JP2000024965A - マイクロメカニックな構成要素の製法並びにマイクロメカニックな構成要素 - Google Patents
マイクロメカニックな構成要素の製法並びにマイクロメカニックな構成要素Info
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Abstract
に設定することによりプロセス誤差に関連して特性デー
タのばらつきを僅かに維持もしくは減少させる。 【解決手段】 ウェブ及び溝を備えた構造を形成するエ
ッチングプロセスにより、少なくとも1つの幾何学的な
デザインパラメータ(bm ,bf ,d)に関連した単数
又は複数の電気的又は機械的な機能特性値(S)を有す
るマイクロメカニックな構成要素、特に容量性の加速度
センサを製作する方法において、マイクロメカニックな
構成要素の局部領域内の幾何学的なデザインパラメータ
がプロセスに起因する予め規定された法則性を受けるよ
うに、特に機能ブロック形式でほぼ一定であるように、
マイクロメカニックな構成要素用のデザインを設計し、
これにより、エッチングプロセスの際にマイクロメカニ
ックな構成要素内のデザインパラメータのプロセス誤差
(△)がほぼ位置依存性を示さない。
Description
えた構造を形成するエッチングプロセスにより、少なく
とも1つの幾何学的なデザインパラメータに関連した単
数又は複数の電気的又は機械的な機能特性値を有するマ
イクロメカニックな構成要素、特に容量性の加速度セン
サを製作する方法、並びに、上記製法により製作される
マイクロメカニックな構成要素に関する。
成要素に適用できるできるけれども、本発明並びに本発
明が根拠とする問題点はマイクロメカニックな容量性の
加速度センサに関連して説明する。
用されるプロセスによって、センサ、アクチュエータ及
び別のミニチュア化された構成要素を、原則的にマイク
ロエレクトロニックな構成要素を製作するために公知で
あるような方法に従って製作できる。
機能要素を製作するために表面マイクロマシーニング技
術で適用されるこのようなプロセスは、製作プロセス誤
差を受ける。この場合製作誤差という概念は、有利には
プロセス平均値として選ばれている目標値からの偏差で
ある。前記製作プロセス誤差によって、通常機械的もし
くは電気的な当該機能要素の著しい特性データばらつき
が生ぜしめられ、このようなばらつきは、平衡法、補償
法又は校正法によって考慮されねばならない。
性の加速度センサの感度及び共振周波数はトレンチ(Tr
ench)・エッチングプロセスに関連している。トレンチ
・エッチングプロセスにおいてはセンサは、溝及びウェ
ブを備えた構造に細分化され、この構造は、所要の機能
要素、この場合コンデンサ装置及びばね装置を含む。
チングの際のこのような製作プロセス誤差又は簡略にプ
ロセス誤差は、周知のように異なるプロセス温度、又は
プロセスガス組成又はプロセスガス流れ比等に基づき生
ずる。
法、平衡法等を回避するために、マイクロメカニックな
構成要素を特性データのばらつきを減少して製作するこ
とが所望されている。
の幾何学的なデザインパラメータを適当に設定すること
によってプロセス誤差に関連した特性データのばらつき
を僅かに維持するかもしくは減少することにある。
ば、特許請求の範囲第1項の特徴部分に記載のマイクロ
メカニックな構成要素の製法並びに特許請求の範囲第6
項の特徴部分に記載のマイクロメカニックな構成要素に
よって解決された。
の構成要素の利点は、所定のプロセス誤差範囲において
プロセス誤差範囲(例えば、3σ・範囲)における実際
のプロセス位置と特性データとの依存性が最小にされ
る、つまり影響の補償が生ずるということにある。
しくは製品収量が高められ、僅かな平衡費用で同じ機能
性が得られ(評価電子機構のコストが減少され)かつ構
成要素のできるだけ小さな構造高さが得られる。
ニックな構成要素の局部領域内の幾何学的なデザインパ
ラメータがプロセスに起因する予め規定された法則性に
さらされるように、特に機能ブロック形式でほぼ一定で
あるように、マイクロメカニックな構成要素用のデザイ
ンを設計し、これにより、エッチングプロセスの際にマ
イクロメカニックな構成要素内のデザインパラメータの
プロセス誤差がほぼ位置依存性を示さないということに
ある。
って、請求項1に記載の方法並びに請求項1に記載のマ
イクロメカニックな構成要素の有利な構成並びに改良が
得られる。
