JP2011163791A - モーションセンサの製造方法、加速度センサ、角速度センサ - Google Patents

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Abstract

【課題】 圧電素子の形成位置の精度を高め、モーションセンサの歩留まりを向上させる。
【解決手段】 単結晶シリコンからなる基板の上面に絶縁層を形成し、前記絶縁層の上面に前記下電極層を形成し、前記下電極層の上面に前記圧電層を形成し、前記圧電層の上面に前記上電極層を形成し、平面視において前記可撓部の対向する二辺と重なる二辺を有し前記二つの縁領域を覆い前記二つの縁領域の間の領域を露出させた第一保護膜を前記上電極層の上面に形成し、前記第一保護膜を用いて前記上電極層と前記圧電層と前記下電極層とをエッチングし、前記第一保護膜を除去し、平面視において前記可撓部の前記二つの縁領域の間の領域を覆う第二保護膜を形成し、前記第二保護膜と前記上電極層とを用いて前記絶縁層をエッチングし、前記第二保護膜を除去し、前記絶縁層と前記上電極層とを用いて前記基板を異方性エッチングする。
【選択図】図1

Description

本発明は、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)に関し、特に、圧電素子を用いたモーションセンサの製造方法およびその製造方法によって製造された加速度センサ、角速度センサに関する。
従来より、圧電素子を用いた加速度センサや角速度センサが知られている。特許文献1には、インクジェット式記録ヘッド等に用いられる圧電素子を製造するにあたり、圧電素子の下電極を上電極および圧電体部に対し自己整合的に形成する方法が記載されている。
特開平11−163434号公報
可撓部の変形や変位を圧電素子によって検出して加速度や角速度を検出するモーションセンサでは、可撓部の変形や変位を検出するための圧電素子の可撓部における形成位置の精度が低い(モーションセンサごとにばらつきがある)と、モーションセンサとしての特性がばらつき歩留まりも低下する。特許文献1には、可撓部における圧電素子自体の形成位置の精度を高めるための手法は言及されていない。
本発明は、可撓部における圧電素子の形成位置の精度を高め、モーションセンサの歩留まりを向上させることを目的の1つとする。
(1)上記目的を達成するためのモーションセンサの製造方法は、枠部を含む非可撓部と、前記非可撓部と少なくとも一端において結合する梁形の可撓部と、平面視において、前記可撓部の対向する二辺にそれぞれの一辺が重なり前記可撓部の二つの縁領域に位置する圧電素子と、を備えるモーションセンサの製造方法であって、単結晶シリコンからなる基板の上面に絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、前記絶縁層の上面に下電極層を形成する下電極層形成工程と、前記下電極層の上面に圧電層を形成する圧電層形成工程と、前記圧電層の上面に上電極層を形成する上電極層工程と、平面視において前記可撓部の対向する二辺と重なる二辺を有し前記二つの縁領域を覆い前記二つの縁領域の間の領域を露出させた第一保護膜を前記上電極層の上面に形成する第一保護膜形成工程と、前記第一保護膜を用いて前記上電極層と前記圧電層と前記下電極層とをエッチングする三層エッチング工程と、前記第一保護膜を除去する第一保護膜除去工程と、平面視において前記可撓部の前記二つの縁領域の間の領域を覆う第二保護膜を形成する第二保護膜形成工程と、前記第二保護膜と前記上電極層とを用いて前記絶縁層をエッチングする絶縁層エッチング工程と、前記第二保護膜を除去する第二保護膜除去工程と、前記絶縁層と前記上電極層とを用いて前記基板を異方性エッチングする基板エッチング工程と、を含む。その結果、前記三層エッチング工程において前記圧電素子の前記可撓部の対向する二辺に重なる辺が形成され、前記絶縁層エッチング工程と前記基板エッチング工程において前記可撓部の対向する二辺が形成される。
はじめに、本発明における「領域」は基板の表面に平行な平面上の領域を指す。本発明の製造方法によると、可撓部の二つの縁領域に残存させた上電極層と圧電層と下電極層(後に圧電素子となる)を用いて可撓部の輪郭(非可撓部と結合しない対向する二辺)を形成するためのエッチングを行うので、可撓部の非可撓部と結合しない対向する二辺を含む最も外側の部分(各縁領域)に圧電素子を形成することができる。
この製造方法を非可撓部と結合しない対向する二辺を結ぶ方向に可撓部が変形しうる加速度センサに適用した場合、可撓部が当該方向に変形する際に応力が最大となる二辺(非可撓部と結合しない対向する二辺)をそれぞれの一辺とする二つの縁領域に可撓部の変形を検出する圧電素子を配置できるので、加速度センサとしての感度を高めることができる。また、可撓部の前述の二辺を結ぶ線分の中点を通り当該二辺に平行に伸びる可撓部の中心軸を基準に対称の位置に圧電素子を配置できるため、圧電素子で構成するブリッジ回路の可撓部の静止状態におけるバランスをよくすることができ、オフセット調整の必要性を低減できる。
この製造方法を振動型角速度センサの製造に適用する場合も、前述の中心軸を基準に対称の位置に圧電素子を配置できるため、励振振動の精度を上げることができる(オフセット調整の必要性を低減できる)。
また、この製造方法によると、確実に圧電素子を可撓部に配置することができるため、歩留まりを向上させることができる。すなわち、例えば圧電素子を形成するための保護膜と可撓部を形成するための保護膜とが異なるフォトリソグラフィの工程によって形成されるマスクではないので、マスクのアラインメントずれによって圧電素子が可撓部に対応する領域内に形成されない等ということが発生しないためである。また、可撓部の前述の二辺を結ぶ方向の幅を狭くしたい場合、この製造方法によると前述のように可撓部に確実に圧電素子を配置することができるため、歩留まりを低下させることなく、可撓部の幅が狭いモーションセンサを製造することができる。すなわち、可撓部のエッチングと圧電素子のエッチングとを異なるフォトリソグラフィの工程で形成されたマスクを用いて行う場合は、アラインメントずれを考慮する必要があるため可撓部の幅を狭くすることが困難であったが、この製造方法によると、歩留まりを低下させることなく、可撓部の幅が狭いモーションセンサを製造することができる。
