(57)【要約】【課題】  小型化可能で、特性のばらつきが少ない高精度なＭＥＭＳを製造する。【解決手段】  単結晶シリコンからなる基板の第一の主面の環状領域に複数の凹部を形成し、前記基板を非酸化性雰囲気中で熱処理することによって、前記複数の凹部から前記基板内に環状の空洞を形成するとともに、前記空洞によって隔てられた薄肉部と厚肉部と、前記空洞に囲まれ前記薄肉部と前記厚肉部とを連結している支柱部とを形成し、前記第一の主面の裏面に相当する前記基板の第二の主面から、前記空洞に到達する環状溝を形成することによって、前記環状溝の外側に位置し前記薄肉部と結合する枠部と前記環状溝の内側に位置し前記支柱部に結合する錘部とに前記厚肉部を分割する、ことを含む。【選択図】図１
2010199133.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶シリコンからなる基板の第一の主面の環状領域に複数の凹部を形成し、
前記基板を非酸化性雰囲気中で熱処理することによって、前記複数の凹部から前記基板内に環状の空洞を形成するとともに、前記空洞によって隔てられた薄肉部と厚肉部と、前記空洞に囲まれ前記薄肉部と前記厚肉部とを連結している支柱部とを形成し、
前記第一の主面の裏面に相当する前記基板の第二の主面から、前記空洞に到達する環状溝を形成することによって、前記環状溝の外側に位置し前記薄肉部と結合する枠部と前記環状溝の内側に位置し前記支柱部に結合する錘部とに前記厚肉部を分割する、
ことを含むＭＥＭＳの製造方法。
【請求項２】
前記空洞を形成した後であって前記環状溝を形成する前に、前記薄肉部のうち除去しようとする領域に前記第一の主面から前記空洞に到達する複数の孔を形成し、前記空洞に面する前記基板の内壁の表層を酸化させる、
ことを含む請求項１に記載のＭＥＭＳの製造方法。
【請求項３】
前記空洞に面する前記基板の内壁の表層を酸化させるとともに、前記薄肉部のうち除去しようとする領域全体を酸化させ、
前記環状溝を形成した後、前記基板の酸化領域を除去する、
請求項２に記載のＭＥＭＳの製造方法。
【請求項４】
前記空洞を形成した後、前記薄肉部を一部除去することによって前記空洞の開口を形成するとともに、前記薄肉部からなり前記支柱部と前記枠部とを連結する梁部を形成し、
前記環状溝を形成する前に、前記開口から前記空洞を犠牲層で埋め、
前記環状溝を形成した後、前記犠牲層を除去する、
ことを含む請求項１に記載のＭＥＭＳの製造方法。
【請求項５】
前記開口を形成した後、前記空洞を前記犠牲層で埋める前に、前記第一の主面と前記第二の主面と前記空洞に面する前記基板の内壁を酸化し、
前記梁部の表裏両面の前記酸化膜を残存させる、
ことを含む請求項４に記載のＭＥＭＳの製造方法。
【請求項６】
前記空洞を形成した後、前記薄肉部のうち除去しようとする領域であって前記錘部を形成する領域の外側の位置において、前記第一の主面から前記空洞に到達する複数の前記孔を形成する、
ことを含む請求項２に記載のＭＥＭＳの製造方法。
【請求項７】
前記空洞を形成した後、前記第一の主面に絶縁層を形成し、
前記絶縁層の表面に、積層された一対の電極と前記一対の電極に挟まれた圧電膜とを形成する、
ことを含む請求項１〜請求項５のいずれかに記載のＭＥＭＳの製造方法。
【請求項８】
枠部と、前記枠部の内側に結合している薄肉部と、前記薄肉部の一方の面から突出している支柱部と、前記枠部の内側において前記支柱部に結合し前記支柱部よりも前記枠部に向かって突出している錘部とを備え、
前記枠部と前記薄肉部と前記支柱部と前記錘部とは単結晶シリコンバルクで構成されているＭＥＭＳ。
【請求項９】
前記枠部と前記薄肉部とがなす内角部と、前記薄肉部と前記支柱部とがなす内角部と、前記支柱部と前記錘部とがなす内角部は、なだらかな凹曲面をなしている、
請求項８に記載のＭＥＭＳ。
【請求項１０】
前記薄肉部の表裏両面には膜厚の等しい酸化シリコン層がある、
請求項８または請求項９に記載のＭＥＭＳ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＥＭＳおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術によって加速度センサやジャイロセンサなどのモーションセンサやアクチュエータを製造する方法が知られている（例えば特許文献１〜９）。特許文献５にはシリコン基板を非酸化性雰囲気中で熱処理し基板内に空洞を形成して、圧力センサを製造する技術が記載されている。特許文献６には、特許文献５と同様にシリコン基板内に空洞を形成し、静電容量型の加速度センサを製造する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平０６−３４２００６号公報
【特許文献２】特開平０８−２７４３４９号公報
【特許文献３】特開平０８−２４８０６１号公報
【特許文献４】特開平０９−０１５２５７号公報
【特許文献５】特開２００７−２６６６１３号公報
【特許文献６】特開２００２−５７６３号公報
【特許文献７】特開平０８−５４４１３号公報
【特許文献８】特許第２８９２７８８号公報
【特許文献９】特許第３１７０６６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１には、枠部と錘部と梁部はシリコンで一体に形成してもよいと記載されているがその具体的方法について記載がない。また、梁部と錘部を別々に形成し接着する方法では、貼り合わせの位置精度が低いという問題がある。特許文献２には、メッキで錘部を形成する方法が記載されているが、メッキ成膜には時間がかかるし、成膜精度によりＭＥＭＳの特性がばらつくという問題がある。また、メッキ成膜時の応力が梁部に残留しオフセットが発生するがそのオフセットはＭＥＭＳごとにばらつく。また、熱膨張係数が梁部のＳｉと錘部の金属とで異なるため温度変化により薄肉部での応力が変化し特性が安定しない。特許文献３，４は梁部と錘部とを貼り合わせることが記載されているが、貼り合わせの位置精度と、貼り合わせ時の応力を緩和させるための対応が必要である点に課題が残る。特許文献５，６にはダイアフラム型以外の加速度センサや角速度センサの製造方法は記載されていない。特許文献７〜９には、錘部が二層構造のＭＥＭＳの製造方法が記載されているが、接合の位置精度が課題として残る。
【０００５】
本発明は、小型化可能で、特性のばらつきが少ない高精度なＭＥＭＳを製造することを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）上記目的を達成するためのＭＥＭＳの製造方法は、単結晶シリコンからなる基板の第一の主面の環状領域に複数の凹部を形成し、前記基板を非酸化性雰囲気中で熱処理することによって、前記複数の凹部から前記基板内に環状の空洞を形成するとともに、前記空洞によって隔てられた薄肉部と厚肉部と、前記空洞に囲まれ前記薄肉部と前記厚肉部とを連結している支柱部とを形成し、前記第一の主面の裏面に相当する前記基板の第二の主面から、前記空洞に到達する環状溝を形成することによって、前記環状溝の外側に位置し前記薄肉部と結合する枠部と前記環状溝の内側に位置し前記支柱部に結合する錘部とに前記厚肉部を分割する、ことを含む。
【０００７】
本発明の方法で製造されたＭＥＭＳは、環状の空洞を間に挟んで錘部と薄肉部が対向する構造を形成できるため、ＭＥＭＳの小型化が容易である。また、薄肉部と錘部と支柱部と枠部の大部分が単結晶シリコンで構成されるため熱膨張係数のばらつきがなく温度特性が安定する。また、空洞を形成するための複数の孔の第一の主面からの深さや径、孔のレイアウト等を調整することにより、空洞の位置や薄肉部の厚さを制御することができる。さらに、熱処理によって空洞を形成するため、空洞の角部は丸みを帯びる。空洞の角部は薄肉部、枠部、支柱部および錘部が互いに結合する部分を構成するため、各構成要素の結合部分における応力集中を低減できる。そのため耐衝撃性が向上する。また、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いてＭＥＭＳを製造する従来の構成と比較して本発明の製造方法ではＳＯＩ基板が不要であるためコストを削減することができる。
