特開 2019-209432 ＭＥＭＳ素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2019-209432(P2019-209432A)

(43)【公開日】2019年12月12日

(54)【発明の名称】ＭＥＭＳ素子

(51)【国際特許分類】

   B81B 3/00 20060101AFI20191115BHJP

   H04R 19/04 20060101ALI20191115BHJP

【ＦＩ】

   B81B3/00

   H04R19/04

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2018-107817(P2018-107817)

(22)【出願日】2018年6月5日

(71)【出願人】

【識別番号】000191238

【氏名又は名称】新日本無線株式会社

(72)【発明者】

【氏名】荒木 新一

【テーマコード（参考）】

3C081

5D021

【Ｆターム（参考）】

3C081AA04

3C081AA13

3C081BA03

3C081BA22

3C081BA45

3C081BA48

3C081CA03

3C081CA13

3C081DA03

3C081DA23

3C081DA26

3C081DA30

3C081EA01

3C081EA21

5D021CC19

(57)【要約】      （修正有）

【課題】ＭＥＭＳ素子のハンドル基板に力が加わった場合でも特性変動の少ないＭＥＭＳ素子を提供する。
【解決手段】可動電極膜９がハンドル基板７やスペーサー１０に直接接触しない構造とすることで、ハンドル基板７に力が加わったとしても、可動電極膜９にその力が伝わらない構造とする。また可動電極膜９は、固定電極膜１１と支持膜１４との間で変位する際、対向する固定電極膜１１に平行な状態を保つ平板形状となり、良好な出力特性を得ることが可能となる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

バックチャンバーを備えたハンドル基板と、該ハンドル基板上に、固定電極を含む固定電極膜と可動電極を含む可動電極膜とが対向配置しているＭＥＭＳ素子において、
前記ハンドル基板上に、前記固定電極膜と前記可動電極膜の支持膜がスペーサーを挟んで対向配置し、
前記可動電極膜は、前記固定電極膜と前記支持膜との間に配置し、前記スペーサーに接触せず、前記支持膜と前記固定電極膜との間で変位可能な状態で、連結部材により前記支持膜と接続していることを特徴とするＭＥＭＳ素子。

【請求項2】

請求項１記載のＭＥＭＳ素子において、前記可動電極膜は、該可動電極膜の周縁部に配置した連結部で変形可能な前記連結部材の一端と接続し、該連結部材は所望の寸法だけ離れた他端で前記支持膜と接続することで、前記可動電極膜を前記支持膜と前記固定電極膜との間で変位可能な状態としていることを特徴とするＭＥＭＳ素子。

【請求項3】

請求項１または２いずれか記載のＭＥＭＳ素子において、前記連結部材あるいは前記支持膜とこれらと対向する前記可動電極膜との間に、あるいは前記連結部材とこれと対向する前記支持膜との間に、ステッキング防止用の突起を備えていることを特徴とするＭＥＭＳ素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、トランスデューサ等の各種センサとして用いることができるＭＥＭＳ素子に関する。

【背景技術】

【0002】

例えばＭＥＭＳ素子を用いたマイクロフォン装置では、図１３に示すように実装基板１上にＭＥＭＳ素子２やこのＭＥＭＳ素子２から出力された信号を処理する集積回路３のような電子部品を実装し、全体を金属製の蓋部４で覆う構造を採用している。図１３に示す例では、ＭＥＭＳ素子２に音圧等が伝搬するように蓋部４に孔部５を形成している。集積回路３の表面は樹脂６で覆い保護している。

【0003】

図１４は、図１３に示すＭＥＭＳ素子２の一部を拡大した図である。ＭＥＭＳ素子２は、ハンドル基板７上に絶縁膜８を介して可動電極を含む可動電極膜９が積層し、さらにスペーサー１０を介して固定電極を含む固定電極膜１１が積層形成されている。なお図１４では、集積回路３との接続等は図示を省略している。この種のＭＥＭＳ素子は、例えば特許文献１に記載されている。

【0004】

ところで図１４に示すように、実装基板１上にハンドル基板７を接着部材１２によって接合した後、実装基板１上に集積回路３を実装したり、蓋部４を取り付ける組立工程では、１００℃を超えるような加熱処理が行われる場合がある。その際、ハンドル基板７には大きく開口したバックチャンバー１３が形成されているため、実装基板１とハンドル基板７との熱膨張や熱収縮の物性の違いにより、図１４に示す矢印方向の力や逆方向の力がハンドル基板７に加わってしまい、特性変動や破損が生じるおそれがある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１１−５５０８７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