数又は複数の当該デザインパラメータのプロセス誤差と
構成要素の電気的又は機械的な機能特性値の少なくとも
1つとの主要の依存性の検出が行われる。この場合、依
存性を最小にするために単数又は複数のデザインパラメ
ータのための関係式が導き出され、次いで、予期される
プロセス誤差において導き出された関係式が満たされる
ように、デザインパラメータが確定される。このような
措置は特に、多数のデザインパラメータが主要の影響を
及ぼす場合に有利であり、従って、デザインパラメータ
は互いに無関係に選ぶことはできない。
要素が容量性の加速度センサであって、この加速度セン
サは、撓みばね装置に懸架された地震質量装置と、地震
質量装置に設けられた可動なコンデンサプレート装置
と、可動なコンデンサプレート装置と協働する定置のコ
ンデンサプレート装置とを有している。この場合、機能
特性値は加速度センサの感度であり、この場合、主要の
依存性は次の式によって得られる:
bm は地震質量装置(1″)の幅、bf は撓みばね装置
の撓みばねの幅及びdは非加速状態でのそれぞれのコン
デンサプレート装置のプレート間隔である。
(△)に応じて依存性の導関数を形成することによって
形成する。このことは、数値的に又は可能であれば解析
的に行われる。
が予め規定された値を中心とした所定限界内に維持され
るように、予め規定される。
ために及び本発明が根拠とする問題点を説明するため
に、マイクロメカニックな容量性の加速度センサを簡略
的に図示している。
び長さlf の第1の撓みばね2aと、幅bf 及び長さl
f の第2の撓みばね2bと、幅bf 及び長さlf の第3
の撓みばね3aと、幅bf 及び長さlf の第4の撓みば
ね3bと、幅bm の第1の可動なコンデンサプレート4
と、第1の定置のコンデンサプレート4aと、第2の定
置のコンデンサプレート4bと、幅bm の第2の可動な
コンデンサプレート5と、第3の定置のコンデンサプレ
ート5aと、第4の定置のコンデンサプレート5bとが
図示されている。
第3の定置のコンデンサプレート5aは、第1の可動な
コンデンサプレート4及び第2の可動なコンデンサプレ
ート5と協働して第1の平板コンデンサ装置10を形成
する。
第4の定置のコンデンサプレート5bは、第1の可動な
コンデンサプレート4及び第2の可動なコンデンサプレ
ート5と協働して第2の平板コンデンサ装置20を形成
する。
横断面図で、マイクロメカニックな容量性の加速度セン
サを簡略的に図示している。この場合、記号xで、非加
速状態に相応する中立位置からの地震質量装置1の変位
量が、かつ、記号dで、非加速状態での両コンデンサ装
置10,20のプレート間隔が図示されている。
速度センサの評価の基礎となる物理的な関連を詳述す
る。
信号Voutは、次のように記述される:
置10の容量、C2は第2の平板コンデンサ装置20の
容量、及び、Vref は平板コンデンサ装置10,20に
かけられる外部の基準電圧である。
の地震質量、aは測定時点に発生する瞬間加速度、及
び、kは撓みばね2a,2b,3a,3bの曲げ剛性を
示す。
ポリシリコン)の比重、hは層厚さ、lm は地震質量装
置1の長さ、及び、△は実際のプロセス誤差である。
Esi は使用される材料(この場合、ポリシリコン)の
弾性係数を示す。
に代入しかつこのようして得られた方程式(2)を方程
式(1)に代入した場合には、
づきマスク技術により規定された構造に影響が及ぼされ
る。平衡位置における平板コンデンサ装置10,20の
プレート間隔は、受け入れられる実際のプロセス誤差Δ
によって増大し、かつこれに対応して地震質量装置1の
幅bm 及び撓みばね2a,2b,3a,3bの幅b
fは、減少する。
動のみを受ける特性値が定数Cに統合される場合には、
性値は、加速度センサの感度であり、これは、検出すべ
き瞬間加速度aに関し出力電圧の導関数である、つま
り、
差の相対的な影響が減少するように、特性値bm ,bf
及びdを大きく選ぶことにある。しかしこれによって、
コンデンサ装置10,20の容量の減少及びこれに関連
した感度の低下に基づき、センサの不利な特性データフ
ィールドが生ぜしめられる。
うに、特性値bm ,bf 及びdはプロセス誤差の影響の
減少もしくは抑制に関する課せられた要求を満たすデザ
インにおいて自由に選ばれず、むしろ規定の関係を満た
さねばならない。
(7)の導関数は零に等しく、つまり、ds/d△=0
でなければならない。これにより、図示のケースでは、
