JP2002521695A - マイクロメカニカル半導体加速度計 - Google Patents
マイクロメカニカル半導体加速度計Info
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- G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
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Abstract
(57)【要約】
マイクロメカニカル半導体加速度計差容量型の高精度マイクロメカニカル半導体加速度計は、ハーメチックシール構成を形成するために、エッチングされた保証質量層の相対する側に溶融接合された一対のエッチングされた相対するカバー層を含む。カバー層は価格、作製及び組立ての複雑さを著しく減らすために、市販のシリコン−オン−絶縁体（“ＳＯＩ”）ウエハで形成される。加速度計の機能半導体部分は、反応性イオンエッチング（“ＲＩＥ”）のＢＯＳＣＨ法を用いてドライエッチされ、それによって従来技術の湿式エッチングプロセスに固有の汚染が著しく減少し、かつ本質的に垂直な側壁により形状が接合され有利である。
Description
【０００１】技術分野 本発明は加速度計に係る。より具体的には、本発明は差容量型の高精度マイク
ロメカニカル半導体加速度計に係る。
ロメカニカル半導体加速度計に係る。
【０００２】背景技術 精度の高いマイクロメカニカル加速度計は、慣性航行及び誘導の分野で広い用
途をもつ。両方とも航空機のような長距離、再使用可能な輸送手段及び軍用品の
ような比較的短距離の一度だけ使用する輸送手段に係る。そのような慣性センサ
は、直線的な加速及びコリオリを基本とするシステム中で用いた時、慣性航行シ
ステム内で、輸送手段の角速度の両方を測定するために用いられる。直線的加速
度及び一組の直交する三軸に対する回転速度の両方を測定するための代表的な型
のシステムは、たとえば以下の米国特許で示されているようなマルチセンサであ
る。（本件の権利者の所有になる。）“平衡した機械的振動子を有する三軸慣性
測定ユニット”と題する第４，９９６，８７７号；“平衡した低慣性機械的振動
子を有する三軸慣性測定ユニット”と題する第５，００７，２８９号及び“平衡
した低慣性機械的振動子を有する三軸慣性測定ユニット”と題する第５，０６５
，６２７号である。
途をもつ。両方とも航空機のような長距離、再使用可能な輸送手段及び軍用品の
ような比較的短距離の一度だけ使用する輸送手段に係る。そのような慣性センサ
は、直線的な加速及びコリオリを基本とするシステム中で用いた時、慣性航行シ
ステム内で、輸送手段の角速度の両方を測定するために用いられる。直線的加速
度及び一組の直交する三軸に対する回転速度の両方を測定するための代表的な型
のシステムは、たとえば以下の米国特許で示されているようなマルチセンサであ
る。（本件の権利者の所有になる。）“平衡した機械的振動子を有する三軸慣性
測定ユニット”と題する第４，９９６，８７７号；“平衡した低慣性機械的振動
子を有する三軸慣性測定ユニット”と題する第５，００７，２８９号及び“平衡
した低慣性機械的振動子を有する三軸慣性測定ユニット”と題する第５，０６５
，６２７号である。
【０００３】 精度の高いマイクロメカニカル加速度計は、いわゆる差容量型を含むいくつか
の機能形態をとることができる。一般に、この型は２つの固定された外部プレー
ト間に配置され、感受性のある軸に沿った加速力に応答して、屈曲部で動ける中
央プレート又は保証質量を用いる。オープンループシステムにおいて、中央プレ
ートと外部プレートの各１つの間に規定された容量の２つの値の差がとられ、容
量の変化は電極により感知される中央プレートのずれから生じ、加速力の尺度に
用いられる。
の機能形態をとることができる。一般に、この型は２つの固定された外部プレー
ト間に配置され、感受性のある軸に沿った加速力に応答して、屈曲部で動ける中
央プレート又は保証質量を用いる。オープンループシステムにおいて、中央プレ
ートと外部プレートの各１つの間に規定された容量の２つの値の差がとられ、容
量の変化は電極により感知される中央プレートのずれから生じ、加速力の尺度に
用いられる。
【０００４】 クローズループシステムにおいて、差容量の測定された変化は、２つの容量の
各プレートに印加された静電界力の形で帰還され、２つの外部プレート間で精密
に中央プレートを戻し保持する。ゼロ状態に中央プレートを戻し、保持するため
に必要な静電力は、プレートに働く慣性力の尺度である。そのような加速度計は
、適切な感度をもつ容量測定システムとともに用いた時、きわめて微小な加速度
（約１μＧ）を検出しかつ測定することができる。電荷制御力及びレート乗算器
を用いたそのようなシステムの例は、本件の権利者の所有になる“静電電荷制御
を有する力平衡装置”と題する米国特許第５，１４２，９２１号に示されている
。
各プレートに印加された静電界力の形で帰還され、２つの外部プレート間で精密
に中央プレートを戻し保持する。ゼロ状態に中央プレートを戻し、保持するため
に必要な静電力は、プレートに働く慣性力の尺度である。そのような加速度計は
、適切な感度をもつ容量測定システムとともに用いた時、きわめて微小な加速度
（約１μＧ）を検出しかつ測定することができる。電荷制御力及びレート乗算器
を用いたそのようなシステムの例は、本件の権利者の所有になる“静電電荷制御
