JP6631778B2 - 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、半導体基板上に可動電極、犠牲層及び固定電極を形成した後、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可動電極と固定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。可動電極３と固定電極５に間に形成されたエアーギャップ１０は、スリット８を介して基板１に形成されたバックチャンバー１１に連通する構造となっている。

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）。この突起部９は、図４に示すようにシリコン基板１側に突出する代わりにエアーギャップ１０側に突出する形状や、固定電極５を含むバックプレートからエアーギャップ１０側に突出する形状など種々提案されている。

また本願出願人は、突起部９の形状を工夫することで、音響抵抗を高めることができるＭＥＭＳ素子を提案している（特願２０１５−７０６３１号）。

特開２００７−２１００８３号公報 特開２００９−６０６００号公報

従来のＭＥＭＳ素子は、可動電極３と固定電極５を含むバックプレートとの間にエアーギャップを形成する際、可動電極３とバックプレートとの間に積層形成した犠牲層をエッチング除去していた。具体的には、貫通孔７からエッチング液を流入させて犠牲層をエッチング除去し、除去された空間が所定の大きさとなったところでエッチングをストップし、エッチング除去されずに残る犠牲層の一部をスペーサー４としていた。このような製造方法では製造工程のばらつき等を考慮し、そのエッチング時間を長く設定するのが一般的である。

そのため可動電極３と固定電極５を含むバックプレートとの間のエアーギャップ１０は、スリット８より外周側でスペーサー４の内壁までの空間（周辺空間１２）が、スペーサー４の内周に沿って大きく残ってしまう。このような構造のＭＥＭＳ素子をコンデンサマイクロフォンとして使用する場合、貫通孔７を通過した音波は、可動電極３を振動させスリット８を通過してバックチャンバー１１に伝搬する他に、周辺空間１２に伝搬し、スペーサー４や固定電極５を含むバックプレートで反射して可動電極３に不要な振動を発生させる。その結果、ＭＥＭＳ素子の感度が低下してしまうという問題があった。本発明はこのような問題を解消し、感度低下が発生しない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形成されるエアーギャップと、該エアーギャップと前記バックチャンバーとの間を連通するスリットとを備えたＭＥＭＳ素子において、前記バックプレートあるいは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環状の突起部を備え、該突起部は、前記スリットより前記スペーサー側であって、前記可動電極と該可動電極に対向する領域の前記バックプレートと前記スペーサーの内壁とで構成する周辺空間に突出し、前記エアーギャップ側から前記周辺空間に伝搬する圧力が前記周辺空間に伝搬することを阻害す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、前記エアーギャップ内に発生した圧力を、前記スリットを通して前記バックチャンバー側へ導く伝搬経路を形成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記載のＭＥＭＳ素子において、前記突起部は、前記エアーギャップ内に発生した圧力を、前記バックプレートに形成された貫通孔から外部へ放出する放出経路を形成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記載のＭＥＭＳ素子において、前記突起部は、前記エアーギャップ内で発生した圧力を、前記突起部より前記スペーサー側の前記周辺空間へ伝搬することを抑える障壁として機能していることを特徴とする。

本発明のＭＥＭＳ素子は、エアーギャップ内の圧力が、本発明の第２の突起部に反射して周辺空間に入り込むことを防止できる構成としている。また本発明の突起部は、エアーギャップ内の圧力を反射し、スリットや貫通孔から外部へ速やかに放出される構成となっている。そのため周辺空間近傍の反射に起因する不要なノイズを防止することができ、感度の高いＭＥＭＳ素子を得ることができる。

また本発明の突起部は、エアーギャップを形成する際、エッチング液やエッチング種の拡散を制限する機能も有し、周辺空間の大きさが必要以上に大きくなることを防止できるという利点もある。

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ＭＥＭＳ素子の説明図である。

本発明に係るＭＥＭＳ素子は、固定電極を含むバックプレート、スペーサーおよび可動電極で囲われた周辺空間に突起部（第２の突起部に相当）を設けることを特徴としている。本発明の突起部は、従来ＭＥＭＳ素子において音響抵抗を大きくするために設けられた突起部（第１突起部に相当）と異なり、音響抵抗の増大には寄与せず、エアーギャップ内の圧力が周辺空間に伝搬することを防止する機能を有している。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ーギャップ側に突出する突起部を備えたＭＥＭＳ素子について、その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）。このスリット８は、可動電極３に弾性を与えるように形成されたバネパターンとしてもよい。

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１３を積層形成する。この犠牲層１３は、一部を除去することによりスペーサーを構成する膜となる。犠牲層１３上に、厚さ０．１μｍのポリシリコン膜を形成し、所定のパターニングを行い、固定電極５を形成する（図１ｂ）。なお、可動電極３と固定電極５には、それぞれに接続するアルミニウム等の導電膜からなる配線膜を形成されるが、ここでは図示を省略する。

その後、後述するスペーサーの内側に位置し、スリット８より内側の部分の第１の突起部形成予定領域の固定電極５と犠牲層１３の一部を除去し、第１の凹部１４を形成する。同時にスペーサーの内側に位置し、スリット８より外側の部分（周囲空間に相当）の第２の突起部形成予定領域の固定電極５と犠牲層１３の一部を除去し、第２の凹部１５を形成する（図２ａ）。図２（ａ）において第１の凹部１４、第２の凹部１５は、それぞれ環状に配置された２つの突起部を形成できるように配置している。

