JP2006317242A - 力学量検出センサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 マイクロローディング効果の影響を抑制し、良好な面内均一性を得ることができる、力学量検出センサ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 力学量検出センサが、開口を有する固定部と、この開口内に配置され、かつ前記固定部に対して変位する変位部と、前記固定部と前記変位部とを接続する接続部と、を有する第１の構造体と、前記変位部に接合される中央部とこの中央部に異なる複数の方向から接続される複数の部分重量部とからなる重量部と、前記重量部を囲んで配置され、かつ前記固定部に接合される台座と、前記複数の部分重量部、前記中央部と前記台座とに囲まれ、かつ前記接続部に接合される棒状部と、を有し、前記第１の構造体に積層して配置される第２の構造体と、前記変位部の変位を検出する変位検出部と、を具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、力学量検出センサ及びその製造方法に関する。力学量検出センサには、例えば、加速度センサ、角速度センサが含まれる。

シリコン層／酸化シリコン層／シリコン層の３層構造をもったＳＯＩ基板をエッチングして、加速度を検出する力学量検出センサを製造する技術が開示されている（特許文献１参照）。
特許公開２００３−３２９７０２号公報、第００３１段落及び第００４０段落、並びに図２及び図８

しかしながら、このような技術では、エッチングすべき幅に広狭のある重量部の製造段階である、ＳＯＩ基板の下層の下方向からの垂直エッチングの際に、エッチングする幅の厚薄によりエッチングのスピードが異なる、マイクロローディング効果の影響により、エッチングの面内均一性を得ることは困難である。このため、力学量検出センサの製造の精度及び製品の歩留まりが悪いという問題が存在する。
上記に鑑み、本発明は、上記のマイクロローディング効果の影響を抑制し、良好なエッチングの面内均一性が図られた力学量検出センサ及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の力学量検出センサは、開口を有する固定部と、この開口内に配置され、かつこの固定部に対して変位する変位部と、固定部と変位部とを接続する接続部と、を有する第１の構造体と、この変位部に接合される中央部とこの中央部に異なる複数の方向から接続される複数の部分重量部とからなる重量部と、重量部を囲んで配置され、かつ固定部に接合される台座と、複数の部分重量部、中央部と台座とに囲まれ、かつ接続部に接合される棒状部と、を有し、第１の構造体に積層して配置される第２の構造体と、変位部の変位を検出する変位検出部と、を具備することを特徴とする。
本発明の力学量検出センサは、複数の部分重量部の間に配置され、中央部と部分重量部と台座とに囲まれる棒状部を有する。これらの棒状部によって、棒状部と複数の部分重量部との間隔を調整して、重量部と台座との間隔とを実質的に同等とすることが容易となる。すなわち、エッチングパターン幅の均一化が容易となる。従って、マイクロローディング効果の影響を効果的に抑制することができる。

本発明によれば、マイクロローディング効果の影響を抑制し、良好なエッチングの面内均一性が図られた力学量検出センサ及びその製造方法を提供できる。

以下図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
（第１の実施形態）
本発明は、力学量検出センサ及びその製造方法に関するものであるが、ここでは、加速度センサの構成を述べる。
図１は本発明の第１の実施形態に係る加速度センサ１００を表す斜視図である。また、図２は加速度センサ１００を分解した状態を表す分解斜視図である。図３及び図４は、それぞれ、加速度センサ１００を、図１のＡ１−Ａ２及びＢ１−Ｂ２に沿って切断した状態を表す一部断面図である。

加速度センサ１００は、互いに積層して配置される第１の構造体１１０、接合部１２０、第２の構造体１３０及び基体１４０を有する。なお、図２では、基体１４０は省略している。
第１の構造体１１０、接合部１２０及び第２の構造体１３０は、その外周が例えば、
１ｍｍの辺の略正方形状である。これらの高さは、加速度センサの用途に応じて決めることができる。これらの高さは、それぞれ、例えば２〜１０μｍ、１〜２μｍ、３００〜７２５μｍである。
第１の構造体１１０、接合部１２０、及び第２の構造体１３０はそれぞれ、シリコン、酸化シリコン、シリコンから構成可能であり、シリコン／酸化シリコン／シリコンの３層構造をなすＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いて製造可能である。また、基体１４０は、シリコン、金属、ガラスで構成可能である。

第１の構造体１１０は、外径が略正方形であり、固定部１１１、変位部１１２、接続部１１３a〜１１３ｄから構成される。第１の構造体１１０は、半導体材料の層をエッチングして開口１１４ａ〜１１４ｄを形成することで作成できる。

固定部１１１は、外周、内周（開口）が共に略正方形の枠形状の基板である。
変位部１１２は、外周が略正方形の基板であり、固定部１１１の開口の中央近傍に配置される。
接続部１１３a〜１１３ｄは略長方形の基板であり、固定部１１１と変位部１１２とを４方向（Ｘ正方向、Ｘ負方向、Ｙ正方向、Ｙ負方向）で接続する。

接続部１１３a〜１１３ｄは、撓みが可能な梁として機能する。接続部１１３a〜１１３ｄが撓むことで、変位部１１２が固定部１１１に対して変位可能である。具体的には、変位部１１２が固定部１１１に対して、Ｚ正方向、Ｚ負方向に直線的に変位する。また、変位部１１２は、固定部１１１に対してＸ軸およびＹ軸を回転軸とする正負の回転が可能である。即ち、ここでいう「変位」には、移動および回転（Ｚ軸方向での移動、Ｘ，Ｙ軸での回転）の双方を含めることができる。

