(57)【要約】【課題】  錘部を形成する活性層とベース層の接触を防止するためのストッパを備えているとともに、錘部の質量が増加している構造体を実現する技術を提供する。【解決手段】  活性層を異方性エッチングして犠牲層を露出させる異方性エッチング工程と、露出した範囲から犠牲層を等方性エッチングして梁と錘部を形成する活性層をベース層から遊離させる等方性エッチング工程を備えており、異方性エッチング工程でエッチングする個々の孤立範囲の最小径をｘ（μｍ）とし、周囲を孤立範囲で取り囲まれている領域の中心点から孤立範囲までの最短距離をＧ（μｍ）とし、犠牲層の厚さをｈ（μｍ）としたときに、下記式（１）と（２）を同時に満足する関係で孤立範囲群を分散して形成する。  ｘ＜１０．０                （１）  １．０＜Ｇ＜ｈ＋１．０      （２）【選択図】  図１
2008309657.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース層と犠牲層と活性層の順に積層されている積層体から、犠牲層を介してベース層に固定されている範囲の活性層によって形成されている基部と、その基部を形成している活性層から伸びているとともに対応する範囲の犠牲層がエッチングされているためにベース層から遊離している範囲の活性層によって形成されている梁と、その梁の反基部側に固定されているとともに対応する範囲の犠牲層がエッチングされているためにベース層から遊離している範囲の活性層によって形成されている錘部を備えている構造体を製造する方法であって、
梁と錘部の外周に沿った範囲のうちの基部と梁との接続部と梁と錘部との接続部を除外した範囲の活性層と、錘部内に分散して配置されている複数の孤立範囲内の活性層を異方性エッチングして犠牲層を露出させる異方性エッチング工程と、
前記異方性エッチング工程で露出した範囲から犠牲層を等方性エッチングして梁と錘部を形成する活性層をベース層から遊離させる等方性エッチング工程を備えており、
前記孤立範囲の最小径をｘ（μｍ）とし、周囲を孤立範囲で取り囲まれている領域の中心点から孤立範囲までの最短距離をＧ（μｍ）とし、犠牲層の厚さをｈ（μｍ）としたときに、下記式（１）と（２）を同時に満足する関係で前記孤立範囲群を分散して形成することを特徴とする製造方法。
ｘ＜１０．０                                            （１）
１．０＜Ｇ＜ｈ＋１．０                                  （２）
【請求項２】
前記錘部内に、各々が円形又は正方形の孤立範囲の複数個を等間隔で格子状に配置するとともに、
孤立範囲の中心から最遠端までの距離をｒ（μｍ）とし、隣接する孤立範囲の間隔をＰ（μｍ）としたときに、下記式（３）を満足する関係で前記孤立範囲群を分散して形成することを特徴とする請求項１の製造方法。
２０．５×（ｒ＋１．０）＜Ｐ＜２０．５×（ｒ＋ｈ＋１．０）    （３）
【請求項３】
ベース層と犠牲層と活性層の順に積層されている積層体から製造した構造体であって、
犠牲層を介してベース層に固定されている範囲の活性層によって形成されている基部と、
その基部を形成している活性層から伸びているとともに対応する範囲の犠牲層がエッチングされているためにベース層から遊離している範囲の活性層によって形成されている梁と、
その梁の反基部側に固定されているとともに対応する範囲の犠牲層がエッチングされているためにベース層から遊離している範囲の活性層によって形成されている錘部と、
錘部を形成している活性層の表面から裏面にまで貫通している複数個の貫通孔と、
前記複数個の貫通穴を分離している範囲において残存するとともにベース層に固定されている犠牲層によって形成されているストッパを備えており、
前記貫通孔の最小径をｘ（μｍ）とし、周囲を貫通孔で取り囲まれている領域の中心点から貫通孔までの最短距離をＧ（μｍ）とし、犠牲層の厚さをｈ（μｍ）としたときに、下記式（１）と（２）を同時に満足する関係に設定されている特徴とする構造体。
ｘ＜１０．０                                            （１）
１．０＜Ｇ＜ｈ＋１．０                                  （２）
【請求項４】
前記錘部内に、各々が円形又は正方形の貫通孔の複数個が等間隔で格子状に形成されており、
貫通孔の中心から最遠端までの距離をｒ（μｍ）とし、隣接する貫通孔の間隔をＰ（μｍ）としたときに、下記式（３）を満足する関係で前記貫通孔囲群が分散して形成されていることを特徴とする請求項３の構造体。
２０．５×（ｒ＋１．０）＜Ｐ＜２０．５×（ｒ＋ｈ＋１．０）    （３）
【請求項５】
前記犠牲層が酸化シリコンであり、前記活性層がシリコンであることを特徴とする請求項３又は４のシリコン構造体。
【請求項６】
前記ｘが２．０μｍよりも大きいことを特徴とする請求項５のシリコン構造体。
【請求項７】
前記錘部の輪郭の少なくとも一部が波形状であることを特徴とする請求項５又は６のシリコン構造体。
【請求項８】
前記錘部を形成する活性層とその錘部に隣接して前記基部を形成する活性層との間に、１０．０μｍ未満の間隔が形成されていることを特徴とする請求項５から７のいずれかのシリコン構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ベース層と犠牲層と活性層の順に積層されている積層体から、所定範囲の犠牲層と活性層をエッチングすることによって製造される構造体に関する。本発明はその構造体の製造方法にも関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に、ベース層と犠牲層と活性層の順に積層されている積層体から、基部と梁と錘部を備える構造体を製造する技術が開示されている。基部は、犠牲層を介してベース層に固定されている範囲の活性層によって形成されている。梁は、その基部を形成している活性層から伸びているとともに対応する範囲の犠牲層がエッチングされているためにベース層から遊離している範囲の活性層によって形成されている。錘部は、その梁の反基部側に固定されているとともに対応する範囲の犠牲層がエッチングされているためにベース層から遊離している範囲の活性層によって形成されている。
