(57)【要約】【課題】  本発明では、センサ素子可動部の形状が、凝着防止機能のためにばらついたり、あるいはセンサ素子可動部の電気的特性が凝着防止機能のために劣化したりすることなく形成可能な、凝着防止機構や異常変位抑制機構を備えた素子の構造を提供することを目的とする。【解決手段】  本発明における凝着防止機構や異常変位抑制機構を備えた素子の構造は、次のように構成される。振動体を形成する活性層基板と、活性層基板と異なる結晶方位もしくは異なる材質で形成された単結晶基板である支持基板とが、絶縁層を間に挟んだ状態で接合された積層基板の、活性層基板の面内に形成され、前記絶縁層を介して支持基板上に振動可能な状態で支持された振動体において、支持基板の前記振動体と対応する表面に、前記振動体をマスクとした、ドライエッチングと結晶異方性エッチングによる、エッチング残り部からなる突起状構造を形成し、これを凝着防止機構と異常変位抑制機構とする。【選択図】図１
2008282889.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性を有する第一のシリコン基板と、
前記第一のシリコン基板上に設けられ、絶縁性を有する第一の絶縁基板と、
前記絶縁基板上に設けられ、その一部で振動体を形成する第二のシリコン基板とを有する振動構造体の製造方法において、
前記第二のシリコン基板に、ドライエッチングで溝を形成して振動体を形成する工程と、
前記第二のシリコン基板の振動体を酸化して、酸化膜を形成する工程と、
前記絶縁基板及び前記第一のシリコン基板に、前記第二のシリコン基板の溝を通してドライエッチングで溝を形成する工程と、
（１１１）面を有する前記第一のシリコン基板を、前記振動体及び酸化膜をマスクとしてウェットエッチングを行う工程と、
前記第二のシリコン基板に形成された酸化膜を除去する工程とを有することを特徴とする振動構造体の製造方法。
【請求項２】
請求項１において、
前記ウェットエッチング工程で、前記第一のシリコン基板上に、突起を有する溝が形成されることを特徴とする振動構造体の製造方法。
【請求項３】
請求項１において、
前記振動体は、格子形状を有することを特徴とする振動構造体の製造方法。
【請求項４】
請求項２において、
前記突起の幅は、前記振動体の幅よりも小さいことを特徴とする振動構造体の製造方法。
【請求項５】
請求項１において、
前記第二のシリコン基板は（１００）面を有し、前記第一のシリコン基板よりも抵抗値が低いことを特徴とする振動構造体の製造方法。
【請求項６】
請求項１において、
前記振動体の格子形状は、格子形状を形成する梁の長手方向が、前記第一の基板の
（−１１０）方向を向いていることを特徴とする振動構造体の製造方法。
【請求項７】
請求項２において、
前記振動体の格子形状は、格子形状を形成する梁の長手方向が、前記第一の基板の
（−１１０）方向を向いており、
前記突起の長手方向は、前記第一の基板の（−１１０）を向いていることを特徴とする振動構造体の製造方法。
【請求項８】
請求項１において、
前記格子形状を形成する梁の長手方向が、前記第一の基板の（−１１０）方向と６０度をなす方向を向いていることを特徴とする振動構造体の製造方法。
【請求項９】
請求項２において、
前記格子形状を形成する梁の長手方向が、前記第一の基板の（−１１０）方向と６０度をなす方向を向いており、
前記突起の長手方向は、前記第一の基板の（−１１０）と６０度をなす方向を向いていることを特徴とする振動構造体の製造方法。
【請求項１０】
導電性を有する第一のシリコン基板と、
前記第一のシリコン基板上に設けられ、絶縁性を有する絶縁基板と、
前記絶縁基板上に設けられ、その一部で振動体を形成する第二のシリコン基板とを備えた振動構造体において、
前記第一の基板は、前記振動体の下に、前記振動体よりも面積が小さい突起を有しており、
前記突起は、（１１１）面を有する前記第一のシリコン基板をエッチングすることにより形成したものであることを特徴とする振動構造体。
【請求項１１】
請求項１０において、
前記第二のシリコン基板は、（１００）面を有し、
前記第二のシリコン基板の導電率は、前記第一のシリコン基板の導電率よりも大きいことを特徴とする振動構造体。
【請求項１２】
請求項１０において、
前記突起の長手方向は、前記振動体の振動方向と直交していることを特徴とする振動体の製造方法。
【請求項１３】
請求項１２において、
前記振動体の格子形状は、格子形状を形成する梁の長手方向が、前記第一の基板の
