(57)【要約】【課題】ＭＥＭＳセンサによる物理量の検出精度を高める。【解決手段】ＭＥＭＳセンサの製造方法は、支持部と、支持部に一端が結合し支持部よりも薄い梁部と、梁部の他端に結合し梁部よりも厚い錘部と、梁部に設けられ梁部の歪みを検出する歪み検出手段と、を備えるＭＥＭＳセンサの製造方法であって、基板の表面上に膜を積層することによって膜によって構成される歪み検出手段と基板とを含む積層構造体を形成し、第一の通孔が形成されている第一の保護膜と第二の通孔が形成されている第二の保護膜とを基板の裏面上に形成し、第一の通孔から露出している積層構造体を貫通するまでエッチングすることによって、梁部の側面と錘部の側面の梁部から離間している部分とを形成し、第二の通孔から露出している基板をエッチングすることによって梁部の厚さを調整するとともに錘部の側面の基板からなる残部を形成する、ことを含む。【選択図】図３Ｂ
2010091351.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持部と、
前記支持部に一端が結合し前記支持部よりも薄い梁部と、
前記梁部の他端に結合し前記梁部よりも厚い錘部と、
前記梁部に設けられ前記梁部の歪みを検出する歪み検出手段と、
を備えるＭＥＭＳセンサの製造方法であって、
基板の表面上に膜を積層することによって、前記膜により構成される前記歪み検出手段と前記基板とを含む積層構造体を形成し、
第一の通孔が形成されている第一の保護膜と第二の通孔が形成されている第二の保護膜とを前記基板の裏面上に形成し、
前記第一の通孔から露出している前記積層構造体を貫通するまでエッチングすることによって、前記梁部の側面と前記錘部の側面の前記梁部から離間している部分とを形成し、
前記第二の通孔から露出している前記基板をエッチングすることによって前記梁部の厚さを調整するとともに前記錘部の前記側面の前記基板からなる残部を形成する、
ことを含むＭＥＭＳセンサの製造方法。
【請求項２】
薄肉部と前記薄肉部よりも厚い厚肉部とを有する単層の前記第一の保護膜を前記基板の裏面上に形成し、
前記第一の通孔から露出している前記積層構造体を貫通するまでエッチングした後に、前記薄肉部が消失するまで前記第一の保護膜の表面全体をエッチングすることにより前記第一の保護膜の残部からなる前記第二の保護膜を形成する、
ことを含む請求項１に記載のＭＥＭＳセンサの製造方法。
【請求項３】
感光性樹脂膜を前記基板の裏面上に形成し、
前記感光性樹脂膜を多階調マスクを通じて露光し、
露光された前記感光性樹脂膜を現像することによって前記薄肉部と前記厚肉部とを形成する、
ことを含む請求項２に記載のＭＥＭＳセンサの製造方法。
【請求項４】
前記第一の保護膜の表面全体を異方性エッチングすることにより、前記錘部の側面の前記梁部から離間している部分を形成した前記第一の保護膜の厚肉部のエッジを含む前記第二の保護膜を形成する、
ことを含む請求項２または３に記載のＭＥＭＳセンサの製造方法。
【請求項５】
厚さが均一な単層の前記第一の保護膜を前記基板の裏面上に形成し、
前記第一の通孔から露出している前記積層構造体をエッチングした後に、レーザーアブレーションによって前記第一の保護膜の一部を除去することにより前記錘部の側面の前記梁部から離間している部分を形成した前記第一の保護膜のエッジを含む前記第一の保護膜の残部からなる前記第二の保護膜を形成する、
ことを含む請求項１に記載のＭＥＭＳセンサの製造方法。
【請求項６】
前記第二の保護膜となる下層部と前記下層部を残してエッチング可能な材料からなる上層部とからなる前記第一の保護膜を前記基板の裏面全体に形成し、
前記第一の通孔から露出している前記積層構造体をエッチングした後に、前記上層部をエッチングにより除去することによって前記下層部を露出させ、
レーザーアブレーションによって前記下層部の一部を除去することにより、前記錘部の側面の前記梁部から離間している部分を形成した前記下層部のエッジを含む前記下層部の残部からなる前記第二の保護膜を形成する、
ことを含む請求項１に記載の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）センサの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、錘部に作用する慣性力によって生ずる梁部の変形をピエゾ抵抗素子などで検出することにより、加速度、姿勢（傾斜角）、角速度、振動などを検出するＭＥＭＳセンサが知られている。このようなＭＥＭＳセンサでは、錘部に作用する力に応じて錘部から梁部に作用する力が梁部を変形させるため、加速度、姿勢（傾斜角）、角速度、振幅などの物理量の検出精度は錘部と梁部との位置合わせ精度に依存する。
特許文献１、２には、基板の表裏両側からのエッチングにより錘部と梁部とを形成するＭＥＭＳセンサの製造方法が記載されている。
特許文献３には、梁部に低融点金属体を溶着することによって梁部と錘部とを形成するＭＥＭＳセンサの製造方法が記載されている。
【特許文献１】特開２００７−６１９５６号公報
【特許文献２】特開２００５−６１８４０号公報
【特許文献３】特開平９−８００７０号公報
【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、２に記載された製造方法では、基板の表裏両側からエッチングすることによって錘部と梁部の形状が形成されるため、表裏両側からエッチングする際に用いる保護膜の位置のずれによって錘部と梁部の位置がずれる。また特許文献３に記載された製造方法では、梁部に低融点金属体を機械的に位置合わせする精度が問題となって錘部と梁部の位置合わせ精度を高くすることが困難であるし、機械的な逐次処理のために製造コストが増大する。
