WO2000042666A1

WO2000042666A1 - Inertia force sensor and method for producing inertia force sensor

Info

Publication number: WO2000042666A1
Application number: PCT/JP1999/000078
Authority: WO
Inventors: Hiroshi Ohji; Kazuhiko Tsutsumi; Patrick J. French
Original assignee: Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha
Priority date: 1999-01-13
Filing date: 1999-01-13
Publication date: 2000-07-20
Also published as: US20010054316A1; EP1087445A1; EP1087445A4; KR20010041741A

Description

明細書慣性カセンサ及び慣性カセンサの製造方法技術分野

本発明は、加速度や角速度等によって惹起される慣性力を計測するための慣性力センサ及びその製造方法に関するものである。より詳しくは、生力を受ける可動質量体と該可動質量体を保持する少なくとも 1本の梁とを備えていて、可動質量体に生じる慣性力の変化によって惹起される梁の橈みを検出し、この橈み量に基づレ、て慣性力を測定するようにした慣性カセンサ及びその製造方法に関するものである。背景技術

可動質量体と、一端が該可動質量体に取りつけられ他端が固定部に取りつけられた梁とを備えていて、可動質量体に加わる慣性力によって梁に惹起される橈み (歪み）を検出し、該撓み量に基づいて慣性力を検出するようにした慣性力センサはよく知られている。なお、固定部は該慣性力センサが搭載される何らかの物体（例えば、自動車等）に固定される。力かる t貫性力センサにおいては、一般に、梁の表面にピエゾ抵抗が設けられ、梁に惹起された撓みに起因してピエゾ抵抗に歪みが生じ該歪みによってピエゾ抵抗の抵抗値が変化する現象を利用して、該抵抗^ Sに基づいて梁の撓み量ひいては可動質量体に生じた慣性力を検出するようにしている。そして、力かる慣性力センサによって検出される '»性力は、該慣性力センサが搭載されている物体に生じた加速度、角速度等に比例することから、慣性力センサは、加速度センサ、角速度センサ等として、従来より自動車の車体制御装置あるレ、は安全装置等に広く利用されている。

そして、かかる '赏性力センサの基部をなす、可動質量体と梁と固定部とを含む構造体は、一般にシリコン基板に加工を施してなるシリコンデバイスで構成されている。以下、力かる t貫性力センサの基部として用いられている従来のシリコンデバイスないしはその製造方法を説明する。図 1 7 〜図 1 7 Fは、可動部（可動質量体）を有するデバイスをシリコン基板上に作製する場合の従来の製造工程図である。この製造工程においては、まず図 1 7 Aに示すように、平板状のシリコン基板 70を準備する。次に、図 1 7 B に示すように、シリコン基板 70の上に、犠牲層となる第 1酸化膜 7 1を CVD 等により形成し、続いてその上にシ一ドレイヤーとなる第 1ポリシリコン膜 72 を低圧 CVD等により成膜する。この後、図 1 7 Cに示すように、第 1ポリシリコン膜 72の上に、構造体となる第 2ポリシリコン膜 73をェピタキシャル反応炉を用いて形成する。そして、所望の厚みの第 2ポリシリコン 73膜が得られた後、図 1 7Dに示すように、第 2ポリシリコン膜 73の上に、 CVD等により第 2酸化膜 74を最表層として形成し、この後所望の構造体の形状が得られるように第 2酸ィヒ膜 74に対してパターニングを施す。このパターユングが施された第 2酸化膜 74は、その下の構造体となる第 1及び第 2の両ポリシリコン膜 72、 73をエッチングするためのマスクとなる。次に、図 1 7 Eに示すように、第 1 ポリシリコン膜 72及び第 2ポリシリコン膜 73に対して、反応性ィオンェツチング等により第 1酸化膜 7 1に到達するまでエッチングを施す。さらに、図 1 7 Fに示すように、フッ酸等を用いて第 1ポリシリコン膜 72の下側に位置する第 1酸化膜 7 1の一部を除去する。これにより、実質的に第 1ポリシリコン膜 72 及び第 2ポリシリコン膜 7 3によつて形成された可動部が得られる。

図 1 8 〜図 1 8 Fは、例えば、 1 9 9 7年 9月に米国テキサス州オースチンで発行された「ミクロ加工及びミクロの製造プロセス技術 mの S P I E誌」の第

3 2 23巻の] 8 9〜： I 9 7頁 ( "Proceedings SPIE Micromachining and Micro fabrication Process lechnology ΙΠ ， Volume 3223, Austin, Texas, USA, S印 tember (1997), page 189 - 197 ) に開示されている従来のシリコンデバイスの製造工程を示す図である。このシリコンデバイスの製造においては、まず図 1 8 Aに示すように、平板状の n型シリコン基板 75を準備する。そして、図

1 8 Bに示すように、シリコン基板 7 5の表面に窒化シリコン莫 76を形成する _c 続いて、図 1 8 Cに示すように、写真製版により窒化シリコン膜 76にパター二ングを施してパターン 7 7を形成する。次に、図 1 8 Dに示すように、 KOHを用いて、シリコン基板 7 5に逆三角形形状のピット 78を形成する。さらに、 K O Hによるエッチングのマスクとして用いた窒化シリコン膜 7 6を除去し、図 1 8 Eに示すようなピット 7 8を備えたシリコン基板 7 5を得る。この後、図 1 8 Fに示すように、シリコン基板 7 5をフッ酸水溶液に浸漬しつつ、シリコン基板 7 5にこれが陽極になるように電圧を印加し、さらにシリコン基板 7 5に光を照射して基板深さ方向にエッチングを施し、シリコン基板 7 5内に溝部 8 0を形成する。

ところで、このような従来のシリコンデバイスを用いた慣性力センサにおいては、可動部である中空構造体が多結晶シリコンで構成されている関係上、単結晶シリコンで形成されているものに比べてその機械的特性及び信頼性が劣るといつた問題があった。また、製造上の理由により、可動部とその下の基板との間の空間を十分には大きくすることができず、可動部と基板とが干渉し合うことがあるといった問題があった。さらに、製造工程が複雑であるといった問題があった。このため、信頼性の高レ、慣性カセンサを安価に得ることができないという問題があった。

また、シリコン基板表面又はシリコン基板上にエッチング開始パターンを形成した上で、シリコン基板をフッ素イオンを含む溶液に浸漬してシリコン基板が陽極になるように電圧を印加し、基板深さ方向にエッチングするといつた手法により片持ち梁を作製する場合、固定部と片持ち梁との境界部に電流が集中し、エツチング開始パターンと同じ形状の構造体を作製することができないという問題があった。さらに、このようなエッチング方法では、大きな面積のものにはエッチングを施すことができないという問題があった。発明の開示

本発明は、上記従来の問題を解決するためになされたものであって、 1工程で単結晶シリコンで形成された中空構造体を作製することができ、中空構造体と基板との間の距離を十分に大きくすることができる信頼性の高い安価な慣性力センサ及びその製造方法を提供することを目的とする。さらには、所期のエッチング開始パターンと同じ形状の構造体を備えた信頼性の高い慣性力センサ及びその製造方法を提供することをも目的とする。上記の目的を達するためになされた本発明の 1つの態様に係る慣性力センサは、力が加えられたときに変位する質量体と、該質量体を保持する少なくとも 1本の保持梁と、該保持梁の一端を固定する固定部とを備えていて、質量体の変位に基づいて該質量体に作用する†貫性力を検出するようになっている慣性力センサであって、質量体が、シリコン基板の内部がエッチングにより除去されてなる中空構造体であり、固定部が、シリコン基板本体部の少なくとも一部であることを特徴とするものである。

この慣性力センサにおいては、中空構造体である質量体と、これを支える保持梁とを単結晶シリコンを用いて 1工程で作製することができる。この場合、主たる加工法が湿式のエッチングであるので、装置が安価であり、かつ一度に複数のシリコン基板の加工を行うことができる。このため、 '慣性力センサの信頼性が高められ、かつ安価となる。

また、質量体及び保持梁の高さをエッチング時間で制御することができ、保持梁の剛性をマスクを変えることなく調節することができるので、感度の異なる慣性力センサを同一マスクを用いて作製することができる。さらに、中空構造体の下部の中空部を大きくすることができるので、構造体の基板への吸着現象が起こらない。このため、製造時の歩留まりが大幅に向上する。。

