JP2012159417A - 変位センサおよびその製造方法、半導体ウェハ - Google Patents

Abstract

【課題】 積層方向の変位の影響を受けることなく、積層方向に直交する方向の変位量を正確に検出することが可能な変位センサを提供する。
【解決手段】 本発明の変位センサは、基板と、基板に対して２軸方向に変位可能に支持された可動質量体と、積層方向に直交する方向の変位量を検出する第１固定電極および第１可動電極と、積層方向の変位量を検出するための第２固定電極および第２可動電極を備えている。その変位センサは、第１固定電極および第１可動電極の一方の外側端部が、第１固定電極および第１可動電極の他方の外側端部よりも内側にあり、第１固定電極および第１可動電極の前記一方の内側端部が、第１固定電極および第１可動電極の前記他方の内側端部よりも外側にあるように、第１固定電極と第１可動電極が形成されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、力を受けて変位する物体の変位量を検出する変位センサ、その変位センサを製造する方法、およびその変位センサを製造するために用いられる半導体ウェハに関する。物体の変位量を検出すれば、その物体に作用した力、あるいはその力を発生させた加速度、角加速度、圧力、外力等を測定することができる。ここでいう変位センサは、変位量に依存して変化する物理量を測定することによって、直接的には変位量を検出し、間接的に、加速度、角加速度、圧力、外力等を測定することが可能なセンサのことをいう。
なお、本明細書では、加速度に応じて可動質量体（質量を有する物体）が変位する現象を利用し、可動質量体の変位量から可動質量体に作用した加速度を測定する変位センサを説明する。しかしながら、本明細書で開示する技術を利用する変位センサを、角加速度、圧力、外力等によって可動質量体が変位する環境で用いれば、可動質量体に作用した角加速度、圧力、外力等を測定することもできる。また、本発明の技術を利用する変位センサは、可動質量体の変位量自体を測定するためにも利用できる。

第１導電層と第２導電層の間に絶縁層が積層された積層構造を有する変位センサであって、基板と、基板に対して積層方向を含む少なくとも２軸方向に変位可能に支持された可動質量体を備え、可動質量体の２軸方向の変位量をそれぞれ検出可能な変位センサが、従来から知られている。このような種類の変位センサは、基板に対して位置を固定されている第１固定電極と、可動質量体に対して位置を固定されており、第１固定電極に対して積層方向に直交する方向に対向して配置されている第１可動電極を備えており、第１固定電極と第１可動電極の間の静電容量の変化を検出することで、積層方向に直交する方向での可動質量体の変位量を検出する。また、このような種類の変位センサは、基板に対して位置を固定されている第２固定電極と、可動質量体に対して位置を固定されており、第２固定電極に対して積層方向に対向して配置されている第２可動電極を備えており、第２固定電極と第２可動電極の間の静電容量の変化を検出することで、積層方向での可動質量体の変位量を検出する。このような変位センサが例えば特許文献１に開示されている。

特開平９−１２７１４８号公報

上記のような変位センサでは、可動質量体が基板に対して積層方向に相対変位したときに、それに追従して第１可動電極も第１固定電極に対して積層方向に相対変位する。この際に、第１固定電極と第１可動電極の対向面積が変化して、第１固定電極と第１可動電極を用いた変位量の検出値に影響を及ぼしてしまうことがある。第１固定電極と第１可動電極は、可動質量体の基板に対する、積層方向に直交する方向の変位量を検出するためのものであり、可動質量体の積層方向の変位の影響を受けてしまうと、正確な変位量を検出することができなくなってしまう。２軸方向の変位をそれぞれ検出可能な変位センサにおいて、積層方向の変位の影響を受けることなく、積層方向に直交する方向の変位量を正確に検出することが可能な技術が期待されている。

本明細書は、上記の課題を解決する技術を提供する。本明細書では、２軸方向の変位をそれぞれ検出可能な変位センサにおいて、積層方向の変位の影響を受けることなく、積層方向に直交する方向の変位量を正確に検出することが可能な技術を開示する。

本明細書は、第１導電層と第２導電層の間に絶縁層が積層された積層構造を有する変位センサを開示する。その変位センサは、基板と、基板に対して積層方向を含む少なくとも２軸方向に変位可能に支持された可動質量体と、第１導電層に形成されており、基板に対して位置を固定されている第１固定電極と、第１導電層に形成されており、可動質量体に対して位置を固定されており、第１固定電極に対して積層方向に直交する方向に対向して配置されている第１可動電極と、第１導電層および第２導電層の一方に形成されており、基板に対して位置を固定されている第２固定電極と、第１導電層および第２導電層の他方に形成されており、可動質量体に対して位置を固定されており、第２固定電極に対して積層方向に対向して配置されている第２可動電極を備えている。その変位センサは、第１導電層において絶縁層から遠い側を外側とし、絶縁層に近い側を内側としたときに、第１固定電極および第１可動電極の一方の外側端部が、第１固定電極および第１可動電極の他方の外側端部よりも内側にあり、第１固定電極および第１可動電極の前記一方の内側端部が、第１固定電極および第１可動電極の前記他方の内側端部よりも外側にあるように、第１固定電極と第１可動電極が形成されている。

