JPH0777267B2

JPH0777267B2 - シリコンマイクロセンサ及びその製造方法

Info

Publication number: JPH0777267B2
Application number: JP33526587A
Authority: JP
Inventors: 久敏古林; 靖彦井波
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1987-12-28
Filing date: 1987-12-28
Publication date: 1995-08-16
Anticipated expiration: 2010-08-16
Also published as: JPH01175268A

Description

【発明の詳細な説明】〈産業上の利用分野〉本発明はシリコンの異方性エッチングを利用したシリコ
ンマイクロセンサに関し、特に支持体の材料、構造とそ
の製造方法とに関する。

〈従来の技術〉熱収支を利用する赤外線センサ、フローセンサ或いはガ
スセンサでは発熱部や検出部の熱容量を小さくすれば高
感度化、高速応答化、低消費電力化が達成できるので、
熱容量を小さくするために発熱部や検出部を微小化、薄
膜化した構造のセンサが開発されている。

また、圧力センサ、振動センサ、加速度センサ等の可動
部を有するセンサでは可動部とその支持体を薄膜化する
ことによって微小化が図れるとともに、可動部が微小な
圧力等で動くため高感度化が図れる。

さらに、全てのセンサにおいて、センサ部で薄膜による
支持体を形成することによってセンサの高感度化、微小
化の他、複数センサの複合化、集積化を図ることができ
る。

上述したような理由からシリコンの結晶異方性と、フォ
トリソグラフィ技術を組み合わせてシリコンを微細な形
状に正確にエッチング加工するいわゆるマイクロマシー
ニング技術による微細な薄膜による支持体を形成したシ
リコンマイクロセンサの開発が近年盛んになってきてい
る。

センサの支持体30にはブリッジタイプ、カンチレバータ
イプ、ダイアフラムタイプ等の各種の形状がある。各種
タイプの支持体30の形状を第３図に示す。第３図（ａ）
はブリッジタイプの支持体30、第３図（ｂ）はカンチレ
バータイプの支持体30、第３図（ｃ）はダイアフラムタ
イプの支持体30を示している。

次に、これらの支持体30の形成工程について説明する。

シリコン単結晶をEPW液（エチレンジアミン・ピロカテ
コール及び水の混合液）、NaOH、KOH等のアルカリ液で
エッチングすると、結晶軸によってエッチング速度が異
なる結晶軸異方性がある。つまり、〈111〉方向のエッ
チング速度は他の〈100〉や〈110〉方向のエッチング速
度に比較して極端に遅い。例えば、酸化シリコン膜をエ
ッチングマスクとして（100）ウエハをエッチングする
と、ウエハ面と54.7°の角度をなすピラミッド形状の穴
が開く。この穴の４面は（111）面で囲まれている。ま
た、（110）ウエハに同様のエッチングを施せば、ウエ
ハ面と垂直な（111）面及びウエハ面と35.3°の角度を
なす（111）面で囲まれた穴が開く。

このうち、（100）ウエハであるシリコン基板10を用い
て、熱酸化法による熱酸化シリコン膜或いはCVD法によ
る酸化シリコン膜11を形成した後、当該酸化シリコン膜
をパターン化してマスクとなし、エッチングを行ったの
が第３図に示されているものである。この場合、支持体
30として残るのはマスクとして用いた酸化シリコン膜11
である。

〈発明が解決しようとする問題点〉しかしながら、支持体材料として酸化シリコン膜を用い
る場合には、上述した熱酸化法、CVD法のいずれの方法
で形成しても、支持体形成時の温度を600〜1000℃と非
常に高温にする必要があるため、ウエハと酸化シリコン
膜との熱膨張率の差によって酸化シリコン膜に歪みが加
わって、形成される支持体にヒビ割れや破損が発生す
る。従って、酸化シリコン膜単独で支持体を形成するこ
とは非常に困難である。

従って、CVD法で形成した単層或いは多層の窒化シリコ
ン膜を支持体材料として利用することが行われている。
しかし、CVD法では有害な半導体ガスを使用するために
製造設備に多大な費用がかかったり、形成条件によって
は形成された窒化シリコン膜に大きな残留応力が発生す
るためにCVD法で形成した窒化シリコン膜を支持体材料
として使用して、しかも歩留りを向上させることは非常
に困難である。さらに、スパッタ法で形成した窒化シリ
コンスパッタ膜には塵等による欠陥が多く、この窒化シ
リコンスパッタ膜をシリコン基板の上に直接形成する
と、エッチング工程でシリコン基板にエッチピットが発
生する。

