JP2007069320A - 機能素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】振動子と電極との間のギャップ変位を検出する容量検出型センサ素子等の機能素子において、挟ギャップに対応しつつ、そのギャップのバラツキ発生を抑制し得るようにする。
【解決手段】振動子１１を変位可能に支持する振動子支持基板１４と、前記振動子１１と対向する電極２１を有した電極支持基板２２との間に、金属薄膜３０を介在させ、当該金属薄膜３０の圧着接合機能を利用して、前記電極２１が前記振動子１１と所定間隔を持って対向するように前記振動子支持基板１４と前記電極支持基板２２とを接合する。
【選択図】図２

Description

本発明は、振動子が電極と所定間隔を持って配されてなる機能素子およびその製造方法に関する。

近年、いわゆるマイクロマシン（超小型電気的・機械的複合体；Micro Electro-Mechanical Systems、以下「ＭＥＭＳ」という）構造を利用した機能素子の一つとして、加速度センサ、圧力センサまたはジャイロセンサ等の容量検出型センサ素子が知られている。容量検出型センサ素子は、変位可能に支持される振動子と、その振動子と対向する電極とを備え、これらの間の静電容量変化を検出するように構成されたものである。かかる構成により、容量検出型センサ素子では、振動子と電極との間の間隔（ギャップ）を精度良く管理することが、安定的な性能を確保し、また検出感度の向上を図る上でも非常に重要となる。

ところで、容量検出型センサ素子は、振動子を変位可能に支持するＳｉ（シリコン）基板と電極を有したガラス基板とが接合されて、これにより電極が振動子と所定間隔を持って対向するように配置されることになるが、そのときの基板間接合が陽極接合法を用いて行われることが一般的である。陽極接合は、Ｓｉ基板とガラス基板の平滑な面同士を合わせ、３００〜４００℃程度に加熱し、ガラス基板側に５００Ｖ程度の負電荷を印加することによって行われる。これにより、ガラスとＳｉとの間で大きな静電引力が生じて界面で化学結合を起こし、Ｓｉ基板とガラス基板とが接合に至るのである（例えば、非特許文献１参照）。

江刺正喜、藤田博之、五十嵐伊勢美、杉山進著 「マイクロマシーニングとマイクロメカトロニクス」培風館 １９９２年 p.41〜47

しかしながら、陽極接合法を用いた接合では、Ｓｉ基板とガラス基板とが接触して密着する際に、その間に非常に大きな電界分布が生じるが、容量検出型センサ素子では振動子が中空に浮動している状態にあることから、その振動子が大きな電位差によってガラス基板側への引き寄せられてしまい、振動子の貼り付きが起こる可能性がある。このような振動子の貼り付きは、容量検出型センサ素子における検出機能を阻害するものであり回避すべきである。貼り付きを抑制するためには、Ｓｉ基板とガラス基板間のギャップを広くすることが考えられる。ところが、容量検出型センサ素子における検出感度はギャップ間隔に反比例するため、広いギャップでは検出感度の低下を招いてしまう。

また、Ｓｉ基板とガラス基板との接合は、陽極接合法の他にも、例えばフリットガラスを用いて行うことも考えられる。この場合、陽極接合のような狭ギャップにおける電解分布が生じないため、振動子のガラス基板側への貼り付きは抑制できる。ところが、フリットガラスの膜厚制御は、１０〜２０μｍ程度であり、狭ギャップ制御ができない。つまり、フリットガラスを用いて行う接合では、検出感度低下を招いたり、素子間性能のバラツキを招いたりするおそれがある。

そこで、本発明は、挟ギャップに対応しつつ、そのギャップのバラツキ発生を抑制し、しかも陽極接合時のような振動子の貼り付きをも抑制して、高感度で、かつ、ウエハ面内制御性の良好な機能素子およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために案出された機能素子である。すなわち、振動子を変位可能に支持する振動子支持基板と、前記振動子と対向する電極を有した電極支持基板とを備え、前記電極が前記振動子と所定間隔を持って対向するように前記振動子支持基板と前記電極支持基板とが接合されてなる機能素子であって、前記振動子支持基板と前記電極支持基板との間に当該振動子支持基板と当該電極支持基板とを接合するための金属薄膜が介在していることを特徴とするものである。

