JP6699854B2 - Ｍｅｍｓ素子 - Google Patents
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Description
この発明はＭＥＭＳ素子に関し、特にマイクロフォン、各種センサ等として用いられる容量型ＭＥＭＳ素子に関する。
半導体プロセスを用いて形成されるＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)素子は、半導体基板上に可動電極、犠牲層およ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）構造が形成される。
例えば、容量型のＭＥＭＳ素子では、複数の貫通孔を備えた固定電極と、音圧等を受けて振動する可動電極とを対向して配置し、振動によ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。この種のＭＥＭＳ素子は、例えば特許文献１に記載されている。
従来のＭＥＭＳ素子の動作を図１０に模式的に示す。導電性の固定電極を含む固定電極膜１と導電性の可動電極を含む可動電極膜２がスペーサー３を介して配置されている。可動電極膜２は、音圧等を受けて振動すると固定電極膜１との間の距離が変化し、固定電極膜１の固定電極と可動電極膜２の固定電極との間で形成されているキャパシタの容量値が変化する。この容量値を図示しない電極から取り出すことで、可動電極膜２が受ける音圧等に応じた出力信号を得ることが可能となる。
ところでこの種のＭＥＭＳ素子では、図１０に示すように音圧等を受けた可動電極膜２はその端部をスペーサー３と基板５上に形成した絶縁膜６によって挟持され、固定されているため、中央部の変位量が大きく、外周部の変位量が小さくなるように湾曲して変形することになる。
可動電極膜２がこのように湾曲して変形すると可動電極膜２上に形成されている可動電極も同様に変形し、固定電極に対して平行平板の電極とはならない。そのため、可動電極と固定電極とがより近接する際、外周側の近接量が小さいために出力信号が大きく取り出せず、感度が低下するという問題があった。本発明はこのような問題点を解消し、感度の高い出力信号を得ることができる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固定電極膜と可動電極を含む可動電極膜とが対向配置しているＭＥＭＳ素子において、前記可動電極膜は、前記スペーサーに固定された固定部と、該固定部に連続する振動部と、該振動部の振動を制御するスリットとを備え、前記振動部は、前記固定部に連続する第１の振動部と、前記固定部側と反対側で前記第１の振動部に連続する第２の振動部とを備え、前記第２の振動部は、前記固定電極膜側に突出する厚膜部を備え、該第２の振動部の前記可動電極により前記厚膜部の前記固定電極膜側の表面を被覆し、側面で前記第１の振動部に連続する前記第１の振動部より厚く、かつ一定の厚さの膜とし、前記第２の振動部表面の前記可動電極が、前記第１の振動部表面より前記固定電極膜に近接して配置されていることを特徴とする。
本発明のＭＥＭＳ素子は、可動電極膜に厚い厚膜部を備える構成とすることで、第２の振動部の湾曲が抑えられ、対向する固定電極膜に平板形状を保ったまま変位するため、感度の高い出力信号を得ることができる。特に、第２の振動部は均一な厚さとすることで振幅が大きな振動であっても変形しづらく、平板形状を保った状態で振動することから、常に固有振動数で振動してノイズの発生が抑えられ、特性の優れたＭＥＭＳ素子を提供することができる。
また本発明のＭＥＭＳ素子は、第２の振動部を第１の振動部より固定電極側に配置することができ、第２の振動部の表面に配置した可動電極が、対向する固定電極に近接して配置することができるので、より感度の向上が期待される。
さらに本発明のＭＥＭＳ素子は、スリットを第２の振動部に設けることも可能である。第２の振動部に設けられたスリットは、厚い膜に形成されているため相対的に薄い第１の振動部に設けられたスリットと比較してバネ性が小さくなる。つまり、第１の振動部にスリットを形成して制御できる振動特性とは異なる振動特性を得ることが可能となる。そのため、第２の振動部の形状や厚さを変更した場合に、第２の振動部にスリットを設け、第２の振動部が所望の振動特性となるように調整することができ、設計の自由度を増すという利点がある。
本発明のＭＥＭＳ素子は、可動電極膜の中央部分（第２の振動部に相当）を一定の厚さの厚い膜で構成している。また、第２の振動部の振動特性を制御するスリットが所望の位置に配置されている。
