(57)【要約】【課題】梁部の剛性を高めずに感度を維持しつつさらに小型化したり梁部の応力を緩和するための設計について自由度が高いＭＥＭＳセンサを提供する。【解決手段】枠形の支持部と、前記支持部から前記支持部の内側に延伸している複数の梁部と、前記支持部の内側に配置され空隙を挟んで複数の前記梁部に対向している錘部と、それぞれ前記梁部の先端部と前記錘部の互いに異なる結合領域とに結合し前記複数の梁部に前記錘部を連結している複数の連結部と、前記梁部に設けられ前記錘部の運動に伴う前記梁部の変形を検出する検出手段と、を備えるＭＥＭＳセンサ。【選択図】図１
2010156591.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
枠形の支持部と、
前記支持部から前記支持部の内側に延伸している複数の梁部と、
前記支持部の内側に配置され空隙を挟んで複数の前記梁部に対向している錘部と、
それぞれ前記梁部の先端部と前記錘部の互いに異なる結合領域とに結合し複数の前記梁部に前記錘部を連結している複数の連結部と、
前記梁部に設けられ前記錘部の運動に伴う前記梁部の変形を検出する検出手段と、
を備えるＭＥＭＳセンサ。
【請求項２】
前記支持部から互いに行き違うまで延伸している１組以上の前記梁部を備える、
請求項１に記載のＭＥＭＳセンサ。
【請求項３】
複数の前記梁部は同一平面上において前記支持部から等角度間隔の異なる方向に真っ直ぐに延伸している、
請求項２に記載のＭＥＭＳセンサ。
【請求項４】
複数の前記梁部の長さは同一であって９０度間隔で配列されている、
請求項３に記載のＭＥＭＳセンサ。
【請求項５】
前記結合領域は前記錘部の周辺領域にある、
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】
複数の前記梁部は同一平面上において曲がるとともに渦巻き状に配置されている、
請求項１に記載のＭＥＭＳセンサ。
【請求項７】
複数の前記梁部は同一平面上においてそれぞれ渦巻き状に曲がっている、
請求項１に記載のＭＥＭＳセンサ。
【請求項８】
前記支持部と前記梁部と前記連結部とは、厚いシリコン層と空隙を挟んで前記厚いシリコン層と対向している薄いシリコン層と前記薄いシリコン層を貫通し前記厚いシリコン層に接しシリコン酸化物とは異質のストッパ層とを含む積層構造体に形成され、
前記錘部は前記厚いシリコン層を含み、
前記梁部は前記薄いシリコン層を含み、
前記支持部は前記厚いシリコン層と前記ストッパ層と前記薄いシリコン層とを含み、
前記連結部の少なくとも表層は前記ストッパ層からなる、
請求項１から７のいずれか一項に記載のＭＥＭＳセンサ。
【請求項９】
厚いシリコン層と、薄いシリコン層と、前記厚いシリコン層と前記薄いシリコン層との間に挟まれた酸化シリコン層と、を含むウエハの前記薄いシリコン層と前記酸化シリコン層とに複数の通孔である第一孔と通孔である第二孔とを形成し、
前記第一孔と前記第二孔の内側に前記酸化シリコン層とは異質のストッパ層を積層し、
複数の前記第一孔から露出した前記ストッパ層に接する第一連続領域と前記第二孔から露出した前記ストッパ層に接し前記第一連続領域を囲む環状の第二連続領域との間にある環状領域において前記厚いシリコン層をエッチングすることによって前記第一連続領域に錘部を形成し、
前記酸化シリコン層を挟んで前記錘部と対向しそれぞれ前記第一孔に至る前記薄いシリコン層の複数の領域のそれぞれにおいて梁部を形成し、
前記ストッパ層を残しつつ前記錘部と前記梁部の間から前記酸化シリコン層をエッチングにより除去する、
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】
従来、錘部が接続された梁部の変位を電気信号に変換する、加速度センサ、振動ジャイロスコープ、圧力センサ、振動センサ、マイクロホン、力覚センサなどのＭＥＭＳセンサが知られている（特許文献１〜６参照）。特許文献１〜４には梁部と錘部とが空隙を間に挟んで対向する構造をＭＥＭＳセンサに採用すると、特許文献５、６に記載されている構造を採用する場合に比べて梁部の剛性を高めずに感度を維持しつつ小型化することができる。
【特許文献１】特開平８−２７４３４９号公報
【特許文献２】特開平８−２４８０６１号公報
【特許文献３】特開平９−１５２５７号公報
【特許文献４】特開平６−３４２００６号公報
【特許文献５】特開２０００−１９９７１４号公報
【特許文献６】特許第３３０３３７９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１〜４に記載されているように錘部の１カ所に梁部が連結される構造では、梁部の剛性を高めずに感度を維持しつつさらに小型化したり梁部の応力を緩和しようとしても、設計の自由度が低い。
