JP2000196106A - 半導体力学量センサの製造方法およびその製造装置 - Google Patents
半導体力学量センサの製造方法およびその製造装置Info
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Abstract
頼性の半導体力学量センサの製造方法とその製造装置を
提供する。 【解決手段】工程Dにおいて、置換液6によって置換洗
浄し、その後、SOI基板100を公転させながら乾燥
する。この乾燥工程で、置換液6の表面張力によって生
ずるシリコン基板1側への吸引力7(Fr )とセンサバ
ネ力FK と公転で生ずる加速度による遠心力8(FS )
の関係が、(FK +FS )>Fr を満たすように、公転
の回転数を決定する。また、噴霧を停止した後、公転す
るSOI基板100が、空気流による摩擦で発生する静
電気を除去するために、マイナスイオンを含む窒素など
の不活性ガスを、吹きつけながら乾燥させて、スティッ
キング現象を防止する。
Description
角速度などの力学量を感知(センシング)する半導体力
学量センサの製造方法およびその製造装置に関する。
部構成図で、同図(a)は平面図、同図(b)は同図
(a)のY−Y線で切断した断面図である。図7におい
て、シリコン基板1と、酸化膜2と、シリコン層3(単
結晶層またはポリシリコン層)でSOI基板100を構
成する。このSOI基板100上の第3層であるシリコ
ン層3に、半導体力学量センサを形成する。この半導体
力学量センサは、センシングエレメント103、デジタ
ル調整回路104、アナログ調整回路105、入出力端
子106およびデジタル調整用端子107で構成され
る。センシングエレメント103は、圧力、加速度およ
び角速度などによる力を受けて、同図(b)の矢印のよ
うに歪む。この歪みによる電気信号を増幅して、圧力、
加速度および角速度などの力学量を感知(センシング)
する。
部構成図で、同図(a)は平面図、同図(b)は同図
(a)のB−B線で切断した断面図である。図8におい
て、シリコン層3の中心部に配置されたセンシングエレ
メント103の下面の酸化膜2を除去して、センシング
エレメント103を構成するおもり部分110a、11
0bが自由に動けるようにする。このセンシングエレメ
ント103には、半導体ストレンゲージ113a、11
3b、113c、113dが形成された4本の梁部分1
11a、111b、111c、111dと、犠牲層であ
る酸化膜をエッチングするための貫通孔15が形成され
たおもり部分110a、110bと、このおもり部分1
10a、110bを支え、半導体ストレンゲージが付い
ていない4本の梁部分111e、111f、111g、
111hによって構成される。このおもり部分110
a、110bにより、8本の梁部分が変形する。この8
本の内、半導体ストレンゲージが形成されている4本の
梁部分111a、111b、111c、111dのそれ
ぞれの変形量を、半導体ストレンゲージ113a、11
3b、113c、113dで、それぞれ感知し、電気信
号に変換する。同図(a)は同図(b)に示すように、
センシングエレメント103は貫通孔15を有したシリ
コン層3で構成され、酸化膜2を介してシリコン基板1
に固着する。この固着箇所がセンシングエレント103
を支持する。この支持箇所は同図(a)では省略されて
いる。
である。4個の半導体ストレンゲージ113a、113
b、113c、113dによって構成されたホイートス
ートンブリッジ回路の出力電圧を、アナログ増幅回路1
05で増幅し、デジタル調整回路104によって感度や
温度特性の調整を行う。
サを例にとり、その動作をつぎに説明する。図7の矢印
200のように、半導体力学量センサに垂直方向の加速
度による力が印加されると、4つの半導体ストレンゲー
