(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下の工程を含む微小電気機械システム素子の製造方法：
（ａ）支持体と、前記支持体とは空隙を介して設けられた導電体とを備えた基板を用意する工程、
（ｂ）前記工程（ａ）の後、前記導電体に、前記基板の厚さ方向に貫通する孔を形成する工程、
（ｃ）前記工程（ｂ）の後、前記孔に固定材を通して前記支持体上にＣＶＤ成膜法を用いて前記固定材を堆積し、さらに前記孔を前記固定材で埋め込むことによって、前記支持体と前記導電体とを前記固定材で固定する工程、
（ｄ）前記工程（ｃ）の後、前記導電体をパターニングすることによって、前記支持体と前記導電体とが固定された固定部、一端が前記固定部と接続された梁、および前記梁の他端と接続された可動部を形成する工程。
【請求項２】
請求項１記載の微小電気機械システム素子の製造方法において、前記工程（ａ）は以下の下位工程を含む：
（ａ１）前記支持体となる第１基板を用意する工程、
（ａ２）前記導電体から構成される第２基板を用意する工程、
（ａ３）前記第１基板の中央部に凹み部を形成する工程、
（ａ４）前記工程（ａ３）の後、前記第１基板と前記第２基板とを重ね合わせ、前記第１基板と前記第２基板との間に、前記凹み部から構成される前記空隙を形成する工程。
【請求項３】
請求項２記載の微小電気機械システム素子の製造方法において、
前記第１基板が、シリコン、ガラス、または金属から構成され、
前記第２基板が、導電性のシリコン、または金属から構成され、
前記工程（ａ４）では、シリコン−シリコン接合、シリコン−金属接合、シリコン−ガラス接合、ガラス−金属接合、または金属−金属接合によって前記第１基板と前記第２基板とを接合することを特徴とする微小電気機械システム素子の製造方法。
【請求項４】
請求項１記載の微小電気機械システム素子の製造方法において、前記工程（ａ）は以下の下位工程を含む：
（ａ１）第１面と前記第１面とは反対の第２面を有するシリコン基板を用意した後、前記第１面または前記第２面側に複数の溝を形成する工程、
（ａ２）前記工程（ａ１）の後、前記シリコン基板を水素アニールすることによって前記複数の溝が繋がった前記空隙を形成し、前記支持体および前記導電体が前記シリコン基板から構成される前記基板を形成する工程。
【請求項５】
請求項１記載の微小電気機械システム素子の製造方法において、前記工程（ａ）は以下の下位工程を含む：
（ａ１）第１面と前記第１面とは反対の第２面を有するシリコン基板を用意した後、前記第１面上に酸化シリコン膜を形成する工程、
（ａ２）前記酸化シリコン膜上に多結晶シリコン膜を形成する工程、
（ａ３）前記酸化シリコン膜に到達する複数の溝を前記多結晶シリコン膜に形成する工程、
（ａ４）前記工程（ａ３）の後、前記シリコン基板をフッ酸処理することによって、前記複数の溝下の前記酸化シリコン膜が除去されて前記空隙を形成し、前記支持体が前記シリコン基板から構成され、前記導電体が前記多結晶シリコン膜から構成される前記基板を形成する工程。
【請求項６】
請求項１記載の微小電気機械システム素子の製造方法において、
前記工程（ｃ）では、前記固定部に隣接する前記梁下まで前記固定材がはみ出さないように、前記孔に前記固定材を通して前記支持体上に前記固定材を堆積することを特徴とする微小電気機械システム素子の製造方法。
【請求項７】
以下の工程を含む微小電気機械システム素子の製造方法：
（ａ）支持体と、前記支持体とは空隙を介して設けられた導電体とを備え、第１平面領域と前記第１平面領域と接する第２平面領域を有する基板を用意する工程、
（ｂ）前記工程（ａ）の後、前記第２平面領域の前記導電体に、前記基板の厚さ方向に貫通する孔を形成する工程、
（ｃ）前記工程（ｂ）の後、前記孔に固定材を通して前記支持体上にＣＶＤ成膜法を用いて前記固定材を堆積し、さらに前記孔を前記固定材で埋め込むことによって、前記支持体と前記第２平面領域の前記導電体とを前記固定材で固定する工程、
（ｄ）前記工程（ｃ）の後、前記導電体をパターニングすることによって、前記第２平面領域の前記導電体から固定部を形成し、前記第１平面領域の前記導電体から可動部、および前記可動部と前記固定部とを接続する梁を形成する工程。
【請求項８】
請求項７記載の微小電気機械システム素子の製造方法において、
前記基板は前記第１平面領域および前記第２平面領域を囲む第３平面領域を有しており、
前記工程（ｂ）では、前記第３平面領域の前記導電体に、前記基板の厚さ方向に貫通する孔を形成し、
前記工程（ｃ）では、前記第３平面領域において、前記孔に前記固定材を通して前記支持体上に前記固定材を堆積し、さらに前記孔を前記固定材で埋め込むことによって前記支持体と前記第３平面領域の前記導電体とを前記固定材で固定し、
前記工程（ｄ）では、前記第３平面領域の前記導電体から台座を形成し、
（ｅ）前記工程（ｄ）の後、前記第１平面領域および前記第２平面領域を覆うキャップを前記台座上で接合する工程を含むことを特徴とする微小電気機械システム素子の製造方法。
【請求項９】
