JP4687736B2 - 外力検知装置の製造方法および外力検知装置 - Google Patents

外力検知装置の製造方法および外力検知装置 Download PDF

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Description

本発明は、加速度センサ等に用いられる外力検知装置の製造方法および外力検知装置に関するものである。
加速度センサ等の外力検知装置の例として、例えば図5(d)の断面図に示すように、錘部7と、該錘部7と間隔を介して配置された支持部5とを有して、該支持部5と前記錘部7とが1つ以上(この図では1つ)の接続箇所において梁部6により連結された構成を備えたものがある。梁部6は、錘部7よりも肉薄に形成されており、同図および、図5(e)の平面図に示すように、前記錘部7の周りには、該錘部7の可動空間が形成されている。この種の外力検知装置は、外力に応じて、前記錘部7が可動して変位し、これに伴って、前記梁部6の変形が生じる構成を備えており、このような外力検知装置として、加速度センサ等の、様々な提案例がある(例えば、特許文献1、2、3、参照。)。
なお、錘部7と支持部5と梁部6は、例えば、SOI(Silicon−On−Insulator)基板により形成されるものである。図5(a)に示すように、SOI基板1は、Si(シリコン)の上部層2(SOI層)とSiO2(酸化シリコン)の中間層3(BOX層)とSiの下部層4(支持層)とが順に積層形成された(言い換えれば、上部層2と下部層4の間に中間層3を挟んだ)層形状の多層基板である。
上部層2と下部層4は、共に、Siにより形成されているので、Siを溶かして加工することが可能な第1のエッチングガスにより加工することができ、中間層3は、SiO2により形成されているので、前記第1のエッチングガスにより加工されずに前記第1のエッチングガスとは異なる第2のエッチングガスにより加工することができる。
そこで、このSOI基板1を用いて前記錘部7と前記支持部5と前記梁部6を形成する加工は、例えば、図5の(b)〜(d)に示すようにして行うことができる。まず、図5(b)に示すように、外力検知装置を構成する錘部7と支持部5とを隔てる間隙部8の形成位置の前記上部層2を、前記第1のエッチングガスにより溝形状に加工してエッチング溝9を形成する(上部層エッチング工程)。なお、図5(e)に示されるように、エッチング溝9は一直線状に形成される。
次に、図5(c)に示すように、前記間隙部8の形成位置の前記下部層4と前記梁部6の形成位置の前記下部層4を、前記第1のエッチングガスにより加工する(下部層エッチング工程)。なお、前記間隙部8の下部層4は、前記エッチング溝9よりも幅広に加工する。そして、支持部5と錘部7とが梁部6を介して(例えば、この図では、片持ち梁状に)連結されたパタンを形成し、また、支持部5と錘部7との間隙部8においては、中間層3のみが残存されている状態とする。
その後、図5(d)に示すように、前記間隙部8の形成位置の中間層3を、前記第2のエッチングガスにより加工することにより(中間層エッチング工程)、間隙部8によって錘部7を支持部5と隔てるようにし、また、必要に応じて、梁部6の下部側の中間層3も第2のエッチングガスにより加工することにより、錘部7と梁部6と支持部5を、外力検知装置に適用される前記態様に形成することができる。
特許公報3956999号 特開2004−125616号公報 特開2004−109114号公報
ところで、図5(c)の下部層エッチング工程において、エッチングは、下部層4の下部側、つまり、SOI基板1の下側から徐々に進むが、そのエッチング速度は、均一でないために、前記中間層3に接する状態で残存する下部層4の膜厚が不均一になる。この状態において、中間層3の上部に、図5(e)に示したような一直線状のエッチング溝9が形成されていると、中間層3に掛かる応力が不均一となって、この図の矢印Fが示すエッチング溝9の形成部位に集中する。
そうなると、この箇所において中間層3が、エッチングによって加工される工程の前に、局部的に破断することがあり、この破断時の衝撃で、梁部6が折れたり、梁部6が折れることによって錘部7が基板面内から飛び出したりすることがあるために、外力検知装置の製造の歩留まりが悪くなり、また、ロットアウトが生じてしまうといった問題があった。
