JP6852569B2 - MEMS elements, electronics and mobiles - Google Patents
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Description
本発明は、MEMS素子、MEMS素子を備えた電子機器および移動体に関する。 The present invention relates to a MEMS element, an electronic device including a MEMS element, and a mobile body.
従来、シリコン基板上にMEMS技術を用いて作動素子を形成したMEMS振動子が知られている。例えば、下記の特許文献1には、作動素子を形成したシリコン基板の作動素子の作動空間(内部空間)を、同じくシリコン基板で形成され、外部接続用の貫通孔電極(TSV:Through Silicon Via)が設けられた蓋基板を接合して真空封止(減圧封止)し、個片化することでMEMS振動子を製造する方法が開示されている。 Conventionally, a MEMS oscillator in which a working element is formed on a silicon substrate by using MEMS technology is known. For example, in Patent Document 1 below, the working space (internal space) of a working element of a silicon substrate on which a working element is formed is also formed of a silicon substrate, and a through silicon via (TSV: Through Silicon Via) for external connection is provided. Disclosed is a method of manufacturing a MEMS transducer by joining a lid substrate provided with a silicon wafer, vacuum-sealing (vacuum-sealing), and individualizing the lid substrate.
しかしながら、特許文献1に記載のMEMS振動子では、作動空間を真空封止するために、貫通孔電極が設けられた蓋基板の接合面を凹凸の無い均一な面に加工する高度な加工方法が必要となるという課題があった。
また、シリコン基板と蓋基板とを一括して真空雰囲気(減圧雰囲気)で封止するためには、技術難度が高く、装置が大掛かりとなり、製造コストが高くなるという課題もあった。
However, in the MEMS vibrator described in Patent Document 1, in order to vacuum-seal the working space, an advanced processing method for processing the joint surface of the lid substrate provided with the through-hole electrode into a uniform surface without unevenness is used. There was a problem that it was necessary.
Further, in order to seal the silicon substrate and the lid substrate together in a vacuum atmosphere (vacuum atmosphere), there is a problem that the technical difficulty is high, the apparatus becomes large, and the manufacturing cost is high.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の適用例又は形態として実現することが可能である。 The present invention has been made to solve at least a part of the above-mentioned problems, and can be realized as the following application example or form.
[適用例1]本適用例に係るMEMS素子は、基板と蓋部とで構成されるキャビティー内に、可動部と基部とを有する素子を具備し、前記基板に、前記素子を駆動するための素子電極に接続する2つの貫通電極と、前記基板を貫通する貫通孔と、前記貫通孔を封止する封止膜と、を配設し、前記貫通孔は、平面視で前記基部に対し前記可動部に対向する側に配設されていることを特徴とする。 [Application Example 1] The MEMS element according to the present application example is provided with an element having a movable portion and a base portion in a cavity composed of a substrate and a lid portion, and the substrate is used to drive the element. Two through electrodes connected to the element electrodes of the above, a through hole penetrating the substrate, and a sealing film for sealing the through hole are arranged, and the through hole is formed with respect to the base portion in a plan view. It is characterized in that it is arranged on the side facing the movable portion.
本適用例によれば、基板と蓋部とで構成されるキャビティーに連通する貫通孔を封止膜で封止することにより、素子を内包するキャビティー内を容易に気密封止することができる。そのため、高度な加工方法を必要とせずに信頼性に優れたMEMS素子を得ることができる。また、封止用の貫通孔が素子の基部に対し可動部に対向する側に配設されているため、貫通孔を封止する際に、封止膜がキャビティー内に入り込み素子の可動部に付着するのを低減することができ、安定な特性を有するMEMS素子を得ることができる。更に、基部付近に貫通孔が配設されていることで、可動部の振動が貫通孔で緩和され、可動部の振動が基板全体に漏洩するのを低減することができ、高いQ値を有するMEMS素子を得ることができる。 According to this application example, the inside of the cavity containing the element can be easily airtightly sealed by sealing the through hole communicating with the cavity composed of the substrate and the lid with a sealing film. it can. Therefore, it is possible to obtain a highly reliable MEMS element without requiring an advanced processing method. Further, since the through hole for sealing is arranged on the side facing the movable portion with respect to the base portion of the element, when sealing the through hole, the sealing film enters the cavity and the movable portion of the element is formed. It is possible to reduce the amount of adhesion to the device, and it is possible to obtain a MEMS device having stable characteristics. Further, since the through hole is provided near the base, the vibration of the movable part is alleviated by the through hole, and the vibration of the movable part can be reduced from leaking to the entire substrate, and has a high Q value. A MEMS element can be obtained.
[適用例2]上記適用例に記載のMEMS素子において、前記蓋部と前記基板との接合面は、複数の角部を有し、前記2つの貫通電極は、平面視で対向する2つの前記角部に接する領域の一部に各々配設され、前記貫通孔は、平面視で前記2つの貫通電極が配設される前記2つの角部以外の前記角部に接する領域の一部に配設されていることが好ましい。 [Application Example 2] In the MEMS element described in the above application example, the joint surface between the lid portion and the substrate has a plurality of corner portions, and the two through electrodes face each other in a plan view. Each is arranged in a part of the region in contact with the corner portion, and the through hole is arranged in a part of the region in contact with the corner portion other than the two corner portions in which the two through electrodes are arranged in a plan view. It is preferable that it is provided.
本適用例によれば、貫通孔が2つの貫通電極が配設される2つの角部以外の角部に接する領域の一部に配設されているため、つまり、貫通孔が2つの貫通電極から離れた位置に配設されているため、貫通孔を封止する際の封止膜がキャビティー内に配設された貫通電極に接続する配線や電極パッドに付着することで生じる絶縁抵抗値の変動を低減することができる。従って、安定な特性を有するMEMS素子を得ることができる。 According to this application example, since the through holes are arranged in a part of the region in contact with the corners other than the two corners where the two through electrodes are arranged, that is, the through holes are arranged in the two through electrodes. Since it is arranged at a position away from the through hole, the insulation resistance value generated when the sealing film for sealing the through hole adheres to the wiring or electrode pad connected to the through electrode arranged in the cavity. Fluctuations can be reduced. Therefore, a MEMS device having stable characteristics can be obtained.
