JP2018025530A - 力学量センサおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性の高い力学量センサおよびその製造方法を提供する。【解決手段】互いに対向する２つの電極を有し、２つの電極のうち１つの電極の変位により２つの電極の間の静電容量が変化することを利用して力学量を検出する力学量センサであって、一部が可動電極１０５として厚み方向に変位可能とされた第１基板１００と、犠牲層２０２と犠牲層２０２を両側から挟む支持層２０３および活性層２０１とを有し、活性層２０１の一部により構成された固定電極２０５を有し、活性層２０１に形成された枠状の凹部２０４によって固定電極２０５と活性層２０１のうち固定電極２０５とは異なる部分とが電気的に絶縁されており、固定電極２０５が可動電極１０５に対向するように配置された第２基板２００と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、静電容量の変化を利用して力学量を検出する力学量センサおよびその製造方法に関するものである。

従来、互いに対向する２つの電極を有し、２つの電極のうち１つの電極の変位により２つの電極間の静電容量が変化することを利用して力学量を検出する力学量センサが提案されている。

例えば特許文献１では、基板の表面に堆積やスパッタリングを用いて成膜された固定電極と、基板の表面に配置されたヒンジエレメントによって支持される可動電極とを対向させて配置した加速度センサが提案されている。この加速度センサは、慣性力による可動電極の変位と、これによる電極間の静電容量の変化とを利用して、加速度を検出するものである。

特表２０１０−５１７０１４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の加速度センサでは、堆積やスパッタリングを用いて固定電極を基板の表面に成膜している。そのため、成膜厚さのばらつきにより、固定電極と可動電極との間の距離に大きなばらつきが生じる。これにより検出精度にばらつきが生じるため、加速度センサの信頼性が低下する。

本発明は上記点に鑑みて、信頼性の高い力学量センサおよびその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、互いに対向する２つの電極を有し、２つの電極のうち１つの電極の変位により２つの電極の間の静電容量が変化することを利用して力学量を検出する力学量センサであって、一部が可動電極（１０５）として厚み方向に変位可能とされた第１基板（１００）と、犠牲層（２０２）と犠牲層を両側から挟む支持層（２０３）および活性層（２０１）とを有し、活性層の一部により構成された固定電極（２０５）を有し、活性層に形成された枠状の凹部（２０４）によって固定電極と活性層のうち固定電極とは異なる部分とが電気的に絶縁されており、固定電極が可動電極に対向するように配置された第２基板（２００）と、を備える。

このように活性層の一部を固定電極とした場合、固定電極のうち可動電極に対向する面は活性層の表面で構成される。したがって、固定電極と可動電極との間の距離にばらつきが生じにくくなるため、力学量センサの信頼性を向上させることができる。

また、請求項１７に記載の発明では、互いに対向する２つの電極を有し、２つの電極のうち１つの電極の変位により２つの電極の間の静電容量が変化することを利用して力学量を検出する力学量センサの製造方法であって、第１基板（１００）を用意することと、第１基板に可動電極（１０５）を形成し、第１基板のうち可動電極とは異なる部分に対して可動電極を変位可能とすることと、犠牲層（２０２）と犠牲層を両側から挟む支持層（２０３）および活性層（２０１）とを有する第２基板（２００）を用意することと、活性層に枠状の凹部（２０４）を形成することにより、活性層のうち凹部の内側に位置する部分を外側に位置する部分と電気的に絶縁された固定電極（２０５）とすることと、固定電極を可動電極に対向するように配置することと、を備える。

このように活性層の一部を固定電極とした場合、固定電極のうち可動電極に対向する面は活性層の表面で構成される。したがって、固定電極と可動電極との間の距離にばらつきが生じにくくなるため、力学量センサの信頼性を向上させることができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。

第１実施形態にかかる力学量センサの断面図であって、図２のI−I断面図である。 第１実施形態にかかる力学量センサの平面図である。 力学量センサの製造方法を示す断面図である。 力学量センサの製造方法を示す断面図である。 力学量センサの製造方法を示す断面図である。 力学量センサの製造方法を示す断面図である。 力学量センサの動作を示す断面図である。 力学量センサの動作を示す断面図である。 第１実施形態の変形例の断面図である。 第２実施形態にかかる力学量センサの断面図であって、図１１のX−X断面図である。 第２実施形態にかかる力学量センサの平面図である。 力学量センサの製造方法を示す断面図である。 力学量センサの製造方法を示す断面図である。 力学量センサの製造方法を示す断面図である。 第３実施形態にかかる力学量センサの平面図である。 図１５のXVI−XVI断面図である。 図１５のXVII−XVII断面図である。 図１５のXVIII−XVIII断面図である。 力学量センサの製造方法を示す断面図である。 第４実施形態にかかる力学量センサの平面図である。 第４実施形態の変形例の平面図である。 他の実施形態にかかる力学量センサの断面図である。 他の実施形態にかかる力学量センサの断面図である。 他の実施形態にかかる力学量センサの断面図である。 他の実施形態にかかる力学量センサの平面図である。 他の実施形態にかかる力学量センサの断面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。図１に示すように、本実施形態の力学量センサ１は、基板１００と、基板２００と、接合部３００とを備えている。力学量センサ１は、基板１００および基板２００を加工して製造されるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）デバイスであり、基板１００の厚み方向の加速度を検出するセンサである。

基板１００は、活性層１０１、犠牲層１０２、支持層１０３を順に積層してなるＳＯＩ（Silicon on Insulator）ウェハであり、活性層１０１をパターニングすることにより、後述する可動電極１０５が形成されている。本実施形態では、活性層１０１、支持層１０３は単結晶シリコンで構成され、犠牲層１０２はＳｉＯ_２で構成されている。基板１００は第１基板に相当する。

