(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
その表面に凹部が形成されたシリコン基板と、前記凹部周縁部上の部分と凹部上に掛け渡された線状の梁部分とを有しシリコン酸化膜、シリコン窒化膜及びシリコン酸化膜の３層からなる３層体と、前記梁部分の中心部上に設けられたシリコン層からなる素子形成部とを有することを特徴とする中空梁を有するマイクロデバイス。
【請求項２】
前記シリコン層は単結晶シリコン層であることを特徴とする請求項１に記載の中空梁を有するマイクロデバイス。
【請求項３】
第１シリコン基板上に第１シリコン酸化膜を形成する工程と、第２シリコン基板上に第２シリコン酸化膜とその上にシリコン窒化膜とを形成する工程と、前記第１シリコン酸化膜とシリコン窒化膜とを重ねて第１及び第２シリコン基板を相互に接合する工程と、前記第２シリコン基板を研削して所定の厚さにする工程と、前記第２シリコン基板をエッチングして素子形成部を形成する工程と、前記第１シリコン酸化膜、シリコン窒化膜及び第２シリコン酸化膜をエッチングして線状の梁部分を形成する工程と、前記梁部分の下方の前記第１シリコン基板の表層部をエッチングして前記梁部分の下方に凹部を形成する工程と、を有することを特徴とする中空梁を有するマイクロデバイスの製造方法。
【請求項４】
前記第２シリコン基板は単結晶シリコン基板であることを特徴とする請求項３に記載の中空梁を有するマイクロデバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、温度センサ、赤外線センサ、振動センサ、加速度センサ及びマイクロジャイロ等のマイクロデバイス及びその製造方法に関し、特に、シリコン基板からの熱影響を極力抑制することができる中空梁を有するマイクロデバイス及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
温度センサ等のマイクロデバイスはシリコン基板の上に形成されているが、このシリコン基板からの熱影響を最小限にするために、デバイスを梁により支持したシリコン基板上に形成する技術が公知である。
【０００３】
図６は従来の中空梁を有するマイクロデバイスを示す断面図である。シリコン基板１の表面に凹部２が形成されており、このシリコン基板１の上に、ＳｉＯ２膜３及びＳｉ３Ｎ４膜４が形成されている。そして、このＳｉＯ２膜３及びＳｉ３Ｎ４膜４は、凹部２上で細い梁状（線状）にエッチング形成されており、この梁部の中央に多結晶シリコン層５が設けられている。この多結晶シリコン層５上に温度センサ等の機能素子が形成されている。この従来のマイクロデバイスにおいては、センサが形成された多結晶シリコン層５はＳｉＯ２膜３及びＳｉ３Ｎ４膜４の積層体からなる梁上に支持され、基板としてのこれらの積層体に対する接触面積が極めて小さいので、センサはその支持基板からの熱の影響を受けにくいという利点がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来の中空梁を有するマイクロデバイスは、ＳｉＯ２膜３とＳｉ３Ｎ４膜４との積層体で構成されているので、その内部応力及び熱膨張の差により反り及び撓みが生じやすいという欠点がある。また、温度センサ等の機能素子が形成される基板は、多結晶シリコン層５であるので、単結晶基板上に機能素子を形成した場合と比較して、その感度が低い。
【０００５】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、梁の反り及び撓みが極めて少なく、また、感度が優れた中空梁を有するマイクロデバイス及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る中空梁を有するマイクロデバイスは、その表面に凹部が形成されたシリコン基板と、前記凹部周縁部上の部分と凹部上に掛け渡された線状の梁部分とを有しシリコン酸化膜、シリコン窒化膜及びシリコン酸化膜の３層からなる３層体と、前記梁部分の中心部上に設けられたシリコン層からなる素子形成部とを有することを特徴とする。
【０００７】
この中空梁を有するマイクロデバイスにおいて、前記シリコン層は単結晶シリコン層であることが好ましい。
【０００８】
本発明に係る中空梁を有するマイクロデバイスの製造方法は、第１シリコン基板上に第１シリコン酸化膜を形成する工程と、第２シリコン基板上に第２シリコン酸化膜とその上にシリコン窒化膜とを形成する工程と、前記第１シリコン酸化膜とシリコン窒化膜とを重ねて第１及び第２シリコン基板を相互に接合する工程と、前記第２シリコン基板を研削して所定の厚さにする工程と、前記第２シリコン基板をエッチングして素子形成部を形成する工程と、前記第１シリコン酸化膜、シリコン窒化膜及び第２シリコン酸化膜をエッチングして線状の梁部分を形成する工程と、前記梁部分の下方の前記第１シリコン基板の表層部をエッチングして前記梁部分の下方に凹部を形成する工程と、を有することを特徴とする。
【０００９】
この中空梁を有するマイクロデバイスの製造方法において、前記第２シリコン基板は単結晶シリコン基板であることが好ましい。
【００１０】
