JP2003046091A - 微小構造体とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 可動部の厚さが厚く、可動部と固定部との間
の空隙幅が広く、それでいながら、可動部と空隙の上方
に電極等の構造層が配置された微小構造体を実現するこ
とを目的とする。 【解決手段】 上記課題を解決する微小構造体の製造方
法は、 （１）基板の表面に、製造終了時に可動状態となる可動
部１０６ａと、可動部１０６ａとの間に空隙を隔てて配
置された固定部１０６ｃと、可動部１０６ａと固定部１
０６ｃとの間の空隙内に配置されているとともに製造終
了時に消失するダミー部１０６ｂとに分離されている凸
パターンを形成する。 （２）可動部１０６ａからダミー部１０６ｂを経て固定
部１０６ｃに至る領域に犠牲層を堆積する。 （３）犠牲層上に構造層を形成する。 （４）犠牲層を堆積した後、または、構造層を形成した
後に、ダミー部１０６ｂを除去する。 （５）構造層を形成した後に、犠牲層を除去する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】 本発明は、半導体製造技術
を用いて微小構造体を製造する方法に関する。本発明は
また、その結果製造される新規な微小構造体にも関す
る。本発明は、例えば角速度センサや加速度センサとし
て利用することができる振動式センサ等を製造する場合
に好適に用いることができる。

【０００２】

【従来の技術】 図１に従来の角速度センサの平面図を
示す。図１の角速度センサは、大きく分けて、基板２
と、基板２の中央に配置された振動体３と、振動体３の
ｘ軸方向（図示上下方向）両側に固定された２つの励振
電極４ａ、４ｂと、振動体３のｙ軸方向（図示左右方
向）両側に固定された４つの検出電極２８ａ〜２８ｄを
備えている。振動体３は、開口群２４を有する可動部２
２と、可動部２２からｙ軸方向に伸びる櫛歯電極２６
ａ、２６ｂと、可動部２２からｘ軸方向に伸びる４本の
ビーム２０ａ〜２０ｄと、各ビーム２０ａ〜２０ｄのｘ
軸方向上端または下端に結合されたリンク１６ａ、１６
ｂと、各リンク１６ａ、１６ｂのｘ軸方向上端または下
端に結合された櫛歯電極１８ａ、１８ｂと、各リンク１
６ａ、１６ｂからｙ軸方向に伸びる４本のビーム１２ａ
〜１２ｄと、各ビーム１２ａ〜１２ｄの左端または右端
に結合された４つのリンク１４ａ〜１４ｄと、各リンク
１４ａ〜１４ｄからｙ軸方向に伸びる８本のビーム１０
ａ〜１０ｈと、各ビーム１０ａ〜１０ｈの右端または左
端に結合された８つのアンカー８ａ〜８ｈを有する。各
アンカー８ａ〜８ｈは基板２に固定されている。振動体
３のアンカー８ａ〜８ｈ以外の部分は、基板２との間に
ｚ軸方向（紙面垂直方向）に間隙を隔てて配置されてい
る。この構成によって、可動部２２はｘ軸方向とｙ軸方
向に変位可能（振動可能）となっている。

【０００３】各励振電極４ａ、４ｂにはそれぞれ櫛歯電
極６ａ、６ｂが結合されている。各櫛歯電極６ａ、６ｂ
はそれぞれ、振動体３の櫛歯電極１８ａ、１８ｂと非接
触で噛合っている各検出電極２８ａ〜２８ｄにはそれぞ
れ櫛歯電極３０ａ〜３０ｄが結合されている。櫛歯電極
３０ａ、３０ｂは振動体３の櫛歯電極２６ａと非接触で
噛合っている。櫛歯電極３０ｃ、３０ｄは振動体３の櫛
歯電極２６ｂと非接触で噛合っている。

【０００４】図１の角速度センサでは、励振電極４ａ、
４ｂに交互に電圧を印加することによって、櫛歯電極６
ａと櫛歯電極１８ａ間、あるいは櫛歯電極６ｂと櫛歯電
極１８ｂ間に静電引力を交互に発生させて可動部２２を
ｘ軸方向に振動させる。この状態で角速度センサの全体
がｚ軸回りに角速度Ωで回転すると、可動部２２にはコ
リオリ力が作用する。この結果、可動部２２はｙ軸方向
にも振動する。このｙ軸方向の振動を櫛歯電極３０ａ、
３０ｂと櫛歯電極２６ａの間、あるいは櫛歯電極３０
ｃ、３０ｄと櫛歯電極２６ｂの間の静電容量の変化とし
て検出することによって、角速度Ωを検出することがで
きる。

【０００５】図１の角速度センサの形状を簡略化して示
す図２の角速度センサの製造方法を次に説明する。図２
の角速度センサは、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基
板との間にｚ軸方向に空隙を隔てて配置された開口群４
８を有する可動部４４ａと、基板に結合されているとと
もに可動部４４ａの周囲に空隙５０を隔てて配置されて
いる固定部４４ｂと、可動部４４ａと固定部４４ｂとを
繋ぐビーム４４ｃ（基板との間にｚ軸方向に空隙を隔て
て伸びている）とを備えている。

