WO2022201316A1 - Ｍｅｍｓ素子及びその製造方法 - Google Patents

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vibrating
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slit
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隆雄 福留
由光 唐澤
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新日本無線株式会社
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Definitions

  • the present disclosure relates to MEMS elements, and more particularly to capacitive MEMS elements used as microphones, various sensors, switches, etc., and manufacturing methods thereof.
  • a related technology MEMS element (microphone) 200 includes a vibrating film 30 made of a conductor provided on a silicon substrate 10 with an insulating film 20 interposed therebetween, and a conductor portion (fixed electrode) with a spacer 40 interposed therebetween. 50a) is laminated.
  • the back plate 50 is formed so as not to be deformed, and a plurality of acoustic holes 50b are formed in a portion facing the vibrating membrane 30.
  • the sound pressure propagated through the acoustic hole 50b vibrates the vibrating membrane 30, and the capacitance between the back plate 50 and the vibrating membrane 30 changes. The change in capacitance is taken out as an electric signal and transmitted to a speaker or the like (not shown).
  • the inventors of the present invention conducted extensive research into the cause of the variation in the characteristics of MEMS microphones. As a result, it was found that the vibrating membrane is also affected by the internal stress in each film, such as the sacrificial layer film that serves as a spacer, the back plate, and the insulating film, and this causes variations in the magnitude of vibration. In addition, when a MEMS microphone is housed in a package, the MEMS microphone is fixed to a printed circuit board using resin or the like. I found that it is received through
  • an object of the present disclosure is to provide a MEMS element that exhibits more stable performance and can achieve high sensitivity.
  • One embodiment of the MEMS device of the present disclosure includes a substrate having an opening and an insulating film formed on the substrate, and a vibrating device in which slits are intermittently formed along the edge of the peripheral edge. and a back plate fixed to spacers formed on the periphery of the substrate and having a plurality of acoustic holes in the center thereof, the back plate surrounding the periphery of the plurality of acoustic holes. and has an etching hole at a position closer to the edge than the outermost peripheral edge of the slit of the vibrating film in plan view, and the slit is located in a portion of the substrate where the opening is not formed.
  • the end of the vibrating membrane and the insulating film under the vibrating membrane are spaced apart from the lower end of the spacer, and the insulating film below the vibrating membrane is arranged closer to the slit than the end of the vibrating membrane, and the slit-side end of the insulating film under the vibrating membrane is arranged closer to the spacer than the slit.
  • One embodiment of the method for manufacturing a MEMS element of the present disclosure includes the steps of forming an insulating film on a substrate, forming a conductive film on the insulating film, patterning the peripheral edge portion, and forming the conductive film.
  • forming a vibrating film by forming a slit in the peripheral edge of the vibrating film; forming a sacrificial layer on the vibrating film; forming a back plate film including a fixed electrode on the sacrificial layer; forming a back plate having a plurality of acoustic holes and etching holes around the peripheries of the plurality of acoustic holes in a back plate film; forming an opening in the substrate located under the central portion of the vibrating film; and immersing the substrate in an etchant to leave the peripheral portion of the sacrificial layer as a spacer, and remove the insulating film from the outermost peripheral side of the slit of the vibrating film and the end portion of the vibrating film.
  • the insulating film remaining under the vibrating film is made to remain in the shape of a ring that holds the vibrating film.
  • the vibrating membrane and the insulating film holding the vibrating membrane are separated from the spacer section, and the vibrating membrane is held via the insulating film with a minimum width from the substrate. is not affected by other members such as spacers and back plates, and because of the housing, even if the substrate is fixed by resin or the like, the stress generated in the substrate affects the vibrating membrane. The result is a microphone with stable performance.
  • a MEMS element of the present disclosure by forming an etching hole at a position outside the acoustic hole of the back plate and outside the outermost slit formed in the vibrating membrane in plan view, and adjusting at least one of the position of the etching hole, the size of the etching hole, the etching time, and the concentration of the etchant in the step of removing the insulating film, thereby suppressing the influence of the stress on the vibrating membrane. can be optimized for retention and stable performance.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a MEMS element that is an embodiment of the present disclosure
  • FIG. 2 is a schematic plan view of the vibrating film (movable electrode) of the MEMS element of FIG. 1 as viewed from the substrate side
  • FIG. 2 is a schematic plan view of an insulating film of the MEMS element of FIG. 1
  • FIG. 2A to 2C are explanatory diagrams of a manufacturing process of the MEMS element of FIG. 1
  • 2A to 2C are explanatory diagrams of a manufacturing process of the MEMS element of FIG. 1
  • 2A to 2C are explanatory diagrams of a manufacturing process of the MEMS element of FIG. 1
  • 2A to 2C are explanatory diagrams of a manufacturing process of the MEMS element of FIG. 1
  • 2A to 2C are explanatory diagrams of a manufacturing process of the MEMS element of FIG.
  • Vibration film 3 having slits 3a and 3b intermittently formed along 3d and spacer 4 formed at the peripheral edge of substrate 1 are fixedly formed, and a plurality of acoustic holes 5b are formed at the center. It has a back plate 5 with.
  • the back plate 5 has an etching hole 5c on the outer periphery of the plurality of acoustic holes 5b and on the edge side of the outermost slit 3a of the vibrating membrane 3 in plan view.
  • the insulating film 2 which is a lower layer of the vibrating film 3, is etched from the end 3d of the vibrating film 3 and the outer slit 3a to the bottom of the vibrating film 3, and the ends of the insulating film 2 are directed inward. It has an intricate structure.
  • the size of the peripheral portion of the vibrating membrane 3, the vicinity of the slits 3a and 3b, and the insulating film 2 under the vibrating membrane 3 are larger than the entire MEMS element and other parts. It is drawn and does not faithfully show the ratio of each member in an actual MEMS element.
  • the present inventors conducted intensive investigations into the reason why characteristics such as sensitivity of the MEMS microphone 100 vary, and found that there is residual stress in the vibrating membrane 3, and the stress varies among the elements. Therefore, even when the same sound pressure is applied, the vibration of the vibrating membrane 3 is slightly different. This difference in residual stress is based on various factors such as variations in the thickness of the insulating film 2, spacer 4, and back plate 5 in the manufacturing process and the environment in the manufacturing process. It has been found that the internal stress of materials such as resins used when assembling the package into a package or the like also affects the internal stress of the material.
  • the inventors of the present invention consider that it is impossible to equalize these variations, and suppress the influence of the residual stress of the vibrating membrane 3 by preventing the stress from being transmitted to the vibrating membrane 3. thought. For this purpose, it is necessary to cut off the influence of the substrate 1 and its surrounding members such as the insulating film 2, the spacer 4, and the back plate 5 on the vibrating membrane 3, and separate the vibrating membrane 3 from the spacer 4 and its lower part. In addition to making it independent from the substrate 1, by making contact with the substrate 1 in the minimum range, we succeeded in suppressing the variation in the characteristics of the MEMS microphone and the like.
  • the vibrating membrane 3 is joined to the substrate 1 at the peripheral portion via the insulating film 2 . Since the vibrating membrane 3 vibrates in response to changes in pressure caused by sound, it can no longer function as the vibrating membrane 3 when detached from the substrate 1 . From that point of view, the vibrating film 3 needs to be sufficiently fixed to the substrate 1 via the insulating film 2 . Therefore, it is preferable that the vibrating film 3 is connected to the substrate 1 so that the width of the insulating film 2 remaining under the vibrating film 3 is as wide as possible.
  • the inventors of the present invention found that if this connecting portion, that is, the width of the remaining insulating film 2 is too wide, the stress of the substrate 1 is transmitted to the vibrating film 3 through the insulating film 2, and the vibrating film 3 was found to affect the vibration characteristics of Therefore, in the present embodiment, the remaining insulating film 2 has a minimum width (see L1 in FIG. 3) for holding the vibrating film 3, which varies depending on the type of the MEMS element 100, for example, about 5 ⁇ m for a small microphone. However, in order to reinforce the joint, it is characterized in that it is not formed on the entire circumference, but partially has a portion wider than that by about 1 to 3 ⁇ m (see L2 in FIG. 3).
  • the insulating film under the vibrating membrane 3 by etching the insulating film under the vibrating membrane 3 from the openings (the end 3d of the vibrating membrane 3 and the outer slit 3a), the part where the outer slit 3a is located is separated from the outer slit 3a.
  • the width (L1 in FIG. 3) of the insulating film 2 is narrowed by the etching, and the etching does not progress so much between the intermittently formed outer slits 3a. Since the length of the insulating film 2 in the portion in the circumferential direction is short while the holding force for holding the vibrating film 3 is exerted, transmission of stress from the substrate 1 can be suppressed. Therefore, it is characterized in that the width of the insulating film 2 under the vibrating film 3 is adjusted while adjusting the etching conditions when etching the sacrificial layer 41 and the insulating film 2 .