【０００８】
（２）上記目的を達成するためのＭＥＭＳの製造方法において、前記空洞を形成した後であって前記環状溝を形成する前に、前記薄肉部のうち除去しようとする領域に前記第一の主面から前記空洞に到達する複数の孔を形成し、前記空洞に面する前記基板の内壁の表層を酸化させてもよい。
本発明によると、空洞に面する基板の内壁に形成された酸化膜が、環状溝を形成する際のエッチングストッパとなり、環状溝を形成する工程で薄肉部までオーバーエッチングされることを防ぐことができる。
【０００９】
（３）上記目的を達成するためのＭＥＭＳの製造方法において、前記空洞に面する前記基板の内壁の表層を酸化させるとともに、前記薄肉部のうち除去しようとする領域全体を酸化させ、前記環状溝を形成した後、前記基板の酸化領域を除去してもよい。
本発明によると、酸化膜の除去と、梁部の形成を共通の工程で実施することができるため、工程が簡略化できコスト削減につなげることができる。
【００１０】
（４）上記目的を達成するためのＭＥＭＳの製造方法において、前記空洞を形成した後、前記薄肉部を一部除去することによって前記空洞の開口を形成するとともに、前記薄肉部からなり前記支柱部と前記枠部とを連結する梁部を形成し、前記環状溝を形成する前に、前記開口から前記空洞を犠牲層で埋め、前記環状溝を形成した後、前記犠牲層を除去してもよい。
本発明によると、空洞を埋めている犠牲層が、環状溝を形成する際のエッチングストッパとなり、環状溝を形成する工程で梁部までオーバーエッチングされることを防ぐことができる。
【００１１】
（５）上記目的を達成するためのＭＥＭＳの製造方法において、前記開口を形成した後、前記空洞を前記犠牲層で埋める前に、前記第一の主面と前記第二の主面と前記空洞に面する前記基板の内壁を酸化し、前記梁部の表裏両面の酸化膜を残存させてもよい。
本発明の製造方法で製造したＭＥＭＳには、梁部の表裏両面に同じ材質で同じ膜厚の酸化膜が形成されているため、温度変化が発生しても表裏両面の酸化膜によって梁部の応力がバランスし、温度特性が安定する。
【００１２】
（６）上記目的を達成するためのＭＥＭＳの製造方法において、前記空洞を形成した後、前記薄肉部のうち除去しようとする領域であって前記錘部を形成する領域の外側の位置において、前記第一の主面から前記空洞に到達する複数の前記孔を形成してもよい。
本発明によると、前記空洞内壁に酸化膜を成膜するための孔を形成する際に、厚肉部の薄肉部側の面の一部をエッチングしてしまうが、環状溝を形成する際に厚肉部でエッチングされた領域は除去されるため、錘部にオーバーエッチングによる凹凸が残存せず、錘部の特性にばらつきが発生することを防ぐことができる。
【００１３】
（７）上記目的を達成するためのＭＥＭＳの製造方法において、前記空洞を形成した後、前記第一の主面に絶縁層を形成し、前記絶縁層の表面に、積層された一対の電極と当該一対の電極に挟まれた圧電膜とを形成してもよい。
本発明によると、特性が安定し歩留まりの高いジャイロセンサを製造することができる。空洞が形成された単結晶シリコン基板は、ＳＯＩ基板と比べて基板の反りが少ないため、本発明のように空洞を形成した単結晶シリコン基板上に電極や圧電膜を成膜する際、ウエハの表面において温度が均一となり、ウエハ表面で圧電材料の結晶性や圧電特性の均一性が高くなるためである。
【００１４】
（８）上記目的を達成するためのＭＥＭＳは、枠部と、前記枠部の内側に結合している薄肉部と、前記薄肉部の一方の面から突出している支柱部と、前記枠部の内側において前記支柱部に結合し前記支柱部よりも前記枠部に向かって突出している錘部とを備え、前記枠部と前記薄肉部と前記支柱部と前記錘部とは単結晶シリコンバルクで構成されている。
本発明によると、枠部と薄肉部と支柱部と錘部が単結晶シリコンバルクで構成されているため、熱膨張係数が等しく温度特性が安定する。
【００１５】
（９）上記目的を達成するためのＭＥＭＳにおいて、前記枠部と前記薄肉部とがなす内角部と、前記薄肉部と前記支柱部とがなす内角部と、前記支柱部と前記錘部とがなす内角部は、なだらかな凹曲面をなしている。
本発明によると、内角部の応力集中が少なく、各部の結合部分での破断が発生しにくくなり耐衝撃性が向上する。
【００１６】
（１０）上記目的を達成するためのＭＥＭＳにおいて、前記薄肉部の表裏両面には膜厚の等しい酸化シリコン層があってもよい。
本発明によると、温度変化が発生しても表裏両面の酸化シリコン層にて薄肉部の応力がバランスするため、温度特性が安定する。
【００１７】
尚、請求項に記載された動作の順序は、技術的な阻害要因がない限りにおいて記載順に限定されず、同時に実行されても良いし、記載順の逆順に実行されても良いし、連続した順序で実行されなくても良い。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】（１Ａ）は実施形態群Ａ・第一実施形態のＭＥＭＳの断面図、（１Ｂ）はその平面図。
【図２】（２Ａ）は実施形態群Ａ・第一実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図、（２Ｂ）はその平面図。
【図３】（３Ａ）および（３Ｂ）は実施形態群Ａ・第一実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図、（３Ｃ）はその平面図。
【図４】（４Ａ）は実施形態群Ａ・第一実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図、（４Ｂ）はその平面図。
【図５】（５Ａ）は実施形態群Ａ・第一実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図、（５Ｂ）はその平面図。
【図６】実施形態群Ａ・第一実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図。
【図７】実施形態群Ａ・第一実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図。
【図８】（８Ａ）は実施形態群Ａ・第一実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図、（８Ｂ）はその平面図。
【図９】（９Ａ）および（９Ｂ）は実施形態群Ａ・第一実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図、（９Ｃ）はその平面図。
【図１０】（１０Ａ）は実施形態群Ａ・第一実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図、（１０Ｂ）はその平面図。
【図１１】（１１Ａ）は実施形態群Ａ・第二実施形態のＭＥＭＳの断面図、（１１Ｂ）はその平面図。
【図１２】（１２Ａ）および（１２Ｂ）は実施形態群Ａ・第二実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図、（１２Ｃ）はその平面図。
【図１３】（１３Ａ）および（１３Ｂ）は実施形態群Ａ・第二実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図、（１３Ｃ）はその平面図。
