JPWO2008062705A1 - 力学量センサおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
力学量センサが、開口を有する固定部と、この開口内に配置され、かつ前記固定部に対して変位する変位部と、前記固定部と前記変位部とを接続する接続部とを有る第1の構造体と、前記変位部に接合される重量部と、前記重量部を囲んで配置され、かつ前記固定部に接合される台座とを有し、かつ前記第1の構造体に積層して配置される第2の構造体と、前記固定部に接続されて前記第1の構造体に積層配置される第1の基体と、前記台座に接続されて前記第2の構造体に積層配置される第2の基体とを具備し、前記重量部が、前記第1の構造体の作成後、かつ前記第2の基体と前記第2の構造体との接合前に、厚さの調整がなされている。
Description
本発明は、力学量を検出する力学量センサおよびその製造方法に関する。
半導体からなるトランデューサ構造体を一対のガラス基板で挟み込むようにそれぞれ接合して構成され、加速度および角速度を検出する力学量センサの技術が開示されている(特許文献1参照)。
特開2002−350138公報
一般に、力学量センサの機械的特性(共振周波数やバネ定数等)は、錘部(重量部)や梁(接続部)の形状、大きさ等に依存することが知られている。そのため、所望の機械的特性の仕様を満たす力学量センサの設計は、通常、梁の外形寸法や厚み、錘部の厚み、面積等を仮定して振動を解析し、修正を繰り返すことにより行われる。そして、通常、この設計に基づいて力学量センサが製造されている。そのため、求める機械的特性の仕様に応じて錘部の厚み等に適合する半導体基板を準備する必要があった。それぞれの仕様に対応して適切な厚さの半導体基板を用意するのは必ずしも容易ではない。
上記に鑑み、本発明は用意する半導体基板の厚さの選択の自由度を向上させることが可能な力学量センサおよびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明の一態様に係る力学量センサは、開口を有する固定部と、この開口内に配置され、かつ前記固定部に対して変位する変位部と、前記固定部と前記変位部とを接続する接続部と、を有し、かつ平板状の第1の半導体材料から一体的に構成される第1の構造体と、前記変位部に接合される重量部と、前記重量部を囲んで配置され、かつ前記固定部に接合される台座と、を有し、第2の半導体材料から構成され、かつ前記第1の構造体に積層して配置される第2の構造体と、前記固定部に接続されて前記第1の構造体に積層配置され、絶縁性材料から構成される第1の基体と、前記台座に接続されて前記第2の構造体に積層配置され、絶縁性材料から構成される第2の基体と、前記変位部に積層方向の振動を付与する振動付与部と、前記変位部の変位を検出する変位検出部とを具備し、前記重量部が、前記第1の構造体の作成後、かつ前記第2の基体と前記第2の構造体との接合前に、厚さの調整がなされている。
本発明の一態様に係る力学量センサの製造方法は、第1の半導体材料からなる第1の層、絶縁性材料からなる第2の層、および第2の半導体材料からなる第3の層が順に積層されてなる半導体基板の前記第1の層をエッチングして、開口を有する固定部と、この開口内に配置され、かつ前記固定部に対して変位する変位部と、前記固定部と前記変位部とを接続する接続部と、を有する第1の構造体を形成するステップと、前記第1の構造体が作成された前記半導体基板の前記第3の層の厚さを調整するステップと、を有する。
100、200 力学量センサ
110 第1の構造体
111 固定部
111a 枠部
111b、111c 突出部
112(112a−112e) 変位部
113(113a−113d) 接続部
114(114a−114j) ブロック上層部
115(115a−115d) 開口
120、121、122、123 接合部
130、230 第2の構造体
131、231 台座
131a、231a 枠部
131b〜131d、231b〜231d 突出部
132(132a−133e)、232(232a−232e) 重量部
133 開口
134(134a−134j)、234(234a−234j) ブロック下層部
135、235 ポケット
140 第1の基体
141 枠部
142 底板部
143 凹部
144a 駆動用電極
144b−144e 検出用電極
150 第2の基体
154a 駆動用電極
154b−154e 検出用電極
160−162 導通部
10 ギャップ
11 錘状貫通孔
L1、L2、L4−L11 配線層
T1−T11 配線用端子
E1 駆動用電極、検出用電極
110 第1の構造体
111 固定部
111a 枠部
111b、111c 突出部
112(112a−112e) 変位部
