JP4466081B2 - MEMS element - Google Patents
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Description
本発明は、静電駆動型のMEMS素子に関する。 The present invention relates to an electrostatic drive type MEMS device of.
現在、半導体加工、機械加工、電気的回路などの複数種の技術を融合したMEMS(Micro-Electro-Mechanical system)技術が注目されている。MEMS技術を適用した素子(以下、MEMS素子)としては、共振器構造を有するフィルタ素子(MEMS共振器)のほか、スイッチング動作を行うマイクロスイッチや、光学素子(光スイッチ、光変調素子等)などが知られている(例えば、特許文献1参照)。 At present, MEMS (Micro-Electro-Mechanical system) technology, which is a fusion of multiple types of technologies such as semiconductor processing, machining, and electrical circuits, is attracting attention. As an element to which the MEMS technology is applied (hereinafter referred to as a MEMS element), in addition to a filter element having a resonator structure (MEMS resonator), a microswitch that performs a switching operation, an optical element (such as an optical switch or an optical modulation element), or the like Is known (see, for example, Patent Document 1).
図6は従来のMEMS素子の構成例を示すもので、(A)はその平面図、(B)はその側断面図である。図示した従来のMEMS素子50においては、ベースとなる半導体基板51上に第1の絶縁層52及び第2の絶縁層53が順に積層されている。第2の絶縁層53上には入力電極54と出力電極55が形成され、さらにこれらの電極54,55を跨ぐようにビーム電極56が形成されている。ビーム電極56は、入力電極54及び出力電極55との間に所定のギャップGを介して対向状態に配置されている。また、ビーム電極56の両端部は一対の支持電極57に電気的かつ機械的に接続されている。一対の支持電極57は、上記入力電極54及び出力電極55と共に第2の絶縁膜53上に形成されている。また、一対の支持電極57には配線部58がそれぞれ接続されている。
6A and 6B show a configuration example of a conventional MEMS element, in which FIG. 6A is a plan view and FIG. 6B is a side sectional view thereof. In the illustrated
図7及び図8は従来のMEMS素子の製造方法を示す工程図である。先ず、図7(A)に示すように、半導体基板51上に第1の絶縁層52及び第2の絶縁層53を順に積層して形成した後、第2の絶縁層53上に入力電極54、出力電極55及び一対の支持電極57を形成する。これら入力電極54、出力電極55及び一対の支持電極57は、第2の絶縁層53上に所定の厚み寸法で多結晶シリコン層を形成した後、この多結晶シリコン層をフォトリソグラフィ技術によってパターニングすることで同時に形成される。
7 and 8 are process diagrams showing a conventional method for manufacturing a MEMS element. First, as illustrated in FIG. 7A, a first
次に、図7(B)に示すように、入力電極54、出力電極55及び一対の支持電極57の上から絶縁材料59を積層した後、図7(C)に示すように、CPM(Chemical Mechanical Polishing;化学的機械研磨)法によって絶縁材料59の表面を平坦化する。これにより、入力電極54、出力電極55及び一対の支持電極57の表面と絶縁材料59の表面が面一状態とされる。
Next, as shown in FIG. 7B, after an
続いて、図8(A)に示すように、入力電極54、出力電極55及び一対の支持電極57の表面と絶縁材料59の表面にそれぞれ一様な厚み寸法で犠牲層60を積層した後、一対の支持電極57上で犠牲層60に開口部61を形成する。次いで、図8(B)に示すように、上記開口部61を介して一対の支持電極57と接続するように犠牲層61上にビーム電極56を形成した後、図8(c)に示すように、一対の支持電極57に接続するように配線部58を形成する。その後、犠牲層61と絶縁材料60とを除去することにより、図6に示すMEMS素子50が得られる。
Subsequently, as shown in FIG. 8A, after the
以上の製造方法によって得られるMEMS素子50において、例えば、外側の配線部58から一対の支持電極57を介してビーム電極56に直流電圧を印加し、この状態で入力電極54に所定の振幅で高周波信号(RF信号)を入力すると、ビーム電極56と入力電極54の対向部分にクーロン力と総称される静電引力と静電反発力が繰り返し発生する。静電引力が発生したときはビーム電極56が入力電極54に接近する方向で微小変位し、静電反発力が発生したときはビーム電極56が入力電極54から離間する方向で微小変位する。この繰り返しによりビーム電極56は自身の固有振動数にしたがって共振(振動)し、これに応じてビーム電極56と出力電極55との対向距離も変化する。そのため、ビーム電極56の共振周波数に対応した周波数帯域の電流だけが出力電極55から出力される。このMEMS素子50は電気的なフィルタ素子として活用することができる。