活性層１０１、犠牲層１０２、支持層１０３は、それぞれ一部が除去されており、これにより、凹部１０４および可動電極１０５が形成されている。図１、図２に示すように、可動電極１０５は、それぞれ活性層１０１の一部で構成される固定部１０６と、梁部１０７と、２つの錘部１０８とを備えている。固定部１０６は上面形状が矩形状とされ、固定部１０６の裏面においては犠牲層１０２および支持層１０３が除去されずに残されている。

梁部１０７は、固定部１０６に支持され、固定部１０６を中心として活性層１０１の表面に平行な一方向（図２中紙面上下方向）の両側に延設されている。２つの錘部１０８は、それぞれ上面形状がＵ字状とされており、固定部１０６の両側に互いに対向して配置され、それぞれの両端部において梁部１０７に連結されている。

梁部１０７および錘部１０８の裏面においては、犠牲層１０２と支持層１０３の一部とが除去されており、梁部１０７および錘部１０８は、支持層１０３からリリースされている。これにより、錘部１０８は、厚み方向に変位可能とされている。そして、２つの錘部１０８は、梁部１０７、固定部１０６、犠牲層１０２、支持層１０３を介して、活性層１０１のうち可動電極１０５とは異なる部分に接続されている。一方の錘部１０８は、他方の錘部１０８よりも図２中紙面左右方向における幅が大きくされるとともに、質量が大きくされている。

活性層１０１、犠牲層１０２、支持層１０３がこのような形状とされた本実施形態では、梁部１０７がねじれることにより、２つの錘部１０８が基板１００の厚み方向に変位する。具体的には、梁部１０７がねじれることにより、一方の錘部１０８は基板１００の厚み方向の一方側に変位し、他方の錘部１０８は基板１００の厚み方向の他方側に変位する。このように、固定部１０６を支点とした梃子構造が構成されている。

基板２００は、活性層２０１、犠牲層２０２、支持層２０３を順に積層してなるＳＯＩウェハであり、活性層２０１をパターニングすることにより、後述する固定電極２０５が形成されている。本実施形態では、活性層２０１、支持層２０３は単結晶シリコンで構成され、犠牲層２０２はＳｉＯ_２で構成されている。基板２００は第２基板に相当する。

図１、図２に示すように、基板２００には、枠状の凹部２０４が形成されている。これにより、活性層２０１のうち凹部２０４の内側に位置する部分が、凹部２０４の外側に位置する部分と電気的に絶縁されている。活性層２０１のうち凹部２０４の内側に位置する部分を、固定電極２０５とする。

基板２００は、固定電極２０５が可動電極１０５に対向するように配置されている。本実施形態では、凹部２０４が２つ形成されることにより固定電極２０５が２つ形成されており、基板２００は、２つの固定電極２０５が２つの錘部１０８に対向するように配置されている。

なお、本実施形態では、固定電極２０５は可動電極１０５に対して重力方向上側に配置されており、力学量センサ１は重力方向の加速度を検出するが、固定電極２０５が可動電極１０５に対して重力方向下側に配置されていてもよい。また、力学量センサ１が重力方向とは異なる方向の加速度を検出するように可動電極１０５および固定電極２０５が配置されていてもよい。

基板２００には、支持層２０３のうち犠牲層２０２とは反対側の表面において開口し、基板２００および接合部３００を貫通して固定部１０６に接続されるＴＳＶ（Through-Silicon Via）であるビア２０６が形成されている。

また、基板２００には、支持層２０３のうち犠牲層２０２とは反対側の表面において開口し、支持層２０３および犠牲層２０２を貫通して固定電極２０５に接続されるＴＳＶであるビア２０７が形成されている。

また、基板２００には、支持層２０３のうち犠牲層２０２とは反対側の表面において開口し、支持層２０３および犠牲層２０２を貫通して活性層２０１のうち固定電極２０５の外側に位置する部分に接続されるＴＳＶであるビア２０８が形成されている。

また、基板２００には、支持層２０３のうち犠牲層２０２とは反対側の表面において開口し、基板２００を貫通して活性層１０１の外周部に接続されるＴＳＶであるビア２０９が形成されている。なお、活性層１０１のうち可動電極１０５の外側に位置する部分を活性層１０１の外周部とする。

ビア２０６〜２０９の内部と、支持層２０３のうち犠牲層２０２とは反対側の表面とを覆うように、絶縁層２１０が形成されている。絶縁層２１０の表面には、力学量センサ１を外部の回路と接続するための配線層２１１が形成されている。

ビア２０６〜２０９の底部においては絶縁層２１０の一部が除去されており、配線層２１１は、ビア２０６〜２０９を通って、固定部１０６、固定電極２０５、活性層２０１のうち固定電極２０５の外側に位置する部分、および、活性層１０１の外周部に接続されている。

また、支持層２０３の表面においては、絶縁層２１０の一部が除去されて開口部２１２が形成されており、配線層２１１は、開口部２１２を通って支持層２０３に接続されている。

絶縁層２１０、配線層２１１の表面は保護膜２１３で覆われている。保護膜２１３は、力学量センサ１に耐湿性を持たせるためのものであり、ここでは、ＳｉＮにより構成されている。なお、保護膜２１３をポリイミド系樹脂であるＰＩＱ（登録商標）等により構成してもよい。

