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公開番号2024152674
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-10-25
出願番号2024063243
出願日2024-04-10
発明の名称二重層MEMSデバイスおよび製造方法
出願人株式会社村田製作所
代理人個人,個人
主分類B81B 3/00 20060101AFI20241018BHJP(マイクロ構造技術)
要約【課題】本発明は、微小電気機械システム(MEMS)デバイスおよびそのようなMEMSデバイスを製造する方法に関する。
【解決手段】MEMSデバイスは、下から上への順に、ハンドル層と、第1の電気絶縁層と、堆積多結晶シリコン(poly-Si)の層をパターニングすることによって形成される第1の素子層と、第2の電気絶縁層と、単一結晶シリコン(mono-Si)の層をパターニングすることによって形成される第2の素子層と、キャップ層とを備える。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスであって、下から上への順に、
少なくとも１つのキャビティおよび少なくとも１つの懸架構造を備えるハンドル層と、
第１の電気絶縁層と、
堆積多結晶シリコン（ｐｏｌｙ－Ｓｉ）の層をパターニングすることによって形成される第１の素子層であって、前記第１の素子層内の少なくとも１つの構造要素が前記少なくとも１つの懸架構造によって懸架され、前記少なくとも１つの構造要素が任意選択的に少なくとも１つの振動要素を備える、第１の素子層と、
第２の電気絶縁層と、
前記第１の素子層の上方に可動に懸架された少なくとも１つの振動要素を備える第２の素子層であって、単一結晶シリコン（ｍｏｎｏ－Ｓｉ）の層をパターニングすることによって形成される、第２の素子層と、
キャップ層と、を備え、
前記ハンドル層、前記第１の素子層、前記第２の素子層、および前記キャップ層、ならびに、前記ハンドル層と前記第１の素子層とを接合する前記第１の電気絶縁層、および前記第１の素子層と前記第２の素子層とを接合する前記第２の電気絶縁層は、前記第２の素子層内の前記少なくとも１つの振動要素と、少なくとも１つの静止電極と、前記少なくとも１つの振動要素の動きを検出および／または引き起こすための少なくとも１つの可動電極とを備える筐体の壁を形成するように構成されており、前記少なくとも１つの静止電極は前記第１の素子層内にある、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイス。
続きを表示（約 2,200 文字）【請求項２】
前記電気絶縁層は、前記第１の素子層の構造要素を前記第２の素子層の構造要素に、および／または、前記キャップ層内に設けられた電気接続部に電気的に結合するために、前記第１の素子層から前記第２の素子層まで延在する少なくとも１つの多結晶シリコン（ｐｏｌｙ－Ｓｉ）フィードスルーを備える、請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項３】
前記第２の電気絶縁層内の電気絶縁材料は、前記少なくとも１つのｐｏｌｙ－Ｓｉフィードスルーが前記第１の素子層および前記第２の素子層のそれぞれの前記構造要素間の唯一の機械的接点であるように、前記少なくとも１つのｐｏｌｙ－Ｓｉフィードスルーの周りで除去されている、請求項２に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項４】
前記第１の素子層は、前記第２の電気絶縁層の厚さよりも小さい距離にわたって前記第２の素子層に向かって延在する少なくとも１つのストッパ構造を備える、請求項１～３のいずれか一項に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項５】
前記ＭＥＭＳデバイスは、前記第２の素子層と前記キャップ層との間に金属接合層をさらに備え、前記金属接合層は、前記筐体の前記壁の一部を形成するようにさらに構成されている、請求項１～３のいずれか一項に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項６】
