(57)【要約】絶縁性基板と、その絶縁性基板との間に空隙部を設けて接合されたシリコンの梁状構造体と、その梁状構造体を離間して包囲し絶縁性基板に接合されたシリコンの枠体と、から成るシリコンデバイスに関する。梁状構造体は、絶縁性基板に接合された支持部と、その支持部と一体形成され空隙部に張出した少なくとも１つの片持ち梁とから成る、少なくとも１つの機能部を有する。さらに、少なくとも、片持ち梁の直下の絶縁性基板の表面に、枠体と導通する導電性膜を有している。その導電性膜は、ドライエッチングの際に、絶縁性基板の表面が正電荷に帯電するのを防止する。そのため、正電荷を有するエッチングガスは、絶縁性基板の表面から電気的斥力を受けて反跳することがないので、梁状構造体を浸食することがない。したがって、本発明のシリコンデバイスは、形状及び寸法精度の高い梁状構造体を有するので、高い信頼性と設計自由度を提供できる。
2002103368.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性基板と、該絶縁性基板との間に空隙部を設けて接合されたシリコンの梁状構造体と、該梁状構造体を離間して包囲し前記絶縁性基板に接合されたシリコンの枠体と、から成り、前記梁状構造体が、前記絶縁性基板に接合された支持部と、該支持部と一体形成され前記空隙部に張出した少なくとも１つの片持ち梁とから成る、少なくとも１つの機能部を有するシリコンデバイスにおいて、
前記枠体と電気的に導通し、少なくとも、前記片持ち梁の直下の前記絶縁性基板の表面に形成された導電性膜を有するシリコンデバイス。
【請求項２】
前記梁状構造体が、電気的に分離され概ね同一の体積を有する２以上の前記機能部から成る請求項１記載のシリコンデバイス。
【請求項３】
前記シリコンデバイスが加速度センサであって、前記の機能部が、可動電極部と固定電極部である請求項１記載のシリコンデバイス。
【請求項４】
前記可動電極部と前記固定電極部の体積が概ね同一である請求項３記載のシリコンデバイス。
【請求項５】
前記シリコンデバイスが角速度センサであって、前記の機能部が、それぞれ、前記空隙部に張出した複数の片持ち梁の電極から成る櫛状電極部を有する、可動電極部と固定電極部とを有し、前記可動電極部は絶縁性基板の表面の水平方向に振動可能に枠体に支持される一方、前記固定電極部は絶縁性基板に接合され、可動電極部及び固定電極部の前記片持ち梁が互いに微小隙間を介して対向するように配設されて成る請求項１記載のシリコンデバイス。
【請求項６】
絶縁性基板と、該絶縁性基板との間に空隙部を設けて接合されたシリコンの梁状構造体と、該梁状構造体を離間して包囲し前記絶縁性基板に接合されたシリコンの枠体と、から成り、前記梁状構造体が、前記絶縁性基板に接合された支持部と、該支持部と一体形成され前記空隙部に張出した少なくとも１つの片持ち梁とから成る、少なくとも１つの機能部を有するシリコンデバイスにおいて、
前記梁状構造体が電気的に分離され体積の異なる２以上の前記機能部から成り、最も体積の大きい機能部の支持部と電気的に導通し、少なくとも、片持ち梁の直下の前記絶縁性基板の表面に形成された導電性膜を有するシリコンデバイス。
【請求項７】
前記シリコンデバイスが加速度センサであって、前記の機能部が、可動電極部と固定電極部である請求項６記載のシリコンデバイス。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、慣性力センサ等に使用されるシリコンデバイスであって、絶縁性基板と、その絶縁性基板上に形成されたシリコンの梁状構造体とから成るシリコンデバイスに関する。
背景技術
近年、誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ）を活性源とする反応性イオンエッチング技術（以下、ＩＣＰ−ＲＩＥ法という。）により、シリコンを１００μｍ以上深堀りすることが可能となった。本手法は、マイクロマシーニングによるデバイス開発の分野で、高アスペクト比のシリコンの構造体を十分速いエッチング速度で作製する新しい手法として注目されている。従来、シリコン基板の深堀エッチングの方法としては、アルカリ溶液を用いたウエットエッチング法が主流であった。しかし、ウエットエッチング法においては、エッチング方向がシリコンの結晶方位に依存するので、所望の構造体を作製するのは困難であった。一方、ＩＣＰ−ＲＩＥ法はドライエッチング法であるので、エッチング異方性がない。そのため、ＩＣＰ−ＲＩＥ法は、ウエットエッチング法に比べ、構造体形状の設計自由度を格段に増加させるという利点を有している。
しかしながら、シリコンの片持ち梁や両持ち梁等のシリコンの梁状構造体がガラスなどの絶縁性基板に支持された構造を有する、加速度センサや角速度センサ等の慣性力センサを、ＩＣＰ−ＲＩＥ法を用いて作製する場合、以下のような問題があった。
従来のシリコンデバイスの基本的な構造の一例として慣性力センサ１００の構造を図１２に、そして、その慣性力センサ１００の従来の製造工程を図１３Ａ〜図１３Ｆに示す。同様な作製方法は、例えば、以下の文献に記載されている。
Ｚ．Ｘｉａｏ  ｅｔ  ａｌ．，Ｐｒｏｃ．ｏｆ  Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ  ’９９，ｐｐ．１５１８−１５２１，Ｓ．Ｋｏｂａｙａｓｈｉ  ｅｔ  ａｌ．，Ｐｒｏｃ．ｏｆ  Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ  ’９９，ｐｐ．９１０−９１３．
