JP4849369B2 - デバイスの製造方法及びこれを用いた傾斜センサ - Google Patents

Description

本発明は、たとえば水晶などの単結晶材料の中で偶数対称軸Ａに直交するｎ回対称軸Ｂを有する結晶から結晶構造的にも対称なデバイスを作製する方法に関するもので、この方法を応用した半導体工場のウエハのハンドリングや精密な加工を行う加工装置の傾きを精密に測定する傾斜センサに関するものである。

傾斜センサはレーザを用いたものや質点の変位量を測定するもの等があるが、質点の変位量を測定するものは構造が簡単で、小型のものに多く用いられている。このような技術として例えば特許文献１及び特許文献２に開示されたものがある。

さらに特許文献３の段落００１５には振動子が水晶であり、段落００２７には電極の形成方法が説明されている。
特許出願公開平成６年第１６００９７号公報 特開２００２−２４３７５７号公報 特許出願公開平成１０年第５４７２５号公報

特許文献１に開示されたものはジャイロのドリフトを抑制するもので、三角柱状の震動体１４の各面に圧電素子を設けたものである。

しかし特許文献１に記載のものは、三角柱状の震動体１４の震動を圧電素子で検出するものであり、極めて微小な加速度では三角柱状の震動体１４が大きく変位することはなく、それを圧電素子で検出するのも困難で微小な重力加速度の方向を検出するには適していないものである。

また特許文献２に開示されたものは加速度によって加わる応力が互いに逆である圧電素子を用いたもので圧電素子を含む発振回路の位相差を検出することによって感度を上げるようにしたものである。

しかしこれには、素子そのものの感度を上げるという考えはない。このため、極めて小さな加速度の方向の変化を検出して、例えば傾斜計に用いることは困難であるという問題がある。

さらに特許文献３に開示されたものは、水晶を材料にした角速度検出装置に関するものであるが、これには１つの結晶を元に如何にして正確に９０°線対称のセンサ素子を作るか開示や示唆がなされていない。
本発明はそのような傾斜センサの一種であり、極めて検出感度が高くかつ容易に量産が可能なものを提供するものである。また、そのような傾斜センサを用いて極めて高感度でかつ、１つの結晶から正確に相互に９０°(或いは他の角度βでも可能)の線対称関係を有する２つのセンサ素子を有する傾斜センサを提供するものである。

本件発明は以上のような課題を解決するため、偶数回対称軸と直交してn回対称軸を有する結晶、例えば、三方晶系の結晶の３つの結晶軸の内２回対称軸をＸ軸、３回対称軸をＺ軸、残りの軸をＹ軸とし、Ｙ軸及びＸ軸の通る平面上でＸ軸を中心にして＋４５°、−４５°あるいは＋１５°、＋１０５°の位置それぞれに、固定部に対して変位する変位部を有し、重力加速度の方向変動によって変位部が変位し、これに伴う固定部と変位部との間の静電容量の変化で変位部の変位量を測定するようにしたセンサ素子を設け、この２つのセンサ素子によって傾斜を測定するようにした。

本発明の傾斜センサは上記の如く構成したので、結晶から結晶構造的にも対称なデバイスを作製することができ、１つの結晶から容易に複数の極めて高精度で線対称のデバイスを製作することができる。

これによって作られた複数のデバイスを、例えば複数同時に用いる測定素子などに応用すると、極めて精度の良い測定装置を得ることができる。

また、デバイスとして固定部に対して変位する変位部を有し、重力加速度によって変位部が変位し、これに伴う固定部と変位部との間の静電容量の変化で変位部の変位量を測定するようにした傾斜センサとした場合、感度を上げるには変移部の質量を大きくすることで容易に対応可能である。また幅狭部のバネ定数を小さくすることができ、これによっても感度を上げることができる。

