ＭＥＭＳおよびＭＥＭＳ製造方法
【課題】ＭＥＭＳの可撓部の撓み検出精度を高める。
【解決手段】ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸を直交座標系の３軸とするとき、支持部と、前記支持部からｘ方向に突出しｚ方向に薄い膜状の可撓部と、前記可撓部の突端に結合している錘部Ｗと、前記可撓部と前記支持部との境界に対して近傍のｘ区間である検出区間にあるｘｙ領域であってｙ方向において前記可撓部の中心に対して近傍のｘｙ領域である検出領域に設けられ前記可撓部の突端のｚ方向の変位に応じた歪みを検出するための歪み検出手段と、を備え、前記検出区間にあって前記検出領域より外側の両方にある領域における前記可撓部のｙｚ断面は、それぞれ、前記検出領域から相対的に遠い方の半分の部分の断面積が残部の断面積よりも広い形態である、ＭＥＭＳ。
【解決手段】ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸を直交座標系の３軸とするとき、支持部と、前記支持部からｘ方向に突出しｚ方向に薄い膜状の可撓部と、前記可撓部の突端に結合している錘部Ｗと、前記可撓部と前記支持部との境界に対して近傍のｘ区間である検出区間にあるｘｙ領域であってｙ方向において前記可撓部の中心に対して近傍のｘｙ領域である検出領域に設けられ前記可撓部の突端のｚ方向の変位に応じた歪みを検出するための歪み検出手段と、を備え、前記検出区間にあって前記検出領域より外側の両方にある領域における前記可撓部のｙｚ断面は、それぞれ、前記検出領域から相対的に遠い方の半分の部分の断面積が残部の断面積よりも広い形態である、ＭＥＭＳ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）およびＭＥＭＳ製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、錘部に結合された可撓部の変形を電気信号に変換することにより加速度、角速度、振動などを検出するＭＥＭＳが知られている。ピエゾ抵抗素子、圧電素子などの歪み検出手段によって可撓部の変形を電気信号として検出する場合、歪みは撓みによってもねじれによっても生ずるため、１つの歪み検出手段の出力からは可撓部が撓んでいるのかねじれているのかを特定できない。特許文献１には梁の両側面にピエゾ抵抗素子を配置することにより、ピエゾ抵抗素子の出力に含まれる梁のねじれ成分を相殺する加速度センサが開示されている。特許文献２には、梁の縁部が酸化シリコンで構成され、梁の残部がシリコンで構成された加速度センサが開示されている。
【特許文献１】特開平１０−３２３４１号公報
【特許文献２】特開２００１−５６３４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１に記載された加速度センサにおいては、シリコンウエハの表裏にピエゾ抵抗素子を形成し、その後にシリコンウエハを切削するときに梁の厚さが決まるため、梁の厚さのばらつきが大きくなるという問題がある。また特許文献１の加速度センサでは、梁の幅が広くなければピエゾ抵抗素子の出力に含まれる梁のねじれ成分を相殺することができないため、梁の撓み剛性が結果的に高まる。したがって特許文献１の加速度センサでは、梁の撓みの検出感度の低下と梁のねじれ成分の相殺効果とはトレードオフの関係になる。
【０００４】
特許文献２に記載された加速度センサにおいては、梁がねじれるときに応力が集中する梁の縁部がシリコンよりも硬い酸化シリコンからなるため、梁のねじれが抑制される。しかし、梁の熱膨張係数が均一でないと、温度変化により梁が変形しやすくなる。このため、特許文献２に記載された技術を適用すると加速度センサの温度特性が悪くなるという問題がある。
【０００５】
本発明はこれらの問題を解決しつつＭＥＭＳの可撓部の撓み検出精度を高めることを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）上記目的を達成するためのＭＥＭＳは、ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸を直交座標系の３軸とするとき、支持部と、支持部からｘ方向に突出しｚ方向に薄い膜状の可撓部と、可撓部の突端に結合している錘部と、可撓部と支持部との境界に対して近傍のｘ区間である検出区間にあるｘｙ領域であってｙ方向において可撓部の中心に対して近傍のｘｙ領域である検出領域に設けられ可撓部の突端のｚ方向の変位に応じた歪みを検出するための歪み検出手段と、を備え、検出区間にあって検出領域より外側の両方にある領域における可撓部のｙｚ断面は、それぞれ、検出領域から相対的に遠い方の半分の部分の断面積が残部の断面積よりも広い形態である。
本発明によると、可撓部の撓みを検出するための歪み検出手段が設けられる検出区間における可撓部の断面が検出区間のねじれを抑制する形態であるため、可撓部の撓み検出精度が高まる。さらに本発明によると、可撓部の撓みを検出するための歪み検出手段が設けられる検出区間における可撓部の断面がねじれほどには撓みを抑制しない形態であるため、可撓部の撓み検出感度の低下が抑制される。なお、可撓部の突端のｚ方向の変位に応じて生ずる可撓部の変形が可撓部の撓みであり、可撓部の突端が固定端に対してｘ軸周りに相対的に回転する可撓部の変形が可撓部のねじれである。
【０００７】
（２）上記目的を達成するためのＭＥＭＳにおいて、検出区間において可撓部はｘ方向にリブが延びるリブ構造を有してもよい。
【０００８】
（３）上記目的を達成するためのＭＥＭＳにおいて、リブが検出区間のｙ方向の縁の両方に形成されていてもよい。
可撓部がねじれるときには検出区間のｙ方向（幅方向）の縁に応力が集中するため、そこにリブを形成することによって検出区間において可撓部がねじれにくくなる。
【０００９】
（４）上記目的を達成するためのＭＥＭＳにおいて、リブは、可撓部のｙ方向の縁の両方において可撓部と支持部との境界から可撓部の突端の手前まで延びていてもよい。
本発明によると、ｘ方向においてリブが可撓部の端から端まで延びていないため、リブが延びている区間においては可撓部がねじれにくい一方で、リブが延びていない区間では可撓部のねじれが抑制されない。その結果、１個の可撓部の全体ではねじれが抑制されにくくなる。１個の可撓部の全体でのねじれが抑制されにくくなると、１個の可撓部をねじるように錘部に作用する力も検出する場合には、その力の検出感度の低下が抑制される。
【００１０】
（５）上記目的を達成するためのＭＥＭＳにおいて、リブが検出領域に形成されていてもよい。
リブには応力が集中するため、本発明によると可撓部の撓みによる応力が検出領域に集中する。したがって可撓部の撓み検出感度が高まる。
【００１１】
（６）上記目的を達成するためのＭＥＭＳにおいて、リブの幅はｚ方向の突端に向かって漸減していてもよい。
本発明によると、過度の応力集中による可撓部の破損を防止できる。
【００１２】
（７）上記目的を達成するためのＭＥＭＳにおいて、可撓部のｘｙ方向に広がる主面の一方は凹部と残部とからなり、可撓部の厚さは残部に向かって漸増していてもよい。
本発明によると、過度の応力集中による可撓部の破損を防止できる。
【００１３】
（８）上記目的を達成するためのＭＥＭＳにおいて、検出区間は可撓部と支持部との境界を含んでもよい。
【００１４】
可撓部が撓むとき、応力は可撓部と支持部との境界を含む領域に集中するからである。
【００１５】
（９）上記目的を達成するためのＭＥＭＳにおいて、可撓部が検出領域を除いて均質であってもよい。
本発明によると、温度変化による可撓部の変形を抑制できる。
【００１６】
（１０）上記目的を達成するためのＭＥＭＳにおいて、可撓部はシリコンからなり、検出領域には、ピエゾ抵抗素子を形成するための不純物が拡散していてもよい。
歪み検出手段としてピエゾ抵抗素子を用いることにより、低い周波数領域において可撓部の撓み検出感度を高めることができる。
【００１７】
（１１）上記目的を達成するためのＭＥＭＳにおいて、歪み検出手段は、可撓部と錘部との境界に対して近傍のｘ区間である第二の検出区間にあるｘｙ領域であってｙ方向において可撓部の中心に対して近傍のｘｙ領域である第二の検出領域にも設けられていてもよい。
【００１８】
