JP2000346868A

JP2000346868A - 力の検出装置の製造方法

Info

Publication number: JP2000346868A
Application number: JP11156839A
Authority: JP
Inventors: Yasumasa Yamaguchi; 泰正山口
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 1999-06-03
Filing date: 1999-06-03
Publication date: 2000-12-15

Abstract

(57)【要約】【課題】重錘体３３の形状が設計時の形状と比較して
小さくなりにくく、重錘体３３の大きさのばらつきが低
減できる力の検出装置の製造方法を提供する。【解決手段】下層部１、中層部２、上層部３とマスク
材４の４層構造を有する積層膜を形成し、上層部３とマ
スク材４に研削により中層部２に達しない溝３１とマス
ク４１を形成する。そして、マスク４１を用いて中層部
２の上面が出るまで上層部３を選択的かつ異方的にドラ
イエッチングし、次に、下層部１の上面が出るまで中層
部２を選択的にエッチングし、最後に、マスク４１を選
択的にエッチングする。このことにより、重錘体３３の
側壁部のエッチングが抑制される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車等の各種装
置に使用される力の検出装置に係り、特に、この検出装
置中の重錘体の形状を設計どおりに再現性よく形成する
製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図４は従来の力の検出装置の製造工程を
示す図である。

【０００３】（イ）図４（ａ）に示すように、中層部
２、上層部３の二層構造の下の下層部に、容量素子の電
極間隔を決定する凹部１２と脚部１１を形成する。具体
的には下層部と上層部３はシリコン、中間部２はシリコ
ン酸化膜により構成する。上層部３の膜厚は５２５μｍ
とする。次に、絶縁基板５上に電極６を形成し、脚部１
１の下面を絶縁基板５の上面に接合する。

【０００４】（ロ）図４（ｂ）に示すように、研削によ
り溝３１を形成する。溝３１の深さは４７５μｍであ
り、溝の底に残った上層部３の厚さは５０μｍである。
重錘体３３と支柱３２の上面の形状は方形で大きさは縦
横とも８００μｍである。

【０００５】（ハ）中層部２の上面が出るまで上層部３
のシリコンのドライエッチングを行う。得られた溝の深
さは４６４μｍであり、上層部の上面の大きさは縦横と
も６６６μｍに減少する。重錘体３３の設計上の大きさ
が縦横８００μｍ高さ５２５μｍであり、得られた重錘
体の大きさが縦横６６６μｍ高さ４６４μｍであるの
で、体積比で６１％に減少することになる。次に、図４
（ｃ）に示すように、下層部１の上面が出るまで中層部
２のシリコン酸化膜のエッチングを行う。

【０００６】（ニ）最後に、図４（ｄ）に示すように、
蓋材７を形成し、蓋材７の下面を支柱３２の上面に接合
する。

【０００７】従来技術では、力の検出装置を量産するの
に、溝３１を切削した後、溝の底部を中層部の上面が露
出するまでエッチングにより掘り下げる形成工程をとる
が、この時、重錘体３３となるシリコンもエッチングし
てしまう問題があった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来技術では、この重
錘体もエッチングしてしまう問題により、重錘体の形状
は設計時の形状と比較して小さくなり軽くなるので、重
錘体に作用する慣性力が小さくなり、力の検出装置の感
度を劣化させる。また、エッチング毎にエッチング速度
にばらつきが存在するため、重錘体の大きさがばらつ
き、最終的に力の検出装置の感度をばらつかせてしま
う。これらより、力の検出装置の量産時に製造歩留まり
低下を招く恐れがある。

【０００９】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、重錘体の形成のため
のエッチングの際に、重錘体の形状が設計時の形状と比
較して小さくなりにくい力の検出装置の製造方法を提供
することにある。

【００１０】また、本発明の目的は、重錘体の形成のた
めのシリコンのエッチングの際に、エッチング速度がば
らついても、重錘体の大きさのばらつきが低減できる力
の検出装置の製造方法を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】重錘体の形成に際し、ダ
イヤモンドブレード等による研削の手法を用いると、ダ
イヤモンドブレードの刃を当てた箇所のみが掘れるので
所望の形状にできる利点と、高速に掘れる利点はある
が、可撓膜を掘ることなくこの膜の上で掘ることを停止
することは非常に困難であり、たとえ停止することがで
きたとしても、研削時に発生する振動等により可撓膜に
クラックが発生することがある。一方、エッチングの手
法を用いると、掘る速度が遅いので生産性が低いが、適
当なエッチャントと被エッチング材料を選択することに
よりエッチングの選択性が発現し、可撓膜を掘ることな
くこの膜の上でエッチングを停止することが可能にな
る。ただし、エッチングにおいては適当に選択性を有し
ても、所望の異方性を発現させることは困難で、研削と
同様の形状を得ることは難しい。