請求項７記載の微小電気機械システム素子の製造方法において、
前記基板は前記第１平面領域および前記第２平面領域を囲む第３平面領域を有しており、
前記工程（ｂ）では、前記第３平面領域の前記導電体に、前記基板の厚さ方向に貫通する孔を所定間隔で形成し、
前記工程（ｃ）では、前記第３平面領域において、前記孔に前記固定材を通して前記支持体上に前記固定材を堆積し、さらに前記孔を前記固定材で埋め込むことによって、前記空隙に前記支持体から前記導電体まで到達する壁を形成すると共に、前記支持体と前記第３平面領域の前記導電体とを前記固定材で固定し、
前記工程（ｄ）では、前記第３平面領域の前記導電体から台座を形成し、
（ｅ）前記工程（ｄ）の後、前記第１平面領域および前記第２平面領域を覆うキャップを前記台座上で接合することによって前記キャップ、前記支持体、および前記壁で囲まれる前記空隙を気密封止する工程を含むことを特徴とする微小電気機械システム素子の製造方法。
【請求項１０】
請求項９記載の微小電気機械システム素子の製造方法において、
前記導電体は、シリコンから構成されており、
前記キャップは、ガラスから構成されており、
前記工程（ｅ）では、シリコン−ガラス接合によって前記導電体から構成される前記台座と前記キャップとを固定することを特徴とする微小電気機械システム素子の製造方法。
【請求項１１】
請求項９記載の微小電気機械システム素子の製造方法において、
前記導電体は、シリコンから構成されており、
前記キャップは、シリコンから構成されており、
前記工程（ｅ）では、シリコン−シリコン接合によって前記導電体の前記台座と前記キャップとを接合することを特徴とする微小電気機械システム素子の製造方法。
【請求項１２】
請求項９記載の微小電気機械システム素子の製造方法において、
前記キャップには開口部が形成されており、
前記工程（ｃ）の後、前記固定部上に電極パッドを形成し、前記工程（ｅ）では、前記開口部によって前記電極パッドを露出することを特徴とする微小電気機械システム素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば加速度センサ、角速度センサ、振動子、メカニカルフィルタ、マイクロミラーなどの可動部または懸架部を有する微小電気機械システム（ＭＥＭＳ；Micro Electro Mechanical Systems）素子の製造技術に関し、特に、気密封止され、外部と電気信号のやり取りをするＭＥＭＳ素子の製造技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、シリコン基板よりなる支持体と、支持体上に形成された固定部と、支持体から空隙を介して設けられた平面板状の可動部とを備え、固定部が梁（ビーム）を介して可動部を支持するＭＥＭＳ素子が提案されている。このＭＥＭＳ素子は、可動部の変位を静電容量値の変化として検出するものである。
【０００３】
このようなＭＥＭＳ素子の空隙は、その形成方法が例えば、支持体と、可動部および梁との間に設けられた犠牲層を除去することによって、その除去された空洞となった空洞層からなるものである。しかしながら、製造工程の途中やあるいは製品の使用中に梁が支持体に接触するスティッキング現象が発生する場合がある。そこで、特開２００１−４６５８（特許文献１）の明細書に基づき既に公知である半導体センサおよびその製造方法では、まず凹部が形成されたシリコンウェーハ（シリコン基板）を、支持体としてのガラス基板に貼り合わせることで空洞層を形成する。その後、シリコンウェーハを異方性エッチングすることで、固定部や梁、可動部など機能部を形成する。そのため、犠牲層のエッチングが不要となるから、スティッキング現象の発生を少なくすることができると記述されている。
【０００４】
また、特開平１０−１７８１８１（特許文献２）の明細書に基づき既に公知であるＭＥＭＳ素子の製造方法では、まずガラス基板に凹部を形成する。その後、片面には酸化膜、もう一方の面にはシリコンエッチング時にマスクとして使われるニッケル膜が形成されたシリコンウェーハ（シリコン基板）を作製する。ニッケルマスクをパターニングし、その膜をマスクとして、シリコンウェーハを異方性エッチングし、可動部を形成する。このとき反対面に形成されている酸化膜がエッチストップ層として使われる。異方性エッチングが終わったシリコンウェーハは、マスクとして使ったニッケル層を除去した後、ガラス基板に陽極接合される。その後、シリコンウェーハ表面の酸化膜を除去すると記述されている。
【０００５】
なお、ＭＥＭＳ素子では、特許文献１と特許文献２で紹介されているように、ＳＯＮ（Silicon On Nothing）ウェーハ（ＳＯＮ基板）が用いられる。その製造に関しては、例えば、凹部が形成されている一枚のシリコンウェーハ（シリコン基板）に平らのウェーハ（ガラス基板）を接合することで製造する方法がある。また、これらの方法以外に、Appl. Phys. Lett. Vol. 77, No.20, 2000, pp.3290-3292（非特許文献１）とJ. Vac. Sci. Technol. A 18(4), 2000, pp.1853-1858（非特許文献２）に紹介されているような方法でも作ることができる。非特許文献１ではシリコンウェーハの表面にサブミクロン程度の微細な孔を深堀し、水素アニールすることで空隙（空洞）を形成する工程が紹介されている。また、非特許文献２ではＳＯＮを製造する方法が記述されているわけではないが、その記述からほぼ同じ工程でＳＯＮの製造に応用できる。
