JP2003035507A - 表面形状認識用センサおよびこの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 安定性、感度、信頼性を考慮した表面形状認
識用センサを提供する。 【解決手段】 絶縁膜１０７を０．１μｍの厚さに形成
し、この上のセンサ電極１０４ａ上部領域に、センサ電
極１０４ａを全て覆うように膜厚１μｍ程度のレジスト
パターン１０８を形成し、これをマスクとして、絶縁膜
１０７を選択的にエッチングし、センサ電極１０４ａを
覆う電極絶縁膜１０７ａを形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、人間の指紋や動物
の鼻紋など微細な凹凸を有する表面形状を感知するため
に用いられる表面形状認識用センサおよびこの製造方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】情報化社会の進展と現代社会の環境にお
いて、セキュリティ技術に対する関心が高まっている。
例えば、情報化社会では、電子現金化などのシステム構
築のための本人認証技術が、重要な鍵となっている。ま
た、盗難やクレジットカードなどが不正に利用されるこ
とを防ぐための認証技術についても、研究開発が活発に
なっている（例えば、清水 良真 他、個人認証機能付
きＩＣカードに関する一検討、信学技法、Technical re
port of IEICE OFS92-32,P25 30(1992)）。

【０００３】認証方式は、指紋や音声など種々あるが、
中でも、指紋認証技術については、これまで多くの技術
開発がなされている。指紋を読み取る方式としては、レ
ンズや照明などの光学系を備えた光学的な読み取り方式
と、感圧シートなどを用いた圧力式、半導体基板上にセ
ンサを配置した半導体式などがある。これらの中で、小
型化が容易であり、汎用化が容易なのは、半導体式であ
る。

【０００４】半導体式として、「Marco Tartagni」等
が、ＬＳＩ製造技術を用いて容量型の指紋センサを開発
したものがある（Marco Tartagni and Robert Guerrier
i,A 390 dpi Live Fingerprint Imager Based on Feed
back Capacitive Sensing Scheme,1997 IEEE Internati
onal Solid-State Circuits Conference,p200 201(199
7)）。この指紋センサは、小さな容量検出センサをＬＳ
Ｉ上に２次元に配列したセンサチップにより、帰還静電
容量方式を利用して皮膚の凹凸パターンを検出する方式
である。

【０００５】この静電容量検出センサについて、図１２
の断面図を用いて説明する。このセンサは、半導体基板
１２０１上に、層間絶縁膜１２０２を介して形成された
センサ電極１２０３と、この上を覆うパッシベーション
膜１２０４とから構成されている。なお、図１２には示
していないが、層間絶縁膜１２０２下の半導体基板１２
０１上には、例えば複数のＭＯＳトランジスタなどや配
線構造を備えた集積回路である検出回路が形成されてい
る。

【０００６】このセンサチップでは、指紋検出対象の指
がパッシベーション膜１２０４に接触すると、センサ電
極１２０３と指の皮膚が電極として働くことで静電容量
を形成する。この静電容量を、センサ電極１２０３に接
続する図示していない配線を介し、上記検出回路により
検出する。しかし、静電容量型の指紋センサは、皮膚が
電極となっているため、指先に発生した静電気により、
センサチップに内蔵されている集積回路が静電破壊され
るという問題があった。

【０００７】これに対し、上述した静電容量型指紋セン
サの静電破壊を防止するために、図１３のような断面構
造の静電容量検出センサを備えた表面形状認識用センサ
が提案されている。図１３のセンサについて説明する
と、半導体基板１３０１上に、層間絶縁膜１３０２を介
して形成されたセンサ電極１３０３と、このセンサ電極
１３０３と所定の間隔をあけて配置された変形可能な板
状の可動電極１３０４と、センサ電極１３０３の周囲に
センサ電極１３０３とは絶縁分離されて配置され可動電
極１３０４を支持する支持部材１３０５とを備えてい
る。

【０００８】このように構成されたセンサでは、指紋検
出対象の指が可動電極１３０４に接触すると、指からの
圧力が可動電極１３０４をセンサ電極１３０３側に撓ま
せ、センサ電極１３０３と可動電極１３０４間に形成さ
れていた静電容量を変化させる。この静電容量の変化
を、センサ電極１３０３に接続する図示していない配線
を介し、半導体基板１３０１上のやはり図示していない
検出回路によって検出する。この表面形状認識用センサ
においては、導電性を有する支持部材１３０５を介して
可動電極１３０４を接地しておけば、指先に発生した静
電気は、可動電極１３０４へ放電したとしても支持部材
１３０５を介してアースに流れる。このため、センサ電
極１３０３下に内蔵されている検出回路が、静電破壊か
ら守られるようになる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の表面形状認識用センサでは、指などの表面形状
認識対象からの圧力が過大な場合、可動電極１３０４が
撓みすぎてセンサ電極１３０３に接触し、回路的にショ
ートするという問題があった。

【００１０】本発明は、以上のような問題点を解消する
ためになされたものであり、安定性、感度、信頼性を考
慮した表面形状認識用センサを提供することを目的とす
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の一形態における
表面形状認識用センサは、半導体基板上に形成された層
間絶縁膜の同一平面に各々が絶縁分離されかつ各々固定
配置されたセンサ電極，このセンサ電極上に配置された
電極絶縁膜，この電極絶縁膜上に所定の間隔をあけて配
置された金属からなる変形可能な板状の可動電極から構
成された複数の容量検出素子と、センサ電極周囲にセン
サ電極とは絶縁分離されて配置され電極絶縁膜より高く
形成されて可動電極を支持する支持部材とを備えたもの
である。この表面形状認識用センサによれば、可動電極
とセンサ電極との間に、空間と電極絶縁膜とが存在す
る。

