JPH0798327A - 絶縁体上シリコン技術を用いた加速度計の製造方法およびそれにより得られる加速度計 - Google Patents
絶縁体上シリコン技術を用いた加速度計の製造方法およびそれにより得られる加速度計Info
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Abstract
れ製造コストが低く、しかも基板面に対し垂直または平
行な感知軸を持った加速度計を得ることを目的とする。 【構成】 本発明に係る加速度計の製造方法は次の工程
を含んでいる。 a)シリコン基板(8)上にあって、絶縁層(28)に
よってシリコン基板から分離された導電性の単結晶のシ
リコンフィルム(32)を製造する工程、 b)可動部材(2,6)および計測手段(12,20,
16)を形成するために、シリコンフィルム(32)お
よび絶縁層(28)を前記基板(8)までエッチングす
る工程、 c)計測手段のための電気接点(24,26)を製造す
る工程、 d)可動部材(2,6)を自由にするために絶縁層(3
2)の部分的除去して、絶縁層(28)の残余分が基板
と可動部材とを一体化させる工程。
Description
(silicon-on-insulator technology) を用いた、基板
の面と平行な感知軸を備えた方向(指向性)加速度計の
製造方法及び/又は基板の面と垂直な感知軸を備えた方
向(指向性)加速度計の製造方法に関する。
運動質量mと、加速度計が取り付けられる移動体の加速
度γのための力F=mγを計測するための手段とを備え
た加速度変換器である。
宇宙分野において近年益々必要とされかつ用いられてき
ているパラメータであり、自動車の分野においてもアク
ティブ・サスペンションあるいはエア・バッグのチェッ
クまたは制御のために用いられてきている。後者の使用
の発達は、前記変換器の、許容できる測定性能を確保し
つつ、製造コストにおける非常に重要な減少を要求す
る。
基板と平行な一または二の方向、及び/又は、前記基板
と垂直な方向に動く物体の加速度を計測することを要求
されるあらゆる分野において用いることができる。
いてミクロ機械加工されたシリコンから加速度計または
加速度計の機械的構造を製造するための多くの方法が提
案されている。
処理工程での大量処理およびそれらの小型化を実現する
ことにある。すなわち、比較的低コストのピースであり
ながら、クリープ、ヒステリシス、経年変化等を生じな
い単結晶材料の機械的信頼性にある。この重要なコスト
削減が、許容できる測定性能を確保した上での、そのよ
うな変換器またはセンサーの広い使用を可能とする。
軸の位置によって主に2つのグループに分けられる。こ
れらは、前記基板と垂直となる感知軸を有する構造(以
下、「垂直軸構造」と称する)であり、最も広く発達
し、かつ、例えば単結晶構造体を分離するために該基板
の厚み全体をエッチングする周知のシリコン・体積・異
方性化学加工技術 (silicon-volume-anisotropic-chemi
cal-machining technology) を用いるものである。前記
基板と平行な感知軸を有した構造のもの(以下、「水平
軸構造」と称する)は、表面技術または体積技術を用い
るもので、同一平面上にあって略直交する2つの軸に反
応する加速度計を同一チップ上に一体化できるといった
利点を有する。
23 (1990), p297-302, R. Rudolf氏他による「μg単位
までの精密加速度計」には、この体積法を用いた垂直軸
加速度計の製造が記載されている。
2− Transducers '91 Digest of Technical papers, J
une 1991, San Francisco, J. T. Suminto 氏による
「簡単かつ高性能なピエゾ抵抗型加速度計」, p104-10
7、 および同氏出願による文献3− US-A-4 653 326 に
記載されている。
(double face method) の使用(高価な精密な機械と両
面研磨された基板を);基板の結晶配向とリンクされた
変換器形状、およびそれがための形状限定;基板の厚み
によって制限される変換器の小型化(一つの次元が固定
された三次元構造);および、支持およびガイド孔を必
要とする変換器の一以上の基板上への固定、であり、こ
れらが変換器の製造を複雑にしている。
る基本的原理は、変位の測定、又は、フレキシブル・ビ
ームと呼ばれる可撓性機械的リンクによる支持体に取り
付けられた震動体によって付与された力の測定である。
方向性である。この方向性は、質量体支持ビームの形状
的異方性によって得られる。これらの矩形で可変長さを
備えるビームは、その厚み方向には相当な柔軟性を有す
ると共に、幅方向には高い剛性を有している。変換器の
感度を決定するこのビームの厚みの制御が、この変換器
を製造する上で最も難しい点である。
で、前記支持体と前記自由構造体(質量体)が単結晶シ
リコンより製作されることが重要(単結晶シリコンは、
クリープ,ヒステリシス,および弾性を有せず、かつ電
子部品への固定が可能であるため)である。
は、低速エッチング面(111)が基板面に対して垂直
となっている110オリエンテーションを有したシリコ
ン基板をエッチングすることにより得られる(文献2参
照)。この場合、異方性エッチングは良好な幾何学的な
形状を得ることを可能とするが、基板の単結晶配向に係
る形状を限定するといった問題がある。このことは、両
面が研磨された特別な基板、および二面整合法を必要と
する。加えて、これら非標準的なマイクロエレクトロニ
クス基板は、他の電子部品の同一基板への取付けを阻害
することになる。
500μm)ため、厳選されたエッチングマスクおよび
比較的大きな最終エッチングパターンを用いることが必
要であり、充分な小型化が困難である。
器を得るべく、それを一つ以上の厚くかつ剛性のある支
持体上に取り付ける必要がある。該支持体は、一般に、
基板の性質(例えばガラス)とは異なった性質を有して
おり、変換器の性能にとって有害な特異なストレス、お
よび追加工程の困難といったものの要因となる。
