(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロマシンにおける自重以上の質量を受ける支持構造体である梁の側面を断面凹状に形成してなることを特徴とするマイクロマシンの梁構造。
【請求項２】
前記梁は、シリコンを含む単結晶半導体で作製してなることを特徴とする請求項１記載のマイクロマシンの梁構造。
【請求項３】
前記マイクロマシンは、加速度センサであることを特徴とする請求項１又は２記載のマイクロマシンの梁構造。
【請求項４】
単結晶シリコン半導体を用いて請求項１又は３記載のマイクロマシンの梁構造を製造するマイクロマシンの梁構造の製造方法であって、梁が形成される領域の両側部の前記単結晶シリコン半導体領域を上面、下面の両面から塩基性の水溶液で異方性エッチングし、前記上面、下面及び前記異方性エッチングにより形成された各面がなす側壁をさらに異方性エッチングして前記梁の側面を断面凹状に形成するエッチング工程を有することを特徴とするマイクロマシンの梁構造の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体加速度センサで代表されるマイクロマシンにおいて、自重以上の質量を受ける支持構造体である梁の強度を向上させることが可能なマイクロマシンの梁構造及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
梁を有するマイクロマシンとして、半導体加速度センサを例にとり、図８を用いて説明する。同図において、１００はシリコン半導体からなるｐ型基板、１０１はｎ型エピタキシャル層であり、ｐ型基板１００の主面に形成されている。１０２はｐ型基板１００から形成された重り、１０３はｎ型エピタキシャル層１０１から形成された梁、１０４はｐ型基板１００から形成されたフレームである。１０５はスリットであり、このスリット１０５により、梁１０３をｎ型エピタキシャル層１０１からどのように切り出してどのような型に形成するかを定める。図では、重り１０２を両側から挟むようにスリット１０５が２本形成されており、重り１０２が２本の対向配置された梁１０３によりフレーム１０４に支持された両持ち梁構造となっている。スリットの形状や本数により片持ち梁構造や４本梁構造が構成される。
【０００３】
半導体加速度センサは、フレーム１０４に梁１０３で吊られている重り１０２が、図８（ｂ）の上下方向の加速度によって変位し、その変位量から加速度を検出する。重り１０２の変位量の検出方法としては、梁１０３上に設けられたピエゾ抵抗により梁１０３に生じる応力を検出する方法や、重り１０２の底面と対向するように設けられた電極と、重り１０２の底面とで構成されるコンデンサの電気容量の変化から検出する方法等が用いられている。
【０００４】
重り１０２、フレーム１０４及び梁１０３は、水酸化カリウム水溶液などのアルカリ異方性エッチング液を用いた電解エッチングにより、ｐ型基板１００の裏面からエッチングし、ｐ型基板１００のバルク部１０６を除去するとともにｎ型エピタキシャル層１０１との接合界面でエッチングを停止させることによって形成される。スリット１０５の形成方法としては、その形成工程を、上記の電解エッチング工程とは別工程とし、ｎ型エピタキシャル層１０１の表面から等方性エッチング液やアルカリ異方性エッチング液を用いたウェットエッチング、あるいはプラズマを用いたドライエッチングにより形成するのが一般的である。
【０００５】
一方、スリット１０５の形成を、重り１０２、フレーム１０４及び梁１０３を形成する上記の電解エッチング工程で一括して形成した方が製造工程数が減り、したがってコストやターンアラウンドタイムが減少するので望ましい。スリットの形成を別工程で行う方法に比べ、この一括して形成する方法は難しい技術である。従来のこの種の技術としては、図９や、例えばP.M.Sarro の博士論文（“Integrated Silicon Thermopile Infrared Detectors”，4.2.1 The etch process）に記載されたものがある。