【０００６】以下では、図２の角速度センサの製造工程
を、図２のＡ−Ａ断面を参照しながら説明する。まず図
３に示すように、単結晶シリコンからなる基板４０と、
シリコン酸化膜からなる絶縁層４２と、単結晶シリコン
からなる活性層４４を備えたＳＯＩ基板を用意する。次
に図４に示すように、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposit
ion）によって活性層４４上にシリコン酸化膜４６を堆
積させた後、そのシリコン酸化膜４６を可動部形成用の
マスク４６ａと固定部形成用のマスク４６ｂにパターニ
ングする。次に、図５に示すように、ＲＩＥ（Reactive
Ion Etching）によって可動部４４ａと固定部４４ｂと
の間に幅の広い空隙５０を形成する。この結果、活性層
４４に、可動部４４ａと可動部４４ａとの間に空隙５０
を隔てて配置された固定部４４ｂに分離された凸パター
ンが形成される。次に図６に示すように、絶縁層４２を
フッ化水素（ＨＦ）を含むエッチング液等によってエッ
チングする。この結果、可動部４４ａの下方に空隙５２
が形成され、可動部４４ａが基板４０に対し変位可能な
状態となる。このようにして、図２に示す形状の角速度
センサが製造される。可動部４４ａと固定部４４ｂの間
の空隙５０の幅Ｗ４（図６参照）が広いと、可動部４４
ａが大きく変位することができる。また、角速度センサ
の出力を大きくするためには、可動部４４ａの質量を大
きくすることが有効である。可動部４４ａの質量を大き
くするためには、可動部４４ａ（活性層４４）の厚さＷ
２（図６参照）を厚くすることが有効である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】 以上に例示したよう
に、可動部４４ａや固定部４４ｂの厚さＷ２を厚くし、
可動部４４ａと固定部４４ｂとの間の空隙５０の幅Ｗ４
を広くしたい場合がある。しかしながら、例えば、図６
等に示す可動部４４ａの厚さを厚くし、可動部４４ａと
固定部４４ｂとの間の空隙５０の幅を広くした状態で、
可動部４４ａから固定部４４ｂに至る領域に犠牲層を堆
積させると、可動部４４ａと固定部４４ｂとの間の空隙
５０内に犠牲層の上面が入り込んでしまう。このため、
その犠牲層の上に構造層（例えば電極として用いる）を
形成したとしても、その構造層が可動部４４ａと固定部
４４ｂとの間の空隙５０内に入り込んでしまう。この結
果、その構造層の上面にレジストを塗っても、レジスト
を均一に濡れず、フォトリソグラフィができなくなるの
で、その構造層のパターニングができなくなるという問
題があった。また、可動部４４ａを空隙５０内で変位さ
せることができなくなるという問題もあった。このた
め、製造終了時には可動部の厚さが厚く、可動部と固定
部との間の空隙幅が広い微小構造体を実現しながらも、
製造工程中には可動部から固定部に至る領域上を平坦化
させる技術の実現が望まれていた。この技術が実現され
れば、可動部の厚さが厚く、可動部と固定部との間の空
隙幅が広く、それでいながら、可動部と空隙の上方に電
極やキャップ等の構造層が配置された微小構造体を実現
することができる。

【０００８】本発明は、製造終了時には可動部の厚さが
厚く、可動部と固定部との間の空隙幅が広い微小構造体
を実現しながらも、製造工程中には可動部から固定部に
至る領域上をほぼ平坦化させる技術を実現することを第
１の目的とする。また、本発明は、可動部の厚さが厚
く、可動部と固定部との間の空隙幅が広く、それでいな
がら、可動部と空隙の上方に電極やキャップ等の構造層
が配置された微小構造体を実現することを第２の目的と
する。

【０００９】

【課題を解決するための手段および作用と効果】 上記
した目的の少なくとも１つを達成するための本発明は、
微小構造体の製造方法に具現化される。その製造方法で
は、最初に基板の表面に、製造終了時に可動状態となる
可動部と、可動部との間に空隙を隔てて配置された固定
部と、可動部と固定部との間の空隙内に配置されている
とともに製造終了時に消失するダミー部とに分離されて
いる凸パターンを形成する。その後に、可動部からダミ
ー部を経て固定部に至る領域に犠牲層を堆積する。そし
て、犠牲層を堆積した後にダミー部を除去する。ここ
で、可動部と固定部は、どこかで繋がっていてもよい
し、完全に分離されていてもよい。

【００１０】この製造方法では、可動部と固定部の間
に、製造工程中に除去してしまうために製造終了時には
消失するダミー部をあえて形成することによって、可動
部と固定部との間の空隙幅を狭める。空隙幅を狭めた状
態で、可動部からダミー部を経て固定部に至る領域に犠
牲層を堆積するために、犠牲層の表面をほぼ平坦化する
ことができる。この製造方法によると、製造終了時には
可動部の厚さが厚く、可動部と固定部との間の空隙幅が
広い微小構造体を実現しながらも、製造工程中には可動
部から固定部に至る領域上をほぼ平坦化させることがで
きる。

【００１１】この製造方法では、犠牲層上に構造層を形
成し、犠牲層を堆積した後、または、構造層を形成した
後に、ダミー部を除去し、構造層を形成した後に、犠牲
層を除去することが好ましい。上記したように可動部と
固定部上の犠牲層の表面をほぼ平坦化できると、犠牲層
の表面が、可動部と固定部との間の空隙内に入り込まな
いようにすることができる。この犠牲層上に構造層を形
成すると、その構造層は可動部と固定部との間の空隙内
には入り込まない。ダミー部を設けることによって、可
動部とダミー部の間、あるいはダミー部と固定部の間の
空隙幅を狭くすることができるので、可動部の厚さが厚
くても、構造層が可動部と固定部との間の空隙内に入り
込まないようにすることができる。このために、その後
にダミー部と犠牲層を除去することで、可動部と構造層
を分離でき、さらに、可動部と固定部との間に充分な幅
の空隙を確保して可動部の変位可能な幅を大きく確保す
ることができる。この製造方法によると、可動部の厚さ
が厚く、可動部と固定部との間の空隙幅が広い場合に、
可動部の上方に電極等を構成する構造層が配置された微
小構造体を実現することができる。

【００１２】ＳＯＩ基板を用い、その絶縁層上のＳＯＩ
層に絶縁層に達する凸パターンを形成し、その後に絶縁
層を除去することによって半導体基板に対して可動状態
となる可動部を形成することが好ましい。この製造方法
によると、ＳＯＩ基板の絶縁層上のＳＯＩ層（これは必
要なだけ厚く形成することができる）を利用して可動部
を形成することができるために、基板から分離された可
動部の厚さを厚く確保することができる。厚くて重い可
動部を備えているために感度が高く、可動部の変位可能
幅が大きいために測定レンジが広く、しかも可動部の上
方に電極等の構造層を備えた３次元構造の微小構造体を
実現することができる。

【００１３】犠牲層を堆積した後に、犠牲層の上面から
ダミー部に達する孔を形成し、その孔からダミー部をエ
ッチングして除去し、その犠牲層上にさらに別の犠牲層
を堆積し、その別の犠牲層上に開口群を有する構造層を
形成し、その開口群から犠牲層をエッチングして除去す
ることが好ましい。この製造方法によると、構造層を形
成する前にダミー部を除去することができる。

