JP4608993B2 - Micro electromechanical element, method for manufacturing the same, and electronic apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、微小電気機械素子とその製造方法、及び微小電気機械素子を備えた電子機器に関する。 The present invention is infinitesimal electromechanical device and a manufacturing method thereof, and an electronic apparatus including a micro-electromechanical device.
微小構造体、さらに静電駆動を利用した微小電気機械素子、いわゆるMEMS(Micro Electro Mechnical Systems)素子が開発されている。図20A,Bは、一般的な微小電気機械素子の代表的な一例である。この微小電気機械素子1は、基板2上に形成した基板側電極(以下、下部電極という)3と、この下部電極3に対向して平行配置したビーム5と、このビーム5の一端を支持する支持部6とを有して構成される。ビーム5と下部電極3とは、その間の空間4によって電気的に絶縁されている。ビーム5は、その一端がこれと一体の支持部6を介して基板2に支持された片持ち梁式構造に形成される。
Microstructures, and microelectromechanical elements using electrostatic drive, so-called MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) elements, have been developed. 20A and 20B are typical examples of general micro electromechanical elements. The
基板2は、例えば、シリコン(Si)やガリウム砒素(GaAs)などの半導体基板上に絶縁膜を形成した基板、石英基板やガラス基板のような絶縁性基板などが用いられる。下部電極3は、不純物をドーピングした多結晶シリコン膜、金属膜(多結晶W,Cr)などで形成される。ビーム3は、例えばシリコン窒化膜(SiN膜)等の絶縁膜(図示ぜず)と、その上面に形成された膜厚100nm程度の例えばAl膜からなる駆動側電極(以下、上部電極という)8とから構成される。
As the
この微小電気機械素子1は、下部電極3と上部電極8に与える電位に応じて、ビーム5が下部電極3との間に生じる静電力により変位し、例えば図20Bで示すように、下部電極3に対して平行状態(実線)と傾斜状態(破線)に変位する。
In this micro
図21A,Bは、一般的な微小電気機械素子の代表的な他の例である。この微小電気機械素子11は、基板2上に形成した下部電極3と、この下部電極3をブリッジ状に跨ぐように配置したビーム12とを有して構成される。ビーム12と下部電極3とは、その間の空間14によって電気的に絶縁されている。ビーム12は、その両端がこれと一体の支持部13〔13A,13B〕を介して基板2に支持された両持ち梁式構造に形成される。ビーム12は、前述と同様に絶縁膜(図示せず)と上部電極15の2層膜で形成される。
この微小電気機械素子11では、下部電極3と上部電極15に与える電位に応じて、ビーム12と下部電極3との間に生じる静電力により変位し、例えば図21Bの実線と破線で示すように、下部電極3に対してビーム12が平行状態と凹み状態に変位する。
FIGS. 21A and 21B are other typical examples of general microelectromechanical elements. The
In this
一方、上述のような微小電気機械素子は、温度や気圧、微小パーティクルなどの外部環境の影響を受けやすい。このため、可動構造部分であるビームについては空間的に密閉することが望ましい場合が多い。また、流体の流路などのように、密閉構造や分割構造を必要とする微小構造体も数多く存在する。 On the other hand, the micro electro mechanical element as described above is easily affected by the external environment such as temperature, atmospheric pressure, and micro particles. For this reason, it is often desirable to spatially seal the beam that is the movable structure portion. There are also many microstructures that require a sealed structure or a divided structure, such as a fluid flow path.
現在、微小電気機械素子において密閉構造を得る方法は、幾つか提案されている。図18は1つの方法を示す。この方法は、接合などにより微小電気機械素子に対して直接蓋をする方法である。すなわち、図18に示すように、先に基板22上に半導体プロセスを用いて下部電極23及び上部電極を有するビーム24を形成して微小電気機械素子25を形成する。ここでは、犠牲層を除去してビーム24の中空構造を形成する。犠牲層除去のプロセスまで終了した後、ガラス等によるカップ状の蓋体26を微小電気機械素子25の全体を蓋するように基板22上に配置し、蓋体26と基板22とを接合して密閉構造を得る。接合としては、Siの基板22と他の材料の蓋体26との直接接合の他、例えば金属層27のリフローによる接着などが行われる。
At present, several methods for obtaining a sealed structure in a microelectromechanical element have been proposed. FIG. 18 illustrates one method. This method is a method of directly covering the microelectromechanical element by bonding or the like. That is, as shown in FIG. 18, a micro
また、半導体プロセスを用いて密閉構造を得る方法として、図19に示す方法が考えられる。先ず、図19Aに示すように、基板22上の下部電極23を形成し、犠牲層28を介してビーム24を形成し、さらに微小電気機械素子25の全体を覆う犠牲層29を形成する。次いで、犠牲層29を覆うように、密閉層31を堆積し、この密閉層31の上面の一部に犠牲層用の抜き孔30を形成する。抜き孔30を通じて選択エッチングにより犠牲層29及び28を除去する。この犠牲層29及び28の除去で密閉層31に下側に空間32が形成される。次に、図19Bに示すように、抜き孔30に何らかの方法により封止物質33で封止する(鎖線図示)。このようにして微小電気機械素子25を密閉した密閉構造を得る。抜き孔30の封止方法はいくつかの技術が提案されており、例えば漏れ性の悪い有機ポリマー樹脂を用いる方法が特許文献1(微細構造体の製造方法)に開示されている。
Further, as a method for obtaining a sealed structure using a semiconductor process, a method shown in FIG. 19 is conceivable. First, as shown in FIG. 19A, the
ところで、微小電気機械素子を密閉する方法として、上述した図18の蓋体26と基板22を直接接合する密閉方法では、接合可能な材料の組み合わせが限られており、また接合後に応力の違いなどによる変形・破壊などの懸念が存在する。またより微細な空間を密閉するためには,必ずしも適当な方法とはいえない。
By the way, in the sealing method in which the
より微細な空間を密閉する方法としては、図19の密閉方法が適している。しかし、この方法の課題は犠牲層を除去した後の抜き孔30の封止である。例えばスパッタ法やCVD(化学気相成長)法などを用いて封止する場合、通常の手法では図19Bに示すように、封止物質33が抜き孔30を通過して内部空間内に堆積される。従って、抜き孔30が大きいと封止は極めて困難となる。抜き孔30が小さい場合でも密閉度が問題となるケースが多い。さらに、抜き孔30の下部にビーム24や回路などが存在する場合には、この方法は適用し難い。
As a method of sealing a finer space, the sealing method of FIG. 19 is suitable. However, the problem with this method is sealing the
また、密閉すべき内部空間32の容積が大きい場合には、犠牲層の抜き孔30が小さいと犠牲層29、28が十分に除去できないという懸念も存在する。これを解決するためには、小さい抜き孔30を多数形成することが考えられるが、抜き孔30が多数存在する場合には、これらが全て封止されていなければならず、歩留りの問題が生じる。
Further, when the volume of the
以上のことから、微小構造体、さらには静電駆動型の微小電気機械素子などにおいて、半導体プロセスを用いて密閉空間を容易に形成できる新規な技術が望まれる。 In view of the above, a novel technique that can easily form a sealed space using a semiconductor process in a microstructure, an electrostatically driven microelectromechanical element, or the like is desired.
本発明は、上述の点に鑑み、半導体プロセスを用いて密閉構造を容易に形成できるようにした微小電気機械素子とその製造方法、及び微小電気機械素子を備えた電子機器を提供するものである。 In view of the above points, intended to provide an electronic apparatus including infinitesimal electromechanical device and a manufacturing method thereof which is adapted to sealing structure can be easily formed, and a microelectromechanical device with semiconductor process is there.
本発明に係る微小電気機械素子は、基板上に形成され、下部電極と該下部電極に対して空間を挟んで対向するビームとからなる静電駆動型の微小電気機械素子本体と、基板上に形成され、微小電気機械素子本体を囲い、且つ該微小電気機械素子本体よりも高い外囲壁部と、基板上における外囲壁部の外側で支持され、製造過程で形成された犠牲層を除去した後に、膜自身の引張り応力により下側に下がり外囲壁部の上面に密着して外囲壁部で囲まれた空間を気密封止する上部膜とを有し、上部膜と外囲壁部で形成された密閉空間内に微小電気機械素子本体が密閉された構成とする。 A microelectromechanical device according to the present invention is formed on a substrate, and includes an electrostatically driven microelectromechanical device body formed of a lower electrode and a beam facing the lower electrode with a space in between, and a substrate. After removing the sacrificial layer that is formed and surrounds the microelectromechanical element body and is supported on the outer side of the outer wall part on the substrate and higher than the microelectromechanical element body, and formed in the manufacturing process An upper film that falls downward due to the tensile stress of the film itself, tightly contacts the upper surface of the outer wall part and hermetically seals the space surrounded by the outer wall part, and is formed by the upper film and the outer wall part The micro electromechanical element body is sealed in a sealed space.
本発明では、上部膜を、1軸方向に引張り応力を有する膜で形成し、1軸方向の両端部で基板に支持することができる。
本発明では、上部膜を、2軸方向に引張り応力を有する膜で形成し、2軸方向の4つの端部で基板に支持することができる。
In the present invention, the upper film can be formed of a film having a tensile stress in the uniaxial direction and can be supported on the substrate at both ends in the uniaxial direction .
