JP2006189431A - マイクロファクトリー・コーム容量加速度計 - Google Patents

Abstract

【課題】可動フィンガーと固定フィンガーが互いにくっつくことを排除し、生産歩留りの減少や機能不良を排除する。
【解決手段】基板（５）、可動フィンガー（７）の集合体が取り付けられて前記基板（５）に対して可動な電極（２）、固定フィンガー（８Ａ，８Ｂ）の集合体が取り付けられて前記基板（５）に対して固定された電極（４）を含み、前記各可動フィンガー（７）がインターデジタル・コームを有するミクロ組織を形成するために２つの隣接する固定フィンガー（８Ａ，８Ｂ）の間に配置されるコーム容量加速度計。可動フィンガー（７）は基板（５）に直接エッチングされた少なくとも第１接続ビーム（２０）によってお互いに接続され、および／または固定フィンガー（８Ａ，８Ｂ）は基板（５）に直接エッチングされた少なくとも第２接続ビーム（２２）によってお互いに接続される。
【選択図】図２

Description

本発明は、シリコン・マイクロセンサの分野に関わり、より詳細には、基板と、感応性可動フィンガーの集合体が取り付けられて基板に対して可動な電極と、感応性固定フィンガーの集合体が取り付けられて基板に対して固定された電極とを有し、それぞれの可動フィンガーがインターデジタル・コームを有するミクロ組織を形成するために２つの隣接する固定フィンガーの間に配置されるマイクロファクトリー・コーム容量加速度計に関する。

図１は、同一シリコン基板５にエッチングされた第１の電極２と第２の電極４とを有する、従来技術によるインターデジタル・コームを備えた加速度計の平面図を概略的に示す。第１の電極２は、横に伸びる複数の可動フィンガー７が取り付けられた可動塊６によって構成される。第２の電極は、可動塊６のいずれかの側に位置する２つの部分４Ａ、４Ｂから成り、そのそれぞれの部分は可動フィンガー７と平行に伸びるいくつかの固定フィンガー８を有する。可動フィンガー７のそれぞれは、インターデジタル・コームによるミクロ組織を定義するために、２つの隣接する固定フィンガーの間に配置される。可動塊６は、リターンスプリングを定義するフレキシブル・ロッド１２によって基板５に接続されている。

動作においては、可動塊６の軸に沿った加速度の影響の下で、固定フィンガー８に対して可動フィンガー７の相対変位を引き起こしながら、基板５に対して後者（可動塊）は平面内で変位させられる。この相対変位は可動フィンガー７と固定フィンガー８の間の容量の変化を発生させる。加速度の測定はこの容量の変化を測定することでわかる。

一般に、これらのマイクロ加速度計は、酸化物の犠牲層、または犠牲層として機能する酸化物の埋設層を備えたＳＯＩタイプ基板（シリコン・オン・インシュレータ）（Silicon On Insulator ; Silicium sur Isolant）のいずれかに堆積させた多結晶シリコン層の上に作られる。このようなミクロ組織に関する例は本発明の出願人が出願した特許文献１で説明されている。

上記で説明された従来技術の加速度計の問題は、一定の条件の下で可動フィンガーと固定フィンガーが、図１に示すようにお互いにくっついて、生産歩留りの大幅な減少を引き起こし、そして加速度計の機能不良に関する重大な危険に至るという事実をもたらす。この問題は、感応性のフィンガー表面における電荷の蓄積に端を発し、２つのセットの電極を接触状態にしうる衝撃の後、あるいは固定コームと可動コームの間の電圧の印加後のいずれかに起こる。

この問題を解決するために知られている解決策は、この構造のフィンガー上に厚い犠牲層を使用し、通常多結晶性シリコンで作られた層を、できれば圧することなく蒸着することにより、これらのフィンガーを一緒に連結させることによってコームのフィンガーを接続すること、から成る。

