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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-10-27
(45)【発行日】2022-11-07
(54)【発明の名称】ＭＥＭＳ構造体
(51)【国際特許分類】
G01C 19/5769 20120101AFI20221028BHJP
G01P 15/125 20060101ALI20221028BHJP
G01P 15/08 20060101ALI20221028BHJP
G01C 19/5755 20120101ALI20221028BHJP
H01L 29/84 20060101ALI20221028BHJP
B81B 3/00 20060101ALI20221028BHJP
【ＦＩ】
G01C19/5769
G01P15/125 Z
G01P15/08 102D
G01C19/5755
H01L29/84 Z
B81B3/00
【請求項の数】
5
(21)【出願番号】P 2019201706
(22)【出願日】2019-11-06
(65)【公開番号】P2021076424
(43)【公開日】2021-05-20
【審査請求日】2021-09-10
(73)【特許権者】
【識別番号】000003609
【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所
(73)【特許権者】
【識別番号】000004260
【氏名又は名称】株式会社デンソー
(74)【代理人】
【識別番号】110000110
【氏名又は名称】弁理士法人 快友国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】藤塚 徳夫
(72)【発明者】
【氏名】藤吉 基弘
(72)【発明者】
【氏名】島岡 敬一
(72)【発明者】
【氏名】明石 照久
(72)【発明者】
【氏名】船橋 博文
(72)【発明者】
【氏名】畑 良幸
(72)【発明者】
【氏名】後藤 勝昭
(72)【発明者】
【氏名】原田 翔太
【審査官】山▲崎▼ 和子
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１５－１２１５５１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００８－１８５３８５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１５－２２４９３０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００４－２９４２３０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００４－００３８８６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平１１－２８１６６７（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｃ １９／００－１９／７２
Ｂ８１Ｂ １／００－７／０４
Ｂ８１Ｃ １／００－９９／００
Ｇ０１Ｐ １５／００－１５／１８
Ｈ０１Ｌ ２９／８４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
平板部と、前記平板部の表面に形成されているＭＥＭＳセンサと、
前記平板部を垂直上方からみたときに前記平板部の周囲を取り囲むように配置されている支持枠体と、
前記平板部の外周部の全周と前記支持枠体の内周部の全周とを接続するメンブレン形状の支持部であって、前記平板部または前記ＭＥＭＳセンサを構成している材料と同一材料で構成されており、前記平板部を空中に支持する前記支持部と、
前記支持枠体の上部を塞ぐキャップ部であって、前記平板部の表面と前記キャップ部の底面との間に第１の空間を形成する前記キャップ部と、
を備え、
前記第１の空間の気密性が保たれている、ＭＥＭＳ構造体であって、
前記支持枠体、前記平板部、前記支持部、前記ＭＥＭＳセンサは、積層体によって形成されており、
前記積層体は、半導体を材料とする支持基板層と、前記支持基板層の表面に接する絶縁層と、前記絶縁層の表面に接しており半導体を材料としており前記支持基板層よりも薄い表面層と、を備えており、
前記支持部は、前記平板部の外周に沿って配置された未貫通のトレンチによって形成されており、
前記支持枠体および前記平板部は、前記トレンチによって分離された前記支持基板層で形成されており、
前記ＭＥＭＳセンサは、前記表面層で形成されている、ＭＥＭＳ構造体。
【請求項2】
前記表面層で形成されているストッパ部であって、前記平板部を垂直上方からみたときに前記平板部と前記支持枠体の境界をまたぐように前記平板部の領域内および前記支持枠体の領域内に配置されている前記ストッパ部をさらに備えており、前記ストッパ部の底面は、前記平板部の表面または前記支持部の上面の一方にのみ固定されている、請求項１に記載のＭＥＭＳ構造体。
【請求項3】
前記第１の空間と、前記支持部の下方側の空間との間に圧力差が存在しており、前記圧力差によって前記支持部の少なくとも一部が座屈している、請求項１または２に記載のＭＥＭＳ構造体。
【請求項4】
前記支持部は、前記メンブレン形状の一部の厚さが薄くなった形状を有している、請求項１～３の何れか１項に記載のＭＥＭＳ構造体。
