JP2011196966A - 慣性センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 検出電極を基板に固定せずに可動できるようにした高感度（＝狭ギャップ）な静電容量型の慣性センサにおいて、外乱振動や衝撃などで可動質量体の変位量を正しく測定できない虞がある。
【解決手段】 可動検出電極（２１Ａ）に対向して固定部（２５Ａ）を設け、可動検出電極（２１Ａ）を変位させた後、機械的に固定する。
【選択図】 図７

Description

本発明は慣性センサに関し、特に、ＭＥＭＳ(Ｍｉｃｒｏ-Ｅｌｅｃｔｒｏ-Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ)技術により作製された静電容量型の慣性センサに関する。

近年、加速度や角速度などを検出する慣性センサは、半導体プロセスを利用したマイクロマシニング技術（いわゆるＭＥＭＳ技術）により劇的に小型化され、自動車の衝突検知やデジタルカメラの手ぶれ防止、携帯電話の傾斜センサなどの幅広い用途で実用化されている。

このような慣性センサの一例として、静電容量型の角速度センサが特許文献１に記載されている。梁を介して基板に固定された可動質量体と、基板に固定された検出電極とでコンデンサーが構成されており、角速度の大きさに応じて可動質量体が変位する量を、その静電容量値の変化量として検出するものである。

センサの感度を高くするためには、可動質量体と検出電極間の距離（以下、ギャップという）をできる限り狭くすることが望ましい。しかしながら通常、静電容量型慣性センサの検出電極は基板に固定されているため、製造プロセスの最小加工寸法よりも小さいギャップを形成することはできない。

特許文献２は、検出電極を基板に固定せずに可動できるようにしたものである（以下、可動検出電極という）。可動検出電極と、それに近接して設けられた固定電極との間に所望の電位差を印加することで可動検出電極の位置を調整し、製造プロセスの最小加工寸法よりも小さいギャップを実現することができる。

特開平１１−１７３８５１号公報 特開２００４−３６１３８８号公報

しかしながら特許文献２においては、センサ動作時にも可動検出電極が固定されておらず、振動外乱などで位置が動きやすい課題があった。ギャップ（可動質量体と検出電極間の距離）の変化、すなわち静電容量値の変化をセンサ出力としているため、検出電極自体が計測中に動いてしまうと基準点が動くことなり、可動質量体の変位量を正しく計測することができない。

可動検出電極の位置は、近接して設けられた固定電極との間に働く静電力と、可動検出電極の梁による弾性力とがつりあう場所で決まる。なるべく低電圧で可動検出電極を移動させるためには、梁を柔らかくする必要がある。すると、センサに働く加速度に応じて可動検出電極もより動きやすくなる。

更に、外乱振動や衝撃が加わった場合、上記の静電力と弾性力の安定点を中心にして可動検出電極が振動する。振動している間、ギャップは正しい値（＝可動質量体の変位量）を示さないため、センサは誤った値を出力し続けることになる。これは外乱振動や衝撃に限らず、電磁ノイズや電源変動などにより静電力が一瞬乱れることによっても同様に起こる。

このような課題を解決するために、可動検出電極の振動を検出し、逆位相の静電力を印加して振動を抑制する手段（静電ダンパ）も考えられる。しかしながら高速で複雑な制御回路が必要であり、また可動検出電極の位置変動を抑制するために継続的な電力供給が必要となるため、低コスト化や低消費電力化との両立は難しい。

本発明の目的は、上記課題を解決し、高感度（＝狭ギャップ）、高信頼な静電容量型慣性センサを提供することにある。

本発明における代表的な解決手段を以下示す。

本発明は、半導体基板と、半導体基板上に形成された可動する可動部と、可動部の変位量による静電容量値の変化を検出する検出部と、を備え、検出部は、一部に可動できる構造体を有し、構造体は、構造体の位置を変更してから機械的に固定されている慣性センサである。

また、別の本発明は、半導体基板と、半導体基板上に形成された可動する可動部と、可動部の変位量による静電容量値の変化を検出する検出部と、を備え、検出部は、可動できる構造体と、基板に固定された固定部とを含み、構造体は固定部に接触することで固定されている慣性センサである。

また、別の本発明は、半導体基板と、半導体基板上に形成された可動する可動部と、可動部の変位量による静電容量値の変化を検出する容量検出電極と、半導体基板上に形成された第一の固定部と、半導体基板上に形成された第二の固定部と、容量検出電極と第一の固定部とを接続する梁と、可動部を封止する基板と、を備え、容量検出電極は、梁が撓んだ状態で、基板ないし第二の固定部に固定されている慣性センサである。

