JPH08504266A - マイクロメカニカルセンサ - Google Patents

マイクロメカニカルセンサ

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JPH08504266A
JPH08504266A JP5516352A JP51635293A JPH08504266A JP H08504266 A JPH08504266 A JP H08504266A JP 5516352 A JP5516352 A JP 5516352A JP 51635293 A JP51635293 A JP 51635293A JP H08504266 A JPH08504266 A JP H08504266A
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ムーア,デービッド・フランク
ホール,アンドリュー・チャールズ・フレデリック
ヒーヴァー,アラン
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ブリティッシュ・テクノロジー・グループ・リミテッド
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Abstract

(57)【要約】 マイクロメルセンサは、それぞれの支持領域(12a−12d)にて支持された複数の検出要素(14a−14d)を備えている。第一の組の検出要素が検出空隙を形成する。一つの構成において、これは、隣接する支持領域により支持された検出要素により形成される。別の実施例において、検出空隙は、1つの検出要素と、真向いに配置された2つの検出要素の戻り脚部を接続することで形成された基準ビームとの間に形成される。これらの検出要素は、互いに関して略類似しており、その各々の要素が、関係する支持領域から離れる方向に伸長する外方への細長い脚部と、支持領域に向けて伸長する、外方への脚部に対して略平行な戻り脚部とを備えている。略同様の形状であり且つこのように配置された検出要素を提供することにより、薄膜応力の作用は、最小となる。

Description

【発明の詳細な説明】 マイクロメカニカルセンサ 本発明は、マイクロメカニカルセンサ、特に、電気マイクロメカニカルセンサ に関する。 特に、マイクロメカニカル構造体を製造するための幾つかの製造技術が存在す る。これらの技術は、広義にて、バルクマイクロ機械加工、及び表面マイクロ機 械加工という2種類に分けられる。マイクロ機械加工は、化学エッチャントによ りシリコン基板を彫刻する一方、表面マイクロ機械加工は、シリコン基板上に薄 膜を蒸着することを含む。 バルクマイクロ機械加工は、正確に設定された臨界的な寸法にて構造体を製造 するために使用される、実証された大量生産の製造技術である。しかし、表面マ イクロ機械加工して形成されたセンサは、バルクマイクロ機械加工して形成した センサよりも著しく小さいという利点がある。シリコンウェハ表面のシリコン薄 膜の厚さは、ウェハ自体の厚さよりも 100倍程度薄くすることが出来、また、表 面マイクロ機械加工した部品は、そのマイクロ機械加工した部品よりも1桁以上 も小さくすることが出来る。更に、薄膜を蒸着し且つエッチング処理する段階を 含む表面マイクロ機械加工技術は、集積回路の従来の製造方法に一層良く適合す る。 表面マイクロ機械加工は、加速度計を製造するために使用されており、このこ とは、1991年9月9日付けのエレクトロニック・ワールド・ニューズ(Electronic World News) の技術部分に記載されている。また、空隙の寸法を制御するため に、マイクロ構造体の他の部品に向けて及び該部品から離れるように静電気によ って偏向させることの出来る、ビームのような、自立のマイクロ構造体を備える センサを製造するための試みが為されてきた。 現在、センサをシリコンの集積回路チップ上に集積して、製造コストを削減し 、信頼性を高め且つセンサを可能な限り小型にすることが望まれている。 表面マイクロ機械加工したセンサのための現在の提案の全ては、共通の問題点 があり、その問題点は、マイクロ構造体の懸垂状要素を構成する薄膜に応力が生 ずることである。これらの応力は、マイクロ構造体の懸垂状要素を曲げて、空隙 が形成される面の外に捩る可能性がある。これには、少なくとも2つの欠点があ る。第一に、最初に形成された面と異なる寸法となるため、空隙の寸法を制御す ることが出来なくなることである。