請求項１～３のいずれか一項に記載のＭＥＭＳデバイスを製造するための方法であって、
ｍｏｎｏ－Ｓｉハンドルウェハから前記ハンドル層を形成するステップであって、前記ハンドル層を形成する前記ステップは、少なくとも１つのキャビティを形成し、同時に、前記ハンドル層の第１の面上に前記少なくとも１つの懸架構造を形成することと、前記ハンドル層の前記第１の面を第１の電気絶縁層によって被覆することとを含む、前記ハンドル層を形成するステップと、
ｍｏｎｏ－Ｓｉウェハ上に第２の電気絶縁層を形成するステップと、
前記第２の電気絶縁層をパターニングするステップと、
前記パターニングされた第２の電気絶縁層の上にｐｏｌｙ－Ｓｉ層を堆積させるステップと、
前記第１のｐｏｌｙ－Ｓｉ層から前記第１の素子層を形成するステップであって、前記第１の素子層を形成する前記ステップは、前記第１のｐｏｌｙ－Ｓｉ層を第１の厚さまで薄くすることと、ドライエッチングによって前記第１の素子層を貫通して延在する複数の第１のトレンチを形成することとを含む、前記第１の素子層を形成するステップと、
前記ハンドル層の前記第１の面上で前記第１の電気絶縁層上に前記第１の素子層を融着接合するステップと、
前記ｍｏｎｏ－Ｓｉウェハから前記第２の素子層を形成するステップであって、前記第２の素子層を形成する前記ステップは、前記ｍｏｎｏ－Ｓｉウェハを第２の厚さまで薄くすることと、任意選択的に、前記第２のｍｏｎｏ－Ｓｉウェハ内に少なくとも１つの陥凹領域を形成することと、前記第２のｍｏｎｏ－Ｓｉウェハを貫通して延在する複数の第２のトレンチをドライエッチングすることとを含む、前記第２の素子層を形成するステップと、
フッ化水素酸（ＨＦ）エッチングによって前記第１の電気絶縁層および前記第２の電気絶縁層の厚さまでわたって前記第１の電気絶縁層および前記第２の電気絶縁層の露出部分を除去することによって、前記第１の素子層および前記第２の素子層の構造要素を解放するステップと、
前記キャップ層を前記第２の素子層の上に接合することによって、構造要素を前記筐体内に封入するステップと、
を含む、方法。
【請求項７】
前記第２の電気絶縁層をパターニングする前記ステップは、前記第２の電気絶縁層の厚さ全体にわたって前記第２の電気絶縁層の１つまたは複数の部分を除去することを含み、
前記ｐｏｌｙ－Ｓｉ層を堆積させるステップは、前記第２の電気絶縁層の前記除去された部分を堆積されたｐｏｌｙ－Ｓｉで充填することによって、前記第１の素子層および前記第２の素子層の１つまたは複数の構造要素を電気的に結合するために、前記第１の素子層から前記第２の電気絶縁層を通じて前記第２の素子層まで延在する１つまたは複数のｐｏｌｙ－Ｓｉフィードスルーを生成させる、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記第２の電気絶縁層をパターニングする前記ステップは、前記第２の電気絶縁層の厚さの一部にわたって前記第２の電気絶縁層の１つまたは複数の部分を陥凹させることを含み、
ｐｏｌｙ－Ｓｉ層を堆積させる前記ステップは、さらに、前記第２の電気絶縁層の前記陥凹した１つまたは複数の部分を充填することによって、前記第２の素子層に向かって延在する１つまたは複数のｐｏｌｙ－Ｓｉストッパ構造を生成させる、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記第１のｐｏｌｙ－Ｓｉ層を第１の厚さまで薄くした後で、かつ前記第１のデバイスを通じて延在する複数の第１のトレンチを形成する前に、前記ｍｏｎｏ－Ｓｉウェハ内に少なくとも１つの陥凹領域を形成するステップをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
請求項５に従属する場合、
金属接合層によって前記第２の素子層を前記キャップ層と結合するステップをさらに含む、請求項６に記載の方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＥＭＳデバイスおよびＭＥＭＳデバイスを生産する方法に関する。より詳細には、本発明は、２つの素子層を備えるＭＥＭＳデバイス、および二重層ＭＥＭＳデバイスを製造するための方法に関する。