本発明においては、可動検出電極が機械的に固定されており動くことがないため、可動質量体の変位量とギャップの変化量が１対１対応となり外乱振動や衝撃、電磁ノイズ、電源変動などがあっても検出電極が可動することがなく、安定で高信頼な測定が可能となる。

また、本発明では可動検出電極の位置変動を抑制するための高速で複雑な制御回路も不要化でき、回路の小型・低コスト化が図れるだけでなく、継続的な電力供給も不要化できるので低消費電力化も実現できる。

このようにして、製造プロセスの最小加工寸法よりも小さいギャップを有する高感度、且つ高信頼な静電容量型慣性センサを実現することができる。

本発明の実施の形態を示す加速度センサの上面図である。 本発明の実施の形態を示す加速度センサの断面図である。 本発明の実施の形態を示す加速度センサの断面図である。 本発明の実施の形態を示す加速度センサの作製プロセスである。 本発明の実施の形態を示す加速度センサの作製プロセスである。 本発明の実施の形態を示す加速度センサの作製プロセスである。 本発明の実施の形態を示す加速度センサの断面図である。 本発明の実施の形態を示す加速度センサの拡大図である。 本発明の実施の形態を示す加速度センサの基板レイアウトである。 本発明の実施の形態を示す加速度センサの拡大図である。 本発明の実施の形態を示す加速度センサのガラス基板である。 本発明の実施の形態を示す加速度センサの拡大図である。 本発明の実施の形態を示す加速度センサの断面図である。 本発明の実施の形態を示す加速度センサの断面図である。 本発明の別の実施の形態を示す加速度センサの拡大図である。 本発明の別の実施の形態を示す加速度センサの斜視図である。 本発明の更に別の実施の形態を示す加速度センサの拡大図である。 本発明の更に別の実施の形態を示す加速度センサの作製プロセスである。 本発明の更に別の実施の形態を示す加速度センサの作製プロセスである。 本発明の更に別の実施の形態を示す加速度センサの作製プロセスの斜視図である。

本発明の実施の形態について、静電容量型ＭＥＭＳ加速度センサを例に説明する。本実施の形態においては、可動検出電極に対向して固定部を設け、可動検出電極と固定部との間にプルイン電圧以上の電圧を印加することで固定部に接触させた後、ガラスとの陽極接合により可動検出電極を固定する形態を説明する。ここで可動検出電極とは、容量検出電極２１Ａ、固定部接触電極２２Ａが主な構成要素である。

図１に、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を加工して形成した加速度センサ構造の上面図を示す。これはＳＯＩ基板最上層の導電性シリコンの加工形状を示したものである。

可動部１は、可動質量体１１が支持梁１２を介して可動部固定部１３に固定されており、本センサに働く加速度に応じて支持梁１２が弾性変形し、ｙ方向に変位可能な構造となっている。検出部２Ａは、このｙ方向への変位量を静電容量値の変化として検出するものである。

本実施の形態においては４つの検出部２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄを設けているが、これらは対称な構造であるので、ここでは２Ａについて説明する。

可動部１の可動電極１４と、検出部２Ａの容量検出電極２１Ａおよび固定部接触電極２２Ａとで平行平板型コンデンサーが構成されている。可動電極１４のｙ方向への変位量に応じて、コンデンサーの静電容量値は変化する。これをチップ外部に接続した容量-電圧（C-V）変換回路を用いて、電圧変化として出力するものである。

図２は、図1のＡ−Ａ’線に沿った断面図を示したものである。可動部１の可動質量体１１と支持梁１２は、支持基板５００（半導体基板）の上に空隙部５０３を介して導体層（活性層）５０２で形成されている。

図３は、図１のＢ―Ｂ’線に沿った断面図を示している。可動電極１４、および容量検出電極２１Ａ、固定部接触電極２２Ａは、支持基板５００の上に空隙部５０３を介して導体層５０２で形成されている。一方、ダミーパターン３、および可動部固定部１３、固定部２５Ａは支持基板５００の上の中間絶縁層５０１を介して固定されている。図１の検出部固定部２４Ａも同様に支持基板５００に固定されている。図３に示すように、可動電極１４と容量検出電極２１Ａおよび固定部接触電極２２Ａはギャップを介して設けられており、平行平板型コンデンサーが構成されている。

