JP2010156591A - Memsセンサおよびmemsセンサの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】梁部の剛性を高めずに感度を維持しつつさらに小型化したり梁部の応力を緩和するための設計について自由度が高いMEMSセンサを提供する。
【解決手段】枠形の支持部と、前記支持部から前記支持部の内側に延伸している複数の梁部と、前記支持部の内側に配置され空隙を挟んで複数の前記梁部に対向している錘部と、それぞれ前記梁部の先端部と前記錘部の互いに異なる結合領域とに結合し前記複数の梁部に前記錘部を連結している複数の連結部と、前記梁部に設けられ前記錘部の運動に伴う前記梁部の変形を検出する検出手段と、を備えるMEMSセンサ。
【選択図】図1
【解決手段】枠形の支持部と、前記支持部から前記支持部の内側に延伸している複数の梁部と、前記支持部の内側に配置され空隙を挟んで複数の前記梁部に対向している錘部と、それぞれ前記梁部の先端部と前記錘部の互いに異なる結合領域とに結合し前記複数の梁部に前記錘部を連結している複数の連結部と、前記梁部に設けられ前記錘部の運動に伴う前記梁部の変形を検出する検出手段と、を備えるMEMSセンサ。
【選択図】図1
Description
本発明はMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)センサおよびMEMSセンサの製造方法に関する。
従来、錘部が接続された梁部の変位を電気信号に変換する、加速度センサ、振動ジャイロスコープ、圧力センサ、振動センサ、マイクロホン、力覚センサなどのMEMSセンサが知られている(特許文献1〜6参照)。特許文献1〜4には梁部と錘部とが空隙を間に挟んで対向する構造をMEMSセンサに採用すると、特許文献5、6に記載されている構造を採用する場合に比べて梁部の剛性を高めずに感度を維持しつつ小型化することができる。
特開平8−274349号公報
特開平8−248061号公報
特開平9−15257号公報
特開平6−342006号公報
特開2000−199714号公報
特許第3303379号公報
しかし特許文献1〜4に記載されているように錘部の1カ所に梁部が連結される構造では、梁部の剛性を高めずに感度を維持しつつさらに小型化したり梁部の応力を緩和しようとしても、設計の自由度が低い。
本発明は梁部の剛性を高めずに感度を維持しつつさらに小型化したり梁部の応力を緩和するための設計について自由度が高いMEMSセンサを提供することを目的とする。
(1)上記目的を達成するためのMEMSセンサは、枠形の支持部と、前記支持部から前記支持部の内側に延伸している複数の梁部と、前記支持部の内側に配置され空隙を挟んで複数の前記梁部に対向している錘部と、それぞれ前記梁部の先端部と前記錘部の互いに異なる結合領域とに結合し前記複数の梁部に前記錘部を連結している複数の連結部と、前記梁部に設けられ前記錘部の運動に伴う前記梁部の変形を検出する検出手段と、を備える。
本発明によると、空隙を挟んで錘部と梁部とを対向させることにより、梁部の剛性を高めずに感度を維持しつつMEMSセンサを小型化することができる。また本発明によると複数の梁部を錘部の互いに異なる結合領域に連結する構成であるため、剛性を高めずに感度を維持しつつさらに小型化したり梁部の応力を緩和するための設計について自由度が高くなる。
(2)上記目的を達成するためのMEMSセンサにおいて、前記支持部から互いに行き違うまで延伸している1組以上の前記梁部を備えてもよい。
錘部の互いに異なる結合領域に連結される1組の梁部は、互いに行き違うまで支持部から延伸することができる。互いに行き違うまで梁部を支持部から延伸すると、錘部の一カ所に複数の梁部が連結される構成に比べて、梁部の剛性を高めずに感度を維持しつつMEMSセンサをさらに小型化することができる。
錘部の互いに異なる結合領域に連結される1組の梁部は、互いに行き違うまで支持部から延伸することができる。互いに行き違うまで梁部を支持部から延伸すると、錘部の一カ所に複数の梁部が連結される構成に比べて、梁部の剛性を高めずに感度を維持しつつMEMSセンサをさらに小型化することができる。
(3)上記目的を達成するためのMEMSセンサにおいて、複数の前記梁部は同一平面上において前記支持部から等角度間隔の異なる方向に真っ直ぐに延伸していてもよい。
この構成を採用する場合、梁部が熱応力によって伸縮すると錘部が回転することによって熱応力が緩和される。
この構成を採用する場合、梁部が熱応力によって伸縮すると錘部が回転することによって熱応力が緩和される。
(4)上記目的を達成するためのMEMSセンサにおいて、複数の前記梁部の長さは同一であって90度間隔で配列されていてもよい。
(5)上記目的を達成するためのMEMSセンサにおいて、前記結合領域は前記錘部の周辺領域にあってもよい。
この構成を採用する場合、錘部の重心を基準とする結合領域の位置がずれたとしても、錘部の運動特性に与える影響が抑制される。
この構成を採用する場合、錘部の重心を基準とする結合領域の位置がずれたとしても、錘部の運動特性に与える影響が抑制される。
(6)上記目的を達成するためのMEMSセンサにおいて、複数の前記梁部は同一平面上において曲がるとともに渦巻き状に配置されていてもよい。
この構成を採用する場合、梁部が真っ直ぐである構成に比べて、梁部の剛性を高めずに感度を維持しつつMEMSセンサをさらに小型化することができる。またこの場合、梁部が熱応力によって伸縮すると錘部が回転することによって熱応力が緩和される。