単一面技術において、平行軸変換器を製造するため、非
常に小さい幾何学的形状及びそれに関する自由度を持っ
た捨て層を用いたその他の方法が提案されている。これ
らはまた、2つの平行軸変換器を同一基板上に結合する
ことを可能にする。
捨て層及び所定の多結晶シリコン含有層を用いた表面加
工法による、エレクトロニクス技術と結合された平行軸
加速度変換器が注目されている。この変換器は、文献4
− Electronic Design, August 1991, p 45-56, F. Goo
denough 氏による「加速度計の微細加工された質量体
が、IC面内において『動く』;チップ上回路による制
御、及び力−均衡法 (force-balance techniques) によ
るGの検出」に記載されている。
並みの機械的性質、および、単結晶シリコン基板および
多結晶シリコン構造体といった二つの異なった材料を使
用することにより引き起こされる特異な熱応力である。
これらは、震動質量体を形成する多結晶シリコン層のた
め数ミクロンに限定される厚みと同様に変換器を限定
し、測定性能を不十分ものとし、該変換器の方向性、寸
法的可能性、および測定レンジを減少させる。
は、変換器の測定性能、再生産性、および安定性を低下
させる。
状比率(高さ/重量)が1に近似しており、方向性の観
点から見てそれほど優れておらず、よって、横方向に対
して主な感度を有している。付着厚が数ミクロンを超え
ない(一般に、2μm未満)多結晶シリコンの使用が、
方向性および震動体の大きさを、従って計測レンジを制
限する。
造のために、震動体支持体は通常、エッチング停止法
(etch stop method) により製造される。次いで、固形
シリコン基板における高ホウ素ドーピング・エピタキシ
ャルシリコン層で停止された後面のエッチング(文献5
− J. Elctrochem. Soc., vol. 137, No. 11, November
1990, H.Seidel 氏他による「アルカリ溶解における単
結晶シリコンの異方性エッチング: II. ドーピング物
の影響」、p 3626-3632 参照)、あるいは、基板とP/
N結合を形成するエピタキシャルシリコン層上にエッチ
ストップがあるシリコン基板の電気科学的エッチング
(文献6− IEEE Transactions on ElectronDevices, v
ol. 36, No. 4, April 1989, B. Kloeck 氏他による
「シリコン膜の高精度厚み制御のための電気科学的エッ
チストップの研究」 p 663-669 参照)が用いられる。
欠点を有している。従って、それらは、基板の結晶配向
のため感知要素の形状を限定した異方性エッチング、お
よび、特殊な基板および二面整合法を必要とする背面か
らのエッチングを用いる。
傾斜エッチング面(オリエンテーション100シリコン
で54.7%)、エッチングされるシリコンの厚み、お
よび、部品の最終的に用いられる形状よりもはるかに大
きい背面に製造される形状を考慮して、特殊なエッチン
グマスクを使用する必要がある。
用いたその他の方法が提案されている。これらの方法の
さらなる詳細は、文献7− Sensors and Actuators, A2
1-A23 (1990), p 273-277, B. Boxenhorn 氏及び P. Gr
eiff 氏による「一体型シリコン加速度計」に記載され
ている。この解決法は、略1020 At/cm3 といっ
た高ドーピングシリコン構造を用い、これが変換器の計
測性能を低下させる欠点がある。加えて、この変換器は
捩れによっても作動する。
表面微細加工とも関連した絶縁体上シリコン技術を用
い、基板と平行な感知軸あるいは基板と垂直な感知軸を
有した加速度計の製造方法を提供する。
ator technology) はSOIの省略形として周知であ
る。周知の方法の一つは、アモルフアス、あるいは単結
晶シリコン基板の熱酸化により得られる二酸化ケイ素層
に設けられた多結晶シリコン層のレーザー再結晶法を用
いる。SDBの省略形として知られる第2の方法は、少
なくとも一つが接着面上にSiO2 層(例えば、熱酸化
により得られる)を有し、それら二つのシリコン基板の
うちの一つの厚さが所要の厚さに減少された二つのシリ
コン基板のシーリング (sealing) または接着 (bondin
g) の達成から成るものである(Technical Digest MNE
'90, 2nd Workshop, Berlin, November 90,p 81-86,
C. Harendt 氏他による「ウェーハ接着およびその絶縁
体上シリコン製作への応用」参照)。
した後に、酸素または窒素イオンの固体単結晶シリコン
内への高ドーピングに基づくものであり、単結晶シリコ
ンフィルムを支持する埋設された窒化シリコン又は二酸
化ケイ素絶縁層を形成するものである。酸素イオンドー
ピング法は、SIMOXとして周知である。本発明は、
これらの異なったSOI法を提供する。
小さい寸法、故に高密度を有し、これにより製造コスト
の低減の図れる機械的な単結晶シリコン構造体を得るこ
とを可能とする。この方法はまた、基板面に対し垂直ま
たは平行な感知軸を持った加速度変換器を製造すること
を可能とするもので、高指向性の下でのサーボ制御が可
能であり、故にリニア応答を保証し、あるいは較正 (ca
libration) のための自動試験が可能である。
に関しては完全な自由度を有し、単一面法および、全体
として非常に小さく一面が研磨された標準厚の標準シリ
コン基板を用いた、一体かつ集合的なマイクロ加速度計
の製造を実現する。
支持体に接着するといった問題の多い工程を排除し、一
つ一つを低コストのものとすることができる。
有した一以上の加速度計および基板と垂直な感知軸を有
した一以上の加速度計の同一基板上への同時製造を実現
する。
には、本発明は、可動要素を備えた集積加速度計の製造
方法に関するもので、次の工程を有することを特徴とし
ている。 a)シリコン基板上へ、絶縁層により該基板から分離さ
