JP2008209207A - 電気機械変換器の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ピエゾ抵抗素子を用いた加速度センサーを有する電気機械変換器の製造方法において、その形状加工の際のエッチングに偏りが生じてしまい、所定の形状に加工できないという問題があった。
【解決手段】錘部３８と、錘部３８と所定間隔をおいて設ける支持部３６と、錘部３８と支持部３６とを連結する梁部１８とを有し、梁部１８上に検出素子を配設した電気機械変換器の製造方法において、錘部３８を形成するために一表面から錘部３８と支持部３６との間を第１の距離Ｌ１だけエッチングする工程と、錘部３８を形成するために他方面から錘部３８と支持部３６との間を第２の距離Ｌ２だけエッチングする工程とを有し、第１の距離Ｌ１は、他方面から第２の距離Ｌ２だけエッチングする工程における被エッチング物の大きい面積領域におけるエッチング終点の時間と、被エッチング物の面積の小さい面積領域におけるエッチング終点の時間とを同一にする距離とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、機械振動を電気信号に変換、または電気信号を機械振動に変換する構造体の製造方法であって、特に梁構造を有する電気機械変換器の耐衝撃性を高める構造を実現する製造方法に関する。

近年、多種多様なセンサーが開発され、そのサイズも小さくなっている。このセンサーは環境変化に対して材料自身が受ける物理的な変化を電気的に捉えることで成り立っている。この物理的変化は多々存在するが、その中でも機械振動を電気信号に変換するセンサーは、物理センサーという位置付けで広く知られている。

このようなセンサーを応用した様々な製品が開発され市場に出ている。それらの製品はいかに小さく、軽く、安く製造できるかが課題となっている。従って、製品の一部になる部品も当然縮小化が要求される。しかし、サイズが小さくなっても性能を落すことは許されない。

そのためセンサーの感度向上や、異なる方式を用いたセンサーの開発が行われている。加速度センサーの例で見てみると、近年の加速度センサーは半導体化されており、代表的な方式としては、容量式と圧電式とピエゾ抵抗式とがある。

容量式とは、固定して動かない電極と加速度が加わると変形して稼動する電極との間の容量変化を検出する方式である。容量変化をおこすための構造は電極間のギャップ変化を用いている。利点としては温度変化に対しての補正が容易であり、感度が高いことである。欠点は一対の電極間の容量変化は小さいので、これらを並列接続する結線を行い、変化量を大きくしなければならないことである。また、ノイズが入りやすいので検出回路をセンサーのそばに置くなど、浮遊容量をできるだけ検出しないような工夫が必要になることである。

圧電式とは、加速度等で圧電体に加わった歪によって発生する電荷を検出する方式である。利点としては小型で軽量ということがある。欠点は出力インピーダンスが高い、静的加速度が検出できないなどがある。

ピエゾ抵抗式とは、物体にかかる応力によって物体の抵抗値が変化し、その抵抗値変化を周辺回路でブリッジ回路を形成して電圧変化として検出する方式である。この方式の利点は小型化が容易であること、検出回路の構成が簡単であることである。欠点としては、ピエゾ抵抗素子が半導体であるので、温度に対しての変化が大きく補正が必要になることである。

このような各種の方式の中でもピエゾ抵抗式は、小型、簡便、大量生産が可能であることから、広く使われている。

ところで、小型化、低コスト化も重要ではあるが、信頼性も非常に重要である。ピエゾ抵抗式は一般的には錘を梁で吊る構造であり、物体の傾斜やかかる加速度に応じて錘が動く構造になっている。このような構造に衝撃が加わると梁の破損がおこる。

そこで、耐衝撃性を高める構造や製造方法が多く提案されており、特に、検出感度を低下することなく錘の動きを規制するという技術が知られている。例えば、センサーの上下
に狭ギャップで蓋をするという技術である。この技術をベースに様々な工夫がなされている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３参照。）。

特許文献１に記載されている加速度センサーは、加速度センサーと上蓋との間に錘の上方向への動きを規制する規制板を挿入する構造になっている。この規制板は錘とのギャップを狭くするために部分的な突起部を設けている。この突起部が錘に接触することで、錘の上下に対する過剰な動きを規制して耐衝撃性を向上させている。

特許文献２に記載されている加速度センサーは、加速度センサーの下蓋の上にセンサーの枠を固定する接着剤を形成しておくことにより、錘がこの接着剤に接触することで、錘の上下の過剰な動きを規制する構造になっている。

