(57)【要約】【課題】量産に適し、十分な寸法精度が得られる構造体の製造方法を提供する。【解決手段】シリコン層１００／酸化シリコン層２００／シリコン層３００の３層構造をもったＳＯＩ基板を用意し、シリコンのみ選択除去可能なエッチングにより橋梁体第１層１２１，１２２を形成し、酸化シリコンのみ選択除去可能なエッチングにより橋梁体第２層２２１，２２２を形成する。橋梁体の両端位置に、窒化シリコンからなるストッパ壁５４０，５５０を形成し、ピエゾ抵抗素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４を形成する。シリコン層３００の下面に溝Ｇ１を形成し、更に、この溝Ｇ１の左右両端位置を垂直上方にエッチングして溝を堀り、第３層３００を中央の重錘体と左右の台座に分離する。最後に、ストッパ壁５４０，５５０をエッチングストッパとして利用して、橋梁体第２層２２１，２２２をエッチング除去する。【選択図】        図１８
2004226085.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
重錘体と、この重錘体の周囲を囲うように設けられた台座と、前記台座の上部と前記重錘体の上部とを連結する橋梁体と、を備え、前記重錘体に力が作用すると前記橋梁体に撓みが生じ、前記重錘体が前記台座に対して変位するように構成され、前記撓みもしくは前記変位に基づいて力学量を検出する用途に用いることが可能な力学量検出センサ用構造体を製造する方法であって、上から順に、第１層、第２層、第３層の３層を積層してなり、前記第１層と前記第２層とが互いにエッチング特性が異なり、前記第３層と前記第２層とが互いにエッチング特性が異なるような材料基板を用意する基板準備段階と、
前記重錘体の上面を形成するための重錘体上面マスク領域と、前記台座の上面を形成するための台座上面マスク領域と、前記橋梁体を形成するための橋梁体マスク領域と、を有し、前記橋梁体マスク領域の内側端と前記重錘体上面マスク領域の外周との間、および、前記橋梁体マスク領域の外側端と前記台座上面マスク領域の内周との間、の少なくとも一方には、ストッパ用空隙が確保されている上面用マスクを用意する上面用マスク準備段階と、
前記重錘体の下面を形成するための重錘体下面マスク領域と、前記台座の下面を形成するための台座下面マスク領域と、を有する下面用マスクを用意する下面用マスク準備段階と、
前記上面用マスクを利用して、前記第１層に対して前記第２層の上面が露出するまで厚み方向へのエッチングを行い、前記重錘体上面マスク領域の下に残った重錘体第１層と、前記台座上面マスク領域の下に残った台座第１層と、前記橋梁体マスク領域の下に残った橋梁体第１層と、を第１層残存部として形成する第１層エッチング段階と、
前記第１層残存部をマスクとして利用して、前記第２層に対して前記第３層の上面が露出するまで厚み方向へのエッチングを行い、前記重錘体第１層の下に残った重錘体第２層と、前記台座第１層の下に残った台座第２層と、前記橋梁体第１層の下に残った橋梁体第２層と、を第２層残存部として形成する第２層エッチング段階と、
前記上面用マスクのストッパ用空隙の位置に対応して、前記第２層に形成されたストッパ用空隙部分に、前記第２層とはエッチング特性が異なるストッパ用材料を充填することにより、前記第２層残存部に対するエッチングの進行を停止させるためのストッパ壁を形成するストッパ壁形成段階と、
前記下面用マスクを利用して、前記第３層に対して厚み方向へのエッチングを行い、前記重錘体下面マスク領域の上に残った重錘体第３層と、前記台座下面マスク領域の上に残った台座第３層と、を第３層残存部として分離形成する第３層エッチング段階と、
前記ストッパ壁をエッチングストッパとして利用して、前記第２層残存部に対するエッチングを行い、前記橋梁体第２層を除去する第２層再エッチング段階と、
を有し、前記重錘体第１層、前記重錘体第２層、前記重錘体第３層からなる積層体により重錘体を構成し、前記台座第１層、前記台座第２層、前記台座第３層からなる積層体により台座を構成し、前記橋梁体第１層により橋梁体を構成することを特徴とする力学量検出センサ用構造体の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の製造方法において、
第１層エッチング段階を、第１層に対しては浸食性を有し、第２層および第３層に対しては浸食性を有しないエッチング方法により行うことを特徴とする力学量検出センサ用構造体の製造方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の製造方法において、
第２層エッチング段階を、第２層に対しては浸食性を有し、第１層および第３層に対しては浸食性を有しないエッチング方法により行うことを特徴とする力学量検出センサ用構造体の製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の製造方法において、
第３層エッチング段階を、第３層に対しては浸食性を有し、第１層、第２層およびストッパ用材料に対しては浸食性を有しないエッチング方法により行うことを特徴とする力学量検出センサ用構造体の製造方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の製造方法において、
第２層再エッチング段階を、第２層に対しては浸食性を有し、第１層、第３層およびストッパ用材料に対しては浸食性を有しないエッチング方法により行うことを特徴とする力学量検出センサ用構造体の製造方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の製造方法において、
第２層再エッチング段階を、第３層エッチング段階の後に行うことを特徴とする力学量検出センサ用構造体の製造方法。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれかに記載の製造方法において、
第２層再エッチング段階を、第３層エッチング段階の前に行うことを特徴とする力学量検出センサ用構造体の製造方法。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載の製造方法において、
ストッパ壁形成段階を、
第２層エッチング段階が終了した状態の基板上に、ストッパ用材料を堆積させてストッパ用材料層を形成する段階と、
ストッパ壁を形成するためのストッパ用マスク領域を有するストッパ用マスクを用意する段階と、
前記ストッパ用マスクを利用して、前記ストッパ用材料層の不要部分をエッチングにより除去し、残存した部分をストッパ壁とする段階と、
によって行うことを特徴とする力学量検出センサ用構造体の製造方法。
【請求項９】
請求項８に記載の製造方法において、
第１層エッチング段階および第２層エッチング段階において、断面Ｖ字型の溝が形成されるエッチングを行うようにし、
ストッパ用材料を堆積させる際に、ＣＶＤ法を用いて、前記断面Ｖ字型の溝の斜面にストッパ材料層が形成されるようにしたことを特徴とする力学量検出センサ用構造体の製造方法。
【請求項１０】
請求項８または９に記載の製造方法において、
ストッパ用材料層の不要部分をエッチングにより除去した後、残存した部分の上面を研磨することにより、第１層の上面と同じ高さをもつストッパ壁を形成することを特徴とする力学量検出センサ用構造体の製造方法。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれかに記載の製造方法において、
重錘体第２層の外周を縁取りするような環状形状をもったストッパ壁を形成することを特徴とする力学量検出センサ用構造体の製造方法。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれかに記載の製造方法において、
台座第２層の内周を縁取りするような環状形状をもったストッパ壁を形成することを特徴とする力学量検出センサ用構造体の製造方法。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれかに記載の製造方法において、
内側端および外側端の少なくとも一方の幅が、中央部分の幅に比べて広い形状をもった橋梁体マスク領域を有する上面用マスクを用意し、内側端および外側端の少なくとも一方の幅が、中央部分の幅に比べて広い形状をもった橋梁体を形成するようにしたことを特徴とする力学量検出センサ用構造体の製造方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の製造方法において、
複数本の橋梁体によって重錘体を支持する構造を有する構造体を製造するために、複数の橋梁体マスク領域を有し、かつ、隣接配置された複数の橋梁体マスク領域の内側端もしくは外側端に設けられた幅広部分が融合して庇状領域を形成している上面用マスクを用意し、前記庇状領域に対応した庇部を第１層の一部分により形成することを特徴とする力学量検出センサ用構造体の製造方法。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれかに記載の製造方法において、
基板準備段階において、３層構造を有する材料基板として、ＳＯＩ基板を用意することを特徴とする力学量検出センサ用構造体の製造方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の製造方法において、
第１層がシリコン、第２層が酸化シリコン、第３層がシリコンから構成されているＳＯＩ基板を用いるようにし、ストッパ用材料として、窒化シリコンを用いるようにすることを特徴とする力学量検出センサ用構造体の製造方法。
【請求項１７】
請求項１〜１６のいずれかに記載の製造方法を利用して加速度センサを製造する方法であって、
橋梁体第１層の上面にピエゾ抵抗素子を形成する抵抗素子形成段階を更に行い、前記ピエゾ抵抗素子の抵抗値に基づいて、重錘体に作用した加速度を検出する機能をもった加速度センサを製造することを特徴とする加速度センサの製造方法。
【請求項１８】
請求項１７に記載の加速度センサの製造方法において、
ピエゾ抵抗素子を、ストッパ壁に接触する位置に、もしくは、ストッパ壁の近隣位置に配置することを特徴とする加速度センサの製造方法。
【請求項１９】
請求項１８に記載の加速度センサの製造方法において、
Ｕ字型の抵抗素子を、Ｕ字の底部がストッパ壁側になるように配置し、Ｕ字の上部両端位置に対して配線を施すことを特徴とする加速度センサの製造方法。
【請求項２０】
請求項１〜１６のいずれかに記載の製造方法を利用して加速度センサを製造する方法であって、
基板準備段階において、第１層および第３層が導電性材料からなる材料基板を用意するようにし、
上面用マスク準備段階において、所定位置に電極層を形成するための電極層マスク領域を更に有する上面用マスクを用意し、前記電極層マスク領域に関して、橋梁体マスク領域と同一のエッチングプロセスを施すことにより、電極層を第１層の一部分により形成し、形成した電極層と第３層重錘体上面とによって容量素子が形成されるようにし、この容量素子の静電容量値に基づいて、重錘体に作用した加速度を検出する機能をもった加速度センサを製造することを特徴とする加速度センサの製造方法。
【請求項２１】
請求項１〜１６のいずれかに記載の製造方法を利用して角速度センサを製造する方法であって、
基板準備段階において、第１層および第３層が導電性材料からなる材料基板を用意するようにし、
上面用マスク準備段階において、所定位置に電極層を形成するための電極層マスク領域を更に有する上面用マスクを用意し、前記電極層マスク領域に関して、橋梁体マスク領域と同一のエッチングプロセスを施すことにより、電極層を第１層の一部分により形成し、形成した電極層と第３層重錘体上面とによって容量素子が形成されるようにし、形成された容量素子に電力供給することにより重錘体を振動させた状態において、形成された容量素子の静電容量値に基づいて、重錘体に作用した角速度を検出する機能をもった角速度センサを製造することを特徴とする角速度センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、力学量検出センサ用構造体の製造方法に関し、特に、小型民生用電子機器に利用される量産型の力センサ・加速度センサ・角速度センサに利用可能なセンサ用構造体の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
