JP2005224934A - Movable microstructure and semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は微小可動構造体及び半導体装置に係り、特に、静電力により移動するように構成された可動部分を有する構造体、並びに、当該構造体を備える半導体装置の構成に関する。 The present invention relates to a minute movable structure and a semiconductor device, and more particularly, to a structure having a movable portion configured to move by electrostatic force, and a structure of a semiconductor device including the structure.
一般に、シリコン基板などの表面上に微細な構造を形成し、静電力によって動作するように構成された可動部分を有する微細可動構造体が知られている。このような微細可動構造体は、静電アクチュエータ、光スイッチ、マイクロミラーデバイス、薄膜振動子などとしての応用が期待されている。 In general, there is known a fine movable structure having a movable portion that is configured to form a fine structure on a surface of a silicon substrate or the like and operate by electrostatic force. Such fine movable structures are expected to be applied as electrostatic actuators, optical switches, micromirror devices, thin film vibrators, and the like.
上記の微細可動構造体としては、通信などの信号処理に用いられる薄膜振動子フィルタや各種電子機器に用いられるクロック源の薄膜共振子などを構成することのできる薄膜振動子がある。このような薄膜振動子には、櫛歯型の駆動電極の間に櫛歯型の可動電極を基板表面に沿ってスライド可能に配置し、この可動電極を振動させることによって駆動電極と可動電極との間の静電容量が変化することを利用して振動子を構成したものが知られている(例えば、以下の非特許文献1参照)。
しかしながら、上記従来の薄膜振動子では、可動電極の駆動初期に大きな静電力が必要となるため、この静電力を高めるために駆動電極と可動電極とを櫛歯状に構成しているが、これによって、駆動電極と可動電極との間の静電容量が大きくなり、また、櫛歯型の駆動電極及び可動電極の平面投影面積が大きくなるため、これらの電極と基板との間の静電容量も大きくなっている。一方、可動電極の平面スライド動作に起因する静電容量の変動量は、上記の静電容量の和に較べてかなり小さい。したがって、静電容量の可動電極が振動することによって生ずる静電容量の変動成分(可変容量)の割合が小さいため、充分な信号出力を得るためには駆動電圧を高くする必要があることから、低電圧化を図る事が難しく、省電力化が困難であるという問題点がある。 However, since the conventional thin film vibrator requires a large electrostatic force at the initial stage of driving the movable electrode, the drive electrode and the movable electrode are configured in a comb shape to increase the electrostatic force. Increases the electrostatic capacitance between the driving electrode and the movable electrode, and also increases the planar projection area of the comb-shaped driving electrode and the movable electrode, so that the electrostatic capacitance between these electrodes and the substrate is increased. Is also getting bigger. On the other hand, the fluctuation amount of the electrostatic capacitance due to the planar sliding operation of the movable electrode is considerably smaller than the above-mentioned sum of electrostatic capacitances. Therefore, since the ratio of the capacitance fluctuation component (variable capacitance) generated by the vibration of the capacitance movable electrode is small, it is necessary to increase the drive voltage in order to obtain a sufficient signal output. There is a problem that it is difficult to reduce the voltage and power saving is difficult.
そこで、本発明は上記問題点を解決するものであり、その課題は、微細可動構造体の電極構造と基板との間の静電容量を低減することにより、電極間の静電容量の変動成分の割合を増大することのできる微細可動構造体を提供することにある。また、微小可動構造体の電極構造と半導体基板との間の寄生容量を低減することにより、微小可動構造体の可動部分の動作に起因する可変容量の割合を大きくし、微小可動構造体の駆動電圧の低電圧化を図った半導体装置を提供することにある。 Therefore, the present invention solves the above-mentioned problems, and its problem is to reduce the capacitance between the electrode structure of the fine movable structure and the substrate, thereby varying the capacitance component between the electrodes. It is an object of the present invention to provide a fine movable structure capable of increasing the ratio of. In addition, by reducing the parasitic capacitance between the electrode structure of the micro movable structure and the semiconductor substrate, the ratio of variable capacitance resulting from the operation of the movable part of the micro movable structure is increased, and the micro movable structure is driven. An object of the present invention is to provide a semiconductor device in which the voltage is reduced.
本発明の微小可動構造体は、基板上に形成された第1電極と、前記第1電極に対向配置される第2電極とを有し、前記第1電極と前記第2電極の少なくとも一つを可動に構成し、前記第1電極と前記第2電極との間に静電力を発生させることにより、前記第1電極と前記第2電極が相対的に移動するように構成された微小可動構造体において、前記第1電極の上方に前記第2電極が配置され、前記第1電極と前記第2電極は上下方向に対応する凹凸構造を有し、前記第1電極と前記第2電極とが上下方向に相対的に移動することを特徴とする。 The micro movable structure according to the present invention includes a first electrode formed on a substrate and a second electrode disposed to face the first electrode, and at least one of the first electrode and the second electrode. And a movable structure in which the first electrode and the second electrode move relatively by generating an electrostatic force between the first electrode and the second electrode. In the body, the second electrode is disposed above the first electrode, the first electrode and the second electrode have a concavo-convex structure corresponding to a vertical direction, and the first electrode and the second electrode are It is characterized by relatively moving in the vertical direction.
この発明によれば、第1電極と、この上方に配置された第2電極とが上下方向に対応する凹凸構造を有していて、第1電極と第2電極とが上下方向に相対的に移動することにより、上記の凹凸構造によって第1電極と第2電極の対向面積を増大させて静電力に基づく駆動力を増強することができるとともに、第1電極の上方に第2電極が配置されて上下に相対移動するように構成されているので、従来の櫛歯構造を有する駆動電極と可動電極とが平面上に配置されてなるものと較べて基板上の平面投影面積を小さくすることができるため、電極構造と基板との間の静電容量を低減することができる。したがって、駆動電圧を印加して静電力を発生させ、第1電極と第2電極とを相対的に移動させて静電容量の変化に起因する出力を取り出す場合に当該出力を効率的に得ることができることから、駆動電圧を低電圧化することが可能になり、省電力化を図ることができる。 According to this invention, the 1st electrode and the 2nd electrode arranged above have an uneven structure corresponding to the up-and-down direction, and the 1st electrode and the 2nd electrode are relative to the up-and-down direction. By moving, the opposing area between the first electrode and the second electrode can be increased by the concavo-convex structure to enhance the driving force based on the electrostatic force, and the second electrode is disposed above the first electrode. Therefore, it is possible to reduce the planar projection area on the substrate as compared with the conventional configuration in which the driving electrode and the movable electrode having a comb-tooth structure are arranged on a plane. Therefore, the electrostatic capacity between the electrode structure and the substrate can be reduced. Therefore, when the drive voltage is applied to generate an electrostatic force and the first electrode and the second electrode are moved relatively to take out the output resulting from the change in capacitance, the output can be efficiently obtained. Therefore, it is possible to reduce the drive voltage and to save power.
この場合に、上記の電極間の相対的移動方向が基板の表面に直交する方向であることが望ましいが、本発明は、これに限られるものではなく、上下方向の移動成分を有するものを広く包含する。すなわち、上下方向の移動成分を有するものであれば、基板の表面に対して斜めに移動するものであっても構わない。 In this case, it is desirable that the relative movement direction between the electrodes is a direction perpendicular to the surface of the substrate. However, the present invention is not limited to this, and a wide range of movement components in the vertical direction can be used. Include. That is, as long as it has a moving component in the vertical direction, it may move obliquely with respect to the surface of the substrate.
また、第1電極と第2電極との間に電圧が印加されていない基準状態で、第1電極と第2電極とが相互に噛合する態様で対向配置されていること、或いは、第1電極と第2電極の少なくともいずれか一方が他方に挿入された構造を有することが望ましい。基準状態では電極間に静電力が働いていないが、この基準状態においても、第1電極と第2電極とが相互に噛合する態様で対向配置され、或いは、第1電極と第2電極のうち少なくともいずれか一方が他方に挿入されているため、第1電極と第2電極の相互間隔が小さく、かつ、それらの対向面積が大きくなるので、電極間に働く静電力が大きくなり、これによって、電極間の相対的動作の応答性や出力信号のS/N比を向上させることができ、また、入力信号の低電圧化或いは省電力化を図ることができる。 Further, the first electrode and the second electrode are opposed to each other in a state in which the first electrode and the second electrode mesh with each other in a reference state in which no voltage is applied between the first electrode and the second electrode, or the first electrode It is desirable that at least one of the second electrode and the second electrode has a structure inserted into the other. In the reference state, electrostatic force does not work between the electrodes, but even in this reference state, the first electrode and the second electrode are arranged to face each other, or of the first electrode and the second electrode. Since at least one of them is inserted into the other, the mutual distance between the first electrode and the second electrode is small and the opposing area is large, so that the electrostatic force acting between the electrodes is large, Responsiveness of relative operation between the electrodes and the S / N ratio of the output signal can be improved, and the input signal can be reduced in voltage or power saving.