この変位センサでは、第１固定電極と第１可動電極の間の静電容量の変化を検出することにより、積層方向に直交する方向での可動質量体の変位量を検出することができる。また、第２固定電極と第２可動電極の間の静電容量の変化を検出することで、積層方向での可動質量体の変位量を検出することができる。この変位センサでは、第１固定電極および第１可動電極の一方の外側端部が、第１固定電極および第１可動電極の他方の外側端部よりも内側にあり、第１固定電極および第１可動電極の前記一方の内側端部が、第１固定電極および第１可動電極の前記他方の内側端部よりも外側にあるように、第１固定電極と第１可動電極が形成されている。従って、可動質量体が基板に対して積層方向に相対変位した場合でも、第１固定電極と第１可動電極の対向面積が変化しない。第１固定電極と第１可動電極を用いた可動質量体の変位量の検出において、可動質量体の他軸方向への変位の影響を排除することができる。

上記の変位センサは、第１導電層において絶縁層から遠い側を外側とし、絶縁層に近い側を内側としたときに、第１可動電極の外側端部が第１固定電極の外側端部よりも内側にあり、第１可動電極の内側端部が第１固定電極の内側端部よりも外側にあるように、第１固定電極と第１可動電極が形成されていることが好ましい。

上記の変位センサでは、第１可動電極の内側端部が第１固定電極の内側端部よりも絶縁層から離されている。このような構成とすることによって、第１可動電極と第２導電層に形成された部材の間の距離を確保し、両者の間の寄生容量を小さく抑えることができる。第１可動電極と第１固定電極の間の静電容量の変化を検出する際に、第１可動電極と第２導電層に形成された部材の間の寄生容量の影響を抑制することができる。

上記の変位センサは、第１導電層において絶縁層から遠い側を外側とし、絶縁層に近い側を内側としたときに、第１可動電極の内側端部および第１固定電極の内側端部のいずれも、第１導電層に形成されている第２固定電極または第２可動電極の内側端部よりも外側にあるように、第１固定電極と第１可動電極が形成されていることが好ましい。

上記の変位センサでは、第２固定電極と第２可動電極の間の距離を離してしまうことなく、第１固定電極と第１可動電極のいずれについても、第２導電層に形成された部材との間の距離を確保することができる。このような構成とすることによって、第１固定電極と第２導電層に形成された部材との間の寄生容量、および第１可動電極と第２導電層に形成された部材との間の寄生容量を小さく抑えることができる。第１可動電極と第１固定電極の間の静電容量の変化を検出する際に、これらの寄生容量が及ぼす影響を抑制することができる。

上記の変位センサは、以下の方法によって製造することができる。その方法は、第１導電層を備える第１ウェハを準備する工程と、第１導電層の表面に第１溝部を形成する工程と、第１導電層の第１溝部に絶縁層を形成する工程と、第１導電層を貫通する貫通孔を形成する工程と、第１導電層の貫通孔に第１導電層とは異なる材料を含む貫通マークを形成する工程と、第２導電層を備える第２ウェハを準備する工程と、第２導電層の表面に絶縁層を形成する工程と、第１導電層の第１溝部に形成された絶縁層と第２導電層の表面に形成された絶縁層が当接するように第１ウェハと第２ウェハを接合して第３ウェハを形成する工程と、第３ウェハの前記貫通マークが露出している表面に前記貫通マークの位置を基準として利用し第１溝部に対応する位置に第２溝部を形成する工程と、第３ウェハの第１導電層を異方性エッチングにより選択的に除去する工程と、第３ウェハの絶縁層を等方性エッチングにより選択的に除去する工程を備えている。

上記の変位センサは、第１導電層と第２導電層の間に絶縁層が積層された積層構造を有する、以下のような半導体ウェハから製造することができる。その半導体ウェハは、第１導電層の絶縁層と対向する面に溝部が形成されており、第１導電層を貫通して絶縁層に達する貫通孔が形成されており、第１導電層の溝部に絶縁層が形成されており、貫通孔に第１導電層とは異なる材料を含む貫通マークが形成されている。

上記の半導体ウェハは、溝部に絶縁膜で覆われた空洞部が形成されているように構成することができる。

本明細書の技術によれば、２軸方向の変位をそれぞれ検出可能な変位センサにおいて、積層方向の変位の影響を受けることなく、積層方向に直交する方向の変位量を正確に検出することができる。