【請求項5】
前記キャップ部の下面に配置されており、前記平板部の表面と対向している第１突起部をさらに備え、前記第１突起部は、前記平板部を垂直上方からみたときに前記平板部が配置されている領域内に配置されている、請求項１～４の何れか１項に記載のＭＥＭＳ構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本明細書は、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）構造体に関する。
【背景技術】
【0002】
支持基板と、支持基板に対して相対的に変位可能な変位部とを備えるＭＥＭＳ構造体が知られている。変位部は、梁状部材等によって、支持基板と離間した状態で支持されており、梁状部材が変形することによって、支持基板に対して変位することができる。このようなＭＥＭＳ構造体は、例えば、加速度、角速度等の慣性力等の物理量を検知するためのセンサとして応用されている。特許文献１には、加速度センサとして用いられるＭＥＭＳ構造体の一例が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２０１５－２２４９３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ＭＥＭＳ構造体に作用する熱応力がＭＥＭＳセンサまで伝達してしまうと、ゼロ点出力が変動するなどの悪影響がＭＥＭＳセンサに発生してしまう。またＭＥＭＳセンサは、高いＱ値を実現する等のために、気密が保たれた空間（例：一定圧力中や真空中など）で動作させる必要がある。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本明細書が開示するＭＥＭＳ構造体の一実施形態は、平板部と、ＭＥＭＳセンサと、支持枠体と、支持部と、キャップ部と、基板と、を備えるＭＥＭＳ構造体である。ＭＥＭＳセンサは、平板部の表面に形成されている。支持枠体は、平板部を垂直上方からみたときに平板部の周囲を取り囲むように配置されている。支持部は、平板部の外周部と支持枠体の内周部との一部を接続する梁形状の支持部である。支持部は、平板部またはＭＥＭＳセンサを構成している材料と同一材料で構成されており、平板部を空中に支持する。キャップ部は、支持枠体の上部を塞ぐ。キャップ部は、平板部の表面とキャップ部の底面との間に第１の空間を形成する。基板は、支持枠体の下部を塞ぐ。基板は、平板部の底面と基板の表面との間に第２の空間を形成する。第１の空間および第２の空間の気密性が保たれている。
【0006】
支持部によって平板部を空中に支持することで、平板部が支持枠体と同様に変位してしまうことを抑制できる。よって、ＭＥＭＳ構造体に熱応力が作用した場合においても、平板部表面のＭＥＭＳセンサに熱応力が伝わることを抑制できる。また、支持枠体の上部を塞ぐキャップ部によって第１の空間を形成し、支持枠体の下部を塞ぐ基板によって第２の空間を形成することができる。第１の空間および第２の空間の気密性を保つことができる。熱応力の緩和機能と気密保持機能とを両立することが可能となる。
【0007】
支持枠体、平板部、支持部、ＭＥＭＳセンサは、積層体によって形成されていてもよい。積層体は、半導体を材料とする支持基板層と、支持基板層の表面に接する絶縁層と、絶縁層の表面に接しており半導体を材料としており支持基板層よりも薄い表面層と、を備えていてもよい。支持枠体および平板部は、支持基板層で形成されていてもよい。支持枠体と平板部とは、平板部の外周に沿って配置された支持基板層を貫通するトレンチによって分離されていてもよい。支持部およびＭＥＭＳセンサは、表面層で形成されていてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。
【0008】
支持基板層で形成されている支持枠体の厚さは、支持基板層で形成されている平板部の厚さよりも厚くてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。
【0009】
表面層で形成されているストッパ部であって、平板部を垂直上方からみたときに平板部と支持枠体の境界をまたぐように平板部の領域内および支持枠体の領域内に配置されているストッパ部をさらに備えていてもよい。ストッパ部の底面は、平板部の表面または支持部の上面の一方にのみ固定されていてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。
【0010】
キャップ部の下面に配置されており、平板部の表面と対向している第１突起部をさらに備えていてもよい。第１突起部は、平板部を垂直上方からみたときに平板部が配置されている領域内に配置されていてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。
【0011】
基板の表面に配置されており平板部の底面と対向している第２突起部をさらに備えていてもよい。第２突起部は、平板部を垂直上方からみたときに平板部が配置されている領域内に配置されていてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。
【0012】
基板の表面に形成されており平板部の底面と対向している窪み部をさらに備えていてもよい。窪み部は、平板部を垂直上方からみたときに平板部が配置されている領域内に形成されていてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。