上記 '»性力センサにおいては、質量体に作用する†貫性力を、質量体の変位によって惹起される保持梁の撓みに基づいて検出することができる。この場合、保持梁の橈みを検出するためのピエゾ抵抗体の抵抗値の変化を測定する測定回路が簡単であるので、安価に慣性力センサを得ることができる。また製造工程が簡素化されているため、歩留まりが高く、信頼性の高い慣性力センサを得ることがでさる。

上記'慣性力センサにおいて、質量体に対してシリコン基板表面と平行な方向に作用する ' 性力を検出する場合は、質量体によって支持された第 1片持ち梁と、シリコン基板の固定部によって支持された第 2片持ち梁との問の容量（例えば、静電容量、電気容量）に基づいて慣性力を検出するようにしてもよい。この場合、質量体の基板面内の変位を容量の変化として検出するので、感度の優れた慣性力センサを得ることができる。また、上記慣性力センサにおいて、質量体に対してシリコン基板表面と垂直な方向に作用する '【貧性力を検出する場合は、質量体と、シリコン基板に接合されたもう 1つの基板の表面に設けられた対向電極との間の容量に基づいて慣性カを検出するようにしてもよい。この場合、質量体の基板面内と垂直な変位を容量（例えば、静電容量、電気容量）の変化として検出するので、感度の優れた慣性カセンサを得ることができる。

さらに、上記慣性力センサにおいては、固定部にエッチングホールが設けられているのが好ましい。このようにすれば、エッチング開始パターンと同じ形状の中空構造体とこれに続く固定部とを作製することができるので、信頼性の高い慣性力センサを得ることができる。

また、上記慣性力センサにおいては、保持梁の撓みを、保持梁の橈み方向にみて保持梁の少なくとも一端側に配置されたピエゾ抵抗体の抵抗値に基づいて検出するようにしてもよい。このようにすれば、保持梁の撓みを保持梁に形成したピェゾ抵抗体により検出するので、読み出し回路が簡素化され、安価なセンサを得ることができる。さらに、ピエゾ抵抗体を保持梁の両端側に配置することにより作動型の慣性力センサとして慣性力を検出することができ、温度依存性を差し引くことにより、感度を大幅に向上させることができる。

本発明のもう ]つの態様にかかる慣性力センサの製造方法は、力が加えられたときに変位する質量体と、該質量体を保持する少なくとも ]本の梁と、該梁の一端を固定する固定部とを備えていて、質量体の変位に基づいて該質量体に作用する慣性力を検出するようになっている慣性力センサの製造方法であって、（ i ) シリコン基板表面又はシリコン基板上にエッチング開始パターンを形成するエツチング開始パターン形成工程と、（ ii ) シリコン基板をフッ素ィオンを含む溶液に浸漬しつつ、該シリコン基板が陽極となるようにして該シリコン基板に電圧を印加することにより該シリコン基板にエッチング施し、エッチング開始パターンからシリコン基板深さ方向に延びるェッチング部を形成する第 1エツチング工程と、（iii ) エッチング部が所定の深さに到達した後、シリコン基板内に流れる電流を増加させることによりシリコン基板のェツチングを促進して、上記深さより深い部位で隣り合うエッチング部同士を連通させ、シリコン基板の一部からなる中空構造体を形成する第 2エッチング工程とを含んでいて、（iv) 中空構造体を質量体とし、シリコン基板本体部の少なくとも一部を固定部とするようにしたことを特徴とするものである。

この慣性力センサの製造方法においては、単結晶シリコンで構成された中空構造体である慣性力を受ける質量体と、これを支える保持梁とを 1工程で作製することができ、また主たる加工法が湿式のェッチングであるため装置が安価である。また、一度に複数のシリコン基板の加工を行うことができるので、信頼性の高いす貫性力センサを安価に得ることができる。また、質量体及び保持梁の高さをエツチング時間で制御することができるので、保持梁の剛性を、マスクを変えることなく調節することができる。したがって、感度の異なる' 性力センサを同一マスクを用いて作製することができる。また、中空構造体の下部の中空部を大きくすることができるので、構造体の基板への吸着現象が起こらない。このため、製造の歩留まりが大幅に向上する。

上記慣性カセンサの製造方法にぉレ、ては、ェツチング開始パターン形成工程で、シリコン基板の固定部が形成されるべき部位にエッチングホールを形成するのが好ましい。このようにすれば、エッチング開始パターンと同じ形状の中空構造体とこれに続く固定部とを作製することができるので、信頼性の高い t貫性力センサを得ることができる。

また、上記性力センサの製造方法においては、エッチング開始パターン形成工程で、シリコン基板材料をブロック状に除去すべき部分を囲む連続したエッチング開始パターンを形成し、第 2エッチング工程で、上記の除去すべき部分をエッチングによりシリコン基板本体部から除去するようにしてもよい。このようにすれば、任意の領域のシリコンを任意量除去することができるので、慣性力が印加されたとき、これに伴う質量体、及び保持梁の変位距離の大きくすることができ、 ' 性力センサの感度を高めることができ、かつ'慣性力センサの設計における自由度が大きくなる。図面の簡単な説明

図 1 A〜図 1 Jは、それぞれ、シリコン基板ないしは慣性力センサ中間体の立面断面図であって、本発明の実施の形態 1に係る慣性力センサの製造工程を示している。

図 2は、本発明の実施の形態 1に係る慣性力センサの斜視図である。

図 3は、本発明の実施の形態 1に係る'慣性力センサの製造工程において、シリコン基板にエッチングを施す際に用いられるエッチング装置の立面断面図である。図 4 A及び図 4 Bは、それぞれ、本発明の実施の形態 1に係る慣性カセンサの製造工程において、シリコン基板にエッチングを施す際に用いられるさらなるエッチング装置の立面断面図である。

図 5は、本発明の実施の形態 1に係る '»性力センサの片持ち梁と固定部との境界部を示す視図である。

図 6 A〜図 6 Jは、それぞれ、シリコン基板ないしは tl性力センサ中間体の立面断面図であって、本発明の実施の形態 3に係る ' 性力センサの製造工程を示している。

図 7は、本発明の実施の形態 3に係る慣性力センサの製造工程において、シリコン基板にエツチングを施す際に用いられるエツチング装置の立面断面図である。図 8は、本発明の実施の形態 3に係る慣性力センサの製造工程において、シリコン基板にエッチングを施す際に用いられるもう 1つのエッチング装置の立面断面図である。

図 9は、本発明の実施の形態 4に係る†貫性力センサの片持ち梁と固定部との境界部を示す斜視図である。

図 1 0は、本発明の実施の形態 5に係る慣性力センサの片持ち梁と固定部の境界部を示す斜視図である。

図 1 1は、本発明の実施の形態 6に係る慣性力センサの片持ち梁と固定部の境界部を示す斜視図である。

図 1 2は、本発明の実施の形態 7に係る f貫性力センサの製造工程におけるエツチング開始パターンを示す平面図である。

図 1 3 A〜図 1 3 Gは、それぞれ、シリコン基板ないしは慣性力センサ中間体の立面断面図であって、本発明の実施の形態 8に係る '赏性力センサの製造工程を示している。図 1 4は、本発明の実施の形態 8に係る慣性力センサの斜視図である。

図 1 5 A〜図 1 5 Fは、それぞれ、シリコン基板ないしは慣性力センサ中間体の立面断面図であって、本発明の実施の形態 9に係る'慣性力センサの製造工程を示している。

図 1 6 A〜図 1 6 Dは、それぞれ、シリコン基板ないしは慣性力センサ中間体の立面断面図であって、本発明の実施の形態 9に係る ' 性力センサの製造工程を示している。

図 1 7八〜図1 7 Fは、それぞれ、シリコン基板ないしは製造途上にあるシリコンデバイスの立面断面図であって、従来から用いられている中空構造のシリコンデバイスの製造工程を示している。

図 1 8 A〜図 1 8 Fは、それぞれ、シリコン基板ないしは製造途上にあるシリコンデバイスの立面断面図であって、シリコン基板上に溝を形成する際の従来の溝部形成工程を示している。発明を実施するための最良の形態

