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WO2009099123A1 - 物理量センサ及びその製造方法 - Google Patents

物理量センサ及びその製造方法 Download PDF

Info

Publication number
WO2009099123A1
WO2009099123A1 PCT/JP2009/051933 JP2009051933W WO2009099123A1 WO 2009099123 A1 WO2009099123 A1 WO 2009099123A1 JP 2009051933 W JP2009051933 W JP 2009051933W WO 2009099123 A1 WO2009099123 A1 WO 2009099123A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
movable
electrode
fixed electrode
movable electrode
detection unit
Prior art date
Application number
PCT/JP2009/051933
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hisayuki Yazawa
Original Assignee
Alps Electric Co., Ltd.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Alps Electric Co., Ltd. filed Critical Alps Electric Co., Ltd.
Publication of WO2009099123A1 publication Critical patent/WO2009099123A1/ja

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P15/125—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by capacitive pick-up

Definitions

  • the present invention relates to a physical quantity sensor such as an acceleration sensor formed using MEMS (Micro Electro Mechanical System) technology.
  • MEMS Micro Electro Mechanical System
  • an acceleration sensor formed using an SOI substrate includes a movable portion that is displaced by acceleration on an SOI layer (active layer) located above the support substrate, a detection unit that measures the displacement of the movable portion, and the like. Is provided.
  • the detection unit is formed of a comb-like electrode structure including a movable electrode and a fixed electrode, and detects the displacement of the movable unit by a change in capacitance.
  • the present invention is to solve the above-described conventional problems, and in particular, to provide a physical quantity sensor capable of increasing the detection accuracy in a structure in which the movable portion is translated in the height direction. Yes.
  • Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a physical quantity sensor that can easily and appropriately form a comb-like electrode structure in which the movable electrode and the fixed electrode are displaced in the height direction.
  • the physical quantity sensor according to the present invention is configured to detect a displacement of the movable substrate based on a change in capacitance, a support substrate, a movable portion positioned above the support substrate and supported so as to be movable in parallel in a height direction.
  • a first detection unit and a second detection unit Each of the first detection unit and the second detection unit includes a movable electrode and a fixed electrode arranged alternately in a plane, the movable electrode is formed integrally with the movable unit, and the fixed electrode is the movable It is formed separately from the electrode, In an initial state, at least one of the upper surface or the lower surface of the movable electrode and the fixed electrode is disposed so as to be displaced in the height direction, and the displacement direction of the first movable electrode with respect to the first fixed electrode constituting the first detector The shift direction of the second movable electrode with respect to the second fixed electrode constituting the second detection unit is opposite to that of the second detection electrode.
  • the lower surfaces of the first movable electrode, the first fixed electrode, the second movable electrode, and the second fixed electrode are in the same position, and the first movable electrode and the second fixed electrode are
  • the first fixed electrode and the second movable electrode are both formed at the same height and different height from the first movable electrode and the second fixed electrode.
  • the movable range of the movable electrode can be easily increased, and the detection accuracy can be improved.
  • the upper surfaces of the first movable electrode, the first fixed electrode, the second movable electrode, and the second fixed electrode are at the same position, and the first movable electrode and the second fixed electrode Are formed at the same height, while the first fixed electrode and the second movable electrode are both formed at the same height and different height from the first movable electrode and the second fixed electrode. It may be.
  • the movable range of the movable electrode can be easily increased, and the detection accuracy can be improved.
  • the first movable electrode, the first fixed electrode, the second movable electrode, and the second fixed electrode are all formed with the same height, and in an initial state, the upper surface of the first movable electrode
  • the upper surface of the second fixed electrode is at the same position, and the upper surface of the second movable electrode and the upper surface of the first fixed electrode are at the same position and in the height direction with respect to the first movable electrode and the second fixed electrode. It is more preferable that the configuration is shifted. Thereby, the movable range of the movable electrode can be easily increased, high output can be obtained, and detection accuracy can be further improved.
  • an anchor portion fixed on the support substrate that supports the movable portion and the detection portion is provided, and the anchor portion is located inside an area surrounding the outermost periphery of the movable portion. Preferably it is located.
  • the physical quantity sensor manufacturing method includes a support substrate, a movable part positioned above the support substrate and supported so as to be movable up and down, and detecting displacement of the movable part based on a change in capacitance.
  • a movable electrode and a fixed electrode arranged alternately in a plane, and the movable electrode formed integrally with the movable portion and the movable electrode are separated from each other.
  • the fixed electrode is formed by the following steps.
  • Forming irregularities in the detection portion forming region on the back surface of the silicon substrate Forming an oxide insulating layer on the back surface of the silicon substrate; Bonding the silicon substrate onto the support substrate; Removing unnecessary portions from the silicon substrate, and forming the movable electrode or the fixed electrode at a position corresponding to a concave portion or a convex portion formed on the back surface of the silicon substrate at this time; Removing the oxide insulating layer located between the movable electrode and the support substrate by etching so that the movable electrode can move in the vertical direction together with the movable portion;
  • the movable electrode and the fixed electrode having different positions on the lower surface can be formed with high accuracy, and a physical quantity sensor having a comb-like electrode structure with high detection accuracy can be manufactured easily and appropriately.
  • a concave portion is formed at a position where the convex portion is formed on the back surface on the upper surface of the silicon substrate, and a convex portion is formed at a position where the concave portion is formed on the back surface, and then the silicon substrate is formed. It is preferable that the movable electrode and the fixed electrode are formed by removing unnecessary portions from the substrate. Thereby, a physical quantity sensor with higher detection accuracy can be manufactured easily and appropriately.
  • the oxide insulating layer is formed on the back surface of the silicon substrate by thermal oxidation. Accordingly, the oxide insulating layer can be formed with a predetermined thickness along the unevenness, and the silicon substrate can be appropriately bonded onto the support substrate.
  • the movable portion that translates in the height direction is provided, Forming irregularities in each of the first detection portion formation region and the second detection portion formation region on the back surface of the silicon substrate, Unnecessary portions are removed from the silicon substrate, and at this time, the recesses (or projections) formed in the first detection unit formation region and the recesses (or projections) formed in the second detection unit formation region.
  • a first movable electrode of the first detection unit and a second fixed electrode of the second detection unit are formed at corresponding positions, and a convex portion (or a concave portion) formed in the first detection unit formation region, and the first It is preferable to form the first fixed electrode of the first detection unit and the second movable electrode of the second detection unit at positions corresponding to the convex portions (or concave portions) formed in the second detection unit formation region.
  • a detection unit having a structure in which the movable unit moves in parallel in the height direction can be formed appropriately and easily.
  • a differential output can be appropriately obtained by the first detection portion and the second detection portion, and the detection accuracy can be increased.
  • a comb-like electrode structure in which the movable electrode and the fixed electrode are displaced in the height direction can be formed easily and appropriately.
  • FIG. 1A is a plan view of the acceleration sensor according to the present embodiment
  • FIG. 1B is a side view of the beam portion viewed from the direction of arrow A
  • FIG. 1C is a diagram in which acceleration acts in the height direction.
  • FIG. 2 is an enlarged perspective view showing a part of the spring part, the beam part, and the arm part
  • FIG. 3 is taken along the line BB shown in FIG. It is the fragmentary sectional view which looked at the cut surface cut
  • the acceleration sensor 1 is formed using an SOI (Silicon on Insulator) substrate 2 as shown in FIG.
  • the SOI substrate 2 is formed of a support substrate 3 formed of a silicon substrate, an SOI layer (active layer) 5 formed of a silicon substrate, and, for example, SiO 2 positioned between the support substrate 3 and the SOI layer 5. This is a laminated structure of the oxide insulating layer 4.
  • the element portion 13 is formed in the SOI layer 5.
  • a movable part (weight) 6, detection parts 61 and 62 for detecting a displacement amount of the movable part 6, and support parts 8 to 11 are formed.
  • the movable portion 6 is supported by the anchor portions 21 and 23 via the support portions 8 to 11.
  • the oxide insulating layer 4 shown in FIG. 3 is not formed under the movable part 6 and the detection parts 61 and 62 and is floating on the support substrate 3, but the anchor parts 21 to 24 are formed on the support substrate 3. 4 is fixedly supported.