【００１２】上記表面形状認識用センサにおいて、可動
電極が複数の開口部を備えた場合は、可動電極上に配置
されて開口部を塞ぐように形成された保護膜を備えるよ
うにすればよい。また、可動電極上に配置された突起状
構造体を備えるようにしてもよい。上記表面形状認識用
センサにおいて、可動電極が弾性変形する範囲において
最大の変形をしたときの可動電極中央部の移動量をＡと
したとき、可動電極と電極絶縁膜との間隔は、Ａ以下と
することができる。また、上記表面形状認識用センサに
おいて、電極絶縁膜は、センサ電極と略同じ形状に形成
されかつセンサ電極上を覆うように配置されていればよ
い。

【００１３】本発明の一形態における表面形状認識用セ
ンサの製造方法は、半導体基板上に層間絶縁膜を形成す
る工程と、層間絶縁膜上にセンサ電極を形成する工程
と、センサ電極周囲にこのセンサ電極とは絶縁分離され
て配置された支持部材を形成する工程と、センサ電極上
において支持部材より低い状態にセンサ電極を覆う第１
の絶縁膜を形成する工程と、第１の絶縁膜を選択的に除
去してセンサ電極上に電極絶縁膜を形成する工程と、セ
ンサ電極と電極絶縁膜を覆いかつ支持部材が露出するよ
うに層間絶縁膜上に犠牲膜を形成する工程と、犠牲膜お
よび支持部材上に開口部を備えた可動電極を形成する工
程と、可動電極を形成した後で開口部を介して犠牲膜の
みを選択的に除去する工程と、犠牲膜を除去した後で、
可動電極上に保護膜を形成する工程と、保護膜上にセン
サ電極の上の領域に配置された突起状構造体を形成する
工程とを備えたものである。この製造方法によれば、可
動電極とセンサ電極との間に、空間と電極絶縁膜とが存
在した状態となる。

【００１４】本発明の他の形態における表面形状認識用
センサの製造方法は、半導体基板上に層間絶縁膜を形成
する工程と、層間絶縁膜上に金属膜を形成する工程と、
金属膜上に所定の領域に開口部を備えた第１のマスクパ
ターンを形成する工程と、第１のマスクパターンの開口
部底部に露出した金属膜表面にメッキ法により第１の金
属パターンを形成する工程と、第１の金属パターン上に
この第１の金属パターンを覆うように第１の絶縁膜を形
成する工程と、第１のマスクパターンを除去して第１の
金属パターン上に電極絶縁膜を形成する工程と、電極絶
縁膜を形成した後、第１の金属パターンの周囲に配置さ
れた開口部を備えた第２のマスクパターンを金属膜およ
び電極絶縁膜上に形成する工程と、第２のマスクパター
ンの開口部底部に露出した金属膜表面にメッキ法により
第２の金属パターンを第１の金属パターンと電極絶縁膜
との合計膜厚より厚く形成する工程と、第２のマスクパ
ターンを除去した後、第１の金属パターンおよび第２の
金属パターンをマスクとして第１の金属膜をエッチング
除去し、第１の金属膜および第１の金属パターンからな
るセンサ電極と第１の金属膜および第２の金属パターン
からなる支持部材とを形成する工程と、センサ電極と電
極絶縁膜を覆いかつ支持部材が露出するように層間絶縁
膜上に犠牲膜を形成する工程と、犠牲膜および支持部材
上に、開口部を備えた可動電極を形成する工程と、可動
電極を形成した後で、開口部を介して犠牲膜のみを選択
的に除去する工程と、犠牲膜を除去した後で、可動電極
上に保護膜を形成する工程と、保護膜上にセンサ電極の
上の領域に配置された突起状構造体を形成する工程とを
備えたものである。この製造方法によれば、可動電極と
センサ電極との間に、空間と電極絶縁膜とが存在した状
態となる。

【００１５】本発明の他の形態における表面形状認識用
センサの製造方法は、半導体基板上に層間絶縁膜を形成
する工程と、層間絶縁膜上に金属膜を形成する工程と、
金属膜上に所定の領域に開口部を備えた第１のマスクパ
ターンを形成する工程と、第１のマスクパターンの開口
部底部に露出した金属膜表面にメッキ法により第１の金
属パターンを形成する工程と、第１のマスクパターンを
除去した後、第１の金属パターン上にこの第１の金属パ
ターンを覆うように第１の絶縁膜を形成する工程と、第
１の絶縁膜を選択的に除去して第１の金属パターン上に
電極絶縁膜を形成する工程と、電極絶縁膜を形成した
後、第１の金属パターンの周囲に配置された開口部を備
えた第２のマスクパターンを金属膜および電極絶縁膜上
に形成する工程と、第２のマスクパターンの開口部底部
に露出した金属膜表面にメッキ法により第２の金属パタ
ーンを第１の金属パターンと電極絶縁膜との合計膜厚よ
り厚く形成する工程と、第２のマスクパターンを除去し
た後、第１の金属パターンおよび第２の金属パターンを
マスクとして第１の金属膜をエッチング除去し、第１の
金属膜および第１の金属パターンからなるセンサ電極と
第１の金属膜および第２の金属パターンからなる支持部
材とを形成する工程と、センサ電極と電極絶縁膜を覆い
かつ支持部材が露出するように層間絶縁膜上に犠牲膜を
形成する工程と、犠牲膜および支持部材上に、開口部を
備えた可動電極を形成する工程と、可動電極を形成した
後で、開口部を介して犠牲膜のみを選択的に除去する工
程と、犠牲膜を除去した後で、可動電極上に保護膜を形
成する工程と、保護膜上にセンサ電極の上の領域に配置
された突起状構造体を形成する工程とを備えたものであ
る。この製造方法によれば、可動電極とセンサ電極との
間に、空間と電極絶縁膜とが存在した状態となる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図を参照して説明する。 ＜実施の形態１＞はじめに、本発明の第１の実施の形態
における表面形状認識用センサの製造方法例について説
明する。図１は、本実施に形態における表面形状認識用
センサの製造方法を説明する工程図である。まず、図１
（ａ）に示すように、シリコンなどの半導体材料からな
る基板１０１上に、層間絶縁膜１０１ａを形成する。層
間絶縁膜１０１ａ下の基板１０１上には、図示していな
いが、検出回路などの他の集積回路が形成され、複数の
配線からなる配線構造を備えている。層間絶縁膜１０１
ａを形成した後、蒸着法により膜厚０.１μｍのチタン
膜と膜厚０．１μｍの金膜との２層膜からなるシード層
１０２を形成する。

