JP2010117265A - Ｍｅｍｓセンサの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 特に、スティッキング防止構造を従来に比べて簡単且つ高精度に形成できるＭＥＭＳセンサを提供することを目的としている。
【解決手段】 図１（ａ）に示したように、第１の基板１と第２の基板２とを別々に単体で用意し、第１の基板１の下面１ａに、予め、凸状のスティッキング防止部４を形成する。続いて、図１（ｂ）の工程で酸化絶縁層３の形成、図１（ｃ）工程で、第１の基板１と第２の基板２の接合を行う。その後は、従来の工程と同様である。本実施形態では、第１の基板１と第２の基板２を夫々、別々に用意し、これらを接合する前に、単体の前記第１の基板１に対してスティッキング防止部４を形成するから、従来に比べて簡単且つ高精度にスティッキング防止部４を形成することが可能になっている。また、本実施形態では、ＭＥＭＳセンサの小型化に寄与することが出来る製造方法となっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、スティッキング防止構造を備えるＭＥＭＳセンサの製造方法に関する。

ＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical Systems）センサは、例えば、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を構成するＳＯＩ層を微細加工することで、可動部と固定部が形成される。この微細なセンサは、加速度センサ、圧力センサ、振動型ジャイロ、またはマイクロリレーなどとして使用される。

ところで下記の特許文献にも記載されているように、ＭＥＭＳセンサでは、可動部の下面（支持基板との対向面）に凸部を形成して、可動部と支持基板間でのスティッキングを防止する対策がとられている。

従来、支持基板（シリコン基板）、酸化絶縁層（ＳＩＯ₂層）及びＳＯＩ層（シリコン基板）の積層構造のＳＯＩ基板を用いて、上記凸部を形成しようとすると、例えば、下記特許文献にも記載されているように、前記可動部と前記支持基板間に介在する酸化絶縁層（ＳｉＯ₂層）をエッチングにて除去するときに、前記酸化絶縁層が全て除去されないように、前記可動部を幅広に形成し、前記可動部の下面に前記酸化絶縁層を凸状に残すようにしていた。

しかしながら上記した製造方法では、簡単かつ精度良く凸部を可動部の下面に形成できなかった。特に、可動部の幅、酸化絶縁層の膜厚、エッチングレート等、様々な条件を総合的に高精度に調整しないと適切に前記凸部を形成できないため、前記凸部のばらつきが大きくなりやすく、また歩留まりが低下しやすいといった問題があった。また可動部を幅広で形成しなければならないためＭＥＭＳセンサの小型化を促進できなかった。
特開２００１−１０２５９７号公報 特開２００４−２９４４０１号公報

そこで本発明は上記従来の課題を解決するものであり、特に、スティッキング防止構造を従来に比べて簡単且つ高精度に形成できるＭＥＭＳセンサを提供することを目的としている。

本発明におけるＭＥＭＳセンサの製造方法は、
（ａ） 第１の基板及び第２の基板を夫々用意し、前記第１の基板の少なくとも可動部となる領域の前記第２の基板との対向面に、凸状のスティッキング防止部を形成する工程、
（ｂ） 前記第１の基板、あるいは第２の基板の各対向面の少なくとも一方に酸化絶縁層を形成する工程、
（ｃ） 前記第１の基板と前記第２の基板を接合する工程、
（ｄ） 前記第１の基板を加工して、少なくとも前記可動部を形成する工程、
（ｅ） 前記可動部と前記第２の基板間に位置する前記酸化絶縁層を除去して、前記可動部と前記第２の基板の間に空間を形成する工程、
を有することを特徴とするものである。

本発明では、上記（ａ）工程に示すように、第１の基板の第２の基板との対向面に、予め、スティッキング防止部を形成しておき、続いて、（ｂ）工程で酸化絶縁層の形成、（ｃ）工程で、第１の基板と第２の基板の接合を行う。その後は、従来の工程と同様である。従来では例えば、第１の基板と第２の基板とが酸化絶縁層を介して接合されたＳＯＩ基板の状態から、前記酸化絶縁層の一部を残すようにして凸状のスティッキング防止部を形成していた。これに対して本発明では、第１の基板と第２の基板を夫々、別々に用意し、これらを接合する前に、単体の前記第１の基板に対してスティッキング防止部を形成するから、従来に比べて簡単且つ高精度にスティッキング防止部を形成することが可能になっている。また、本発明では、従来と違って、スティッキング防止部の形成のために可動部を幅広で形成する制約が無いため、ＭＥＭＳセンサの小型化に寄与することが出来る製造方法となっている。