  • the etching conditions are adjusted according to the type and size of the MEMS element 100 and each production lot, and the concentration of the etchant, which tends to vary, and the etching hole. For example, the position and size of 5c, the etching time, or the like can be adjusted.
  • a material such as single crystal silicon having mechanical properties as a support substrate can be used.
  • a silicon substrate it is not limited to a silicon substrate, and other semiconductor substrates such as compound semiconductors, SOI substrates, etc. can also be used.
  • the shape is not particularly limited.
  • the insulating film 2 is an oxide film ( SiO.sub.2 ) having a thickness of about 0.2 to 1 .mu.m formed on the silicon substrate, and is formed by oxidizing the silicon substrate or depositing it by a CVD method or the like.
  • the insulating film 2 is not limited to an oxide film and may be a nitride film, but an oxide film is preferable because it is easily etched. If the insulating film 2 is too thick, its stress will affect the vibrating film 3, so it is preferable to make it as thin as possible.
  • the insulating film 2 is removed from the lower side of the vibrating portion of the vibrating film 3, and is connected to the substrate 1 only at a part of the peripheral portion of the vibrating film 3.
  • the stress generated in the substrate 1 remains between the vibrating film 3 and the substrate 1 in the narrowest possible range so that the stress generated in the substrate 1 is not transmitted to the vibrating film 3 .
  • FIG. 3 which is a plan view cut at the interface between the substrate 1 and the insulating film 2 and looking at the insulating film 2 side, the insulating film 2 is closer to the vibrating film 3 than the vicinity of the outer slit 3a.
  • the inner peripheral side is removed, and a dividing groove 2a is formed in the vicinity of the end 3d of the vibrating membrane 3 to separate it from the peripheral edge, thereby forming a ring shape.
  • the ring-shaped insulating film 2 is etched down to the lower side of the vibrating film 3 during etching, as will be described later. Therefore, the edge 3d side of the vibrating membrane 3 and the spacer 4 side edge of the outer slit 3a are also etched. However, etching does not progress easily between the intermittently formed outer slits 3a, and as shown in FIG.
  • the width of the insulating film 2 remaining in a ring shape is not uniform, and the width L1 of the insulating film 2 at the portion of the outer slit 3a of the vibrating film 3 is greater than the width L2 of the insulating film 2 between the outer slits 3a. is also narrowed, and the inner peripheral end of the insulating film 2 has unevenness.
  • L1 is approximately 3/5 to 1/2 of L2. .
  • the ring-shaped insulating film 2 has a protruding portion 2b formed on the inner periphery thereof, so that the protruding portion 2b is also joined to the vibrating film 3.
  • the length of the protrusion 2b in the circumferential direction that is, the width of the protrusion 2b is very small. Therefore, even if a stress is applied to the substrate 1, the force that transmits the stress to the vibrating membrane 3 is very small.
  • the width L1 of the ring-shaped insulating film 2 is formed to be as small as possible. Therefore, when the width of the insulating film 2 is L1 over the entire circumference, the holding of the vibrating film 3 may not be sufficient.
  • the vibrating membrane 3 is securely held because the vibrating membrane 3 is also bonded to the projecting portion 2b.
  • the projecting portion 2b contributes to holding the vibrating film 3 while suppressing the transmission of the stress of the substrate 1, and the width L1 of the portion of the ring-shaped insulating film 2 other than the projecting portion 2b can be made as small as possible. .
  • the vibration film 3 is a movable electrode film formed by patterning a conductor film using a conductive polysilicon film or the like.
  • the vibrating membrane 3 vibrates through the acoustic hole 5b, and the change in capacitance between the vibrating membrane 3 and the fixed electrode 5a caused by this vibration is converted into an electric signal, which is converted into an electric signal by an extraction electrode (not shown). ) is transmitted to the outside.
  • the example shown in FIG. 1 is characterized in that the vibrating film 3 is separated from the lower part of the spacer 4, and even if a part of the conductor film exists under the spacer 4, a dividing groove is formed. Then, the portion exposed toward the central portion from the dividing groove may be used as the end portion of the vibrating film 3 .
  • the term "vibrating membrane” essentially means the portion arranged opposite to the fixed electrode 5a, and the end of this portion is the vibrating membrane 3. It is called end 3d.
  • An outer slit 3a and an inner slit 3b are intermittently formed in the vibrating membrane 3 along its edge 3d.
  • the slit may be formed one round, or three or more rounds.
  • the shape and size of the slits 3a and 3b, and the interval between the intermittently formed slits 3a and 3b vary depending on the sensitivity of the MEMS element, the stability of the vibrating membrane, the strength of the vibrating membrane, the sensitivity of the microphone, and the distortion of the electrical signal. It can be determined by considering various factors. By forming the slits 3a and 3b, even a slight acoustic pressure makes it easier to vibrate, thereby improving the sensitivity.
  • the slits 3a and 3b are formed so as to be positioned above the portion of the substrate 1 where the opening 1a is not formed. If the slits 3a and 3b are formed at positions exposed to the opening 1a of the substrate 1, the acoustic resistance is remarkably lowered, and the sensitivity in the low frequency region is remarkably lowered in the MEMS element having the structure with the small opening 1a. As shown in FIG. 1, by forming the slit 3a so as to be positioned above the portion of the substrate 1 where the opening 1a is absent, the space between the vibrating film 3 and the substrate 1 is used to reduce the acoustic resistance. can be increased.
  • This space can be formed by etching the insulating film 2 by permeating the etchant from the slits 3a and 3b when etching the sacrificial layer 41 (see FIG. 4H) in manufacturing the MEMS element.
  • the slits 3a and 3b are provided in two circles, but in the case of such a structure, it may be difficult for the etchant to permeate between the slits of the inner slit 3b, and etching residue may occur.
  • an etching hole 3c may be formed between the inner slits 3b as shown in FIG.
  • the etchant from the opening 1a of the substrate 1 does not penetrate unless the insulating film 2 is removed, and the etchant from the inner slit 3b also penetrates the inner slit 3b. This is because it is difficult for the liquid to permeate between the slits.
  • the size of the etching hole 3c is determined according to the interval between the inner slits 3b so as not to leave any etching residue.
  • the vibrating membrane 3 can be provided with bumps 3e.
  • the bumps 3e may be provided not only outside the opening 1a but also inside the opening 1a. The shape of the bumps 3e does not need to be a continuous ring-like protrusion, and may be provided with protrusions scattered on the circumference as shown in FIG.
  • the spacer 4 is formed by laminating silicon oxide or the like as a sacrificial layer and etching away the central portion after the back plate 5 is formed. It is arranged to form a space between it and the vibrating film 3 that serves as a movable electrode.
  • the fixed electrode 5a is formed by patterning a conductive film using a conductive polysilicon film or the like, and is arranged at a position corresponding to the vibrating film 3 that serves as a movable electrode.
  • the area of the fixed electrode 5a is optimized depending on how the diaphragm 3 vibrates.
  • the back plate 5 is formed by laminating silicon nitride or a multilayer film of silicon nitride and silicon oxide laminated on the fixed electrode 5a, and has a plurality of acoustic holes 5b in the center together with the fixed electrode 5a. .
  • the acoustic hole 5 b is for transmitting sound pressure to the diaphragm 3 and is formed at a position facing the diaphragm 3 .
  • the back plate 5 has etching holes 5c on the periphery of a plurality of acoustic holes 5b.
  • the insulating film 2 exposed at the end 3d is also etched.
  • the insulating film 2 is divided into the insulating film 2 under the vibrating film 3 and the insulating film at the lower end of the spacer 4 . Also, the insulating film 2 under the vibrating membrane 3 near the end 3d of the vibrating membrane 3 and the outer slit 3a is etched. The degree and balance of etching under the insulating film 2 below the vibrating film 3 can be adjusted by adjusting the positional relationship of the etching hole 5c with respect to the edge 3d of the vibrating film 3 and the outer slit 3a, the size of the etching hole 5c, and the like. can be done.
  • the etching hole 5c is formed to etch the sacrificial layer 41 and the insulating film 2, and has a different function from the acoustic hole 5b. Therefore, it is formed on the edge side of the substrate 1 further than the outer slit 3a and at the position where the vibrating film 3 is joined to the substrate 1 via the insulating film 2, and contributes to the vibration of the vibrating film 3. not a hole to play. Rather, the formation position is determined so as to optimize the etching of the sacrificial layer 41 and the etching under the vibrating membrane 3 .
  • the insulating film 2 under the vibrating membrane 3 can be positioned on the edge 3d side of the vibrating membrane 3 and By isotropically removing the inner peripheral side of the outer slits 3a from the slits 3a, a configuration is obtained in which a ring shape having a projecting portion 2b at the inner peripheral end between the slits 3a remains.
