(57)【要約】【課題】デバイス特性のばらつきが小さいＭＥＭＳデバイスを得る。【解決手段】ＭＥＭＳデバイス３０は、静電容量型のＭＥＭＳデバイスであって、外部から与えられた物理量に応じて可動する可動部３１と、可動部３１を支持するバネ部３２とを備え、バネ部３２の表面の強度を構造体形成後に高めることでバネ部３２の特性が補正されている。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
静電容量型のＭＥＭＳデバイスであって、
外部から与えられた物理量に応じて可動する可動部と、
前記可動部を支持するバネ部とを備え、
前記バネ部の表面の強度を構造体形成後に高めることで前記バネ部の特性が補正されていることを特徴とするＭＥＭＳデバイス。
【請求項２】
前記バネ部の表面に微粒子を照射することで前記バネ部の特性が補正されていることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項３】
前記バネ部の表面に薄膜を形成することで前記バネ部の特性が補正されていることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項４】
前記ＭＥＳＭデバイスは、トーション構造であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項５】
前記ＭＥＳＭデバイスは、両持ち梁構造であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項６】
前記ＭＥＳＭデバイスは、片持ち梁構造であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項７】
前記ＭＥＳＭデバイスは、櫛歯構造であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のＭＥＭＳデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＥＭＳデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ウェハを用いて製造されるデバイスとして、加速度センサや圧力センサなどのＭＥＭＳデバイスが知られている（特許文献１参照）。ＭＥＭＳデバイスでは、製造プロセスの寸法ばらつき（ウェハ面内、ロット間）が必ず生じてしまう。特に、ＭＥＭＳのような数ミクロンから数百ミクロンの微小な構造体では、そのばらつきはデバイス特性（感度、衝撃耐性）に大きな影響を与えることになる。
【０００３】
従来、このような特性のばらつきは、ある程度設計でコントロールされている。各工程の規格値を設け、その範囲内にできるだけ入るようにシビアなプロセスコントロールを実施しているのが現状である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２４９８０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、昨今、コスト競争が激化するのを背景にウェハの大口径化が進み、薄膜積層形成されるサーフェイスＭＥＭＳも、バルクを掘り込んで形成されるバルクＭＥＭＳも、プロセスのばらつきをコントロールするのが難しくなってきている。その結果、不良率が増加し、大口径化によるコストメリットが小さくなっている。
【０００６】
そこで、本発明は、デバイス特性のばらつきが小さいＭＥＭＳデバイスを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、静電容量型のＭＥＭＳデバイスであって、外部から与えられた物理量に応じて可動する可動部と、前記可動部を支持するバネ部とを備え、前記バネ部の表面の強度を構造体形成後に高めることで前記バネ部の特性が補正されていることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明において、前記バネ部の表面に微粒子を照射することで前記バネ部の特性が補正されていてもよい。
【０００９】
また、本発明において、前記バネ部の表面に薄膜を形成することで前記バネ部の特性が補正されていてもよい。
【００１０】
また、本発明において、前記ＭＥＳＭデバイスは、トーション構造であってもよい。
【００１１】
また、本発明において、前記ＭＥＳＭデバイスは、両持ち梁構造であってもよい。
【００１２】
また、本発明において、前記ＭＥＳＭデバイスは、片持ち梁構造であってもよい。
【００１３】