【図１４】（１４Ａ）は実施形態群Ａ・第二実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図、（１４Ｂ）はその平面図。
【図１５】実施形態群Ａ・第二実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図。
【図１６】実施形態群Ａ・第二実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図。
【図１７】（１７Ａ）および（１７Ｂ）は他の実施形態のＭＥＭＳの断面図、（１７Ｃ）はその平面図。
【図１８】（１８Ａ）および（１８Ｂ）は実施形態群Ａ・他の実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図、（１８Ｃ）はその平面図。
【図１９】（１９Ａ）は実施形態群Ａ・他の実施形態のＭＥＭＳの断面図、（１９Ｂ）はその平面図。
【図２０】（２０Ａ）および（２０Ｂ）は実施形態群Ａ・他の実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図、（２０Ｃ）はその部分拡大図、（２０Ｄ）はその平面図。
【図２１】実施形態群Ａ・他の実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図。
【図２２】（２２Ａ）は実施形態群Ａ・他の実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図、（２２Ｂ）および（２２Ｃ）はその部分拡大図。
【図２３】（２３Ａ）および（２３Ｂ）は実施形態群Ａ・他の実施形態のＭＥＭＳの断面図、（２３Ｃ）はその平面図。
【図２４】（２４Ａ）は実施形態群Ｂ・第一実施形態のＭＥＭＳの断面図、（２４Ｂ）はその平面図。
【図２５】（２５Ａ）は実施形態群Ｂ・第一実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図、（２５Ｂ）はその平面図。
【図２６】（２６Ａ）および（２６Ｂ）は実施形態群Ｂ・第一実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図、（２６Ｃ）はその平面図。
【図２７】（２７Ａ）は実施形態群Ｂ・第一実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図、（２７Ｂ）はその平面図。
【図２８】（２８Ａ）は実施形態群Ｂ・第一実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図、（２８Ｂ）はその平面図。
【図２９】実施形態群Ｂ・第一実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図。
【図３０】実施形態群Ｂ・第一実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図。
【図３１】（３１Ａ）は実施形態群Ｂ・第一実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図、（３１Ｂ）はその平面図。
【図３２】（３２Ａ）および（３２Ｂ）は実施形態群Ｂ・第一実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図、（３２Ｃ）はその平面図。
【図３３】（３３Ａ）は実施形態群Ｂ・第一実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図、（３３Ｂ）はその平面図。
【図３４】実施形態群Ｂ・第一実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図。
【図３５】（３５Ａ）および（３５Ｂ）は実施形態群Ｂ・第一実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図、（３５Ｃ）はその平面図。
【図３６】（３６Ａ）および（３６Ｂ）は実施形態群Ｂ・第一実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図、（３６Ｃ）はその平面図。
【図３７】（３７Ａ）は実施形態群Ｂ・第一実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図、（３７Ｂ）はその平面図。
【図３８】（３８Ａ）および（３８Ｂ）は実施形態群Ｂ・第一実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図、（３８Ｃ）はその平面図。
【図３９】（３９Ａ）および（３９Ｂ）は実施形態群Ｂ・第一実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図、（３９Ｃ）はその平面図。
【図４０】（４０Ａ）および（４０Ｂ）は実施形態群Ｂ・第二実施形態のＭＥＭＳの断面図、（４０Ｂ）はその平面図。
【図４１】（４１Ａ）および（４１Ｂ）は実施形態群Ｂ・第二実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図、（４１Ｃ）はその平面図。
【図４２】（４２Ａ）および（４２Ｂ）は実施形態群Ｂ・他の実施形態のＭＥＭＳの断面図、（４２Ｂ）はその平面図。
【図４３】（４３Ａ）および（４３Ｂ）は実施形態群Ｂ・他の実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図、（４３Ｃ）はその平面図。
【図４４】（４４Ａ）は実施形態群Ｂ・他の実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図、（４４Ｂ）はその平面図。
【図４５】（４５Ａ）および（４５Ｂ）は実施形態群Ｂ・他の実施形態のＭＥＭＳの断面図、（４５Ｃ）はその平面図。
【図４６】（４６Ａ）および（４６Ｂ）は実施形態群Ｂ・他の実施形態のＭＥＭＳの断面図、（４６Ｃ）はその平面図。
【図４７】（４７Ａ）および（４７Ｂ）は実施形態群Ｂ・他の実施形態のＭＥＭＳの製造方法を示す断面図、（４７Ｃ）はその平面図。
【図４８】（４８Ａ）および（４８Ｂ）は実施形態群Ｂ・他の実施形態のＭＥＭＳの断面図、（４８Ｃ）はその平面図。
【図４９】（４９Ａ）および（４９Ｂ）は実施形態群Ｂ・他の実施形態のＭＥＭＳの製造方法を示す断面図、（４９Ｃ）はその平面図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を、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。
【００２０】
１．実施形態群Ａ
１−１．第一実施形態
（構成）
本発明のＭＥＭＳの第一実施形態である加速度センサ１のセンサダイを図１に示す。図１Ａは、図１Ｂに示す１Ａ線の断面図である。図１Ａにおいて、加速度センサ１を構成する層の界面は実線で示し、加速度センサ１を構成する機能要素の境界は破線で示している。
【００２１】
加速度センサ１は、ベース層１１と、絶縁層１２と、表面導線層１３とからなる積層構造体である。ベース層１１は単結晶シリコンからなる。ベース層１１の厚さは６２５μｍである。ベース層１１の表層には、ピエゾ抵抗部１３１およびコンタクト抵抗低減部１３２からなるピエゾ抵抗素子Ｒが形成されている。ピエゾ抵抗素子Ｒの厚さは０．３５μｍである。絶縁層１２は二酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる。絶縁層１２の厚さは０．５μｍである。絶縁層１２にはコンタクトホールＨ１が形成されており、表面導線層１３はコンタクト抵抗低減部１３２とコンタクトホールＨ１にて接続している。表面導線層１３はアルミニウム（Ａｌ）からなる。表面導線層１３の厚さは０．３μｍである。