【0013】
本明細書が開示するＭＥＭＳ構造体の一実施形態は、平板部と、ＭＥＭＳセンサと、支持枠体と、支持部と、キャップ部と、を備えるＭＥＭＳ構造体である。ＭＥＭＳセンサは、平板部の表面に形成されている。支持枠体は、平板部を垂直上方からみたときに平板部の周囲を取り囲むように配置されている。支持部は、平板部の外周部の全周と支持枠体の内周部の全周とを接続するメンブレン形状の支持部である。支持部は、平板部またはＭＥＭＳセンサを構成している材料と同一材料で構成されており、平板部を空中に支持する。キャップ部は、支持枠体の上部を塞ぐ。キャップ部は、平板部の表面とキャップ部の底面との間に第１の空間を形成する。第１の空間の気密性が保たれている。効果の詳細は実施例で説明する。
【0014】
支持枠体、平板部、支持部、ＭＥＭＳセンサは、積層体によって形成されていてもよい。積層体は、半導体を材料とする支持基板層と、支持基板層の表面に接する絶縁層と、絶縁層の表面に接しており半導体を材料としており支持基板層よりも薄い表面層と、を備えていてもよい。支持部は、平板部の外周に沿って配置された未貫通のトレンチによって形成されていてもよい。支持枠体および平板部は、トレンチによって分離された支持基板層で形成されていてもよい。ＭＥＭＳセンサは、表面層で形成されていてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。
【0015】
表面層で形成されているストッパ部であって、平板部を垂直上方からみたときに平板部と支持枠体の境界をまたぐように平板部の領域内および支持枠体の領域内に配置されているストッパ部をさらに備えていてもよい。ストッパ部の底面は、平板部の表面または支持部の上面の一方にのみ固定されていてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。
【0016】
第１の空間と、支持部の下方側の空間との間に圧力差が存在していてもよい。圧力差によって支持部の少なくとも一部が座屈していてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。
【0017】
支持部は、メンブレン形状の一部の厚さが薄くなった形状を有していてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。
【0018】
キャップ部の下面に配置されており、平板部の表面と対向している第１突起部をさらに備えていてもよい。第１突起部は、平板部を垂直上方からみたときに平板部が配置されている領域内に配置されていてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【図1】実施例１のＭＥＭＳ構造体の概略平面図である。
【図5】ＭＥＭＳ構造体１の製造工程を説明する図である。
【図6】実施例２に係るＭＥＭＳ構造体の概略平面図である。
【図8】メンブレン部の製造工程を説明する図である。
【図9】メンブレン部の製造工程を説明する図である。
【図10】実施例３に係るＭＥＭＳ構造体の概略平面図である。
【図12】変形例のＭＥＭＳ構造体の概略断面図である。
【図13】変形例のＭＥＭＳ構造体の概略断面図である。
【図14】変形例のＭＥＭＳ構造体の概略断面図である。
【図15】変形例のＭＥＭＳ構造体の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例1】
【0020】
図１に、実施例１に係るＭＥＭＳ構造体１の平面図を示す。図１は、分かりやすさのために、キャップ部を除去した状態を示している。また、支持基板層ＢＬ（図２～図４参照）をグレーの塗りつぶしで示すとともに、表面層ＳＬをハッチングで示している。図２は、図１のII－II線における断面図である。図３は、図１のIII－III線における断面図である。図４は、図１のIV－IV線における断面図である。
【0021】
ＭＥＭＳ構造体１は、平板部１０、ＭＥＭＳセンサ２０、支持枠体３０、支持梁４１～４４、アンカー部４５、キャップ部５０、基板６０、配線部７１および７２、電源パッド部７３および７４、パッド電極８１および８２、貫通電極８４、突起パッド部９１～９４を備えている。
【0022】
図２の断面図に示すように、ＭＥＭＳ構造体１のうち、キャップ部５０および基板６０以外の構造は、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）ウェハを材料として形成されている。ＳＯＩウェハは、ｚ軸の負方向から正方向に向かってこの順序で積層された、支持基板層ＢＬ、絶縁層ＩＬ、表面層ＳＬ、を備えた積層体である。支持基板層ＢＬおよび表面層ＳＬの材料はシリコンである。支持基板層ＢＬは、表面層ＳＬと比較して積層方向の厚さが厚い。絶縁層ＩＬは、シリコン酸化物であり、支持基板層ＢＬおよび表面層ＳＬよりも薄い。図２を用いて具体的に説明する。支持枠体３０および平板部１０は、支持基板層ＢＬで形成されている。支持梁４１および４２、ＭＥＭＳセンサ２０、突起パッド部９１および９２は、表面層ＳＬで形成されている。
【0023】
支持枠体３０は、平板部１０を垂直上方（ｚ軸正方向）からみたときに平板部１０の周囲を取り囲むように配置されている。支持枠体３０と平板部１０とは、支持基板層ＢＬを貫通するトレンチＴＬ１によって分離されている。
【0024】