を有する力平衡装置”と題する米国特許第５，１４２，９２１号に示されている
。
【０００５】 めっきされた金属電極を有する一対の相対するガラスプレート間にはさまれた
シリコン保証質量が中にある加速度計構成は効率が悪い。その理由はガラスプレ
ートとそれらの間にはさまれたシリコン円盤の熱膨張係数の違いにある。そのよ
うに熱的に両立しないことにより、温度変化とともにそりが生じ、過度のバイア
スと換算係数温度感度が生じうる。ガラスプレートを用いた加速度計に更に伴う
問題は、熱サイクルに伴う可動イオンの再分配で、バイアス及び換算係数の再現
性がなくなる可能性がある。
シリコン保証質量が中にある加速度計構成は効率が悪い。その理由はガラスプレ
ートとそれらの間にはさまれたシリコン円盤の熱膨張係数の違いにある。そのよ
うに熱的に両立しないことにより、温度変化とともにそりが生じ、過度のバイア
スと換算係数温度感度が生じうる。ガラスプレートを用いた加速度計に更に伴う
問題は、熱サイクルに伴う可動イオンの再分配で、バイアス及び換算係数の再現
性がなくなる可能性がある。
【０００６】 “プレート状半導体ウエハを有するマイクロメカニカル加速度計”と題する米
国特許第５，６１４，７４２号（やはり本件の権利者の所有で、その教示はここ
に参照文献として含まれる）は、先の問題を本質的に克服した全シリコン高精度
マイクロメカニカル加速度計を教えている。この特許の加速度計は、ハーメチッ
ク封入構成を形成するように、相互に接合された５個の非等方性エッチシリコン
ウエハ（それぞれは従来の湿式プロセスにより形成）の構成を含む。薄い酸化膜
層で被覆された全体がシリコン層の構造を用いることにより、従来技術の熱係数
の不整合は本質的に克服される。その結果、’７４２特許のデバイスはより広範
囲の温度変化に耐えることができ、温度感受性は減少し、再現性と安定性は改善
される。
国特許第５，６１４，７４２号（やはり本件の権利者の所有で、その教示はここ
に参照文献として含まれる）は、先の問題を本質的に克服した全シリコン高精度
マイクロメカニカル加速度計を教えている。この特許の加速度計は、ハーメチッ
ク封入構成を形成するように、相互に接合された５個の非等方性エッチシリコン
ウエハ（それぞれは従来の湿式プロセスにより形成）の構成を含む。薄い酸化膜
層で被覆された全体がシリコン層の構造を用いることにより、従来技術の熱係数
の不整合は本質的に克服される。その結果、’７４２特許のデバイスはより広範
囲の温度変化に耐えることができ、温度感受性は減少し、再現性と安定性は改善
される。
【０００７】 上述のデバイスは戦術上の特性と価格の両方の点で、非常に満足できる結果を
もたらすが、この特許の構成は、５個の別々のウエハのエッチングとそれに続く
位置合わせとボンディングを必要とする。電極とそれらの遮断フレームを規定す
るためのエッチングプロセスは、水酸化カリウム（ＫＯＨ）のような従来のエッ
チング溶液を用いる。そのような溶液は、ある種の環境下でアルカリイオンを生
じ、それはシリコン酸化物層中に浸入し、汚染し、加速度計の特性を劣化させる
。シリコン層の結晶学的面に沿って進むエッチングの非等方性により、直線的な
側壁でなく、傾斜した側壁が生じる。組立てられた加速度計中で、そのような傾
斜した端部は“非加圧質量”の領域を生じ、その場合端部部分は電極から離れす
ぎ、名目上印加される電圧と相互作用するほど応答しなくなる。従って、余分の
質量を克服するために、より高い電圧を印加しなければならない。この状況は電
極が（閉じたループシステムの場合のように）加圧の働きをするか、（開いたル
ープ及び閉じたループシステムの両方の場合のように）信号を取り出す時起こる
。
もたらすが、この特許の構成は、５個の別々のウエハのエッチングとそれに続く
位置合わせとボンディングを必要とする。電極とそれらの遮断フレームを規定す
るためのエッチングプロセスは、水酸化カリウム（ＫＯＨ）のような従来のエッ
チング溶液を用いる。そのような溶液は、ある種の環境下でアルカリイオンを生
じ、それはシリコン酸化物層中に浸入し、汚染し、加速度計の特性を劣化させる
。シリコン層の結晶学的面に沿って進むエッチングの非等方性により、直線的な
側壁でなく、傾斜した側壁が生じる。組立てられた加速度計中で、そのような傾
斜した端部は“非加圧質量”の領域を生じ、その場合端部部分は電極から離れす
ぎ、名目上印加される電圧と相互作用するほど応答しなくなる。従って、余分の
質量を克服するために、より高い電圧を印加しなければならない。この状況は電
極が（閉じたループシステムの場合のように）加圧の働きをするか、（開いたル
ープ及び閉じたループシステムの両方の場合のように）信号を取り出す時起こる
。
【０００８】本発明の記述 従来技術の先の短所及び他の短所は、本発明によって解決される。本発明は第
１の点において、差容量型の半導体加速度計を実現する。そのような加速度計は
、最上部及び底部カバーウエハ要素を含み、それぞれ相対する集積内部及び外部
半導体層を有する付随した酸化物層を含む。あらかじめ決められた厚さの第１の
誘電体層が、各内部半導体層に隣接して配置される。開口が電極及び周辺保護環
を規定する内部半導体及び上部誘電体層のそれぞれの中に存在する。
１の点において、差容量型の半導体加速度計を実現する。そのような加速度計は
、最上部及び底部カバーウエハ要素を含み、それぞれ相対する集積内部及び外部
