力学量検出センサの製造方法
【課題】高い感度を示すことができる力学量検出センサの製造方法を提供すること。
【解決手段】本発明の力学量検出センサの製造方法は、活性層、ベース層及び前記活性層と前記ベース層との間に挟持された絶縁層で構成されたＳＯＩ基板の前記ベース層を加工して、枠体と、前記枠体の内側に位置する錘と、前記枠体に対し前記錘を揺動可能に支持する梁部と、を形成する工程と、前記梁部の厚さを薄くする工程と、前記活性層上に、前記梁部の撓み量に基づいて力学量に応じた信号を出力する検出素子を形成する工程と、を具備することを特徴とする。
【解決手段】本発明の力学量検出センサの製造方法は、活性層、ベース層及び前記活性層と前記ベース層との間に挟持された絶縁層で構成されたＳＯＩ基板の前記ベース層を加工して、枠体と、前記枠体の内側に位置する錘と、前記枠体に対し前記錘を揺動可能に支持する梁部と、を形成する工程と、前記梁部の厚さを薄くする工程と、前記活性層上に、前記梁部の撓み量に基づいて力学量に応じた信号を出力する検出素子を形成する工程と、を具備することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の３軸方向の加速度を検出可能な力学量検出センサの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車産業や機械産業では、加速度を正確に検出できる小型の力学量検出センサの需要が高まっている。このような力学量検出センサとして、互いに直交する３軸方向の加速度を同時に検出できる加速度センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。この加速度センサは、シリコン製の第１の半導体基板（活性層）、酸化シリコン製の絶縁層（犠牲層）、シリコン製の第２の半導体基板（ベース層）で構成された３層構造のＳＯＩ基板をエッチングして形成される。
【０００３】
第１の半導体基板にはエッチングにより枠体と、枠体の中央に位置する変位部と、枠体の四辺から変位部に連なる梁部とが形成され、第２の半導体基板にはエッチングにより枠体に接合された支持部と、変位部に接合された錘部とが形成される。また、各梁部の上面には検出素子が配置されており、錘部に慣性力が作用して各梁部が撓み変形することで、３軸方向の加速度が検出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３２２３００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような力学量検出センサにおいては、梁部はＳＯＩ基板の犠牲層と活性層の２層で構成される。この力学量検出センサにおいて、より感度を向上させるためには、梁部における犠牲層と活性層の厚さなどを最適にすることが必要になる。
【０００６】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、高い感度を示すことができる力学量検出センサの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の力学量検出センサの製造方法は、活性層、ベース層及び前記活性層と前記ベース層との間に挟持された絶縁層で構成されたＳＯＩ基板の前記ベース層を加工して、枠体と、前記枠体の内側に位置する錘と、前記枠体に対し前記錘を揺動可能に支持する梁部と、を形成する工程と、前記梁部の厚さを薄くする工程と、前記活性層上に、前記梁部の撓み量に基づいて力学量に応じた信号を出力する検出素子を形成する工程と、を具備することを特徴とする。
【０００８】
この方法によれば、感度や強度を考慮して最適な状態の梁部を形成することができるので、高い感度を示すことができる力学量検出センサを製造することができる。
【０００９】
本発明の力学量検出センサの製造方法においては、前記梁部の前記活性層側から加工して前記梁部の厚さを薄くすることが好ましい。この方法によれば、活性層の強度を保った状態で梁部のばね定数を小さくして感度の高い力学量検出センサを得ることができる。
【００１０】
本発明の力学量検出センサの製造方法においては、前記梁部の前記絶縁層側から加工して前記梁部の厚さを薄くすることが好ましい。この方法によれば、絶縁層の厚さを薄くして絶縁層と活性層のヤング率を合わせることができるので、所望の性能の高い力学量検出センサを得ることができる。
【００１１】
本発明の力学量検出センサの製造方法においては、前記絶縁層を除去して、さらに前記活性層を薄くすることが好ましい。この方法によれば、活性層の強度を保った状態でより高感度の力学量検出センサを得ることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の力学量検出センサの製造方法は、活性層、ベース層及び前記活性層と前記ベース層との間に挟持された絶縁層で構成されたＳＯＩ基板の前記ベース層を加工して、枠体と、前記枠体の内側に位置する錘と、前記枠体に対し前記錘を揺動可能に支持する梁部と、を形成し、前記梁部の厚さを薄くし、前記活性層上に、前記梁部の撓み量に基づいて力学量に応じた信号を出力する検出素子を形成する。この場合、感度や強度を考慮して最適な状態の梁部を形成することができるので、高い感度を示すことができる力学量検出センサを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態に係る力学量検出センサを示す斜視図である。
