JP3213142B2 - 単結晶基板構造体の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、単結晶基板構造体およ
びその製造方法に係り、半導体の加工技術を用いて単結
晶基板に形成される、特に深さ方向に構造を持った単結
晶一体構造体よりなるマイクロマシンまたはマイクロマ
シンを構成する部品の製造方法に関するものである。例
えば、自動車の車体制御システム、あるいはエアバッグ
システムに好適な容量式加速度センサに利用される。

【０００２】

【従来の技術】半導体の加工技術を用いて単結晶基板構
造体を加工する場合、構造体の寸法を均一に精度良く制
御できることから、単結晶シリコンの異方性エッチング
が多く用いられる。この異方性エッチングで加工された
構造体の従来例として、例えば、特開平１−１５２３６
９号公報記載の容量式加速度センサが知られている。図
１２は、上記公報記載の従来の容量式加速度センサの構
造を示す断面図である。

【０００３】図１２に示す容量式加速度センサは、三層
構造となっており、中央のシリコン層は質量部１２０１
および梁部１２０２の位置が板厚方向に完全に対称な形
状をしている。上下の二層である上部キャップ１２０
４、下部キャップ１２０６は、質量部１２０１側に導電
面である上部電極１２０５、下部電極１２０７を具備し
ている。中央層は、質量部１２０１と、前記上，下部キ
ャップ１２０４、１２０６と接合される枠部１２０３
と、質量部１２０１を枠部１２０３に吊るす一本以上の
梁部１２０２から構成されている。質量部１２０１の上
と下の表面は、前記上，下部キャップ１２０４，１２０
６上の上，下電極１２０５，１２０７との隙間により各
々静電容量を形成している。

【０００４】図１２の容量式加速度センサにおいて、前
記質量部１２０１は可動電極、梁部１２０２はカンチレ
バー（片持ち梁）、上，下電極１２０５，１２０７は固
定電極を構成し、枠部１２０３はシリコン板、上，下部
キャップ１２０４，１２０６はガラス板である。

【０００５】加速度センサは、加速度による質量部１２
０１の慣性力を上下の隙間の静電容量の変化から電気信
号として出力する。図１２からもわかるように質量部１
２０１の重心１２０８は梁部１２０２の中心線上にあ
り、他軸感度はない。しかし、図１２の容量式加速度セ
ンサの中央層の構造のように、梁が基板厚さの中央にあ
るような高段差を有する構造体を製造するには、高段差
部へのレジスト塗布や露光が難しく、例えば段差部にレ
ジスト剥離が生じたり、段差の上と下とのレジスト厚を
均一にできないため加工形状の不具合が生じやすく、量
産時の歩留まりが数パーセント程度までしか向上しない
という問題があった。

【０００６】この問題を解決するため、例えば、特開平
５−１０９６９号公報記載のプロセスが開発されてい
る。図３は、上記公報記載の、片持ち梁構造を加工する
従来プロセスを示す断面図である。図３に示すプロセス
の特徴は、単結晶基板３０１の両表面に梁３０４の原形
となるものを形成し、次にその梁３０４の原形の全面と
貫通する部分とを単結晶基板３０１の両表面からエッチ
ングして梁３０４の厚さを目的の厚さまで薄くすると同
時に梁３０４の周辺を貫通して梁３０４を形成する点
と、基板３０１の表面が平坦なうちに後に用いるエッチ
ングマスク３０２，３０３を重ねて形成し、エッチング
毎にエッチングマスクを除去することで複数回のエッチ
ングを行う点にある。これにより、段差を持った基板３
０１の表面にレジストを塗布したりパターンを露光する
必要がなくなり、１００％に近い歩留まりで多段構造を
加工できる。

【０００７】図３に示すプロセスでは、基板３０２の厚
み中央に梁部３０４を形成するため、（ａ）のプロセス
で、エッチングで用いる二枚のマスク３０２，３０３を
重ねて形成し、（ｂ）のプロセスで梁部３０４の原形を
形成し、（ｃ）のプロセスで梁部原形上のエッチングマ
スクのみを除去し、（ｄ）のプロセスでサイドエッチン
グにより梁幅を狭めながら、梁厚を薄くして梁側面を貫
通し梁３０４を形成するものである。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ここで問題となるの
は、図３（ｄ）のプロセスで梁３０４の厚さを薄くする
際に、サイドエッチングで梁３０４の幅も狭くなる点で
ある。例えば、エッチング液として６７℃の４０ｗｔ％
水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液を用いて、その法線方
向が（１００）方向である単結晶シリコン基板に加工を
行い、サイドエッチングが（１１０）方向に発生する場
合、サイドエッチングで梁３０４の原形の幅の狭くなる
際の幅方向のエッチング量は、次式で与えられる。 幅方向エッチング量（片側）≒１．８×深さ方向エッチング量……〔イ〕