保護膜２１３のうち、配線層２１１の上面に形成された部分には、開口部２１４が形成されている。これにより、配線層２１１を介して、活性層１０１の外周部と、可動電極１０５と、固定電極２０５と、活性層２０１のうち固定電極２０５の外側に位置する部分とを外部の回路に接続することができる。

後述するように、力学量センサ１に加速度が印加されると、一方の錘部１０８と一方の固定電極２０５との間、他方の錘部１０８と他方の固定電極２０５との間の静電容量が変化する。本実施形態では、加速度印加時に発生するこれらの容量の変化を差動増幅するように、力学量センサ１と図示しない制御装置とが接続される。例えば電源電圧が５Ｖの場合、錘部１０８の電位は５Ｖとされる。固定電極２０５は、配線層２１１を介して、図示しない制御装置の入力端子に接続されている。また、活性層２０１のうち固定電極２０５の外側に位置する部分、および、活性層１０１の外周部は、ビア２０８、２０９を通して接地され、電位が固定されている。

基板１００と基板２００との間には接合部３００が配置されている。接合部３００は、後述する図５（ａ）に示す工程で基板１００と基板２００との接合を行う際の接合材となるものであり、基板１００と基板２００との間の距離は、接合部３００の厚みによって規定される。本実施形態では、接合部３００は、活性層２０１の表面を熱酸化することにより形成されたＳｉＯ_２の層で構成されている。

接合部３００は、活性層１０１の外周部の表面に配置された部分と、固定部１０６の表面に配置された部分とを有する。接合部３００のうち活性層１０１の外周部に配置された部分は、可動電極１０５を内側に含むように枠状に形成されている。接合部３００を介して基板１００と基板２００とが接続されており、これにより、可動電極１０５が気密封止されている。

力学量センサ１の製造方法について説明する。力学量センサ１は、図３に示す工程で基板１００を製造し、図４に示す工程で基板２００を製造した後、図５、図６に示す工程で、基板１００と基板２００とを接合し、配線の形成等を行うことにより製造される。

図３を用いて、基板１００の製造方法について説明する。まず、単結晶シリコン基板を用意して支持層１０３とし、図３（ａ）に示すように、支持層１０３を熱酸化することにより支持層１０３の表面、裏面に犠牲層１０２、酸化膜１０９を形成する。

そして、図３（ｂ）に示すように、可動電極１０５に対応する部分において、エッチングを用いて犠牲層１０２を除去し、犠牲層１０２をマスクとしたエッチングを用いて支持層１０３の一部を除去することにより、凹部１０４を形成する。ただし、固定部１０６に対応する部分においては、犠牲層１０２および支持層１０３を除去せずに残す。

図３（ｂ）に示す工程の後、図３（ｃ）に示すように、直接接合により活性層１０１を犠牲層１０２の表面に接合するＣａｖｉｔｙ−ＳＯＩ工程を行う。図３（ｄ）に示す工程では、エッチングにより活性層１０１を加工し、凹部１０４を活性層１０１の表面において開口させて、可動電極１０５を形成する。

図４を用いて、基板２００の製造方法について説明する。まず、図４（ａ）に示すような、活性層２０１、犠牲層２０２、支持層２０３を順に積層してなるＳＯＩウェハを用意する。そして、図４（ｂ）に示すように、活性層２０１および支持層２０３を熱酸化することにより、接合部３００および酸化膜２１５を形成する。

図４（ｃ）に示す工程では、接合部３００のうち、可動電極１０５の錘部１０８に対応する部分をエッチングにより除去し、活性層２０１の一部を露出させる。図４（ｄ）に示す工程では、図４（ｃ）に示す工程で露出した活性層２０１の一部をエッチングにより除去し、枠状の凹部２０４を形成する。また、これにより、活性層２０１のうち凹部２０４の内側に位置する部分が凹部２０４の外側に位置する部分と電気的に絶縁されて、固定電極２０５が形成される。

このように製造した基板１００および基板２００の貼り合わせと、貼り合わせ後の工程について図５、図６を用いて説明する。図５（ａ）に示す工程では、直接接合により、基板１００と基板２００の表面に形成された接合部３００とを貼り合わせる。これにより、可動電極１０５が気密封止される。

図５（ｂ）に示す工程では、酸化膜２１５のうち、固定部１０６、固定電極２０５、活性層２０１の外周部に対応する部分の一部を除去する。図５（ｃ）に示す工程では、酸化膜２１５をマスクとしたエッチングを用いて支持層２０３の一部を除去することにより、ビア２０６〜２０８を形成し、犠牲層２０２を露出させる。その後、酸化膜２１５を除去する。

図５（ｄ）に示す工程では、ビア２０６に対応する部分に開口部が形成され、ビア２０７、２０８に対応する部分には開口部が形成されていない図示しないマスクを用いたエッチングにより、犠牲層２０２および活性層２０１を貫通するようにビア２０６を形成して、接合部３００を露出させる。

図６（ａ）に示す工程では、支持層２０３およびビア２０６〜２０８の表面を熱酸化して絶縁層２１０を形成する。そして、ビア２０６の底部に形成された絶縁層２１０の一部、および、接合部３００の一部をエッチングにより除去し、固定部１０６を露出させる。また、ビア２０７、２０８の底部に形成された絶縁層２１０の一部をエッチングにより除去し、固定電極２０５、活性層２０１の外周部を露出させる。また、絶縁層２１０のうち支持層２０３の表面に形成された部分の一部を除去して、支持層２０３を露出させる開口部２１２を形成する。

