JP2012103112A - 物理量センサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 特に、従来に比べてスティッキング抑制効果の高いストッパ構造を有する物理量センサ及びその製造方法を提供することを目的としている。
【解決手段】 高さ方向に変位可能に支持された可動部２を有する機能層９と、前記機能層と高さ方向に間隔を空けて対向配置された対向部材３０と、を有し、前記対向部材３０には前記可動部と対向する位置に、前記可動部の高さ方向への変位を規制するストッパ部４６，４７が設けられており、前記ストッパ部は、突起基部４２，４３、前記突起基部の表面に形成された金属下地層４４、及び前記金属下地層の表面に形成された絶縁層４５の積層構造により形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、物理量センサのスティッキング抑制構造に関する。

例えば特許文献１には、可動部と、対向する対向部との少なくとも一方の表面を荒らすことで、スティッキングを抑制する構造が開示されている。

特許文献１のように、エッチング処理を施して対向面の接触面積を減少させる方法では、エッチング条件を適切に整えないと、効果的に面荒れを実行することができず、あるいは、スティッキングの抑制に関係のない箇所までエッチングされることで不具合が生じる場合もある。

また特許文献２，３には、異種材料を重ねて、荒粗面にする技術が開示されているが、可動部に対するスティッキング抑制構造としては不十分であった。

特開２００２−３５３４６８号公報 特開平１０−７０２８７号公報 特開２００１−２８１２６５号公報

本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、特に、従来に比べてスティッキング抑制効果の高いストッパ構造を有する物理量センサ及びその製造方法を提供することを目的としている。

本発明における物理量センサは、
高さ方向に変位可能に支持された可動部を有する機能層と、
前記機能層と高さ方向に間隔を空けて対向配置された対向部材と、を有し、
前記対向部材には前記可動部と対向する位置に、前記可動部の高さ方向への変位を規制するストッパ部が設けられており、
前記ストッパ部は、突起基部、前記突起基部の表面に形成された金属下地層、及び前記金属下地層の表面に形成された絶縁層の積層構造により形成されていることを特徴とするものである。

上記の積層構造により、ストッパ面の表面粗さ（Ｒａ）を、突起基部の表面よりも効果的に大きくすることができ、可動部に対するスティッキング抑制効果を向上させることができる。

本発明では、前記可動部は、固定支持されたアンカ部にばね部を介して高さ方向に変位可能に支持された錘部であり、前記ストッパ部は、前記錘部と対向する位置に設けられることが好ましい。

あるいは本発明では、前記機能層には、固定支持されたアンカ部と、前記アンカ部にばね部を介して高さ方向に変位可能に支持された錘部と、前記アンカ部と前記錘部とに回動自在に連結された支持部とを有し、前記錘部と前記支持部とが前記可動部を構成しており、
前記支持部には、前記支持部が回動して前記錘部が高さ方向に変位したときに前記錘部の変位方向に対し逆方向に変位する脚部が設けられ、
前記対向部材には、前記錘部と対向する位置、あるいは、前記脚部と対向する位置、又は、前記錘部及び前記脚部の双方に対向する位置に、前記ストッパ部が設けられていることが好ましい。

また本発明では、前記対向部材には、前記ストッパ部と異なる位置であって前記錘部と対向する位置に、固定電極層が設けられており、前記金属下地層は、前記固定電極層と同じ材質で形成されていることが好ましい。これにより、製造コストの低減を図ることができ、また金属下地層を固定電極層と同じ工程にて突起基部の表面に適切に形成することが出来る。

上記において、前記固定電極層の表面にも前記絶縁層が重ねて形成されていることが好ましい。このように、固定電極層の表面が絶縁層により被覆されているため、可動部と固定電極層とが直接接することがなく、電気的ショートを防止でき、センサ感度の向上を図ることが出来る。

また本発明では、前記絶縁層は前記金属下地層よりも相対的に硬質な物質で構成されることが好ましい。例えば、前記金属下地層は、Ａｌで形成されていることが好ましい。また、前記絶縁層は、ＳｉＯ₂で形成されていることが好ましい。これにより、ストッパ面の耐久性を向上させることができるとともに、表面粗さ（Ｒａ）を効果的に大きくすることが出来る。

また本発明では、前記対向部材は、基材と、基材の表面に形成された絶縁性の被覆層と、前記被覆層内に形成された内部配線層とを有し、前記被覆層の表面に前記突起基部が形成されている構成にできる。このとき、前記突起基部の表面はＣＭＰによる平坦面であり、前記平坦面に前記金属下地層及び前記絶縁層が重ねて形成されていることが好ましい。このように、突起基部の表面をＣＭＰによる平坦面としたのは、突起基部と同層に位置し、製造過程で削り込まれる最上層の被覆層の表面が内部配線層の影響で凹凸面状になっているため、まず一旦、最上層の被覆層の表面をＣＭＰにより平坦化したからである。したがって本発明と異なって、金属下地層及び絶縁層を重ねない形態とすると、突起基部の表面（ＣＭＰによる平坦面）がストッパ面となり、前記ストッパ面の表面粗さ（Ｒａ）が小さくなってしまうが、本発明では、突起基部の表面（ＣＭＰによる平坦面）に更に、金属下地層及び絶縁層を重ねた積層構造としたことでストッパ面の表面粗さ（Ｒａ）を、突起基部の表面よりも、効果的に大きくすることが可能になる。

