(57)【要約】【課題】マイクロローディング効果の影響を抑制し、エッチングの均一性の向上が図られた力学量検出センサ及びその製造方法を提供する。【解決手段】力学量検出センサが、開口を有する固定部と、この開口内に配置され、かつ前記固定部に対して変位する変位部と、前記固定部と前記変位部とを接続する接続部と、を有する第１の構造体と、前記変位部に接合され、かつ前記接続部に対応する凹部を有する重量部と、前記重量部を囲んで配置され、かつ前記固定部に接合される台座と、を有し、前記第１の構造体に積層して配置される第２の構造体と、前記変位部の変位を検出する変位検出部と、を具備する。【選択図】図１
2006308325.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
開口を有する固定部と、この開口内に配置され、かつ前記固定部に対して変位する変位部と、前記固定部と前記変位部とを接続する接続部と、を有する第１の構造体と、
前記変位部に接合され、かつ前記接続部に対応する凹部を有する重量部と、前記重量部を囲んで配置され、かつ前記固定部に接合される台座と、を有し、前記第１の構造体に積層して配置される第２の構造体と、
前記変位部の変位を検出する変位検出部と
を具備することを特徴とする力学量検出センサ。
【請求項２】
前記接続部が、所定の幅を有する第１の部材と、前記第１の部材の一端にそれぞれ接続される一端を備え、かつ少なくとも一部分が前記所定の幅より大きい間隔で離間して配置される第２、第３の部材と、を有することを特徴とする請求項１に記載の力学量検出センサ。
【請求項３】
前記接続部が、前記第２、第３の部材それぞれの他端と接続される一端を備える第４の部材を有することを特徴とする請求項２に記載の力学量検出センサ。
【請求項４】
前記接続部が、前記第１の部材の他端と接続され、かつ互いに離間して配置される第５、第６の部材を有することを特徴とする請求項２に記載の力学量検出センサ。
【請求項５】
前記第１の構造体の構成材料が、面方位（１００）、（１１０）または（１１１）の単結晶シリコンであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の力学量検出センサ。
【請求項６】
前記第１の構造体の構成材料が、面方位（１００）と、前記接続部の接続方向と略一致する方位＜１１０＞と、を有する単結晶シリコンであることを特徴とする請求項５に記載の力学量検出センサ。
【請求項７】
前記第１の構造体の構成材料が、面方位（１１０）と、前記接続部の接続方向と略４５°または略１３５°の角度をなす方位＜１１０＞と、を有する単結晶シリコンであることを特徴とする請求項５に記載の力学量検出センサ。
【請求項８】
前記第２の構造体の構成材料が、面方位（１００）、（１１０）または（１１１）の単結晶シリコンであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の力学量検出センサ。
【請求項９】
前記第２の構造体の構成材料が、面方位（１００）と、前記接続部の接続方向と略一致する方位＜１１０＞と、を有する単結晶シリコンであることを特徴とする請求項８に記載の力学量検出センサ。
【請求項１０】
前記第２の構造体の構成材料が、面方位（１００）と、前記接続部の接続方向と略４５°の角度をなす方位＜１１０＞と、を有する単結晶シリコンであることを特徴とする請求項８に記載の力学量検出センサ。
【請求項１１】
前記変位検出部が、前記接続部に配置されたピエゾ抵抗素子と、このピエゾ抵抗素子の電気抵抗の変化を検出する検出回路と、を有し、前記力学量が加速度であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の力学量検出センサ。
【請求項１２】
前記変位部に振動を付与する振動付与部をさらに具備し、前記力学量が角速度であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の力学量検出センサ。
【請求項１３】
第１、第２、第３の層が順に積層されてなる積層基板の第１の層をエッチングして、第1の開口を有する固定部と、この第1の開口内に配置され、かつ前記固定部に対して変位する変位部と、前記固定部と前記変位部とを接続する接続部と、を有する第１の構造体を作成するステップと、
前記第２の層をエッチングして、前記接続部の幅方向での両脇の少なくとも一部に対応する領域に第２の開口を作成するステップと、
前記第３の層を前記第２の開口からエッチングして、前記接続部に対応する領域に凹部を形成するステップと、
前記第３の層をエッチングして、前記変位部に接合され、かつ前記凹部を有する重量部と、前記重量部を囲んで配置され、かつ前記固定部に接合される台座と、を有し、前記第１の構造体に積層して配置される第２の構造体を作成するステップと、
前記第２の層をエッチングして、第３の開口を有し、かつ前記固定部と前記台座とを接合する台座接合部と、この第３の開口内に配置され、かつ前記変位部と前記重量部とを接合する重量部接合部と、を有する接合部を作成するステップと、
を具備することを特徴とする力学量検出センサの製造方法。
【請求項１４】
前記接続部が、所定の幅を有する第１の部材と、前記第１の部材の一端にそれぞれ接続される一端を備え、かつ少なくとも一部分が前記所定の幅より大きい間隔で離間して配置される第２、第３の部材と、を有することを特徴とする請求項１３に記載の力学量検出センサの製造方法。
【請求項１５】
前記第２の層をエッチングして、前記第２、第３の部材間の少なくとも一部に第４の開口を作成するステップをさらに具備し、
前記凹部を形成するステップが、前記第３の層を前記第４の開口からエッチングするステップを含むことを特徴とする請求項１４に記載の力学量検出センサの製造方法。
【請求項１６】
前記接続部が、前記第２、第３の部材それぞれの他端と接続される一端を備える第４の部材を有することを特徴とする請求項１４又は１５に記載の力学量検出センサの製造方法。
【請求項１７】
前記接続部が、前記第１の部材の他端と接続され、かつ互いに離間して配置される第５、第６の部材を有することを特徴とする請求項１４又は１５に記載の力学量検出センサの製造方法。
【請求項１８】
前記第１の構造体の構成材料が、面方位（１００）、（１１０）または（１１１）の単結晶シリコンであることを特徴とする請求項１３〜１７のいずれか一項に記載の力学量検出センサの製造方法。
【請求項１９】
前記第１の構造体の構成材料が、面方位（１００）と、前記接続部の接続方向と略一致する方位＜１１０＞と、を有する単結晶シリコンであることを特徴とする請求項１８に記載の力学量検出センサの製造方法。
【請求項２０】
前記第１の構造体の構成材料が、面方位（１１０）と、前記接続部の接続方向と略４５°または略１３５°の角度をなす方位＜１１０＞と、を有する単結晶シリコンであることを特徴とする請求項１８に記載の力学量検出センサの製造方法。
【請求項２１】
前記第２の構造体の構成材料が、面方位（１００）、（１１０）または（１１１）の単結晶シリコンであることを特徴とする請求項１３〜２０のいずれか一項に記載の力学量検出センサの製造方法。
【請求項２２】
前記第２の構造体の構成材料が、面方位（１００）と、前記接続部の接続方向と略一致する方位＜１１０＞と、を有する単結晶シリコンであることを特徴とする請求項２１に記載の力学量検出センサの製造方法。
【請求項２３】
前記第２の構造体の構成材料が、面方位（１００）と、前記接続部の接続方向と略４５°の角度をなす方位＜１１０＞と、を有する単結晶シリコンであることを特徴とする請求項２１に記載の力学量検出センサの製造方法。
【請求項２４】
前記凹部を形成するステップでのエッチングが、異方性エッチングであることを特徴とする請求項１３〜２３のいずれか一項に記載の力学量検出センサの製造方法。
【請求項２５】
前記凹部を形成するステップでのエッチングが、等方性エッチングであることを特徴とする請求項１３〜２３のいずれか一項に記載の力学量検出センサの製造方法。
【請求項２６】
前記第１の構造体を作成するステップ及び前記第２の構造体を作成するステップのエッチングが、誘導結合型プラズマエッチング方法により行われることを特徴とする請求項１３〜２５のいずれか一項に記載の力学量検出センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力学量検出センサ及びその製造方法に関する。力学量検出センサには、例えば、加速度センサ、角速度センサが含まれる。