【０００４】
本発明はこれらの問題に鑑みて創作されたものであって、ＭＥＭＳセンサによる物理量の検出精度を高めることを目的とする。
【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センサの製造方法は、支持部と、支持部に一端が結合し支持部よりも薄い梁部と、梁部の他端に結合し梁部よりも厚い錘部と、梁部に設けられ梁部の歪みを検出する歪み検出手段と、を備えるＭＥＭＳセンサの製造方法であって、基板の表面上に膜を積層することによって膜によって構成される歪み検出手段と基板とを含む積層構造体を形成し、第一の通孔が形成されている第一の保護膜と第二の通孔が形成されている第二の保護膜とを基板の裏面上に形成し、第一の通孔から露出している積層構造体を貫通するまでエッチングすることによって、梁部の側面と錘部の側面の梁部から離間している部分とを形成し、第二の通孔から露出している基板をエッチングすることによって梁部の厚さを調整するとともに錘部の側面の基板からなる残部を形成する、ことを含む。
【０００６】
本発明によると、基板の２つの主面の一方である裏面上の保護膜を用いたエッチングにより梁部の側面全部と錘部の側面全部とが形成されるため、錘部と梁部の位置合わせ精度を高めることができる。したがって、本発明によるとＭＥＭＳセンサによる物理量の検出精度を高めることができる。なお、梁部の側面および錘部の側面は、基板の主面に対して垂直な面である。
【０００７】
（２）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、薄肉部と薄肉部よりも厚い厚肉部とを有する単層の第一の保護膜を基板の裏面上に形成し、
第一の通孔から露出している積層構造体を貫通するまでエッチングした後に、薄肉部が消失するまで第一の保護膜の表面全体をエッチングすることにより第一の保護膜の残部からなる第二の保護膜を形成する、ことを含んでもよい。
【０００８】
本発明によると、単層の第一の保護膜を第二の保護膜に変形するため、第二の保護膜の材料を追加する工程が不要になる。
（３）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、感光性樹脂膜を基板の裏面上に形成し、感光性樹脂膜を多階調マスクを通じて露光し、露光された感光性樹脂膜を現像することによって薄肉部と厚肉部とを形成する、ことを含んでもよい。
本発明によると、第一の保護膜と第二の保護膜を形成するための露光工程が１回ですむため、錘部と梁部の位置合わせ精度をさらに高めることができる。このため、本発明によるとＭＥＭＳセンサによる物理量の検出精度をさらに高めることができる。
【０００９】
（４）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、第一の保護膜の表面全体を異方性エッチングすることにより、錘部の側面の梁部から離間している部分を形成した第一の保護膜の厚肉部のエッジを含む第二の保護膜を形成する、ことを含んでもよい。
本発明によると、第一の保護膜の厚肉部の平面形状をそのまま第二の保護膜の平面形状にすることができる。また錘部の側面の梁部から離間している部分を形成した第一の保護膜の厚肉部のエッジを第二の保護膜に残存させるため、梁部の側面と錘部の側面の梁部から離間している部分は厚肉部のパターンによって確定する。したがって本発明によると錘部と梁部の位置合わせ精度をさらに高めることができる。
（５）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、厚さが均一な単層の第一の保護膜を基板の裏面上に形成し、第一の通孔から露出している積層構造体をエッチングした後に、レーザーアブレーションによって第一の保護膜の一部を除去することにより錘部の側面の梁部から離間している部分を形成した第一の保護膜のエッジを含む第一の保護膜の残部からなる第二の保護膜を形成する、ことを含んでもよい。
本発明によると、単層の第一の保護膜を第二の保護膜に変形するため、第二の保護膜の材料を追加する工程が不要になる。また錘部の側面の一部を形成した第一の保護膜のエッジを第二の保護膜に残存させるため、梁部の側面と錘部の側面の梁部から離間している部分は第一の保護膜のパターンによって確定する。したがって本発明によると錘部と梁部の位置合わせ精度をさらに高めることができる。
（６）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、第二の保護膜となる下層部と下層部を残してエッチング可能な材料からなる上層部とからなる第一の保護膜を基板の裏面全体に形成し、第一の通孔から露出している積層構造体をエッチングした後に、上層部をエッチングにより除去することによって下層部を露出させ、レーザーアブレーションによって下層部の一部を除去することにより、錘部の側面の梁部から離間している部分を形成した下層部のエッジを含む下層部の残部からなる第二の保護膜を形成する、ことを含んでもよい。
本発明によると、錘部の側面の梁部から離間している部分を形成した第一の保護膜の下層部のエッジを第二の保護膜に残存させるため、梁部の側面と錘部の側面の梁部から離間している部分は第一の保護膜のパターンによって確定する。したがって本発明によると錘部と梁部の位置合わせ精度をさらに高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら説明する。ただし、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により製造されるＭＥＭＳセンサであるピエゾ抵抗型の加速度センサを図１に示す。加速度センサ１は互いに直交する３軸の加速度成分を検出するためのＭＥＭＳセンサである。
