JP2527767B2 - 圧電抵抗ひずみ計の製造方法並びにこのひずみ計を含む加速度計の製造方法 - Google Patents

圧電抵抗ひずみ計の製造方法並びにこのひずみ計を含む加速度計の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、特に指向性加速度計に属するたわみ性梁の
一側面上の圧電抵抗性ひずみ計の製造方法並びに圧電抵
抗ひずみ計を備えた指向性加速度計の製造方法に関す
る。これらの製造方法は、マイクロエレクトロニクス技
術を使用する。
〔従来の技術〕
一般的に、加速度計は本質的に運動質量ｍ、及び運動
体の加速度Ａによる力Ｆ＝ｍ・Ａを測定可能にする装置
を含む。マイクロエレクトロニクス技術に基づいて製造
された指向性加速度計は、本願と同じ発明者の名前で出
願された仏国のFR−Ａ−2558263に記載されている。
第１図は、上記特許明細書に記載された加速計の部分
斜視図を示す。この加速度計は、平行六面体形基板２と
この基板を完全に突貫ける欠切部４を含む。この欠切部
内には二つの平行六面体形たわみ性梁6,8が配置され、
その厚さはその幅よりも遥かに大きい（典型的には30倍
以上）。これらの梁は、この基板の表面に平行なＹ方向
に指向している。これらの梁は、基板２と一体の固定端
と平行六面体形ブロック10を支持する自由端を有する。
ｘ方向へのブロックの変位は、ブロック10の側面12,1
4とこれらの面に向いた欠切部２の壁面の導体堆積物に
よって画定された容量性検出器の助援によって測定され
る。
この容量性検出器の使用は、マイクロエレクトロニク
ス技術によって容易に実現されるという利点を有する。
しかしながら、これらの容量性検出器は、いくつかの欠
点を抱えている。特に、これらの検出器は、寄生静電容
量に非常に敏感であり、高内部インピーダンス及び非線
形応答を有する。そのうえ、これらの検出器は、加速度
計中に生じた静電力に大きな影響を及ぼす。
梁６及び８並びにブロック10は、単一ブロックであっ
て、基板２の異方性腐食によって形成される。これら
は、加速度計の震源又は運動質量を構成する。梁６及び
８は、変形可能であって、その結果、基板の表面に平行
でかつｙ方向に垂直なｘ方向にブロック10の変位を起こ
させる。ここに、ｘ方向は、測定しようとする加速度成
分の方向に相当する。
前記加速度計の梁上に堆積された圧電抵抗ひずみ計の
使用は、容量性検出器に関連する欠点を解決可能にする
と思われる。
圧電抵抗ひずみ計とは導電体片であって、この導電体
片の抵抗は導電体片を載せている梁の変形と共に変動す
るようになっているものである。このような圧電抵抗ひ
ずみ計の使用の可能性が前掲の特許明細書FR−Ａ−2558
263に触れられている。第１図において対になって関連
しているひずみ計15及び17は、梁の上面に配置された抵
抗器であって、この梁のこの面だけが従来の顕微鏡写真
処理によって取扱い可能である。
不幸にして、この型式の加速度計においては、その目
的は、ｚ方向によりもｘ方向（加速度計が中に構成され
ている基板表面に平行でかつ梁の縦方向であるｙ方向に
垂直）に遥かに大きな融通性を持たせるということであ
る。したがって、これらの梁は、典型的には数百マイク
ロメートルの厚さに対し３から10マイクロメートルの幅
を有する。
これらの梁の上面にひずみ計を置くためにきわめて僅
かの余地しか残されていないという事実に照し、これら
のひずみ計の構成には技術的に酷しい様々な問題が伴
う。
この事態は、次のような事実によって悪化される、す
なわち、これらの梁の中立素分（neutral fiber）16上
で基板表面に平行なｙ方向における変化がゼロであるゆ
えにひずみ計を梁の中央縦軸に沿って置くことができな
い。さらに、平均して変形がゼロのため、これらのひず
み計を梁の全長に渡って置くことができない。
この問題は、梁の両端上に配置された第１図に示され