【背景技術】
【０００２】
シリコン層／酸化シリコン層／シリコン層の３層構造をもったＳＯＩ基板をエッチングして、加速度を検出する力学量検出センサを製造する技術が開示されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特許公開２００３−３２９７０２号公報、第００３１段落及び第００４０段落、並びに図２及び図８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、このような技術では、エッチングが不均一となる可能性がある。加速度センサは加速度による力を受ける重量部を有し、この重量部の形状が複雑になりがちである。このため、重量部を形成するためのエッチングにおいて、マイクロローディング効果（エッチングする幅の大小によりエッチングのスピードが異なる現象）の影響を受ける可能性がある。
上記に鑑み、本発明は、上記のマイクロローディング効果の影響を抑制し、エッチングの均一性の向上が図られた力学量検出センサ及びそ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】
【０００４】
本発明に係る力学量検出センサは、開口を有する固定部と、この開口内に配置され、かつ前記固定部に対して変位する変位部と、前記固定部と前記変位部とを接続する接続部と、を有する第１の構造体と、前記変位部に接合され、かつ前記接続部に対応する凹部を有する重量部と、前記重量部を囲んで配置され、かつ前記固定部に接合される台座と、を有し、前記第１の構造体に積層して配置される第２の構造体と、前記変位部の変位を検出する変位検出部と、を具備することを特徴とする。
本発明の力学量検出センサでは、重量部の変位を可能とする凹部を有する。この凹部は、第１の構造体側(上方)からのエッチングで形成可能であり、接続部の下の領域について、第３の構造体の下方からのエッチングを要しない。このため、重量部の形成のために下方からエッチングする領域を重量部と台座との間のみに限定できる。下方からエッチングする領域を限定することで、マイクロローディング効果等に起因するエッチングの不均一性を低減することが可能となる。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によれば、マイクロローディング効果の影響を抑制し、エッチングの均一性の向上が図られた力学量検出センサ及びその製造方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
（第１の実施形態）
本発明は、力学量検出センサ及びその製造方法に関するものであるが、ここでは、加速度センサの構成を述べる。
図１は本発明の第１の実施形態に係る加速度センサ１００を表す斜視図である。また、図２は加速度センサ１００を分解した状態を表す分解斜視図である。図３及び図４は、それぞれ、加速度センサ１００を、図１のＡ−Ａ及びＢ−Ｂに沿って切断した状態を表す一部断面図である。
【０００７】
加速度センサ１００は、互いに積層して配置される第１の構造体１１０、接合部１２０、第２の構造体１３０及び基体１４０を有する。なお、図２では、見やすさのために、接合部１２０は省略している。
第１の構造体１１０、接合部１２０及び第２の構造体１３０は、その外周が例えば、
１ｍｍの辺の略正方形状である。これらの高さは、加速度センサの用途に応じて決めることができる。これらの高さは、それぞれ、例えば、３μｍ〜１２μｍ、０．５μｍ〜３μｍ、５００μｍ〜７２５μｍである。
第１の構造体１１０、接合部１２０、及び第２の構造体１３０はそれぞれ、シリコン、酸化シリコン、シリコンから構成可能であり、シリコン／酸化シリコン／シリコンの３層構造をなすＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いて製造可能である。本実施の形態では、第２の構造体の構成材料として、主面の面方位が（１００）の単結晶シリコンを使用した。また、基体１４０は、シリコン、金属、ガラスで構成可能である。
【０００８】
第１の構造体１１０は、外径が略正方形であり、固定部１１１、変位部１１２、接続部１１３a〜１１３ｄから構成される。第１の構造体１１０は、半導体材料の層をエッチングして開口部１１４ａ〜１１４ｄ、梁開口部１１５ａ〜１１５ｄを形成することで作成できる。
【０００９】
固定部１１１は、外周、内周（開口）が共に略正方形の枠形状の基板である。
変位部１１２は、外周が略正方形の基板であり、固定部１１１の開口の中央近傍に配置される。
接続部１１３a〜１１３ｄは長手方向の一部に梁開口部１１５ａ〜１１５ｄを備え、固定部１１１と変位部１１２とを４方向（Ｘ正方向、Ｘ負方向、Ｙ正方向、Ｙ負方向）で接続する。
【００１０】
接続部１１３a〜１１３ｄは、撓みが可能な梁として機能する。接続部１１３a〜１１３ｄが撓むことで、変位部１１２が固定部１１１に対して変位可能である。具体的には、変位部１１２が固定部１１１に対して、Ｚ正方向、Ｚ負方向に直線的に変位する。また、変位部１１２は、固定部１１１に対してＸ軸およびＹ軸を回転軸とする正負の回転が可能である。即ち、ここでいう「変位」には、移動および回転（Ｚ軸方向での移動、Ｘ，Ｙ軸での回転）の双方を含めることができる。
【００１１】
変位部１１２の変位（移動および回転）を検知することで、Ｘ，Ｙ，Ｚの３軸方向の加速度を測定することができる。
接続部１１３a〜１１３ｄ上に、１２個のピエゾ抵抗素子Ｒ（Ｒｘ１〜Ｒｘ４，Ｒｙ１〜Ｒｙ４、Ｒｚ１〜Ｒｚ４）が配置されている。このピエゾ抵抗素子Ｒは、抵抗の変化として接続部１１３の撓み（あるいは、歪み）、ひいては変位部１１２の変位を検出するためのものである。なお、この詳細は後述する。
【００１２】
第２の構造体１３０は、外形が略正方形であり、台座１３１及び重量部１３２から構成される。
【００１３】
台座１３１は、外周、内周（開口１３３）が共に略正方形の枠形状の基板である。台座１３１は固定部１１１と対応した形状を有し、台座接合部１２１によって固定部１１１に接続される。
重量部１３２は、複数の凹部１３２a〜１３２dを有する周辺部１３２eと、中央部１３２fとに区分して考えることができる。中央部１３２fは、重量部１３２の中央に配置される。周辺部１３２eは、接続部１１３a〜１１３ｄに対応する複数の凹部１３２a〜１３２dを有し、中央部１３２fの周辺に接続される。重量部１３２は、質量を有し、加速度によって力を受ける重錘、あるいは作用体として機能する。即ち、加速度が印加されると、重量部１３２の重心に力が作用し、全体として変位（移動、回転）が可能となっている。
【００１４】
重量部１３２のうちの中央部１３２ｆは、変位部１１２と対応する略正方形の断面形状を有し、後述の重量部接合部１２２によって変位部１１２と接合される。この結果、重量部１３２に加わった加速度に応じて変位部１１２が変位し、その結果、加速度の測定が可能となる。
【００１５】
重量部１３２のうちの周辺部１３２eは、第１の構造体１１０の開口１１４ａ〜１１４ｄに対応して配置される。また、凹部１３２a〜１３２dは、接続部１１３a〜１１３ｄに対応して配置される。重量部１３２が変位したときに周辺部１３２ｅが接続部１１３に接触しないようにするためである（周辺部１３２ｅが接続部１１３に接触すると、加速度の検出が阻害される）。
【００１６】
重量部１３２に凹部１３２a〜１３２dを設けているのは、加速度センサ１００の小型化と高感度化の両立を図るためである。加速度センサ１００を小型化（小容量化）すると、重量部１３２の容量も小さくなり、その質量が小さくなることから、加速度に対する感度も低下する。接続部１１３a〜１１３ｄの撓みを阻害しないように、接続部１１３に対応する部分のみに凹部１３２a〜１３２dを設けて、重量部１３２の質量を確保している。この結果、加速度センサ１００の小型化と高感度化の両立が図られる。
【００１７】
また、重量部１３２が接続部１１３a〜１１３ｄに対応する凹部１３２a〜１３２dを有することによって、マイクロローディング効果の影響を抑制することができ、エッチングの面内均一性を向上することができる。接続部１１３a〜１１３ｄの下の領域を下方向から垂直エッチングを行う必要はないので、重量部１３２と台座１３１との間のみを下方向から垂直エッチングするだけで足りる。エッチングの範囲が限定されるので、エッチングむらが発生しにくい。さらに、重量部１３２と台座１３１との間隔を均一にすることで、さらにエッチングの均一化が可能である。