  • the movable portion 6 has a rectangular region C (indicated by a dotted line in FIG. 1 (a)) surrounding its outermost peripheral surface.
  • a concave portion 7 is formed which is recessed from the position of the width center of the outermost surfaces 6a, 6b in the left-right direction (X1 direction, X2 direction) of the movable portion 6 toward the center O direction of the movable portion 6.
  • two arm portions 25 and 26 extending in the X2 direction are provided from the first anchor portion 21.
  • two arm portions 27 and 28 extending in the X1 direction are provided from the second anchor portion 23.
  • slits 40 having a predetermined interval are formed between the arm portions 25 and 26 extending from the first anchor portion 21 in the Y1-Y2 direction.
  • slits 41 with a predetermined interval are formed between the arm portions 27 and 28 extending from the second anchor portion 23 in the Y1-Y2 direction.
  • These arm portions 25 to 28 may be supported on the support substrate 3 through the oxide insulating layer 4 or may be floated on the support substrate 3 after the oxide insulating layer 4 is removed. It is preferable that the elements 28 to 28 float from the support substrate 3 because the influence of the distortion can be reduced when the support substrate 3 is distorted, for example.
  • the end portions of the arm portions 25 to 28 opposite to the anchor portions 21 and 23 have a width dimension W1 narrower than the width dimension W2 of the arm portions 25 to 28.
  • the anchor side spring part 29 which has is linearly connected.
  • the arm portions 25 to 28 are more rigid than the anchor side spring portion 29.
  • the anchor side spring portion 29 has a shape in which the height dimension (thickness dimension) H1 is longer than the width dimension W1.
  • the height dimension H1 of the anchor side spring portion 29 is the same as the height dimension H2 of the arm portions 25-28.
  • the length dimension L2 is larger than the width dimension W1.
  • the anchor side spring portion 29 has a width dimension W1 of 0.8 to 2.0 ⁇ m, a length dimension L2 of 50 to 100 ⁇ m, and a height dimension H1 of about 10 to 30 ⁇ m.
  • the arm portion 25 provided in the first anchor portion 21 is parallel to the Y2 direction outside the outer peripheral surface 6 b of the movable portion 6 via the anchor-side spring portion 29.
  • An extending first beam portion 30 is provided continuously.
  • the arm portion 26 provided in the first anchor portion 21 is connected to the Y1 direction on the outer side of the outer peripheral surface 6b of the movable portion 6 via the anchor-side spring portion 29.
  • a second beam portion 31 extending in parallel is provided continuously.
  • the arm portion 27 provided in the second anchor portion 23 is parallel to the Y2 direction outside the outer peripheral surface 6a of the movable portion 6 via the anchor-side spring portion 29.
  • the 3rd beam part 32 extended in this is connected. Further, as shown in FIG. 1 (a), the arm portion 28 provided in the second anchor portion 23 is connected to the Y1 direction on the outer side of the outer peripheral surface 6a of the movable portion 6 via the anchor-side spring portion 29. A fourth beam portion 33 extending in parallel is provided continuously. As shown in FIG. 1A, the rear end portions 30b to 33b of the beam portions 30 to 33 are connected to the anchor side spring portion 29.
  • each of the beam portions 30 to 33 is larger than the width dimension W1 of the anchor side spring portion 29. Therefore, each of the beam portions 30 to 33 is more rigid than the anchor side spring portion 29.
  • each beam part 30 to 33 is substantially the same as the height dimension H1 of the anchor side spring part 29 and the height dimension H2 of the arm part, and each beam part 30 to 33 is supported. It floats on the substrate 3.
  • the length dimension L1 of each beam portion 30 to 33 is such that the tip portions 30a to 33a of each beam portion 30 to 33 are different from each corner of the movable portion 6 and X1. It is formed with a length substantially opposite in the ⁇ X2 direction.
  • the distal end portions 30a to 33a of the beam portions 30 to 33 and the vicinity of the four corners of the movable portion 6 are connected via a movable portion side spring portion 34 extending linearly.
  • the width dimension and height dimension (thickness dimension) of the movable part side spring part 34 are substantially the same as the width dimension W1 and the height dimension H1 of the anchor side spring part 29.
  • the beam portions 30 to 33 have a width dimension W3 of 10 to 30 ⁇ m, a length dimension L1 of 300 to 600 ⁇ m, and a height dimension of about 10 to 30 ⁇ m.
  • the support portion including the arm portions 25 to 28, the anchor side spring portion 29, the beam portions 30 to 33, and the movable portion side spring portion 34 is provided between the movable portion 6 and the first anchor portion 21 and the second anchor portion 23. 8 to 11 are connected.
  • both the anchor side spring part 29 and the movable part side spring part 34 are difficult to bend in the height direction (thickness direction). Therefore, as shown in FIG. 1B, in the initial state where no acceleration is applied in the height direction (Z direction), the beam portions 30 to 33 are parallel to the Y1-Y2 direction and displaced in the height direction. Not.
  • the beam portions 30 to 33 have high rigidity, the beam portions 30 to 33 themselves hardly bend or twist, for example, and the beam portions 30 to 33 have a rectangular parallelepiped shape, and the height of the beam portions 30 to 33 is twisted by the spring portions 29 and 34. Displace in the direction. As described above, the movable portion 6 is moved to the upper surface 3a (see FIG. 3) of the support substrate 3 by the twist of the spring portions 29 and 34 and the displacement of the tip portions 30a to 33a of the beam portions 30 to 33 in the height direction. And move downward (translate in the height direction) while maintaining a parallel state.
  • slits 43 and 44 are provided at predetermined intervals from the position of the width center of the outermost peripheral surfaces 6c and 6d facing the Y1-Y2 direction of the movable part 6 toward the center O of the movable part 6. It has been.
  • a space 19 having a size necessary for installing the fixed electrodes 57 and 58 constituting the detection parts 61 and 62 is provided in the movable part inside the slits 43 and 44.
  • a recess 19a that is recessed in the center O direction of the movable portion 6 is formed in the space 19, and a third anchor portion 22 and a fourth anchor portion 24 are installed in the recess 19a.
  • slits 54 and 55 are formed at predetermined intervals in the X1-X2 direction, respectively.
  • the slits 54, 55 formed between the arm portions 50, 51 and between the arm portions 52, 53 are spatially continuous with the slits 43, 44 formed in the movable portion 6 and are opened to the outside of the movable portion 6. ing.
  • the two arm portions 50 and 51 extending from the third anchor portion 22 extend in the X1 direction and the X2 direction in the space 19 formed in the movable portion 6, respectively.
  • Comb-shaped first fixed electrodes 57 arranged in parallel at a predetermined interval in the X1-X2 direction are formed.
  • the two arm portions 52 and 53 extending from the fourth anchor portion 24 extend in the X1 direction and the X2 direction in the space 19 formed in the movable portion 6, respectively.
  • Comb-shaped second fixed electrodes 58 arranged in parallel at a predetermined interval in the X1-X2 direction are formed. Note that the arrangement of the comb electrodes is an example, and a structure in which the electrodes are arranged in the Y1-Y2 direction may be employed.
  • first movable electrodes 59 that are arranged in parallel with the first fixed electrodes 57 alternately at intervals are formed integrally with the movable portion 6. Yes.
  • second movable electrodes 60 arranged in parallel with the second fixed electrodes 58 alternately with a space are formed integrally with the movable portion 6. Yes.
  • the first detection unit 61 is configured by the first fixed electrode 57 and the first movable electrode 59 shown in FIG. 1A, and the second fixed electrode 58 and the second movable electrode 60 shown in FIG. 2 detection part 62 is comprised.
  • the movable electrodes 59 and 60 and the fixed electrodes 57 and 8 are all shown in a cross-sectional shape cut from the height direction (film thickness direction). For easy discrimination, only the movable electrodes 59 and 60 are shown by hatching.
  • the lower surfaces of the first movable electrode 59, the first fixed electrode 57, the second movable electrode 60, and the second fixed electrode 58 are in the same position ( Reference position indicated by a dotted line).
