JP2010210432A - 加速度センサの製造方法及びその製造方法で製造された加速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】高精度にエッチングすることができるとともに複数の基板をエッチングする際のエッチングのバラツキを低減することのできる加速度センサの製造方法及びその製造方法で製造された加速度センサを提供する。
【解決手段】ＳＯＩ基板の上下両面において各固定電極２０ａ〜２０ｄと各可動電極４０，４１との間の距離を規定する深さ寸法の第１の凹所１０１ａ、及び各可動電極４０，４１の変位スペースを確保するための第２の凹所１０１ｂに該当する箇所を除いた箇所にマスク材料１００を形成する工程と、第１の凹所１０１ａ及び第２の凹所１０１ｂに該当する箇所に不純物をドーピングして高濃度不純物層１０４を形成する工程と、高濃度不純物層１０４を選択エッチングにより除去する工程を経て第１の凹所１０１ａ及び第２の凹所１０１ｂを形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、可動電極の揺動に伴う可動電極と固定電極との間の静電容量の変化に基づいて加速度を検出する静電容量型の加速度センサの製造方法及びその製造方法で製造された加速度センサに関する。

従来から、平面視矩形状の可動電極と、可動電極の対向する２辺の略中央において可動電極を揺動自在に支持する１対のビーム部と、可動電極の表面において１対のビーム部を結ぶ直線を境界線とした一方側と他方側のそれぞれに対して所定の距離を空けて対向配置された固定電極とを備え、可動電極の揺動に伴う可動電極と固定電極との間の静電容量の変化を検出することで加速度を検出する静電容量型の加速度センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。

以下、このような加速度センサの従来例について図面を用いて説明する。尚、以下の説明では、図２における上下を上下方向と定めるものとする。また、センサチップ１の短手方向と平行な方向をｘ方向、センサチップ１の長手方向と平行な方向をｙ方向、ｘ方向及びｙ方向に互いに直交する方向をｚ方向と定めるものとする。この従来例は、図２に示すように、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板で形成されたセンサチップ１が上部固定板２ａと下部固定板２ｂとで挟持された構成となっている。センサチップ１は、２つの平面視略矩形状の第１の枠部３０及び第２の枠部３１を有するフレーム部３と、枠部３０，３１の側壁部に対して隙間を空けて各枠部３０，３１に囲まれた空間に配設される平面視略矩形状の２つの第１の可動電極４０及び第２の可動電極４１と、各可動電極４０，４１上面の対向する２辺の略中央部と各枠部３０，３１の側壁部とを連結することにより各可動電極４０，４１をフレーム部３に対して揺動自在に支持する２対のビーム部５ａ〜５ｄとを備える。

上部固定板２ａはガラス基板により形成され、図２に示すように、第１の可動電極４０と対向する下面には１対の第１のビーム部５ａ，５ｂを結ぶ直線を境界線として第１の固定電極２０ａ及び第２の固定電極２０ｂが設けられている。また、第２の可動電極４１と対向する下面には、１対の第２のビーム部５ｃ，５ｄを結ぶ直線を境界線として第３の固定電極２０ｃ及び第４の固定電極２０ｄが設けられている。各固定電極２０ａ〜２０ｄはアルミニウム系合金から形成されている。

下部固定板２ｂは、上部固定板２ａと同様にガラス基板により形成され、図２，３に示すように、各可動電極４０，４１と間隔を空けて付着防止膜２３ａ，２３ｂが配設されている。付着防止膜２３ａ，２３ｂは各固定電極２０ａ〜２０ｄと同じ材料から成り、各可動電極４０，４１が動作時に下部固定板２ｂに付着するのを防止する。また、測定レンジを超える過大な加速度が加えられた場合には、付着防止膜２３ａ，２３ｂによって各可動電極４０，４１と下部固定板２ｂとが直接接触するのを防ぐことから衝撃緩和の効果を奏する。