なお、第一保護膜は、二つの縁領域を覆い二つの縁領域の間の領域の上電極層を露出させる保護膜であるが、二つの縁領域に挟まれた全領域を露出させる構成と、二つの縁領域に挟まれた領域内に露出させない領域がある構成の、いずれの構成も含みうる。第一保護膜の形成方法には例えば、後述する(2)や(3)の方法等がある。二つの縁領域に挟まれた領域内に露出させない領域がある構成としては例えば、後述する(4)等がある。
(2)上記目的を達成するためのモーションセンサの製造方法において、前記第一保護膜形成工程は、前記上電極層の上面に第一の犠牲層を形成する第一犠牲層形成工程と、平面視において前記二つの縁領域に挟まれた領域の外側にあって前記二つの縁領域を含む領域において、前記上電極層を底面とし前記第一の犠牲層を内壁とする凹部を形成するために、前記第一の犠牲層をエッチングする第一犠牲層エッチング工程と、残存している前記第一の犠牲層の上面および前記凹部内に第二の犠牲層を形成する第二犠牲層形成工程と、前記凹部の底面の周縁と前記内壁とでなす隅部であって前記二つの縁領域を含む隅部に前記第二の犠牲層を残存させることによって前記隅部に前記第二の犠牲層からなる前記第一保護膜を形成するために、前記周縁を除く前記凹部の底面および前記第一の犠牲層の上面が露出するまで前記第二の犠牲層をエッチバックする第二犠牲層エッチバック工程と、第一の犠牲層を除去する第一犠牲層除去工程と、を含んでもよい。
この製造方法によると、上記(1)で説明した効果に加え、可撓部に形成された圧電素子の、可撓部の非可撓部と結合しない対向する二辺を結ぶ方向における幅を高精度に等しくすることができる。そのため、モーションセンサの歩留まりを向上させることができるとともに、本製造方法が加速度センサに適用される場合はそれらの圧電素子で構成するブリッジ回路のオフセット調整の必要性を低減することができ、本製造方法が振動型角速度センサに適用される場合はそれら圧電素子による可撓部の励振振動の精度を上げることができる(オフセット調整の必要性を低減できる)。その理由は以下の通りである。この製造方法では、全面エッチバックによって隅部に残存する第二の犠牲層(第一保護膜)は、エッチングの進行過程で形成されていくため、膜厚精度程度に高精度に同じ幅で形成することができる。そしてその第一保護膜を用いて、後に圧電素子となる上電極層や圧電層や下電極層をエッチングするので、圧電素子も高精度に同じ幅で形成することができる。
(3)上記目的を達成するためのモーションセンサの製造方法において、前記第一保護膜形成工程は、前記上電極層の上面に第一の犠牲層を形成する第一犠牲層形成工程と、前記二つの縁領域において前記上電極層を底面とし前記第一の犠牲層を内壁とする凹部を形成するために、前記二つの縁領域の前記第一の犠牲層をエッチングする第一犠牲層エッチング工程と、前記第一の犠牲層の表面および前記凹部内に第二の犠牲層を形成する第二犠牲層形成工程と、前記凹部の底面上に前記第二の犠牲層を残存させることによって前記第二の犠牲層からなる前記第一保護膜を形成するために、前記第一の犠牲層の上面と前記第二の犠牲層の上面とが平坦に連続するように前記第二の犠牲層の上部を除去する平坦化工程と、前記第一の犠牲層を除去する第一犠牲層除去工程と、を含んでもよい。
この製造方法によると、上記(1)で示した効果に加え、次のような効果を奏する。この製造方法では、凹部形成の際、平坦な上電極層上に平坦な第一の犠牲層を成膜しフォトリソグラフィにより高精度に凹部パターンが形成されたマスクを用いて第一の犠牲層をエッチングして凹部を形成することができる。すなわち凹部の形状や位置は精度よくコントロールすることができる。そのため、凹部内に残存させる第二の犠牲層(第一保護膜)の形状や位置も精度よくコントロールできるため、当該第一保護膜を用いて二つの縁領域に形成される後の圧電素子も形状や位置を精度よくコントロールできる。その結果、本製造方法が加速度センサに適用される場合はそれらの圧電素子で構成するブリッジ回路のバランスをよくしオフセット調整の必要性を低減することができる。本製造方法が振動型角速度センサに適用される場合はそれら圧電素子による可撓部の励振振動の精度を上げることができる(オフセット調整の必要性を低減できる)。
(4)上記目的を達成するためのモーションセンサの製造方法において、前記モーションセンサは、前記二つの縁領域の間にあって前記二つの縁領域から等間隔で離間する中央領域に位置し前記可撓部に作用するコリオリ力を検出する検出用圧電素子をさらに備え、前記二つの縁領域に位置する前記圧電素子は、前記可撓部を励振する駆動用圧電素子であって、前記第一犠牲層エッチング工程では、前記二つの縁領域に加え前記中央領域においても前記凹部を形成し、前記三層エッチング工程においては、前記二つの縁領域に加え前記中央領域においても前記上電極層と前記圧電層と前記下電極層とを残存させてもよい。
この製造方法によると、可撓部の中心軸(可撓部の非可撓部と結合しない対向する二辺を結ぶ線分の中点を通り当該二辺に平行な線)を含み中心軸に対称に検出用圧電素子を形成することができる。そのため、基板の厚さ方向に作用するコリオリ力の検出精度のセンサごとのばらつきを抑えることができ、歩留まりを向上させることができる。
(5)上記目的を達成するための加速度センサは、枠部と、前記枠部の内側に一端が結合し、前記枠部の開口面に平行な方向に撓む板ばね形を有する可撓部と、前記可撓部の他端に結合する錘部と、平面視において、前記枠部とも前記錘部とも結合しない前記可撓部の対向する二辺にそれぞれ一辺が重なる前記可撓部の二つの縁領域に位置する圧電素子と、を備える。
