Mems元件以及mems元件的製造方法

2023-09-16 12:10:30

專利名稱：Mems元件以及mems元件的製造方法
技術領域：
本發明涉及MEMS (Micro-Electro Mechanical Systems，微型機電系統)元件，尤其涉及在具有微小間隙結構的MEMS諧振器中實現可靠性高的封裝。
背景技術：
參照圖7和圖8，說明現有的MEMS諧振器的一例。圖7和圖8是表示利用在專利文獻1中公開的SOI (Silicon on insulator)基板製造的MEMS振蕩器的結構的立體圖和剖視圖。如專利文獻1所記載，該MEMS諧振器例如在濾波器中使用。這裡，SOI基板是通過在矽基板上經由由氧化矽膜構成的BOX層(埋入氧化矽膜)而形成由單晶矽層構成的器件形成層來製造的基板。在圖7所示的MEMS諧振器的製造中，首先，在SOI基板中，進行各向異性蝕刻，形成截面三角形的梁狀體(三角截面梁)，並形成用於形成間隙的氧化矽膜，之後形成電極 202。之後，留下成為支承部的部分，除去間隙用的氧化矽和BOX層206。由此，作為振子201 的三角截面梁開放而成為可動狀態，具有空間(空腔)和窄的間隙的電極完成在具有突出結構的三角截面梁的側面配置的空中突出結構部。如圖8所示，在振子201的下面形成空間(空腔)207。通過該製造方法，實現具有由利用了 SOI基板的單晶矽構成的振子、和可進行靜電激振/靜電檢測的電極端子的MEMS 諧振器。在該製造方法中，由於用於形成間隙的膜和位于振子201的下層部的BOX層206 都是氧化矽膜，所以在最後的分離(release)(結構開放)工藝中，能夠同時實施間隙形成和結構開放，實現製造工藝的削減。專利文獻1作為封裝該諧振器的方法，公開了利用玻璃罩來覆蓋的方法。參照圖9說明具有現有的封裝結構的振動型壓力傳感器。圖9是使用專利文獻2 所記載的MEMS技術而製造的壓力傳感器的剖視圖。振子103是由單晶矽構成的梁。通過利用了因外延生長的矽的雜質濃度而產生的蝕刻速率的差異的犧牲層蝕刻技術，形成真空室 105。外殼104也通過薄膜形成技術而形成。在外殼104和梁(振子)103之間形成靜電電容。梁的兩端系留在測量膜，可在諧振頻率附近振動。圖9所示的元件通過作為諧振頻率變化而取得因施加給測量膜的壓力引起的梁的應力變化，從而發現作為壓力傳感器的功能。表示梁的諧振的尖銳度的Q值隨著梁周圍的空氣的粘性而惡化。因此，通過將真空室保持為真空，能夠維持高的Q值。Q值越高，則越能夠敏感地讀出壓力引起的諧振頻率變化。可僅通過薄膜工藝，利用將進行諧振的梁封裝為真空的方法，來製造參照圖9說明的壓力傳感器。因此，在該壓力傳感器的製造中，不需要元件的密封工藝中的真空封裝工藝，由此，能夠廉價地提供小型的壓力傳感器。專利文獻
專利文獻1 美國專利第7358648號說明書專利文獻2 :(日本)2005-37309號公報

發明內容
(發明要解決的課題)專利文獻2所記載的薄膜工藝的封裝技術，除了壓力傳感器之外，還能夠應用於利用了 MEMS技術的諧振器、濾波器、振蕩器、開關元件、陀螺儀、以及質量檢測元件等中。封裝的目的不僅僅是將振子在真空中維持可動的狀態。在不需要真空的元件中，能夠以從封裝外部的溼度和塵埃中隔離的目的、或者從樹脂傳遞模塑成型(transfer molding)的密封時的樹脂填充壓力中保護封裝內部的目的，應用專利文獻2所記載的技術。但是，在如專利文獻1所記載的MEMS諧振器中，不能直接應用專利文獻2的封裝技術。因此，作為封裝方法，考慮在半導體元件的領域中一般進行的、樹脂傳遞模塑成型的封裝。但是，在專利文獻1所記載的MEMS諧振器的樹脂傳遞模塑成型的封裝中，存在如下問題。具體地說，在樹脂傳遞模塑成型時，存在因從外部施加的壓力，應封裝的結構(尤其是電極)本身產生較大的歪斜，且電極和梁(可動部)碰撞的問題。在MEMS諧振器中， 為了降低元件阻抗，需要將電極和梁(振子)之間的間隙設得較窄。在專利文獻1所記載的MEMS諧振器被用作電子設備的定時器件的情況下，所述間隙大致為100 200nm，在樹脂傳遞模塑成型時的壓力下，不能保持該窄間隙。為了避免這個課題，如圖10所示，具有與電極分開形成了封裝結構，且在電極305 和可動部(振子)303的上下形成空腔的方法。在圖10中，符號301表示基板，302、306表示犧牲層，307表示封裝薄膜。通過將犧牲層203、306的一部分除去而形成空腔，犧牲層203、 306的剩餘的部分構成劃定空腔的側壁。根據該方法，能夠由封裝薄膜307獲得封裝結構。 但是，即使採用了圖10所示的結構，在對該元件進一步通過樹脂傳遞模塑成型來進行封裝的情況下，發明人新發現了產生如下課題的問題。具體地說，在圖10所示的結構的MEMS諧振器中，若電極側的空腔的B比可動部側的空腔的側壁A更靠內側，則在樹脂傳遞模塑成型時施加的壓力傳遞到封裝薄膜，該力進一步通過空腔側壁而傳遞到電極。施加到電極的力的方向平行於元件的厚度方向。