この解決策は、一方では厚い犠牲層を得るのが難しいので、他方では非加圧の層を使用するのに材料の選定が制限され、かつその利用には高温の過程が必要となるので、複雑である。
フランス特許第２５５８２６３号明細書

本発明の目的は、上述のような従来技術の欠点を排除することである。

本発明は、基板と、可動フィンガーの集合体が取り付けられて前記基板に対して可動な電極と、固定フィンガーの集合体が取り付けられて前記基板に対して固定された電極とを有し、それぞれの前記可動フィンガーがインターデジタル・コーム(interdigital comb)を有するミクロ組織を形成するために２つの隣接する固定フィンガーの間に配置されるコーム容量加速度計を提案する。

本発明によれば、可動フィンガーは基板に直接エッチングされた少なくとも第１接続ビームによってお互いに接続され、および／または固定フィンガーは基板に直接エッチングされた少なくとも第２接続ビームによってお互いに接続される。

前記接続ビームは、望ましくは、接合されるフィンガー端部に近接して位置している。

この配置は、可動フィンガーが強く変位される区域で、可動フィンガーおよび／または固定フィンガーの集合体の剛性を増加させる助けとなる。

可動電極は、好都合に、フレキシブル・ロッドによって基板に接合される。フレキシブル・ロッドは、望ましくは、可動電極の端部に取り付けられる。これらのフレキシブル・ロッドは、好都合に基板に直接エッチングされる。

好適な実施の態様においては、可動電極は、可動フィンガーを横に伸ばす望ましくは矩形の可動塊を有し、固定電極は、可動塊のいずれかの側に対称的に配置された２つの部分を有し、それぞれの可動フィンガーが２つの隣接する固定フィンガーの間に配置されるように、前記可動塊に向かって横に伸びる固定フィンガーをそれぞれの２つの部分が有する。

可動塊は、好都合に、基板にエッチングされた少なくとも１つの接続ビームを有する。可動塊の局所的な増肉の効果は、そのサイズを増加させることなく加速度計の感度を増加させることである。

本発明の有利な実施の態様においては、可動塊の端部に位置した可動フィンガーおよび／または固定フィンガーは、他の可動フィンガーおよび／または固定フィンガーより大きな幅をもつ。これにより、フィンガーの集合体の剛性を、それらの数を制限せずに増加させることができる。

基板は、望ましくはＳＯＩ基板である。

本発明による加速度計は、
-埋設犠牲層を有する基板を提供する段階と、
-振動性の塊、リターンスプリング(return spring；伸縮ばね)、可動フィンガーの集合体、および固定フィンガーの集合体を有し、それぞれの可動フィンガーが２つの隣接する固定フィンガーの間に配置されるようにしたインターデジタル・コームに従って、ミクロ組織を定義するためのパターンにより基板の表面にマスクを形成する段階と、
-パターンに従い、埋設犠牲層で停止するように基板の表面にエッチングする段階と、
-露出した基板の表面を減肉し、少なくとも１つの接続ビームの厚さと少なくとも等しい厚さに従って埋設犠牲層の前で停止させる段階と、
-露出した基板の表面にエッチングし、犠牲層上で停止させることによって、可動フィンガーを連結する少なくとも１つの接続ビーム、および／または、固定フィンガーを連結する少なくとも１つの第２接続ビームを形成する段階と、
-少なくとも２つの可動フィンガー上に少なくとも第１接続ビームを付着するための、および／または、少なくとも２つの固定フィンガー上に少なくとも第２接続ビームを付着するためのアンカーポイントを形成する段階と、
-犠牲層の最小の部分を除去して、可動フィンガーの集合体を固定フィンガーの集合体から分離する段階と、
を有することを特徴とするコーム容量加速度計の製造方法により成る。