【０００４】
本発明は梁部の剛性を高めずに感度を維持しつつさらに小型化したり梁部の応力を緩和するための設計について自由度が高いＭＥＭＳセンサを提供す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センサは、枠形の支持部と、前記支持部から前記支持部の内側に延伸している複数の梁部と、前記支持部の内側に配置され空隙を挟んで複数の前記梁部に対向している錘部と、それぞれ前記梁部の先端部と前記錘部の互いに異なる結合領域とに結合し前記複数の梁部に前記錘部を連結している複数の連結部と、前記梁部に設けられ前記錘部の運動に伴う前記梁部の変形を検出する検出手段と、を備える。
【０００６】
本発明によると、空隙を挟んで錘部と梁部とを対向させることにより、梁部の剛性を高めずに感度を維持しつつＭＥＭＳセンサを小型化することができる。また本発明によると複数の梁部を錘部の互いに異なる結合領域に連結する構成であるため、剛性を高めずに感度を維持しつつさらに小型化したり梁部の応力を緩和するための設計について自由度が高くなる。
【０００７】
（２）上記目的を達成するためのＭＥＭＳセンサにおいて、前記支持部から互いに行き違うまで延伸している１組以上の前記梁部を備えてもよい。
錘部の互いに異なる結合領域に連結される１組の梁部は、互いに行き違うまで支持部から延伸することができる。互いに行き違うまで梁部を支持部から延伸すると、錘部の一カ所に複数の梁部が連結される構成に比べて、梁部の剛性を高めずに感度を維持しつつＭＥＭＳセンサをさらに小型化することができる。
【０００８】
（３）上記目的を達成するためのＭＥＭＳセンサにおいて、複数の前記梁部は同一平面上において前記支持部から等角度間隔の異なる方向に真っ直ぐに延伸していてもよい。
この構成を採用する場合、梁部が熱応力によって伸縮すると錘部が回転することによって熱応力が緩和される。
【０００９】
（４）上記目的を達成するためのＭＥＭＳセンサにおいて、複数の前記梁部の長さは同一であって９０度間隔で配列されていてもよい。
【００１０】
（５）上記目的を達成するためのＭＥＭＳセンサにおいて、前記結合領域は前記錘部の周辺領域にあってもよい。
この構成を採用する場合、錘部の重心を基準とする結合領域の位置がずれたとしても、錘部の運動特性に与える影響が抑制される。
【００１１】
（６）上記目的を達成するためのＭＥＭＳセンサにおいて、複数の前記梁部は同一平面上において曲がるとともに渦巻き状に配置されていてもよい。
この構成を採用する場合、梁部が真っ直ぐである構成に比べて、梁部の剛性を高めずに感度を維持しつつＭＥＭＳセンサをさらに小型化することができる。またこの場合、梁部が熱応力によって伸縮すると錘部が回転することによって熱応力が緩和される。
【００１２】
（７）上記目的を達成するためのＭＥＭＳセンサにおいて、複数の前記梁部は同一平面上においてそれぞれ渦巻き状に曲がっていてもよい。
この構成を採用する場合、梁部が真っ直ぐである構成に比べて、梁部の剛性を高めずに感度を維持しつつＭＥＭＳセンサをさらに小型化することができる。
【００１３】
（８）上記目的を達成するためのＭＥＭＳセンサにおいて、前記支持部と前記梁部と前記連結部とは、厚いシリコン層と空隙を挟んで前記厚いシリコン層と対向している薄いシリコン層と前記薄いシリコン層を貫通し前記厚いシリコン層に接しシリコン酸化物とは異質のストッパ層とを含む積層構造体に形成され、前記錘部は前記厚いシリコン層を含み、
前記梁部は前記薄いシリコン層を含み、前記支持部は前記厚いシリコン層と前記ストッパ層と前記薄いシリコン層とを含み、前記連結部の少なくとも表層は前記ストッパ層からなる。
この構成を採用する場合、厚いシリコン層と薄いシリコン層の間にあるシリコン酸化物からなる層を選択的にエッチングすることによって梁部と錘部との空隙を形成することができるとともに、連結部によってエッチングの終点を制御できるため、ＭＥＭＳセンサの特性のばらつきを抑制ができる。ここで異質とは、シリコン酸化物をエッチングする工程において少なくともシリコン酸化物に対して除去される速度が遅く、シリコン酸化物を選択的に除去することが可能な性質をいうものとする。
【００１４】