第二に、懸垂状要素がマイクロ構造体の別の 部分に接触することを利用して検出する場合、要素が捩られたならば、実際には 、この接触は行われず、このため、その要素は、マイクロ構造体の他の部分の面 以外の面で動くこととなる。 本発明は、これらの問題点を解決することを目的とする。 本発明によれば、それそれの支持領域にて、基板上に支持された複数の検出要 素を備え、該検出要素の第一の組みが、それぞれの検出部分を有し且つ検出領域 を形成し得るように配置され、上記検出要素の第二の組みが、その相手方の組み を形成し、これらの検出要素は、互いに著しく小さく、各検出要素が、その関係 する支領域から離れる方向に伸長する外方への細長い脚部と、支持領域に向けて 伸長する、外方への脚部に対して略平行な戻り脚部とを備えている。 支持領域が互いに関して且つ検出空隙に近接するように配置されることは、特 に有利なことである。検出空隙と支持領域との間の距離、及び支持領域の間の距 離は、各検出要素の長さ以下であり、特に、それより著しく短いことが望ましい 。 これらの支持領域は、対称に配置することが望ましい。 相手方となる組みにおける検出要素は、検出空隙を形成する検出要素と略同様 の形状をしているため、これらの相手となる組みが、検出要素を動かそうとする 力を受けたとき、応力の捩り作用又は曲げ作用は、相手方の組み及び検出する組 みに等しい影響を与え、このため、検出機能自体に対する影響は、最小となる。 一つの実施例において、第一の組みの検出要素は、隣接する支持領域によって 支持された検出要素を備えており、各検出要素の戻り脚部は、その検出領域に終 端があり、検出部分は、その間に検出空隙を形成する。同様に、第二の組みの検 出要素は、隣接する支持領域によって支持された検出要素を備えており、該支持 領域は、第一の組みの検出要素を支持する支持領域に対向するように配置された 第二の組みの検出要素を支持する。この実施例において、検出要素の第二の組み の一つは、第一の組みの一つを引き寄せることにより、検出空隙を閉じる制御要 素として機能する。 別の実施例において、検出要素の第一の組は、互いに関して真向いに配置され た支持領域によって支持されており、これらの検出要素の戻り脚部の自由端は、 検出部分を支持している。相手方となる検出要素は、同様に、互いに真向いに配 置され且つ第一の組みの検出要素を支持する支持領域に対して垂直に配置された それぞれの支持領域によって支持されている。相手方となる組みの検出要素の戻 り脚部は接続されて、基準要素として機能する懸垂ビームを形成する。検出部分 の各々は、該ビームと共に、検出空隙を形成する。この実施例によるセンサは、 磁力によって励起させることが出来る。 各検出要素の各脚部は、段状領域を含むことが出来、該段状領域は、センサの 対称状態を維持し得るように配置される。この段状領域は、検出要素の面内に位 置する。かかる部分は、シリコン基板のエッチング処理を伴う方法によってセン サを製造する場合に有利である。かかるエッチング処理は、凸状のコーナ部分が ある箇所に対して優先的に行われ、このため、段状領域を提供することは、アン ダーカット加工が優先的に行われるより多くの凸状コーナ部分を提供することに なる。 かかる検出要素の各々は、絶縁層と、該絶縁層の上の導電層とを備えることが 望ましい。この絶縁層は、例えば、窒化ケイ素とし、また、導電層は、例えば、 金のような金属とすることが出来る。 センサの検出部分には、検出すべき物質に特有の追加的な検出層を設けること が出来る。 本発明、及び本発明の実施方法を一層良く理解するため、一例として、添付図 面を参照する。該添付図面において、 図1は、センサの基本となる原理を示す概略図、 図2は、本発明の一実施例によるセンサの斜視図、 図3は、加速度計として使用し得るように変更を加えたセンサの概略図的な平 面図、 図4及び図5は、その異なる製造段階におけるセンサの断面図、 図6乃至図8は、その製造工程中におけるセンサの一部の平面図、 図9は、変形した型式のセンサの概略図的な平面図である。 図1には、センサの基本となる原理が示してある。4つの支持領域12a、1 2b、12c、12dが互いに関して対称に配置され且つ物理的に近接するよう に配置されている。これらの支持領域の各々は、それぞれの懸垂状要素14a、 14b、14c、14dを支持している。これらの支持された領域及び要素は、 互いに関して電気的に絶縁されている。