半導体層を有する付随した酸化物層を含む。あらかじめ決められた厚さの第１の
誘電体層が、各内部半導体層に隣接して配置される。開口が電極及び周辺保護環
を規定する内部半導体及び上部誘電体層のそれぞれの中に存在する。
【０００９】 半導体保証質量ウエハ要素は、それを貫く開口を有し、中央の保証質量、周辺
フレーム及び保証質量をフレームに隣接させる少なくとも１個の柔軟性蝶番を規
定する。あらかじめ決められた厚さの第２の誘電体層が、保証質量ウエハ要素の
各側でフレームの上にある。
フレーム及び保証質量をフレームに隣接させる少なくとも１個の柔軟性蝶番を規
定する。あらかじめ決められた厚さの第２の誘電体層が、保証質量ウエハ要素の
各側でフレームの上にある。
【００１０】 第２の点において、本発明は差容量型の半導体加速度計を実現する。そのよう
な方法には、半導体保証質量ウエハ及び半導体ハンドル層及びデバイス層間に酸
化物層を有する型の一対のＳＯＩウエハを選択する工程が含まれる。そのような
方法には、各ＳＯＩウエハの相対する側の上の誘電体材料の第１の厚さを固定す
る工程及び保証質量層の相対する側の上の誘電体材料の第２の厚さを固定する工
程が含まれる。
な方法には、半導体保証質量ウエハ及び半導体ハンドル層及びデバイス層間に酸
化物層を有する型の一対のＳＯＩウエハを選択する工程が含まれる。そのような
方法には、各ＳＯＩウエハの相対する側の上の誘電体材料の第１の厚さを固定す
る工程及び保証質量層の相対する側の上の誘電体材料の第２の厚さを固定する工
程が含まれる。
【００１１】 デバイス層及び各ＳＯＩウエハのデバイス層上の誘電体材料の第１の厚さは、
下の酸化物層まで通してエッチングされ、デバイス層上の電極周囲の連続した周
縁フレーム中に、付随した中央電極を規定する。保証質量ウエハ及びその相対す
る側の上の誘電体材料の第２の厚さは、エッチングされ、そのウエハ内に相対す
る面、保証質量周辺の連続した周縁フレーム及びフレームに保証質量を接続する
ための柔軟性のある蝶番を有する中央保証質量を規定する。
下の酸化物層まで通してエッチングされ、デバイス層上の電極周囲の連続した周
縁フレーム中に、付随した中央電極を規定する。保証質量ウエハ及びその相対す
る側の上の誘電体材料の第２の厚さは、エッチングされ、そのウエハ内に相対す
る面、保証質量周辺の連続した周縁フレーム及びフレームに保証質量を接続する
ための柔軟性のある蝶番を有する中央保証質量を規定する。
【００１２】 保証質量ウエハは、ＳＯＩウエハの相対するものの間にウエハのフレームが位
置合わせされ、誘電体材料の第１及び第２の厚さの合計に等しい距離だけ、電極
の相対するものの間で、それぞれから離れた中央にあり、保証質量は電極及び蝶
番の間で回転するよう関節にとりつけるごとく組立てられる。各ＳＯＩウエハは
保証質量ウエハの相対する側のそれぞれに接合され、それによって電極周辺のフ
レーム上の誘電体材料の第１の厚さのそれぞれは、保証質量周囲のフレームの相
対する側の上の誘電体材料の第２の厚さのそれぞれに融着され、ハーメチックに
封じられた構成が形成される。
置合わせされ、誘電体材料の第１及び第２の厚さの合計に等しい距離だけ、電極
の相対するものの間で、それぞれから離れた中央にあり、保証質量は電極及び蝶
番の間で回転するよう関節にとりつけるごとく組立てられる。各ＳＯＩウエハは
保証質量ウエハの相対する側のそれぞれに接合され、それによって電極周辺のフ
レーム上の誘電体材料の第１の厚さのそれぞれは、保証質量周囲のフレームの相
対する側の上の誘電体材料の第２の厚さのそれぞれに融着され、ハーメチックに
封じられた構成が形成される。
【００１３】 第３の点において、本発明により、差容量型の半導体加速度計が実現され、そ
れは最上部及び底部カバーウエハ要素を含み、それぞれ相対する内部及び外部半
導体ウエハ層を有する付随した酸化物層を含む。あらかじめ決められた厚さの第
１の誘電体層が、各内部半導体層に隣接して配置されている。内部及び第１の誘
電体層のそれぞれの中に垂直側壁を有する開口は、電極と周辺の保護環を規定す
る。半導体保証質量ウエハ要素は、相対する側を有する。そのような保証質量ウ
エハ要素は、垂直側壁、周辺フレーム及び保証質量をフレームに接合する少なく
とも１個の柔軟性のある蝶番を有する中央保証質量を規定するため、それを貫く
開口をもつ。あらかじめ決められた厚さの第２の誘電体層が、保証質量ウエハ要
素の各側の上のフレーム上にある。
れは最上部及び底部カバーウエハ要素を含み、それぞれ相対する内部及び外部半
導体ウエハ層を有する付随した酸化物層を含む。あらかじめ決められた厚さの第
１の誘電体層が、各内部半導体層に隣接して配置されている。内部及び第１の誘
電体層のそれぞれの中に垂直側壁を有する開口は、電極と周辺の保護環を規定す
る。半導体保証質量ウエハ要素は、相対する側を有する。そのような保証質量ウ
エハ要素は、垂直側壁、周辺フレーム及び保証質量をフレームに接合する少なく
とも１個の柔軟性のある蝶番を有する中央保証質量を規定するため、それを貫く
開口をもつ。あらかじめ決められた厚さの第２の誘電体層が、保証質量ウエハ要
素の各側の上のフレーム上にある。
【００１４】 本発明の先に述べた特徴、他の特徴及び利点は以下の詳細な記述から、更に明
らかになるであろう。この記述には一組の図面が添付されている。図面の数字は
記述の中のそれらに対応し、本発明の様々な特徴を示す。記述及び図面の両方を
