JP2007229825A - Microelectromechanical structure, manufacturing method thereof, and microelectromechanical element - Google Patents
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Abstract
【課題】 経済性、高速応答性を実現できる微小電気機械構造を提供すること。
【解決手段】 微小電気機械構造１は、その一部または全部が外郭３によって中空内部２が形成された形状の筒状構造により構成される、いわば「擬似厚膜構造」である。筒状構造の外郭３は半導体電子回路製造の可能な製造装置を用いてなされる薄膜製造過程により効果的に形成することができ、軸方向が単一方向上にある方形の微小電気機械構造１が得られる。これとベース９、おもり８によりＭＥＭＳ加速度センサを構成できる。
【選択図】 図１
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a micro electro mechanical structure capable of realizing economical efficiency and high speed response.
SOLUTION: A micro electro mechanical structure 1 is a so-called “pseudo thick film structure” in which a part or all of the structure is constituted by a cylindrical structure in which a hollow interior 2 is formed by an outer shell 3. The outer shell 3 having a cylindrical structure can be effectively formed by a thin film manufacturing process using a manufacturing apparatus capable of manufacturing a semiconductor electronic circuit. A rectangular micro electromechanical structure 1 having an axial direction on a single direction is formed. can get. This, base 9 and weight 8 can constitute a MEMS acceleration sensor.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は微小電気機械構造、その製造方法および微小電気機械素子に係り、特に、半導体電子回路製造装置をそのまま援用でき、微小電気機械素子の経済性、高速応答性、高機能化および高信頼化を実現可能な、微小電気機械構造、その製造方法および微小電気機械素子に関する。 The present invention relates to a microelectromechanical structure, a manufacturing method thereof, and a microelectromechanical element, and in particular, a semiconductor electronic circuit manufacturing apparatus can be used as it is, and the economic efficiency, high-speed response, high functionality, and high reliability of the microelectromechanical element can be used. The present invention relates to a microelectromechanical structure, a method of manufacturing the same, and a microelectromechanical element.
微小電気機械素子（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ：ＭＥＭＳ）は、シリコン半導体デバイス製造技術、構造を援用して、微小な電気機械構造を形成したものである。中でも加速度センサは、バネに支持された重り構造に加速度が作用することによって発生する慣性力と、この慣性力によりバネが変位して発生するバネ力とがバランスする原理を用いており、変位の時間２次微分関数である加速度を、バネ変位の原関数で計測するものである（後掲非特許文献１）。本原理によれば計測回路の簡略化が可能であり、ほとんどの加速度センサは本原理を用いている。たとえば、後掲特許文献１では、バネにＳｉメンブレンダイアフラムを用いる構造が提案されている。 Micro Electro-Mechanical Systems (MEMS) is a micro electro mechanical structure formed by utilizing silicon semiconductor device manufacturing technology and structure. Above all, the acceleration sensor uses the principle that the inertial force generated by the acceleration acting on the weight structure supported by the spring and the spring force generated by the displacement of the spring by this inertial force balance. Acceleration, which is a time second-order differential function, is measured with an original function of spring displacement (non-patent document 1 described later). According to this principle, the measurement circuit can be simplified, and most acceleration sensors use this principle. For example, in Patent Document 1 described later, a structure using a Si membrane diaphragm as a spring is proposed.
図７は、従来の加速度センサの原理構造を示す説明図である。また、図７−２は、図７の加速度センサを構成するはり構造のバネ、すなわちはりバネの断面図である。図中、７１は中実構造で形成されたはりバネ、７８は重り、７９はベースである。加速度（ａ）が重り７８に作用すると、重り（質量：ｍ）には加速度の反対方向に慣性力による力（Ｆａ）が作用する。はりバネ７１の加速度と反対方向のバネ定数（ｋ）と、その方向の変位（ｘ）によりバネ力による反力（Ｆｋ）が作用してＦａとバランスする。つまり、Ｆａ＝ｍａ＝ｋｘ＝Ｆｋ となることから、ａ＝（ｋ／ｍ）ｘ となり、はりバネ７１の変位を計測することで加速度が測定できる。加速度は一般に変位の時間２次微分の形式であり（ａ＝ｄ２ｘ／ｄｔ２）、これを直接計測するには変位の時間変化を記録して計算することが必要となり、煩雑な処理回路が必要となるが、バネ構造を用いることによって、簡便に加速度の測定ができることから、多くの構造の加速度センサに本原理が採用されているものである。 FIG. 7 is an explanatory view showing the principle structure of a conventional acceleration sensor. FIG. 7-2 is a cross-sectional view of a spring having a beam structure constituting the acceleration sensor of FIG. 7, that is, a beam spring. In the figure, 71 is a beam spring formed of a solid structure, 78 is a weight, and 79 is a base. When acceleration (a) acts on the weight 78, a force (F a ) due to inertial force acts on the weight (mass: m) in the direction opposite to the acceleration. An acceleration in the opposite direction of the spring constant of the beam spring 71 (k), by the direction of displacement (x) reaction force due to the spring force (F k) is balanced with F a acting. That is, since F a = ma = kx = F k , a = (k / m) x and the acceleration can be measured by measuring the displacement of the beam spring 71. The acceleration is generally in the form of a time second derivative of the displacement (a = d 2 x / dt 2 ), and in order to directly measure this, it is necessary to record and calculate the time variation of the displacement, which is a complicated processing circuit. However, since the acceleration can be easily measured by using the spring structure, this principle is adopted in the acceleration sensors having many structures.