また、前記（ｄ）工程では、前記第１の基板を、センサ部を構成する前記可動部と固定部とに分離加工し、
前記（ａ）工程では、前記スティッキング防止部を、前記センサ部の対向面全面に形成することが好ましい。この場合、固定部にも前記スティッキング防止部が形成されることになる。固定部へのスティッキング防止部の形成は特に必要ないものの、スティッキング防止部の形成を、可動部となる領域だけに規制せず、センサ部の対向面全面とすることで、スティッキング防止部を簡単に形成することが出来る。

また本発明では、前記スティッキング防止部を、点状で形成したり、格子形状で形成することが好ましい。

また本発明では、前記（ｂ）工程では、平坦面で形成された第２の基板の表面に酸化絶縁層を形成することが好ましい。これにより、簡単且つほぼ一定厚で前記酸化絶縁層を形成でき、可動部と第２の基板の間にほぼ一定高さの空間を適切に形成できる。

また本発明では、前記（ａ）工程に代えて、前記スティッキング防止部を、少なくとも前記可動部と対向する位置での前記第２の基板の対向面に形成することが出来る。

また本発明では、前記（ａ）工程では、前記対向面をエッチング加工して、前記基板と同じ材質の前記凸状のスティッキング防止部を形成することが好ましい。これにより、簡単に、前記凸状のスティッキング防止部を形成できる。また、酸化絶縁層の除去工程で、前記第１の基板と同質で形成された凸状のスティッキング防止部を適切に可動部の対向面に残すことが可能である。

また本発明では、前記（ａ）工程に代えて、前記スティッキング防止部を、前記対向面に凹状で形成することも出来る。

本発明のＭＥＭＳセンサの製造方法によれば、従来に比べて簡単且つ高精度にスティッキング防止構造を形成することができる。

図１は、本実施形態のＭＥＭＳセンサの製造方法を示す工程図である。図１の各工程図は、厚さ方向から切断して示した断面図で示されている。

図１（ａ）の工程では、ＭＥＭＳセンサを構成するシリコンで形成された第１の基板１と、シリコンで形成された第２の基板２とを夫々単体で用意する。

図１（ａ）に示すように、第１の基板１の下面（第２の基板２との対向面）１ａに、エッチング加工により、凸状のスティッキング防止部４を複数個形成する。このスティッキング防止部４は少なくとも可動部５となる領域の下面に形成されていればよいが、この実施形態では、前記スティッキング防止部４は、固定部６となる領域の下面にも形成されている。

図１（ａ）では、第１の基板１の下面１ａをエッチング加工することにより微細な凸状のスティッキング防止部４を形成している。よって、このスティッキング防止部４は第１の基板１と同じシリコンで形成される。これにより、スティッキング防止部４を簡単に形成できる。なお凸状のスティッキング防止部４を、第１の基板１や第２の基板２と異なる材質で形成することも出来る。例えば異なる材質の凸部をスパッタ法で前記第１の基板１の下面１ａに形成することが可能である。このとき、前記凸部を、図１（ｄ）の酸化絶縁層３の除去工程で、酸化絶縁層３とともに除去されない材質で形成することが必要である。

また図１（ａ）の工程では、スティッキング防止部４の形成とは別に、例えば、前記第１の基板１の下面１ａにアライメントキーを形成してもよい。例えば、前記下面１ａに凹状のアライメントキーを形成する。なお、アライメントキーを、可動部５及び固定部６で構成されるセンサ部７となる領域から離れた位置に形成する。

次に図１（ｂ）の工程では、第１の基板１の表面を熱酸化して、酸化絶縁層３を形成する。なお、酸化絶縁層３をスパッタ法やＣＶＤ法等で形成してもよいが、熱酸化により酸化絶縁層３を形成することが好適である。

次に、図１（ｃ）に示す工程では、第１の基板１と第２の基板２とを接合する。接合の方法として常温接合や熱圧着等を用いることが出来る。

また図１（ｃ）の工程では、第１の基板１の上面１ｂを所定厚となるまで研削する。例えば、第１の基板１の上面１ｂにＣＭＧ、あるいはＣＭＰ、又は、ＣＭＧ及びＣＭＰを施す。