従来、基板の表面と平行に伸びる櫛歯をそれぞれ備えた一対の櫛歯状電極が相互に噛合する態様で対向配置された櫛歯状電極構造が知られているが、本発明では、例えば、第1電極及び第2電極をそれぞれ櫛歯状電極とした場合には、基板の表面と交差する(好ましくは直交する)方向に伸びる櫛歯をそれぞれ備えた第1電極と第2電極とが相互に噛合する態様で対向配置されるものである。 Conventionally, there is known a comb-like electrode structure in which a pair of comb-like electrodes each having comb teeth extending parallel to the surface of the substrate are arranged to face each other, but in the present invention, for example, When each of the first electrode and the second electrode is a comb-like electrode, the first electrode and the second electrode each having comb teeth extending in a direction intersecting (preferably orthogonal) with the surface of the substrate are mutually connected. Are arranged so as to face each other.
本発明において、前記第1電極と前記第2電極の少なくともいずれか一方に他方が上方若しくは下方から挿入可能に構成された凹穴が設けられていることが好ましい。第1電極と第2電極のうち一方の電極に凹穴が設けられ、この凹穴に他方の電極が嵌合するように構成されているので、両電極が2次元的に噛み合う構造となることから、両電極間の対向面積を増大させることができるため、さらに駆動力を増強できる。 In the present invention, it is preferable that at least one of the first electrode and the second electrode is provided with a concave hole configured such that the other can be inserted from above or below. Since one of the first electrode and the second electrode is provided with a concave hole, and the other electrode is fitted into the concave hole, the two electrodes are two-dimensionally engaged. Therefore, since the facing area between both electrodes can be increased, the driving force can be further increased.
本発明において、前記第1電極が前記基板上に固定され、前記第2電極が可動に構成されていることが好ましい。これによれば、下方に配置された第1電極が基板上に固定され、その上方に配置された第2電極が可動に構成されているため、構造を簡易に構成することが可能になり、基板上に構成された薄膜構造によって第1電極及び第2電極を構成する場合には、通常の薄膜製造プロセスによってきわめて容易に製造することが可能になる。 In the present invention, it is preferable that the first electrode is fixed on the substrate and the second electrode is configured to be movable. According to this, since the 1st electrode arranged below is fixed on a substrate and the 2nd electrode arranged above it is constituted movably, it becomes possible to constitute a structure simply, When the first electrode and the second electrode are configured by the thin film structure formed on the substrate, the first electrode and the second electrode can be manufactured very easily by a normal thin film manufacturing process.
本発明において、前記第2電極は、弾性変形部を介して前記基板に固定されていることが好ましい。これによれば、弾性変形部を設けることによって第2電極の移動方向や移動量の精度を高めることが可能になる。 In the present invention, it is preferable that the second electrode is fixed to the substrate via an elastic deformation portion. According to this, it is possible to improve the accuracy of the moving direction and the moving amount of the second electrode by providing the elastically deforming portion.
本発明において、前記静電力として静電斥力のみを及ぼすように構成されていることが好ましい。これによれば、静電力が生じていない状態では第1電極と第2電極とが最も接近した状態となるので駆動電圧を上げなくても駆動初期の駆動力を大きくすることができる。また、静電力が発生しているときには静電斥力のみが及ぼされることによって第1電極と第2電極とが常に初期状態よりも相互に離れた状態となっているため、第1電極と第2電極の間の静電容量が小さくなることから、相対的に駆動時における静電容量の変化量の割合をさらに大きくすることができる。したがって、駆動電圧を印加して静電力を発生させ、第1電極と第2電極とを相対的に移動させて静電容量の変化に起因する出力を取り出す場合に当該出力を効率的に得ることができることから、駆動電圧を低電圧化することが可能になり、省電力化を図ることができる。また、静電斥力のみで駆動することから、駆動電圧が過剰となっても電極間の衝突が発生することがないため、過電圧駆動による短絡破壊対策が不要になるという利点もある。 In the present invention, the electrostatic force is preferably configured to exert only an electrostatic repulsive force. According to this, since the first electrode and the second electrode are in the closest state when no electrostatic force is generated, the driving force at the initial stage of driving can be increased without increasing the driving voltage. Further, since only the electrostatic repulsive force is exerted when the electrostatic force is generated, the first electrode and the second electrode are always separated from each other than the initial state. Since the capacitance between the electrodes is reduced, the rate of change in capacitance during driving can be further increased. Therefore, when the drive voltage is applied to generate an electrostatic force and the first electrode and the second electrode are moved relatively to take out the output resulting from the change in capacitance, the output can be efficiently obtained. Therefore, it is possible to reduce the drive voltage and to save power. In addition, since driving is performed only by electrostatic repulsion, collision between electrodes does not occur even if the driving voltage becomes excessive, and there is an advantage that a countermeasure against short circuit destruction by overvoltage driving becomes unnecessary.
上記の各発明においては、前記第1電極と前記第2電極の間の静電容量の変化に基づく電気信号を出力可能に構成されていることが好ましい。これによれば、電極間の相対的移動状態を電気的に出力することができるため、電気的に電極の移動速度や位置関係を観測したり、相対的移動状態に起因する電気的な周波数特性を獲得したりすることができる。 In each of the above inventions, it is preferable that an electrical signal based on a change in capacitance between the first electrode and the second electrode can be output. According to this, since the relative movement state between the electrodes can be electrically output, the movement speed and positional relationship of the electrodes can be electrically observed, or the electrical frequency characteristics resulting from the relative movement state Or earn.
また、前記静電力に基づいて前記第1電極と前記第2電極とを相対的に振動させるように構成されていることが好ましい。これによって電極間の相対振動に応じた波形を有する電気信号を出力することが可能になるため、周波数フィルタや共振子などとして用いることのできる静電振動子を構成することができる。 Further, it is preferable that the first electrode and the second electrode are relatively vibrated based on the electrostatic force. As a result, an electric signal having a waveform corresponding to the relative vibration between the electrodes can be output, so that an electrostatic vibrator that can be used as a frequency filter, a resonator, or the like can be configured.
また、本発明の半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜上に形成された第1電極と、前記第1電極に対向配置される第2電極とを有し、前記第1電極と前記第2電極の少なくとも一つを可動に構成し、前記第1電極と前記第2電極との間に静電力を発生させることにより、前記第1電極と前記第2電極が相対的に移動するように構成された微小可動構造体と、を具備し、前記第1電極の上方に前記第2電極が配置され、前記第1電極と前記第2電極は相互に上下方向に対応する凹凸構造を有し、前記第1電極と前記第2電極は上下方向に相対的に移動することを特徴とする。 Further, the semiconductor device of the present invention includes a semiconductor substrate, an insulating film formed on the semiconductor substrate, a first electrode formed on the insulating film, and a second electrode disposed to face the first electrode. And at least one of the first electrode and the second electrode is configured to be movable, and an electrostatic force is generated between the first electrode and the second electrode, A second movable electrode configured to move relative to the second electrode, wherein the second electrode is disposed above the first electrode, and the first electrode and the second electrode are The first electrode and the second electrode move relative to each other in the up-down direction.
この発明によれば、第1電極と、この上方に配置された第2電極とが上下方向に対応する凹凸構造を有していて、第1電極と第2電極とが上下方向に相対的に移動することにより、上記の凹凸構造によって第1電極と第2電極の対向面積を増大させて静電力に基づく駆動力を増強することができるとともに、第1電極の上方に第2電極が配置されて上下に相対移動するように構成されているので、従来の櫛歯構造を有する駆動電極と可動電極とが平面上に配置されてなるものと較べて基板上の平面投影面積を小さくすることができるため、電極構造と半導体基板との間の寄生容量を低減することができる。したがって、駆動電圧を印加して静電力を発生させ、第1電極と第2電極とを相対的に移動させて可変容量に起因する出力を取り出す場合に当該出力を効率的に得ることができることから、駆動電圧を低電圧化することが可能になり、省電力化を図ることができる。 According to this invention, the 1st electrode and the 2nd electrode arranged above have an uneven structure corresponding to the up-and-down direction, and the 1st electrode and the 2nd electrode are relative to the up-and-down direction. By moving, the opposing area between the first electrode and the second electrode can be increased by the concavo-convex structure to enhance the driving force based on the electrostatic force, and the second electrode is disposed above the first electrode. Therefore, it is possible to reduce the planar projection area on the substrate as compared with the conventional configuration in which the driving electrode and the movable electrode having a comb-tooth structure are arranged on a plane. Therefore, the parasitic capacitance between the electrode structure and the semiconductor substrate can be reduced. Therefore, when the drive voltage is applied to generate an electrostatic force and the first electrode and the second electrode are moved relatively to take out the output caused by the variable capacitance, the output can be efficiently obtained. The drive voltage can be lowered, and power saving can be achieved.
