(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１半導体層（１１）と第２半導体層（１２）と両層の間に挟まれた絶縁膜（１３）とを有する半導体基板（１０）を備え、前記第２半導体層（１２）と前記絶縁膜（１３）とを所定形状にエッチングすることで形成された、第１半導体層（１１）に対して可動な可動部（２３）と、前記絶縁膜（１３）を介して前記第１半導体層（１１）に固定された固定部（２２）と、前記可動部（２３）及び前記固定部（２２）を連結する梁（２４）とが前記第２半導体層（１２）に形成されたＭＥＭＳデバイス（１００）の前記絶縁膜（１３）の膜厚を検査する膜厚検査方法であって、
前記梁（２４）は、前記第１半導体層（１１）と前記第２半導体層（１２）との積層方向に可撓性を有しており、
前記可動部（２３）と前記第１半導体層（１１）との間に働く静電気力が徐々に高くなるように、前記可動部（２３）と前記第１半導体層（１１）とに検査電圧を印加することで、前記可動部（２３）を前記絶縁膜（１３）に近づける第１電圧印加工程と、
該第１電圧印加工程時にて、前記可動部（２３）が前記絶縁膜（１３）に接触した際の接触電圧を計測する第１電圧計測工程と、
該第１電圧計測工程後、前記可動部（２３）と前記第１半導体層（１１）との間に働く静電気力が徐々に低くなるように前記検査電圧を下げることで、前記可動部（２３）を前記絶縁膜（１３）から離反させる第２電圧印加工程と、
該第２電圧印加工程時にて、前記可動部（２３）が前記絶縁膜（１３）から離反する際の離反電圧を計測する第２電圧計測工程と、
該第２電圧計測工程後、前記検査電圧が印加されていない場合における前記可動部（２３）と前記絶縁膜（１３）との間の平均間隔をｄ０、前記可動部（２３）の下に位置する絶縁膜（１３）の最大厚さをｄ１、前記固定部（２２）の絶縁膜（１３）の厚さをｄ２、空気誘電率をε、前記絶縁膜（１３）の比誘電率をεｒ、前記可動部（２３）における前記絶縁膜（１３）及び前記第１半導体層（１１）との対向面積をＡ、前記梁（２４）における積層方向のバネ定数をｋ、前記接触電圧をＶ１、前記離反電圧をＶ２とすると、下記式
【数１】
0005884469.tif 000013
【数２】
0005884469.tif 000014
に基づいて、平均間隔ｄ０、最大厚さｄ１を求めた後、ｄ２−ｄ０より、前記可動部（２３）の下に位置する前記絶縁膜（１３）の平均厚さｄ３を演算する演算工程と、を有することを特徴とする膜厚検査方法。
【請求項２】
前記第１電圧計測工程において、前記可動部（２３）の変位量に基づいて、前記接触電圧を計測することを特徴とする請求項１に記載の膜厚検査方法。
【請求項３】
前記第２電圧計測工程において、前記可動部（２３）の変位量に基づいて、前記離反電圧を計測することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の膜厚検査方法。
【請求項４】
ドップラー効果型レーザー干渉計によって、前記可動部（２３）の変位量を計測することを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の膜厚検査方法。
【請求項５】
前記第１電圧計測工程において、前記可動部（２３）と前記第１半導体層（１１）との間に形成されるコンデンサの静電容量に基づいて、前記接触電圧を計測することを特徴とする請求項１に記載の膜厚検査方法。
【請求項６】
前記第２電圧計測工程において、前記可動部（２３）と前記第１半導体層（１１）との間に形成されるコンデンサの静電容量に基づいて、前記離反電圧を計測することを特徴とする請求項５に記載の膜厚検査方法。
【請求項７】
