JP5000625B2 - Ｍｅｍｓセンサ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、可動電極部及び固定電極部を備えて成るセンサ部を有するＭＥＭＳセンサ及びその製造方法に関する。

ＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical Systems）センサには、例えば、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を構成するＳＯＩ層を微細加工して、可動電極部と固定電極部が形成されている。この微細なセンサは、可動電極部の動作により、加速度センサ、圧力センサ、振動型ジャイロ、またはマイクロリレーなどとして使用される。

ところで下記の特許文献１にも記載されているように、従来では、支持基板（シリコン基板）、絶縁層（ＳＩＯ₂層）及びＳＯＩ層（シリコン基板）の積層構造のＳＯＩ基板を用いてＭＥＭＳセンサを形成していた。

ＳＯＩ基板からＭＥＭＳセンサを形成する場合、まず、前記ＳＯＩ層を微細加工して、可動電極部及び固定電極部を備えて成るセンサ部と、可動電極部及び固定電極部の夫々のアンカ部等を形成する。続いて、前記センサ部と支持基板間に介在する絶縁層を除去する。このとき、前記アンカ部と支持基板間に介在する絶縁層は残される（特許文献１の［００３６］欄や図７等参照）。
特開２００７−３２２１４９号公報

しかしながら、上記による製造方法で形成されたＭＥＭＳセンサでは、異物やエッチング膜の再付着によりセンサ部と支持基板間が絶縁不良を起こしやすい問題があった。

上記従来のＭＥＭＳセンサの前記センサ部と前記支持基板間の高さ方向への距離は、前記絶縁層の膜厚で決定される。よって、絶縁層の膜厚を厚くすれば、センサ部と支持基板との間の前記距離を離すことが出来る。しかし、スパッタ、ＣＶＤの場合、絶縁層の膜厚を厚くすることで応力により基板の反りが大きくなる。また、熱酸化の場合も、絶縁層の膜厚を厚くできず、市販品としてのＳＯＩ基板の絶縁層は所定の薄い膜厚で形成されている。したがって、このようなＳＯＩ基板からＭＥＭＳセンサを製造する場合、上記した絶縁不良の問題、さらにはセンサ部と支持基板間での寄生容量の増大や、可動電極部と支持基板間でのスティッキング（可動電極部が支持基板の表面に吸着してしまう現象）の問題が生じやすくなった。

そこで本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、特に、センサ部と第２の基板（支持基板）間の空間構造を改良したＭＥＭＳセンサを提供することを目的としている。

また上記空間構造を簡単且つ適切に形成できるようにしたＭＥＭＳセンサの製造方法を提供することを目的としている。

本発明におけるＭＥＭＳセンサは、
第１の基板と、第２の基板と、前記第１の基板と前記第２の基板の間に介在する絶縁層と、を有し、
前記第１の基板には、可動電極部及び固定電極部を備えて成るセンサ部と、前記可動電極部及び前記固定電極部の夫々のアンカ部が形成されており、
前記アンカ部は、前記第２の基板の表面に前記絶縁層を介して固定支持されており、
前記センサ部と対面する前記第２の基板の表面には凹部が形成され、前記センサ部と前記第２の基板との間に空間が形成されていることを特徴とするものである。

本発明では、従来のように絶縁層の膜厚でセンサ部と第２の基板（支持基板）間の高さ方向への距離が決定される場合に比べて、前記距離を、基板の反り等の問題なく自由に大きくできる。よって、従来に比べて、センサ部と第２の基板（支持基板）間の絶縁性を適切に確保でき、また寄生容量の低減やスティッキング防止効果を有することが出来る。

本発明では、前記凹部の表面に前記絶縁層は形成されておらず、前記第２の基板の表面が前記空間を介して前記センサ部に直接対向していることが好ましい。これにより、より効果的に、前記寄生容量の低減を図ることが出来る。