さらに、本発明の半導体装置は、静電力によって振動する振動部と電極を有する振動体と、絶縁膜と、半導体基板とを備える半導体装置であって、前記振動体と前記半導体基板が接合する領域の前記半導体基板裏面の少なくとも一部が刳り抜かれ、刳り抜かれた部分の前記振動体と前記半導体基板の接合する領域が前記絶縁膜のみからなることを特徴とする。 Furthermore, the semiconductor device of the present invention is a semiconductor device including a vibrating body having an oscillating portion that vibrates due to an electrostatic force, an electrode, an insulating film, and a semiconductor substrate, wherein the vibrating body and the semiconductor substrate are joined to each other. At least a part of the rear surface of the semiconductor substrate is hollowed out, and a region where the vibrating body and the semiconductor substrate are joined in the hollowed-out portion is composed of only the insulating film.
この発明によれば、振動体直下の半導体基板をなくすことにより、半導体基板と振動体間の寄生容量が低減できる。従って、振動体を高電圧で駆動する必要がなくなり、振動による可変容量をとらえ易くなり、更なる駆動電圧の低電圧化が可能になる。 According to the present invention, the parasitic capacitance between the semiconductor substrate and the vibrating body can be reduced by eliminating the semiconductor substrate directly below the vibrating body. Therefore, it is not necessary to drive the vibrating body with a high voltage, and it becomes easy to catch the variable capacitance due to vibration, and the driving voltage can be further reduced.
また、本発明の半導体装置は、静電力によって振動する振動部と電極を有する振動体と、半導体基板と、前記振動体と前記半導体基板との間に形成された絶縁膜とを備える半導体装置であって、前記振動体と前記半導体基板が接合する領域の前記半導体基板表面の少なくとも一部に表面凹部が設けられ、前記表面凹部が設けられた領域では他の領域よりも前記振動体と前記半導体基板との距離が離間していることを特徴とする。 According to another aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device including a vibrating body having an oscillating portion that vibrates by electrostatic force and an electrode, a semiconductor substrate, and an insulating film formed between the vibrating body and the semiconductor substrate. A surface recess is provided in at least a part of the surface of the semiconductor substrate in a region where the vibrator and the semiconductor substrate are joined, and the resonator and the semiconductor are provided in the region provided with the surface recess than in other regions. It is characterized in that the distance from the substrate is separated.
この発明によれば、半導体基板の表面凹部によって振動体と半導体基板との距離が他の領域よりも離間しているため、振動体と半導体基板との間の寄生容量を低減することができる。この場合、表面凹部の内部空間をそのまま空洞となるように構成してもよく、また、表面凹部の内部空間が上記絶縁膜によって埋められた構造としてもよい。 According to the present invention, since the distance between the vibrating body and the semiconductor substrate is separated from the other regions by the surface recess of the semiconductor substrate, the parasitic capacitance between the vibrating body and the semiconductor substrate can be reduced. In this case, the internal space of the surface recess may be configured as a hollow as it is, or the internal space of the surface recess may be filled with the insulating film.
さらに、本発明の半導体装置は、半導体基板上に形成された第1電極と、前記第1電極に対向配置される第2電極とを有し、前記第1電極と前記第2電極の少なくとも一つを可動に構成し、前記第1電極と前記第2電極との間に静電力を発生させることにより、前記第1電極と前記第2電極が相対的に移動するように構成された微小可動構造体と、絶縁膜とを有する半導体装置であって、前記微小可動構造体と前記半導体基板が接合する領域の前記半導体基板裏面の少なくとも一部が刳り抜かれ、刳り抜かれた部分の前記微小可動構造体と前記半導体基板の接合する領域が前記絶縁膜のみからなることを特徴とする。 Furthermore, the semiconductor device of the present invention has a first electrode formed on a semiconductor substrate and a second electrode disposed to face the first electrode, and at least one of the first electrode and the second electrode. The first movable electrode is movable, and the first electrode and the second electrode are relatively moved by generating an electrostatic force between the first electrode and the second electrode. A semiconductor device having a structure and an insulating film, wherein at least a part of a back surface of the semiconductor substrate in a region where the minute movable structure and the semiconductor substrate are joined is hollowed out, and the minute movable structure in the hollowed-out portion A region where the body and the semiconductor substrate are joined is composed of only the insulating film.
この発明によれば、微小可動構造体直下の半導体基板をなくすことにより、半導体基板と微小可動構造体間の寄生容量が低減できる。従って、微小可動構造体を高電圧で駆動する必要がなくなり、微小可動による可変容量をとらえ易くなり、更なる駆動電圧の低電圧化が可能になる。 According to the present invention, the parasitic capacitance between the semiconductor substrate and the minute movable structure can be reduced by eliminating the semiconductor substrate directly under the minute movable structure. Therefore, it is not necessary to drive the minute movable structure with a high voltage, and it becomes easy to grasp the variable capacitance due to the minute movement, and the drive voltage can be further lowered.
また、本発明の半導体装置は、半導体基板上に形成された第1電極と、前記第1電極に対向配置される第2電極とを有し、前記第1電極と前記第2電極の少なくとも一つを可動に構成し、前記第1電極と前記第2電極との間に静電力を発生させることにより、前記第1電極と前記第2電極が相対的に移動するように構成された微小可動構造体と、前記半導体基板と前記微小可動構造体の間に形成された絶縁膜とを備える半導体装置であって、前記微小可動構造体と前記半導体基板が接合する領域の前記半導体基板表面の少なくとも一部に表面凹部が設けられ、前記表面凹部が設けられた領域では他の領域よりも前記微小可動構造体と前記半導体基板との距離が離間していることを特徴とする。 In addition, the semiconductor device of the present invention includes a first electrode formed on a semiconductor substrate and a second electrode disposed to face the first electrode, and at least one of the first electrode and the second electrode. The first movable electrode is movable, and the first electrode and the second electrode are relatively moved by generating an electrostatic force between the first electrode and the second electrode. A semiconductor device comprising a structure and an insulating film formed between the semiconductor substrate and the micro movable structure, wherein at least a surface of the semiconductor substrate in a region where the micro movable structure and the semiconductor substrate are joined A surface concave portion is provided in part, and the distance between the micro movable structure and the semiconductor substrate is greater in the region where the surface concave portion is provided than in other regions.
この発明によれば、半導体基板の表面凹部によって振動体と半導体基板との距離が他の領域よりも離間しているため、振動体と半導体基板との間の寄生容量を低減することができる。この場合、表面凹部の内部空間をそのまま空洞となるように構成してもよく、また、表面凹部の内部空間が上記絶縁膜によって埋められた構造としてもよい。 According to the present invention, since the distance between the vibrating body and the semiconductor substrate is separated from the other regions by the surface recess of the semiconductor substrate, the parasitic capacitance between the vibrating body and the semiconductor substrate can be reduced. In this case, the internal space of the surface recess may be configured as a hollow as it is, or the internal space of the surface recess may be filled with the insulating film.
また、本発明は、前記第1電極の上方に前記第2電極が配置され、前記第1電極と前記第2電極は相互に上下方向に対応する凹凸構造を有し、前記第1電極と前記第2電極は上下方向に相対的に移動することを特徴とする。 In the present invention, the second electrode is disposed above the first electrode, and the first electrode and the second electrode have a concavo-convex structure corresponding to each other in the vertical direction. The second electrode is characterized by relatively moving in the vertical direction.
この発明によれば、第1電極と、この上方に配置された第2電極とが上下方向に対応する凹凸構造を有していて、第1電極と第2電極とが上下方向に相対的に移動することにより、上記の凹凸構造によって第1電極と第2電極の対向面積を増大させて静電力に基づく駆動力を増強することができるとともに、第1電極の上方に第2電極が配置されて上下に相対移動するように構成されているので、従来の櫛歯構造を有する駆動電極と可動電極とが平面上に配置されてなるものと較べて基板上の平面投影面積を小さくすることができるため、電極構造と半導体基板との間の寄生容量を低減することができる。したがって、駆動電圧を印加して静電力を発生させ、第1電極と第2電極とを相対的に移動させて可変容量に起因する出力を取り出す場合に当該出力を効率的に得ることができることから、駆動電圧を低電圧化することが可能になり、省電力化を図ることができる。 According to this invention, the 1st electrode and the 2nd electrode arranged above have an uneven structure corresponding to the up-and-down direction, and the 1st electrode and the 2nd electrode are relative to the up-and-down direction. By moving, the opposing area between the first electrode and the second electrode can be increased by the concavo-convex structure to enhance the driving force based on the electrostatic force, and the second electrode is disposed above the first electrode. Therefore, it is possible to reduce the planar projection area on the substrate as compared with the conventional configuration in which the driving electrode and the movable electrode having a comb-tooth structure are arranged on a plane. Therefore, the parasitic capacitance between the electrode structure and the semiconductor substrate can be reduced. Therefore, when the drive voltage is applied to generate an electrostatic force and the first electrode and the second electrode are moved relatively to take out the output caused by the variable capacitance, the output can be efficiently obtained. The drive voltage can be lowered, and power saving can be achieved.