（９）上記目的を達成するためのＭＥＭＳセンサの製造方法は、厚いシリコン層と、薄いシリコン層と、前記厚いシリコン層と前記薄いシリコン層との間に挟まれた酸化シリコン層と、を含むウエハの前記薄いシリコン層と前記酸化シリコン層とに複数の通孔である第一孔と通孔である第二孔とを形成し、前記第一孔と前記第二孔の内側に前記酸化シリコン層とは異質のストッパ層を積層し、複数の前記第一孔から露出した前記ストッパ層に接する第一連続領域と前記第二孔から露出した前記ストッパ層に接し前記第一連続領域を囲む環状の第二連続領域との間にある環状領域において前記厚いシリコン層をエッチングすることによって前記第一連続領域に錘部を形成し、前記酸化シリコン層を挟んで前記錘部と対向しそれぞれ前記第一孔に至る前記薄いシリコン層の複数の領域のそれぞれにおいて梁部を形成し、前記ストッパ層を残しつつ前記錘部と前記梁部の間から前記酸化シリコン層をエッチングにより除去する、ことを含む。
本発明によると、酸化シリコン層をエッチングにより除去することによって錘部と梁部とを空隙を挟んで対向させることができる。したがって、梁部の剛性を高めずに感度を維持しつつＭＥＭＳセンサを小型化することができる。また本発明によると、酸化シリコン層をエッチングにより除去するときにストッパ層によって終点を制御できるため、ＭＥＭＳセンサの特性のばらつきを抑制ができる。また本発明によると、複数の梁部が錘部の互いに異なる領域に連結されるため、剛性を高めずに感度を維持しつつさらに小型化したり梁部の応力を緩和するための設計について自由度が高くなる。
【００１５】
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。特に、「前記酸化シリコン層を挟んで前記錘部と対向し前記通孔に至る前記薄いシリコン層の複数の領域のそれぞれにおいて梁部を形成」するという表現は、錘部を形成した後に梁部を形成するという動作の順序を定めたものではなく、錘部が形成されれば錘部に対向することになる領域に梁部を形成することも含めた表現である。すなわち、梁部を形成した後に錘部を形成することも、「前記酸化シリコン層を挟んで前記錘部と対向し前記通孔に至る前記薄いシリコン層の複数の領域のそれぞれにおいて梁部を形成」することに含まれる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
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。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
本発明のＭＥＭＳセンサの第一実施形態である角速度センサを図１Ａ、図１Ｂおよび図１Ｃに示す。図１Ｂ、図１Ｃは角速度センサ１を示す断面図であってそれぞれ図１Ａに示すＢＢ線、ＣＣ線の断面図である。図１Ｂおよび図１Ｃにおいて、角速度センサ１を構成する層の界面は破線で示し、角速度センサ１を構成する機能要素の境界は実線で示している。
【００１７】
角速度センサ１は互いに直交する３軸の角速度成分を検出するための振動ジャイロスコープである。角速度センサ１は、厚いシリコン層１１と、薄いシリコン層１３と、絶縁層２０と、ストッパ層３０と、電極層８１、８３と、圧電層８２とからなる図１に示す積層構造体を備えている。図１に示す積層構造体は図示しないパッケージに収容される。厚いシリコン層１１および薄いシリコン層１３はいずれも単結晶シリコンからなる。厚いシリコン層１１の厚さは６２５μｍである。薄いシリコン層１３の厚さは１０μｍである。厚いシリコン層１１と薄いシリコン層１３との間には空隙Ｇが形成されている。絶縁層２０はシリコン酸化物（ＳｉＯ２）からなる。絶縁層２０の厚さは０．５μｍである。ストッパ層３０は薄いシリコン層１３を貫通している。ストッパ層３０は多結晶シリコンからなる。電極層８１、８３は白金（Ｐｔ）からなる。電極層８１、８３の厚さは０．１μｍである。圧電層８２はＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）からなる。圧電層８２の厚さは３μｍである。
【００１８】
角速度センサ１の積層構造体には、枠形の支持部Ｓと、支持部Ｓの内側に固定端が結合している４つの梁部Ｆと、錘部Ｍと、梁部Ｆに錘部Ｍを吊り下げている連結部３１と、梁部Ｆに設けられた検出用圧電素子８０ａと駆動用圧電素子８０ｂとが機能要素として形成されている。
【００１９】
支持部Ｓは内周が正方形である枠の形態を有する。支持部Ｓは厚いシリコン層１１、薄いシリコン層１３、ストッパ層３０および絶縁層２０を含む。支持部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。支持部Ｓにおいてストッパ層３０が薄いシリコン層１３を貫通し厚いシリコン層１１および絶縁層２０に接している。すなわち支持部Ｓにおいてストッパ層３０は薄いシリコン層１３と絶縁層２０とを厚いシリコン層１１に連結している。薄いシリコン層１３と絶縁層２０とを厚いシリコン層１１に連結するストッパ層３０の領域をストッパ部３２というものとする。ストッパ部３２のパターンは図１Ａに示すように支持部Ｓを一周する環状であってもよいし、支持部Ｓに点在する複数の部分からなっても良い。図１Ａにおいてストッパ部３２のパターンは破線ハッチングによって示されている。