【００１８】
第２の構造体１３０は、半導体材料の基板を上方から異方性ウエットエッチング（接続部１１３の下のアンダーエッチング）して凹部１３２a〜１３２dを形成し、半導体材料の基板の下方から異方性ドライエッチング（垂直エッチング）して開口部１３３を形成することで作成可能である。
【００１９】
接合部１２０は、既述のように、第１、第２の構造体１１０、１３０を接続するものである。接合部１２０は、固定部１１１と台座１３１を接続する台座接合部１２１と、変位部１１２と重量部１３２のうちの中央部１３２ｆを接続する重量部接合部１２２とに区分される。接合部１２０は、これ以外の部分では、第１、第２の構造体１１０、１３０を接続していない。接続部１１３a〜１１３ｄの撓み、および重量部１３２の変位を可能とするためである。
なお、接合部１２１、１２２は、例えばシリコン酸化膜をエッチングすることで構成可能である。
【００２０】
基体１４０は、略長方体の外形を有し、枠部１４１と底板部１４２とを有する。シリコン、金属等の基板に略直方形状(例えば、縦横８００μｍ、深さ１０μｍ)の凹部１４３を形成することで基体１４０を形成できる。凹部の形成には、種々の加工手段(例えば、エッチング、プレス加工、切削加工)を利用可能である。
基体１４０には、シリコン、ガラス、金属、例えば、Ｆｅ−Ｎｉ系合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金等を用いることができる。
【００２１】
基体１４０に凹部１４３が形成されているのは、重量部１３２が変位するための空間を確保するためである。但し、基体１４０に凹部１４３を形成するのに替えて、あるいはこれと共に、台座１３１、重量部１３２の高さ(厚さ)を異ならせることも可能である。例えば半導体材料の基板の下からのエッチングを２段階にすることで、台座１３１の高さ（厚さ）に対して重量部１３２を薄くすることができる。その結果、重量部１３２が変位する空間を確保できる。
【００２２】
（加速度センサ１００の動作）
加速度センサ１００による加速度の検出の原理を説明する。既述のように、接続部１１３ａ〜１１３ｄには、合計１２個のピエゾ抵抗素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４，Ｒｙ１〜Ｒｙ４，Ｒｚ１〜Ｒｚ４が配置されている。
これら各ピエゾ抵抗素子は、シリコンからなる接続部１１３ａ〜１１３ｄの上面付近に形成されたＰ型もしくはＮ型の不純物ドープ領域によって構成できる。
【００２３】
３組のピエゾ抵抗素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４、Ｒｙ１〜Ｒｙ４、Ｒｚ１〜Ｒｚ４が、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｘ軸方向に配置される。ピエゾ抵抗素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４は、例えば、それぞれ、接続部１１３ｄの外周近傍、内周近傍、接続部１１３ｂの内周近傍、外周近傍に配置される。ピエゾ抵抗素子Ｒｙ１〜Ｒｙ４は、例えば、それぞれ、接続部１１３ｃの外周近傍、内周近傍、接続部１１３ａの内周近傍、外周近傍に配置される。ピエゾ抵抗素子Ｒｚ１〜Ｒｚ４は、例えば、それぞれ、接続部１１３ｄの外周近傍、内周近傍、接続部１１３ｂの内周近傍、外周近傍に配置される。
【００２４】
３組のピエゾ抵抗素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４、Ｒｙ１〜Ｒｙ４、Ｒｚ１〜Ｒｚ４はそれぞれ、重量部１３２のＸ、Ｙ，Ｚ軸方向成分の変位を検出するＸ、Ｙ，Ｚ軸方向成分変位検出部として機能する。なお、４つのピエゾ抵抗素子Ｒｚ１〜Ｒｚ４は、必ずしもＸ軸方向に配置する必要はなく、Ｙ軸方向に配置してもよい。
【００２５】
図５は、図３に対応し、重量部１３２（質量ｍ）にＸ軸正方向の加速度（＋αｘ）による力（＋Ｆｘ＝＋ｍ・αｘ）が印加されたときの加速度センサ１００の状態を表す断面図である。
重量部１３２がＹ軸に対して正方向に移動（回転）する結果、ピエゾ抵抗素子Ｒｘ１、Ｒｘ３はＸ軸方向に伸び（（＋）として表現）、ピエゾ抵抗素子Ｒｘ２、Ｒｘ４はＸ軸方向に縮んでいる（（−）として表現）。
【００２６】
図６は、図３に対応し、重量部１３２（質量ｍ）にＸ軸負方向の加速度（−αｘ）による力（−Ｆｘ＝−ｍ・αｘ）が印加されたときの加速度センサ１００の状態を表す断面図である。
重量部１３２がＹ軸に対して負方向に回転する結果、ピエゾ抵抗素子Ｒｘ１、Ｒｘ３はＸ軸方向に縮み（（−）として表現）、ピエゾ抵抗素子Ｒｘ２、Ｒｘ４はＸ軸方向に伸びている（（＋）として表現）。
【００２７】
図７は、図３に対応し、重量部１３２（質量ｍ）にＺ軸正方向の加速度（＋αｚ）による力（＋Ｆｚ＝＋ｍ・αｚ）が印加されたときの加速度センサ１００の状態を表す断面図である。
重量部１３２がＺ軸に対して正方向に移動する結果、ピエゾ抵抗素子Ｒｚ１、Ｒｚ４はＸ軸方向に縮み（（−）として表現）、ピエゾ抵抗素子Ｒｚ２、Ｒｚ３はＸ軸方向に伸びている（（＋）として表現）。
【００２８】
図８は、図３に対応し、重量部１３２（質量ｍ）にＺ軸負方向の加速度（−αｚ）による力（−Ｆｚ＝−ｍ・αｚ）が印加されたときの加速度センサ１００の状態を表す断面図である。
重量部１３２がＺ軸に対して負方向に移動する結果、ピエゾ抵抗素子Ｒｚ１、Ｒｚ４はＸ軸方向に伸び（（＋）として表現）、ピエゾ抵抗素子Ｒｚ２、Ｒｚ３はＸ軸方向に縮んでいる（（−）として表現）。
【００２９】
以上から判るように、ピエゾ抵抗素子Ｒの伸び（＋）、縮み（−）の組み合わせと、その伸び縮みの量それぞれから、加速度の方向および量を検出することができる。ピエゾ抵抗素子Ｒの伸び、縮みは、ピエゾ抵抗素子Ｒの抵抗の変化として検出できる。
各ピエゾ抵抗素子ＲがシリコンへのＰ型不純物ドープによって構成されているとする。この場合には、ピエゾ抵抗素子Ｒの長手方向での抵抗値は、伸び方向の応力が作用したときには増加し、縮み方向の応力が作用した場合には減少する。
なお、ピエゾ抵抗素子ＲをシリコンへのＮ型不純物ドープによって構成した場合には、抵抗値の増減が逆になる。
【００３０】
図９〜図１１はそれぞれ、ピエゾ抵抗素子Ｒの抵抗からＸ，Ｙ，Ｚの軸方向それぞれでの加速度を検出するための検出回路の構成例を示す回路図である。この検出回路では、Ｘ，Ｙ，Ｚの軸方向の加速度成分それぞれを検出するために、４組のピエゾ抵抗素子からなるブリッジ回路を構成し、そのブリッジ電圧を検出している。
これらのブリッジ回路では入力電圧Ｖｉｎ（Ｖｘ_ｉｎ、Ｖｙ_ｉｎ、Ｖｚ_ｉｎ）それぞれに対する出力電圧Ｖｏｕｔ（Ｖｘ_ｏｕｔ、Ｖｙ_ｏｕｔ、Ｖｚ_ｏｕｔ）の関係は以下の式（１）〜（３）で表される。
Ｖｘ_ｏｕｔ／Ｖｘ_ｉｎ＝
［Ｒｘ４／（Ｒｘ１＋Ｒｘ４）−Ｒｘ３／（Ｒｘ２＋Ｒｘ３）］    ……式（１）
Ｖｙ_ｏｕｔ／Ｖｙ_ｉｎ＝
［Ｒｙ４／（Ｒｙ１＋Ｒｙ４）−Ｒｙ３／（Ｒｙ２＋Ｒｙ３）］    ……式（２）
Ｖｚ_ｏｕｔ／Ｖｚ_ｉｎ＝
［Ｒｚ３／（Ｒｚ１＋Ｒｚ３）−Ｒｚ４／（Ｒｚ２＋Ｒｚ４）］    ……式（３）
【００３１】
ピエゾ抵抗素子Ｒの伸び縮みの量と抵抗値Ｒの変化とが比例することから、入力電圧に対する出力電圧の比（Ｖｘｏｕｔ／Ｖｘｉｎ、Ｖｙｏｕｔ／Ｖｙｉｎ、Ｖｚｏｕｔ／Ｖｚｉｎ）は加速度と比例し、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸それぞれでの加速度を分離して測定することが可能となる。
【００３２】
（加速度センサ１００の作成）
加速度センサ１００の作成工程につき説明する。
図１２は、加速度センサ１００の作成手順の一例を表すフロー図である。また、図１３〜図１９は、図４に対応し、図１２の作成手順における加速度センサ１００の状態を表す断面図である（図１に示す加速度センサ１００をＢ−Ｂで切断した断面に相当する）。
【００３３】
（１）半導体基板の用意（ステップＳ１１、図１３）
まず、第１、第２、第３の層１１、１２、１３の３層を積層してなる半導体基板を用意する。
【００３４】
第１、第２、第３の層１１、１２、１３はそれぞれ、第１の構造体１１０、接合部１２０、第２の構造体１３０を構成するための層であり、ここでは、シリコン、酸化シリコン、及び主面の面方位（１００）の単結晶シリコンからなる層とする。