本発明におけるＭＥＭＳセンサの製造方法は、
（ａ） 第１の基板及び第２の基板を夫々用意し、前記第２の基板表面のセンサ対面領域に凹部を形成する工程、
（ｂ） 前記第２の基板の表面に絶縁層を形成する工程、
（ｃ） 前記第１の基板と前記第２の基板とを前記絶縁層を介して接合する工程、
（ｄ） 前記第２の基板に形成された凹部と対向する位置の前記第１の基板に、可動電極部及び固定電極部を備えて成るセンサ部を形成し、さらに、前記可動電極部及び前記固定電極部の夫々のアンカ部を、前記第１の基板と前記第２の基板との接合位置に形成することで、前記センサ部と前記第２の基板との間に前記凹部の形成による空間を設けるとともに、前記アンカ部を前記第２の基板の表面に前記絶縁層を介して固定支持する工程、
を有することを特徴とするものである。

本発明では、上記（ａ）工程に示すように、第２の基板のセンサ対面領域に、予め、凹部を形成しておき、続いて、（ｂ）工程で絶縁層の形成、（ｃ）工程で、第１の基板と第２の基板の接合を行う。その後、（ｄ）工程では、凹部と対向する位置の前記第１の基板に、可動電極部及び固定電極部を備えて成るセンサ部を形成する。これにより、センサ部と第２の基板間に空間を設けることが出来る。一方、アンカ部を、前記第１の基板と前記第２の基板との接合位置に形成して、前記第２の基板の表面に前記絶縁層を介して固定支持する。

このように本発明では、第１の基板と第２の基板を夫々、別々に用意し、これらを接合する前に、前記第２の基板表面のセンサ対面領域に対して凹部を形成する。したがって、センサ部と第２の基板（支持基板）の間に的確に空間を形成でき、しかも前記凹部の形成により、センサ部と第２の基板間の高さ方向への距離を従来よりも適切且つ容易に大きくできる。

本発明では、前記（ｄ）工程の後に、
（ｅ） 前記凹部の表面に形成された前記絶縁層を除去する工程、
を有することが、センサ部と第２の基板（支持基板）間の寄生容量が効果的に低減されたＭＥＭＳセンサを簡単且つ適切に製造することができ好適である。

本発明のＭＥＭＳセンサによれば、従来に比べて、センサ部と第２の基板（支持基板）間の絶縁性を適切に確保でき、また寄生容量の低減やスティッキング防止効果を有することが出来る。

また本発明のＭＥＭＳセンサの製造方法によれば、センサ部と第２の基板（支持基板）の間に的確に空間を形成でき、しかも、センサ部と第２の基板間の高さ方向への距離を従来よりも適切且つ容易に大きくできる。

図１は本実施形態のＭＥＭＳセンサを示すものであり、可動電極部と固定電極部および枠体層を示す平面図である。図２は、ＭＥＭＳセンサの全体構造を示す断面図であり、図１をＩＩ−ＩＩ線で切断した断面図に相当している。

図２に示すように、ＭＥＭＳセンサは、第１の基板１と、第２の基板（支持基板）２と、前記第１の基板１と前記第２の基板２の間に介在する絶縁層３とを有して構成される。

第１の基板１及び第２の基板２はシリコン基板であることが好ましく、絶縁層３はＳｉＯ₂であることが好ましい。

図１，図２に示すように第１の基板１を微細加工して、前記第１の基板１から第１の固定電極部１１、第２の固定電極部１３、可動電極部１５および枠体層２５が分離されて形成されている。第１の固定電極部１１、第２の固定電極部１３及び可動電極部１５でセンサ部４が構成されている。なお、センサ部４に、以下に説明する「アンカ部」は含まれない。

図１に示すように、第１の固定電極部１１には、中心Ｏに接近する位置に例えば四角形のアンカ部１２が接続されている。前記第１の固定電極部１１とアンカ部１２は一体に形成される。また図２に示すように、アンカ部１２は絶縁層３によって第２の基板２の表面に固定支持されている。