実施例１の加速度センサ２および実施例１の変形例の加速度センサ４の平面図である。 実施例１の加速度センサ２について図１のＡ−Ａ断面で見た縦断面図である。 実施例１の加速度センサ２および実施例１の変形例の加速度センサ４について図１のＢ−Ｂ断面で見た縦断面図である。 実施例１の加速度センサ２の固定電極１１４と可動電極１１６を示す図である。 実施例１の加速度センサ２の製造方法を説明する図である。 実施例１の加速度センサ２の製造方法を説明する図である。 実施例１の加速度センサ２の製造方法を説明する図である。 実施例１の加速度センサ２の製造方法を説明する図である。 実施例１の加速度センサ２の製造方法を説明する図である。 実施例１の加速度センサ２の製造方法を説明する図である。 実施例１の加速度センサ２の製造方法を説明する図である。 実施例１の加速度センサ２の製造方法を説明する図である。 実施例１の加速度センサ２の製造方法を説明する図である。 実施例１の加速度センサ２の他の製造方法を説明する図である。 実施例１の加速度センサ２の他の製造方法を説明する図である。 実施例１の加速度センサ２の他の製造方法を説明する図である。 実施例１の加速度センサ２の他の製造方法を説明する図である。 実施例１の加速度センサ２の他の製造方法を説明する図である。 実施例１の加速度センサ２の他の製造方法を説明する図である。 実施例１の加速度センサ２の他の製造方法を説明する図である。 実施例１の加速度センサ２の他の製造方法を説明する図である。 実施例１の加速度センサ２の他の製造方法を説明する図である。 実施例１の加速度センサ２の他の製造方法を説明する図である。 実施例１の加速度センサ２の他の製造方法を説明する図である。 実施例１の加速度センサ２の他の製造方法を説明する図である。 実施例１の変形例の加速度センサ４について図１のＡ−Ａ断面で見た縦断面図である。 実施例２の加速度センサ６の平面図である。 実施例２の加速度センサ６について図２７のＣ−Ｃ断面で見た縦断面図である。 実施例２の加速度センサ６について図２７のＤ−Ｄ断面で見た縦断面図である。

好ましい実施例の特徴を最初に列記する。
（特徴１）第１導電層は不純物を添加した単結晶シリコンであり、絶縁層は酸化シリコンであり、第２導電層は不純物を添加した単結晶シリコンである。

（実施例１）
以下では図１−図４を参照しながら、実施例１に係る加速度センサ２の構造について説明する。図２、図３に示すように、加速度センサ２は、導電体からなる第１層１０と、絶縁体からなる第２層２０と、導電体からなる第３層３０の積層構造を有している。具体的には、本実施例の加速度センサ２では、第１層１０は不純物を添加した単結晶シリコンからなり、第２層２０は酸化シリコンからなり、第３層３０は不純物を添加した単結晶シリコンからなる、いわゆるＳＯＩ（Silicon on Insulator）構造を有している。

図１−図３に示すように、加速度センサ２は、支持基板１００と、プルーフマス１０２と、支持梁１０４と、枠状支持部１０６を備えている。支持基板１００は第１層１０に形成されている。プルーフマス１０２、支持梁１０４、枠状支持部１０６は第３層３０に形成されている。枠状支持部１０６は、第２層２０に形成された絶縁支持部１０８を介して、支持基板１００に対して固定されている。支持梁１０４はＸ方向（図１の左右方向）に沿って伸びており、枠状支持部１０６とプルーフマス１０２の間を連結している。プルーフマス１０２は、矩形の平板形状に形成されている。図２および図３に示すように、プルーフマス１０２は、支持基板１００から間隙を隔てて、支持基板１００に対して略平行となるように、支持梁１０４によって支持されている。支持梁１０４は、Ｙ方向（図１の上下方向）およびＺ方向（図１の紙面垂直方向）についての曲げ剛性およびせん断剛性が低くなるように、細長い形状に形成されている。従って、例えばプルーフマス１０２にＹ方向の慣性力が作用すると、支持梁１０４がＹ方向に撓んで、プルーフマス１０２は支持基板１００に対してＹ方向に相対変位する。また、プルーフマス１０２にＺ方向の慣性力が作用すると、支持梁１０４がＺ方向に撓んで、プルーフマス１０２は支持基板１００に対してＺ方向に相対変位する。このときの支持梁１０４の撓み量は、プルーフマス１０２に作用する慣性力の大きさに応じたものとなる。言い換えると、支持基板１００に対するプルーフマス１０２の相対変位量は、プルーフマス１０２に作用する加速度の大きさに応じたものとなる。従って、支持基板１００に対するプルーフマス１０２の変位量を検出することで、加速度センサ２に作用している加速度を検出することができる。

加速度センサ２は、Ｙ方向変位検出部１１０と、Ｚ方向変位検出部１１１を備えている。図１および図２に示すように、Ｙ方向変位検出部１１０は、固定電極支持部１１２と、固定電極支持部１１２から伸びる櫛歯状の固定電極１１４と、プルーフマス１０２から伸びる櫛歯状の可動電極１１６を備えている。固定電極支持部１１２、固定電極１１４および可動電極１１６は、第３層３０に形成されている。固定電極支持部１１２は、第２層２０に形成された絶縁支持部１１３を介して、支持基板１００に対して固定されている。固定電極１１４と可動電極１１６は、Ｙ方向に関して互いに対向するように配置されている。固定電極１１４と可動電極１１６の間には、両者の対向面積と距離に応じた静電容量が構成される。固定電極１１４に対して可動電極１１６がＹ方向に変位すると、固定電極１１４と可動電極１１６の間のＹ方向の距離が変化し、それに応じて固定電極１１４と可動電極１１６の間の静電容量の大きさが変化する。この静電容量の変化を検出することで、プルーフマス１０２の支持基板１００に対するＹ方向の変位量を検出することができる。なお、本実施例の加速度センサ２では、プルーフマス１０２に対して一方側（例えば図１の上側）に配置されたＹ方向変位検出部１１０と、他方側（例えば図１の下側）に配置されたＹ方向変位検出部１１０の出力を組み合わせて用いることで、製造公差等に起因する容量誤差を補正することができる。