支持梁４１～４４は、平板部１０の外周部の四隅部分と、支持枠体３０の内周部の四隅部分とを接続する、梁形状の支持部である。支持梁４１～４４は、平板部１０を空中に支持している。図２を用いて、支持梁４１の構造を説明する。支持梁４１は、梁部４１ｂ、アンカー部４１ａおよび４５を備えている。梁部４１ｂ、アンカー部４１ａおよび４５は、ＭＥＭＳセンサ２０を構成している材料（表面層ＳＬ）と同一材料で構成されている。アンカー部４１ａは、絶縁層４１ｃによって平板部１０の表面に固定されている。アンカー部４５は、絶縁層４５ｃによって支持枠体３０の表面に固定されている。絶縁層４１ｃおよび４５ｃは、ＳＯＩウェハの絶縁層ＩＬで形成された層である。支持梁４１の両端は、アンカー部４１ａおよび４５に接続されている。なお、支持梁４２～４４の構造は、支持梁４１と同様であるため、説明を省略する。
【0025】
図２～図４の断面図に示すように、キャップ部５０は、支持枠体３０の上部を塞いでいる。平板部１０の表面とキャップ部５０の底面との間に、第１の空間ＳＰ１が形成されている。また基板６０は、支持枠体３０の下部を塞いでいる。平板部１０の底面と基板６０の表面との間に、第２の空間ＳＰ２が形成されている。キャップ部５０および基板６０により、第１の空間ＳＰ１および第２の空間ＳＰ２の気密性が保たれている。
【0026】
キャップ部５０の下面には、窪み部５３が形成されている（図２参照）。窪み部５３は、平板部１０を垂直上方（ｚ軸の正方向）からみたときに、平板部１０が配置されている領域を含むように形成されている。これにより、キャップ部５０の裏面とＭＥＭＳセンサ２０とのクリアランスＣＬ１を確保することができる。
【0027】
窪み部５３の一部には、第１突起部５１～５４が配置されている。なお図２では、第１突起部５１および５２のみが図示されている。第１突起部５１～５４は、平板部１０を垂直上方からみたときに、平板部１０が配置されている領域内に配置されている。具体的には、第１突起部５１～５４の各々は、突起パッド部９１～９４の各々と対向する位置に配置されている。
【0028】
基板６０の表面には、窪み部６３が形成されている（図２参照）。窪み部６３は、平板部１０を垂直上方からみたときに、平板部１０が配置されている領域を含むように形成されている。これにより、平板部１０の裏面と基板６０表面とのクリアランスＣＬ２を確保することができる。
【0029】
窪み部６３の一部には、第２突起部６１および６２が配置されている。第２突起部６１および６２は、平板部１０の底面と対向するように配置されている。すなわち第２突起部６１および６２は、平板部１０を垂直上方からみたときに、平板部１０が配置されている領域内に配置されている。
【0030】
第１突起部５１～５４および突起パッド部９１～９４により、平板部１０の上方側（ｚ軸の正方向側）への変位を抑制することができる。同様に、第２突起部６１および６２により、平板部１０の下方側（ｚ軸の負方向側）への変位を抑制することができる。よって例えば、熱応力が印加されて平板部１０が上方側や下方側に変位した場合においても、平板部１０がキャップ部５０や基板６０に固着してしまうことがない。また例えば、過度の衝撃が印加された場合（例：ＭＥＭＳ構造体１を搭載した車両が段差を乗り越える場合など）においても、平板部１０の変位量を所定量以下に規制できるため、支持梁４１～４４が損傷してしまうことがない。
【0031】
平板部１０の表面には、ＭＥＭＳセンサ２０が形成されている（図１参照）。本実施例では、ＭＥＭＳセンサ２０は角速度センサである。ＭＥＭＳセンサ２０は、本技術の説明のために簡略化して示している。ＭＥＭＳセンサ２０は、アンカー部２１ａ～２４ａ、梁部２１ｂ～２４ｂ、変位部２５、櫛歯電極２６、固定電極２７、を備えている。変位部２５は、矩形形状であり、平板部１０の略中央位置に配置されている。アンカー部２１ａ～２４ａは、変位部２５の四隅に配置されている。梁部２１ｂ～２４ｂは、変位部２５の外周部の四隅部分と、アンカー部２１ａ～２４ａとを接続する、梁形状の支持部である。図３に示すように、アンカー部２１ａおよび２２ａは、絶縁層２１ｃおよび２２ｃを介して平板部１０の表面に固定されている。絶縁層２１ｃおよび２２ｃは、ＳＯＩウェハの絶縁層ＩＬで形成された層である。一方、梁部２１ｂおよび２２ｂ、変位部２５、櫛歯電極２６の下面には、絶縁層が存在しない。これにより、梁部２１ｂおよび２２ｂによって、変位部２５が空中に支持されている。なお、アンカー部２３ａ、２４ａおよび梁部２３ｂ、２４ｂの構造は、アンカー部２１ａ、２２ａおよび梁部２１ｂ、２２ｂの構造と同様であるため、説明を省略する。
【0032】
アンカー部２１ａは、配線部７２を介して電源パッド部７４に接続されている。電源パッド部７４上には、パッド電極８２が形成されている。パッド電極８２の表面には、キャップ部５０を貫通する貫通電極８４（図３参照）が接続している。
【0033】
変位部２５には、櫛歯電極２６が配置されている。また平板部１０には、櫛歯形状の固定電極２７が、絶縁層２７ａを介して固定されている（図１および図２参照）。固定電極２７は、配線部７１を介して電源パッド部７３に接続されている。電源パッド部７３上には、パッド電極８１（図１参照）が形成されている。パッド電極８１の表面には、キャップ部５０を貫通する貫通電極８３（不図示）が接続している。櫛歯電極２６および固定電極２７は、変位部２５を振動させるための駆動用電極である。なお図１では、駆動用電極を１つのみ記載しているが、駆動用電極は複数配置されていてもよい。また図１では、角速度に伴う変位を検出する検出用電極は、記載を省略している。
