專利名稱:微電子機(jī)械系統(tǒng)器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及微電子機(jī)械系統(tǒng)器件及其制造方法,尤其涉及適合于提高微電子機(jī)械
系統(tǒng)振動(dòng)器的頻率精度的情況的結(jié)構(gòu)及制造工序。
背景技術(shù):
MEMS(Micro Electro Mechanical Systems,微電子機(jī)械系統(tǒng))為微小結(jié)構(gòu)體形成 技術(shù)之一,其指制作例如微米量級(jí)等的微細(xì)的電子機(jī)械系統(tǒng)的技術(shù)、其產(chǎn)品等。雖然半導(dǎo)體 芯片因?yàn)樵诠杌迳席B層硅、氧化膜、金屬等薄膜而制作電子電路,所以其電路結(jié)構(gòu)通常由 平面性圖案構(gòu)成,但是當(dāng)在MEMS中采用上述半導(dǎo)體芯片的制造技術(shù)、即半導(dǎo)體制造技術(shù)的 情況下,因?yàn)橥ㄟ^在基板上形成薄膜并利用蝕刻將該薄膜部分地從基板分離,來形成微米 尺寸的板簧、鏡、旋轉(zhuǎn)軸等,所以MEMS結(jié)構(gòu)體具有立體性結(jié)構(gòu),并至少在一部分上具備可動(dòng) 部。 作為MEMS備受關(guān)注的領(lǐng)域,存在用于構(gòu)成便攜電話機(jī)等的通信技術(shù)的領(lǐng)域。在便 攜電話機(jī)中,除了 LSI之外,還組裝有濾波器、天線/開關(guān)、發(fā)送接收開關(guān)等多種部件。因 為如果利用藍(lán)牙、無線LAN等的多頻帶化有所進(jìn)展,則天線的轉(zhuǎn)換開關(guān)、波段轉(zhuǎn)換開關(guān)等無 源部件就會(huì)增加,所以為了推進(jìn)小型化、省功耗化而將上述的部件收置于一塊半導(dǎo)體芯片 上而減少部件數(shù)量,成為最有效的對(duì)策。在該對(duì)策中,還有以下優(yōu)點(diǎn)因?yàn)椴季€變短,并且 MEMS部件機(jī)械性地進(jìn)行工作,所以可預(yù)期抗噪音強(qiáng)、低損耗化等性能提高。并且,通過采用 半導(dǎo)體,也可實(shí)現(xiàn)與LSI —體化等與以往已有的構(gòu)成部件結(jié)合為一體。尤其是,在MEMS振 動(dòng)器中,通過一體化,能夠?qū)崿F(xiàn)與單獨(dú)部件相比損耗小IO倍或IO倍以上的濾波器。作為這 樣的MEMS振動(dòng)器的一例,例如存在以下的專利文獻(xiàn)1及2中所公開的方案。
在MEMS器件中,例如存在以下的情況,即構(gòu)成為固定電極與可動(dòng)電極隔著間隔 相對(duì),利用作用于兩電極間的靜電力,可動(dòng)電極的可動(dòng)部進(jìn)行動(dòng)作。此時(shí),MEMS器件的可 動(dòng)部的工作特性,由固定電極與可動(dòng)電極的機(jī)械結(jié)構(gòu)和構(gòu)成該結(jié)構(gòu)的材料的彈性系數(shù)所決 定。專利文獻(xiàn)1特表2007-535275號(hào)公報(bào)
專利文獻(xiàn)2特表2007-533186號(hào)公報(bào) 可是,在以往的MEMS器件中,因?yàn)槿缜八龉ぷ魈匦砸蚪Y(jié)構(gòu)尺寸而定,所以工作 特性會(huì)由于在制造時(shí)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)尺寸的偏差而產(chǎn)生偏差,從而存在著得不到充分的器件精 度的情況。例如,雖然在MEMS振動(dòng)器中頻率精度越高作為振動(dòng)器的特性越好,但是由于結(jié) 構(gòu)尺寸的精度極限,一般很難以與以往的水晶振動(dòng)器的頻率精度(幾ppm左右)對(duì)應(yīng)的精 度來形成MEMS振動(dòng)器的頻率特性。
發(fā)明內(nèi)容
于是,本發(fā)明對(duì)上述問題進(jìn)行解決,其目的在于提供一種能夠使MEMS器件的工作 精度提高的結(jié)構(gòu)及其制造方法。
鑒于這樣的實(shí)際情況,本發(fā)明的MEMS器件具備基板和形成于該基板上的MEMS結(jié) 構(gòu)體;其中,該MEMS結(jié)構(gòu)體具有工作部結(jié)構(gòu),該工作部結(jié)構(gòu)具備支撐部和可動(dòng)部,所述支撐 部形成于前述基板上,所述可動(dòng)部從該支撐部延伸設(shè)置并構(gòu)成為在前述基板上可以動(dòng)作; 該工作部結(jié)構(gòu)在前述可動(dòng)部上具有剖面極小部,該剖面極小部其與從前述工作部結(jié)構(gòu)的前 述支撐部朝向前述可動(dòng)部的方向正交的剖面的面積比前述可動(dòng)部的剖面面積小,且該剖面 極小部由在前述工作部結(jié)構(gòu)的平面圖案中設(shè)置的邊界圖案形狀形成。 根據(jù)本發(fā)明,因?yàn)橥ㄟ^在工作部結(jié)構(gòu)的可動(dòng)部上,設(shè)置由在工作部結(jié)構(gòu)的平面圖 案中設(shè)置的邊界圖案形狀形成的剖面極小部,該剖面極小部的剛性比其兩側(cè)有所下降,所 以由支撐部側(cè)的結(jié)構(gòu)造成的對(duì)于可動(dòng)部的工作特性的影響比剖面極小部小。而且,因?yàn)樯?述剖面極小部由于邊界圖案形狀而剛性降低,所以以工作部結(jié)構(gòu)的可動(dòng)部中的邊界圖案形 狀的平面圖案上的圖案精度限定了對(duì)于工作特性產(chǎn)生大的影響的結(jié)構(gòu)尺寸。從而,因?yàn)槟?