さて、図７に示すような従来のバネ構造は通常、厚みが１０〜１００μｍとなっている。バネ構造は繰り返し荷重により負荷が印加され、材料の疲労現象によりセンサの信頼性が低下したり、破壊されたりする。疲労現象は材料組成そのものよりも、多結晶で構成される材料の結晶粒界に負荷が集中することでおきる。ＭＥＭＳ構造体で用いられる１０〜１００μｍの膜厚においては、めっきによる厚膜が工業的に広く用いられているが、膜密度が低く、多結晶の粒界に外部負荷が集中して疲労強度が低下する欠点があるため、ＭＥＭＳの構造膜としての応用には限界がある。このため、バネなどのマイクロ機械構造材料としては、結晶性に優れる単結晶Ｓｉが広く用いられている。単結晶Ｓｉは、半導体デバイス産業分野において材料技術、加工技術が完成度高く構築されており、これら周辺技術を援用できることも、広く用いられている一因となっている。 Now, the conventional spring structure as shown in FIG. 7 usually has a thickness of 10 to 100 μm. In the spring structure, a load is applied by a repeated load, and the reliability of the sensor is lowered or broken due to a fatigue phenomenon of the material. The fatigue phenomenon occurs because the load concentrates on the crystal grain boundary of the material composed of the polycrystal rather than the material composition itself. For film thicknesses of 10 to 100 μm used in MEMS structures, thick films by plating are widely used industrially. However, the film density is low, and external loads are concentrated on polycrystalline grain boundaries, resulting in fatigue strength. There is a limit to the application of MEMS as a structural film due to the drawback of decreasing. For this reason, single crystal Si excellent in crystallinity is widely used as a micromechanical structural material such as a spring. Single crystal Si has material technology and processing technology constructed with high degree of perfection in the semiconductor device industry field, and the fact that these peripheral technologies can be used is also one of the widely used factors.
しかし、本来、Ｓｉ半導体加工技術はデバイスの平坦化構造技術に併せて構築されてきたものであり、その加工深さ（膜厚）は装置性能、加工技術ともに１μｍの程度である。このため１０〜１００μｍを構成単位（膜厚）とするＭＥＭＳ構造化への応用には種々の制限がある。たとえば、上記特許文献１（特開平５−６３２１２）においては、加速度検知の特性に影響する基本性能である膜厚の制御が問題であることが明示されており、複雑なプロセスを用いることによって、これを回避している。 However, Si semiconductor processing technology has been originally constructed in conjunction with device planarization structure technology, and the processing depth (film thickness) is about 1 μm for both device performance and processing technology. For this reason, there are various limitations on the application to MEMS structuring having a structural unit (film thickness) of 10 to 100 μm. For example, in the above-mentioned Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 5-63212), it is clearly indicated that the control of the film thickness, which is a basic performance that affects the characteristics of acceleration detection, is a problem. By using a complicated process, This is avoided.
さらに、このようなＳｉ基板を加工して得られるＭＥＭＳ構造体は、構造そのものを形成するには、加工技術、材料特性の観点からは優れているものの、本来のＳｉ基板上に形成すべき計測、制御などの半導体電子回路との共存は難しい。このため、全く別の工程、基板で作製したＭＥＭＳ構造体と半導体電子回路を、電気機械的に貼り合わせてシステム化する手法が一般的に用いられている。しかしこの方法では、表面実装方式（ＳＭＤ）、あるいはチップボンディング構造のデバイスとならざるを得ず、小型化には不利である。 Furthermore, the MEMS structure obtained by processing such a Si substrate is excellent in terms of processing technology and material characteristics in order to form the structure itself, but it should be formed on the original Si substrate. Coexistence with semiconductor electronic circuits such as control is difficult. For this reason, a completely different process, that is, a technique of electromechanically bonding a MEMS structure manufactured with a substrate and a semiconductor electronic circuit to form a system is generally used. However, this method has to be a surface mounting method (SMD) or a device having a chip bonding structure, which is disadvantageous for miniaturization.
一方、近年は、ＲＦ−ＩＤを用いたユビキタス環境でのセンシングが望まれており、小型であり、かつ、ＭＥＭＳセンサ構造体、計測・制御電子回路、外部入出力回路などが同一チップに配置されるシステム・オン・チップ（Ｓｙｓｔｅｍ ｏｎ Ｃｈｉｐ：ＳｏＣ）構造化の要請が高い。 On the other hand, in recent years, sensing in a ubiquitous environment using RF-ID is desired, and the sensor is small in size, and a MEMS sensor structure, measurement / control electronic circuit, external input / output circuit, and the like are arranged on the same chip. There is a high demand for structuring a system on chip (SoC).
