(57)【要約】【課題】機能上有効な部位の加工精度を高めることのできるＭＥＭＳ構造体を得る。【解決手段】支持基板２に接合した半導体基板３をエッチング加工することで形成される可動部４０および固定部５０を備え、当該可動部４０および固定部５０は、第１の間隙６２をもって対向配置される可動電極４１および固定電極５１をそれぞれ有し、当該固定電極５１に対する可動電極４１の相対変位に基づいて物理量を検出するＭＥＭＳ構造体１において、半導体基板３の支持基板２と当接する領域に、網目状溝部１０を形成した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持基板に接合した半導体基板をエッチング加工することで形成される可動部および固定部を備え、当該可動部および固定部は、第１の間隙をもって対向配置される可動電極および固定電極をそれぞれ有し、当該固定電極に対する可動電極の相対変位に基づいて物理量を検出するＭＥＭＳ構造体において、
前記半導体基板の前記支持基板と当接する領域に、網目状溝部を形成したことを特徴とするＭＥＭＳ構造体。
【請求項２】
前記半導体基板は、前記可動部をばね部を介して支持する支持部を有し、当該支持部に第１の網目状溝部を形成したことを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳ構造体。
【請求項３】
前記第１の網目状溝部は、底部を有する有底溝部であることを特徴とする請求項２に記載のＭＥＭＳ構造体。
【請求項４】
前記固定部は、前記支持基板に固定されるアンカー部を有し、当該アンカー部に第２の網目状溝部を形成したことを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項に記載のＭＥＭＳ構造体。
【請求項５】
前記第２の網目状溝部は、底部を有する有底溝部であることを特徴とする請求項４に記載のＭＥＭＳ構造体。
【請求項６】
前記半導体基板には、複数の異なる幅の間隙が形成されており、前記第１の間隙が、複数の異なる幅の間隙のうち最も幅狭の間隙を有しており、当該半導体基板には、前記複数の異なる幅の間隙のうち最も幅狭の間隙よりも幅狭の犠牲間隙が形成されていることを特徴とする請求項１〜５のうちいずれか１項に記載のＭＥＭＳ構造体。
【請求項７】
前記可動電極および固定電極は、前記第１の間隙をもって相互に対向する櫛歯状可動電極および櫛歯状固定電極であり、前記犠牲間隙は、前記第１の間隙の近傍に当該第１の間隙と略平行に形成されていることを特徴とする請求項６に記載のＭＥＭＳ構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＥＭＳ構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＭＥＭＳ構造体として、支持基板に接合した半導体基板をエッチング加工することで、相互に噛み合う状態で間隙をもって対向する櫛歯状可動電極および櫛歯状固定電極を形成したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この特許文献１では、櫛歯状に配置された細長いパターンの近傍に深さ方向のエッチング時間を調整するダミーパターンを設けることで、細長いパターン部分が過度にサイドエッチングされるのを防止している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−７７６８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、エッチング加工により複数の異なる幅の間隙を形成する場合、すなわち、エッチング幅の異なるパターンが混在するエッチング用マスクを用いてエッチング加工を行う場合、マイクロローディング効果が発生することがある。マイクロローディング効果とは、幅狭の間隙が幅広の間隙に比べてエッチングの進行が遅くなる現象のことをいう。このように、マイクロローディング効果が発生すると、幅狭部分のエッチングが完了する直前に、支持基板と半導体基板との線膨張率の相違により半導体基板に生じる応力等が、幅狭の間隙の底部に集中し、底部にクラックが発生して破損するおそれがある。
【０００６】
すなわち、上記従来技術では、機能上有効な部位の加工精度が低下してしまうおそれがある。
【０００７】