センサチップ１には、図２に示すように、第１の可動電極４０と各固定電極２０ａ，２０ｂとの間の静電容量Ｃ１，Ｃ２を各々検出する検出電極６ａ，６ｂと、第２の可動電極４１と各固定電極２０ｃ，２０ｄとの間の静電容量Ｃ３，Ｃ４を各々検出する検出電極６ｃ，６ｄと、接地電極７とが設けられている。上部固定板２ａの各検出電極６ａ〜６ｄ及び接地電極７と対向する部位にはスルーホール２１ａ〜２１ｄ，２２が貫設されており、当該スルーホール２１ａ〜２１ｄ，２２を介して各固定電極２０ａ〜２０ｄに各々接続された検出電極６ａ〜６ｄ、及び接地電極７の出力が取り出されるようになっている。また、検出電極６ａと検出電極６ｂとの間、検出電極６ｃと検出電極６ｄとの間、各検出電極６ａ〜６ｄとフレーム部３との間、各検出電極６ａ〜６ｄと各可動電極４０，４１との間には各々隙間が形成されている。このように構成することで、各検出電極６ａ〜６ｄが互いに電気的に絶縁されるので、各検出電極６ａ〜６ｄの寄生容量や電極間のクロストークを低減し、高精度な静電容量の検出を行うことができる。

第１の可動電極４０の下面における１対の第１のビーム部５ａ，５ｂを結ぶ直線を境界線とした一方側には、図３に示すように、厚み寸法が前記他方側の厚み寸法よりも小さくなるように凹部４０ａが設けられている。同様に、第２の可動電極４１の下面における１対の第２のビーム５ｃ，５ｄを結ぶ直線を境界線とした一方側にも、図示しないが、厚み寸法が前記他方側の寸法よりも小さくなるように凹部４１ａが設けられている。何れの凹部４０ａ，４１ａも、図３に示すように、各可動電極４０，４１の重心位置Ｏとビーム部５ａ〜５ｄとが成す角度θが４５度となるように設けられている。このように構成することで、加速度が加えられた際にビーム部５ａ〜５ｄを軸とした回転モーメントが各可動電極４０，４１に発生し、ｘ方向及びｚ方向の検出感度が等価になる。尚、この従来例では、図２に示すように２つの加速度センサがｘｙ平面に配置され、一方の加速度センサが他方の加速度センサに対してｘｙ平面内で１８０度回転して配置されている。

各可動電極４０，４１の上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂと対向する面には、図３に示すように（図３では第１の可動電極４０のみ図示）、シリコン又はシリコン酸化膜により形成された複数の突起部４０ｂが設けられている。このような突起部４０ｂを設けることにより、各可動電極４０，４１に測定レンジを超える過大な加速度が加えられた場合であっても、各可動電極４０，４１が対向する上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂと直接衝突することがなく、センサチップ１の破損を防止することができる。尚、この従来例では各可動電極４０，４１の上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂと対向する面に突起部４０ｂを設けているが、上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂの各可動電極４０，４１と対向する面に突起部４０ｂを設けても構わない。

以下、上記従来例における加速度検出について説明する。先ず、ｘ方向における加速度の検出について説明する。第１の可動電極４０にｘ方向の加速度が加えられた場合、第１の可動電極４０と各固定電極２０ａ，２０ｂとの間の静電容量Ｃ１，Ｃ２は、それぞれ以下に示す数式で表される。尚、数式（１），（２）中のパラメータＣ０は、第１の可動電極４０にｘ方向の加速度が加えられていない状態における第１の可動電極４０と各固定電極２０ａ，２０ｂとの間の静電容量を示す。

Ｃ１＝Ｃ０−ΔＣ …（１）
Ｃ２＝Ｃ０＋ΔＣ …（２）
同様に、第２の可動電極４１にｘ方向の加速度が加えられた場合、第２の可動電極４１と各固定電極２０ｃ，２０ｄとの間の静電容量Ｃ３，Ｃ４は、それぞれ以下に示す数式で表される。尚、数式（３），（４）中のパラメータＣ０は、上記と同様に第２の可動電極４１にｘ方向の加速度が加えられていない状態における第２の可動電極４１と各固定電極２０ｃ，２０ｄとの間の静電容量を示す。