【００１４】あるいは、開口群を有する構造層を形成
し、その後に、エッチングマスクとなる別の犠牲層で構
造層を覆い、その別の犠牲層の上面からダミー部に達す
る孔を形成し、その孔からダミー部をエッチングして除
去し、ついで犠牲層をエッチングして除去することもで
きる。この製造方法によっても、可動部と固定部と構造
層を残しながら、ダミー部と犠牲層をエッチングして除
去することができる。

【００１５】犠牲層を堆積した後に、犠牲層の上面から
固定部に達するコンタクト孔を形成し、その後に犠牲層
上に構造層を形成することが好ましい。この製造方法に
よって犠牲層上に構造層を形成すると、コンタクト孔に
構造層が埋め込まれ、構造層と固定部を接触させること
ができる。このため、例えば構造層が電極として機能す
る場合には、固定部から構造層（電極）に電圧をかける
ことができる。

【００１６】開口群を持つ構造層を形成しておいてか
ら、その上に透過膜を形成し、その透過膜上に真空中ま
たは不活性ガス雰囲気中で封止膜を形成することが好ま
しい。可動部が高速で振動する角速度センサ等の微小構
造体では、可動部の周囲に大気が存在していると、空気
の粘性によって可動部の振動が減衰するという問題があ
った。空気の粘性によって可動部の振動が減衰すると、
センサの高感度化が妨げられる。空気の粘性によって振
動が減衰するのを防ぐためには、真空封止をする必要が
ある。また、水分の侵入や酸化による劣化を防ぐために
は不活性ガス雰囲気中で封止することが望ましい。従来
は、キャンパッケージを用いたり、あるいはウェハ接合
することによって真空封止や不活性ガス雰囲気中での封
止を行っていた。しかしながら、キャンパッケージを用
いる場合は、微小構造体を１つずつキャンパッケージに
装着する必要があり、チップ単位の処理が必要となるた
めに生産性が低く、低コスト化に適さないという問題が
ある。また、ダイシング後に封止するために、組立時の
歩留まりが低下するという問題もある。一方、ウェハ接
合をする場合は、２枚のウェハを位置合わせするための
陽極接合装置が必要となる。また陽極接合時には酸素が
発生するために脱ガス対策も必要となる。さらに、ウェ
ハ接合の接合面をまたいで室内から室外へ配線を引出す
ことが必要とされる。上記した製造方法によると、構造
層に開口群が形成されている場合でも、その構造層上に
透過膜を形成することで、塵等の異物は通さないように
しながら、エッチングガスやエッチング液を通してエッ
チングを行うことができる。また、半導体製造技術の流
れの中で真空封止または不活性ガス雰囲気中で封止を行
えるため、キャンパッケージやウェハ接合を用いて真空
封止または不活性ガス雰囲気中で封止を行う必要がなく
なる。

【００１７】本発明は、従来技術では実現できなかった
微小構造体を実現する。本発明ではじめて実現される微
小構造体は、基板と、基板との間に空隙を隔てて配置さ
れた厚さ１μｍ以上の可動部と、基板に結合されるとと
もに可動部との間に１μｍ以上の空隙を隔てて配置され
た固定部と、可動部の上方を空隙を隔てて配置されると
ともに固定部に結合された構造層を備えている。ここ
で、構造層が固定部に「結合」されるとは、構造層が固
定部に直接的に接触して取付けられている場合のみなら
ず、他の部材を介して固定部に間接的に取付けられてい
る場合も含む。

【００１８】可動部の厚さが１μｍ以上であって、可動
部と固定部間の空隙幅が１μｍ以上である場合、可動部
と固定部に亘って犠牲層を堆積すると、犠牲層の上面
は、可動部と固定部間の空隙内に入り込んでしまう。こ
の結果、犠牲層上に構造層を形成してもその構造層が空
隙内に入り込んでしまうために、従来では、上記構成の
微小構造体は実現されなかった。この発明によると、可
動部の厚さが１μｍ以上と厚く、可動部と固定部の間の
空隙幅が１μｍ以上と広い場合でも、上記した製造方法
によって、可動部の上方に構造層が配置された微小構造
体を実現することができる。

【００１９】開口群が形成された構造層上に透過膜が形
成され、その透過膜上に封止膜が形成されていると、可
動部に異物が侵入することを防止でき、可動部が真空中
で変位可能な微小構造体が実現される。

【００２０】微小構造体の可動部と固定部が、ＳＯＩ基
板の絶縁層上のＳＯＩ層で形成されている微小構造体
は、半導体製造技術で発展した様々な技術と設備を利用
することで、安価に簡単に製造することができる。

【００２１】本発明は、また、可動部が存在しない微小
構造体の製造方法にも具現化することができる。この製
造方法では、基板の表面に、断面視したときに空隙を隔
てて配置されている少なくとも２つの凸パターンを提供
する固定部と、２つの凸パターン間の空隙内に配置され
ているとともに製造終了時に消失する凸パターンを提供
するダミー部を形成する。その後に、固定部の２つの凸
パターン間に亘る領域に犠牲層を堆積する。そして、犠
牲層を堆積した後にダミー部を除去する。高感度化のた
めに、図１に示すような検出電極２８（固定部に相当す
る）等を厚くしたい場合がある。また、微小構造体（上
記角速度センサ等）の設計上の理由から、２つの固定部
（例えば図１の検出電極２８ａと２８ｂ）間の空隙幅を
広くせざるを得ない場合もある。この製造方法による
と、製造終了時には固定部の厚さが厚く、固定部の２つ
の凸パターン間の空隙幅が広い微小構造体を実現しなが
らも、製造工程中には固定部の２つの凸パターンに亘る
領域上をほぼ平坦化させることができる。

【００２２】この製造方法では、犠牲層を堆積した後に
ダミー部を除去する。この製造方法ではさらに、犠牲層
上に構造層を形成し、犠牲層を堆積した後、または、構
造層を形成した後に、ダミー部を除去し、構造層を形成
した後に、犠牲層を除去することが好ましい。この製造
方法によると、固定部の２つの凸パターンの高さが高
く、その２つの凸パターンが大きく隔てられているため
に、従来であれば２つの凸パターン間に亘って伸びる構
造層を形成できない場合に、ダミー部（例えば、図１の
検出電極２８ａと２８ｂを固定部とした場合は、ダミー
部３２ａ）を利用することによって２つの凸パターン間
に亘って伸びる構造層を形成することができる。この製
造方法によると、固定部の厚さが厚く、固定部の２つの
凸パターン間の空隙幅が広く、それでいながら、固定部
と空隙の上方に電極等の構造層が配置された微小構造体
を実現できる。