また固定部と変位部および幅狭部を一体に形成する場合には、例えば水晶板等をエッチングすることで、上記各部を一度に構成することができ、生産性を高めることができる。

さらに具体的には三方晶系の結晶の３つの結晶軸の内２回対称軸をＸ軸、３回対称軸をＺ軸、残りの軸をＹ軸とし、Ｙ軸及びＸ軸の通る平面上でＸ軸を中心にして＋４５°、−４５°あるいは＋１５°、＋１０５°の位置それぞれに、固定部に対して変位する変位部を有し、重力加速度の方向変動によって変位部が変位し、これに伴う固定部と変位部との間の静電容量の変化で変位部の変位量を測定するようにしたセンサ素子を設け、この２つのセンサ素子によって傾斜を測定するようにした。これによってそれぞれのセンサ素子が構成される結晶面は正確に９０°ずれた位置に線対称状態であり、それぞれのセンサ素子は正確に９０°ずれた線対称状態で構成される。

このため、２つのセンサ素子の出力から、そのセンサ素子の位置の傾斜を容易にかつ正確に求めることができる。

本発明の請求項１に記載の発明は、三方晶系の結晶の３つの結晶軸の内２回対称軸をＸ軸、３回対称軸をＺ軸、残りの軸をＹ軸とし、Ｙ軸及びＸ軸の通る平面上でＸ軸を中心にして＋４５°、−４５°あるいは＋１５°、＋１０５°の位置それぞれに、固定部に対して変位する変位部を有し、重力加速度によって変位部が変位し、これに伴う固定部と変位部との間の静電容量の変化で変位部の変位量を測定するようにしたセンサ素子を設たため、各センサ素子は僅かの加速度によって変位部が変位し、その変位を固定部と変位部との間の重力加速度方向の変化で検出でき、それぞれのセンサ素子は正確に９０°の線対称に構成され、この２つのセンサ素子の出力によってあらゆる方向の傾斜を検出できるという作用を有する。

以下本発明の傾斜センサの実施例について図に沿って詳細に説明する。本発明の傾斜センサの各センサ素子は、基本的に図３に示す構造である。つまり単結晶材料の中で偶数対称軸Ａに直交するｎ回対称軸Ｂを有する結晶として水晶の基板２をエッチング加工して固定部３及び変位部４が形成されている。
また固定部３と変位部４とは幅狭部５によって連結され、この幅狭部５も固定部３及び変位部４とともに１枚の基板２をエッチング加工して作られている。これによって固定部３と変位部４とに加速度が加わると、変位部４の質量によって幅狭部５が湾曲し、変位部４の下端が図３の矢印方向つまり左右に揺動する。

変位部４の下端には溝６が複数形成されており、この溝６内に挿入される櫛状の対向部７が固定部３に形成されている。さらに溝６の側面には図４に示すように変位電極８が形成されており、対向部７の側面には変位電極８と対向する固定電極９が形成されている。

また図３及び図４に示されるように、変位電極８と固定電極９にはそれぞれ導電薄膜１０、１１が接続され、導電薄膜１０、１１にはそれぞれ接続端子１２，１３が設けられている。

この実施例１のセンサ素子１は重力加速度が加わると、幅狭部５が湾曲し変位部４の下端が図３の矢印方向のいずれかに変位する。これによって変位電極８と固定電極９の間隔が変化し、その間の静電容量が変化する。この静電容量の変化を検出することによって変位電極８の変位量を検出することができ、変位部４の質量と幅狭部５のバネ定数によってセンサ素子１に加わった傾斜角度を検出することができる。

図３はセンサ素子１の原理を説明するもので、現実的には図３に示すように対向部７を多数設け、各対向部７に変位電極８と固定電極９を設けることによって静電容量を大きくし、変位電極８と固定電極９との間の容量変化を検出し易いようにする。この等価回路を図４に示す。