【００１７】つぎに、図１（ｂ）に示すように、シード
層１０２上に開口部１０３ａを備えた膜厚５μｍ程度の
レジストパターン１０３を形成する。レジストパターン
１０３は、例えば、公知のフォトリソグラフィ技術によ
り形成すればよい。レジストパターン１０３を形成した
ら、開口部１０３ａに露出しているシード層１０２上
に、電解メッキにより金のメッキ膜からなる金属パター
ン１０４を膜厚１μｍ程度に形成する。

【００１８】つぎに、図１（ｃ）に示すように、レジス
トパターン１０３を除去する。この後、図１（ｄ）に示
すように、新たに開口部１０５ａを備えた膜厚５μｍ程
度のレジストパターン１０５を形成する。このときレジ
ストパターン１０５により金属パターン１０４を覆うよ
うにする。レジストパターン１０５を形成したら、開口
部１０５ａに露出しているシード層１０２上に、電解メ
ッキにより金のメッキ膜からなる金属パターン１０６
を、膜厚３μｍ程度に形成する。この後、図１（ｅ）に
示すように、レジストパターン１０５を除去する。

【００１９】次いで、金属パターン１０４および金属パ
ターン１０６をマスクとして、シード層１０２を選択的
にエッチング除去する。このエッチングでは、まず、ヨ
ウ素，ヨウ化アンモニウム，水，エタノールからなるエ
ッチング液を用いて、シード層１０２上層の金を選択的
に除去する。次いで、ＨＦ系のエッチング液を用い、シ
ード層１０２下層のチタンを選択的に除去する。この結
果、図１（ｆ）に示すように、基板１０１上に、上層が
金からなるセンサ電極１０４ａと、センサ電極１０４ａ
とは絶縁分離された支持部材１０６ａとが形成される。

【００２０】支持部材１０６ａは、後述する可動電極を
支持するものであり、例えば、図１（ｇ）に示すよう
に、格子状に形成されたものである。支持部材１０６ａ
で囲まれた領域の中心部には、センサ電極１０４ａが配
置されている。なお、支持部材１０６ａの形状は格子状
に限るものではなく、四角柱をセンサ電極１０４ａの周
辺に複数配置したものとしても良い。

【００２１】つぎに、図２（ａ）に示すように、シリコ
ン酸化膜からなる絶縁膜１０７を０．１μｍの厚さでＥ
ＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）プラズマＣＶＤ
（Chemical Vapor Deposition）法によって形成する。
ソースガスとしてＳｉＨ₄およびＯ₂ガスを用い、各ガス
流量を１０sccm,２０sccmとし、マイクロ波パワーを２
００Ｗとしてシリコン酸化膜を形成した。なお、絶縁膜
１０７は、シリコン酸化膜に限らず、シリコン窒化膜な
どの他の絶縁材料であってもよい。

【００２２】つぎに、図２（ｂ）に示すように、絶縁膜
１０７上のセンサ電極１０４ａ上部領域に、センサ電極
１０４ａを全て覆うように膜厚１μｍ程度のレジストパ
ターン１０８を形成する。レジストパターン１０８は、
公知のフォトリソグラフィ技術により形成すればよい。
この後、レジストパターン１０８をマスクとして、絶縁
膜１０７を選択的にエッチングする。このエッチングで
は、ＣＨＦ₃ガスとＯ₂ガスとをエッチングガスとして用
いたドライエッチングにより行い、各ガス流量を各々３
０sccmと５sccmとし、マイクロ波パワーを３００Ｗとし
た。この結果、図２（ｃ）に示すように、センサ電極１
０４ａを覆う電極絶縁膜１０７ａが形成される。

【００２３】つぎに、図２（ｄ）に示すように、センサ
電極１０４ａ、電極絶縁膜１０７ａ、支持部材１０６ａ
を覆うように、基板１０１上に感光性を有する樹脂膜１
０９を、回転塗布により形成する。形成した樹脂膜１０
９には、１２０℃・４分間程度の加熱処理を加える。つ
ぎに、図２（ｅ）に示すように、公知のフォトリソグラ
フィ技術により支持部材１０６ａ上部の領域を露光し、
引き続いて現像処理を行うことで、支持部材１０６ａの
上部に開口部１０９ａを形成する。この後、３１０℃で
１時間程度の加熱処理を施し、樹脂膜１０９を熱硬化さ
せる。