続きを表示（約 1,700 文字）【背景技術】
【０００２】
シリコンベースの技術を使用して製造される微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスが普及している。ＭＥＭＳデバイスの典型的な用途は、加速度および角速度のうちの少なくとも一方を検出する慣性センサである。このタイプのＭＥＭＳデバイスは、消費者、自動車および工業用途に広く使用されている。
【０００３】
ＭＥＭＳデバイスにおける静電容量検知は、２つの電極間の距離の変化によって引き起こされる静電容量の変化を検出することによって実施される。典型的には、静電容量は、可動電極と１つまたは複数の静止電極との間で検知される。
【０００４】
慣性検知のための典型的な静電容量ＭＥＭＳデバイスでは、静止電極が、ハンドルまたはキャップウェハなどの基板上に設けられる。例えば、基板ウェハの表面上に金属電極を設けられ得る。ＭＥＭＳデバイスは、様々な応力源に晒される。部品のパッケージング中、成形などの製造方法のいくつかのステップが、基板に圧力を加える。異なる材料は異なる熱特性を有し、したがって、基板はまた、ＭＥＭＳデバイスパッケージ内の材料の熱膨張の差に起因して圧力を受ける可能性がある。ＭＥＭＳデバイスはまた、基板の形状の変化を引き起こす様々な外力を受ける可能性がある。ＭＥＭＳデバイスが使用される環境は、大きな温度変化、振動、衝撃などを受ける可能性があり、それらすべてがＭＥＭＳデバイスに対する応力を引き起こす。静止電極が基板に取り付けられると、応力によって引き起こされる基板の形態の任意の変化もまた、静止電極とそれぞれの可動電極との間の距離に影響を及ぼし得る。このため、静電容量検知の精度が低下するおそれがある。
【０００５】
以下の説明では、慣性ＭＥＭＳセンサおよびその製造上の問題を参照する。しかしながら、本開示は、一般に、他のタイプのＭＥＭＳデバイスにも適用される。例えば、ＭＥＭＳデバイスは、以下の構造、すなわち、加速度計、ジャイロスコープ、受振器、傾斜計および共振器のうちの１つまたは複数を、単一で、または互いに組み合わせて含んでもよい。また、ＭＥＭＳデバイスは、ＭＥＭＳアクチュエータであってもよい。
【０００６】
先行技術の説明
米国特許第１０８３０５９０号明細書は、単結晶シリコンから作成される機械的機能層および電極デバイスを含む基板を有する微小電気機械センサを開示している。導電性配線層が、アルミニウムまたはタングステン配線を有する。
【０００７】
米国特許出願公開第２０２００１５６９３０号明細書は、中空体を有する両面静電容量検知ＭＥＭＳデバイスを開示している。この装置は、ポリシリコン（ｐｏｌｙ－Ｓｉ）構造をエピタキシャル成長させることによって製造される。
【０００８】
米国特許第９４６３９７６号明細書は、各々が多層半導体構造の異なる層内にある垂直に積層された慣性トランスデューサ素子を有する集積ＭＥＭＳデバイスを生成するための垂直積層ＭＥＭＳデバイスウェハアセンブリを開示している。異なるＭＥＭＳトランスデューサ構造は、周囲環境および互いから気密に遮蔽される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
米国特許第１０８３０５９０号明細書
米国特許出願公開第２０２００１５６９３０号明細書
米国特許第９４６３９７６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
目的は、素子層間のより広い間隙およびより小さい信号経路を有するＭＥＭＳデバイスのロバスト性を改善しながら、ＭＥＭＳデバイスの材料コストを低減するという問題を解決するための方法および装置を提供することである。本発明の目的は、請求項１に記載のＭＥＭＳデバイスによって達成される。本発明の目的は、請求項６に記載の製造方法によってさらに達成される。
【課題を解決するための手段】
（【００１１】以降は省略されています）

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