  • the first movable electrode 59 and the second fixed electrode 58 are formed at the same height, and the upper surface of the first movable electrode 59 and the upper surface of the second fixed electrode 58 are at the same position.
  • the first fixed electrode 57 and the second movable electrode 60 are both formed at the same height, but the upper surface is at a position lower than the first movable electrode 59 and the second fixed electrode 58.
  • the upper surfaces of the first movable electrode 59, the first fixed electrode 57, the second movable electrode 60, and the second fixed electrode 58 are the same in the initial state (the state where acceleration is not acting). This is a position (reference position indicated by a dotted line).
  • the first movable electrode 59 and the second fixed electrode 58 are formed at the same height, and the lower surface of the first movable electrode 59 and the lower surface of the second fixed electrode 58 are at the same position.
  • the first fixed electrode 57 and the second movable electrode 60 are both formed at the same height, but their lower surfaces are higher than the first movable electrode 59 and the second fixed electrode 58.
  • the first movable electrode 59, the first fixed electrode 57, the second movable electrode 60, and the second fixed electrode 58 are all formed with the same height dimension (thickness dimension).
  • the upper surface of the first movable electrode 59 and the upper surface of the second fixed electrode 58 are at the same position, and the upper surface of the second movable electrode 60 and the first fixed electrode.
  • the upper surface of 57 is arranged at the same position and shifted to a lower position with respect to the first movable electrode 59 and the second fixed electrode 58.
  • the potentials of the fixed electrodes 57 and 58 and the potentials of the movable electrodes 59 and 60 are the wiring layers 70, 71 and 72 drawn from the connection positions of the first anchor part 21, the third anchor part 22 and the fourth anchor part 24. (See FIG. 1A), respectively, and the differential output of the capacitance of the first detection unit 61 and the second detection unit 62 can be obtained. Based on this differential output, the moving distance and moving direction of the movable part 6 can be known.
  • the wiring layer 70 is drawn to the outside of the element portion 13 through the slit 40 between the two arm portions 25 and 26 extending from the first anchor portion 21.
  • the wiring layer 70 is formed on the oxide insulating layer 4 from the connection position with the first anchor portion 21.
  • the wiring layer 71 passes through the slit 54 formed between the two arm portions 50 and 51 extending from the third anchor portion 22 and the slit 44 formed in the movable portion 6, and the element portion. 13 is pulled out to the outside.
  • the wiring layer 71 is also formed, for example, on the oxide insulating layer 4 from the connection position with the anchor portion.
  • the wiring layer 72 passes through the slit 55 formed between the two arm portions 52, 53 extending from the fourth anchor portion 24 and the slit 43 formed in the movable portion 6, and the element portion. 13 is pulled out to the outside.
  • the wiring layer 72 is also formed, for example, on the oxide insulating layer 4 from the connection position with the anchor portion.
  • a rib portion in which an SOI layer is left in the slit may be formed under each wiring layer 70 to 72, and the wiring layers 70 to 72 may be formed on the rib portion.
  • FIG. 7 shows a method of manufacturing the first detection unit 61 in FIG.
  • the uneven portion 80 is formed in the first detection portion formation region on the back surface of the SOI layer (silicon substrate) 5.
  • the uneven portion 80 can be formed by etching.
  • an uneven alignment key 81 is also formed on the back surface of the SOI layer 5.
  • an oxide insulating layer (SiO 2 layer) 4 is formed on the back surface of the SOI layer 5 by thermal oxidation.
  • the oxide insulating layer 4 may be formed by sputtering, CVD, or the like. However, in order to make the back surface of the SOI layer 5 a clean flat surface excluding the concave portion, the oxide insulating layer 4 is formed by thermal oxidation. Is preferred.
  • the SOI layer 5 is bonded onto the support substrate 3 via the oxide insulating layer 4.
  • a bonding method thermocompression bonding, room temperature bonding, or the like can be used.
  • the surface of the SOI layer 5 is subjected to CMG, CMP, or CMG and CMP as necessary to adjust the SOI layer 5 to a predetermined film thickness.
  • the SOI layer 5 located on the alignment key 81 is removed by etching or the like to expose the uneven alignment key 81 made of the oxide insulating layer 4.
  • an uneven portion 82 is formed on the upper surface of the SOI layer 5.
  • the uneven portion 82 is formed by etching.
  • a recess 85 is formed at the upper surface position of the SOI layer 5 facing the protrusion 83 formed on the lower surface of the SOI layer in the thickness direction, and is formed on the lower surface of the SOI layer.
  • a convex portion 86 is formed at the upper surface position of the SOI layer 5 facing the concave portion 84 in the thickness direction.
  • the formation position of the uneven portion 82 formed on the upper surface of the SOI layer 5 can be adjusted with high accuracy based on the alignment key 81 exposed from the SOI layer 5.
  • the unnecessary SOI layer 5 between the irregularities is removed using deep RIE (Deep RIE), and a part of the SOI layer 4 at the position corresponding to the irregularities 82 and 80 is obtained.
  • the first movable electrode 59 and the first fixed electrode 57 are formed leaving In this step, the movable portion 6, the anchor portions 21 to 24, and the support portions 8 to 11 shown in FIG. 1A are left from the SOI layer 5 and other unnecessary SOI layers 5 are removed.
  • the oxide insulating layer 4 between the first detection unit 61 and the support substrate 3 is removed by an isotropic etching process using wet etching or dry etching.
  • an isotropic etching process using wet etching or dry etching.
  • the oxide insulating layer 4 under the movable part 6 also needs to be removed, a large number of fine holes leading to the oxide insulating layer 4 are formed in the movable part 6, and the fine holes are formed.
  • the oxide insulating layer 4 under the movable part 6 is also removed by isotropic etching. In this step, the oxide insulating layer 4 under the anchor portions 21 to 24 is left, and the anchor portions 21 to 24 are fixedly supported on the support substrate 3.
  • the manufacturing method of the first detection unit 61 shown in FIG. 6 has been described above.
  • the second detection unit 62 shown in FIG. 6 is the second movable electrode of the second detection unit 62 in the process of FIG. What is necessary is just to form so that 60 may be a layer corresponding to reference numeral 57 and the second fixed electrode 58 may be a layer corresponding to reference numeral 59.
  • first detection unit 61 and the second detection unit 62 shown in FIGS. 4 and 5 are formed in accordance with the manufacturing process shown in FIG. 7, but the first detection unit 61 and the second detection unit 62 shown in FIG. In the manufacturing process, it is not necessary to form the uneven portion 80 shown in FIG. Moreover, in the manufacturing process of the 1st detection part 61 and the 2nd detection part 62 shown in FIG. 5, formation of the uneven
  • a differential output can be appropriately obtained by the first detection portion 61 and the second detection portion 62, and detection accuracy can be improved. I can do it.
  • the first movable electrode 59, the first fixed electrode 57, and the second movable electrode 60 and the second fixed electrode 58, which form the first detection unit 61 are formed from the same SOI layer 5. Is. That is, in order to obtain the differential output by forming the first detection unit 61 and the second detection unit 62 in the SOI layer 5 having a limited film thickness, the movable electrodes and the fixed components constituting the detection units 61 and 62 are fixed. The height dimension (film thickness) and arrangement of the electrodes are extremely important. In addition, it is necessary to be able to form the movable electrode and the fixed electrode with the simplest possible manufacturing method and with high accuracy.
  • the first movable electrode 59 and the second fixed electrode 58 have the same height dimension (film thickness) and arrangement relationship, and the second movable electrode 60 and the first fixed electrode 57 are the same. Are in the same height dimension (film thickness) and arrangement relationship.
  • the second movable electrode 60 and the first fixed electrode 57 are shifted in the height direction with respect to the first movable electrode 59 and the second fixed electrode 58.
  • both the amount of displacement of the first movable electrode with respect to the fixed electrode and the amount of displacement of the second movable electrode with respect to the fixed electrode are both It must be considered that the facing area is secured and fluctuates with the fixed electrode.