れた単結晶シリコンフィルムを形成する工程。 b)可動要素の形状を固定するために、前記シリコンフ
ィルムおよび絶縁層を前記基板までエッチングする工
程。 c)前記可動要素を自由にするために前記絶縁層を部分
的に除去し、絶縁層の残余部分により前記可動要素と前
記基板とを一体化する工程。
えた加速度計、および基板に対し垂直な感知軸を備えた
加速度計の双方に適用できる。
の手段は、感知構造体の中に一体化してもしなくてもよ
い。これらの手段が統合されると、それらは前記シリコ
ンフィルムの表面に製造され、部分的には上記工程b)
において形成される。この場合、前記シリコンフィルム
は好都合にも導電体であり、前記フィルム上に電気的接
点を製造する補足工程が必要である。
めの手段としては、コンデンサを用いること好ましい。
これらの変位を検出するその他の手段として、誘導的手
段あるいは圧電的手段を用いることも可能である。
的に絶縁された一以上の表面電極の助力を受けて製造さ
れる。
ために、上記b)工程で得られる構造上の導電単結晶シ
リコン層をエピタキシャル成長させる補足工程を有して
いることが好ましい。このエピタキシャル成長は少なく
とも前記可動要素の位置において実施される。これによ
り、加速度計の剛性を確保し、かつ震動質量体の減少を
図れる。
ため、従ってまた可動要素に生じ得る変位の良好な検出
を保証するため、このエピタキシャル成長されたシリコ
ンはドーピングされなければならない。
上シリコン法に適用可能である。しかし、上記a)工程
は、導電性単結晶シリコン基板内への酸素イオンの注入
操作および該ドーピングされた基板の熱処理操作を備え
ることが好ましい。このイオンの注入は1回あるいは多
数回にわたって行われ、各注入の後に基板の熱処理が行
われる。
板が表面フィルムのための開始点を構成したときにN導
電性を得ることができる。しかし、P導電性を用いるこ
とが好ましい。
以上の可撓性ビームから成り、該ビームの一端は、電気
的に絶縁された状態で基板に結合されている。
に、該加速度計の震動質量体には、前記絶縁層にて止め
られるようにシリコンフィルムに形成された開口が設け
られている。この操作は、前記絶縁層除去工程の直前に
おいてなされる。
と平行な感知軸を有した加速度計の製造、および基板面
と垂直な感知軸を有した加速度計の製造、の双方に適用
可能である。
有している場合には、本発明の方法は、部分的に前記動
体の生じ得る変位を測定するための手段から成る櫛状静
電スクリーンを形成するために、好ましくは、シリコン
フィルムおよび絶縁層をエッチングする工程を有する。
支持する少なくとも一つのビーム(該ビームと前記質量
体は基板と平行な方向に動く)を有する加速度計の製造
のため、本発明の方法は、好ましくは、次の一連の工程
を有する。 1)前記導電性シリコンフィルムを基板から分離する埋
設酸化物層を形成するための、導電性単結晶シリコン基
板への酸素イオンの注入工程、およびそれに続く、注入
された基板の熱処理工程、 2)前記移動質量体、前記ビーム、および計測手段部を
形成するために、前記積層酸化物フィルム層を前記基板
までエッチングする工程。 3)前記移動質量体および前記ビームをの厚みを付ける
ために、上記2)工程により得られた構造体全体を覆う
導電性シリコン層をエピタキシャル成長させる工程、 4)前記測定手段に金属接点を設ける工程、 5)前記移動質量体および部分的に計測手段を構成する
櫛状静電スクリーンに孔を形成するために、前記エピタ
キシャル成長された層および前記シリコンフィルムを前
記酸化物層までエッチングする工程、 6)前記酸化物層を部分的に除去する工程。
に動く可動要素を有した加速度計の製造方法に関し、か
つ、好ましくは、単結晶基板内の埋設電極の形成工程お
よび該埋設電極の接続工程を含むものである。
した基板に部分的にイオンを注入することによって形成
することができる。従って、N型基板のために、P/N
結合を形成するようにP型イオンの注入が行われる。
された一以上のビームによって支持されなければならな
いため、加速度計が垂直軸を有する場合には、それらビ
ームが機械的な引っ張りを受けなければならない。ま
た、例えば、N型フィルムである場合には、シリコンフ
ィルムの表面全体にP型イオンの注入によるドーピング
操作を実行することも好ましい。この注入は、前記可撓
性ビームの引っ張り応力を生じせしめる。
には、本発明の方法は、電気容量の検出を確保するため
に、シリコンフィルムに表面電極を形成する工程、基板
を表面電極から電気的に絶縁するための付加絶縁層の形
成およびエッチング工程を含むものとなる。
コンより作られ、N型あるいはP型のものとなる。
と垂直な方向に動く少なくとも一つのビームを備えた垂
直軸、少なくとも一つの表面電極および少なくとも一つ
の埋設電極を有した加速度計の製造を可能とする。この
場合、この方法は、下記の一連の工程を有する。 i )第1導電タイプを有する導電性単結晶シリコン基板
への酸素イオンの注入と、該注入された基板の熱処理工
程、さらに、これにより導電性シリコンフィルムを基板
から分離する埋設酸化物層を形成する工程、 ii )基板に埋設電極を形成する工程、 iii )移動質量体、ビーム、および前記埋設電極の接点
を形成するために、積層酸化物フィルム層を基板までエ
ッチングする工程、 iv )前記移動質量体および前記ビームに、前記シリコ
ンに対して選択的に除去されるスタッドを形成する工
程、 v )上記 iv ) 工程において得られた構造体を、付加さ
れた電気絶縁体により前記表面電極のために設けられた
位置において電気的に絶縁する工程、 vi )多結晶シリコンを、表面電極のために設けられた
位置で厚みを付けかつ付着させるために、導電性単結晶
シリコン層を前記質量体上でエピタキシャル成長させる
工程、 vii )前記表面電極および埋設電極のための金属接点を
得る工程、 viii )前記移動質量体に開口を形成するために、エピ
タキシャル成長された積層シリコンフィルム層を前記酸
化物までエッチングする工程、 ix )前記スタッド、および部分的に前記酸化物層を除
去する工程。