また、本発明は、上記目的を達成するために案出された機能素子の製造方法である。すなわち、振動子を変位可能に支持する振動子支持基板と、前記振動子と対向する電極を有した電極支持基板とを備え、前記電極が前記振動子と所定間隔を持って対向するように前記振動子支持基板と前記電極支持基板とが接合されてなる機能素子の製造方法であって、前記振動子支持基板における前記電極支持基板との接合箇所に金属薄膜を形成するとともに、前記電極支持基板における前記振動子支持基板との接合箇所に金属薄膜を形成し、前記振動子支持基板および前記電極支持基板のそれぞれに形成した金属薄膜同士を突き合わせて圧着接合することを特徴とする。

上記構成の機能素子および上記手順の機能素子の製造方法によれば、振動子を支持する振動子支持基板と、電極を有した電極支持基板との間には、金属薄膜が介在している。すなわち、金属薄膜によって、振動子支持基板と電極支持基板とが接合されている。金属薄膜としては、例えばＡｕ膜またはＡｕを含む化合物膜若しくは積層膜が考えられる。また金属薄膜による接合としては、例えば圧着接合が考えられる。
このような金属薄膜による接合の場合には、陽極接合の場合のような大きな電界分布が生じることがないため、振動子が変位可能に支持されていても、その振動子の貼り付きを抑制し得るようになる。しかも、金属薄膜による接合を行えば、金属薄膜は耐荷重性や非変形性等に優れていることから、その金属薄膜の膜厚管理を通じて、振動子と電極との間隔を所望間隔とすることが容易となる。

以上のように、本発明に係る機能素子およびその製造方法では、金属薄膜によって振動子支持基板と電極支持基板とを接合し、これにより振動子と電極とが所定間隔を持って対向する機能素子を構成していることから、当該接合時に電位差が生じることがなく、陽極接合時に問題となる振動子の貼り付きを抑制することができ、結果として機能素子製造における歩留りを飛躍的に向上させることができる。また、金属薄膜の膜厚管理を通じて、振動子と電極との間隔を所望間隔とすることが容易となることから、極めて精度の良いギャップ形成が可能となる。すなわち、狭ギャップの形成が可能となり、またギャップのバラツキ発生を抑制可能となるので、感度低下を招いたり素子間性能のバラツキを招いたりすることがない。
つまり、本発明によれば、挟ギャップに対応しつつ、そのギャップのバラツキ発生を抑制し、しかも陽極接合時のような振動子の貼り付きをも抑制して、高感度で、かつ、ウエハ面内制御性の良好な機能素子およびその製造方法を提供することができる。

以下、図面に基づき本発明に係る機能素子およびその製造方法について説明する。

〔機能素子の基本構成の説明〕
先ず、本発明に係る機能素子について、その基本的な概略構成および処理動作を、容量検出型センサ素子の一種である角速度センサ素子に適用した場合を例に挙げて説明する。

図１〜５は、本発明が適用された角速度センサ素子の構成例を示す説明図である。このうち、図１は、概略構成の平面図、図２は図１におけるＡ−Ａ’間の断面図、図３は図１におけるＢ−Ｂ’間の断面図、図４は図１におけるＣ−Ｃ’間の断面図、図５は要部平面図を示している。

図１〜５に示すように、ここで説明する角速度センサ素子は、変位可能に支持された二つの振動子１１を有している。各振動子１１は、バネ部１２および支柱１３を介して、Ｓｉ基板１４上に支持されている。すなわち、各振動子１１は、バネ部１２および支柱１３を介することで、Ｓｉ基板１４の上面に対して浮動可能に支持され、またバネ部１２の弾性によりその支持状態が変位し得るようになっている。

なお、バネ部１２上には、絶縁体膜１５を介してバネ部１２と絶縁された電極１６ａ，１６ｂ，１６ｃが配されている。このうち、電極１６ａは、詳しくは後述のように、電磁駆動用の電極として機能する。電極１６ｂは、電磁駆動で一方の振動子１１が動作したときに発生する誘導起電力を検出するためのモニタ電極として機能する。また、電極１６ｃは、振動子１１を用いて角速度検出を行うために、これらをＳｉ基板１４と電気的に接続させる電極として機能する。これらの電極１６ａ，１６ｂ，１６ｃは、金メッキ支柱１７を通して、引き出し電極１８によりフレーム１９の外側に引き出されている。

一方、振動子１１と所定間隔を持って対向するそれぞれの位置には、振動子１１との間の静電容量変化を検出するための電極２１が配されている。電極２１は、電極支持基板２２の片面側に、酸化膜２３を介して形成されている。電極支持基板２２としては、Ｓｉ基板を用いることが考えられるが、ガラス基板を用いても構わない。その場合は、酸化膜２３は不要である。この電極２１も、電極１６ａ，１６ｂ，１６ｃと同様に、電極２４によりフレーム１９の外側に引き出されている。