以下、添付の図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を具体的に説明する。なお、添付の各図面において、共通する部材ないしは構成要素には同一番号が付されている。また、この明細書中において「'慣性力センサ中間体」とは、慣性カセンサの製造工程におレ、て原材料であるシリコン基板に加工が行われたものであつて、まだ'慣性力センサとして完成されていない状態のものを意味する。

実施の形態 1

図 1 A〜図 1 Jは、本発明の実施の形態 1に係る ' 性力センサの製造工程を示している。以下、これらの図を参照しつつ、実施の形態 1に係る慣性力センサないしはその製造方法を説明する。

この慣性力センサの製造工程においては、まず図 1 Aに示すように、厚さ約

4 0 0 μ mの n型シリコン基板 1を準備する。そして、図 1 Bに示すように、シリコン基板 1の表面近傍部にピエゾ抵抗体 2を形成する。このピエゾ抵抗体 2は、シリコン基板 1のピエゾ抵抗体 2となるべき領域に、ボロンを加速電圧 1 5 0 K e V、ド一ズ量 8 X 1 0 ^{i 3}/ c m ²で打ち込むことにより形成する。続いて、図 1 Cに示すように、ピエゾ抵抗体 2と電気配線との電気的導通を取るための高濃度ボ口ン領域 3を形成する。この高濃度ポロン領域 3は、先に形成したピエゾ抵抗体 2の両端に、ボロンのイオンを加速電圧 1 5 O K e V、ドーズ量 4 . 8 X 1 0 ^{1 5} / c m ²で打ち込むことにより形成する。さらに、ァニールを 9 8 0 °C で 2時間施す。

次に、図 1 Dに示すように、シリコン基板 1とピエゾ抵抗体 2と高濃度ボロン領域 3の上に、例えば厚さ約 0 . 1 /i mの窒化シリコン膜 4を C V D法等により形成する。続いて、図 1 Eに示すように、先に形成したピエゾ抵抗体 2及び高濃度ボロン領域 3を覆っている窒化シリコン膜 4をプラズマエッチング法により除去し、電気的導通を得るためのコンタクトホール 5を形成する。さらに、慣性力センサ中間体（シリコン基板 1 ) にクロムと金とを続けて蒸着した後、これを湿式エッチング液に浸潰し、先に窒化シリコン膜 4を除去して形成したコンタクトホール 5の周囲をなだらかにして、高濃度ボロン領域 3とクロム一金との電気的導通性を高める。

そして、図 1 Fに示すように、再びクロム一金を慣性力中間体（シリコン基板

1 ) の全面に蒸着した上で、写真製版により配線パターン 6を形成する。この後、図 1 Gに示すように、先に形成した窒化シリコン膜 4に対して写真製版等によりパタ一ニングを施し、主たるエッチングの前に行う初期ェッチングのためのマスク 7を作製する。次に、図 1 Hに示すように、リアクティブイオンエッチングにより初期エッチングを施し、深さ約 3 // mのエッチング開始パターン 8を形成する。さらに、シリコン基板 1 (慣性力センサ中間体）を 5 %のフッ酸水溶液に浸漬し、シリコン基板 ]が陽極となるようにして、該シリコン基板 1と対向電極との間に約 3 Vの電圧を印加する。このとき、シリコン基板 1の背面に発光強度を任意に変えることができる 1 5 O wのハロゲンランプを用いて光を照射し、シリコン基板 1の深さ方向にエッチングを施す。その際、シリコン基板 1の電流密度が 3 2 m AZ c m ²となるようにハロゲンランプの光の強度を調節する。なお、一般に知られているとおり、この光の強度とシリコン基板 1内の電流密度との間には、前者の増減に伴って後者が一義的に増減するといつた関数関係が存在する。かくして、図 1 Iに示すように、エッチング開始パターン 8の下側に形成されたエッチング部 8 ' (開口部、溝部）がシリコン基板 1の深さ方向に延びる。そして、エッチング部 8 ' が所望の深さに到達した後、ハロゲンランプの光の強度を強めることにより、シリコン基板 1内の電流密度を 6 O m A/ c m ²に高め、隣り合うエッチング面（エツチング部の側壁）が前工程で形成した構造体の下部でつながる（隣り合うエッチング部同士が連通する）ように、約 1 0分間エツチングを施す。これにより、図 1 Jに示すように、シリコン基板 1の一部からなる単結晶中空構造体 9 (可動質量体）が作製されるとともに、この中空構造体 9の下に中空部 1 0が形成される。

図 2は、図 1 A〜図 1 Jに示す製造工程により製造された慣性力センサの斜視図である。図 2に示すように、この慣性力センサは、中空構造質量体 1 1 (可動質量体）と、質量体 1 1を保持する片持ち梁 1 2と、片持ち梁 1 2を基板に固定する固定部 1 3とを備えている。そして、この慣性力センサにおいて、質量体 1 1に慣性力が働くと、これを保持している片持ち梁 1 2が撓み、その上に形成されているピエゾ抵抗体（図示せず）の抵抗値が変化する。このため、ピエゾ抵抗体の抵抗値から、片持ち梁 1 2の撓み量、ひいては質量体 1 1に加わった慣性力を測定することができる。

この実施の形態 1に係る慣性力センサの製造工程において、中空部 1 0の深さは、前記の 6 O m AZ c m ²で行ったエッチングの実行時間を調節することにより任意の値とすることができる。ここでエツチャントとして用いたフッ酸水溶液の濃度は、 1 %以上かつ 2 0 %以下の範囲内に設定するのが好ましい。フッ酸水溶液の濃度が 1 %未満ではェレクトロポリッシングが起こり、また 2 0 %を超えると滑らかなェツチング面が得られず、所望のデバイス形状を得ることが困難となるからである。また、印加電圧は 1 O V以下に設定するのが望ましい。 1 0 V を超える電圧を印加した場合は、局所的な絶縁破壊が起こり、滑らかなエツチング面を得ることが困難となり、所望のシリコンデバイス形状を得ることが困難となるからである。なお、ここでいう印加電圧は、定電圧源から出力される電圧ではなく、実際にシリコン基板 1に印加されている電圧を意味する。さらに、 n型シリコン基板 1のシ一ト抵抗は 0 · 1 Ω · c m以上かつ 5 0 Ω · c m以下の範囲内に設定するのが好ましい。 n型シリコン基板 1のシート抵抗が 0 . l Q . c m より低レ、場合はマイクロポーラスシリコンがェツチング面に形成され所望のシリコンデバイス形状を得ることができず、 5 0 Ω · c mを超える場合は微細なシリコンデバイスの形状を作製することが困難となるからである。また、初期エッチングの深さは、それに引き続き行われる主たるエッチングに影響を与えない。但し、初期エッチングを行わない場合は、初期エッチングを行った場合と比較して、作製される構造体の寸法精度が劣るので、構造体の精度が必要な場合は、初期エッチングを施すのが好ましい。さらに、シリコン基板 1の初期の厚みは初期エツチング、またそれに引き続き行われる主たるエツチングに影響を与えない。なお、前記の製造工程では、中空構造体 9を形成する際、ハロゲンランプの光の強度を変えることによりシリコン基板の電流密度を高めるようにしているが、印加電圧を変えることにより電流密度を高めるようにしても同様の効果が得られる。この実施の形態 1に係る製造方法により製造された慣性力センサ（シリコンデバイス）においては、中空構造体 9が単結晶シリコンで形成されているので、該慣性力センサは機械的特性が優れた信頼性の高いものとなる。また、中空構造体 9の下の中空部 1 0を大きく形成することができるので、中空構造体 9がその下の平板状基材に吸着しない。このため、歩留まりが大幅に向上する。さらに、この '慣性力センサの製造方法では、中空構造体である可動部の形状を 1工程内で作製することができる。このため、製造工程が簡素化され、安価に慣性力センサを得ることができる。また、初期エッチングに用いたリアクティブイオンエツチングはシリコン基板 1の結晶方位の影響を受けないので、シリコン基板 1の上に任意の形状を有するエツチング開始パターン 8を作製することができる。このため、これに引き続き行うエッチングにより作製される中空構造体 9も任意の形状を持たせることができるので、性能が優れた慣性力センサ構造が得られる。