【００２２】
加速度センサ１のセンサダイは、枠形の枠部Ｓと、枠部Ｓの内側に外周が結合し十字形態の梁を有する梁部Ｆと、錘部Ｍと、梁部Ｆと錘部Ｍとを連結している支柱部Ｐと、梁部Ｆに設けられたピエゾ抵抗素子Ｒと、を備える。
枠部Ｓは図１Ｂに示すように矩形枠の形態を有する。枠部Ｓは図示しないパッケージに固定されるため、実質的に剛体として振る舞う。枠部Ｓはベース層１１、絶縁層１２を含んでいる。枠部Ｓの表面に表面導線層１３が形成されている。
【００２３】
十字形態の梁を含む梁部Ｆは両端固定の２つの梁がそれぞれの中央部において互いに結合された形態（枠部Ｓの内側に掛け渡された梁の形態）を有する。梁部Ｆは、可撓性を有する厚さ一定の複層膜からなる。梁部Ｆの厚さは３μｍである。梁部Ｆの外周は枠部Ｓの内側の４辺に結合している。枠部Ｓは剛体として振る舞うため、加速度センサ１に固定された座標系において梁部Ｆの外周端は固定端となる。梁部Ｆはベース層１１と絶縁層１２とを含む。梁部Ｆの表面に表面導線層１３が形成されている。
【００２４】
錘部Ｍは、ベース層１１からなり、外周が矩形である板の形態を有する。錘部Ｍの厚さは６１３μｍである。錘部Ｍは、枠部Ｓの内側に配置され、梁部Ｆに重なっている。錘部Ｍと枠部Ｓとの間には環状溝Ｔが形成されている。すなわちベース層１１は環状溝Ｔによって錘部Ｍを構成する部分と枠部Ｓを構成する部分とに分断されている。錘部Ｍは梁部Ｆに比べて十分厚く形成されているため実質的に剛体として振る舞う。錘部Ｍと梁部Ｆとの間には空洞Ｖが形成されている。空洞Ｖの高さ（錘部Ｍと梁部Ｆとの距離）は支柱部Ｐの高さに等しく９μｍである。錘部Ｍは、支柱部Ｐよりも枠部に向かって突出している。
【００２５】
支柱部Ｐはベース層１１からなる。支柱部Ｐは、梁部Ｆの中央部裏面から錘部Ｍの方向に突出し錘部Ｍの中央部と結合している。すなわち支柱部Ｐは、空洞Ｖを間に挟んで対向するように錘部Ｍと梁部Ｆとを連結している。空洞Ｖを囲む壁面がなす内側の角部（内角部）Ｃはなだらかな凹曲面を有している。そのため、内角部Ｃの応力集中が低減され梁部Ｆと枠部Ｓとの連結部分と梁部Ｆと支柱部Ｐとの連結部分と支柱部Ｐと錘部Ｍとの連結部分とを破損しにくくすることができ、耐衝撃性が向上する。また、枠部Ｓと梁部Ｆと支柱部Ｐと錘部Ｍの大部分が単結晶シリコンバルクで構成されているため、各部の熱膨張係数が等しく加速度センサ１の温度特性が安定する。
【００２６】
（製造方法）
図１に示した加速度センサ１は次のようにして製造することができる。図２〜図１０を用いて加速度センサ１の製造方法を説明する。まず、図２に示すように、フォトレジストからなる保護層Ｒ１をマスクパターンに用いて、ベース層１１の第一の主面に複数の孔５２を形成する。孔５２は、枠部Ｓを形成する領域５１と支柱部Ｐを形成する領域５０を除く領域に格子状に等間隔に同じ径および同じ深さで複数個形成される。例えば、第一の主面から深さ１２μｍの位置に高さ９μｍの空洞を形成するためには、孔５２の直径は２μｍ、孔５２の深さは１３μｍ、孔５２間の距離は４μｍである。孔５２の形成は例えば、ＳＦ６プラズマガスを用いたパッシベーションとＣ４Ｆ８プラズマガスを用いたエッチングのステップを短い時間間隔で交互に繰り返すＤｅｅｐ−ＲＩＥ（いわゆるボッシュプロセス）によってベース層１１を異方的にエッチングすることにより実現できる。なお、孔５２は必ずしも等間隔に同じ径および同じ深さで形成されなくてもよい。
【００２７】
続いて、非酸化性雰囲気中で加熱することにより、図３に示すように、ベース層１１中に空洞Ｖを形成する。例えば、大気圧よりも低い気圧の水素雰囲気あるいは真空中で加熱する。より具体的には例えば、１１００℃で１０Ｔｏｒｒの１００％水素雰囲気中にてアニール処理を行うことにより、シリコンが流動化し各孔５２の開口が閉ざされ空洞が形成され、さらに各孔５２に対応する空洞同士が一体化することによって空洞Ｖが形成される。孔５２の径、孔５２同士の間隔、孔５２の深さを調整することにより、空洞Ｖの第一の主面からの距離、すなわち薄肉部５４の厚さを制御することができる（特開２００７−２６６６１３号公報参照）。
【００２８】
空洞Ｖがベース層１１中に形成されることにより、空洞Ｖを挟んで薄肉部５４、厚肉部５５および支柱部Ｐが顕在化する。空洞Ｖは丸みを帯びて形成される。すなわち、内角部Ｃはなだらかな凹曲面をなしている。次に、図４に示すように、薄肉部５４の表面にフォトレジストからなる保護層Ｒ２形成し、保護層Ｒ２をマスクパターンとして、薄肉部５４の表層に不純物イオンを導入（例えばホウ素（Ｂ）イオンを２×１０１８／ｃｍ３注入）しピエゾ抵抗部１３１を形成する。ブリッジ回路を構成するためのＸ，Ｙ，Ｚ各軸４個のピエゾ抵抗部を形成することにより、ＸＹＺ３軸方向の加速度を検出可能な加速度センサを製造することができる。
【００２９】
続いて、保護層Ｒ２を除去し、ベース層１１の第一の主面に絶縁層１２を形成する。例えば、熱酸化することによって０．５μｍの二酸化シリコン（ＳｉＯ２）の層を形成する。熱酸化法の代わりにＣＶＤ法によりＳｉＯ２を成膜してもよい。続いて、図５に示すように、フォトレジストからなる保護層Ｒ３をマスクパターンに用いて、絶縁層１２にコンタクトホールＨ１を形成する。その後保護層Ｒ３を除去する。
【００３０】
続いて、図６に示すように、絶縁層１２をマスクパターンに用いて、ピエゾ抵抗部１３１形成時よりも高濃度の不純物イオンを導入（例えばＢイオンを２×１０２０／ｃｍ３注入し活性化させる）し、コンタクト抵抗低減部１３２を形成する。続いて図７に示すように、絶縁層１２およびコンタクト抵抗低減部１３２の表面に表面導線層１３を形成する。続いて図８に示すように、フォトレジストからなる保護層Ｒ４をマスクパターンに用いて、表面導線層１３をパターニングし、配線や電極パッドを形成する。
【００３１】
続いて、図９に示すように、フォトレジストからなる保護層Ｒ５をマスクパターンに用いて、薄肉部５４に空洞Ｖに到達する４つの開口５６を形成することにより十字形態の梁を顕在化させ梁部Ｆを形成する（薄肉部５４から開口５６を除いた残部が梁部Ｆ）。絶縁層１２のエッチングには例えば、ＣＨＦ３ガスを用いた反応性イオンエッチングを用いる。ベース層１１からなる薄肉部５４のエッチングには例えば、ＣＦ４ガスおよびＯ２ガスを用いた反応性イオンエッチングを用いる。なお、反応性イオンエッチングの他に、フッ酸や緩衝フッ酸によるウェットエッチング法を用いることができる。エッチング後、保護層Ｒ５を除去する。
【００３２】
続いて、図１０に示すように、表面導線層１３が形成されている面を、仮接着層５７を介して犠牲基板５８に接着する。仮接着層５７としては例えば、ワックス、フォトレジスト、両面粘着シート等を用いることができる。続いて、フォトレジストからなる保護層Ｒ６をマスクパターンに用いて、ベース層１１の第一の主面の裏面に相当する第二の主面から空洞Ｖに通じ支柱部Ｐを囲む環状溝Ｔを形成するとともに、厚肉部５５を分割し枠部Ｓと錘部Ｍを形成する。ベース層１１のエッチングには例えば、ボッシュプロセスを用いることができる。その後、保護層Ｒ６を除去し、仮接着層５７を除去して犠牲基板５８から剥離する。例えば、仮接着層５７がワックスの場合には、ホットプレートでワックスを加熱した後、洗浄液にてワックスを溶解する。仮接着層５７がＵＶ両面テープの場合には、ＵＶ光を照射して粘着力を低下させた後、剥離する。以上の工程を経て、図１に示す加速度センサを製造することができる。
【００３３】
以上の製造方法によると、環状の空洞Ｖを間に挟んで錘部Ｍと薄肉部５４とが対向する構造を形成できるため、ＭＥＭＳの小型化が容易である。また、空洞を形成するための複数の孔の第一の主面からの深さや径、孔のレイアウト等を調整することにより、空洞の位置や薄肉部の厚さを制御することができる。すなわち、薄肉部５４が薄くなるように調整することで加速度センサ１の高感度化が可能である。また、ＳＯＩ基板を用いてＭＥＭＳを製造する従来の構成と比較して本発明の製造方法ではＳＯＩ基板が不要であるためコストを削減することができる。