本発明によると、可撓部の非可撓部に結合しない対向する二辺にそれぞれ一辺が重なる二つの縁領域に圧電素子が配置されているため、加速度センサとしての感度が高い(可撓部が前述の二辺を結ぶ方向に撓むとき応力が最大になるのは二辺を有し基板の厚さ方向に平行な可撓部の端面であるため)。また、可撓部の前述の二辺を結ぶ方向の最も外側の部分に圧電素子が配置されているということは、可撓部の中心軸(可撓部の前述の二辺を結ぶ線分の中点を通り当該二辺に平行な方向に伸びる線)を基準に対称の位置に圧電素子が配置されているということでもある。そのため、圧電素子で構成されるブリッジ回路の静止状態におけるバランスがよく、オフセット調整の必要性を低減することができ、コスト低減に貢献することができる。
(6)上記目的を達成するための振動型角速度センサは、枠部と、前記枠部の内側に結合する基部と、前記枠部の内側にあって前記基部と一端が結合する可撓部と、平面視において、前記基部と結合しない前記可撓部の対向する二辺にそれぞれ一辺が重なる前記可撓部の二つの縁領域に位置する圧電素子であって、前記可撓部を励振させる駆動用圧電素子と、平面視において、前記可撓部の二つの縁領域の間にあり前記二つの縁領域に等間隔で離間する中央領域に位置する圧電素子であって、前記可撓部に作用するコリオリ力を検出する検出用圧電素子と、を備える。
本発明によると、可撓部の中心軸(可撓部の非可撓部と結合しない対向する二辺を結ぶ線分の中点を通り前述の二辺と平行な方向に伸びる線)を基準にして対称の位置に、励振用圧電素子や検出用圧電素子が配置されているため、励振振動の精度を高めることができるとともにコリオリ力検出の精度を高めることができるので、角速度検出精度を向上させることができる。
尚、請求項において「〜上に」というときは、技術的な阻害要因がない限りにおいて「上に中間物を介在させずに」と「〜上に中間物を介在させて」の両方を意味する。「〜下に」というときも同様に、技術的な阻害要因がない限りにおいて「下に中間物を介在させずに」と「〜下に中間物を介在させて」の両方を意味する。また、請求項に記載された動作の順序は、技術的な阻害要因がない限りにおいて記載順に限定されず、同時に実行されても良いし、記載順の逆順に実行されても良いし、連続した順序で実行されなくても良い。
(1A)は第一実施形態にかかる加速度センサの上面図、(1B)〜(1D)はその断面図。 (2A)は第一実施形態にかかる加速度センサの製造工程を示す上面図、(2B)および(2C)はその断面図。 第一実施形態にかかる加速度センサの製造工程を示す断面図。 (4A)は第一実施形態にかかる加速度センサの製造工程を示す上面図、(4B)〜(4D)はその断面図。 (5A)は第一実施形態にかかる加速度センサの製造工程を示す上面図、(5B)〜(5D)はその断面図。 (6A)は第一実施形態にかかる加速度センサの製造工程を示す上面図、(6B)〜(6D)はその断面図。 (7A)は第一実施形態にかかる加速度センサの製造工程を示す上面図、(7B)〜(7D)はその断面図。 (8A)は第一実施形態にかかる加速度センサの製造工程を示す上面図、(8B)〜(8D)はその断面図。 (9A)は第一実施形態にかかる加速度センサの製造工程を示す上面図、(9B)〜(9D)はその断面図。 (10A)は第二実施形態にかかる角速度センサの上面図、(10B)〜(10D)はその断面図。 (11A)は第二実施形態にかかる角速度センサの製造工程を示す上面図、(11B)および(11C)はその断面図。 (12A)は第二実施形態にかかる角速度センサの製造工程を示す上面図、(12B)および(12C)はその断面図。 (13A)は第二実施形態にかかる角速度センサの製造工程を示す上面図、(13B)および(13C)はその断面図。 (14A)は第二実施形態にかかる角速度センサの製造工程を示す上面図、(14B)および(14C)はその断面図。 (15A)は第二実施形態にかかる角速度センサの製造工程を示す上面図、(15B)および(15C)はその断面図。 (16A)は第二実施形態にかかる角速度センサの製造工程を示す上面図、(16B)および(16C)はその断面図。
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら以下の順に説明する。尚、各図において対応する構成要素には同一の符号が付され、重複する説明は省略される。
1.第一実施形態
(構成)
図1は、本発明にかかるモーションセンサの第一実施形態としての加速度センサを示している。図1Aは加速度センサ1の上面図、図1Bは図1AのBB線における断面図、図1Cは図1AのCC線における断面図、図1Dは図1AのDD線における断面図を示している。説明の便宜のために図1に示すように直交するxyz軸を定める(静止状態における可撓部Fの長手方向をx軸とし、静止状態における可撓部Fの短手方向(板ばね形の可撓部Fの厚さ方向)をy軸とし、xy軸に直交する軸をz軸とする)。加速度センサ1はy軸方向の加速度を検出する1軸加速度センサである。加速度センサ1はMEMSとして構成され、単結晶珪素(Si)からなるバルク層10、二酸化珪素(SiO)等からなる第一の絶縁層11、白金(Pt)からなる下電極層12・上電極層14、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)からなる圧電層13、感光性ポリイミド等からなる第二の絶縁層17、アルミニウム(Al)等からなる配線層(配線部18)、などで構成される積層構造体である。加速度センサ1は、図示しないパッケージに収容され、パッケージ内部に枠部Sが固定される。
加速度センサ1は、矩形枠形態を有する枠部Sと、枠部Sの内側に一端が結合している板ばね形の可撓部Fと、可撓部Fの他端に結合している錘部Mと、可撓部Fのx軸方向およびy軸方向の両端部に設けられた圧電素子P1〜P4を備えている。枠部Sおよび錘部Mは非可撓部に相当する。加速度センサ1は、錘部Mに作用する力に応じた可撓部Fの変形を圧電素子P1〜P4によって電気信号に変換することによって加速度を検出することができる。