夠減小對(duì)工作特性的影響,所以可以提高M(jìn)EMS器件的工作精度,其中該對(duì)工作特性的影響 是因上述圖案精度以外的結(jié)構(gòu)尺寸的誤差、偏差等,例如由圖案偏離造成的工作部結(jié)構(gòu)的 伸出長度的誤差、偏差等引起的。 例如,在MEMS振動(dòng)器的情況下,因?yàn)樵谑箍蓜?dòng)部振動(dòng)時(shí)上述剖面極小部成為振動(dòng) 的關(guān)節(jié),由此,由可動(dòng)部的平面形狀造成的影響變大,由支撐部側(cè)的結(jié)構(gòu)造成的影響與剖面 極小部相比減小,所以能夠提高頻率精度。 在本發(fā)明的一種方式中,前述邊界圖案形狀由形成于前述工作部結(jié)構(gòu)的側(cè)邊緣的 切口構(gòu)成。通過由設(shè)置于工作部結(jié)構(gòu)的側(cè)邊緣、即從支撐部伸向可動(dòng)部的工作部結(jié)構(gòu)的邊 緣部處的切口構(gòu)成邊界圖案形狀,僅改變平面圖案的外緣形狀就能夠容易地使剖面極小部 的剛性降低。 在該情況下,進(jìn)一步優(yōu)選前述切口分別形成于前述工作部結(jié)構(gòu)的兩側(cè)邊緣。通過
將切口分別形成于工作部結(jié)構(gòu)的兩側(cè)邊緣,能夠使剖面極小部的剛性進(jìn)一步降低。
在本發(fā)明的另一方式中,優(yōu)選前述工作部結(jié)構(gòu)構(gòu)成為前述可動(dòng)部由前述支撐部
懸臂支撐而成的懸臂梁狀。雖然因?yàn)榭蓜?dòng)部只要被支撐部以可以動(dòng)作的狀態(tài)支撐即足矣,
所以在本發(fā)明中,可以形成為支撐部從兩側(cè)對(duì)可動(dòng)部進(jìn)行支撐的結(jié)構(gòu),但是因?yàn)橥ㄟ^使支
撐部以懸臂梁狀對(duì)可動(dòng)部進(jìn)行支撐,能夠簡單地構(gòu)成工作部結(jié)構(gòu),所以設(shè)計(jì)、制造等變得容
易,從而制造成本也能夠降低。
在本發(fā)明的另一方式中,前述支撐部構(gòu)成為比前述可動(dòng)部寬度寬。因?yàn)橥ㄟ^將支
撐部構(gòu)成為比可動(dòng)部寬度寬,支撐部相對(duì)于可動(dòng)部的剛性高,所以能夠進(jìn)一步減小由可動(dòng)
部以外的結(jié)構(gòu)造成的對(duì)MEMS器件的工作特性的影響。例如,在MEMS振動(dòng)器中,因?yàn)榭蓜?dòng)部
的振動(dòng)的關(guān)節(jié)可靠且正確地產(chǎn)生于剖面極小部處,所以能夠減小諧振頻率的變動(dòng)。 并且,在上述結(jié)構(gòu)中通過使支撐部的寬度比可動(dòng)部的寬度寬,不僅單單提高剛性,
而且還能夠防止結(jié)構(gòu)的意料外的扭曲、并抑制可動(dòng)部的原本的工作方式以外的工作方式
等,能夠提高工作方式的穩(wěn)定性。 在本發(fā)明的又一方式中,前述工作部結(jié)構(gòu)具有固定于前述基板上的固定電極和在 該固定電極上隔著間隙相對(duì)的至少包括前述可動(dòng)部的可動(dòng)電極,利用前述固定電極與前述 可動(dòng)電極之間的靜電力,前述可動(dòng)部以使前述間隙增減的方式進(jìn)行動(dòng)作。這樣的結(jié)構(gòu),能夠 用于靜電振動(dòng)器、靜電開關(guān)、靜電致動(dòng)器等。
在上述各發(fā)明中,優(yōu)選前述MEMS結(jié)構(gòu)體是MEMS振動(dòng)器,其構(gòu)成前述可動(dòng)部進(jìn)行 振動(dòng)的振動(dòng)器。據(jù)此,通過在剖面極小部處產(chǎn)生振動(dòng)的關(guān)節(jié),能夠減小頻率特性的偏差、提 高頻率精度。 接下來,本發(fā)明提供一種MEMS器件的制造方法,該MEMS器件具有基板和形成于前 述基板上的MEMS結(jié)構(gòu)體,前述MEMS結(jié)構(gòu)體具有工作部結(jié)構(gòu),該工作部結(jié)構(gòu)具備支撐部和可 動(dòng)部,所述支撐部形成于前述基板上,所述可動(dòng)部從該支撐部延伸設(shè)置并構(gòu)成為在前述基 板上可以動(dòng)作,該方法在形成前述MEMS結(jié)構(gòu)體的工序中,依次執(zhí)行在前述基板上形成犧 牲層的階段、形成在該犧牲層上配置前述可動(dòng)部而成的前述工作部結(jié)構(gòu)的階段和除去前述 犧牲層的階段;其中,在形成前述工作部結(jié)構(gòu)的階段中,通過在構(gòu)成該工作部結(jié)構(gòu)的平面圖 案中設(shè)置邊界圖案形狀而在前述可動(dòng)部上形成剖面極小部,該剖面極小部其與從前述工作 部結(jié)構(gòu)的前述支撐部朝向前述可動(dòng)部的方向正交的剖面的面積比前述可動(dòng)部的剖面面積 小。 根據(jù)本發(fā)明,因?yàn)槠拭鏄O小部的剛性下降,從而能夠減小由可動(dòng)部與邊界圖案形 狀之間的圖案精度以外的結(jié)構(gòu)尺寸的精度、偏差等所造成的對(duì)工作特性的影響,所以能夠 使MEMS器件的工作精度提高,并且因?yàn)橥ㄟ^在構(gòu)成可動(dòng)部結(jié)構(gòu)的平面圖案中設(shè)置邊界圖 案形狀而使剖面極小部的剛性降低,單改變圖案形成形狀就能夠制造,所以可以不招致制 造工藝的復(fù)雜化、制造成本的增大等便能夠應(yīng)對(duì)。 在本發(fā)明的一種方式中,前述可動(dòng)部的平面形狀與前述邊界圖案形狀利用同一圖 案形成處理形成。據(jù)此,因?yàn)槟軌驈钠拭鏄O小部開始高精度地形成前端的可動(dòng)部的結(jié)構(gòu)尺 寸,所以能夠使工作精度進(jìn)一步提高。在該情況下,優(yōu)選前述可動(dòng)部的平面形狀、前述邊界 圖案形狀及前述支撐部的平面形狀利用同一圖案形成處理形成。通過不僅可動(dòng)部、邊界區(qū) 域而且對(duì)于支撐部的平面形狀也利用同一圖案形成處理形成,因?yàn)槟軌蛞舶ń咏诳蓜?dòng) 部的支撐部而進(jìn)一步提高工作部結(jié)構(gòu)的平面形狀的再現(xiàn)性,所以在使工作精度提高方面是 有利的。 根據(jù)本發(fā)明的MEMS器件及其制造方法,能夠產(chǎn)生能夠使MEMS器件的工作精度提 高并且能夠避免制造工藝的復(fù)雜化、制造成本的增大等優(yōu)異效果。