図２および図３に示すように、Ｚ方向変位検出部１１１は、固定電極としての役割を果たす支持基板１００と、可動電極としての役割を果たすプルーフマス１０２から構成されている。支持基板１００とプルーフマス１０２の間には、両者の対向面積と距離に応じた静電容量が構成される。支持基板１００に対してプルーフマス１０２がＺ方向に変位すると、支持基板１００とプルーフマス１０２の間の静電容量の大きさが変化する。この静電容量の変化を検出することで、プルーフマス１０２の支持基板１００に対するＺ方向の変位量を検出することができる。

後述するように、本実施例の加速度センサ２では、プルーフマス１０２と、支持梁１０４と、枠状支持部１０６と、可動電極１１６が、第３層３０の単結晶シリコンをトリミングすることで、継ぎ目無く一体的に形成されている。従って、プルーフマス１０２と、支持梁１０４と、枠状支持部１０６と、可動電極１１６は、互いに同電位に保たれている。

加速度センサ２は、枠状支持部１０６の電位（Ｚ方向変位検出部１１１の可動電極であるプルーフマス１０２の電位でもあり、Ｙ方向変位検出部１１０の可動電極１１６の電位でもある）を検出する第１表面電極１１８と、支持基板１００の電位（すなわち、Ｚ方向変位検出部１１１の固定電極の電位）を検出する第２表面電極１２０と、Ｙ方向変位検出部１１０の固定電極支持部１１２の電位（すなわち、Ｙ方向変位検出部１１０の固定電極１１４の電位）を検出する第３表面電極１２２を備えている。これらの表面電極からの出力に基づいて、図示しない演算回路で演算処理を行うことで、加速度センサ２に作用するＹ方向およびＺ方向の加速度をそれぞれ検出することができる。

図２に示すように、本実施例の加速度センサ２では、可動電極１１６の上端が固定電極１１４の上端よりも低く、かつ可動電極１１６の下端が固定電極１１４の下端よりも高くなるように、Ｙ方向変位検出部１１０が形成されている。従って、Ｚ方向に関して、プルーフマス１０２が支持基板１００に近づく方向に相対変位した場合でも、図４の（Ａ）に示すように、可動電極１１６と固定電極１１４の対向面積が変化しない。また、Ｚ方向に関して、プルーフマス１０２が支持基板１００から遠ざかる方向に相対変位した場合でも、図４の（Ｂ）に示すように、可動電極１１６と固定電極１１４の対向面積が変化しない。従って、Ｙ方向変位検出部１１０での検出結果に対して、プルーフマス１０２のＺ方向の変位が影響を及ぼすことを防止することができる。

また、本実施例の加速度センサ２では、可動電極１１６の下端は固定電極１１４の下端よりも高くなるように形成されているため、図４の（Ａ）に示すように、プルーフマス１０２が支持基板１００に対して沈み込んだ場合でも、支持基板１００と可動電極１１６の間の距離が確保されている。支持基板１００と可動電極１１６の間の寄生容量が常に小さく抑えられており、この寄生容量が加速度センサ２の検出値に及ぼす影響を抑制することができる。

なお、本実施例の加速度センサ２には、貫通マーク１２４が形成されている。貫通マーク１２４については、以下の加速度センサ２の製造方法の説明の中で詳述する。

以下では図５−図１３を参照しながら、本実施例の加速度センサ２の製造方法について説明する。図５−図１３は、図１のＡ−Ａ線断面、すなわち、図２の断面に相当する。

まず、図５に示すように、不純物を添加した単結晶シリコンからなるシリコンウェハ２０２を用意した後、反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etching; RIE）法によって、シリコンウェハ２０２の表面に、広く浅い溝部２０４と、細く深い溝部２０６をそれぞれ形成する。

次いで、図６に示すように、熱酸化処理によって、シリコンウェハ２０２の表面に酸化膜２０８を成膜する。この工程によって、広く浅い溝部２０４と、細く深い溝部２０６に、それぞれ酸化膜２０８が埋め込まれる。

次いで、図７に示すように、シリコンウェハ２０２の表面の酸化膜２０８をエッチバック処理する。この工程によって、シリコンウェハ２０２の表面の平滑部および広く浅い溝部２０４に形成された酸化膜２０８が除去される。なお、この工程では、細く深い溝部２０６に埋め込まれた酸化膜２０８は、除去されることなく残留する。

次いで、図８に示すように、熱酸化処理によって、シリコンウェハ２０２の表面に改めて酸化膜２１０を成膜する。この工程で成膜される酸化膜２１０は、図５で成膜される酸化膜２０８よりも薄く形成される。この工程によって、広く浅い溝部２０４には、その内壁面を覆うように酸化膜２１０が成膜される。