Ｃ３＝Ｃ０−ΔＣ …（３）
Ｃ４＝Ｃ０＋ΔＣ …（４）
而して、各検出電極６ａ〜６ｄを介して上記静電容量Ｃ１〜Ｃ４を検出し、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等を利用して静電容量Ｃ１，Ｃ２の差分値ＣＡ（＝Ｃ１−Ｃ２）、及び静電容量Ｃ３，Ｃ４の差分値ＣＢ（＝Ｃ３−Ｃ４）を算出し、算出された差分値ＣＡ，ＣＢの和（±４ΔＣ）をＸ出力として出力することにより、静電容量の変化から第１の可動電極４０及び第２の可動電極４１に加えられたｘ方向の加速度を検出することができる。

次に、ｚ方向における加速度の検出について説明する。第１の可動電極４０にｚ方向の加速度が加えられた場合、第１の可動電極４０と各固定電極２０ａ，２０ｂとの間の静電容量Ｃ１，Ｃ２は、それぞれ以下に示す数式で表される。尚、数式（５），（６）中のパラメータＣ０は、第１の可動電極４０にｚ方向の加速度が加えられていない状態における第１の可動電極４０と各固定電極２０ａ，２０ｂとの間の静電容量を示す。

Ｃ１＝Ｃ０＋ΔＣ …（５）
Ｃ２＝Ｃ０−ΔＣ …（６）
同様に、第２の可動電極４１にｚ方向の加速度が加えられた場合、第２の可動電極４１と各固定電極２０ｃ，２０ｄとの間の静電容量Ｃ３，Ｃ４は、それぞれ以下に示す数式で表される。尚、数式（７），（８）中のパラメータＣ０は、上記と同様に第２の可動電極４１にｚ方向の加速度が加えられていない状態における第２の可動電極４１と各固定電極２０ｃ，２０ｄとの間の静電容量を示す。

Ｃ３＝Ｃ０−ΔＣ …（７）
Ｃ４＝Ｃ０＋ΔＣ …（８）
而して、各検出電極６ａ〜６ｄを介して上記静電容量Ｃ１〜Ｃ４を検出し、ＡＳＩＣ等を利用して静電容量Ｃ１，Ｃ２の差分値ＣＡ（＝Ｃ１−Ｃ２）、及び静電容量Ｃ３，Ｃ４の差分値ＣＢ（＝Ｃ３−Ｃ４）を算出し、算出された差分値ＣＡ，ＣＢの和（±４ΔＣ）をＺ出力として出力することにより、静電容量の変化から第１の可動電極４０及び第２の可動電極４１に加えられたｚ方向の加速度を検出することができる。

以下、上記従来例の製造方法について図面を用いて説明する。先ず、図４（ａ）に示すように、支持基板Ｃと活性層Ａにより酸化膜Ｂを挟持したＳＯＩ基板を用意する。次に、ＳＯＩ基板の両面にシリコン酸化膜やフォトレジスト膜等のマスク材料１００を形成した後に、各可動電極４０，４１に対応する位置のマスク材料１００を除去する。そして、ＴＭＡＨ（テトラメチル水酸化アンモニウム溶液）やＫＯＨ（水酸化カリウム溶液）等の溶液を利用した湿式エッチング又は反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etching）等のドライエッチングを行うことにより、図４（ｂ）に示すように、ＳＯＩ基板の表面側及び裏面側にそれぞれ各固定電極２０ａ〜２０ｄと各可動電極４０，４１との間の距離を規定する深さ寸法の第１の凹所１０１ａ、及び各可動電極４０，４１の変位スペースを確保するための第２の凹所１０１ｂを形成する。

次に、図４（ｃ）に示すように、各凹所１０１ａ，１０１ｂの底面の所定位置にシリコン酸化膜又はカーボンナノチューブを用いて突起部４０ｂを形成する。また、この時、スパッタリングや蒸着成膜等の技術を利用して、各固定電極２０ａ〜２０ｄと電気的に接続される検出電極６ａ〜６ｄとしての金属膜１０２と、金属膜１０２と電気的に接続される金属膜１０３を形成する。突起部４０ｂをシリコン又はシリコン酸化膜といったセンサチップ１の主材料で形成した場合には、突起部４０ｂを容易に製造することができる。尚、突起部４０ｂの表面をカーボン材料によりコーティングしてもよい。このような構成であれば、突起部４０ｂの機械的強度が増し、上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂとの衝突により突起部４０ｂが破損することを抑制できる。また、カーボン材料としてカーボンナノチューブを採用した場合、コーティングの厚さを薄くできるので、突起部４０ｂを所望の高さに容易に調整することができる。