本発明が解決しようとする課題は、上記従来技術の問題点および状況に鑑み、半導体電子回路製造装置を援用でき、構造化材料の選択性の拡大、構造化プロセスの簡略化および低温化、半導体電子回路とのＳｏＣ化を可能とし、それにより微小電気機械素子の経済性、高速応答性、高機能化、高信頼化を実現することのできる、微小電気機械構造とその製造方法、および微小電気機械素子を提供することである。 The problem to be solved by the present invention is that, in view of the problems and circumstances of the above prior art, a semiconductor electronic circuit manufacturing apparatus can be used, the selectivity of the structured material is expanded, the structuring process is simplified and the temperature is lowered, the semiconductor MICROELECTROMACHINE STRUCTURE, ITS MANUFACTURING METHOD, AND MICROELECTRIC CHARACTERISTICS WHICH CAN BE SOC WITH ELECTRONIC CIRCUITS, WHICH CAN IMPLEMENT ECONOMICS, HIGH SPEED RESPONSE, HIGH FUNCTIONALITY, AND HIGH RELIABILITY It is to provide a mechanical element.
本願発明者は上記課題について検討した結果、内部を中空とする筒状構造にて微小電気機械構造を形成することに基づいて上記課題の解決が可能であることを見出し、本発明に至った。すなわち、上記課題を解決するための手段として本願で特許請求される発明、もしくは少なくとも開示される発明は、以下の通りである。 As a result of studying the above problems, the inventor of the present application has found that the above problems can be solved based on forming a micro-electromechanical structure with a cylindrical structure having a hollow inside, and has reached the present invention. That is, the invention claimed in the present application, or at least the disclosed invention, as means for solving the above-described problems is as follows.
（１） 微小電気機械素子を構成するための微小電気機械構造であって、該構造はその一部または全部が、内部が中空である筒状構造により形成されていることを特徴とする、微小電気機械構造。
（２） 半導体電子回路製造の可能な製造装置を用いて製造される薄膜からなる筒状構造により、擬似厚膜構造が形成されていることを特徴とする、（１）に記載の微小電気機械構造。
（３） 軸方向が単一方向上にある一または複数の前記筒状構造を備えてなることを特徴とする、（１）または（２）に記載の微小電気機械構造。
（４） 軸方向が異なる二以上の前記筒状構造が二次元的に配置されてハニカム状に形成されていることを特徴とする、（１）または（２）記載の微小電気機械構造。
（５） （３）に記載の微小電気機械構造からなる、はりバネ。
（６） （４）に記載の微小電気機械構造からなる、メンブレンダイアフラム構造のバネ。
(1) A microelectromechanical structure for constituting a microelectromechanical element, wherein the structure is partly or entirely formed by a cylindrical structure having a hollow interior, Electromechanical structure.
(2) The micro electric machine according to (1), wherein a pseudo thick film structure is formed by a cylindrical structure made of a thin film manufactured using a manufacturing apparatus capable of manufacturing a semiconductor electronic circuit. Construction.
(3) The microelectromechanical structure according to (1) or (2), comprising one or a plurality of the cylindrical structures whose axial directions are on a single direction.
(4) The microelectromechanical structure according to (1) or (2), wherein two or more cylindrical structures having different axial directions are two-dimensionally arranged and formed in a honeycomb shape.
(5) A beam spring comprising the microelectromechanical structure according to (3).
(6) A spring having a membrane diaphragm structure, comprising the microelectromechanical structure according to (4).
（７） （１）ないし（４）のいずれかに記載の微小電気機械構造を用いてなる、微小電気機械素子。
（８） （５）に記載のはりバネまたは（６）に記載のメンブレンダイアフラム構造のバネをベース上に固設し、該はりバネまたはバネにおもりを取り付けてなることを特徴とする、ＭＥＭＳ加速度センサ。
（９） 中空部分に相当する構造体を犠牲層として形成し、これを被覆するように該犠牲層よりも膜厚の小さい薄膜を形成し、最後に該犠牲層を除去して、該薄膜からなる外郭により内部に中空構造が形成された筒状構造を得ることを特徴とする、微小電気機械構造の製造方法。
（１０） 前記犠牲層として高分子材料を用い、電子サイクロトロン共鳴プラズマ成膜技術を用いることにより、内部が中空である筒状構造を形成することを特徴とする、（９）に記載の微小電気機械構造の製造方法。
(7) A microelectromechanical element using the microelectromechanical structure according to any one of (1) to (4).
(8) A MEMS acceleration comprising the beam spring according to (5) or the membrane diaphragm structure spring according to (6) fixed on a base, and a weight attached to the beam spring or the spring. Sensor.
(9) A structure corresponding to the hollow portion is formed as a sacrificial layer, a thin film having a thickness smaller than that of the sacrificial layer is formed so as to cover the structure, and finally, the sacrificial layer is removed, A method of manufacturing a microelectromechanical structure, wherein a cylindrical structure having a hollow structure formed therein is obtained by an outer shell.