（１２）上記目的を達成するためのＭＥＭＳ製造方法は、ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸を直交座標系の３軸とするとき、支持部と、支持部からｘ方向に突出しｚ方向において薄い膜状の可撓部と、可撓部の突端に結合している錘部と、可撓部と支持部との境界に対して近傍のｘ区間である検出区間にある領域であってｙ方向において可撓部の中心に対して近傍のｘｙ領域である検出領域に設けられ可撓部の突端のｚ方向の変位に応じた歪みを検出するための歪み検出手段と、を備えるＭＥＭＳ製造方法である。この製造方法は、シリコンからなる部分の熱酸化された表層をエッチングすることにより、検出区間にあって検出領域より外側の両方にある領域における可撓部のｙｚ断面を、それぞれ、検出領域から相対的に遠い方の半分の部分の断面積が残部の断面積よりも広い形態にすることを含む。
本発明によると、熱酸化にともなう拡散が生ずるため、応力が過度に集中しにくい断面形態を有する可撓部を形成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
１．原理
はじめに後述する実施形態に適用される本発明の原理を説明する。説明の便宜を図るため、図２に示すように、可撓部３１が支持部３２から突出する方向と平行にｘ軸を定め、膜状の可撓部３１の幅方向と平行にｙ軸を定め、可撓部３１の厚さ方向と平行にｚ軸を定める。
【００２０】
１−１ 検出手段を設ける領域
錘部Ｗが突端３１ａに結合された膜状の可撓部３１の撓みに応じた歪みを精度良く検出するため、歪み検出手段は、薄い膜状の可撓部３１の撓みを感度良く検出でき、可撓部３１のねじれを検出しにくい領域に設けられる。すなわち以下に詳述するように、検出手段は可撓部３１が撓むときの歪みが大きく、可撓部３１が捻れるときの歪みが小さい領域に設けられる。
【００２１】
支持部３２の厚さを可撓部３１に対して十分厚く設定することにより、可撓部３１の撓みに応じた応力は支持部３２と可撓部３１の境界近傍に集中する。そこで歪み検出手段は可撓部３１と支持部３２との境界に対して近傍のｘ区間である検出区間３３に設ける。歪みはほぼ可撓部３１と支持部３２との境界で最大となるため、検出区間３３は可撓部３１と支持部３２との境界を跨いでいることが望ましい。実質的に歪みが生じない範囲にまで検出区間３３を設定するとかえって感度が落ちるため、検出区間３３は可撓部３１と支持部３２との境界に対して近傍に限定される。
【００２２】
図３Ｂおよび図３Ｃに示すように厚さが幅方向（ｙ方向）において一定の可撓部３１がねじれるとき、可撓部３１に生じる応力は図４に示すように可撓部３１の幅方向（ｙ方向）の縁から中心に近くなるに従い小さくなり、可撓部３１の幅方向の中心線上では理論上ゼロとなる。可撓部３１の撓みによる歪みを検出する場合は、可撓部３１のねじれにより生じる歪みを検出しないことが望ましい。このために、可撓部３１のねじれによる応力がほぼゼロになる可撓部３１の幅方向の中心線上に検出手段を設けることが望ましい。撓み検出手段を可撓部３１の中心線上に設けられない場合、可撓部３１の中心線に出来る限り近い領域に検出手段を設ければよい。検出手段が可撓部３１の中心線上に設けられる場合、検出手段を設けるｙ方向の幅が狭いほど、ねじれによる歪みが検出されにくくなる。
【００２３】
したがって、可撓部３１の撓みに応じた歪みを検出するため検出手段は、図２Ａに示すように可撓部３１と支持部３２との境界に対して近傍であり、かつ、可撓部３１の中心に対して近傍のｘｙ領域である検出領域３４に設けられる。例えば検出手段の長さの１％程度が支持部３２に位置し残部が可撓部３１に位置するように設定すればよい。
【００２４】
１−２ 可撓部の断面形状
図３Ｂおよび図３Ｃに示すように厚さが幅方向（ｙ方向）において一定の可撓部３１がねじれるとき、可撓部３１に生じる応力は図４に示すように可撓部３１の幅方向の中心から縁に近くなるに従い大きくなる。したがって、任意のｘ区間にある可撓部３１の幅方向の縁近傍において可撓部３１の剛性が小さくなればその区間において可撓部３１がねじれにくくなる。可撓部３１の幅方向の縁近傍における剛性は可撓部３１の幅方向の縁近傍部分のｙｚ断面積との相関が高い。検出手段が設けられるｘ区間である検出区間３３において可撓部３１がねじれにくくなると、検出区間３３内にあって可撓部３１の中心に対して近傍のｘｙ領域である検出領域３４に生ずる歪みは小さくなる。
【００２５】
一方、図５Ａに示すように厚さが幅方向（ｙ方向）において一定の可撓部３１がねじれずに撓むとき、可撓部３１に生じる応力は図５Ｂに示すように可撓部３１の幅方向において一定である。また可撓部３１の厚さが幅方向において一定でないとしても、可撓部３１がねじれずに撓むときの曲率は可撓部３１の幅方向において一定である。そして可撓部３１がねじれずに撓むとき、微小なｘ区間における可撓部３１の曲率は、その区間における可撓部３１の剛性との相関が高く、その区間における可撓部３１のｙｚ断面形状との相関は低い。微小なｘ区間における可撓部３１の剛性はその区間における可撓部３１のｙｚ断面積との相関が高い。
【００２６】
したがって、検出手段が設けられるｘ区間である検出区間３３において可撓部３１を捻れにくくするために可撓部３１の幅方向の縁近傍部分のｙｚ断面積を大きくしても、それに応じて可撓部３１の幅方向の中心近傍部分のｙｚ断面積を小さくすれば、検出区間における可撓部３１の撓みによる歪みの減少を抑制できる。このように可撓部３１が捻れにくく撓みやすくなる検出区間３３における可撓部３１のｙｚ断面形状を図６Ａから図６Ｅに例示した。図６Ａに示すように可撓部３１の幅方向（ｙ方向）の両側の縁においてｘ方向に延びる凸部であるリブ３１ｂを設けてもよい。図６Ｂに示すように可撓部３１の幅方向の両側の縁からわずかに中心よりの２カ所においてｘ方向に延びるリブ３１ｂを設けてもよい。図６Ｃに示すように可撓部３１の幅方向の中心から縁に向かってリブ３１ｂの配列密度が高くなるようにｘ方向に延びる４つ以上のリブ３１ｂを設けてもよい。図６Ｄに示すように可撓部３１の厚さが可撓部３１の幅方向の中心から縁に向かって漸増してもよい。図６Ａから図６Ｅに例示するように、可撓部３１のｙｚ断面形状は、検出区間３３において相対的に可撓部３１の幅方向の縁近傍部分のｙｚ断面積が大きく可撓部３１の幅方向の中心近傍部分のｙｚ断面積が小さければどのように設計しても良く、どの程度までねじれ成分の混入による撓み検出精度の誤差を許すかという観点や、撓み検出感度をどの程度求めるかという観点や、製造の容易さの観点などによって適宜設計すればよい。なお、図６Ｅに示すように可撓部３１の幅方向の中心線上に設けられたリブ３１ｂは、可撓部３１のねじれよりも撓みを抑制する。しかしながら、微小なｘ区間における曲率（応力がゼロになる仮想面の曲率）が同じであれば、可撓部３１が厚いほど可撓部３１の表面の歪みは大きくなる。そこで撓みの検出感度が高まる範囲においてリブ３１ｂの高さと幅を設計すれば、リブ３１ｂを可撓部３１の幅方向の中心線上に設けることによって撓みの検出感度を高めることもできる。
【００２７】
したがって、検出手段が設けられる検出領域３４より外側の両方にある領域における可撓部３１のｙｚ断面が、それぞれ、検出領域３４から相対的に遠い方の半分の部分のｙｚ断面積が残部のｙｚ断面積よりも大きい形態を採用することにより、検出区間３３における可撓部３１のねじれを抑制しつつ検出区間３３における可撓部３１の撓みによる歪みの減少を抑制できる。また、これにより可撓部３１のねじれに対する強度が高まるという副次的な効果も期待できる。
【００２８】
１−３ リブの長さとねじれ抑制効果
図７Ａに示すようにリブ３１ｂが可撓部３１のｙ方向の縁の両方において可撓部３１と支持部３２との境界から可撓部３１の突端の手前まで延びている構成では、可撓部３１にはリブ３１ｂのないｘ区間３１ｄがあることになる。この構成では、可撓部３１の突端３１ａをねじる力が作用した場合に、ねじれにより検出区間３３に生ずる歪みをリブ３１ｂが抑制する一方で、可撓部３１の全体のねじれが抑制されにくくなる。なぜならば、リブ３１ｂによって可撓部３１の検出区間３３がねじれにくくなっても、リブ３１ｂの無いｘ区間３１ｄにおいては可撓部３１のねじれが抑制されていないため、可撓部３１をねじる力によって検出区間３３に生ずるはずの歪みがリブ３１ｂの無いｘ区間３１ｄに分散するからである。その結果、検出区間３３における可撓部３１のねじれがさらに抑制されるとともに、１個の可撓部３１の全体ではねじれが抑制されにくくなる。
【００２９】
このように可撓部３１にリブ３１ｂのないｘ区間３１ｄがある構成を２次元または３次元の加速度または角速度を検出するセンサ等に適用すると、ある方向の成分を検出するための１個の可撓部３１のねじれを抑制することによりその方向に直交する方向の成分の検出感度が低下することを抑制する効果を得られる。
【００３０】
１−４ 可撓部の表面形態
