JPH09211019A - 半導体梁構造およびこの半導体梁構造を用いた半導体センサならびに半導体梁構造の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 振動式加速度センサ等の振動体として用いる
のに好適で、かつ簡易な製造方法によって精度よく作成
することができる半導体梁構造を提供する。 【解決手段】 シリコン単結晶におけるミラー指数で示
される結晶面で見て、１つの（１００）面と２つの（１
１１）面とによって囲まれたほぼ三角形の断面を有する
半導体梁構造２であって、両端を支持端としてシリコン
単結晶母材１に支持され、シリコン単結晶母材１からエ
ッチングにより一体に削出される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シリコン単結晶母
材から一体に削出された半導体梁構造およびこの半導体
梁構造を用いた半導体センサならびに半導体梁構造の製
造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、半導体振動式センサが知られ
ている。この半導体振動式センサとは、半導体材料（主
としてシリコン）に基板上に微細な両持ち梁構造体（振
動体）を形成し、これをその振動体の機械的共振周波数
で電気的に振動させ、この共振している振動体に作用す
る外力によって、共振周波数が変化することをその検出
原理とするセンサである（特開平３−１３１７３２号公
報参照）。

【０００３】その外力には、例えば振動体の長手方向に
加わる応力や振動体の振動を減衰させようとする周囲媒
体の抵抗力等がある。特に応力に関しては、この共振振
動体をシリコンのダイヤフラム構造体上に形成した半導
体振動式応力センサが種々提案されている。

【０００４】振動式センサの特徴は、振動体の共振周波
数がほぼ機械的構造で決定され、しかもその振動数が極
めて安定でかつ外力（応力）に対して非常に敏感である
という点にある。したがって、従来の歪みゲージ等の抵
抗変化型のセンサよりも感度、安定度とも非常に優れた
ものが得られる。特にこれが半導体微細加工技術、マイ
クロマシニング技術を用いた製造方法により、高精度に
または安価に作成することが可能になった。

【０００５】半導体微細加工技術を用いる場合、従来
は、その微小梁の材料として、シリコン系の薄膜材料、
特にポリシリコン膜、窒化シリコン膜が多く用いられて
いる。これらの薄膜材料は、半導体集積回路の配線材
料、表面保護材料であり、集積回路の製造工程のフォト
リソグラフィやエッチング技術を用いて梁を形成してい
た。

【０００６】図２５は、振動体となる梁を膜材料で形成
する場合の製造方法を概略的に示す工程図である。先ず
シリコン基板の表面に犠牲層を成膜し、次にこの犠牲層
上に梁材料を成膜する。次いで梁材料膜に対してパター
ニングを施して、梁の幅に等しい間隔を隔てて紙面に垂
直な方向に延びる互いに平行な、犠牲層を露出させる一
対の開口を形成し、次に犠牲層に対し上記開口を通じて
エッチングを施して梁構造を得るというものである。

【０００７】一方、上記梁をシリコン単結晶で構成する
ことも従来から知られており、例えば、シリコン基板上
に不純物濃度の異なる単結晶膜を多層にエピタキシャル
成長させて、電解法によるエッチングを施したときのエ
ッチング速度のその不純物濃度の相違による差を利用し
て梁を構成する方法が提案されている。

【０００８】また、シリコン単結晶同士を酸化膜を介し
て張り合わせ、その後、所望の振動体の厚さになるまで
片側を精密機械研磨して梁を形成する方法も知られてい
る。さらに、従来より、上述のような梁構造を歪みゲー
ジの検出部に用い、梁構造の一端に重り（質量体）を連
結し、加速度による梁の歪みや重りの変位を検出するよ
うにした振動式でない半導体加速度センサも種々提案さ
れている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ような薄膜材料では、膜を形成するのにＣＶＤ法（化学
蒸着法）等が用いられるため、その成膜の微妙な条件、
状態により、膜材料の機械的特性（例えばヤング率）が
安定したものを得ることは極めて困難である。例えば、
図２５に示す方法で振動体となる梁を形成した場合、振
動体の共振周波数に大きな影響を与える梁の厚さの均一
性精度を±３％以下にするのは困難であった。

【００１０】すなわち、振動体を膜材料で形成する場
合、振動体の厚さの制御が成膜装置の性能に左右され、
加工精度にも限界があり、寸法再現性の良い振動体を得
ることは極めて困難であった。このため、振動式センサ
としての歩留まりの悪化と極めて高価な成膜装置を必要
とすることとからコストの上昇を招き、安価な振動式セ
ンサが得られなかった。

【００１１】また、異種材料との積層構造になるため、
それらの熱膨脹係数の相違等から膜に内部応力が発生し
てしまうという問題があった。さらに、成膜時の結晶状
態も膜に内在する内部応力の大きさに影響を与えるた
め、製造時にこれを厳密に制御するのは困難である。そ
して、これらの膜の機械的特性や内部応力は振動体の共
振周波数特性に大きく影響を与え、結果的に振動式セン
サの特性を設計値どおりに制御することを困難な状態に
させている。

【００１２】これに対して、シリコン単結晶材料を用い
た場合は、多結晶膜やアモルファス膜よりも材料の機械
的特性のばらつきは少ないが、高濃度の不純物が拡散さ
れていたり、張り合わせ時の高温加熱により内部応力が
残留してしまうという問題がある。

【００１３】したがって、内部応力が極めて少なくかつ
機械的特性も安定しており、振動式センサ等を実現する
上でセンサ特性が容易にコントロールできる半導体梁構
造が望まれていた。

【００１４】上述の事情に鑑み、本発明の目的は、振動
式センサ等に用いるのに好適な半導体梁構造およびこの
半導体梁構造を用いた半導体センサならびにこの半導体
梁構造を簡易な工程で精度良く作成することができる製
造方法を提供することにある。