ジ113a、113b、113c、113dのうち、2
つの半導体ストレンゲージ113b、113dには圧縮
応力が発生し、抵抗値が下がるが、2つの半導体ストレ
ンゲージ113a、113cには引張り応力が発生し抵
抗値が上がる。この抵抗値の変化により、ホイートスト
ーンブリッジ回路から加速度に応じたセンサ信号が出力
される。また、Vccは電源電圧の高電位、GNDはグラ
ンド電位、V+、V−はプラス電位、マイナス電位であ
る。
ンサの製造方法を示す図で、工程Aから工程Fは工程順
に示した工程断面図である。ここで示す工程断面図は、
図8(a)のB−B線で切断した箇所の断面で示す。工
程Aにおいて、シリコン基板1上に酸化膜2の一種であ
るBPSG膜またはPSG膜などの絶縁層を形成し、こ
の酸化膜2にポリシリコンなどのシリコン層3を形成し
て、SOI基板100とする。このシリコン層3に、図
示しないが、前記の半導体ストレンゲージ、アナログ増
幅回路105、デジタル調整回路104、入出力端子1
06、デジタル調整用端子107などを形成する。
パターニングして、ふっ酸(HF)と硝酸(HNO3)の
混酸によるウェットエッチングまたは六フッ化硫黄(S
F6)と酸素(O2)の混合ガスによるドライエッチングに
よって、シリコン層3に貫通孔15を開けたセンシング
エレメント103(矢印で示す)を形成する。このセン
シングエレメント103は、この図ではおもり部分11
0を含むシリコン層2で示されている。
向する犠牲層である酸化膜2をHFなどのエッチング液
5を用いて除去する。工程Dにおいて、純水またはイソ
プロピルアルコール(IPA)などの置換液6によって
置換洗浄し、その後、置換液6を蒸発させ、センシング
エレメント103を乾燥する。この乾燥工程で、置換液
6の表面張力によってシリコン基板1側への吸引力7が
発生する。
性が低いポリシリコン層であるシリコン層3に形成され
たセンシングエレメント103のおもり部分110が、
シリコン基板1に吸い付けられ、固着する。この現象の
ことを、以下、スティッキング現象と称す。工程Fにお
いて、ステッキング現象をおこして、おもり部分110
がシリコン基板1に固着した状態で、レジスト膜をアッ
シング(灰化)により除去する。
ッキング現象で、シリコン基板1に固着すると、力学量
センサとして、役に立たない。このスティッキング現象
を防止するために、特表平7−505743号公報で開
示されている製造方法をつぎに説明する。
ンサの製造方法で、工程Aから工程Gは、工程順に示し
た工程断面図である。この半導体力学量センサの製造方
法は特表平7−505743号公報に開示されている。
SGまたはPSGなどの酸化膜2である犠牲層を形成
し、この酸化膜2上にポリシリコン層であるシリコン層
3を形成する。
ト膜4を被覆し、レジスト膜4をパターニングして、シ
リコン層3でセンシングエレメント103を形成する。
層である酸化膜2を部分的に残すようにエッチング液5
で酸化膜2をエッチングする。この残された酸化膜を介
して、シリコン層3とシリコン基板1は固着されてい
る。
覆し、パターニングして、シリコン層3とシリコン基板
1の間の犠牲層である酸化膜2を除去した箇所A部に、
感光性ポリマー15を充填する。
膜2をエッチング液13でエッチングし、酸化膜2を除
去する。B部が酸化膜2が除去された箇所である。
所のエッチング液13を置換液6で置換し、B部を乾燥
させる。このとき、置換液6の表面張力で矢印のような
シリコン基板1への吸引力27が働くが、感光性ポリマ
ー15の剛性が大きいために、円内30で示した箇所
で、センシングエレメント103のおもり部分110が
シリコン基板1に固着する、いわゆる、スティッキング
現象は起こらない。
乾燥した後の図である。おもり部分110はシリコン基
板1に固着しない。