前記ＭＥＭＳデバイス（１００）は、加速度センサ、若しくは、角速度センサであることを特徴とする請求項１〜６いずれか１項に記載の膜厚検査方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、絶縁膜の膜厚を検査する膜厚検査方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献１に示されるように、シリコン基板と、このシリコン基板上に形成された絶縁膜及び導電パターンと、を備えるセンサデバイス構造体の検査方法が提案されている。この検査方法では、導電パターンとシリコン基板間の静電容量を測定し、この測定された静電容量値に基づいて絶縁膜の膜厚の良否を評価している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−３３２１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１に示される検査方法では、測定された静電容量値と、絶縁膜の膜厚を一定と仮定した場合に成立するコンデンサの静電容量値とが等しいという等式に基づいて、絶縁膜の膜厚を評価している。しかしながら、絶縁膜の膜厚は、実際には一定でなく、ばらつきがある。そのため、測定した静電容量値には、上記したばらつきの影響が含まれることになる。その値は、膜厚が一定であると仮定した場合のコンデンサの静電容量とは異なるため、上記した等式に基づいて膜厚を検査する方法では、膜厚の検査精度が十分ではなかった。
【０００５】
そこで、本発明は上記問題点に鑑み、絶縁膜の膜厚の検査精度が向上された膜厚検査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】
【０００６】
上記した目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、第１半導体層（１１）と第２半導体層（１２）と両層の間に挟まれた絶縁膜（１３）とを有する半導体基板（１０）を備え、第２半導体層（１２）と絶縁膜（１３）とを所定形状にエッチングすることで形成された、第１半導体層（１１）に対して可動な可動部（２３）と、絶縁膜（１３）を介して第１半導体層（１１）に固定された固定部（２２）と、可動部（２３）及び固定部（２２）を連結する梁（２４）とが第２半導体層（１２）に形成されたＭＥＭＳデバイス（１００）の絶縁膜（１３）の膜厚を検査する膜厚検査方法であって、梁（２４）は、第１半導体層（１１）と第２半導体層（１２）との積層方向に可撓性を有しており、可動部（２３）と第１半導体層（１１）との間に働く静電気力が徐々に高くなるように、可動部（２３）と第１半導体層（１１）とに検査電圧を印加することで、可動部（２３）を絶縁膜（１３）に近づける第１電圧印加工程と、該第１電圧印加工程時にて、可動部（２３）が絶縁膜（１３）に接触した際の接触電圧を計測する第１電圧計測工程と、該第１電圧計測工程後、可動部（２３）と第１半導体層（１１）との間に働く静電気力が徐々に低くなるように検査電圧を下げることで、可動部（２３）を絶縁膜（１３）から離反させる第２電圧印加工程と、該第２電圧印加工程時にて、可動部（２３）が絶縁膜（１３）から離反する際の離反電圧を計測する第２電圧計測工程と、該第２電圧計測工程後、検査電圧が印加されていない場合における可動部（２３）と絶縁膜（１３）との間の平均間隔をｄ０、可動部（２３）の下に位置する絶縁膜（１３）の最大厚さをｄ１、固定部（２２）の絶縁膜（１３）の厚さをｄ２、空気誘電率をε、絶縁膜（１３）の比誘電率をεｒ、可動部（２３）における絶縁膜（１３）及び第１半導体層（１１）との対向面積をＡ、梁（２４）における積層方向のバネ定数をｋ、接触電圧をＶ１、離反電圧をＶ２とすると、下記式
【数１】
0005884469.tif 000002
【数２】
0005884469.tif 000003