従来のＭＥＭＳ素子は、実装基板１の熱膨張や熱収縮によりハンドル基板７へ力が加わり、ＭＥＭＳ素子の特性変動等が生じてしまうという問題があった。本発明はこのような問題点を解消し、ＭＥＭＳ素子のハンドル基板に力が加わった場合でも特性変動の少ないＭＥＭＳ素子を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記目的を達成するため本願請求項１に係る発明は、バックチャンバーを備えたハンドル基板と、該ハンドル基板上に、固定電極を含む固定電極膜と可動電極を含む可動電極膜とが対向配置しているＭＥＭＳ素子において、前記ハンドル基板上に、前記固定電極膜と前記可動電極膜の支持膜がスペーサーを挟んで対向配置し、前記可動電極膜は、前記固定電極膜と前記支持膜との間に配置し、前記スペーサーに接触せず、前記支持膜と前記固定電極膜との間で変位可能な状態で、連結部材により前記支持膜と接続していることを特徴とする。

【0008】

本願請求項２に係る発明は、請求項１記載のＭＥＭＳ素子において、前記可動電極膜は、該可動電極膜の周縁部に配置した連結部で変形可能な前記連結部材の一端と接続し、該連結部材は所望の寸法だけ離れた他端で前記支持膜と接続することで、前記可動電極膜を前記支持膜と前記固定電極膜との間で変位可能な状態としていることを特徴とする。

【0009】

本願請求項３に係る発明は、請求項１または２いずれか記載のＭＥＭＳ素子において、前記連結部材あるいは前記支持膜とこれらと対向する前記可動電極膜との間に、あるいは前記連結部材とこれと対向する前記支持膜との間に、ステッキング防止用の突起を備えていることを特徴とする。

【発明の効果】

【0010】

本発明のＭＥＭＳ素子は、実装基板の熱収縮等によりハンドル基板に力が加わった場合でも、可動電極膜をハンドル基板やスペーサーに直接接触しない構成とすることで、熱収縮等による可動電極膜への影響をなくし、可動電極膜が対向する固定電極膜に平行平板形状を保ったまま変位する構造となる。その結果、安定した出力信号を出力するＭＥＭＳ素子を得ることができる。

【0011】

本発明のＭＥＭＳ素子の可動電極膜は、可動電極膜の支持膜上にわずかな面積で接触した状態から、音響信号等を受けて支持膜から浮き上がるように変位するため、可動電極膜の周縁部がスペーサーに接合している従来のＭＥＭＳ素子と比較し、可動電極膜の変位範囲を大きくすることができ、感度の高いＭＥＭＳ素子を得ることができる。

【0012】

また、本発明のＭＥＭＳ素子の可動電極膜等が接触する可能性がある部分にステッキング防止用の突起を備える構成とすることで、ステッキングを防止し、小さな音圧等の印加で可動電極膜が変位する感度の高いＭＥＭＳ素子を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明のＭＥＭＳ素子を説明する図である。

【図2】本発明のＭＥＭＳ素子の一部拡大図である。

【図3】本発明のＭＥＭＳ素子の動作状態を説明する図である。

【図4】本発明のＭＥＭＳ素子の製造方法を説明する図である。

【図5】本発明のＭＥＭＳ素子の製造方法を説明する図である。

【図6】本発明のＭＥＭＳ素子の製造方法を説明する図である。

【図7】本発明のＭＥＭＳ素子の製造方法を説明する図である。

【図8】本発明のＭＥＭＳ素子の製造方法を説明する図である。

【図9】本発明のＭＥＭＳ素子の製造方法を説明する図である。

【図10】本発明のＭＥＭＳ素子の製造方法を説明する図である。

【図11】本発明のＭＥＭＳ素子の製造方法を説明する図である。

【図12】本発明のＭＥＭＳ素子の製造方法を説明する図である。

【図13】一般的なマイクロフォン装置を説明する図である。

【図14】一般的なＭＥＭＳ素子を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

本発明のＭＥＭＳ素子は、可動電極膜をハンドル基板やスペーサーに直接接触しない構造とすることで、ハンドル基板に力が加わったとしても、可動電極膜にその力が伝わらない構造としている。また可動電極膜は、固定電極膜と支持膜との間で変位する際、対向する固定電極膜に平行な状態を保つ平板形状となり、良好な出力特性を得ることが可能となる。以下、本発明の実施例について詳細に説明する。

【実施例1】

【0015】

まず、本発明のＭＥＭＳ素子について説明する。図１は、本発明のＭＥＭＳ素子の説明図である。例えばシリコン基板からなるハンドル基板７上に絶縁膜８を介して、固定電極膜の支持膜１４と固定電極膜１１が、スペーサー１０を挟んで対向配置している。このとき支持膜１４と固定電極膜１１はハンドル基板７上に固着されている。一方可動電極を含む可動電極膜９は支持膜１４上に載置された状態で配置されている。図１に示すように本発明の可動電極膜９はスペーサー１０に接触していない。