化物層を同時に除去するために、前記スタッドは、二酸
化ケイ素よりなるものであることが好ましい。
該基板と平行となる方向に動く可動要素を有した一以上
の加速度計と、該基板と垂直となる方向に動く可動要素
を有した一以上の加速度計とを同時に作製することを可
能とする。この場合、基板と垂直方向に動く要素を有し
た加速度計の製造に特有な工程、および特に上記 ii),
iv ), v ) 工程は、前記基板の所定の区域、すなちわ基
板に垂直な感知軸を備えた加速度計を製造するための区
域をマスキングすることによって達成される。
の図面を参照した下記の記載に集約されている。ただ
し、本発明は下記に限定されるものではない。下記の説
明は、SIMOX法、およびN型単結晶基板の使用につ
いてなされているものであるが、上述したようにその他
の絶縁体上シリコン法およびP型基板を使用した場合に
ついても考慮できるものである。
を備えた加速度計の一実施例による製造について説明す
る。
固定支持体4に接合され、移動することのできる、リン
のドーピングされた単結晶シリコン震動質量体2を有す
る。この質量体2は、透孔9および突出部7を有してい
て、前記ビームへの固定が保証されている。これら透孔
については以降に詳細に説明する。
態で基盤8と一体となっている。該固定支持体4および
前記ビーム6は、P型単結晶シリコンから成り、一方、
前記基盤8は、N型単結晶シリコンより成る。
量体2の何れの面にも2つの固定支持体4を有してお
り、固定支持体4は該固定支持体4に対して垂直となっ
た2つのビーム6によって結合されている。従って、こ
の構造は、前記基板8の面に平行な2本の直交軸Xおよ
びYに対して対称形となっている。
のみを有した加速度計を得ることも可能であり、かつ機
能することができる。
は、前記Y軸の何れの側にも、X軸と平行な方向に向い
た歯状の電極12を備えている。それらは、2つの第1
可動櫛状体14を構成している。各第1櫛状体14に対
向して、かつそれとずれた位置に、第2の固定櫛状体1
6,17が位置している。これら第2の固定櫛状体1
6,17の歯部18,15がXの方向と平行となり、前
記櫛状体14の歯部12の間に位置されている。これら
櫛状体16,17もまた、リンのドーピングされた単結
晶シリコンから成り、これら櫛状体16,17の基部1
9,21によって前記基板8に結合されている(図
3)。
は、それらの導電性に基づいて、電気容量可変コンデン
サ面を構成する。従って、前記ビーム6がY軸の方に前
記基板8と平行に移動すると、前記歯部18,15が不
動であるのに対し、前記移動歯部12は前記Y方向に移
動する。これにより、前記歯部12とこれに対向した前
記歯部18,15との離間距離が変化し、対応するコン
デンサの電気容量が変化する。
における変位に比例する。従って、該容量変化を測定す
ることにより、前記ビームのY方向における変位を知る
ことができる。側端部に位置したものを除き、各歯部1
2には、互いに反対方向に変化する2つの可変容量が対
応している。
量値を決めるするために、また、Y方向に対して対称で
ある結果として、前記Y方向と平行な歯部22より主と
して構成された静電スクリーン20が前記方向の何れの
側にも設けられている。各歯部22は、移動歯部12と
固定歯部18,15との間に位置している。
例えば、好ましくはリンのドーピングされた単結晶シリ
コンから成り、このことは同時に、前記質量体、前記ビ
ーム6、および前記電極18,15についても言えるこ
とである。
前記固定電極22は、前記基板8に直接取付けられてお
り、よってこの基板8とは電気的に接続されている。し
かし、図3に示すように、前記ビーム6の前記固定支持
体4、および、前記固定櫛状体16,17の前記基部1
9は、エッチングされた二酸化ケイ素層28により基板
8とは電気的に絶縁されている。
架されている。符号40は、前記震動質量体2を基板8
から離間させる間隔を示している。
前記静電スクリーン20の配置により、Y方向に前記ビ
ーム6により支持された前記質量体2の変位の差動測定
および該測定のサーボ制御が可能となっている。
化を測定するために、前記櫛状体17,16には、それ
ぞれリファレンス接点23,24が設けられている。さ
らに、測定用電気接点26が、上記差動測定を確保する
ために、前記固定支持体4の一方に設けられている。
記震動質量体2は力(F=mγ)を受け、これにより該
質量体2は、前記ビーム6の剛性に従い、Y軸と平行と
なる距離lだけ動く。前記震動質量体2と一体とされた
これら電極12と、前記「噛み合った」櫛状体16,1
7,14の固定電極18,15(過付加時には接触支持
部 (abutment) として機能する)との間の電気容量が逆
に変化する。
極18,15の面と可動電極12の面との間に介在され
ているので、それぞれに動く歯部を有した単一の容量可
変コンデンサが形成され、そのため、寄生容量効果を排
除することができる。
5),22は電気的に絶縁されており、かつ、前記震動
質量体2(前記接点26を介して)、および前記電極1
8,15の一方(それぞれ前記接点24,23を介し
て)との間に電場Eが付与されている状況にあって、静
電力が生ずる。
23と接点26との間には、加速中の前記震動質量体の
Y方向に沿った変位によって生じた前記差動容量変化を
検出する測定装置が接続される。この容量計測型の装置
は、交流測定信号を低電流で発生する。
および26を介して、前記電極12と電極18又は15
との間に(容量減少を受ける)連続的な分極 (polariza
tion) が付与される。これにより、Yについての加速度
によって生じさせられたのと等しい静電力が働き、前記
質量体を平衡位置に持っていき、すなわち各可変コンデ
ンサを初期容量とする。
速度の模写 (image) であり、極めてリニアな特性を有
した変換器を得ること、およびその自動試験のための使
用が可能であるとなる。
ためには、図1ないし図3に示す型の加速度計を、前記
ビーム6および歯部12,18,22がY軸と平行とな
るようにそれを直交方向に向けるようにして、前記同一
の基板8に形成するだけでよい。この場合は、前記震動