この場合に、上記の電極間の相対的移動方向が半導体基板の表面に直交する方向であることが望ましいが、本発明は、これに限られるものではなく、上下方向の移動成分を有するものを広く包含する。すなわち、上下方向の移動成分を有するものであれば、半導体基板の表面に対して斜めに移動するものであっても構わない。 In this case, it is desirable that the relative movement direction between the electrodes is a direction perpendicular to the surface of the semiconductor substrate, but the present invention is not limited to this, and has a movement component in the vertical direction. Widely encompass. That is, as long as it has a moving component in the vertical direction, it may move obliquely with respect to the surface of the semiconductor substrate.
本発明において、前記第1電極と前記第2電極の少なくともいずれか一方に他方が上方若しくは下方から挿入可能に構成された凹穴が設けられていることが好ましい。第1電極と第2電極のうち一方の電極に凹穴が設けられ、この凹穴に他方の電極が嵌合するように構成されているので、両電極が2次元的に噛み合う構造となることから、両電極間の対向面積を増大させることができるため、さらに駆動力を増強できる。 In the present invention, it is preferable that at least one of the first electrode and the second electrode is provided with a concave hole configured such that the other can be inserted from above or below. Since one of the first electrode and the second electrode is provided with a concave hole, and the other electrode is fitted into the concave hole, the two electrodes are two-dimensionally engaged. Therefore, since the facing area between both electrodes can be increased, the driving force can be further increased.
本発明において、前記第1電極が前記半導体基板上に固定され、前記第2電極が可動に構成されていることが好ましい。これによれば、下方に配置された第1電極が半導体基板上に固定され、その上方に配置された第2電極が可動に構成されているため、構造を簡易に構成することが可能になり、半導体基板上に構成された薄膜構造によって第1電極及び第2電極を構成する場合には、通常の薄膜製造プロセスによってきわめて容易に製造することが可能になる。 In the present invention, it is preferable that the first electrode is fixed on the semiconductor substrate and the second electrode is configured to be movable. According to this, since the 1st electrode arrange | positioned below is fixed on the semiconductor substrate and the 2nd electrode arrange | positioned above it is comprised movably, it becomes possible to comprise a structure simply. When the first electrode and the second electrode are formed by a thin film structure formed on a semiconductor substrate, the first electrode and the second electrode can be manufactured very easily by a normal thin film manufacturing process.
本発明において、前記第2電極は、弾性変形部を介して前記半導体基板に固定されていることが好ましい。これによれば、弾性変形部を設けることによって第2電極の移動方向や移動量の精度を高めることが可能になる。 In the present invention, it is preferable that the second electrode is fixed to the semiconductor substrate via an elastic deformation portion. According to this, it is possible to improve the accuracy of the moving direction and the moving amount of the second electrode by providing the elastically deforming portion.
本発明において、前記静電力として静電斥力のみを及ぼすように構成されていることが好ましい。これによれば、静電力が生じていない状態では第1電極と第2電極とが最も接近した状態となるので駆動電圧を上げなくても駆動初期の駆動力を大きくすることができる。また、静電力が発生しているときには静電斥力のみが及ぼされることによって第1電極と第2電極とが常に初期状態よりも相互に離れた状態となっているため、第1電極と第2電極の間の静電容量が小さくなることから、相対的に駆動時における静電容量の変化量の割合をさらに大きくすることができる。したがって、駆動電圧を印加して静電力を発生させ、第1電極と第2電極とを相対的に移動させて静電容量の変化に起因する出力を取り出す場合に当該出力を効率的に得ることができることから、駆動電圧を低電圧化することが可能になり、省電力化を図ることができる。また、静電斥力のみで駆動することから、駆動電圧が過剰となっても電極間の衝突が発生することがないため、過電圧駆動による短絡破壊対策が不要になるという利点もある。 In the present invention, the electrostatic force is preferably configured to exert only an electrostatic repulsive force. According to this, since the first electrode and the second electrode are in the closest state when no electrostatic force is generated, the driving force at the initial stage of driving can be increased without increasing the driving voltage. Further, since only the electrostatic repulsive force is exerted when the electrostatic force is generated, the first electrode and the second electrode are always separated from each other than the initial state. Since the capacitance between the electrodes is reduced, the rate of change in capacitance during driving can be further increased. Therefore, when the drive voltage is applied to generate an electrostatic force and the first electrode and the second electrode are moved relatively to take out the output resulting from the change in capacitance, the output can be efficiently obtained. Therefore, it is possible to reduce the drive voltage and to save power. In addition, since driving is performed only by electrostatic repulsion, collision between electrodes does not occur even if the driving voltage becomes excessive, and there is an advantage that a countermeasure against short circuit destruction by overvoltage driving becomes unnecessary.
上記の各発明においては、前記第1電極と前記第2電極の間の静電容量の変化に基づく電気信号を出力可能に構成されていることが好ましい。これによれば、電極間の相対的移動状態を電気的に出力することができるため、電気的に電極の移動速度や位置関係を観測したり、相対的移動状態に起因する電気的な周波数特性を獲得したりすることができる。 In each of the above inventions, it is preferable that an electrical signal based on a change in capacitance between the first electrode and the second electrode can be output. According to this, since the relative movement state between the electrodes can be electrically output, the movement speed and positional relationship of the electrodes can be electrically observed, or the electrical frequency characteristics resulting from the relative movement state Or earn.
また、前記静電力に基づいて前記第1電極と前記第2電極とを相対的に振動させるように構成されていることが好ましい。これによって電極間の相対振動に応じた波形を有する電気信号を出力することが可能になるため、周波数フィルタや共振子などとして用いることのできる静電振動子を構成することができる。 Further, it is preferable that the first electrode and the second electrode are relatively vibrated based on the electrostatic force. As a result, an electric signal having a waveform corresponding to the relative vibration between the electrodes can be output, so that an electrostatic vibrator that can be used as a frequency filter, a resonator, or the like can be configured.
次に、添付図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。以下に説明する各実施形態は、微小可動構造体及びこれを備えた半導体装置であり、いわゆるMEMS(Micro Electro Mechanical System)として構成されるものである。 Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Each embodiment described below is a micro movable structure and a semiconductor device including the same, and is configured as a so-called MEMS (Micro Electro Mechanical System).