本発明の特徴としては、検出部２Ａが、容量検出電極２１Ａが検出梁２３Ａを介して検出部固定部２４Ａに固定された可動な電極構造と、固定部２５Ａとから構成されており、後述する製造プロセスにおいて可動な電極構造を固定部２５Ａに近接もしくは接触させた後に、可動な電極構造を機械的に固定する点である。本実施の形態においては、可動な電極構造と固定部２５Ａとの間に静電力を働かせ、その後ガラスとの陽極接合により機械的に固定する方法を示す。

図１では、可動な電極構造と固定部２５Ａとの間に電位差を与える方法として、ＳＯＩ基板の表裏両面からの電界印加する場合を想定し、容量検出電極２１Ａおよび固定部接触電極２２Ａの電極２６Ａについては、貫通電極２７Ａを介して基板裏面に取り出した構成としている。

図４（Ａ）及び（Ｂ）に、貫通電極を作製するプロセスフローを示す。図１のＣ―Ｃ’線に沿った断面図を示している。

はじめに、ＳＯＩ基板の導体層５０２の表面にシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）５０４を成膜し、レジスト５０５を塗布してパターニングを行う。マスク材料５０４を選択的にエッチングする（図４（Ａ）（a））。

次に、ＤＲＩＥ（Ｄｅｅｐ ＲＩＥ）ドライエッチング方法を用いて、中間絶縁層５０１をエッチストップ層として、導体層５０２を深堀エッチングする。その後、酸素プラズマアッシャでレジストを除去する（図４（Ａ）（b））。

続いて、基板裏面も同様のエッチングを行う。通常、中間絶縁層５０１が数μmの厚みをもつＳＯＩ基板では、基板の反りを低減するため、基板裏面にも同程度の厚みの絶縁層（ＳｉＯ２）５０４を形成することが多いため、これをマスク材料に用いることができる。表面の加工と同様にレジスト５０５を塗布し、マスク材料をパターニングする（図４（Ａ）（c））。

そしてＤＲＩＥドライエッチングにより、中間絶縁層５０１まで深堀エッチングを行い、レジスト５０５を除去する（図４（Ａ）（d））。

フッ酸溶液を用いて中間絶縁層５０１を除去し、貫通孔を形成する（図４（Ｂ）（a））。この時、基板裏面のＳｉＯ２も同時に除去されるため、基板の反りが発生してしまう。

そこで、１０００℃以上の酸素雰囲気中で熱酸化処理を行うことで、ＳＯＩ基板の表面、裏面、および貫通孔表面にＳｉＯ２膜を形成する。処理時間を調整することにより、中間絶縁層５０１と同程度の厚みのＳｉＯ２膜５０４を形成した。そして導体層５０２表面のＳｉＯ２膜をＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）により研磨除去し、基板の反りを回復させた（図４（Ｂ）（b））。

次にＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて高濃度ポリシリコンなどの導電体材料５０６を成膜し、貫通電極を形成する（図４（Ｂ）（c））。導電体材料としては金属材料をめっき法で形成してもよい。その後、導電体材料のパターニングを行う（図４（Ｂ）（d））。

図５に、ＭＥＭＳ構造体を作製するプロセスフローを示す。図１のＢ―Ｂ’線に沿った断面図を示している。

貫通電極を形成したＳＯＩ基板の導体層５０２の表面にシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）５０４を成膜し、レジスト５０５を塗布してパターニングを行う。マスク材料５０４を選択的にエッチングする（図５（a））。

そしてＤＲＩＥドライエッチングにより、中間絶縁層５０１まで深堀エッチングを行い、レジスト５０５を除去する（図５（b））。

続いて、フッ酸溶液のウエットエッチングあるいは気相エッチングを行う。可動させる構造には図１に示すエッチングホール１５を形成しておくことで、可動部１、および検出部の容量検出電極２１、固定部接触電極２２、検出梁２３の下部の中間絶縁層５０１を除去する（図５（ｃ）。図３と同一図面）。一方、基板に固定させる構造にはエッチングホール１５を形成せず、エッチング量に比べて充分広いパターンサイズの可動部固定部１３、検出部の検出部固定部２４、固定部２５、及びダミーパターン３の下部の中間絶縁層５０１は、完全に除去されることはない。

図６は、上記プロセスを経た後の図１のＣ―Ｃ’線に沿った断面図を示している。ダミーパターン３、固定部２５Ａ、電極２６Ａおよび貫通電極２７Ａは、深堀エッチングにより電気的に分離されている。

