JPWO2011039797A1

JPWO2011039797A1 - Ｍｅｍｓセンサ

Info

Publication number: JPWO2011039797A1
Application number: JP2011533945A
Authority: JP
Inventors: 前田　孝則; 孝則前田; 健二郎藤本; 高博河野; 尾上　篤; 篤尾上
Original assignee: Pioneer Corp
Current assignee: Pioneer Corp
Priority date: 2009-09-29
Filing date: 2009-09-29
Publication date: 2013-02-21
Also published as: WO2011039797A1; US20120235039A1

Abstract

メンブレンを、強度を維持しつつ薄く形成することができるＭＥＭＳセンサを提供することである。四角形の枠状に形成されたフレーム部２と、フレーム部２内に架設された凹凸形状のメンブレン３と、を備え、メンブレン３の凹凸形状は、凹凸が直交する２方向に延在すると共に、メンブレン３の面内全域において方形の凹部３ａと凸部３ｂとが網目状に分布した形態となっているものである。

Description

本願発明は、温度変化、圧力変化、振動等に感応するメンブレン構造のＭＥＭＳ（micro electro mechanical system）センサに関するものである。

従来、この種のＭＥＭＳセンサとして、メンブレン構造の熱センサが知られている（特許文献１）。この熱センサは、熱感度素子および上下の電極から成る方形のメンブレンと、基板上にメンブレンをリリースするようにして支持する一対の支持アームと、を備え、支持アームは、電極に接続された配線を兼ねると共に断熱材で形成されている。熱感度素子は、赤外線を吸収し、その温度変化を電気信号に変換し、検出可能とする。

米国特許第６０８７６６１号

このような従来の熱センサでは、メンブレンを薄く形成し熱容量を小さくすることで検出感度を向上させることが可能となるが、薄く形成すると、製造過程におけるストレス（熱応力等）により反りや割れが生じ、歩留りが極端に悪化する問題がある。また、メンブレンを薄く形成すると共振周波数が低下し、車載用のセンサ等では、共振によりメンブレンが破壊したり、支持アームとメンブレンの接続部分が破損する等の問題がある。さらに、メンブレンの熱感度素子を強誘電体で構成した場合、振動によりマイクロフォニックノイズが発生し、検出感度が低下する問題があった。

本発明は、メンブレンを、強度を維持しつつ薄く形成することができるＭＥＭＳセンサを提供することを課題としている。

本発明のＭＥＭＳセンサは、多角形の枠状に形成されたフレーム部と、フレーム部内に架設され、少なくともフレーム部の内周面に接合する周縁部が凹凸形状に形成されたセンサ感度を有するメンブレンと、を備えたことを特徴とする。

この構成によれば、メンブレンにおけるフレーム部との接合部分が凹凸形状に形成されているため、フレーム部との強度的な一体性が図られ、接合部分の応力集中が緩和されると共にメンブレン自体の強度もアップさせることができる。このため、歩留りを高めつつメンブレンを薄く形成することができる。また、周縁部の強度により、メンブレンの共振周波数を極端に高くすることができ、振動による破壊・破損を防止することができると共に、マイクロフォニックノイズの発生をも防止することができる。

この場合、凹凸形状における凹部と凸部との表裏方向の離間寸法が、メンブレンの厚さ寸法より大きいことが好ましい。

この構成によれば、凹部と凸部との境界壁部分を十分な幅を有するリブ構造とすることができ、メンブレン自体の強度アップとフレーム部との高い一体性を持たせることができる。

また、凹凸形状は、少なくとも２方向に延在し、メンブレンの面内全域において、凹部と凸部とが網目状に分布していることが好ましい。

この構成によれば、メンブレン自体の強度をより一層、高めることができ、その分、メンブレンを薄手に形成することができる。

さらに、多角形が、三角形、四角形および六角形のいずれかであることが好ましい。

この構成によれば、隣接するＭＥＭＳセンサにおいて、フレーム部を共有してセンサアレイを形成することができ、メンブレン（感応部）の面積比率の高く、且つ高剛性のセンサアレイを形成することができる。

