JP4520752B2 - 容量型力学量センサの製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、加速度、角速度といった力学的物理量を検出する容量型力学量センサの製造方法に関する。特に、半導体プロセスを用いて製造する構造体が変位することによる容量変化に基づいて検出するものである。

従来、外部から加わる加速度や角速度により変位する錘やその錘を支持する梁を半導体基板内に形成し、錘の可動電極に対し微小間隔を隔てて形成された固定電極との静電容量変化を検出する静電容量型力学量センサが知られている。

図９にその概略図を示す。このセンサでは、垂直にSiを加工する深堀のドライエッチングにより、半導体基板９１内に錘９２や梁９３を、マスクパターンにより任意の形状に形成している。なお、錘９２は、弾性体である梁９３を介して半導体基板９１の主体部に支持されている。その後、下側に硝子基板９４を接合し、静電容量型のセンサとしている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−１６１９６２号公報

しかしながら、このような深堀を実現するドライエッチングでは、加工レートを向上させるために、基板ウエハ（単にウエハと言うときもある）自体を冷却させながらエッチングを進行させている。なお、半導体ウエハは、センサを多数個取りされるものである。

また、冷却方法により生ずる加工面での温度分布により、半導体ウエハ面内でエッチングレート差が生じるのが一般的である。

図１０に基板冷却方法の一例を示す。反応室１０２内には、半導体であるウエハ１０１の径より若干径が小さく、Heガスを流す管１０３が口を上に向けて配置されており、その管１０３の口がウエハ１０１の裏面にあたるよう、ウエハ１０１が配置される。ウエハ１０１は、エッチング中、管１０３からのHeガスにより裏面側から冷却される。Heガスが反応室１０２に漏れぬよう、ウエハ１０１と管１０３の口との間にはシール材１０４が配置され、Heガスの圧力により、ウエハが動かぬよう、エッチング面側よりクランプ１０５により固定される。

シール材１０４が接続されたウエハ１０１の外周部ほど冷却効果が大きく、外周部ほどエッチングレートが大きくなる（図３）。この結果、作製するデバイスの深さ方向においてばらつきが発生し、歩留まりを低下させる。また、SOI等エッチングストップ層を設けたウエハを使用することにより、ばらつきは低減するが、製造コストのアップに繋がる。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、加速度、角速度といった力学的物理量を、半導体プロセスを用いて製造する構造体が変位することによる容量変化を検出する容量型力学量センサに関するものである。

半導体基板の表面に形成したマスクの開口部をエッチングすることにより、外部より加わる力学量により変位する可動部を形成する容量型力学量センサにおいて、開口部内における可動部と接していない領域に、開口部の幅を調整する補正マスクを形成することを特徴としている。

また、半導体基板の外周に向かって、補正マスクパターンの幅を広げて配置する。

従って、外周に向かって、エッチングの開口幅が狭まっている為、ウエハ面内でのエッチングレート分布を補正でき、センサの歩留まり向上が期待できる。また、SOI等、高価な基板を使用することが無い為、低コスト化に対応できる。

垂直深堀を実現するドライエッチングにより錘や梁を加工する静電容量型力学量センサにおいて、ウエハの外周部に向かってエッチングの開口幅を狭めたパターンにすることによって、面内でのエッチングレート分布を補正できる為、ばらつきを低減でき、低コスト化に適した力学量センサを供給できる。

以下、本発明の力学量センサを代表して角速度センサを例にあげ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

まず、図１に、本発明の実施例に係わる容量型力学量センサの断面図を示す。本力学量センサは、上部硝子基板１、シリコン基板２、下部硝子基板３の３層構造をしており、それら３基板を接合して構造体を作製する。シリコン基板２内には、エッチングにより梁４と錘５を有した振動体が形成されており、外部より加わる力により、振動させたり、捩れる動きが可能となる。つまり、錘９２は、弾性体である梁９３を介して半導体基板９１の主体部に支持されている。なお、梁４の厚み、長さ、幅及び、錘５の厚み、面積等の形状は、任意の共振周波数及びバネ定数が得られるよう設計される。

また、シリコン基板２の梁４及び錘５と、それぞれ対向する上下硝子１、３との間には、微小隙間６、７が存在する。この微小空間６、７により、錘５は、自由に振動することができる。振動体を形成したシリコン基板２を上下より挟み込む上側硝子基板１と下側硝子基板３の一部には、貫通穴８が形成され、これら貫通穴８を通して、硝子内側に形成した固定電極１０、１１を外側に引き出す構造をしている。貫通穴８の外側には、導電性材料９が積層されており、微小空間６、７内の封止は維持される。

硝子基板の内側に形成された固定電極１１は、貫通穴８の側壁に形成した配線を通し、この導電性材料９から外へ取り出される。

ここで、本角速度センサの動作原理を以下簡単に説明する。上側硝子基板１と下側硝子基板３の内面側に設けた励起用固定電極１０に交流電圧を印加させ、グランドに保持した振動体（錘５、可動電極）との間に働く静電力により錘を上下振動させる。このようにｚ軸方向に速度が与えられた振動体に、ｙ軸周りの角速度が加わると、ｘ軸方向にそれらの積のコリオリ力が与えられ、図２に示すように、梁４が撓む。上側硝子基板１と下側硝子基板３の内面側には、検出用固定電極１１を設けてあり、梁の撓みによる錘５の傾きから、検出用固定電極１１と可動電極の容量に変化が生じ、この容量変化から角速度の大きさを検出する。