【特許文献１】特開２００１−４６５８号公報
【特許文献２】特開平１０−１７８１８１号公報
【非特許文献１】Appl. Phys. Lett. Vol. 77, No.20, 2000, pp.3290-3292
【非特許文献２】J. Vac. Sci. Technol. A 18(4), 2000, pp.1853-1858
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前記特許文献１に記述されたような技術では、シリコンウェーハに予め空洞層を形成し、空洞層形成面の裏面から異方性エッチングを行う。したがって、空洞層を形成する時には予め後の工程で固定部が来る位置に島状の土手部を形成しておく必要があり、シリコンウェーハの両面加工は必須となる。
【０００７】
また、前記特許文献２に記述されたような技術を用いた、本発明者らが検討したＭＥＭＳ素子を図１４に示す。なお、図中の符号はそれぞれ、１００が支持体、１０１が固定部、１０２が土手部、１０３が可動部、１０４が空洞層、１０５が梁である。
【０００８】
凹部が形成されている支持体１００に異方性エッチングが終了したシリコンウェーハを接合し、シリコンウェーハに形成されている可動部１０３を懸架するため、支持体１００側に土手部１０２を形成する必要があり、その大きさはアライメントの誤差を考慮した大きさにしておく必要がある。しかし、シリコンウェーハが大径化した場合にはアライメントの角度誤差が大きく作用し、支持体１００に形成されている土手部１０２とシリコンウェーハに形成されている固定部１０１の位置がずれる場合がある。即ち、支持体１００と接合される固定部１０１とこの固定部１０１と可動部１０３を繋いでいる梁１０５の長さが互いに相異となる場合がある。この場合、センサの共振周波数、不要モードの発生など性能面での劣化が起こりうる。また、センサ間の性能ばらつきも発生するため、製造歩留まりが悪化する。
【０００９】
また、前記特許文献２で記述されたような技術では、異方性加工が完了したシリコンウェーハをガラス基板からなる支持体に接合しているため、接合時の可動部の破損の問題がある。さらに、接合後、表面に形成されている酸化膜をエッチャントによって除去しているため、寸法の小さい可動櫛歯、固定櫛歯などの固定パターンを有するセンサでは、可動部が周囲の固定パターン（特に、可動櫛歯と固定櫛歯同士）にスティキングする虞がある。
【００１０】
本発明の目的は、角速度センサ、加速度センサ、コンバインドセンサ（角速度センサと加速度センサが一体化されているセンサ）、マイクロミラーなどのＭＥＭＳ素子の製造において、ウェーハの両面加工を必要とせず、アライメントのずれにロバストなＭＥＭＳ素子を提供することにある。
【００１１】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
【００１３】
本発明による微小電気機械システム素子の製造方法は、まず、（ａ）支持体と、前記支持体とは空隙を介して設けられた導電体とを備え、第１平面領域と前記第１平面領域と接する第２平面領域を有する基板を用意する。次いで、（ｂ）前記第２平面領域の前記導電体に、前記基板の厚さ方向に貫通する孔を形成する。次いで、（ｃ）前記孔に固定材を通して前記支持体上に前記固定材を堆積し、さらに前記孔を前記固定材で埋め込むことによって、前記支持体と前記第２平面領域の前記導電体とを前記固定材で固定する。次いで、（ｄ）前記導電体をパターニングすることによって、前記第２平面領域の前記導電体から固定部を形成し、前記第１平面領域の前記導電体から可動部、および前記可動部と前記固定部とを接続する梁を形成する。
【発明の効果】
【００１４】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
【００１５】
本発明の微小電気機械システム素子の製造方法によれば、空隙が形成されている基板を用いて、必要な部分に微細な孔を開け、その孔を固定材で埋め込む方法で孔周辺部を支持体に固定するため、前記特許文献１で記述された技術のようにウェーハの両面加工を必要としない。また、空隙を形成するときに予め固定部が来る位置を知る必要がないため標準的な空隙を有する基板（ウェーハ）を大量で生産することができる。また、導電体から構成される基板（ウェーハ）と支持体となる基板（ウェーハ）を接合した後に可動部と固定部を形成しているため、高精度のアライメントを必要としない。その結果、素子間の個体差が少ない高性能・高信頼性のＭＥＭＳ素子の製造が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。
【００１７】
