JP6662509B2 - 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、外圧の一つである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Ｓ／Ｎ比を向上させるためには、音圧による可動電極の変位を大きくする必要がある。そのため可動電極のバネ性を小さくする方法が提案されている。また、可動電極と固定電極とで形成されるエアーギャップで発生するノイズを小さくすればよいことが知られている（特許文献１段落番号０００３〜０００４）。

一般的なこの種のＭＥＭＳ素子の断面図を図６（ａ）に示す。図６（ａ）に示すように、基板１上に熱酸化膜２を介して可動電極膜３が形成されている。可動電極膜３上には、スペーサー４を介して固定電極膜５と窒化膜６が形成され、この固定電極膜５と窒化膜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。また可動電極膜３と固定電極膜５との間にはエアーギャップ９が形成され、固定電極膜３と固定電極膜５にそれぞれ接続する配線部１０が形成されている。

図６（ａ）に示すＭＥＭＳ素子において、可動電極膜３が熱酸化膜２とスペーサー４によって全周にわたり固定されていると、可動電極膜３のバネ性が大きくなり、可動範囲が狭くなってしまう。そこで、図６（ｂ）に模式的に示すように、可動電極膜３の外周の一部を切り欠いてスリット８を形成し、スリット８間の可動電極膜３の端部を図６（ａ）に示すように熱酸化膜２とスペーサー４によって固定することで、可動電極膜３のバネ性を小さくするように工夫されている。その結果、可動電極膜３の変位を大きくすることができ、感度を向上させることが可能となる。なお図６（ｂ）は、可動電極膜３を露出した状態の平面図を示しており、図６（ａ）で記載した配線部１０と配線部１０と接続するための引出電極の図示は省略している。

ところで、図６に示す可動電極膜３は、スリット８のない構造と比較すると可動範囲が広くなるものの、可動電極膜３はその端部を熱酸化膜２とスペーサー４に挟持された状態となっているため、変位幅は制限され、感度の向上にも限界があった。

一方、エアーギャップで発生するノイズを小さくすることは、可動電極膜３と固定電極膜５の間の寸法（エアーギャップの間隔）を大きくすることで解決できる。しかしながら、可動電極膜３と固定電極膜５の間の寸法を大きくすることは、検出する容量値（シグナル）の低下も招き、Ｓ／Ｎ比の向上のためには効果的ではない。

さらにまた貫通孔７を音圧が通過する際に発生するノイズを小さくする必要もある。この貫通孔７で発生するノイズを小さくすることは、貫通孔７を大きくすることで解決できる。しかしながら、貫通孔７を大きくすることも、検出する容量値（シグナル）の低下を招き、Ｓ／Ｎ比の向上のためには効果的ではない。

特開２０１２−１７５５０９号公報

従来のＭＥＭＳ素子において、可動電極膜の端部を固定させたままで可動電極膜のバネ性を弱める方法では、変位幅が限られ、さらに感度の向上を図ることができなかった。また、可動電極膜３と固定電極膜５の間隔や貫通孔の大きさを調整する方法では、間隔を広げたり、貫通孔を大きくするとノイズの減少と同時にシグナルが減少し、逆に間隔を狭くしたり、貫通孔を小さくするとシグナルの増加と同時にノイズが増加し、所望の特性を得ることが難しかった。本発明はこのような問題を解消し、感度の向上に好適な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上に、固定電極を含むバックプレートと可動電極とを対向配置したＭＥＭＳ素子において、
前記可動電極は、連結部により前記固定電極を含むバックプレートに固定され、該連結部を挟んで一方に配置した外力を受けて変位する第１の可動領域と、前記連結部を挟んで他方に配置した前記第１の可動領域で発生した変位に応じて変位する第２の可動領域とを含み、前記連結部は、前記第１の可動領域で発生した変位が前記連結部を支点として前記第２の可動領域に逆向きの動きとして伝わり、該第２の可動領域の変位が前記第１の可動領域の変位より大きくなる位置に配置され、前記第２の可動領域は、前記固定電極と対向配置して、前記第２の可動領域と前記固定電極との間の容量変化から前記第１の可動領域が受けた前記外圧の大きさを検知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、前記固定電極の一部に開口部を備え、該開口部内に前記第１の可動領域が露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、前記連結部は前記第１の可動領域と前記第２の可動領域とを分離する隔壁を構成することを特徴とする。