そこで、本発明は、機能上有効な部位の加工精度を高めることのできるＭＥＭＳ構造体を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明にあっては、支持基板に接合した半導体基板をエッチング加工することで形成される可動部および固定部を備え、当該可動部および固定部は、第１の間隙をもって対向配置される可動電極および固定電極をそれぞれ有し、当該固定電極に対する可動電極の相対変位に基づいて物理量を検出するＭＥＭＳ構造体において、前記半導体基板の前記支持基板と当接する領域に、網目状溝部を形成したことを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、半導体基板の支持基板と当接する領域に網目状溝部を形成したため、この網目状溝部によって半導体基板に生じる応力を吸収することができる。その結果、エッチング加工を行う際に、機能上有効な部位に応力が集中してしまうのを抑制することができ、機能上有効な部位の加工精度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態にかかるＭＥＭＳ構造体を模式的に示す平面図である。
【図２】図２は、本発明の第１実施形態にかかるＭＥＭＳ構造体の半導体基板をドライエッチングする工程を（ａ）から（ｃ）に順を追って模式的に示す断面図である。
【図３】図３は、本発明の第２実施形態にかかるＭＥＭＳ構造体を模式的に示す平面図である。
【図４】図４は、本発明の第２実施形態にかかる溝部を模式的に示す拡大断面図である。
【図５】図５は、本発明の第３実施形態にかかるＭＥＭＳ構造体を模式的に示す平面図である。
【図６】図６は、本発明の第４実施形態にかかるＭＥＭＳ構造体を模式的に示す平面図である。
【図７】図７は、本発明の第４実施形態にかかる溝部を模式的に示す拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。以下では、ＭＥＭＳ構造体として、互いに直角となるＸ軸およびＹ軸方向の加速度を検出できる２軸加速度センサを例示する。
【００１２】
また、以下の複数の実施形態には、同様の構成要素が含まれている。よって、以下では、それら同様の構成要素には共通の符号を付与するとともに、重複する説明を省略する。
【００１３】
（第１実施形態）
本実施形態にかかる加速度センサ１Ａは、図１および図２に示すように、半導体素子ディバイスを形成した略正方形状のシリコン基板（半導体基板）３と、このシリコン基板３の片面（図２中下面）に接合された略正方形状のガラス基板（支持基板）２と、を備えている。本実施形態では、このシリコン基板３とガラス基板２とを陽極接合によって接合している。
【００１４】
そして、公知の半導体プロセスによりシリコン基板３に複数の異なる幅の間隙６０を形成することで、当該シリコン基板３に、周縁部に形成される略矩形状の枠部３０、可動部４０、固定部５０、ストッパ部７、ビーム（ばね部）４３および当該ビーム（ばね部）４３を介して可動部４０を支持する支持部４４を形成している。
【００１５】
これらの間隙６０は、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）などにより垂直エッチング加工を行うことで、側壁面がシリコン基板３の表面と垂直となるように形成される。このように、垂直エッチング加工により形成された間隙６０の側壁面同士は、互いに略平行に対向することになる。反応性イオンエッチングとしては、例えば、誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ：Inductively Coupled Plasma）を備えたエッチング装置によるＩＣＰ加工を利用することができる。
【００１６】
枠部３０および支持部４４は、シリコン基板３の四つの周縁（四辺）に沿って略一定幅で枠状に延設されている。そして、支持部４４は、枠部３０の内周側に、略枠状の間隙６１をもって隔離された状態で配置されている。この枠部３０および支持部４４は、裏面側（図２中下側）をガラス基板２の表面に接合することで、ガラス基板２に固定されている。すなわち、枠部３０および支持部４４は、シリコン基板３のガラス基板２に当接する領域となっている。また、固定部５０およびストッパ部７も、ガラス基板２の表面に接合されており、シリコン基板３のガラス基板２に当接する領域となっている。
【００１７】
支持部４４の内側には、支持部４４の四隅から、支持部４４の各辺と平行に、かつ中途で直角に折れ曲がりながらそれぞれ中心に向けて渦巻き状に伸びる四つのビーム４３が設けられている。ビーム４３は、それぞれ支持部４４の二辺分に亘って相互干渉することなく延設されるとともに、内側端部では可動部４０の隅部に接続されており、支持部４４に対して可動部４０を弾性的に可動支持するバネ要素（渦巻きバネ）として機能する。
【００１８】
すなわち、本実施形態では、可動部４０に、バネ要素としてのビーム４３によって可動支持される質量要素（マス）としての機能を与え、これらバネ要素と質量要素とによってバネ−マス系を構成し、質量要素としての可動部４０の変位から、その加速度や角加速度を得ることができるようになっている。