懸垂状要素の各々は、略細長のU字形の 形態をしている。即ち、支持領域12から離れる方向に伸長する1つの脚部18 と、比較的短い基部20と、支持領域の間のセンサの中央領域に向けて伸長する 戻り脚部22とを備えている。該戻り脚部22は、外方への脚部18に対して略 平行である。懸垂状要素は、二組みにて形成されている。その第一の組み14a 、14bは、本明細書において、検出組みと称する。この検出組みの各要素14 a、14bは、その戻り脚部22の端部に検出部分24を有する。これらの検出 部分24a、24bは、検出空隙28を形成する検出先端26a、26bに終端 がある。この空隙は、以下により詳細に説明するように、センサの測定手段を提 供する。この空隙は、1μm以下とすることが可能であり、加工技術のみにより 制限を受ける。 他の組みの検出要素14c、14dは、前述の組みに対して略対称である、相 手方となる組みを構成する。懸垂状要素同士が対称であることは、本発明の重要 な特徴である。これは、検出中に要素が動くとき、検出組みとその相手方となる 組みの検出要素の整合状態を維持する。更に、チップに影響を与える全ての加速 力は、全ての要素に略等しく作用し、このため、空隙の幅は、殆ど影響を受けな い。この特徴の重要性は、センサの作用に関して後で更に詳細に説明する。図1 及び図2の実施例において、要素14c、14dの戻り脚部22の端部は、自由 のままにする。 上述の実施例の別の重要な特徴は、互いに関して物理的に近接するように離間 させた4つの支持領域12a、12b、12c、12dを提供することである。 このように、懸垂状要素の間の距離は、最小に維持されて、所望の電界を形成す るのに必要とされる電位差を最小に維持することを可能にする。これは、懸垂状 要素14a、14b、14c、14dにおける薄膜の応力作用を最小にする。ま た、これらの支持領域も、センサの作動中に、電圧を印加することが出来るセン サの電気的接点を提供する。また、図1に示すように、各要素の長さに関して検 出空隙が近接するように、支持領域を維持し、同様に、薄膜の応力の作用を最小 にすることが重要である。 また、薄膜の応力を補正することは、検出要素の細長いU字形の構造体によっ て可能となり、該構造体の脚部は、検出が行われる方向と垂直な方向に応力を吸 収することを可能にする。このようにして、これらの懸垂状要素を構成する薄膜 における応力の作用は、検出部分及びその間に形成される空隙に対して無視し得 る程度になる。この薄膜の応力に起因する作用は、センサが対称であることによ ってその効果が失われ、また、全ての要素が等しい作用を受けることになる。 図2には、本発明の別の実施例が斜視図で示してある。図2には、センサの懸 垂要素14a−14dに対する支持領域12a−12dを提供するシリコン基板 2が示してある。各要素は、窒化ケイ素のような絶縁層6、及び金のような金属 層8を備えている。これらの層は、又、電気的接点も形成する。 次に、図4乃至図8を参照しつつ、センサの製造方法について説明する。 (100)配向させたシリコン基板2の上には、窒化ケイ素のような絶縁金属 層6が約1μmの厚さで蒸着されている。別の実施例において、窒化ケイ素の前 に、酸化ケイ素のような犠牲層を蒸着することも出来る。次に、絶縁層6の上に は、金のような導電性金属の薄膜を蒸着する。これと選択的に、懸垂マイクロ構 造体を形成した後に、導体を蒸着してもよい。次に、標準的な光リソグラフィ法 を使用して、センサの要素を(110)方向に整合させたパターンをウェハに付 与する。図6乃至図8に斜線部分で示すように、マスクを被せる。これらの図6 乃至図8は、図1の相手方となる検出要素に対するマスクの形状を概略図で示す ものである。全てのコーナは、丸味を付けて、懸垂部分の機械的性質を向上させ ることが望ましい。該マスクは、例えば、ヨウ化物及び水中でヨウ化カリウムの エッチング液により、導電層をエッチング処理するため使用される。次に、例え ば、四フッ化炭素及び酸素中でプラズマエッチング液を使用して、絶縁層のエッ チングを行う。次に、シリコン基板、又は犠牲層があれば、その犠牲層のエッチ ング処理を行う。エッチング処理をすべきものがシリコン基板である場合、エッ チングは、例えば、シリコンをエッチングするが、窒化ケイ素又は金はエッチン グしない水酸化カリウム及び水を使用して行われる。エッチングは、例えば、20 μmの深さまで行うことが出来る。二酸化ケイ素の犠牲層を使用する場合、この 工程には、緩衝フッ化水素酸エッチング液が使用される。