シリコン／酸化シリコン／シリコンという３層の積層構造をもった半導体基板は、主面の面方位（１００）の単結晶シリコン基板上に、シリコン酸化膜、シリコン膜を順に積層することで作成できる（いわゆるＳＯＩ基板）。
【００３５】
第２の層１２を第１、第３の層１１，１３とは異なる材料から構成しているのは、第１、第３の層１１，１３とエッチング特性を異ならせ、エッチングのストッパ層として利用するためである。第１の層１１に対する上面からのエッチング、および第３の層１３に対する下面からのエッチングの双方で、第２の層１２がエッチングのストッパ層として機能する。
【００３６】
（２）第１の構造体１１０の作成（第１の層１１のエッチング、ステップＳ１２、および図１４）
第１の層１１をエッチングすることにより、開口部１１４及び梁開口部１１５を形成し、第１の構造体１１０を形成する。即ち、第１の層１１に対して浸食性を有し、第２の層１２に対して浸食性を有しないエッチング方法を用いて、第１の層１１の所定領域（開口部１１４ａ〜１１４ｄ及び梁開口部１１５ａ〜１１５ｄ）に対して、第２の層１２の上面が露出するまで厚み方向にエッチングする。
【００３７】
第１の層１１の上面に、第１の構造体１１０に対応するパターンをもったレジスト層を形成し、このレジスト層で覆われていない露出部分を垂直下方に浸食する。作成される接続部１１３a〜１１３ｄの長手方向が、第３の層（主面の面方位が（１００）の単結晶シリコン）の＜１１０＞方向に配置されるようにする。なお、この理由は、後述する。
このエッチング工程では、第２の層１２に対する浸食は行われないので、第１の層１１の所定領域（開口部１１４ａ〜１１４ｄ及び梁開口部１１５ａ〜１１５ｄ）のみが除去される。図１４は、第１の層１１に対して、上述のようなエッチングを行い、第１の構造体１１０を形成した状態を示す。
【００３８】
（３）第２の層１２の開口部の作成（第２の層１２のエッチング、ステップＳ１３、および図１５）
図２０は、第２の層１２の開口部１２３及び梁開口部１１５に対応する開口領域（開口部１２４）を表す斜視図である。第２の層１２をエッチングすることにより、開口部１２３及び梁開口部１１５に対応する開口部１２４を形成し、第３の層を上方からエッチングするためのマスクパターンを作成する。即ち、第２の層１２に対しては浸食性を有し、第１の層１１および第３の層１３に対しては浸食性を有しないエッチング方法により、第２の層１２の所定領域（開口部１２３及び梁開口部１１５に対応する開口部１２４）に対して、第３の層１３の上面が露出するまで厚み方向にエッチングする。
【００３９】
第２の層１２の上面に、図２０のマスクパターン（開口パターン）に対応するレジスト層を形成し、このレジスト層で覆われていない露出部分を垂直下方に浸食する。このエッチング工程では、第３の層１３に対する浸食は行われないので、第２の層１２の所定領域（開口部１２３、１２４）のみが除去される。
図１５は、第２の層１２に対して、上述のようなエッチングを行った状態を示す。
【００４０】
（４）第３の層１３の上方から異方性ウエットエッチング（ステップＳ１４、および図１６）
第３の層１３を上方から異方性ウエットエッチングすることにより、接続部１１３に対応する部分に凹部１３２a〜１３２dを形成する。すなわち、第３の層を構成する結晶材料の結晶方位によってエッチング速度が異なる面方位依存性のエッチングにより、第３の層１３の接続部１１３ａ〜１１３ｄの下付近の領域をアンダーエッチング（開口部１２３、１２４以外の領域のエッチング）する。異方性のエッチング溶剤としては、水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液や水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）水溶液などが利用できる。
【００４１】
第１の構造体１１０の上面及び側面の全域にレジスト層を形成し、第３の層１３を上方から異方性ウエットエッチングする際に、第１の構造体１１０が浸食されないようにする。そうすると、このエッチング工程では、第２の層１２に対する浸食は行われないので、第３の層１３の所定領域（凹部１３２a〜１３２d）のみが除去される。
図１６は、第３の層１３に対して、上述のようなエッチングを行い、凹部１３２a〜１３２dを形成した状態を示す。
【００４２】
この異方性ウエットエッチングでは、シリコン単結晶の特定の結晶面によってエッチング速度が著しく異なる。例えば、シリコン単結晶の（１００）面や（１１０）面に対して（１１１）面のエッチングされる速度は非常に遅く、速度比で約１００：１程度になる。このような性質から、異方性エッチングは（１１１）面で実質的に止まる。本実施の形態でも、凹部１３２a〜１３２dでは（１１１）面が露出する。すなわち、この工程では、（１１１）面をエッチングストッパとする異方性ウエットエッチングを行い、凹部１３２a〜１３２dのエッチング形状を第２の層１２のマスクパターン（開口部１２３、１２４）によって制御している。
【００４３】
図２１〜２４は、第３の層に凹部１３２a〜１３２dが形成されるまでの異方性ウエットエッチングの進行状況を表す上面図である。図２１は、第２の層１２の開口部１２３、１２４を表す上面図である。接続部１１３の長手方向が、第３の層（主面の面方位が（１００）の単結晶シリコン）の＜１１０＞方向にそれぞれ配置されている。また、第２の層の開口部１２３、１２４も、その長手方向及び長手方向に垂直な方向が第３の層の＜１１０＞方向に沿うように開口されている。
【００４４】
図２１のマスクパターン(開口パターン)を用いて第３の層を異方性ウエットエッチングする。図２２に表すように、まず、第３の層の厚み方向にエッチングが進行し、開口部１２３、１２４の端部を基準にした（１１１）面ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｈが露出する。面ｆ、ｉは(１００)面である。（１００）面と（１１１）面とは、約５５．７°の角度を有する。次に、開口部１２３から開口部１２４に向かって接続部１１３の下のアンダーエッチングが進行していく（面ｇ）。
【００４５】
さらにエッチングが進行すると、図２３に示すようになる。面ｊ、ｋ、ｌ、ｍが（１１１）面であり、面ｏは（１００）面である。開口部１２３から開口部１２４に向かって接続部１１３の下へのアンダーエッチングが進行し、開口部１２４に到達しても、すべての面について（１１１）面が表れることはなく、エッチングは収束しない。そのため、開口部１２４から、接続部１１３の長手方向（図では、左方向）に向かって、さらにアンダーエッチングが進行していく（面ｎ）。
さらにエッチングが進行すると、図２４に示すように、（１１１）面の面ｐ、ｑで囲まれた凹部１３２が形成され、エッチングは実質的に収束する。接続部１１３の下は、完全にエッチングされ、重量部１３２が変位しても接続部１１３に接触せず、加速度の検出が阻害されない。
【００４６】
この方法によれば、（１１１）面をエッチングストッパとする異方性ウエットエッチングにより、凹部１３２が形成されるため、エッチング時間のコントロールが不要であり、マスクパターンによって、精度良く凹部１３２を形成できる。
【００４７】
以上から、接続部１１３の下の第３の層をエッチングして凹部１３２a〜１３２dを形成するためには、図２１に示すように、直線ｓ、ｔのいずれもが、開口部１２４の一部を横切っていれば良い。直線ｓ、ｔは、接続部１１３のうち、梁開口部１１５のない単純な平板部分の長手方向に沿った縁を、それぞれ延長した直線である。このようにすれば、開口部１２３から接続部１１３の下へアンダーエッチングが進行して、開口部１２４に到達することが可能であり、すべての面について（１１１）面が表れることはないので、エッチングはさらに進行し途中で収束しないからである。そのため、接続部の形状は、図２０に限定されず、例えば、図２５〜図２８に示すような形状であっても良い。いずれの接続部の形状であっても、前記したように、開口部１２３からアンダーエッチングが進行し開口部１２４に到達するので、途中においてすべての面について（１１１）面が表れることはなく、エッチングは途中で収束しないからである。
【００４８】
また、マスク開口（開口部１２３、１２４）は、第３の層の＜１１０＞方向に合わせることが好ましい。このようにすれば、エッチングの結果、この＜１１０＞方向に沿って(１１１)面が形成されるからである。