圖1是第1實(shí)施方式的MEMS器件的概要俯視圖(a)及概要縱剖面圖(b); 圖2是變形例1的MEMS器件的概要俯視圖(a)及概要縱剖面圖(b); 圖3是變形例2的MEMS器件的概要俯視圖(a)及概要縱剖面圖(b); 圖4是對(duì)比實(shí)施例1 3與比較例的諧振頻率對(duì)于伸出長度的依賴性而示出的曲
線圖; 圖5是表示實(shí)施例的諧振頻率對(duì)于支撐部的寬度的依賴性的曲線圖; 圖6是示意性地表示比較例的結(jié)構(gòu)的概要俯視圖(a)及概要縱剖面圖 (b); 圖7是表示比較例的由圖案偏離導(dǎo)致的伸出長度的變化狀態(tài)的說明用俯視圖 (a) (c); 圖8是表示實(shí)施例的由圖案偏離導(dǎo)致的伸出長度的變化狀態(tài)的說明用俯視圖(a) (c); 圖9是示意性地表示第1實(shí)施方式的MEMS器件的制造方法的概要工序剖面圖;
圖10是示意性地表示第1實(shí)施方式的MEMS器件的制造方法的概要工序剖面圖;
圖11是示意性地表示第1實(shí)施方式的MEMS器件的制造方法的概要工序剖面圖;
圖12是示意性地表示第1實(shí)施方式的MEMS器件的制造方法的概要工序剖面圖; 以及 圖13是表示邊界圖案形狀的其他例子的概要俯視圖(a) (c)。
符號(hào)說明 10...基板,ll...絕緣膜,12...基底層,13...保護(hù)膜,13a...開口 , 20. . . MEMS 結(jié)構(gòu)體,20L...下層圖案,20U...上層圖案,21...下側(cè)結(jié)構(gòu)部,22...上側(cè)結(jié)構(gòu)部, 22M...可動(dòng)部,22B...剖面極小部,22S...支撐部,22SL...下側(cè)支撐部,22SU...上側(cè)支撐 部,22v、22v'、22v"...切口 (邊界圖案形狀),22w...開口 (邊界圖案形狀),23...犧牲層。
具體實(shí)施例方式
接下來,參照附圖關(guān)于本發(fā)明的實(shí)施方式詳細(xì)地進(jìn)行說明。首先,參照?qǐng)Dl及圖 9 圖12關(guān)于本發(fā)明的MEMS器件及其制造方法進(jìn)行說明。圖1是第1實(shí)施方式的MEMS器 件的概要俯視圖(a)及概要縱剖面圖(b),圖9 圖12分別是示意性地表示第1實(shí)施方式 的MEMS器件的制造方法的各工序的概要俯視圖(a)及概要工序剖面圖(b)。還有,雖然以 下說明的MEMS器件是MEMS振動(dòng)器,但是如后所述,本發(fā)明并非限定于MEMS振動(dòng)器。
[第1實(shí)施方式] 如圖1所示,本實(shí)施方式是以由單晶硅等半導(dǎo)體等構(gòu)成的基板(晶片)10為基體, 在該基板10上形成MEMS結(jié)構(gòu)體20而成的MEMS器件。但是,基板10并不限于半導(dǎo)體,而 可以采用由玻璃、陶瓷、樹脂等各種材料構(gòu)成的基板。 如圖9所示,在基板10的表面上根據(jù)需要形成由氧化硅等構(gòu)成的絕緣膜ll,確保 與基板10的絕緣。但是,在基板10由玻璃、陶瓷、樹脂、低摻雜的半導(dǎo)體等絕緣性高的材料 構(gòu)成的情況下、或者在采用已在表面形成有絕緣膜的基板(例如SOI基板等)的情況下,不 需要該絕緣膜ll。 并且,在基板10的表面上,形成對(duì)后述的釋放('」'」 一 》)蝕刻等蝕刻工序具有 耐受性的基底層12。在采用以一般性的硅為基底的半導(dǎo)體制造技術(shù)的情況下,基底層12由 用CVD法等所形成的氮化硅膜構(gòu)成。優(yōu)選該基底層12限定性地形成于在上述蝕刻工序中 成為必需的范圍內(nèi)。 接下來,如圖10所示,在基板10上,通過預(yù)定的圖案形成,形成由導(dǎo)電體構(gòu)成的下 層圖案20L,并形成能作為固定電極(以及在需要的情況下其布線部)起作用的下側(cè)結(jié)構(gòu) 部21和與該下側(cè)結(jié)構(gòu)部21分離并絕緣的下側(cè)支撐部22SL。并且,在該下側(cè)結(jié)構(gòu)部21上, 形成由氧化硅等構(gòu)成的犧牲層23。在圖示例子中,犧牲層23形成為覆蓋下側(cè)結(jié)構(gòu)部21整 體的狀態(tài)。此為在上述的基板上形成犧牲層的階段。在該情況下,雖然犧牲層23也能夠通 過用CVD法、濺射法等進(jìn)行成膜而形成,但是也可以通過使下側(cè)結(jié)構(gòu)部21表面氧化而形成。 例如,在下側(cè)結(jié)構(gòu)部21由硅層構(gòu)成的情況下,能夠以利用熱氧化法形成的硅熱氧化膜為犧牲層23。 接下來,如圖11所示,在上述犧牲層23及下側(cè)支撐部22SL上形成由導(dǎo)電體構(gòu)成 的上層圖案20U。該上層圖案20U具有在犧牲層23上形成的可動(dòng)部22M和支撐該可動(dòng)部 22M的上側(cè)支撐部22SU,并且在可動(dòng)部22M上,在上層圖案20U的寬度方向的側(cè)邊緣處具備 切口22v。該切口 22v從上層圖案20U的側(cè)邊緣向?qū)挾确较騼?nèi)側(cè)形成為凹狀。在圖示例子 的情況下,在上層圖案20U的兩側(cè)邊緣處,以互相相對(duì)的方式分別形成有切口 22v。通過這 樣在下層圖案20L上形成上層圖案20U,完成上側(cè)結(jié)構(gòu)部22。 