通して、同様の数字は同様の部分をさす。
らかになるであろう。この記述には一組の図面が添付されている。図面の数字は
記述の中のそれらに対応し、本発明の様々な特徴を示す。記述及び図面の両方を
通して、同様の数字は同様の部分をさす。
【００１５】本発明を実施する最善の方式 図１は本発明に従う高精度マイクロメカニカル半導体加速度計（１０）の構造
を示す切断透視図である。この図は、加速度計（１０）は一般に３つのウエハ要
素（１２）を含み、それには最上部カバーウエハ要素（１２）、底部カバーウエ
ハ要素（１４）及びそれらの間に配置された保証ウエハ要素（１６）が含まれる
。
を示す切断透視図である。この図は、加速度計（１０）は一般に３つのウエハ要
素（１２）を含み、それには最上部カバーウエハ要素（１２）、底部カバーウエ
ハ要素（１４）及びそれらの間に配置された保証ウエハ要素（１６）が含まれる
。
【００１６】 図２中でより明瞭にわかるように、組立てられた加速度計（１０）の断面側立
面図において、加速度計（１０）の右及び左の数字は材料層をさし、最上部及び
底部カバーウエハ要素（１２）及び（１４）のそれぞれは、中央酸化物層（１８
，２０）、外部半導体層（２２，２４）及び内部半導体層（２６，２８）の集積
化合成体を含む。半導体層（２２）ないし（２８）のそれぞれはシリコンを含む
のが好ましいが、本発明はこの半導体に限定されない。
面図において、加速度計（１０）の右及び左の数字は材料層をさし、最上部及び
底部カバーウエハ要素（１２）及び（１４）のそれぞれは、中央酸化物層（１８
，２０）、外部半導体層（２２，２４）及び内部半導体層（２６，２８）の集積
化合成体を含む。半導体層（２２）ないし（２８）のそれぞれはシリコンを含む
のが好ましいが、本発明はこの半導体に限定されない。
【００１７】 最上部及び底部カバーウエハ（１２）及び（１４）のそれぞれは、５つのウエ
ハ要素の構成と接合を必要とする上で引用した’７４２特許のデバイスと異なり
、加速度計（１０）の作製と組立てを簡単にするために、シリコン−オン−絶縁
体（“ＳＯＩ”）型をもつ。
ハ要素の構成と接合を必要とする上で引用した’７４２特許のデバイスと異なり
、加速度計（１０）の作製と組立てを簡単にするために、シリコン−オン−絶縁
体（“ＳＯＩ”）型をもつ。
【００１８】 ＳＯＩウエハは日本の信越半導体を含む多くの供給源から商業的に入手できる
。そのようなウエハ要素は一般に、半導体材料のいわゆる“ハンドル”（外部）
及び“デバイス”（内部）層間にはさまれた約０．５乃至２．０ミクロンの厚さ
をもつ中央埋込み酸化物層を含む。加速度計（１０）の材料組成に関しては、主
に図２を、具体的な構造に関しては図１を参照すると、第１のあらかじめ決めら
れた厚さの誘電体層（３０，３２）が、保証質量ウエハ（１６）の相対する表面
上に成長させた対応する誘電体層（３４，３６）上に融着させるために、内部半
導体層（２６，２８）上に成長されている。誘電体層の材料は付随した半導体材
料の下の層上に熱的に成長させた酸化物又は窒化物でよい。
。そのようなウエハ要素は一般に、半導体材料のいわゆる“ハンドル”（外部）
及び“デバイス”（内部）層間にはさまれた約０．５乃至２．０ミクロンの厚さ
をもつ中央埋込み酸化物層を含む。加速度計（１０）の材料組成に関しては、主
に図２を、具体的な構造に関しては図１を参照すると、第１のあらかじめ決めら
れた厚さの誘電体層（３０，３２）が、保証質量ウエハ（１６）の相対する表面
上に成長させた対応する誘電体層（３４，３６）上に融着させるために、内部半
導体層（２６，２８）上に成長されている。誘電体層の材料は付随した半導体材
料の下の層上に熱的に成長させた酸化物又は窒化物でよい。
【００１９】 加速度計（１０）の溶融接合の前に、内部半導体層（２６，２８）のそれぞれ
及び付随した各誘電体層（３０）及び（３２）は、電極（３８，４０）及び周囲
の周辺保護環を規定するため、ドライエッチングする。それらの中の１つ，底部
カバーウエハ（１４）の保護環（４２）及び電極（４０）のみが見られる（図１
）。同様の面をもつ構造が、上部カバーウエハ（１２）上に形成されることが理
解される。
及び付随した各誘電体層（３０）及び（３２）は、電極（３８，４０）及び周囲
の周辺保護環を規定するため、ドライエッチングする。それらの中の１つ，底部
カバーウエハ（１４）の保護環（４２）及び電極（４０）のみが見られる（図１
）。同様の面をもつ構造が、上部カバーウエハ（１２）上に形成されることが理
解される。
【００２０】 カバーウエハと異なり，保証ウエハ（１４）は合成体でない半導体ウエハから
作製される。加速度計（１０）に組込む前に、誘電体層（３４，３６）（好まし
くは第２のあらかじめ決められた厚さの酸化物又は窒化物）があらかじめ決めら
れたパターンに従ってドライエッチングされ、その中に誘電体材料のない保証質
量要素（４６）、少なくとも１つの柔軟性のある蝶番（４８）及び周囲の保護環
（５０）が規定される。保証質量要素（４６）の相対する表面と電極（３８，４
０）の向かいあう面の間の間隙は、誘電体層厚の選択により、容易に設定される
ことに気がつく。
作製される。加速度計（１０）に組込む前に、誘電体層（３４，３６）（好まし
くは第２のあらかじめ決められた厚さの酸化物又は窒化物）があらかじめ決めら
れたパターンに従ってドライエッチングされ、その中に誘電体材料のない保証質
量要素（４６）、少なくとも１つの柔軟性のある蝶番（４８）及び周囲の保護環