一方、メンブレンが、表側電極層と誘電体層と裏側電極層とを積層して成ることが好ましい。

この構成によれば、歩留りが高く且つ高検出感度の赤外線センサを構成することができる。

本発明のＭＥＭＳセンサによれば、メンブレンにおけるフレーム部との接合部分が凹凸形状に形成されているため、フレーム部との強度的な一体性が図られると共にメンブレンの強度が図られる。また、振動による破壊・破損を防止することができる。したがって、歩留りの向上と検出感度の向上とを達成することができる。

本発明の第１実施形態に係る赤外線センサの平面図である。図１のＡ−Ａ線断面図（ａ）、およびＢ−Ｂ線断面図（ｂ）である。第１実施形態に係る赤外線センサの部分斜視図である。フレーム部周りの変形例（ａ）および他の変形例（ｂ）を説明する赤外線センサの部分斜視図である。メンブレン周りの変形例（ａ）および他の変形例（ｂ）を説明する赤外線センサの断面図である。第１実施形態に係る赤外線センサの製造方法を示す説明図である。第１実施形態の変形例に係る赤外線センサの部分斜視図である。第１実施形態の赤外線センサを適用したセンサアレイ（赤外線検出装置）の部分平面図である。変形例に係るセンサアレイの部分平面図である。本発明の第２実施形態に係る赤外線センサの平面図（ａ）および断面図（ｂ）である。

以下、添付図面を参照して、本発明の一実施形態に係るＭＥＭＳセンサである赤外線センサおよびこれを用いたセンサアレイについて説明する。この赤外線センサは、シリコン（ウェーハ）等を材料として微細加工技術により製造されるものであり、いわゆる焦電型の赤外線（遠赤外線）センサで構成されている。また、この赤外線センサは、アレイ形式で製品化されるセンサアレイ（赤外線検出装置）のピクセル（エレメント）を構成するものである。

図１ないし図３に示すように、赤外線センサ１は、四角形の枠状に形成されたフレーム部２と、フレーム部２内に架設され、全体として凹凸形状に形成されたメンブレン３と、を備えている。メンブレン３は、センサ感度を有するいわゆる赤外線検出部であり、可能な限り薄手に形成されている。フレーム部２は、薄手に形成されたメンブレン３を四周に亘って支持する部分であり、また図示では省略したが、その表面にはメンブレン３への接続配線がパターニングされている。

フレーム部２は、シリコン基板を表裏（上下）両面から深堀反応性エッチング（ＤｅｅｐＲＩＥ）して、正方形の枠状に形成されている。また、フレーム部２の各辺を構成する４つのフレーム片２ａは、同一の厚さを有している。実施形態のフレーム部２は、例えば一辺が５０μｍ程度の大きさに形成されている。なお、フレーム部２は、正方形の他、長方形、三角形、六角形等、強度を考慮し多角形に形成することが好ましい。

また、図４に示すように、フレーム部２の各隅部に丸みを持たせた構造としてもよい。図４（ａ）のフレーム部２は、各隅部を小さくアール形状（曲率半径大）に形成したものであり、図４（ｂ）のフレーム部２は、各隅部を大きくアール形状（曲率半径小）に形成したものである。このような構成では、平面方向においてフレーム部２の剛性を高めることができ、ひいては赤外線センサ１全体の強度アップを図ることができる。

図２に示すように、メンブレン３は、上側電極層１１、焦電体層（誘電体層）１２および下側電極層１３を、この順に積層して構成されている。焦電体層１２は、例えばＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）、ＳＢＴ（ＳｒＢｉ_２Ｔａ_２Ｏ_９）、ＢＩＴ（Ｂｉ_４Ｔｉ_３Ｏ_１２）、ＬＴ（ＬｉＴａＯ_３）、ＬＮ（ＬｉＮｂＯ_３）、ＢＴＯ（ＢａＴｉＯ_３）、ＢＳＴ（ＢａＳｒＴｉＯ_３）等で構成されている。この場合、焦電体層１２は、検出感度を考慮し誘電率の高い材質のもの（例えば、ＢＳＴ（ＢａＳｒＴｉＯ_３）やＬＴ（ＬｉＴａＯ_３））を用いることが好ましい。そして、実施形態の焦電体層１２は、０．２μｍ程度の厚みに形成されている。