この構成を採用する場合、梁部が真っ直ぐである構成に比べて、梁部の剛性を高めずに感度を維持しつつMEMSセンサをさらに小型化することができる。またこの場合、梁部が熱応力によって伸縮すると錘部が回転することによって熱応力が緩和される。
(7)上記目的を達成するためのMEMSセンサにおいて、複数の前記梁部は同一平面上においてそれぞれ渦巻き状に曲がっていてもよい。
この構成を採用する場合、梁部が真っ直ぐである構成に比べて、梁部の剛性を高めずに感度を維持しつつMEMSセンサをさらに小型化することができる。
この構成を採用する場合、梁部が真っ直ぐである構成に比べて、梁部の剛性を高めずに感度を維持しつつMEMSセンサをさらに小型化することができる。
(8)上記目的を達成するためのMEMSセンサにおいて、前記支持部と前記梁部と前記連結部とは、厚いシリコン層と空隙を挟んで前記厚いシリコン層と対向している薄いシリコン層と前記薄いシリコン層を貫通し前記厚いシリコン層に接しシリコン酸化物とは異質のストッパ層とを含む積層構造体に形成され、前記錘部は前記厚いシリコン層を含み、
前記梁部は前記薄いシリコン層を含み、前記支持部は前記厚いシリコン層と前記ストッパ層と前記薄いシリコン層とを含み、前記連結部の少なくとも表層は前記ストッパ層からなる。
この構成を採用する場合、厚いシリコン層と薄いシリコン層の間にあるシリコン酸化物からなる層を選択的にエッチングすることによって梁部と錘部との空隙を形成することができるとともに、連結部によってエッチングの終点を制御できるため、MEMSセンサの特性のばらつきを抑制ができる。ここで異質とは、シリコン酸化物をエッチングする工程において少なくともシリコン酸化物に対して除去される速度が遅く、シリコン酸化物を選択的に除去することが可能な性質をいうものとする。
前記梁部は前記薄いシリコン層を含み、前記支持部は前記厚いシリコン層と前記ストッパ層と前記薄いシリコン層とを含み、前記連結部の少なくとも表層は前記ストッパ層からなる。
この構成を採用する場合、厚いシリコン層と薄いシリコン層の間にあるシリコン酸化物からなる層を選択的にエッチングすることによって梁部と錘部との空隙を形成することができるとともに、連結部によってエッチングの終点を制御できるため、MEMSセンサの特性のばらつきを抑制ができる。ここで異質とは、シリコン酸化物をエッチングする工程において少なくともシリコン酸化物に対して除去される速度が遅く、シリコン酸化物を選択的に除去することが可能な性質をいうものとする。
(9)上記目的を達成するためのMEMSセンサの製造方法は、厚いシリコン層と、薄いシリコン層と、前記厚いシリコン層と前記薄いシリコン層との間に挟まれた酸化シリコン層と、を含むウエハの前記薄いシリコン層と前記酸化シリコン層とに複数の通孔である第一孔と通孔である第二孔とを形成し、前記第一孔と前記第二孔の内側に前記酸化シリコン層とは異質のストッパ層を積層し、複数の前記第一孔から露出した前記ストッパ層に接する第一連続領域と前記第二孔から露出した前記ストッパ層に接し前記第一連続領域を囲む環状の第二連続領域との間にある環状領域において前記厚いシリコン層をエッチングすることによって前記第一連続領域に錘部を形成し、前記酸化シリコン層を挟んで前記錘部と対向しそれぞれ前記第一孔に至る前記薄いシリコン層の複数の領域のそれぞれにおいて梁部を形成し、前記ストッパ層を残しつつ前記錘部と前記梁部の間から前記酸化シリコン層をエッチングにより除去する、ことを含む。
本発明によると、酸化シリコン層をエッチングにより除去することによって錘部と梁部とを空隙を挟んで対向させることができる。したがって、梁部の剛性を高めずに感度を維持しつつMEMSセンサを小型化することができる。また本発明によると、酸化シリコン層をエッチングにより除去するときにストッパ層によって終点を制御できるため、MEMSセンサの特性のばらつきを抑制ができる。また本発明によると、複数の梁部が錘部の互いに異なる領域に連結されるため、剛性を高めずに感度を維持しつつさらに小型化したり梁部の応力を緩和するための設計について自由度が高くなる。
本発明によると、酸化シリコン層をエッチングにより除去することによって錘部と梁部とを空隙を挟んで対向させることができる。したがって、梁部の剛性を高めずに感度を維持しつつMEMSセンサを小型化することができる。また本発明によると、酸化シリコン層をエッチングにより除去するときにストッパ層によって終点を制御できるため、MEMSセンサの特性のばらつきを抑制ができる。また本発明によると、複数の梁部が錘部の互いに異なる領域に連結されるため、剛性を高めずに感度を維持しつつさらに小型化したり梁部の応力を緩和するための設計について自由度が高くなる。
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。特に、「前記酸化シリコン層を挟んで前記錘部と対向し前記通孔に至る前記薄いシリコン層の複数の領域のそれぞれにおいて梁部を形成」するという表現は、錘部を形成した後に梁部を形成するという動作の順序を定めたものではなく、錘部が形成されれば錘部に対向することになる領域に梁部を形成することも含めた表現である。すなわち、梁部を形成した後に錘部を形成することも、「前記酸化シリコン層を挟んで前記錘部と対向し前記通孔に至る前記薄いシリコン層の複数の領域のそれぞれにおいて梁部を形成」することに含まれる。