また本発明における物理量センサの製造方法は、
高さ方向に変位可能に支持された可動部を有する機能層と、
前記機能層に高さ方向に間隔を空けて対向配置された対向部材と、を有する物理量センサの製造方法において、
前記対向部材を、基材と、基材の表面に形成された絶縁性の被覆層と、前記被覆層内に形成された内部配線層とを有して形成し、前記被覆層の表面を平坦化処理する工程と、
前記内部配線層が前記被覆層の内部に埋設された状態を維持しながら前記被覆層の表面を削り込んで、前記可動部と対向する位置に、突起基部を形成する工程と、
前記内部配線層と電気的に接続される固定電極層を前記可動部と対向する位置であって前記突起基部以外の領域に形成すると同時に、前記突起基部の表面に前記固定電極層と同じ材質からなる金属下地層を前記固定電極層と非接触にて形成する工程と、
前記金属下地層の表面に絶縁層を形成して、前記突起基部、前記金属下地層及び前記絶縁層の積層構造からなるストッパ部を形成する工程と、
前記対向部材と前記機能層とを接合する工程と、
を有することを特徴とするものである。上記の製造方法により、簡単且つ適切に、ストッパ面の表面粗さ（Ｒａ）を、突起基部の表面よりも大きくすることができる。

本発明では、前記金属下地層及び前記固定電極層をＡｌで形成し、前記絶縁層をＳｉＯ₂で形成することが好ましい。

また本発明では、前記絶縁層を、前記金属下地層の表面から前記固定電極層及び前記被覆層の表面全域にかけて形成した後、電気接続位置の部分の前記絶縁層を除去することが好ましい。これにより、固定電極層の表面も絶縁層で覆うことができ、電気特性やセンサ感度に優れた物理量センサを製造できる。

本発明の物理量センサ及びその製造方法によれば、ストッパ面の表面粗さ（Ｒａ）を、効果的に大きくすることができ、可動部に対するスティッキング抑制効果を向上させることができるとともに、耐久性も向上させることができる。

本発明の第１の実施形態の物理量センサを構成する機能層の平面図、 図１に示すＣ−Ｃ線により切断し矢印方向から見た物理量センサの縦断面図、 第１の実施形態の物理量センサが静止している状態を示す斜視図、 第１の実施形態の物理量センサが動作している状態を示す斜視図、 第１の実施形態の物理量センサを構成する錘部が図示上向きに動作している状態を示す部分縦断面図、 第１の実施形態の物理量センサを構成する錘部が図示下向きに動作している状態を示す部分縦断面図、 本実施形態におけるストッパ部の部分拡大縦断面図、 比較例の物理量センサの部分縦断面図、 突起基部の表面粗さ（Ｒａ）の実験結果、 突起基部の表面に形成された金属下地層の表面粗さ（Ｒａ）の実験結果、 金属下地層の表面に形成された絶縁層の表面粗さ（Ｒａ）の実験結果、 本発明の第２の実施形態を示す物理量センサの部分縦断面図、 第１の実施形態の物理量センサの製造方法を示す一工程図（部分縦断面図）、 図１３の次の工程を示す物理量センサの部分縦断面図、 図１４の次の工程を示す物理量センサの部分縦断面図、 図１５の次の工程を示す物理量センサの部分縦断面図、 図１６の次の工程を示す物理量センサの部分縦断面図、 図１７の次の工程を示す物理量センサの部分縦断面図。

各図に示す物理量センサに関しては、Ｙ方向が左右方向であり、Ｙ１方向が左方向でＹ２方向が右方向、Ｘ方向が前後方向であり、Ｘ１方向が前方でＸ２方向が後方である。また、Ｙ方向とＸ方向の双方に直交する方向が上下方向（Ｚ方向；高さ方向）である。

図１に示す物理量センサ１は、例えば、長方形の平板である導電性の機能層（シリコン基板）９を有して形成されている。すなわち、機能層９に、各部分の形状に対応する平面形状のレジスト層を形成し、レジスト層が存在していない部分で、シリコン基板をディープＲＩＥ（ディープ・リアクティブ・イオン・エッチング）のエッチング工程で切断することで、各部分に分離している。したがって、物理量センサの機能層９に形成される各部分は、シリコン基板の表面と裏面の厚みの範囲内で構成されている。図３（図１に示す枠体部８を図示せず）に示すように、物理量センサが静止状態のとき、機能層９は、表面全体と裏面全体が夫々、略同一面上に位置しているが、実際の機能層９は、地球の重力の影響で静止状態であっても若干変位を生じている。