In the
ところで、上述のような共振器構造を有する静電駆動型のMEMS素子50においては、出力電極55から取り出される電流のレベル(以下、出力電流レベル)を決定するパラメータとして、入出力電極54,55とビーム電極56との間の対向面積や、ビーム電極56に印加される直流電圧、さらには入出力電極54,55とビーム電極56との間のギャップ寸法(図6のG寸法)などがある。このうち、入出力電極54,55とビーム電極56との間のギャップ寸法は、出力電流レベルを決定する最も有効なパラメータとなる。具体的には、出力電流レベルが上記ギャップ寸法の4乗に反比例したものとなる。したがって、フィルタ素子として重要なSN比(signal-to-noise-ratio)を向上させるためには、電極間のギャップ寸法を出来るだけ狭めることが有効となる。
By the way, in the electrostatic drive
上記従来のMEMS素子50の製造方法においては、第2の絶縁層53上で入力電極54及び出力電極55を覆うように絶縁材料59を積層したときに、各々の電極54,55の厚み寸法に応じた段差(凹凸)が絶縁材料59の表面に形成されるため、これをCMP法によって平坦化した後、上記ギャップ寸法を規定する犠牲層60を積層している。そのため、犠牲層60を形成する際の下地がCMPの研磨面となり、この研磨面が研磨パッドや研磨剤などの影響で粗くなる。その結果、ギャップ寸法を狭めるために犠牲層60を非常に薄い膜で形成する場合に、犠牲層60の膜厚分布を適切に制御することが困難になり、MEMS素子50の特性(フィルタ特性)や信頼性に悪影響を与える恐れがあった。
In the manufacturing method of the
本発明は、
基板上に形成された絶縁層と、
前記絶縁層上に第1のギャップをブリッジ状に跨ぐ状態で形成された門型のビーム電極
と、
前記第1のギャップと共に前記ビーム電極を取り囲む第2のギャップを介して前記ビー
ム電極上に形成された固定電極と
を備え、
前記ビーム電極は、前記第1のギャップ部分に面するビーム状の可動部と、この可動部
の両側で当該可動部を保持する保持部とを一体に有し、
前記固定電極は、前記基板の面内で互いに異なる位置に形成された入力電極と出力電極
とからなり、
前記入力電極と前記出力電極は、前記絶縁層上に互いに平行でかつ逆向きに形成され、
前記入力電極は、前記ビーム電極の長さ方向と直交する方向に沿って前記絶縁層上を前
記ビーム電極の可動部側に延出し、その延出端側が前記絶縁層からクランク状に立ち上がっ
て前記可動部を取り巻くように迂回し、
前記出力電極は、前記ビーム電極の長さ方向と直交する方向に沿って前記絶縁層上を前
記入力電極とは反対側から前記ビーム電極の可動部側に延出し、その延出端側が前記絶縁
層からクランク状に立ち上がって前記可動部を取り巻くように迂回している
MEMS素子に係るものである。
The present invention
An insulating layer formed on the substrate;
A gate-shaped beam electrode formed on the insulating layer so as to bridge the first gap in a bridge shape;
A fixed electrode formed on the beam electrode through a second gap surrounding the beam electrode together with the first gap;
The beam electrode integrally includes a beam-like movable portion facing the first gap portion, and holding portions that hold the movable portion on both sides of the movable portion,
The fixed electrode is composed of an input electrode and an output electrode formed at different positions in the plane of the substrate,
The input electrode and the output electrode are formed on the insulating layer in parallel and in opposite directions,
The input electrode extends on the movable layer side of the beam electrode along the direction orthogonal to the length direction of the beam electrode, and the extended end side rises from the insulating layer in a crank shape. Detour around the moving parts,
The output electrode extends on the insulating layer along the direction orthogonal to the length direction of the beam electrode from the side opposite to the input electrode to the movable part side of the beam electrode, and the extended end side of the output electrode is the insulating layer. The present invention relates to a MEMS element that is detoured so as to rise from a layer in a crank shape and surround the movable portion.