またこの図１（ｃ）の工程では、上記で説明したアライメントキー（図示しない）を第１の基板１の上面１ｂから露出させる。

続いて、図１（ｄ）に示す工程では、ディープＲＩＥ（Deep RIE）を用いて、第１の基板１を、センサ部７を構成する可動部５と固定部６とに分離加工する。またこの実施形態ではセンサ部７の周囲にある第１の基板１を枠体８として残している。

なお本実施形態では、可動部５及び固定部６の形成位置を、前記アライメントキーにより高精度に調整することができる。

続いて、図１（ｄ）の工程では、センサ部７と第２の基板２間にある酸化絶縁層３を、ウエットエッチングやドライエッチングによる等方性エッチング工程にて除去する。図１（ｄ）では除去される酸化絶縁層３を点線で示している。

このとき可動部５の下面５ａに形成された凸状のスティッキング防止部４は可動部５と同質であるシリコンで形成されているため、酸化絶縁層３とともに除去されることなくそのまま残される。なおこの実施形態では固定部６の下面６ａにも前記凸状のスティッキング防止部４が残される。

そして、可動部５と第２の基板２間にある酸化絶縁層３が除去されることで、可動部５と第２の基板２間に空間９を形成することができる。

また、図１（ｄ）に示すように、枠体８は幅広で形成されているため、枠体８と第２の基板２間に介在する酸化絶縁層３は一部侵食されるものの一部残される。よって枠体８は、第２の基板２に酸化絶縁層３を介して固定された状態となっている。

なお、可動部５には、第１の基板１から形成された薄い弾性支持部（図示せず）及び幅広のアンカ部（図示せず）が連設されている。前記弾性支持部も可動部５と同様に第２の基板２の表面から中に浮いているが、前記アンカ部は、枠体８と同様に第２の基板２に酸化絶縁層３を介して固定支持されている。よって、可動部５及び弾性支持部を第２の基板２の表面から中に浮いた状態に適切に維持できる。

また、図１（ｄ）に示すように、固定部６にも第１の基板１から形成された幅広のアンカ部（図示せず）が連設されている。前記アンカ部は、枠体８と同様に第２の基板２に酸化絶縁層３を介して固定支持されている。よって、図１（ｄ）に示すように固定部６と第２の基板２間の酸化絶縁層３が除去されても、前記固定部６を第２の基板２の表面から中に浮いた状態に適切に維持できる。

可動部５は物理量変化を受けて変位する領域である。例えば図１（ｄ）に示すＭＥＭＳセンサは加速度センサであり、加速度に伴う力（慣性力）を受けて可動部５は変位する。この可動部５の変位により、可動部５と固定部６間で変化した静電容量に基づいて加速度を検出することができる。

本実施形態では、可動部５の下面５ａに凸状のスティッキング防止部４が形成されている。このため可動部５に下方向への強い物理量が加わって、可動部５が第２の基板２の表面に接触するような場合でも、可動部５と第２の基板２間の接触面積を効果的に小さくできるため、可動部５が第２の基板２の表面に吸着してしまうスティッキングを適切に防止できる。

本実施形態の特徴的構成について説明する。
本実施形態では、図１（ａ）に示したように、第１の基板１と第２の基板２とを別々に単体で用意し、第１の基板１の下面１ａに、予め、凸状のスティッキング防止部４を形成する。続いて、図１（ｂ）の工程で酸化絶縁層３の形成、図１（ｃ）工程で、第１の基板１と第２の基板２の接合を行う。その後は、従来の工程と同様である。従来では例えば、第１の基板と第２の基板とが酸化絶縁層を介して接合されたＳＯＩ基板の状態から、前記酸化絶縁層の一部を残すようにしてスティッキング防止部を形成していた。これに対して本実施形態では、第１の基板１と第２の基板２を夫々、別々に用意し、これらを接合する前に、単体の前記第１の基板１に対してスティッキング防止部４を形成するから、従来に比べて簡単且つ高精度にスティッキング防止部４を形成することが可能になっている。また、本実施形態では、従来と違って、スティッキング防止部４の形成のために可動部を幅広で形成する制約が無いため、ＭＥＭＳセンサの小型化に寄与することが出来る製造方法となっている。