[適用例3]上記適用例に記載のMEMS素子において、前記貫通孔は、第1の孔部と第2の孔部とからなり、前記第2の孔部の開口幅は、前記第1の孔部の開口幅より狭く、前記第1の孔部と前記第2の孔部との連通部が、前記第1の孔部側に配設された前記封止膜により封止されていることが好ましい。 [Application Example 3] In the MEMS device described in the above application example, the through hole is composed of a first hole portion and a second hole portion, and the opening width of the second hole portion is the first hole portion. It is narrower than the opening width of the hole portion, and the communication portion between the first hole portion and the second hole portion is sealed by the sealing film disposed on the first hole portion side. Is preferable.
本適用例によれば、第2の孔部の開口幅が第1の孔部の開口幅より狭いので、第1の孔部側に配設された封止膜によって、第1の孔部と第2の孔部との連通部が塞がれ、素子を内包するキャビティー内を容易に気密封止することができる。 According to this application example, since the opening width of the second hole portion is narrower than the opening width of the first hole portion, the sealing film disposed on the first hole portion side can be used to obtain the first hole portion. The communication portion with the second hole portion is closed, and the inside of the cavity containing the element can be easily airtightly sealed.
[適用例4]上記適用例に記載のMEMS素子において、前記素子が、振動子であることが好ましい。 [Application Example 4] In the MEMS element described in the above application example, it is preferable that the element is an oscillator.
本適用例によれば、素子が振動子であるため、振動子を内包するキャビティー内を気密封止することで、外乱の影響を低減することができるため、安定な特性を有する振動子を得ることができる。 According to this application example, since the element is an oscillator, the influence of disturbance can be reduced by airtightly sealing the inside of the cavity containing the oscillator, so that an oscillator having stable characteristics can be obtained. Obtainable.
[適用例5]本適用例に係る電子機器は、上記適用例に記載のMEMS素子を備えていることを特徴とする。 [Application Example 5] The electronic device according to the present application example is characterized by including the MEMS element described in the above application example.
本適用例によれば、電子機器に信頼性に優れたMEMS素子が活用されることにより、より高性能の電子機器を提供することができる。 According to this application example, it is possible to provide a higher performance electronic device by utilizing a highly reliable MEMS element for the electronic device.
[適用例6]本適用例に係る移動体は、上記適用例に記載のMEMS素子を備えていることを特徴とする。 [Application Example 6] The moving body according to the present application example is characterized by including the MEMS element described in the above application example.
本適用例によれば、移動体に信頼性に優れたMEMS素子が活用されることにより、より高性能の移動体を提供することができる。 According to this application example, it is possible to provide a mobile body with higher performance by utilizing a MEMS element having excellent reliability for the moving body.
以下に本発明を具体化した実施形態について、図面を参照して説明する。以下は、本発明の一実施形態であって、本発明を限定するものではない。なお、以下の各図においては、説明を分かりやすくするため、実際とは異なる尺度で記載している場合がある。 Hereinafter, embodiments embodying the present invention will be described with reference to the drawings. The following is an embodiment of the present invention and does not limit the present invention. In addition, in each of the following figures, in order to make the explanation easy to understand, it may be described on a scale different from the actual one.
(第1実施形態)
[MEMS素子]
先ず、第1実施形態に係るMEMS素子1について、図1、図2A、図2Bおよび図2Cを参照して説明する。
図1は、第1実施形態に係るMEMS素子1の構成を示す概略平面図であり、図2Aは、図1に示すP1−P1線における概略断面図であり、図2Bは、図2AのQ1部の拡大図であり、図2Cは、図2AのQ2部の拡大図である。なお、図1において、MEMS素子1の内部の構成を説明する便宜上、蓋部5を取り外した状態を図示している。また、図2A、図2Bおよび図2Cにおいて、断面の背景を示す線は省略されている。
(First Embodiment)
[MEMS element]
First, the MEMS element 1 according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 1, 2A, 2B, and 2C.