る型式のひずみ計を利用することによって解決される。
しかしながら、これらのひずみ計に対する電流供給用導
体を付けるに当って、加速度計の要素がきわめて小寸法
であるために、また酷しい技術的な問題が生じる。さら
に、このような構造を作ることができると仮定しても、
ひずみ計が梁の上面のきわめて小さな表面しか占領でき
ないという事実に照し、熱放散の問題が生じるであろ
う。
梁の上面上の残された余地に関する問題に照して、本
発明者は、ｙ方向に平行かつ加速度検出方向であるｘ方
向に垂直に指向する梁側面上にひずみ計を堆積すること
を考えてみた。不幸にして、基板表面に平行なエッチン
グマスク又は堆積を使用する従来のマイクロエレクトロ
ニクス処理では、基板に垂直な面（梁側面）上に正確な
パターンを形成することは不可能である。
〔問題を解決するための手段〕
本発明は、たわみ性梁の側面上に配置された圧電抵抗
ひずみ計、特にマイクロエレクトロニクス技術によって
製造される、加速度計の製造のための処理を目的とす
る。
特に、本発明は、基板をその表面に垂直に腐食するこ
とによって形成されかつこの基板内に画定された第１欠
切部内を横方向に動くことのできる１端を持つ梁の側面
上の圧電抵抗ひずみ計の製造のための処理に関し、この
処理は、第１欠切部に連絡する第２欠切部を形成するた
めに基板表面に垂直にこの基板を腐食する段階を含み、
この連絡領域は製造しようとするひずみ計の像（imag
e）を表し、この処理はまた第２欠切部に面しかつ部分
的に梁上面を覆って拡がる開口を有する機械的マスクを
基板表面に置く段階と、ひずみ計と電気接続部を構成す
る圧電抵抗層を形成することのできる粒子ビームをこの
開口に通過させる段階とを含み、この粒子ビームはこの
基板表面に関して傾斜した方向に指向させられ、またこ
の処理は、マスクを取り除きかつひずみ計に電流を供給
するために梁上面及び下面に電気導体を配置する段階を
含む。
この製造処理は、遂行が容易である。
圧電抵抗ひずみ計は、圧電抵抗材料の真空蒸着によっ
て、又はケイ素基板の場合には、たとえばホウ素又はリ
ンのイオン注入によって、形成され得る。
圧電抵抗ひずみ計が蒸着により形成される場合には、
好適には、数パーセントの金でドープされた多結晶ゲル
マニウムから作られる。このような材料は、適当に高い
横方向ひずみ計係数Ktを得ることを可能にする。横方向
ひずみ計係数は、この場合、（Δsy/sy）／（Δz/z）で
定義され、Δsy/syはｙ軸に沿う導電率変動、またΔz/z
はｚ軸に沿う梁の変形を表す。
電流供給用導体は、基板を腐食する前又は圧電抵抗ひ
ずみ計を堆積する後のいずれかに梁表面に堆積される。
電流供給用導体は、真空蒸着により有利に堆積される。
本発明は、上述のようにして得られた圧電抵抗ひずみ
計を有する加速度計の製造のための処理に関し、かつこ
の処理において第１欠切部と第２欠切部は基板をその表
面に垂直に腐食することによって同時に形成される。
第１欠切部と第２欠切部とは、基板の異方性化学腐食
によって有利に形成される。
〔実施例〕
本発明は、以下に、限定的意味ではない実施例及び付
図に関連して、さらに詳しく説明される。
次の説明は、マイクロエレクトロニクス技術に関連し
て製造される加速度計梁側面上に置かれたひずみ計の製
造に関する。しかしながら、本発明は、数個の圧電抵抗
ひずみ計の同時製造にも使用可能である。二つのたわみ
性梁を有する加速度計の場合には、四つの圧電抵抗計を
ホイートストンブリッジとして接続することができる。
このブリッジの良好な安定性を保証するために、これら
のひずみ計は同時に対になって堆積される。
第２図は、本発明の処理に従って製造される圧電抵抗
ひずみ計が備えられる加速度計の部分斜視図である。こ
の加速度計は、基板22を完全に突抜ける第１欠切部24を
有し、この欠切部内に直方平行六面体に似た形のたわみ
性梁が配置されている単結晶又はケイ素基板22を含む。
