JP6382032B2 - Ｍｅｍｓ素子 - Google Patents

Description

本発明は、ＭＥＭＳ素子に関し、特にマイクロフォン、各種センサ、スイッチ等として用いられる容量型のＭＥＭＳ素子に関する。

従来、半導体プロセスを用いたＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)素子では、半導体基板上に固定電極、犠牲層及び可動電極を形成した後、犠牲層の一部を除去することで、スペーサーを介して固定された固定電極と可動電極との間にエアーギャップ（中空）構造が形成されている。

例えば、容量型ＭＥＭＳ素子であるコンデンサマイクロフォンでは、音圧を通過させる複数の貫通孔を備えた固定電極と、音圧を受けて振動する可動電極（ダイヤフラム膜）とを対向して配置し、音圧を受けて振動する可動電極の変位を電極間の容量変化として検出する構成となっている。

ところで、コンデンサマイクロフォンの感度を上げるには、音圧による可動電極の変位を大きくする必要がある。そのため可動電極は、引っ張り応力が残留する膜を用いるのが一般的である。一方この残留応力が大きすぎると可動電極の破損の原因となってしまう。

そこで、膜自体の残留応力を制御する方法や、構造上の工夫により残留応力の影響を緩和する方法が提案されている。具体的には、前者の場合、固定電極をＬＰＣＶＤ（Low Pressure Chemical Vapor Deposition）法により堆積させ、堆積後のアニール条件等を制御して残留応力を調整する方法が、後者の場合、スリットを形成する方法（特許文献１）により残留応力を調整する方法が提案されている。

図４は、従来のＭＥＭＳ素子の説明図である。図４に示すようにシリコン基板１上に熱酸化膜２を介して可動電極３が形成されている。可動電極３上には、スペーサー４を介して固定電極５と窒化膜６が形成され、固定電極５および窒化膜６には貫通孔７が形成されている。一方、可動電極３にはスリット８が形成され、残留応力が調整されている。

ところで、可動電極３にスリット８を設けることは、このスリット８を通して音波が通過してしまい、コンデンサマイクロフォンの感度の低下を招いてしまう。そのため、図４に示すようにシリコン基板１と可動電極３との間に、シリコン基板１側に突出する突起部９を形成することで音響抵抗を高める方法が提案されている（例えば特許文献２）。

また、可動電極３に形成される突起部９をエアギャップ１０側に突出する形状としたり、固定電極３側に突起部を形成し、エアギャップ１０側に突出する形状とすることが種々提案されている。

特開２００７−２１００８３号公報 特開２００９−６０６００号公報

ところで、突起部の平面形状は、図５に示すように断続的な環状とするのが一般的である。このように配置された突起部９と可動電極３の接続部では、図５に矢印で示す環状の内周側に沿って応力が集中する。音響抵抗を高くするため突起部９の径方向の幅を拡げるのが望ましいが、幅が広いほど応力が大きくなり、可動電極３の脆弱性を増してしまう。その結果、突起部９の幅を拡げることには限界があった。一方、破損が起こらない程度の幅に突起部９を形成すると、所望の音響抵抗が得られないことになる。このような問題は、突起部９を固定電極５側に形成した場合も同様に生じてしまう。

本発明は、上記問題点を解消し、音響抵抗を高めるための突起部を備えながら、応力集中による破壊が発生しないＭＥＭＳ素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本願請求項１に係る発明は、バックチャンバーを備えた基板と、該基板上に、スペーサーを挟んで固定電極と可動電極とを配置することでエアーギャップが形成されたＭＥＭＳ素子において、前記固定電極および前記可動電極の少なくともいずれか一方に、前記エアーギャップ側に突出する突起部を備え、該突起部は、環状で、かつ屈曲形状であることを特徴とする。

本願請求項２に係る発明は、請求項１記載のＭＥＭＳ素子において、前記突起部は、前記可動電極から前記基板側に突出していることを特徴とする。

本願請求項３に係る発明は、請求項１または２いずれか記載のＭＥＭＳ素子において、前記屈曲形状の変曲点は、湾曲形状であることを特徴とする。

本発明のＭＥＭＳ素子は、突起部を環状で、かつ屈曲形状とすることで、突起部の幅を拡げることなく音響抵抗が高くすることができ、ＭＥＭＳ素子の特性改善を図ることができるという利点がある。特に、屈曲形状の変曲点の形状を湾曲して変化するようにすると、変曲点に応力集中することを防止できるという利点がある。

本発明のＭＥＭＳ素子の製造工程の説明図である。 本発明のＭＥＭＳ素子の製造工程の説明図である。 本発明のＭＥＭＳ素子の突起部の平面配置を説明する図である。 従来のこの種のＭＥＭＳ素子の説明図である。 従来の音響抵抗を高めるための突起部の説明図である。

