(57)【要約】【課題】  可動部と支持基板の固着が長期に亘って防止されるマイクロデバイスを提供する。【解決手段】  マイクロデバイスは、支持基板と、支持基板に隙間を介して対向しているとともに、支持基板に対して相対変位可能に支持された可動部を備えている。支持基板と可動部の互いに対向する表面の少なくとも一方には、少なくとも一つの突起が設けられている。そして、各々の突起には、その突起が設けられた支持基板又は可動部の内部へ伸びる基礎部が、一体に設けられている。【選択図】図４
2010205766.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
基板に隙間を介して対向しているとともに、基板に対して相対変位可能に支持されている可動部を備え、
基板と可動部の互いに対向する表面の少なくとも一方には、少なくとも一つの突起が設けられており、
各々の突起には、その突起が設けられた基板又は可動部の内部へ伸びる基礎部が、一体に設けられていることを特徴とするマイクロデバイス。
【請求項２】
前記突起の少なくとも先端における表面は、曲面であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロデバイス。
【請求項３】
前記突起と前記基礎部の接続位置では、突起の断面積の方が、基礎部の断面積よりも大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロデバイス。
【請求項４】
前記突起及びその基礎部は、ポリシリコンによって形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のマイクロデバイス。
【請求項５】
基板に犠牲層を介してバルク層が積層された積層材料から、基板と、基板に隙間を介して対向するとともに、基板に対して相対変位可能に支持された可動部を備え、基板と可動部の互いに対向する表面の少なくとも一方に、少なくとも一つの突起が設けられたマイクロデバイスを製造する製造方法であって、
基板とバルク層の少なくとも一方に、犠牲層に達する貫通孔を形成する工程と、
貫通孔を通して犠牲層の一部をエッチングし、貫通孔に連なる空洞部を犠牲層内に形成する工程と、
貫通孔と空洞部の内部に、前記突起を形成する材料を充填する工程と、
バルク層を前記可動部の形状に加工する工程と、
可動部と基板の間の犠牲層をエッチングによって除去する工程と、
を備えるマイクロデバイスの製造方法。
【請求項６】
前記空洞部は、犠牲層の等方性エッチングによって形成されることを特徴とする請求項５に記載のマイクロデバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可動部を有するマイクロデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
可動部を有するマイクロデバイスが知られている。この種のマイクロデバイスは、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）又はマイクロマシンとも呼ばれており、ＳＯＩ基板などの成層材料から、半導体素子の製造技術を用いて製造されている。
可動部を有するマイクロデバイスでは、可動部が支持基板に固着することを防止する必要がある。例えば特許文献１−４に、可動部が支持基板に固着することを防止する技術が開示されている。
【０００３】
特許文献１には、振動式検出器が開示されている。この振動式検出器は、基板と、基板に隙間を介して対向する可動部を備えている。可動部は、基板に対して相対変位可能に支持されている。この振動式検出器では、基板の可動部に対向する表面が、エッチングによって粗面化されている。
特許文献２には、半導体装置が開示されている。この半導体装置は、第１の構造層と、第１の構造層に隙間を介して対向する第２の構造層を備えている。第２の構造層は、第１の構造層に対して相対変位可能に支持された可動部となっている。この半導体装置では、第１の構造層と第２の構造層の互いに対向する表面が、レーザによって互いに異なる粗さで粗面化されている。
【０００４】
特許文献３には、加速度センサが開示されている。この加速度センサは、固定電極と、固定電極に隙間を介して対向する可動電極を備えている。可動電極は、固定電極に対して相対変位可能に支持された可動部となっている。この加速度センサでは、固定電極と可動電極の互いに対向する表面の少なくとも一方に、凹部の幅が０．０１μｍ以上０．１μｍ以下の凹凸が、陽極化成処理によって形成されている。
特許文献４には、インクジェットヘッドが開示されている。このインクジェットヘッドは、固定電極と、固定電極に隙間を介して対向する可動電極を備えている。可動電極は、固定電極に対して相対変位可能に支持された可動部となっている。このインクジェットヘッドでは、可動電極と固定電極の互いに対向する表面の少なくとも一方に、絶縁性を有する複数の突起が設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−３４９０６５号公報
【特許文献２】特開２００７−２６８７０４号公報
【特許文献３】特開平１１−３４０４７７号公報
【特許文献４】特開２００２−１６０３６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１−３に開示された技術のように、可動部と支持基板の互いに対向する表面を粗面化すれば、可動部と支持基板が互いに接触したときに、その接触面積を比較的に小さく抑えることができる。従って、可動部と支持基板が固着することを防止することができる。しかしながら、可動部と支持基板が接触を繰り返せば、粗面化されていた表面が次第に平滑化されてしまい、その結果、可動部と支持基板が固着してしまうことがある。
それに対して、特許文献４に開示された技術のように、可動部と支持基板の互いに対向する表面に突起する手法であれば、突起が完全に摩耗しないかぎり、可動部と支持基板の固着を長期に亘って防止できるように思われる。しかしながら、可動部と支持基板が接触を繰り返せば、突起そのものが可動部又は支持基板から剥離してしまい、その結果、可動部と支持基板が固着してしまうことがある。
以上のように、特許文献１−４に開示された技術では、可動部と支持基板が固着することを、長期に亘って防止することができないという問題がある。
本発明は、上記の課題を解決する。本発明は、可動部と支持基板が固着することを、長期に亘って防止することができる技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、マイクロデバイスに具現化される。このマイクロデバイスは、支持基板と、支持基板に隙間を介して対向しているとともに、支持基板に対して相対変位可能に支持された可動部を備えている。支持基板と可動部の互いに対向する表面の少なくとも一方には、少なくとも一つの突起が設けられている。そして、各々の突起には、その突起が設けられた支持基板又は可動部の内部へ伸びる基礎部が、一体に設けられている。
【０００８】
このマイクロデバイスでは、突起がストッパとして機能することにより、可動部と支持基板が直接的に接触することが禁止される。それにより、可動部と支持基板の固着が防止される。