[第1実施形態]
最初に、図1及び図2を参照して本発明に係る第1実施形態の微小可動構造体100について説明する。図1は微小可動構造体100の相互に直交する平面で切断した断面を示す概略縦断面図(a)及び(b)、図2(a)は微小可動構造体100の概略斜視図である。
[First Embodiment]
First, with reference to FIG.1 and FIG.2, the micro
この微小可動構造体100は、シリコン基板などで構成される基板101の上にSiO2などで構成される絶縁膜102が形成され、その上に、ポリシリコンなどで第1電極層110及び第2電極層120が形成されている。ここで、絶縁膜102は基板101と第1電極層110及び第2電極層120とを電気的に絶縁するためのものであり、上記基板101が絶縁基板であったり真性半導体であったりする場合には形成しなくてもよい。
In this micro
第1電極層110は、基板101(絶縁膜102)に固定されている。第1電極層110には、上方に開口してなる凹穴110aが設けられている。図示例では、図1(b)に示すように、凹穴110aが複数設けられている。これらの凹穴110aは基板110の表面上において一列に配列されている。
The
第2電極層120は、基板101(絶縁膜102)上に固定された基部121と、この基部121に基端が接続された弾性支持部122と、弾性支持部122の先端に接続された第2電極123とを有する。弾性支持部122は、基部121から基板101の表面に平行に伸びる水平部と、この水平部と第2電極123との間に接続され、水平部に対して屈折して基板101の表面に直交する垂直部とを有する。ただし、弾性支持部122の形状は図示例に示す形状に限らず、基部121と第2電極123との間において斜めに伸びるように構成されていても構わない。
The
第2電極123は上記第1電極層110の上方に配置されている。この第2電極123には、下方に伸びる凸部123aが設けられ、この凸部123aが上記第1実施形態の凹穴110aの内部に挿入されるように構成されている。凸部123aは複数設けられ、個々の凸部123aが複数の凹穴110aのそれぞれに一つずつ嵌合するように構成されている。凸部123aと凹穴110aとの間には相互に間隙が存在する。より具体的には、凸部123aの外側面と凹穴110aの内側面との間には間隙が存在し、また、凸部123aの端面と凹穴110aの内底面との間にも間隙が存在する。
The
第2電極123は、上記弾性支持部122が撓むことによってほぼ垂直方向に移動可能に構成されている。これによって、凸部123aは凹穴110aに対して出入りする形で嵌合状態が変化するようになっている。より具体的には、第2電極123aが上下に移動することによって、凸部123aの凹穴110aに対する挿入深さが増減するようになっている。すなわち、凸部123aの端面と凹穴110aの内底面との間隔が増減するようになっている。第2電極123の移動方向は、必ずしも基板101の表面に対して直交する方向でなくてもよく、第2電極が基板表面に対して斜めに上下動するように構成されていてもよい。すなわち、第2電極123の移動方向は、基板101の表面に対して直交する直交成分を有するものであればよい。この場合、第1電極と第2電極において相互に対応するように設けられる凹凸構造もまた、電極間の相対的移動方向に対応して斜めに対向配置されたものであることが好ましい。
The
本実施形態では、第1電極層110と第2電極123とが相互に相手方に対向する面状に凹凸形状を有し、この凹凸形状が相互に噛み合うように嵌合する構造、すなわち櫛歯構造を有している。また、本実施形態では、第1電極層110に複数の凹穴110aが設けられ、これに対応して第2電極123にも複数の凸部123aが設けられている。ただし、凹穴や凸部の数は任意であり、一つずつであっても構わない。また、第2電極123にも凹穴を設け、第1電極層にはこれに対応する凸部を設けるようにしてもよい。
In the present embodiment, the
本実施形態では、第1電極層110の凹穴110aと、第2電極123の凸部123aとが相互に上下方向に対応する凹凸構造を構成しているので、第1電極層110と第2電極123との間の対向面積を大きくすることができるため、両電極に所定の電位を供給することによって電極間に静電力を発生させた場合、この静電力に基づく駆動力を大きく得ることができる。
In the present embodiment, since the
特に、第1電極層110と第2電極層123との間に電圧が印加されていない基準状態で、第1電極層110と第2電極層123とが相互に噛合する態様で対向配置され、或いは、第1電極層110と第2電極層123の少なくともいずれか一方が他方に挿入された構造を有するので、電極間に静電力が働いていない基準状態においても、第1電極層110と第2電極層123とが相互に噛合する態様で対向配置され、或いは、第1電極層110と第2電極層123のうち少なくともいずれか一方が他方に挿入されているため、さらに第1電極層110と第2電極層123の相互間隔が小さく、かつ、それらの対向面積が大きくなるので、電極間に働く静電力が大きくなり、これによって、第2電極層123の応答性や出力信号のS/N比を向上させることができ、また、入力信号の低電圧化或いは省電力化を図ることができる。
In particular, in a reference state in which no voltage is applied between the
また、本実施形態では、第1電極層110の上方に第2電極123が配置されているため、それぞれが櫛歯状に構成された駆動電極と可動電極とが基板表面上に平面的に配置されている場合に較べて、両電極と基板101との間の静電容量を小さくすることができる。
In the present embodiment, since the
図2(b)は、上記実施形態の変形例を示す概略斜視図である。上記実施形態では、第1電極層110に凹穴110aを形成し、第2電極123に凹穴110aに対応する凸部123aを設けているが、この変形例の微小可動構造体100′では、第1電極層110′には両端が開いた形状の凹溝110a′が設けられている一方、第2電極123′には上記凹溝に対応する凸リブ123a′が形成されている。このような構成でも、第1電極層と第2電極に相互に上下方向に対応する凹凸構造が設けられているので、静電力に基づく駆動力を確保することができる。なお、この変形例でも、第1電極層110′と第2電極層123′との間に電圧が印加されていない基準状態で、第1電極層110′と第2電極層123′とが相互に噛合する態様で対向配置され、或いは、第1電極層110′と第2電極層123′の少なくともいずれか一方が他方に挿入された構造を有することが望ましい。
FIG. 2B is a schematic perspective view showing a modification of the embodiment. In the above embodiment, the
次に、図3を参照して、上記第1実施形態の微小可動構造体の製造方法について説明する。図3は、製造方法を示す概略工程断面図(a)〜(c)であり、各工程(a)〜(c)のそれぞれにおいて左側に図1(a)に対応する断面図を示し、右側に図1(b)に対応する断面図を示してある。 Next, with reference to FIG. 3, the manufacturing method of the micro movable structure of the first embodiment will be described. FIG. 3 is a schematic process cross-sectional view (a) to (c) showing a manufacturing method, and in each of the processes (a) to (c), a cross-sectional view corresponding to FIG. 1 shows a cross-sectional view corresponding to FIG.
上記の微小可動構造体100を製造する場合には、最初に、図3(a)に示すように基板101の表面上に熱酸化、塗布焼成処理、蒸着やスパッタリングなどによりSiO2などの絶縁膜102を形成する。この絶縁膜202は、基板101が或る程度導電性を有する場合に、基板101と、上記の第1電極層110及び第2電極層120で構成される構造との間の絶縁を確保するためのものである。したがって、基板101が絶縁基板や真性半導体基板である場合には絶縁膜102はなくてもよい。基板101は回路構造を一体に構成する上では例えばシリコン基板などの半導体基板であることが好ましい。
When manufacturing the micro
次に、基板101(絶縁膜102)上に第1電極層110を所定領域に形成する。この第1電極層110は、所定の構造層をパターニングした後に、マスクなどを介してエッチングすることにより凹穴110aを形成してもよく、また、複数の構造層を積み上げるようにして形成してもよい。後者の場合には、凹穴110aを設ける領域に犠牲層を形成し、第1電極層110を形成した後にこの犠牲層を除去することによって形成してもよい。犠牲層は第1電極層110を構成する素材に対して高い選択性をもって除去できる素材であればよく、PSG(燐ドープガラス)などの無機材料やレジストその他の合成樹脂などで形成できる。また、第1電極層110を構成する素材は、例えばポリシリコン(多結晶シリコン)で構成される。いずれにしても、この工程は、第1電極層110の成膜段階(蒸着、スパッタリング、塗布など)とパターニング段階(フォトリソグラフィ法やエッチングなど)によって実施される。
Next, the
次に、図3(b)に示すように、上記第1電極層110の上に犠牲層105が形成される。この犠牲層105は、第1電極層110の上面を覆い、さらにこの第1電極層110を平面的に外れた位置まで広がるように形成される。犠牲層105は上記の犠牲層と同様の素材で構成できる。この犠牲層105は第1電極層110の凹穴110aの内面、すなわち、内側面及び内底面をも所定の厚さで覆うように構成される。
Next, as shown in FIG. 3B, a
次に、図3(c)に示すように、上記の犠牲層105の上に第2電極層120を形成する。この第2電極層120は、第1電極層110の上方にある犠牲層105上の領域から、第1電極層110の形成されていない範囲の犠牲層105上の領域を経て、犠牲層105の形成領域から外れた領域まで広がるように構成される。そして、犠牲層105から外れた領域に形成された部分が上記の基部121となり、第1電極層110の形成されていない範囲の犠牲層105上の領域に形成された部分が上記の弾性支持部122となり、第1電極層110の上方にある犠牲層105上の領域に形成された部分が上記の第2電極123となる。このとき、凸部123aは、凹穴110aの内部において犠牲層105によって第1電極層110と所定の間隔を有するように形成される。
Next, as shown in FIG. 3C, the
その後、上記犠牲層105をウエットエッチングなどによって除去することにより、図1に示す構造が形成される。このとき、犠牲層105は図2(a)に示すように第2電極層120の外周部において露出しているため、この露出部分を通して除去される。なお、この犠牲層105の除去を容易にするために、第2電極層120の形状を変更してもよい。例えば、第2電極123を複数に分割された形状としたり、弾性支持部122を複数に分割された構造にしたりすることによって、複数の第2電極間や弾性支持部間に間隙が構成されるので、この間隙を通して犠牲層をより容易に除去することが可能になる。
Thereafter, the
なお、図3(c)に示す工程において上記第2電極層120の弾性支持部122に相当する部分を除去し、この除去部分に別の素材で成膜処理を施すことによっても、上記の弾性支持部122を構成することができる。このようにすると、弾性支持部122を、基部121や第2電極123とは別の素材、例えば、金属薄膜などで構成することができる。
3C, the portion corresponding to the
図4には、上記微小可動構造体100における基板101上に構成された上記第1電極層110及び第2電極層120で構成される構造の等価回路を示す。ここで、Caは第1電極層と第2電極層との間の静電容量の変動成分、Rは抵抗(損失)、Lはインダクタンス、Coは静電容量の定常成分である。ここで、Ca,Coは、電極間の静電容量、上記構造と基板101との間の静電容量などに基づくものである。また、静電容量の変動成分Caは、第1電極層と第2電極層の相対的移動に起因するもの、典型的には電極間のギャップ変化に起因するものである。
FIG. 4 shows an equivalent circuit of a structure configured by the
この微小可動構造体、特に振動子として構成した場合の性能は、上記静電容量の変動成分と定常成分の比γ=Ca/Coによって大きく影響を受ける。このγ値が大きくなると、静電容量の変動成分Caによる充放電電流が大きくなるので、駆動電圧(励振電圧)が低くても出力電位を大きくすることができる。したがって、駆動電圧を低電圧化することが可能になるため、省電力化を図ることができる。 The performance of this micro movable structure, particularly when configured as a vibrator, is greatly influenced by the ratio γ = Ca / Co of the capacitance fluctuation component and the steady component. When this γ value increases, the charge / discharge current due to the capacitance fluctuation component Ca increases, so that the output potential can be increased even when the drive voltage (excitation voltage) is low. Accordingly, the drive voltage can be lowered, and power saving can be achieved.