図８は可撓部３１の表面形態を示すｙｚ断面図である。可撓部３１の断面積または表面形態がステップ状に変化すると、その境界に応力が集中する。したがって、図８Ａから図８Ｄに示すようにリブ３１ｂの幅（ｙ方向の長さ）をｚ方向の突端に向かって漸減させることにより、可撓部３１のリブ３１ｂと残部３１ｃの境界において断面積および表面形態をなだらかに変化させることが望ましい。すなわち可撓部３１の厚さは凹部から凸部に向かって漸増していることが好ましい。また、可撓部３１のリブ３１ｂと残部３１ｃの境界において可撓部３１の表面は図８Ｃおよび図８Ｄに示すようになだらかに湾曲していることがさらに好ましい。
【００３１】
このように可撓部３１の厚さを凹部から凸部に向かって漸増させることによって、可撓部３１に過度の力が生じた場合でも、可撓部３１が破断しにくくなる。また、可撓部３１の凹部と凸部とにまたがって可撓部３１の表面に配線などを形成する工程において生ずる断線などの不具合を低減できる。
【００３２】
１−５ 可撓部の材質
熱膨張係数の異なる材質からなる複数の層で可撓部３１を構成すると、周囲温度の変化により撓みやねじれが可撓部３１に生じる。これらの撓みやねじれは検出精度を低下させる。したがって可撓部３１の熱膨張係数は均質であることが好ましい。
【００３３】
以下、上述した本発明の原理を適用した実施の形態を添付図面を参照しながら説明する。各図において対応する構成要素には同一の符号が付され、重複する説明は省略される
２．第一実施形態
図１Ａ、図１Ｂおよび図１Ｃは本発明のＭＥＭＳの第一実施形態としての加速度センサ１００の要部を示している。図１Ｂは図１ＡにおけるＢ−Ｂ断面図である。図１Ｃは図１ＡにおけるＣ−Ｃ断面図である。
加速度センサ１００は支持部１１２と、支持部１１２にそれぞれ結合している４つの可撓部１１１と、４つの可撓部１１１と結合している錘部Ｗと、支持部１１２と可撓部１１１の境界近傍に形成された複数のピエゾ抵抗素子Ｒとを備えている。図１Ｂおよび図１Ｃにおいてこれらの機能要素の境界は実線によって示されている。これらの機能要素はガラス層３１９、厚いシリコン（Ｓｉ）層３１３、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）層３１２、薄いシリコン層３１１などで構成されている。すなわち加速度センサ１００は薄膜の積層構造を有する固体素子である。図１Ｂおよび図１Ｃにおいてこれらのこれらの層の境界は破線によって示されている。
【００３４】
支持部１１２は矩形の枠形態を有する。
４つの可撓部１１１はそれぞれ支持部１１２の内側空間の中央に位置する錘部Ｗに向かって突出している薄い膜状の片持ち梁の形態である。４つの可撓部１１１と錘部Ｗとは十字形態に結合している。加速度が生ずると、それぞれの可撓部１１１の突端に結合している錘部Ｗに慣性力が作用するためそれぞれの可撓部１１１が変形する。一直線に並ぶ２つの可撓部１１１の撓みを検出することにより、その直線と平行な方向の加速度成分とｚ方向（可撓部の厚さ方向）の加速度成分とを検出できる。２つの可撓部１１１が並ぶ直線と平行な方向またはｚ方向に加速度が生ずると、２つの可撓部１１１の突端がｚ方向に変位する。
【００３５】
それぞれの可撓部１１１の幅方向の両縁には、支持部１１２から錘部Ｗに向かって可撓部１１１の中央より手前まで延びているリブ１１３ａと、錘部Ｗから支持部１１２に向かって可撓部１１１の中央より手前まで延びているリブ１１３ｂとが形成されている。これらのリブ１１３はピエゾ抵抗素子Ｒが設けられる区間における可撓部１１１の捻れを抑制する。可撓部１１１の長手方向の中心近傍の区間にはリブ１１３が形成されていない。したがって可撓部１１１の１つに着目すると、その可撓部１１１のねじれはピエゾ抵抗素子Ｒが設けられている区間において抑制されている一方で、全体としては抑制されていない。その結果、全ての可撓部１１１が撓みやすくなっている。
【００３６】
それぞれの可撓部１１１の幅方向の中心近傍には、支持部１１２から錘部Ｗに向かって可撓部１１１の中央より手前まで延びているリブ１１３ｃ、１１３ｄ、１１３ｊと、錘部Ｗから支持部１１２に向かって可撓部１１１の中央より手前まで延びているリブ１１３ｅ、１１３ｆ、１１３ｉとが形成されている。これらのリブ１１３ｃ、１１３ｄ、１１３ｅ、１１３ｆは可撓部１１１のピエゾ抵抗素子Ｒが設けられる表層の歪みを増大させる。ピエゾ抵抗素子Ｒが設けられないリブ１１３ｉ、１１３ｊは可撓部１１１のｙｚ断面を対称形にするために形成されている。
【００３７】
可撓部１１１の撓みを検出するためにピエゾ抵抗素子Ｒがそれぞれの可撓部１１１に設けられる。可撓部１１１と支持部１１２との境界近傍に設けられるピエゾ抵抗素子Ｒは可撓部１１１の突端のｚ方向の変位に応じた歪みを検出するための歪み検出手段として機能する。本実施形態では、加速度の互いに直交する３軸の成分を検出するため、各軸４個、合計１２個が４つの可撓部１１１に設けられている。２つの可撓部１１１が並ぶ直線と平行な方向（ｘ方向およびｙ方向）の加速度成分を検出するためのピエゾ抵抗素子Ｒは可撓部１１１の幅方向の中心線上に位置するリブ１１３ｄ、１１３ｅの表層に設けられる。ｚ方向の加速度を検出するためのピエゾ抵抗素子Ｒは可撓部１１１の幅方向の中心近傍に位置するリブ１１３ｃ、１１３ｆの表層に設けられる。
【００３８】
図１０〜図１５、図１９および図２０は図１のＣ−Ｃ断面において加速度センサ１００の製造工程を示している。図１６〜図１８は図１のＢ−Ｂ断面において加速度センサ１００の製造工程を示している。加速度センサ１００は例えば次のようにして製造される。
【００３９】
最初に図１０に示すように厚いシリコン層３１３と二酸化シリコン層３１２と薄いシリコン層３１１とが積層されたＳＯＩ基板３１４（Silicon On Insulator）を準備する。
【００４０】
次に図１１に示すように薄いシリコン層３１１の表面に酸化シリコン層３１５と窒化シリコン層３１６を例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）により形成する。
【００４１】
次に図１２に示すように窒化シリコン層３１６を例えばＣＦ４＋Ｏ２、ＣＨＦ３ガスにてドライエッチングして無機マスク３１７を形成する。
【００４２】
次に図１３に示すように無機マスク３１７を保護膜として用いて薄いシリコン層３１１の表層を熱酸化する。熱酸化では酸素（Ｏ２）が無機マスク３１７の開口から拡散するため、二酸化シリコン層３１５の一部が拡大し、薄いシリコン層３１１と二酸化シリコン層３１５とのなだらかな界面が形成される。
【００４３】
次に図１４に示すように二酸化シリコン層３１５の無機マスク３１７から露出している部分を例えばＣＦ４＋Ｏ２、ＣＨＦ３ガスによるドライエッチングにより除去する。その結果、可撓部１１１の主面の一方が形成される。すなわち可撓部１１１の主面の一方にリブ１１３の表面形状が形成される。前工程において熱酸化によって拡大した二酸化シリコン層３１８とシリコン層３１１との界面がなだらかであるため、可撓部１１１の厚さは薄肉部１１４からリブ１１３を構成する残部に向かって漸増する。
【００４４】
次に図１５と図１６に示すように薄いシリコン層３１１の一部の表層に不純物イオンを注入する。その結果、薄いシリコン層３１１の一部の表層には、不純物イオンが拡散し、ピエゾ抵抗素子Ｒが形成される。
【００４５】
次に図１７に示すようにコンタクトホール１１７を有する表層絶縁膜１１６とピエゾ抵抗素子Ｒの配線１１５とを形成する。可撓部１１１の厚さは薄肉部１１４から残部に向かって漸増する形態であるので、配線１１５の厚みを小さくしても配線１１５が断線することがない。
【００４６】
次に図１８に示すように、薄いシリコン層３１１を例えばＳＦ６ガスによる反応性イオンエッチング等でエッチングすることにより可撓部１１１の輪郭と支持部１１２および錘部Ｗの薄いシリコン層３１１からなる部分の輪郭を形成する。
【００４７】
次に図１９と図２０に示すように、厚いシリコン層３１３をＤｅｅｐ−ＲＩＥ（Ｃ４Ｆ８プラズマとＳＦ６プラズマによる所謂ボッシュプロセス）によってエッチングすることにより支持部１１２および錘部Ｗの厚いシリコン層３１３からなる部分の輪郭を形成する。
【００４８】
次にガラスウエハを厚いシリコン層３１３に直接接合した後にガラスウエハをダイサーで切断することによって支持部１１２および錘部Ｗのガラス層３１９からなる部分の輪郭を形成する。その後、ダイシング、パッケージングなどの工程を実施すると加速度センサ１００が完成する
【００４９】
尚、図１３と図１４で用いた製造工程の換わりに、無機マスク３１７を保護膜として用いてイオン注入をおこなった後に、イオン注入により形成された不純物拡散部の除去をおこなってもよい。
【００５０】