【００１１】
加速度センサ１は、矩形枠の形態を有する支持部Ｓと、一端が支持部Ｓに結合している片持ち型の梁部Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４と、梁部Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４の他端に結合している十文字形の錘部Ｍと歪み検出手段としてのピエゾ抵抗素子４０とを備え、図示しないパッケージに収容される。加速度センサ１を構成しているこれらの構造要素や電気的機能要素は、板状のバルク材料からなる基板１００とシリコン層１０４と絶縁層１０６と配線層１０８とが一体に接合されている積層構造体によって構成されている。
【００１２】
支持部Ｓは梁部Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４を支持するための構造要素である。支持部Ｓの形態は、梁部Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４の形態および配置と錘部Ｍの形態および配置とに応じて設計される。支持部Ｓは基板１００とシリコン層１０４と絶縁層１０６とからなる。支持部Ｓは梁部Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４に比べて十分厚い基板１００を含む複層構造体である。したがって支持部Ｓは実質的に変形しない。
【００１３】
同一形態を有する梁部Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４のそれぞれの一端は支持部Ｓに結合している。梁部Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４と支持部Ｓとは通孔であるスリットＨ１によって隔てられ、梁部Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４と錘部Ｍとは通孔であるスリットＨ２によって隔てられている。梁部Ｆ１、Ｆ２は支持部Ｓおよび錘部Ｍの長手方向と平行に錘部Ｍを間に挟んで直列的に配列されている。また、梁部Ｆ３、Ｆ４は支持部Ｓおよび錘部Ｍの長手方向と平行に錘部Ｍを間に挟んで直列的に配列されている。梁部Ｆ１、Ｆ３のそれぞれの他端は錘部Ｍの一方の側面に結合し、梁部Ｆ２、Ｆ４のそれぞれの他端は錘部Ｍの他方の側面に結合している。梁部Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４は、シリコン層１０４絶縁層１０６とからなる。
【００１４】
錘部Ｍは、十文字形の底面を有する柱形であって、その重心が梁部Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４に接する面から離れて位置する形態を有する。錘部Ｍは梁部Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４の長手方向に長く、梁部Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４の短手方向に短い。錘部Ｍの側面の梁部Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４の側面に対向している部分は、梁部Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４の側面と平行である。錘部Ｍは梁部Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４に比べて十分厚い基板１００を含む。したがって、錘部Ｍは支持部Ｓに対して相対的に運動する剛体として振る舞う。
【００１５】
梁部Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４の、支持部Ｓとの近接領域と錘部Ｍ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とからなる。これらのピエゾ抵抗素子４０はすべて、梁部Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４と支持部Ｓとの境界、あるいは梁部Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４と錘部Ｍとの境界をまたいでいる。ピエゾ抵抗素子４０はシリコン層１０４に形成されている。梁部Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４の変形によって生ずる応力の向きは梁部Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４の表面と裏面とで逆になる。このため、ピエゾ抵抗素子４０はシリコン層１０４の界面の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が取り出せるように結線される。なお、ピエゾ抵抗素子４０をブリッジ回路として接続するための配線の一部を構成する配線層１０８の線幅が狭くなっている部分は図１Ａにおいて省略されている。
【００１６】
（製造方法）
次に図２から図６に基づいて加速度センサ１の製造方法を説明する。
