JP3729192B2 - Semiconductor sensor and method for manufacturing the same - Google Patents
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Description
本発明は、基板に絶縁層を介して振動可能に支持された可動部と、前記可動部の変位を検出する検出部とを備えた加速度や角速度等を検出する半導体センサ、及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor sensor that detects acceleration, angular velocity, and the like, including a movable part supported on a substrate through an insulating layer so as to vibrate, and a detection part that detects displacement of the movable part, and a method for manufacturing the same. .
この種の半導体センサは、基板に絶縁層を介して支持され同基板上にて互いに直交する振動軸方向及び検出軸方向に振動可能な可動部と、可動部を振動軸方向に励振するための電圧が印加される駆動部と、検出軸方向における可動部の変位（振動）を検出する検出部とを備えてなり、可動部を振動軸方向に振動させた状態で、振動軸及び検出軸に直交する軸回りに作用する角速度を同可動部の検出軸方向の変位に基づいて検出するように構成されている（例えば、特許文献１参照。）。
しかしながら、上記半導体センサにおいては、何らかの原因により基板と可動部との間に電位差が生じると、同基板と同可動部との間に静電引力（静電気力）が発生し、これにより可動部の振動特性が変化して検出精度が低下するという問題がある。 However, in the semiconductor sensor, when a potential difference occurs between the substrate and the movable part for some reason, an electrostatic attractive force (electrostatic force) is generated between the substrate and the movable part. There is a problem that the detection accuracy decreases due to changes in vibration characteristics.
これに対し、基板に絶縁層を介して振動可能に支持された可動部と、前記可動部の変位を検出する検出部とを備えた半導体センサにおいて、前記基板と前記可動部とを同電位に維持する同電位維持手段を備えさせることもできる。 On the other hand, in a semiconductor sensor including a movable part supported on a substrate through an insulating layer so as to be able to vibrate, and a detection unit for detecting displacement of the movable part, the substrate and the movable part are at the same potential. It is also possible to provide the same potential maintaining means for maintaining.
これによれば、同電位維持手段により基板と可動部との間が同電位に保たれるため、これらの間に静電引力が発生することがない。従って、可動部の振動特性が安定した検出精度の高い半導体センサが提供される。 According to this, since the same potential is maintained between the substrate and the movable portion by the same potential maintaining means, no electrostatic attractive force is generated between them. Therefore, a semiconductor sensor with high detection accuracy in which the vibration characteristics of the movable part are stable is provided.
ところで、基板と可動部とを同電位にするためには、基板及び可動部に導線を接続し、これらの導線を適当な回路に接続することが必要となる。しかしながら、基板上には絶縁層や可動部等が形成されているため、基板に導線を直接的に接合することが困難な場合が多い。 By the way, in order to make the substrate and the movable portion have the same potential, it is necessary to connect conductive wires to the substrate and the movable portion, and to connect these conductive wires to an appropriate circuit. However, since an insulating layer, a movable portion, and the like are formed on the substrate, it is often difficult to directly join the conductive wire to the substrate.
本発明の特徴は、基板に絶縁層を介して振動可能に支持された可動部と、前記可動部の変位を検出する検出部と、前記基板に絶縁層を介して支持されるとともに同基板と密着する部分とを有してなり同基板の電位を取り出す基板電極とを備えた半導体センサの製造方法において、前記基板電極の製造工程が、前記基板上面の絶縁層に支持され同基板方向に変形可能な前記基板電極となる部材を形成する工程と、前記基板電極となる部材の一部を前記基板に静電接合させる工程とを含んだことにある。 A feature of the present invention is that a movable part supported by a substrate through an insulating layer so as to vibrate, a detection unit for detecting displacement of the movable part, and a substrate supported by the substrate through an insulating layer and the substrate In a method for manufacturing a semiconductor sensor, the substrate electrode manufacturing process is supported by an insulating layer on the upper surface of the substrate and is deformed in the direction of the substrate. A step of forming a member to be the substrate electrode, and a step of electrostatically bonding a part of the member to be the substrate electrode to the substrate.
これによれば、前記基板電極となる部材の一部を前記基板に静電接合させるので、基板電極上に接続導線を接合するという困難な工程を実施することなく、基板電極と基板とを電気的に接続して同電位とすることができる。なお、静電接合とは、静電気力（静電引力）による接合を意味する。この結果、基板電極を介して基板と可動部とを適当な回路に接続し、同基板と可動部とを同電位とすることが容易な半導体センサが得られる。 According to this, since a part of the member to be the substrate electrode is electrostatically bonded to the substrate, the substrate electrode and the substrate can be electrically connected without performing a difficult process of bonding the connecting conductor on the substrate electrode. Can be connected to the same potential. Note that electrostatic bonding means bonding by electrostatic force (electrostatic attractive force). As a result, a semiconductor sensor can be obtained in which the substrate and the movable part are connected to an appropriate circuit via the substrate electrode, and the substrate and the movable part can be easily set to the same potential.
本発明の他の特徴は、基板に絶縁層を介して振動可能に支持された可動部と、前記可動部の変位を検出する検出部と、前記基板に絶縁層を介して支持されるとともに同基板と密着する部分とを有してなり同基板の電位を取り出す基板電極とを備えた半導体センサの製造方法において、前記基板電極の製造工程が、前記基板上面の絶縁層に支持され同基板方向に変形可能な前記基板電極となる部材を形成する工程と、前記基板上面の絶縁層の上面に電圧印加用電極を形成する工程と、前記基板電極となる部材と前記電圧印加用電極との間に電圧を印加して前記基板電極となる部材の一部を前記基板に静電接合させる工程とを含んだことにある。 Another feature of the present invention is that the movable part supported on the substrate through an insulating layer so as to vibrate, a detection unit for detecting the displacement of the movable part, and supported on the substrate through the insulating layer and the same. In a manufacturing method of a semiconductor sensor having a substrate electrode having a portion that is in close contact with the substrate and extracting the potential of the substrate, the manufacturing process of the substrate electrode is supported by an insulating layer on the upper surface of the substrate and the substrate direction Forming a member to be the substrate electrode that can be deformed into a shape, forming a voltage application electrode on the upper surface of the insulating layer on the upper surface of the substrate, and between the member to be the substrate electrode and the voltage application electrode And a step of electrostatically bonding a part of the member to be the substrate electrode to the substrate by applying a voltage to the substrate.