特許文献３に記載されている加速度センサーの製造方法は、錘部を形成する工程において、両面からのウェットエッチングやドライエッチングの加工方法を組み合わせている。最初に両面をウェットエッチングして上下の蓋とのギャップを形成し、その後に両面からドライエッチングで梁と錘を形成する製造方法になっている。

特開２００４−１８４３７３号公報（第８頁、第１図） 特開２００５−１４０７２０号公報（第６頁、第１図） 特開２００５−１０１４９号公報（第１０頁、第３図）

特許文献１や特許文献２に示した従来技術の加速度センサーの構造では、上下方向に対する錘の過剰な動きを規制して耐衝撃性を向上させる効果はある。しかし衝撃が加わったときの錘の動きは上下方向だけに限らないので、耐衝撃性を高めるには十分ではない。

特許文献３に示した従来技術の加速度センサーの製造方法では、表面と裏面との両方からの加工で錘を形成しているが、ウェットエッチングでセンサーの両面の蓋とのギャップを確保しているに留まり、被エッチング物の面積の違いによるエッチング速度の違いは考慮していない。このため、エッチングに偏りが生じてしまい、所定の形状に加工できないという問題があった。

本発明は、上記のような従来技術の問題を解決するためになされた電気機械変換器の製造方法である。その目的は、錘の横方向への動きを規制するため、錘形成工程において、表面からのエッチング工程と、裏面からのエッチング工程とに分け、その表面からのエッチング工程におけるエッチング深さとエッチング面積を調節することで、裏面からのエッチングしやすさの向上と、横方向の錘の動きを規制する構造を同時に実現する製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の電気機械変換器においては、下記に示す製造方法を採用する。

一方面と他方面とが対向する基板を加工し、錘部と、錘部と所定間隔をおいて設ける支持部と、錘部と支持部とを連結する梁部とを形成する工程と、梁部上に検出素子を形成する工程とを有する電気機械変換器の製造方法において、
錘部を形成するために一方面から錘部と支持部との間の第１の領域を第１の距離だけエッチングする第１のエッチング工程と、錘部を形成するために他方面から錘部と支持部との間の第２の領域を第２の距離だけエッチングする第２のエッチング工程とを有し、第１
のエッチング工程の第１の距離は、第２のエッチング工程で第１の領域と第２の領域とが平面的に重なっている領域でのエッチング終点に達するまでの時間と、重なっていない領域でのエッチング終点に達するまでの時間とが、同一になるような距離であることを特徴とする。

第１の距離とは、第２の距離よりも短いことを特徴とする。

第１の距離とは、基板の厚みの略１／３とし、第２の距離は、基板の厚みの略２／３とすることを特徴とする。

一方面から見たときの第１の領域の面積は、他方面から見たときの第２の領域の面積よりも小さいことを特徴とする。

第１のエッチング工程と第２のエッチング工程とは、ドライエッチングを用いることを特徴とする。

本発明の電気機械変換器の製造方法は、センサーを形成するウェハの一方面（表面）と他方面（裏面）とからのエッチングを行って錘を形成するときに、表面からエッチングを行う第１の領域の面積とその第１の領域をエッチングする距離である第１の距離とを調節することで、錘の形成と横方向の錘の動きを規制する構造の形成とを同時に行うことができる。
このような製造方法によって、耐衝撃性の向上した電気機械変換器を製造することができるという効果を有する。
また、従来知られている錘形成のための製造方法との整合性が良いことから、その適用範囲は広く、多くの電気機械変換器の製造に用いることができるという効果も有する。

［製造方法の説明：図１〜図９］
本発明の電気機械変換器の製造方法について図１〜図９を用いて説明する。なお、本発明の実施の形態では、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板のウェハを用いている。そのＳＯＩ基板の活性層には既に検出素子を形成しているものとして説明する。また、その検出素子は、特に限定しないがピエゾ抵抗素子を用いるが、その図示は、図面を見やすくするため省略するものである。本発明の実施の形態では、錘部分と錘の横方向の動きを規制できる構造部分を説明する。

まず、全体構造について説明する。図１は、本発明の電気機械変換器の製造方法により形成してなる電気機械変換器を説明する図である。図１（ａ）はウェハの一方面（表面）から見た平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の切断線Ａ−Ａ'での断面図である。
図１において、１２シリコン酸化膜、１４は活性層、１８は梁部、２２は第１のスペース、３２は第２のスペース、３４は第３のスペース、３６は支持部、３８は錘部、４０は突起部である。