【００１５】一方、梁構造の一端に重り（質量体）を連
結し、加速度による梁の歪みや重りの変位を検出するよ
うにした歪みゲージ式の半導体加速度センサにおいて
は、一般に、重りの厚さ方向の一端を梁との接合部とし
ているために、支持が重りに対して対称的でなく、これ
が加速度センサの検出軸以外の他軸感度を増大させる原
因となっている。その対策として、梁をシリコン基板の
両面からのエッチングによって重りの厚さ方向の対称軸
上に形成したものがあるが、これは極めて厳密なエッチ
ング制御と多数のエッチングマスクを用いて作成するた
めに、製造工程が複雑になるという欠点があった。ま
た、重りの厚さ方向に対して、梁が１本であるため、重
りの回転方向の動きを規制することができず、これが検
出精度を損なう原因となっていた。

【００１６】そこで、本発明の他の目的は、製作が容易
でかつ他軸感度を大幅に減少させることができる半導体
加速度センサを提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明による半導体梁構
造は、シリコン単結晶母材から一体に削出され、かつそ
の両端を支持端として上記シリコン単結晶母材に支持さ
れてなることを特徴とするるものである。

【００１８】本発明による半導体梁構造の第１の態様に
よれば、シリコン単結晶におけるミラー指数で示される
結晶面で見て、１つの（１００）面と２つの（１１１）
面とによって囲まれたほぼ三角形の断面を備えた三角柱
からなる（請求項１）。

【００１９】また、本発明による半導体梁構造の第２の
態様によれば、シリコン単結晶におけるミラー指数で示
される結晶面で見て、１つの（１１０）面と２つの（１
１１）面とによって囲まれたほぼ三角形の断面を備えた
三角柱からなる（請求項１）。

【００２０】さらに本発明による半導体梁構造の第３の
態様によれば、シリコン単結晶におけるミラー指数で示
される結晶面で見て、対向する２つの（１１１）面と、
特に結晶方位を限定しない他の２つの面とによって囲ま
れた四角形の断面を備えた四角柱からなる（請求項
２）。

【００２１】本発明による半導体センサは、上記第１〜
第３の半導体梁構造のいずれか１つを検知部に備えたも
のであり、これによって振動式半導体センサを構成する
ことができるが（請求項３，４）、それ以外に、質量体
の厚さ方向に対して対称的に配置された複数本の上記半
導体梁構造によって支持された質量体を有する半導体加
速度センサを構成することができる。（請求項５）。

【００２２】本発明による半導体梁構造の製造方法は、
上記半導体梁構造を製造する方法であって、上記半導体
梁構造の第１または第２の態様を製造する方法は、
（ａ）シリコン単結晶におけるミラー指数で示される結
晶面で見て、（１００）面もしくは（１１０）面をなす
シリコン単結晶母材の表面に、強アルカリ溶液によるエ
ッチングに対して十分な耐性を有する膜材料を付す工程
と、（ｂ）該膜材料にパターニングを施して、所定の間
隔を隔てて＜１１０＞方向に延びる互いに平行な一対の
開口を備えたマスクを上記シリコン単結晶母材の表面上
に形成する工程と、（ｃ）上記パターニングの施された
膜材料をマスクとして、上記シリコン単結晶母材に対し
て上記開口を通じてエッチングを行なって、互いに平行
な一対の凹溝を形成する工程と、（ｄ）上記一対の凹溝
に対して強アルカリ溶液を用いて結晶異方性エッチング
を施して、該一対の凹溝をそれらの底部において互いに
連通させ、１つの（１００）面もしくは（１１０）面と
２つの（１１１）面とによって囲まれたほぼ三角形の断
面を備え、かつその両端を支持端として支持された三角
柱を形成する工程と、を含むことを特徴とするものであ
る（請求項６）。

【００２３】また、上記半導体梁構造の第３の態様を製
造する方法は、（ａ）シリコン単結晶におけるミラー指
数で示される結晶面で見て（１１１）面をなすシリコン
単結晶母材の表面に、強アルカリ溶液によるエッチング
に対して十分な耐性を有する膜材料を付す工程と、
（ｂ）該膜材料にパターニングを施して、所定の間隔を
隔てて＜１１０＞方向と直角な方向に延びる互いに平行
な一対の開口を備えたマスクを上記シリコン単結晶母材
の表面上に形成する工程と、（ｃ）上記パターニングの
施された膜材料をマスクとして、上記シリコン単結晶母
材に対して上記開口を通じてエッチングを行なって、互
いに平行な一対の凹溝を形成する工程と、（ｄ）上記一
対の凹溝の内壁面に、強アルカリ溶液によるエッチング
に対して十分な耐性を有する膜材料を付す工程と、
（ｅ）エッチングにより上記一対の凹溝の底壁面の膜材
料のみを除去し、かつ該凹溝の底部を削る工程と、
（ｆ）上記一対の凹溝の側壁面に残存する膜材料を含む
膜材料をマスクとして、上記一対の凹溝に対して強アル
カリ溶液を用いて結晶異方性エッチングを施して、該一
対の凹溝をそれらの底部において互いに連通させ、対向
する２つの（１１１）面と、特に結晶方位を限定しない
他の２つの面とによって囲まれた四角形の断面を備え、
かつその両端を支持端として上記シリコン単結晶母材に
支持された四角柱を形成する工程と、を含むことを特徴
とするものである。

【００２４】

【発明の効果】本発明による半導体梁構造は、シリコン
単結晶母材そのものを用いるものであり、この梁構造は
その両端の支持部を含めてシリコン単結晶母材からエッ
チング等により一体に削出されたものであるから、この
梁構造の内部応力はほとんどゼロになり、この梁構造を
振動式センサの振動体として用いた場合、センサ特性を
容易に制御することができる。また、シリコン単結晶母
材は、半導体集積回路の基板材料として、極めて純度の
高いものが容易に得られることから、梁構造について
も、機械的特性の揃ったかつ安定なものが得られ、この
梁構造を振動式半導体センサの振動体として用いた場
合、共振振動特性の安定化に寄与することができる。