静電接合のために基板電極と基板との間に電圧を印加するには、例えば、上面が露呈している基板電極を使用して同基板電極の電位を所定の正電位又は負電位とし、基板を接地する。この場合、基板に直接的に導線を接合したり電極を接触させることは困難であるから、基板下面を利用して同基板を接地する方法が考えられる。ところが、基板下面には絶縁性の薄膜（酸化膜、窒化膜等）が形成されている場合があり、上記の方法が採用できない場合がある。 In order to apply a voltage between the substrate electrode and the substrate for electrostatic bonding, for example, the substrate electrode whose upper surface is exposed is used to set the potential of the substrate electrode to a predetermined positive potential or negative potential, Ground the board. In this case, since it is difficult to directly join the lead wire or contact the electrode to the substrate, a method of grounding the substrate using the lower surface of the substrate is conceivable. However, an insulating thin film (oxide film, nitride film, etc.) may be formed on the lower surface of the substrate, and the above method may not be employed.
そこで、上記本発明の他の特徴では、絶縁層の上に基板電極となる部材を形成することに加え、電圧印加用の電極を形成する。そして、基板電極となる部材と電圧印加用の電極との間に電圧を印加する。この結果、基板下面が利用できない場合においても、基板電極となる部材と基板との間に電位差を生ぜしめることが可能となり、両者を容易且つ確実に静電接合することが可能となる。 Therefore, in another feature of the present invention, a voltage application electrode is formed in addition to forming a member to be a substrate electrode on the insulating layer. And a voltage is applied between the member used as a board | substrate electrode, and the electrode for voltage application. As a result, even when the lower surface of the substrate cannot be used, a potential difference can be generated between the substrate electrode member and the substrate, and both can be easily and reliably electrostatically bonded.
また、本発明による半導体センサは、基板に絶縁層を介して振動可能に支持された可動部と、前記可動部の変位を検出する検出部と、前記基板と前記可動部とを同電位に維持する同電位維持手段と、を備えた半導体センサにおいて、前記同電位維持手段は、前記基板に絶縁層を介して配設された基板電極を含み、同基板電極の一部が前記基板の上面と静電接合されてなることを特徴としている。 The semiconductor sensor according to the present invention maintains a movable part supported on a substrate through an insulating layer so as to vibrate, a detection part for detecting displacement of the movable part, and the substrate and the movable part at the same potential. The same potential maintaining means includes a substrate electrode disposed on the substrate via an insulating layer, and a part of the substrate electrode is connected to the upper surface of the substrate. It is characterized by being electrostatically bonded.
これによれば、同電位維持手段により基板と可動部とが同電位に保たれるので、これらの間に静電引力が発生することがない。従って、可動部の振動特性が安定した検出精度の高い半導体センサが提供される。また、同電位維持手段は、基板と静電接合された基板電極から基板電位を容易に取出し得る構造を備えているので、基板電極を利用することにより基板と可動部とを同電位に維持することが容易な構造を備えた半導体センサが提供される。 According to this, since the substrate and the movable part are maintained at the same potential by the same potential maintaining means, no electrostatic attractive force is generated between them. Therefore, a semiconductor sensor with high detection accuracy in which the vibration characteristics of the movable part are stable is provided. Further, since the same potential maintaining means has a structure capable of easily extracting the substrate potential from the substrate electrode electrostatically bonded to the substrate, the substrate and the movable portion are maintained at the same potential by using the substrate electrode. A semiconductor sensor having a structure that is easy to handle is provided.
本発明による他の半導体センサは、基板に絶縁層を介して支持されるとともに同基板上で互いに直交する振動軸方向及び検出軸方向に振動可能な可動部と、前記基板に絶縁層を介して配設されるとともに印加される電圧に基づいて前記可動部を前記振動軸方向に振動させる駆動部と、前記基板に絶縁層を介して配設される検出用電極を含むとともに前記可動部の前記検出軸方向の変位を同可動部と同検出用電極とにより構成されるコンデンサの静電容量の変化として検出する検出部と、前記基板と前記可動部とを同電位に維持する同電位維持手段と、を備えた半導体センサにおいて、前記同電位維持手段は、前記基板に絶縁層を介して配設された基板電極を含み、同基板電極の一部が前記基板の上面と静電接合され、同基板電極と前記可動部とが所定の電気回路装置に接続されることにより、同可動部と同基板との間を同電位に維持するとともに前記駆動部に印加される電圧に起因する電流が同可動部に実質的に流れないように同可動部と同基板との間のインピーダンスを所定の高インピーダンスに維持するように構成されたことを特徴とする。 Another semiconductor sensor according to the present invention includes a movable part supported on a substrate via an insulating layer and capable of vibrating in a vibration axis direction and a detection axis direction orthogonal to each other on the substrate, and an insulating layer on the substrate. A drive unit configured to vibrate the movable unit in the vibration axis direction based on a voltage applied and a detection electrode disposed on the substrate via an insulating layer; A detection unit that detects a displacement in the detection axis direction as a change in capacitance of a capacitor constituted by the movable unit and the detection electrode, and a same potential maintaining unit that maintains the substrate and the movable unit at the same potential. And the same potential maintaining means includes a substrate electrode disposed on the substrate via an insulating layer, and a part of the substrate electrode is electrostatically bonded to the upper surface of the substrate, The substrate electrode and the movable part Is connected to a predetermined electric circuit device to maintain the same potential between the movable part and the substrate, and a current caused by the voltage applied to the drive part substantially flows to the movable part. In other words, the impedance between the movable part and the substrate is maintained at a predetermined high impedance.