本発明によれば、MEMS素子を製造する過程でCMPによる平坦化研磨を行う必要がなくなるため、ビーム電極と固定電極との間のギャップを非常に微小な寸法で安定的に形成することができる。その結果、MEMS素子の特性向上と信頼性維持を両立させることが可能となる。 According to the onset bright, it is not necessary to perform the flattening polishing by CMP in the process of manufacturing a MEMS device is eliminated, it is formed stably with a very small size the gap between the beam and fixed electrodes it can. As a result, it is possible to achieve both improvement in characteristics of the MEMS element and maintenance of reliability.
以下、本発明の具体的な実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。 Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は本発明の実施形態に係るMEMS素子の構成例を示すもので、(A)はその平面図、(B)はその側断面図である。また、図2は図1のC−C断面図である。図示したMEMS素子1においては、ベースとなる半導体基板2上に第1の絶縁層3及び第2の絶縁層4が順に積層されている。半導体基板2は、例えばシリコン基板からなるものである。また、第1の絶縁層3は、例えば二酸化シリコン層からなるもので、第2の絶縁層4は、例えば窒化シリコン層からなるものである。
1A and 1B show a configuration example of a MEMS element according to an embodiment of the present invention, in which FIG. 1A is a plan view and FIG. 1B is a side sectional view thereof. 2 is a cross-sectional view taken along the line CC of FIG. In the illustrated MEMS element 1, a first
第2の絶縁層4上には第1のギャップ5を跨ぐ状態でビーム電極6が形成されている。ビーム電極6は、全体的に門型(逆凹形状)に形成されたもので、第1のギャップ5部分に面するビーム状の可動部(振動部)6Aと、この可動部6Aの両端で当該可動部6Aを保持する保持部6Bを一体に有している。また、ビーム電極6は、例えば、高い導電性を有する多結晶シリコンからなるもので、第1のギャップ5をブリッジ状に跨いで第2の絶縁層4上に立脚している。
A
ビーム電極6の可動部6Aの周囲には、上述した第1のギャップ5とこれに連通する第2のギャップ7が確保されている。第1のギャップ5は、ビーム電極6の可動部6Aとこれに対向する第2の絶縁層4との間に形成される空隙である。第2のギャップ7は、ビーム電極6の可動部6Aとこれに対向する2つの固定電極8,9との間に形成される空隙である。各々の固定電極8,9は半導体基板2の平面内で互いに異なる位置に形成されている。一方の固定電極8は入力信号(RF信号等)を入力(供給)する側の電極となり、他方の固定電極9は出力信号を出力(取り出し)する側の電極となる。よって、以降の説明では、一方の固定電極8を入力電極8、他方の固定電極9を出力電極9とする。入力電極8は略Z字形に形成され、出力電極9も略Z字形に形成されている。
Around the
また、入力電極8と出力電極9は、第2の絶縁層4上に互いに平行でかつ逆向きに形成されている。さらに詳述すると、入力電極8は、ビーム電極6の長さ方向(図1の左右方向)と直交する方向(図1の上下方向)に沿って第2の絶縁層4上をビーム電極6の可動部6A側に延出し、その延出端側が第2の絶縁層4からクランク状に立ち上がって可動部6Aを取り巻くように迂回している。これに対して、出力電極9は、ビーム電極6の長さ方向と直交する方向に沿って第2の絶縁層4上を入力電極8とは反対側からビーム電極6の可動部6A側に延出し、その延出端側が第2の絶縁層4からクランク状に立ち上がって可動部6Aを取り巻くように迂回している。
The
また、第2のギャップ7は、入力電極8及び出力電極9の立ち上がり部分とビーム電極6の可動部6Aとの間に形成されている。したがって、ビーム電極6の可動部6Aは、互いに連通する第1のギャップ5と第2のギャップ7とに取り囲まれた状態になっている。また、ビーム電極6の可動部6Aの上側には(第1のギャップ5と反対側)には、それぞれ第2のギャップ7を介して入力電極8の上片部と出力電極9の上片部が対向状態に配置されている。MEMS素子1を駆動していない定常時においては、可動部6Aと入力電極8との対向距離及び可動部6Aと出力電極9との対向距離が、いずれも第2のギャップ7のギャップ寸法によって規定されている。
