(57)【要約】【課題】センサー部の梁部への衝撃の伝達を軽減して、梁部の破損を防ぐ電気機械変換器の構造と、この構造を実現する製造方法を提供する。【解決手段】本発明の電気機械変換器の構造は、錘部１２と、錘部１２と第１の間隔２２をおいて梁部３２で連結された第１の支持部２０と、第１の支持部２０と第２の間隔２６所定間隔をおいて連結部３０で連結された第２の支持部２４とを有し、梁部３２上にピエゾ抵抗素子２８が配設される。連結部３０は、積層された第１の絶縁膜１６と第２の絶縁膜１８により構成される。この構造によって、第２の支持部２４に外部から応力が加わっても連結部３０で吸収するために梁部３２への応力が伝達しにくくなる。これにより、衝撃の伝達を軽減して、梁部３２の破損を防ぐことが可能となる。また、連結部３０を構成する積層材料の材質、膜厚を変更することで、連結部３０を所望の応力緩和特性に調整することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持部と、前記支持部と所定間隔をおいて梁部で連結された錘部と、前記梁部上に配設された検出素子と、を有する電気機械変換器において、
前記支持部は、連結部を残して形成された凹部で、前記梁部と接合された第１の支持部と、第２の支持部とに分離され、
前記連結部は、異なる材料を積層した積層構造を有する
ことを特徴とする電気機械変換器。
【請求項２】
前記梁部は、異なる材料を積層した積層構造を有し、
前記梁部と前記連結部との少なくとも１つの層が、互いに同じ材料で形成される
ことを特徴とする請求項１に記載の電気機械変換器。
【請求項３】
前記錘部と前記第１の支持部との間隔と、前記第１の支持部と前記第２の支持部との間隔とが、互いに略同じ長さに形成される
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の電気機械変換器。
【請求項４】
前記第２の支持部に接合され、前記錘部、前記梁部、前記第１の支持部及び前記第２の支持部を覆うカバー部材を備える
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の電気機械変換器。
【請求項５】
支持部と、前記支持部と所定間隔をおいて梁部で連結された錘部と、前記梁部上に配設された検出素子と、を有し、前記支持部は、連結部を残して形成された凹部で、前記梁部と接合された第１の支持部と、第２の支持部とに分離された電気機械変換器の製造方法において、
前記連結部を構成する第１の積層膜を形成する第１の積層膜形成工程と、
前記連結部を構成する第２の積層膜を形成する第２の積層膜形成工程とを有する
ことを特徴とする電気機械変換器の製造方法。
【請求項６】
前記第１の積層膜形成工程又は前記第２の積層膜形成工程で、前記梁部を構成する積層膜を形成する
ことを特徴とする請求項５に記載の電気機械変換器の製造方法。
【請求項７】
前記錘部と前記第１の支持部との間隔と、前記第１の支持部と前記第２の支持部との間隔とを、互いに略同じ長さに形成するエッチング工程を有する
ことを特徴とする請求項５又は６に記載の電気機械変換器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外力による機械的な物理量を電気信号に変換する構造体と、その製造方法であって、特に梁構造を有する電気機械変換器の熱応力や外部からの応力に対する耐性を高める構造と、その構造を実現する製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、多種多様なセンサーが開発され、そのサイズも小さくなっている。このセンサーは環境変化に対して材料自身が受ける物理的な変化を電気的に捉えることで成り立っている。この物理的変化は多々存在するが、その中でも外力による機械的な物理量を電気信号に変換するセンサーは、物理センサーという位置付けで広く知られている。
【０００３】
このようなセンサーを応用した様々な製品が開発され市場に出ている。それらの製品はいかに小さく、軽く、安く製造できるかが課題となっている。従って、製品の一部になる部品も当然小型化が要求される。しかし、サイズが小さくなっても性能を落すことは許されない。