これによれば、駆動部は、可動部を振動軸方向に振動させる。検出部は、この振動状態にある可動部の検出軸方向の変位を可動部と検出用電極とにより構成されるコンデンサの容量変化として検出する。また、同電位維持手段は、可動部と基板との間を同電位に維持するとともに、駆動部に印加される電圧に基づく電流が可動部に実質的に流れないように可動部と基板との間のインピーダンスを所定の高インピーダンスに維持する。 According to this, the drive part vibrates the movable part in the vibration axis direction. The detection unit detects the displacement in the detection axis direction of the movable unit in the vibration state as a change in the capacitance of the capacitor formed by the movable unit and the detection electrode. Further, the same potential maintaining means maintains the same potential between the movable portion and the substrate, and prevents the current based on the voltage applied to the drive portion from flowing substantially to the movable portion. The impedance between them is maintained at a predetermined high impedance.
従って、可動部と基板との間に静電引力が作用することはなく、可動部の振動特性が安定するとともに、駆動部に印加される電圧に基づく電流が可動部に流れることはなく、同可動部と前記検出用電極とにより構成されるコンデンサの容量変化を検出する検出部の出力が安定する。この結果、検出精度が向上した半導体センサが提供される。 Therefore, electrostatic attraction does not act between the movable part and the substrate, the vibration characteristics of the movable part are stabilized, and current based on the voltage applied to the drive part does not flow to the movable part. The output of the detection unit that detects a change in the capacitance of the capacitor constituted by the movable unit and the detection electrode is stabilized. As a result, a semiconductor sensor with improved detection accuracy is provided.
更に、同電位維持手段は、基板と静電接合された基板電極から基板電位を容易に取出し得る構造を備えているので、基板電極を利用することにより基板と可動部とを同電位に維持することが容易な構造を備えた半導体センサが提供される。 Furthermore, since the same potential maintaining means has a structure in which the substrate potential can be easily taken out from the substrate electrode electrostatically bonded to the substrate, the substrate and the movable part are maintained at the same potential by using the substrate electrode. A semiconductor sensor having a structure that is easy to handle is provided.
以下、本発明の第１実施形態について図１〜図５を参照しつつ説明する。なお、図１（Ａ）は同実施形態に係る半導体センサの平面図、図１（Ｂ）は同半導体センサの１−１線に沿った断面図、図２は図１の１−１線に沿った断面を製造工程別に示した図、図３，４は図１の２−２線に沿った断面を製造工程別に示した図、及び図５は本半導体センサの一部をなす電気回路装置の原理を説明するための回路図である。 Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1A is a plan view of the semiconductor sensor according to the embodiment, FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line 1-1 of the semiconductor sensor, and FIG. 2 is taken along line 1-1 of FIG. FIGS. 3 and 4 are cross-sectional views taken along line 2-2 of FIG. 1, and FIG. 5 is an electric circuit device forming a part of the semiconductor sensor. It is a circuit diagram for demonstrating the principle of.
この半導体センサは、シリコンからなる略方形状の基板１０と、基板１０上の周縁部に所定幅を有するように形成されたシリコン酸化膜（絶縁膜）からなる犠牲層２０と、犠牲層２０の上に形成されたシリコンからなる枠体３０と、枠体３０の内側に形成されたシリコンからなる可動部（振動子）４０と、櫛歯状電極５０ａ，５０ｂ，６０ａ，６０ｂと、基板１０の電位を取出すための基板電極７０とを備えている。なお、上記シリコンはＰ形又はＮ形とされている。
This semiconductor sensor includes a substantially
可動部４０は、複数の貫通孔４０ａを備え、枠体３０の内側位置において梁１１ａ〜１１ｄによりＸ軸方向（図１（Ａ）の左右方向）及びＹ軸方向（図１（Ａ）の上下方向）に振動可能となるように基板１０に空間を挟んで対向する状態（同基板１０から僅かな距離だけ浮いた状態）に支持されている。
The