  • the shape of the acoustic hole 5b is not particularly limited, and may be circular, rectangular, oval, or the like.
  • the size of each acoustic hole 5b and the distance between the acoustic holes 5b are not particularly limited, and are determined in consideration of sensitivity and noise characteristics.
  • the plurality of acoustic holes 5b can be arranged, for example, so as to form a concentric circle from the center so as to face the circular vibrating membrane 3 . At this time, the acoustic hole 5b may or may not be formed in the central portion.
  • the etching hole 5c has an important function in etching the insulating film 2 in the vicinity of the end 3d of the vibrating film 3, as described above. It is not limited. Specifically, similarly to the acoustic holes 5b, the etching holes 5c are formed in a circular shape. placed. At this time, the plurality of acoustic holes 5b are formed to have approximately the same size, but the etching holes 5c may be arranged at different sizes and intervals from the acoustic holes 5b.
  • the method for manufacturing the MEMS element of the present embodiment will be described below as one embodiment of the method for manufacturing the MEMS element of the present disclosure with reference to FIGS. 4A to 4H.
  • the manufacturing method of the MEMS element of the present embodiment includes a step of forming an insulating film 2 on a substrate 1 (see FIG. 4A), and a step of forming an insulating film 2 on the insulating film 2.
  • a conductive film 31 is formed (see FIG. 4C), the peripheral edge is patterned, and slits 3a and 3b (see FIG. 2) and, if necessary, an etching hole 3c are formed in the peripheral edge of the conductive film 31.
  • a step of forming a sacrificial layer 41 on the vibrating film 3 see FIG. 4E
  • a step of forming see FIG.
  • the etching hole 3 is formed closer to the periphery of the back plate 5 than the outermost periphery of the outer slit 3a of the vibrating membrane 3 in plan view, and the position of the etching hole 5c, the size of the etching hole 5c, the etching time, and the concentration of the etchant, the insulating film 2 remaining under the vibrating film 3 has a width that minimizes the influence of the stress from the substrate 1, and the vibrating film 3 is held. It is characterized in that it remains in a ring shape.
  • an insulating film 2 is formed on a substrate 1 (FIG. 4A).
  • an insulating film 2 made of silicon oxide is formed on the surface of the substrate 1 .
  • the insulating film 2 can be formed by a normal method in this technical field.
  • the substrate 1 is a silicon substrate, it may be formed by thermal oxidation or deposited by a CVD method.
  • recesses 2c for forming the bumps 3e are formed by etching the insulating film 2 at positions corresponding to the positions where the bumps 3e are to be provided before laminating the vibration film 3. (Fig. 4B).
  • a conductive polysilicon film having a thickness of about 0.2 to 1 ⁇ m is laminated on the insulating film 2 as a conductor film 31 by, eg, CVD (FIG. 4C).
  • the peripheral edge, the outer slit 3a, the inner slit 3b (see FIG. 2) and, if necessary, the etching hole 3c are removed by patterning using a photolithographic method or the like to form the vibrating film 3 (see FIG. 2). 4D).
  • the conductor film 31 may be left in the portion that will be the lower portion of the spacer 4 without removing the entire end portion, but is separated from the vibrating film 3 portion by the dividing groove.
  • a sacrificial layer 41 made of silicon oxide is laminated to a thickness of about 3 ⁇ m, for example, according to the normal manufacturing process of the MEMS element 100 (FIG. 4E), and a conductive polysilicon film is laminated on the sacrificial layer 41 . be done.
  • patterning is performed by a normal photolithography method to form a fixed electrode 5a made of, for example, a polysilicon film, and a back plate film 51 made of silicon nitride is laminated thereon (FIG. 4F).
  • an acoustic hole 5b for transmitting sound pressure to the vibrating film 3 and an etching hole 5c for etching the sacrificial layer 41 and the insulating film 2 are formed by a normal photolithographic method. and partially expose the sacrificial layer 41 (FIG. 4G).
  • the etching hole 5c is outside the acoustic hole 5b (on the edge side of the back plate film 51), outside the fixed electrode 5a, and outside the outer slit 3a formed in the vibrating film 3 in plan view. (end 3d side of vibrating membrane 3) and formed so as to overlap with vibrating membrane 3 in plan view.
  • the central portion of the substrate 1 is removed by etching from the back surface side opposite to the surface on which the insulating film 2 is formed to expose the insulating film 2, thereby forming the opening 1a (FIG. 4H).
  • the opening 1a is formed so that the lower portions of the outer and inner slits 3a and 3b formed in the vibrating membrane 3 are not positioned within the opening 1a.
  • etching is started simultaneously from the acoustic hole 5b, the etching hole 5c and the opening 1a to remove the sacrificial layer 41 and the insulating film 2, thereby forming a gap between the vibrating film 3 and the back plate 5.
  • the portion of the insulating film 2 exposed to the opening 1a and the portion connected to the slits 3a and 3b and the end portion 3d of the vibrating film 3 exposed by removing the sacrificial layer 41 are etched, including the lower side of the vibrating film 3. , resulting in the structure shown in FIG.
  • the insulating film 2 is etched not only at the portion exposed to the opening 1a, but also at the lower side of the vibrating film 3 connected to the opening 1a, the slits 3a and 3b, and the end 3d.
  • the insulating film 2 existing on the lower surface of the vibrating film 3 is completely removed by etching with the etchant from the opening 1a and the slits 3a and 3b from the outer slit 3a to the central side, and the edge 3d is removed from the outer slit 3a.
  • the outer periphery of the outer slit 3a and the vicinity of the end 3d of the vibrating film 3 are etched, and the insulating film 2 remains between them as shown in FIG.
  • the remaining range of the insulating film 2 is very important from the viewpoint of suppressing the transmission of stress to the vibrating film 3 and holding the vibrating film 3 with high reliability. However, it tends to fluctuate depending on production lots and the like. Therefore, in the step of removing the insulating film 2, by adjusting at least one of the position of the etching hole 5c, the size of the etching hole 5c, the etching time, and the concentration of the etchant, the residual film remaining under the vibrating film 3 is adjusted.
  • the width of the insulating film 2 is the minimum width for holding the vibrating film 3 and the width that minimizes the influence of stress from the substrate 1, and the etching of the edge 3d of the vibrating film 3 is performed. It is preferable that the width and the etching width in the vicinity of the outermost outer slit 3a are approximately the same.
  • a MEMS device 101 according to another embodiment of the present disclosure is shown in FIG.
  • the MEMS element 101 has a column 6 that connects the vibrating membrane 3 and the back plate 5 at its central portion.
  • Such pillars 6 are formed of an insulating material that remains unetched when the sacrificial layer 41 is etched, and fix the central portion of the vibrating membrane 3 and the back plate 5, thereby preventing sound and noise.
  • the sound pressure level (acoustic overload point (AOP)) at which the sound becomes indistinguishable from the acoustic wave and the strength against excessive pressure are improved, and an excellent acoustic signal and reliability resistance can be obtained.
  • AOP acoustic overload point
  • the pillars 6 can be formed by selective etching. Alternatively, it can be formed by leaving a part of the sacrificial layer 41 without opening the acoustic hole 5b in the central portion.
  • etching holes 3c and the bumps 3e are not shown in the vibrating membrane 3 in FIG. 5, they are not essential components and are also employed in this embodiment as necessary.
  • FIG. 5 the same parts as in FIG. 1 are given the same reference numerals as in FIG. 1, and the description thereof will be omitted.
  • An embodiment of the MEMS device of the present disclosure is formed on a substrate having an opening and an insulating film interposed on the substrate, and slits are formed intermittently along the edge of the peripheral edge. and a back plate fixed to spacers formed on the periphery of the substrate and having a plurality of acoustic holes in the center thereof, the back plate having the plurality of acoustic holes.
  • An etching hole is provided at the outer periphery of the hole and at a position closer to the end than the outermost periphery of the slit of the vibrating film in plan view, and the slit is formed in the opening of the substrate.
  • the end of the vibrating membrane and the insulating film under the vibrating membrane are spaced apart from the lower end of the spacer, and the lower layer of the vibrating membrane is located above the spacer.
  • the spacer-side end of the insulating film is arranged closer to the slit than the end of the vibrating film, and the slit-side end of the insulating film under the vibrating film is closer to the spacer than the slit. are placed.
  • the stress of the vibrating membrane is not affected by other members such as spacers and back plates, and the influence of the insulating film positioned between the vibrating membrane and the substrate can be suppressed.
  • MEMS elements such as stable microphones can be fabricated.
  • the vibrating membrane has a slit structure, it is possible to manufacture a highly sensitive microphone, and it is easy to achieve optimization of the insulating film remaining under the vibrating membrane.
  • the slit in a place where the opening of the substrate is not formed, the acoustic resistance can be increased, and a microphone with flat frequency characteristics and desired frequency characteristics can be realized.