【０００９】基板３０１として厚みがＨＯμｍのものを
用いるとすると、厚みＨＩμｍ、幅ＢＩμｍの梁３０４
を形成するために必要となる梁３０４の原形の幅ＢＯ
は、サイドエッチングで梁３０４の原形の幅が狭くなる
ことを考慮して、 Ｂ０≒１．８×（Ｈ０÷２−Ｈ１÷２）×２＋Ｂ１ ……〔ロ〕 となる。チップを設計する場合には、このサイドエッチ
ング量を見込む必要があり、その分だけチップサイズが
大きく、コスト高となる。

【００１０】図１１に、梁サイズを一定として基板厚さ
を横軸にサイドエッチングが生じるときのチップサイズ
を基準としたサイドエッチングが生じないときのチップ
サイズの比率を縦軸にしてサイドエッチングのチップサ
イズに与える影響を示した。ここで用いた梁サイズは、 梁厚：Ｈ１＝５０μｍ、梁幅：Ｂ１＝２００μｍ である。図１１から、例えば基板厚さを４００μｍとす
ると、チップサイズだけから考えたコストはサイドエッ
チングがない場合にはサイドエッチングがある場合の約
半分となることがわかる。これから、図３に示すプロセ
スを用いて歩留まりを向上させたときにサイドエッチン
グが生じないようにすることができれば、チップサイズ
のみを考慮したコストを低減できる。

【００１１】本発明は、上記実情に鑑みてなされたもの
で、基板深さ方向に構造を持ったチップを、多段異方性
エッチングプロセスで加工する際、サイドエッチングの
発生を防止し、プロセスによる制約を受けることなく、
必要最小限の寸法で製作することを可能とする単結晶基
板構造体およびその製造方法を提供することを目的とす
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、単結晶基板の両表面の少なくとも梁原形
部上および梁部を支える枠部上に形成した第一の保護膜
で保護した状態で、前記単結晶基板の両面からエッチン
グを施して段差を形成する第１のエッチング工程と、前
記第一の保護膜のうち前記梁原形部上における外周部を
残して中央部を除去した第二の保護膜で保護した状態
で、前記単結晶基板の両面からエッチングを施して前記
梁原形部の外周部に堤防状の構造物を形成する第２のエ
ッチング工程と、前記第二の保護膜のうち前記梁原形部
上における外周部を除去した第三の保護膜で保護した状
態で、前記単結晶基板の両面からエッチングを施して前
記堤防状の構造物によって梁部の幅方向のエッチングを
抑制しながら梁厚を目的の厚さまで薄くして前記梁部と
前記枠部との間に貫通部を形成する第３のエッチング工
程とを有し、一本以上の梁部を備えた単結晶基板構造体
を製造することを特徴とする単結晶基板構造体の製造方
法である。

【００１３】また、本発明は、前記単結晶基板構造体の
製造方法において、前記単結晶基板構造体は、前記梁部
の端部の稜線と前記貫通部を介して前記梁部と向き合う
枠部の端部の稜線との間の水平距離が、前記単結晶基板
の表面から前記梁部の表面までの垂直距離の１．８倍以
下で構成することを特徴とする。

【００１４】また、本発明は、単結晶基板の表面の少な
くとも第一の原形部上および枠部上に形成した第一の保
護膜で保護した状態で、前記単結晶基板の表面側からエ
ッチングを施して段差を形成する第１のエッチング工程
と、前記第一の保護膜のうち前記第一の原形部上におけ
る外周部を残して他の部分を除去した第二の保護膜で保
護した状態で、前記単結晶基板の表面側からエッチング
を施して前記第一の原形部の外周部に堤防状の構造物を
形成する第２のエッチング工程と、前記第二の保護膜の
うち前記第一の原形部上における外周部を除去した第三
の保護膜で保護した状態で、前記単結晶基板の表面側か
らエッチングを施して前記堤防状の構造物によって第一
の部分の幅方向のエッチングを抑制しながら前記第一の
部分を目的の厚さに形成する第３のエッチング工程とを
有し、前記枠部内に少なくとも前記第一の部分を備えた
単結晶基板構造体を製造することを特徴とする単結晶基
板構造体の製造方法である。 また、本発明は、前記単結
晶基板構造体の製造方法において、前記単結晶基板構造
体は、前記第一の部分を錘部とし、該錘部と前記枠部と
の間をダイヤフラム部で接続したダイヤフラム構造体で
構成することを特徴とする。