変位部１１２の変位（移動および回転）を検知することで、Ｘ，Ｙ，Ｚの３軸方向の加速度を測定することができる。
接続部１１３a〜１１３ｄ上に、１２個のピエゾ抵抗素子Ｒ（Ｒｘ１〜Ｒｘ４，Ｒｙ１〜Ｒｙ４、Ｒｚ１〜Ｒｚ４）が配置されている。このピエゾ抵抗素子Ｒは、抵抗の変化として接続部１１３の撓み（あるいは、歪み）、ひいては変位部１１２の変位を検出するためのものである。なお、この詳細は後述する。

第２の構造体１３０は、外形が略正方形であり、台座１３１、重量部１３２、及び棒状部１３３ａ〜１３３ｄから構成される。

台座１３１は、外周、内周（開口１３４）が共に略正方形の枠形状の基板である。台座１３１は固定部１１１と対応した形状を有し、台座接合部１２１によって固定部１１１に接続される。
重量部１３２は、中央部１３２ａと複数の部分重量部１３２ｂ〜１３２ｅから構成される。中央部１３２ａは、重量部１３２の中央に配置される。部分重量部１３２ｂ〜１３２ｅは、異なった４方向から中央部１３２ａと接続される。重量部１３２は、質量を有し、加速度によって力を受ける重錘、あるいは作用体として機能する。即ち、加速度が印加されると、重量部１３２の重心に力が作用する。中心に配置された中央部１３２aに４方向から部分重量部１３２ｂ〜１３２ｅが接続され、全体として一体的に変位（移動、回転）が可能となっている。即ち、重量部１３２のうち、中央部１３２aは、部分重量部１３２ｂ〜１３２ｅを接続する接続部として機能する。

重量部１３２のうちの中央部１３２ａは、変位部１１２と対応する略正方形の断面形状を有し、重量部接合部１２２によって変位部１１２と接合される。この結果、重量部１３２に加わった加速度に応じて変位部１１２が変位し、その結果、加速度の測定が可能となる。

重量部のうちの部分重量部１３２ｂ〜１３２ｅはそれぞれ、第１の構造体１１０の開口１１４ａ〜１１４ｄに対応して配置される。重量部１３２が変位したときに部分重量部１３２ｂ〜１３２ｅが接続部１１３に接触しないようにするためである（部分重量部１３２ｂ〜１３２ｅが接続部１１３に接触すると、加速度の検出が阻害される）。
中央部１３２ａ及び部分重量部１３２ｂ〜１３２ｅによって、重量部１３２を構成しているのは、加速度センサ１００の小型化と高感度化の両立を図るためである。加速度センサ１００を小型化（小容量化）すると、重量部１３２の容量も小さくなり、その質量が小さくなることから、加速度に対する感度も低下する。接続部１１３a〜１１３ｄの撓みを阻害しないように部分重量部１３２ｂ〜１３２ｅを分散配置することで、重量部１３２の質量を確保している。この結果、加速度センサ１００の小型化と高感度化の両立が図られる。

棒状部１３３ａ〜１３３ｄは、複数の部分重量部１３２ｂ〜１３２ｅ、中央部１３２ａと台座１３１とに囲まれて配置されており、棒状部接合部１２３ａ〜１２３ｄを介して、接続部１１３ａ〜１１３ｄにそれぞれ接合されている。
第２の構造体が棒状部１３３ａ〜１３３ｄを備えた構成をとることにより、マイクロローディング効果の影響を抑制し、良好なエッチングの面内均一性を得ることができる。

本発明の棒状部１３３ａ〜１３３ｄの合計の容積は、重量部１３２の容積の７．５分の１以下、好ましくは１１分の１以下である。
このように棒状部１３３ａ〜１３３ｄの容積は、重量部１３２の容積と比較して、相対的に非常に小さくすることが可能であり、加速度センサの機能を妨げることなく配置することが可能である。

また、これらの棒状部１３３ａ〜１３３ｄは棒状部接合部１２３ａ〜１２３ｄを介して接続部１１３ａ〜１１３ｄに接合される。このため、接合部１１３ａ〜１１３ｄはそれぞれ、棒状部１３３ａ〜１３３ｄが配置された箇所で実質的に厚くなり、変位部１１２の共振周波数が増大することになる。共振周波数が増大することで、変位部１１２がより速やかに加速度の変化に追随可能となり、加速度センサ１０の周波数応答性が向上することになる。

ピエゾ抵抗素子Ｒが配置された接続部１１３ａ〜１１３ｄは、棒状部１３３ａ〜１３３ｄが接続されているので、ピエゾ抵抗素子Ｒに加わる応力が若干低下し、出力電圧が若干低下するおそれがある。
また、これらの出力電圧は、通常その値を増幅するためにアンプ（図示せず）が使用されるものである。よって、たとえ出力電圧が低下したとしても、アンプの増幅率を増大させることにより、通常の加速度センサとしての機能は十分に確保される。

第２の構造体１３０は、半導体材料の基板をエッチングして開口部１３４、すなわち溝部Ｇ１〜Ｇ４を形成することで作成可能である。開口部１３４（溝部Ｇ１〜Ｇ４）を形成することにより、部分重量部１３２ｂ〜１３２ｅと台座１３１との間の溝部Ｇ１、棒状部１３３ａ〜１３３ｄと台座１３１との間の溝部Ｇ２、部分重量部１３２ｂ〜１３２ｅと棒状部１３３ａ〜１３３ｄとの間の溝部Ｇ３、及び中央部１３２ａと棒状部１３３ａ〜１３３ｄとの間の溝部Ｇ４が、それぞれ一定の幅をもって形成される。なお、例えば図２においては、溝部Ｇ１〜Ｇ４は部分重量部１３２ｃと棒状部１３３ｃに関してのみ説明されているが、その他の部分重量部１３２ｂ〜１３２ｅと棒状部１３３ａ〜１３３ｄとの関係、例えば、部分重量部１３２ｂと棒状部１３３ａ、部分重量部１３２ｂと棒状部１３３ｂ、部分重量部１３２ｄと棒状部１３３ｄに関しても同様に溝部Ｇ１〜Ｇ４が形成される。