プロセス誤差の影響の減少もしくは抑制に関する課せら
れた要求を満たすデザインを得るために特性値bm ,b
f 及びd用の関係式が得られる。
局部領域内のプロセス誤差が局部的に一定であること、
つまり、位置依存性を示さないことが考慮されねばなら
ない。それというのも、さもなくば上述の仮定が当て嵌
まらないからである。このことは、後述するレイアウト
調整を維持することによって保証される。
上、構造要素からのエッチング切除量がほぼ同じでなけ
ればならない。このことは、所定のエッチング密度、即
ち、単位面積当りのエッチング切除量が所定の値を中心
とした所定限界内に維持されることによって、達成され
る。
されたものではないマイクロメカニックな容量性の加速
度センサの構造が、概略的に図示されている。
0を備えた地震質量装置1′と、対応する第1の定置の
コンデンサプレートを備えた第1の櫛形構造40と、対
応する第2の定置のコンデンサプレートを備えた第2の
櫛形構造50と、撓みばね装置60と、広幅な溝構造7
0とを有している。第2図によるセンサの機能形式は、
第1a図によるセンサの場合に類似している。記号d,
d′,d″,d′″は、エッチング溝の種々の溝幅を示
している。
関係に次の値が選ばれる: bf =3.0μm bm =5.0μm d =2.0μm 更に、方程式(6)の定数Cは、0.333*10-18
V/gでありかつセンサは0.5mm2 の面積の場合に
35gの感度に設計された。
のばらつきを減少させるという要求を満たせずしかも感
度の点で著しい特性データ変動をもたらすことが明らか
となった。
中間領域もしくは縁部領域の基準的な溝幅及びウェブ幅
が互いに適合されなかったことを原因とすることが明ら
かとなった。特に前記デザインの場合には、コンデンサ
プレート構造30,40,50の領域における種々の溝
幅d,d′、領域70における大きな溝幅d″及び撓み
ばね装置60の領域における別の溝幅d′″が生ずる。
されたマイクロメカニックな容量性の加速度センサの構
造が、概略的に図示されている。
ブルア−ム構造301,302の可動なコンデンサプレ
ート300を備えた地震質量装置1″と、対応する第1
の定置のコンデンサプレートを備えた第1の櫛形構造4
00と、対応する第2の定置のコンデンサプレートを備
えた第2の櫛形構造500と、撓みばね装置600と、
充填領域700と溝を備えた付加構造領域800とを有
している。
第1a図によるセンサの場合に類似している。
によるセンサデザインの場合には、マイクロメカニック
な構成要素の局部領域内のデザインパラメータbm ,b
f 及びdが機能ブロック式にほぼ統一的に形成される。
換言すれば、コンデンサ装置内、コンデンサ装置間及び
撓みばね内の溝幅dはほぼ同じである。溝を備えた付加
構造領域800及び充填領域700は、局所的に一定の
プロセス誤差△を得るために、付加的に設けられる。コ
ンデンサ装置の縁部における大きな溝幅は、不都合なフ
リンジ効果を回避するために必要である。この場合、大
きな溝幅は不都合に作用しない。それというのも、長さ
変動は感度に著しい影響を及ぼさないからである。
ンチ(Trench)・エッチングプロセスの際にプロセス誤
差△、つまりこの場合センサ内部のウェブ幅もしくは溝
幅はほぼ位置依存性を示さない。
に無関係に次の値が選ばれる: bf =4.0μm bm =2*3.0μm(ダブルアーム構造) d =2.0μm 更に、方程式(6)の定数Cは、1.175*10-18
V/gでありかつセンサは同様に0.5mm2 の面積の
場合に35gの感度に設計された。
プロセス誤差において感度の導関数ds/d△は零に等
しく設定された。この場合、dは最小のデザイン寸法と
して設定された。bm は経験値に応じて予め与えられか
つbf はds/d△用の検出された関係式から算定され
た。
つきを減少するという要求を満たすことが、実験により
明らかとなった。
図及び第3図のセンサの感度を図示している。
単位で示されかつy軸に感度がmV/gで示されてい
る。ラインSWはプロセス目標値を示している。第2図
で図示の非補償式のセンサの結果は特性曲線UKSによ
って示されていてかつ第3図で図示の補償式のセンサの
結果は特性曲線KSによって示されている。
曲線KSはプロセス誤差との依存性を示しておらず、こ
れに対して特性曲線UKSはプロセス誤差との明らかな
依存性を示している。
ように、表面マイクロマシーニング技術で製作される多