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
本発明のMEMSセンサの第一実施形態である角速度センサを図1A、図1Bおよび図1Cに示す。図1B、図1Cは角速度センサ1を示す断面図であってそれぞれ図1Aに示すBB線、CC線の断面図である。図1Bおよび図1Cにおいて、角速度センサ1を構成する層の界面は破線で示し、角速度センサ1を構成する機能要素の境界は実線で示している。
1.第一実施形態
本発明のMEMSセンサの第一実施形態である角速度センサを図1A、図1Bおよび図1Cに示す。図1B、図1Cは角速度センサ1を示す断面図であってそれぞれ図1Aに示すBB線、CC線の断面図である。図1Bおよび図1Cにおいて、角速度センサ1を構成する層の界面は破線で示し、角速度センサ1を構成する機能要素の境界は実線で示している。
角速度センサ1は互いに直交する3軸の角速度成分を検出するための振動ジャイロスコープである。角速度センサ1は、厚いシリコン層11と、薄いシリコン層13と、絶縁層20と、ストッパ層30と、電極層81、83と、圧電層82とからなる図1に示す積層構造体を備えている。図1に示す積層構造体は図示しないパッケージに収容される。厚いシリコン層11および薄いシリコン層13はいずれも単結晶シリコンからなる。厚いシリコン層11の厚さは625μmである。薄いシリコン層13の厚さは10μmである。厚いシリコン層11と薄いシリコン層13との間には空隙Gが形成されている。絶縁層20はシリコン酸化物(SiO2)からなる。絶縁層20の厚さは0.5μmである。ストッパ層30は薄いシリコン層13を貫通している。ストッパ層30は多結晶シリコンからなる。電極層81、83は白金(Pt)からなる。電極層81、83の厚さは0.1μmである。圧電層82はPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)からなる。圧電層82の厚さは3μmである。
角速度センサ1の積層構造体には、枠形の支持部Sと、支持部Sの内側に固定端が結合している4つの梁部Fと、錘部Mと、梁部Fに錘部Mを吊り下げている連結部31と、梁部Fに設けられた検出用圧電素子80aと駆動用圧電素子80bとが機能要素として形成されている。
支持部Sは内周が正方形である枠の形態を有する。支持部Sは厚いシリコン層11、薄いシリコン層13、ストッパ層30および絶縁層20を含む。支持部Sは図示しないパッケージに固定されるため、実質的に剛体として振る舞う。支持部Sにおいてストッパ層30が薄いシリコン層13を貫通し厚いシリコン層11および絶縁層20に接している。すなわち支持部Sにおいてストッパ層30は薄いシリコン層13と絶縁層20とを厚いシリコン層11に連結している。薄いシリコン層13と絶縁層20とを厚いシリコン層11に連結するストッパ層30の領域をストッパ部32というものとする。ストッパ部32のパターンは図1Aに示すように支持部Sを一周する環状であってもよいし、支持部Sに点在する複数の部分からなっても良い。図1Aにおいてストッパ部32のパターンは破線ハッチングによって示されている。
4つの梁部Fはそれぞれ支持部Sから支持部Sの内側に延伸する同一の形態(同一長さ、同一幅、同一厚さ、同一輪郭)を有する。ここで、4つの梁部Fが配置されている平面にxy平面が平行になるように直交座標軸xyzを定める。4つの梁部Fは支持部Sから90度間隔の4方向(x軸正方向、y軸負方向、x軸負方向、y軸正方向)に延伸し、錘部Mとz軸方向に対向している。梁部Fと錘部Mとの間には高さ一定の空隙Gが形成されている。梁部Fは、可撓性を有する片持ち梁として振る舞う。支持部Sは剛体として振る舞うため、梁部Fの支持部Sと結合している端は角速度センサ1に固定された座標系において固定端となる。
梁部F1、F3はx軸と平行な方向に支持部Sから真っ直ぐ延びている。梁部F1、F3は互いに行き違うまで支持部Sから延びている。より具体的には、梁部F1、F3は梁部Fのx軸方向に対向する2辺から互いに反対向き(x軸正方向とx軸負方向)に延伸している。また梁部F1、F3はそれぞれの先端が錘部Mのx軸方向の中央を越える長さを有する。そして梁部F1、F3の長さは、錘部Mのx軸方向の長さの2分の1よりも長い。また、梁部F1の先端は図1に示すy軸の方向において梁部F3に対向し、梁部F3の先端は図1に示すy軸の方向において梁部F1に対向する。
梁部F2、F4はy軸と平行な方向に支持部Sから真っ直ぐ延びている。梁部F2、F4は互いに行き違うまで支持部Sから延びている。より具体的には、梁部F2、F4は梁部Fのy軸方向に対向する2辺から互いに反対向き(y軸正方向とy軸負方向)に延伸している。また梁部F2、F4はそれぞれの先端が錘部Mのy軸方向の中央を越える長さを有する。そして梁部F2、F4の長さは、錘部Mのy軸方向の長さの2分の1よりも長い。また、梁部F2の先端はx軸の方向において梁部F4に対向し、梁部F4の先端はx軸の方向において梁部F2に対向する。
それぞれの梁部Fは薄いシリコン層13と絶縁層20とを含む。梁部Fの厚さは薄いシリコン層13の厚さと絶縁層20の厚さとの合計である。それぞれの梁部Fの先端部においてストッパ層30が薄いシリコン層13を貫通している。梁部Fの先端部において薄いシリコン層13を貫通しているストッパ層30の部分が連結部31を構成している。図1Aにおいて連結部31のパターンは破線ハッチングによって示されている。