本発明のＭＥＭＳ素子は、固定電極を含むバックプレートと可動電極とを連結部によって固定し、この連結部を挟んで、可動電極の一方に外圧を受ける第１の可動領域を、他方に固定電極との間の容量変化を検知する第２の可動領域をそれぞれ配置する構成とし、第２の可動領域の端部を自由端とすることで、第２の可動領域の変位の制限がなく、感度の向上を可能としている。

本発明のＭＥＭＳ素子の可動電極を構成する第１の可動領域と第２の可動領域とは、連結部を支点としてそれぞれ逆方向へ変位する構成となっている。すなわち「てこ」のように動くことになる。このように構成することで、連結部から所定の寸法だけ離して固定電極と可動電極とを配置することで、大きな容量変化として検知することが可能となり、ＭＥＭＳ素子の感度を向上させることを可能としている。

また本発明のＭＥＭＳ素子は、広い開口部を設ける構成とすることにより、従来例で示したバックプレートに形成した貫通孔に起因するノイズの発生がなくなり、ＭＥＭＳ素子の感度を向上させることを可能としている。

さらに本発明のＭＥＭＳ素子は、連結部を連続した構造とし隔壁を構成することで、可動電極に形成した貫通孔の大きさを調整するだけで低域感度を調整することができ、好適である。

本発明のＭＥＭＳ素子を説明する図である。 本発明のＭＥＭＳ素子を説明する図である。 本発明のＭＥＭＳ素子を説明する図である。 本発明のＭＥＭＳ素子を説明する図である。 本発明のＭＥＭＳ素子を説明する図である。 従来のこの種のＭＥＭＳ素子を説明する図である。

本発明に係るＭＥＭＳ素子は、可動電極と固定電極を含むバックプレートとを連結部によって固定する構成としている。また可動電極は、連結部を挟んで一方に配置された外圧を受ける第１の可動領域と、第１の可動領域の受けた外圧の大きさに応じて変位する連結部を挟んで他方に配置された第２の可動領域とを含んだ構成としている。外圧を受ける第１の可動領域は、外圧を受ける面積を大きくするため、露出する構成とするのが好ましい。第２の可動領域は、固定電極と対向して配置し第１の可動領域で受けた外圧に応じた変位するため、この変位から外圧の大きさを検知できることになる。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。

本発明の第１の実施例について、その製造工程に従い説明する。まず、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、可動電極膜３（可動電極に相当）を形成する。ここで本発明は、可動電極膜３を図１（ｂ）に示すような形状とする。すなわち、円形の可動電極膜３の中心に向かって外周から複数のスリットが形成された形状とする。このスリットは、中心部までには達しておらず、扇型に分離された可動電極の一部が、円形の中心部で一体となった形状となる。また、中心部には貫通孔１２が形成されている。

その後、可動電極膜３上に厚さ２．０〜４．０μｍ程度のＵＳＧ(Undoped Silicate Glass)膜からなる犠牲層４ａ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、連結部形成予定領域の犠牲層４ａをエッチング除去し、可動電極膜３を露出させる。連結部形成予定領域は、スリットがない中心部を取り囲むリング状の形状とする。エッチング除去された連結部形成予定領域に犠牲層４ａと選択エッチング可能な材料で充填して平坦化し、エッチバックすることで、連結部１１を形成する（図１）。連結部１１を構成する膜は、絶縁性材料あるいは導電性材料のいずれでもよいが、可動電極膜３と後述するバックプレートを構成する膜、具体的には窒化膜に十分な接着性を有し、さらに可動電極膜３の変形に耐える必要があるため、金属膜とするのが好ましい。なお、金属膜とする場合は、可動電極膜３と固定電極膜５が導通しないようにすることは言うまでもない。

犠牲層４ａ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。次に通常のフォトリソグラフ法によりパターニングし、固定電極膜５（固定電極に相当）を積層形成する（図２）。この固定電極膜５は、先に形成した可動電極膜３の全面に対向するように形成するのではなく、図２に示すようにスリットが形成され、分離されている外周領域に対向するように形成するのが好ましい。

全面に窒化膜６を堆積させた後、通常のフォトリソグラフ法によりパターニングし、先に形成した連結部１１を覆い、連結部１１より内側に配置された可動電極膜３を露出できる程度の大きさの開口部１３を形成する（図３）。

可動電極膜３と固定電極膜５のそれぞれ接続する配線部１０を形成した後、シリコン基板１の裏面側からシリコン基板１と熱酸化膜２の一部を除去し、バックチャンバー１４を形成する（図４）。ここで、バックチャンバー１４の大きさは、引出電極を除く可動電極膜３が露出する大きさとし、バックチャンバー１４側に犠牲層４ａの一部を露出させる。