【００２４】つぎに、硬化させた樹脂膜１０９を化学的
機械的研磨によりエッチバックし、図２（ｆ）に示すよ
うに、表面が平坦化された犠牲膜１０９ｂとする。この
段階で、支持部材１０６ａと犠牲膜１０９ｂ表面とは同
一の平面をなし、支持部材１０６ａ表面は露出した状態
となる。次いで、平坦化した犠牲膜１０９ｂ上に、蒸着
法により膜厚０．１μｍのチタン膜と膜厚０．１μｍの
金膜との２層膜からなるシード層１１０を形成する（図
３（ａ））。

【００２５】シード層１１０を形成したら、図３（ｂ）
に示すように、シード層１１０上に膜厚３.０μｍ程度
のレジストパターン１１１を島状に形成し、レジストパ
ターン１１１のない領域に露出しているシード層１１０
上に、電解メッキ法により金のメッキ膜からなる金属膜
１１２を１.０μｍの厚さに形成する。

【００２６】次いで、レジストパターン１１１を除去
し、形成された金属膜１１２をマスクとしてシード層１
１０を選択的にエッチングする。このエッチングでは、
まず、ヨウ素，ヨウ化アンモニウム，水，エタノールか
らなるエッチング液を用いて、シード層１１０上層の金
を選択的に除去する。次いで、ＨＦ系のエッチング液を
用い、シード層１１０下層のチタンを選択的に除去す
る。この結果、図３（ｃ）に示すように、複数の開口部
１１３ａを備え、金属膜１１２とエッチングされたシー
ド層１１０ａとからなる可動電極１１３が形成される。

【００２７】つぎに、可動電極１１３まで形成した基板
１０１を、酸素ガスを主としたプラズマ中に曝し、開口
部１１３ａを介してプラズマにより生成されたエッチン
グ種を犠牲膜１０９ｂに接触させ、犠牲膜１０９ｂを除
去する。この結果、図３（ｄ）に示すように、可動電極
１１３が支持部材１０６ａに支えられた状態で、可動電
極１１３下には空間が形成され、可動電極１１３とセン
サ電極１０４ａが、空間で離間され電極絶縁膜１０７ａ
を挟んだ状態で対向する構造が形成される。

【００２８】つぎに、図３（ｅ）に示すように、可動電
極１１３の開口部を封止するなどのために、絶縁材料か
らなる保護膜１１４を形成する。保護膜１１４は、ＳＴ
Ｐ（Spin Coating Film Transfer and Hot-pressing）
法を用いて形成した。ＳＴＰ法とは、予めフィルム上に
絶縁体を塗布形成し、このフィルム上の絶縁体を真空中
で可動電極１１３の表面に加熱加圧により接着させ、続
いてフィルムを剥離することにより、保護膜１１４を可
動電極１１３表面に転写する方法である。

【００２９】この後、図３（ｆ）に示すように、公知の
フォトリソグラフィ技術により、可動電極１１３上に突
起状構造体１１５を形成した。突起状構造体１１５の形
成について説明すると、まず、保護膜１１４上に感光性
樹脂膜を膜厚１０μｍ程度の塗布形成する。次いで、突
起状構造体となる領域以外の部分を露光して現像液に可
溶とし、これを現像処理してから３１０℃で１時間程度
の熱処理を施して熱硬化させ、突起状構造体１１５とす
る。

【００３０】以上の工程を経て、図３（ｆ）に示すよう
に、表面形状認識用センサ１００が作製される。この結
果、図３（ｆ）に示したように、本実施の形態の表面形
状認識用センサ１００によれば、センサ電極１０４ａ上
に電極絶縁膜１０７ａを設けるようにしたので、可動電
極１１３が大きく下方に撓んだとしても、可動電極１１
３の下部がセンサ電極１０４ａに電気的に接触すること
が無くなる。

【００３１】また、従来では、センサ電極１０４ａと可
動電極１１３との接触を避けるために、これらの間隔を
必要以上にあけるようにする場合もあり、形成される静
電容量が小さくなり感度が低下する、という問題があっ
たが、本実施の形態によれば、センサ電極と可動電極と
の間隔を狭くできるので、感度の低下を招くことがな
い。さらに、従来のように間隔を広げた状態で、可動電
極１１３に対して過大な圧力がかかると、可動電極１１
３が塑性変形してしまい元の状態に戻らない場合があっ
たが、本実施の形態によれば、このような問題も抑制で
きるようになる。

【００３２】ところで、上記実施の形態では、可動電極
に複数の開口部を設けるようにしたがこれに限るもので
はない。例えば、支持部材をセンサ電極周囲に配置され
た柱による構造として不連続な構造体とすれば、可動電
極に開口部を備えなくても、側方から犠牲膜を除去する
ことが可能となる。また、犠牲膜を用いることなく可動
電極を支持部材上に形成すれば、除去すべき対象が存在
しないので、可動電極に開口部を設ける必要はない。

【００３３】＜実施の形態２＞つぎに、本発明の他の形
態における製造方法例について説明する。まず、上述し
た実施の形態と同様にし、図４（ａ）に示すように、シ
ード層１０２上に開口部１０３ａを備えた膜厚５μｍ程
度のレジストパターン１０３を形成する。レジストパタ
ーン１０３を形成したら、開口部１０３ａに露出してい
るシード層１０２上に、電解メッキにより金のメッキ膜
からなる金属パターン１０４を膜厚１μｍ程度に形成す
る。