【００２０】
４つの梁部Ｆはそれぞれ支持部Ｓから支持部Ｓの内側に延伸する同一の形態（同一長さ、同一幅、同一厚さ、同一輪郭）を有する。ここで、４つの梁部Ｆが配置されている平面にｘｙ平面が平行になるように直交座標軸ｘｙｚを定める。４つの梁部Ｆは支持部Ｓから９０度間隔の４方向（ｘ軸正方向、ｙ軸負方向、ｘ軸負方向、ｙ軸正方向）に延伸し、錘部Ｍとｚ軸方向に対向している。梁部Ｆと錘部Ｍとの間には高さ一定の空隙Ｇが形成されている。梁部Ｆは、可撓性を有する片持ち梁として振る舞う。支持部Ｓは剛体として振る舞うため、梁部Ｆの支持部Ｓと結合している端は角速度センサ１に固定された座標系において固定端となる。
【００２１】
梁部Ｆ１、Ｆ３はｘ軸と平行な方向に支持部Ｓから真っ直ぐ延びている。梁部Ｆ１、Ｆ３は互いに行き違うまで支持部Ｓから延びている。より具体的には、梁部Ｆ１、Ｆ３は梁部Ｆのｘ軸方向に対向する２辺から互いに反対向き（ｘ軸正方向とｘ軸負方向）に延伸している。また梁部Ｆ１、Ｆ３はそれぞれの先端が錘部Ｍのｘ軸方向の中央を越える長さを有する。そして梁部Ｆ１、Ｆ３の長さは、錘部Ｍのｘ軸方向の長さの２分の１よりも長い。また、梁部Ｆ１の先端は図１に示すｙ軸の方向において梁部Ｆ３に対向し、梁部Ｆ３の先端は図１に示すｙ軸の方向において梁部Ｆ１に対向する。
【００２２】
梁部Ｆ２、Ｆ４はｙ軸と平行な方向に支持部Ｓから真っ直ぐ延びている。梁部Ｆ２、Ｆ４は互いに行き違うまで支持部Ｓから延びている。より具体的には、梁部Ｆ２、Ｆ４は梁部Ｆのｙ軸方向に対向する２辺から互いに反対向き（ｙ軸正方向とｙ軸負方向）に延伸している。また梁部Ｆ２、Ｆ４はそれぞれの先端が錘部Ｍのｙ軸方向の中央を越える長さを有する。そして梁部Ｆ２、Ｆ４の長さは、錘部Ｍのｙ軸方向の長さの２分の１よりも長い。また、梁部Ｆ２の先端はｘ軸の方向において梁部Ｆ４に対向し、梁部Ｆ４の先端はｘ軸の方向において梁部Ｆ２に対向する。
【００２３】
それぞれの梁部Ｆは薄いシリコン層１３と絶縁層２０とを含む。梁部Ｆの厚さは薄いシリコン層１３の厚さと絶縁層２０の厚さとの合計である。それぞれの梁部Ｆの先端部においてストッパ層３０が薄いシリコン層１３を貫通している。梁部Ｆの先端部において薄いシリコン層１３を貫通しているストッパ層３０の部分が連結部３１を構成している。図１Ａにおいて連結部３１のパターンは破線ハッチングによって示されている。
【００２４】
錘部Ｍは、外周が矩形である板の形態を有する。錘部Ｍは厚いシリコン層１１からなるため実質的に剛体として振る舞う。
【００２５】
４つの連結部３１は４つの梁部Ｆの先端部と錘部Ｍとを４箇所で連結している。すなわち４つの梁部Ｆの先端部に一端部が結合しているそれぞれの連結部３１は錘部Ｍの互いに異なる領域（結合領域）に他端部が結合している。４つの連結部３１が錘部Ｍと結合している４つの結合領域はいずれも錘部Ｍの周辺領域にある。より具体的には錘部Ｍのｘ軸方向の中央を通りｙ軸に平行な線と錘部Ｍのｙ軸方向の中央を通りｘ軸に平行な線とが交差する点を通るｚ軸に平行な軸（この点を錘部Ｍの中心軸というものとする）よりも錘部Ｍの側面に近い領域において４つの連結部３１が錘部Ｍと結合している。
【００２６】
錘部Ｍは４つの梁部Ｆにのみ結合し、図示しないパッケージから離れて配置されるため、錘部Ｍは角速度センサ１に固定された座標系において運動する。４つの梁部Ｆは角速度センサ１に固定された座標系において錘部Ｍとともに運動する。すなわち４つの梁部Ｆは錘部Ｍの運動にともなって変形する。
【００２７】
上述したように４つの梁部Ｆが支持部Ｓから延伸している方向は、９０度間隔で支持部Ｓの内側を一方向に周回している。そして４つの梁部Ｆと錘部Ｍとを連結している４つの連結部３１は錘部Ｍの中心軸を中心として錘部Ｍの周辺部に９０度間隔で錘部Ｍの中心軸から等距離の領域に配置されている。したがって、４つの梁部Ｆが伸張すれば、錘部Ｍは図１Ａにおいて時計回りの方向に回転する。また４つの梁部Ｆが収縮すれば、錘部Ｍは図１Ａにおいて反時計回りの方向に回転する。すなわち、それぞれの梁部Ｆを伸張させる応力は、錘部Ｍが図１Ａにおいて時計回りの方向に回転することによって低減する。そしてそれぞれの梁部Ｆを収縮させる応力は、錘部Ｍが図１Ａにおいて反時計回りの方向に回転することによって低減する。また錘部Ｍの周辺部の複数箇所において錘部Ｍと梁部Ｆとを連結するため、錘部Ｍの中心軸上の一カ所で錘部Ｍと梁部Ｆとを連結する構成に比べると、錘部Ｍの重心を基準として錘部Ｍと梁部Ｆとの連結位置がずれたとしても、錘部Ｍの運動特性に与える影響が抑制される。
【００２８】