錘部Mは、外周が矩形である板の形態を有する。錘部Mは厚いシリコン層11からなるため実質的に剛体として振る舞う。
4つの連結部31は4つの梁部Fの先端部と錘部Mとを4箇所で連結している。すなわち4つの梁部Fの先端部に一端部が結合しているそれぞれの連結部31は錘部Mの互いに異なる領域(結合領域)に他端部が結合している。4つの連結部31が錘部Mと結合している4つの結合領域はいずれも錘部Mの周辺領域にある。より具体的には錘部Mのx軸方向の中央を通りy軸に平行な線と錘部Mのy軸方向の中央を通りx軸に平行な線とが交差する点を通るz軸に平行な軸(この点を錘部Mの中心軸というものとする)よりも錘部Mの側面に近い領域において4つの連結部31が錘部Mと結合している。
錘部Mは4つの梁部Fにのみ結合し、図示しないパッケージから離れて配置されるため、錘部Mは角速度センサ1に固定された座標系において運動する。4つの梁部Fは角速度センサ1に固定された座標系において錘部Mとともに運動する。すなわち4つの梁部Fは錘部Mの運動にともなって変形する。
上述したように4つの梁部Fが支持部Sから延伸している方向は、90度間隔で支持部Sの内側を一方向に周回している。そして4つの梁部Fと錘部Mとを連結している4つの連結部31は錘部Mの中心軸を中心として錘部Mの周辺部に90度間隔で錘部Mの中心軸から等距離の領域に配置されている。したがって、4つの梁部Fが伸張すれば、錘部Mは図1Aにおいて時計回りの方向に回転する。また4つの梁部Fが収縮すれば、錘部Mは図1Aにおいて反時計回りの方向に回転する。すなわち、それぞれの梁部Fを伸張させる応力は、錘部Mが図1Aにおいて時計回りの方向に回転することによって低減する。そしてそれぞれの梁部Fを収縮させる応力は、錘部Mが図1Aにおいて反時計回りの方向に回転することによって低減する。また錘部Mの周辺部の複数箇所において錘部Mと梁部Fとを連結するため、錘部Mの中心軸上の一カ所で錘部Mと梁部Fとを連結する構成に比べると、錘部Mの重心を基準として錘部Mと梁部Fとの連結位置がずれたとしても、錘部Mの運動特性に与える影響が抑制される。
それぞれの梁部Fには梁部Fを撓ませることによって錘部Mを励振するための駆動用圧電素子80bが設けられている。駆動用圧電素子80bは梁部Fの固定端近傍において梁部Fの表面に設けられている。このため駆動用圧電素子80bが伸縮すると梁部Fの先端部が振動する。4つの駆動用圧電素子80bに位相の異なる交流の励振電圧を印加することによって錘部Mを周回運動させることができる。
それぞれの梁部Fには梁部Fの変形を検出するための検出手段として検出用圧電素子80aが設けられている。検出用圧電素子80aは梁部Fの自由端近傍において梁部Fの表面に設けられている。梁部Fの変形に伴う歪みは可撓性のある梁部Fと実質的に剛体として振る舞う連結部31および支持部Sとの境界近傍に集中する。このため、梁部Fが錘部Mの運動に伴って変形すると検出用圧電素子80aが伸縮する。錘部Mが周回運動している状態で角速度センサ1が回転すると、錘部Mに作用するコリオリ力に応じた交流の電圧信号が4つの検出用圧電素子80aから出力される。この電圧信号から励振成分を除去することによって角速度センサ1のxyz軸の角速度成分が得られる。
本実施形態によると空隙を挟んで錘部Mと梁部Fとを対向させることにより、角速度センサ1の外寸に対する梁部Fの長さの割合を高めている。そして梁部Fと錘部Mとを梁部F毎に異なる領域において複数の連結部31によって連結することにより、支持部Sの外寸に対する梁部Fの長さの割合をさらに高めている。より具体的には支持部Sの対向する2辺から互いに逆方向に延伸する1組の梁部Fが行き違うまで梁部Fを延伸することにより、梁部Fを延長している。このように梁部Fの長さの割合を高めるすることによって、梁部Fの剛性を高めずに感度とダイナミックレンジを維持しつつ角速度センサ1を小型化することができる。また梁部Fを長くすることにより、製造公差による角速度センサ1の特性のばらつきを抑制することができる。
2.第二実施形態
図2に示すように支持部Sの内側において梁部Fを渦巻き状に配置しても良い。具体的には次の通りである。本実施形態において、支持部Sの内周と錘部Mの外周は円形である。4つの梁部Fはxy平面に平行な同一の平面上に配置されている。梁部Fが支持部Sから延伸している方向が、固定端に近いほど支持部Sの内周の接線方向に近く、自由端に近いほど支持部Sの内周の接線方向から離れるように、4つの梁部Fは円弧状に曲がっている。そして支持部Sとの境界(図2において破線で示されている。)においてそれぞれの梁部Fが支持部Sから突出している方向は、90度間隔で支持部Sの内側を一方向に周回している。4つの梁部Fと錘部Mとを連結している4つの連結部31は錘部Mの中心軸を中心として錘部Mの周辺部に90度間隔で錘部Mの中心軸から等距離の領域に配置されている。このため、それぞれの梁部Fを伸縮させる応力は、錘部Mが回転することによって低減する。