【００３４】本実施の形態では、この後、レジストパタ
ーン１０３を除去せずに、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法を用
い、シリコン酸化膜からなる絶縁膜１２０を０.３μｍ
程度の膜厚で形成する（図４（ｂ））。ここでも、ソー
スガスとしてＳｉＨ₄,Ｏ₂ガスを用い、各ソースガスの
流量を１０sccm,２０sccmとし、マイクロ波パワーを２
００Ｗとしてシリコン酸化膜を形成した。

【００３５】つぎに、レジストパターン１０３を除去す
る。この際、絶縁膜１２０でレジストパターン１０３に
接する部分はリフトオフにより除去される。この結果、
金属パターン１０４上の絶縁膜１２０ａだけが残る（図
４（ｃ））。この後、図１（ｄ）と同じように、レジス
トパターン１０５を形成し、電解メッキにより金のメッ
キ膜からなる金属パターン１０６を形成する（図４
（ｄ））。この後、レジストパターン１０５は、除去す
る（図４（ｅ））。

【００３６】次いで、形成された金属パターン１０６を
マスクとしてシード層１０２を選択的にエッチングす
る。このエッチングでは、まず、ヨウ素，ヨウ化アンモ
ニウム，水，エタノールからなるエッチング液を用い
て、シード層１０２上層の金を選択的に除去する。次い
で、ＨＦ系のエッチング液を用い、シード層１０２下層
のチタンを選択的に除去する。この際、ＨＦ系のエッチ
ング液によって絶縁膜１２０ａもエッチングされる。し
かし、絶縁膜１２０ａの膜厚は０.３μｍであり、０．
１μｍのチタン膜がエッチングされる間に、絶縁膜１２
０ａの全ては除去されることはなく、以降に示す電極絶
縁膜１２０ｂとして残る。

【００３７】この結果、図４（ｆ）に示すように、基板
１０１上に、上層が金からなるセンサ電極１０４ａと、
この上の電極絶縁膜１２０ｂと、このセンサ電極１０４
ａと電極絶縁膜１２０ｂとから絶縁分離された支持部材
１０６ａとが形成される。図４（ｆ）は図２（ｃ）の状
態に対応し、この後は、図２（ｄ）以降と同じ工程を経
ることで、図３（ｆ）に示すような表面形状認識用セン
サ１００が形成される。なお、本実施の形態において、
絶縁膜１２０としてシリコン酸化膜を例にとったが、金
とチタンと犠牲膜のエッチングの際にエッチングされな
いか、あるいは、少量のエッチング量で済むものであれ
ば、シリコン窒化膜などの他の絶縁体を用いるようにし
ても良い。

【００３８】＜実施の形態３＞つぎに、本発明の他の形
態における製造方法例について説明する。まず、上述し
た実施の形態と同様にし、図５（ａ）に示すように、シ
ード層１０２上に開口部１０３ａを備えた膜厚５μｍ程
度のレジストパターン１０３を形成する。レジストパタ
ーン１０３を形成したら、開口部１０３ａに露出してい
るシード層１０２上に、電解メッキにより金のメッキ膜
からなる金属パターン１０４を膜厚１μｍ程度に形成す
る。

【００３９】次いで、本実施の形態では、レジストパタ
ーン１０３を除去し、この後、金属パターン１０４を覆
ってシード層１０２上に、シリコン酸化膜からなる絶縁
膜１３０を０．１μｍの厚さに形成する。絶縁膜１３０
は、図２に示した絶縁膜１０７と同様にして形成すれば
よい。つぎに、図５（ｃ）に示すように、絶縁膜１３０
の上部領域でかつ金属パターン１０４上に、膜厚１.０
μｍのレジストパターン１３１を公知のフォトリソグラ
フィ技術によって形成する。

【００４０】レジストパターン１３１を形成したら、こ
れをマスクとし、絶縁膜１３０を選択的にエッチング除
去する（図５（ｄ））。このドライエッチングでは、エ
ッチングガスとしてＣＨＦ₃とＯ₂を用い、これらガスの
流量を各々３０sccmと５sccmとし、マイクロ波パワーを
３００Ｗとした。この後、レジストパターン１３１を除
去すれば、図５（ｅ）に示すように、金属パターン１０
４上にシリコン酸化膜からなる電極絶縁膜１３０ａが形
成される。

【００４１】この後、図１（ｄ）と同じように、レジス
トパターン形成と電解メッキ法により金のメッキ膜から
なる金属パターン１０６を形成し（図５（ｆ））、レジ
ストパターンを除去する（図５（ｇ））。図５（ｇ）は
図２（ｃ）の状態に対応し、この後は、図２（ｄ）以降
と同じ工程を経ることで、図３（ｆ）に示す表面形状認
識用センサ１００が形成できる。なお、絶縁膜１３０
も、金とチタンと犠牲膜のエッチングに際にエッチング
されないか、あるいは、少量のエッチング量で済むもの
であれば、シリコン窒化膜などの他の絶縁体を用いるよ
うにしても良い。

【００４２】つぎに、以上の実施の形態で作製工程を示
した表面形状認識用センサの動作について説明する。
図６に、表面形状認識用センサ１００の動作原理を示
す。表面形状認識用センサ１００が２次元配列したセン
サチップに、表面形状認識対象とする指などの物体を押
し付ける。このとき、凹凸を備えた物体の凹の部分は表
面形状認識用センサ１００には接触しない（図６
（ａ））。一方、上記物体の凸の部分は、表面形状認識
用センサ１００の上部に接触し、突起状構造体１１５に
圧力を加える（図６（ｂ））。このときの圧力の大小に
応じて、可動電極１１３が撓む。