  • there is basically only one step between the upper surface and the lower surface of the movable electrode and the fixed electrode and by adopting such an electrode arrangement, the movable range of the movable electrodes 59 and 60 can be increased. Even if the displacement amount of the movable part 6 is increased, the displacement can be detected appropriately, and the detection accuracy can be improved.
  • At least the movable electrode and the fixed electrode having different positions on the lower surface can be formed by a simple process with high accuracy, and a Z-axis detection sensor with high detection accuracy can be appropriately manufactured.
  • all of the anchor portions 21 to 24 are located inside a region C surrounding the outermost periphery of the movable portion 6.
  • the manufacturing method shown in FIG. 7 can be applied to a structure other than the structure in which the movable portion 6 is translated in the height direction.
  • the movable part 6 has a structure in which the movable part 6 is translated in the height direction, and the first movable electrode 59 is displaced from the first fixed electrode 57 constituting the first detection part 61 by using the manufacturing method of FIG.
  • a structure in which the direction and the displacement direction of the second movable electrode 60 with respect to the second fixed electrode 58 constituting the second detection unit 62 are opposite to each other can be manufactured appropriately and easily.
  • acceleration sensor of the above-described embodiment is a single-axis type for Z-axis detection
  • a sensor unit for X-axis detection or Y-axis detection can also be provided to form a biaxial or triaxial acceleration sensor.
  • This embodiment can be applied not only to an acceleration sensor but also to an angular velocity sensor or the like.
  • FIG. 1A is a plan view of the acceleration sensor according to the present embodiment
  • FIG. 1B is a side view of the beam portion viewed from the direction of arrow A
  • FIG. 1C is a diagram in which acceleration acts in the height direction.
  • FIG. 1 is a partial cross-sectional view of a cut surface cut in a height direction along the line BB shown in FIG.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Pressure Sensors (AREA)

Abstract

【課題】　特に、可動部が高さ方向に平行移動する構造のものにおいて、検出精度を高めることが出来る物理量センサを提供することを目的としている。 【解決手段】　支持基板と、支持基板の上方に位置し高さ方向に平行移動可能に支持された可動部６と、可動部の変位を静電容量変化に基づき検知するための第１検知部６１及び第２検出部６２とを有している。第１検出部６１及び第２検出部６２は共に交互に並設された可動電極と固定電極とで構成され、可動電極は可動部に一体に形成され、固定電極は前記可動電極とは分離して形成されている。初期状態では可動電極及び固定電極が高さ方向にずれて配置されており、第１検出部を構成する第１固定電極５７に対する第１可動電極５９のずれ方向と、第２検出部を構成する第２固定電極５８に対する第２可動電極６０のずれ方向とが反対方向となっている。

Description

物理量センサ及びその製造方法
　本発明は、ＭＥＭＳ（微小電気機械システム：Micro ElectroMechanical System）技術を用いて形成された加速度センサ等の物理量センサに関する。
　ＳＯＩ基板を用いて形成された例えば加速度センサは、支持基板の上方に位置するＳＯＩ層（活性層）に、加速度を受けて変位する可動部、及び可動部の変位を測定するための検出部等が設けられる。
　高さ方向（Ｚ方向）への加速度の検知を可能とするために、Ｚ軸方向へ加速度が作用したときに例えば可動部をシーソー動作させる構造が知られている。シーソー型では、可動部の重心からずらした位置で可動部を支持している。下記特許文献に示すように、検出部は可動電極と固定電極とを備えた櫛歯状電極構造で形成され、静電容量変化により可動部の変位を検知する。
　しかし下記特許文献には、可動部が高さ方向に平行移動する構造の検知手段について具体的例示が記載されていない。
　また下記特許文献には高さ寸法（膜厚）が異なる可動電極及び固定電極の具体的製造方法が開示されている。しかしながらいずれも、電極幅を可動電極と固定電極とで変え、エッチング速度差等を利用するもので、特に例えば特許文献１の図１２Ｂから図１２Ｃに至るリリース工程の精度を出すのが非常に難しいものと思われる。すなわち特許文献の製造方法では、所望の形状の可動電極及び固定電極を高精度に製造できないものと推測される。
特開２００６－２６６８７３号公報
　そこで本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、特に、可動部が高さ方向に平行移動する構造のものにおいて、検出精度を高めることが出来る物理量センサを提供することを目的としている。
　また本発明は、可動電極及び固定電極が高さ方向にずれた櫛歯状電極構造を簡単且つ適切に形成できる物理量センサの製造方法を提供することを目的としている。
本発明における物理量センサは、支持基板と、前記支持基板の上方に位置し高さ方向に平行移動可能に支持された可動部と、前記可動部の変位を静電容量変化に基づき検知するための第１検知部及び第２検出部と、を有しており、