【００２５】また、本発明による半導体梁構造は、シリ
コン単結晶のミラー指数で表される特定の結晶面で側面
を囲まれた両持ち梁構造になっているが、この梁構造
は、本発明による半導体梁構造の製造方法において、シ
リコン単結晶母材の面内方向に進行する結晶異方性エッ
チングを用いた場合に得られる構造であり、製造方法と
密接な関係がある。

【００２６】本発明の製造方法によれば、加工の寸法公
差の許容範囲が広く、工程が簡易で、加工歩留まりの高
い半導体梁構造を容易に得ることができる。

【００２７】さらに、上記半導体梁構造の複数本が重り
の厚さ方向に対して対称的に配置された本発明による歪
みゲージ式半導体加速度センサにおいては、簡易な極め
て簡易な工程で複数本の梁を容易にかつ精度良く形成す
ることができるとともに、加速度検出軸方向を除く他軸
方向の感度を大幅に減少させることができるから、加速
度の検出精度を著しく向上させることができる。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態につい
て、図面を参照して説明する。

【００２９】半導体梁構造の実施の形態１．図１および
図２は、本発明による半導体梁構造の第１の実施の形態
を示す斜視図およびその断面図である。

【００３０】図において、１は母材であるシリコン単結
晶基板で、その基板面はシリコン単結晶のミラー指数で
表される（１００）面となっている。２はこのシリコン
単結晶基板１からエッチングにより一体に削出された三
角柱からなる梁構造である。この梁構造２の断面形状
は、基板面である（１００）面が二等辺三角形の底面に
なり、二等辺の部分はともに（１１１）面になってい
る。

【００３１】上記底面と二等辺とのなす角度は、結晶面
から見て（１００）面と（１１１）面との交わる角度で
ある５４．７度となっている。梁構造２の長手方向は、
図１から明らかなように、基板面内での＜１１０＞方向
に平行であり、梁構造２はその両端を支持端としてシリ
コン単結晶基板１に支持され、両持ち梁構造を構成して
いる。

【００３２】図３は、図１および図２に示す半導体梁構
造２の製造方法を説明する工程図である。

【００３３】工程１：先ず基板面が（１００）面である
シリコンウエハ（シリコン単結晶基板）１０を用意す
る。

【００３４】工程２：エッチングマスクにするためのシ
リコン酸化膜１１をシリコンウエハ１０の表面に付け
る。ここでは、通常の半導体集積回路の製造工程で用い
られる熱酸化による方法あるいはＣＶＤによる膜形成法
等を適用すればよい。なお、このエッチングマスクは、
酸化膜に限定されるものでなく、窒化膜その他、強アル
カリ溶液による後工程でのエッチングに対し十分な耐性
を有する膜材料であればよい。

【００３５】工程３：梁構造２の形状を決定するため、
酸化膜１１のパターニングを行なって、作成すべき梁構
造２の幅に等しい間隔を隔てて＜１１０＞方向に延びる
互いに平行でかつ作成すべき梁構造２の長さに等しい長
さを有する一対の開口１２，１２を備えた酸化膜マスク
１３をシリコンウエハ１０の表面に形成する。このパタ
ーニングは、フォトレジスト等を用いたフォトリソグラ
フィ工程の後、エッチング液としてフッ酸水溶液等を用
いて行なう。

【００３６】工程４：酸化膜マスク１３をエッチングマ
スクとして、シリコン基板に対して開口１２，１２を通
じてエッチングを行なって、基板面に対してほぼ垂直な
壁面を備えた互いに平行な一対の凹溝１４，１４を形成
する。この場合のエッチングは、フッ素系のガスを用い
たＲＩＥ（リアクティブ イオンエッチング）法を用い
て行なう。

【００３７】工程５：同じ酸化膜マスク１３をエッチン
グマスクとして、凹溝１４，１４に対してＫＯＨやＴＭ
ＡＨ（テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド）
等の強アルカリ溶液によってエッチングを行なう。

【００３８】このように、シリコン単結晶材料を上記の
ような特定の強アルカリ溶液によってエッチングを行な
うと、シリコン単結晶の特定の結晶面によってエッチン
グ速度が著しく異なる性質がある。例えばシリコン単結
晶の（１００）面や（１１０）面に対して（１１１）面
のエッチングされる速度は非常に遅く、速度比で約１０
０：１程度になる。このような性質から、この工程での
エッチングは、エッチング速度の速い（１１０）面を進
行面としてその両端部に（１１１）面が残る状態で結晶
異方性エッチングが進行して行く。

【００３９】工程６：最終的には梁構造２となる部分の
両側から（１１０）面を進行面として横方向にエッチン
グが進行して行き、両凹溝１４，１４間がそれらの底部
において互いに連通し、梁構造２となる部分の下方に空
間１５が形成されることによって、残った２つの（１１
１）面と１つの（１００）面とによって囲まれた三角柱
からなる梁を得る。最終的に梁の上面を覆う酸化膜マス
ク１３をエッチング等で除去すればよい。

【００４０】このような結晶異方性エッチングを実施す
れば、エッチング後の形状がエッチング条件（温度や攪
拌等）によらず高い精度で予測でき、加工が容易とな
る。

【００４１】このような製造工程によって得られた、１
つの（１００）面と、極めてエッチング速度が遅い２つ
の（１１１）面とで構成された三角柱からなる梁構造２
は、結晶面上の幾何学的特性から、その形状がほぼ決定
される。すなわち、図４および次式で示すように、梁構
造２の幅ｂが酸化膜マスク１３上のパターニングで決定
されれば、三角柱断面における高さｈは一義的に決まっ
てしまう。

【００４２】ｈ＝tan(５４．７°）・ｂ／２ このことは、梁構造２の幅ｂの加工精度を高めておけ
ば、高さｈの寸法精度が自動的に向上することを意味す
る。

【００４３】一般に、エッチングによって深さ方向の加
工を行なう場合、その加工精度はエッチングの終点を判
断するのが困難なためその寸法精度は悪い。たとえばＲ
ＩＥ等でシリコンのエッチングを行なう場合でも、深さ
寸法の加工の絶対値で±５％程度のばらつきが生じた
り、加工の均一性においてもウエハ面内で±５％いない
の精度を得るのに極めて複雑なエッチング装置を用いな
ければならない。一方、フォトリソグラフィによるパタ
ーニングで代表される面上での加工精度は、半導体集積
回路の製造工程の進歩に見られるように極めて高精度な
加工（絶対、相対加工精度で±１％以下）が比較的容易
に得られる。