(10) The microelectric device according to (9), wherein a polymer structure is used as the sacrificial layer and a cylindrical structure having a hollow interior is formed by using an electron cyclotron resonance plasma deposition technique. A method of manufacturing a mechanical structure.
つまり本発明の微小電気機械構造は、１０〜１００μｍを基本単位（膜厚）とする構造体を、サブμｍの薄膜からなる外郭構造により内部に中空構造が形成された筒状構造でもって形成することを基本とするものである。 That is, in the micro electro mechanical structure of the present invention, a structure having a basic unit (film thickness) of 10 to 100 μm is formed with a cylindrical structure in which a hollow structure is formed by an outer structure made of a sub-μm thin film. It is based on that.
本発明における微小電気機械構造に係る筒状構造としては、断面形状が四角形の角筒状の筒状構造を、製造面からも、好適に用いることができる。しかし本発明は特に角筒状の筒状構造に限定されるものではなく、たとえばその他の多角形、円形その他の断面形状を有する筒状構造も、本発明から排除されず、本発明の範囲内である。 As the cylindrical structure relating to the microelectromechanical structure in the present invention, a rectangular cylindrical structure having a square cross-sectional shape can be suitably used also from the manufacturing aspect. However, the present invention is not particularly limited to a rectangular tubular structure. For example, other polygonal, circular, and other tubular structures having other cross-sectional shapes are not excluded from the present invention and are within the scope of the present invention. It is.
本発明の微小電気機械構造、その製造方法、および微小電気機械素子は上述のように構成されるため、これによれば、半導体集積回路の製造を目的に高品位の薄膜を形成する装置や当該加工技術をそのまま援用でき、構造化材料の選択性の拡大、構造化プロセスの簡略化および低温化、半導体電子回路とのＳｏＣ化を可能とし、それにより微小電気機械素子の経済性、高速応答性、高機能化、高信頼化を実現することができる。 Since the microelectromechanical structure, the manufacturing method thereof, and the microelectromechanical element of the present invention are configured as described above, according to this, an apparatus for forming a high-quality thin film for the purpose of manufacturing a semiconductor integrated circuit, The processing technology can be used as it is, enabling the selection of structured materials, simplifying the structuring process and lowering the temperature, and enabling SoC with semiconductor electronic circuits, thereby making the microelectromechanical elements economical and fast responsive. High functionality and high reliability can be realized.
特にプロセスの簡略化および低温化については、薄膜形成に、１０００℃級で成膜する従来の成膜手法と同等の品質の薄膜を室温で形成できる電子サイクロトロン共鳴（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ：ＥＣＲ）プラズマを用いることによって、これらを可能とし、ひいては半導体電子回路とのＳｏＣ化を可能とすることができる。 In particular, for process simplification and temperature reduction, an electron cyclotron resonance (ECR) plasma capable of forming a thin film having a quality equivalent to that of a conventional film forming method for forming a thin film at a temperature of 1000 ° C. at room temperature is used. By using them, these can be realized, and by extension, SoC with a semiconductor electronic circuit can be realized.
また、構造化材料の選択性の拡大については、従来は単結晶Ｓｉを材料とすることに限定されていた構造体を、種々の金属膜、金属化合物膜に置き換えることが可能であるため、構造化のプロセス、必要とされる機械特性、使用される環境に合わせた材料選択などに応じた微小電気機械素子を作製することが可能になる。したがって、微小電気機械素子の経済性、高速応答性、高機能化、高信頼化を実現することができる。 In addition, regarding the expansion of the selectivity of structured materials, it is possible to replace structures that were previously limited to single crystal Si with various metal films and metal compound films. It becomes possible to fabricate micro electromechanical elements in accordance with the process, the required mechanical properties, and the selection of materials according to the environment used. Therefore, it is possible to realize economic efficiency, high-speed response, high functionality, and high reliability of the micro electromechanical element.
以下、本発明を図面により詳細に説明する。
図１は、本発明の微小電気機械構造の実施例およびそれを用いた微小電気機械素子の構成を示す斜視図である。また、
図１−２は、図１の微小電気機械素子を構成するはり構造のバネ、すなわちはりバネの断面図である。これらに例示するように本微小電気機械構造１は、加速度センサ等の微小電気機械素子を構成するための構造であって、該構造１は、その一部または全部が外郭３によって中空内部２が形成された形状の筒状構造によりなることを、主たる構成とする。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a perspective view showing an embodiment of a microelectromechanical structure of the present invention and a configuration of a microelectromechanical element using the same. Also,
FIG. 1-2 is a cross-sectional view of a spring having a beam structure that constitutes the microelectromechanical element of FIG. As illustrated in the drawings, the microelectromechanical structure 1 is a structure for forming a microelectromechanical element such as an acceleration sensor, and the structure 1 is partially or entirely formed of a hollow inner 2 by an outer shell 3. The main configuration is a cylindrical structure having a formed shape.