また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。
【００１８】
さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。
【００１９】
同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうではないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。
【００２０】
また、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。なお、図面をわかりやすくするために平面図であってもハッチングを付す場合がある。
【００２１】
本実施の形態における微小電気機械システム素子（以下では、ＭＥＭＳ素子という）について図面を参照しながら説明する。本実施の形態では、ＭＥＭＳ素子の一例として加速度センサを例に挙げて説明する。
【００２２】
まず、本実施の形態における加速度センサ１Ａの構成について図１、図２を参照して説明する。図１は本実施の形態における加速度センサの主要な構成要素を示す平面図である。図２は図１のＡ−Ａ’線で切断した加速度センサを示す断面図である。
【００２３】
加速度センサ１Ａには、空隙４を有する基板２が使用されている。空隙４を有する基板２は、支持体からなる支持基板２ａ上にフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を使用して凹部（空隙４）を形成することで空隙層２ｂを形成した後、導電体からなるデバイス層２ｃが接合されている。接合後は、研磨もしくはプラズマを用いたドライエッチングでデバイス層２ｃの厚さを調整する。
【００２４】
本願では基板２を構成する支持基板２ａ上で、空隙４を有する層を空隙層２ｂとし、また、空隙層２ｂ上で、加速度センサ１Ａの主要な構成が形成される層をデバイス層２ｃとしている。言い換えると、支持基板２ａ上には、空隙層２ｂが形成されており、この空隙層２ｂ上にデバイス層２ｃが形成されている。このデバイス層２ｃを加工して素子形成領域ＤＡを囲むように台座１０が形成され、この台座１０の内側に後述する構成要素が形成されている。なお、図２には、素子形成領域ＤＡに含まれ、可動部１３が形成される領域Ａ１および領域Ａ１と接し、支持基板２ａと固定される固定部１１、端子部１６などの要素が形成される領域Ａ２が示されており、また、素子形成領域ＤＡを囲み、台座１０が形成される領域Ａ３が示されている。
【００２５】
支持基板２ａは、例えば、シリコン（Ｓｉ）基板より形成され、デバイス層２ｃは、例えば、導電性シリコン基板より形成されている。支持基板２ａの厚さは、例えば、数十〜数百μｍ、空隙層２ｂの厚さは、例えば、数百ｎｍ〜数μｍ、デバイス層２ｃの厚さは、例えば、数百ｎｍ〜数十μｍである。なお、本実施の形態では、空隙４を有する基板２にシリコン基板（半導体基板）を使用しているが、これに限定されるものではなく種々変更可能であり、例えば、表面ＭＥＭＳ技術を用いた導電性ポリシリコン、または、例えば、ニッケル（Ｎｉ）などのめっき金属をデバイス層２ｃとして使用してもよい。
【００２６】
また、後述するが、台座１０など支持基板２ａに固定される要素は、予め形成された孔１８に対して、固定材１９で支持基板２ａに達するまで埋め込むことで支持基板２ａに固着、固定されている。
【００２７】
図１に示すように、台座１０で囲まれた素子形成領域ＤＡ内には、デバイス層２ｃをパターニングすることで固定部１１が形成されている。この固定部１１は空隙層２ｂの固定材１９を介して支持基板２ａに固定されている。そして、この固定部１１には、後述する可動部１３を支持する梁１２が接続されている。可動部１３は、デバイス層２ｃをパターニングすることにより形成されている。この可動部１３は、梁１２に支持され、その下には空隙４があるため、支持基板２ａから離れて固定部１１に懸架されている。
【００２８】
可動電極１４は、可動部１３のみに固定（接続）されているため、可動部１３と同じ動きをする。固定電極１５は、可動電極１４と対向するよう配置され、空隙層２ｂの固定材１９を介して支持基板２ａに固定されている。この固定電極１５と可動電極１４間には静電容量が形成され、可動部１３と可動電極１４が加速度の印加により変位した場合、静電容量が変化する。その検出回路については図３を参照して後述する。
【００２９】
端子部１６は、固定電極１５に接続され、空隙層２ｂの固定材１９を介して支持基板２ａに固定されている。また、その上にはＡｌなど金属膜で形成される電極パッド１７が形成され、外部との電気的信号のやり取りが行われる。
【００３０】
このように、デバイス層２ｃに形成される台座１０、固定部１１、固定電極１５、端子部１６など固定要素は、予め形成されている孔１８を固定材１９で支持基板２ａに達するまで埋め込むことで、下に形成されている空隙層２ｂを介して支持基板２ａに固定されている。一方、梁１２、可動部１３、および可動電極１４など可動要素は、下に空隙４が存在するため、固定部１１に懸架された状態となっている。このため、前記可動要素は、空隙４を有する基板２の主面に平行なデバイス層２ｃの平面内で移動できるように構成されている。