（５０）が規定される。保証質量要素（４６）の相対する表面と電極（３８，４
０）の向かいあう面の間の間隙は、誘電体層厚の選択により、容易に設定される
ことに気がつく。
【００２１】 加速度計構成（１０）を完成させるために、ウエハ（１２，１４，１６）を溶
融接合する前に、（及び当業者には周知のように、先に述べたデバイスエッチン
グ作製工程と同時に行える）十分機能するデバイスを実現するために、加速度計
（１０）に接続するのに必要な手段が形成される。そのような手段には、ウエハ
（１２）及び（１４）のハンドル及び埋込み酸化物層を貫いてドライエッチング
され、それぞれ電極（３８）及び（４０）への接触を提供する接続開口（５２，
５４）が含まれる。メタライゼーションされた接触パッド（５６，５７）がそれ
ぞれ開口（５２，５４）の底にメッキされ、ワイヤを接合するかはんだづけする
よう受入れるための導電性媒体となる。
融接合する前に、（及び当業者には周知のように、先に述べたデバイスエッチン
グ作製工程と同時に行える）十分機能するデバイスを実現するために、加速度計
（１０）に接続するのに必要な手段が形成される。そのような手段には、ウエハ
（１２）及び（１４）のハンドル及び埋込み酸化物層を貫いてドライエッチング
され、それぞれ電極（３８）及び（４０）への接触を提供する接続開口（５２，
５４）が含まれる。メタライゼーションされた接触パッド（５６，５７）がそれ
ぞれ開口（５２，５４）の底にメッキされ、ワイヤを接合するかはんだづけする
よう受入れるための導電性媒体となる。
【００２２】 最上部、底部及び中央ウエハ要素（１２，１４）及び（１６）は上のその端部
に沿ってドライエッチングされ、一連の台を規定する。それらは図１（図２には
示されていない）に示されるように、メッキされた金属接続パッド（５８）を受
けるため、シリコンウエハの領域を露出する。更に、上部層（１８，２６）及び
（３０）と対応する下部層（２０，２８）及び（３２）をエッチングする時、誘
電体層（３０）及び内部半導体層がエッチングされ、埋込み酸化物層（１８）の
下の領域が露出されるように、マスクすることが、図２から最も明瞭にわかる。
同様の形状は下の埋込み酸化物層（２０）に対する誘電体層（３２）及び隣接す
る内部の半導体層（２８）のエッチングにもあてはまる。その結果、誘電体材料
の保護領域（５９）（そのうちの一部のみが図２中の数字で示されている）が組
立てられた構造内に生成される。そのような保護領域（５９）によって、半導体
材料の層間の電気的分離が著しく強化され、それによって加速度計（１０）の誘
電体層を橋渡しする漏れ電流の機会は最小になる。すなわち、誘電体材料の層の
厚さは、１ないし２ミクロンの程度で、誘電体保護領域（５９）はシリコン層の
エッチングされた（又は切断された）端部から、約２０ないし１００ミクロン延
びる。加速度計（１０）の端部において電気的分離が強まることは、量産される
ウエハのけがき又は切断に付随する予測された汚染から生じる短絡に対する保護
として特に有用である。
に沿ってドライエッチングされ、一連の台を規定する。それらは図１（図２には
示されていない）に示されるように、メッキされた金属接続パッド（５８）を受
けるため、シリコンウエハの領域を露出する。更に、上部層（１８，２６）及び
（３０）と対応する下部層（２０，２８）及び（３２）をエッチングする時、誘
電体層（３０）及び内部半導体層がエッチングされ、埋込み酸化物層（１８）の
下の領域が露出されるように、マスクすることが、図２から最も明瞭にわかる。
同様の形状は下の埋込み酸化物層（２０）に対する誘電体層（３２）及び隣接す
る内部の半導体層（２８）のエッチングにもあてはまる。その結果、誘電体材料
の保護領域（５９）（そのうちの一部のみが図２中の数字で示されている）が組
立てられた構造内に生成される。そのような保護領域（５９）によって、半導体
材料の層間の電気的分離が著しく強化され、それによって加速度計（１０）の誘
電体層を橋渡しする漏れ電流の機会は最小になる。すなわち、誘電体材料の層の
厚さは、１ないし２ミクロンの程度で、誘電体保護領域（５９）はシリコン層の
エッチングされた（又は切断された）端部から、約２０ないし１００ミクロン延
びる。加速度計（１０）の端部において電気的分離が強まることは、量産される
ウエハのけがき又は切断に付随する予測された汚染から生じる短絡に対する保護
として特に有用である。
【００２３】 不安定な応答に対する残留気体媒体の減衰効果を減らすため、保証質量（４６
）を貫いて延びる複数の小さな開口（６０）を形成するのが更に望ましい。
）を貫いて延びる複数の小さな開口（６０）を形成するのが更に望ましい。
【００２４】 各種構造が完成した後、保証質量ウエハ要素（１６）がそれぞれ最上部及び底
部カバーウエハ（１２）及び（１４）の相対するデバイス層（２６，２８）間に
はさまれる。保証質量（４６）が２つの相対する電極（３８）及び（４０）間の
中心にあり、保証環及び（最上部及び底部）カバーの電極を形成するためのエッ
チング後残っている向かいあう誘電体層（３０，３４）及び（３２，３６）の厚
さの合計に等しい間隙により分離されている。保証質量ウエハ要素（１６）のエ
ッチングされた誘電体層の残った領域と最上部及び底部カバーウエハ要素（１２
）及び（１４）は次に相互に溶融接合され、ハーメチック封じ構成で形成される
。保証質量（４６）はその面に対し垂直な方向に働く加速力に応答して、電極（