マイクロローディング効果の影響を抑制し、良好なエッチングの面内均一性を得るためには、溝部Ｇ１の幅が、溝部Ｇ２、溝部Ｇ３及び溝部Ｇ４のいずれか１つの溝部の幅と略同等であることが好ましい。また、溝部Ｇ１の幅、溝部Ｇ２の幅、溝部Ｇ３の幅、及び溝部Ｇ４の幅のいずれもが略同等であることがさらに好ましい。
溝部Ｇ１〜Ｇ４の幅は、加速度センサの機能を考慮して、加速度センサの大きさに応じて、例えば１μｍ〜１００μｍの範囲内で容易に決めることができる。本発明の図２においては、本発明の理解の容易のために棒状部１３３ａ〜１３３ｄは、その断面形状を正方形とする四角柱形状としている。棒状部１３３ａ〜１３３ｄの断面形状は長方形であってもさしつかえない。

接合部１２０は、既述のように、第１、第２の構造体１１０、１３０を接続するものである。接合部１２０は、固定部１１１と台座１３１を接続する台座接合部１２１と、変位部１１２と重量部１３２のうちの中央部１３２ａを接続する重量部接合部１２２と、棒状部１３３ａ〜１３３ｄと接続部１１３ａ〜１１３ｄをそれぞれ接続する棒状部接合部１２３ａ〜１２３ｄとに区分される。接合部１２０は、これ以外の部分では、第１、第２の構造体１１０、１３０を接続していない。接続部１１３a〜１１３ｄの撓み、および重量部１３２の変位を可能とするためである。
なお、接合部１２１、１２２、１２３ａ〜１２３ｄは、例えばシリコン酸化膜をエッチングすることで構成可能である。

基体１４０は、略長方体の外形を有し、枠部１４１と底板部１４２とを有する。シリコン、金属等の基板に略直方形（例えば、縦横９００μｍ、深さ１０μｍ）の凹部１４３を形成することで基体１４０を形成できる。凹部の形成には、種々の加工手段(例えば、エッチング、プレス加工、切削加工)を利用可能である。
基体１４０には、シリコン、ガラス、金属、例えば、Ｆｅ−Ｎｉ系合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金等を用いることができる。

基体１４０に凹部１４３が形成されているのは、重量部１３２が変位するための空間を確保するためである。但し、基体１４０に凹部１４３を形成するのに替えて、あるいはこれと共に、台座１３１、重量部１３２、及び棒状部１３３a〜１３３ｄの高さ(厚さ)を異ならせることも可能である。例えば半導体材料の基板を２段階でエッチングすることで、台座１３１の高さ（厚さ）に対して重量部１３２及び棒状部１３３a〜１３３ｄを薄くすることができる。その結果、重量部１３２が変位する空間を確保できる。

（加速度センサ１００の動作）
加速度センサ１００による加速度の検出の原理を説明する。既述のように、接続部１１３ａ〜１１３ｄには、合計１２個のピエゾ抵抗素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４，Ｒｙ１〜Ｒｙ４，Ｒｚ１〜Ｒｚ４が配置されている。
これら各ピエゾ抵抗素子は、シリコンからなる接続部１１３ａ〜１１３ｄの上面付近に形成されたＰ型もしくはＮ型の不純物ドープ領域によって構成できる。

３組のピエゾ抵抗素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４、Ｒｙ１〜Ｒｙ４、Ｒｚ１〜Ｒｚ４が、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｘ軸方向に一直線に並ぶように配置される。ピエゾ抵抗素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４はそれぞれ、接続部１１３ｄの外周近傍、内周近傍、接続部１１３ｂの内周近傍、外周近傍に配置される。ピエゾ抵抗素子Ｒｙ１〜Ｒｙ４はそれぞれ、接続部１１３ｃの外周近傍、内周近傍、接続部１１３ａの内周近傍、外周近傍に配置される。ピエゾ抵抗素子Ｒｚ１〜Ｒｚ４はそれぞれ、接続部１１３ｄの外周近傍、内周近傍、接続部１１３ｂの内周近傍、外周近傍に配置される。
なお、ピエゾ抵抗素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４、Ｒｚ１〜Ｒｚ４は、接続部１１３ｄ、１１３ｂとで配置が異なっている。これはピエゾ抵抗素子Ｒによる接続部１１３の撓みの検出をより高精度化するためである。

３組のピエゾ抵抗素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４、Ｒｙ１〜Ｒｙ４、Ｒｚ１〜Ｒｚ４はそれぞれ、重量部１３２のＸ、Ｙ，Ｚ軸方向成分の変位を検出するＸ、Ｙ，Ｚ軸方向成分変位検出部として機能する。なお、４つのピエゾ抵抗素子Ｒｚ１〜Ｒｚ４は、必ずしもＸ軸方向に配置する必要はなく、Ｙ軸方向に配置してもよい。

図５は、図３に対応し、重量部１３２（質量ｍ）にＸ軸正方向の加速度（＋αｘ）による力（＋Ｆｘ＝＋ｍ・αｘ）が印加されたときの加速度センサ１００の状態を表す断面図である。
重量部１３２がＹ軸に対して正方向に移動（回転）する結果、ピエゾ抵抗素子Ｒｘ１、Ｒｘ３はＸ軸方向に伸び（（＋）として表現）、ピエゾ抵抗素子Ｒｘ２、Ｒｘ４はＸ軸方向に縮んでいる（（−）として表現）。