【０００４】
センサーの感度向上を実現するため、異なる方式を用いたセンサーの開発が行われている。加速度センサーの例で見てみると、近年は、半導体基板を用いた構成のセンサーが開発されており、代表的な方式としては、容量式と圧電式とピエゾ抵抗式とがある。
【０００５】
このなかで、ピエゾ抵抗式とは、物体にかかる応力によって物体の抵抗値が変化し、その抵抗値変化を周辺回路でブリッジ回路を形成して電圧変化として検出する方式である。この方式の利点は小型化が容易であること、検出回路の構成が簡単であることである。欠点としては、ピエゾ抵抗素子が半導体であるので、温度に対しての変化が大きく補正が必要になることである。
【０００６】
ところで、小型化、低コスト化も重要ではあるが、信頼性も非常に重要である。ピエゾ抵抗式は一般的には錘を梁で吊る構造であり、物体の傾斜やかかる加速度に応じて錘が動く構造になっている。このような構造において、材料の違いから生じる熱膨張係数の違いによる熱応力や、周辺から加わる応力によって、梁などの破損や、ブリッジ回路のオフセット電圧の変動がおこる。
【０００７】
そこで、応力緩和のための構造や製造方法が多く提案されており、特に、外部との電気的接続を行うパッドを設けている外周部と、梁部があるセンサー部とを可能な範囲で分離することで応力緩和を行うという技術が知られている。例えば、センサー部の周囲にスリットを設けて外周部と分離するという技術である（例えば特許文献１参照）。
【０００８】
特許文献１に記載されている加速度センサーは、加速度センサーをパッドのある外周部と梁部があるセンサー部とに分けた場合、その外周部とセンサー部を連結部を除いてスリットを設けて分離する構造になっている。このスリットを入れることで、加速度センサーがパッケージに固定された場合に、加速度センサーの部材の熱膨張係数とパッケージの部材の熱膨張係数の違いによって発生する熱応力が、外周部で吸収され、梁部のあるセンサー部まで到達しにくくなる。このことにより、熱応力による梁部の破損や、ブリッジ回路のオフセット電圧の変動の問題を回避できる。
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−３００９０４号公報（第１１頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、上述した従来技術の加速度センサーでは、次のような問題がある。特許文献１に記載された従来技術の加速度センサーは、外周部とセンサー部との連結部が、外周部およびセンサー部と同じ厚さで形成されているため、外周部からの衝撃が連結部で吸収されることなく梁部に伝達され、梁部が破損してしまう問題がある。
【００１１】
本発明は、上記のような従来技術の問題を解決するためになされた電気機械変換器とその製造方法である。本発明の目的は、センサー部の梁部への衝撃の伝達を軽減して、梁部の破損を防ぐ電気機械変換器の構造と、この構造を実現する製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明の電気機械変換器においては、下記に示す構造と製造方法を採用する。
【００１３】
本発明の電気機械変換器の構造は、支持部と、支持部と所定間隔をおいて梁部で連結された錘部と、梁部上に配設された検出素子と、を有する電気機械変換器において、支持部は、連結部を残して形成された凹部で、梁部と接合された第１の支持部と、第２の支持部とに分離され、連結部は、異なる材料を積層した積層構造を有することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の電気機械変換器の構造は、梁部は、異なる材料を積層した積層構造を有し、梁部と連結部との少なくとも１つの層が、互いに同じ材料で形成されることを特徴とするものである。
【００１５】
さらに、本発明の電気機械変換器の構造は、錘部と第１の支持部との間隔と、第１の支持部と第２の支持部との間隔とが、互いに略同じ長さに形成されることを特徴とするものである。
【００１６】
さらに、本発明の電気機械変換器の構造は、第２の支持部に接合され、錘部、梁部、第１の支持部及び第２の支持部を覆うカバー部材を備えることを特徴とするものである。