はじめに立体的な機械構造が形成されていない図２に示す積層構造体Ｗを基板１００の表面に薄膜を積層したり改質したりエッチングする公知の方法によって形成する。例えば、単結晶シリコン（Ｓｉ）からなり厚さ４００〜６２５μｍのベースウエハの表面を熱酸化することによって二酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる厚さ１μｍのエッチストッパ層１０２を形成し、残部からなる厚いシリコン層１０１とエッチストッパ層１０２とからなる基板１００を形成する。ここで基板１００は、基板１００の表面上に積層される薄膜に対して十分厚く、支持部Ｓおよび錘部Ｍの剛性をほぼ支配する程度の厚さの板状のバルク材料からなるものであればよい。そして図２に示す積層構造体Ｗは基板１００の２つの主面の一方である表面側から施す加工によって形成される。例えば、単結晶シリコンからなり厚さ５〜２０μｍの薄いシリコン層１０４となるボンドウェハを基板１００のエッチストッパ層１０２に接合し、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウエハを得る。次に薄いシリコン層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シリコン層１０４にピエゾ抵抗素子４０を形成する。次に絶縁層１０６として、例えば厚さ１μｍの二酸化シリコン、窒化シリコン（ＳｉＮ）等の膜を熱酸化法や堆積法によってシリコン層１０４の表面に形成する。次に絶縁層１０６の表面にアルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、ＡｌＳｉ等からなる配線層１０８を形成し、コンタクトホールを介して配線層１０８とピエゾ抵抗素子４０とを接続する。
【００１７】
次に図３Ａ、図３Ｂおよび図３Ｃ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、基板１００の裏面上に第一の保護膜Ｒ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。第一の保護膜Ｒは、感光性樹脂であるフォトレジストからなり、図１に示した支持部Ｓと錘部Ｍとに比べて梁部Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４を薄く形成するための薄肉部Ｒ２と、支持部Ｓと錘部Ｍとを梁部Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４に比べて厚く形成するための厚肉部Ｒ１とを有する。また第一の保護膜Ｒには、図１に示した通孔であるスリットＨ１、Ｈ２を形成するための第一の通孔であるスリットＲＳが形成されている。厚肉部Ｒ１の厚さは例えば１０μｍとし、薄肉部Ｒ２の厚さは例えば３μｍとする。
【００１８】
このような３次元形状を有する第一の保護膜Ｒは、多階調マスク（ハーフトーンマスクまたはグレートーンマスク）を通じて感光性材料を露光し、露光された感光性材料を現像することによって形成することが望ましい。なお、ナノインプリント法やレーザー直接描画法によって３次元形状を有する第一の保護膜Ｒを形成しても良い。
【００１９】
次に図４Ａおよび図４Ｂに示すように第一の保護膜ＲのスリットＲＳから露出している積層構造体Ｗを貫通するまでエッチングする。その結果、図１に示す梁部Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４の側面全部と錘部Ｍの側面の梁部Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４から離間している部分とが形成される。このとき、錘部Ｍの側面の梁部Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４の側面と平行な部分が形成される。具体的には例えば、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）によって基板１００の厚いシリコン層１０１をエッチングする。続いて、ＣＨＦ３ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によって基板１００の二酸化シリコンからなるエッチストッパ層１０２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単結晶シリコンからなる薄いシリコン層１０４をエッチングする。続いてＣＨＦ３ガスを用いた反応性イオンエッチングにより二酸化シリコンからなる絶縁層１０６をエッチングする。
【００２０】
次に図５Ａおよび図５Ｂに示すように薄肉部Ｒ２が消失するまでフォトレジストからなる第一の保護膜Ｒの表面全体をエッチングすることにより、第二の通孔ＲＴを形成し、第一の保護膜Ｒの残部からなる第二の保護膜Ｒを形成する。このとき、第二の保護膜Ｒのパターンは第一の保護膜Ｒの厚肉部Ｒ１のパターンによって自己整合的に精度良く形成される。具体的には例えば酸素（Ｏ）プラズマを用いた反応性イオンエッチングによって異方的に第一の保護膜Ｒの表面全体をエッチングすればよい。なお、アルゴン（Ａｒ）イオンによるミリングによって第一の保護膜Ｒを異方的にエッチングしても良い。第一の保護膜Ｒを異方的にエッチングすることによって、基板１００の裏面に対して垂直な方向から見た厚肉部Ｒ１の輪郭をほぼそのまま第二の保護膜Ｒの輪郭に転写することができる。また錘部Ｍの側面の梁部Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４から離間している部分を形成した第一の保護膜Ｒの厚肉部Ｒ１のエッジを第二の保護膜Ｒに残存させることにより、錘部Ｍの側面の梁部Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４から離間している部分は厚肉部Ｒ１のパターンによって確定させる。また等方性エッチングにより第一の保護膜Ｒを第二の保護膜Ｒに変形しても良い。ただし等方性エッチングにより変形する場合、基板１００の裏面と平行な方向へのエッチングを見越して厚肉部Ｒ１の輪郭を設計する必要がある。