FIG. 1 is a schematic plan view showing the configuration of the MEMS element 1 according to the first embodiment, FIG. 2A is a schematic sectional view taken along line P1-P1 shown in FIG. 1, and FIG. 2B is Q1 of FIG. 2A. It is an enlarged view of the part, and FIG. 2C is an enlarged view of the Q2 part of FIG. 2A. Note that FIG. 1 illustrates a state in which the
本実施形態に係るMEMS素子1は、図1、図2A、図2Bおよび図2Cに示すように、素子20を気密封止するための蓋部5と、素子20が形成されたSOI(Silicon on Insulator)基板10と、を含み構成されている。なお、本実施形態において、SOI基板10は基板に相当する。
蓋部5は、単結晶シリコン等で構成され、SOI基板10側に開口するキャビティー7を有している。蓋部5のキャビティー7が設けられた側の面がSOI基板10の素子20が形成されている側の面に接合されている。また、蓋部5とSOI基板10(表面シリコン層13)との接合面3には、4つの角部3a,3b,3c,3dを有している。
As shown in FIGS. 1, 2A, 2B and 2C, the MEMS element 1 according to the present embodiment has a
The
SOI基板10は、シリコン層11と、BOX(Buried Oxide)層12と、表面シリコン層13とが、この順で積層された基板である。例えば、シリコン層11および表面シリコン層13は、単結晶シリコンで構成され、BOX層12は、酸化ケイ素層(SiO2等)で構成される。なお、本実施形態において、シリコン層11およびBOX層12は支持基板に、表面シリコン層13は素子基板に相当する。
The
SOI基板10には、表面シリコン層13のシリコンで構成された素子20と、表面シリコン層13上に形成された電極パッド50と、素子20を駆動するための素子電極と電極パッド50とを接続する配線46(図2A参照、図1では図示せず)と、電極パッド50と接続し素子20が形成されている側とは反対側の面に電極を引き出す貫通電極59と、貫通電極59を形成するための第1の貫通孔54および第2の貫通孔55とで構成される電極用貫通孔52と、蓋部5のキャビティー7とSOI基板10に形成されたキャビティー8とにより構成される内部空間を気密封止するための第1の孔部62および第2の孔部64とで構成される貫通孔60と、第2の孔部64を塞ぎキャビティー7,8を気密封止する封止膜56aと、が配設されている。
The
素子20は、BOX層12によって支持された基部21と、BOX層12が除去された領域上において溝13aによって基部21以外の周囲のシリコンから分離された可動部22と、を有している。本実施形態で例示する素子20は、3つの可動部22を有している。可動部22に対向する位置におけるシリコン層11およびBOX層12には、内部空間を構成するキャビティー8が設けられている。よって、SOI基板10と蓋部5とで構成されるキャビティー7,8内に、可動部22と基部21とを有する素子20を具備している。
また、素子20の蓋部5側の面には、素子20の所定の領域に配設されたシリコン酸化膜である素子調整層30と、素子調整層30の少なくとも一部を覆う圧電駆動部40と、が設けられている。
The
Further, on the surface of the
素子調整層30は、可動部22の共振周波数の温度特性を補正するために設けられている。シリコンは、温度が高くなるにつれて低下する共振周波数を有しており、一方、シリコン酸化膜は、温度が高くなるにつれて上昇する共振周波数を有している。従って、シリコンの素子20上にシリコン酸化膜である素子調整層30を配設することにより、素子20の可動部22と素子調整層30とで構成される複合体の共振周波数の温度特性をフラットに近付けることができる。
The
圧電駆動部40は、ポリシリコン膜41と、第1の電極42と、圧電体層43と、第2の電極44と、を含んでいる。なお、本実施形態において、第1の電極42および第2の電極44は素子電極に相当する。
ポリシリコン膜41は、不純物がドープされていないポリシリコンで構成され、例えば、アモルファスシリコンで構成されても良い。本実施形態において、ポリシリコン膜41は、素子20上に配設されている素子調整層30を覆うように設けられている。このように、ポリシリコン膜41と素子20との間に素子調整層30があることによって、ポリシリコン膜41が、圧電駆動部40の周囲のシリコン酸化膜のエッチングから素子調整層30を保護することができる。
The
The
第1の電極42および第2の電極44は、圧電体層43を挟むように配設されている。本実施形態に示す例においては、3つの可動部22に対応して、3組の第1の電極42、圧電体層43および第2の電極44が配設されている。
The
配線46は、隣り合う可動部22を逆相で振動させるように、第1の電極42および第2の電極44に電気的に接続されている。また、複数の配線は電極パッド50と電気的に接続されており、2つの電極パッド50間に貫通電極59を介して外部から電圧を印加することにより、隣り合う可動部22を逆相で振動させることができる。
The
2つの電極パッド50を介して、第1の電極42と第2の電極44との間に電圧が印加されると、それによって圧電体層43が伸縮して可動部22が振動する。なお、可動部22の振動方向は、平面視と交差する方向であり、3つの可動部22において、中央の可動部22が蓋部5方向に変位すると、両端の可動部22は、シリコン層11方向に変位し、逆に、中央の可動部22がシリコン層11方向に変位すると、両端の可動部22は、蓋部5方向へ変位する。従って、本実施形態で例示する素子20は、隣り合う可動部22が逆相で振動する振動子である。その振動は固有の共振周波数において大きく励起されて、インピーダンスが最小となる。その結果、このMEMS素子1を発振回路に接続することで、主に可動部22の共振周波数によって決定される発振周波数で発振する。
When a voltage is applied between the
なお、これらを構成する材料としては、例えば、圧電体層43は、窒化アルミニウム(AlN)等で構成され、第1の電極42および第2の電極44は、窒化チタン(TiN)等で構成され、配線46および電極パッド50は、アルミニウム(Al)又は銅(Cu)等で構成されている。
As materials constituting these, for example, the
貫通電極59は、電極用貫通孔52内に配設され、電極層56と電極層58とが積層されて構成されている。2つの貫通電極59は、図1に示すように、平面視で、蓋部5のキャビティー7の領域で、各々、素子20を挟み対向する2つの角部3a,3cに接する領域の一部に配設され、つまり、一方の貫通電極59は、素子20より角部3aに近い領域に、また、他方の貫通電極59は、素子20より角部3cに近い領域に配設されている。
貫通電極59が配設されている電極用貫通孔52は、支持基板に相当するシリコン層11およびBOX層12に配設された第1の貫通孔54と素子基板に相当する表面シリコン層13に配設された第2の貫通孔55とで構成され、第1の貫通孔54と第2の貫通孔55とは連通している。