【００４４】したがって、本発明の半導体梁構造の製造
方法によれば、その製造工程と得られる構造体の構造的
特徴とから、深さ方向の加工精度（ここでは三角断面の
高さｈ）についても面内のパターニング精度と同程度の
精度が容易に実現できる。

【００４５】本実施の形態においても、上記工程４にお
いてＲＩＥによるエッチング加工を施しているが、この
工程でのエッチング加工は、梁構造２の下部の中空にな
る部分が貫通できるだけの深さがあればよく、次式に示
すようにその下限より深くエッチングすれば事足りるこ
とになる（エッチング壁面が基板面に対して９０°をな
す場合）。

【００４６】エッチング深さｄ＞ｂtan(５４．７°） 次にこの梁構造２を振動式センサの振動体として用いた
場合の加工寸法がその特性に及ぼす影響について説明す
る。振動体の長手方向に加わる応力による影響を含めた
振動体の機械的共振周波数ｆ_n （Ｎ）は次の (1)式で表
される。

【００４７】

【数１】

【００４８】ここで、 Ｌ：振動体の長さ ｂ：振動体の幅 ｈ：振動体の厚さ Ｅ：シリコンのヤング率 Ｉ：梁の断面２次モーメント ρ：シリコンの密度 α_n ，γ_n ：振動モードで決まる定数 Ｎ：振動体にかかる張力 (1)式から明らかなように、共振周波数ｆ_n （Ｎ）は応
力の1/2 乗に比例して変化する。上式での応力は、振動
体に予め残留している内部応力と外部からの要因で加わ
る応力との和である。残留内部応力は、振動体の材料お
よびその製法に大きく左右され、前述したようにこれを
膜材料で形成する場合は、その内部応力の絶対値を精密
にコントロールすることは極めて困難である。

【００４９】本実施の形態による半導体梁構造の製造方
法は、応力が開放されている基板面からの削り出し加工
に近く、振動体を形成した初期状態での内部応力は理論
的にゼロである。したがって、振動式センサの共振周波
数特性として応力ゼロのものが再現性よく、容易に得ら
れ、振動式センサとして特性の揃った、かつ所望の特性
を有するものが実現できる。

【００５０】(1)式に見られるように、共振振動特性は
振動体の長さＬおよび振動体の断面２次モーメントＩの
値の影響を大きく受ける。長さＬに関しては、その精度
が基本的に基板面上でのフォトリソグラフィ加工精度に
かかっていることと、実際の振動式センサとして用いる
場合の振動体の長さＬは数百μｍのオーダーであり、そ
の長さに対して、加工誤差は１μｍ以下のものが容易に
得られることかな等からして、加工精度は極めて高いと
言える。したがって、振動体の長さＬについては、実際
にはこれが振動特性に及ぼす影響は小さい。

【００５１】一方、振動体の断面２次モーメントＩは、
例えば長方形断面を有する梁でＩ＝ｂｈ³ ／１２であ
り、厚さｈに大きく影響される。従来のように膜材料で
梁を形成する場合は、成膜した膜の厚さがそのまま梁の
厚さになるが、前述したように膜厚の均一性精度を±３
％以下に抑えるのは困難なため、振動体としての共振振
動特性を揃えることは困難である。

【００５２】これに対して、三角形断面を有する本実施
の形態の梁構造２における断面２次モーメントはＩ＝ｂ
ｈ³ ／３６であり、上述と同様に、厚さ方向の寸法ｈが
共振振動特性に大きな影響を及ぼすことは上述と同様で
ある。また、一般的にエッチングの終点（エッチングを
やめる時点）を判断するのが難しく、エッチング不足や
オーバーエッチング（進み過ぎ）の現象が生じやすく加
工量の制御は困難である。そして、本実施の形態による
半導体梁構造の製造方法においても、最終的に梁の形状
を決定する工程５，６でエッチング液に浸すウェットエ
ッチングの手法を用いてはいるが、この場合は振動体と
しての特性のばらつきの極めて小さいものを得ることが
できる。以下にその理由を説明する。

【００５３】図３に示す本実施の形態による半導体梁構
造の製造方法においては、三角形断面を有する梁が形成
されるのは、横方向のエッチングが進み、両凹溝１４，
１４間がそれらの底部において互いに連通する瞬間であ
る。その瞬間には、図５の最上位置に示すように、エッ
チング速度の極めて遅い２つの（１１１）面によって三
角形断面が形成されているが、そのままエッチングが進
行すると、（１１１）面同士が交差している三角形の頂
点からエッチングが進行し始め、三角形の頂点が徐々に
削られて、（２１１）面が析出してくる。

【００５４】このようなオーバーエッチングによって三
角形断面梁の頂点部分が微小に削られた場合、これを図
６に示すように台形に近似させることができるから、以
下に台形における振動体としての断面２次モーメントＩ
への影響度合いを算出する。

【００５５】ここで、三角形断面梁の頂点部分が削られ
て、ほぼ台形になりその高さｈが変動した場合の断面２
次モーメントＩの厚さｈの微小寸法変動Δｈに対する変
動倍率ＳＩを以下のように定義する。

【００５６】ΔＩ／Ｉ＝ＳＩ・Δｈ／ｈ 図６に示すような台形断面の梁の断面２次モーメントＩ
は次式の通り。

【００５７】

【数２】

【００５８】このパラメータを図７の変数に変換する
と、 ｂ＝ａ−２ｈ tanθ ｂ₁ ＝ ２ｈ tanθ したがってＩは次式のようになる。

【００５９】

【数３】

【００６０】厚さｈの微小変化割合（Δｈ／ｈ）に対す
る断面２次モーメントＩの微小変化割合（ΔＩ／Ｉ）を
求めるために上式の対数をとって微分する。

【００６１】

【数４】

【００６２】上式の括弧内がｈの変動に対するＩの変動
の感度ＳＩとなる。

【００６３】ａ＝３０μｍ，θ＝３５．３度としたとき
のＳＩの計算結果を下記の表に示す。この表から、三角
形の頂点部分の微小領域ではＳＩが非常に小さい値にな
ることがわかる。