【００１５】また、本発明は、単結晶基板の表面の少な
くとも第一の原形部上および枠部上に形成した第一の保
護膜で保護した状態で、前記単結晶基板の表面側からエ
ッチングを施して段差を形成する第１のエッチング工程
と、前記第一の保護膜のうち前記第一の原形部上におけ
る内周部を残して他の部分を除去した第二の保護膜で保
護した状態で、前記単結晶基板の表面側からエッチング
を施して前記第一の原形部の内周部に堤防状の構造物を
形成する第２のエッチング工程と、前記第二の保護膜の
うち前記第一の原形部上における内周部を除去した第三
の保護膜で保護した状態で、前記単結晶基板の表面側か
らエッチングを施して前記堤防状の構造物によって第一
の部分の幅方向のエッチングを抑制しながら前記第一の
部分を目的の厚さに形成する第３のエッチング工程とを
有し、前記枠部内に少なくとも前記第一の部分を備えた
単結晶基板構造体を製造することを特徴とする単結晶基
板構造体の製造方法である。 また、本発明は、前記単結
晶基板構造体の製造方法において、前記単結晶基板構造
体は、第一の部分を枠部に接続された第１のダイヤフラ
ム部とし、該第１のダイヤフラム部同志の間を第２のダ
イヤフラム部で接続したダイヤフラム構造体で構成する
ことを特徴とする。

【００１６】なお付記すると、要するに、本発明の特徴
は、先に示した図３（ｄ）のプロセスにおけるサイドエ
ッチングの発生を防ぐための構造体を形成することであ
る。具体的には、サイドエッチングが発生する梁上面端
部に堤防状の構造部を形成する。ここで形成される堤防
状構造部は、梁厚さを薄くしつつ梁周辺を貫通する工程
においてエッチングで除去され、図３のプロセスで形成
される梁と同じサイズの梁が形成できるものである。

【００１７】

【作用】上記技術的手段の働きは下記のとおりである。
図１０は、堤防状構造によるサイドエッチング防止手段
を示す模式図である。梁上面端部に形成された堤防状構
造部は、それ自身がエッチングされることで、梁のサイ
ドエッチングを防止する。図１０には、堤防状構造部が
サイドエッチングを防止する状況を梁長手方向に対して
直角方向の断面を用いて示している。まず、図１０
（ａ）のような梁部１００２上面端部の堤防状構造部１
００１を梁長手方向の梁全長にわたって形成する。この
構造体全面をエッチングすると、図１０（ｂ）のよう
に、堤防状構造部１００１上面の両端部がサイドエッチ
ングされ始める。

【００１８】図１０（ｂ）ないし（ｃ）でわかるよう
に、サイドエッチングが堤防状構造部１００１の両端部
から進行するため、堤防状構造部１００１の中央部でお
互いの進行が止まり、堤防の高さ方向のエッチングだけ
が進行するようになる。そして最終的に、図１０（ｄ）
のように、堤防状構造部１００１がエッチングで消滅す
るときに梁１００２の周辺の貫通部１００３が貫通さ
れ、梁部１００２が形成される。

【００１９】このようにプロセスを設計すれば、図３に
示したプロセスと同様の１００％に近い歩留まりを維持
したまま、サイドエッチングによるチップサイズの増大
をなくすことが可能となる。例えば、エッチング液とし
て６７℃の４０ｗｔ％ＫＯＨ水溶液を用いてその法線方
向が（１００）方向である厚さ４００μｍの単結晶シリ
コン基板に厚さ５０μｍ・幅２００μｍの梁をサイドエ
ッチングが（１１０）方向に発生するように加工する場
合、図１１からわかるように後述する図２のプロセスを
用いれば、チップサイズを図３のプロセスの約４８％に
低減できる。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の各実施例を図１ないし図８を
参照して説明する。 〔実施例 １〕まず、第一の発明の実施例を図１および
図２を参照して説明する。図１は、本発明の一実施例に
係る片持ち梁構造の単結晶基板構造体を示し、（ａ）は
正面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図、図２は、図１に示す片
持ち梁構造を実現する製造プロセスを示す、梁長手方向
から見た断面図である。図１において、１０１は、基板
厚さの中央部に位置する梁部、１０２は錘部（質量部に
相当する）、１０３は枠部であり、梁部１０１は錘部１
０２を片持ちで支持するカンチレバーとなっており、図
２では２０６がその梁部に相当する。

【００２１】以下に本実施例の製造プロセスを説明す
る。まず、図２（ａ）のプロセスでは、単結晶基板２０
１の両表面に、後で行う三回の異方性エッチングに用い
る三枚のエッチングマスク２０２，２０３，２０４を重
ねて形成する。これらマスクは、互いに異なる材質の膜
で形成することが望ましいが、同じ材質であってもその
厚みを異ならせることで機能を果たす。エッチングマス
クの材質としては、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２），窒化
けい素（Ｓｉ３Ｎ４）を用いる。

【００２２】図２（ｂ）のプロセスでは、第３のエッチ
ングマスク２０４を用いて少なくとも梁厚の半分以上の
段差が形成されるまで水酸化カリウム水溶液を用いた異
方性エッチングを行う。図２（ｃ）のプロセスでは、第
３のエッチングマスク２０４のみを除去する。図２
（ｄ）のプロセスでは、第２のエッチングマスク２０３
を用いて水酸化カリウム水溶液による異方性エッチング
により、梁エッジ部に堤防状構造部２０５を形成する。
このときの堤防状構造部２０５の幅と高さから最終的な
梁部２０６の断面形状を制御する。この詳細については
後述する。