本発明は上記事情に鑑みて創案されたもので、シリコン
マイクロセンサの支持体としてヒビ割れや破損がなく、
しかも簡単に支持体が形成でき、シリコン基板にエッチ
ピットが発生しないシリコンマイクロセンサとその製造
方法を提供することを目的としている。

〈問題点を解決するための手段〉本発明に係るシリコンマイクロセンサは、シリコン基板
と、該シリコン基板との間に空隙部を有し前記シリコン
基板に固着された絶縁物からなる支持体と、該支持体上
にセンサ膜とを備えたシリコンマイクロセンサにおい
て、前記支持体が２層構造からなり、下層が熱酸化シリ
コン膜であり、上層が窒化シリコンスパッタ膜であるこ
とを特徴とする。

また、本発明のシリコンマイクロセンサにおいて、前記
熱酸化シリコン膜の膜厚よりも前記窒化シリコンスパッ
タ膜の膜厚が厚く設定されていることを特徴とする。

さらに、本発明に係るシリコンマイクロセンサの製造方
法は、シリコン基板上に熱酸化シリコン膜を形成する工
程と、該熱酸化シリコン膜上に窒化シリコンスパッタ膜
を形成する工程と、前記熱酸化シリコン膜及び前記窒化
シリコンスパッタ膜からなる絶縁膜を含む前記シリコン
基板を800〜1100℃の温度で熱処理を行う工程と、フォ
トエッチ工程により前記絶縁膜を所望の支持体に形成す
ると共に不要な前記絶縁膜を除去して前記シリコン基板
表面を露出する工程と、前記支持体をマスクにして前記
シリコン基板表面からシリコンエッチャントにより前記
支持体と前記シリコン基板との間に空隙部を形成する工
程と、前記支持体上にセンサ膜を配設する工程とを含む
ことを特徴とする。

〈実施例〉以下、図面を参照して本発明に係る一実施例を説明す
る。

第１図（ａ）は本発明に係るシリコンマイクロセンサの
平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図、第２図はシ
リコンマイクロセンサの工程断面図である。なお、本実
施例ではブリッジタイプの支持体30を形成するものとし
て説明を行う。

図面中において10は（100）方向の結晶軸を有したシリ
コン基板であって、その表裏両面には約100〜数1000Å
の膜厚を有する熱酸化シリコン膜11が熱酸化法によって
形成されている（第２図（ａ）参照）。

さらに表面側の熱酸化シリコン膜11の上には当該熱酸化
シリコン膜11の膜厚よりも厚い（約1000Å〜数μｍ）窒
化シリコンスパッタ膜12が形成されている。窒化シリコ
ンスパッタ膜12のほうが熱酸化シリコン膜11よりも厚く
形成されているのは、熱酸化シリコン膜11が厚すぎると
熱酸化シリコン膜11の歪みによる残留応力が大きくな
り、支持体30を形成した際に、窒化シリコンスパッタ膜
12にまでヒビ割れや破損が発生してしまうことを防止す
るためである。従って、熱酸化シリコン膜11の膜厚は10
0〜数1000Å、窒化シリコンスパッタ膜12の膜厚を数100
0Å〜数μｍにするのが好ましい。この窒化シリコンス
パッタ膜12はシリコン基板10をホットプレート（図示省
略）で約300℃に加熱するとともに、窒化シリコン焼結
ターゲット（図示省略）を窒素ガス中で約3W/cm²の高周
波パワーにて高周波スパッタすることによって形成され
る（第２図（ｂ）参照）。

この後、熱応力による僅かな歪みを除去するために熱酸
化シリコン膜11及び窒化シリコンスパッタ膜12が形成さ
れたシリコン基板10を800〜1100℃、好ましくは950℃で
約３時間熱処理を行う。