結晶のシリコンから成る容量性の加速度センサに特に関
連して次のことが維持される。
れに設けられる可動なコンデンサプレート装置4,5も
しくは30もしくは300は、電極としてウェブから構
成され、このウェブは、ウェブ幅bm 用のプロセス固有
の値範囲を有している。
くは30もしくは300の、地震質量装置1,1′もし
くは1″に設けられるウェブは、定置のコンデンサプレ
ート装置40,400もしくは50,500の定置の電
極に対して間隔d用のプロセス固有の値範囲を有してい
る。
1′もしくは1″及びこれに設けられる可動なコンデン
サプレート装置4,5もしくは30もしくは300を構
成するウェブの間隔に相応している。
ばねbf の幅が調節される。
化するためのトレンチ・プロセスによって、ウェブとば
ねは狭幅になりかつ電極の間隔は広幅になる。
因するばらつき範囲、例えば、0.7μm+/−0.5
μmを有している。
らつきの影響を抑制するため、デザイン値の実際的に重
要な範囲のために、つまり、 2.0μm≦bm≦4.0μm 1.5μm≦d≦3.0μm 3.0μm≦bf≦6.0μm のために、感度の所望の絶対値とは無関係に比bm / b
f =0.5乃至0.9が維持されねばならない。
に比bm /bf =0.6乃至0.8が維持されねばなら
ない。
に、電極幅bm の制限に基づき、互いに結合される2つ
のウェブの形状で電極が設計されている(第3図参照)
と有利である。
m 、撓みばね幅bf のための模範的な値並びにウェブ間
隔及びウェブ幅の影響が示されている。
ではなく、種々の態様で実施可能である。
センサに限定されるものではなく、任意のマイクロメカ
ニックな構成要素にも適用可能である。
根拠とする問題点を説明するために、マイクロメカニッ
クな容量性の加速度センサを簡略に図示した平面図であ
り、図bは、マイクロメカニックな容量性の加速度セン
サを図aのA−B線に沿った横断面図で簡略に示した
図。
いマイクロメカニックな容量性の加速度センサの構造を
概略的に示した図。
カニックな容量性の加速度センサの構造を概略的に示し
た図。
ンサの感度を示した図。
Claims (12)
- 【請求項1】 ウェブ及び溝を備えた構造を形成するエ
ッチングプロセスにより、少なくとも1つの幾何学的な
デザインパラメータ(bm ,bf ,d)に関連した単数
又は複数の電気的又は機械的な機能特性値(S)を有す
るマイクロメカニックな構成要素、特に容量性の加速度
センサを製作する方法において、マイクロメカニックな
構成要素の局部領域内の幾何学的なデザインパラメータ
(bm,bf ,d)がプロセスに起因する予め規定され
た法則性を受けるように、特に機能ブロック形式でほぼ
一定であるように、マイクロメカニックな構成要素用の
デザインを設計し、これにより、エッチングプロセスの
際にマイクロメカニックな構成要素内のデザインパラメ
ータのプロセス誤差(△)がほぼ位置依存性を示さない
ことを特徴とする、マイクロメカニックな構成要素の製
法。 - 【請求項2】 エッチングプロセスの際に、単数又は複
数の当該デザインパラメータ(bm ,bf ,d)のプロ
セス誤差(△)と構成要素の電気的又は機械的な機能特
性値(S)の少なくとも1つとの主要の依存性を検出
し、 依存性を最小にするために単数又は複数のデザインパラ
メータ(bm ,bf ,d)のための関係式(dS/d△
=0)を導き出し、 予期されるプロセス誤差において前記関係式が満たされ
るように、単数又は複数のデザインパラメータ(bm ,
bf ,d)を確定する、請求項1記載の方法。 - 【請求項3】 マイクロメカニックな構成要素が、撓み
ばね装置(600)に懸架された地震質量装置(1″)
と、地震質量装置(1″)に設けられた可動なコンデン
サプレート装置(300)と、可動なコンデンサプレー
ト装置(300)と協働する定置のコンデンサプレート
装置(400,500)とを有する容量性の加速度セン
サであって、機能特性値(S)が加速度センサの感度で
あり、この場合、主要の依存性が次式: 【数1】 によって得られ、この場合、Cは定数、△はプロセス誤
差、bm は地震質量装置(1″)の幅、 bf は撓みば
ね装置(600)の撓みばねの幅及びdは非加速状態で
のそれぞれのコンデンサプレート装置のプレート間隔で
ある、請求項2記載の方法。 - 【請求項4】 前記関係式を、プロセス誤差(△)に応
じて依存性の導関数を形成することによって形成する、