【００３４】
２−２．第二実施形態：
（製造方法）
図１１は、第二実施形態にかかるＭＥＭＳとしての加速度センサ２を示している。各構成要素や積層構造は第一実施形態と共通するため説明を省略する。加速度センサ２は以下のようにして製造することができる。まず図３に示すようにベース層１１内に空洞Ｖを形成した状態から、図１２に示すようにベース層１１の第一の主面にフォトレジストからなる保護層Ｒ７を形成し、薄肉部５４に複数の孔６０を形成する。孔６０は、後に薄肉部５４をパターニングし残部を梁部Ｆとして顕在化させる際に、取り除かれる領域６１に複数形成される。その後、保護層Ｒ７を除去する。
【００３５】
続いて、図１３に示すように、基板を酸化させ、空洞Ｖに面する基板の内壁や、ベース層１１の第一の主面および第二の主面の表層に酸化膜（絶縁層）１２を形成する。例えば、酸素雰囲気中で１０５０℃に加熱し、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）を成長させる。このとき、孔６０が二酸化シリコンにて閉孔し、領域６１全体が酸化され、二酸化シリコンとなるようにする。続いて、第一実施形態と同様に、薄肉部５４の表層にピエゾ抵抗素子Ｒ（ピエゾ抵抗部１３１、コンタクト抵抗低減部１３２）を形成し、表面導線層１３を形成しパターニングして配線および電極パッドを形成する（図１４）。図１３で第一の主面に形成した酸化膜１２はピエゾ抵抗部１３１と表面導線層１３とを隔てる絶縁層となる。
【００３６】
続いて、図１５に示すように、表面導線層１３が形成されている面を、仮接着層５７を介して犠牲基板５８に接着し、ベース層１１の第二の主面を、保護層Ｒ８をマスクパターンとしてエッチングすることによって、空洞Ｖに面する基板の内壁に形成された絶縁層１２に到達する環状溝Ｔを形成する。具体的には例えば、第二の主面に形成された絶縁層１２のエッチングには、ＣＨＦ３ガスを用いた反応性イオンエッチングを用いる。ベース層１１のエッチングには、ボッシュプロセスを用いる。すなわち、このとき、空洞Ｖに面する基板の内壁に形成された酸化膜１２が、環状溝Ｔを形成する際のエッチングストッパとなり、環状溝Ｔを形成する工程で薄肉部までのオーバーエッチングされることを防ぐことができる。その後、保護層Ｒ８を除去する。
【００３７】
続いて、図１６に示すように、第二の主面と空洞Ｖに面する基板の内壁とに形成されていた絶縁層１２を除去する。具体的には例えば、緩衝フッ酸を用いたウェットエッチングを用いる。この工程によって、環状溝Ｔは空洞Ｖに到達する。また、領域６１の酸化膜を含む、空洞Ｖに面する基板の内壁の酸化膜が除去され、十字形態の梁を有する梁部Ｆが顕在化する。すなわち、酸化膜の除去と、梁部Ｆの形成を共通の工程で実施することができる。そのため、工程が簡略化できコスト削減につなげることができる。その後、第一実施形態と同様に仮接着層５７を除去し犠牲基板５８から剥離することによって、図１１に示す加速度センサ２が完成する。
【００３８】
２−３．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、上記実施形態で示した材質や寸法や形状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。また、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、加速度センサやジャイロセンサなどのモーションセンサやアクチュエータ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。
【００３９】
例えば本発明はジャイロセンサおよびその製造方法としても適用することができる。図１７は、本発明にかかるジャイロセンサの一形態を示している。薄肉部５４の表面には、積層された一対の電極１５と当該電極１５に挟まれた圧電膜１４からなる圧電素子６３が複数形成されている。図１７に示すジャイロセンサは、次のようにして製造することができる。
【００４０】
まず、破線６４の内側領域に、支柱部Ｐ形成領域を除いて複数の孔を形成し、上記実施形態と同様に非酸化雰囲気中で熱処理することによって空洞Ｖおよび薄肉部５４、厚肉部を形成する。その後、薄肉部５４の表面に圧電素子６３や配線を形成し、厚肉部を分割して枠部Ｓと錘部Ｍを形成することにより製造することができる。この製造方法によると歩留まりの高いジャイロセンサを製造することができる。なぜなら、本発明のように空洞Ｖが形成された単結晶シリコン基板は、ＳＯＩ基板と比較して基板の反りが少ないため、基板上に圧電素子６３を形成する際、基板表面の温度が均一となり、基板表面で圧電材料の結晶性や圧電特性の均一性が高くなるためである。
なお、本発明は、上記した加速度センサやジャイロセンサの他にも、錘部を有するモーションセンサや、錘部を有するアクチュエータなどに適用することができる。
【００４１】
なお、第一実施形態や第二実施形態では、薄肉部５４をパターニングして梁部Ｆを形成し、支柱部Ｐを介して錘部Ｍが梁部Ｆに連結している加速度センサを例に用いたが、このような形態の他に、図１７で示したジャイロセンサのように、パターニングされていない薄膜状の薄肉部５４に、支柱部Ｐを介して錘部Ｍが連結したＭＥＭＳも本発明の権利範囲に含まれる。
【００４２】
さらに、第一実施形態の図２〜図９までの工程を実施した後、すなわちベース層１１内に空洞Ｖを形成し、薄肉部５４をパターニングして梁部Ｆを形成した後、図１８に示すように、犠牲層６５にて空洞Ｖを埋めた後、環状溝Ｔを形成してもよい。この方法によると、空洞Ｖを埋めている犠牲層６５が、環状溝Ｔを形成する際のエッチングストッパとなり、環状溝Ｔを形成する工程で梁部Ｆまでオーバーエッチングされることを防ぐことができる。
【００４３】
さらに、図１９に示すように、梁部Ｆの表裏に同じ膜厚の絶縁層１２が形成されていてもよい。この場合、温度変化が発生しても表裏両面の絶縁層１２によって梁部Ｆの応力がバランスするため、温度特性が安定する。図１９に示す加速度センサは次のようにして製造することができる。上記の実施形態と同様に熱処理によってベース層１１内に空洞Ｖを形成した後、厚肉部５５を枠部Ｓから分割するために形成する環状溝Ｔの形成領域を薄肉部５４に投影した位置であって、梁部Ｆとして残存させない位置に複数の孔６７を形成する。その状態でベース層１１の第一の主面、第二の主面、孔６７の内壁および空洞Ｖの内壁に二酸化シリコンからなる絶縁層１２を形成する（図２０）。
【００４４】
その後、梁部Ｆ、ピエゾ抵抗素子Ｒ、表面導線層１３を形成する。表面導線層１３のパターニングする際に用いた犠牲層（フォトレジスト）Ｒ９が空洞Ｖに充填されている状態で、図２１に示すように、仮接着層５７を介して犠牲基板５８に接着し、ベース層１１の第二の主面側から、空洞Ｖの内壁に形成された絶縁層１２に到達する環状溝Ｔを形成する。その後、空洞Ｖに犠牲層Ｒ９が充填されている状態で、環状溝Ｔの底部にあたる、空洞Ｖに面する基板の内壁に形成された絶縁層１２を除去する。その後、図２２Ａに示すように、空洞Ｖに埋められている犠牲層Ｒ９を除去する。空洞Ｖに犠牲層Ｒ９が充填されている状態で環状溝Ｔを形成する際、犠牲層Ｒ９がエッチングストッパとなり、梁部Ｆの裏面（空洞Ｖに接する面）に形成されている絶縁層１２までオーバーエッチングされることを防止することができる（図２２Ｂ）。また、その結果、図２２Ａおよび図２２Ｃに示すように、梁部Ｆの表裏両面に精密に同じ膜厚の絶縁層１２が形成されている状態であるので、温度変化時も梁部Ｆの応力がバランスするため特性が安定する。