  • the vibrating membrane has a pillar connecting the vibrating membrane and the back plate at its center, thereby improving the acoustic overload point (AOP) and obtaining an excellent acoustic signal. can.
  • AOP acoustic overload point
  • the insulating film remains in a ring shape by removing the inner peripheral side of the slit, and the width of the insulating film at the slit portion in plan view is the width of the insulating film between the slits.
  • the vibrating film has bumps on the inner side of the slit and on the substrate side surface, thereby eliminating the possibility of occurrence of a phenomenon called sticking, in which the vibrating film and the substrate stick to each other during etching. can be done.
  • the above-mentioned slits are provided on at least two circumferences, and an etching hole is formed between the slits on the inner circumference of the two circumferences, so that etching residue can be prevented from occurring between the slits. can.
  • One embodiment of the method for manufacturing a MEMS element according to the present disclosure includes the steps of forming an insulating film on a substrate, forming a conductive film on the insulating film, patterning the peripheral edge, Forming a vibrating film by forming a slit in the periphery of a conductive film; forming a sacrificial layer on the vibrating film; and forming a back plate film including a fixed electrode on the sacrificial layer.
  • a back plate having a plurality of acoustic holes in the back plate film and etching holes around the peripheries of the plurality of acoustic holes; and immersing the substrate in an etchant to leave the peripheral edge portion of the sacrificial layer as a spacer, and from the outermost peripheral side of the slit of the vibrating film and the end portion side of the vibrating film.
  • the etching hole is formed closer to the periphery of the back plate than the outermost periphery of the slit of the vibrating membrane in plan view, and the position of the etching hole, the size of the etching hole, and the etching time. , and the concentration of the etchant are adjusted so that the insulating film remaining under the vibrating film remains in a ring-like shape holding the vibrating film.
  • the optimal amount of insulation can always be obtained by adjusting either the position or size of the etching hole or the etching conditions. Since the film can be left, a uniform and highly sensitive MEMS element such as a MEMS microphone can be obtained.
  • the etching of the insulating film is adjusted so that the shape of the insulating film remaining under the vibrating film on the side of the central portion has a protruding portion.
  • REFERENCE SIGNS LIST 100 101 MEMS element 1 substrate 2 insulating film 2a dividing groove 2c concave portion for bump formation 3 vibrating film 3a outer slit 3b inner slit 3c etching hole 3d end of vibrating film 3e bump 31 conductor film 4 spacer 41 sacrificial layer 5 back Plate 5a Fixed electrode 5b Acoustic hole 5c Etching hole 51 Back plate film 6 Pillar 200 Related technology MEMS element (microphone) REFERENCE SIGNS LIST 10 substrate 20 insulating film 30 vibration film 40 spacer 50 back plate

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Abstract

開口部１ａを備えた基板１と、基板１上に絶縁膜２を介して形成されており、周縁部に端部に沿ってスリット３ａが間欠的に形成された振動膜３と、基板１の周縁部に形成されたスペーサー４に固定して形成されており、中心部に複数個のアコースティックホール５ｂを有するバックプレート５とを備えたＭＥＭＳ素子。バックプレート５は複数個のアコースティックホール５ｂの外周部で、かつ、平面視で振動膜３のスリットの最外周端よりも端部側の位置にエッチングホール５ｃを有しており、スリット３ａは、基板１の開口部１ａの形成されていない部分の上に位置するように形成されている。振動膜３の端部３ｄ及び振動膜３の下層の絶縁膜２はスペーサー４の下端部から離間しており、かつ、振動膜３の下層の絶縁膜は振動膜３の端部３ｄ及びスリット３ａから振動膜３の下までエッチングされている。

Description

ＭＥＭＳ素子及びその製造方法
　本開示は、ＭＥＭＳ素子に関し、特にマイクロフォン、各種センサ、スイッチ等として用いられる容量型のＭＥＭＳ素子及びその製造方法に関する。
　関連技術のＭＥＭＳ素子（マイクロフォン）２００は、図７に示すように、シリコン基板１０の上に絶縁膜２０を介して導体からなる振動膜３０が設けられ、スペーサー４０を介して導体部分（固定電極５０ａ）を有するバックプレート５０が積層されている。バックプレート５０は変形しないように形成されており、振動膜３０と対向する部分に複数個のアコースティックホール５０ｂが形成されている。例えば、このアコースティックホール５０ｂを介して伝搬した音圧によって振動膜３０が振動し、バックプレート５０と振動膜３０との間の容量が変化する。その容量の変化を電気信号として取り出し、図示しないスピーカ等に伝達する構成になっている。
