JP6540160B2 - 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６は、従来のＭＥＭＳ素子の説明図である。図６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からなるバックプレートには貫通孔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６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５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など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、この種の突起部の平面形状は、図７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７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の脆弱性が増してしまう。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場合も発生する。また、破損を防ぐため突起部９の周方向の長さを短くするのが望ましいが、分割する数を増やすことは隣接する突起部９との間に残る間隙（突起部９の形成されていない部分）が多くなり、音響抵抗が低下してしまう。

このように、従来提案されている突起部の形状では、破損を防止することと所望の音響提供が得られることを同時に満たすことは難しかった。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を含むバックプレートと可動電極とを配置することでエアギャップが形成され、前記エアギャップ側あるいは前記基板側に突出する突起部を備えたＭＥＭＳ素子において、前記突起部はバックプレートに環状に配置された複数の突起部からなる第１の突起列と、該第１の突起列の内側に環状に配置された複数の突起部からなる第２の突起列からなり、前記エアギャップ内に生じた圧力がバックチャンバー側に伝わる経路は、前記第１の突起列を構成する突起部の一つと隣接する前記第２の突起列を構成する突起部との間の前記バックプレートと前記可動電極との間に形成される第１の経路と、前記突起部と該突起部と対向する前記可動電極との間に形成される第２の経路とを有し、前記第１の経路の少なくとも一部は、前記第１の突起列を構成する突起部と前記第２の突起列を構成する突起部が環状に延出する延出方向に前記圧力が伝わるように開口していることを特徴とする。

本願請求項２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を含むバックプレートと可動電極とを配置することでエアギャップが形成され、前記エアギャップ側あるいは前記基板側に突出する突起部を備えたＭＥＭＳ素子において、前記突起部は前記可動電極から前記エアギャップ側に突出し、環状に配置された複数の突起部からなる第１の突起列と、該第１の突起列の内側に環状に配置された複数の突起部からなる第２の突起列からなり、前記エアギャップ内に生じた圧力がバックチャンバー側に伝わる経路は、前記第１の突起列を構成する突起部の一つと隣接する前記第２の突起列を構成する突起部との間の前記バックプレートと前記可動電極との間に形成される第１の経路と、前記突起部と該突起部と対向する前記バックプレートとの間に形成される第２の経路とを有し、前記第１の経路の少なくとも一部は、前記第１の突起列を構成する突起部と前記第２の突起列を構成する突起部が環状に延出する延出方向に前記圧力が伝わるように開口していることを特徴とする。

本願請求項３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を含むバックプレートと可動電極とを配置することでエアギャップが形成され、前記エアギャップ側あるいは前記基板側に突出する突起部を備えた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、環状に配置された複数の突起部からなる第１の突起列と、該第１の突起列の内側に環状に配置された複数の突起部からなる第２の突起列からなり、前記エアギャップ内に生じた圧力がバックチャンバー側に伝わる経路は、前記第１の突起列を構成する突起部の一つと隣接する前記第２の突起列を構成する突起部との間の前記基板と前記可動電極との間に形成される第１の経路と、前記突起部と該突起部と対向する前記基板との間に形成される第２の経路とを有し、前記第１の経路の少なくとも一部は、前記第１の突起列を構成する突起部と前記第２の突起列を構成する突起部が環状に延出する延出方向に前記圧力が伝わるように開口していることを特徴とする。

本願請求項４に係る発明は請求項１乃至３いずれかに記載のＭＥＭＳ素子において、前記第１の突起列と前記第２の突起列を構成する前記突起部は、少なくとも第１の突起部とその内側に配置された第２の突起部とを備え、該第１の突起部と第２の突起部の間の間隙は、前記開口より狭く設定されていることを特徴とする。

本発明のＭＥＭＳ素子は、突起部の配置を工夫することにより、可動電極の振動等により生じた圧力が伝わる距離を長くするため、可動電極の振動により生じた圧力を、主に可動電極の中心に向かって直交する方向に向けて形成された開口を伝わるようにして、従来例のように可動電極の中心方向に向けて形成された開口を伝わる場合と比較し、音響抵抗を高くすることが可能となる。これによりＭＥＭＳ素子の感度の低下防止が期待される。特に突起部の配置を重なり合うように配置すると、さらに音響抵抗を高くすることが可能となり、ＭＥＭＳ素子の感度の低下を防止する効果が大きくなる。

