚ方向視寸法は、略同一である。

次に、図１２に示すように、溝部３１の底面から溝部の深さ方向に垂直な方向に基板３０をエッチングして、複数の溝部３１をつなぐ中空部３６０を形成する（中空部形成工程）。中空部形成工程において、ｚ方向と直角である断面積が徐々に大きくなるようにエッチングを行う。これにより、溝部３１を形成する工程と空洞部形成工程とを同一の処理によって連続して行うことが可能であり、効率よく中空部３６０を形成することができる。

次に、図１３に示すように、基板３０に対して水素を含む雰囲気下で熱処理（例えば、１１００～１２００℃）を行い、熱処理によって溶融した基板３０の一部が溝部３１の深さ方向の両端部を塞いで空洞部３５０、支持部３５５、及び接続部３６５を形成する（空洞部形成工程）。本製造方法では、中空部形成工程、及び空洞部形成工程を含むため、可動部３４０及び中空部３６０を形成するために、異なる複数の部材を接合する工程が不要である。これにより、接合箇所において密閉性が低下するおそれがないという利点がある。また、中空部３６０を形成するために、例えば、基板３０を貫通するような過大な穴部を設ける必要がないという利点がある。

空洞部形成工程においては、熱マイグレーションを用いて半導体層を部分的に移動させることにより複数の溝部３１を塞ぐ。このため、形成された空洞部３５０を含む可動部３４０は、半導体層の材料のみからなる部位であり、同じく半導体層の材料からなる固定部３７０と、接合部を介することなく一体的に繋がった構成となる。これにより、中空部３６０の密閉性を高めることができる。また、空洞部３５０は、基板の材質や熱処理条件により形状が異なることがある。本製造工程では、空洞部３５０の形状は上面や底面が丸みを帯びているがこれに限られず、上面や底面が平坦な部分を有していてもよい。

上記工程により、ＭＥＭＳ素子３を製造することができる。

（製造方法２）
また、製造方法１とは異なるＭＥＭＳ素子３の製造方法について説明する。

まず、図１４に示すように、酸化膜３５上に半導体層３６が積層された基板３０Ａを準備する。当該基板３０Ａとしては、例えば、酸化シリコン層上にシリコン層が積層されたＳＯＩ基板等が挙げられる。基板３０Ａの厚さは、例えば、７００～８００μｍ程度である。

次に、図１５に示すように、基板３０Ａの表面に酸化膜３５に達する複数の溝部３７を形成する。溝部３７は、例えば、ボッシュ法等の深掘りエッチングにより形成することができる。なお、複数の溝部３７の寸法等の一例を挙げると、ｚ方向視円形状とされた溝部３７の主面における直径が０．２～０．８μｍ、隣り合う溝部３７のピッチ（中心間距離）が０．４～１．４μｍである。また、本実施形態においては、複数の溝部３７のｚ方向視寸法は、略同一である。なお、複数の溝部３７を形成する際、酸化膜３５は半導体層３６に対してエッチング選択比が大きく、エッチングストッパーとして機能するため、溝部３７の深さを固定することができ、良好な再現性を得ることができる。

次に、図１６に示すように、酸化膜３５の一部を除去して複数の溝部３７をつなぐ中空部３６０を形成する（中空部形成工程）。中空部形成工程において、溝部３７により露出した酸化膜３５の一部に対してフッ化水素等を用いたエッチングにより酸化膜３５の一部が除去される。

次に、図１７に示すように、基板３０Ａに対して水素を含む雰囲気下で熱処理（例えば、１１００～１２００℃）を行い、熱処理によって溶融した基板３０Ａの一部が溝部３７の深さ方向の両端部を塞いで空洞部３５０、支持部３５５、及び接続部３６５を形成する（空洞部形成工程）。本製造方法では、中空部形成工程、及び空洞部形成工程を含むため、可動部３４０及び中空部３６０を形成するために、異なる複数の部材を接合する工程が不要である。これにより、接合箇所において密閉性が低下するおそれがないという利点がある。また、中空部３６０を形成するために、例えば、基板３０Ａを貫通するような過大な穴部を設ける必要がないという利点がある。