ここで、図１２は模式的な平面図であり、図１３Ｆは図１２のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ′線における断面図である。慣性力センサ１００は、表面に凹部１０２を有する絶縁体基板１０１と、絶縁体基板１０１の表面に凹部を挟むように接合されたシリコンの梁状構造体１０４と、シリコンの梁状構造体１０４を離間して包囲し絶縁性基板１０１に接合された枠体１０８と、から成る。さらに、梁状構造体１０４は、２つの電極部１０５，１０５′からなる。そして、電極部１０５，１０５′は、それぞれ、支持部１０６及び複数の片持ち梁１０７と、支持部１０６′及び複数の片持ち梁１０７′からなる。片持ち梁１０７と１０７′は、互いに微小隙間を介して対向するように配設されている。
図１３Ａはシリコン基板１０３を用意する工程、図１３Ｂはガラス基板１０１を用意する工程を示している。図１３Ｃは、写真製版によりマスク層をガラス基板１０１の表面に形成し、続いて、ガラス基板１０１の表面をフッ酸の希釈液などで数μｍ〜数十μｍ程度エッチングして凹部１０２を形成する工程を示している。図１３Ｄは、ガラス基板１０１の表面にシリコン基板１０３を陽極接合法により接合する工程を示している。図１３Ｅは、シリコン基板１０３の表面に、図１２の梁状構造体１０４の平面図の形状に応じたマスク層１０９を写真製版により形成する工程を示している。図１３Ｆは、ＩＣＰ−ＲＩＥ法によりシリコン基板１０３を貫通するまでエッチングし、シリコン構造の梁状構造体１０４と枠体１０８とを形成する工程を示している。その後、シリコン基板の表面に残るレジストを除去する。
ここで、図１３Ｆに示す工程には以下に説明する問題がある。図１３Ｅに示すマスク層１０９は、一般に開口幅の広い開口部と狭い開口部とを有している。したがって、マスク層１０９を有するシリコン基板１０３をＩＣＰ−ＲＩＥ法などのドライエッチングによりエッチングする場合、マイクロローディング効果により開口幅の広い開口部のシリコン基板が開口幅の狭い開口部のシリコン基板より速くエッチングされる。よって、シリコン基板１０３の中で、開口幅の広い開口部は、開口幅の狭い開口部に比べて早く貫通される。この時、シリコン基板１０３の早く貫通された部分から、ガラス基板１０１の凹部１０２とシリコン基板１０３の裏面との間にエッチングガスが侵入する。この侵入したエッチングガスは、最も狭い開口幅の開口部が完全に貫通されるまでシリコン基板１０３の裏面を浸食するので、結果として、支持部１０６の側壁や片持ち梁１０７の底面や側壁が浸食される。そのため、梁状構造体１０４の寸法に設計値からの大きなズレが生じ、デバイスとして目的とする特性が得られなくなり信頼性が低下するという問題があった。
本出願人は、その問題の原因が、正電荷を有するエッチングガスにより絶縁性基板の凹部が正電荷に帯電することによるものであることを見出し、支持部と電気的に導通する導電性膜を凹部に設けることにより、シリコンの梁状構造体の浸食を抑制する方法を提案した（Ｍ．Ｃｈａｂｌｏｚ，Ｊ．Ｊｉａｏ，Ｙ．Ｙｏｓｈｉｄａ，Ｔ．Ｍａｔｓｕｕｒａ，Ｋ．Ｔｓｕｔｓｕｍｉ，Ａ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｔｏ  Ｅｖａｄｅ  Ｍｉｃｒｏｌｏａｄｉｎｇ  Ｅｆｆｅｃｔ  ｉｎ  Ｄｅｅｐ  Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ  ｆｏｒ  Ａｎｏｄｉｃａｌｌｙ  Ｂｏｎｄｅｄ  Ｇｌａｓｓ−Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，Ｐｒｏｃ．ＭＥＭＳ２０００，ｐｐ．２８３−２８７，Ｍｉｙａｚａｋｉ，Ｊａｐａｎ，２０００）。しかし、信頼性の向上のため、シリコンの梁状構造体の浸食の一層の抑制が必要とされている。
また、マイクロローディング効果を防止するために、開口巾を同じにしようとすると、デバイス構造の設計自由度が著しく低下するという問題もあった。
また、設計において、開口幅を同じにしても、実際の加工では、支持部や片持ち梁部の浸食を完全に抑制するのは困難であるという問題もあった。なぜなら、貫通を確実にするために若干オーバーエッチングするのが常套だからである。例えば、加速度センサでは、可動電極部の片持ち梁と、固定電極部の片持ち梁とが、互いに微小隙間を介して対向するように、かつ、その微小隙間が交互に巾広と巾狭を繰り返すように形成されている。巾狭領域の隙間距離に対する巾広領域の隙間距離の比が大きくなる程、センサの感度は向上する。しかし、この比が大きくなると、マイクロローディング効果により、エッチング速度の面内分布がより不均一となり、巾狭の隙間の領域のエッチング速度が低下する。そのため、巾狭の隙間の領域にはオーバーエッチングが必要となり、エッチング時のシリコン基板の裏面の損傷が大きくなる。
そこで、本発明の目的は、マイクロローディング効果に起因するシリコンの梁状構造体の浸食を抑制して、より高い信頼性を有するとともに、デバイス構造の設計自由度を有するシリコンデバイスを提供することである。
発明の開示
本発明のシリコンデバイスは、絶縁性基板と、該絶縁性基板との間に空隙部を設けて接合されたシリコンの梁状構造体と、該梁状構造体を離間して包囲し前記絶縁性基板に接合されたシリコンの枠体と、から成り、前記梁状構造体が、前記絶縁性基板に接合された支持部と、該支持部と一体形成され前記空隙部に張出した少なくとも１つの片持ち梁とから成る、少なくとも１つの機能部を有するシリコンデバイスにおいて、前記枠体と電気的に導通し、少なくとも、前記片持ち梁の直下の前記絶縁性基板の表面に形成された導電性膜を有する。