The second gap 7 is formed between the rising portions of the
入力電極8及び出力電極9は支持部10によって支持されている。支持部10は、例えば窒化シリコン層からなるもので、入力電極8と出力電極9さらにはビーム電極6を覆う状態で第2の絶縁層5上に積層されている。支持部10には、互いに同じ形状及び寸法を有する2つの開口部11と、1つの開口部15が設けられている。開口部15は、第2のギャップ7に連通する状態で入力電極8と出力電極9の間に設けられている。また、ビーム電極6の長さ方向の両端部は、それぞれ支持部10に設けられた開口部11を通して配線部12に電気的に接続されている。配線部12は、例えばアルミニウム等の配線材料によって形成されるものである。
The
図3〜図5は本発明の実施形態に係るMEMS素子の製造方法を示す工程図である。先ず、図3(A)に示すように、半導体基板2上に第1の絶縁層3及び第2の絶縁層4を順に積層して形成する。第1の絶縁層3は、例えば熱酸化法、CVD(Chemical Vapor Deposition)法あるいはスパッタ法によって形成され、第2の絶縁層4は例えばCVD法あるいはスパッタ法によって形成される。
3 to 5 are process diagrams showing a method for manufacturing a MEMS device according to an embodiment of the present invention. First, as shown in FIG. 3A, a first insulating
次に、図3(B)に示すように、第2の絶縁層4上に第1の犠牲層13を形成する。第1の犠牲層13は、例えば、第2の絶縁層4上に薄膜状(例えば、1μm以下の厚み寸法)に二酸化シリコン膜を熱酸化法、CVD法あるいはスパッタ法によって形成した後、この二酸化シリコン膜をフォトリソグラフィ技術を用いてパターニングすることにより、平面視長方形に形成される。
Next, as shown in FIG. 3B, a first
続いて、図4(A)に示すように、第2の絶縁層4上にビーム電極6を形成する。ビーム電極6は、例えばCVD法あるいはスパッタ法によって形成される。その際、ビーム電極6は、第1の犠牲層13を跨ぐようにブリッジ状に形成される。また、ビーム電極6の可動部6Aは、その前工程で第1の犠牲層13を薄く形成することにより、第1の犠牲層13に沿って僅かに盛り上がった形状になるものの、その表面(上面)は非常に平滑な状態となる。
Subsequently, as shown in FIG. 4A, a
次いで、図4(B)に示すように、第2の絶縁層4上において、第1の犠牲層13との間でビーム電極6を取り囲むように第2の犠牲層14を形成する。第2の犠牲層14は、例えば熱酸化法、CVD法あるいはスパッタ法によって形成される。この場合、第1の犠牲層13と第2の犠牲層14は、ビーム電極6の可動部6Aを取り囲む状態となる。具体的には、第1の犠牲層13が可動部6Aの下面に接触し、第2の犠牲層14が可動部6Aの両側面と上面に接触した状態となる。
Next, as shown in FIG. 4B, a second
次に、図4(C)に示すように、第2の犠牲層14上に入力電極8と出力電極9を所定の間隔に並べて形成する。入力電極8と出力電極9は、例えばCVD法あるいはスパッタ法によって形成される。このとき、各々の電極8,9は、第2の絶縁層4上でビーム電極6により形成される凹凸に沿って略Z字形(クランク状)に形成される。また、ビーム電極6の長さ方向においては、可動部6Aの中心から均等な距離を隔てた位置に入力電極8と出力電極9が形成される。
Next, as shown in FIG. 4C, the
次いで、図5(A)に示すように、入力電極8、出力電極9及びビーム電極6を一様に覆う状態で第2の絶縁層4上に支持部10を形成する。支持部10は、例えばCVD法あるいはスパッタ法によって形成される。この場合、支持部10の表面には入力電極8や出力電極9の介在による凹凸が形成されるものの、この凹凸はMEMS素子の特性上何ら問題となることはない。
Next, as illustrated in FIG. 5A, the
次に、図5(B)に示すように、支持部10の2箇所にビーム電極6に通じる開口部11を形成すると共に、支持部10の1箇所に第2の犠牲層14に通じる開口部15を形成する。各々の開口部11,15は、例えばフォトリソグラフィで開口部のパターンを形成後、プラズマを用いたドライエッチング法または溶液を用いたウェットエッチング法によって形成される。これにより、各々の開口部11の底部にはビーム電極6の表面が部分的に露出した状態になる。また、開口部15の底部には第2の犠牲層14の表面が部分的に露出した状態となる。
Next, as shown in FIG. 5B,
続いて、図5(C)に示すように、上記2つの開口部11を埋め込む状態で配線部12を形成する。配線部12は、例えばCVD法あるいはスパッタ法によって形成される。これにより、ビーム電極13と配線部12が開口部11を通して電気的に接続された状態となる。
Subsequently, as shown in FIG. 5C, the