さらに本発明のＭＥＭＳ素子は、従来の構造に比べて、突起部の数を増やして突起部と突起部の間の間隙の数が増えても音響抵抗の大幅な低下を防ぐことができるため、破損が起きにくい寸法に分割して多数の突起部を形成することができ、ＭＥＭＳ素子の製造工程における歩留まり向上が期待される。

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。 本発明のＭＥＭＳ素子の突起部の別の平面配置を説明する図である。 本発明のＭＥＭＳ素子の突起部の別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、固定電極を含むバックプレートあるいは可動電極に複数の突起部が並ぶ突起列を複数備えており、各突起列の突起部を所定の位置に配置することで、破損しづらく、音響抵抗の低下を招かない構造を提供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を含むバックプレート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０．２〜２．０μｍ程度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導電性ポリシリコン膜をパターニングし、可動電極３を形成する。可動電極３には、感度向上のためスリット８が形成されている（図１ａ）。

可動電極３上に、厚さ２．０〜５．０μｍ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、突起部形成予定領域の犠牲層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、環状に配置された複数の突起部を形成できるように配置される。

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し、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、先に形成した凹部１２に窒化膜６が充填される。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）。

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に可動電極３と、固定電極５と窒化膜６が一体となったバックプレートが固定され、エアーギャップ構造が形成される。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）。以下、個片化することでＭＥＭＳ素子が形成される。

次に突起部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に示すように突起部９は、環状に配置された複数の突起部９で構成されている。また突起部９は、外側に環状に配置されている突起部９ａ（第１の突起列）とその内側に環状に配置されている突起部９ｂ（第２の突起列）を備えている。

このように突起部９を配置すると、貫通孔７を通過した音圧あるいは可動電極３の振動により生じた圧力は、主に突起部９ａと突起部９ｂの間を通過してバックチャンバー１４側に伝わっていく。ここで、この圧力が伝わる経路（第１の経路相当）は、図３の矢印で示すようになり、屈曲した方向（突起部９ａ、９ｂの環状に延出する延出方向）に伝えられることになる。これは、突起部９ａと突起部９ｂを図３に示すように千鳥状に配置することで、突起部９ａと突起部９ｂとの間の隙間が、可動電極３の中心からみたとき、圧力が伝わる方向に直交する方向に開口するためである。

本実施例はこのように構成することで、図７に示すような従来例と比較して音響抵抗を高くすることができる。さらに本実施例では、突起部９の径方向の長さが短いため、バックプレートの破損を防止することも可能となる。

本実施例では、突起部９ａと突起部９ｂの間隔を狭くすることで音響抵抗を高くすることもできる。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。

次に第２の実施例について説明する。図４に本実施例の突起部９の平面配置を模式的に示した図である。先に説明した図３に示す平面配置と比較して、突起部９ａと突起部９ｂの重なりが大きくなっている。このように構成すると、貫通孔７を通過した音圧あるいは可動電極３の振動により生じた圧力は、主に突起部９ａと突起部９ｂの間を通過してバックチャンバー１４側に伝わる際、図４の矢印で示すように屈曲した方向（突起部９ａ、９ｂの環状に延出する延出方向）に伝えられる。ここで前述の図３に記載した突起部の配置と比較して、突起部９ａと突起部９ｂとの間に狭い領域があることがわかる。これにより本実施例では、より高い音響抵抗を得ることが可能となる。

本実施例においても、図７に示すような従来例と比較して音響抵抗を高くすることができる。さらに本実施例では、突起部９の径方向の長さが短いため、バックプレートの破損を防止することが可能となる。さらに、突起部９ａと突起部９ｂの間隔を短くすることで音響抵抗を高くすることができる。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。