【００４３】可動電極１１３が撓むと、可動電極１１３
とセンサ電極１０４ａの間に形成されていた静電容量が
増加する。この静電容量の増加分を、図示していない基
板１０１上の集積回路によって検出する。さらに、静電
容量変化の大小を濃淡データに変換して、表面形状を検
出する。このように動作する中で、外部から大きな圧力
が加わったとき、可動電極１１３がセンサ電極１０４ａ
に向けて撓むが、本実施の形態によれば、電極絶縁膜１
０７ａを備えていることで、可動電極１１３とセンサ電
極１０４ａが接触することが避けられる。

【００４４】従って、接触による可動電極１１３とセン
サ電極１０４ａのショートが回避され、かつ、可動電極
１１３とセンサ電極１０４ａの金属面の密着が防止でき
る。さらに、電極絶縁膜１０７ａは誘電体であるので、
可動電極１１３とセンサ電極１０４ａ間に形成される静
電容量変化を増大させることができる。また、電極絶縁
膜１０７ａを適切な厚さに設定し、可動電極１１３の可
動深さに上限を与えることで、変形に伴う可動電極１１
３の機械的な疲労および破壊を防ぐことができる。

【００４５】以上のような利点を実現するための、電極
絶縁膜の設計法についてつぎに説明する。簡単のため、
図７（ａ）に示すように、可動電極１１３の撓む方向を
正に、圧力がかかっていないときの可動電極１１３の中
心を原点として、軸を設定する。また、電極絶縁膜１０
７ａの厚さをｔとし、可動電極１１３と電極絶縁膜１０
７ａとの間隔をｄ−ｔとする。また、図７（ｂ）に示す
ように、外部からの圧力によって可動電極１１３が撓む
ときの位置をｘとする。

【００４６】まず、図８（ａ），（ｂ），（ｃ）に示す
ように、可動電極１１３の可動可能な深さｄ−ｔを一定
として、電極絶縁膜１０７ａの膜厚が異なる場合を考え
る。この状態で、可動電極１１３をｘ＝０からｘ=ｄ−
ｔの位置まで移動させたときの静電容量の変化を図８
（ｄ）に示す。この図から分かるように、電極絶縁膜１
０７ａの膜厚が薄いほど、静電容量のダイナミックレン
ジは広い。

【００４７】つぎに、図９（ａ），（ｂ），（ｃ）に示
すように、電極絶縁膜１０７ａの膜厚を一定として、可
動電極１１３の可動可能な深さを変えた場合（ｄ₁−ｔ
＜ｄ₂−ｔ＜ｄ₃−ｔ）を考える。この状態で、可動電極
１１３をｘ＝０から可能な値まで移動させたときの静電
容量の変化を図９（ｄ）に示す。ところで、センサとし
て働くために、可動電極は、圧力が加わったときはこの
圧力によって変形し、圧力がないときは元の変形の無い
状態に戻る必要がある。ある値以下の変形量であれば元
の状態に戻る弾性変形の範囲内だが、ある値を超えると
元の状態に戻らない塑性変形の範囲になってしまう閾値
が、可動電極には存在する。

【００４８】図９において、上記弾性変形と塑性変形と
の閾値となる可動電極の移動量をｄ２−ｔとすると、０
≦ｘ≦ｄ₂−ｔのときは弾性変形をし、ｄ₂−ｔ≦ｘのと
きは塑性変形をすることになる。従って、可動電極１１
３と電極絶縁膜１０７ａ間の距離が大きくあいているｄ
＝ｄ₃のような場合でも、センサとして可動を許容でき
る範囲は０≦ｘ≦ｄ₂−ｔである。このような理由か
ら、図９（ｄ）において静電容量のダイナミックレンジ
を見ると、最も広いのはｄ＝ｄ₂のときであることが分
かる。すなわち、可動電極が弾性変形の範囲内で最大変
形できる場合が、最もダイナミックレンジが大きい。

【００４９】つぎに、電極絶縁膜１０７ａの膜厚と可動
電極１１３の可動可能な深さを一定とし、電極絶縁膜の
誘電率εを変化させたときについて説明する。図１０
（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、ε₃＜ε₂＜ε₁
と各々異なる誘電率の電極絶縁膜を用いた場合、これに
対応した静電容量のダイナミックレンジは図１０（ｄ）
に示すようになる。つまり、電極絶縁膜の誘電率が大き
いほど、センサにおける静電容量のダイナミックレンジ
は広い。

【００５０】つぎに、電極絶縁膜１０７ａの形状につい
て説明する。センサ電極１０４ａと電極絶縁膜１０７ａ
は、ともに正方形とし、これらの中心を原点として、図
１１（ａ）に示すように軸を設定する。図１１（ａ）の
センサ電極１０４ａと電極絶縁膜１０７ａの部分を上か
ら見た状態を図１１（ｂ）に示す。センサ電極１０４ａ
を一辺ｂの正方形とし、電極絶縁膜１０７ａを一辺ａの
正方形とする。

【００５１】このような構成としたとき、ａをｙ＝０か
ら大きくしていったときの、センサ電極１０４ａと可動
電極１１３の間に形成されている静電容量を図７（ｃ）
に示す。０≦ａ≦ｂなるａ＝ａ₁での静電容量は、ａ＝
ｂでの静電容量より小さい。ａ＞ｂとなるａ＝ａ₂での
静電容量は、ａ＝ｂでの静電容量に等しい。しかし、ａ
＞ｂの領域では、センサ電極１０４ａと支持部材１０６
ａ間の静電容量が増えてしまうので好ましくない。