113(113a−113d) 接続部
114(114a−114j) ブロック上層部
115(115a−115d) 開口
120、121、122、123 接合部
130、230 第2の構造体
131、231 台座
131a、231a 枠部
131b〜131d、231b〜231d 突出部
132(132a−133e)、232(232a−232e) 重量部
133 開口
134(134a−134j)、234(234a−234j) ブロック下層部
135、235 ポケット
140 第1の基体
141 枠部
142 底板部
143 凹部
144a 駆動用電極
144b−144e 検出用電極
150 第2の基体
154a 駆動用電極
154b−154e 検出用電極
160−162 導通部
10 ギャップ
11 錘状貫通孔
L1、L2、L4−L11 配線層
T1−T11 配線用端子
E1 駆動用電極、検出用電極
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
(第1の実施形態)
図1は力学量センサ100を分解した状態を表す分解斜視図である。力学量センサ100は、互いに積層して配置される第1の構造体110、接合部120、第2の構造体130、及び第1の基体140、第2の基体150を有する。
図1は力学量センサ100を分解した状態を表す分解斜視図である。力学量センサ100は、互いに積層して配置される第1の構造体110、接合部120、第2の構造体130、及び第1の基体140、第2の基体150を有する。
図2は、力学量センサ100の一部(第一の構造体110、第2の構造体130)をさらに分解した状態を表す分解斜視図である。図3、4、5はそれぞれ、第1の構造体110、接合部120、第2の構造体130の上面図である。図6、図7、図8はそれぞれ、第1の基体140の下面図、第2の基体150の上面図、および第2の基体150の下面図である。図9、図10はそれぞれ、力学量センサ100を図1のB−B及びC−Cに沿って切断した状態を表す断面図である。
力学量センサ100は、それ単体、あるいは回路基板と組み合わされて(例えば、基板への搭載)、電子部品として機能する。電子部品としての力学量センサ100は、ゲーム機やモバイル端末機(例えば、携帯電話)等への搭載が可能である。なお、力学量センサ100と回路基板(回路基板上のIC等の能動素子、配線用端子)は、ワイヤボンディング、フリップチップ等によって電気的に接続される。
力学量センサ100は、加速度α、角速度ωの一方、または双方を測定できる。即ち、力学量は加速度α、角速度ωの一方、または双方を意味する。X、Y、Z軸方向それぞれでの力F0x、F0y、F0zによる変位部112(後述する)の変位を検出することで、加速度αx、αy、αzを測定できる。また、変位部112をZ軸方向に振動させ、Y、X軸方向それぞれでのコリオリ力Fy、Fxによる変位部112の変位を検出することで、X、Y軸方向それぞれの角速度ωx、ωyを測定できる。このように、力学量センサ100は、3軸の加速度αx、αy、αzおよび2軸の角速度ωx、ωyを測定できる。なお、この詳細は後述する。
第1の構造体110、接合部120、第2の構造体130、第1の基体140、第2の基体150は、その外周が例えば、5mmの辺の略正方形状であり、これらの高さはそれぞれ、例えば、20μm、2μm、600μm、500μm、500μmである。
第1の構造体110、接合部120、第2の構造体130はそれぞれ、シリコン、酸化シリコン、シリコンから構成可能であり、力学量センサ100は、シリコン/酸化シリコン/シリコンの3層構造をなすSOI(Silicon On Insulator)基板を用いて製造可能である。第1の構造体110、第2の構造体130を構成するシリコンには、全体に例えばボロン等の不純物が含まれる導電性材料を使用することが好ましい。後述するように、第1の構造体110、第2の構造体130を不純物が含まれるシリコンで構成することにより、力学量センサ100の配線を簡略にすることができる。本実施の形態では、第1の構造体110及び第2の構造体130に不純物が含まれるシリコンを使用している。
また、第1の基体140、第2の基体150はそれぞれ、ガラス材料から構成できる。
第1の構造体110は、外形が略正方形であり、固定部111(111a〜111c)、変位部112(112a〜112e)、接続部113(113a〜113d)、ブロック上層部114(114a〜114j)から構成される。第1の構造体110は、半導体材料の膜をエッチングして開口114a〜114d及びブロック上層部114a〜114jを形成することで作成できる。