The through
The electrode through
電極パッド50は、平面視で、貫通電極59と重なる位置に配設されており、貫通電極59と重なる位置では、電極用貫通孔52に配設された貫通電極59と、配線46を介して電気的に接続されるよう配設され、貫通電極59と重ならない位置では、表面シリコン層13上に素子調整層30、ポリシリコン膜41および配線46を介して配設されている。そのため、電極パッド50と貫通電極59とが電気的に接続され、素子電極である第1の電極42および第2の電極44を、SOI基板10の素子20が形成されている側とは反対側の面に引き出すことができる。
The
なお、貫通電極59を構成する材料としては、チタニウム(Ti)やタングステン(W)や銅(Cu)等で構成されており、電極層56はスパッタ法により成膜したスパッタ層で、電極層58はメッキ法により形成されたメッキ層であり、スパッタ層(電極層56)にメッキ層(電極層58)が積層されている。
The material constituting the through
貫通孔60は、図1に示すように、平面視で、蓋部5のキャビティー7の領域で、2つの貫通電極59が配設される2つの角部3a,3c以外の角部3bに接する領域の一部に配設されている。つまり、基部21の可動部22が設けられている側と対向する側で、素子20より角部3bに近い領域に配設されている。また、貫通孔60は、支持基板に相当するシリコン層11およびBOX層12に配設された第1の孔部62と、素子基板に相当する表面シリコン層13に配設された第2の孔部64と、で構成され、第1の孔部62と第2の孔部64とは連通している。
As shown in FIG. 1, the through
第2の孔部64は、開口幅W2が第1の孔部62の開口幅W1より狭く、第1の孔部62と重なる位置に複数配設されている。なお、本実施形態において、第2の孔部64の形状が長方形なので、開口幅の長さが短い方を開口幅W2としている。また、第1の孔部62と第2の孔部64との連通部66(図2C参照)には、封止膜56a、つまり、貫通電極59の一部を構成する電極層56と同じ金属層が配設され、蓋部5のキャビティー7とSOI基板10に形成されたキャビティー8とにより構成される内部空間を気密封止している。
第1の孔部62内には、スパッタ層からなる電極層56(封止膜56a)が配設され、電極層56に積層するメッキ層からなる電極層58が配設されている。なお、本実施形態において、2つの第2の孔部64を配設しているが、これに限定されることはなく、1つ以上であれば良い。
A plurality of the
In the
以上述べたように、本実施形態に係るMEMS素子1によれば、SOI基板10と蓋部5とで構成されるキャビティー7,8に連通する貫通孔60を封止膜56aで封止することにより、素子20を内包するキャビティー7,8内を容易に気密封止することができる。そのため、高度な加工方法を必要とせずに信頼性に優れたMEMS素子1を得ることができる。また、封止用の貫通孔60が素子20の基部21に対し可動部22に対向する側に配設されているため、貫通孔60を封止する際に、封止膜56aがキャビティー7,8内に入り込み素子20の可動部22に付着するのを低減することができ、安定な特性を有するMEMS素子1を得ることができる。更に、基部21付近に貫通孔60が配設されていることで、可動部22の振動が貫通孔60で緩和され、可動部22の振動がSOI基板10全体に漏洩するのを低減することができ、高いQ値を有するMEMS素子1を得ることができる。
As described above, according to the MEMS element 1 according to the present embodiment, the through
また、貫通孔60が2つの貫通電極59が近接する2つの角部3a,3c以外の角部3bに近接して配設されているため、つまり、貫通孔60が2つの貫通電極59から離れた位置に配設されているため、貫通孔60を封止する際の封止膜56aがキャビティー7,8内に配設された貫通電極59に接続する配線46や電極パッド50に付着することで生じる絶縁抵抗値の変動を低減することができる。従って、安定な特性を有するMEMS素子1を得ることができる。
Further, since the through
また、第2の孔部64の開口幅W2が第1の孔部62の開口幅W1より狭いので、第1の孔部62側に配設された封止膜56aによって、第1の孔部62と第2の孔部64との連通部66が塞がれ、素子20を内包するキャビティー7,8内を容易に気密封止することができる。
Further, since the opening width W2 of the
また、素子20が振動子であるため、振動子を内包するキャビティー7,8内を気密封止することで、外乱の影響を低減することができるため、安定な特性を有する振動子を得ることができる。
Further, since the
[製造方法]
次に、本実施形態に係るMEMS素子1の製造工程について、図3A〜図3Qを参照して説明する。
図3A〜図3Qは、本実施形態に係るMEMS素子1の製造工程を示す図1のP1−P1線の位置に相当する概略断面図である。なお、断面の背景を示す線は省略されている。
[Production method]
Next, the manufacturing process of the MEMS element 1 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 3A to 3Q.
3A to 3Q are schematic cross-sectional views corresponding to the positions of lines P1-P1 of FIG. 1 showing the manufacturing process of the MEMS element 1 according to the present embodiment. The line indicating the background of the cross section is omitted.
先ず、準備工程として、シリコン層11と、BOX層12と、表面シリコン層13とが、この順で積層されたSOI基板10とキャビティー7を有する蓋部5を用意する(図2A参照)。なお、SOI基板10は、シリコン層11上にBOX層12を形成し、BOX層12上に表面シリコン層13を形成して作製しても良い。
First, as a preparatory step, a
第1の工程において、図3Aに示すように、SOI基板10の表面シリコン層13に、素子20の可動部22となる領域を素子20の基部21となる領域以外の周囲のシリコンから分離するトレンチ13bおよび第2の孔部64を形成する。その際に、SOI基板10の表面シリコン層13のトレンチ13bによって素子20の可動部22から分離される領域に、スリット13cが形成されても良い。それにより、溝13a(図1参照)の幅が広い領域において、後に行われる可動部22の周囲のシリコンのリリースエッチングを容易にすることができる。
In the first step, as shown in FIG. 3A, a trench in the