図5は、上記実施形態の微細可動構造体100に接続された回路構造の具体例を示すものである。この回路構造は、交流電源E、負荷抵抗RL、直流バイアス電圧Vdcを含む。交流電源Eは第1電極層110に接続され、直流バイアス電圧Vdcは第2電極123に接続されている。交流電源Eにより所定の交流電位viを第1電極に印加すると、第1電極と第2電極は静電力の変動によって相対的に振動する。そして、この機械的振動によって電極間ギャップが変化するため、電極間の静電容量Csが変動するので、上記の機械的振動と同期して直流バイアス電圧Vdcに基づいて負荷抵抗RLを流れる電流が変動し、これによって出力端子Voの電位が振動し、機械的振動に対応した振動波形が出力される。このような回路構造の構成は一例であり、他の適宜の回路構成を採用することができる。また、通信回路などの種々の電子回路内に上記振動子構造を組み込む形で構成することも可能である。
FIG. 5 shows a specific example of a circuit structure connected to the fine
図6は、上記微小可動構造体100における第1電極層110の駆動波形A、第2電極123の駆動波形B及び第1電極層110と第2電極123の間の電位差Cの時間変動を示すグラフである。一般的に静電アクチュエータは電極間の静電引力によって動作するように構成されているが、本実施形態において、電極間に静電斥力を発生させるように駆動することもできる。図6に示す駆動方法は、静電斥力によって駆動する態様の一例を示す片側バイアス駆動であり、第1電極層110には正の交流電圧+Vaを印加し、第2電極123には、交流電圧+Vaと同極性(正)の直流電圧+Vdを印加する。これによって、第1電極層110と第2電極123の間には静電斥力が発生し、電位差Cの増減に従って静電斥力が増減することによって、第2電極123が振動する。
FIG. 6 shows temporal fluctuations of the driving waveform A of the
図7は、上記とは異なる駆動態様を示すグラフである。このグラフでは、駆動波形A,Bの同極性の交流電圧+Va,+Va′と、これらの駆動波形A,Bを第1電極層110と第2電極123とにそれぞれ印加したときの電極間の電位差Cを示す。この駆動方法は位相差駆動であり、同極性の交流波形を相互に僅かに位相をずらして両電極に印加することにより、電極間に周期的に変動する電位差Cが生ずるので、第1電極層110と第2電極層123の間の静電斥力が増減し、これによって第2電極123が振動する。
FIG. 7 is a graph showing a driving mode different from the above. In this graph, AC voltages + Va, + Va ′ having the same polarity in the driving waveforms A, B and the potential difference between the electrodes when the driving waveforms A, B are applied to the
上記のいずれの駆動方法であっても、電極間に生じた静電斥力によって駆動されるので、静電力が発生していない初期状態において第1電極層110と第2電極123とが最も接近しており、上記のように常時同極性の電圧が印加されている状態では、静電斥力によって電極間の距離は初期状態よりも常に大きくなっている。したがって、駆動前は初期状態であるから電極間隔が小さいため、より小さな駆動電圧であっても駆動を開始することができ、駆動中には、電極間隔が大きくなっているため、静電容量の定常成分Coが小さくなることから、上記γ値を大きくすることができる。したがって、駆動電圧を低電圧化することが可能になり、省電力化を図ることができる。また、初期状態において電極間隔が最小になることから、駆動電圧が過剰になったときに両電極が衝突するなどの事故を防止することができる。換言すれば、過電圧駆動による電極の短絡破壊を防止することができ、当然のことながら、このような短絡破壊対策を別途講ずる必要もなくなる。
In any of the above driving methods, the
尚、上記第1実施形態では、第1電極を基板に固定し、第2電極を可動に構成しているが、第1電極を可動に構成し、第2電極を基板に固定しても構わないし、第1電極と第2電極の双方を可動に構成してもよい。また、上記実施形態は基本的に高周波フィルタや共振子などとして用いられる振動子として構成する場合について述べたが、本発明に係る微小可動構造体は、振動子に限らず、各種の駆動源として用いられる静電アクチュエータ、光伝播路を切り換えるための光スイッチ、反射角度を可変に構成したマイクロミラーデバイスなど、種々の微小静電動作機構として用いることができる。 In the first embodiment, the first electrode is fixed to the substrate and the second electrode is movable. However, the first electrode may be movable and the second electrode may be fixed to the substrate. Alternatively, both the first electrode and the second electrode may be configured to be movable. Moreover, although the said embodiment described the case where it comprised as a vibrator | oscillator fundamentally used as a high frequency filter, a resonator, etc., the micro movable structure concerning this invention is not restricted to a vibrator | oscillator, but as various drive sources. It can be used as various micro electrostatic operation mechanisms such as an electrostatic actuator used, an optical switch for switching light propagation paths, and a micromirror device having a variable reflection angle.
[第2実施形態]
次に、添付図面を参照して本発明の第2実施形態について詳細に説明する。最初に、図8及び図9を参照して本発明に係る第1実施形態と同様の微小可動構造体を有する半導体装置について説明する。図8(a)及び(b)は微小可動構造体100を有する半導体装置の相互に直交する平面で切断した断面を示す概略縦断面図、図9(a)及び(b)は微小可動構造体100,100′を有する半導体装置の概略斜視図である。ここで、本実施形態では、第1実施形態の基板101がシリコン基板などで構成される半導体基板101′である点を除き、上記と同様であるため、同一部分には同一符号を付し、それらの説明は省略する。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. First, a semiconductor device having a micro movable structure similar to that of the first embodiment according to the present invention will be described with reference to FIGS. FIGS. 8A and 8B are schematic longitudinal sectional views showing a cross section of the semiconductor device having the micro
本実施形態においては、図8及び図9に示すように、半導体基板101′(絶縁膜102)と微小可動構造体100の接合する領域の半導体基板101′の裏面は、絶縁膜102まで刳り抜かれ、凹部107が形成されている。
In this embodiment, as shown in FIGS. 8 and 9, the back surface of the
次に、図10を参照して、上記実施形態の微小可動構造体の製造方法について説明する。図10は、製造方法を示す概略工程断面図(a)〜(d)であり、各工程(a)〜(d)のそれぞれにおいて左側に図8(a)に対応する断面図を示し、右側に図8(b)に対応する断面図を示してある。ここで、図10(a)〜(c)に示す各工程は、上記第1実施形態で説明した各工程と同一であるので、対応する部分には同一符号を付し、それらの説明は省略する。 Next, with reference to FIG. 10, the manufacturing method of the micro movable structure of the said embodiment is demonstrated. FIG. 10 is a schematic process cross-sectional view (a) to (d) showing the manufacturing method. In each of the processes (a) to (d), a cross-sectional view corresponding to FIG. FIG. 8 shows a cross-sectional view corresponding to FIG. Here, since each process shown in FIGS. 10A to 10C is the same as each process described in the first embodiment, corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted. To do.
図10(a)〜(c)に示す工程により第1実施形態と同じ微小可動構造体100が形成された後、図10(d)に示すように微小可動構造体100が形成された領域の半導体基板101′の裏面を絶縁膜102まで刳り抜いて凹部107を形成する。刳り抜きは、刳り抜かない部分にレジストを形成して、ウエットエッチングやドライエッチングによって行うことができる。エッチングストップは、半導体基板101と絶縁膜102のエッチングレートの違いによって行う。従って、エッチングレートの違いの大きい、つまり選択比の大きなエッチングを行うのが好ましい。
After the same micro
例えば、ウエットエッチングとしては、KOHやTMAH溶液(水酸化テトラメチルアンモニウム)が使用できる。また、ドライエッチングとしては、RIE(リアクティブ・イオン・エッチング)やRIE(リアクティブ・イオン・エッチング)とCDE(ケミカル・ドライ・エッチング)のコンビネーションによるエッチングが使用できる。 For example, KOH or TMAH solution (tetramethylammonium hydroxide) can be used for wet etching. As dry etching, RIE (reactive ion etching) or etching by a combination of RIE (reactive ion etching) and CDE (chemical dry etching) can be used.