工程で、感光性ポリマー15を除去し、レジスト膜4も
除去して、おもり部分110が自由に可動できるセンシ
ングエレメント103を製作する。
の方法もあり、それをつぎに説明する。
量センサの製造方法で、工程Aから工程Eは、工程順に
示した工程断面図である。この半導体力学量センサの製
造方法は特開平7−209105号公報や特開平7−2
45414号公報に開示されている。
工程Cと同じである。工程Dにおいて、エッチング液5
を、図示しない置換液で置換し、さらにパラジクロルベ
ンゼンやナフタレンなどの昇華物質30を液状にして、
シリコン基板1とシリコン層3の間に昇華物質30が充
填されるように、置換液と置換し、昇華物質30を固着
させる。
る。工程Fにおいて、レジスト膜4をアッシングなどの
ドライ工程で除去し、センシングエレメント103を製
作する。
ー15でセンシングエレメント103を乾燥時に保持す
る場合、感光性ポリマー15の表面の凹凸が数μmもあ
り、パターニング精度が悪く、感光性ポリマー15を、
シリコン層3とシリコン基板1の間に均一に充填させる
ことは困難である。また、逆にシリコン層3とシリコン
基板1の間に充填された感光性ポリマー15がアッシン
グなどのドライ工程で完全に除去されないと、残留物3
1が残る。そのため、製造良品率が低下し、製造コスト
が増大する。
間に充填された感光性ポリマー15が多少なりとも残留
すると、センシングエレメントのおもり部分110の可
動範囲が狭まり、精度よく、高信頼性の感知が困難にな
る。また、犠牲層である酸化膜2のエッチングを2回行
う工程と感光性ポリマー15をパターニング工程が必要
となり、製造コストが増大する。
トを乾燥時に保持する場合、昇華物質30が完全に除去
されず、昇華物質30に混入している異物32が残留す
る場合があり、精度よく、高信頼性の感知が困難とな
る。
て、スティッキング現象を防止し、精度よく、高信頼性
の半導体力学量センサの製造方法とその製造装置を提供
することにある。
めに、第1層のシリコン基板と、該第1層上に形成した
第2層の犠牲層となる絶縁層と、該第2層上に形成した
第3層のシリコン層もしくはポリシリコン層とで構成さ
れるSOI基板で、前記第3層を加工して力学量をセン
シングするセンシングエレメントを形成し、前記第2層
を除去して形成する力学量センサの製造方法において、
前記第3層上を保護膜で被覆する工程と、該保護膜をマ
スクとして、センシングエレメントを形成する工程と、
前記第2層の犠牲層をウェットエッチングで除去する工
程と、該ウェットエッチングで用いたエッチング液を置
換液で置換する工程と、前記センシングエレメントに、
前記第1層へ向かう方向と反対方向の加速度をセンシン
グエレメントに印加した状態で、該センシングエレメン
トに付着した前記置換液を除去し、前記センシングエレ
メントを乾燥する工程と、前記保護膜をドライエッチン
グで除去する工程とを含む製造方法とする。
度を、SOI基板を公転させて発生する遠心力で得ると
よい。前記置換液の表面張力による前記センシングエレ
メントの前記第1層への吸引力FS 、前記遠心力Fr お
よび前記センシングエレメントのバネ力FK の関係が、
(Fr +FK )>FS を満たす条件で、前記センシング
エレメントを乾燥するとよい。
力によって発生する吸引力を、SOI基板を公転させて
発生する吸引力と反対方向の加速度と、センシングエレ
メントのおもり部分のつけ根がもっているセンサバネ力
とが上回るようにすることで、スティッキング現象を防
止する。
記置換液を前記センシングエレメントに付着させ、前記
加速度が所定の値に至った後は、前記置換液の除去し、
センシングエレメントを乾燥すると効果的である。
スティッキング現象を防止する。前記センシングエレメ
ントを、マイナスイオンを含む不活性ガス雰囲気で乾燥