梁26は、その幅よりも30倍の厚さを有し、基板表面に平
行なｙ方向に指向させられている。この梁は、ｙ方向に
垂直かつ基板表面に平行なｘ方向の加速度の動作の下に
ｘ方向に動くことのできる自由端を有する。梁の他の端
は、基板22と一体である。
梁26は、基板22をその上面27に垂直に異方性態様にお
いて腐食することによって及び基板上面27に配置された
適当な形のマスクを使用する化学的手順によって、得ら
れる。
梁26の側面28に圧電抵抗ひずみ計を堆積するために、
第１欠切部24に連絡する第２欠切部30を形成するよう
に、基板は基板表面27に垂直に腐食される。この異方性
的に遂行される腐食は、化学的湿潤手順によってこれを
実施することができる。
腐食は、クロム層上の金属などのような良導電性材料
から作られた、かつ基板上面27上に配置された適当な形
のマスクを通して行われる。さらに、この腐食は基板22
の全厚さに渡って遂行される。
第２図において、Ｃに似た形をした第２欠切部30は、
基板内に形成された開口32によって第１欠切部24と連絡
し、かつ梁の側面28に作ろうとするひずみ計の像（imag
e）を表している。特に、開口32の幅ｌは、梁26の側面2
8に作ろうとするひずみ計の幅を規定する。
基板22の上面27上に、次いで、機械的マスク34が置か
れる結果、梁の上面36上に作ろうとするひずみ計の電気
接続部領域の寸法を規定することが可能となる。
この目的のために、マスク34は、開口32と第２欠切部
30上に配置されかつ第１欠切部24及び梁26の上面36上に
部分的に拡がる方形開口38を持つ。このマスクの開口38
の幅Ｌは、好適には、基板内に作られた開口32の幅ｌを
上廻わりかつ作ろうとするひずみ計に面している。
マスク34及びマスクとして基板22内に作られた欠切部
30、開口32を使用することによって、梁26は、粒子ビー
ム40に露出させられる結果、ひずみ計とその電気接続部
を構成する圧電抵抗材料堆積42を形成することができ
る。
数パーセント（５〜10％）の金でドープされた多結晶
ゲルマニウム堆積42は、金及びゲルマニウム原子ビーム
40を援用して得られる。この材料は、充分に高い横方向
ひずみ計係数Ktを得ることを可能とする。この圧電抵抗
ひずみ計は、約1nm/sの速度で、有利に、蒸着される。
好適には、粒子ビームは、視射角入射に従って梁の側
面28へと向けられる。換言すれば、ビーム40は、基板22
の上面27と角Ａを形成する。この角は、マスク34の厚
さ、マスク開口38の寸法、梁26の側面28とこの梁に面す
る欠切部24の側面との間を分ける距離ｄに依存する。
この角は、10゜から30゜の間で変動し、0.15mm厚さの
マスク34の場合には、典型的に20゜であり、これによっ
て、圧電抵抗材料堆積42に適当な厚さを持たせかつ梁26
の側面28上に配置されまた梁の全厚さに渡って拡がる実
際の圧電抵抗ひずみ計を構成する側面部44と梁26の上面
36、下面48をそれぞれ覆う部分、すなわち、ひずみ計の
電気接続部46の領域を持たせる。ビームの傾斜は、ひず
み計44を過大に覆うことを回避可能とする。
これに続いて、ひずみ計44に電流を供給するための電
気導体の形成が行われ、この導体は電気接続部46の領域
上にまぎれもなく座着する。
第３図に示されるように、これらの導体は、梁26の上
面36及び下面48に堆積される。梁の、例えば上面36上に
作られた流入側電流供給導体は50で示され、梁の、例え
ば下面に置かれた流出側電流供給導体は52で示される。
これらの導体50及び52は、蒸着中、マスクとして機械
的マスク34及び基板の欠切部30と開口32を使用して真空
蒸着される。対応する粒子ビーム51は基板上面と角Ｂを
形成する。この角は、ひずみ計を短絡しないように、面
28の反対側の、梁の側面54が導体堆積によって部分的に
だけ覆われるように選ばれ、角Ｂは、例えば30゜と60゜
