JP7331977B2

JP7331977B2 - Ｍｅｍｓデバイス

Info

Publication number: JP7331977B2
Application number: JP2022038937A
Authority: JP
Inventors: 彰紺野
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2021-03-25
Filing date: 2022-03-14
Publication date: 2023-08-23
Anticipated expiration: 2042-03-14
Also published as: JP2022151719A; EP4063316A1; US20220306453A1

Description

本発明は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）の分野に関し、より詳細には、ＭＥＭＳデバイスを用いて構成要素の動きを測定するために使用される櫛歯電極の減衰非対称性を低減するためのチャネル構造に関する。

加速度計などの慣性ＭＥＭＳセンサでは、センサ内の１つ以上の試験質量の動きが、櫛型キャパシタを使用して測定される。櫛型キャパシタの各電極は、一般に、櫛のような形状であり、同じ方向に延在する複数の櫛歯を有する。各電極のフィンガが互いに噛み合って間隙によって分離され、それによってキャパシタが形成される。櫛歯電極の一方は、ＭＥＭＳセンサパッケージに対して固定され、一方、試験質量に対して固定された他方が、固定電極に対して櫛歯に平行な軸に沿って動くことができる。可動電極が固定電極に近づく、または固定電極から遠ざかるにつれて、キャパシタの静電容量は運動に関連して変化する。したがって、例えば外部加速度による試験質量の動きを、櫛型キャパシタの変化する静電容量を測定することによって測定することができる。しかしながら、測定されている量以外の要因、例えば加速度が、可動電極の動きに影響を及ぼす可能性がある。そのような要因の１つは、電極間の間隙内のガス圧力による可動電極の動きの減衰である。櫛歯電極の「上方」の空間と「下方」の空間とが等しくない場合、可動櫛歯電極の運動は、櫛歯電極の上部および下部の圧力を非対称にし、これによって櫛歯電極が意図された運動軸から外れて動き、試験質量運動の測定の正確度に悪影響を及ぼす。

本発明の第１の態様によれば、ＭＥＭＳデバイスが提供される。ＭＥＭＳデバイスは、少なくとも１つの櫛型キャパシタを備え、櫛型キャパシタは、可動電極であって、可動電極は、ＭＥＭＳデバイスの固定構成要素に対して可動であり、可動電極は、複数の櫛歯を備える、可動電極と、固定電極であって、固定電極は、ＭＥＭＳデバイスの他の固定構成要素に対して固定され、固定電極は、複数の櫛歯を備え、可動電極の櫛歯は、固定電極の櫛歯と互いに噛み合っている、固定電極とを備える。ＭＥＭＳデバイスはまた、ハンドルウェハおよびキャップウェハを備え、ハンドルウェハおよびキャップウェハは、可動電極および固定電極の対向する両側面上に配置され、可動電極および固定電極の櫛歯に平行に延在する。キャップウェハまたはハンドルウェハに対向する可動電極および固定電極の櫛歯の側面は、凹部を含み、および／または、キャップウェハまたはハンドルウェハは、可動電極および固定電極の櫛歯に対向する凹部を含み、１つ以上の凹部は、ガスが可動電極と固定電極との間の空間に出入りし、櫛型キャパシタを囲むＭＥＭＳデバイスの内部空間を行き来して移動することができるチャネルを提供する。

可動電極および固定電極の櫛歯は、凹部を含むことができ、凹部は、櫛歯の長手方向軸に垂直な軸に沿って溝が重なり合ってチャネルを提供し、チャネルが櫛歯の長手方向軸に垂直な電極櫛歯の全幅にわたって延在するように、櫛型キャパシタのすべての櫛歯上に位置付けることができる。

櫛型キャパシタ電極とキャップウェハとの間の間隙が櫛型キャパシタ電極とハンドルウェハとの間の間隙よりも小さい場合、凹部は、キャップウェハとは反対側のキャパシタ櫛歯の側面上に形成することができる。

櫛型キャパシタ電極とハンドルウェハとの間の間隙が櫛型キャパシタ電極とキャップウェハとの間の間隙よりも小さい場合、凹部は、ハンドルウェハとは反対側のキャパシタ櫛歯の側面上に形成することができる。