かかる構造は、従来の中実構造のもの（図７等参照）との比較において、「擬似厚膜構造」であるともいえる。そして該筒状構造の外郭３は、半導体電子回路製造の可能な製造装置を用いてなされる薄膜製造過程により効果的に形成することができ、軸方向が単一方向上にある方形の微小電気機械構造１とすることができる。 Such a structure can be said to be a “pseudo-thick film structure” in comparison with a conventional solid structure (see FIG. 7 and the like). The outer shell 3 of the cylindrical structure can be effectively formed by a thin film manufacturing process using a manufacturing apparatus capable of manufacturing a semiconductor electronic circuit, and is a rectangular micro electric machine whose axial direction is on a single direction. Structure 1 can be obtained.
図１に例示した本発明微小電気機械素子はＭＥＭＳ加速度センサであるが、前記微小電気機械構造１はすなわちこの場合、中空構造で形成されたはりバネとして機能し、該はりバネ１はベース９上に固設され、さらにおもり８が取り付けられて、ＭＥＭＳ加速度センサが構成される。上述したように本発明に係るはりバネ１は中実ではなく、一定膜厚の薄膜によりなる外郭３によって形成される中空構造２をもって、これが構成されている。 The microelectromechanical element of the present invention illustrated in FIG. 1 is a MEMS acceleration sensor, but the microelectromechanical structure 1 functions in this case as a beam spring formed in a hollow structure, and the beam spring 1 is on the base 9. And a weight 8 is attached to form a MEMS acceleration sensor. As described above, the beam spring 1 according to the present invention is not solid but has a hollow structure 2 formed by an outer shell 3 made of a thin film having a constant film thickness.
かかる構成により該加速度センサでは、加速度（ａ）が重り８に作用すると、重り（質量：ｍ）には加速度の反対方向に慣性力による力（Ｆａ）が作用し、はりバネ１の加速度とは反対方向に、バネ定数（ｋ）とその方向の変位（ｘ）によってバネ力による反力（Ｆｋ）が作用して、Ｆａとバランスする。つまり、Ｆａ ＝ ｍａ ＝ ｋｘ ＝ Ｆｋ となることから、ａ ＝ （ｋ／ｍ）ｘ となり、はりバネ１の変位を計測することによって加速度を測定することができる。 With this configuration, in the acceleration sensor, when acceleration (a) acts on the weight 8, a force (F a ) due to an inertial force acts on the weight (mass: m) in the opposite direction of the acceleration, and the acceleration of the beam spring 1 Is counteracted by the spring constant (k) and the displacement (x) in that direction, and the reaction force (F k ) due to the spring force acts to balance F a . In other words, since the a F a = ma = kx = F k, it is possible to measure the acceleration by measuring a = (k / m) x. Therefore, the displacement of the beam spring 1.
つまり加速度の測定原理自体は、図７等により説明した従来構造と異なるものではないが、本発明の構成により素子の性能は大いに高められる。以下、計算結果等を用いて説明する。 That is, the acceleration measurement principle itself is not different from the conventional structure described with reference to FIG. 7 and the like, but the performance of the element is greatly enhanced by the configuration of the present invention. Hereinafter, description will be made using calculation results and the like.
図２は、本発明の微小電気機械構造における中空構造肉厚と断面二次モーメントの計算結果を示すグラフである。はり構造のバネ定数は構造の断面二次モーメントの平方根（Ｉ）に比例する。図７等に示した従来の中実構造（幅ｂｓ、高さｈｓ）はりバネにおける断面二次モーメントをＩｓとし、図１等に示した本発明の中空構造（幅ｂｍ、高さｈｍ、肉厚ｔｍ）はりバネにおける断面二次モーメントをＩｍとすると、各モーメントはそれぞれ下式により求められる。
Ｉｓ ＝ ｂｓ（ｈｓ）３／１２
Ｉｍ ＝ ｛ｂｍ（ｈｍ）３−（ｂｍ−２ｔｍ）（ｈｍ−２ｔｍ）３｝／１２
FIG. 2 is a graph showing the calculation results of the hollow structure thickness and the cross-sectional second moment in the microelectromechanical structure of the present invention. The spring constant of the beam structure is proportional to the square root (I) of the cross-sectional second moment of the structure. Solid structure of the conventional shown in FIG. 7 or the like (the width b s, height h s) of the second moment of the beam springs and I s, hollow structure (width b m of the present invention shown in FIG. 1 or the like, high (H m , wall thickness t m ) When the cross-sectional secondary moment in the beam spring is I m , each moment is obtained by the following equation.
I s = b s (h s ) 3/12
I m = {b m (h m ) 3 − (b m −2t m ) (h m −2t m ) 3 } / 12
はりバネの材料はＳｉとした。また、重りの材料もＳｉとし、サイズを５００ｘ１０００ｘ５０（μｍ３）とした。図示するように本計算結果によれば、従来の２０μｍの正方形断面の中実はりバネは、肉厚０．２μｍ、外寸法４７μｍ正方形断面の本発明中空はりバネと同じ断面二次モーメントとなることがわかる。つまり、従来の中実構造のはりバネを中空構造で置き換えて、同じバネ振幅のＭＥＭＳ加速度センサが実現可能であることが示された。 The material of the beam spring was Si. The material of the weight was also Si, and the size was 500 × 1000 × 50 (μm 3 ). As shown in the figure, according to this calculation result, a solid beam spring having a square section of 20 μm in the prior art has the same moment of inertia as the hollow beam spring of the present invention having a thickness of 0.2 μm and an outer dimension of 47 μm. I understand. That is, it has been shown that a MEMS acceleration sensor having the same spring amplitude can be realized by replacing a conventional solid spring with a hollow structure.
