WO2006123788A1 - Ｍｅｍｓ素子、ｍｅｍｓデバイス、およびｍｅｍｓ素子の製造方法 - Google Patents

Ｍｅｍｓ素子、ｍｅｍｓデバイス、およびｍｅｍｓ素子の製造方法 Download PDF

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Yasuhiro Yoshikawa
Hiroyuki Tajiri
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Definitions

  • MEMS element MEMS device, and method for manufacturing MEMS element
  • the present invention relates to a MEMS (Micro Electro Mechanical System) element and a manufacturing method thereof.
  • the present invention also relates to a MEMS device using a MEMS element.
  • Patent Document 1 Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2004-12327
  • Patent Document 2 JP 2005-40885 A
  • the conventional MEMS device X shown in FIG. 18 is configured as a capacitance type acceleration sensor, and includes a substrate 91, on which the MEMS element Y and the control units 95a and 95b are provided. It is installed.
  • the substrate 91, the MEMS element Y, and the control units 95a and 95b are covered with a knock resin 96.
  • a plurality of external terminals 97 for mounting extend from the knockout resin 96.
  • FIG. 19 is an exploded perspective view of the MEMS element Y.
  • the MEMS element Y has a configuration in which a pair of glass substrates 92a and 92c and a Si substrate 92b are laminated.
  • a movable electrode 94 including a movable portion 94a and a support portion 94b is built.
  • the MEMS element Y having such a Si substrate is generally called a Balta type MEMS element.
  • Fixed electrodes 93a and 93b are formed on the pair of glass substrates 92a and 92c, respectively.
  • the movable portion 94a and the fixed electrode 93a face each other while being separated from each other. As a result, they constitute a single capacitor with variable capacitance.
  • Another such capacitor is also configured between the movable part 94a and the fixed electrode 93b.
  • FIG. 19 when vertical acceleration occurs, the movable electrode 94 moves up and down. As a result, the above two The capacitance of the capacitor changes.
  • the MEMS device X can detect the magnitude of the acceleration by reading these changes in capacitance.
  • the MEMS device X can be mounted on, for example, a mobile phone including an HDD as a recording medium. According to such a configuration, when an excessive acceleration occurs in the mobile phone, it can be detected by the MEMS device X. For example, if a user accidentally drops a mobile phone on the floor, it can be detected by MEMS device X. Based on this detection, it is possible to perform control such as stopping the rotation of the HDD or moving the data read / write head away from the HDD.
  • the MEMS device X In order to use for the above-described applications, it is required to make the MEMS device X thin enough to be mounted on the mobile phone.
  • the MEMS device X is relatively thick because it uses the NOR type MEMS element Y.
  • the movable substrate 94 is formed on the Si substrate 92b of the MEMS element Y by cutting a relatively thick Si material.
  • the MEMS element Y in which the Si substrate 92b and the glass substrates 92a and 92c are laminated also becomes thick. Since the MEMS device X has a structure in which the MEMS element Y is sealed with the package resin 96, the thickness further increases. Therefore, the MEMS device X has a problem that it cannot sufficiently meet the demand for thinning.
  • the MEMS element described in Patent Document 2 includes a substrate 91 ′, a lower layer electrode 92 ′ and a wiring 95 ′ formed on the substrate.
  • the upper layer electrode 93 ′ is connected to the wiring 95 ′.
  • the movable portion 93a ′ of the upper layer electrode 93 ′ is opposed to the lower layer electrode 92 ′ while being spaced apart in the vertical direction in the figure.
  • the magnitude of the vertical acceleration in FIG. 20 is detected based on the change in capacitance between the lower layer electrode 92 'and the upper layer electrode 93'. To do. That is, the capacitance between the lower layer electrode 92 ′ and the upper layer electrode 93 ′ is determined by the size of the gap between the lower layer electrode 92 ′ and the movable portion 93a ′ of the upper layer electrode 93 ′.
  • the movable portion 93a moves up and down in accordance with the acceleration, and the gap increases or decreases, that is, the capacitance fluctuates. If the change in capacitance is measured electrically, the magnitude of acceleration can be known.
  • FIG. 21 shows a process of manufacturing the MEMS element shown in FIG. In this manufacturing process
  • a sacrificial layer 94 ′ is formed so as to cover the lower layer electrode 92 ′, and a movable portion 93a ′ is formed on the sacrificial layer 94 ′.
  • the lower layer electrode 92 ′ and the movable portion 93a ′ can be separated from each other by a predetermined distance.
  • the removal of the sacrificial layer 94 ′ is performed, for example, by wet etching using an etchant that can selectively dissolve only the sacrificial layer 94 ′.
  • the capacitance of the MEMS element is larger.
  • the larger the lower layer electrode 92 ′ and the movable portion 93a ′ the larger the sacrificial layer 94 ′ needs to be. As a result, the time for removing the sacrificial layer 94 'becomes longer, and the manufacturing efficiency of the MEMS device is lowered.
  • the above-described problem can also occur when an actuator is manufactured using the MEMS element of FIG. That is, when the MEMS element is used as an actuator, the movable portion 93a ′ is driven by applying a voltage between the lower layer electrode 92 ′ and the upper layer electrode 93 ′. In order to increase the operation accuracy of the movable part 93a ′, it is necessary to enlarge the lower layer electrode 92 ′ and the movable part 93a ′ and to reduce the gap between the lower layer electrode 92 ′ and the movable part 93a ′.
  • an object of the present invention is to provide a technique for realizing a thin MEMS device.
  • Another object of the present invention is to provide a MEMS device capable of increasing the detection accuracy of the acceleration sensor and the operation accuracy of the actuator.
  • a MEMS element provided by the first aspect of the present invention is formed on a substrate and the substrate. And a second electrode having a movable part that is spaced apart from and opposed to the first electrode. In addition, a plurality of through holes are formed in the movable part.
  • each through hole has an opening width of 5 to 10 times a distance between the first electrode and the movable part of the second electrode.
  • the plurality of through holes have the same size and are arranged at a constant density.
  • the plurality of through holes are arranged in a matrix.
  • the plurality of through holes are arranged at a pitch of 15 to 25 times the distance between the first electrode and the movable portion of the second electrode.
  • a method of manufacturing a MEMS element includes a step of forming a first electrode on a substrate, a step of forming a sacrificial layer so as to cover the first electrode, a step of forming a conductor layer on the sacrificial layer, and the conductor layer.
  • Forming a second electrode by patterning, and removing a portion of the sacrificial layer sandwiched between the first electrode and the second electrode. In the patterning, a plurality of through holes are formed in a portion of the conductor layer facing the first electrode via the sacrificial layer. Further, the step of removing the sacrificial layer is performed by dry etching.
  • the opening width of the through hole is set to 5 to 10 times the thickness of the sacrificial layer.
  • a pitch between adjacent ones of the plurality of through holes is set to 15 to 25 times the sacrificial layer thickness.
  • a MEMS device provided by the third aspect of the present invention has a substrate, a movable portion that is formed on the substrate and faces the first electrode and the first electrode force while being separated from each other.
  • a MEMS element including a second electrode, a package resin in which a gap for accommodating the MEMS element is formed, and an external terminal for mounting are provided.
  • the first electrode and the second electrode are made of a conductive thin film.
  • the substrate is made of ceramics.
  • the movable portion is formed with a plurality of through holes.
  • each through hole has an opening width of 5 to 10 times a distance between the first electrode and the movable portion of the second electrode.
  • the plurality of through holes have the same size and are arranged at a constant density.
  • the plurality of through holes are arranged in a matrix.
  • the plurality of through holes are arranged at a pitch of 15 to 25 times the distance between the first electrode and the movable portion of the second electrode.
  • the MEMS device of the present invention further includes a protective plate facing the substrate across the gap.
  • the protective plate is S, and an IC is formed on one surface thereof.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a MEMS element according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line II-II in FIG.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a step of forming a glaze layer on a substrate in the method for manufacturing the MEMS element shown in FIG.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a step of forming a first conductor layer in the manufacturing method.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a process of forming a noria metal layer in the manufacturing method.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a step of forming a lower layer electrode in the manufacturing method.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing a step of forming a sacrificial layer in the manufacturing method.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view showing a step of forming a second conductor layer in the manufacturing method.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view showing a step of forming an upper layer electrode in the manufacturing method.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing a process of patterning the TiN layer in the manufacturing method.
  • FIG. 11 is a fragmentary cross-sectional view showing a sacrifice layer removing step in the manufacturing method.
  • FIG. 12 is a perspective view showing a MEMS device according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is an exploded perspective view of the MEMS device.
  • FIG. 14 is a sectional view taken along line XIV—XIV in FIG.
  • FIG. 15 is a cross-sectional view taken along line XV—XV in FIG.
  • FIG. 16 is a perspective view showing an example of a MEMS element used in the MEMS device.
  • FIG. 17 is a cross-sectional view of relevant parts along the line XVII—XVII in FIG.
  • FIG. 18 is a perspective view showing an example of a conventional MEMS device.
  • FIG. 19 is an exploded perspective view showing a MEMS element used in the conventional MEMS device.
  • FIG. 20 is a cross-sectional view showing another example of a conventional MEMS element.