その後、第1の犠牲層13と第2の犠牲層14を除去する。これにより、第1の犠牲層13が形成されていた部位に第1のギャップ5が形成されると共に、第2の犠牲層14が形成されていた部位に第2のギャップ7が形成される。第1の犠牲層13と第2の犠牲層14は、例えば各々の犠牲層を二酸化シリコン層で形成したとすると、これを溶解し得るフッ酸等の溶剤を用いたウェットエッチングによって除去される。その際、溶剤は、前工程で支持部10に形成された開口部15を通して第2の犠牲層14に接触し、これを溶解しつつ第1の犠牲層13にも接触する。そのため、第1の犠牲層13と第2の犠牲層14を同一工程で除去することができる。このように第1の犠牲層13と第2の犠牲層14を除去することにより、ビーム電極6の可動部6Aが第1のギャップ5と第2のギャップ7に取り囲まれた状態になる。その結果、上記図1及び図2に示したMEMS素子1が得られる。
Thereafter, the first
以上の製造方法によって得られるMEMS素子1において、例えば、外側の配線部12からビーム電極6に直流電圧を印加し、この状態で入力電極8に所定の振幅で高周波信号(RF信号)を入力すると、ビーム電極6の可動部6Aとこれに対向する入力電極8の一端部との間に、クーロン力と呼ばれる静電引力と静電反発力が繰り返し発生する。静電引力が発生したときはビーム電極6の可動部6Aが入力電極8に接近する方向で微小変位し、静電反発力が発生したときはビーム電極6の可動部6Aが入力電極8から離間する方向で微小変位する。この繰り返しによりビーム電極6の可動部6Aは自身の固有振動数にしたがって共振(振動)し、これに応じてビーム電極6の可動部6Aとこれに対向する出力電極9の一端部との間の対向距離も変化する。そのため、ビーム電極6の共振周波数に対応した周波数帯域の電流だけが出力電極9から出力される。
In the MEMS element 1 obtained by the above manufacturing method, for example, when a DC voltage is applied from the
このような共振器構造を有する静電駆動型のMEMS素子1は電気的なフィルタ素子として活用することができる。そして、フィルタ素子として重要なSN比は、ビーム電極6の可動部6Aとこれに対向する入出力電極8,9との間のギャップ寸法、つまり第2のギャップ7の寸法を狭めることで大幅に向上させることができる。この点に関して本発明の実施形態に係るMEMS素子1とその製造方法においては、従来(図6)と比較して、ビーム電極6と入出力電極8,9との位置関係を上下反転させることにより、半導体基板2の絶縁膜3,4上に、第1の犠牲層13、ビーム電極6及び第2の犠牲層14を順に形成から、その上に入力電極8と出力電極9を形成するようにしているため、従来のようにCPM等の研磨による平坦化加工を用いることなく、所望のデバイス構造(共振器構造等)を得ることができる。
The electrostatic drive type MEMS element 1 having such a resonator structure can be used as an electrical filter element. The S / N ratio, which is important as a filter element, is greatly reduced by reducing the size of the gap between the
したがって、第2の犠牲層14を形成する工程では、下地となるビーム電極6の表面が平滑化された面(半導体基板2の表面と同等の鏡面レベル)となるため、第2のギャップ7を規定する第2の犠牲層14を非常に薄く形成する場合でも、第2の犠牲層14の膜厚分布を適切に制御することができる。その結果、ビーム電極6と入出力電極8,9との間に介在する第2のギャップ7を非常に微小な寸法で安定的に形成することができる。そのため、MEMS素子1の特性向上と信頼性維持を両立させることが可能となる。また、MEMS素子の製造工程として、CMP研磨による後処理工程(基板洗浄工程等)が不要になる。
Therefore, in the step of forming the second
また、入力電極8と出力電極9を支持部10で支持することにより、各々の電極8,9の機械的強度が支持部10によって高められる。そのため、ビーム電極6との対向部分で各々の電極8,9を確実に固定状態に保持することができる。
Further, by supporting the
なお、上記実施形態においては、ビーム電極6の可動部6Aと対向する部分に入力電極8と出力電極9といった2つの固定電極を設けるようにしたが、本発明はこれに限るものではない。例えば、配線部12からビーム電極6に直流電圧と入力信号(高周波信号など)を重畳して入力する場合は、出力電極となる1つの固定電極を設けるだけでよい。
In the above embodiment, the two fixed electrodes such as the