図 3は、本発明の実施の形態 1に係る慣性力センサの製造工程において、シリコン基板内に中空構造を形成する際に用いられるエツチング装置を示している。図 3に示すように、このエッチング装置には、エッチングを施すべき n型シリコン基板 1を保持するとともに該シリコン基板 1 との電気的導通を得るためのシリコン基板保持部〗 4が設けられている。このシリコン基板保持部 1 4は、例えば銅で形成されるさらに、このエッチング装置には、シリコン基板保持部 1 4の内側にェッチヤント 1 7が漏れないようにするための耐薬品性に優れたォ一リング 1 5と、シリコン基板 1内に電子正孔対を生成させるための光源 1 6と、電流計 1 8と、定圧電源 1 9と、例えば白金等の貴金属からなる対向電極 2 0とが設けられている。また、このエッチング装置には、例えばテフロン等からなりエツチャント 1 7を収容する容器 2 1と、シリコン基板保持部 1 4をエツチャント

1 7から保護するための外枠 2 2とが設けられている。なお、外枠 2 2は、例えばテフロン等で形成される。

このエッチング装置においては、エツチャント 1 7に表面活性剤等を添加すれば、エツチング中に発生する水素がシリコン基板 1の表面から離脱しゃすくなり、シリコン基板 1内でのエッチングの均一性が向上する。また、シリコン基板 1の裏側にイオンを打ち込み、さらにアルミ等を例えばスパッタ装置を用いて成膜して、シリコン基板保持部 1 4とシリコン基板 1との接触抵抗を低下させれば、エッチングが安定しシリコン基板 1内でのエッチングが均一化され、信頼性の高い慣性力センサが得られる。さらに、シリコン基板保持部 1 4とシリコン基板 1 との間に銀粒子を含んだ接着剤を用いれば、接触抵抗をさらに低卩させることができ、上記効果を高めることができる。

図 4 Aは、本発明の実施の形態 1に係る '【貫性力センサの製造工程において、シリコン基板内に中空構造を形成する際に用いられるもう 1つのエッチング装置を示している。図 3に示すエッチング装置では、シリコン基板 1のエッチングが施されるべき広がり面が下方に向けられその下側のエツチャント 1 7によってエツチングが施される一方、シリコン基板 1の上方に光源 1 6が配置された構造となっている。これに対して、図 4 Aに示すエッチング装置では、シリコン基板 1 のエツチングが施されるべき広がり面が上方に向けられその上側のェッチャント 1 7によってエッチングが施される一方、シリコン基板 1の下方に光源 1 6が配置された構造となっている。図 4 Λに示すエッチング装置においては、エツチング中に、シリコン基板 1のエッチングが施されている広がり面付近で発生する気泡は、その浮力によって上方すなわちシリコン基板表面から離脱する方向への移動が助勢される。このため、気泡がシリコン基板 1力非常に離脱しやすくなり、これによりシリコン基板 1内でのェツチングの均一性が一層向上する。また、図 4 Bに示すように、図 4 Aに示すエッチング装置の構造において、さらにシリコン基板 1と光源 1 6との間にレンズ 6 5を配置してもよレ、。このようにすれば、シリコン基板 1内での光強度を均一化することができるので、シリコン基板面内に形成される構造体も均一化され、信頼性の高い慣性力センサを得ることができる。

図 5は、片持ち梁 12と、これをシリコン基板 1 (本体部）に固定する固定部 1 3との境界部を示す図である。図 5に示すように、質量体を支える梁 1 2と該梁 1 2をシリコン基板 1に固定する固定部 1 3との境界部において、固定部 1 3 にェツチングホール 2 3を設けると、余分な正孔が前記エッチングホール 2 3で消費されるので、固定部 1 3と梁 1 2との境界部において過剰なエッチングが起こらず、信頼性の高い固定端を得ることができる。

実施の形態 2

以下、実施の形態 2に係るシリコンデバイスの製造方法を説明するが、この実施の形態 2に係る'慣性力センサの製造方法は、図 1 A〜図 1 Jに示す実施の形態 1に係る慣性力センサの製造方法と多くの共通点をもつ。そして、図 1 A〜図 1 Jは実施の形態 2についても当てはまる。そこで、以下では、図 1 A〜図 1 Jを参照しつつ説明する。

実施の形態 2に係る '慣性力センサの製造方法においては、図 1 A〜図 1 Hに示すように、実施の形態 1に係る慣性力センサの製造方法の場合と同様の手法で、 n型シリコン基板 1に、ピエゾ抵抗体 2と、高濃度ポロン領域 3と、窒化シリコン膜 4と、コンタクトホール 5と、配線パターン 6と、マスク 7と、エッチング開始パターン 8とが作製ないしは形成される。

次に、シリコン基板 1 ('慣性力センサ中間体）を 5 %のアンモニアフルオラィド水溶液に浸漬し、シリコン基板 1が陽極となるようにして、該シリコン基板 1 と対向電極との問に約 3 Vの電圧を印加する。このとき、シリコン基板 1の背面に発光強度を任意に変えることができる 1 5 O wのハロゲンランプを用いて光を照射し、シリコン基板 1の深さ方向にエッチングを施す。その際、シリコン基板 1の電流密度が 3 2 m AZ c m ²となるようにハロゲンランプの光の強度を調節するかくして、図 1 Iに示すように、エッチング開始パターン 8の下側に形成されたエッチング部 8 ' (開口部、溝部）がシリコン基板 1の深さ方向に延びる _c この後、エッチングにより形成されたエッチング部 8 ' が所望の深さに到達した後、ハロゲンランプの光の強度を強めることにより、シリコン基板 1内の電流密度を 6 O m AZ c m ²に高め、隣り合うエッチング面（エッチング部の側壁）前工程で形成した構造体の下部でつながる（隣り合うエッチング部同士が連通する）ように、約 1 0分間エッチングを施す。これにより、図 1 Jに示すように、シリコン基板 1の一部からなる単結晶中空構造体 9が作製されるとともに、この中空構造体 9の下に中空部 1 0が形成される。

この製造工程において、中空部 1 0の深さは、前記の 6 O m AZ c m ²で行つたェツチングの実施時間を調節することにより任意の深さとすることができる。ここで、エツチャントとして用いたアンモニアフルオラィド水溶液の濃度は、 1 %以上かつ 2 0 %以下の範囲内に設定するのが好ましい。アンモニアフルオラィド水溶液の濃度が 1 %未満ではエレクトロポリッシングが起こり、また 2 0 % を超えると滑らかなェツチング面が得られず、所望のデバイス形状を得ることが困難となるからである。また、印加電圧は 1 O V以下に設定するのが望ましい。 1 0 Vを超える電圧を印加した場合は、局所的な絶縁破壊が起こり、滑らかなエツチング面を得ることが困難となり、所望のシリコンデバイス形状を得ることが困難となるからである。なお、この印加電圧は、定電圧源から出力される電圧ではなく、実際にシリコン基板 1に印加されている電圧を意味する。さらに、 n 型シリコン基板 1のシート抵抗は、 0 . 1 Ω · c m以上かつ 5 0 Ω · c m以下の範囲内に設定するのが好ましい。 n型シリコン基板のシート抵抗が 0 . Ι Ω - c mより低い場合はマイクロポーラスシリコンがエッチング面に形成され所望のシリコンデバイス形状を得ることができず、また 5 0 Ω · c mを超える場合は微細なシリコンデバイスの形状を作製することが困難となるからである。また、初期エッチングの手法及び深さは、それに引き続き行われる主たるエッチングに影響を与えない。但し、初期エッチングを行わない場合は、初期エッチングを行った場合と比較して、作製される構造体の寸法精度が劣るので、構造体の寸法精度が必要な場合は、初期エッチングを施すのが好ましい。さらに、シリコン基板の初期の厚みは初期ェッチング、またそれに引き続き行われる主たるエツチングに影響を与えない。なお、中空構造を作製するためにシリコン基板 1の電流密度を高める際に、印加電圧を高めることによって電流密度を変化させても同様の効果が得られる。また、主たるエッチングは、図 3、図 4 A又は図 4 Bに示すエツチング装置を用いて行うことができる。