【００２３】図２（ｅ）のプロセスでは、第２のエッチ
ングマスク２０３のみを除去する。次いで、図２（ｆ）
のプロセスでは、第１のエッチングマスク２０２を用い
て水酸化カリウム水溶液により梁厚を薄くしつつ梁周辺
部を貫通し、梁部２０６を形成する。このとき、梁エッ
ジ部の堤防状構造部２０５が先に説明した図１０に示し
た手順により梁の幅方向のエッチングを抑制するため、
梁原形の幅を維持したまま目的の梁厚に形成することが
できる。

【００２４】次に、６７℃の４０ｗｔ％水酸化カリウム
水溶液を用いて面方位（１００）、断面方位（０１
１）、厚さ４００μｍの単結晶シリコンウェハ上に厚さ
２０μｍ、幅２００μｍの梁部２０６を形成する場合を
例にとり、図２を参照してプロセス設計方法を説明す
る。第１に、図２（ｂ）のプロセスで梁原形を形成す
る。ここで、必要な値は、梁原形の幅と高さで、次の式
〔１〕，〔２〕から求まる。 梁原形幅＝梁幅＋堤防状構造体幅÷２×２ ＝２００＋２０÷２×２＝２２０μｍ ……〔１〕 梁原形高＝梁厚÷２＋オーバーエッチング量（片側） ＝２０÷２＋１５＝２５μｍ ……〔２〕

【００２５】式〔１〕において、堤防状構造部２０５の
幅は狭ければ狭いほど良いが、プロセスの安定性を考え
て２０μｍとした。式〔２〕のオーバーエッチング量と
は、梁部２０６の周辺が貫通した後に行うエッチング量
である。このエッチングによって上下パターンの位置ず
れ等で発生する梁部２０６の側面の切欠き状形状等を除
去し、梁部２０６の強度の向上をはかる。この値は、用
いるプロセス装置の位置合わせ精度に依存するが、ここ
ではプロセス装置の総合位置合わせ精度を２０μｍとし
てオーバーエッチング量を１５μｍとした。

【００２６】次に、図２（ｄ）のプロセスによって、堤
防状構造部２０５を形成する。ここで、必要となる値
は、堤防状構造部２０５の梁原形表面からの高さ、すな
わち、図２（ｄ）のプロセスでのエッチング量である。
この値を求めるには、堤防状構造部２０５のエッチング
による形状変化を追い、最終的に堤防状構造部２０５が
消失する条件を検討する必要がある。

【００２７】まず、図２（ｆ）のプロセスによって、堤
防状構造部２０５は、その上部の平坦面と梁原形上部平
坦面との段差量を一定に保ちながら幅方向にエッチング
される。このときの幅方向のエッチング量は、 幅方向エッチング量（片側）≒１．８×深さ方向エッチング量……〔３〕 で与えられる。なお、ここで、幅方向エッチング量と深
さ方向エッチング量との比較は、梁表面端部の稜線と貫
通部を介して梁と向き合う基板表面端部の稜線との水平
距離と、単結晶基板表面から梁表面までの垂直距離との
比較に置き換えて考えることができる。

【００２８】上述の幅方向のエッチングにより、堤防状
構造部の上部平坦面は消失し、堤防状構造部２０５の梁
長手方向と直角をなす平面で切った上部断面形状は、台
形から三角形へと変わる。これにより、堤防状構造部２
０５の上端部の深さ方向のエッチング量は、それまで梁
原形上部平坦面と同じであったものが、 堤防状構造体エッチング量≒５．７×梁原形エッチング量 ……〔４〕 となる。

【００２９】これにより、堤防状構造部２０５の梁原形
との段差量は、エッチングの進行とともに減少する。最
終的に堤防状構造体２０５をなくすには、第３の異方性
エッチングの間に堤防状構造部２０５と梁原形との段差
量が零となるようにすれば良いから、式〔３〕および式
〔４〕から、

【数１】 と求められる。この値が、図２（ｄ）のプロセスにおけ
るエッチング量である。

【００３０】次に、図２（ｆ）のプロセスによって梁厚
が２０μｍになるまで、すなわち、 第３エッチング量＝ウェハ厚÷２−梁厚÷２−堤防状構造高 ＝４００÷２−２０÷２−１５７ ＝３３μｍ ……〔６〕 だけ、水酸化カリウム水溶液を用いて異方性エッチング
すれば、梁部２０６は完成する。

【００３１】ここで、上記プロセスを用いず、先に図３
に示した従来プロセスを用いた場合の梁原形幅を求め
て、本発明での梁原形幅と比較する。従来プロセスでの
梁原形は、式〔３〕で示される幅方向のエッチングを受
けながら形成されていくから、最終的に２００μｍ幅に
なるためには、 梁原形幅≒１．８×（ウェハ厚÷２−梁厚÷２）×２＋２００ ＝１．８×（４００÷２−２０÷２）×２＋２００ ＝８８４μｍ ……〔７〕 と求められる。この値は、本発明の梁原形幅２２０μｍ
の約４倍となる。このことから、本発明は、チップサイ
ズを小さくする場合に有効なプロセスであることがわか
る。