次に、全面に窒化膜６を堆積形成する。ここで堆積形成された窒化膜６は、先に形成した第１の凹部１４、第２の凹部１５内にそれぞれ充填され、後述する第１の突起部１６、第２の突起部１７を形成することになる。その後、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１３を露出させる（図２ｂ）。

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１１を形成する。その後、貫通孔７を通して犠牲層１３の一部をエッチング除去してスペーサー４を形成する。このエッチングで、熱酸化膜２の一部もエッチング除去される。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とが固定され、エアーギャップ１０が形成される。エアーギャップ１０には、固定電極５側から第１の突起部１６と第２の突起部１７が突出している（図２ｃ）。なおこのエッチング工程では、第２の突起部１７が露出すると、第２の突起部１７がさらに外側へのエッチングの進行を阻害する障壁となり、すなわち周辺空間１２が拡大するエッチングの進行が遅くなり、周辺空間１２の大きさが必要以上に大きくならないようにすることができる。

図３に第２の突起部１７が形成される位置を説明するための平面図を示す。図３に示しように、固定電極５の端部の内側にスペーサー４が位置し、さらに内側にスリット８が形成されている。本発明の第２の突起部１７は、スリット８とスペーサー４の間の周辺空間に配置されることがわかる。なお図３では、貫通孔７および第１の突起部１６は図示を省略し、第２の突起部１７は１本のみ表示している。

このように形成したＭＥＭＳ素子は、第１の突起部１６が音響抵抗を増大させるための突起に相当する。一方第２の突起部１７は、スリット８の外周側の周辺空間１２に配置されているため音響抵抗を増大させる機能は有していない。しかしながら、周辺空間１２に突出することで、エアーギャップ１０側から圧力が伝搬してきた場合に、その圧力が周辺空間１２へ伝搬することを阻害している。換言すれば、周囲空間１２へ伝搬する圧力を、スリット８を通してバックチャンバー１１側へ伝搬させる機能を有している。あるいは、例えば図２（ｃ）において、第１の突起部１６と第２の突起部１７との間に貫通孔７を形成する構造とすると、周囲空間１２へ伝搬した圧力を貫通孔７を通して固定電極５から外部へ放出させる機能を有するともいえる。その結果、その圧力が周辺空間１２に伝搬し、スペーサー４、固定電極５および可動電極３に反射して振動することにより発生する不要なノイズを防止することができる。

次に本発明の第２の実施例について説明する。上記第１の実施例では、第２の突起部１７は固定電極５側に形成する場合について説明したが、固定電極５側に形成する代わりに可動電極３側に形成してもよい。その場合、上記製造工程に従えば、可動電極３を形成した後、犠牲層１３を第２の突起部１７の長さ分だけ形成し、第２の突起部形成予定領域の犠牲層１３を除去して可動電極３に達する第２の凹部１５を形成し、第２の凹部１５内に選択的に絶縁材を充填させた後、追加の犠牲層１３を形成し、固定電極５を形成する。

その後、先に説明した工程を行い、犠牲層１３をエッチングし、スペーサー４を形成することで可動電極３上にエアーギャップ１０に突出する第２の突起部１７を形成することができる。この方法は、先に説明した製造方法と比較して、第２の凹部１５内への絶縁材の選択的な充填や、犠牲層４の形成を２回に分ける必要があり製造工程が増加することになる。しかし、例えば第２の突起部１７を可動電極３と固定電極５を含むバックプレートに分けて形成することができ、可動電極３および固定電極５を含むバックプレートに加わる負担を低減できる点で利点がある。

以上本発明の実施例について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく様々変更可能である。例えば、突起部の数、隣接する突起部との間の寸法等は、所望の特性が得られるように適宜設定することができる。また第１の突起部は必ずしも必要ではないし、図４で説明したようにシリコン基板１側に突出する突起部９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：スペーサー、５：固定電極、６：窒化膜、７：貫通孔、８：スリット、９：突起部、１０：エアーギャップ、１１：バックチャンバー、１２：周辺空間、１３：犠牲層、１４：第１の凹部、１５：第２の凹部、１６：第１の突起部、１７：第２の突起部

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形成されるエアーギャップと、該エアーギャップと前記バックチャンバーとの間を連通するスリットとを備えたＭＥＭＳ素子において、
   前記バックプレートあるいは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環状の突起部を備え、
   該突起部は、前記スリットより前記スペーサー側であって、前記可動電極と該可動電極に対向する領域の前記バックプレートと前記スペーサーの内壁とで構成する周辺空間に突出し、前記エアーギャップ側から前記周辺空間に伝搬する圧力が前記周辺空間に伝搬することを阻害す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、前記エアーギャップ内に発生した圧力を、前記スリットを通して前記バックチャンバー側へ導く伝搬経路を形成していることを特徴とするＭＥＭＳ素子。
3. 請求項１記載のＭＥＭＳ素子において、前記突起部は、前記エアーギャップ内に発生した圧力を、前記バックプレートに形成された貫通孔から外部へ放出する放出経路を形成していることを特徴とするＭＥＭＳ素子。
4. 請求項１記載のＭＥＭＳ素子において、前記突起部は、前記エアーギャップ内で発生した圧力を、前記突起部より前記スペーサー側の前記周辺空間へ伝搬することを抑える障壁として機能していることを特徴とするＭＥＭＳ素子。

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