の間にある。導体50及び52は、特に金又はアルミニウム
で作られる。
第４図に示されるように、第２図を参照して説明され
たように、ひずみ計44a及びその電気接続部46aを製造す
る前に梁26の上面36、下面48上にそれぞれ堆積された圧
電抵抗ひずみ計44aの電気導体50a及び52aを製造するこ
ともまた可能である。
第５図及び第６図を参照して、圧電抵抗ひずみ計を備
える加速度計の製造について、これから説明しよう、た
だし、この場合、ひずみ計の電源供給用導体はひずみ計
より前に製造され、また基板は石英で作られている。
二つの導体層56,58が、石英基板22の全上面27、全下
面29上にそれぞれ真空蒸着によって形成される。これら
の層56及び58は、たとえば、クロム層上の金属によって
形成される。
層56及び58上に、次いで、各々が加速度計のたわみ性
梁26（第４図）、基板の第１欠切部及び第２欠切部の像
を表わす二つの樹脂マスクがそれぞれ形成され、これら
のマスクを通して層56,58（第５図）の第１化学腐食が
行われ、これに続いてこれら二つの腐食マスクの除去が
行われる。
このようにして腐食された導体層56,58の一つは、そ
の後、基板22に対する腐食マスクとして働く。次いで、
これらの腐食された層56,58上に、製造しようとする電
源供給用導体50a及び52a（第４図）の像をそれぞれ表わ
す二つの樹脂マスク60,62が再び形成される。
第６図に示されたように、これに続いて、例えば、腐
食された層56をマスクとして使用する、基板22の異方性
化学腐食が行われる。基板のこの腐食は、基板上面27に
垂直に（Ｚ方向）行われ、その結果、第１欠切部24、第
２欠切部30をそれぞれ形成しかつ加速度計のたわみ性梁
26を形成する。さらに、前記腐食は、この基板の全厚さ
に渡って遂行される。
樹脂マスク60,62を使用して、次いで、層56,58の第２
腐食が行われ、この結果、圧電抵抗ひずみ計の電源供給
用導体50a,52a（第８図）を形成する。
マスク60,62の除去の後、基板上面27上に、例えば、
機械的マスク34が置かれ、ひずみ計の側方寸法の規定を
可能にする。第２図に関連して説明されたように、これ
に続いて、梁26の面28,36及び48への圧電抵抗ひずみ計
とその電気接続部の真空蒸着が行われる。50マイクロメ
ートルの幅（ｌに等しい）、150マイクロメータの長さ
（基板厚さ、したがって梁の厚さに等しい）、及び0.2
マイクロメータの厚さを有し、10パーセントの金でドー
プされた多結晶ゲルマニウム圧電抵抗ひずみ計で以っ
て、約６キロオームの抵抗が得られる。単結晶石英梁上
に前述に規定された仕方で形成された四つのひずみ計の
ホイートストンブリッジを使用して0.5×103の梁変形の
場合、電源ボルト当り7.5ミリボルトの信号を供給する
加速度計が得られる。これに比べて、従来の加速度計で
得られるのは、電源ボルト当たり３ミリボルトの信号で
ある。
第７図及び第10図は、圧電抵抗ひずみ計を備えた加速
度計の製造を示し、この場合も電源供給用導体がひずみ
計よりも前に製造されるが、基板はケイ素から作られ
る。
第５図及び第６図に関連して説明された処理に比べ
て、基板22とそれぞれ導体層56,58との間に、Si3N4及び
／又はSiO2で作られかつCVD（化学的気相成長法）又はS
iO2に対しては熱酸化によって堆積された二つの絶縁層6
4,66が置かれる。
たわみ性梁及び基板の第１欠切部と第２欠切部の像を
表わす導体層56,58の各々上の樹脂マスクの形成の後、
導体層56,58及びこれに続く絶縁層64,66（第７図）の第
１腐食が行われ、その後、これらのマスクが除去され
る。
このようにして腐食された絶縁層64又は66は、その
後、基板22に対する腐食マスクとして働く。これに続い
て、作ろうとする電源供給用導体50a,52a（第８図）の
像を表わすマスク60,62の形成が行われる。
第８図に示された仕方においては、これに続いて、電