【図２】図１に示す力学量検出センサの分解斜視図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、梁部を薄くする方法を説明するための図である。
【図４】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態に係る力学量検出センサの製造方法を説明するための図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態に係る力学量検出センサの製造方法を説明するための図である。
【図６】力学量検出センサの検出動作説明図であり、（ａ）は錘部がＸ軸回りに回動する際の検出動作説明図であり、（ｂ）は錘部がＺ軸方向に直動する際の検出動作説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る力学量検出センサの斜視図である。図２は、本発明の実施の形態に係る力学量検出センサの分解斜視図である。
【００１５】
図１及び図２に示すように、力学量検出センサ１は、第１の半導体基板２と第２の半導体基板３とを絶縁層４を介して接合して構成されている。力学量検出センサ１は、例えば、第１の半導体基板２をシリコン層（活性層）、絶縁層４を酸化シリコン層（犠牲層）、第２の半導体基板３をシリコン層（ベース層）とした３層構造をなすＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いて製造可能である。
【００１６】
第１の半導体基板２には、第２の半導体基板３と比較して相対的に薄板状のシリコン層で構成され、収納空間が形成された矩形枠状の枠体１１と、枠体１１の内側に配置された変位部１２と、枠体１１の四辺と変位部１２とを接続する４つの梁部１３とが形成されている。枠体１１、変位部１２、梁部１３は、第１の半導体基板２をエッチングにより変位部１２の周囲に上面視Ｌ字状の４つの開口を設けることで形成される。
【００１７】
枠体１１は、Ｌ字状の４つの開口により変位部１２を囲うように形成されている。変位部１２は、略正方形状に形成され、枠体１１の枠内中央に配置されている。４つの梁部１３は、それぞれ枠体１１の一辺から対向辺に向かって延在する長尺部１５と、長尺部１５に連なり、変位部１２の四隅に接続される短尺部１６とから構成される。このように、４つの梁部１３は、長尺部１５を有しているため、撓み易い構成となっている。
【００１８】
各梁部１３の長尺部１５の上面には、それぞれ検出素子１７が設けられており、この検出素子１７により各梁部１３の撓み量が検出される。検出素子１７は、いわゆる圧電素子であり、図示しない下地膜の上面に、下部電極２５、圧電薄膜２６、上部電極２７の順に蒸着などにより成膜することで形成される。検出素子１７は、梁部１３に生じた撓みにより変形し、この変形による圧力を電圧に変換して出力する。
【００１９】
第２の半導体基板３には、第１の半導体基板２と比較して相対的に厚板状のシリコン層で構成され、矩形状の開口部２３を有する支持部２１と、開口部２３の内側に配置された錘部２２とが形成されている。支持部２１および錘部２２は、第１の半導体基板２をエッチングにより錘部２２の周囲に矩形枠状の開口を設けることで形成される。
【００２０】
支持部２１は、上面視において枠体１１に対応した形状を有しており、枠体１１の下面に絶縁層４を介して接合されている。錘部２２は、略直方体形状に形成されており、変位部１２の下面に絶縁層４を介して接合されている（錘部２２と変位部１２で錘を構成する）。したがって、このように、錘部２２は、枠体１１の収納空間及び支持部２１の開口部２３の内側において、変位部１２と共に錘をなし、４つの梁部１３により揺動自在に支持される。よって、錘部２２の重心位置に慣性力が作用すると、Ｘ軸回りの回動、Ｙ軸回りの回動、Ｚ軸方向の直動が可能となっている。
【００２１】
梁部１３は、活性層である第１半導体基板２と犠牲層である絶縁層４とで構成されている。この梁部１３は、ＳＯＩ基板のベース層を加工することにより、枠体１１及び錘と共に形成される。次いで、力学量検出センサに所望の性能を発揮させるために、梁部１３の厚さを薄くする（梁部１３を修正する）。この場合において、図３（ａ）に示すように、梁部１３を絶縁層４側から加工して絶縁層４に凹部４ａを形成して梁部１３の厚さを薄くする。この方法によれば、絶縁層の厚さを薄くして絶縁層４と第１半導体基板２（活性層）のヤング率を合わせることができるので、所望の性能の高い力学量検出センサを得ることができる。
【００２２】