図2に示すように支持部Sの内側において梁部Fを渦巻き状に配置しても良い。具体的には次の通りである。本実施形態において、支持部Sの内周と錘部Mの外周は円形である。4つの梁部Fはxy平面に平行な同一の平面上に配置されている。梁部Fが支持部Sから延伸している方向が、固定端に近いほど支持部Sの内周の接線方向に近く、自由端に近いほど支持部Sの内周の接線方向から離れるように、4つの梁部Fは円弧状に曲がっている。そして支持部Sとの境界(図2において破線で示されている。)においてそれぞれの梁部Fが支持部Sから突出している方向は、90度間隔で支持部Sの内側を一方向に周回している。4つの梁部Fと錘部Mとを連結している4つの連結部31は錘部Mの中心軸を中心として錘部Mの周辺部に90度間隔で錘部Mの中心軸から等距離の領域に配置されている。このため、それぞれの梁部Fを伸縮させる応力は、錘部Mが回転することによって低減する。
また梁部Fを曲げることによって、支持部Sの外形寸法に対する梁部Fの長さの割合を高めることができるため、梁部Fの剛性を高めずに感度とダイナミックレンジを維持しつつ角速度センサ2を小型化することができる。また梁部Fを長くすることにより、製造公差による角速度センサ2の特性のばらつきを抑制することができる。
3.第三実施形態
図3に示すように支持部Sの内側において梁部Fを渦巻き状に配置してもい。具体的には次の通りである。本実施形態において、支持部Sの内周と錘部Mの外周は正方形である。4つの梁部Fはxy平面に平行な同一の平面上に配置されている。梁部Fは支持部Sの内側の4辺のそれぞれの端部近傍から垂直方向に突出し、中間部において錘部Mの内側に向かって直角に曲がっている。そして支持部Sとの境界(図3において破線で示されている。)においてそれぞれの梁部Fが支持部Sから突出している方向は、90度間隔で支持部Sの内側を一方向に周回している。4つの梁部Fと錘部Mとを連結している4つの連結部31は錘部Mの中心軸を中心として錘部Mの周辺部に90度間隔で錘部Mの中心軸から等距離の領域に配置されている。このため、それぞれの梁部Fを伸縮させる応力は、錘部Mが回転することによって低減する。
図3に示すように支持部Sの内側において梁部Fを渦巻き状に配置してもい。具体的には次の通りである。本実施形態において、支持部Sの内周と錘部Mの外周は正方形である。4つの梁部Fはxy平面に平行な同一の平面上に配置されている。梁部Fは支持部Sの内側の4辺のそれぞれの端部近傍から垂直方向に突出し、中間部において錘部Mの内側に向かって直角に曲がっている。そして支持部Sとの境界(図3において破線で示されている。)においてそれぞれの梁部Fが支持部Sから突出している方向は、90度間隔で支持部Sの内側を一方向に周回している。4つの梁部Fと錘部Mとを連結している4つの連結部31は錘部Mの中心軸を中心として錘部Mの周辺部に90度間隔で錘部Mの中心軸から等距離の領域に配置されている。このため、それぞれの梁部Fを伸縮させる応力は、錘部Mが回転することによって低減する。
また梁部Fを曲げることによって、支持部Sの外形寸法に対する梁部Fの長さの割合を高めることができるため、梁部Fの剛性を高めずに感度とダイナミックレンジを維持しつつ角速度センサ3を小型化することができる。また梁部Fを長くすることにより、製造公差による角速度センサ3の特性のばらつきを抑制することができる。
4.第四実施形態
図4に示すように同一平面上において梁部Fがそれぞれ渦巻き状に曲がっていても良い。具体的には次の通りである。本実施形態において、本実施形態において、支持部Sの内周と錘部Mの外周は正方形である。4つの梁部Fはxy平面に平行な同一の平面上に配置されている。4つの梁部Fは支持部Sの内側の対向する2辺から2つずつ延伸している。すなわち梁部F1、F4は支持部Sの内側の一辺の両端部近傍からその対辺に向かって突出している。梁部F2、F3は梁部F1、F4が結合している辺の対辺から梁部F1、F4が結合している辺に向かって突出している。そして4つの梁部Fは支持部Sの内側を4分割した互いに排他的な領域の内側においてそれぞれ渦巻き状に曲がっている。4つの梁部Fと錘部Mとを連結している4つの連結部31は錘部Mの中心軸を中心として錘部Mの周辺部に90度間隔で錘部Mの中心軸から等距離の領域に配置されている。
図4に示すように同一平面上において梁部Fがそれぞれ渦巻き状に曲がっていても良い。具体的には次の通りである。本実施形態において、本実施形態において、支持部Sの内周と錘部Mの外周は正方形である。4つの梁部Fはxy平面に平行な同一の平面上に配置されている。4つの梁部Fは支持部Sの内側の対向する2辺から2つずつ延伸している。すなわち梁部F1、F4は支持部Sの内側の一辺の両端部近傍からその対辺に向かって突出している。梁部F2、F3は梁部F1、F4が結合している辺の対辺から梁部F1、F4が結合している辺に向かって突出している。そして4つの梁部Fは支持部Sの内側を4分割した互いに排他的な領域の内側においてそれぞれ渦巻き状に曲がっている。4つの梁部Fと錘部Mとを連結している4つの連結部31は錘部Mの中心軸を中心として錘部Mの周辺部に90度間隔で錘部Mの中心軸から等距離の領域に配置されている。
梁部Fを渦巻き状に曲げることによって、支持部Sの外形寸法に対する梁部Fの長さの割合をさらに高めることができるため、梁部Fの剛性を高めずに感度とダイナミックレンジを維持しつつ角速度センサ4をさらに小型化することができる。また梁部Fを長くすることにより、製造公差による角速度センサ4の特性のばらつきをさらに抑制することができる。
なお、検出用圧電素子80aを1つの梁部Fに対して複数配置しても良いし、駆動用圧電素子80bを1つの梁部に対して複数配置しても良い。