【００２３】上記の方法が開発されたために、基板と、
基板に結合されているとともに断面視したときに１μｍ
以上の空隙を隔てて配置されている少なくとも２つの凸
パターンを提供する厚さ１μｍ以上の固定部と、固定部
の２つの凸パターン間に亘って伸びているとともに基板
から分離された構造層を備えた微小構造体が実現され
た。

【００２４】

【発明の実施の形態】 図７に本発明の実施の形態の角
速度センサにダミー部３２が形成された状態の平面図を
示す。図７の角速度センサの場合、可動部２２とビーム
１０ａ〜１０ｈとビーム２０ａ〜２０ｄとリンク１６ａ
〜１６ｂとリンク１４ａ〜１４ｄは、特許請求の範囲に
記載の可動部に相当し、励振電極４ａ、４ｂと検出電極
２８ａ〜２８ｄは、特許請求の範囲に記載の固定部に相
当し、ダミー部３２（特に３２ａ〜３２ｅ）がダミー部
に相当する。

【００２５】図７に示すようなダミー部３２を形成する
ことは、マイクロローディング効果対策としても有用で
ある。ここで、マイクロローディング効果とは、エッチ
ング幅／エッチング深さの値が約１以上になると、深さ
方向へのエッチング速度が速くなるという効果である。
この効果によると、固定部や可動部等のパターン間の空
隙幅が広い箇所（例えば、ダミー部３２ｂが存在しない
と仮定すると、検出電極２８ａとビーム２０ａの間）
は、パターン間の空隙幅が狭い箇所（例えば、櫛歯電極
３０ａと櫛歯電極２６ａの間）よりもエッチング速度が
速くなる。この結果、パターン間の空隙幅が狭い箇所に
エッチング時間を合わせると、パターン間の空隙幅が広
い箇所ではオーバーエッチングとなってしまう。特に、
パターン間の空隙幅が広い箇所にビーム（例えば上記し
たビーム２０ａ）等の細いパターンが形成されている場
合、細いビームがオーバーエッチングされると所望のセ
ンサ特性が得られなくなるという問題が生じる。また、
パターン間の空隙幅が広い箇所にエッチング時間を合わ
せても、パターン間の空隙幅が狭い箇所のエッチングが
不足し、この場合も所望のセンサ特性が得られなくなる
という問題が生じる。

【００２６】しかし、図７に示すようなダミー部３２を
形成して、パターン間の空隙の幅をほぼ均一に揃えるこ
とで、上記したようなマイクロローディング効果が引き
起こす問題を解消することができる。それでいながら、
以下の実施例に示すように製造工程中でダミー部３２を
除去することで、製造終了時には、パターン間の空隙幅
が広い微小構造体を実現することができる。

【００２７】

【実施例】（第１実施例） 第１実施例の角速度センサ
の製造方法を説明する。この製造方法によって、図８の
平面図に示すように、基板と、基板との間に空隙を隔て
て配置された開口群１１０ａを有する単結晶シリコンか
らなる可動部１０６ａと、基板に結合されるとともに可
動部１０６ａの周囲に空隙を隔てて配置された単結晶シ
リコンからなる固定部１０６ｃと、可動部１０６ａと固
定部１０６ｃを繋ぐビーム１０６ｄと、図９の平面図に
示すような可動部１０６ａの上方に空隙を隔てて配置さ
れるとともに固定部１０６ｃに結合された開口群１２１
を有する上部電極（構造層に相当）１２０を備えた角速
度センサが製造される。この角速度センサは図７に示す
角速度センサの形状を簡略化したものである。図８で
は、製造終了時には消失するダミー部１０６ｂが示され
ている。以下では第１実施例の角速度センサの製造方法
を、図８と、図９と、図９のＡ−Ａ断面からみた状態に
よって説明する。

【００２８】まず、図１０に示すような、単結晶シリコ
ンからなる基板１０２と、シリコン酸化膜からなる絶縁
層１０４と、単結晶シリコンからなる活性層１０６を備
えたＳＯＩ基板を用意する。本実施例では活性層１０６
の厚さＷ６が１０μｍのＳＯＩ基板を用いる。次に、図
１１に示すように、活性層１０６上に、ＣＶＤ等によっ
てシリコン酸化膜１０８を堆積させる。次に、図１２に
示すように、シリコン酸化膜１０８をパターニングす
る。このパターニングによって可動部形成用のマスク１
０８ａと、ダミー部形成用のマスク１０８ｂと、固定部
形成用のマスク１０８ｃを形成する。このパターニング
形状は、各マスク１０８ａ〜１０８ｃによって活性層１
０６がパターニングされた後の形状を示す図８と同じ形
状である。

【００２９】次に、図１３に示すように、上記のように
パターニングされたシリコン酸化膜１０８ａ〜１０８ｃ
をマスクとして、活性層１０６をＲＩＥ等によりエッチ
ングして、活性層１０６に、可動部１０６ａと、ダミー
部１０６ｂと、固定部１０６ｃを構成する凸パターンを
形成する。本実施例では、 （１）可動部１０６ａのエッチング孔１１０ａの幅Ｗ７ （２）可動部１０６ａの一番外側と、内側のダミー部１
０６ｂとの間のエッチング孔１１０ｂの幅Ｗ８ （３）２つのダミー部１０６ｂ間のエッチング孔１１０
ｄの幅Ｗ９ （４）外側のダミー部１０６ｂと固定部１０６ｃとの間
のエッチング孔１１０ｃの幅Ｗ１０、のそれぞれを２μ
ｍとしている。また、各ダミー部１０６ｂの幅Ｗ１１を
２μｍとしている。 即ち、可動部１０６ａの一番外側と固定部１０６ｃの間
の幅Ｗ１２は１０μｍであり、ここに３つの空隙と２つ
のダミー部を形成している。可動部１０６ａとダミー部
１０６ｂと固定部１０６ｃのパターニング形状を平面視
すると、図８のようになる。なお、図８に示す略正方形
状の可動部１０６ａの全長は約２００μｍであり、実際
には、図示より多数の開口群１１０ａが形成されてい
る。