【００２１】
次に図６Ａおよび図６Ｂに示すように第二の保護膜Ｒの第二の通孔ＲＴから露出している基板１００をエッチングすることによって基板１００の図１に示す梁部Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４に重なっている部分を除去する。その結果、図１に示す梁部Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４の厚さが調整されるとともに、錘部Ｍの側面の基板１００からなる残部Ｍｓが形成される。具体的には例えば、前述したボッシュプロセスによって基板１００の厚いシリコン層１０１の一部を除去し、ＣＨＦ３ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によって基板１００のエッチストッパ層１０２の一部を除去する。エッチストッパ層１０２は、緩衝フッ酸または希フッ酸によって等法的にエッチングしても良いし、無水ＨＦとアルコールの混合ガスを用いて気相で等方的にエッチングしても良い。
【００２２】
その後、第二の保護膜Ｒと接着手段Ｂとを除去し、ダイシング等の工程を実施すると図１に示す加速度センサ１が完成する。
【００２３】
以上説明した製造方法によると、基板１００の２つの主面の一方である裏面上に形成する２パターンの保護膜Ｒを用いたエッチングにより梁部Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４の側面全部と錘部Ｍの側面全部とが形成されるため、梁部Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４と錘部Ｍとの位置合わせ精度を高めることができる。その結果、加速度センサ１の可動部の形状精度を高めることができる。また、梁部Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４の側面全部と錘部Ｍの側面全部とを形成するために必要な２パターンの保護膜の輪郭を１度の露光によって制御することができるため、梁部Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４と錘部Ｍの位置合わせ精度をさらに高めることができる。その結果、加速度センサ１の可動部の形状精度をさらに高めることができる。
【００２４】
２．第二実施形態
本発明の第二実施形態により製造されるＭＥＭＳセンサである６軸のモーションセンサを図７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｄに示す。モーションセンサ２は互いに直交する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ためのＭＥＭＳセンサを構成するダイである。
【００２５】
モーションセンサ２は、矩形枠の形態を有する支持部Ｓと、固定端が支持部Ｓに結合している片持ち型の梁部Ｆと、梁部Ｆの自由端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、図示しないパッケージに収容される。モーションセンサ２を構成しているこれらの構造要素や電気的機能要素は、板状のバルク材料からなる基板１００とシリコン層１０４と絶縁層１０６と配線層１０８と圧電層１１０と電極層１１２と保護層１１４と配線層１１５が一体に接合されている積層構造体によって構成されている。
【００２６】
支持部Ｓは４つの梁部Ｆを支持するための枠形の構造要素である。支持部Ｓは基板１００と薄いシリコン層１０４と絶縁層１０６と保護層１１４とからなる。支持部Ｓは梁部Ｆに比べて十分厚い基板１００を含む複層構造体である。したがって支持部Ｓは実質的に変形しない。
【００２７】
同一形態を有する４つの梁部Ｆは支持部Ｓの内側において十文字形に配列され、それぞれの一端が支持部Ｓに結合し、それぞれの他端が錘部Ｍに結合している。それぞれの梁部Ｆは薄いシリコン層１０４と絶縁層１０６と保護層１１４とからなる。
【００２８】
錘部Ｍは、梁部Ｆに結合しているほぼ直方体形の中央部の４つの角部にそれぞれ直方体形の部分が結合している形態を有する。錘部Ｍは梁部Ｆに比べて十分厚い基板１００を含む。したがって、錘部Ｍは支持部Ｓに対して相対的に運動する剛体として振る舞う。
【００２９】
錘部Ｍと支持部Ｓと梁部Ｆとは通孔である４つのスリットＨによって隔てられている。
梁部Ｆの支持部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はシリコン層１０４に形成されている。梁部Ｆの変形によって生ずる応力の向きは梁部Ｆの表面と裏面とで逆になる。このため、ピエゾ抵抗素子４０はシリコン層１０４の界面の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が取り出せるように結線される。
【００３０】