In the present invention, the upper film can be formed of a film having a tensile stress in the biaxial direction, and can be supported on the substrate at four end portions in the biaxial direction .
本発明では、上部膜と外囲壁部の上面との間にリフロー材料層を介在させて構成することができる。
本発明では、上部膜を、室温雰囲気で引張り応力を有する膜で形成することができる。
本発明では、1軸方向と直交する方向に、上部膜の上面から外囲壁部の全幅の側面までの領域を覆って形成された被覆膜を有した構成とすることができる。
In the present invention, a reflow material layer can be interposed between the upper film and the upper surface of the outer wall portion.
In the present invention, the upper film can be formed of a film having a tensile stress in a room temperature atmosphere.
In this invention, it can be set as the structure which has the coating film formed covering the area | region from the upper surface of an upper film to the side surface of the full width of an outer wall part in the direction orthogonal to a uniaxial direction.
本発明に係る微小電気機械素子の製造方法は、基板上に、後に静電駆動型の微小電気機械素子本体となる下部電極と該下部電極に対して犠牲層を挟んで対向するビームとを形成し、前記微小電気機械素子本体を囲い、かつ該微小電気機械素子本体よりも高い外囲壁部を形成する工程と、外囲壁部内外を含んで外囲壁部を覆うように犠牲層を形成する工程を有する。さらに、外囲壁部を覆う犠牲層の上面を含み外囲壁部の外側の基板表面に至り、該基板表面に支持された引張り応力を有する上部膜を形成する工程と、それぞれの犠牲層を除去し、上部膜の引張り応力により上部膜を下側に下げて外囲壁部の上面に密着させて外囲壁部で囲まれた空間を気密封止する工程とを有し、上部膜と外囲壁部で形成された密閉空間内に前記微小電気機械素子本体を密閉する。 The method for manufacturing a microelectromechanical element according to the present invention forms a lower electrode, which will later become an electrostatically driven microelectromechanical element body, and a beam facing the lower electrode with a sacrificial layer interposed therebetween on a substrate. A step of enclosing the microelectromechanical element body and forming an outer wall part higher than the microelectromechanical element body, and a step of forming a sacrificial layer so as to cover the outer wall part including the inside and outside of the outer wall part Have Furthermore, a process of forming an upper film having a tensile stress supported on the substrate surface including the upper surface of the sacrificial layer covering the outer wall part and including the upper surface of the outer wall part, and removing each sacrificial layer A step of lowering the upper film downward due to the tensile stress of the upper film and closely contacting the upper surface of the outer wall part to hermetically seal the space surrounded by the outer wall part. The micro electromechanical element body is sealed in the formed sealed space.
本発明では、上部膜に1軸方向の引張り応力を有する膜を用い、上部膜を1軸方向の両端部で基板表面に支持することができる。
本発明では、上部膜に2軸方向の引張り応力を有する膜を用い、上部膜を2軸方向の4つの端部で基板表面に支持することができる。
In the present invention, using a membrane having one axial tensile stress in the upper layer, can it to support the substrate surface upper layer at both ends of the one axial direction.
In the present invention, using a membrane having two axial tensile stress in the upper layer, can it to support the substrate surface upper layer at four ends of the two axial directions.
本発明では、外囲壁部を覆う犠牲層を、エッチング特性の異なる第1の犠牲層及び第2の犠牲層で形成し、第1の犠牲層を、下部電極及びビームとの間の犠牲層と同じエッチング特性を有して外囲壁部内に形成し、第2の犠牲層を外囲壁部外に形成し、第1の犠牲層と下部電極及びビームとの間の犠牲層をエッチング除去した後、第2の犠牲層をエッチング除去して、上部膜の引張り応力により上部膜を下側に下げて外囲壁部の上面に密着させることができる。 In the present invention, the sacrificial layer covering the outer wall portion is formed by the first sacrificial layer and the second sacrificial layer having different etching characteristics, and the first sacrificial layer is formed between the lower electrode and the beam. After forming the second sacrificial layer outside the outer wall with the same etching characteristics, and etching away the sacrificial layer between the first sacrificial layer and the lower electrode and the beam, The second sacrificial layer can be removed by etching, and the upper film can be lowered by the tensile stress of the upper film to be in close contact with the upper surface of the outer wall portion.
本発明では、上部膜を室温雰囲気で引張り応力を有する膜で形成し、犠牲層を室温より高い温度雰囲気で犠牲層を除去し、該犠牲層を除去した状態では上部膜は下側に下がらず、犠牲層を除去した後、室温雰囲気下で上部膜に引張り応力を発生させて、上部膜を下側に下げて外囲壁部の上面に密着させることができる。 In the present invention, the upper film is formed of a film having a tensile stress in a room temperature atmosphere, the sacrificial layer is removed in a temperature atmosphere higher than room temperature, and the upper film is not lowered downward in a state where the sacrificial layer is removed. After removing the sacrificial layer , a tensile stress can be generated in the upper film in a room temperature atmosphere, and the upper film can be lowered to adhere to the upper surface of the outer wall portion.
本発明では、上部膜を圧縮応力を有する膜と引張り応力を有する膜の2層膜で形成し、犠牲層を除去した後に上部膜における上層の圧縮応力を有する膜を除去して引張り応力を有する膜のみの上部膜の応力を解放し、引張り応力を有する膜のみの上部膜を下側に下げて外囲壁部の上面に密着させることができる。 In the present invention, the upper film is formed of a two-layer film of a film having a compressive stress and a film having a tensile stress, and after removing the sacrificial layer, the film having the upper compressive stress in the upper film is removed to have a tensile stress. The stress of the upper film only of the film can be released, and the upper film of only the film having the tensile stress can be lowered to be in close contact with the upper surface of the outer wall portion.
本発明では、犠牲層の形成前に、外囲壁部の上面にリフロー材料層を形成する工程と犠牲層を除去し、上部膜を下側に下げて外囲壁部の上面のリフロー材料層に接触させた後、リフロー材料層をリフロー処理する工程を有するようにすることができる。
本発明では、上部膜を外囲壁部の上面に密着させる工程の後、1軸方向と直交する方向に、上部膜の上面から外囲壁部の全幅の側面までの領域を覆う被覆膜を形成する工程を有するようにすることができる。
In the present invention, before forming the sacrificial layer, the step of forming the reflow material layer on the upper surface of the outer wall and the sacrificial layer are removed, and the upper film is lowered to contact the reflow material layer on the upper surface of the outer wall. Then, a step of reflowing the reflow material layer can be provided.
In the present invention, after the step of bringing the upper film into close contact with the upper surface of the outer wall portion, a coating film covering the region from the upper surface of the upper film to the full width side surface of the outer wall portion is formed in a direction perpendicular to the uniaxial direction. It is possible to have a process of performing.
本発明に係る電子機器は、上述のいずれかの微小電気機械素子を、備えて成る。
本発明の電子機器では、送信信号及び/又は受信信号の帯域制限を行うフィルタを備え、フィルタとして、上述のいずれかの微小電気機械素子によるフィルタを用いて、通信装置として構成することができる。
Electronic device according to the present invention, any of the micro-electromechanical device described above, Ru formed comprises.
The electronic apparatus according to the present invention includes a filter that limits the band of a transmission signal and / or a reception signal, and can be configured as a communication device using any of the above-described micro electromechanical elements as a filter.
本発明に係る微小電気機械素子によれば、上部膜の自らの引張り応力を利用することにより、上部膜は自動的に下げられて微小電気機械素子本体を囲う外囲壁部の上面に密着する。この上部膜の外囲壁部上面への密着によって微小電気機械素子本体が密閉される。すなわち、密閉された微小電気機械素子本体を有する微小電気機械素子を半導体プロセスを用いて容易に実現することができる。 According to the micro-electromechanical device according to the present invention, by utilizing its own pull-clad stress of the upper film, the upper layer is in close contact with the upper surface of the outer periphery wall section surrounding the automatically lowered by micro-electromechanical device body . The microelectromechanical element body is sealed by the close contact of the upper film with the upper surface of the outer wall portion. That is, a micro electro mechanical element having a sealed micro electro mechanical element body can be easily realized by using a semiconductor process.
本発明に係る微小電気機械素子の製造方法によれば、微小電気機械素子本体を囲う外囲壁部の内外を含んで外囲壁部を覆うように犠牲層を形成し、犠牲層の上面を含み外囲壁部の外側の基板表面に至る引張り応力を有する上部膜を形成した後、犠牲層を除去することにより、犠牲層の除去に上部膜は自らの引張り応力で自動的に下げられて外囲壁部の上面に密着する。この上部膜の外囲壁部上面への密着により微小電気機械素子本体が密閉され、密閉構造の微小構造体を製造することができる。本発明では半導体プロセスを用いて容易にかかる微小構造体を製造することができる。 According to the method for manufacturing a microelectromechanical element according to the present invention, the sacrificial layer is formed so as to cover the outer wall including the inner and outer sides of the outer wall surrounding the microelectromechanical element body , and includes the upper surface of the sacrificial layer. After forming the upper film having a tensile stress that reaches the substrate surface outside the surrounding wall , by removing the sacrificial layer, the upper film is automatically lowered by its own tensile stress to remove the sacrificial layer. Adhere to the top surface of The microelectromechanical element main body is hermetically sealed by the close contact of the upper film with the upper surface of the outer wall portion, and a micro structure having a sealed structure can be manufactured. In the present invention, such a microstructure can be easily manufactured using a semiconductor process.