しかし、開口部１２３、１２４は必ずしも＜１１０＞方向に沿っている必要はない。また、この大きさ、形状(長方形)にも限定されない。異方性ウエットエッチングによって、接続部１１３の下に適当な凹部１３２が形成されて、重量部１３２の変位が可能なものであれば良い。例えば、図２９に表すように、図２１の開口部１２３、１２４の各辺に接するような形状の開口部１２３ｅ、１２４ｅを設けても、十分な時間をかければ、図２１の開口パターンによって形成された凹部１３２と同一形状の凹部が形成できる。
【００４９】
すなわち、Ｌ１〜Ｌ４で囲まれた領域が最終的にエッチングされる領域である。Ｌ１〜Ｌ４は開口部１２３ｅ、１２４ｅの最も張り出した点の＜１１０＞方向の接線である。開口部１２３ｅ、１２４ｅの＜１１０＞方向の接線についての接点をＰ１〜Ｐ１８とする。Ｌ１〜Ｌ４で囲まれた領域が最終的にエッチングされるためには、第１に、接線Ｌ１〜Ｌ４のそれぞれに、開口部１２３又は１２４の少なくとも１点が接していればよい。Ｌ１には、Ｐ１及びＰ８が接しているが、Ｐ１又はＰ８のいずれか一方がＬ１に接していれば良い。Ｌ２には、Ｐ２及びＰ３が接しているが、Ｐ２又はＰ３のいずれか一方がＬ２に接していれば良い。Ｌ３には、Ｐ１３及びＰ１４が接しているが、Ｐ１３又はＰ１４のいずれか一方がＬ３に接していれば良い。Ｌ４には、Ｐ４、Ｐ１２及びＰ１７が接しているが、これらのいずれか一つがＬ４に接していれば良い。
【００５０】
第２に、直線Ｌ５、Ｌ６のいずれもが開口部１２４の一部を横切っていることが必要である。直線Ｌ５、Ｌ６は、接続部１１３のうち、梁開口部１１５のない単純な平板部分の長手方向に沿った縁を、それぞれ延長した直線である。前記したように、開口部１２３からアンダーエッチングが進行し開口部１２４に到達することにより、途中ですべての面について（１１１）面が表れることはないので、エッチングが途中で収束せずにさらに進行するようにするためである。
【００５１】
第３に、開口部１２３、１２４の３つの開口は、エッチングが進行することによって、互いにつながることが必要である。
上記３つの要件を満たせば、図２１の開口パターンと同一形状の凹部が形成される。十分に長時間エッチングすれば、マスク開口がどんな形をしていたとしてもマスクの下にアンダーエッチングが進行し、エッチング形状は、すべて（１１１）面で構成されるからである。
【００５２】
（５）第２の構造体１３０の作成（第３の層１３の下方からの異方性ドライエッチング、ステップＳ１５、および図１７）
第３の層１３を下方から異方性ドライエッチング（垂直エッチング）することにより、開口部１３３を形成し、第２の構造体１３０を形成する。即ち、第３の層１３に対して浸食性を有し、第２の層１２に対して浸食性を有しないエッチング方法により、第３の層１３の所定領域（開口部１３３）に対して、第２の層１２の下面が露出するまで厚み方向へのエッチングを行う。
【００５３】
第３の層１３の下面に、第２の構造体１３０に対応するパターンをもったレジスト層を形成し、このレジスト層で覆われていない露出部分を垂直上方へと浸食させる。このエッチング工程では、第２の層１２に対する浸食は行われないので、第３の層１３の所定領域（開口部１３３）のみが除去される。
【００５４】
図１７は、第３の層１３に対して、上述のようなエッチングを行い、第２の構造体１３０を形成した状態を示す。
重量部１３２が接続部１１３a〜１１３ｄに対応する凹部１３２a〜１３２dを有することによって、接続部１１３a〜１１３ｄの下の領域について、第３の構造体の下方からのエッチングを要しない。このため、重量部１３２の形成のために下方からエッチングする領域を重量部１３２と台座１３１との間のみに限定できる。下方からエッチングする領域を限定することで、マイクロローディング効果等に起因するエッチングの不均一性を低減することが可能となる。
【００５５】
なお、マイクロローディング効果とは、被エッチング面であるマスク開口部のパターン幅の相違によりエッチング箇所によってエッチング速度が異なってくる現象をいう。マスク開口部のパターン幅が細くなると、エッチング速度が低くなる効果をいう。
【００５６】
なお、（ステップＳ１２）→（ステップＳ１３→ステップＳ１４）→（ステップＳ１５）の上記の工程の順序は入れ替えることができる。（ステップＳ１２）→（ステップＳ１５）→（ステップＳ１３→ステップＳ１４）の順序でも良く、（ステップＳ１５）→（ステップＳ１２）→（ステップＳ１３→ステップＳ１４）の順序でも良い。
【００５７】
（６）第１、第２の構造体１１０，１３０間の接合部１２０の作成（第２の層１２のエッチング、ステップＳ１６、および図１８）
第２の層１２をエッチングすることにより、接合部１２０を形成する。即ち、第２の層１２に対しては浸食性を有し、第１の層１１および第３の層１３に対しては浸食性を有しないエッチング方法により、第２の層１２に対して、その露出部分から厚み方向にエッチングする。
【００５８】
このエッチング工程では、別途、レジスト層を形成する必要はない。即ち、図１８に示すように、第１の層１１の残存部分である第１の構造体１１０と、第３の層１３の残存部分である第２の構造体１３０とが、それぞれ第２の層１２に対するレジスト層として機能する。エッチングは、第２の層１２の露出部分、すなわち、開口部１１４ａ〜１１４ｄ、及び開口部１３３の形成領域に対してなされる。
【００５９】
以上の製造プロセスにおいて、第１の構造体１１０を形成する工程（ステップＳ１２）と、第２の構造体１３０を形成する工程（ステップＳ１５）では、次の２つの条件を満たすエッチング法を行う必要がある。
第１の条件は、各層の厚み方向への方向性を持つことである、第２の条件は、シリコン層に対しては浸食性を有するが、酸化シリコン層に対しては浸食性を有しないことである。第１の条件は、所定寸法をもった開口部を形成するために必要な条件であり、第２の条件は、酸化シリコンからなる第２の層１２を、エッチングストッパ層として利用するために必要な条件である。
【００６０】
第１の条件を満たすエッチング方法として、ＤＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching）と呼ばれているエッチング方法を挙げることができる。このエッチング法は、垂直方向に深い溝を掘る際に効果的な方法である。このエッチング方法のうち誘導結合型プラズマエッチング法（ＩＣＰエッチング法：Induced Coupling Plasma Etching Method）が好ましい。
この方法では、材料層を厚み方向に浸食しながら掘り進むエッチング段階と、掘った穴の側面にポリマーの壁を形成するデポジション段階と、を交互に繰り返す。掘り進んだ穴の側面は、順次ポリマーの壁が形成されて保護されるため、ほぼ厚み方向にのみ浸食を進ませることが可能になる。
【００６１】
一方、第２の条件を満たすエッチングを行うには、酸化シリコンとシリコンとでエッチング選択性を有するエッチング材料を用いればよい。例えば、エッチング段階では、ＳＦ６ガス、およびＯ２ガスの混合ガスを、デポジション段階では、Ｃ４Ｆ８ガスを用いることが考えられる。
エッチングの条件としては、例えばエッチング段階では、ＳＦ６ガスを１００ｓｃｃｍ、Ｏ２ガスを１０ｓｃｃｍの割合でチャンバ内に供給する。デポジション段階では、Ｃ４Ｆ８ガスを１００ｓｃｃｍの割合でチャンバ内に供給する。このようなエッチング段階とデポジション段階をそれぞれ１０秒程度で周期的に繰り返すことが可能である。
【００６２】
第２の層１２のエッチング（ステップＳ１３、ステップＳ１６）では、酸化シリコン層に対しては浸食性を有するが、シリコン層に対しては浸食性を有しないことが必要である。
既に所定形状への加工が完了しているシリコンからなる第１の構造体１１０や第２の構造体１３０に浸食が及ばないようにするために必要だからである。
【００６３】
この条件を満たすエッチング方法として、バッファド弗酸（ＨＦ：ＮＨ４Ｆ＝１：１０の混合液）をエッチング液として用いるウェットエッチングを挙げることができる。
エッチング条件としては、例えば、バッファド弗酸（ＨＦ：ＮＨ４Ｆ＝１：１０の混合液）に３０分間浸漬して行うことが可能である。あるいは、ＣＦ４ガスとＯ２ガスとの混合ガスを用いたＲＩＥ法によるドライエッチングも適用可能である。
【００６４】
（５）基体１４０の作成及びその接合（ステップＳ１７、および図１９）