  • FIG. 21 is a cross-sectional view showing a step of forming a sacrificial layer in the manufacture of the MEMS element of FIG.
  • FIGS. 1 and 2 show a MEMS device A1 according to a first embodiment of the present invention.
  • the MEMS element A1 includes a substrate 1, a lower layer electrode (first electrode) 2, an upper layer electrode (second electrode) 3, an insulating layer 4, and a support layer 21 formed on the substrate 1. It is configured as a so-called surface-type MEMS device.
  • the MEMS element A1 is used, for example, as an acceleration sensor for detecting acceleration in the vertical direction in the figure.
  • the substrate 1 is for supporting the lower layer electrode 2 and the upper layer electrode 3, such as Al 2 O 3.
  • the substrate 1 has a thickness of about lmm.
  • the upper surface of the substrate 1 is covered with a glaze layer 11.
  • the glaze layer 11 is for forming a smooth surface suitable for forming the lower layer electrode 2 and the like, and is formed, for example, by printing a liquid containing a glass component and baking it.
  • the lower layer electrode 2 is formed on the glaze layer 11 and has a substantially rectangular shape with a side of about 2 mm.
  • the lower electrode 2 also has, for example, A1 force, and its thickness is about 1.2 m.
  • a wiring (not shown) is connected to the lower layer electrode 2.
  • a pair of support layers 21 are formed on both sides of the lower layer electrode 2.
  • the support layer 21 is for fixing the upper layer electrode 3 to the substrate 1.
  • the support layer 2 is, for example, the lower electrode 2 As with the Al force, the thickness is about 1.2 m.
  • a pair of insulating layers 4 are stacked above the pair of support layers 21 via a pair of barrier metal layers 51.
  • the insulating layer 4 is made of, for example, S and has a thickness of about 2. O / z m.
  • the rare metal layer 51 is intended to prevent the support layer 21 and the insulating layer 4 from reacting inappropriately.
  • the rare metal layer 51 also has TiN force, for example, and its thickness is about 250A.
  • the upper layer electrode 3 is provided via a pair of noble metal layers 52.
  • the rare metal layer 52 is used to prevent the insulating layer 4 and the upper electrode 3 from reacting inappropriately.
  • the rare metal layer 52 is made of, for example, TiN and has a thickness of about 250 A.
  • the upper layer electrode 3 has a drive unit 31, a pair of support units 32, and a pair of anchor units 33.
  • the upper electrode 3 also has, for example, A1 force, and its thickness is about 0.
  • the movable part 31 is opposed to the lower layer electrode 2 with a distance d. As a result, a capacitor having a variable capacitance is formed between the movable portion 31 and the lower layer electrode 2. In this embodiment, the distance d is about 2. O / z m, which is almost the same as the thickness of the insulating layer 4.
  • the movable part 31 has a substantially rectangular shape of about 2 mm square, like the lower layer electrode 2.
  • a plurality of through holes 3la are formed in a matrix.
  • the through hole 3 la has a square cross section, and the length (opening width) w of one side is about 15 m. Preferably, the length w of one side is 5 to 10 times the distance d.
  • the pitch p of the plurality of through holes 31a is about 40 m. Preferably, the pitch p is 15 to 25 times the distance d.
  • the movable portion 31 is connected to a pair of anchor portions 33 via a pair of support portions 32, and is so-called both supported.
  • the support portion 32 is made thinner than the movable portion 31, and is relatively easily elastically deformed. In FIG. 1, when vertical acceleration occurs, an inertial force proportional to the mass of the movable portion 31 acts on the support portion 32. Due to this inertial force, the support portion 32 is pinched and the movable portion 31 is allowed to move up and down.
  • the pair of anchor portions 33 are for fixing the upper layer electrode 3 to the substrate 1, and are joined to the insulating layer 4 via the nore metal layer 52.
  • the anchor 33 is connected to the wiring ( For example, a wire is connected.
  • the capacitance of the MEMS element A1 can be measured using the wiring (not shown) to which the lower layer electrode 2 is connected and the wiring (not shown) to which the anchor portion 33 is connected. is there.
  • a material substrate 1A having a size capable of manufacturing a plurality of MEMS elements A1 is used.
  • a glaze layer 11 is formed by printing a liquid containing a glass component on the material substrate 1A and firing the liquid.
  • the first conductor layer 2 A is formed on the glaze layer 11.
  • the first conductor layer 2A is formed, for example, by sputtering using A1. At this time, the thickness of the first conductor layer 2A is about 1.2 m.
  • a TiN layer 51A is formed on the first conductor layer 2A.
  • the TiN layer 51A is formed using, for example, a sputtering method so that its thickness is about 250 A.
  • the pair of barrier metal layers 51 shown in FIG. 5 are formed by patterning the TiN layer 51A.
  • the patterning on the TiN layer 51 A is performed by dry etching using a gas containing CF as an etching gas after masking by a photolithography technique, for example.
  • a sacrificial layer 4A is formed so as to cover the lower electrode 2, the pair of support layers 21 and the pair of noria metal layers 51, as shown in FIG.
  • the sacrificial layer 4A is formed by sputtering using, for example, Si.
  • the thickness of the portion of the sacrificial layer 4A covering the lower electrode 2 is set to about 2. O / zm.
  • a TiN layer 52A is formed by sputtering using TiN, for example. At this time, the thickness of the TiN layer 52A is set to about 250A.
  • a second conductor layer 3A is formed on the TiN layer 52A. The second conductor layer 3A is formed by, for example, a sputtering method using A1. At this time, the thickness of the second conductor layer 3A is about 1.
  • patterning is performed on the second conductor layer 3A. This patterning is performed by, for example, wet etching using an etching solution that can selectively dissolve A1 after masking by a photolithography technique. By this patterning, the upper electrode 3 shown in FIG. 9 is obtained.
  • the size of the movable part 31 is about 2 mm square.
  • a plurality of through holes 31a are simultaneously formed.
  • Each of the plurality of through holes 31a has a square cross section with a side length w of about 15 m.
  • the pitch p between adjacent through-holes 31a is about 40 m.
  • the pair of barrier metal layers 52 shown in FIG. 10 is removed by removing portions other than the portions of the TiN layer 52A located immediately below the pair of anchor portions 33 of the upper layer electrode 3.
  • This patterning is a gas containing CF as an etching gas.
  • the dry etching is used.
  • the etching gas is brought into contact with the TiN layer 52A using a plurality of through holes 3la.
  • this removal process is performed, for example, by dry etching using an etching gas G that can selectively dissolve Si, which is the material of the sacrificial layer 4A.
  • the etching gas G is supplied to the space below the movable portion 31 through the plurality of through holes 31a.
  • the etching gas G can be appropriately brought into contact with the portion of the sacrificial layer 4A located below the movable portion 31. Therefore, even when the size of the movable portion 31 is relatively large, the sacrificial layer 4A can be appropriately removed.
  • the time required for the dry etching can be shortened.
  • the movable part 31 can be opposed to the lower layer electrode 2 with a distance d.
  • the remaining portions of the sacrificial layer 4A become a pair of insulating layers 4.
  • a wiring (not shown) for energizing the lower layer electrode 2 and the upper layer electrode 3 is formed, and then the material substrate 1A is divided to obtain a plurality of MEMS elements A1 shown in FIG.
  • the sacrificial layer 4A (see Fig. 10) can be appropriately removed by dry etching using the plurality of through holes 3la formed in the movable portion 31.
  • wet etching is used as a means for removing the sacrificial layer 4A, there is no possibility that the movable part 31 adheres to the lower layer electrode 2. For this reason, the movable part 31 can be enlarged and the distance d can be reduced.
  • the capacitance of the MEMS element A1 is proportional to the size of the movable part 31 and inversely proportional to the distance d.
  • the MEMS element A1 is used for an acceleration sensor, there is an advantage that it is easy to detect the amount of change in capacitance caused by acceleration. Further, the smaller the distance d, the larger the amount of change in the capacitance of the MEMS element A1 when the movable part 31 moves up and down due to acceleration. As described above, the detection accuracy of the acceleration sensor using the MEMS element A1 can be improved.
  • the plurality of through holes 31a are made into a square cross section with a side length w of about 15 m. It is possible to pass gas appropriately. If the length w of one side is about 5 to 10 times the distance d, the etching gas can be appropriately passed and the aperture ratio of the movable portion 31 can be prevented from being unduly increased. As in the illustrated example, it is preferable that the plurality of through holes 31a have the same size and are arranged at a constant density. With this configuration, the sacrificial layer 4A can be uniformly removed.
  • the plurality of through holes 3 la are arranged in a matrix shape.
  • the pitch p between adjacent through holes 31a is 40 m
  • the etching gas passing through the adjacent through holes 31a causes a gap between these through holes 31a in the sacrificial layer 4A shown in FIG.
  • the portion located at can be removed in a relatively short time.
  • the pitch p is preferably about 15 to 25 times the distance d.