また、本発明において、前記ＭＥＳＭデバイスは、櫛歯構造であってもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、バネ部の表面の強度を構造体形成後に高めることでバネ部の特性が補正されるため、デバイス特性のばらつきが小さいＭＥＭＳデバイスを得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、第１実施形態における加速度センサの分解斜視図である。
【図２】図２は、第１実施形態における加速度センサのセンサチップの下面図である。
【図３】図３は、第１実施形態における加速度センサの断面図である。
【図４】図４は、第１実施形態におけるＭＥＭＳデバイスの模式図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。
【図５】図５は、第１実施形態におけるバネ部の説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。
【図６】図６は、第２実施形態におけるバネ部の説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。
【図７】図７は、両持ち梁構造のＭＥＭＳデバイスの模式図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。
【図８】図８は、片持ち梁構造のＭＥＭＳデバイスの模式図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。
【図９】図９は、櫛歯構造のＭＥＭＳデバイスの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の複数の実施形態には、同様の構成要素が含まれている。よって、以下では、それら同様の構成要素には共通の符号を付与するとともに、重複する説明を省略する。
【００１７】
（第１実施形態）
まず、ＭＥＭＳデバイスの一例として加速度センサの構成を説明する。
【００１８】
〔加速度センサの構成〕
第１実施形態における加速度センサは、図１に示すように、シリコンＳＯＩ基板により形成されたセンサチップ１の上下面が上部固定板２ａと下部固定板２ｂにより挟持された構成となっている。センサチップ１は、２つの矩形枠３ａ，３ｂを有するフレーム部３と、矩形枠３ａ，３ｂの側壁部に対し隙間をあけた状態で矩形枠３ａ，３ｂ内に配置された矩形形状の２つの可動電極４，５とを備えている。また、センサチップ１は、可動電極４の表面の対向する２辺の略中央部と矩形枠３ａの側壁部とを連結することにより可動電極４をフレーム部３に対し揺動自在に支持する一対のビーム部６ａ，６ｂと、可動電極５の表面の対向する２辺の略中央と矩形枠３ｂの側壁部とを連結することにより可動電極５をフレーム部３に対し揺動自在に支持する一対のビーム部７ａ，７ｂとを備えている。さらに、センサチップ１は、フレーム部３，可動電極４，及び他の検出電極に対し離間配置された検出電極８ａ，８ｂと、フレーム部３、可動電極５、及び他の検出電極に対し離間配置された検出電極９ａ，９ｂと、検出電極８ｂと検出電極９ａ間のフレーム部３表面に形成された接地電極１０とを備えている。検出電極８ａ，８ｂ及び検出電極９ａ，９ｂは、それぞれ、後述する固定電極２０ａ，２０ｂ及び固定電極２１ａ，２１ｂと電気的に接続されている。本実施形態では、図２に示すように、検出電極８ａと検出電極８ｂ間、検出電極９ａと検出電極９ｂ間、検出電極８ａ，８ｂとフレーム部３間、検出電極９ａ，９ｂとフレーム部３間、検出電極８ａ，８ｂと可動電極４間、及び検出電極９ａ，９ｂと可動電極５間には隙間が形成されている。このような構成によれば、各検出電極が電気的に絶縁されるようになるので、各検出電極の寄生容量や検出電極間のクロストークを低減し、高精度な容量検出を行うことが可能になる。なお、これらの隙間や矩形枠３ａ，３ｂ内の空間には空気等の気体が封入され、大気圧に近い状態で密封されている。
【００１９】
可動電極４の裏面のビーム部６ａ，６ｂを結ぶ直線を境界線とした一方側には、図２に示すように、補強部材１６により区画された第１の凹部としての凹部１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄが形成されている。また、可動電極４の裏面のビーム部６ａ，６ｂを結ぶ直線を境界線とした他方側には、第２の凹部としての凹部１２が形成されている。同様に、可動電極５の裏面のビーム部７ａ，７ｂを結ぶ直線を境界線とした一方側には、図２に示すように、補強部材１６により区画された第１の凹部としての凹部１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄが形成されている。また、可動電極５の裏面のビーム部７ａ，７ｂを結ぶ直線を境界線とした他方側には、第２の凹部としての凹部１４が形成されている。
【００２０】