　前記第１検出部及び第２検出部は共に平面的に交互に並設された可動電極と固定電極とで構成され、前記可動電極は前記可動部に一体に形成され、前記固定電極は前記可動電極とは分離して形成されており、
　初期状態では前記可動電極及び前記固定電極の上面あるいは下面の少なくとも一方が高さ方向にずれて配置されており、前記第１検出部を構成する第１固定電極に対する第１可動電極のずれ方向と、前記第２検出部を構成する第２固定電極に対する第２可動電極のずれ方向とが反対方向となっていることを特徴とするものである。これにより可動部が高さ方向に平行移動する構造において、第１検出部と第２検出部とで差動出力を適切に得ることができ、検出精度を高めることが出来る。
　本発明では、初期状態では、前記第１可動電極、前記第１固定電極、前記第２可動電極及び前記第２固定電極の下面は同位置であり、前記第１可動電極と第２固定電極は同じ高さで形成され、一方、前記第１固定電極と前記第２可動電極は、共に同じ高さで且つ前記第１可動電極及び前記第２固定電極と異なる高さで形成されている構成であることが好ましい。これにより、可動電極の可動可能範囲を大きくしやすく、検出精度を向上させることが出来る。
　また本発明では、初期状態では、前記第１可動電極、前記第１固定電極、前記第２可動電極及び前記第２固定電極の上面は同位置であり、前記第１可動電極と第２固定電極は同じ高さで形成され、一方、前記第１固定電極と前記第２可動電極は、共に同じ高さで且つ前記第１可動電極及び前記第２固定電極と異なる高さで形成されている構成であってもよい。これにより、可動電極の可動可能範囲を大きくしやすく、検出精度を向上させることが出来る。
　あるいは本発明では、前記第１可動電極、前記第１固定電極、前記第２可動電極及び前記第２固定電極は全て同じ高さ寸法で形成され、初期状態では、前記第１可動電極の上面と前記第２固定電極の上面が同位置にあり、第２可動電極の上面と前記第１固定電極の上面とが同位置で且つ前記第１可動電極及び第２固定電極に対して高さ方向にずれて配置されている構成であることがより好適である。これにより、可動電極の可動可能範囲を大きくしやすく、且つ高出力を得ることができ、検出精度をより向上させることが出来る。
　また本発明では、前記可動部及び前記検出部を支持する前記支持基板上に固定されたアンカ部が設けられており、前記アンカ部は、前記可動部の最外周を囲んだ領域よりも内側に位置していることが好ましい。これにより支持基板が変形してもアンカ部に接続している各素子部分に伝播される歪みの影響を小さくでき、検出精度を向上させることができる。
　また本発明における物理量センサの製造方法は、支持基板と、前記支持基板の上方に位置し上下移動可能に支持された可動部と、前記可動部の変位を静電容量変化に基づき検知するための可動電極及び固定電極とが平面的に交互に並設して成る検知部と、を備え、前記可動部と一体に形成される前記可動電極と、前記可動電極とは分離して形成される前記固定電極を以下の工程を有して形成することを特徴とするものである。
　シリコン基板の裏面の検知部形成領域に凹凸を形成する工程、
　前記シリコン基板の裏面に酸化絶縁層を形成する工程、
　前記シリコン基板を前記支持基板上に接合する工程、
　前記シリコン基板から不要な部分を除去し、このとき前記シリコン基板の裏面に形成された凹部あるいは凸部に対応した位置に前記可動電極あるいは前記固定電極を形成する工程、
　前記可動電極と、前記支持基板との間に位置する酸化絶縁層をエッチングにて除去して前記可動電極を前記可動部とともに上下方向に移動可能にする工程。
　これにより、下面の位置が異なる可動電極及び固定電極を高精度に形成でき、検出精度の高い櫛歯状電極構造の物理量センサを簡単且つ適切に製造できる。
　また本発明では、前記シリコン基板の上面に前記裏面に凸部が形成された位置には凹部を、前記裏面に凹部が形成された位置には凸部を対応させて形成し、その後、前記シリコン基板から不要な部分を除去して前記可動電極及び前記固定電極を形成することが好ましい。これにより、より検出精度に優れた物理量センサを簡単且つ適切に製造できる。
　また本発明では、前記シリコン基板の裏面に熱酸化により前記酸化絶縁層を形成することが好ましい。これにより、酸化絶縁層を凹凸に沿って所定厚に形成でき、シリコン基板を支持基板上に適切に接合することが可能になる。
　また本発明では、高さ方向に平行移動する前記可動部を備え、
　前記シリコン基板の裏面の第１検知部形成領域と、第２検知部形成領域の夫々に凹凸を形成し、
　前記シリコン基板から不要な部分を除去し、このとき前記第１検知部形成領域に形成された凹部（あるいは凸部）と、前記第２検知部形成領域に形成された凹部（あるいは凸部）に対応した位置に、第１検知部の第１可動電極と、第２検知部の第２固定電極を形成し、前記第１検知部形成領域に形成された凸部（あるいは凹部）と、前記第２検知部形成領域に形成された凸部（あるいは凹部）に対応した位置に、第１検知部の第１固定電極と、第２検知部の第２可動電極を形成することが好ましい。可動部が高さ方向に平行移動する構造の検出部を適切且つ容易に形成できる。
　本発明では、可動部が高さ方向に平行移動する構造の物理量センサにおいて、第１検出部と第２検出部とで差動出力を適切に得ることができ、検出精度を高めることが出来る。
　また本発明の物理量センサの製造方法によれば、可動電極及び固定電極が高さ方向にずれた櫛歯状電極構造を簡単且つ適切に形成できる。
　図１（ａ）は本実施形態における加速度センサの平面図、図１（ｂ）は、矢印Ａ方向から見たビーム部の側面図、図１（ｃ）は、高さ方向に加速度が作用して変位したビーム部及び可動部の側面図、図２は、ばね部、ビーム部、及び腕部の一部を示す拡大斜視図、図３は図１（ａ）に示すＢ－Ｂ線に沿って高さ方向に切断した切断面を矢印方向から見た部分断面図、である。
　加速度センサ１は、図３に示すようにＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板２を用いて形成される。ＳＯＩ基板２は、シリコン基板で形成された支持基板３と、シリコン基板で形成されたＳＯＩ層（活性層）５と、支持基板３とＳＯＩ層５の間に位置する例えばＳｉＯ2で形成された酸化絶縁層４の積層構造である。
　図１（ａ）に示すようにＳＯＩ層５には素子部１３が形成される。素子部１３には、可動部（錘）６と、可動部６の変位量を検出するための検出部６１，６２、及び支持部８～１１が形成される。可動部６は支持部８～１１を介してアンカ部２１，２３に支持されている。可動部６や検出部６１，６２の下には図３に示す酸化絶縁層４が形成されておらず支持基板３上に浮いているがアンカ部２１～２４は支持基板３上に酸化絶縁層４を介して固定支持されている。
　図１（ａ）に示す形態では、可動部６は、その最外周面を囲んだ領域Ｃ（図１（ａ）では点線で示す）が矩形状で形成される。可動部６の左右方向（Ｘ１方向、Ｘ２方向）の最外側面６ａ，６ｂの幅中心の位置から可動部６の中心Ｏ方向に向けて窪む凹部７が形成されている。
　そして凹部７の可動部６の中心Ｏ寄りの位置に第１アンカ部２１と第２アンカ部２３が設けられる。
　第１アンカ部２１からはＸ２方向に延びる２本の腕部２５，２６が設けられる。一方、第２アンカ部２３からはＸ１方向に延びる２本の腕部２７，２８が設けられる。図１（ａ）に示すように、第１アンカ部２１から延びる腕部２５，２６の間にはＹ１－Ｙ２方向に所定間隔のスリット４０が形成されている。また同様に、第２アンカ部２３から延びる腕部２７，２８の間にはＹ１－Ｙ２方向に所定間隔のスリット４１が形成されている。
　これら腕部２５～２８は、支持基板３に酸化絶縁層４を介して支持されていてもよいし、酸化絶縁層４が除去されて支持基板３上に浮いていてもよいが、腕部２５～２８は支持基板３上から浮いているほうが、例えば支持基板３が歪んだときにその歪みの影響を小さくでき好適である。
　図１（ａ）、図２に示すように、各腕部２５～２８のアンカ部２１，２３側と反対側の端部には腕部２５～２８の幅寸法Ｗ２よりも細い幅寸法Ｗ１を有するアンカ側ばね部２９が直線的に連設されている。腕部２５～２８はアンカ側ばね部２９よりも高剛性である。
