(57)【要約】【課題】感度が高く感度の温度依存性が低いＭＥＭＳを提供する。【解決手段】シリコンウエハの２つの主面の一方側からの加工により、可撓部と前記可撓部の変形または変位を検出するための検出手段とを形成し、前記シリコンウエハの２つの前記主面の他方に所定の金属材料に比べて前記シリコンウエハに熱膨張係数が近い連結材料からなる第二ウエハを直接接合し、前記第二ウエハをエッチングすることにより環状の間隙を形成するとともに前記間隙に囲まれ前記連結材料からなる連結部を形成し、前記間隙に表れる前記シリコンウエハの前記他方の主面と前記第二ウエハの端面とに犠牲膜を形成し、前記連結部および前記犠牲膜の表面に前記金属材料を堆積させることにより前記金属材料からなる錘部を形成する、ことを含むＭＥＭＳ製造方法。【選択図】図１
2009264899.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンウエハの２つの主面の一方側からの加工により、可撓部と前記可撓部の変形または変位を検出するための検出手段とを形成し、
前記シリコンウエハの２つの前記主面の他方に所定の金属材料に比べて前記シリコンウエハに熱膨張係数が近い連結材料からなる第二ウエハを直接接合し、
前記第二ウエハをエッチングすることにより環状の間隙を形成するとともに前記間隙に囲まれ前記連結材料からなる連結部を形成し、
前記間隙に表れる前記シリコンウエハの前記他方の主面と前記第二ウエハの端面とに犠牲膜を形成し、
前記連結部および前記犠牲膜の表面に前記金属材料を堆積させることにより前記金属材料からなる錘部を形成する、
ことを含むＭＥＭＳ製造方法。
【請求項２】
前記連結材料はガラスであって、
前記シリコンウエハに前記第二ウエハを陽極接合する、
請求項１に記載のＭＥＭＳ製造方法。
【請求項３】
前記犠牲膜を前記第二ウエハより薄く形成する、
請求項１または２に記載のＭＥＭＳ製造方法。
【請求項４】
前記第二ウエハよりも厚く前記犠牲膜を形成した後に前記連結部が露出するまで前記犠牲膜の表層を除去し、
前記連結部と前記犠牲膜の平坦に揃った表面に前記金属材料を堆積させる、
請求項１または２に記載のＭＥＭＳ製造方法。
【請求項５】
シリコンからなる可撓部と、
前記可撓部の変形または変位を検出するための検出手段と、
前記可撓部の中間部に一端が直接接合され所定の金属材料に比べてシリコンに熱膨張係数が近い所定の連結材料からなる連結部と、
前記連結部の他端に中央部が接合され前記金属材料からなり端部が前記連結部より外側に突出している錘部と、
を備えるＭＥＭＳ。
【請求項６】
前記連結材料はガラスである、
請求項５に記載のＭＥＭＳ。
【請求項７】
前記錘部の前記連結部より外側の部分は前記可撓部に向かって突出している、
請求項５または６に記載のＭＥＭＳ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）製造方法およびＭＥＭＳに関し、特に可撓部と錘部との連結構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、錘部が連結されているビームやダイヤフラムといった可撓部の変形や変位を電気信号に変換することにより加速度、角速度、振動などを検出するＭＥＭＳが知られている（例えば特許文献１〜６参照）。特許文献１，２，３，６に記載されているようにシリコンよりも密度が大きな金属材料で錘部を形成することにより、シリコンのみで錘部を形成する場合に比べてＭＥＭＳの検出精度は高くなる。
【特許文献１】特開２００７−２０５７３９号公報
【特許文献２】特開平８−２７４３４９号公報
【特許文献３】特開２００７−１３９５８１号公報
【特許文献４】特開平８−２４８０６１号公報
【特許文献５】特開平９−１５２５７号公報
【特許文献６】特開平９−１７１０３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、特許文献１，２に開示されているようにシリコンからなる可撓部に金属材料からなる錘部が直接に結合している構造では、シリコンと金属材料の熱膨張係数の差によって可撓部と錘部との界面に応力が生じるため、検出精度が低下するという問題がある。また特許文献３に開示されているように錘部も可撓部も金属材料で形成すると、可撓部がシリコンからなる構造よりも温度変化による特性変化が大きくなるという問題がある。また特許文献４、５に開示されているように２枚のウエハを直接接合する前に錘部や可撓部や検出手段のパターンを形成する場合、接合時に生ずる熱応力によって錘部と可撓部や検出手段とのアライメント精度が低くなるという問題がある。また特許文献６に開示されているようにＭＥＭＳを製造する場合、ウエハに形成されたテーパー状の凹部の１つ１つに金属ブロックを落とし込む必要があり製造コストが増大し、また、製造上の理由で金属ブロックの周りに必要な空隙を形成する必要があるためにスペースの利用効率が低いという問題がある。
【０００４】
本発明はこれらの問題を解決するために創作されたものであって感度が高く感度の温度依存性が低いＭＥＭＳを提供することを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（１）上記目的を達成するためのＭＥＭＳ製造方法は、シリコンウエハの２つの主面の一方側からの加工により、可撓部と前記可撓部の変形または変位を検出するための検出手段とを形成し、前記シリコンウエハの２つの前記主面の他方に所定の金属材料に比べて前記シリコンウエハに熱膨張係数が近い連結材料からなる第二ウエハを直接接合し、前記第二ウエハをエッチングすることにより環状の間隙を形成するとともに前記間隙に囲まれ前記連結材料からなる連結部を形成し、前記間隙に表れる前記シリコンウエハの前記他方の主面と前記第二ウエハの端面とに犠牲膜を形成し、前記連結部および前記犠牲膜の表面に前記金属材料を堆積させることにより前記金属材料からなる錘部を形成する、ことを含む。
