WO2011114628A1 - Ｍｅｍｓ素子、およびｍｅｍｓ素子の製造方法 - Google Patents

Ｍｅｍｓ素子、およびｍｅｍｓ素子の製造方法 Download PDF

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WO2011114628A1
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electrode
cavity
sacrificial layer
movable part
side wall
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岩崎　智弘
大西　慶治
中村　邦彦
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パナソニック株式会社
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    • H03H9/2447—Beam resonators

Definitions

  • the present invention relates to a MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) element, and more particularly, to a device that realizes highly reliable sealing in a MEMS resonator having a micro-gap structure.
  • MEMS Micro-Electro-Mechanical Systems
  • FIGS. 7 and 8 are a perspective view and a cross-sectional view showing a structure of a MEMS oscillator manufactured using an SOI (Silicon on insulator) substrate disclosed in Patent Document 1.
  • FIG. This MEMS resonator is used in, for example, a filter as described in Patent Document 1.
  • the SOI substrate is a substrate manufactured by forming a device formation layer made of a single crystal silicon layer on a silicon substrate through a BOX layer (buried silicon oxide film) made of a silicon oxide film. .
  • anisotropic etching is first performed on an SOI substrate to form a beam having a triangular cross section (triangular cross section beam), and a silicon oxide film for forming a gap is formed.
  • the electrode 202 is then formed.
  • the silicon oxide for the gap and the BOX layer 206 are removed, leaving a portion to be a support portion.
  • the triangular cross-section beam serving as the vibrator 201 is opened so as to be movable, and an air projecting structure in which electrodes having a space (cavity) and a narrow gap are arranged on the side surface of the triangular cross-section beam having a projecting structure. Department is completed.
  • a space (cavity) 207 is formed under the vibrator 201.
  • a MEMS resonator having a vibrator made of single crystal silicon using an SOI substrate and electrode terminals that enable electrostatic excitation and electrostatic detection is realized.
  • the gap forming film and the BOX layer 206 which is the lower layer of the vibrator 201, are both silicon oxide films, gap formation and structure opening can be performed simultaneously in the final release (structure opening) step. Reduction of the manufacturing process is realized.
  • Patent Document 1 discloses a method of covering the resonator with a glass cap.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of a pressure sensor manufactured using the MEMS technology described in Patent Document 2.
  • the vibrator 103 is a beam made of single crystal silicon.
  • the vacuum chamber 105 is formed by a sacrificial layer etching technique using a difference in etching rate caused by the impurity concentration of epitaxially grown silicon.
  • the shell 104 is also formed by a thin film forming technique.
  • An electrostatic capacitance is formed between the shell 104 and the beam (vibrator) 103. Both ends of the beam are anchored to the measurement diaphragm and can vibrate near the resonance frequency.
  • the element shown in FIG. 9 exhibits a function as a pressure sensor by capturing a change in the stress of the beam due to the pressure applied to the measurement diaphragm as a change in resonance frequency.
  • the Q value that represents the sharpness of the resonance of the beam deteriorates due to the viscosity of the air around the beam. Therefore, a high Q value can be maintained by keeping the vacuum chamber in a vacuum. The higher the Q value, the more sensitively senses the resonance frequency change due to pressure.
  • the pressure sensor described with reference to FIG. 9 can be manufactured by a method of sealing a resonating beam in a vacuum only by a thin film process. Therefore, in the manufacture of this pressure sensor, the vacuum sealing process in the element packaging process is not required, and it is possible to provide a small pressure sensor at low cost.
  • the sealing technique based on the thin film process described in Patent Document 2 can be applied not only to a pressure sensor but also to a resonator, a filter, an oscillator, a switch element, a gyroscope, a mass detection element, and the like using a MEMS technique. .
  • the purpose of sealing is not only to keep the vibrator movable in a vacuum.
  • the technique described in Patent Document 2 is used for the purpose of isolating the humidity and dust from the outside of the seal, or protecting the inside of the seal from the resin filling pressure at the time of packaging by a resin transfer mold. Can be applied.
  • Patent Document 2 cannot be applied to a MEMS resonator as described in Patent Document 1 as it is. Therefore, sealing by resin transfer molding, which is generally performed in the field of semiconductor elements, is considered as a sealing method.
  • the sealing of the MEMS resonator described in Patent Document 1 by the resin transfer mold has the following problems.
  • the structure to be sealed (particularly, the electrode) itself is greatly distorted by the pressure applied from the outside during resin transfer molding, and the electrode and the beam (movable part) collide.
  • the MEMS resonator it is necessary to narrow the gap between the electrode and the beam (vibrator) in order to reduce the element impedance.
  • the gap is about 100 to 200 nm, and such a narrow gap can be maintained under pressure during resin transfer molding. become unable.
  • FIG. 10 there is a method of forming a sealing structure separately from the electrodes and forming cavities above and below the electrode 305 and the movable portion (vibrator) 303.
  • reference numeral 301 denotes a substrate
  • 302 and 306 denote sacrificial layers
  • 307 denotes a sealing thin film.
  • the cavities are formed by partially removing the sacrificial layers 302 and 306, and the remaining portions of the sacrificial layers 302 and 306 constitute side walls that define the cavities.
  • a sealing structure can be obtained with the sealing thin film 307.
  • the inventors have newly found that even when the structure shown in FIG. 10 is adopted, the following problems occur when this element is further sealed with a resin transfer mold.
  • the pressure applied during the resin transfer molding is transmitted to the sealing thin film.
  • the force is further transmitted to the electrode through the cavity side wall.
  • the direction of the force applied to the electrode is parallel to the thickness direction of the element. Therefore, if the side wall of the cavity on the electrode side is inside the side wall of the cavity on the movable part side, that is, if there is a space below the side wall on the electrode side, the electrode bends due to the force applied downward to the electrode. As a result, as shown in FIG. 10, the electrode may move downward and collide with the movable part.
  • FIG. 11 is a graph showing the result of calculating the amount of strain in the thickness direction of the sealing thin film when an external pressure is applied. Each line shows the difference in the film thickness of the sealing thin film, and the larger the film thickness, the smaller the strain amount.
  • a pressure of about 1E + 07 Pa (100 atm) to 1.5E + 07 Pa (150 atm) is applied to the sealing thin film. Therefore, even if the thickness of the sealing thin film is as thick as 4 ⁇ m, it is distorted by about 300 nm under 150 atm.
  • the external pressure that causes such a large strain is such that the electrode and the movable part collide with each other. That is, the MEMS resonator shown in FIG. 10 has a structure in which the force applied to the sealing thin film is transmitted to the electrode as it is and the electrode is bent. Therefore, for example, if the gap between the electrode 305 and the movable part 303 is about 100 to 300 nm, the gap does not hold in the shaded part in FIG. 11 and the electrode and the movable part collide. In order to avoid collision, it is necessary to use a sealing thin film having a thickness of at least 6 to 7 ⁇ m. However, as long as the current semiconductor thin film formation technology is applied, a film having such a thickness can be formed only by laminating a large number of thin films, which includes another problem that the throughput is deteriorated. Yes.
  • the present invention provides a MEMS element having a structure that prevents stress from being applied to an electrode in a direction in which the electrode approaches a movable part when an external pressure is applied during resin transfer molding or the like. To do. That is, the present invention Having a substrate and a sealing thin film, A movable part that performs mechanical vibration and an electrode positioned in proximity to the movable part are provided between the substrate and the sealing thin film, and the movable part and the electrode have a gap in a direction perpendicular to the substrate surface.
  • a first cavity and a second cavity separated by the electrode are formed between the substrate and the sealing thin film,
  • the first cavity is located on the movable portion side in a direction perpendicular to the substrate surface when viewed from the electrode in the region where the movable portion and the electrode overlap.
  • the second cavity is located on a side opposite to the movable part in a direction perpendicular to the substrate surface when viewed from the electrode in a region where the movable part and the electrode overlap.
  • the inner surface of the side wall A in contact with the electrode of the first cavity is located on the inner side in the direction parallel to the substrate surface than the inner surface of the side wall B in contact with the electrode of the second cavity.
  • the MEMS element of the present invention has two cavities (a first cavity and a second cavity) that are separated from each other by an electrode, and an inner surface of a side wall A that is in contact with the electrode of the first cavity is
  • the first cavity is located on the inner side in the direction parallel to the substrate surface than the inner surface of the side wall B in contact with the electrode of the second cavity, and the first cavity is from the electrode in the region where the movable part and the electrode overlap.
  • the second cavity is located on the opposite side of the movable portion in the direction perpendicular to the substrate surface, and the second cavity is perpendicular to the substrate surface when viewed from the electrode in the region where the movable portion and the electrode overlap.
  • the sealing thin film has a small film thickness of 2 ⁇ m or less, for example. can do. The use of the sealing thin film having such a small thickness contributes to the reduction of the manufacturing time of the MEMS element.
  • the present invention also provides a method for manufacturing the MEMS element of the present invention having the above structure.
  • the manufacturing method of the present invention includes forming the first cavity by removing the first sacrificial layer, and forming the second cavity by removing the second sacrificial layer.
  • the removal of the two sacrificial layers may be performed within the same etching process, with the second sacrificial layer removed first and then the first sacrificial layer removed, or within the same etching process.
  • the first sacrificial layer may be removed first and then the second sacrificial layer may be removed.
  • the etching rate of the second sacrificial layer is higher than the etching rate of the first sacrificial layer by using the materials of the first sacrificial layer and the second sacrificial layer.
  • the MEMS element of the present invention is preferably provided in a form in which the outside of the sealing thin film is molded with resin.
  • a rigid sealing structure is realized by the resin mold.
  • the MEMS element of the present invention has a structure that avoids collision between the electrode and the movable part due to pressure applied during resin molding, and is therefore suitable for sealing with resin molding.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of the sealing structure of the MEMS element according to the first embodiment of the present invention.
  • 2A to 2C are sectional views showing an example of a structure in which the MEMS element according to the first embodiment of the present invention is molded and sealed with a resin.
  • FIGS. 3A to 3E are cross-sectional views showing a process flow of the method for manufacturing a MEMS device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing an example of the sealing structure of the MEMS element according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing an example of the sealing structure of the MEMS element according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a sectional view showing another example of the MEMS element sealing structure according to the third embodiment of the present invention, in which a through hole is formed in a substrate.
  • FIG. 7 is a perspective view of a conventional triangular beam torsion resonator.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of a conventional triangular beam torsion resonator.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view showing a conventional MEMS element sealing structure.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing a thin film sealing structure of a conventional MEMS element.
  • FIG. 11 is a graph showing the relationship between the external pressure applied to the sealing thin film and the amount of strain in the thickness direction of the sealing thin film.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view illustrating a part of the MEMS element illustrated in FIG. 1 and illustrating O, A1, B1, C1, D1, E1, and F1.
  • FIG. 13 is a graph showing E1 / C1 and F1 / D1 when B1 / A1 is changed in FIG.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a structural example of a MEMS element according to the first embodiment of the present invention.