あるいは、図３（ｂ）に示すように、梁部１３の第１半導体基板２（活性層）側から加工して第１半導体基板２に凹部２ａを形成して梁部１３の厚さを薄くする。この方法によれば、第１半導体基板２の強度を保った状態で梁部１３のばね定数を小さくして感度の高い力学量検出センサを得ることができる。
【００２３】
あるいは、図３（ｃ）に示すように、梁部１３を絶縁層４側から加工して、絶縁層４を除去して、さらに第１半導体基板２に凹部２ｂを形成して第１半導体基板２を薄くする。この方法によれば、第１半導体基板２の強度を保った状態でより高感度の力学量検出センサを得ることができる。
【００２４】
図３（ａ）〜図３（ｃ）の方法は択一的ではなく、力学量検出センサに発揮させる所望の特性を考慮して、適宜組み合わせて用いることができる。その場合の加工の順序については特に制限はない。
【００２５】
なお、凹部２ａ，２ｂ，４ａの深さ、すなわち第１半導体基板２や絶縁層４への加工量は、予め加工量と感度との間の関係を求めておき、所望の特性に適合するように前記関係から適宜求める。また、第１半導体基板２や絶縁層４に対する加工としては、エッチングやイオンミリングなどを用いることができる。また、加工にエッチングを用いる場合には、オーバーエッチングも考慮して加工量を設定することが好ましい。
【００２６】
次に、図４及び図５を参照して、力学量検出センサの加工プロセスの一例について説明する。図４（ａ）〜（ｄ）及び図５（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態に係る力学量検出センサの製造方法を説明するための図である。
【００２７】
図４（ａ）に示すように、第１の半導体基板２、絶縁層４、第２の半導体基板３を積層したＳＯＩ基板を準備し、第１の半導体基板２の上面にサポート基板３０が配置される。次に、図４（ｂ）に示すように、第２の半導体基板３の下面が研磨され薄化されると共に、第２の半導体基板３がフォトリソグラフィ及びエッチング（deep ＲＩＥ）により加工されて支持部２１及び錘部２２が形成される。
【００２８】
次に、図４（ｃ）に示すように、第３の基板３１がフォトリソグラフィ及びエッチングにより加工されて凹部３１ａが形成され、第２の半導体基板３の下面に接合される。次に、図４（ｄ）に示すように、第１の半導体基板２の上面からサポート基板３０が剥離され、第１の半導体基板２の上面が研磨されて所望の厚みに薄化される。
【００２９】
次に、梁部１３の厚さを薄くする。この場合、図３（ａ）に示すように、梁部１３を絶縁層４側から加工して絶縁層４に凹部４ａを形成して梁部１３の厚さを薄くするか、図３（ｂ）に示すように、梁部１３の第１半導体基板２（活性層）側から加工して第１半導体基板２に凹部２ａを形成して梁部１３の厚さを薄くするか、図３（ｃ）に示すように、梁部１３を絶縁層４側から加工して、絶縁層４を除去して、さらに第１半導体基板２に凹部２ｂを形成して第１半導体基板２を薄くする。なお、図３（ａ）に示す場合には、上記図４（ｃ）に示す構造になる前に加工する必要があり、図３（ｂ）に示す場合には、上記図４（ｄ）に示す構造の後に加工する必要がある。
【００３０】
次に、図５（ａ）に示すように、第１の半導体基板２の上面にスパッタリングにより絶縁材料が被着される。次に、図５（ｂ）に示すように、絶縁層１８の梁部１３領域を含む領域上に、検出素子１７が形成される。検出素子１７は、梁１３及び変位部１２上に形成された下部電極２５と、下部電極２５上に形成された圧電薄膜２６と、圧電薄膜２６上に部分的に形成された上部電極２７とから構成されている。まず、梁１３及び変位部１２上にスパッタリングにより金属材料を被着し、フォトリソグラフィ及びエッチングにより金属材料をパターンニングして下部電極２５を形成する。次いで、スパッタリングにより圧電材料を被着し、フォトリソグラフィ及びエッチングにより圧電材料をパターンニングして圧電薄膜２６を形成する。次いで、スパッタリングにより金属材料を被着し、フォトリソグラフィ及びエッチングにより金属材料をパターンニングして圧電薄膜２６上に部分的に上部電極２７を形成する。
【００３１】
次に、図５（ｃ）に示すように、第１の半導体基板２を絶縁層４，１８と共に部分的に除去することにより、梁部１３及び変位部１２を設ける。このようにして、力学量検出センサを得ることができる。
【００３２】
次に、図６を参照して、力学量検出センサの動作について簡単に説明する。図６は、力学量検出センサの検出動作説明図であり、（ａ）は錘部がＸ軸回りに回動する際の検出動作説明図であり、（ｂ）は錘部がＺ軸方向に直動する際の検出動作説明図である。
【００３３】
図６（ａ）に示すように、力学量検出センサに対して加速度が働いて、錘部２２に対してＹ軸方向に慣性力が作用すると、錘部２２はＸ軸回りに回動する。このとき、梁部１３ａ，１３ｂの変位部１２側がＺ軸方向下方に移動して、梁部１３ａ，１３ｂの枠体１１側にＺ方向上方に力が作用する。また、梁部１３ｃ，１３ｄの変位部１２側がＺ軸方向上方に移動して、梁部１３ｃ，１３ｄの枠体１１側にＺ軸方向下方に力が作用する。そして、梁部１３ａ，１３ｂの枠体１１側はＺ軸方向上方に膨らむように撓み、梁部１３ｃ，１３ｄの枠体１１側はＺ軸方向下方に凹むように撓む。