【００３０】次に、図１４に示すように、可動部１０６
ａからダミー部１０６ｂを経て固定部１０６ｃに至る領
域に亘って、ＣＶＤ等によってシリコン酸化膜１１２を
堆積させる。シリコン酸化膜１１２を堆積させると、各
エッチング孔１１０ａ〜１１０ｄ（図１３参照）内にシ
リコン酸化膜１１２が入り込み、埋込まれる。ただし、
上記したように、各エッチング孔１１０ａ〜１１０ｄの
幅は２μｍとしているので、シリコン酸化膜１１２の上
面がエッチング孔１１０ａ〜１１０ｃ内には入り込ま
ず、シリコン酸化膜１１２の上面はほぼ平坦化される。
次に、図１５に示すように、ダミー部１０６ｂの直上の
シリコン酸化膜１１２と１０８ｂ（図１４参照）をＲＩ
Ｅ等によって除去してエッチング孔１１４を形成する。
この結果、ＳＯＩ基板を平面視すると、ダミー部１０６
ｂが露出した状態となる。なお、可動部１０６ａはシリ
コン酸化膜１１２ａによって、また、固定部１０６ｃは
シリコン酸化膜１１２ｂによってエッチングマスクされ
た状態となっている。次に、図１６に示すように、ダミ
ー部１０６ｂが露出し、可動部１０６ａと固定部１０６
ｃがエッチングマスクされた状態でＴＭＡＨ（テトラメ
チルアンモニウムハイドライド）溶液等によってダミー
部１０６ｂをエッチングして除去する。この結果、エッ
チング孔１１６が形成される。

【００３１】次に、図１７に示すように、シリコン酸化
膜１１２上にＣＶＤ等によってシリコン酸化膜１１８を
堆積させる。シリコン酸化膜１１８を堆積させると、各
エッチング孔１１６（図１６参照）内にシリコン酸化膜
１１８が入り込み、埋込まれる。ただし、図１３に示し
たようにダミー部１０６ｂの幅Ｗ１１は２μｍであるた
め、エッチング孔１１６の幅も２μｍとなるから、シリ
コン酸化膜１１８の上面がエッチング孔１１６内には入
り込まず、シリコン酸化膜１１８の上面はほぼ平坦化さ
れる。次に、図１８に示すように、ほぼ平坦化されてい
るシリコン酸化膜１１８上にポリシリコンからなる上部
電極１２０を成膜する。このように、ほぼ平坦化されて
いるシリコン酸化膜１１８上に上部電極１２０を成膜す
ることによって、上部電極１２０が図１３に示したエッ
チング孔１１０ａ〜１１０ｄ内に入り込むことがない。

【００３２】次に、図１９に示すように、上部電極１２
０に犠牲層エッチング用の多数の開口群１２１を形成す
るようにパターニングする。上部電極１２０のパターニ
ング形状を平面視すると、図９のようになる。次に、図
２０に示すように、フッ化水素（ＨＦ）を含むエッチン
グ液等によって犠牲層エッチングして可動部１０６ａの
周辺のシリコン酸化膜１０４、１０８、１１２、１１８
（図１９参照）を除去する。この結果、可動部１０６ａ
と固定部１０６ｃの間に幅の広い空隙１２２が形成され
る。また、可動部１０６ａと上部電極１２０の間に空隙
１２４が形成される。さらに、可動部１０６ａと基板１
０２の間に空隙１２６が形成される。なお、犠牲層エッ
チングを行っても、上部電極１２０に形成された開口群
１２１の深さ方向からずれた位置にあるシリコン酸化膜
１０４ａ、１０８ｄ、１１２ｃ、１１８ａは除去されな
いで残る。シリコン酸化膜１０４ａは基板１０２上に固
定部１０６ｃを固定する役割を果たし、シリコン酸化膜
１０８ｄ、１１２ｃ、１１８ａは固定部１０６ｃ上に上
部電極１２０を固定する役割を果たす。

【００３３】以上で説明した第１実施例の製造方法によ
ると、図２０に示すような、基板１０２と、基板１０２
との間に空隙１２６を隔てて配置された単結晶シリコン
からなる厚さＷ６（１０μｍ）の可動部１０６ａと、基
板１０２に結合されるとともに可動部１０６ａとの間に
空隙幅Ｗ１２（１０μｍ）を隔てて配置された単結晶シ
リコンからなる固定部１０６ｃと、可動部１０６ａの上
方に空隙１２４を隔てて配置されるとともに固定部１０
６ｃに結合された上部電極（構造膜）１２０を備えた角
速度センサを実現できる。この角速度センサによると、
図２０に示すように、可動部１０６ａの厚さＷ６が１０
μｍと厚いので、可動部１０６ａの質量を大きくするこ
とができる。このため、角速度センサの出力（コリオリ
力）を大きくすることができる。また、空隙幅Ｗ１２が
１０μｍと広いので、可動部１０６ａが固定部１０６ｃ
に近づく方向（基板面に平行な方向）に大きく変位する
ことができる。また、空隙幅Ｗ１２が１０μｍと広いの
で、空気の粘性による可動部１０６ａの振動の減衰を少
なくすることができるという効果も得られる。空隙幅Ｗ
１２の広さは、ダミー部１０６ｂの数を増やすことで、
制限を受けることなく広くできる。また、ＳＯＩ基板を
用いることで、シリコン酸化膜（中間絶縁層）１０４上
のシリコンの厚さ（即ち、可動部１０６ａの厚さＷ６）
を１００μｍ以上に厚くすることもできる。さらに、こ
のセンサは、従来の２次元的な平面構造のセンサではな
く、可動部１０６ａの上方に上部電極１２０が配置され
た３次元的な立体構造のセンサとなっているので、基板
面に垂直な方向（上下方向）の加速度（例えば重力加速
度）が可動部１０６ａに加わったときの可動部１０６ａ
と上部電極１２０間の距離の単位時間当たりの変化を静
電容量の単位時間当たりの変化として検出することがで
きるため、基板面に垂直な方向の加速度を検出するセン
サとして用いることができる。

