(57)【要約】【課題】質量体に作用する荷重によって梁の根本に応力集中した場合であっても、梁の母材の脆性破壊を防止できる信頼性の高い変位検知装置及び当該変位検知装置の製造方法を提供する。【解決手段】加速度スイッチにおいて、基板部４と、外力によって変位する質量体２と、一端が質量体２と連接されるとともに他端が基板部４と連接され、質量体２を変位可能に支持する梁３と、質量体２が変位したことを検知する中央電極５と、を備え、平面視にて、梁３の他端における付け根の両端を結ぶ線２０６が、当該梁３を構成する母材の結晶方位＜０１０＞及び＜００１＞と平行でないように構成した。【選択図】図２
2014137305.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板部と、
外力によって変位する質量体と、
一端が前記質量体と連接されるとともに他端が基板部と連接され、前記質量体を変位可能に支持する梁と、
前記質量体が変位したことを検知する検知部と、
を備え、
平面視にて、前記梁の他端における付け根の両端を結ぶ線が、当該梁を構成する母材の結晶方位と平行でないことを特徴とする変位検知装置。
【請求項２】
前記母材は、シリコン単結晶であることを特徴とする請求項１に記載の変位検知装置。
【請求項３】
前記質量体は、平面視環状に形成され、
前記検知部は、前記質量体と間隙を隔てた状態で当該質量体の環内部に配置され、前記質量体が変位した際に当該質量体の内周面と接触するように構成された電極を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の変位検知装置。
【請求項４】
基板部と、外力によって変位する質量体と、一端が前記質量体と連接されるとともに他端が基板部と連接され前記質量体を変位可能に支持する梁と、前記質量体が変位したことを検知する検知部と、を備えた変位検知装置の製造方法であって、
シリコンウエハの上部に、前記変位検知装置を形成するためのパターンが形成され、平面視にて、前記梁の他端における付け根の両端を結ぶ線と平行な形状の切掛けを有するマスクパターンを配置する工程と、
前記シリコンウエハのオリフラの方向と前記切掛けの方向とが平行となるように前記シリコンウエハと前記マスクパターンとの位置合わせを行う工程と、
前記梁の他端における付け根の両端を結ぶ線と、前記シリコンウエハの結晶方位とが平行とならないようにシリコンウエハを回転させる工程と、
を備えることを特徴とする変位検知装置の製造方法。
【請求項５】
基板部と、外力によって変位する質量体と、一端が前記質量体と連接されるとともに他端が基板部と連接され前記質量体を変位可能に支持する梁と、前記質量体が変位したことを検知する検知部と、を備えた変位検知装置の製造方法であって、
シリコンウエハの上部に、前記変位検知装置を形成するためのパターンが形成され、平面視にて、前記梁の他端における付け根の両端を結ぶ線と平行でない方向性を持った切掛けを有するマスクパターンを配置する工程と、
前記シリコンウエハのオリフラの方向と前記切掛けの方向とが平行となるように前記シリコンウエハと前記マスクパターンとの位置合わせを行う工程と、
を備えることを特徴とする変位検知装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＥＭＳ技術により構築された変位検知装置及び変位検知装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、加速度スイッチや加速度センサに代表される各種センサ類（変位検知装置）は、その構成を小型化、高精度化することが望まれているため、ＭＥＭＳ技術を用いた開発が進められている。例えば、下記特許文献１に開示されている加速度スイッチは、シリコン単結晶を構造体の材料とし、質量体とその質量体を支える梁と質量体と対向する電極を備え、加速度の印加に応じて質量体が変位するように構成される。そして、当該加速度スイッチに梁のばね定数などにより規定した以上の加速度が印加された場合、質量体の変位によって当該質量体と電極が接触することで、加速度スイッチは電気的導通状態となる。つまり、各種センサ類は、この導通状態を検知することにより、対象物の振動を検知することができる。
【０００３】
この様な微細な構造を持つ各種センサ類は、半導体製造で使用されているリソグラフィーやエッチング技術を用いて、構築されている。また、各種センサ類には、半導体プロセスをうまく流用するために、シリコン単結晶が母材として多用されている。ところで、上記各種センサ類の材料として使用されるシリコン単結晶は、結晶方位をもっており、結晶面に沿って割れる劈開という現象により、特異的に割れやすい方向がある。そこで、シリコン単結晶を母材とする従来の加速度スイッチの動作を確認するため、電気信号により振動する振動体上に加速度スイッチを設置し、加速度スイッチが反応する程度の振動を定期的に与え、動作テストを行うと、短いものでは数時間で導通現象を検知できなくなるものがあった。そして、当該導通現象を検知できなくなる原因を探るために、Ｘ線透過観察等を用いて上記加速度スイッチの不良解析を行うと、シリコンの劈開によって、梁の付け根で破損、断線していることが判明した。