上側(cè)結(jié)構(gòu)部22由下側(cè)支撐部22SL和上層圖案20U構(gòu)成。而且,該上側(cè)結(jié)構(gòu)部22 相當(dāng)于具有配置于犧牲層23上的可動(dòng)部22M、由下側(cè)支撐部22SL和上側(cè)支撐部22SU構(gòu)成 的支撐部22S的上述的工作部結(jié)構(gòu)。并且,上述的切口22v,在上層圖案20U的圖案形成時(shí), 例如,在上層圖案的成膜階段之后的圖案形成階段(圖案蝕刻)中,與可動(dòng)部22M、上側(cè)支撐 部22SU等的圖案形狀同時(shí)地形成。以上是形成在犧牲層上配置可動(dòng)部22M而成的工作部 結(jié)構(gòu)的階段。由此,完成MEMS結(jié)構(gòu)體20。 在上述的MEMS結(jié)構(gòu)體20中,在圖示例子的情況下,可動(dòng)部22M相對(duì)于下側(cè)結(jié)構(gòu)部 21隔著犧牲層23相對(duì)。該可動(dòng)部22M雖然在圖11的狀態(tài)下固定于基板10上,但是其經(jīng)過 后述的工序最終成為可以動(dòng)作的狀態(tài)。并且,雖然在本實(shí)施方式中下層圖案20L及上層圖 案20U由導(dǎo)電體構(gòu)成,但是為了使MEMS結(jié)構(gòu)體20發(fā)揮作用,只要至少下側(cè)結(jié)構(gòu)部21及可 動(dòng)部22M由導(dǎo)電體構(gòu)成即可。 作為構(gòu)成上述導(dǎo)電體的材料,優(yōu)選采用提供導(dǎo)電性的硅。例如是導(dǎo)入了磷等n型 摻雜劑作為雜質(zhì)的多晶硅或非晶硅。作為摻雜劑,并不限于n型摻雜劑,而也可以采用硼等 P型摻雜劑。這樣的材料,能夠利用CVD法、濺射法等容易地進(jìn)行成膜。但是,作為上述的 材料,只要是具有在MEMS結(jié)構(gòu)體20的工作中所需的程度的導(dǎo)電性的導(dǎo)電體,可以是任何物 質(zhì),例如,也可以是鋁等金屬。 接下來,如圖12所示,根據(jù)需要在上述結(jié)構(gòu)的表面形成具有開口 13a的保護(hù)膜13, 并利用該開口 13a, MEMS結(jié)構(gòu)體20的至少上述犧牲層23成為露出于外部的狀態(tài)。在圖示 例子中,開口 13a在基底層12的形成范圍內(nèi)形成為,上述可動(dòng)部22M及犧牲層23露出,而且 構(gòu)成為,基底層12的形成范圍外全被保護(hù)膜13所覆蓋。該保護(hù)膜13雖然并不特別限定, 但是能夠采用例如通過涂敷感光性抗蝕劑并進(jìn)行曝光、顯影來形成上述開口 13a而形成的 抗蝕劑掩模。該保護(hù)膜13對(duì)在以下說明的釋放工序時(shí)的蝕刻所不需要的部分進(jìn)行保護(hù)。
接下來,采用氫氟酸、緩沖氫氟酸等蝕刻液,通過上述開口 13a除去上述的犧牲層 23。這是除去上述的犧牲層的階段(釋放階段)。利用該階段,MEMS結(jié)構(gòu)體20的可動(dòng)部 22M從犧牲層23上釋放,成為可以動(dòng)作的狀態(tài)、即成為可以振動(dòng)的狀態(tài)。
在如上所述構(gòu)成的MEMS結(jié)構(gòu)體20中,具備形成于基板10上的支撐部22S和從該 支撐部22S延伸設(shè)置且被構(gòu)成(支撐)為在基板10上可以動(dòng)作的可動(dòng)部22M。其中,設(shè)置 于上層圖案20U中的可動(dòng)部22M與設(shè)置于下層圖案20L中的下側(cè)結(jié)構(gòu)部21隔著間隙g相 對(duì)配置。由此,因?yàn)榭蓜?dòng)部22M成為可動(dòng)狀態(tài),所以若在作為固定電極的下側(cè)結(jié)構(gòu)部21與 作為可動(dòng)電極的上側(cè)結(jié)構(gòu)部22之間提供交流信號(hào),則可動(dòng)部22M由于靜電力而以使上述間 隙g增減的狀態(tài)在圖示上下方向上振動(dòng)。 如圖1所示,在本實(shí)施方式的MEMS器件中,可動(dòng)部22M具有由長度1 、厚度t 、寬度
7w所限定的帶狀的平面圖案。上層圖案20U的可動(dòng)部22M與支撐部22S的寬度w構(gòu)成得相 同。并且,下側(cè)結(jié)構(gòu)部21具有長度l'、寬度w'的帶狀的平面圖案。 該下側(cè)結(jié)構(gòu)部21配置為,俯視與可動(dòng)部22M的形成范圍全體重疊,進(jìn)而從與可動(dòng) 部22M的側(cè)邊緣重疊的俯視位置分別向?qū)挾确较騼蓚?cè)伸出。下側(cè)結(jié)構(gòu)部21相對(duì)于該上側(cè) 結(jié)構(gòu)部22(可動(dòng)部22M)向?qū)挾确较騼蓚?cè)的伸出量充分確保為由后述的寬度方向的圖案偏 離引起的對(duì)工作特性的影響不會(huì)成為問題。 如上所述,若從上下方向看,則在下側(cè)結(jié)構(gòu)部21與可動(dòng)部22M之間設(shè)置相當(dāng)于上 述犧牲層23的厚度的間隙g。即,隔著該間隙g,可動(dòng)部22M與下側(cè)結(jié)構(gòu)部21相對(duì)。而且, 在可動(dòng)部22M上,通過利用上述切口 22v縮小寬度,形成了剖面極小部22B。在圖示例子的 情況下,上下方向的間隙g遍及可動(dòng)部22M、剖面極小部22B及上側(cè)支撐部22SU的全體而 恒定。另一方面,若從沿著基板10的表面的長度方向看,則下側(cè)結(jié)構(gòu)部21從俯視與可動(dòng)部 22M重疊的區(qū)域越過剖面極小部22B而延伸至俯視與上側(cè)支撐部22SU重疊的區(qū)域。并且, 在下側(cè)結(jié)構(gòu)部21與下側(cè)支撐部22SL之間存在著上述長度方向的間隙h。
