JP2022071552A - Memsモジュール及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】可動部の膜厚を小さくして感度を高めつつ、共振による可動部の破損を抑制するMEMSモジュールを提供する。また、当該MEMSモジュールの製造方法を提供する。【解決手段】内部に中空部が形成された基板を備えるMEMSモジュールであって、前記中空部上の、前記基板の一部分である可動部を有し、前記可動部は、前記中空部内の気圧と前記中空部外の気圧との差によって形状が変形可能な厚さを有し、前記可動部の一部には空洞部が形成されている、MEMSモジュール。【選択図】図1
Description
本実施形態は、MEMSモジュール及びその製造方法に関する。
半導体集積回路の製造に用いられる微細加工技術を利用して、機械要素部品と電子回路とを集積化したデバイスであるMEMS(Micro Electro Mechanical System)素子が知られている。
MEMS素子は、中空部と当該中空部を塞ぐ可動部とを有する。特許文献1に開示された構成においては、凹部が形成されたSi基板の裏側にガラス基板を接合することより、中空部が形成されている。この接合は、中空部が密閉される場合、微細な隙間が生じないようにすることが求められる。また、可動部を比較的薄肉の部位として仕上げる場合、前記凹部を形成するためにSi基板を深く掘り込む必要がある。
また、MEMS素子は、圧力センサに組み込まれて使用されることもある。圧力センサは、外気圧の変化がMEMS素子の可動部の端に生じる応力を変化させ、可動部の変形に応じてゲージ抵抗が変化し、そのゲージ抵抗の変化が出力電圧の変化として出力される。圧力センサの感度は、MEMS素子の可動部(メンブレンともいう)を薄くすることで高めることができるが可動部の強度が低下し、共振により可動部が破損するおそれがある。
本実施形態の一態様は、可動部の膜厚を小さくして感度を高めつつ、共振による可動部の破損を抑制するMEMSモジュールを提供する。また、本実施形態の他の一態様は、当該MEMS素子の製造方法を提供する。
本実施形態は、MEMSモジュールに含まれるMEMS素子の可動部に空洞部を設けることにより当該可動部を軽量化する。本実施形態の一態様は以下のとおりである。
本実施形態の一態様は、内部に中空部が形成された基板を備えるMEMSモジュールであって、前記中空部上の、前記基板の一部分である可動部を有し、前記可動部は、前記中空部内の気圧と前記中空部外の気圧との差によって形状が変形可能な厚さを有し、前記可動部の一部には空洞部が形成されている、MEMSモジュールである。
また、本実施形態の他の一態様は、半導体層を備える基板に複数の溝部を形成し、前記溝部の底面から前記溝部の深さ方向に垂直な方向に前記基板をエッチングして、前記複数の溝部をつなぐ中空部を形成し、前記基板に対して水素を含む雰囲気下で熱処理を行い、前記熱処理によって溶融した前記基板の一部が前記溝部の深さ方向の両端部を塞いで空洞部を形成する、MEMSモジュールの製造方法である。
また、本実施形態の他の一態様は、酸化膜上に半導体層が積層された基板の表面に前記酸化膜に達する複数の溝部を形成し、前記酸化膜の一部を除去して前記複数の溝部をつなぐ中空部を形成し、前記基板に対して水素を含む雰囲気下で熱処理を行い、前記熱処理によって溶融した前記基板の一部が前記溝部の深さ方向の両端部を塞いで空洞部を形成する、MEMSモジュールの製造方法である。
また、本実施形態の他の一態様は、半導体層を備える第1の基板、及び酸化膜上に半導体層が積層された第2の基板を準備し、前記第1の基板に第1の開口部を形成し、前記第2の基板に第2の開口部を形成し、前記第1の開口部を形成した前記第1の基板上に、前記第1の開口部及び前記第2の開口部が重畳するように前記第2の基板を接合して、前記第1の基板の前記第1の開口部に前記中空部、前記第2の基板の前記第2の開口部に空洞部をそれぞれ形成する、MEMSモジュールの製造方法である。
本実施形態によれば、可動部の膜厚を小さくして感度を高めつつ、共振による可動部の破損を抑制するMEMSモジュールを提供することができる。また、当該MEMSモジュールの製造方法を提供する
ことができる。
ことができる。
次に、図面を参照して、本実施形態について説明する。以下に説明する図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各構成部品の厚みと平面寸法との関係等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面の相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
また、以下に示す実施形態は、技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、各構成部品の材質、形状、構造、配置等を特定するものではない。本実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
具体的な本実施形態の一態様は、以下の通りである。