因此， 若電極側的空腔的側壁比可動部側的空腔的側壁更靠內側，即在電極側的側壁的下面存在空間，則電極因對電極向下施加的力而彎曲。其結果，如圖10所示，電極向下移動，有時會與可動部產生碰撞。圖11是表示計算了在施加外壓時的封裝薄膜的厚度方向的變形量的結果的曲線圖。各個線表示封裝薄膜的膜厚的差異，膜厚越厚，則變形量越小。在樹脂傳遞模塑成型時， 約lE+07Pa(100氣壓) 1. 5E+07Pa(150氣壓)左右的壓力施加在封裝薄膜上。因此，即使將封裝薄膜的膜厚加厚到4 μ m，在150氣壓下，也會變形300nm左右。這樣帶來較大的變形的外壓會使電極和可動部碰撞。S卩，圖10所示的MEMS諧振器具有施加到封裝薄膜的力直接傳遞到電極而使電極彎曲的結構。因此，例如，若電極305 和可動部303之間的間隙為100 300nm左右，則在圖11的斜線部中，不能保持間隙，電極和可動部碰撞。為了避免碰撞，需要使用至少6 7μπι以上的膜厚的封裝薄膜。但是，只要應用當前的半導體薄膜形成技術，這樣厚度的膜只能通過層疊多個薄膜而形成，這包括生產量惡化的其他課題。(用於解決課題的手段)為了解決所述課題，本發明提供一種具有如下結構的MEMS元件在樹脂傳遞模塑成型等時施加了外壓時，在電極接近可動部的方向上，防止向電極施加應力的結構。即，本發明提供一種MEMS元件，具有基板和封裝薄膜，將進行機械振動的可動部和鄰近所述可動部的電極設置在所述基板和所述封裝薄膜之間，所述可動部和所述電極在垂直於所述基板表面的方向上隔著間隙而具有相互重疊的區域，在所述基板與所述封裝薄膜之間，形成由所述電極隔開的第一空腔和第二空腔，從位於所述可動部和所述電極重疊的區域的所述電極看時，所述第一空腔在垂直於所述基板表面的方向上位於所述可動部側，從位於所述可動部和所述電極重疊的區域的所述電極看時，所述第二空腔在垂直於所述基板表面的方向上位於所述可動部的相反側，在平行於所述基板表面的方向上，所述第一空腔與所述電極接觸的側壁A的內側表面比所述第二空腔與所述電極接觸的側壁B的內側表面更靠內側。本發明的MEMS元件的特徵在於，具有隔著電極而劃分的兩個空腔(第一空腔和第二空腔)，在平行於所述基板表面的方向上，所述第一空腔與所述電極接觸的側壁A的內側表面比所述第二空腔與所述電極接觸的側壁B的內側表面更靠內側，從位於所述可動部和所述電極重疊的區域的所述電極看時，第一空腔在垂直於所述基板表面的方向上位於所述可動部的相反側，從位於所述可動部和所述電極重疊的區域的所述電極看時，第二空腔在垂直於所述基板表面的方向上位於所述可動部的相反側。通過這個特徵，即使在向封裝薄膜施加了機械壓力的情況下，也能夠防止在電極中產生接近可動部的方向的應力。其結果， 避免電極和可動部的碰撞，保持電極和可動部之間的間隙。此外，在本發明的MEMS元件中， 由於不需要加厚封裝薄膜來減小在施加了外壓時的變形量，所以能夠將封裝薄膜設為具有例如2 μ m以下的較小膜厚的薄膜。使用這樣小的膜厚的封裝薄膜有利於減少MEMS元件的製造時間。本發明還提供具有所述結構的本發明的MEMS元件的製造方法。本發明的製造方法包括通過第一犧牲層的除去而形成所述第一空腔的工藝；以及通過第二犧牲層的除去而形成所述第二空腔的工藝。兩個犧牲層的除去可以在同一個蝕刻工藝中最先除去第二犧牲層、接著除去第一犧牲層來實現，或者也可以在同一個蝕刻工藝中最先除去第一犧牲層、 接著除去第二犧牲層來實現。在最先除去第一犧牲層的情況下，需要將第一犧牲層和第二犧牲層的材料選擇為第二犧牲層的蝕刻速率大於第一犧牲層的蝕刻速率，從而確保在平行於基板表面的方向上，第二空腔與電極接觸的側壁的內側表面比第一空腔與電極接觸的側壁的內側表面更靠外側。優選以使用樹脂對封裝薄膜的外側進行了模塑成型的方式，提供本發明的MEMS 元件。通過樹脂模塑成型，實現堅固的封裝結構。如上所述，由於本發明的MEMS元件是避免因樹脂模塑成型時施加的壓力而引起的電極和可動部的碰撞的結構，所以適合樹脂模塑成型的封裝。


圖1是表示本發明的第一實施方式的MEMS元件的封裝結構的一例的剖視圖。圖2(a) (c)是表示使用樹脂對本發明的第一實施方式的MEMS元件進行了模塑成型封裝的結構的一例的剖視圖。圖3(a) (e)是表示本發明的第一實施方式的MEMS元件的製造方法的工藝流程的剖視圖。圖4是表示本發明的第二實施方式的MEMS元件的封裝結構的一例的剖視圖。圖5是表示本發明的第三實施方式的MEMS元件的封裝結構的一例的剖視圖。圖6是本發明的第三實施方式的MEMS元件的封裝結構的其他例子，且是表示在基板上形成了貫通口的結構的剖視圖。圖7是現有的三角梁扭轉諧振器的立體圖。圖8是現有的三角梁扭轉諧振器的剖視圖。圖9是表示現有的MEMS元件的封裝結構的剖視圖。圖10是表示現有的MEMS元件的薄膜封裝結構的剖視圖。圖11是表示施加到封裝薄膜的外壓和封裝薄膜的厚度方向的變形量之間的關係的曲線圖。圖12是表示圖1所示的MEMS元件的一部分，且是說明0、Al、Bi、Cl、Dl、El以及 Fl的剖視圖。圖13是表示在圖12中改變了 B1/A1時的E1/C1以及F1/D1的曲線圖。