  • two sacrificial layers 2 and 4 are formed on a substrate 1, and a movable part which is a beam structure on the lower first sacrificial layer 2 in FIG. 1. 3 is formed, and an electrode 5 is formed on the first sacrificial layer 4 on the upper side.
  • the movable part 3 and the electrode 5 have different regions with a gap in the direction perpendicular to the surface of the substrate 1 (that is, in the illustrated form, the main surface of the movable part 3 and the main surface of the electrode 5 are , Facing each other so as to be parallel to the substrate surface), the vibrator is configured.
  • the movable portion 3 has a structure in which a beam extending in a direction perpendicular to the paper surface can vibrate and its end portion is fixed.
  • the movable part 3 and the electrode 5 form a capacitance by a minute gap, and the movable part 3 is excited in a mode such as bending, spreading, or twisting by an electrostatic force generated by applying a voltage to the electrode 5.
  • the “direction perpendicular to the substrate surface” can also be said to be the thickness direction of the substrate (and thus the element). Therefore, it can be said that the “direction perpendicular to the substrate surface” is a direction in which films are stacked in the semiconductor thin film formation technology.
  • the cavity located on the movable part 3 side in the thickness direction of the substrate 1 is the first cavity when viewed from the electrode 5 in the region where the electrode 5 and the movable part 3 overlap. Therefore, in the illustrated form, a cavity located in the lower direction when viewed from the electrode 5, that is, a space indicated by reference numeral 9 is the first cavity.
  • the first cavity 9 is formed by being surrounded by the substrate 1, the first sacrificial layers 2, 4 and the electrode 5.
  • the first sacrificial layers 2 and 4 shown in FIG. 1 are portions that have not been removed by etching, and these portions define side surfaces (surfaces in a direction perpendicular to the substrate surface) of the first cavities 9.
  • the side wall is configured.
  • FIG. 1 is a side wall in contact with the electrode 5 located on both sides of the beam constituting the movable part 3 in the drawing, that is, on both sides of the beam extending in a direction parallel to the direction in which the beam extends (FIG. 1).
  • A As shown in the figure, when the sacrificial layer is composed of two or more layers and the inner surface of each layer is in a different position, the inner surface of the sacrificial layer on the side close to the electrode, that is, the side in contact with the electrode, The position (position indicated by a in FIG. 1) is determined in relation to the inner surface of the side wall B of the second cavity.
  • a second sacrificial layer 6 is formed on the electrode 5, and a sealing thin film 7 is further formed thereon.
  • the first cavity is a cavity located on the movable part 3 side, that is, the lower side when viewed from the electrode 5, so the second cavity is the movable part 3 when viewed from the electrode 5. It is a cavity located on the opposite side, that is, the upper side. Therefore, in the illustrated form, the space indicated by reference numeral 10 is the second cavity.
  • the second cavity 10 is formed by being surrounded by the electrode 5, the second sacrificial layer 6, and the sealing thin film 7.
  • FIG. 1 is a portion that has not been removed by etching, and this portion constitutes a side wall that defines the side surface of the second cavity 10.
  • the side walls shown in FIG. 1 are side walls (indicated by B in FIG. 1) that are in contact with the electrode 5 and are located on both sides when viewed from the direction in which the beams constituting the movable part 3 extend.
  • the second sacrificial layer is composed of two or more layers and the inner surface of each layer is in a different position, the position of the inner surface of the layer on the side close to the electrode, that is, the side in contact with the electrode (see FIG.
  • the position indicated by b in FIG. 1 is considered in determining the position of the inner surface of the side wall A of the first cavity.
  • a through-hole 8 is formed in the sealing thin film 7.
  • the through-hole 8 is formed at a desired position as an etching hole in order to form a cavity by removing the sacrificial layer.
  • the electrode 5 is also formed with a through hole 12 for removing the first sacrificial layers 2 and 4.
  • the first sacrificial layers 2 and 4 and the second sacrificial layer 6 may be formed of the same or the same material.
  • an etching gas or the like is introduced from the through-hole 8 to remove the second sacrificial layer 6, and the etching gas or the like is further passed through the through-hole 12 to pass through the first sacrificial layer 4 and the first sacrificial layer. You may implement by the method of removing 2.
  • the second sacrificial layer 6, the first sacrificial layer 4, and the first sacrificial layer 2 may be removed in this order.
  • the second sacrificial layer 6 is also simultaneously eroded, so that the second cavity 10 is more parallel to the substrate surface than the first cavity 9.
  • the shape and number of the through holes 8 and the through holes 12 are not particularly limited as long as they function as desired as etching holes.
  • a plurality of through-holes 8 having a substantially circular shape when viewed from above may be provided in the sealing thin film 7.
  • the through-hole 12 one having a substantially circular shape or a substantially rectangular shape when viewed from above may be provided, or a plurality thereof may be provided along a direction parallel to the direction in which the beam of the movable portion 3 extends.
  • a slit-like opening when viewed from above may be provided over the entire electrode 5 in a direction parallel to the direction in which the beam of the movable portion 3 extends.
  • the electrode 5 has a configuration in which the electrode 5 is separated into two parts with the slit-shaped through hole 12 as a boundary, and the two parts are both the second sacrificial layer 6 and the first sacrificial layers 2, 4. It becomes a cantilever fixed between.
  • FIG. 2A shows a form in which the surface of the sealing thin film 7 and the side surface of the element shown in FIG.
  • the pressure applied to the sealing thin film 7 when carrying out the transfer molding of the resin 11 is applied to the side wall B of the second cavity as shown in FIG. Push in.
  • the first sacrificial layer 4, the first sacrificial layer 2, and the substrate 1 exist as a laminated structure and are fixed under the electrode 5, the pressed-in electrode 5 is only on the surface side. Distorted.
  • stress is generated in the direction toward the contact point, and in the hollow part (unfixed part) of the electrode 5, as shown in FIG. The surface side is pulled in the contact direction.
  • the electrode 5 since the lower side of the contact between the electrode 5 and the side wall B is fixed to the side wall A (first sacrificial layer 4) of the first cavity, the electrode 5 has a hollow portion facing upward (away from the movable part 3). Direction). Due to the generation of such stress, the collision between the electrode 5 and the movable portion 3 is avoided, and the gap is maintained.
  • How much the inner surface a of the side wall A of the first cavity is positioned inside the inner surface b of the second cavity side wall B depends on the size and shape of the element, the position and shape of the electrode and the movable part, and It is preferable to appropriately determine the size and the mechanical stress generated in the electrode when pressure is applied to the sealing thin film.
  • how much the inner surface a of the side wall A of the first cavity is positioned inside the inner surface b of the second cavity side wall B will be described using simulation results.
  • FIG. 13 shows the result of simulating the maximum displacement in the thickness direction of the electrode 5 and the sealing thin film 7 with respect to the position of the side wall B of the second cavity when 100 atm is applied to the sealing thin film 7 as the mold pressure.
  • FIG. 12 shows A1 and B1, which are variables when simulating the maximum displacement in the thickness direction of the electrode 5 and the sealing thin film 7, the distance C1 between the electrode 5 and the movable part 3, and the electrode 5 and the sealing thin film 7. It is sectional drawing explaining distance D1 between these, and is equivalent to a part of sectional drawing shown in FIG.
  • the position indicated by O is the reference position of the electrode 5.
  • the reference position of the electrode refers to a region facing the movable part when pressure (mold pressure) is applied to the sealing thin film during transfer molding, thereby applying force in the thickness direction to the electrode and displacing the electrode.
  • the reference position O is the longer tip (that is, the boundary with the opening 12).
  • the electrode 5 When the opening 12 is circular, the electrode 5 is not divided into two with respect to the opening, and the side wall B of the second cavity is in a symmetrical position with respect to the movable part 3,
  • the position facing the center of the movable part 3 is determined as the reference position O. That is, in the cross-sectional view, assuming that the electrode is separated into two cantilevers with the opening as a boundary, the tip of the longer cantilever is set as the reference position O.
  • A1 is a distance from the reference position O to the side wall A of the first cavity in a direction parallel to the substrate surface and perpendicular to the direction in which the beam of the movable part 3 extends, and B1 is parallel to the substrate surface.
  • the side wall A of the first cavity is not parallel to the direction in which the beam of the movable part 3 extends (for example, when the side wall A is curved when the side wall A is viewed from above), the side wall The reference position O is determined according to the shape of A and the position of the opening 12, and accordingly, A1 (the distance in the predetermined direction between the position and the side wall A at the position where the displacement of the electrode in the thickness direction is the largest). ) Is determined. The same applies to B1.
  • C1 is the shortest distance between the electrode 5 and the movable part 3 in the direction perpendicular to the substrate surface
  • D1 is the shortest distance between the electrode 5 and the sealing thin film 7 in the direction perpendicular to the substrate surface. It is.
  • the solid line (left axis) represents the maximum displacement in the thickness direction of the electrode 5 when the positional relationship between the side walls of the first and second cavities is changed, and the broken line (right axis) represents the first and second cavities. It represents the maximum displacement in the thickness direction of the sealing thin film 7 when the positional relationship of the side walls is changed.
  • E1 / C1 left axis
  • E1 / C1 negative region
  • B1 / A1 horizontal axis
  • A1 B1
  • B1 B1
  • B1 B1
  • B1 B1
  • B1 / A1> 1.0 indicates that the side wall A of the first cavity is inside the side wall B of the second cavity
  • B1 / A1 ⁇ 1.0 indicates that the side wall A of the first cavity
  • the side wall A is located outside the side wall B of the second cavity.
  • E1 / C1 (solid line) is a positive value of 0 or more in a region where B1 / A1 is larger than 1.0. That is, by setting the side wall A of the first cavity to be inside the side wall B of the second cavity, the gap between the electrode 5 and the movable part 3 can be maintained, or the electrode 5 can be moved to the movable part. Can be kept away from 3.
  • the position of the inner surface b of the side wall B may be 0.1 ⁇ m or more outside the position of the inner surface a of the side wall A. preferable.
  • E1 / C1 exhibits a peak when B1 / A1 is near 1.1, and approaches 0 when B1 / A1 ⁇ 1.5.
  • FIG. 12 shows that when B1 / A1 is 1.5 or more, the stress applied to the reference position O of the electrode 5 becomes small, and the electrode 5 is hardly displaced in the thickness direction. That is, when B1 / A1 is 1.5 or more, even if the mold pressure is applied to the sealing thin film 7, the distance between the electrode 5 and the movable part 3 changes almost from that when the mold pressure is not applied to the sealing thin film 7. I can say no. This means that when B1 / A1 ⁇ 1.5, the gap between the electrode 5 and the sealing thin film 7 is kept substantially constant regardless of whether or not the mold pressure is applied. Therefore, it is preferable that B1 / A1 is 1.5 or more. This is because the difference between the value of the gap between the electrode and the sealing thin film while the mold pressure is applied and the design value of the gap can be reduced or eliminated.