図１に示すように、物理量センサを構成する機能層９は、可動部２と、可動部２の周囲に枠体部８とを有している。

図１や図３に示すように、可動部２は、高さ方向（Ｚ）に平行に変位する錘部２ａと、錘部２ａの内側に設けられた回動支持部３，４，１４，１５とを有して構成される。図１、図６に示すように回動支持部３，４の平面形状はクランク状で形成されている。

図１に示すように第１の回動支持部３は、前方（Ｘ１）に延びる連結腕３ａと、後方（Ｘ２）に延びる脚部３ｂとが一体に形成されている。また図１に示すように第２の回動支持部４は、後方（Ｘ２）に延びる連結腕４ａと、前方（Ｘ１）に延びる脚部４ｂとが一体に形成されている。

連結腕３ａ，４ａ及び脚部３ｂ，４ｂは各アンカ部５〜７から離れる方向であって、前後方向（Ｘ１−Ｘ２方向）に平行に所定の幅寸法にて延出する形状で形成されている。

図１に示すように、可動部２の内側には、中央アンカ部５、左側アンカ部６及び右側アンカ部７が設けられている。各アンカ部５〜７は、左右方向（Ｙ）に所定の間隔を空けて設けられる。中央アンカ部５、左側アンカ部６及び右側アンカ部７の前後方向（Ｘ）の幅寸法は略同一である。

各アンカ部５〜７は図２（図２は図１に示すＣ−Ｃ線に沿って切断し矢印方向から見た部分縦断面図である。ただし図２にはアンカ部５，６のみが図示されている）に示すように、支持基材１０に酸化絶縁層（ＳｉＯ₂層）２５を介して固定支持される。

また、可動部２の周囲に設けられた枠体部８は、支持基材１０に酸化絶縁層（ＳｉＯ₂層）２５を介して固定支持される。

導電性の支持基材１０は例えばシリコン基板である。酸化絶縁層２５は、可動部２と対向する位置には設けられていない。支持基材１０と、酸化絶縁層２５と、図１に示す可動部２、アンカ部５〜７、及び枠体部８を構成する機能層９とは、例えばＳＯＩ基板である。支持基材１０、酸化絶縁層２５及び機能層９でセンサ基板２６を構成する。

図１に示すように、第１の回動支持部３の連結腕３ａの先端部と錘部２ａとが連結部１１ａにおいて回動自在に連結されており、第２の回動支持部４の連結腕４ａの先端部と錘部２ａとが連結部１１ｂにおいて回動自在に連結されている。

また図１に示すように、第１の回動支持部３の連結腕３ａは、左側アンカ部６と支点連結部１２ｂ、及び、中央アンカ部５と支持連結部１２ａにおいて回動自在に連結されている。また図１に示すように、第２の回動支持部４の第１連結腕４ａは、右側アンカ部７と支点連結部１３ｂ、及び、中央アンカ部５と支持連結部１３ａにおいて回動自在に連結されている。

また図１に示す実施形態では、左側アンカ部６の後方（Ｘ２）に、錘部２ａ及び左側アンカ部６と分離して形成された第３の回動支持部１４が設けられ、右側アンカ部７の前方（Ｘ１）に、錘部２ａ及び右側アンカ部７と分離して形成された第４の回動支持部１５が設けられている。

図１に示すように第３の回動支持部１４の先端部と錘部２ａとは、連結部１６ａにおいて、回動自在に連結されている。また、第４の回動支持部１５の先端部と錘部２ａとは、連結部１６ｂにおいて、回動自在に連結されている。また図１に示すように、第３の回動支持部１４と左側アンカ部６とは、支点連結部１７ａにおいて、回動自在に連結されている。また第４の回動支持部１５と右側アンカ部７とは、支点連結部１７ｂにおいて、回動自在に連結されている。

図１に示すように、第１の回動支持部３の連結腕３ａと第３の回動支持部１４との間が連結部１８ａを介して連結されている。また図１に示すように、第２の回動支持部４の連結腕４ａと第４の回動支持部１５との間が連結部１８ｂを介して連結されている。

各連結部１１ａ，１１ｂ，１６ａ，１６ｂ及び各支点連結部１２ａ，１３ａ，１３ｂ，１７ｂは、シリコン基板をエッチングにて幅細に切り出すことで、ばね性を有するトーションバー（ばね部）で構成される。

図２に示すように、物理量センサ１には、錘部２ａと高さ方向にて離れた一方に支持基材１０と他方に対向部材３０が設けられる。図２に示すように対向部材３０の表面には、固定電極層３７が設けられている。対向部材３０は基材（シリコン基板）３０ａの表面に電気絶縁性の被覆層３０ｂが形成された構成であり、固定電極層３７は、前記被覆層３０ｂ上に導電性金属材料をスパッタし、またはメッキすることで形成されている。錘部２ａは可動電極として機能し、固定電極層３７とともに「検知部」を構成する。

図２に示すように被覆層３０ｂは、第１の被覆層３０ｂ１と第２の被覆層３０ｂ２の積層構造で形成されており、例えば、第１の被覆層３０ｂ１及び第２の被覆層３０ｂ２ともにＳｉＯ₂または窒化シリコン（ＳｉＮ、ＳｉＮ_x）で形成されている。