  • the operation accuracy can be improved. That is, the larger the size of the movable portion 31 that functions as the drive portion, the greater the vertical movement of the movable portion 31 when a voltage is applied between the movable portion 31 and the lower layer electrode 2. The smaller the distance d between the movable part 31 and the lower layer electrode 2, the smaller the movable part 31 and the lower layer electrode 2 are. The force acting on the movable part 31 is also increased by the fluctuation of the voltage applied to the electrode 2. These are advantageous in improving the operation accuracy of the above-mentioned actuator.
  • the plurality of through holes are not limited to those having a square cross section, and may be, for example, a circular cross section.
  • the diameter corresponds to the opening width in the present invention.
  • the arrangement of the plurality of through holes is not limited to a matrix shape, and for example, three adjacent through holes may be arranged corresponding to the vertices of an equilateral triangle.
  • the movable portion is not limited to a rectangular shape, and may be a polygonal shape or a circular shape other than the rectangular shape.
  • the upper electrode as the second electrode is not limited to a structure in which the movable part is supported at both ends, and may be a structure in which the movable part is cantilevered, for example.
  • FIGS. 12-15 illustrate a MEMS device A2 according to a second embodiment of the present invention.
  • the illustrated MEMS device A2 includes a substrate 1, a MEMS element E, a protective plate 6, a package resin 7 ', and external terminals 8a', 8b ', and 8c', and is a capacitance type acceleration. Configured as a sensor! RU
  • Substrate 1 ' is for supporting MEMS element E, for example, insulation such as Al 2 O
  • the substrate 1 ′ has a substantially rectangular shape and a thickness of about 0.5 mm.
  • the upper surface of the substrate 1 ' is covered with a glaze layer 11'.
  • the glaze layer 11 ′ is for forming a smooth surface suitable for forming the MEMS element E.
  • the glaze layer 11 ′ is formed by printing a liquid containing a glass component and baking it.
  • FIG. 16 is an enlarged view of a part including the MEMS element E in the MEMS device A2, and FIG. 17 is a cross-sectional view thereof.
  • the MEMS element E includes a lower layer electrode 2 as a first electrode formed on a substrate 1 ′, an upper layer electrode 3 as a second electrode, an insulating layer 4, and a support layer 21.
  • the lower layer electrode 2 ′ and the upper layer electrode 3 ′ are made of a conductive thin film, whereby the MEMS element E is configured as a so-called surface type MEMS element.
  • the “conductor thin film” refers to a conductor film obtained by vacuum deposition ion sputtering or the like, and has a film thickness of about several meters.
  • the lower layer electrode 2 ' is formed on the glaze layer 11' and has a substantially rectangular shape of about 2 mm square.
  • the lower electrode 2 ' is made of, for example, an A1 thin film, and its thickness is about 1.2 m. It is.
  • the lower electrode 2 ′ is formed, for example, by forming a thin film of A1 on the glaze layer 11 ′ by sputtering using A1, and then performing patterning using wet etching.
  • a wiring 81 is connected to the lower electrode 2.
  • a pair of support layers 21 ′ are formed on both sides of the lower layer electrode 2 ′.
  • the support layer 21 ′ is for fixing the upper layer electrode 3 ′ to the substrate 1 ′.
  • the support layer 21 ′ is made of an A1 thin film like the lower electrode 2 ′, for example, and has a thickness of about 1.2 / zm.
  • the formation of the support layer 2 1 ′ can be performed simultaneously with the formation of the lower layer electrode 2 ′ described above.
  • One support layer 21 is connected to a wiring 81.
  • pair of support layers 21 ' are a pair of insulating layers 4 via a pair of barrier metal layers 51'.
  • the insulating layer 4 ′ is made of, for example, S and has a thickness of about 2. O / zm.
  • the noria metal layer 51 ′ is for preventing the support layer 21 ′ and the insulating layer 4 ′ from reacting inappropriately.
  • the noria metal layer 51 ′ is made of, for example, TiN and has a thickness of about 250 A.
  • the formation of the noria metal layer 51 is performed by forming a thin film of TiN by sputtering using TiN and then applying patterning using dry etching. The formation of the insulating layer 4 ′ will be described later.
  • An upper layer electrode 3 ′ is provided above the pair of insulating layers 4 ′ via a pair of noria metal layers 52 ′.
  • the noria metal layer 52 ′ is for preventing the insulating layer 4 ′ and the upper layer electrode 3 ′ from reacting inappropriately.
  • the noria metal layer 52 ′ is made of, for example, TiN and has a thickness of about 250 A.
  • the formation of the noria metal layer 52 is performed by the same method as the formation of the barrier metal layer 51 described above.
  • the upper layer electrode 3 ' has a movable portion 31', a pair of support portions 32 ', and a pair of anchor portions 33'.
  • the upper layer electrode 3 ′ is made of, for example, an A1 thin film and has a thickness of about 0.
  • the movable part 31 ' is opposed to the lower layer electrode 2' with a distance d.
  • a capacitor having a variable capacitance is formed between the movable portion 31 ′ and the lower layer electrode 2 ′.
  • the distance d is about 2. O / zm, which is substantially the same as the thickness of the insulating layer 4 ′.
  • the movable part 31 ′ has a substantially rectangular shape of about 2 mm square like the lower layer electrode 2 ′.
  • a plurality of through holes 31a' are formed in a matrix.
  • the through hole 31a ′ has a square cross section, and the length w of one side as the opening width is about 15 m.
  • the length w of one side is preferably about 5 to 10 times the distance d.
  • the pitch p of the plurality of through holes 31a ′ is set to about 40 m.
  • the pitch p is preferably about 15 to 25 times the distance d.
  • the movable portion 31 ′ is connected to the pair of anchor portions 33 ′ via the pair of support portions 32 ′, and is supported so-called both ends.
  • the support part 32 ' is made thinner than the movable part 31', and is relatively easily elastically deformed.
  • an inertial force proportional to the mass of the movable portion 31 ′ acts on the support portion 32 ′. Due to this inertial force, the support portion 32 ′ is held, and the movable portion 31 ′ is allowed to move up and down.
  • the pair of anchor portions 33 ′ are for fixing the upper layer electrode 3 ′ to the substrate 1 ′, and are joined to the insulating layer 4 via the noria metal layer 52. Further, as shown in FIG. 17, the left anchor portion 33 ′ is connected to the left support layer 21 ′ using the through hole 4a ′. As a result, in FIG. 16, the support layer 21 ′ and the wiring 81 ′ extending in force and the upper layer electrode 3 ′ are electrically connected to each other.
  • the upper layer electrode 3 ′ is formed, for example, as follows. First, after forming the lower electrode 2 ', the pair of support layers 21, and the pair of barrier metal layers 51, a sacrificial layer made of S is formed so as to cover them. At this time, the thickness of the portion of the sacrificial layer located above the lower electrode 2 ′ is set to about 2. O / zm. Next, a TiN layer and an A1 layer are laminated so as to cover the sacrificial layer. These thicknesses are about 250 A and 0.6 m, respectively. Thereafter, the A1 layer and the TiN layer are patterned to form the above-described upper electrode 2 ′ and barrier metal layer 52 ′.
  • the sacrificial layer is removed by dry etching except for the portion sandwiched between the pair of anchor portions 33 ′ and the pair of support portions 21 ′.
  • this dry etching it is possible to appropriately contact the sacrificial layer by passing an etching gas through the plurality of through holes 31a ′ of the movable portion 31 ′.
  • the lower layer electrode 2 ′ and the movable portion 31 ′ can be opposed to each other with a distance d.
  • the MEMES element E is surrounded by the frame-shaped protrusion 5.
  • the frame-shaped protrusion 5 ′ is for supporting the protective plate 6 ′ and is made of an insulating material such as SiO.
  • a protective plate 6 ' is joined to the upper end of the frame-shaped protrusion 5'.
  • the protective plate 6 ' is, for example, S, and its thickness is, for example, about 0.1 m.
  • the lower surface of the protective plate 6 ′ is an active surface 6a ′ in which an IC 6b ′ is built.
  • IC6b ′ is a control unit for detecting acceleration from a change in capacitance of the MEMS element E. According to such a configuration, by providing the IC, it is possible to achieve the thinning of the MEMS device while enhancing the functionality of the MEMS device. As shown in FIG.
  • the terminal (not shown) of IC 6b ′ and the left wiring 81 ′ are connected via a through hole 5a ′ formed in the frame-shaped protrusion 5 ′. Accordingly, the plurality of external terminals 8c ′ shown in FIG. 13 and the above-mentioned terminals (not shown) of IC 6b ′ are electrically connected to each other.
  • the knockout resin 7 ' is for protecting the MEMS element E with a force such as impact or moisture, and is made of, for example, epoxy resin.
  • the knockout resin 7 ′ has a thickness of about 100 m, and a gap 7a ′ that can accommodate the MEMS element E is formed.
  • the formation of the package resin 7 ' is performed by molding using an epoxy resin material after providing the frame-like protrusion 5' and the protective plate 6 '. At this time, the resin material for forming the package resin 7 ′ is blocked by the frame-shaped protrusion 5 ′ and the protective plate 6 ′, and does not flow into the MEMS element E side. As a result, the region that is not filled with the resin material becomes the void 7a ′.
  • external terminals 8a ′, 8b ′ and 8c ′ are formed at both ends of the substrate 1 ′.
  • the external terminals 8a ′ and 8b ′ are used for measuring the capacitance of the MEMS element E.