凹部がキャップウェハまたはハンドルウェハ内に形成されると、凹部は、少なくともキャパシタ櫛歯の全幅にわたって、かつキャパシタ櫛歯の長手方向軸に垂直に、キャパシタ櫛歯に対向するキャップウェハまたはハンドルウェハを横切って延在することができる。

櫛型キャパシタ電極とキャップウェハとの間の間隙が櫛型キャパシタ電極とハンドルウェハとの間の間隙よりも小さい場合、凹部は、キャップウェハ上に形成することができる。

櫛型キャパシタ電極とハンドルウェハとの間の間隙が櫛型キャパシタ電極とキャップウェハとの間の間隙よりも小さい場合、凹部は、ハンドルウェハ上に形成することができる。

可動電極および固定電極の櫛歯は、第２の凹部を含んでもよく、および／または、キャップウェハまたはハンドルウェハが、第２の凹部を含んでもよく、１つ以上の第２の凹部は、ガスが可動電極と固定電極との間の空間に出入りし、櫛型キャパシタを囲むＭＥＭＳデバイスの内部空間を行き来して移動することができる第２のチャネルを提供し、第２のチャネルは第１のチャネルに平行に延在し、第１のチャネルからオフセットされている。

櫛型キャパシタは、例えば、減衰キャパシタまたはセンスキャパシタであってもよい。

可動電極および固定電極の櫛歯が両方とも凹部を含んでもよく、キャップウェハまたはハンドルウェハが凹部を含んでもよく、キャップウェハまたはハンドルウェハ内の凹部は、櫛歯内の凹部およびキャップまたはハンドルウェハ内の凹部がチャネルを形成するように、可動電極および固定電極の櫛歯内の凹部に対向して位置付けることができる。

ＭＥＭＳデバイスは、複数の櫛型キャパシタを備えることができ、櫛型キャパシタのうちの２つ以上は、可動電極であって、可動電極は、ＭＥＭＳデバイスの固定構成要素に対して可動であり、可動電極は、複数の櫛歯を備える、可動電極と、固定電極であって、固定電極は、ＭＥＭＳデバイスの他の固定構成要素に対して固定され、固定電極は、複数の櫛歯を備え、可動電極の櫛歯は、固定電極の櫛歯と互いに噛み合う、固定電極と、ハンドルウェハおよびキャップウェハであって、ハンドルウェハおよびキャップウェハは、可動電極および固定電極の対向する両側面上に配置され、可動電極および固定電極の櫛歯と平行に延在する、ハンドルウェハおよびキャップウェハとを備えることができ、可動電極および固定電極の櫛歯が凹部を含み、および／または、キャップウェハまたはハンドルウェハが凹部を含み、１つ以上の凹部は、ガスが可動電極と固定電極との間の空間に出入りし、櫛型キャパシタを取り囲むＭＥＭＳデバイスの内部空間を行き来して移動することができるチャネルを提供する。

櫛歯電極の凹部の一例を示す図である。櫛歯電極内に凹部を形成するプロセスを示す図である。櫛歯電極内に凹部を形成するプロセスを示す図である。櫛歯電極内に凹部を形成するプロセスを示す図である。櫛歯電極内に凹部を形成するプロセスを示す図である。櫛歯電極内に凹部を形成するプロセスを示す図である。キャップウェハまたはハンドルウェハ内の凹部の一例を示す図である。

図１は、本発明の一実施形態による櫛歯電極内の凹部の一例を示す。固定櫛歯電極１０１および可動櫛歯電極１０２の部分が示されている。櫛歯電極のフィンガは、図１に示すように、Ｙ軸に沿って延在し、Ｘ軸に沿って離間している。本発明の文脈では、垂直軸が、図１に示すＺ軸、すなわち櫛歯が延在し、櫛歯が分布する軸に垂直な軸であると考えられる。「上方（ａｂｏｖｅ）」、「下方（ｂｅｌｏｗ）」、「上部（ｔｏｐ）」、および「下部（ｂｏｔｔｏｍ）」という用語は、Ｚ軸、すなわち垂直方向に沿った相対位置を指す。