次に、支持基板Ｃ、酸化膜Ｂの順にＳＯＩ基板の裏面側をエッチングすることにより、図４（ｄ）に示すように、各可動電極４０，４１及び凹部４０ａ，４１ａを形成する。そして、付着防止膜２３ａ，２３ｂが形成された表面をＳＯＩ基板の裏面側に対向させて下部固定板２ｂを陽極接合する。尚、付着防止膜２３ａ，２３ｂを各固定電極２０ａ〜２０ｄと同じ材料で形成することにより、付着防止膜２３ａ，２３ｂを容易に形成することができる。また、各固定電極２０ａ〜２０ｄと同時に付着防止膜２３ａ，２３ｂを形成することにより、各固定電極２０ａ〜２０ｄと各可動電極４０，４１との間の距離、及び下部固定板２ｂと各可動電極４０，４１との間の距離の精度を高めることができる。また、付着防止膜２３ａ，２３ｂを半導体微細加工プロセスで形成した場合には、付着防止膜２３ａ，２３ｂの表面に微小な凹凸が形成されるため、各可動電極４０，４１が下部固定板２ｂに付着するのを防止することができる。更に、付着防止膜２３ａ，２３ｂをアルミニウム系合金で形成した場合には、エッチング加工が容易になるために付着防止膜２３ａ，２３ｂを容易に製造することができる。尚、付着防止膜２３ａ，２３ｂの表面上に半導体微細加工プロセスとの整合性が良く加工し易いポリイミド薄膜等の有機材料薄膜を形成することにより、付着防止膜２３ａ，２３ｂと各可動電極４０，４１との間が短絡するのを防止するようにしてもよい。

最後に、図４（ｅ）に示すように、スルーホール２１ａ〜２１ｄ，２２及び各固定電極２０ａ〜２０ｄが形成された上部固定板２ａをＳＯＩ基板上に配置した後、ＳＯＩ基板と上部固定板２ａとを陽極接合することにより、一連の製造工程が完成する。尚、ＳＯＩ基板と上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂは、ポリイミド樹脂等を用いた樹脂接合や、金スズ半田等を用いた共晶接合により接合してもよい。また、上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂはガラスに限定されるものではなく、シリコン基板を用いてもよい。但し、上部固定板２ａ及び下部固定板２ｂとしてシリコン基板を用いた場合には、各固定電極２０ａ〜２０ｄと上部固定板２ａとの間が電気的に絶縁されるように、各固定電極２０ａ〜２０ｄと上部固定板２ａとの間に絶縁膜を形成することが望ましい。

米国特許公開２００７−００００３２３号公報

ところで、上記従来例における第１の凹所１０１ａは、その深さ寸法によって加速度の検出感度を左右するため、高精度なエッチング方法によって形成されるべきである。しかしながら、上記従来例では、ＴＭＡＨやＫＯＨ等の溶液を利用した湿式エッチング又はＲＩＥ等のドライエッチングといった異方性エッチングにより第１の凹所１０１ａを形成しているため、温度、溶液濃度、ｐＨ、時間等の管理が必要であり、第１の凹所１０１ａを高精度にエッチングすることが難しいという問題があった。また、複数のＳＯＩ基板をエッチングする場合、基板の枚数によってエッチングにバラツキが生じ、したがって第１の凹所１０１ａの深さ寸法にバラツキが生じるという問題があった。

本発明は、上記の点に鑑みて為されたもので、高精度にエッチングすることができるとともに複数の基板をエッチングする際のエッチングのバラツキを低減することのできる加速度センサの製造方法及びその製造方法で製造された加速度センサを提供することを目的とする。