このような構造体は、錘部に対向するとともにベース層に固定されている固定電極を備えている。錘部と固定電極の間に電圧を印加することによりキャパシタが形成される。そのキャパシタの静電容量の変化を検出することによって、加速度検出装置や角速度検出装置等の力学量検出装置として使用することができる。あるいは、固定電極に印加する電圧を変化させることによって、アクチュエータとして使用することもできる。特許文献１には、上記構造体を加速度検出装置として使用する例が開示されている。また、上記構造体を角速度検出装置として使用する例が特許文献２に開示されている。
従来の構造体の製造方法では、まず、梁と錘部の外周に沿った範囲のうちの基部と梁との接続部と梁と錘部の接続部を除外した範囲の活性層と、錘部内に分散して配置されている複数の孤立範囲内の活性層を異方性エッチングして犠牲層を露出させる。この段階で、錘部を形成している活性層に、その活性層の表面から裏面まで貫通している複数の貫通孔が形成される。次いで、貫通孔内において露出した範囲から犠牲層を等方性エッチングし、梁と錘部を形成する活性層をベース層から遊離させる。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−１５０９１７号公報
【特許文献２】特開２００１−３３０４４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の製造方法では、活性層を異方性エッチングする工程において、活性層に貫通孔を形成するのに必要なエッチング時間（犠牲層が露出するまでのエッチング時間）よりも長時間に亘って（過剰に）異方性エッチングを実施する。過剰に異方性エッチングすると、活性層と犠牲層の境界部分の活性層にノッチングが発生する。ここでいうノッチングとは、貫通孔の底面近傍で貫通孔の断面積が拡大する現象をいう。ノッチングが発生すると、等方性エッチングを実施するときに、等方性エッチングに使用するエッチング剤が活性層と犠牲層との間に侵入しやすくなり、犠牲層をすばやく除去することができる。しかしながら活性層を過剰にエッチングすると、錘部内の貫通孔のみならず、錘部の輪郭を確定する活性層や梁を形成する活性層にもノッチングが発生してしまう。錘部や梁の輪郭にノッチングが発生すると、それらの形状が設定値からずれてしまい、共振周波数にばらつきが生じる等の現象が発生し、検出装置の検出精度が低下してしまう。また、上記構造体をアクチュエータとして使用する場合にも、基部や梁部の動作が不安定になる等の不具合が生じてしまう。構造体の特性を設計値に近づけるためには、活性層の全ての範囲でノッチングを発生させるという方策は好ましくない。なお、特許文献２には、角速度検出装置の検出精度を良好に維持するために、活性層にノッチングが発生することを防止すべき旨の記載がある。
【０００５】
例えば、上記構造体を使用して加速度検出装置や角速度検出装置を製造する場合、錘部の質量が重いほど検出感度が向上する。そのため、錘部については、活性層に形成する貫通孔が占める体積を小さくすることが好ましい。すなわち、隣接する貫通孔の間隔を大きくしたり、貫通孔の最小径を小さくしたりすることが好ましい。隣接する貫通孔の間隔を大きくしたり、貫通孔の最小径を小さくしても、等方性エッチングの時間を長く設定することによって、ベース層から錘部と梁部を遊離させることはできる。しかしながら、上記構造体では、錘部を形成している活性層とベース層が接触する（貼りつく）ことを防止するためのストッパとして、貫通孔と貫通孔を分離している範囲の犠牲層を残存させることが好ましい。ストッパを確実に残存させるためには、等方性エッチングの工程において、貫通孔から露出する犠牲層がエッチングされ、ベース層が露出した時にエッチングを停止しなくてはいけない。すなわち、隣接する貫通孔の間隔を大きくしたり、貫通孔の最小径を小さくするのに対応して、等方性エッチングの時間を長くすれば、ベース層と錘部を形成している活性層を遊離させることはできるが、ストッパが残存しなくなってしまう。
本発明では、錘部を形成する活性層とベース層の接触を防止するためのストッパを備えているとともに、錘部の質量が増加している構造体を実現する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者の研究により、活性層を異方性エッチングするときに、幅が１０．０μｍ未満の範囲を異方性エッチングすると、活性層を過剰にエッチングしないでも活性層の犠牲層との境界部分にノッチングが発生することが判明した。本発明では、その技術を利用して構造体を製造する。
本発明の構造体の製造方法では、異方性エッチングをするときに、錘部内に分散して形成する貫通孔でのみノッチングを発生させる。錘部や梁の輪郭を確定するためにエッチングする部分ではノッチングを発生させない。錘部内に分散して形成される貫通孔でノッチングが発生すると、貫通孔内で露出する犠牲層の面積が大きくなるため、ノッチングが発生しない場合と比較すると、隣接する貫通孔の間隔を大きくしたり、貫通孔の最小径を小さくすることができる。錘部の輪郭を確定する活性層にはノッチングを発生させないため、錘部の形状が設定値からずれることがなく、錘部の重量を増加させることができる。
【０００７】