【００１７】
本発明の電気機械変換器の製造方法は、支持部と、支持部と所定間隔をおいて梁部で連結された錘部と、梁部上に配設された検出素子と、を有し、支持部は、連結部を残して形成された凹部で、梁部と接合された第１の支持部と、第２の支持部とに分離された電気機械変換器の製造方法において、連結部を構成する第１の積層膜を形成する第１の積層膜形成工程と、連結部を構成する第２の積層膜を形成する第２の積層膜形成工程とを有することを特徴とするものである。
【００１８】
また、本発明の電気機械変換器の製造方法は、第１の積層膜形成工程又は前記第２の積層膜形成工程で、梁部を構成する積層膜を形成することを特徴とするものである。
【００１９】
さらに、本発明の電気機械変換器の製造方法は、錘部と第１の支持部との間隔と、第１の支持部と第２の支持部との間隔とを、互いに略同じ長さに形成するエッチング工程を有することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、第２の支持部に外部から衝撃が加わっても、連結部で衝撃を吸収するため、機械的強度の低い梁部への衝撃の伝達を軽減し梁部の破損を防ぐことができる。
また、本発明によれば、連結部を構成する積層材料の材質、膜厚を変更することで、連
結部を所望の応力緩和特性に調整することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
［構成の説明：図１、図２］
はじめに、本発明の電気機械変換器の構成例を、図面を用いて説明する。図１および図２は本発明の電気機械変換器の構造図である。図１は、平面図である。図２（ａ）は、図１のＡ−Ａ’断面図であり、図２（ｂ）は、図１のＢ−Ｂ’断面図である。図１においては、後述する、最上面に位置する第２の絶縁膜１８を図示していない。
図１および図２に示すように、本発明における電気機械変換器は、枠形状の支持部２７と、第１の間隔２２をおいて支持部２７の内側に肉薄で可撓性の梁部３２で懸架された錘部１２とを有する。梁部３２には、検出素子であるピエゾ抵抗素子２８が配設されている。
【００２２】
支持部２７は、連結部３０を残して形成された凹部で、ともに枠形状を有する第１の支持部２０と第２の支持部２４とに分かれて構成される。第１の支持部２０は、第２の間隔２６をおいて第２の支持部２４の内側に位置する。
錘部１２、第１の支持部２０および第２の支持部２４は、表面に熱酸化膜１４が形成されたシリコン基板１０により構成される。熱酸化膜１４の上には第１の絶縁膜１６が形成され、第１の絶縁膜１６の上には、第２の絶縁膜１８が形成される。
【００２３】
各梁部３２および連結部３０は、積層された第１の絶縁膜１６、第２の絶縁膜１８により構成される。前述した梁部３２のピエゾ抵抗素子２８は、第１の絶縁膜１６上に形成される。第１の絶縁膜１６としては、例えばシリコン窒化膜が用いられ、第２の絶縁膜１８としては、例えば樹脂膜であるポリイミド膜が用いられる。また、ピエゾ抵抗素子２８は多結晶シリコン膜が用いられる。
図１および図２に示す例では、梁部３２と連結部３０とが、同じ積層構造を持つとした。しかし、梁部３２または連結部３０の上に、さらに膜を積層しても良い。
また、本発明の電気機械変換器は、ピエゾ抵抗素子２８を用いたブリッジ回路を組むための配線や、ブリッジ回路からの出力を外部に取り出すための電極パッドを備えるが、図示していない。
【００２４】
このような構成を備える電気機械変換器に加速度が印加されると錘部１２が変位する。錘部１２の変位に伴い梁部３２が撓む。この時、梁部３２上に配設されたピエゾ抵抗素子２８は梁部３２の撓む方向に沿って曲げ応力、または引っ張り応力を受けて変形し抵抗値が変化する。このピエゾ抵抗素子２８の抵抗値の変化から、錘部１２にかかる加速度を電気的に検出することができる。
【００２５】
以上の説明で明らかなように、本発明の電気機械変換器の構造は、錘部１２と、錘部１２と所定間隔をおいて梁部３２で連結された第１の支持部２０と、第１の支持部２０と所定間隔をおいて連結部３０で連結された第２の支持部２４とを有し、梁部３２上に検出素子を配設しており、この連結部３０は、異なる材料を積層した積層構造を有している。