  • the external terminal 8c ′ is used for signal transmission / reception with the IC 6b ′. Note that only the external terminal 8c ′ may be provided, and the external terminals 8a ′ and 8b ′ may not be provided.
  • the lower layer electrode 2 ′ and the upper layer electrode 3 ′ of the MEMS element E are electrically connected to the IC 6b ′ in the MEMS device A2.
  • MEMS element E is a thin film with lower electrode 2 'and upper electrode 3' A1
  • the thickness is about 4 / zm. Therefore, the thickness of the package resin 7 ′ protecting the MEMS element E can be set to about 100 / zm.
  • the thickness of the MEMS device A2 can be reduced to about 0.6 mm, and the thickness can be reduced. Therefore, the MEMS device A2 is suitable for mounting on, for example, a mobile phone.
  • the substrate 1 ' By forming the substrate 1 'from ceramics, it is possible to enhance the insulation of the substrate 1' and to make the substrate 1 'relatively strong. As a result, even when the substrate 1 ′ is thinned, unfair electrical conduction can be prevented and damage due to external force can be avoided. Therefore, it is suitable for thinning the MEMS device A2.
  • the above-described sacrificial layer can be appropriately removed by dry etching using the plurality of through holes 31a ′ formed in the movable portion 31 ′.
  • dry etching there is no possibility that the movable part 31 ′ adheres to the lower electrode 2 ′ in the process of removing the sacrificial layer.
  • the movable part 31 ′ can be enlarged and the distance d can be reduced.
  • the capacitance of the MEMS element E is proportional to the size of the movable part 31 'and inversely proportional to the distance d. Therefore, it is suitable for increasing the capacitance of MEMS element E.
  • the pitch p between the adjacent through holes 31a ' is 40 m
  • the sacrificial layer can be removed in a relatively short time by the etching gas that has passed through the adjacent through holes 31a'.
  • the pitch p is preferably about 15 to 25 times the distance d.
  • the actuator for example, there is a mirror device for switching an optical path in which the movable portion 31 ′ is a so-called mirror and the knocker resin 7 and the protective plate 6 are configured to have translucency.
  • the MEMS device of the present invention is not limited to the one described above.
  • the lower layer electrode and the upper layer electrode are not limited to those made of the A1 thin film, but may be any one that can be a conductive thin film.
  • the movable portion is not limited to a rectangular shape, and may be a polygonal shape other than the rectangular shape or a circular shape.
  • the upper electrode as the second electrode is not limited to a structure in which the movable part is supported at both ends, and may be a structure in which the movable part is supported in a cantilever manner, for example.
  • the plurality of through holes are not limited to those having a square cross section, and may be, for example, circular in cross section. In the case of a through-hole having a circular cross section, the diameter corresponds to the opening width in the present invention.
  • the arrangement of the plurality of through holes is not limited to a matrix shape, and for example, three adjacent through holes may be arranged corresponding to the vertices of an equilateral triangle! /.
  • an IC that is separate from the protective plate may be provided on the substrate.
  • glass can be used as the material of the protective plate 6 '.
  • the material of the substrate is not limited to ceramics, but may be any material that has excellent insulation and mechanical strength.
  • the MEMS device of the present invention can be configured as various devices such as various sensors such as an acceleration sensor, a flow sensor, and an actuator.

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Abstract

　ＭＥＭＳ素子（Ａ１）は、基板（１）と、この基板（１）上に形成された第１電極（２）を備える。さらにＭＥＭＳ素子（Ａ１）は、上記第１電極（２）と離間し且つ対向する可動部（３１）を有する第２電極（３）を備えている。上記可動部（３１）には、複数の貫通孔（３１ａ）が形成されている。各貫通孔（３１ａ）の断面は、たとえば矩形である。

Description

明 細 書
MEMS素子、 MEMSデバイス、および MEMS素子の製造方法 技術分野
[0001] 本発明は、 MEMS (Micro Electro Mechanical System)素子及びその製造方法に 関する。また本発明は、 MEMS素子を用いた MEMSデバイスにも関する。
背景技術
[0002] 従来の MEMS素子としては、下記の特許文献 1および 2に記載されたものがある。
特許文献 1に記載された MEMS素子については、本願の図 18および 19を、また特 許文献 2に記載された MEMS素子については、図 20および 21を参照しつつ、以下 において説明する。
[0003] 特許文献 1 :特開 2004— 12327号公報
特許文献 2 :特開 2005— 40885号公報
[0004] 図 18に示す従来の MEMSデバイス Xは、静電容量型の加速度センサとして構成 されているものであって、基板 91を含み、この基板に MEMS素子 Yおよび制御部 95 a, 95bが搭載されている。基板 91、 MEMS素子 Y、および制御部 95a, 95bは、ノ ッケージ榭脂 96により覆われている。ノ ッケージ榭脂 96からは、実装用の複数の外 部端子 97が延出している。