【００１２】上記問題点を解決するための本発明の特徴
は、下層部、中層部、上層部の三層構造を有する膜を形
成する工程と、上層部の上にマスク材を形成する工程
と、下層部の一部を薄膜化して可撓膜と脚部を形成する
工程と、絶縁基板の上面に電極を形成する工程と、脚部
の下面を絶縁基板の上面に接合する工程と、研削により
中層部に達しない溝とマスクを形成する工程と、マスク
により中層部の上面が出るまで上層部を選択的かつ異方
的にドライエッチングする工程と、下層部の上面が出る
まで中層部を選択的にエッチングする工程と、マスクを
選択的にエッチングする工程とを含む力の検出装置の製
造方法であることである。ここで、「研削」とは主にダ
イヤモンドブレード等を用いて機械的に掘ることで、
「エッチング」とは主に化学的に掘ることをいう。化学
的についてはスパッタリング現象のような物理的な作用
を伴うものであってもよい。「マスク材」とは、ドライ
エッチング等のエッチングの工程において被エッチング
物を選択的かつ異方的にエッチングするために被エッチ
ング物を覆う耐エッチング性の材料のことである。「可
撓膜」とは、力の検出装置に作用する外力と、この装置
内部の重錘体に作用する慣性力とによって撓む膜のこと
である。「脚部」とは、可撓膜が撓む際の運動の幅を確
保するためのスペーサーのことである。「選択的」と
は、あるエッチャントに対してある物質のみがエッチン
グされて他の物質がエッチングされない状態のことであ
る。「異方的」とは、エッチング速度がその方向によっ
て異なることをいう。

【００１３】このことにより、研削とエッチングの利点
が相乗する製造方法可能となる。まず、研削を行うが中
層部に達しない溝を形成するので、溝の底には厚膜が残
り、研削によって可撓膜となる中層部を掘ったりクラッ
クを生じさせたりすることはほとんどない。そして、こ
の研削によりエッチング用のマスクが自己整合的に形成
される。このマスクを用いてエッチングを行うことによ
り、研削場所とエッチング場所がずれることなく、マス
クに対する上層部のエッチングの選択的効果と異方的効
果を効率よく発現させることができる。また、上層膜の
エッチングに対するストッパーとして中層膜を用い、中
層膜のエッチングのストッパーとして下層膜を用いるこ
とで、厚い上層膜をエッチングする際に生じる膜の面内
の不均一なエッチング速度による長時間にわたるオーバ
ーエッチングに下層膜をさらさずにすむので下層膜の上
面で精度良くエッチングを止めることができる。そし
て、選択性と異方性の発現によりエッチングしたいとこ
ろのみのエッチング速度が大きくなっているので、エッ
チング速度が装置の製造毎にばらついても、エッチング
したくないところがエッチングされ所望の形状が得られ
なくなることは少ない。さらに、マスクが下層部、中層
部、上層部い対して選択的にエッチングできることによ
り、下層部、中層部、上層部をエッチングすることなく
マスクを除去することができる。

【００１４】本発明の特徴は、下層部と上層部はシリコ
ン、中間部はシリコン酸化膜であることにより効果的で
ある。このことにより、シリコンのエッチングガスとし
ては六弗化硫黄（ＳＦ₆）と酸素（Ｏ₂）の混合ガスを使
用し、シリコン酸化膜には四弗化炭素（ＣＦ₄）と酸素
（Ｏ₂）やＣ₂Ｆ₄等の混合ガスあるいはＣＨＦ₃、Ｃ
₂Ｆ₆、Ｃ₃Ｆ₈等のガスを使用すれば、それぞれがシリコ
ン酸化膜とシリコンに対し選択性を有する。

【００１５】また、本発明の特徴は、マスク材がアルミ
ニウム膜であることにより効果的である。このことによ
り、上記シリコンとシリコン酸化膜のエッチングに対し
てマスク材はほとんどエッチングされない。シリコンと
シリコン酸化膜のエッチング終了後に熱リン酸等を用い
ればシリコンとシリコン酸化膜に対してマスクに用いた
アルミニウムはシリコンとシリコン酸化膜に対して大き
なエッチング速度を有するので容易に除去できる。