図６は、図３に対応し、重量部１３２（質量ｍ）にＸ軸負方向の加速度（−αｘ）による力（−Ｆｘ＝−ｍ・αｘ）が印加されたときの加速度センサ１００の状態を表す断面図である。
重量部１３２がＹ軸に対して負方向に回転する結果、ピエゾ抵抗素子Ｒｘ１、Ｒｘ３はＸ軸方向に縮み（（−）として表現）、ピエゾ抵抗素子Ｒｘ２、Ｒｘ４はＸ軸方向に伸びている（（＋）として表現）。

図７は、図３に対応し、重量部１３２（質量ｍ）にＺ軸正方向の加速度（＋αｚ）による力（＋Ｆｚ＝＋ｍ・αｚ）が印加されたときの加速度センサ１００の状態を表す断面図である。
重量部１３２がＺ軸に対して正方向に移動する結果、ピエゾ抵抗素子Ｒｚ１、Ｒｚ４はＸ軸方向に縮み（（−）として表現）、ピエゾ抵抗素子Ｒｚ２、Ｒｚ３はＸ軸方向に伸びている（（＋）として表現）。

図８は、図３に対応し、重量部１３２（質量ｍ）にＺ軸負方向の加速度（−αｚ）による力（−Ｆｚ＝−ｍ・αｚ）が印加されたときの加速度センサ１００の状態を表す断面図である。
重量部１３２がＺ軸に対して負方向に移動する結果、ピエゾ抵抗素子Ｒｚ１、Ｒｚ４はＸ軸方向に伸び（（＋）として表現）、ピエゾ抵抗素子Ｒｚ２、Ｒｚ３はＸ軸方向に縮んでいる（（−）として表現）。

以上から判るように、ピエゾ抵抗素子Ｒの伸び（＋）、縮み（−）の組み合わせと、その伸び縮みの量それぞれから、加速度の方向および量を検出することができる。ピエゾ抵抗素子Ｒの伸び、縮みは、ピエゾ抵抗素子Ｒの抵抗の変化として検出できる。
各ピエゾ抵抗素子ＲがシリコンへのＰ型不純物ドープによって構成されているとする。この場合には、ピエゾ抵抗素子Ｒの長手方向での抵抗値は、伸び方向の応力が作用したときには増加し、縮み方向の応力が作用した場合には減少する。
なお、ピエゾ抵抗素子ＲをシリコンへのＮ型不純物ドープによって構成した場合には、抵抗値の増減が逆になる。

図９〜図１１はそれぞれ、ピエゾ抵抗素子Ｒの抵抗からＸ，Ｙ，Ｚの軸方向それぞれでの加速度を検出するための検出回路の構成例を示す回路図である。この検出回路では、Ｘ，Ｙ，Ｚの軸方向の加速度成分それぞれを検出するために、４組のピエゾ抵抗素子からなるブリッジ回路を構成し、そのブリッジ電圧を検出している。
これらのブリッジ回路では入力電圧Ｖｉｎ（Ｖｘ_ｉｎ、Ｖｙ_ｉｎ、Ｖｚ_ｉｎ）それぞれに対する出力電圧Ｖｏｕｔ（Ｖｘ_ｏｕｔ、Ｖｙ_ｏｕｔ、Ｖｚ_ｏｕｔ）の関係は以下の式（１）〜（３）で表される。
Ｖｘ_ｏｕｔ／Ｖｘ_ｉｎ＝
［Ｒｘ４／（Ｒｘ１＋Ｒｘ４）−Ｒｘ３／（Ｒｘ２＋Ｒｘ３）］ ……式（１）
Ｖｙ_ｏｕｔ／Ｖｙ_ｉｎ＝
［Ｒｙ４／（Ｒｙ１＋Ｒｙ４）−Ｒｙ３／（Ｒｙ２＋Ｒｙ３）］ ……式（２）
Ｖｚ_ｏｕｔ／Ｖｚ_ｉｎ＝
［Ｒｚ３／（Ｒｚ１＋Ｒｚ３）−Ｒｚ４／（Ｒｚ２＋Ｒｚ４）］ ……式（３）

ピエゾ抵抗素子Ｒの伸び縮みの量と抵抗値Ｒの変化とが比例することから、入力電圧に対する出力電圧の比（Ｖｘｏｕｔ／Ｖｘｉｎ、Ｖｙｏｕｔ／Ｖｙｉｎ、Ｖｚｏｕｔ／Ｖｚｉｎ）は加速度と比例し、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸それぞれでの加速度を分離して測定することが可能となる。

（加速度センサ１００の作成）
加速度センサ１００の作成工程につき説明する。
図１２は、加速度センサ１００の作成手順の一例を表すフロー図である。また、図１３〜図１７は、図４に対応し、図１２の作成手順における加速度センサ１００の状態を表す断面図である（図１に示す加速度センサ１００をＢ１−Ｂ２で切断した断面に相当する）。

（１）半導体基板の用意（ステップＳ１１）
まず、第１、第２、第３の層１１、１２、１３の３層を積層してなる半導体基板を用意する。

第１、第２、第３の層１１、１２、１３はそれぞれ、第１の構造体１１０、接合部１２０、第２の構造体１３０を構成するための層であり、ここでは、シリコン、酸化シリコン、シリコンからなる層とする。
シリコン／酸化シリコン／シリコンという３層の積層構造をもった半導体基板は、シリコン基板上に、シリコン酸化膜、シリコン膜を順に積層することで作成できる（いわゆるＳＯＩ基板）。

第２の層１２を第１、第３の層１１，１３とは異なる材料から構成しているのは、第１、第３の層１１，１３とエッチング特性を異ならせ、エッチングのストッパ層として利用するためである。第１の層１１に対する上面からのエッチング、および第３の層１３に対する下面からのエッチングの双方で、第２の層１２がエッチングのストッパ層として機能する。
なお、ここでは第１の層１１と第３の層１３とを同一材料（シリコン）によって構成するものとするが、第１、第２、第３の層１１、１２、１３のすべてを異なる材料によって構成してもよい。