本発明に係るＭＥＭＳ素子は、固定電極あるいは可動電極に突起部を備えており、しかもこの突起部は、環状で、屈曲した平面形状とすることにより、突起部の幅を広くした場合と同等の音響抵抗を構成することが可能となる。以下、ＭＥＭＳ素子としてコンデンサマイクロフォンを例にとり、本発明の実施例について説明する。

まず、第１の実施例として固定電極からエアギャップ側に突出する突起部について、製造工程に従い説明する。結晶方位（１００）面の厚さ４２０μｍのシリコン基板１上に、厚さ１μｍ程度の熱酸化膜２を形成し、熱酸化膜２上に、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により厚さ０．４μｍの導電性ポリシリコン膜を積層形成する。次に通常のフォトリソグラフ法によりパターニングし、可動電極３を形成する。可動電極３には、スリット８が形成されている（図１ａ）。

可動電極３上に、厚さ２．０〜４．０μｍ程度のＵＳＧ(Undoped Silicate Glass)膜からなる犠牲層１１を積層形成する。その後、犠牲層１１の一部を除去し凹部１２を形成する（図１ｂ）。ここで、凹部１２は、図３に突起部９の平面配置を模式的に示すように、環状で、単純な円形ではない屈曲した形状に形成する。なお、屈曲部は鋭角でなく湾曲した形状で変化するように形成すると、屈曲部に応力集中することなく好ましい。

次に、犠牲層１１上に、厚さ０．１〜１．０μｍ程度の導電性ポリシリコン膜を積層形成する。このとき、先に生成した凹部１２内に導電性ポリシリコン膜が充填される。次に通常のフォトリソグラフ法によりパターニングし、固定電極５を積層形成する。

犠牲層１１の一部をエッチング除去し、先に形成した可動電極３の一部を露出させる。このとき、スクライブラインも開口する。露出した可動電極３および固定電極５にそれぞれ接続するアルミニウム等の導体膜からなる配線膜１３を形成する（図１ｃ）。

全面に窒化膜６を堆積させる。ここで、凹部１２を固定電極５で充填する代わりに窒化膜６で充填することも可能である。通常のフォトリソグラフ法にて音圧を可動電極３に伝えるための貫通孔７を形成し、貫通孔７内に犠牲層１１を露出させる。その後、シリコン基板１の裏面側から熱酸化膜２が露出するまでシリコン基板１を除去し、バックチャンバー１４を形成する（図２ａ）。

その後、貫通孔７を通して犠牲層１１の一部を除去してスペーサー４を形成する。その結果、スペーサー４に固定電極５と可動電極３が固定され、エアーギャップ構造が形成され、突起部９を備える固定電極５が形成される。このエッチングにより、熱酸化膜２の一部も除去される。（図２ｂ）。

次に本発明の突起部９について説明する。図３は、突起部９の平面配置を模式的に示した図である。図３に示すように本発明の突起部９は、環状であり、単純な円形状でない屈曲した形状となっている。このような屈曲形状は、図３に示すようなジグザグ形状の他、波形形状や、凹凸形状等種々変更可能である。ただし、ジグザグ形状や凹凸形状とした場合に、その屈曲部に応力が集中する場合には、屈曲部を湾曲させた波形形状とするのが好ましい。

本発明の突起部９は、屈曲形状とすることで、径方向の内周と外周との間の距離がのび、音響抵抗として機能する見かけ上の幅が大きくなる。その結果、構造的な強度を保ちながら、音響抵抗を増大させることができるという利点がある。

本発明の突起部は、上記実施例で説明したように固定電極５からエアギャップ側に突出する構造の他、可動電極からエアギャップ側に突出する構造としたり、可動電極から基板側に突出する構造とすることも可能である。

１：シリコン基板、２：熱酸化膜、３：可動電極、４：スペーサ、５：固定電極膜、６：窒化膜、７：貫通孔、８：スリット、９：突起部、１０：エアギャップ、１１：犠牲層、１２：凹部、１３：配線膜、１４：バックチャンバー

Claims (3)

1. バックチャンバーを備えた基板と、該基板上に、スペーサーを挟んで固定電極と可動電極とを配置することでエアーギャップが形成されたＭＥＭＳ素子において、
   前記固定電極および前記可動電極の少なくともいずれか一方に、前記エアーギャップ側に突出する突起部を備え、
   該突起部は、環状で、かつ屈曲形状であることを特徴とするＭＥＭＳ素子。
2. 請求項１記載のＭＥＭＳ素子において、前記突起部は、前記可動電極から前記基板側に突出していることを特徴とするＭＥＭＳ素子。
3. 請求項１または２いずれか記載のＭＥＭＳ素子において、
   前記屈曲形状の変曲点は、湾曲形状であることを特徴とするＭＥＭＳ素子。

Images