次いで、図９に示すように、不純物を添加した単結晶シリコンからなるシリコンウェハ２１４を別個に用意し、表面に酸化膜２１２を成膜した後、シリコンウェハ２０２と接合する。この際に、シリコンウェハ２０２の表面（広く浅い溝部２０４と、細く深い溝部２０６が形成されている側の面）と、シリコンウェハ２１４の表面（酸化膜２１２が形成されている側の面）を合わせるように接合する。

次いで、図１０に示すように、シリコンウェハ２０２とシリコンウェハ２１４を接合したウェハの表面（シリコンウェハ２０２の背面に相当する）を研磨する。これによって、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）ウェハ２１６が得られる。ＳＯＩウェハ２１６は、不純物が添加された単結晶シリコンからなる第１層１０と、酸化シリコンからなる第２層２０と、不純物が添加された単結晶シリコンからなる第３層３０の積層構造を有している。ＳＯＩウェハ２１６は、第３層３０の第２層２０に面する部分に、酸化膜２１０、２１２で覆われた空洞部２１８が形成されている。空洞部２１８は、広く浅い溝部２０４の内部に形成されている。また、ＳＯＩウェハ２１６は、第３層３０を貫通する貫通マーク１２４が表面に露出している。貫通マーク１２４は、細く深い溝部２０６の内部に充填された酸化膜２０８から構成されている。ＳＯＩウェハ２１６の外部からは空洞部２１８の位置を直接的に計測することはできないが、ＳＯＩウェハ２１６を製造する際に、細く深い溝部２０６と広く浅い溝部２０４の位置関係を予め取得しておくことで、ＳＯＩウェハ２１６の表面に露出した貫通マーク１２４の位置から、空洞部２１８が形成されている位置を推定することができる。

次いで、図１１に示すように、ＲＩＥ法によって、ＳＯＩウェハ２１６の表面に、広く浅い溝部２２２を形成する。広く浅い溝部２２２は、空洞部２１８の上方の位置に形成される。

次いで、図１２に示すように、ＲＩＥ法によって、第３層３０をトリミングする。これによって、第３層３０に、プルーフマス１０２、支持梁１０４、枠状支持部１０６、固定電極支持部１１２、固定電極１１４、可動電極１１６が形成される。

次いで、図１３に示すように、犠牲層である第２層２０を選択的にエッチングして除去する。これによって、第２層２０から、絶縁支持部１０８および絶縁支持部１１３を除いて、酸化膜２０８、２１０、２１２が除去される。これによって、図１から図３に示す加速度センサ２が製造される。

（実施例１の他の製造方法）
以下では図１４−図２１を参照しながら、実施例１の加速度センサ２の他の製造方法について説明する。図１４−図２１は、図１のＡ−Ａ線断面、すなわち、図２の断面に相当する。

まず、図１４に示すように、不純物を添加した単結晶シリコンからなるシリコンウェハ３０２を用意した後、反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etching; RIE）法によって、シリコンウェハ３０２の表面に、広く浅い溝部３０４を形成する。

次いで、図１５に示すように、熱酸化処理によって、シリコンウェハ３０２の表面に酸化膜３０６を成膜する。

次いで、図１６に示すように、酸化膜ＲＩＥ法によって、酸化膜３０６に細い溝３０８を形成し、さらにシリコンディープＲＩＥ法によって、細い溝３０８の下方のシリコンウェハ３０２に、細く深い溝部３１０を形成する。

次いで、図１７に示すように、化学気相蒸着（Chemical Vapor Deposition; CVD）法によって、酸化膜３０６の表面に、ポリシリコン３１２を蒸着させる。この工程によって、細く深い溝部３１０にポリシリコン３１２が埋め込まれる。

次いで、図１８に示すように、シリコンウェハ２０２の表面のポリシリコン３１２をエッチバック処理して除去し、さらに酸化膜３０６を除去する。この工程によって、シリコンウェハ３０２の表面からポリシリコン３１２と酸化膜３０６が除去される。なお、この工程では、広く浅い溝部３０４に形成された酸化膜３０６も除去されるが、細く深い溝部３１０に埋め込まれたポリシリコン３１２は、除去されることなく残留する。

次いで、図１９に示すように、ＣＶＤ法によって、シリコンウェハ３０２の表面に改めて酸化膜３１４を成膜する。この工程によって、広く浅い溝部３０４に、酸化膜３１４が埋め込まれる。

次いで、図２０に示すように、化学機械研磨（Chemical Mechanical Polishing; CMP）法によって、シリコンウェハ３０２の表面の酸化膜３１４を除去する。なお、この工程では、広く浅い溝部３０４に埋め込まれた酸化膜３１４は、除去されることなく残留する。

次いで、図２１に示すように、不純物を添加した単結晶シリコンからなるシリコンウェハ３１８を別途用意し、表面に酸化膜３１６を成膜した後、シリコンウェハ３０２と接合する。この際に、シリコンウェハ３０２の表面（広く浅い溝部３０４、細く深い溝部３１０が形成されている側の面）と、シリコンウェハ３１８の表面（酸化膜３１６が形成されている側の面）を合わせるように接合する。