具體實施例方式以下，參照

本發明的實施方式。(第一實施方式)圖1是表示了本發明的第一實施方式的MEMS元件的結構例的剖視圖。在圖示的 MEMS元件中，在基板1上形成了由兩層構成的第一犧牲層2、4，在圖1中，在下側的第一犧牲層2的上面形成作為梁結構體的可動部3，在上側的第一犧牲層4的上面形成電極5。可動部3和電極5在垂直於基板1的表面的方向上，隔著間隙而具有互不相同的區域(即，在圖示的方式中，可動部3的主表面和電極5的主表面以平行於基板表面的方式相互對置)， 構成振子。可動部3具有在垂直於紙面的方向上延伸的梁能夠振動且其端部固定的結構。 可動部3和電極5通過微小間隙而構成靜電電容，根據對電極5施加電壓而產生的靜電力， 以彎曲、擴展或者扭轉等的模式激勵可動部3。這裡，「垂直於基板表面的方向」也可以說是基板(進而是元件)的厚度方向。因此，「垂直於基板表面的方向」也可以說是在半導體薄膜形成技術中膜層疊的方向。在圖示的方式中，從位於電極5和可動部3重疊的區域的電極5看，在基板1的厚度方向中，位於可動部3側的空腔成為第一空腔。因此，在圖示的方式中，從電極5看，位於下側方向的空腔、即用符號9表示的空間成為第一空腔。這裡，被基板1、第一犧牲層2、4 以及電極5包圍而形成第一空腔9。在圖1中表示的第一犧牲層2、4是通過蝕刻未除去的部分，這個部分構成劃定第一空腔9的側面(垂直於基板表面的方向的面)的側壁。在圖 1中表示的側壁是，在圖中構成可動部3的梁的兩側、即位於向平行於梁延伸的方向的方向延伸的梁的兩側邊緣側的、與電極5接觸的側壁(在圖1中用A表示)。如圖所示，在犧牲層由兩個以上的層構成，且各個層的內側表面位於不同的位置時，根據與第二空腔的側壁B 的內側表面的關係，決定與電極接近的一側、即與電極接觸的一側的犧牲層的內側表面的位置(在圖1中用a表示的位置)。在電極5上形成第二犧牲層6，再在第二犧牲層6上形成封裝薄膜7。如上所述， 第一空腔是從電極5看時位於可動部3側、即位於下側方向的空腔，所以第二空腔是從電極5看時位於可動部3的相反側、即位於上側的空腔。因此，在圖示的方式中，用符號10表示的空間成為第二空腔。這裡，被電極5、第二犧牲層6以及封裝薄膜7包圍而形成第二空腔10。在圖1中表示的第二犧牲層6是通過蝕刻而未除去的部分，這個部分構成劃定第二空腔10的側面的側壁。在圖1中表示的側壁為，從構成可動部3的梁延伸的方向看時位於兩側的、與電極5接觸的側壁(在圖1中用B表示)。在第二犧牲層由兩個以上的層構成， 且各個層的內側表面位於不同的位置時，決定第一空腔的側壁A的內側表面的位置的基礎上，考慮與電極接近的一側、即與電極接觸的一側的層的內側表面的位置(在圖1中用b表示的位置)。在封裝薄膜7中，形成了貫通口 8。為了除去犧牲層來形成空腔，該貫通口 8作為蝕刻孔而形成在期望的位置上。此外，在電極5中也形成了用於除去第一犧牲層2、4的貫通口 12。第一犧牲層2、4和第二犧牲層6也可以由相同或者同種材料形成。蝕刻也可以通過如下方法來實施從貫通口 8導入蝕刻氣體等，從而除去第二犧牲層6，進一步使蝕刻氣體等經由貫通口 12，從而除去第一犧牲層4、第一犧牲層2。即，也可以按照第二犧牲層6、 第一犧牲層4和第一犧牲層2的順序除去。此時，例如，由於在第一犧牲層4進行蝕刻時， 第二犧牲層6也同樣被浸漬，所以在平行於基板表面的方向(水平方向)上，第二空腔10 具有比第一空腔9更大的尺寸。即，在平行於基板表面的方向(水平方向)上，劃定第一空腔9的側壁A的內側表面a比劃定第二空腔10的側壁B的內側表面b更靠內側。貫通口 8和貫通口 12的形狀和數目在它們作為蝕刻孔如所期望那樣起作用的情況下，並沒有特別限定。例如，也可以作為貫通口 8，在封裝薄膜7中設置多個從上面看時大致具有圓形的口。此外，也可以作為貫通口 12，設置一個或者沿著平行於可動部3的梁延伸的方向的方向設置多個從上面看時大致具有圓形或者大致具有矩形的口。或者，也可以作為貫通口 12，在平行於可動部3的梁延伸的方向的方向上，在電極5整體中設置從上面看時縫隙狀的開口部。此時，電極5具有以縫隙狀的貫通口 12作為邊界而分為兩個的結構，兩個部分都成為在第二犧牲層6和第一犧牲層2、4之間固定的懸臂梁。圖2 (a)表示使用樹脂11對圖1所示的MEMS元件的封裝薄膜7的表面和元件的側面進行模塑成型的方式。如圖2(b)所示，在實施樹脂11的傳遞模塑成型時施加到封裝薄膜7的壓力施加在第二空腔的側壁B上，側壁B在與電極5的接點中按入電極5。但是，由於在電極5的下方作為層疊結構而存在第一犧牲層4、第一犧牲層2、基板1且被固定，所以被按入的電極5隻有其表面側變形。其結果，在電極5和側壁B之間的接點部位附近，在朝向接點的方向上產生應力，在電極5的中空部位(未固定的部分)中，如圖2(c)所示，表面側向接點方向拉伸。