  • F1 / D1 indicated by a broken line is in a negative region smaller than 0 regardless of B1 / A1. This indicates that the sealing thin film 7 is displaced by application of mold pressure regardless of how the side wall A of the first cavity is arranged with respect to the side wall B of the second cavity. Also, according to FIG. 12, it can be seen that the amount of distortion of the sealing thin film 7 in the direction approaching the electrode 5 increases as B1 / A1 increases. Further, FIG. 12 shows that when B1 / A1 takes a value near 3.2, F1 / D1 becomes ⁇ 1.0, that is, the sealing thin film 7 and the electrode 5 are in contact with each other. When the sealing thin film 7 and the electrode 5 are in contact with each other, the resonator operation cannot be ensured, so that B1 / A1 is preferably set to 3.2 or less.
  • the sealing thin film 7 bends and contacts the electrode 5 and / or the movable part 3 during the resin transfer molding. There is. Therefore, in consideration of the gap between the electrode 5 or the movable part 3 and the sealing thin film 7, the Young's modulus and the film thickness of the sealing thin film 7, when the pressure of about 100 to 150 atm is applied, the sealing thin film 7 It is preferable to determine the dimension of the second cavity and thus the position of the inner surface of the side wall B to such an extent that it does not contact the electrode 5 and / or the movable part 3.
  • the sealing thin film 7 is made of SiGe having a thickness of 10 ⁇ m or less and the gap between the electrode 5 and the sealing thin film 7 is 1 ⁇ m
  • the width of the second cavity 10 (the surface of the substrate 1 is When the x-y coordinate plane and the direction parallel to the direction in which the beam of the movable part 3 extends is the y direction, the dimension in the x direction is about 200 ⁇ m, and the mold is sealed under a mold pressure of 100 to 150 atm.
  • the stop film 7 is in contact with the electrode 5 and / or the movable part 3. Therefore, in the MEMS element having such a configuration, it is preferable to determine the position of the inner surface of the sidewall B so that the width of the second cavity is less than 200 ⁇ m.
  • the side wall A that defines the first cavity 9 is formed of two layers having steps. As will be described later, this occurs, for example, by manufacturing using an SOI substrate and without providing an etching stop.
  • the inner surfaces of the two first sacrificial layers may be in the same position, or the inner surface of the lower first sacrificial layer 2 may be the upper sacrificial layer 4. It may be located outside the inner surface in a direction parallel to the substrate surface.
  • the inner surface of the side wall in contact with the electrode is closer to the substrate surface than the inner surface of the side wall in contact with the electrode of the second cavity. It is necessary to be located inside in the parallel direction.
  • the side walls A and B in contact with the electrodes of the first and second cavities are located on both sides of the beam of the movable part 3.
  • the cavity shown in FIG. 1 is viewed from above. If it is generally rectangular, it is located along a direction parallel to the direction in which the beam extends. Therefore, in the other side wall, for example, in the MEMS element shown in FIG.
  • the side wall of the first cavity which is located along a direction substantially parallel to the vertical direction (the left-right direction in the figure), is a second position located along the direction perpendicular to the direction in which the beam of the movable part 3 extends. It may be on the outside of the inside surface of the sidewall of the cavity, or on the inside. However, when the MEMS device of the present invention is manufactured using the process described later, generally, the inner surface of the entire side wall of the first cavity is located inside the inner surface of the entire side wall of the second cavity. It will be.
  • FIG. 3 is a process flow diagram showing an example of a method for manufacturing the MEMS element of FIG.
  • First as shown in FIG. 3A, from a silicon substrate 31, a BOX layer (buried silicon oxide film) 32 (corresponding to 2 in FIG. 1), and a single crystal silicon layer 33 (corresponding to 3 in FIG. 1).
  • An SOI substrate is prepared. In this SOI substrate, a photolithography process and an etching process are performed, and the single crystal silicon layer 33 is patterned.
  • a silicon oxide film 34 (corresponding to 4 in FIG. 1) is formed.
  • As shown in FIG. 3C as the conductive layer 35 (corresponding to 5 in FIG. 1), for example, a metal material such as Pt or Al, or porous silicon is formed, and a desired pattern is formed. Patterning is performed by a photolithography process and an etching process so as to obtain the conductive layer 35 having the same.
  • a silicon oxide film 36 (corresponding to 6 in FIG. 1) and a film 37 of a material for forming a sealing thin film (corresponding to 7 in FIG. 1). ) are sequentially formed.
  • the material for forming the film 37 is selected from materials having resistance in the sacrificial layer removal step, such as porous silicon, Pt, Al, and Al 2 O 3 .
  • a through-hole 38 (corresponding to 8 in FIG.
  • FIG. 1 is opened in the film 37 by a photolithography process and an etching process, and an etching gas or an etchant is introduced from the through-hole, Desired regions of the silicon oxide film 36, the silicon oxide film 34, and the BOX layer 32 are sequentially removed.
  • the structure of FIG. 1 is implement
  • the inner surface of the entire side wall of the first cavity may be formed so as to be located inside the inner surface of the entire side wall of the second cavity in a direction parallel to the substrate surface.
  • an etching gas or the like is introduced from the through-hole 8 (38), so that a desired amount of the first sacrificial layers 2 (32), 4 (34) and the second sacrificial layers are obtained.
  • the surface of the sealing thin film 7 (37) may be covered with a thin film or the like, the through hole may be covered, and the first cavity 9 and the second cavity 10 may be sealed. .
  • the MEMS device manufacturing method of the present invention is not limited to the flow shown in FIG.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a structural example of a MEMS element according to the second embodiment of the present invention.
  • the MEMS element shown in FIG. 1 has a structure in which a plate-like electrode and a plate-like movable portion have a region where they overlap each other with a gap in a direction perpendicular to the substrate surface, and their main surfaces are parallel to each other.
  • the MEMS element shown in FIG. 4 includes a movable part 3 having a beam having a triangular cross-sectional structure (that is, a triangular prism shape), and the side surface of the electrode 5 faces the slope of the triangular movable part 3 in parallel.
  • the movable part 3 and the electrode 5 have a region (an inclined surface of the movable part 3 and a side surface of the electrode 5 parallel to the same) with a gap in a direction perpendicular to the substrate surface.
  • the side of the movable part 3 is the lower side when viewed from the electrode 5 (when the electrode 5 is pushed downward, it comes into contact with the movable part 3). Therefore, the first cavity 9 and the second cavity 10 are spaces located respectively on the lower side and the upper side when viewed from the electrode 5.
  • the inner surface a of the side wall A of the first cavity is located on the inner side in the direction parallel to the substrate surface than the inner surface b of the side wall B of the second cavity. .
  • the side wall A that defines the first cavity 9 is composed of one sacrificial layer. This is because a MEMS element is manufactured by a method of forming a layer to be an electrode on the surface of the BOX layer after forming the movable part 3 made of single crystal silicon using an SOI substrate. Since the other elements are as described above in connection with the first embodiment, the description thereof is omitted here.
  • the electrode 5 is symmetrical with respect to the left and right of the figure (the direction perpendicular to the direction in which the beam of the movable part 3 extends and the direction perpendicular to the thickness direction) with respect to the movable part 3. Is formed. Therefore, the reference position of the electrode 5 when determining A1 and B1 described with reference to FIGS. 12 and 13 in relation to the first embodiment is the upper end of the electrode 5 as shown in FIG. It will be a passing position.
  • the present invention can be similarly applied to a structure including a region in which an electrode and a movable part overlap each other through a minute gap in a direction perpendicular to the substrate surface.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a structural example of a MEMS element according to the third embodiment of the present invention.
  • a second sacrificial layer 12 is formed on a substrate 1
  • an electrode 5 is formed on the second sacrificial layer 12
  • a movable part 3 is provided above the electrode 5
  • One sacrificial layer 13, 16 is formed on the electrode 5.
  • the sealing thin film 7 is provided on the first sacrificial layer 16.
  • the electrode 5 and the movable part 3 have a region overlapping each other in a direction perpendicular to the surface of the substrate 1 through a minute gap (that is, in the illustrated form, the main surface of the electrode 5 and the main surface of the movable part 3 are Opposing each other so as to be parallel to the substrate surface), the vibrator is configured.
  • the movable part 3 and the electrode 5 form a capacitance by a minute gap, and the movable part 3 is excited in a mode such as bending, spreading, or twisting by an electrostatic force generated by applying a voltage to the electrode 5.
  • the side of the movable part 3 when viewed from the electrode 5 is the upper side of the electrode 5. Therefore, in the illustrated form, the cavity located on the upper side when viewed from the electrode 5, that is, the space indicated by reference numeral 20 is the first cavity 20.
  • the first cavity 20 is formed by being surrounded by the electrode 5, the first sacrificial layers 13 and 16, and the sealing thin film 7.
  • the first sacrificial layers 13 and 16 shown in FIG. 4 are portions that have not been removed by etching.
  • the inner surface of the side wall A made of the first sacrificial layer 13 in contact with the electrode 5 (a in FIG. 5). Position) is determined in relation to the position of the inner surface b of the side wall B of the second cavity to be described later.
  • a cavity located on the lower side when viewed from the electrode 5, that is, a space indicated by reference numeral 19 is a second cavity.
  • the second cavity 19 is formed by being surrounded by the substrate 1, the second sacrificial layer 12, and the electrode 5.
  • the side wall B that defines the second sacrificial layer 19 is a portion of the second sacrificial layer 12 that has not been removed by etching.
  • a through-hole 8 is formed in the sealing thin film 7.
  • the through-hole 8 is formed at a desired position as an etching hole in order to form a cavity by removing the sacrificial layer.
  • the first sacrificial layers 13 and 16 and the second sacrificial layer 12 are formed of materials having different etching rates when the sacrificial layer is removed. More specifically, the material of each sacrificial layer is selected so that the etching rate of the second sacrificial layer 12 is higher than that of the first sacrificial layers 13 and 16.
  • the etching gas or etchant introduced from the through-hole 8 removes the first sacrificial layer 16 and further passes through the opening 12 to sequentially pass the first sacrificial layer 13 and the second sacrificial layer 12. If removed, the second cavity 19 has a larger dimension in the direction parallel to the substrate surface than the first cavity 20. That is, the inner surface a of the side wall A that defines the first cavity 20 is located on the inner side in a direction parallel to the substrate surface than the inner surface b of the side wall B that defines the second cavity 19.
  • the pressure applied to the sealing thin film 7 passes through the side wall A, and the first sacrifice on the lower side.
  • the electrode 5 is pushed in at the contact point between the layer 13 and the electrode 5. Since the space below the electrode 5 is a cavity at the contact point between the side wall A and the electrode 5, the electrode 5 is pushed down as it is. Therefore, a stress component acting on the side opposite to the movable portion 3 is generated in the electrode 5, and as a result, collision between the electrode 5 and the movable portion 3 is avoided. That is, in the configuration of FIG.