本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その目的は、歩留まりよく製造することが可能な、外力検知装置の製造方法および外力検知装置を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明は次に示す構成をもって前記課題を解決するための手段としている。すなわち、本発明の外力検知装置の製造方法は、
錘部と、該錘部と間隔を介して配置された支持部とを有して、該支持部と前記錘部とが1つ以上の接続箇所において前記錘部よりも肉薄の梁部によって連結されており、前記錘部の周りには該錘部の可動空間が形成され、外力に応じて前記錘部の変位と、これに伴う前記梁部の変形とが生じる構成を備えた外力検知装置の製造方法であって、
前記錘部と前記支持部と前記梁部とを形成する基板を用意し、
該基板は、第1のエッチングガスにより加工される上部層と、同じく第1のエッチングガスにより加工される下部層との間に、前記第1のエッチングガスにより加工されずに前記第1のエッチングガスとは異なる第2のエッチングガスにより加工される中間層を挟んだ3層以上の層形状に形成されたものとし、
前記錘部と前記支持部とを隔てる間隙部の形成位置の前記上部層を前記第1のエッチングガスにより溝形状に加工する上部層エッチング工程と、前記間隙部の形成位置の前記下部層および前記梁部の形成位置の前記下部層を前記第1のエッチングガスにより加工する下部層エッチング工程の後に、前記間隙部の形成位置の中間層を前記第2のエッチングガスにより加工する中間層エッチング工程を有し、
前記上部層エッチング工程におけるエッチング溝の平面形状を規則正しい複数の方向性を持つ溝形状とするとともに、前記下部層のエッチング溝の溝幅の両端間であって当該両端よりも内側に前記規則正しい複数の方向性を持つ溝形状をその全長にわたって形成することを特徴とする。
また、本発明の外力検知装置は、
上部層と下部層とが中間層を介して積層されている積層基板をエッチングガスによりエッチング加工してそれぞれ形成された、錘部と、該錘部と間隔を介して配置された支持部と、梁部とを有して、該支持部と前記錘部とが1つ以上の接続箇所において前記錘部よりも肉薄の梁部によって連結されており、前記錘部の周りには該錘部の可動空間が形成され、外力に応じて前記錘部の変位と、これに伴う前記梁部の変形とが生じる構成を備えた外力検知装置であって、
前記中間層は前記上部層および下部層がエッチングされる第1のエッチングガスとは異なる第2のエッチングガスによってエッチングされる材質の層と成し、
前記錘部と前記支持部との間の錘部の可動空間の間隔部位は、前記積層基板の下部層又は該下部層と前記中間層の両層を下部層の下端から中間層にかけて進入させた溝をエッチングにより形成することによって形成されており、
前記下部層に形成された溝の真上側には前記錘部と前記支持部とを隔てる間隙部が前記上層部の上端から前記中間層に至るまで前記上層部を貫通させたエッチングの溝により形成されており、該上層部側の溝の溝壁面は規則正しい複数の方向性を持つ溝壁面とするとともに、その真下側の前記下部層に形成されている溝の溝幅の両端間であって当該両端よりも内側に前記規則正しい複数の方向性を持つ溝壁面がその全長にわたって形成されていることを特徴とする。
本発明の外力検知装置は、錘部と、該錘部と間隔を介して配置された支持部とを有して、該支持部と前記錘部とが1つ以上の接続箇所において前記錘部よりも肉薄の梁部によって連結されており、前記錘部と前記支持部とを隔てる間隙部を形成するエッチングの溝の溝壁面が、複数の方向性を持つ溝壁面と成しているものであり、例えば本発明の外力検知装置の製造方法によって、歩留まりよく製造することができる。