次に、本実施の形態における特徴的な構造について説明する。

図７（ａ）は、検出部２Ａの拡大図を示したものである。ＭＥＭＳ作製プロセス（図５）の際、可動電極１４と容量検出電極２１Ａとの間のギャップｇ１、固定部２５Ａと固定部接触電極２２Ａとの間のギャップｇ２、可動電極１４と固定部接触電極２２Ａとの間のギャップｇ３は、いずれも製造プロセスの最小加工寸法よりも大きいサイズで形成する。容量検出電極２１Ａ、固定部接触電極２２Ａの下部の中間絶縁層は除去されているので、これらの電極と固定部２５Ａの間に電位差を印加すれば、容量検出電極２１Ａ、固定部接触電極２２Ａをｙ方向に移動させることができる。印加電圧の大きさを調整することにより、移動量は調整できる。なお、ａは可動部移動方向を示している。

図７（ｂ）は、電極２１Ａ（２２Ａ）と固定部２５Ａとの間にプルイン電圧以上の電圧を印加することで移動量を最大とし、両電極を物理的に接触させた状態を示している。両電極の側面には自然酸化膜が形成されているので、物理的に接触してもショートすることはなく、電位差が印加されている限り接触状態を保持できる。この時、可動電極１４と容量検出電極２１Ａとの間のギャップはｇ４（＝ｇ１−ｇ２）、可動電極１４と固定部接触電極２２Ａとの間のギャップはｇ５（＝ｇ３＋ｇ２）に保持することができる。

例えば、製造プロセスの最小加工寸法が４μｍの場合、ｇ１＝ｇ３＝５μｍ、ｇ２＝４μｍで加工しておき、その後プルイン電圧以上の電圧を印加することによって、電極２１Ａ（２２Ａ）を固定部２５Ａに引き付け、ｇ４＝ｇ１−ｇ２＝１μｍとし、製造プロセスの最小加工寸法よりも狭ギャップなＭＥＭＳ構造を実現することができる。

次に、この狭ギャップ構造を機械的に固定する方法について説明する。

図８に、ＭＥＭＳ作製プロセス（図５）が終了した基板レイアウトを示す。ＳＯＩ基板１００に、図１に相当するセンサチップ１０１が等間隔に配置されている。

図９は、図８の領域１０２の拡大図である。図７（ｂ）で示したように、電極２１Ａ（２２Ａ）と固定部２５Ａとの間に電圧を印加する必要がある。図１では、容量検出電極２１Ａおよび固定部接触電極２２Ａの電極２６Ａについては、貫通電極２７Ａを介して基板裏面に取り出すことを説明した。もう一方の電極である固定部２５Ａについては、ダイシングライン１０３に接続された構造となっている。ダイシングライン１０３はＳＯＩ基板の導体層５０２で構成されているため、配線の役割を果たし、基板表面の外周部に電気的な接続をもたらす。すなわち、基板裏面の任意の一点（電極２１Ａ、２２Ａ）と、基板表面の外周部の任意の一点（固定部２５Ａ）との間に所望の電圧を印加することによって、容量検出電極２１Ａおよび固定部接触電極２２Ａと、固定部２５Ａとの間に所望の電圧を印加することができる。例えば、プルイン電圧以上の電圧を加えた場合には、図７（ｂ）で示した状態を実現することができる。

上記で実現した狭ギャップ構造を機械的に固定するために、ガラス基板との陽極接合を行う。図１０は、可動部１を封止するためのガラス基板を示す。この図に示すように、ガラス基板１０４の一部領域には、凹み領域１０５と可動部と外部回路とをワイヤーボンディングで電気的に接続するための貫通孔１０６を設けている。

図１１に、ＭＥＭＳ加工終了後のＳＯＩ基板１０１と、ガラス基板１０４を陽極接合した状態を示す。また、図１１のＢ−Ｂ’線、Ｄ−Ｄ’線に沿った断面図をそれぞれ図１２、図１３に示す。ガラス基板１０４の凹み領域１０５の内側には可動質量体１１、支持梁１２、可動電極１４が配置されるようにしており、陽極接合後も可動することができる。一方、検出梁２３Ａはガラス基板１０４の凹み領域１０５の外側に配置されており、ガラス基板に固定される。容量検出電極２１Ａ、固定部接触電極２２Ａはガラス基板１０４の凹み領域１０５の内側に配置されているが、上記のように検出梁２３Ａの弾性変形が陽極接合により禁止されることで、機械的に固定することができる。本発明の効果について説明する。