さらに、レジストの形成を行わないで、FIB(収束イオンビーム)加工による刳り抜き又はレーザーによる刳り抜き等で凹部107を形成することも可能である。
Furthermore, it is also possible to form the
半導体基板101の刳り抜きは、微小可動構造体100の形成前、微小可動構造体100の形成後のいずれで行っても良い。微小可動構造体100と回路を、例えばワイヤーボンディングやハンダバンプや金属バンプで接合する場合には、接合時の圧力に対する半導体基板101の強度を考慮すると、微小可動構造体100と回路を接合後に刳り抜きによる凹部107の形成を行うのが望ましい。
The
この半導体装置の等価回路は、上記第1実施形態の等価回路と同じであり、図4に示されている。上述と同様に、この微小可動構造体、特に振動子として用いた場合の性能は、上記静電容量の可変成分と定常成分(寄生容量を含む)の比γ=Ca/(Co+Cp)によって大きく影響を受ける。このγ値が大きくなると、静電容量の可変成分Caによる充放電電流が大きくなるので、駆動電圧(励振電圧)が低くても出力電位を大きくすることができるため、出力信号のS/N比が高くなる。したがって、駆動電圧を低電圧化することが可能になるため、省電力化を図ることができる。特に、本実施形態では、微小可動構造体100が形成された領域の半導体基板101の裏面が刳り抜かれているため、絶縁膜102を介した第1電極110及び第2電極120と半導体基板101との間の寄生容量であるCpを小さくすることができる。その結果、振動子としての性能をさらに高めることができる。
The equivalent circuit of this semiconductor device is the same as the equivalent circuit of the first embodiment and is shown in FIG. As described above, the performance of this micro movable structure, particularly when used as a vibrator, is greatly influenced by the ratio γ = Ca / (Co + Cp) of the variable component of the capacitance and the steady component (including parasitic capacitance). Receive. When this γ value increases, the charge / discharge current due to the capacitance variable component Ca increases, so that the output potential can be increased even when the drive voltage (excitation voltage) is low, so the S / N ratio of the output signal. Becomes higher. Accordingly, the drive voltage can be lowered, and power saving can be achieved. In particular, in this embodiment, since the back surface of the
図11は、本実施形態の微小可動構造体100のインピーダンスの周波数特性を、模式的に示した図である。点線は、微小可動構造体100が形成された領域の半導体基板101′の裏面を刳りぬいて凹部107を形成しない状態での周波数特性を表し、実線は、半導体基板101′の裏面を刳りぬいた状態での周波数特性を表す。半導体基板101の裏面を刳りぬいた場合、第1電極110及び第2電極120と半導体基板101との寄生容量であるCpが減少して、共振周波数でのインピーダンス変化が大きくなり、振動子としてさらに利用しやすくなる。
FIG. 11 is a diagram schematically showing the frequency characteristics of the impedance of the micro
なお、本実施形態の微小可動構造体100に接続された回路構造の具体例は、上記第1実施形態と同様に図6に示されている。この回路構造については第1実施形態で説明した内容と同様であるので、説明を省略する。また、上記微小可動構造体100の駆動波形についても、図7及び図8に示すものと同様であるので、説明を省略する。
A specific example of the circuit structure connected to the minute
[第3実施形態]
図12には、さらに異なる第3実施形態について説明する。この第3実施形態は、上記の第1実施形態と同様の微小可動構造体100を含み、上記の第2実施形態と同様に半導体基板101″の一部を繰り抜いたものであるが、上記第2実施形態とは異なり、第1電極110及び基部121と半導体基板101″(絶縁膜102)の接合する部分のみ半導体基板101″を刳り抜いた構造を備えている。具体的には、上記第1電極層110と接合する部分が刳り抜かれることにより凹部107′が設けられ、上記基部121に接合する部分が刳り抜かれることにより凹部107″が設けられている。刳り抜きは、接合する部分の一部分でも構わないが、接合する部分の全体を刳り抜けば、電極と半導体基板101″の絶縁膜102を介した寄生容量低減に効果的である。また、第1実施形態のように接合部分以外も刳り抜けば、寄生容量の低減に効果があるが、本実施形態では半導体基板の強度等も考慮して刳り抜く領域を選択している。すなわち、最も効果の高い上記接合する部分のみにおいて半導体基板101″を刳り抜くことにより、基板の剛性を確保しつつ、寄生容量を効率的に低減できる。
[Third Embodiment]
FIG. 12 illustrates still another third embodiment. The third embodiment includes a micro
[変形例1]
上記各実施形態では、第1電極を基板に固定し、第2電極を可動に構成しているが、第1電極を可動に構成し、第2電極を基板に固定しても構わないし、第1電極と第2電極の双方を可動に構成してもよい。また、上記実施形態は基本的に高周波フィルタや共振子などとして用いられる振動子として構成する場合について述べたが、本発明に係る微小可動構造体及び半導体装置は、振動子に限らず、各種の駆動源として用いられる静電アクチュエータ、光伝播路を切り換えるための光スイッチ、反射角度を可変に構成したマイクロミラーデバイスなど、種々の微小静電動作機構として用いることができる。
[Modification 1]
In each of the above embodiments, the first electrode is fixed to the substrate and the second electrode is movable. However, the first electrode may be movable and the second electrode may be fixed to the substrate. Both the first electrode and the second electrode may be configured to be movable. Moreover, although the said embodiment described the case where it comprised as a vibrator | oscillator fundamentally used as a high frequency filter, a resonator, etc., the micro movable structure and semiconductor device which concern on this invention are not restricted to a vibrator | oscillator, but various kinds. It can be used as various micro electrostatic operation mechanisms such as an electrostatic actuator used as a drive source, an optical switch for switching a light propagation path, and a micromirror device having a variable reflection angle.
[変形例2]
半導体装置の基板は、シリコン以外のGaAs,SiGe等でも適用可能であり、構造体もシリコンに限定されることなく、GaAs,SiGe等でも形成可能である。
[Modification 2]
The substrate of the semiconductor device can be applied to GaAs, SiGe, or the like other than silicon, and the structure is not limited to silicon, and can be formed of GaAs, SiGe, or the like.
[変形例3]
上記各実施形態は、振動体を備えた半導体装置であれば適用可能である。例えば、リニア型、屈曲型、屈曲改良型、径振動基本型などの構造を持つものにも適用できる。
[Modification 3]
Each of the above embodiments can be applied to any semiconductor device provided with a vibrating body. For example, the present invention can be applied to a structure having a linear type, a bent type, a bent improved type, a radial vibration basic type, or the like.
[変形例4]
上記実施形態の絶縁膜は、酸化シリコンに限定されず絶縁膜であれば適用可能である。例えば、窒化シリコン等の半導体製造で使用される絶縁膜であれば好ましい。
[Modification 4]
The insulating film of the above embodiment is not limited to silicon oxide, and any insulating film can be applied. For example, an insulating film used in semiconductor manufacturing such as silicon nitride is preferable.