それぞれの梁部Ｆには梁部Ｆを撓ませることによって錘部Ｍを励振するための駆動用圧電素子８０ｂが設けられている。駆動用圧電素子８０ｂは梁部Ｆの固定端近傍において梁部Ｆの表面に設けられている。このため駆動用圧電素子８０ｂが伸縮すると梁部Ｆの先端部が振動する。４つの駆動用圧電素子８０ｂに位相の異なる交流の励振電圧を印加することによって錘部Ｍを周回運動させることができる。
【００２９】
それぞれの梁部Ｆには梁部Ｆの変形を検出するための検出手段として検出用圧電素子８０ａが設けられている。検出用圧電素子８０ａは梁部Ｆの自由端近傍において梁部Ｆの表面に設けられている。梁部Ｆの変形に伴う歪みは可撓性のある梁部Ｆと実質的に剛体として振る舞う連結部３１および支持部Ｓとの境界近傍に集中する。このため、梁部Ｆが錘部Ｍの運動に伴って変形すると検出用圧電素子８０ａが伸縮する。錘部Ｍが周回運動している状態で角速度センサ１が回転すると、錘部Ｍに作用するコリオリ力に応じた交流の電圧信号が４つの検出用圧電素子８０ａから出力される。この電圧信号から励振成分を除去することによって角速度センサ１のｘｙｚ軸の角速度成分が得られる。
【００３０】
本実施形態によると空隙を挟んで錘部Ｍと梁部Ｆとを対向させることにより、角速度センサ１の外寸に対する梁部Ｆの長さの割合を高めている。そして梁部Ｆと錘部Ｍとを梁部Ｆ毎に異なる領域において複数の連結部３１によって連結することにより、支持部Ｓの外寸に対する梁部Ｆの長さの割合をさらに高めている。より具体的には支持部Ｓの対向する２辺から互いに逆方向に延伸する１組の梁部Ｆが行き違うまで梁部Ｆを延伸することにより、梁部Ｆを延長している。このように梁部Ｆの長さの割合を高めるすることによって、梁部Ｆの剛性を高めずに感度とダイナミックレンジを維持しつつ角速度センサ１を小型化することができる。また梁部Ｆを長くすることにより、製造公差による角速度センサ１の特性のばらつきを抑制することができる。
【００３１】
２．第二実施形態
図２に示すように支持部Ｓの内側において梁部Ｆを渦巻き状に配置しても良い。具体的には次の通りである。本実施形態において、支持部Ｓの内周と錘部Ｍの外周は円形である。４つの梁部Ｆはｘｙ平面に平行な同一の平面上に配置されている。梁部Ｆが支持部Ｓから延伸している方向が、固定端に近いほど支持部Ｓの内周の接線方向に近く、自由端に近いほど支持部Ｓの内周の接線方向から離れるように、４つの梁部Ｆは円弧状に曲がっている。そして支持部Ｓとの境界（図２において破線で示されている。）においてそれぞれの梁部Ｆが支持部Ｓから突出している方向は、９０度間隔で支持部Ｓの内側を一方向に周回している。４つの梁部Ｆと錘部Ｍとを連結している４つの連結部３１は錘部Ｍの中心軸を中心として錘部Ｍの周辺部に９０度間隔で錘部Ｍの中心軸から等距離の領域に配置されている。このため、それぞれの梁部Ｆを伸縮させる応力は、錘部Ｍが回転することによって低減する。
【００３２】
また梁部Ｆを曲げることによって、支持部Ｓの外形寸法に対する梁部Ｆの長さの割合を高めることができるため、梁部Ｆの剛性を高めずに感度とダイナミックレンジを維持しつつ角速度センサ２を小型化することができる。また梁部Ｆを長くすることにより、製造公差による角速度センサ２の特性のばらつきを抑制することができる。
【００３３】
３．第三実施形態
図３に示すように支持部Ｓの内側において梁部Ｆを渦巻き状に配置してもい。具体的には次の通りである。本実施形態において、支持部Ｓの内周と錘部Ｍの外周は正方形である。４つの梁部Ｆはｘｙ平面に平行な同一の平面上に配置されている。梁部Ｆは支持部Ｓの内側の４辺のそれぞれの端部近傍から垂直方向に突出し、中間部において錘部Ｍの内側に向かって直角に曲がっている。そして支持部Ｓとの境界（図３において破線で示されている。）においてそれぞれの梁部Ｆが支持部Ｓから突出している方向は、９０度間隔で支持部Ｓの内側を一方向に周回している。４つの梁部Ｆと錘部Ｍとを連結している４つの連結部３１は錘部Ｍの中心軸を中心として錘部Ｍの周辺部に９０度間隔で錘部Ｍの中心軸から等距離の領域に配置されている。このため、それぞれの梁部Ｆを伸縮させる応力は、錘部Ｍが回転することによって低減する。
【００３４】
また梁部Ｆを曲げることによって、支持部Ｓの外形寸法に対する梁部Ｆの長さの割合を高めることができるため、梁部Ｆの剛性を高めずに感度とダイナミックレンジを維持しつつ角速度センサ３を小型化することができる。また梁部Ｆを長くすることにより、製造公差による角速度センサ３の特性のばらつきを抑制することができる。
【００３５】
４．第四実施形態