可動部４０と同一材料からなる略Ｌ字状の梁１１ａ〜１１ｄは、各内側端にて可動部４０に接続されるとともに各外側端にて基板１０上に犠牲層２０を挟んで形成されたベース部１２ａ〜１２ｄに接続されていて、可動部４０と同様に基板１０から僅かな距離だけ浮いた状態となっている。また、梁１１ａ〜１１ｄであって枠体３０の内側面３０ａから外側に延びる部分の側壁と枠体３０との間、及びベース部１２ａ〜１２ｄの側壁と枠体３０との間には、一定幅の空間が設けられ、その空間は基板１０の上面にまで至っている。ベース部１２ａの上にはアルミニウム等の導電金属からなる方形状の電極パッド１３が形成されていて、その上面には図示しないアルミニウム等からなる接続導線（ワイヤ）が接合されている。
The substantially L-
基板１０の上面には同基板１０から可動部４０に向けて突出する突起部２１が設けられている。この突起部２１は、可動部４０が基板上で互いに直交するＸ軸（振動軸）及びＹ軸（検出軸）の両軸に直交する方向（Ｚ軸方向）に振動したときに当接するストッパとして機能し、鏡面となっている可動部４０の下面（以下、可動部４０の下面とは「可動部４０の基板１０側の面又は犠牲層２０側の面」をいう。）が、鏡面となっている基板１０の上面（以下、基板１０の上面とは「基板１０の可動部４０側の面又は犠牲層２０側の面」をいう。）と面接触して固着状態となることを防止するために設けられている。
A
可動部４０のＸ軸方向各外側には、櫛歯状電極４１ａ，４１ｂが同可動部４０と一体的に形成されていて、可動部４０と同様に基板１０から僅かな距離だけ浮いた状態となっている。この櫛歯状電極４１ａ，４１ｂは、Ｘ軸方向外側に延設されるとともにＹ軸方向に等間隔に配置された複数の電極指をそれぞれ備えている。
Comb-
可動部４０のＹ軸方向各外側には、櫛歯状電極４２ａ，４２ｂが同可動部４０と一体的に形成されていて、可動部４０と同様に基板１０から僅かな距離だけ浮いた状態となっている。この櫛歯状電極４２ａ，４２ｂは、Ｙ軸方向外側に延設されるとともにＸ軸方向に等間隔に配置された複数の電極指をそれぞれ備えている。
Comb-
櫛歯状電極５０ａ，５０ｂは、可動部４０のＸ軸方向外側にそれぞれ形成されている。各櫛歯状電極５０ａ，５０ｂは、Ｘ軸方向に延設されるとともにＹ軸方向に等間隔に配置された複数の電極指を備えていて、これらの各電極指は櫛歯状電極４１ａ，４１ｂの各電極指間の幅方向（Ｙ軸方向）中心位置に侵入している。
The comb-
また、各櫛歯状電極５０ａ，５０ｂは、Ｘ軸方向各外側においてパッド部５１ａ，５１ｂに接続されている。パッド部５１ａ，５１ｂは、犠牲層２０の上面に方形状に形成されていて、その周壁と枠体３０との間には、一定幅の空間が設けられ、その空間は基板１０の上面にまで至っている。パッド部５１ａ，５１ｂの上面には、電極パッド１３と同一平面内に位置する（基板１０の上面から同じ高さとなる）ようにアルミニウム等の導電金属で方形状の電極パッド５２ａ，５２ｂが設けられていて、その上面には図示しないアルミニウム等からなる接続導線（ワイヤ）が接合されている。かかる櫛歯状電極５０ａ，５０ｂは、櫛歯状電極４１ａ，４１ｂとともに可動部４０に対する駆動部を構成し、駆動用信号の印加によって可動部４０を静電引力によりＸ軸方向に振動させる（励振する）。
The comb-
櫛歯状電極６０ａ，６０ｂは、可動部４０のＹ軸方向外側にそれぞれ形成されている。各櫛歯状電極６０ａ，６０ｂは、Ｙ軸方向に延設されるとともにＸ軸方向に等間隔に配置された複数の電極指を備えていて、これらの各電極指は櫛歯状電極４２ａ，４２ｂの各電極指間の幅方向（Ｘ軸方向）中心位置に侵入している。
The comb-
また、各櫛歯状電極６０ａ，６０ｂは、Ｙ軸方向各外側においてパッド部６１ａ，６１ｂに接続されている。パッド部６１ａ，６１ｂは、犠牲層２０の上面に方形状に形成されていて、その周壁と枠体３０との間には、一定幅の空間が設けられ、その空間は基板１０の上面にまで至っている。パッド部６１ａ，６１ｂの上面には、電極パッド１３と同一平面内に位置するようにアルミニウム等の導電金属で方形状の電極パッド６２ａ，６２ｂが設けられていて、その上面には図示しないアルミニウム等からなる接続導線（ワイヤ）が接合されている。かかる櫛歯状電極６０ａ，６０ｂは、櫛歯状電極４２ａ，４２ｂとともに可動部４０に対する検出部を構成し、可動部４０のＹ軸方向の振動（変位）を、櫛歯状電極６０ａと櫛歯状電極４２ａの間及び櫛歯状電極６０ｂと櫛歯状電極４２ｂとの間に構成されるコンデンサの容量変化として検出するために用いられる。
The comb-
基板電極７０は、図４（Ｂ）にも示したように、可動部４０と同一材料（シリコン）からなり、可動部４０等から離れた位置に独立して設けられていて、パッド部７０ａ、可撓性の変形部７０ｂ、及び基板接合部７０ｃから構成されている。また、基板電極７０の周壁と枠体３０との間には、一定幅の空間が設けられ、その空間は基板１０の上面にまで至っている。
As shown in FIG. 4B, the
パッド部７０ａは、方形状であって犠牲層２０の上面に形成されていて、その上面には電極パッド１３と同一平面内に位置するようにアルミニウム等の導電金属で方形状の電極パッド７１が設けられている。電極パッド７１の上面にはアルミニウム等からなる接続導線（ワイヤ）Ｗが接合されている。変形部７０ｂは、パッド部７０ａからＸ軸方向に長く延びながら基板１０側に変形し、方形状の基板接合部７０ｃに接続されている。基板接合部７０ｃは、基板１０の上面に静電接合（静電引力により密着）されていて、これにより、基板電極７０と基板１０とは電気的に接続され同電位となっている。
The
枠体３０の上面には、梁１１ａ〜１１ｄ、可動部４０、櫛歯状電極４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂ、櫛歯状電極５０ａ，５０ｂ，６０ａ，６０ｂ、及び基板電極７０を覆うように方形状のガラス蓋（図示省略）が固着されている。これにより、可動部４０は、基板１０，犠牲層２０、枠体３０と前記ガラス蓋とにより形成される密閉空間内で振動するようになっている。
The upper surface of the
次に、上記のように構成した半導体センサの製造方法について図２〜図４を参照しつつ工程順に説明する。
（第１工程）
先ず、図２（Ａ）及び図３（Ａ）に示したように、シリコンからなる基板１０と、その上面上に約１μｍの厚さのシリコン酸化膜である犠牲層２０と、約１０μｍのシリコンからなる上層３１とを積層してなるＳＯＩ（Silicon-on-Insulator）ウエハの上面全体にシリコン酸化膜３２を形成する。
Next, the manufacturing method of the semiconductor sensor configured as described above will be described in the order of steps with reference to FIGS.