質量体のXと平行な変位によって、X方向における加速
度を検出することが可能となる。
造 図4に示す製造の第1段階は、基板8上に絶縁体上シリ
コン型の積層を形成する工程から成る。そのため、酸素
イオン(O+ またはO2 + )30を、任意のオリエンテ
ーション(100,110,101)を有する窒素ドー
ピング単結晶シリコン基板8に、1016 ないし1018
イオン/cm注入し、かつその注入された基板を115
0°ないし1400°で熱処理する。この酸素注入と前
記熱処理は何度か繰り返される。前記注入の際のエネル
ギーは、100kevないし1000kevである。
は多段注入により、埋設された均質な酸化物層28、お
よびN単結晶シリコン表面層32が前基板8の全表面に
形成される。
略400nmであり、かつ前記表面シリコン層32の厚
みが略150nmである場合には、200kevのエネ
ルギーで、1018 イオン/cmの酸素注入を3回行
う。
の全体に、該フィルム32に引っ張り応力を付与する
(例えば、図12に示す如くホウ素イオンを略30ke
vの比較的低いエネルギーで注入することによって)た
めに、該フィルム32の表面浸透のみが達成されるよう
に、数1014 At/cm2 (通常は、2×1014)の
量でP型のドーピングが行われる。基板がはじめからP
型のものである場合には、この注入は不要である。
および28を、前記静電スクリーン20および前記震動
質量体2の概略形状を固定することを可能とする所定の
パターンに従って、前記基板8までエッチングする工程
から成る。
32および酸化物28にそれぞれSF6 およびCHF3
を用いた、活性イオンエッチングによってなされる。こ
のエッチングは、周知の写真製版法により、特に所要の
パターンを描く樹脂マスク34を用いて、前記基板の結
晶配向とは独立してなされる。
除去に続いて、該加速度計に要求される感度および該構
造(特に前記ビーム8)の剛性に応じて、また適切な震
動質量体を得る為に、リンのドーピングされた単結晶シ
リコン層36の全体に、1μmないし100μmの厚さ
(通常は10ないし20μm)でエピタキシャル成長が
行われる。このエピタキシャル成長は気相雰囲気で行わ
れる。得られた構造を図6に示してある。
接点23,24,26を形成するために、得られた構造
体への金属層の付着がなされる。この金属被覆は、略
0.5μmの厚みを有しており、アルミニウム、金、あ
るいは、Ti−Ni−Au型の積層より成り、一般に
は、前記酸化ケイ素のエッチング工程中における耐性を
有したものから成る。前記三層金属被覆においては、チ
タニウム層が前記シリコンのオーム接触として、かつ前
記ニッケルは拡散隔膜として機能し、金が電気導通を保
証するものとなる。
4,26を前記シリコン部分19,21および前記固定
支持体4にそれぞれ形成するために、エッチングされ
る。三層金属被膜においては、たとえば前記金のエッチ
ングにはヨウ素とヨウ化カリウムの混合液、前記ニッケ
ルのエッチングには、 (NH4 )2 S2O8 のH2SO4
溶液、前記チタニウムのエッチングには1体積%のHF
溶液、といったように、液相化学エッチング (wet chem
ical etching) を用いることができる。エッチングより
より得られた構造体を図7に示す。
ャル層36、さらに前記シリコン層32のエッチング
が、前記シリカ層28さらに前記基板8まで、前記静電
スクリーンとともに行われる。このエッチングは、例え
ば、前記シリコンには、CCl4+N2 の混合液、また
前記酸化物にはCHF3 を用いた活性イオンエッチング
等の、異方性気相エッチングである。これは、適当な形
状のSiO2または樹脂マスク37を用いた標準的な写真
製版処理によってなされる。
部、前記震動質量体の歯部12、および前記固定歯部1
8,15のの形状を規定している。さらに、図1に示す
ように、前記エッチングは、前記震動質量体2の基部の
シリコン部分の全体にわたって孔9を形成する(図
3)。
層28をフッ酸をベースとした溶液中で、該構造体のの
エッジおよび前記孔9からエッチングすることにより、
該加速度計の移動要素すなわち櫛状部14を備えた前記
震動質量体2および前記可撓性ビーム6を自由にする。
それにより得られたものを図2および図3に示してあ
る。
基板と絶縁はされるが該基板8により部分的に支持され
るように行う。前記孔9は、特に前記固定支持体4およ
び固定電極18,15を備えた前記櫛状体16,17の
前記基部19,21の下方における自由となるべきでな
い領域が如何なる過腐食も生じないようにしながら、前
記震動質量体2の下の埋設層28の急速なエッチングを
可能とするために形成されいる。これ後に、この構造体
を引き上げ、乾燥させる。
化物層28の形成を可能とするとともに、該捨て層が除
去された後には空隙40(図3)を形成して該単結晶シ
リコン構造を自由とする。前記空隙は、前記基板8と前
記シリコン層32との隙間を幅狭に制御し、その底部
は、過付加時における接合点として用いられる。
度計 以下の記載においては、図1ないし図8を参照とした上
記説明した部材と同様の作用をなす部材には符号の後に
「a」を付して説明することとする。なお、この加速度
計は、上述のものと同一の基板に同時に製造し得るもの
であるので、材料およびそれらの形成手順およびエッチ
ングについては上記同様である。この加速度計は、図9
に平面図で、また、図10には図9のX−X線に沿った
断面図で示してある。
方向における加速度の方向のためのもので、対称形をし
ているが、その左方上方部のみを用いることも可能であ
る。
備えた正方形状の震動質量体2aを有している。この震
動質量体2aは、ビーム6aにより、基板8に結合され
た支持部材4aに連結されている。ただし、この支持部
材4aは酸化物層28によって基板8とは絶縁されてい
る。
アフラム12aを有している。ここでは、4つのダイア
フラムが該震動質量体2aの側に設けられている。これ
らダイアフラム12aは、電気容量の検出および該測定
のサーボ制御のための移動電極として機能する。前記ビ