切口 22v在剖面極小部22B中,從上層圖案20U的側(cè)邊緣朝向?qū)挾确较騼?nèi)側(cè)形成, 具有深度d。在圖示例子中,切口 22v形成為俯視V字狀。而且,該切口 22v被設(shè)置作為邊 界圖案形狀,該邊界圖案形狀設(shè)置于上層圖案20U的平面圖案的剖面極小部22B處。通過 形成這些切口 22v,剖面極小部22B與其兩側(cè)的可動(dòng)部22M及支撐部22SU、22SL相比,剖面 面積變小,其結(jié)果,剖面極小部22B的剛性局部性地下降。
[變形例1] 圖2是表示上述MEMS器件的變形例1的概要俯視圖(a)及概要縱剖面圖(b)。在 該例子中,雖然關(guān)于基本結(jié)構(gòu)與圖1相同,例如,在可動(dòng)部22M的剖面極小部22B處設(shè)置切 口 22v這一點(diǎn)相同,但是剖面極小部22B配置于俯視與下側(cè)結(jié)構(gòu)部21重疊的范圍的外側(cè)這 一點(diǎn)不相同。即,被設(shè)置切口 22v的剖面極小部22B被配置于下側(cè)結(jié)構(gòu)部21與下側(cè)支撐部 22SL之間的間隙h的上方。在這樣的結(jié)構(gòu)中,也通過形成切口 22v,剖面極小部22B成為與 其兩側(cè)的可動(dòng)部22M及支撐部22S相比剖面面積縮小了的剖面極小部,其結(jié)果,剖面極小部 22B的剛性局部性地下降。
[變形例2] 圖3是表示上述MEMS器件的變形例2的概要俯視圖(a)及概要剖面圖(b)。在 該例子中,在由下側(cè)支撐部22SL和上層圖案20U構(gòu)成的工作部結(jié)構(gòu)(上側(cè)結(jié)構(gòu)部22)中, 支撐部22S的寬度w"構(gòu)成為比可動(dòng)部22M的寬度w寬。在圖示例子的情況下,下側(cè)支撐部 22SL與上側(cè)支撐部22SU在寬度方向上一致地設(shè)置,它們的寬度都為同一寬度w"。并且,在 圖示例子的情況下,支撐部22S的寬度方向的側(cè)邊緣伸出至可動(dòng)部22M的寬度方向兩側(cè),由 此上側(cè)結(jié)構(gòu)部22成為俯視T字狀。并且,支撐部22S從可動(dòng)部22M的側(cè)邊緣向?qū)挾确较騼?側(cè)具有相同的伸出量。 還有,在圖3所示的MEMS器件中,雖然在圖示例子中,與圖l所示同樣地,剖面極 小部22B在下側(cè)結(jié)構(gòu)部21的上方配置于俯視與下側(cè)結(jié)構(gòu)部21重疊的范圍內(nèi),但是也可以 與圖2所示同樣地,剖面極小部22B配置于俯視與下側(cè)結(jié)構(gòu)部21重疊的范圍外。
[實(shí)施例] 圖4是表示本實(shí)施方式的MEMS器件的諧振頻率的依賴性的曲線圖。在該曲線圖中,與比較例進(jìn)行對(duì)比地表示本實(shí)施方式的實(shí)施例1 、 2 、 3 。 在此,實(shí)施例1為在圖1所示的結(jié)構(gòu)中,從可動(dòng)部22M的前端部到切22v的前端側(cè) 的邊界位置的長度1 = 43 ii m、厚度t = 2 ii m、寬度w = 10 ii m、切口 22v的深度d = 3 y m、 切口 22v在側(cè)邊緣上的寬度s = 2 ii m、從切口 22v的支撐部22S側(cè)的邊界位置到下側(cè)結(jié)構(gòu) 部21的端緣的平面方向的距離p = 5iim、間隙h = 2iim、支撐部22S的長度q = 10 y m。 在此,可動(dòng)部22M的長度為從支撐部22S伸出的伸出長度L二 l+s+p+h。并且,實(shí)施例2,除 了切口 22v的深度d = 4iim以外,具有與上述實(shí)施例1相同的結(jié)構(gòu)尺寸。進(jìn)而,實(shí)施例3, 除了在圖3所示的結(jié)構(gòu)中,使支撐部22S的寬度w"為20 ii m、使支撐部22S向可動(dòng)部22M的 寬度方向兩側(cè)伸出相等的量以外,具有與上述實(shí)施例1相同的結(jié)構(gòu)尺寸。
并且,比較例,如圖6(a)及(b)示意性地所示,具有由上層圖案和下層圖案構(gòu)成的 下側(cè)結(jié)構(gòu)部及上側(cè)結(jié)構(gòu)部,并且在上側(cè)結(jié)構(gòu)部上設(shè)置有可動(dòng)部和支撐部。而且,除了未形成 切口 22v以外,具有與實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)尺寸相同的尺寸。但是,在該比較例中,由于未設(shè)置切 口 22v所以不存在剖面極小部22B,因而使得上側(cè)結(jié)構(gòu)部的從支撐部開始的伸出長度(即、 可動(dòng)部的長度)L構(gòu)成為與實(shí)施例1中的可動(dòng)部22M的前端部與切口 22v之間的長度1、切 口 22v的寬度s、上述距離p、間隙h的合計(jì)值相一致。 還有,圖4的曲線圖表示在上述實(shí)施例1 3及比較例中,通過結(jié)構(gòu)分析用計(jì)算機(jī) 對(duì)諧振頻率相對(duì)于上述伸出長度(即、可動(dòng)部的長度)L( = l+s+p+h)的變化的變化進(jìn)行計(jì) 算而得到的結(jié)果。還有,上述伸出長度〃=l+s+p+h)在任何情況下都以52ym為基準(zhǔn)值, 通過在伸出長度L相對(duì)于基準(zhǔn)值增加了 1 P m的情況下、和減少了 1 P m的情況下分別進(jìn)行 結(jié)構(gòu)分析而求取諧振頻率,推導(dǎo)出因伸出長度L的變化引起的諧振頻率的變化狀態(tài)。
