MEMS元件以及振动发电器件的制作方法

mems元件以及振动发电器件技术领域1.本发明涉及mems元件以及振动发电器件。背景技术：2.已知一种mems元件，其使用soi(silicon on insulator：绝缘体上硅)基板，在形成于硅基板上的氧化硅层等绝缘层上形成具有固定梳齿的固定部及具有可动梳齿的可动部。固定部及可动部分别至少一部分固定于绝缘层。在固定部形成有与电极端子连接的引线部。也有在包含引线部的固定部的周围形成外周固定图案的结构。3.固定部、可动部以及外周固定图案通过由蚀刻形成的窄幅的狭缝而被分离，并电绝缘。在通过蚀刻形成狭缝时，固定于绝缘层的固定部位被底切，因此，例如在如引线部等那样固定部位的宽度窄的部位，接合强度不足，从绝缘层浮起，或者因轻微的冲击固定部位破损。4.因此，需要应对因底切而导致的绝缘层的强度降低。5.虽然并不对应于引线部，而是涉及固定部与可动部之间的狭缝的形成方法，但已知有如下方法：在形成狭缝之后，在固定部的侧面形成保护膜，去除绝缘层。由此，防止固定部下的绝缘层的底切，确保固定部下的绝缘层的接合强度。以下示出该方法。6.首先，在包括狭缝部的固定部和可动部的整个面上涂敷光致抗蚀剂，对该光致抗蚀剂进行构图，通过rie(reactive ion etching：反应离子蚀刻)等除去固定部的周侧面以外的光致抗蚀剂。接着，通过氧等离子体等进行灰化，仅在与可动部相对的固定部的侧面残留光致抗蚀剂。之后，若进行使用了蚀刻液的湿蚀刻，则残留的光致抗蚀剂成为对于蚀刻的保护膜，阻止形成有保护膜的部分的蚀刻，能够防止固定部下部以及绝缘层的底切(例如，参照专利文献1)。7.现有技术文献8.专利文献9.专利文献1：日本特开2005-323039号公报10.专利文献2：日本特开2018-88780号公报技术实现要素：11.发明所要解决的课题12.在专利文献1所记载的方法中，由于处理工序长且复杂，因此生产率差，成本变高。13.用于解决课题的方案14.本发明的第一方案的mems元件具备：基座；绝缘层，其固定于所述基座的一面；第一上层，其至少一部分固定于所述绝缘层；以及第二上层，其以包围所述第一上层的周围的方式设置，且通过狭缝与第一上层分离地配置，所述第一上层具有向所述第二上层侧突出的突出部，所述突出部固定于所述绝缘层。15.根据本发明的第二方案，在第一方案的mems元件中，优选的是，所述第一上层包括引线部，所述突出部设置于所述引线部。16.根据本发明的第三方案，在第一或第二方案的mems元件中，优选的是，与所述狭缝对应的区域的所述绝缘层被去除，所述基座在所述绝缘层的厚度方向上从与所述狭缝对应的区域的至少一部分露出。17.根据本发明的第四方案，在第一至第三中的任一方案的mems元件中，优选的是，所述第二上层固定于所述绝缘层。18.根据本发明的第五方案，在第一至第四中的任一方案的mems元件中，优选的是，所述基座、所述第一上层以及所述第二上层由硅形成。19.根据本发明的第六方案，在第一至第五中的任一方案的mems元件中，优选的是，所述绝缘层由无机绝缘材料形成。20.根据本发明的第七方案，在第一至第六中的任一方案的mems元件中，优选的是，所述第一上层具有多个固定梳齿，与相邻形成的所述固定梳齿之间对应的区域的所述绝缘层被去除。21.本发明的第八方案的振动发电器件具备：第七方案的mems元件；可动部，其具有与所述第一上层的所述固定梳齿啮合的多个可动梳齿；弹性支撑部，其弹性支撑所述可动部；以及输出部，其输出由通过所述固定梳齿与所述可动梳齿的相对移动而产生的电荷的移动所产生的电力。22.发明效果23.根据本发明，能够抑制第一上层的固定强度的降低，并且能够提高生产率。附图说明24.图1是透过上盖表示在真空封装体内封入有mems元件的振动发电器件的俯视图。25.图2是图1所示的振动发电器件的ii-ii线剖视图。26.图3的(a)是图1所图示的mems元件的俯视图，图3的(b)是表示从图3的(a)所图示的mems元件去除固定电极部和可动电极部的状态的俯视图。27.图4的(a)至(d)是表示图3所图示的mems元件的制造方法的一例的图。28.图5的(a)至(d)是表示接着图4的mems元件的制造方法的一例的图。29.图6是图1的区域vi的放大图。30.图7的(a)是图6的viia-viia线剖视图，图7的(b)是表示与图7(a)对应的区域的比较例的结构的剖视图。具体实施方式31.以下，参照附图对用于实施本发明的方式进行说明。32.图1是透过上盖3表示在真空封装体内封入有mems元件10的振动发电器件1的俯视图，图2是图1的ii-ii线剖视图。33.壳体2和上盖3构成真空封装体，mems元件10收纳在该真空封装体内。在图1的俯视图中，为了明确表示mems元件10的平面结构，省略了设置于上表面侧(z轴正方向侧)的上盖3的图示。34.另外，在本实施方式中，x轴方向、y轴方向、z轴方向为各图所示的方向。35.mems元件10具备四个固定电极部(第一上层)11、包围各固定电极部11的周围的固定电极外周部(第二上层)35、可动电极部(可动部)12、以及弹性支撑可动电极部12的弹性支撑部13。如图2所示，mems元件10的基座7通过芯片接合而固定于壳体2。壳体2例如由电绝缘性的材料(例如陶瓷)形成。在壳体2的上端缝焊有用于将壳体2内真空封入的上盖3。36.如图2所示，mems元件10构成为包括由si构成的基座7、由si活性层构成的器件层9、以及将基座7与器件层9接合的由sio2等无机绝缘材料形成的绝缘层8。即，mems元件10由在z轴方向上层叠有基座7、绝缘层8以及由si活性层构成的器件层9的三层结构构成。这种结构的mems元件10通常使用soi(silicon on insulator：绝缘体上硅)基板，通过通常的mems加工技术来形成。37.器件层9具有四个固定电极部11、固定电极外周部35、可动电极部12以及弹性支撑部13。固定电极部11分别具有多个固定梳齿110、连结多个固定梳齿110的固定梳齿连结部111、以及引线部112。固定梳齿110沿x轴方向延伸，在y轴方向上以预定的间隔排列。固定梳齿连结部111沿y轴方向延伸，连结沿y轴方向排列的多个固定梳齿110。引线部112在与固定梳齿连结部111正交的方向、即x轴方向上延伸。在引线部112的前端部形成有矩形形状的端子部。在该端子部的上表面设置有铝等导电性金属而形成有电极焊盘113。38.在沿x轴方向延伸的引线部112的一侧面的预定部位(参照区域vi)设置有向固定电极外周部35侧突出的突出部15(参照图6)。关于设置于引线部112的突出部15，将在后面叙述。39.在固定电极外周部35与各固定电极部11的引线部112及固定梳齿连结部111之间设有狭缝16，固定电极外周部35和各固定电极部11的引线部112及固定梳齿连结部111与固定电极外周部35物理分离。由此，固定电极外周部35与各固定电极部11电绝缘。各固定电极部11的引线部112以及固定梳齿连结部111经由绝缘层8被基座7支撑。各固定电极部11的固定梳齿110在与设置于基座7的矩形形状的开口部7a(参照图2、图3(a)、图3(b))对应的区域上延伸。40.可动电极部12具有多个可动梳齿120、中央带部121、以及连结多个可动梳齿120的可动梳齿连结部122。可动梳齿连结部122从中央带部121的x轴方向的中心分别向y轴正方向及y轴负方向延伸。各可动梳齿120从在y轴正方向及y轴负方向上延伸的各可动梳齿连结部122向x轴正方向及x轴负方向延伸，在y轴方向上以预定的间隔排列。41.如图2所示，在可动电极部12的中央带部121的z轴正方向侧的面即上表面以及z轴负方向侧的面即下表面，分别通过粘接等固定有锤105a、105b。锤105a、105b各自的重心位置与通过中央带部121的x轴方向和y轴方向的中心的z轴同轴。42.配置于中央带部121的y轴正方向的两个固定电极部11相对于中央带部121的x轴方向的中心线呈线对称地配置。另外，配置于中央带部121的y轴负方向的其它两个固定电极部11相对于中央带部121的x轴方向的中心线呈线对称地配置。43.从固定梳齿连结部111沿x轴方向延伸的多个固定梳齿110和从各可动梳齿连结部122沿x轴方向延伸的可动梳齿120以在y轴方向上隔着间隙相互啮合的方式配置。44.可动电极部12经由弹性支撑部13与经由绝缘层8固定于基座7的振动限制部150机械及电连接。振动限制部150在中央带部121的x轴正方向以及x轴负方向上各设置有一个，即设置有一对。一对振动限制部150形成为相同形状，相对于中央带部121的x轴方向及y轴方向各自的中心轴呈线对称地配置。45.被弹性支撑部13支撑的可动电极部12因外部的振动而在x轴方向上振动，可动电极部12的中央带部121的一侧面121a与振动限制部150的突起151碰撞。此时，若可动部碰撞的振动限制部150的突起151的y轴方向的位置从通过包含锤105a、105b的中央带部121的重心的中心轴在y轴方向上偏移，则在可动电极部12的中央带部121产生力矩。若在可动电极部12的中央带部121产生力矩，则弹性支撑部13产生变形，中央带部121不正常地振动。因此，可动电极部12的中央带部121碰撞的振动限制部150的抵接部的y轴方向的中心线需要与可动电极部12的中央带部121的沿x轴方向延伸的中心线同轴。46.在振动限制部150连接有电极焊盘114。在振动限制部150一体地形成有矩形形状的端子部，在该端子部的上表面设置有铝等导电性金属而形成有电极焊盘114。47.电极焊盘113、114分别通过金属丝22与设置于壳体2的电极21a、21b连接。48.在固定电极部11以及可动电极部12形成有驻极体。在仅在固定电极部11以及可动电极部12的一方形成有驻极体的情况下，在另一方产生相反极性的电荷，因此也可以仅在固定电极部11以及可动电极部12的一方形成驻极体。49.在本实施方式中，可动电极部12构成为在x轴方向上振动，当可动电极部12在x轴方向上振动时，可动电极部12的可动梳齿120相对于固定电极部11的固定梳齿110的插入量发生变化并产生电荷的移动而进行发电。50.图3的(a)是表示固定锤105a、105b前的mems元件10的图。51.如上所述，mems元件10使用soi(silicon on insulator：绝缘体上硅)基板通过通常的mems加工技术来形成。soi基板由在z轴方向上层叠有基座7、绝缘层8以及由si活性层构成的器件层9的三层结构构成。如图2所示，器件层9经由绝缘层8被基座7支撑。固定电极部11、固定电极外周部35、可动电极部12、弹性支撑部13以及振动限制部150由si活性层形成。52.在图3的(a)中，对基座7上的固定电极部11、可动电极部12、弹性支撑部13以及振动限制部150施加阴影来表示。可动电极部12由四个弹性支撑部13弹性支撑。各弹性支撑部13具备能够弹性变形的三根梁13a～13c。可动电极部12配置在与设置于基座7的开口部7a(参照图3的(b))对应的区域上。可动电极部12经由弹性支撑部13的梁13a～13c与振动限制部150连接。振动限制部150经由绝缘层8固定于基座7。因此，可动电极部12经由四个弹性支撑部13以及振动限制部150支撑于基座7。53.振动限制部150还作为限制可动电极部12的x轴方向的振动的范围的限制部发挥功能。可动电极部12的x轴方向的振动通过可动电极部12与各振动限制部150的突起151碰撞而被限制。54.图3的(b)是表示从图3的(a)所图示的mems元件去除固定电极部和可动电极部的状态的俯视图。55.图3的(b)的阴影区域11c表示各固定电极部11的固定梳齿连结部111及引线部112与绝缘层8接合的接合部的图案。图3的(b)的阴影区域11a表示弹性支撑部13的梁13a的端部与绝缘层8接合的接合部的图案。图3的(b)的阴影区域11b表示振动限制部150与绝缘层8接合的接合部的图案。56.接着，对mems元件10的制造方法进行说明。57.图4的(a)至(d)是表示图3所图示的mems元件的制造方法的一例的图，图5的(a)至(d)是表示接着图4的mems元件的制造方法的一例的图。58.另外，在图4和图5中，示意性地表示沿着图3的(a)的单点划线c-c的剖面。59.图4的(a)是表示形成mems元件10的soi基板的剖面的图。soi基板由si的基底层301、sio2的绝缘层302和si活性层的器件层303构成。在图4的(b)所示的第一步骤中，在器件层303的表面上形成氮化膜(sin膜)304。在图4的(c)所示的第二步骤中，对氮化膜304进行构图，形成用于保护形成电极焊盘113、114的部位的氮化膜图案304a。60.在图4的(d)所示的第三步骤中，形成用于形成固定电极部11、可动电极部12、弹性支撑部13以及振动限制部150的掩模图案并配置在器件层303上，对器件层303进行蚀刻。蚀刻加工通过drie(deep reactive ion etching：深反应离子蚀刻)等进行至到达绝缘层302为止。在图4的(d)中，符号b1所示的部分是与固定电极部11对应的部分，符号b2所示的部分是与可动电极部12对应的部分，符号b3所示的部分是与振动限制部150对应的部分。61.在沿着图3的(a)的单点划线c-c的剖面中，在符号b1所示的固定电极部11中包含电极焊盘113和固定梳齿连结部111，在符号b2所示的可动电极部12中包含可动梳齿连结部122、中央带部121，在符号b3所示的部分包含振动限制部150和电极焊盘114。其中，省略了电极焊盘114的图示。62.另外，在电极焊盘113的x轴负方向侧的外部、电极焊盘113与固定梳齿连结部111之间形成固定电极外周部35。在电极焊盘113的外部与电极焊盘113之间、电极焊盘113与固定电极外周部35之间、以及固定电极外周部35与固定梳齿连结部111之间形成有狭缝16。63.在图5的(a)所示的第四步骤中，在基底层301的下部表面形成用于在基座7形成开口部7a的掩模图案，利用drie对基底层301进行加工。由此，在基底层301形成开口部7a，基底层301成为具有开口部7a的基座7。在图5的(b)所示的第五步骤中，利用强氢氟酸除去从基底层301的开口部7a露出的sio2的绝缘层302。64.另外，在图5的(b)中，固定电极部11仅图示了其一部分的固定梳齿连结部111，另外，可动电极部12仅图示了其一部分的可动梳齿连结部122以及中央带部121。可动梳齿连结部122及中央带部121在图5的(b)中图示为从基底层301浮起的状态，但如图3的(b)所示，可动电极部12经由固定于作为阴影区域11b表示的绝缘层8的部分的振动限制部150及与振动限制部150连接的弹性支撑部13而被保持。65.在图5的(c)所示的第六步骤中，通过热氧化法在基底层301及器件层303的表面形成硅氧化膜305。此时，在狭缝16内的固定电极部11的侧面以及固定电极外周部35的侧面也形成有硅氧化膜305。在图5的(d)所示的第六步骤中，除去氮化膜图案304a，在除去的区域使铝电极113a成膜而形成电极焊盘113。另外，此时，同样地也形成电极焊盘114，但由于电极焊盘114形成在图5的(d)的范围外，因此在图5的(d)中未图示。66.通过上述的加工步骤，形成mems元件10。之后，通过公知的驻极体形成方法(例如，参照日本专利5627130号公报等)，在固定梳齿110、可动梳齿120中的至少一方形成驻极体。67.振动发电器件1是通过mems技术加工的非常微小的结构体，图1所示的封装体2的纵横尺寸为数cm，高度尺寸为数mm左右。68.图6是图1的区域vi的放大图，图7的(a)是图6的viia-viia线剖视图，图7的(b)是表示与图7的(a)对应的区域的比较例的结构的剖视图。69.在固定电极部11的引线部112形成有突出部15，该突出部15在引线部112的延伸方向、即x轴方向的预定部位向固定电极外周部35侧突出。70.如图4的(d)所示，引线部112和固定电极外周部35通过drie对器件层303进行加工而由与形成固定电极部11和可动电极部12的工序同时形成的狭缝16分离。也可以通过不同工序进行形成固定电极部11和可动电极部12的工序、和在固定电极部11与可动电极部12之间形成狭缝16的工序。71.在基于drie的狭缝16的形成工序中，器件层303整体在厚度方向(z轴方向)上被去除，另外，绝缘层302也在厚度方向上大致整体被去除。此时，引线部112以及固定电极外周部35的狭缝16侧的下部、即绝缘层302侧被底切。72.图7的(b)表示在引线部112未形成突出部15的比较例。在比较例中，引线部112的宽度，换言之，y方向的长度较小，因此引线部112的下部被底切，由此，引线部112的固定于绝缘层302的部分几乎消失。因此，引线部112从绝缘层302浮起，或由于小的冲击而导致与绝缘层302的接合部破损，由于粘连而使引线部112吸附或接触固定电极外周部35。即，引线部112与固定电极外周部35导通，无法确保电绝缘。73.与此相对，在将突出部15形成于引线部112的本实施方式的结构中，如图7的(a)所示，引线部112与突出部15的合计的宽度变大。因此，即使引线部112和突出部15的下部被底切，也能够充分确保与绝缘层302的接合部的面积。因此，包含突出部15的引线部112与绝缘层302的接合强度得到改善，能够防止引线部112与固定电极外周部35接触，因此，能够确保引线部112与固定电极外周部35之间的电绝缘。74.根据上述实施方式，起到下述效果。75.mems元件10具备：基座7；绝缘层8，其固定于基座7的一面；固定电极部(第一上层)11，其至少一部分固定于基座7，并具有与固定梳齿连结部111连接的引线部112；以及固定电极外周部(第二上层)35，其以包围引线部112的周围的方式设置，且通过狭缝16与引线部112分离地配置，引线部112在预定的部分具有向固定电极外周部35侧突出的突出部15，突出部15固定于绝缘层8。通过该结构，设置有突出部15的引线部112的预定部位的宽度变大。因此，即使在通过蚀刻形成狭缝16时引线部112和突出部15被底切，也残留有固定电极部11的固定所需的绝缘层。因此，能够确保固定电极部11的强度，因此，能够确保引线部112与固定电极外周部35之间的电绝缘。76.本实施方式的mems元件10仅在引线部112的预定部位形成向固定电极外周部35侧突出的突出部15即可，制造方法也与在引线部112不形成突出部15的情况完全相同。因此，与在防止底切的部位形成保护膜的方法相比，能够提高生产率。77.(变形例)78.另外，在上述实施方式中，例示了在各引线部112形成有一个突出部15的结构。但是，也可以在各引线部112沿其长度方向以预定间隔形成多个突出部15。79.另外，在上述实施方式中，例示了突出部15朝向可动电极部12的中央带部121侧突出的结构。但是，突出部15也可以是朝向可动电极部12的中央带部121侧的相反侧突出的结构。另外，在引线部112形成多个突出部15的情况下，也可以在一个引线部112设置朝向中央带部121侧突出的突出部15和朝向中央带部121侧的相反侧突出的突出部15。80.(其它实施方式)81.在上述实施方式中，例示了将突出部15形成于固定电极部11的引线部112的结构。但是，也可以将突出部15形成于固定梳齿连结部111。在图1中作为形成位置15a图示了在固定梳齿连结部111形成突出部15的情况下的形成部位的一例。在图1中，形成位置15a仅针对一个固定电极部11示出，但当然形成于各固定电极部11。另外，相对于一个固定梳齿连结部111，也可以设置多处形成位置15a。以下，对在固定梳齿连结部111形成突出部15的理由进行说明。82.固定梳齿连结部111在图3的(b)所示的阴影区域11c中的沿y方向呈直线状延伸的区域11c1与绝缘层8接合。如作为专利文献2刊载的日本特开2018-88780号公报所记载的那样，在振动发电器件中，使可动电极部12的共振q值变小，使共振的频率变得平缓，换言之，针对外部振动的宽频带成为能够共振的结构是有利的。因此，需要减小在基座7与固定电极部11之间产生的寄生电容。83.因此，固定梳齿连结部111必须减小固定于作为阴影区域11c的区域11c1而表示的绝缘层8的接合部的宽度(x轴方向的长度)。但是，固定梳齿连结部111固定于绝缘层8的宽度越小，则由于在形成狭缝16的drie加工时在固定梳齿连结部111与绝缘层8的接合部产生的底切，固定梳齿连结部111与绝缘层8的接合强度越降低。因此，不采用不增大固定梳齿连结部111的宽度即寄生电容变大的结构，若在固定梳齿连结部111的预定部位，换言之，局部地形成突出部15，利用突出部15增大固定梳齿连结部111与绝缘层8的接合宽度，则即使固定梳齿连结部111被底切，也能够无需增大寄生电容而确保必要的接合强度。84.另外，固定梳齿连结部111的固定梳齿110侧位于形成于基座7的开口部7a上，因此固定电极外周部35无法设置于固定梳齿连结部111的固定梳齿110侧的周围。但是，在设置于基座上的固定梳齿连结部111的全部区域设置有固定电极外周部35，不存在不覆盖固定梳齿连结部111的周围的区域。在本说明书中，这样一来，若在设置于基座上的固定梳齿连结部111的全部区域设置固定电极外周部35，则固定电极外周部35包含设置于固定梳齿连结部111的周围的结构。85.在上述实施方式中，例示了mems元件10使用soi基板来形成，但也可以代替soi基板而使用硅基板来形成mems元件10。另外，也可以代替硅基板而使用玻璃、金属、氧化铝等。86.在上述实施方式中，mems元件10作为振动发电器件用而例示。但是，也可以作为从外部施加驱动电压而使可动电极部振动的振动促动器用的mems元件。87.另外，如专利文献1(日本特开2005-323039号公报)所记载的那样，也能够应用于具有利用狭缝将可动电极与固定电极分离的结构的微谐振器。专利文献1所记载的微谐振器具有作为将在一方的固定梳齿电极与可动梳齿电极之间产生的振动中的仅特定的频率从另一方的固定梳齿电极取出的滤波器的功能。88.进而，能够将本实施方式的mems元件10的结构应用于各种传感器。89.以上，对各种实施方式及变形例进行了说明，但本发明并不限定于这些内容。可以将上述的各种实施方式和变形例组合或适当地施加变更，在本发明的技术思想的范围内考虑的其它方式也包含在本发明的范围内。90.以下优先权基础的申请的公开内容在此作为引用文件被并入。91.日本特愿2019-187152号(2019年10月10日申请)92.符号说明93.1—振动发电器件；7—基座；8—绝缘层；10—mems元件；11—固定电极部(第一上层)；12—可动电极部(可动部)；13—弹性支撑部；15—突出部；16—狭缝；35—固定电极外周部(第二上层)；111—固定梳齿连结部；112—引线部。