【０００６】
本発明によると、錘部とシリコンとの熱膨張係数の差よりシリコンとの熱膨張係数の差が小さい連結材料からなる連結部を介して錘部が可撓部に結合される構造を有するＭＥＭＳを製造できる。そして錘部はシリコンよりも密度が高い金属材料からなり連結部の外側に突出する部分を有するものとなる。この構造を有するＭＥＭＳは感度が高く感度の温度依存性が低い。尚、主面とは板状の物体の端面ではない広い面を意味する。
【０００７】
（２）上記目的を達成するためのＭＥＭＳ製造方法において、前記連結材料はガラスであって、前記シリコンウエハに前記第二ウエハを陽極接合することが好ましい。
連結材料にガラスを採用し、シリコンウエハと第二ウエハとを陽極接合することによりシリコンウエハと第二ウエハとを低温で接合できる。その結果、接合時に生ずる熱応力を小さくできる。
【０００８】
（３）上記目的を達成するためのＭＥＭＳ製造方法において、前記犠牲膜を前記第二ウエハより薄く形成することが好ましい。
犠牲膜が第二ウエハより薄い場合、連結部より外側の部分が可撓部に向かって突出する形態の錘部が形成される。したがって、ＭＥＭＳを大型化させずに錘部の体積を増大させることができる。その結果、ＭＥＭＳを大型化させずに感度を高めることができる。
【０００９】
（４）上記目的を達成するためのＭＥＭＳ製造方法において、前記第二ウエハよりも厚く前記犠牲膜を形成した後に前記連結部が露出するまで前記犠牲膜の表層を除去し、前記連結部と前記犠牲膜の平坦に揃った表面に前記金属材料を堆積させてもよい。
【００１０】
（５）上記目的を達成するためのＭＥＭＳは、シリコンからなる可撓部と、前記可撓部の変形または変位を検出するための検出手段と、前記可撓部の中間部に一端が直接接合され所定の金属材料に比べてシリコンに熱膨張係数が近い所定の連結材料からなる連結部と、前記連結部の他端に中央部が接合され前記金属材料からなり端部が前記連結部より外側に突出している錘部と、を備える
本発明のＭＥＭＳは、シリコンよりも密度が高い金属材料からなる錘部が、錘部よりもシリコンに熱膨張係数が近い連結材料からなる連結部を介して可撓部に結合される構造を有するため、感度が高く感度の温度依存性が低い。また錘部を連結部より外側に突出させることにより、感度をさらに高めることができる。
【００１１】
（６）上記目的を達成するためのＭＥＭＳにおいて、前記連結材料はガラスである。
連結材料にガラスを採用することにより、可撓部になるシリコンウエハと連結部になる第二ウエハとを陽極接合することができる。したがって可撓部と連結部とを低温で直接接合することができる。
【００１２】
（７）上記目的を達成するためのＭＥＭＳにおいて、前記錘部の前記連結部より外側の部分は前記可撓部に向かって突出していることが好ましい。
連結部と支持部との間の間隙に錘部が突出する構造を採用することにより、ＭＥＭＳを大型化させずに錘部の体積を増大させることができる。その結果、ＭＥＭＳを大型化させずに感度を高めることができる。
【００１３】
尚、請求項に記載された動作の順序は、技術的な阻害要因がない限りにおいて記載順に限定されず、同時に実行されても良いし、記載順の逆順に実行されても良いし、連続した順序で実行されなくても良い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら説明する。尚、各図において対応する構成要素には同一の符号が付され、重複する説明は省略される。
１．第一実施形態
（構成）
本発明のＭＥＭＳの第一実施形態としてピエゾ抵抗型の加速度センサを図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃに示す。加速度センサ１は互いに直交する３軸の加速度成分を検出するためのＭＥＭＳである。
【００１５】
加速度センサ１は平面視が十文字の形態を有する可撓部Ｆと、可撓部Ｆの４つの端部と結合している枠形の支持部Ｓと、可撓部Ｆの中央に連結部Ｃを介して連結されている錘部Ｍと、可撓部Ｆの変形または変位を検出するためのピエゾ抵抗部１３１とを備える。
【００１６】
可撓部Ｆは半導体層１３ａと絶縁層１３ｂとで主に構成されている。半導体層１３ａの厚さは例えば１０μｍとする。半導体層１３ａは単結晶シリコン（Ｓｉ）からなる。絶縁層１３ｂの厚さは半導体層１３ａよりも十分薄く、例えば０．３μｍとする。絶縁層１３ｂは二酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる。
【００１７】
可撓部Ｆにはピエゾ抵抗部１３１とコンタクト抵抗低減部１３２とが含まれている。ピエゾ抵抗部１３１は可撓部Ｆの変形を検出するための検出手段として機能する。ピエゾ抵抗部１３１にはホウ素（Ｂ）イオンがシリコンの不純物として注入されている。コンタクト抵抗低減部１３２はピエゾ抵抗部１３１の両端部に連続している。コンタクト抵抗低減部１３２にはピエゾ抵抗部１３１よりも高濃度でホウ素イオンがシリコンの不純物として注入されている。
【００１８】