【００１６】

【発明の実施の形態】次に、図面を参照して、本発明の
実施の形態として力の検出装置を説明する。以下の図面
の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似
の符号を付している。また、図面は模式的なものであ
り、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現
実のものとは異なることに留意すべきである。

【００１７】図１は本発明の実施の形態に係る力の検出
装置の構造図である。図１（ａ）は本発明の実施の形態
に係る力の検出装置の断面図である。図１（ｂ）は図１
（ａ）の矢印ｂの位置で輪切りにした平面図である。逆
に図１（ｂ）のＩ−Ｉ方向に対応した断面図が図１
（ａ）となる。同様に図１の（ｃ）と（ｄ）は図１
（ａ）の矢印ｃとｄのそれぞれの位置で輪切りにした平
面図である。なお、図１には２つの力の検出装置が示さ
れている。これは、力の検出装置の製造過程において現
れる形状で、図１の中央で左右対称に分割した装置それ
ぞれが力の検出装置となる。

【００１８】本発明の実施の形態に係る力の検出装置
は、被検出物に固定される絶縁基板５と、外力に伴って
生じる慣性力が作用する重錘体３３と、絶縁基板５と重
錘体３３との間に形成され導電性と可撓性を有する可撓
膜１３と、絶縁基板５の可撓膜１３に対する対向面に形
成される複数の電極６とを有することを特徴とする。な
お、可撓膜１３に導電性を持たせる代わりに可撓膜１３
の絶縁基板５に対する対向面に変位電極を形成してもよ
い。複数の電極６のそれぞれと可撓膜１３とは容量素子
の対となる電極になり、電極６と同数の容量素子が構成
される。これらの容量素子の容量値は、可撓膜１３と電
極６の距離（以下、電極間隔という。）、電極６の面積
と空気の誘電率で概ね決まる。

【００１９】力の検出装置に何ら力が作用していない場
合は、可撓膜１３と絶縁基板５は平行な状態に保たれ、
容量素子はそれぞれ所定の容量値を示す。この装置が図
１（ａ）において右方向に動かされるような力を受ける
と、重錘体３３には左方向に慣性力が作用する。この結
果、重錘体３３の重心は左方向に移動し、可撓膜１３に
撓みが生じる。この時、重錘体３３の右下にある電極６
で構成される容量素子では電極間隔が広がるので容量値
は小さくなる。一方、重錘体３３の左下にある電極６で
構成される容量素子では電極間隔が狭まるので容量値は
大きくなる。そして、重錘体３３の真下、下方手前と下
方奥にある電極６で構成される容量素子では電極間隔が
左右の容量素子と比べ変動しないので容量値の変化も小
さい。また、この装置が図１（ａ）において左方向、手
前の方向、奥の方向に動かされるような力を受ける場合
も、力の方向に対して同様な変動が起こる。この装置が
図１（ａ）において上方向に動かされるような力を受け
ると、重錘体３３には下方向に慣性力が作用する。この
結果、重錘体３３の重心は下方向に移動し、可撓膜１３
が撓み、すべての容量素子で電極間隔が狭まるので容量
値は大きくなる。また、下方向の力を受けた場合は、上
方向の力を受けた場合の結果と逆の結果を得ることがで
きる。このように力の検出装置では力の方向が容量値の
変化から判別できる。さらに、容量値の変化の大きさか
ら力の大きさも測定可能である。

【００２０】図２及び図３は本発明の実施の形態に係る
力の検出装置の製造工程を示す図である。

【００２１】（イ）図２（ａ）に示すように、下層部
１、中間部２、上層部３の三層構造を有する膜を形成す
る。具体的には下層部１と上層部３はシリコン、中間部
２はシリコン酸化膜により構成する。上層部３の膜厚は
５２５μｍとする。