に基づいて、平均間隔ｄ０、最大厚さｄ１を求めた後、ｄ２−ｄ０より、可動部（２３）の下に位置する絶縁膜（１３）の平均厚さｄ３を演算する演算工程と、を有することを特徴とする。
【０００７】
可動部（２３）の下に位置する絶縁膜（１３）、すなわち、エッチングされた絶縁膜（１３）の表面には突起があり、突起形成部分において、絶縁膜（１３）の厚さが最大となっている。これに対して、本発明では、絶縁膜（１３）の最大厚さｄ１を除いた、絶縁膜（１３）の平均厚さｄ３を求めている。これによれば、絶縁膜の表面に形成された突起（膜厚のばらつき）を含む静電容量と、絶縁膜の膜厚が一定とした場合の静電容量とが等しいという等式に基づいて、絶縁膜（１３）の膜厚ｄ３を検査する方法と比べて、膜厚ｄ３の検査精度が向上される。なお、上記した数１，２の成立する理由は、実施形態にて詳説する。
【０００８】
請求項２に記載のように、第１電圧計測工程において、可動部（２３）の変位量に基づいて、接触電圧を計測する構成が良い。
【０００９】
第１電圧印加工程にて、可動部（２３）と第１半導体層（１１）とに検査電圧が印加された際、可動部（２３）には、梁（２４）の復元力と静電気力とが互いに逆向きに生じる。当初、可動部（２３）は、上記した２つの力が釣り合った状態で、徐々に絶縁膜（１３）に近づく。しかしながら、静電気力が復元力を上回ると、可動部（２３）は瞬時に絶縁膜（１３）に接触して、停止する。したがって、可動部（２３）の変位における、急激な振る舞いの後に、停止した瞬間の検査電圧をモニタリングすれば、接触電圧を計測することができる。
【００１０】
請求項３に記載のように、第２電圧計測工程において、可動部（２３）の変位量に基づいて、離反電圧を計測する構成が良い。
【００１１】
第２電圧印加工程にて、可動部（２３）と第１半導体層（１１）とに印加している検査電圧を徐々に弱めた結果、復元力が静電気力を上回ると、可動部（２３）は瞬時に絶縁膜（１３）から離反する。したがって、可動部（２３）の変位における、急激な振る舞いを示す瞬間の検査電圧をモニタリングすれば、離反電圧を計測することができる。
【００１２】
請求項４に記載のように、ドップラー効果型レーザー干渉計によって、可動部（２３）の変位量を計測する構成を採用することができる。これによれば、非接触で可動部（２３）の変位量を計測することができる。
【００１３】
請求項５に記載のように、第１電圧計測工程において、可動部（２３）と第１半導体層（１１）との間に形成されるコンデンサの静電容量に基づいて、接触電圧を計測する構成が良い。
【００１４】
第１電圧印加工程にて、可動部（２３）が、復元力と静電気力とが釣り合った状態で、徐々に絶縁膜（１３）に近づいている場合、可動部（２３）と第１半導体層（１１）との間に構成されるコンデンサの静電容量は、徐々に変化する。しかしながら、静電気力が復元力を上回り、可動部（２３）が絶縁膜（１３）に接触すると、コンデンサの静電容量が瞬時に上昇する。したがって、コンデンサの静電容量における、瞬時に上昇した瞬間の検査電圧をモニタリングすれば、接触電圧を計測することができる。
【００１５】
請求項６に記載のように、第２電圧計測工程において、可動部（２３）と第１半導体層（１１）との間に形成されるコンデンサの静電容量に基づいて、離反電圧を計測する構成が良い。
【００１６】
第２電圧印加工程にて、復元力が静電気力を上回ると、可動部（２３）は瞬時に絶縁膜（１３）から離反し、コンデンサの静電容量が瞬時に下降する。したがって、コンデンサの静電容量における、瞬時に下降した瞬間の検査電圧をモニタリングすれば、離反電圧を計測することができる。
【００１７】
請求項７に記載のように、ＭＥＭＳデバイス（１００）としては、加速度センサや角速度センサを採用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】ＭＥＭＳデバイスの概略構成を示す断面図である。