接続ビーム毎に少なくとも２つのアンカーポイントがあることが望ましい。

好都合に、上記減肉は、例えばプラズマエッチング（ＤＲＩＥ）などのエッチング、ＫＯＨとＤＲＩＥエッチングとの混合法、機械的減肉、によって行われる。

犠牲層の除去は、湿式エッチング、または蒸気の形態のフッ化水素酸でエッチングすることによって、好都合に完了する。

変形の態様によると、この方法は、可動塊上への少なくとも１つの接続ビームの形成段階と、可動塊上に前記少なくとも１つの接続ビームを付着するためのアンカーポイントの形成段階と、をも有する。

好都合に、アンカーポイントの形成段階は、少なくとも１つの接続ビームの形成段階の前に完了する。

基板は、望ましくはＳＯＩ基板、すなわち、ＳｉＯ_２の埋設犠牲層を有するシリコン基板である。

接続ビームは、望ましくは、ＳｉＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４、および多結晶シリコンから選択された材料から成る。

好都合に、アンカーポイントの形成段階は、露出した基板の表面および下側の犠牲層をエッチングして、アンカーポイントの材料でこれらの孔を充填することにより、孔を配置することによって完了する。アンカーポイントは、例えば、基板の上側の層と、犠牲層の下側の基板の下層と同程度に遠い犠牲層とをリソ・エッチング(litho-etching)することにより、作ることができる。

変形の態様によると、製造方法は、
-１つの表面にキャビティを提示する支持基板を提供する段階と、
-前記支持基板上のキャビティと向かい合う支援基板の表面上に、インターデジタル・コームを備えたミクロ組織を有する基板の表面をシールする段階と、
をさらに有する。シールする段階は、例えば分子付着、共晶密封、重合体（ポリマー）などにより行うことができる。

支持基板は、好都合に、シリコンまたはガラスから成る。支持基板は機械的な支持を提供する。

本発明の他の特徴と利点は、付属の図面に関する非限定的な例によって与えられた、以下の説明から明らかとなるであろう。

説明に応じて、従来技術による装置に共通で、かつ本発明による装置に共通の要素は、同一の参照数字によって指定することとする。

図２はＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）タイプの基板５において製造され、キャビティに移されたマイクロファクトリー・コーム容量加速度計の平面図を概略的に示す。

この加速度計は、基板５に対して可動な第１の電極２と、基板５に対して固定された第２の電極（４Ａ，４Ｂ）を有する。可動電極２は、基板５にエッチングされた矩形形状の可動塊６を有し、基板５に同様にエッチングされて、可動塊６のそれぞれのサイドで横に伸びた感応性のフィンガー７の集合体が取り付けられている。

固定電極４は、可動塊６の両サイドの一側に沿って配置された第１の部分４Ａ、および可動塊６の他の側に沿って配置された第２の部分４Ｂを有する。

第１の部分４Ａと第２の部分４Ｂは、それぞれの可動フィンガー７が２つの隣接する固定フィンガー８の間に配置されるように、可動塊６の方に横に伸び、かつ可動フィンガー７に平行に伸びるいくつかの固定フィンガー８Ａ、８Ｂをそれぞれ有する。

可動塊６は、基板５にエッチングすることで作られたフレキシブル・ロッド１２によって固定電極（４Ａ，４Ｂ）に連結される。

図２によって示された実施形態では、可動フィンガー７は、基板の塊（基板の硬い部分）にエッチングで作られた第１接続ビーム２０によってお互いに接続される。同様に、固定フィンガー（８Ａ，８Ｂ）は、基板の塊（基板の硬い部分）にエッチングで作られた第２接続ビーム２２によってお互いに接続される。

第１接続ビーム２０はそれぞれの可動フィンガー７にアンカーされ、また第２接続ビーム２２はそれぞれの可動フィンガー（８Ａ，８Ｂ）にアンカーされる。

接続ビーム２０、２２はＳｉ_３Ｎ_４タイプの蒸着（堆積）か多結晶シリコンでアンカーされることができる。

基板５は、接続ビームに対する犠牲層として機能する埋設酸化物（基板５を示す図３の中に見られる）の層を有し、その埋設酸化物は、排除された後で可動フィンガー（あるいは固定フィンガー）の接続ビーム２０（あるいは２２）が固定フィンガー（あるいは可動フィンガー）に接触するのを防ぐリセス（空間）を規定する。