本発明の外力検知装置の製造方法は、上部層と中間層と下部層とを有する3層以上の層形状の基板によって、外力検知装置を構成する錘部と支持部と梁部とを形成するものであり、前記錘部と前記支持部とを隔てる間隙部の形成位置の下部層と梁部の形成位置の下部層を第1のエッチングガスにより加工する下部層エッチング工程を有している。この工程における下部層のエッチング速度が不均一になると、中間層に接する状態で残存する下部層の膜厚が不均一になり、ここで、従来のように、上部層エッチング工程で一直線状のエッチング溝が中間層の上部に形成されていると、エッチング溝に沿った領域に応力が集中し、中間層が、そのエッチング工程の前に局部的に破断することがあるが、本発明では、前記エッチング溝の平面形状を複数の方向性を持つ溝形状とすることにより、前記応力を分散させることができ、前記中間層の局部的な破断を防ぐことができる。
つまり、本発明によれば、エッチング溝の平面形状を複数の方向性を持つ溝形状とすることにより、同じ距離の領域に一直線状の溝を形成する場合に比べ、溝の長さを長くできるし、応力の方向も分散させることができるために、前記応力を分散させることができ、それにより、前記中間層の局部的な破断を防ぐことができる。したがって、中間層の破断に伴って梁部が折れてしまったり、梁部が折れることにより錘部が基板面内から飛び出したりするといったことを防ぐことができ、製造歩留まりを向上させることができる。また、錘部の飛び出しを防げるために、製造装置に対しての負荷を低減でき、製造装置のメンテナンス頻度の低減を図ることができるし、安定したロット流動を実現できる。
特に、本発明において、前記上部層エッチング工程におけるエッチング溝の平面形状をメアンダ状または鋸形状または波形状とすることにより、前記応力分散効果を非常に良好に発揮することができるため、前記各効果を、よりいっそう確実に発揮することができる。
さらに、上部層と下部層をシリコンにより形成し、中間層を酸化シリコンにより形成したSOI基板を用いて外力検知装置を製造すると、SOI基板は、様々なパタンを精度よく形成できるので、前記各効果によって外力検知装置を容易に、かつ、精度よく製造することができる。
以下に、本発明に係る実施形態例を図面に基づいて説明する。なお、本実施形態例の説明において、従来例と同一名称部分には同一符号を付し、その重複説明は省略する。
図1(a)には第1実施形態例の外力検知装置である加速度センサの要部構成が模式的な分解斜視図により示されている。この図に示されるように、第1実施形態例の外力検知装置は、SOI基板1から形成される錘部7と支持部5(5a,5b,5c)と梁部6とを備えた加速度検知体20を有している。また、図1(b)には、加速度検知体20が図2(a)のA−A’断面で切断されるように、加速度センサを切断した場合の、断面構成(加速度センサの断面図の一部)が模式的に示されている。
これらの図に示すように、本実施形態例の加速度センサにおいて、ガラス製の基台11の上に枠状のポリイミド層12が形成され、その上に、SOI基板1から成る錘部7と梁部6と支持部5を有する加速度検知体20が積層されて形成されており、加速度検知体20の上には、枠状のポリイミド層14、板状のポリイミド層16、ガラス基板17が順に積層されている。ガラスの基台11およびガラス基板17は、加速度検知体20を、外力や環境から保護する役割を果たす。
なお、図1(b)の図中、符号18は保護層を示し、25はピエゾ抵抗を、23は低抵抗配線を、24は金属配線を、それぞれ示す。
また、図2(a)には、本実施形態例の加速度センサの加速度検知体20の斜視図が、図2(b)には、その平面図が示されており、図2(b)において、SOI基板1の下部層4および中間層3が除去されている領域に、ドットをつけて示している。
これらの図に示すように、加速度検知体20に形成された2つの錘部7は、線対称形状を有して、互いに対向配置されており、前記支持部5(5a,5b,5c)のうち、支持部5bは、加速度検知体20の外縁側に枠状に形成され、支持部5cは、図2(b)の上下方向に伸延されて、その上端と下端とが支持部5bに連結され、錘部7を左右両側から挟む態様で設けられている。また、支持部5aは、加速度検知体20の中央部に形成されている。支持部5a,5b,5cと錘部7とは、互いに間隔を介して配置されている。これらの間隔が形成された各間隙部8において、SOI基板1の上部層2には、エッチング溝9が形成されている。