各々の突起は、支持基板又は可動部に埋設された基礎部によって、強固に保持されている。従って、支持基板と可動部が突起を介して衝突を繰り返しても、突起が剥離することが防止される。
このマイクロデバイスによると、支持基板と可動部が固着することを、長期に亘って防止することができる技術を提供する。
【０００９】
前記したマイクロデバイスにおいて、突起の少なくとも先端における表面は、曲面であることが好ましい。
この構成によると、可動部と支持基板が突起を介して衝突したときに、突起や突起に衝突した可動部又は支持基板に生じる応力を、低く抑えることができる。それにより、突起や可動部又は支持基板の損傷が防止され、異物の発生に起因する誤作動なども防止される。
【００１０】
前記したマイクロデバイスにおいて、突起と基礎部の接続位置では、突起の断面積の方が、基礎部の断面積よりも大きいことが好ましい。
この構成によると、突起は、基礎部によって保持されるだけでなく、支持基板又は可動部の表面にも接合される。それにより、突起の剥離がより確実に防止される。
【００１１】
前記したマイクロデバイスにおいて、突起及びその基礎部は、ポリシリコンによって形成されていることが好ましい。
ポリシリコンを用いると、微小な突起及び基礎部を、高い強度で形成することができる。また、ポリシリコンは高い電気抵抗率を有するので、可動部と支持基板が電気的にショートすることも防ぐことができる。
【００１２】
本発明は、基板に犠牲層を介してバルク層が積層された積層材料から、基板と、基板に隙間を介して対向するとともに、基板に対して相対変位可能に支持された可動部を備え、基板と可動部の互いに対向する表面の少なくとも一方に、少なくとも一つの突起が設けられたマイクロデバイスを製造する製造方法にも具現化される。
本発明に係る製造方法は、基板とバルク層の少なくとも一方に、犠牲層に達する貫通孔を形成する工程と、貫通孔を通して犠牲層の一部をエッチングし、貫通孔に連なる空洞部を犠牲層内に形成する工程と、貫通孔と空洞部の内部に前記突起を形成する材料を充填する工程と、バルク層を前記可動部の形状に加工する工程と、可動部と基板の間の犠牲層をエッチングによって除去する工程を、備えている。
【００１３】
上記した製造方法のように、突起を形成する材料を、支持基板又は可動部に形成した貫通孔を通じて、犠牲層に形成した空洞部に充填すると、支持基板又は可動部の表面に突起を形成することができる。このとき、突起を形成する材料を、支持基板又は可動部に形成した貫通孔にも充填すれば、支持基板又は可動部の内部に伸びる基礎部を、突起と一体に形成することができる。
上記した製造方法によれば、可動部と支持基板の接触を防止する突起を、可動部と支持基板の間の犠牲層を除去するのに先立って、予め形成しておくことができる。可動部と支持基板の間の犠牲層を除去すれば、可動部と支持基板は隙間を介して対向することになり、両者は互いに接触し得る状態となる。このとき、可動部と支持基板の間に突起が既に形成されていれば、可動部と支持基板が直接的に接触することが防止される。この製造方法によると、マイクロデバイスを製造する段階から、可動部と支持基板が固着することを防止することができる。
【００１４】
上記した製造方法では、前記した空洞部を、等方性エッチングによって形成することが好ましい。
貫通孔を通して犠牲層を等方性エッチングした場合、犠牲層のエッチングは貫通孔の位置を起点にして放射状に進行する。従って、犠牲層には、略半球状の空洞部が形成される。空洞部の形状が略半球状であれば、その後に形成される突起の形状も略半球状となる。この場合、突起の先端における表面は曲面となり、突起と基礎部の接続位置では、突起の断面積の方が、基礎部の断面積よりも大きくなる。即ち、先に説明した好適な突起及び基礎部を、比較的に簡単に構成することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のマイクロデバイスによると、支持基板と可動部が固着することを、長期に亘って防止することができる。さらに、本発明の製造方法によれば、支持基板と可動部が固着することを、マイクロデバイスの製造プロセスの段階から防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施例１の二軸加速度センサを示す平面図。
【図２】図１に示す二軸加速度センサのＡ−Ａ’断面図。
【図３】図１に示す二軸加速度センサのＢ−Ｂ’断面図。
【図４】図１に示す二軸加速度センサのＣ−Ｃ’断面図。
【図５】二軸加速度センサがｙ軸方向の加速度を検出する様子を示す図。
【図６】二軸加速度センサがｚ軸方向の加速度を検出する様子を示す図（Ｂ−Ｂ’断面）。
【図７】二軸加速度センサの製造プロセスの工程１を示しており、図７（ａ）はＢ−Ｂ’断面図を示し、図７（ｂ）はＣ−Ｃ’断面図を示す。
【図８】二軸加速度センサの製造プロセスの工程２を示しており、図８（ａ）はＢ−Ｂ’断面図を示し、図８（ｂ）はＣ−Ｃ’断面図を示す。
【図９】二軸加速度センサの製造プロセスの工程３を示しており、図９（ａ）はＢ−Ｂ’断面図を示し、図９（ｂ）はＣ−Ｃ’断面図を示す。
【図１０】二軸加速度センサの製造プロセスの工程４を示しており、図１０（ａ）はＢ−Ｂ’断面図を示し、図１０（ｂ）はＣ−Ｃ’断面図を示す。
【図１１】二軸加速度センサの製造プロセスの工程５を示しており、図１１（ａ）はＢ−Ｂ’断面図を示し、図１１（ｂ）はＣ−Ｃ’断面図を示す。
【図１２】二軸加速度センサの製造プロセスの工程６を示しており、図１２（ａ）はＢ−Ｂ’断面図を示し、図１２（ｂ）はＣ−Ｃ’断面図を示す。
【図１３】二軸加速度センサの製造プロセスの工程７を示しており、図１３（ａ）はＢ−Ｂ’断面図を示し、図１３（ｂ）はＣ−Ｃ’断面図を示す。
【図１４】二軸加速度センサの製造プロセスの工程８を示しており、図１４（ａ）はＢ−Ｂ’断面図を示し、図１４（ｂ）はＣ−Ｃ’断面図を示す。
【図１５】二軸加速度センサの製造プロセスの工程９を示しており、図１５（ａ）はＢ−Ｂ’断面図を示し、図１５（ｂ）はＣ−Ｃ’断面図を示す。
【図１６】バルク基板に形成された貫通孔と絶縁層内に形成された空洞部を示す図（工程４）。
【図１７】バルク基板に形成された突起及び基礎部を示す図。
【図１８】二軸加速度センサにｚ軸方向の衝撃力が加わり、可動マスと支持基板が突起を介して衝突した状態を示す図。
【図１９】実施例２の突起を形成するために、バルク基板に形成された貫通孔及び絶縁層内に形成された空洞部を示す図。
【図２０】実施例２の突起及び基礎部の示す図。
【図２１】実施例３の突起及び基礎部を形成するプロセスを示しており、図２１（ａ）は工程４の状態を示し、図２１（ｂ）は工程５の状態を示し、図２１（ｃ）は工程８の状態を示す。
【図２２】実施例４の突起及び基礎部の示す図。
【図２３】実施例５の突起及び基礎部の示す図。
【図２４】実施例６の突起及び基礎部の示す図。
【図２５】実施例７の突起及び基礎部の示す図。
【図２６】実施例８の突起及び基礎部を形成するために、支持基板に形成された貫通孔及び絶縁層内に形成された空洞部を示す図。
【図２７】実施例８の突起及び基礎部を示す図。
【図２８】実施例９の二軸角速度センサを示す平面図。
【図２９】図２８に示す二軸角速度センサのＤ−Ｄ’断面図。
【図３０】実施例１０のミラーアレイデバイスを示す平面図。