[0005] 図 19は、 MEMS素子 Yの分解斜視図である。同図に示されるように、 MEMS素子 Yは、一対のガラス基板 92a, 92cと Si基板 92bとが積層された構成とされている。 Si 基板 92bには、可動部 94aおよび支持部 94bからなる可動電極 94が造り込まれてい る。このような Si基板を有する MEMS素子 Yは、一般にバルタ方式の MEMS素子と 呼ばれる。
[0006] 一対のガラス基板 92a, 92cには、それぞれ固定電極 93a, 93bが形成されている 。可動部 94aと固定電極 93aとは、互いに離間しつつ対向している。その結果、これ らは可変静電容量を有する 1つのコンデンサを構成することとなる。このようなコンデ ンサはもう 1つ、可動部 94aと固定電極 93bとの間においても構成される。図 19にお いて上下方向の加速度が生じると、可動電極 94が上下動する。これにより、上記 2つ のコンデンサの静電容量が変化する。 MEMSデバイス Xは、これらの静電容量の変 化を読み取ることにより、上記加速度の大きさを検出することができる。
[0007] 上記 MEMSデバイス Xは、たとえば、記録媒体として HDDを備えた携帯電話機に 搭載することが可能である。このような構成によれば、この携帯電話機に過大な加速 度が生じると、それを MEMSデバイス Xにより検出することができる。たとえばユーザ が携帯電話機を誤って床に落とした場合に、それを MEMSデバイス Xで検出するこ とが可能である。そして当該検出に基づき、上記 HDDの回転を止めたり、あるいは データ読み書きヘッドを HDD力 遠ざけたりするなどの制御を行うことが可能となる。
[0008] 上述したような用途に用いるには、 MEMSデバイス Xを上記携帯電話機に搭載可 能な程度に薄型化を図ることが求められる。し力しながら、 MEMSデバイス Xは、ノ ルク方式の MEMS素子 Yを用いているため、比較的厚いものとなっている。すなわ ち、 MEMS素子 Yの Si基板 92bは、比較的厚い Si材料を削り込むことにより可動電 極 94が造り込まれている。このため Si基板 92bとガラス基板 92a, 92cとが積層され た MEMS素子 Yも厚いものとなる。 MEMSデバイス Xは、 MEMS素子 Yをパッケ一 ジ榭脂 96により封止した構造であるため、さらに厚みが増す。したがって上記 MEM Sデバイス Xは、薄型化の要請に十分には応えられな 、と 、う不具合を有して 、る。
[0009] 特許文献 2に記載された MEMS素子は、図 20に示すように、基板 91'や、同基板 上に形成された下層電極 92'、配線 95'を含んでいる。また、配線 95'には、上層電 極 93'が接続されている。上層電極 93'の可動部 93a'は、下層電極 92'と図中上下 方向に離間しつつ、対向している。
[0010] 上記 MEMS素子を加速度センサに用いる場合には、図 20における上下方向の加 速度の大きさを、下層電極 92'と上層電極 93'との間の静電容量の変化に基づき検 出する。すなわち、下層電極 92'と上層電極 93'との間の静電容量は、下層電極 92' と上層電極 93'の可動部 93a'との間の隙間の大きさにより定まる。図中上下方向の 加速度が生じると、その加速度に応じて可動部 93aが上下動し、上記隙間が増減す る、すなわち、上記静電容量が変動する。この静電容量の変化を電気的に計測すれ ば、加速度の大きさを知ることができる。
[0011] 図 21は、図 20の MEMS素子の製造工程の一過程を示している。この製造工程に おいては、下層電極 92'を覆うように犠牲層 94'を形成し、この犠牲層 94'上に可動部 93a'を形成する。その後、犠牲層 94'を除去することにより、下層電極 92'と可動部 9 3a'とを所定距離だけ互いに離間させることができる。犠牲層 94'の除去は、たとえば 犠牲層 94'のみを選択的に溶解可能なエッチング液を用いたウエットエッチングによ り行う。
[0012] 上記 MEMS素子を利用した加速度センサの検出精度を高めるには、 MEMS素子 の静電容量が大きいほど好ましい。 MEMS素子の静電容量を大きくするには、下層 電極 92'および可動部 93a'を大きくすることや、下層電極 92'と可動部 93a'との隙間 を小さくすることが必要である。し力しながら、下層電極 92'および可動部 93a'を大き くするほど、犠牲層 94'も大きくする必要がある。その結果、犠牲層 94'を除去する時 間が長くなり、 MEMS素子の製造効率を低下させる。また、下層電極 92'と可動部 9 3a'との隙間が小さくなるほど、上記エッチング液の表面張力により、可動部 93a'が 下層電極 92'に付着するおそれが大きくなる。このように、加速度センサの検出精度 を高めようとすると、 MEMS素子の製造工程において種々の不具合が生じうる。
[0013] 上述したような不具合は、図 20の MEMS素子を利用してァクチユエータを製造す る場合にも生じうる。すなわち、 MEMS素子をァクチユエータに用いる場合には、下 層電極 92'と上層電極 93'との間に電圧を印加することにより可動部 93a'を駆動する 。そして、可動部 93a'の動作精度を高めるには、下層電極 92'および可動部 93a'を 大きくすることや、下層電極 92'と可動部 93a'との隙間を小さくすることが必要となる。 しかしながら、下層電極 92'および可動部 93a'の大型化は、 MEMS素子の製造効 率の低下につながり、下層電極 92'および可動部 93a'間の隙間の縮小は、これら部 材の付着をまねくおそれがある。
発明の開示
[0014] 本発明は、上述した事情のもとで考え出されたものである。そこで本発明は、 MEM Sデバイスの薄型化を実現する技術を提供することをその課題とする。また、本発明 の別の課題は、加速度センサの検出精度ゃァクチユエータの動作精度を高めること が可能な MEMS素子を提供することにある。
[0015] 本発明の第 1の側面により提供される MEMS素子は、基板と、上記基板上に形成 された第 1電極と、上記第 1電極と離間し且つ対向する可動部を有する第 2電極と、 を備えている。また、上記可動部には、複数の貫通孔が形成されている。
[0016] 好ましくは、上記各貫通孔は、その開口幅が上記第 1電極と上記第 2電極における 上記可動部との距離の 5〜10倍である。
[0017] 好ましくは、上記複数の貫通孔は、互いに同じサイズであり、且つ、一定の密度で 配置されている。
[0018] 好ましくは、上記複数の貫通孔は、マトリクス状に配置されて 、る。
[0019] 好ましくは、上記複数の貫通孔は、上記第 1電極と上記第 2電極における上記可動 部との距離の 15〜25倍のピッチで配置されている。
[0020] 本発明の第 2の側面によれば、 MEMS素子の製造方法が提供される。この製造方 法は、基板上に第 1電極を形成する工程と、上記第 1電極を覆うように犠牲層を形成 する工程と、上記犠牲層上に導体層を形成する工程と、上記導体層に対してパター ユングを施すことにより第 2電極を形成する工程と、上記犠牲層のうち上記第 1電極 および上記第 2電極に挟まれた部分を除去する工程と、を有している。また、上記パ ターニングにおいては、上記導体層のうち上記犠牲層を介して上記第 1電極と対向 する部分に複数の貫通孔が形成される。さら〖こ、上記犠牲層を除去する工程は、ドラ ィエッチングにより行われる。
[0021] 好ましくは、上記パターニングにおいては、上記貫通孔の開口幅を上記犠牲層の 厚さの 5〜10倍とする。
[0022] 好ましくは、上記パターユングにおいては、上記複数の貫通孔のうち隣り合うものど うしのピッチを上記犠牲層厚さの 15〜25倍とする。
[0023] 本発明の第 3の側面により提供される MEMSデバイスは、基板と、上記基板上に 形成されており、かつ、第 1電極およびこの第 1電極力 離間しつつ対向する可動部 を有する第 2電極を含む MEMS素子と、上記 MEMS素子を収容する空隙部が形成 されたパッケージ榭脂と、実装用の外部端子と、を備えている。また、上記第 1電極お よび上記第 2電極は、導体薄膜からなる。
[0024] 好ましくは、上記基板は、セラミックスカゝらなる。
[0025] 好ましくは、上記可動部には、複数の貫通孔が形成されている。 [0026] 好ましくは、上記各貫通孔は、その開口幅が上記第 1電極と上記第 2電極の上記可 動部との距離の 5〜10倍である。
[0027] 好ましくは、上記複数の貫通孔は、互いに同じサイズであり且つ一定の密度で配置 されている。
[0028] 好ましくは、上記複数の貫通孔は、マトリクス状に配置されて 、る。
[0029] 好ましくは、上記複数の貫通孔は、上記第 1電極と上記第 2電極の上記可動部との 距離の 15〜25倍のピッチで配置されている。
[0030] 好ましくは、本発明の MEMSデバイスは、上記空隙部を挟んで上記基板と対向す る保護プレートをさらに備える。
[0031] 好ましくは、上記保護プレートは、 S なり、かつその一面に ICが造り込まれてい る。
[0032] 本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明 によって、より明ら力となろう。
図面の簡単な説明
[0033] [図 1]本発明の第 1実施例に基づく MEMS素子を示す斜視図である。
[図 2]図 1の II II線に沿う断面図である。
[図 3]図 1に示す MEMS素子の製造方法において、基板上にグレーズ層を形成する 工程を示す断面図である。
[図 4]上記製造方法において、第 1導体層を形成する工程を示す断面図である。
[図 5]上記製造方法において、ノリアメタル層を形成する工程を示す断面図である。
[図 6]上記製造方法において、下層電極を形成する工程を示す断面図である。
[図 7]上記製造方法において、犠牲層を形成する工程を示す断面図である。
[図 8]上記製造方法において、第 2導体層を形成する工程を示す断面図である。
[図 9]上記製造方法において、上層電極を形成する工程を示す断面図である。
[図 10]上記製造方法において、 TiN層に対するパターユングを行う工程を示す断面 図である。
[図 11]上記製造方法において、犠牲層の除去工程を示す要部断面図である。
[図 12]本発明の第 2実施例に基づく MEMSデバイスを示す斜視図である。 [図 13]上記 MEMSデバイスの分解斜視図である。