【００６４】

【表１】

【００６５】上表より、オーバーエッチングの微小領域
の値としてＳＩ＝０．０６９を用いると、例えばオーバ
ーエッチングの割合としてΔｈ／ｈ＝３％としても、断
面２次モーメントはΔＩ／Ｉ＝０．２１％の変動割合と
なる。このように、本実施の形態による半導体梁構造の
製造方法によって作成された振動体の場合、エッチング
誤差が振動体の特性に及ぼす影響が極めて小さいと言え
る。すなわち、梁構造体２の断面形状が正確に三角形で
なく、オーバーエッチングによって三角形の頂点が若干
削られたものであっても、支障がないということであ
る。したがって、本実施の形態による半導体梁構造の製
造方法は、加工の再現性および精度の許容性が高く量産
性に富んだ技術であると言うことができる。

【００６６】半導体梁構造の実施の形態２．図８および
図９は、本発明による半導体梁構造の第２の実施の形態
を示す斜視図およびその断面図である。本実施の形態に
よる梁構造４においては、母材であるシリコン単結晶基
板３の基板面がシリコン単結晶のミラー指数で表される
（１１０）面になっており、梁構造４の断面形状では、
この（１１０）面が二等辺三角形の底面になり、二等辺
の部分はともに（１１１）面になっている。

【００６７】上記底面と二等辺とのなす角度は、結晶面
から見て（１１０）面と（１１１）面との交わる角度で
ある３５．３度となっている。梁構造４の長手方向は、
図８から明らかなように、基板面内での＜１１０＞方向
に平行であり、梁構造４はその両端を支持端としてシリ
コン単結晶基板３に支持され、両持ち梁構造を構成して
いる。

【００６８】本実施の形態の製造方法および構造上の利
点は上述した第１の実施の形態と同様であるから省略す
る。

【００６９】半導体梁構造の第３の実施の形態およびそ
の製造方法 図１０および図１１は、本発明による半導体梁構造の第
３の実施の形態を示す斜視図およびその断面図である。
本実施の形態の梁構造６においては、母材であるシリコ
ン単結晶基板５の基板面がシリコン単結晶のミラー指数
で表される（１１１）面になっており、梁構造６の対向
する上面と底面がともに（１１１）面である四角柱がそ
の両端を支持端としてシリコン単結晶基板５に支持さ
れ、両持ち梁構造を構成している。四角形断面の他の２
つの側面は、基板面に対して垂直な面の場合それは（１
１０）面であるが、そのような加工をしなければ曲面等
も含まれ、特に結晶方位は限定されない。梁構造６の長
手方向は、基板面内での＜１１０＞方向に対し直角にな
るように配置する必要がある。

【００７０】図１２は、図１０および図１１に示す半導
体梁構造６の製造方法を説明する工程図である。

【００７１】工程１：先ず基板面が（１１１）面である
シリコンウエハ（シリコン単結晶基板）２０を用意す
る。

【００７２】工程２：エッチングマスクにするためのシ
リコン酸化膜２１をシリコンウエハ２０の表面に付け
る。ここでは、通常の半導体集積回路の製造工程で用い
られる熱酸化による方法あるいはＣＶＤによる膜形成法
等を適用すればよい。そして、この場合も、エッチング
マスクは酸化膜に限らず、後工程でのエッチングに対し
十分な耐性を有する膜材料であればよい。

【００７３】工程３：梁構造６の形状を決定するため、
酸化膜２１のパターニングを行なって、作成すべき梁構
造６の幅に等しい間隔を隔てて＜１１０＞方向と直角方
向に延びる互いに平行でかつ作成すべき梁構造６の長さ
に等しい長さを有する一対の開口２２，２２を備えた酸
化膜マスク２３をシリコンウエハ２０の表面に形成す
る。このパターニングは、フォトレジスト等を用いたフ
ォトリソグラフィ工程の後、エッチング液としてフッ酸
水溶液等を用いて行なう。

【００７４】工程４：酸化膜マスク２３をエッチングマ
スクとして、シリコンウエハ２０に対して開口２２，２
２を通じてエッチングを行なって、梁構造６の厚さ分の
深さを有する互いに平行な一対の凹溝２４，２４を形成
する。この場合のエッチングは、フッ素系のガスを用い
板ＲＩＥ（リアクティブ イオンエッチング）法を用い
て行なう。

【００７５】工程５：凹溝２４，２４の内壁面に熱処理
を施して酸化膜２５で覆う。この場合も、酸化膜に限ら
ず、後工程でのエッチングに対し十分な耐性を有する膜
材料であればよい。

【００７６】工程６：凹溝２４，２４の側壁面の酸化膜
２５をはがさない手法でエッチングを行なって、凹溝２
４，２４の底壁面の酸化膜２５のみを除去し、かつ凹溝
２４，２４の底部をエッチッグによりさらに削る。この
場合、ＲＩＥやイオンビームミリング等イオンの直進性
を利用すれば、側壁面の酸化膜２５がほとんど削られ
ず、底壁面の酸化膜２５のみを除去することができる。

【００７７】工程７：酸化膜マスク２３および凹溝２
４，２４の側壁面の酸化膜２５をエッチングマスクとし
て、凹溝２４，２４に対してＫＯＨやＴＭＡＨ（テトラ
メチルアンモニウムハイドロオキサイド）等の強アルカ
リ溶液によってエッチングを行なうと、梁構造６の底面
となる面に、エッチング速度の極めて遅い（１１１）面
が維持されたままエッチンが進行することにより、凹溝
２４，２４の底部間が連通し、底面が極めて平坦な梁構
造６を得る。そして、最終的に梁の上面および側面を覆
う酸化膜マスク２３，２５をエッチング等で除去すれば
よい。