此外，由於電極5和側壁B的接點的下側固定於第一空腔的側壁A(第一犧牲層4)，所以在電極5的中空部分產生向上(遠離可動部3的方向)的應力。通過該應力的產生，避免了電極5和可動部3的碰撞，保持了間隙。優選根據元件的尺寸和形狀、電極和可動部的位置、形狀和尺寸、以及向封裝薄膜施加了壓力時在電極中產生的機械應力等，適當地決定使第一空腔的側壁A的內側表面a 比第二空腔的側壁B的內側表面b更靠內側多少。以下，使用模擬結果，說明使第一空腔的側壁A的內側表面a比第二空腔的側壁B的內側表面b更靠內側多少。圖13是模擬了在作為模塑成型壓力而將100氣壓施加到封裝薄膜7時的、相對於第二空腔的側壁B的位置的、電極5和封裝薄膜7的厚度方向的最大位移的結果。圖12是說明在成為模擬了電極5和封裝薄膜7的厚度方向的最大位移時的變數的Al、B1、電極5與可動部3之間的距離Cl、以及電極5與封裝薄膜7之間的距離Dl的剖視圖，相當於圖1所示的剖視圖的一部分。在圖12中，用0表示的位置是電極5的基準位置。這裡，電極的基準位置是如下部位在實施傳遞模塑成型時向封裝薄膜施加壓力(模塑成型壓力)，由此向電極施加厚度方向的力而使電極產生位移的情況下，在與可動部對置的區域中電極的厚度方向的位移成為最大的部位。因此，如圖1所示的MEMS元件所示，開口部12是縫隙狀的開口部，在分離的懸臂梁電極中長的一方的前端位置和可動部的側邊一致的情況下，基準位置0成為長的一方的前端(即，與開口部12的邊界)。在開口部12為圓形，電極5未以開口部12為邊界而分為兩個且第二空腔的側壁B相對於可動部3位於左右對稱的位置的情況下，與可動部 3的中心對置的位置被決定為基準位置0。即，在該剖視圖中，假設電極以開口部為邊界分離為兩個懸臂梁，將長的懸臂梁的前端設為基準位置0。Al是在平行於基板表面的方向且垂直於可動部3的梁延伸的方向的方向上、從基準位置0到第一空腔的側壁A為止的距離，Bl是在平行於基板表面的方向且垂直於可動部 3的梁延伸的方向的方向上、從基準位置0到第二空腔的側壁B為止的距離。在第一空腔的側壁A不平行於可動部3的梁延伸的方向的情況下(例如，在從上方看側壁A時，側壁A彎曲的情況下)，根據側壁A的形狀和開口部12的位置決定基準位置0，並根據該基準位置0 而決定Al (厚度方向上的電極的位移最大的位置中的、該位置與側壁A之間的規定方向上的距離)。對於Bl也是同樣的。Cl是垂直於基板表面的方向上的、電極5與可動部3之間的最短距離，Dl是垂直於基板表面的方向上的、電極5與封裝薄膜7之間的最短距離。將改變了 B1/A1時的、電極5在垂直於基板表面的方向(即，厚度方向)的最大位移設為E1、封裝薄膜7在垂直於基板表面的方向(即，厚度方向)的位移設為F1，通過計算求出E1/C1和F1/D1來實施模擬。在圖12中，將橫軸設為B1/A1、縱軸(左軸)設為El/ Cl、縱軸(右軸)設為F1/D1。實線(左軸)表示在改變了第一、第二空腔的側壁的位置關係時的電極5在厚度方向的最大位移，虛線(右軸)表示在改變了第一、第二空腔的側壁的位置關係時的封裝薄膜7在厚度方向的最大位移。這裡，若E1/C1(左軸)位於正的區域， 則意味著電極5遠離可動部3，若E1/C1位於負的區域，則意味著電極5接近可動部3。因此，E1/C1 = -1.0表示電極5和可動部3接觸的情況。此外，同樣地，若F1/D1 (右軸)位於正的區域，則意味著封裝薄膜7遠離電極5，若F1/D1位於負的區域，則意味著封裝薄膜7 接近電極5。因此，F1/D1 = -1. 0表示封裝薄膜7和電極5接觸的情況。在B1/A1 (橫軸)為1. 0、即Al = Bl時，第一空腔的側壁A的位置和第二空腔的側壁B的位置一致。因此，B1/A1 > 1. 0表示第一空腔的側壁A比第二空腔的側壁B更靠內側的情況，且B1/A1 < 1.0表示第一空腔的側壁A比第二空腔的側壁B更靠外側的情況。圖12的模擬的結果，確認了在B1/A1大於1. 0的區域中，E1/C1 (實線)成為0以上的正值的情況。即，通過將第一空腔的側壁A設在比第二空腔的側壁B更靠內側的位置上，從而能夠維持電極5與可動部3之間的間隙，或者能夠使電極5遠離可動部3。其中，若考慮貫通口(蝕刻孔)的掩膜位置精度和蝕刻的偏差，則優選側壁B的內側表面b的位置位於比側壁A的內側表面a的位置更靠向外側1 μ m以上。此夕卜，在B1/A1在1. 1附近時，E1/C1表示峰值，在B1/A1彡1. 5時，E1/C1大致接近0。如圖2的(b)、(c)所示，這表示在電極5和側壁B的接點附近處電極5的表面變形， 在電極5的基準位置0中，電極5在遠離可動部3的方向上受到應力的效果在B1/A1 = 1. 0 和B1/A1 = 1.5之間增加。此外，圖12表示若B1/A1為1. 5以上，則施加到電極5的基準位置0的應力減小， 電極5在厚度方向上基本上不會產生位移的情況。