本実施形態では、第１の凹部と第２の凹部を別体として形成したが、例えば第１の凹部を前記境界線を超えて他方側に拡大することにより第１の凹部と第２の凹部を一体として形成してもよい。また、第１の凹部の形状は、図２に示す三角形状に限定されることはなく、第２の凹部と同様の矩形形状としてもよい。さらに、第２の凹部を形成する位置は、図３に示すように、可動電極の重心位置Ｏとビーム部がなす角度θが４５度になることによりｘ方向とｚ方向の検出感度が等価になる位置であれば特に限定されることはない。境界線からより遠い側に第２の凹部を形成すれば、回転モーメントがより大きくなるので、加速度センサの検出感度を高めることができる。
【００２１】
可動電極４，５の上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂと対向する面には、図３に示すように（図３では可動電極４についてのみ図示）、シリコン又はシリコン酸化膜により形成された複数の突起部１５ａ〜１５ｇが形成されている。このような突起部１５ａ〜１５ｇを形成することにより、可動電極４，５に測定レンジを超える大きな加速度が印加された場合であっても、可動電極４，５は対向する上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂに直接衝突しないので、センサチップ１を破損を抑制できる。本実施形態では、可動電極４，５の上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂと対向する面に突起部を形成したが、上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂの可動電極４，５と対向する面に同様の突起部を形成するようにしてもよい。
【００２２】
上部固定板２ａはガラス基板により形成され、その可動電極４と対向する表面側には、ビーム部６ａとビーム部６ｂを結ぶ直線を境界線として固定電極２０ａ，２０ｂが設けられている。同様に、上部固定板２ａの可動電極５と対向する表面側には、ビーム部７ａとビーム部７ｂを結ぶ直線を境界線として固定電極２１ａ，２１ｂが設けられている。上部固定板２ａの検出電極８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂ及び接地電極１０に対向する位置にはスルーホール２２ａ〜２２ｅが形成され、このスルーホール２２ａ〜２２ｅを介して固定電極２０ａ，２０ｂ及び固定電極２１ａ，２１ｂにそれぞれ接続された検出電極８ａ，８ｂ及び検出電極９ａ，９ｂと接地電極１０の出力が取り出されるようになっている。下部固定板２ｂはガラス基板により形成され、その可動電極４，５の裏面と対向する面側には、可動電極４，５の裏面に対し間隔をあけてアルミニウム系合金等の固定電極２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂと同材料により形成された付着防止膜２３ａ，２３ｂが配置されている。このような付着防止膜２３ａ，２３ｂを設けることにより、可動電極４，５が動作時に下部固定板２ｂに付着することを防止できると共に、過大衝撃時でも可動電極４，５と下部固定板２ｂが直接接触しないため衝撃を緩和できる。
【００２３】
〔特性補正手法〕
本実施形態では、ＭＥＭＳデバイス３０のプロセスによって生じた構造体の形状ばらつきに起因するデバイス特性のばらつき（感度、衝撃耐性）を、その後の工程で個別に補正するようにしている。すなわち、サーフェイスＭＥＭＳにおいてもバルクＭＥＭＳにおいても、成膜やエッチングによる形状ばらつきは、スケールが異なるだけで面内やウェハ間、ロット間において必ず発生する。これによるデバイス特性のばらつきを補正するためには、バネ部を再加工する必要がある。本実施形態では、バネ部に残留応力を発生させることで、デバイス特性のばらつきを補正するようにしている。
【００２４】
図４は、第１実施形態における静電容量型のＭＥＭＳデバイス３０の模式図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。このＭＥＭＳデバイス３０はトーション構造であり、可動部３１とバネ部３２とアンカー部３３とを備えている。可動部３１は、外部から与えられた物理量に応じて可動する。バネ部３２は、可動部３１を支持する。アンカー部３３は、バネ部３２を支持する。前記した加速度センサは、このＭＥＭＳデバイス３０の一例であり、可動電極４が可動部３１、ビーム部６ａ，６ｂがバネ部３２、フレーム部３がアンカー部３３にそれぞれ対応している。
【００２５】