【００７８】このような方法によって作成された梁構造
６では、上記工程４におけるエッチングの深さがその厚
さとなる。この工程４では、特に垂直壁面を形成するよ
うなＲＩＥは不要で、簡易なウェットエッチングによっ
ても可能である。その分、厚さの制御性は劣るが、上面
と底面との平行度が極めて高く、薄い梁構造６を容易に
形成することができる利点がある。

【００７９】半導体加速度センサの第１の実施の形態 次に、上述した半導体梁構造２，４，６のいずれかを振
動体として備えた振動式半導体加速度センサの構成につ
いて説明する。

【００８０】図１３は、本発明による振動式加速度セン
サの本体（シリコン構造体）の構成を要部を拡大して示
す斜視図である。この本体３０は、ほぼ正方形の枠体３
１と、この枠体３１の１つの枠部３１ａのみに連結部３
２を介して連結された態様で枠体３１の内方に設けられ
た重り部（質量体）３３と、連結部３２に形成された開
口３４に、枠部３１ａから重り部３３に向かう方向に橋
架された両持ち梁構造の振動体３５とが同一のシリコン
単結晶基板に一体に形成された構成を有する。

【００８１】振動体３５の上面には、振動を励起させる
ための励振用電極３６（金属薄膜やシリコン中への不純
物拡散電極）と振動を検出するための検出用電極３７と
が形成されている。これら電極３６，３７の上方には、
両電極３６，３７に対して共通の対向電極である固定電
極（後述）が所定の空隙を隔てて電極３６，３７に対向
して配置され、この固定電極と振動体３５上の励振用電
極３６との間に外部回路（後述）から交番電圧を加え、
電極間に働く静電引力により振動体３５をその機械的共
振周波数ｆ₀ で自励振発振させるようになっている。

【００８２】そして、加速度が重り部３３の上下方向に
加わったとき重り部３３が変位し、そのときの梁の曲り
により発生した梁上の応力Ｎが振動体３５の長手方向に
加わる。その結果、前述の（１）式で示したように応力
Ｎに応じて共振周波数が変化する。そして、上記固定電
極と振動体３５上の検出用電極３７間の静電容量の変化
を電気信号に変換することにより共振周波数の変化を検
出するように構成されている。

【００８３】なお、梁に発生する歪みεは下記の式で表
される。

【００８４】 ±ε_max ＝±Ｇ_max ・６ｍＬ′／（ｂｈ² Ｅ） ここで Ｇ：加速度 Ｅ：シリコンのヤング率 ｍ：重り部の質量 Ｌ′：重り部の重心位置から梁の根元までの距離（２mm
程度） ｈ：梁の厚さ（４０μｍ程度） ｂ：梁の幅 図１４は、本発明による振動式加速度センサの具体的構
成を示す分解斜視図、図１５は振動式加速度センサの断
面図である。

【００８５】この振動式加速度センサ４０は、図１３に
示す本体３０を支える台座としての下部ガラスキャップ
４１と、励振用電極３６および検出用電極３７に対して
共通の対向電極である固定電極４２を配設した上部ガラ
スキャップ４３とによって本体３０を上下から挾んだサ
ンドイッチ構造を有する。

【００８６】各ガラスキャップ４１，４３は、化学的な
接着あるいは陽極接合法により本体３０に密封接合され
ている。また各ガラスキャップ４１，４３には、本体３
０の重り部３２の変位により検出される加速度領域で重
り部３３がガラスキャップ４１，４３に干渉されないよ
うに段付け加工が施され、さらに上部ガラスキャップ４
３には、固定電極４２と振動体３５上の電極３６，３７
との間に適正な空隙をとるための段付け加工も施されて
いる。また、空気の弾性による振動体３５のダンピング
を防止して安定した発振周波数を得るために、ガラスキ
ャップ４１，４３で封止されている部分は１０〜２Torr
程度の真空封止がなされている。

【００８７】図１６は、固定電極４２と励振用電極３６
との間に交番電圧を加えて振動体３５を自励発振させ、
固定電極４２と検出用電極３７間の静電容量の変化をＣ
−Ｖ変換器を用いて電気信号に変換して検出するための
概略的回路図を示す。振動体３５を自励発振させるには
振動の検出信号を励振用電極３６に正帰還させる構成を
とる。図１６の回路では、増幅率を制御して励振用電極
３６に加わる駆動電圧を一定にコントロールするＡＧＣ
アンプ４４を介して正帰還ループを構成し、振幅の無限
大発振を防止している。そして、この正帰還発振の信号
をセンサ出力として取り出している。

【００８８】図１７は、上述した振動式加速度センサ４
０の加速度に対する発振周波数特性の１例を示す特性図
である。加速度ゼロのときの振動体３５の振動周波数は
８５．６６kHz であり、１Ｇ当たりの周波数変化は０．
５８５kHz 、周波数変化幅は２３．４kHz （±４０Ｇ）
である。

【００８９】次に、振動体を有しない歪みゲージ形式の
半導体加速度センサの構成について説明する。この半導
体加速度センサは、シリコンの単結晶面で囲まれた、重
りの厚さ方向に複数本の梁を配設したことを特徴とする
ものである。

【００９０】半導体加速度センサの第２の実施の形態お
よびその製造方法 図１８は本発明による半導体加速度センサの実施の形態
を示す平面図、図１９は図１８のＡ−Ａ線に沿った断面
図、図２０は加速度センサの本体を図１８のＢ−Ｂ線に
沿って断面した斜視図、図２１は加速度センサの本体の
図１８のＢ−Ｂ線に沿った端面図である。

【００９１】この加速度センサの本体５０は、長方形の
枠体５１内に配設された重り部５２と、この重り部５２
の一端と枠体５１の１つの枠部５１ａとの間を連結する
２本の梁５３，５３とを備えており、両面が（１１０）
面であるシリコン単結晶基板からエッチングにより一体
に削出され、台座部５４（図１９）によって支持されて
いる。