【００３１】
図２で示しているように台座１０上には、キャップ３が接合されており、キャップ３が加速度センサ１Ａの素子形成領域ＤＡを覆うように配置されている。このキャップ３は、例えば、ガラス基板から形成されており、シリコンよりなる台座１０と陽極接合によって接合される。さらに、このキャップ３には、電極パッド１７が接合される部分に開口部が形成されており、ワイヤボンディングなどの手段により素子外部との電気的信号のやり取りが可能となっている。
【００３２】
ここで、本発明の特徴について説明する。まず、本発明の１つの特徴は、図２に示すように、空隙４を有する基板２を用いた台座１０、固定部１１、固定電極１５、端子部１６など固定要素の固定方法である。後述するが、これら固定要素には予め孔１８が形成されていて、この孔１８を固定材１９で支持基板２ａに達するまで埋め込むことで固定要素を空隙層２ｂを介して支持基板２ａに固着させている。すなわち、孔１８が形成されている部分が固定されるため、空隙４を有するウェーハ（円盤板状の基板２）製造時には特に後から形成されるパターン位置などを考慮する必要はない。したがって、本発明者らが検討したように、ウェーハの両面加工と高精度の接合アライメントが不要となる。
【００３３】
また、可動部１３、梁１２などのセンサ構成要素が形成されるデバイス層２ｃの下には空隙層２ｂが存在するが、デバイス層２ｃをパターニングすることだけで例えば可動部１３をリリースすることができる。したがって、デバイス層２ｃと支持基板２ａの間に絶縁層が存在するＳＯＩ（Silicon On Insulation）基板を用いる製造方法では必須である可動部を浮かせるためのエッチホール形成工程や、可動部の下にある絶縁物を除去するリリース工程が不要である。その分、単位面積当たりの質量を大きくとることができセンサの小型化と高性能化ができる。
【００３４】
本発明の別の特徴は、固定部１１にある。この固定部１１は、孔１８を固定材１９が支持基板２ａに至るまで埋め込まれることで、空隙層２ｂを介して支持基板２ａに固定されている。その後、形成されている孔１８の周辺のデバイス層２ｃをパターニングすることで固定部１１を形成している。そのため、固定部１１の下に形成され、固定部１１を空隙層２ｂを介して支持基板２ａに固定している固定材１９は必然的に固定部１１の内側に形成され、固定部１１をはみ出す（到達する）ことはない。言い換えると、固定部１１に隣接する梁１２下まで固定材１９がはみ出さないように、孔１８に固定材１９を通して支持基板２ａ上に固定材１９を堆積する。したがって、固定部１１に接続され可動部１３を支持している梁１２は高精度のアライメントを必要とせず設計値通りの寸法で形成することができる。その結果、共振周波数のずれや不要モードの発生が少ない高性能のセンサが実現でき、センサ間の個体差も少なくなるため、高い歩留まりで高性能の加速度センサが実現できる。
【００３５】
次に、本実施の形態における加速度センサ１Ａの動作について説明する。図１において、可動部１３と可動電極１４は、ｘ方向には変位し易く、ｙ方向には変異し難い梁１２に接続されている。そこで、ｘ方向の加速度が印加されると、Ｆ＝ｍ・ａ＝ｋｘの関係から、式１で示している変位量ｘが発生する。なお、Ｆは力、ｍは可動部１３と可動電極１４の質量、ｋは梁１２のばね定数、ａは印加される加速度である。
【００３６】
ｘ＝（ｍ／ｋ）・ａ  （１）
この変位により、可動電極１４と固定電極１５との間の距離が変動し、静電容量が変化する。印加された加速度に比例して変化する静電容量の変化を検出することで、印加された加速度が測定できる。
【００３７】
図３は静電容量の変化から加速度信号を取り出すための検出回路を示している。なお、図３では、可動電極１４と固定電極１５をコンデンサで示し、梁１２、可動部１３、可動電極１４、固定電極１５、端子部１６、電極パッド１７を配線として示している。本図における等価回路として同一の符号を付す。
【００３８】
互いに１８０度位相が異なる搬送波５１を夫々の固定電極１５に印加し、その差分をアンプ５２で増幅し、同期検波回路５３で同期検波することで印加された加速度に比例した電圧信号として出力する。また、印加された加速度により発生する力Ｆを静電力によるリバランス力で打ち消す電極を可動部１３に設け、この電極に印加する電圧をモニタすることで、印加された加速度を検出することは既知である。
【００３９】
次に、本実施の形態における加速度センサ１Ａの製造方法について図４〜図１３を参照して説明する。図４は製造工程中のウェーハ状態における空隙を有する基板を示す断面図であり、図５〜図１０は製造工程中のＭＥＭＳ素子を示す要部断面図である。図１１〜図１３は製造工程中のＭＥＭＳ素子を示す要部平面図である。なお、図５〜図１０は図１１〜図１３のＢ−Ｂ’線で切断した断面を示している。
【００４０】