【０００６】
ここで、図９のスリットを電解エッチング工程で一括して形成する方法を説明する。同図は、スリットを形成する部位のみを記載しており、重りを形成するための裏面のマスクあるいはトランジスタやピエゾ抵抗等の素子、配線などは省略してある。１００は｛１００｝面を主面とするｐ型基板、１０１はｎ型エピタキシャル層、１１０はシリコン酸化膜である。上記構造体のスリットを形成すべき領域１１１のシリコン酸化膜１１０を除去し、ｐ型の不純物、例えばボロンをイオン注入、気相拡散あるいは固相拡散し、ｎ型エピタキシャル層１０１を貫通しｐ型基板１００に達するほど深く熱拡散してｐ型アイソレーション層１１２を形成する（図９（ａ））。上記構造体の表面にシリコン窒化膜１１３をプラズマＣＶＤ等の方法により成膜し、さらにシリコン樹脂１１４をスピンコーティング等の方法により成膜する。シリコン窒化膜１１３及びシリコン樹脂１１４は、次の工程（ｃ）でスリットが開口されたとき、上記構造体の主面に形成されている素子や配線をエッチング液による腐食から保護するために設けた保護膜である（図９（ｂ））。上記構造体をアルカリ異方性エッチング液、例えば水酸化カリウム水溶液に浸漬し、ｎ型エピタキシャル層１０１に、ｎ型エピタキシャル層１０１のパッシベーション電位よりも正の電位を印加しつつ電解エッチングを行う。エッチング底面がｎ型エピタキシャル層１０１とｐ型基板１００との接合界面１１５に達すると、ｎ型エピタキシャル層１０１には、ｎ型エピタキシャル層１０１のパッシベーション電位よりも正の電位が印加されているために陽極酸化され、エッチング反応が電気化学的に停止する。一方、ｐ型アイソレーション層１１２では、電気的にアイソレーションされているために陽極酸化は起こらずにそのままエッチングが進行し、スリット１１８が開口される。単純に考えれば、接合界面１１５の端部１１９がマスク端となり、そこから｛１１１｝面の側壁を形成するように考えられるが、実際には｛１１１｝面の側壁１１６とそれに続く緩やかな斜面１１７が形成される（図９（ｃ））。上記構造体からシリコン樹脂剥離液等によりシリコン樹脂１１４を除去し、プラズマエッチング等によりシリコン窒化膜１１３を除去する（図９（ｄ））。以上の方法により形成された梁１２０の断面構造は、後述する図２（ｂ）に比較例として示したようになる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のようにスリットを電解エッチング工程で一括して形成する方法を用いて製造した半導体加速度センサは、梁の破壊強度が弱く、したがって使用できる加速度の上限が低く、センサあるいはセンサの組み込まれたシステムを、落としてしまったりしたとき等の衝撃により梁が破損し易く、加速度を検出するセンサとしての機能が失われ易いという問題点があった。これは、図２（ｂ）に示したように、梁の上面端部が剥き出しのシリコン加工面となるため、加工によって発生するマイクロクラックに応力が集中しやすくなるためと考えられる。
【０００８】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたもので、破壊強度の大きな梁を有するマイクロマシン、例えば半導体加速度センサを実現することができ、また製造時の梁の破損による歩留まり低下を抑えることができるマイクロマシンの梁構造及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載のマイクロマシンの梁構造は、マイクロマシンにおける自重以上の質量を受ける支持構造体である梁の側面を断面凹状に形成してなることを要旨とする。この構成により、梁の上面端部に、梁の形成工程における加工面が剥き出しになる部分がなくなる。
【００１０】