また、錘部7は、略コ形状の梁部6を介して支持部5aに接続されており、梁部6は、図1(b)、図2(b)に示すように、SOI基板1の下部層4と中間層3とが除去された状態で、錘部7よりも肉薄に形成されている。梁部6と錘部7との境界部および錘部7と支持部5b、5cの境界部の上部層2にも、エッチング溝9が形成されている。
前記支持部5aの中央部と支持部5c,5bには、それぞれ、配線パタン28が形成されており、これらの配線パタン28は、梁部6に形成されている前記ピエゾ抵抗25(図1(b)、参照)と、加速度検知体20の両端側の支持部5bに設けられた金属配線24とに、接続されている。各金属配線24は、外部の電圧電源やグランド等に適宜接続されている。なお、図2(a)および(b)においては、電極パタン28の図示を、一部省略して示しており、また、図1(a)においては、電極パタン28と金属配線24を省略して示している。
本実施形態例において、特徴的な構成は、錘部7と支持部5b,5cとの間隙部8に形成されて、錘部7の外周側をコ字形状に囲む態様のエッチング溝9の平面形状を、図2(a)、(b)に示すように、複数の方向性を持つ溝形状のメアンダ状としたことである。このエッチング溝9の溝幅は、1〜10μm程度、折り返しピッチ(図の(a)のP)は、10〜100μm程度としており、エッチング溝9の溝壁面は、複数の方向性を持つ溝壁面と成している。
以下、本実施形態例の製造方法について、図3(a)〜(g)に基づいて、説明する。まず、図3(a)のSOI基板1を用意して、図3(b)に示すように、予め定められた設定位置に、ピエゾ抵抗25と、その引き出しのための金属配線24と、保護層18を形成する。また、必要に応じて、低抵抗の活性層配線23を形成する。これらの抵抗や配線の形成は、シリコン半導体の製造で通常使用される製造技術を用いて行う。
次に、図3(c)に示すように、SOI基板1の上側に、ポリイミド層14を形成して、錘部7となる部位の上部側に、錘部7の可動空間が形成されるようにする。なお、ポリイミド層14は、以下に述べるように、例えば、フォトリソグラフィー技術を用いて塗布し、パタン形成した後に、硬化させることにより形成される。つまり、まず、形成したいキャビティ空間の幅に応じて、液状のポリイミドを、スピン塗布によって、通常、3〜20μmの厚さに塗布する。その後、感光性ポリイミドの場合は、フォトリソグラフィー技術を用いてキャビティパタンを形成し、非感光性ポリイミドの場合は、ポリイミドのポストベーク(後硬化)の後に、フォトレジストで形成したマスクパタン越しにエッチングした後、レジストを剥離することで、ポリイミドのパタン形成を完了する。
その後、図3(d)に示すように、錘部7と支持部5との間隙部8の形成位置および、支持部5bと支持部5cとの間隙部8の形成位置や、梁部6と錘部7との境界部等、適宜の位置において、上部層2と保護層18を、第1のエッチングガスを用いたエッチングにより加工し、エッチング溝9を形成するが、本実施形態例では、錘部7をコ字形状に囲む態様で形成される、錘部7と支持部5b,5cとの間の間隙部8に形成するエッチング溝9の平面形状を、図2(a)、(b)に示したように、複数の方向性を持つ溝形状のメアンダ状とする。なお、このエッチング溝9を形成する際のエッチングは、ドライエッチングでもウエットエッチングでもよく、エッチング時に用いられるフォトレジストは、エッチング完了後に、洗浄により取り除く。
次に、図3(e)に示すように、別途、ガラス基板17にポリイミド層16を形成しておいて、加速度検知体20上に、ポリイミド層16を介してガラス基板17を固定する。この固定は、熱圧着機による接合によって行われるものであり、接合温度は、SOI基板1上に形成された金属配線等に影響を与えないような、250〜400℃に設定される。また、接合圧力は、ポリイミド層14の膜厚等の形成状態により適宜の最適値に設定して行われるものであるが、例えば0.5MPa以上の圧力で接合できる。
その後、図3(f)、(g)に示すように、従来例と同様に、下部層エッチング工程、中間層エッチング工程を順に行う。なお、下部層4のエッチング時に、上部層2のエッチング溝9と干渉しないように、エッチング溝9よりも幅広の直線状に、下部層4を削っていくようにする。また、これらのエッチング工程におけるエッチングは、ドライエッチングが好適であり、下部層エッチング工程後のフォトレジストの取り除きは、アッシング等のドライ処理により取り除く。