源供給用導体を形成するために導体層56,58の第２腐食
が行われ、次いで、マスク60及び62が除去される。
例えば、腐食された絶縁層64,66をマスクとして使用
し、基板22をその全厚さに渡ってかつ基板上面に垂直な
ｚ方向に異方性化学的腐食が行われる。これによって、
第１欠切部24、第２欠切部30の各々と加速度計梁26とを
形成することができる。
第９図を参照すると、導体50a及び52aをマスクとして
使用し、絶縁層64,66それぞれの第２化学腐食が行われ
る。
機械的マスク34が、次いで、基板上面27上に置かれ、
ホウソ又はリンイオンがこのマスクを通して注入される
結果、面28,36及び48内に圧電抵抗層42aが形成されこれ
がひずみ計とその電気接続部を形成する。
面28と反対側の梁26の側面54（第10図）内のイオン注
入を全面的に防止するために、イオンビーム40の傾斜角
は10゜と30゜の間にある。
角Ｂに従う第２イオン注入（図２）は、梁の上面と下
面のドーピングを大きくとる見地から、随意選択的に実
施される。
第10図に示されたように、これに続いて、梁26の上、
下に、例えば、アルミニウムの二つの導電性堆積68,70
の形成が行われ、これによって、イオン注入された層42
aの上側導体50a及び下側導体52aへの電気的接続を可能
とする。
異方性化学的腐食によって得られた、たわみ性梁を備
えるケイ素基板の場合、梁の側面、特に面28は、ケイ素
の結晶面＜111＞でなければならず、これによって横方
向ひずみ計係数Ktは、この場合、ひずみ計の方向に無関
係に30に近くなる。このような状態の下に、ホイートス
トンブリッジに接続された、四つの注入ひずみ計を備え
る加速度計の出力信号は、電源ボルト当り約15ミリボル
トになり、これもまた適当である。
【図面の簡単な説明】
第１図は、先行のマイクロエレクトロニクス技術によっ
て製造された指向性加速度計の部分斜視図、 第２図は、本発明の製造方法による圧電抵抗ひずみ計の
製造工程における斜視図、 第３図は、本発明の製造方法による圧電抵抗ひずみ計用
の電源供給用導体の、ひずみ計後に形成される場合の、
斜視図、 第４図は、本発明の製造方法による圧電抵抗ひずみ計と
電源供給用導体を備えるたわみ性梁の、電源供給用導体
がひずみ計より前に製造される場合の、斜視図、 第５図及び第６図は、本発明の製造方法による石英基板
に関連した圧電抵抗ひずみ計を備える加速度計の、電源
供給用導体がひずみ計よりも前に製造される場合の、各
製造工程におけるそれぞれ斜視図、 第７図から第10図は、本発明の製造方法によるケイ素基
板に関連した圧電抵抗ひずみ計を備える加速度計の、電
源供給用導体がひずみ計よりも前に製造される場合の、
各製造工程におけるそれぞれ斜視図、 である。 〔符号の説明〕 22:基板 24:第１欠切部 26:梁 30:第２欠切部 32:開口 34:機械的マスク 38:方形開口 40:粒子ビーム 42:圧電抵抗材料堆積 44:圧電抵抗ひずみ計 46,46a:圧電抵抗ひずみ計電気接続部 50,50a,52,52a:電源供給用導体又は電源供給用導体 56,58:導体層 60,62:樹脂マスク 64,66:絶縁層

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】基板を該基板面に垂直に腐食することによ
    って形成されかつ該基板内に形成された第１欠切部内を
    横方向に運動することのできる一端を有する梁の側面上
    の圧電抵抗ひずみ計の製造方法であって、前記第１欠切
    部と連絡する第２欠切部を形成するために基板を該基板
    表面に垂直に腐食する段階と、前記第２欠切部に面しか
    つ部分的に前記梁の上面を覆って拡がる開口を有する機
    械的マスクを前記基板上面上に置く段階と、前記ひずみ
    計及び該ひずみ計の電気接続部を形成することのできる
    粒子ビームを前記開口に通す段階と、前記マスクを除去