本発明では、容量検出電極２１Ａ、固定部接触電極２２Ａがガラス基板１０４との陽極接合により機械的に固定されているため、外乱振動や衝撃、電磁ノイズ、電源変動などがあっても検出電極が可動することがないため、安定で高信頼な測定が可能となる。

また本発明では複雑な制御回路も不要化でき、回路の小型・低コスト化が図れるだけでなく、継続的な電力供給も不要化できるので低消費電力化も実現できる。

上記により、製造プロセスの最小加工寸法よりも小さいギャップを有する高感度、且つ高信頼な静電容量型慣性センサを実現することができる。一例として、製造プロセスの最小加工寸法を4μｍと仮定し、本発明を用いて1μｍギャップを実現した場合を検討する。図７（ｂ）に示す非対称な櫛歯型電極構造において、ギャップｇ５がｇ４に比べて充分大きく、ｇ４の平行平板コンデンサーが櫛歯型電極全体の容量変化の支配的要因である場合、感度に相当する単位容量当たりの容量変化量ΔＣ/Ｃ０は次のように書ける。
ΔＣ/Ｃ0＝ｘ/（ｄ−ｘ） （１）
ｄ：ギャップ
ｘ：単位加速度に対する可動質量体の変位量
微小な加速度を測定する際はｘ＜＜ｄと考えてよいので、式（１）より、ΔＣ/Ｃ０は近似的にｄに反比例する。すなわち、本発明を用いてギャップを４μｍから１μｍにすることができたとすると、センサの感度を４倍にすることができる。 このように、検出梁２３Ａを撓ませ、その後に固定することで、可動質量体１１と容量検出電極２１Ａとの距離を、可動質量体と容量検出電極間の最小加工寸法よりも小さくすることができ、高感度の慣性センサを提供することができる。

以上により、代表例として、陽極接合技術を用いた機械的固定手段について説明した。しなしながら、ガラス基板と、検出梁２３Ａ若しくは容量検出電極２１Ａの一部との固定手段は、陽極接合技術に限定されるものではなく、機械的に固定できる手段であれば様々な技術を用いることができる。但し、陽極接合技術であれば、可動部１を封止する手段と同一の手段で固定することができるため、簡便に固定することができる利点がある。また、代表例として、電極２１Ａと固定部２５Ａとを物理的に接触した状態で固定する手段について説明した。しかしながら、後述するように固定部２５Ａと物理的に接触することは必須の条件ではない。電極２１Ａを固定部２５Ａに近接させた後に、固定部２５Ａとガラス基板とを機械的に固定すれば、同様の効果を得ることができるためである。

なお、図８において同一基板上に複数のセンサチップ１０１が含まれているが、図７（ａ）のギャップｇ２をセンサチップ毎にあらかじめ変えておけば、センサチップ毎に電極２１Ａ、２２Ａの移動量（＝ｇ２）を変えることができ、ギャップｇ４をセンサチップ毎に変えることができる。すなわち、同一基板上に異なる感度（＝検出レンジ）のセンサを同時に製造することができ、少量多品種なセンサを効率よく生産することができる。

このようなウエハから、感度の異なるセンサチップ１０１を複数含むようにダイシングすることにより、１チップのマルチレンジ加速度センサを得ることもできる。感度の異なるセンサを複数個別に実装する場合に比べて、センサ検出方位のアライメントが不要となり、実装工程を簡略化することができる。ここでは、センサの感度調整の別な方法として、電極２１Ａ（２２Ａ）と固定部２５Ａとの間に印加する電圧をプルイン電圧未満で任意に調整する例について述べる。本実施の形態においては、ガラスとの陽極接合により可動検出電極の位置を固定することができるため、電極２１Ａ、２２Ａを固定部２５Ａに接触させる必要がないからである。本方法によれば、ＭＥＭＳ製造プロセスのフォトマスクを変更せずに、電圧値の調整のみで異なる感度（＝検出レンジ）のセンサを製造することができる。

また、可動検出電極の固定方法として、ガラスとの陽極接合を用いない構成も考えられる。例えばセンサを動作させるときに、電極２１Ａ（２２Ａ）と固定部２５Ａとの間にプルイン電圧以上を印加し続けることで固定する方法も考えられる。本方法によれば、プルイン電圧以上を印加し続ける電源が必要となるが、電圧を調整する必要はないため複雑な回路が不要となる。また陽極接合しなくて済むため、陽極接合装置などへの設備投資が不要となる。