また、別途、ガラスの基台11上にポリイミド層12を形成しておき、基台11上に、ポリイミド層12を介して加速度検知体20を固定して、図1(b)に示したような加速度センサを製造する。なお、基台11上への加速度検知体20の固定方法は、加速度検知体20とガラス基板17との固定と同等の温度、もしくは、それよりも低い温度における熱圧着による接合によって行われる。
本実施形態例は、以上のようにして製造され、本実施形態例において、加速度センサに加速度が加えられると、錘部7が可動し、それに伴って梁部6が変形し、梁部6に設けられたピエゾ抵抗25(詳細な配置は、図示せず)の抵抗値が、加速度が加えられていない状態における抵抗値から変化し、それにより、加速度の検出が行われる。なお、この加速度検出動作の基本原理は、例えば、前記特許文献1に記載されている原理と同様であり、その詳細説明は省略する。
本実施形態例によれば、前記の製造方法を適用し、錘部7と支持部5b,5cとの間隙部8の形成位置において、SOI基板1の上部層2に形成するエッチング溝9の平面形状をメアンダ状に形成することにより、該エッチング溝9の長さを長くできるし、複数の方向性を持つ溝形状とすることにより、前記間隙部8において中間層3にかかる応力の方向を分散させることができるので、製造途中における中間層3の破断を防止し、梁部6の破損や錘部7の飛び出しといった従来の問題を解決することができる。
なお、本発明は前記各実施形態例の形態に限定されるものではなく、様々な実施の形態を採り得る。例えば、前記錘部7をコ字形状に囲む態様で、錘部7と支持部5b,5cとの間隙部8に形成する前記エッチング溝9の溝幅や形状、折り返しのピッチ等は特に限定されるものでなく、適宜設定されるものである。例えば、図4(a)〜(d)には、錘部7をコ字形状に囲む態様で、錘部7と支持部5b,5cとの間隙部8に形成するエッチング溝9の形態例の平面図が、梁部6と錘部7との境界部に形成するエッチング溝9と共に示されている。
なお、このエッチング溝9の例として、図4(a)は、前記実施形態例と異なる折り返しピッチで形成したメアンダ状のエッチング溝9の例を示し、図4(b)は、曲線のみの波形状のエッチング溝9の例を示しており、図4(c)は、鋸形状のエッチング溝9の例を示しており、これらのようなエッチング溝9の形成によって、前記実施形態例と同様の効果を奏することができる。また、図4(d)は、ラダー状(長手方向の直線の両側に短い直線を互い違いに形成した形状)のエッチング溝9の例を示しており、このように、直線部の組み合わせであっても、複数の方向性を持たせることにより、従来のように、エッチング溝9を一直線状に形成する場合に比べて、製造歩留まりを格段に向上させることができる。
また、前記実施形態例では、加速度検知体20をポリイミド層12,14,16を介してガラス基板17と基台11とで挟む態様としたが、加速度検知体20の上下や周囲の構造は特に限定されるものでなく、適宜設定されるものであり、錘部7の可動空間を確保できればよく、例えばガラス基板17と基台11に、錘部7が可動可能となるように、凹部を形成してもよい。なお、外力検知装置は、加速度検知体20を保護できる構成を備えていれば好ましい。
さらに、本発明の加速度センサ等の外力検知装置において、錘部7と支持部5と梁部6の形状および、ピエゾ抵抗25等の配置形態等は特に限定されるものでなく、適宜設定されるものであり、検知する外力に応じて錘部7の変位と、それに伴う梁部6の変形が生じる構成を備えて、外力を検知できる構成であればよいので、例えば、梁部6によって両持ち梁状態で錘部7を支持部5に連結する(つまり、錘部7の両側に設けた支持部5に、それぞれ、梁部6を介して錘部7を連結する)態様としてもよい。
さらに、前記実施形態例では、上部層2と下部層4をシリコンにより形成し、中間層3を酸化シリコンにより形成したSOI基板1を用いて、錘部7と支持部5と梁部6を有する加速度検知体20を形成したが、錘部7と支持部5と梁部6を形成する基板は、必ずしもSOI基板1とするとは限らず、適宜設定されるものである。なお、基板の形成材料や構造によっては、梁部6の下部側の中間層3をエッチングにより除去せずに、残しておいてもよい。