本発明は、ベース層と犠牲層と活性層の順に積層されている積層体から、犠牲層を介してベース層に固定されている範囲の活性層によって形成されている基部と、その基部を形成している活性層から伸びているとともに対応する範囲の犠牲層がエッチングされているためにベース層から遊離している範囲の活性層によって形成されている梁と、その梁の反基部側に固定されているとともに対応する範囲の犠牲層がエッチングされているためにベース層から遊離している範囲の活性層によって形成されている錘部を備えている構造体を製造する方法を提供する。
その製造方法は、梁と錘部の外周に沿った範囲のうちの基部と梁との接続部と梁と錘部との接続部を除外した範囲の活性層と、錘部内に分散して配置されている複数の孤立範囲内の活性層を異方性エッチングして犠牲層を露出させる異方性エッチング工程と、異方性エッチング工程で露出した範囲から犠牲層を等方性エッチングして梁と錘部を形成する活性層をベース層から遊離させる等方性エッチング工程を備えている。ここで、孤立範囲の最小径をｘ（μｍ）とし、周囲を孤立範囲で取り囲まれている領域の中心点から孤立範囲までの最短距離をＧ（μｍ）とし、犠牲層の厚さをｈ（μｍ）としたときに、下記式（１）と（２）を同時に満足する関係で孤立範囲群を分散して形成する。
ｘ＜１０．０                                            （１）
１．０＜Ｇ＜ｈ＋１．０                                  （２）
なお、本明細書でいう孤立範囲又は貫通孔の「最小径」とは、その孤立範囲又は貫通孔の中心位置を通る径を全方位について測定したうちの最小の径をいう。すなわち、その孤立範囲又は貫通孔が長方形又は正方形のときは短辺の長さをいい、その孤立範囲又は貫通孔が円のときは直径のことをいう。
【０００８】
上記の製造方法によると、異方性エッチング工程で、複数の貫通孔を錘部内に分散して形成することができる。上記式（１）を満足しているために、梁と錘部の外周に沿った範囲の活性層にノッチングが形成されないように異方性エッチングを実施しても、錘部内に分散して形成される貫通孔群では、活性層と犠牲層の境界部分の活性層が貫通孔の外側に向かって約１．０μｍだけ広がってエッチングされるノッチングを形成することができる。ベース層側に開口する貫通孔の最小径を約２．０μｍだけ大きくすることができる。また、上記式（２）を満足しているために、梁と錘部を形成する活性層と犠牲層を分離することができるとともに、錘部を形成する活性層とベース層の間にストッパを形成することができる。すなわち、貫通孔と貫通孔を分離する活性層に対応する範囲の犠牲層の一部を残存させることができる。貫通孔群でノッチングが形成されるために、ノッチングが形成されない場合よりも異方性エッチング範囲の最小径を小さくすることができ、錘部の質量を増加させることができる。その結果、例えばその構造体を使用して製造される力学量検出装置の検出精度を向上させることができる。
【０００９】
ここで図１４から図１８を参照して、上記式（１）、（２）を同時に満足することによって、梁と錘部を形成する活性層と犠牲層を分離することができるとともに、錘部を形成する活性層とベース層の間にストッパを形成することができる理由を説明する。図１４（ａ）は孤立範囲が円形の場合を示し、図１４（ｂ）は孤立範囲が正方形の場合を示し、図１４（ｃ）は孤立範囲が長方形の場合を示している。
上記したように、等方性エッチング工程では、犠牲層をエッチングしてベース層が露出した時にエッチングを停止する。すなわち、ベース層と活性層の間の距離（犠牲層の厚さｈ）に相当する分の犠牲層だけがエッチングされる。そのため、貫通孔の底に露出していない範囲の犠牲層（上部の活性層がエッチングされていない範囲の犠牲層）は、露出した犠牲層と露出していない犠牲層の境界部分から、犠牲層の厚さｈに相当する距離内に存在する部分がエッチングされる。錘部においては、周囲を孤立範囲で取り囲まれている領域の中心点Ｍが最もエッチングされにくい。
【００１０】
図１５から図１７は孤立範囲を異方性エッチングして貫通孔４を形成した後に、犠牲層２４を等方性エッチングする工程を示している。図１５は、２ｈ＋２．０＜２Ｇ（すなわち、ｈ＋１．０＜Ｇ）の場合を示している。図１６は、２ｈ＋２．０＝２Ｇ（すなわち、ｈ＋１．０＝Ｇ）の場合を示している。図１７は、２ｈ＋２．０＞２Ｇ（すなわち、ｈ＋１．０＞Ｇ）の場合を示している。また、図面からも明らかなように、図１５から図１７では、２．０＜２Ｇ（すなわち、１．０＜Ｇ）の関係を満足している。なお、図中１５から図１７では寸法単位を省略しているが、寸法単位は全てμｍである。
上記したように、孤立範囲の最小径が１０．０μｍ未満のため、活性層２と犠牲層２４の境界部分の活性層２が貫通孔４の外側に向かって約１．０μｍだけ広がってエッチングされる。等方性エッチングを行う前は、犠牲層２４はラインｔ０まで残存している。等方性エッチングを開始すると、ラインｔ１、ラインｔ２、ラインｔ３の順に犠牲層２４がエッチングされる。ラインｔ３までエッチングし、ベース層６が露出した時に等方性エッチングを終了する。なお、ラインｔ３は、犠牲層２４を犠牲層２４の厚さｈに相当する距離だけエッチングした時の犠牲層２４の外形を示している。
図１５に示すように、ｈ＋１．０＜Ｇの場合、周囲を孤立範囲で取り囲まれている領域の中心点Ｍの犠牲層２４をエッチングすることができない。すなわち、活性層２をベース層６から遊離させることができない。
図１６に示すように、ｈ＋１．０＝Ｇの場合、犠牲層の厚みｈに相当する距離だけエッチングすると、異なる貫通孔４から進行してきた等方性エッチング（ラインｔ３）が、中心点Ｍに達する。
図１７に示すように、ｈ＋１．０＞Ｇの場合、犠牲層の厚みｈに相当する距離だけエッチングすると、異なる貫通孔４から進行してきた等方性エッチング（ラインｔ３）が、互いに交差する。すなわち、最もエッチングされにくい中心点Ｍにおいて、活性層２をベース層６から遊離させることができる。また、中心点Ｍ付近に、ストッパとして犠牲層２４を残存させることができる。
【００１１】