そして、ここで説明する角速度センサ素子は、振動子１１を変位可能に支持するＳｉ基板１４と、電極２１を有した電極支持基板２２とが、Ｓｉ基板１４上の振動子１１側に配されたフレーム１９の部分で互いに接合されており、これにより電極２１が振動子１１と所定間隔を持って対向するように配置されるになる。なお、Ｓｉ基板１４上におけるフレーム１９と電極支持基板２２との間には、詳細を後述するように、Ｓｉ基板１４と電極支持基板２２とを接合するための金属薄膜３０が介在している。

また、電極支持基板２２の上面側には、角速度センサ素子を駆動するための磁石４１が配されている。この磁石４１は、電極支持基板２２の上面側ではなく、Ｓｉ基板１４の下面側に配されていてもよい。

続いて、以上のように構成された角速度センサ素子における動作原理について説明する。
電極１６ａに対してある周期を持った電流が流れると、その電流の周期性により、別の時点では流れる方向が逆になることもある。したがって、電極１６ａに電流が流れると、磁石４１からの磁界により、ローレンツ力がＸ方向（バネ部１２の弾性方向に沿った方向）に発生する。ローレンツ力Ｆ_lorentzは下記の（１）式で表され、配線方向との直交方向にその力が誘起される。

Ｆ_lorentz＝ＩＢＬ・・・（１）
ここで、Ｉは電極１６ａに流れる電流、Ｂは磁束密度、Ｌは電極配線の長さである。

ローレンツ力は印加される電流と同じ周期性をもって一方の振動子１１に印加されるため、その振動子１１は、支柱１３を固定点とし、バネ部１２が弾性変形する範囲で、振幅運動を繰り返す。そして、他方の振動子１１は、支柱１３を固定点とし、バネ部１２が弾性変形する範囲で、一方の振動子１１と１８０°の位相ずれを持ちながら振幅運動を繰り返す。

このときに、外部からＹ軸（Ｘ方向と直交方向の軸）まわりに角速度が与えられると、振動方向との直交方向にコリオリ力が発生する。コリオリ力Ｆ_coriolisは下記の（２）式で表される。

Ｆ_coriolis＝２ｍｖΩ
ここで、ｍは振動子の質量、ｖは駆動方向の振動速度、Ωは外部から印加される角速度である。

コリオリ力で発生した変位を大きく取るためには、質量ｍ、駆動角振動数ωｘ、駆動変位ｘｍ（ωｘおよびＸｍは駆動振動速度ｖの対応パラメータ）を大きく取る必要がある。電磁駆動の場合、静電駆動で必要な櫛歯電極を必要としないため、大きな変位を取ることが可能となる。

コリオリ力が発生すると、振動子１１は、Ｚ軸（Ｘ軸、Ｙ軸のいずれとも直交する方向の軸）方向に振動する。その際、電極支持基板２２が有する電極２１と、振動子１１との間に、容量の変化が現れることになる。すなわち、一方は電極に近づく方向に振動子が傾き、他方は遠ざかる方向に振動子が傾く、といった具合である。したがって、それぞれにおける容量差分を検出することで、印加される角速度の算出が可能となる。
なお、角速度が印加されたときには、それぞれの電極２１と振動子１１間に発生する容量変化量が異なるが、並進加速度が印加された際には、発生する容量変化量は異ならないため、差分を取っても容量差が生じない。よって、それぞれにおける容量差分を検出することで、印加される角速度を算出すれば、角速度印加の時に発生する加速度成分を除去することができる。
また、ローレンツ力を発生させた際、電極１６ｂには誘導起電力が発生する。この誘導起電力は、ローレンツ力と同じ周期を持って発生している。したがって、容量変化を読み取る際に、電極２１と振動子１１間に搬送波を乗せ、容量変化により発生した電流を増幅することにより実際の信号を取り出せば、搬送波は同期検波により除去され、また駆動波に関しても誘導起電力の周期成分で検波できるので、角速度に対応した直流信号を取り出せるようになる。

以上のような基本構成は、角速度センサ素子についての例であるが、他の容量検出型センサ素子である加速度センサ素子や圧力センサ素子等についても略同様の基本構成を適用することは可能である。