図２に示すように、第１の被覆層３０ｂ１上に内部配線層２４が形成されている。そして内部配線層２４上に第２の被覆層３０ｂ２が形成され、前記内部配線層２４は被覆層３０ｂ内に埋められた状態になっている。

図２に示すように第２の被覆層３０ｂ２には内部配線層２４に繋がる貫通孔２７（図２には一つの貫通孔にのみ符号２７を付した）が形成されている。そして前記固定電極層３７が貫通孔２７を介して内部配線層２４に電気的に接続されている。

内部配線層２４は、枠体部８の外側にまで引き延ばされて、枠体部８の外側でパッド部に電気的に接続されている。また図２に示すように、第１の被覆層３０ｂ１と第２の被覆層３０ｂ２の双方を貫く貫通孔２８が形成された部分がある。前記貫通孔２８の内部は導電層２９で埋められており、前記導電層２９は基材３０ａに接触している。導電層２９は図示しない内部配線層に接続しているとともに、枠体部８の外側で、被覆層３０ｂの表面に形成されたグランドパッド３２に接続されている。

図２に示すように、被覆層３０ｂの表面には、突出部４０，４１が形成されている。突出部４０は、枠体部８と高さ方向（Ｚ）で対向する位置に形成されている。また各突出部４１は、各アンカ部５〜７と高さ方向（Ｚ）で対向する位置に形成されている。

また図２に示すように、被覆層３０ｂの表面には錘部２ａや脚部３ｂの先端部と高さ方向（Ｚ）で対向する位置に突起基部４２，４３が形成されている。

突出部４０，４１及び突起基部４２，４３は、例えば窒化シリコン（ＳｉＮ、ＳｉＮ_x）で形成される。

本実施形態では図２に示すように、突起基部４２，４３の表面に金属下地層４４が形成されている。

さらに金属下地層４４の表面には絶縁層４５が形成されている。このように突起基部４２，４３の表面には金属下地層４４及び絶縁層４５が積層され、突起基部４２，４３、金属下地層４４及び絶縁層４５の積層構造によりストッパ部４６，４７が構成されている。

図２に示すように絶縁層４５は、金属下地層４４上のみならず電気接続位置を除く被覆層３０ｂの全域に形成されている。

図２に示すように、枠体部８と突出部４０との間、及び各アンカ部５〜７と突出部４１との間には、夫々、接合層５０，５１が形成されている。接合層５０，５１は第１の金属接合層（例えばＡｌ）と第２の金属接合層（例えばＧｅ）とが共晶接合されたものである。

本実施形態の物理量センサ１に外部から例えば加速度が与えられると、加速度は、錘部２ａ、各アンカ部５〜７及び枠体部８に作用する。このとき、錘部２ａは慣性力によって絶対空間内で留まろうとし、その結果、各アンカ部５〜７に対して錘部２ａが加速度の作用方向と逆の方向へ相対的に移動する。そして図４に示すように、錘部２ａは慣性力により図３の静止状態の位置から高さ方向へ向けて変位すべく、第１の回動支持部３が支点連結部１２ａ、１２ｂを中心に高さ方向に回動し、第２の回動支持部４が支点連結部１３ａ，１３ｂを中心として高さ方向に回動し、第３の回動支持部１４が支点連結部１７ａを中心として高さ方向に回動し、第４の回動支持部１５が支点連結部１７ｂを中心として高さ方向に回動する。この回動動作時、各連結部１１ａ，１１ｂ，１６ａ，１６ｂ，１８ａ，１８ｂ及び支点連結部１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂ、１７ａ，１７ｂに設けられたトーションバー（ばね部）は捩れ変形する。

本実施形態の錘部２ａの支持機構により錘部２ａを高さ方向（Ｚ）に効果的に平行移動させることが出来る。

本実施形態では、物理量変化により、脚部３ｂ，４ｂが、錘部２ａの変位方向とは逆方向に飛び出す構造となっている。脚部３ｂ，４ｂの先端部が図５に示すように対向部材３０に近づく方向に変位したとき、脚部３ｂ，４ｂの先端部が対向部材３０の表面に形成されたストッパ部４７のストッパ面４７ａ（絶縁層４５の表面）に当接するまで最大限、変位できる。脚部３ｂ，４ｂが、ストッパ部４７のストッパ面４７ａに当接しても、錘部２ａは支持基材１０の表面１０ａに当接しない。

このように図１の実施形態では、錘部２ａの変位方向とは逆方向に変位する脚部３ｂ，４ｂを設け、錘部２ａの高さ方向（Ｚ）への変位を抑制するストッパ機構を設けている。

一方、図６では、脚部３ｂ，４ｂの先端部が図６に示すように対向部材３０から遠ざかる方向に変位したとき、錘部２ａは脚部３ｂ，４ｂが支持基材１０の表面１０ａに当接するよりも先に、錘部２ａが対向部材３０の表面に形成されたストッパ部４６のストッパ面４６ａ（絶縁層４５の表面）に当接し、錘部２ａの高さ方向への変位が抑制される。