ビーム２０および２２のアンカーの効果のために、犠牲層２４のエッチング時間は同様に適用されうる。実際に、ビーム２０および２２が明らかにアンカー領域より狭いならば、前者は、犠牲層２４の排除の段階の際に、アンカーのレベルにおける酸化物がなくなる前に十分解放されるであろう。

例として、接続ビーム２０、２２は２μｍの幅とすることができ、アンカー領域は側面当たり６μｍの幅とすることができる。この変形例により、蒸着段階を撤廃できる。

集合体の剛性を増加させるために、可動塊６の２つの端部に位置するフィンガー７は他のフィンガーに対して拡大されている。また、変形例では、接続ビーム２０、２２を作るのに利用されるシリコンの厚さは、その厚さ、従ってその質量を、局所的に増加するために可動塊６のレベルで維持される。この変形例は、リターンスプリングを変えずに、質量だけ増加する範囲内でセンサの感度を増加させる助けとなる。

可動塊６上に追加塊を適切にアンカーすることを確実にするために、アンカーポイント（Ｓｉ_３Ｎ_４または多結晶シリコンから成る）は接続ビーム２０、２２に関して加えられる。

他の方法は、犠牲層２４が排除されるときに全ての埋設酸化物が除去されないように、可動塊６の復旧区域の大きさと十分な追加質量を選ぶことから成る。

さて、本発明による加速度計の製造方法を、図２に示した加速度計のＹＹ軸に沿った部分的な垂直断面を表す図３〜図１１を参照して説明する。

図３によって示された段階は、ＳＯＩタイプ基板５にマスクを形成し、この基板上に振動性の塊、リターンスプリング、アンカーゾーン、可動フィンガーの集合体、および固定フィンガーの集合体を定義し、それぞれの可動フィンガーが２つの隣接する固定フィンガーの間に配置されるように配置されるようにすることから成る。この図から明らかなように、基板５は酸化物（ＳｉＯ_２）２４の埋設犠牲層を有する。

図４によって示された段階は、ＳＯＩ基板５に６０μｍだけ直接エッチングし、酸化物（ＳｉＯ_２）２４の埋設層に上で停止することにより、可動フィンガーの集合体および固定フィンガーの集合体を作ることから成る。

図５によって示された段階は、第２のシリコン基板２６に３０μｍのキャビティをエッチングすることから成る。

図６によって示された段階は、例えば分子付着、共晶密封、重合体（ポリマー）などにより、第２の基板２６上をＳＯＩ基板５でシールすることから成る。

図７によって示された段階は、プラズマエッチング（ＤＲＩＥ）などのエッチング、ＫＯＨとＤＲＩＥエッチングとの混合法、機械的減肉、によってＳＯＩ基板を減肉し、酸化物（ＳｉＯ_２）２４の埋設層まで約１０μｍで停止することから成る。

図８によって示された段階は、「下の方から」シリコン層まで、１０μｍのシリコンと０．４μｍの酸化物（ＳｉＯ_２）２４の層をリソ・エッチングすることにより、接続ビーム２０、２２のアンカーリング・ポイント３０を作成することから成る。

図９によって示された段階は、０．８μｍ程度のＳｉＮＯ_４の堆積物（蒸着物）３０を載置し、フィンガー２０、２２上の接続ビームのアンカーポイントリソエッチングすることから成る。

図１０によって示された段階は、可動フィンガー７を連結する接続ビーム２０、および固定フィンガー８を連結する接続ビーム２２、さらに可動塊６に接続ビーム３２をも形成することから成る。