固定部111は、枠部111aと突出部111b、111cとに区分できる。枠部111aは、外周、内周が共に略正方形の枠形状の基板である。突出部111bは、枠部111aの内周のコーナー部に配置され、変位部112bに向かって(X−Y平面のX方向を0°としたとき、0°方向に)突出する略正方形の基板である。突出部111cは、枠部111aの内周のコーナー部に配置され、変位部112dに向かって(X−Y平面のX方向を0°としたとき、180°方向に)突出する略正方形の基板である。枠部111aと突出部111b、111cは、一体的に構成されている。
変位部112は、変位部112a〜112eから構成される。変位部112aは、外周が略正方形の基板であり、固定部111の開口の中央近傍に配置される。変位部112b〜112eは、外周が略正方形の基板であり、変位部112aを4方向(X軸正方向、X軸負方向、Y軸正方向、Y軸負方向)から囲むように接続、配置される。変位部112a〜112eはそれぞれ、接合部120によって後述の重量部132a〜132eと接合され、固定部111に対して一体的に変位する。
変位部112aの上面は、駆動用電極E1(後述する)として機能する。この変位部112aの上面の駆動用電極E1は、第1の基体140の下面に設置された後述する駆動用電極144aと容量性結合し、この間に印加された電圧によって変位部112をZ軸方向に振動させる。なお、この駆動の詳細は後述する。
変位部112b〜112eの上面は、変位部112のX軸およびY軸方向の変位を検出する検出用電極E1(後述する)としてそれぞれ機能する。この変位部112b〜112eの上面の検出用電極は、第1の基体140の下面に設置された後述する検出用電極144b〜144eとそれぞれ容量性結合する(変位部112のb〜eのアルファベットと、検出用電極144のb〜eのアルファベットは、それぞれ順に対応している)。なお、この検出の詳細は後述する。
接続部113a〜113dは略長方形の基板であり、固定部111と変位部112aとを4方向(X−Y平面のX方向を0°としたとき、45°、135°、225°、315°方向)で接続する。
接続部113a〜113dは、枠部111aに近い側の領域では、台座131の突出部131c(後述する)と接合部120によって接合されている。接続部113a〜113dのその他の領域、すなわち変位部112aに近い側の領域では、対応する領域に突出部131cが形成されておらず、厚みが薄いため、可撓性を有している。接続部113a〜113dの枠部111aに近い側の領域が、突出部131cと接合されているのは、大きな撓みにより接続部113a〜113dが損傷することを防止するためである。
接続部113a〜113dは、撓みが可能な梁として機能する。接続部113a〜113dが撓むことで、変位部112が固定部111に対して変位可能である。具体的には、変位部112が固定部111に対して、Z正方向、Z負方向に直線的に変位する。また、変位部112は、固定部111に対してX軸およびY軸を回転軸とする正負の回転が可能である。即ち、ここでいう「変位」には、移動および回転(Z軸方向での移動、X、Y軸での回転)の双方を含めることができる。
ブロック上層部114は、ブロック上層部114a〜114jから構成される。ブロック上層部114a〜114jは、略正方形の基板であり、固定部111の内周に沿い、かつ変位部112を周囲から囲むように配置される。
ブロック上層部114h、114aは、変位部112eの端面と対向する端面を有し、ブロック上層部114b、114cは、変位部112bの端面と対向する端面を有し、ブロック上層部114d、114eは、変位部112cの端面と対向する端面を有し、ブロック上層部114f、114gは、変位部112dの端面と対向する端面を有している。図1に示すように、ブロック上層部114a〜114hはそれぞれ、変位部112の8つの端面のうちの1つと対向する端面を有して、アルファベット順に右回りで配置されている。ブロック上層部114i、ブロック上層部114jは、X−Y平面のX方向を0°としたとき、それぞれ90°、270°の方向に配置される。
ブロック上層部114a〜114hはそれぞれ、接合部120によって後述するブロック下層部134a〜134hと接合される(ブロック上層部114のa〜hのアルファベットと、ブロック下層部134のa〜hのアルファベットは、それぞれ順に対応している)。
ブロック上層部114i、114jは、接合部120によって後述するブロック下層部134i、134jとそれぞれ接合され、変位部112をZ軸方向に振動させるための配線の用途で用いられる。なお、この詳細は後述する。