【００２２】（ロ）図２（ｂ）に示すように、上層部３
の上に後述の図３（ｂ）の工程におけるシリコンのエッ
チングに用いるマスク材４としてアルミニウム膜を膜厚
１〜２μｍ成膜させる。アルミニウム膜の成膜はＥＢ蒸
着法によりおこなう。蒸着直前のチャンバーの到達圧力
は２．７×１０^-4Ｐａで、基板温度は３００℃とする。
蒸着時間は３〜４分間で、アルミニウム膜の膜厚は１〜
１．２μｍである。次に、ホトリソグラフィ法でレジス
トをパターニングし、エッチングガスに六弗化硫黄（Ｓ
Ｆ₆）と酸素（Ｏ₂）の混合ガスを使用したドライエッチ
ング法で凹部１２を形成する。下層部１のエッチングの
残膜部が可撓膜１３になり、エッチングされない部分が
脚部１１となる。

【００２３】（ハ）図２（ｃ）に示すように、絶縁基板
５上に、例えばガラス基板上にアルミニウム等による電
極６を形成する。電極６のパターニングは型抜きした金
属板等をスクリーンに成膜するリフトオフによってもよ
いし、成膜後にホトリソグラフィ法でレジストをパター
ニングし、ドライエッチング法でエッチングガスに塩素
ガス（Ｃｌ₂）等の塩素原子を含有するガスを使用しパ
ターニングを行ってもよい。また、これらの方法を併用
しても良い。

【００２４】（ニ）図２（ｄ）に示すように、脚部１１
の下面を絶縁基板５の上面に陽極接合等により接合す
る。

【００２５】（ホ）次に図３（ａ）に示すように、ダイ
ヤモンドブレード等による研削により格子状の溝３１を
形成する。研削によって得られた上層部３における溝の
深さは４７５μｍであり、溝の幅は８００μｍであり、
上層部３の溝の底部の残膜の厚さは５０μｍである。四
方を溝３３で囲まれた重錘体３３と支柱３２の上面の形
状は方形で大きさは縦横とも８００μｍである。重錘体
３３と支柱３２の上部にはマスク材４が残りマスク４１
が形成される。

【００２６】（ヘ）図３（ｂ）に示すように、中層部２
の上面が出るまで上層部３のシリコンのドライエッチン
グを行う。ドライエッチング条件は材料ガスとしては六
弗化硫黄（ＳＦ₆）と酸素（Ｏ₂）の混合ガスを用い、そ
れぞれの材料ガスの流量は１００ＳＣＣＭと１０ＳＣＣ
Ｍである。反応圧力は１０Ｐａで印加したＲＦ電力は３
００〜５００Ｗである。この条件によりシリコンのエッ
チングレートは０．６〜０．７μｍ／分が得られ、エッ
チング時間は１４０〜２００分間である。マスク４１の
アルミニウムのエッチングレートに対するシリコンのエ
ッチングレートの比すなわちアルミニウムに対するシリ
コンの選択比は１５０〜２００であり、シリコン酸化膜
対するシリコンの選択比は２０〜２００であった。

【００２７】上記材料ガスによるエッチングはアルミニ
ウムに対するシリコンの選択性が高く、上記反応圧力、
ＲＦ電力と材料ガスによれば異方性も高められ、上層部
３の側壁のシリコンはマスク４１のアルミニウム膜に保
護されてエッチングされにくい。また、シリコン酸化膜
に対するシリコンの選択性も高いので、中層部２のシリ
コン酸化膜でエッチングをストップさせることができ
る。得られた溝の深さは５２５μｍであり、上層部の上
面の大きさは縦横とも７７０μｍであった。これより縦
横ともエッチング前の上層部の上面の大きさは８００μ
ｍあったのであるから３０μｍ小さくなったことにな
る。上層部の膜厚は５２５μｍであったから、膜厚方向
にはエッチングされなかったことがわかる。また、重錘
体の設計上の大きさが縦横８００μｍ高さ５２５μｍで
あり、得られた重錘体の大きさが縦横７７０μｍ高さ５
２５μｍであるので、体積比で９３％への減少にとどま
ることになる。

【００２８】（ト）図３（ｃ）に示すように、下層部１
の上面が出るまで中層部２のシリコン酸化膜のエッチン
グを行う。このエッチングはエッチングガス四弗化炭素
（ＣＦ₄）と酸素（Ｏ₂）等の混合ガスを使用するドライ
エッチング法で行う。最後に、マスク４１のアルミニウ
ムを熱燐酸で選択的にエッチングする。