この構造によって、第２の支持部２４に外部から応力が加わっても連結部３０で吸収するために梁部３２への応力が伝達しにくくなる効果がある。これにより、衝撃の伝達を軽減して、梁部の破損を防ぐことが可能となる。
【００２６】
この連結部３０を構成する第１の絶縁膜１６と第２の絶縁膜１８の材質、膜厚などを変更して内部応力を調整することで、梁部３２を所望の特性に調節することができると共に、連結部３０の応力緩和特性も調節することができる。
【００２７】
また、図１および図２に示す例では、第１の間隔２２と第２の間隔２６は略同じ間隔に
形成されている。これにより、後述するように、シリコン基板１０のエッチングの工程において、第１の間隔２６と第２の間隔２２が略同じ幅になっていることで、エッチングが略同時に終了するため、オーバーエッチング（エッチング残渣除去のエッチング工程）時間を短くできるので、このダメージを軽減できる。
【００２８】
また、本発明の電気機械変換器は、連結部３０が、第１の支持部２０と第２の支持部２４との間で、全面にわたって形成される。これにより、それぞれのピエゾ抵抗素子２８を結線するための配線（図示せず）を、制約を受けることなく、自由に配線することが可能となる。
【００２９】
次に、図３を用いて、梁部３２、錘部１２、第１の支持部２０、第２の支持部２４を覆うカバー部材を形成した電気機械変換器の構造について説明する。図３は、図１のＡ−Ａ’断面図である。
【００３０】
図３に示すように、カバー部材３６は、接合しろ３４で第２の支持部２４の上部に接合される。この接合しろ３４は、第２の支持部２４上にあり、連結部３０にはかかっていない。
このように、第２の支持部２４上の第２の絶縁膜１８上でのみカバー部材３６が接合しろ３４を介して接合することにより、第２の支持部２４の外側から応力が加わっても、またカバー部材３６の外側から応力が加わっても、第１の絶縁膜１６と第２の絶縁膜１８から形成された連結部３０によって応力が緩和され、梁部３２に外部からの応力が伝達されにくい効果がある。これにより、カバー部材３６に衝撃が加わった際も、衝撃の伝達を軽減して、梁部の破損を防ぐことが可能となる。
【００３１】
［製造方法の説明：図４〜図１２］
次に、本発明の電気機械変換器の製造方法について図４〜図１２を用いて順に説明する。ピエゾ抵抗素子間を接続する配線は、図面を見やすくするため省略する。以下では、第１の絶縁膜１６としてシリコン窒化膜を形成し、第２の絶縁膜１８としてポリイミド膜を形成する例を説明する。
【００３２】
まず、図４に示すように、シリコン基板１０の表面を、ウェット酸化法を用いて酸化し、シリコン酸化膜である熱酸化膜１４を、例えば、温度が１０００℃、時間２４０分の条件で約１μｍの厚みで形成する。このシリコン酸化膜である熱酸化膜１４は、後述するシリコン基板１０をドライエッチング法でエッチングする時に、エッチング止めるストッパーの役目を持たせている。
熱酸化膜１４の形成後、シリコン窒化膜である第１の絶縁膜１６を、例えば、温度が７８０℃、原料ガス組成比（ＳｉＨ２Ｃｌ２／ＮＨ３＝０．１）、成膜時間４２分の条件で熱ＣＶＤ法を用いて、約０．１μｍの厚みで形成する。この第１の絶縁膜１６の形成工程は、第１の積層膜形成工程の一例である。
また第１の絶縁膜１６は梁部および連結部の構成材料となる。シリコンと窒素の結合度合いで膜の内部応力を制御できることが知られている。このシリコン窒化膜の形成条件を変えることで、梁部および連結部の応力を制御することが可能である。
【００３３】
第１の絶縁膜１６の形成後、図５に示すように、第１の絶縁膜１６上の全面に、多結晶シリコン膜４０を、例えば、温度６３０℃でモノシランガスを用い、成膜時間１５分の条件で約０．２μｍの厚みで形成する。
その後、形成した多結晶シリコン膜４０に、ボロンを、例えば３０ｋｅＶで８．０ｘ１０１５（ａｔｏｍｓ／ｃｍ２）の条件で全面にイオン注入する。このボロンのイオン注入は、後にピエゾ抵抗素子になる多結晶シリコン膜４０の抵抗値を調節するために行う。ピエゾ抵抗素子のサイズにもよるが、幅２μｍ・長さが２０μｍのピエゾ抵抗素子では、約