携帯電話、デジタルカメラ、電子ゲーム機器、ＰＤＡ機器など、マイクロプロセッサを内蔵した小型民生用の電子機器の普及はめざましく、最近では、これらの電子機器あるいはその入力装置に内蔵させるための力学量検出センサ（たとえば、力センサ・加速度センサ・角速度センサ）の需要も高まってきている。このような力学量検出センサを備えた電子機器では、本体に加えられた力成分・加速度成分・角速度成分をデジタルデータとしてマイクロプロセッサに取り込むことができるため、電子機器周囲の物理的環境を把握した適切な処理が可能になる。たとえば、デジタルカメラでは、シャッターボタンを押した瞬間に作用した加速度や角速度を検出することにより、手振れに対する補正を行うことができ、電子ゲーム機器用の入力装置などでは、オペレータの操作指示を、力・加速度・角速度の形で入力することも可能になる。
【０００３】
このような小型民生用電子機器に内蔵するための力学量検出センサとしては、小型で量産に適したものが望ましく、現在、半導体デバイスの製造プロセスを利用して量産が可能な半導体基板を用いたタイプのものが多く利用されている。たとえば、下記特許文献１には、半導体基板上にピエゾ抵抗素子を形成し、半導体基板に生じる撓みをピエゾ抵抗素子の電気抵抗に基づいて検出することにより、力や加速度を求める力学量検出センサが開示されている。ピエゾ抵抗素子は、機械的応力を加えることにより抵抗値が変化する性質を有する素子であり、シリコン基板などの半導体基板上の領域に不純物をドープすることにより形成することができるため、半導体基板を用いたタイプのセンサに広く利用されている。
【０００４】
また、容量素子や圧電素子などを利用して、半導体基板の撓みや変位の検出を行うタイプの力学量検出センサも利用されている。たとえば、下記特許文献２には、容量素子を利用した加速度センサが開示されており、下記特許文献３には、圧電素子を利用した加速度および角速度のセンサが開示されている。
【特許文献１】
特開平４−２４９７２７号公報
【特許文献２】
特開平５−０２６７５４号公報
【特許文献３】
特開平８−０９４６６１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、小型で量産に適した力学量検出センサとして、シリコン基板などの半導体基板を利用した製品が利用されているが、これらのセンサの多くは、重錘体と、この重錘体の周囲を囲うように設けられた台座と、台座の上部と重錘体の上部とを連結する橋梁体と、を半導体基板によって構成したセンサ用構造体を利用している。このようなセンサ用構造体では、橋梁体が可撓性を有しているため、重錘体に力が作用すると橋梁体に撓みが生じ、重錘体が台座に対して変位することになる。したがって、重錘体に作用した力を、橋梁体に生じる撓みや、重錘体の変位に基づいて検出することが可能になる。
【０００６】
このような力学量検出センサ用構造体を量産する上では、１枚の半導体基板に対して、いわゆる半導体プレーナプロセスを施すことにより、多数の構造体が同時に得られるような工程を実施するのが好ましい。しかしながら、一般的な半導体プレーナプロセスでは、主として、半導体基板に対して種々のエッチング工程を行うことにより、所望の物理的構造を得ることになるため、各部を正確な寸法に維持するのが困難であるという問題点がある。実際、エッチング工程を含む製造プロセスで量産されたセンサ用構造体には、ロットごとに寸法誤差が生じるため、検出感度にばらつきが生じる問題がある。
【０００７】
そこで本発明は、量産に適し、かつ、十分な寸法精度が得られる力学量検出センサ用構造体の製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
（１）    本発明の第１の態様は、重錘体と、この重錘体の周囲を囲うように設けられた台座と、台座の上部と重錘体の上部とを連結する橋梁体と、を備え、重錘体に力が作用すると橋梁体に撓みが生じ、重錘体が台座に対して変位するように構成され、生じた撓みもしくは変位に基づいて力学量を検出する用途に用いることが可能な力学量検出センサ用構造体を製造する力学量検出センサ用構造体の製造方法において、
上から順に、第１層、第２層、第３層の３層を積層してなり、第１層と第２層とが互いにエッチング特性が異なり、第３層と第２層とが互いにエッチング特性が異なるような材料基板を用意する基板準備段階と、
重錘体の上面を形成するための重錘体上面マスク領域と、台座の上面を形成するための台座上面マスク領域と、橋梁体を形成するための橋梁体マスク領域と、を有し、橋梁体マスク領域の内側端と重錘体上面マスク領域の外周との間、および、橋梁体マスク領域の外側端と台座上面マスク領域の内周との間、の少なくとも一方には、ストッパ用空隙が確保されている上面用マスクを用意する上面用マスク準備段階と、
重錘体の下面を形成するための重錘体下面マスク領域と、台座の下面を形成するための台座下面マスク領域と、を有する下面用マスクを用意する下面用マスク準備段階と、
上面用マスクを利用して、第１層に対して第２層の上面が露出するまで厚み方向へのエッチングを行い、重錘体上面マスク領域の下に残った重錘体第１層と、台座上面マスク領域の下に残った台座第１層と、橋梁体マスク領域の下に残った橋梁体第１層と、を第１層残存部として形成する第１層エッチング段階と、
第１層残存部をマスクとして利用して、第２層に対して第３層の上面が露出するまで厚み方向へのエッチングを行い、重錘体第１層の下に残った重錘体第２層と、台座第１層の下に残った台座第２層と、橋梁体第１層の下に残った橋梁体第２層と、を第２層残存部として形成する第２層エッチング段階と、
上面用マスクのストッパ用空隙の位置に対応して、第２層に形成されたストッパ用空隙部分に、第２層とはエッチング特性が異なるストッパ用材料を充填することにより、第２層残存部に対するエッチングの進行を停止させるためのストッパ壁を形成するストッパ壁形成段階と、
下面用マスクを利用して、第３層に対して厚み方向へのエッチングを行い、重錘体下面マスク領域の上に残った重錘体第３層と、台座下面マスク領域の上に残った台座第３層と、を第３層残存部として分離形成する第３層エッチング段階と、
ストッパ壁をエッチングストッパとして利用して、第２層残存部に対するエッチングを行い、橋梁体第２層を除去する第２層再エッチング段階と、
を行うようにし、重錘体第１層、重錘体第２層、重錘体第３層からなる積層体により重錘体を構成し、台座第１層、台座第２層、台座第３層からなる積層体により台座を構成し、橋梁体第１層により橋梁体を構成するようにしたものである。
【０００９】
（２）    本発明の第２の態様は、上述の第１の態様に係る力学量検出センサ用構造体の製造方法において、
第１層エッチング段階を、第１層に対しては浸食性を有し、第２層および第３層に対しては浸食性を有しないエッチング方法により行うようにしたものである。
【００１０】
（３）    本発明の第３の態様は、上述の第１または第２の態様に係る力学量検出センサ用構造体の製造方法において、
第２層エッチング段階を、第２層に対しては浸食性を有し、第１層および第３層に対しては浸食性を有しないエッチング方法により行うようにしたものである。
【００１１】
（４）    本発明の第４の態様は、上述の第１〜第３の態様に係る力学量検出センサ用構造体の製造方法において、
第３層エッチング段階を、第３層に対しては浸食性を有し、第１層、第２層およびストッパ用材料に対しては浸食性を有しないエッチング方法により行うようにしたものである。
【００１２】
（５）    本発明の第５の態様は、上述の第１〜第４の態様に係る力学量検出センサ用構造体の製造方法において、
第２層再エッチング段階を、第２層に対しては浸食性を有し、第１層、第３層およびストッパ用材料に対しては浸食性を有しないエッチング方法により行うようにしたものである。
【００１３】
（６）    本発明の第６の態様は、上述の第１〜第５の態様に係る力学量検出センサ用構造体の製造方法において、
第２層再エッチング段階を、第３層エッチング段階の後に行うようにしたものである。
【００１４】
（７）    本発明の第７の態様は、上述の第１〜第５の態様に係る力学量検出センサ用構造体の製造方法において、
第２層再エッチング段階を、第３層エッチング段階の前に行うようにしたものである。
【００１５】
（８）    本発明の第８の態様は、上述の第１〜第７の態様に係る力学量検出センサ用構造体の製造方法において、
ストッパ壁形成段階を、
第２層エッチング段階が終了した状態の基板上に、ストッパ用材料を堆積させてストッパ用材料層を形成する段階と、
ストッパ壁を形成するためのストッパ用マスク領域を有するストッパ用マスクを用意する段階と、
ストッパ用マスクを利用して、ストッパ用材料層の不要部分をエッチングにより除去し、残存した部分をストッパ壁とする段階と、
によって行うようにしたものである。
【００１６】
（９）    本発明の第９の態様は、上述の第８の態様に係る力学量検出センサ用構造体の製造方法において、
第１層エッチング段階および第２層エッチング段階において、断面Ｖ字型の溝が形成されるエッチングを行うようにし、
ストッパ用材料を堆積させる際に、ＣＶＤ法を用いて、断面Ｖ字型の溝の斜面にストッパ材料層が形成されるようにしたものである。
【００１７】
（１０）  本発明の第１０の態様は、上述の第８または第９の態様に係る力学量検出センサ用構造体の製造方法において、
ストッパ用材料層の不要部分をエッチングにより除去した後、残存した部分の上面を研磨することにより、第１層の上面と同じ高さをもつストッパ壁を形成するようにしたものである。
【００１８】
（１１）  本発明の第１１の態様は、上述の第１〜第１０の態様に係る力学量検出センサ用構造体の製造方法において、
重錘体第２層の外周を縁取りするような環状形状をもったストッパ壁を形成するようにしたものである。
【００１９】
（１２）  本発明の第１２の態様は、上述の第１〜第１１の態様に係る力学量検出センサ用構造体の製造方法において、
台座第２層の内周を縁取りするような環状形状をもったストッパ壁を形成するようにしたものである。
【００２０】
（１３）  本発明の第１３の態様は、上述の第１〜第１２の態様に係る力学量検出センサ用構造体の製造方法において、
内側端および外側端の少なくとも一方の幅が、中央部分の幅に比べて広い形状をもった橋梁体マスク領域を有する上面用マスクを用意し、内側端および外側端の少なくとも一方の幅が、中央部分の幅に比べて広い形状をもった橋梁体を形成するようにしたものである。
【００２１】
（１４）  本発明の第１４の態様は、上述の第１３の態様に係る力学量検出センサ用構造体の製造方法において、
複数本の橋梁体によって重錘体を支持する構造を有する構造体を製造するために、複数の橋梁体マスク領域を有し、かつ、隣接配置された複数の橋梁体マスク領域の内側端もしくは外側端に設けられた幅広部分が融合して庇状領域を形成している上面用マスクを用意し、庇状領域に対応した庇部を第１層の一部分により形成するようにしたものである。
【００２２】
（１５）  本発明の第１５の態様は、上述の第１〜第１４の態様に係る力学量検出センサ用構造体の製造方法において、
基板準備段階において、３層構造を有する材料基板として、ＳＯＩ基板を用意するようにしたものである。
【００２３】
（１６）  本発明の第１６の態様は、上述の第１５の態様に係る力学量検出センサ用構造体の製造方法において、
第１層がシリコン、第２層が酸化シリコン、第３層がシリコンから構成されているＳＯＩ基板を用いるようにし、ストッパ用材料として、窒化シリコンを用いるようにしたものである。
【００２４】
（１７）  本発明の第１７の態様は、上述の第１〜第１６の態様に係る力学量検出センサ用構造体の製造方法を利用して加速度センサを製造する方法において、
橋梁体第１層の上面にピエゾ抵抗素子を形成する抵抗素子形成段階を更に行い、ピエゾ抵抗素子の抵抗値に基づいて、重錘体に作用した加速度を検出する機能をもった加速度センサを製造するようにしたものである。
【００２５】