　このようなＭＥＭＳマイクロフォン２００では、非常に微弱な容量の変化を検出するため、振動膜３０とバックプレート５０との間の寄生容量が大きいとマイクロフォンとしての感度が低下する。そのため、例えば特許文献１には、振動板（振動膜３０）の導体部分を振動板よりも小さい範囲にしたり、引用文献１の図７（ｂ）に示されるように、振動板及びその下層のシリコン酸化膜をそれぞれ内側領域と外側領域とに分離したりすることによって、振動膜３０とバックプレート５０との間に余計な容量が形成されないようにする構造が示されている。
特開２００７－２０８５４８号公報
　ＭＥＭＳマイクロフォンの感度を向上させるために、前述のような寄生容量の影響を少なくする工夫はなされている。しかし、寄生容量が抑制されていても、感度などのマイクロフォンの特性がばらつくという問題がある。
　本発明者らが、このＭＥＭＳマイクロフォンの特性のバラツキの原因について鋭意検討を重ねて調べた。その結果、スペーサーとなる犠牲層膜、バックプレート、絶縁膜などの各膜における内部応力の影響を受けて、振動膜にも応力がかかり、振動の大きさにバラツキが生じることを見出した。また、パッケージにＭＥＭＳマイクロフォンをハウジングする際には、ＭＥＭＳマイクロフォンはプリント基板などに樹脂などを用いて固定されるため、それらの材料の内部応力による影響や接続による線膨張係数の差による影響も基板を介して受けることを見出した。
　したがって、本開示においては、より安定した性能を示し、かつ高感度を実現させることができるＭＥＭＳ素子を提供することを課題とする。
　本開示のＭＥＭＳ素子の一実施形態は、開口部を備えた基板と、該基板上に絶縁膜を介して形成されており、周縁部に端部に沿ってスリットが間欠的に形成された振動膜と、上記基板の周縁部に形成されたスペーサーに固定して形成されており、中心部に複数個のアコースティックホールを有するバックプレートとを備え、該バックプレートは上記複数個のアコースティックホールの外周部で、かつ、平面視で上記振動膜の上記スリットの最外周端よりも端部側の位置にエッチングホールを有しており、上記スリットは、上記基板の開口部の形成されていない部分の上に位置するように形成されており、上記振動膜の端部及び上記振動膜の下の上記絶縁膜は上記スペーサーの下端部から離間しており、かつ、上記振動膜の下層の上記絶縁膜の上記スペーサー側の端部は上記振動膜の上記端部より上記スリット側に配置され、上記振動膜の下層の上記絶縁膜の上記スリット側の端部は上記スリットより上記スペーサー側に配置されている。
　本開示のＭＥＭＳ素子の製造方法の一実施態様は、基板上に絶縁膜を形成する工程と、該絶縁膜上に導電体膜を形成し、周端部のパターニングをすると共に、該導電体膜の周縁部にスリットを形成することによって振動膜を形成する工程と、該振動膜上に犠牲層を形成する工程と、該犠牲層上に固定電極を含むバックプレート膜を形成する工程と、該バックプレート膜に複数個のアコースティックホール及び該複数個のアコースティックホールの外周にエッチングホールを備えたバックプレートを形成する工程と、上記振動膜の中心部の下に位置する上記基板に開口部を形成する工程と、上記基板をエッチング液に浸漬することによって、上記犠牲層の周縁部をスペーサーとして残存させると共に、上記振動膜の上記スリットの最外周側と上記振動膜の端部側から上記絶縁膜の一部を除去し、上記スリットの最外周と上記振動膜の端部との間に上記絶縁膜の一部のみを残すように上記振動膜の下の上記絶縁膜を除去する工程とを備え、上記エッチングホールを平面視で上記振動膜の上記スリットの最外周よりも上記バックプレートの周縁部側に形成し、かつ、上記エッチングホールの位置、上記エッチングホールの大きさ、エッチング時間、及びエッチング液の濃度の少なくとも一つを調整することによって、上記振動膜の下に残存する絶縁膜を、上記振動膜を保持するリング状に残存させることを特徴としている。
　本開示のＭＥＭＳ素子によれば、振動膜及び振動膜を保持する絶縁膜がスペーサー部と分離され、振動膜は基板とは最低限の幅の絶縁膜を介して保持されているので、振動膜の応力が、他の部材、例えばスペーサーやバックプレートの影響を受けず、さらにハウジングのため、樹脂などによって基板が固定されても、その基板に生じる応力の振動膜への影響も抑制される。その結果、安定した性能のマイクロフォンが得られる。
　さらに、本開示のＭＥＭＳ素子の製造方法によれば、バックプレートのアコースティックホールの外側であって、平面視で振動膜に形成された最外周のスリットの外側の位置にエッチングホールを形成することにより、絶縁膜の除去工程において、エッチングホールの位置、エッチングホールの大きさ、エッチング時間、及びエッチング液の濃度の少なくとも一つを調整することによって、振動膜への応力の影響を抑制し、振動膜の保持と安定した性能とを最適化することができる。
本開示の一実施形態であるＭＥＭＳ素子の断面模式図である。 図１のＭＥＭＳ素子の振動膜（可動電極）の基板側から見た平面模式図である。 図１のＭＥＭＳ素子の絶縁膜の平面模式図である。 図１のＭＥＭＳ素子の製造工程の説明図である。 図１のＭＥＭＳ素子の製造工程の説明図である。 図１のＭＥＭＳ素子の製造工程の説明図である。 図１のＭＥＭＳ素子の製造工程の説明図である。 図１のＭＥＭＳ素子の製造工程の説明図である。 図１のＭＥＭＳ素子の製造工程の説明図である。 図１のＭＥＭＳ素子の製造工程の説明図である。 図１のＭＥＭＳ素子の製造工程の説明図である。 本開示の別の実施形態であるＭＥＭＳ素子の断面模式図である。 振動膜における応力の影響を示すシミュレーションの結果を説明する模式図である。 振動膜における応力の影響を示すシミュレーションの結果を説明する模式図である。 関連技術のＭＥＭＳ素子の断面模式図である。
　つぎに、図面を参照しながら本開示のＭＥＭＳ素子の実施形態及び本開示のＭＥＭＳ素子の製造方法の実施態様を説明するが、本開示はこれらの実施形態及び実施態様に限定されるものではない。
　本開示のＭＥＭＳ素子の一実施形態は、図１に示されるように、開口部１ａを備えた基板１と、その基板１上に絶縁膜２を介して形成されており、周縁部に端部３ｄに沿ってスリット３ａ、３ｂが間欠的に形成された振動膜３と、基板１の周縁部に形成されたスペーサー４に固定して形成されており、中心部に複数個のアコースティックホール５ｂを有するバックプレート５とを備えている。そして、バックプレート５は複数個のアコースティックホール５ｂの外周部で、かつ、平面視で振動膜３の外側スリット３ａの最外周端よりも端部側にエッチングホール５ｃを有しており、スリット３ａ、３ｂは、基板１の開口部１ａの形成されていない部分の上に位置するように形成されており、振動膜３の端部３ｄ及び振動膜３の下の絶縁膜２はスペーサー４の下端部から離間しており、かつ、振動膜３の下層の絶縁膜２は振動膜３の端部３ｄ及び外側スリット３ａから振動膜３の下までエッチングされ、それぞれ絶縁膜２の端部が内側に入り込んだ構造となっている。
　なお、図１～３は説明のために振動膜３の周縁部やスリット３ａ、３ｂの近傍、振動膜３の下層の絶縁膜２などの大きさがＭＥＭＳ素子全体や他の部分に比べて大きく描かれており、実際のＭＥＭＳ素子にける各部材の比率を忠実に示すものではない。
　前述のように、ＭＥＭＳマイクロフォン１００の感度などの特性にバラツキが生じる理由について、本発明者らは鋭意検討を重ねて調べた結果、振動膜３に残留応力があり、その応力が各素子においてばらつくことで同じ音圧力が印加された場合でも、振動膜３の振動に微妙な差が生じることに起因していることを見出した。この残留応力の違いは、製造工程の絶縁膜２、スペーサー４、バックプレート５の厚さのバラツキや、製造工程における環境など様々の要因に基づくこと、さらにはこの残留応力は、このＭＥＭＳ素子１００をパッケージなどに組み立てる際に用いる樹脂などの材料の内部応力などによっても影響されること、を見出した。
　そこで、本発明者らは、これらのバラツキを均一化することは不可能と考え、これらの応力を振動膜３に伝達しないようにすることによって、振動膜３の残留応力の影響を抑制することを考えた。そのためには、振動膜３に対する基板１及びその周囲の部材、例えば絶縁膜２、スペーサー４、及びバックプレート５の影響を断ち切ることが必要であり、振動膜３をスペーサー４及びその下部から分離させて独立させると共に、基板１とも最低限の範囲での接触とすることによって、ＭＥＭＳマイクロフォンなどの特性のバラツキを抑制することに成功した。実際、振動膜３と基板１とを接合している絶縁膜２の面積によって、振動膜３の残留応力が変化し、振動膜３の振動の程度に影響を与えることがシミュレーションによっても明らかであった（図６Ａ及び図６Ｂ）。図６Ａ及び図６Ｂは振動膜３の受ける応力の影響の程度をドットの濃淡により示したものであり、濃度が濃いほど応力の影響が大きいことを示す。振動膜３と基板１との間のほぼ全面が絶縁膜２により接合されている図６Ａと、振動膜３と基板１とが図１と同様に振動膜３の保持に必要な幅の絶縁膜２でのみ接合されている図６Ｂとを比較することにより、振動膜３と基板１とを接合する絶縁膜２の面積により、振動膜３の受ける応力の大きさや分布が異なっていることがわかる。