【図２】電圧印加前の可動部を示す断面図である。
【図３】電圧印加による可動部の変位を示す断面図である。
【図４】可動部と絶縁膜との接触を示す断面図である。
【図５】検査電圧と可動部の変位を示すグラフ図である。
【図６】接触電圧と離反電圧それぞれの関係式の導出を説明するためのＭＥＭＳデバイスの簡略図であり、（ａ）は電圧印加前、（ｂ）は電圧印加時を示している。
【図７】変位測定手段の変形例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１〜図６に基づいて、本実施形態に係る膜厚検査方法を説明する。なお、以下においては、互いに直交の関係にある方向をｘ方向及びｙ方向、これら２つの方向に直交する方向をｚ方向と示す。なお、ｚ方向が、特許請求の範囲に記載の積層方向に相当する。
【００２０】
図１に示すように、ＭＥＭＳデバイス１００は、半導体基板１０と、半導体基板１０に形成された微細構造体２０と、を有する。半導体基板１０は、第１半導体層１１と第２半導体層１２との間に絶縁膜１３が挟まれて成るＳＯＩ基板であり、第１半導体層１１の主面１１ａは、ｘ方向とｙ方向とによって規定されるｘ−ｙ平面に沿っている。なお、半導体基板１０の厚さ、及び、構成材料は設計時に決定されるため、絶縁膜１３の厚さ、及び、誘電率などは既知となっている。
【００２１】
微細構造体２０は、周知の露光技術を用いて、第２半導体層１２と絶縁膜１３とを所定形状にエッチングすることで形成されたものである。微細構造体２０は、絶縁膜１３を介さずに、第１半導体層１１に対して第２半導体層１２が浮いた浮遊部２１と、絶縁膜１３を介して、第１半導体層１１に第２半導体層１２が固定された固定部２２と、を有する。浮遊部２１は、可動部２３と、該可動部２３と固定部２２とを連結する、ｚ方向に可撓性を有する梁２４と、を有する。これら可動部２３と梁２４の形状は、設計時に決定される。そのため、可動部２３における絶縁膜１３及び第１半導体層１１との対向面積と、梁２４のｚ方向のバネ定数などは既知となっている。
【００２２】
なお、上記した微細構造体２０を形成する際、第２半導体層１２の不要部位はウエットエッチングなどによって除去される。しかしながら、可動部２３の下にエッチング液が侵入し難いため、可動部２３の下に意図しない突起１３ａが生じ、その部位だけ局所的に厚みを増している。
【００２３】
次に、図２〜図５に基づいて、絶縁膜１３の膜厚検査方法を説明する。図２に示すように、第１半導体層１１と第２半導体層１２とに検査電圧を印加する。こうすることで、第１半導体層１１と第２半導体層１２とに静電気力を発生させ、図３に示すように、可動部２３を絶縁膜１３側に引き寄せる。この可動部２３のｚ方向への変位は、可動部２３の変位によって生じるレーザーのドップラー効果によって測定される。本実施形態では、可動部２３の変位測定手段３０として、ドップラー効果型レーザー干渉計を用いている。
【００２４】
図５に示すように、可動部２３に働く静電気力が徐々に高くなるよう、検査電圧を徐々に高める。こうすることで、可動部２３は絶縁膜１３の方へと徐々に変位させる。この際、可動部２３には、梁２４の復元力と静電気力とが互いに逆向きに生じる。可動部２３は、これら２つの力が釣り合った状態で、徐々に絶縁膜１３に近づく。以上が、第１電圧印加工程である。
【００２５】
検査電圧の上昇に伴って、可動部２３に生じる復元力と静電気力は徐々に高まる。そして、静電気力が復元力を上回ると、図４及び図５に示すように、可動部２３は瞬時に絶縁膜１３（突起１３ａ）に接触して、停止する。この瞬間の検査電圧が、特許請求の範囲に記載の接触電圧に相当する。この接触電圧を計測しておく。以上が、第１電圧計測工程である。
【００２６】