（１８）  本発明の第１８の態様は、上述の第１７の態様に係る加速度センサの製造方法において、
ピエゾ抵抗素子を、ストッパ壁に接触する位置に、もしくは、ストッパ壁の近隣位置に配置するようにしたものである。
【００２６】
（１９）  本発明の第１９の態様は、上述の第１８の態様に係る加速度センサの製造方法において、
Ｕ字型の抵抗素子を、Ｕ字の底部がストッパ壁側になるように配置し、Ｕ字の上部両端位置に対して配線を施すようにしたものである。
【００２７】
（２０）  本発明の第２０の態様は、上述の第１〜第１６の態様に係る力学量検出センサ用構造体の製造方法を利用して加速度センサを製造する方法において、
基板準備段階において、第１層および第３層が導電性材料からなる材料基板を用意するようにし、
上面用マスク準備段階において、所定位置に電極層を形成するための電極層マスク領域を更に有する上面用マスクを用意し、電極層マスク領域に関して、橋梁体マスク領域と同一のエッチングプロセスを施すことにより、電極層を第１層の一部分により形成し、形成した電極層と第３層重錘体上面とによって容量素子が形成されるようにし、この容量素子の静電容量値に基づいて、重錘体に作用した加速度を検出する機能をもった加速度センサを製造するようにしたものである。
【００２８】
（２１）  本発明の第２１の態様は、上述の第１〜第１６の態様に係る力学量検出センサ用構造体の製造方法を利用して角速度センサを製造する方法において、
基板準備段階において、第１層および第３層が導電性材料からなる材料基板を用意するようにし、
上面用マスク準備段階において、所定位置に電極層を形成するための電極層マスク領域を更に有する上面用マスクを用意し、電極層マスク領域に関して、橋梁体マスク領域と同一のエッチングプロセスを施すことにより、電極層を第１層の一部分により形成し、形成した電極層と第３層重錘体上面とによって容量素子が形成されるようにし、形成された容量素子に電力供給することにより重錘体を振動させた状態において、形成された容量素子の静電容量値に基づいて、重錘体に作用した角速度を検出する機能をもった角速度センサを製造するようにしたものである。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示する実施形態に基いて説明する。
【００３０】
＜＜＜  §１．センサ構造体の基本構造  ＞＞＞
本発明は力学量検出センサ用構造体の製造方法に関するものであるが、ここでは、力センサおよび加速度センサとして利用可能なセンサ本体の基本構造を述べる。
【００３１】
図１は、力センサおよび角速度センサとして利用可能なセンサ本体の上面図である。ここでは説明の便宜上、図示のとおり、このセンサ本体の上面中心位置に原点Ｏをとり、図の右方向にＸ軸、図の上方向にＹ軸、紙面に垂直上方にＺ軸をそれぞれとり、ＸＹＺ三次元座標系を定義することにする。図２は、このセンサ本体をＸＺ平面で切断した側断面図である。
【００３２】
図１の上面図に示されているとおり、このセンサ本体は、中央の重錘体１０と、この重錘体１０を四方から支持するための橋梁体２１〜２４と、台座３０と、によって構成されている。この例では、重錘体１０は四角柱のブロックからなり、台座３０は、この重錘体１０の周囲を囲うような正方形状のフレームを構成している。また、４本の橋梁体２１〜２４は、図２の側断面図に明瞭に描かれているとおり、重錘体１０や台座３０に比べると厚みが小さなビーム状の構造体であり、重錘体１０の上部と台座３０の上部とを連結する機能を果たす。この橋梁体２１〜２４は、厚みが小さいため可撓性を有しており、重錘体１０に力が作用すると撓みが生じ、重錘体１０が台座３０に対して変位する。このセンサ本体は、こうして生じた撓みもしくは変位に基づいて、外力、加速度、角速度などの力学量を検出する用途に用いられる。
【００３３】
本発明に係る力学量検出センサ用構造体の基本構成要素は、上述した重錘体１０、橋梁体２１〜２４、台座３０であるが、この構造体を実際のセンサとして用いるためには、橋梁体２１〜２４に生じた撓みもしくは重錘体１０に生じた変位を検出するための何らかの検出素子が必要になる。図１および図２に示すセンサ本体は、ピエゾ抵抗素子を検出素子として用いたものである。すなわち、図１の上面図に示されているとおり、Ｘ軸に沿って配置された橋梁体２１，２２の上には、ピエゾ抵抗素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４が形成されており、Ｙ軸に沿って配置された橋梁体２３，２４の上には、ピエゾ抵抗素子Ｒｙ１〜Ｒｙ４およびＲｚ１〜Ｒｚ４が形成されている。これらのピエゾ抵抗素子は、以下に述べるように、橋梁体２１〜２４に生じた撓みに基づいて、重錘体１０の台座３０に対する変位を検出する機能を果たす。
【００３４】
いま、重錘体１０に対して、Ｘ軸正方向への外力＋Ｆｘが作用した場合を考えると、図３の側断面図に示すように、重錘体１０の重心点を図の右方向へ変位させる力が加わることになり、可撓性をもった橋梁体２１〜２４は図示のように撓みを生じることになる。その結果、Ｘ軸に沿って配置されたピエゾ抵抗素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４のうち、Ｒｘ２，Ｒｘ４に対してはＸ軸方向に伸ばす方向の応力が作用し（図では＋記号で示す）、Ｒｘ１，Ｒｘ３に対してはＸ軸方向に縮める方向の応力が作用する（図では−記号で示す）。ピエゾ抵抗素子の抵抗値は、このような応力によって増減するので、各抵抗素子の抵抗値を測定すれば、作用した応力の大きさを求めることができ、外力＋Ｆｘの大きさを求めることができる。また、Ｘ軸負方向への外力−Ｆｘが作用した場合は、各抵抗素子の伸縮が逆転するので、抵抗値の増減の関係も逆転することになる。したがって、ピエゾ抵抗素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４の抵抗値の増減を測定することにより、重錘体１０に対して作用した力のＸ軸方向成分の向きと大きさとを検出することができる。
【００３５】
全く同様にして、重錘体１０に対して作用した力のＹ軸方向成分の向きと大きさは、Ｙ軸に沿って配置されたピエゾ抵抗素子Ｒｙ１〜Ｒｙ４の抵抗値の増減を測定することにより検出が可能になる。
【００３６】
また、重錘体１０に対して、Ｚ軸正方向への外力＋Ｆｚが作用した場合を考えると、図４の側断面図に示すように、重錘体１０の重心点を図の上方向へ変位させる力が加わることになり、可撓性をもった橋梁体２１〜２４は図示のように撓みを生じることになる。その結果、Ｙ軸に沿って配置されたピエゾ抵抗素子Ｒｚ１〜Ｒｚ４（これらは、Ｘ軸に沿って配置するようにしてもかまわない）のうち、Ｒｚ２，Ｒｚ３に対してはＹ軸方向に伸ばす方向の応力が作用し（図では＋記号で示す）、Ｒｚ１，Ｒｚ４に対してはＹ軸方向に縮める方向の応力が作用する（図では−記号で示す）。Ｚ軸負方向への外力−Ｆｚが作用した場合は、各抵抗素子の伸縮が逆転するので、抵抗値の増減の関係も逆転することになる。したがって、ピエゾ抵抗素子Ｒｚ１〜Ｒｚ４の抵抗値の増減を測定することにより、重錘体１０に対して作用した力のＺ軸方向成分の向きと大きさとを検出することができる。
【００３７】
具体的には、橋梁体２１〜２４がシリコンから構成されており、各ピエゾ抵抗素子がＰ型不純物ドープ領域として形成されていた場合、その長手方向に関する抵抗値は、物理的に伸びる方向への応力が作用した場合には抵抗値が増加し、物理的に縮む方向への応力が作用した場合には抵抗値が減少する（Ｎ型不純物ドープ領域であった場合は、抵抗値の増減が逆になる）。したがって、図３または図４に示す各状態では、「＋」が付された抵抗素子の抵抗値は増加し、「−」が付された抵抗素子の抵抗値は減少することになる。したがって、合計１２組のピエゾ抵抗素子の抵抗値の増減を測定することにより、重錘体１０に対して作用した力のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向成分を検出することができる。
【００３８】
ここに示す例では、１つの軸方向成分の力を検出するのに、それぞれ４組のピエゾ抵抗素子を用いているが、これは図５に示すような検出回路を組むことにより、より正確な検出値を得ることができるようにするための配慮である。この検出回路では、所定の座標軸方向成分を検出するために、４組のピエゾ抵抗素子からなるブリッジ回路についてのブリッジ電圧を検出するようにしている。たとえば、図の上段に示すように、４組のピエゾ抵抗素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４についてのブリッジ回路に対して、電源５１から所定の電圧を印加し、このときのブリッジ電圧を電圧計４１で測定することにより、Ｘ軸方向成分の検出が行われる。同様に、図の中段に示すように、４組のピエゾ抵抗素子Ｒｙ１〜Ｒｙ４についてのブリッジ回路に対して、電源５２から所定の電圧を印加し、このときのブリッジ電圧を電圧計４２で測定することにより、Ｙ軸方向成分の検出が行われる。また、図の下段に示すように、４組のピエゾ抵抗素子Ｒｚ１〜Ｒｚ４についてのブリッジ回路に対して、電源５３から所定の電圧を印加し、このときのブリッジ電圧を電圧計４３で測定することにより、Ｚ軸方向成分の検出が行われる。
【００３９】
この図５に示す検出回路により、上述のような各軸方向成分の検出が可能になることは、図３，図４に示す各抵抗素子の抵抗値の増減の関係に着目すれば、容易に理解できよう。また、このようなブリッジ回路による各軸方向成分の検出を行えば、１つの軸方向成分の検出値が、他の軸方向成分の検出値の干渉を受けることなく、個々の座標軸ごとにそれぞれ独立した検出値を得ることができる。
【００４０】
このように、図１および図２に示す構造体を利用すれば、重錘体１０に作用した外力の各座標軸方向成分を検出することが可能であるが、この構造体は、力センサのみならず、加速度センサや角速度センサなど、一般的な力学量を検出するセンサに広く利用することができる。たとえば、重錘体１０をある程度の質量をもったブロックとして構成しておけば、重錘体１０に作用した加速度に基づいて外力が作用することになるので、この構造体を加速度センサとして利用することができる。あるいは、何らかの駆動手段を付加して、重錘体１０を所定方向に振動させるようにし、この振動状態において重錘体１０に対して作用したコリオリ力を検出するようにすれば、この構造体を角速度センサとして利用することも可能である。このように、ここに示す構造体は、力学量検出センサ用構造体として広く利用可能であり、本発明は、このような構造体の製造方法を提供するものである。
【００４１】
また、ここでは、ピエゾ抵抗素子により、重錘体１０の変位もしくは橋梁体２１〜２４の撓みを検出するセンサ本体を示したが、本発明によって製造される構造体を用いて力学量検出センサを実現する上では、必ずしもピエゾ抵抗素子を検出素子として用いる必要はない。たとえば、後述するように、容量素子を検出素子として用いることも可能であり、その他にも種々の素子を検出素子として利用することが可能である。
【００４２】
＜＜＜  §２．センサ構造体の理想的な構造  ＞＞＞
一般に、センサの性能を評価する上で、検出感度は重要なファクターとなり、市場においても、より高感度なセンサの開発が期待されている。そこで、§１で述べたセンサ構造体を利用した加速度センサや角速度センサの検出感度を高めることを考えると、できるだけ重錘体１０の質量を大きくし、できるだけ橋梁体２１〜２４の可撓性を高めることが必要であることがわかる。ただ、シリコンなどの材料で橋梁体２１〜２４を構成することを考慮すると、可撓性を高めるためには、厚みや幅を小さくせざるを得ないので、強度の点に問題が生じるおそれがある。したがって、実用上は、重錘体１０の質量を大きくするのが好ましい。
【００４３】
図６および図７に示すセンサ本体は、図１および図２に示すセンサ本体を改良したものである。この改良型のセンサ本体の特徴は、重錘体の体積をより大きくした構造にある。すなわち、図２の側断面図と図７の側断面図とを比較すれば明らかなように、図７に示すセンサ本体では、重錘体は、重錘体上層部１５と重錘体本体部１６との２つの部分によって構成されている。図２に示すセンサ本体では、重錘体１０と台座３０との間に大きな空間が形成されており、センサ構造体の内部空間に無駄が生じていたが、図７に示すセンサ本体では、重錘体本体部１６の体積が大きく確保されており、台座３０との間には、若干の幅をもった溝Ｇが形成されている。この溝Ｇは、重錘体本体部１６の変位の自由度を確保するために必要な寸法に設定されている。