  • the sealing thin film 7 and the electrode 5 are integrally displaced in the thickness direction and behave as indicated by the broken line in FIG. Therefore, the electrode 5 is displaced in a direction away from the movable portion 3 by setting the position of the side wall A of the first cavity to the inside of the position of the side wall B of the second cavity.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing another structural example of the MEMS element according to the third embodiment of the present invention.
  • the MEMS element shown in FIG. 6 differs from the MEMS element shown in FIG. 5 in that a through-hole 18 is formed in the substrate 1 as an etching hole for removing a sacrificial layer and forming a cavity.
  • the first sacrificial layers 13 and 16 and the second sacrificial layer 12 are formed of the same or the same kind of material.
  • the MEMS element of this form is manufactured by introducing an etching gas or an etchant from the through-hole 18 and removing the second sacrificial layer 12, the first sacrificial layer 13, and the first sacrificial layer 16 in this order. Can do.
  • the second cavity 19 has a larger dimension in the direction parallel to the substrate surface than the first cavity 20. That is, the inner surface a of the side wall A that defines the first cavity 20 is located more inward in the direction parallel to the substrate surface than the inner surface b of the side wall B that defines the second cavity 19.
  • an etching gas or the like is introduced from the through-hole 8 to remove a desired amount of the first sacrificial layers 13 and 16 and the second sacrificial layer 12.
  • the first cavity 20 and the second cavity 19 may be sealed by covering the surface with a thin film or the like and covering the through-hole.
  • an etching gas or the like is introduced from the through hole 18 to remove a desired amount of the first sacrificial layers 13 and 16 and the second sacrificial layer 12, and then the substrate 1.
  • the first cavity 20 and the second cavity 19 may be sealed by covering the surface (the exposed surface located on the lower side in the figure) with a thin film and covering the through-hole.
  • the inner surface of the first sacrificial layer 16 is located on the inner side in the direction parallel to the substrate surface with respect to the inner surface of the first sacrificial layer 13.
  • the positional relationship between the inner surfaces of these layers is not particularly limited.
  • the inner surface a of the side wall A composed of the first sacrificial layer 13 in contact with the electrode 5 is more than the inner surface b of the side wall B composed of the second sacrificial layer 12.
  • the inside surface of the upper first sacrificial layer 16 is located outside in the direction parallel to the substrate surface rather than that of the lower first sacrificial layer 13. It's okay.
  • 5 and 6 show a structure in which the main surfaces of the electrode and the movable part are perpendicular to the substrate surface and are parallel to each other.
  • 5 and FIG. 6 may have another structure in which the electrode and the movable portion have regions that overlap each other with a gap in a direction perpendicular to the substrate surface.
  • the MEMS element according to the present invention includes an electrode having a region that overlaps with a gap in a direction perpendicular to the substrate surface and a movable part. After sealing with a sealing thin film, mechanical pressure is applied during resin molding. Even if added, high reliability is achieved in that the collision between the electrode and the movable part is avoided. Therefore, the MEMS element of the present invention can be widely applied to devices such as a switch element, a resonator, a filter, an oscillator, a gyroscope, a pressure sensor, and a mass detection element, and electronic equipment using them.

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Abstract

　基板１と、封止薄膜７と、基板１の表面に垂直な方向においてギャップを隔てて互いに重なる領域を有する、梁状構造体の可動部３と電極５と、基板１と封止薄膜７との間に電極５を隔てて形成された第１および第２のキャビティとを有するＭＥＭＳ素子において、基板表面に垂直な方向において可動部３の側にキャビティを第１のキャビティ９とし、もう一方のキャビティを第２のキャビティとしたときに、第１のキャビティ９の電極５と接する側壁Ａの内側表面ａを、第２のキャビティ１０の側壁Ｂの電極５と接する内側表面ｂよりも、基板表面に平行な方向において内側となるように配置して、封止薄膜７の外側から機械的な応力が加わっても、可動部３と電極５とが衝突しないようにする。

Description

ＭＥＭＳ素子、およびＭＥＭＳ素子の製造方法
　本発明はＭＥＭＳ(Micro-Electro Mechanical Systems)素子に係り、特に微小ギャップ構造を有するＭＥＭＳ共振器において信頼性の高い封止を実現するものに関する。
　従来のＭＥＭＳ共振器について、図７および図８を参照して一例を説明する。図７および図８は、特許文献１に公開されているＳＯＩ（Silicon on insulator）基板を利用して作製されたＭＥＭＳ発振器の構造を示す斜視図と断面図である。このＭＥＭＳ共振器は、特許文献１に記載のように、例えばフィルタにおいて用いられる。ここで、ＳＯＩ基板とは、シリコン基板上に、酸化シリコン膜からなるＢＯＸ層（埋め込み酸化シリコン膜）を介して、単結晶シリコン層からなるデバイス形成層を形成することによって作製される基板である。
　図７に示すＭＥＭＳ共振器の製造においては、まずＳＯＩ基板において、異方性エッチングを行い、断面三角形の梁状体（三角断面梁）を形成し、ギャップ形成のための酸化シリコン膜を形成し、それから電極２０２を形成する。その後、支持部となる部分を残して、ギャップ用の酸化シリコンとＢＯＸ層２０６を除去する。それにより、振動子２０１となる三角断面梁が可動な状態となるように開放され、空間（キャビティ）および狭ギャップを有する電極が、突出構造を有する三角断面梁の側面に配置された空中突出構造部が完成する。
　図８に示すように、振動子２０１の下には空間（キャビティ）２０７が形成される。この製造方法によって、ＳＯＩ基板を利用した単結晶シリコンから成る振動子と、静電励振・静電検出を可能とする電極端子とを有するＭＥＭＳ共振器が実現される。この製造方法においては、ギャップ形成用の膜と振動子２０１の下層部にあたるＢＯＸ層２０６がともに酸化シリコン膜であるため、最後のリリース（構造開放）工程において、ギャップ形成と構造開放を同時に実施でき、製造工程の削減が実現される。特許文献１は、この共振器を封止する方法として、ガラスキャップで覆う方法を開示している。