図１に示すように、第１の固定電極部１１は、アンカ部１２からＹ１方向に直線的に延びる一定の幅寸法の電極支持部１１ａを有している。電極支持部１１ａのＸ１側には、複数の対向電極１１ｂが一体に形成されており、電極支持部１１ａのＸ２側には、複数の対向電極１１ｃが一体に形成されている。図１に示すように、複数の対向電極１１ｂ，１１ｃは、Ｙ方向へ一定の間隔を空けて櫛歯状に配列している。

図１に示すように、中心ＯよりもＹ２側には第２の固定電極部１３が設けられている。図１に示すように、第２の固定電極部１３には、中心Ｏに接近する位置に設けられた例えば四角形のアンカ部１４が接続されている。前記第２の固定電極部１３と前記アンカ部１４は一体に形成されている。また、このアンカ部１４からＹ２方向へ直線的に延びる一定の幅寸法の電極支持部１３ａを有している。電極支持部１３ａのＸ１側には、電極支持部１３ａから一体に延びる複数の対向電極１３ｂが設けられ、電極支持部１３ａのＸ２側には、電極支持部１３ａから一体に延びる複数の対向電極１３ｃが設けられている。図１に示すように、複数の対向電極１３ｂ，１３ｃは、Ｙ方向へ一定の間隔を空けて櫛歯状に配列している。アンカ部１４は、絶縁層３を介して第２の基板２の表面に固定支持されている。

図１に示すＭＥＭＳセンサでは、四角形の枠体層２５の内側が可動領域であり、可動領域では、前記第１の固定電極部１１、第２の固定電極部１３及び各アンカ部１２，１４，１７，１９を除く部分が可動電極部１５として規定される。可動電極部１５は、前記第１の固定電極部１１と第２の固定電極部１３および枠体層２５から分離されて形成されている。

図１に示すように、可動電極部１５は、中心ＯよりもＸ１側に、Ｙ１−Ｙ２方向に延びる第１の支持腕部１６を有している。また、可動電極部１５は、中心ＯよりもＸ２側に、Ｙ１−Ｙ２方向に延びる第２の支持腕部１８を有している。そして、各支持腕部１６，１８には、例えば、四角形のアンカ部１７，１９が接続されている。各支持腕部１６，１８とアンカ部１７，１９とは一体に形成されている。

第１の支持腕部１６と第２の支持腕部１８とで挟まれた領域で、且つ第１の固定電極部１１と第２の固定電極部１３を除く部分が、錘部２０である。錘部２０のＹ１側の縁部は、弾性支持部２１を介して第１の支持腕部１６に支持されているとともに弾性支持部２３を介して第２の支持腕部１８に支持されている。錘部２０のＹ２側の縁部は、弾性支持部２２を介して第１の支持腕部１６に支持されているとともに、弾性支持部２４を介して第２の支持腕部１８に支持されている。

中心ＯよりもＹ１側では、錘部２０のＸ１側の縁部からＸ２側に延びる複数の可動対向電極２０ａが一体に形成されているとともに、錘部２０のＸ２側の縁部からＸ１側に延びる複数の可動対向電極２０ｂが一体に形成されている。錘部２０と一体に形成された可動対向電極２０ｂは、第１の固定電極部１１の対向電極１１ｃのＹ２側の辺に対して静止時に所定距離を介して対向している。同様に、Ｘ１側の可動対向電極２０ａも、第１の固定電極部１１の対向電極１１ｂのＹ２側の辺に対して静止時に所定距離を介して対向している。

錘部２０には、中心ＯよりもＹ２側において、Ｘ１側の縁部からＸ２方向に平行に延びる複数の可動対向電極２０ｃが一体に形成されているとともに、Ｘ２側の縁部からＸ１方向に平行に延びる複数の可動対向電極２０ｄが一体に形成されている。

可動対向電極２０ｄは、第２の固定電極部１３の対向電極１３ｃのＹ１側の辺に対して静止時に所定距離を介して対向している。これは、Ｘ１側の可動対向電極２０ｃと対向電極１３ｂとの間においても同じである。