空洞部形成工程においては、熱マイグレーションを用いて半導体層を部分的に移動させることにより複数の溝部３７を塞ぐ。このため、形成された空洞部３５０を含む可動部３４０は、基板３０Ａに含まれる半導体層３６の材料のみからなる部位であり、同じく半導体層３６の材料からなる固定部３７０と、接合部を介することなく一体的に繋がった構成となる。これにより、中空部３６０の密閉性を高めることができる。

上記工程により、ＭＥＭＳ素子３を製造することができる。

本実施形態によれば、ＭＥＭＳ素子３は、可動部３４０が空洞部３５０を有することにより軽量化されているため、センサ等の感度を向上させつつ、共振による可動部の破損を抑制することができる。

（製造方法３）
さらに、上述のＭＥＭＳ素子３Ａの製造方法について説明する。

まず、上述の製造方法１の図１０のように半導体層からなる基板３０を準備する。また、上述の製造方法２の図１４のように酸化膜３５上に半導体層３６が積層された基板３０Ａを準備する。

次に、図１８に示すように、基板３０に第１の開口部３８を形成する。第１の開口部３８は、例えば、基板３０をエッチングすることにより形成することができる。

次に、図１９に示すように、基板３０Ａに第２の開口部３９を形成する。第２の開口部３９は、例えば、基板３０Ａをエッチングすることにより形成することができる。

次に、図２０に示すように、第１の開口部３８を形成した基板３０上に、第１の開口部３８及び第２の開口部３９が重畳するように基板３０Ａを接合する。当該接合により、基板３０の第１の開口部３８に中空部３６０、基板３０Ａの第２の開口部３９に空洞部３５０をそれぞれ形成する。なお、基板３０と基板３０Ａとの接合は、例えば、熱を加える共有接合を用いることができる。

次に、図２１に示すように、接合された基板３０Ａに対して酸化膜３５を除去する。酸化膜３５の除去は、例えば、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法等により行う。

上記工程により、ＭＥＭＳ素子３Ａを製造することができる。

本実施形態によれば、ＭＥＭＳ素子３Ａは、可動部３４０及び中空部３６０の寸法の良好な再現性を得ることができ、また、空洞部３５０の体積をより大きくすることができるため可動部３４０をより軽量化することができる。さらに、基板３０や基板３０Ａを加工して空洞部３５０や中空部３６０を形成するため、空洞部３５０や中空部３６０の形状を容易に調整することができる。さらに、可動部３４０は、空洞部３５０を有することにより軽量化されているため、センサ等の感度を向上させつつ、共振による可動部の破損を抑制することができる。

また、ＭＥＭＳ素子（ＭＥＭＳ素子３及びＭＥＭＳ素子３Ａ等）を製造後、基板１への電子部品２の搭載、電子部品２へのＭＥＭＳ素子３（又はＭＥＭＳ素子３Ａ）の搭載、ボンディングワイヤ４のボンディング及びカバー６の基板１への接合等を経ることにより、ＭＥＭＳモジュールＡ１を製造することができる。

以下に、実施例により本実施形態をさらに具体的に説明するが、本実施形態は以下の実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
本実施例では、可動部（メンブレン）の膜厚における、メンブレンの変動と共振周波数との関係性をシミュレーションソフト「ＡＮＳＹＳ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｒｏ」の周波数応答解析を用いて評価した。評価には、上述の図５に示すＭＥＭＳ素子において空洞部３５０を設けない構成を採用した。シリコン層からなるメンブレンのサイズは９４０μｍ×９４０μｍ、中空部のサイズは５００μｍ×５００μｍであった。メンブレンの膜厚が異なる４種類（５μｍ、７μｍ、９μｍ、１５μｍ）のサンプルを用意した。なお、メンブレンの膜厚とは、図５に示すＭＥＭＳ素子における中空部３６０の上面と可動部３４０の上面との距離と同じである。

上記の４つのサンプルについて、評価した結果を図２２に示す。図２２（ａ）はメンブレンの膜厚における、メンブレンの変動と共振周波数との関係を示す図であり、図２２（ｂ）は、メンブレンの膜厚における、共振周波数とメンブレンの膜厚との関係を示す図である。