【0034】
貫通電極８３および８４に不図示のボンディングワイヤを介して検出回路を接続することによって、組立・実装を可能にすることができる。ＭＥＭＳ構造体１に角速度が加わり、変位部２５が平板部１０に対して変位すると、不図示の検出用電極が備える櫛歯電極の重なり面積が変化して、静電容量が変化する。この静電容量の変化を不図示の検出回路で観測することで、角速度に伴う変位を検知することができる。
【0035】
（製造工程）
図５を用いて、ＭＥＭＳ構造体１の製造工程を説明する。図５は、図３に対応する断面図である。ステップＳ１において、ＳＯＩウェハを準備する。ステップＳ２において、ＳＯＩウェハを加工し、図５の中央に示す中間形成体２を作成する。中間形成体２の作成は、周知のフォトリソグラフィおよびエッチング技術により可能であるため、詳細な説明を省略する。これにより、多数の中間形成体２が上にアレイ状に並んでいるＳＯＩウェハが形成される。
図５を用いて、ＭＥＭＳ構造体１の製造工程を説明する。図５は、図３に対応する断面図である。ステップＳ１において、ＳＯＩウェハを準備する。ステップＳ２において、ＳＯＩウェハを加工し、図５の中央に示す中間形成体２を作成する。中間形成体２の作成は、周知のフォトリソグラフィおよびエッチング技術により可能であるため、詳細な説明を省略する。これにより、多数の中間形成体２が上にアレイ状に並んでいるＳＯＩウェハが形成される。
【0036】
ステップＳ３において、基板６０の接合が行われる。具体的には、多数の窪み部６３がアレイ状に並んでいるシリコンウェハを形成する。シリコンウェハ上の窪み部６３の各々の位置は、ＳＯＩウェハ上の中間形成体２の各々の位置に対応している。ＳＯＩウェハの裏面に、基板６０を接合する（図５、矢印Ｙ１）。
【0037】
ステップＳ４において、キャップ部５０の接合が行われる。具体的には、多数の窪み部５３がアレイ状に並んでいるシリコンウェハを形成する。シリコンウェハ上の窪み部５３の各々の位置は、ＳＯＩウェハ上の中間形成体２の各々の位置に対応している。ＳＯＩウェハの表面に、キャップ部５０を接合する（図５、矢印Ｙ２）。
【0038】
ステップＳ５において、貫通電極８３および８４（図３参照）を形成する。ステップＳ６において、ＭＥＭＳ構造体１を貼り合わせウェハから個片化する。キャップ部５０および基板６０の接合後に、ＭＥＭＳ構造体１をＳＯＩウェハから個片化することで、ＷＬＰ（Wafer Level Package）での気密保持が可能となる。ＷＬＰにより、ＭＥＭＳ構造体１の製造コストを削減することができる。
【0039】
またキャップ部５０や基板６０を接合することで、ＭＥＭＳ構造体１のフットプリントを増大させることなく、厚みおよび体積を増加させることができる。これにより、ＭＥＭＳ構造体１の熱容量を増加することができるため、温度変化に対する安定性を高めることが可能となる。
【0040】
（効果）
ＭＥＭＳ構造体１を回路基板等に接合して使用するに際して、回路基板が熱変形によって反る等によって、ＭＥＭＳ構造体１の支持枠体３０がｚ方向に変位してしまう場合がある。そこで実施例１のＭＥＭＳ構造体１では、ＳＯＩウェハの支持基板層ＢＬを貫通するトレンチＴＬ１を形成することによって、支持枠体３０と平板部１０とを分離している。そして、支持枠体３０と平板部１０とを、可撓性の支持梁４１～４４によって接続している。支持梁４１～４４が弾性変形することによって、平板部１０が支持枠体３０と同様に変位することを抑制することができる。すなわち、ＭＥＭＳ構造体１に作用する熱応力を、支持梁４１～４４の変形によって吸収することができるため、平板部１０上のＭＥＭＳセンサ２０に熱応力が伝わることを抑制できる。ＭＥＭＳセンサ２０のゼロ点出力が変動することを抑制することが可能となる。
ＭＥＭＳ構造体１を回路基板等に接合して使用するに際して、回路基板が熱変形によって反る等によって、ＭＥＭＳ構造体１の支持枠体３０がｚ方向に変位してしまう場合がある。そこで実施例１のＭＥＭＳ構造体１では、ＳＯＩウェハの支持基板層ＢＬを貫通するトレンチＴＬ１を形成することによって、支持枠体３０と平板部１０とを分離している。そして、支持枠体３０と平板部１０とを、可撓性の支持梁４１～４４によって接続している。支持梁４１～４４が弾性変形することによって、平板部１０が支持枠体３０と同様に変位することを抑制することができる。すなわち、ＭＥＭＳ構造体１に作用する熱応力を、支持梁４１～４４の変形によって吸収することができるため、平板部１０上のＭＥＭＳセンサ２０に熱応力が伝わることを抑制できる。ＭＥＭＳセンサ２０のゼロ点出力が変動することを抑制することが可能となる。
【0041】
ＭＥＭＳセンサ２０は、櫛型電極の間や、変位部２５と平板部１０との間にダストが噛み込むと動作しなくなるという問題がある。またＭＥＭＳセンサ２０は、一定圧力中や真空中で動作する。よってＭＥＭＳ２０センサは、気密を保つ必要がある。しかし実施例１のＭＥＭＳ構造体１（図２～図４参照）では、熱応力を緩和するために、支持基板層ＢＬを貫通するトレンチＴＬ１を形成している。このトレンチＴＬ１により、ＭＥＭＳセンサ２０の裏面側（ｚ軸の負方向側）へ、気体のリークパスが形成されてしまう。そこで、基板６０によってＭＥＭＳセンサ２０の裏面側を塞ぐとともに、キャップ部５０によってＭＥＭＳセンサ２０の表面側（ｚ軸の正方向側）を塞ぐ構造を採用している。これにより、ＭＥＭＳセンサ２０の裏面側および表面側への、気体のリークパスを消滅させることができる。熱応力の緩和機能と気密保持機能とを両立することが可能となる。