さらに、本発明の微小電気機械素子及びその製造方法によれば、上部膜に1軸方向の引張り応力を有する膜を用いることにより、犠牲層を除去した後、上部膜は1軸方向に引っ張られ、自動的に下がり外囲壁部の上面に密着する。
上部膜に2軸方向の引張り応力を有する膜を用いることにより、犠牲層を除去した後、上部膜は2軸方向に引っ張られ、自動的に下がり外囲壁部の上面に密着する。この場合上部膜は2軸方向に引っ張られて下げられるので、密閉度を高めることができる。
Furthermore, according to the micro-electromechanical device and a manufacturing method thereof of the present invention, by using a membrane having one axial tensile stress in the upper part film, after removing the sacrificial layer, the upper layer is tensile in one axial direction It is automatically lowered and closely contacts the upper surface of the outer wall.
By using a film having a tensile stress in the biaxial direction as the upper film, after removing the sacrificial layer, the upper film is pulled in the biaxial direction and automatically falls and closely contacts the upper surface of the outer wall portion. In this case, since the upper film is pulled and lowered in the biaxial direction, the sealing degree can be increased.
犠牲層としてエッチング特性を異にする第1及び第2の犠牲層を形成し、2つの犠牲層を段階的に除去することにより、密閉構造内部の犠牲層残りが回避され、犠牲層残りに起因する微小電気機械素子本体の動作不良を低減し、歩留りを向上することができる。
上部膜を室温雰囲気で引張り応力を有する膜で形成し、高温雰囲気で犠牲層を除去したときには上部膜が下がらず、その後の室温雰囲気下で上部膜に引張り応力を生じさせて、上部膜を外囲壁部の上面に下げ密着させることにより、密閉構造内の犠牲層を確実に除去することができ、犠牲層残りに起因する微小電気機械素子本体の動作不良を低減し、歩留りを向上することができる。
By forming the first and second sacrificial layers having different etching characteristics as the sacrificial layer and removing the two sacrificial layers in stages, the remaining sacrificial layer inside the sealed structure is avoided, resulting from the sacrificial layer remaining. It is possible to reduce the malfunction of the microelectromechanical element main body and improve the yield.
When the upper film is formed of a film having a tensile stress in a room temperature atmosphere and the sacrificial layer is removed in a high temperature atmosphere, the upper film is not lowered, and a tensile stress is generated in the upper film in the subsequent room temperature atmosphere to remove the upper film. By lowering and adhering to the upper surface of the surrounding wall portion, the sacrificial layer in the sealed structure can be surely removed, the malfunction of the microelectromechanical element main body due to the remaining sacrificial layer can be reduced, and the yield can be improved. it can.
上部膜を圧縮応力を有する膜と引張り応力を有する膜の2層膜で形成することにより、犠牲層を除去しても2層膜は応力が釣り合っているので下がらない。その後、圧縮応力を有する膜を除去することにより、引張り応力を有する膜のみの上部膜の応力が解放され、自動的に上部膜は下げられて外囲壁部の上面に密着する。この場合も、密閉構造内の犠牲層を確実に除去することができ、犠牲層残りに起因する微小電気機械素子本体の動作不良を低減し、歩留りを向上することができる。 By forming the upper film with a two-layer film of a film having compressive stress and a film having tensile stress, even if the sacrificial layer is removed, the two-layer film does not drop because the stress is balanced. Thereafter, by removing the film having a compressive stress, the stress of Mino upper layer of a film having a tensile stress is released, automatically upper layer is lowered to contact the upper surface of the outer periphery wall section. Also in this case, the sacrificial layer in the sealed structure can be surely removed, the malfunction of the microelectromechanical element body due to the remaining sacrificial layer can be reduced, and the yield can be improved.
犠牲層を形成前に外囲壁部の上面にリフロー材料層を形成し、上部膜を外囲壁部上に接触させた後、リフロー処理して上部膜を外囲壁部の上面に密着させることにより、より密閉度向上することができる。
犠牲層を除去し上部膜を外囲壁部の上面に密着させた後、さらに1軸方向と直交する方向に、上部膜の上面から外囲壁部の全幅の側面までの領域を覆う被覆膜を形成することにより、より密閉度向上することができる。
Before the sacrificial layer is formed, a reflow material layer is formed on the upper surface of the outer wall portion, and after the upper film is brought into contact with the outer wall portion, the upper film is brought into close contact with the upper surface of the outer wall portion by reflow treatment. The degree of sealing can be further improved.
After the sacrificial layer is removed and the upper film is brought into close contact with the upper surface of the outer wall portion, a coating film that covers the region from the upper surface of the upper film to the side surface of the entire width of the outer wall portion in a direction perpendicular to the uniaxial direction. By forming, the degree of sealing can be further improved.
本発明に係る電子機器によれば、上述の密閉度のよい微小電気機械素子本体が密閉された微小電気機械素子を備えることにより、この種の電子機器の信頼性を向上することができる。例えば、信頼性を向上させた通信装置を提供することができる。 According to the electronic apparatus of the present invention, by providing a microelectromechanical device good sealing level infinitesimal electromechanical device body is closed above, it is possible to improve the reliability of this type of electronic equipment. For example, a communication device with improved reliability can be provided.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
本発明は、密閉が必要な微小電気機械素子(いわゆるMEMS素子)において、強い引張り応力を有する膜を用いて、自動的に密閉構造を形成するものである。 The present invention provides a dense closed is required microelectromechanical device (so-called MEMS device), using a membrane having a high tensile stress, is to automatically form a sealed structure.
図1は、本発明に係る微小電気機械素子(いわゆるMEMS素子)の実施の形態を示す。本実施の形態に係る微小電気機械素子41は、基板42上に下部電極43とこの下部電極43に対して空間44を挟んで対向するビーム45とからなる微小電気機械素子本体46が形成され、この微小電気機械素子本体46を囲うように外囲壁部48が形成され、この外囲壁部48の上面に膜特性、すなわち引張り応力により降下した上部膜49が密着され、微小電気機械素子本体46が外囲壁部48と上部膜49とによって密閉されて成る。上部膜49は、中央領域が外囲壁部48で囲まれた領域を蓋するように形成されると共に、両端が固定点となる支持部49A,49Bとして基板42に固着される。この微小電気機械素子本体46は、外囲壁部48と上部膜49とによって形成される密閉空間内に配置される。
FIG. 1 shows an embodiment of a microelectromechanical element (so-called MEMS element) according to the present invention. The
外囲壁部48及び上部膜49は、半導体プロセスで使用可能な材料で形成される。前述と同様に、基板42は、例えばシリコン(Si)やガリウム砒素(GaAs)などの半導体基板上に絶縁膜を形成した基板、石英基板やガラス基板のような絶縁性基板などが用いられる。下部電極43は、不純物をドーピングした多結晶シリコン膜、金属膜(多結晶W,Cr)などで形成される。ビーム45は、シリコン窒化膜(SiN膜)、シリコン酸化膜(SiO2 膜)、その他の絶縁膜(図示ぜず)と、その上面に形成された上部電極(図示せず)とから構成される。
The
本実施の形態に係る微小電気機械素子41によれば、上部膜自身が有する引張り応力により、自動的に降下して外囲壁部の上面に密着して構成されるので、微小電気機械素子本体は外囲壁部と上部膜により密閉空間内に封じ込められる。これにより、半導体プロセスを用いて容易に微小電気機械素子本体の密閉を実現することができ、前述した従来の密閉構造における懸念を解決することができる。
According to the
次に、本発明に係る微小電気機械素子の各実施の形態について、その製法と共に説明する。 Next, each embodiment of the microelectromechanical element according to the present invention will be described together with its manufacturing method.
図2〜図3は、第1実施の形態に係る微小電気機械素子を示す。本実施の形態は、強い引張り応力を有する上部膜を犠牲層上に形成し、犠牲層を除去することによって自動的に密閉構造となした微小電気機械素子を得るようにしたものである。
先ず、図2Aに示すように、基板42上の微小電気機械素子本体の形成領域に下部電極43を形成し、またこの形成領域の外側に該形成領域を囲うように所要の高さH1 、すなわち後で形成するビームの高さ位置より高い外囲壁部48を形成する。さらに、下部電極43を覆うように選択的に第1の犠牲層51を形成し、犠牲層51の上面から一部基板42の面に延長するビーム45を形成する。ビーム45は絶縁膜とその上の上部電極で形成される。犠牲層51は、同時に外囲壁部48内と外囲壁部48外に選択的に形成され、外囲壁部48外では外囲壁部48を挟んで一対の開口53A,53Bを有する犠牲層51が形成される。第1の犠牲層51の膜厚H2 は外囲壁部48の高さH1 より低い膜厚に設定される。
2 to 3 show the microelectromechanical element according to the first embodiment. In the present embodiment, an upper film having a strong tensile stress is formed on a sacrificial layer, and the sacrificial layer is removed to automatically obtain a microelectromechanical element having a sealed structure.