可動櫛歯電極１０２は、固定櫛歯電極１０１に対して、Ｘ軸に平行な軸Ａ－Ａに垂直に動くように構成されている。固定櫛歯電極１０１および可動櫛歯電極１０２の各櫛歯内に、複数の凹部１０３が配置されている。図１の実施形態では、凹部１０３は、固定櫛歯電極１０１および可動櫛歯電極１０２の櫛歯の上部に配置されている。代替的な実施形態では、凹部１０３は、櫛歯の下部に配置されてもよい。凹部１０３は、櫛歯を通って櫛歯電極の一方の側面から他方の側面に延在するチャネルを形成する。チャネルが櫛歯に対して垂直に延伸することは必須ではないが、チャネルが櫛歯に対して垂直に延伸する場合、チャネルおよび櫛歯の対称な配置は、測定および制御に悪影響を及ぼし得る、可動櫛歯電極に非対称な力を導入しない。したがって、凹部１０３は、それらが形成するチャネルが櫛歯電極１０１，１０２の櫛歯に垂直に延在するように配置されることが好ましい。

図１には、キャップウェハおよびハンドルウェハは示されていない。キャップウェハは櫛歯電極１０１，１０２の上方に位置し、ハンドルウェハは櫛歯電極１０１，１０２の下方に位置する。櫛歯電極１０１，１０２の上部とキャップウェハの下部との間の距離は、櫛歯電極１０１，１０２の下部とハンドルウェハの上部との間の距離よりも小さくてもよく、または大きくてもよい。従来の構造では、これは櫛歯電極１０１，１０２の上部と下部との間に圧力差を引き起こす。動作中、このような圧力差は、可動櫛歯電極１０２をＺ軸に沿って動かし、櫛歯電極の測定、制御、または減衰機能に望ましくない誤差を引き起こす傾向がある。

図１に示す例では、キャップウェハの下部は、櫛歯電極１０１，１０２の下部とハンドルウェハの上部との間の距離よりも小さい。しかしながら、凹部１０３によって形成されたチャネルは、キャップウェハと櫛歯電極１０１，１０２との間のチャネルの断面積を増加させ、それを通してガスが固定櫛歯電極１０１と可動櫛歯電極１０２との間の変化するボリュームに引き込まれるか、またはそこから逃げる。この増加したチャネルサイズは、櫛歯電極１０１，１０２とキャップウェハとの間、および櫛歯電極１０１，１０２とハンドルウェハとの間の間隙の非対称性の影響を減少させ、それにより、櫛歯電極１０１，１０２の上部と下部との間の圧力差に起因するＺ軸に沿った可動櫛歯電極１０２の誘発される運動を減少させる。これにより、櫛型キャパシタが測定に使用される場合、固定櫛歯電極１０１に対する可動櫛歯電極１０２のＸ軸運動の測定正確度が向上し、または櫛型キャパシタが制御または減衰に使用される場合、可動櫛歯電極のＸ軸運動の制御が向上する。

図１に示す部分１０１，１０２および凹部１０３は、Ｙ軸に沿って一方向または両方向に延在するより大きい櫛の小さい部分である。凹部１０３は、凹部１０３によって形成されるチャネルが櫛歯電極１０１，１０２を取り囲む空間と接続されるように、櫛歯電極１０１，１０２の櫛歯のすべてにわたって延在する。

凹部１０３によって形成されるチャネルは、櫛に隣接するキャップ（またはハンドルウェハ）にすでに凹部が存在する場合でも、例えばキャップ（またはハンドルウェハ）の平面からの構造の回転を可能にするために、依然として使用することができる。