なお、検出用圧電素子80aを1つの梁部Fに対して複数配置しても良いし、駆動用圧電素子80bを1つの梁部に対して複数配置しても良い。
5.製造方法
以下、図5から図14に基づいて角速度センサ1〜4の製造方法を説明する。角速度センサ1〜4は積層構造体を構成する各層のパターンを変更するだけの実質的同一の方法によって製造できる。図5から図9、図13A、図14Aは図1Aに示すBB線に対応する断面図である。図10から図12、図13B、図14Bは図1Aに示すCC線に対応する断面図である。
以下、図5から図14に基づいて角速度センサ1〜4の製造方法を説明する。角速度センサ1〜4は積層構造体を構成する各層のパターンを変更するだけの実質的同一の方法によって製造できる。図5から図9、図13A、図14Aは図1Aに示すBB線に対応する断面図である。図10から図12、図13B、図14Bは図1Aに示すCC線に対応する断面図である。
はじめに図5に示すように、厚いシリコン層11、酸化シリコン層12および薄いシリコン層13が積層されたSOI(Silicon On Insulator)ウエハ10を準備し、フォトレジストからなる保護膜R1を用いたエッチングにより薄いシリコン層13および酸化シリコン層12を貫通する第一孔H1と第二孔H2を形成する。第一孔H1は連結部31を形成するための型となる通孔である。第二孔H2はストッパ部32を形成するための型となる通孔である。したがって第一実施形態において例示した角速度センサ1の積層構造体(ダイ)を形成する場合、1つのダイとして切り分けられる領域毎に、第一孔H1は4つが形成され、第二孔H2は4つの第一孔H1を取り囲む環状に1つ形成される。SOIウエハ10は、厚さ625μmの単結晶シリコンからなる厚いシリコン層11と、厚さ1μmの二酸化シリコン(SiO2)からなる酸化シリコン層12と、厚さ10μmの単結晶シリコンからなる薄いシリコン層13とがこの順に積層されたウエハである。
次に、図6に示すように第一孔H1と第二孔H2から露出した厚いシリコン層11の表面と薄いシリコン層13の表面とに酸化シリコン層12とは異質の膜を成長させることにより第一孔H1および第二孔H2とを完全に埋めるストッパ層30を形成する。ストッパ層30の材料としては、ストッパ層30とシリコン層11、13を残して酸化シリコン層12を選択的にエッチングすることが可能な物質を選択できる。すなわち、ストッパ層30とシリコン層11、13の酸化シリコン層12に対するエッチング選択比が小さくとれる材料を選択できる。具体的には例えばCVDによって厚さ15μmの多結晶シリコンの膜をストッパ層30として形成する。ストッパ層30として、単結晶シリコンをエピタキシャル結晶成長させてもよいし、アモルファスシリコン、シリコンゲルマニウム(SiGe)等の他の半導体膜を形成しても良いし、窒化シリコン(SixNy)、窒化アルミニウム(AlxNy)、窒化チタン(TixNy)などの窒化物の膜を形成してもよいし、酸化アルミニウム(AlxOy)、酸化タンタル(TaOx)、酸化チタン(TiOx)などの酸化物の膜を形成してもよいし、タングステンシリサイド(WSix)、モリブデンシリサイド(MoSix)、チタンシリサイド(TiSix)等のシリサイド化合物の膜を形成してもよいし、銅(Cu)、ニッケル(Ni)、白金(Pt)、金(Au)等の金属の膜を形成してもよい。
次に図7に示すようにエッチバックのための被膜R2をストッパ層30の表面に形成する。保護膜R2の材料にはストッパ層30とのエッチング選択比をほぼ1:1にできる材料を選択する。例えば、フォトレジスト、SOG(Spin On Glass)、ポリイミドを塗布しベークすることにより表面が平坦な被膜R2を形成する。
次に図8に示すように被膜R2とストッパ層30のエッチング選択比がほぼ1:1の条件において、薄いシリコン層13が露出するまでストッパ層30の表層を被膜R2もろともにエッチバックして除去する。その結果、薄いシリコン層13とストッパ層30の表面が平坦に連続し、ストッパ層30からなる連結部31とストッパ部32とが形成される。なお、ストッパ層30を形成した後に、研削、研磨またはCMP(Chemical Mechanical Polishing)によって薄いシリコン層13とストッパ層30の表面を平坦に連続させても良い。
次に図9に示すように薄いシリコン層13とストッパ層30の表面に絶縁層20を形成する。絶縁層20として、例えば熱酸化またはCVDにより厚さ0.5μmの二酸化シリコンの膜を形成する。絶縁層20としてPSG(Phospho Silicate Grass)、BPSG(Boro- Phospho Silicate Grass)、窒化シリコン(SixNy)などの膜を形成してもよい。
次に図10に示すように電極層81、圧電層82および電極層83を絶縁層20の表面にこの順で積層する。電極層81として例えばスパッタ法により厚さ0.1μmの白金の膜を形成する。圧電層82として例えばスパッタ法により厚さ3μmのPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)の膜を形成する。電極層83として例えばスパッタ法により厚さ0.1μmの白金の膜を形成する。
次に図11に示すようにフォトレジストからなる保護膜R3を用いたエッチングにより電極層83と圧電層82を所定形状にパターニングする。このとき駆動用圧電素子80bおよび検出用圧電素子80aの上層電極とその導線とボンディングパッドが形成される。例えばアルゴン(Ar)イオンを用いたミリング法によって電極層83および圧電層82を異方的にエッチングする。