【図３１】図３０に示すミラーアレイデバイスのＥ−Ｅ’断面図。
【図３２】実施例１０のミラーアレイデバイスを駆動方法を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明を実施するための好適な実施形態を列記する。
（形態１）  本発明の技術は、加速度センサ又は角速度センサに適用することができる。加速度センサや角速度センサは、支持基板と、支持基板に隙間を介して対向するとともに、支持基板に対して相対変位可能に支持された可動マスを備えている。この場合、可動マスと支持基板の少なくとも一方に、本発明に係る突起及び基礎部を形成するとよい。それにより、支持基板と可動マスの固着を長期に亘って防止することができる。
（形態２）  本発明の技術は、ミラーアレイデバイスに適用することができる。ミラーアレイデバイスは、支持基板と、支持基板に隙間を介して対向するとともに、支持基板に対して相対変位可能に支持された可動ミラーを備えている。この場合、本発明に係る突起及び基礎部を、可動ミラーと支持基板の少なくとも一方に形成するとよい。それにより、支持基板と可動ミラーの固着を長期に亘って防止することができる。
（形態３）  本発明の技術は、例えば半導体材料で形成されたマイクロデバイスに適用することができる。ただし、マイクロデバイスを構成する材料によって、その適用が制限されるものではなく、半導体材料以外の材料で形成されたマイクロデバイスにも、本発明に係る突起及び基礎部を同様に設けることができる。
【実施例１】
【００１８】
図１は、実施例１の二軸加速度センサ１の構成を示す平面図である。図２は、図１に示す二軸加速度センサ１のＡ−Ａ’断面図である。図３は、図１に示す二軸加速度センサ１のＢ−Ｂ’断面図である。図４は、図１に示す二軸加速度センサ１のＣ−Ｃ’断面図である。二軸加速度センサ１は、ｙ軸方向に印加された加速度と、ｚ軸方向に印加された加速度を、それぞれ検出することができるマイクロデバイスである。二軸加速度センサ１は、半導体基板から製造された半導体装置の一種である。詳しくは、２枚のシリコン基板が絶縁層を介して積層されたＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板から製造されている。
【００１９】
図１、図２、図３に示すように、二軸加速度センサ１は、支持基板１５と、支持基板１５の上面に絶縁層１４を介して固定された４つのアンカー部９と、４つのアンカー部９に対して略中央に位置しているとともに、支持基板１５に隙間を介して対向している可動マス２と、可動マス２から各々のアンカー部９へ伸びている４本の支持梁３を備えている。
支持基板１５は、単結晶シリコンによって形成されている。支持基板１５を形成する単結晶シリコンには、導電性の不純物が添加されており、導電性を有している。同様に、アンカー部９と可動マス２と支持梁３も、単結晶シリコンのバルク基板を加工することによって一体に形成されている。アンカー部９、可動マス２、支持梁３を形成する単結晶シリコンも、導電性の不純物が添加されており、導電性を有している。ただし、支持基板１５を形成する単結晶シリコンと、アンカー部９、可動マス２、支持梁３を形成する単結晶シリコンは、絶縁層１４によって電気的に絶縁されている。
【００２０】
各々の支持梁３は、可動マス２と各々のアンカー部９の間を、ｘ軸方向に平行に伸びている。また、各々の支持梁３は、支持基板１５に対して略平行に伸びており、支持基板１５に隙間を介して対向している。即ち、各々の支持梁３は、支持基板１５から離間しており、弾性変形することができる。それにより、可動マス２は、支持基板１５に対してｙ軸方向及びｚ軸方向に、相対変位可能に支持されている。従って、二軸加速度センサ１にｙ軸方向の加速度が印加されると、可動マス２は支持基板１５に対してｙ軸方向に変位し、二軸加速度センサ１にｚ軸方向の加速度が印加されると、可動マス２は支持基板１５に対してｚ軸方向に変位する。このとき、可動マス２は、印加された加速度の向きとは逆の向きに変位する。
【００２１】
可動マス２には、マトリクス状に開口する複数の矩形孔８が形成されている。これらの矩形孔８は、二軸加速度センサ１の製造プロセスにおいて、犠牲層である絶縁層１４をエッチングするために設けられたものである。可動マス２に形成する矩形孔８の数、大きさ、配列は、特に限定されるものでなく、適宜設計することができる。
【００２２】
図１に示すように、可動マス２には、複数の第１可動櫛歯電極４と、複数の第２可動櫛歯電極７が設けられている。複数の第１可動櫛歯電極４は、可動マス２のｙ軸正方向側の端面に設けられており、複数の第２可動櫛歯電極７は、可動マス２のｙ軸負方向側の端面に設けられている。第１可動櫛歯電極４と第２可動櫛歯電極７は、可動マス２と一体に、導電性を有する単結晶シリコンによって形成されている。各々の第１可動櫛歯電極４及び第２可動櫛歯電極７は、ｘ軸方向に伸びている。
一方、支持基板１５には、第１固定電極１２ａと、第２固定電極１２ｂが設けられている。第１固定電極１２ａと第２固定電極１２ｂは、不純物が添加された単結晶シリコンによって形成されており、十分な導電性を有している。第１固定電極１２ａと第２固定電極１２ｂは、絶縁層１４を介して支持基板１５に固定されており、支持基板１５とは電気的に絶縁されている。
【００２３】
第１固定電極１２ａは、可動マス２に対して、ｙ軸正方向に位置している。第１固定電極１２ａには、複数の第１固定櫛歯電極５が形成されている。各々の第１固定櫛歯電極５は、可動マス２の第１可動櫛歯電極４と平行にｘ軸方向へ伸びており、第１可動櫛歯電極４に対してｙ軸方向から対向している。
第２固定電極１２ｂは、可動マス２に対して、ｙ軸負方向に位置している。第２固定電極１２ｂには、複数の第２固定櫛歯電極６が形成されている。各々の第２固定櫛歯電極６は、可動マス２の第２可動櫛歯電極７と平行にｘ軸方向へ伸びており、第２可動櫛歯電極７に対してｙ軸方向から対向している。
【００２４】
複数の第１可動櫛歯電極４と複数の第１固定櫛歯電極５は、ｙ軸方向の加速度を検出するための第１検出キャパシタ１３ａを構成している。同様に、複数の第２可動櫛歯電極７と複数の第２固定櫛歯電極６も、ｙ軸方向の加速度を検出するための第２検出キャパシタ１３ｂを構成している。第１検出キャパシタ１３ａと第２検出キャパシタ１３ｂは、ｙ軸方向に印加された加速度に応じて、その静電容量が変化する。従って、第１検出キャパシタ１３ａと第２検出キャパシタ１３ｂの静電容量を計測することによって、ｙ軸方向に印加されている加速度を計測することができる。第１検出キャパシタ１３ａと第２検出キャパシタ１３ｂの静電容量は、第１固定電極１２ａと第２固定電極１２ｂとアンカー部９の上に設けられた３つの電極パッド１１によって、個々に測定することができる。
ここで、電極パッド１１は、例えば金属材料で形成することができ、アルミニウムに代表される単一金属材料、アルミニウムとシリコンと銅の混合材料、クロムとニッケルと金からなる積層材料、チタンと白金と金からなる積層材料などによって形成することができる。
【００２５】