すると好ましい。前記第1層と前記第3層とを電気的に
接続して、SOI基板を公転させるとよい。
と周辺雰囲気との間に発生する静電気を、マイナスイオ
ンで打ち消したり、または、第1層側に逃がしたりし
て、スティッキンク現象を防止することができる。前記
置換液が蒸気、純水およびイソプロピルアルコール(I
PA)のいずれかであるとよい。
いられる製造装置において、少なくとも回転軸と、乾燥
槽と、SOI基板を固定する支持板とを有し、少なくと
も該回転軸もしくは該乾燥槽のいづれかに置換液の噴霧
孔を具備する構成とするとよい。
施例の半導体力学量センサの製造方法で、工程Aから工
程Fは、製造工程順に示した要部工程断面図である。こ
こで示す工程断面図は、図8(a)のB−B線で切断し
た箇所の断面に相当する断面図である。
膜2の一種であるBPSG膜またはPSG膜などの絶縁
層を形成し、この酸化膜2上にポリシリコンなどのシリ
コン層3を形成して、SOI基板100とする。このシ
リコン層3に、図示しないが、図7で説明した半導体ス
トレンゲージとなるセンシングエレメント103、アナ
ログ増幅回路105、デジタル調整回路104、入出力
端子106、デジタル調整用端子107などを形成す
る。以下に示す工程断面図は、センシングエレメント1
03の箇所である。
パターニングして、ふっ酸(HF)と硝酸(HNO3)の
混酸によるウェットエッチングまたは六フッ化硫黄(S
F6)と酸素(O2)の混合ガスによるドライエッチングに
よって、シリコン層3に多数の貫通孔15を開け、シリ
コン層3にセンシングエレメント103を形成する。こ
の平面パターンは図8(a)と同じである。
向する犠牲層である酸化膜2をHFなどのエッチング液
5を用いて除去する。この場合、両端の酸化膜2は一部
残るようにエッチングする。また、エッチング液5は貫
通孔15から流入して、酸化膜2をエッチングする。
アルコール(IPA)などの置換液6によって置換洗浄
し、その後、SOI基板100を公転させながら乾燥す
る。この乾燥工程で、置換液6の表面張力によって生ず
るシリコン基板1側への吸引力7(Fr )とセンサバネ
力FK と公転で生ずる加速度による遠心力8(FS )の
関係が、(FK +FS )>Fr を満たすように、公転の
回転数を決定する。この場合、(FK +FS )>Fr の
条件を満たす前の低速回転では置換液6である純水やI
PAなどを噴霧させ、レジスト膜4で被覆された状態の
センシングエレメント103を湿った状態に保持し、
(FK +FS )>Fr の条件を満たした状態で、噴霧を
停止し、センシングエレメント103を乾燥する。
基板100が、空気流による摩擦で発生する静電気を除
去するために、マイナスイオンを含む窒素などの不活性
ガスを、吹きつけながら乾燥させると、スティッキング
現象を防止する上で、さらに好ましい。
後のセンシングエレメント103を示す。工程Fにおい
て、アッシングなどのドライ工程により、レジスト膜4
を灰化させ、除去して、センシングエレメント103が
完成する。このセンシングエレメント103の断面図は
図8(b)と同一である。
件を満たすことで、吸引力7より、剛性が低いポリシリ
コン層に形成されたセンシングエレメント103のおも
り部分110が、シリコン基板1に吸い付けられ、固着
する、いわゆる、スティッキング現象を防止することが
できる。また、スティッキング現象を防止するために、
従来のような、感光性ポリマーや昇華物質を用いないた
めに、異物などが、センシングエレメントのおもり部分
110とシリコン基板1の間に残留することがなく、精
度よく、高信頼性の感知をさせることができる。また、
感光性ポリマーや昇華物質を用いる工程と比べると、余
分なパターニング工程やエッチング工程がなく、製造コ
ストを低減できる。
の半導体力学量センサを製造する製造装置の要部構成図