（−１１０）方向を向いていることを特徴とする振動構造体。
【請求項１４】
請求項１２において、
前記格子形状を形成する梁の長手方向が、前記第一の基板の（−１１０）方向と６０度をなす方向を向いていることを特徴とする振動構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、角速度センサや加速度センサなどの、振動構造体を用いて物理量を検出するセンサや、物理量を利用して振動構造体を変位させるアクチュエータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
物理量の作用に応じて変位する振動体構造を用いて物理量を検出するセンサや、物理量を利用して振動構造体を変位させるマイクロアクチュエータの、振動構造体の凝着防止機構に関しては、例えば、特許文献１や非特許文献１において開示されている。
【０００３】
本公知例では、単結晶シリコン基板（以下、支持基板）上に絶縁層を間に挟んでシリコン基板（以下、活性層基板）が接合されたＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いてセンサ構造体を形成しており、振動体はドライエッチングを用いて活性層基板に形成している。
【０００４】
特許文献１に記載された振動体を備えた、センサの製造方法は、まず、ＳＯＩ基板の、活性層基板の表面から絶縁層に達するようにドライエッチングによりトレンチを形成する。ここでのトレンチとは、側面が底面に対してほぼ垂直な形状を持つ溝のことである。
【０００５】
トレンチ形成後も、更にドライエッチングを行う。この追加のドライエッチングにより、トレンチ底面の絶縁層に電荷が帯電する。これに伴い、エッチングイオンの軌道が曲げられ、トレンチと絶縁層の境界面にあるトレンチ側壁にエッチングイオンが衝突する。この衝突の結果、トレンチ側壁が部分的にエッチングされる。この部分的なエッチングのことをノッチといい、ノッチを利用することで、支持基板と活性層基板間の間隔を広げたセンサが製造できる。
【０００６】
以上の工程により、支持基板に突起を持つセンサが製造できる。
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−２７３３６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ＳＯＩ基板上に振動体を備えた素子の凝着防止構造として、特許文献１には、活性層基板と支持基板間の間隔を絶縁層の厚さより広げることによって凝着を防止する構造が開示されている。
【０００９】
この構造の場合、振動体のトレンチ形成速度は、振動体以外のトレンチ形成速度より速くなるように、エッチングする必要がある。
【００１０】
また、活性層基板に形成した振動体の、トレンチ底部で発生する横方向へのエッチングは、等方的に進行するため、トレンチ側面の形状制御が困難となり、構造体ごとの形状のばらつきが大きくなる傾向がある。それに伴い、各構造体による性能のばらつきが大きくなるため、低価格であることが求められる量産品への適応は難しい。
【００１１】
本発明では、センサ素子可動部の形状が、凝着防止機能のためにばらついたり、あるいはセンサ素子可動部の電気的特性が凝着防止機能のために劣化したりすることなく形成可能な、凝着防止機構や異常変位抑制機構を備えた素子の構造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】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明における凝着防止機構や異常変位抑制機構を備えた素子の構造は、次のように構成される。振動体を形成する活性層基板と、活性層基板と異なる結晶方位もしくは異なる材質で形成された単結晶基板である支持基板とが、絶縁層を間に挟んだ状態で接合された積層基板の、活性層基板の面内に形成され、前記絶縁層を介して支持基板上に振動可能な状態で支持された振動体において、支持基板の前記振動体と対応する表面に、前記振動体をマスクとした、ドライエッチングと結晶異方性エッチングによる、エッチング残り部からなる突起状構造を形成し、これを凝着防止機構と異常変位抑制機構とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、活性層基板に低抵抗基板を用いることができるため、オーミックコンタクトを取ることが容易である。また、本発明によれば、結晶異方性エッチングにより、振動体をエッチングすることなく、支持基板の振動体下側領域のみを削って、突起部を形成することができるため、個々の振動体の寸法がばらつくことがなくなり、静電容量型センサやアクチュエータに適用した場合の特性のばらつきを抑えることができる。