３８）及び（４０）間で変位するように蝶番（４８）の周囲に移動できる。
部カバーウエハ（１２）及び（１４）の相対するデバイス層（２６，２８）間に
はさまれる。保証質量（４６）が２つの相対する電極（３８）及び（４０）間の
中心にあり、保証環及び（最上部及び底部）カバーの電極を形成するためのエッ
チング後残っている向かいあう誘電体層（３０，３４）及び（３２，３６）の厚
さの合計に等しい間隙により分離されている。保証質量ウエハ要素（１６）のエ
ッチングされた誘電体層の残った領域と最上部及び底部カバーウエハ要素（１２
）及び（１４）は次に相互に溶融接合され、ハーメチック封じ構成で形成される
。保証質量（４６）はその面に対し垂直な方向に働く加速力に応答して、電極（
３８）及び（４０）間で変位するように蝶番（４８）の周囲に移動できる。
【００２５】 エッチングにより規定される加速度計（１０）の各部分、特に保証質量（４６
）の部分は、付随するウエハの面に本質的に垂直又は直行する周辺側壁を含むこ
とに注意する必要がある。このことは材料の除去が結晶面に沿って選択的に起こ
る湿式、非等方的エッチングプロセスによって生じるゆがんだあるいは傾斜した
側壁とは対照的である。上述のように、保証質量（４６）から質量欠損領域が除
去され、より効果的なエネルギーの使用が可能になるため、これは非常に望まし
い特性である。
）の部分は、付随するウエハの面に本質的に垂直又は直行する周辺側壁を含むこ
とに注意する必要がある。このことは材料の除去が結晶面に沿って選択的に起こ
る湿式、非等方的エッチングプロセスによって生じるゆがんだあるいは傾斜した
側壁とは対照的である。上述のように、保証質量（４６）から質量欠損領域が除
去され、より効果的なエネルギーの使用が可能になるため、これは非常に望まし
い特性である。
【００２６】 上述のように、加速度計（１０）の直線状の側壁は、反応性イオンエッチング
（“ＲＩＥ”）型のドライエッチングプロセスを用いることにより形成される。
現在、２つの異なる商業的に知られたＲＩＥ深溝ドライシリコンエッチングプロ
セス、“ＢＯＳＣＨ”及び“ＡＬＣＡＴＥＬ”がある。加速度計（１０）はＢＯ
ＳＣＨプロセスに従うエッチング工程により、上述のように形成するのが好まし
い。
（“ＲＩＥ”）型のドライエッチングプロセスを用いることにより形成される。
現在、２つの異なる商業的に知られたＲＩＥ深溝ドライシリコンエッチングプロ
セス、“ＢＯＳＣＨ”及び“ＡＬＣＡＴＥＬ”がある。加速度計（１０）はＢＯ
ＳＣＨプロセスに従うエッチング工程により、上述のように形成するのが好まし
い。
【００２７】 ＲＩＥエッチングを用いることにより、エッチングされた部分の本質的に垂直
な側壁が、エッチングされる基板の結晶学的方向にかかわらず得られる。そのよ
うなプロセスにより、保証質量、電極、保護環及びカバー間の電気的分離に必要
な二酸化シリコン誘電体層のアルカリイオンによる汚染の可能性の除去が実現さ
れる。本件の発明者は、エッチングされた形状の端部において、非加力質量の生
成を避けるために、ドライＲＩＥエッチングプロセスを用いることにより、より
コンパクトなデバイスが生成され、それによってウエハ当りより多くのデバイス
が作製され、著しい価格上の利点が生じることを発見した。加えて、非加力質量
を除くことにより、（ボルト／Ｇの単位で）１０ないし２０パーセント効率が増
し、比較的高いＧ環境で用いられる加速度計が実現されることが見いだされた。
な側壁が、エッチングされる基板の結晶学的方向にかかわらず得られる。そのよ
うなプロセスにより、保証質量、電極、保護環及びカバー間の電気的分離に必要
な二酸化シリコン誘電体層のアルカリイオンによる汚染の可能性の除去が実現さ
れる。本件の発明者は、エッチングされた形状の端部において、非加力質量の生
成を避けるために、ドライＲＩＥエッチングプロセスを用いることにより、より
コンパクトなデバイスが生成され、それによってウエハ当りより多くのデバイス
が作製され、著しい価格上の利点が生じることを発見した。加えて、非加力質量
を除くことにより、（ボルト／Ｇの単位で）１０ないし２０パーセント効率が増
し、比較的高いＧ環境で用いられる加速度計が実現されることが見いだされた。
【００２８】 従って、本発明により、改善された誘電体分離、遮蔽された電極、熱的特性及
び最小の静電的弾性の点で米国特許第５，６１４，７４２号のデバイスの利点が
得られ、一方本質的な特性及び経済性は保たれることがわかる。非等方性に対し
て、Ｒ．Ｉ．Ｅ．エッチングを用いることにより、直線状の側壁が生じ、それに
よって特性は改善され、生産利得が増す。そのような利得は、コンパクトさが増
し、材料汚染が減少したことの両方の結果による。要素に対応した個別のものを
用いるのと違い、ＳＯＩウエハを用いることにより、製作が簡単になり、それに
よって更に価格が下がる。５から３へウエハ数が減少することにより、２つの層
接合又は工程が除かれる。ＳＯＩを用いることにより、ＳＯＩウエハのシリコン
層を別々に位置合わせする必要性が除かれる。最後に、ＲＩＥエッチングを用い
ることにより、用いる任意の３つのウエハ（ＳＯＩ及びそれ以外）の結晶学的方
向に注意を払う必要がなくなり、本発明に従うデバイス作製の価格が更に減少す
る。
び最小の静電的弾性の点で米国特許第５，６１４，７４２号のデバイスの利点が
得られ、一方本質的な特性及び経済性は保たれることがわかる。非等方性に対し