さらにまた、別の可動検出電極の固定方法として、電極２１Ａ（２２Ａ）と固定部２５Ａとの間にプルイン電圧以上の高電圧を印加することにより、接触と同時に電流をスパークさせて接合させることもできる。本方法によっても、陽極接合しなくて済むため、陽極接合装置などへの設備投資が不要となる。

さらにまた、別の可動検出電極の固定方法として、図５（c）の後に、電極側壁に接着性のある物質、例えばシランカップリング剤をスプレー塗布する工程を追加しておき、その後、電極２１Ａ（２２Ａ）と固定部２５Ａとの間にプルイン電圧以上の電圧を印加することにより、接触と同時に接着することで固定してもよい。本方法によっても、陽極接合しなくて済むため、陽極接合装置などへの設備投資が不要となる。

別な実施の形態として、可動検出電極に対向した固定部と、可動検出電極に接続された曲率を有する細梁（ラッチ構造）を設け、可動検出電極と固定部との間にプルイン電圧以上の電圧を印加することで固定部に接触させて固定する方法を説明する。

図１４（a）は、検出部２Ａの拡大図を示したものである。本実施の形態では、第1の実施の形態で説明した図４の検出梁とは異なり、検出梁の一部分に曲率を持つ細梁３１Ａが構成されている。

図１４（b）は、電極２１Ａ、２２Ａと、固定部２５Ａとの間にプルイン電圧以上の電圧を印加した状態を示したものである。

図１４（a）及び（b）の斜視図を図１５（a）及び（b）に示す。図１５（a）の細梁３１Ａは導体層を構成する物質（例えばシリコン）から構成されており、支持基板との間には空隙が形成されている。検出部固定部２４Ａと２６Ａの間で曲率を有した状態で安定している。ここで電極２１Ａ、２２Ａと、固定部２５Ａとの間にプルイン電圧以上の電圧を印加することによって、静電力により電極２１Ａ、２２Ａは固定部２５Ａに接触する。この時、細梁３１Ａは図１５（b）に示すような、図１５（a）とは逆の曲率をもった状態で安定させる。こうすることによって、印加電圧をゼロにしても電極２１Ａ、２２Ａは、梁の応力により、印加前の位置に戻ることなく、固定部２５Ａと接触した状態で固定される。

本実施の形態によれば、ガラスとの陽極接合を用いずに可動検出電極の固定が可能となり、陽極接合装置への設備投資が不要化できる。

更に別の実施の形態として、可動検出電極に対向した固定部と、可動検出電極に接続された梁に応力発生部を設け、中間絶縁層の除去後に梁が基板面内方向に曲がりを生じることで、前記固定部に接触させて固定する方法を説明する。

図１６は、検出部２Ａの拡大図を示したものである。検出梁３２Ａに応力発生部６０３を設けていることが特徴である。

図１６（a）は、ＭＥＭＳ作製プロセスにおいて、中間絶縁層を除去する気相エッチング前の状態を示している。電極２１Ａ、２２Ａと、検出梁２３Ａ、３２Ａは、中間絶縁層を介して支持基板に固定されている状態である。図１６（b）は、気相エッチング後の状態を示している。電極２１Ａ、２２Ａと、検出梁２３Ａ、３２Ａの下の中間絶縁層は除去され、支持基板から離れる。この時、梁３２Ａに応力発生部６０３が設けられていることで、梁３２Ａを基板から離すと応力が解放され、基板面内方向に梁が曲がる。このため、電極２１Ａ、２２Ａが固定部２５Ａに接触、固定される。図１６（b）の応力発生部６０３は、ｘ方向に縮む力を発生している。梁の片側だけが縮もうとするために梁が変形する力を利用している。

次に、応力発生部６０３を有する検出梁３２Ａの製造方法を説明する。

図１７（Ａ）及び（Ｂ）は、図１６のＥ−Ｅ’線に沿った断面図を示している。

はじめに、ＳＯＩ基板の導体層表面にマスクとなる酸化膜５０４と、レジストマスク５０５を形成し、応力膜を埋め込むための溝を形成するためのパターニングを行う（図１７（Ａ）（a））。この溝は、変形させたい梁の片側になるように配置する。