図４に示すように同一平面上において梁部Ｆがそれぞれ渦巻き状に曲がっていても良い。具体的には次の通りである。本実施形態において、本実施形態において、支持部Ｓの内周と錘部Ｍの外周は正方形である。４つの梁部Ｆはｘｙ平面に平行な同一の平面上に配置されている。４つの梁部Ｆは支持部Ｓの内側の対向する２辺から２つずつ延伸している。すなわち梁部Ｆ１、Ｆ４は支持部Ｓの内側の一辺の両端部近傍からその対辺に向かって突出している。梁部Ｆ２、Ｆ３は梁部Ｆ１、Ｆ４が結合している辺の対辺から梁部Ｆ１、Ｆ４が結合している辺に向かって突出している。そして４つの梁部Ｆは支持部Ｓの内側を４分割した互いに排他的な領域の内側においてそれぞれ渦巻き状に曲がっている。４つの梁部Ｆと錘部Ｍとを連結している４つの連結部３１は錘部Ｍの中心軸を中心として錘部Ｍの周辺部に９０度間隔で錘部Ｍの中心軸から等距離の領域に配置されている。
【００３６】
梁部Ｆを渦巻き状に曲げることによって、支持部Ｓの外形寸法に対する梁部Ｆの長さの割合をさらに高めることができるため、梁部Ｆの剛性を高めずに感度とダイナミックレンジを維持しつつ角速度センサ４をさらに小型化することができる。また梁部Ｆを長くすることにより、製造公差による角速度センサ４の特性のばらつきをさらに抑制することができる。
なお、検出用圧電素子８０ａを１つの梁部Ｆに対して複数配置しても良いし、駆動用圧電素子８０ｂを１つの梁部に対して複数配置しても良い。
【００３７】
５．製造方法
以下、図５から図１４に基づいて角速度センサ１〜４の製造方法を説明する。角速度センサ１〜４は積層構造体を構成する各層のパターンを変更するだけの実質的同一の方法によって製造できる。図５から図９、図１３Ａ、図１４Ａは図１Ａに示すＢＢ線に対応する断面図である。図１０から図１２、図１３Ｂ、図１４Ｂは図１Ａに示すＣＣ線に対応する断面図である。
【００３８】
はじめに図５に示すように、厚いシリコン層１１、酸化シリコン層１２および薄いシリコン層１３が積層されたＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウエハ１０を準備し、フォトレジストからなる保護膜Ｒ１を用いたエッチングにより薄いシリコン層１３および酸化シリコン層１２を貫通する第一孔Ｈ１と第二孔Ｈ２を形成する。第一孔Ｈ１は連結部３１を形成するための型となる通孔である。第二孔Ｈ２はストッパ部３２を形成するための型となる通孔である。したがって第一実施形態において例示した角速度センサ１の積層構造体（ダイ）を形成する場合、１つのダイとして切り分けられる領域毎に、第一孔Ｈ１は４つが形成され、第二孔Ｈ２は４つの第一孔Ｈ１を取り囲む環状に１つ形成される。ＳＯＩウエハ１０は、厚さ６２５μｍの単結晶シリコンからなる厚いシリコン層１１と、厚さ１μｍの二酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる酸化シリコン層１２と、厚さ１０μｍの単結晶シリコンからなる薄いシリコン層１３とがこの順に積層されたウエハである。
【００３９】
次に、図６に示すように第一孔Ｈ１と第二孔Ｈ２から露出した厚いシリコン層１１の表面と薄いシリコン層１３の表面とに酸化シリコン層１２とは異質の膜を成長させることにより第一孔Ｈ１および第二孔Ｈ２とを完全に埋めるストッパ層３０を形成する。ストッパ層３０の材料としては、ストッパ層３０とシリコン層１１、１３を残して酸化シリコン層１２を選択的にエッチングすることが可能な物質を選択できる。すなわち、ストッパ層３０とシリコン層１１、１３の酸化シリコン層１２に対するエッチング選択比が小さくとれる材料を選択できる。具体的には例えばＣＶＤによって厚さ１５μｍの多結晶シリコンの膜をストッパ層３０として形成する。ストッパ層３０として、単結晶シリコンをエピタキシャル結晶成長させてもよいし、アモルファスシリコン、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）等の他の半導体膜を形成しても良いし、窒化シリコン（ＳｉｘＮｙ）、窒化アルミニウム（ＡｌｘＮｙ）、窒化チタン（ＴｉｘＮｙ）などの窒化物の膜を形成してもよいし、酸化アルミニウム（ＡｌｘＯｙ）、酸化タンタル（ＴａＯｘ）、酸化チタン（ＴｉＯｘ）などの酸化物の膜を形成してもよいし、タングステンシリサイド（ＷＳｉｘ）、モリブデンシリサイド（ＭｏＳｉｘ）、チタンシリサイド（ＴｉＳｉｘ）等のシリサイド化合物の膜を形成してもよいし、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）等の金属の膜を形成してもよい。
【００４０】
次に図７に示すようにエッチバックのための被膜Ｒ２をストッパ層３０の表面に形成する。保護膜Ｒ２の材料にはストッパ層３０とのエッチング選択比をほぼ１：１にできる材料を選択する。例えば、フォトレジスト、ＳＯＧ（Spin On Glass）、ポリイミドを塗布しベークすることにより表面が平坦な被膜Ｒ２を形成する。