例えば、シリコン基板、金属基板、ガラス基板に略直方体状の凹部１４３を形成することで基体１４０を作成できる。基板１４０は、略長方体の外形を有し、枠部１４１と底板部１４２とを有する。凹部１４３の作成には、種々の加工手段（例えば、エッチング、プレス加工、切削加工）を利用可能である。これらの基体１４０を通常の方法により接合することができる。
【００６５】
（シリコン単結晶の異方性を利用した加速度センサの高感度化）
ここまでの記載は、（１１１）面をエッチングストッパとする面方位依存性のエッチングにより、第３の層１３の接続部１１３の下付近の領域をアンダーエッチングすることについて考察していた。そのため、第３の層の面方位や方向を問題としていた。ここでは、第１の層の面方位や方向、すなわち、第１の層のシリコン単結晶の異方性が、電気的特性に与える影響について説明し、検出感度を向上させるための考察をする。
【００６６】
図３０に示すように、電流が流れる方向にピエゾ抵抗素子Rの長手方向を配置する。ピエゾ抵抗素子Rの長手方向の応力σｌと長手方向と直交する方向の応力σｔとが作用すると、ピエゾ抵抗素子の抵抗変化率ΔR／Rは近似的に次式のように表される。
ΔR／R＝πｌσｌ＋πｔσｔ            ……式（４）
【００６７】
ここで、Rは加速度による力が印加される前のピエゾ抵抗素子の抵抗、ΔRは加速度による力が印加された後のピエゾ抵抗素子の抵抗（R+ΔR）と加速度による力が印加される前のピエゾ抵抗素子の抵抗Rとの差である。πｌ、πｔは応力σｌ、σｔにそれぞれ対するピエゾ抵抗係数である。
【００６８】
ピエゾ抵抗素子にｐ型シリコンを用いた場合を例に、ピエゾ抵抗係数πｌ、πｔの結晶方向における特性について説明する。ｐ型シリコンからなるピエゾ抵抗素子を用いたほうが、ｎ型と比較してせん断応力に関係するピエゾ抵抗係数が大きいため、加速度センサを高感度化できる。
図３１にｐ型シリコンの（１００）面におけるピエゾ抵抗係数πｌ、πｔを示す。図３２にｐ型シリコンの（１１０）面におけるピエゾ抵抗係数πｌ、πｔを示す。図３３にｐ型シリコンの（１１１）面におけるピエゾ抵抗係数πｌ、πｔを示す。原点からの長さがピエゾ抵抗係数の大きさを表し、原点からの方向がそれぞれの基板面におけるピエゾ抵抗素子の長手方向の配置方向を示す。図３１と図３２と図３３は同一のスケールで示されている。
【００６９】
図３１、図３２及び図３３が示すように、いずれの結晶面の単結晶シリコン基板でもπｌはπｔよりも値が大きい。そのため、σｌの値を大きくすれば、式（４）のΔR／Rの値を大きくすることができ、その結果、ホイーンストンブリッジからの出力電圧も大きくなり、検出感度を向上させることができる。
σｌの値を大きくするには、ピエゾ抵抗素子Rの長手方向とピエゾ抵抗素子Rの伸び縮み方向を一致させればよい。そのため、本発明の実施の形態では、図１に示すように、ピエゾ抵抗素子Rの長手方向(電流方向)とピエゾ抵抗素子Rの伸び縮み方向を一致させるべく、ピエゾ抵抗素子Rを接続部１１３a〜１１３ｄの上面に配置し、検出感度を向上させている。
【００７０】
図３１に示すように、（１００）面では、＜１１０＞方向で大きなピエゾ抵抗係数πｌを有する。そのため、第１の構造体１１０を、主面の面方位が（１００）の単結晶シリコンによって構成し、接続部１１３a〜１１３ｄの長手方向を、それぞれ＜１１０＞方向に配置する。ピエゾ抵抗素子Rの長手方向も、接続部１１３a〜１１３ｄの長手方向に沿うように、＜１１０＞方向に配置すれば、高感度の加速度センサを得ることができる。
【００７１】
図３２に示すように、（１１０）面では、＜１１０＞方向に対して４５度、１３５度の角度において比較的大きなピエゾ抵抗係数πｌをとっている。そのため、第１の構造体１１０を、主面の面方位が（１１０）の単結晶シリコンによって構成し、接続部１１３a〜１１３ｄの長手方向を、それぞれ＜１１０＞方向に対して４５度と１３５度の角度に配置する。ピエゾ抵抗素子Rの長手方向も、接続部１１３a〜１１３ｄの長手方向に沿うように、＜１１０＞方向に対して４５度または１３５度の角度に配置にすれば、高感度の加速度センサを得ることができる。
【００７２】
図３３に示すように、（１１１）面では、すべての方向において比較的大きなピエゾ抵抗係数πｌをとっている。そのため、第１の構造体１１０を、主面の面方位が（１１１）の単結晶シリコンによって構成すれば、接続部１１３a〜１１３ｄの長手方向をどの方向に配置しても、高感度の加速度センサを得ることができる。
【００７３】
（第２の実施形態）
図３４は、本発明の第２の実施形態に係る加速度センサ２００を表す上面図である。固定部２１１は、外周、内周（開口）が共に略正方形の枠形状の基板である。変位部２１２は、外周が略正方形の基板であり、固定部２１１の開口の中央近傍に配置される。接続部２１３a〜２１３ｄは、長手方向の一部に梁開口部２１５ａ〜２１５ｄを備え、固定部２１１と変位部２１２とを第３層の＜１１０＞方向で接続する。重量部２３２は、複数の凹部２３２a〜２３２dを有する周辺部２３２eと、中央部 (図示せず)とに区分して考えることができる。中央部は、重量部２３２の中央に配置される。周辺部２３２eは、接続部２１３a〜２１３ｄに対応する複数の凹部２３２a〜２３２dを有し、中央部の周辺に接続される。
【００７４】
図３５に、第２の実施形態における第１の構造体２１０と、第３の層を上方から異方性ウエットエッチングするための第２の層の開口部２２３、２２４（マスクパターン）の上面図を示す。接続部２１３の長手方向が、第３の層（主面の面方位が（１００）の単結晶シリコン）の＜１１０＞方向にそれぞれ配置されている。また、第２の層の開口部２２３、２２４も、開口部２２３、２２４の長手方向及び長手方向に垂直な方向が第３の層の＜１１０＞方向に沿うように開口されている。
【００７５】
以上のように、本実施形態は、以下の点において第１の実施形態と相違する。第一に、接続部２１３a〜２１３ｄが、固定部２１１の対角線方向に配置されている。第二に、接続部２１３a〜２１３ｄが、固定部２１１の対角線方向に配置されていることにより、第２の層の開口部２２３、２２４もこの対角線方向に沿って設けられている。第三に、重量部２３２は接続部２１３a〜２１３ｄに対応する凹部２３２a〜２３２dを有するため、凹部２３２a〜２３２dが、重量部２３２の対角線の位置に配置している。
なお、第２の実施形態では、梁開口部２１５ａ〜２１５ｄに対応する第２の層のすべての領域に開口部２２４が設けられていない。これは、異方性ウエットエッチングによる台座２３１(図示せず)の侵食を防止するためである。開口部２２４が設けられていないために全くエッチングされていない梁開口部２１５ａ〜２１５ｄの下の部分の第３の層は、下方からの垂直エッチングで除去される。
【００７６】
本実施形態は、その他の点では、第１の実施形態と本質的に相違するところが無いので説明を省略する。
【００７７】
（第３の実施形態）
図３６は、本発明の第３の実施形態に係る加速度センサ３００を表す上面図である。固定部３１１は、外周、内周（開口）が共に略正方形の枠形状の基板である。変位部３１２は、外周が略正方形の基板であり、固定部３１１の開口の中央近傍に配置される。接続部３１３a〜３１３ｄは、略長方形の基板であり、梁開口部を備えておらず、また、固定部３１１と変位部３１２とを第３層の＜１１０＞方向に対して４５度の角度でそれぞれ接続する。重量部３３２は、複数の凹部３３２a〜３３２dを有する周辺部３３２eと、中央部 (図示せず)とに区分して考えることができる。中央部は、重量部３３２の中央に配置される。周辺部３３２eは、接続部３１３a〜３１３ｄに対応する複数の凹部３３２a〜３３２dを有し、中央部の周辺に接続される。
【００７８】
図３７に、第３の実施形態における第１の構造体３１０と、第３の層を上方から異方性ウエットエッチングするための第２の層の開口部３２３（マスクパターン）の上面図を示す。接続部３１３の長手方向が、第３の層（主面の面方位が（１００）の単結晶シリコン）の＜１１０＞方向に対して４５度の角度にそれぞれ配置されている。また、第２の層の開口部３２３は、底辺が接続部３１３に沿う直角二等辺三角形である。
【００７９】