【００２９】（チ）図３（ｄ）に示すように、凹部７２
を作ることで蓋材７を形成する。例えば蓋材７にガラス
を使用した場合は、ホトリソグラフィ法でレジストをパ
ターニングし、ドライエッチング法でエッチングガスに
四弗化炭素（ＣＦ₄）と酸素（Ｏ₂）等の混合ガスを使用
し凹部７２を形成する。エッチングされない部分が脚部
７１となる。

【００３０】（リ）最後に、図１（ａ）に示すように、
脚部７１の下面を支柱の上層部３２の上面に陽極接合等
により接合する。図１（ｂ）に示す２つの脚部７１の間
の位置でダイシングすることにより力の検出装置一つず
つに分割する。

【００３１】（その他の実施の形態）上記のように、本
発明は１つの実施の形態によって記載したが、この開示
の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するもので
あると理解すべきではない。この開示から当業者には様
々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとな
ろう。

【００３２】本発明の実施の形態に係る力の検出装置の
製造方法では、下層部、中層部と上層部の三層構造とし
たが、中層部を省略をした一層構造であってもよい。シ
リコンとシリコン酸化膜のマスク材とエッチングガスは
上記と同じものを使用すればよい。

【００３３】さらに、本発明の実施の形態に係る力の検
出装置の製造方法では、下層部に可撓膜を形成したが、
中層膜に可撓膜を形成してもよい。このようにすれば、
中層膜を上層膜のエッチングに対するストッパーにでき
るだけでなく、下層膜のエッチングに対するエッチング
のストッパーにすることができる。さらに、力の検出装
置毎の可撓膜の膜厚が、エッチングの下地に対する選択
性が大きく確保され、エッチング速度が面内で均一であ
る限りにおいては、中層膜の成膜条件のみによって決ま
るので、検出装置毎の可撓膜の膜厚のばらつきを小さく
するための管理が容易になる。

【００３４】最後に、上記より四層構造も有効であるこ
とが容易にわかる。この場合、下層膜にあらかじめ可撓
膜と除去される部分とに分けて成膜した場合と考えられ
る。すなわち、上層側から下層側に向けてシリコン、シ
リコン酸化膜、シリコン、シリコン酸化膜とすればよ
い。上層側のシリコンとシリコン酸化膜と最下層のシリ
コン酸化膜を選択的にエッチングすることで検出装置毎
の膜厚のばらつきが小さいシリコンの可撓膜を得ること
ができる。

【００３５】このように、本発明はここでは記載してい
ない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。した
がって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特
許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められ
るものである。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
重錘体の形成のためのエッチングの際に、重錘体の形状
が設計時の形状と比較して小さくなりにくい力の検出装
置の製造方法を提供できる。

【００３７】また、本発明によれば、重錘体の形成のた
めのエッチングの際に、エッチング速度がばらついて
も、重錘体の大きさのばらつきが低減できる力の検出装
置の製造方法を提供できる。そして、量産時の製造歩留
まりを向上できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る力の検出装置の構造
図である。

【図２】本発明の実施の形態に係る力の検出装置の製造
工程（その１）を示す図である。

【図３】本発明の実施の形態に係る力の検出装置の製造
工程（その２）を示す図である。

【図４】従来の力の検出装置の製造工程を示す図であ
る。

【符号の説明】

１下層部２中層部３上層部４マスク材５絶縁基板６電極７蓋材１１、７１脚部１２、７２凹部１３可撓膜２１、２２支柱または重錘体の下層部３１溝３２支柱３３重錘体４１マスク

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】下層部、中層部、上層部の三層構造を有
する膜を形成する工程と、前記上層部の上にマスク材を形成する工程と、前記下層部の一部を薄膜化して可撓膜と脚部を形成する
工程と、絶縁基板の上面に電極を形成する工程と、前記脚部の下面を前記絶縁基板の上面に接合する工程
と、研削により前記中層部に達しない溝とマスクを形成する
工程と、前記マスクにより前記中層部の上面が出るまで前記上層
部を選択的かつ異方的にドライエッチングする工程と、前記下層部の上面が出るまで前記中層部を選択的にエッ
チングする工程と、前記マスクを選択的にエッチングする工程とを含むこと
を特徴とする力の検出装置の製造方法。
【請求項２】前記下層部と前記上層部はシリコン、前
記中層部はシリコン酸化膜であることを特徴とする請求
項１記載の力の検出装置の製造方法。
【請求項３】前記マスク材がアルミニウム膜であるこ
とを特徴とする請求項１または請求項２記載の力の検出
装置の製造方法。