<1> 内部に中空部が形成された基板を備えるMEMSモジュールであって、前記中空部上の、前記基板の一部分である可動部を有し、前記可動部は、前記中空部内の気圧と前記中空部外の気圧との差によって形状が変形可能な厚さを有し、前記可動部の一部には空洞部が形成されている、MEMSモジュール。
<2> 前記可動部は、前記空洞部と隣接する支持部を有する、<1>に記載のMEMSモジュール。
<3> 前記中空部は、前記空洞部と連通する、<1>に記載のMEMSモジュール。
<4> 前記可動部は、前記空洞部の中に厚さ方向に突出する支持部を有する、<3>に記載のMEMSモジュール。
<5> 前記基板はシリコンからなる、<1>~<4>のいずれか1項に記載のMEMSモジュール。
<6> 前記基板はシリコン層及び酸化シリコン層を含む、<1>~<5>のいずれか1項に記載のMEMSモジュール。
<7> 前記空洞部において、深さ方向における中央部が両端部より細い、<1>~<6>のいずれか1項に記載のMEMSモジュール。
<8> 前記中空部において、中央部から端部に連れて徐々に前記空洞部の端部に近接している、<1>~<7>のいずれか1項に記載のMEMSモジュール。
<9> 前記空洞部は複数あり、前記複数の空洞部において、前記中空部の端部側の空洞部の深さは、前記中空部の中央部の空洞部の深さより小さい、<1>~<8>のいずれか1項に記載のMEMSモジュール。
<10> 半導体層を備える基板に複数の溝部を形成し、前記溝部の底面から前記溝部の深さ方向に垂直な方向に前記基板をエッチングして、前記複数の溝部をつなぐ中空部を形成し、前記基板に対して水素を含む雰囲気下で熱処理を行い、前記熱処理によって溶融した前記基板の一部が前記溝部の深さ方向の両端部を塞いで空洞部を形成する、MEMSモジュールの製造方法。
<11> 中空部は、エッチングにより形成する、<10>に記載のMEMSモジュールの製造方法。
<12> 酸化膜上に半導体層が積層された基板の表面に前記酸化膜に達する複数の溝部を形成し、前記酸化膜の一部を除去して前記複数の溝部をつなぐ中空部を形成し、前記基板に対して水素を含む雰囲気下で熱処理を行い、前記熱処理によって溶融した前記基板の一部が前記溝部の深さ方向の両端部を塞いで空洞部を形成する、MEMSモジュールの製造方法。
<13> 前記酸化膜は、酸化シリコン層である、<12>に記載のMEMSモジュールの製造方法。
<14> 前記熱処理は、1100~1200℃で行い、前記半導体層に熱マイグレーション現象を生じさせて前記溝部の深さ方向の両端部を塞いで前記空洞部を形成する、<10>~<13>のいずれか1項に記載のMEMSモジュールの製造方法。
<15> 半導体層を備える第1の基板、及び酸化膜上に半導体層が積層された第2の基板を準備し、前記第1の基板に第1の開口部を形成し、前記第2の基板に第2の開口部を形成し、前記第1の開口部を形成した前記第1の基板上に、前記第1の開口部及び前記第2の開口部が重畳するように前記第2の基板を接合して、前記第1の基板の前記第1の開口部に中空部、前記第2の基板の前記第2の開口部に空洞部をそれぞれ形成する、MEMSモジュールの製造方法。
<16> 前記酸化膜は、酸化シリコン層である、<15>に記載のMEMSモジュールの製造方法。
<17> 前記半導体層は、シリコン層である、<10>~<16>のいずれか1項に記載のMEMSモジュールの製造方法。
本実施形態に係るMEMSモジュールA1について説明する。
図1は、MEMSモジュールA1を示す斜視図である。図2は、図1に示すMEMSモジュールA1の一部の構成(後述のカバー6及び接合材7等)を省略した要部斜視図である。図3は、図1のV-V線に沿う断面図である。MEMSモジュールA1は、基板1、電子部品2、MEMS素子3、複数のボンディングワイヤ4、カバー6、及び接合材7を備えている。本実施形態のMEMSモジュールA1は、気圧を検出するものであり、例えば、携帯端末などの各種電子機器の回路基板に表面実装される。例えば、携帯端末においては、MEMSモジュールA1は大気圧を検出する。検出された大気圧は、高度を演算するための情報として用いられる。なお、本実施形態に係るMEMSモジュールの用途は、気圧センサ(圧力センサ)に限定されない。
また、本実施形態において、MEMSモジュールA1の厚さ方向(平面視方向)をz方向(z1-z2方向)とし、z方向に直交するMEMSモジュールA1の一方の辺に沿う方向をx方向(x1-x2方向)、z方向及びx方向に直交する方向をy方向(y1-y2方向)とする。本実施形態においては、MEMSモジュールA1は、例えば、x方向及びy方向寸法が、2mm程度、z方向寸法が0.8mm~1mm程度である。
基板1は、図2等に示すように、電子部品2を搭載し、MEMSモジュールA1を各種電子機器の回路基板に実装するための部材である。基板1は、図3に示すように、基材1A、配線部1B、及び絶縁層1Cを有する。なお、基板1の具体的な構成は、特に限定されず、電子部品2及びMEMS素子3等の電子素子を適切に支持しうるものであればよい。