ドライエッチングによるシリコン基板のエッチング機構は、正電荷をもつ活性化イオンがシリコン基板直上に形成された負バイアスで加速され、十分なエネルギーをもってシリコン基板に衝突することである。ＩＣＰ−ＲＩＥ法の場合、活性化されたエッチングガスは、通常、フッ化硫黄イオン（ＳＦｘ＋）である。これはシリコンと反応することでフッ化シリコン（ＳｉＦｘ）となり、外部に放出される。またシリコン基板直上の負バイアスは、シリコン基板が設置される陰極を兼ねる基板ホルダーに高周波を印加することで形成される。したがって、シリコン基板の裏面が浸食される原因は、シリコン基板の裏面と絶縁性基板の凹部との間隙に侵入したＳＦｘ＋が絶縁性基板面で反跳され、シリコン基板の裏面に衝突するためと考えられる。ここで、絶縁性基板面で生じるＳＦｘ＋の反跳には、運動論的な散乱以外に、電気的斥力によるものが考えられる。
図９Ａと図９Ｂは、凹部を有する絶縁性基板５１の表面に、凹部５２を挟むように接合されたシリコン基板５３を示す模式断面図であり、シリコン基板５３がドライエッチングされている状態を示している。シリコン基板５３の表面には機能部形成用のマスク層５９が形成されている。シリコン基板５３はドライエッチングされて、シリコンの梁状構造体５６と枠体５８とになり、さらに、シリコンの梁状構造体５６は、可動電極部５７と固定電極部５７′とになる。ここで、可動電極部５７は、片持ち梁５７２，５７２と、その片持ち梁を支持する支持部５７１とからなり、固定電極部５７′は、片持ち梁５７２′，５７２′と、その片持ち梁を支持する支持部５７１′とからなる。
ドライエッチング時には、幾度となく衝突するエッチングガス、例えば、ＳＦｘ＋６１により、絶縁性基板５１の凹部５２の表面が正電荷６２に帯電する。正に帯電した凹部５２の表面は、次に飛来してくるＳＦｘ＋６１を斥ける。斥力を受けたＳＦｘ＋６１は、凹部５２に到達する前にその運動方向を変えられシリコン基板５３の裏面をたたいて片持ち梁５７２，５７２′を浸食する。また、本来絶縁性基板５１に対し垂直に入射するはずのＳＦｘ＋６１が、表面が正に帯電した凹部５２によりその軌道を曲げられ、支持部５７１，５７１′の側壁に衝突して浸食することも考えられる。したがって、シリコン基板５３の裏面あるいは支持部５７１，５７１′の浸食を抑制するには、絶縁性基板５１の凹部５２の表面が正に帯電することを防止することが有効な手段である。
図１０Ａと図１０Ｂは、上記のＭ．Ｃｈａｂｌｏｚらの提案に係るシリコンデバイスの構造を示す模式断面図であり、導通部５５ａを介して支持部５７１と電気的に導通する導電性膜５４を凹部の表面に設けた以外は、図９Ａと同様の構造を有している。エッチングガス６１が導電性膜５４に衝突すると、その電荷は支持部５７１を通って漏洩し不活性化する。また、ドライエッチング時には、シリコン基板５１は基板ホルダー（図示せず）と同電位であり、負の電位に保持されている。そのため、エッチングガスが導電性膜５４に衝突すると、その電荷が中和されエッチングガスの不活性化が促進される。これにより、シリコン基板５３の裏面の浸食を大幅に抑制することができる。しかし、図１０Ｂに示すように、片持ち梁５７２′は片持ち梁５７２に比べ小さくなっていた。これは、導電性膜５４から支持部５７１を通って移動した正電荷６２が片持ち梁５７２を正に帯電させるので、片持ち梁５７２の近傍を通過するエッチングガスはその斥力を受けて片持ち梁５７２′に衝突し浸食するものと考えられる。シリコンの片持ち梁の帯電が与える損傷は、絶縁性基板の帯電が与える損傷に比べ小さいものの、マスクパターンによっては、片持ち梁の付け根部分に損傷を与える場合もあり、信頼性に低下をもたらす可能がある。
一方、本発明においては、図１１Ａと図１１Ｂに示すように、導通部５５ｂを介して枠体５８と電気的に導通する導電性膜５４を凹部の表面に設けている。枠体５８はシリコンの梁状構造体５４と離間して絶縁性基板５１に接合されているので、導電性膜５４からの正電荷は片持ち梁に移動することがない。また、枠体５８の近傍には加工精度が要求される片持ち梁等の微細構造物は存在しない。よって、枠体５８が帯電したとしても、これらの微細構造物に損傷を与えることはない。
また、枠体５８は、ウエハ工程が完了しダイシングにより素子毎に分割されるまで、隣接する素子の枠体と連結しており、ウエハ内の独立したシリコンの構造体として最も大きい体積を有している。したがって、ウエハ内の他のシリコンの構造体に接続した場合に比べ、体積当りの電荷（体積電荷密度）を最も小さくすることができる。これにより、近傍を通過するエッチングガスに対する斥力の発生を最小限に抑制することが可能となり、エッチングガスによるシリコンの梁状構造体への浸食を一層抑制することができる。
また、本発明に係るシリコンデバイスは、梁状構造体として、電気的に分離され概ね同一の体積を有する２以上の機能部から成るものを用いることができる。
また、本発明に係るシリコンデバイスは、絶縁性基板と、その絶縁性基板との間に空隙部を設けて接合されたシリコンの梁状構造体と、その梁状構造体を離間して包囲し絶縁性基板に接合されたシリコンの枠体と、から成り、梁状構造体が、可動電極部と固定電極部とから成り、その可動電極部及び固定電極部が、それぞれ、絶縁性基板に接合された支持部と、その支持部と一体形成され空隙部に張出した複数の片持ち梁の電極から成る櫛状電極部とを有し、可動電極部及び固定電極部の片持ち梁が互いに微小隙間を介して対向するように配設されて成る加速度センサにおいて、枠体と電気的に導通し、少なくとも、片持ち梁の直下の絶縁性基板の表面に形成された導電性膜を有する加速度センサである。
また、上記の加速度センサにおいて、可動電極部と固定電極部の体積が概ね同一であるものを用いることができる。
また、本発明に係るシリコンデバイスは、絶縁性基板と、その絶縁性基板との間に空隙部を設けて接合されたシリコンの梁状構造体と、その梁状構造体を離間して包囲し絶縁性基板に接合されたシリコンの枠体と、から成り、梁状構造体が、それぞれ、空隙部に張出した複数の片持ち梁の電極から成る櫛状電極部を有する可動電極部と固定電極部とを有し、可動電極部は絶縁性基板の表面の水平方向に振動可能に枠体に支持される一方、固定電極部は絶縁性基板に接合され、可動電極部及び固定電極部の片持ち梁が互いに微小隙間を介して対向するように配設されて成る角速度センサにおいて、枠体と電気的に導通し、少なくとも、片持ち梁の直下の絶縁性基板の表面に形成された導電性膜を有する角速度センサである。