1…MEMS素子、2…半導体基板、3…第1の絶縁層、4…第2の絶縁層、5…第1のギャップ、6…ビーム電極、7…第2のギャップ、8…入力電極(固定電極)、9…出力電極(固定電極)、10…支持部、12…配線部、13…第1の犠牲層、14…第2の犠牲層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... MEMS element, 2 ... Semiconductor substrate, 3 ... 1st insulating layer, 4 ... 2nd insulating layer, 5 ... 1st gap, 6 ... Beam electrode, 7 ... 2nd gap, 8 ... Input electrode ( Fixed electrode), 9... Output electrode (fixed electrode), 10... Support part, 12 .. Wiring part, 13... First sacrificial layer, 14.
Claims (1)
前記絶縁層上に第1のギャップをブリッジ状に跨ぐ状態で形成された門型のビーム電極と、
前記第1のギャップと共に前記ビーム電極を取り囲む第2のギャップを介して前記ビーム電極上に形成された固定電極と
を備え、
前記ビーム電極は、前記第1のギャップ部分に面するビーム状の可動部と、この可動部の両側で当該可動部を保持する保持部とを一体に有し、
前記固定電極は、前記基板の面内で互いに異なる位置に形成された入力電極と出力電極とからなり、
前記入力電極と前記出力電極は、前記絶縁層上に互いに平行でかつ逆向きに形成され、
前記入力電極は、前記ビーム電極の長さ方向と直交する方向に沿って前記絶縁層上を前記ビーム電極の可動部側に延出し、その延出端側が前記絶縁層からクランク状に立ち上がって前記可動部を取り巻くように迂回し、
前記出力電極は、前記ビーム電極の長さ方向と直交する方向に沿って前記絶縁層上を前記入力電極とは反対側から前記ビーム電極の可動部側に延出し、その延出端側が前記絶縁層からクランク状に立ち上がって前記可動部を取り巻くように迂回している
MEMS素子。 An insulating layer formed on the substrate;
A gate-shaped beam electrode formed on the insulating layer so as to bridge the first gap in a bridge shape;
A fixed electrode formed on the beam electrode through a second gap surrounding the beam electrode together with the first gap;
The beam electrode integrally includes a beam-like movable portion facing the first gap portion, and holding portions that hold the movable portion on both sides of the movable portion,
The fixed electrode is composed of an input electrode and an output electrode formed at different positions in the plane of the substrate,
The input electrode and the output electrode are formed on the insulating layer in parallel and in opposite directions,
The input electrode extends on the movable layer side of the beam electrode along the direction orthogonal to the length direction of the beam electrode, and the extended end side rises from the insulating layer in a crank shape. Detour around the moving parts,
The output electrode extends on the insulating layer along the direction orthogonal to the length direction of the beam electrode from the side opposite to the input electrode to the movable part side of the beam electrode, and the extended end side of the output electrode is the insulating layer. A MEMS element detoured so as to stand up from a layer in a crank shape and surround the movable portion.
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