トレンチ13bおよび第2の孔部64の形成は、表面シリコン層13上にレジスト14を塗布し、フォトリソグラフィー法によってマスクパターンを形成し、レジスト14をマスクとして表面シリコン層13をエッチングすることにより、図3Aに示すように、表面シリコン層13に、素子20の可動部22となる領域を素子20の基部21となる領域以外の周囲のシリコンから分離するトレンチ13bおよび第2の孔部64を形成する。なお、SOI基板10の表面シリコン層13の表面を熱酸化することにより、シリコン酸化膜を形成し、フォトリソグラフィー法によってシリコン酸化膜によるマスクを形成し、表面シリコン層13をエッチングすることで、トレンチ13bおよび第2の孔部64を形成しても構わない。
The
第2の工程において、図3Bに示すように、表面シリコン層13の上面、トレンチ13b内の側壁および第2の孔部64内の側壁に、シリコン酸化膜である素子調整層30を形成する。例えば、SOI基板10の表面シリコン層13を熱酸化することにより、表面シリコン層13の上面、トレンチ13b内の側壁および第2の孔部64内の側壁に、熱酸化膜(シリコン酸化膜)が形成される。熱酸化膜の厚さは、例えば、0.3μm〜1.2μm程度であり、所望の温度特性により調整しても良い。この熱酸化膜は、後に行われる可動部22の周囲のシリコンのリリースエッチングから可動部22および圧電駆動部40を保護する保護壁となる。
In the second step, as shown in FIG. 3B, the
次に、表面シリコン層13のトレンチ13bおよび第2の孔部64を埋めるシリコン酸化膜を、CVD(化学蒸着)法によって形成する。その際に、トレンチ13bおよび第2の孔部64内のシリコン酸化膜に「す」が発生しても、熱酸化膜が強固なので問題はない。また、加工によって形成された表面シリコン層13のトレンチ13bおよび第2の孔部64がシリコン酸化膜によって埋められて表面がほぼ平坦となるため、この後のフォトリソグラフィー工程への段差による悪影響を排除することができる。
Next, a silicon oxide film that fills the
従って、表面シリコン層13を熱酸化することにより形成された熱酸化膜と、CVD法によって形成されたシリコン酸化膜と、が図2Aに示す素子調整層30となる。なお、第2の工程において、素子調整層30は、平坦性の程度により熱酸化膜のみで形成しても良い。又は、熱酸化膜を形成せずに、熱CVD法によってシリコン酸化膜を形成しても良いし、更には、熱CVD法とプラズマCVD法との2段階のCVD法によってシリコン酸化膜を形成しても良い。
Therefore, the thermal oxide film formed by thermally oxidizing the
第3の工程において、素子調整層30の上にレジストを塗布し、フォトリソグラフィー法によって、第2の孔部64および可動部22を含む素子20等の所定の領域を保護するマスクパターンを形成し、レジストをマスクとして素子調整層30をエッチングすることにより、表面シリコン層13に達するトレンチを形成する。その後、図3Cに示すように、素子調整層30の上面とトレンチの側壁を覆うポリシリコン膜41をCVD法により形成する。
In the third step, a resist is applied on the
第4の工程において、ポリシリコン膜41上にレジストを塗布し、フォトリソグラフィー法によってマスクパターンを形成し、レジストをマスクとしてポリシリコン膜41をエッチングする。それにより、図3Dに示すように、可動部22を含む素子20の所定の領域に形成された素子調整層30の側面を含む領域にポリシリコン膜41が形成される。
In the fourth step, a resist is applied onto the
ポリシリコン膜41は、素子20との間で素子調整層30を覆っており、ポリシリコン膜41の厚さは、例えば、0.2μm程度である。CVD法によるポリシリコン膜41の埋め込み性は良好なので、後に行われる可動部22および圧電駆動部40の周囲のシリコン酸化膜のリリースエッチングから素子調整層30を保護する強固なポリシリコン膜41の壁を、小さい厚さで形成することができる。
The
第5の工程において、図3Eに示すように、素子20の所定の領域に形成されたポリシリコン膜41上に第1の電極42、圧電体層43、および第2の電極44を、この順でフォトリソグラフィー法により形成する。なお、ポリシリコン膜41〜第2の電極44は、圧電駆動部40を構成する。また、第1の電極42および第2の電極44を形成する際は、第1の電極42と電極パッド50とを接続するための配線46および第2の電極44と電極パッド50とを接続するための配線46も同時に形成する。
In the fifth step, as shown in FIG. 3E, the
第6の工程において、圧電駆動部40が形成されたSOI基板10上に、シリコン酸化膜33をCVD法により形成する。その後、図3Fに示すように、電極パッド50を形成する位置が開口したマスクパターンをフォトリソグラフィー法によって形成し、シリコン酸化膜33をマスクとしてスパッタ法によりアルミニウム(Al)又は銅(Cu)等を電極パッド50を形成する位置に成膜し、電極パッド50を形成する。
In the sixth step, the
第7の工程において、図3Gに示すように、電極パッド50やシリコン酸化膜33が形成されたSOI基板10上に、CVD法によりシリコン酸化膜34を形成する。その後、シリコン酸化膜34上にレジストを塗布し、フォトリソグラフィー法によってマスクパターンを形成し、レジストをマスクとしてシリコン酸化膜34をエッチングする。それにより、図3Gに示すように、表面シリコン層13に達するトレンチ13bに対応する所定の領域が開口するシリコン酸化膜34が形成される。
In the seventh step, as shown in FIG. 3G, the
第8の工程において、図3Hに示すように、シリコン酸化膜34上にレジスト16を塗布し、フォトリソグラフィー法によってマスクパターンを形成し、レジスト16をマスクとして、トレンチ13bに対応するシリコン酸化膜34、素子調整層30、BOX層12の順でエッチングする。それにより、可動部22、圧電駆動部40および電極パッド50を保護するシリコン酸化膜34や素子調整層30を残しつつ、可動部22の周囲を囲むような形状で、シリコン層11に達する深さの開口を形成する。
In the eighth step, as shown in FIG. 3H, a resist 16 is applied onto the
第9の工程において、図3Iに示すように、レジスト16を剥離した後に、シリコン酸化膜34、素子調整層30、表面シリコン層13およびBOX層12の開口を通して、可動部22の周囲のシリコンをエッチングする(リリースエッチング)。その際に、シリコン層11のシリコンの一部をエッチングして、可動部22の下方におけるシリコン層11にキャビティー8を形成する。第9の工程においては、ウエットエッチングが行われ、エッチング液としては、例えば、TMAH(水酸化テトラメチルアンモニウム)が用いられる。
In the ninth step, as shown in FIG. 3I, after the resist 16 is peeled off, the silicon around the
第10の工程において、図3Jに示すように、可動部22、圧電駆動部40、電極パッド50、第2の孔部64の周囲のシリコン酸化膜34、素子調整層30およびBOX層12がエッチングされる(リリースエッチング)。それにより、可動部22上に素子調整層30が残る。第10の工程においては、ウエットエッチングが行われ、エッチング液としては、例えば、BHF(バッファードフッ酸)が用いられる。その後、SOI基板10の素子20が形成された面(表面シリコン層13上面)に蓋部5のキャビティー7を有する面を配置し、接合する。なお、接合方法としては、接合面3を活性化させて行う直接接合や低融点ガラス等の接合部材を用いた方法、および陽極接合等を用いても良い。