次いで、図２２に示すように、シリコンウェハ３０２とシリコンウェハ３１８を接合したウェハの表面（シリコンウェハ３０２の背面に相当する）を研磨する。これによって、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）ウェハ３２０が得られる。ＳＯＩウェハ３２０は、不純物を添加した単結晶シリコンからなる第１層１０と、酸化シリコンからなる第２層２０と、不純物を添加した単結晶シリコンからなる第３層３０の積層構造を有している。ＳＯＩウェハ３２０は、第３層３０の第２層２０に面する部分に、酸化膜３１４が充填された充填部３２２が形成されている。充填部３２２は、広く浅い溝部３０４の内部に形成されている。また、ＳＯＩウェハ３２０は、第３層３０を貫通する貫通マーク１２４が表面に露出している。貫通マーク１２４は、細く深い溝部３１０の内部に充填されたポリシリコン３１２から構成されている。ＳＯＩウェハ３２０の外部からは充填部３２２の位置を直接的に計測することはできないが、ＳＯＩウェハ３２０を製造する際に、細く深い溝部３１０と広く浅い溝部３０４の位置関係を予め取得しておくことで、ＳＯＩウェハ３２０の表面に露出した貫通マーク１２４の位置から、充填部３２２が形成されている位置を推定することができる。

次いで、図２３に示すように、ＲＩＥ法によって、ＳＯＩウェハ３２０の表面に、広く浅い溝部３２６を形成する。広く浅い溝部３２６は、充填部３２２の上方の位置に形成される。

次いで、図２４に示すように、ＲＩＥ法によって、第３層３０をトリミングする。これによって、第３層３０に、プルーフマス１０２、支持梁１０４、枠状支持部１０６、固定電極支持部１１２、固定電極１１４、可動電極１１６が形成される。

次いで、図２５に示すように、犠牲層である第２層２０を選択的にエッチングして除去する。これによって、第２層２０から、絶縁支持部１０８および絶縁支持部１１３を除いて、酸化膜３１４、３１６が除去される。これによって、図１から図３に示す加速度センサ２が製造される。

（実施例１の変形例）
図２に示すように、実施例１の加速度センサ２では、支持基板１００と固定電極１１４の間の間隔は、支持基板１００とプルーフマス１０２の間の間隔と同一としている。これとは異なり、図２６に示すように、固定電極１１４と支持基板１００の間の間隔を、プルーフマス１０２と支持基板１００の間の間隔よりも大きく形成してもよい。このような加速度センサ４は、図５の工程で広く浅い溝部２０４を形成する際、あるいは図１４の工程で広く浅い溝部３０４を形成する際に、固定電極１１４に対応する位置に、さらに深さの浅い溝部を形成しておいて、その溝部に空洞部２１８または充填部３２２を形成することで、製造することができる。加速度センサ４では、支持基板１００と固定電極１１４の間の間隔、および支持基板１００と可動電極１１６の間の間隔が、いずれもプルーフマス１０２と支持基板１００の間の間隔よりも大きい。これにより、可動電極１１６と支持基板１００の間の寄生容量と、固定電極１１４と支持基板１００の間の寄生容量の双方を小さく抑えることができる。これらの寄生容量が加速度センサ２の検出値に及ぼす影響を抑制することができる。

上記の実施例では、可動電極１１６の上端が固定電極１１４の上端よりも低く、可動電極１１６の下端が固定電極１１４の下端より高くなるように、Ｙ方向変位検出部１１０を形成する場合について説明した。これとは異なり、固定電極１１４の上端が可動電極１１６の上端よりも低く、固定電極１１４の下端が可動電極１１６の下端よりも高くなるように、Ｙ方向変位検出部１１０を形成してもよい。このような構成とした場合でも、Ｙ方向変位検出部１１０での検出結果に対して、プルーフマス１０２のＺ方向の変位が影響を及ぼすことを防止することができる。また、このような構成とした場合には、支持基板１００と固定電極１１４の間の寄生容量を小さく抑えることができ、この寄生容量が加速度センサ２の検出値に及ぼす影響を抑制することができる。

（実施例２）
以下では図２７−図２９を参照しながら、実施例２に係る加速度センサ６の構造について説明する。以下の説明では、実施例１の加速度センサ２と同様の構成については、同一の参照符号を付して詳細は説明を省略する。

加速度センサ６は、支持基板４００と、プルーフマス４０２と、支持梁１０４と、枠状支持部１０６を備えている。支持基板４００は第１層１０に形成されている。図２９に示すように、プルーフマス４０２は、第１層１０に形成された下側領域４０４と、第２層２０に形成された絶縁領域４０６と、第３層３０に形成された上側領域４０８を備えている。プルーフマス４０２の下側領域４０４は分離溝によって支持基板４００から分離されている。加速度センサ６に加速度が作用すると、プルーフマス４０２の下側領域４０４と絶縁領域４０６と上側領域４０８は一体となって運動する。プルーフマス４０２は支持梁１０４を介して枠状支持部１０６に支持されている。

図２７および図２８に示すように、加速度センサ６は、Ｙ方向変位検出部１１０と、Ｚ方向変位検出部４１１を備えている。Ｙ方向変位検出部１１０の可動電極１１６は、プルーフマス４０２の上側領域４０８から伸びている。