以上のように、本実施形態は、以下の点において第１の実施形態と相違する。第一に、接続部３１３ａ〜３１３ｄは、略長方形の基板であり、梁開口部を備えていない。第二に、接続部３１３a〜３１３ｄの長手方向が、第３の層（主面の面方位が（１００）の単結晶シリコン）の＜１１０＞方向に対して４５度の角度にそれぞれ配置されている。第三に、第３の層を上方から異方性ウエットエッチングするための第２の層の開口部３２３が、底辺が接続部３１３に沿う直角二等辺三角形である。第四に、重量部３３２の接続部３１３a〜３１３ｄに対応する凹部３３２a〜３３２dが、逆ピラミッド型の形状である。
【００８０】
ここで、凹部３３２a〜３３２dの形状が、逆ピラミッド型であることを説明するため、本実施形態における第３の層の上方からの異方性ウエットエッチングの進行状況について説明する。
図３８は、第２の層の開口部３２３を表す上面図である。本実施形態では、接続部３１３a〜３１３ｄの長手方向が、第３の層（主面の面方位が（１００）の単結晶シリコン）の＜１１０＞方向に対して４５度の角度にそれぞれ配置されている。また、第２の層の開口部３２３は、接続部３１３の両側に配置され、底辺が接続部３１３に沿う直角二等辺三角形である。
【００８１】
図３９は、異方性ウエットエッチングによって接続部３１３の下に形成された第３の層の凹部３３２ａ〜３３２ｄの形状を表す上面図である。異方性ウエットエッチングによって、第３の層の厚み方向にエッチングが進行するとともに、接続部３１３の下のアンダーエッチングが進行する。そして、開口部３２３の端部を基準にした（１１１）面である面ｒで囲まれた逆ピラミッド型の凹部３３２ａ〜３３２ｄが形成され、エッチングは実質的に収束する。（１００）面と（１１１）面とは、約５５．７°の角度を有する。接続部３１３の下は、完全にエッチングされ、重量部３３２が変位しても接続部３１３に接触せず、加速度の検出が阻害されない。
【００８２】
この方法によれば、（１１１）面をエッチングストッパとする異方性ウエットエッチングにより、凹部３３２ａ〜３３２ｄが形成されるため、エッチング時間のコントロールが不要であり、マスクパターンによって、精度良く凹部３３２を形成できる。
【００８３】
本実施の形態では、マスク開口（開口部３２３）は、接続部３１３の両側に配置され、底辺が接続部３１３に沿う直角二等辺三角形とするのが好ましい。このようにすれば、この直角二等辺三角形の２つの等辺は、＜１１０＞方向に沿って配置される。そのため、エッチングをすると、この＜１１０＞方向に沿って、(１１１)面が形成されるからである。
【００８４】
しかし、開口部３２３の形状は必ずしも底辺が接続部３１３に沿う、この大きさ、形状（直角二等辺三角形）に限定されない。異方性ウエットエッチングによって、接続部３１３の下に適当な凹部３３２ａ〜３３２ｄが形成されて、重量部３３２が変位しても接続部３１３に接触せず、加速度の検出が阻害されない大きさ、形状であれば良い。
例えば、図４０に示すように、図３８の直角二等辺三角形の底辺の２つの頂点Ｃ、Ｄ、（接続部の端部の両脇の点）を通り、つながっている開口部３２３を２つ設ければ良い（ただし、Ｃ、Ｄを通る開口部３２３がつながっていなくてもエッチングによってつながるのであれば良い）。十分な時間をかければ、図３８の開口パターンによって形成された凹部３３２ａ〜３３２ｄと同一形状のものが形成できる。十分に長時間エッチングすれば、マスク開口がどんな形をしていたとしてもマスクの下にアンダーエッチングが進行し、エッチング形状は、すべて（１１１）面で構成されるからである。
【００８５】
本実施形態は、その他の点では、第１の実施形態と本質的に相違するところが無いので説明を省略する。
【００８６】
（第４の実施形態）
図４１は、本発明の第４の実施形態に係る加速度センサ４００を表す上面図である。固定部４１１は、外周、内周（開口）が共に略正方形の枠形状の基板である。変位部４１２は、外周が略正方形の基板であり、固定部４１１の開口の中央近傍に配置される。接続部４１３a〜４１３ｄは、固定部４１１と変位部４１２とを第３層の＜１１０＞方向に対して４５度の角度で接続する。重量部４３２は、複数の凹部４３２a〜４３２dを有する周辺部４３２eと、中央部 (図示せず)とに区分して考えることができる。中央部は、重量部４３２の中央に配置される。周辺部４３２eは、接続部４１３a〜４１３ｄに対応する複数の凹部４３２a〜４３２dを有し、中央部４３２fの周辺に接続される。
【００８７】
図４２に、第４の実施形態における第１の構造体４１０と、第３の層を上方から異方性ウエットエッチングするための第２の層の開口部４２３（マスクパターン）の上面図を示す。接続部４１３の長手方向が、第３の層（主面の面方位が（１００）の単結晶シリコン）の＜１１０＞方向に対して４５度の角度にそれぞれ配置されている。また、第２の層の開口部４２３は、接続部４１３の両側に配置され、底辺が接続部４１３に沿う直角二等辺三角形である。
【００８８】
以上のように、本実施形態は、以下の点において第３の実施形態と相違する。第一に、第１の構造体４１０の接続部４１３a〜４１３ｄが、固定部４１１の対角線方向に配置されている。第二に、接続部４１３a〜４１３ｄが、固定部４１１の対角線方向に配置されていることにより、第２の層１２の開口部４２３もその対角線に沿って設けられている。第三に、重量部４３２が接続部４１３a〜４１３ｄに対応する凹部４３２a〜４３２dを有するため、凹部４３２a〜４３２dが、重量部４３２の対角線の位置に配置している。
本実施形態は、その他の点では、第３の実施形態と本質的に相違するところが無いので説明を省略する。
【００８９】
（第５の実施形態）
本発明にかかる力学量検出センサ及びその製造方法は加速度センサに限定されるものではなく、角速度センサにも利用可能である。たとえば、図１に示すセンサ本体は、加速度センサとして利用することも可能であるが、角速度センサとして利用することも可能である。角速度センサとして利用する場合には、ピエゾ抵抗素子を使用せずに、一部の容量素子に交流電力を供給することにより重量部５３２を所定方向に振動させた状態において、一部の容量素子の静電容量値を測定し、作用したコリオリ力を求め、重量部５３２に作用した角速度を検出するようにすればよい。
【００９０】
図４３に、図１に示すセンサ本体を利用した角速度センサ５００を、接続部の長手方向に対して４５度の角度（固定部の対角線を通る面）で切断した断面図を示す。ただし、本実施形態は、以下の点において図１と相違する。第一に、本実施形態では、重量部５３２の上部に位置する変位部の上面に駆動用電極５１５（５１５ａ〜５１５ｅ）及び検出用電極(図示せず)が配置され、重量部５３２の下面に駆動用電極５３５が配置されている。第二に、この電極に対向する電極を有する基体５４１、５５１が付加されている。第三に、重量部５３２の中央部上だけでなく、凹部を除く周辺部上にも、変位部が設けられている。すなわち、重量部５３２の中央部上だけでなく、凹部を除く周辺部上にも、第１の層（Ｓｉ層）及び第２の層（ＳｉＯ２層）が設けられており、対向電極間の距離が同一になっている。
駆動用電極５１５、５４６、駆動用電極５３５、５５６によって変位部（重量部５３２の上部に位置する第１の層）をＺ方向に振動させる。駆動用電極５１５、５４６と並んで配置される検出用電極 (図示せず)によって、Ｙ方向、Ｘ方向（２軸）の角速度ωｙ、ωｘに基づくコリオリ力により変位部に生じるＸ方向、Ｙ方向への傾きを検出する（駆動用電極５１５、５４６、駆動用電極５３５、５５６は振動付与部として、検出用電極は変位検出部として機能する）。この結果、角速度センサ５００による角速度ωｙ、ωｘの測定が可能となる。
【００９１】
（その他の実施形態）
本発明の実施形態は上記の実施形態に限られず拡張、変更可能であり、拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
例えば、図４４に示す第２の層の開口部６２３を設けて、等方性ウエットエッチングや等方性ドライエッチングを行い、エッチング時間をコントロールして、接続部６１３の下のアンダーエッチングを行うことにより、重量部に凹部を形成しても良い。
また、第２の構造体(第３の層)の構成材料は、面方位（１００）の単結晶シリコンに限定されず、面方位（１１０）、面方位（１１１）等の他の面方位の単結晶シリコンや、多結晶シリコン等の他の材料を用いて、重量部に凹部を形成しても良い。
また、本実施の形態では、ピエゾ抵抗素子にｐ型シリコンを用いた場合について説明したが、本発明はこれに何ら限定されるものではなく、ｎ型のピエゾ抵抗素子を用いても良いことはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る加速度センサを表す斜視図である。