また、図１２〜図１４で用いた製造工程の換わりに、図２１で示すようにフォトレジスト３２１をマスクとして用いてＲＩＥ（反応性イオンエッチング）等によってエッチングした後に、フォトレジスト３２１を除去し、図２２に示すように熱酸化により薄いシリコン層３１１の表面に酸化シリコン層３２０を形成し、その後、酸化シリコン層３２０をエッチングにより除去してもよい。これにより薄肉部１１４とリブ１１３とにおける可撓部１１１の厚さの差を大きくすることができる。
【００５１】
また、可撓部３１の材質はシリコンに限るものではなく、化合物半導体やセラミック等でもよい。また、錘部Ｗの材質はガラスに限るものではなく、金属やセラミック等でもよい。また、エッチングの方法はＤｅｅｐ−ＲＩＥやＲＩＥのドライエッチングに限るものではなく、ウエットエッチングでもよい。
【００５２】
３．第二実施形態
図９Ａ、図９Ｂおよび図９Ｃは本発明のＭＥＭＳの第二実施形態としての加速度センサ２００の要部を示している。図９Ｂは図９ＡにおけるＢ−Ｂ断面図である。図９Ｃは図９ＡにおけるＣ−Ｃ断面図である。
【００５３】
図９Ａに示すように加速度センサ２００のそれぞれの可撓部２１１の幅方向の両縁には、支持部２１２から錘部Ｗまで延びているリブ２１３を形成しても良い。また、ピエゾ抵抗素子Ｒは可撓部２１１の凹部２１４に設けてもよい。
４．他の実施形態
【００５４】
尚、本発明の技術的範囲は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、上記実施形態で示した材質や寸法や成膜方法やパターン転写方法はあくまで例示であるし、当業者であれば自明である工程の追加や削除や工程順序の入れ替えについては説明が省略されている。また例えば、上述した製造工程において、膜の組成、成膜方法、膜の輪郭形成方法、工程順序などは、ＭＥＭＳを構成しうる物性を持つ膜材料の組み合わせや、膜厚や、要求される輪郭形状精度などに応じて適宜選択されるものであって、特に限定されない。
【００５５】
また例えば圧電素子やＦＥＴを検出手段として用いてもよい。また本発明は片持ち梁形態の可撓部を１つだけ備えた１軸の加速度センサにも適用できる。また本発明は角速度センサ、振動センサなどにも適用できる。また可撓部の変形をレーザ等で検出するカンチレバーなどにも本発明を適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】図１Ａは本発明の第一実施形態にかかる平面図。図１Ｂおよび図１Ｃは本発明の第一実施形態にかかる断面図。
【図２】図２Ａは本発明の原理説明にかかる平面図。図２Ｂおよび図２Ｃは本発明の原理説明にかかる断面図。
【図３】図３Ａは本発明の原理説明にかかる平面図。図３Ｂ、図３Ｃおよび図３Ｄは本発明の原理説明にかかる断面図。
【図４】本発明の原理説明にかかる線グラフ。
【図５】図５Ａは本発明の原理説明にかかる断面図。図５Ｂは本発明の原理説明にかかる線グラフ。
【図６】図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃ、図６Ｄおよび図６Ｅは本発明の原理説明にかかる断面図。
【図７】図７Ａは本発明の原理説明にかかる平面図。図７Ｂおよび図７Ｃは本発明の原理説明にかかる断面図。
【図８】図８Ａ、図８Ｂ、図８Ｃおよび図８Ｄは本発明の原理説明にかかる断面図。
【図９】図９Ａは本発明の第二実施形態にかかる平面図。図９Ｂおよび図９Ｃは本発明の第二実施形態にかかる断面図。
【図１０】本発明の第二実施形態にかかる製造工程を説明する断面図。
【図１１】本発明の第二実施形態にかかる製造工程を説明する断面図。
【図１２】本発明の第一実施形態にかかる製造工程を説明する断面図。
【図１３】本発明の第二実施形態にかかる製造工程を説明する断面図。
【図１４】本発明の第二実施形態にかかる製造工程を説明する断面図。
【図１５】本発明の第二実施形態にかかる製造工程を説明する断面図。
【図１６】本発明の第二実施形態にかかる製造工程を説明する断面図。
【図１７】本発明の第一実施形態にかかる製造工程を説明する断面図。
【図１８】本発明の第二実施形態にかかる製造工程を説明する断面図。
【図１９】本発明の第二実施形態にかかる製造工程を説明する断面図。
【図２０】本発明の第二実施形態にかかる製造工程を説明する断面図。
【図２１】本発明の第二実施形態にかかる製造工程を説明する断面図。
【図２２】本発明の第二実施形態にかかる製造工程を説明する断面図。
【符号の説明】
【００５７】
３１：可撓部、３１ａ：突端、３１ｂ：リブ、３１ｃ：残部、３１ｄ：ｘ区間、３２：支持部、３３：検出区間、３４：検出領域、１００：加速度センサ、１１１：可撓部、１１２：支持部、１１３：リブ、１１４：残部、１１５：配線、１１６：表層絶縁層、１１７：コンタクトホール、２００：加速度センサ、２１１：可撓部、２１２：支持部、２１３：リブ、２１４：凹部、３１１：薄いシリコン層、３１２：二酸化シリコン層、３１３：厚いシリコン層、３１４：ＳＯＩ基板、３１５：酸化シリコン層、３１６：窒化シリコン層、３１７：無機マスク、３１８：二酸化シリコン、３１９：ガラス層、３２０：酸化シリコン層、３２１：フォトレジスト、Ｒ：ピエゾ抵抗素子、Ｗ：錘部
【技術分野】
【０００１】
本発明はＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）およびＭＥＭＳ製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、錘部に結合された可撓部の変形を電気信号に変換することにより加速度、角速度、振動などを検出するＭＥＭＳが知られている。ピエゾ抵抗素子、圧電素子などの歪み検出手段によって可撓部の変形を電気信号として検出する場合、歪みは撓みによってもねじれによっても生ずるため、１つの歪み検出手段の出力からは可撓部が撓んでいるのかねじれているのかを特定できない。特許文献１には梁の両側面にピエゾ抵抗素子を配置することにより、ピエゾ抵抗素子の出力に含まれる梁のねじれ成分を相殺する加速度センサが開示されている。特許文献２には、梁の縁部が酸化シリコンで構成され、梁の残部がシリコンで構成された加速度センサが開示されている。
【特許文献１】特開平１０−３２３４１号公報
【特許文献２】特開２００１−５６３４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１に記載された加速度センサにおいては、シリコンウエハの表裏にピエゾ抵抗素子を形成し、その後にシリコンウエハを切削するときに梁の厚さが決まるため、梁の厚さのばらつきが大きくなるという問題がある。また特許文献１の加速度センサでは、梁の幅が広くなければピエゾ抵抗素子の出力に含まれる梁のねじれ成分を相殺することができないため、梁の撓み剛性が結果的に高まる。したがって特許文献１の加速度センサでは、梁の撓みの検出感度の低下と梁のねじれ成分の相殺効果とはトレードオフの関係になる。
【０００４】
特許文献２に記載された加速度センサにおいては、梁がねじれるときに応力が集中する梁の縁部がシリコンよりも硬い酸化シリコンからなるため、梁のねじれが抑制される。しかし、梁の熱膨張係数が均一でないと、温度変化により梁が変形しやすくなる。このため、特許文献２に記載された技術を適用すると加速度センサの温度特性が悪くなるという問題がある。
【０００５】
本発明はこれらの問題を解決しつつＭＥＭＳの可撓部の撓み検出精度を高めることを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）上記目的を達成するためのＭＥＭＳは、ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸を直交座標系の３軸とするとき、支持部と、支持部からｘ方向に突出しｚ方向に薄い膜状の可撓部と、可撓部の突端に結合している錘部と、可撓部と支持部との境界に対して近傍のｘ区間である検出区間にあるｘｙ領域であってｙ方向において可撓部の中心に対して近傍のｘｙ領域である検出領域に設けられ可撓部の突端のｚ方向の変位に応じた歪みを検出するための歪み検出手段と、を備え、検出区間にあって検出領域より外側の両方にある領域における可撓部のｙｚ断面は、それぞれ、検出領域から相対的に遠い方の半分の部分の断面積が残部の断面積よりも広い形態である。
本発明によると、可撓部の撓みを検出するための歪み検出手段が設けられる検出区間における可撓部の断面が検出区間のねじれを抑制する形態であるため、可撓部の撓み検出精度が高まる。さらに本発明によると、可撓部の撓みを検出するための歪み検出手段が設けられる検出区間における可撓部の断面がねじれほどには撓みを抑制しない形態であるため、可撓部の撓み検出感度の低下が抑制される。なお、可撓部の突端のｚ方向の変位に応じて生ずる可撓部の変形が可撓部の撓みであり、可撓部の突端が固定端に対してｘ軸周りに相対的に回転する可撓部の変形が可撓部のねじれである。