【００４４】
この改良型のセンサ本体の構造上の特徴は、図６の上面図にも明瞭に示されている。図示のとおり、重錘体本体部１６は、フレーム状の台座３０の内部空間の大部分を占める直方体状のブロックとなっており、十分な質量が確保されている。このため、加速度センサとして用いる場合、同じ大きさの加速度であっても、より大きな力が重錘体に作用することになり、検出感度を向上させることができる。なお、橋梁体２１〜２４の構造および寸法に関しては、特に変更はないので、強度に関する条件は、§１で述べたセンサ本体（図１，図２）と同じである。
【００４５】
結局、この§２で述べる改良型のセンサ本体は、§１で述べたセンサ本体と比べて、より高い検出感度を得ることができる理想的な構造を有していることになる。しかしながら、商業的な量産を行うことを考えると、既に述べたとおり、解決すべき課題が残されている。すなわち、このようなセンサ用構造体を量産する上では、半導体基板を用いたプレーナプロセスを施すのが好ましいが、一般的な半導体プレーナプロセスでは、主として、半導体基板に対して種々のエッチング工程を行うことにより、所望の物理的構造を得ることになるため、各部を正確な寸法に維持するのが困難であるという問題が生じることになる。たとえば、図２に示す構造体であれば、半導体基板を下面側から垂直方向にエッチングする比較的単純なプロセスにより、ある程度の寸法精度をもった構造体を量産することが可能であるが、図７に示す構造体の場合、単純な垂直方向へのエッチングプロセスだけでは、対応することができない。これは、重錘体本体部１６の上面と橋梁体２１〜２４の下面との間に空隙を形成する必要があるため、水平方向へのエッチングプロセスが必要になるためである。
【００４６】
ところが、この水平方向へのエッチングプロセスは、センサ本体の測定精度を維持する上で極めて重要な工程になる。たとえば、図７において、境界位置Ｌ１〜Ｌ４は、橋梁体２１，２２と重錘体上層部１５あるいは台座３０との境界を示す位置（別言すれば、橋梁体２１，２２の両端位置）ということになるが、これらの位置について、ロットによるばらつきが生じてしまうと、測定精度の低下を招くことになる。
【００４７】
その第１の理由は、ロットごとのエッチングプロセス（特に、水平方向へのエッチングプロセス）に変動要因があると、構造体自身の対称性が失われるためである。たとえば、図７における境界位置Ｌ２が左へずれてしまった場合、橋梁体２１の長さがより長くなり、左右の対称性が失われることになる。また、重錘体上層部１５による重錘体本体部１６の支持位置も対称性を欠き、重錘体本体部１６の重心位置を正確に支持することができなくなる。これは、Ｘ軸正方向への検出感度とＸ軸負方向への検出感度との間に差を生じさせる要因となり、測定精度の低下を招くことになる。
【００４８】
第２の理由は、ピエゾ抵抗素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４の配置により、検出感度が変動するためである。一般に、ピエゾ抵抗素子による検出感度をできるだけ高くするためには、橋梁体２１〜２４に撓みが生じたときに、最も大きな機械的応力が生じる箇所に、各ピエゾ抵抗素子を配置するようにするのが好ましい。本願発明者が行った実験によると、橋梁体の内側部分に配置されるピエゾ抵抗素子Ｒｘ２，Ｒｘ３に関しては、図示のとおり、その内側端が境界位置Ｌ２，Ｌ３に揃うように配置し、橋梁体の外側部分に配置されるピエゾ抵抗素子Ｒｘ１，Ｒｘ４に関しては、図示のとおり、その外側端が境界位置Ｌ１，Ｌ４に揃うように配置すると、最も良好な検出感度を得ることができた。これは、境界位置Ｌ１〜Ｌ４（橋梁体２１〜２４の両端位置）に、最も大きな機械的応力が生じるためと考えられる。ところが、たとえば、図７における境界位置Ｌ２が左へずれてしまった場合、ピエゾ抵抗素子Ｒｘ２の内側端が境界位置Ｌ２に揃わなくなるため、検出感度の低下を招くことになる。
【００４９】
結局、図６および図７に示すような構造体を、エッチング工程を含む製造プロセスで量産すると、ロットごとに寸法誤差が生じるため、検出感度にばらつきが生じるという問題が生じることになる。本発明は、このような問題を解決することを目的とするものであり、本発明によれば、量産に適し、かつ、十分な寸法精度が得られる力学量検出センサ用構造体の製造方法を提供することが可能になる。
【００５０】
＜＜＜  §３．本発明に係る製造方法の基本工程  ＞＞＞
ここでは、図６および図７に示すような力学量検出センサ用構造体を、エッチング工程を含む製造プロセスで製造する方法の基本工程を説明する。この基本工程の特徴は、第１層、第２層、第３層の３層を積層してなる材料基板を用い、各層ごとにエッチングを行い、かつ、第２層のエッチングを行う際にエッチングストッパとして機能するストッパ壁を形成する、という点にある。以下、図を参照しながら、この工程を順に説明する。
【００５１】
＜基板準備段階＞
まず、図８の側断面図に示すように、上から順に、第１層１００、第２層２００、第３層３００の３層を積層してなる材料基板を用意する。ここで、第１層１００と第２層２００とは、互いにエッチング特性が異なり、第３層３００と第２層２００とは、互いにエッチング特性が異なるような材料によって構成されている。なお、第１層１００と第３層３００とは、エッチング特性が同一であってもかまわない。実用上、このような材料基板としては、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いるのが好ましい。ＳＯＩ基板は、半導体装置を製造するための基板として、種々の分野で利用されており、用途に応じた様々な種類のＳＯＩ基板が入手可能である。ここでは、第１層がシリコン、第２層が酸化シリコン、第３層がシリコンから構成されているＳＯＩ基板を用いた例を説明する。
なお、この実施例で実際に用いたＳＯＩ基板は、第１層の厚みが５μｍ、第２層の厚みが１μｍ、第３層の厚みが５００μｍ程度のものであるが、本願図面では、便宜上、各部の寸法比を無視した構造図を示すことにする。
【００５２】
＜上面用マスク準備段階＞
続いて、図９の平面図に示すようなパターンをもった上面用マスクＭＵを用意する。なお、この図９におけるハッチングは、各マスク領域（エッチング工程において除去されずに残る領域）を示すためのものであり、断面を示すものではない。図示のとおり、この上面用マスクＭＵは、重錘体の上面を形成するための重錘体上面マスク領域Ｍ１０と、橋梁体を形成するための橋梁体マスク領域Ｍ２１〜Ｍ２４と、台座の上面を形成するための台座上面マスク領域Ｍ３０と、を有している。しかも、橋梁体マスク領域Ｍ２１〜Ｍ２４の内側端と重錘体上面マスク領域Ｍ１０の外周との間には、ストッパ用空隙Ｖ１が形成されており、橋梁体マスク領域Ｍ２１〜Ｍ２４の外側端と台座上面マスク領域Ｍ３０の内周との間には、ストッパ用空隙Ｖ２が形成されている。このストッパ用空隙Ｖ１，Ｖ２は、後述するように、ストッパ壁を形成するためのものである。
【００５３】
なお、ここでは説明の便宜上、図８に示す材料基板の上面の輪郭は、図９に示す上面用マスクＭＵの輪郭に一致するものとし、この材料基板を用いて、単一の力学量検出センサ用構造体を製造するプロセスを述べることにする。もっとも、実際のプロセスでは、１枚の材料基板を用いて多数のセンサ用構造体を同時に形成するのが一般的である。その場合には、図９に示す単一のセンサ用構造体用のパターンを縦横にマトリックス状に多数配置したような上面用マスクＭＵを用意することになる。後述するストッパ用マスクＭＳや下面用マスクＭＬについても同様である。また、図９に示すように、上面用マスクＭＵ上に３つの切断線ａ−ａ，ｂ−ｂ，ｃ−ｃを定義し、この上面用マスクＭＵを材料基板の上面に重ねた状態において、プロセスの各段階における材料基板を、各切断線ａ−ａ，ｂ−ｂ，ｃ−ｃの位置で切断した側断面図を、以下の図における分図（ａ），（ｂ），（ｃ）として示すことにする。
【００５４】
＜第１層エッチング段階＞
さて、こうして、材料基板と上面用マスクＭＵとが用意できたら、この上面用マスクＭＵを利用して、材料基板の第１層１００に対するエッチングを行う。すなわち、第１層１００に対して、第２層２００の上面が露出するまで厚み方向へのエッチングを行う。
【００５５】
もちろん、実際には、このようなエッチング工程は、複数段階のプロセスを経て行われる。すなわち、まず、第１層１００の上にレジスト層を形成し、このレジスト層に図９に示す上面用マスクＭＵを適用した状態で露光現像し、最初に形成したレジスト層のうち、図９にハッチングを施して示す各マスク領域の部分だけを残す処理を行う。図１０は、この段階における材料基板の状態を示す側断面図である。前述したように、分図（ａ），（ｂ），（ｃ）は、それぞれ図９の切断線ａ−ａ，ｂ−ｂ，ｃ−ｃの位置で切断した側断面図に相当する。
【００５６】
図１０（ａ）  に示すように、基板中央には、重錘体上面マスク領域Ｍ１０に対応して重錘体レジスト層４１０が残存しており、その周囲には、橋梁体マスク領域Ｍ２１〜Ｍ２４に対応して橋梁体レジスト層４２１〜４２４が残存しており、更にその周囲には、台座上面マスク領域Ｍ３０に対応して台座レジスト層４３０が残存している。重錘体レジスト層４１０と橋梁体レジスト層４２１〜４２４との間には、ストッパ用空隙Ｖ１が形成されており、台座レジスト層４３０と橋梁体レジスト層４２１〜４２４との間には、ストッパ用空隙Ｖ２が形成されている。
【００５７】
図１０（ｂ）  を見ればわかるように、橋梁体レジスト層４２３は、幅の狭い橋梁状の層となっており、台座レジスト層４３０との間には、大きな空間が形成されている。また、図１０（ｂ），（ｃ）  に示されているとおり、台座レジスト層４３０は、基板の外周部分を囲うようなフレーム状の層となっている。
【００５８】
続いて、これらの残存レジスト層をマスクとして用いて、第１層１００に対するエッチングを行う。このとき、第１層１００に対しては浸食性を有し、第２層２００および第３層３００に対しては浸食性を有しないエッチング方法を行うようにする。ここに示す実施例の場合、第１層１００はシリコンからなる層、第２層２００は酸化シリコンからなる層であるので、シリコンに対しては腐食性を有するが、酸化シリコンに対しては腐食性を有さないエッチング液（たとえば、ＫＯＨなど）を用いれば、第２層２００を浸食せずに、第１層１００のみを浸食するエッチングが可能である。ただ、第１層１００と第３層３００とはいずれもシリコンからなる層であるので、第１層１００に対して腐食性を有するエッチング液は、第３層３００に対しても腐食性を有する。したがって、第３層３００を浸食しないエッチング方法を行うためには、エッチング液を上面に対してのみ作用させるような工夫を行えばよい。
【００５９】
もっとも、第３層３００の厚みが十分に大きい場合には、第３層３００の下面の層が若干エッチング除去されても問題は生じない。そのような場合には、必ずしも第３層３００に対しては浸食性を有しないエッチング方法を採る必要はないので、材料基板全体をエッチング液に浸すような方法を採ってもかまわない。
【００６０】
図１１は、このようなエッチングが完了した状態における材料基板の状態を示す側断面図である。前述したように、分図（ａ），（ｂ），（ｃ）は、それぞれ図９の切断線ａ−ａ，ｂ−ｂ，ｃ−ｃの位置で切断した側断面図に相当する。結局、第１層残存部として、重錘体上面マスク領域Ｍ１０の下に残った重錘体第１層１１０と、台座上面マスク領域Ｍ３０の下に残った台座第１層１３０と、橋梁体マスク領域Ｍ２１〜Ｍ２４の下に残った橋梁体第１層１２１〜１２４が形成されることになり、第１層１００上に、図９に示す上面用マスクＭＵの平面パターンが形成されたことになる。
【００６１】
＜第２層エッチング段階＞