また、本発明に係るシリコンデバイスは、絶縁性基板と、その絶縁性基板との間に空隙部を設けて接合されたシリコンの梁状構造体と、その梁状構造体を離間して包囲し絶縁性基板に接合されたシリコンの枠体と、から成り、梁状構造体が、絶縁性基板に接合された支持部と、その支持部と一体形成され空隙部に張出した少なくとも１つの片持ち梁とから成る、少なくとも１つの機能部を有するシリコンデバイスにおいて、シリコンの梁状構造体が電気的に分離され体積の異なる２以上の機能部から成り、最も体積の大きい機能部の支持部と電気的に導通し、少なくとも、片持ち梁の直下の絶縁性基板の表面に形成された導電性膜を有する。最も体積の大きい機能部が帯電したとしても、体積電荷密度を機能部の中で最も小さくすることができる。これにより、近傍を通過するエッチングガスに対する斥力の発生を最小限に抑制することが可能となり、エッチングガスによるシリコンの梁状構造体への浸食を一層抑制することができる。
また、本発明に係るシリコンデバイスは、絶縁性基板と、その絶縁性基板との間に空隙部を設けて接合されたシリコンの梁状構造体と、その梁状構造体を離間して包囲し絶縁性基板に接合されたシリコンの枠体と、から成り、梁状構造体が、可動電極部と固定電極部とから成り、その可動電極部及び固定電極部が、それぞれ、絶縁性基板に接合された支持部と、その支持部と一体形成され空隙部に張出した複数の片持ち梁の電極から成る櫛状電極部とを有し、可動電極部及び固定電極部の片持ち梁が互いに微小隙間を介して対向するように配設されて成る加速度センサにおいて、可動電極部と固定電極部の体積が異なるように形成されており、その可動電極部及び固定電極部のいずれか体積が大きい方の支持部と電気的に導通し、少なくとも、片持ち梁の直下の絶縁性基板の表面に形成された導電性膜を有する加速度センサである。
また、本発明のシリコンデバイスは、シリコン基板としてシリコンウエハを用い、形成した多数のシリコンデバイスをダイシングにより個々のシリコンデバイスに分離することにより作製することができる。例えば、絶縁性基板と、その絶縁性基板との間に空隙部を設けて接合されたシリコンの梁状構造体と、その梁状構造体を離間して包囲し絶縁性基板に接合されたシリコンの枠体と、から成り、梁状構造体が、絶縁性基板に接合された支持部と、その支持部と一体形成され前記空隙部に張出した少なくとも１つの片持ち梁とから成る、少なくとも１つの機能部を有するシリコンデバイスの製造方法において、少なくとも、片持ち梁の直下に位置する空隙部の表面に導電性膜を形成するとともに、その導電性膜を空隙部の周囲の表面に延出させて枠体との導通部を形成する工程と、シリコン基板の表面に支持部の形状に応じて第１のマスク層を形成する工程と、第１のマスク層を形成したシリコン基板の表面をエッチングして支持部を形成する工程と、支持部を有するシリコン基板と導電性膜を有する絶縁性基板とを、表面同士が対向するように接合する工程と、接合されたシリコン基板の裏面に片持ち梁の形状に応じて第２のマスク層を形成する工程と、第２のマスク層を形成したシリコン基板の裏面をドライエッチングによりシリコン基板を貫通するようにエッチングし、空隙部上に張出した所望パターンの片持ち梁を形成する工程とを含む製造方法を用いて作製することができる。
発明を実施するための最良の形態
実施の形態１．
本発明のシリコンデバイスの一例として、加速度センサへの応用例について述べる。
図１の分解斜視図に示すように、加速度センサ１は、シリコンの梁状構造体２１ａと、表面に空隙部を形成する凹部３を有する下ガラス基板２と、表面に凹部７を有する上ガラス基板６とからなる。そして、加速度センサ１は、凹部３と凹部７とが対向するように、梁状構造体２１ａを下ガラス基板２と上ガラス基板６とで挟むように接合した構造を有し、加速度センサ１は気密封止されている。ここで、上ガラス基板６は基板を貫通する外部回路接続用の電極取出し部９，１０を有し、その電極取出し部９，１０は梁状構造体２１ａの金属電極１３，１４とそれぞれ接触し、電気的に導通している。梁状構造体２１ａは、可動電極部２２ａと固定電極部２３ａ，２３ａの２つの機能部からなる。導電性膜４は下ガラス基板２の凹部３の全面に形成されており、その一部は凹部３の周囲の表面に延出し、枠体２４ａとの導通を確保する導通部５ａを構成している。導通部５ａは、枠体２４ａの直下となるように下ガラス基板２に接合されている。
さらに、図２に示すように、可動電極部２２ａは、基部２７ａの長手方向両側に等間隔で配設され、基部２７ａから凹部３上に張出した複数の片持ち梁２６ａからなる２つの櫛状電極部２５ａと、基部２７ａの両端部に連接され櫛状電極部２５ａ，２５ａの上下方向の変位を規制する耐衝撃用ストッパー２８ａ，２８ａと、耐衝撃用ストッパー２８ａ，２８ａと連接され櫛状電極部２５ａと耐衝撃用ストッパー２８ａ，２８ａとを宙支する２本の梁部２９ａ，２９ａと、そして、梁部２９ａ，２９ａを支持し下ガラス基板２に接合された支持部３０ａ，３０ａとからなり、これらが一体形成されている。ここで、耐衝撃用ストッパー２８ａは、強い衝撃に対する梁部２９ａ，２９ａや櫛状電極部２５ａ，２５ａの破損を防止する効果も有する。
一方、固定電極部２３ａ，２３ａ′は、それぞれ、凹部３上に張出して櫛状電極部２５ａの複数の片持ち梁２６ａと微小隙間を介して対向するように配設された複数の片持ち梁３１ａからなる櫛状電極部３１を有している。さらに、固定電極部２３ａは、櫛状電極部３１を支持し基部を兼ねる支持部３２ａを介して下ガラス基板２に接合され、固定電極部２３ａ′は、櫛状電極部３１を支持し基部を兼ねる支持部３４ａを介して下ガラス基板２に接合されている。