〔機能素子の特徴的な構成の説明〕
次に、本発明に係る機能素子の特徴的な構成について、ここでも角速度センサ素子を例に挙げて説明する。

ここで説明する角速度センサ素子は、振動子１１を変位可能に支持するＳｉ基板１４と、電極２１を有した電極支持基板２２とが、そのＳｉ基板１４上におけるフレーム１９の部分にて、互いに接合されて構成されている。この接合の際には、振動子１１やバネ部１２等が電極支持基板２２側に強い静電力で引き寄せられることがなく、かつ、振動子１１と電極２１との間が所定間隔（所望するギャップ値）となるようにする必要がある。

従来のような陽極接合の場合は、そのギャップ制御性は良好であるが、接合時に印加される電圧により振動子１１やバネ部１２等が強い静電引力で引き寄せられてしまい、電極支持基板２２側に貼り付いて取れなくなる可能性がある。また、振動子１１やバネ部１２等の一部が電極支持基板２２側に貼り付いてしまうことで、本来平行に保持されるべき電極２１との間隔が傾いてしまうおそれもある。

このことから、ここで説明する角速度センサ素子では、Ｓｉ基板１４と電極支持基板２２とを接合するための金属薄膜３０を、そのＳｉ基板１４上におけるフレーム１９と電極支持基板２２との間に介在させている。そして、その金属薄膜３０の圧着接合作用を利用して、Ｓｉ基板１４と電極支持基板２２との接合を行っているのである。

圧着接合とは、接合物と被接合物のそれぞれに金属薄膜を形成し、各金属薄膜同士を当接させた状態で一定荷重を与え、その接合面における金属原子の拡散を利用して、接合物と被接合物との固着を行う接合手法である。

したがって、金属薄膜３０は、圧着接合が可能な金属によって形成されるものとする。具体的には、Ａｕ（金）薄膜を用いることが考えられる。また、Ａｕは単膜とは限らず、ＡｕとＴｉ（チタニウム）、ＡｕとＣｒ（クロム）、ＡｕとＮｉ（ニッケル）、ＡｕとＣｕ（銅）、ＡｕとＰｔ（白金）とＣｒ、ＡｕとＰｔとＴｉ、ＡｕとＮｉとＣｒ、ＡｕとＮｉとＴｉ、ＡｕとＣｕとＣｒ、ＡｕとＣｕとＴｉ等の積層膜を用いてもよい。さらには、ＡｕとＳｎ（錫）の共晶金属等を用いてもよい。つまり、金属薄膜３０としては、例えばＡｕ膜またはＡｕを含む化合物膜若しくは積層膜を用いることが考えられる。

また、形成膜厚は、５０〜１０００ｎｍとすることが考えられる。５０ｎｍ以上とする理由は、５０ｎｍ未満であると面内均一に成膜することが困難であり、接合強度にむらが生じてしまうおそれがあるためである。また、１０００ｎｍ以下とする理由は、あまりに膜厚が大きくなると、成膜に時間を要することとなり、材料コストやタクトタイム短縮化等を考えた場合に好ましくないからである。

以上のような構成の角速度センサ素子では、金属薄膜３０の圧着接合作用を利用してＳｉ基板１４と電極支持基板２２とを接合し、これにより振動子１１と電極２１とが所定間隔を持って対向するようになっている。したがって、接合の際に陽極接合の場合のような大きな電界分布が生じることがないため、振動子１１がバネ部１２を介して変位可能に支持されていても、その振動子１１やバネ部１２等が電極支持基板２２側に貼り付いてしまうのを抑制し得るようになる。具体的には、振動子１１と電極２１との間が１μｍ以下の狭ギャップの場合でも、貼り付きが生じてしまうのを抑制し得る。つまり、接合時に電位差が生じることがなく、陽極接合時に問題となる振動子１１やバネ部１２等の貼り付きを抑制することができ、結果として角速度センサ素子製造における歩留りを飛躍的に向上させることができる。

しかも、金属薄膜３０の圧着接合作用を利用してＳｉ基板１４と電極支持基板２２とを接合を行えば、金属薄膜３０は耐荷重性や非変形性等に優れていることから、その金属薄膜３０の膜厚管理を通じて、振動子１１と電極２１との間隔を所望間隔（所望するギャップ値）とすることが容易となる。