図２に示すように、第１の支持腕部１６に連続するアンカ部１７は、第２の基板２の表面に絶縁層３を介して固定支持されている。また、第２の支持腕部１８に連続するアンカ部１９は、第２の基板２の表面に絶縁層３を介して固定支持されている。

弾性支持部２１，２２，２３，２４は、第１の基板１から切り出された薄い板バネ部で例えばミアンダパターンとなるように形成されている。弾性支持部２１，２２，２３，２４が変形することで、錘部２０がＹ１方向またはＹ２方向へ移動可能となっている。

図１に示すように、第１の基板１から形成された枠体層２５は、可動電極部１５の外周を取り囲む枠形状で形成される。図２に示すように、この枠体層２５は、第２の基板２の表面に絶縁層３を介して固定支持されている。

このＭＥＭＳセンサは、Ｙ１方向またはＹ２方向の加速度を検知する加速度センサとして使用することができる。例えば、ＭＥＭＳセンサにＹ１方向への加速度が作用すると、その反作用により可動電極部１５の錘部２０がＹ２方向へ移動する。このとき、各可動対向電極と固定側の対向電極との対向距離が変化することで、静電容量が変化し、この静電容量の変化を電気回路で検出して、Ｙ１方向へ作用した加速度の変化や加速度の大きさを検知することができる。

なお、本実施形態では、可動電極部１５の錘部２０が、Ｘ−Ｙ平面と直交する向きの加速度に反応して厚さ方向へ移動して、固定電極部１１，１３の対向電極１１ｂ，１１ｃ，１３ｂ，１３ｃと、可動電極部１５の可動対向電極２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄとの対向状態が、可動電極部１５の厚さ方向へずれて、対向面積が変化し、このときの可動対向電極と対向電極との間の静電容量の変化を検知するものであってもよい。

本実施形態の特徴的部分について説明する。
図１，図２に示すように、第１の基板１には、可動電極部１５及び固定電極部１１，１３とを備えて構成されるセンサ部４と、可動電極部１５及び固定電極部１１，１３の夫々のアンカ部１２，１４，１７，１９が形成されている。このうち各アンカ部１２，１４，１７，１９は、図２，図３（アンカ部１２の付近を拡大した部分拡大断面図）に示すように、第２の基板２の表面２ａに絶縁層３を介して固定支持されている。

一方、図２及び図３に示すように、センサ部４と対面する第２の基板２の表面２ａには凹部５が形成されており、前記センサ部４と第２の基板２との間に前記凹部５と絶縁層３の厚み分を合わせて成る空間が形成されている。

図３に示すように第２の基板２の表面２ａに形成された凹部５の深さ寸法ｈ１は、例えば、０．３〜３．０μｍ程度である。一方、絶縁層３の膜厚は、０．５μｍ〜２．０μｍ程度である。よって、センサ部４と第２の基板２の表面２ａ間の高さ方向への距離ｈ２は、０．８〜５．０μｍ程度になる。

以上により、従来のように絶縁層３の膜厚でセンサ部４と第２の基板（支持基板）２間の高さ方向への距離が決定される構造に比べて、第２の基板２の表面に凹部５を形成した本実施形態では、前記距離ｈ２を、効果的に大きくすることができる。本実施形態では絶縁層３の膜厚を厚くせず、ＳＯＩ基板による絶縁層と同程度かあるいはそれより薄くすることも可能であるため、応力による基板の反りの問題が生じることなく、前記距離ｈ２を大きくできる。

したがって本実施形態では、従来に比べて、センサ部４と第２の基板（支持基板）２間の絶縁性を適切に確保でき、またセンサ部４と第２の基板２間での寄生容量の低減や可動電極部１５と第２の基板２間でのスティッキング防止効果を有することが出来る。

ところで、図３に示す実施形態では、前記凹部５の表面に絶縁層３が形成されていない。図１，図２に示す実施形態では、前記絶縁層３は、各アンカ部１２，１４，１７，１９及び枠体層２５と、第２の基板２との間にのみ設けられている。