枠部Sは、バルク層10と第一の絶縁層11とで主に構成される。例えば、バルク層10の厚さ(z軸方向)は625μm、第一の絶縁層11の厚さは1μmである。枠部Sのサイズは、x軸方向またはy軸方向の全長W1が800μm、枠幅W2が100μmである。錘部Mは直方体の形状を有しており、バルク層10と第一の絶縁層11とで主に構成される。可撓部Fは、y軸方向の寸法がx軸方向およびz軸方向の寸法より小さい直方体の梁の形態(y軸方向がz軸方向より薄い板ばね形)を有している。可撓部Fのxy平面に並行な断面は矩形形態を有している。可撓部Fは、バルク層10と第一の絶縁層11とで主に構成されている。可撓部Fに形成されている第一の絶縁層11の表面には圧電素子P1〜P4や配線部18、第二の絶縁層17が形成されている。以上説明したように、可撓部Fと枠部Sと錘部Mとはほぼ同じ積層構造を有しており、z軸方向の厚さがほぼ等しい。
圧電素子P1〜P4は、下電極層12と圧電層13と上電極層14とで構成される。圧電素子P1〜P4は、可撓部Fのx軸方向およびy軸方向の両端部に形成されている。圧電素子P1〜P4は、x軸方向がy軸方向よりも長く形成されている。圧電素子P1と圧電素子P2の配列方向、および圧電素子P3と圧電素子P4の配列方向は、y軸方向に平行である。また、圧電素子P1と圧電素子P4の配列方向、および圧電素子P2と圧電素子P3の配列方向は、x軸方向に平行である。
圧電素子P1〜P4の下電極層12は互いに接続している。圧電素子P1〜P4の端部は、互いの間の段差を被覆し配線部18を断線しにくくするための第二の絶縁層17に覆われている。すなわち、各圧電素子の間の第一の絶縁層11や下電極層12の表面上には、第二の絶縁層17が形成されている。各圧電素子の上電極層14と、下電極層12は、枠部Sに設けられた電極パッド18に接続されている。
圧電素子P1〜P4は、可撓部Fの歪みを検出するためのブリッジ回路を構成する。圧電素子P1〜P4は、可撓部Fのy軸方向の最も外側に形成されており(可撓部Fのy軸方向に対向する二辺にそれぞれ一辺が重なる縁領域に圧電素子が形成されている)、圧電素子P1〜P4それぞれのy軸方向の幅は、後述する製造方法を採用することにより、等しく形成されている。なお、ブリッジ回路におけるリファレンス抵抗とするために、圧電素子P3、P4は枠部Sに配置するようにしてもよい。
(動作)
可撓部F、錘部M、枠部Sのz軸方向の厚さが等しいため、加速度センサ1はz軸方向やx軸方向に加速しても可撓部Fは変形しない。加速度センサ1がy軸方向に加速したとき、錘部Mは枠部Sに対して運動するため、その運動に伴って可撓部Fは弓なりの形状に変形する。可撓部Fが変形すると、可撓部Fに設けられた圧電素子P1〜P4が変形することによって抵抗値が変化し、ブリッジ回路の出力電圧が変化する。この出力電圧の変化から加速度を導出することができる。本実施形態の加速度センサ1では、圧電素子P1〜P4の可撓部Fにおける配置精度や寸法精度が高いため、加速度センサとしての感度が高い。このような加速度センサは次のようにして製造することができる。
(製造方法)
図2〜図9は加速度センサ1の製造方法を説明するための上面図および断面図である。まず、バルク層10の一方の主面上に、第一の絶縁層11、下電極層12、圧電層13、上電極層14、第一の犠牲層15を順に形成する(絶縁層形成工程、下電極層形成工程、圧電層形成工程、上電極層形成工程、第一犠牲層形成工程(第一保護膜形成工程))。例えば、厚さ625μmのSiからなるバルク層10の表層に例えば、厚さ1μmのSiOからなる第一の絶縁層11を成膜する。下電極層12および上電極層14は、スパッタ法にてPtを0.1μm成膜することによって形成する。圧電層13はマグネトロンスパッタ法にてPZTを3μm成膜することにより形成する。第一の犠牲層15は、CVD法によってSiOを3μm成膜することによって形成する。
続いて、図2A、図2Bおよび図2Cに示すように、フォトレジストからなる保護層R1を用いて、第一の犠牲層15をエッチングし、上電極層14を底面とし第一の犠牲層15を内壁とする凹部30を形成する(第一犠牲層エッチング工程(第一保護膜形成工程))。その後、保護層R1を除去する。凹部30は、枠部の原型領域S0の内側でかつ、可撓部の原型領域F0の外側でかつ、錘部の原型領域M0の外側にある非原型領域A1(加速度センサ1の完成状態において枠部Sと錘部Mと可撓部Fとの間の空間の領域+後述する第一保護膜16aが形成される領域A2)において、第一の絶縁層11が除去され上電極層14が露出した状態であるために出現する凹部である。
続いて、図3に示すように、第一の犠牲層15および上電極層14の表面に第二の犠牲層16を形成する(第二犠牲層形成工程(第一保護膜形成工程))。例えば、第二の犠牲層16として、厚さ1μmのSiを、プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法を用いて形成する。続いて、図4A,図4B,図4C,図4Dに示すように、第二の犠牲層16を全面エッチバックし、第一の犠牲層15の表面と凹部30の底面の上電極層14とを露出させる(第二犠牲層エッチバック工程(第一保護膜形成工程))。例えば、CHFをエッチングガスとして用いた反応性イオンエッチング法を用いてSiからなる第二の犠牲層16をエッチバックする。このように第二の犠牲層16をエッチバックすると、凹部30の内壁面と底面の周縁とでなす隅部に、図4に示すように第二の犠牲層16が残存する。当該隅部に残存した第二の犠牲層16を、以降では第一保護膜16aと呼ぶ。第一保護膜16aの幅W3はいずれの場所においても膜厚精度で等しい。例えば、可撓部の原型領域F0のy軸方向の両端の外側にそれぞれ接する隅部(二つの縁領域に相当する)に形成される第一保護膜16aは互いに幅が等しい。
続いて、第一の犠牲層15を除去する(第一犠牲層除去工程(第一保護膜形成工程))。例えば、SiOからなる第一の犠牲層15を緩衝フッ酸にて除去する。続いて、図5A、図5B、図5C、図5Dに示すように、第一保護膜16aを用いて上電極層14と圧電層13と下電極層12とを異方性エッチングする(三層エッチング工程)。例えば、アルゴンガスと塩素を主体とするガスを用いて反応性イオンエッチングにより異方性エッチングを行う。その結果、第一保護膜16aが形成されている領域に上電極層14と圧電層13と下電極層12とが残存し、それ以外の領域の上電極層14と圧電層13と下電極層12とが除去される。その後、第一保護膜16aを除去する(第一保護膜除去工程)。例えば、Siからなる第一保護膜16aを85℃で加熱した燐酸を用いて除去する。