図５を参照して、ｙ軸方向の加速度を検出する一例を説明する。図５に例示するように、二軸加速度センサ１にｙ軸正方向の加速度が印加されると、可動マス２は支持基板１５に対してｙ軸負方向に変位する。可動マス２が支持基板１５に対してｙ軸負方向に変位すると、第１検出キャパシタ１３ａでは、第１可動櫛歯電極４と第１固定櫛歯電極５の間の間隔が狭くなり、その結果、第１検出キャパシタ１３ａの静電容量は、＋ΔＣのように増加する。一方、第２検出キャパシタ１３ｂでは、第２可動櫛歯電極７と第２固定櫛歯電極６の間の間隔が広くなり、その結果、第２検出キャパシタ１３ｂの静電容量は、−ΔＣのように減少する。各々の静電容量の変化量＋ΔＣ、−ΔＣを差動増幅すると、全体として、正の変化量＋ΔＣ×２を得ることができる。この正の変化量＋ΔＣ×２に基づいて、印加されたｙ軸正方向の加速度を、正確に計測することができる。
一方、二軸加速度センサ１にｙ軸負方向の加速度が印加されると、第１検出キャパシタ１３ａの静電容量は−ΔＣのように減少し、第２検出キャパシタ１３ｂの静電容量は＋ΔＣのように増加する。この場合、各々の静電容量の変化量−ΔＣ、＋ΔＣを差動増幅すると、全体として、負の変化量−ΔＣ×２を得ることができる。この負の変化量−ΔＣ×２に基づいて、印加されたｙ軸負方向の加速度についても、正確に計測することができる。
【００２６】
図３に示すように、可動マス２と支持基板１５は、隙間を介してｚ軸方向に対向しており、ｚ軸方向の加速度を検出するための第３検出キャパシタ１７を構成している。第３検出キャパシタ１７は、ｚ軸方向に印加された加速度に応じて、その静電容量が変化する。従って、第３検出キャパシタ１７の静電容量を計測することによって、ｚ軸方向に印加された加速度を計測することができる。第３検出キャパシタ１７の静電容量は、アンカー部９の上に設けられた電極パッド１１と、支持基板１５の下面に形成された電極膜１６によって、測定することができる。
【００２７】
図６を参照して、ｚ軸方向の加速度を検出する一例を説明する。図６に例示するように、二軸加速度センサ１にｚ軸正方向の加速度が印加されると、可動マス２は支持基板１５に対してｚ軸負方向に変位する。可動マス２が支持基板１５に対してｚ軸負方向に変位すると、第３検出キャパシタ１７では、可動マス２と支持基板１５の間の間隔が狭くなり、その結果、第３検出キャパシタ１７の静電容量は、＋ΔＣのように増加する。検出された静電容量の増加量＋ΔＣに基づいて、印加されたｚ軸正方向の加速度を、正確に計測することができる。
一方、二軸加速度センサ１にｚ軸負方向の加速度が印加された場合は、第３検出キャパシタ１７の静電容量は、−ΔＣのように減少する。従って、印加されたｚ軸負方向の加速度についても、検出された静電容量の減少量−ΔＣに基づいて、正確に計測することができる。
【００２８】
図４に示すように、可動マス２の支持基板１５に対向する下面２ａには、複数の突起１９が形成されている。これらの突起１９は、可動マス２と支持基板１５が直接的に接触することを禁止し、可動マス２と支持基板１５が固着することを防止する。突起１９には、基礎部１８が一体に形成されている。基礎部１８は、可動マス２に形成された貫通孔２４の内部へ伸びており、その上端は可動マス２の上面２ｂに露出している。このように、各々の突起１９には、可動マス２に埋設されている基礎部１８が設けられている。各々の突起１９は、基礎部１８によって強固に保持されており、可動マス２から剥離することが防止される。
【００２９】
図４に示すように、突起１９は、概して半球体の形状を有しており、その表面は支持基板１５に向けて凸状に湾曲している。突起１９の少なくとも先端における表面が湾曲していると、支持基板１５と可動マス２が突起１９を介して衝突したときに、突起１９や支持基板１５に生じる応力を低く抑えることができる。それにより、突起１９や支持基板１５の損傷が防止され、異物の発生に起因する誤作動なども防止することができる。
また、突起１９と基礎部１８の接続位置（可動マス２の下面２ａの位置）では、突起１９の断面積の方が、基礎部１８の断面積よりも大きくなっている。そのことから、突起１９は、基礎部１８によって保持されているだけでなく、可動マス２の下面２ａにも接合されている。それにより、可動マス２の剥離が効果的に防止されている。
【００３０】
本実施例の突起１９及び基礎部１８は、ポリシリコンで形成されている。ただし、突起１９及び基礎部１８を形成する材料は、ポリシリコンに限定されない。例えば、他の材料として、窒化シリコンとポリシリコンの混合材料や、金属材料を挙げることができる。ただし、金属材料を用いる場合は、絶縁性を確保するために、その表面を酸化させるとよい。これらの材料によっても、一体に形成された基礎部１８によって強固に保持された突起１９を実現することができる。
【００３１】
次に、図７−図１５を参照して、二軸加速度センサ１の製造プロセスについて説明する。図７−図１５は、二軸加速度センサ１の製造プロセスの工程１−９における状態をそれぞれ示している。図７−図１５の各図において、（ａ）は図１のＢ−Ｂ’位置に対応する断面図を示しており、（ｂ）は図１のＣ−Ｃ’位置に対応する断面図を示している。
最初に、この製造プロセスでは、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板から、二軸加速度センサ１を製造する。ＳＯＩ基板は、単結晶シリコンの支持基板１５に、単結晶シリコンのバルク基板２０が、酸化シリコンの絶縁層１４を介して積層された積層材料である。支持基板１５とバルク基板２０は、導電性の不純物が添加されており、導電性を有している。絶縁層１４は、支持基板１５とバルク基板２０を電気的に絶縁している。
【００３２】
図７に示すように、工程１では、バルク基板２０に貫通孔２４を形成するために、第１レジスト２１を形成する。第１レジスト２１には、フォトリソグラフィによって、貫通孔２４の位置及び形状に対応する開口が形成されている。ここでは、貫通孔２４の形状を円形とする。ただし、貫通孔２４の形状は、矩形であってもよいし、楕円形状であってもよい。
【００３３】
図８に示すように、工程２では、第１レジスト２１をマスクに用い、ＤＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching）によって、バルク基板２０に貫通孔２４を形成する。貫通孔２４は、絶縁層１４に達するように形成する。
ＤＲＩＥによって貫通孔２４を形成した場合、貫通孔２４は、深さ方向に沿って断面積が略一定のストレート形状となる。しかしながら、貫通孔２４はストレート形状に限られず、深部に向って断面積が減少する順テーパ形状であってもよいし、深部に沿って断面積が拡大する逆テーパ形状であってもよい。貫通孔２４を形成する手法は特に限定されないが、加工条件を適宜調整すれば、ＤＲＩＥによっても順テーパ形状や逆テーパ形状の貫通孔２４を形成することができる。
また、ＤＲＩＥで貫通孔２４を形成すると、貫通孔２４の側面には、数十から数百ナノメートル程度の凹凸が深さ方向に沿って形成される。この凹凸は、スキャロップと呼ばれる。貫通孔２４の側面にスキャロップが形成されていると、後の工程で形成される突起１９の基礎部１８が、貫通孔２４に強固に固定される。
【００３４】
図９に示すように、工程３では、第１レジスト２１を除去し、基板を洗浄する。第１レジスト２１の除去には、酸素プラズマや剥離液を用いるとよい。