錘部３８は、梁部１８によって支持部３６に吊られている。図示しない検出素子は、この梁部１８に設けられている。錘部３８は、支持部３６に向かって突起部４０を有している。このため、錘部３８と支持部３６との間は、その距離がそれぞれ異なる３つのスペースが形成してあり、この３つのスペースは、第１のスペース２２，第２のスペース３２，第３のスペース３４となっている。
第１のスペース２２は、突起部４０と支持部３６との間のスペースであり、第２のスペース３２は、錘部３８と支持部３６との間のスペースであり、第３のスペース３４は、錘
部３８と梁部１８との間のスペースである。

次に、断面図および平面図を用いて本発明の電気機械変換器の製造方法を順に説明する。用いる平面図は、ウェハの一方面（表面）または他方面（裏面）から見た図、用いる断面図は、図１（ａ）に示す切断線Ａ−Ａ'での断面の様子である。

まず、第１の領域を加工する工程を説明する。
図２は断面図、図７はウェハの一方面（表面）から見た平面図である。図７は、図面を見やすくするため、本来見えない部分を点線で示している。シリコン基板１０の上部にシリコン酸化膜１２、さらに活性層１４を形成してなるＳＯＩ基板１６の活性層１４を加工して梁部１８を形成している。符号４２は第１の領域である。図に示すように、第１の領域４２は、幅が狭くて面積も小さい。また、第１の領域４２は、図７に示す例では、突起部４０となる領域と支持部３６となる領域との間に４箇所ある。

梁部１８の上部に第１のフォトレジスト２０を知られている製造方法により形成する。第１のフォトレジスト２０は、表面からエッチングを行うための所定の形状にパターニングする。所定の形状とは、第１のスペース２２を形成するためのものであって、第１の領域４２に相当する。
図２に示す第１のフォトレジスト２０によるマスクパターンが図７である。第１の領域４２は、表面からエッチングする領域を示している。

図３は断面図であって、シリコン基板１０を表面からエッチング加工する工程を説明する図である。記号Ｌ１は、第１の領域４２をエッチングする距離である。
図３に示すように、この第１のフォトレジスト２０をマスクにしてドライエッチング法を用いてシリコン酸化膜１２をエッチングする。シリコン酸化膜１２の加工後は、第１のフォトレジスト２０をそのまま残してシリコン酸化膜１２の下にあるシリコン基板１０を第１の距離Ｌ１までドライエッチングする。
このドライエッチングは、よく知られているエッチングガスであるＳＦ₆（６フッ化硫黄）とデポジションガスであるＣ₄Ｈ₈（シクロブタン）とを用いて、エッチングとデポジションとを交互に行う方法である。
このときの第１の距離Ｌ１は、シリコン基板１０の厚みの１／３程度である。この１／３という数値は、第１の領域４２の面積との兼ね合いで若干異なるものの、発明者がそれぞれ異なるシリコン基板を用いて検討した結果、適する値として得たものである。
その後、第１のフォトレジスト２０は除去する。この工程により第１のスペース２２の形成は終了する。

次に、第２の領域を加工する工程を説明する。
図４は断面図、図８はウェハの他方面（裏面）から見た平面図である。符号４４は第２の領域である。図に示すように、第２の領域４４は、第１の領域４２に比べて幅が広くて面積も大きい。
図４に示すように、第１の領域４２の部分であり、シリコン基板１０，シリコン酸化膜１２，活性層１４にできた溝部分に表面から粘度を低くしたフォトレジスト２４を充填する。

その後、第１のフォトレジスト２０を知られている製造方法により形成する。この第１のフォトレジスト２０は、裏面処理時の表面保護の役目を果たす。続いて、知られている方法で裏面に第２のフォトレジスト２６を形成し、所定の形状にパターニングする。
図４に示す第２のフォトレジスト２６によるマスクパターンが図８である。第２の領域４４が裏面からエッチングする領域を示している。

図５は断面図であって、シリコン基板１０を裏面からエッチング加工する工程を説明する図である。符号２８はエッチングを行う領域のうち、大きい面積領域であり、符号３０は小さい面積領域である。
記号Ｌ２は、第２の領域４４をエッチングする第２の距離である。記号Ｌ２ａは、第２の距離Ｌ２に達する途中の距離である。記号Ｌ２ｂは、同一のエッチング条件下においてエッチング面積の大きい部分である大きい面積領域２８とエッチング面積の小さい部分である小さい面積領域３０とのエッチング距離差である。