例えば図４に示す実施形態のように、絶縁層３が第２の基板２の表面２ａの全域に形成されていてもよい。すなわち、図４の形態では、前記絶縁層３が凹部５の側面５ａから底面５ｂにかけても形成されることになる。しかしながら絶縁層３は誘電率が高いため、前記寄生容量を効果的に低減するには、図３のように凹部５の表面に絶縁層３が形成されず、第２の基板２の表面２ａが、空間を介してセンサ部４と直接対向した形態であることが好適である。

なお、図３，図４に示すように凹部５の側面５ａは、傾斜面となっているが垂直面で形成されてもよい。

図５は、本実施形態のＭＥＭＳセンサの製造方法を示す工程図である。各図は製造工程中の断面図である。

図５（ａ）の工程では、ＭＥＭＳセンサを構成する例えばシリコンで形成された第１の基板１と、例えばシリコンで形成された第２の基板（支持基板）２とを別々に用意する。

図５（ａ）に示すように、第２の基板２の表面（第１の基板１との対向面）２ａのセンサ対面領域に凹部５を形成する。ここで「センサ対面領域」とは、第１の基板１に形成されるセンサ部４と対向する領域を指す。凹部５の深さ寸法は自由に設定できるが、例えば、凹部５の深さ寸法を、０．３〜３．０μｍ程度で形成する。

次に図５（ｂ）の工程では、第２の基板２の表面２ａ全体を熱酸化して、絶縁層（ＳｉＯ₂）３を形成する。なお、絶縁層３をスパッタ法やＣＶＤ法等で形成してもよいが、熱酸化により絶縁層３を形成することが凹凸面に一定厚の薄い前記絶縁層３を形成するができ好適である。このとき、絶縁層３の膜厚を０．５〜２．０μｍ程度とする。

次に、図５（ｃ）に示す工程では、第１の基板１と第２の基板２とを前記絶縁層３を介して接合する。接合の方法として常温接合や熱圧着等を用いることが出来る。

また５図（ｃ）の工程では、第１の基板１の表面１ｂを所定厚となるまで研削する。例えば、第１の基板１の表面１ｂにＣＭＧ、あるいはＣＭＰ、又は、ＣＭＧ及びＣＭＰを施す。

続いて、図５（ｄ）に示す工程では、ディープＲＩＥ（Deep RIE）を用いて、第１の基板１に、可動電極部１５及び固定電極部１１，１３を備えて成るセンサ部４、前記可動電極部１５及び固定電極部１１，１３の夫々のアンカ部１２，１４，１７，１９、さらには枠体層２５を形成する。このとき、前記センサ部４を、前記第２の基板２に形成された凹部５を対向する位置に形成する。また、各アンカ部１２，１４，１７，１９及び枠体層２５を第１の基板１と第２の基板２との接合位置に形成する。これにより、前記センサ部４と第２の基板２との間に前記凹部５の形成による空間を形成できる。また、各アンカ部１２，１４，１７，１９及び枠体層２５を第２の基板２の表面に絶縁層３を介して固定支持できる。

次に図５（ｅ）の工程では、センサ部４との対向位置の第２の基板２表面に形成されている絶縁層３を、ウエットエッチングやドライエッチングによる等方性エッチング工程にて除去する。このとき、多少、各アンカ部１２，１４，１７，１９及び枠体層２５と第２の基板２との間に介在する絶縁層３がサイドエッチングされるが、前記絶縁層３が全て除去されることはなく、各アンカ部１２，１４，１７，１９及び枠体層２５は、第２の基板２の表面に絶縁層３を介して固定支持された状態を維持する。

図５（ｅ）の工程を行わず、図５（ｄ）の工程で終了した場合、図４で説明したＭＥＭＳセンサが完成する。ただし、上記で説明したように寄生容量の低減を図るには不要な絶縁層３を除去すべく図５（ｅ）の工程を施すことが好適である。