【０００７】
（２）上記目的を達成するためのＭＥＭＳにおいて、検出区間において可撓部はｘ方向にリブが延びるリブ構造を有してもよい。
【０００８】
（３）上記目的を達成するためのＭＥＭＳにおいて、リブが検出区間のｙ方向の縁の両方に形成されていてもよい。
可撓部がねじれるときには検出区間のｙ方向（幅方向）の縁に応力が集中するため、そこにリブを形成することによって検出区間において可撓部がねじれにくくなる。
【０００９】
（４）上記目的を達成するためのＭＥＭＳにおいて、リブは、可撓部のｙ方向の縁の両方において可撓部と支持部との境界から可撓部の突端の手前まで延びていてもよい。
本発明によると、ｘ方向においてリブが可撓部の端から端まで延びていないため、リブが延びている区間においては可撓部がねじれにくい一方で、リブが延びていない区間では可撓部のねじれが抑制されない。その結果、１個の可撓部の全体ではねじれが抑制されにくくなる。１個の可撓部の全体でのねじれが抑制されにくくなると、１個の可撓部をねじるように錘部に作用する力も検出する場合には、その力の検出感度の低下が抑制される。
【００１０】
（５）上記目的を達成するためのＭＥＭＳにおいて、リブが検出領域に形成されていてもよい。
リブには応力が集中するため、本発明によると可撓部の撓みによる応力が検出領域に集中する。したがって可撓部の撓み検出感度が高まる。
【００１１】
（６）上記目的を達成するためのＭＥＭＳにおいて、リブの幅はｚ方向の突端に向かって漸減していてもよい。
本発明によると、過度の応力集中による可撓部の破損を防止できる。
【００１２】
（７）上記目的を達成するためのＭＥＭＳにおいて、可撓部のｘｙ方向に広がる主面の一方は凹部と残部とからなり、可撓部の厚さは残部に向かって漸増していてもよい。
本発明によると、過度の応力集中による可撓部の破損を防止できる。
【００１３】
（８）上記目的を達成するためのＭＥＭＳにおいて、検出区間は可撓部と支持部との境界を含んでもよい。
【００１４】
可撓部が撓むとき、応力は可撓部と支持部との境界を含む領域に集中するからである。
【００１５】
（９）上記目的を達成するためのＭＥＭＳにおいて、可撓部が検出領域を除いて均質であってもよい。
本発明によると、温度変化による可撓部の変形を抑制できる。
【００１６】
（１０）上記目的を達成するためのＭＥＭＳにおいて、可撓部はシリコンからなり、検出領域には、ピエゾ抵抗素子を形成するための不純物が拡散していてもよい。
歪み検出手段としてピエゾ抵抗素子を用いることにより、低い周波数領域において可撓部の撓み検出感度を高めることができる。
【００１７】
（１１）上記目的を達成するためのＭＥＭＳにおいて、歪み検出手段は、可撓部と錘部との境界に対して近傍のｘ区間である第二の検出区間にあるｘｙ領域であってｙ方向において可撓部の中心に対して近傍のｘｙ領域である第二の検出領域にも設けられていてもよい。
【００１８】
（１２）上記目的を達成するためのＭＥＭＳ製造方法は、ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸を直交座標系の３軸とするとき、支持部と、支持部からｘ方向に突出しｚ方向において薄い膜状の可撓部と、可撓部の突端に結合している錘部と、可撓部と支持部との境界に対して近傍のｘ区間である検出区間にある領域であってｙ方向において可撓部の中心に対して近傍のｘｙ領域である検出領域に設けられ可撓部の突端のｚ方向の変位に応じた歪みを検出するための歪み検出手段と、を備えるＭＥＭＳ製造方法である。この製造方法は、シリコンからなる部分の熱酸化された表層をエッチングすることにより、検出区間にあって検出領域より外側の両方にある領域における可撓部のｙｚ断面を、それぞれ、検出領域から相対的に遠い方の半分の部分の断面積が残部の断面積よりも広い形態にすることを含む。
本発明によると、熱酸化にともなう拡散が生ずるため、応力が過度に集中しにくい断面形態を有する可撓部を形成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
１．原理
はじめに後述する実施形態に適用される本発明の原理を説明する。説明の便宜を図るため、図２に示すように、可撓部３１が支持部３２から突出する方向と平行にｘ軸を定め、膜状の可撓部３１の幅方向と平行にｙ軸を定め、可撓部３１の厚さ方向と平行にｚ軸を定める。
【００２０】
１−１ 検出手段を設ける領域
錘部Ｗが突端３１ａに結合された膜状の可撓部３１の撓みに応じた歪みを精度良く検出するため、歪み検出手段は、薄い膜状の可撓部３１の撓みを感度良く検出でき、可撓部３１のねじれを検出しにくい領域に設けられる。すなわち以下に詳述するように、検出手段は可撓部３１が撓むときの歪みが大きく、可撓部３１が捻れるときの歪みが小さい領域に設けられる。
【００２１】
支持部３２の厚さを可撓部３１に対して十分厚く設定することにより、可撓部３１の撓みに応じた応力は支持部３２と可撓部３１の境界近傍に集中する。そこで歪み検出手段は可撓部３１と支持部３２との境界に対して近傍のｘ区間である検出区間３３に設ける。歪みはほぼ可撓部３１と支持部３２との境界で最大となるため、検出区間３３は可撓部３１と支持部３２との境界を跨いでいることが望ましい。実質的に歪みが生じない範囲にまで検出区間３３を設定するとかえって感度が落ちるため、検出区間３３は可撓部３１と支持部３２との境界に対して近傍に限定される。
【００２２】
図３Ｂおよび図３Ｃに示すように厚さが幅方向（ｙ方向）において一定の可撓部３１がねじれるとき、可撓部３１に生じる応力は図４に示すように可撓部３１の幅方向（ｙ方向）の縁から中心に近くなるに従い小さくなり、可撓部３１の幅方向の中心線上では理論上ゼロとなる。可撓部３１の撓みによる歪みを検出する場合は、可撓部３１のねじれにより生じる歪みを検出しないことが望ましい。このために、可撓部３１のねじれによる応力がほぼゼロになる可撓部３１の幅方向の中心線上に検出手段を設けることが望ましい。撓み検出手段を可撓部３１の中心線上に設けられない場合、可撓部３１の中心線に出来る限り近い領域に検出手段を設ければよい。検出手段が可撓部３１の中心線上に設けられる場合、検出手段を設けるｙ方向の幅が狭いほど、ねじれによる歪みが検出されにくくなる。
【００２３】
したがって、可撓部３１の撓みに応じた歪みを検出するため検出手段は、図２Ａに示すように可撓部３１と支持部３２との境界に対して近傍であり、かつ、可撓部３１の中心に対して近傍のｘｙ領域である検出領域３４に設けられる。例えば検出手段の長さの１％程度が支持部３２に位置し残部が可撓部３１に位置するように設定すればよい。
【００２４】
１−２ 可撓部の断面形状
図３Ｂおよび図３Ｃに示すように厚さが幅方向（ｙ方向）において一定の可撓部３１がねじれるとき、可撓部３１に生じる応力は図４に示すように可撓部３１の幅方向の中心から縁に近くなるに従い大きくなる。したがって、任意のｘ区間にある可撓部３１の幅方向の縁近傍において可撓部３１の剛性が小さくなればその区間において可撓部３１がねじれにくくなる。可撓部３１の幅方向の縁近傍における剛性は可撓部３１の幅方向の縁近傍部分のｙｚ断面積との相関が高い。検出手段が設けられるｘ区間である検出区間３３において可撓部３１がねじれにくくなると、検出区間３３内にあって可撓部３１の中心に対して近傍のｘｙ領域である検出領域３４に生ずる歪みは小さくなる。
【００２５】
一方、図５Ａに示すように厚さが幅方向（ｙ方向）において一定の可撓部３１がねじれずに撓むとき、可撓部３１に生じる応力は図５Ｂに示すように可撓部３１の幅方向において一定である。また可撓部３１の厚さが幅方向において一定でないとしても、可撓部３１がねじれずに撓むときの曲率は可撓部３１の幅方向において一定である。そして可撓部３１がねじれずに撓むとき、微小なｘ区間における可撓部３１の曲率は、その区間における可撓部３１の剛性との相関が高く、その区間における可撓部３１のｙｚ断面形状との相関は低い。微小なｘ区間における可撓部３１の剛性はその区間における可撓部３１のｙｚ断面積との相関が高い。
【００２６】