て、Ｒ．Ｉ．Ｅ．エッチングを用いることにより、直線状の側壁が生じ、それに
よって特性は改善され、生産利得が増す。そのような利得は、コンパクトさが増
し、材料汚染が減少したことの両方の結果による。要素に対応した個別のものを
用いるのと違い、ＳＯＩウエハを用いることにより、製作が簡単になり、それに
よって更に価格が下がる。５から３へウエハ数が減少することにより、２つの層
接合又は工程が除かれる。ＳＯＩを用いることにより、ＳＯＩウエハのシリコン
層を別々に位置合わせする必要性が除かれる。最後に、ＲＩＥエッチングを用い
ることにより、用いる任意の３つのウエハ（ＳＯＩ及びそれ以外）の結晶学的方
向に注意を払う必要がなくなり、本発明に従うデバイス作製の価格が更に減少す
る。
【００２９】 本発明について、現在好ましい実施例をあげて述べてきたがそれには限定され
ない。本発明は特許請求の範囲によって規定される範囲によってのみ限定され、
等価なものはすべてその視野の中に含まれる。
ない。本発明は特許請求の範囲によって規定される範囲によってのみ限定され、
等価なものはすべてその視野の中に含まれる。
【図１】 三ウエハ構造を示す本発明に従う量産されたマイクロメカニカル半導体加速度
計の切断透視図。
計の切断透視図。
【図２】 右及び左側の数字は材料層を同定し、内部の引出し線は加速度計構造をさす加
速度計の断面側面図。
速度計の断面側面図。
１０ 加速度計、加速度計構成 １２ ウエハ要素、最上部カバーウエハ要素、最上部カバーウエハ、ウエハ １４ 底部カバーウエハ要素、底部カバーウエハ、ウエハ １６ 保証ウエハ要素、ウエハ １８ 中央酸化物層、上部層 ２０ 中央酸化物層、下部層、酸化物層 ２２ 外部半導体層、半導体層 ２４ 外部半導体層 ２６ 内部半導体層、上部層、デバイス層 ２８ 内部半導体層、下部層、半導体層、デバイス層 ３０ 誘電体層、上部層 ３２ 誘電体層、下部層 ３４，３６ 誘電体層 ３８，４０ 電極 ４２ 保護環 ４６ 保証質量要素、保証質量 ４８ 蝶番 ５０ 保護環 ５２，５４ 接続開口、開口 ５６，５７，５８ 接続パッド ５９ 保護領域 ６０ 開口
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，Ｅ Ａ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，Ｇ Ｈ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ， ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，Ｍ Ｗ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ， ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者 ゴールドマン，アーノルド，イー． アメリカ合衆国．91302 カリフォルニア， カラバサス，アリゾナ キャニオン ドラ イヴ 26018−シー Ｆターム(参考） 4M112 AA02 BA07 CA51 CA55 DA03 DA18 EA20 GA01
Claims (32)
- 【請求項１】 ａ） 相対する内部及び外部半導体層を集積化して有する付
随した酸化物層をそれぞれが含む最上部及び底部カバーウエハ要素； ｂ） 前記内部半導体層のそれぞれに隣接したあらかじめ決められた厚さの第
１の誘電体層； ｃ） 電極及び周辺保護環を規定する各前記内部半導体及び第１の誘電体層内
の開口； ｄ） 相対する側を有し、中央保証質量、周辺フレーム及び前記保証質量を前
記フレームに接合するための少なくとも１個の蝶番を規定する貫通した開口を持
つ半導体保証ウエハ要素； ｅ） 前記半導体ウエハ要素のそれぞれの側の上にある前記フレームをカバー
するあらかじめ決められた厚さの第２の誘電体層； を組合せて含む差容量型の半導体加速度計。 - 【請求項２】 前記保証質量ウエハ要素は、前記最上部及び底部カバーウエ
ハの前記内部層の相対する層の間に配置され、構成を形成し、前記第１の誘電体
層のそれぞれは、前記第２の誘電体層のそれぞれに溶融接合され、ハーメチック
シールを形成する請求項１記載の加速度計。 - 【請求項３】 少なくとも１つの酸化物層が隣接した電極の少なくとも１つ
の側壁を越えて延びる請求項２記載の加速度計。 - 【請求項４】 少なくとも１つの酸化物層が隣接した周辺保護環の少なくと
も１つの側壁を越えて延びる請求項２記載の加速度計。 - 【請求項５】 少なくとも１つの第２の誘電体層が前記周辺保護環の少なく
とも１つの側壁を越えて延びる請求項２記載の加速度計。 - 【請求項６】 本質的に垂直な側壁により、各開口が規定される請求項１記
載の加速度計。 - 【請求項７】 前記エッチングされた形状は、ＲＩＥプロセスを用いたドラ
イエッチングにより生成される請求項６記載の加速度計。 - 【請求項８】 各前記ＲＩＥプロセスはＢＯＳＣＨプロセスである請求項７
記載の加速度計。 - 【請求項９】 前記中央保証質量を貫く少なくとも１つの孔を更に含む請求
項２記載の加速度計。 - 【請求項１０】 前記半導体はシリコンである請求項２記載の加速度計。
- 【請求項１１】 分離された蝶番の対を更に含む請求項１記載の加速度計。
- 【請求項１２】 前記誘電体層は酸化物組成である請求項１記載の加速度計