    する段階と、前記ひずみ計に電流を供給するために前記
    梁の上面及び下面上に電気的導体を作成する段階とを包
    含し、前記製造方法において、前記連絡する領域は製造
    しようとするひずみ計の像を表わすことと、前記ビーム
    は前記基板表面に対して傾斜した方向に指向させられる
    こととを特徴とする前記製造方法。
  2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項記載の製造方法にお
    いて、前記圧電抵抗層は圧電抵抗材料から真空蒸着によ
    って形成されることとを特徴とする前記製造方法。
  3. 【請求項３】特許請求の範囲第２項記載の製造方法にお
    いて、前記圧電抵抗材料は金ドープ多結晶ゲルマニウム
    であることを特徴とする前記製造方法。
  4. 【請求項４】特許請求の範囲第１項記載の製造方法にお
    いて、前記圧電抵抗層は前記基板内へのイオン注入によ
    って形成されることを特徴とする前記製造方法。
  5. 【請求項５】特許請求の範囲第１項記載の製造方法にお
    いて、前記電気的導体は前記圧電抵抗ひずみ計の製造前
    に作成されることを特徴とする前記製造方法。
  6. 【請求項６】特許請求の範囲第１項記載の製造方法にお
    いて、前記電気的導体は前記圧電抵抗ひずみ計の製造後
    に真空蒸着によって作成されることを特徴とする前記製
    造方法。
  7. 【請求項７】梁の一端が基板内に形成される第１欠切部
    内を横方向に運動することのできる該梁を有し、該梁の
    変位を測定するために使用される前記梁の側面上に形成
    された圧電抵抗ひずみ計を備える加速度計の製造方法で
    あって、第１欠切部及び該第１欠切部に連絡する第２欠
    切部を同時に形成するために前記基板を該基板上面に垂
    直に腐食する段階と、前記第２欠切部に面しかつ部分的
    に前記梁の上面を覆って拡がる開口を備える機械的マス
    クを前記基板の上面上に置く段階と、前記ひずみ計と該
    ひずみ計の電気接続部を構成する圧電抵抗層を形成する
    ことのできる粒子ビームを前記開口に通す段階と、前記
    マスクを除去する段階と、前記ひずみ計に電力を供給す
    るために前記梁の上面及び下面上に電気的導体を作成す
    る段階とを包含し、前記製造方法において前記連絡する
    領域は製造しようとする前記ひずみ計の像を表わすこと
    と、前記ビームは前記基板上面に対して傾斜した方向に
    指向させられることとを特徴とする前記製造方法。
  8. 【請求項８】特許請求の範囲第７項記載の製造方法であ
    って、前記ひずみ計に電力を供給する前記電気的導体が
    作成されるであろう前記基板の上面及び下面上に二つの
    導体層をそれぞれ堆積する段階と、前記第１欠切部及び
    前記第２欠切部の像を表わす前記基板の第１腐食マスク
    を形成するために前記二つの導体層の第１腐食を行う段
    階と、前記第１腐食マスクを使用して欠切部を形成する
    ために前記基板を該基板上面及び下面に垂直に腐食する
    段階と、前記電気的導体を形成するために前記導体層の
    第２腐食を行う段階と、前記基板上面に前記機械的マス
    クを置く段階と、前記機械的マスクの前記開口に粒子ビ
    ームを通す段階と、前記機械的マスクを除去する段階と
    を含むことを特徴とする前記製造方法。
  9. 【請求項９】特許請求の範囲第７項記載の製造方法にお
    いて、前記第１欠切部及び前記第２欠切部は前記基板の
    異方性化学的腐食によって形成されることを特徴とする
    前記製造方法。
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