First, as shown in FIG. 2A, the
次に、図2Bに示すように、外囲壁部48の上面よりも高くなるように第2の犠牲層54を形成する。すなわち第2の犠牲層54の上面から基板42の面までの高さH3 は外囲壁部48の高さH1 より高くなる。この第2の犠牲層54を選択エッチングによりパターニングする。この第2の犠牲層54は、外囲壁部48内、外囲壁部48及び外囲壁部48外の一部を含む領域に形成される。ここで、第2の犠牲層54のエッチングの深さは、外囲壁部48の外側において外囲壁部48の高さH1 より低くなる深さであればよく、エッチング深さに対して特に精度良くエッチングする必要はない。第1及び第2の犠牲層51及び54は同物質であるか、もしくは同一プロセスによって除去可能な物質で形成する。第2の犠牲層54の上面は、例えばCMP(化学機械研磨)等の工程により平坦な面に形成する。
Next, as shown in FIG. 2B, the second
次に、図2Cに示すように、第1及び第2の犠牲層51及び54上、開口53A,53B内を含んで引張り応力の強い上部膜49を堆積し、この上部膜49を外囲壁部48を被覆する幅でパターニングする。上部膜49の開口53A,53Bに対応する部分が基板42に固着された支持部49A,49Bとなる。引張り応力の強い上部膜49としては、例えば減圧CVD法により形成されるシリコン窒化膜(SiN膜)とすることができる。
Next, as shown in FIG. 2C, an
次に、図3Dに示すように、第1及び第2の犠牲層51及び54を除去する。例えば、犠牲層51及び54をポリシリコン膜で形成するときは、XeF2のエッチングガスを用いてエッチング除去する。これにより下部電極43と空間44を挟んで対向するビーム45とによる微小電気機械素子本体46が形成される。また、犠牲層51及び54が完全に除去されると、強い引張り応力を有する上部膜49も同時に解放される。このとき上部膜49は、応力F1 により両端方向へ引っ張られる。
Next, as shown in FIG. 3D, the first and second
そして、図3Eに示すように、この上部膜49自身が持つ引張り応力F1 により、上部膜49は下側へシフトして(下がり)、自動的に外囲壁部48の上面に密着し、外囲壁部48と上部膜49で密閉空間55を形成する。すなわち、微小電気機械素子本体46がこの密閉空間55内に密閉された目的の微小電気機械素子411が得られる。
As shown in FIG. 3E, due to the tensile stress F1 of the
図4A,Bは、この上部膜49が解放された前後の形状をシミュレーションにより解析した結果を示している。図4Aに示す犠牲層を除去する前(解放前)は、上部膜49の形状が犠牲層に沿った形状であり、例えば各段差の高さd1 =500nm、高さd2 =300nmである。そして、図4Bに示すように、犠牲層を除去した後(解放後)は、上部膜49の全体に引張り応力が働き、自ら上部膜49が下がって、例えば上面が高さd3 =300nmになっていることが分かる。
4A and 4B show the result of analyzing the shape before and after the
第1実施の形態によれば、犠牲層51、54を除去した後、上部膜49が自らの引張り応力F1 により、微小電気機械素子本体46を囲う外囲壁部48に蓋する形になり、中空構造の微小電気機械素子本体46を内部に含む密閉構造の微小電気機械素子を実現することがでる。密閉度に高いパッケージングが必要となる微小電気機械素子、もしくは望ましい微小電気機械素子を、半導体プロセスを用いて容易に実現することができる。
According to the first embodiment, after the
図5は、第1実施の形態の上部膜49として1軸方向に引張り応力F1 を有する膜を用いたときの、外囲壁部48と上部膜49の構成を模式的に示している。
FIG. 5 schematically shows the configuration of the
図6は、第2実施の形態に係る微小電気機械素子を示す。本実施の形態は、強い引張り応力を有する上部膜を、2軸方向に応力を作用させて密閉性を増大させた微小電気機械素子を得るようにしたものである。
第2実施の形態に係る微小電気機械素子412は、その基本構造を第1実施の形態の構造と同じであるも、特に、図6の模式図で示すように、上部膜49が外囲壁部48に囲まれた領域を蓋する中央領域49Eと、2軸方向に固定点となる支持部49A,49B,及び49C,49Dを有して、引張り応力F2 ,F3 が2軸方向に作用するような膜構造に形成されて構成される。その他の構成は、第1実施の形態と同様であるので重複説明を省略する。
FIG. 6 shows a microelectromechanical element according to the second embodiment. In the present embodiment, a micro electromechanical element in which the upper film having a strong tensile stress is subjected to stress in two axial directions to increase the hermeticity is obtained.
The
第2実施の形態によれば、2軸方向に引張り応力を有する上部膜49を有することにより、外囲壁部48と上部膜49との密着性がさらに良好となり、内部の密閉度をより向上することができる。そして、本実施の形態の微小電気機械素子412は、中空構造の微小電気機械素子46を内部に含む密閉構造について、より密閉度を高めることができる。ただし、この構造自体のフットプリント(いわゆる占有面積)は増大するため、用途及び要求に合わせて第1実施の形態と併用することが望ましい。
According to the second embodiment, by having the
図7及び図8は、第3実施の形態に係る微小電気機械素子を示す。本実施の形態は、複数段階の犠牲層の除去工程により、内部の犠牲層残りを生じさせない密閉構造となした微小電気機械素子を得るようにしたものである。この第3実施の形態に係る基本構造は、第1実施の形態、もしくは第2実施の形態の構造と同一である。 7 and 8 show a microelectromechanical element according to a third embodiment. In the present embodiment, a microelectromechanical element having a sealed structure that does not cause an internal sacrificial layer residue is obtained by a plurality of stages of sacrificial layer removal processes. The basic structure according to the third embodiment is the same as the structure of the first embodiment or the second embodiment.
先ず、図7Aに示すように、前述と同様に基板42上に下部電極43、外囲壁部48、第1の犠牲層51、微小電気機械素子45を形成した後、エッチング特性を異にする複数の犠牲層を形成する。本例では、第1の犠牲層51除去工程と同じ工程で除去可能な第3の犠牲層57と第3の犠牲層57の除去工程では除去されない第4の犠牲層58の2つの犠牲層を外囲壁部48の上面よりも高くなるように形成する。第3の犠牲層57は外囲壁部48内から外囲壁部48の外側の一部にわたって形成し、第4の犠牲層58は第3の犠牲層57の外側に形成し、パターニングして、前述の第1実施の形態の第2の犠牲層54と略同様の形状に形成する。外囲壁部48の外側に位置する犠牲層には、外囲壁部48を挟んで基板42が臨む一対の開口53A,53Bを形成する。第3及び第4の犠牲層57及び58は、前述の第1実施の形態の第2の犠牲層54と同じ条件で形成する。
この例では、第4の犠牲層58は外囲壁部48外に形成し、第3の犠では47は残りの全ての部分に形成する。また、第1の犠牲層51と第3の犠牲層57は同材質、あるいは同じエッチングで除去可能な材料で形成する。
次いで、第3及び第4の犠牲層57及び58上、開口53A,53B内を含んで引張り応力の強い上部膜49を堆積し、この上部膜49を外囲壁部48が被覆されるパターンでパターニングする。
First, as shown in FIG. 7A, after the
In this example, the fourth
Next, an
次に、図7Bに示すように、第1及び第3の犠牲層51及び57を同じ除去工程で除去する。この除去工程では、第4の犠牲層58は除去されずに残る。この第4の犠牲層58の存在により、上部膜48による密閉は行われず、第1及び第3の犠牲層51及び57は確実に除去される。この犠牲層51及び57の除去で、下部電極43と空間44を挟んで対向するビーム45とによる微小電気機械素子本体46が形成される。
Next, as shown in FIG. 7B, the first and third
次に、図8Cに示すように、第4の犠牲層58を所要のエッチングガスを用いて除去する。第4の犠牲層58が除去されると、強い引張り応力を有する上部膜49も同時に解放され、例えば1軸方向の応力を有する場合には、上部膜49が応力F1 により両端方向へ引っ張られる。
Next, as shown in FIG. 8C, the fourth
そして、図8Dに示すように、この上部膜49自身が持つ引張り応力F1 により、上部膜49は下側へシフトして(下がる)、自動的に外囲壁部48の上面に密着し、外囲壁部48と上部膜49で密閉空間55を形成する。すなわち、微小電気機械素子本体46がこの密閉空間55内に密閉された目的の微小電気機械素子413が得られる。
Then, as shown in FIG. 8D, the
第3実施の形態によれば、犠牲層51、57、58を除去した後、上部膜49が自らの引張り応力F1 により、微小電気機械素子本体46を囲う外囲壁部48に蓋する形になり、中空構造の微小電気機械素子本体46を内部に含む密閉構造の微小電気機械素子413を実現することがでる。密閉度に高いパッケージングが必要となる微小電気機械素子、もしくは望ましい微小電気機械素子を、半導体プロセスを用いて容易に実現することができる。
さらに、犠牲層としてエッチング特性の異なる第3及び第4の犠牲層57及び58を形成して、第3及び第4の犠牲層57及び58を段階的に除去することにより、第1、第2実施の形態と比較してより確実に密閉構造内の犠牲層を除去することができる。従って、犠牲層のエッチング残りに起因する微小電気機械素子本体46の動作不良を低減し、歩留りを向上することができる。
According to the third embodiment, after the
Further, the third and fourth
図9及び図10は、第4実施の形態に係る微小電気機械素子を示す。本実施の形態は、犠牲層を除去したときに上部膜が下がらず、その後に上部膜の膜特性を変化させて密閉構造となした微小電気機械素子を得るようにしたものである。本実施の形態の基本構造は、第1実施の形態、もしくは第2実施の形態の構造と同一である。 9 and 10 show a microelectromechanical element according to a fourth embodiment. In this embodiment, when the sacrificial layer is removed, the upper film is not lowered, and thereafter the film characteristics of the upper film are changed to obtain a microelectromechanical element having a sealed structure. The basic structure of this embodiment is the same as the structure of the first embodiment or the second embodiment.