【００４５】
なお、空洞Ｖの内壁に酸化膜（絶縁層）１２を形成するための孔６７を形成する際に、厚肉部５５の表面までオーバーエッチングが生じるため、孔６７を厚肉部５５に投影した領域およびその近傍に凹凸が生じる。しかし、厚肉部５５において凹凸が生じる領域は環状溝Ｔを形成する際に除去されるため、錘部Ｍの表面（空洞Ｖに接する面）に凹凸は残存しない。したがって錘部Ｍのバランスにばらつきが発生することがない。なお、枠部Ｓに凹凸が生じる領域が残存していても、枠部Ｓは可動部ではないため実使用上問題はない。
【００４６】
さらに、図２３に示すように、本発明の空洞形成技術を用い、錘部Ｍを有するＭＥＭＳにおいては、錘部Ｍの過度の運動を規制する錘ストッパ６８が形成されていてもよい。錘ストッパ６８は、図９で示す薄肉部５４をパターニングして梁部Ｆを形成する工程において、梁部Ｆのパターンに加えて錘ストッパ６８のパターンを加えることによって形成することができる。
【００４７】
２．実施形態群Ｂ
２−１．第一実施形態
（構成）
本発明のＭＥＭＳの第一実施形態である加速度センサ１のセンサダイを図２４に示す。図２４Ａは、図２４Ｂの加速度センサ１に示す２４Ａ線の断面図である。図２４Ａにおいて、加速度センサ１を構成する層の界面は実線で示し、加速度センサ１を構成する機能要素の境界は破線で示している。
【００４８】
加速度センサ１は、ベース層１１と、エピタキシャル結晶層１６と、絶縁層１２と、表面導線層１３とからなる積層構造体である。ベース層１１は単結晶シリコンからなる。ベース層１１の厚さは６２５μｍである。ベース層１１の表面には、エピタキシャル結晶層１６が形成されている。エピタキシャル結晶層１６は、「第一の層」に相当する。エピタキシャル結晶層１６はｎ型の単結晶シリコンからなり、その厚さは５μｍである。エピタキシャル結晶層１６の表層には、ピエゾ抵抗部１３１およびコンタクト抵抗低減部１３２からなるピエゾ抵抗素子Ｒが形成されている。ピエゾ抵抗素子Ｒの厚さは０．３５μｍである。絶縁層１２は二酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる。絶縁層１２の厚さは０．５μｍである。絶縁層１２にはコンタクトホールＨ１が形成されており、表面導線層１３はコンタクト抵抗低減部１３２とコンタクトホールＨ１にて接続している。表面導線層１３はアルミニウム（Ａｌ）からなる。表面導線層１３の厚さは０．３μｍである。
【００４９】
加速度センサ１のセンサダイは、枠形の枠部Ｓと、枠部Ｓの内側に外周が結合し十字形態の梁を有する梁部Ｆと、錘部Ｍと、梁部Ｆと錘部Ｍとを連結している支柱部Ｐと、梁部Ｆに設けられたピエゾ抵抗素子Ｒと、を備える。
枠部Ｓは図２４Ｂに示すように矩形枠の形態を有する。枠部Ｓは図示しないパッケージに固定されるため、実質的に剛体として振る舞う。枠部Ｓはベース層１１、エピタキシャル結晶層１６、絶縁層１２を含む。枠部Ｓの表面に表面導線層１３が形成されている。
【００５０】
十字形態の梁を含む梁部Ｆは両端固定の２つの梁がそれぞれの中央部において互いに結合された形態（枠部Ｓの内側に掛け渡された梁の形態）を有する。梁部Ｆは、可撓性を有する厚さ一定の複層膜からなる。梁部Ｆの外周は枠部Ｓの内側の４辺に結合している。枠部Ｓは剛体として振る舞うため、加速度センサ１に固定された座標系において梁部Ｆの外周端は固定端となる。梁部Ｆはエピタキシャル結晶層１６と絶縁層１２とを含む。梁部Ｆの表面に表面導線層１３が形成されている。エピタキシャル結晶層１６は単結晶シリコン層であるため、機械特性が良好である。
【００５１】
錘部Ｍは、ベース層１１からなり、外周が矩形である板の形態を有する。錘部Ｍは、枠部Ｓの内側に配置され、梁部Ｆに重なっている。錘部Ｍと枠部Ｓとの間には環状溝Ｔが形成されている。すなわちベース層１１は環状溝Ｔによって錘部Ｍを構成する部分と枠部Ｓを構成する部分とに分断されている。錘部Ｍは厚いベース層１１からなるため実質的に剛体として振る舞う。錘部Ｍと梁部Ｆとの間には空洞Ｖが形成されている。空洞Ｖの高さ（錘部Ｍと梁部Ｆとの距離）は支柱部Ｐの高さに等しく７μｍである。錘部Ｍは、支柱部Ｐよりも枠部に向かって突出している。
【００５２】
支柱部Ｐはベース層１１からなる。支柱部Ｐは、梁部Ｆの中央部裏面から錘部Ｍの方向に突出し錘部Ｍの中央部と結合している。すなわち支柱部Ｐは、空洞Ｖを間に挟んで対向するように錘部Ｍと梁部Ｆとを連結している。このように加速度センサ１は、枠部Ｓと梁部Ｆと支柱部Ｐと錘部Ｍの大部分が単結晶シリコンバルクで構成されているため各部の熱膨張係数が等しい。そのため、加速度センサ１の温度特性が安定する。
【００５３】
（製造方法１）
図２４に示した加速度センサ１は次のようにして製造することができる。図２５〜図３３を用いて加速度センサ１の製造方法を説明する。まず、図２５に示すように、フォトレジストからなる保護層Ｒ１をマスクパターンに用いて、ベース層１１の第一の主面の環状領域に第一の不純物イオンを導入することにより、ベース層１１に第一不純物拡散部１７を形成する。すなわち、第一の不純物イオンが導入される環状領域は、枠部Ｓを形成する領域５１の内側であって支柱部Ｐを形成する領域５０を除く領域である。第一の不純物イオンとして例えば、リン（Ｐ）イオンを１×１０１８／ｃｍ３注入することにより、ｐ型の第一不純物拡散部１７を形成することができる。その後、保護層Ｒ１を除去する。
【００５４】
続いて、図２６に示すように、表層にｐ型の第一不純物拡散部１７が形成されたベース層１１の第一の主面に、ｎ型のエピタキシャル結晶層１６を形成する。次に、図２７に示すように、エピタキシャル結晶層１６の表面にフォトレジストからなる保護層Ｒ２形成し、保護層Ｒ２をマスクパターンとして、エピタキシャル結晶層１６の表層に不純物イオンを導入（例えばホウ素（Ｂ）イオンを２×１０１８／ｃｍ３注入）しピエゾ抵抗部１３１を形成する。ブリッジ回路を構成するためのＸ，Ｙ，Ｚ各軸４個のピエゾ抵抗部を形成することにより、ＸＹＺ３軸方向の加速度を検出可能な加速度センサを製造することができる。
【００５５】
続いて、保護層Ｒ２を除去し、ベース層１１の第一の主面に絶縁層１２を形成する。例えば、熱酸化することによって０．５μｍの二酸化シリコン（ＳｉＯ２）の層を形成する。熱酸化法の代わりにＣＶＤ法によりＳｉＯ２を成膜してもよい。続いて、図２８に示すように、フォトレジストからなる保護層Ｒ３をマスクパターンに用いて、絶縁層１２にコンタクトホールＨ１を形成する。その後保護層Ｒ３を除去する。
【００５６】
続いて、図２９に示すように、絶縁層１２をマスクパターンに用いて、ピエゾ抵抗部１３１形成時よりも高濃度の不純物イオンを導入（例えばＢイオンを２×１０２０／ｃｍ３注入し活性化させる）し、コンタクト抵抗低減部１３２を形成する。続いて図３０に示すように、絶縁層１２およびコンタクト抵抗低減部１３２の表面に表面導線層１３を形成する。続いて図３１に示すように、フォトレジストからなる保護層Ｒ４をマスクパターンに用いて、表面導線層１３をパターニングし、配線や電極パッドを形成する。
【００５７】
続いて、図３２に示すように、フォトレジストからなる保護層Ｒ５をマスクパターンに用いてエピタキシャル結晶層１６に、第一不純物拡散部１７に到達する４つの開口５６を形成することにより十字形態の梁を顕在化させ梁部Ｆを形成する。絶縁層１２のエッチングには例えば、ＣＨＦ３ガスを用いた反応性イオンエッチングを用いる。ｎ型単結晶シリコンからなるエピタキシャル結晶層１６のエッチングには例えば、ＣＦ４ガスおよびＯ２ガスを用いた反応性イオンエッチングを用いる。なお、反応性イオンエッチングの他に、フッ酸や緩衝フッ酸によるウェットエッチング法を用いることができる。エッチング後、保護層Ｒ５を除去する。