基材1Aは、電気絶縁体からなり、基板1の主要構成部材である。基材1Aとしては、例えば、ガラスエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、セラミックスなどが挙げられる。基材1Aは、例えば、平面視矩形状の板状であり、搭載面1a、実装面1b、及び側面1cを有する。搭載面1a及び実装面1bは、基板1の厚さ方向(z方向)において互いに反対側を向いている。搭載面1aは、z1方向を向く面であり、電子部品2が搭載される面である。実装面1bは、z2方向を向く面であり、MEMSモジュールA1を各種電子機器の回路基板に実装する際に利用される面である。側面1cは、搭載面1a及び実装面1bを繋ぐ面であり、x方向またはy方向を向いており、z方向に平行である。本実施形態においては、基板1のz方向の寸法は100~200μm程度であり、x方向及びy方向の寸法はそれぞれ2mm程度である。
配線部1Bは、電子部品2及びMEMS素子3とMEMSモジュールA1外の回路等とを導通させるための導通経路をなすものである。配線部1Bとしては、例えば、Cu、Ni、Ti、Au等の1種類または複数種類の金属からなり、例えば、メッキによって形成される。本実施形態においては、配線部1Bは、複数の搭載面部100及び裏面パッド19を有するが、これらは配線部1Bの具体的な構成の一例であり、その構成は特に限定されない。
複数の搭載面部100は、基材1Aの搭載面1aに形成されており、互いに離間した複数の独立領域である。搭載面部100は、電極パッド11を有し、電極パッド11には、ボンディングワイヤ4の端部がボンディングされる。
裏面パッド19は、実装面1bに設けられており、MEMSモジュールA1を回路基板等に実装する際に、導通接合される電極として用いられるものである。裏面パッド19は、搭載面部100の適所と導通している。
絶縁層1Cは、配線部1Bの適所を覆うことにより、当該部位を絶縁保護する。絶縁層1Cは、絶縁材料からなるものであり、例えば、レジスト樹脂によって形成される。絶縁層1Cは、例えば、平面視矩形環状に形成されてもよい。
接合材7は、基板1及びカバー6を接合するものであり、例えば、Ag等の金属を含むペースト接合材からなる。本実施形態においては、接合材7は、平面視において矩形環状に設けられており、そのすべてが絶縁層1Cと重なる領域に形成されている。
電子部品2は、センサが検出した電気信号を処理するものであり、いわゆるASIC(Application Specific Integrated Circuit)素子として構成されている。電子部品2は、例えば、温度センサを備えていてもよく、当該温度センサが検出した電気信号、及び、MEMS素子3が検出した電気信号の処理を行う。電子部品2は、温度センサが検出した電気信号とMEMS素子3が検出した電気信号とをマルチプレクサで多重化して、アナログ/デジタル変換回路でデジタル信号に変換する。そして、信号処理部が、クロック信号に基づいて、記憶部の記憶領域を利用しながら、増幅やフィルタリング、論理演算などの処理を行う。信号処理後の信号は、インターフェイスを介して出力される。これにより、MEMSモジュールA1は、気圧及び気温を検出した信号を適切な信号処理を行った上で、出力することができる。
電子部品2は、基板上に各種素子を搭載してパッケージングした制御のためのものである。電子部品2は、平面視矩形状の板状であり、搭載面2a、実装面2b、及び側面2cを有する。搭載面2a及び実装面2bは、電子部品2の厚さ方向(z方向)において互いに反対側を向いている。搭載面2aは、z1方向を向く面であり、MEMS素子3が搭載される面である。実装面2bは、z2方向を向く面であり、電子部品2を基板1の搭載面1a に実装する際に利用される面である。側面2cは、搭載面2a及び実装面2bを繋ぐ面であり、x方向またはy方向を向いており、z方向に平行である。本実施形態においては、電子部品2のz方向の寸法は、例えば、80μm程度であり、x方向及びy方向の寸法は、例えば、それぞれ1~1.2mm程度である。
電子部品2は、基板1の搭載面1aのx1方向及びy1方向寄りに搭載されている。電子部品2と基板1とは、図示しないダイアタッチフィルムなどによって接合されている。電子部品2の搭載面2aには、複数の電極パッド21が設けられている。電極パッド21は、基板1の電極パッド11に導通接合される電極として用いられる。電極パッド21には、ボンディングワイヤ4がボンディングされる。電極パッド21は、例えば、Alやアルミ合金などの金属からなり、例えば、メッキによって形成される。電極パッド21は、搭載面2aの配線パターンに接続しており、MEMS素子3が搭載される領域を囲むように配置されている。
本実施形態においてMEMS素子3は、気圧を検出するための気圧センサとして構成されているがこれに限定されない。MEMS素子3は、気圧を検出し、その検出結果を電気信号として電子部品2に出力する。図3~図5に示すように、MEMS素子3は、立方体形状であり、主面3a、実装面3b、及び側面3cを有する基板30を備える。主面3a及び実装面3bは、MEMS素子3の厚さ方向(z方向)において互いに反対側を向いている。主面3aは、z1方向を向く面である。実装面3bは、z2方向を向く面であり、MEMS素子3を電子部品2に実装する際に利用される面である。側面3cは、主面3a及び実装面3bを繋ぐ面であり、x方向またはy方向を向いており、z方向に平行である。本実施形態においては、MEMS素子3のz方向の寸法は、例えば、200~300μm程度であり、x方向及びy方向の寸法は、例えば、それぞれ0.7~1.0mm程度である。