次に、パターニングした酸化膜をマスクにして導体層を深堀エッチングし、応力膜埋め込み用の溝６０１を形成する（図１７（Ａ）（b））。

その後、ＣＶＤ法を用いて応力膜６０２を堆積させ、溝に埋め込む（図１７（Ａ）（ｃ））。応力膜の材料には、たとえばＴｉＮがある。

次に、溝以外の表面に成膜された応力膜をＣＭＰで研磨して除去し、導体層の一部に応力発生部６０３を形成する（図１７（Ａ）（d））。

次に、ＭＥＭＳ構造体を導体層に形成する。これは第１の実施の形態の製造方法の図５と同様のプロセスで行う。ＳＯＩ基板の導体層に表面にマスク材料（酸化膜）５０４を成膜した後レジスト５０５を塗布し、レジストのパターニングとマスク材料のエッチングを行う（図１７（Ｂ）(a））。このとき、図１７（Ａ）（ｃ）で形成した応力発生部６０３が検出梁の片側になるようにパターニングする。

次に、このマスクを用いて深堀エッチングを行い、導体層にＭＥＭＳ構造体を形成する（図１７（Ｂ）(b））。

最後に、フッ酸溶液のウエットエッチングあるいは気相エッチングを用いて、検出梁２３Ａ、３２Ａの下の中間絶縁層の酸化シリコンを除去する（図１７（Ｂ）（c））。ここで、基板から分離されたために応力膜の残留応力が解放され、縮み（引張応力）が生じる。膜は梁の片側だけに形成されているため、その部分が局所的に縮むことにより梁が変形する。

図１８は、引張応力を有するＴｉＮを応力発生部に形成する方法について説明するものである。

図１８（a）は、図１６のＥ−Ｅ’線の断面であって、図の左側から見た溝６０１付近の作成プロセスの斜視拡大図である。

図１８（b）は、この溝にＴｉＮを埋め込み、表面をＣＭＰで研磨したものである。ＴｉＮを埋め込んだ場合、結晶界面６０４は図１８（b）のように存在し、矢印で示すような引張応力が存在している。ただし、この時点では、ＴｉＮを含む導体層の下には中間絶縁層があり固定されているため、応力による変形は発生しない。

図１８（c）は、応力発生部が梁の片側に位置するようにマスク５０４を形成したところである。

図１８（d）は、深堀エッチングを行い、片側の一部に応力発生部を有した梁３２Ａを示している。この時も梁の下には中間絶縁層があり支持基板に固定されているために、応力による梁の変形はない。

図１８（e）は、最後に中間絶縁層を除去する工程であり、梁３２Ａが支持基板から離れ、応力を有するＴｉＮの残留応力が解放されて縮みが生じて梁に曲がりが生じる様子である。基板に固定された検出部固定部２４Ａを支持点にして梁３２Ａが面内で曲がり、図１６（b）の状態が実現する。

本実施の形態によれば、電圧印加や陽極接合を行う必要がないため、貫通電極も必要とせずに、デバイス構造が簡素化し、作製プロセスも容易である。
なお、上記では応力膜として縮み（引張応力）を利用しているが、応力膜として伸び（圧縮応力）を利用しても、同様の効果が得られる。

１ 可動部
１１ 可動質量体
１２ 支持梁
１３ 可動部固定部
１４ 可動電極
１５ エッチングホール
２Ａ 検出部
２１Ａ 容量検出電極（可動検出電極）
２２Ａ 固定部接触電極（可動検出電極）
２３Ａ 検出梁
２４Ａ 検出部固定部
２５Ａ 固定部
２６Ａ 電極
２７Ａ 貫通電極
２Ｂ 検出部
２Ｃ 検出部
２Ｄ 検出部
３ ダミーパターン
３１Ａ 細梁
３２Ａ 梁
１００ ＳＯＩ基板
１０１ センサチップ
１０２ 領域
１０３ ダイシングライン
１０４ ガラス基板
１０５ 凹領域
１０６ 貫通孔
５００ 支持基板（シリコン）
５０１ 中間絶縁層（ＳｉＯ２）
５０２ 導体層（活性層）
５０３ 空隙部
５０４ ＳｉＯ２
５０５ レジスト
５０６ 導電体材料
６０１ 溝
６０２ 応力膜
６０３ 応力発生部
６０４ 結晶界面

Claims (19)