第2の構造体130は、外形が略正方形であり、台座131(131a〜131d)、重量部132(132a〜132e)、及びブロック下層部134(134a〜134j)から構成される。第2の構造体130は、半導体材料の基板をエッチングして開口133、ブロック下層部134a〜134j、及びポケット135(後述する)を形成することで、作成可能である。なお、台座131と、ブロック下層部134a〜134jは、互いに高さがほぼ等しく、重量部132は、台座131及びブロック下層部134a〜134jよりも高さが低い。重量部132と第2の基体150との間に間隙(ギャップ)を確保し、重量部132の変位を可能にするためである。台座131と、ブロック下層部134a〜134jと、重量部132は、それぞれ離間して配置される。
台座131は、枠部131aと突出部131b〜131dとに区分できる。
枠部131aは、外周、内周が共に略正方形の枠形状の基板であり、固定部111の枠部111aと対応した形状を有する。
突出部131bは、枠部131aの内周のコーナー部に配置され、重量部132bに向かって(X−Y平面のX方向を0°としたとき、0°方向に)突出する略正方形の基板であり、固定部111の突出部111bと対応した形状を有する。
突出部131cは、4つの略長方形の基板であり、X−Y平面のX方向を0°としたとき、45°、135°、225°、315°方向に枠部131aから重量部132aに向かってそれぞれ突出し、一端が台座131の枠部131aと接続され、他端は重量部132aと離間して配置されている。突出部131cは、接続部113a〜113dと対応する領域のうち、枠部131a側の略半分の領域に形成されており、他の領域、すなわち、重量部132側の略半分の領域には形成されていない。
突出部131dは、枠部131aの内周のコーナー部に配置され、重量部132dに向かって(X−Y平面のX方向を0°としたとき、180°方向に)突出する略正方形の基板内に、この基板の表面と裏面とを貫通するポケット135(開口)が形成されたもので、固定部111の突出部111cと接合されている。
ポケット135は、高真空を維持するためのゲッター材料を入れる、例えば直方体形状の空間である。ポケット135の一方の開口端は接合部120によって蓋がされている。ポケット135の他方の開口端は第2の基体150によって大部分に蓋がされているが、重量部132寄りの一部は蓋がされておらず、この他方の開口端と重量部132等が形成されている開口133とは一部で通じている(図示せず)。ゲッター材料は、真空封入された力学量センサ100内の真空度を高める目的で残留気体を吸着するもので、例えば、ジルコニウムを主成分とする合金等で構成することができる。
枠部131aと突出部131b〜131dは、一体的に構成されている。
台座131は、接合部120によって固定部111、及び接続部113a〜113dの所定の領域と接続される。
重量部132は、質量を有し、加速度α、角速度ωそれぞれに起因する力F0、コリオリ力Fを受ける重錘、あるいは作用体として機能する。即ち、加速度α、角速度ωが印加されると、重量部132の重心に力F0、コリオリ力Fが作用する。
重量部132は、略直方体形状の重量部132a〜132eに区分される。中心に配置された重量部132aに4方向から重量部132b〜132eが接続され、全体として一体的に変位(移動、回転)が可能となっている。即ち、重量部132aは、重量部132b〜132eを接続する接続部として機能する。
重量部132a〜132eはそれぞれ、変位部112a〜112eと対応する略正方形の断面形状を有し、接合部120によって変位部112a〜112eと接合される。重量部132に加わった力F0、コリオリ力Fに応じて変位部112が変位し、その結果、加速度α、角速度ωの測定が可能となる。
重量部132a〜132eによって、重量部132を構成しているのは、力学量センサ100の小型化と高感度化の両立を図るためである。力学量センサ100を小型化(小容量化)すると、重量部132の容量も小さくなり、その質量が小さくなることから、角速度に対する感度も低下する。接続部113a〜113dの撓みを阻害しないように重量部132b〜132eを分散配置することで、重量部132の質量を確保している。この結果、力学量センサ100の小型化と高感度化の両立が図られる。
重量部132は、製造プロセスの途中、すなわち、第1の構造体110の作成後、かつ第2の基体150と第2の構造体130との接合前に、第2の構造体130の形成領域(すなわち重量部132の形成領域を含んでいる)の半導体材料の厚さを薄く調整して形成されたものである。
重量部132が、力学量センサ100の製造プロセスの途中において厚さの調整がなされたものであるため、力学量センサ100の製造のために用意される半導体基板の厚さの選択の自由度を向上させることが可能である。