如圖4所示,相對(duì)于在比較例中若伸出長度L發(fā)生變化則諧振頻率變化很大,在實(shí) 施例1 3中諧振頻率的變化比比較例要小。尤其是,相對(duì)于在比較例中若伸出長度L變 化2 ii m則諧振頻率變化62kHz,在實(shí)施例3中即使伸出長度L變化2 y m諧振頻率的變化量 也大幅度地減小為35kHz。從而,可以理解在本實(shí)施方式中,通過設(shè)置切口 22v,能夠減小 諧振頻率的變化量。 并且,如在圖4中若將比較例與實(shí)施例1及2進(jìn)行對(duì)比則可以看出的,若設(shè)置切口 22v則諧振頻率下降。另一方面,根據(jù)在實(shí)施例3中諧振頻率增大的情況可以理解通過使 支撐部的寬度w"比可動(dòng)部22M的寬度w寬,能夠補(bǔ)償因設(shè)置切口 22v而引起的諧振頻率的 下降。 為了證實(shí)上述的諧振頻率的變化,以實(shí)施例l(以上述伸出長度L為上述基準(zhǔn)值的 實(shí)施例)為基礎(chǔ),在除了支撐部22S的寬度w"以外成為與實(shí)施例1相同的結(jié)構(gòu)的實(shí)施例3 中,使支撐部22S的寬度w"逐漸增大而計(jì)算諧振頻率。其結(jié)果示于圖5中。圖5是表示諧 振頻率對(duì)于支撐部22S的寬度w"的依賴性的曲線圖。如從圖5可以看出地,若使支撐部 22S的寬度w"比可動(dòng)部22M的寬度w寬下去,則諧振頻率增大,并且在寬度w"幾乎接近寬 度w的3倍時(shí),諧振頻率達(dá)到極限,成為基本恒定的值。 從而,以利用支撐部22S的寬度w"來補(bǔ)償因設(shè)置切口 22v而引起的諧振頻率的降 低的方式,即通過設(shè)計(jì)成為w < w"的寬度w"的值,相對(duì)于不設(shè)置切口 22v的情況,能夠不 使諧振頻率變化地提高頻率精度。并且,通過將支撐部22S的寬度w"設(shè)定為可動(dòng)部22M的 寬度w的3倍或3倍以上,能夠使諧振頻率穩(wěn)定,能夠?qū)崿F(xiàn)諧振頻率的進(jìn)一步高精度化、再現(xiàn)性的提高。 得到由上述的計(jì)算結(jié)果所示的工作特性(頻率特性)的原因,可考慮如下。若將上 側(cè)結(jié)構(gòu)部22的從支撐部開始的伸出長度設(shè)定為L、將厚度設(shè)定為t、并忽略寬度w的影響, 則可用以下的數(shù)學(xué)式1表示MEMS結(jié)構(gòu)體20的諧振頻率Fr。
[數(shù)學(xué)式l] 在此,E為可動(dòng)部22M的楊氏模量,P為可動(dòng)部22M的密度。 根據(jù)上述的數(shù)學(xué)式1可以理解若上側(cè)結(jié)構(gòu)部22的伸出長度L發(fā)生變化,則與厚 度t發(fā)生了變化的情況相比,諧振頻率Fr以不同的數(shù)量級(jí)發(fā)生大的變化。并且可以理解 關(guān)于寬度w,其對(duì)諧振頻率Fr的影響比厚度t更小。從而,對(duì)MEMS器件的諧振頻率及其他 頻率特性的影響,在MEMS結(jié)構(gòu)體20的結(jié)構(gòu)尺寸之中上述的伸出長度L極其大,減小由該伸 出長度L造成的影響,對(duì)于MEMS器件的頻率精度的提高是有效的。 而且,上述的伸出長度L,會(huì)由于上層圖案20U相對(duì)于下層圖案20L向該長度方向 的圖案偏離而發(fā)生變化。該圖案偏離,例如,在利用光刻技術(shù)形成各圖案的情況下,主要因 曝光階段中的曝光圖案的偏離(曝光掩模的偏離)而產(chǎn)生。圖7(a) (c)是用于說明由 該圖案偏離導(dǎo)致的對(duì)比較例的影響的說明用俯視圖,圖8(a) (c)是用于說明對(duì)實(shí)施例的 影響的說明用俯視圖。 如圖7(a) (c)所示,在上述比較例中,若上層圖案20U相對(duì)于下層圖案20L在 長度方向上偏離,則上側(cè)結(jié)構(gòu)部的伸出長度L變化與該長度方向的偏離量相等的量。從而, 在不存在上述切口 22v的情況下,如上述數(shù)學(xué)式1所示,諧振頻率Fr以與上述圖案偏離的 量的大致平方成反比的狀態(tài)變化。 另一方面,在本實(shí)施方式中,如圖8(a) (c)所示,若在上層圖案20U上包括切口 22v,則雖然上側(cè)結(jié)構(gòu)部22的伸出長度L與比較例同樣地發(fā)生變化,但是可動(dòng)部22M的前端 部與切口 22v之間的長度l并不會(huì)受到上述圖案偏離的影響。并且,在該情況下,因?yàn)橥ㄟ^ 設(shè)置切口 22v而剖面極小部22B的剛性下降,從而振動(dòng)的關(guān)節(jié)產(chǎn)生于剖面極小部22B處,所 以諧振頻率難以受到伸出長度的影B向,而主要由可動(dòng)部22M的前端部與切口 22v之間的長 度1而定。而且,上層圖案20U內(nèi)的圖案精度一般遠(yuǎn)比上述圖案偏離小。因此,可認(rèn)為實(shí) 施例中的諧振頻率的變動(dòng)(偏差)與比較例的情況相比變小。 還有,MEMS器件的頻率特性也會(huì)由于上側(cè)結(jié)構(gòu)部(可動(dòng)電極)22相對(duì)于下側(cè)結(jié)構(gòu) 部(固定電極)21的重疊范圍的偏差而受影響。即,即使在圖8所示的情況下,如果嚴(yán)格來 說,則上側(cè)結(jié)構(gòu)部22相對(duì)于下側(cè)結(jié)構(gòu)部21的重疊范圍(長度范圍)、例如從上述伸出長度 L減去圖l所示的間隙h而得到的長度(=L-h)也會(huì)變動(dòng),伴隨于此上側(cè)結(jié)構(gòu)部22所受到 的靜電力也會(huì)變化??墒?,因?yàn)橹C振頻率終究是由可動(dòng)部22M的前端部與切口 22v之間的 長度1及其他結(jié)構(gòu)尺寸和材料的彈性系數(shù)而定的,所以對(duì)頻率精度的提高并無大礙。這意 味著在上述圖1及圖3所示的結(jié)構(gòu)和上述圖2所示的結(jié)構(gòu)中,關(guān)于工作精度(頻率精度) 的提高效果而言,并無本質(zhì)上的差異。 