先ず、図9Aに示すように、例えば前述の図2Aと同様に、基板42上に下部電極43、外囲壁部48、第1の犠牲層51、開口53A,53B、ビーム45を形成し、さらに第2の犠牲層54を形成する。次いで、成膜状態では引張り応力を有さず、熱環境(つまり温度雰囲気)を変化させることにより引張り応力が発生する上部膜61を、第2の犠牲層54、第1の犠牲層51及び開口53A,53B内を含んで堆積し、この上部膜61を外囲壁部48が被覆されるようなパターンでパターニングする。上部膜61としては、例えば、高温(例えば700℃)の成膜では応力を有さず、成膜後に低温(例えば300〜400℃)あるいは室温としたときに引張り応力を有するシリコン窒化膜(SiN膜)などを用いることができる。本例では高温時に引張り応力を有さず、室温で引張り応力を有する物質を上部膜61として用いる。
First, as shown in FIG. 9A, the
次に、図9Bに示すように、第1及び第2の犠牲層51及び54を高温雰囲気下でエッチング除去する。このとき、上部膜61は引張り応力を有していないので、犠牲層51及び54が完全に除去されても上部膜49が応力で下がることはない。この犠牲層51及び57の除去で、下部電極43と空間44を挟んで対向するビーム45とによる微小電気機械素子本体46が形成される。
Next, as shown in FIG. 9B, the first and second
次に、図10Cに示すように、犠牲除去後に熱環境を変える。すなわち、雰囲気を室温に戻す。室温に戻すことにより上部膜61に引張り応力、例えば1軸方向の引張り応力F1 が発生する。 Next, as shown in FIG. 10C, the thermal environment is changed after sacrificial removal. That is, the atmosphere is returned to room temperature. By returning to room temperature, a tensile stress, for example, a uniaxial tensile stress F1 is generated in the upper film 61.
そして、図10Dに示すように、上部膜61に発生した引張り応力F1 により、上部膜61は下側へシフトして(下がり)、自動的に外囲壁部48の上面に密着し、外囲壁部48と上部膜61で密閉空間55を形成する。すなわち、微小電気機械素子本体46がこの密閉空間55内に密閉された目的の微小電気機械素子414が得られる。
Then, as shown in FIG. 10D, due to the tensile stress F1 generated in the upper film 61, the upper film 61 is shifted downward (lowered), and is automatically brought into close contact with the upper surface of the
第4実施の形態によれば、犠牲層51、54を除去した後、熱環境を変えて上部膜49に発生する引張り応力F1 により、微小電気機械素子本体46を囲う外囲壁部48に上部膜61が蓋する形になり、中空構造の微小電気機械素子本体46を内部に含む密閉構造の微小電気機械素子414を実現することがでる。密閉度に高いパッケージングが必要となる微小電気機械素子、もしくは望ましい微小電気機械素子を、半導体プロセスを用いて容易に実現することができる。
さらに、上部膜として、犠牲層51、54が除去されたときには引張り応力を有さず、犠牲層除去後の室温雰囲気で引張り応力を有する上部膜61を用いることにより、第1、第2実施の形態と比較して確実に密閉構造内の犠牲層を除去することができる。従って、犠牲層のエッチング残りに起因する微小電気機械素子本体46の動作不良を低減し、歩留りを向上することができる。
According to the fourth embodiment, after the
Further, as the upper film, by using the upper film 61 having no tensile stress when the
図11は、第5実施の形態に係る微小電気機械素子を示す。本実施の形態は、上部膜として引張り応力を有する膜と圧縮応力を有する膜の2層膜で形成し、最終的に圧縮応力を有する膜を除去して密閉構造とした微小電気機械素子を得るようにしたものである。この第5実施の形態に係る基本構造は、第1実施の形態、もしくは第2実施の形態の構造と同じである。 FIG. 11 shows a microelectromechanical element according to the fifth embodiment. In this embodiment, a microelectromechanical element having a sealed structure is formed by forming a film having a tensile stress and a film having a compressive stress as an upper film, and finally removing the film having a compressive stress. It is what I did. The basic structure according to the fifth embodiment is the same as the structure of the first embodiment or the second embodiment.
先ず、図11Aに示すように、例えば前述の図2Aと同様に、基板42上に下部電極43、外囲壁部48、第1の犠牲層51、開口53A,53B、ビーム45を形成し、さらに第2の犠牲層54を形成する。次いで、強い引張り応力を有する膜62とその上の強い圧縮応力を有する膜63とを積層した2層膜64を、第2の犠牲層54、第1の犠牲層51及び開口53A,53B内を含んで堆積し、この2層膜64を外囲壁部48が被覆されるようなパターンでパターニングする。引張り応力を有する膜62は、最終的に密閉に供する上部膜となる。引張り応力を有する膜62としては、例えばシリコン窒化膜(SiN膜)を用いることができる。圧縮応力を有する膜63としては、例えばチタン窒化膜(TiN膜)を用いることができる。この場合、両膜62及び63は、それぞれ互いに応力が相殺されるような強さの引張り応力及び圧縮応力を有する。
First, as shown in FIG. 11A, for example, the
次に、図11に示すように、第1及び第2の犠牲層51及び54をエッチング除去する。このとき、引張り応力を有する膜62は、圧縮応力を有する膜63の応力により、引張り方向の応力が相殺されているため、2層膜64は下がらない。犠牲層51及び54が除去されることにより、外囲壁部48内に下部電極43と空間44を挟んで対向するビーム45とによる微小電気機械素子本体46が形成される。
Next, as shown in FIG. 11, the first and second
次に、図11Cに示すように、2層膜64の上側に形成されている圧縮応力を有する膜63のみを除去する。この工程後、引張り応力を有する膜、すなわち上部膜62は、応力が解放されて下側へシフトし(下がり)、自動的に外囲壁部48の上面に密着し、外囲壁部48と上部膜62で密閉空間55を形成する。すなわち、微小電気機械素子本体46がこの密閉空間55内に密閉された目的の微小電気機械素子415が得られる。
Next, as shown in FIG. 11C, only the
第5実施の形態によれば、犠牲層51、54を除去した後に、上層の圧縮応力を有する膜63が除去され、上部膜となる引張り応力を有する膜62の応力が解放されることにより、微小電気機械素子本体46を囲う外囲壁部48に上部膜61が蓋する形になり、中空構造の微小電気機械素子本体46を内部に含む密閉構造の微小電気機械素子414を実現することがでる。密閉度に高いパッケージングが必要となる微小電気機械素子、もしくは望ましい微小電気機械素子を、半導体プロセスを用いて容易に実現することができる。
さらに、第1、第2実施の形態と比較して確実に密閉構造内の犠牲層を除去することができる。従って、犠牲層のエッチング残りに起因する微小電気機械素子本体46の動作不良を低減し、歩留りを向上することができる。
According to the fifth embodiment, after removing the
Furthermore, the sacrificial layer in the sealed structure can be reliably removed as compared with the first and second embodiments. Therefore, it is possible to reduce the malfunction of the
図12は、第6実施の形態に係る微小電気機械素子を示す。本実施の形態は、最終的に上部膜と密着する箇所にリフロー可能な材料層を形成してリフローさせ、密閉度に高い密閉構造とした微小電気機械素子を得るようにしたものである。この第6実施の形態に係る基本構造は、第1実施の形態、第2実施の形態の構造と同じである。 FIG. 12 shows a microelectromechanical element according to the sixth embodiment. In the present embodiment, a reflowable material layer is finally formed at a position where it is in close contact with the upper film and is reflowed to obtain a microelectromechanical element having a sealed structure with a high sealing degree. The basic structure according to the sixth embodiment is the same as the structure of the first and second embodiments.