図３は、図１に示した実施例素子と従来素子の振動応答特性を示すグラフであり、加速度の周波数に対するはりバネの振幅応答特性のシミュレーション結果を示したものである。シミュレーションでは１次の基本振動に加え、４次までの高次振動を考慮している。はりバネ材料はＳｉとし、断面寸法は、中実はりは１７．５μｍの正方形、中空はりは幅３５μｍ、高さ５０μｍ、肉厚０．２μｍとし、ともに断面二次モーメントと長さ（３００μｍ）を等しくした。はりバネの共振周波数は、一般的に用いられる基本振動モードに対しては、中実で３００ｋＨｚ、中空で７６０ｋＨｚとなった。つまり本発明の中空はりバネの共振周波数は従来の中実はりバネと比べてその２倍程度であったが、実際の状況により近い、高次の振動モードを考慮したシミュレーションでは、共振周波数は３倍異なることがわかった。 FIG. 3 is a graph showing the vibration response characteristics of the embodiment element and the conventional element shown in FIG. 1, and shows the simulation result of the amplitude response characteristic of the beam spring with respect to the acceleration frequency. In the simulation, in addition to the primary fundamental vibration, higher-order vibrations up to the fourth order are considered. The material of the spring spring is Si, the cross-sectional dimensions are a solid square of 17.5 μm, the hollow beam has a width of 35 μm, a height of 50 μm, and a wall thickness of 0.2 μm. It was equal. The resonance frequency of the beam spring was 300 kHz for solid and 760 kHz for hollow for the fundamental vibration mode that is generally used. In other words, the resonance frequency of the hollow beam spring of the present invention was about twice that of the conventional solid beam spring. However, in the simulation considering the higher-order vibration mode closer to the actual situation, the resonance frequency is 3 I found that it was twice as different.
また、図示されるように、振幅ゲインが＋５％となる振動周波数は３桁も異なるものであった。これらのシミュレーションから、同じ断面二次モーメント（バネ定数）でも、中実構造を中空構造化することによって、高速応答すなわち高加速度への線形性が飛躍的に改善されることが示された。具体的には、高加速度領域に３桁程度、比例応答のダイナミックレンジが拡張されることが示された。 Further, as shown in the figure, the vibration frequency at which the amplitude gain becomes + 5% is different by 3 digits. From these simulations, it was shown that the linearity to high-speed response, that is, high acceleration is dramatically improved by making the solid structure hollow even with the same moment of inertia (spring constant). Specifically, it was shown that the dynamic range of the proportional response is expanded to about 3 digits in the high acceleration region.
図４は、本発明の中空構造を有する微小電気機械構造について、他の実施例を示す説明図である。図示するように、断面を凹形状とした構造（Ａ）、図１に例示した構造が複数並列して連結されている構造（Ｂ）、あるいはこれらを適宜組み合わせた構造など、あるいはその他の形状など、特に限定されずに種々の中空構造具有の微小電気機械構造を構成し、またこれらを用いて微小電気機械素子を構成することができる。これにより、加工上の制限緩和、断面二次モーメントの最適化、加振応答特性の最適化が可能となった。 FIG. 4 is an explanatory view showing another embodiment of the micro electro mechanical structure having a hollow structure according to the present invention. As shown in the figure, a structure (A) having a concave cross section, a structure (B) in which a plurality of the structures illustrated in FIG. 1 are connected in parallel, a structure appropriately combining these, or other shapes, etc. Although not particularly limited, various electromechanical structures having a hollow structure can be configured, and microelectromechanical elements can be configured using these. This has made it possible to relax processing restrictions, optimize the moment of inertia of the section, and optimize the vibration response characteristics.
また、図中（Ｃ）に示す通り、軸方向が異なる二以上の前記筒状構造が二次元的に配置されてハニカム状に形成された構造の微小電気機械構造としてもよい。つまり、方形のはりバネに限らず、中空構造を２次元的に配置したハニカム形状とすることで、幅広の板構造、メンブレンダイアフラム構造のバネにも適用することができる。 Further, as shown in FIG. 3C, a micro electro mechanical structure having a structure in which two or more cylindrical structures having different axial directions are two-dimensionally arranged and formed in a honeycomb shape may be used. In other words, the present invention is not limited to a rectangular beam spring, and can be applied to a spring having a wide plate structure or a membrane diaphragm structure by forming a hollow structure with a two-dimensionally arranged honeycomb structure.
なお、微小電気機械素子の構成にあたって、ベースに対するはりバネの固定は片方端部のみでも、両端部でも、いずれでもよい。また、メンブレンダイアフラムの場合は従来通り、外周全体を固定する方法を採ることができる。 In the configuration of the microelectromechanical element, the beam spring may be fixed to the base only at one end or at both ends. Moreover, in the case of a membrane diaphragm, the method of fixing the whole outer periphery can be taken as usual.