Ｚ方向変位検出部４１１は、第１層１０に形成された固定電極４１４と、プルーフマス４０２の上側領域４０８に形成された可動電極４１６を備えている。固定電極４１４は、分離溝によって支持基板４００から分離されているが、絶縁支持部１０８を介して枠状支持部１０６に固定されている。固定電極４１４と可動電極４１６は、Ｚ方向に関して互いに対向するように配置されている。固定電極４１４と可動電極４１６の間には、両者の対向面積と距離に応じた静電容量が構成される。支持基板４００に対してプルーフマス４０２がＺ方向に変位すると、固定電極４１４と可動電極４１６の間の距離が変化し、固定電極４１４と可動電極４１６の間の静電容量の大きさが変化する。この静電容量の変化を検出することで、プルーフマス４０２の支持基板４００に対するＺ方向の変位量を検出することができる。

本実施例の加速度センサ６では、プルーフマス４０２の上側領域４０８と、支持梁１０４と、枠状支持部１０６と、可動電極１１６が、第３層３０の単結晶シリコンをトリミングすることで、継ぎ目無く一体的に形成されている。従って、プルーフマス４０２の上側領域４０８と、支持梁１０４と、枠状支持部１０６と、可動電極１１６は、互いに同電位に保たれている。

加速度センサ６は、枠状支持部１０６の電位（Ｚ方向変位検出部４１１の可動電極４１６の電位でもあり、Ｙ方向変位検出部１１０の可動電極１１６の電位でもある）を検出する第１表面電極１１８と、Ｚ方向変位検出部４１１の固定電極４１４の電位を検出する第２表面電極４２０と、Ｙ方向変位検出部１１０の固定電極支持部１１２の電位（すなわち、Ｙ方向変位検出部１１０の固定電極１１４の電位）を検出する第３表面電極１２２を備えている。これらの表面電極からの出力に基づいて、図示しない演算回路で演算処理を行うことで、加速度センサ６に作用するＹ方向およびＺ方向の加速度をそれぞれ検出することができる。

図２８に示すように、本実施例の加速度センサ６も、実施例１の加速度センサ２と同様に、Ｙ方向変位検出部１１０が、可動電極１１６の上端が固定電極１１４の上端よりも低く、かつ可動電極１１６の下端が固定電極１１４の下端よりも高くなるように形成されている。従って、プルーフマス４０２が支持基板４００に対してＺ方向に変位した場合でも、可動電極１１６と固定電極１１４の対向面積が変化しない。Ｙ方向変位検出部１１０での検出結果に対して、プルーフマス４０２のＺ方向の変位が影響を及ぼすことを防止することができる。

また、本実施例の加速度センサ６も、実施例１の加速度センサ２と同様に、可動電極１１６の下端は固定電極１１４の下端よりも高くなるように形成されている。従って、プルーフマス４０２が支持基板４００に対して沈み込んだ場合でも、支持基板４００と可動電極１１６の間の距離が確保されている。支持基板４００と可動電極１１６の間の寄生容量が常に小さく抑えられており、この寄生容量が加速度センサ６の検出値に及ぼす影響を抑制することができる。

本実施例の加速度センサ６も、実施例２の加速度センサ２と同様に、図５−図１３に示す製造方法、あるいは図１４−図２１に示す製造方法によって製造することができる。

なお、本実施例の加速度センサ６でも、支持基板１００と固定電極１１４の間の間隔を、実施例１の加速度センサ２のように、支持基板１００とプルーフマス１０２の間の間隔と同一とすることもできるし、実施例１の変形例の加速度センサ４のように、プルーフマス１０２と支持基板１００の間の間隔よりも大きく形成することもできる。

本実施例の加速度センサ６は、上記のように、可動電極１１６の上端が固定電極１１４の上端よりも低く、可動電極１１６の下端が固定電極１１４の下端より高くなるように、Ｙ方向変位検出部１１０を形成することができる。また、これとは異なり、固定電極１１４の上端が可動電極１１６の上端よりも低く、固定電極１１４の下端が可動電極１１６の下端よりも高くなるように、Ｙ方向変位検出部１１０を形成することもできる。

以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

例えば、上記の実施例では、支持梁１０４が第３層３０に形成されている構成について説明した。これとは異なり、支持梁１０４を第１層１０に形成する構成としてもよいし、支持梁１０４を第１層１０および第３層３０の積層構造とする構成としてもよいし、支持梁１０４を第１層１０、第２層２０および第３層３０の積層構造とする構成としてもよい。

上記の実施例では、導電体からなる第１層１０と、絶縁体からなる第２層２０と、導電体からなる第３層３０が積層された三層構造の加速度センサ２，４，６について説明したが、さらに複数の層が積層されていてもよい。

上記の実施例では、第１層１０が不純物を添加された単結晶シリコンからなり、第２層が酸化シリコンからなり、第３層３０が不純物を添加された単結晶シリコンからなる加速度センサ２，４，６について説明したが、第１層１０、第２層２０および第３層３０の材料はこれに限定されるものではない。第１層１０と第３層３０が導電体からなり、第２層２０が絶縁体からなる構成であれば、他の材料のものであってもよい。