S卩，可以說若B1/A1為1. 5以上，則即使模塑成型壓力施加到封裝薄膜7，電極5與可動部3之間的距離基本上也不會從沒有對封裝薄膜7施加模塑成型壓力時的距離產生變化。這意味著，若B1/A1為1. 5以上，則有沒有應用模塑成型壓力無關地，電極5-封裝薄膜7的間隙大致保持恆定。因此，優選將B1/A1設為1. 5以上。這是為了能夠減小或者消除在施加了模塑成型壓力的期間的電極-封裝薄膜之間的間隙的值與該間隙的設計值之差。無論B1/A1為任意值，用虛線表示的F1/D1都位於小於0的負的區域。這表示無論將第一空腔的側壁A相對第二空腔的側壁B如何配置，封裝薄膜7都通過模塑成型壓的應用而產生位移。此外，根據圖12可知，隨著B1/A1增大，封裝薄膜7向接近電極5的方向變形的量增大。此外，圖12表示若B1/A1取3. 2附近的值，則F1/D1成為-1. 0，即封裝薄膜7與電極5接觸。由於若封裝薄膜7與電極5接觸，則不能確保諧振器動作，所以優選將 B1/A1設為3. 2以下。此外，不論第一空腔的尺寸的大小如何，若第二空腔10的尺寸大，則有時在樹脂傳遞模塑成型時，封裝薄膜7彎曲，會與電極5和/或可動部3接觸。因此，優選考慮電極5 或可動部3與封裝薄膜7的間隙、封裝薄膜7的彈性模量(Yoimg' s modulus)以及膜厚， 以施加了 100 150氣壓左右的壓力時封裝薄膜7不會與電極5和/或可動部3接觸的程度，決定第二空腔的尺寸以及側壁B的內側表面的位置。例如，由具有10 μ m以下的膜厚的SiGe構成封裝薄膜7，在電極5和封裝薄膜7的間隙為1 μ m的情況下，第二空腔10的寬度(在將基板1的表面設為χ-y坐標面、且將平行於可動部3的梁延伸的方向的方向設為y方向時，χ方向的尺寸)為200 μ m左右時，在模塑成型壓力100 150氣壓下，封裝薄膜7與電極5和/或可動部3接觸。因此，在這種結構的MEMS元件中，優選將側壁B的內側表面的位置決定為第二空腔的寬度小於200 μ m。在圖1所示的MEMS元件中，劃定第一空腔9的側壁A由具有高低差的兩個層形成。 如後所述，這是通過例如使用SOI基板且不設置蝕刻停止(etching stop)的情況下製造而產生的。在圖1所示的MEMS元件的變形例中，兩個第一犧牲層的內側表面既可以是同一個位置，或者也可以是在平行於基板表面的方向上下側的第一犧牲層2的內側表面比上側的第一犧牲層4的內側表面更靠外側的位置。
如上所述，需要在本發明的MEMS元件中，在劃定第一空腔的側壁中、與電極接觸的側壁的內側表面在平行於基板表面的方向上比與第二空腔接觸的電極的側壁的內側表面更靠內側。另外，在圖1所示的MEMS元件中，與第一和第二空腔接觸的電極的側壁A和B 位於可動部3的梁的兩側，例如，在從上方看時圖1所示的空腔為大致矩形的情況下，處於沿著平行於梁延伸的方向的方向的位置。因此，除此之外的側壁，例如在圖1所示的MEMS 元件中，從上方看時空腔為大致矩形的情況下，在圖1中未示出的、處於沿著與垂直於可動部3的梁延伸的方向的方向(在圖中左右方向)大致平行的方向的位置的、第一空腔的側壁，既可以比處於沿著垂直於可動部3的梁延伸的方向的方向的位置的第二空腔的側壁的內側表面更靠外側，或者也可以更靠內側。但是，在使用後述的工藝製造本發明的MEMS元件的情況下，一般第一空腔的側壁整體的內側表面比第二空腔的側壁整體的內側表面更靠內側。圖3是表示圖1的MEMS元件的製造方法的一例的工藝流程圖。首先，如圖3(a) 所示，準備由矽基板31、BOX層(埋入氧化矽膜)32(對應於圖1的幻、單晶矽層33(對應於圖1的3)構成的SOI基板。在該SOI基板中，實施光刻工藝和蝕刻工藝，圖案形成單晶矽層33。接著，如圖3(b)所示，使氧化矽膜34(對應於圖1的4)成膜。接著，如圖3(c)所示，作為導電層35 (對應於圖1的5)，例如使Pt或者Al等金屬材料或者多孔矽等成膜，通過光刻工藝和蝕刻工藝進行圖案形成，獲得具有期望的圖案的導電層35。進一步，如圖3(d)所示，在導電層35上依次使氧化矽膜36(對應於圖1的6)、作為形成封裝薄膜的材料的膜37 (對應於圖1的7)成膜。這裡，形成膜37的材料例如是多孔矽、Pt、Al以及Al2O3等，在犧牲層除去工藝中從具有耐性的材料中選擇。最後，如圖3(e) 所示，通過光刻工藝和蝕刻工藝，在膜37中打開貫通口 38 (對應於圖1的8)，從該貫通口導入蝕刻氣體或者蝕刻劑，從而依次除去氧化矽膜36、氧化矽膜34、B0X層32的期望的區域。 通過實施以上的工藝，實現圖1的結構。根據該製造方法，即使在膜36、34以及層32由相同或者同種材料構成的情況下，也能夠通過一個蝕刻工藝，無需特殊的控制，就能夠將第一空腔和第二空腔形成為第一空腔的側壁整體的內側表面在平行於基板表面的方向上比第二空腔的側壁整體的內側表面更靠內側。