并且,雖然在制造過程中,除了上述的長度方向的圖案偏離以外,也可能產(chǎn)生寬度方向的圖案偏離,但是只要該寬度方向的圖案偏離如上述實(shí)施方式那樣,形成為下側(cè)結(jié)構(gòu) 部(固定電極)21相對(duì)于上側(cè)結(jié)構(gòu)部(可動(dòng)電極)22在寬度方向具有充分的余量地?cái)U(kuò)寬, 則并不會(huì)對(duì)MEMS器件的頻率特性產(chǎn)生大的影響。 如上所述,在本實(shí)施方式中,因?yàn)樵谏蟼?cè)結(jié)構(gòu)部22(工作部結(jié)構(gòu))中的可動(dòng)部22M 上設(shè)置切口 22v而構(gòu)成剖面極小部22B,由此使剖面極小部22B的剛性降低,從而MEMS器 件的振動(dòng)的關(guān)節(jié)產(chǎn)生于剖面極小部22B處,所以能夠抑制由上層圖案20U相對(duì)于下層圖案 20L的圖案偏離引起的對(duì)頻率特性的影響。 尤其是,因?yàn)樯鲜銮锌?22v成為上層圖案20U的一部分,在上層圖案20U的形成工 序(圖案形成工序)中同時(shí)形成,從而利用上層圖案20U內(nèi)的圖案精度確定可動(dòng)部22M的 前端部與切口 22v之間的長度l,所以存在著能夠?qū)⒁蕾囉谠撻L度l的頻率精度提高到與上 述圖案精度對(duì)應(yīng)的程度的優(yōu)點(diǎn)。 進(jìn)而,在本實(shí)施方式中,因?yàn)閮H改變上層圖案20U的圖案形狀就能夠制造,所以還 具有能夠不招致制造工藝的復(fù)雜化、制造成本的增大等便能夠應(yīng)對(duì)的優(yōu)點(diǎn)。
圖13是表示在剖面極小部22B處設(shè)置的邊界圖案形狀的其他例子的概要俯視圖 (a) (c)。這些邊界圖案形狀例示了上述切口 22v以外的剖面極小部22B的圖案形狀。例 如,在圖13 (a)所示的例子中,在剖面極小部22B中,并不是俯視V字狀的上述切口 22v,而 是設(shè)置了俯視半圓狀或者俯視U字狀的切口 22v'。并且,在圖13 (b)所示的例子中,形成了 俯視矩形狀或者俯視多邊形狀的切口 22v"。這樣,切口的俯視形狀是任意的,只要是結(jié)果有 助于剖面極小部22B的剛性降低的圖案形狀即可。 并且,在圖13(c)所示的例子中,并未在上側(cè)結(jié)構(gòu)部22(上層圖案20U)的側(cè)邊緣 處設(shè)置切口,而是代之在剖面極小部22B中設(shè)置了開口 22w。在圖示例子的情況下,在剖面 極小部22B中沿著寬度方向形成多個(gè)開口 22w。通過這樣設(shè)置開口 22w,也能夠有助于剖面 極小部22B的剛性降低。即,只要利用邊界圖案形狀在可動(dòng)部上設(shè)置剖面極小部22B即可, 其圖案形狀本身并不特別限定。 在本實(shí)施方式中,進(jìn)而,因?yàn)橥ㄟ^將支撐部22S的寬度w"設(shè)定得比可動(dòng)部22M的 寬度w寬,支撐部22S的剛性提高,支撐部22S與剖面極小部22B的剛性之差增大,從而可 動(dòng)部的振動(dòng)的關(guān)節(jié)可靠且正確地產(chǎn)生于剖面極小部22B處,所以存在著能夠減小諧振頻率 的變動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。例如,能夠補(bǔ)償因如上所述設(shè)置了邊界圖案形狀而引起的諧振頻率的變動(dòng)。 并且,由于支撐部22S的剛性提高,使得可動(dòng)部22M的振動(dòng)的穩(wěn)定性提高,從而能夠抑制原 本的振動(dòng)模式以外的其他振動(dòng)模式的產(chǎn)生。 還有,本發(fā)明的MEMS器件的制造方法,并非僅限定于上述的圖示例子,在不脫離 本發(fā)明的主旨的范圍內(nèi)當(dāng)然能夠加以各種改變。例如,雖然在上述實(shí)施方式中,作為MEMS 器件以具有懸臂梁狀的工作部結(jié)構(gòu)的MEMS器件為例進(jìn)行了說明,但是作為本發(fā)明的MEMS 器件,既可以具有支撐部分別連接于可動(dòng)部的兩側(cè)而成的雙臂梁狀的工作部結(jié)構(gòu),也可以 進(jìn)一步具有3個(gè)或3個(gè)以上的支撐部分別連接于可動(dòng)部的周圍而成的工作部結(jié)構(gòu)。在這些 情況下,只要分別在可動(dòng)部上設(shè)置由邊界圖案形狀形成的上述剖面極小部即可。
并且,雖然在上述實(shí)施方式中對(duì)MEMS振動(dòng)器進(jìn)行例示并進(jìn)行了說明,但是,只要 具有被支撐部支撐為可以動(dòng)作的可動(dòng)部,本發(fā)明也能夠廣泛應(yīng)用于例如MEMS致動(dòng)器、MEMS 開關(guān)、MEMS傳感器(加速度傳感器、壓力傳感器等)這樣的各種MEMS器件。在這各種MEMS器件中,也因?yàn)橥ㄟ^在可動(dòng)部上設(shè)置剖面極小部而使得可動(dòng)部的工作特性難以受到可動(dòng)部 的結(jié)構(gòu)尺寸以外的影響,從而能夠減小由上述圖案偏離造成的影響,所以可以減輕可動(dòng)部
的工作特性例如可動(dòng)部的加速度、移動(dòng)方向、移動(dòng)阻力等的偏差,可以提高M(jìn)EMS器件的工 作精度。
權(quán)利要求