以上の説明のセンサ素子１を一対、正確に９０°ずれた位置に線対称に形成する方法について以下説明する。

単結晶水晶のように三方晶系の結晶の場合、図１のＺ軸が３回対称軸であるため、このことを利用してセンサ素子１と全く対称なセンサ素子１’を作ることができる。このことは出願人が既に出願した特願２００４−３３９６７８号で説明した。しかしこの技術ではセンサ素子１とセンサ素子１’とは互いに直角の関係でないため、この２つのセンサ素子の出力で加速度を測定するためには、φ＝（γ＋θsin３０°/cos３０°）の式をもって計算する必要がある。

所が、単結晶水晶のように三方晶系の結晶の場合、図２に示すようにＸ軸はｎ回対称軸（ｎ：自然数）である。よってＸ軸とＹ軸とを含む結晶基板のある面にエッチングによってセンサ素子１を形成し、Ｘ軸を中心に１８０°回転した位置に同じようにエッチングによってセンサ素子１を形成すると、全く同じ形状で、結晶構造も全く同一のセンサ素子１を得ることができる。

ここで２つのセンサ素子１によって傾斜を検出するようにする為に、２つのセンサ素子１が互いに９０°の角度をもって得られるようにする。このような条件を満足するためには、図７で示す２β＝９０°あるいは２β=９０°、 -β＋１２０=β＋９０となる条件を見つけるとよい。これによってβ＝４５°あるいは１５°となり、図７に示す位置にセンサ素子１を作るとよいことになる。つまりセンサ素子１に対してセンサ素子１’あるいはセンサ素子１’’はそれぞれ対称に作ることができる。

次に本発明の実施例２について図８に沿って説明する。先ず結晶基板のＸ軸に対して角度βずれた位置にセンサ素子１を形成し、角度−βずれた位置にセンサ素子１’を形成すると仮定する。ここで９０°の角度をもって対称に形成される条件を求める。

単結晶水晶は三方晶系であるため１２０°ごとに対称な特性が表れる。よってこれから次の式が求められる。

２β＋９０°＝１２０°…（１）

（１）よりβ＝１５° となる。

これを別な表現で行うと次の式で表すことができる。

−β＋１２０°＝β＋９０°…（２）

つまり図８のセンサ素子１’’を表す。そして式（２）よりβ＝１５となる。

以上のように構成することにより、三方晶系の特性を利用して一対のセンサ素子を正確に９０°対称で作成することができる。従って、これによって作られた一対のセンサ素子の出力信号、即ち互いに９０°異なる方向の重力加速度を測定することができる。このため、一対のセンサ素子の出力信号を取ることによって、正確にその位置の傾斜を検出することができる。特に一対のセンサ素子は結晶構造まで同一であるため、極めて近い特性を有し、高精度で傾斜を測定することができる。

よって重力加速度の大きさと方向から、傾斜角を知ることができる。このため、本発明の傾斜センサを応用して精密な傾斜センサを得ることができる。

さらに、精度の高いセンサを実現するための構成例である実施例４を図９に示す。図４と同様の第１の静電容量を構成する電極７−１，８−１に加えて、第２の静電容量を構成する電極７−２，８−２を設ける。加速度により変位部が矢印方向に変位すると、第１の静電容量は増加し第２の静電容量は減少する。この第１の静電容量から第２の静電容量を差し引いた結果から加速度を検出することで、温度や検出すべき加速度以外の外乱に対して安定で精度の高いセンサが実現できる。

さらには、このように２組の静電容量の差から加速度を検出するセンサにおいて、その製造を容易にし、安価なセンサを提供する実施例６の構成を図１０に示す。図９においては７−１と７−２、また８−１と８−２の各々の電極を分離する必要があるが、微細な構造部での電極の分離には高度な製造技術が要求される。図１０で微細部において電極を分離する必要がない構成を説明する。