図６は、圧着接合時のウエハ荷重とＡｕ薄膜の圧縮歪み量との関係の具体例を示す説明図である。図例では、４インチウエハに線幅３００μｍのＡｕ薄膜メッシュを形成し、各Ａｕ膜厚におけるウエハ荷重を行った際の圧縮歪み量の評価結果を示している。図例によれば、Ａｕ薄膜の膜厚が５００ｎｍ以下では、接合前後で膜厚変化が１％未満であり、殆ど圧縮歪みがないことがわかる。また、Ａｕ薄膜の膜厚が１０００ｎｍの場合においても、圧縮歪み量は２％未満であることから、例えば２０ｎｍ圧縮歪みが生じたとしてもギャップ制御性は十分に保つことができる。

図７は、圧着接合時のウエハ荷重と接合強度の関係の具体例を示す説明図である。図例では、４インチウエハに線幅３００μｍのＡｕ薄膜メッシュを形成し、Ａｕ膜厚２００ｎｍ／Ｔｉ膜厚５０ｎｍにおける接合強度の評価結果を示している。なお、強度評価にあたっては、５ｍｍ角のチップ状に切り出し、一方の基板（センサ側）を固定して他方の基板（検出側）の引っ張り強度を評価して行っている。図例よれば、圧着接合時の荷重が２００ｋｇｆ以下では強度低下が見られるものの、４００ｋｇｆ以上であれば２５ＭＰａ以上の十分な接合強度が得られていることがわかる。

このように、金属薄膜３０の圧着接合作用を利用した接合を行えば、十分なギャップ制御性と、十分な接合強度とが得られることがわかる。すなわち、金属薄膜３０にギャップ制御機能と接合機能を持たせ、これらの機能を利用してＳｉ基板１４と電極支持基板２２との接合を行うことになる。したがって、金属薄膜３０の膜厚管理を通じて、振動子１１と電極２１との間隔を所定間隔（所望するギャップ値）とすることが容易となり、極めて精度の良いギャップ形成が可能となるのである。具体的には、金属薄膜３０の総膜厚が所定間隔（所望するギャップ値）に基づいて特定され、あるいは金属薄膜３０の総膜厚から金属薄膜３０が特定されていることになる。これにより、狭ギャップの形成が可能となり、またギャップのバラツキ発生を抑制可能となるので、感度低下を招いたり素子間性能のバラツキを招いたりすることがなくなる。

つまり、ここで説明した角速度センサ素子は、金属薄膜３０におけるギャップ制御機能および接合機能の両機能を利用することで、挟ギャップに対応しつつ、そのギャップのバラツキ発生を抑制し、しかも陽極接合時のような振動子の貼り付きをも抑制して、良好な感度特性を有した容量検出が可能となる。

〔機能素子の製造方法の説明〕
次に、以上のような構成の機能素子の製造方法を説明する。ここでも、上述した角速度センサ素子を例に挙げて、その製造方法を説明する。

図８〜１１は、本発明が適用された角速度センサ素子の製造方法の一具体例を示す説明図である。図例は、図１におけるＡ−Ａ’間の断面について示している。

先ず、振動子１１を変位可能に支持するＳｉ基板１４側の製造手順について説明する。

Ｓｉ基板１４側の製造には、図８（ａ）に示すように、上部Ｓｉ層１０ａと下部Ｓｉ層１０ｂとを二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）からなる絶縁層１０ｃで挟み込んだＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用いる。そして、図８（ｂ）に示すように、そのＳＯＩ基板にアライメントマークおよびダイシングラインＳ１を形成する。これは、電極支持基板２２とのアライメントを行う際、および、チップ状への切り出しを行う際の基準マークとなるものである。

アライメントマークおよびダイシングラインの形成後は、図８（ｃ）に示すように、上部Ｓｉ層１０ａが所望の膜厚となるように、その全面にエッチングＳ２を行う。このエッチングＳ２は、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）または水酸化カリウム（ＫＯＨ）を用いたウエットエッチでもよいし、化学的、物理的ドライエッチでもよい。また、所望膜厚が予めわかっているならば、その膜厚の基板を用意して、これをエッチング無しで用いてもよい。そして、さらに、図８（ｄ）に示すように、金属接合のためのフレーム１９を形成すべく、上部Ｓｉ層１０ａに対する選択的な部分エッチングＳ３を行う。このときのエッチングＳ３も、ウエットエッチ、ドライエッチのいずれでもよい。このエッチング残膜厚により、振動子１１の膜厚およびバネ部１２の膜厚が決定されることになる。また、このときのエッチング深さで、振動子１１と電極２１との間のギャップ、すなわちセンサ感度が決定することになる。エッチング深さは、１μｍ程度とすることが考えられるが、必要なセンサ感度に合わせて０．２〜１０μｍ程度としてもよい。