このように構成すると、例えば可動電極膜が音圧を受けた場合、第２の振動部の形状は変化しない状態（平行平板の状態）で固定電極膜に対向することになる。その結果、可動電極と固定電極との間で形成されるキャパシタの容量値に基づく出力信号は、従来に比べて大きな変位まで直線性のある特性が得られることになり、感度の向上が可能となる。以下、本発明を実施例について詳細に説明する。
本発明の実施例について、ＭＥＭＳ素子としてコンデンサマイクロフォンを例にとり説明する。本発明のコンデンサマイクロフォンは、まず、結晶方位（１００）面の厚さ４２０μｍのシリコン基板１０上に、厚さ１μｍ程度の熱酸化膜１１を形成する。その後、ＣＶＤ法によりポリシリコン膜あるいはアモルファスシリコン膜を全面に形成し、通常のフォトリソグラフ法により厚膜部１２を形成する。厚膜部１２および熱酸化膜１１上に、ＣＶＤ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。次に導電性ポリシリコン膜を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１３を形成する。可動電極１３には、可動電極１３と厚膜部１２の振動が所望の特性となるようにスリット１４が形成されている（図１）。可動電極１３と可動電極１３によって被覆された厚膜部１２が、第２の振動部に相当する。
その後、通常の平坦化の方法に従い、全面に、先に形成した厚膜部１２と可動電極１３の積層膜より厚くＣＶＤ法により酸化膜１５を形成し、さらに酸化膜１５上にフォトレジスト膜を厚く積層形成して平坦化してエッチバックすることにより、酸化膜１５表面と厚膜部１２上の可動電極１３表面が平坦化される（図２）。この工程は、後述する犠牲層１６の表面を平坦にするために必要な工程であり、必ずしも必須ではない。
以下、通常のＭＥＭＳ素子の製造工程に従い、全面に、ＵＳＧ膜からなる犠牲層１６を積層形成する。ここで、犠牲層１６表面は平坦となっている。次に導電性ポリシリコン膜を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１７を形成する。先に形成した可動電極１３および固定電極１７にそれぞれ接続する電極部１８を形成した後、減圧ＣＶＤ法によりシリコンナイトライド膜１９を積層形成し、固定電極１７と一体となった固定電極膜を形成する。固定電極膜には貫通孔２０を形成し、犠牲層１６の一部を露出させる（図３）。
その後、必要によりシリコン基板１０を薄膜化した後、あるいはそのままでシリコン基板１０を裏面側からＲＩＥ装置を用いてエッチングすることでバックチャンバー２１を形成する（図４）。最後に熱酸化膜１１と、犠牲層１６および酸化膜１５の一部をエッチングし、犠牲層１６と酸化膜１５の一部からなるスペーサー２２を介して固定電極１７と厚膜部１２上に形成された可動電極１３が対向するＭＥＭＳ素子を形成する（図５）。
このように形成したＭＥＭＳ素子は、可動電極１３の端部がスペーサー２２に固定されている（熱酸化膜１１とスペーサー２２に挟持された部分が固定部２３に相当）ので、スリット１４が形成されることでバネ性を持つ構造となる。図５に示す構造では、固定部２３に連続する可動電極１３（第１の振動部２４に相当）にスリット１４が形成され、その内側に配置している厚膜部１２を含む可動電極１３（第２の振動部２５に相当）が大きく振動することになる。
ここで第２の振動部２５の厚さは一定の厚さとなっているので、第２の振動部２５は所定の固有振動数で振動することになる。これにより、可動電極が複数の固有振動数を持つ場合に発生するノイズの発生が抑えられる。さらに従来の可動電極膜に較べて厚い膜となっているので、高速での振動が可能となり、高周波領域で使用する場合に効果が大きい。
また本実施例の可動電極１３は、厚膜部１２の厚さ分だけ固定電極１７に近い位置に形成することができ、感度の向上を図ることが可能となっている。
次に第２の実施例について説明する。上記第１の実施例では、厚膜部１２の厚さを厚くすることに限界がある。そこで、厚膜部１２を厚く形成する実施例について説明する。上述の第１の実施例で説明した厚膜部１２を形成する前にシリコン基板１の一部をエッチング除去し、その内部に厚膜部１２を形成する。上記第１の実施例の図１に相当する工程図を図６に示す。
以下、上記第１の実施例で説明した製造工程に従い、図７に示す構造のＭＥＭＳ素子を形成することができる。
図７に示すように、厚膜部１２の一部をバックチャンバー２１側に突出する構成とすると、厚膜部１２の厚さを確保し、エアーギャップ２６側への突出量を抑えて平定化を容易にする等の利点がある。さらにまた、厚膜部１２をシリコン基板１０側に完全に埋め込み、エアーギャップ２６側への突出をなくして平坦な可動電極１３を形成することも可能である。