変位部電極９−１と固定部電極１０−１で構成される第１の静電容量部、また変位部電極９−２と固定部電極１０−２で構成される第２の静電容量部から成る。第１の静電容量部では５−１−１の隙間に比べて５−１−２の隙間を十分に大きくしてあるために、第１の静電容量は実質的に５−１−１の隙間で決定される。したがって、変位部の電極は分離する必要がなく、固定部の電極も分離する必要がない。同様に、５−２−１に比べて５−２−２の隙間を十分に大きくしてあるために、第２の静電容量は５−２−１の隙間で決定される。９−１と９−２、および１０−１と１０−２は微細部ではない部分で分離する構成にする。

加速度により変位部が矢印方向に変位したとき、第１の静電容量は増加し第２の静電容量は減少する。この第１の静電容量から第２の静電容量を差し引いた結果から加速度を検出できる。

このような構成にすることで、微細部分で電極を分離する必要がなくなるので製造が容易になり安価なセンサを提供することができる。

本発明は、量産性に優れ、半導体の製造プロセスを用いて量産可能で高感度な傾斜センサを提供する。

本発明の傾斜センサ素子の製造方法の原理を示す正面図である。 本発明の傾斜センサ素子製造方法の実施例１の原理を示す正面図である。 本発明の傾斜センサ素子の１つの実施例１を示す正面図である。 本発明の傾斜センサ素子の一部を示す拡大正面図である。 本発明の傾斜センサ素子の実施例２を示す正面図である。 本発明の傾斜センサ素子の等価回路を示す回路図である。 本発明の傾斜センサ素子製造方法の実施例１を示す正面図である。 本発明の傾斜センサ素子製造方法の実施例２を示す正面図である。 本発明の傾斜センサ素子の実施例３における結晶基板上の状態を示す正面図である。 本発明の傾斜センサの実施例４を示す拡大正面図である。

符号の説明

１ センサ素子
２ 基板
３ 固定部
４ 変位部
５ 幅狭部
６ 溝
７−１，７−２ 対向部
８−１，８−２ 変位電極
９−１.９−２ 固定電極
１０−１,１０−２ 導電薄膜
１１，１２ 接続端子

Claims (5)

1. 固定部に対して変位する変位部を有し、重力加速度によって前記変位部が変位し、これに伴う固定部と前記変位部との間の静電容量の変化で変位部の変位量を測定するようにしたセンサ素子であるデバイスを、三方晶系の結晶において、９０°の角度で結晶構造的にも対象な位置に設ける傾斜センサの製造法であって、３回対称軸に直交したウェハを作成し、作成したウェハ上にある２回対称軸から角度βずらせてデバイスを作成し、これと結晶構造的にも対称なデバイスを９０°ずらせた位置に作成する方法として、２β＝９０°或いは−β＋１２０＝β＋９０となるようにβの角度を設定したことを特徴とする傾斜センサの製造方法。
2. 三方晶系の結晶の３つの結晶軸の内２回対称軸をＸ軸、３回対称軸をＺ軸、残りの軸をＹ軸とし、Ｙ軸及びＸ軸の通る平面上でＸ軸を中心にして＋４５°、−４５°の位置それぞれに、固定部に対して変位する変位部を有し、重力加速度の方向変動によって変位部が変位し、これに伴う固定部と変位部との間の静電容量の変化で変位部の変位量を 測定するようにしたセンサ素子を設け、この２つのセンサ素子によって傾斜を測定するようにした傾斜センサ。
3. 三方晶系結晶として単結晶水晶を用いた請求項２記載の傾斜センサ。
4. 三方晶系の結晶の３つの結晶軸の内２回対称軸をＸ軸、３回対称軸をＺ軸、残りの軸をＹ軸とし、Ｙ軸及びＸ軸の通る平面上でＸ軸を中心にして＋１５°、＋１０５°の位置それぞれに、固定部に対して変位する変位部を有し、重力加速度の方向変動によって変位部が変位し、これに伴う固定部と変位部との間の静電容量の変化で変位部の変位量を測定するようにしたセンサ素子を設け、この２つのセンサ素子によって傾斜を測定するようにした傾斜センサ。
5. 三方晶系として単結晶水晶を用いた請求項４記載の傾斜センサ。

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