図１０に示すように、工程４では、貫通孔２４を通じて絶縁層１４を等方性エッチングし、絶縁層１４内に空洞部２５を形成する。具体的には、ＢＨＦ（バッファードフッ酸）の溶液を、貫通孔２４を通じて絶縁層１４に送り、絶縁層１４を等方性エッチングする。その結果、絶縁層１４には、半球状の空洞部２５が形成される。なお、別の手法として、フッ酸のガスを用いたベーパーＨＦにより、気相エッチングを行うこともできる。この場合でも、絶縁層１４は等方性エッチングされ、半球状の空洞部２５が形成される。
【００３５】
なお、工程４では、異方性エッチングによって空洞部２５を形成してもよい。この場合、貫通孔２４を通じて例えばＲＩＥ（Reactive Ion Etching）を行い、絶縁層１４を異方性エッチングすることができる。なお、異方性エッチングによって空洞部２５を形成した場合は、等方性エッチングで空洞部２５を形成した場合と比較して、空洞部２５の形状が相違する。異方性エッチングによる空洞部２５の形成については、後の実施例２において詳細に説明する。
【００３６】
図１１に示すように、工程５では、減圧ＣＶＤを用いて、基板にポリシリコンを堆積させる。この工程５により、基板の両面にポリシリコン膜２２が成膜されるとともに、貫通孔２４及び空洞部２５の内部にもポリシリコンが充填される。ここで、基板の両面に成膜されたポリシリコン膜２２は、後の工程で除去されるものであり、その膜厚を特に管理する必要はない。この工程５では、貫通孔２４及び空洞部２５にポリシリコンが十分に充填されるように、その処理条件や処理時間を設定するとよい。この工程５によって、突起１９及び基礎部１８が形成される。ここで、ポリシリコンには、導電性の不純物を添加しないことが好ましい。それにより、突起１９及び基礎部１８の電気抵抗率を高めることができる。
【００３７】
図１２に示すように、工程６では、先ず、支持基板１５側のポリシリコン膜２２をＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）によって除去する。次に、バルク基板２０側のポリシリコン膜２２を同手法によって除去し、バルク基板２０を露出させる。次に、バルク基板２０側の表面に第２レジスト２３を塗布し、可動マス２（第１可動櫛歯電極４及び第２可動櫛歯電極７を含む）、支持梁３、アンカー部９、第１固定電極１２ａ、第２固定電極１２ｂを形成するためのマスクパターンを、フォトリソグラフィによって第２レジスト２３に転写する。
【００３８】
図１３に示すように、工程７では、第２レジスト２３をマスクに用い、バルク基板２０にＤＲＩＥを行う。それにより、バルク基板２０から、可動マス２（第１可動櫛歯電極４及び第２可動櫛歯電極７を含む）、支持梁３、アンカー部９、第１固定電極１２ａ、第２固定電極１２ｂを形成する。可動マス２には、矩形孔８も併せて形成する。なお、ポリシリコンで形成された基礎部１８については、第２レジスト２３によってカバーされているので、ＤＲＩＥによってエッチングされることはない。
図１４に示すように、工程８では、第２レジスト２３を酸素プラズマ又は剥離液によって除去し、基板を洗浄する。
【００３９】
図１５に示すように、工程９では、ベーパーＨＦを用いた気相エッチングにより、絶縁層１４を除去する犠牲層エッチングを行う。この犠牲層エッチングにより、可動マス２と支持基板１５の間、及び、支持梁３と支持基板１５の間から、絶縁層１４が除去される。一方、アンカー部９と支持基板１５の間、及び、第１、第２固定電極１２ａ、１２ｂと支持基板１５の間では、絶縁層１４が完全に除去されず、その一部が残存する。ここで、工程９の犠牲層エッチングは、ベーパーＨＦを用いる以外に、ＢＨＦを用いたウエットエッチングによって行うこともできる。
工程９の犠牲層エッチングによって、可動マス２は、支持基板１５に隙間を介して対向するとともに、支持基板１５に対して相対変位可能に支持された状態となる。このとき、可動マス２の支持基板１５に対向する２ａには、複数の突起１９が既に形成されている。従って、可動マス２と支持基板１５の間の絶縁層１４が除去されても、可動マス２と支持基板１５が直接的に接触することが禁止される。
【００４０】
以上、ＳＯＩ基板から二軸加速度センサ１を製造する製造プロセスを説明した。ただし、ＳＯＩ基板を用いることなく、基板の接合を用いた他の製造プロセスも考えられる。例えば、表面に絶縁層１４が形成されたバルク基板２０を用意し、そのバルク基板２０に突起１９及び基礎部１８を形成する。突起１９及び基礎部１８の形成は、上記した製造プロセスと同じ手法で行うことができる。即ち、バルク基板２０に貫通孔２４を形成し、絶縁層１４に空洞部２５を形成し、貫通孔２４及び空洞部２５にポリシリコンを充填すればよい。そして、突起１９及び基礎部１８を形成したバルク基板２０を、別に用意した支持基板１５に接合すれば、上記した製造プロセスの工程６における仕掛品を得ることができる。
また、二軸加速度センサ１は、シリコンに限られず、他の半導体材料が絶縁層を介して積層された積層材料から形成することもできる。さらに、二軸加速度センサ１は、必ずしも半導体材料を用いて形成する必要はなく、他の導電性材料が絶縁層を介して積層された積層材料から形成することもできる。
【００４１】
図１６は、上述した製造プロセスの工程４において、バルク基板２０に形成された貫通孔２４と、絶縁層１４に形成された空洞部２５を拡大して示している。図１６を参照して、貫通孔２４と空洞部２５の形状を詳細に説明する。
貫通孔２４の断面形状は円形であるとし、その直径をＷとする。また、絶縁層１４の厚さをＤとする。工程４の等方性エッチングでは、エッチャント（ＢＨＦ）が貫通孔２４を通って絶縁層１４に到達し、絶縁層１４のエッチングが等方的に進行する。絶縁層１４のエッチングは放射状に進行することから、空洞部２５の高さがｄであるとすれば、面内方向にも距離ｄだけエッチングが進行している。即ち、バルク基板２０と絶縁層１４との界面において、空洞部２５の断面形状は、Ｗ＋２ｄの直径を有する円形状となり、貫通孔２４の径Ｗよりも２ｄだけ大きくなる。即ち、空洞部２５は扁平の半球状に形成され、空洞部２５の底面は曲率半径Ｒで湾曲する曲面となる。
【００４２】
図１７は、貫通孔２４及び空洞部２５にポリシリコンを充填した後、絶縁層１４を犠牲層エッチングによって除去した状態を示す。即ち、可動マス２に形成される突起１９及び基礎部１８の断面構造を示している。図１７に示すように、突起１９及び基礎部１８は、空洞部２５及び貫通孔２４の位置及び形状に一致する。即ち、突起１９は、可動マス２の支持基板１５に対向する下面２ａに形成される。突起１９には、基礎部１８が一体に形成され、その基礎部１８は、可動マス２の内部へ伸びている。突起１９の高さはｄであり、突起１９の基礎部１８との接続部における断面形状は、Ｗ＋２ｄの直径を有する円形状となる。突起１９と基礎部１８の接続部では、突起１９の直径Ｗ＋２ｄの方が、基礎部１８の直径Ｗよりも、２ｄだけ大きい。そのことから、突起１９は、可動マス２の下面２ａにも接合している。また、突起１９の高さｄは、絶縁層１４の厚みＤよりも小さく、突起１９の先端は支持基板１５の表面から離間している。突起１９は、やや扁平の半球形状を有しており、その先端は曲率半径Ｒで湾曲する曲面となる。
【００４３】