図１８は、２．０＝２Ｇ（すなわち、１．０＝Ｇ）の場合を示している。このとき、活性層２と犠牲層２４の境界部分の活性層２が貫通孔４の外側に向かって約１．０μｍだけ広がってエッチングされ、異なる貫通孔４のエッチング同士が中心点Ｍに達する。そのため、等方性エッチングを開始した時から、中心点Ｍと接している犠牲層２４がエッチングされ始める。その結果、犠牲層２４の厚みｈだけ等方性エッチングした時に、ストッパとして犠牲層２４を残存させることができない。
以上の理由より、上記式（１）、（２）を同時に満足することによって、梁と錘部を形成する活性層と犠牲層を分離することができるとともに、錘部を形成する活性層とベース層の間にストッパを形成することができる。
【００１２】
孤立範囲の形状が円形又は正方形の場合、孤立範囲の寸法と、隣接する孤立範囲の間隔をパラメータとすることもできる。その製造方法では、錘部内に、各々が円形又は正方形の孤立範囲の複数個を等間隔で格子状に配置するとともに、孤立範囲の中心から最遠端までの距離をｒ（μｍ）とし、隣接する孤立範囲の間隔をＰ（μｍ）としたときに、下記式（３）を満足する関係で前記孤立範囲群を分散して形成する。
２０．５×（ｒ＋１．０）＜Ｐ＜２０．５×（ｒ＋ｈ＋１．０）        （３）
なお、本明細書でいう孤立範囲又は貫通孔の「中心から最遠端までの距離」とは、その孤立範囲又は貫通孔が正方形のときは中心から頂点までの距離のことをいい、その孤立範囲又は貫通孔が円のときは半径のことをいう。
【００１３】
図１４（ａ）、（ｂ）に示しているように、孤立範囲の形状が円形又は正方形であり、孤立範囲が等間隔で格子状に配置されている場合、下記式（４）が得られる。
（２×Ｇ）＋（２×ｒ）＝２０．５×Ｐ                             （４）
式（４）を変形すると、下記式（５）が得られる。
Ｇ＝（１／２）×２０．５×Ｐ−ｒ                                 （５）
式（５）を式（２）に代入すると、上記式（３）が得られる。
上記の製造方法によると、犠牲層の厚さｈの値が既知の場合、孤立範囲の寸法（孤立範囲の中心Ｃから最遠端までの距離ｒ）を決定すれば、隣接する孤立範囲の間隔Ｐの採り得る範囲が決定する。反対に、隣接する孤立範囲の間隔Ｐを決定すれば、孤立範囲の寸法ｒの採り得る範囲が決定する。梁と錘部を形成する活性層と犠牲層を分離することができるとともに、錘部を形成する活性層とベース層の間にストッパを形成することができるという条件を満足しつつ、錘部の質量を増加させることができる。
【００１４】
長方形の孤立範囲の複数個を等間隔で格子状に配置する場合にも、孤立範囲の寸法と、隣接する孤立範囲の間隔を、上記式（３）で表すことができる。但し、孤立範囲の中心について、長方形の孤立範囲に特有の定義が必要である。
図１４（ｃ）に示すように、「長方形の孤立範囲の中心Ｃ１」とは、孤立範囲の後記する３辺に内接する円の中心のことをいう。ここでいう３辺は、孤立範囲で取り囲まれている領域の中心点Ｍに最も近い頂点Ｐ１で交差する２辺ａ、ｂと、短辺ｂを隔てて長辺ａに向かい合う辺ｃの３辺のことをいう。長方形の孤立範囲の中心Ｃ１は、中心点Ｍと頂点Ｐ１を結ぶ線Ｌ１上に位置する。長方形の孤立範囲の中心から最遠端までの距離ｒは、中心Ｃ１と頂点Ｐ１の距離のことをいう。
なお、長方形の孤立範囲を「等間隔に配置する」とは、孤立範囲の短辺方向において孤立範囲に囲まれた範囲の距離をｓ１とし、孤立範囲の長辺方向において孤立範囲に囲まれた範囲の距離をｓ２としたときに、全ての距離ｓ１が同一距離であり、全ての距離ｓ２が同一距離であり、さらに距離ｓ１とｓ２が同一距離であることをいう。
【００１５】
本発明で実現される構造体は、ベース層と犠牲層と活性層の順に積層されている積層体から製造した構造体であって、犠牲層を介してベース層に固定されている範囲の活性層によって形成されている基部と、その基部を形成している活性層から伸びているとともに対応する範囲の犠牲層がエッチングされているためにベース層から遊離している範囲の活性層によって形成されている梁と、その梁の反基部側に固定されているとともに対応する範囲の犠牲層がエッチングされているためにベース層から遊離している範囲の活性層によって形成されている錘部と、錘部を形成している活性層の表面から裏面にまで貫通している複数個の貫通孔と、前記複数個の貫通穴を分離している範囲において残存するとともにベース層に固定されている犠牲層によって形成されているストッパを備えている。貫通孔の最小径をｘ（μｍ）とし、周囲を貫通孔で取り囲まれている領域の中心点から貫通孔までの最短距離をＧ（μｍ）とし、犠牲層の厚さをｈ（μｍ）としたときに、下記式（１）と（２）を同時に満足する関係に設定されている。
ｘ＜１０．０                                            （１）
１．０＜Ｇ＜ｈ＋１．０                                  （２）
【００１６】
上記の構造体によると、梁と錘部を形成している活性層とベース層が接触することを防止することができる。また、錘部を形成している活性層とベース層の間にストッパを形成することができる。ベース層側に開口する貫通孔にノッチングが形成されており、ノッチングが形成されない場合よりも貫通孔の最小径ｘを小さくすることができる。錘部を形成する活性層の質量を増加させることができる。
【００１７】
貫通孔の形状が円形又は正方形の場合、貫通孔の寸法と、隣接する貫通孔の間隔をパラメータとすることもできる。その構造体は、錘部内に、各々が円形又は正方形の貫通孔の複数個が等間隔で格子状に形成されており、貫通孔の中心から最遠端までの距離をｒ（μｍ）とし、隣接する貫通孔の間隔をＰ（μｍ）としたときに、下記式（３）を満足する関係で前記貫通孔囲群が分散して形成されている。
２０．５×（ｒ＋１．０）＜Ｐ＜２０．５×（ｒ＋ｈ＋１．０）    （３）