　具体的には、振動膜３は絶縁膜２を介して周縁部で基板１に接合されている。この振動膜３は、音響による圧力変化に応じで振動するため、基板１から脱離すると振動膜３としての機能を果たすことができなくなる。その観点からは、振動膜３は絶縁膜２を介して基板１に十分に固定されている必要がある。そのため、振動膜３の下に残存する絶縁膜２の幅はできるだけ広い範囲でもって振動膜３が基板１に接続されることが好ましい。しかし、前述のように本発明者らは、この接続部、すなわち残存する絶縁膜２の幅が広すぎると、基板１の応力が絶縁膜２を介して振動膜３に伝達し、振動膜３の振動特性に影響を及ぼすことを見出した。そこで、本実施形態では、この残存する絶縁膜２を、ＭＥＭＳ素子１００の種類によって異なるが振動膜３を保持するための最低限の幅（図３のＬ１参照）、例えば小型のマイクロフォンでは５μｍ程度とし、その接合を補強するため、全周ではなく、部分的にそれよりも１～３μｍ程度幅広（図３のＬ２参照）の部分を有するものとして形成していることに特徴がある。
　換言すると、本実施形態では、振動膜３の下の絶縁膜を開口部（振動膜３の端部３ｄ及び外側スリット３ａ）からエッチングすることによって、外側スリット３ａのある部分は外側スリット３ａからのエッチングによって絶縁膜２の幅（図３のＬ１）が狭くなり、間欠的に形成された外側スリット３ａの間ではエッチングがあまり進まないため、残存する絶縁膜２の幅（図３のＬ２）が相対的に広くなり、振動膜３を保持する保持力を発揮しながら、その部分の絶縁膜２の円周方向の長さは短いため、基板１からの応力の伝達を抑制することができる。従って、犠牲層４１及び絶縁膜２のエッチングの際にエッチング条件を調整しながら、振動膜３の下の絶縁膜２の幅を調整することに特徴がある。
　このように数μｍ以下の絶縁膜２の幅を制御するためのエッチング条件の調整としては、ＭＥＭＳ素子１００の種類、サイズや各製造ロットに応じて、バラツキの生じやすいエッチング液の濃度、エッチングホール５ｃの位置及び大きさ、エッチング時間などのいずれかを調整することが挙げられる。
　本実施形態の基板１としては単結晶シリコンなど支持基板としての機械的特性を備えた材質等を使用できる。しかし、シリコン基板には限定されず、化合物半導体など他の半導体基板、ＳＯＩ基板などを使用することもできる。形状については特に限定されるものではない。
　絶縁膜２は、シリコン基板上に形成される厚さ０．２～１μｍ程度の酸化膜（ＳｉＯ2）であり、シリコン基板の酸化により、またはＣＶＤ法などによって堆積することで形成される。絶縁膜２は酸化膜に限定されるものではなく、窒化膜でもよいが、酸化膜はエッチングされやすいので好ましい。絶縁膜２が厚すぎると、その応力が振動膜３に影響するので、できるだけ薄い方が好ましい。
　絶縁膜２は、振動膜３の振動する部分の下側は除去されており、振動膜３の周縁部の一部のみで基板１と接続している。前述のように、基板１に生じている応力を振動膜３に伝達しないように、可能な限り狭い範囲で振動膜３と基板１との間に残存している。一例としては、図３に基板１と絶縁膜２との界面で切断して絶縁膜２側を見た平面図が示されるように、絶縁膜２は振動膜３の外側スリット３ａの近傍よりも内周側が除去され、振動膜３の端部３ｄの近傍で周縁部と分離する分断溝２ａが形成されることによってリング状に形成されている。このリング状の絶縁膜２は、後述されるように、エッチングの際に振動膜３の下側までエッチングされる。そのため、振動膜３の端部３ｄ側及び外側スリット３ａのスペーサー４側の端部もエッチングされている。しかし、間欠的に形成されている外側スリット３ａのスリット間ではエッチングが進行しにくく、図３に示されるように、絶縁膜２は中心部側に突出して残存している。換言すると、リング状に残存する絶縁膜２の幅は均一ではなく、振動膜３の外側スリット３ａの部分における絶縁膜２の幅Ｌ１は、外側スリット３ａのスリット間における絶縁膜２の幅Ｌ２よりも狭くなっており、絶縁膜２の内周端に凹凸がある形状になっている。外側スリット３ａ近傍における絶縁膜２の幅Ｌ１と外側スリット３ａのスリット間における絶縁膜２の幅Ｌ２との関係は、Ｌ１がＬ２のおおよそ５分の３～２分の１程度であることが好ましい。
　図３に示されるように、リング状の絶縁膜２の内周に突起状の突出部２ｂが形成されることによって、この突出部２ｂでも振動膜３と接合している。しかし、この突出部２ｂの周方向の長さ、すなわち突出部２ｂの幅は非常に小さい。そのため、基板１に応力がかかっていても、その応力を振動膜３へと伝達する力は非常に小さい。一方で、リング状の絶縁膜２の幅Ｌ１は可能な限り小さくなるように形成されている。そのため、絶縁膜２の幅が全周にわたってＬ１となるような場合には振動膜３の保持が十分でない場合が起こり得る。しかし、本実施形態においては、このような場合であっても、この突出部２ｂにも振動膜３が接合していることによって、振動膜３の保持を確実にする。換言すると、この突出部２ｂは基板１の応力の伝達を抑制しながら、振動膜３の保持に寄与し、リング状の絶縁膜２の突出部２ｂでない場所の幅Ｌ１を可能な限り小さくし得る。
　振動膜３は、導電性のポリシリコン膜などを用いた導電体膜をパターニングして形成された可動電極膜であり、例えば、音圧による空気振動が固定電極５ａ及びバックプレート５に形成されたアコースティックホール５ｂを通って振動膜３に伝わり振動膜３が振動し、これにより生じる振動膜３と固定電極５ａとの間の静電容量の変化が電気信号に変換され、引き出し電極（図示せず）より外部に伝達される。図１に示される例では、振動膜３がスペーサー４の下部とは分断されていることに特徴があり、導電体膜の一部がスペーサー４の下部に存在する構成としても、分断溝を形成し、その分断溝より中心部側に露出した部分を振動膜３の端部とすればよい。換言すると、分断溝によって分断された導電体膜がスペーサー４の下にも残存している場合であっても、スペーサー４の下に残存する導電体膜は何ら機能を有するものではないため、特に必要はなく、本明細書においては、「振動膜」との用語は、固定電極５ａに相対する位置に配置されている部分を本質的には意味し、この部分の端部を振動膜３の端部３ｄという。
　振動膜３にはその周縁部に端部３ｄに沿って外側スリット３ａと内側スリット３ｂがそれぞれ間欠的に形成されている。スリットは１周でもよいし、３周以上形成されていてもよい。スリット３ａ、３ｂの形状、大きさ、間欠的に形成されるスリット３ａ、３ｂの間隔は、ＭＥＭＳ素子の感度、振動膜の安定性、振動膜の強度、マイクロフォンの感度、電気信号の歪など様々な因子を考慮して決定することができる。このスリット３ａ、３ｂが形成されることによって、僅かな音響圧力でも振動しやすくなり、感度が向上する。
　スリット３ａ、３ｂは基板１の開口部１ａが形成されていない部分の上に位置するように形成されている。スリット３ａ、３ｂを基板１の開口部１ａに露出する位置に形成すると、音響抵抗が著しく低下して、開口部１ａが小さい構成のＭＥＭＳ素子では、低周波数領域での感度が著しく低下する。図１に示されるように、スリット３ａを基板１の開口部１ａのない部分の上に位置するように形成することにより、振動膜３と基板１との間の空間を利用して音響抵抗を増大させることができる。この空間は、ＭＥＭＳ素子製造時において、犠牲層４１（図４Ｈ参照）をエッチングする際にスリット３ａ、３ｂからエッチング液が浸透することにより、絶縁膜２がエッチングされて形成され得る。図２においては、スリット３ａ、３ｂが２周に設けられているが、このような構造の場合、内側スリット３ｂのスリット間にはエッチング液が浸透し難い場合が生じ、エッチング残りが発生する場合がある。これを防止するために、図２に示されるように内側スリット３ｂのスリット間にエッチングホール３ｃを形成する態様とすることができる。
　すなわち、内側スリット３ｂも基板１の上に形成されているので、基板１の開口１ａからのエッチング液は絶縁膜２が除去されないと浸透せず、内側スリット３ｂからのエッチング液も内側スリット３ｂのスリット間には浸透しにくいからである。エッチングホール３ｃの大きさは、内側スリット３ｂの間隔に応じて、エッチング残りが生じないように決定される。
　また、絶縁膜２の除去によって形成される振動膜３と基板１との間の空間は非常に狭いため、エッチング時に振動膜３と基板１が吸着するスティッキングと呼ばれる現象が起こる可能性があり、このような現象が起こると、ＭＥＭＳ素子１００として動作しない恐れがある。このスティッキングを防止するために、振動膜３にはバンプ３ｅを設けることができる。バンプ３ｅは、アライメントずれを考慮し、開口部１ａの外側に位置する箇所のみならず、開口部１ａの内側にも設けてもよい。バンプ３ｅの形状は連続したリング状に凸部を設ける必要はなく、図３に示されるように、円周上に突起を点在させればよい。
　スペーサー４は、犠牲層として、酸化珪素などを積層して、バックプレート５が形成された後に中心部をエッチング除去することにより形成され、バックプレート５と基板１との間に、固定電極５ａと可動電極となる振動膜３との間の空間部を形成するため配置される。
　固定電極５ａは、導電性のポリシリコン膜などを用いた導電体膜をパターニングして形成され、可動電極となる振動膜３に対応する位置に配置される。固定電極５ａの面積は、振動膜３の振れ方により最適化される。