【０００４】
すなわち、梁の付け根の両端を結ぶ線がシリコン単結晶の結晶方位に沿っており、質量体にかかる慣性力による動的荷重、質量体が電極に接触した際の衝撃荷重、および質量体の静的荷重等が梁を介して、支点である梁の根本に応力として集中した結果、材料であるシリコンが脆性破壊したもの推測される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−４８６５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、本発明は、質量体に作用する荷重によって梁の根本に応力集中した場合であっても、梁の母材の脆性破壊を防止できる信頼性の高い変位検知装置及び当該変位検知装置の製造方法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】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明に係る変位検知装置は、基板部と、外力によって変位する質量体と、一端が前記質量体と連接されるとともに他端が基板部と連接され、前記質量体を変位可能に支持する梁と、前記質量体が変位したことを検知する検知部と、を備え、平面視にて、前記梁の他端における付け根の両端を結ぶ線が、当該梁を構成する母材の結晶方位と平行でないことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係る変位検知装置において、前記母材は、シリコン単結晶であることを特徴とする。
また、本発明に係る変位検知装置において、前記質量体は、平面視環状に形成され、前記検知部は、前記質量体と間隙を隔てた状態で当該質量体の環内部に配置され、前記質量体が変位した際に当該質量体の内周面と接触するように構成された電極を含むことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る変位検知装置の製造方法は、基板部と、外力によって変位する質量体と、一端が前記質量体と連接されるとともに他端が基板部と連接され前記質量体を変位可能に支持する梁と、前記質量体が変位したことを検知する検知部と、を備えた変位検知装置の製造方法であって、シリコンウエハの上部に、前記変位検知装置を形成するためのパターンが形成され、平面視にて、前記梁の他端における付け根の両端を結ぶ線と平行な形状の切掛けを有するマスクパターンを配置する工程と、前記シリコンウエハのオリフラの方向と前記切掛けの方向とが平行となるように前記シリコンウエハと前記マスクパターンとの位置合わせを行う工程と、前記梁の他端における付け根の両端を結ぶ線と、前記シリコンウエハの結晶方位とが平行とならないようにシリコンウエハを回転させる工程と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る変位検知装置の製造方法は、基板部と、外力によって変位する質量体と、一端が前記質量体と連接されるとともに他端が基板部と連接され前記質量体を変位可能に支持する梁と、前記質量体が変位したことを検知する検知部と、を備えた変位検知装置の製造方法であって、シリコンウエハの上部に、前記変位検知装置を形成するためのパターンが形成され、平面視にて、前記梁の他端における付け根の両端を結ぶ線と平行でない方向性を持った切掛けを有するマスクパターンを配置する工程と、前記シリコンウエハのオリフラの方向と前記切掛けの方向とが平行となるように前記シリコンウエハと前記マスクパターンとの位置合わせを行う工程と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
したがって、本発明は、質量体に作用する荷重によって梁の根本に応力集中した場合であっても、梁の母材の脆性破壊を防止できる信頼性の高い変位検知装置及び当該変位検知装置の製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る加速度スイッチ（及び当該加速度スイッチのパターン）を表す図である。
【図２】加速度スイッチの梁付け根近傍の拡大図である。
【図３】図１に示す加速度スイッチのパターンを複数配置したマスクパターンを表す図である。
【図４】加速度スイッチパターンの梁付け根近傍の拡大図である。
【図５】本発明に係る加速度スイッチの母材としてのシリコンウエハを表す図である。
【図６】図１に示す加速度スイッチの製造工程を表すフローチャートである。
【図７】本発明に係るマスクパターンの変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係わる変位検知装置の第１実施形態として、加速度スイッチについて図面を参照して説明する。なお、本発明に係る変位検出装置は、加速度スイッチに限られるものではなく、加速度センサであっても勿論よい。