【0016】

図２は、支持膜１４と可動電極膜９の一部拡大図である。支持膜１４と可動電極膜９の間には、これらを接続する連結膜１５が配置されている。図２に示すように、領域Ａの連結膜１５は、支持膜１４に接着しているため、支持膜１４と一体となり可動電極膜９を支持することになる。領域Ｂの連結膜１５は、支持膜１４、可動電極膜９のいずれとも接着しておらず、可動電極膜９の振動に伴い変形し可動電極膜９と支持膜１４とを接続する機能を有することになる。従ってこの部分の連結膜１４により、「変形化可能な連結部材」が形成されることになる。また領域Ｃの連結膜１５は、可動電極膜９に接着しているため、後述する突起１７を形成するために形成された窒化膜とともに連結部１６を構成することになる。

【0017】

領域Ａおよび領域Ｂの連結膜１５の可動電極膜９側の表面には、可動電極膜９と連結膜１５とのステッキング防止のため突起１７が形成されている。さらに領域Ｄの支持膜１４上にも、領域Ｂおよび領域Ｃの可動電極膜９が図面下側に変形する可能性があるので、ステッキング防止のため突起１７が形成されている。このように構成することで、可動電極膜９が固定電極膜方向に変位する際、領域Ｂの連結膜１５が変形可能な範囲で浮き上がることになる。なお、後述する製造方法に従い形成される突起１７は、図２に模式的に示すように連結膜１５上に形成すること限定されず、可動電極膜９側に形成したり、支持膜１４側と可動電極膜９側の両方に形成することも可能である。

【0018】

図３は、可動電極膜９が変位した状態を模式的に示した図である。可動電極膜９は、連結膜１５の変形可能な範囲で支持膜１４から浮き上がっている。図３に示す例では、連結膜１５の一部が可動電極膜９の段差に沿った形状となっており、可動電極膜９の可動範囲が広がっている。可動電極膜９をこのような多重構造とすると連結膜１５が容易に変形可能となり、可動電極膜９の表面が平行平板形状のままで対向する固定電極膜に近づけることができ好ましい。なお、支持膜１４と可動電極膜９とを繋ぐ連結膜、特に変形可能な連結膜（連結部材）は、可動電極膜９の全周にわたり形成する必要はなく、必要な部分に適宜配置すれば良い。

【0019】

このように可動電極膜９をスペーサー１０等に接触しない状態で支持膜１４上に載置するように構成すると、ハンドル基板７やスペーサー１０に力が加わった場合でも可動電極膜９にその力が伝わることがなくなる。さらに可動電極膜９がスペーサー１０から分離されているため、固定による変位の制限がない構造となっている。その結果、可動電極膜９とこれに対向する平行平板状の固定電極膜とから安定した出力信号が得られるＭＥＭＳ素子を提供することが可能となる。

【0020】

次に図１乃至図３に示すＭＥＭＳ素子の製造方法について説明する。通常のＭＥＭＳ素子同様、シリコン基板からなるハンドル基板７表面に、シリコンを熱酸化した絶縁膜８を形成する。絶縁膜８上に、導電性のポリシリコン膜からなる支持膜１４を積層形成し、通常のフォトリソグラフ法により、可動電極膜の形成予定領域に可動電極膜へ音圧等を伝える貫通孔１８ａを形成する。（図４）。

【0021】

全面に酸化膜１９ａを堆積し、貫通孔１８ａ内を酸化膜１９ａで充填し、支持膜１４の表面を露出させる。露出する支持膜１４および酸化膜１９ａ上に窒化膜を形成する。この窒化膜によって図２で説明した領域Ｄのステッキング防止用の突起を形成するため、突起形成予定領域を覆うようにフォトレジストを形成し、フォトレジストで覆われた窒化膜をフォトレジストの端部からエッチングを進行させ、窒化膜の一部を残してエッチングを終了させる。フォトレジストを除去すると、支持膜１４上にわずかに残る窒化膜により突起１７を形成することができる（図５）。

【0022】

その後、全面に別の酸化膜１９ｂを形成し、可動電極膜形成予定領域より狭い領域の支持膜１４の表面を露出させる。酸化膜１９ｂの一部を除去して支持膜１４を露出させることで、酸化膜１９ｂに段部１９ｃが形成される（図６）。この段部１９ｃに沿って形成される連結膜の形状により、可動電極膜９の可動寸法が決まるので、所望の可動寸法が得られるように高さを調節する必要がある。なお、先に形成した突起１７の先端は、酸化膜１９ｂによって被覆された状態とする必要がある。突起１７の先端が露出すると、後述する連結膜１５と固着し、ステッキング防止の機能を発揮できなくなるからである。