【００４１】
次に図８に示すように被膜Ｒ２とストッパ層３０のエッチング選択比がほぼ１：１の条件において、薄いシリコン層１３が露出するまでストッパ層３０の表層を被膜Ｒ２もろともにエッチバックして除去する。その結果、薄いシリコン層１３とストッパ層３０の表面が平坦に連続し、ストッパ層３０からなる連結部３１とストッパ部３２とが形成される。なお、ストッパ層３０を形成した後に、研削、研磨またはＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）によって薄いシリコン層１３とストッパ層３０の表面を平坦に連続させても良い。
【００４２】
次に図９に示すように薄いシリコン層１３とストッパ層３０の表面に絶縁層２０を形成する。絶縁層２０として、例えば熱酸化またはＣＶＤにより厚さ０．５μｍの二酸化シリコンの膜を形成する。絶縁層２０としてＰＳＧ（Phospho Silicate Grass）、ＢＰＳＧ（Boro- Phospho Silicate Grass）、窒化シリコン（ＳｉｘＮｙ）などの膜を形成してもよい。
【００４３】
次に図１０に示すように電極層８１、圧電層８２および電極層８３を絶縁層２０の表面にこの順で積層する。電極層８１として例えばスパッタ法により厚さ０．１μｍの白金の膜を形成する。圧電層８２として例えばスパッタ法により厚さ３μｍのＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）の膜を形成する。電極層８３として例えばスパッタ法により厚さ０．１μｍの白金の膜を形成する。
【００４４】
次に図１１に示すようにフォトレジストからなる保護膜Ｒ３を用いたエッチングにより電極層８３と圧電層８２を所定形状にパターニングする。このとき駆動用圧電素子８０ｂおよび検出用圧電素子８０ａの上層電極とその導線とボンディングパッドが形成される。例えばアルゴン（Ａｒ）イオンを用いたミリング法によって電極層８３および圧電層８２を異方的にエッチングする。
【００４５】
次に図１２に示すようにフォトレジストからなる保護膜Ｒ４を用いたエッチングにより電極層８１を所定形状にパターニングする。例えばアルゴン（Ａｒ）イオンを用いたミリング法によって電極層８１を異方的にエッチングする。その結果、駆動用圧電素子８０ｂおよび検出用圧電素子８０ａが形成される。またこのときこのとき駆動用圧電素子８０ｂおよび検出用圧電素子８０ａの下層電極とその導線とボンディングパッドが形成される。
【００４６】
次に図１３Ａ、図１３Ｂに示すように、フォトレジストからなる保護膜Ｒ５を用いて絶縁層２０、薄いシリコン層１３および酸化シリコン層１２をエッチングすることにより梁部Ｆのパターンを形成する。梁部Ｆのパターンは、例えばＣＨＦ３ガスを用いた反応性イオンエッチングにより絶縁層２０をエッチングし、続いてＣＦ４ガスおよびＯ２ガスを用いた反応性イオンエッチングにより薄いシリコン層１３をエッチングし、さらに続いてＣＨＦ３ガスを用いた反応性イオンエッチングにより酸化シリコン層１２をエッチングすることにより形成する。フッ酸や緩衝フッ酸を用いて絶縁膜２０をウエットエッチングし、テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド（ＴＭＡＨ）や水酸化カリウム（ＫＯＨ）によって薄いシリコン層１をウエットエッチングし、さらにフッ酸や緩衝フッ酸を用いて酸化シリコン層１２をウエットエッチングしてもよい。
【００４７】
次に図１４に示すように厚いシリコン層１１をエッチングすることにより錘部Ｍを形成する。すなわちまず図１４Ａに示すように絶縁層２０が形成されている面を犠牲基板９９に仮接着する。接着層９８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。次にフォトレジストからなる保護膜Ｒ６を厚いシリコン層１１の表面に形成し、保護膜Ｒ６を用いた異方性エッチングにより環状溝１１ｔを形成することによって錘部Ｍを環状溝１１ｔの内側に形成する。環状溝１１ｔは、４つの連結部３１の全てに錘部Ｍが接するように４つの連結部３１を取り囲む環状領域に形成される。より具体的には、厚いシリコン層１１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）によって異方的にエッチングされる。なお、錘部Ｍを形成するこの工程は、ＳＯＩウエハ１０を加工する最初の工程として実施しても良いし、絶縁層２０を形成した直後に実施しても良い。
【００４８】