【００３４】
検出素子１７ａ，１７ｂは、それぞれ梁部１３ａ,１３ｂの枠体１１側の撓みに合わせてＺ軸方向上方に膨らむように変形し、変形に応じた電圧を出力する。また、検出素子１７ｃ，１７ｄは、それぞれ梁部１３ｃ，１３ｄの枠体１１側の撓みに合わせてＺ軸方向下方に凹むように変形し、変形に応じた電圧を出力する。各検出素子１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄから出力された電圧は、図示しない演算回路において演算され、加速度が算出される。
【００３５】
なお、錘部２２がＹ軸回りに回動する場合には、逆に、梁部１３ａ，１３ｂの枠体１１側にＺ軸方向下方に力が作用し、梁部１３ｃ，１３ｄの枠体１１側にＺ軸方向上方に力が作用する。したがって、検出素子１７ａ，１７ｂは、それぞれ梁部１３ａ，１３ｂの枠体１１側の撓みに合わせてＺ軸方向下方に凹むように変形し、検出素子１７ｃ，１７ｄは、それぞれ梁部１３ｃ，１３ｄの枠体１１側の撓みに合わせてＺ軸方向上方に膨らむように変形する。
【００３６】
図６（ｂ）に示すように、力学量検出センサに対して加速度が働いて、錘部２２に対してＺ軸方向下方に慣性力が作用すると、錘部２２はＺ軸方向下方に直動する。このとき、梁部１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄの変位部１２側がＺ軸方向下方に移動して、梁部１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄの枠体１１側にＺ軸方向上方に力が作用する。そして、梁部１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄの枠体１１側はＺ軸方向上方に膨らむように撓み、検出素子１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄもＺ軸方向上方に膨らむように変形する。そして、各検出素子１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄから出力された電圧は、図示しない演算回路において演算され、加速度が算出される。
【００３７】
なお、力学量検出センサにおいて、錘部２２及び変位部１２の質量などを適宜変更することによってセンサ感度を任意に調整することも可能である。
【００３８】
このように、本実施の形態においては、ＳＯＩ基板の第２半導体基板４を加工して、枠体１１と、前記枠体１１の内側に位置する錘（変位部１２、錘部２２）と、前記枠体１１に対し前記錘を揺動可能に支持する梁部１３と、を形成し、前記梁部１３の厚さを薄くし、前記活性層上に、前１３記梁部の撓み量に基づいて力学量に応じた信号を出力する検出素子１７を形成する。この場合、感度や強度を考慮して最適な状態の梁部１３を形成することができるので、高い感度を示すことができる力学量検出センサを製造することができる。
【００３９】
また、上記した実施の形態においては、検出素子として圧電素子を例示して説明したが、この構成に限定されるものではない。梁部の撓みに基づいて力学量に応じた信号を出力する構成であればよく、例えば、圧電素子の代わりにピエゾ素子を用いてもよい。
【００４０】
また、今回開示された実施の形態は、全ての点で例示であってこの実施の形態に制限されるものではない。本発明の範囲は、上記した実施の形態のみの説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明は、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の３軸方向の加速度を検出する力学量検出センサに有用である。
【符号の説明】
【００４２】
１ 力学量検出センサ
２ 第１の半導体基板（第１の基板）
２ａ，２ｂ，４ａ 凹部
３ 第２の半導体基板（第２の基板）
４，１８ 絶縁層
１１ 枠体
１２ 変位部
１３ 梁部
１７ 検出素子
２１ 支持部
２２ 錘部
２３ 開口部
２５ 下部電極
２６ 圧電薄膜
２７ 上部電極
３１ 第３の基板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の３軸方向の加速度を検出可能な力学量検出センサの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車産業や機械産業では、加速度を正確に検出できる小型の力学量検出センサの需要が高まっている。このような力学量検出センサとして、互いに直交する３軸方向の加速度を同時に検出できる加速度センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。この加速度センサは、シリコン製の第１の半導体基板（活性層）、酸化シリコン製の絶縁層（犠牲層）、シリコン製の第２の半導体基板（ベース層）で構成された３層構造のＳＯＩ基板をエッチングして形成される。
【０００３】