基板30は、半導体層を含み、半導体層としては、例えば、シリコン層等が挙げられる。基板30は、例えば、シリコン層のみからなってもよいし、酸化シリコン層などの酸化膜とシリコン層の積層膜からなってもよい。基板30の内部には中空部360が設けられている。また、基板30の一部分は、中空部360の上に可動部340があり、可動部340と中空部360の間には接続部365がある。可動部340は、空洞部350を有する。空洞部350のz方向寸法(深さ)は、例えば、1~12μmである。さらに、基板30には固定部370設けられている。
可動部340は、z方向視において中空部360と重畳し、気圧を検出すべくz方向に可動する。本実施形態においては、可動部340は、z方向視矩形状である。可動部340の膜厚Tは、中空部360内の気圧と中空部360外の気圧との差によって形状が変形可能な厚さであればよく、例えば、5~15μmである。
可動部340は、膜厚を小さくすると張りが弱くなり、変形しやすい状態になる。このため、センサ等の感度はよくなるが共振周波数が小さくなったり、可動部340の強度が低下し、共振により可動部340が破損したりするおそれがある。共振周波数は、物体の質量を小さくすることによってより高くなる。本実施形態では、可動部340は、空洞部350を有することにより軽量化されているため、共振周波数を高くすることができる。また、可動部340は、さらに、空洞部350と隣接する支持部355を有することが好ましい。支持部355により、可動部340の強度を高めることができる。可動部340が動作する際に、可動部340の端には応力が生じるため、空洞部350は可動部340の端から多少離れるように設けられている。また、空洞部350の大きさや個数、支持部355の幅や間隔等は特に限定されず、MEMS素子3の用途に合わせて適宜調整すればよい。
中空部360は、基板30内に設けられた空洞であり、本実施形態においては、密閉されている。中空部360は、真空であってもよい。また、本実施形態においては、中空部360は、z方向視矩形状であり、空洞部350の全体は中空部360と重畳しているが、これに限られない。中空部360のz方向寸法(深さ)は、例えば、5~15μmである。
固定部370は、可動部340を支持する部位であり、可動部340が動作する際に、基板1や電子部品2に対して固定された部位である。本実施形態においては、基板30のうち可動部340、中空部360、及び接続部365以外の部分を固定部370とする。
本実施形態においては、可動部340、接続部365及び固定部370は、互いの境界に接合部を有さない、同一、かつ、単一の半導体からなる。本実施形態においては、可動部340、接続部365及び固定部370はシリコンからなる。主面3aは、凹部を有している。凹部は、主面3aのうちz方向視において中空部360と重畳する領域に位置し、z方向になだらかに凹んでいる。
MEMS素子3は、中空部360内の気圧と中空部360外の気圧との差で変形する可動部340の形状(歪み具合)に応じた電気信号を生成して、電子部品2に出力する。基板30の主面3aには、可動部340の変形に応じて抵抗値が変化するゲージ抵抗が設けられている。また、基板30の主面3aには、スパッタリング等により金属配線が形成され、金属配線の所定の位置に、電極パッド34が形成されている。
ボンディングワイヤ4は、基板1の電極パッド11と、電子部品2の電極パッド21、又はMEMS素子3の電極パッド34と、を導通させ、例えば、Au等の金属からなる。なお、ボンディングワイヤ4の素材は限定されず、例えばAl、Cuなどであってもよい。ボンディングワイヤ4の一端は電極パッド11にボンディングされており、他端は電極パッド21または電極パッド34にボンディングされている。
カバー6は、金属製の箱形状の部材であり、電子部品2、MEMS素子3、及びボンディングワイヤ4を囲うようにして、基板1の搭載面1aに接合材7によって接合されている。図示された例においては、カバー6は、平面視矩形状である。なお、カバー6は金属以外の素材であってもよい。また、カバー6の製造方法は特に限定されない。カバー6と基板1との間の空間は、中空になっている。
カバー6は、図1及び図3に示すように、開口部61及び延出部62を有する。開口部61は、内部に外気を取り入れるためのものである。開口部61が設けられ、中空になっていることで、MEMS素子3はMEMSモジュールA1の周囲の気圧(例えば、大気圧)を検出することができ、電子部品2の温度センサはMEMSモジュールA1の周囲の気温を検出することができる。本実施形態では、開口部61は、電子部品2の電極パッド21のz1方向側の位置に1つだけ配置されている。なお、開口部61の数は、特に限定されない。延出部62は、開口部61の端縁から延出しており、平面視において開口部61の少なくとも一部と重なる。延出部62は、先端に向かうほどz2方向に位置しており、先端に向かうほど基板1に近づくように傾斜している。また、図示された構成においては、延出部62の先端は、平面視において電子部品2及びMEMS素子3を避けた位置に設けられている。また、延出部62の根元は、電子部品2及びMEMS素子3と重畳する位置に設けられている。