絶縁層１３ｂにはピエゾ抵抗部１３１のコンタクトホールＨ１が複数形成されている。コンタクトホールＨ１においてコンタクト抵抗低減部１３２と配線３１ｂとが結合している。配線３１ｂとピエゾ抵抗部１３１とはコンタクト抵抗低減部１３２を介して電気的に接続されている。配線３１ｂは白金（Ｐｔ）からなる。
【００１９】
可撓部Ｆの中央部には柱形の連結部Ｃが結合している。本実施形態において連結部Ｃは四角柱形であるがたとえば円柱形でも六角柱形でもよい。連結部Ｃは連結層１０ａからなる。錘部Ｍの重心が可撓部Ｆから離れるほど、錘部Ｍに作用する慣性力によって可撓部Ｆに作用するモーメントが大きくなる。したがって連結部Ｃの厚さは厚いほど望ましく例えば厚さ５００μｍとする。連結部Ｃの材料にはバルク材を用いることが好ましい。
【００２０】
連結層１０ａには錘部Ｍに比べて可撓部Ｆに熱膨張係数が近い材料を用いる。例えばＰＹＲＥＸ（登録商標）等のホウケイ酸ガラスの他、例えば下表１に示すようにアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を多く含有する組成を有しホウケイ酸ガラスよりもシリコンに熱膨張係数および熱膨張曲線が近くシリコンウエハとの陽極接合が可能なガラスを用いることが好ましい。
【表１】
2009264899.tif 000003
【００２１】
連結層１０ａには、錘部Ｍに比べて可撓部Ｆに熱膨張係数が近くなる限りにおいて、下表２に示すように様々な材料を利用可能である。なお、連結層１０ａの熱膨張係数が錘部Ｍの熱膨張係数と可撓部Ｆの熱膨張係数の間の値になるように、連結層１０ａの材質を選定することが好ましい。
【表２】
2009264899.tif 000004
【００２２】
連結部Ｃには錘部Ｍの中央部が結合している。本実施形態において錘部Ｍの平面視は矩形であるが、錘部Ｍの平面視は例えば六角形や円形であってもよい。錘部Ｍの外縁部は連結部Ｃの外側に突出している。錘部Ｍはシリコンよりも密度が大きな金属層１１からなる。金属層１１はシード層１１ａおよびメッキ層１１ｂからなる。本実施形態では金属層１１の材料としてニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ）を用いるが、シリコンよりも密度が大きな金属材料であればよく、シード層１１ａとメッキ層１１ｂの組成が同一であっても異なっていても良いし、シード層１１ａがなくてもよいし、三層以上の積層構造でも良い。
【００２３】
支持部Ｓは十字形の可撓部Ｆを囲む矩形枠の形態を有する。支持部Ｓは金属層１１、連結層１０ａ、半導体層１３ａおよび絶縁層１３ｂからなる。
【００２４】
加速度センサ１に加速度が生じると錘部Ｍに慣性力が作用する。錘部Ｍに作用する慣性力が可撓部Ｆに対して垂直な方向（図１Ａの上下の方向のいずれか）に作用すると連結部Ｃが可撓部Ｆの中央部を押し上げるか引き下げる。錘部Ｍに作用する慣性力が可撓部Ｆに対して平行な方向（図１Ａの左右または紙面に垂直な方向のいずれか）に作用すると連結部Ｃが可撓部ＦをＳ字形に変形させる。このとき連結部Ｃの厚さが厚いほど可撓部Ｆに働くモーメントが大きくなる。加速度に応じた可撓部Ｆの変形はピエゾ抵抗部１３１の抵抗値を変化させる。複数のピエゾ抵抗部１３１の抵抗値の相対関係は可撓部Ｆの変形の形態に応じて変化する。複数のピエゾ抵抗部１３１の抵抗値の相対関係をブリッジ回路によって特定することにより、加速度センサ１を用いた３次元の加速度の検出が可能になる。
【００２５】
本実施形態によると、錘部Ｍがシリコンよりも密度の大きい金属材料からなるため、錘部Ｍに作用する慣性力は錘部がシリコンからなる場合に比べて大きくなる。したがって加速度センサ１の感度は錘部がシリコンからなる加速度センサに比べて高くなる。また十分な厚さを有する連結部Ｃを介して錘部Ｍが可撓部Ｆに連結されている。このため錘部が可撓部に直接接合されている場合や薄い堆積膜からなる連結部を介して錘部が可撓部に連結されている場合に比べて本実施形態の可撓部Ｆに作用するモーメントは大きくなる。したがって加速度センサ１の感度はさらに高くなっている。また錘部Ｍは連結部Ｃよりも外側に突出しているため、支持部Ｓが囲む空間に占める錘部Ｍの割合を、可撓部に柱状の錘部が直接接合されている構造に比べると大きくできる。したがって加速度センサ１の感度はさらに高くなる。
【００２６】
また本実施形態によると可撓部Ｆのシリコンからなる半導体層１３ａに接合されている連結部Ｃは熱膨張係数がシリコンの熱膨張係数に近い材料からなる。このため、可撓部Ｆと連結層１０ａとの熱膨張係数の差によって生ずる応力によってピエゾ抵抗部１３１の抵抗値が変化しにくい。一方、金属材料からなる錘部Ｍと連結部Ｃとの熱膨張係数の差はシリコンと連結部Ｃとの熱膨張係数の差よりも大きくなる。しかし、この差によって生ずる応力は可撓部Ｆには直接作用しない。さらに連結部Ｃの厚さが十分厚いため、錘部Ｍと連結部Ｃとの熱膨張係数の差によって生ずる応力が可撓部Ｆに応力を生じさせることは実質的にない。したがって本実施形態の加速度センサ１の感度の温度依存性は可撓部Ｆに金属材料からなる構造体が直接接合されている場合に比べて低くなる。
【００２７】
（製造方法）
はじめに図２に示すようにシリコンウエハ１３と連結材料からなる第二ウエハ１０とを直接接合する。シリコンウエハ１３としては例えば厚さ１０μｍの単結晶シリコンウエハを用いる。第二ウエハ１０としてはシリコンウエハとの陽極接合が可能なガラスウエハが好ましい。例えばホウケイ酸ガラスからなる厚さ５００μｍの第二ウエハ１０を用いる。また厚い（例えば１００μｍ）シリコンウエハを第二ウエハに直接接合した後にシリコンウエハを完成状態の半導体層の厚さまで研削したり研磨してもよい。直接接合としては低温での接合が可能な陽極接合が好ましい。例えば１ｋｖの電圧と３５０℃の加熱によりシリコンウエハ１３とガラスからなる第二ウエハ１０とを陽極接合する。