　図２に示すようにアンカ側ばね部２９は、その高さ寸法（厚さ寸法）Ｈ１が、幅寸法Ｗ１に比べて長い形状である。この実施形態では、アンカ側ばね部２９の高さ寸法Ｈ１は腕部２５～２８の高さ寸法Ｈ２と同じである。また、長さ寸法Ｌ２は幅寸法Ｗ１よりも大きい。アンカ側ばね部２９の幅寸法Ｗ１は０．８～２．０μｍ、長さ寸法Ｌ２は、５０～１００μｍ、高さ寸法Ｈ１は１０～３０μｍ程度である。
　図１（ａ）に示すように第１アンカ部２１に設けられた腕部２５には、アンカ側ばね部２９を介して、可動部６の外周面６ｂの外側にて、Ｙ２方向に平行に延びる第１ビーム部３０が連設されている。また図１（ａ）に示すように、第１アンカ部２１に設けられた腕部２６には、アンカ側ばね部２９を介して、可動部６の外周面６ｂの外側にて、Ｙ１方向に平行に延びる第２ビーム部３１が連設されている。また図１（ａ）に示すように第２アンカ部２３に設けられた腕部２７には、アンカ側ばね部２９を介して、可動部６の外周面６ａの外側にて、Ｙ２方向に平行に延びる第３ビーム部３２が連設されている。さらに図１（ａ）に示すように、第２アンカ部２３に設けられた腕部２８には、アンカ側ばね部２９を介して、可動部６の外周面６ａの外側にて、Ｙ１方向に平行に延びる第４ビーム部３３が連設されている。図１（ａ）に示すように、各ビーム部３０～３３の後端部３０ｂ～３３ｂ側がアンカ側ばね部２９に接続される。
　図１（ａ）、図２に示すように各ビーム部３０～３３の幅寸法Ｗ３は、アンカ側ばね部２９の幅寸法Ｗ１よりも大きい。よって各ビーム部３０～３３は、アンカ側ばね部２９よりも高剛性である。
　各ビーム部３０～３３の高さ寸法（厚さ寸法）は、アンカ側ばね部２９の高さ寸法Ｈ１、腕部の高さ寸法Ｈ２と略同一であり、各ビーム部３０～３３は、支持基板３上で浮いている。この実施形態では、図１（ａ）に示すように、各ビーム部３０～３３の長さ寸法Ｌ１は、各ビーム部３０～３３の先端部３０ａ～３３ａが、可動部６の各角とＸ１－Ｘ２方向にてほぼ対向する長さで形成されている。そして、各ビーム部３０～３３の先端部３０ａ～３３ａと可動部６の四つ角近傍間が直線的に延びる可動部側ばね部３４を介して連結されている。可動部側ばね部３４の幅寸法や高さ寸法（厚さ寸法）は、アンカ側ばね部２９の幅寸法Ｗ１及び高さ寸法Ｈ１とほぼ同じである。ビーム部３０～３３の幅寸法Ｗ３は１０～３０μｍ、長さ寸法Ｌ１は、３００～６００μｍ、高さ寸法は１０～３０μｍ程度である。
　このように可動部６と第１アンカ部２１及び第２アンカ部２３の間は、腕部２５～２８、アンカ側ばね部２９、ビーム部３０～３３及び可動部側ばね部３４よりなる支持部８～１１により連結されている。
　アンカ側ばね部２９及び可動部側ばね部３４は、いずれも高さ方向（厚み方向）に撓み難い。よって、図１（ｂ）のように、高さ方向（Ｚ方向）に加速度が作用していない初期状態では、各ビーム部３０～３３はＹ１－Ｙ２方向に平行であり高さ方向に変位していない。
　図１（ｂ）に示す初期状態から例えば加速度に伴う力（慣性力）が可動部６に対して下方向に作用すると、可動部側ばね部３４及びアンカ側ばね部２９は捩れ、図１（ｃ）に示すように、各ビーム部３０～３３の後端部３０ｂ～３３ｂ側を回転中心として、各ビーム部３０～３３の先端部３０ａ～３３ｂが同じ変位量にて下方向に向けて回動変位する。すなわちビーム部３０～３３の先端部３０ａ～３３ａのほうが、後端部３０ｂ～３３ｂよりも下方向に変位する。ビーム部３０～３３の剛性は高いため、ビーム部３０～３３自体が例えば曲がったり捩れたりはほとんどせず、ビーム部３０～３３は直方体形状を保ちながら、ばね部２９，３４の捩れにより高さ方向に変位する。このようにばね部２９，３４の捩れ、及び、各ビーム部３０～３３の先端部３０ａ～３３ａの高さ方向への変位により、可動部６が、支持基板３の上面３ａ（図３参照）と平行な状態を維持しつつ下方向に向けて移動する（高さ方向に平行移動する）。
　図１（ａ）に示すように、可動部６のＹ１－Ｙ２方向に向く最外周面６ｃ，６ｄの幅中心の位置から可動部６の中心Ｏに向けて所定間隔のスリット４３，４４が設けられている。スリット４３，４４よりも内側の可動部には検出部６１，６２を構成する固定電極５７，５８を設置するに必要な大きさの空間１９が設けられている。
　図１（ａ）に示すように、空間１９には、可動部６の中心Ｏ方向に凹む凹部１９ａが形成され、この凹部１９ａ内に、第３アンカ部２２及び第４アンカ部２４が設置される。第３アンカ部２２からは２本の腕部５０，５１（兼固定電極）がＹ２方向に延びている。また、第４アンカ部２４からは２本の腕部５２，５３（兼固定電極）がＹ１方向に延びている。腕部５０，５１間、及び腕部５２，５３間には夫々、Ｘ１－Ｘ２方向に所定間隔のスリット５４，５５が形成されている。腕部５０、５１間及び腕部５２，５３間に形成された各スリット５４，５５は、可動部６に形成されたスリット４３，４４と空間的に連続して可動部６の外側に開放されている。
　図１（ａ）に示すように、第３アンカ部２２から延びる２本の腕部５０，５１から、可動部６に形成された空間１９内にて、夫々Ｘ１方向、及びＸ２方向に延び、Ｘ１－Ｘ２方向に所定の間隔を空けて並設された櫛歯状の第１固定電極５７が形成されている。また図１（ａ）に示すように、第４アンカ部２４から延びる２本の腕部５２，５３から、可動部６に形成された空間１９内にて、夫々Ｘ１方向及びＸ２方向に延び、Ｘ１－Ｘ２方向に所定の間隔を空けて並設された櫛歯状の第２固定電極５８が形成されている。なお櫛歯電極の並びは一例であり、Ｙ１－Ｙ２方向に並設される構造でもよい。
　図１（ａ）に示すように、空間１９内には、第１固定電極５７と交互に且つ間隔を空けて並設された第１可動電極５９が、可動部６と一体的に形成されている。また図１（ａ）に示すように空間１９内には、第２固定電極５８と交互に且つ間隔を空けて並設された第２可動電極６０が、可動部６と一体的に形成されている。
　図１（ａ）に示す第１固定電極５７と第１可動電極５９とで第１検出部６１が構成され、図１（ａ）に示す第２固定電極５８と第２可動電極６０とで第２検出部６２が構成される。
　第１検出部６１と第２検出部６２の具体的構成及び検出原理を以下で説明する。
　図４、図５、及び図６では、いずれも可動電極５９、６０及び固定電極５７、８を高さ方向（膜厚方向）から切断した断面形状で示しているが、可動電極と固定電極を区別しやすいように可動電極５９，６０のみを斜線で示している。
　図４に示す実施形態では、初期状態（加速度が作用していない状態）では、第１可動電極５９、第１固定電極５７、第２可動電極６０、第２固定電極５８の下面は同位置（点線で示す基準位置）である。また第１可動電極５９と第２固定電極５８は同じ高さで形成され、第１可動電極５９の上面と第２固定電極５８の上面とは同位置である。一方、第１固定電極５７と第２可動電極６０は共に同じ高さで形成されるが、上面が第１可動電極５９及び第２固定電極５８よりも低い位置にある。
　図４（ａ）に示すように、可動電極５９、６０が下方向に移動すると、第１検出部６１では、第１可動電極５９と第１固定電極５７との対向面積は変化しないため、静電容量は変化しない。一方、第２検出部６２では、第２可動電極６０と第２固定電極５８との対向面積が減少するため、静電容量が減少する。
　次に、図４（ｂ）に示すように、可動電極５９、６０が上方向に移動すると、第１検出部６１では、第１可動電極５９と第１固定電極５７との対向面積は減少するため、静電容量は減少する。一方、第２検出部６２では、第２可動電極６０と第２固定電極５８との対向面積が変化しないため、静電容量は変化しない。
　図５に示す他の実施形態では、初期状態（加速度が作用していない状態）では、第１可動電極５９、第１固定電極５７、第２可動電極６０、第２固定電極５８の上面は同位置（点線で示す基準位置）である。また第１可動電極５９と第２固定電極５８は同じ高さで形成され、第１可動電極５９の下面と第２固定電極５８の下面とは同位置である。一方、第１固定電極５７と第２可動電極６０は共に同じ高さで形成されるが、下面が第１可動電極５９及び第２固定電極５８よりも高い位置にある。
　図５（ａ）に示すように、可動電極５９、６０が下方向に移動すると、第１検出部６１では、第１可動電極５９と第１固定電極５７との対向面積は減少するため、静電容量は減少する。一方、第２検出部６２では、第２可動電極６０と第２固定電極５８との対向面積は変化しないため、静電容量は変化しない。
　次に、図５（ｂ）に示すように、可動電極５９、６０が上方向に移動すると、第１検出部６１では、第１可動電極５９と第１固定電極５７との対向面積は変化しないため、静電容量は変化しない。一方、第２検出部６２では、第２可動電極６０と第２固定電極５８との対向面積が減少するため、静電容量は減少する。