この実施の形態 2に係る製造方法により製造された慣性力センサ（シリコンデバイス）においては、中空構造体 9が単結晶シリコンで形成されているので、該慣性力センサは機械的特性が優れた信頼性の高いものとなる。また、中空構造体 9の下の中空部 1 0を大きくすることができるので、中空構造体 9がその下の平板状基材に吸着しない。このため、歩留まりが大幅に向上する。さらに、中空構造体である可動部の形状を 1工程内で作製することができるので、製造工程が簡素化され、安価に慣性力センサを製造することができる。また、初期エッチングに用いたイオンビームエッチングはシリコン基板 1の結晶方位の影響を受けないので、シリコン基板 1の上に任意の形状を有するェツチング開始パターンを作製することができる。このため、これに引き続き行うエッチングにより作製される中空構造体 9も任意の形状を持たせることができ、性能が優れた慣性力センサ構造を得ることができる。

また、この製造工程では、エツチャントとしてアンモニアフルオライドの水溶液を用いているので、主たるエッチングを行う際に、シリコンをドープしたアルミ配線に損傷がほとんど生じない。これにより、従来からの CMO S半導体工程と調和させることができ、主たるエッチングを行う前に、慣性センサと同一の基板上に、ピエゾ抵抗の変化を読み取るための回路を容易に設けることができる。なお、この実施の形態 2においても、実施の形態 1の場合と同様に、質量体 1 1を支える梁 1 2と該梁 1 2をシリコン基板に固定する境界部において、固定部 1 3にェツチングホール 2 3を設ければ、余分な正孔がェツチングホール 2 3 で消費されるので、固定部 1 3と梁 1 2との境界部において過多にエッチングが起こらず、信頼性の高い固定端を得ることができる（図 5参照）。

実施の形態 3

図 6 Λ〜図 6 Jは、本発明の実施の形態 3に係る ' 性力センサの製造工程を示している。以下、これらの図を参照しつつ、実施の形態 3に係る慣性力センサないしはその製造方法を説明する。

この性力センサの製造工程においては、まず図 6 Αに示すように、厚さ約 4 0 0 mの p型シリコン基板 2 4を準備する。そして、図 6 Bに示すように、シリコン基板 2 4の表面近傍部にピエゾ抵抗体 2 5を形成する。このピエゾ抵抗体 2 5は、シリコン基板 2 4のピエゾ抵抗体 2 5となるべき領域に、例えば n型材料である砒素を加速電圧 1 5 0 K e V、ドーズ量 8 X 1 0 ^{1 3}Z c m ²で打ち込むことにより形成する。続いて、図 6 Cに示すように、ピエゾ抵抗体 2 5と電気配線との電気的導通を取るための高濃度砒素領域 2 6を形成する。この高濃度砒素領域 2 6は、先に形成したピエゾ抵抗体 2 5の両端に、砒素のイオンを加速電圧 1 5 0 K e V、ドーズ量 4 . 8 x 1 0 ^{1 5}/ c m ²で打ち込むことにより形成する。さらに、ァニ一ルを 9 8 0 °Cで 2時間施す。

次に、図 6 Dに示すように、シリコン基板 2 4とピエゾ抵抗体 2 5と高濃度砒素領域 2 6の上に、例えば厚さ約 0 . 1 μ mの窒化シリコン膜 2 7を C V D法等により形成する。続いて、図 6 Eに示すように、先に形成したピエゾ抵抗体 2 5 及び高濃度砒素領域 2 6を覆っている窒化シリコン膜 2 7をプラズマエッチング法で除去し、電気的導通を得るためのコンタクトホール 2 8を形成する。さらに、慣性力センサ中間体（シリコン基板 2 4 ) にクロムと金とを続けて蒸着した後、これを湿式エッチング液に浸漬し、先に窒化シリコン膜 2 7を除去して形成したコンタクトホール 2 8の周囲をなだらかにして、高濃度砒素領域 2 6とクロム一金との電気的導通を高める。

そして、図 6 Fに示すように、再びクロム一金を慣性力中間体（シリコン基板 2 4 ) の全面に蒸着した上で、写真製版により配線パターン 2 9を形成する _c この後、図 6 Gに示すように、先に形成した窒化シリコン膜 2 7に対して写真製版等によりパターニングを施し、主たるエツチングの前に行う初期ェッチングのためのマスク 3 0を作製する。次に、図 6 Hに示すように、リアクティブイオンエッチングにより初期エッチングを施し、深さ約: 3 μ ηのエッチング開始パターン 3 1を形成する。さらに、シリコン基板 2 4 (慣性力センサ中間体）を、 5 % のフッ酸と 5 %の水とを含み残部がジメチルホルムアミドである有機溶媒に浸漬し、シリコン基板 2 4が陽極となるようにして、該シリコン基板 2 4と対向電極との間に約 3 Vの電圧を印加して、シリコン基板 2 4の深さ方向にエッチングを施す。その際、シリコン基板 2 4の電流密度が 2 6 mA/ c m ²となるように電源の電圧を調節する。

かくして、図 6 Iに示すように、エッチング開始パターン 3 1の下側に形成されたェツチング部 3 1 ' (開口部、溝部）がシリコン基板 2 4の深さ方向に延びる。この後、エッチングにより形成されたエッチング部 3 1 ' が所望の深さに到達した後、電源の印加電圧を高めることにより、シリコン基板 2 4内の電流密度を 4 O m AZ c m ²に高め、隣り合うエッチング面（エッチング部の側壁）が前工程で形成した構造体の下部でつながる（隣り合うェツチング部同士が連通する）ように、約 1 0分間エッチングを施す。これにより、図 6 Jに示すように、シリコン基板 2 4の一部からなる単結晶中空構造体 3 2が作製されるとともに、この中空構造体 3 2のこ中空部 3 3が形成される。ここで、中空部 3 3の深さは、前記の 4 O mAZ c m ²で行ったエッチングの実施時間を調節することにより任意の値とすることができる。

なお、この実施の形態 3においても、実施の形態 1の場合と同様に、質量体

1 1を支える梁 1 2と該梁 1 2をシリコン基板に固定する境界部において、固定部 1 3にェツチングホール 2 3を設ければ、余分な正孔がェツチングホール 2 3 で消費されるので、固定部 1 3と梁 1 2との境界部において過多にエッチングが起こらず、信頼性の高い固定端を得ることができる（図 5参照）。

また、ここでエツチャントとして用いたフッ酸を含む有機溶媒の代わりに 5 % のアンモニアフルオラィドを用いれば、配線に用いたクロム、金に代えて少量のシリコンをドープしたアルミニウムを用いることができ、従来からの C MO S半導体工程と調和させることができる。このため、主たるエッチングを行う前に、す貫性センサと同一基板上に、ピエゾ抵抗の変化を読み取るための回路を容易に設けることができる。

この製造工程において、エツチャントとして用いたフッ酸の濃度は、 1 %以上かつ 2 0 %以下の範囲内に設定するのが好ましい。フッ酸の濃度が 1 %未満ではエレクトロポリッシングが起こり、また 2 0 %を超えると滑らかなエッチング面が得られず、所望のデバイス形状を得ることが困難となるからである。また、印加電圧は 1 0 V以下に設定するのが望ましい。 1 0 Vを超える電圧を印加した場合は、局所的な絶縁破壊が起こり、滑らかなェツチング面が得ることが困難となり、所望のシリコンデバイス形状を得ることが困難となるからである。なお、この印加電圧は、電源から出力された電圧ではなく、実際にシリコン基板 2 4に印加されている電圧を意味する。さらに、 p型シリコン基板 2 4のシート抵抗は 0 . 0 1 Ω · c m以上かつ 5 0 0 Ω · c m以下の範囲内に設定するのが好ましい。 p 型シリコン基板 2 4のシート抵抗が 0 . 0 1 Ω · c mより低い場合はマイクロポーラスシリコンがエッチング面に形成され所望のシリコンデバイス形状を得ることができず、また 5 0 0 Ω · c mを超える場合は微細なシリコンデバイスの形状を作製するのが困難となるからである。