続いて、図6A、6B、6C、6Dに示すように、上電極層14の一部と第一の絶縁層11の表面を覆うフォトレジストからなる保護層R2(請求項に記載の第二保護膜に相当)を形成する(第二保護膜形成工程)。すなわち保護層R2は、可撓部の原型領域F0のy軸方向の両端の外側にそれぞれ接する二つの縁領域A2と原型領域F0との境界を含み、可撓部Fに対応する矩形領域のy軸方向の両端より内側の領域を保護し、また、枠部の原型領域S0の内側に接する第一保護膜16aが形成されていた領域A2と原型領域S0との境界を含む原型領域S0を保護し、錘部の原型領域M0の外側に接する第一保護膜16aが形成されていた領域A2と原型領域M0との境界を含む原型領域M0とを覆う。そして、保護層R2と上電極層14とを用いて第一の絶縁層11をエッチングする(絶縁層エッチング工程)。例えば、CHFをエッチングガスとして用いた反応性イオンエッチング法にてSiOからなる第一の絶縁層11をエッチングしバルク層10を露出させる。その後、保護層R2を除去する(第二保護膜除去工程)。すなわち、図6に示す工程で第一の絶縁層11が除去されるのは、枠部Sに対応する領域および可撓部Fに対応する領域および錘部Mに対応する領域のいずれでもない領域においてである。
続いて、図7A、図7B、図7C、図7Dに示すように、可撓部Fに対応する領域の枠部Sと結合する端部と錘部Mと結合する端部とを覆うフォトレジストからなる保護層R3を形成し、保護層R3を用いて、上電極層14と圧電層13とをエッチングする。例えば、アルゴンと塩素を主体とするガスを用いた反応性イオンエッチングにより、上電極層14と圧電層13とを除去する。その後、保護層R3を除去する。続いて、図8A、図8B、図8C、図8Dに示すように、可撓部Fに対応する領域を覆うフォトレジストからなる保護層R4を形成し、Ptからなる下電極層12を除去する。例えば、アルゴンイオンミリング法を用いる。その後、保護層R4を除去する。図7および図8の工程により可撓部Fに対応する矩形領域に、上電極層14・圧電層13・下電極層12からなる圧電素子P1〜P4を形成することができる。
続いて、図9A、図9B、図9C、図9Dに示すように、第一の絶縁層11および上電極層14の表面に第二の絶縁層17を形成する。例えば、第一の絶縁層11および上電極層14およびバルク層10の表面に、厚さ5μmの感光性ポリイミドを塗布し露光、現像、ベークすることにより第二の絶縁層17を形成する。感光性ポリイミドの変わりに、CVDにてSiOを成膜後、フォトレジストを用いて圧電素子間の段差を被覆する第二の絶縁層17を形成してもよい。続いて、第一の絶縁層11、上電極層14、第二の絶縁層17の表面に配線層を形成し、フォトレジストからなる図示しない保護層を用いて配線層をエッチングし、図9に示す配線部18を形成する。配線層には例えば、厚さ0.6μmのAlを用いる。Alを成膜する前に密着層として厚さn300AのTiや、バリアメタルとしてTiNを成膜してもよい。Alの代わりにAlSi、AlSiCuを用いてもよい。配線層のエッチングには例えば、Clガスを用いた反応性イオンエッチングを用いる。エッチング後、図示しない保護層を除去する。
続いて、第一の絶縁層11と上電極層14とを用いて、バルク層10をDeep−RIEによりエッチングすることにより、可撓部Fと錘部Mと枠部Sとを形成する(基板エッチング工程)。Deep−RIEには、Cプラズマによる保護ステップと、SFプラズマによるエッチングステップを短く交互に繰り返すボッシュプロセスを用いる。以上の工程によって、図1に示す加速度センサ1を製造することができる。加速度センサ1はダイシング後、図示しないパッケージに実装される。
以上説明したように、可撓部Fに対応する矩形領域のy軸方向に対向する二つの縁領域に残存させた上電極層と圧電層と下電極層(後に圧電素子となる)を用いて可撓部Fを形成するためのエッチングを行うので、可撓部Fのy軸方向の両端の二辺を含む最も外側の部分に圧電素子を形成することができる。可撓部Fがy軸方向に撓む際に応力が最大となるy軸方向の両端に可撓部の変形を検出するための圧電素子を配置できるので、加速度センサとしての感度を高めることができる。
また、可撓部Fのy軸方向の中点を通りx軸方向に伸びる可撓部Fの中心軸を基準に対称の位置にy軸方向の幅が等しい圧電素子を配置できるため、それらの圧電素子で構成するブリッジ回路の可撓部Fの静止状態におけるバランスをよくすることができ、オフセット調整の必要性を低減できる。全面エッチバックによって隅部に残存する第二の犠牲層16(第一保護膜16a)は、エッチングの進行過程で形成されるもので、膜厚精度程度に高精度に同じ幅で形成することができる。その第一保護膜16aを用いて、後に圧電素子となる上電極層14や圧電層13や下電極層12をエッチングするので、圧電素子も高精度にそれぞれ同じ幅で形成することができる。
また、この製造方法によると、確実に圧電素子を可撓部Fに配置することができるため、歩留まりを向上させることができる。また、可撓部Fのy軸方向の幅を狭くしたい場合、この製造方法によると可撓部Fに確実に圧電素子を配置することができるため、歩留まりを低下させることなく、可撓部Fのy軸方向の幅が狭い加速度センサを製造することができる。すなわち、板ばね形の可撓部Fの厚さを薄いため、感度が高い加速度センサを製造することができる。
2.第二実施形態
(構成)
図10は、本発明にかかるモーションセンサの第二実施形態としての振動型角速度センサ(以降、単に角速度センサという)を示している。図10Aは角速度センサ2の上面図、図10Bは図10AのBB線における断面図、図10Cは図10AのCC線における断面図である。説明の便宜のために、図10に示すように直交するxyz軸を定める。角速度センサ2はx軸に平行な軸周りの角速度を検出する角速度センサである。角速度センサ2はMEMSとして構成され、第一実施形態の加速度センサ1と同様に、バルク層10、第一の絶縁層11、下電極層12、上電極層14、圧電層13、第二の絶縁層17、配線層(配線部18)、などで構成される積層構造体である。角速度センサ2は、図示しないパッケージに収容され、パッケージ内部に枠部Sが固定される。