図１（ａ）の工程後の図１（ｂ）では、第１の基板１の表面に酸化絶縁層３を形成したが、図２（ａ）のように第２の基板２の表面に酸化絶縁層３を形成することが可能である。

このとき第２の基板２の上面（第１の基板１との対向面）２ａは平坦面であるから、前記上面２ａに簡単且つほぼ一定厚で酸化絶縁層３を形成することが出来る。そして図２（ｂ）のように、第１の基板１と第２の基板２を常温接合等で接合し、第１の基板１の上面１ｂに対して研削工程を施す。図２（ｂ）では図面上、第２の基板２の上面２ａ以外の下面や側面に形成された酸化絶縁層３を除去しているが、製品として問題なければ酸化絶縁層３を残しておくことも可能である。

図２（ｂ）の工程後、図１（ｄ）の工程を施す。図２（ａ）では、酸化絶縁層３をほぼ一定厚で形成できるため、図１（ｄ）の工程による酸化絶縁層３の除去により可動部５と第２の基板２間にほぼ一定高さの空間９を形成することが出来る。

また図１（ｂ）のように、第１の基板１の表面を熱酸化して酸化絶縁層３を形成した場合、凸状のスティッキング防止部４の幅寸法や高さ寸法は図１（ａ）のスティッキング防止部４の形成後と比べて多少小さくなる。一方、図２（ａ）のように第２の基板２側を熱酸化した場合には、第１の基板１に形成された凸状のスティッキング防止部４を形成後の大きさのまま維持できる。

なお、本実施形態では、第１の基板１及び第２の基板２の双方に酸化絶縁層３を形成することも出来る。

図３の他の実施形態では図１及び図２に代えて、スティッキング防止部４を第２の基板２の上面２ａ（第１の基板１との対向面）に形成している。その後は図１（ｂ）〜図１（ｄ）（あるいは図１（ｂ）（ｃ）に代えて図２（ａ）（ｂ）でもよい）と同様の工程を施せばよい。なお、図３の形態では、形成したスティッキング防止部４は全てそのまま残されることになる。

図４の他の実施形態では、可動部５の下面５ａに凹状スティッキング防止部１０を形成している。図４では、固定部６の下面６ａにも凹状のスティッキング防止部１０が形成されているが、図１（ｄ）と同様に、固定部６の下面６ａへのスティッキング防止部１０の形成は必須でない。

このようにスティッキング防止部１０が凹状であっても、可動部５に下方向への強い物理量が加わって、可動部５が第２の基板２の表面に接触するような場合、可動部５と第２の基板２間の接触面積を非常に小さくできるため、スティッキングを適切に防止できる。

図５、図６、及び図８を用いて、スティッキング防止部の平面形態を説明する。図５は、本実施形態のＭＥＭＳセンサを平面から見た模式図、図６は図５のＡ−Ａ線から高さ方向に切断したＭＥＭＳセンサの部分拡大断面図、である。

図５のＭＥＭＳセンサは加速度センサである。図５，図６に示すように固定部２０は、アンカ部２１から図示Ｘ方向に延出する支持腕部２２，２３と、支持腕部２２，２３の各両側面から図示Ｙ方向に延出し、且つ図示Ｘ方向に所定の間隔を空けて配置された複数の固定電極２４，２５とを有して構成される。図６に示すように、アンカ部２１は、第２の基板２９に酸化絶縁層３０を介して固定支持されている。

また可動部２６は固定電極２４，２５とＸ方向にて交互に配置される可動電極２７，２８を有して構成される。図５には、可動部２６と連設される弾性支持部及びアンカ部の図示を省略している。

可動部２６と固定部２０とでセンサ部３５が構成される。図５に示すようにセンサ部３５の周囲には間隔を空けて枠体３２が形成されている。図６に示すように枠体３２は第２の基板２９に酸化絶縁層３０を介して固定支持されている。

図５の点線で示すように、平面視にて点状（ドット状）のスティッキング防止部が多数個形成されている。これらスティッキング防止部３１は、例えば、センサ部３５や枠体３２を形成するための第１の基板の下面（第２の基板との対向面）に形成される。

図５に示すスティッキング防止部３１は、センサ部３５の全域にわたって点在している。各スティッキング防止部３１のうち、可動部２６や固定部２０の下面に形成されたスティッキング防止部３１は図６に示すように残され、それ以外のスティッキング防止部３１は図１（ｄ）工程で除去される。

図５では、多数のスティッキング防止部３１を規則的に配列しているが、ランダムに形成してもよい。またスティッキング防止部３１の形成工程で、可動部２６となる領域を特定せずとも、各スティッキング防止部３１の間隔や各スティッキング防止部３１の大きさ等を適切に規制ことで、前記可動部２６の下面に確実にスティッキング防止部３１を形成すること（残すこと）が可能である。