この実施の形態 3に係る製造方法により製造された慣性力センサ（シリコンデバイス）においては、中空構造体 3 2が単結晶シリコンで形成されているので、該シリコンデバイスなレ、しは慣性カセンサは機械的特性が優れてた信頼性の高レヽものとなる。また、中空構造体 3 2の下の中空部 3 3を大きくすることができるので、中空構造体 3 2がその下の平板状基材に吸着しない。このため、歩留まりが大幅に向上する。さらに、中空構造体 3 2の形状を 1工程内で作製することができる。このため、製造工程が簡素化され、安価に' 性力センサを製造することができる。また、初期エッチングに用いたリアクティブイオンエッチングはシリコン基板 2 4の結晶方位の影響を受けないので、シリコン基板 2 4の上に任意の形状を有するエッチング開始パターン 3 1を作製することができる。このため、これに引き続き行うエッチングにより作製される中空構造体 3 2も任意の形状を持たせることができ、性能が優れた慣性カセンサ構造を得ることができる。

図 7は、本発明の実施の形態 3に係る慣性力センサの製造工程において、主たるエッチングを行う際に用いられるエッチング装置を示しているが、このエッチング装置は、図 3に示す実施の形態 1に係るエッチング装置と多くの共通点を有する。したがって、以下では説明の重複を避けるため、図 3に示すエッチング装置と異なる点についてのみ説明する。すなわち、図 7に示すように、実施の形態 3に係るエッチング装置では、実施の形態 1のような光源 1 6 (図 3参照）は設けられていない。そして、エツチャント 3 4の組成が実施の形態】の場合とは異なる。また、シリコン基板 2 4が p型である点が実施の形態 1の場合とは異なる。さらに、電源 1 9が、シリコン基板 2 4内の電流密度を調節するために変化させられる点が実施の形態 1の場合とは異なる。図 7に示すエッチング装置のその他の構成ないしは機能については、図 3に示す実施の形態 1に係るエッチング装置の場合と同様である。

このエッチング装置においては、ェッチヤント 3 4に表面活性剤等を添加すると、エッチング中に発生する水素がシリコン基板表面から離脱しやすくなり、またエッチング面とエツチャントとの濡れ性が向上するので、シリコン基板 2 4内でのエッチングの均一性が向上する。なお、ジメチルホルムアミドの代わりにァセトニトリルを用いても同様の効果が得られる。さらに、フッ酸の代わりにアンモニァフルオライドを用いても同様の効果が得られる。また、実施の形態 1の場合と同様に、シリコン基板 2 4の裏側にイオンを打ち込み、さらにアルミ等を例えばスパッタ装置を用いて成膜して、シリコン基板保持部 1 4とシリコン基板 2 4との接触抵抗を低下させれば、エツチングが安定しシリコン基板 2 4内でのエッチングが均一化され、信頼性の高いシリコンデバイスが得られる。さらに、シリコン基板保持部 1 4とシリコン基板 2 4との間に銀粒子を含んだ接着剤を用いれば、接触抵抗をさらに低下させることができ、上記効果を高めることができる。

図 9は、本発明の実施の形態 3に係る慣性力センサの製造工程において、主たるエッチングを行う際に用いられるもう 1つのエッチング装置を示している。図 7に示すエッチング装置では、シリコン基板 2 4のエッチングが施されるべき広がり面が下方に向けられその下側のエツチャント 3 4によってエッチングが施される構造となっている。これに対して、図 8に示すエッチング装置では、シリコン基板 2 4のエッチングが施されるべき広がり面が上方に向けられその上側のエツチャント 3 4によってエッチングが施される構造となっている。図 8に示すエッチング装置においては、エッチング中に、シリコン基板 2 4のエッチングが施されている広がり面付近で発生する気泡は、その浮力によって上方すなわちシリコン基板表面から離脱する方向への移動が助勢される。このため、気泡がシリコン基板 2 4から非常に離脱しやすくなり、これによりシリコン基板 2 4内でのエッチングの均一性が一層向上する。

このように、 p型シリコン基板 2 4を用いる場合は、主たるエッチングに必要な正孔がシリコン基板 2 4内に多数存在するので、シリコン基板 2 4の背面に光を照射して、電子一正孔対を生成する必要がない。このため、光源を必要とせず安価なエッチング装置を得ることができる。また、光の強度の不均一に起因する主たるエッチングの不均一性も排除できるので、信頼性の高いシリコンデバイスないしは慣性力センサを得ることができる。

実施の形態 4

図 9は、本発明の実施の形態 4に係る'置性力センサの梁 3 5と固定部 3 6との境界部を示す図である。図 9に示すように、この慣性力センサにおいて、固定部

3 6に一辺 2 // mのエッチングホール 3 7が形成されている。このエッチングホール 3 7は、図 9から明かなとおり、梁 3 5の固定端から固定部 3 6の内部にいくに従って、その密度が徐々に減らされている。この場合、梁 3 5の固定端での電流密度の変化がより小さくなり、固定端における過剰なエッチングを防止することができる。このように、実施の形態 4に係る'置性力センサでは、固定端において過剰なエッチングが生じていないので、その信頼性が大幅に高められる ₌ 実施の形態 5

図 1 0は、本発明の実施の形態 5に係る'慣性力センサの梁と固定部（固定端）との境界部を示す図である。図 1 0に示すように、この慣性力センサには、 1本の片持ち梁 3 8と、図 1 A〜図 1 J (実施の形態 1 ) に示す製造方法によりドープで形成された 2つのピエゾ抵抗体 3 9、 4 0と、電気的導通を得るための配線パターン 4 1 とが設けられている。

この慣性力センサにおいては、、片持ち梁 3 8の両側にピエゾ抵抗体 3 9、

4 0が形成されている。かくして、質量体（図示せず）に慣性力が生じると片持ち梁 3 8が撓むが、このとき矢印 4 2の方向に片持ち梁 3 8が撓むと、ピエゾ抵抗体 3 9には圧縮応力が働き、ピエゾ抵抗 4 0には引っ張り応力が働く。ここで、ピエゾ抵抗 3 9の検出値とピエゾ抵抗 4 0の検出値の差を用!/、ると、片持ち梁 3 8の片側のみにピエゾ抵抗を配置した場合と比較して、出力値が 2倍になる：さらに、温度変化及び外乱に起因する出力が低減される（なくなる）ので、慣性力センサの感度が向上するとともに信頼性が向上する。

実施の形態 6

図 1 1は、本発明の実施の形態 6に係る慣性力センサの梁と固定部（固定端）との境界部を示す図である。図 1 1に示すように、この慣性力センサには、 2本の片持ち梁 4 3、 4 4と、図 1 A〜図 1 J (実施の形態 1 ) に示す製造工程によりドープで形成された 2つのピエゾ抵抗体 4 5、 4 6と、電気的導通を得るための配線パターン 4 1とが設けられている。

この慣性力センサにおいては、 2本の片持ち梁 4 3、 4 4のそれぞれ片側にピェゾ抵抗体 4 5、 4 6が形成されている。かくして、質量体（図示せず）に'慣性力が生じると片持ち梁 4 3、 4 4が撓むが、このとき矢印 4 7の方向に片持ち梁 4 3、 4 4が撓むと、ピエゾ抵抗体 4 5には圧縮応力が働き、ピエゾ抵抗 4 6には引っ張り応力が働く。ここで、ピエゾ抵抗 4 5の検出値とピエゾ抵抗 4 6の検出値の差を用いれば、片持ち梁 4 3、 4 4の片方のみにピエゾ抵抗を配置したときと比較して、出力が 2倍になる。さらに、温度変化及び外乱に起因する出力が低減される（なくなる）ので、慣性力センサの感度が向上するとともに信頼性が向上する。

実施の形態 7

図 1 2は、本発明の実施の形態 7に係る慣性力センサの質量体（可動質量体）及びその周囲におけるエツチング開始パタ一ンを示す図である。この慣性力センサにおいては、エッチング開始パターンは、図 1 A〜図 1 J (実施の形態 1 ) に示す製造工程により形成されている。図 1 2に示すように、除去すべき領域の回りに連続した四角形のパターン 4 8を形成する一方、その内部には 1辺が 2 / m の正方形の開口をもつホール 4 9を形成し、これらをエッチング開始パターンとしている。このようなエッチング開始パターンを用いて、図 1 A〜図 1 Jに示す製造方法を用いて主たるエッチングを行い中空構造を作製すれば、図 1 2で示した四角形パターン 4 8の領域を取り除くことができる。ここで用いた除去すべき領域のエッチングホールの一辺の長さは 1 μ πι以上かつ 8 /i m以下の範囲内に設定するのがが望ましい。エッチングホールの一辺の長さが 1 // m未満の場合、又は 8 / mを超える場合は、局所的な電流密度が均一とならないので、均一なエツチングホールを形成することができず、信頼性の低下を招くからである。