その後は、図９（ａ）に示すように、振動子１１上の一部およびバネ部１２上に絶縁体膜１５および電極１６を形成する。絶縁体膜１５は、上部Ｓｉ層１０ａと電極１６との間の絶縁性を保持できるものであればよく、例えばＳｉＯ₂や窒化ケイ素（ＳｉＮ）等を用いることが考えられる。電極１６は、電子ビーム蒸着により形成することが考えられる。ただし、リフトオフ法により形成してもよく、その場合には配線エッチングをウエットエッチングまたはドライエッチングのどちらで行ってもよい。また、電極１６の形成材料としては、Ａｕ、ＰｔおよびＣｒの積層膜を用いることが考えられるが、その他にもＡｕとＴｉ、ＡｕとＣｒ、ＡｕとＮｉ、ＡｕとＣｕ等の二層金属材料、ＡｕとＰｔとＴｉ、ＡｕとＮｉとＣｒ、ＡｕとＮｉとＴｉ、ＡｕとＣｕとＣｒ、ＡｕとＣｕとＴｉ等の三層金属材料を用いてもよい。さらには、ＡｕとＳｎの共晶金属を用いたり、Ｔｉの代わりにＴｉＮとＴｉとの積層材料を用いたりすることも考えられる。また、形成手法については、スパッタ法やＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等を用いてもよい。このようにして形成される電極１６が、ローレンツ印加、誘導起電力検出または容量検出のために用いられる電極１６ａ，１６ｂ，１６ｃを構成することになる。

ここで、フレーム１９上には、図９（ｂ）に示すように、Ｓｉ基板１４と電極支持基板２２とを接合するための金属薄膜３１を形成する。金属薄膜３１は、例えば、電子ビーム蒸着によりＡｕ膜厚２００ｎｍ／Ｔｉ膜厚５０ｎｍ形成する。ただし、金属薄膜３１の膜厚は、５０〜１０００ｎｍであればどの膜厚でもよい。また、金属薄膜３１の形成材料も、例えばＡｕ膜またはＡｕを含む化合物膜若しくは積層膜を用いることが考えられる。その場合に、形成方法は、スパッタ法やＣＶＤ法を用いてもよい。なお、金属薄膜３１の形成は、上部Ｓｉ層１０ａにおけるフレーム１９上に直接行うのではなく、そのフレーム１９上にＳｉＯ₂層やＳｉＮ層等を形成した後に行うようにしてもよい。

そして、金属薄膜３１の形成後は、図９（ｃ）に示すように、振動子１１およびバネ部１２を形成するための、反応性イオンエッチングＳ４を行う。さらには、図９（ｄ）に示すように、ＳＯＩ基板の裏面側に対しても、反応性イオンエッチングＳ５を行い、これにより下部Ｓｉ層１０ｂおよび絶縁層１０ｃの一部を除去する。このとき、支柱１３となる上部Ｓｉ層１０ａおよび絶縁層１０ｃの一部、並びに、フレーム１９となる上部Ｓｉ層１０ａおよび絶縁層１０ｃの一部は残して、下部Ｓｉ層１０ｂと接続させる。これにより、他の部分が中空構造となり、振動子１１およびバネ部１２が形成される。また、支柱１３は、下部Ｓｉ層１０ｂに固定される。この下部Ｓｉ層１０ｂの残部が、Ｓｉ基板１４となる。

以上のような手順で、振動子１１を変位可能に支持するＳｉ基板１４が形成されるのである。
次に、振動子１１と対向する電極２１を有した電極支持基板２２側の製造手順について説明する。

電極支持基板２２側の製造にあたっては、図１０（ａ）に示すように、例えばＳｉ基板からなる電極支持基板２２を用意し、その電極支持基板２２の片面に酸化膜２３を形成するとともに、さらに配線電極２４を電子ビーム蒸着により形成する。電極支持基板２２は、ガラス基板を用いても構わない。その場合は、酸化膜２３は不要である。また、配線電極２４は、Ａｕ膜厚２００ｎｍ／Ｔｉ膜厚５０ｎｍで形成することが考えられるが、５０〜１０００ｎｍであればどの膜厚でも良く、またＡｕとＣｒ、ＡｕとＮｉ、ＡｕとＣｕ等の二層金属材料、ＡｕとＰｔとＣｒ、ＡｕとＰｔとＴｉ、ＡｕとＮｉとＣｒ、ＡｕとＮｉとＴｉ、ＡｕとＣｕとＣｒ、ＡｕとＣｕとＴｉ等の三層金属材料、ＡｕとＳｎの共晶金属を用いてもよい。その場合に、形成方法は、スパッタ法やＣＶＤ法を用いてもよい。