【００５２】以上の理由から、電極絶縁膜１０７ａは、
センサ電極１０４ａを過不足なく覆うように形成する。
実際の工程では、完全に合同な形状にするには難しいの
で、１μｍ程度のマージンは考慮するものとする。図１
１では、センサ電極１０４ａの形状として正方形を仮定
したが、正方形でなくとも以上の事実が適用できるのは
いうまでもない。

【００５３】以上説明したことをまとめると、外部の凹
凸の差を増幅して感度よく検出するためには、静電容量
のダイナミックレンジが広い方がよく、このためには、
電極絶縁膜１０７ａの膜厚をできるだけ薄く形成し、こ
の形状はセンサ電極１０４ａと合同な形状にし、可動電
極１１３が弾性変形の限界を超えないような位置に電極
絶縁膜１０７ａの表面を形成すればよい。

【００５４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
可動電極とセンサ電極との間に、空間と電極絶縁膜とが
存在した状態となるので、可動電極が下方に撓んでもセ
ンサ電極と電気的に接触することが無くなるので、回路
的にショートすることもなくなり、安定性、感度、信頼
性を考慮した表面形状認識用センサを提供できるという
優れた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態における表面形状認識用
センサの製造方法例を示す工程図である。

【図２】 図１に続く、表面形状認識用センサの製造法
法例を示す工程図である。

【図３】 図２に続く、表面形状認識用センサの製造法
法例を示す工程図である。

【図４】 本発明の他の形態における表面形状認識用セ
ンサの製造方法例を示す工程図である。

【図５】 本発明の他の形態における表面形状認識用セ
ンサの製造方法例を示す工程図である。

【図６】 本発明の実施の形態における表面形状認識用
センサの動作例を説明するための模式的な断面図であ
る。

【図７】 本発明の実施の形態における表面形状認識用
センサの動作例を説明するための模式的な断面図であ
る。

【図８】 本発明の実施の形態における表面形状認識用
センサの動作例を説明するための模式的な断面図
（ａ），（ｂ），（ｃ）と、特性図（ｄ）である。

【図９】 本発明の実施の形態における表面形状認識用
センサの動作例を説明するための模式的な断面図
（ａ），（ｂ），（ｃ）と、特性図（ｄ）である。

【図１０】 本発明の実施の形態における表面形状認識
用センサの動作例を説明するための模式的な断面図
（ａ），（ｂ），（ｃ）と、特性図（ｄ）である。

【図１１】 本発明の実施の形態における表面形状認識
用センサの動作例を説明するための模式的な断面図
（ａ），平面図（ｂ）と、特性図（ｃ）である。

【図１２】 従来よりある表面形状認識用センサの構成
を示す模式的な断面図である。

【図１３】 従来よりある表面形状認識用センサの構成
を示す模式的な断面図である。

【符号の説明】

１０１…基板、１０１ａ…層間絶縁膜、１０２…シード
層、１０３，１０５…レジストパターン、１０３ａ，１
０５ａ…開口部、１０４，１０６…金属パターン、１０
４ａ…センサ電極、１０６ａ…支持部材、１０７…絶縁
膜、１０７ａ…電極絶縁膜、１０８…レジストパター
ン、１０９…樹脂膜、１０９ａ…開口部、１０９ｂ…犠
牲膜、１１０，１１０ａ…シード層、１１１…レジスト
パターン、１１２…金属膜、１１３…可動電極、１１３
ａ…開口部、１１４…保護膜、１１５…突起状構造体。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森村 浩季 東京都千代田区大手町二丁目３番１号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 町田 克之 東京都千代田区大手町二丁目３番１号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 久良木 億 東京都千代田区大手町二丁目３番１号 日 本電信電話株式会社内 Ｆターム(参考） 2F063 AA43 BA29 BD20 DA02 DD07 EB05 EB15 HA04 4C038 FF01 FG00 5B047 AA25 BA02 BB04 BC01