【００９２】上記２本の梁５３，５３は、前述の半導体
梁構造の第２の実施の形態と同様に、１つの（１１０）
面と２つの（１１１）面とによって囲まれて＜１１０＞
方向に延びる三角柱よりなり、重り部５２の厚さ方向に
対して対称的に配置されている。なお、梁５３，５３
は、前述の半導体梁構造の第１の実施の形態と同様に、
１つの（１００）面と２つの（１１１）面とによって囲
まれて＜１１０＞方向に延びる三角柱とすることも可能
である。

【００９３】加速度により梁５３，５３上に発生する応
力の検出には、一方の梁５３上に拡散により形成された
ピエゾ抵抗５５を用いる。このピエゾ抵抗５５は、応力
の最大となる枠部５１ａとの連結部付近に配置されてお
り、加速度の大きさに比例して変化する抵抗値を検出す
るように構成されている。

【００９４】このように、２本の梁５３，５３が重り部
５２の厚さ方向に対して対称的に配置され加速度センサ
の場合、非加速度検出軸方向では、梁５３，５３に曲げ
応力が発生する割合が極めて小さくなり、検出軸方向の
加速度計測精度を向上させることができる。

【００９５】図２２は、図１８〜図２１に示す２本の対
称梁の製造方法を説明する工程図である。

【００９６】工程１：先ず基板の両面が（１１０）面で
あるシリコンウエハ（シリコン単結晶基板）６０を用意
する。

【００９７】工程２：エッチングマスクにするためのシ
リコン酸化膜６１をシリコンウエハ６０の両面に付け
る。

【００９８】工程３：梁５３，５３の形状を決定するた
め、酸化膜６１のパターニングを行なって、作成すべき
梁５３，５３の幅に等しい間隔を隔てて＜１１０＞方向
と直角方向に延びる互いに平行でかつ作成すべき梁５
３，５３の長さに等しい長さを有する一対の開口６２，
６２を備えた酸化膜マスク６３をシリコンウエハ６０の
両面上に形成する。

【００９９】工程４：酸化膜マスク６３をエッチングマ
スクとして、シリコンウエハ６０に対して４つの開口６
２を通じてエッチングを行なって、シリコンウエハ６０
の面間を垂直壁面を有する孔６４，６４で貫通させる。

【０１００】工程５：同じ酸化膜マスク６３，６３をエ
ッチングマスクとして、孔６４，６４に対してＫＯＨや
ＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイ
ド）等の強アルカリ溶液によってエッチングを行なう
と、横方向にエッチンが進行して、三角形断面を有する
対称梁５３，５３が形成される。そして、最終的に梁５
３，５３の上面および下面を覆う酸化膜マスク６３をエ
ッチング等で除去すればよい。

【０１０１】半導体加速度センサの第３の実施の形態お
よびその製造方法 図２３は本発明による加速度センサの本体の他の実施の
形態を示す図２１に対応した端面図である。

【０１０２】この加速度センサの本体７０は、上述の第
２の実施の形態と同様の三角形断面の２本の梁５３，５
３を上下に備えるのに加えて、菱形断面の１本の梁７１
を中央に備え、３本の梁を重り部の厚さに対して対称的
に配置した構成を有する。菱形断面の梁７１はすべて
（１１１）面で囲まれている。

【０１０３】図２４は、２３に示す３本の対称梁の製造
方法を説明する工程図である。

【０１０４】工程１〜工程３：図２２の工程１〜工程３
と同様であり、説明を省略する。

【０１０５】工程４：酸化膜マスク６３，６３をエッチ
ングマスクとして、シリコンウエハ６０に対して４つの
開口６２を通じてエッチングを行なって、シリコンウエ
ハ６０の面間を垂直壁面を有する孔６４を形成するが、
シリコンウエハ６０を貫通させない所定の位置でエッチ
ングを終了させる。

【０１０６】工程５：同じ酸化膜マスク６３をエッチン
グマスクとして、４個の孔６４に対してＫＯＨやＴＭＡ
Ｈ（テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド）等
の強アルカリ溶液によってエッチングを行なうと、横方
向にエッチンが進行して、すべて（１１１）面で囲まれ
た菱形断面の梁７１を中心にした３本の対称梁５３，７
１，５３が形成される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による半導体梁構造の第１の実施の形態
を示す斜視図