配線電極２４を形成したら、続いて、図１０（ｂ）に示すように、電解めっき法または無電解めっき法により、Ａｕの支柱２５を形成する。この支柱２５は、Ｓｉ基板１４側の電極とのコンタクトを取るためのものである。そのために、支柱２５は、Ｓｉ基板１４側の電極に対して、各電極毎に複数本形成する。これにより、接合時に支柱２５がバネ状に屈曲し、適度なテンションをもってＳｉ基板１４側の電極と接続することができる。スプリングコンタクトや金バンプ等を用いることも考えられるが、上記の構造によれば、電極支持基板２２に過度な応力をかけることも無く、また形成方法も極めて簡単である。

その後は、図１０（ｃ）に示すように、配線電極２４に対して、選択的な部分エッチングＳ６を行う。このエッチングにより、電極支持基板２２側に、電極２１、引き出し電極１８および金属薄膜３２が形成されることになる。

以上のような手順で、振動子１１と対向する電極２１を有した電極支持基板２２が形成されるのである。
次に、以上のような手順で製造されたＳｉ基板１４側と電極支持基板２２側との接合手順について説明する。

Ｓｉ基板１４と電極支持基板２２との接合にあたっては、図１１（ａ）に示すように、Ｓｉ基板１４側に形成されている金属薄膜３１と、電極支持基板２２側に形成されている金属薄膜３２とが、互いに相対する状態で当接させ、その当接状態にて加圧して、金属薄膜３１，３２同士を圧着接合させる。これにより、Ｓｉ基板１４と電極支持基板２２と歯、その間に金属薄膜３０（金属薄膜３１，３２の接合体）が介在した状態で、一体に接合されることになる。また、このときの接合で、Ｓｉ基板１４側の電極１６と、電極支持基板２２側の支柱２５とがコンタクトすることになる。

その後は、図１１（ｂ）に示すように、Ｓｉ基板１４と電極支持基板２２との接合体を、ダイシングＳ７によりカットして、それぞれが個別なチップ状に形成する。そして、最後に、図１１（ｃ）に示すように、電極支持基板２２上に磁石４１を形成し、引き出し電極１８よりワイヤーを引き出す。これにより、角速度センサ素子が完成することになる。

〔機能素子の他の構成例の説明〕
なお、上述した実施形態では、本発明の好適な実施具体例を説明したが、本発明はその内容に限定されるものではない。ここで、本発明の他の実施具体例について簡単に説明する。
図１２および図１３は、本発明が適用された角速度センサ素子の他の構成例を示す説明図である。

例えば、上述した実施形態では、Ｓｉ基板１４側にフレーム１９を形成して、その部分にて金属薄膜３０を介した圧着接合を行う場合について説明したが、本発明は、これとは逆に、図１２に示すように、電極支持基板２２側に接合用の突起部２６を形成した場合であっても、全く同様に適用することが可能である。すなわち、ＳＯＩ基板をエッチングにより掘り込むのではなく、電極支持基板２２をエッチングにより掘り込むようにしてもよい。その場合のエッチングは、ＳＯＩ基板と同様にして行えばよい。具体的には、１μｍ程度の深さでエッチングを行うことが考えられるが、必要となる検出感度に合わせて０．２〜１０μｍの掘り込みを行えばよい。

また、図１３に示すように、フレーム１９の頂面と酸化膜２３が形成された電極支持基板２２の下面とが直接当接してＳｉ基板１４側と電極支持基板２２側とが接合されるように場合であっても、その当接箇所の周辺部分にて、Ｓｉ基板１４側と電極支持基板２２側とのそれぞれに金属薄膜３０を形成しておき、これによりそれぞれの間に金属薄膜３０を介在させておくことで、その金属薄膜３０による圧着接合作用を利用した接合を行うことが可能である。

このように、本発明は、本実施形態での説明に対し、その要旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

また、本発明は、角速度センサ素子、加速度センサ素子または圧力センサ素子等といった、振動子と電極間の静電容量変化を検出する構造の容量検出型センサ素子のみならず、他の機能素子（ＭＥＭＳ）であっても、振動子側の基板と電極側の基板とを接合して構成するものであれば、全く同様に適用することが考えられる。