次に図12に示すようにフォトレジストからなる保護膜R4を用いたエッチングにより電極層81を所定形状にパターニングする。例えばアルゴン(Ar)イオンを用いたミリング法によって電極層81を異方的にエッチングする。その結果、駆動用圧電素子80bおよび検出用圧電素子80aが形成される。またこのときこのとき駆動用圧電素子80bおよび検出用圧電素子80aの下層電極とその導線とボンディングパッドが形成される。
次に図13A、図13Bに示すように、フォトレジストからなる保護膜R5を用いて絶縁層20、薄いシリコン層13および酸化シリコン層12をエッチングすることにより梁部Fのパターンを形成する。梁部Fのパターンは、例えばCHF3ガスを用いた反応性イオンエッチングにより絶縁層20をエッチングし、続いてCF4ガスおよびO2ガスを用いた反応性イオンエッチングにより薄いシリコン層13をエッチングし、さらに続いてCHF3ガスを用いた反応性イオンエッチングにより酸化シリコン層12をエッチングすることにより形成する。フッ酸や緩衝フッ酸を用いて絶縁膜20をウエットエッチングし、テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド(TMAH)や水酸化カリウム(KOH)によって薄いシリコン層1をウエットエッチングし、さらにフッ酸や緩衝フッ酸を用いて酸化シリコン層12をウエットエッチングしてもよい。
次に図14に示すように厚いシリコン層11をエッチングすることにより錘部Mを形成する。すなわちまず図14Aに示すように絶縁層20が形成されている面を犠牲基板99に仮接着する。接着層98としては、例えばワックス、フォトレジスト、両面粘着シート等を用いる。次にフォトレジストからなる保護膜R6を厚いシリコン層11の表面に形成し、保護膜R6を用いた異方性エッチングにより環状溝11tを形成することによって錘部Mを環状溝11tの内側に形成する。環状溝11tは、4つの連結部31の全てに錘部Mが接するように4つの連結部31を取り囲む環状領域に形成される。より具体的には、厚いシリコン層11は、C4F8プラズマを用いたパッシベーションとSF6プラズマを用いたエッチングのステップを短い時間間隔で交互に繰り返すDeep−RIE(いわゆるボッシュプロセス)によって異方的にエッチングされる。なお、錘部Mを形成するこの工程は、SOIウエハ10を加工する最初の工程として実施しても良いし、絶縁層20を形成した直後に実施しても良い。
次に、犠牲基板99からワークを剥離し、酸化シリコン層12を等方性エッチングにより選択的に除去し、ダイシングすると、図1に示す角速度センサ1の積層構造体が完成する。酸化シリコン層12を等方性エッチングにより除去することによって、厚いシリコン層11と薄いシリコン層13との間の空隙Gが形成され、錘部Mと梁部Fとが空隙Gを挟んで対向する。このとき、酸化シリコン層12とは異質のストッパ層30からなる連結部31とストッパ部32自体がエッチングストッパとして作用するため、酸化シリコン層12のエッチングの終点は正確に制御される。したがって、錘部M、連結部31および梁部Fの形状が正確に形成されるため、特性のばらつきが小さい角速度センサ1を製造することができる。
6.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、梁部Fの変形を検出する手段としてピエゾ抵抗素子を用いても良い。ピエゾ抵抗素子は例えば薄いシリコン層13に不純物イオンをドーピングすることによって形成される。また梁部Fの変形を検出する手段としてピエゾ抵抗素子と圧電素子とを備え、角速度および加速度を検出するモーションセンサに本発明を適用することもできる。
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、梁部Fの変形を検出する手段としてピエゾ抵抗素子を用いても良い。ピエゾ抵抗素子は例えば薄いシリコン層13に不純物イオンをドーピングすることによって形成される。また梁部Fの変形を検出する手段としてピエゾ抵抗素子と圧電素子とを備え、角速度および加速度を検出するモーションセンサに本発明を適用することもできる。
また本発明ではストッパ層を用いることから梁部Fの形状を自由に設計することができる。このため、梁部Fの形態は上記実施形態に限らず例えば全ての梁部Fを真っ直ぐに平行に配置したり、梁部Fを3つ或いは4つ以上にするなど様々な形態に変更可能である。
またストッパ層はエッチングの終点制御に用いることできればよいため、例えば薄いシリコン層13と酸化シリコン層12とに形成した第一孔H1および第二孔H2を2層以上の膜で埋めることによって連結部31の表層のみをストッパ層30として構成し、錘部Mと梁部Fとを連結する連結部31を複層構造にしても良い。またこの場合、サイドスペーサを用いることによって第一孔H1および第二孔H2を埋める層のステップカバレージを改善し、ボイドの発生を防止してもよい。
また、互いに異なる実施形態において例示されている様々な構成要件を組み合わせて実施できることはもちろんである。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や工程順序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。