請求項２記載のマイクロマシンの梁構造は、上記請求項１記載のマイクロマシンの梁構造において、前記梁は、シリコンを含む単結晶半導体で作製してなることを要旨とする。この構成により、異方性エッチング等で梁の側面を断面凹状に容易に形成することが可能となる。
【００１１】
請求項３記載のマイクロマシンの梁構造は、上記請求項１又は２記載のマイクロマシンの梁構造において、前記マイクロマシンは、加速度センサであることを要旨とする。この構成により、破壊強度の大きな梁を有する加速度センサを実現することが可能となる。
【００１２】
請求項４記載のマイクロマシンの梁構造の製造方法は、単結晶シリコン半導体を用いて上記請求項１又は３記載のマイクロマシンの梁構造を製造するマイクロマシンの梁構造の製造方法であって、梁が形成される領域の両側部の前記単結晶シリコン半導体領域を上面、下面の両面から塩基性の水溶液で異方性エッチングし、前記上面、下面及び前記異方性エッチングにより形成された各面がなす側壁をさらに異方性エッチングして前記梁の側面を断面凹状に形成するエッチング工程を有することを要旨とする。この構成により、異方性エッチングで現れる｛１１１｝面等の側壁をさらに異方性エッチングすることで、断面凹状の側面を有する梁を形成することが可能となる。
【００１３】
【発明の効果】
請求項１記載のマイクロマシンの梁構造によれば、マイクロマシンにおける自重以上の質量を受ける支持構造体である梁の側面を断面凹状に形成したため、梁の上面端部に加工面が剥き出しになる部分がなくなることで、加工によって発生するマイクロクラックに応力集中がしにくくなることに起因し、破壊強度の大きな梁を有するマイクロマシンを実現することができる。
【００１４】
請求項２記載のマイクロマシンの梁構造によれば、前記梁は、シリコンを含む単結晶半導体で作製したため、断面凹状の側面を有する梁を容易に実現することができる。
【００１５】
請求項３記載のマイクロマシンの梁構造によれば、前記マイクロマシンは、加速度センサとしたため、検出加速度の上限の高い加速度センサを実現することができる。
【００１６】
請求項４記載のマイクロマシンの梁構造の製造方法によれば、単結晶シリコン半導体を使用し、梁が形成される領域の両側部の前記単結晶シリコン半導体領域を上面、下面の両面から塩基性の水溶液で異方性エッチングし、前記上面、下面及び前記異方性エッチングにより形成された各面がなす側壁をさらに異方性エッチングして前記梁の側面を断面凹状に形成するエッチング工程を具備させたため、断面凹状の側面を有する梁を容易、確実に、且つ高い製造歩留まりで形成することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図１乃至図７を用いて説明する。本実施の形態は単結晶シリコン製の半導体加速度センサに適用されている。本発明者らは、スリットを電解エッチング工程で一括して形成する方法を詳細に検討、実験した結果、破壊強度の大きな梁を実現することができる梁構造と、その梁構造を実現する製造方法を見出だすに至ったものである。まず、図１を用いて、その製造方法を説明する。図１は前記図９と同様に、スリットを形成する部位のみを記載しており、重りを形成するための裏面のマスクあるいはトランジスタやピエゾ抵抗等の素子、配線などは省略してある。なお、図１において、前記図９における部材及び部位と同一ないし均等のものは、前記と同一符号を以って示す。
【００１８】
（ａ）前記図９（ａ）とほぼ同様の工程によりｐ型アイソレーション層１１２を形成する。
【００１９】
（ｂ）上記構造体の表面にシリコン窒化膜１１３をプラズマＣＶＤ等の方法により成膜し、スリットを形成すべき領域１１１のシリコン窒化膜１１３を除去する。
【００２０】
（ｃ）シリコン樹脂１１４をスピンコーティング等の方法により成膜する。シリコン窒化膜１１３及びシリコン樹脂１１４は、次の工程（ｄ）でスリットが開口されたとき、上記構造体の主面に形成されている素子や配線をエッチング液による腐食から保護するために設けた保護膜である。