。 - 【請求項１３】 前記誘電体層は窒化物である請求項１記載の加速度計。
- 【請求項１４】 ａ） 半導体保証質量ウエハ及び半導体ハンドル及びデバ
イス層の間に酸化物層を有する型の一対のＳＯＩウエハを選択する工程； ｂ） 各前記ＳＯＩウエハの前記相対する側の上の誘電体材料の第１の厚さを
固定する工程； ｃ） 前記保証質量ウエハの相対する側の上の誘電体の第２の厚さを固定する
工程； ｄ） 前記デバイス層及び各前記ＳＯＩウエハの前記デバイス層上の誘電体材
料の前記第１の層を貫いて、前記下の酸化物層までエッチングし、前記デバイス
層上に付随した中央電極及び前記電極周囲の連続した周縁フレームを規定する工
程； ｅ） 前記保証質量ウエハ及び前記相対する側の上の誘電体材料の前記第２の
厚さをエッチングし、前記ウエハ内に相対する面、前記保証質量周囲の連続した
周縁フレーム及び前記保証質量を前記フレームに接続するための柔軟性のある蝶
番を規定する工程； ｆ） 前記ウエハの前記フレームを位置あわせし、前記保証質量が誘電体材料
の前記第１及び第２の厚さの合計に等しい距離だけ前記電極の各相対する側の間
の中心に、離れて存在するように前記保証質量ウエハを組立て、前記保証質量は
前記蝶番において、前記電極間で回転するようにつなげる工程；及び ｇ） 前記電極周囲の前記フレーム上の誘電体材料の前記第１の厚さのそれぞ
れが、前記保証質量周囲の前記フレームの前記相対する側の上の誘電体材料の前
記第２の厚さのそれぞれに溶融接合され、それによってハーメチックシールされ
た構成が形成されるように、各前記ＳＯＩウエハを前記保証質量ウエハの前記相
対する側のそれぞれに接合する工程； を含む差容量型の半導体加速度計の生成方法。 - 【請求項１５】 前記保証質量ウエハをエッチングする工程は、前記相対す
る側の間で、前記保証質量を貫いて複数の孔をエッチングする工程を更に含む請
求項１４記載の方法。 - 【請求項１６】 前記電極、前記保証質量、前記フレーム及び前記蝶番を規
定するため、前記ウエハを選択する工程は更に、前記ウエハの各面に対して本質
的に垂直な側面を含むよう、前記形状をエッチングする工程を含む請求項１４記
載の方法。 - 【請求項１７】 前記形状をエッチングする工程は更に、ＲＩＥプロセスよ
り、前記形状をドライエッチングする工程を含む請求項１４記載の方法。 - 【請求項１８】 前記形状をエッチングする工程は更に、ＢＯＳＣＨプロセ
スにより、前記形状をエッチングする工程を含む請求項１７記載の方法。 - 【請求項１９】 前記デバイス層及び前記第１の厚さの誘電体材料をエッチ
ングする工程は更に、前記酸化物層を前記下のハンドル層までエッチングする工
程を含む請求項１４記載の方法。 - 【請求項２０】 前記酸化物層をエッチングする工程は更に、前記酸化物層
のエッチングされた領域が、前記電極の少なくとも１つの側壁を越えて延びるよ
うに、前記酸化物層をエッチングする工程を含む請求項１９記載の方法。 - 【請求項２１】 前記酸化物層をエッチングする工程は更に、前記酸化物の
エッチングされた領域が、前記周縁フレームの少なくとも１つの側壁を越えて延
びるように、前記酸化物層をエッチングする工程を含む請求項１９記載の方法。 - 【請求項２２】 ａ） 相対する内部及び外部半導体層を有する付随した酸
化物層をそれぞれが含む最上部及び底部カバーウエハ要素； ｂ） 各前記内部半導体層に隣接したあらかじめ決められた厚さの第１の誘電
体層； ｃ） 前記内部及び第１の誘電体層のそれぞれの中で、垂直な側壁を有し、電
極及び周辺保護環を規定する開口； ｄ） 相対する側を有し、垂直側壁、周辺フレーム及び前記保証質量を前記フ
レームに接合する少なくとも１つの柔軟性蝶番をもつ中央保証質量を規定する貫
通した開口をもつ半導体保証質量ウエハ要素；及び ｅ） 前記保証質量ウエハ要素の前記側のそれぞれで、前記フレーム上にある
あらかじめ決められた厚さの第２の誘電体層； を組合せて含む差容量型の半導体加速度計。 - 【請求項２３】 前記保証質量ウエハ要素は前記最上部及び底部カバーウエ
ハの前記内部層の相対する層の間に配置され、構成を形成し、前記第１の誘電体
層のそれぞれは、前記第２の誘電体層のそれぞれに溶融接合され、ハーメチック
シールを形成する請求項２２記載の加速度計。 - 【請求項２４】 少なくとも１つの酸化物層が隣接した電極の少なくとも１
つの側壁を越えて延びる請求項２３記載の加速度計。 - 【請求項２５】 少なくとも１つの酸化物層が隣接した周辺保護環の少なく
とも１つの側壁を越えて延びる請求項２３記載の加速度計。 - 【請求項２６】 少なくとも１つの第２の誘電体層が前記周辺保護環の少な
くとも１つの側壁を越えて延びる請求項２３記載の加速度計。 - 【請求項２７】 エッチングされた各前記形状は、ＲＩＥプロセスを用いた
ドライエッチングにより生成される請求項２２記載の加速度計。 - 【請求項２８】 各前記ＲＩＥプロセスはＢＯＳＣＨプロセスである請求項
２７記載の加速度計。 - 【請求項２９】 前記中央保証質量を貫く少なくとも１つの孔を更に含む請
求項２３記載の加速度計。 - 【請求項３０】 前記誘電体層は酸化物層である請求項２２記載の加速度計
。 - 【請求項３１】 前記誘電体は窒化物である請求項２２記載の加速度計。
- 【請求項３２】 前記半導体はシリコンである請求項２２記載の加速度計。
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