また、重量部132が、力学量センサ100の製造プロセスの途中において厚さの調整がなされたものであるため、求められる共振周波数等の機械的特性の仕様に関係なく、力学量センサ100の中間製品(最終製品に至る前の製造プロセスの途中の製品)を作り置きすることが可能である。力学量センサ100の製造プロセスの途中において、機械的特性に影響を及ぼす重量部132の厚さを調整することにより、求められる機械的特性の仕様の力学量センサ100を中間製品から製造することが可能だからである。このように、最終製品(力学量センサ100)の機械的特性の仕様に関係なく同一の中間製品を作り置きできるため、その量産効果により力学量センサ100の製造コストを低減することができる。なお、中間製品の作り置きの詳細については後述する。
重量部132の厚さの調整は、例えば、第2の構造体130が形成される領域の半導体材料層の研磨による薄肉化を挙げることができる。
重量部132の厚さは、特に制限されないが、50μm以上が好ましい。重量部132の厚さが50μm未満であると、重量部132が形成される領域の半導体材料層の研磨の際、半導体基板が破損するおそれがある。
重量部132の厚さは、力学量センサ100に求められる機械的特性の仕様に応じて、適宜定められる。
重量部132aの裏面は、駆動用電極E1(後述する)として機能する。この重量部132aの裏面の駆動用電極E1は、第2の基体150の上面に設置された後述する駆動用電極154aと容量性結合し、この間に印加された電圧によって変位部112をZ軸方向に振動させる。なお、この駆動の詳細は後述する。
重量部132b〜132eの裏面は、変位部112のX軸およびY軸方向の変位を検出する検出用電極E1(後述する)としてそれぞれ機能する。この重量部132b〜132eの裏面の検出用電極E1は、第2の基体150の上面に設置された後述する検出用電極154b〜154eとそれぞれ容量性結合する(重量部132のb〜eのアルファベットと、検出用電極154のb〜eのアルファベットは、それぞれ順に対応している)。なお、この検出の詳細は後述する。
ブロック下層部134a〜134jは、それぞれブロック上層部114a〜114jと対応する略正方形の断面形状を有し、接合部120によってブロック上層部114a〜114jと接合される。ブロック上層部114a〜114h及びブロック下層部134a〜134hを接合したブロックを、以下、それぞれ「ブロックa〜h」と称する。ブロックa〜hは、それぞれ駆動用電極144b〜144e、154b〜154eに電源を供給するための配線の用途で用いられる。ブロック上層部114i、114j及びブロック下層部134i、134jをそれぞれ接合したブロック(以下、それぞれ「ブロックi、j」と称する)は、変位部112をZ軸方向に振動させるための配線の用途で用いられる。なお、これらの詳細は後述する。
接合部120は、既述のように、第1、第2の構造体110、130を接続するものである。接合部120は、接続部113の所定の領域及び固定部111と、台座131とを接続する接合部121と、変位部112a〜112eと重量部132a〜133eを接続する接合部122(122a〜122e)と、ブロック上層部114a〜114jとブロック下層部134a〜134jを接続する接合部123(123a〜123j)と、に区分される。接合部120は、これ以外の部分では、第1、第2の構造体110、130を接続していない。接続部113a〜113dの撓み、および重量部132の変位を可能とするためである。
なお、接合部121、122、123は、シリコン酸化膜をエッチングすることで構成可能である。
第1の構造体110と第2の構造体130とを必要な部分で導通させるため、導通部160〜162を形成している。
導通部160は、固定部111と台座131とを導通するものであり、固定部111の突出部111b及び接合部121を貫通している。
導通部161は、変位部112と重量部132とを導通するものであり、変位部112a及び接合部122を貫通している。
導通部162は、ブロック上層部114a、114b、114e、114f、114iとブロック下層部134a、134b、134e、134f、134iとをそれぞれ導通するものであり、ブロック上層部114a、114b、114e、114f、114i及び接合部123をそれぞれ貫通している。
導通部160〜162は、例えば、貫通孔の縁、壁面及び底部に、例えば、Alのような金属層が形成されたものである。なお、貫通孔の形状は特に制限されないが、Al等のスパッタ等により金属層を効果的に形成できるため、導通部160〜162の貫通孔を上広の錐状の形状にすることが好ましい。
第1の基体140は、例えばガラス材料からなり、略直方体の外形を有し、枠部141と底板部142とを有する。枠部141及び底板部142は、基板に略直方体状(例えば、縦横2.5mm、深さ5μm)の凹部143を形成することで作成できる。