次に、スリット１４の形成と厚膜部１２の形状について説明する。一般的なＭＥＭＳ素子では、可動電極膜に形成されるスリットは図５に示す第１の実施例で説明したように、固定部２３に連続する第１の振動部２４に形成される。模式的な平面図を図８に示す。図８（ａ）に示す例では、厚膜部１２、第２の振動部２５が円形の場合、その周囲に均等にスリット１４を形成することで、第２の振動部２５を所望の振動特性で振動するように制御することができる。
ところで、第２の振動部を円形の形状とした場合、ＭＥＭＳ素子の形状がほぼ正方形に限られてしまう。この種のＭＥＭＳ素子が実装される電子機器は、年々小型化の要求が強まっており、ＭＥＭＳ素子の形状をフレキシブルに変更できることが望まれる。そこで図８（ｂ）に示すように、第２の振動部２５に形状を楕円形にすることで、ＭＥＭＳ素子の形状を長方形に変更することが可能となる。このように第２の振動部２５の形状を変更する場合、楕円形状の長径方向と短径方向では第１の振動部の振動特性が異なり、第２の振動部２５の振動を制御することが難しくなる。そのため、スリット１４の配置を変更して所望の振動特性が得られるようにすればよい。図８（ｂ）に示す配置は一例で、第１、第２の振動部の厚さや材質等により種々変更することができる。
さらにまた、厚膜部１２、第２の振動部２５の形状は、円形、楕円形、多角形の他に、２つの円形が合体した形状（メガネ型）や４つの円形が合体した形状（四葉のクローバー型）、あるいはこのような形状の第２の振動部２５が、１つのバックチャンバー上に複数個配置される等、種々変更可能である。
スリット１４の配置についても、第１の振動部２４に形成されることに限定されない。例えば、図９に示すように第２の振動部に形成することも可能である。第２の振動部は厚膜部１２を備える構成となっているため、第２の振動部に形成されるスリット１４のバネ性は、第１の振動部２４に形成されるスリットのバネ性とは相違することになる。したがって、第２の振動部が所望の振動特性を有するように第２の振動部２５にスリット１４を形成することで、設計の自由度が増すことになる。さらに、第１の振動部２４に形成するスリット１４を組み合わせる場合も、第２の振動部２５の振動特性を調整することができる。
スリット１４の形成は、上述の第１の実施例で説明したスリット１４の形成を厚膜部１２上に形成し、厚膜部１２を露出させた後、ドライエッチング法により厚膜部１２に垂直な側壁を有するスリットを形成すれば良い。以下、上述の製造方法と同様に形成することができる。
なお、図９に示すような第２の振動部にスリット１４を形成する場合についても、第２の振動部の２５の形状は円形に限定されるものではなく、スリット１４を形成する位置も適宜設定することが可能である。
以上説明したように本発明によれば、平行平板電極として機能する第２の振動部を備えることで、特性の優れたＭＥＭＳ素子を簡便に形成することができる。なお、本発明のＭＥＭＳ素子は、マイクロフォン以外の各種センサ等として用いることも可能である。
１：固定電極膜、２：可動電極膜、３：スペーサー、４：スリット、５：基板、６：絶縁膜、１０：シリコン基板、１１：熱酸化膜、１２：厚膜部、１３：可動電極、１４：スリット、１５：酸化膜、１６：犠牲層、１７：固定電極、１８：電極部、１９：シリコンナイトライド膜、２０：貫通孔、２１：バックチャンバー、２２：スペーサー、２３：固定部、２４：第１の振動部、２５：第２の振動部、２６：エアーギャップ
Claims (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固定電極膜と可動電極を含む可動電極膜とが対向配置しているＭＥＭＳ素子において、
前記可動電極膜は、前記スペーサーに固定された固定部と、該固定部に連続する振動部と、該振動部の振動を制御するスリットとを備え、
前記振動部は、前記固定部に連続する第１の振動部と、前記固定部側と反対側で前記第１の振動部に連続する第２の振動部とを備え、
前記第２の振動部は、前記固定電極膜側に突出する厚膜部を備え、該第２の振動部の前記可動電極により前記厚膜部の前記固定電極膜側の表面を被覆し、側面で前記第１の振動部に連続する前記第１の振動部より厚く、かつ一定の厚さの膜とし、
前記第２の振動部表面の前記可動電極が、前記第１の振動部表面より前記固定電極膜に近接して配置されていることを特徴とするＭＥＭＳ素子。
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