【００２８】
次に図３に示すようにシリコンウエハ１３の主面の一方（第二ウエハとの接合面でない主面）にフォトレジストからなりピエゾ抵抗部１３１に対応する通孔を有する保護膜Ｒ１を形成する。続いて保護膜Ｒ１の通孔から露出しているシリコンウエハ１３の表層に不純物を注入することによりピエゾ抵抗部１３１を形成する。不純物として、例えばボロン（Ｂ）イオンを２×１０１８／ｃｍ３の濃度でイオン注入する。その後、アニールによってシリコンウエハ１３の結晶構造を整形し、ピエゾ抵抗部１３１を活性化する。
【００２９】
次に図４に示すように絶縁層１３ｂを形成する。絶縁層１３ｂとして例えば厚さ０．３μｍの二酸化シリコン（ＳｉＯ２）の層をシリコンウエハ１３の主面の一方の熱酸化により形成する。その結果、シリコンウエハ１３は半導体層１３ａと絶縁層１３ｂとの二層構造になる。
【００３０】
次に図５Ａに示すように絶縁層１３ｂの表面にフォトレジストからなりピエゾ抵抗部１３１のコンタクトホールＨ１に対応する通孔を有する保護膜Ｒ２を形成する。続いて保護膜Ｒ２を用いたエッチングにより絶縁層１３ｂにコンタクトホールＨ１を形成する。具体的には例えばＣＦ４をエッチングガスに用いた反応性エッチングにより絶縁層１３ｂをエッチングする。このときアライメントマークを形成することが望ましい。続いて絶縁層１３ｂを単層の保護膜として用いて、または絶縁層１３ｂと保護膜Ｒ１とを二層の保護膜として用いて、半導体層１３ａの表層に不純物を注入する。その結果、コンタクトホールＨ１の直下において、コンタクト抵抗低減部１３２がシリコンウエハ１３の表層のピエゾ抵抗部１３１と連続した領域に図５Ｂに示すように形成される（図５Ｂはシリコンウエハ１３の主面の一方を示している）。コンタクト抵抗低減部１３２を形成するための不純物として、例えばボロンイオンを２×１０２０／ｃｍ３の濃度でイオン注入する。その後、アニールによってシリコンウエハ１３の結晶構造を整形し、コンタクト抵抗低減部１３２を活性化する。
【００３１】
次に図６に示すようにピエゾ抵抗部１３１の配線となる導電層３１を、シリコンウエハ１３の表面全体に形成する。具体的には導電層３１として、例えば厚さ０．１μｍの白金からなる堆積膜をスパッタリングによって形成する。白金を堆積させる前に密着層として厚さ３０ｎｍのチタン（Ｔｉ）の膜を形成してもよい。またイリジウム（Ｉｒ）、二酸化イリジウム（ＩｒＯ２）、ＳｒＲｕＯ３などから導電層３１を形成してもよい。
【００３２】
次に図７Ａに示すようにフォトレジストからなる保護膜Ｒ３を用いて導電層３１をエッチングすることにより、図７Ｂに示すピエゾ抵抗部１３１の配線３１ｂを形成する。たとえば白金からなる導電層３１はアルゴンイオンを用いたミリングによってエッチングする。導電層３１を反応性イオンエッチングによってエッチングしてもよい。
【００３３】
次に図８Ａ、図８Ｂに示すようにフォトレジストからなる保護膜Ｒ４を用いてシリコンウエハ１３をエッチングすることによって図８Ｃに示すように可撓部Ｆを形成する。このとき、支持部Ｓのシリコンウエハ１３からなる部分も形成される。シリコンウエハ１３は例えばＣＦ４ガスを用いた反応性イオンエッチングによってエッチングされる。フッ酸（ＨＦ）や緩衝フッ酸（ＢＨＦ）を用いたウエットエッチングによってシリコンウエハ１３をエッチングしてもよい。
【００３４】
次に図９Ａ、図９Ｂに示すようにワークの表面（配線が形成されている面）を支持基板１００に接着する。接着剤Ｂとして例えばワックスを用いる。フォトレジスト、両面粘着テープなどでワークを支持基板１００に接着してもよい。続いて連結部Ｃおよび支持部Ｓに対応しフォトレジストからなる保護膜Ｒ５を、第二ウエハ１０の表面（シリコンウエハとの接合面でない主面）に形成する。続いて保護膜Ｒ５を用いた異方性エッチングにより第二ウエハ１０に環状の間隙Ｓ２を形成する。その結果、連結部Ｃと、支持部Ｓの第二ウエハ１０からなる部分とが図９Ｃに示すように形成される。例えばホウケイ酸ガラスからなる第二ウエハ１０のエッチングには、ＣＨＦ３ガスによるＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用いる。
【００３５】
尚、２枚のウエハを直接接合した後にパターンを形成するのであれば、シリコンウエハ１３の表面（第二ウエハとの接合面でない主面）側からの加工と、第二ウエハ１０の表面（シリコンウエハとの接合面でない主面）側からの加工のいずれを先行させても良い。いずれにしても直接接合時に生ずる熱応力によってウエハが変形するため、パターニングよりも直接接合を先行させて表裏のアライメント精度と表裏それぞれのパターンの形状精度を高めることが好ましい。尚、表裏のアライメント精度が重要であって表裏の一方のパターンの形状精度が他方に対して相対的に低いことが許容されるのであれば、一方のウエハにパターンを形成した後に２枚のウエハを直接接合し、その後に他方のウエハにパターンを形成してもよい。
【００３６】