【００１９】
そして、この可動部４０の変位を検出するために、本実施形態では、可動部４０に設けた可動電極と固定部５０に設けた固定電極とを第１の間隙６２をもって相互に対向配置させて検出部６を構成している。この検出部６における可動電極と固定電極との静電容量を検出することで、当該第１の間隙６２の変化、すなわち可動電極に対する固定電極の変位を検出するようにしている。
【００２０】
具体的には、図１に示すように、可動部４０は、その中央部４０ａから支持部４４の各辺の中央部に向けてその辺と略垂直な方向に帯状に細長く伸びる櫛歯状可動電極４１を備えている。本実施形態では、複数の可動側櫛歯４１ａが、相互に平行に一定のピッチで設けられている。
【００２１】
一方、固定部５０は、可動部４０の隅部４０ｂに隣接して設けられるアンカー部５３を備えており、このアンカー部５３は、支持部４４の各辺に沿って帯状に細長く伸びる縁部５４を備えている。そして、この縁部５４に、可動部４０の中央部４０ａ側に向けて伸びる櫛歯状固定電極５１が接続されている。本実施形態では、複数の固定側櫛歯５１ａが、相互に平行に一定のピッチ（可動部４０の可動側櫛歯４１ａと同一のピッチ）で設けられており、可動部４０の複数の可動側櫛歯４１ａと間隙６２をもって噛み合うようにしてある。
【００２２】
この検出部６では、可動側櫛歯４１ａと固定側櫛歯５１ａとの第１の間隙６２は、可動側櫛歯４１ａに対して一方側で狭く（間隙６２ａ）、他方側で広く（間隙６２ｂ）設定してあり、狭い側の間隙６２ａを検知ギャップとして、この間隙６２ａを介して相互に対向する櫛歯４１ａ、５１ａ間の静電容量、すなわち固定電極と可動電極との間の静電容量を検出するようになっている。
【００２３】
図１に示すように、検出部６は、枠部３０の各辺の中央部に対応して設けられており、Ｘ方向検出用の検出部６（図１では上下の検出部６）とＹ方向検出用の検出部６（図１では左右の検出部６）とがそれぞれ二箇所ずつ設けられている。
【００２４】
なお、図１中、４Ｅは、ビーム４３を介して可動部４０の櫛歯状可動電極４１に電気的に接続される第１の導電層であり、５Ｅは、固定部５０の櫛歯状固定電極５１に電気的に接続される第２の導電層である。そして、この第１および第２の導電層から、可動部４０および固定部５０の電位を検出できるようにしている。
【００２５】
ここで、本実施形態では、支持部４４に、第１の網目状溝部１０が格子状に形成されている。この第１の網目状溝部１０は、本実施形態では、平面視で支持部４４のほぼ全域にわたって設けられており、支持部４４の肉厚方向に貫通した貫通溝となっている。
【００２６】
また、可動部４０と固定部５０との間には、間隙６２ａ、６２ｂ以外に、アンカー部５３と可動部４０との間に間隙６３が設けられるとともに、可動部４０とビーム４３との間、ビーム４３どうしの間およびビーム４３と支持部４４との間にそれぞれ間隙６４が設けられている。なお、これらの間隙６０（間隙６１、６２ａ、６２ｂ、６３、６４）は、Ｘ軸方向とＹ軸方向でそれぞれ幅が異なるようにすることも可能である。
【００２７】
そして、本実施形態では、櫛歯状可動電極４１と櫛歯状固定電極５１との間の第１の間隙６２が、他の間隙６１、６３、６４よりも幅狭に形成されており、第１の間隙６２のうち片側の間隙６２ａが他側の間隙６２ｂよりも幅狭に形成されている。すなわち、本実施形態では、第１の間隙６２のうち狭い側の間隙６２ａが、間隙６０の中で最も幅が狭くなっている。なお、第１の間隙６２が、他の間隙６１、６３、６４よりも幅狭に形成されていると説明したが、狭い側の間隙６２ａおよび広い側の間隙６２ｂのいずれもが、他の間隙６１、６３、６４よりも幅狭に形成されている必要はない。すなわち、狭い側の間隙６２ａが、間隙６０の中で最も幅が狭くなっていればよく、第１の間隙６２のうち広い側の間隙６２ｂの幅が、他の間隙６１、６３、６４のうちのいずれかの幅よりも広くなっていてもよい。
【００２８】
ここで、本実施形態では、シリコン基板３に、最も狭い幅の間隙６２ａよりも幅狭となる犠牲間隙７０ｓを形成している。具体的には、可動部４０に凹部８を設けるとともに、ストッパ部７から当該凹部８内に棒状突起部７ａを突設させることで、凹部８と棒状突起部７ａとの間に犠牲間隙７０ｓを形成している。
【００２９】
本実施形態では、棒状突起部７ａは、ストッパ部７から櫛歯状可動電極４１および櫛歯状固定電極５１の近傍に、当該櫛歯状可動電極４１および櫛歯状固定電極５１と平行になるように突設されている。
【００３０】