(First step)
First, as shown in FIGS. 2A and 3A, a
（第２工程）
次に、図２（Ｂ）及び図３（Ｂ）に示したように、酸化膜３２の上面であって可動部４０（貫通孔４０ａを除く）、櫛歯状電極４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂ，５０ａ，５０ｂ，６０ａ，６０ｂ、パッド部５１ａ，５１ｂ，６１ａ，６１ｂ、梁１１ａ〜１１ｄ、ベース部１２ａ〜１２ｄ、枠体３０、及び基板電極７０に相当する部分とこの部分に僅かな幅を加えた部分とをレジスト膜Ｒにてマスクする。
(Second step)
Next, as shown in FIG. 2B and FIG. 3B, on the upper surface of the
（第３工程）
次に、図２（Ｃ）及び図３（Ｃ）に示したように、上層３１及び酸化膜３２をＲＩＥ（反応性イオンエッチング）等でエッチングして、後に可動部４０となる部分（以下「可動部層４０ｂ」という。）に貫通孔４０ａを形成するとともに、犠牲層２０上にベース部１２ａ〜１２ｄ、櫛歯状電極５０ａ，５０ｂ，６０ａ，６０ｂ、パッド部５１ａ，５１ｂ，６１ａ，６１ｂ、及び枠体３０を形成し、可動部層４０ｂ、櫛歯状電極４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂ、梁１１ａ〜１１ｄ、及び基板電極７０に相当する部分を残す。
(Third step)
Next, as shown in FIG. 2C and FIG. 3C, the
（第４工程）
次に、図２（Ｄ）及び図３（Ｄ）に示したように、レジストＲを除去し、次いで、酸化シリコンを溶解するがシリコンを溶解することのないフッ酸水溶液（エッチング液）で満たされた槽内にウエハを浸漬し、可動部層４０ｂ、櫛歯状電極４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂ、梁１１ａ〜１１ｄ、基板電極７０の変形部７０ｂ及び基板接合部７０ｃと基板１０とに挟まれる犠牲層２０をエッチングして除去する。これにより、可動部４０、櫛歯状電極４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂ、及び梁１１ａ〜１１ｄが形成される。また、基板電極７０となる部分については、一部が犠牲層２０の上面に残されてパッド部７０ａとなり、他の部分が基板１０から浮いた状態となって変形部７０ｂ及び基板接合部７０ｃとなる。なお、この時点で突起部２１が可動部４０の下部に形成される。
(4th process)
Next, as shown in FIGS. 2D and 3D, the resist R is removed and then filled with a hydrofluoric acid aqueous solution (etching solution) that dissolves silicon oxide but does not dissolve silicon. The wafer is immersed in the tank, and is sandwiched between the
（第５工程）
次いで、図２（Ｅ）及び図３（Ｅ）に示したように、アルミ膜を電極パッド１３，５２ａ，５２ｂ，６１ａ，６１ｂ，７１に相当する部分にスパッタリング法等により形成し、電極パッド１３，５２ａ，５２ｂ，６２ａ，６２ｂ，７１を形成する。
(5th process)
Next, as shown in FIGS. 2E and 3E, an aluminum film is formed on the portions corresponding to the
（第６工程）
次に、図４（Ａ）に示したように、上記の状態となったウエハを金属ステージ９０の上に載せ、この金属ステージ９０と基板電極７０の電極パッド７１との間に電圧を印加する。これにより、基板電極７０の変形部７０ｂ及び基板接合部７０ｃと基板１０との間に静電引力が発生し、変形部７０ｂが基板１０方向に変形する。この結果、鏡面状態である基板１０の上面と鏡面状態である基板接合部７０ｃとの間がファンデルワールス力により密着（静電接合）する。なお、この金属ステージ９０に載置された状態で、半導体センサとしての機能チェックも実施される。
(6th process)
Next, as shown in FIG. 4A, the wafer in the above state is placed on the
（第７工程）
次いで、電極パッド１３，５２ａ，５２ｂ，６２ａ，６２ｂ，７１の上面にアルミニウムからなる接続導線（ワイヤ）Ｗを超音波ワイヤボンディング法等により接合する。そして、これらの接続導線を電気回路装置（図示省略）の端子と接続する。
（第８工程）
最後に、真空中において前述したガラス蓋（図示省略）を枠体３０上面に陽極接合等により固着する。
(Seventh step)
Next, a connecting wire (wire) W made of aluminum is bonded to the upper surfaces of the
(8th step)
Finally, the above-described glass lid (not shown) is fixed to the upper surface of the
次に、上記のように構成した半導体センサの使用態様について説明すると、電気回路装置は、可動部４０をその固有振動数ｆ０でＸ軸方向に一定振幅で振動させるために、互いに逆相の駆動用信号を電極パッド５２ａ，５２ｂにそれぞれ供給する。また、可動部４０のＹ軸方向の振動を検出するために、互いに逆相の検出用信号を電極パッド６２ａ，６２ｂに供給する。
Next, the usage mode of the semiconductor sensor configured as described above will be described. The electric circuit device drives the
以上により、可動部４０は前記駆動部に発生する静電引力により固有振動数ｆ０でＸ軸方向に一定振幅で振動し、この状態においてＸ，Ｙ軸に直行するＺ軸回りの角速度が働くと、可動部４０はコリオリ力により同角速度に比例した振幅でＹ軸方向にも振動する。この可動部４０のＹ軸方向の振動に伴い、可動部４０に接続された櫛歯状電極４２ａ，４２ｂもＹ軸方向に振動するため、櫛歯状電極４２ａ，６０ａにおける静電容量と、櫛歯状電極４２ｂ，６０ｂにおける静電容量とは互いに逆方向に変化する。この静電容量の変化を表す信号が、静電容量信号として電極パッド１３を介して電気回路装置に入力される。電気回路装置は、この静電容量信号を用いて前記Ｚ軸回りの角速度を導出する。
As described above, the
ここで、上記電気回路装置の具体例について図５を参照しつつ説明する。なお、図５に示した電気回路装置は、簡単のために、上記電極パッド１３，５２ａ，６２ａ，７１を使用するものとしたが、電極パッド１３，５２ａ，５２ｂ，６２ａ，６２ｂ，７１の全てを使用する上記電気回路装置も原理的には図５に図示したものと同様である。
Here, a specific example of the electric circuit device will be described with reference to FIG. The electric circuit device shown in FIG. 5 uses the
この電気回路装置においては、電圧ｖ、周波数ωの検出用高周波電源Ｖが電極パッド６２ａに接続されている。この電極パッド６２ａは、櫛歯状電極６０ａと櫛歯状電極４２ａ（可動部４０）との間に形成されるコンデンサＣ１０を介して電極パッド１３に接続されている。電極パッド１３は、オペアンプＯＰ１のマイナス側入力端子に接続されている。オペアンプＯＰ１の出力端子は帰還抵抗ｒを介してオペアンプＯＰ１のマイナス側入力端子に接続され、プラス側入力端子は接地されている。一方、電圧ｖｄ、周波数ωｄの駆動用高周波電源Ｖｄが、電極パッド５２ａに接続されている。電極パッド５２ａは、櫛歯状電極５０ａ（及びパッド部５１ａ）と基板１０との間に形成されるコンデンサＣ２０を介して基板電極７０の電極パッド７１に接続され、電極パッド７１は接地されている。