第１の半導体基板にはエッチングにより枠体と、枠体の中央に位置する変位部と、枠体の四辺から変位部に連なる梁部とが形成され、第２の半導体基板にはエッチングにより枠体に接合された支持部と、変位部に接合された錘部とが形成される。また、各梁部の上面には検出素子が配置されており、錘部に慣性力が作用して各梁部が撓み変形することで、３軸方向の加速度が検出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３２２３００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような力学量検出センサにおいては、梁部はＳＯＩ基板の犠牲層と活性層の２層で構成される。この力学量検出センサにおいて、より感度を向上させるためには、梁部における犠牲層と活性層の厚さなどを最適にすることが必要になる。
【０００６】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、高い感度を示すことができる力学量検出センサの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の力学量検出センサの製造方法は、活性層、ベース層及び前記活性層と前記ベース層との間に挟持された絶縁層で構成されたＳＯＩ基板の前記ベース層を加工して、枠体と、前記枠体の内側に位置する錘と、前記枠体に対し前記錘を揺動可能に支持する梁部と、を形成する工程と、前記梁部の厚さを薄くする工程と、前記活性層上に、前記梁部の撓み量に基づいて力学量に応じた信号を出力する検出素子を形成する工程と、を具備することを特徴とする。
【０００８】
この方法によれば、感度や強度を考慮して最適な状態の梁部を形成することができるので、高い感度を示すことができる力学量検出センサを製造することができる。
【０００９】
本発明の力学量検出センサの製造方法においては、前記梁部の前記活性層側から加工して前記梁部の厚さを薄くすることが好ましい。この方法によれば、活性層の強度を保った状態で梁部のばね定数を小さくして感度の高い力学量検出センサを得ることができる。
【００１０】
本発明の力学量検出センサの製造方法においては、前記梁部の前記絶縁層側から加工して前記梁部の厚さを薄くすることが好ましい。この方法によれば、絶縁層の厚さを薄くして絶縁層と活性層のヤング率を合わせることができるので、所望の性能の高い力学量検出センサを得ることができる。
【００１１】
本発明の力学量検出センサの製造方法においては、前記絶縁層を除去して、さらに前記活性層を薄くすることが好ましい。この方法によれば、活性層の強度を保った状態でより高感度の力学量検出センサを得ることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の力学量検出センサの製造方法は、活性層、ベース層及び前記活性層と前記ベース層との間に挟持された絶縁層で構成されたＳＯＩ基板の前記ベース層を加工して、枠体と、前記枠体の内側に位置する錘と、前記枠体に対し前記錘を揺動可能に支持する梁部と、を形成し、前記梁部の厚さを薄くし、前記活性層上に、前記梁部の撓み量に基づいて力学量に応じた信号を出力する検出素子を形成する。この場合、感度や強度を考慮して最適な状態の梁部を形成することができるので、高い感度を示すことができる力学量検出センサを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態に係る力学量検出センサを示す斜視図である。
【図２】図１に示す力学量検出センサの分解斜視図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、梁部を薄くする方法を説明するための図である。
【図４】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態に係る力学量検出センサの製造方法を説明するための図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態に係る力学量検出センサの製造方法を説明するための図である。
【図６】力学量検出センサの検出動作説明図であり、（ａ）は錘部がＸ軸回りに回動する際の検出動作説明図であり、（ｂ）は錘部がＺ軸方向に直動する際の検出動作説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る力学量検出センサの斜視図である。図２は、本発明の実施の形態に係る力学量検出センサの分解斜視図である。
【００１５】
図１及び図２に示すように、力学量検出センサ１は、第１の半導体基板２と第２の半導体基板３とを絶縁層４を介して接合して構成されている。力学量検出センサ１は、例えば、第１の半導体基板２をシリコン層（活性層）、絶縁層４を酸化シリコン層（犠牲層）、第２の半導体基板３をシリコン層（ベース層）とした３層構造をなすＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いて製造可能である。
【００１６】