このように、本実施形態では、犠牲間隙７０ｓが、櫛歯状可動電極４１および櫛歯状固定電極５１の近傍に平行に設けられている。この犠牲間隙７０ｓの幅は、最も幅狭となっている櫛歯状可動電極４１と櫛歯状固定電極５１との間の第１の間隙６２ａよりも幅が狭くなっている。たとえば、間隙６２ａの幅が３μｍである場合には、犠牲間隙７０ｓの幅は２μｍ以下に抑えられる。なお、犠牲間隙７０ｓも垂直エッチング加工を行うことで形成されるものであり、犠牲間隙７０ｓの幅は、エッチングを行うことが可能な幅であることはいうまでもない。このとき、棒状突起部７ａの両側に設けられる犠牲間隙７０ｓは、棒状突起部７ａの両側で幅を異ならせてもよく、その場合にあっては、幅が狭くなった方の犠牲間隙７０ｓの幅が第１の間隙６２ａの幅よりも狭ければよい。
【００３１】
次に、上述した加速度センサ１Ａの製造過程の一例を説明する。
【００３２】
まず、シリコン基板３の裏面（図２中下面）に、図示せぬシリコン酸化膜やフォトレジスト層を形成し、そのフォトレジスト層をパターニングしてシリコン酸化膜を異方性エッチングする。そして、フォトレジスト層を除去した後にシリコン酸化膜をマスクとして異方性エッチングを行い、凹部３ａを形成する。次に、シリコン基板３の裏面側とガラス基板２の表面側（図２中上面）とを重ねて両者を陽極接合することにより、図２（ａ）に示す空洞部３Ｃが形成された状態とする。この空洞部３Ｃによって、可動部４０の変位が許容されることとなる。なお、ガラス基板２の表面に凹部を設けて空洞部を形成してもよいし、シリコン基板３の裏面とガラス基板２の表面の両方に凹部を設けて空洞部を形成してもよい。
【００３３】
その後、シリコン基板３の表面側（図２中上面）に塗布形成したフォトレジスト層を、フォトリソグラフィ技術によってパターニングする。このパターニングは前述した間隙６０および犠牲間隙７０ｓの形状に沿って行われ、このフォトレジスト層をマスクとしてシリコン基板３を異方性エッチングすることにより、図２（ｂ）の段階を踏まえた後、図２（ｃ）に示すように、可動部４０や固定部５０、第１の網目状溝部１０等が形成される。このときの異方性エッチングは、例えば、誘導結合方式（ＩＣＰ）を採用した反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）などによって行われる。
【００３４】
以上の本実施形態によれば、可動部４０をビーム（ばね部）４３を介して支持する支持部４４（半導体基板の支持基板と当接する領域）に第１の網目状溝部１０を形成したため、シリコン基板（半導体基板）３に存在する応力を第１の網目状溝部１０で吸収できるようになる。その結果、シリコン基板３をエッチング加工する際に、形成途中の間隙６０（機能上有効な部位）に応力が集中してしまうのを抑制することができ、電極等の機能上有効な部位の加工精度を高めることができる。このように、間隙６０の仕上げ精度が低下してしてしまうのを抑制することで、加速度センサ１Ａの検出精度を高めることができるようになる。
【００３５】
また、本実施形態によれば、シリコン基板３に、複数の異なる幅の間隙６０のうち最も狭い幅の間隙である櫛歯状可動電極４１と櫛歯状固定電極５１との間に形成される間隙（第１の間隙）６２ａよりも幅狭となる犠牲間隙７０ｓを形成している。したがって、シリコン基板３をエッチング加工する際には、マイクロローディング効果により犠牲間隙７０ｓにおけるエッチングが最も遅くなる。これにより、シリコン基板３に生じる応力を犠牲間隙７０ｓに負担させることができるようになり、形成途中の間隙６０（機能上有効な部位）に応力が集中してしまうのを抑制することができ、電極等の機能上有効な部位の加工精度を高めることができる。
【００３６】
特に、本実施形態では、犠牲間隙７０ｓを、可動部４０の櫛歯状可動電極４１および固定部５０の櫛歯状固定電極５１の近傍に平行に形成している。そのため、シリコン基板３に生じる応力が間隙６０にかかってしまうのをより効果的に抑制することができる。その結果、櫛歯状可動電極４１および櫛歯状固定電極５１の加工精度をより一層高めて、加速度センサ１Ａの検出精度をさらに高めることができる。
【００３７】
（第２実施形態）
本実施形態にかかる加速度センサ１Ｂは、図３に示すように、上記第１実施形態と同様に、可動部４０をビーム（ばね部）４３を介して支持する支持部４４（半導体基板の支持基板と当接する領域）に第１の網目状溝部１０Ａが形成されている。
【００３８】
ここで、本実施形態が上記第２実施形態と主に異なる点は、第１の網目状溝部１０Ａが、図４に示すように、支持部４４がガラス基板２に対向する側（図４中、下側）に底部１０ｂを残留させていることにある。すなわち、本実施形態にかかる第１の網目状溝部１０Ａは、支持部４４のガラス基板２と当接する側に底部１０ｂを有する有底溝部である。
【００３９】
以上の本実施形態によっても、上記第１実施形態と同様の作用、効果を奏することができる。
【００４０】