本実施形態では図２に示したように、各ストッパ部４６，４７は、突起基部４２，４３と金属下地層４４と絶縁層４５との積層構造で構成されている。

図７はストッパ部４６，４７の部分拡大断面図であるが、図７に示すように、突起基部４２，４３の表面Ａに形成された金属下地層４４の表面粗さ（Ｒａ）は、突起基部４２，４３の表面粗さ（Ｒａ）よりも大きく、金属下地層４４の表面４４ａに形成された絶縁層４５の表面粗さ（Ｒａ）は、金属下地層４４以上の表面粗さ（Ｒａ）を有している。

なお、金属下地層４４の平均膜厚は、０．１μｍ〜０．５μｍ程度、絶縁層４５の平均膜厚は、０．１μｍ〜０．５μｍ程度である。

後述する製造方法によれば、突起基部４２，４３の表面Ａは、ＣＭＰによる平坦面で形成される。

本実施形態では、金属下地層４４を平坦化された突起基部４２，４３の表面Ａに例えばスパッタ法により形成する。図７の構成では、突起基部４２、４３に段差Ｂを形成して突起基部４２，４３の最も上方に突き出した部分での表面の面積をフォトリソグラフィ技術の限界値まで小さくできる。なお、段差Ｂは形成されていなくてもよい。

突起基部４２，４３の表面Ａに成膜された金属下地層４４の表面粗さ（Ｒａ）は、成膜後に表面４４ａを特に加工せず、また金属粒子が大きいことから、金属下地層４４の表面粗さ（Ｒａ）は、突起基部４２，４３の表面粗さ（Ｒａ）よりも大きくなる。

本実施形態では更に、金属下地層４４の表面４４ａに絶縁層４５を例えばＣＶＤ法により成膜するが、表面粗さ（Ｒａ）の大きい金属下地層４４の表面４４ａに倣って、絶縁層４５の表面粗さ（Ｒａ）も大きくなり、絶縁層４５の表面粗さ（Ｒａ）を金属下地層４４の表面粗さ（Ｒａ）以上に出来る。

また絶縁層４５を金属下地層４４上に形成することで、軟質な金属下地層４４を硬質な絶縁層４５で覆うことができ、脚部３ｂ、４ｂ及び錘部２ａとストッパ部４６、４７とが当接する際のストッパ部４６、４７の耐久性を向上することが出来、錘部２ａの最大変位量を高精度に規制することが出来る。また、金属がむき出しの状態よりも金属表面を絶縁層４５で覆うことで、電気的な安定性も増し、センサ感度の安定性を向上させることができる。

図８は比較例の物理量センサの部分縦断面図である。なお図２と同じ符号は図２と同じ部分を示している。

図８の比較例では図２の実施形態と異なって突起基部４２，４３のみでストッパ部５５，５６が構成されている。よって突起基部４２，４３の表面（ＣＭＰによる平坦面）がストッパ面となる。

図８の比較例における窒化シリコンからなるストッパ部５５，５６（突起基部４２，４３）の表面粗さ（Ｒａ）の実験結果が図９に示されている。表面粗さ（Ｒａ）は約０．４７ｎｍであった。

実験では、更に図９の実験結果で得られた突起基部４２，４３の表面にＡｌからなる金属下地層４４を以下の条件にてスパッタ法により成膜した。その実験結果が図１０に示されている。金属下地層４４の表面粗さ（Ｒａ）は、約２．７ｎｍであった。

温度：常温
印加電力：５００Ｗ
雰囲気：Ａｒガスを流量５０ｓｃｃｍ（ｓｃｃｍ：1分間あたりのガスの流量（ｃｃ））で３ｍＴｏｒｒ（≒０．４Ｐａ）の圧力とした。

実験では、更に図１０の実験結果で得られた金属下地層４４の表面にＳｉＯ₂からなる絶縁層４５をＣＶＤ法により以下の条件にて成膜した。その実験結果が図１１に示されている。絶縁層４５の表面粗さ（Ｒａ）は、約５ｎｍであった。

温度：３００℃（基板温度）
印加電力：３５０Ｗ
雰囲気：ＳｉＨ₄ガスを１０ｓｃｃｍ、Ｎ₂Ｏガスを４００ｓｃｃｍフローし、１４０Ｐａの圧力とした。

このように、表面粗さ（Ｒａ）は、突起基部４２，４３単体では最も小さくなり（図８の比較例）、金属下地層４４を突起基部４２，４３の表面Ａに形成するだけでなく、更に最表面層として絶縁層４５を重ねることで、効果的に大きくすることが可能になる。

以上により本実施形態では、ストッパ面４６ａ，４７ａの表面粗さ（Ｒａ）を大きくでき、脚部３ｂ，４ｂとストッパ面４７ａ間、及び、錘部２ａとストッパ面４６ａ間の接触面積を効果的に小さくできる。よって、ばね定数と錘部２ａの変位量から求められる復元力を一定としたとき、剥がし圧力を大きくすることができる。