４ＫΩの抵抗素子が作成できる。また、図示しないが、多結晶シリコン膜４０の一部に高濃度のボロンをイオン注入して、配線抵抗となる領域を形成する。
【００３４】
ボロンのイオン注入の後、窒素雰囲気中で、例えば９００℃、３０分間のアニール処理を行い、多結晶シリコン膜４０中のボロンを電気的に活性化することで、ピエゾ抵抗素子、配線抵抗となる多結晶シリコン膜が所望の抵抗値を得る。
【００３５】
その後、図６に示すように、多結晶シリコン膜４０上に、知られている方法によってフォトレジスト３８を所望のパターンに形成し、ドライエッチング法を用いて多結晶シリコン膜４０をピエゾ抵抗素子２８のパターンに形成する。図示しないが、多結晶シリコン膜４０の配線抵抗も同時に形成している。その後、フォトレジスト３８は除去する。
【００３６】
その後、図７に示すように、第１の絶縁膜１６とピエゾ抵抗素子２８の全面に第２の絶縁膜１８としてのポリイミド膜をスピンコート法などによって形成する。この第２の絶縁膜１８と第１の絶縁膜１６とは、梁部３２および連結部３０を構成する。この第２の絶縁膜１８の形成工程は、第２の積層膜形成工程の一例である。
その後、図示しないが、スパッタ法により、シリコン酸化膜を梁部３２、連結部３０のパターンに形成し、このシリコン酸化膜をエッチングマスクにして、第２の絶縁膜１８と第１の絶縁膜１６を順番にエッチングする。
【００３７】
その後、図８に示すように、シリコン基板１０の裏面に、知られている方法によってフォトレジスト３８を形成し、第１の支持部２０と第２の支持部２４とで高さに差（例えば約５μｍ）ができるように、シリコン基板１０をシリコンのドライエッチング法を用いてエッチングする。
このドライエッチングは、例えば、よく知られているエッチングガスであるＳＦ６（６フッ化硫黄）とデポジションガスであるＣ４Ｈ８（シクロブタン）とを用いて、エッチングとデポジションを交互に行う方法により行われる。その後、フォトレジスト３８は除去する。
【００３８】
次に図９に示すように、シリコン基板１０の裏面に知られている方法で再度フォトレジスト３８を形成する。このフォトレジスト３８もシリコン基板１０をエッチングするマスクであるが、後述する錘部と第１の支持部と第２の支持部を形成するための所望の形状にパターンニングする。
【００３９】
その後、図１０に示すように、フォトレジスト３８をエッチングマスクにしてシリコン基板１０の裏面からシリコンをエッチングする。このシリコンのエッチングは、例えばドライエッチング法を用いて行われる。図１０はシリコン基板１０をエッチングしている途中工程を示しており、錘部となる領域と第１の支持部になる領域と第２の支持部になる領域が分離し、かつ第１の支持部になる領域と第２の支持部になる領域との段差を維持しながら形成されつつあることがわかる。その後、シリコン基板１０の裏面からのエッチングは、熱酸化膜１４でストップする。これは、シリコンのドライエッチング法の条件が熱酸化膜に対してはエッチングが進み難いからである。
【００４０】
その後、図１１に示すように、シリコンのエッチングで露出した熱酸化膜１４をフッ酸で除去し、フォトレジスト３８を除去する。この工程が終わったところで、錘部１２と第１の支持部２０と第２の支持部２４が形成される。さらに第１の絶縁膜１６と第２の絶縁膜１８からなる、梁部３２および連結部３０も同時に形成される。
【００４１】
ここで、本発明の電気機械変換器の製造方法では、錘部１２と第１の支持部２０との間隔である第１の間隔２２と、第１の支持部２０と第２の支持部２４との間隔である第２の
間隔２６とが、略同じになるようにシリコン基板１０をエッチングする。
このシリコンのドライエッチング法はアスペクト比の高い状態になるので、幅が異なるとエッチング速度が異なり、シリコンの下地（裏面からのシリコンのドライエッチングで考えると、熱酸化膜１４になる）が露出した場合に、露出する領域としない領域ができる。すると、早く露出した領域はイオンの衝撃を受け続けることになり、ダメージを受ける。
本発明の電気機械変換器の製造方法では、第１の間隔２６と第２の間隔２２が略同じ幅になっていることで、エッチングが略同時に終了するため、オーバーエッチング（エッチング残渣除去のエッチング工程）時間を短くできるので、このダメージを軽減できる。