角速度センサ2は、矩形枠形態を有する枠部Sと、枠部Sの内側に結合しているT字形態を有する基部Bと、基部Bにそれぞれの一端が結合している二つの可撓部F1,F2と、可撓部F1に設けられた駆動用圧電素子P1,P3および検出用圧電素子P2と、可撓部F2に設けられた駆動用圧電素子P4,P6および検出用圧電素子P5と、を備えている。枠部Sおよび基部Bは非可撓部に相当する。角速度センサ2は、可撓部F1およびF2を駆動用圧電素子によってy軸方向に振動させ、角速度センサ2がx軸と平行な軸まわりに回転する際に発生するコリオリ力を表す振動を検出用圧電素子によって検出することができる。
枠部Sは、バルク層10と第一の絶縁層11とで主に構成される。第一の絶縁層11の表面には配線部18が形成されている。例えば、バルク層10の厚さ(z軸方向)は625μm、第一の絶縁層11の厚さは1μmである。配線部18のz軸方向の厚さは0.6μmである。枠部Sのサイズは、x軸方向またはy軸方向の全長W1が800μm、枠幅W2が100μmである。基部Bは、バルク層10と第一の絶縁層11とで主に構成され、第一の絶縁層11の表面には配線部18が形成されている。
可撓部F1,F2は、y軸方向の寸法がx軸方向の寸法より小さい直方体の形態を有し、互いに平行に、y軸方向に所定の距離を保って互いに離間している。可撓部F1,F2のx軸方向の一端がそれぞれ基部Bと結合している。可撓部F1,F2のxy平面に並行な断面は矩形形態を有している。可撓部F1,F2は、バルク層10と第一の絶縁層11とで主に構成されており、第一の絶縁層11の表面には圧電素子P1〜P6や配線部18、第二の絶縁層17が形成されている。圧電素子P1〜P6それぞれは、下電極層12、圧電層13、上電極層14からなり、それぞれの厚さは例えば、0.1μm、3μm、0.1μmである。したがって可撓部F1,F2と枠部Sと基部Bとは、主な構成層が共通であり、z軸方向の厚さがほぼ等しい。
駆動用圧電素子P1,P3は、可撓部F1のy軸方向の二つの縁領域の第一の絶縁層11の表面に、x軸方向がy軸方向より長く形成されている。二つの縁領域とは、可撓部のy軸方向に対向する二辺にそれぞれの一辺が重なりy軸方向に一定幅を有する領域を指す。また、駆動用圧電素子P4,P6は、可撓部F2のy軸方向の二つの縁領域の第一の絶縁層11の表面に、x軸方向がy軸方向より長く形成されている。検出用圧電素子P2は可撓部F1のy軸方向の中央領域の第一の絶縁層11の表面に、x軸方向がy軸方向より長く形成されている。中央領域とは、可撓部のy軸方向の中点を通りx軸方向に伸びる可撓部の中心軸を含み、二つの縁領域のそれぞれから等間隔で離間する領域を指す。また、検出用圧電素子P5は可撓部F2のy軸方向の中央領域の第一の絶縁層11の表面に、x軸方向がy軸方向より長く形成されている。圧電素子P1〜P6の下電極層12と上電極層14とは、それぞれ配線部18と接続し、枠部Sに設けられた電極パッドに接続する。圧電素子P1〜P6の基部B側の端部は、互いの間の段差を被覆し配線部を断線しにくくするための第二の絶縁層17に覆われている。
駆動用圧電素子P1,P3,P4,P6は、可撓部F1,F2のy軸方向の最も外側に形成されており(縁領域に形成されている。すなわち可撓部F1,F2のy軸方向の端面と同一平面に駆動用圧電素子の端面が位置するように形成されている。)、駆動用圧電素子P1,P3,P4,P6それぞれのy軸方向の幅は、後述する製造方法を採用することにより、等しく形成されている。また、検出用圧電素子P2,P5は、後述する製造方法を採用することにより、形状を等しく形成することができ、可撓部F1,F2の中央領域に精度よく配置することができる。
(動作)
可撓部F1に設けられている駆動用圧電素子P1,P3に互いに逆位相で電圧を印加すると、一方の駆動用圧電素子がx軸方向に伸びるとともに他方の駆動用圧電素子がx軸方向に縮むことにより可撓部F1がy軸方向に励振する。可撓部F2に設けられている駆動用圧電素子P4,P6にも上記と同様に逆位相の電圧を印加することにより可撓部F2をy軸方向に励振する。可撓部F1,F2が励振している状態で、x軸まわりに角速度センサ2が回転すると、z軸方向にコリオリ力が作用するため、励振と同じ周波数で可撓部F1,F2はz軸方向に振動する。このz軸方向の振動を検出用圧電素子P2,P5によって検出することにより、x軸に平行な軸周りの角速度ωを検出することができる。
(製造方法)
角速度センサ2の製造方法を図11〜図16を用いて説明する。各部の材質や具体的な形成方法について、第一実施形態と共通する場合は説明を省略する。第一実施形態と同様に、バルク層10の表面上に第一の絶縁層11、下電極層12、圧電層13、上電極層14、第一の犠牲層15を順に形成した後(絶縁層形成工程、下電極層形成工程、圧電層形成工程、上電極層形成工程、第一犠牲層形成工程(第一保護膜形成工程)の後)、図11A、図11B、図11C、図11Dに示すように、フォトレジストからなる保護層R5を用いて第一の犠牲層15をエッチングし、上電極層14を底面とし第一の犠牲層15を内壁とする凹部31を形成する(第一犠牲層エッチング工程(第一保護膜形成工程))。凹部31は、可撓部F1,F2の二つの縁領域および一つの中央領域に少なくとも形成される。本実施形態では、枠部Sに対応する領域の内周(基部Bとの結合箇所を除く)と、基部Bを形成する領域の外周(枠部Sや可撓部F1,F2との結合箇所を除く)とにも凹部31が形成される。平坦な第一の犠牲層15を成膜しフォトリソグラフィにより高精度に凹部パターンが形成された保護層R5を用いて第一の犠牲層15をエッチングするため、凹部31の形状や位置を精度よくコントロールすることができる。その後、保護層R5を除去する。