下側電極層１３は、例えばＡｕ、ＳＲＯ、Ｎｂ−ＳＴＯ、ＬＮＯ（ＬａＮｉＯ_３）等で構成されている。この場合、下側電極層１３上への焦電体層１２の成膜を考慮し、下側電極層１３は結晶構造が焦電体層１２と同一の材料とすることが好ましい。また、下側電極層１３は、一般的なＰｔ、Ｉｒ、Ｔｉ等で構成してもよい。一方、上側電極層１１は、赤外線の吸収率を高め得るように、例えばＡｕ−Ｂｌａｃｋ等で構成されている。そして、実施形態の上側電極層１１および下側電極層１３は、それぞれ０．１μｍ程度の厚みに形成されている。

このような積層構造を有するメンブレン３は、平面内において凹凸形状に、言い換えれば２次元的に凹凸形状に形成されている。具体的には、凹凸形状が直交する２方向に延在し、メンブレン３の面内全域において、平面視方形の凹部３ａと凸部３ｂとが網目状（マトリクス状）に分布した形態となっている。すなわち、任意の１の凹部３ａに対し４つの凸部３ｂが隣接し、任意の１の凸部３ｂに対し４つの凹部３ａが隣接している。このため、図２（ａ）、図２（ｂ）および図３に示すように、各フレーム片２ａに対する接合部分も、平面的に凹凸形状となっている。なお、凹部３ａおよび凸部３ｂの平面形状は、長方形や三角形等、或いは隅部をアール形状とした長方形や三角形等の多角形であることが好ましく、また１のメンブレン３において、形状の異なる凹部および凸部が混在していてもよい。

また、隣接する凹部３ａと凸部３ｂとは相互の周壁３ｃを兼用しており、この周壁３ｃが、赤外線検出部の一部を構成すると共に補強リブとして機能している。補強リブとして機能する周壁３ｃの高さ、すなわち凹部３ａと凸部３ｂとの表裏方向の離間寸法は、メンブレン３の厚さ寸法より大きく形成されている。例えば、実施形態のものでは、この表裏方向の離間寸法が２．５μｍ程度に形成されている。

なお、実施形態の補強リブは、メンブレン３の面内方向に対し直角に形成されているが、傾斜したものであってもよい。すなわち、図５（ａ）に示すように、メンブレン３の凹凸形状を、逆台形の凹部３ａと台形の凸部３ｂとを交互に連ねた断面形状とする。その際、図５（ｂ）に示すように、凹部３ａおよび凸部３ｂの隅部および角部に丸みを持たせる（アール形状に形成する）こと、がより好ましい。また、この丸みを持たせることは、図２の実施形態においても同様である。これにより、表裏方向においてメンブレン３の剛性を高めることができ、フレーム部２と併せて赤外線センサ１全体の強度アップを図ることができる。

次に、図６を参照して、赤外線センサ１の製造方法について説明する。実施形態の赤外線センサ１は、シリコン基板（ウェーハ）Ｗを用い、半導体の微細加工技術により製造される。先ず、フォトリソグラフィーによりレジストを塗布されたシリコン基板Ｗ（図６（ａ））に、上側（表側）から第１のエッチング（深掘反応性エッチング：異方性エッチング）を行って、凸部３ｂの上端面となる部分（実際には、凸部３ｂにおける下側電極層１３の裏面に相当する部分）を形成する（図６（ｂ））。同様に、上側（表側）から第２のエッチング（深掘反応性エッチング：異方性エッチング）を行って、複数の凹部３ａとなる部分（実際には、下側電極層１３の裏面において凹となる部分）を形成する（図６（ｃ））。次に、熱酸化処理を行いシリコン基板Ｗの表裏両面に酸化膜（ＳｉＯ_２）Ｗａを形成する（図６（ｄ））。

次に、シリコン基板Ｗの表面、すなわち酸化膜Ｗａの上に、下側電極層１３、焦電体層１２および上側電極層１１の順で、例えばエピタキシャル成長（ＣＶＤ）により、後にメンブレン３となる部分を成膜する（図６（ｅ））。このエピタキシャル成長では、高品質の成膜を行うべく、特に酸化膜Ｗａと下側電極層１３との間には、それぞれバッファ層（図示省略）を設けることが好ましい。バッファ層は、例えばＹＳＺ、ＣｅＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳＴＯが好ましい。