犠牲層の厚さｈの値が既知の場合、貫通孔の寸法（貫通孔の中心から最遠端までの距離ｒ）及び／又は隣接する貫通孔の間隔Ｐを調整することによって、錘部を形成する活性層の質量が増加した構造体を設計することができる。
【００１８】
長方形の貫通孔の場合、「貫通孔の中心」、「貫通孔の中心から最遠端までの距離」、「等間隔に配置（形成）」の意味は、長方形の孤立範囲の意味と同じである。
【００１９】
本発明の構造体では、シリコン構造体であることが好ましい。すなわち、犠牲層が酸化シリコンであり、活性層がシリコンであることが好ましい。
上記のシリコン構造体では、活性層を異方性エッチングするときには犠牲層をエッチングしないで、犠牲層を等方性エッチングするときには活性層をエッチングしない組み合わせのエッチング方法を採用することができる。
【００２０】
本発明のシリコン構造体では、上記式（１）と（２）のｘが２．０μｍよりも大きいことが好ましい。
ｘが２．０μｍ以下になると、貫通孔の最小径が小さすぎるために、貫通孔の内部にエッチング剤が侵入しにくくなってしまう。等方性エッチングのときに、犠牲層がエッチングされにくくなってしまい、錘部を形成する活性層とベース層が遊離されにくくなってしまう。ｘを２．０μｍよりも大きくすることによって、貫通孔内にエッチング剤が侵入しやすくなり、確実に錘部を形成する活性層とベース層を遊離することができる。
【００２１】
本発明のシリコン構造体では、錘部の輪郭の少なくとも一部が波形状であることが好ましい。
上記のシリコン構造体によると、錘部がベース層に対して振動するときに、ディンプル効果が得られるために空気抵抗が小さくなる。例えば、シリコン構造体を角速度検出装置等に使用するときに、錘部に加わる空気抵抗を低減することができ、検出装置の検出精度を高くすることができる。
【００２２】
本発明のシリコン構造体では、錘部を形成する活性層とその錘部に隣接して基部を形成する活性層との間に１０．０μｍ未満の間隔が形成されていることが好ましい。
上記のシリコン構造体によると、錘部の外周の活性部にもノッチングを形成することができる。ノッチングが形成された分だけ錘部の外周を外側に拡張させることができるため、錘部を形成する活性増の質量を増加させることができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によると、ベース層と犠牲層と活性層の順に積層されている積層体から製造される構造体において、錘部を形成する活性層とベース層の接触を防止するためのストッパを備えているとともに、錘部の質量を増加させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
実施例の主要な特徴を列記する。
（特徴１）  錘部の側壁に複数の第１平板群が形成されており、基部に複数の第２平板部群が形成されている。第１平板群と第２平板群が交互に対向して配置されている。
（特徴２）  ベース層側に開口する貫通孔に、ノッチングが形成されている。
（特徴３）  正方形の孤立範囲が等間隔で格子状に配置されている。
【実施例】
【００２５】
（第１実施例）
本実施例では、シリコン構造体を加速度検出装置に適用した例について説明する。図１に、加速度検出装置１００の平面図を模式的に示す。図２に、図１のII−II線に沿った断面図を示す。図３に、図１のIII−III線に沿った断面図を示している。図４に、図１のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図を示している。なお、図中のＸ、Ｙ、Ｚは座標軸を示している。また、加速度検出装置１００の各部の構成は、実際のサイズの縮尺を正確に表すものではない。図面の明瞭化のために、図面の縮尺を適宜変更している。
本実施例では、貫通孔４が正方形の例について示す。図１４（ａ）から（ｃ）に示すように、後述するストッパは、周囲を貫通孔（孤立範囲）４で取り囲まれている領域の中心点Ｍの位置に形成される。隣接する貫通孔の間隔Ｐが等しい場合、貫通孔４が正方形であると、中心点Ｍから貫通孔４までの距離Ｇを最も長くすることができる。又は貫通孔４の最小径ｘを最も小さくすることができる。その結果、錘部を形成する活性層の重量を増加させることができる。なお、本実施例では貫通孔４が正方形の例について示すが、貫通孔４の形状は正方形に限定されるものではなく、長方形や円形であってもよい。
【００２６】
図１に示すように、加速度検出装置１００は、基部１４ａ〜１４ｄと梁１２ａ〜１２ｄと錘部２を備えている。錘部２には正方形の貫通孔４の複数個が等間隔で格子状に形成されている。なお、以下では、複数個が存在する同一種類の構成に共通な事象を説明する場合には、アルファベットの添え字を省略することがある。
図２に示すように、基部１４は犠牲層２４を介してベース層６に固定されている範囲の活性層３によって形成されている。梁１２は、基部１４を形成している活性層３から伸びており、ベース層６から遊離している範囲の活性層３によって形成されている。錘部２は、梁１２の反基部１４側に固定されており、ベース層６から遊離している範囲の活性層３によって形成されている。加速度検出装置１００では、梁１２と錘部２と、ベース層６の間隔（すなわち、犠牲層２４の厚さｈ）は４．５μｍである。ベース層６と活性層３はシリコンで構成されており、犠牲層２４は酸化シリコンで構成されている。活性層３には不純物が注入されているため、抵抗が低く維持されている。
【００２７】
図３に示すように、貫通孔４は、錘部２を形成している活性層の表面から裏面にまで貫通している。貫通孔４の一辺の長さ（最小径）をｘ（μｍ）とすると、貫通孔の最小径ｘは下記式（１）を満足している。
ｘ＜１０．０                                        （１）