次に、窒化シリコンスパッタ膜12の上にフォトレジスト
13を塗布して、露光及び現像を行う。この場合、形成さ
れるべき支持体30はブリッジタイプであるから２つの長
方形の開口が平行に開設されたマスク（図示省略）を使
用する。露光及び現像工程が終了したならば、裏面にも
フォトレジスト13を全面塗布し、ベーキングを行った
後、窒化シリコンスパッタ膜12をCF₄ガスでプラズマエ
ッチングする。すると、前記マスクに対応した形状で開
口121が窒化シリコンスパッタ膜12に形成される（第２
図（ｃ）参照）。

引き続き、フッ酸緩衝液で熱酸化シリコン膜11をエッチ
ングする。すると、前記開口121に対応した部分の熱酸
化シリコン膜11が除去される。つまり、開口121に対応
した部分のシリコン基板10が露出するのである。その後
フォトレジスト13を除去する（第２図（ｄ）参照）。

当該シリコン基板10を沸点近くまで昇温したEPW液でシ
リコン基板10をエッチングする。このシリコン基板10は
（100）方向の結晶軸を有しているので、〈111〉面で囲
まれた略逆ピラミッド状の空隙部としての空洞20が形成
される。つまり、熱酸化シリコン膜11と窒化シリコンス
パッタ膜12とからなるブリッジタイプの支持体30が空洞
20の上に橋渡しされた状態で形成されるのである（第２
図（ｅ）参照）。

このようにして形成された支持体30の上にセンサ膜40を
形成するとともに、センサ膜40に接続して電極50をも形
成して第１図に示すようなシリコンマイクロセンサが完
成する。ここで、センサ膜40の材料としては製造するセ
ンサの種類によって変更することはいうまでもない。

なお、上述した実施例では支持体30の形状をブリッジタ
イプとして説明したが、本発明はこれに限定されるもの
ではなく、カンチレバータイプのものであっても同様に
形成することができる。

〈発明の効果〉本発明に係るシリコンマイクロセンサによると、支持体
を熱酸化シリコン膜と窒化シリコンスパッタ膜との多層
構造から構成したので、ヒビ割れや破損のない支持体を
形成することができる。また、窒化シリコンスパッタ膜
を利用しているため、成膜時のシリコン基板の温度を低
い状態に保てるので残留応力の小さいものとすることが
できる。

また、この窒化シリコンスパッタ膜を形成する際に、従
来のように危険な半導体ガスを使用する必要がないた
め、製造設備を簡単にすることができる。

また、熱酸化シリコン膜及び窒化シリコンスパッタ膜を
積層した後に熱処理を行ったため、窒化シリコンスパッ
タ膜に残るほんの僅かな残留応力をも除去することがで
きるため、支持体を略完全に平坦なものとすることが可
能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明に係るシリコンマイクロセンサの
平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図、第２図はシ
リコンマイクロセンサの工程断面図、第３図は従来のシ
リコンマイクロセンサの支持体の形状を示す構成図であ
る。 10……シリコン基板、11……熱酸化シリコン膜、12……
窒化シリコンスパッタ膜、30……支持体、40……センサ
膜。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリコン基板と、該シリコン基板との間に
空隙部を有し前記シリコン基板に固着された絶縁物から
なる支持体と、該支持体上にセンサ膜とを備えたシリコ
ンマイクロセンサにおいて、前記支持体が２層構造からなり、下層が熱酸化シリコン
膜であり、上層が窒化シリコンスパッタ膜であることを
特徴とするシリコンマイクロセンサ。
【請求項２】前記熱酸化シリコン膜の膜厚よりも前記窒
化シリコンスパッタ膜の膜厚が厚く設定されていること
を特徴とする特許請求の範囲第１項に記載のシリコンマ
イクロセンサ。
【請求項３】シリコン基板上に熱酸化シリコン膜を形成
する工程と、該熱酸化シリコン膜上に窒化シリコンスパッタ膜を形成
する工程と、前記熱酸化シリコン膜及び前記窒化シリコンスパッタ膜
からなる絶縁膜を含む前記シリコン基板を800〜1100℃
の温度で熱処理を行う工程と、フォトエッチ工程により前記絶縁膜を所望の支持体に形
成すると共に不要な前記絶縁膜を除去して前記シリコン
基板表面を露出する工程と、前記支持体をマスクにして前記シリコン基板表面からシ
リコンエッチャントにより前記支持体と前記シリコン基
板との間に空隙部を形成する工程と、前記支持体上にセンサ膜を配設する工程とを含むことを
特徴とするシリコンマイクロセンサの製造方法。