本発明においては、梁部分はシリコン酸化膜、シリコン窒化膜及びシリコン酸化膜の３層積層体から構成されており、同種の２層に異種の１層が挟まれているので、温度変化が生じてもそれにより梁部分に反り及び撓みが生じることはない。また、本発明方法においては、第１シリコン基板と第２シリコン基板とを貼り合わせ、その後、前記第２シリコン基板を研削して所定厚さにすることにより、素子形成用のシリコン層を形成するので、この素子の基板となるシリコン層は単結晶シリコン基板とすることができる。このため、この単結晶シリコン層上に感温素子等の機能素子を形成すれば、感度が高いマイクロデバイスを得ることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は、本発明の実施例に係るマイクロデバイスを示す断面図（ａ）及び平面図（ｂ）である。シリコン基板１１の表面（貼り合わせ面）には、凹部１２が形成されており、このシリコン基板１１の上に、ＳｉＯ２膜１３、Ｓｉ３Ｎ４膜１４及びＳｉＯ２膜１５からなる３層積層体が形成されている。この積層体はシリコン基板１１の凹部１２の周縁部上の部分２１と、凹部１２上の梁部分２２とからなり、梁部分２２は、周縁部上部分２１の４隅部からその中心部に向けて延びる線状のものである。そして、梁部分２２はこの線状の部分が集まる中心部に矩形の部分を有する。この積層体の中心部の矩形部分上に、矩形の単結晶シリコン層１６が設けられている。この単結晶シリコン層１６には、酸素センサ等の機能素子が形成されている。
【００１２】
このように構成されたマイクロデバイスにおいては、単結晶シリコン層１６に機能素子が形成されているので、温度センサ等の感度が優れている。また、図５（ａ）に示すように、ＳｉＯ２膜はＳｉ層に比して熱膨張係数が大きく、このため、温度が上昇すると積層体はＳｉＯ２膜が外側になるように撓み、図５（ｂ）に示すように、Ｓｉ３Ｎ４膜はＳｉ層に比して熱膨張係数が低く、このため、温度が上昇すると積層体はＳｉ３Ｎ４膜が内側になるように撓む。このように、酸化膜と窒化膜とは逆向きの応力を有する。従って、本実施例のように、ＳｉＯ２膜１３と、Ｓｉ３Ｎ４膜１４と、ＳｉＯ２膜１５とを積層した３層構造の梁においては、熱膨張係数が小さいＳｉ３Ｎ４膜を中心とし熱膨張係数が大きなＳｉＯ２膜がその両側に配置されているので、２つの界面において逆の向きの応力を受け、ＳｉＯ２膜１３，１５とＳｉ３Ｎ４膜１４との熱膨張が相殺し合うので、反り及び撓みが発生することはない。
【００１３】
次に、図２乃至図４及び図１に基づいて本実施例のマイクロデバイスの製造方法について説明する。先ず、図２に示すように、第１シリコン基板１１上に、ＳｉＯ２膜１３を例えば５０００Åの厚さに形成する。一方、ボンドシリコン基板１７の表面にＳｉＯ２膜１５を例えば５０００Åの厚さに形成し、更にこのＳｉＯ２膜１５の上にＳｉ３Ｎ４膜１４を例えば１５００Åの厚さに形成する。
【００１４】
そして、図３に示すように、Ｓｉ３Ｎ４膜１４とＳｉＯ２膜１３とを重ね、挟圧力を印加しつつ例えば１１００℃に加熱することにより、両者を直接接合する。
【００１５】
更に、図４に示すように、ボンド基板１７における接合面の反対側の面を研磨し、その厚さを例えば５μｍにする。このようにして、薄膜の単結晶シリコン層１８を得る。
【００１６】
次いで、単結晶シリコン層１８に酸素センサ等の所定の機能素子を半導体薄膜形成技術により形成する。その後、図１（ｂ）に示すように、単結晶シリコン層１８をエッチングによりパターニングすることにより、中心部に微細な素子１６を残存させる。次いで、ＳｉＯ２膜１５，Ｓｉ３Ｎ４膜１４及びＳｉＯ２膜１３からなる積層体をエッチングして、ブリッジとなる梁部分２２をパターン形成する。更に、梁部分の下方のシリコン基板１１を所定形状にエッチングすることにより、シリコン基板１１の表面に矩形の凹部１２を形成する。
【００１７】
本実施例においては、このシリコン基板１１のエッチング時に、ボンドシリコン基板側にＳｉ３Ｎ４膜１４が形成されているので、引張り応力が印加されたシリコン基板１１と、圧縮応力が印加されたシリコン基板１８との接合界面にエッチング液が入り込むことがない。このため、図１に示すシリコン基板１１の凹部１２を形成する際に、ＳｉＯ２膜１３と、Ｓｉ３Ｎ４膜１４との界面にエッチング液が入り込み、ウエハが剥離するようなことはない。
【００１８】
また、本実施例においては、ボンド基板を貼り合わせ、このボンド基板を研磨することにより、機能素子を形成する薄膜のシリコン層を得ているので、機能素子を形成する薄膜シリコン層を単結晶シリコン層とすることができる。このため、本実施例により、感度が優れたセンサ素子を容易に得ることができる。
【００１９】
なお、本発明は上記実施例に限定されず、例えば、凹部の代わりに、シリコン基板を貫通する凹部とすることもできる。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、機能素子を形成するシリコン層を支持する梁部分に、シリコン酸化膜と、シリコン窒化膜と、シリコン酸化膜との３層積層体を使用しているので、梁部分に反り及び撓みが生じることを防止できる。また、シリコン窒化膜とシリコン酸化膜とを直接接合しているので、界面の密着性がよい膜を形成することができ、このため、シリコン基板のエッチング時の薬品のしみ込みを防止することができる。更に、素子形成用のシリコン層として単結晶シリコン層を使用した場合は、高感度の素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。
【図２】本発明の実施例方法を示す１工程の図である。
【図３】図２の次の工程を示す図である。
【図４】図３の次の工程を示す図である。
【図５】反りを説明する図である。
【図６】従来のマイクロデバイスを示す断面図である。
【符号の説明】
１，１１：シリコン基板
２，１２：凹部
３，１３，１５：ＳｉＯ２膜
４，１４：Ｓｉ３Ｎ４膜
１７：ボンドシリコン基板
１６，１８：単結晶シリコン層
【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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