　バックプレート５は、固定電極５ａの上に積層された窒化珪素や窒化珪素と酸化珪素の多層膜などを積層して形成されており、固定電極５ａと共に中心部に複数個のアコースティックホール５ｂを有する。アコースティックホール５ｂは音圧を振動膜３に伝えるためのものであり、振動膜３に対向する位置に形成される。バックプレート５は、複数個のアコースティックホール５ｂの外周部にエッチングホール５ｃを有しており、これらを介して犠牲層４１（図４Ｈ参照）及び絶縁膜２がエッチングされる際、振動膜３の端部３ｄに露出する絶縁膜２もエッチングされる。この際、絶縁膜２は振動膜３の下層の絶縁膜２と、スペーサー４の下端部の絶縁膜とに分断される。また、振動膜３の端部３ｄ及び外側スリット３ａ近傍の振動膜３の下層の絶縁膜２がエッチングされる。振動膜３の下側の絶縁膜２の下のエッチングの程度やバランスは、エッチングホール５ｃの振動膜３の端部３ｄ及び外側スリット３ａに対する位置関係やエッチングホール５ｃの大きさなどにより調整することができる。
　エッチングホール５ｃは、犠牲層４１及び絶縁膜２をエッチングするために形成されており、アコースティックホール５ｂとは機能が異なっている。そのため、その形成場所も、外側スリット３ａよりもさらに基板１の端縁側で、かつ、振動膜３が絶縁膜２を介して基板１と接合している位置であり、振動膜３の振動に寄与するホールではない。むしろ、犠牲層４１のエッチング及び振動膜３の下のエッチングの最適化を図るように形成位置が決められている。すなわち、この位置関係において外側スリット３ａ及び振動膜３の端部３ｄとエッチングホール５ｃとの距離を調節することで、振動膜３の下層の絶縁膜２は、振動膜３の端部３ｄ側及び外側スリット３ａの内周側がスリット３ａから等方的に除去されることによってスリット３ａ間の内周端に突出部２ｂを有するリング状に残存した構成となる。
　アコースティックホール５ｂの形状は、円形、矩形、楕円形など特には限定されるものではない。個々のアコースティックホール５ｂの大きさやアコースティックホール５ｂ間の間隔は、特に限定されるものではなく、感度、ノイズ特性を考慮し決定される。また、複数個のアコースティックホール５ｂの配置は、例えば円形の振動膜３に対向するように、円形のアコースティックホール５ｂを中心部から同心円を描くように複数周配置することができる。この際、中心部にはアコースティックホール５ｂを形成してもしなくてもよい。
　エッチングホール５ｃは、上述したように振動膜３の端部３ｄ近傍の絶縁膜２のエッチングに重要な機能を果たすものであり、その形状はアコースティックホール５ｂと同様に円形、矩形、楕円形など特に限定されるものではない。具体的には、エッチングホール５ｃは、アコースティックホール５ｂと同様に、円形に形成され、複数個形成されたアコースティックホール５ｂの外周部分に複数個のアコースティックホール５ｂ全体を取り囲むように等間隔に複数個配置される。この際、複数個のアコースティックホール５ｂは、複数個それぞれほぼ同じ大きさに形成されるが、エッチングホール５ｃはアコースティックホール５ｂとは異なる大きさおよび異なる間隔で配置され得る。
　以下、図４Ａ～図４Ｈを用いて本開示のＭＥＭＳ素子の製造方法の一実施態様として、本実施形態のＭＥＭＳ素子の製造方法を説明する。
　本実施形態のＭＥＭＳ素子の製造方法は、図４Ａ～図４Ｈにその製造工程図が示されるように、基板１上に絶縁膜２を形成する工程（図４Ａ参照）と、絶縁膜２上に導電体膜３１を形成し（図４Ｃ参照）、周端部のパターニングをすると共に、導電体膜３１の周縁部にスリット３ａ、３ｂ（図２参照）及び必要な場合にはエッチングホール３ｃを形成することによって振動膜３とする工程（図４Ｄ参照）と、振動膜３上に犠牲層４１を形成する工程（図４Ｅ参照）と、犠牲層４１上に固定電極５ａを含むバックプレート膜５１を形成する工程（図４Ｆ参照）と、バックプレート膜５１に複数個のアコースティックホール５ｂ及び該複数個のアコースティックホール５ｂの外周にエッチングホール５ｃを備えたバックプレート５を形成する工程（図４Ｇ参照）と、振動膜３の中心部の下に位置する基板１に開口部１ａを形成する工程（図４Ｈ参照）と、基板１をエッチング液に浸漬することによって、犠牲層４１の周縁部をスペーサー４として残存させると共に、振動膜３の外側スリット３ａの最外周と振動膜３の端部３ｄとの間の一部のみを残して振動膜３の下の絶縁膜２を除去する工程（図１参照）と、を備えている。そして、エッチングホール３を平面視で振動膜３の外側スリット３ａの最外周よりもバックプレート５の周縁部側に形成し、かつ、エッチングホール５ｃの位置、エッチングホール５ｃの大きさ、エッチング時間、及びエッチング液の濃度の少なくとも一つを調整することによって、振動膜３の下に残存する絶縁膜２を、基板１からの応力の影響が最低限になる幅で、かつ、振動膜３を保持するリング状に残存させることを特徴としている。
　まず、基板１上に絶縁膜２を形成する（図４Ａ）。例えば、基板１の表面に、酸化珪素からなる絶縁膜２を形成する。絶縁膜２は、本技術分野における通常の方法により形成することができ、例えば基板１がシリコン基板である場合には、熱酸化などにより形成し、あるいはＣＶＤ法などによって堆積してもよい。振動膜３にバンプ３ｅを設ける場合には、振動膜３を積層する前にバンプ３ｅを設ける位置に対応する位置で絶縁膜２をエッチングするなどしてバンプ３ｅ形成用の凹部２ｃが形成される（図４Ｂ）。
　この絶縁膜２上に、例えばＣＶＤ法により厚さ０．２～１μｍ程度の導電性ポリシリコン膜を導電体膜３１として積層形成する（図４Ｃ）。導電体膜３１は、周端部、外側スリット３ａ、内側スリット３ｂ（図２参照）及び必要な場合にはエッチングホール３ｃがフォトリソグラフ法などによりパターニングにより除去され、振動膜３とされる（図４Ｄ）。この際、終端部をすべて除去しないで、スペーサー４の下部となる部分にも導電体膜３１を残存させてもよいが、分断溝で振動膜３の部分とは分断される。
　次に、通常のＭＥＭＳ素子１００の製造工程に従い、酸化珪素からなる犠牲層４１が、例えば３μｍ程度の厚さに積層形成され（図４Ｅ）、犠牲層４１上に導電性ポリシリコン膜が積層形成される。次いで、通常のフォトリソグラフ法によりパターニングし、例えばポリシリコン膜からなる固定電極５ａを形成し、その上に窒化珪素からなるバックプレート膜５１が積層形成される（図４Ｆ）。
　その後、バックプレート膜５１及び固定電極５ａに、通常のフォトリソグラフ法にて音圧を振動膜３に伝えるためのアコースティックホール５ｂと、犠牲層４１及び絶縁膜２をエッチングするためのエッチングホール５ｃを形成し、犠牲層４１を部分的に露出させる（図４Ｇ）。この際、エッチングホール５ｃは、アコースティックホール５ｂの外側（バックプレート膜５１の端縁側）、かつ、固定電極５ａの外側であって、平面視で、振動膜３に形成された外側スリット３ａの外側（振動膜３の端部３ｄ側）、かつ、平面視で振動膜３と重なる位置になるように形成する。
　その後、基板１の中心部を絶縁膜２が形成された面と反対面である裏面側からエッチング除去して絶縁膜２を露出させることによって、開口部１ａを形成する（図４Ｈ）。この開口部１ａは、振動膜３に形成された外側及び内側スリット３ａ、３ｂの下部が開口部１ａ内に位置しないように形成される。
　最後に、アコースティックホール５ｂ、エッチングホール５ｃ及び開口部１ａから同時にエッチングを開始して、犠牲層４１及び絶縁膜２を除去し、これにより振動膜３とバックプレート５との間にギャップが形成される。また、絶縁膜２の開口部１ａに露出した部分及び犠牲層４１が除去されて露出する振動膜３のスリット３ａ、３ｂ及び端部３ｄにつながる部分が振動膜３の下側まで含めてエッチングされ、図１に示される構造になる。
　すなわち、絶縁膜２は、開口部１ａに露出した部分のみならず、開口部１ａ、スリット３ａ、３ｂ、及び端部３ｄにつながる振動膜３の下側もエッチングされる。換言すると、振動膜３の下面に存在する絶縁膜２は、外側スリット３ａよりも中心側は、開口部１ａ及びスリット３ａ、３ｂからのエッチング液によって全てエッチング除去され、外側スリット３ａより端部３ｄ側は、外側スリット３ａの外周端及び振動膜３の端部３ｄの近傍がエッチングされるだけで、その間に絶縁膜２が前述の図３に示されるように残存する。
　この絶縁膜２の残存範囲は、前述のように、振動膜３への応力の伝達の抑制、及び振動膜３を信頼性良く保持する保持力という観点で非常に重要になる。しかし、製造ロットなどによって変動しやすい。従って、絶縁膜２の除去工程においては、エッチングホール５ｃの位置、エッチングホール５ｃの大きさ、エッチング時間、及びエッチング液の濃度の少なくとも一つを調整することによって、振動膜３の下に残存する絶縁膜２の幅が振動膜３を保持する最低限の幅で、かつ、基板１からの応力の影響を最低限にする幅となるように行われ、振動膜３の端部３ｄのエッチングの幅と最外周の外側スリット３ａ近傍のエッチングの幅とがほぼ同程度になるように行うことが好ましい。
　本開示の別の実施形態のＭＥＭＳ素子１０１が図５に示されている。このＭＥＭＳ素子１０１では、その中央部に振動膜３とバックプレート５とを繋ぐ柱６が設けられている。このような柱６は、犠牲層４１がエッチングされる際、エッチングされずに残る材料の絶縁体で形成され、振動膜３の中心部とバックプレート５とを固定し、これにより、音声と雑音とを区別できなくなる音圧レベル（アコースティックオーバーロードポイント（ＡＯＰ））や過大な圧力に対する強度が向上し、優れた音響信号や信頼性耐性を得ることができる。
　このような柱６を形成するには、前述の図４Ｅで犠牲層４１を形成した後で、その中心部に穴を開け、その穴の中に柱６とするバックプレート５と同一材料の窒化珪素などを埋め込むことで選択エッチングにより柱６を形成することができる。あるいは、中心部にアコースティックホール５ｂを開口せず犠牲層４１の一部を残すことでも形成することができる。