ところで、図６のように、アンカ部２１は第２の基板２９上に酸化絶縁層３０を介して固定支持される部分であるから、広い接合面積を確保すべくアンカ部２１の下面（第２の基板２９との対向面）は平坦面であることが好適である。よってスティッキング防止部３１の形成工程で、アンカ部２１の領域を予め特定できる場合には、アンカ部２１となる領域にスティッキング防止部３１を形成しないように規制することが好適である。

なお図５，図６にてスティッキング防止部３１を、図４のように凹状で形成してもよい。

また図７のようにスティッキング防止部４０を平面視にて格子状で形成することも可能である。このときスティッキング防止部４０の形成工程で、可動部２６となる領域を特定せずとも、各幅細条部間の間隔や、各幅細条部の幅等を適切に規制することで、前記可動部２６の下面に確実にスティッキング防止部４０を形成すること（残すこと）が可能である。図７に示す格子状のスティッキング防止部４０は凸状であっても凹状であってもどちらでもよい。
なおスティッキング防止部の形状は図５、図７以外であってもよい。

本実施形態のＭＥＭＳセンサは加速度センサ以外の物理量センサ全般に適用可能である。

本実施形態におけるＭＥＭＳセンサの工程図（断面図）、 図１の一部を変更した本実施形態におけるＭＥＭＳセンサの工程図（断面図）、 図１の一部を変更した本実施形態におけるＭＥＭＳセンサの工程図（断面図）、 別の本実施形態のＭＥＭＳセンサの断面図、 本実施形態のＭＥＭＳセンサを平面から見た模式図、 図５のＡ−Ａ線から高さ方向に切断したＭＥＭＳセンサの部分拡大断面図、 図５と異なる別の本実施形態のＭＥＭＳセンサを平面から見た模式図、

符号の説明

１ 第１の基板
２、２９ 第２の基板
３、３０ 酸化絶縁層
４、１０、３１、４０ スティッキング防止部
５、２６ 可動部
６、２０ 固定部
７、３５ センサ部
８、３２ 枠体
９ 空間
２１ アンカ部

Claims (8)

1. （ａ） 第１の基板及び第２の基板を夫々用意し、前記第１の基板の少なくとも可動部となる領域の前記第２の基板との対向面に、凸状のスティッキング防止部を形成する工程、
   （ｂ） 前記第１の基板、あるいは第２の基板の各対向面の少なくとも一方に酸化絶縁層を形成する工程、
   （ｃ） 前記第１の基板と前記第２の基板を接合する工程、
   （ｄ） 前記第１の基板を加工して、少なくとも前記可動部を形成する工程、
   （ｅ） 前記可動部と前記第２の基板間に位置する前記酸化絶縁層を除去して、前記可動部と前記第２の基板の間に空間を形成する工程、
   を有することを特徴とするＭＥＭＳセンサの製造方法。
2. 前記（ｄ）工程では、前記第１の基板を、センサ部を構成する前記可動部と固定部とに分離加工し、
   前記（ａ）工程では、前記スティッキング防止部を、前記センサ部の対向面全面に形成する請求項１記載のＭＥＭＳセンサの製造方法。
3. 前記（ａ）工程では、前記スティッキング防止部を、平面視にて点状で形成する請求項１又は２に記載のＭＥＭＳセンサの製造方法。
4. 前記（ａ）工程では、前記スティッキング防止部を、平面視にて格子形状で形成する請求項１又は２に記載のＭＥＭＳセンサの製造方法。
5. 前記（ｂ）工程では、平坦面で形成された第２の基板の対向面に酸化絶縁層を形成する請求項１ないし４のいずれかに記載のＭＥＭＳセンサの製造方法。
6. 前記（ａ）工程に代えて、前記スティッキング防止部を、少なくとも前記可動部と対向する位置での前記第２の基板の対向面に形成する請求項１ないし４のいずれかに記載のＭＥＭＳセンサの製造方法。
7. 前記（ａ）工程では、前記対向面をエッチング加工して、前記基板と同じ材質の前記凸状のスティッキング防止部を形成する請求項１ないし６のいずれかに記載のＭＥＭＳセンサの製造方法。
8. 前記（ａ）工程に代えて、前記スティッキング防止部を、前記対向面に凹状で形成する請求項１ないし６のいずれかに記載のＭＥＭＳセンサの製造方法。

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