先ず、図12Aに示すように、例えば前述の図2Aと同様に、基板42上に下部電極43、外囲壁部48、第1の犠牲層51、開口53A,53B、ビーム45を形成し、さらに第2の犠牲層54、上部膜49を形成する。そして、本例では特に、外囲壁部48の上面にリフロー可能なリフロー材料層66を形成する。このリフロー材料層66としては、例えばクロム(Cr)や金(Au)などによる金属膜を用いることができる。リフロー材料層66は、例えば第2の犠牲層45を形成する前の工程で形成することができる。
First, as shown in FIG. 12A, for example, the
次に、図12Bに示すように、犠牲層51及び54をエッチング除去する。この犠牲層の除去で上部膜48の応力は解放され、上部膜48自身が有する引張り応力F1 により上部膜49が自動的に下側にシフトし(下がり)、外囲壁部48の上面に形成されているリフロー材料層66上に接触する。
Next, as shown in FIG. 12B, the
次に、図12に示すように、リフロー処理を行い、外囲壁部48上のリフロー材料層66をリフローする。このリフロー処理により、外囲壁部48と上部膜49との間の密着性が向上する。このようにして、外囲壁部48と上部膜49で形成された密閉空間55内に微小電気機械素子本体46が密閉された目的の微小電気機械素子416が得られる。
Next, as shown in FIG. 12, a reflow process is performed to reflow the
第6実施の形態によれば、前述の実施の形態と同様に、犠牲層51、54を除去した後に、上部膜49の応力が解放されることにより、微小電気機械素子本体46を囲う外囲壁部48に上部膜61が蓋する形になり、中空構造の微小電気機械素子本体46を内部に含む密閉構造の微小電気機械素子416を実現することがでる。密閉度に高いパッケージングが必要となる微小電気機械素子、もしくは望ましい微小電気機械素子を、半導体プロセスを用いて容易に実現することができる。
さらに、本実施の形態では、上部膜49と外囲壁部48間にリフロー材料層66を形成したことにより、第1、第2実施の形態と比較して密閉構造内の機密性を向上することができる。従って、密閉性が十分でないことによる不良が低減し、歩留りを向上することができる。
According to the sixth embodiment, as in the above-described embodiment, after the
Furthermore, in the present embodiment, the
図13は、第7実施の形態に係る微小電気機械素子を示す。本実施の形態は、上部膜の応力解放後に、別の膜を新たに形成して密閉度の高い密閉構造とした微小電気機械素子を得るようにしたものである。本実施の形態の基本構造は、第1実施の形態の構造と同じである。 FIG. 13 shows a microelectromechanical element according to the seventh embodiment. In the present embodiment, after the stress of the upper film is released, another film is newly formed to obtain a microelectromechanical element having a highly sealed structure. The basic structure of the present embodiment is the same as that of the first embodiment.
先ず、図13Aに示すように、前述の図3Dの犠牲層51、54を除去する工程までを行う。上部膜49の応力が解放され、上部膜49が自身の引張り応力により下がり、上部膜49が外囲壁部48の上面に密着される。
First, as shown in FIG. 13A, the steps up to the step of removing the
次に、図13B及びCに示すように、上部膜49の上面から上部膜49の側面、さらに段差68から外囲壁部48の側面にわたるように所要の被覆膜67を形成する。この被覆膜67は、段差68に十分形成される膜が望ましく、例えばCVD法によるSiN膜、SiO2 膜等で形成することができる。この被覆膜67により、密着部分は完全に密閉される。このようにして、外囲壁部48と上部膜49で形成された密閉空間55内に微小電気機械素子本体46が密閉された目的の微小電気機械素子417が得られる。
Next, as shown in FIGS. 13B and 13C, a required
第7実施の形態によれば、前述の実施の形態と同様に、犠牲層51、54を除去した後に、上部膜49の応力が解放されることにより、微小電気機械素子本体46を囲う外囲壁部48に上部膜61が蓋する形になり、中空構造の微小電気機械素子本体46を内部に含む密閉構造の微小電気機械素子417を実現することがでる。密閉度に高いパッケージングが必要となる微小電気機械素子、もしくは望ましい微小電気機械素子を、半導体プロセスを用いて容易に実現することができる。
さらに、本実施の形態では、上部膜49の上面から外囲壁部48の側面にわたり被覆膜67を形成することにより、第1、第2実施の形態と比較して密閉構造内の機密性を向上することができる。従って、密閉性が十分でないことによる不良が低減し、歩留りを向上することができる。
According to the seventh embodiment, as in the above-described embodiment, the outer wall surrounding the
Furthermore, in this embodiment, by forming the
図14は、参考例に係る微小構造体を示す。本実施の形態は、複数の密閉空間を有する微小構造体である。本参考例の密閉構造の基本構造は、第1、第2実施の形態の構造と同一である。
本参考例においては、図14Aに示すように、基板72上に微小空間を仕切る複数の側壁部73と最外側壁部79を形成する。この基板72上に側壁部73の高さH1 より低い高さH2 の第1の犠牲層51を形成し、さらに基板72の面からの高さH3 が側壁部73より高い第2の犠牲層75を複数の側壁部73及び最外側壁部79を覆うように形成する。第1の犠牲層74の外側には、基板72の面が臨む例えば一対の開口76A,76Bが形成される。次いで、第2の犠牲層75上面から開口76A,76B内に至るように強い引張り応力を有する上部膜77を形成する。
FIG. 14 shows a microstructure according to a reference example . The present embodiment is a microstructure having a plurality of sealed spaces. The basic structure of the sealed structure of this reference example is the same as the structure of the first and second embodiments.
In this reference example , as shown in FIG. 14A, a plurality of
次に、図14Bに示すように、第1及び第2の犠牲層74及び75をエッチング除去する。犠牲層74、75が除去されることにより、上部膜77の応力が解放され、自身の持つ引張り応力により、上部膜77が下がり各隣合う側壁部73及び最外側壁部79の上面に密着し、各微小空間78が封止される。すなわち、独立した複数の密閉空間78が形成される。このようにして、側壁部73及び最外側壁部79の相互間の空間が上部膜77で封止され、各独立に分割された複数の密閉空間78を有する微小構造体71が得られる。
Next, as shown in FIG. 14B, the first and second
最外側壁部79を、図5に示す外囲壁部48と同じ周囲を囲む構造に形成しても良く、あるいは一方向に延びる構造に形成することができる。
最外側壁部79を周囲を囲む構造としたときには、上部膜77で上部が封止された各微小空間78は、完全密閉空間となる。この場合、各微小空間78内に鎖線で示すように前述の微小電気機械素子本体46を内蔵させることにより、この微小構造体71は、微小電気機械素子として構成される。
最外側壁部79を一方に延びる構造としたときには、一方向が解放された密閉空間となる。この場合、例えば流路のように、内部に可動構造を有しない密閉空間を有した微小構造体として構成することができる。
The
When the
When the
この微小構造体71においては、微小空間78を、微小空間78内に可動構造を持たない空間として用いる場合、図12のように犠牲層を第1、第2の犠牲層74、75に分けて形成する必要はなく、一層の犠牲層でも良い。すなわち、側壁部73、最外側壁部79の形成、次いで犠牲層の形成、次いで犠牲層の上面の平坦化、次いで上部膜7の形成、次いで犠牲層の除去、という工程で密閉構造を有する微小構造体を製造することができる。
In this micro structure 71, when the
本参考例によれば、複数の密閉空間78を同時に形成することが可能になる。また、上部膜77と側壁部73、最外側壁部79との密着部が増えるため、確実な密閉空間78を得るためには、図12に示す第6実施の形態を併用することが望ましい。
According to this reference example , a plurality of sealed
図14では、複数の密閉空間78を有した微小構造体を構成したが、1つの密閉空間78を有する微小構造体として構成することもできる。
In FIG. 14, a microstructure having a plurality of sealed
各実施の形態では、微小電気機械素子本体46として、ビームを片持ち梁式構造としたもの(図20参照)を適用したが、ビームを両持ち梁式構造としたもの(図21参照)を適用することできる。
In each of the embodiments, the microelectromechanical element
上述したように、本発明の実施の形態態によれば、強い引張り応力を有する上部膜を犠牲層の上面に形成し、犠牲層除去後に自らの引張り応力で自動的に密閉空間を形成した微小電気機械素子を実現することができる。これによって密閉度の高いパッケージングが必要な、もしくは望ましい微小電気機械素子において、これを半導体プロセスを用いて容易に製造することができる。
従来の密閉構造で懸念されていた密閉度の問題も、特に第3〜第7実施の形態を用いることにより、解決することができる。
同時に多数の密閉空間を形成することが必要である場合には、第8実施の形態を用いることにより、容易に実現することができる。
As described above, according to the embodiment of the present invention, the upper film having a strong tensile stress is formed on the upper surface of the sacrificial layer, and the sealed space is automatically formed by the own tensile stress after the sacrificial layer is removed . it is possible to realize a fine small electromechanical device. This requires a high degree of sealing packaging or in infinitesimal electromechanical device not desirable, which can be easily manufactured by using a semiconductor process.
The problem of the degree of sealing, which has been a concern with the conventional sealing structure, can also be solved by using the third to seventh embodiments.
When it is necessary to form a large number of sealed spaces at the same time, this can be easily realized by using the eighth embodiment.
本発明の微小電気機械素子は、例えば高周波フィルタ、中間周波フィルタ、音響共鳴による周波数フィルタ等のフィルタや、プリンタに備えるインクジェットプリンタヘッドや、ジャイロセンサ、赤外線センサ、圧力センサ、加速度センサ、角速度センサ等の各種センサに適用することができる。また、微小電気機械素子のビームを光反射膜に兼用して、光の反射方向を利用した光スイッチや回折光を利用したGLV(登録商標)素子等の光学微小電気機械素子に適用することも可能である。このときには上部膜は光透過性を有する膜で形成される。 Infinitesimal electromechanical device of the present invention, for example a high frequency filter, an intermediate frequency filter, filters and the like frequency filter according to acoustic resonance, the ink jet printer head and comprising a printer, a gyro sensor, an infrared sensor, a pressure sensor, an acceleration sensor, an angular velocity sensor It can be applied to various sensors such as. Also, the microelectromechanical element beam can be used as a light reflecting film, and can be applied to an optical microelectromechanical element such as an optical switch utilizing the light reflection direction or a GLV (registered trademark) element utilizing diffracted light. Is possible. At this time, the upper film is formed of a light transmissive film.