なお、図１に示すように、上ガラス基板６の凹部７には金属膜８が形成されている。金属膜８は、シリコンの梁状構造体２１と上ガラス基板６とを陽極接合する際に、既に形成されている可動電極部２２が上ガラス基板６に付着する（スティッキング）のを防止する。
ここで、本センサが検知する加速度の方向は、シリコン基板面内にある矢印Ａの方向である。複数の片持ち梁で構成された櫛状電極部２５ａ，２５ａと櫛状電極部３１，３１は、限られたセンサ面積内で、静電容量変化に比例する電極の対向面積を極力大きくすることに寄与する。加速度が加わると、可動電極部２２ａの基部２７ａが矢印Ａの方向（主軸方向）に変位し、櫛状電極部２５ａの片持ち梁２６ａと櫛状電極部３１の片持ち梁３１ａの間隔が変化する。この間隔の変化は静電容量の変化をもたらす。この静電容量の変化はセンサ外部のＣ−Ｖ変換器を介して加速度に比例した電圧として出力される。本実施の形態では、櫛状電極部の組合せ、すなわち２５ａと３１を、２組用いるようにして差動方式検出にしたので、出力の線形性を高めることができる。
次に、図３Ａ〜図１３Ｋを用いて、本実施の形態に係る加速度センサの製造方法の一例を説明する。図３Ａ〜図３Ｄに示す工程では、シリコン基板の表面が加工され梁状構造体の支持部が形成され、図３Ｅ〜図３Ｈに示す工程では、下ガラス基板に導電性膜が形成される。そして、図３Ｉ〜図３Ｋに示す工程でシリコン基板と下ガラス基板とが接合され、さらにシリコン基板が加工され梁状構造体の櫛状電極部が形成される。そして、加工された上ガラス基板が梁状構造体の上に接合され、上ガラス基板には電極取出し部が形成され、次いで、ダイシングにより個々の加速度センサに分離されて、図１に対応する構造を有する加速度センサが作製される。ここで、シリコン基板の表面とは下ガラス基板と接合する側の面をいう。
以下、各工程について、詳細に説明する。
図３Ａに示す工程では、表面に１μｍの熱酸化膜３３を有するシリコンウエハであるシリコン基板２０（厚さ４００μｍ）を用意する。図３Ｂに示す工程では、シリコン基板２０の一方の面の熱酸化膜３３をバッファードフッ酸で除去する。図３Ｃに示す工程では、シリコン基板２０の熱酸化膜を除去した面に、写真製版により支持部の形状に応じたレジストからなる第１のマスク層３５を形成する。図３Ｄに示す工程では、ＩＣＰ−ＲＩＥ法によるドライエッチングにより第１のマスク層３５を有するシリコン基板２０が深さ２５０μｍまでエッチングされる。その後、表面に残るレジストが除去されて、枠体２４ａ、支持部３２ａ、そして耐衝撃用ストッパー２８ａを形成する。
次いで、図３Ｅに示す工程では、下ガラス基板２（厚さ４００μｍ）を用意する。図３Ｆに示す工程では、下ガラス基板２の表面を写真製版し、凹部形成用のレジストからなるマスク層１２を形成する。図３Ｇに示す工程では、フッ酸１０％水溶液により下ガラス基板２の表面が２０μｍエッチングして、凹部３を形成する。この凹部３は、シリコン基板２０と下ガラス基板２とを接合させた時の空隙部を構成する。次いで、図３Ｈに示す工程で写真製版によりＣｒ膜を成膜し、凹部３の全面に、及び凹部３の周囲の表面の一部に延出する、Ｃｒからなる導電性膜４を形成する。凹部３の周囲の一部に延出した導電性膜４はシリコン基板２０と電気的に導通する導通部５ａを形成する。
次いで、図３Ｉに示す工程では、下ガラス基板２の表面とシリコン基板２０の表面とを陽極接合法を用いて接合する。ここで、支持部３４ａの導通部５ａの直上に位置する部分は、図３Ｄに示す工程において予めエッチングされて除去されており、導通部５ａは支持部３４ａと接触することなく枠体２４ａに接合される。図３Ｊに示す工程では、シリコン基板２０の裏面が写真製版され、レジストからなる第２のマスク層３５が形成される。その後、電子サイクロトロン共鳴反応性イオンエッチイング法（以下、ＥＣＲ−ＲＩＥ法と略す。）により熱酸化膜マスク３３′が形成される。そして、図３Ｋに示す工程では、第２のマスク層３５と熱酸化膜マスク３３′とをマスクにして、ＩＣＰ−ＲＩＥ法によりシリコン基板２０の裏面を少なくとも１５０μｍの深さエッチングする。これにより、シリコン基板２０を貫通させ、可動電極部２２ａ、固定電極部２３ａ、そして枠体２４ａを形成する。可動電極部２２ａの片持ち梁２６ａと、固定電極部２３ａの片持ち梁３１ａとは、互いに微小隙間を介して対向するように、かつ、その微小隙間が交互に巾広と巾狭を繰り返すように形成する。その後、シリコン基板２０の裏面に残る熱酸化膜３３はＥＣＲ−ＲＩＥ法により除去される。なお、エッチングの深さ１５０μｍは、シリコン基板２０の厚さ４００μｍから、図３Ｄに示す工程におけるエッチング深さ２５０μｍを差し引いて求められる。
一方、上ガラス基板６の表面には、図３Ｅ〜図３Ｈに示すと同様の方法により、深さ２０μｍの凹部７を形成する。次いで、凹部７の表面に写真製版によりＣｒ膜を成膜し、Ｃｒからなるスティッキング防止膜８を形成する。そして、上ガラス基板６に、サンドブラストにより貫通孔からなる電極引き出し部１０を設ける。
次いで、シリコン基板２０の裏面と上ガラス基板６の表面とを陽極接合により接合し、電極引き出し部１０にＰｔからなる電極膜を形成する。そして、ウエハをダイシングして、加速度センサ１を分離する。
本実施の形態によれば、枠体２４ａと導通した導電性膜４は、可動電極部２２ａや固定電極部２３ａ等をＩＣＰ−ＲＩＥ法を用いて形成する場合に、凹部３の表面が正に帯電するのを防止する、帯電防止膜として作用する。すなわち、正電荷を有するエッチングガスは、ドライエッチング時において、導電性膜４に衝突する。その際、エッチングガスの正電荷は、導電性膜４と枠体２４ａを介して漏洩し、かつ、枠体２４ａの負電位により電荷が中和される。よって、正電荷を有するエッチングガスが凹部３の電気的斥力を受けて、シリコン基板の表面をたたくことがないので、櫛状電極部２５ａ，３１や耐衝撃用ストッパー２８ａ，２８ａ、そして支持部３２ａ，３４ａの側壁が浸食されることがない。