　次に図６に示す実施形態では、第１可動電極５９、第１固定電極５７、第２可動電極６０及び第２固定電極５８は全て同じ高さ寸法（厚さ寸法）で形成される。図６（ａ）（ｂ）に示すように、初期状態では、第１可動電極５９の上面と第２固定電極５８の上面が同位置にあり、第２可動電極６０の上面と第１固定電極５７の上面とが同位置で且つ第１可動電極５９及び第２固定電極５８に対して低い位置にずれて配置されている。
　図６（ａ）に示すように、可動電極５９、６０が下方向に移動すると、第１検出部６１では、第１可動電極５９と第１固定電極５７との対向面積は増大するため、静電容量は増大する。一方、第２検出部６２では、第２可動電極６０と第２固定電極５８との対向面積は減少するため、静電容量は減少する。
　次に、図６（ｂ）に示すように、可動電極５９、６０が上方向に移動すると、第１検出部６１では、第１可動電極５９と第１固定電極５７との対向面積は減少するため、静電容量は減少する。一方、第２検出部６２では、第２可動電極６０と第２固定電極５８との対向面積が増大するため、静電容量は増大する。
　固定電極５７、５８の電位、及び可動電極５９、６０の電位は、第１アンカ部２１、第３アンカ部２２及び第４アンカ部２４との接続位置から引き出された配線層７０，７１，７２（図１（ａ）参照）を介して夫々取り出され、第１検出部６１及び第２検出部６２の静電容量の差動出力を得ることが出来る。この差動出力に基づき、可動部６の移動距離及び移動方向を知ることができる。
　図１（ａ）に示すように、配線層７０は、第１アンカ部２１から延びる２本の腕部２５，２６間のスリット４０を通って素子部１３の外側に引き出されている。この実施形態では、図３に示すように配線層７０は、第１アンカ部２１との接続位置から酸化絶縁層４上に形成されている。
　また図１（ａ）に示すように、配線層７１は、第３アンカ部２２から延びる２本の腕部５０，５１間のスリット５４及び可動部６に形成されたスリット４４を通って素子部１３の外側に引き出されている。この配線層７１も配線層７０と同様にアンカ部との接続位置から例えば酸化絶縁層４上に引き出し形成される。
　また図１（ａ）に示すように、配線層７２は、第４アンカ部２４から延びる２本の腕部５２，５３間のスリット５５及び可動部６に形成されたスリット４３を通って素子部１３の外側に引き出されている。この配線層７２も配線層７０と同様にアンカ部との接続位置から例えば酸化絶縁層４上に引き出し形成される。
　また各配線層７０～７２の下にはスリット内にＳＯＩ層が残されたリブ部が形成され、このリブ部上に配線層７０～７２が形成される構成でもよい。このようにリブ部を設けることで電気的に安定して配線層７０～７２を形成できる。
　次に、図７を用いて、可動電極及び固定電極の製造方法を説明する。図７は、図６のうち第１検出部６１の製造方法を示している。
　図７（ａ）に示す工程では、ＳＯＩ層（シリコン基板）５の裏面の第１検出部形成領域に凹凸部８０を形成する。凹凸部８０はエッチングにて形成できる。また、ＳＯＩ層５の裏面には、凹凸状のアライメントキー８１も形成する。
　次に、ＳＯＩ層５の裏面に熱酸化により酸化絶縁層（ＳｉＯ2層）４を形成する。なお、酸化絶縁層４をスパッタ法やＣＶＤ等で形成してもよいが、ＳＯＩ層５の裏面を凹部の部分を除いてきれいな平坦面とするには、熱酸化により酸化絶縁層４を形成するのが好適である。
　次に、図７（ｂ）に示す工程では、ＳＯＩ層５を酸化絶縁層４を介して支持基板３上に接合する。接合の方法として熱圧着や常温接合等を用いることが出来る。
　図７（ｂ）に示す工程では、必要に応じて、ＳＯＩ層５の表面をＣＭＧ、あるいはＣＭＰ、又は、ＣＭＧ及びＣＭＰを施してＳＯＩ層５を所定膜厚に調整する。
　次に、図７（ｃ）に示す工程では、アライメントキー８１上に位置するＳＯＩ層５をエッチング等で除去して酸化絶縁層４からなる凹凸状のアライメントキー８１を露出させる。
　続いて、図７（ｄ）に示す工程では、ＳＯＩ層５の上面に凹凸部８２を形成する。凹凸部８２をエッチングにて形成する。図７（ｄ）に示すように、ＳＯＩ層の下面に形成された凸部８３と厚さ方向にて対向するＳＯＩ層５の上面位置に凹部８５を形成し、ＳＯＩ層の下面に形成された凹部８４と厚さ方向にて対向するＳＯＩ層５の上面位置に凸部８６を形成する。ＳＯＩ層５の上面に形成された凹凸部８２の形成位置は、ＳＯＩ層５から露出しているアライメントキー８１に基づき高精度に調整できる。
　次に、図７（ｅ）に示す工程では、凹凸間の不要なＳＯＩ層５をディープＲＩＥ（Deep　RIE）を用いて除去し、凹凸部８２，８０に対応する位置のＳＯＩ層４の一部を残して、第１可動電極５９及び第１固定電極５７を形成する。またこの工程では、ＳＯＩ層５から図１（ａ）に示す可動部６、アンカ部２１～２４、支持部８～１１を残し、それ以外の不要なＳＯＩ層５を除去する。
　そして図７（ｆ）の工程では、第１検出部６１と支持基板３との間にある酸化絶縁層４を、ウエットエッチングやドライエッチングによる等方性エッチング工程にて除去する。なおこの工程では、可動部６の下にある酸化絶縁層４も除去される必要があるので、可動部６には酸化絶縁層４にまで通じる多数の微細孔を形成しておき、微細孔を介して可動部６下の酸化絶縁層４も等方性エッチングで除去されるようにしておくことが好ましい。またこの工程では、アンカ部２１～２４の下にある酸化絶縁層４は残され、アンカ部２１～２４は支持基板３上に固定支持された状態を保っている。
　上記では、図６に示す第１検出部６１の製造方法について説明したが、図６に示す第２検出部６２は、図７（ｅ）の工程で、第２検出部６２の第２可動電極６０が符号５７に相当する層、第２固定電極５８が符号５９に相当する層となるように形成すればよい。
　また、図４及び図５に示す第１検出部６１及び第２検出部６２の形成も図７に示す製造工程に準じて行うが、図４に示す第１検出部６１及び第２検出部６２の製造工程では、図７（ａ）に示す凹凸部８０の形成を必要としない。また図　５に示す第１検出部６１及び第２検出部６２の製造工程では、図７（ｄ）に示す凹凸部８２の形成を必要としない。
　本実施形態の特徴的部分について説明する。本実施形態では、初期状態（加速度が作用していない状態）では、第１検出部６１を構成する第１可動電極５９と第１固定電極５７の上面あるいは下面の少なくとも一方が高さ方向にずれて配置され、第２検出部６２を構成する第２可動電極６０と第２固定電極５８の上面あるいは下面の少なくとも一方が高さ方向にずれて配置されている。また、第１検出部６１を構成する第１固定電極５７に対する第１可動電極５９のずれ方向と、第２検出部６２を構成する第２固定電極５８に対する第２可動電極６０のずれ方向とが反対方向となっている。
　これにより可動部６が高さ方向（Ｚ方向）に平行移動する構造において、第１検出部６１と第２検出部６２とで差動出力を適切に得ることができ、検出精度を高めることが出来る。
　ところで、第１検出部６１を構成する第１可動電極５９、第１固定電極５７及び第２検出部６２を構成する第２可動電極６０、第２固定電極５８は同じＳＯＩ層５から形成されたものである。すなわち限られた膜厚のＳＯＩ層５に第１検出部６１と第２検出部６２を形成して差動出力を得るようにするには、各検出部６１，６２を構成する可動電極及び固定電極の高さ寸法（膜厚）及び配置が極めて重要である。また可動電極及び固定電極をできる限り簡単な製造方法で且つ高精度に形成できるようにしなければならない。
　図４、図５、図６は、いずれも第１可動電極５９と第２固定電極５８とが同じ高さ寸法（膜厚）及び配置関係にあり、第２可動電極６０と第１固定電極５７とが同じ高さ寸法（膜厚）及び配置関係にある。そして第１可動電極５９及び第２固定電極５８に対して、第２可動電極６０及び第１固定電極５７は高さ方向にずれた配置となっている。例えば第１可動電極、固定電極、第２可動電極の順に上面及び下面が段々とずれる配置では、限られたＳＯＩ層５の中で複数段を高精度に形成することが困難であり、また工程プロセスが複雑になる。しかも可動部６の変位を差動出力で検知するために固定電極に対する第１可動電極のずれ量と、固定電極に対する第２可動電極のずれ量の双方を、可動部の変位中、可動電極と固定電極との間で対向面積が確保され且つ変動するように考慮しなければならない。一方、本実施形態では、基本的に可動電極及び固定電極における上面及び下面の段差は一段しかなく、このような電極配置とすることで、可動電極５９，６０の可動可能範囲を大きくでき、すなわち可動部６の変位量を大きくしても適切に変位検知を行うことができ、検出精度を向上させることができる。