（２）第１の構造体１１０の作成（第１の層１１のエッチング、ステップＳ１２、および図１４）
第１の層１１をエッチングすることにより、開口部１１４を形成し、第１の構造体１１０を形成する。即ち、第１の層１１に対して浸食性を有し、第２の層１２に対して浸食性を有しないエッチング方法を用いて、第１の層１１の所定領域（開口１１４ａ〜１１４ｄ）に対して、第２の層１２の上面が露出するまで厚み方向にエッチングする。

第１の層１１の上面に、第１の構造体１１０に対応するパターンをもったレジスト層を形成し、このレジスト層で覆われていない露出部分を垂直下方に浸食する。このエッチング工程では、第２の層１２に対する浸食は行われないので、第１の層１１の所定領域（開口１１４ａ〜１１４ｄ）のみが除去される。
図１４は、第１の層１１に対して、上述のようなエッチングを行い、第１の構造体１１０を形成した状態を示す。

（３）第２の構造体１３０の作成（第３の層１３のエッチング、ステップＳ１３、および図１５）
第３の層１３をエッチングすることにより、開口部１３４、すなわち溝部Ｇ１〜Ｇ４を形成し、第２の構造体１３０を形成する。即ち、第３の層１３に対して浸食性を有し、第２の層１２に対して浸食性を有しないエッチング方法により、第３の層１３の所定領域（開口部１３４、すなわち溝部Ｇ１〜Ｇ４）に対して、第２の層１２の下面が露出するまで厚み方向へのエッチングを行う。

第３の層１３の下面に、第２の構造体１３０に対応するパターンをもったレジスト層を形成し、このレジスト層で覆われていない露出部分を垂直上方へと浸食させる。このエッチング工程では、第２の層１２に対する浸食は行われないので、第３の層１３の所定領域（開口部１３４、すなわち溝部Ｇ１〜Ｇ４）のみが除去される。
図１５は、第３の層１３に対して、上述のようなエッチングを行い、第２の構造体１３０を形成した状態を示す。
この第３層１３の下面からのエッチングにおいて、溝部Ｇ１の幅、溝部Ｇ２の幅、溝部Ｇ３の幅、及び溝部Ｇ４の幅を近づけるか又は略同等にすることができるので、マイクロローディング効果による影響を有効に抑制することが可能である。その結果、エッチングの面内均一性を得ることができ、加速度センサの製造の精度及び製品の歩留りを向上させることが可能となる。

なお、マイクロローディング効果とは、被エッチング面であるマスク開口部のパターン幅（エッチング幅）の相違によりエッチング箇所によってエッチング速度が異なってくる現象をいう。マスク開口部のパターン幅が細くなると、エッチング速度が低くなる。
例えば、ある特定の通常のエッチング条件下で、エッチング幅１００μｍ（長さ４００μｍ）とエッチング幅８０μｍ（長さ５００μｍ）のエッチング速度は、それぞれ、４．５５μｍ／分、４．４５μｍ／分である。すなわち、エッチング面積が同じ場合では、エッチング速度は、エッチングされる溝幅が狭いほどエッチング速度が遅くなり、その速度は３％程度減少する。

このようにマスク開口部のパターン幅によってエッチング速度が異なるので、エッチングの深さに（面内）不均一が生じる。マスク開口部のパターンのすべてでエッチングの深さを均一にするために、エッチング時間を延長することが考えられる。しかしながら、この場合にはエッチングのストッパ層（酸化シリコン層）が、プラズマにさらされ続けるので、時間の経過により徐々にエッチングされてしまうという問題が生じる。ある特定の通常のエッチング条件下では、最初にエッチングが終了した箇所のエッチングのストッパ層（酸化シリコン層）が、全てのエッチング面のエッチングが終了するまでの間に、エッチングのストッパ層（酸化シリコン層）の厚さ（通常２μｍ程度）のほぼ半分の１μｍ強程度が削られる。

棒状部１３３ａ〜１３３ｄを設けることで、マイクロローディング効果を抑制することができるので、エッチングのストッパ層（酸化シリコン層）の厚さを薄くすることも可能になる。
以上は同一のセンサ内であってもエッチングに不均一が生じることを意味する。これを素子内不均一と呼ぶこととする。

また、例えば、６インチ、８インチのような大サイズのウエハ上に多数の加速度センサ１０を製造する場合には、そのウエハ上での位置に起因してエッチングに不均一が生じる可能性がある。ウエハの中央と周辺とでエッチング速度が異なるのが通例であり、ウエハの大サイズ化はこのエッチング速度の相違を拡大することになる。その結果、ウエハ上に形成される複数の加速度センサ１０間で、その位置に応じてエッチングに不均一が生じる。このウエハ上の位置に起因するエッチングの不均一は、前述の素子内不均一と対比して、素子間不均一と呼ぶことができる。

以上述べた素子内不均一と、素子間不均一とが加算されることで、エッチングの不均一が拡大され、加速度センサ１０の製造上の歩留まりが低下する可能性がある。棒状部１３３ａ〜１３３ｄによってマイクロローディング効果を抑制することで、素子内不均一の低減、ひいては加速度センサ１０の製造上の歩留りの向上が図られる。

さらに、エッチングにさらされている時間が長い箇所ほど、シリコン層と酸化シリコン層との界面の間が層方向にエッチングされる、いわゆるノッチが発生する。棒状部１３３ａ〜１３３ｄによってマイクロローディング効果を抑制することができるので、このようなノッチの発生も有効に抑制することが可能となる。

なお、上述した第１の層１１に対するエッチング工程（ステップＳ１２）と、第３の層１３に対するエッチング工程（ステップＳ１３）の順序は入れ替えることができる。いずれのエッチング工程を先に行ってもかまわないし、同時に行っても差し支えない。