1. 半導体基板と、
   前記半導体基板上に形成された可動する可動部と、
   前記可動部の変位量による静電容量値の変化を検出する検出部と、を備え、
   前記検出部は、一部に可動できる構造体を有し、
   前記構造体は、前記構造体の位置を変更してから機械的に固定されていることを特徴とする慣性センサ。
2. 請求項１記載の慣性センサにおいて、
   さらに、前記可動部を封止する基板を備え、
   前記構造体は、前記基板と接触して固定されていることを特徴とする慣性センサ。
3. 請求項２記載の慣性サンセにおいて、
   前記基板は、ガラス基板であって、
   前記構造体は、前記ガラス基板と陽極接合により固定されていることを特徴とする慣性センサ。
4. 請求項１記載の慣性センサにおいて、
   さらに、半導体基板上に形成された固定部を備え、
   前記構造体は、前記固定部と接触して固定されていることを特徴とする慣性センサ。
5. 請求項４記載の慣性センサにおいて、
   さらに、前記構造体と前記固定部とに電圧を供給する電源を備え、
   前記構造体は、前記固定部と前記電源により生じる静電引力により固定されていることを特徴とする慣性センサ。
6. 請求項１記載の慣性センサにおいて、
   前記検出部は、前記半導体基板上に形成された固定部を含み、
   前記構造体は、梁を介して、前記半導体基板に固定され、
   前記構造体は、梁の応力によって、前記固定部に固定されていることを特徴とする慣性センサ。
7. 請求項１記載の慣性センサにおいて、
   前記可動部と、変更された位置の前記構造体との距離が、前記可動部と前記構造体との最小加工寸法よりも小さいことを特徴とする慣性センサ。
8. 半導体基板と、
   前記半導体基板上に形成された可動する可動部と、
   前記可動部の変位量による静電容量値の変化を検出する検出部と、を備え、
   前記検出部は、可動できる構造体と、基板に固定された固定部とを含み、
   前記構造体は前記固定部に接触することで固定されていることを特徴とする慣性センサ。
9. 請求項８記載の慣性センサにおいて、
   さらに、前記可動部を封止する基板を備え、
   前記構造体は、前記基板と接触して固定されていることを特徴とする慣性センサ。
10. 請求項９記載の慣性センサにおいて、
    前記基板は、ガラス基板であって、
    前記構造体は、前記ガラス基板と陽極接合により固定されていることを特徴とする慣性センサ。
11. 請求項８記載の慣性センサにおいて、
    さらに、前記構造体と前記固定部とに電圧を供給する電源を備え、
    前記構造体は、前記固定部と前記電源により生じる静電引力によって固定されていることを特徴とする慣性センサ。
12. 請求項８記載の慣性センサにおいて、
    前記構造体は、梁を介して、前記半導体基板に固定され、
    前記構造体は、前記梁の応力によって、前記固定部に固定されていることを特徴とする慣性センサ。
13. 請求項８記載の慣性センサにおいて、
    前記可動部と、固定された前記構造体との距離が、前記可動部と前記構造体との最小加工寸法よりも小さいことを特徴とする慣性センサ。
14. 半導体基板と、
    前記半導体基板上に形成された可動する可動部と、
    前記可動部の変位量による静電容量値の変化を検出する容量検出電極と、
    前記半導体基板上に形成された第一の固定部と、
    前記半導体基板上に形成された第二の固定部と、
    前記容量検出電極と前記第一の固定部とを接続する梁と、
    前記可動部を封止する基板と、を備え、
    前記容量検出電極は、前記梁が撓んだ状態で、前記基板ないし前記第二の固定部に固定されていることを特徴とする慣性センサ。
15. 請求項１４記載の慣性センサにおいて、
    前記基板は、ガラス基板であって、
    前記容量検出電極は、前記基板に固定され、
    前記容量検出電極は、前記ガラス基板と陽極接合により固定されていることを特徴とする慣性センサ。
16. 請求項１４記載の慣性センサにおいて、
    前記容量検出電極は、前記第二の固定部と接触して固定されていることを特徴とする慣性センサ。
17. 請求項１４記載の慣性センサにおいて、
    さらに、容量検出電極と前記第二の固定部とに電圧を供給する電源を備え、
    前記構造体は、前記固定部と前記電源により生じる静電引力によって固定されていることを特徴とする慣性センサ。
18. 請求項１４記載の慣性センサにおいて、
    前記容量検出電極は、前記梁の応力によって、前記第二の固定部に固定されていることを特徴とする慣性センサ。
19. 請求項１４記載の慣性センサにおいて、
    前記可動部と、前記梁が撓んだ状態の前記容量検出電極との距離が、前記可動部と前記容量検出電極との最小加工寸法よりも小さいことを特徴とする慣性センサ。