図６（ｂ）に示す工程では、ビア２０６〜２０８の内部、開口部２１２の内部、および絶縁層２１０の表面に配線層２１１を形成する。図６（ｃ）に示す工程では、絶縁層２１０、配線層２１１の表面にＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法または塗布法などにより保護膜２１３を形成する。また、エッチングを用いて保護膜２１３に開口部２１４を形成し、配線層２１１の一部を露出させる。これにより、固定部１０６、固定電極２０５、活性層２０１を外部の回路に接続することが可能となる。

なお、図５、図６では図示していないが、活性層１０１の外周部に対応する部分に、ビア２０６と同様にビア２０９が形成される。そして、ビア２０９の表面に絶縁層２１０が形成され、ビア２０９の底部に形成された絶縁層２１０の一部、および、接合部３００の一部が除去された後、ビア２０９の内部に配線層２１１が形成されて、活性層１０１の外周部を外部の回路に接続することが可能となる。

力学量センサ１の動作について説明する。力学量センサ１が基板１００、基板２００の厚み方向に加速すると、可動電極１０５が図７に示すように変位する。すなわち、一方の錘部１０８は基板１００の厚み方向の一方側に変位し、他方の錘部１０８は基板１００の厚み方向の他方側に変位する。そして、固定電極２０５と錘部１０８との間の距離が変化し、静電容量が変化する。

例えば、力学量センサ１が静止している状態での電極間の距離をｄ_０とし、錘部１０８の変位量をΔｄとすると、一方の錘部１０８と一方の固定電極２０５との距離はｄ_０＋Δｄとなり、他方の錘部１０８と他方の固定電極２０５との距離はｄ_０−Δｄとなる。

力学量センサ１は、錘部１０８が変位したときの固定電極２０５と錘部１０８との間の静電容量の変化を固定電極２０５の電位の変化から求め、求めた静電容量の変化を利用して加速度を検出する。

従来の力学量センサの製造では、電極材の位置や接合材の厚さのばらつきによって、例えば図７の破線で示すように２つの固定電極２０５の位置が変化し、可動電極１０５と固定電極２０５との間の距離にばらつきが生じるおそれがある。

電極間の距離にばらつきが生じると、初期の静電容量、および、検出精度にばらつきが生じる。そのため、電極間の静電容量の変化を利用して加速度を検出する力学量センサの信頼性を向上させるためには、電極間の距離のばらつきを小さくする必要がある。

本実施形態では、固定電極２０５は活性層２０１の一部で構成され、固定電極２０５のうち可動電極１０５に対向する面は活性層２０１の表面で構成されている。そのため、例えばスパッタリング等により固定電極２０５を活性層２０１の表面に成膜した場合に比べて、可動電極１０５と固定電極２０５との間の距離にばらつきが生じにくい。したがって、力学量センサの信頼性を向上させることができる。

また、本実施形態では、活性層２０１の表面を熱酸化することによって接合部３００を形成しているため、例えばＣＶＤを用いて活性層２０１の表面に酸化膜を形成し、この酸化膜を接合材として用いる場合に比べて、接合材の厚さのばらつきが小さい。したがって、電極間の距離のばらつきをさらに小さくして、力学量センサ１の検出精度および信頼性をさらに向上させることができる。

また、２つの電極を備える力学量センサでは、温度変化による基板の変形により、基板１００に対する基板２００の傾きが変化するおそれがある。そして、基板１００に対する基板２００の傾きが変化すると、例えば図８の破線で示すように一方の固定電極２０５の位置が変化して、可動電極１０５と固定電極２０５との間の距離および静電容量が変動し、検出精度が低下する。

温度変化による基板の変形を抑制し、検出精度の低下を抑制するためには、線膨張係数が小さい材料で基板１００、基板２００を構成することが好ましい。また、剛性の高い材料で基板１００、基板２００を構成することが好ましい。また、基板１００に対する基板２００の傾きの変化を小さくするために、基板１００と基板２００とを互いに線膨張係数の差が小さい材料で構成することが好ましい。また、基板１００と基板２００との間に共晶金属などの異種材料が介在しないことが好ましい。

これについて本実施形態では、基板１００、基板２００に同じ材料で構成されたＳＯＩウェハを用いており、このＳＯＩウェハに用いられている単結晶シリコンは剛性が高く、線膨張係数が小さい。また、基板１００と基板２００とを接続する接合部３００はＳｉＯ_２で構成されており、基板１００と基板２００との間に共晶金属などの異種材料が介在しない。これにより、電極間の距離が変動することを抑制し、検出精度をさらに向上させることができる。

また、可動電極を備える力学量センサでは、内圧を維持し、一定の雰囲気下で可動電極を動作させることも重要である。本実施形態では、基板１００と基板２００の表面に形成された接合部３００とを貼り合わせ、これにより可動電極１０５を気密封止している。したがって、可動電極１０５が変位する空間の圧力等が環境により変化することを抑制し、検出精度を向上させることができる。特に、本実施形態では、ＳｉＯ_２で構成された接合部３００を介したＳｉ直接接合により基板１００と基板２００とを貼り合わせているので、封止については通常のＳＯＩウェハと同等の信頼性が得られる。

なお、活性層２０１と可動電極１０５との間の寄生・浮動容量の発生を抑制し、また、錘部１０８の可動範囲を確保するために、図９に示すように、凹部２０４を基板２００のうち可動電極１０５に対向する部分の外側に至るように形成し、錘部１０８の可動範囲が固定電極２０５により規定されるようにすることが好ましい。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して基板１００と基板２００との接合方法を変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図１０、図１１に示すように、本実施形態では、基板１００にビア１１０、１１１、１１２が形成されている。ビア１１０は、支持層１０３のうち犠牲層１０２とは反対側の表面において開口し、支持層１０３を貫通して固定部１０６に接続されるＴＳＶである。