以上により本実施形態では、錘部２ａや脚部３ｂ，４ｂに対するスティッキング抑制効果を向上させることができる。

図１には、錘部２ａに対するストッパ部４６及び脚部３ｂ，４ｂに対するストッパ部４７の形成位置を示している。各ストッパ部４６，４７の形成位置や個数は図１と異なっていてもよい。

また図１，図２，図５，図６に示すように、錘部２ａに対するストッパ部４６及び脚部３ｂ，４ｂに対するストッパ部４７の双方が設けられているが、錘部２ａに対するストッパ部４６のみ、あるいは脚部３ｂ，４ｂに対するストッパ部４７のみ設けられた構成にすることも可能である。例えば、加速度が一方向のみに作用するような用途で、例えば必ず脚部３ｂ，４ｂが対向部材３０の方向へ変位する構成であれば。脚部３ｂ，４ｂに対するストッパ部４７のみ設けることができる。

図２に示すように対向部材３０の表面には固定電極層３７が、ストッパ部４６，４７と異なる位置であって錘部２ａと高さ方向（Ｚ）で対向する位置に設けられている。そして本実施形態では、固定電極層３７とストッパ部４６，４７の金属下地層４４とを同じ材質で形成することができる。例えば、固定電極層３７及び金属下地層４４をＡｌやＡｌＣｕで形成することができる。これにより製造コストの低減を図ることができ、また金属下地層４４を固定電極層３７と同じ工程にて突起基部４２，４３の表面に適切に形成することができる。

また本実施形態では、固定電極層３７の表面にもストッパ部４６，４７の最表面層である絶縁層４５が重ねて形成されている。これにより、錘部２ａが固定電極層３７に近づき、このとき錘部２ａが変形するなどして、錘部２ａが固定電極層３７に接しても、固定電極層３７の表面が絶縁層４５により被覆されているから、錘部２ａと固定電極層３７とが直接接することがなく、電気的ショートを防止でき、センサ感度の向上を図ることができる。さらに、絶縁層４５は金属下地層４４よりも硬質な材質で形成されることにより、ストッパ部４６、４７の耐久性も向上させることができる。

なお、絶縁層４５を金属下地層４４上にのみ形成した形態、すなわちストッパ部４６，４７のみに絶縁層４５を設けた形態とすることも可能である。

金属下地層４４及び固定電極層３７は、Ａｌ、ＡｌＣｕ、Ｃｕ、Ｔｉ、ＡｌＳｉ、ＡｉＳｉＣｕ、ＡｌＳｃＣｕ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｔａ等で形成できるが、この中でもＡｌを選択することが好ましい。

また、絶縁層４５は、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ等で形成できるが、この中でもＳｉＯ₂を選択することが好ましい。

これにより上記した実験で説明したように、ストッパ部４６，４７のストッパ面４６ａ，４７ａの表面粗さ（Ｒａ）を効果的に大きくすることができる。

本実施形態では、ストッパ部４６，４７を構成する突起基部４２，４３の表面ＡはＣＭＰによる平坦面となっている。ここで表面粗さ（Ｒａ）が、１．０ｎｍ以下であれば「平坦面」と規定する。

このように、突起基部４２，４３の表面ＡをＣＭＰによる平坦面としたのは、突起基部４２，４３と同層であり、製造過程で削り込まれる最上層の被覆層（後述の製造方法の説明で示す第３の被覆層３０ｂ３）の表面が内部配線層２４の影響で凹凸面状になっているため、凹凸を無くすべく、最上層の被覆層の表面をＣＭＰにより平坦化したからである。したがって本実施形態と異なって、突起基部４２，４３の表面に金属下地層４４及び絶縁層４５を重ねない形態とすると（図８の比較例）、突起基部４２，４３の表面（ＣＭＰによる平坦面）がストッパ面となり、前記ストッパ面の表面粗さ（Ｒａ）が小さくなってしまうが、本実施形態では、突起基部４２，４３の表面（ＣＭＰによる平坦面）に金属下地層４４及び絶縁層４５を重ねた積層構造としたことでストッパ面４６ａ，４７ａの表面粗さ（Ｒａ）を、突起基部４２，４３の表面よりも、効果的に大きくすることが可能になる。

なお図１２に示す別の実施形態のように、可動部として錘部２ａは設けられているが、図１、図２と違い、回動して錘部２ａと逆方向に変位する脚部３ｂ，４ｂを有する支持部３，４が設けられていない構造にも本実施形態のストッパ構造を適用できる。図１２では、図２と同じ部分について図２と同じ符号を付した。

図１２の構成では錘部２ａがアンカ部３５に対してばね部３６を介して高さ方向に変位可能に支持されている。図１２に示すように、錘部２ａと対向する対向部材３０の表面には突起基部３８、金属下地層４４及び絶縁層４５の積層構造により形成されるストッパ部３９が形成されている。