　従来の封止構造を有する振動型圧力センサについて、図９を参照して説明する。図９は特許文献２に記載されているＭＥＭＳ技術を用いて製造される圧力センサの断面図である。振動子１０３は単結晶シリコンから成る梁である。真空室１０５はエピタキシャル成長させたシリコンの不純物濃度によって生じるエッチングレートの差異を利用した犠牲層エッチング技術により形成されている。
　シェル１０４も薄膜形成技術で形成される。シェル１０４と梁（振動子）１０３との間には静電容量が形成されている。梁は、その両端が測定ダイアフラムに繋留され、共振周波数近傍で振動可能である。図９に示す素子は、測定ダイアフラムに与えられた圧力による梁の応力変化を共振周波数変化としてとらえることにより、圧力センサとしての機能を発現する。
　梁の共振の先鋭度をあらわすＱ値は、梁周辺の空気の粘性により劣化する。従って、真空室を真空に保つことにより、高いＱ値を維持できる。Ｑ値が高いほど圧力による共振周波数変化を敏感にセンシングすることができる。
　図９を参照して説明した圧力センサは、薄膜プロセスのみによって、共振する梁を真空に封止する方法で製造され得る。したがって、この圧力センサの製造においては、素子のパッケージ工程における真空封止工程が不要となり、それにより、小型な圧力センサを、安価に提供することが可能となっている。
米国特許第７，３５８，６４８号明細書 特開２００５－３７３０９号公報
　特許文献２に記載の薄膜プロセスによる封止技術は、圧力センサのみではなく、ＭＥＭＳ技術を利用した共振器、フィルタ、発振器、スイッチ素子、ジャイロスコープ、および質量検出素子等への応用も可能である。封止の目的は、振動子を真空中で可動な状態に維持することだけではない。真空を必要としない素子においては、封止外部の湿度およびゴミから隔離する目的、または樹脂トランスファーモールドによるパッケージの際の樹脂充填圧力から封止内部を保護する目的で、特許文献２に記載の技術を適用することができる。
　しかしながら、特許文献１に記載されているようなＭＥＭＳ共振器には、特許文献２の封止技術をそのまま適用することはできない。そこで、半導体素子の分野で一般的に行われている、樹脂トランスファーモールドによる封止が、封止方法として考えられる。しかしながら、特許文献１に記載のＭＥＭＳ共振器の樹脂トランスファーモールドによる封止には、次のような問題がある。
　具体的には、樹脂トランスファーモールド時に、外部から加わる圧力により、封止すべき構造（特に、電極）自体が大きく歪み、電極と梁（可動部）が衝突するという問題がある。ＭＥＭＳ共振器においては、素子インピーダンスを下げるために、電極と梁（振動子）との間のギャップを狭くする必要がある。特許文献１に記載されるＭＥＭＳ共振器が電子機器のタイミングデバイスとして利用される場合、前記ギャップは１００～２００ｎｍほどであり、樹脂トランスファーモールドの際の圧力下では、かかる狭ギャップを保持することができなくなる。
　その課題を回避するため、図１０に示すように、電極とは別に封止構造を形成し、電極３０５と可動部（振動子）３０３の上下にキャビティを形成する方法がある。図１０において、符号３０１は基板を、３０２、３０６は犠牲層を、３０７は封止薄膜を示す。キャビティは犠牲層３０２、３０６を一部除去することにより形成され、犠牲層３０２、３０６の残った部分がキャビティを画定する側壁を構成している。この方法によれば、封止薄膜３０７により封止構造を得ることができる。しかし、図１０に示す構造を採用しても、この素子をさらに樹脂トランスファーモールドにより封止する場合には、次のような課題が発生することを、発明者らは新たに見出した。
　具体的には、図１０に示す構成のＭＥＭＳ共振器において、電極側のキャビティのＢが可動部側のキャビティの側壁Ａよりも内側にあると、樹脂トランスファーモールド時に加わる圧力が封止薄膜に伝わり、その力が更にキャビティ側壁を通って、電極に伝わる。電極に加わる力の方向は、素子の厚み方向と平行である。そのため、電極側のキャビティの側壁が可動部側のキャビティの側壁よりも内側にある、すなわち、電極側の側壁の下に空間があると、電極は、電極に下向きに加わる力により撓む。その結果、図１０に示すように、電極が下向きに移動して、可動部と衝突することがある。
　図１１は、外圧が加わったときの封止薄膜の厚み方向の歪み量を計算した結果を示すグラフである。各線は、封止薄膜の膜厚の違いを示しており、膜厚が大きいほど歪み量は小さくなる。樹脂トランスファーモールドの際には、およそ１Ｅ＋０７Ｐａ（１００気圧）～１．５Ｅ＋０７Ｐａ（１５０気圧）程度の圧力が封止薄膜に加わる。そのため、封止薄膜の膜厚を４μｍと厚くしても、１５０気圧下では、３００ｎｍ程度歪むことになる。
　このように大きい歪みをもたらす外圧は、電極と可動部とを衝突させるようなものである。即ち、図１０に示すＭＥＭＳ共振器は、封止薄膜に加わった力がそのまま電極に伝わって、電極を撓ませる構造を有している。そのため、例えば、電極３０５と可動部３０３との間のギャップが１００～３００ｎｍ程度であると、図１１の斜線部において、ギャップは保持されずに、電極と可動部とが衝突する。衝突を回避するためには、少なくとも６～７μｍ以上の膜厚の封止薄膜を用いる必要がある。しかし、現在の半導体薄膜形成技術を適用する限りにおいて、そのような厚さの膜は多数の薄膜を積層することによってのみ形成可能であり、そのことはスループットが悪くなるという別の課題を含んでいる。
　前記課題を解決するために、本発明は、樹脂トランスファーモールド等の際に外圧が加わったとき、電極が可動部に近づく方向に、電極に応力が加わることを防止する構造を有するＭＥＭＳ素子を提供する。即ち、本発明は、
　基板および封止薄膜を有し、
　機械的振動を行う可動部および前記可動部に近接して位置する電極が前記基板と前記封止薄膜との間に設けられ、前記可動部と前記電極は前記基板表面に垂直な方向においてギャップを隔てて互いに重なる領域を有し、
　前記基板と前記封止薄膜との間に、前記電極によって隔てられる第１のキャビティおよび第２のキャビティが形成されており、
　前記第１のキャビティは、前記可動部と前記電極が重なる領域にある前記電極から見て、前記基板表面に垂直な方向において前記可動部側に位置し、
　前記第２のキャビティは、前記可動部と前記電極が重なる領域にある前記電極から見て、前記基板表面に垂直な方向において前記可動部とは反対側に位置し、
　前記第１のキャビティの前記電極と接する側壁Ａの内側表面が、前記第２のキャビティの前記電極と接する側壁Ｂの内側表面よりも、前記基板表面と平行な方向において内側に位置する、
ＭＥＭＳ素子を提供する。
　本発明のＭＥＭＳ素子は、電極を隔てて区分けされる２つのキャビティ（第１のキャビティおよび第２のキャビティ）を有し、前記第１のキャビティの前記電極と接する側壁Ａの内側表面が、前記第２のキャビティの前記電極と接する側壁Ｂの内側表面よりも、前記基板表面と平行な方向において内側に位置し、第１のキャビティが、前記可動部と前記電極が重なる領域にある前記電極から見て、前記基板表面に垂直な方向において前記可動部とは反対側に位置し、第２のキャビティが、前記可動部と前記電極が重なる領域にある前記電極から見て、前記基板表面に垂直な方向において前記可動部とは反対側に位置することを特徴とする。この特徴により、封止薄膜に機械的な圧力が加えられた場合でも、電極に、可動部に近づく方向の応力を生じさせることを防止できる。その結果、電極と可動部の衝突が回避され、電極と可動部との間のギャップが保持される。また、本発明のＭＥＭＳ素子においては、封止薄膜を厚くして外圧が加わったときの歪み量を小さくする必要がないため、封止薄膜を、例えば、２μｍ以下の小さい膜厚を有するものとすることができる。そのように小さい膜厚の封止薄膜の使用は、ＭＥＭＳ素子の製造時間の削減に寄与する。
　本発明はまた、前記構造を有する本発明のＭＥＭＳ素子の製造方法を提供する。本発明の製造方法は、前記第１のキャビティを第１の犠牲層の除去により形成すること、および前記第２のキャビティを第２の犠牲層の除去により形成することを含む。２つの犠牲層の除去は、同一エッチングプロセス内で、第２の犠牲層を最初に除去し、次に第１の犠牲層を除去するように実施してよく、あるいは、同一のエッチングプロセス内で、第１の犠牲層を最初に除去し、次に第２の犠牲層を除去するようにして実施してよい。第１の犠牲層を最初に除去する場合には、第１の犠牲層と第２の犠牲層の材料を、第２の犠牲層のエッチングレートが第１の犠牲層のエッチングレートよりも大きくなるように選択して、第２のキャビティの電極と接する側壁の内側表面が、第１のキャビティの電極と接する側壁の内側表面よりも、基板表面と平行な方向において外側に位置することを確保する必要がある。
　本発明のＭＥＭＳ素子は、好ましくは、封止薄膜の外側を樹脂でモールドした形態で提供される。樹脂モールドにより、堅固な封止構造が実現される。前述のように、本発明のＭＥＭＳ素子は、樹脂モールド時に加わる圧力による電極と可動部の衝突を回避する構造となっているので、樹脂モールドによる封止に適している。
図１は、本発明の第１の実施形態のＭＥＭＳ素子の封止の構造の一例を示す断面図である。 図２の（ａ）～（ｃ）は本発明の第１の実施形態のＭＥＭＳ素子を樹脂でモールド封止した構造の一例を示す断面図である。 図３の（ａ）～（ｅ）は本発明の第１の実施形態のＭＥＭＳ素子の製造方法のプロセスフローを示す断面図である。 図４は、本発明の第２の実施形態のＭＥＭＳ素子の封止構造の一例を示す断面図である。 図５は、本発明の第３の実施形態のＭＥＭＳ素子の封止構造の一例を示す断面図である。 図６は、本発明の第３の実施形態のＭＥＭＳ素子の封止構造の別の例であって、基板に貫通口を形成した構造を示す断面図である。 図７は、従来の三角梁ねじり共振器の斜視図である。 図８は、従来の三角梁ねじり共振器の断面図である。 図９は、従来のＭＥＭＳ素子の封止構造を示す断面図である。 図１０は、従来のＭＥＭＳ素子の薄膜封止構造を示す断面図である。 図１１は、封止薄膜に加わる外圧と、封止薄膜の厚み方向の歪み量との関係を示すグラフである。 図１２は、図１に示すＭＥＭＳ素子の一部を示し、Ｏ、Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、Ｄ１、Ｅ１およびＦ１を説明する断面図である。 図１３は、図１２において、Ｂ１／Ａ１を変化させたときの、Ｅ１／Ｃ１およびＦ１／Ｄ１を示すグラフである。
　以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
（第１の実施形態）
　図１は、本発明の第１の実施形態に係るＭＥＭＳ素子の構造例を示した断面図である。図示したＭＥＭＳ素子においては、基板１上に、２層から成る第１の犠牲層２、４が形成され、図１において下側の第１の犠牲層２の上に梁構造体である可動部３が形成され、上側の第１の犠牲層４の上に電極５が形成されている。可動部３と電極５は基板１の表面に垂直な方向においてギャップを隔てて互いに異なる領域を有して（即ち、図示した形態においては、可動部３の主表面と電極５の主表面とが、基板表面と平行となるように互いに対向して）、振動子を構成する。可動部３は、紙面に対して垂直な方向に延びる梁が振動することができ、かつその端部が固定された構造を有する。可動部３と電極５は微小ギャップにより静電容量を構成し、電極５に電圧を印加することにより発生する静電力によって、可動部３を、撓み、拡がり、または捻りなどのモードで励振する。ここで、「基板表面に垂直な方向」は、基板（ひいては素子）の厚み方向ともいえる。したがって、「基板表面に垂直な方向」は、半導体薄膜形成技術において膜が積層される方向であるともいえる。