ビア１１１は、支持層１０３のうち犠牲層１０２とは反対側の表面において開口し、支持層１０３を貫通して、活性層１０１の外周部のうち固定電極２０５に対応する部分に接続されるＴＳＶである。ビア１１２は、支持層１０３のうち犠牲層１０２とは反対側の表面において開口し、支持層１０３を貫通して、活性層１０１の外周部のうち活性層２０１の外周部に対応する部分に接続されるＴＳＶである。

ビア１１０〜１１２の内部と、支持層１０３のうち犠牲層１０２とは反対側の表面とを覆うように、絶縁層１１３が形成されている。絶縁層１１３の表面には、力学量センサ１を外部の回路と接続するための配線層１１４が形成されている。

ビア１１０〜１１２の底部においては絶縁層１１３および犠牲層１０２が除去されており、配線層１１４は、ビア１１０〜１１２を通って、固定部１０６、および、活性層１０１の外周部に接続されている。また、支持層１０３の表面においては、絶縁層１１３の一部が除去されて開口部１１５が形成されており、配線層１１４は、開口部１１５を通って支持層１０３に接続されている。

絶縁層１１３、配線層１１４の表面は保護膜１１６で覆われている。保護膜１１６は、力学量センサ１に耐湿性を持たせるためのものであり、ここでは、ＳｉＮにより構成されている。なお、保護膜１１６をポリイミド系樹脂であるＰＩＱ等により構成してもよい。

保護膜１１６のうち、配線層１１４の上面に形成された部分には、開口部１１７が形成されている。これにより、配線層１１４を介して、固定部１０６と、活性層１０１の外周部と、支持層１０３とを外部の回路に接続することができる。

本実施形態では、活性層１０１の外周部は、後述する金属層３０１、３０２を介して固定電極２０５、および、活性層２０１の外周部に接続されている。また、活性層１０１のうち、固定電極２０５に接続された部分は、他の部分と電気的に絶縁されている。そして、固定電極２０５は、ビア１１１の内部に形成された配線層１１４と、活性層１０１と、金属層３０１、３０２とを介して、外部の回路に接続される。また、活性層２０１の外周部は、ビア１１２の内部に形成された配線層１１４と、活性層１０１と、金属層３０１、３０２とを介して、外部の回路に接続される。

本実施形態の接合部３００は、金属層３０１、３０２、スペーサ３０３を備えている。金属層３０１は、活性層１０１の外周部において、可動電極１０５および固定電極２０５を内部に含むように、枠状に形成されている。また、金属層３０１は、固定部１０６の表面にも形成されている。また、金属層３０１は、活性層１０１の外周部のうち固定電極２０５に対応する部分にも形成されている。

金属層３０２は、金属層３０１に対向するように、活性層２０１の表面に形成されている。本実施形態では、金属層３０１、３０２は、Ａｌ（アルミニウム）で構成されている。

スペーサ３０３は、基板１００と基板２００との間に配置されており、金属層３０１、３０２を内部に含むように、枠状に形成されている。スペーサ３０３はＳｉＯ_２で構成されており、熱酸化膜に相当する。

本実施形態の力学量センサの製造方法について説明する。本実施形態では、図３に示す工程の後、図１２に示すように、活性層１０１の表面を熱酸化してスペーサ３０３を形成する。また、固定部１０６、および活性層１０１の外周部に金属層３０１を形成する。

また、図１３に示すように、活性層２０１、犠牲層２０２、支持層２０３が順に積層されたＳＯＩウェハを用意し、活性層２０１をパターニングして固定電極２０５を形成した後、活性層２０１の表面に金属層３０２を形成する。そして、図１４（ａ）に示すように、金属層３０１と金属層３０２との金属接合により基板１００と基板２００とを接続する。

図１４（ｂ）に示す工程では、基板１００を薄板化して酸化膜１０９を除去する。また、エッチングを用いて支持層１０３を貫通するビア１１０〜１１２を形成し、支持層１０３を熱酸化して絶縁層１１３を形成する。そして、ビア１１０〜１１２の底部に形成された絶縁層１１３、および、犠牲層１０２の一部をエッチングにより除去して、活性層１０１の外周部、および、固定部１０６を露出させる。また、支持層１０３の表面に形成された絶縁層１１３の一部を除去して開口部１１５を形成し、支持層１０３を露出させる。

図１４（ｃ）に示す工程では、絶縁層１１３の表面、ビア１１０〜１１２の内部、開口部１１５の内部に配線層１１４を形成する。また、絶縁層１１３および配線層１１４の表面にＣＶＤを用いて保護膜１１６を形成した後、保護膜１１６の一部を除去し、開口部１１７を形成する。これにより、活性層１０１の外周部、支持層１０３、固定部１０６、固定電極２０５、活性層２０１の外周部を外部の回路に接続することが可能となる。

本実施形態において接合部３００の金属層３０１、３０２を構成するＡｌは、基板１００、基板２００、スペーサ３０３を構成するＳｉ、ＳｉＯ_２との線膨張係数の差が小さい。したがって、発生する熱応力を低減し、また、第１実施形態と同様に、温度変化により電極間の静電容量が変化することを抑制することができる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して固定電極２０５の構成を変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図１５に示すように、本実施形態では、固定電極２０５のうち可動電極１０５に対向する部分に、複数のエッチングホール２１６が形成されている。エッチングホール２１６は、後述する図１９（ｂ）に示す工程においてエッチング媒体を導入するためのものである。