上記の実施例では、本発明の変位センサを加速度センサとして利用する場合を例として説明したが、本発明が適用可能な範囲はこれに限られない。例えば、プルーフマスを加振するアクチュエータを設けて、プルーフマスに角速度が作用したときのコリオリ力に起因するプルーフマスの変位を検出する構成とすることで、本発明の変位センサを角速度センサとして利用することもできる。また、圧力、外力に応じてプルーフマスが変位する構成とすれば、本発明の変位センサを圧力センサ、外力センサとして利用することもできる。

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２，４，６ 加速度センサ
１０ 第１層
２０ 第２層
３０ 第３層
１００，４００ 支持基板
１０２，４０２ プルーフマス
１０４ 支持梁
１０６ 枠状支持部
１０８ 絶縁支持部
１１０ Ｙ方向変位検出部
１１１，４１１ Ｚ方向変位検出部
１１２ 固定電極支持部
１１３ 絶縁支持部
１１４，４１４ 固定電極
１１６，４１６ 可動電極
１１８ 第１表面電極
１２０，４２０ 第２表面電極
１２２ 第３表面電極
１２４ 貫通マーク
２０２，２１４，３０２，３１８ シリコンウェハ
２０４，２２２，３０４，３２６ 広く浅い溝部
２０６，３１０ 細く深い溝部
２０８，２１０，２１２，３０６,１４，３１６ 酸化膜
２１６，３２０ ＳＯＩウェハ
２１８ 空洞部
３０８ 細い溝
３１２ ポリシリコン
３２２ 充填部
４０４ 下側領域
４０６ 絶縁領域
４０８ 上側領域

Claims (6)

1. 第１導電層と第２導電層の間に絶縁層が積層された積層構造を有する変位センサであって、
   基板と、
   基板に対して積層方向を含む少なくとも２軸方向に変位可能に支持された可動質量体と、
   第１導電層に形成されており、基板に対して位置を固定されている第１固定電極と、
   第１導電層に形成されており、可動質量体に対して位置を固定されており、第１固定電極に対して積層方向に直交する方向に対向して配置されている第１可動電極と、
   第１導電層および第２導電層の一方に形成されており、基板に対して位置を固定されている第２固定電極と、
   第１導電層および第２導電層の他方に形成されており、可動質量体に対して位置を固定されており、第２固定電極に対して積層方向に対向して配置されている第２可動電極を備えており、
   第１導電層において絶縁層から遠い側を外側とし、絶縁層に近い側を内側としたときに、第１固定電極および第１可動電極の一方の外側端部が、第１固定電極および第１可動電極の他方の外側端部よりも内側にあり、第１固定電極および第１可動電極の前記一方の内側端部が、第１固定電極および第１可動電極の前記他方の内側端部よりも外側にあるように、第１固定電極と第１可動電極が形成されている変位センサ。
2. 第１導電層において絶縁層から遠い側を外側とし、絶縁層に近い側を内側としたときに、第１可動電極の外側端部が第１固定電極の外側端部よりも内側にあり、第１可動電極の内側端部が第１固定電極の内側端部よりも外側にあるように、第１固定電極と第１可動電極が形成されている、請求項１の変位センサ。
3. 第１導電層において絶縁層から遠い側を外側とし、絶縁層に近い側を内側としたときに、第１可動電極の内側端部および第１固定電極の内側端部のいずれも、第１導電層に形成されている第２固定電極または第２可動電極の内側端部よりも外側にあるように、第１固定電極と第１可動電極が形成されている、請求項１または２の変位センサ。
4. 請求項１の変位センサを製造する方法であって、
   第１導電層を備える第１ウェハを準備する工程と、
   第１導電層の表面に第１溝部を形成する工程と、
   第１導電層の第１溝部に絶縁層を形成する工程と、
   第１導電層を貫通する貫通孔を形成する工程と、
   第１導電層の貫通孔に、第１導電層とは異なる材料を含む貫通マークを形成する工程と、
   第２導電層を備える第２ウェハを準備する工程と、
   第２導電層の表面に絶縁層を形成する工程と、
   第１導電層の第１溝部に形成された絶縁層と第２導電層の表面に形成された絶縁層が当接するように、第１ウェハと第２ウェハを接合して第３ウェハを形成する工程と、
   第３ウェハの前記貫通マークが露出している表面に、前記貫通マークの位置を基準として利用し、第１溝部に対応する位置に第２溝部を形成する工程と、
   第３ウェハの第１導電層を異方性エッチングにより選択的に除去する工程と、
   第３ウェハの絶縁層を等方性エッチングにより選択的に除去する工程を備える方法。
5. 請求項１の変位センサを製造するために用いられる、第１導電層と第２導電層の間に絶縁層が積層された積層構造を有する半導体ウェハであって、
   第１導電層の絶縁層と対向する面に溝部が形成されており、
   第１導電層を貫通して絶縁層に達する貫通孔が形成されており、
   第１導電層の溝部に絶縁層が形成されており、
   貫通孔に第１導電層とは異なる材料を含む貫通マークが形成されている半導体ウェハ。
6. 前記溝部に絶縁膜で覆われた空洞部が形成されている請求項５の半導体ウェハ。

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