また、MEMSモジュールA1は、MEMS素子3の代わりに、図6及び図7に示すようなMEMS素子3Aを備えていてもよい。MEMS素子3Aは、空洞部350及び中空部360が連通する構成となっており、空洞部350の中に支持部355が可動部340の厚さ方向(z方向)に突出している。MEMS素子3Aは、可動部340をMEMS素子3より軽量化でき、共振周波数をより高くすることができる。
また、MEMS素子3において、空洞部を有していても可動部の強度に影響を及ぼさない場合、可動部に支持部を設けなくてもよく、MEMSモジュールA1は、例えば、図8に示すようなMEMS素子3B、図9に示すようなMEMS素子3Cを備えていてもよい。
次に、MEMSモジュールA1に含まれるMEMS素子3の製造方法について説明する。
(製造方法1)
まず、図10に示すように、半導体層からなる基板30を準備する。当該半導体層としては、例えば、シリコン層が挙げられる。基板30の厚さは、例えば、700~800μm程度である。
まず、図10に示すように、半導体層からなる基板30を準備する。当該半導体層としては、例えば、シリコン層が挙げられる。基板30の厚さは、例えば、700~800μm程度である。
次に、図11に示すように、基板30に複数の溝部31を形成する。溝部31は、例えば、ボッシュ法等の深掘りエッチングにより形成することができる。なお、複数の溝部31の寸法等の一例を挙げると、z方向視円形状とされた溝部31の主面における直径が0.2~0.8μm、隣り合う溝部31のピッチ(中心間距離)が0.4~1.4μmである。また、本実施形態においては、複数の溝部31のz方向視寸法は、略同一である。
次に、図12に示すように、溝部31の底面から溝部の深さ方向に垂直な方向に基板30をエッチングして、複数の溝部31をつなぐ中空部360を形成する(中空部形成工程)。中空部形成工程において、z方向と直角である断面積が徐々に大きくなるようにエッチングを行う。これにより、溝部31を形成する工程と空洞部形成工程とを同一の処理によって連続して行うことが可能であり、効率よく中空部360を形成することができる。
次に、図13に示すように、基板30に対して水素を含む雰囲気下で熱処理(例えば、1100~1200℃)を行い、熱処理によって溶融した基板30の一部が溝部31の深さ方向の両端部を塞いで空洞部350、支持部355、及び接続部365を形成する(空洞部形成工程)。本製造方法では、中空部形成工程、及び空洞部形成工程を含むため、可動部340及び中空部360を形成するために、異なる複数の部材を接合する工程が不要である。これにより、接合箇所において密閉性が低下するおそれがないという利点がある。また、中空部360を形成するために、例えば、基板30を貫通するような過大な穴部を設ける必要がないという利点がある。
空洞部形成工程においては、熱マイグレーションを用いて半導体層を部分的に移動させることにより複数の溝部31を塞ぐ。このため、形成された空洞部350を含む可動部340は、半導体層の材料のみからなる部位であり、同じく半導体層の材料からなる固定部370と、接合部を介することなく一体的に繋がった構成となる。これにより、中空部360の密閉性を高めることができる。また、空洞部350は、基板の材質や熱処理条件により形状が異なることがある。本製造工程では、空洞部350の形状は上面や底面が丸みを帯びているがこれに限られず、上面や底面が平坦な部分を有していてもよい。
上記工程により、MEMS素子3を製造することができる。
(製造方法2)
また、製造方法1とは異なるMEMS素子3の製造方法について説明する。
また、製造方法1とは異なるMEMS素子3の製造方法について説明する。
まず、図14に示すように、酸化膜35上に半導体層36が積層された基板30Aを準備する。当該基板30Aとしては、例えば、酸化シリコン層上にシリコン層が積層されたSOI基板等が挙げられる。基板30Aの厚さは、例えば、700~800μm程度である。
次に、図15に示すように、基板30Aの表面に酸化膜35に達する複数の溝部37を形成する。溝部37は、例えば、ボッシュ法等の深掘りエッチングにより形成することができる。なお、複数の溝部37の寸法等の一例を挙げると、z方向視円形状とされた溝部37の主面における直径が0.2~0.8μm、隣り合う溝部37のピッチ(中心間距離)が0.4~1.4μmである。また、本実施形態においては、複数の溝部37のz方向視寸法は、略同一である。なお、複数の溝部37を形成する際、酸化膜35は半導体層36に対してエッチング選択比が大きく、エッチングストッパーとして機能するため、溝部37の深さを固定することができ、良好な再現性を得ることができる。