次に、第１層残存部をマスクとして利用して、第２層２００に対して第３層３００の上面が露出するまで厚み方向へのエッチングを行う。そのためには、第２層２００に対しては浸食性を有し、第１層１００および第３層３００に対しては浸食性を有しないエッチング方法を行えばよい。具体的には、酸化シリコンに対しては腐食性を有するが、シリコンに対しては腐食性を有さないエッチング液、たとえば、バッファド弗酸（ＨＦ：ＮＨ４Ｆ＝１：１０の混合液）を用いれば、第２層２００のみを浸食するエッチングが可能である。
【００６２】
図１２は、このようなエッチングが完了した状態における材料基板の状態を示す側断面図である。前述したように、分図（ａ），（ｂ），（ｃ）は、それぞれ図９の切断線ａ−ａ，ｂ−ｂ，ｃ−ｃの位置で切断した側断面図に相当する。結局、第２層残存部として、重錘体第１層１１０の下に残った重錘体第２層２１０と、台座第１層１３０の下に残った台座第２層２３０と、橋梁体第１層１２１〜１２４の下に残った橋梁体第２層２２１〜２２４と、が形成されることになり、第２層２００上に、図９に示す上面用マスクＭＵの平面パターンが形成されたことになる。
【００６３】
最後に、材料基板上に残っているレジスト層４００を剥離除去する。なお、この第２層エッチング段階では、第１層残存部がマスクとして機能するため、レジスト層４００は必ずしも必要ではない。したがって、レジスト層４００は、この第２層エッチング段階を行う前に剥離除去してもかまわない。
【００６４】
なお、バッファド弗酸は等方性のエッチング特性を有しているので、エッチング時間を長くとり過ぎると、図１２における水平方向へのエッチングが進行することになり、上面用マスクＭＵの平面パターンが正しく形成されなくなる。そこで、実際には、第２層２００の厚み方向のエッチングが完了した時点でエッチングが停止するよう、エッチング時間を調節する必要がある。
【００６５】
＜ストッパ壁形成段階＞
図１２（ａ）  に示されているように、第１層残存部および第２層残存部には、ストッパ用空隙Ｖ１，Ｖ２が形成されている。このストッパ用空隙Ｖ１，Ｖ２は、図９の上面用マスクＭＵの平面図に示されているとおり、橋梁体マスク領域Ｍ２１〜Ｍ２４の内側端および外側端に形成された空隙である。ここでは、このストッパ用空隙Ｖ１，Ｖ２の位置にストッパ壁を形成する工程を行う。ストッパ壁は、後に行う第２層再エッチング段階において、第２層残存部に対するエッチングの進行を停止させるためのエッチングストッパとして機能する層であるので、第２層２００とはエッチング特性が異なる材料によって形成する必要がある。ここでは、窒化シリコンをストッパ用材料として充填することにより、ストッパ壁の形成を行うことにする。
【００６６】
ストッパ壁は、少なくとも第２層２００に形成されたストッパ用空隙Ｖ１，Ｖ２に形成されていればよいが、ここでは、第１層１００に形成されたストッパ用空隙Ｖ１，Ｖ２にもストッパ用材料を充填することにより、第１層１００と第２層２００とに跨がった構造を有するストッパ壁を形成する例を述べる。
【００６７】
まず、前述した第２層エッチング段階が終了した状態の材料基板上に、ストッパ用材料となる窒化シリコンを堆積させてストッパ用材料層５００を形成する。この実施例では、１μｍ程度の厚みをもったストッパ用材料層５００を形成している。図１３は、このようなストッパ用材料層５００の形成が完了した状態における材料基板の状態を示す側断面図である。分図（ａ），（ｂ），（ｃ）は、それぞれ図９の切断線ａ−ａ，ｂ−ｂ，ｃ−ｃの位置で切断した側断面図に相当する。このように、窒化シリコンを材料基板上の全面に堆積させてストッパ用材料層５００を形成するには、たとえば、ＣＶＤ法などの方法を用いればよい。図１３（ａ）  に示されているとおり、ストッパ用空隙Ｖ１，Ｖ２には、窒化シリコンが充填された状態となっている。なお、図１３（ｂ）  に示すように、第１層残存層や第２層残存層が存在しない領域については、第３層３００の上面にストッパ用材料層５００が直接形成されることになる。
【００６８】
こうして形成されたストッパ用材料層５００は、材料基板の全面に堆積した層をなしているが、ストッパ壁として必要な部分は、その一部分だけである。そこで、ストッパ用材料層５００の不要な部分を除去するためのエッチングを行う。図１４は、このようなエッチングを行うために用いるストッパ用マスクＭＳの平面図である。この図１４におけるハッチングは、各マスク領域（エッチング工程において除去されずに残る領域）を示すためのものであり、断面を示すものではない。図示のとおり、このストッパ用マスクＭＳは、方環状をなすストッパ壁マスク領域Ｍ４０，Ｍ５０を有している。
【００６９】
内側のストッパ壁マスク領域Ｍ４０は、図９に示す上面用マスクＭＵの重錘体上面マスク領域Ｍ１０の外周を縁取りするような環状形状を有しており、このようなマスクを用いることにより、重錘体第２層２１０の外周を縁取りするような環状形状をもったストッパ壁を形成することができる。一方、外側のストッパ壁マスク領域Ｍ５０は、図９に示す上面用マスクＭＵの台座上面マスク領域Ｍ３０の内周を縁取りするような環状形状を有しており、このようなマスクを用いることにより、台座第２層２３０の内周を縁取りするような環状形状をもったストッパ壁を形成することができる。
【００７０】
ストッパ用材料層５００に対する実際のエッチング工程は、次のような複数段階のプロセスを経て行われる。まず、ストッパ用材料層５００の上にレジスト層を形成し、このレジスト層に図１４に示すストッパ用マスクＭＳを用いた露光を行った後にこれを現像し、最初に形成したレジスト層のうち、図１４にハッチングを施して示す各マスク領域の部分だけを残す処理を行う。図１５は、この段階における材料基板の状態を示す側断面図である。前述したように、分図（ａ），（ｂ），（ｃ）は、それぞれ図９の切断線ａ−ａ，ｂ−ｂ，ｃ−ｃの位置で切断した側断面図に相当する。
【００７１】
図１５（ａ）  に示すように、基板中央には、ストッパ壁マスク領域Ｍ４０に対応した平面パターンを有するストッパ壁レジスト層６４０が残存しており、その周囲を取り囲むように、ストッパ壁マスク領域Ｍ５０に対応した平面パターンを有するストッパ壁レジスト層６５０が残存している。なお、図１５（ｂ）  に示すｂ−ｂ切断面には、ストッパ壁レジスト層６５０のみが現れており、図１５（ｃ）  に示すｃ−ｃ切断面には、ストッパ壁レジスト層は現れない。
【００７２】
続いて、これらの残存レジスト層をマスクとして用いて、ストッパ用材料層５００に対するエッチングを行う。このとき、ストッパ用材料層５００に対しては浸食性を有し、その他の各層に対しては浸食性を有しないエッチング方法を行うようにする。ここに示す実施例の場合、ストッパ用材料層５００は窒化シリコンからなる層であるので、たとえば、ＣＦ４を用いたプラズマエッチングを行えばよい。
【００７３】
図１６は、このようなエッチングを行った後、レジスト層を剥離除去した状態における材料基板の状態を示す側断面図である。分図（ａ），（ｂ），（ｃ）は、それぞれ図９の切断線ａ−ａ，ｂ−ｂ，ｃ−ｃの位置で切断した側断面図に相当する。結局、図１４に示すストッパ用マスクＭＳを利用して、ストッパ用材料層５００の不要部分をエッチングにより除去することにより、ストッパ壁５４０，５５０が形成されたことになる。このストッパ壁５４０，５５０の平面パターンは、図１４に示すストッパ用マスクＭＳにおけるストッパ壁マスク領域Ｍ４０，Ｍ５０に対応したものになる。
【００７４】
図１６（ａ），（ｂ）  に示すとおり、ストッパ壁５４０，５５０は、第１層１００および第２層２００の厚みを跨がり、更に、第１層１００の上面から上方に若干突き出したような高さをもった方環状の壁面を形成する。前述したとおり、このストッパ壁５４０，５５０は、後の第２層再エッチング段階において、第２層２００に対するエッチングの進行を停止させるためのエッチングストッパとして機能するためのものであるから、少なくとも第２層の厚みに相当する高さを有していれば足りる。ただ、上述のプロセスでストッパ壁５４０，５５０を形成すると、図示のとおり、第１層１００の上面から突き出すような十分な高さをもった壁が得られることになる。また、この例では、ストッパ壁５４０，５５０は、方環状の城壁構造をなしているが、後述するプロセスにおいてエッチングストッパとしての機能を果たすことができるのであれば、必ずしも環状構造にする必要はない。
【００７５】
＜抵抗素子形成段階＞
続いて、橋梁体第１層１２１〜１２４の上面の必要な箇所に、ピエゾ抵抗素子を形成する。既に述べたとおり、この実施例では、第１層１００はシリコンからなる層であり、ここにＮ型もしくはＰ型の不純物をイオン注入法などで打ち込むことにより不純物ドープ層を形成すれば、当該不純物ドープ層がピエゾ抵抗素子として機能することになる。なお、所定の領域に不純物ドープ層を形成する手法は、半導体装置を製造する方法として種々の手法が公知であり、ここでは詳しい説明は省略する。
【００７６】
図１７は、橋梁体第１層１２１，１２２の上面に、ピエゾ抵抗素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４を形成した状態を示す側断面図（図９の切断線ａ−ａの位置で切断した側断面図）である。図示されていないが、橋梁体第１層１２３，１２４の上面にも、同様に、ピエゾ抵抗素子Ｒｙ１〜Ｒｙ４，ピエゾ抵抗素子Ｒｚ１〜Ｒｚ４が形成されることになる。こうして形成されたピエゾ抵抗素子の抵抗値に基づいて、重錘体に作用した力や加速度を検出することができる点は、既に§１で述べたとおりである。
【００７７】
図７の側断面図で説明したとおり、検出感度を高める上では、各ピエゾ抵抗素子を、その両端が各橋梁体の両端位置に揃うように配置するのが好ましい。そこで、この実施例では、図１７に示すとおり、各ピエゾ抵抗素子の一端が、ストッパ壁５４０もしくは５５０に接触する位置に配置するようにしている。もちろん、実用上は、完全に接触させなくても、ストッパ壁のできるだけ近隣位置に配置するようにすれば、必要な検出感度を得ることができる。
【００７８】
なお、この抵抗素子形成段階は、ピエゾ抵抗素子を検出素子として用いるセンサ本体を製造する場合にのみ必要なプロセスであり、本発明に係るセンサ用構造体の製造に必須のものではない。また、実用上は、ピエゾ抵抗素子を形成した後、アルミニウムなどにより、これら抵抗素子に対する必要な配線層を形成するプロセスを続けて行うのが好ましい。
【００７９】
＜段差形成段階＞
図７の側断面図に示されているセンサ本体を見ると、重錘体本体部１６の底面は、台座３０の底面よりも若干高い位置にある。このような段差は、台座３０の底面を装置筐体などに接合した場合に、重錘体本体部１６を若干浮き上がった状態にする役割を果たし、Ｚ軸方向の変位の自由度を確保する働きをする。
【００８０】
もちろん、このような段差は、必ずしも必要なものではないが、もし、このような段差を確保する場合には、第３層３００の下面に対して所定のマスクを用いたエッチング（後述する第３層エッチング段階と同種のエッチングでよい）を行い、図１８の側断面図（図９の切断線ａ−ａの位置で切断した側断面図）に示すように、第３層３００の下面中央部分に、溝Ｇ１を形成する。この溝Ｇ１により、重錘体底面と台座底面との間に段差が形成されることになる。
【００８１】
＜下面用マスク準備段階＞
続いて、図１９の平面図に示すようなパターンをもった下面用マスクＭＬを用意する。この図１９においても、ハッチングは、各マスク領域（エッチング工程において除去されずに残る領域）を示すためのものであり、断面を示すものではない。図示のとおり、この下面用マスクＭＬは、重錘体の下面を形成するための重錘体下面マスク領域Ｍ６０と、台座の下面を形成するための台座下面マスク領域Ｍ７０と、を有している。ここで、重錘体下面マスク領域Ｍ６０と台座下面マスク領域Ｍ７０との間には所定幅をもった空隙部が形成されており、この空隙部が、後のプロセスにおいてエッチング除去される部分である。このエッチングにより、第３層３００は、重錘体第３層３１０と台座第３層３３０とに分離されることになる。
【００８２】
＜第３層エッチング段階＞
図１９に示すような下面用マスクＭＬが用意できたら、この下面用マスクＭＬを利用して、材料基板の第３層３００に対して下面側から厚み方向へのエッチングを行う。実際には、このようなエッチング工程は、複数段階のプロセスを経て行われる。すなわち、まず、第３層３００の下面にレジスト層を形成し、このレジスト層に図１９に示す下面用マスクＭＬを用いた露光を行った後にこれを現像し、最初に形成したレジスト層のうち、図１９にハッチングを施して示す各マスク領域の部分だけを残す処理を行う。続いて、残存したレジスト層をマスクとして、第３層３００に対するエッチングを行う。