【００３２】図１，２に示す片持ち梁構造の単結晶基板
構造体では、幅方向のエッチング量と深さ方向のエッチ
ング量との関係を比較するメジャーとして、梁表面端部
の稜線と貫通部を介して梁と向き合う基板表面端部の稜
線との水平距離が、単結晶基板表面から梁表面までの垂
直距離の１．８倍以下になっているものである。

【００３３】〔実施例 ２〕図４は、本発明の他の実施
例に係るダイヤフラム構造の単結晶基板構造体を示し、
（ａ）は正面図、（ｂ）はＢ−Ｂ断面図、図５は、図４
に示すダイヤフラム構造を実現する製造プロセスを示
す、梁長手方向から見た断面図である。図４において、
４０１は錘部（質量部に相当する）、４０２はダイヤフ
ラム部、４０３は枠部である。図５においては、錘部は
５０６、ダイヤフラム部は５０７で示す。

【００３４】図５（ａ）のプロセスでは、単結晶基板５
０１の少なくとも片方の表面に、後で行う三回の異方性
エッチングに用いる三枚のエッチングマスク５０２，５
０３，５０４を重ねて形成する。これらマスクは、お互
いに異なる材質の膜で形成することが望ましいが、同じ
材質であってもその厚みを異ならせることで機能を果た
すことができる。エッチングマスクの材質としては、Ｓ
ｉＯ２，Ｓｉ３Ｎ４を用いる。

【００３５】図５（ｂ）のプロセスでは、第３のエッチ
ングマスク５０４を用いて錘部５０６とダイヤフラム部
５０７との段差量だけ水酸化カリウム水溶液を用いた異
方性エッチングを行う。図５（ｃ）のプロセスでは、第
３のエッチングマスク５０４のみを除去する。図５
（ｄ）のプロセスでは、第２のエッチングマスク５０３
を用いて水酸化カリウム水溶液による異方性エッチング
で錘エッジ部に堤防状構造部５０５を形成する。このと
きの堤防状構造部５０５の幅と高さから最終的な錘部５
０６の断面形状を制御する。

【００３６】図５（ｅ）のプロセスでは、第２のエッチ
ングマスク５０３のみ除去する。図５（ｆ）のプロセス
では、第１のエッチングマスク５０２を用いて水酸化カ
リウム水溶液によりダイヤフラム部５０７と錘部５０６
の段差量を一定に保ちつつ全体を薄くして最終形状を得
る。このとき、錘エッジ部の堤防状構造部５０５が錘部
５０６の幅方向のエッチングを抑制するため、錘原形の
幅を維持したまま目的の錘厚にできる。

【００３７】次に、６７℃の４０ｗｔ％水酸化カリウム
水溶液を用いて面方位（１００）、断面方位（０１
１）、厚さ３５０μｍの単結晶シリコンウェハ上にダイ
ヤフラム厚２０μｍ、梁厚５０μｍ、梁幅２００μｍの
構造を形成する場合を例に、そのプロセスの詳細を説明
する。

【００３８】第１に、図５（ｂ）のプロセスでは錘原形
を形成する。ここで、必要な値は、錘原形の一辺の長さ
と高さで、次の式〔８〕，

〔９〕から求められる。 梁原形幅＝錘一辺の長さ＋堤防状構造幅÷２×２ ＝２００＋２０÷２×２＝２２０μｍ ……〔８〕 梁原形高＝錘厚−ダイヤフラム厚＝５０−２０＝３０μｍ ……

〔９〕 式〔８〕において、堤防状構造幅は狭ければ狭いほど良
いが、プロセスの安定性を考えて２０μｍとした。

【００３９】次に、図５（ｄ）のプロセスでは、堤防状
構造部５０５を形成する。ここで、必要となる値は、堤
防状構造部５０５の梁原形表面からの高さ、すなわち図
５（ｄ）におけるエッチング量である。この値を求める
には、堤防状構造部５０５のエッチングによる形状変化
を追い、最終的に堤防状構造部５０５が消失する条件を
検討する必要がある。

【００４０】まず、図５（ｆ）のプロセスで堤防状構造
５０５は、その上部の平坦面と梁原形上部平坦面との段
差量を一定に保ちながら幅方向にエッチングされる。こ
のときの幅方向のエッチング量は、 幅方向エッチング量（片側）≒１．８×深さ方向エッチング量……〔１０〕 で与えられる。この幅方向のエッチングにより、堤防状
構造部５０５の上部平坦面は消失し、堤防状構造部５０
５の長手方向と直角をなす平面で切った上部断面形状
は、台形から三角形へと変わる。