雖然在圖1和圖3中沒有記載，但也可以在從貫通口 8(39)導入蝕刻氣體等，從而除去期望量的第一犧牲層2(3 、4 (34)以及第二犧牲層6 (36)之後，用薄膜等覆蓋封裝薄膜7 (37)的表面，在貫通口上蓋住蓋子，密封第一空腔9和第二空腔10。在使用半導體工藝來製造MEMS元件的情況下，能夠使用各種方法獲得同一個結構。因此，應注意本發明的MEMS元件的製造方法並不限於圖3所示的流程圖。(第二實施方式)圖4是表示了本發明的第二實施方式的MEMS元件的結構例的剖視圖。圖1所示的MEMS元件是如下結構板狀的電極和板狀的可動部在垂直於基板表面的方向上隔著間隙而具有相互重疊的區域，且兩者的主表面相互平行。相對於此，圖4所示的MEMS元件具有如下結構包括具有三角截面結構(即，三角柱狀)的梁的可動部3，電極5的側面與三角形的可動部3的斜面平行對置。在該MEMS元件中，可動部3和電極5在垂直於基板表面的方向上隔著間隙而具有相互重疊的區域(可動部3的斜面和平行於該面的電極5的側面)。 在圖4所示的MEMS元件中，從電極5看時，可動部3的一側是下側(若向下側按壓電極5，則與可動部3接觸)。因此，從電極5看時，第一空腔9和第二空腔10分別是位於下側和上側的空間。與圖1的MEMS元件相同地，在平行於基板表面的方向上，第一空腔的側壁A的內側表面a比第二空腔的側壁B的內側表面b更靠內側。通過該側壁結構獲得的效果如參照圖1所說明的那樣。在圖4所示的MEMS元件中，劃定第一空腔9的側壁A由一層犧牲層構成。這是因為通過在使用SOI基板形成由單晶矽構成的可動部3之後，通過BOX層表面形成成為電極的層的方法，製造MEMS元件。由於其他的要素如之前在第一實施方式中關聯說明的那樣， 所以在此省略其說明。在圖4所示的MEMS元件中，以可動部3為中心，電極5形成為在圖的左右(垂直於可動部3的梁延伸的方向的方向且垂直於厚度方向的方向)對稱。因此，關於實施方式 1，如圖4所示，參照圖12和圖13說明的決定Al和Bl時的電極5的基準位置成為經過電極5的上側前端的位置。以上，說明了可動部的形狀不同的兩種MEMS元件。在垂直於基板表面的方向上經由微小間隙而電極和可動部具有相互重疊的區域的結構中，可同樣應用本發明。(第三實施方式)圖5是表示了本發明的第三實施方式的MEMS元件的結構例的剖視圖。在圖示的 MEMS元件中，在基板1上形成第二犧牲層12，在第二犧牲層12上形成電極5，在電極5的上方設置了可動部3，第一犧牲層13、16形成在電極5的上面。在圖示的方式中，在第一犧牲層16上設置了封裝薄膜7。電極5和可動部3經由微小間隙在垂直於基板1的表面的方向上具有相互重疊的區域(即，在圖示的方式中，電極5的主表面和可動部3的主表面相互對置成平行於基板表面)，從而構成振子。可動部3和電極5通過微小間隙而構成靜電電容，根據對電極5施加電壓而產生的靜電力，以彎曲、擴展或者扭轉等的模式激勵可動部3。在圖5中，從電極5看時，可動部3的一側是電極5的上側。因此，在圖示的方式中，從電極5看時，位於上側的空腔、即用符號20表示的空間成為第一空腔20。這裡，被基板5、第一犧牲層13、16以及封裝薄膜7包圍而形成第一空腔20。在圖4中表示的第一犧牲層13、16是通過蝕刻而未除去的部分。如關於第一實施方式所說明，根據與後述的第二空腔的側壁B的內側表面b的位置關係，決定在劃定第一空腔20的側壁中、由與電極5接觸的第一犧牲層13構成的側壁A的內側表面(在圖5中用a表示的位置)的位置。在圖5中，從電極5看時，位於下側的空腔、即用符號19表示的空間是第二空腔。 這裡，被基板1、第二犧牲層12以及電極5包圍而形成第二空腔19。劃定第二空腔19的側壁B是第二犧牲層12，且是通過蝕刻而未除去的部分。如參照圖1、圖12以及圖13所說明那樣，優選考慮在對封裝薄膜7施加了機械壓力時在電極5中產生的機械應力，來決定使第一空腔的側壁A的內側表面比第二空腔的側壁B的內側表面更靠內側多少，使得在對封裝薄膜7施加了機械壓力時保持電極5與可動部3的間隙。在封裝薄膜7中，形成了貫通口 8。為了除去犧牲層而形成空腔，該貫通口 8作為蝕刻孔而形成在期望的位置上。在製造圖5所示的方式的MEMS元件時，也可以由犧牲層除去時的蝕刻速率互不相同的材料形成第一犧牲層13、16和第二犧牲層12。更具體地說，各個犧牲層的材料選擇為第二犧牲層12的蝕刻速率大於第一犧牲層13、16的蝕刻速率。其結果，若從貫通口 8導入的蝕刻氣體或蝕刻劑除去第一犧牲層16，進一步通過開口部12，依次除去第一犧牲層13、第二犧牲層12，則第二空腔19在平行於基板表面的方向上具有比第一空腔20更大的尺寸。即，劃定第一空腔20的側壁A的內側表面a比劃定第二空腔19的側壁B的內側表面b在平行於基板表面的方向上更靠內側。如圖2(a)所示，在通過樹脂的傳遞模塑成型對具有該結構的MEMS元件進行封裝的情況下，施加到封裝薄膜7的壓力通過側壁A，在下側的第一犧牲層13和電極5的接點中按入電極5。由於在側壁A和電極5的接點中電極5的下方成為空洞，所以電極5直接被按壓。