まず、図４に示すように、支持体となる支持基板２ａと、支持基板２ａとは空隙４（空隙層２ｂ）を介して設けられた導電体から構成されるデバイス層２ｃとを備えた基板２を用意する。具体的には、支持基板２ａを構成する第１シリコン基板、デバイス層２ｃを構成する導電性の第２シリコン基板を用意する。なお、図４では図示しないが、図２を参照して説明したように、基板２は素子形成領域ＤＡに含まれ、可動部１３が形成される領域Ａ１と、領域Ａ１と接して支持基板２ａと固定される固定部１１、端子部１６などの要素が形成される領域Ａ２と、素子形成領域ＤＡを囲み、台座１０が形成される領域Ａ３とを有している。
【００４１】
次いで、支持基板２ａの中央部にフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を使用して凹部を形成した後、常温接合方法などによって、第１シリコン基板と第２シリコン基板とを重ね合わせて接合し、第１シリコン基板から構成される支持基板２ａと第２シリコン基板から構成されるデバイス層２ｃとの間に、凹み部から構成される空隙４を形成する。その後、研磨もしくはＳＦ６ガスを用いたドライエッチングでデバイス層２ｃの厚さを調整することで、シリコン基板の間に空隙４が形成されている空隙層２ｂを有する基板２を用意することができる。
【００４２】
ここで、支持基板２ａとして使われる第１シリコン基板は単なる支持基板として使われるため、必ずシリコンである必要はなく、ガラスもしくは金属の板などを使っても問題ない。また、デバイス層２ｃとして使われる第２のシリコン基板も金属板など導電性膜であれば特に問題ない。具体的には、支持基板２ａとなる支持体がシリコン、ガラス、または金属から構成され、デバイス層２ｃを構成する導電体が導電性のシリコン、金属から構成されても良く、その場合、シリコン−シリコン接合、シリコン−金属接合、シリコン−ガラス接合、ガラス−金属接合、または金属−金属接合によって支持体と導電体とを重ね合わせて接合し、空隙４を有する基板２を形成することができる。
【００４３】
続いて、孔１８の形成と、固定材１９の埋め込み、そして、電極パッド１７を形成する工程を説明する。図５に示すように、デバイス層２ｃにフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を使用して、領域Ａ２、Ａ３のデバイス層２ｃに基板２の厚さ方向に貫通する微細な孔１８を形成する。この孔１８は、固定材１９を埋め込むことによって、後の工程で形成される台座１０、固定部１１、固定電極１５、端子部１６など固定要素を空隙層２ｂを介して支持基板２ａに固定させるために使われる。そのため、孔１８は台座１０、固定部１１など支持基板２ａに固着される部品の形状や位置に合わせて、デバイス層２ｃを貫通するよう形成される。また、固定のためには固定材１９が支持基板２ａに達する必要があり、このため孔１８の直径は空隙層２ｂの厚さの１〜２倍程度が望ましい。
【００４４】
次いで、図６に示すように、孔１８に固定材１９を通して支持基板２ａ上に固定材１９を堆積し、さらに孔１８を固定材１９で埋め込むことによって、支持基板２ａと領域Ａ２、Ａ３のデバイス層２ｃとを固定材１９で固定する。具体的には、孔１８は、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）などの成膜法を用いて固定材１９で埋め込まれ、孔１８が形成されている周辺のデバイス層２ｃは支持基板２ａに固着される。
【００４５】
孔１８の形状、間隔、および大きさを適切に考慮することで、デバイス層２ｃと支持基板２ａの間に固定材１９の壁を形成することも可能である。たとえば、台座１０の下に形成される固定材１９の膜は、台座１０を支持基板２ａに固定させることのみならず、デバイス層２ｃと支持基板２ａとの間に壁を形成し、気密された素子形成領域ＤＡ（図２参照）を形成する役割も持つ。
【００４６】
次いで、図７に示すように、デバイス層２ｃ上に体積された余分な固定材１９はＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）を用いて除去する。
【００４７】
次いで、図８及び図１１に示すように、電極パッド１７を、スパッタなどの成膜法用いてＡｌなど導電性金属膜をデバイス層２ｃ上に成膜した後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を使用して形成する。
【００４８】
次いで、図９及び図１２に示すように、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を使用してデバイス層２ｃをパターニングすることによって、支持基板２ａと領域Ａ３のデバイス層２ｃとが固定された台座１０を形成する。また、同様にして、支持基板２ａと領域Ａ２のデバイス層２ｃとが固定された固定部１１、端子部１６、一端が固定部１１と接続された梁１２を形成する。また、同様にして、領域Ａ１のデバイス層２ｃから梁１２の他端と接続された可動部１３を形成する。
【００４９】