次に図１０に示すように第二ウエハ１０の表面（シリコンウエハとの接合面でない主面と環状の間隙との界面である端面とからなる露出面の全体）と第二ウエハ１０に形成された環状の間隙から露出しているシリコンウエハ１３の裏面（第二ウエハとの接合面である主面）とに犠牲膜１２を形成する。犠牲膜１２は連結部Ｃよりも外側に突出する錘部Ｍを形成するための下地として用いる。本実施形態では第二ウエハ１０に形成されている環状の間隙が完全に埋まる（すなわち第二ウエハより厚い）厚さの犠牲膜１２を形成する。犠牲膜１２の材料はシリコンウエハ１３の半導体層１３ａと第二ウエハ１０と錘部Ｍとなる金属材料のいずれに対しても選択的に等方性エッチングが可能な材料であればよい。例えば犠牲膜１２として、３０ｎｍの厚さで銅（Ｃｕ）からなるシード層をスパッタリングまたは無電解メッキによって形成した後に、電解メッキによって銅をシード層の表面に厚さ５００μｍ析出させる。
【００３７】
次に図１１に示すように第二ウエハ１０の表面（シリコンウエハとの接合面でない主面）が露出するまで犠牲膜１２の表層を除去する。その結果、第二ウエハ１０の表面と犠牲膜１２の表面とが平坦に揃う。例えば犠牲膜１２の表層は、研削、研磨、ＣＭＰの少なくともいずれかにより除去される。
【００３８】
次に図１２に示すように、平坦に揃った第二ウエハ１０と犠牲膜１２の表面に電解メッキのためのシード層１１ａを形成する。シード層１１ａとして例えばスパッタリングまたは無電解メッキによって厚さ３０ｎｍのニッケル鉄合金の膜を形成する。続いて錘部Ｍと支持部Ｓの第二ウエハからなる部分とに対応しフォトレジストからなる保護膜Ｒ６をシード層１１ａの表面に形成する。続いて保護膜Ｒ６を用いてメッキ層１１ｂをシード層１１ａの表面に堆積させる。メッキ層１１ｂには、シリコンウエハ１３よりも第二ウエハ１０よりも密度が高い金属材料を用いる。例えばメッキ層１１ｂとして、厚さ３００μｍのニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ）の堆積膜を電解メッキにより形成する。尚、シード層１１ａを形成せずに、平坦に揃った第二ウエハ１０と犠牲膜１２の表面に無電解メッキなどによってメッキ層１１ｂを堆積させてもよいし、シード層１１ａに代えてチタン（Ｔｉ）などからなる密着層を形成しても良い。
【００３９】
次に図１３に示すように保護膜Ｒ６を除去し、さらにメッキ層１１ｂの間隙から露出しているシード層１１ａの不要部を除去し、犠牲膜１２を露出させる。その結果、金属層１１からなる錘部Ｍと、支持部Ｓの金属層１１からなる部分とが形成される。シード層１１ａの不要部は、アルゴン（Ａｒ）イオンを用いたミリングにより除去する。
【００４０】
次に犠牲膜１２を図１４に示すように等方的に除去する。犠牲膜１２は例えばウエットエッチングによって除去する。
【００４１】
その後、支持基板１００を剥離し、ダイシングなどの後工程を実施すると感度が高く感度の温度依存性が低い図１に示す加速度センサ１が完成する。
【００４２】
本実施形態によると、錘部Ｍを可撓部Ｆに連結するための連結部Ｃと可撓部Ｆとを直接接合し、錘部Ｍになる金属材料を連結部Ｃの表面に堆積することにより錘部Ｍと連結部Ｃとを結合するため、接着剤を用いて可撓部Ｆと錘部Ｍとを連結する場合に比べて可撓部Ｆと錘部Ｍとの相対的な位置精度が高くなるとともに可撓部Ｆと錘部Ｍとの結合が強固になる。また、可撓部Ｆとなるシリコンウエハ１３に接合され、連結部Ｃとなる第二ウエハ１０は錘部Ｍとなる金属材料よりも熱膨張係数がシリコンに近い。このため、シリコンウエハ１３と第二ウエハ１０とを直接接合する工程で生じ連結部Ｃと可撓部Ｆとの接合面に残る応力は、連結部が金属材料からなる場合よりも小さくなる。また錘部Ｍの熱膨張係数とシリコンの熱膨張係数の差に比べて、可撓部Ｆを構成し連結部Ｃが接合されているシリコンウエハ１３の半導体層１３ａの熱膨張係数と連結部Ｃの熱膨張係数との差が小さい。このため、接合後の温度変化により連結部Ｃと可撓部Ｆとの接合面に生ずる応力は、連結部が金属材料からなる場合よりも小さくなる。そして連結層１０ａをバルク材料である第二ウエハ１０から形成するため、連結層１０ａを十分厚くすることができる。したがって連結部Ｃと錘部Ｍとの接合面に生ずる応力によって可撓部Ｆが変形しにくい。またＳＯＩウエハの薄い半導体層から可撓部を形成し、ＳＯＩウエハの厚い半導体層から錘部を形成する方法に比べ、第二ウエハ１０にガラス等を用いる本実施形態の方法は製造コストを低減できる。
【００４３】
２．第二実施形態
（構成）
本発明のＭＥＭＳの第二実施形態として６次元のモーションセンサを図１５Ａ、図１５Ｂ、図１５Ｃに示す。モーションセンサ２は互いに直交する３軸の加速度成分と、互いに直交する３軸の角速度成分とを検出するためのＭＥＭＳである。
【００４４】
モーションセンサ２の可撓部Ｆは半導体層１３ａと絶縁層１３ｂと絶縁層４０とで主に構成されている。可撓部Ｆにはピエゾ抵抗部１３１とコンタクト抵抗低減部１３２と圧電素子３０とが含まれている。
【００４５】
圧電素子３０は可撓部Ｆを振動させるための駆動手段と可撓部Ｆの変形または変位を検出するための検出手段として機能する。圧電素子３０はピエゾ抵抗部１３１の真上に位置し、絶縁層１３ｂの平坦かつ平滑な表面に結合している。圧電素子３０とピエゾ抵抗部１３１とを垂直方向に重ねることによってレイアウト効率が高まる。圧電素子３０は、絶縁層１３ｂに結合している下層電極３１ａと、圧電層３２と、上層電極３３ａとから構成されている。下層電極３１ａは白金からなる。下層電極３１ａと圧電層３２との界面は平坦かつ平滑に形成されている。圧電層３２は下層電極３１ａと上層電極とに結合している。圧電層３２はＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）からなる。上層電極３３ａは白金からなる。下層電極３１ａと表面配線５１とは配線３１ｃによって接続されている。上層電極３３ａは表面配線５１に直接接続されている。