本実施形態では、複数のエッチングホール２１６は等間隔に並んでいる。具体的には、各エッチングホール２１６は、隙間なく敷き詰められた複数の正三角形の頂点に位置するように並んでいる。なお、図１５では、このように並べられた複数のエッチングホール２１６の一部のみを図示している。

また、図１６に示すように、凹部２０４の底部に、固定電極２０５のうち支持層２０３側の面を露出させる凹部２１７が形成されている。凹部２０４、２１７は、それぞれ、第１凹部、第２凹部に相当する。

そして、図１７に示すように、固定電極２０５は、活性層２０１の面内における一方向の両端部のうち一方の端部で、犠牲層２０２および基板１００に支持されている。本実施形態では、固定電極２０５は、長手方向の一端において犠牲層２０２等に支持されている。

また、図１６、図１８に示すように、可動電極１０５に対向する部分、および、他方の端部においては、凹部２１７の形成によって犠牲層２０２が除去されており、固定電極２０５は支持層２０３からリリースされている。固定電極２０５のうち、犠牲層２０２等に支持された部分を固定部２１８とし、支持層２０３からリリースされた部分を、リリース部２１９とする。

本実施形態では、第１実施形態の図４（ｃ）に示す工程において、接合部３００のうち、可動電極１０５の錘部１０８に対応する部分に加えて、リリース部２１９に対応する部分をエッチングにより除去し、活性層２０１の一部を露出させる。

そして、図１９（ａ）に示すように、接合部３００の除去により露出した活性層２０１の一部をエッチングにより除去し、凹部２０４とエッチングホール２１６を形成する。

その後、活性層２０１をマスクとしてエッチングを行う。このとき、エッチングホール２１６からエッチング媒体が導入され、図１９（ｂ）に示すように、固定電極２０５の下部において犠牲層２０２が除去され、凹部２１７が形成される。前述したようにエッチングホール２１６は等間隔に並んでおり、隣り合う２つのエッチングホール２１６間の距離を適切に設定することで、固定電極２０５のうち可動電極１０５に対向する部分に犠牲層２０２が残ることが抑制される。

これにより、固定電極２０５のうち支持層２０３側の面が露出して、リリース部２１９が形成される。そして、固定電極２０５のうち犠牲層２０２が除去されずに残された部分が固定部２１８となる。

固定電極２０５が上記のような構成とされた本実施形態では、温度変化等による基板２００の歪みが、固定電極２０５のうち可動電極１０５に対向する部分に伝達されることを抑制することができる。したがって、加速度の検出精度をさらに向上させることができる。

なお、本実施形態では、固定電極２０５を両端部のうち一方の端部でのみ支持したが、固定電極２０５のうち可動電極１０５に対向する部分でのみ犠牲層２０２を除去し、固定部２１８を固定電極２０５の両端部に形成し、固定電極２０５を両端部で支持してもよい。これにより、固定電極２０５のたわみを抑制することができる。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態は、第３実施形態に対して固定電極２０５の形状を変更したものであり、その他に関しては第３実施形態と同様であるため、第３実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図２０に示すように、本実施形態では、リリース部２１９の幅を小さくするスリット２２０が形成されている。具体的には、リリース部２１９の両端部のうち、固定部２１８側の端部にスリット２２０が形成されている。そして、スリット２２０の形成により、固定電極２０５の短手方向、すなわち、活性層２０１の面内における固定電極２０５の長手方向に垂直な方向の幅が他の部分よりも小さくされている。

スリット２２０により、固定電極２０５のうち可動電極１０５に対向する部分と、犠牲層２０２に支持された固定部２１８とを接続する部分の幅が小さくなる。したがって、基板２００の歪みが、固定電極２０５のうち可動電極１０５に対向する部分に伝達されることをさらに抑制し、加速度の検出精度をさらに向上させることができる。

なお、第３実施形態の変形例に本実施形態を適用し、図２１に示すように、リリース部２１９の両端部にスリット２２０を形成してもよい。

（他の実施形態）
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。

例えば、可動電極１０５が気密封止されていなくてもよい。また、基板１００がＳＯＩウェハでなく、Ｓｉ基板で構成されていてもよい。また、可動電極１０５の両側に固定電極２０５が配置されていてもよい。

また、活性層１０１、支持層１０３、活性層２０１、支持層２０３を多結晶シリコンで構成してもよい。これらの層を多結晶シリコンとする場合、力学量センサ１の製造が容易になる。

また、上記第１実施形態では、基板２００の活性層２０１を熱酸化することにより接合部３００を形成したが、基板１００の活性層１０１を熱酸化することにより接合部３００を形成してもよい。

また、上記第１、第２実施形態では、力学量センサ１は固定部１０６の両側に錘部１０８が配置された梃子構造を有しているが、力学量センサ１が他の構造を有していてもよい。例えば、錘部１０８が矩形板状とされ、図２２に示すように梁部１０７によって両持ち支持され、梁部１０７がたわむことにより基板１００の厚み方向に変位してもよい。この場合、基板１００をＳＯＩウェハではなく例えばＳｉ基板で構成し、基板１００の厚み方向の両側に基板２００を配置して、図２２に示すように、錘部１０８が厚み方向の両側において固定電極２０５に対向する構成とすることが好ましい。また、錘部１０８が矩形板状とされ、図２３に示すように梁部１０７によって片持ち支持され、梁部１０７がたわむことにより基板１００の厚み方向に変位してもよい。この場合、図２３に示すように、錘部１０８が厚み方向の両側それぞれにおいて２つの固定電極２０５に対向する構成とすることが好ましい。