次に、図16に示すように、酸化膜35の一部を除去して複数の溝部37をつなぐ中空部360を形成する(中空部形成工程)。中空部形成工程において、溝部37により露出した酸化膜35の一部に対してフッ化水素等を用いたエッチングにより酸化膜35の一部が除去される。
次に、図17に示すように、基板30Aに対して水素を含む雰囲気下で熱処理(例えば、1100~1200℃)を行い、熱処理によって溶融した基板30Aの一部が溝部37の深さ方向の両端部を塞いで空洞部350、支持部355、及び接続部365を形成する(空洞部形成工程)。本製造方法では、中空部形成工程、及び空洞部形成工程を含むため、可動部340及び中空部360を形成するために、異なる複数の部材を接合する工程が不要である。これにより、接合箇所において密閉性が低下するおそれがないという利点がある。また、中空部360を形成するために、例えば、基板30Aを貫通するような過大な穴部を設ける必要がないという利点がある。
空洞部形成工程においては、熱マイグレーションを用いて半導体層を部分的に移動させることにより複数の溝部37を塞ぐ。このため、形成された空洞部350を含む可動部340は、基板30Aに含まれる半導体層36の材料のみからなる部位であり、同じく半導体層36の材料からなる固定部370と、接合部を介することなく一体的に繋がった構成となる。これにより、中空部360の密閉性を高めることができる。
上記工程により、MEMS素子3を製造することができる。
本実施形態によれば、MEMS素子3は、可動部340が空洞部350を有することにより軽量化されているため、センサ等の感度を向上させつつ、共振による可動部の破損を抑制することができる。
(製造方法3)
さらに、上述のMEMS素子3Aの製造方法について説明する。
さらに、上述のMEMS素子3Aの製造方法について説明する。
まず、上述の製造方法1の図10のように半導体層からなる基板30を準備する。また、上述の製造方法2の図14のように酸化膜35上に半導体層36が積層された基板30Aを準備する。
次に、図18に示すように、基板30に第1の開口部38を形成する。第1の開口部38は、例えば、基板30をエッチングすることにより形成することができる。
次に、図19に示すように、基板30Aに第2の開口部39を形成する。第2の開口部39は、例えば、基板30Aをエッチングすることにより形成することができる。
次に、図20に示すように、第1の開口部38を形成した基板30上に、第1の開口部38及び第2の開口部39が重畳するように基板30Aを接合する。当該接合により、基板30の第1の開口部38に中空部360、基板30Aの第2の開口部39に空洞部350をそれぞれ形成する。なお、基板30と基板30Aとの接合は、例えば、熱を加える共有接合を用いることができる。
次に、図21に示すように、接合された基板30Aに対して酸化膜35を除去する。酸化膜35の除去は、例えば、CMP(Chemical Mechanical Polishing)法等により行う。
上記工程により、MEMS素子3Aを製造することができる。
本実施形態によれば、MEMS素子3Aは、可動部340及び中空部360の寸法の良好な再現性を得ることができ、また、空洞部350の体積をより大きくすることができるため可動部340をより軽量化することができる。さらに、基板30や基板30Aを加工して空洞部350や中空部360を形成するため、空洞部350や中空部360の形状を容易に調整することができる。さらに、可動部340は、空洞部350を有することにより軽量化されているため、センサ等の感度を向上させつつ、共振による可動部の破損を抑制することができる。
また、MEMS素子(MEMS素子3及びMEMS素子3A等)を製造後、基板1への電子部品2の搭載、電子部品2へのMEMS素子3(又はMEMS素子3A)の搭載、ボンディングワイヤ4のボンディング及びカバー6の基板1への接合等を経ることにより、MEMSモジュールA1を製造することができる。
以下に、実施例により本実施形態をさらに具体的に説明するが、本実施形態は以下の実施例に限定されるものではない。
(実施例1)
本実施例では、可動部(メンブレン)の膜厚における、メンブレンの変動と共振周波数との関係性をシミュレーションソフト「ANSYS Mechanical Pro」の周波数応答解析を用いて評価した。評価には、上述の図5に示すMEMS素子において空洞部350を設けない構成を採用した。シリコン層からなるメンブレンのサイズは940μm×940μm、中空部のサイズは500μm×500μmであった。メンブレンの膜厚が異なる4種類(5μm、7μm、9μm、15μm)のサンプルを用意した。なお、メンブレンの膜厚とは、図5に示すMEMS素子における中空部360の上面と可動部340の上面との距離と同じである。
本実施例では、可動部(メンブレン)の膜厚における、メンブレンの変動と共振周波数との関係性をシミュレーションソフト「ANSYS Mechanical Pro」の周波数応答解析を用いて評価した。評価には、上述の図5に示すMEMS素子において空洞部350を設けない構成を採用した。シリコン層からなるメンブレンのサイズは940μm×940μm、中空部のサイズは500μm×500μmであった。メンブレンの膜厚が異なる4種類(5μm、7μm、9μm、15μm)のサンプルを用意した。なお、メンブレンの膜厚とは、図5に示すMEMS素子における中空部360の上面と可動部340の上面との距離と同じである。