【００４６】
絶縁層４０は圧電素子３０、圧電素子３０の下層電極３１ａの配線３１ｃ、ピエゾ抵抗部１３１の内部配線３１ｂおよび絶縁層１３ｂの全体を覆っている。表面配線５１は絶縁層４０に形成されているコンタクトホールを介してピエゾ抵抗部１３１の内部配線３１ｂ、圧電素子３０の下層電極３１ａの配線３１ｃおよび圧電素子３０の上層電極３３ａに接続している。
【００４７】
ピエゾ抵抗部１３１と表面配線５１とは、コンタクト抵抗低減部１３２と、コンタクトホールＨ１を介してコンタクト抵抗低減部１３２に接続されている内部配線３１ｂとによって電気的に接続されている。
【００４８】
錘部Ｍは連結部Ｃに接合されている中央部が凹んだ形態を有する。すなわち錘部Ｍの連結部Ｃより外側の環状の部分は可撓部Ｆに向かって突出している。このため可撓部Ｆの下方における連結部Ｃと支持部Ｓとの間の空間に占める錘部Ｍの割合は第一実施形態に比べて大きくなっている。このため外側の環状の部分が可撓部Ｆに向かって突出していない構成に比べると、本実施形態の錘部Ｍに作用する慣性力およびコリオリ力は大きくなる。したがってモーションセンサ２の感度が高まる。
【００４９】
モーションセンサ２は表面配線５１に接続される外部配線によって図示しない駆動検出回路に接続される。駆動手段としての圧電素子３０には可撓部Ｆを励振するための駆動電圧が駆動検出回路によって印加される。ピエゾ抵抗部１３１と検出手段としての圧電素子３０とはそれぞれ別系統のブリッジ回路に接続される。それぞれのブリッジ回路からはモーションセンサ２の角速度または加速度に応じた信号が出力される。
【００５０】
（製造方法）
まず第一実施形態と同様にシリコンウエハ１３と第二ウエハ１０とを直接接合した後にシリコンウエハ１３の表面（第二ウエハとの接合面でない主面）側からの加工により図６に示す導電層３１を形成する工程までを実施する。導電層３１は後の工程で下層電極３１ａ、配線３１ｂ、３１ｃとなる。
【００５１】
次に図１６に示すように導電層３１の表面全体に圧電層３２を形成する。具体的には圧電層３２として、例えば厚さ３μｍのＰＺＴからなる膜をスパッタリングによって形成する。スパッタリングの代わりにゾルゲル法を用いてもよい。ＰＺＴの代わりにＢＬＴ（Ｂｉ４−ｘＬａｘＴｉ３Ｏ１２）、ＢａＴｉＯ３、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）等を用いてもよい。続いて圧電層３２の表面全体に圧電素子の上層電極となる導電層３３を形成する。導電層３３として例えば厚さ０．１μｍの白金からなる膜をスパッタリングによって形成する。白金を堆積させる前に密着層として厚さ３０ｎｍのチタンの膜を形成してもよい。イリジウム（Ｉｒ）、二酸化イリジウム（ＩｒＯ２）、金（Ａｕ）等から導電層３３を形成してもよい。
【００５２】
次に図１７に示すようにフォトレジストからなる保護膜Ｒ７を用いて導電層３３をエッチングすることにより上層電極３３ａを形成する。例えば白金からなる導電層３３はアルゴン（Ａｒ）イオンを用いたミリングによってエッチングする。ベーキングや多階調マスクを用いて保護膜Ｒ７の端面を斜面に形成し、ミリングによって保護膜Ｒ７の断面形状を上層電極３３ａに転写してもよい。
【００５３】
次に図１８に示すように保護膜Ｒ７または保護膜Ｒ７および上層電極３３ａを二層の保護膜として用いて圧電層３２をエッチングする。例えばＰＺＴからなる圧電層３２は塩素（Ｃｌ２）ガスを用いた反応性イオンエッチングによってエッチングする。
【００５４】
次に図１９に示すようにフォトレジストからなる保護膜Ｒ８を用いて導電層３１をエッチングすることにより、ピエゾ抵抗部１３１の内部配線３１ｂと圧電素子３０の下層電極３１ａの配線３１ｃ（図１０Ｃ参照）とを形成する。その結果、下層電極３１ａが絶縁層１３ｂの表面に結合され圧電層３２が下層電極３１ａの表面に結合された圧電素子３０が内部配線３１ｂ、３１ｃとともに形成される。たとえば白金からなる導電層３１はアルゴンイオンを用いたミリングによってエッチングする。導電層３１を反応性イオンエッチングによってエッチングしてもよい。
【００５５】
次に図２０Ａ、図２０Ｂに示すようにシリコンウエハ１３の表面全体に絶縁層４０を形成する。続いて可撓部Ｆと支持部Ｓとなる領域以外の領域において絶縁層１３ｂが露出するとともにコンタクトホールを有するパターンに絶縁層４０を露光・現像する。例えば、感光性ポリイミドを１０μｍの厚さ塗布し、露光し、現像することにより有機物からなる絶縁層４０を形成する。二酸化シリコン、窒化シリコン、アルミナなどの無機絶縁膜を形成し、これらの無機絶縁膜をエッチングすることにより絶縁層４０を形成してもよい。続いてコンタクトホールから露出した圧電素子３０の上層電極３３ａと内部配線３１ｂ、３１ｃとに接続される表面配線５１を絶縁層４０の表面に形成する。表面配線５１は、例えばスパッタリングによって厚さ０．５μｍのアルミニウムからなる導電膜を形成し、この導電膜を塩素ガスを用いたＲＩＥによってエッチングすることによって形成する。アルミニウムシリサイド（ＡｌＳｉ）、ＡｌＳｉＣｕなどから表面配線５１を形成してもよい。アルミニウムからなる表面配線５１を形成する前に密着層として厚さ３０ｎｍのチタンの膜を形成してもよい。アルゴンイオンを用いたミリングや燐酸、硝酸、酢酸等の混合液を用いたウエットエッチングによって表面配線５１をエッチングしてもよい。
【００５６】