請求項1から3までのいずれか1項記載の方法。 - 【請求項5】 前記法則性を、エッチング密度が予め規
定された値を中心とした所定限界内に維持されるよう
に、予め規定する、請求項1から4までのいずれか1項
記載の方法。 - 【請求項6】 ウェブ及び溝を備えた構造を形成するエ
ッチングプロセスにより製作可能な、少なくとも1つの
幾何学的なデザインパラメータ(bm ,bf,d)に関
連した単数又は複数の電気的又は機械的な機能特性値
(S)を有するマイクロメカニックな構成要素、特に容
量性の加速度センサにおいて、マイクロメカニックな構
成要素の局部領域内の幾何学的なデザインパラメータ
(bm ,b f ,d)が、プロセスに起因する予め規定さ
れた法則性を受け、特に機能ブロック形式でほぼ一定で
あり、これにより、エッチングプロセスの際にマイクロ
メカニックな構成要素内のデザインパラメータのプロセ
ス誤差(△)がほぼ位置依存性を示さないようになって
いることを特徴とする、マイクロメカニックな構成要
素。 - 【請求項7】 マイクロメカニックな構成要素が、容量
性の加速度センサであって、該加速度センサが、 撓みばね装置(600)に懸架された地震質量装置
(1″)と、 地震質量装置(1″)に設けられた可動なコンデンサプ
レート装置(300)と、 可動なコンデンサプレート装置(300)と協働する定
置のコンデンサプレート装置(400,500)とを有
している、請求項6記載のマイクロメカニックな構成要
素。 - 【請求項8】 少なくとも1つの領域内に、電気的及び
/又は機械的な機能特性値によって制限されない、溝を
備えた充填構造(700)及び/又は付加構造(80
0)が設けられている、請求項6又は7記載のマイクロ
メカニックな構成要素。 - 【請求項9】 デザインパラメータ(bm ,bf ,d)
が、所定の機能要素のウェブ幅及び/又は溝幅を含んで
いる、請求項6から8までのいずれか1項記載のマイク
ロメカニックな構成要素。 - 【請求項10】 可動なコンデンサプレート装置(30
0)のコンデンサプレートが、ダブルアーム構造(30
1,302,303)を有している、請求項7から9ま
でのいずれか1項記載のマイクロメカニックな構成要
素。 - 【請求項11】 交互にウェブ及び溝を備えた構造を形
成するエッチングプロセスにより製作可能な、少なくと
も1つの幾何学的なデザインパラメータ(b m ,bf ,
d)に関連した単数又は複数の電気的又は機械的な機能
特性値(S)を有するマイクロメカニックな構成要素、
特に容量性の加速度センサにおいて、構成要素の領域に
亘ってウェブ及び溝の幅がほぼ予め規定されたパターン
に応じて統一的に維持されるように、構造が設計されて
おり、この場合、機能的に大きな全体幅を有する要素自
体が少なくとも部分的にパターンに従って組織化されて
いることを特徴とする、マイクロメカニックな構成要
素。 - 【請求項12】 表面マイクロマシーニング技術で多結
晶のシリコンから製作された容量性の加速度センサであ
って、該加速度センサが、 撓みばね装置(2a,2b,3a,3b;60;60
0)に懸架された地震質量装置(1,1″,1′″)
と、 地震質量装置(1,1″,1′″)に設けられた可動な
コンデンサプレート装置(4,5;30;300)と、 可動なコンデンサプレート装置(300)と協働する定
置のコンデンサプレート装置(40,400;400,
500)とを有している形式のものにおいて、 地震質量装置(1,1″,1′″)及び該地震質量装置
に設けられた可動なコンデンサプレート装置(4,5;
30;300)が、電極としてウェブから構成されてい
て、該ウェブが、ウェブ幅(bm )用のプロセス固有の
値範囲を有しており、 地震質量装置(1,1″,1′″)に設けられた、可動
なコンデンサプレート装置(4,5;30;300)の
ウェブが、定置のコンデンサプレート装置(40,40
0;400,500)の定置の電極に対して間隔(d)
用のプロセス固有の値範囲を有しており、 定置の電極の間隔が、地震質量装置(1,1″,
1′″)及び該地震質量装置に設けられた可動なコンデ
ンサプレート装置(4,5;30;300)を構成する
ウェブの間隔に等しく形成されており、 撓みばね(bf)の幅が、プロセス固有の可能な値範囲
にあることを特徴とする、容量性の加速度センサ。
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