また、基板１００の厚み方向とは異なる方向の加速度を検出するように可動電極１０５を形成してもよい。例えば、錘部１０８を矩形板状とし、梁部１０７を錘部１０８よりも薄く形成し、梁部１０７が錘部１０８を両持ち支持するように可動電極１０５を構成し、錘部１０８が梁部１０７の両側それぞれにおいて固定電極２０５に対向するようにしてもよい。このような構成では、梁部１０７がねじれることにより、図２４の矢印Ａ１で示すように梁部１０７の軸を中心に錘部１０８が揺動する。そして、これによる電極間の静電容量の変化を用いて、図２４の矢印Ａ２で示す方向、すなわち、基板１００の表面に平行でかつ梁部１０７の軸に垂直な方向の加速度を検出することができる。

また、本発明を、加速度センサ以外の力学量センサ、例えば、傾斜センサに適用してもよい。また、可動電極１０５を振動させた状態で角速度を検出するジャイロスコープ等の力学量センサに本発明を適用してもよい。このような力学量センサは、図２５、図２６に示すように、可動電極１０５を２つ備えている。２つの可動電極１０５はそれぞれ櫛歯電極１１８を備えており、それぞれの櫛歯電極１１８が互いに対向するように配置されている。また、可動電極１０５は、図示しないばね部によって支持されており、可動電極１０５に交流電圧が印加されることにより、可動電極１０５が櫛歯電極１１８の延設方向に振動する。そして、基板１００の厚み方向を軸とした回転が生じると、可動電極１０５は、櫛歯電極１１８の延設方向および基板１００の厚み方向の両方に垂直な方向に変位する。図２５、図２６に示す力学量センサは、これにより生じる２つの可動電極１０５間の静電容量の変化を用いて角速度を検出する。このような力学量センサでは、２つの可動電極１０５それぞれに対向するように固定電極２０５を配置し、固定電極２０５に交流電圧を印加することにより、可動電極１０５の振動を制御することができる。この振動の制御においては、可動電極１０５と固定電極２０５との間の距離にばらつきが少ないことが好ましい。このような力学量センサに本発明を適用することにより、可動電極１０５と固定電極２０５との間の距離にばらつきが生じることを抑制し、力学量センサの信頼性を向上させることができる。

１００ 基板
１０５ 可動電極
２００ 基板
２０１ 活性層
２０２ 犠牲層
２０３ 支持層
２０４ 凹部
２０５ 固定電極

Claims (28)