第１電圧計測工程後、今度は、可動部２３に働く静電気力が徐々に低くなるよう、検査電圧を徐々に低める。以上が、第２電圧印加工程である。
【００２７】
検査電圧の低下に伴って、可動部２３に生じる静電気力が徐々に低まる。復元力が静電気力を上回ると、図５に示すように、可動部２３は瞬時に絶縁膜１３（突起１３ａ）から離反する。この瞬間の検査電圧が、特許請求の範囲に記載の離反電圧に相当する。この離反電圧を計測しておく。以上が、第２電圧計測工程である。
【００２８】
第２電圧計測工程後、計測した接触電圧Ｖ１、離反電圧Ｖ２、既知である、固定部２２を構成する絶縁膜１３の厚さｄ２、空気誘電率ε、絶縁膜１３の比誘電率εｒ、可動部２３における絶縁膜１３及び第１半導体層１１との対向面積Ａ、梁２４におけるｚ方向のバネ定数ｋ、及び、後述する演算式に基づいて、検査電圧が印加されていない場合における可動部２３と絶縁膜１３との間の平均間隔ｄ０、可動部２３の下に位置する絶縁膜１３の最大厚さ、すなわち、突起１３ａの主面１１ａからの長さｄ１を求める。その後、ｄ２−ｄ０より、可動部２３の下に位置する絶縁膜１３の平均厚さｄ３を演算する。以上が、演算工程である。
【００２９】
上記した各工程を経ることで、可動部２３の下に位置する絶縁膜１３の平均厚さｄ３が求められる。これにより、可動部２３を構成する第１半導体層１１と、可動部２３の下に位置する第２半導体層１２との絶縁性が確保される程度に、絶縁膜１３の膜厚が確保されているか否かが判断される。また、図示しないが、可動部２３に形成された櫛歯電極間の隙間から、可動部２３と絶縁膜１３との間に異物が入り込んだとしても、可動部２３と異物との接触が抑制される程度に絶縁膜１３が除去されているか否かが判断される。
【００３０】
次に、電圧Ｖ１，Ｖ２と、平均間隔ｄ０、突起１３ａの長さｄ１の関係式の導出を図６に基づいて説明する。梁２４の機能としては、可動部２３を壁に連結し、ｚ方向にバネ定数ｋのバネ性を有することである。そのため、図６では、梁２４に相当する、ｚ方向のバネ定数がｋであるバネによって、可動部２３が壁に連結された絵になっている。図６（ｂ）に示すように、検査電圧Ｖの印加によって、可動部２３が絶縁膜１３へ変位し、可動部２３と絶縁膜１３の表面との間の距離がｘに変位したとする。この場合、可動部２３に生じる静電気力Ｆｅは、可動部２３と該可動部２３と対向する第１半導体層１１とによってコンデンサが構成されているので、下記式で表される。
【数３】
0005884469.tif 000004
ただし、α＝（ｄ２−ｄ０）／εｒである。
【００３１】
また、可動部２３に生じる復元力Ｆｋは、下記式で表される。
【数４】
0005884469.tif 000005
【００３２】
第１電圧印加工程において、静電気力Ｆｅと復元力Ｆｋとが釣り合っている場合、数３、数４から、下記式が成立する。
【数５】
0005884469.tif 000006
これを検査電圧Ｖについて求めると、下記式となる。
【数６】
0005884469.tif 000007
【００３３】
上記したように、検査電圧が上昇して、静電気力が復元力を上回ると、可動部２３は絶縁膜１３（突起１３ａ）に接触して停止する。これは、数６で言うと、∂Ｖ／∂ｘ＝０を意味している。したがって、下記式が成立する。
【数７】
0005884469.tif 000008
これを整理すると、下記式が成立する。
【数８】
0005884469.tif 000009
【００３４】
以上により、数８をｘについて解き、それを数６に代入すると、接触電圧Ｖ１が下記式で表される。
【数９】
0005884469.tif 000010
【００３５】
また、離反する際のｘは、下記式を満たす。
【数１０】
0005884469.tif 000011
したがって、数１０を数６に代入すると、離反電圧Ｖ２が下記式で表される。
【数１１】