一種微電子機(jī)械系統(tǒng)器件,其特征在于,具備基板和形成于該基板上的微電子機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體;其中,該微電子機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體具有工作部結(jié)構(gòu),該工作部結(jié)構(gòu)具備支撐部和可動(dòng)部,所述支撐部形成于前述基板上,所述可動(dòng)部從該支撐部延伸設(shè)置并構(gòu)成為在前述基板上可以動(dòng)作;該工作部結(jié)構(gòu)在前述可動(dòng)部上具有剖面極小部,該剖面極小部其與從前述工作部結(jié)構(gòu)的前述支撐部朝向前述可動(dòng)部的方向正交的剖面的面積比前述可動(dòng)部的剖面面積小,且該剖面極小部由在前述工作部結(jié)構(gòu)的平面圖案中設(shè)置的邊界圖案形狀形成。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微電子機(jī)械系統(tǒng)器件,其特征在于 前述邊界圖案形狀由形成于前述工作部結(jié)構(gòu)的側(cè)邊緣的切口構(gòu)成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的微電子機(jī)械系統(tǒng)器件,其特征在于 前述切口分別形成于前述工作部結(jié)構(gòu)的兩側(cè)邊緣。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1 3中的任意一項(xiàng)所述的微電子機(jī)械系統(tǒng)器件,其特征在于 前述工作部結(jié)構(gòu)構(gòu)成為前述可動(dòng)部由前述支撐部懸臂支撐而成的懸臂梁狀。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1 4中的任意一項(xiàng)所述的微電子機(jī)械系統(tǒng)器件,其特征在于 前述支撐部構(gòu)成為比前述可動(dòng)部寬度寬。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1 5中的任意一項(xiàng)所述的微電子機(jī)械系統(tǒng)器件,其特征在于 前述工作部結(jié)構(gòu)具有固定于前述基板上的固定電極和在該固定電極上隔著間隙相對(duì)的至少包括前述可動(dòng)部的可動(dòng)電極,利用前述固定電極與前述可動(dòng)電極之間的靜電力,前 述可動(dòng)部以使前述間隙增減的方式進(jìn)行動(dòng)作。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1 6中的任意一項(xiàng)所述的微電子機(jī)械系統(tǒng)器件,其特征在于 前述微電子機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體是微電子機(jī)械系統(tǒng)振動(dòng)器,其構(gòu)成前述可動(dòng)部進(jìn)行振動(dòng)的振動(dòng)器。
8. —種微電子機(jī)械系統(tǒng)器件的制造方法,該微電子機(jī)械系統(tǒng)器件具有基板和形成于前 述基板上的微電子機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體,前述微電子機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體具有工作部結(jié)構(gòu),該工作 部結(jié)構(gòu)具備支撐部和可動(dòng)部,所述支撐部形成于前述基板上,所述可動(dòng)部從該支撐部延伸設(shè)置并構(gòu)成為在前述基板上可以動(dòng)作,其特征在于,該方法在形成前述微電子機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體的工序中,依次執(zhí)行在前述基板上形成犧牲層的階 段、形成在該犧牲層上配置前述可動(dòng)部而成的前述工作部結(jié)構(gòu)的階段和除去前述犧牲層的 階段;其中,在形成前述工作部結(jié)構(gòu)的階段中,通過在構(gòu)成該工作部結(jié)構(gòu)的平面圖案中設(shè)置 邊界圖案形狀而在前述可動(dòng)部上形成剖面極小部,該剖面極小部其與從前述工作部結(jié)構(gòu)的 前述支撐部朝向前述可動(dòng)部的方向正交的剖面的面積比前述可動(dòng)部的剖面面積小。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的微電子機(jī)械系統(tǒng)器件的制造方法,其特征在于前述可動(dòng)部的平面形狀與前述邊界圖案形狀利用同一圖案形成處理形成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種MEMS器件及其制造方法,使MEMS器件的工作精度提高。本發(fā)明的MEMS器件具備基板(10)和形成于該基板(10)上的MEMS結(jié)構(gòu)體(20);其中,該MEMS結(jié)構(gòu)體(20)具有工作部結(jié)構(gòu)(22),該工作部結(jié)構(gòu)(22)具備形成于基板(10)上的支撐部(22S)和從該支撐部延伸設(shè)置并構(gòu)成為在基板(10)上可以動(dòng)作的可動(dòng)部(22M);該工作部結(jié)構(gòu)(22)在可動(dòng)部(22M)上具有剖面極小部(22B),該剖面極小部其與從工作部結(jié)構(gòu)(22)的前述支撐部朝向前述可動(dòng)部的方向正交的剖面的面積比前述可動(dòng)部的剖面面積小,且該剖面極小部由在平面圖案(20U)中設(shè)置的邊界圖案形狀(22v)形成。
文檔編號(hào)B81C1/00GK101780941SQ201010003178
公開日2010年7月21日 申請(qǐng)日期2010年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月14日
發(fā)明者木原龍兒 申請(qǐng)人:精工愛普生株式會(huì)社