第１の半導体基板２には、第２の半導体基板３と比較して相対的に薄板状のシリコン層で構成され、収納空間が形成された矩形枠状の枠体１１と、枠体１１の内側に配置された変位部１２と、枠体１１の四辺と変位部１２とを接続する４つの梁部１３とが形成されている。枠体１１、変位部１２、梁部１３は、第１の半導体基板２をエッチングにより変位部１２の周囲に上面視Ｌ字状の４つの開口を設けることで形成される。
【００１７】
枠体１１は、Ｌ字状の４つの開口により変位部１２を囲うように形成されている。変位部１２は、略正方形状に形成され、枠体１１の枠内中央に配置されている。４つの梁部１３は、それぞれ枠体１１の一辺から対向辺に向かって延在する長尺部１５と、長尺部１５に連なり、変位部１２の四隅に接続される短尺部１６とから構成される。このように、４つの梁部１３は、長尺部１５を有しているため、撓み易い構成となっている。
【００１８】
各梁部１３の長尺部１５の上面には、それぞれ検出素子１７が設けられており、この検出素子１７により各梁部１３の撓み量が検出される。検出素子１７は、いわゆる圧電素子であり、図示しない下地膜の上面に、下部電極２５、圧電薄膜２６、上部電極２７の順に蒸着などにより成膜することで形成される。検出素子１７は、梁部１３に生じた撓みにより変形し、この変形による圧力を電圧に変換して出力する。
【００１９】
第２の半導体基板３には、第１の半導体基板２と比較して相対的に厚板状のシリコン層で構成され、矩形状の開口部２３を有する支持部２１と、開口部２３の内側に配置された錘部２２とが形成されている。支持部２１および錘部２２は、第１の半導体基板２をエッチングにより錘部２２の周囲に矩形枠状の開口を設けることで形成される。
【００２０】
支持部２１は、上面視において枠体１１に対応した形状を有しており、枠体１１の下面に絶縁層４を介して接合されている。錘部２２は、略直方体形状に形成されており、変位部１２の下面に絶縁層４を介して接合されている（錘部２２と変位部１２で錘を構成する）。したがって、このように、錘部２２は、枠体１１の収納空間及び支持部２１の開口部２３の内側において、変位部１２と共に錘をなし、４つの梁部１３により揺動自在に支持される。よって、錘部２２の重心位置に慣性力が作用すると、Ｘ軸回りの回動、Ｙ軸回りの回動、Ｚ軸方向の直動が可能となっている。
【００２１】
梁部１３は、活性層である第１半導体基板２と犠牲層である絶縁層４とで構成されている。この梁部１３は、ＳＯＩ基板のベース層を加工することにより、枠体１１及び錘と共に形成される。次いで、力学量検出センサに所望の性能を発揮させるために、梁部１３の厚さを薄くする（梁部１３を修正する）。この場合において、図３（ａ）に示すように、梁部１３を絶縁層４側から加工して絶縁層４に凹部４ａを形成して梁部１３の厚さを薄くする。この方法によれば、絶縁層の厚さを薄くして絶縁層４と第１半導体基板２（活性層）のヤング率を合わせることができるので、所望の性能の高い力学量検出センサを得ることができる。
【００２２】
あるいは、図３（ｂ）に示すように、梁部１３の第１半導体基板２（活性層）側から加工して第１半導体基板２に凹部２ａを形成して梁部１３の厚さを薄くする。この方法によれば、第１半導体基板２の強度を保った状態で梁部１３のばね定数を小さくして感度の高い力学量検出センサを得ることができる。
【００２３】
あるいは、図３（ｃ）に示すように、梁部１３を絶縁層４側から加工して、絶縁層４を除去して、さらに第１半導体基板２に凹部２ｂを形成して第１半導体基板２を薄くする。この方法によれば、第１半導体基板２の強度を保った状態でより高感度の力学量検出センサを得ることができる。
【００２４】
図３（ａ）〜図３（ｃ）の方法は択一的ではなく、力学量検出センサに発揮させる所望の特性を考慮して、適宜組み合わせて用いることができる。その場合の加工の順序については特に制限はない。
【００２５】
なお、凹部２ａ，２ｂ，４ａの深さ、すなわち第１半導体基板２や絶縁層４への加工量は、予め加工量と感度との間の関係を求めておき、所望の特性に適合するように前記関係から適宜求める。また、第１半導体基板２や絶縁層４に対する加工としては、エッチングやイオンミリングなどを用いることができる。また、加工にエッチングを用いる場合には、オーバーエッチングも考慮して加工量を設定することが好ましい。
【００２６】
次に、図４及び図５を参照して、力学量検出センサの加工プロセスの一例について説明する。図４（ａ）〜（ｄ）及び図５（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態に係る力学量検出センサの製造方法を説明するための図である。
【００２７】
図４（ａ）に示すように、第１の半導体基板２、絶縁層４、第２の半導体基板３を積層したＳＯＩ基板を準備し、第１の半導体基板２の上面にサポート基板３０が配置される。次に、図４（ｂ）に示すように、第２の半導体基板３の下面が研磨され薄化されると共に、第２の半導体基板３がフォトリソグラフィ及びエッチング（deep ＲＩＥ）により加工されて支持部２１及び錘部２２が形成される。
【００２８】