【図２】同 断面図

【図３】本発明による半導体梁構造の第１の実施の形態
の製造方法を説明する工程図

【図４】三角形断面を有する梁の説明図

【図５】三角形断面を有する梁がオーバーエッチングに
より頂点が削られて行く状態を示す説明図

【図６】台形断面を有する梁の説明図

【図７】台形断面を有する梁の説明図

【図８】本発明による半導体梁構造の第２の実施の形態
を示す斜視図

【図９】同 断面図

【図１０】本発明による半導体梁構造の第３の実施の形
態を示す斜視図

【図１１】同 断面図

【図１２】本発明による半導体梁構造の第３の実施の形
態の製造方法を説明する工程図

【図１３】本発明による振動式半導体加速度センサの本
体の構成を要部を拡大して示す斜視図

【図１４】本発明による振動式半導体加速度センサの具
体的な構成を示す分解斜視図

【図１５】図１４に示す振動式半導体加速度センサの断
面図

【図１６】図１４に示す振動式半導体加速度センサを用
いて加速度を検出する装置の概略的回路図

【図１７】振動式加速度センサの加速度に対する発振周
波数特性の１例を示す特性図

【図１８】本発明による半導体加速度センサの実施の形
態を示す平面図

【図１９】図１８のＡ−Ａ線に沿った断面図

【図２０】本発明による半導体加速度センサの本体を図
１８のＢ−Ｂ線に沿って断面した斜視図

【図２１】本発明による半導体加速度センサの本体の図
１８のＢ−Ｂ線に沿った端面図

【図２２】図１８〜図２１に示す半導体加速度センサの
２本の対称梁の製造方法を説明する工程図

【図２３】本発明による加速度センサの本体の他の実施
の形態を示す端面図

【図２４】図２３に示す半導体加速度センサの３本の対
称梁の製造方法を説明する工程

【図２５】従来の梁構造の製造方法を示す工程図

【符号の説明】

１，３，５ シリコン単結晶基板 ２，４，６ 梁構造 １０，２０，６０ シリコンウエハ １１，２１，２５，６１ シリコン酸化膜 １２，２２，６２ 開口 １３，２３，６３ 酸化膜マスク １４，２４ 凹溝 ３０ 振動式加速度センサの本体 ３１，５１ 枠体 ３３，５２ 重り部 ３５ 振動体 ３６ 励振用電極 ３７ 検出用電極 ４０ 振動式加速度センサ ４１，４３ ガラスキャップ ４２ 固定電極 ５０ 加速度センサの本体 ５３，７１ 梁 ５５ ピエゾ抵抗

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリコン単結晶母材から一体に削出さ
   れ、かつシリコン単結晶におけるミラー指数で示される
   結晶面で見て、１つの（１００）面もしくは（１１０）
   面と２つの（１１１）面とによって囲まれたほぼ三角形
   の断面を備えた三角柱が、その両端を支持端として上記
   シリコン単結晶母材に支持されてなることを特徴とする
   半導体梁構造。
2. 【請求項２】 シリコン単結晶母材から一体に削出さ
   れ、かつシリコン単結晶におけるミラー指数で示される
   結晶面で見て、対向する２つの（１１１）面と、特に結
   晶方位を限定しない他の２つの面とによって囲まれた四
   角形の断面を備えた四角柱が、その両端を支持端として
   上記シリコン単結晶母材に支持されてなることを特徴と
   する半導体梁構造。
3. 【請求項３】 半導体梁構造を検知部に備えた半導体セ
   ンサであって、上記半導体梁構造が、 シリコン単結晶母材から一体に削出され、かつシリコン
   単結晶におけるミラー指数で示される結晶面で見て、１
   つの（１００）面もしくは（１１０）面と２つの（１１
   １）面とによって囲まれたほぼ三角形の断面を備えた三
   角柱が、その両端を支持端として上記シリコン単結晶母
   材に支持されて構成されてなることを特徴とする半導体
   センサ。
4. 【請求項４】 半導体梁構造を検知部に備えた半導体セ
   ンサであって、上記半導体梁構造が、 シリコン単結晶母材から一体に削出され、かつシリコン
   単結晶におけるミラー指数で示される結晶面で見て、対
   向する２つの（１１１）面と、特に結晶方位を限定しな
   い他の２つの面とによって囲まれた四角形の断面を備え
   た四角柱が、その両端を支持端として上記シリコン単結
   晶母材に支持されて構成されてなることを特徴とする半
   導体センサ。
5. 【請求項５】 検知部に設けられた半導体梁構造によっ
   て支持された質量体を有する半導体センサであって、 上記半導体梁構造の複数本が上記質量体の厚さ方向に対
   して対称的に配置されてなることを特徴とする請求項３
   または４記載の半導体センサ。
6. 【請求項６】 （ａ）シリコン単結晶におけるミラー指
   数で示される結晶面で見て、（１００）面もしくは（１
   １０）面をなすシリコン単結晶母材の表面に、強アルカ
   リ溶液によるエッチングに対し十分な耐性を有する膜材
   料を付す工程と、 （ｂ）該膜材料にパターニングを施して、所定の間隔を
   隔てて＜１１０＞方向に延びる互いに平行な一対の開口
   を備えたマスクを上記シリコン単結晶母材の表面上に形
   成する工程と、 （ｃ）上記パターニングの施された膜材料をマスクとし
   て、上記シリコン単結晶母材に対して上記開口を通じて
   エッチングを行なって、互いに平行な一対の凹溝を形成
   する工程と、 （ｄ）上記一対の凹溝に対して強アルカリ溶液を用いて
   結晶異方性エッチングを施して、該一対の凹溝をそれら
   の底部において互いに連通させ、１つの（１００）面も
   しくは（１１０）面と２つの（１１１）面とによって囲
   まれたほぼ三角形の断面を備え、かつその両端を支持端
   として支持された三角柱を形成する工程と、を含むこと
   を特徴とする半導体梁構造の製造方法。
7. 【請求項７】 （ａ）シリコン単結晶におけるミラー指
   数で示される結晶面で見て（１１１）面をなすシリコン
   単結晶母材の表面に、強アルカリ溶液によるエッチング
   に対し十分な耐性を有する膜材料を付す工程と、 （ｂ）該膜材料にパターニングを施して、所定の間隔を
   隔てて＜１１０＞方向と直角な方向に延びる互いに平行
   な一対の開口を備えたマスクを上記シリコン単結晶母材
   の表面上に形成する工程と、 （ｃ）上記パターニングの施された膜材料をマスクとし
   て、上記シリコン単結晶母材に対して上記開口を通じて
   エッチングを行なって、互いに平行な一対の凹溝を形成
   する工程と、 （ｄ）上記一対の凹溝の内壁面に、強アルカリ溶液によ
   るエッチングに対し十分な耐性を有する膜材料を付す工
   程と、 （ｅ）エッチングにより上記一対の凹溝の底壁面の膜材
   料のみを除去し、かつ該凹溝の底部を削る工程と、 （ｆ）上記一対の凹溝の側壁面に残存する膜材料を含む
   膜材料をマスクとして、上記一対の凹溝に対して強アル
   カリ溶液を用いて結晶異方性エッチングを施して、該一
   対の凹溝をそれらの底部において互いに連通させ、対向
   する２つの（１１１）面と、特に結晶方位を限定しない
   他の２つの面とによって囲まれた四角形の断面を備え、
   かつその両端を支持端として上記シリコン単結晶母材に
   支持された四角柱を形成する工程と、を含むことを特徴
   とする半導体梁構造の製造方法。