【００５８】
続いて、図３３に示すように、表面導線層１３が形成されている面を、仮接着層５７を介して犠牲基板５８に接着する。仮接着層５７としては例えば、ワックス、フォトレジスト、両面粘着シート等を用いることができる。続いて、フォトレジストからなる保護層Ｒ６をマスクパターンに用いて、ベース層１１の第一の主面の裏面に相当する第二の主面から第一不純物拡散部１７に通じ支柱部Ｐを囲む環状溝Ｔを形成することにより、ベース層１１を環状溝Ｔの外側に位置する枠部Ｓと、内側に位置する錘部Ｍとに分断する。例えばＳＦ６プラズマガスを用いたパッシベーションとＣ４Ｆ８プラズマガスを用いたエッチングのステップを短い時間間隔で交互に繰り返すＤｅｅｐ−ＲＩＥ（いわゆるボッシュプロセス）によってベース層１１を異方的にエッチングすることにより環状溝Ｔを形成する。このとき第一不純物拡散部１７が、環状溝Ｔを形成する際のエッチングストッパとなり、環状溝Ｔを形成する工程で梁部Ｆまでオーバーエッチングされることを防ぐことができる。
【００５９】
続いて、ベース層に電圧を印加して第一不純物拡散部１７を環状溝Ｔを通じて除去し、図３４に示すように空洞Ｖを形成するとともに支柱部Ｐを形成する。その後、保護層Ｒ６を除去し、仮接着層５７を除去して犠牲基板５８から剥離する。例えば、仮接着層５７がワックスの場合には、ホットプレートでワックスを加熱した後、洗浄液にてワックスを溶解する。仮接着層５７がＵＶ両面テープの場合には、ＵＶ光を照射して粘着力を低下させた後、剥離する。以上の工程を経て、図２４に示す加速度センサを製造することができる。
【００６０】
以上の製造方法によると、エピタキシャル結晶層１６によって梁部Ｆの厚さを調節することができる。すなわち、薄肉部５４が薄くなるように調整することで加速度センサ１の高感度化が可能である。また、ＳＯＩ基板を用いてＭＥＭＳを製造する従来の構成と比較して本発明の製造方法ではＳＯＩ基板が不要であるためコストを削減することができる。
【００６１】
（製造方法２）
図２４に示す加速度センサ１は、次のようにして製造することもできる。図３５〜図３９を用いてその製造方法を説明する。まず、製造方法１で示した図２５，図２６の工程の後、図３５に示すように、フォトレジストからなる保護層Ｒ７をマスクパターンに用いて、エピタキシャル結晶層１６に複数の孔６０を形成する。孔６０を形成する位置は、エピタキシャル結晶層１６のうち梁部Ｆ形成の際に除去しようとする領域６１内であって錘部Ｍを形成しようとする領域５３の外側である。孔６０は、エピタキシャル結晶層１６の表面から第一不純物拡散部１７に到達する。
【００６２】
続いて、電圧を印加し、孔６０を通じて第一不純物拡散部１７を除去することによって、環状の空洞Ｖを形成する。続いて、図３６に示すように、基板を酸化させ、空洞Ｖに面する領域に酸化膜（ＳｉＯ２、絶縁層）１２を形成する。例えば、酸素雰囲気中で１０５０℃で基板を加熱することにより、空洞Ｖに面する領域および、ベース層１１の第二の主面、エピタキシャル結晶層１６の表面、孔６０に面する領域に酸化膜１２が形成される。このとき、酸化膜の成長により、孔６０が形成されていた領域全体（領域６６）が酸化膜となり孔６０は閉孔する。続いて、エピタキシャル結晶層１６にピエゾ抵抗素子Ｒを形成し、表面導線層１３を形成しパターニングして配線を形成する。
【００６３】
次に、図３７に示すように、表面導線層１３が形成されている面を、仮接着層５７を介して犠牲基板５８に接着し、ベース層１１の第二の主面を、保護層Ｒ８をマスクパターンとしてエッチングすることによって、空洞Ｖに面する領域に形成された絶縁層１２に到達する環状溝Ｔを形成する。具体的には例えば、第二の主面に形成された絶縁層１２のエッチングには、ＣＨＦ３ガスを用いた反応性イオンエッチングを用いる。ベース層１１のエッチングには、ボッシュプロセスを用いる。すなわち、このとき、空洞Ｖに面する領域に形成された酸化膜１２が、環状溝Ｔを形成する際のエッチングストッパとなり、環状溝Ｔを形成する工程で薄肉部までのオーバーエッチングされることを防ぐことができる。その後、保護層Ｒ８を除去し、犠牲基板５８から剥離し仮接着層５７も除去する。
【００６４】
次に、図３８に示すように、フォトレジストからなる保護層Ｒ９をマスクパターンに用いて、薄肉部５４（空洞Ｖに面しない酸化膜１２と、エピタキシャル結晶層１６）に、４つの開口５６を形成することにより十字形態の梁を顕在化させる。酸化膜１２のエッチングには例えば、ＣＨＦ３ガスを用いた反応性イオンエッチングを用いる。ベース層１１からなる薄肉部５４のエッチングには例えば、ＣＦ４ガスおよびＯ２ガスを用いた反応性イオンエッチングを用いる。このとき、空洞Ｖに面した領域に形成された酸化膜１２がエッチングストッパとなる。なお、反応性イオンエッチングの他に、フッ酸や緩衝フッ酸によるウェットエッチング法を用いることができる。エッチング後、保護層Ｒ９を除去する。
【００６５】
続いて、図３９に示すように、保護層Ｒ９をマスクパターンに用いて、空洞Ｖに面する領域に形成されていた酸化膜１２と、ベース層１１の第二の主面に形成されていた酸化膜１２とを除去する。例えば、緩衝フッ酸を用いて酸化膜１２をウェットエッチングする。その後、保護層Ｒ９を除去することにより、図２４に示す加速度センサ１を製造することができる。
【００６６】
２−２．第二実施形態
（構成）
図４０は、第二実施形態にかかる加速度センサ２を示している。加速度センサ２には、錘部Ｍの過度の運動を規制するための錘ストッパ６８が形成されている。
【００６７】
（製造方法）
錘ストッパ６８は、絶縁層１２およびエピタキシャル結晶層１６をパターニングして梁部Ｆを形成する工程において、梁部Ｆのパターンに加えて錘ストッパ６８のパターンを加えることによって形成することができる。すなわち、図４１に示すマスクパターンを用いて絶縁層１２およびエピタキシャル結晶層１６をパターニングすることにより、梁部Ｆとともに錘ストッパ６８を形成することができる。
【００６８】
２−３．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、上記実施形態で示した材質や寸法や形状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。また、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、加速度センサやジャイロセンサなどのモーションセンサやアクチュエータ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。
【００６９】
例えば本発明はジャイロセンサおよびその製造方法としても適用することができる。図４２は、本発明にかかるジャイロセンサの一形態を示している。薄肉部５４の表面には、積層された一対の電極１５と当該電極１５に挟まれた圧電膜１４からなる圧電素子６３が複数形成されている。圧電素子６３は、枠部Ｓに対する錘部Ｍの運動を検出するための素子である。図４２に示すジャイロセンサは、次のようにして製造することができる。
【００７０】
まず、図４２Ｃに示す破線６４の内側の領域であって、支柱部Ｐ形成領域を除いた領域に第一の不純物イオンを導入することによって、ベース層１１に環状の第一不純物拡散部１７を形成し、上記実施形態と同様にその上面に「第一の層」としてエピタキシャル結晶層１６を形成する。その後、薄肉部５４の表面に圧電素子６３や配線を形成し、ベース層１１の第二の主面から環状溝Ｔを形成する。環状溝Ｔを通じて第一不純物拡散部１７を除去することによって環状の空洞Ｖが形成される。その結果、錘部Ｍ、枠部Ｓ、薄肉部５４、支柱部Ｐ、圧電素子６３を有するジャイロセンサを製造することができる。なお、この実施形態の場合、「第一の層」は単結晶シリコンのエピタキシャル結晶層であることに限定されない。例えば多結晶シリコンであってもよい。