図５は、第２のフォトレジスト２６をマスクにして、裏面からドライエッチング法を用いてシリコン基板１０を第２の距離Ｌ２までドライエッチングする工程の途中の状態を示している。このドライエッチング条件は、表面のドライエッチングと同様に、よく知られているエッチングガスであるＳＦ₆（６フッ化硫黄）とデポジションガスであるＣ₄Ｈ₈（シクロブタン）とを用いて、エッチングとデポジションとを交互に行う方法である。この方法を用いてエッチングを行うと、同一のエッチング条件下であるにも関わらず、大きい面積領域２８と小さい面積領域３０とでエッチング距離差Ｌ２ｂを生じてしまう。

図９にドライエッチング法のエッチング特性を示す。このグラフは横軸がエッチング時間であり、縦軸がエッチング距離を示している。四角印の点は面積の大きな領域の特性を示しており、丸印の点は面積の小さな領域の特性を示している。ここでいう面積の大小とは、被エッチング層の上部に設けるフォトレジストの開口距離の違いをいう。四角印の点で示す面積の大きな領域は、開口距離５０μｍであり、丸印の点で示す面積の小さな領域は、開口距離１０μｍである。
このグラフが示すようにエッチング時間が長くなるに従って、面積の大きな領域のエッチング速度に比べて、面積の小さな領域のエッチング速度が遅くなり、エッチング距離の開きが大きくなってきている。

知られているように、ドライエッチングは、エッチングガスのイオン衝突によって被エッチング膜からの反応生成物を真空排気することにより被エッチング膜を削る。しかし、エッチングする面積が狭いとエッチングガスが被エッチング膜の領域に到達するのに時間がかかるようになる。要するに、狭い溝の奥までガスなどが入っていきにくくなる現象と同じで、被エッチング領域に満遍なくエッチングガスが到達するには時間がかかるのである。さらに、エッチングする面積が狭いと反応生成物が正常に真空排気されにくくなることもある。
つまり、同一のエッチング条件下であっても、エッチングする面積領域の違いでエッチング終点に到達するまでの時間が異なってしまう。これがエッチング距離差Ｌ２ｂを生じる理由である。

従って、例えばウェハ厚みを３００μｍとした場合、表面の面積の小さい領域をほぼ１００μｍの距離をエッチングしておくことで、裏面からのエッチング距離は２００μｍの距離をエッチングすることで、表面から見たときの面積の大きな領域と、面積の小さな領域とが同程度のエッチング時間でエッチングを終了することができる。

図６は、図５に示す状態からドライエッチングが進み、シリコン基板１０を第２の距離Ｌ２までエッチングし終わった状態を示している。
図６に示すように、裏面からドライエッチングを進めて行き、大きい面積領域２８が梁部１８の下側にあるシリコン酸化膜１２でエッチングを停止し、第３のスペース３４を形成する。小さい面積領域３０は、エッチング速度が遅いので粘度を低くしたフォトレジスト２４のところ、つまり第２の距離Ｌ２まででエッチングが停止し、第２のスペース３２を形成する。

このように、表面から面積の小さい狭スペースでエッチングを行っておき、第１のスペース２２を形成しておくことで、裏面からのエッチングにおいてエッチングする面積が小さくても、大きな面積の領域と同じ程度の時間でエッチング終点を取ることができる。
その後、第１のフォトレジスト２０と第２のフォトレジスト２６とを除去する。そのときに粘度を低くしたフォトレジスト２４も同時に除去する。

次に図１（ｂ）に示すように、緩衝フッ酸溶液（ＢＨＦ）を用いて梁部１８の下部とその周辺にあるシリコン酸化膜１２を除去し、梁部１８をリリースする。このことにより、再度第１のスペース２２が現れる。
図１（ａ）が示すように、本発明の電気機械変換器の製造方法によって作製することで、錘部３８の一部に突起部４０を形成し、第１のスペース２２が狭ギャップになるため、錘部３８の横方向への過剰な動きが規制できる。

ここで第１のスペース２２は第２のスペース３２よりも狭くなっている。この構造を形成する方法として、裏面から同じパターンでエッチング加工することも考えられる。しかし表面の合わせマーク位置に裏面の合わせマークを合わせる精度は、表面に合わせる精度に対して悪いため、マスクずれが発生し、所定の幅の通りに形成ができない。