本発明が適用された角速度センサ素子の構成例を示す説明図（その１）であり、概略構成の平面を示す図である。 本発明が適用された角速度センサ素子の構成例を示す説明図（その２）であり、図１におけるＡ−Ａ’間の断面を示す図である。 本発明が適用された角速度センサ素子の構成例を示す説明図（その３）であり、図１におけるＢ−Ｂ’間の断面を示す図である。 本発明が適用された角速度センサ素子の構成例を示す説明図（その４）であり、図１におけるＣ−Ｃ’間の断面を示す図である。 本発明が適用された角速度センサ素子の構成例を示す説明図（その５）であり、図１における要部平面を示す図である。 圧着接合時のウエハ荷重とＡｕ薄膜の圧縮歪み量との関係の具体例を示す説明図である。 圧着接合時のウエハ荷重と接合強度の関係の具体例を示す説明図である。 本発明が適用された角速度センサ素子の製造方法の一具体例を示す説明図（その１）であり、振動子を変位可能に支持するＳｉ基板側の製造手順を示す図である。 本発明が適用された角速度センサ素子の製造方法の一具体例を示す説明図（その２）であり、振動子を変位可能に支持するＳｉ基板側の製造手順を示す図である。 本発明が適用された角速度センサ素子の製造方法の一具体例を示す説明図（その３）であり、振動子と対向する電極を有した電極支持基板側の製造手順を示す図である。 本発明が適用された角速度センサ素子の製造方法の一具体例を示す説明図（その４）であり、Ｓｉ基板側と電極支持基板側との接合手順を示す図である。 本発明が適用された角速度センサ素子の他の構成例を示す説明図（その１）である。 本発明が適用された角速度センサ素子の他の構成例を示す説明図（その２）である。

符号の説明

１０ａ…上部Ｓｉ層、１０ｂ…下部Ｓｉ層、１０ｃ…絶縁層、１１…振動子、１２…バネ部、１３…支柱、１４…Ｓｉ基板、１５…絶縁体膜、１６ａ，１６ｂ，１６ｃ…電極、１７…金メッキ支柱、１８…引き出し電極、１９…フレーム、２１…電極、２２…電極支持基板、２３…酸化膜、２４…配線電極、２５…支柱、２６…突起部、３０，３１，３２…金属薄膜、４１…磁石

Claims (8)

1. 振動子を変位可能に支持する振動子支持基板と、前記振動子と対向する電極を有した電極支持基板とを備え、前記電極が前記振動子と所定間隔を持って対向するように前記振動子支持基板と前記電極支持基板とが接合されてなる機能素子であって、
   前記振動子支持基板と前記電極支持基板との間に当該振動子支持基板と当該電極支持基板とを接合するための金属薄膜が介在していることを特徴とする機能素子。
2. 前記金属薄膜の膜厚が前記所定間隔に基づいて特定され、あるいは前記金属薄膜の膜厚から前記所定間隔が特定されていることを特徴とする請求項１記載の機能素子。
3. 前記振動子と前記電極間の静電容量変化を検出する構造の容量検出型センサ素子であることを特徴とする請求項２記載の機能素子。
4. 前記金属薄膜の膜厚が５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項３記載の機能素子。
5. 前記所定間隔が１０μｍより狭いことを特徴とする請求項３記載の機能素子。
6. 前記金属薄膜は、Ａｕ膜、Ａｕを含む化合物膜、または、少なくともＡｕ層を含む積層膜のいずれかであることを特徴とする請求項３記載の機能素子。
7. 振動子を変位可能に支持する振動子支持基板と、前記振動子と対向する電極を有した電極支持基板とを備え、前記電極が前記振動子と所定間隔を持って対向するように前記振動子支持基板と前記電極支持基板とが接合されてなる機能素子の製造方法であって、
   前記振動子支持基板における前記電極支持基板との接合箇所に金属薄膜を形成するとともに、前記電極支持基板における前記振動子支持基板との接合箇所に金属薄膜を形成し、
   前記振動子支持基板および前記電極支持基板のそれぞれに形成した金属薄膜同士を突き合わせて圧着接合する
   ことを特徴とする機能素子の製造方法。
8. 前記振動子支持基板および前記電極支持基板に形成する金属薄膜のそれぞれについて、その形成膜厚を前記所定間隔の所望値に基づいて特定する
   ことを特徴とする請求項７記載の機能素子の製造方法。
   

Images