In this electric circuit device, a detection high-frequency power source V having a voltage v and a frequency ω is connected to the
以上により、抵抗ｒには可動部４０に加わる角速度により変動するコンデンサＣ１０の容量に比例した電流が流れ、オペアンプＯＰ１の出力端子には同コンデンサＣ１０の容量に比例した電圧（−ｊωｒｖＣ）が出力される。電気回路装置は、このオペアンプＯＰ１の出力を使用して角速度を検出する。
As a result, a current proportional to the capacity of the capacitor C10, which fluctuates depending on the angular velocity applied to the
また、オペアンプＯＰ１のマイナス側入力端子は可動部４０の電極パッド１３に接続され、オペアンプＯＰ１のプラス側入力端子は接地されるとともに、基板１０は基板電極７０の電極パッド７１を介して接地されている。従って、基板１０と可動部４０はオペアンプＯＰ１のイマジナリショートによって同電位に維持される。更に、基板１０と可動部４０との間のインピーダンスはオペアンプＯＰ１のプラス側入力端子とマイナス側入力端子間のインピーダンスとなるため、実質的に無限大となる。
The negative input terminal of the operational amplifier OP1 is connected to the
以上に説明したように、第１実施形態に係る半導体センサにおいては、接地される基板電極７０及び上記結線がなされたオペアンプＯＰ１（同電位維持手段の一部）により基板１０と可動部４０との間が同電位に維持されるため、基板１０と可動部４０との間に静電引力が発生せず、可動部４０の振動特性が安定する。また、基板１０と可動部４０との間のインピーダンスは無限大に維持されるため、駆動用高周波電源Ｖｄに起因する電流が基板経由で可動部４０に流れ込むことがなく、櫛歯状電極４２ａ，６０ａと櫛歯状電極４２ｂ，６０ｂにおける静電容量の変化が正確に検出され、その結果、角速度が正確に検出される。
As described above, in the semiconductor sensor according to the first embodiment, the
また、基板電極７０（電極パッド７１）は、他の電極の電極パッド１３，５２ａ，５２ｂ，６２ａ，６２ｂとともに同一平面内に位置するように形成されているので、これらに接続導線を接合する際の作業が簡単になるという利点を有している。更に、この製造方法においては、基板電極７０の一部（基板接合部７０ｃ）を基板１０の上面と静電接合するので、基板電極７０と基板１０とを簡単な工程により確実に電気的に接合することが可能となるという利点を有している。
Further, since the substrate electrode 70 (electrode pad 71) is formed so as to be located in the same plane together with the
次に、本発明による半導体センサの第２実施形態について図６を参照しながら説明すると、この第２実施形態は、構造に関しては、基板電極が二つ設けられている点においてのみ、基板電極７０が一つだけ設けられる第１実施形態と異なっている。従って、以下、図６において第１実施形態と同一の部分には図１と同一の参照符号を付し、その詳細説明を省略する。
Next, a second embodiment of the semiconductor sensor according to the present invention will be described with reference to FIG. 6. The second embodiment is that the
第２実施形態においては、シリコンからなる基板電極８０が、基板電極７０の近傍位置であって可動部４０等とは離れた位置に独立して形成されている。基板電極８０は、構造に関し基板電極７０と同様であり、パッド部８０ａ、可撓性の変形部８０ｂ、及び基板接合部８０ｃとから構成されていて、その周壁と枠体３０との間には基板１０の上面にまで至る一定幅の空間が形成されている。
In the second embodiment, the
パッド部８０ａは、犠牲層２０の上面に方形状に形成されていて、その上面にはアルミニウム等の導電金属で方形状の電極パッド８１が電極パッド１３と同一平面内に位置するように形成されている。変形部８０ｂは、パッド部８０ａからＸ軸方向に長く延びながら基板１０側に変形し、方形状の基板接合部８０ｃに接続され、基板接合部８０ｃは基板１０に静電接合（密着）されている。
The
次に、上記のように構成した第２実施形態に係る半導体センサの製造方法について説明すると、この製造方法は、基板電極８０を基板電極７０と同時に形成する点、及び基板電極７０の基板接合部７０ｃを基板１０に静電接合させる際に、基板電極７０と基板電極８０との間に電圧を印加する点においてのみ第１実施形態に係る半導体センサの製造方法と異なっている。
Next, the manufacturing method of the semiconductor sensor according to the second embodiment configured as described above will be described. This manufacturing method includes the point that the
具体的には、先ず第１実施形態の第１，第２工程と同一の工程を実施する。このとき、ＳＯＩ上に形成するマスクを、基板電極８０に相当する部分及びその部分に僅かな幅だけ加えた部分の上部にも残存するように形成しておく。
Specifically, first, the same steps as the first and second steps of the first embodiment are performed. At this time, the mask formed on the SOI is formed so as to remain on the portion corresponding to the
次いで、第１実施形態の第３工程と同様のＲＩＥ工程を実施し、第１実施形態の第４工程と同様の犠牲層２０のエッチング工程を実施する。この結果、可動部層４０ｂ、櫛歯状電極４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂ、及び梁１１ａ〜１１ｄ、と基板１０とに挟まれる犠牲層２０が除去され、可動部４０の下部には突起部２１が形成される。また、基板電極７０，８０となる部分については、変形部７０ｂ，８０ｂ、基板接合部７０ｃ，８０ｃと基板１０との間に挟まれる犠牲層２０が除去される結果、一部が犠牲層２０の上面に残されてパッド部７０ａ，８０ａとなり、他の部分が基板１０から浮いた状態となって変形部７０ｂ，８０ｂ及び基板接合部７０ｃ，８０ｃとなる。その後、アルミ膜を所定の部位に成膜して、電極パッド１３，５２ａ，５２ｂ，６２ａ，６２ｂ，７１，８１を形成する。
Next, an RIE process similar to the third process of the first embodiment is performed, and an etching process of the
次に、図６（Ａ）に破線で示したように、基板電極７０の電極パッド７１と基板電極８０の電極パッド８１との間に電圧を印加する。これにより、基板電極７０と基板１０との間には、パッド部７０ａの下部に存在する犠牲層２０を介して電位差が生じ、基板電極８０と基板１０との間にはパッド部８０ａの下部に存在する犠牲層２０を介して電位差が生じる。この結果、変形部７０ｂ，８０ｂ、及び基板接合部７０ｃ，８０ｃの各々と基板１０との間に静電引力が発生し、変形部７１ｂ，８１ｂの各々が基板１０に向けて変形するため、基板１０の上面と基板接合部７０ｃの下面との間、及び基板１０の上面と基板接合部８０ｃの下面とがファンデルワールス力により密着（静電接合）する。