[図 14]図 12の XIV— XIV線に沿う断面図である。
[図 15]図 12の XV— XV線に沿う断面図である。
[図 16]上記 MEMSデバイスに用いられる MEMS素子の一例を示す斜視図である。
[図 17]図 16の XVII— XVII線に沿う要部断面図である。
[図 18]従来の MEMSデバイスの一例を示す斜視図である。
[図 19]上記従来の MEMSデバイスに用いられる MEMS素子を示す分解斜視図で ある。
[図 20]従来の MEMS素子の別の一例を示す断面図である。
[図 21]図 20の MEMS素子の製造において、犠牲層を形成する工程を示す断面図 である。
発明を実施するための最良の形態
[0034] 以下、本発明について、添付図面を参照しつつ具体的に説明する。
[0035] 図 1および図 2は、本発明の第 1実施例に基づく MEMS素子 A1を示している。図 1に示すように、 MEMS素子 A1は、基板 1と、この基板 1上に形成された下層電極（ 第 1電極） 2、上層電極 (第 2電極） 3、絶縁層 4、および支持層 21とを備えており、い わゆるサーフェス方式の MEMS素子として構成されている。 MEMS素子 A1は、たと えば、図中上下方向の加速度を検出するための加速度センサに用いられる。
[0036] 基板 1は、下層電極 2および上層電極 3を支持するためのものであり、たとえば Al O
2 などの絶縁材料カゝらなる。本実施例においては、基板 1は、その厚さが lmm程度と
3
されている。基板 1の上面は、グレーズ層 11により覆われている。グレーズ層 11は、 下層電極 2などを形成するのに適した平滑面を形成するためのものであり、たとえば ガラス成分を含む液体を印刷した後に焼成することにより形成される。
[0037] 下層電極 2は、グレーズ層 11上に形成されており、一辺が 2mm程度の略矩形状と されている。下層電極 2は、たとえば A1力もなり、その厚さが 1. 2 m程度とされる。 下層電極 2には、配線（図示略）が接続されている。
[0038] 下層電極 2の両側方には、一対の支持層 21が形成されている。支持層 21は、上層 電極 3を基板 1に対して固定するためのものである。支持層 2は、たとえば下層電極 2 と同様に Al力もなり、その厚さが 1. 2 m程度とされる。
[0039] 一対の支持層 21の上方には、一対のバリアメタル層 51を介して一対の絶縁層 4が 積層されている。絶縁層 4は、たとえば S ゝらなり、その厚さが 2. O /z m程度とされる。 ノ リアメタル層 51は、支持層 21と絶縁層 4とが不当に反応することを防止するための ものである。ノ リアメタル層 51は、たとえば TiN力もなり、その厚さが 250A程度とされ る。
[0040] 一対の絶縁層 4の上方には、一対のノ リアメタル層 52を介して上層電極 3が設けら れている。ノ リアメタル層 52は、絶縁層 4と上層電極 3とが不当に反応することを防止 するためのものである。ノ リアメタル層 52は、たとえば TiNからなり、その厚さが 250 A程度とされる。
[0041] 上層電極 3は、駆動部 31、一対の支持部 32および一対のアンカー部 33を有して いる。上層電極 3は、たとえば A1力もなり、その厚さが 0. 程度とされる。
[0042] 可動部 31は、下層電極 2と距離 dを隔てて対向している。その結果、可動部 31と下 層電極 2との間には、可変の静電容量を有するコンデンサが形成された状態となる。 本実施例においては、距離 dは、 2. O /z m程度とされ、絶縁層 4の厚さとほぼ同じで ある。可動部 31は、下層電極 2と同様に 2mm角程度の略矩形状である。
[0043] 可動部 31には、複数の貫通孔 3 laがマトリクス状に形成されている。貫通孔 3 laは 、断面正方形状であり、一辺の長さ（開口幅) wが 15 m程度とされる。好ましくは、 一辺の長さ wは、距離 dの 5〜10倍である。また、複数の貫通孔 31aのピッチ pは、 40 m程度とされる。好ましくは、ピッチ pは、距離 dの 15〜25倍である。可動部 31は、 一対の支持部 32を介して一対のアンカー部 33に繋がっており、いわゆる両持ち支 持されている。
[0044] 支持部 32は、可動部 31と比べて細状とされており、比較的弾性変形が容易となつ ている。図 1において上下方向の加速度が生じると、支持部 32には、可動部 31の質 量に比例した慣性力が作用する。この慣性力により支持部 32が橈むこととなり、可動 部 31の上下動が許容される。
[0045] 一対のアンカー部 33は、上層電極 3を基板 1に対して固定するためのものであり、 ノ リアメタル層 52を介して絶縁層 4に接合されている。また、アンカー部 33は、配線（ 図示略）に対してたとえばワイヤにより接続されている。上述した下層電極 2が接続さ れた配線（図示略）と、アンカー部 33が接続された配線（図示略）とを利用して、 ME MS素子 A1の静電容量を測定することが可能である。
[0046] 次に、 MEMS素子 A1の製造方法について、図面を参照しつつ以下に説明する。
[0047] まず、図 3に示すように、 Al O力もなる材料基板 1Aを用意する。この製造方法に
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おいては、材料基板 1Aとして、 MEMS素子 A1を複数個製造可能なサイズのものを 用いる。材料基板 1A上に、ガラス成分を含んだ液体を印刷し、これを焼成することに よりグレーズ層 11を形成する。
[0048] 次いで、図 4に示すように、グレーズ層 11上に第 1導体層 2Aを形成する。第 1導体 層 2Aの形成は、たとえば A1を用いたスパッタ法により行う。この際、第 1導体層 2Aの 厚さを、 1. 2 m程度とする。第 1導体層 2A上には、 TiN層 51Aを形成する。 TiN層 51Aの形成は、たとえばスパッタ法を用いて、その厚さが 250 A程度となるように行う
[0049] TiN層 51 Aを形成した後は、 TiN層 51 Aに対してパター-ングを施すことにより、 図 5に示す一対のバリアメタル層 51を形成する。 TiN層 51 Aに対するパターニング は、たとえば、フォトリソグラフィの手法によりマスキングを施した後に、エッチングガス として CFを含んだガスを用いたドライエッチングにより行う。
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[0050] 次いで、第 1導体層 2Aに対してパターユングを施すことにより、図 6に示す下層電 極 2および一対の支持層 21を形成する。このパターユングは、たとえば A1を選択的 に溶解可能なエッチング液を用いたウエットエッチングにより行う。
[0051] 下層電極 2および支持層 21を形成した後は、図 7に示すように、下層電極 2、一対 の支持層 21および一対のノリアメタル層 51を覆うように犠牲層 4Aを形成する。犠牲 層 4Aの形成は、たとえば Siを用いたスパッタリングにより行う。この際、犠牲層 4Aのう ち下層電極 2を覆う部分の厚さを、 2. O /z m程度とする。
[0052] 次いで、図 8に示すように、たとえば TiNを用いたスパッタ法により、 TiN層 52Aを 形成する。この際、 TiN層 52Aの厚さを、 250A程度とする。 TiN層 52A上には、第 2導体層 3Aを形成する。第 2導体層 3Aの形成は、たとえば A1を用いたスパッタ法に より行う。この際、第 2導体層 3Aの厚さを、 1. 程度とする。 [0053] 次いで、第 2導体層 3Aに対して、パターユングを施す。このパターユングは、たとえ ば、フォトリソグラフィの手法によりマスキングを施した後に、 A1を選択的に溶解可能 なエッチング液を用いたウエットエッチングにより行う。このパター-ングにより、図 9に 示す上層電極 3が得られる。上記パターユングにおいては、可動部 31のサイズを 2m m角程度とする。このパターユングにおいては、複数の貫通孔 31aの形成も同時に 行う。複数の貫通孔 31aは、それぞれを 1辺の長さ wが 15 m程度の断面正方形状 とする。隣り合う貫通孔 31aどうしのピッチ pは、 40 m程度とする。
[0054] 上層電極 31を形成した後は、 TiN層 52Aのうち上層電極 3の一対のアンカー部 33 直下に位置する部分以外を除去することにより、図 10に示す一対のバリアメタル層 5 2を形成する。このパターユングは、たとえばエッチングガスとして CFを含んだガスを
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用いたドライエッチングにより行う。このドライエッチングにおいては、複数の貫通孔 3 laを利用して、上記エッチングガスを TiN層 52Aに接触させる。これ〖こより、可動部 3 1のサイズを比較的大きくした場合であっても、 TiN層 52Aのうち可動部 31の直下に 位置する部分を適切に除去することが可能である。
[0055] 次いで、犠牲層 4Aのうち一対の支持層 21と一対のアンカー部 33とに挟まれた部 分以外を除去する。この除去処理は、図 11に示すように、たとえば犠牲層 4Aの材質 である Siを選択的に溶解可能なエッチングガス Gを用いたドライエッチングにより行う 。このドライエッチングにおいては、エッチングガス Gを複数の貫通孔 31aを通過させ て、可動部 31に対する下方空間へと供給する。これにより、犠牲層 4Aのうち可動部 31の下方に位置する部分に対してエッチングガス Gを適切に接触させることができる 。したがって、可動部 31のサイズを比較的大きくした場合であっても、犠牲層 4Aを適 切に除去することができる。また、上記ドライエッチングに要する時間を短縮すること も可能である。上記ドライエッチングの結果、可動部 31を下層電極 2との間に距離 d を隔てて対向させることができる。犠牲層 4Aのうち残存した部分は、一対の絶縁層 4 となる。この後は、下層電極 2および上層電極 3に通電するための配線（図示略)など を形成した後に、材料基板 1 Aを分割することにより、図 1に示す MEMS素子 A1が 複数個得られる。