ここで、所望のデバイス特性（感度、衝撃耐性）に達しない構造体（ＭＥＭＳデバイス３０）が形成された場合は、その構造体に対して表面改質を行い、圧縮残留応力を発生させる。その具体的な方法としては、すでに形成された構造体に対して直接微粒子を照射することで表面改質し、ピーニング効果による圧縮残留応力を発生させる方法がある。例えば、バネ部３２の表面に口径１ｍｍ程度のノズルから１００Ｎ程度で微粒子を照射する。微粒子としては、ドライプロセスではアルゴンなどの不活性粒子、ウェットプロセスではアルミナなどの金属微粒子を採用している。微粒子をバネ部３２の表面全体に均一に照射すれば、バネ部３２の表面全体を均一の強度にすることができる。
【００２６】
このように微粒子を照射した後のバネ部３２の様子を図５に示す。図５（ａ）は平面図、図５（ｂ）は側面図である。この図に示すように、微粒子を照射すると、バネ部３２の表面に数十オングストローム程度の凹凸３１ａが形成される。これにより、圧縮残留応力が発生し、バネ部３２の表面の強度が高くなる。微粒子の濃度や、微粒子を照射する時間、速度を調整することで、所望のデバイス特性を得ることが可能である。
【００２７】
以上のように、本実施形態によれば、バネ部３２の表面の強度を構造体形成後に高めることでバネ部３２の特性が補正される。具体的には、バネ部３２の表面に微粒子を照射することで、バネ部３２に圧縮残留応力を発生させるようにしている。これにより、デバイス特性のばらつきが小さいＭＥＭＳデバイス３０を得ることが可能となる。
【００２８】
（第２実施形態）
以下、第２実施形態を前記第１実施形態と異なる点のみ説明する。本実施形態でも、ＭＥＭＳデバイス３０のプロセスによって生じた構造体の形状ばらつきに起因するデバイス特性のばらつきを、その後の工程で個別に補正するようにしている。前記第１実施形態と異なる点は、以下に説明するように、バネ部３２の表面に薄膜を形成することでバネ部３２の特性が補正される点である。
【００２９】
図６は、第２実施形態におけるバネ部３２の説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。この図に示すように、バネ部３２の表面には数百オングストローム程度の薄膜３１ｂが形成されている。すなわち、高エネルギースパッタリングやＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）による堆積や焼き入れ（アニール）処理を行う。薄膜３１ｂの材料は、例えばＳｉＮやＴｉＮなど、プロセス親和性の高い圧縮材料である一般半導体材料が理想的である。スパッタのエネルギーを大きくすると、ピーニング効果により、圧縮残留応力をもった膜が積層されやすい。ＣＶＤでは、材料とプロセス条件で堆積する膜（例えばＰＣＶＤ−ＳｉＮ）の応力が決まる。また、材料によっては焼き入れ（アニール）処理を追加することで残留応力を与えることもできる。これをバネ部３２の表面に必要な厚み分だけ積層し、強度を補正する。薄膜３１ｂをバネ部３２の表面全体に均一に形成すれば、バネ部３２の表面全体を均一の強度にすることができる。
【００３０】
以上のように、本実施形態によれば、バネ部３２の表面の強度を構造体形成後に高めることでバネ部３２の特性が補正される。具体的には、バネ部３２の表面に薄膜を形成するすることで、バネ部３２に圧縮残留応力を発生させるようにしている。これにより、デバイス特性のばらつきが小さいＭＥＭＳデバイス３０を得ることが可能となる。
【００３１】
なお、図４では、トーション構造のＭＥＭＳデバイス３０を例示したが、その他の構造のＭＥＭＳデバイス３０に対しても同様に本発明を適用することができる。例えば、ＭＥＭＳデバイス３０は、図７に示すように、両持ち梁状の可動部３１が形成された両持ち梁構造であってもよい。また、図８に示すように、カンチレバー（バネ部）３２の周囲にコの字状の切除部を設けた片持ち梁構造であってもよい。さらに、図９に示すように、櫛歯状の可動部３１が形成された櫛歯構造であってもよい。これら構造のＭＥＭＳデバイス３０に対しても、同様の手法でバネ部３２の特性を補正することができる。
【００３２】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態には限定されず、種々の変形が可能である。例えば、前記実施形態では、ＭＥＭＳデバイス３０の一例として加速度センサを例示したが、圧力センサなどのその他のＭＥＭＳデバイス３０にも本発明を適用することができる。また、可動部３１、バネ部３２、アンカー部３３のスペック（形状、大きさ、レイアウトなど）も適宜変更することが可能である。
【符号の説明】
【００３３】
３０  ＭＥＭＳデバイス
３１  可動部
３２  バネ部
３１ｂ  薄膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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