図２２（ａ）に示すように、メンブレンの膜厚が５μｍであるサンプルの共振周波数は３４２ｋＨｚ、メンブレンの膜厚が７μｍであるサンプルの共振周波数は４４４ｋＨｚ、メンブレンの膜厚が９μｍであるサンプルの共振周波数は５４５ｋＨｚ、メンブレンの膜厚が１５μｍであるサンプルの共振周波数は８３５ｋＨｚであり、メンブレンの膜厚が小さいほど共振周波数が低くなることが確認できる。また、図２２（ｂ）に示すように、共振周波数とメンブレンの膜厚とは比例関係にあることが確認できる。

（実施例２）
本実施例では、ＭＥＭＳ素子の可動部における、空洞部の有無によるメンブレンの変動と共振周波数との関係性を評価した。評価には、以下に示すサンプル１～４を用意した。サンプル１は、実施例１におけるメンブレンにおいて空洞部を設けない構成のＭＥＭＳ素子である。サンプル２は、上述の図７に示すＭＥＭＳ素子において支持部を設けないものであり、シリコン層からなるメンブレンのサイズは９４０μｍ×９４０μｍ、中空部のサイズは５００μｍ×５００μｍ、メンブレンにおける空洞部のサイズは２５０μｍ×２５０μｍである。空洞部の上には３μｍのシリコン層が設けられており、空洞部の上側と下側の距離は４μｍであるＭＥＭＳ素子である。サンプル３は、シリコン層からなるメンブレンのサイズは９４０μｍ×９４０μｍ、中空部のサイズは５００μｍ×５００μｍ、メンブレンにおける空洞部のサイズは８０μｍ×８０μｍであり、当該空洞部が９個（縦３個×横３個）あり、隣り合う空洞部の間には幅５μｍの支持部が設けられており、空洞部の上には３μｍのシリコン層が設けられている。空洞部の上側と下側の距離は４μｍであるＭＥＭＳ素子である。サンプル４は、シリコン層からなるメンブレンのサイズは９４０μｍ×９４０μｍ、中空部のサイズは５００μｍ×５００μｍ、メンブレンにおける空洞部のサイズは８０μｍ×８０μｍであり、当該空洞部が９個（縦３個×横３個）あり、隣り合う空洞部の間には幅５μｍの支持部が設けられており、空洞部の上下にはそれぞれ１．５μｍのシリコン層が設けられている。空洞部の上側と下側の距離は４μｍであるＭＥＭＳ素子である。また、サンプル１～４におけるメンブレンの膜厚は７μｍであった。

上記の４つのサンプルについて、評価した結果を図２３に示す。図２３に示すように、サンプル１の共振周波数は４４４ｋＨｚ、サンプル２の共振周波数は４７３ｋＨｚ、サンプル３の共振周波数は４７１ｋＨｚ、サンプル４の共振周波数は５２８ｋＨｚであ、メンブレンに空洞部を設けることにより共振周波数が高くなることが確認できる。また、空洞部及び中空部が連通しない構成（サンプル４）の方が、空洞部及び中空部が連通する構成（サンプル２及び３）より共振周波数を高くなることが確認できる。

（実施例３）
本実施例では、上記製造方法１における空洞部形成工程について熱マイグレーションによる半導体層の移動を評価した。評価には、基板を用いた。シリコン層からなる基板の複数の溝部（縦１１個×横１０個）の深さは１０．４μｍ、直径は０．６μｍ、隣り合う溝部のピッチ（中心間距離）は１．１μｍであった。

次に、基板に対して水素を含む雰囲気下で１１００℃の熱処理を行った。図２４に示すように、熱処理によって溶融した基板の一部が溝部の深さ方向の両端部を塞いで空洞部３５０、支持部３５５、中空部３６０、及び接続部３６５が形成されたことが確認できる。また、空洞部３５０において、深さ方向における中央部が両端部より細いことが確認できる。さらに、中空部３６０において、中央部から端部に連れて徐々に傾いている（空洞部３５０の端部に近接している）ことが確認できる。さらに、複数の空洞部３５０において、中空部３６０の端部側の空洞部３５０の深さは、中空部３６０の中央部の空洞部３５０の深さより小さいことが確認できる。