ーム6aと同じように、これらダイアフラム12aは単
結晶シリコンから成り、1ミクロン以下の厚み(例え
ば、0.22μm)を有している。
部固定電極18aが設けられており、その突出部18b
が上部接触支持部となる。これら電極18aはリンのド
ーピングされた多結晶シリコンより成る。
させる均一な空隙40aが形成されている。また、前記
電極12aと前記電極20aを離間させる均一な空隙4
0bが形成されている。これらの電極18aは、基板8
とは絶縁された支持部材19aによって支持されてい
る。
aが形成されており、かつ、前記ビームの前記支持体4
aの上部には測定用金属接点26aが形成されている。
部にはP型埋設電極20aが設けられていることが好ま
しい。埋設電極20aを用いると、寄生電気容量が消滅
するまで測定が可能となるので、好ましい。しかしなが
ら、該加速度計は、この埋設電極なしでも機能する。こ
の場合、P型半導体である基板によって置き換えられ
る。
その表面にある金属接点23aに挿入された電気連結子
21により側方よりなされる。
加速度計の動作について説明する。Z方向に沿った加速
度が生じると、前記震動質量体2aには、力(F=m
γ)が付与され、この質量体2aが前記ビーム6の剛性
に応じてZ方向と平行な距離lだけ動く。これにより、
この震動質量体と結合された前記電極12aと、前記上
部接合部18bおよび前記基板8によって構成された電
極との間の電気容量が互いに反対方向に変化する。
aは電気的に絶縁されており、前記震動質量体2a(前
記接点26aを介して)と前記電極18b,20aの一
方(各々前記接点24a,23aを介して)との間に電
場Eが付与された状況では、静電気力が生ずる。
3a,26aに接続され、加速度が付与されたときの前
記震動質量体のZ方向の変位による電気容量の差動変化
を検出する測定装置が再度用いられる。
および18bに対応した電極24a,26aを介して与
えられた連続的な分極に載せられた低電流の交流測定信
号を発生し、それはZ方向の加速度により生じた力に等
しい力を生じ、前記質量体を平衡位置に持ってくる。
の製造 図11に示す第一段階は、図4に関して述べたのと同様
の方法によって、前記N型基板8上に、前記単結晶シリ
コン32および酸化物層28から形成される積層を形成
する工程から成るものである。
は、前記基板8内の埋設電極の製造に関するものであ
る。この埋設電極を得るため、前記基板に形成されるべ
き前記電極20aおよびその接点21の模写を作る写真
製版用マスク42が、周知の方法によって形成される。
接点21は、その後の接続のために該加速度計の感知領
域の外側に形成される。
層28の下側に、ホウ素44の高エネルギー深注入を行
う。注入条件としては、良好な導電性を有したP型ドー
ピング領域および前記埋設層28の真下に略0.3μm
の厚みを得るため、例えばエネルギー240kev、ド
ーピング量5×1014 At/cm2 であり、この注入
は前記樹脂42に覆われない領域において行われる。前
記埋設層は、余計な領域への注入を阻止するために十分
な厚みを有していなければならない。例えば、2μmの
厚みの感光性樹脂を用いることができる。この注入が行
われたら、前記マスク42を例えば化学エッチングによ
り除去する。
ィルム32より成る前記ビーム6aにより支持されなけ
ればならないので、これら可撓性支持体は機械的に引っ
張られている必要がある。この引張り応力は前記シリコ
ンがP型のものであるときに得ることができる。前記シ
リコンフィルム32がN型のものである場合には、リン
をドーピングする必要がある。このドーピングは、図1
2に示すように、前記シリコンフィルム32の表面全体
にP型のイオンを注入することによりなされる。この注
入46は、上記の条件の下でホウ素イオンによって行う
ことができる。
は、前記シリコンフィルム32および前記酸化物層28
より形成された積層を、適当な形状とされたマスク34
aを用いて、前記基板8までエッチングする工程から成
る。このマスク34aは特に前記震動質量体2a、前記
ビーム6a、および前記埋設電極20aとの後の接続の
ための前記接点孔25の形状を決定する。この、二層の
エッチングは、図5において説明したものと同一条件で
行われる。
は、前記仕上げられた構造上に、例えば、前記埋設酸化
物層28と略同じ厚みを有したSiO2 から成る絶縁層
48を形成する工程を含むものである。前記酸化物層
は、マスク50を用いて、周知の写真製版技術によって
エッチングされる。前記絶縁層48は、プラズマを用い
た化学気相蒸着 (plasma assisted chemical vapour de
position) によって形成され、例えば、フッ化水素酸溶
液を用いた化学エッチング、あるいCHF3 を用いたド
ライエッチング(GIR)によってエッチングされる。
残余部分に形成されるべき前記ビーム6aを保護し、か
つ、前記空隙40aを前記可動電極12aとその上部の
固定電極18aとの間に形成する。
記樹脂マスク50を除去した後に、さらに前記保護層4
8および前記酸化物層28に対応して選択的にエッチン
グされるべき電気絶縁層60が、前記仕上げられた構造
の上に設けられる。この層60は、窒化ケイ素または窒
化酸化ケイ素で形成することができ、低圧化学気相蒸着
によって略0.5μm以上の厚みに形成される。
樹脂マスク62を用いてエッチングされる。このマスク
62は、前記導電性基板8および前記シリコンフィルム
32を前記電極18aおよび前記接点孔25と電気的に
絶縁するために、前記層60内に形成される前記絶縁体
の寸法を定める。この層60は、CHF3+SF6の混合
液を用いた活性イオンエッチングよって前記シリコン3
2の面が露出するところまでエッチングされる。
されたものを、図16Aおよび16Bに示した方法によ
って導電性シリコンにより覆う。これにより、前記震動
質量体2aがより厚くなり、上方の電極18aが形成さ
れる。
コン層を前記基板の全表面で1μm〜100μmの厚さ
でエピタキシャル成長させる過程、あるいは、付加的
に、この仕上げられた表面に、この方法のために当面は