因此，在電極5中產生作用於可動部3的相反側的應力成分，其結果，能夠避免電極5和可動部3的碰撞。S卩，在圖5的結構中，在將模塑成型壓力施加到封裝薄膜7時，封裝薄膜7和電極5作為一體向厚度方向進行位移，進行如圖12的虛線所示的動作。因此， 通過使第一空腔的側壁A的位置比第二空腔的側壁B的位置更靠內側，從而電極5向遠離可動部3的方向進行位移。圖6是表示了本發明的第三實施方式的MEMS元件的其他結構例的剖視圖。圖6所示的MEMS元件與圖5的MEMS元件的不同點在於，作為用於除去犧牲層來形成空腔的蝕刻孔，在基板1中形成了貫通口 18。此外，在這個方式中，第一犧牲層13、16和第二犧牲層12 由相同或者同種材料形成。可通過以下方法製造本方式的MEMS元件，即從貫通口 18導入蝕刻氣體或者蝕刻劑，將第二犧牲層12、第一犧牲層13、第一犧牲層16按照這個順序除去。通過從貫通口 18導入蝕刻氣體等，暴露於蝕刻氣體等的時間在第二犧牲層12中更長。因此，即使在將全部犧牲層的材料設為相同的情況下，在平行於基板表面的方向上， 第二空腔19具有比第一空腔20更大的尺寸。即，在平行於基板表面的方向上，劃定第一空腔20的側壁A的內側表面a比劃定第二空腔19的側壁B的內側表面b更靠內側。由此， 在利用樹脂對封裝薄膜7的表面和元件的側面進行模塑成型封裝的情況下，根據參照圖5 說明的機構，能夠避免電極5和可動部3的碰撞。雖然在圖5中沒有記載，但也可以從貫通口 8導入蝕刻氣體等而除去期望量的第一犧牲層13、16以及第二犧牲層12之後，用薄膜等覆蓋封裝薄膜7的表面，在貫通口上蓋住蓋子，密封第一空腔20和第二空腔19。同樣地，雖然在圖6中沒有記載，但也可以從貫通口 8導入蝕刻氣體等而除去期望量的第一犧牲層13、16以及第二犧牲層12之後，用薄膜覆蓋基板1的表面(在圖中位於下側的曝光表面)，在貫通口上蓋住蓋子，密封第一空腔20 和第二空腔19。在圖5和圖6中，在平行於基板表面的方向上，第一犧牲層16的內側表面比第一犧牲層13的內側表面更靠內側。在第一犧牲層由兩個以上的層構成的情況下，這些層的內側表面的位置關係並沒有特別限定。例如，在圖5和圖6所示的MEMS元件中，也可以只有在平行於基板表面的方向上，由與電極接觸的5的第一犧牲層13構成的側壁A的內側表面 a比由第二犧牲層12構成的側壁B的內側表面b更靠內側的情況下，在平行於基板表面的方向上，上側的第一犧牲層16的內側表面比下側的第一犧牲層13的內側表面更靠外側。在圖5和圖6中表示了電極和可動部的主表面垂直於基板表面，且電極和可動部的主表面相互平行的結構。在圖5和圖6所示的方式的變形例中，也可以具有電極和可動部在垂直於基板表面的方向上隔著間隙而具備相互重疊的區域的其他結構。(產業上的可利用性)
本發明的MEMS元件具備在垂直於基板表面的方向上隔著間隙而具有相互重疊的區域的電極和可動部，利用封裝薄膜進行封裝之後，即使在樹脂模塑成型時施加了機械壓力，也能夠避免電極和可動部的碰撞，且在這一點上實現高的可靠性。因此，本發明的MEMS 元件可廣泛地應用於開關元件、諧振器、濾波器、振蕩器、陀螺儀、壓力傳感器以及質量檢測元件等器件以及使用了它們的電子設備中。符號說明1 基板2、4、6、12、13、16 犧牲層3可動部(梁)5 電極7封裝薄膜8、18 貫通口(蝕刻孔)9、10、19、20 空腔11 樹脂A劃定第一空腔的側壁B劃定第二空腔的側壁a側壁A的內側表面b側壁B的內側表面
權利要求
1.一種微型機電系統元件，其中， 具有基板和封裝薄膜，將進行機械振動的梁結構體的可動部和鄰近所述可動部的電極設置在所述基板和所述封裝薄膜之間，所述可動部和所述電極在垂直於所述基板表面的方向上隔著間隙而具有相互重疊的區域，在所述基板和所述封裝薄膜之間，形成由所述電極隔開的第一空腔和第二空腔， 從位於所述可動部和所述電極重疊的區域的所述電極看時，所述第一空腔在垂直於所述基板表面的方向上位於所述可動部側，從位於所述可動部和所述電極重疊的區域的所述電極看時，所述第二空腔在垂直於所述基板表面的方向上位於所述可動部的相反側，在平行於所述基板表面的方向上，所述第一空腔與所述電極接觸的側壁(A)的內側表面比所述第二空腔與所述電極接觸的側壁(B)的內側表面更靠內側。
2.根據權利要求1所述的微型機電系統元件，其中，所述第一空腔的側壁的內側表面配置於按照在向所述封裝薄膜施加了機械壓力時保持電極和可動部之間的間隙的方式，考慮向所述封裝薄膜施加了機械壓力時在所述電極中產生的機械應力而決定的位置上。
3.根據權利要求1所述的微型機電系統元件，其中，在向所述電極施加了垂直於基板表面的方向的力時，將所述電極與所述可動部對置的區域中、在垂直於基板表面的方向上位移最大的位置設為基準位置(0)，將所述側壁(A)的位置(Al)與基準位置(0)的、平行於所述基板表面且垂直於構成所述可動部的梁的方向的距離設為Al，將所述側壁(B)的位置(Bi)與基準位置(0)的、平行於所述基板表面且垂直於構成所述可動部的梁的方向的距離設為Bl時， B1/A1 彡 1. 0。