したがって、検出手段が設けられるｘ区間である検出区間３３において可撓部３１を捻れにくくするために可撓部３１の幅方向の縁近傍部分のｙｚ断面積を大きくしても、それに応じて可撓部３１の幅方向の中心近傍部分のｙｚ断面積を小さくすれば、検出区間における可撓部３１の撓みによる歪みの減少を抑制できる。このように可撓部３１が捻れにくく撓みやすくなる検出区間３３における可撓部３１のｙｚ断面形状を図６Ａから図６Ｅに例示した。図６Ａに示すように可撓部３１の幅方向（ｙ方向）の両側の縁においてｘ方向に延びる凸部であるリブ３１ｂを設けてもよい。図６Ｂに示すように可撓部３１の幅方向の両側の縁からわずかに中心よりの２カ所においてｘ方向に延びるリブ３１ｂを設けてもよい。図６Ｃに示すように可撓部３１の幅方向の中心から縁に向かってリブ３１ｂの配列密度が高くなるようにｘ方向に延びる４つ以上のリブ３１ｂを設けてもよい。図６Ｄに示すように可撓部３１の厚さが可撓部３１の幅方向の中心から縁に向かって漸増してもよい。図６Ａから図６Ｅに例示するように、可撓部３１のｙｚ断面形状は、検出区間３３において相対的に可撓部３１の幅方向の縁近傍部分のｙｚ断面積が大きく可撓部３１の幅方向の中心近傍部分のｙｚ断面積が小さければどのように設計しても良く、どの程度までねじれ成分の混入による撓み検出精度の誤差を許すかという観点や、撓み検出感度をどの程度求めるかという観点や、製造の容易さの観点などによって適宜設計すればよい。なお、図６Ｅに示すように可撓部３１の幅方向の中心線上に設けられたリブ３１ｂは、可撓部３１のねじれよりも撓みを抑制する。しかしながら、微小なｘ区間における曲率（応力がゼロになる仮想面の曲率）が同じであれば、可撓部３１が厚いほど可撓部３１の表面の歪みは大きくなる。そこで撓みの検出感度が高まる範囲においてリブ３１ｂの高さと幅を設計すれば、リブ３１ｂを可撓部３１の幅方向の中心線上に設けることによって撓みの検出感度を高めることもできる。
【００２７】
したがって、検出手段が設けられる検出領域３４より外側の両方にある領域における可撓部３１のｙｚ断面が、それぞれ、検出領域３４から相対的に遠い方の半分の部分のｙｚ断面積が残部のｙｚ断面積よりも大きい形態を採用することにより、検出区間３３における可撓部３１のねじれを抑制しつつ検出区間３３における可撓部３１の撓みによる歪みの減少を抑制できる。また、これにより可撓部３１のねじれに対する強度が高まるという副次的な効果も期待できる。
【００２８】
１−３ リブの長さとねじれ抑制効果
図７Ａに示すようにリブ３１ｂが可撓部３１のｙ方向の縁の両方において可撓部３１と支持部３２との境界から可撓部３１の突端の手前まで延びている構成では、可撓部３１にはリブ３１ｂのないｘ区間３１ｄがあることになる。この構成では、可撓部３１の突端３１ａをねじる力が作用した場合に、ねじれにより検出区間３３に生ずる歪みをリブ３１ｂが抑制する一方で、可撓部３１の全体のねじれが抑制されにくくなる。なぜならば、リブ３１ｂによって可撓部３１の検出区間３３がねじれにくくなっても、リブ３１ｂの無いｘ区間３１ｄにおいては可撓部３１のねじれが抑制されていないため、可撓部３１をねじる力によって検出区間３３に生ずるはずの歪みがリブ３１ｂの無いｘ区間３１ｄに分散するからである。その結果、検出区間３３における可撓部３１のねじれがさらに抑制されるとともに、１個の可撓部３１の全体ではねじれが抑制されにくくなる。
【００２９】
このように可撓部３１にリブ３１ｂのないｘ区間３１ｄがある構成を２次元または３次元の加速度または角速度を検出するセンサ等に適用すると、ある方向の成分を検出するための１個の可撓部３１のねじれを抑制することによりその方向に直交する方向の成分の検出感度が低下することを抑制する効果を得られる。
【００３０】
１−４ 可撓部の表面形態
図８は可撓部３１の表面形態を示すｙｚ断面図である。可撓部３１の断面積または表面形態がステップ状に変化すると、その境界に応力が集中する。したがって、図８Ａから図８Ｄに示すようにリブ３１ｂの幅（ｙ方向の長さ）をｚ方向の突端に向かって漸減させることにより、可撓部３１のリブ３１ｂと残部３１ｃの境界において断面積および表面形態をなだらかに変化させることが望ましい。すなわち可撓部３１の厚さは凹部から凸部に向かって漸増していることが好ましい。また、可撓部３１のリブ３１ｂと残部３１ｃの境界において可撓部３１の表面は図８Ｃおよび図８Ｄに示すようになだらかに湾曲していることがさらに好ましい。
【００３１】
このように可撓部３１の厚さを凹部から凸部に向かって漸増させることによって、可撓部３１に過度の力が生じた場合でも、可撓部３１が破断しにくくなる。また、可撓部３１の凹部と凸部とにまたがって可撓部３１の表面に配線などを形成する工程において生ずる断線などの不具合を低減できる。
【００３２】
１−５ 可撓部の材質
熱膨張係数の異なる材質からなる複数の層で可撓部３１を構成すると、周囲温度の変化により撓みやねじれが可撓部３１に生じる。これらの撓みやねじれは検出精度を低下させる。したがって可撓部３１の熱膨張係数は均質であることが好ましい。
【００３３】
以下、上述した本発明の原理を適用した実施の形態を添付図面を参照しながら説明する。各図において対応する構成要素には同一の符号が付され、重複する説明は省略される
２．第一実施形態
図１Ａ、図１Ｂおよび図１Ｃは本発明のＭＥＭＳの第一実施形態としての加速度センサ１００の要部を示している。図１Ｂは図１ＡにおけるＢ−Ｂ断面図である。図１Ｃは図１ＡにおけるＣ−Ｃ断面図である。
加速度センサ１００は支持部１１２と、支持部１１２にそれぞれ結合している４つの可撓部１１１と、４つの可撓部１１１と結合している錘部Ｗと、支持部１１２と可撓部１１１の境界近傍に形成された複数のピエゾ抵抗素子Ｒとを備えている。図１Ｂおよび図１Ｃにおいてこれらの機能要素の境界は実線によって示されている。これらの機能要素はガラス層３１９、厚いシリコン（Ｓｉ）層３１３、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）層３１２、薄いシリコン層３１１などで構成されている。すなわち加速度センサ１００は薄膜の積層構造を有する固体素子である。図１Ｂおよび図１Ｃにおいてこれらのこれらの層の境界は破線によって示されている。
【００３４】
支持部１１２は矩形の枠形態を有する。
４つの可撓部１１１はそれぞれ支持部１１２の内側空間の中央に位置する錘部Ｗに向かって突出している薄い膜状の片持ち梁の形態である。４つの可撓部１１１と錘部Ｗとは十字形態に結合している。加速度が生ずると、それぞれの可撓部１１１の突端に結合している錘部Ｗに慣性力が作用するためそれぞれの可撓部１１１が変形する。一直線に並ぶ２つの可撓部１１１の撓みを検出することにより、その直線と平行な方向の加速度成分とｚ方向（可撓部の厚さ方向）の加速度成分とを検出できる。２つの可撓部１１１が並ぶ直線と平行な方向またはｚ方向に加速度が生ずると、２つの可撓部１１１の突端がｚ方向に変位する。
【００３５】
それぞれの可撓部１１１の幅方向の両縁には、支持部１１２から錘部Ｗに向かって可撓部１１１の中央より手前まで延びているリブ１１３ａと、錘部Ｗから支持部１１２に向かって可撓部１１１の中央より手前まで延びているリブ１１３ｂとが形成されている。これらのリブ１１３はピエゾ抵抗素子Ｒが設けられる区間における可撓部１１１の捻れを抑制する。可撓部１１１の長手方向の中心近傍の区間にはリブ１１３が形成されていない。したがって可撓部１１１の１つに着目すると、その可撓部１１１のねじれはピエゾ抵抗素子Ｒが設けられている区間において抑制されている一方で、全体としては抑制されていない。その結果、全ての可撓部１１１が撓みやすくなっている。
【００３６】
それぞれの可撓部１１１の幅方向の中心近傍には、支持部１１２から錘部Ｗに向かって可撓部１１１の中央より手前まで延びているリブ１１３ｃ、１１３ｄ、１１３ｊと、錘部Ｗから支持部１１２に向かって可撓部１１１の中央より手前まで延びているリブ１１３ｅ、１１３ｆ、１１３ｉとが形成されている。これらのリブ１１３ｃ、１１３ｄ、１１３ｅ、１１３ｆは可撓部１１１のピエゾ抵抗素子Ｒが設けられる表層の歪みを増大させる。ピエゾ抵抗素子Ｒが設けられないリブ１１３ｉ、１１３ｊは可撓部１１１のｙｚ断面を対称形にするために形成されている。
【００３７】
可撓部１１１の撓みを検出するためにピエゾ抵抗素子Ｒがそれぞれの可撓部１１１に設けられる。可撓部１１１と支持部１１２との境界近傍に設けられるピエゾ抵抗素子Ｒは可撓部１１１の突端のｚ方向の変位に応じた歪みを検出するための歪み検出手段として機能する。本実施形態では、加速度の互いに直交する３軸の成分を検出するため、各軸４個、合計１２個が４つの可撓部１１１に設けられている。２つの可撓部１１１が並ぶ直線と平行な方向（ｘ方向およびｙ方向）の加速度成分を検出するためのピエゾ抵抗素子Ｒは可撓部１１１の幅方向の中心線上に位置するリブ１１３ｄ、１１３ｅの表層に設けられる。ｚ方向の加速度を検出するためのピエゾ抵抗素子Ｒは可撓部１１１の幅方向の中心近傍に位置するリブ１１３ｃ、１１３ｆの表層に設けられる。
【００３８】
図１０〜図１５、図１９および図２０は図１のＣ−Ｃ断面において加速度センサ１００の製造工程を示している。図１６〜図１８は図１のＢ−Ｂ断面において加速度センサ１００の製造工程を示している。加速度センサ１００は例えば次のようにして製造される。
【００３９】