【００３４】（第２実施例） 第２実施例の角速度セン
サの製造方法を説明する。第２実施例の角速度センサの
製造方法は、第１実施例の角速度センサの製造方法と図
１０から図１７に示す製造工程までは共通する。図１７
に示すように、シリコン酸化膜１１２上にＣＶＤ等によ
ってシリコン酸化膜１１８を堆積させた後、図２１に示
すように、固定部１０６ｃの直上に、シリコン酸化膜１
１８の上面から固定部１０６ｃの上面に達する、固定部
１０６ｃより幅の狭い孔１１９をＲＩＥによりエッチン
グして形成する。次に、図２２に示すように、ほぼ平坦
化されているシリコン酸化膜１１８上にポリシリコンか
らなる上部電極１２０を成膜する。この結果、上記した
エッチング孔１１９内が上部電極１２０ａによって埋込
まれ、埋込まれた上部電極１２０ａの下面は固定部１０
６ｃの上面に接触する。エッチング孔１１９はコンタク
トホールとして機能し、そこに埋め込まれるポリシリコ
ンによって、上部電極１２０と固定部１０６ｃ間での電
気的導通が確保される。次に、図２３に示すように、上
部電極１２０に犠牲層エッチング用の多数の開口群１２
１を形成するようにパターニングする。次に、図２４に
示すように、フッ化水素を含むエッチング液等による犠
牲層エッチングによって可動部１０６ａの周辺の絶縁層
１０４、１０８、１１２、１１８（図２３参照）を除去
する。

【００３５】以上で説明した第２実施例の製造方法によ
ると、図２４に示すような、上部電極１２０の下面を固
定部１０６ｃの上面に接触させた角速度センサを実現で
きる。このため、固定部１０６ｃから上部電極１２０に
電圧をかけることができるので、可動部１０６ａの上方
に上部電極１２０が配置されていながら、コンパクトな
構成の角速度センサを実現できる。

【００３６】（第３実施例） 第３実施例の角速度セン
サの製造方法を説明する。第３実施例の角速度センサの
製造方法は、第１実施例の角速度センサの製造方法と図
１０から図１９に示す製造工程までは共通する。図１９
に示すように、上部電極１２０に犠牲層エッチング用の
多数の開口群１２１を形成するようにパターニングした
後、図２５に示すように、多数の開口群１２１が形成さ
れた上部電極１２０の全体領域に亘って透過膜１２８を
成膜する。透過膜１２８を成膜すると、開口群１２１が
形成されていない部分は上部電極１２０上に透過膜１２
８ａが堆積されるが、開口群１２１が形成された部分は
シリコン酸化膜１１８上に透過膜１２８ｂが堆積され
る。この透過膜１２８ｂは、犠牲層エッチングを行うた
めのエッチング液やエッチングガスは通すが塵等の異物
は通さない。次に、図２６に示すように、透過膜１２８
をエッチングして図中１３０と１３２の部分の透過膜１
２８を除去する。次に、図２７に示すように、フッ化水
素を含むエッチング液等による犠牲層エッチングによっ
て可動部１０６ａの周辺の絶縁層１０４、１０８、１１
２、１１８（図２６参照）を除去する。次に、図２８に
示すように、上部電極１２０上と透過膜１２８上の全体
領域に亘って真空中で封止膜１４０を成膜する。

【００３７】以上で説明した第３実施例の製造方法によ
ると、図２８に示すような、第１実施例の製造方法で製
造した角速度センサの構成に加えて、開口群１２１が形
成された上部電極１２０上に形成された透過膜１２８
と、透過膜１２８上に形成された封止膜１４０をさらに
備えた角速度センサを実現できる。この角速度センサは
真空封止されているので、可動部１０６ａの振動の際、
空気の粘性による振動の減衰が生じない。また、この製
造方法によると、上記したような半導体製造プロセスで
の連続したバッチ処理によって真空封止を行えるため、
キャンパッケージやウェハ接合を用いて真空封止を行う
ことによる問題を生じさせないで真空封止された角速度
センサを低コストで実現できる。

【００３８】（第４実施例） 第４実施例の角速度セン
サの製造方法を説明する。この製造方法によって、図２
９の平面図（ただし、製造終了時には消失するダミー部
２０６ｂを含む）に示すような、基板と、基板との間に
空隙を隔てて配置された単結晶シリコンからなる可動部
２０６ａと、基板に結合されるとともに可動部２０６ａ
の周囲に空隙を隔てて配置された単結晶シリコンからな
る固定部２０６ｃと、可動部２０６ａと固定部２０６ｃ
を繋ぐビーム２０６ｄと、可動部２０６ａの上方に空隙
を隔てて配置されるとともに固定部２０６ｃに結合され
た上部電極（前記した図９の上部電極１２０と同じ形
状）を備えた角速度センサが製造される。以下では第４
実施例の角速度センサの製造方法を、図２９と、図２９
のＡ−Ａ断面からみた状態によって説明する。

【００３９】まず、図３０に示すような、単結晶シリコ
ンからなる基板２０２と、シリコン酸化膜からなる絶縁
層２０４と、単結晶シリコンからなる活性層２０６を備
えたＳＯＩ基板を用意する。本実施例では活性層２０６
の厚さＷ１４が１０μｍのＳＯＩ基板を用いる。次に、
図３１に示すように、活性層２０８上に、ＣＶＤ等によ
ってシリコン酸化膜２０８を堆積させる。次に、図３２
に示すように、シリコン酸化膜２０８をパターニングす
る。このパターニングによって可動部形成用のマスク２
０８ａと、ダミー部形成用のマスク２０８ｂと、固定部
形成用のマスク２０８ｃを形成する。このパターニング
形状は、各マスク２０８ａ〜２０８ｃによって活性層２
０６がパターニングされた後の形状を示す図２９と同じ
形状である。