その後、開口部１３およびバックチャンバー１４側に露出する犠牲層４ａの一部を除去し、スペーサー４とエアーギャップ９を形成する。このように形成されたＭＥＭＳ素子は、図５に示すように、固定電極膜５と窒化膜６からなるバックプレートに連結部１１を介して可動電極膜３ａ、３ｂが固定された状態となる。ここで、連結部１１より開口部１３側の可動電極膜３ａが第１の可動領域に相当し、連結部１１より固定電極膜５側の可動電極膜３ｂが第２の可動領域に相当する。第２の可動領域の可動電極膜３ｂと固定電極膜５とは対向して配置され、この両電極膜間で容量値を検出する。

次に、図５に示すＭＥＭＳ素子の動作について説明する。外圧は、開口部１３を通して第１の可動領域となる可動電極膜３ａを変位させる。一部の外圧は、貫通孔１２からバックチャンバー１４側に通過し、過剰な外圧による可動電極膜３ａの破損を防止する。可動電極膜３ａは容量値の検出のためには使用していないので、開口部１３の大きさは音圧が通過する際にノイズが発生しない十分に大きな形状とすることができる。

貫通孔１２の大きさは、所望の低域感度が得られる大きさに調整される。本実施例では、連結部がリング状に形成されているため、開口部１３から連結部１１を通して圧力が漏れることがないので、貫通孔１２の大きさの調整のみで感度調整ができ、好適である。なお、感度調整は複雑になるものの、連結部１１をリング状にせず、複数に分離した状態としても何ら問題はない。

第１の可動領域の可動電極膜３ａに発生した変位は、連結部１１を支点として「てこ」のように動作し、第２の可動領域の可動電極膜３ｂに逆向きの動きとして伝わる。つまり可動電極膜３ａが下向きに変位したときには可動電極膜３ｂは上向きに変位し、可動電極膜３ａが上向きに変位したときには可動電極膜３ｂは下向きに変位する。

容量値の変化は、固定電極膜５と対向する可動電極膜３ｂの変位の大きさによって検出する。図５に示すように、支点となる連結部１１から所定の寸法離れた位置に配置されている可動電極膜３ｂの変位は、外圧を受けて振動する可動電極膜３ａの変位より大きくなり、容量値の変化も大きくなり、感度が向上することがわかる。

このように本実施例のＭＥＭＳ素子は、第１の可動領域となる可動電極膜３ａの変位を増幅して第２の可動領域となる可動電極膜３ｂに伝えることができ、感度の高いコンデンサマイクロフォンを形成することが可能となる。

以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこれらに限定されるものでないことは言うまでもない。たとえば、可動電極膜３や固定電極膜５の形状は円形あるいはリング状に限定するものではなく、それぞれ長方形など矩形形状としてもよい。また実施例１で説明した可動電極３に形成したスリットを、中央部まで延出し、可動電極を複数に分離した形状としても何ら問題ない。

１：シリコン基板、２：熱酸化膜、３：可動電極膜、４：スペーサー、４ａ：犠牲層、５：固定電極膜、６：窒化膜、７：貫通孔、８：スリット、９：エアーギャップ、１０：配線部、１１：連結部、１２：貫通孔、１３：開口部、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上に、固定電極を含むバックプレートと可動電極とを対向配置したＭＥＭＳ素子において、
   前記可動電極は、連結部により前記固定電極を含むバックプレートに固定され、該連結部を挟んで一方に配置した外力を受けて変位する第１の可動領域と、前記連結部を挟んで他方に配置した前記第１の可動領域で発生した変位に応じて変位する第２の可動領域とを含み、
   前記連結部は、前記第１の可動領域で発生した変位が前記連結部を支点として前記第２の可動領域に逆向きの動きとして伝わり、該第２の可動領域の変位が前記第１の可動領域の変位より大きくなる位置に配置され、
   前記第２の可動領域は、前記固定電極と対向配置して、前記第２の可動領域と前記固定
   電極との間の容量変化から前記第１の可動領域が受けた前記外圧の大きさを検知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、
   前記固定電極の一部に開口部を備え、
   該開口部内に前記第１の可動領域が露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、
   前記連結部は前記第１の可動領域と前記第２の可動領域とを分離する隔壁を構成することを特徴とするＭＥＭＳ素子。

Images