請求項１の発明は、上記目的を達成するために、可動電極と、可動電極を所定の間隔を空けて囲む枠部と、可動電極と枠部とを連結するとともに可動電極を枠部に対して揺動自在に支持する１対のビーム部と、可動電極の表面における１対のビーム部を結ぶ直線を境界線とした一方側および他方側に対してそれぞれ所定の間隔を空けて対向配置される１対の固定電極とを備え、ビーム部を軸とした可動電極の揺動に伴う可動電極と固定電極との間の静電容量の変化から加速度を検出する加速度センサを半導体微細加工プロセスにより製造する加速度センサの製造方法であって、支持基板と活性層とで酸化膜を挟持して成るＳＯＩ基板の表面側に設けられて可動電極と固定電極との間の距離を規定する深さ寸法の第１の凹所に該当する箇所を除いた箇所にマスク材料を形成する工程と、第１の凹所に該当する箇所に不純物をドーピングして高濃度不純物層を形成する工程と、高濃度不純物層を選択エッチングにより除去することで第１の凹所を形成する工程とを有することを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、ＳＯＩ基板の裏面側に設けられて可動電極の変位スペースを確保するための第２の凹所に該当する箇所を除いた箇所にマスク材料を形成する工程と、第２の凹所に該当する箇所に不純物をドーピングして高濃度不純物層を形成する工程と、高濃度不純物層を選択エッチングにより除去することで第２の凹所を形成する工程とを有することを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の製造方法によって製造されたことを特徴とする。

請求項１の発明によれば、不純物をドーピングした高濃度不純物層を選択エッチングすることで第１の凹所を形成するので、不純物の注入量と拡散時間を設定するだけで容易且つ高精度にエッチングすることができる。また、仮にオーバーエッチングした場合にも高濃度不純物層のみがエッチングされるため、複数の基板をエッチングする際のエッチングのバラツキを低減することができる。

請求項２の発明によれば、第１の凹所と同様に第２の凹所も高濃度不純物層を選択エッチングすることで形成できるので、第１の凹所と同時にエッチングすることができ、製造工程を簡略化することができる。

本発明に係る加速度センサの製造方法の実施形態を示す図で、 従来の加速度センサを示す分解斜視図である。 同上のｙｚ平面における断面図である。 （ａ）〜（ｅ）は同上の製造方法を示す図である。

以下、本発明に係る加速度センサの製造方法の実施形態について図面を用いて説明する。但し、本実施形態の基本的な製造工程及び構成は従来例と共通であるので、共通する部位には同一の番号を付して説明を省略する。また、以下の説明では、従来例での説明と同様に、図３における上下を上下方向と定めるものとする。本実施形態は、図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、ＳＯＩ基板の上下両面において第１の凹所１０１ａ及び第２の凹所１０１ｂに該当する箇所を除いた箇所にマスク材料１００を形成する工程と、第１の凹所１０１ａ及び第２の凹所１０１ｂに該当する箇所に不純物をドーピングして高濃度不純物層１０４を形成する工程と、高濃度不純物層１０４を選択エッチングにより除去する工程を経て第１の凹所１０１ａ及び第２の凹所１０１ｂを形成する。

マスク材料１００は、従来例と同様にシリコン酸化膜から成る。尚、シリコン酸化膜はパイロジェニック酸化等の熱酸化により形成するのが望ましいが、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により形成しても構わない。また、シリコン酸化膜の代わりにフォトレジスト膜を採用しても構わない。

高濃度不純物層１０４は、ボロンをイオン注入法によって所望の領域（即ち、活性層Ａにおける第１の凹所１０１ａに該当する箇所、及び支持基板Ｃにおける第２の凹所１０１ｂに該当する箇所）に注入拡散して形成される高濃度ｐ＋＋層である。尚、イオン注入法の代わりに三臭化ホウ素を用いたデポジションにより高濃度不純物層１０４を形成しても構わない。この場合、ソース源は液体ソース及び固体ソースの何れでもよい。