続いて、第一の犠牲層15の表面および凹部31内に第二の犠牲層16を形成する(第二犠牲層形成工程(第一保護膜形成工程))。続いて、図12A、図12B、図12Cに示すように、凹部31の内壁である第一の犠牲層15の表面が露出するまでCMPによって第二の犠牲層16を平坦化する(第一の犠牲層15(例えばSi)をエッチストッパとする)ことによって凹部31内にのみ第二の犠牲層16を残存させ、凹部31内に第二の犠牲層16からなる第一保護膜16aを形成する(平坦化工程(第一保護膜形成工程))。続いて、第一の犠牲層15を除去する(第一犠牲層除去工程(第一保護膜形成工程))。続いて、第一保護膜16aを用いて上電極層14と圧電層13と下電極層12を異方的にエッチングし(三層エッチング工程)、その後、第一保護膜16aを除去する(第一保護膜除去工程)。その結果、第一保護膜16aが形成されていた領域A2に上電極層14と圧電層13と下電極層12とが残存する。
続いて、図13A、図13B、図13Cに示すように、第一の絶縁層11の表面および上電極層14の表面にフォトレジストからなる保護層R6(請求項に記載の第二保護膜に相当)を形成し(第二保護膜形成工程)、保護層R6を用いて第一の絶縁層11をエッチングする(絶縁層エッチング工程)。保護層R6は、可撓部F1,F2の二つの縁領域と重なり、可撓部F1,F2のy軸方向の両端の二辺より内側の領域を保護するとともに、枠部Sに対応する領域内であって当該枠部Sに対応する領域の内周から第一保護膜16aが形成されていた領域A2の幅より小さい距離だけ内周が外周側に寄った領域と、基部Bに対応する領域の外周より第一保護膜16aが形成された領域A2の幅未満の距離だけ内側の領域とを保護する。枠部Sと基部Bとの結合箇所や、基部Bと可撓部F1,F2との結合箇所も保護層R6によって保護される。その後、保護層R6を除去する(第二保護膜除去工程)。
続いて、図14A、図14B、図14Cに示すように、可撓部F1および可撓部F2を覆うフォトレジストからなる保護層R7を形成し、保護層R7を用いて、上電極層14と圧電層13とをエッチングする。その結果、可撓部F1,F2以外の領域に形成されていた上電極層14と圧電層13が除去される。その後、保護層R7を除去する。続いて、図15A、図15B、図15Cに示すように、可撓部F1および可撓部F2を覆うフォトレジストからなる保護層R8を形成し、保護層R8を用いて下電極層12をエッチングする。その結果、可撓部以外の領域に残存していた下電極層12が除去され、可撓部F1,F2に上電極層14、圧電層13、下電極層12からなる圧電素子P1〜P6が形成される。その後、保護層R8を除去する。
続いて、図16A、図16B、図16Cに示すように、圧電素子P1,P2,P3間の段差を被覆し、また、圧電素子P4,P5,P6間の段差を被覆する第二の絶縁層17を形成する。そして、第一の絶縁層11、上電極層14および第二の絶縁層17の表面上に、配線層を形成し、配線パターンを用いて配線層をエッチングすることにより図16に示す配線部18を形成する。そして、第一の絶縁層11、第二の絶縁層17、配線部18、上電極層14を用いて、バルク層10をエッチングすることにより(基板エッチング工程)、可撓部F1,F2と基部Bと枠部Sとを形成し、図10に示す角速度センサ2が完成する。
以上説明した第二実施形態の製造方法によると、第一保護膜16aを用いたエッチングにより可撓部F1,F2の縁領域に圧電素子を形成し、縁領域に形成された圧電素子を用いたエッチングにより可撓部F1,F2のy軸方向のエッジが形成されるため、可撓部F1,F2のy軸方向の端面と同一平面上に圧電素子P1,P3,P4,P6の端面が位置するように圧電素子P1,P3,P4,P6を配置することができる。また、前述したように位置や形状が精度よく形成された第一保護膜16aを用いてエッチングして形成するため、縁領域に配置する駆動用圧電素子P1,P3,P4,P6や中央領域に配置する検出用圧電素子P2,P5を精度よく形成することができる。したがって、各可撓部F1,F2のy軸方向の中点を通りx軸方向に伸びる中心軸を基準に左右対称に駆動用圧電素子や検出用圧電素子を形成することができる。そのため、励振振動の精度を高めることができ、コリオリ力検出の精度を高めることができるので、角速度検出精度を向上させることができる。またオフセット調整の必要性を低減できるため、コストも低減できる。また、このように精度よく可撓部に圧電素子を形成できるので、歩留まりを向上させることができる。また、歩留まりを低下させることなくy軸方向の幅が薄い可撓部を有する角速度センサを製造することができる。
3.他の実施形態
尚、本発明の技術的範囲は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、上記実施形態で示した材質や寸法や形状や成膜方法やパターン転写方法はあくまで例示であるし、当業者であれば自明である工程の追加や削除や工程順序の入れ替えについては説明が省略されている。
本発明を1軸加速度センサに適用する場合、上記実施形態の加速度センサ1のように、錘部Mが1つの可撓部Fによって枠部Sと連結している構成に限らず、互いに平行な複数の可撓部を介して枠部Sと連結する構成であってもよい。なお、上記実施形態のような1軸加速度センサに限らず、多軸加速度センサの製造方法としても本発明を適用することができる。また、本発明を1軸周りの角速度を検出する振動型角速度センサに適用する場合、上記実施形態の角速度センサ2のように可撓部が複数ある構成に限らず可撓部は1本であってもよい。また、1軸周りの角速度センサに限らず多軸まわりの角速度センサに本発明の製造方法を適用してもよい。
なお、第一実施形態では、エッチバックにより第二の犠牲層16を凹部30の隅部に残存させることによって第一保護膜16aを形成したが、第二実施形態で示した方法で第一保護膜16aを形成するようにしてもよい。すなわち、二つの縁領域に底面を上電極層14とし内壁を第一の犠牲層15とする凹部を形成し、第二の犠牲層16を形成し、第一の犠牲層15が露出するまで第二の犠牲層16を平坦化することによって凹部内に第二の犠牲層16を残存させて、第一保護膜を形成してもよい。