[0056] 次に、 MEMS素子 A1の作用について説明する。 [0057] 本発明の上記構成によれば、可動部 31に形成された複数の貫通孔 3 laを利用し て、犠牲層 4A (図 10参照）をドライエッチングにより適切に除去できる。犠牲層 4Aを 除去する手段としてウエットエッチングを用いる場合と異なり、可動部 31が下層電極 2 に付着するおそれがない。このため、可動部 31の拡大化、および距離 dの縮小化が 可能である。 MEMS素子 A1の静電容量は、可動部 31のサイズに比例し、距離 dに 反比例する。したがって、 MEMS素子 A1の静電容量を大きくするのに適している。 このような MEMS素子 A1を加速度センサに用いれば、加速度に起因する静電容量 の変化量を検出しやすいという利点がある。また、距離 dが小さいほど、加速度に起 因して可動部 31が上下動した場合に、 MEMS素子 A1の静電容量の変化量が大き くなる。以上より、この MEMS素子 A1を用いた加速度センサの検出精度を高めるこ とがでさる。
[0058] また、複数の貫通孔 31aを、 1辺の長さ wが 15 m程度の断面正方形状とすること により、これらの貫通孔 3 laを利用して犠牲層 4Aを除去するためのエッチングガスを 適切に通過させることが可能である。 1辺の長さ wとしては、距離 dの 5〜10倍程度と すれば、上記エッチングガスを適切に通過させるとともに、可動部 31の開口率を不当 に大きくしてしまうおそれがない。図示した例のように、複数の貫通孔 31aは、互いに 同じサイズのものを一定の密度で配置することが好ましい。このような構成にすること で、犠牲層 4Aを均一に除去することができる。好ましくは、複数の貫通孔 3 laは、マ トリタス状に配置される。
[0059] さらに、隣り合う貫通孔 31aのピッチ pを 40 mとすれば、隣り合う貫通孔 31aを通 過した上記エッチングガスにより、図 11に示す犠牲層 4Aのうちこれらの貫通孔 31a の間に位置する部分を比較的短時間で除去することができる。犠牲層 4Aの除去時 間の短縮と、可動部 31の開口率の不当な増大防止との観点から、ピッチ pとしては、 距離 dの 15〜25倍程度が好ましい。
[0060] MEMS素子 A1をァクチユエータに用いた場合においても、その動作精度を高め ることができる。すなわち、駆動部として機能する可動部 31のサイズが大きいほど、可 動部 31と下層電極 2との間に電圧を印加した際の可動部 31の上下動を大きくするこ とができる。また、可動部 31と下層電極 2との距離 dが小さいほど、可動部 31と下層 電極 2とに印加した電圧の変動によって可動部 31に作用する力も大きくなる。これら は、上記ァクチユエータの動作精度の向上に有利である。
[0061] 上述した第 1実施例において、複数の貫通孔としては、断面正方形状のものに限 定されず、たとえば断面円形状であってもよい。断面円形状の貫通孔の場合、その 直径が本発明でいう開口幅に相当する。複数の貫通孔の配置としては、マトリクス状 に限定されず、たとえば近接する 3つの貫通孔が正三角形の頂点に相当する配置で あってもよい。また、可動部としては、矩形状のものに限定されず、矩形状以外の多 角形状や円形状であってもよい。第 2電極としての上層電極は、可動部が両持ち支 持された構造に限定されず、たとえば可動部が片持ち支持された構造であってもよ い。
[0062] 図 12〜図 15は、本発明の第 2実施例に基づく MEMSデバイス A2を示している。
図示された MEMSデバイス A2は、基板 1，、 MEMS素子 E、保護プレート 6，、パッ ケージ榭脂 7'、および外部端子 8a' , 8b' , 8c'を備えており、静電容量型の加速度 センサとして構成されて！、る。
[0063] 基板 1 'は、 MEMS素子 Eを支持するためのものであり、たとえば Al Oなどの絶縁
2 3 材料からなる。本実施形態においては、基板 1 'は、略矩形状であり、その厚さが 0. 5 mm程度とされている。基板 1 'の上面は、グレーズ層 11 'により覆われている。グレー ズ層 11 'は、 MEMS素子 Eを形成するのに適した平滑面を形成するためのものであ り、たとえばガラス成分を含む液体を印刷した後に焼成することにより形成される。
[0064] 図 16は、 MEMSデバイス A2のうち MEMS素子 Eを含む部分を拡大して示してお り、図 17は、その断面図である。 MEMS素子 Eは、基板 1 '上に形成された第 1電極 としての下層電極 2，、第 2電極としての上層電極 3，、絶縁層 4，、および支持層 21，と を備えている。後述するように、下層電極 2'および上層電極 3'が導体薄膜からなる ことにより、 MEMS素子 Eは、いわゆるサーフェス方式の MEMS素子として構成され ている。本発明において、「導体薄膜」とは、真空蒸着ゃィオンスパッタなどによって 得られる導体膜のことであり、その膜厚が数 m程度のものをいう。
[0065] 下層電極 2'は、グレーズ層 11 '上に形成されており、 2mm角程度の略矩形状とさ れている。下層電極 2'は、たとえば A1の薄膜からなり、その厚さが 1. 2 m程度とさ れる。下層電極 2'の形成は、たとえばグレーズ層 11 '上に A1を用いたスパッタにより A1の薄膜を形成した後に、ウエットエッチングを用いたパターユングを施すことにより 行われる。下層電極 2，には、配線 81，が繋がっている。
[0066] 下層電極 2'の両側方には、一対の支持層 21 'が形成されている。支持層 21 'は、 上層電極 3'を基板 1 'に対して固定するためのものである。支持層 21 'は、たとえば 下層電極 2'と同様に A1の薄膜からなり、その厚さが 1. 2 /z m程度とされる。支持層 2 1 'の形成は、上述した下層電極 2'の形成と同時に行うことができる。一方の支持層 2 1，には配線 81，が繋がっている。
[0067] 一対の支持層 21 'の上方には、一対のバリアメタル層 51 'を介して一対の絶縁層 4
'が積層されている。絶縁層 4'は、たとえば S ゝらなり、その厚さが 2. O /z m程度とさ れる。ノリアメタル層 51 'は、支持層 21 'と絶縁層 4'とが不当に反応することを防止 するためのものである。ノリアメタル層 51 'は、たとえば TiNからなり、その厚さが 250 A程度とされる。ノリアメタル層 51，の形成は、 TiNを用いたスパッタにより TiNの薄 膜を形成した後に、ドライエッチングを用いたパターユングを施すことにより行われる 。絶縁層 4'の形成については、後述する。
[0068] 一対の絶縁層 4'の上方には、一対のノリアメタル層 52'を介して上層電極 3'が設 けられている。ノリアメタル層 52'は、絶縁層 4'と上層電極 3'とが不当に反応するこ とを防止するためのものである。ノリアメタル層 52'は、たとえば TiNからなり、その厚 さが 250 A程度とされる。ノリアメタル層 52，の形成は、上述したバリアメタル層 51， の形成と同様の手法により行われる。
[0069] 上層電極 3'は、可動部 31 '、一対の支持部 32'および一対のアンカー部 33'を有 している。上層電極 3'は、たとえば A1の薄膜からなり、その厚さは 0. 程度とさ れる。
[0070] 可動部 31 'は、下層電極 2'と距離 dを隔てて対向している。その結果、可動部 31' と下層電極 2'との間には、可変の静電容量を有するコンデンサが形成された状態と なっている。本実施例においては、距離 dは、 2. O /z m程度とされ、絶縁層 4'の厚さ とほぼ同じである。可動部 31 'は、下層電極 2'と同様に 2mm角程度の略矩形状で ある。 [0071] 可動部 31 'には、複数の貫通孔 31a'がマトリクス状に形成されている。貫通孔 31a 'は、断面正方形状であり、開口幅としての一辺の長さ wが 15 m程度とされる。一 辺の長さ wとしては、距離 dの 5〜10倍程度が好ましい。また、複数の貫通孔 31a'の ピッチ pは、 40 m程度とされる。ピッチ pとしては、距離 dの 15〜25倍程度が好まし い。可動部 31 'は、一対の支持部 32'を介して一対のアンカー部 33'に繋がっており 、いわゆる両持ち支持されている。
[0072] 支持部 32'は、可動部 31 'と比べて細状とされており、比較的弾性変形が容易とな つている。図中の上下方向の加速度が生じると、支持部 32'には、可動部 31 'の質 量に比例した慣性力が作用する。この慣性力により支持部 32'が橈むこととなり、可 動部 31 'の上下動が許容される。
[0073] 一対のアンカー部 33'は、上層電極 3 'を基板 1 'に対して固定するためのものであ り、ノリアメタル層 52，を介して絶縁層 4，に接合されている。また、図 17に示すように 、図中左側のアンカー部 33'は、スルーホール 4a'を利用して、左側の支持層 21 'と 繋がっている。これにより、図 16において支持層 21 '力も延びる配線 81 'と上層電極 3'とは互いに導通している。
[0074] 上層電極 3'の形成は、たとえば次のようにして行われる。まず、下層電極 2'、一対 の支持層 21，、および一対のバリアメタル層 51，を形成した後に、これらを覆うように S らなる犠牲層を形成する。この際、上記犠牲層のうち下層電極 2'の上方に位置す る部分の厚さを 2. O /z m程度とする。次いで、上記犠牲層を覆うように、 TiN層およ び A1層を積層させる。これらの厚さは、それぞれ 250 A程度、および 0. 6 m程度と する。この後に、上記 A1層および上記 TiN層に対してパターニングを施し、上述した 上層電極 2'およびバリアメタル層 52'を形成する。そして、上記犠牲層のうち一対の アンカー部 33'と一対の支持部 21 'とに挟まれた部分以外をドライエッチングにより 除去する。このドライエッチングにおいては、エッチングガスを可動部 31 'の複数の貫 通孔 31a'を通過させることにより、上記犠牲層に適切に接触させることが可能である 。以上より、下層電極 2'と可動部 31 'とを、距離 dを隔てて互いに対向させることがで きる。
[0075] 図 13〜図 15に示すように、 MEMES素子 Eは、枠状突起 5，により囲まれている。 枠状突起 5'は、保護プレート 6 'を支持するためのものであり、たとえば SiOなどの絶
2 縁体からなる。