貫通孔４のベース層６に開口する側（裏面側）ではノッチング５が形成されている。ノッチングの幅は約１．０μｍである。錘部２の輪郭を決定する側壁２Ｓにはノッチングが形成されていない。貫通孔４の裏面側にノッチング５が形成されているため、貫通孔４の表面に開口する一辺の長さｘ（最小径）よりも、貫通孔４の裏面に開口する一辺の長さの方が約２．０μｍ大きい。加速度検出装置１００では、貫通孔４の表面に開口する一辺の長さは８．０μｍであり、貫通孔４の裏面に開口する一辺の長さは１０．０μｍである。
図４に示すように、貫通孔４と貫通孔４を分離している範囲において、ベース層６の表面にストッパ２６が固定されている。後述するが、ストッパ２６は、犠牲層を等方性エッチングする工程において、犠牲層が残存して形成されたものである。錘部２を形成する活性層とベース層の間の距離（図２の犠牲層２４の厚さに等しい）をｈ（μｍ）とし、周囲を貫通孔で取り囲まれている領域の中心点Ｍから貫通孔までの最短距離をＧ（μｍ）とすると、距離Ｇは下記式（２）を満足している。
１．０＜Ｇ＜ｒ＋１．０                                   （２）
また、貫通孔４の中心から貫通孔４の頂点（最遠端）までの距離をｒ（μ）とし、隣接する貫通孔４の間隔をＰ（μｍ）とすると、Ｇは下記式（５）で表すことができる（図１４も参照）。
Ｇ＝（１／２）×２０．５×Ｐ−ｒ                          （５）
上記式（２）、（５）より、隣接する貫通孔４の間隔Ｐは下記式（３）で表すことができる。
２０．５×（ｒ＋１．０）＜Ｐ＜２０．５×（ｒ＋ｈ＋１．０）    （３）
すなわち、加速度検出装置１００は、上記式（１）と（３）を同時に満足する（換言すると、上記式（１）と（２）を同時に満足する。）関係で錘部２に貫通孔４が分散して形成されている。なお、上記したように、貫通孔４の形状は長方形でもよいし、円形でもよい。
【００２８】
図１に示すように、梁１２はＸ軸方向の距離が長くＹ軸方向の距離が短い形状を有しており、梁１２はＹ軸方向に変形することができる。また、上記したように、錘部２はベース層６から遊離して形成されている。そのため、錘部２はベース層６に対してＹ軸方向に変位することができる。
錘部２の側壁の一部に複数の第１平板群８が形成されている。第１平板群８に対向する位置に複数の第２平板群１０が形成されている。第１平板群８と第２平板群１０の各々の平板は交互に配置されている。第２平板群１０は固定部１８に固定されており、固定部１８を形成する活性層は、犠牲層２４によってベース層６に固定されている。すなわち、第２平板群１０の各々の平板は、ベース層６に対して変位することができない。第１平板群８と第２平板群１０によってキャパシタ１６が形成されている。なお、キャパシタ１６ａ〜１６ｄは、全て同じ構成を有している。基部１４ｃには電極２２が形成されており、固定部１８ａ〜１８ｄには各々電極２０ａ〜２０ｄが形成されている。
【００２９】
加速度検出装置１００の動作について説明する。
加速度検出装置１００では、電極２２と電極１８ａ〜１８ｄの間に、各々のキャパシタ１６ａ〜１６ｄの静電容量を検出する回路（図示省略）が接続されている。加速度検出装置１００に力（加速度）が加わっていないときは、キャパシタ１６の静電容量は所定値に維持されている。加速度検出装置１００にＺ軸周りの力が加わると、錘部２がＹ軸方向に変位し、キャパシタ１６ａ〜１６ｄの静電容量が変化する。キャパシタ１６ａ〜１６ｄの静電容量の変化を検出することによって、加速度検出装置１００に加えられている加速度を検出することができる。
【００３０】
加速度検出装置１００の製造方法について図５、６を参照して説明する。なお、ここでは、図４に対応する部分の製造方法について説明する。
図５に示すように、加速度検出装置１００は、ベース層６と犠牲層２４と活性層３の順に積層されている積層体２９から製造される。
まず、図６に示すように、活性層３の所定部分（孤立範囲内）の活性層を異方性エッチングして犠牲層２４を露出させる。錘部２を形成する活性層３の孤立範囲内に、貫通孔４が形成される。異方性エッチングは、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法等で実施する。異方性エッチングでは、活性層（シリコン）３はエッチングされるけれども犠牲層（酸化シリコン）２４はエッチングされない方法を採用する。活性層３を異方性エッチングすると、犠牲層２４に向けて開口する側の貫通孔４のみにノッチング５が形成される。上述したように、ノッチング５は、貫通孔４の外側に向かって約１．０μｍだけ形成される。
なお、図３の錘部２の側壁２ｓに示すように、活性層３をエッチングしても、孤立範囲内以外の部分にはノッチングが形成されない。活性層３にノッチング５が形成される部位と、ノッチングが形成されない部位が存在する理由については後述する。
【００３１】
次に、犠牲層２４を等方性エッチングしてベース層６と錘部２を遊離させる。等方性エッチングは、犠牲層（酸化シリコン）２４はエッチングされるけれども錘部２（活性層３）とベース層６はエッチングされない方法を採用する。例えば、弗化水素（ＨＦ）水溶液等を使用したウェットエッチングが挙げられる。等方性エッチングは、犠牲層２４が露出している部分から等方的に進行する。すなわち、活性層３がエッチングされていない部分の犠牲層２４も、図中の破線Ｎで囲まれた部分を起点としてエッチングが進行する。
等方性エッチングは、異方性エッチング工程で露出した犠牲層２４が全てエッチングされ、ベース層６が露出した時に停止する。すなわち、露出した犠牲層２４から距離ｈ（犠牲層２４の厚さ）だけ離れた部分内に位置する犠牲層２４がエッチングされた時にエッチングを停止する。そのため、活性層３がエッチングされていない部分の犠牲層２４は、破線Ｎで囲まれた部分から距離ｈだけ離れた部分内に存在する犠牲層２４だけがエッチングされる。