図１８は、二軸加速度センサ１がｚ軸方向に衝撃力を受け、可動マス２と支持基板１５が突起１９を介して衝突した状態を示している。図１８に示すように、二軸加速度センサ１がｚ軸方向に衝撃力を受けると、可動マス２が支持基板１５に対して接近する。このとき、突起１９の先端が支持基板１５に当接するが、可動マス２の下面２ａが支持基板１５に接触することはない。可動マス２と支持基板１５が直接的に接触することが禁止されるので、可動マス２と支持基板１５の固着が防止される。仮に、二軸加速度センサ１に衝撃力が繰り返し加えられ、突起１９が支持基板１５に繰り返し衝突した場合でも、突起１９は基礎部１８によって強固に保持されているので、突起１９が可動マス２から剥離することが防止される。それにより、可動マス２と支持基板１５が固着することを、長期に亘って防止することができる。
【００４４】
突起１９の先端は、球面状に湾曲する曲面となっている。従って、突起１９が支持基板１５に接触した場合でも、突起１９や支持基板１５に生じる応力は小さく抑えられる。それにより、突起１９や支持基板１５の破損が防止される。さらに、突起１９は電気抵抗率の高いポリシリコンで形成されていることから、可動マス２と支持基板１５が突起１９を介して接触しても、可動マス２と支持基板１５が電気的にショートすることもない。
【実施例２】
【００４５】
実施例２では、突起１９の変形例について説明する。図１９は、実施例２の突起１９を形成するために、バルク基板２０に形成される貫通孔２４と、絶縁層１４内に形成される空洞部２５を示している。図１９に示す状態は、実施例１で説明した製造プロセスの工程４の状態に対応する。図２０は、これらの貫通孔２４及び空洞部２５によって形成される実施例２の突起１９及び基礎部１８を示している。
実施例２の突起１９を形成する場合は、実施例１で説明した製造プロセスの工程４において、絶縁層１４に異方性エッチングを行うとよい。具体的には、貫通孔２４を通じて、絶縁層１４にＲＩＥを行うとよい。それにより、図１９に示す形状の空洞部２５を形成することができる。この空洞部２５は、弾丸の先端のような形状を有する。貫通孔２４の径をＷとすると、空洞部２５の貫通孔２４との接続部における径も、ほぼ同じ寸法Ｗとなる。
【００４６】
図１９に示す貫通孔２４及び空洞部２５にポリシリコンを充填し、絶縁層１４を犠牲層エッチングによって除去すると、図２０に示す突起１９及び基礎部１８が得られる。即ち、突起１９の先端は、曲率半径Ｒで湾曲する曲面となり、突起１９の基礎部１８との接続部では、その径が基礎部１８と等しい寸法Ｗとなる。また、突起１９の高さｄは、絶縁層１４の厚みＤよりも小さい。
【００４７】
実施例２の突起１９の構造によっても、可動マス２と支持基板１５の直接的な接触が禁止され、可動マス２と支持基板１５の固着が防止される。突起１９は、一体に形成された基礎部１８によって強固に保持されており、可動マス２から剥離することが防止される。そのことから、可動マス２と支持基板１５の固着が、長期に亘って防止される。
【００４８】
突起１９の剛性を高め、突起１９の剥離を防止するために、基礎部１８をテーパ形状又は逆テーパ形状とすることも有効である。この場合、バルク基板２０に形成する貫通孔２４を、テーパ形状又は逆テーパ形状とすればよい。±１０°の範囲で傾斜するテーパ形状の貫通孔２４は、ＤＲＩＥによって十分に加工することができる。テーパ形状の基礎部１８は、可動マス２から抜けにくくなるので、突起１９の剥離をより確実に防止することができる。ここで、基礎部１８をテーパ形状とすることは、実施例２の突起１９に限られず、実施例１や他の実施例の突起１９についても有効である。
【実施例３】
【００４９】
実施例３では、突起１９の他の変形例について説明する。図２１は、実施例３の突起１９を形成する際の工程４、工程５、工程８の状態を示している。
実施例３の突起１９を形成する場合は、実施例１で説明した製造プロセスの工程４において、ＢＨＦ溶液による絶縁層１４の等方性エッチングを行う。このとき、処理時間を比較的に長く設定することによって、図２１（ａ）に示すように、空洞部２５を横方向に拡大させるとともに、支持基板１５の表面が露出するまで、絶縁層１４をエッチングする。
次に、工程５では、図２１（ｂ）に示すように、貫通孔２４及び空洞部２５にポリシリコンを充填する。このとき、空洞部２５内では、バルク基板２０の露出面に突起１９が形成されると同時に、支持基板１５の露出面にも第２の突起２７が形成される。バルク基板２０に形成された突起１９の先端は、曲率半径Ｒで湾曲する曲面となる。また、支持基板１５に形成された第２の突起２７の先端も、異なる曲率半径で湾曲する曲面となる。なお、本実施例のように空洞部２５を大きく形成した場合、空洞部２５の全体にポリシリコンが充填される前に、貫通孔２４がポリシリコンによって閉塞されてしまう。
【００５０】
図２１（ｃ）に示すように、可動マス２に形成される突起１９の高さｄは、絶縁層１４の厚さＤに比べて、非常に小さい。しかしながら、可動マス２に形成された突起１９には、支持基板１５に形成された第２の突起２７が対向する。従って、可動マス２と支持基板１５の間には、対向する２つの突起１９、２７によって、十分な隙間が常に確保される。それにより、可動マス２と支持基板１５の直接的な接触が防止される。また、突起１９は、一体に形成された基礎部１８によって強固に保持されているので、可動マス２から剥離することが防止される。それにより、可動マス２と支持基板１５の固着は、長期に亘って防止される。
【実施例４】
【００５１】
実施例４では、突起１９の他の変形例について説明する。図２２は、実施例４の突起１９及び基礎部１８を示す断面図である。実施例４の突起１９は、実施例１と同じ形状を有しているが、その基礎部１８の形状に特徴を有している。即ち、図２２に示すように、基礎部１８が比較的に短くなっており、その上端が可動マス２の上面２ｂに対して陥没している。この基礎部１８の陥没は、実施例１で説明した製造プロセスの工程６において、形成されるときがある。具体的には、ＣＭＰによってポリシリコン層２２を研磨した際に、貫通孔２４内のポリシリコンも同時に除去されることがあり、その結果、可動マス２の上面２ｂに対して基礎部１８が陥没する。ただし、基礎部１８がこのような形状であっても、突起１９の剥離は十分に防止される。即ち、突起１９に一体に形成された基礎部１８が、可動マス２の内部に埋設されていれば、突起１９の剥離は十分に防止される。
【実施例５】
【００５２】
実施例５では、突起１９の他の変形例について説明する。図２３は、実施例５の突起１９及び基礎部１８を示す断面図である。実施例５の突起１９は、実施例２の突起１９と、実施例４の基礎部１８を、組み合せた形状を有している。実施例２及び実施例４の説明から明らかなように、実施例５の突起１９及び基礎部１８によっても、可動マス２と支持基板１５の固着が長期に亘って防止される。
【実施例６】
【００５３】
実施例６では、突起１９の他の変形例について説明する。図２４は、実施例６の突起１９及び基礎部１８を示す断面図である。実施例６の突起１９は、実施例１と同じ形状を有しているが、その基礎部１８の形状に特徴を有している。即ち、図２４に示すように、基礎部１８の側面には、軸方向に沿って凹凸２８が形成されている。この基礎部１８の凹凸は、貫通孔２４の側面に形成された凹凸によるものである。ＤＲＩＥによる貫通孔２４の形成では、ポリマーの被膜による保護とエッチングによる除去が交互に繰り返されることによって、深さ方向に沿って貫通孔２４の側面に凹凸が形成される。この凹凸は、スキャロップと呼ばれる。スキャロップによる凹凸は、通常、数十から数百ナノメートル程度である。貫通孔２４の側面にスキャロップが形成されることで、基礎部１８の側面にも軸方向に沿って凹凸２８が形成される。基礎部１８の側面に凹凸２８が形成されていると、基礎部１８が貫通孔２４から抜けにくくなる。それにより、突起１９の剥離がより確実に防止され、可動マス２と支持基板１５の固着がより長期に亘って防止される。