【００２１】
（ｄ）上記構造体をアルカリ異方性エッチング液、例えば水酸化カリウム水溶液に浸漬し、ｎ型エピタキシャル層１０１に、ｎ型エピタキシャル層１０１のパッシベーション電位よりも正の電位を印加しつつ電解エッチングを行う。エッチング底面がｎ型エピタキシャル層１０１とｐ型基板１００との接合界面１１５に達すると、ｎ型エピタキシャル層１０１には、ｎ型エピタキシャル層１０１のパッシベーション電位よりも正の電位が印加されているために陽極酸化され、エッチング反応が電気化学的に停止する。一方、ｐ型アイソレーション層１１２では、電気的にアイソレーションされているために陽極酸化は起こらずにそのままエッチングが進行し、スリット２０１が開口される。単純に考えれば、接合界面１１５の端部１１９がマスク端となり、そこから｛１１１｝面の側壁を形成するように考えられるが、実際にはｐ型アイソレーション層１１２の大部分をえぐった凹状の側面２０５が実現される。上記工程（ｂ）において、スリットを形成すべき領域１１１のシリコン窒化膜１１３を除去したために、スリット２０１の表面側にキャビティ２００が形成され、裏面からのエッチングのみならず、表面からも積極的にｐ型アイソレーション層１１２がエッチングされたためと考えられる。図にはシリコン窒化膜１１３とシリコン樹脂１１４との界面が若干剥離しキャビティ２００を構成する様子が記載されているが、この剥離量はシリコン樹脂１１４の厚さやベーク条件等で制御することが可能である。
【００２２】
（ｅ）上記構造体からシリコン樹脂剥離液等によりシリコン樹脂１１４を除去し、プラズマエッチング等によりシリコン窒化膜１１３を除去する。
【００２３】
以上の方法により形成された梁２０３の断面構造を図２（ａ）に示す。同図（ｂ）の梁１２０に比べるとｐ型アイソレーション層１１２がえぐれている分、若干梁２０３の幅が狭くなっている。
【００２４】
次に、梁の破壊強度の評価を行うに際し、まず、図３を用いてその破壊強度の測定方法を説明する。同図において、１３０は治具、１３１はダイナミック微小硬度計の圧子である。ダイナミック微小硬度計の圧子１３１により両持ちの梁１０３で支えられた重り１０２に荷重していき、荷重量と変位量との相関（図４）を測定する。荷重の小さな間は梁１０３は変形し、フックの法則にしたがって変位は荷重に比例するがある荷重で突然降伏する。通常のばねであれば弾性限界を超え非可逆なのびという現象を引き起こすが、シリコン単結晶の梁の場合は非可逆な破損という現象が起こる。この降伏点での荷重を梁の破壊強度とする。
【００２５】
図１の本実施の形態の方法で形成された図２（ａ）に示した構造の梁２０３を有する半導体加速度センサと、図９の従来の方法で形成された図２（ｂ）に示した構造の梁１２０を有する半導体加速度センサでの、上記図３、図４で説明した梁の破壊強度の測定結果を図５に示す。この図より、本実施の形態の構造の梁２０３が、従来の構造の梁１２０に比べて３倍以上破壊強度が向上していることが分かる。なお図５に示したデータは、梁の幅が６８０μｍ、梁の長さが４００μｍ、梁の厚さが８μｍのサンプルである。
【００２６】
次に、梁の強度のモデルについて説明する。図８に示した両持ち梁構造の半導体加速度センサのモデルの例を図６に示す。図６において、３００はフレーム１０４に対応する強固な部材で形成された壁、３０１は重り１０２に対応する強固な部材で形成された重り、３０２は梁１０３に対応する均質な弾性体で形成された板ばねである。板ばね３０２の壁３００側の端部は壁３００に対して固定端であり、板ばね３０２の重り３０１側の端部は重り３０１に対して固定端であり、壁３００に対して相対的に重り３０１が上下できる。梁の幅はＷ、長さはＬ、厚さはｈ、板ばね３０２を構成する弾性体のヤング率はＥとする。
【００２７】
上記構造体に図７に示すように、重り３０１の重さが無視し得る程大きな荷重３０３を荷重し、板ばね３０２を変形させる。荷重の力はＦとする。上記モデルのばね定数ｋ、変位δ、板ばねに発生する応力σは、次の各式で与えられる。