図５は、本発明に係る中空はりバネの形成工程例を示す説明図である。図示するように工程の要点は、中空部分に相当する構造体（寸法１０〜１００μｍ）を犠牲層として形成し（ａ）、これを取り囲むように薄膜（０．１〜１μｍ）を形成し（（ｂ）〜（ｆ））、最後に犠牲層を除去して中空構造を形成する（ｇ）というものである。本発明製造方法では、従来の中実構造と同等の膜厚寸法１０〜１００μｍの加工方法、および犠牲層除去の際の他材料への損傷もしくは選択性の問題を解決するために、半導体集積回路の製造工程を応用した。 FIG. 5 is an explanatory view showing an example of a process for forming a hollow beam spring according to the present invention. As shown in the figure, the main point of the process is that a structure corresponding to a hollow part (dimensions of 10 to 100 μm) is formed as a sacrificial layer (a), and a thin film (0.1 to 1 μm) is formed so as to surround it (( b) to (f)), and finally the sacrificial layer is removed to form a hollow structure (g). In the manufacturing method of the present invention, a semiconductor integrated circuit is used in order to solve a processing method having a film thickness of 10 to 100 μm equivalent to that of a conventional solid structure and a problem of damage or selectivity to other materials when removing a sacrificial layer. The manufacturing process was applied.
つまり、半導体集積回路の製造工程では高分子レジストによって元パターンを形成し、これに忠実に下地基板、薄膜をエッチング加工するが、この高分子の元パターンを犠牲層として用いることとした。これにより、該犠牲層の除去を弱アルカリ水溶液または溶剤を用いて行うことができ、他の材料への損傷を防止しつつ中空構造化を得ることができる。 In other words, in the manufacturing process of the semiconductor integrated circuit, the original pattern is formed by the polymer resist, and the underlying substrate and the thin film are etched precisely, but this polymer original pattern is used as the sacrificial layer. Thereby, the sacrificial layer can be removed using a weak alkaline aqueous solution or a solvent, and a hollow structure can be obtained while preventing damage to other materials.
また、シンクロトロン放射光リソグラフィを利用するＬＩＧＡプロセスを用いることによって、１００μｍ級の厚膜レジストにサブμｍの微細構造を形成することも可能である（参照文献：「マイクロ・ナノマシン技術」藤田博之著、工業調査会）。 It is also possible to form sub-μm microstructures on 100 μm-class thick film resists by using a LIGA process using synchrotron radiation lithography (reference: “Micro / Nanomachine Technology” by Hiroyuki Fujita). , Industrial Research Committee).
ところで、一般の成膜技術において高品質の薄膜を形成するためには基板温度を３００℃以上にする必要がある。これに対し、高分子レジストの一般的な耐熱温度は１００〜２００℃程度であり相当低温度域なのであるが、電子サイクロトロン共鳴（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ： ＥＣＲ）成膜を用いることによって、室温近傍の成膜温度で、従来の熱プロセスによる成膜法における１０００℃級の膜質の薄膜を容易に得ることができる（参照文献：「ＥＣＲプラズマを用いたｈｉｇｈ−ｋゲート絶縁膜形成、ＥＯＴは０．９〜１．１ｎｍを達成」齋藤・神・小野、Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ＦＰＤ Ｗｏｒｌｄ ２００１．１０）。 By the way, in order to form a high-quality thin film by a general film forming technique, it is necessary to set the substrate temperature to 300 ° C. or higher. On the other hand, the general heat resistance temperature of polymer resists is about 100 to 200 ° C., which is a considerably low temperature range. However, by using electron cyclotron resonance (ECR) film formation, A thin film having a film quality of 1000 ° C. in a conventional thermal process can be easily obtained at a film temperature (reference document: “high-k gate insulating film formation using ECR plasma, EOT is 0.9 Achieved ˜1.1 nm ”Saito / Kami / Ono, Semiconductor FPD World 2001.10).
つまり本発明微小電気機械構造製造方法は、中空部分に相当する構造体を犠牲層として形成し、これを被覆するように該犠牲層よりも膜厚の小さい薄膜を形成し、最後に該犠牲層を除去して、該薄膜からなる外郭により内部に中空構造が形成された筒状構造を得ることを、特徴的な構成とする。そして、該犠牲層としては適宜の高分子材料を用い、さらにＥＣＲプラズマ成膜技術を用いることによって、内部が中空である筒状構造を得ることができる。そして本製法はまた、上述のように半導体集積回路の製造工程を応用したものであることから、半導体電子回路とのシステム・オン・チップ化（ＳｏＣ化）を可能とするものである。 That is, in the method for manufacturing a microelectromechanical structure of the present invention, a structure corresponding to a hollow portion is formed as a sacrificial layer, a thin film having a thickness smaller than that of the sacrificial layer is formed so as to cover the structure, and finally the sacrificial layer is formed. A characteristic structure is to obtain a cylindrical structure in which a hollow structure is formed by an outer shell made of the thin film. Then, by using an appropriate polymer material as the sacrificial layer and further using an ECR plasma film formation technique, a cylindrical structure having a hollow interior can be obtained. Since this manufacturing method also applies the manufacturing process of the semiconductor integrated circuit as described above, it enables system-on-chip (SoC) with the semiconductor electronic circuit.