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板上に形成された層間絶縁膜の
   同一平面に各々が絶縁分離されかつ各々固定配置された
   センサ電極，このセンサ電極上に配置された電極絶縁
   膜，この電極絶縁膜上に所定の間隔をあけて配置された
   金属からなる変形可能な板状の可動電極から構成された
   複数の容量検出素子と、 前記センサ電極周囲に前記センサ電極とは絶縁分離され
   て配置され前記電極絶縁膜より高く形成されて前記可動
   電極を支持する支持部材とを備えたことを特徴とする表
   面形状認識用センサ。
2. 【請求項２】 請求項１記載の表面形状認識用センサに
   おいて、 前記可動電極に形成された複数の開口部と、 前記可動電極上に配置されて前記開口部を塞ぐように形
   成された保護膜とを備えたことを特徴とする表面形状認
   識用センサ。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載の表面形状認識用
   センサにおいて、 前記可動電極上に配置された突起状構造体を備えたこと
   を特徴とする表面形状認識用センサ。
4. 【請求項４】 請求項１〜３いずれか１項に記載の表面
   形状認識用センサにおいて、 前記可動電極が弾性変形する範囲において最大の変形を
   したときの前記可動電極中央部の移動量をＡとしたと
   き、前記可動電極と前記電極絶縁膜との間隔が前記Ａ以
   下であることを特徴とする表面形状認識用センサ。
5. 【請求項５】 請求項１〜３いずれか１項に記載の表面
   形状認識用センサにおいて、 前記電極絶縁膜は、前記センサ電極と略同じ形状に形成
   され、かつ前記センサ電極上を覆うように配置されたも
   のであることを特徴とする表面形状認識用センサ。
6. 【請求項６】 半導体基板上に層間絶縁膜を形成する工
   程と、 前記層間絶縁膜上にセンサ電極を形成する工程と、 前記センサ電極周囲にこのセンサ電極とは絶縁分離され
   て配置された支持部材を形成する工程と、 前記センサ電極上において前記支持部材より低い状態に
   前記センサ電極を覆う第１の絶縁膜を形成する工程と、 前記第１の絶縁膜を選択的に除去して前記センサ電極上
   に電極絶縁膜を形成する工程と、 前記センサ電極と前記電極絶縁膜を覆いかつ前記支持部
   材が露出するように前記層間絶縁膜上に犠牲膜を形成す
   る工程と、 前記犠牲膜および前記支持部材上に開口部を備えた可動
   電極を形成する工程と、 前記可動電極を形成した後で前記開口部を介して前記犠
   牲膜のみを選択的に除去する工程と、 前記犠牲膜を除去した後で、前記可動電極上に保護膜を
   形成する工程と、 前記保護膜上に前記センサ電極の上の領域に配置された
   突起状構造体を形成する工程とを備えたことを特徴とす
   る表面形状認識用センサの製造方法。
7. 【請求項７】 半導体基板上に層間絶縁膜を形成する工
   程と、 前記層間絶縁膜上に金属膜を形成する工程と、 前記金属膜上に所定の領域に開口部を備えた第１のマス
   クパターンを形成する工程と、 前記第１のマスクパターンの開口部底部に露出した金属
   膜表面にメッキ法により第１の金属パターンを形成する
   工程と、 前記第１の金属パターン上にこの第１の金属パターンを
   覆うように第１の絶縁膜を形成する工程と、 前記第１のマスクパターンを除去して前記第１の金属パ
   ターン上に電極絶縁膜を形成する工程と、 前記電極絶縁膜を形成した後、前記第１の金属パターン
   の周囲に配置された開口部を備えた第２のマスクパター
   ンを前記金属膜および前記電極絶縁膜上に形成する工程
   と、 前記第２のマスクパターンの開口部底部に露出した前記
   金属膜表面にメッキ法により第２の金属パターンを前記
   第１の金属パターンと前記電極絶縁膜との合計膜厚より
   厚く形成する工程と、 前記第２のマスクパターンを除去した後、前記第１の金
   属パターンおよび第２の金属パターンをマスクとして前
   記第１の金属膜をエッチング除去し、前記第１の金属膜
   および前記第１の金属パターンからなるセンサ電極と前
   記第１の金属膜および前記第２の金属パターンからなる
   支持部材とを形成する工程と、 前記センサ電極と前記電極絶縁膜を覆いかつ前記支持部
   材が露出するように前記層間絶縁膜上に犠牲膜を形成す
   る工程と、 前記犠牲膜および前記支持部材上に、開口部を備えた可
   動電極を形成する工程と、 前記可動電極を形成した後で、前記開口部を介して前記
   犠牲膜のみを選択的に除去する工程と、 前記犠牲膜を除去した後で、前記可動電極上に保護膜を
   形成する工程と、 前記保護膜上に前記センサ電極の上の領域に配置された
   突起状構造体を形成する工程とを備えたことを特徴とす
   る表面形状認識用センサの製造方法。
8. 【請求項８】 半導体基板上に層間絶縁膜を形成する工
   程と、 前記層間絶縁膜上に金属膜を形成する工程と、 前記金属膜上に所定の領域に開口部を備えた第１のマス
   クパターンを形成する工程と、 前記第１のマスクパターンの開口部底部に露出した金属
   膜表面にメッキ法により第１の金属パターンを形成する
   工程と、 前記第１のマスクパターンを除去した後、前記第１の金
   属パターン上にこの第１の金属パターンを覆うように第
   １の絶縁膜を形成する工程と、 前記第１の絶縁膜を選択的に除去して前記第１の金属パ
   ターン上に電極絶縁膜を形成する工程と、 前記電極絶縁膜を形成した後、前記第１の金属パターン
   の周囲に配置された開口部を備えた第２のマスクパター
   ンを前記金属膜および前記電極絶縁膜上に形成する工程
   と、 前記第２のマスクパターンの開口部底部に露出した前記
   金属膜表面にメッキ法により第２の金属パターンを前記
   第１の金属パターンと前記電極絶縁膜との合計膜厚より
   厚く形成する工程と、 前記第２のマスクパターンを除去した後、前記第１の金
   属パターンおよび第２の金属パターンをマスクとして前
   記第１の金属膜をエッチング除去し、前記第１の金属膜
   および前記第１の金属パターンからなるセンサ電極と前
   記第１の金属膜および前記第２の金属パターンからなる
   支持部材とを形成する工程と、 前記センサ電極と前記電極絶縁膜を覆いかつ前記支持部
   材が露出するように前記層間絶縁膜上に犠牲膜を形成す
   る工程と、 前記犠牲膜および前記支持部材上に、開口部を備えた可
   動電極を形成する工程と、 前記可動電極を形成した後で、前記開口部を介して前記
   犠牲膜のみを選択的に除去する工程と、 前記犠牲膜を除去した後で、前記可動電極上に保護膜を
   形成する工程と、 前記保護膜上に前記センサ電極の上の領域に配置された
   突起状構造体を形成する工程とを備えたことを特徴とす
   る表面形状認識用センサの製造方法。