　図示した形態において、電極５と可動部３とが重なっている領域にある電極５から見て、基板１の厚み方向において、可動部３の側に位置するキャビティが第１のキャビティとなる。したがって、図示した形態において、電極５から見て下側方向に位置するキャビティ、即ち、符号９で示される空間が第１のキャビティとなる。ここで、第１のキャビティ９は、基板１と第１の犠牲層２、４と電極５により包囲されることによって形成される。図１において示されている第１の犠牲層２、４は、エッチングにより除去されなかった部分であり、この部分は、第１のキャビティ９の側面（基板表面と垂直な方向の面）を画定する側壁を構成している。図１において示される側壁は、図において可動部３を構成する梁の両側、即ち、梁が延びる方向と平行な方向に延びる梁の両側縁の側に位置する、電極５と接する側壁（図１においてＡで示される）である。図示するように、犠牲層が２以上の層から成り、かつ各層の内側表面が異なる位置にあるときには、電極と近接している側、即ち、電極と接している側の犠牲層の内側表面の位置（図１においてａで示す位置）が、第２のキャビティの側壁Ｂの内側表面との関係で、決定されるものとなる。
　電極５の上には、第２の犠牲層６が形成され、更にその上には、封止薄膜７が形成される。前述のとおり、第１のキャビティは、電極５から見て可動部３側、即ち、下側方向に位置するキャビティであるから、第２のキャビティは、電極５から見て、可動部３とは反対の側、即ち、上側に位置するキャビティである。したがって、図示した形態において、符号１０で示される空間が第２のキャビティとなる。ここで、第２のキャビティ１０は、電極５と第２の犠牲層６と封止薄膜７により包囲されることによって形成される。図１において示されている第２の犠牲層６は、エッチングにより除去されなかった部分であり、この部分は、第２のキャビティ１０の側面を画定する側壁を構成している。図１において示される側壁は、可動部３を構成する梁が延びる方向から見て両側に位置する、電極５と接する側壁（図１においてＢで示される）である。第２の犠牲層が２以上の層から成り、かつ各層の内側表面が異なる位置にあるときには、電極と近接している側、即ち、電極と接している側の層の内側表面の位置（図１においてｂで示す位置）が、第１のキャビティの側壁Ａの内側表面の位置を決定するうえで考慮されるものとなる。
　封止薄膜７には、貫通口８が形成される。この貫通口８は、犠牲層を除去してキャビティを形成するために、エッチングホールとして所望の位置に形成される。また、電極５にも、第１の犠牲層２、４を除去するための貫通口１２が形成される。第１の犠牲層２、４と第２の犠牲層６は、同じ、もしくは同種の材料で形成してよい。エッチングは、貫通口８からエッチングガス等を導入して、第２の犠牲層６を除去し、さらにエッチングガス等を貫通口１２を経由させて、第１の犠牲層４、第１の犠牲層２を除去する方法で実施してよい。即ち、第２の犠牲層６、第１の犠牲層４、および第１の犠牲層２をこの順に除去してよい。その場合、例えば、第１の犠牲層４がエッチングされる際、第２の犠牲層６も同時に浸食されるため、第１のキャビティ９よりも第２のキャビティ１０の方が基板表面と平行な方向（水平方向）に大きい寸法を有する。すなわち、第１のキャビティ９を画定する側壁Ａの内側表面ａは第２のキャビティ１０を画定する側壁Ｂの内側表面ｂよりも、基板表面と平行な方向（水平方向）において、内側に位置する。
　貫通口８および貫通口１２の形状および数は、それらがエッチングホールとして所望のように機能する限りにおいて、特に限定されない。例えば、貫通口８として、上面から見たときに略円形を有するものを、複数個、封止薄膜７に設けてよい。また、貫通口１２として、上面から見たときに略円形または略矩形を有するものを、１個、または可動部３の梁が延びる方向と平行な方向に沿って複数個設けてよい。あるいは、貫通口１２として、上面から見たときにスリット状の開口部を、可動部３の梁が延びる方向と平行な方向に、電極５全体に亘って設けてよい。その場合、電極５は、スリット状の貫通口１２を境界として、２つに分離した構成を有し、２つの部分はいずれも、第２の犠牲層６と第１の犠牲層２、４との間で固定された片持ち梁となる。
　図２（ａ）は、図１に示すＭＥＭＳ素子の封止薄膜７の表面および素子の側面を樹脂１１でモールドした形態を示す。樹脂１１のトランスファーモールドを実施するときに封止薄膜７に加わる圧力は、図２（ｂ）に示すように第２のキャビティの側壁Ｂに加えられ、側壁Ｂは電極５との接点において電極５を押し込む。しかし、電極５の下には第１の犠牲層４、第１の犠牲層２、基板１が積層構造として存在し、かつ固定されているため、押し込まれた電極５は、その表面側のみが歪む。その結果、電極５と側壁Ｂとの接点箇所付近において、接点に向かう方向に応力が発生し、電極５の中空箇所（固定されていない部分）においては、図２（ｃ）に示すように、表面側が接点方向に引っ張られる。更に、電極５と側壁Ｂとの接点の下側が第１のキャビティの側壁Ａ（第１の犠牲層４）に固定されているために、電極５の中空箇所には上向き（可動部３から遠ざかる方向）の応力が生じることになる。かかる応力の発生により、電極５と可動部３との衝突が回避され、ギャップが保持される。
　第１のキャビティの側壁Ａの内側表面ａを、どの程度、第２のキャビティ側壁Ｂの内側表面ｂよりも内側に位置させるかは、素子の寸法および形状、電極および可動部の位置、形状および寸法、ならびに封止薄膜に圧力が加わったときに電極に生じる機械応力等に応じて、適宜決定されることが好ましい。以下に、第１のキャビティの側壁Ａの内側表面ａを、どの程度、第２のキャビティ側壁Ｂの内側表面ｂよりも内側に位置させるかについて、シミュレーション結果を用いて説明する。
　図１３は、モールド圧として１００気圧が封止薄膜７に加わったときの、第２のキャビティの側壁Ｂの位置に対する、電極５および封止薄膜７の厚み方向の最大変位をシミュレーションした結果である。図１２は、電極５および封止薄膜７の厚み方向の最大変位をシミュレーションするときの変数となるＡ１およびＢ１、ならびに電極５と可動部３との間の距離Ｃ１および電極５と封止薄膜７との間の距離Ｄ１を説明する断面図であり、図１に示す断面図の一部に相当する。
　図１２において、Ｏで示す位置は、電極５の基準位置である。ここで電極の基準位置とは、トランスファーモールドの実施に際して封止薄膜に圧力（モールド圧力）が加わり、それにより電極に厚み方向の力が加わって電極が変位する場合において、可動部と対向する領域において電極の厚み方向における変位が最大となる箇所をいう。したがって、図１に示すＭＥＭＳ素子のように、開口部１２が、スリット状の開口部であり、分離された片持ち梁電極のうち長い方の先端位置と可動部の側縁とが一致する場合には、基準位置Ｏは、長い方の先端（即ち、開口部１２との境界）となる。開口部１２が円形であって、電極５が開口部を境に２つに分かれておらず、且つ第２のキャビティの側壁Ｂが可動部３に対して左右対称の位置にある場合には、可動部３の中心と対向する位置が基準位置Ｏと決定されることとなる。即ち、当該断面図において、開口部を境に電極が２つの片持ち梁に分離されていると仮定して、長い方の片持ち梁の先端を基準位置Ｏとする。
　Ａ１は、基板表面と平行な方向であり、かつ可動部３の梁が延びる方向と垂直な方向における、基準位置Ｏから第１のキャビティの側壁Ａまで距離であり、Ｂ１は、基板表面と平行な方向であり、かつ可動部３の梁が延びる方向と垂直な方向における、基準位置Ｏから第２のキャビティの側壁Ｂまでの距離である。第１のキャビティの側壁Ａが、可動部３の梁が延びる方向に対して平行でない場合（例えば、側壁Ａを上から見たときに、側壁Ａが湾曲している場合）場合には、側壁Ａの形状および開口部１２の位置に応じて基準位置Ｏが決定され、それに応じてＡ１（厚み方向における電極の変位が最も大きくなる位置における、当該位置と側壁Ａとの間の所定方向おける距離）が決定される。Ｂ１についても同様である。Ｃ１は、基板表面に垂直な方向における、電極５と可動部３との間の最短距離であり、Ｄ１は、基板表面に垂直な方向における、電極５と封止薄膜７との間の最短距離である。
　シミュレーションは、Ｂ１／Ａ１を変化させたときの、電極５の基板表面に垂直な方向（即ち、厚み方向）の最大変位をＥ１、封止薄膜７の基板表面に垂直な方向（即ち、厚み方向）の変位をＦ１として、Ｅ１／Ｃ１およびＦ１／Ｄ１を計算により求めて実施した。図１２において、横軸をＢ１／Ａ１とし、縦軸（左軸）をＥ１／Ｃ１、縦軸（右軸）をＦ１／Ｄ１としている。実線（左軸）は第１、第２のキャビティの側壁の位置関係を変化させたときの電極５の厚み方向の最大変位を表し、破線（右軸）は、第１、第２のキャビティの側壁の位置関係を変化させたときの封止薄膜７の厚み方向の最大変位を表している。ここで、Ｅ１／Ｃ１（左軸）が正の領域にあると、電極５は可動部３から遠ざかることを意味し、Ｅ１／Ｃ１が負の領域にあると、電極５は可動部３に近づくことを意味する。したがって、Ｅ１／Ｃ１＝－１．０は、電極５および可動部３が接触することを表している。また、同様に、Ｆ１／Ｄ１（右軸）が正の領域にあると、封止薄膜７が電極５から遠ざかり、Ｆ１／Ｄ１が負の領域にあると、封止薄膜７が電極５に近づくことを意味する。したがって、Ｆ１／Ｄ１＝－１．０は、封止薄膜７および電極５が接触することを表している。
　Ｂ１／Ａ１（横軸）が１．０ある、即ち、Ａ１＝Ｂ１であるとき、第１のキャビティの側壁Ａの位置と第２のキャビティの側壁Ｂの位置が一致することとなる。したがって、Ｂ１／Ａ１＞１．０は、第１のキャビティの側壁Ａが第２のキャビティの側壁Ｂよりも内側にあることを、また、Ｂ１／Ａ１＜１．０は、第１のキャビティの側壁Ａが第２のキャビティの側壁Ｂよりも外側に位置することを表している。
　図１２のシミュレーションの結果、Ｂ１／Ａ１が１．０よりも大きい領域において、Ｅ１／Ｃ１（実線）は０以上の正の値となることが確認された。すなわち、第１のキャビティの側壁Ａを、第２のキャビティの側壁Ｂよりも内側とすることで、電極５と可動部３との間のギャップを維持することができ、または電極５を可動部３から遠ざけることができる。ただし、貫通口（エッチングホール）のマスク位置精度およびエッチングのばらつきを考慮すると、側壁Ｂの内側表面ｂの位置は、側壁Ａの内側表面ａの位置よりも、０．１μｍ以上外側にあることが好ましい。
　また、Ｅ１／Ｃ１は、Ｂ１／Ａ１が１．１付近であるときに、ピークを示し、Ｂ１／Ａ１≧１．５でほぼ０に近づく。これは、図２の（ｂ）（ｃ）で示したように、電極５と側壁Ｂの接点付近において電極５の表面が歪み、電極５の基準位置Ｏにおいて、電極５が可動部３から遠ざかる方向に応力が加わる効果が、Ｂ１／Ａ１＝１．０とＢ１／Ａ１＝１．５との間で大きくなることを表している。
　また、図１２は、Ｂ１／Ａ１が１．５以上であると、電極５の基準位置Ｏに加わる応力が小さくなり、電極５は殆ど厚み方向に変位しないことを表している。即ち、Ｂ１／Ａ１が１．５以上であると、モールド圧力が封止薄膜７に加わっても、電極５と可動部３の距離がモールド圧力が封止薄膜７に加わらないときのそれから殆ど変化しないといえる。このことは、Ｂ１／Ａ１≧１．５であると、モールド圧力の適用の有無に拘わらず、電極５－封止薄膜７のギャップがほぼ一定に保持されることを意味する。よって、Ｂ１／Ａ１を１．５以上とすることが好ましい。これは、モールド圧力が加わっている間の電極－封止薄膜間のギャップの値と、当該ギャップの設計値との差を小さくできる、又は無くすことができるためである。