【実施例７】
【００５４】
実施例７では、突起１９の他の変形例について説明する。図２５は、実施例７の突起１９及び基礎部１８を示す断面図である。実施例７の突起１９は、実施例１と同じ形状を有しているが、その基礎部１８の形状に特徴を有している。即ち、図２５に示すように、基礎部１８が比較的に短くなっており、その上端が可動マス２の上面２ｂに対して陥没している。基礎部１８が陥没する原因については、実施例４で説明した通りである。さらに、基礎部１８には、空隙２９が形成されている。この空隙２９は、ＣＶＤによるポリシリコンの充填時に、充填不良によって生じたものである。ただし、このような空隙２９が存在していても、基礎部１８が貫通孔２４の側面に密着していれば、基礎部１８が簡単に抜けるようなことはない。即ち、突起１９の剥離が有意に防止され、可動マス２と支持基板１５の固着が長期に亘って防止される。
上記のような空隙２９は、ポリシリコンに限られず、例えば突起１９及び基礎部１８を金属で形成した場合にも生じ得る。即ち、貫通孔２４及び空洞部２５に金属を充填した場合でも、充填した金属に空隙２９が生じることがある。ただし、この場合でも、基礎部１８が貫通孔２４の側面に密着していれば、基礎部１８が簡単に抜けるようなことはない。即ち、突起１９の剥離は確実に防止され、可動マス２と支持基板１５の固着が長期に亘って防止される。
【実施例８】
【００５５】
実施例８では、突起１９を支持基板１５に形成する形態について説明する。図２６は、突起１９を支持基板１５に形成する場合の工程４の状態を示しており、支持基板１５に形成される貫通孔２４及び絶縁層１４内に形成される空洞部２５を示している。図２７は、これらの貫通孔２４及び空洞部２５によって形成される突起１９及び基礎部１８を示している。
図２６に示すように、突起１９を支持基板１５に形成する場合は、支持基板１５に貫通孔２４を形成する。貫通孔２４は、バルク基板２０に形成する場合と同じく、絶縁層１４に達する深さで形成する。そして、貫通孔２４を通じて絶縁層１４をエッチングすることにより、貫通孔２４に連なる空洞部２５を絶縁層１４内に形成する。各部の寸法Ｗ、ｄ、Ｄは、例えば実施例１と同一とすることができる。その後、貫通孔２４及び絶縁層１４にポリシリコンを充填することによって、図２７に示すように、突起１９及び基礎部１８を一体に形成することができる。
【００５６】
突起１９及び基礎部１８を支持基板１５に形成した場合でも、可動マス２と支持基板１５が直接的に接触することが防止され、可動マス２と支持基板１５が固着することが防止される。また、支持基板１５に形成された突起１９は、支持基板１５に埋設された基礎部１８によって強固に保持されているので、可動マス２との衝突を繰り返した場合でも、支持基板１５から剥離することが防止される。突起１９を支持基板１５に形成した場合でも、可動マス２と支持基板１５が固着することを、長期に亘って防止することができる。
なお、突起１９及びその基礎部１８は、可動マス２と支持基板１５の一方だけでなく、その両方に形成することも有効である。
【実施例９】
【００５７】
実施例９では、本発明を実施した振動式の二軸角速度センサ３０を説明する。図２８は、本実施例の二軸角速度センサ３０を平面視した構造を示している。図２９は、図２８に示す二軸角速度センサ３０のＤ−Ｄ’位置における断面図を示している。二軸角速度センサ３０は、ｚ軸回りの角速度、及び、ｙ軸周りの角速度を、それぞれ検出することができるマイクロデバイスである。
【００５８】
本実施例の二軸角速度センサ３０は、実施例１の二軸加速度センサ１と比較して、多くの部分でその構成が一致している。実施例１の二軸加速度センサ１と共通する構成については、同一の符号を付することによって、ここでは重複する説明を避けるように努める。
【００５９】
図２８、図２９に示すように、二軸角速度センサ３０は、支持基板１５と、支持基板１５の上面に絶縁層１４を介して固定された４つのアンカー部９と、４つのアンカー部９に対して略中央に位置しているとともに、支持基板１５に隙間を介して対向している可動マス２と、可動マス２から各々のアンカー部９へ伸びている４本の支持梁３を備えている。
本実施例の二軸角速度センサ３０では、各々の支持梁３は、ｘ軸方向に伸びる部分と、ｙ軸方向に伸びる部分を備えている。それにより、可動マス２は、支持基板１５に対してｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向のそれぞれに移動可能であり、かつ、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸のそれぞれの軸回りに回転可能に支持されている。
【００６０】
二軸角速度センサ３０は、さらに、可動マス２をｘ軸方向に振動させるための第１駆動キャパシタ３２ａ及び第２駆動キャパシタ３２ｂと、ｙ軸方向に発生するコリオリ力を検出する第１検出キャパシタ１３ａ及び第２検出キャパシタ１３ｂと、ｚ軸方向に発生するコリオリ力を検出する第３検出キャパシタ１７を備えている。第１駆動キャパシタ３２ａは、第１駆動固定電極３１ａに形成された櫛歯部分と、それに対向する可動マス２に形成された櫛歯部分によって構成されている。ここで、第１駆動固定電極３１ａは、絶縁層１４を介して支持基板１５に固定されている。第２駆動キャパシタ３２ｂは、第２駆動固定電極３１ｂに形成された櫛歯部分と、それに対向する可動マス２に形成された櫛歯部分によって構成されている。ここで、第２駆動固定電極３１ｂは、絶縁層１４を介して支持基板１５に固定されている。第１検出キャパシタ１３ａ、第２検出キャパシタ１３ｂ、第３検出キャパシタ１７の構成については、実施例１で説明した通りであり、ここでは説明を省略する。
【００６１】
図２９に示すように、本実施例の二軸角速度センサ３０では、可動マス２の支持基板１５に対向する表面に、複数の突起１９が設けられている。各々の突起１９には、可動マス２の内部に伸びる基礎部１８が、一体に形成されている。これらの突起１９及び基礎部１８は、実施例２で説明した構成を有している。
本実施例の二軸角速度センサ３０においても、可動マス２に設けられた突起１９よって、可動マス２と支持基板１５が直接的に接触することが禁止され、可動マス２と支持基板１５の固着が防止される。さらに、各々の突起１９は、基礎部１８によって強固に保持されているので、支持基板１５との衝突を繰り返した場合でも、可動マス２から剥離することが防止される。それにより、可動マス２と支持基板１５の固着が、長期に亘って防止される。
【００６２】