【００４０】次に、図３３に示すように、上記のように
パターニングされたシリコン酸化膜２０８ａ〜２０８ｃ
をマスクとして、活性層２０６をＲＩＥ等によりエッチ
ングして、活性層２０６に可動部２０６ａと、ダミー部
２０６ｂと、固定部２０６ｃを形成する。本実施例で
は、（１）可動部２０６ａのエッチング孔２１０ａの幅
Ｗ１５、（２）可動部２０６ａの一番外側とダミー部２
０６ｂの間のエッチング孔２１０ｂの幅Ｗ１６、（３）
ダミー部２０６ｂと固定部２０６ｃの間のエッチング孔
２１０ｃの幅Ｗ１７、のそれぞれを２μｍとしている。
また、ダミー部２０６ｂの幅Ｗ１８は６μｍである。即
ち、可動部２０６ａの一番外側と固定部２０６ｃの間の
幅Ｗ２０は１０μｍであり、ここに２つの空隙と１つの
ダミー部を形成している。可動部２０６ａとダミー部２
０６ｂと固定部２０６ｃのパターニング形状を平面視す
ると、図２９のようになる。

【００４１】次に、図３４に示すように、可動部２０６
ａとダミー部２０６ｂを経て固定部２０６ｃに至る領域
に亘って、ＣＶＤ等によってシリコン酸化膜２１２を堆
積させる。シリコン酸化膜２１２を堆積させると、各エ
ッチング孔２１０ａ〜２１０ｃ（図３３参照）内にシリ
コン酸化膜２１２が入り込み、埋込まれる。ただし、各
エッチング孔２１０ａ〜２１０ｃの幅は２μｍとしてい
るので、シリコン酸化膜２１２の上面がエッチング孔２
１０ａ〜２１０ｃ内にまでは入り込まず、シリコン酸化
膜２１２の上面はほぼ平坦化される。次に、図３５に示
すように、ほぼ平坦化されているシリコン酸化膜２１２
上にポリシリコンからなる上部電極２２０を成膜する。
このように、ほぼ平坦化されているシリコン酸化膜２１
２上に上部電極２２０を成膜することによって、上部電
極２２０が図３３に示したエッチング孔２１０ａ〜２１
０ｃ内にまで入り込むことはない。次に、図３６に示す
ように、上部電極２２０に犠牲層エッチング用の多数の
開口群２２１を形成するようにパターニングする。この
とき、ダミー部２０６ｂの直上の開口２２１ａは他の開
口２２１に比較して大きめにパターニングする。

【００４２】次に、図３７に示すように、シリコン酸化
膜２１２と上部電極２２０の全体領域に亘って上部電極
２２０を覆うようにＣＶＤ等によってシリコン酸化膜２
２３を堆積させる。次に、図３８に示すように、ダミー
部２０６ｂの直上のシリコン酸化膜２０８ｂ、２１２、
２２３をＲＩＥによって除去してエッチング孔２２５を
形成する。このエッチング孔２２５は、上部電極２２０
に形成された大きめの開口２２１ａ（図３６参照）を経
由するように形成する。この結果、ＳＯＩ基板を平面視
すると、ダミー部２０６ｂが露出した状態となる。ま
た、上部電極２２０がシリコン酸化膜２２３によってエ
ッチングマスクされた状態となる。次に、図３９に示す
ように、ダミー部２０６ｂが露出し、上部電極２２０が
エッチングマスクされた状態でＴＭＡＨ溶液等によって
ダミー部２０６ｂを除去する。この結果、ダミー部２０
６ｂが存在していた部分に空隙２０７が形成される。次
に、図４０に示すように、フッ化水素を含むエッチング
液等による犠牲層エッチングによって可動部２０６ａの
周辺のシリコン酸化膜２０４、２０８、２１２、２１
８、および上部電極２２０を覆うシリコン酸化膜２２３
を除去する。この結果、第１実施例の製造方法で製造し
た角速度センサと同様の、空隙２２２、２２４、２２６
が形成される。

【００４３】以上で説明した第４実施例の製造方法によ
ると、第１実施例の製造方法の場合と同様に、図４０に
示すような、基板２０２と、基板２０２との間に空隙２
２６を隔てて配置された単結晶シリコンからなる厚さＷ
１４（１０μｍ）の可動部２０６ａと、基板２０２に結
合されるとともに可動部２０６ａとの間に空隙幅Ｗ２０
（１０μｍ）を隔てて配置された単結晶シリコンからな
る固定部２０６ｃと、可動部２０６ａの上方に空隙２２
４を隔てて配置されるとともに固定部２２２に結合され
た上部電極２２０を備えた角速度センサを実現できる。

【００４４】以上、本発明の具体例を詳細に説明した
が、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定する
ものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上
に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれ
る。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、
単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発
揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定さ
れるものではない。また、本明細書または図面に例示し
た技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、その
うちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を
持つものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】 従来の角速度センサの平面図を示す。