次に第３の実施例について説明する。図５は本実施例の突起部９の平面配置を模式的に示した図であり、先に説明した図４に示す平面構造の変形例となる。図５に示すように、突起部９ａ、突起部９ｂはそれぞれ重なるように複数の突起部が形成されている。このように構成すると、図４で説明したように貫通孔７を通過した音圧あるいは可動電極３の振動により生じた圧力は、主に突起部９ａと突起部９ｂの間（第１の経路）を通過してバックチャンバー１４側に伝わるとともに、突起部９ａ、９ｂと対向する可動電極３との間の隙間（第２の経路）が長くなり、図４に示す場合と比較して音響抵抗を高くすることが可能となる。

本実施例では、図４で説明した突起部を分離する構造について説明したが、図３で説明した突起部の平面構造を分離する構造に変形することも可能である。

以上本発明の実施例についてバックプレートからエアギャップ側に突出する構造について説明したが、バックプレートの代わりに可動電極からエアギャップ側に突出する構造としたり、さらに可動電極からエアギャップ側に突出する代わりに基板側に突出する構造とすることも可能である。また、突起部の数、隣接する突起部との間の寸法等は、所望の音響抵抗が得られるように適宜設定することができる。

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 (4)

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を含むバックプレートと可動電極とを配置することでエアギャップが形成され、前記エアギャップ側あるいは前記基板側に突出する突起部を備えたＭＥＭＳ素子において、
   前記突起部はバックプレートに環状に配置された複数の突起部からなる第１の突起列と、該第１の突起列の内側に環状に配置された複数の突起部からなる第２の突起列からなり、
   前記エアギャップ内に生じた圧力がバックチャンバー側に伝わる経路は、前記第１の突起列を構成する突起部の一つと隣接する前記第２の突起列を構成する突起部との間の前記バックプレートと前記可動電極との間に形成される第１の経路と、前記突起部と該突起部と対向する前記可動電極との間に形成される第２の経路とを有し、
   前記第１の経路の少なくとも一部は、前記第１の突起列を構成する突起部と前記第２の突起列を構成する突起部が環状に延出する延出方向に前記圧力が伝わるように開口していることを特徴とするＭＥＭＳ素子。
2. 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を含むバックプレートと可動電極とを配置することでエアギャップが形成され、前記エアギャップ側あるいは前記基板側に突出する突起部を備えたＭＥＭＳ素子において、
   前記突起部は前記可動電極から前記エアギャップ側に突出し、環状に配置された複数の突起部からなる第１の突起列と、該第１の突起列の内側に環状に配置された複数の突起部からなる第２の突起列からなり、
   前記エアギャップ内に生じた圧力がバックチャンバー側に伝わる経路は、前記第１の突起列を構成する突起部の一つと隣接する前記第２の突起列を構成する突起部との間の前記バックプレートと前記可動電極との間に形成される第１の経路と、前記突起部と該突起部と対向する前記バックプレートとの間に形成される第２の経路とを有し、
   前記第１の経路の少なくとも一部は、前記第１の突起列を構成する突起部と前記第２の突起列を構成する突起部が環状に延出する延出方向に前記圧力が伝わるように開口していることを特徴とするＭＥＭＳ素子。
3. 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を含むバックプレートと可動電極とを配置することでエアギャップが形成され、前記エアギャップ側あるいは前記基板側に突出する突起部を備えた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、環状に配置された複数の突起部からなる第１の突起列と、該第１の突起列の内側に環状に配置された複数の突起部からなる第２の突起列からなり、
   前記エアギャップ内に生じた圧力がバックチャンバー側に伝わる経路は、前記第１の突起列を構成する突起部の一つと隣接する前記第２の突起列を構成する突起部との間の前記基板と前記可動電極との間に形成される第１の経路と、前記突起部と該突起部と対向する前記基板との間に形成される第２の経路とを有し、
   前記第１の経路の少なくとも一部は、前記第１の突起列を構成する突起部と前記第２の突起列を構成する突起部が環状に延出する延出方向に前記圧力が伝わるように開口していることを特徴とするＭＥＭＳ素子。
4. 請求項１乃至３いずれかに記載のＭＥＭＳ素子において、前記第１の突起列と前記第２の突起列を構成する前記突起部は、少なくとも第１の突起部とその内側に配置された第２の突起部とを備え、
   該第１の突起部と第２の突起部の間の間隙は、前記開口より狭く設定されていることを特徴とするＭＥＭＳ素子。

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