図１１によって示された段階は、湿式エッチング、またはＨＦ（フッ化水素酸）蒸気エッチングによって犠牲層２４を排除し、可動フィンガーの集合体を固定フィンガーの集合体から分離することから成る。

この方法は、：
-インターデジタル・コームのくっつきの問題を排除し、
-堆積犠牲層の用途を整理し、
-基板に接続ビームを直接配置し、それにより単結晶シリコンで作製でき、それによりフィンガーを変形しうるコームにかかる機械的応力を回避する。

さらに、本発明による方法によれば、可動塊のある一部分を局所的に厚くすることができ、加速度計のサイズを増加させることなく感度を増加させることができる。

先に説明した従来技術による加速度計の概略の平面図を示す。 本発明による加速度計の概略の平面図を示す。 本発明による加速度計の製造方法の様々な局面を概略的に示し、図２のＹＹ軸に沿った垂直断面図を示す。 本発明による加速度計の製造方法の様々な局面を概略的に示し、図２のＹＹ軸に沿った垂直断面図を示す。 本発明による加速度計の製造方法の様々な局面を概略的に示し、図２のＹＹ軸に沿った垂直断面図を示す。 本発明による加速度計の製造方法の様々な局面を概略的に示し、図２のＹＹ軸に沿った垂直断面図を示す。 本発明による加速度計の製造方法の様々な局面を概略的に示し、図２のＹＹ軸に沿った垂直断面図を示す。 本発明による加速度計の製造方法の様々な局面を概略的に示し、図２のＹＹ軸に沿った垂直断面図を示す。 本発明による加速度計の製造方法の様々な局面を概略的に示し、図２のＹＹ軸に沿った垂直断面図を示す。 本発明による加速度計の製造方法の様々な局面を概略的に示し、図２のＹＹ軸に沿った垂直断面図を示す。 本発明による加速度計の製造方法の様々な局面を概略的に示し、図２のＹＹ軸に沿った垂直断面図を示す。

符号の説明

２ 可動電極
４ 固定電極
４Ａ 第１の部分
４Ｂ 第２の部分
５ 基板
６ 可動塊
７ 可動フィンガー
８ 固定フィンガー
８Ａ，８Ｂ 固定フィンガー
１２ フレキシブル・ロッド
２０ ビーム
２０ 接続ビーム
２２ 接続ビーム
２４ 犠牲層
３０ アンカーリング・ポイント（堆積物）
３２ 接続ビーム

Claims (16)