【００８３】
このとき、第３層３００に対しては浸食性を有し、第１層１００、第２層２００およびストッパ用材料に対しては浸食性を有しないエッチング方法を行うようにする。ここに示す実施例の場合、たとえば、シリコンに対してのみ浸食性を有するＫＯＨなどをエッチング液として用いれば、第２層２００およびストッパ用材料に対しては浸食性を有しないエッチングを行うことができる。ただ、第１層１００と第３層３００とはいずれもシリコンからなる層であるので、第３層３００に対して腐食性を有するエッチング液は、第１層１００に対しても腐食性を有する。したがって、第１層１００を浸食しないエッチング方法を行うためには、エッチング液を下面に対してのみ作用させるような工夫を行えばよい。
【００８４】
図２０は、このようなエッチングの後に、レジスト層を剥離除去した時点での材料基板の状態を示す側断面図である。前述したように、分図（ａ），（ｂ），（ｃ）は、それぞれ図９の切断線ａ−ａ，ｂ−ｂ，ｃ−ｃの位置で切断した側断面図に相当する。第３層３００と第２層２００とはエッチング特性が異なるため、第３層３００に対する厚み方向のエッチングは、第２層２００の下面に到達したところで終了する。その結果、第３層３００は、図２０（ａ）  に示すように、溝Ｇ２を隔てて、重錘体第３層３１０と台座第３層３３０とに分離されることになる。これらが第３層残存部である。ここで、重錘体第３層３１０は、重錘体下面マスク領域Ｍ６０の上に残った部分であり、台座第３層３３０は、台座下面マスク領域Ｍ７０の上に残った部分である。また、溝Ｇ２の幅は、重錘体の水平方向への変位の自由度を規定するパラメータとなる。
【００８５】
この時点で、重錘体第３層３１０は、４本の橋梁体によってのみ支持されている宙づりの状態となっている。たとえば、図２０（ｂ）  には、重錘体第３層３１０が、橋梁体第１層１２３および橋梁体第２層２２３によって支持されている状態が示されている。
【００８６】
＜第２層再エッチング段階＞
この段階は、図２０（ａ）  に示されている橋梁体第２層２２１，２２２や、図２０（ｂ）  に示されている橋梁体第２層２２３をエッチングにより除去するためのプロセスである。すなわち、ストッパ壁５４０，５５０をエッチングストッパとして利用して、第２層残存部に対するエッチングを行うことになる。したがって、ここでは、第２層２００に対しては浸食性を有し、第１層１００、第３層３００およびストッパ用材料に対しては浸食性を有しないエッチング方法を実施する。具体的には、前述した第２層エッチング段階と同様に、バッファド弗酸（ＨＦ：ＮＨ４Ｆ＝１：１０の混合液）を用いたエッチングを行えばよい。
【００８７】
図２１は、このようなエッチングが完了した状態における材料基板の状態を示す側断面図である。前述したように、分図（ａ），（ｂ），（ｃ）は、それぞれ図９の切断線ａ−ａ，ｂ−ｂ，ｃ−ｃの位置で切断した側断面図に相当する。図２１を図２０と比べると、橋梁体第２層２２１〜２２４の部分だけが除去され、その他の部分は全く変わりがないことがわかる。これは、ストッパ壁５４０，５５０がエッチングストッパとして機能しているため、第２層２００に対する水平方向へのエッチングが、両ストッパ壁５４０，５５０によって挟まれた領域だけに限定されるためである。このエッチングにより除去された橋梁体第２層２２１〜２２４の部分には、溝Ｇ３が形成されることになる。この溝Ｇ３は、橋梁体第１層１２１〜１２４と重錘体第３層３１０とを隔てる空隙を構成する。
【００８８】
＜最終的な構造体＞
図２２は、上述した各段階を経て、最終的に得られるセンサ用構造体（実際には、ピエゾ抵抗素子が形成されたセンサ本体）を示す上面図である。なお、図では、説明の便宜上、ストッパ壁５４０，５５０の部分にハッチングを施して示すが、このハッチングは断面を示すものではない。また、切断線ａ−ａ，ｂ−ｂ，ｃ−ｃは、各側断面図における分図（ａ），（ｂ），（ｃ）の切断位置を示している。
【００８９】
結局、図２１および図２２に示す構造体を、図６および図７に示す構造体と対比すれば、重錘体第１層１１０、重錘体第２層２１０、重錘体第３層３１０からなる積層体により重錘体が構成されており、台座第１層１３０、台座第２層２３０、台座第３層３３０からなる積層体によって台座が構成されており、橋梁体第１層１２１〜１２４により橋梁体が構成されていることがわかる。実際には、重錘体第１層１１０および重錘体第２層２１０の外周部にはストッパ壁５４０が形成されているが、このストッパ壁５４０も重錘体の一部をなす構成要素と看做せば、基本的な構造は同じである。同様に、台座第１層１３０および台座第２層２３０の内周部にはストッパ壁５５０が形成されているが、このストッパ壁５５０も台座の一部をなす構成要素と看做せば、基本的な構造は同じである。
【００９０】
このように、上述した各段階を経て得られる構造体は、基本的には、図６および図７に示す構造体と同等のものであり、体積の大きな重錘体を用いることにより、検出感度の高いセンサを実現することができる。ここで、注目すべき点は、上述した各段階は、エッチングを主とした半導体プレーナプロセスを用いて実行することができるため、量産に適した製造プロセスが実現できるという点である。しかも、より重要な効果は、エッチングプロセスを用いて製造しているにもかかわらず、寸法精度の高い製品を製造することが可能になる点である。その理由は、第２層再エッチング段階において、第２層２００に対する水平方向へのエッチングが進行するものの、この水平方向へのエッチングの進行の程度は、ストッパ壁５４０，５５０によって正確に制御されることになるからである。
【００９１】
たとえば、図２１（ａ）  において、橋梁体第１層１２１，１２２の長さは、ストッパ壁５４０，５５０によって規定されており、第２層再エッチング段階における水平方向へのエッチングの進行の程度に影響されることはない。このため、量産した場合であっても、すべてのロットの橋梁体の長さが正確な寸法に制御されることになる。別言すれば、図２２の上面図において、境界位置Ｌ１〜Ｌ４は、すべてストッパ壁５４０，５５０の位置によって定まり、上面用マスクＭＵやストッパ用マスクＭＳの平面パターンによって正確に制御することが可能になる。
【００９２】
また、図２２に示す例のように、検出素子としてピエゾ抵抗素子を用いるセンサ本体を製造する場合、各ピエゾ抵抗素子を、ストッパ壁５４０，５５０に接触する位置に、もしくは、ストッパ壁の近隣位置に、正確に配置することが可能になり、検出感度が良好な位置への配置が可能になる。もちろん、ロットごとに検出感度がばらつくような事態も解消できる。このように、本発明は、量産に適し、かつ、十分な寸法精度が得られる力学量検出センサ用構造体の製造方法を提供することができる。
【００９３】
＜＜＜  §４．本発明を実施する上で好ましいエッチング方法  ＞＞＞
前述した各段階のうち、第１層エッチング段階と第３層エッチング段階では、実用上、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、各層の主として厚み方向への方向性をもった浸食が行われるエッチング法であること、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エッチング法であること、である。第１の条件は、マスクどおりの平面パターンをもったエッチングを行う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層２００に対する浸食が行われないようにするための条件である。
【００９４】
第１の条件を満たすエッチングを行うには、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  ）を用いるのが好ましい。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り、一般に、ＤＲＩＥ（Ｄｅｅｐ  Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ  ）と呼ばれているエッチング方法の一種である。この方法の特徴は、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、を交互に繰り返す点にある。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。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。
【００９５】
本願発明者は、この２つの条件を満足させるエッチングとして、実際に次のような条件で、エッチングを行ったところ、良好な結果が得られた。すなわち、上述した誘導結合型プラズマエッチング法を用い、次のような具体的条件によりエッチング段階とデポジション段階とを交互に繰り返すようにした。まず、エッチング対象となる材料基板を、低圧のチャンバ内に収容し、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し、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した。エッチング段階とデポジション段階をそれぞれ１０秒程度の周期で繰り返し実行したところ、３μｍ／ｍｉｎ程度のエッチングレートでエッチングが実行された。もちろん、本発明に係る製造方法は、上述のエッチング方法を用いる方法のみに限定されるものではない。
【００９６】
一方、第２層再エッチング段階では、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、厚み方向とともに層方向への方向性をもった浸食が行われるエッチング法であること、第２の条件は、酸化シリコン層に対しては浸食性を有するが、シリコン層や窒化シリコン層に対しては浸食性を有しないエッチング法であること、である。第１の条件は、橋梁体第２層２２１〜２２４の部分を水平方向に浸食して除去するために必要な条件であり、第２の条件は、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層残存部や第３層残存部およびストッパ壁に浸食が及ばないようにするために必要な条件である。
【００９７】
本願発明者は、この２つの条件を満足させるエッチングとして、実際に次のような条件で、エッチングを行ったところ、良好な結果が得られた。すなわち、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、エッチング対象物をこのエッチング液に３０分ほど浸漬することにより、エッチングを行った。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を行っても、同様に良好な結果が得られた。もちろん、本発明に係る製造方法は、上述のエッチング方法を用いる方法のみに限定されるものではない。
【００９８】
＜＜＜  §５．いくつかの変形例  ＞＞＞
以上、本発明を図示する基本的な製造工程に基づいて説明したが、本発明はこの基本工程に限定されるものではなく、この他にも種々の態様で実施可能である。ここでは、本発明のいくつかの変形例を述べておく。
【００９９】
＜断面Ｖ字型の溝形成＞
§３の基本工程では、図１１に示す第１層エッチング段階や、図１２に示す第２層エッチング段階において、ストッパ用空隙Ｖ１，Ｖ２として、垂直下方へのエッチングにより、井戸型の溝を形成する例を述べた。しかしながら、図１３に示すストッパ用材料層の形成段階において、ＣＶＤ法を用いてストッパ用材料を堆積させることを考慮すると、井戸型の溝よりも、断面Ｖ字型の溝（側面が傾斜面となる溝）を形成しておいた方が好ましい。これは、井戸型の溝の場合、その側面に対する堆積が生じにくいため、溝内をストッパ材料で完全に充填することが困難になるからである。
【０１００】