枠部141は、外周、内周が共に略正方形の枠形状の基板形状である。枠部141の外周は、固定部111の外周と一致し、枠部141の内周は、固定部111の内周よりも小さい。
底板部142は、外周が枠部141と略同一の略正方形の基板形状である。
第1の基体140に凹部143が形成されているのは、変位部112が変位するための空間を確保するためである。変位部112以外の第1の構造体110、すなわち固定部111及びブロック上層部114a〜114jは、第1の基体140と、例えば陽極接合によって接合される。
底板部142上(第1の基体140の裏面上)には、変位部112と対向するように駆動用電極144a、検出用電極144b〜144eが配置されている。駆動用電極144a、検出用電極144b〜144eは、いずれも導電性材料で構成することができる。駆動用電極144aは、例えば十字形状で、変位部112aに対向するように凹部143の中央近傍に形成されている。検出用電極144b〜144eは、それぞれ略正方形で、駆動用電極144aを4方向(X軸正方向、X軸負方向、Y軸正方向、Y軸負方向)から囲み、それぞれ順に変位部112b〜112eと対向して配置される。駆動用電極144a、検出用電極144b〜144eは、それぞれ離間している。
駆動用電極144aには、ブロック上層部114iの上面と電気的に接続される配線層L1が接続されている。検出用電極144bには、ブロック上層部114bの上面と電気的に接続される配線層L4、検出用電極144cには、ブロック上層部114eの上面と電気的に接続される配線層L5、検出用電極144dには、ブロック上層部114fの上面と電気的に接続される配線層L6、検出用電極144eには、ブロック上層部114aの上面と電気的に接続される配線層L7がそれぞれ接続されている。
駆動用電極144a、検出用電極144b〜144e、及び配線層L1、L4〜L7の構成材料には、例えば、Ndを含有するAlを用いることができる。駆動用電極144a、検出用電極144b〜144eにNdを含有するAlを用いることで(Nd含有率1.5〜10at%)、後述する熱処理工程(第1の基体140又は第2の基体150の陽極接合や、ゲッター材料の活性化)で、駆動用電極144a、検出用電極144b〜144eにヒロックが発生することを抑制できる。ここでいうヒロックとは、例えば、半球状の突起物をいう。これにより、駆動用電極144aと、変位部112aの上面に形成された駆動用電極E1(駆動用電極144aと容量性結合する)との間の距離や、検出用電極144b〜144eと、変位部112b〜112eの上面に形成された検出用電極E1(検出用電極144b〜144eとそれぞれ容量性結合する)との間の距離の寸法精度を高くすることができる。
第2の基体150は、例えばガラス材料からなり、略正方形の基板形状である。
重量部132以外の第2の構造体130、すなわち台座131及びブロック下層部134a〜134jは、第2の基体150と、例えば陽極接合によって接合される。重量部132は、台座131及びブロック下層部134a〜134jよりも高さが低いため、第2の基体150と接合されない。重量部132と第2の基体150との間に間隙(ギャップ)を確保し、重量部132の変位を可能にするためである。
重量部132以外の第2の構造体130、すなわち台座131及びブロック下層部134a〜134jは、第2の基体150と、例えば陽極接合によって接合される。重量部132は、台座131及びブロック下層部134a〜134jよりも高さが低いため、第2の基体150と接合されない。重量部132と第2の基体150との間に間隙(ギャップ)を確保し、重量部132の変位を可能にするためである。
第2の基体150の上面上には、重量部132と対向するように駆動用電極154a、検出用電極154b〜154eが配置されている。駆動用電極154a、検出用電極154b〜154eは、いずれも導電性材料で構成することができる。駆動用電極154aは、例えば十字形状で、重量部132aに対向するように第2の基体150の上面の中央近傍に形成されている。検出用電極154b〜154eは、それぞれ略正方形で、駆動用電極154aを4方向(X軸正方向、X軸負方向、Y軸正方向、Y軸負方向)から囲み、それぞれ順に重量部132b〜132eに対向して配置される。駆動用電極154a、検出用電極154b〜154eは、それぞれ離間している。
駆動用電極154aには、ブロック下層部134jの裏面と電気的に接続される配線層L2が接続されている。
検出用電極154bには、ブロック下層部134cの裏面と電気的に接続される配線層L8、検出用電極154cには、ブロック下層部134dの裏面と電気的に接続される配線層L9、検出用電極154dには、ブロック下層部134gの裏面と電気的に接続される配線層L10、検出用電極154eには、ブロック下層部134hの裏面と電気的に接続される配線層L11がそれぞれ接続されている。