以下では、二軸角速度センサ３０の動作について説明する。二軸角速度センサ３０では、ｚ軸回りの角速度ωｚ及びｙ軸回りの角速度ωｙを検出するために、可動マス２をｘ軸方向に振動させる。具体的には、図２８に示すように、第１駆動固定電極３１ａに設けられた電極パッド１１に、交流電圧Ｖ１−Ｖ０ｓｉｎ（２πｆ）を印加するとともに、第２駆動固定電極３１ｂに設けられた電極パッド１１に、交流電圧Ｖ１＋Ｖ０ｓｉｎ（２πｆ）を印加する。ここで、Ｖ１＞Ｖ０とする。それにより、第１駆動キャパシタ３２ａ、第２駆動キャパシタ３２ｂにおいて静電力が発生し、マス２がｘ軸方向に周波数ｆで振動する。
【００６３】
マス２がｘ軸方向に周波数ｆで振動している状態において、二軸角速度センサ３０にｚ軸回りの角速度ωｚが印加されると、ｙ軸方向のコリオリ力が可動マス２に作用する。可動マス２に作用したｙ軸方向のコリオリ力は、第１検出キャパシタ１３ａと第２検出キャパシタ１３ｂによって検出される。例えば、図２８に示すように、ｙ軸負方向にコリオリ力が作用すると、可動マス２はｙ軸負方向に移動する。この場合、第１検出キャパシタ１３ａでは静電容量の増加（＋ΔＣ）が検出され、第２検出キャパシタ１３ｂでは静電容量の減少（−ΔＣ）が検出される。これらの静電容量の変化を作動増幅することで、静電容量の変化量（＋ΔＣ×２）を得ることができる。得られた静電容量の変化量（＋ΔＣ×２）に基づいて、二軸角速度センサ３０に印加されたｚ軸回りの角速度ωｚを計測することができる。
【００６４】
一方、マス２がｘ軸方向に周波数ｆで振動している状態において、二軸角速度センサ３０にｙ軸回りの角速度ωｙが印加されると、ｚ軸方向のコリオリ力が可動マス２に作用する。可動マス２に作用したｚ軸方向のコリオリ力は、第３検出キャパシタ１７によって検出される。例えば、図２９に示すように、ｚ軸負方向にコリオリ力が作用すると、可動マス２はｚ軸負方向に移動する。この場合、第３検出キャパシタ１７では静電容量の増加（＋ΔＣ）が検出される。この静電容量の変化量（＋ΔＣ）に基づいて、二軸角速度センサ３０に印加されたｙ軸回りの角速度ωｙを計測することができる。
【００６５】
本実施例の二軸角速度センサ３０は、例えばＳＯＩ基板から、実施例１で説明した製造プロセスによって製造することができる。ただし、二軸角速度センサ３０は、必ずしもＳＯＩ基板から製造される必要はなく、シリコン以外の他の半導体層が絶縁層を介して積層された積層材料から形成することもできる。
【実施例１０】
【００６６】
実施例１０では、本発明を実施したミラーアレイデバイス３３を説明する。図３０は、本実施例のミラーアレイデバイス３３を平面視した構造を示している。図３１は、図３０に示すミラーアレイデバイス３３のＥ−Ｅ’位置における断面図を示している。ミラーアレイデバイス３３は、微小な可動ミラー３５を備えるマイクロデバイスである。
【００６７】
ミラーアレイデバイス３３は、支持基板１５と、支持基板１５に絶縁層１４を介して支持されているミラー基板３４を備えている。支持基板１５とミラー基板３４のそれぞれは、単結晶シリコンのバルク基板を加工することによって形成されている。ミラーアレイデバイス３３は、例えばＳＯＩ基板を用いて製造することができる。
ミラー基板３４には、６つの可動ミラー３５が設けられている。６つの可動ミラー３５は、３×２のマトリクス状に配置されている。各々の可動ミラー３５は、一対のねじり梁３６を介してミラー基板３４に接続されており、一対のねじり梁３６の中心軸３７を回転軸に回動可能に支持されている。
【００６８】
各々の可動ミラー３５には、その四隅に突起１９が設けられている。各々の突起１９は、支持基板１５に対向している。各々の突起１９には、基礎部１８が一体に設けられている。基礎部１８は、可動ミラー３５の内部に伸びており、突起１９を強固に保持している。これらの突起１９及び基礎部１８は、実施例２で説明した構成を有している。
ミラーアレイデバイス３３では、可動ミラー３５の回転角を制限するストッパとして、突起１９が設けられている。即ち、突起１９が支持基板１５に当接することによって、可動ミラー３５の過度な回転が禁止される。可動ミラー３５と支持基板１５は、突起１９を介して衝突し、両者が直接的に接触することはない。それにより、可動ミラー３５と支持基板１５が固着するようなことが防止される。
【００６９】
各々の突起１９は、一体に形成された基礎部１８を有しており、可動ミラー３５に強固に固定されている。従って、可動ミラー３５と支持基板１５が突起１９を介して衝突を繰り返した場合でも、突起１９が可動ミラー３５から剥離することが防止される。それにより、可動ミラー３５と支持基板１５の固着が、長期に亘って防止される。さらに、突起１９の剥離が防止されることから、突起１９を利用して可動ミラー３５の位置決めを行えば、その位置決め精度を長期に亘って維持することができる。
【００７０】
以下では、ミラーアレイデバイス３３の駆動方法について説明する。図３２に示すように、ミラーアレイデバイス３３の駆動は、ミラー駆動用電極３９を有する電極基板３８によって行われる。電極基板３８は、絶縁層１４で被覆されたシリコン基板であり、一方の絶縁層１４の上に、ミラー駆動用電極３９が設けられている。電極基板３８では、一つの可動ミラー３５毎に、一対のミラー駆動用電極３９が配設されている。図３２に示すように、電極基板３８は、各対のミラー駆動用電極３９がミラー基板３４の各可動ミラー３５に対向するように配置される。ミラー駆動用電極３９は、金属材料によって形成されており、アルミニウムに代表される単一金属材料、アルミニウムとシリコンと銅の混合材料、クロムとニッケルと金からなる積層材料、チタンと白金と金からなる積層材料、などによって形成することができる。
【００７１】
図３２に示すように、ミラーアレイデバイス３３を駆動する場合、一方のミラー駆動用電極３９に交流電圧Ｖ１＋Ｖ０ｓｉｎ（２πｆ）を印加し、他方のミラー駆動用電極３９に交流電圧Ｖ１−Ｖ０ｓｉｎ（２πｆ）を印加する。また、ミラー基板３４及び支持基板１５をグラウンド電位に接続する。ここで、Ｖ１＞Ｖ０とする。その結果、各々のミラー駆動用電極３９と可動ミラー３５の間に静電力が発生し、可動ミラー３５が回転軸３７を中心に周波数ｆで揺動するように回転駆動される。可動ミラー３５の回転角が大きくなると、可動ミラー３５の突起１９が支持基板１５に当接し、可動ミラー３５の回転が規制される。このように、突起１９はストッパとして機能する。
【００７２】
図３２に示すように、可動ミラー３５には、支持基板１５に設けられた開口を通って、外部から光が照射される。可動ミラー３５への入射光は、可動ミラー３５によって反射され、再び支持基板１５の開口を通って外部に照射される。このとき、可動ミラー３５の回転角の変化に伴って、可動ミラー３５からの反射光の照射方向も変化する。６つの可動ミラー３５は、個々に独立して回転駆動される。
【００７３】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００７４】
１：二軸加速度センサ
２：可動マス
２ａ：可動マスの下面
２ｂ：可動マスの上面
３：支持梁
１４：絶縁層
１５：支持基板
１８：基礎部
１９：突起
２０：バルク基板
２４：貫通孔
２５：空洞部
３０：二軸角速度センサ
３３：ミラーアレイデバイス
３５：可動ミラー
【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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