【００１４】
（加速度スイッチの構造について）
図１に示すように、本発明に係る加速度スイッチ１は、外的要因により変位する質量体２と、当該質量体２を変位可能に支持する梁３と、梁３と連接され当該梁３及び質量体２を支持する基板４と、質量体２が変位した際に質量体２と接触することで加速度の印加を検知する中央電極５と、で構成される。ここで、質量体２、梁３、基板４、及び中央電極5は、シリコン単結晶によって一体的に形成されてなる。
【００１５】
質量体２は、内周側に中央電極５が配置されるように上面視環状の形状からなる。梁３は、質量体２に一端が連接されるとともに他端が基板４と連接され、質量体２の周囲を取り囲むように当該質量体２を支持する。当該梁３は、上面視にて、一部に切欠きを有する略環状の部材であって、切欠き箇所に矩形状の両端部が形成された形状からなる。基板４は、梁３の他端側と連接され当該梁３及び質量体２を支持する。中央電極５は、質量体２と間隙を隔てた状態で質量体２の環内部に配置され、質量体２が変位した際に、質量体２の内周面と接触するように構成された電極である。
【００１６】
そして、上記構成よりなる加速度スイッチ１は、加速度が印加された場合、質量体２の変位に応じて当該質量体２と中央電極５が当接し、基板4と中央電極５の導通状態が変化して、当該中央電極５と接続された回路（図示省略）での電位変化によって加速度の印加を検知できる。
【００１７】
ここで、加速度スイッチ１は、図２に示すように、梁の付け根を結ぶ線２０６の方向と、シリコンの結晶方位＜０１０＞及び＜００１＞の方向と、がずれた状態にある（平行でない）。
【００１８】
そして、加速度スイッチ１において、質量体２にかかる慣性力による動的荷重、質量体２が中央電極５に接触した際の衝撃荷重、および質量体２の静的荷重等に応じて梁３の付け根に作用する荷重は、主に梁３の軸線方向（つまり、図２の上下方向）に沿ったものである。そのため、図２において、梁３のうち梁付け根（図４の符号２０５ａ,２０５ｂ参照）を通る結晶方位に沿った線２０６ａに作用する荷重は、上記梁３の軸線方向に沿った荷重のうち、線２０６ａの法線方向分の分力に過ぎないため、結晶方位に沿った線２０６ａへの荷重の集中が避けられるので、シリコンの劈開を防ぐことができる。また、上記荷重等によって、梁の付け根を結ぶ線２０６に沿って応力集中が生じたとしても、線２０６は結晶方位と平行な位置関係にないので、シリコンの劈開を防ぐことができる。そのため、加速度スイッチ１は、上記荷重等による破損を防いだ信頼性の高い加速度スイッチといえる。
【００１９】
（加速度スイッチの製造について）
次いで、上述した加速度スイッチ１の製造工程について説明する。ここで、図３は、加速度スイッチ１を形成するための加速度スイッチパターン１０１を複数個配置したマスクパターン１００を示す。図１には、図３に示すマスクパターン１００に含まれる一の加速度スイッチパターン１０１を示す。
【００２０】
マスクパターン１００は、後述するシリコンウエハの上部に配置され、複数の加速度スイッチ１をシリコンウエハに形成するためのマスクである。そして、マスクパターン１００は、図１に示すように、露光された際にその露光用の光を透過させる露光透過部１０４と、露光用の光を遮蔽する露光遮光部１０５と、で構成される。また、露光遮光部１０５は、格子状に配置された複数個の加速度スイッチパターン１０１と、アライメント用のアライメントマーク１０２と、オリフラ合わせ用の切掛け１０３と、を有する。
【００２１】
加速度スイッチパターン１０１は、図１に示すように、質量体２を作製するための質量体パターン２０２と、質量体を支持する梁３を作製するための梁パターン２０３と、質量体２及び梁３を支持する基板部分を作製するための基板パターン２０１と、その質量体２が変位した際に、質量体２の内周面と接触する中央電極を作製するための中央電極パターン２０４と、から構成されている。
【００２２】
ここで、図４に加速度スイッチパターン１０１の梁付け根近傍（図１に示すＡ部）の拡大図を示す。梁パターン２０３により作製される梁は、端部が基板から突き出した形で形成されてなり、梁付け根２０５ａ、２０５ｂを介して基板と接続される。そして、前述の通り、質量体にかかる慣性力による動的荷重、質量体が電極に接触した際の衝撃荷重、および質量体の静的荷重等は、質量体に連接された梁のうち支点に相当するこの梁付け根２０５ａ、２０５ｂの両端を結ぶ線２０６上に集中することとなる（すなわち、線２０６上が応力集中部となる）。ここで、線２０６はオリフラ合わせ用切掛け１０３とほぼ平行になっている。
【００２３】
次いで、図６に、本実施形態に係る加速度スイッチ１の材料として使用するシリコンウエハ３００を示す。シリコンウエハ３００は、その周上にオリフラ３０１（オリエンテーションフラット）と呼ばれる直線部を持ち、当該オリフラ３０１がシリコンの結晶方位を示している。また、符号３０２ａ，３０２ｂは、ダイシングラインを表している。