で、同図(a)は上蓋をとった状態での平面図、同図
(b)は断面図である。この製造装置は半導体力学量セ
ンサを乾燥させるための乾燥装置である。
2、図示しないSOI基板を固定する支持板53を備
え、回転軸51に支持板53が固着している。また乾燥
槽52には置換液を噴霧する噴霧孔56が設けられてい
る。また、回転軸51はモータ59と接続し、噴霧孔5
6は給排水口56と給排水路58で結ばれている。ま
た、不活性ガスで乾燥槽52が充満するように、不活性
ガスが、吸気口57から図示しない供給路を通して供給
される。
を回転している図で、同図(a)はセンシングエレメン
トの断面図、同図(b)は乾燥装置を上から見た平面
図、同図(c)は乾燥装置の断面図である。この乾燥装
置が使われる工程は図2の工程Dである。またセンシン
グエレメント103はSOI基板100のシリコン層3
に形成されている。この図を用いて、SOI基板100
を乾燥する手順について説明する。 (1)犠牲層の酸化膜2のエッチング後、純水またはI
PAなどの置換液によって置換したSOI基板100を
回転軸51を中心に、軸対称の位置に設置する。このと
き、シリコン層3が外側にくるように設置する。 (2)センシングエレメント103のおもり部分110
に、所定の遠心力8がかかるまでの低速回転(この回転
は、図4(b)の太線矢印で示され、センシングエレメ
ント103が形成されているSOI基板100にとって
は、公転のことで自転ではない)の状態では、センシン
グエレメント103が乾燥しないように、置換液を噴霧
孔56から矢印11で示すように吹きかける。 (3)所定の遠心力8がかかる高速回転の状態では、置
換液の吹きかけを停止し、マイナスイオンを含む窒素な
どの不活性ガスを吹きつけて、センシングエレメント1
03が形成されているSOI基板100を乾燥させる。
図4(a)に示すように、遠心力8によって、置換液6
の表面張力による吸引力7を打ち消して、おもり部分1
10がシリコン基板1に固着する現象(所謂、スティッ
キング現象のこと)を防止する。また、不活性ガスの吹
きつけにより、静電気によるスティッキング現象を防止
する。さらに、シリコン基板1とシリコン層3を電気的
に接続することで、シリコン層で発生した静電気をシリ
コン基板1に逃がすことで、スティッキング現象を防止
することもできる。
で、高信頼性で、低コストの半導体力学量センサを、ク
リーンな環境で、比較的容易に製造することができる。
図5は、この発明の第3実施例の乾燥装置の要部構成図
で、同図(a)は乾燥装置を上から見た平面図、同図
(b)は乾燥装置の断面図である。この乾燥装置は図4
(b)、(c)に相当する図ある。
が、軸対称に4箇所である点である。この場合は、図4
に比べて、回転バランスが優れており、複数のセンシン
グエレメント103が形成されているSOI基板100
の乾燥を、均一に行うことができる。
の要部構成図で、同図(a)は乾燥装置を上から見た平
面図、同図(b)は乾燥装置の断面図である。この乾燥
装置は図5(a)、(b)に相当する図ある。
に、回転軸51、乾燥槽52の側壁の他に上蓋55およ
び乾燥層52の底部にもに設置されている点が図5と異
なる。このように、回転軸、側壁、上蓋および底部のす
べてから置換液を噴霧すると、さらに、確実にスティッ
キング現象を防止することができる。
トを乾燥させる場合に、センシングエレメントを形成し
たSOI基板の公転により、遠心力を発生させて、ステ
ィキング現象の防止を図る。
グエレメントを湿らせ、高速回転時に、マイナスイオン
を含む不活性ガスを噴霧することで、スティッキング現
象を防止できる。さらに、シリコン層とシリコン基板を
電気的に接続することで、静電気をシリコン基板に逃が
し、スティッキング現象を防止することができる。
華物質を用いることなく、センシングエレメントを乾燥