図２Ａ～図２Ｅは、櫛歯電極内に凹部を形成するプロセスを示す図である。図２Ａに示す第１のステップでは、櫛歯電極１０１，１０２が、櫛歯電極を形成するための通常の方法において形成される。図２Ｂでは、櫛歯電極の上にレジスト２０１が形成されている。図２Ｃでは、レジスト２０１内の開口部２０２が形成される。開口部は、Ｙ軸に沿って、すなわち櫛歯が延在する軸に垂直に、櫛歯電極の全幅にわたって延在する。図２Ｄでは、櫛歯電極１０１，１０２の櫛歯がレジスト２０１内の開口部２０２を通じてエッチングされて、凹部１０３が形成されている。図２Ｄに示すエッチングプロセスは、各櫛歯内にほぼ半円形の凹部１０３を形成する等方性エッチングプロセスであり、凹部はレジスト２０１の下に延在する。各櫛歯内に長方形の凹部１０３を形成するドライエッチングプロセス、または各櫛歯内に三角形の凹部１０３を形成する異方性エッチングを使用することも可能である。

図３は、櫛歯電極１０１，１０２の上部からキャップウェハ３０１までの距離が櫛歯電極１０１，１０２の下部からハンドルウェハ（図示せず）までの距離よりも小さい場合に、図１および図２に示す実施形態の凹部１０３が、キャップウェハ３０１内に形成される凹部３０２によって置き換えられる代替の実施形態を示す。代替的に、櫛歯電極１０１，１０２とハンドルウェハとの間の分離が櫛歯電極１０１，１０２とキャップウェハとの間の分離よりも小さい場合、凹部３０２は、キャップウェハ３０１の代わりにハンドルウェハ内に存在してもよい。凹部３０２は、櫛歯電極１０１，１０２の上方または下方で、櫛歯電極１０１，１０２の櫛歯を横切って、かつ、櫛歯電極１０１，１０２に対向して、キャップウェハ３０１またはハンドルウェハに沿って延在する。凹部３０２が櫛歯に対して垂直に延伸することは必須ではないが、凹部が櫛歯に対して垂直に延伸する場合、凹部および櫛歯の対称な配置は、測定および制御に悪影響を及ぼし得る、可動櫛歯電極に非対称な力を導入しない。したがって、好ましくは、凹部３０２は、櫛歯に垂直な方向に櫛歯電極１０１，１０２の櫛歯を横切って延在する。

凹部３０２は、少なくとも櫛歯電極１０１，１０２の全幅にわたって延在し、すなわち凹部３０２は、櫛歯電極１０１，１０２のすべての櫛歯にわたって延在し、キャップウェハ３０１／ハンドルウェハと櫛歯電極１０１，１０２との間の開口部のサイズを櫛歯電極１０１，１０２を取り囲む空間へと増大するために、櫛歯電極１０１，１０２の全幅よりもさらに延在してもよい。

本発明のさらなる実施形態では、両方の櫛歯が凹部１０３を備え、キャップ／ハンドルウェハが凹部３０２を備える。櫛歯の凹部１０３は、キャップ／ハンドルウェハ内の凹部３０２に対向して平行に配置され、それにより、ガスが櫛歯電極１０１，１０２間の空間に出入りして櫛型キャパシタを取り囲む空間を行き来して通過することができる拡大されたチャネルを提供する。

本発明のまたさらなる実施形態では、両方の櫛歯が凹部１０３を備え、キャップ／ハンドルウェハが凹部３０２を備える。櫛歯の凹部１０３は、キャップ／ハンドルウェハ内の凹部３０２に平行に配置され、ただし、凹部３０２からオフセットされ、それにより、ガスが櫛歯電極１０１，１０２間の空間に出入りして櫛型キャパシタを取り囲む空間を行き来して通過することができる第２のチャネルを提供する。

実際、単一の櫛型キャパシタが、櫛歯内の複数の凹部１０３、または櫛歯の上方／下方のキャップウェハ／ハンドルウェハ内の凹部３０２を有することができ、この場合、凹部１０３／３０２は、互いにほぼ平行に延在し、櫛歯の軸に沿って分離されたチャネルを形成する。チャネルが互いに平行に、または櫛歯に対して垂直に延伸することは必須ではないが、チャネルが互いに平行に、かつ櫛歯に対して垂直に延伸する場合、チャネルおよび櫛歯の対称な配置は、測定および制御に悪影響を及ぼし得る、可動櫛歯電極に非対称な力を導入しない。