0005884469.tif 000012
【００３６】
数９、数１１は、ｄ０，ｄ１を変数とする関係式なので、これら２式より、ｄ０，ｄ１が求められる。なお、数９，１１は、特許請求の範囲に記載の数１，２に相当する。
【００３７】
次に、本発明に係る膜厚検査方法の作用効果について説明する。上記したように、本検査方法では、意図せずして形成された突起１３ａを除いた、絶縁膜１３の平均厚さｄ３を求めている。これによれば、絶縁膜の表面に形成された突起（膜厚のばらつき）を含む静電容量と、絶縁膜の膜厚が一定とした場合の静電容量とが等しいという等式に基づいて、絶縁膜１３の膜厚を検査する方法と比べて、絶縁膜１３の膜厚の検査精度が向上される。
【００３８】
ドップラー効果型レーザー干渉計によって、可動部２３の変位量を計測している。これによれば、非接触で可動部２３の変位量を計測することができる。
【００３９】
上記したように、第１電圧印加工程にて、当初、可動部２３は、静電気力と復元力とが釣り合った状態で、徐々に絶縁膜１３に近づく。しかしながら、静電気力が復元力を上回ると、可動部２３は瞬時に絶縁膜１３に接触して、停止する。この可動部２３の振る舞いをドップラー効果型レーザー干渉計によって観測し、可動部２３の変位における、急激な振る舞いの後に停止した瞬間の検査電圧をモニタリングすれば、接触電圧を計測することができる。
【００４０】
上記したように、第２電圧印加工程にて、可動部２３と第１半導体層１１とに印加している検査電圧を徐々に弱めた結果、復元力が静電気力を上回ると、可動部２３は瞬時に絶縁膜１３から離反する。この可動部２３の振る舞いをドップラー効果型レーザー干渉計によって観測し、可動部２３の変位における、急激な振る舞いを示す瞬間の検査電圧をモニタリングすれば、離反電圧を計測することができる。
【００４１】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。
【００４２】
本実施形態では、可動部２３の変位測定手段３０として、ドップラー効果型レーザー干渉計を用いた例を示した。しかしながら、可動部２３の変位測定手段３０としては、上記例に限定されず、例えば、図７に示すように、静電容量計を採用することもできる。第１電圧印加工程にて、静電気力が復元力を上回り、可動部２３が絶縁膜１３に接触すると、可動部２３と対向する第１半導体層１１とによって構成されたコンデンサの静電容量が瞬時に上昇する。したがって、コンデンサの静電容量における、瞬時に上昇した瞬間の検査電圧をモニタリングすれば、接触電圧Ｖ１を計測することができる。また、第２電圧印加工程にて、復元力が静電気力を上回ると、可動部２３は瞬時に絶縁膜１３から離反し、コンデンサの静電容量が瞬時に下降する。したがって、コンデンサの静電容量における、瞬時に下降した瞬間の検査電圧をモニタリングすれば、離反電圧Ｖ２を計測することができる。図７は、変位測定手段の変形例を示す断面図である。
【００４３】
なお、本実施形態では、特に、ＭＥＭＳデバイス１００の用途を限定していなかったが、ＭＥＭＳデバイス１００としては、加速度センサや角速度センサを採用することができる。
【符号の説明】
【００４４】
１０・・・半導体基板
１１・・・第１半導体層
１２・・・第２半導体層
１３・・・絶縁膜
２３・・・可動部
２４・・・梁
３０・・・変位測定手段
１００・・・ＭＥＭＳデバイス
【図１】
0005884469.tif 000015
【図２】
0005884469.tif 000016
【図３】
0005884469.tif 000017
【図４】
0005884469.tif 000018
【図５】
0005884469.tif 000019
【図６】
0005884469.tif 000020
【図７】
0005884469.tif 000021