【００１４】
また、突起の形成には結晶異方性エッチングを用いるため、突起は支持基板の結晶方位でエッチング速度の遅い結晶方位が析出する。そのため、結晶異方性エッチング用のマスクをある形状や寸法とした場合、時間制御なしに長時間エッチングすることで、突起は特定の形状や寸法に収束していく。例えば、突起上面が振動体下面より幅の狭い、ライン状の突起や、上面が多角形となる突起が形成できる。
【００１５】
また、本発明を用いれば、可動部が支持部と接触した場合でも、突起上部の表面積が小さいため、表面張力が小さく凝着しにくい構造とすることができる。これに伴い、製品化後の衝撃，水分，静電力による凝着を抑制し、長期にわたる信頼性を確保することができる。
【００１６】
更に、基板厚さ方向に過剰な衝撃がかかった場合でも、突起構造が異常変位抑制機能としての機能を備えているため、振動体が限界を超えて変形することを回避でき、耐衝撃性を改善できる。
【００１７】
一方、突起構造と、振動体支持部以外の絶縁膜を犠牲層エッチングにより除去した支持基板の表層は、掘り下げられた深い溝となっており、活性層基板と支持基板間の間隔は絶縁層の厚さより広がった構造であるため、発生する浮遊容量を抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に、本発明の実施例を、図面を用いて詳細に説明する。
【実施例１】
【００１９】
（加速度センサ）実施例１は加速度センサの可動部に凝着防止効果と異常変位抑制効果を有する構造を形成したものである。図１に、本発明を用いて製作した加速度センサの概略平面図であり、図２は、図４中のＡ−Ａ′断面における概略断面図を示す。図３は、図１中のＢ−Ｂ′断面における概略断面図を示す。本実施例における加速度センサは、SOI基板を用いて形成する。ここで用いるＳＯＩ基板の活性層基板１は面方位（１００）の単結晶シリコンであり、支持基板２は面方位（１１１）の単結晶シリコンである。活性層基板１の抵抗率は、電極パッドとの間でオーミックコンタクトを取ることを容易にするために高濃度でボロンを拡散し、０.００５Ωcm 以下とし、支持基板２より低抵抗となる。活性層基板１と支持基板２の間の絶縁層３は厚さ０.３μｍ の熱酸化膜とする。
【００２０】
本加速度センサの振動体４は、アンカー以外の領域が支持基板２から浮いた構造となっている。その端部は４本の梁５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄにより、面内方向に振動可能な状態で支持されており、加えられた加速度によって振動する構造となっている。梁５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの端はアンカー６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅによって絶縁層３を間に挟んだ状態で、支持基板２に固定されている。なお、上記梁５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄは、図１中に示したｘ方向の加速度を受けた場合に、質量を持った振動体４に発生する慣性力を利用することで当該方向に振動体４を変位させるとともに、加速度印加終了とともに振動体４を元の状態へと復元させるばね機構を備える。振動体４は振動方向と直交した方向に各数本ずつ可動電極７を備えている。可動電極７は振動体４と連動して振動する。支持基板２とアンカー６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅは絶縁層３を間に挟むことによって絶縁されている。
【００２１】
振動体４には、絶縁層３を犠牲層エッチングする際に使用する、トレンチの貫通孔８が複数備わっており、振動体４は直交する梁を有する格子状になっている。これは本加速度センサのように振動体４がアンカー６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅよりも大きな場合、犠牲層エッチングを行うと、振動体４よりも支持基板２に固定されているべきアンカーの下部の絶縁層３が先にエッチングされきってしまい、アンカーが浮いてしまうこと防ぐ機構を持つ。具体的には貫通孔８を形成することで、振動体４の側面からのエッチングだけでなく、貫通孔８からもエッチングされ、絶縁層３を犠牲層エッチングするのに必要な時間を少なくすることができるからである。なお、図１においては貫通孔８の形状は正方形である。