圧電素子Ｐは、薄いシリコン層１０４の表面上に設けられる。圧電素子Ｐは、電極として機能する配線層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、梁部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ずる梁部Ｆの歪みを検出する検出手段として機能する。
【００３１】
（製造方法）
図８から図１０に基づいてモーションセンサ２の製造方法を説明する。
はじめに立体的な機械構造が形成されていない図８に示す積層構造体Ｗを基板１００の表面に薄膜を積層したり改質したりエッチングする公知の方法によって形成する。例えば、第一実施形態と同様にして基板１００、薄いシリコン層１０４、絶縁層１０６を形成し、ピエゾ抵抗素子４０を形成した後に、厚さ０．１μｍの白金（Ｐｔ）からなる配線層１０８を絶縁層１０６の表面全体に形成する。次に、配線層１０８の表面全体に厚さ３μｍのＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）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厚さ０．１μｍの電極層１１２を形成する。その後、３種類の保護膜を用いて電極層１１２、圧電層１１０、配線層１０８を順にエッチングする。次に感光性ポリイミドからなる厚さ１０μｍの保護層１１４を形成し、露光・現像によってコンタクトホールを形成する。次にコンタクトホールから露出している配線層１０８および電極層１１２に接続するアルミニウム（Ａｌ）からなる厚さ０．５μｍの配線層１１５を形成する。次に配線層１１５をエッチングによりパターニングすると、図８に示す積層構造体Ｗが得られる。
【００３２】
次に図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃに示すように積層構造体Ｗを接着手段Ｂを用いて犠牲基板９９に仮接着し、次に第一実施形態と同様に、基板１００の裏面上に第一の保護膜Ｒを形成する。第一の保護膜Ｒは、感光性樹脂であるフォトレジストからなり、図７に示した支持部Ｓと錘部Ｍとに比べて梁部Ｆを薄く形成するための薄肉部Ｒ２と、支持部Ｓと錘部Ｍとを梁部Ｆに比べて厚く形成するための厚肉部Ｒ１とを有する。また第一の保護膜Ｒには、図７に示した通孔であるスリットＨを形成するための第一の通孔であるスリットＲＳが形成されている。厚肉部Ｒ１の厚さは例えば１０μｍとし、薄肉部Ｒ２の厚さは例えば３μｍとする。
【００３３】
次に図１０Ａ、図１０Ｂに示すように、第一実施形態と同様に、第一の保護膜ＲのスリットＲＳから露出している積層構造体Ｗを貫通すまでエッチングする。このとき、図７に示す支持部Ｓと梁部Ｆと錘部Ｍとを隔てる通孔であるスリットＨが一時に形成される。
【００３４】
次に図１１Ａ、図１１Ｂに示すように、第一実施形態と同様に、薄肉部Ｒ２が消失するまでフォトレジストからなる第一の保護膜Ｒの表面全体をエッチングすることにより、第二の通孔ＲＴを形成し、第一の保護膜Ｒの残部からなる第二の保護膜Ｒを形成する。このとき、第二の保護膜Ｒのパターンは第一の保護膜Ｒの厚肉部Ｒ１のパターンによって自己整合的に精度良く形成される。また錘部Ｍの側面の梁部Ｆから離間している部分を形成した第一の保護膜Ｒの厚肉部Ｒ１のエッジを第二の保護膜Ｒに残存させることにより、錘部Ｍの側面の梁部Ｆから離間している部分は厚肉部Ｒ１のパターンによって確定する。
【００３５】
次に図１２Ａ、図１２Ｂに示すように、第一実施形態と同様に、第二の保護膜Ｒの第二の通孔ＲＴから露出している基板１００をエッチングすることによって基板１００の梁部Ｆに重なっている部分を除去し、梁部Ｆの厚さを調整するとともに錘部Ｍの側面の基板１００からなる残部Ｍｓを形成する。その結果、図７に示す梁部Ｆと錘部Ｍとが完成する。
【００３６】
本実施形態においても、基板１００の２つの主面の一方である裏面上の２パターンの保護膜Ｒを用いたエッチングにより梁部Ｆの側面全部と錘部Ｍの側面全部とが形成されるため、梁部Ｆと錘部Ｍとの位置合わせ精度を高めることができる。また、梁部Ｆの側面全部と錘部Ｍの側面全部とを形成するために必要な２パターンの保護膜の輪郭を１度の露光によって制御することができるため、梁部Ｆと錘部Ｍの位置合わせ精度をさらに高めることができる。
【００３７】
３．第三実施形態
図１３から図１６に示すようにレーザーアブレーションによって第一の保護膜を第二の保護膜に変形してもよい。
具体的には、図１３Ａ、図１３Ｂ、図１３Ｃに示すように、厚さが均一な感光性材料からなる単層の第一の保護膜Ｒを基板１００の裏面上に形成する。第一の保護膜Ｒには図１に示した通孔であるスリットＨ１、Ｈ２を形成するための第一の通孔であるスリットＲＳが形成されている。第一の保護膜Ｒの厚さは例えば１０μｍとする。
【００３８】
次に図１４Ａ、図１４Ｂに示すように、第一実施形態と同様に、第一の保護膜ＲのスリットＲＳから露出している積層構造体Ｗを貫通するまでエッチングする。
【００３９】
次に図１５Ａ、図１５Ｂに示すように、図１に示す基板１００の梁部Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４に重なっている第一の保護膜Ｒの部分をレーザーアブレーションによって除去することによって第二の通孔ＲＴを形成し、第一の保護膜Ｒの残部からなる第二の保護膜Ｒを形成する。このとき、錘部Ｍの側面の梁部Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４から離間している部分を形成した第一の保護膜Ｒのエッジを第二の保護膜Ｒに残存させることにより、錘部Ｍの側面の梁部Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４から離間している部分は第一の保護膜Ｒのパターンによって確定させる。