その厚みを2〜3μmに抑さえられたリンのドーピング
された多晶シリコン層を形成する過程から成る。
何なる方法によりなされたものであろうと)により、単
結晶シリコンの接触している領域全体にわたる単結晶材
料36aの形成、および前記窒化ケイ素層60あるいは
前記絶縁スタッド48を覆う領域内の多結晶材料36b
の形成が得られる。従って、前記震動質量体2a、およ
び前記ビーム6aのための形成領域64といった、この
構造体の重要な要素が単結晶シリコンにより形成され
る。
属接点26a,23,24aを所要のパターンに従って
形成するためにエッチングされた金属層が、電気的接続
のために形成される。
はチタン−ニッケル−金の多層体より形成することがで
きる。次いで、この接点の形状が、適当な樹脂マスクを
用いた化学エッチングによって形成される。前記多層体
は、フッ化水素酸をベースとした溶液を用いたシリカの
エッチングに耐えられるものでなければならない。
階は、前記可撓性ビーム6a、該ビームの固定64、前
記可動電極12a、および前記支持点18bを備えた前
記電極18の寸法を決める適当なマスク66を用いなが
ら、前記シリコン36a,36b,32をエッチングす
る過程を備える。このエッチングによって透孔9aが形
成され、これによって該構造体の最適な機械的減衰動作
が得られる。
く、前記透孔の密度によって、広い加速度レンジにおけ
る該加速度計のカットオフ周波数を調整することが可能
である。
aの下にある前記埋設酸化物層28まで行われる。この
エッチングに用いられる前記マスク66としては、感光
樹脂マスク、あるいは付加的に、所要形状にエッチング
された酸化物付着物を用いることができる。エッチング
は、SF6 を用いた気相エッチング、あるいは、CCl
4 +N2 の混合ガスにより成される。
材、特に前記ビーム6a、前記震動質量体2a、および
前記電極12aを自由とするように、前記絶縁スタッド
48の除去、および前記埋設層28の部分的除去がなさ
れる。除去は、HFベースの溶液中で、前記構造体の縁
部および前記透孔9aからなされる。その後、構造体は
引き上げられ、乾燥される。
状を有した空隙40b(図10)を形成することが可能
であり、これにより、高い電気容量値が得られる。さら
に、前記感知質量体から離れた前記可撓性ビーム6aが
略0.2μmの厚さの表面シリコン層に形成されるの
で、この加速度計は高感度のものとなる。
述べた基板と垂直となるZ軸方向の加速度を感知する加
速度計と、図1ないし図8で述べた基板と平行となる感
知軸を備えた加速度とを、同一の基板に製造することが
可能である。
できる。この場合、前記X軸あるいはY軸に従って感知
する何れかの加速度計を製造するために用いられる基板
の領域を、前記埋設電極を注入(図11Aおよび図11
B)する間マスキングする必要がある。
び窒化ケイ素60の形成においても、それらの形状が適
当なマスク50,62を通して決められるため、完成さ
れた基板において同時に行われる。
な方法での大量生産を可能とし、よって、製造コストを
低減して、種々の分野での応用が可能となる。
のに限られるものであり、その他の形状も考えられる。
れた加速度計は、図18に示したように、ドーピング単
結晶シリコンより成り、絶縁層28を介してエッチング
され、一端において基板8に結合された可撓性ビーム6
を有する。前記ビームが幅広で厚いために十分に重いと
きは、このビームが震動質量体と成り得る。しかし、前
記ビーム6には、同じく単結晶シリコンから成る付加的
な質量体2を設けることが望ましい。
の手段が設けられている。この手段は、前記基板8と一
体であってもそうでなくともよい。
原理を概略すれば、絶縁体上シリコン技術を用いて、シ
リコンフィルム32を基板8上に、電気絶縁層28によ
って前記基板から離して製造し、次に、前記ビーム6上
に、厚みを増すために、単結晶シリコン層のエピタキシ
ャル成長させ、次いで、前記可動ビーム6および前記可
動質量体を形成するために前記基板8までエッチング
し、さらに、該ビームおよび可動質量体2を自由にする
ために前記絶縁層28を部分的に除去する、ものであ
る。
より製造される加速度計の概略平面図である。
る。
る。
略を示すもので、図1の II -II 線に沿った矢視図であ
る。
概略を示すもので、図1の II- II 線に沿った矢視図で
ある。
概略を示すもので、図1の II- II 線に沿った矢視図で
ある。
概略を示すもので、図1の III- III 線に沿った矢視図
である。
概略を示すもので、図1の II- II 線に沿った矢視図で
ある。
直な感知軸を有した加速度計の平面図である。
る。
工程を示したもので、(A)は平面図、(B)は断面図
である。
造工程を示した断面図である。
造工程を示したもので、(A)は平面図、(B)は断面
図である。
造工程を示したもので、(A)は平面図、(B)は断面
図である。
造工程を示したもので、(A)は平面図、(B)は断面
図である。
造工程を示したもので、(A)は平面図、(B)は断面
図である。
造工程を示したもので、(A)は平面図、(B)は断面
図である。
Claims (19)
- 【請求項1】 下記の工程を有することを特徴とする、
可動要素を有した集積加速度計の製造方法。 (a)シリコン基板上にあって、絶縁層によって該基板
と分離された単結晶シリコンフィルムを製造する工程、
(b)前記可動要素を形成するために、前記シリコンフ
ィルムおよび絶縁層を前記基板までエッチングする工
程、および、(c)前記可動要素を自由とするために前
記絶縁層を部分的に除去し、該除去による該絶縁層の残
余部分によって前記可動要素と前記基板を結合する工
程。 - 【請求項2】 請求項1記載の方法において、前記b)
工程で得られた構造体の上で、導電性単結晶シリコン層
が、少なくとも前記移動要素の部分においてエピタキシ
ャル成長されることを特徴とする方法。 - 【請求項3】 前記基板上に結合された前記可動要素の
変位を測定するための手段を備えた加速度計のための請
求項1記載の方法において、これら変位測定手段を部分
的に前記b)工程において前記シリコンフィルム及び/