台座１０は、素子形成領域ＤＡを取り囲むように閉曲線の形状でデバイス層２ｃに形成される。この台座１０は後の工程で形成されるキャップ３が接合され、気密封止された空間（素子形成領域ＤＡ）を形成するため、支持基板２ａにしっかり固着され、台座１０の下にある空隙層２ｂは埋まっている必要がある。そのため、この台座１０には孔１８が密に形成され、台座１０の下にある空隙層２ｂには固定材１９が壁になるように形成されている。その孔１８の周囲を帯状にデバイス層２ｃを貫通するようにエッチングすることによって台座１０が形成される。
【００５０】
また、固定部１１は、一緒に形成される梁１２など可動部１３を懸架するために支持基板２ａに固定されている部分であり、台座１０同様予め形成されている孔１８に固定材１９が支持基板２ａに達するまで埋め込まれ、固定されている。この孔１８の周辺をエッチングによりデバイス層２ｃを除去することで、固定部１１が形成される。
【００５１】
梁１２は、台座１０、固定部１１などと同様に梁１２の周辺のデバイス層２ｃをエッチングにより除去することで形成される。この梁１２は固定部１１に接続され、可動部１３、可動電極１４を動ける状態に支える。
【００５２】
可動部１３も台座１０、固定部１１、梁１２同様、周辺のデバイス層２ｃをエッチングにより除去することで形成される。この可動部１３は梁１２に接続され、加速度センサ１Ａの質量としての働きをし、加速度が印加されたときに印加された加速度に比例して変位する。
【００５３】
可動電極１４も台座１０、固定部１１、梁１２、可動部１３同様、周辺のデバイス層２ｃをエッチングにより除去することで形成される。この可動電極１４は、可動部１３に接続され、可動部１３と同じ動きをするようになっている。
【００５４】
固定電極１５も台座１０、固定部１１、梁１２、可動部１３、可動電極１４同様、周辺のデバイス層２ｃをエッチングにより除去することで形成される。この固定電極１５は台座１０、固定部１１同様予め形成されている孔１８に固定材１９が支持基板２ａに達するまで埋め込まれ、固定されている。
【００５５】
端子部１６も台座１０、固定部１１、梁１２、可動部１３、可動電極１４、固定電極１５同様、周辺のデバイス層２ｃをエッチングにより除去することで形成される。この端子部１６は台座１０、固定部１１、固定電極１５同様予め形成されている孔１８に固定材１９が支持基板２ａに達するまで埋め込まれ、固定されている。また、固定電極１５に接続され、端子部１６の上には予め電極パッド１７が形成される。
【００５６】
次いで、図１０及び図１３に示すように、台座１０上には予め開口部を持つキャップ３を接合し、開口部によって電極パッド１７を露出する。このキャップ３は素子形成領域ＤＡを覆うように形成され、加速度センサの構造体が形成されている素子形成領域ＤＡはキャップ３によって気密封止される。また、気密封止された可動電極１４、固定電極１５は、外部と電極パッド１７を介して電気的に接続される。これにより外部との電気信号のやりとりをすることができる。
【００５７】
本実施の形態では、キャップ３としてガラス基板を用いているが、絶縁性のシリコン基板など他の絶縁物による基板を用いてもよい。さらに、接合方法として、キャップ３と台座１０とを陽極接合によって接合する例を示しているが、プラズマやイオンによる表面活性化を用いる常温接合や、ガラスフリット、ハンダなどの接着剤を用いてキャップ３と台座１０とを接合するようにしてもよい。
【００５８】
特に、キャップ３として絶縁性のシリコン基板を用いた場合、キャップ３と台座１０とを常温接合により接合することができる。このとき、キャップ３と台座１０が同じ材料であるので、封止材料同士の温度膨張係数の違いによる封止ひずみをなくすことができるため、高性能の角速度検出装置を得ることができる。
【００５９】
次いで、ダイシングライン２１に沿って、キャップ３と接合された基板２をダイシングすることにより、加速度センサ１Ａを個片化する。これにより本実施の形態における加速度センサ１Ａを形成することができる。
【００６０】
本実施形態ではＭＥＭＳ素子の一例として加速度センサを上げているが、本発明の要旨は加速度センサに限定することではなく、角速度センサ、振動子などデバイス層２ｃの構造物を支持基板２ａに懸架する構造体において有効な技術である。特にマイクロミラーデバイスに使用した場合、ミラーになる平滑で広い領域をエッチホールなどを形成することなく、リリースすることができる。
【００６１】
また、本実施の形態は図４で示している空隙４を有するウェーハ（基板２）を使って説明しているが、非特許文献１又は非特許文献２の製造方法により作られた空隙４を有するウェーハを適用することもできる。
【００６２】
具体的には、表面およびその裏面を有するシリコンウェーハ（シリコン基板）を用意した後、表面または裏面側に複数のサブミクロン程度の溝（孔）を形成した後、シリコン基板を水素アニールすることによって複数の溝が繋がった空隙４を形成し、支持基板２ａ（支持体）およびデバイス層２ｃ（導電体）がシリコン基板から構成される基板２を形成することもできる。
【００６３】