【００４２】
その後、図１２に示すように、平面視で見て第２の支持部２４上の第２の絶縁膜１８上にのみ、接合しろ３４を形成する。続いてカバー部材３６を接合しろ３４を介して接合する。この接合においては、接合しろ３４の厚みがカバー部材３６と梁部３２とのギャップ形成にもなっている。またこの接合の仕方としては、接合しろ３４として金を用い、カバー部材３６の内側にすずを形成しておくことで、金―すずの合金接合でも良いし、接合しろとしてエポキシ系の接着剤を用いてカバー部材３６と接着しても良い。
【００４３】
本発明の電気機械変換器の製造方法は、連結部３０と梁部３２を構成する積層膜（第１の絶縁膜１６、第２の絶縁膜１８）を、第１の積層膜形成工程と第２の積層膜形成工程で形成する。すなわち、連結部３０と梁部３２とを同一の工程で形成することができる。これにより、製造工程を増やすことなく、外部からの衝撃に対する耐性が向上した電気機械変換器を製造することができる。
【００４４】
また、本発明の電気機械変換器の製造方法は、連結部３０、梁部３２を構成する積層膜を、一般的なシリコン基板を用いて、ＣＶＤ法、スピンコート法などの一般的な成膜方法により形成することができる。これにより、ＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）基板を用いる製造方法と比較して、外部からの衝撃に対する耐性が向上した電気機械変換器を、安価に製造することが可能となる。
また、本発明の電気機械変換器の製造方法は、連結部３０を構成する積層膜（第１の絶縁膜１６、第２の絶縁膜１８）の材料の材質、膜厚を変更することで、梁部３２の特性を調整できるとともに、連結部３０を所望の応力緩和特性に調整することができる。
【００４５】
また、本発明の電気機械変換器の製造方法は、錘部１２と第１の支持部２０との間隔と、第１の支持部２０と第２の支持部２４との間隔をほぼ同じ程度にすることにより、錘部１２と第１の支持部２０、第２の支持部２４を形成するときに用いるシリコンのドライエッチング工程において、エッチング速度の差が少なくなり、梁部３２へのダメージを少なくすることが可能となる。このようなことから、外部からの衝撃に対する耐性が向上した電気機械変換器を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の電気機械変換器の構造の一例を示す説明図である。
【図２】本発明の電気機械変換器の構造の一例を示す説明図である。
【図３】本発明の電気機械変換器の構造の一例を示す説明図である。
【図４】シリコン基板表面に熱酸化膜と第１の絶縁膜を形成する工程を説明する断面図である。
【図５】シリコン基板表面に形成した第１の絶縁膜の上に多結晶シリコン膜を形成し、ボロンイオンを注入する工程を説明する断面図である。
【図６】多結晶シリコン膜をエッチングするためのパターニングを行う工程を説明する断面図である。
【図７】パターニングした多結晶シリコン膜上に第２の絶縁膜を形成する工程を説明する断面図である。
【図８】裏面からシリコン基板をエッチングする工程を説明する断面図である。
【図９】裏面からシリコン基板をエッチングする工程を説明する断面図である。
【図１０】裏面からシリコン基板をエッチングする工程を説明する断面図である。
【図１１】錘部と第１の支持部と第２の支持部を形成後、熱酸化膜を除去する工程を説明する断面図である。
【図１２】カバー部材を接着する工程を説明する断面図である。
【符号の説明】
【００４７】
１０  シリコン基板
１２  錘部
１４  熱酸化膜
１６  第１の絶縁膜
１８  第２の絶縁膜
２０  第１の支持部
２２  第１の間隔
２４  第２の支持部
２６  第２の間隔
２８  ピエゾ抵抗素子
３０  連結部
３２  梁部
３４  接合しろ
３６  カバー部材
３８  フォトレジスト
４０  多結晶シリコン膜
【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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