【００７１】
この製造方法によると歩留まりの高いジャイロセンサを製造することができる。なぜなら、単結晶シリコン基板にエピタキシャル結晶層が形成された状態では、ＳＯＩ基板と比べて基板の反りが少ないため、本発明のように空洞を形成した単結晶シリコン基板上に電極や圧電膜を成膜する際、ウエハの表面において温度が均一となり、ウエハ表面で圧電材料の結晶性や圧電特性の均一性が高くなるためである。
なお、本発明は、上記した加速度センサやジャイロセンサの他にも、錘部を有するアクチュエータなどに適用することができる。
【００７２】
なお、第一実施形態や第二実施形態では、薄肉部５４をパターニングして梁部Ｆを形成し、支柱部Ｐを介して錘部Ｍが梁部Ｆに連結している加速度センサを例に用いたが、このような形態の他に、図４２で示したジャイロセンサのように、パターニングされていない薄膜状の薄肉部５４に、支柱部Ｐを介して錘部Ｍが連結したＭＥＭＳも本発明の権利範囲に含まれる。
【００７３】
さらに、図２４に示す加速度センサ１は、次のようにしても製造することができる。図４３〜図４４を用いて説明する。まず、第一実施形態の製造方法１で示した図２５，図２６の工程の後、図４３に示すように、フォトレジストからなる保護層Ｒ１０をマスクパターンに用いて、ｎ型のエピタキシャル結晶層１６に第二の不純物イオンを導入（例えばリン（Ｐ）イオンを１×１０１８／ｃｍ３導入）することによって、４つのｐ型の第二不純物拡散部１８を形成する。第二不純物拡散部１８を形成する位置は、エピタキシャル結晶層１６のうち梁部Ｆ形成の際に除去しようとする領域全体である。第二不純物拡散部１８は、エピタキシャル結晶層１６と同じ膜厚であり、エピタキシャル結晶層１６の表面から第一不純物拡散部１７に達する。その後、保護層Ｒ１０を除去する。
【００７４】
続いて、基板を酸化し、エピタキシャル結晶層１６（第二不純物拡散部１８を含む）の表面およびベース層１１の第二の主面に酸化膜（ＳｉＯ２，絶縁層）１２を形成する。そして、エピタキシャル結晶層１６のうち梁部Ｆとして残存させる領域に上記実施形態と同様にピエゾ抵抗素子Ｒを形成する。さらに、表面導線層１３を形成し、パターニングして配線、電極パッドを形成する。
【００７５】
続いて、表面導線層１３が形成されている面を仮接着層５７を介して犠牲基板５８に接着し、環状溝Ｔを形成する。続いて、基板に電圧を印加し、環状溝Ｔを通じて第一不純物拡散部１７と同時に第二不純物拡散部１８を除去する。図４４は、第一不純物拡散部１７と第二不純物拡散部１８が除去された状態を示している。すなわち、第一不純物拡散部１７が除去されたことにより環状の空洞Ｖが形成され、それと同時に第二不純物拡散部１８も除去されたことによりエピタキシャル結晶層１６が梁部Ｆの形状に合わせてパターニングされている。すなわち、第一不純物拡散部および第二不純物拡散部の除去と、梁部Ｆ形成のためのパターニングとを共通の工程で実施することができるため、工程が簡略化できコスト削減につなげることができる。
【００７６】
続いて、酸化膜１２において梁部Ｆとして残存させない領域を除去すると、図４４Ｂにおいて絶縁層１２が露出していた領域に、仮接着層５７が露出する。その後、仮接着層５７を除去することにより基板を犠牲基板５８から剥離すると、図２４に示す加速度センサ１が完成する。
【００７７】
なお、図４５に示すように、「第一の層」としてのエピタキシャル結晶層１６の表面に「第二の層」としてのエピタキシャル結晶層１９が形成され、ピエゾ抵抗素子Ｒはエピタキシャル結晶層１９に形成されてもよい。薄肉部の絶縁層１２を除く部分が導電型の二層構造になることにより、エピタキシャル結晶層１６は、第一不純物拡散部１７を除去する際のエッチングストッパとして機能させるのに適した導電型および不純物濃度の層とすることができ、エピタキシャル結晶層１９は、当該層内にピエゾ抵抗素子Ｒを形成するのに適した導電型および不純物濃度を有する層とすることができる。例えばエピタキシャル結晶層１６は、導電型がｐ型で例えば不純物濃度は５×１０１９／ｃｍ３程度とし、エピタキシャル結晶層１９は、導電型がｐ型で不純物濃度は例えば１×１０１８／ｃｍ３程度とすることができる。
【００７８】
さらに、図４６に示すように、梁部Ｆの表裏に同じ膜厚の絶縁層１２が形成されていてもよい。この場合、温度変化が発生しても表裏両面の絶縁層１２によって梁部Ｆの応力がバランスするため、温度特性が安定する。図４６に示す加速度センサは次のようにして製造することができる。上記の実施形態と同様に第一不純物拡散部１７およびエピタキシャル結晶層１６を形成した後、環状溝Ｔの形成領域を薄肉部５４に投影した位置であって、梁部Ｆとして残存させない位置に複数の孔６７を形成する。その状態でベース層１１の第一の主面、第二の主面、孔６７の内壁および空洞Ｖに面する領域に二酸化シリコンからなる絶縁層１２を形成する。
【００７９】
その後、梁部Ｆ、ピエゾ抵抗素子Ｒ、表面導線層１３を形成する。表面導線層１３のパターニングする際に用いた犠牲層（フォトレジスト）Ｒ１１が空洞Ｖに充填されている状態で、図４７に示すように、仮接着層５７を介して犠牲基板５８に接着し、ベース層１１の第二の主面側から、空洞Ｖに面する基板内壁に形成された絶縁層１２に到達する環状溝Ｔを形成する。その後、空洞Ｖに犠牲層Ｒ１１が充填されている状態で、環状溝Ｔの底部にあたる、空洞Ｖに面する基板の内壁に形成された絶縁層１２を除去する。その後、空洞Ｖに埋められている犠牲層Ｒ１１を除去する。空洞Ｖに犠牲層Ｒ１１が充填されている状態で環状溝Ｔを形成する際、犠牲層Ｒ１１がエッチングストッパとなり、梁部Ｆの裏面（空洞Ｖに接する面）に形成されている絶縁層１２までオーバーエッチングされることを防止することができる。そのため、梁部Ｆの表裏に精密に同じ膜厚の絶縁層１２を形成することができる。
【００８０】
さらに、図４８に示すように、錘部Ｍの空洞Ｖに面する面に凹凸を形成することができる。錘部Ｍのこのような形状は、図４９に示すように、異なる加速電圧下で、２回にわたり第一の不純物イオンを注入して、第一不純物拡散部の底面の深さを変えることにより、実現することができる。このようにして第一不純物拡散部１７の深さを変えることによって錘部Ｍの空洞Ｖに面に凹凸を形成することによって、梁部に対して錘部が付着するのを防止するためのディンプル５３１を錘部Ｍに形成することができる。
【符号の説明】
【００８１】
１１：ベース層、１２：絶縁層（酸化膜）、１３：表面導線層、１４：圧電膜、１５：電極、１６：エピタキシャル結晶層、１７：第一不純物拡散部、１８：第二不純物拡散部、１９：エピタキシャル結晶層、５０：支柱部Ｐを形成する領域、５１：枠部Ｓを形成する領域、５２：孔、５４：薄肉部、５５：厚肉部、５６：開口、５７：仮接着層、５８：犠牲基板、６０：孔、６１：領域、６３：圧電素子、６４：破線、６５：犠牲層、６６：領域、６７：孔、６８：錘ストッパ、１３１：ピエゾ抵抗部、１３２：コンタクト抵抗低減部、５３１：ディンプル、Ｃ：内角部、Ｆ：梁部、Ｈ１：コンタクトホール、Ｍ：錘部、Ｐ：支柱部、Ｒ：ピエゾ抵抗素子、Ｓ：枠部、Ｔ：環状溝、Ｖ：空洞。
【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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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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