また、第一の実施形態の第一保護膜形成方法を第二の実施形態で採用してもよい。すなわち、第二の犠牲層のエッチバックの進行過程で第二の犠牲層16を二つの縁領域や中央領域に残存させて、第一保護膜を形成してもよい。
1:加速度センサ、2:角速度センサ、10:バルク層、11:第一の絶縁層、12:下電極層、13:圧電層、14:上電極層、15:第一の犠牲層、16:第二の犠牲層、16a:第一保護膜、17:第二の絶縁層、18:配線部、30:凹部、31:凹部、A1:非原型領域、A2:第一保護膜が形成されていた領域(縁領域を含む)、B:基部、F:可撓部、F0:可撓部の原型領域、F1:可撓部、F2:可撓部、M:錘部、M0:錘部の原型領域、P1〜P6:圧電素子、S:枠部、S0:枠部の原型領域。

Claims (6)

  1. 枠部を含む非可撓部と、
    前記非可撓部と少なくとも一端において結合する梁形の可撓部と、
    平面視において、前記可撓部の対向する二辺にそれぞれの一辺が重なり前記可撓部の二つの縁領域に位置する圧電素子と、
    を備えるモーションセンサの製造方法であって、
    単結晶シリコンからなる基板の上面に絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、
    前記絶縁層の上面に下電極層を形成する下電極層形成工程と、
    前記下電極層の上面に圧電層を形成する圧電層形成工程と、
    前記圧電層の上面に上電極層を形成する上電極層工程と、
    平面視において前記可撓部の対向する二辺と重なる二辺を有し前記二つの縁領域を覆い前記二つの縁領域の間の領域を露出させた第一保護膜を前記上電極層の上面に形成する第一保護膜形成工程と、
    前記第一保護膜を用いて前記上電極層と前記圧電層と前記下電極層とをエッチングする三層エッチング工程と、
    前記第一保護膜を除去する第一保護膜除去工程と、
    平面視において前記可撓部の前記二つの縁領域の間の領域を覆う第二保護膜を形成する第二保護膜形成工程と、
    前記第二保護膜と前記上電極層とを用いて前記絶縁層をエッチングする絶縁層エッチング工程と、
    前記第二保護膜を除去する第二保護膜除去工程と、
    前記絶縁層と前記上電極層とを用いて前記基板を異方性エッチングする基板エッチング工程と、
    を含むモーションセンサの製造方法。
  2. 前記第一保護膜形成工程は、
    前記上電極層の上面に第一の犠牲層を形成する第一犠牲層形成工程と、
    平面視において前記二つの縁領域に挟まれた領域の外側にあって前記二つの縁領域を含む領域において、前記上電極層を底面とし前記第一の犠牲層を内壁とする凹部を形成するために、前記第一の犠牲層をエッチングする第一犠牲層エッチング工程と、
    残存している前記第一の犠牲層の上面および前記凹部内に第二の犠牲層を形成する第二犠牲層形成工程と、
    前記凹部の底面の周縁と前記内壁とでなす隅部であって前記二つの縁領域を含む隅部に前記第二の犠牲層を残存させることによって前記隅部に前記第二の犠牲層からなる前記第一保護膜を形成するために、前記周縁を除く前記凹部の底面および前記第一の犠牲層の上面が露出するまで前記第二の犠牲層をエッチバックする第二犠牲層エッチバック工程と、
    第一の犠牲層を除去する第一犠牲層除去工程と、
    を含む、
    請求項1に記載のモーションセンサの製造方法。
  3. 前記第一保護膜形成工程は、
    前記上電極層の上面に第一の犠牲層を形成する第一犠牲層形成工程と、
    前記二つの縁領域において前記上電極層を底面とし前記第一の犠牲層を内壁とする凹部を形成するために、前記二つの縁領域の前記第一の犠牲層をエッチングする第一犠牲層エッチング工程と、
    前記第一の犠牲層の表面および前記凹部内に第二の犠牲層を形成する第二犠牲層形成工程と、
    前記凹部の底面上に前記第二の犠牲層を残存させることによって前記第二の犠牲層からなる前記第一保護膜を形成するために、前記第一の犠牲層の上面と前記第二の犠牲層の上面とが平坦に連続するように前記第二の犠牲層の上部を除去する平坦化工程と、
    前記第一の犠牲層を除去する第一犠牲層除去工程と、
    を含む、
    請求項1に記載のモーションセンサの製造方法。
  4. 前記モーションセンサは、前記二つの縁領域の間にあって前記二つの縁領域から等間隔で離間する中央領域に位置し前記可撓部に作用するコリオリ力を検出する検出用圧電素子をさらに備え、
    前記二つの縁領域に位置する前記圧電素子は、前記可撓部を励振する駆動用圧電素子であって、
    前記第一犠牲層エッチング工程では、前記二つの縁領域に加え前記中央領域においても前記凹部を形成し、
    前記三層エッチング工程においては、前記二つの縁領域に加え前記中央領域においても前記上電極層と前記圧電層と前記下電極層とを残存させる、
    請求項3に記載のモーションセンサの製造方法。
  5. 枠部と、
    前記枠部の内側に一端が結合し、前記枠部の開口面に平行な方向に撓む板ばね形を有する可撓部と、
    前記可撓部の他端に結合する錘部と、
    平面視において、前記枠部とも前記錘部とも結合しない前記可撓部の対向する二辺にそれぞれ一辺が重なる前記可撓部の二つの縁領域に位置する圧電素子と、
    を備える加速度センサ。
  6. 枠部と、
    前記枠部の内側に結合する基部と、
    前記枠部の内側にあって前記基部と一端が結合する可撓部と、
    平面視において、前記基部と結合しない前記可撓部の対向する二辺にそれぞれ一辺が重なる前記可撓部の二つの縁領域に位置する圧電素子であって、前記可撓部を励振させる駆動用圧電素子と、
    平面視において、前記可撓部の二つの縁領域の間にあり前記二つの縁領域に等間隔で離間する中央領域に位置する圧電素子であって、前記可撓部に作用するコリオリ力を検出する検出用圧電素子と、
    を備える振動型角速度センサ。
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