（４）第１、第２の構造体１１０，１３０間の接合部１２０の作成（第２の層１２のエッチング、ステップＳ１４、および図１６）
第２の層１２をエッチングすることにより、接合部１２０を形成する。即ち、第２の層１２に対しては浸食性を有し、第１の層１１および第３の層１３に対しては浸食性を有しないエッチング方法により、第２の層１２に対して、その露出部分から厚み方向および層方向にエッチングする。

このエッチング工程では、別途、レジスト層を形成する必要はない。即ち、図１６に示すように、第１の層１１の残存部分である第１の構造体１１０と、第３の層１３の残存部分である第２の構造体１３０とが、それぞれ第２の層１２に対するレジスト層として機能する。エッチングは、第２の層１２の露出部分、すなわち、開口部１１４ａ〜１１４ｄ、及び開口部１３４（Ｇ１〜Ｇ４）の形成領域に対してなされる。

以上の製造プロセスにおいて、第１の構造体１１０を形成する工程（ステップＳ１２）と、第２の構造体１３０を形成する工程（ステップＳ１３）では、次の２つの条件を満たすエッチング法を行う必要がある。
第１の条件は、各層の厚み方向への方向性を持つことである、第２の条件は、シリコン層に対しては浸食性を有するが、酸化シリコン層に対しては浸食性を有しないことである。第１の条件は、所定寸法をもった開口部や溝を形成するために必要な条件であり、第２の条件は、酸化シリコンからなる第２の層１２を、エッチングストッパ層として利用するために必要な条件である。

第１の条件を満たすエッチング方法として、ＤＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching）と呼ばれているエッチング方法を挙げることができる。このエッチング法は、垂直方向に深い溝を掘る際に効果的な方法である。このエッチング方法のうち誘導結合型プラズマエッチング法（ＩＣＰエッチング法：Induced Coupling Plasma Etching Method）が好ましい。
この方法では、材料層を厚み方向に浸食しながら掘り進むエッチング段階と、掘った穴の側面にポリマーの壁を形成するデポジション段階と、を交互に繰り返す。掘り進んだ穴の側面は、順次ポリマーの壁が形成されて保護されるため、ほぼ厚み方向にのみ浸食を進ませることが可能になる。

一方、第２の条件を満たすエッチングを行うには、酸化シリコンとシリコンとでエッチング選択性を有するエッチング材料を用いればよい。例えば、エッチング段階では、ＳＦ_６ガス、およびＯ_２ガスの混合ガスを、デポジション段階では、Ｃ_４Ｆ_８ガスを用いることが考えられる。
エッチングの条件としては、例えばエッチング段階では、ＳＦ_６ガスを１００ｓｃｃｍ、Ｏ_２ガスを１０ｓｃｃｍの割合でチャンバ内に供給する。デポジション段階では、Ｃ_４Ｆ_８ガスを１００ｓｃｃｍの割合でチャンバ内に供給する。このようなエッチング段階とデポジション段階をそれぞれ１０秒程度で周期的に繰り返すことが可能である。

第２の層１２に対するエッチング工程（ステップＳ１４）では、次の２つの条件を満たすエッチング法を行う必要がある。第１の条件は、厚み方向とともに層方向への方向性をもつことであり、第２の条件は、酸化シリコン層に対しては浸食性を有するが、シリコン層に対しては浸食性を有しないことである。
第１の条件は、不要な部分に酸化シリコン層が残存して重量部１３２の変位の自由度を妨げることがないようにするために必要な条件である。第２の条件は、既に所定形状への加工が完了しているシリコンからなる第１の構造体１１０や第２の構造体１３０に浸食が及ばないようにするために必要な条件である。

第１、第２の条件を満たすエッチング方法として、バッファド弗酸（ＨＦ：ＮＨ_４Ｆ＝１：１０の混合液）をエッチング液として用いるウェットエッチングを挙げることができる。
エッチング条件としては、例えば、バッファド弗酸（ＨＦ：ＮＨ_４Ｆ＝１：１０の混合液）に３０分間浸漬して行うことが可能である。あるいは、ＣＦ_４ガスとＯ_２ガスとの混合ガスを用いたＲＩＥ法によるドライエッチングも適用可能である。

（５）基体１４０の作成及びその接合（ステップＳ１５、および図１７）
例えば、シリコン基板、金属基板、ガラス基板に略直方体状の凹部１４３を形成することで制御基板としての基体１４０を作成できる。基板１４０は、略長方体の外形を有し、枠部１４１と底板部１４２とを有する。凹部１４３の作成には、種々の加工手段（例えば、エッチング、プレス加工、切削加工）を利用可能である。これらの基体１４０を通常の方法により接合することができる。

（第２の実施形態）
図１８は本発明の第２の実施形態に係る角速度センサ２００を分解した状態を表す分解斜視図である。
角速度センサ２００は、互いに積層して配置される第１の構造体２１０、接合部２２０、第２の構造体２３０、および第1、第２の基体２４０、２５０を有する。
図１９は、角速度センサ２００を図１８のＡ１−Ａ２に沿って切断した状態を表す断面図である。

本発明の角速度センサ２００の変位部２１２、接続部２１３ａ〜２１３ｄ、重量部２３２、棒状部２３３ａ〜２３３ｅは、それぞれ本発明の加速度センサの変位部１１２、接続部１１３ａ〜１１３ｄ、重量部１３２、棒状部１３３ａ〜１３３ｅに対応する。