Next, a voltage is applied between the
次いで、電極パッド１３，５２ａ，５２ｂ，６２ａ，６２ｂ，７１の上面にアルミニウムからなる接続導線（ワイヤ）を超音波ワイヤボンディング法等により接合する。そして、これらの接続導線を電気回路装置の端子と接続する。最後に、真空中において前述したガラス蓋（図示省略）を枠体３０上面に陽極接合等により固着する。
Next, a connecting conductor (wire) made of aluminum is bonded to the upper surfaces of the
以上、説明したように、本発明の第２実施形態に係る半導体センサにおいては、二つの基板電極７０，８０となる部分を形成し、これらの電極パッド７１，８１間に電位差を与えて、基板接合部７０ｃ，８０ｃと基板１０とを密着（静電接合）させる。従って、基板１０の下面に酸化膜或いは窒化膜等の絶縁性の膜が形成されていて、金属ステージに搭載した基板１０の下面を介して基板１０と基板電極７０（８０）との間に電圧を印加できない場合であっても、基板接合部７０ｃ，８０ｃと基板１０とを確実に静電接合させることができる。
As described above, in the semiconductor sensor according to the second embodiment of the present invention, a portion to be the two
なお、上記においては、基板電極８０は、パッド部８０ａ、変形部８０ｂ、及び基板接合部８０ｃとから構成されていたが、パッド部８０ａのみから構成させておくこともできる。この意味において、上記基板電極８０は、基板電極７０に対する電圧印加用電極として機能する。また、第２実施形態に係る半導体センサの使用態様については第１実施形態と同様である。
In the above description, the
次に、本発明による半導体センサの第３実施形態について図７を参照しながら説明すると、この第３実施形態は、構造に関して基板電極の一部が基板１０とは静電接合されていない点において、基板電極７０の一部（基板接合部７０ｃ）が基板１０と静電接合する第１実施形態と異なっている。以下、図６において第１実施形態と同一の部分には図１と同一の参照符号を付し、その詳細説明を省略する。
Next, a third embodiment of the semiconductor sensor according to the present invention will be described with reference to FIG. 7. This third embodiment is different in that a part of the substrate electrode is not electrostatically bonded to the
この第３実施形態においては、基板電極（基板電極パッド）８５が可動部４０等とは離れた位置であって、電極パッド１３と同一平面内に位置するように、導電性の枠体３０の上面に形成されている。基板電極８５は、アルミニウム等の導電金属の薄膜であって、方形状にスパッタリング法等により形成され、枠体３０と電気的に接続されている。また、基板電極８５の上面には図示しない接続導線が接合され、この導線を介して第１，第２実施形態と同様の電気回路装置に接続されている。
In the third embodiment, the
枠体３０は、犠牲層２０を介して基板１０との間にコンデンサを構成している。同様に、可動部４０もベース部１２ａ〜１２ｄにおいて犠牲層２０を介して基板１０との間にコンデンサを構成している。また、枠体３０は可動部４０よりも、極めて大きい面積をもって基板１０の上面と対向している。これにより、枠体３０と基板１０との間の静電容量Ｃ１、基板１０と可動部４０との間の静電容量をＣ２とすると、Ｃ１はＣ２に対して極めて大きい値（Ｃ１はＣ２を実質的に無視し得る程度の大きさ）となる。なお、可動部４０は空間（密度の極めて小さい空気）を介して基板１０と対向していて、その部分において基板１０との間に静電容量を有するが、空間の誘電率が極めて小さいこと及び面積が小さいことから、その部分の容量は無視し得る。
The
従って、可動部４０と基板電極８５との間に電位差Ｖ１が生じたと考えた場合、基板電極８５と基板間１０の電位差Ｖ２は、Ｖ２＝（Ｃ２／（Ｃ１＋Ｃ２））×Ｖ１となって、Ｃ１はＣ２に比べて極めて大きいので、Ｖ２≒０となる。つまり、基板電極８５の電位は基板１０の電位と等しくなり、基板電極８５に基板１０の電位が取出されていることとなる。これにより、基板電極８５と可動部４０とを上記電気回路装置のオペアンプを介して接続すれば、基板１０と可動部４０とは同電位で、且つその間のインピーダンスが無限大となる。
Accordingly, when it is considered that the potential difference V1 is generated between the
以上、説明したように、第３実施形態に係る半導体センサによれば、基板電極８５の一部を基板１０に接合することなく、基板電極８５に基板１０の電位を取出すことができるため、基板電極７０，８０を基板１０に静電接合する工程を省略できる。また、基板電極８５は絶縁層２０の上に設けられているので、容易に接続導線を接合することができる。
As described above, according to the semiconductor sensor according to the third embodiment, the potential of the
更に、基板電極８５は上記電気回路装置と接続されているため、基板１０と可動部４０とが同電位とされるとともに、基板１０と可動部４０との間のインピーダンスは高インピーダンスに維持されるため、振動特性が安定し、検出精度の高い半導体センサとなっている。
Further, since the
以上、各実施形態に基づいて説明したように、本発明によれば出力特性が安定し検出精度の高い半導体センサが提供される。なお、本発明は、上記実施形態に限られることはなく、基板上に静電引力等の外力により駆動される振動部を有し、その振動部の変位を静電容量の変化として測定・検出する原理に基づく各種センサ（例えば、角速度センサ、振動型加速度センサ、振動型圧力センサ等）に適用することができる。 As described above, as described based on each embodiment, according to the present invention, a semiconductor sensor with stable output characteristics and high detection accuracy is provided. The present invention is not limited to the above embodiment, and has a vibration part driven by an external force such as electrostatic attraction on a substrate, and the displacement of the vibration part is measured and detected as a change in capacitance. It can be applied to various sensors (for example, an angular velocity sensor, a vibration-type acceleration sensor, a vibration-type pressure sensor, etc.) based on the principle to be performed.