選択エッチングには、フッ酸溶液と硝酸溶液と酢酸溶液とを１：３：８の比率で混合した混合溶液を用いる。勿論、各溶液の混合比率は上記に限定されるものではなく、不純物の濃度や混合溶液の温度等に応じて比率を変更しても構わない。上記の混合溶液にＳＯＩ基板を浸漬することで、高濃度不純物層１０４のみが選択的にエッチングされることで除去され、均一な深さ寸法を有する第１の凹所１０１ａ及び第２の凹所１０１ｂが形成される。尚、選択エッチングを行う際には、不純物度をドーピングした領域、即ち、エッチングによって除去する領域以外を上記のようにマスク材料１００で保護するのが望ましい。

上述のように、不純物をドーピングした高濃度不純物層１０４を選択エッチングすることで第１の凹所１０１ａを形成するので、不純物の注入量と拡散時間を設定するだけで容易且つ高精度にエッチングすることができる。また、仮にオーバーエッチングした場合にも高濃度不純物層１０４のみがエッチングされるため、複数のＳＯＩ基板をエッチングする際のエッチングのバラツキを低減することができる。また、第１の凹所１０１ａと同様に第２の凹所１０１ｂも高濃度不純物層１０４を選択エッチングすることで形成できるので、第１の凹所１０１ａと同時にエッチングすることができ、製造工程を簡略化することができる。また、従来例のように異方性エッチングでエッチングを行う場合と比較して第１の凹所１０１ａ及び第２の凹所１０１ｂの角部が丸く形成されるので、マスク材料１００を除去する際にマスク材料１００が各凹所１０１ａ，１０１ｂの角部に残留し難くなる。

尚、本実施形態ではＳＯＩ基板の活性層Ａに不純物をドーピングしているが、ｎ型のシリコン基板又はｐ型のシリコン基板に不純物をドーピングして高濃度不純物層１０４を形成した場合でも同様の効果を奏することができる。また、ボロンの代わりにアンチモン等をドーピングして高濃度不純物層１０４（この場合、高濃度ｎ＋＋層）を形成した場合でも同様の効果を奏することができる。

上記製造方法を用いることで、従来例の加速度センサを製造することができる。勿論、上記製造方法で製造される加速度センサが従来例の加速度センサに限定されるわけではなく、従来例とは異なる構造を有する加速度センサに適用しても構わないことは言うまでもない。

１００ マスク材料
１０１ａ 第１の凹所
１０１ｂ 第２の凹所
１０４ 高濃度不純物層
Ａ 活性層
Ｂ 酸化膜
Ｃ 支持基板

Claims (3)

1. 可動電極と、可動電極を所定の間隔を空けて囲む枠部と、可動電極と枠部とを連結するとともに可動電極を枠部に対して揺動自在に支持する１対のビーム部と、可動電極の表面における１対のビーム部を結ぶ直線を境界線とした一方側および他方側に対してそれぞれ所定の間隔を空けて対向配置される１対の固定電極とを備え、ビーム部を軸とした可動電極の揺動に伴う可動電極と固定電極との間の静電容量の変化から加速度を検出する加速度センサを半導体微細加工プロセスにより製造する加速度センサの製造方法であって、支持基板と活性層とで酸化膜を挟持して成るＳＯＩ基板の表面側に設けられて可動電極と固定電極との間の距離を規定する深さ寸法の第１の凹所に該当する箇所を除いた箇所にマスク材料を形成する工程と、第１の凹所に該当する箇所に不純物をドーピングして高濃度不純物層を形成する工程と、高濃度不純物層を選択エッチングにより除去することで第１の凹所を形成する工程とを有することを特徴とする加速度センサの製造方法。
2. 前記ＳＯＩ基板の裏面側に設けられて可動電極の変位スペースを確保するための第２の凹所に該当する箇所を除いた箇所にマスク材料を形成する工程と、第２の凹所に該当する箇所に不純物をドーピングして高濃度不純物層を形成する工程と、高濃度不純物層を選択エッチングにより除去することで第２の凹所を形成する工程とを有することを特徴とする請求項１記載の加速度センサの製造方法。
3. 請求項１又は２に記載の製造方法で製造されたことを特徴とする加速度センサ。

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