【００４１】これにより、堤防状構造部５０５の上端部
の深さ方向のエッチング量は、それまで梁原形上部平坦
面と同じであったものが、 堤防状構造エッチング量≒５．７×錘原形エッチング量 ……〔１１〕 となる。

【００４２】これにより、堤防状構造部５０５の錘原形
との段差量は、エッチングの進行とともに減少する。最
終的に堤防状構造部５０５をなくすには、第３の異方性
エッチングの間に堤防状構造部５０５と錘原形との段差
量が零となるようにすれば良いから、式〔１０〕および
式〔１１〕から、

【数２】 と求められる。この値が、図５（ｄ）のプロ
セスにおけるエッチング 量である。

【００４３】次に、図５（ｆ）のプロセスでは、錘厚が
５０μｍになるまで、すなわち、 第３エッチング量＝ウェハ厚−錘厚−堤防状構造高 ＝３５０−５０−２５０ ＝５０μｍ ……〔１３〕 だけ水酸化カリウム水溶液を用いて異方性エッチングす
れば、所望の単結晶基板構造体は完成する。

【００４４】ここで、上記プロセスを用いず、図６に示
す従来プロセスを用いた場合の錘原形の一辺の長さを求
めて、本発明での錘原形の一辺の長さと比較する。図６
は、図４のダイヤフラム構造を加工する従来プロセスの
断面図である。図６に示すプロセスでは、単結晶基板６
０１に錘部６０４およびダイヤフラム部６０５を形成す
るため、（ａ）のプロセスで、エッチングで用いる二枚
のマスク６０２，６０３を重ねて形成し、（ｂ）のプロ
セスで錘部６０４の原形を形成し、（ｃ）のプロセスで
梁部原形上のエッチングマスクのみを除去し、（ｄ）の
プロセスでエッチングにより全体を薄くして錘部６０４
およびダイヤフラム部６０５の最終形状を得る。

【００４５】錘原形は、式〔８〕で示されるサイドエッ
チングを受けながら形成されていくから、最終的に２０
０μｍ幅になるためには、 錘原形一辺長≒１．８×（ウェハ厚−錘厚）×２＋２００ ＝１．８×（３５０−５０）×２＋２００ ≒１２８０μｍ ……〔１４〕 と求められる。この値は、本実施例の錘原形一辺長２２
０μｍの約５．８倍となる。このことから、本実施例
は、チップサイズを小さくする場合に有効なプロセスで
あることがわかる。

【００４６】〔実施例 ３〕次に、第二の発明の実施例
を図７および図８を参照して説明する。図７は、本発明
のさらに他の実施例に係るダイヤフラム構造の単結晶基
板構造体を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）はＣ−Ｃ断面
図、図８は、図７に示すダイヤフラム構造を実現する加
工プロセスを示す、ダイヤフラム平面と直角をなす平面
で切った断面図である。図７に示すダイヤフラム構造
は、二段の段差を有するもので、７０１は第１のダイヤ
フラム部、７０２は第２のダイヤフラム部、７０３は枠
部である。図８においては、第１のダイヤフラム部は８
０６、第２のダイヤフラム部は８０７に示す。

【００４７】図８（ａ）のプロセスでは、単結晶基板８
０１の少なくとも片方の表面に、後で行う三回の異方性
エッチングに用いる三枚のエッチングマスク８０２，８
０３，８０４を重ねて形成する。これらマスクは、お互
いに異なる材質の膜で形成することが望ましいが、同じ
材質であってもその厚みを異ならせることで形成でき
る。エッチングマスクの材質としては、ＳｉＯ２，Ｓｉ
３Ｎ４を用いる。

【００４８】図８（ｂ）のプロセスでは、第３のエッチ
ングマスク８０４を用いて第１ダイヤフラム８０６と第
２ダイヤフラム８０７との段差量だけ水酸化カリウム水
溶液を用いた異方性エッチングを行う。図８（ｃ）のプ
ロセスでは、第３のエッチングマスク８０４のみを除去
する。図８（ｄ）のプロセスでは、第２のエッチングマ
スク８０３を用いて水酸化カリウム水溶液による異方性
エッチングで第１ダイヤフラムエッジ部に堤防状構造部
８０５を形成する。このときの堤防状構造部８０５の幅
と高さから最終的な第１ダイヤフラム断面形状を制御す
る。

【００４９】図８（ｅ）のプロセスでは、第２のエッチ
ングマスク８０３のみ除去する。図８（ｆ）のプロセス
では、第１のエッチングマスク８０２を用いて水酸化カ
リウム水溶液により第１ダイヤフラム８０６と第２ダイ
ヤフラム８０７の段差量を一定に保ちつつ全体を薄く
し、最終形状を得る。このとき、第１のダイヤフラムエ
ッジ部の堤防状構造部８０５が第１ダイヤフラム８０６
のサイドエッチングを抑制するため、第１ダイヤフラム
端部位置を維持したまま目的のダイヤフラム厚にでき
る。具体的寸法については、先の第２の実施例と同様と
なる。