1. 互いに対向する２つの電極を有し、前記２つの電極のうち１つの電極の変位により前記２つの電極の間の静電容量が変化することを利用して力学量を検出する力学量センサであって、
   一部が可動電極（１０５）として厚み方向に変位可能とされた第１基板（１００）と、
   犠牲層（２０２）と前記犠牲層を両側から挟む支持層（２０３）および活性層（２０１）とを有し、前記活性層の一部により構成された固定電極（２０５）を有し、前記活性層に形成された枠状の凹部（２０４）によって前記固定電極と前記活性層のうち前記固定電極とは異なる部分とが電気的に絶縁されており、前記固定電極が前記可動電極に対向するように配置された第２基板（２００）と、を備える力学量センサ。
2. 前記可動電極を内側に含むように前記第１基板と前記第２基板との間に配置された枠状の接合部（３００）を備え、
   前記第１基板は、前記接合部を介して前記第２基板に接続されており、
   前記可動電極は、前記第１基板、前記第２基板、および前記接合部によって気密封止されており、
   前記第１基板と前記第２基板との間の距離は、前記接合部の厚みによって規定される請求項１に記載の力学量センサ。
3. 前記接合部は、熱酸化膜で構成されている請求項１または２に記載の力学量センサ。
4. 前記活性層は、単結晶シリコンまたは多結晶シリコンで構成されている請求項１ないし３のいずれか１つに記載の力学量センサ。
5. 前記可動電極は、前記第１基板の厚み方向に変位する錘部（１０８）と、前記第１基板のうち前記可動電極とは異なる部分と前記錘部とを接続する梁部（１０７）とを有しており、
   前記錘部は、前記梁部がねじれることにより厚み方向に変位する請求項１ないし４のいずれか１つに記載の力学量センサ。
6. 前記可動電極は、前記第１基板の厚み方向に変位する錘部（１０８）と、前記第１基板のうち前記可動電極とは異なる部分と前記錘部とを接続する梁部（１０７）とを有しており、
   前記錘部は、前記梁部がたわむことにより厚み方向に変位する請求項１ないし４のいずれか１つに記載の力学量センサ。
7. 前記第２基板には、前記支持層のうち前記犠牲層とは反対側の表面において開口し、前記第２基板を貫通して前記第１基板に接続される第１ビア（２０６、２０９）と、前記支持層のうち前記犠牲層とは反対側の表面において開口し、前記支持層および前記犠牲層を貫通して前記活性層に接続される第２ビア（２０７、２０８）とが形成されている請求項１ないし６のいずれか１つに記載の力学量センサ。
8. 前記第１基板のうち前記可動電極とは異なる部分、および、前記活性層のうち前記凹部の外側に位置する部分は、それぞれ、前記第１ビアおよび前記第２ビアを通して電位が固定されている請求項７に記載の力学量センサ。
9. 前記可動電極の可動範囲が前記固定電極により規定される請求項１ないし８のいずれか１つに記載の力学量センサ。
10. 前記第２基板を２つ備え、
    前記可動電極は、厚み方向の両側において前記固定電極に対向している請求項１ないし９のいずれか１つに記載の力学量センサ。
11. 互いに対向する２つの前記可動電極を備え、
    前記固定電極に交流電圧を印加することにより前記可動電極の振動を制御し、
    ２つの前記可動電極の変位により２つの前記可動電極の間の静電容量が変化することを利用して力学量を検出する請求項１ないし１０のいずれか１つに記載の力学量センサ。
12. 前記凹部を第１凹部として、
    前記第１凹部に、前記固定電極のうち前記支持層の側の面を露出させる第２凹部（２１７）が形成されている請求項１ないし１１のいずれか１つに記載の力学量センサ。
13. 前記固定電極は、前記活性層の面内における一方向の端部で前記犠牲層に支持されている請求項１２に記載の力学量センサ。
14. 前記固定電極は、前記活性層の面内における一方向の両端部で前記犠牲層に支持されている請求項１２に記載の力学量センサ。
15. 前記固定電極のうち前記第２凹部によって前記支持層の側の面が露出した部分に、前記活性層の面内における前記一方向に垂直な方向の幅を他の部分よりも小さくするスリット（２２０）が形成されている請求項１３または１４に記載の力学量センサ。
16. 前記固定電極に、等間隔に並んだ複数のエッチングホール（２１６）が形成されている請求項１２ないし１５のいずれか１つに記載の力学量センサ。
17. 互いに対向する２つの電極を有し、前記２つの電極のうち１つの電極の変位により前記２つの電極の間の静電容量が変化することを利用して力学量を検出する力学量センサの製造方法であって、
    第１基板（１００）を用意することと、
    前記第１基板に可動電極（１０５）を形成し、前記第１基板のうち前記可動電極とは異なる部分に対して前記可動電極を変位可能とすることと、
    犠牲層（２０２）と前記犠牲層を両側から挟む支持層（２０３）および活性層（２０１）とを有する第２基板（２００）を用意することと、
    前記活性層に枠状の凹部（２０４）を形成することにより、前記活性層のうち前記凹部の内側に位置する部分を外側に位置する部分と電気的に絶縁された固定電極（２０５）とすることと、
    前記固定電極を前記可動電極に対向するように配置することと、を備える力学量センサの製造方法。
18. 前記可動電極を内側に含むように前記第１基板と前記第２基板との間に枠状の接合部（３００）を配置することと、
    前記接合部を介して前記第１基板と前記第２基板とを接続し、前記可動電極を気密封止することと、を備える請求項１７に記載の力学量センサの製造方法。
19. 前記接合部を配置することでは、前記第１基板を熱酸化することにより前記接合部を前記第１基板の表面に形成し、前記第１基板と前記第２基板との間に前記接合部を配置し、
    前記気密封止することでは、前記接合部と前記第２基板との直接接合により前記第１基板と前記第２基板とを接続する請求項１８に記載の力学量センサの製造方法。
20. 前記接合部を配置することでは、前記第２基板を熱酸化することにより前記接合部を前記第２基板の表面に形成し、前記第１基板と前記第２基板との間に前記接合部を配置し、
    前記気密封止することでは、前記接合部と前記第１基板との直接接合により前記第１基板と前記第２基板とを接続する請求項１８に記載の力学量センサの製造方法。
21. 前記接合部を配置することでは、前記第１基板および前記第２基板の表面に金属層（３０１、３０２）を形成するとともに前記第１基板または前記第２基板を熱酸化して熱酸化膜（３０３）を形成することにより、前記第１基板と前記第２基板との間に前記金属層および前記熱酸化膜を含む前記接合部を配置し、
    前記気密封止することでは、前記金属層のうち前記第１基板の表面に形成された部分と、前記第２基板の表面に形成された部分との金属接合により、前記第１基板と前記第２基板とを接続する請求項１８に記載の力学量センサの製造方法。
22. 前記固定電極とすることでは、前記可動電極の可動範囲が前記固定電極により規定されるように前記凹部を形成する請求項１７ないし２１のいずれか１つに記載の力学量センサの製造方法。
23. 前記支持層および前記犠牲層の一部を除去することにより、前記支持層の表面において開口し、前記支持層を貫通して前記活性層に接続される第１ビア（２０７、２０８）を含む複数のビアを形成することと、
    前記第１ビアを形成することの後、前記複数のビアのうち前記第１ビアとは異なるビアに対応する部分に開口部が形成されたマスクを用いたエッチングにより、前記支持層の表面において開口し、前記第２基板を貫通して前記第１基板に接続される第２ビア（２０６、２０９）を形成することと、を備える請求項１７ないし２２のいずれか１つに記載の力学量センサの製造方法。
24. 前記凹部を第１凹部として、
    前記第１凹部に、前記固定電極のうち前記支持層の側の面を露出させる第２凹部（２１７）を形成することを備える請求項１７ないし２３のいずれか１つに記載の力学量センサの製造方法。
25. 前記第２凹部を形成することでは、前記固定電極が前記活性層の面内における一方向の端部で前記犠牲層に支持されるように前記第２凹部を形成する請求項２４に記載の力学量センサの製造方法。
26. 前記第２凹部を形成することでは、前記固定電極が前記活性層の面内における一方向の両端部で前記犠牲層に支持されるように前記第２凹部を形成する請求項２４に記載の力学量センサの製造方法。
27. 前記固定電極のうち前記第２凹部によって前記支持層の側の面が露出する部分に、前記活性層の面内における前記一方向に垂直な方向の幅を他の部分よりも小さくするスリット（２２０）を形成することを備える請求項２５または２６に記載の力学量センサの製造方法。
28. 前記第２凹部を形成することの前に、前記固定電極に、等間隔に並んだ複数のエッチングホール（２１６）を形成することを備える請求項２４ないし２７のいずれか１つに記載の力学量センサの製造方法。
    

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