図２３（ａ）  の側断面図に示すように、第１層１００および第２層２００に対して、ストッパ用空隙Ｖ１，Ｖ２となる断面Ｖ字型の溝Ｖを形成しておくようにすれば、窒化シリコンなどのストッパ材料をＣＶＤ法で堆積させてストッパ用材料層５００を形成する場合、図２３（ｂ）  に示すように、溝側面への堆積が生じやすくなる。このように、断面Ｖ字型の溝Ｖの斜面に順次ストッパ材料を堆積してゆけば、比較的簡単に、図２３（ｃ）  に示すようなストッパ用材料層５００を得ることができる。第１層エッチング段階および第２層エッチング段階において、断面Ｖ字型の溝Ｖが形成されるようにするには、ある程度の等方性をもったエッチング液（たとえば、第１層エッチング段階ではＫＯＨ、第２層エッチング段階ではバッファド弗酸）を用いてエッチングを行うようにすればよい。
【０１０１】
なお、図１５に示すようなレジスト層６００を用いて、ストッパ用材料層５００に対するエッチング工程を行うと、図１６（ａ）  に示すように、第１層１００の上面より更に上方に突き出たストッパ壁５４０，５５０が形成されることになる。ところが、このようなストッパ壁５４０，５５０によって第１層１００の上面に凹凸構造が形成されると、ピエゾ抵抗素子などに対する配線を行う上では好ましくない。そこで、実用上は、ストッパ用材料層５００の不要部分をエッチングにより除去した後、残存した部分の上面を研磨することにより、第１層１００の上面と同じ高さをもつストッパ壁５４０，５５０を形成するようにするのが好ましい。
【０１０２】
図２３（ｄ）  は、断面Ｖ字型の溝Ｖに堆積させたストッパ用材料層５００に対して、不要部分をエッチングにより除去する工程を行った後、残存部分の上面を研磨することにより、第１層１００の上面と同じ高さをもつストッパ壁５８０を形成した例である。ストッパ壁５８０の上面は、第１層１００の上面と一致し、第１層１００の上面に配線を施す際の障害にはならない。しかも、ストッパ壁５８０は、第２層２００に対して後に行われる再エッチング工程において、エッチングストッパとしての役割を支障なく果たすことができる。
【０１０３】
＜Ｕ字型の抵抗素子＞
図２２の上面図に示す例では、各ピエゾ抵抗素子の一端が、ストッパ壁５４０もしくは５５０に接触する位置に配置されている。たとえば、ピエゾ抵抗素子Ｒｘ１の右端はストッパ壁５５０に接触しており、ピエゾ抵抗素子Ｒｘ２の左端はストッパ壁５４０に接触しており、ピエゾ抵抗素子Ｒｘ３の右端はストッパ壁５４０に接触しており、ピエゾ抵抗素子Ｒｘ４の左端はストッパ壁５５０に接触している。これは、既に述べたとおり、橋梁体第１層１２１〜１２４に撓みが生じた場合、境界位置Ｌ１〜Ｌ４に応力が集中するため、この位置にピエゾ抵抗素子を配置すると最も検出感度が高くなるためである。
【０１０４】
しかしながら、ピエゾ抵抗素子の抵抗値を測定するためには、ピエゾ抵抗素子の両端位置に配線を施す必要があり、ピエゾ抵抗素子の端部がストッパ壁に接触していたり、ストッパ壁の近隣位置に配置されていたりすると、配線を施しにくいという問題が生じる。
【０１０５】
このような問題に対処するひとつの解決策は、図２４に示すようなＵ字型の抵抗素子Ｒｘ１１を、Ｕ字の底部がストッパ壁５５０側になるように配置し、Ｕ字の上部両端位置に対して配線を施すようにすることである。ここで、ハッチングは、Ｕ字型の抵抗素子Ｒｘ１１の形状と、ストッパ壁５５０の位置を示す便宜のためのものであり、断面を示すものではない。図示の例では、Ｕ字型の抵抗素子Ｒｘ１１の底部はストッパ壁５５０に接触する位置に配置されているが、その上部両端の配線端Ｔａ，Ｔｂは、ストッパ壁５５０からある程度の距離を保持して配置されている。そこで、図示のように、配線Ｗ１，Ｗ２の接合部Ｊ１，Ｊ２を、この配線端Ｔａ，Ｔｂに接続するようにして配線を行うようにすれば、何ら支障なく配線を施すことが可能になる。
【０１０６】
＜幅に段差構造をもつ橋梁体の形成＞
上述した配線に関する問題に対する別な解決策は、幅に段差構造をもつ橋梁体を形成することである。たとえば、図２５に上面図を示すような橋梁体を考えてみる。この橋梁体は、幅広橋梁体１２１αと幅狭橋梁体１２１βとの２つの部分から構成されており、図２２に示す橋梁体１２１と同等の機能を果たす。すなわち、幅広橋梁体１２１αは、図示のとおり、右端においてストッパ壁５５０に接合されており、幅狭橋梁体１２１βは、図示されていないが、左端においてストッパ壁５４０に接合されている。しかも、ピエゾ抵抗素子Ｒｘ１は、ストッパ壁５５０から若干離れた位置に配置されており、配線Ｗ３，Ｗ４の接合部Ｊ３，Ｊ４を、このピエゾ抵抗素子Ｒｘ１の両端に接合するのに何ら支障は生じていない。なお、この図２５におけるハッチングは、抵抗素子Ｒｘ１およびストッパ壁５５０の位置を示す便宜のためのものであり、断面を示すものではない。
【０１０７】
ここで注目すべき点は、ピエゾ抵抗素子Ｒｘ１の右端が、境界位置Ｌ５に配置されている点である。本来、橋梁部と台座（この例の場合はストッパ壁５５０）との境界は、境界位置Ｌ１であり、橋梁部に生じる応力は、この境界位置Ｌ１に集中するはずであるが、ここに示す例の場合、応力は、境界位置Ｌ１よりも、むしろ境界位置Ｌ５に集中することになり、ピエゾ抵抗素子Ｒｘ１が図示の位置に配置されていたとしても、十分な検出感度を得ることができる。これは、幅広橋梁体１２１αの幅αに比べて、幅狭橋梁体１２１βの幅βがかなり小さく設定されているためである。境界位置Ｌ１と境界位置Ｌ５とに生じる応力集中の度合いは、幅αと幅βとの差に左右されることになり、幅の差が大きければ大きいほど、境界位置Ｌ５における応力集中度が高まる。
【０１０８】
したがって、幅αと幅βとを、境界位置Ｌ５に十分な応力が生じるような適当な値に設定すれば、図示のとおり、ピエゾ抵抗素子Ｒｘ１をストッパ壁５５０から離れた位置に配置しても、十分な検出感度が得られることになる。
【０１０９】
なお、図２５では、ピエゾ抵抗素子Ｒｘ１の位置をストッパ壁５５０から離すために、橋梁体の外側端の幅αが、中央部分の幅βに比べて広い形状となるような例を示したが、図２２に示すピエゾ抵抗素子Ｒｘ２の位置をストッパ壁５４０から離すためには、橋梁体１２１の内側端の幅αが、中央部分の幅βに比べて広い形状となるようにすればよい。他の橋梁体１２２〜１２４に関しても同様である。
【０１１０】
このように幅に段差構造をもつ橋梁体を形成するには、図９に示すような上面用マスクＭＵを準備する段階において、内側端または外側端の幅が、中央部分の幅に比べて広い形状をもった橋梁体マスク領域Ｍ２１〜Ｍ２４を有する上面用マスクを用意すればよい。
【０１１１】
＜庇部の形成＞
図２６に上面図を示す変形例は、上述した「幅に段差構造をもつ橋梁体」を更に発展させたものである。この変形例を、図２２に示す例と比べてみると、いずれも４本の橋梁体によって重錘体を支持する構造を有している点は共通しているが、ストッパ壁５４０の外周部分に庇部１４０αが形成されており、ストッパ壁５５０の内周部分に庇部１５０αが形成されている点が異なっている。なお、説明の便宜上、ストッパ壁５４０，５５０の部分にハッチングを施して示すが、このハッチングは断面を示すものではない。
【０１１２】
実は、これら庇部１４０α，１５０αは、隣接配置された複数の橋梁体マスク領域の内側端もしくは外側端に設けられた幅広部分を融合させた部分である。たとえば、図２６に示す橋梁体１２１βは、図２５に示す幅狭橋梁体１２１βと同等の機能を果たす部分であり、図２６に示す庇部１５０αは、図２５に示す幅広橋梁体１２１αと同等の機能を果たす部分になる。同様に、図２６に示す庇部１４０αは、橋梁体の内側端に設けられた幅広橋梁体として機能することになる。
【０１１３】
このような構造をとれば、各ピエゾ抵抗素子の端部を、ストッパ壁５４０，５５０に接触させる位置に配置する必要はなくなり、配線上の便宜を図ることが可能になる。すなわち、各橋梁体における応力集中箇所は、ストッパ壁５４０，５５０との境界位置（たとえば、図２６に示すＬ１，Ｌ２）ではなく、庇部１４０α，１５０αとの境界位置（たとえば、図２６に示すＬ５，Ｌ６）になるので、図示のような位置に各ピエゾ抵抗素子を配置しても、十分良好な検出感度が得られるようになる。
【０１１４】
なお、図２６に示すような構造をもった構造体を製造するには、庇部１４０α，１５０αに対応する庇状領域を有する上面用マスクＭＵ用意し、この庇状領域に対応した部分として、庇部１４０α，１５０αを第１層１００の一部分により形成するようにすればよい。
【０１１５】
＜容量素子の構成＞
これまで述べた実施形態は、いずれもピエゾ抵抗素子を検出素子として利用したセンサ本体を製造するための工程を示すものであったが、本発明に係る力学量検出センサ用構造体の製造方法は、このようなピエゾ抵抗素子を検出素子として利用するセンサ本体の製造に限定されるものではない。ここでは、容量素子を検出素子として利用したセンサ本体を製造する例を述べる。
【０１１６】
図２７は、容量素子を検出素子として利用したセンサ本体の構造を示す上面図である。この図においても、説明の便宜上、ストッパ壁５４０，５５０の部分にハッチングを施して示すが、このハッチングは断面を示すものではない。図２２に示すセンサ本体と比較すると、主要な構造部分はほぼ同じであるが、検出素子の構成が異なっていることがわかる。すなわち、図２２に示すセンサ本体では、橋梁体１２１〜１２４の上面に、検出素子となるピエゾ抵抗素子が形成されているが、図２７に示すセンサ本体では、橋梁体１２１〜１２４の上面には何も形成されていない。その代わりに、４枚の電極層１６１〜１６４が形成されている。この４枚の電極層１６１〜１６４は、いずれも第１層１００の一部分より構成されている。
【０１１７】
この図２７に示すセンサ本体では、第１層１００および第３層３００は、いずれも導電性材料から構成されている。その結果、４枚の電極層１６１〜１６４は、いずれも導電性を有する層となり、電極として機能する。一方、重錘体第３層３１０は、全体が導電性をもったブロックになる。そのため、４枚の電極層１６１〜１６４と、これらに対向する重錘体第３層３１０の上面の各部分とによって、４組の容量素子Ｃ１〜Ｃ４が形成される。図２８は、こうして形成される４組の容量素子Ｃ１〜Ｃ４を示す平面図である。図において、一点鎖線で示すのが重錘体第３層３１０であり、斜線ハッチングを施して示した部分が、４枚の電極層１６１〜１６４と、重錘体第３層３１０との平面的な重複部分、すなわち、４組の容量素子Ｃ１〜Ｃ４が形成される部分である。
【０１１８】
図２９は、この図２７に示すセンサ本体の側断面図であり、分図（ａ），（ｂ），（ｃ）  は、それぞれ図２７の切断線ａ−ａ，ｂ−ｂ，ｃ−ｃの位置で切断した側断面図に相当する。電極層１６１，１６２は、図２９（ａ）  では、橋梁体第１層１２１，１２２の陰に隠れて現れていないが、図２９（ｂ）  では、明瞭に示されている。図示のとおり、４枚の電極層１６１〜１６４は、４本の橋梁体第１層１２１〜１２４と同様に、第１層１００の一部によって構成されている要素である。図２９（ｂ）  に示されているように、電極層１６１と重錘体第３層３１０の上面の一部によって容量素子Ｃ１が形成され、電極層１６２と重錘体第３層３１０の上面の一部によって容量素子Ｃ２が形成されている。
【０１１９】
重錘体第３層３１０が外力によって変位すると、各容量素子を構成する電極間隔が変化するため、各容量素子の静電容量値に変化が生じる。そこで、各容量素子の静電容量値を電気的に検出すれば、重錘体第３層３１０の変位状態を認識することができ、重錘体に作用した力や加速度などの力学量を検出することができる。
【０１２０】
このような構造をもったセンサ本体を製造するには、まず、基板準備段階において、第１層１００および第３層３００が導電性材料からなる材料基板を用意するようにする。前述した基本工程で用意したＳＯＩ基板は、シリコン層／酸化シリコン層／シリコン層という３層からなる基板であったが、このＳＯＩ基板の各シリコン層の部分に不純物をドープして導電性をもたせた基板を用いればよい。
【０１２１】
また、上面用マスク準備段階では、所定位置に電極層１６１〜１６４を形成するための電極層マスク領域を更に有する上面用マスクを用意するようにする。そして、この電極層マスク領域に関して、橋梁体マスク領域と同一のエッチングプロセスを施すことにより、電極層１６１〜１６４を第１層１００の一部分により形成し、形成した電極層１６１〜１６４と第３層重錘体３１０の上面とによって容量素子Ｃ１〜Ｃ４が形成されるようにすれば、これら容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値に基づいて、重錘体に作用した力や加速度を検出する機能をもった力センサや加速度センサを実現できる。