【００２２】
支持基板２は、振動体４の下の領域に形成された突起９，１０と溝１１から構成されている。突起９の上面と振動体４の下面とは絶縁層３の厚さ分の隙間がある。振動体４下面と溝１１の底面は絶縁層３よりも間隔があいており、溝１１から見た場合、突起９，１０は突出した突起形状となっている。突起１０はアンカー６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅの下に備わっており、突起１０とアンカー６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅは絶縁層３を間に挟んで固定されている。
【００２３】
突起１０の形成には異方性エッチングを用いる。異方性エッチングとは結晶方位に伴い、エッチング速度が変化する性質を利用したエッチング方法である。
【００２４】
本加速度センサでは支持基板２に面方位（１１１）のものを使用している。振動体４の格子形状の梁を、支持基板２のオリエンテーションフラットの面方位（−１１０）（基板面上での結晶方位〈１１０〉）に対して６０度傾けて形成したものを図５（ａ）に示す。突起９を形成するためのエッチング用マスクの形状は、ｘ方向及びｙ方向に梁が伸び、貫通孔８間の間隔に相当する幅を持つ格子形状とする。２５％ＴＨＡＭを用いて７０℃でエッチングを行い、図５（ａ）はエッチング時間５分のもの、（ｂ）はエッチング時間１５分のもの、（ｃ）はエッチング時間３０分のものである。なお、貫通孔８間の間隔が１０μｍである。エッチングが進行するにつれ、突起９はｘ方向へライン状に伸びた形状となっていった。また、突起９の上面の幅は１.３μｍ となった。なお、これ以上エッチング時間を長くしても、形状及び幅はほとんど変化しない。
【００２５】
また、振動体４の格子形状の梁を支持基板２の面方位（−１１０）に対して傾けずに形成した場合を図６に示す。２５％ＴＨＡＭを用いて７０℃でエッチングを行い、図６(ａ)はエッチング時間５分のもの、（ｂ）はエッチング時間１５分のもの、（ｃ）はエッチング時間３０分のものである。突起９の形状はｙ方向（結晶方位〈１１０〉方向）へライン状に伸びた形状となり、突起９の上面の幅は１.５μｍ となる。
【００２６】
以上のように、振動体４の格子形状の梁を、支持基板２の特定の結晶方向を向けた状態で、支持基板２のウェットエッチングを行うことで、ある方向を長手方向とする突起９を形成することができる。
【００２７】
ところで、凝着を考慮しなければ、梁や可動電極櫛歯のように振動により変位する構造の下の領域は、突起９は存在しない、又は、小さいことが望ましい。これは、支持基板２と活性層基板１（振動体４）間に発生する浮遊容量抑制に繋がるからである。よって、本加速度センサの場合、梁構造や可動電極櫛歯は振動体４の振動方向に平行に配置するのが望ましい。また、アンカーや配線など支持基板２に固定されるべき構造は、突起構造が残る方向である振動方向と直交する方向に配置するのが望ましい。これは、突起１０の上面が振動体４と接触するときに、振動体４の貫通孔８を含む位置で接触し、接触の面積が小さくなるため、凝着しにくくなる。
【００２８】
振動体４と支持基板２とを固定している梁５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの端にあるアンカー６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅ上にはワイヤボンディング用電極パッド１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅが形成されている。
【００２９】
支持基板２上には絶縁層３を間に挟んだ状態で固定電極１３が固定されている。固定電極１３は可動電極７と対向するように備わっており加速度が加わった時、可動電極７と固定電極１３との間に発生する静電容量の変化を検出できる機構となっている。固定電極
１３上には検出した上記静電容量の変化を電気的に引き出すための電極パッド１４が形成されている。
【００３０】