そして、最後に、裏面側から、或いはシリコン基板Ｗを表裏反転して表側から第３のエッチング（例えば、ウェットエッチングによる等方性エッチング）を行い、メンブレン３の下側となる基板部分を除去する（図６（ｆ））。この場合、メンブレン３の下側電極層１３を、エッチングストップ層として機能させる一方、エッチングの時間管理により、フレーム部２を残す。なお、この第３のエッチングに代えて、メンブレン３の下側となる基板部分を燐酸ガラス等の犠牲層として形成しておき、表側からこの犠牲層を除去するようにしてもよい。また、酸化膜Ｗａは、最終的に除去しきれなくてもよい。

このような構成では、メンブレン３が凹凸形状に形成されているため、フレーム部２との強度的な一体性が図られ、且つメンブレン３自体の強度アップを図ることができる。このため、製造過程における破損を有効に防止することができ、歩留りを高めつつメンブレン３を薄く形成することができる。また、この凹凸形状により、メンブレン３の共振周波数を極端に高くすることができ、振動による破壊・破損を防止することができると共に、マイクロフォニックノイズの発生をも防止することができる。したがって、歩留りの向上と検出感度の向上とを同時に達成することができる。

次に、図７を参照して、上記の第１実施形態の変形例について説明する。なお、以降の変形例では、第１実施形態と異なる部分を主に説明する。
図７の変形例に係る赤外線センサ１は、第１実施形態と同様に、四角形の枠状に形成されたフレーム部２と、フレーム部２内に架設され、凹凸形状に形成されたメンブレン３と、を備えている。この第１変形例のメンブレン３は、凹凸形状が斜めに交差するように延在し、メンブレンの面内全域において、平面視三角形の凹部３ａと凸部３ｂとが網目状に分布した形態となっている。この場合、補強リブとなる周壁３ｃが３方向に延在するため、より一層、メンブレン３の強度アップを図ることができる。

ここで、図８および図９を参照して、第１実施形態の赤外線センサ１をセンサエレメントとするセンサアレイ（赤外線検出装置）２０について説明する。
図８のセンサアレイ２０は、各赤外線センサ１において、その凹部３ａおよび凸部３ｂを平面視長方形に形成したものであり、複数の赤外線センサ（センサエレメント）１を隙間なく面状に配置して、構成されている。具体的には、複数の赤外線センサ１は、相互のフレーム部２を共有した状態で、すなわち、隣接する任意の２つの赤外線センサ１において、相互のフレーム片２ａを共有した状態で配置されている。また、隣接する任意の２つの赤外線センサ１において、メンブレン３の凹凸形状の形態が異なっている。すなわち、一方のメンブレン３では、長方形の凹部３ａおよび凸部３ｂがいわゆる横向きに配置され、他方のメンブレンで３は、長方形の凹部３ａおよび凸部３ｂがいわゆる縦向きに配置されている。

このようなセンサアレイ２０では、隣接する赤外線センサ１におけるフレーム片２ａを共有（言い換えれば、兼用）しているため、センサアレイ２０全体として剛性（強度）を高めつつ、フレーム部２の総面積に対するメンブレン３の総面積の比率を高めることができ、歩留りの向上と検出感度の向上とを図ることができる。また、隣接する赤外線センサ１を、異なる共振周波数とすることができ、センサアレイ２０全体としても共振周波数を低く抑えることができる。したがって、センサアレイ２０の振動による破壊・破損を防止することができ、車載用に好適なセンサアレイ２０を構成することができる。

図９のセンサアレイ２０は、各赤外線センサ１において、その凹部３ａおよび凸部３ｂを平面視正方形に形成したものであり、この場合も、複数の赤外線センサ１は、相互のフレーム部２を共有した状態で平面状に配置されている。また、隣接する任意の２つの赤外線センサ１において、一方のメンブレン３では、凹部３ａおよび凸部３ｂがＸ軸方向およびＹ軸方向のマトリクスとなっているが、他方のメンブレン３では、凹部３ａおよび凸部３ｂがＸ軸方向およびＹ軸方向から４５°傾いたマトリクスとなっている。この場合も、歩留りの向上と検出感度の向上とを図ることができと共に、振動による破壊・破損を防止することができる。