【００４０】
次に図１６Ａ、図１６Ｂに示すように、第一実施形態と同様に、第二の保護膜Ｒの第二の通孔ＲＴから露出している基板１００をエッチングすることによって基板１００の梁部Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４に重なっている部分を除去し、梁部Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４の厚さを調整するとともに錘部Ｍの側面の基板１００からなる残部Ｍｓを形成する。その結果、図１に示す梁部Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４と錘部Ｍと支持部Ｓとが完成する。
【００４１】
本実施形態においては、梁部Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４の側面全部と錘部Ｍの側面全部とを形成するために必要な２パターンの保護膜をいずれも基板１００の主面の一方である裏面上に形成するため、梁部Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４と錘部Ｍの位置合わせ精度を高めることができる。また単層の第一の保護膜の一部を除去することによって第二の保護膜を形成するため、第二の保護膜の材料を追加する工程が不要である。
【００４２】
４．第四実施形態
基板１００の主面の一方である裏面上に形成する第二の保護膜を、第一の保護膜の変形ではなく、第一の保護膜を完全に除去した後に、新たに形成しても良い。具体的には、図１４Ａ、図１４Ｂにおいて示すように積層構造体Ｗを貫通するまでエッチングした後に、第一の保護膜Ｒを除去する。次に基板１００の裏面上に図１５Ａ、図１５Ｂに示す第二の保護膜Ｒを形成しても良い。
【００４３】
本実施形態においても、基板１００の２つの主面の一方である裏面上に形成する２パターンの保護膜Ｒを用いたエッチングにより梁部Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４の側面全部と錘部Ｍの側面全部とが形成されるため、梁部Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４と錘部Ｍとの位置合わせ精度を高めることができる。
【００４４】
５．第五実施形態
図１７から図２０に示すように、第一の保護膜を複層構造とし、選択的なエッチングにより第一の保護膜を第二の保護膜に変形してもよい。
【００４５】
具体的には、図１７Ａおよび図１７Ｂに示すように、択一的に除去できる下層部ＲＰと上層部ＲＲとからなる２層構造の第一の保護膜Ｒを基板１００の裏面上に形成する。たとえば厚さ２μｍのＳｉｘＮｙ、ＳｉＯ２、Ａｌ等からなる下層部ＲＰを基板１００の裏面全体に形成した後に、厚さ１０μｍのフォトレジストからなる上層部ＲＲを下層部ＲＰの表面全体に形成する。次にマスクを通じた露光と現像により上層部ＲＰにスリットＲＳを形成する。次に上層部ＲＰのスリットＲＳから露出している下層部ＲＰをエッチングすることによりスリットＲＳを基板１００の裏面まで貫通させると、２層構造の第一の保護膜Ｒが形成される。
【００４６】
次に図１８Ａおよび図１８Ｂに示すように、第一実施形態と同様に、第一の保護膜ＲのスリットＲＳから露出している積層構造体Ｗを貫通すまでエッチングする。
【００４７】
次に図１９Ａおよび図１９Ｂに示すように、上層部ＲＲをエッチングにより除去し、露出した下層部ＲＰをレーザーアブレーションによってパターニングすることによって第一の保護膜Ｒを残部からなる第二の保護膜としての下層部ＲＰに変形する。このとき、錘部Ｍの側面の梁部Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４から離間している部分を形成した第一の保護膜Ｒの下層部ＲＰのエッジを残存させることにより、錘部Ｍの側面の梁部Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４から離間している部分は第一の保護膜Ｒのパターンによって確定させる。
【００４８】
次に図２０Ａおよび図２０Ｂに示すように、第一実施形態と同様に、第二の保護膜Ｒの第二の通孔ＲＴから露出している基板１００をエッチングすることによって基板１００の梁部Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４に重なっている部分を除去し、梁部Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４の厚さを調整するとともに錘部Ｍの基板１００からなる残部Ｍｓを形成する。その結果、図１に示す梁部Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４と錘部Ｍとが完成する。
【００４９】
本実施形態においては、梁部Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４の側面全部と錘部Ｍの側面全部とを形成するために必要な２パターンの保護膜をいずれも基板１００の主面の一方である裏面上に形成するため、梁部Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４と錘部Ｍの位置合わせ精度を高めることができる。
【００５０】