また、枠体２４ａと、櫛状電極部２５ａ，３１や梁部２９ａ等の高い精度が要求される微細構造物との間には、支持部３２ａ，３４ａが配置されている。よって、仮に枠体２４ａに正電荷が帯電したとしても、精度のあまり要求されない支持部３２ａ，３４ａが損傷を受けるだけで、前記の微細構造物が損傷を受けることはない。
また、可動電極部２２ａや固定電極部２３ａ等をＩＣＰ−ＲＩＥ法を用いて形成する際、隣接するセンサの枠体は連続している。そのため、ウエハ内では、梁状構造体や枠体を含むシリコンの構造体の中で最大の体積を有している。よって、枠体が正電荷に帯電したとしても、体積電荷密度は、ウエハ内で最小となる。これにより、枠体の近傍をエッチングガスが通過したとしても、斥力の発生を最小限に抑制することが可能となる。
したがって、本実施の形態の加速度センサは、櫛状電極部の複数の片持ち梁の隙間が高精度に形成され、かつ、可動電極部や固定電極部の重量が所望の値に制御可能であるので、センサの感度低下やセンサ毎の特性のバラツキが少ない、という特徴を有する。
本実施の形態に係る加速度センサに用いる導電性膜に使用可能な導電性材料には、クロム、アルミニウム、ニッケル、タンタル、白金、ニッケル、金等の蒸着可能な金属を挙げることができるが、ガラス基板に対する密着性に優れたクロムが好ましい。また、センサ内部の可視光による透過性を求めるなら、導電性を有しかつ透明であるインジウム・スズ酸化物（ＩＴＯ）も適用可能である。また、導電性膜の厚さは、１０ｎｍ〜１μｍ、好ましくは２００ｎｍ〜５００ｎｍである。１０ｎｍより薄いと反応性エッチング時の耐久性が十分でなく、１μｍを超えると膜の形成に長時間を要するからである。
また、絶縁性基板には、所望形状に加工可能であればいずれの絶縁体も用いることができるが、ガラス基板が好ましい。
なお、本実施の形態では、下ガラス基板に凹部を設けて、その凹部をシリコン基板との間の空隙部とした場合を示した。しかし、下ガラス基板に凹部を設けず、下ガラス基板の平坦面に導電性膜を形成し、シリコン基板の耐衝撃ストッパーの先端部をエッチングにより除去して、下ガラス基板との間の空隙部を形成した場合においても、本実施の形態と同様の効果を有する。
実施の形態２．
本実施の形態に係るシリコンデバイスは、シリコンの梁状構造体を構成する、可動電極部と固定電極部の体積を概ね同一にした以外は、実施の形態１と同様の構成を有する。
図４は、本実施の形態に係る加速度センサの構造を示す分解斜視図である。可動電極部２２ｃと固定電極部２３ｃの体積を同一にするには、可動電極部２２ｃ及び固定電極部２３ｃの各支持部の寸法及び形状を変更することにより行う。支持部の寸法と形状を変更しても、センサの特性には影響しないからである。
「背景技術」で説明したように、加速度センサでは、巾狭領域の隙間距離に対する巾広領域の隙間距離の比が大きくなる程、センサの感度は向上する。しかし、この比が大きくなると、マイクロローディング効果により、エッチング速度の面内分布がより不均一となる。そのため、巾狭の隙間の領域にはオーバーエッチングが必要となるが、オーバーエッチングによりシリコン基板の裏面の損傷が大きくなる。また、本出願人は、オーバーエッチングの時間が長くなると、分離されたシリコンの梁状構造体自身も正電荷に帯電することを見出している。そのため、オーバーエッチングの時間が長くなると、可動電極部と固定電極部の体積が異なる場合、体積の小さい電極部の体積電荷密度が大きくなり、その体積の小さい電極部近傍を通過するエッチングガスに大きな斥力を与えることになる。しかしながら、本実施の形態では、可動電極部と固定電極部の体積を同一にすることにより、電極部の体積電荷密度を小さくすることができるので、電極部近傍を通過するエッチングガスに与える斥力をより小さくすることが可能となる。
本実施の形態によれば、実施の形態１で述べた導電性膜の作用に加え、上記の電極部の体積電荷密度を小さくする作用を有するので、オーバーエッチングが必要な場合であっても、シリコンの梁状構造体の浸食を抑制することができる。
実施の形態３．
本実施の形態に係るシリコンデバイスは、シリコン基板の裏面のエッチング工程（図３Ｄに示す工程に対応する。）を行わないで作製され、実施の形態１に比べ薄い、例えば１５０μｍのシリコン基板を用い、枠体ではなく支持部に導電性膜を導通させた以外は、実施の形態１と同様の構成を有する。
図５は、本実施の形態に係る加速度センサの構造を示す分解斜視図である。シリコンの梁状構造体２１ｂと枠体２４ｂの厚さを実施の形態１の場合に比べて薄くし、可動電極部２２ｂの支持部の体積を固定電極部２３ｂの体積よりも大きくした構造となっている。
図６Ａ〜図６Ｉに図５の加速度センサの製造工程を示す。図６Ａに示す工程では、表面に１μｍの熱酸化膜３３を有するシリコンウエハであるシリコン基板２０（厚さ１５０μｍ）を用意する。図６Ｂに示す工程では、シリコン基板２０の一方の面の熱酸化膜３３をバッファードフッ酸で除去する。シリコン基板２０の熱酸化膜を除去した面のエッチングは行わないので、実施の形態１における図３Ｃ及び図３Ｄに示す工程は不要である。
次いで、図６Ｃに示す工程では、下ガラス基板２（厚さ４００μｍ）を用意する。図６Ｄに示す工程では、下ガラス基板２の表面を写真製版し、凹部形成用のレジストからなるマスク層１２を形成する。図６Ｅに示す工程では、フッ酸１０％水溶液により下ガラス基板２の表面を２０μｍエッチングして、凹部３を形成する。この凹部３は、シリコン基板２０と下ガラス基板２とを接合させた時の空隙部を構成する。次いで、図６Ｆに示す工程で写真製版によりＣｒ膜を成膜し、凹部３の全面に、及び凹部３の周囲の表面の一部に延出する、Ｃｒからなる導電性膜４を形成する。凹部３の周囲の一部に延出した導電性膜４はシリコン基板２０と電気的に導通する導通部５ｂを形成する。