本加速度センサは加速度印加による変位により、可動電極７と固定電極１３間の静電容量の変化を検出するセンサであるため、感度を上げる方法として、例えば、振動体４の質量を重くし、且つ、梁５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの剛性を弱くすることで変位を大きくすることが考えられる。その場合、振動体４は自重により沈み込みしやすく、梁５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄは下方にたわみやすくなるため、振動体４と支持基板２が表面張力によって凝着しやすくなる。感度を上げるためには凝着防止機構を備えることは重要である。本実施例における加速度センサは、支持基板２に振動体４の下面よりも小さな突起９を備えているため、表面張力を小さくし、凝着の発生を抑える機能を有している。
【００３１】
また、梁の剛性を弱くすることで変位を大きくしているので、梁は大きな変位に弱い構造となっている。よって、過剰な衝撃に対する異常変位防止効果も期待できる。
【００３２】
図４に上記加速度センサの製造工程を示す。
【００３３】
面方位（１００）の活性層基板１と面方位（１１１）の支持基板２の２枚の単結晶シリコン基板の間にシリコン酸化膜からなる絶縁層３を挟んで接合したＳＯＩ（Silicon On 
Insulator）基板を用意した。ＳＯＩ基板の活性層基板と支持基板共に０.００５Ωcm以下のものを使用した。
【００３４】
活性層基板１に振動体４を形成するためのドライエッチング用マスクとするため、熱酸化によりＳＯＩ基板全面に酸化膜２１を形成した。次にスパッタリングにて活性層基板１の酸化膜２１表面にアルミニウム薄膜２０を成膜した。この際、形成する酸化膜の厚さは絶縁層３の酸化膜の厚さより厚く成膜した。次に、アルミニウム薄膜２０と酸化膜２１をフォトリソグラフィとエッチング技術を利用しパターニングすることによりドライエッチング用マスクを形成した。この際、格子形状のパターンを支持基板のオリエンテーションフラットの面方位（−１１０）に対して例えば６０度傾けて形成した（図４（ａ））。
【００３５】
上記工程で形成した酸化膜２１とアルミニウム薄膜２０をマスクとしてドライエッチングを行い活性層基板１に振動体４のトレンチ構造を形成した（図４（ｂ））。
【００３６】
アルミニウム薄膜２０を除去後、振動体４のトレンチ（溝１１）側面に結晶異方性エッチング用のマスクを形成するため熱酸化を行い、振動体４の側方に酸化膜２２を形成した(図４(ｃ))。ドライエッチングを用いて絶縁層３の酸化膜を除去した（図４（ｄ））。
【００３７】
振動体４をマスクとしてドライエッチングを行い、支持基板２に溝１１を形成した（図４（ｅ））。その後、再度、振動体４をマスクとして２５％ＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド）を用いた結晶異方性エッチングを行うことにより、面内方向にエッチングが広がるとともに、エッチング速度の遅い結晶面が析出し、振動体４の下に突起９が形成された。突起９は振動体４の振動方向に沿ったライン状、且つ、板状の突起構造となった。振動体４と突起９の上面とを剥離するためフッ化水素酸を用いたウェットエッチングを行い、振動体４と突起９の間の絶縁層３を除去した。
【００３８】
以上のような製造工程により、凝着しにくく異常変位を抑制する機能を有した加速度センサが製作できる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明を用いて製作した角速度センサの概略平面図。
【図２】図４中のＡ−Ａ′一点鎖線に沿った概略断面図。
【図３】図４中のＢ−Ｂ′一点鎖線に沿った概略断面図。
【図４】凝着防止機能と異常変位抑制機能を備えた振動体の製造方法。
【図５】支持基板のエッチングによる変化を説明する写真。
【図６】支持基板のエッチングによる変化を説明する写真。
【符号の説明】
【００４０】
１  活性層基板
２  支持基板
３  絶縁層
４  振動体
５ａ〜５ｄ  梁
６ａ〜６ｅ  アンカー
７  可動電極
８  貫通孔
９，１０  突起
１１  溝
１２ａ〜１２ｄ  電極パッド
１３  固定電極
【図１】
2008282889.tif 000003
【図２】
2008282889.tif 000004
【図３】
2008282889.tif 000005
【図４】
2008282889.tif 000006
【図５】
2008282889.tif 000007
【図６】
2008282889.tif 000008