【００２４】
ここで、シリコンウエハ３００には、（１００）ウエハ（すなわち（１００）面を主面とするウエハ）が用いられる。当該（１００）ウエハでは、オリフラ３０１と平行に結晶方位＜０１０＞、垂直に結晶方位＜００１＞が存在する。そして、この＜０１０＞及び＜００１＞の結晶方位に沿った面では劈開が起こりやすい。そこで、本実施形態では、図６に示す工程によって加速度スイッチ１を製造する。
【００２５】
具体的には、図６に示す加速度スイッチ１の製造方法によると、まず、図１及び図４に示すマスクパターン１００を準備する（ステップＳ１）。次いで、当該マスクパターン１００の下方に図５で示したシリコンウエハ３００を配置し（ステップＳ２）、マスクパターン１００とシリコンウエハ３００との位置合わせを行う(ステップＳ３、ステップＳ４)。
【００２６】
ここで、マスクパターン１００とシリコンウエハ３００との位置合わせは、通常アライメントマーク１０２を用いて行われるが、製造工程のはじめのプロセスのみ、オリフラ合わせ用の切掛け１０３を用いて行う。具体的には、レジストを塗布・乾燥させたシリコンウエハ３００をマスクパターン１００の下に設置した後、オリフラ合わせ用切掛け１０３の方向と、シリコンウエハ３００のオリフラ３０１の方向と、が平行になるように調整する。その後マスクパターン１００の中心とシリコンウエハ３００の中心が合うように位置調整を行う。以上の工程によって、シリコンウエハ３００の結晶方位とマスクパターン１００の配列とが平行になる。
【００２７】
そして、上記平行となった状態より、シリコンウエハ３００を回転させる（ステップＳ５）。すると、梁付け根を結ぶ線２０６と結晶方位＜０１０＞及び＜００１＞とをほぼ平行な状態からずらすことができる。
【００２８】
次いで、その回転させた状態でマスクパターン１００を介してシリコンウエハ３００の露光を行って現像する（ステップＳ６）。そして、そのレジストを保護膜としてシリコンウエハ３００のエッチングを行うことにより、梁の突き出し方向と結晶方位がずれた梁を形成することができる（ステップＳ７）。その後はウエハに付けられたアライメントマークを参照して位置合わせを行い、半導体プロセスを流用した製造工程にて、加速度スイッチを完成させる。
【００２９】
以上、本実施形態によると、加速度スイッチ１では、質量体２を支持する梁３の付け根を結ぶ線がシリコンの結晶方位からずれることとなる。そのため、加速度スイッチ１に加速度を印加して梁３の付け根に応力を集中させても、劈開することが防がれ、加速度スイッチ１の破損が未然に防止されるので、加速度スイッチとしての信頼性が向上する。
【００３０】
したがって、上記実施形態に係る加速度スイッチ１及びその製造方法は、質量体に作用する荷重によって梁の根本に応力集中した場合であっても、梁の母材の脆性破壊を防止できる信頼性の高い変位検知装置及び当該変位検知装置の製造方法であるといえる。
【００３１】
（変形例）
上記実施形態に係る加速度スイッチ１の製造方法では、梁付け根の両端を結ぶ線とオリフラ合わせ用切掛けが平行なマスクパターンを使用する場合を説明したが、図７に示すように、梁付け根の両端を結ぶ線とオリフラ合わせ用切掛けが平行な位置関係からずれたマスクパターンを用いてもよい。この場合、図６に示したフローチャートのステップＳ３にて、オリフラ合わせ用切掛け１０３の方向と、シリコンウエハ３００のオリフラ３０１の方向と、が平行になるように調整することで、梁付け根を結ぶ線２０６と結晶方位＜０１０＞及び＜００１＞とが平行な位置関係でなくなるので、ステップＳ５にてシリコンウエハ３００を回転させる必要がない。
【００３２】
そのため、本変形例に係る加速度スイッチ１の製造方法によると、第１実施形態に係る加速度スイッチ１の製造方法と同様の効果が得られることはもちろん、製造工程が短縮できる分、一層容易かつ迅速に加速度スイッチを製造することが可能となる。
【符号の説明】
【００３３】
１      加速度スイッチ
２      質量体
３      梁
４      基板
５      中央電極
１００  マスクパターン
１０１  加速度スイッチパターン
１０２  アライメントマーク
１０３  オリフラ合わせ用の切掛け
１０４  露光透過部
１０５  露光遮光部
２０１  基板パターン
２０２  質量体パターン
２０３  梁パターン
２０４  中央電極パターン
２０５ａ、２０５ｂ  梁付け根
２０６  梁付け根を結ぶ線
３００  シリコンウエハ
３０１  オリフラ
３０２ａ，３０２ｂ  ダイシングライン
【図１】
2014137305.tif 000003
【図２】
2014137305.tif 000004
【図３】
2014137305.tif 000005
【図４】
2014137305.tif 000006
【図５】
2014137305.tif 000007
【図６】
2014137305.tif 000008
【図７】
2014137305.tif 000009