【００５０】図７，８に示すダイヤフラム構造では、幅
方向のエッチング量と深さ方向のエッチング量との関係
を比較するメジャーとして、第一の段差の底部の稜線か
ら第二の段差上部の稜線までの距離が、第一の段差同志
が向かいあっている場合には、第二の段差の上部から底
部までの垂直距離の３．６倍以内であり、第一の段差の
対面が基板表面から延びる面の場合は第二の段差の上部
から底部までの垂直距離の１．８倍以内になっているも
のである。

【００５１】図９は、図７のダイヤフラム構造を加工す
る従来プロセスの断面図である。図９に示すプロセスで
は、単結晶基板９０１に第１ダイヤフラム部９０４およ
び第２ダイヤフラム部９０５を形成するため、（ａ）の
プロセスで、エッチングで用いる二枚のマスク９０２，
９０３を重ねて形成し、（ｂ）のプロセスでダイヤフラ
ム部の原形を形成し、（ｃ）のプロセスで梁部原形上の
エッチングマスクのみを除去し、（ｄ）のプロセスでエ
ッチングにより全体を薄くして第１ダイヤフラム部９０
４および第２ダイヤフラム部９０５の最終形状を得るも
のである。

【００５２】図９に示す従来のプロセスと、図８に示す
本実施例のプロセスとを比較する数値は、先の第２の実
施例と同様となり、第３の実施例も、チップサイズを小
さくする場合に有効なプロセスであることがわかる。な
お、上記第３の実施例では、二段の段差を有するダイヤ
フラム構造体の例を説明したが、本発明は、三段以上の
複数段の段差を有するダイヤフラム構造体についても適
用できるものである。

【００５３】上記各実施例のプロセス設計は、エッチン
グ条件として、ウェハ面方位（１００）、断面方位（０
１１）、６７℃の４０ｗｔ％水酸化カリウム水溶液を用
いた場合の異方性エッチプロフィルシミュレーションの
結果から行った。エッチング液の濃度，温度を変えれば
異なったプロセス設計値となることは言うまでもない。
また、エッチング液として、水酸化アンモニウム系水溶
液やエチレンジアミン、ヒドラジンを用いても、本発明
のプロセスは適用できる。この場合も当然本実施例とは
異なるプロセス設計値となる。

【００５４】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、基板深さ方向に構造を持ったチップを、多段異方
性エッチングプロセスで加工する際、サイドエッチング
の発生を防止し、プロセスによる制約を受けることな
く、必要最小限の寸法で製作することを可能とする単結
晶基板構造体およびその製造方法を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る片持ち梁構造の単結晶
基板構造体を示す図である。

【図２】図１に示す片持ち梁構造を実現する製造プロセ
スを示す、梁長手方向から見た断面図である。

【図３】片持ち梁構造を加工する従来プロセスの断面図
である。

【図４】本発明の他の実施例に係るダイヤフラム構造の
単結晶基板構造体を示す図である。

【図５】図４に示すダイヤフラム構造を実現する製造プ
ロセスを示す、梁長手方向から見た断面図である。

【図６】図４のダイヤフラム構造を加工する従来プロセ
スの断面図である。

【図７】本発明のさらに他の実施例に係るダイヤフラム
構造の単結晶基板構造体を示す図である。

【図８】図７に示すダイヤフラム構造を実現する加工プ
ロセスを示す、ダイヤフラム平面と直角をなす平面で切
った断面図である。

【図９】図７のダイヤフラム構造を加工する従来プロセ
スの断面図である。

【図１０】堤防状構造によるサイドエッチング防止手段
を示す模式図である。

【図１１】堤防状構造のサイドエッチングに対する効果
を示す線図である。

【図１２】従来の容量式加速度センサの構造を示す断面
図である。

【符号の説明】

１０１…梁部、１０２…錘部、１０３…枠部、２０１…
単結晶基板、２０２…第１エッチングマスク、２０３…
第２エッチングマスク、２０４…第３エッチングマス
ク、２０５…堤防状構造部、２０６…梁部、２０７…枠
部、４０１…錘部、４０２…ダイヤフラム部、４０３…
枠部、５０１…単結晶基板、５０２…第１エッチングマ
スク、５０３…第２エッチングマスク、５０４…第３エ
ッチングマスク、５０５…堤防状構造部、５０６…錘
部、５０７…ダイヤフラム部、５０８…枠部、７０１…
第１ダイヤフラム部、７０２…第２ダイヤフラム部、７
０３…枠部、８０１…単結晶基板、８０２…第１エッチ
ングマスク、８０３…第２エッチングマスク、８０４…
第３エッチングマスク、８０５…堤防状構造部、８０６
…第１ダイヤフラム部、８０７…第２ダイヤフラム部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 林 雅英 茨城県勝田市大字高場2520番地 日立製 作所自動車機器事業部内 (56)参考文献 特開 平５−273230（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−203667（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−180867（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−142250（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−36828（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−41854（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01P 15/08 - 15/13 H01L 29/84 H01L 21/306 B81C 1/00 B81B 3/00