[第4実施形態]
次に、図13を参照して、本発明に係る第4実施形態について説明する。この実施形態では、上記各実施形態と同様の微小可動構造体100が含まれるが、この微小可動構造体100の形成される半導体基板201が上記各実施形態とは異なる構造を有する。半導体基板201の表面には、上記微小可動構造体100の形成範囲に設けられた表面凹部201a,201bが設けられ、この表面凹部201a,201b上に、空間を介して上記と同様の絶縁膜102が形成され、この絶縁膜102上に上記微小可動構造体100が形成されている。
[Fourth Embodiment]
Next, a fourth embodiment according to the present invention will be described with reference to FIG. In this embodiment, the micro
この実施形態では、上記表面凹部201a,201bが形成されていることにより、上記微小可動構造体100と半導体基板201との間に空間(空洞)が設けられるため、微小可動構造体100(の第1電極110及び基部121)と半導体基板201との間で発生する寄生容量が低減される。
In this embodiment, since the surface recesses 201a and 201b are formed, a space (cavity) is provided between the micro
上記の構造を形成するには、例えば、半導体基板201の表面に選択的エッチング(ウエットエッチング若しくはドライエッチングなどの)処理、或いは、選択的積層処理などを施すことによって表面凹部201a,201bを形成し、この表面凹部に充填される態様で犠牲層を形成した後に、上記絶縁膜102を形成し、しかる後に、上記犠牲層をエッチングなどによって除去すればよい。
In order to form the above structure, for example, the surface recesses 201a and 201b are formed by performing selective etching (such as wet etching or dry etching) processing or selective stacking processing on the surface of the
この実施形態によれば、半導体基板201を完全に刳り抜かなくても、上記寄生容量を低減することができるので、半導体基板201を完全に刳り抜くための長時間のエッチング処理が不要になり、製造時間を短縮することができるとともに、半導体基板201の剛性が低下することを抑制できる。
According to this embodiment, since the parasitic capacitance can be reduced without completely hollowing out the
なお、この実施形態において、上記表面凹部201a,201bは、微小可動構造体100(の第1電極110及び基部121)と半導体基板201とが接合する部分を含み、それよりも広い範囲に形成されていてもよく、当該接合する部分のみに形成されていてもよく、当該接合する部分のさらに一部のみに形成されていてもよい。
In this embodiment, the surface recesses 201a and 201b include a portion where the micro movable structure 100 (the
[第5実施形態]
最後に、図14を参照して、本発明に係る第5実施形態について説明する。この実施形態では、上記第4実施形態と同様の半導体基板201が設けられる。すなわち、半導体基板201の表面には、上記微小可動構造体100の形成範囲に設けられた表面凹部201a,201bが設けられている。但し、この実施形態では、表面凹部201a,201bの内部を埋め、しかも、半導体基板201の表面上にも配置される態様で、絶縁膜202が形成され、この絶縁膜202上に上記微小可動構造体100が形成されている。
[Fifth Embodiment]
Finally, a fifth embodiment according to the present invention will be described with reference to FIG. In this embodiment, the
この実施形態では、上記表面凹部201a,201bが形成されていることにより、上記微小可動構造体100と半導体基板201との間の絶縁膜202の厚さが大きくなっているため、微小可動構造体100(の第1電極110及び基部121)と半導体基板201との間で発生する寄生容量が低減される。
In this embodiment, since the surface recesses 201a and 201b are formed, the thickness of the insulating
上記の構造は、例えば、半導体基板201の表面に選択的エッチング(ウエットエッチング若しくはドライエッチングなどの)処理、或いは、選択的積層処理などを施すことによって表面凹部201a,201bを形成し、この表面凹部に充填される態様で絶縁膜を形成した後に、さらに絶縁膜を積層することによって上記絶縁膜202を形成する。
In the above structure, for example, the surface recesses 201a and 201b are formed by subjecting the surface of the
この実施形態によれば、微小可動構造体100と半導体基板201との間に空間を設けなくても、上記寄生容量を低減することができるので、微小可動構造体100の支持剛性を高めることができる。
According to this embodiment, since the parasitic capacitance can be reduced without providing a space between the minute
なお、この実施形態においても、上記表面凹部201a,201bは、微小可動構造体100(の第1電極110及び基部121)と半導体基板201とが接合する部分を含み、それよりも広い範囲に形成されていてもよく、当該接合する部分のみに形成されていてもよく、当該接合する部分のさらに一部のみに形成されていてもよい。これらの場合、絶縁膜202は上記表面凹部を埋めるように形成されていればよい。
Also in this embodiment, the surface recesses 201a and 201b include a portion where the micro movable structure 100 (the
尚、本発明の微小可動構造体は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。 The micro movable structure according to the present invention is not limited to the illustrated examples described above, and it is needless to say that various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
100,100′…微小可動構造体、101…基板、102…絶縁膜、110,110′…第1電極層、120,120′…第2電極層、121…基部、122…弾性支持部、123…第2電極、101′,101″,201…半導体基板、107,107′,107″…半導体基板を刳り抜くことにより形成された凹部、201a…表面凹部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 100,100 '... Minute movable structure, 101 ... Substrate, 102 ... Insulating film, 110, 110' ... 1st electrode layer, 120, 120 '... 2nd electrode layer, 121 ... Base, 122 ... Elastic support part, 123 ... second electrode, 101 ', 101 ", 201 ... semiconductor substrate, 107, 107', 107" ... concave portion formed by hollowing out semiconductor substrate, 201a ... surface concave portion
Claims (19)
前記第1電極の上方に前記第2電極が配置され、
前記第1電極と前記第2電極は相互に上下方向に対応する凹凸構造を有し、
前記第1電極と前記第2電極は上下方向に相対的に移動することを特徴とする微小可動構造体。 A first electrode formed on the substrate; and a second electrode disposed opposite to the first electrode, wherein at least one of the first electrode and the second electrode is configured to be movable, and the first electrode In the micro movable structure configured to move the first electrode and the second electrode relatively by generating an electrostatic force between the electrode and the second electrode,
The second electrode is disposed above the first electrode;
The first electrode and the second electrode have a concavo-convex structure corresponding to the vertical direction,
The micro movable structure characterized in that the first electrode and the second electrode move relatively in the vertical direction.
前記半導体基板上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜上に形成された第1電極と、前記第1電極に対向配置される第2電極とを有し、前記第1電極と前記第2電極の少なくとも一つを可動に構成し、前記第1電極と前記第2電極との間に静電力を発生させることにより、前記第1電極と前記第2電極が相対的に移動するように構成された微小可動構造体と、を具備し、
前記第1電極の上方に前記第2電極が配置され、
前記第1電極と前記第2電極は相互に上下方向に対応する凹凸構造を有し、
前記第1電極と前記第2電極は上下方向に相対的に移動することを特徴とする半導体装置。 A semiconductor substrate;
An insulating film formed on the semiconductor substrate;
A first electrode formed on the insulating film; and a second electrode disposed opposite to the first electrode, wherein at least one of the first electrode and the second electrode is configured to be movable, A micro movable structure configured to move the first electrode and the second electrode relatively by generating an electrostatic force between the first electrode and the second electrode, and
The second electrode is disposed above the first electrode;
The first electrode and the second electrode have a concavo-convex structure corresponding to the vertical direction,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the first electrode and the second electrode move relatively in the vertical direction.
絶縁膜と、
半導体基板とを備える半導体装置であって、
前記振動体と前記半導体基板が接合する領域の前記半導体基板裏面の少なくとも一部が刳り抜かれ、刳り抜かれた前記振動体と前記半導体基板の接合する領域が前記絶縁膜のみからなることを特徴とする半導体装置。 A vibrating body having an oscillating portion and an electrode that vibrate by an electrostatic force;
An insulating film;
A semiconductor device comprising a semiconductor substrate,
At least a part of the rear surface of the semiconductor substrate in a region where the vibrating body and the semiconductor substrate are bonded is hollowed out, and a region where the vibrating body and the semiconductor substrate are cut out is composed of only the insulating film. Semiconductor device.
半導体基板と、
前記振動体と前記半導体基板との間に形成された絶縁膜とを備える半導体装置であって、
前記振動体と前記半導体基板が接合する領域の前記半導体基板表面の少なくとも一部に表面凹部が設けられ、前記表面凹部が設けられた領域では他の領域よりも前記振動体と前記半導体基板との距離が離間していることを特徴とする半導体装置。 A vibrating body having an oscillating portion and an electrode that vibrate by an electrostatic force;
A semiconductor substrate;
A semiconductor device comprising an insulating film formed between the vibrator and the semiconductor substrate,
A surface recess is provided in at least a part of the surface of the semiconductor substrate in a region where the vibrating body and the semiconductor substrate are joined, and the region between the vibrating body and the semiconductor substrate is more than in other regions in the region where the surface recess is provided. A semiconductor device characterized in that the distance is separated.
前記微小可動構造体と前記半導体基板が接合する領域の前記半導体基板裏面の少なくとも一部が刳り抜かれ、刳り抜かれた部分の前記微小可動構造体と前記半導体基板の接合する領域が前記絶縁膜のみからなることを特徴とする半導体装置。 A first electrode formed on a semiconductor substrate; and a second electrode disposed opposite to the first electrode, wherein at least one of the first electrode and the second electrode is configured to be movable, A micro movable structure configured to move the first electrode and the second electrode relatively by generating an electrostatic force between the first electrode and the second electrode; and an insulating film. A semiconductor device,
At least a part of the back surface of the semiconductor substrate in the region where the micro movable structure and the semiconductor substrate are joined is hollowed out, and the region where the micro movable structure and the semiconductor substrate are joined in the hollowed out portion is only from the insulating film. A semiconductor device comprising:
前記微小可動構造体と前記半導体基板が接合する領域の前記半導体基板表面の少なくとも一部に表面凹部が設けられ、前記表面凹部が設けられた領域では他の領域よりも前記微小可動構造体と前記半導体基板との距離が離間していることを特徴とする半導体装置。 A first electrode formed on a semiconductor substrate; and a second electrode disposed opposite to the first electrode, wherein at least one of the first electrode and the second electrode is configured to be movable, A micro movable structure configured to move the first electrode and the second electrode relatively by generating an electrostatic force between the first electrode and the second electrode; the semiconductor substrate; A semiconductor device comprising an insulating film formed between the micro movable structure,
A surface concave portion is provided in at least a part of the surface of the semiconductor substrate in a region where the micro movable structure and the semiconductor substrate are joined, and the micro movable structure and the region are provided in the region where the surface concave portion is provided more than other regions. A semiconductor device characterized in that a distance from the semiconductor substrate is separated.
前記第1電極と前記第2電極は相互に上下方向に対応する凹凸構造を有し、
前記第1電極と前記第2電極は上下方向に相対的に移動することを特徴とする請求項11又は12に記載の半導体装置。 The second electrode is disposed above the first electrode;
The first electrode and the second electrode have a concavo-convex structure corresponding to the vertical direction,
The semiconductor device according to claim 11, wherein the first electrode and the second electrode move relatively in the vertical direction.
19. The semiconductor device according to claim 8, wherein the semiconductor device is configured to relatively vibrate the first electrode and the second electrode based on the electrostatic force. 19. .
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20071002 |