上記の4つのサンプルについて、評価した結果を図22に示す。図22(a)はメンブレンの膜厚における、メンブレンの変動と共振周波数との関係を示す図であり、図22(b)は、メンブレンの膜厚における、共振周波数とメンブレンの膜厚との関係を示す図である。
図22(a)に示すように、メンブレンの膜厚が5μmであるサンプルの共振周波数は342kHz、メンブレンの膜厚が7μmであるサンプルの共振周波数は444kHz、メンブレンの膜厚が9μmであるサンプルの共振周波数は545kHz、メンブレンの膜厚が15μmであるサンプルの共振周波数は835kHzであり、メンブレンの膜厚が小さいほど共振周波数が低くなることが確認できる。また、図22(b)に示すように、共振周波数とメンブレンの膜厚とは比例関係にあることが確認できる。
(実施例2)
本実施例では、MEMS素子の可動部における、空洞部の有無によるメンブレンの変動と共振周波数との関係性を評価した。評価には、以下に示すサンプル1~4を用意した。サンプル1は、実施例1におけるメンブレンにおいて空洞部を設けない構成のMEMS素子である。サンプル2は、上述の図7に示すMEMS素子において支持部を設けないものであり、シリコン層からなるメンブレンのサイズは940μm×940μm、中空部のサイズは500μm×500μm、メンブレンにおける空洞部のサイズは250μm×250μmである。空洞部の上には3μmのシリコン層が設けられており、空洞部の上側と下側の距離は4μmであるMEMS素子である。サンプル3は、シリコン層からなるメンブレンのサイズは940μm×940μm、中空部のサイズは500μm×500μm、メンブレンにおける空洞部のサイズは80μm×80μmであり、当該空洞部が9個(縦3個×横3個)あり、隣り合う空洞部の間には幅5μmの支持部が設けられており、空洞部の上には3μmのシリコン層が設けられている。空洞部の上側と下側の距離は4μmであるMEMS素子である。サンプル4は、シリコン層からなるメンブレンのサイズは940μm×940μm、中空部のサイズは500μm×500μm、メンブレンにおける空洞部のサイズは80μm×80μmであり、当該空洞部が9個(縦3個×横3個)あり、隣り合う空洞部の間には幅5μmの支持部が設けられており、空洞部の上下にはそれぞれ1.5μmのシリコン層が設けられている。空洞部の上側と下側の距離は4μmであるMEMS素子である。また、サンプル1~4におけるメンブレンの膜厚は7μmであった。
本実施例では、MEMS素子の可動部における、空洞部の有無によるメンブレンの変動と共振周波数との関係性を評価した。評価には、以下に示すサンプル1~4を用意した。サンプル1は、実施例1におけるメンブレンにおいて空洞部を設けない構成のMEMS素子である。サンプル2は、上述の図7に示すMEMS素子において支持部を設けないものであり、シリコン層からなるメンブレンのサイズは940μm×940μm、中空部のサイズは500μm×500μm、メンブレンにおける空洞部のサイズは250μm×250μmである。空洞部の上には3μmのシリコン層が設けられており、空洞部の上側と下側の距離は4μmであるMEMS素子である。サンプル3は、シリコン層からなるメンブレンのサイズは940μm×940μm、中空部のサイズは500μm×500μm、メンブレンにおける空洞部のサイズは80μm×80μmであり、当該空洞部が9個(縦3個×横3個)あり、隣り合う空洞部の間には幅5μmの支持部が設けられており、空洞部の上には3μmのシリコン層が設けられている。空洞部の上側と下側の距離は4μmであるMEMS素子である。サンプル4は、シリコン層からなるメンブレンのサイズは940μm×940μm、中空部のサイズは500μm×500μm、メンブレンにおける空洞部のサイズは80μm×80μmであり、当該空洞部が9個(縦3個×横3個)あり、隣り合う空洞部の間には幅5μmの支持部が設けられており、空洞部の上下にはそれぞれ1.5μmのシリコン層が設けられている。空洞部の上側と下側の距離は4μmであるMEMS素子である。また、サンプル1~4におけるメンブレンの膜厚は7μmであった。
上記の4つのサンプルについて、評価した結果を図23に示す。図23に示すように、サンプル1の共振周波数は444kHz、サンプル2の共振周波数は473kHz、サンプル3の共振周波数は471kHz、サンプル4の共振周波数は528kHzであ、メンブレンに空洞部を設けることにより共振周波数が高くなることが確認できる。また、空洞部及び中空部が連通しない構成(サンプル4)の方が、空洞部及び中空部が連通する構成(サンプル2及び3)より共振周波数を高くなることが確認できる。
(実施例3)
本実施例では、上記製造方法1における空洞部形成工程について熱マイグレーションによる半導体層の移動を評価した。評価には、基板を用いた。シリコン層からなる基板の複数の溝部(縦11個×横10個)の深さは10.4μm、直径は0.6μm、隣り合う溝部のピッチ(中心間距離)は1.1μmであった。