このエッチング手法によれば、エッチング開始パターンとしてリアクティブィオンエッチングを用いるので、シリコン基板の結晶方位の影響を受けない任意の形状のエッチング開始パターンを形成することができる。このため、任意の形状のものを任意量取り除くことができ、設計の自由度が大幅に広がる。

実施の形態 8

図 1 3 A〜図 1 3 Gは、本発明の実施の形態 8に係る†貫性力センサの製造工程を示している。以下、これらの図を参照しつつ、実施の形態 8に係る慣性力センサないしはその製造方法を説明する。

この慣性力センサの製造工程においては、まず図 1 3 Aに示すように、厚さ約

4 0 0 /i mの n型シリコン基板 1を準備する。そして、図 1 3 Bに示すように、シリコン基板 1の上に、例えば厚さ約 0 . 3 μ πιの窒化シリコン)!莫 4をスパッタ法等により形成した上で、該窒化シリコン膜 4に対して写真製版等によりパターユングを施し、主たるエッチングの前に行う初期エッチングのためのマスク 7を作製する。続いて、図 1 3 Cに示すように、リアクティブイオンエッチングにより初期エッチングを施して、深さ約 3 /i mのエッチング開始パターン 8を形成する。

次に、シリコン基板 1を 5 %のフッ酸水溶液に浸漬し、シリコン基板 1が陽極となるようにして、シリコン基板 1と対向電極との間に約 3 Vの電圧を印加する。このとき、シリコン基板 1の背面に発光強度を任意に変えることができる 1 5 0 wのハロゲンランプを用いて光を照射し、シリコン基板 1の深さ方向にエツチングを施す。その際、シリコン基板 1の電流密度が 2 6 mA/ c m ²となるようにハロゲンランプの光の強度を調節する。かくして、図 1 3 Dに示すように、エツチング部 8 ' が形成される。このエッチング部 8 ' が所望の深さに到達した後、ハロゲンランプの光の強度を強めることによりシリコン基板 1の電流密度を 4 0 m AZ c m ²に高めて、隣接するエッチング面が前工程で作製した構造体の下部で接続するよう、約 1 0分間エッチングを施す。これにより、図 1 3 Eに示すように、シリコン基板 1の一部からなる単結晶中空構造体 9が作製されるとともに、この中空構造体 9の下に中空部 1 0が形成される。さらに、図 1 3 Fに示すように、 L P C V D等を用いて、電気的絶縁膜として厚さ 1 μ ιηの窒化シリコン膜 5 0を形成する。この後、図 1 3 Gに示すように、シリコンが少量ドープされたアルミ電極ないしは配線材 5 1を、例えばスパッタを用いて 0 . 3 i mの厚さに成膜する。

ここにおいて、中空部 1 0の深さは、前記の 4 0 mAZ c m ²で行ったエッチングの時間を調節することにより任意の値とすることができる。また、エツチヤントとして用いたフッ酸水溶液の濃度は、 1 %以上かつ 2 0 %以下の範囲内に設定するのが好ましい。フッ酸水溶液の濃度が 1 %未満ではヱレクト口ポリッシングが起こり、また 2 0 %を超えると滑らかなエッチング面が得られず、所望のデバイス形状を得ることが困難となるからである。さらに、印加電圧は 1 O V以下に設定するのが望ましい。 1 O Vを超える電圧を印加した場合、局所的な絶縁破壊が起こり、滑らかなエッチング面が得ることが困難となり、所望のシリコンデバイス形状を得ることが困難となるからである。なお、この印加電圧は、定電圧源から出力された電圧ではなく、シリコン基板 1に印加されている電圧を意味する。また、 n型シリコン基板 1のシート抵抗は 0 . 1 Ω . c m以上かつ 5 0 Ω · c m以下の範囲内に設定するのが好ましい。 n型シリコン基板 1のシート抵抗が 0 . 1 Ω · c mより低い場合はマイクロポーラスシリコンがエッチング面に形成され所望のシリコンデバイス形状を得ることができず、また 5 0 Ω · c mより高レ、場合は微細なシリコンデバイスの形状を作製することが困難となるからである。なお、初期エッチングの深さは、それに引き続き行われる主たるエッチングに影響を与えない。但し、初期エッチングを行わない場合は、初期エッチングを行つた場合と比較して、作製される構造体の寸法精度が劣るので、構造体の精度が必要な場合は、初期エッチングを施すのが好ましい。さらに、シリコン基板 1の初期の厚みは初期エッチング、またそれに引き続き行われる主たるエッチングに影響を与えない。なお、中空構造を作製するためにシリコン基板 1の電流密度を高める際に、印加電圧を高めることによって電流密度を変化させても同様の効果が得られる。

図 1 4は、実施の形態 8に係る製造方法により製造された慣性力センサの斜視図である。図 1 4に示すように、この' f貫性力センサには、中空構造質量体 5 2 (可動質量体）と、質量体 5 2を保持する片持ち梁 5 3と、片持ち梁 5 3を基板に固定する固定部 5 4と、質量体 5 2に連結された中空構造梁 5 5と、基板に固定された対向電極 5 6とが設けられている。この慣性力センサにおいて、質量体 5 2に慣性力が生じると、それを保持している片持ち梁 5 3が撓み、質量体 5 2 に連結されている中空構造梁 5 5が変位する。これにより、この中空構造梁 5 5 と基板上に形成された対向電極 5 6との間に形成された容量が変化し、これに基づいて質量体 5 2に生じた慣性力を測定することができる。

この実施の形態 8に係る製造方法により製造された慣性力センサにおいては、中空構造体 9が単結晶シリコンで形成されているので、該慣性力センサは機械的特性が優れた信頼性の高いものとなる。また、中空構造体 9の下の中空部 1 0を大きくすることができるので、中空構造体 9がその下の平板状基材へ吸着しなレ、_c このため、歩留まりが大幅に向上する。さらに、中空構造体である可動部の形状を 1工程内で作製することができる。このため、製造工程が簡素化され、安価に '慣性力センサを製造することができる。また、初期エッチングに用いたリアクティブイオンェツチングはシリコン基板 1の結晶方位の影響を受けないので、シリコン基板 1の上に任意の形状を有するエッチング開始パターンを作製することができる。このため、これに引き続き行うエッチングにより作製される中空構造体も任意の形状を持たせることができ、性能が優れた慣性力センサ構造を得ることができる。

実施の形態 9

図 1 5 A〜図 1 5 F及び図 1 6 A〜図 1 6 Dは、本発明の実施の形態 9に係る慣性力センサの製造工程を示している。以下、これらの図を参照しつつ、実施の形態 9に係る慣性力センサないしはその製造方法を説明する。

この f貫性力センサの製造工程においては、まず図 1 5 Aに示すように、厚さ約 4 0 0 μ mの n型シリコン基板 1を準備する。そして、図] 5 Bに示すように、シリコン基板 1の上に、例えば厚さ約 0 . 3 μ mの窒化シリコン膜 4をスパッタ法等により形成した上で、該窒化シリコン膜 4に対して写真製版等によりパターニングを施し、主たるエッチングの前に行う初期エッチングのためのマスク 7を作製する。続いて、図 1 5 Cに示すように、リアクティブイオンエッチングにより初期エッチングを施して、深さ約 3 μπのエッチング開始パターン 8を形成する。