【図２】図１の加速度センサを分解した状態を表す分解斜視図である。
【図３】図１の加速度センサを切断線Ａ−Ａの位置で切断した状態を表す一部断面図である。
【図４】図１の加速度センサを切断線Ｂ−Ｂの位置で切断した状態を表す一部断面図である。
【図５】重量部にＸ軸正方向の加速度による力が印加されたときの加速度センサの状態を表す断面図である。
【図６】重量部にＸ軸負方向の加速度による力が印加されたときの加速度センサの状態を表す断面図である。
【図７】重量部にＺ軸正方向の加速度による力が印加されたときの加速度センサの状態を表す断面図である。
【図８】重量部にＺ軸負方向の加速度による力が印加されたときの加速度センサの状態を表す断面図である。
【図９】ピエゾ抵抗素子の抵抗からＸ軸方向での加速度を検出するための検出回路の構成例を示す回路図である。
【図１０】ピエゾ抵抗素子の抵抗からＹ軸方向での加速度を検出するための検出回路の構成例を示す回路図である。
【図１１】ピエゾ抵抗素子の抵抗からＺ軸方向での加速度を検出するための検出回路の構成例を示す回路図である。
【図１２】加速度センサの作成手順の一例を表すフロー図である。
【図１３】図１２の加速度センサの作成手順を表す断面図である。
【図１４】図１２の加速度センサの作成手順を表す断面図である。
【図１５】図１２の加速度センサの作成手順を表す断面図である。
【図１６】図１２の加速度センサの作成手順を表す断面図である。
【図１７】図１２の加速度センサの作成手順を表す断面図である。
【図１８】図１２の加速度センサの作成手順を表す断面図である。
【図１９】図１２の加速度センサの作成手順を表す断面図である。
【図２０】本発明の第１の実施形態に係る第２の層の開口部を表す斜視図である。
【図２１】本発明の第１の実施形態に係る第２の層の開口部を表す上面図である。
【図２２】本発明の第１の実施形態に係る第３の層の異方性ウエットエッチングの進行状況を表す上面図である。
【図２３】本発明の第１の実施形態に係る第３の層の異方性ウエットエッチングの進行状況を表す上面図である。
【図２４】本発明の第１の実施形態に係る第３の層の異方性ウエットエッチングの進行状況を表す上面図である。
【図２５】本発明の第１の実施形態に係る接続部の形状を表す斜視図である。
【図２６】本発明の第１の実施形態に係る接続部の形状を表す斜視図である。
【図２７】本発明の第１の実施形態に係る接続部の形状を表す斜視図である。
【図２８】本発明の第１の実施形態に係る接続部の形状を表す斜視図である。
【図２９】本発明の第１の実施形態に係る第２の層の開口部の一例を表す上面図である。
【図３０】ピエゾ抵抗素子に作用するピエゾ抵抗素子の長手方向の応力σｌと長手方向と直交する方向の応力σｔを表す図である。
【図３１】単結晶シリコン基板の主面である（１００）面についてのピエゾ抵抗係数πｌ、πｔを表す図である。
【図３２】単結晶シリコン基板の主面である（１１０）面についてのピエゾ抵抗係数πｌ、πｔを表す図である。
【図３３】単結晶シリコン基板の主面である（１１１）面についてのピエゾ抵抗係数πｌ、πｔを表す図である。
【図３４】本発明の第２の実施形態に係る加速度センサを表す上面図である。
【図３５】本発明の第２の実施形態に係る第１の構造体と第２の層の開口部を表す上面図である。
【図３６】本発明の第３の実施形態に係る加速度センサを表す上面図である。
【図３７】本発明の第３の実施形態に係る第１の構造体と第２の層の開口部を表す上面図である。
【図３８】本発明の第３の実施形態に係る第２の層の開口部を表す上面図である。
【図３９】本発明の第３の実施形態に係る第３の層の上方からの異方性ウエットエッチング後の形状を表す上面図である。
【図４０】本発明の第３の実施形態に係る第２の層の開口部の一例を表す上面図である。
【図４１】本発明の第４の実施形態に係る加速度センサを表す上面図である。
【図４２】本発明の第４の実施形態に係る第１の構造体と第２の層の開口部を表す上面図である。
【図４３】本発明の第５の実施形態に係る角速度センサを表す断面図である。
【図４４】第３の層を上方から等方性ドライエッチング又は等方性ウエットエッチングする場合の接続部と第２の層の開口部を表す上面図である。
【符号の説明】
【００９３】
１００、２００、３００、４００  加速度センサ
５００  角速度センサ
１１０、２１０、３１０、４１０、５１０  第１の構造体
１１１、２１１、３１１、４１１、６１１  固定部
１１２、２１２、３１２、４１２、６１２  変位部
１１３（１１３ａ〜１１３ｄ）、２１３（２１３ａ〜２１３ｄ）、３１３（３１３ａ〜３１３ｄ）、４１３（４１３ａ〜４１３ｄ）、６１３  接続部
１１４ａ〜１１４ｄ、２１４ａ〜２１４ｄ、３１４ａ〜３１４ｄ、４１４ａ〜４１４ｄ  開口部
１１５（１１５ａ〜１１５ｄ）、２１５（２１５ａ〜２１５ｄ）  梁開口部
１２０、５２０  接合部
１２１  台座接合部
１２２  重量部接合部
１２３、１２３ａ〜１２３ｅ、２２３、３２３、４２３、６２３  開口部
１２４、２２４  開口部
１３０、５３０  第２の構造体
１３１  台座
１３２、２３２、３３２、４３２、５３２  重量部
１３２ａ〜１３２ｄ、２３２ａ〜２３２ｄ、３３２ａ〜３３２ｄ、４３２ａ〜４３２ｄ  凹部
１３２ｅ、２３２ｅ、３３２ｅ、４３２ｅ  周辺部
１３２ｆ  中央部
１３３  開口部
１４０、５４１、５５１  基体
１４１  枠部
１４２  底板部
１４３、５５５  凹部
Ｒ，Ｒｘ１−４，Ｒｙ１−４，Ｒｚ１−４  ピエゾ抵抗素子
５１５（５１５ａ、５１５ｃ、５１５ｅ）、５４６（５４６ａ、５４６ｃ、５４６ｅ）、５３５、５５６  駆動用電極
【図１】
2006308325.tif 000003
【図２】
2006308325.tif 000004
【図３】
2006308325.tif 000005
【図４】
2006308325.tif 000006
【図５】
2006308325.tif 000007
【図６】
2006308325.tif 000008
【図７】
2006308325.tif 000009
【図８】
2006308325.tif 000010
【図９】
2006308325.tif 000011
【図１０】
2006308325.tif 000012
【図１１】
2006308325.tif 000013
【図１２】
2006308325.tif 000014
【図１３】
2006308325.tif 000015
【図１４】
2006308325.tif 000016
【図１５】
2006308325.tif 000017
【図１６】
2006308325.tif 000018
【図１７】
2006308325.tif 000019
【図１８】
2006308325.tif 000020
【図１９】
2006308325.tif 000021
【図２０】
2006308325.tif 000022
【図２１】
2006308325.tif 000023
【図２２】
2006308325.tif 000024
【図２３】
2006308325.tif 000025
【図２４】
2006308325.tif 000026
【図２５】
2006308325.tif 000027
【図２６】
2006308325.tif 000028
【図２７】
2006308325.tif 000029
【図２８】
2006308325.tif 000030
【図２９】
2006308325.tif 000031
【図３０】
2006308325.tif 000032
【図３１】
2006308325.tif 000033
【図３２】
2006308325.tif 000034
【図３３】
2006308325.tif 000035
【図３４】
2006308325.tif 000036
【図３５】
2006308325.tif 000037
【図３６】
2006308325.tif 000038
【図３７】
2006308325.tif 000039
【図３８】
2006308325.tif 000040
【図３９】
2006308325.tif 000041
【図４０】
2006308325.tif 000042
【図４１】
2006308325.tif 000043
【図４２】
2006308325.tif 000044
【図４３】
2006308325.tif 000045
【図４４】
2006308325.tif 000046