６．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。たとえば本発明は、振動センサ等の他のＭＥＭＳセンサに適用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１Ａ】本発明の第一実施形態にかかる平面図。
【図１Ｂ】図１Ａに示すＢＢ線に対応する断面図。
【図１Ｃ】図１Ａに示すＣＣ線に対応する断面図。
【図１Ｄ】図１Ａに示すＤＤ線に対応する断面図。
【図２】図１Ａに示すＢＢ線に対応する工程断面図。
【図３Ａ】図１Ａに示すＢＢ線に対応する工程断面図。
【図３Ｂ】図１Ａに示すＤＤ線に対応する工程断面図。
【図３Ｃ】図３Ａおよび図３Ｂに対応する工程にかかる平面図。
【図４Ａ】図１Ａに示すＢＢ線に対応する工程断面図。
【図４Ｂ】図１Ａに示すＤＤ線に対応する工程断面図。
【図５Ａ】図１Ａに示すＢＢ線に対応する工程断面図。
【図５Ｂ】図１Ａに示すＤＤ線に対応する工程断面図。
【図６Ａ】図１Ａに示すＢＢ線に対応する工程断面図。
【図６Ｂ】図１Ａに示すＤＤ線に対応する工程断面図。
【図７Ａ】本発明の第二実施形態にかかる平面図。
【図７Ｂ】図７Ａに示すＢＢ線に対応する断面図。
【図７Ｃ】図７Ａに示すＣＣ線に対応する断面図。
【図７Ｄ】本発明の第二実施形態にかかる底面図。
【図８】図７Ａに示すＢＢ線に対応する工程断面図。
【図９Ａ】図７Ａに示すＢＢ線に対応する工程断面図。
【図９Ｂ】図７Ａに示すＣＣ線に対応する工程断面図。
【図９Ｃ】図７Ａおよび図７Ｂに対応する工程にかかる平面図。
【図１０Ａ】図７Ａに示すＢＢ線に対応する工程断面図。
【図１０Ｂ】図７Ａに示すＣＣ線に対応する工程断面図。
【図１１Ａ】図７Ａに示すＢＢ線に対応する工程断面図。
【図１１Ｂ】図７Ａに示すＣＣ線に対応する工程断面図。
【図１２Ａ】図７Ａに示すＢＢ線に対応する工程断面図。
【図１２Ｂ】図７Ａに示すＣＣ線に対応する工程断面図。
【図１３Ａ】図７Ａに示すＢＢ線に対応する工程断面図。
【図１３Ｂ】図７Ａに示すＣＣ線に対応する工程断面図。
【図１３Ｃ】図１３Ａおよび図１３Ｂに対応する平面図。
【図１４Ａ】図７Ａに示すＢＢ線に対応する工程断面図。
【図１４Ｂ】図７Ａに示すＣＣ線に対応する工程断面図。
【図１５Ａ】図７Ａに示すＢＢ線に対応する工程断面図。
【図１５Ｂ】図７Ａに示すＣＣ線に対応する工程断面図。
【図１６Ａ】図７Ａに示すＢＢ線に対応する工程断面図。
【図１６Ｂ】図７Ａに示すＣＣ線に対応する工程断面図。
【図１７Ａ】図７Ａに示すＢＢ線に対応する工程断面図。
【図１７Ｂ】図７Ａに示すＣＣ線に対応する工程断面図。
【図１８Ａ】図７Ａに示すＢＢ線に対応する工程断面図。
【図１８Ｂ】図７Ａに示すＣＣ線に対応する工程断面図。
【図１９Ａ】図７Ａに示すＢＢ線に対応する工程断面図。
【図１９Ｂ】図７Ａに示すＣＣ線に対応する工程断面図。
【図２０Ａ】図７Ａに示すＢＢ線に対応する工程断面図。
【図２０Ｂ】図７Ａに示すＣＣ線に対応する工程断面図。
【符号の説明】
【００５２】
１：加速度センサ、２：モーションセンサ、４０：ピエゾ抵抗素子、４１：接続抵抗低減部、４２：抵抗部、９９：犠牲基板、１００：基板、１０１：シリコン層、１０２：エッチストッパ層、１０４：シリコン層、１０６：絶縁層、１０８：配線層、１１０：圧電層、１１２：電極層、１１４：保護層、１１５：配線層、Ｂ：接着手段、Ｆ：梁部、Ｈ：スリット、Ｍ：錘部、Ｐ：圧電素子、Ｒ：保護膜、Ｒ１：厚肉部、Ｒ２：薄肉部、ＲＰ：下層部、ＲＲ：上層部、ＲＳ：スリット、ＲＴ：通孔、Ｓ：支持部、Ｗ：積層構造体
【図１Ａ】
2010091351.tif 000003
【図１Ｂ】
2010091351.tif 000004
【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図２】
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【図３Ａ】
2010091351.tif 000008
【図３Ｂ】
2010091351.tif 000009
【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
2010091351.tif 000013
【図５Ｂ】
2010091351.tif 000014
【図６Ａ】
2010091351.tif 000015
【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
2010091351.tif 000017
【図７Ｂ】
2010091351.tif 000018
【図７Ｃ】
2010091351.tif 000019
【図７Ｄ】
2010091351.tif 000020
【図８】
2010091351.tif 000021
【図９Ａ】
2010091351.tif 000022
【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
2010091351.tif 000026
【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
2010091351.tif 000029
【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
2010091351.tif 000035
【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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