本発明の角速度センサ２００の加速度センサ１００との相違点は、角速度センサ２００が第１及び第２の基体２４０、２５０を具備することである。また、第１の構造体２１０の変位部２１２ａ〜２１２ｅの領域が異なることである。さらに、変位部２１２ａ〜２１２ｅの上に駆動用電極２１５ａ〜２１５ｅ及び検出用電極２１６ｂ〜２１６ｅが配置されていること、そして重量部２３２ａ上に駆動用電極２３５が配置されていることである。第１の基体２４０の裏面上に駆動用電極２４６ａ〜２４６ｅ及び検出用電極２４７ｂ〜２４７ｅが配置され、第２の基体の上面上に駆動用電極２５６が配置されている。

駆動用電極２１５ａ〜２１５ｅは、第１の基体２４０の裏面に設置された駆動用電極２４６ａ〜２４６ｅと容量性結合し、この間に印加された電圧によって変位部２１２ａ〜２１２ｅをＺ軸方向に振動させる。また検出用電極２１６ｂ〜２１６ｅは、第１の基体２４０の裏面に設置された検出用電極２４７ｂ〜２４７ｅと容量性結合し、この間の容量の変化によって変位部２１２ａ〜２１２ｅのＸ軸およびＹ軸方向の変位を検出する。
さらに、重量部２３２ａの裏面上に配置された駆動用電極２３５は、第２の基体２５０の上面に設置された駆動用電極２５６と容量性結合し、この間に印加された電圧によって変位部２１２ａ〜２１２ｅをＺ軸方向に振動させる。

次に、角速度センサ２００の動作について説明する。
駆動用電極２１５ａ〜２１５ｅ、２４６ａ〜２４６ｅ間又は駆動用電極２３５、２５６間に電圧を印加すると、クーロン力によってそれぞれの駆動用電極間が互いに吸引され、変位部２１２ａ〜２１２ｅ（重量部２３２ａ〜２３２ｅも）がＺ軸正方向に振動する。
重量部２３２ａ〜２３２ｅ（変位部２１２ａ〜２１２ｅ）がＺ軸方向に速度ｖｚで移動しているときに角速度ωが印加されると重量部２３２ａ〜２３２ｅにコリオリ力Ｆ（Ｆｘ，Ｆｙ）が作用する。Ｘ軸方向の角速度ωｘおよびＹ軸方向の角速度ωｙそれぞれに応じて、Ｙ軸方向のコリオリ力ＦｙおよびＸ軸方向のコリオリ力Ｆｘが重量部２３２ａ〜２３２ｅに作用する。角速度ωｘ、ωｙに起因するコリオリ力Ｆｘ（又はＦｙ）によって変位部２１２ａ〜２１２ｅにＸ（又はＹ）方向への傾き（変位）が生じる。
このＸ（又はＹ）方向への傾き（変位）を検出用電極２１６ｂ〜２１６ｅ、２４７ｂ〜２４７ｅ間の容量の差に基づいて、変位部２１２ａ〜２１２ｅのＸ、Ｙ方向の傾きの変化を検出し、検出信号として取り出すことができる。この結果、角速度センサ２００によるＹ方向、Ｘ方向（２軸）の角速度ωｙ、ωｘの測定が可能となる。

さらに、角速度センサ２００の作成工程について説明する。なお、角速度センサ２００の作成工程は、加速度センサの作成工程と同様の工程に加えて、電極を作成する工程並びに第１及び第２の基体の接合が追加されるものである。

まず、変位部２１２ａ〜２１２ｅ上に駆動用電極２１５ａ〜２１５ｅおよび検出用電極２１６ｂ〜２１６ｅを、重量部２３２ａの裏面上に駆動用電極２３５を形成する。この形成は、電極材料（例えば、銅）の成膜およびパターニング（マスクを用いたエッチング）によって行える。

次に、第１、第２の基体２４０、２５０を作成する。
金属基板を２段階にエッチングして凹部２４３、および駆動用電極２４６ａ〜２４６ｅと検出用電極２４７ｂ〜２４７ｅを形成することで、第１の基体２４０を形成できる。同様に、金属基板を２段階にエッチングして凹部２５３、および駆動用電極２５６を形成することで、第２の基体２５０を形成できる。

さらに、第１の構造体２１０と第１の基体２４０、および第２の構造体２３０と第２の基体２５０とを通常の接合方法、例えば接着剤や合金を用いて接合する。
以上により、本発明の角速度センサを作成できる。

（その他の実施形態）
本発明のこれらの実施形態は上記の実施形態に限られず拡張、変更可能であり、拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
例えば、上記実施形態ではＩＣＰエッチング法での、マイクロローディング効果を低減する例を示したが、他のＤＲＩＥ、例えば磁気中性線放電（Neutral Loop Discharge）プラズマ法、さらにＤＲＩＥに限らず他のエッチング方法でも適用可能である。

本発明の第１の実施形態に係る加速度センサを表す斜視図である。 図１の加速度センサを分解した状態を表す分解斜視図である。 図１の加速度センサを切断線Ａ１−Ａ２の位置で切断した状態を表す一部断面図である。 図１の加速度センサを切断線Ｂ１−Ｂ２の位置で切断した状態を表す一部断面図である。 重量部にＸ軸正方向の加速度による力が印加されたときの加速度センサの状態を表す断面図である。 重量部にＸ軸負方向の加速度による力が印加されたときの加速度センサの状態を表す断面図である。 重量部にＺ軸正方向の加速度による力が印加されたときの加速度センサの状態を表す断面図である。 重量部にＺ軸負方向の加速度による力が印加されたときの加速度センサの状態を表す断面図である。 ピエゾ抵抗素子の抵抗からＸ軸方向での加速度検出するための検出回路の構成例を示す回路図である。 ピエゾ抵抗素子の抵抗からＹ軸方向での加速度検出するための検出回路の構成例を示す回路図である。 ピエゾ抵抗素子の抵抗からＺ軸方向での加速度検出するための検出回路の構成例を示す回路図である。 加速度センサの作成手順の一例を表すフロー図である。 図１２の加速度センサの作成手順を表す断面図である。 図１２の加速度センサの作成手順を表す断面図である。 図１２の加速度センサの作成手順を表す断面図である。 図１２の加速度センサの作成手順を表す断面図である。 図１２の加速度センサの作成手順を表す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る角速度センサを表す断面図である。 角速度センサの断面図である。