[0076] 枠状突起 5'の上端には、保護プレート 6'が接合されている。保護プレート 6'は、た とえば S もなり、その厚さがたとえば 0. 1 m程度とされる。図 13に示すように、保 護プレート 6'の下面は、 IC6b'が造り込まれた能動面 6a'とされている。 IC6b'は、 MEMS素子 Eの静電容量の変化から加速度を検出するための制御部となっている。 このような構成によれば、当該 ICを備えることにより MEMSデバイスの高機能化を図 りつつ、同デバイスの薄型化を達成することができる。図 15に示すように、 IC6b'の 端子（図示略）と左側の配線 81 'とは、枠状突起 5'に形成されたスルーホール 5a'を 介して繋がっている。これにより、図 13に示す複数の外部端子 8c'と IC6b'の上記端 子（図示略）とは、互いに導通している。
[0077] ノ ッケージ榭脂 7'は、 MEMS素子 Eを衝撃または湿気など力も保護するためのも のであり、たとえばエポキシ榭脂からなる。ノ ッケージ榭脂 7'は、その厚さが 100 m 程度であり、 MEMS素子 Eを収容可能な空隙部 7a'が形成されている。パッケージ 榭脂 7'の形成は、枠状突起 5'および保護プレート 6'を設けた後に、エポキシ系の 榭脂材料を用いたモールド成型により行われる。この際、パッケージ榭脂 7'を形成す るための榭脂材料は、枠状突起 5'および保護プレート 6'により遮断され、 MEMS素 子 E側には、流入しない。この結果、上記榭脂材料が充填されない領域が、空隙部 7 a'となる。
[0078] 図 12および図 13に示すように、基板 1 'の両端には、外部端子 8a'， 8b' , 8c'が形 成されている。外部端子 8a' , 8b'は、 MEMS素子 Eの静電容量の計測に用いられ る。外部端子 8c'は、 IC6b'との信号送受に用いられる。なお、外部端子 8c'のみを 備え、外部端子 8a' , 8b'を備えない構成としてもよい。この場合は、 MEMSデバイ ス A2内において、 MEMS素子 Eの下層電極 2'および上層電極 3'と IC6b'を導通さ せる。
[0079] 次に、 MEMSデバイス A2の作用について説明する。
[0080] 本実施例においては、 MEMS素子 Eとして、いわゆるサーフェス方式の MEMS素 子が用いられている。 MEMS素子 Eは、下層電極 2'および上層電極 3'が A1の薄膜 からなるため、たとえば 4 /z m程度の薄状である。それゆえ、 MEMS素子 Eを保護す るパッケージ榭脂 7'の厚さを 100 /z m程度とすることが可能である。これにより、 ME MSデバイス A2の厚さを、 0. 6mm程度とし、その薄型化を図ることができる。したが つて、 MEMSデバイス A2は、たとえば携帯電話機等に搭載するのに適している。
[0081] 基板 1 'をセラミックスにより形成することにより、基板 1 'の絶縁性を高めるとともに、 基板 1 'を比較的高強度を有するものとすることが可能である。これにより、基板 1 'の 薄型化を図った場合であっても、不当な電気導通を防止し、外力などによる破損を回 避できる。したがって、 MEMSデバイス A2の薄型化に好適である。
[0082] また、 MEMS素子 Eの製造工程においては、可動部 31 'に形成された複数の貫通 孔 31a'を利用して、上述した犠牲層をドライエッチングにより適切に除去できる。ドラ ィエッチングによれば、上記犠牲層を除去する処理において、可動部 31 'が下層電 極 2'に付着するおそれがない。このため、可動部 31 'の拡大化、および距離 dの縮 小化が可能である。 MEMS素子 Eの静電容量は、可動部 31 'のサイズに比例し、距 離 dに反比例する。したがって、 MEMS素子 Eの静電容量を大きくするのに適してい る。 MEMS素子 Eの静電容量が大きいほど、加速度に起因する静電容量の変化量 を検出しやすいという利点がある。また、距離 dが小さいほど、加速度に起因して可動 部 31 'が上下動した場合に、 MEMS素子 Eの静電容量の変化量が大きくなる。以上 より、加速度センサとしての MEMSデバイス A2の検出精度を高めるのに適している
[0083] 複数の貫通孔 31a'を、 1辺の長さ wが 15 m程度の断面正方形状とすることにより 、これらの貫通孔 31a'を利用して上記犠牲層を除去するためのエッチングガスを適 切に通過させることが可能である。 1辺の長さ wとしては、距離 dの 5〜10倍程度とす れば、上記エッチングガスを適切に通過させるとともに、可動部 31 'の開口率を不当 に大きくしてしまうおそれがない。
[0084] また、隣り合う貫通孔 31a'のピッチ pを 40 mとすれば、隣り合う貫通孔 31a'を通 過した上記エッチングガスにより、上記犠牲層を比較的短時間で除去することができ る。上記犠牲層の除去時間の短縮と、可動部 31 'の開口率の不当な増大防止との観 点から、ピッチ pとしては、距離 dの 15〜25倍程度が好ましい。 [0085] MEMSデバイス A2をァクチユエータとして構成した場合においても、その動作精 度を高めることができる。すなわち、駆動部として機能する可動部 31 'のサイズが大き いほど、可動部 31 'と下層電極 2'との間に電圧を印加した際の可動部 31 'の上下動 を大きくすることができる。また、可動部 31 'と下層電極 2'との距離 dが小さいほど、 可動部 31 'と下層電極 2'とに印加した電圧の変動によって可動部 31 'に作用する力 も大きくなる。これらは、ァクチユエータとしての MEMSデバイス A2の動作精度の向 上に有利である。ァクチユエータの例としては、たとえば可動部 31 'がいわゆるミラー であるとともに、ノ ッケージ榭脂 7，および保護プレート 6，が透光性を有する構成とさ れた、光路切り替え用のミラーデバイスがある。
[0086] 本発明の MEMSデバイスは、上述したものに限定されるものではない。たとえば、 下層電極および上層電極としては、 A1の薄膜からなるものに限定されず、導体薄膜 力 なるものであればよい。可動部としては、矩形状のものに限定されず、矩形状以 外の多角形状や円形状であってもよい。第 2電極としての上層電極は、可動部が両 持ち支持された構造に限定されず、たとえば可動部が片持ち支持された構造であつ てもよい。
[0087] また、複数の貫通孔としては、断面正方形状のものに限定されず、たとえば断面円 形状であってもよい。断面円形状の貫通孔の場合、その直径が本発明でいう開口幅 に相当する。複数の貫通孔の配置としては、マトリクス状に限定されず、たとえば近接 する 3つの貫通孔が正三角形の頂点に相当する配置であってもよ!/、。
[0088] 保護プレートに ICが造り込まれた構成のほかに、保護プレートとは別体とされた IC が基板上に設けられた構成としてもよい。この場合、保護プレート 6'の材質としては、 たとえばガラスを用いることができる。基板の材質としては、セラミックスに限定されず 、絶縁性と機械的強度とに優れた材質であればよ!ヽ。
[0089] 本発明の MEMSデバイスは、加速度センサをはじめフローセンサなどの各種セン サ、ァクチユエータなど、様々なデバイスとして構成可能である。

Claims

請求の範囲
[1] 基板と、
上記基板上に形成された第 1電極と、
上記第 1電極と離間し且つ対向する可動部を有する第 2電極と、
を備えており、
上記可動部には、複数の貫通孔が形成されていることを特徴とする、 MEMS素子
[2] 上記各貫通孔は、その開口幅が上記第 1電極と上記第 2電極における上記可動部 との距離の 5〜10倍である、請求項 1に記載の MEMS素子。
[3] 上記複数の貫通孔は、互いに同じサイズであり、且つ、一定の密度で配置されてい る、請求項 1に記載の MEMS素子。
[4] 上記複数の貫通孔は、マトリクス状に配置されている、請求項 3に記載の MEMS素 子。
[5] 上記複数の貫通孔は、上記第 1電極と上記第 2電極における上記可動部との距離 の 15〜25倍のピッチで配置されている、請求項 3に記載の MEMS素子。
[6] 基板上に第 1電極を形成する工程と、
上記第 1電極を覆うように犠牲層を形成する工程と、
上記犠牲層上に導体層を形成する工程と、
上記導体層に対してパターニングを施すことにより第 2電極を形成する工程と、 上記犠牲層のうち上記第 1電極および上記第 2電極に挟まれた部分を除去するェ 程と、を有する方法であって、
上記パターユングにおいては、上記導体層のうち上記犠牲層を介して上記第 1電 極と対向する部分に複数の貫通孔が形成され、上記犠牲層を除去する工程は、ドラ ィエッチングにより行われる、 MEMS素子の製造方法。
[7] 上記パターニングにおいては、上記貫通孔の開口幅を上記犠牲層の厚さの 5〜10 倍とする、請求項 6に記載の MEMS素子の製造方法。
[8] 上記パターユングにおいては、上記複数の貫通孔のうち隣り合うものどうしのピッチ を上記犠牲層厚さの 15〜25倍とする、請求項 6に記載の MEMS素子の製造方法。
[9] 基板と、
上記基板上に形成されており、かつ、第 1電極およびこの第 1電極から離間しつつ 対向する可動部を有する第 2電極を含む MEMS素子と、
上記 MEMS素子を収容する空隙部が形成されたパッケージ榭脂と、
実装用の外部端子と、を備えており、
上記第 1電極および上記第 2電極は、導体薄膜からなることを特徴とする、 MEMS デバイス。
[10] 上記基板は、セラミックス力もなる、請求項 9に記載の MEMSデバイス。
[11] 上記可動部には、複数の貫通孔が形成されている、請求項 9に記載の MEMSデ バイス。
[12] 上記各貫通孔は、その開口幅が上記第 1電極と上記第 2電極の上記可動部との距 離の 5〜 10倍である、請求項 11に記載の MEMSデバイス。
[13] 上記複数の貫通孔は、互いに同じサイズであり且つ一定の密度で配置されている、 請求項 11に記載の MEMSデバイス。
[14] 上記複数の貫通孔は、マトリクス状に配置されて 、る、請求項 11に記載の MEMS デバイス。
[15] 上記複数の貫通孔は、上記第 1電極と上記第 2電極の上記可動部との距離の 15 〜25倍のピッチで配置されている、請求項 13に記載の MEMSデバイス。
[16] 上記空隙部を挟んで上記基板と対向する保護プレートをさらに備える、請求項 9に 記載の MEMSデバイス。
[17] 上記保護プレートは、 S なり、かつその一面に ICが造り込まれている、請求項 1 6に記載の MEMSデバイス。
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