【図２】 角速度センサを構成するシリコンのパターニ
ング形状の概略平面図を示す。

【図３】 従来の角速度センサの製造工程の一部を示す
（１）。

【図４】 従来の角速度センサの製造工程の一部を示す
（２）。

【図５】 従来の角速度センサの製造工程の一部を示す
（３）。

【図６】 従来の角速度センサの製造工程の一部を示す
（４）。

【図７】 本発明の実施の形態の角速度センサにダミー
部が形成された状態の平面図を示す。

【図８】 第１実施例の角速度センサを構成するシリコ
ンのパターニング形状の概略平面図を示す。

【図９】 第１実施例の角速度センサを構成する電極の
パターニング形状の概略平面図を示す。

【図１０】 第１実施例の角速度センサの製造工程の一
部を示す（１）。

【図１１】 第１実施例の角速度センサの製造工程の一
部を示す（２）。

【図１２】 第１実施例の角速度センサの製造工程の一
部を示す（３）。

【図１３】 第１実施例の角速度センサの製造工程の一
部を示す（４）。

【図１４】 第１実施例の角速度センサの製造工程の一
部を示す（５）。

【図１５】 第１実施例の角速度センサの製造工程の一
部を示す（６）。

【図１６】 第１実施例の角速度センサの製造工程の一
部を示す（７）。

【図１７】 第１実施例の角速度センサの製造工程の一
部を示す（８）。

【図１８】 第１実施例の角速度センサの製造工程の一
部を示す（９）。

【図１９】 第１実施例の角速度センサの製造工程の一
部を示す（１０）。

【図２０】 第１実施例の角速度センサの製造工程の一
部を示す（１１）。

【図２１】 第２実施例の角速度センサの製造工程の一
部を示す（１）。

【図２２】 第２実施例の角速度センサの製造工程の一
部を示す（２）。

【図２３】 第２実施例の角速度センサの製造工程の一
部を示す（３）。

【図２４】 第２実施例の角速度センサの製造工程の一
部を示す（４）。

【図２５】 第３実施例の角速度センサの製造工程の一
部を示す（１）。

【図２６】 第３実施例の角速度センサの製造工程の一
部を示す（２）。

【図２７】 第３実施例の角速度センサの製造工程の一
部を示す（３）。

【図２８】 第３実施例の角速度センサの製造工程の一
部を示す（４）。

【図２９】 第４実施例の角速度センサを構成するシリ
コンのパターニング形状の概略平面図を示す。

【図３０】 第４実施例の角速度センサの製造工程の一
部を示す（１）。

【図３１】 第４実施例の角速度センサの製造工程の一
部を示す（２）。

【図３２】 第４実施例の角速度センサの製造工程の一
部を示す（３）。

【図３３】 第４実施例の角速度センサの製造工程の一
部を示す（４）。

【図３４】 第４実施例の角速度センサの製造工程の一
部を示す（５）。

【図３５】 第４実施例の角速度センサの製造工程の一
部を示す（６）。

【図３６】 第４実施例の角速度センサの製造工程の一
部を示す（７）。

【図３７】 第４実施例の角速度センサの製造工程の一
部を示す（８）。

【図３８】 第４実施例の角速度センサの製造工程の一
部を示す（９）。

【図３９】 第４実施例の角速度センサの製造工程の一
部を示す（１０）。

【図４０】 第４実施例の角速度センサの製造工程の一
部を示す（１１）。

【符号の説明】

１０６ａ、２０６ａ：可動部 １０６ｂ、２０６ｂ：固定部 １０６ｃ、２０６ｃ：ダミー部 １２０、２２０：構造層 １２２、２２２：空隙

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 土屋 智由 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 Ｆターム(参考） 2F105 BB02 BB20 CC04 CD03 CD05 CD13 4M112 AA01 AA02 BA08 CA03 CA04 CA06 CA11 CA13 DA06 EA02 EA06

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板の表面に、製造終了時に可動状態と
   なる可動部と、可動部との間に空隙を隔てて配置された
   固定部と、可動部と固定部との間の空隙内に配置されて
   いるとともに製造終了時に消失するダミー部とに分離さ
   れている凸パターンを形成し、 可動部からダミー部を経て固定部に至る領域に犠牲層を
   堆積し、 犠牲層を堆積した後にダミー部を除去する工程群を有す
   る微小構造体の製造方法。
2. 【請求項２】 犠牲層上に構造層を形成し、 犠牲層を堆積した後、または、構造層を形成した後に、
   ダミー部を除去し、 構造層を形成した後に、犠牲層を除去することを特徴と
   する請求項１に記載の微小構造体の製造方法。
3. 【請求項３】 ＳＯＩ基板の絶縁層上のＳＯＩ層に絶縁
   層に達する凸パターンを形成し、その後に絶縁層を除去
   することによって半導体基板に対して可動状態となる可
   動部を形成することを特徴とする請求項１または２に記
   載の微小構造体の製造方法。
4. 【請求項４】 犠牲層を堆積した後に、犠牲層の上面か
   らダミー部に達する孔を形成し、その孔からダミー部を
   エッチングして除去し、その犠牲層上にさらに別の犠牲
   層を堆積し、その別の犠牲層上に開口群を有する構造層
   を形成し、その開口群から犠牲層をエッチングして除去
   することを特徴とする請求項２または３に記載の微小構
   造体の製造方法。
5. 【請求項５】 開口群を有する構造層を形成した後に、
   エッチングマスクとなる別の犠牲層で構造層を覆い、そ
   の別の犠牲層の上面からダミー部に達する孔を形成し、
   その孔からダミー部をエッチングして除去し、ついで犠
   牲層をエッチングして除去することを特徴とする請求項
   ２または３に記載の微小構造体の製造方法。
6. 【請求項６】 犠牲層を堆積した後に、犠牲層の上面か
   ら固定部に達するコンタクト孔を形成し、その後に犠牲
   層上に構造層を形成することを特徴とする請求項２から
   ５のいずれかに記載の微小構造体の製造方法。
7. 【請求項７】 開口群が形成された構造層上に透過膜を
   形成し、その透過膜上に真空中または不活性ガス雰囲気
   中で封止膜を形成することを特徴とする請求項２から６
   のいずれかに記載の微小構造体の製造方法。
8. 【請求項８】 基板と、基板との間に空隙を隔てて配置
   された厚さ１μｍ以上の可動部と、基板に結合されると
   ともに可動部との間に１μｍ以上の空隙を隔てて配置さ
   れた固定部と、可動部の上方を空隙を隔てて配置される
   とともに固定部に結合された構造層を備えた微小構造
   体。
9. 【請求項９】 開口群が形成された構造層上に形成され
   た透過膜と、その透過膜上に形成された封止膜をさらに
   備えたことを特徴とする請求項８に記載の微小構造体。
10. 【請求項１０】 可動部と固定部が、ＳＯＩ基板の絶縁
    層上のＳＯＩ層で形成されていることを特徴とする請求
    項８または９に記載の微小構造体。
11. 【請求項１１】 基板の表面に、断面視したときに空隙
    を隔てて配置されている少なくとも２つの凸パターンを
    提供する固定部と、２つの凸パターン間の空隙内に配置
    されているとともに製造終了時に消失する凸パターンを
    提供するダミー部を形成し、固定部の２つの凸パターン
    間に亘る領域に犠牲層を堆積し、 犠牲層を堆積した後にダミー部を除去する工程群を有す
    る微小構造体の製造方法。
12. 【請求項１２】 犠牲層上に構造層を形成し、 犠牲層を堆積した後、または、構造層を形成した後に、
    ダミー部を除去し、構造層を形成した後に、犠牲層を除
    去することを特徴とする請求項１１に記載の微小構造体
    の製造方法。
13. 【請求項１３】 基板と、基板に結合されているととも
    に断面視したときに１μｍ以上の空隙を隔てて配置され
    ている少なくとも２つの凸パターンを提供する厚さ１μ
    ｍ以上の固定部と、固定部の２つの凸パターン間に亘っ
    て伸びているとともに基板から分離された構造層を備え
    た微小構造体。