次に、図４（ｃ）に示すように、第３の基板３１がフォトリソグラフィ及びエッチングにより加工されて凹部３１ａが形成され、第２の半導体基板３の下面に接合される。次に、図４（ｄ）に示すように、第１の半導体基板２の上面からサポート基板３０が剥離され、第１の半導体基板２の上面が研磨されて所望の厚みに薄化される。
【００２９】
次に、梁部１３の厚さを薄くする。この場合、図３（ａ）に示すように、梁部１３を絶縁層４側から加工して絶縁層４に凹部４ａを形成して梁部１３の厚さを薄くするか、図３（ｂ）に示すように、梁部１３の第１半導体基板２（活性層）側から加工して第１半導体基板２に凹部２ａを形成して梁部１３の厚さを薄くするか、図３（ｃ）に示すように、梁部１３を絶縁層４側から加工して、絶縁層４を除去して、さらに第１半導体基板２に凹部２ｂを形成して第１半導体基板２を薄くする。なお、図３（ａ）に示す場合には、上記図４（ｃ）に示す構造になる前に加工する必要があり、図３（ｂ）に示す場合には、上記図４（ｄ）に示す構造の後に加工する必要がある。
【００３０】
次に、図５（ａ）に示すように、第１の半導体基板２の上面にスパッタリングにより絶縁材料が被着される。次に、図５（ｂ）に示すように、絶縁層１８の梁部１３領域を含む領域上に、検出素子１７が形成される。検出素子１７は、梁１３及び変位部１２上に形成された下部電極２５と、下部電極２５上に形成された圧電薄膜２６と、圧電薄膜２６上に部分的に形成された上部電極２７とから構成されている。まず、梁１３及び変位部１２上にスパッタリングにより金属材料を被着し、フォトリソグラフィ及びエッチングにより金属材料をパターンニングして下部電極２５を形成する。次いで、スパッタリングにより圧電材料を被着し、フォトリソグラフィ及びエッチングにより圧電材料をパターンニングして圧電薄膜２６を形成する。次いで、スパッタリングにより金属材料を被着し、フォトリソグラフィ及びエッチングにより金属材料をパターンニングして圧電薄膜２６上に部分的に上部電極２７を形成する。
【００３１】
次に、図５（ｃ）に示すように、第１の半導体基板２を絶縁層４，１８と共に部分的に除去することにより、梁部１３及び変位部１２を設ける。このようにして、力学量検出センサを得ることができる。
【００３２】
次に、図６を参照して、力学量検出センサの動作について簡単に説明する。図６は、力学量検出センサの検出動作説明図であり、（ａ）は錘部がＸ軸回りに回動する際の検出動作説明図であり、（ｂ）は錘部がＺ軸方向に直動する際の検出動作説明図である。
【００３３】
図６（ａ）に示すように、力学量検出センサに対して加速度が働いて、錘部２２に対してＹ軸方向に慣性力が作用すると、錘部２２はＸ軸回りに回動する。このとき、梁部１３ａ，１３ｂの変位部１２側がＺ軸方向下方に移動して、梁部１３ａ，１３ｂの枠体１１側にＺ方向上方に力が作用する。また、梁部１３ｃ，１３ｄの変位部１２側がＺ軸方向上方に移動して、梁部１３ｃ，１３ｄの枠体１１側にＺ軸方向下方に力が作用する。そして、梁部１３ａ，１３ｂの枠体１１側はＺ軸方向上方に膨らむように撓み、梁部１３ｃ，１３ｄの枠体１１側はＺ軸方向下方に凹むように撓む。
【００３４】
検出素子１７ａ，１７ｂは、それぞれ梁部１３ａ,１３ｂの枠体１１側の撓みに合わせてＺ軸方向上方に膨らむように変形し、変形に応じた電圧を出力する。また、検出素子１７ｃ，１７ｄは、それぞれ梁部１３ｃ，１３ｄの枠体１１側の撓みに合わせてＺ軸方向下方に凹むように変形し、変形に応じた電圧を出力する。各検出素子１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄから出力された電圧は、図示しない演算回路において演算され、加速度が算出される。
【００３５】
なお、錘部２２がＹ軸回りに回動する場合には、逆に、梁部１３ａ，１３ｂの枠体１１側にＺ軸方向下方に力が作用し、梁部１３ｃ，１３ｄの枠体１１側にＺ軸方向上方に力が作用する。したがって、検出素子１７ａ，１７ｂは、それぞれ梁部１３ａ，１３ｂの枠体１１側の撓みに合わせてＺ軸方向下方に凹むように変形し、検出素子１７ｃ，１７ｄは、それぞれ梁部１３ｃ，１３ｄの枠体１１側の撓みに合わせてＺ軸方向上方に膨らむように変形する。
【００３６】
図６（ｂ）に示すように、力学量検出センサに対して加速度が働いて、錘部２２に対してＺ軸方向下方に慣性力が作用すると、錘部２２はＺ軸方向下方に直動する。このとき、梁部１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄの変位部１２側がＺ軸方向下方に移動して、梁部１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄの枠体１１側にＺ軸方向上方に力が作用する。そして、梁部１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄの枠体１１側はＺ軸方向上方に膨らむように撓み、検出素子１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄもＺ軸方向上方に膨らむように変形する。そして、各検出素子１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄから出力された電圧は、図示しない演算回路において演算され、加速度が算出される。