次に、犠牲基板９９からワークを剥離し、酸化シリコン層１２を等方性エッチングにより選択的に除去し、ダイシングすると、図１に示す角速度センサ１の積層構造体が完成する。酸化シリコン層１２を等方性エッチングにより除去することによって、厚いシリコン層１１と薄いシリコン層１３との間の空隙Ｇが形成され、錘部Ｍと梁部Ｆとが空隙Ｇを挟んで対向する。このとき、酸化シリコン層１２とは異質のストッパ層３０からなる連結部３１とストッパ部３２自体がエッチングストッパとして作用するため、酸化シリコン層１２のエッチングの終点は正確に制御される。したがって、錘部Ｍ、連結部３１および梁部Ｆの形状が正確に形成されるため、特性のばらつきが小さい角速度センサ１を製造することができる。
【００４９】
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、梁部Ｆの変形を検出する手段としてピエゾ抵抗素子を用いても良い。ピエゾ抵抗素子は例えば薄いシリコン層１３に不純物イオンをドーピングすることによって形成される。また梁部Ｆの変形を検出する手段としてピエゾ抵抗素子と圧電素子とを備え、角速度および加速度を検出するモーションセンサに本発明を適用することもできる。
【００５０】
また本発明ではストッパ層を用いることから梁部Ｆの形状を自由に設計することができる。このため、梁部Ｆの形態は上記実施形態に限らず例えば全ての梁部Ｆを真っ直ぐに平行に配置したり、梁部Ｆを３つ或いは４つ以上にするなど様々な形態に変更可能である。
【００５１】
またストッパ層はエッチングの終点制御に用いることできればよいため、例えば薄いシリコン層１３と酸化シリコン層１２とに形成した第一孔Ｈ１および第二孔Ｈ２を２層以上の膜で埋めることによって連結部３１の表層のみをストッパ層３０として構成し、錘部Ｍと梁部Ｆとを連結する連結部３１を複層構造にしても良い。またこの場合、サイドスペーサを用いることによって第一孔Ｈ１および第二孔Ｈ２を埋める層のステップカバレージを改善し、ボイドの発生を防止してもよい。
【００５２】
また、互いに異なる実施形態において例示されている様々な構成要件を組み合わせて実施できることはもちろんである。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や工程順序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。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】図１Ａは本発明の第一実施形態にかかる上面図。図１Ｂは本発明の第一実施形態にかかる断面図。図１Ｃは本発明の第一実施形態にかかる断面図。
【図２】本発明の第二実施形態にかかる上面図。
【図３】本発明の第三実施形態にかかる上面図。
【図４】本発明の第四実施形態にかかる上面図。
【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】本発明の第一実施形態にかかる断面図。
【図１２】本発明の第一実施形態にかかる断面図。
【図１３】図１３Ａは本発明の実施形態にかかる断面図。図１３Ｂは本発明の実施形態にかかる断面図。
【図１４】図１４Ａは本発明の実施形態にかかる断面図。図１４Ｂは本発明の実施形態にかかる断面図。
【符号の説明】
【００５４】
１：角速度センサ、２：角速度センサ、３：角速度センサ、４：角速度センサ、１０：ＳＯＩウエハ、１１：シリコン層、１１ｔ：環状溝、１２：酸化シリコン層、１３：シリコン層、２０：絶縁層、３０：ストッパ層、３１：連結部、３２：ストッパ部、８０ａ：検出用圧電素子、８０ｂ：駆動用圧電素子、８１：電極層、８２：圧電層、８３：電極層、９８：接着層、９９：犠牲基板、Ｆ：梁部、Ｆ１：梁部、Ｆ２：梁部、Ｆ３：梁部、Ｆ４：梁部、Ｇ：空隙、Ｈ１：第一孔、Ｈ２：第二孔、Ｍ：錘部、Ｒ１：保護膜、Ｒ２：被膜、Ｒ２：保護膜、Ｒ３：保護膜、Ｒ４：保護膜、Ｒ５：保護膜、Ｒ６：保護膜、Ｓ：支持部
【図１】
2010156591.tif 000003
【図２】
2010156591.tif 000004
【図３】
2010156591.tif 000005
【図４】
2010156591.tif 000006
【図５】
2010156591.tif 000007
【図６】
2010156591.tif 000008
【図７】
2010156591.tif 000009
【図８】
2010156591.tif 000010
【図９】
2010156591.tif 000011
【図１０】
2010156591.tif 000012
【図１１】
2010156591.tif 000013
【図１２】
2010156591.tif 000014
【図１３】
2010156591.tif 000015
【図１４】
2010156591.tif 000016