図１３ないし図１８を用いて図２に示す本実施形態の物理量センサ１の製造方法を説明する。

図１３に示す工程では、基材３０ａの表面に第１の被覆層３０ｂ１を形成し、第１の被覆層３０ｂ１の表面に内部配線層２４を形成する。更に第１の被覆層３０ｂ１上から内部配線層２４上にかけて第２の被覆層３０ｂ２を形成し、第２の被覆層３０ｂ２上に第３の被覆層３０ｂ３を形成する。

各被覆層３０ｂ１，３０ｂ２，３０ｂ３はいずれも電気的な絶縁材料である。例えば、第１の被覆層３０ｂ１と第２の被覆層３０ｂ２をＳｉＯ₂で形成し、第３の被覆層３０ｂ３をＳｉＮ、ＳｉＮ_xで形成することができる。

図１３の工程では、内部配線層２４を被覆層３０ｂの内部に形成しているため、第３の被覆層３０ｂ３の表面Ｄは、内部配線層２４の形成位置に倣って凹凸形状になる。ここで第３の被覆層３０ｂ３はストッパ部を構成する突起基部４２，４３のみならず枠体部８や各アンカ部５〜７と高さ方向で対向する突出部４０，４１としても残される。このとき内部配線層２４が、枠体部８の内側から外側にかけて形成されており、また各アンカ部５〜７の真下に形成されることから、第３の被覆層３０ｂ３の表面Ｄに対してＣＭＰを施さないと各突出部４０，４１の表面は凹凸面となり、接合面積の減少により、図１８で示す接合工程が不安定になりやすい。よって図１３工程では、第３の被覆層３０ｂ３の表面ＤをＣＭＰにより平坦化することが好適である。

次に図１４の工程では、フォトリソグラフィ技術を用いて、突出部４０，４１及び突起基部４２，４３となる部分をマスク（図示せず）で覆い、前記マスクに覆われていない第３の被覆層３０ｂをエッチングにより除去する。これにより突出部４０，４１及び突起基部４２，４３を形成できる。図１４の工程で、突出部４０，４１間にキャビティを形成できる。

次に図１５の工程では、内部配線層２４にまで通じる貫通孔２７を形成し、前記貫通孔２７を介して内部配線層２４に電気的に接続される固定電極層３７を、第２の被覆層３０ｂ２上に形成する。なお固定電極層３７を、後の図１８の接合工程で示される錘部２ａと高さ方向（Ｚ）で対向する位置に形成する。

図１５の工程では、固定電極層３７の形成と同工程で、固定電極層３７と同じ材質により突起基部４２，４３の表面を金属下地層４４で覆う。例えば、固定電極層３７及び金属下地層４４をＡｌでスパッタ法にて形成する。このとき、金属下地層４４を固定電極層３７から離して、金属下地層４４と固定電極層３７とを電気的に絶縁した状態で形成する。また、図１５に示すように、２つの突起基部４２，４３に対して、連続して金属下地層４４を形成しているが、各突起基部４２，４３の間に十分な間隔があるような場合、各突起基部４２，４３に金属下地層４４を夫々、離して形成することもできる。

続いて図１６の工程では、金属下地層４４上から固定電極層３７上、突出部４０，４１上及び第２の被覆層３０ｂ２の上面に至る全域に絶縁層４５を形成する。例えば、絶縁層４５をＳｉＯ₂で形成する。

図１６の工程により、突起基部４２，４３、金属下地層４４及び絶縁層４５の積層構造からなるストッパ部４６，４７が完成する。

次に図１７の工程では、絶縁層４５の電気接続部分４５ａを除去する。更に絶縁層４５の下に位置する被覆層３０ｂ１，３０ｂ２も所定位置まで除去して内部配線層２４や基材３０ａの表面を露出させ、続いて、第１の金属接合層５３を各突出部４０，４１の表面に形成された絶縁層４５上に形成し、更に各パッド部（図１７には導電層２９からグランドパッド３２に繋がる部分を図示）を形成する。

図１８の工程では、機能層９、支持基材１０及び酸化絶縁層２５のＳＯＩ基板を加工して形成されたセンサ基板２６の枠体部８や、各アンカ部５〜７の表面に第２の金属接合層５４を形成する。

例えば第１の金属接合層５３及び第２の金属接合層５４の一方をＡｌで他方をＧｅで形成する。

そして第１の金属接合層５３と第２の金属接合層５４とを重ねて熱処理を施し、共晶接合させて、センサ基板２６と対向部材３０とを接合する。

本実施形態の物理量センサ１の製造方法によれば、簡単且つ適切に、ストッパ部４６，４７のストッパ面４６ａ，４７ａの表面粗さ（Ｒａ）を、突起基部４２，４３の表面粗さ（Ｒａ）よりも大きくすることができる。

また本実施形態では、図１５に示す固定電極層３７の形成工程と同じ工程で、金属下地層４４を形成することができ、更に図１６の工程で、絶縁層４５を金属下地層４４上のみならず固定電極層３７上も覆うことで、電気特性やセンサ感度に優れた物理量センサを製造することができる。