次に図示しないフォトレジストからなる保護膜を用いて、または絶縁層４０を保護膜として用いて、シリコンウエハ１３をエッチングすることにより図２０Ａ、図２０Ｂに示す支持部Ｓのシリコンウエハ１３によって形成される部分と、可撓部Ｆとを形成する。
【００５７】
次に図２１に示すように第一実施形態と同様にワークの表面（配線が形成されている面）を支持基板１００に接着し第二ウエハ１０に環状の間隙Ｓ２を形成する。
【００５８】
次に図２２に示すように第二ウエハ１０の表面（シリコンウエハとの接合面でない主面と環状の間隙との界面である端面とからなる露出面の全体）と第二ウエハ１０に形成された環状の間隙から露出しているシリコンウエハ１３の裏面（第二ウエハとの接合面である主面）とに犠牲膜１２を形成する。本実施形態では第二ウエハ１０より薄い犠牲膜１２を形成する。したがって犠牲膜１２を形成した後にも支持部Ｓと連結部Ｃとの間には環状の間隙Ｓ２が残存する。犠牲膜１２として、例えば３０ｎｍの厚さで銅からなるシード層をスパッタリングまたは無電解メッキによって形成した後に、電解メッキによって銅をシード層の表面に厚さ５μｍ析出させる。
【００５９】
次に図２３に示すように第二ウエハ１０の表面（シリコンウエハとの接合面でない主面）が露出するまで犠牲膜１２の表層を除去する。
【００６０】
次に第一実施形態と同様に図２４に示す金属層１１を形成する。金属層１１として、例えばスパッタリングまたは無電解メッキによって厚さ３０ｎｍのニッケル鉄合金からなるシード層１１ａを形成し、厚さ３００μｍのニッケル鉄合金のメッキ層１１ｂを電解メッキにより形成する。
【００６１】
次に図２５に示すように保護膜Ｒ６および金属層１１の表層を研削、研磨、ＣＭＰの少なくともいずれかによって除去することにより、保護膜Ｒ６の表面と金属層１１の表面とを平坦化する。尚、本工程を実施することによりダイを薄形化するとともにダイ全体に占める錘部Ｍの体積の割合を増大できるが、本工程をしなくとも良い。
【００６２】
次に第一実施形態と同様に保護膜Ｒ６を除去し、さらにメッキ層１１ｂの間隙から露出しているシード層１１ａの不要部を除去し、図２６に示すように犠牲膜１２を露出させる。その結果、金属層１１からなる錘部Ｍと、支持部Ｓの金属層１１からなる部分とが形成される。そして錘部Ｍは可撓部Ｆに向かって外周部が突出した形態となる。
【００６３】
次に第一実施形態と同様に犠牲膜１２を図２７に示すように等方的に除去する。
【００６４】
その後、支持基板１００を剥離し、ダイシングなどの後工程を実施すると感度が高く感度の温度依存性が低い図１５に示すモーションセンサ２が完成する。
【００６５】
３．第三実施形態
（構成）
本発明のＭＥＭＳの第三実施形態としてピエゾ抵抗型の加速度センサを図２８Ａ、図２８Ｂ、図２８Ｃに示す。加速度センサ３においては、連結層１０ａの連結部Ｃを構成している部分の厚さが連結層１０ａの支持部Ｓを構成している部分の厚さよりも薄い。また金属層１１は錘部Ｍのみを構成している。そして支持部Ｓには金属層１１が含まれていない。
【００６６】
（製造方法）
まず第一実施形態と同様にシリコンウエハ１３の表面側からの加工工程を実施する。
【００６７】
続いて図２９に示すようにワークの表面（配線が形成されている面）を支持基板１００に接着する。続いて第二ウエハ１０の表面（シリコンウエハとの接合面でない主面）に後の工程で支持部Ｓのパターンを形成するための保護膜Ｒ９を形成する。保護膜Ｒ９として例えば厚さ１μｍのアルミニウムの膜をスパッタリングまたは蒸着により形成する。
【００６８】
次に図３０に示すように保護膜Ｒ１０を保護膜Ｒ９の表面に形成し、保護膜Ｒ９を保護膜として用いて保護膜Ｒ９を支持部Ｓおよび連結部Ｃに対応した形状にエッチングする。
【００６９】
次に図３１に示すように保護膜Ｒ９を用いた異方性エッチングにより第二ウエハ１０に環状の間隙Ｓ２を形成する。
【００７０】
次に図３２に示すように保護膜Ｒ１１を用いたエッチングにより保護膜Ｒ９の連結部Ｃに対応する部分を除去する。
【００７１】
次に図３３に示すように第二ウエハ１０の環状の間隙Ｓ２が完全に埋まる厚さの犠牲膜１４を保護膜Ｒ９の表面と環状の間隙Ｓ２に露出している第二ウエハ１０の端面とシリコンウエハ１３の裏面（第二ウエハとの接合面）とに形成する。犠牲膜１４の材料には第二ウエハ１０とほぼ等しいエッチングレートで保護膜Ｒ９を残して選択的に異方性エッチング可能な材料を用いる。例えば犠牲膜１４として、フォトレジストからなる膜を塗布とベーキングとを繰り返すことにより厚く形成する。
【００７２】
次に図３４に示すように、第二ウエハ１０の連結部Ｃに対応する部分と支持部Ｓに対応する部分との厚さの差が錘部Ｍの厚さ以上になるまで、第二ウエハ１０もろともに犠牲膜１４を異方性エッチングする。その結果、第二ウエハ１０の錘部Ｍに対応する部分が形成される。このとき第二ウエハ１０の連結部Ｃに対応する部分は保護膜Ｒ９によって覆われているためエッチングされない。
【００７３】
次に図３５に示すように、保護膜Ｒ９と犠牲膜１４の表面と第二ウエハ１０の端面の露出部分とに第二の犠牲膜１５を形成する。例えば第二の犠牲膜１５として厚さ５μｍの窒化シリコン（ＳｉｘＮｙ）の膜をＣＶＤにより形成する。
【００７４】
次に図３６に示すように、第二の犠牲膜１５の全体を異方性エッチングすることにより、第二ウエハ１０の連結部Ｃを構成する部分と犠牲膜１４とを露出させるとともに、第二ウエハ１０の端面に第二の犠牲膜１５を側壁形状に残存させる。例えば第二の犠牲膜１５はＣＦ４ガスを用いたＲＩＥによってエッチングする。