また、エッチングする部分に面積の差がある場合に、裏面からのエッチングだけでは面積の大きい領域だけが早くエッチングされてしまう。そうすると、面積の小さい領域のエッチングが終了するまで、シリコン酸化膜１２が長い時間エッチングに曝されることになる。この現象は面積比が大きいほど顕著に表れてくる。
この状況は、シリコン酸化膜１２が厚い場合には良いが、薄い場合に面積の小さい領域のエッチングが終了するまでに面積の大きな領域のシリコン酸化膜１２が無くなり、梁部１８がエッチングされてしまうという不具合が生じる。

以上の説明で明らかなように、本発明の電気機械変換器の製造方法は、センサーを形成するウェハの一方面（表面）と他方面（裏面）とからのエッチングを行って錘を形成するときに、表面の第１の領域４２の面積と第１の距離Ｌ１とを調節することで、錘を形成することと横方向の錘の動きを規制できる構造を同時に形成することができる。
また裏面からのエッチングのときに、表面から予めエッチングを行っておくことで、エッチング速度の速い大きい面積領域とエッチング速度の遅い小さい面積領域との間のエッチング終了時間を同程度にすることができ、シリコン酸化膜１２の膜厚を必要以上に厚くしないくても良い。このようなことから、耐衝撃性が向上した電気機械変換器を製造することができる。

本発明の電気機械変換器の製造方法は、圧力センサーや加速度センサーに用いることができる。特に、小型化やＩＣとの混載が進むセンサーの製造方法としては好適である。

本発明の電気機械変換器の製造方法により形成してなる電気機械変換器を説明する図である。 本発明の電気機械変換器の製造方法を説明する図であり、表面をエッチングするためのパターニングを行う工程を説明する断面図である。 本発明の電気機械変換器の製造方法を説明する図であり、表面を第１の距離Ｌ１だけエッチングする工程を説明する断面図である。 本発明の電気機械変換器の製造方法を説明する図であり、裏面をエッチングするためのパターニングを行う工程を説明する断面図である。 本発明の電気機械変換器の製造方法を説明する図であり、裏面からのエッチング途中であるとともにそのエッチング速度の違いを説明する断面図である。 本発明の電気機械変換器の製造方法を説明する図であり、裏面のエッチング工程でのエッチング終了の様子を説明する断面図である。 本発明の電気機械変換器の製造方法を説明する図であり、上側のエッチング領域を説明する平面図である。 本発明の電気機械変換器の製造方法を説明する図であり、下側のエッチング領域を説明する平面図である。 面積が異なる領域の違いにより、エッチング速度が異なることを説明するグラフである。

符号の説明

１０ シリコン基板
１２ シリコン酸化膜
１４ 活性層
１６ ＳＯＩ基板
１８ 梁部
２０ 第１のフォトレジスト
２２ 第１のスペース
２４ 粘度を低くしたフォトレジスト
２６ 第２のフォトレジスト
２８ 大きい面積領域
３０ 小さい面積領域
３２ 第２のスペース
３４ 第３のスペース
３６ 支持部
３８ 錘部
４０ 突起部
４２ 第１の領域
４４ 第２の領域

Claims (5)

1. 一方面と他方面とが対向する基板を加工し、錘部と、該錘部と所定間隔をおいて設ける支持部と、前記錘部と前記支持部とを連結する梁部とを形成する工程と、前記梁部上に検出素子を形成する工程とを有する電気機械変換器の製造方法において、
   前記錘部を形成するために前記一方面から前記錘部と前記支持部との間の第１の領域を第１の距離だけエッチングする第１のエッチング工程と、
   前記錘部を形成するために前記他方面から前記錘部と前記支持部との間の第２の領域を第２の距離だけエッチングする第２のエッチング工程とを有し、
   前記第１のエッチング工程の前記第１の距離は、前記第２のエッチング工程で前記第１の領域と前記第２の領域とが平面的に重なっている領域でのエッチング終点に達するまでの時間と、重なっていない領域でのエッチング終点に達するまでの時間とが、同一になるような距離であることを特徴とする電気機械変換器の製造方法。
2. 前記第１の距離とは、前記第２の距離よりも短いことを特徴とする請求項１に記載の電気機械変換器の製造方法。
3. 前記第１の距離とは、前記基板の厚みの略１／３とし、前記第２の距離は、前記基板の厚みの略２／３とすることを特徴とする請求項２に記載の電気機械変換器の製造方法。
4. 前記一方面から見たときの前記第１の領域の面積は、前記他方面から見たときの前記第２の領域の面積よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の電気機械変換器の製造方法。
5. 前記第１のエッチング工程と前記第２のエッチング工程とは、ドライエッチングを用いることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１つに記載の電気機械変換器の製造方法。

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