１０…基板、１１ａ〜１１ｄ…梁、１３，５２ａ，５２ｂ，６２ａ，６２ｂ…電極パッド、２０…犠牲層、３０…枠体、４０…可動部（振動子）、４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂ，５０ａ，５０ｂ，６０ａ，６０ｂ…櫛歯状電極、７０…基板電極、７０ａ…パッド部、７０ｂ…変形部、７０ｃ…基板接合部、７１…電極パッド、ＯＰ１…オペアンプ、Ｖ…検出用高周波電源、Ｖｄ…駆動用高周波電源。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記基板電極の製造工程が、
前記基板上面の絶縁層に支持され同基板方向に変形可能な前記基板電極となる部材を形成する工程と、
前記基板電極となる部材の一部を前記基板に静電接合させる工程とを含んだことを特徴とする半導体センサの製造方法。 There is a movable part supported on the substrate through an insulating layer so as to be able to vibrate, a detection unit for detecting displacement of the movable part, and a portion supported by the substrate through the insulating layer and in close contact with the substrate. In the manufacturing method of a semiconductor sensor provided with a substrate electrode for taking out the potential of the substrate,
The manufacturing process of the substrate electrode comprises:
Forming a member to be the substrate electrode supported by the insulating layer on the upper surface of the substrate and deformable in the substrate direction;
And a step of electrostatically bonding a part of the member to be the substrate electrode to the substrate.
前記基板電極の製造工程が、
前記基板上面の絶縁層に支持され同基板方向に変形可能な前記基板電極となる部材を形成する工程と、
前記基板上面の絶縁層の上面に電圧印加用電極を形成する工程と、
前記基板電極となる部材と前記電圧印加用電極との間に電圧を印加して同基板電極となる部材の一部を前記基板に静電接合させる工程とを含んだことを特徴とする半導体センサの製造方法。 A movable part supported on a substrate through an insulating layer so as to be able to vibrate, a detection unit for detecting displacement of the movable part, and a portion supported on the substrate through an insulating layer and in close contact with the substrate. In the manufacturing method of a semiconductor sensor provided with a substrate electrode for taking out the potential of the substrate,
The manufacturing process of the substrate electrode comprises:
Forming a member to be the substrate electrode supported by the insulating layer on the upper surface of the substrate and deformable in the substrate direction;
Forming a voltage applying electrode on the upper surface of the insulating layer on the upper surface of the substrate;
A step of applying a voltage between the member serving as the substrate electrode and the voltage applying electrode to electrostatically bond a part of the member serving as the substrate electrode to the substrate. Manufacturing method.
前記同電位維持手段は、前記基板に絶縁層を介して配設された基板電極を含み、同基板電極の一部が前記基板の上面と静電接合されてなることを特徴とする半導体センサ。 A movable part supported on a substrate through an insulating layer so as to be able to vibrate; a detection part for detecting displacement of the movable part; and a same potential maintaining means for maintaining the substrate and the movable part at the same potential. In semiconductor sensors
The same potential maintaining means includes a substrate electrode disposed on the substrate via an insulating layer, and a part of the substrate electrode is electrostatically bonded to the upper surface of the substrate.
前記基板に絶縁層を介して配設されるとともに印加される電圧に基づいて前記可動部を前記振動軸方向に振動させる駆動部と、
前記基板に絶縁層を介して配設される検出用電極を含むとともに前記可動部の前記検出軸方向の変位を同可動部と同検出用電極とにより構成されるコンデンサの静電容量の変化として検出する検出部と、
前記基板と前記可動部とを同電位に維持する同電位維持手段と、
を備えた半導体センサにおいて、
前記同電位維持手段は、
前記基板に絶縁層を介して配設された基板電極を含み、同基板電極の一部が同基板の上面と静電接合され、同基板電極と前記可動部とが所定の電気回路装置に接続されることにより、同可動部と同基板との間を同電位に維持するとともに前記駆動部に印加される電圧に起因する電流が同可動部に実質的に流れないように同可動部と同基板との間のインピーダンスを所定の高インピーダンスに維持するように構成されたことを特徴とする半導体センサ。
A movable part supported on the substrate via an insulating layer and capable of vibrating in a vibration axis direction and a detection axis direction orthogonal to each other on the substrate;
A drive unit disposed on the substrate via an insulating layer and configured to vibrate the movable unit in the vibration axis direction based on an applied voltage;
The displacement of the movable part including the detection electrode disposed on the substrate via an insulating layer in the detection axis direction is defined as a change in capacitance of a capacitor formed by the movable part and the detection electrode. A detection unit to detect;
Same potential maintaining means for maintaining the substrate and the movable portion at the same potential;
In a semiconductor sensor equipped with
The same potential maintaining means includes
Including a substrate electrode disposed on the substrate via an insulating layer, a part of the substrate electrode is electrostatically bonded to the upper surface of the substrate, and the substrate electrode and the movable part are connected to a predetermined electric circuit device As a result, the same potential is maintained between the movable portion and the substrate as well as the movable portion so that the current caused by the voltage applied to the driving portion does not substantially flow to the movable portion. A semiconductor sensor configured to maintain an impedance between a substrate and a predetermined high impedance.
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