図4には、導電層及び 絶縁層をエッチングした後の基板の断面図が示されている一方、図5には、最終 的なエッチング処理後の基板の断面図が示してある。特に、図5には、懸垂状要 素14が示してある。 図6乃至図8には、シリコンの場合に最終的なエッチングが行われる方法が示 してある。エッチング処理は、図7に参照符号32乃至35で示すように凸状コ ーナ部分で優先的に行われる。図2には、検出要素14の脚部に、一例として、 参照符号38で示す段状部分が図示されている。これらの段状部分は、エッチン グ処理が優先的に行われる箇所である、更なる凸状領域を提供し、このため、エ ッチング処理速度を増すことが出来る。また、これらの部分は、ウェハ内にエッ チングすることを要する深さが浅くて済む。酸化物の犠牲層を使用する場合には 、これらの段状領域は、不要である。 該センサは、幾つかの異なる作動モードで使用することが出来る。その一例は 、静電モードである。 接点12a、12bの間には、僅かな電位差(1ボルト程度)が維持されてい る。接点12a、12cの間に大きい電位差(20ボルト程度)が印加されたなら ば、電界が生じ、その結果、検出要素14a、14c同士が静電気で引き合う。 その結果、要素14aが要素14cに向けて動く一方、要素14cは、センサが 対称であるために、要素14aに向けて短い距離を動く。要素14b、14dは 動かない。その結果、検出先端26aが動いて、先端と静止要素の先端26bと の間の空隙を小さくする。ある検出モードの場合、この空隙は、完全に閉じるこ とも出来る。安定的に作用するためには、接点領域12a、12c間に電位差が 存在しない場合、空隙の幅は、要素14a、14cが分離する距離の半分以下に 設定する。ある適用例の場合、検出要素14aが検出要素14cと実際に接触し ないように、接点12a、12c間の電位差を制御することが出来る。 ある適用例の場合、接点12b、12dの間に電位差を印加することにより、 この静電作用モードを使用することが出来る。このとき、検出要素14a、14 cに関して説明したように、検出要素14b、14dが作用するが、この場合に は、先端26bは、動いて、該先端と静止要素の先端26aとの間の空隙を増大 させる。 次に、空隙が閉じている間の電気的性質に依存して、センサからの出力を引き 出すことが出来る。例えば、所定の印加試験のための接点12a、12b間の電 位差に対して流れる電流は、接点に接続され且つ同一のシリコンウェハに実装さ れた回路により測定することが出来る。接点14a、14bの間の試験電位差は 、接点14a、14c又は14b、14dの間の電位差よりも遥かに小さく、こ のため、懸垂状マイクロ構造体が顕著に動くことはない。別の実施例において、 検出先端26a、26bが絶縁媒体を支持する場合、空隙を閉じたときに、検出 先端の間にコンデンサが形成される。この静電容量は、測定することが出来る。 更に別の実施例において、検出要素を交流で励起させて、共振特性を測定して、 例えば、現在時計等に使用されている水晶振動子に代わる、集積化した共振体を 形成することも出来る。 上記及びその他のシリコンセンサの作動モードは、例えば、マイクロメカニカ ル・マイクロエンジニアリング(Micromech. Microeng.)1(1991)113−125頁 に記載された「共振シリコンセンサ(Resonant Silicon Sensors)」に記載され ている。 更に、別の実施例において、空隙28は、完全に閉じる必要はなく、検出先端 26a、26bの間をトンネル電流が流れる距離の範囲で閉じるようにすればよ い。センサにトンネル作用を利用する一例は、1991年、IVMC19のテクニカル ・ダイジェスト(Technical Digest)の204及び205頁にナガハマ(Nagahama)が 発表した「片持ち構造体によるトンネルセンサの製造 (Fabrication of a Tunn elSensor with Cantilever Structure)」という標題の論文、及び、センサ及び アクチュエータ(Sensors and Actuators)19(1989) 201−210頁にS.B.ウォ ルトマン(Waltman)及びW.J.カイザー(Kaiser)が発表した「電子トンネ ル型センサ(An electron tunnelling sensor)」という標題の論文に記載され ている。 