【００２８】
ｋ＝２・Ｅ・Ｗ・ｈ3 ／Ｌ3           …（１）
σ＝３・Ｌ・Ｆ／２・Ｗ・ｈ2         …（２）
δ＝Ｌ3 ・Ｆ／２・Ｅ・Ｗ・ｈ3       …（３）
式（１）及び（３）より、幅Ｗが広い程、厚さｈが厚い程、そして長さＬが短い程、ばね定数ｋが大きくなり、つまり外力に対する変位δの小さな強いばねになることが分かる。破壊強度の大きなばねというのは、降伏現象を起こす時の応力σb が大きいと解釈してよい。式（２）と図５から、図２（ｂ）に示された従来の梁１２０の平均値では、７．６×１０9 ｄｙｎ／ｃｍ2 に過ぎないが、図２（ａ）に示された本実施の形態の梁２０３の平均値では、２．４×１０10ｄｙｎ／ｃｍ2 という値が得られる。F.Pourahmadiらは、１．２７５×１０10ｄｙｎ／ｃｍ2 という値を報告しており、本実施の形態の梁２０３は十分な強度を持っているといえる。
【００２９】
シリコンの破壊機構は十分に解明されているわけではないので、図２（ｂ）に示された従来の梁１２０が図２（ａ）に示された本実施の形態の梁２０３の３分の１以下の強度に過ぎない理由を説明することは難しい。図２の（ａ）及び（ｂ）に示された梁を長さ方向にベンディングすると、上面に引っ張り応力が、下面に圧縮応力が発生する。図２（ｂ）では、その上面の端部が剥き出しのシリコンの加工面であり、加工によって発生するマイクロクラックに応力集中しやすく、一方、図２（ａ）では、その上面の端部のシリコンが剥き出しになっていないために加工によって発生するマイクロクラックに応力集中しにくいという１つの仮説を立てることができる。しかし図３、図４に示した破壊強度の測定実験において、梁の表面が引っ張り応力となるフレームよりで破損する頻度と、梁の裏面が引っ張り応力となる重りよりで破損する頻度とは、それぞれ５９％と４１％であり、仮説に矛盾するわけではないが、梁の上面の端部の剥き出しのシリコンより破壊されるモードが圧倒的に多いという訳でもない。
【００３０】
本発明者らは、以上のような実験、検討により、図２（ａ）の本実施の形態の梁構造は、破壊強度が高く、そしてこの梁構造は図１に示した本実施の形態の製造方法により実現でき、また安定して製造が可能であるということを見出だすに至ったものである。
【００３１】
なお、本実施の形態は、シリコン製の半導体加速度センサを例になされてきたが、本発明は、これに限定されるわけではなく、梁を有するマイクロマシンであれば適用が可能であり、加速度センサの他、赤外線センサやフローセンサ等でもよい。また材質は、シリコンに限られるわけではなく、ガリウム砒素等の他の半導体あるいは水晶であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るマイクロマシンの梁構造の製造方法の実施の形態を示す工程図である。
【図２】上記図１の製造方法で製造されたマイクロマシンの梁構造を比較例とともに示す断面図である。
【図３】梁の破壊強度の測定方法を説明するための図である。
【図４】梁で支持された重りへの荷重量と変位量の相関を示す図である。
【図５】図２の梁構造の破壊強度の測定結果を比較例とともに示す図である。
【図６】両持ち梁の半導体加速度センサのモデル例を示す図である。
【図７】上記図６のモデル例に荷重した状態を示す図である。
【図８】従来の半導体加速度センサの構造を示す図である。
【図９】従来のマイクロマシンの梁構造の製造方法を示す工程図である。
【符号の説明】
１０１  シリコン半導体からなるｎ型エピタキシャル層
２０１  スリット
２０３  梁
２０５  凹状の側壁面
【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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