又は前記エピタキシャル層に形成して導電性を有せし
め、かつ前記測定手段のために電気接点を前記導電性シ
リコン上に形成することを特徴とする方法。 - 【請求項4】 請求項1記載の方法において、前記シリ
コンフィルムがN型のものであることを特徴とする方
法。 - 【請求項5】 請求項1記載の方法において、前記工程
a)が導電性単一シリコン基板に酸素イオンを注入する
工程と、該注入された基板を熱処理する工程と、からな
ることを特徴とする方法。 - 【請求項6】 震動質量体を支持する少なくとも一つの
可撓性ビームを有した加速度計を製造するための請求項
1記載の方法において、前記絶縁層の除去を容易とする
ために、前記震動質量体には透孔が形成されていること
を特徴とする方法。 - 【請求項7】 前記基板と平行な方向に動く可動要素を
有した加速度計の製造のための請求項3記載の方法にお
いて、前記シリコン層が前記構造体上でエピタキシャル
成長され、かつ、前記計測手段の一部を形成する櫛状静
電スクリーンを形成するために前記エピタキシャル成長
されたシリコン層をエッチングする工程を有することを
特徴とする方法。 - 【請求項8】 前記基板と平行な方向(Y)に沿って可
動な震動質量体とこの質量体を支持する少なくとも一つ
のビームを備える加速度計の製造のための請求項2記載
の方法において、下記の一連の工程を有することを特徴
とする方法。 1)導電静単結晶シリコン基板に酸素イオンを注入し、
次いで該注入された基板を熱処理し、前記導電性シリコ
ンフイルムを前記基板から離間させる埋設酸化物層を形
成する工程、 2)前記可動質量体、前記ビーム、および前記測定手段
の部分を形成するために、前記酸化フィルム積層を前記
基板までエッチングする工程、 3)前記可動質量体および前記ビームの厚みを得るため
に、導電性シリコン層を上記2)で得られた前記構造体
の全体わたってエピタキシャル成長させる工程と、 4)前記測定手段の上に金属接点を形成する工程と、 5)前記可動質量体に透孔を、かつ部分的に前記測定手
段を構成する櫛状静電スクリーンを形成するために、前
記エピタキシャル層と前記シリコンフィルム層を前記酸
化物層までエッチングする工程と、 6)前記酸化物層を部分的に除去する工程。 - 【請求項9】 前記基板と直交する方向(Z)に沿って
動く可動要素を有した加速度計の製造のための請求項1
記載の方法において、前記単結晶基板の中に埋設電極を
形成する工程と、前記電極を接続する工程と、有するこ
とを特徴とする方法。 - 【請求項10】 請求項9記載の方法において、前記シ
リコンフィルムの上に少なくとも一つの表面電極を形成
する工程、および、前記基板を前記表面電極から絶縁す
るために絶縁層を設けてエッチングする工程を有するこ
とを特徴とする方法。 - 【請求項11】 請求項10記載の方法において、前記
表面電極は導電性多結晶シリコンからなることを特徴と
する方法。 - 【請求項12】 請求項10記載の方法において、前記
表面電極の空隙を形成するために、捨てスタッドが、エ
ピタキシャル成長により設けられる前に前記シリコンフ
ィルムに形成されていることを特徴とする方法。 - 【請求項13】 前記基板と直交する方向に移動可能と
された震動質量体、同じく基板と直交する方向に移動可
能とされ、前記質量体を支持する少なくとも一つのビー
ム、少なくとも一つの表面電極、および少なくとも一つ
の埋設電極を有した加速度計の製造のための請求項2記
載の方法において、下記の一連の工程を有することを特
徴とする方法。 i )第一の導電タイプを有した導電性単結晶シリコン基
板に炭素イオンを注入し、該注入された基板を熱処理
し、前記導電性シリコンフィルムを前記基板から分離さ
せる埋設酸化物層を形成する工程、 ii )前記基板内に埋設電極を形成する工程、 iii )前記可動質量体、前記ビーム、および前記埋設電
極の接点を形成するために、前記積層酸化物フィルム層
を前記基板までエッチングする工程、 iv )前記可動質量体および前記ビーム上に、前記シリ
コンと関連して選択的に除去し得るスタッドを形成する
工程、 v )上記 iv )の工程で得られた構造体における前記表
面電極のために設けられる部位を、付加的な電気絶縁体
により電気的に絶縁する工程、 vi )前記質量体の上の導電性単結晶シリコンを、前記
表面電極が設けられる部位において、厚みを付けかつ多
結晶シリコンを設けるために、エピタキシャル成長させ
る工程、 vii )前記表面電極および前記埋設電極のための接点を
形成する工程、 viii )前記可動質量体に開孔を形成するために、前記
エピタキシャルされたシリコン−シリコンフィルムを前
記酸化物層までエッチングする工程、 ix )前記スタッド、および前記酸化物層の一部を除去
する工程。 - 【請求項14】 請求項13記載の方法において、前記
スタッドが二酸化シリコンより成ることを特徴とする方
法。 - 【請求項15】 請求項9記載の方法において、前記電
極が、前記基板内への、該基板とは反対の導電性型を有
したイオンの部分的注入によって得られることを特徴と
する方法。 - 【請求項16】 請求項1記載の方法において、前記シ
リコンフィルムがN型シリコンフィルムである場合に、
該シリコンフイルムの全体にP型のイオンを注入する工
程を有することを特徴とする方法。 - 【請求項17】 請求項1記載の方法において、前記絶
縁層が液層等法性エッチングによって除去されることを
特徴とする方法。 - 【請求項18】 請求項1記載の方法によって得られる
加速度計であって、前記基板と直交する方向に感知軸を
有する少なくとも一つの第1の可動要素と、基板と平行
な方向に感知軸を有する少なくとも一つの第2の可動要
素とを一体に有していることを特徴とする加速度計。 - 【請求項19】 請求項9記載の方法によって得られる
加速度計であって、前記基板と直交する感知軸を有した
少なくとも一つの可動要素を有していることを特徴とす
る加速度計。
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