図６は、ＥＣＲプラズマ成膜における側壁膜の形成のシミュレーション結果を示すグラフである。図では、ＥＣＲスパッタによる立体形状の底面（平坦面）への成膜膜厚のシミュレーション結果も併せて示している。ＥＣＲスパッタにおいては、円筒状の固体ターゲットから成膜原料を供給する。したがって、基板を傾斜回転させることで成膜の均一性が確保される（参照文献：特許第３２０８４３９）。従来は、基板の凹凸が成膜膜厚の程度の半導体電子回路が応用対象であったため、平坦面の膜厚のみしか考慮されていなかったが、本発明においては側壁部への成膜膜厚もシミュレーションした。 FIG. 6 is a graph showing a simulation result of the formation of the sidewall film in the ECR plasma film formation. In the figure, the simulation result of the film thickness on the three-dimensional bottom surface (flat surface) by ECR sputtering is also shown. In ECR sputtering, a film forming material is supplied from a cylindrical solid target. Therefore, the uniformity of film formation is ensured by tilting the substrate (Reference: Japanese Patent No. 3208439). Conventionally, since the semiconductor electronic circuit in which the unevenness of the substrate is about the film thickness is an application object, only the film thickness of the flat surface has been considered, but in the present invention, the film thickness on the side wall is considered. Also simulated.
図示されるように、基板の傾斜を大きくすることによって飛躍的に側壁部への成膜膜厚が増加し、側壁部膜厚／平坦部膜厚の比が改善されることが示された。特に、傾斜角度を６０°とすることにより、平坦部と側壁部の膜厚をほぼ等しくすることができることがわかった。 As shown in the figure, it is shown that the film thickness on the side wall is dramatically increased by increasing the inclination of the substrate, and the ratio of the thickness of the side wall to the flat part is improved. In particular, it was found that the film thickness of the flat part and the side wall part can be made substantially equal by setting the inclination angle to 60 °.
図１等に示した本発明実施例では、レジストに膜厚１０μｍのＡＺ−Ｐ４６２０（ＡＺエレクトロニックマテリアルズ社製）を用い、１２０℃にベイキングして通常の紫外線露光によりパターン形成した後に、ＥＣＲスパッタ成膜により、基板傾斜を５０°としてＳｉＯ２膜を０．２μｍ成膜した。続いてアセトン、エチルアルコールに浸漬して犠牲層のレジストを除去した。基板としたＳｉ、電気配線のＡｌなどには全く損傷を与えることなくレジストを除去することができ、目的とする中空構造の微小電気機械構造を得ることができた。 In the embodiment of the present invention shown in FIG. 1 and the like, AZ-P4620 (manufactured by AZ Electronic Materials) having a film thickness of 10 μm is used as a resist, and after baking at 120 ° C. to form a pattern by normal ultraviolet exposure, ECR sputtering is performed. By the film formation, the SiO 2 film was formed to a thickness of 0.2 μm with the substrate inclination being 50 °. Subsequently, the sacrificial layer resist was removed by immersion in acetone and ethyl alcohol. The resist could be removed without damaging the substrate Si, electrical wiring Al, etc., and the intended micro-electromechanical structure with a hollow structure could be obtained.
本発明によれば、信頼性高いＭＥＭＳ構造体を形成でき、周辺電子回路との一体構造化を可能として、ＭＥＭＳのシステム性能を大幅に改善し、安価、高機能の微小電気機械構造を実現することができる。本発明の実施例としては、上述の通り加速度センサのはりバネを示したが、本発明はこれに限定されず、機械的、物理的に可動する構造体を有する電子、電気、化学、物理素子の構造化にも適用可能であり、産業上利用価値が高い発明である。 According to the present invention, a highly reliable MEMS structure can be formed, and can be integrated with a peripheral electronic circuit, and the system performance of the MEMS is greatly improved, and an inexpensive, high-performance micro-electromechanical structure is realized. be able to. As an embodiment of the present invention, the acceleration sensor has been shown as described above, but the present invention is not limited to this, and an electronic, electrical, chemical, or physical element having a mechanically and physically movable structure. This invention can be applied to the structuring of the invention and has high industrial utility value.
１…微小電気機械構造（中空構造はりバネ）
２…中空内部
３…外郭
８…重り
９…ベース
７１…微小電気機械構造（中実構造はりバネ）
７８…重り
７９…ベース
1 ... Micro electro mechanical structure (hollow structure spring)
2 ... hollow interior 3 ... outer shell 8 ... weight 9 ... base 71 ... micro-electromechanical structure (solid structure spring)
78 ... Weight 79 ... Base
Claims (10)
The microelectromechanical structure according to claim 9, wherein a polymer material is used as the sacrificial layer, and a cylindrical structure having a hollow interior is formed by using an electron cyclotron resonance plasma deposition technique. Production method.
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