本発明は、上述した各デバイスに適用される微小電気機械素子を備えた各種の電子機器を構成することができる。 The present invention can be configured to various electronic devices having a fine small electromechanical device that is applied to each above-described device.
インクジェットプリンタヘッドは、微小電気機械素子をアクチュエータ(駆動源)として用い、その上にノズルを有するインク室が配置され、このインク室に通じるインクの流路、インク供給部を有して成る。このようなインクジェットプリンタヘッドでは、少なくともインク流路の形成に本発明を適用することができる。 The ink jet printer head uses a micro electromechanical element as an actuator (driving source), an ink chamber having a nozzle is disposed thereon, and has an ink flow path leading to the ink chamber and an ink supply unit. In such an ink jet printer head, the present invention can be applied to at least the formation of the ink flow path.
図15及び図16は夫々、高周波フィルタあるいは中間周波フィルタ等のフィルタに適用した実施の形態である。各図は概略図である。
図15のフィルタ81は、基板82上に下部電極で構成した入力電極83及び出力電極84が形成され、この入出力電極83、84に空間85を挟んで所要の共振周波数を有するビーム(振動電極)86が形成されフィルタ本体87が構成される。さらに、基板82上にフィルタ本体87を密閉するように前述したと同様の構成を採る外囲壁部88とこの外囲壁部88の上面に密着する上部膜89が形成されて構成される。
FIGS. 15 and 16 are embodiments applied to filters such as a high frequency filter and an intermediate frequency filter, respectively. Each figure is a schematic diagram.
In the filter 81 shown in FIG. 15, an
このフィルタ81は、入力電極83に信号が入力され、ビーム89に直流バイアス電圧が印加される。入力電極83に目的周波数の信号が入力されると、ビーム89と入力電極83間に生じる静電力で、ビーム89が共振し、出力電極84から目的周波数の信号が出力される。他の周波数の信号が入力されたときは、ビーム89が共振せず、出力電極84から信号が出力されない。
In the filter 81, a signal is input to the
図16のフィルタ91は、基板82上に下部電極となる出力電極92と配線層93が形成され、出力電極92に空間94を挟んで所要の共振周波数を有する振動電極となるビーム95が形成されたフィルタ本体96が構成される。さらに、基板82上にフィルタ本体96を密閉するように前述したと同様の構成を採る外囲壁部88とこの外囲壁部88の上面に密着する上部膜89が形成されて構成される。
In the
このフィルタ91は、ビーム95と接地間に直流バイアス電圧が印加された状態で、ビーム95に目的周波数の信号が入力されると、ビーム95と出力電極92間に生じる静電力で、ビーム95が共振し、出力電極92から目的周波数の信号が出力される。他の周波数の信号が入力されたときは、ビーム95が共振せず、出力電極92から信号が出力されない。
The
本発明は、上述した実施の形態のフィルタ81又は91を備えた通信装置、例えば携帯電話、無線LAN、無線トランシーバ、テレビチューナ、ラジオチューナ等の、電磁波を利用して通信する通信装置を提供するこができる。
The present invention provides a communication device provided with the
次に、上述した本発明の実施の形態のフィルタを適用した通信装置の構成例を、図17を参照して説明する。
まず送信系の構成について説明すると、Iチャンネルの送信データとQチャンネルの送信データを、それぞれデジタル/アナログ変換器(DAC)201I及び201Qに供給してアナログ信号に変換する。変換された各チャンネルの信号は、バンド・パス・フィルタ202I及び202Qに供給して、送信信号の帯域以外の信号成分を除去し、バンド・パス・フィルタ202I及び202Qの出力を、変調器210に供給する。
Next, a configuration example of a communication apparatus to which the above-described filter according to the embodiment of the present invention is applied will be described with reference to FIG.
First, the configuration of the transmission system will be described. I-channel transmission data and Q-channel transmission data are supplied to digital / analog converters (DACs) 201I and 201Q, respectively, and converted into analog signals. The converted signal of each channel is supplied to band pass filters 202I and 202Q to remove signal components other than the band of the transmission signal, and the outputs of the band pass filters 202I and 202Q are supplied to the modulator 210. Supply.
変調器210では、各チャンネルごとにバッファアンプ211I及び211Qを介してミキサ212I及び212Qに供給して、送信用のPLL(phase-locked loop)回路203から供給される送信周波数に対応した周波数信号を混合して変調し、両混合信号を加算器214で加算して1系統の送信信号とする。この場合、ミキサ212Iに供給する周波数信号は、移相器213で信号位相を90°シフトさせてあり、Iチャンネルの信号とQチャンネルの信号とが直交変調されるようにしてある。
The modulator 210 supplies the frequency signals corresponding to the transmission frequency supplied from the PLL (phase-locked loop)
加算器214の出力は、バッファアンプ215を介して電力増幅器204に供給し、所定の送信電力となるように増幅する。電力増幅器204で増幅された信号は、送受信切換器205と高周波フィルタ206を介してアンテナ207に供給し、アンテナ207から無線送信させる。高周波フィルタ206は、この通信装置で送信及び受信する周波数帯域以外の信号成分を除去するバンド・パス・フィルタである。
The output of the
受信系の構成としては、アンテナ207で受信した信号を、高周波フィルタ206及び送受信切換器205を介して高周波部220に供給する。高周波部220では、受信信号を低ノイズアンプ(LNA)221で増幅した後、バンド・パス・フィルタ222に供給して、受信周波数帯域以外の信号成分を除去し、除去された信号をバッファアンプ223を介してミキサ224に供給する。そして、チャンネル選択用PLL回路251から供給される周波数信号を混合して、所定の送信チャンネルの信号を中間周波信号とし、その中間周波信号をバッファアンプ225を介して中間周波回路230に供給する。
As a configuration of the reception system, a signal received by the
中間周波回路230では、供給される中間周波信号をバッファアンプ225を介してバンド・パス・フィルタ232に供給して、中間周波信号の帯域以外の信号成分を除去し、除去された信号を自動ゲイン調整回路(AGC回路)233に供給して、ほぼ一定のゲインの信号とする。自動ゲイン調整回路233でゲイン調整された中間周波信号は、バッファアンプ234を介して復調器240に供給する。
The intermediate frequency circuit 230 supplies the supplied intermediate frequency signal to the band-
復調器240では、供給される中間周波信号をバッファアンプ241を介してミキサ242I及び242Qに供給して、中間周波用PLL回路252から供給される周波数信号を混合して、受信したIチャンネルの信号成分とQチャンネルの信号成分を復調する。この場合、I信号用のミキサ242Iには、移相器243で信号位相を90°シフトさせた周波数信号を供給するようにしてあり、直交変調されたIチャンネルの信号成分とQチャンネルの信号成分を復調する。
The
復調されたIチャンネルとQチャンネルの信号は、それぞれバッファアンプ244I及び244Qを介してバンド・パス・フィルタ253I及び253Qに供給して、Iチャンネル及びQチャンネルの信号以外の信号成分を除去し、除去された信号をアナログ/デジタル変換器(ADC)254I及び254Qに供給してサンプリングしてデジタルデータ化し、Iチャンネルの受信データ及びQチャンネルの受信データを得る。 The demodulated I channel and Q channel signals are supplied to band pass filters 253I and 253Q via buffer amplifiers 244I and 244Q, respectively, to remove and remove signal components other than I channel and Q channel signals. The obtained signals are supplied to analog / digital converters (ADC) 254I and 254Q, sampled and converted into digital data, and I-channel received data and Q-channel received data are obtained.