次いで、図６Ｇに示す工程では、下ガラス基板２の表面とシリコン基板２０の表面とを陽極接合法を用いて接合する。図６Ｈに示す工程では、シリコン基板２０の裏面が写真製版され、レジストからなる第２のマスク層３５が形成される。その後、ＥＣＲ−ＲＩＥ法により熱酸化膜マスク３３′が形成される。そして、図６Ｉに示す工程では、第２のマスク層３５と熱酸化膜マスク３３′とをマスクにして、ＩＣＰ−ＲＩＥ法によりシリコン基板２０の裏面をエッチングする。これにより、シリコン基板２０を貫通させ、梁状構造体２１ｂと枠体２４ｂを形成する。可動電極部２２ｂの片持ち梁２６ｂと、固定電極部３１の片持ち梁３１ｂとを、互いに微小隙間を介して対向するように、かつ、その微小隙間が交互に巾広と巾狭を繰り返すように形成する。可動電極部２２ｂの支持部３４ｂには、導通部５ｂが直接接合されている。その後、シリコン基板２０の裏面に残る熱酸化膜３３をＥＣＲ−ＲＩＥ法により除去する。
一方、上ガラス基板６の表面には、実施の形態１の図３Ｅから図３Ｈに示す工程と同様の方法により凹部を形成する。次いで、凹部の表面に写真製版によりＣｒ膜を成膜し、Ｃｒからなるスティッキング防止膜を形成する。そして、上ガラス基板に、サンドブラストにより貫通孔からなる電極引き出し部を設ける。
次いで、シリコン基板の裏面と上ガラス基板の表面とを陽極接合により接合し、電極引き出し部にＰｔからなる電極膜を形成する。そして、ウエハをダイシングして、加速度センサを分離する。
本実施の形態に係る加速度センサは、導電性膜４が、導通部５ｂを介して可動電極部２２ｂの支持部３４ｂに接合され、かつ、可動電極部２２ｂの体積が固定電極部２３ｂの体積よりも大きい構造を有している。よって、体積の小さい固定電極部２３ｂに導電性膜４を接合した場合に比べ、帯電する正電荷による体積電荷密度を小さくすることが可能となる。また、シリコン基板の裏面のエッチング工程が不要であるので、量産性に優れた加速度センサを提供することが可能となる。
なお、本実施の形態では、可動電極部の体積を固定電極部の体積よりも大きくしたが、これに限定されるものではない。例えば、固定電極部の体積を大きくして固定電極部の支持部に導電性膜を接合しても良く、また、固定電極部や可動電極部以外の機能部の体積を大きくしてその機能部の支持部に導電性膜を接合することもできる。
実施の形態４．
本発明に係るシリコンデバイスの一例として、角速度センサへの応用例について述べる。
図７は、角速度センサの構造を示す分解斜視図であり、図８は、図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ′線断面図である。
角速度センサ７０は、シリコンの梁状構造体７１と、梁状構造体７１を離間して包囲する枠体７４と、表面に凹部７３を有する下ガラス基板７２と、表面に凹部を有する上ガラス基板（図示せず）とからなる。
さらに、梁状構造体７１は、下ガラス基板７２に接合した固定電極部８６とその周囲に配置した可動電極部８５とからなる、２組の測定部９０を有している。その２組の測定部９０を、２つの可動電極部８５を連結する第１の弾性連結部材８１を挟んで対称に配置している。
固定電極部８６は、基部８７と、その基部８７の長手方向の両側面に所定間隔で配設した複数の片持ち梁８８とからなる両櫛の櫛状電極部を構成する。可動電極部８５は、基部７６と複数の片持ち梁７７とからなる、２組の片櫛の櫛状電極部７５と、その２組の櫛状電極部７５を梁部７９を介して支持する振動フレーム８０と、その振動フレーム８０を枠体７４に振動可能に連結する第１の弾性連結部材８１及び第２の弾性連結部材７８とからなり、これらはすべて一体形成されている。ここで、２組の櫛状電極部７５は、それぞれの片持ち梁７７が、その片持ち梁７７の先端が対向するように配置されている。さらに、各櫛状電極部７５においては、片持ち梁７７は、固定電極部８６の片持ち梁８８と微小隙間を介して対向可能なように、基部７６の長手方向の片側に所定間隔で配設されている。
さらに、下ガラス基板７２の凹部７３の表面に導電性膜８４を形成し、凹部７３の周囲に延出した導通部６５を枠体７４に接合する。
ここで、図７に示した座標系を用いて本角速度センサの動作原理を説明する。Ｚ軸方向に磁界を印加した状態で、第１の弾性連結部材８１の表面に形成した加振用金属配線６６に所望の電流を流す。このときＸ軸方向にローレンツ力が発生し、可動電極部８５がＸ軸方向に振動する。この状態でＺ軸の回りに角速度が加わると、その角速度の大きさに比例したコリオリ力がＹ軸方向に発生する。このコリオリ力を、可動電極部８５と固定電極部８６の各片持ち梁の間の静電容量の変化から検出する。第２の弾性連結部材７８の表面に形成した金属配線６７は、可動電極部８５の振動状態を常時モニターしながら金属配線６６に流す電流を調整するためのものである。第１の弾性連結部材８１に対して対称に２組の可動電極部８５，８５が配置されており、これらは互いに逆位相で振動する。２組の可動電極部８５，８５の静電容量変化を差動方式で検出して、出力の線形性を向上させる方法を用いている。また、枠体７４の表面に形成した金属電極６８は、接地用の電極であり、浮遊容量を安定化するためのものである。
本実施の形態の角速度センサは、絶縁性基板の凹部表面に、枠体と電気的に導通する導電性膜を有しており、ドライエッチング時の絶縁体基板の帯電を防止することができる。これにより、櫛状電極部や支持部が浸食されることがないので、形状及び寸法精度が高い梁状構造体を形成することができ、感度低下やセンサ毎の特性のバラツキの少ない信頼性の高い角速度センサを提供することができる。