In the tenth step, as shown in FIG. 3J, the
第11の工程において、図3Kに示すように、SOI基板10のシリコン層11およびBOX層12に第1の貫通孔54と第1の孔部62を形成する。第1の貫通孔54および第1の孔部62の形成は、エッチング用のマスク層36を形成した後、フォトリソグラフィー法によってSOI基板10のシリコン層11をエッチングして行う。マスク層36としては、レジスト膜を用いるが、シリコン層11の表面を熱酸化することによるシリコン酸化膜でも良い。
In the eleventh step, as shown in FIG. 3K, the first through
第12の工程において、図3Lに示すように、フイルムレジスト18をマスク層36上に貼り、フォトリソグラフィー法によって第1の貫通孔54を開口するパターンを形成し、表面シリコン層13をエッチングして、第2の貫通孔55を形成する。
In the twelfth step, as shown in FIG. 3L, the film resist 18 is attached onto the
第13の工程において、図3Mに示すように、フイルムレジスト18およびマスク層36を除去した後、第2の貫通孔55と第2の孔部64に露出した素子調整層30をエッチングする。
In the thirteenth step, as shown in FIG. 3M, after removing the film resist 18 and the
第14の工程において、図3Nに示すように、CVD法によりシリコン層11の表面と、第1の貫通孔54、第2の貫通孔55、第1の孔部62および第2の孔部64内の側壁と、にシリコン酸化膜32を成膜する。その後、第2の貫通孔55および第2の孔部64のポリシリコン膜41に成膜されたシリコン酸化膜32を反応性イオンエッチング(RIE)等の異方性ドライエッチングにより除去する。
In the 14th step, as shown in FIG. 3N, the surface of the
第15の工程において、図3Oに示すように、スパッタ装置等の前処理室で、真空(減圧)雰囲気において、第2の貫通孔55および第2の孔部64に露出したポリシリコン膜41をエッチングし、第2の貫通孔55および第2の孔部64上のポリシリコン膜41に貫通孔を作成する。その後、キャビティー7,8で構成される内部空間を前処理室と同等の圧力とし、連続処理にて電極層56となるチタニウム(Ti)やタングステン(W)や銅(Cu)等の金属層をスパッタする。
In the fifteenth step, as shown in FIG. 3O, the
本工程により、素子20が形成されている側とは反対側の面に第1の電極42および第2の電極44と接続する貫通電極59の一部となる電極層56を形成することができる。また、本工程では、電極層56が封止膜56aとして作用し、第2の孔部64を塞ぐため、素子20が形成されているキャビティー7,8で構成される内部空間を真空雰囲気(減圧雰囲気)に封止することができる。従って、第1の貫通孔54および第2の貫通孔55に貫通電極59の一部となる電極層56を形成する工程と、電極層56を封止膜56aとして第2の孔部64を塞ぎ内部空間を気密封止する工程と、を同時に行うことができる。
By this step, an
第16の工程において、図3Pに示すように、貫通電極59の一部となる電極層56の表面にメッキ法等で電極層56に用いた金属層と同等の金属層を積層し貫通電極59の一部となる電極層58を作成する。第1の貫通孔54、第2の貫通孔55および第1の孔部62を完全に塞ぐことにより、導通性や機械的強度が向上し信頼性が向上する。なお、電極層56はスパッタ層であり、電極層58はメッキ層と言える。
In the 16th step, as shown in FIG. 3P, a metal layer equivalent to the metal layer used for the
第17の工程において、図3Qに示すように、SOI基板10の蓋部5が接合された面とは反対側の面を研磨装置等で平坦化加工することで、信頼性に優れたMEMS素子1が完成する。
In the 17th step, as shown in FIG. 3Q, the surface of the
(第2実施形態)
[MEMS素子]
次に、本発明の第2実施形態に係るMEMS素子1aについて、図4を参照して説明する。
図4は、第2実施形態に係るMEMS素子1aの構成を示す図1のP1−P1線の位置に相当する概略断面図である。なお、上述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の構成には、同一の符号を附してあり、同様の事項については、その説明を省略する。
(Second Embodiment)
[MEMS element]
Next, the
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view corresponding to the position of the P1-P1 line of FIG. 1 showing the configuration of the
第2実施形態に係るMEMS素子1aは、第1実施形態に係るMEMS素子1と比較し、電極用貫通孔52aを構成する第1の貫通孔54aと貫通孔60aを構成する第1の孔部62aとの構造が異なる。
本実施形態のMEMS素子1aは、図4に示すように、シリコン層11とBOX層12とに配設された第1の貫通孔54aおよび第1の孔部62aがシリコン層11およびBOX層12の表面シリコン層13を支持する面と対向する面に向かって広がるテーパー部を有している。本実施形態では、テーパー部がシリコン層11とBOX層12とに設けられているが、シリコン層11だけでも構わない。また、シリコン層11の途中から設けられていても構わない。
Compared with the MEMS element 1 according to the first embodiment, the
In the
以上述べたように、本実施形態に係るMEMS素子1aによれば、第1の貫通孔54aに表面シリコン層13と対向する面に向かって広がるテーパー部を有しているので、電極パッド50と接続する配線46に電極層56を配設し易くなる。また、第1の孔部62aに同様のテーパー部を有しているので、第2の孔部64を塞ぐ封止膜56aとなる電極層56を到達させ封止し易くなる。
As described above, according to the
[電子機器]
次に、本発明の一実施形態に係るMEMS素子1,1aを適用した電子機器について、図5、図6および図7を参照して説明する。なお、以下では、MEMS素子1を適用した構成を例示して説明する。
[Electronics]
Next, an electronic device to which the
図5は、本実施形態に係るMEMS素子1を備える電子機器としてのモバイル型(又はノート型)のパーソナルコンピューターの構成の概略を示す斜視図である。この図において、パーソナルコンピューター1100は、キーボード1102を備えた本体部1104と、ディスプレイ1000を備えた表示ユニット1106とにより構成され、表示ユニット1106は、本体部1104に対しヒンジ構造部を介して回動可能に支持されている。このようなパーソナルコンピューター1100には、基準クロック等として機能するMEMS素子1が内蔵されている。