　破線で示されたＦ１／Ｄ１は、Ｂ１／Ａ１がいずれの値であっても、０よりも小さい負の領域にある。このことは、第１のキャビティの側壁Ａを第２のキャビティの側壁Ｂに対してどのように配置しても、モールド圧の適用により、封止薄膜７が変位することを示している。また、図１２によれば、Ｂ１／Ａ１が大きくなるにつれて、封止薄膜７が電極５に近づく方向に歪む量が大きくなることがわかる。さらに、図１２は、Ｂ１／Ａ１が３．２付近の値をとると、Ｆ１／Ｄ１が－１．０となる、即ち、封止薄膜７と電極５が接触することを示している。封止薄膜７と電極５が接触すると、共振器動作を確保できなくなるため、Ｂ１／Ａ１を３．２以下にすることが好ましい。
　また、第１のキャビティの寸法の大小に拘わらず、第２のキャビティ１０の寸法が大きいと、樹脂トランスファーモールド時に、封止薄膜７が撓んで、電極５および／または可動部３と接触することがある。したがって、電極５ないし可動部３と封止薄膜７とのギャップ、封止薄膜７のヤング率および膜厚を考慮して、１００～１５０気圧程度の圧力が加わったときに、封止薄膜７が電極５および／または可動部３に接触しない程度に、第２のキャビティの寸法、ひいては側壁Ｂの内側表面の位置を決めることが好ましい。
　例えば、封止薄膜７を、１０μｍ以下の膜厚を有するＳｉＧｅで構成し、電極５と封止薄膜７とのギャップが１μｍである場合において、第２のキャビティ１０の幅（基板１の表面をｘ－ｙ座標面とし、かつ可動部３の梁が延びる方向と平行な方向をｙ方向としたときに、ｘ方向の寸法）が２００μｍ程度であると、モールド圧力１００～１５０気圧下で、封止薄膜７が、電極５および／または可動部３と接触する。したがって、そのような構成のＭＥＭＳ素子においては、第２のキャビティの幅が２００μｍ未満となるように、側壁Ｂの内側表面の位置を決めることが好ましい。
　図１に示すＭＥＭＳ素子において、第１のキャビティ９を画定する側壁Ａは、段差を有する２つの層で形成されている。これは後述するように、例えば、ＳＯＩ基板を用い、かつエッチングストップを設けることなく、製造することにより生じる。図１に示すＭＥＭＳ素子の変形例において、２つの第１の犠牲層の内側表面は同じ位置にあってよく、あるいは下側の第１犠牲層２の内側表面が上側の第１犠牲層４の内側表面よりも、基板表面と平行な方向において外側に位置していてよい。
　本発明のＭＥＭＳ素子においては、前述のとおり、第１のキャビティを画定する側壁のうち、電極と接する側壁の内側表面が、第２のキャビティの電極と接する側壁の内側表面よりも、基板表面と平行な方向において内側に位置することを要する。なお、図１に示すＭＥＭＳ素子において、第１および第２のキャビティの電極と接する側壁ＡおよびＢは、可動部３の梁の両側に位置し、例えば、図１に示すキャビティが上から見たときに略矩形である場合には、梁が延びる方向と平行な方向に沿って位置する。したがって、それ以外の側壁、例えば、図１に示すＭＥＭＳ素子において、キャビティが上から見たときに略矩形である場合に、図１において示されていない、可動部３の梁が延びる方向に対して垂直な方向（図において左右方向）と略平行な方向に沿って位置する、第１のキャビティの側壁は、可動部３の梁が延びる方向に対して垂直な方向に沿って位置する第２のキャビティの側壁の内側表面よりも外側にあってよく、あるいは内側にあってよい。尤も、後述するプロセスを用いて本発明のＭＥＭＳ素子を製造する場合には、一般に、第１のキャビティの側壁全体の内側表面が、第２のキャビティの側壁全体の内側表面よりも内側に位置することとなる。
　図３は図１のＭＥＭＳ素子を製造方法の一例を示すプロセスフロー図である。まず、図３（ａ）に示すように、シリコン基板３１と、ＢＯＸ層（埋め込み酸化シリコン膜）３２（図１の２に対応）と、単結晶シリコン層３３（図１の３に対応）からなるＳＯＩ基板を用意する。このＳＯＩ基板において、フォトリソ工程とエッチング工程を実施し、単結晶シリコン層３３をパターニングする。次に、図３（ｂ）に示すように、酸化シリコン膜３４（図１の４に対応）を成膜する。次に、図３（ｃ）に示すように、導電層３５（図１の５に対応）として、例えば、ＰｔもしくはＡｌなどの金属材料、または多孔質シリコンなどを成膜し、所望のパターンを有する導電層３５が得られるように、フォトリソ工程とエッチング工程によりパターニングする。
　更に、図３（ｄ）に示すように、導電層３５の上に、酸化シリコン膜３６（図１の６に対応）と、封止薄膜を形成する材料の膜３７（図１の７に対応）を順次成膜する。ここで、膜３７を形成する材料は、例えば、多孔質シリコン、Ｐｔ、Ａｌ、およびＡｌ２Ｏ３など、犠牲層除去工程において耐性を有する材料から選択される。最後に、図３（ｅ）に示すように、フォトリソ工程とエッチング工程により、膜３７に貫通口３８（図１の８に対応）を開け、当該貫通口からエッチングガスまたはエッチャントを導入して、酸化シリコン膜３６、酸化シリコン膜３４、ＢＯＸ層３２の所望の領域を順に除去する。以上の工程を実施することにより、図１の構造は実現される。この製造方法によれば、膜３６、３４および層３２が同じまたは同種の材料から成る場合でも、１つのエッチングプロセスによって、格別な制御を要することなく、第１のキャビティおよび第２のキャビティを、第１のキャビティの側壁全体の内側表面が、基板表面と平行な方向において、第２のキャビティの側壁全体の内側表面よりも内側に位置するように形成することができる。
　図１および図３には記載していないが、貫通口８（３８）からエッチングガス等を導入して、所望量の第１の犠牲層２（３２）、４（３４）および第２の犠牲層６（３６）を除去した後、封止薄膜７（３７）の表面を薄膜等で覆って、貫通口に蓋をし、第１のキャビティ９と第２のキャビティ１０を密閉してもよい。
　ＭＥＭＳ素子を半導体プロセスを用いて製造する場合には、同一の構造を様々な手法を用いて得ることができる。したがって、本発明のＭＥＭＳ素子の製造方法は、図３に示すフローに限られないことに留意すべきである。
（第２の実施形態）
　図４は、本発明の第２の実施形態に係るＭＥＭＳ素子の構造例を示した断面図である。図１に示すＭＥＭＳ素子は、板状の電極と板状の可動部が基板表面に垂直な方向においてギャップを隔てて互いに重なる領域を有し、かつ両者の主表面が互いに平行である構造である。これに対し、図４に示すＭＥＭＳ素子は、三角断面構造（即ち、三角柱状）の梁を有する可動部３を備え、三角形の可動部３の斜面に、電極５の側面が平行に対向する構造を有する。このＭＥＭＳ素子においても、可動部３と電極５は、基板表面に垂直な方向においてギャップを隔てて互いに重なる領域（可動部３の斜面と、これと平行である電極５の側面）を有する。図４に示すＭＥＭＳ素子において、電極５から見て可動部３の側は下側である（電極５を下側に押すと可動部３と接触する）。よって、第１のキャビティ９および第２のキャビティ１０は電極５から見て、それぞれ下側および上側に位置する空間である。図１のＭＥＭＳ素子と同様に、第１のキャビティの側壁Ａの内側表面ａは、第２のキャビティの側壁Ｂの内側表面ｂよりも、基板表面と平行な方向において、内側に位置している。この側壁構造によって得られる効果は、図１を参照して説明したとおりである。
　図４に示すＭＥＭＳ素子においては、第１のキャビティ９を画定する側壁Ａは、１層の犠牲層で構成されている。これは、ＳＯＩ基板を用いて、単結晶シリコンから成る可動部３を形成した後に、ＢＯＸ層表面に電極となる層を形成する方法で、ＭＥＭＳ素子を作製することによる。その他の要素については、先に第１の実施形態に関連して説明したとおりであるから、ここではその説明を省略する。
　図４に示すＭＥＭＳ素子においては、可動部３を中心として、電極５が図の左右（可動部３の梁が延びる方向と垂直な方向であって、かつ厚み方向と垂直な方向）において対称に形成されている。よって、実施の形態１に関連して、図１２および図１３を参照して説明したＡ１およびＢ１を決定する際の電極５の基準位置は、図４に示すように、電極５の上側先端を通る位置となる。
　以上において、可動部の形状が異なる２種類のＭＥＭＳ素子を説明した。本発明は、基板表面に垂直な方向において微小ギャップを介して電極と可動部とが互いに重なる領域を備える構造において、同様に適用できる。
（第３の実施形態）
　図５は、本発明の第３の実施形態に係るＭＥＭＳ素子の構造例を示した断面図である。図示したＭＥＭＳ素子においては、基板１上に、第２の犠牲層１２が形成され、第２の犠牲層１２の上に電極５が形成され、電極５の上方に可動部３が設けられ、第１の犠牲層１３，１６が電極５の上に形成されている。図示した形態においては、第１の犠牲層１６の上に封止薄膜７が設けられている。
　電極５と可動部３は微小ギャップを介して基板１の表面と垂直な方向において互いに重なる領域を有して（即ち、図示した形態において、電極５の主表面と可動部３の主表面とが基板表面と平行となるように互いに対向して）、振動子を構成する。可動部３と電極５は微小ギャップにより静電容量を構成し、電極５に電圧を印加することにより発生する静電力によって、可動部３を、撓み、拡がり、または捻りなどのモードで励振する。
　図５において、電極５から見て可動部３の側は、電極５の上側である。したがって、図示した形態において、電極５から見て上側に位置するキャビティ、即ち、符号２０で示される空間が第１のキャビティ２０である。ここで、第１のキャビティ２０は、電極５と第１の犠牲層１３、１６と封止薄膜７とにより包囲されることによって形成される。図４において示されている第１の犠牲層１３，１６は、エッチングにより除去されなかった部分である。第１の実施形態に関連して説明したように、第１のキャビティ２０を画定する側壁のうち、電極５と接している第１の犠牲層１３から成る側壁Ａの内側表面（図５においてａで示す位置）の位置が、後述する第２のキャビティの側壁Ｂの内側表面ｂの位置との関係で決定される。
　図５において、電極５から見て下側に位置するキャビティ、即ち、符号１９で示される空間が第２のキャビティである。ここで第２のキャビティ１９は、基板１と第２の犠牲層１２と電極５とにより包囲されることによって形成される。第２の犠牲層１９を画定する側壁Ｂは、第２の犠牲層１２であって、エッチングにより除去されなかった部分である。第１のキャビティの側壁Ａの内側表面を、第２のキャビティの側壁Ｂの内側表面よりもどれだけ内側に位置させるかは、図１、図１２および図１３を参照して説明したように、封止薄膜７に機械的な圧力が加わったときに、電極５と可動部３とのギャップが保持されるように、封止薄膜７に機械的な圧力が加わったときに電極５に生じる機械的応力を考慮して決定されることが好ましい。
　封止薄膜７には、貫通口８が形成される。この貫通口８は、犠牲層を除去してキャビティを形成するため、エッチングホールとして所望の位置に形成される。図５に示す形態のＭＥＭＳ素子の製造に際しては、第１の犠牲層１３、１６と第２の犠牲層１２は、犠牲層除去の際のエッチングレートが互いに異なる材料で形成される。より具体的には、第２の犠牲層１２のエッチングレートが、第１の犠牲層１３、１６のそれよりも大きくなるように、各犠牲層の材料が選択される。その結果、貫通口８から導入されたエッチングガスまたはエッチャントが、第１の犠牲層１６を除去し、さらに開口部１２を通過して、第１の犠牲層１３、第２の犠牲層１２を順番に除去すると、第１のキャビティ２０よりも第２のキャビティ１９の方が基板表面と平行な方向において大きい寸法を有する。すなわち、第１のキャビティ２０を画定する側壁Ａの内側表面ａは、第２のキャビティ１９を画定する側壁Ｂの内側表面ｂよりも基板表面と平行な方向において内側に位置される。