次に、図１０を参照して、本発明の第２実施形態について説明する。この第２実施形態は、本発明を圧力センサ３１に適用したものであり、圧力センサ３１は、第１実施形態と同様に、四角形の枠状に形成されたフレーム部３２と、フレーム部３１内に架設され、一部が凹凸形状に形成されたメンブレン３３と、を備えている。この場合のメンブレン３３は、上側電極層４１、ダイヤフラム４２および下側電極層４３を順に積層した、容量検出型のもので構成されている。受圧部を構成するダイヤフラム４２は、シリコン基板（単結晶）を表裏両側からエッチングして薄手に形成されている。なお、容量検出型に代えて、電気配線をｐ−ｎ接合とした電気抵抗型（ピエゾ抵抗）としてもよい。

そして、メンブレン（ダイヤフラム４２）３３は、受圧部の主体を為す中央平坦部３３ａと、中央平坦部３３ａとフレーム部２とを結ぶ凹凸形状の周縁部３３ｂと、で構成されている。この場合も、周縁部３３ｂは、平面内において２次元的に凹凸形状に形成されており、凹部３ａと凸部３ｂとが交互に分布した形態となっている。なお、メンブレン３の厚みは、検出対象となる圧力の高低により決定される。

このような圧力センサ３１では、第１実施形態と同様に、メンブレン３３の周縁部３３ａが凹凸形状に形成されているため、フレーム部２との強度的な一体性が図られ、且つメンブレン３３の強度アップを図ることができる。このため、歩留りを高めつつメンブレン３３を薄く形成することができる。また、この凹凸形状により、メンブレン３３の共振周波数を極端に高くすることができ、振動による破壊・破損を防止することができる。

１赤外線センサ２フレーム部
２ａフレーム片３メンブレン
３ａ凹部３ｂ凸部
１１上側電極層１２焦電体層

【０００２】
課題を解決するための手段
［０００６］
本発明のＭＥＭＳセンサは、センサアレイの各エレメントを構成するＭＥＭＳセンサであって、多角形の枠状に形成されたフレーム部と、フレーム部内に架設され、少なくともフレーム部の内周面に接合する周縁部が複数の凹凸形状に形成されたセンサ感度を有するメンブレンと、を備えたことを特徴とする。
［０００７］
この構成によれば、メンブレンにおけるフレーム部との接合部分が凹凸形状に形成されているため、フレーム部との強度的な一体性が図られ、接合部分の応力集中が緩和されると共にメンブレン自体の強度もアップさせることができる。このため、歩留りを高めつつメンブレンを薄く形成することができる。また、周縁部の強度により、メンブレンの共振周波数を極端に高くすることができ、振動による破壊・破損を防止することができると共に、マイクロフォニックノイズの発生をも防止することができる。
［０００８］
この場合、複数の凹凸形状における凹部と凸部との表裏方向の離間寸法が、メンブレンの厚さ寸法より大きいことが好ましい。
［０００９］
この構成によれば、凹部と凸部との境界壁部分を十分な幅を有するリブ構造とすることができ、メンブレン自体の強度アップとフレーム部との高い一体性を持たせることができる。
［００１０］
また、複数の凹凸形状は、少なくとも２方向に延在し、メンブレンの面内全域において、凹部と凸部とが網目状に分布していることが好ましい。
［００１１］
この構成によれば、メンブレン自体の強度をより一層、高めることができ、その分、メンブレンを薄手に形成することができる。
［００１２］
さらに、多角形が、三角形、四角形および六角形のいずれかであることが好ましい。
［００１３］
この構成によれば、隣接するＭＥＭＳセンサにおいて、フレーム部を共有してセンサアレイを形成することができ、メンブレン（感応部）の面積比率の高く、且つ高剛性のセンサアレイを形成することができる。
［００１４］
一方、メンブレンが、表側電極層と誘電体層と裏側電極層とを積層して成ることが好ましい。

Claims

多角形の枠状に形成されたフレーム部と、
前記フレーム部内に架設され、少なくとも前記フレーム部の内周面に接合する周縁部が凹凸形状に形成されたセンサ感度を有するメンブレンと、を備えたことを特徴とするＭＥＭＳセンサ。
前記凹凸形状における凹部と凸部との表裏方向の離間寸法が、前記メンブレンの厚さ寸法より大きいことを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳセンサ。
前記凹凸形状は、少なくとも２方向に延在し、
前記メンブレンの面内全域において、凹部と凸部とが網目状に分布していることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳセンサ。
前記多角形が、三角形、四角形および六角形のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳセンサ。
前記メンブレンが、表側電極層と誘電体層と裏側電極層とを積層して成ることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳセンサ。