(57)【要約】【課題】可撓部が変形する際に破断しにくく耐衝撃性能に優れたＭＥＭＳセンサを提供する。【解決手段】支持部と、一端が前記支持部に結合している可撓性を有する膜であって、厚肉部と前記厚肉部との境界を区間端とし前記厚肉部から離れるにつれて厚さが漸減している漸減区間を有する薄肉部とが前記一端から離れる方向に配列されている可撓部と、前記薄肉部に形成され前記薄肉部に生ずる歪みを検出するための歪み検出手段と、を備えるＭＥＭＳセンサ。【選択図】図１
2010147268.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持部と、
一端が前記支持部に結合している可撓性を有する膜であって、厚肉部と前記厚肉部との境界を区間端とし前記厚肉部から離れるにつれて厚さが漸減している漸減区間を有する薄肉部とが前記一端から離れる方向に配列されている可撓部と、
前記薄肉部に形成され前記薄肉部に生ずる歪みを検出するための歪み検出手段と、
を備えるＭＥＭＳセンサ。
【請求項２】
前記可撓部の他端に結合している錘部をさらに備え、
前記厚肉部と前記薄肉部とは前記可撓部の一端と他端とを結ぶ直線上に形成されている、
請求項１に記載のＭＥＭＳセンサ。
【請求項３】
前記可撓部は一端が前記支持部に結合し他端が前記錘部に結合した梁であって、
前記薄肉部は前記梁の一端と他端とを結ぶ２辺間を横断している、
請求項２に記載のＭＥＭＳセンサ。
【請求項４】
前記可撓部は一端が前記支持部に結合し他端が前記錘部に結合した環状のダイヤフラムであって、
前記薄肉部は前記ダイヤフラムを一周している、
請求項２に記載のＭＥＭＳセンサ。
【請求項５】
前記可撓部の主面の一方は平坦であって前記可撓部の主面の他方は前記薄肉部においてなだらかに凹んでいる、
請求項１から４のいずれか一項に記載のＭＥＭＳセンサ。
【請求項６】
支持部と、
一端が前記支持部に結合している可撓性を有する膜であって前記一端から離れる方向になだらかにうねる波形区間を有する可撓部と、
前記波形区間に形成され前記波形区間に生ずる歪みを検出するための歪み検出手段と、
を備えるＭＥＭＳセンサ。
【請求項７】
前記可撓部の他端に結合している錘部をさらに備え、
前記波形区間は前記可撓部の一端から他端に向かう方向になだらかにうねる、
請求項６に記載のＭＥＭＳセンサ。
【請求項８】
前記可撓部は一端が前記支持部に結合し他端が前記錘部に結合した梁であって、
前記波形区間は前記梁の一端と他端とを結ぶ２辺間を横断している、
請求項７に記載のＭＥＭＳセンサ。
【請求項９】
前記可撓部は一端が前記支持部に結合し他端が前記錘部に結合した環状のダイヤフラムであって、
前記波形区間は前記ダイヤフラムを一周している、
請求項７に記載のＭＥＭＳセンサ。
【請求項１０】
第１シリコン層と前記第１シリコン層より薄い第２シリコン層とを含むＳＯＩウエハの前記第２シリコン層の表面になだらかにうねる波面を形成し、
前記第１シリコン層を含む支持部と、一端が前記支持部に結合し前記第２シリコン層を含み前記第１シリコン層を含まない可撓性を有する膜であって前記支持部から離れる方向になだらかにうねる前記波面を有する可撓部とを前記第１シリコン層の一部を除去することによって形成し、
前記可撓部の歪みを検出するための歪み検出手段を前記可撓部の前記波面に対応する区間に形成する、
ことを含むＭＥＭＳセンサの製造方法。
【請求項１１】
所定のパターンを有する耐熱保護膜を前記第２シリコン層の上に形成し、
前記耐熱保護膜の下に位置する前記第２シリコン層を熱酸化し、
前記第２シリコン層の熱酸化された領域を選択的に除去することによって前記波面を形成する、
請求項１０に記載のＭＥＭＳセンサの製造方法。
【請求項１２】
所定の３次元パターンを有する保護膜を前記第２シリコン層の表面に形成し、
前記保護膜もろともに前記第２シリコン層を異方性エッチングすることによって前記波面を形成する、
請求項１０に記載のＭＥＭＳセンサの製造方法。
【請求項１３】
多階調マスクを介した露光と現像とによって前記保護膜を形成する、
請求項１２に記載のＭＥＭＳセンサの製造方法。
【請求項１４】
第１シリコン層と前記第１シリコン層より薄い第２シリコン層とを含むＳＯＩウエハにおいて前記第２シリコン層の表面になだらかにうねる波面領域を形成し、
前記波面領域が形成された前記第２シリコン層の表面にエピタキシャル結晶シリコン層をエピタキシャル結晶成長させ、
前記第１シリコン層を含む支持部と、一端が前記支持部に結合し前記エピタキシャル結晶シリコン層を含み前記第１シリコン層を含まない可撓性を有する膜であって前記支持部から離れる方向になだらかにうねり前記波面領域に対応する波形区間を含む可撓部とを前記第１シリコン層の一部と前記第２シリコン層の一部とを選択的に除去することによって形成し、
前記可撓部の歪みを検出するための歪み検出手段を前記波形区間に形成する、
ことを含むＭＥＭＳセンサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）センサおよびＭＥＭＳセンサの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
加速度センサ、角速度センサ、圧力センサ、振動センサ、マイクロホン、力覚センサ等のＭＥＭＳセンサには梁やダイヤフラム等の可撓部が備えられている。特許文献１には、ダイヤフラムに屈曲部が形成されているＭＥＭＳセンサが記載されている。
【特許文献１】特開平７−７４３７０号広報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、特許文献１に記載されたＭＥＭＳセンサでは、ダイヤフラムが変形する際、ダイヤフラムに形成された屈曲部に応力が集中し、破断しやすい。
【０００４】
本発明はこの問題に鑑みて創作されたものであって、可撓部が変形する際に破断しにくく耐衝撃性能に優れたＭＥＭＳセンサの提供を目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（１）上記目的を達成するためのＭＥＭＳセンサは、支持部と、一端が前記支持部に結合している可撓性を有する膜であって、厚肉部と前記厚肉部との境界を区間端とし前記厚肉部から離れるにつれて厚さが漸減している漸減区間を有する薄肉部とが前記一端から離れる方向に配列されている可撓部と、前記薄肉部に形成され前記薄肉部に生ずる歪みを検出するための歪み検出手段と、を備える。
【０００６】
本発明によると、可撓部に薄肉部が形成されているため、剛性を高めることなく可撓部を小さくできるため、ＭＥＭＳセンサを小型化できる。また、可撓部の変形による応力が薄肉部の漸減区間全体に分散されるため、可撓部が破断しにくく耐衝撃性能が向上する。また、可撓部が変形する際、薄肉部は厚肉部に比べて歪みが大きくなるため、薄肉部に歪み検出手段を形成することによって、可撓部の変形に伴う物理量の検出感度を高めることができる。
【０００７】
（２）上記目的を達成するためのＭＥＭＳセンサにおいて、前記可撓部の他端に結合している錘部をさらに備え、前記厚肉部と前記薄肉部とは前記可撓部の一端と他端とを結ぶ直線上に形成されていてもよい。
【０００８】
本発明によると、ＭＥＭＳセンサが錘部を備えていても可撓部の変形による応力が漸減区間全体に分散されるため、可撓部が破断しにくく耐衝撃性能が向上する。また、厚肉部と薄肉部とが可撓部の一端と他端とを結ぶ直線上に形成されることで可撓部が撓みやすくなるため、可撓部の撓みに伴う物理量の検出感度を高めることができる。
【０００９】
（３）上記目的を達成するためのＭＥＭＳセンサにおいて、前記可撓部は一端が前記支持部に結合し他端が前記錘部に結合した梁であって、前記薄肉部は前記梁の一端と他端とを結ぶ２辺間を横断していてもよい。
【００１０】
本発明によると、薄肉部が梁の２辺間を横断することで可撓部が撓みやすくなるため、可撓部の撓みに伴う物理量の検出感度を高めることができる。
【００１１】
（４）上記目的を達成するためのＭＥＭＳセンサにおいて、前記可撓部は一端が前記支持部に結合し他端が前記錘部に結合した環状のダイヤフラムであって、前記薄肉部は前記ダイヤフラムを一周していてもよい。
【００１２】
本発明によると、薄肉部が一周することでダイヤフラムが撓みやすくなるため、ダイヤフラムの撓みを伴う物理量の検出感度を高めることができる。
【００１３】
（５）上記目的を達成するためのＭＥＭＳセンサにおいて、前記可撓部の主面の一方は平坦であって前記可撓部の主面の他方は前記薄肉部においてなだらかに凹んでいてもよい。
【００１４】
本発明によると、可撓部の両主面を凹ませる必要がなくなるため、可撓部が破断しにくく耐衝撃性能に優れたＭＥＭＳセンサの製造工程を簡素化し製造コストを削減できる。また、薄肉部の凹みがなだらかであるため、可撓部が破断しにくく耐衝撃性能が向上する。なお、主面がなだらかに凹んでいるとは、主面が折れ曲がることなく主面の傾斜が連続的に変化することにより凹みが形成されていることを意味する。なお、本明細書において可撓部の主面とは、可撓部を構成する膜が広がる方向に広がる面であって、ＭＥＭＳセンサのダイを構成する積層構造体に含まれる複数の膜が積層されている方向に対して垂直な方向に広がる面をいう。
【００１５】
（６）上記目的を達成するためのＭＥＭＳセンサは、支持部と、一端が前記支持部に結合している可撓性を有する膜であって前記一端から離れる方向になだらかにうねる波形区間を有する可撓部と、前記波形区間に形成され前記波形区間に生ずる歪みを検出するための歪み検出手段と、を備える。
【００１６】
本発明によると、可撓部が波形区間を有することで剛性を高めることなく可撓部を小さくできるため、ＭＥＭＳセンサを小型化できる。また、可撓部における波形区間のうねりがなだらかであるため、可撓部が破断しにくく耐衝撃性能が向上する。また、可撓部が変形する際、波形区間は可撓部における波形区間以外の区間に比べて歪みが大きくなるため、波形区間に歪み検出手段を形成することによって、可撓部の変形を伴う物理量の検出感度を高めることができる。なお、波形区間がなだらかにうねるとは、波形区間における２つの主面が折れ曲がることなく互いの距離を基本的には一定に保ちながら２つの主面の傾斜が連続的に変化していることを意味する。
【００１７】
（７）上記目的を達成するためのＭＥＭＳセンサにおいて、前記可撓部の他端に結合している錘部をさらに備え、前記波形区間は前記可撓部の一端から他端に向かう方向になだらかにうねっていてもよい。
【００１８】
本発明によると、ＭＥＭＳセンサが錘部を備えていても可撓部における波形区間のうねりがなだらかであるため、可撓部が破断しにくく耐衝撃性能が向上する。また、波形区間が可撓部の一端から他端に向かう方向にうねっていることで可撓部が撓みやすくなるため、可撓部の撓みを伴う物理量の検出感度を高めることができる。また、波形区間が可撓部の一端から他端に向かう方向うねっていることで可撓部が撓みやすくなるため、可撓部の撓みを伴う物理量の検出感度を高めることができる。
【００１９】
（８）上記目的を達成するためのＭＥＭＳセンサにおいて、前記可撓部は一端が前記支持部に結合し他端が前記錘部に結合した梁であって、前記波形区間は前記梁の一端と他端とを結ぶ２辺間を横断していてもよい。
【００２０】
本発明によると、波形区間が梁の２辺間を横断することで可撓部が撓みやすくなるため、可撓部の撓みを伴う物理量の検出感度を高めることができる。
【００２１】
（９）上記目的を達成するためのＭＥＭＳセンサにおいて、前記可撓部は一端が前記支持部に結合し他端が前記錘部に結合した環状のダイヤフラムであって、前記波形区間は前記ダイヤフラムを一周していてもよい。
【００２２】
本発明によると、波形区間が一周することでダイヤフラムが撓みやすくなるため、ダイヤフラムの撓みを伴う物理量の検出感度を高めることができる。
【００２３】
（１０）上記目的を達成するためのＭＥＭＳセンサの製造方法は、第１シリコン層と前記第１シリコン層より薄い第２シリコン層とを含むＳＯＩウエハの前記第２シリコン層の表面になだらかにうねる波面を形成し、前記第１シリコン層を含む支持部と、一端が前記支持部に結合し前記第２シリコン層を含み前記第１シリコン層を含まない可撓性を有する膜であって前記支持部から離れる方向になだらかにうねる前記波面を有する可撓部とを前記第１シリコン層の一部を除去することによって形成し、前記可撓部の歪みを検出するための歪み検出手段を前記可撓部の前記波面に対応する区間に形成する、ことを含む。
【００２４】
本発明によると、可撓部における波面のうねりがなだらかに形成されるため、破断しにくく耐衝撃性能に優れたＭＥＭＳセンサを製造できる。なお、波面がなだらかにうねるとは、表面が折れ曲がることなく表面の傾斜が連続的に変化していることを意味する。
【００２５】
（１１）上記目的を達成するためのＭＥＭＳセンサの製造方法において、所定のパターンを有する耐熱保護膜を前記第２シリコン層の上に形成し、前記耐熱保護膜の下に位置する前記第２シリコン層を熱酸化し、前記第２シリコン層の熱酸化された領域を選択的に除去することによって前記波面を形成してもよい。
【００２６】
本発明ではＬＯＣＯＳ（local oxidation of silicon）プロセスによって可撓部の波面を形成する。すなわち本発明によると、熱酸化によって酸素を等方的に拡散させることによって、可撓部となる第二シリコン層の表面になだらかな波面を形成する。
【００２７】
（１２）上記目的を達成するためのＭＥＭＳセンサの製造方法において、所定の３次元パターンを有する保護膜を前記第２シリコン層の表面に形成し、前記保護膜もろともに前記第２シリコン層を異方性エッチングすることによって前記波面を形成してもよい。
【００２８】
本発明によると、保護膜もろともに異方性エッチングすることで保護膜のパターンが第２シリコン層に転写されるため、可撓部になだらかな波面領域を形成できる。また、保護膜もろともにエッチングするため、製造工程を簡素化し製造コストを削減できる。
【００２９】
（１３）上記目的を達成するためのＭＥＭＳセンサの製造方法において、多階調マスクを介した露光と現像とによって前記保護膜を形成してもよい。
【００３０】
本発明によると、多階調マスクを用いることで１回の露光と現像で３次元パターンを有する保護膜を形成できる。
【００３１】
（１４）上記目的を達成するためのＭＥＭＳセンサの製造方法は、第１シリコン層と前記第１シリコン層より薄い第２シリコン層とを含むＳＯＩウエハにおいて前記第２シリコン層の表面になだらかにうねる波面領域を形成し、前記波面領域が形成された前記第２シリコン層の表面にエピタキシャル結晶シリコン層をエピタキシャル結晶成長させ、前記第１シリコン層を含む支持部と、一端が前記支持部に結合し前記エピタキシャル結晶シリコン層を含み前記第１シリコン層を含まない可撓性を有する膜であって前記支持部から離れる方向になだらかにうねり前記波面領域に対応する波形区間を含む可撓部とを前記第１シリコン層の一部と前記第２シリコン層の一部とを選択的に除去することによって形成し、前記可撓部の歪みを検出するための歪み検出手段を前記波形区間に形成する、ことを含む。
【００３２】
本発明によると、可撓部における波形区間のうねりがなだらかに形成されるため、破断しにくく耐衝撃性能に優れたＭＥＭＳセンサを製造できる。なお、波形区間がなだらかにうねるとは、波形区間における２つの主面が折れ曲がることなく互いの距離を基本的には一定に保ちながら２つの主面の傾斜が連続的に変化していることを意味する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照しながら以下の順に説明する。尚、各図において対応する構成要素には同一の符号が付され、重複する説明は省略される。
１．第一実施形態
（構成）
本発明の第一実施形態である６軸のモーションセンサのダイ１Ａを図１Ａ、図１Ｂおよび図１Ｃに示す。モーションセンサ１は、図２に示すパッケージ１Ｂとパッケージ１Ｂに収容されたダイ１Ａとを備え、互いに直交する３軸の加速度成分と互いに直交する３軸の角速度成分を検出する。図１Ａに示すＢＢ線断面、ＣＣ線断面をそれぞれ示す図１Ｂおよび図１Ｃにおいて、モーションセンサ１のダイ１Ａを構成する層の界面は破線で示し、モーションセンサ１のダイ１Ａを構成する機械的構成要素の境界は実線で示している。
【００３４】
モーションセンサ１のダイ１Ａは、図１Ｂおよび図１Ｃに示すように、第１シリコン層としての厚いシリコン層１０１と、エッチングストッパ層１０２と、第２シリコン層としての薄いシリコン層１０４と、絶縁層１０６と、電極層１０８、１１２と、圧電層１１０と、表面絶縁層１１４と、表面配線層１１５を含む積層構造体である。単結晶シリコン（Ｓｉ）からなる厚いシリコン層１０１の厚さは６２５μｍである。エッチングストッパ層１０２はシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）からなる。エッチングストッパ層１０２の厚さは１μｍである。単結晶シリコンからなる薄いシリコン層１０４の厚さは１０μｍである。絶縁層１０６はシリコン酸化膜からなる。絶縁層１０６の厚さは３００ｎｍである。電極層１０８、１１２はいずれも白金（Ｐｔ）からなる。電極層１０８、１１２の厚さはいずれも０．１μｍである。圧電層１１０はＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）からなる。圧電層１１０の厚さは３μｍである。表面絶縁層１１４は感光性ポリイミドからなる。表面絶縁層１１４の厚さは１０μｍである。表面配線層１１５はアルミニウム（Ａｌ）からなる。表面配線層１１５の厚さは０．５μｍである。
【００３５】
モーションセンサ１のダイ１Ａは、矩形枠の形態を有する支持部Ｓと、一端が支持部Ｓに結合し支持部Ｓの内側に十文字形に配置されている４つの可撓部Ｆと、４つの可撓部Ｆに結合している錘部Ｍと、ひずみ検出手段としてのピエゾ抵抗素子４０と、ひずみ検出手段または駆動手段としての圧電素子Ｐとを備え、パッケージ１Ｂに収容される。
【００３６】
支持部Ｓは厚いシリコン層１０１と、エッチングストッパ層１０２と、薄いシリコン層１０４と、絶縁層１０６とを含む。支持部Ｓは可撓部Ｆに比べて十分に厚いシリコン層１０１を含み、パッケージ１Ｂに固定されるため、モーションセンサに固定された座標系において静止した実質的に剛体として振る舞う。
【００３７】
可撓部Ｆは薄いシリコン層１０４と絶縁層１０６とを含む。可撓部Ｆは一端が支持部Ｓに結合され他端が錘部Ｍに結合している。可撓部Ｆは厚いシリコン層１０１を含まないため、可撓性を有する膜として振る舞う。可撓部Ｆの主面の一方である上面はなだらかにうねっている。すなわち可撓部Ｆの上面は、薄肉部２０２においてなだらかに凹んでいる。一方、可撓部Ｆの主面の他方である下面は平坦である。そのため、可撓部Ｆの厚さは、支持部Ｓから錘部Ｍへ向かう方向において一定ではない。すなわち可撓部Ｆは厚肉部２０１と厚肉部２０１より薄い薄肉部２０２とを有する。可撓部Ｆに薄肉部２０２を形成することによって、可撓部Ｆの剛性を上げることなく可撓部Ｆを小さくすることができる。薄肉部２０２は、厚肉部２０１との境界を区間端とし厚肉部２０１から離れるにつれて厚さが漸減している漸減区間を有する。可撓部Ｆの変形による応力は薄肉部２０２に集中するものの薄肉部２０２の漸減区間全体に分散される。その結果、可撓部Ｆが破断しにくく可撓部Ｆの耐衝撃性能が向上する。また、可撓部Ｆの下面を曲面に形成する必要がないため、製造工程を簡素化し製造コストを削減できる。
【００３８】
厚肉部２０１と薄肉部２０２とは、可撓部Ｆの支持部Ｓに結合している一端と可撓部Ｆの錘部Ｍに結合している他端とを結ぶ直線上に形成されている。すなわち、厚肉部２０１と薄肉部２０２とは、可撓部Ｆにおいて支持部Ｓから離れる方向に配列されている。薄肉部２０１は可撓部Ｆの全幅にわたっている。すなわち薄肉部２０１は可撓部Ｆの固定端と自由端とを結ぶ２辺間を横断している。厚肉部２０１と薄肉部２０２のこうした配列により、可撓部Ｆが撓みやすくなる。そのため、ピエゾ抵抗素子４０および圧電素子Ｐの検出感度を高めることができる。
【００３９】
錘部Ｍは、厚いシリコン層１０１とエッチングストッパ層１０２と薄いシリコン層１０４と絶縁層１０６とを含む。錘部Ｍは厚いシリコン層１０１を含み、可撓部Ｆにのみ結合しパッケージ１Ｂの底面９０ａから浮いているため、モーションセンサ１に固定された座標系において運動する実質的な剛体として振る舞う。
【００４０】
可撓部Ｆにおける、支持部Ｓとの近接領域と錘部Ｍとの近接領域とに合計１２個のピエゾ抵抗素子４０が設けられている。ピエゾ抵抗素子４０は不純物濃度が相対的に低い抵抗部４２と不純物濃度が高い接続抵抗低減部４１を含む。これらのピエゾ抵抗素子４０はすべて可撓部Ｆと支持部Ｓとの境界、あるいは可撓部Ｆと錘部Ｍとの境界をまたいでいる。ピエゾ抵抗素子４０は薄いシリコン層１０４に形成されている。可撓部Ｆの変形によって生じる応力の向きは可撓部Ｆの上面と下面とで逆になる。このため、ピエゾ抵抗素子４０は薄いシリコン層１０４の界面近くに薄く形成される。ピエゾ抵抗素子４０は４つ１組で１つのブリッジ回路を構成し、各ブリッジ回路から直交する３軸の加速度成分に相当する出力信号を取り出せるように結線される。
【００４１】
ピエゾ抵抗素子４０の抵抗部４２は薄肉部２０２に形成されている。可撓部Ｆが撓む際、薄肉部２０２は厚肉部２０１に比べて歪みが大きくなるため、抵抗部４２を薄肉部２０２に形成することによって、加速度による可撓部Ｆの撓みの検出感度を高めることができる。すなわち、抵抗部４２を薄肉部２０２に形成することによって可撓部Ｆの撓みを伴う加速度の検出感度が高まる。
【００４２】
圧電素子Ｐは、電極層１０８と、圧電層１１０と、電極層１１２とを含む。圧電素子Ｐは電極層１０８と電極層１１２との間に圧電層１１０が挟まれた構造を有する。複数の圧電素子Ｐの一部は、可撓部Ｆを歪ませることによって錘部Ｍを周回運動させる駆動手段として機能し、残部は角速度に伴うコリオリ力によって生じる可撓部Ｆの歪みを検出する検出手段として機能する。
【００４３】
圧電素子Ｐは、薄肉部２０２において絶縁層１０６の表面上に設けられる。可撓部Ｆが撓む際、薄肉部２０２は厚肉部２０１に比べて歪みが大きくなるため、圧電素子Ｐを薄肉部２０２に設けることで角速度による可撓部Ｆの撓みの検出感度を高めることができる。すなわち、圧電素子Ｐを薄肉部に設けることで可撓部Ｆの撓みを伴う角速度の検出感度が高まる。
【００４４】
図２に示すパッケージ１Ｂは、無蓋箱型のベース９０とベース９０の内部空間を閉塞するカバー９４とを備える。ベース９０とカバー９４とは接着層９３を介して接合されている。ベース９０には複数の貫通電極９１が設けられている。ワイヤ９５は一端がダイ１Ａの表面配線層５０に接合され他端がパッケージ１Ｂの貫通電極９１に接合される。ダイ１Ａの支持部Ｓはベース９０の内側の底面９０ａに接着層９２によって接着されている。底面９０ａに形成する凹部の深さや接着層９２の厚さによってダイ１Ａの錘部Ｍとベース９０の内側の底面９０ａとの間の空隙の高さが設定されている。なお、パッケージ１Ｂの内部にダイ１Ａと接続されるＬＳＩダイを収容してもよい。
【００４５】
（製造方法）
以下、図３から図１３を参照してモーションセンサ１のダイ１Ａの製造方法の一例を説明する。図３、図４Ａ、図５〜図９、図１１Ａ、図１２Ａおよび図１３は、図１Ａに示すＢＢ線に対応する断面図である。図１０、図１１Ｂおよび図１２Ｂは図１Ａに示すＣＣ線に対応する断面図である。
【００４６】
はじめに図３に示すように厚いシリコン層１０１、エッチングストッパ層１０２、薄いシリコン層１０４、酸化シリコン層１０５および窒化シリコン層１０７がこの順で積層された積層構造体を形成する。具体的にはまず、厚いシリコン層１０１、エッチングストッパ層１０２および薄いシリコン層１０４を含むＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウエハ１００を用意する。次に薄いシリコン層１０４の表面を熱酸化することにより二酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる酸化シリコン層１０５を形成する。この段階における酸化シリコン層１０５の厚さは３０ｎｍである。次に酸化シリコン層１０５の表面にＣＶＤ等によって窒化シリコン（ＳｉｘＮｙ）からなる窒化シリコン層１０７を形成する。窒化シリコン層１０７の厚さは１４０ｎｍである。
【００４７】
次に、図４Ａに示すようにフォトレジストからなる保護膜Ｒ１を用いてエッチングすることにより、窒化シリコン層１０７を所定形状にパターニングする。具体的には、ＣＨＦ３ガスをエッチングガスとして用いた反応性イオンエッチングによってパターニングする。保護膜Ｒ１は酸化シリコン層１０５を露出させるためのスリットＲＳを有する。図４Ｂは、保護膜Ｒ１を上方から見た図であって、可撓部Ｆに対応する領域が破線によって示されている。スリットＲＳは、それぞれに可撓部Ｆが形成される４つの領域において可撓部Ｆの一端から他端に向かう方向に複数ずつ配列されている。それぞれのスリットＲＳは可撓部Ｆが形成される４つの領域のそれぞれを横断している。このようにスリットＲＳを形成することによって可撓部Ｆの一端と他端とを結ぶ直線上に厚肉部２０１と薄肉部２０２を配列し、可撓部Ｆの一端と他端とを結ぶ２辺間を横断する薄肉部２０２を形成できる。次に、図５に示すように保護膜Ｒ１を除去する。
【００４８】
次に、図６に示すように窒化シリコン層１０７を耐熱保護膜として用いて薄いシリコン層１０４の一部を熱酸化する。具体的には、薄いシリコン層１０４が１０５０℃で熱処理される。この処理により、酸化シリコン層１０５の露出している領域が成長し、薄いシリコン層１０４が縮小する。熱酸化では酸素が等方的に拡散されるため、酸化シリコン層１０５の露出している領域の直下において、薄いシリコン層１０４の酸化シリコン層１０５との界面は下方になだらかに凹む。酸化シリコン層１０５の最も厚い部分の厚さが例えば１μｍになるまで薄いシリコン層１０４を熱酸化する。
【００４９】
次に、図７に示すように窒化シリコン層１０７および酸化シリコン層１０５を除去する。このとき薄いシリコン層１０４の前工程において熱酸化された領域が酸化シリコン層１０５の一部として除去されるため、薄いシリコン層１０４において可撓部Ｆが形成される表面になだらかにうねる波面が形成される。具体的には緩衝フッ酸を用いたウェットエッチング等によって窒化シリコン層１０７および酸化シリコン層１０５を除去する。
【００５０】
次に、図８に示すように薄いシリコン層１０４の表面全体に絶縁層１０６を形成する。具体的には、薄いシリコン層１０４の表面全体を熱酸化することにより酸化シリコンからなる絶縁層１０６を形成する。
【００５１】
次に、立体的な機械構造が形成されていない図９に示す積層構造体Ｗを、絶縁層１０６の表面に薄膜を積層したり改質したりエッチングする等の公知の方法によって形成する。例えば、絶縁層１０６を貫通させて薄いシリコン層１０４の表面から不純物イオンを注入し、活性化することにより薄いシリコン層１０４にピエゾ抵抗素子４０を形成する。ピエゾ抵抗素子４０は可撓部Ｆとなる薄いシリコン層１０４の波面に対応する区間に形成される。次に絶縁層１０６の表面に白金からなる電極層１０８を形成し、コンタクトホールを介して電極層１０８とピエゾ抵抗素子４０とを接続する。次に、電極層１０８の表面全体にＰＺＴからなる圧電層１１０をスパッタ法またはゾルゲル法によって形成する。次に、圧電層１１０の表面全体に白金からなる電極層１１２を形成する。その後、フォトレジストからなる保護膜を用いて電極層１１２、圧電層１１０、電極層１０８をエッチングすることで、圧電素子Ｐを形成する。圧電素子Ｐは可撓部Ｆとなる薄いシリコン層１０４の波面に対応する区間に形成される。次に、感光性ポリミイドからなる表面絶縁層１１４を形成し、露光・現像によってコンタクトホールと可撓部Ｆをエッチングするための開口部とを形成する。次に、コンタクトホールから露出している電極層１０８、１１２に接続するアルミニウムからなる表面配線層１１５を形成する。次に、表面配線層１１５をエッチングによりにパターニングすると、図９に示す積層構造体Ｗが得られる。
【００５２】
次に、図１０に示すように表面絶縁層１１４を保護膜として用いて絶縁層１０６および薄いシリコン層１０４をエッチングし、可撓部Ｆのパターンを形成するとともにエッチングストッパ層１０２の一部を露出させる。具体的には、ＣＨＦ３ガスを用いた反応性イオンエッチングによって二酸化シリコンからなる絶縁層１０６をエッチングする。続いてＣＦ４ガスを用いた反応性イオンエッチングによって多結晶シリコンからなる薄いシリコン層をエッチングする。
【００５３】
次に、図１１Ａおよび図１１Ｂに示すように積層構造体Ｗを犠牲基板９９に一時的に接着し、厚いシリコン層１０１の裏面上にフォトレジストからなる保護膜Ｒ２を形成する。犠牲基板９９と積層構造体Ｗとはワックス、フォトレジスト、両面粘着シートなどからなる接着手段Ｂを用いて一時的に接着することができる。
【００５４】
次に、図１２Ａおよび図１２Ｂに示すように保護膜Ｒ２から露出している厚いシリコン層１０１を貫通するまでエッチングし、エッチングストッパ層１０２を露出させる。具体的には、Ｃ４Ｆ８プラズマを用いたパッシベーションとＳＦ６プラズマを用いたエッチングとを短い間隔で交互に繰り返すボッシュプロセスといわれるＤｅｅｐ−ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）によって厚いシリコン層１０１をエッチングする。その後、保護膜Ｒ２を除去する。
【００５５】
次に、図１３に示すように厚いシリコン層１０１をマスクとして用いてエッチングストッパ層１０２の露出している領域をエッチングする。具体的には緩衝フッ酸を用いたウェットエッチング等によってエッチングストッパ層１０２を可撓部Ｆの下方から除去する。続いて犠牲基板９９の除去、ダイシング、パッケージング等の工程を実施するとモーションセンサのダイ１Ａが完成する。
【００５６】
以上説明した製造方法によると、可撓部Ｆにおける波面のうねりがなだらかに形成されるため、破断しにくく耐衝撃性能に優れたＭＥＭＳセンサが製造される。
【００５７】
２．第二実施形態
図１４に本発明の第二実施形態によるモーションセンサのダイ２Ａを示す。図１４においてモーションセンサのダイ２Ａを構成する層の界面は破線で示し、モーションセンサのダイ２Ａを構成する機械的構成要素の境界は実線で示している。第二実施形態によるモーションセンサは、ダイ２Ａの断面構造のみが第一実施形態において説明したダイ１Ａと異なり、その他の構成は第一実施形態において説明したモーションセンサ１と実質的に同一である。
【００５８】
モーションセンサのダイ２Ａは、厚いシリコン層１０１と、エッチングストッパ層１０２と、薄いシリコン層１０４と、エピタキシャル結晶シリコン層１０９と、絶縁層１０６と、電極層１０８、１１２と、圧電層１１０と、表面絶縁層１１４と、表面配線層１１５とを含む積層構造体である。厚さ６２５μｍの厚いシリコン層１０１はｐ型の単結晶シリコン（Ｓｉ）からなる。エッチングストッパ層１０２はシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）からなる。エッチングストッパ層１０２の厚さは１μｍである。厚さ１０μｍの薄いシリコン層１０４はｎ型の単結晶シリコンからなる。薄いシリコン層１０４は支持部Ｓおよび錘部Ｍに含まれる。薄いシリコン層１０４は可撓部Ｆに含まれていない。エピタキシャル結晶シリコン層１０９はシリコンのエピタキシャル結晶成長によって形成されたｐ型の単結晶シリコンからなる。エピタキシャル結晶シリコン層１０９の厚さは１０μｍである。エピタキシャル結晶シリコン層１０９は、支持部Ｓ、可撓部Ｆおよび錘部Ｍに含まれている。薄いシリコン層１０４をｎ型とし、エピタキシャル結晶層１０５および厚いシリコン層１０１をｐ型とするのは、薄いシリコン層１０４の選択的エッチングを可能にするためである。したがって、薄いシリコン層１０４をｐ型とし、エピタキシャル結晶層１０５および厚いシリコン層１０１をｎ型としてもよい。絶縁層１０６はシリコン酸化膜からなる。絶縁層１０６の厚さは３００ｎｍである。電極層１０８、１１２はいずれも白金（Ｐｔ）からなる。電極層１０８、１１２の厚さはいずれも０．１μｍである。圧電層１１０はＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）からなる。圧電層１１０の厚さは３μｍである。表面絶縁層１１４は感光性ポリイミドからなる。表面絶縁層１１４の厚さは１０μｍである。表面配線層１１５はアルミニウム（Ａｌ）からなる。表面配線層１１５の厚さは０．５μｍである。
【００５９】
可撓部Ｆはエピタキシャル結晶シリコン層１０９と絶縁層１０６とを含む。可撓部Ｆは一端が支持部Ｓに結合され他端が錘部Ｍに結合している。可撓部Ｆは厚いシリコン層１０１を含まないため、可撓性を有する膜として振る舞う。それぞれの可撓部Ｆは、支持部Ｓとの境界である固定端から錘部Ｍとの境界である自由端に向かう方向になだらかにうねった波形区間２０３を有する。波形区間２０３は可撓部Ｆの全幅にわたっている。すなわち波形区間２０３は可撓部Ｆの固定端と自由端とを結ぶ２辺間を横断している。波形区間２０３において可撓部Ｆの上面と下面は折れ曲がることなく互いの距離を一定に保ちながらはなだらかにうねっている。
【００６０】
波形区間２０３は平らな区間よりも剛性が低く撓みやすくなるため、可撓部Ｆに波形区間２０３を形成することによって可撓部Ｆ全体の剛性を高めることなく可撓部Ｆを小さくすることできる。その結果、モーションセンサ１の感度を上げたり、ダイナミックレンジを広げたり、感度を落とすことなくモーションセンサを小型化することができる。また波形区間２０３におけるうねりがなだらかであるため、屈曲させて可撓部Ｆの剛性を低下させる場合に比べると、局所への応力集中が緩和される。その結果、可撓部Ｆが破断しにくくなり、モーションセンサの耐衝撃性能が向上する。また、可撓部Ｆに薄肉部を形成して可撓部Ｆを撓みやすくする場合に比べると、可撓部Ｆに波形区間２０３を形成して撓みやすくしても可撓部Ｆの強度は低くならない。このため可撓部Ｆに波形区間２０３を形成することにより可撓部Ｆの変形量の限界を高く剛性を低く設定することができる。その結果、圧電素子Ｐによって効率よく大きな振幅で可撓部Ｆを励振することができるため、角速度の検出感度を高めることができる。また、可撓部Ｆの変形量の限界が高いため、ハードスプリング効果による共振周波数のシフトを防止することができる。
【００６１】
ピエゾ抵抗素子４０は可撓部Ｆの波形区間２０３においてエピタキシャル結晶シリコン層１０９に形成されている。錘部Ｍの運動に伴って可撓部Ｆが変形する際、波形区間２０３は可撓部Ｆにおける波形区間２０３以外の区間に比べて歪みが大きくなる。このため、波形区間２０３にピエゾ抵抗素子４０を形成することによって、可撓部Ｆの変形を伴う加速度および角速度の検出感度を高めることができる。
【００６２】
図１５から図１９はダイ２Ａの製造方法を示す断面図であって、図１Ａに示すＢＢ線に対応する。
はじめに図１５に示すようにＳＯＩウエハ１００の薄いシリコン層１０４の表面に表面がなだらかにうねるフォトレジストからなる保護膜Ｒ３を形成する。保護膜Ｒ３の表面のうねりは可撓部Ｆの波形区間２０３の界面のうねりに対応させる。このような保護膜Ｒ３は、例えば次のように形成する。まず厚さ３μｍのポジ型フォトレジストを薄いシリコン層１０４の表面に塗布し、プリベークする。次に多階調マスク（ハーフトーンマスク又はグレートーンマスク）を介してフォトレジストを露光し、現像すればよい。多階調マスクを用いることにより、１回の露光と現像で３次元パターンを有する保護膜Ｒ３を形成することができる。なお、レーザ光による直接描画法よってフォトレジストに３次元形状の露光領域を形成しても良い。
【００６３】
次に保護膜Ｒ３もろともに薄いシリコン層１０４を異方性エッチングすることによって、保護膜Ｒ３の表面形状を薄いシリコン層１０４に転写する。その結果、図１６に示すように薄いシリコン層１０４の表面に可撓部Ｆの波面に対応する波面領域１０４ａが形成される。例えばＣＦ４−Ｏ２をエッチングガスとして用いる反応性イオンエッチングによって保護膜Ｒ３の表面形状を薄いシリコン層１０４に転写する。このとき薄いシリコン層１０４と保護膜Ｒ３との選択比を１：１に設定することによって保護膜Ｒ３の波面をそのまま薄いシリコン層１０４に転写することができる。なお、選択比は１：１でない場合、保護膜Ｒ３の波面とは異なる振幅の波面が薄いシリコン層１０４に形成される。
【００６４】
次に薄いシリコン層１０４の表面にエピタキシャル結晶シリコン層１０９を図１７に示すようにエピタキシャル成長させる。その結果、可撓部Ｆの波形区間２０３となる部分を有するエピタキシャル結晶シリコン層１０９が形成される。Ｐ型のエピタキシャル結晶シリコン層１０９は、反応温度１０５０℃〜１１５０℃でＳｉＨ２Ｃｌ２ガスを供給することによって、ＳｉＨ２Ｃｌ２→Ｓｉ＋２ＨＣｌの反応を起こして成長させることができる。
【００６５】
その後、第一実施形態と同様に絶縁層１０６、電極層１０８、１１２、圧電層１１０、表面絶縁層１１４、表面配線層１１５を形成し、これらを改質したりパターニングする。このときピエゾ抵抗素子４０および圧電素子Ｐは可撓部Ｆとなるエピタキシャル結晶層１０５の波形区間２０３に形成される。
【００６６】
さらに第一実施形態と同様にして厚いシリコン層１０１とエッチングストッパ層１０２とを図１８に示すようにエッチングする。
【００６７】
次に厚いシリコン層１０１とエッチングストッパ層１０２とを保護膜として薄いシリコン層１０４を図１９に示すようにエッチングする。その結果、エピタキシャル結晶シリコン層１０９の可撓部Ｆに対応する部分の表面から薄いシリコン層１０４が除去される。ｎ型の薄いシリコン層１０４は電気化学エッチングにより選択的にエッチングされる。このときｐ型の厚いシリコン層１０１はエッチングされず、ｐ型のエピタキシャル結晶シリコン層１０９はエッチングストッパとなる。
【００６８】
その後、犠牲基板９９の除去、ダイシング、パッケージング等の工程を実施するとモーションセンサのダイ２Ａが完成する。
【００６９】
３．他の実施形態
尚、本発明の技術的範囲は、上述した実施の形態に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。例えば、図２０に示すようにダイヤフラム型の可撓部Ｆに薄肉部２０２と厚肉部２０１とを形成しても良い。可撓部Ｆが環状のダイヤフラム型である場合、薄肉部２０２は可撓部Ｆを１周するように形成することが好ましい。また図２０Ｂに示すように薄肉部２０２の全体が漸減区間であっても良い。図２０Ａはダイヤフラム型の可撓部Ｆを示す上面図である。図２０Ａにおいて薄肉部２０２の領域にはハッチングが付されている。図２０Ｂは図２０Ａに示すＢＢ線に対応する断面図である。また例えばダイヤフラム型の可撓部Ｆに波形区間を形成しても良い。ダイヤフラム型の可撓部Ｆに波形区間を形成する場合、図２０Ａにハッチングで示す領域を波形区間とし、波形区間が可撓部Ｆを一周するように形成することが好ましい。また例えば図２１に示すように、薄肉部２０２の漸減区間２０２ａにおいて可撓部Ｆの厚さが厚肉部２０１から離れるにつれて線型に減少していても良い。図２１Ａは梁型の可撓部Ｆを示す上面図である。図２１Ａにおいて薄肉部２０２の領域にはハッチングが付されている。図２１Ｂは図２１Ａに示すＢＢ線に対応する断面図である。
【００７０】
また、本発明は加速度センサ、角速度センサ、姿勢センサ、振動センサ、マイクロホン、圧力センサといった他のＭＥＭＳセンサにも当然に適用できる。また上記実施形態で示した材質や寸法や成膜方法やパターン転写方法はあくまで例示であるし、当業者であれば自明である工程の追加や削除や工程順序の入れ替えについては説明が省略されている。例えば、上述した製造工程において、膜の組成、成膜方法、膜の輪郭形成方法、工程順序などは、コンデンサマイクロホンを構成しうる物性を持つ膜材料の組み合わせや、膜厚や、要求される輪郭形状精度などに応じて適宜選択されるものであって、特に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】図１Ａは本発明の第一実施形態にかかる平面図。図１Ｂは図１Ａに示すＢＢ線の断面図。図１Ｃは図１Ａに示すＣＣ線の断面図。
【図２】本発明の第一実施形態にかかる断面図。
【図３】本発明の第一実施形態にかかる断面図。
【図４】図４Ａは本発明の第一実施形態にかかる断面図。図４Ｂは本発明の実施形態にかかる平面図。
【図５】本発明の第一実施形態にかかる断面図。
【図６】本発明の第一実施形態にかかる断面図。
【図７】本発明の第一実施形態にかかる断面図。
【図８】本発明の第一実施形態にかかる断面図。
【図９】本発明の第一実施形態にかかる断面図。
【図１０】本発明の第一実施形態にかかる断面図。
【図１１】図１１Ａは本発明の第一実施形態にかかる断面図。図１１Ｂは本発明の第一実施形態にかかる断面図。
【図１２】図１２Ａは本発明の第一実施形態にかかる断面図。図１２Ｂは本発明の第一実施形態にかかる断面図。
【図１３】本発明の第一実施形態にかかる断面図。
【図１４】本発明の第二実施形態にかかる断面図。
【図１５】本発明の第二実施形態にかかる断面図。
【図１６】本発明の第二実施形態にかかる断面図。
【図１７】本発明の第二実施形態にかかる断面図。
【図１８】本発明の第二実施形態にかかる断面図。
【図１９】本発明の第二実施形態にかかる断面図。
【図２０】図２０Ａは本発明の他の実施形態にかかる平面図。図２０Ｂは本発明の他の実施形態にかかる断面図。
【図２１】図２１Ａは本発明の他の実施形態にかかる平面図。図２１Ｂは本発明の他の実施形態にかかる断面図。
【符号の説明】
【００７２】
１：モーションセンサ、１Ａ：ダイ、１Ｂ：パッケージ、２Ａ：ダイ、４０：ピエゾ抵抗素子、４１：接続抵抗低減部、４２：抵抗部、５０：表面配線層、９０：ベース、９０ａ：底面、９１：貫通電極、９２：接着層、９３：接着層、９４：カバー、９５：ワイヤ、９９：犠牲基板、１００：ウエハ、１０１：厚いシリコン層、１０２：エッチングストッパ層、１０４：薄いシリコン層、１０４ａ：波面領域、１０５：酸化シリコン層、１０９：エピタキシャル結晶シリコン層、１０６：絶縁層、１０７：窒化シリコン層、１０８：電極層、１１０：圧電層、１１２：電極層、１１４：表面絶縁層、１１５：表面配線層、１１５：表面絶縁層、２０１：厚肉部、２０２：薄肉部、２０３：波形区間、Ｂ：接着手段、Ｆ：可撓部、Ｍ：錘部、Ｐ：圧電素子、Ｒ１：保護膜、Ｒ２：保護膜、Ｒ３：保護膜、ＲＳ：スリット、Ｓ：支持部、Ｗ：積層構造体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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