以上述べたように、本発明のシリコンデバイスは、絶縁性基板と、その絶縁性基板との間に空隙部を設けて接合されたシリコンの梁状構造体と、その梁状構造体を離間して包囲しその絶縁性基板に接合されたシリコンの枠体と、から成り、前記梁状構造体が、前記絶縁性基板に接合された支持部と、その支持部と一体形成され空隙部に張出した少なくとも１つの片持ち梁とから成る、少なくとも１つの機能部を有するシリコンデバイスにおいて、枠体と電気的に導通し、少なくとも、片持ち梁の直下の絶縁性基板の表面に形成された導電性膜を有しているので、絶縁性基板の帯電を防止して、ドライエッチング時の梁状構造体の損傷を大幅に抑制することができる。これにより、より高い信頼性を有するとともに、デバイス構造の設計自由度を有するシリコンデバイス、例えば、自動車の姿勢制御やエアバッグシステムの衝突検知などに使用される加速度センサや角速度センサを提供することが可能となる。
さらに、シリコンの梁状構造体を構成する各機能部の体積を概ね同一とすることにより、オーバーエッチングの時間が長くなっても、機能部の体積電荷密度を低下させることができる。これにより、ドライエッチング時の梁状構造体の損傷をより一層抑制することができる。
また、本発明のシリコンデバイスは、シリコンの梁状構造体を構成する機能部の中で最も体積の大きい機能部の支持部に、片持ち梁の直下の絶縁性基板の表面に形成された導電性膜を接合しているので、その機能部が帯電した場合においても、その正電荷の帯電による体積電荷密度を小さくすることができる。これにより、より高い信頼性を有するとともに、デバイス構造の設計自由度を有するシリコンデバイスを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の実施の形態１に係る加速度センサの全体構造を示す模式的な分解斜視図である。
図２は、本発明の実施の形態１に係る加速度センサの構造を示す図であり、梁状構造体を抽出した平面図である。
図３Ａ〜図３Ｋは、実施の形態１に係る加速度センサの製造工程を示す模式断面図であり、図３Ｋは図２のＩＩＩ−ＩＩＩ′線断面図である。
図４は、本発明の実施の形態２に係る加速度センサの構造を示す模式的な分解斜視図である。
図５は、本発明の実施の形態３に係る加速度センサの構造を示す模式的な分解斜視図である。
図６Ａ〜図６Ｉは、実施の形態３に係る加速度センサの製造工程を示す模式断面図であり、図６Ｉは図５のＶＩ−ＶＩ′線断面図である。
図７は、本発明の実施の形態４に係る角速度センサの構造を示す分解斜視図である。
図８は、実施の形態４に係る角速度センサの構造を示す図であり、図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ′線断面図である。
図９Ａと図９Ｂは、本発明の作用原理を示す図（その１）である。
図１０Ａと図１０Ｂは、本発明の作用原理を示す図（その２）である。
図１１Ａと図１１Ｂは、本発明の作用原理を示す図（その３）である。
図１２は、従来のシリコンデバイスの構造を示す図であり、基本的な構造の梁状構造体を抽出した平面図である。
図１３Ａ〜図１３Ｆは、図１２のシリコンデバイスの製造工程を示す模式断面図であり、図１３Ｆは図１２のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ′線断面図である。
【図１】
2002103368.tif 000003
【図２】
2002103368.tif 000004
【図３Ａ】
2002103368.tif 000005
【図３Ｂ】
2002103368.tif 000006
【図３Ｃ】
2002103368.tif 000007
【図３Ｄ】
2002103368.tif 000008
【図３Ｅ】
2002103368.tif 000009
【図３Ｆ】
2002103368.tif 000010
【図３Ｇ】
2002103368.tif 000011
【図３Ｈ】
2002103368.tif 000012
【図３Ｉ】
2002103368.tif 000013
【図３Ｊ】
2002103368.tif 000014
【図３Ｋ】
2002103368.tif 000015
【図４】
2002103368.tif 000016
【図５】
2002103368.tif 000017
【図６Ａ】
2002103368.tif 000018
【図６Ｂ】
2002103368.tif 000019
【図６Ｃ】
2002103368.tif 000020
【図６Ｄ】
2002103368.tif 000021
【図６Ｅ】
2002103368.tif 000022
【図６Ｆ】
2002103368.tif 000023
【図６Ｇ】
2002103368.tif 000024
【図６Ｈ】
2002103368.tif 000025
【図６Ｉ】
2002103368.tif 000026
【図７】
2002103368.tif 000027
【図８】
2002103368.tif 000028
【図９Ａ】
2002103368.tif 000029
【図９Ｂ】
2002103368.tif 000030
【図１０Ａ】
2002103368.tif 000031
【図１０Ｂ】
2002103368.tif 000032
【図１１Ａ】
2002103368.tif 000033
【図１１Ｂ】
2002103368.tif 000034
【図１２】
2002103368.tif 000035
【図１３Ａ】
2002103368.tif 000036
【図１３Ｂ】
2002103368.tif 000037
【図１３Ｃ】
2002103368.tif 000038
【図１３Ｄ】
2002103368.tif 000039
【図１３Ｅ】
2002103368.tif 000040
【図１３Ｆ】
2002103368.tif 000041
【国際調査報告】
2002103368.tif 000042
2002103368.tif 000043
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