1:角速度センサ、2:角速度センサ、3:角速度センサ、4:角速度センサ、10:SOIウエハ、11:シリコン層、11t:環状溝、12:酸化シリコン層、13:シリコン層、20:絶縁層、30:ストッパ層、31:連結部、32:ストッパ部、80a:検出用圧電素子、80b:駆動用圧電素子、81:電極層、82:圧電層、83:電極層、98:接着層、99:犠牲基板、F:梁部、F1:梁部、F2:梁部、F3:梁部、F4:梁部、G:空隙、H1:第一孔、H2:第二孔、M:錘部、R1:保護膜、R2:被膜、R2:保護膜、R3:保護膜、R4:保護膜、R5:保護膜、R6:保護膜、S:支持部
Claims (9)
- 枠形の支持部と、
前記支持部から前記支持部の内側に延伸している複数の梁部と、
前記支持部の内側に配置され空隙を挟んで複数の前記梁部に対向している錘部と、
それぞれ前記梁部の先端部と前記錘部の互いに異なる結合領域とに結合し複数の前記梁部に前記錘部を連結している複数の連結部と、
前記梁部に設けられ前記錘部の運動に伴う前記梁部の変形を検出する検出手段と、
を備えるMEMSセンサ。 - 前記支持部から互いに行き違うまで延伸している1組以上の前記梁部を備える、
請求項1に記載のMEMSセンサ。 - 複数の前記梁部は同一平面上において前記支持部から等角度間隔の異なる方向に真っ直ぐに延伸している、
請求項2に記載のMEMSセンサ。 - 複数の前記梁部の長さは同一であって90度間隔で配列されている、
請求項3に記載のMEMSセンサ。 - 前記結合領域は前記錘部の周辺領域にある、
請求項1から4のいずれか一項に記載のMEMSセンサ。 - 複数の前記梁部は同一平面上において曲がるとともに渦巻き状に配置されている、
請求項1に記載のMEMSセンサ。 - 複数の前記梁部は同一平面上においてそれぞれ渦巻き状に曲がっている、
請求項1に記載のMEMSセンサ。 - 前記支持部と前記梁部と前記連結部とは、厚いシリコン層と空隙を挟んで前記厚いシリコン層と対向している薄いシリコン層と前記薄いシリコン層を貫通し前記厚いシリコン層に接しシリコン酸化物とは異質のストッパ層とを含む積層構造体に形成され、
前記錘部は前記厚いシリコン層を含み、
前記梁部は前記薄いシリコン層を含み、
前記支持部は前記厚いシリコン層と前記ストッパ層と前記薄いシリコン層とを含み、
前記連結部の少なくとも表層は前記ストッパ層からなる、
請求項1から7のいずれか一項に記載のMEMSセンサ。 - 厚いシリコン層と、薄いシリコン層と、前記厚いシリコン層と前記薄いシリコン層との間に挟まれた酸化シリコン層と、を含むウエハの前記薄いシリコン層と前記酸化シリコン層とに複数の通孔である第一孔と通孔である第二孔とを形成し、
前記第一孔と前記第二孔の内側に前記酸化シリコン層とは異質のストッパ層を積層し、
複数の前記第一孔から露出した前記ストッパ層に接する第一連続領域と前記第二孔から露出した前記ストッパ層に接し前記第一連続領域を囲む環状の第二連続領域との間にある環状領域において前記厚いシリコン層をエッチングすることによって前記第一連続領域に錘部を形成し、
前記酸化シリコン層を挟んで前記錘部と対向しそれぞれ前記第一孔に至る前記薄いシリコン層の複数の領域のそれぞれにおいて梁部を形成し、
前記ストッパ層を残しつつ前記錘部と前記梁部の間から前記酸化シリコン層をエッチングにより除去する、
ことを含むMEMSセンサの製造方法。
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JP2008334273A JP2010156591A (ja) | 2008-12-26 | 2008-12-26 | Memsセンサおよびmemsセンサの製造方法 |
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Cited By (1)
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WO2011086633A1 (ja) * | 2010-01-12 | 2011-07-21 | ソニー株式会社 | 角速度センサ、電子機器及び角速度の検出方法 |
-
2008
- 2008-12-26 JP JP2008334273A patent/JP2010156591A/ja not_active Withdrawn
Cited By (3)
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WO2011086633A1 (ja) * | 2010-01-12 | 2011-07-21 | ソニー株式会社 | 角速度センサ、電子機器及び角速度の検出方法 |
JP4858662B2 (ja) * | 2010-01-12 | 2012-01-18 | ソニー株式会社 | 角速度センサ、電子機器及び角速度の検出方法 |
US8910517B2 (en) | 2010-01-12 | 2014-12-16 | Sony Corporation | Angular velocity sensor, electronic apparatus, and method of detecting an angular velocity |
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