FIG. 5 is a perspective view showing an outline of the configuration of a mobile (or notebook) personal computer as an electronic device including the MEMS element 1 according to the present embodiment. In this figure, the
図6は、本発明の一実施形態に係るMEMS素子1を備える電子機器としての携帯電話機(PHS(Personal Handyhone System)やスマートフォンも含む)の構成の概略を示す斜視図である。この図において、携帯電話機1200は、複数の操作ボタン1202、受話口1204および送話口1206を備え、操作ボタン1202と受話口1204との間には、ディスプレイ1000が配置されている。このような携帯電話機1200には、基準クロック等として機能するMEMS素子1が内蔵されている。
FIG. 6 is a perspective view showing an outline of the configuration of a mobile phone (including a PHS (Personal Handyhone System) and a smartphone) as an electronic device including the MEMS element 1 according to the embodiment of the present invention. In this figure, the
図7は、本発明の一実施形態に係るMEMS素子1を備える電子機器としてのデジタルスチールカメラの構成の概略を示す斜視図である。なお、この図には、外部機器との接続についても簡易的に示されている。デジタルスチールカメラ1300は、被写体の光像をCCD(Charge Coupled Device)等の撮像素子により光電変換して撮像信号(画像信号)を生成する。
デジタルスチールカメラ1300におけるケース(ボディー)1302の背面には、ディスプレイ1000が設けられ、CCDによる撮像信号に基づいて表示を行なう構成になっており、ディスプレイ1000は、被写体を電子画像として表示するファインダーとして機能する。また、ケース1302の正面側(図中裏面側)には、光学レンズ(撮像光学系)やCCD等を含む受光ユニット1304が設けられている。
撮影者がディスプレイ1000に表示された被写体像を確認し、シャッターボタン1306を押下すると、その時点におけるCCDの撮像信号が、メモリー1308に転送・格納される。また、このデジタルスチールカメラ1300においては、ケース1302の側面に、ビデオ信号出力端子1312と、データ通信用の入出力端子1314とが設けられている。そして、図示されるように、ビデオ信号出力端子1312にはテレビモニター1330が、データ通信用の入出力端子1314にはパーソナルコンピューター1340が、それぞれ必要に応じて接続される。さらに、所定の操作により、メモリー1308に格納された撮像信号が、テレビモニター1330や、パーソナルコンピューター1340に出力される構成になっている。このようなデジタルスチールカメラ1300には、基準クロック等として機能するMEMS素子1が内蔵されている。
FIG. 7 is a perspective view showing an outline of the configuration of a digital steel camera as an electronic device including the MEMS element 1 according to the embodiment of the present invention. It should be noted that this figure also briefly shows the connection with an external device. The
A
When the photographer confirms the subject image displayed on the
上述したように、電子機器に、信頼性に優れたMEMS素子1が活用されることにより、より高性能の電子機器を提供することができる。 As described above, by utilizing the highly reliable MEMS element 1 for the electronic device, it is possible to provide a higher performance electronic device.
なお、本発明の一実施形態に係るMEMS素子1は、図5のパーソナルコンピューター1100(モバイル型パーソナルコンピューター)、図6の携帯電話機1200、図7のデジタルスチールカメラ1300の他にも、例えば、インクジェット式吐出装置(例えばインクジェットプリンター)、ラップトップ型パーソナルコンピューター、テレビ、ビデオカメラ、カーナビゲーション装置、ページャー、電子手帳(通信機能付も含む)、電子辞書、電卓、電子ゲーム機器、ワークステーション、テレビ電話、防犯用テレビモニター、電子双眼鏡、POS(Point of Sale)端末、医療機器(例えば電子体温計、血圧計、血糖計、心電図計測装置、超音波診断装置、電子内視鏡)、魚群探知機、各種測定機器、計器類(例えば、車両、航空機、船舶の計器類)、フライトシミュレーター等の電子機器に適用することができる。
In addition to the personal computer 1100 (mobile personal computer) of FIG. 5, the
[移動体]
次に、本発明の一実施形態に係るMEMS素子1,1aを適用した移動体について、図8を参照して説明する。なお、以下では、MEMS素子1を適用した構成を例示して説明する。
図8は、本発明の移動体の一例としての自動車1400を概略的に示す斜視図である。
自動車1400には、MEMS素子1が搭載されている。MEMS素子1は、キーレスエントリー、イモビライザー、ナビゲーションシステム、エアコン、アンチロックブレーキシステム(ABS:Antilock Brake System)、エアバック、タイヤプレッシャーモニタリングシステム(TPMS:Tire Pressure Monitoring System)、エンジンコントロール、ハイブリッド自動車や電気自動車の電池モニター、車体姿勢制御システム等の電子制御ユニット(ECU:Electronic Control Unit)1410に広く適用できる。
[Mobile]
Next, a moving body to which the
FIG. 8 is a perspective view schematically showing an
The MEMS element 1 is mounted on the
上述したように、移動体に、信頼性に優れたMEMS素子1が活用されることにより、より高性能の移動体を提供することができる。 As described above, by utilizing the highly reliable MEMS element 1 for the moving body, it is possible to provide a moving body having higher performance.