トンネルセンサとして使用したとき、本発明のセンサは、CMOS及びその他 の集積回路の加工方法と適合可能な技術を使用して、単一のチップ上に製造可能 である点で公知のトンネルセンサに優る利点がある。既存の形態のトンネル結合 素子は、ハイプリッドな技術を使用し、2以上のチップを互いに結合しなければ ならない。薄膜の応力に起因する問題点は、従来、単一の集積チップトンネルセ ンサを開発する妨げとなっていた。上述したように、薄膜応力の作用は、本明細 書に記載したセンサの形態により顕著に緩和される。 懸垂状要素14a、14bの検出部分24a、24bを検出すべき検体(an alyte)に適した物質の層で被覆するならば、該センサは、、、ガスセンサ 、又は汚染物センサとして使用することが可能となる。本発明のセンサは、製造 後に蒸着法によって適当な層を容易に被覆することが可能である。公知のセンサ において、下側面内の点構造体と上側面内の連続構造体との間に検出空隙が形成 されることが多い。次に、上方構造体の下側を被覆する必要があるが、これは、 手間がかかる。このようにしてセンサを使用する場合、この空隙は、ガスに露呈 される間に開放したままにし、次に、測定が必要なときに、静電気を利用して( 接点12a、12bの間に電圧を印加することにより)閉じることが出来る。検 出部分上に蒸着された薄膜にガスを吸着する結果、上述のように、接点12a、 12bの試験電位差を利用して、接点で測定される抵抗、静電容量又はその他の 電気的特性が変化する。測定値が得られたならば、更なる検出時間のために、そ の空隙を再開放することが出来る。 図3には、加速度計として使用可能である本発明の応用実施例が示してある。 この実施例において、センサは、図1及び図2に関して説明したのと略同一の方 法で形成されるが、検出要素12bの検出部分24bには、質量30が追加され る。この質量30は、単に、懸垂状要素の材料の追加的なものにしか過ぎず、こ の場合の製造方法は、図4乃至図8に関して上述した製造方法と同一である。図 3において、この基板が下方に加速されると、質量30は、力を受けて、その結 果、空隙28の寸法が小さくなり、又、トンネル電流は、空隙幅と共に指数関数 的に増大する。測定を行うためには、接点12dに電圧を印加して、静電吸引力 を発生させ、要素14bを要素14dに向けて引き付けて、空隙寸法を一定に維 持することが出来る。このときのセンサの測定値は、接点に印加した電圧であり 、 この電圧は、加速度に正比例する。図3の左方向への加速度の成分は、図3の方 向に関して90゜の角度とし、同一の基板上で製造した同様のセンサで検出するこ とが可能である。 図9には、図1の変形例であると見なすことの出来る本発明の応用例が示して あり、ここで、検出要素14cは、検出要素14aに代えて、検出部分24cを 支持している。この場合、検出要素14aは、検出要素14dと一体である。こ のようにして、検出要素14a、14dの戻り脚部によって形成される基準ビー ム22が提供される。このようにして、接点12a)12dの間を電流が流れる ことが出来る。検出部分24b、24cの各々には、ビーム22と共に、それぞ れの検出空隙29、30を形成する。紙の面に対して垂直方向に磁界を印加し、 例えば、mA程度の電流をビーム22に流したならば、ローレンツ力によってこ の長尺のビーム22は、紙の面内で偏向する。検出空隙29又は30を横断する トンネル接点を形成し、又はその接点を解消し、及び支持領域12b、12cに おける電流を検出することで、検出が為される。 添付図面において、図面の簡略化のため、検出要素は、鋭角なコーナを有する 形態で示してある。実際には、懸垂部分のコーナに丸味を付けることは、そのセ ンサの機械的特性を向上させるものである。 また、本発明は、複数のセンサをその一方が他方の上になるようにして同一の 基板上で実装するのに使用することが出来る。即ち、本明細書に記載したように 、センサの製造後に、最初のセンサの上に更に別のセンサを製造することが可能 である。例えば、一方の面内のセンサは、x方向への検出空隙を有する一方、次 の面内のセンサは、x方向に対して垂直なy方向への検出空隙を有するようにす ることが出来る。 完全な開示を図るため、1988年11月の顕微鏡ジャーナル(Journal of Microsc opy)Vol.152、Pt.2の585−596頁に記載された「走査トンネル技術(Scanning tunnelling engineering)」という標題の論文における1988年のトンネル型セン サに関する現行技術の記事も参照する。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ホール,アンドリュー・チャールズ・フレ デリック イギリス国トランピントン シービー2・ 2エルエイチ,トランピントン・ホール, フラット 2 (72)発明者 ヒーヴァー,アラン イギリス国オーキントン シービー4・5 ディーディー,ドライ・ドレイトン,ポプ ラー・ヴィラス 2