本発明に係る外力検知装置の一実施形態例の構成を説明するための模式的な分解斜視図(a)と模式的な断面図(b)である 前記実施形態例の外力検知装置における加速度検知体の模式的な斜視図(a)と平面図(b)である。 前記実施形態例の外力検知装置の製造方法を示す模式的な断面説明図である。 その他の実施形態例の外力検知装置における加速度検知体において、錘部の周りと梁部の周り形成されたエッチング溝の模式的な平面図である。 外力検知装置の一従来例の製造方法を説明するための図である。
符号の説明
1 SOI基板
2 上部層
間層
4 下部層
5 支持部
6 梁部
7 錘部
8 間隙部
9 エッチング溝

Claims (4)

  1. 錘部と、該錘部と間隔を介して配置された支持部とを有して、該支持部と前記錘部とが1つ以上の接続箇所において前記錘部よりも肉薄の梁部によって連結されており、前記錘部の周りには該錘部の可動空間が形成され、外力に応じて前記錘部の変位と、これに伴う前記梁部の変形とが生じる構成を備えた外力検知装置の製造方法であって、
    前記錘部と前記支持部と前記梁部とを形成する基板を用意し、
    該基板は、第1のエッチングガスにより加工される上部層と、同じく第1のエッチングガスにより加工される下部層との間に、前記第1のエッチングガスにより加工されずに前記第1のエッチングガスとは異なる第2のエッチングガスにより加工される中間層を挟んだ3層以上の層形状に形成されたものとし、
    前記錘部と前記支持部とを隔てる間隙部の形成位置の前記上部層を前記第1のエッチングガスにより溝形状に加工する上部層エッチング工程と、前記間隙部の形成位置の前記下部層および前記梁部の形成位置の前記下部層を前記第1のエッチングガスにより加工する下部層エッチング工程の後に、前記間隙部の形成位置の中間層を前記第2のエッチングガスにより加工する中間層エッチング工程を有し、
    前記上部層エッチング工程におけるエッチング溝の平面形状を規則正しい複数の方向性を持つ溝形状とするとともに、前記下部層のエッチング溝の溝幅の両端間であって当該両端よりも内側に前記規則正しい複数の方向性を持つ溝形状をその全長にわたって形成することを特徴とする外力検知装置の製造方法。
  2. 上部層エッチング工程におけるエッチング溝の平面形状をメアンダ状または鋸形状または波形状とすることを特徴とする請求項1記載の外力検知装置の製造方法。
  3. 基板は、上部層と下部層をシリコンにより形成し、中間層を酸化シリコンにより形成したSOI基板としたことを特徴とする請求項1または請求項2記載の外力検知装置の製造方法。
  4. 上部層と下部層とが中間層を介して積層されている積層基板をエッチングガスによりエッチング加工してそれぞれ形成された、錘部と、該錘部と間隔を介して配置された支持部と、梁部とを有して、該支持部と前記錘部とが1つ以上の接続箇所において前記錘部よりも肉薄の梁部によって連結されており、前記錘部の周りには該錘部の可動空間が形成され、外力に応じて前記錘部の変位と、これに伴う前記梁部の変形とが生じる構成を備えた外力検知装置であって、
    前記中間層は前記上部層および下部層がエッチングされる第1のエッチングガスとは異なる第2のエッチングガスによってエッチングされる材質の層と成し、
    前記錘部と前記支持部との間の錘部の可動空間の間隔部位は、前記積層基板の下部層又は該下部層と前記中間層の両層を下部層の下端から中間層にかけて進入させた溝をエッチングにより形成することによって形成されており、
    前記下部層に形成された溝の真上側には前記錘部と前記支持部とを隔てる間隙部が前記上層部の上端から前記中間層に至るまで前記上層部を貫通させたエッチングの溝により形成されており、該上層部側の溝の溝壁面は規則正しい複数の方向性を持つ溝壁面とするとともに、その真下側の前記下部層に形成されている溝の溝幅の両端間であって当該両端よりも内側に前記規則正しい複数の方向性を持つ溝壁面がその全長にわたって形成されていることを特徴とする外力検知装置。
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