1. 基板（５）と、可動フィンガー（７）の集合体が取り付けられて前記基板（５）に対して可動な電極（２）と、固定フィンガー（８Ａ，８Ｂ）の集合体が取り付けられて前記基板（５）に対して固定された電極（４）とを有し、それぞれの前記可動フィンガー（７）がインターデジタル・コームを有するミクロ組織を形成するために２つの隣接する固定フィンガー（８Ａ，８Ｂ）の間に配置されるコーム容量加速度計であって、可動フィンガー（７）は基板（５）に直接エッチングされた少なくとも第１接続ビーム（２０）によってお互いに接続され、および／または固定フィンガー（８Ａ，８Ｂ）は基板（５）に直接エッチングされた少なくとも第２接続ビーム（２２）によってお互いに接続されることを特徴とする、コーム容量加速度計。
2. 前記接続ビーム（２０，２２）は、接合されるフィンガー端部に近接して位置していることを特徴とする請求項１に記載の加速度計。
3. 可動電極（２）はフレキシブル・ロッド（１２）によって基板に接合されることを特徴とする請求項１に記載の加速度計。
4. 前記フレキシブル・ロッド（１２）は基板（５）に直接エッチングされることを特徴とする請求項３に記載の加速度計。
5. 可動電極（２）は、前記可動フィンガー（７）を横に伸ばす可動塊（６）を有し、固定電極（４）は、可動塊（６）のいずれかの側に対称的に配置された２つの部分（４Ａ，４Ｂ）を有し、それぞれの可動フィンガー（７）が２つの隣接する固定フィンガー（８Ａ，８Ｂ）の間に配置されるように、前記可動塊（６）に向かって横に伸びる固定フィンガー（８Ａ，８Ｂ）をそれぞれの２つの部分が有する、ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の加速度計。
6. 可動塊（６）は基板（５）にエッチングされた少なくとも１つの接続ビームを有することを特徴とする請求項５に記載の加速度計。
7. 中央の塊（６）の端部に位置した可動フィンガー（７）および／または固定フィンガー（８Ａ，８Ｂ）は、他の可動フィンガーおよび／または固定フィンガーより大きな幅をもつことを特徴とする請求項５または６に記載の加速度計。
8. 基板（５）はＳＯＩ基板であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の加速度計。
9. -埋設犠牲層（２４）を有する基板（５）を提供する段階と、
   -振動性の塊（６）、リターンスプリング（１２）、可動フィンガー（７）の集合体、および固定フィンガーの集合体（８Ａ，８Ｂ）を有し、それぞれの可動フィンガー（７）が２つの隣接する固定フィンガー（８Ａ，８Ｂ）の間に配置されるようにしたインターデジタル・コームに従って、ミクロ組織を定義するためのパターンにより基板（５）の表面にマスクを形成する段階と、
   -埋設犠牲層（２４）で停止するパターンに従って基板（５）の表面にエッチングする段階と、
   -露出した基板（５）の表面を減肉し、少なくとも１つの接続ビーム（２０，２２）の厚さと少なくとも等しい厚さに従って埋設犠牲層の前で停止させる段階と、
   -露出した基板（５）の表面にエッチングし、犠牲層上で停止させることによって、可動フィンガー（７）を連結する少なくとも１つの接続ビーム（２０）、および／または、固定フィンガー（８Ａ，８Ｂ）を連結する少なくとも１つの第２接続ビーム（２２）を形成する段階と、
   -少なくとも２つの可動フィンガー（７）上に少なくとも第１接続ビーム（２０）を付着するための、および／または、少なくとも２つの固定フィンガー（８Ａ，８Ｂ）上に少なくとも第２接続ビーム（２２）を付着するためのアンカーポイント（３０）を形成する段階と、
   -犠牲層の最小の部分を除去して、可動フィンガー（７）の集合体を固定フィンガー（８Ａ，８Ｂ）の集合体から分離する段階と、
   を有することを特徴とするコーム容量加速度計の製造方法。
10. 可動塊（６）上への少なくとも１つの接続ビームの形成段階と、可動塊上に前記少なくとも１つの接続ビームを付着するためのアンカーポイント（３０）の形成段階と、をさらに有することを特徴とする請求項９に記載の製造方法。
11. アンカーポイントの形成段階は、少なくとも１つの接続ビームの形成段階の前に完了することを特徴とする請求項９または１０に記載の製造方法。
12. 基板（５）はＳＯＩ基板、すなわち、犠牲層として機能する埋設層としてのＳｉＯ_２の埋設層を有するシリコン基板であることを特徴とする請求項９に記載の製造方法。
13. 接続ビームは、ＳｉＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４、および多結晶シリコンから選択された材料から成ることを特徴とする請求項１１に記載の製造方法。
14. アンカーポイントの形成段階は、露出した基板の表面および下側の犠牲層をエッチングして、アンカーポイントの材料でこれらの孔を充填することにより、孔を配置することによって完了することを特徴とする請求項１１に記載の製造方法。
15. -１つの表面にキャビティを提示する支持基板（２６）を提供する段階と、
    -前記支持基板上のキャビティと向かい合う支援基板（２６）の表面上に、インターデジタル・コームを備えたミクロ組織を有する基板（５）の表面をシールする段階と、
    をさらに有することを特徴とする請求項１１に記載の製造方法
16. 支持基板（２６）はシリコンまたはガラスから成ることを特徴とする請求項１５に記載の製造方法。

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