図４は、本発明の実施の形態１に係る容量型力学量センサのウエハ断面の一部を示した図である。半導体基板４０１は、Heガスが流れる管１０３の上側に、シール材１０４を介して配置されている。シール材は、Heガスがエッチング室にリークすることを防ぐよう、外周部において半導体基板４０１と接している。半導体基板４０１のエッチング面には、センサの梁や錘を形成する為の、エッチングマスク４０４がパターニングされており、開口部４０５において半導体基板４０１のエッチングを進行させている。ここで、開口部４０５の開口幅は、ウエハ外周部に向かって小さくなるよう、エッチングマスク４０４をパターニングしている。図３に示す従来のエッチングマスク３０４のパターンでは、ウエハ面内で同一の開口幅を有しているが、ウエハ面内の温度分布によりエッチングレート差が生じている。この結果、ウエハ面内において、加工したデバイス形状にばらつきが生じ、歩留まりの低下を生じさせていた。一般的に、深堀ドライエッチングでは、マスクの開口幅が広いほどエッチングレートが大きくなる傾向がある（例えば、特許文献２参照）。

そこで、図４に示すよう、ウエハ面内で加工レートの速い外周部に向かって、エッチングの開口幅を狭めたエッチングマスク４０４を設計し、デバイスを作製している。この開口幅を外周部に向かって除除に狭め、ウエハ面内でのエッチングレート差を縮めることが可能となる。図５及び図６は、それぞれ、ウエハ中央部における梁及び錘のエッチングマスクパターンを示した図である。白抜き部が開口部５０１、６０１であり、格子部がマスクパターン５０２、６０２である。図５において、梁５０３は十文字をしており４本形成されているが、勿論１本や２本、及びそれ以上の本数であっても構わない、また、斜め方向から梁が出ていても構わないし、直線でなく、曲線や折れ曲がったパターンであっても構わない。図７及び図８は、それぞれ、ウエハ外周部における梁及び錘のエッチングマスクパターンを示した図である。

梁や錘のパターン寸法は、図５、図６で示したウエハ中心部のパターンと同一である。しかしながら、開口部７０１、８０１において、エッチングされる開口部において、開口幅を一定量だけ狭めるように配置されたマスク補正部７０３、８０３が形成されている。このマスク補正部は、センサの梁や錘の寸法を換えずに、ウエハ中央部とウエハ外周部におけるエッチングレート差を補正できるよう、開口部の一部に開口幅を一定量だけ狭めて形成してある。マスク補正部７０３、８０３の形成により、ウエハ面内でのエッチングレートの補正が可能となり、歩留まりの向上が実現する。また、SOIウエハ等、エッチングストップ層の利用により、面内のエッチングレート差の問題を解決することが可能であるが、材料費や工程数の増加によりコストアップに繋がる。本実施の形態１の手段により、通常の半導体基板を使用出来る為、コストアップすること無く、歩留まり向上が可能である。

このような例は、角速度センサに限らず、加速度センサや圧力センサ等の容量変化検出型の力学量センサ全般に当てはまる。

本実施例に係る容量型力学量センサについて説明した概略断面図である。 本実施例に係る容量型力学量センサについて説明した概略断面図である。 従来の容量型力学量センサにおける半導体ウエハの一部断面図である。 本実施例に係る容量型力学量センサにおける半導体ウエハの一部断面図である。 本実施例に係る容量型力学量センサにおけるウエハ中央部の梁のエッチングマスクパターンを示した図である。 本実施例に係る容量型力学量センサにおけるウエハ中央部の錘のエッチングマスクパターンを示した図である。 本実施例に係る容量型力学量センサにおけるウエハ外周部の梁のエッチングマスクパターンを示した図である。 本実施例に係る容量型力学量センサにおけるウエハ外周部の錘のエッチングマスクパターンを示した図である。 従来の容量型力学量センサの概略断面図である。 ドライエッチングにおける基板冷却方法の一例の断面図である。

符号の説明

１ 上部硝子基板
２ シリコン基板
３ 下部硝子基板
４ 梁
５ 錘
６、７ 微小隙間
８ 貫通穴
９ 導電性材料
１０ 励起用固定電極
１１ 検出用固定電極
４０１ 半導体基板
１０３ 管
１０４ シール材
４０４、３０４ エッチングマスク
４０５ 開口部
５０１、６０１、７０１、８０１ 開口部
５０２、６０２、７０２、８０２ マスクパターン
５０３ 梁
７０３、８０３ マスク補正部
９１ 半導体基板
９２ 錘
９３ 梁
９４ 硝子基板
１０１ ウエハ
１０２ 反応室
１０３ 管
１０４ シール材
１０５ クランプ

Claims (2)

1. 半導体基板の表面に形成したマスクパターンの開口部をエッチングすることにより、外部より加わる力学量により変位する可動部である錘と前記錘を弾性的に支持する梁を形成する容量型力学量センサの製造方法であって、
   前記エッチングは前記半導体基板を深掘りするドライエッチングであり、前記錘および前記梁の前記マスクパターンの寸法は変えずに、前記半導体基板における前記表面内の温度分布により生じるエッチングレートの差に応じて前記開口部の幅を一定量だけ狭めるように配置されたマスク補正部を有する前記マスクパターンを用いることで前記開口部の深さ方向のばらつきを抑えてエッチングすることを特徴とする容量型力学量センサの製造方法。
2. 前記半導体ウエハの中心から外周に向かって、前記マスクパターンの開口部の幅を狭める請求項１に記載の容量型力学量センサの製造方法。

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