　また図６に示す実施形態では、第１検出部６１の静電容量が増大（あるいは減少）したとき、第２検出部６２の静電容量は減少（あるいは増大）するので、差動出力を図４、図５に示す構成に比べて大きくできる。
　また図７に示す製造方法を用いることで、少なくとも下面の位置が異なる可動電極及び固定電極を高精度に簡単なプロセスで形成でき、検出精度の高いＺ軸検知型センサを適切に製造できる。
　また図１（ａ）に示すようにアンカ部２１～２４の全ては可動部６の最外周を囲んだ領域Ｃよりも内側に位置している。これにより、例えば応力の影響を受けて支持基板３が変形しても、各アンカ部２１～２４から可動部６や検出部等の各素子部分に伝播される歪みの影響を小さくできる。よって歪みによる可動電極５９，６０と固定電極５７，５８との相対位置の変化を小さくでき検出精度を向上させることができる。
　特に、素子部１３を構成する可動部６下や可動電極下のみならず固定電極や支持部８～１１を構成する腕部２５～２８、５０～５３の下にも絶縁層がなく支持基板３上から浮いていることがより効果的に検出精度を向上させる上で好適である。
　図７に示す製造方法は、可動部６が高さ方向に平行移動する構造以外のものにも適用できる。ただし、可動部６が高さ方向に平行移動する構造であって、図７の製造方法を使用することで、第１検出部６１を構成する第１固定電極５７に対する第１可動電極５９のずれ方向と、第２検出部６２を構成する第２固定電極５８に対する第２可動電極６０のずれ方向とを反対方向とした構造を適切且つ容易に製造することができる。
　上記した本実施形態の加速度センサはＺ軸検知の１軸型であったが、Ｘ軸検知あるいはＹ軸検知のセンサ部も設けて、２軸型あるいは３軸型の加速度センサとすることも出来る。
　本実施形態は加速度センサのみならず角速度センサ等にも適用可能である。
図１（ａ）は本実施形態における加速度センサの平面図、図１（ｂ）は、矢印Ａ方向から見たビーム部の側面図、図１（ｃ）は、高さ方向に加速度が作用して変位したビーム部及び可動部の側面図、 ばね部、ビーム部、及び腕部の一部を示す拡大斜視図、 図１（ａ）に示すＢ－Ｂ線に沿って高さ方向に切断した切断面を矢印方向から見た部分断面図、 第１実施形態における櫛歯状構造の可動電極と固定電極を高さ方向から切断した断面図であり、（ａ）は初期状態と、初期状態から可動部が下方向に移動したときの図、（ｂ）は初期状態と、初期状態から可動部が上方向に移動したときの図、 第２実施形態における櫛歯状構造の可動電極と固定電極を高さ方向から切断した断面図であり、（ａ）は初期状態と、初期状態から可動部が下方向に移動したときの図、（ｂ）は初期状態と、初期状態から可動部が上方向に移動したときの図、 第３実施形態における櫛歯状構造の可動電極と固定電極を高さ方向から切断した断面図であり、（ａ）は初期状態と、初期状態から可動部が下方向に移動したときの図、（ｂ）は初期状態と、初期状態から可動部が上方向に移動したときの図、 図６の第１検出部６１の形成方法を示す断面図、
符号の説明
１　加速度センサ
２　ＳＯＩ基板
３　支持基板
４　酸化絶縁層
５　ＳＯＩ層（シリコン基板）
６　可動部
８～１１　支持部
１３　素子部
２１～２４　アンカ部
２９　アンカ側ばね部
３０～３３ビーム部
３４　可動部側ばね部
４０、４３、４４、５４、５５　スリット
５７、５８　固定電極
５９、６０　可動電極
６１　第１検出部
６２　第２検出部
７０～７２　配線層

Claims (9)

  1. 　支持基板と、前記支持基板の上方に位置し高さ方向に平行移動可能に支持された可動部と、前記可動部の変位を静電容量変化に基づき検知するための第１検知部及び第２検出部と、を有しており、
    　前記第１検出部及び第２検出部は共に平面的に交互に並設された可動電極と固定電極とで構成され、前記可動電極は前記可動部に一体に形成され、前記固定電極は前記可動電極とは分離して形成されており、
    　初期状態では前記可動電極及び前記固定電極の上面あるいは下面の少なくとも一方が高さ方向にずれて配置されており、前記第１検出部を構成する第１固定電極に対する第１可動電極のずれ方向と、前記第２検出部を構成する第２固定電極に対する第２可動電極のずれ方向とが反対方向となっていることを特徴とする物理量センサ。
  2. 　初期状態では、前記第１可動電極、前記第１固定電極、前記第２可動電極及び前記第２固定電極の下面は同位置であり、前記第１可動電極と第２固定電極は同じ高さで形成され、一方、前記第１固定電極と前記第２可動電極は、共に同じ高さで且つ前記第１可動電極及び前記第２固定電極と異なる高さで形成されている請求項１記載の物理量センサ。
  3. 　初期状態では、前記第１可動電極、前記第１固定電極、前記第２可動電極及び前記第２固定電極の上面は同位置であり、前記第１可動電極と第２固定電極は同じ高さで形成され、一方、前記第１固定電極と前記第２可動電極は、共に同じ高さで且つ前記第１可動電極及び前記第２固定電極と異なる高さで形成されている請求項１記載の物理量センサ。
  4. 　前記第１可動電極、前記第１固定電極、前記第２可動電極及び前記第２固定電極は全て同じ高さ寸法で形成され、初期状態では、前記第１可動電極の上面と前記第２固定電極の上面が同位置にあり、第２可動電極の上面と前記第１固定電極の上面とが同位置で且つ前記第１可動電極及び第２固定電極に対して高さ方向にずれて配置されている請求項１記載の物理量センサ。
  5. 　前記可動部及び前記検出部を支持する前記支持基板上に固定されたアンカ部が設けられており、前記アンカ部は、前記可動部の最外周を囲んだ領域よりも内側に位置している請求項１ないし４のいずれかに記載の物理量センサ。
  6. 　支持基板と、前記支持基板の上方に位置し上下移動可能に支持された可動部と、前記可動部の変位を静電容量変化に基づき検知するための可動電極及び固定電極とが平面的に交互に並設して成る検知部と、を備え、前記可動部と一体に形成される前記可動電極と、前記可動電極とは分離して形成される前記固定電極を以下の工程を有して形成することを特徴とする物理量センサの製造方法。
    　シリコン基板の裏面の検知部形成領域に凹凸を形成する工程、
    　前記シリコン基板の裏面に酸化絶縁層を形成する工程、
    　前記シリコン基板を前記支持基板上に接合する工程、
    　前記シリコン基板から不要な部分を除去し、このとき前記シリコン基板の裏面に形成された凹部あるいは凸部に対応した位置に前記可動　電極あるいは前記固定電極を形成する工程、
    　前記可動電極と、前記支持基板との間に位置する酸化絶縁層をエッチングにて除去して前記可動電極を前記可動部とともに上下方向に移動可能にする工程。
  7. 　前記シリコン基板の上面に前記裏面に凸部が形成された位置には凹部を、前記裏面に凹部が形成された位置には凸部を対応させて形成し、その後、前記シリコン基板から不要な部分を除去して前記可動電極及び前記固定電極を形成する請求項６記載の物理量センサの製造方法。
  8. 　前記シリコン基板の裏面に熱酸化により前記酸化絶縁層を形成する請求項６又は７に記載の物理量センサの製造方法。
  9. 　高さ方向に平行移動する前記可動部を備え、
    　前記シリコン基板の裏面の第１検知部形成領域と、第２検知部形成領域の夫々に凹凸を形成し、
    　前記シリコン基板から不要な部分を除去し、このとき前記第１検知部形成領域に形成された凹部（あるいは凸部）と、前記第２検知部形成領域に形成された凹部（あるいは凸部）に対応した位置に、第１検知部の第１可動電極と、第２検知部の第２固定電極を形成し、前記第１検知部形成領域に形成された凸部（あるいは凹部）と、前記第２検知部形成領域に形成された凸部（あるいは凹部）に対応した位置に、第１検知部の第１固定電極と、第２検知部の第２可動電極を形成する請求項６ないし８のいずれかに記載の物理量センサの製造方法。
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