【００３７】
なお、力学量検出センサにおいて、錘部２２及び変位部１２の質量などを適宜変更することによってセンサ感度を任意に調整することも可能である。
【００３８】
このように、本実施の形態においては、ＳＯＩ基板の第２半導体基板４を加工して、枠体１１と、前記枠体１１の内側に位置する錘（変位部１２、錘部２２）と、前記枠体１１に対し前記錘を揺動可能に支持する梁部１３と、を形成し、前記梁部１３の厚さを薄くし、前記活性層上に、前１３記梁部の撓み量に基づいて力学量に応じた信号を出力する検出素子１７を形成する。この場合、感度や強度を考慮して最適な状態の梁部１３を形成することができるので、高い感度を示すことができる力学量検出センサを製造することができる。
【００３９】
また、上記した実施の形態においては、検出素子として圧電素子を例示して説明したが、この構成に限定されるものではない。梁部の撓みに基づいて力学量に応じた信号を出力する構成であればよく、例えば、圧電素子の代わりにピエゾ素子を用いてもよい。
【００４０】
また、今回開示された実施の形態は、全ての点で例示であってこの実施の形態に制限されるものではない。本発明の範囲は、上記した実施の形態のみの説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明は、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の３軸方向の加速度を検出する力学量検出センサに有用である。
【符号の説明】
【００４２】
１ 力学量検出センサ
２ 第１の半導体基板（第１の基板）
２ａ，２ｂ，４ａ 凹部
３ 第２の半導体基板（第２の基板）
４，１８ 絶縁層
１１ 枠体
１２ 変位部
１３ 梁部
１７ 検出素子
２１ 支持部
２２ 錘部
２３ 開口部
２５ 下部電極
２６ 圧電薄膜
２７ 上部電極
３１ 第３の基板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層、ベース層及び前記活性層と前記ベース層との間に挟持された絶縁層で構成されたＳＯＩ基板の前記ベース層を加工して、枠体と、前記枠体の内側に位置する錘と、前記枠体に対し前記錘を揺動可能に支持する梁部と、を形成する工程と、前記梁部の厚さを薄くする工程と、前記活性層上に、前記梁部の撓み量に基づいて力学量に応じた信号を出力する検出素子を形成する工程と、を具備することを特徴とする力学量検出センサの製造方法。
【請求項２】
前記梁部の前記活性層側から加工して前記梁部の厚さを薄くすることを特徴とする請求項１記載の力学量検出センサの製造方法。
【請求項３】
前記梁部の前記絶縁層側から加工して前記梁部の厚さを薄くすることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の力学量検出センサの製造方法。
【請求項４】
前記絶縁層を除去して、さらに前記活性層を薄くすることを特徴とする請求項３記載の力学量検出センサの製造方法。
【請求項１】
活性層、ベース層及び前記活性層と前記ベース層との間に挟持された絶縁層で構成されたＳＯＩ基板の前記ベース層を加工して、枠体と、前記枠体の内側に位置する錘と、前記枠体に対し前記錘を揺動可能に支持する梁部と、を形成する工程と、前記梁部の厚さを薄くする工程と、前記活性層上に、前記梁部の撓み量に基づいて力学量に応じた信号を出力する検出素子を形成する工程と、を具備することを特徴とする力学量検出センサの製造方法。
【請求項２】
前記梁部の前記活性層側から加工して前記梁部の厚さを薄くすることを特徴とする請求項１記載の力学量検出センサの製造方法。
【請求項３】
前記梁部の前記絶縁層側から加工して前記梁部の厚さを薄くすることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の力学量検出センサの製造方法。
【請求項４】
前記絶縁層を除去して、さらに前記活性層を薄くすることを特徴とする請求項３記載の力学量検出センサの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−２１６８４０（Ｐ２０１０−２１６８４０Ａ）
【公開日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−６０９００（Ｐ２００９−６０９００）
【出願日】平成２１年３月１３日（２００９．３．１３）
【出願人】（００００１００９８）アルプス電気株式会社 (4,263)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月１３日（２００９．３．１３）
【出願人】（００００１００９８）アルプス電気株式会社 (4,263)
【Ｆターム（参考）】
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