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.それぞれの支持領域にて基板上に支持された複数の検出要素と、それぞれ の検出部分を有し且つ検出空隙を形成し得るように配置された前記検出要素の第 一の組みと、相手方となる組みを形成する前記検出要素の第二の組みと、を備え 、前記検出要素が、互いに関して略同様であり、検出要素の各々が、その関係す る支持領域から離れる方向に伸長する外方への細長い脚部と、支持領域に向けて 伸長する、外方への細長い脚部に対して略平行な戻り脚部と、を備えることを特 徴とするマイクロメカニカルセンサ。 2.請求の範囲第1項に記載のマイクロメカニカルセンサにして、前記支持領 域が基板上で対称に配置されることを特徴とするマイクロメカニカルセンサ。 3.請求の範囲第1項又は第2項に記載のマイクロメカニカルセンサにして、 前記支持領域が、互いに関して且つ検出空隙に関して近接するように配置される ことを特徴とするマイクロメカニカルセンサ。 4.請求の範囲第1項乃至第3項の何れかに記載のマイクロメカニカルセンサ にして、第一の組みの検出要素が、隣接する支持領域によって支持された検出要 素を備え、各検出要素の戻り脚部が、その検出部分に終端があり、前記検出部分 が、その間に、検出空隙を形成し、 第二の組みの検出要素が、隣接する支持領域によって支持された要素を備え、 第二の組みの検出要素を支持する前記支持領域が、第一の組みの検出要素を支持 する前記支持領域に対向するように配置され、これにより、第二の組みの検出要 素の1つが第一の組みの検出要素の1つを引き寄せることによって、検出空隙を 閉じる制御要素として機能することを特徴とするマイクロメカニカルセンサ。 5.請求の範囲第1項、第2項又は第3項に記載のマイクロメカニカルセンサ にして、前記第一の組みの検出要素が、互いに関して真向いに配置された支持領 域により支持された検出要素を備え、該検出要素の戻り脚部の自由端が、検出部 分を支持し、 相手方となる検出要素が、同様に互いに関して真向いに配置され且つ第一の組 の検出要素を支持する支持領域に関して垂直に配置されたそれぞれの支持領域に より支持され、 相手方となる組の検出要素の戻り脚部が、接続されて、懸垂ビームを形成し、 該ビームが、各検出部分と共に検出空隙を形成する基準要素として機能すること を特徴とするマイクロメカニカルセンサ。 6.請求の範囲第1項、第2項、第3項又は第4項に記載のマイクロメカニカ ルセンサにして、前記第一の組の検出要素の1つが補正質量を支持することを特 徴とするマイクロメカニカルセンサ。 7.請求の範囲第1項乃至第6項に記載のマイクロメカニカルセンサにして、 各検出要素の各脚部が段状領域を備え、該段状領域が、検出要素の類似性を維持 し得るように配置され、前記検出要素の面内に位置することを特徴とするマイク ロメカニカルセンサ。 8.請求の範囲第1項乃至第7項に記載のマイクロメカニカルセンサにして、 各検出要素が、絶縁層と、該絶縁層の上の導電層とを備えることを特徴とするマ イクロメカニカルセンサ。 9.請求の範囲第1項乃至第8項の何れかに記載のマイクロメカニカルセンサ にして、前記検出部分に、検出すべき物質に特有の少なくとも1つの追加的な検 出層を設けることが可能であることを特徴とするマイクロメカニカルセンサ。
JP5516352A 1992-03-16 1993-03-15 マイクロメカニカルセンサ Pending JPH08504266A (ja)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GB9205711.6 1992-03-16
GB929205711A GB9205711D0 (en) 1992-03-16 1992-03-16 Micromechanical sensor
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