また、表面およびその裏面を有するシリコンウェーハ（シリコン基板）を用意した後、例えば表面上に酸化シリコン膜を形成した後、酸化シリコン膜上に導電性の多結晶シリコン膜を形成する。次いで、酸化シリコン膜に到達する複数の溝（孔）を多結晶シリコン膜に形成した後、シリコン基板をフッ酸処理することによって、複数の溝下の酸化シリコン膜が除去されて空隙４を形成し、支持基板２ａ（支持体）がシリコン基板から構成され、デバイス層２ｃ（導電体）が導電性の多結晶シリコン膜から構成される基板２を形成することもできる。
【００６４】
また、図１および図２に示した基板２の構造を以下のように形成することもできる。まず、支持基板２ａ（支持体）となる例えば第１シリコン基板、デバイス層２ｃ（導電体）を構成する例えば導電性の第２シリコン基板を用意する。次いで、第１シリコン基板に凸部を形成する。この凸部は、前述した空隙層２ｂの固定材１９で構成された壁に相当するものであり、第１シリコン基板から構成される。次いで、常温接合方法などによって、第１シリコン基板と第２シリコン基板とを凸部で固定し、第１シリコン基板と第２シリコン基板との間に空隙４を形成する。このため、前述したデバイス層２ｃの孔１８は形成されず、第２シリコン基板から構成される。次いで、デバイス層２ｃをパターニングすることによって、第１シリコン基板と第２シリコン基板とが固定された固定部、一端が前記固定部と接続された梁、および梁の他端と接続された可動部を形成する。これにより、図１および図２に示した基板２の構造となる。なお、前述したように、支持基板２ａはシリコンに限らずガラスまたは金属でも良く、デバイス層２ｃは導電性のシリコンに限らず金属でも良い。
【００６５】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【００６６】
例えば、前記実施の形態では、加速度センサに適用した場合について説明したが、角速度センサなどの慣性力検出センサや、振動子、メカニカルフィルタ、マイクロミラーなど振動する微細電気機械素子にも適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明は、微細電気機械素子を製造する製造業に幅広く利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の実施の形態におけるＭＥＭＳ素子の構成を示す平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ’線で切断したＭＥＭＳ素子を示す断面図である。
【図３】静電容量の変化から加速度信号を取り出すための検出回路を示している。
【図４】本発明の実施の形態における製造工程中のＭＥＭＳ素子を示す断面図である。
【図５】図４に続く製造工程中のＭＥＭＳ素子の断面図である。
【図６】図５に続く製造工程中のＭＥＭＳ素子の断面図である。
【図７】図６に続く製造工程中のＭＥＭＳ素子の断面図である。
【図８】図７に続く製造工程中のＭＥＭＳ素子の断面図である。
【図９】図８に続く製造工程中のＭＥＭＳ素子の断面図である。
【図１０】図９に続く製造工程中のＭＥＭＳ素子の断面図である。
【図１１】本発明の実施の形態における製造工程中のＭＥＭＳ素子を示す平面図である。
【図１２】図１１に続く製造工程中のＭＥＭＳ素子の平面図である。
【図１３】図１２に続く製造工程中のＭＥＭＳ素子の平面図である。
【図１４】本発明者らが検討したＭＥＭＳ素子の構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００６９】
１Ａ  加速度センサ
２  基板
２ａ  支持基板（支持体）
２ｂ  空隙層
２ｃ  デバイス層（導電体）
３  キャップ
４  空隙
１０  台座
１１  固定部
１２  梁
１３  可動部
１４  可動電極
１５  固定電極
１６  端子部
１７  電極パッド
１８  孔
１９  固定材
２１  ダイシングライン
５１  搬送波
５２  アンプ
５３  同期検波回路
１００  支持体
１０１  固定部
１０２  土手部
１０３  可動部
１０４  空洞層
１０５  梁
ＤＡ  素子形成領域
Ａ１、Ａ２、Ａ３  領域
【図１】
0004607153.tif 000002
【図２】
0004607153.tif 000003
【図３】
0004607153.tif 000004
【図４】
0004607153.tif 000005
【図５】
0004607153.tif 000006
【図６】
0004607153.tif 000007
【図７】
0004607153.tif 000008
【図８】
0004607153.tif 000009
【図９】
0004607153.tif 000010
【図１０】
0004607153.tif 000011
【図１１】
0004607153.tif 000012
【図１２】
0004607153.tif 000013
【図１３】
0004607153.tif 000014
【図１４】
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