【実施例2】
【0042】
実施例２は、未貫通のトレンチＴＬ２０１によって形成された、メンブレン形状の支持部を備える実施例である。実施例１と異なる点のみ説明する。図６に、実施例２に係るＭＥＭＳ構造体２０１の平面図を示す。図７は、図６のVII－VII線における断面図である。実施例１のＭＥＭＳ構造体１と同様の部位には同一符号を付すことで、説明を省略する。また、実施例２に特有の部位については、符号を２００番台にすることで区別する。
【0043】
実施例２のＭＥＭＳ構造体２０１は、実施例１の支持梁４１～４４に代えて、メンブレン部２４１を備えている。図６では、分かりやすさのために、メンブレン部２４１を点線で示している。メンブレン部２４１は、平板部１０の外周部の全周と支持枠体３０の内周部の全周とを接続する、メンブレン形状の支持部である。
【0044】
図７の断面図に示すように、支持枠体３０と平板部１０とは、トレンチＴＬ２０１によって分離されている。トレンチＴＬ２０１は、支持基板層ＢＬの裏面側から表面側（ｚ軸の負方向側から正方向側）へ伸びており、支持基板層ＢＬの表面に到達することなく未貫通に形成されている。未貫通のトレンチＴＬ２０１の上端には、残存する支持基板層ＢＬによってメンブレン部２４１が形成されている。すなわちメンブレン部２４１は、平板部１０を構成している材料（支持基板層ＢＬ）と同一材料で構成されている。メンブレン部２４１は、平板部１０を空中に支持している。
【0045】
平板部１０は、ｎ型領域１０ｎと、その表面に配置されているｐ型領域１０ｐを備えている。支持枠体３０は、ｎ型領域３０ｎと、その表面に配置されているｐ型領域３０ｐを備えている。ｐ型領域１０ｐおよび３０ｐの厚さは、ｎ型領域１０ｎおよび３０ｎの厚さよりも薄い。メンブレン部２４１は、ｐ型領域１０ｐおよび３０ｐと同一平面内に位置しており、ｐ型領域１０ｐおよび３０ｐと同等の厚さを有している。メンブレン部２４１は、ｐ型領域である。メンブレン部２４１の厚さは、例えば１０μｍ以下である。また、実施例２のＭＥＭＳ構造体２０１は、実施例１の基板６０（図２）を備えていない。
【0046】
（効果）
ＭＥＭＳ構造体２０１に作用する熱応力を、メンブレン部２４１の変形によって吸収することができるため、平板部１０上のＭＥＭＳセンサ２０に熱応力が伝わることを抑制できる。またメンブレン部２４１により、ＭＥＭＳセンサ２０の裏面側（ｚ軸の負方向側）への気体のリークパスを封止することができる。よって、ＭＥＭＳセンサ２０の裏面側を封止する基板６０を備えることなく、ＭＥＭＳセンサ２０の気密を保つことが可能となる。
ＭＥＭＳ構造体２０１に作用する熱応力を、メンブレン部２４１の変形によって吸収することができるため、平板部１０上のＭＥＭＳセンサ２０に熱応力が伝わることを抑制できる。またメンブレン部２４１により、ＭＥＭＳセンサ２０の裏面側（ｚ軸の負方向側）への気体のリークパスを封止することができる。よって、ＭＥＭＳセンサ２０の裏面側を封止する基板６０を備えることなく、ＭＥＭＳセンサ２０の気密を保つことが可能となる。
【0047】
（製造工程）
図８および図９を用いて、メンブレン部２４１の製造工程を説明する。ステップＳ２０１において、支持基板層ＢＬと絶縁層ＩＬとの間に、シリコンのｐ型層ＢＬｐが挿入されているＳＯＩウェハを準備する。このようなＳＯＩウェハの作成方法の一例を説明する。ｎ型シリコンの支持基板層ＢＬの表面に、イオン注入により厚さ１０μｍのｐ型層を形成する。その後、絶縁層ＩＬおよび表面層ＳＬを積層する。
図８および図９を用いて、メンブレン部２４１の製造工程を説明する。ステップＳ２０１において、支持基板層ＢＬと絶縁層ＩＬとの間に、シリコンのｐ型層ＢＬｐが挿入されているＳＯＩウェハを準備する。このようなＳＯＩウェハの作成方法の一例を説明する。ｎ型シリコンの支持基板層ＢＬの表面に、イオン注入により厚さ１０μｍのｐ型層を形成する。その後、絶縁層ＩＬおよび表面層ＳＬを積層する。
【0048】
ステップＳ２０２において、ＳＯＩウェハを加工し、表面層ＳＬを用いてＭＥＭＳセンサ２０等を作成する。ステップＳ２０３において、図８に示すように、支持基板層ＢＬの裏面にハードマスクＨＭを形成する。ハードマスクＨＭは、トレンチＴＬ２０１に対応した開口部ＯＰを有している。ハードマスクＨＭは、例えば、シリコン酸化膜である。ステップＳ２０４において、ＤＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching）技術により、支持基板層ＢＬ側からトレンチＴＬ２０１を加工する。このとき、ｐ型層ＢＬｐまで到達しないように、加工を途中で終了する（領域Ｒ１参照）。
【0049】
ステップＳ２０５において、ウェットエッチングによりトレンチＴＬ２０１を完成させる。図９を用いて説明する。エッチング薬液ＥＣが満たされているエッチング槽ＥＴを用意する。エッチング薬液ＥＣの一例としては、ＫＯＨ（水酸化カリウム）溶液、またはＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）溶液が挙げられる。エッチング槽ＥＴ内には、白金電極ＰＥが配置されている。次に、ｐ型層ＢＬｐに接続する配線ＷＲを、ＳＯＩウェハに接続する。また、表面層ＳＬの上面を、レジストなどの保護層ＰＬで被覆する。その後、ＳＯＩウェハをエッチング槽ＥＴ内に浸漬する。同時に、ｐ型層ＢＬｐと白金電極ＰＥの間に、所定電圧Ｖ１を印加する。支持基板層ＢＬのｎ型シリコンが等方エッチングされ、エッチングがｐ型層ＢＬｐまで到達すると、エッチングが停止する。これは、ＰＮ接合エッチングストップ技術として公知である。これにより、メンブレン部２４１が完成する。