4.根據權利要求1所述的微型機電系統元件，其中，在向所述電極施加了垂直於基板表面的方向的力時，將所述電極與所述可動部對置的區域中、在垂直於基板表面的方向上位移最大的位置設為基準位置(0)，將所述側壁(A)的位置(Al)與基準位置(0)的、平行於所述基板表面且垂直於構成所述可動部的梁的方向的距離設為Al，將所述側壁(B)的位置(Bi)與基準位置(0)的、平行於所述基板表面且垂直於構成所述可動部的梁的方向的距離設為Bl時， B1/A1 彡 1. 5。
5.根據權利要求1所述的微型機電系統元件，其中，在向所述電極施加了垂直於基板表面的方向的力時，將所述電極與所述可動部對置的區域中、在垂直於基板表面的方向上位移最大的位置設為基準位置(0)，將所述側壁(A)的位置(Al)與基準位置(0)的、平行於所述基板表面且垂直於構成所述可動部的梁的方向的距離設為Al，將所述側壁(B)的位置(Bi)與基準位置(0)的、平行於所述基板表面且垂直於構成所述可動部的梁的方向的距離設為Bl時，B1/A1 ≤ 3. 2。
6.根據權利要求1所述的微型機電系統元件，其中，在平行於所述基板表面的方向上，所述第一空腔的側壁整體的內側表面比所述第二空腔的側壁整體的內側表面更靠內側。
7.根據權利要求1所述的微型機電系統元件，其中，所述第一空腔是除去第一犧牲層而形成的，所述第二空腔是除去第二犧牲層而形成的。
8.根據權利要求7所述的微型機電系統元件，其中，在同一個蝕刻工藝中，最先除去所述第二犧牲層，之後除去所述第一犧牲層，形成所述第二空腔和第一空腔。
9.根據權利要求7所述的微型機電系統元件，其中，所述第一犧牲層和所述第二犧牲層由互不相同的材料形成，各個犧牲層的材料選擇為所述第二犧牲層的蝕刻速率大於所述第一犧牲層的蝕刻速率，在同一個蝕刻工藝中，最先除去所述第一犧牲層，之後除去所述第二犧牲層，形成所述第一空腔和第二空腔。
10.根據權利要求1所述的微型機電系統元件，其中， 利用樹脂對所述封裝薄膜的外側進行模塑成型。
11.一種微型機電系統元件的製造方法，該製造方法製造微型機電系統元件，所述微型機電系統元件具有基板和封裝薄膜，且在所述微型機電系統元件中，將進行機械振動的可動部和鄰近所述可動部的電極設置在所述基板和所述封裝薄膜之間，所述可動部和所述電極在垂直於所述基板表面的方向上隔著間隙而具有相互重疊的區域，在所述基板和所述封裝薄膜之間，形成由所述電極隔開的第一空腔和第二空腔， 從位於所述可動部和所述電極重疊的區域的所述電極看時，所述第一空腔在垂直於所述基板表面的方向上位於所述可動部側，從位於所述可動部和所述電極重疊的區域的所述電極看時，所述第二空腔在垂直於所述基板表面的方向上位於所述可動部的相反側，在平行於所述基板表面的方向上，所述第一空腔與所述電極接觸的側壁(A)的內側表面比所述第二空腔與所述電極接觸的側壁(B)的內側表面更靠內側， 所述微型機電系統元件的製造方法包括 通過第一犧牲層的除去而形成所述第一空腔的工藝；以及通過第二犧牲層的除去而形成所述第二空腔的工藝。
12.根據權利要求11所述的微型機電系統元件的製造方法，其中，通過同一個蝕刻工藝來實施形成所述第一空腔和所述第二空腔的工藝，在所述蝕刻工藝中，最先除去所述第二犧牲層，之後除去所述第一犧牲層。
13.根據權利要求11所述的微型機電系統元件的製造方法，其中，包括按照所述第二犧牲層的蝕刻速率大於所述第一犧牲層的蝕刻速率的方式選擇所述第一犧牲層和所述第二犧牲層的材料的工藝；通過同一個蝕刻工藝來實施形成所述第一空腔和所述第二空腔的工藝，在所述蝕刻工藝中，最先除去所述第一犧牲層，之後除去所述第二犧牲層。
14.一種微型機電系統振蕩器，具有權利要求1 10的任一項所述的微型機電系統元件。
15.一種電子設備，具有權利要求1 10的任一項所述的微型機電系統元件和權利要求14所述的微型機電系統振蕩器中的至少一個。
全文摘要
本發明的MEMS元件具有在包括基板(1)、封裝薄膜(7)、在垂直於基板(1)的表面的方向上隔著間隙而具有相互重疊的區域的、梁狀結構體的可動部(3)和電極(5)；以及在基板1和封裝薄膜(7)之間具有隔著電極(5)而形成的第一和第二空腔，其中，在垂直於基板表面的方向上，在可動部3側中將空腔設為第一空腔(9)，將另一個空腔設為第二空腔時，在平行於基板表面的方向上，將第一空腔(9)與電極(5)接觸的側壁(A)的內側表面(a)配置成比第二空腔(10)與側壁(B)的電極(5)接觸的內側表面(b)更靠內側，從而即使從封裝薄膜(7)的外側施加了機械應力，可動部(3)和電極(5)也不會碰撞。
文檔編號H03H9/24GK102449906SQ20118000225
公開日2012年5月9日 申請日期2011年2月24日 優先權日2010年3月18日
發明者中村邦彥, 大西慶治, 巖崎智弘 申請人:松下電器產業株式會社