【００７５】
次に図３７に示すように犠牲膜１４と第二の犠牲膜１５と保護膜Ｒ９の表面に金属層１１を形成する。このとき第二の犠牲膜１５は錘部Ｍになる金属層１１と支持部Ｓとの間に空隙を形成するためのスペーサとして機能する。
【００７６】
次に図３８に示すように第二の犠牲膜１５と第二ウエハ１０の支持部Ｓを構成する部分とが露出するまで金属層１１の表層と保護膜Ｒ９とを除去し、第二ウエハ１０の支持部Ｓを構成する部分の表面と金属層１１の表面とを平坦に揃える。その結果、金属層１１からなる錘部Ｍが形成される。
【００７７】
次に図３９に示すように第二の犠牲膜１５をエッチングにより除去して犠牲膜１４を露出させる。
【００７８】
次に図４０に示すように犠牲膜１４を除去し、ダイシングなどの後工程を実施すると図２８に示す加速度センサ３が完成する。
【００７９】
４．他の実施形態
尚、本発明の技術的範囲は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、可撓部Ｆは直線的な両持ち梁形でもよい。また錘部Ｍは支持部Ｓよりも内側に凹んでいても良い。また本発明は振動センサなど、慣性力やコリオリの力といったみかけの力を検出する様々なＭＥＭＳに適用できる。また上記実施形態で示した材質や寸法や成膜方法やパターン転写方法はあくまで例示であるし、当業者であれば自明である工程の追加や削除や工程順序の入れ替えについては説明が省略されている。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】図１Ａおよび図１Ｂは本発明の第一実施形態にかかる断面図。図１Ｃは本発明の第一実施形態にかかる平面図。
【図２】本発明の第一実施形態にかかる断面図。
【図３】本発明の第一実施形態にかかる断面図。
【図４】本発明の第一実施形態にかかる断面図。
【図５】図５Ａは本発明の第一実施形態にかかる断面図。図５Ｂは本発明の第一実施形態にかかる平面図。
【図６】本発明の第一実施形態にかかる断面図。
【図７】図７Ａは本発明の第一実施形態にかかる断面図。図７Ｂは本発明の第一実施形態にかかる平面図。
【図８】図８Ａおよび図８Ｂは本発明の第一実施形態にかかる断面図。図８Ｃは本発明の第一実施形態にかかる平面図。
【図９】図９Ａおよび図９Ｂは本発明の第一実施形態にかかる断面図。図９Ｃは本発明の第一実施形態にかかる平面図。
【図１０】本発明の第一実施形態にかかる断面図。
【図１１】本発明の第一実施形態にかかる断面図。
【図１２】本発明の第一実施形態にかかる断面図。
【図１３】本発明の第一実施形態にかかる断面図。
【図１４】本発明の第一実施形態にかかる断面図。
【図１５】図１５Ａおよび図１５Ｂは本発明の第二実施形態にかかる断面図。図１５Ｃは本発明の第二実施形態にかかる平面図。
【図１６】本発明の第二実施形態にかかる断面図。
【図１７】本発明の第二実施形態にかかる断面図。
【図１８】本発明の第二実施形態にかかる断面図。
【図１９】本発明の第二実施形態にかかる断面図。
【図２０】図２０Ａは本発明の第二実施形態にかかる断面図。図２０Ｂは本発明の第二実施形態にかかる平面図。
【図２１】本発明の第二実施形態にかかる断面図。
【図２２】本発明の第二実施形態にかかる断面図。
【図２３】本発明の第二実施形態にかかる断面図。
【図２４】本発明の第二実施形態にかかる断面図。
【図２５】本発明の第二実施形態にかかる断面図。
【図２６】本発明の第二実施形態にかかる断面図。
【図２７】本発明の第二実施形態にかかる断面図。
【図２８】図２８Ａおよび図２８Ｂは本発明の第三実施形態にかかる断面図。図２８Ｃは本発明の第三実施形態にかかる平面図。
【図２９】本発明の第三実施形態にかかる断面図。
【図３０】本発明の第三実施形態にかかる断面図。
【図３１】本発明の第三実施形態にかかる断面図。
【図３２】本発明の第三実施形態にかかる断面図。
【図３３】本発明の第三実施形態にかかる断面図。
【図３４】本発明の第三実施形態にかかる断面図。
【図３５】本発明の第三実施形態にかかる断面図。
【図３６】本発明の第三実施形態にかかる断面図。
【図３７】本発明の第三実施形態にかかる断面図。
【図３８】本発明の第三実施形態にかかる断面図。
【図３９】本発明の第三実施形態にかかる断面図。
【図４０】本発明の第三実施形態にかかる断面図。
【符号の説明】
【００８１】
１：加速度センサ、２：モーションセンサ、３：加速度センサ、１０：第二ウエハ、１０ａ：連結層、１１：金属層、１１ａ：シード層、１１ｂ：メッキ層、１２：犠牲膜、１３：シリコンウエハ、１３ａ：半導体層、１３ｂ：絶縁層、１４：犠牲膜、１５：犠牲膜、３０：圧電素子、３１：導電層、３１ａ：下層電極、３１ｂ：内部配線、３１ｃ：配線、３２：圧電層、３３：導電層、３３ａ：上層電極、４０：絶縁層、５１：表面配線、１００：支持基板、１３１：ピエゾ抵抗部、１３２：コンタクト抵抗低減部、Ｂ：接着剤、Ｃ：連結部、Ｆ：可撓部、Ｈ１：コンタクトホール、Ｍ：錘部、Ｓ：支持部、Ｓ２：間隙、Ｒ１：保護膜、Ｒ２：保護膜、Ｒ３：保護膜、Ｒ４：保護膜、Ｒ５：保護膜、Ｒ６：保護膜、Ｒ７：保護膜、Ｒ８：保護膜、Ｒ９：保護膜、Ｒ１０：保護膜、Ｒ１１：保護膜
【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】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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