複数の櫛型キャパシタを備える、ＭＥＭＳ加速度計などの単一のデバイス内で、櫛型キャパシタの一部またはすべてが、櫛歯内の凹部１０３または櫛歯の上方／下方のキャップウェハ／ハンドルウェハ内の凹部３０２を含んでもよい。

Claims

少なくとも１つの櫛型キャパシタを備えるＭＥＭＳデバイスであって、前記櫛型キャパシタは、
可動電極であって、前記可動電極は、前記ＭＥＭＳデバイスの固定構成要素に対して可動であり、前記可動電極は、複数の櫛歯を備える、可動電極と、
固定電極であって、前記固定電極は、前記ＭＥＭＳデバイスの他の固定構成要素に対して固定され、前記固定電極は、複数の櫛歯を備え、前記可動電極の前記櫛歯は、前記固定電極の前記櫛歯と互いに噛み合う、固定電極と、
ハンドルウェハおよびキャップウェハであって、前記ハンドルウェハおよびキャップウェハは、前記可動電極および前記固定電極の対向する両側面上に配置され、前記可動電極および前記固定電極の前記櫛歯と平行に延在する、ハンドルウェハおよびキャップウェハと
を備え、
前記可動電極および前記固定電極と前記ハンドルウェハとの間の間隙が第１間隙であり、前記可動電極および前記固定電極と前記キャップウェハとの間の間隙が第２間隙であり、
前記第１間隙および前記第２間隙のうちの一方は、他方よりも小さく、
ａ）間隙がより小さい前記キャップウェハまたは前記ハンドルウェハの一方に対向する前記可動電極および前記固定電極の前記櫛歯の側面が、前記櫛型キャパシタのすべての櫛歯上に位置付けられる凹部を含むこと、ならびに
ｂ）間隙がより小さい前記キャップウェハまたは前記ハンドルウェハの一方が、前記可動電極及び前記固定電極の前記櫛歯と対向する少なくとも１つの凹部を含むこと
のうちの一方または両方を特徴とし、
１つ以上の前記凹部が、ガスが前記可動電極と前記固定電極との間の空間に出入りし、前記櫛型キャパシタを取り囲む前記ＭＥＭＳデバイスの内部空間を行き来して移動することができるチャネルを提供する、ＭＥＭＳデバイス。
前記可動電極および前記固定電極の前記櫛歯の側面は、前記凹部を含み、前記凹部は、前記櫛歯の長手方向軸に垂直な軸に沿って前記凹部が重なり合って前記チャネルを提供するように、かつ前記チャネルが前記櫛歯の長手方向軸に垂直な前記可動電極および前記固定電極の前記櫛歯の全幅にわたって延在するように、前記可動電極および前記固定電極のすべての櫛歯上に位置付けられる、請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
前記第２間隙は、前記第１間隙よりも小さく、前記凹部は、前記キャップウェハに対向する前記可動電極および前記固定電極の前記櫛歯の側面上に形成される、請求項２に記載のＭＥＭＳデバイス。
前記第１間隙は、前記第２間隙よりも小さく、前記凹部は、前記ハンドルウェハに対向する前記可動電極および前記固定電極の前記櫛歯の側面上に形成される、請求項２に記載のＭＥＭＳデバイス。
前記キャップウェハまたは前記ハンドルウェハ内に形成された凹部は、少なくとも前記可動電極および前記固定電極の前記櫛歯の全幅にわたって、かつ前記可動電極および前記固定電極の前記櫛歯の長手方向軸に垂直に、前記可動電極および前記固定電極の前記櫛歯に対向する前記キャップウェハまたは前記ハンドルウェハを横切って延在する、請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
前記第２間隙は、前記第１間隙よりも小さく、前記凹部は、前記キャップウェハ上に形成される、請求項５に記載のＭＥＭＳデバイス。
前記第１間隙は、前記第２間隙よりも小さく、前記凹部は、前記ハンドルウェハ上に形成される、請求項５に記載のＭＥＭＳデバイス。