【0050】
ＰＮ接合エッチングストップ技術により、メンブレン部２４１の厚さを、ｐ型層ＢＬｐと同等の厚さに正確に制御することができる。ｐ型層ＢＬｐはイオン注入で形成するため、ｐ型層ＢＬｐの厚さおよび面内分布は正確に設定可能である。よって、メンブレン部２４１の厚さおよび面内分布を、高精度に制御することができる。メンブレン部２４１の剛性を一定にすることができるため、安定した応力緩和効果を実現可能となる。
【実施例3】
【0051】
実施例３は、ストッパ部を備える実施例である。実施例１と異なる点のみ説明する。図１０に、実施例３に係るＭＥＭＳ構造体３０１の平面図を示す。図１１は、図１０のXI－XI線における断面図である。実施例１のＭＥＭＳ構造体１と同様の部位には同一符号を付すことで、説明を省略する。また、実施例３に特有の部位については、符号を３００番台にすることで区別する。
【0052】
実施例３のＭＥＭＳ構造体３０１は、実施例１のＭＥＭＳ構造体１に対して、さらにストッパ部３１１～３１４を備えている。ストッパ部３１１～３１４は、平板部１０を垂直上方（ｚ軸の正方向）からみたときに、平板部１０と支持枠体３０の境界であるトレンチＴＬ１をまたぐように配置されている（図１０）。ストッパ部３１１～３１４の一端は平板部１０の領域内に配置され、他端は支持枠体３０の領域内に配置されている。
【0053】
図１１の断面図を用いて、ストッパ部３１３および３１４の構造を説明する。ストッパ部３１３および３１４は、表面層ＳＬで形成されている。ストッパ部３１３の底面は、ＳＯＩウェハの絶縁層３１３ｃによって支持枠体３０の表面のみに固定されている。ストッパ部３１４の底面は、絶縁層３１４ｃによって平板部１０の表面のみに固定されている。絶縁層３１３ｃおよび３１４ｃは、ＳＯＩウェハの絶縁層ＩＬで形成された層である。なお、ストッパ部３１２および３１１の各々の構造は、ストッパ部３１３および３１４と同様であるため、説明を省略する。
【0054】
（効果）
ストッパ部３１３の下面と平板部１０の上面との干渉（領域Ｒ３０１参照）により、平板部１０の上方側（ｚ軸の正方向側）への変位を抑制することができる。同様に、ストッパ部３１４の下面と支持枠体３０の上面との干渉（領域Ｒ３０２参照）により、平板部１０の下方側（ｚ軸の負方向側）への変位を抑制することができる。よって、過度の衝撃が平板部１０に印加された場合においても、平板部１０の上下方向の変位量を所定量以下に規制できるため、支持梁４１～４４が損傷してしまうことがない。
ストッパ部３１３の下面と平板部１０の上面との干渉（領域Ｒ３０１参照）により、平板部１０の上方側（ｚ軸の正方向側）への変位を抑制することができる。同様に、ストッパ部３１４の下面と支持枠体３０の上面との干渉（領域Ｒ３０２参照）により、平板部１０の下方側（ｚ軸の負方向側）への変位を抑制することができる。よって、過度の衝撃が平板部１０に印加された場合においても、平板部１０の上下方向の変位量を所定量以下に規制できるため、支持梁４１～４４が損傷してしまうことがない。
【0055】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
【0056】
（変形例１）
実施例２において、メンブレン形状の支持部を形成する方法は様々であって良い。例えば、図１２に示す、ＭＥＭＳ構造体４０１のような構造であってもよい。図１２において、実施例２（図７）と同様の部位には同一符号を付すことで、説明を省略する。また、変形例１に特有の部位については、符号を４００番台にすることで区別する。ＭＥＭＳ構造体４０１は、Ｗ－ＳＯＩウェハを材料として形成されている。Ｗ－ＳＯＩウェハは、支持基板層ＢＬ、第１絶縁層ＩＬ１、中間層ＭＬ、第２絶縁層ＩＬ２、表面層ＳＬ、がこの順番に積層された積層体である。中間層ＭＬの材料はシリコンである。中間層ＭＬは、表面層ＳＬと比較して積層方向の厚さが薄い。第１絶縁層ＩＬ１および第２絶縁層ＩＬ２は、シリコン酸化物である。
実施例２において、メンブレン形状の支持部を形成する方法は様々であって良い。例えば、図１２に示す、ＭＥＭＳ構造体４０１のような構造であってもよい。図１２において、実施例２（図７）と同様の部位には同一符号を付すことで、説明を省略する。また、変形例１に特有の部位については、符号を４００番台にすることで区別する。ＭＥＭＳ構造体４０１は、Ｗ－ＳＯＩウェハを材料として形成されている。Ｗ－ＳＯＩウェハは、支持基板層ＢＬ、第１絶縁層ＩＬ１、中間層ＭＬ、第２絶縁層ＩＬ２、表面層ＳＬ、がこの順番に積層された積層体である。中間層ＭＬの材料はシリコンである。中間層ＭＬは、表面層ＳＬと比較して積層方向の厚さが薄い。第１絶縁層ＩＬ１および第２絶縁層ＩＬ２は、シリコン酸化物である。
【0057】
図１２の断面図に示すように、支持枠体３０と平板部１０とは、トレンチＴＬ４０１によって分離されている。トレンチＴＬ４０１は、支持基板層ＢＬの裏面側から表面側（ｚ軸の負方向側から正方向側）へ伸びており、支持基板層ＢＬおよび第１絶縁層ＩＬ１を貫通して、中間層ＭＬの下面で停止している。未貫通のトレンチＴＬ４０１の上端には、中間層ＭＬによってメンブレン部４４１が形成されている。すなわちメンブレン部４４１は、平板部１０を構成している材料（中間層ＭＬ）と同一材料で構成されている。