　図５においては、振動膜３にエッチングホール３ｃやバンプ３ｅは図示されていないが、これらは必須の構成ではなく、本実施形態においても必要に応じて採用される。なお、図５において図１と同じ部分には図１と同じ符号を付しており、その説明は省略する。
（まとめ）
（１）本開示のＭＥＭＳ素子の一実施形態は、開口部を備えた基板と、該基板上に絶縁膜を介して形成されており、周縁部に端部に沿ってスリットが間欠的に形成された振動膜と、上記基板の周縁部に形成されたスペーサーに固定して形成されており、中心部に複数個のアコースティックホールを有するバックプレートとを備え、該バックプレートは上記複数個のアコースティックホールの外周部で、かつ、平面視で上記振動膜の上記スリットの最外周端よりも端部側の位置にエッチングホールを有しており、上記スリットは、上記基板の開口部の形成されていない部分の上に位置するように形成されており、上記振動膜の端部及び上記振動膜の下層の上記絶縁膜は上記スペーサーの下端部から離間しており、かつ、上記振動膜の下層の上記絶縁膜の上記スペーサー側の端部は上記振動膜の上記端部より上記スリット側に配置され、上記振動膜の下層の上記絶縁膜の上記スリット側の端部は上記スリットより上記スペーサー側に配置されている。
　本実施形態のＭＥＭＳ素子によれば、振動膜の応力が、他の部材、例えばスペーサーやバックプレートの影響を受けず、さらに振動膜と基板との間に位置する絶縁膜の影響も抑えることができ、安定したマイクロフォンなどのＭＥＭＳ素子を作製することができる。また、振動膜にスリット構造を備えていることにより、高感度なマイクロフォンを作製することができると共に、振動膜の下に残存させる絶縁膜の最適化を達成しやすい。さらに、スリットを基板の開口部が形成されていない場所に形成することによって、音響抵抗を上げることができ、周波数特性がフラットで、所望の周波数特性が得られるマイクロフォンを実現することができる。
（２）上記振動膜は、その中央部に上記振動膜と上記バックプレートとを繋ぐ柱を有する構成とすることにより、アコースティックオーバーロードポイント（ＡＯＰ）が向上し、優れた音響信号を得ることができる。
（３）上記絶縁膜は上記スリットの内周側が除去されることによってリング状に残存しており、平面視で上記スリットの部分における上記絶縁膜の幅は、上記スリット間における上記絶縁膜の幅よりも狭くなっており、上記絶縁膜の内周端に凹凸がある構成とすることにより、振動膜の下層にある絶縁膜の面積を抑えたものとし、絶縁膜による応力の影響をさらに低減することができる。
（４）上記振動膜は、上記スリットの内側かつ上記基板側の面にバンプを有する構成とすることにより、エッチング時に振動膜と基板が吸着するスティッキングと呼ばれる現象が発生する可能性を排除することができる。
（５）上記スリットが少なくとも２周に設けられ、該２周の内側の周のスリット間にエッチングホールが形成されている構成とすることにより、スリット間にエッチング残りが生じないようにすることができる。
（６）本開示のＭＥＭＳ素子の製造方法の一実施態様は、基板上に絶縁膜を形成する工程と、該絶縁膜上に導電体膜を形成し、周端部のパターニングをすると共に、該導電体膜の周縁部にスリットを形成することによって振動膜を形成する工程と、該振動膜上に犠牲層を形成する工程と、該犠牲層上に固定電極を含むバックプレート膜を形成する工程と、該バックプレート膜に複数個のアコースティックホール及び該複数個のアコースティックホールの外周にエッチングホールを備えたバックプレートを形成する工程と、上記振動膜の中心部の下に位置する上記基板に開口部を形成する工程と、上記基板をエッチング液に浸漬することによって、上記犠牲層の周縁部をスペーサーとして残存させると共に、上記振動膜の上記スリットの最外周側と上記振動膜の端部側から上記絶縁膜の一部を除去し、上記スリットの最外周と上記振動膜の端部との間に上記絶縁膜の一部のみを残すように上記振動膜の下の上記絶縁膜を除去する工程とを備え、上記エッチングホールを平面視で上記振動膜の上記スリットの最外周よりも上記バックプレートの周縁部側に形成し、かつ、上記エッチングホールの位置、上記エッチングホールの大きさ、エッチング時間、及びエッチング液の濃度の少なくとも一つを調整することによって、上記振動膜の下に残存する絶縁膜を、前記振動膜を保持するリング状に残存させることを特徴としている。
　本実施態様の製造方法によれば、ＭＥＭＳ素子の種類や製造ロットによって製造条件が変わっても、エッチングホールの位置や大きさ、エッチング条件のいずれかを調整することによって、常に最適な量の絶縁膜を残存させることができるので、均一で高感度なＭＥＭＳマイクロフォンなどのＭＥＭＳ素子が得られる。
（７）上記絶縁膜のエッチングの調整を、上記振動膜の下に残存する上記絶縁膜の中心部側の形状に突出部を有するように調整することが好ましい。
　１００、１０１　ＭＥＭＳ素子
　１　　　基板
　２　　　絶縁膜
　２ａ　　分断溝
　２ｃ　　バンプ形成用の凹部
　３　　　振動膜
　３ａ　　外側スリット
　３ｂ　　内側スリット
　３ｃ　　エッチングホール
　３ｄ　　振動膜の端部
　３ｅ　　バンプ
　３１　　導電体膜
　４　　　スペーサー
　４１　　犠牲層
　５　　　バックプレート
　５ａ　　固定電極
　５ｂ　　アコースティックホール
　５ｃ　　エッチングホール
　５１　　バックプレート膜
　６　　　柱
　２００　関連技術のＭＥＭＳ素子（マイクロフォン）
　１０　　基板
　２０　　絶縁膜
　３０　　振動膜
　４０　　スペーサー
　５０　　バックプレート

Claims (7)

  1. 開口部を備えた基板と、
    前記基板上に絶縁膜を介して形成されており、周縁部に端部に沿ってスリットが間欠的に形成された振動膜と、
    前記基板の周縁部に形成されたスペーサーに固定して形成されており、中心部に複数個のアコースティックホールを有するバックプレートと
    を備え、
    前記バックプレートは前記複数個のアコースティックホールの外周部で、かつ、平面視で前記振動膜の前記スリットの最外周端よりも端部側の位置にエッチングホールを有しており、前記スリットは、前記基板の開口部の形成されていない部分の上に位置するように形成されており、前記振動膜の端部及び前記振動膜の下の前記絶縁膜は前記スペーサーの下端部から離間しており、かつ、前記振動膜の下層の前記絶縁膜の前記スペーサー側の端部は前記振動膜の前記端部より前記スリット側に配置され、前記振動膜の下層の前記絶縁膜の前記スリット側の端部は前記スリットより前記スペーサー側に配置されている、
    ＭＥＭＳ素子。
  2. 前記振動膜が、その中央部に前記振動膜と前記バックプレートとを繋ぐ柱を有する、請求項１記載のＭＥＭＳ素子。
  3. 前記絶縁膜は前記スリットの内周側が除去されることによってリング状に残存しており、平面視で前記スリットの部分における前記絶縁膜の幅は、前記スリット間における前記絶縁膜の幅よりも狭くなっており、前記絶縁膜の内周端に凹凸がある、請求項１または２記載のＭＥＭＳ素子。
  4. 前記振動膜が、前記スリットの内側かつ前記基板側の面にバンプを有する、請求項１～３のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ素子。
  5. 前記スリットが少なくとも２周に設けられ、該２周の内側の周のスリット間にエッチングホールが形成されている、請求項１～４のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ素子。
  6. 基板上に絶縁膜を形成する工程と、
    前記絶縁膜上に導電体膜を形成し、周端部のパターニングをすると共に、前記導電体膜の周縁部にスリットを形成することによって振動膜を形成する工程と、
    前記振動膜上に犠牲層を形成する工程と、
    前記犠牲層上に固定電極を含むバックプレート膜を形成する工程と、
    前記バックプレート膜に複数個のアコースティックホール及び該複数個のアコースティックホールの外周にエッチングホールを備えたバックプレートを形成する工程と、
    前記振動膜の中心部の下に位置する前記基板に開口部を形成する工程と、
    前記基板をエッチング液に浸漬することによって、前記犠牲層の周縁部をスペーサーとして残存させると共に、前記振動膜の前記スリットの最外周側と前記振動膜の端部側から前記絶縁膜の一部を除去し、前記スリットの最外周と前記振動膜の端部との間に前記絶縁膜の一部のみを残すように前記振動膜の下の前記絶縁膜を除去する工程と
    を備え、
    前記エッチングホールを平面視で前記振動膜の前記スリットの最外周よりも前記バックプレートの周縁部側に形成し、かつ、前記エッチングホールの位置、前記エッチングホールの大きさ、エッチング時間、及びエッチング液の濃度の少なくとも一つを調整することによって、前記振動膜の下に残存する絶縁膜を、前記振動膜を保持するリング状に残存させることを特徴とする、ＭＥＭＳ素子の製造方法。
  7. 前記絶縁膜のエッチングの調整を、前記振動膜の下に残存する前記絶縁膜の中心部側の形状に突出部を有するように調整する、請求項６記載のＭＥＭＳ素子の製造方法。
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