　かかる構造を有するＭＥＭＳ素子を、図２（ａ）に示すように、樹脂のトランスファーモールドにより封止する場合、封止薄膜７に加わる圧力は、側壁Ａを通って、下側の第１の犠牲層１３と電極５との接点において電極５を押し込む。側壁Ａと電極５との接点において電極５の下は空洞となっているため、電極５はそのまま押し下げられる。したがって、電極５には、可動部３とは反対側に作用する応力成分が生じ、その結果、電極５と可動部３の衝突は回避される。すなわち、図５の構成において、モールド圧力が封止薄膜７に加わったとき、封止薄膜７と電極５は一体的に厚み方向に変位して、図１２の破線で示すような振る舞いをする。したがって、第１のキャビティの側壁Ａの位置を第２のキャビティの側壁Ｂの位置よりも内側にすることで、電極５は可動部３から遠ざかる方向に変位する。
　図６は本発明の第３の実施形態に係るＭＥＭＳ素子の別の構造例を示した断面図である。図６に示すＭＥＭＳ素子は、犠牲層を除去してキャビティを形成するためのエッチングホールとして、基板１に貫通口１８が形成されている点で、図５のＭＥＭＳ素子とは異なる。また、この形態において、第１の犠牲層１３、１６と第２の犠牲層１２は、同じ、もしくは同種の材料で形成されている。この形態のＭＥＭＳ素子は、貫通口１８から、エッチングガスまたはエッチャントを導入し、第２の犠牲層１２、第１の犠牲層１３、第１の犠牲層１６をこの順に除去する方法で製造することができる。
　貫通口１８からエッチングガス等を導入することにより、エッチングガス等に曝される時間が第２の犠牲層１２においてより長くなる。そのため、すべての犠牲層の材料を同じにした場合でも、第２のキャビティ１９が第１のキャビティ２０よりも基板表面と平行な方向において大きい寸法を有する。すなわち、第１のキャビティ２０を画定する側壁Ａの内側表面ａは、第２のキャビティ１９を画定する側壁Ｂの内側表面ｂよりも、基板表面と平行な方向において内側に位置する。これにより、封止薄膜７の表面および素子の側面を樹脂でモールド封止する場合において、図５を参照して説明したメカニズムにしたがって、電極５と可動部３の衝突は回避される。
　図５には記載していなが、貫通口８からエッチングガス等を導入して、所望量の第１の犠牲層１３、１６と第２の犠牲層１２を除去した後、封止薄膜７の表面を薄膜等で覆って、貫通口に蓋をし、第１のキャビティ２０と第２のキャビティ１９を密閉してもよい。同様に、図６には記載していなが、貫通口１８からエッチングガス等を導入して、所望量の第１の犠牲層１３、１６と第２の犠牲層１２を除去した後、基板１の表面（図において下側に位置する露出表面）を薄膜で覆って、貫通口に蓋をし、第１のキャビティ２０と第２のキャビティ１９を密閉してもよい。
　図５および図６においては、第１の犠牲層１６の内側表面は第１の犠牲層１３の内側表面よりも基板表面と平行な方向において内側に位置している。第１の犠牲層が２以上の層から成る場合において、それらの層の内側表面の位置関係は、特に限定されない。例えば、図５および図６に示すＭＥＭＳ素子において、電極５と接触する第１の犠牲層１３から成る側壁Ａの内側表面ａが、第２の犠牲層１２から成る側壁Ｂの内側表面ｂよりも基板表面と平行な方向において内側に位置する限りにおいて、上側の第１の犠牲層１６の内側表面は、下側の第１犠牲層１３のそれよりも基板表面と平行な方向において外側に位置してよい。
　図５および図６においては、電極と可動部の主表面が基板表面に対して垂直であり、かつ互いに平行となっている構造を示した。図５および図６に示す形態の変形例においては、電極と可動部が基板表面に垂直な方向においてギャップを隔てて互いに重なる領域を備えた他の構造を有してよい。
　本発明に係るＭＥＭＳ素子は、基板表面に垂直な方向において、ギャップを隔てて互いに重なる領域を有する電極と可動部を備え、封止薄膜で封止された後、樹脂モールド時に機械的な圧力が加わっても、電極と可動部の衝突が回避されるという点で高い信頼性を実現している。したがって、本発明のＭＥＭＳ素子は、スイッチ素子、共振器、フィルタ、発振器、ジャイロスコープ、圧力センサ、および質量検出素子等のデバイス、ならびにそれらを用いた電子機器に広く適用され得る。
１　基板
２、４、６、１２、１３、１６　犠牲層
３　可動部（梁）
５　電極
７　封止薄膜
８、１８　貫通口（エッチングホール）
９、１０、１９、２０　キャビティ
１１　樹脂
Ａ　第１のキャビティを画定する側壁
Ｂ　第２のキャビティを画定する側壁
ａ　側壁Ａの内側表面
ｂ　側壁Ｂの内側表面

Claims (15)

  1. 　基板および封止薄膜を有し、
    　機械的振動を行う梁構造体の可動部および前記可動部に近接して位置する電極が前記基板と前記封止薄膜との間に設けられ、前記可動部と前記電極は前記基板表面に垂直な方向においてギャップを隔てて互いに重なる領域を有し、
    　前記基板と前記封止薄膜との間に、前記電極によって隔てられる第１のキャビティおよび第２のキャビティが形成されており、
    　前記第１のキャビティは、前記可動部と前記電極が重なる領域にある前記電極から見て、前記基板表面に垂直な方向において前記可動部側に位置し、
    　前記第２のキャビティは、前記可動部と前記電極が重なる領域にある前記電極から見て、前記基板表面に垂直な方向において前記可動部とは反対側に位置し、
    　前記第１のキャビティの前記電極と接する側壁Ａの内側表面が、前記第２のキャビティの前記電極と接する側壁Ｂの内側表面よりも、前記基板表面と平行な方向において内側に位置する、
    ＭＥＭＳ素子。
  2. 　前記第１のキャビティの側壁の内側表面は、前記封止薄膜に機械的な圧力が加わったとき、電極と可動部間のギャップが保持されるように、前記封止薄膜に機械的な圧力が加わったときに前記電極に生じる機械応力を考慮して決められた位置に配置されている、請求項１に記載のＭＥＭＳ素子。
  3. 　前記電極に基板表面に垂直な方向な力が加わったときに、前記電極の前記可動部と対向する領域において基板表面に垂直な方向に最も変位する位置を基準位置Ｏとし、
    　前記側壁Ａの位置Ａ１と基準位置Ｏとの、前記基板表面と平行であって、かつ前記可動部を構成する梁と垂直な方向における、距離をＡ１とし、
    　前記側壁Ｂの位置Ｂ１と基準位置Ｏとの、前記基板表面と平行であって、かつ前記可動部を構成する梁と垂直な方向における、距離をＢ１としたときに、
    Ｂ１／Ａ１≧１．０である、
    請求項１に記載のＭＥＭＳ素子。
  4. 　前記電極に基板表面に垂直な方向な力が加わったときに、前記電極の前記可動部と対向する領域において基板表面に垂直な方向に最も変位する位置を基準位置Ｏとし、
    　前記側壁Ａの位置Ａ１と基準位置Ｏとの、前記基板表面と平行であって、かつ前記可動部を構成する梁と垂直な方向における、距離をＡ１とし、
    　前記側壁Ｂの位置Ｂ１と基準位置Ｏとの、前記基板表面と平行であって、かつ前記可動部を構成する梁と垂直な方向における、距離をＢ１としたときに、
    Ｂ１／Ａ１≧１．５である、
    請求項１に記載のＭＥＭＳ素子。
  5. 　前記電極に基板表面に垂直な方向な力が加わったときに、前記電極の前記可動部と対向する領域において基板表面に垂直な方向に最も変位する位置を基準位置Ｏとし、
    　前記側壁Ａの位置Ａ１と基準位置Ｏとの、前記基板表面と平行であって、かつ前記可動部を構成する梁と垂直な方向における、距離をＡ１とし、
    　前記側壁Ｂの位置Ｂ１と基準位置Ｏとの、前記基板表面と平行であって、かつ前記可動部を構成する梁と垂直な方向における、距離をＢ１としたときに、
    Ｂ１／Ａ１≦３．２である、
    請求項１に記載のＭＥＭＳ素子。
  6. 　前記第１のキャビティの側壁全体の内側表面が、前記第２のキャビティの側壁全体の内側表面よりも、前記基板表面と平行な方向において内側に位置する、請求項１に記載のＭＥＭＳ素子。
  7. 　前記第１のキャビティは、第１の犠牲層を除去して形成したものであり、前記第２のキャビティは、第２の犠牲層を除去して形成したものである、請求項１に記載のＭＥＭＳ素子。
  8. 　同一エッチングプロセスにおいて、前記第２の犠牲層が最初に除去され、それから前記第１の犠牲層が除去されて、前記第２のキャビティおよび第１のキャビティが形成されている、請求項７に記載のＭＥＭＳ素子。
  9. 　前記第１の犠牲層と前記第２の犠牲層が互いに異なる材料で形成され、前記第２の犠牲層のエッチングレートが前記第１の犠牲層のエッチングレートよりも大きくなるように各犠牲層の材料が選択され、同一エッチングプロセスにおいて、前記第１の犠牲層が最初に除去され、それから前記第２の犠牲層が除去されて、前記第１のキャビティおよび第２のキャビティが形成されている、請求項７に記載のＭＥＭＳ素子。
  10. 　前記封止薄膜の外側が樹脂でモールドされている、請求項１～９のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ素子。
  11. 　基板および封止薄膜を有し、
    　機械的振動を行う可動部および前記可動部に近接して位置する電極が前記基板と前記封止薄膜との間に設けられ、前記可動部と前記電極は前記基板表面に垂直な方向においてギャップを隔てて互いに重なる領域を有し、
    　前記基板と前記封止薄膜との間に、前記電極によって隔てられる第１のキャビティおよび第２のキャビティが形成されており、
    　前記第１のキャビティは、前記可動部と前記電極が重なる領域にある前記電極から見て、前記基板表面に垂直な方向において前記可動部側に位置し、
    　前記第２のキャビティは、前記可動部と前記電極が重なる領域にある前記電極から見て、前記基板表面に垂直な方向において前記可動部とは反対側に位置し、
    　前記第１のキャビティの前記電極と接する側壁Ａの内側表面が、前記第２のキャビティの前記電極と接する側壁Ｂの内側表面よりも、前記基板表面と平行な方向において内側に位置する、
    ＭＥＭＳ素子を製造する方法であって、
    　前記第１のキャビティを第１の犠牲層の除去により形成すること、および
    　前記第２のキャビティを第２の犠牲層の除去により形成すること
    を含む、ＭＥＭＳ素子の製造方法。
  12. 　前記第１のキャビティを形成することおよび前記第２のキャビティを形成することを同一エッチングプロセスにより実施し、前記エッチングプロセスにおいて、前記第２の犠牲層を最初に除去し、それから前記第１の犠牲層を除去する、請求項１１に記載のＭＥＭＳ素子の製造方法。
  13. 　前記第１の犠牲層と前記第２の犠牲層の材料を、前記第２の犠牲層のエッチングレートが前記第１の犠牲層のエッチングレートよりも大きくなるように選択することを含み、
    　前記第１のキャビティを形成することおよび前記第２のキャビティを形成することを同一エッチングプロセスにより実施し、前記エッチングプロセスにおいて、前記第１の犠牲層を最初に除去し、それから前記第２の犠牲層を除去する、請求項１１に記載のＭＥＭＳ素子の製造方法。
  14. 　請求項１～１０のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ素子を有する、ＭＥＭＳ発振器。
  15. 　請求項１～１０のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ素子および請求項１４に記載のＭＥＭＳ発振器の少なくともいずれか一方を有する、電子機器。
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