また、本実施形態によれば、第１の網目状溝部１０Ａが、支持部４４のガラス基板２と当接する側に底部１０ｂを有する有底溝部であるため、第１の網目状溝部１０Ａによってシリコン基板３に生じる応力を吸収しつつ、支持部４４とガラス基板２との接合面積が減少するのを防止して、高い接合強度を確保することができる。
【００４１】
（第３実施形態）
本実施形態にかかる加速度センサ１Ｃは、上記第１実施形態と同様に固定部５０がアンカー部５３を有している。
【００４２】
ここで、本実施形態が上記第１実施形態と主に異なる点は、アンカー部５３に第２の網目状溝部１１を形成したことにある。この第２の網目状溝部１１は、本実施形態では、アンカー部５３のうち縁部５４のほぼ全体にわたって設けられており、アンカー部５３の肉厚方向に貫通した貫通溝となっている。
【００４３】
以上の本実施形態によっても、上記第１実施形態と同様の作用、効果を奏することができる。
【００４４】
また、本実施形態によれば、櫛歯状固定電極５１をガラス基板２に固定するアンカー部５３に第２の網目状溝部１１を形成したため、当該第２の網目状溝部１１によってシリコン基板３に生じる応力を吸収することができる。その結果、シリコン基板３をエッチング加工する際に、形成途中の間隙６０（機能上有効な部位）に応力が集中してしまうのを抑制することができ、電極等の機能上有効な部位の加工精度をより高めることができる。
【００４５】
特に、本実施形態では、支持部４４よりも間隙（前記複数の異なる幅の間隙のうち最も幅狭の間隙）６２ａに近いアンカー部５３に、第２の網目状溝部１１を設けているため、形成途中の間隙６０（特に、間隙６２ａ）に応力が集中してしまうのをより効果的に抑制することができるという利点もある。
【００４６】
（第４実施形態）
本実施形態にかかる加速度センサ１Ｄは、図６に示すように、上記第３実施形態と同様に、アンカー部５３に第２の網目状溝部１１Ａが形成されている。
【００４７】
ここで、本実施形態が上記第３実施形態と主に異なる点は、第２の網目状溝部１１Ａが、図７に示すように、支持部４４がガラス基板２に対向する側に底部１１ｂを残留させていることにある。すなわち、本実施形態にかかる第２の網目状溝部１１Ａは、支持部４４のガラス基板２と当接する側に底部１１ｂを有する有底溝部である。
【００４８】
以上の本実施形態によっても、上記第３実施形態と同様の作用、効果を奏することができる。
【００４９】
また、本実施形態によれば、第２の網目状溝部１１Ａが、支持部４４のガラス基板２と当接する側に底部１１ｂを有する有底溝部であるため、第２の網目状溝部１１Ａによってシリコン基板３に生じる応力を吸収しつつ、アンカー部５３とガラス基板２との接合面積が減少するのを防止して、高い接合強度を確保することができる。
【００５０】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態には限定されず、種々の変形が可能である。
【００５１】
たとえば、上記各実施形態では、ＭＥＭＳ構造体として、２軸加速度センサを例示したが、１軸加速度センサや、３軸加速度センサであってもよく、また、加速度センサ以外にも角速度センサ、振動センサ等、他のＭＥＭＳ構造体にあっても本発明を実施することができる。
【００５２】
また、上記各実施形態では、支持部およびアンカー部のいずれか一方に溝部を設けたものを例示したが、両方に設けるようにしてもよい。このとき、溝部を貫通溝とするか有底溝とするかは適宜選択することができる。
【００５３】
また、可動部や固定部、その他細部のスペック（形状、大きさ、レイアウト等）も適宜に変更可能である。
【符号の説明】
【００５４】
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ  加速度センサ（ＭＥＭＳ構造体）
２  ガラス基板（支持基板）
３  シリコン基板（半導体基板）
４０  可動部
５０  固定部
１０、１０Ａ  第１の網目状溝部
１０ｂ  底部
１１、１１Ａ  第２の網目状溝部
１１ｂ  底部
４１  櫛歯状可動電極
４４  支持部
５１  櫛歯状固定電極
５３  アンカー部
６０  間隙
６２  第１の間隙
６２ａ  最も狭い幅の間隙
７０ｓ  犠牲間隙
【図１】
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【図２】
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【図３】
2011152592.tif 000005
【図４】
2011152592.tif 000006
【図５】
2011152592.tif 000007
【図６】
2011152592.tif 000008
【図７】
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