上記の工程により、加速度検出装置１００の図４に示す部分が形成される。図４に示している以外の部分も図４に示している部分と同時に製造することができる。その後、電極２０を固定部１８に形成し、電極２２を基部１４ｃに形成することによって、加速度検出装置１００が完成する。
加速度検出装置１００は、上記式（２）又は（３）を満足しているため、ベース層６と活性層３は遊離されるが、ベース層６と活性層３の間の犠牲層２４の一部が残存し、ストッパ２６（図４を参照）が形成される。錘部２を形成している活性層３が、ベース層６に対して変位することができるとともに両者が接触することを防止することができる。
【００３２】
ここで犠牲層２４に開口する側の貫通孔４にのみノッチングが形成され、貫通孔４以外の部位にはノッチングが形成されないことを説明する。図１１〜１３は、酸化シリコン（犠牲層）の表面に積層されたシリコン（活性層）の複数の孤立範囲を異方性エッチングするときに、孤立範囲の最小径ｘを変化させたときに形成される貫通孔のＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）写真を示している。ここでは、正方形の貫通孔を形成する例について示す。なお異方性エッチングは、シリコンがエッチングされて酸化シリコンが露出した時に停止した。図１１はｘ＝４．０μｍのときの貫通孔を示し、図１２はｘ＝８．０のときの貫通孔を示し、図１３はｘ＝１０．０μｍのときの貫通孔を示している。
図１１（ａ）は、シリコンの表面側に開口する貫通孔を示している。図１１（ｂ）は、図１１（ａ）の一部の拡大図を示している。図１１（ｃ）は、シリコンの裏面側（酸化シリコンと接する側）に開口する貫通孔を示している。図１１（ｄ）は、図１１（ｃ）の一部の拡大図を示している。なお、写真の黒色部がシリコンをエッチングして形成された貫通孔を表している。
図１１（ａ）〜（ｄ）から明らかなように、シリコンの表面側にはノッチングが形成されない。シリコンの裏面側には、貫通孔の周囲にノッチングが確認される。そのノッチングの幅は、約１．０μｍである。
【００３３】
図１２（ａ）は、シリコンの表面側に開口する貫通孔を示している。図１２（ｂ）は、図１２（ａ）の一部の拡大図を示している。図１２（ｃ）は、シリコンの裏面側に開口する貫通孔を示している。図１２（ｄ）は、図１２（ｃ）の一部の拡大図を示している。
図１２（ａ）〜（ｄ）から明らかなように、シリコンの表面側にはノッチングが形成されない。シリコンの裏面側には、貫通孔の周囲にノッチングが確認される。そのノッチングの幅は、約１．０μｍである。
【００３４】
図１３（ａ）は、シリコンの表面側に開口する貫通孔を示している。図１３（ｂ）は、図１３（ａ）の一部の拡大図を示している。図１３（ｃ）は、シリコンの裏面側に開口する貫通孔を示している。図１３（ｄ）は、図１３（ｃ）の一部の拡大図を示している。
図１３（ａ）〜（ｄ）から明らかなように、シリコンの表面側と裏面側の双方ともノッチングが形成されない。ここでは詳細なデータを示さないが、最小径ｘの値を１０．０μｍより大きく（例えばｘ＝１２．０μｍ、ｘ＝１６．０μｍ）しても、シリコンの表面側と裏面側の双方ともノッチングが形成されない。
【００３５】
図１１〜図１３の結果より、孤立範囲の最小径を１０．０μｍよりも小さくすると、シリコンの裏面側に開口する貫通孔にノッチングが形成される。シリコンの裏面側に開口する貫通孔に確実にノッチングを形成するためには、孤立範囲の最小径ｘを２．０μｍよりも大きく、８．０μｍ以下にすることが好ましい。
上記したように、加速度検出装置１００では、孤立範囲の最小径ｘが８．０μｍである。そのために、貫通孔のシリコンの裏面側に開口する部位にノッチングが形成される。
【００３６】
（第２実施例）
図７を参照して角速度検出装置２００について説明する。角速度検出装置２００は、加速度検出装置１００の変形例であり、加速度検出装置１００と実質的に同じ構成には同じ参照番号を付すことによって説明を省略することがある。なお、本実施例においても、複数個が存在する同一種類の構成に共通な事象を説明する場合には、アルファベットの添え字を省略することがある。
基部２２８からＹ軸方向に伸びる梁２２９の一端がフレーム２３０に固定されている。フレーム２３０からＸ軸方向に伸びる梁２１２の一端に錘部２が固定されている。基部２２８は犠牲層を介してベース層２０６に固定されている範囲の活性層によって形成されている。基部２２８ｃに電極２２２が形成されている。梁２１２、２２９とフレーム２３０と錘部２はベース層２０６から遊離している範囲の活性層によって形成されている。
梁２１２はＸ軸方向の距離が長くＹ軸方向の距離が短い形状を有しており、梁２２９はＹ軸方向の距離が長くＸ軸方向の距離が短い形状を有している。そのため、錘部２はベース層に対してＸ軸方向とＹ軸方向に変位することができる。
フレーム２３０の側壁の一部に複数の第３平板群２３２が形成されている。第３平板群２３２に対向する位置に複数の第４平板群２３４が形成されている。第３平板群２３２と第４平板群２３４の各々の平板は交互に配置されている。第４平板群２３４は第２固定部２３６に固定されており、第２固定部２３６はベース層２０６に固定されている。すなわち、第４平板群２３４の各々の平板は、ベース層２０６に対して変位することができない。第３平板群２３２と第４平板群２３４によってキャパシタ２４０が形成されている。キャパシタ２４０ａ〜２４０ｄは、全て同じ構成を有している。第２固定部２３６ａ〜２３６ｄには各々電極２３８ａ〜２３８ｄが形成されている。
【００３７】
角速度検出装置２００の動作について説明する。
角速度検出装置２００では、予め錘部２をベース層２０６に対して振動させて使用する。電極２３８ａ、２３８ｂに所定周波数の交流電圧Ｖ１を印加し、電極２３８ｃ、２３８ｄに所定周波数の交流電圧Ｖ２を印加する。ここで交流電圧Ｖ１とＶ２の間に位相差をもたせる。これにより、キャパシタ２４０ａ〜２４０ｄでは、電荷の充放電が繰り返される。キャパシタ２４０ａ〜２４０ｄに充放電される電荷の静電気力によって、錘部２はＸ軸方向に振動する。