次に、シリコン基板 1を 5%のフッ酸水溶液に浸漬し、シリコン基板 1が陽極となるようにして、シリコン基板 1と対向電極との間に約 3 Vの電圧を印加する。このとき、シリコン基板 1の背面に発光強度を任意に変えることができる 1 50 wのハロゲンランプを用いて光を照射し、シリコン基板 1の深さ方向にエツチングを施す。その際、シリコン基板 1の電流密度が 26 mAZcm²となるようにハロゲンランプの光の強度を調節する。力べして、図 1 5 Dに示すように、エツチング部 8' が形成される。このエッチング部 8' が所望の深さに到達した後、ハロゲンランプの光の強度を強めることによりシリコン基板 1の電流密度を 40 mAZc m²に高めて、隣接するエッチング面が前工程で作製した構造体の下部で接続するよう、約 1 0分間エッチングを施す。これにより、図 1 5 Eに示すように、シリコン基板 1の一部からなる単結晶中空構造体 9が作製されるとともに、この中空構造体 9の下に中空部 1 0が形成される。さらに、図 1 5 Fに示すように、シリコンを少量ドープしたアルミを配線材 57及び中空構造質量体 9側の電極 57として、例えばスパッタ法を用いて 0. 2 /im程度成膜する。

これと平行して、図 1 6 Aに示すように、ガラス基板 58を準備する。そして、図 1 6 Bに示すように、フッ酸を用いてガラス基板 58に深さ 5 /mのギャップ 59 (凹部）を形成する。さらに、図 1 6Cに示すように、ギャップ 59の底面に、シリコンを少量ドープしたアルミをスパッタ法により 0. 2/ mを形成し、これを質量体 9の対向電極 60とする。この後、図 1 6Dに示すように、前記の中空構造質量体 9を形成した基板 1とギャップ 59を形成したガラス基板 58とを接合する。

ここで、中空部の深さは、前記の 4 OmAZc m²で行ったエッチングの実施時間を調節することにより任意の値とすることができる。ここでエツチャントとして用いたフッ酸水溶液の濃度は、 1 %以上かつ 20 %以下の範囲内に設定するのが好ましレ、。フッ酸水溶液の濃度が 1 %未満ではエレクトロポリッシングが起こり、また 20 %以上では滑らかなェツチング面が得られず、所望のデバイス形状を得ることが困難となるからである。また、印加電圧は 1 OV以下に設定するのが望ましい。 1 O Vを超える電圧を印加した場合、局所的な絶縁破壊が起こり、滑らかなェツチング面が得ることが困難となり、所望のシリコンデバイス形状を得ることが困難となるからである。ここで、印加電圧は、定電圧源から出力された電圧ではなく、シリコン基板に印加されている電圧を意味する。さらに、 n型シリコン基板 1のシート抵抗は 0 . 1 Ω · c m以上かつ 5 0 Ω · c m以下の範囲内に設定するのが好ましい。 n型シリコン基板 1のシート抵抗が 0 . l Q ' c m より低い場合はマイクロポ一ラスシリコンがエッチング面に形成され所望のシリコンデバイス形状を得ることができず、また 5 0 Ω · c mを超える場合は微細なシリコンデバイスの形状を作製することが困難となるからである。また、初期エッチングの深さは、それに引き続き行われる主たるエッチングに影響を与えなレ、。但し、初期エッチングを行わない場合は、初期エッチングを行った場合と比較して、作製される構造体の寸法精度が劣るので、構造体の精度が必要な場合は、初期ェツチングを施すのが好ましい。さらに、シリコン基板の初期の厚みは初期エッチング、またそれに引き続き行われる主たるエッチングに影響を与えない。また、中空構造を作製するためにシリコン基板 1の電流密度を高める際に、印加電圧を高めることによって電流密度を変化させても同様の効果が得られる。

図 1 6 Dにおいて、質量体 9に慣性力が矢印 6 1の方向に印加された場合、片持ち梁で保持された質量体 9は矢印 6 1の方向に変位する。これにより、質量体 9とガラス基板 5 8とで形成された容量が変化し、質量体 9に印加された慣性力を測定することができる。

この実施の形態 9に係る製造方法により製造された '赏性力センサにおいては、中空構造体 9が単結晶シリコンで構成されているので、該慣性力センサは機械的特性が優れた信頼性の高レ、ものとなる。また、中空構造体 9の下の中空部 1 0を大きくすることができるので、中空構造体 9がその下の平板状基材に吸着しなレ、。このため、歩留まりが大幅に向上する。さらに、この' 生力センサの製造方法によれば、中空構造体である可動部の形状を 1工程内で作製することができる。このため、製造工程が簡素化され、安価に慣性力センサを得ることができる。また、初期ェッチングに用いたリアクティブイオンエツチングはシリコン基板 1の結晶方位の影響を受けず、シリコン基板 1の上に任意の形状を有するエッチング開始パターンを作製することができる。このため、これに引き続き行うエッチングにより作製される中空構造体も任意の形状を持たせることができ、性能が優れたシリコンデバイスの構造を作製することができる。また質量体の変位を、質量体 9 とガラス基板 5 8との間の容量変化として検知するので感度が優れた慣性力センサを得ることができる。産業上の利用の可能性

以上のように、本発明に係る慣性力センサないしはその製造方法は、加速度、角速度等を検出するための'慣性力センサとして有用であり、とくに自動車の車体制御装置、安全装置等のセンサとして用いるのに適している。

Claims

請求の範囲

1 . 力が加えられたときに変位する質量体と、該質量体を保持する少なくとも 1 本の保持梁と、該保持梁の一端を固定する固定部とを備えていて、上記質量体の変位に基づいて該質量体に作用する慣性力を検出するようになっている慣性カセンサであって、

上記質量体が、シリコン基板の内部がエッチングにより除去されてなる中空構造体であり、

上記固定部が、上記シリコン基板本体部の少なくとも一部である慣性力センサ _c

2 . 上記質量体に作用する慣性力を、上記質量体の変位によって惹起される上記保持梁の撓みに基づいて検出するようになっている請求項 1に記載の慣性力センサ。

3 . 上記質量体に対してシリコン基板表面と平行な方向に作用する慣性力を、上記質量体によつて支持された第 1片持ち梁と、シリコン基板の固定部によって支持された第 2片持ち梁との間の容量に基づいて検出するようになっている請求項 1に記載の慣性力センサ。

4 . 上記質量体に対してシリコン基板表面と垂直な方向に作用する慣性力を、上記質量体と、上記シリコン基板に接合されたもう 1つの基板の表面に設けられた対向電極との問の容量に基づいて検出するようになっている請求項 1に記載の慣性力センサ。

5 . 上記固定部にェツチングホールが設けられている請求項 1に記載の慣性カセンサ。

6 . 上記保持梁の撓みを、該保持梁の撓み方向にみて該保持梁の少なくとも一端側に配置されたピエゾ抵抗体の抵抗値に基づいて検出するようになっている請求項 2に記載の慣性カセンサ。

7 . 力が加えられたときに変位する質量体と、該質量体を保持する少なくとも 1 本の梁と、該梁の --端を固定する固定部とを備えていて、上記質量体の変位に基づいて該質量体に作用する慣性力を検出するようになっている慣性力センサの製造方法であって、シリコン基板表面又はシリコン基板上にェツチング開始パターンを形成するエツチング開始パタ一ン形成工程と、

上記シリコン基板をフッ素ィオンを含む溶液に浸漬しつつ、該シリコン基板が陽極となるようにして該シリコン基板に電圧を印加することにより該シリコン基板にェッチング施し、上記ェッチング開始パターンからシリコン基板深さ方向に延びるェッチング部を形成する第 1エツチング工程と、

上記エッチング部が所定の深さに到達した後、上記シリコン基板内に流れる電流を増加させることによりシリコン基板のエッチングを促進して、上記深さより深い部位で隣り合うエッチング部同士を連通させ、シリコン基板の一部からなる中空構造体を形成する第 2エツチング工程とを含んでレ、て、

上記中空構造体を上記質量体とし、上記シリコン基板本体部の少なくとも一部を上記固定部とするようにした貫性力センサの製造方法。

8 . 上記ェッチング開始パタ一ン形成工程で、上記シリコン基板の上記固定部が形成されるべき部位にエッチングホールを形成するようにした請求項 7に記載の慣性力センサの製造方法。

9 . 上記エッチング開始パターン形成工程で、シリコン基板材料をブロック状に除去すべき部分を囲む連続したエッチング開始パターンを形成し、

上記第 2エッチング工程で、上記除去すべき部分をエッチングによりシリコン基板本体部から除去するようになっている請求項 7に記載の慣 1 "生力センサの製造方法。