ここまで説明した構成において、各バンド・パス・フィルタ202I,202Q,206,222,232,253I,253Qの一部又は全てとして、本例の構成のフィルタを適用して帯域制限することが可能である。図17の例では、各フィルタをバンド・パス・フィルタとして構成したが、所定の周波数よりも下の周波数帯域だけを通過させるロー・パス・フィルタや、所定の周波数よりも上の周波数帯域だけを通過させるハイ・パス・フィルタとして構成して、それらのフィルタに本例の構成のフィルタを適用してもよい。また、図17の例では、無線送信及び無線受信を行う通信装置としたが、有線の伝送路を介して送信及び受信を行う通信装置が備えるフィルタに適用してもよく、さらに送信処理だけを行う通信装置や受信処理だけを行う通信装置が備えるフィルタに、上述した実施の形態の構成のフィルタを適用してもよい。
In the configuration described so far, it is possible to limit the band by applying the filter of the configuration of this example as a part or all of each band-
41〔411〜417〕・・微小電気機械素子、42・・基板、43・・下部電極、44・・空間、45・・ビーム、46・・微小電気機械素子本体、48・・外囲壁部、49・・上部膜、49〔49A〜49D〕・・上部膜の支持部、49E・・上部膜の中央領域、51、54、57、58・・犠牲層、55・・密閉空間、66・・リフロー材料層、71・・微小構造体、72・・基板、73・・側壁部、74、75・・犠牲層、77・・上部膜、78・・微小空間、79・・最外側壁部 41 [411 to 417]... Micro electromechanical element, 42... Substrate, 43.. Lower electrode, 44 .. space, 45. 49 .. Upper membrane, 49 [49A to 49D] ... Upper membrane support, 49E ... Central region of upper membrane, 51, 54, 57, 58 ... Sacrificial layer, 55 ... Sealed space, ... Reflow material layer, 71 .. Micro structure, 72 .. Substrate, 73 .. Side wall portion, 74, 75 .. Sacrificial layer, 77 .. Upper film, 78 .. Micro space, 79 .. Outermost wall portion
Claims (16)
前記基板上に形成され、前記微小電気機械素子本体を囲い、且つ該微小電気機械素子本体よりも高い外囲壁部と、
前記基板上における前記外囲壁部の外側で支持され、製造過程で形成された犠牲層を除去した後に、膜自身の引張り応力により下側に下がり前記外囲壁部の上面に密着して前記外囲壁部で囲まれた空間を気密封止する上部膜とを有し、
前記上部膜と前記外囲壁部で形成された密閉空間内に前記微小電気機械素子本体が密閉されている
微小電気機械素子。 An electrostatically driven micro-electromechanical element body formed on a substrate and comprising a lower electrode and a beam opposed to the lower electrode across a space;
An outer wall formed on the substrate, surrounding the microelectromechanical element body, and higher than the microelectromechanical element body;
The sacrificial layer supported on the outside of the surrounding wall portion on the substrate and removed from the sacrificial layer formed in the manufacturing process is then lowered by the tensile stress of the film itself and is in close contact with the upper surface of the surrounding wall portion. An upper film that hermetically seals the space surrounded by the part,
A microelectromechanical element in which the microelectromechanical element body is sealed in a sealed space formed by the upper film and the outer wall portion .
請求項1記載の微小電気機械素子。 The microelectromechanical element according to claim 1, wherein the upper film is formed of a film having a tensile stress in a uniaxial direction, and is supported by the substrate at both ends in the uniaxial direction .
請求項1記載の微小電気機械素子。 The microelectromechanical element according to claim 1, wherein the upper film is formed of a film having a tensile stress in the biaxial direction, and is supported on the substrate at four ends in the biaxial direction .
請求項2又は3記載の微小電気機械素子。 The microelectromechanical element according to claim 2 , wherein a reflow material layer is interposed between the upper film and the upper surface of the outer wall portion.
請求項2又は3記載の微小電気機械素子。 4. The microelectromechanical element according to claim 2, wherein the upper film is formed of a film having a tensile stress in a room temperature atmosphere .
請求項2記載の微小電気機械素子。 The microelectromechanical element according to claim 2, further comprising a coating film formed in a direction orthogonal to the one axial direction so as to cover a region from the upper surface of the upper film to the side surface of the full width of the outer wall portion .
外囲壁部内外を含んで前記外囲壁部を覆うように犠牲層を形成する工程と、
前記外囲壁部を覆う犠牲層の上面を含み前記外囲壁部の外側の基板表面に至り、該基板表面に支持された引張り応力を有する上部膜を形成する工程と、
前記それぞれの犠牲層を除去し、前記上部膜の引張り応力により上部膜を下側に下げて前記外囲壁部の上面に密着させて前記外囲壁部で囲まれた空間を気密封止する工程とを有し、
前記上部膜と前記外囲壁部で形成された密閉空間内に前記微小電気機械素子本体を密閉する
微小電気機械素子の製造方法。 On the substrate, a lower electrode that will later become an electrostatically driven micro-electromechanical element body and a beam facing the lower electrode with a sacrificial layer interposed therebetween are formed, surrounding the micro-electromechanical element body, and Forming a surrounding wall portion higher than the microelectromechanical element body;
Forming a sacrificial layer so as to cover the outer wall part including the inside and outside of the outer wall part ;
Forming an upper film having a tensile stress supported on the surface of the substrate including the upper surface of the sacrificial layer covering the outer wall and reaching the outer surface of the outer wall ;
Removing each of the sacrificial layers , lowering the upper film downward by the tensile stress of the upper film, and bringing the upper film into close contact with the upper surface of the outer wall part to hermetically seal the space surrounded by the outer wall part ; Have
A method of manufacturing a microelectromechanical element, wherein the microelectromechanical element body is sealed in a sealed space formed by the upper film and the outer wall portion .
前記上部膜を前記1軸方向の両端部で前記基板表面に支持する
請求項7記載の微小電気機械素子の製造方法。 There use a film having a uniaxial direction tensile stress in the upper layer,
The method of manufacturing a micro electro mechanical element according to claim 7, wherein the upper film is supported on the substrate surface at both ends in the uniaxial direction .
前記上部膜を前記2軸方向の4つの端部で前記基板表面に支持する
請求項7記載の微小電気機械素子の製造方法。 There use a film having a two-axis direction of the tensile stress in the upper layer,
The method of manufacturing a microelectromechanical element according to claim 7, wherein the upper film is supported on the surface of the substrate by four ends in the biaxial direction .
前記第1の犠牲層を、前記下部電極及び前記ビームとの間の犠牲層と同じエッチング特性を有して外囲壁部内に形成し、
前記第2の犠牲層を外囲壁部外に形成し、
前記第1の犠牲層と前記下部電極及び前記ビームとの間の犠牲層をエッチング除去した後、前記第2の犠牲層をエッチング除去して、前記上部膜の引張り応力により上部膜を下側に下げて前記外囲壁部の上面に密着させる
請求項8又は9記載の微小電気機械素子の製造方法。 Forming a sacrificial layer covering the outer wall portion with a first sacrificial layer and a second sacrificial layer having different etching characteristics;
Forming the first sacrificial layer in the outer wall having the same etching characteristics as the sacrificial layer between the lower electrode and the beam;
Forming the second sacrificial layer outside the outer wall,
After the sacrificial layer between the first sacrificial layer and the lower electrode and the beam is etched away, the second sacrificial layer is etched away, and the upper film is moved downward by the tensile stress of the upper film. The method for manufacturing a microelectromechanical element according to claim 8 or 9 , wherein the microelectromechanical element is lowered and brought into close contact with the upper surface of the outer wall portion .
前記犠牲層を室温より高い温度雰囲気で前記犠牲層を除去し、該犠牲層を除去した状態では前記上部膜は下側に下がらず、
前記犠牲層を除去した後、室温雰囲気下で前記上部膜に引張り応力を発生させて、前記上部膜を下側に下げて前記外囲壁部の上面に密着させる
請求項8又は9記載の微小電気機械素子の製造方法。 The upper film is formed of a film having a tensile stress in a room temperature atmosphere,
The sacrificial layer is removed in a temperature atmosphere higher than room temperature, and the upper film is not lowered downward in the state where the sacrificial layer is removed,
10. The microelectric device according to claim 8 , wherein after the sacrificial layer is removed, a tensile stress is generated in the upper film in a room temperature atmosphere, and the upper film is lowered to be in close contact with the upper surface of the outer wall portion. A method for manufacturing a mechanical element.
前記犠牲層を形成した後に前記上部膜における上層の圧縮応力を有する膜を除去して前記引張り応力を有する膜のみの上部膜の応力を解放し、
前記引張り応力を有する膜のみの上部膜を下側に下げて前記外囲壁部の上面に密着させる
請求項8又は9記載の微小電気機械素子の製造方法。 The upper film is formed of a two-layer film of a film having a compressive stress and a film having a tensile stress,
After the formation of the sacrificial layer, the upper layer of the upper film is removed from the film having compressive stress to release the stress of the upper film only of the film having the tensile stress,
The method of manufacturing a microelectromechanical element according to claim 8 or 9, wherein an upper film including only the film having a tensile stress is lowered to be in close contact with the upper surface of the outer wall portion.
前記犠牲層を除去し、前記上部膜を下側に下げて前記外囲壁部の上面のリフロー材料層に接触させた後、前記リフロー材料層をリフロー処理する工程を有する
請求項8又は9記載の微小電気機械素子の製造方法。 Before formation of the sacrificial layer, forming a reflow material layer on the upper surface of the outer periphery wall section,
10. The method according to claim 8 , further comprising a step of removing the sacrificial layer , lowering the upper film downward and bringing the upper film into contact with a reflow material layer on an upper surface of the outer wall portion, and then reflowing the reflow material layer. A method for manufacturing a microelectromechanical element.
請求項8記載の微小電気機械素子の製造方法。 After the step of bringing the upper film into close contact with the upper surface of the outer wall portion, a coating film covering the region from the upper surface of the upper film to the side surface of the full width of the outer wall portion is formed in a direction orthogonal to the one axial direction. The method for producing a micro electro mechanical element according to claim 8 , further comprising a step.
電子機器。 An electronic apparatus comprising the microelectromechanical element according to claim 1 .
前記フィルタとして、請求項1乃至6のいずれかに記載の微小電気機械素子によるフィルタが用いられ、
通信装置として構成された
請求項15記載の電子機器。 A filter for limiting the bandwidth of the transmission signal and / or the reception signal;
As said filter, the filter by the micro electro mechanical element in any one of Claims 1 thru | or 6 is used,
16. The electronic device according to claim 15 , configured as a communication device .
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