錘部２がＸ軸方向に振動している状態において、角速度検出装置２００がＺ軸周りに回転すると、錘部２に対してコリオリ力が作用する。コリオリ力の大きさと方向は、錘部２のＸ軸方向の振動と、Ｚ軸周りの回転速度と回転方向に応じて変動する。錘部２に力が加わると、錘部２は、コリオリ力によってＹ軸方向に振動する。錘部２のＹ軸方向の変位量は、錘部２に加わる力と錘部２のＸ軸方向への振動に応じた量となる。
錘部２がＹ軸方向に振動すると、キャパシタ１６ａ〜１６ｄに容量が変化する。キャパシタ１６ａ〜１６ｄの静電容量の変化を検出することで、角速度検出装置２００に加わった回転速度を検出することができる。
【００３８】
（第３実施例）
図８、９を参照して加速度検出装置３００について説明する。加速度検出装置３００は、加速度検出装置１００の変形例であり、加速度検出装置１００と実質的に同じ構成には同じ参照番号を付すことによって説明を省略する。図８に、加速度検出装置３００の平面図を示しており、図９に、図８のＩＸ−ＩＸ線に沿った断面図を示している。
図８に示すように、基部１４ａと基部１４ｄの間と、基部１４ｂと基部１４ｃの間を接続する壁３５２が形成されている。壁３５２を形成する活性層は、犠牲層２４を介してベース層６に固定されている。錘部２の側壁２Ｓと対向する位置の壁３５２に、凸部３５２ａが形成されている。錘部２と凸部３５２ａの間の隙間は、およそ４μｍである。
図９に示すように、加速度検出装置３００では、錘部２の側壁２Ｓの裏面側にもノッチング５が形成される。側壁２Ｓの裏面側に形成されるノッチング５の長さ分（１μｍ）だけ錘部２の大きさを大きくすることができる。加速度検出装置１００よりも錘部２の質量を増加させることができる。
【００３９】
（第４実施例）
図１０を参照して角速度検出装置４００について説明する。角速度検出装置４００は、角速度検出装置２００の変形例であり、角速度検出装置２００と異なる構成のみを説明する。
錘部２の側壁２Ｓに波形状４２が形成されている。波形状４２が形成されていることによって、錘部２がベース層２０６（図示省略）に対して振動するときに、ディンプル効果によって錘部２が受ける空気抵抗を低減することができる。角速度検出装置２００よりも高精度の検出能力を実現することができる。また、犠牲層２４（図示省略）を等方性エッチングする工程において、錘部２の側壁２Ｓからエッチング剤が侵入しやすくなるという効果も得られる。
【００４０】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
上記実施例では、本発明の構造体を加速度検出装置又は角速度検出装置として使用する例について説明した。しかしながら、本発明の構造体を角加速度、外力、圧力等の力学量を検出する装置として使用することもできる。
上記実施例では、本発明の構造体を力学量を検出する装置として使用する例について説明した。しかしながら、本発明の構造体をアクチュエータとして使用することもできる。キャパシタの静電容量を変化させることによって、錘部を形成する活性層をベース層に対して変位させることができる。
第３実施例では、第１実施例の加速度検出装置において、錘部と対向する位置に壁を形成する例を示した。第３実施例の特徴、すなわち、錘部と対向する位置に壁を形成するという技術を、第２実施例の角速度検出装置に適用することもできる。
第４実施例では、第２実施例の角速度検出装置において、壁の側壁に波形状を形成する例について説明した。第１実施例の加速度検出装置において、壁の側壁に波形状を形成してもよい。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】第１実施例の加速度検出装置の平面図を示す。
【図２】図１のII−II線に沿った断面図を示す。
【図３】図１のIII−III線に沿った断面図を示す。
【図４】図１のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図を示す。
【図５】第１実施例の加速度検出装置の製造工程を示す。
【図６】第１実施例の加速度検出装置の製造工程を示す。
【図７】第２実施例の角速度検出装置の平面図を示す。
【図８】第３実施例の加速度検出装置の平面図を示す。
【図９】図８のＩＸ−ＩＸ線に沿った断面図を示す。
【図１０】第４実施例の加速度検出装置の平面図の一部を示す。
【図１１】錘部に形成された貫通孔の最小径が４μｍのときのＳＥＭ写真を示す。
【図１２】錘部に形成された貫通孔の最小径が８μｍのときのＳＥＭ写真を示す。
【図１３】錘部に形成された貫通孔の最小径が１０μｍのときのＳＥＭ写真を示す。
【図１４】孤立範囲の配置と寸法を示す。
【図１５】犠牲層を等方性エッチングする工程を示している。
【図１６】犠牲層を等方性エッチングする工程を示している。
【図１７】犠牲層を等方性エッチングする工程を示している。
【図１８】犠牲層を等方性エッチングする工程を示している。
【符号の説明】
【００４２】
２：錘部
３：活性層
４：貫通孔
５：ノッチング
６、２０６：ベース層
１２ａ〜１２ｄ：梁
１４ａ〜１４ｄ：基部
１６ａ〜１６ｄ：キャパシタ
２４：犠牲層
２６：ストッパ
２２８ａ〜２２８ｄ：基部
２４０ａ〜２４０ｄ：キャパシタ
【図１】
2008309657.tif 000003
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１１】
2008309657.tif 000018
【図１２】
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【図１３】
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