できる本発明の製造方法と製造装置を用いることによ
り、センシングエレメントとシリコン基板の間に異物が
残留することがなく、また、パターニング工程やエッチ
ング工程が簡略化できて、半導体力学量センサの高精度
化、高信頼性化および低コスト化を図ることができる。
要部工程断面図
要部工程断面図
量センサを製造する製造装置の要部構成図で、(a)は
上蓋をとった状態での平面図、(b)は断面図
いる図で、(a)はセンシングエレメントの断面図、
(b)は乾燥装置を上から見た平面図、(c)は乾燥装
置の断面図
で、(a)は乾燥装置を上から見た平面図、(b)は乾
燥装置の断面図
で、(a)は乾燥装置を上から見た平面図、(b)は乾
燥装置の断面図
(a)は平面図、(b)は(a)のY−Y線で切断した
断面図
(a)は平面図、(b)は(a)のB−B線で切断した
断面図
面図
面図
面図
面図
面図
面図
Claims (8)
- 【請求項1】第1層のシリコン基板と、該第1層上に形
成した第2層の犠牲層となる絶縁層と、該第2層上に形
成した第3層のシリコン層もしくはポリシリコン層とで
構成されるSOI基板で、前記第3層を加工して力学量
をセンシングするセンシングエレメントを形成し、前記
第2層を除去して形成する半導体力学量センサの製造方
法において、 前記第3層上を保護膜で被覆する工程と、該保護膜をマ
スクとして、センシングエレメントを形成する工程と、
前記第2層の犠牲層をウェットエッチングで除去する工
程と、該ウェットエッチングで用いたエッチング液を置
換液で置換する工程と、前記センシングエレメントに、
前記第1層へ向かう方向と反対方向の加速度をセンシン
グエレメントに印加した状態で、該センシングエレメン
トに付着した前記置換液を除去し、前記センシングエレ
メントを乾燥する工程と、前記保護膜をドライエッチン
グで除去する工程とを含むことを特徴とする半導体力学
量センサの製造方法。 - 【請求項2】前記センシングエレメントに印加する加速
度を、SOI基板を公転させて発生する遠心力で得るこ
とを特徴とする請求項1に記載の半導体力学量センサの
製造方法。 - 【請求項3】前記置換液の表面張力による前記センシン
グエレメントの前記第1層への吸引力FS 、前記遠心力
Fr および前記センシングエレメントのバネ力FK の関
係が、(Fr +FK )>FS を満たす条件で、前記セン
シングエレメントを乾燥することを特徴とする請求項2
に記載の半導体力学量センサの製造方法。 - 【請求項4】前記加速度が所定の値に至る前までは、前
記置換液を前記センシングエレメントに付着させ、前記
加速度が所定の値に至った後は、前記置換液を除去し、
センシングエレメントを乾燥することを特徴とする請求
項3に記載の半導体力学量センサの製造方法。 - 【請求項5】前記センシングエレメントを、マイナスイ
オンを含む不活性ガス雰囲気で乾燥することを特徴とす
る請求項1、3または4のいずれかに記載の半導体力学
量センサの製造方法。 - 【請求項6】前記第1層と前記第3層とを電気的に接続
して、SOI基板を公転させることを特徴とする請求項
2に記載の半導体力学量センサの製造方法。 - 【請求項7】前記置換液が蒸気、純水およびイソプロピ
ルアルコール(IPA)のいずれかであることを特徴と
する請求項1、3または4に記載の半導体力学量センサ
の製造方法。 - 【請求項8】請求項1ないし7に記載の半導体力学量セ
ンサの製造方法で用いられる製造装置において、少なく
とも回転軸と、乾燥槽と、SOI基板を固定する支持板
とを有し、少なくとも該回転軸もしくは該乾燥槽のいづ
れかに置換液の噴霧孔を具備することを特徴とする半導
体力学量センサの製造装置。
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