符号の説明

１００ 加速度センサ
２００ 角速度センサ
１１０、２１０ 第１の構造体
１１１、２１１ 固定部
１１２、２１２（２１２ａ〜２１２ｅ） 変位部
１１３ａ〜１１３ｄ、２１３ａ〜２１３ｅ 接続部
１１４ａ〜１１４ｄ、２１４ａ〜２１４ｄ 開口部
１２０、２２０ 接合部
１２１ 台座接合部
１２２ 重量部接合部
１２３ａ〜１２３ｄ 棒状部接合部
１３０、２３０ 第２の構造体
１３１、２３１ 台座
１３２、２３２ 重量部
１３２ａ、２３２ａ 中央部
１３２ｂ〜１３２ｅ、２３２ｂ〜２３２ｅ 部分重量部
１３３ａ〜１３３ｄ、２３３ａ〜２３３ｄ 棒状部
１３４ 開口部
１４０ 基体
１４１、２４１、２５１ 枠部
１４２、２４２、２５２ 底板部
１４３、２４３、２５３ 凹部
２１５ａ〜２１５ｅ 駆動用電極
２１６ｂ〜２１６ｅ 検出用電極
２３５ 駆動用電極
２４０ 第１の基体
２４６ａ〜２４６ｅ 駆動用電極
２４７ｂ〜２４７ｅ 検出用電極
２５０ 第２の基体
２５６ 駆動用電極
Ｇ１−Ｇ４ 溝部
Ｒｘ１−４，Ｒｙ１−４，Ｒｚ１−４ ピエゾ抵抗素子

Claims (11)

1. 開口を有する固定部と、この開口内に配置され、かつ前記固定部に対して変位する変位部と、前記固定部と前記変位部とを接続する接続部と、を有する第１の構造体と、
   前記変位部に接合される中央部とこの中央部に異なる複数の方向から接続される複数の部分重量部とからなる重量部と、前記重量部を囲んで配置され、かつ前記固定部に接合される台座と、前記複数の部分重量部、前記中央部と前記台座とに囲まれ、かつ前記接続部に接合される棒状部と、を有し、前記第１の構造体に積層して配置される第２の構造体と、
   前記変位部の変位を検出する変位検出部と
   を具備することを特徴とする力学量検出センサ。
2. 前記第２の構造体が４つの前記棒状部を有し、前記重量部が前記中央部及び４つの前記部分重量部から構成されることを特徴とする請求項１に記載の力学量検出センサ。
3. 前記部分重量部と前記台座との間の溝部の幅が、前記棒状部と前記台座との間の溝部、前記部分重量部と前記棒状部との間の溝部、及び前記中央部と前記棒状部との間の溝部のいずれかの幅と略同等であることを特徴とする請求項２に記載の力学量検出センサ。
4. 前記部分重量部と前記台座との間の溝部の幅、前記棒状部と前記台座との間の溝部の幅、前記部分重量部と前記棒状部との間の溝部の幅、及び前記中央部と前記棒状部との間の溝部の幅のいずれもが略同等であることを特徴とする請求項２に記載の力学量検出センサ。
5. 前記全ての溝部の幅が１μｍ以上であることを特徴とする請求項４に記載の力学量検出センサ。
6. 前記変位検出部が、前記接続部に配置されたピエゾ抵抗素子と、このピエゾ抵抗素子の電気抵抗の変化を検出する検出回路と、を有し、前記力学量が加速度であることを特徴とする請求項１に記載の力学量検出センサ。
7. 前記変位部に振動を付与する振動付与部をさらに具備し、前記力学量が角速度であることを特徴とする請求項１に記載の力学量検出センサ。
8. 前記第１の構造体及び前記第２の構造体を、シリコン層によって構成し、前記第１の構造体及び前記第２の構造体を接合する接合部を酸化シリコン層によって構成することを特徴とする請求項１に記載の力学量検出センサ。
9. 第１、第２、第３の層が順に積層されてなる積層基板の第１の層をエッチングして、開口を有する固定部と、この開口内に配置され、かつ前記固定部に対して変位する変位部と、前記固定部と前記変位部とを接続する接続部と、を有する第１の構造体を形成するステップと、
   前記第３の層をエッチングして、前記変位部に接合される中央部とこの中央部に異なる複数の方向から接続される複数の部分重量部とからなる重量部と、前記重量部を囲んで配置され、かつ前記固定部に接合される台座と、前記複数の部分重量部、前記中央部と前記台座とに囲まれ、かつ前記接続部に接合される棒状部と、を有し、前記第１の構造体に積層して配置される第２の構造体を作成するステップと、
   前記第２の層をエッチングして、開口を有し、かつ前記固定部と前記台座とを接合する台座接合部と、この開口内に配置され、かつ前記変位部と前記重量部とを接合する重量部接合部と、台座接合部と重量部接合部の間に配置され、前記接続部と前記棒状部とを接続する棒状部接合部と、を有する接合部を作成するステップと、
   を具備することを特徴とする力学量検出センサの製造方法。
10. 前記第１及び第３の層がシリコンからなり、前記第２の層が酸化シリコンであることを特徴とする請求項９に記載の力学量検出センサの製造方法。
11. 前記第１の構造体及び前記第２の構造体のエッチングが、誘導結合型プラズマエッチング方法により行われることを特徴とする請求項９に記載の力学量検出センサの製造方法。

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