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】単結晶基板の両表面の少なくとも梁原形部
   上および梁部を支える枠部上に形成した第一の保護膜で
   保護した状態で、前記単結晶基板の両面からエッチング
   を施して段差を形成する第１のエッチング工程と、 前記第一の保護膜のうち前記梁原形部上における外周部
   を残して中央部を除去した第二の保護膜で保護した状態
   で、前記単結晶基板の両面からエッチングを施して前記
   梁原形部の外周部に堤防状の構造物を形成する第２のエ
   ッチング工程と、 前記第二の保護膜のうち前記梁原形部上における外周部
   を除去した第三の保護膜で保護した状態で、前記単結晶
   基板の両面からエッチングを施して前記堤防状の構造物
   によって梁部の幅方向のエッチングを抑制しながら梁厚
   を目的の厚さまで薄くして前記梁部と前記枠部との間に
   貫通部を形成する第３のエッチング工程とを有し、 一本以上の梁部を備えた単結晶基板構造体を製造するこ
   とを特徴とする単結晶基板構造体の製造方法。
2. 【請求項２】前記単結晶基板構造体は、前記梁部の端部
   の稜線と前記貫通部を介して前記梁部と向き合う枠部の
   端部の稜線との間の水平距離が、前記単結晶基板の表面
   から前記梁部の表面までの垂直距離の１．８倍以下で構
   成することを特徴とする請求項１記載の単結晶基板構造
   体の製造方法。
3. 【請求項３】単結晶基板の表面の少なくとも第一の原形
   部上および枠部上に形成した第一の保護膜で保護した状
   態で、前記単結晶基板の表面側からエッチングを施して
   段差を形成する第１のエッチング工程と、 前記第一の保護膜のうち前記第一の原形部上における外
   周部を残して他の部分を除去した第二の保護膜で保護し
   た状態で、前記単結晶基板の表面側からエッチングを施
   して前記第一の原形部の外周部に堤防状の構造物を形成
   する第２のエッチング工程と、 前記第二の保護膜のうち前記第一の原形部上における外
   周部を除去した第三の保護膜で保護した状態で、前記単
   結晶基板の表面側からエッチングを施して前記堤防状の
   構造物によって第一の部分の幅方向のエッチングを抑制
   しながら前記第一の部分を目的の厚さに形成する第３の
   エッチング工程とを有し、 前記枠部内に少なくとも前記第一の部分を備えた単結晶
   基板構造体を製造することを特徴とする単結晶基板構造
   体の製造方法。
4. 【請求項４】前記単結晶基板構造体は、前記第一の部分
   を錘部とし、該錘部と前記枠部との間をダイヤフラム部
   で接続したダイヤフラム構造体で構成することを特徴と
   する請求項３記載の単結晶基板構造体の製造方法。
5. 【請求項５】単結晶基板の表面の少なくとも第一の原形
   部上および枠部上に形成した第一の保護膜で保護した状
   態で、前記単結晶基板の表面側からエッチングを施して
   段差を形成する第１のエッチング工程と、 前記第一の保護膜のうち前記第一の原形部上における内
   周部を残して他の部分を除去した第二の保護膜で保護し
   た状態で、前記単結晶基板の表面側からエッチングを施
   して前記第一の原形部の内周部に堤防状の構造物を形成
   する第２のエッチング工程と、 前記第二の保護膜のうち前記第一の原形部上における内
   周部を除去した第三の保護膜で保護した状態で、前記単
   結晶基板の表面側からエッチングを施して前記堤防状の
   構造物によって第一の部分の幅方向のエッチングを抑制
   しながら前記第一の部分を目的の厚さに形成する第３の
   エッチング工程とを有し、 前記枠部内に少なくとも前記第一の部分を備えた単結晶
   基板構造体を製造することを特徴とする単結晶基板構造
   体の製造方法。
6. 【請求項６】前記単結晶基板構造体は、前記第一の部分
   を枠部に接続された第１のダイヤフラム部とし、該第１
   のダイヤフラム部同志の間を第２のダイヤフラム部で接
   続したダイヤフラム構造体で構成することを特徴とする
   請求項５記載の単結晶基板構造体の製造方法。
7. 【請求項７】前記単結晶基板が単結晶シリコンであるこ
   とを特徴とする請求項１または３または５記載の単結晶
   基板構造体の製造方法。
8. 【請求項８】前記エッチング工程において、エッチング
   液として、水酸化カリウム水溶液、ヒドラジン、エチレ
   ンジアミン、水酸化アンモニウム系水溶液のいずれかを
   用い、異方性エッチングを行うことを特徴とする請求項
   １または３または５記載の単結晶基板構造体の製造方
   法。