最初に図１０に示すように厚いシリコン層３１３と二酸化シリコン層３１２と薄いシリコン層３１１とが積層されたＳＯＩ基板３１４（Silicon On Insulator）を準備する。
【００４０】
次に図１１に示すように薄いシリコン層３１１の表面に酸化シリコン層３１５と窒化シリコン層３１６を例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）により形成する。
【００４１】
次に図１２に示すように窒化シリコン層３１６を例えばＣＦ４＋Ｏ２、ＣＨＦ３ガスにてドライエッチングして無機マスク３１７を形成する。
【００４２】
次に図１３に示すように無機マスク３１７を保護膜として用いて薄いシリコン層３１１の表層を熱酸化する。熱酸化では酸素（Ｏ２）が無機マスク３１７の開口から拡散するため、二酸化シリコン層３１５の一部が拡大し、薄いシリコン層３１１と二酸化シリコン層３１５とのなだらかな界面が形成される。
【００４３】
次に図１４に示すように二酸化シリコン層３１５の無機マスク３１７から露出している部分を例えばＣＦ４＋Ｏ２、ＣＨＦ３ガスによるドライエッチングにより除去する。その結果、可撓部１１１の主面の一方が形成される。すなわち可撓部１１１の主面の一方にリブ１１３の表面形状が形成される。前工程において熱酸化によって拡大した二酸化シリコン層３１８とシリコン層３１１との界面がなだらかであるため、可撓部１１１の厚さは薄肉部１１４からリブ１１３を構成する残部に向かって漸増する。
【００４４】
次に図１５と図１６に示すように薄いシリコン層３１１の一部の表層に不純物イオンを注入する。その結果、薄いシリコン層３１１の一部の表層には、不純物イオンが拡散し、ピエゾ抵抗素子Ｒが形成される。
【００４５】
次に図１７に示すようにコンタクトホール１１７を有する表層絶縁膜１１６とピエゾ抵抗素子Ｒの配線１１５とを形成する。可撓部１１１の厚さは薄肉部１１４から残部に向かって漸増する形態であるので、配線１１５の厚みを小さくしても配線１１５が断線することがない。
【００４６】
次に図１８に示すように、薄いシリコン層３１１を例えばＳＦ６ガスによる反応性イオンエッチング等でエッチングすることにより可撓部１１１の輪郭と支持部１１２および錘部Ｗの薄いシリコン層３１１からなる部分の輪郭を形成する。
【００４７】
次に図１９と図２０に示すように、厚いシリコン層３１３をＤｅｅｐ−ＲＩＥ（Ｃ４Ｆ８プラズマとＳＦ６プラズマによる所謂ボッシュプロセス）によってエッチングすることにより支持部１１２および錘部Ｗの厚いシリコン層３１３からなる部分の輪郭を形成する。
【００４８】
次にガラスウエハを厚いシリコン層３１３に直接接合した後にガラスウエハをダイサーで切断することによって支持部１１２および錘部Ｗのガラス層３１９からなる部分の輪郭を形成する。その後、ダイシング、パッケージングなどの工程を実施すると加速度センサ１００が完成する
【００４９】
尚、図１３と図１４で用いた製造工程の換わりに、無機マスク３１７を保護膜として用いてイオン注入をおこなった後に、イオン注入により形成された不純物拡散部の除去をおこなってもよい。
【００５０】
また、図１２〜図１４で用いた製造工程の換わりに、図２１で示すようにフォトレジスト３２１をマスクとして用いてＲＩＥ（反応性イオンエッチング）等によってエッチングした後に、フォトレジスト３２１を除去し、図２２に示すように熱酸化により薄いシリコン層３１１の表面に酸化シリコン層３２０を形成し、その後、酸化シリコン層３２０をエッチングにより除去してもよい。これにより薄肉部１１４とリブ１１３とにおける可撓部１１１の厚さの差を大きくすることができる。
【００５１】
また、可撓部３１の材質はシリコンに限るものではなく、化合物半導体やセラミック等でもよい。また、錘部Ｗの材質はガラスに限るものではなく、金属やセラミック等でもよい。また、エッチングの方法はＤｅｅｐ−ＲＩＥやＲＩＥのドライエッチングに限るものではなく、ウエットエッチングでもよい。
【００５２】
３．第二実施形態
図９Ａ、図９Ｂおよび図９Ｃは本発明のＭＥＭＳの第二実施形態としての加速度センサ２００の要部を示している。図９Ｂは図９ＡにおけるＢ−Ｂ断面図である。図９Ｃは図９ＡにおけるＣ−Ｃ断面図である。
【００５３】
図９Ａに示すように加速度センサ２００のそれぞれの可撓部２１１の幅方向の両縁には、支持部２１２から錘部Ｗまで延びているリブ２１３を形成しても良い。また、ピエゾ抵抗素子Ｒは可撓部２１１の凹部２１４に設けてもよい。
４．他の実施形態
【００５４】
尚、本発明の技術的範囲は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、上記実施形態で示した材質や寸法や成膜方法やパターン転写方法はあくまで例示であるし、当業者であれば自明である工程の追加や削除や工程順序の入れ替えについては説明が省略されている。また例えば、上述した製造工程において、膜の組成、成膜方法、膜の輪郭形成方法、工程順序などは、ＭＥＭＳを構成しうる物性を持つ膜材料の組み合わせや、膜厚や、要求される輪郭形状精度などに応じて適宜選択されるものであって、特に限定されない。
【００５５】
また例えば圧電素子やＦＥＴを検出手段として用いてもよい。また本発明は片持ち梁形態の可撓部を１つだけ備えた１軸の加速度センサにも適用できる。また本発明は角速度センサ、振動センサなどにも適用できる。また可撓部の変形をレーザ等で検出するカンチレバーなどにも本発明を適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】図１Ａは本発明の第一実施形態にかかる平面図。図１Ｂおよび図１Ｃは本発明の第一実施形態にかかる断面図。
【図２】図２Ａは本発明の原理説明にかかる平面図。図２Ｂおよび図２Ｃは本発明の原理説明にかかる断面図。
【図３】図３Ａは本発明の原理説明にかかる平面図。図３Ｂ、図３Ｃおよび図３Ｄは本発明の原理説明にかかる断面図。
【図４】本発明の原理説明にかかる線グラフ。
【図５】図５Ａは本発明の原理説明にかかる断面図。図５Ｂは本発明の原理説明にかかる線グラフ。
【図６】図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃ、図６Ｄおよび図６Ｅは本発明の原理説明にかかる断面図。
【図７】図７Ａは本発明の原理説明にかかる平面図。図７Ｂおよび図７Ｃは本発明の原理説明にかかる断面図。
【図８】図８Ａ、図８Ｂ、図８Ｃおよび図８Ｄは本発明の原理説明にかかる断面図。
【図９】図９Ａは本発明の第二実施形態にかかる平面図。図９Ｂおよび図９Ｃは本発明の第二実施形態にかかる断面図。
【図１０】本発明の第二実施形態にかかる製造工程を説明する断面図。
【図１１】本発明の第二実施形態にかかる製造工程を説明する断面図。
【図１２】本発明の第一実施形態にかかる製造工程を説明する断面図。
【図１３】本発明の第二実施形態にかかる製造工程を説明する断面図。
【図１４】本発明の第二実施形態にかかる製造工程を説明する断面図。
【図１５】本発明の第二実施形態にかかる製造工程を説明する断面図。
【図１６】本発明の第二実施形態にかかる製造工程を説明する断面図。
【図１７】本発明の第一実施形態にかかる製造工程を説明する断面図。
【図１８】本発明の第二実施形態にかかる製造工程を説明する断面図。
【図１９】本発明の第二実施形態にかかる製造工程を説明する断面図。
【図２０】本発明の第二実施形態にかかる製造工程を説明する断面図。
【図２１】本発明の第二実施形態にかかる製造工程を説明する断面図。
【図２２】本発明の第二実施形態にかかる製造工程を説明する断面図。
【符号の説明】
【００５７】
３１：可撓部、３１ａ：突端、３１ｂ：リブ、３１ｃ：残部、３１ｄ：ｘ区間、３２：支持部、３３：検出区間、３４：検出領域、１００：加速度センサ、１１１：可撓部、１１２：支持部、１１３：リブ、１１４：残部、１１５：配線、１１６：表層絶縁層、１１７：コンタクトホール、２００：加速度センサ、２１１：可撓部、２１２：支持部、２１３：リブ、２１４：凹部、３１１：薄いシリコン層、３１２：二酸化シリコン層、３１３：厚いシリコン層、３１４：ＳＯＩ基板、３１５：酸化シリコン層、３１６：窒化シリコン層、３１７：無機マスク、３１８：二酸化シリコン、３１９：ガラス層、３２０：酸化シリコン層、３２１：フォトレジスト、Ｒ：ピエゾ抵抗素子、Ｗ：錘部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸を直交座標系の３軸とするとき、
支持部と、
前記支持部からｘ方向に突出しｚ方向に薄い膜状の可撓部と、
前記可撓部の突端に結合している錘部と、