以上、本発明のMEMS素子1,1a、電子機器(1100,1200,1300)、および移動体(1400)について、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていても良い。また、前述した各実施形態を適宜組み合わせても良い。
The
また、上述の実施形態では、矩形形状のSOI基板10の一つの対角線の方向に沿って基部21や可動部22が延在するように素子20が配設されている例で説明したが、これに限らない。他の配置例としては、矩形形状のSOI基板10の外縁に沿って基部21や可動部22が延在するように素子20が配設されている構成などであってもよい。
Further, in the above-described embodiment, the
また、上述ではMEMS素子の一例として、基部21や可動部22などを含む機能素子としての素子20を備えているMEMS素子1,1aを示して説明したが、これに限らない。上述の封止構造を備えた他のMEMS素子としては、機能素子として加速度の検出機能を備えている加速度センサー素子、角速度の検出機能を備えている角速度センサー素子、圧力検出機能を備えている圧力センサー素子、重量検出機能を備えている重量センサー素子や、これらの機能素子が複合した複合センサーなどを備えているMEMS素子であってもよい。また、MEMS素子は、機能素子として振動素子を備えた振動子、発振器、周波数フィルターなどであってもよい。
Further, in the above description, as an example of the MEMS element, the
1,1a…MEMS素子、3…接合面、3a,3b,3c,3d…角部、5…蓋部、7,8…キャビティー、10…SOI基板、11…シリコン層、12…BOX層、13…表面シリコン層、13a…溝、13b…トレンチ、13c…スリット、14,16…レジスト、18…フイルムレジスト、20…素子、21…基部、22…可動部、30…素子調整層、32,33,34…シリコン酸化膜、36…マスク層、40…圧電駆動部、41…ポリシリコン膜、42…第1の電極、43…圧電体層、44…第2の電極、46…配線、50…電極パッド、52…電極用貫通孔、54,54a…第1の貫通孔、55…第2の貫通孔、56,58…電極層、59…貫通電極、60…貫通孔、62,62a…第1の孔部、64…第2の孔部、66…連通部、1000…ディスプレイ、1100…パーソナルコンピューター、1102…キーボード、1104…本体部、1106…表示ユニット、1200…携帯電話機、1202…操作ボタン、1204…受話口、1206…送話口、1300…デジタルスチールカメラ、1302…ケース、1304…受光ユニット、1306…シャッターボタン、1308…メモリー、1312…ビデオ信号出力端子、1314…入出力端子、1330…テレビモニター、1340…パーソナルコンピューター、1400…自動車、1410…電子制御ユニット、W1,W2…開口幅。 1,1a ... MEMS element, 3 ... junction surface, 3a, 3b, 3c, 3d ... corner, 5 ... lid, 7,8 ... cavity, 10 ... SOI substrate, 11 ... silicon layer, 12 ... BOX layer, 13 ... Surface silicon layer, 13a ... Groove, 13b ... Trench, 13c ... Slit, 14, 16 ... Resist, 18 ... Film resist, 20 ... Element, 21 ... Base, 22 ... Movable part, 30 ... Element adjustment layer, 32, 33, 34 ... silicon oxide film, 36 ... mask layer, 40 ... piezoelectric drive unit, 41 ... polysilicon film, 42 ... first electrode, 43 ... piezoelectric layer, 44 ... second electrode, 46 ... wiring, 50 ... Electrode pad, 52 ... Through hole for electrode, 54, 54a ... First through hole, 55 ... Second through hole, 56, 58 ... Electrode layer, 59 ... Through electrode, 60 ... Through hole, 62, 62a ... 1st hole, 64 ... 2nd hole, 66 ... Communication, 1000 ... Display, 1100 ... Personal computer, 1102 ... Keyboard, 1104 ... Main body, 1106 ... Display unit, 1200 ... Mobile phone, 1202 ... Operation Button, 1204 ... Earpiece, 1206 ... Mouthpiece, 1300 ... Digital steel camera, 1302 ... Case, 1304 ... Light receiving unit, 1306 ... Shutter button, 1308 ... Memory, 1312 ... Video signal output terminal, 1314 ... Input / output terminal, 1330 ... TV monitor, 1340 ... Personal computer, 1400 ... Automobile, 1410 ... Electronic control unit, W1, W2 ... Opening width.
Claims (6)
前記基板に、
前記素子を駆動するための素子電極に接続する2つの貫通電極と、
前記基板を貫通する貫通孔と、
前記貫通孔を封止する封止膜と、を配設し、
前記貫通孔は、平面視で前記基部に対し前記可動部に対向する側に配設されていることを特徴とするMEMS素子。 An element having a movable part and a base part is provided in a cavity composed of a substrate and a lid part.
On the substrate
Two through electrodes connected to the element electrodes for driving the element,
A through hole penetrating the substrate and
A sealing film for sealing the through hole is provided.
A MEMS element characterized in that the through hole is arranged on a side facing the movable portion with respect to the base portion in a plan view.
前記2つの貫通電極は、平面視で対向する2つの前記角部に接する領域の一部に各々配設され、
前記貫通孔は、平面視で前記2つの貫通電極が配設される前記2つの角部以外の前記角部に接する領域の一部に配設されていることを特徴とする請求項1に記載のMEMS素子。 The joint surface between the lid portion and the substrate has a plurality of corner portions.
The two through electrodes are respectively arranged in a part of a region in contact with the two corners facing each other in a plan view.
The first aspect of the present invention, wherein the through hole is arranged in a part of a region in contact with the corner portion other than the two corner portions where the two through electrodes are arranged in a plan view. MEMS element.
前記第2の孔部の開口幅は、前記第1の孔部の開口幅より狭く、
前記第1の孔部と前記第2の孔部との連通部が、前記第1の孔部側に配設された前記封止膜により封止されていることを特徴とする請求項2に記載のMEMS素子。 The through hole is composed of a first hole portion and a second hole portion.
The opening width of the second hole is narrower than the opening width of the first hole.
2. The second aspect of the present invention is characterized in that the communication portion between the first hole portion and the second hole portion is sealed by the sealing film disposed on the first hole portion side. The MEMS element described.
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