本実施形態は加速度センサのみならず角速度センサ、衝撃センサ等、物理量センサ全般に適用可能である。

１ 物理量センサ
２ 可動部
２ａ 錘部
３ｂ，４ｂ 脚部
５〜７ アンカ部
８ 枠体部
９ 機能層
２４ 内部配線層
２６ センサ基板
３０ 対向部材
３０ａ 基材
３０ｂ、３０ｂ１、３０ｂ２、３０ｂ３ 被覆層
３７ 固定電極層
４０、４１ 突出部
４２、４３ 突起基部
４４ 金属下地層
４５ 絶縁層
４６、４７ ストッパ部
４６ａ、４７ａ ストッパ面
５０、５１ 接合層

Claims (13)

1. 高さ方向に変位可能に支持された可動部を有する機能層と、
   前記機能層と高さ方向に間隔を空けて対向配置された対向部材と、を有し、
   前記対向部材には前記可動部と対向する位置に、前記可動部の高さ方向への変位を規制するストッパ部が設けられており、
   前記ストッパ部は、突起基部、前記突起基部の表面に形成された金属下地層、及び前記金属下地層の表面に形成された絶縁層の積層構造により形成されていることを特徴とする物理量センサ。
2. 前記可動部は、固定支持されたアンカ部にばね部を介して高さ方向に変位可能に支持された錘部であり、前記ストッパ部は、前記錘部と対向する位置に設けられる請求項１記載の物理量センサ。
3. 前記機能層には、固定支持されたアンカ部と、前記アンカ部にばね部を介して高さ方向に変位可能に支持された錘部と、前記アンカ部と前記錘部とに回動自在に連結された支持部とを有し、前記錘部と前記支持部とが前記可動部を構成しており、
   前記支持部には、前記支持部が回動して前記錘部が高さ方向に変位したときに前記錘部の変位方向に対し逆方向に変位する脚部が設けられ、
   前記対向部材には、前記錘部と対向する位置、あるいは、前記脚部と対向する位置、又は、前記錘部及び前記脚部の双方に対向する位置に、前記ストッパ部が設けられている請求項１記載の物理量センサ。
4. 前記対向部材には、前記ストッパ部と異なる位置であって前記錘部と対向する位置に、固定電極層が設けられており、前記金属下地層は、前記固定電極層と同じ材質で形成されている請求項２又は３に記載の物理量センサ。
5. 前記固定電極層の表面にも前記絶縁層が重ねて形成されている請求項４記載の物理量センサ。
6. 前記絶縁層は前記金属下地層よりも相対的に硬質な材質で形成されている請求項１ないし５のいずれか１項に記載の物理量センサ。
7. 前記金属下地層は、Ａｌで形成されている請求項１ないし６のいずれか１項に記載の物理量センサ。
8. 前記絶縁層は、ＳｉＯ₂で形成されている請求項１ないし７のいずれか１項に記載の物理量センサ。
9. 前記対向部材は、基材と、基材の表面に形成された絶縁性の被覆層と、前記被覆層内に形成された内部配線層とを有し、前記被覆層の表面に前記突起基部が形成されている請求項１ないし８のいずれか１項に記載の物理量センサ。
10. 前記突起基部の表面はＣＭＰによる平坦面であり、前記平坦面に前記金属下地層及び前記絶縁層が重ねて形成されている請求項９記載の物理量センサ。
11. 高さ方向に変位可能に支持された可動部を有する機能層と、
    前記機能層に高さ方向に間隔を空けて対向配置された対向部材と、を有する物理量センサの製造方法において、
    前記対向部材を、基材と、基材の表面に形成された絶縁性の被覆層と、前記被覆層内に形成された内部配線層とを有して形成し、前記被覆層の表面を平坦化処理する工程と、
    前記内部配線層が前記被覆層の内部に埋設された状態を維持しながら前記被覆層の表面を削り込んで、前記可動部と対向する位置に、突起基部を形成する工程と、
    前記内部配線層と電気的に接続される固定電極層を前記可動部と対向する位置であって前記突起基部以外の領域に形成すると同時に、前記突起基部の表面に前記固定電極層と同じ材質からなる金属下地層を前記固定電極層と非接触にて形成する工程と、
    前記金属下地層の表面に絶縁層を形成して、前記突起基部、前記金属下地層及び前記絶縁層の積層構造からなるストッパ部を形成する工程と、
    前記対向部材と前記機能層とを接合する工程と、
    を有することを特徴とする物理量センサの製造方法。
12. 前記金属下地層及び前記固定電極層をＡｌで形成し、前記絶縁層をＳｉＯ₂で形成する請求項１１記載の物理量センサの製造方法。
13. 前記絶縁層を、前記金属下地層の表面から前記固定電極層及び前記被覆層の表面全域にかけて形成した後、電気接続位置の部分の前記絶縁層を除去する請求項１１又は１２に記載の物理量センサの製造方法。

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