前記可撓部と前記支持部との境界に対して近傍のｘ区間である検出区間にあるｘｙ領域であってｙ方向において前記可撓部の中心に対して近傍のｘｙ領域である検出領域に設けられ前記可撓部の突端のｚ方向の変位に応じた歪みを検出するための歪み検出手段と、
を備え、
前記検出区間にあって前記検出領域より外側の両方にある領域における前記可撓部のｙｚ断面は、それぞれ、前記検出領域から相対的に遠い方の半分の部分の断面積が残部の断面積よりも広い形態である、
ＭＥＭＳ。
【請求項２】
前記検出区間において前記可撓部はｘ方向にリブが延びるリブ構造を有する、
請求項１に記載のＭＥＭＳ。
【請求項３】
前記リブが前記検出区間のｙ方向の縁の両方に形成されている、
請求項２に記載のＭＥＭＳ。
【請求項４】
前記リブは、前記可撓部のｙ方向の縁の両方において前記可撓部と前記支持部との境界から前記可撓部の突端の手前まで延びている、
請求項３に記載のＭＥＭＳ。
【請求項５】
前記リブが前記検出領域に形成されている、
請求項２から４のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ。
【請求項６】
前記リブの幅はｚ方向の突端に向かって漸減している、
請求項２から５のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ。
【請求項７】
前記可撓部のｘｙ方向に広がる主面の一方は凹部と残部とからなり、
前記可撓部の厚さは前記残部に向かって漸増している、
請求項１から６のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ。
【請求項８】
前記検出区間は前記可撓部と前記支持部との境界を含む、
請求項１から７のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ。
【請求項９】
前記可撓部は前記検出領域を除いて均質である、
請求項１から８のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ。
【請求項１０】
前記可撓部はシリコンからなり、
前記検出領域には、ピエゾ抵抗素子を形成するための不純物が拡散している、
請求項１から９のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ。
【請求項１１】
前記歪み検出手段は、前記可撓部と前記錘部との境界に対して近傍のｘ区間である第二の検出区間にあるｘｙ領域であってｙ方向において前記可撓部の中心に対して近傍のｘｙ領域である第二の検出領域にも設けられている、
請求項１から１０のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ。
【請求項１２】
ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸を直交座標系の３軸とするとき、
支持部と、
前記支持部からｘ方向に突出しｚ方向において薄い膜状の可撓部と、
前記可撓部の突端に結合している錘部と、
前記可撓部と前記支持部との境界に対して近傍のｘ区間である検出区間にある領域であってｙ方向において前記可撓部の中心に対して近傍のｘｙ領域である検出領域に設けられ前記可撓部の突端のｚ方向の変位に応じた歪みを検出するための歪み検出手段と、
を備えるＭＥＭＳの製造方法であって、
シリコンからなる部分の熱酸化された表層をエッチングすることにより、前記検出区間にあって前記検出領域より外側の両方にある領域における前記可撓部のｙｚ断面を、それぞれ、前記検出領域から相対的に遠い方の半分の部分の断面積が残部の断面積よりも広い形態にする、
ことを含むＭＥＭＳ製造方法。
【請求項１】
ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸を直交座標系の３軸とするとき、
支持部と、
前記支持部からｘ方向に突出しｚ方向に薄い膜状の可撓部と、
前記可撓部の突端に結合している錘部と、
前記可撓部と前記支持部との境界に対して近傍のｘ区間である検出区間にあるｘｙ領域であってｙ方向において前記可撓部の中心に対して近傍のｘｙ領域である検出領域に設けられ前記可撓部の突端のｚ方向の変位に応じた歪みを検出するための歪み検出手段と、
を備え、
前記検出区間にあって前記検出領域より外側の両方にある領域における前記可撓部のｙｚ断面は、それぞれ、前記検出領域から相対的に遠い方の半分の部分の断面積が残部の断面積よりも広い形態である、
ＭＥＭＳ。
【請求項２】
前記検出区間において前記可撓部はｘ方向にリブが延びるリブ構造を有する、
請求項１に記載のＭＥＭＳ。
【請求項３】
前記リブが前記検出区間のｙ方向の縁の両方に形成されている、
請求項２に記載のＭＥＭＳ。
【請求項４】
前記リブは、前記可撓部のｙ方向の縁の両方において前記可撓部と前記支持部との境界から前記可撓部の突端の手前まで延びている、
請求項３に記載のＭＥＭＳ。
【請求項５】
前記リブが前記検出領域に形成されている、
請求項２から４のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ。
【請求項６】
前記リブの幅はｚ方向の突端に向かって漸減している、
請求項２から５のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ。
【請求項７】
前記可撓部のｘｙ方向に広がる主面の一方は凹部と残部とからなり、
前記可撓部の厚さは前記残部に向かって漸増している、
請求項１から６のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ。
【請求項８】
前記検出区間は前記可撓部と前記支持部との境界を含む、
請求項１から７のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ。
【請求項９】
前記可撓部は前記検出領域を除いて均質である、
請求項１から８のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ。
【請求項１０】
前記可撓部はシリコンからなり、
前記検出領域には、ピエゾ抵抗素子を形成するための不純物が拡散している、
請求項１から９のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ。
【請求項１１】
前記歪み検出手段は、前記可撓部と前記錘部との境界に対して近傍のｘ区間である第二の検出区間にあるｘｙ領域であってｙ方向において前記可撓部の中心に対して近傍のｘｙ領域である第二の検出領域にも設けられている、
請求項１から１０のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ。
【請求項１２】
ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸を直交座標系の３軸とするとき、
支持部と、
前記支持部からｘ方向に突出しｚ方向において薄い膜状の可撓部と、
前記可撓部の突端に結合している錘部と、
前記可撓部と前記支持部との境界に対して近傍のｘ区間である検出区間にある領域であってｙ方向において前記可撓部の中心に対して近傍のｘｙ領域である検出領域に設けられ前記可撓部の突端のｚ方向の変位に応じた歪みを検出するための歪み検出手段と、
を備えるＭＥＭＳの製造方法であって、
シリコンからなる部分の熱酸化された表層をエッチングすることにより、前記検出区間にあって前記検出領域より外側の両方にある領域における前記可撓部のｙｚ断面を、それぞれ、前記検出領域から相対的に遠い方の半分の部分の断面積が残部の断面積よりも広い形態にする、
ことを含むＭＥＭＳ製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【公開番号】特開２０１０−４８７００（Ｐ２０１０−４８７００Ａ）
【公開日】平成２２年３月４日（２０１０．３．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２１３９５３（Ｐ２００８−２１３９５３）
【出願日】平成２０年８月２２日（２００８．８．２２）
【出願人】（０００００４０７５）ヤマハ株式会社 (5,930)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年３月４日（２０１０．３．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年８月２２日（２００８．８．２２）
【出願人】（０００００４０７５）ヤマハ株式会社 (5,930)
【Ｆターム（参考）】
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