【０１２２】
＜角速度センサへの適用＞
本発明に係る力学量検出センサ用構造体の製造方法は、力センサや加速度センサの製造に限定されるものではなく、角速度センサの製造に利用することも可能である。たとえば、図２７に示すセンサ本体は、上述したように、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、一部の容量素子に交流電力を供給することにより重錘体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、重錘体に作用した角速度を検出するようにすればよい。
【０１２３】
＜各段階の順序変更＞
§３で述べた各段階は、必ずしも説明した順序で行う必要はなく、各段階のプロセスが実行可能な範囲内で適宜入れ替えることが可能である。たとえば、上述の説明では、第２層再エッチング段階を、第３層エッチング段階の後に行うようにしているが、第３層エッチング段階の前に行うことも可能である。この場合、たとえば、図１７に示すような構造体に対して、第２層再エッチング段階を実行することになるので、材料基板の下面側からではなく、上面側から橋梁体第２層２２１〜２２４に対するエッチング除去が行われることになる。
【０１２４】
＜ストッパ壁の形成位置＞
§３で述べた例では、図９に示されているとおり、橋梁体マスク領域Ｍ２１〜Ｍ２４の内側端と重錘体上面マスク領域Ｍ１０の外周との間にストッパ用空隙Ｖ１を形成するとともに、橋梁体マスク領域Ｍ２１〜Ｍ２４の外側端と台座上面マスク領域Ｍ３０の内周との間にストッパ用空隙Ｖ２を形成した上面用マスクＭＵを用いたため、図２２に示すように、橋梁体１２１〜１２４の両端にそれぞれストッパ壁５４０，５５０が形成された構造を得ることができた。しかしながら、ストッパ壁は、必ずしも橋梁体１２１〜１２４の両端に形成する必要はなく、ストッパ壁５４０かストッパ壁５５０かのいずれか一方のみを形成することも可能である。その場合には、ストッパ用空隙Ｖ１かＶ２かのいずれか一方が形成された上面用マスクＭＵを用いるようにすればよい。
【０１２５】
もちろん、ストッパ壁５４０かストッパ壁５５０かのいずれか一方のみを形成した場合、ストッパ壁が形成されていない側についてはエッチングストッパとして機能する構成要素がなくなるため、第２層再エッチング段階における正確なエッチング制御を行うことができなくなる。したがって、実用上は、§３で述べた例のように、ストッパ壁５４０，５５０の双方を形成するのが好ましい。
【０１２６】
また、上述の実施形態では、ストッパ用材料層を窒化シリコンによって構成したが、たとえば、ポリシリコンをストッパ用材料として用いてもかまわない。
【０１２７】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、量産に適し、かつ、十分な寸法精度が得られる力学量検出センサ用構造体の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】力センサおよび加速度センサとして利用可能なセンサ本体の上面図である。
【図２】図１に示すセンサ本体を、ＸＺ平面で切断した側断面図である。
【図３】図１に示すセンサ本体に、Ｘ軸正方向の外力＋Ｆｘが作用した状態を示す側断面図（ＸＺ平面で切断した側断面図）である。
【図４】図１に示すセンサ本体に、Ｚ軸正方向の外力＋Ｆｚが作用した状態を示す側断面図（ＸＺ平面で切断した側断面図）である。
【図５】図１に示すセンサ本体に適用するための検出回路の一例を示す回路図である。
【図６】本発明に係る製造方法の適用対象となる改良型センサ本体の上面図である。
【図７】図６に示すセンサ本体を、ＸＺ平面で切断した側断面図である。
【図８】本発明に係る製造方法で用意される材料基板の構造を示す側断面図である。
【図９】本発明に係る製造方法で用意される上面用マスクＭＵのパターンを示す平面図である（ハッチングは、エッチング工程において除去されずに残る各マスク領域を示すためのものであり、断面を示すものではない。）。
【図１０】本発明に係る製造方法の第１層エッチング段階において、レジスト層４００に対するパターニングを完了した状態を示す側断面図であり、分図（ａ），（ｂ），（ｃ）は、それぞれ図９に示す切断線ａ−ａ，ｂ−ｂ，ｃ−ｃの位置で切断した側断面図に相当する。
【図１１】本発明に係る製造方法において、第１層エッチング段階が完了した状態を示す側断面図であり、分図（ａ），（ｂ），（ｃ）は、それぞれ図９に示す切断線ａ−ａ，ｂ−ｂ，ｃ−ｃの位置で切断した側断面図に相当する。
【図１２】本発明に係る製造方法において、第２層エッチング段階が完了した状態を示す側断面図であり、分図（ａ），（ｂ），（ｃ）は、それぞれ図９に示す切断線ａ−ａ，ｂ−ｂ，ｃ−ｃの位置で切断した側断面図に相当する。
【図１３】本発明に係る製造方法において、ストッパ用材料層形成段階が完了した状態を示す側断面図であり、分図（ａ），（ｂ），（ｃ）は、それぞれ図９に示す切断線ａ−ａ，ｂ−ｂ，ｃ−ｃの位置で切断した側断面図に相当する。
【図１４】本発明に係る製造方法で用意されるストッパ用マスクＭＳのパターンを示す平面図である（ハッチングは、エッチング工程において除去されずに残る各マスク領域を示すためのものであり、断面を示すものではない。）。
【図１５】本発明に係る製造方法において、ストッパ用材料層のエッチング段階を示す側断面図であり、分図（ａ），（ｂ），（ｃ）は、それぞれ図９に示す切断線ａ−ａ，ｂ−ｂ，ｃ−ｃの位置で切断した側断面図に相当する。
【図１６】本発明に係る製造方法において、ストッパ壁形成段階が完了した状態を示す側断面図であり、分図（ａ），（ｂ），（ｃ）は、それぞれ図９に示す切断線ａ−ａ，ｂ−ｂ，ｃ−ｃの位置で切断した側断面図に相当する。
【図１７】本発明に係る製造方法において、抵抗素子形成段階が完了した状態を示す側断面図である（図９に示す切断線ａ−ａの位置で切断した側断面図に相当する）。
【図１８】本発明に係る製造方法において、段差形成段階が完了した状態を示す側断面図である（図９に示す切断線ａ−ａの位置で切断した側断面図に相当する）。
【図１９】本発明に係る製造方法で用意される下面用マスクＭＬのパターンを示す平面図である（ハッチングは、エッチング工程において除去されずに残る各マスク領域を示すためのものであり、断面を示すものではない。）。
【図２０】本発明に係る製造方法において、第３層エッチング段階が完了した状態を示す側断面図であり、分図（ａ），（ｂ），（ｃ）は、それぞれ図９に示す切断線ａ−ａ，ｂ−ｂ，ｃ−ｃの位置で切断した側断面図に相当する。
【図２１】本発明に係る製造方法において、第２層再エッチング段階が完了した状態を示す側断面図であり、分図（ａ），（ｂ），（ｃ）は、それぞれ図９に示す切断線ａ−ａ，ｂ−ｂ，ｃ−ｃの位置で切断した側断面図に相当する。
【図２２】本発明に係る製造方法において製造されたセンサ本体の上面図である（説明の便宜上、ストッパ壁５４０，５５０の部分にハッチングを施して示すが、このハッチングは断面を示すものではない。）。
【図２３】本発明に係る製造方法において、断面Ｖ字型の溝Ｖを形成する変形例を示す側断面図である。
【図２４】本発明に係る製造方法において、Ｕ字型の抵抗素子を形成する変形例を示す平面図である（ハッチングは、Ｕ字型の抵抗素子Ｒｘ１１の形状と、ストッパ壁５５０の位置を示す便宜のためのものであり、断面を示すものではない。）。
【図２５】本発明に係る製造方法において、幅に段差構造をもつ橋梁体を形成する変形例を示す平面図である（ハッチングは、抵抗素子Ｒｘ１と、ストッパ壁５５０の位置を示す便宜のためのものであり、断面を示すものではない。）。
【図２６】本発明に係る製造方法において、橋梁体の両端に庇部を形成する変形例を示す平面図である（説明の便宜上、ストッパ壁５４０，５５０の部分にハッチングを施して示すが、このハッチングは断面を示すものではない。）。
【図２７】本発明に係る製造方法において、容量素子を形成する変形例を示す平面図である（説明の便宜上、ストッパ壁５４０，５５０の部分にハッチングを施して示すが、このハッチングは断面を示すものではない。）。
【図２８】図２７に示す変形例の一部を示す平面図である（ハッチングは、容量素子Ｃ１〜Ｃ４の形成領域およびストッパ壁５４０，５５０の部分を示すものであり、断面を示すものではない。）。
【図２９】図２７に示す変形例の側断面図であり、分図（ａ），（ｂ），（ｃ）は、それぞれ図２７に示す切断線ａ−ａ，ｂ−ｂ，ｃ−ｃの位置で切断した側断面図に相当する。
【符号の説明】
１０…重錘体
１５…重錘体上層部
１６…重錘体本体部
２１〜２４…橋梁体
３０…台座
４１〜４３…電圧計
５１〜５３…電源
１００…第１層（シリコン層）
１１０…重錘体第１層
１２１〜１２４…橋梁体第１層
１２１α…幅広橋梁体
１２１β〜１２４β…幅狭橋梁体
１３０…台座第１層
１４０α…庇部
１５０α…庇部
１６１〜１６４…電極層
２００…第２層（酸化シリコン層）
２１０…重錘体第２層
２２１〜２２４…橋梁体第２層
２３０…台座第２層
３００…第３層（シリコン層）
３１０…重錘体第３層
３３０…台座第３層
４００…レジスト層
４１０…重錘体レジスト層
４２１〜４２４…橋梁体レジスト層
４３０…台座レジスト層
５００…ストッパ用材料層
５４０…ストッパ壁
５５０…ストッパ壁
５８０…ストッパ壁
６００…レジスト層
６４０…ストッパ壁レジスト層
６５０…ストッパ壁レジスト層
ａ，ｂ，ｃ…切断線
Ｃ１〜Ｃ４…容量素子
＋Ｆｘ…Ｘ軸方向への外力
＋Ｆｚ…Ｚ軸方向への外力
Ｇ，Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３…溝
Ｊ１〜Ｊ４…接合部
Ｌ１〜Ｌ６…境界位置
ＭＬ…下面用マスク
ＭＳ…ストッパ用マスク
ＭＵ…上面用マスク
Ｍ１０…重錘体上面マスク領域
Ｍ２１〜Ｍ２４…橋梁体マスク領域
Ｍ３０…台座上面マスク領域
Ｍ４０…ストッパ壁マスク領域
Ｍ５０…ストッパ壁マスク領域
Ｍ６０…重錘体下面マスク領域
Ｍ７０…台座下面マスク領域
Ｒｘ１〜Ｒｘ４，Ｒｙ１〜Ｒｙ４，Ｒｚ１〜Ｒｚ４…ピエゾ抵抗素子
Ｒｘ１１…Ｕ字形の抵抗素子
Ｔａ，Ｔｂ…配線端
Ｖ…断面Ｖ字型の溝
Ｖ１，Ｖ２…ストッパ用空隙
Ｗ１〜Ｗ４…配線
Ｘ，Ｙ，Ｚ…座標軸
α，β…寸法値
【図１】
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【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１１】
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【図１２】
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【図１３】
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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】
2004226085.tif 000020
【図１９】
2004226085.tif 000021
【図２０】
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【図２１】
2004226085.tif 000023
【図２２】
2004226085.tif 000024
【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
2004226085.tif 000027
【図２６】
2004226085.tif 000028
【図２７】
2004226085.tif 000029
【図２８】
2004226085.tif 000030
【図２９】
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