【0023】

全面に導電性のポリシリコンを形成し、通常のフォトリソグラフ法により、連結膜１５を形成する。このとき先に形成した貫通孔１８ａと同様の貫通孔１８ｂも形成する。この貫通孔１８ｂは、可動電極膜に音圧等を印加するために使用される。連結膜１５の中央部分は図２で説明した領域Ａとなり、先に形成した支持膜１４と接合し、可動電極膜を支持する。連結膜１５の端部は、図２で説明した領域Ｃとなり、可動電極膜と接合部を形成するため、この部分には貫通孔１８ｂは形成しない（図７）。

【0024】

なお連結膜１５は、可動電極膜９が音圧等を受けて変位するとき可動電極膜９の変位を妨げず、一方音圧等がなくなったときには所定の位置に可動電極膜９が戻るようにすればよい。そのため連結膜１５の配置は、可動電極膜９の全周にわたり形成する必要はなく、適宜連結膜を配置する位置や数を設定すればよい。

【0025】

その後、貫通孔１８ｂ内に酸化膜１９ｃを充填して平坦化し、連結膜１５の表面を露出させる。露出した連結膜１５および酸化膜１９ｃの表面に窒化膜２０を積層形成する。その後、先に説明したステッキング防止用の突起の形成同様、図２で説明した領域Ａおよび領域Ｂの突起形成予定領域を覆うようにフォトレジストを形成し、窒化膜２０の一部を残すようにエッチングすることで突起１７を形成する。領域Ｃの窒化膜２０はエッチングせず、連結膜１５上に残しておく（図８）。

【0026】

全面に酸化膜１９ｄを積層し、平坦化することで領域Ａおよび領域Ｂに形成した突起の表面を被覆する。このとき、領域Ａには段差が残ったままとなる。この段差により、後述する可動電極膜９を厚く形成することができ、可動電極膜の強度が増すとともに、変形が少なくなり好ましい。領域Ｃに相当する窒化膜２０の表面は露出させておく（図９）。

【0027】

その後、領域Ａの段差を充填し、表面が平坦化された導電性のポリシリコンからなる可動電極膜９を形成する。図１０では、段部を平坦化するポリシリコン膜と表面が平坦なポリシリコン膜の二層構造とする例を記載している。この可動電極膜９は、後述する固定電極膜と対向配置し、可動電極膜９の変位により変化する信号を出力するので、可動電極膜９の表面は平坦であることが望ましい。この可動電極膜９は、領域Ａおよび領域Ｂでは平坦化のために形成した酸化膜１９ｄ上に積層し、領域Ｃでは露出する窒化膜２０を介して連結膜１５と広い面積で接着する構造としている。

【0028】

可動電極膜９上に、ＵＳＧ（Undoped Silicate Glass）膜からなる犠牲層１０ａを積層する。犠牲層１０ａ上に導電性のポリシリコンからなる固定電極膜１１を形成する。固定電極膜１１には通常のＭＥＭＳ素子同様、貫通孔２１を形成する（図１１）。

【0029】

ハンドル基板７の裏面側からハンドル基板７の一部を除去して絶縁膜８を露出させ、バックチャンバー１３を形成する（図１２）。

【0030】

最後にバックチャンバー１３内に露出する絶縁膜８（酸化膜）を除去するとともに、
貫通孔１８ａ等内に露出する酸化膜１９ａ〜１９ｄ、犠牲層１０ａ（酸化膜）の一部も除去する。その結果、犠牲層１０ａや平坦化のための積層した酸化膜１９ｂ〜１９ｄからなるスペーサーを有し、可動電極膜９がこのスペーサー１０に接触しない図１に示す構造のＭＥＭＳ素子が形成される。

【0031】

以下、通常のＭＥＭＳ素子の製造工程に従い、説明を省略した可動電極膜、固定電極膜あるいはさらに支持膜に接続し、所望の電位を印加可能な引出電極等を形成し、ＭＥＭＳ素子を完成することができる。

【0032】

以上本発明の実施例について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものでなく、突起を形成するための選択エッチングを行うことができるように種々材料を変更したり、連結部材の可動領域を大きくするため、領域Ｂに形成される連結膜の長さを長くするため、可動電極膜を多層構造とする等種々変更可能である。

【符号の説明】

【0033】

１： 実装基板、２：ＭＥＭＳ素子、３：集積回路、４:蓋部、５:孔部、６：樹脂、７：ハンドル基板、８：絶縁膜、９：可動電極膜、１０：スペーサー、１０ａ：犠牲層、１１：固定電極膜、１２：接着部材、１３：バックチャンバー、１４：支持膜、１５：連結膜、１６：連結部、１７：突起、１８、２１：貫通孔、１９：酸化膜、２０：窒化膜

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】