１、３０、３０Ａ 基板
２ 電子部品
３、３Ａ、３Ｂ、３Ｃ ＭＥＭＳ素子
４ ボンディングワイヤ
６ カバー
７ 接合材
３１、３７ 溝部
３５ 酸化膜
３６ 半導体層
３８ 第１の開口部
３９ 第２の開口部
３４０ 可動部
３５０ 空洞部
３５５ 支持部
３６０ 中空部
３６５ 接続部
３７０ 固定部
Ａ１ ＭＥＭＳモジュール

Claims (17)

1. 内部に中空部が形成された基板を備えるＭＥＭＳモジュールであって、
   前記中空部上の、前記基板の一部分である可動部を有し、
   前記可動部は、前記中空部内の気圧と前記中空部外の気圧との差によって形状が変形可能な厚さを有し、
   前記可動部の一部には空洞部が形成されている、ＭＥＭＳモジュール。
2. 前記可動部は、前記空洞部と隣接する支持部を有する、請求項１に記載のＭＥＭＳモジュール。
3. 前記中空部は、前記空洞部と連通する、請求項１に記載のＭＥＭＳモジュール。
4. 前記可動部は、前記空洞部の中に厚さ方向に突出する支持部を有する、請求項３に記載のＭＥＭＳモジュール。
5. 前記基板はシリコンからなる、請求項１～４のいずれか１項に記載のＭＥＭＳモジュール。
6. 前記基板はシリコン層及び酸化シリコン層を含む、請求項１～４のいずれか１項に記載のＭＥＭＳモジュール。
7. 前記空洞部において、深さ方向における中央部が両端部より細い、請求項１～６のいずれか１項に記載のＭＥＭＳモジュール。
8. 前記中空部において、中央部から端部に連れて徐々に前記空洞部の端部に近接している、請求項１～７のいずれか１項に記載のＭＥＭＳモジュール。
9. 前記空洞部は複数あり、
   前記複数の空洞部において、前記中空部の端部側の空洞部の深さは、前記中空部の中央部の空洞部の深さより小さい、請求項１～８のいずれか１項に記載のＭＥＭＳモジュール。
10. 半導体層を備える基板に複数の溝部を形成し、
    前記溝部の底面から前記溝部の深さ方向に垂直な方向に前記基板をエッチングして、前記複数の溝部をつなぐ中空部を形成し、
    前記基板に対して水素を含む雰囲気下で熱処理を行い、前記熱処理によって溶融した前記基板の一部が前記溝部の深さ方向の両端部を塞いで空洞部を形成する、ＭＥＭＳモジュールの製造方法。
11. 前記中空部は、エッチングにより形成する、請求項１０に記載のＭＥＭＳモジュールの製造方法。
12. 酸化膜上に半導体層が積層された基板の表面に前記酸化膜に達する複数の溝部を形成し、
    前記酸化膜の一部を除去して前記複数の溝部をつなぐ中空部を形成し、
    前記基板に対して水素を含む雰囲気下で熱処理を行い、前記熱処理によって溶融した前記基板の一部が前記溝部の深さ方向の両端部を塞いで空洞部を形成する、ＭＥＭＳモジュールの製造方法。
13. 前記酸化膜は、酸化シリコン層である、請求項１２に記載のＭＥＭＳモジュールの製造方法。
14. 前記熱処理は、１１００～１２００℃で行い、前記半導体層に熱マイグレーション現象を生じさせて前記溝部の深さ方向の両端部を塞いで前記空洞部を形成する、請求項１０～１３のいずれか１項に記載のＭＥＭＳモジュールの製造方法。
15. 半導体層を備える第１の基板、及び酸化膜上に半導体層が積層された第２の基板を準備し、
    前記第１の基板に第１の開口部を形成し、
    前記第２の基板に第２の開口部を形成し、
    前記第１の開口部を形成した前記第１の基板上に、前記第１の開口部及び前記第２の開口部が重畳するように前記第２の基板を接合して、前記第１の基板の前記第１の開口部に中空部、前記第２の基板の前記第２の開口部に空洞部をそれぞれ形成する、ＭＥＭＳモジュールの製造方法。
16. 前記酸化膜は、酸化シリコン層である、請求項１５に記載のＭＥＭＳモジュールの製造方法。
17. 前記半導体層は、シリコン層である、請求項１０～１６のいずれか１項に記載のＭＥＭＳモジュールの製造方法。

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