【0058】
変形例１に係るメンブレン部４４１の製造工程を説明する。ステップＳ２０１～Ｓ２０３までの内容は、実施例２と同様である。ステップＳ２０４ａにおいて、ＤＲＩＥ技術により、支持基板層ＢＬ側からトレンチＴＬ４０１を加工する。このとき、シリコン酸化膜に対してシリコンのエッチングレートが十分に高い条件を用いることで、第１絶縁層ＩＬ１の下面でエッチングを停止する。ステップＳ２０５ａにおいて、シリコンに対してシリコン酸化膜のエッチングレートが十分に高い条件に切り替える。これにより、中間層ＭＬの下面でエッチングを停止する。エッチング選択比を用いることで、メンブレン部４４１の厚さを、中間層ＭＬと同等の厚さに正確に制御することができる。
【0059】
（変形例２）
実施例２において、メンブレン部の形状は様々であって良い。例えば、図１３のメンブレン部５４１に示すように、メンブレン部の少なくとも一部が座屈している形状であってもよい。図１３のＭＥＭＳ構造体５０１では、第１の空間ＳＰ１と、メンブレン部５４１の下方側（ｚ軸の負方向側）の空間との間に圧力差が存在している。具体的には、第１の空間ＳＰ１側が負圧である。よって、メンブレン部５４１は、第１の空間ＳＰ１側に突出するように座屈している。これにより、メンブレン部５４１を、座屈していない場合に比して変形しやすくすることができるため、熱応力の緩和能力を高めることが可能となる。
実施例２において、メンブレン部の形状は様々であって良い。例えば、図１３のメンブレン部５４１に示すように、メンブレン部の少なくとも一部が座屈している形状であってもよい。図１３のＭＥＭＳ構造体５０１では、第１の空間ＳＰ１と、メンブレン部５４１の下方側（ｚ軸の負方向側）の空間との間に圧力差が存在している。具体的には、第１の空間ＳＰ１側が負圧である。よって、メンブレン部５４１は、第１の空間ＳＰ１側に突出するように座屈している。これにより、メンブレン部５４１を、座屈していない場合に比して変形しやすくすることができるため、熱応力の緩和能力を高めることが可能となる。
【0060】
また例えば、図１４のＭＥＭＳ構造体６０１が備えるメンブレン部６４１に示すように、メンブレン部の一部の厚さが薄くなった形状であってもよい。具体的には、メンブレン部６４１は、上面に段差ＳＴが形成されている。段差ＳＴは、局所的なエッチングを行うことにより形成することができる。段差ＳＴを起点としてメンブレン部５４１を変形しやすくすることができるため、熱応力の緩和能力を高めることが可能となる。なお、段差ＳＴの断面形状は、半円形状や溝形状など、様々であってよい。また段差ＳＴは、メンブレン部の裏面に形成されていてもよい。
【0061】
（変形例３）
実施例１において、平板部１０の裏面と基板６０表面とのクリアランスを確保するための構造は、様々であってよい。例えば、図１５（Ａ）および図１５（Ｂ）のような構造でもよい。図１５（Ａ）および図１５（Ｂ）は、図２に対応する断面図である。図１５（Ａ）の構造では、平板部１０の厚さＴ１が、支持枠体３０の厚さＴ２よりも薄い。これにより、クリアランスＣＬ３が確保できる。図１５（Ｂ）の構造では、支持枠体３０が、追加層３１を介して基板６０上に配置されている。これにより、追加層３１の厚さと同等のクリアランスＣＬ４が確保できる。
実施例１において、平板部１０の裏面と基板６０表面とのクリアランスを確保するための構造は、様々であってよい。例えば、図１５（Ａ）および図１５（Ｂ）のような構造でもよい。図１５（Ａ）および図１５（Ｂ）は、図２に対応する断面図である。図１５（Ａ）の構造では、平板部１０の厚さＴ１が、支持枠体３０の厚さＴ２よりも薄い。これにより、クリアランスＣＬ３が確保できる。図１５（Ｂ）の構造では、支持枠体３０が、追加層３１を介して基板６０上に配置されている。これにより、追加層３１の厚さと同等のクリアランスＣＬ４が確保できる。
【0062】
（その他の変形例）
本実施例の梁部４１ｂ～４４ｂ（図１、図２参照）の形状は、ストレートとしたが、この形状に限られず、様々な形状の梁を使用可能である。例えば、蛇行するミアンダ構造など、より剛性を低くすることができる構造であってもよい。また梁部の数も４本に限られず、要求スペックに応じて任意に設定することができる。
本実施例の梁部４１ｂ～４４ｂ（図１、図２参照）の形状は、ストレートとしたが、この形状に限られず、様々な形状の梁を使用可能である。例えば、蛇行するミアンダ構造など、より剛性を低くすることができる構造であってもよい。また梁部の数も４本に限られず、要求スペックに応じて任意に設定することができる。
【0063】
実施例１～３および変形例は、少なくとも２つを組み合わせて実施することが可能である。
【0064】
なお本明細書においては、角速度検出器を基本とした実施例を挙げてその動作を説明したが、この形態に限られない。各種の物理量、化学量、または光学量を検出する一般的なセンサに対しても、本明細書の技術を適用および展開することができる。
【0065】
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【0066】
１、２０１、３０１、４０１、５０１、６０１：ＭＥＭＳ構造体 １０：平板部 ２０：ＭＥＭＳセンサ ３０：支持枠体 ４１～４４：支持梁 ４１ｂ～４４ｂ：梁部 ５０：キャップ部 ６０：基板 ＴＬ１：トレンチ ＢＬ：支持基板層 ＩＬ：絶縁層 ＳＬ：表面層
【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】