本実施形態のＭＥＭＳセンサの製造方法における特徴的部分について説明する。
本実施形態では、図５（ａ）に示したように、第１の基板１と第２の基板２とを別々に単体で用意し、第２の基板２表面２ａのセンサ対面領域に、予め、凹部５を形成する。続いて、図５（ｂ）の工程で絶縁層３の形成、図５（ｃ）工程で、第１の基板１と第２の基板２の接合を行う。その後は、従来の工程と同様である。従来では例えば、第１の基板と第２の基板とが絶縁層を介して接合されたＳＯＩ基板を用いて、第１の基板にセンサ部及びアンカ部等の形成を行い、センサ部と第２の基板（支持基板）との間に位置する絶縁層を除去することで、センサ部と第２の基板との間に空間を形成していた。これに対して本実施形態では、第１の基板１と第２の基板２を夫々、別々に用意し、これらを接合する前に、単体の前記第２の基板２表面のセンサ対向領域に対して凹部５を形成するから、センサ部４と第２の基板２の間に的確に空間を形成でき、しかも前記凹部５の形成により、センサ部４と第２の基板２の間の高さ方向への距離を従来よりも適切且つ容易に大きくできる。

なお、本実施形態のＭＥＭＳセンサ及びその製造方法は加速度センサ以外の物理量センサ全般に適用可能である。

本発明の実施の形態のＭＥＭＳセンサの可動電極部と固定電極部および枠体層の分離パターンを示す平面図、 ＭＥＭＳセンサの積層構造を示す断面図であり、図１のＩＩ−ＩＩ線での断面図に相当している、 図２のアンカ部１２の付近を拡大した部分拡大断面図、 図３と異なる形態を示すアンカ部１２の付近を拡大した部分拡大断面図、 本実施形態のＭＥＭＳセンサの製造方法を示す工程図（断面図）、

符号の説明

１ 第１の基板
２ 第２の基板
３ 絶縁層
４ センサ部
５ 凹部
１１、１３ 固定電極部
１２、１４、１７、１９ アンカ部
１５ 可動電極部
２５ 枠体層

Claims (4)

1. 第１の基板と、第２の基板と、前記第１の基板と前記第２の基板の間に介在する絶縁層と、を有し、
   前記第１の基板には、可動電極部及び固定電極部を備えて成るセンサ部と、前記可動電極部及び前記固定電極部の夫々のアンカ部が形成されており、
   前記アンカ部は、前記第２の基板の表面に前記絶縁層を介して固定支持されており、
   前記センサ部と対面する前記第２の基板の表面には凹部が形成され、前記センサ部と前記第２の基板との間に空間が形成されていることを特徴とするＭＥＭＳセンサ。
2. 前記凹部の表面に前記絶縁層は形成されておらず、前記第２の基板の表面が前記空間を介して前記センサ部に直接対向している請求項１記載のＭＥＭＳセンサ。
3. （ａ） 第１の基板及び第２の基板を夫々用意し、前記第２の基板表面のセンサ対面領域に凹部を形成する工程、
   （ｂ） 前記第２の基板の表面に絶縁層を形成する工程、
   （ｃ） 前記第１の基板と前記第２の基板とを前記絶縁層を介して接合する工程、
   （ｄ） 前記第２の基板に形成された凹部と対向する位置の前記第１の基板に、可動電極部及び固定電極部を備えて成るセンサ部を形成し、さらに、前記可動電極部及び前記固定電極部の夫々のアンカ部を、前記第１の基板と前記第２の基板との接合位置に形成することで、前記センサ部と前記第２の基板との間に前記凹部の形成による空間を設けるとともに、前記アンカ部を前記第２の基板の表面に前記絶縁層を介して固定支持する工程、
   を有することを特徴とするＭＥＭＳセンサの製造方法。
4. 前記（ｄ）工程の後に、
   （ｅ） 前記凹部の表面に形成された前記絶縁層を除去する工程、
   を有する請求項３記載のＭＥＭＳセンサの製造方法。

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