ａ）間隙がより小さい前記キャップウェハまたは前記ハンドルウェハに対向する前記可動電極および前記固定電極の前記櫛歯の側面が、第１の凹部が前記櫛型キャパシタのすべての櫛歯上に位置付けられる第１の凹部と、第２の凹部が前記櫛型キャパシタのすべての櫛歯上に位置付けられる第２の凹部とを含むこと、ならびに
ｂ）間隙がより小さい前記キャップウェハまたは前記ハンドルウェハが、第１の凹部と第２の凹部とを含むこと
のうちの一方または両方を特徴とし、
１つ以上の前記第１の凹部は、ガスが前記可動電極と前記固定電極との間の空間に出入りし、前記櫛型キャパシタを囲む前記ＭＥＭＳデバイスの内部空間を行き来して移動することができる第１のチャネルを提供し、１つ以上の前記第２の凹部は、ガスが前記可動電極と前記固定電極との間の空間に出入りし、前記櫛型キャパシタを囲む前記ＭＥＭＳデバイスの内部空間を行き来して移動することができる第２のチャネルを提供し、前記第２のチャネルは前記第１のチャネルに平行に延在し、前記第１のチャネルからオフセットされている、請求項１～７のいずれか一項に記載のＭＥＭＳデバイス。
前記櫛型キャパシタは減衰キャパシタである、請求項１～８のいずれか一項に記載のＭＥＭＳデバイス。
前記櫛型キャパシタはセンスキャパシタである、請求項１～９のいずれか一項に記載のＭＥＭＳデバイス。
前記可動電極および前記固定電極の前記櫛歯の側面が前記凹部を含み、間隙がより小さい前記キャップウェハまたは前記ハンドルウェハが凹部を含み、前記キャップウェハまたは前記ハンドルウェハ内の凹部は、前記櫛歯の側面内の前記凹部および前記キャップウェハまたは前記ハンドルウェハ内の前記凹部が前記チャネルを形成するように、前記可動電極および前記固定電極の前記櫛歯の側面内の前記凹部に対向して位置付けられる、請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
前記ＭＥＭＳデバイスは、複数の櫛型キャパシタを備え、前記櫛型キャパシタのうちの２つ以上は、
可動電極であって、前記可動電極は、前記ＭＥＭＳデバイスの固定構成要素に対して可動であり、前記可動電極は、複数の櫛歯を備える、可動電極と、
固定電極であって、前記固定電極は、前記ＭＥＭＳデバイスの他の固定構成要素に対して固定され、前記固定電極は、複数の櫛歯を備え、前記可動電極の前記櫛歯は、前記固定電極の前記櫛歯と互いに噛み合う、固定電極と、
ハンドルウェハおよびキャップウェハであって、前記ハンドルウェハおよびキャップウェハは、前記可動電極および前記固定電極の対向する両側面上に配置され、前記可動電極および前記固定電極の前記櫛歯と平行に延在する、ハンドルウェハおよびキャップウェハと
を備え、
前記可動電極および前記固定電極と前記ハンドルウェハとの間の間隙が第１間隙であり、前記可動電極および前記固定電極と前記キャップウェハとの間の間隙が第２間隙であり、
前記第１間隙および前記第２間隙のうちの一方は、他方よりも小さく、
ａ）間隙がより小さい前記キャップウェハまたは前記ハンドルウェハに対向する前記可動電極および前記固定電極の前記櫛歯の側面が、前記櫛型キャパシタのすべての櫛歯上に位置付けられる凹部を含むこと、ならびに
ｂ）間隙がより小さい前記キャップウェハまたは前記ハンドルウェハの一方が、前記可動電極及び前記固定電極の前記櫛歯と対向する凹部を含むこと
のうちの一方または両方を特徴とし、
１つ以上の前記凹部が、ガスが前記可動電極と前記固定電極との間の空間に出入りし、前記櫛型キャパシタを取り囲む前記ＭＥＭＳデバイスの内部空間を行き来して移動することができるチャネルを提供する、請求項１～１１のいずれか１項に記載のＭＥＭＳデバイス。