本実施例では、上記製造方法1における空洞部形成工程について熱マイグレーションによる半導体層の移動を評価した。評価には、基板を用いた。シリコン層からなる基板の複数の溝部(縦11個×横10個)の深さは10.4μm、直径は0.6μm、隣り合う溝部のピッチ(中心間距離)は1.1μmであった。
次に、基板に対して水素を含む雰囲気下で1100℃の熱処理を行った。図24に示すように、熱処理によって溶融した基板の一部が溝部の深さ方向の両端部を塞いで空洞部350、支持部355、中空部360、及び接続部365が形成されたことが確認できる。また、空洞部350において、深さ方向における中央部が両端部より細いことが確認できる。さらに、中空部360において、中央部から端部に連れて徐々に傾いている(空洞部350の端部に近接している)ことが確認できる。さらに、複数の空洞部350において、中空部360の端部側の空洞部350の深さは、中空部360の中央部の空洞部350の深さより小さいことが確認できる。
1、30、30A 基板
2 電子部品
3、3A、3B、3C MEMS素子
4 ボンディングワイヤ
6 カバー
7 接合材
31、37 溝部
35 酸化膜
36 半導体層
38 第1の開口部
39 第2の開口部
340 可動部
350 空洞部
355 支持部
360 中空部
365 接続部
370 固定部
A1 MEMSモジュール
2 電子部品
3、3A、3B、3C MEMS素子
4 ボンディングワイヤ
6 カバー
7 接合材
31、37 溝部
35 酸化膜
36 半導体層
38 第1の開口部
39 第2の開口部
340 可動部
350 空洞部
355 支持部
360 中空部
365 接続部
370 固定部
A1 MEMSモジュール
Claims (17)
- 内部に中空部が形成された基板を備えるMEMSモジュールであって、
前記中空部上の、前記基板の一部分である可動部を有し、
前記可動部は、前記中空部内の気圧と前記中空部外の気圧との差によって形状が変形可能な厚さを有し、
前記可動部の一部には空洞部が形成されている、MEMSモジュール。 - 前記可動部は、前記空洞部と隣接する支持部を有する、請求項1に記載のMEMSモジュール。
- 前記中空部は、前記空洞部と連通する、請求項1に記載のMEMSモジュール。
- 前記可動部は、前記空洞部の中に厚さ方向に突出する支持部を有する、請求項3に記載のMEMSモジュール。
- 前記基板はシリコンからなる、請求項1~4のいずれか1項に記載のMEMSモジュール。
- 前記基板はシリコン層及び酸化シリコン層を含む、請求項1~4のいずれか1項に記載のMEMSモジュール。
- 前記空洞部において、深さ方向における中央部が両端部より細い、請求項1~6のいずれか1項に記載のMEMSモジュール。
- 前記中空部において、中央部から端部に連れて徐々に前記空洞部の端部に近接している、請求項1~7のいずれか1項に記載のMEMSモジュール。
- 前記空洞部は複数あり、
前記複数の空洞部において、前記中空部の端部側の空洞部の深さは、前記中空部の中央部の空洞部の深さより小さい、請求項1~8のいずれか1項に記載のMEMSモジュール。 - 半導体層を備える基板に複数の溝部を形成し、
前記溝部の底面から前記溝部の深さ方向に垂直な方向に前記基板をエッチングして、前記複数の溝部をつなぐ中空部を形成し、
前記基板に対して水素を含む雰囲気下で熱処理を行い、前記熱処理によって溶融した前記基板の一部が前記溝部の深さ方向の両端部を塞いで空洞部を形成する、MEMSモジュールの製造方法。 - 前記中空部は、エッチングにより形成する、請求項10に記載のMEMSモジュールの製造方法。
- 酸化膜上に半導体層が積層された基板の表面に前記酸化膜に達する複数の溝部を形成し、
前記酸化膜の一部を除去して前記複数の溝部をつなぐ中空部を形成し、
前記基板に対して水素を含む雰囲気下で熱処理を行い、前記熱処理によって溶融した前記基板の一部が前記溝部の深さ方向の両端部を塞いで空洞部を形成する、MEMSモジュールの製造方法。 - 前記酸化膜は、酸化シリコン層である、請求項12に記載のMEMSモジュールの製造方法。
- 前記熱処理は、1100~1200℃で行い、前記半導体層に熱マイグレーション現象を生じさせて前記溝部の深さ方向の両端部を塞いで前記空洞部を形成する、請求項10~13のいずれか1項に記載のMEMSモジュールの製造方法。
- 半導体層を備える第1の基板、及び酸化膜上に半導体層が積層された第2の基板を準備し、
前記第1の基板に第1の開口部を形成し、
前記第2の基板に第2の開口部を形成し、
前記第1の開口部を形成した前記第1の基板上に、前記第1の開口部及び前記第2の開口部が重畳するように前記第2の基板を接合して、前記第1の基板の前記第1の開口部に中空部、前記第2の基板の前記第2の開口部に空洞部をそれぞれ形成する、MEMSモジュールの製造方法。 - 前記酸化膜は、酸化シリコン層である、請求項15に記載のMEMSモジュールの製造方法。
- 前記半導体層は、シリコン層である、請求項10~16のいずれか1項に記載のMEMSモジュールの製造方法。
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