駆動用電極154a、検出用電極154b〜154e、及び配線層L2、L8〜L11の構成材料には、例えば、Ndを含有するAlを用いることができる。駆動用電極154a、検出用電極154b〜154eにNdを含有するAlを用いることで(Nd含有率1.5〜10at%)、後述する熱処理工程(第2の基体150の陽極接合や、ゲッター材料の活性化)で、駆動用電極154a、検出用電極154b〜154eにヒロックが発生することを抑制できる。これにより、駆動用電極154aと、重量部132aの裏面に形成された駆動用電極E1(駆動用電極154aと容量性結合する)との間の距離や、検出用電極154b〜154eと、重量部132b〜132eの裏面に形成された検出用電極E1(検出用電極154b〜154eとそれぞれ容量性結合する)との間の距離の寸法精度を高くすることができる。
第2の基体150には、第2の基体150を貫通する配線用端子T(T1〜T11)が設けられており、力学量センサ100の外部から駆動用電極144a、154a、検出用電極144b〜144e、154b〜154eへの電気的接続を可能としている。
配線用端子T1の上端は、台座131の突出部131bの裏面に接続されている。配線用端子T2〜T9は、それぞれブロック下層部134a〜134hの裏面に接続されている(配線用端子T2〜T9のT2〜T9の番号順と、ブロック下層部134a〜134hの134a〜134hのアルファベット順とは、それぞれ対応している)。配線用端子T10、T11は、それぞれブロック下層部134i、134jの裏面に接続されている。
配線用端子Tは、図9、図10に示すように、例えば上広の錐状貫通孔の縁、壁面及び底部に、例えばAl等の金属膜が形成されたものであり、導通部160〜162と同様の構造をしている。配線用端子Tは、外部回路と、例えばワイヤボンディングで接続するための接続端子として使用できる。
なお、図1〜図10では、第1の構造体110、接合部120、第2の構造体130の見やすさを考慮して、第2の基体150が下に配置されるように図示している。配線用端子Tと外部回路とを、例えばワイヤボンディングで接続する場合には、力学量センサ100の第2の基体150を例えば上になるように配置して容易に接続することができる。
(力学量センサ100の動作、配線)
力学量センサ100の配線、及び電極について説明する。
力学量センサ100の配線、及び電極について説明する。
図11は、図9に示す力学量センサ100における6組の容量素子を示す断面図である。図11では、電極として機能する部分をハッチングで示している。なお、図11では6組の容量素子を図示しているが、前述したように力学量センサ100には、10組の容量素子が形成される。
10組の容量素子の一方の電極は、第1の基体140に形成された駆動用電極144a、検出用電極144b〜144e、及び第2の基体150に形成された駆動電極154a、検出用電極154b〜154eである。
もう一方の電極は、変位部112aの上面の駆動用電極E1、変位部112b〜112eの上面にそれぞれ形成された検出用電極E1、重量部132aの下面の駆動用電極E1、及び重量部132b〜132eの下面にそれぞれ形成された検出用電極E1である。すなわち、変位部112及び重量部132を接合したブロックは、10組の容量性結合の共通電極として機能する。第1の構造体110及び第2の構造体130は、導電性材料(不純物が含まれるシリコン)から構成されているため、変位部112及び重量部132を接合したブロックは、電極として機能することができる。
コンデンサーの容量は、電極間の距離に反比例するため、変位部112の上面及び重量部132の下面に駆動用電極E1や検出用電極E1があるものと仮定している。すなわち、駆動用電極E1や検出用電極E1は、変位部112の上面や、重量部132の下面の表層に別体として形成されているわけではない。変位部112の上面や、重量部132の下面が駆動用電極E1や検出用電極E1として機能すると捉えている。
第1の基体140に形成された駆動用電極144a、検出用電極144b〜144eは、それぞれ順に、配線層L1、L4〜L7を介してブロック上層部114i、114b、114e、114f、114aと電気的に接続されている。また、ブロック上層部114i、114b、114e、114f、114aとブロック下層部134i、134b、134e、134f、134aとはそれぞれ導通部162で導通されている。
第2の基体150に形成された駆動用電極154a、検出用電極154b〜154eは、それぞれ順に、配線層L2、L8〜L11を介してブロック下層部134j、134c、134d、134g、134hと電気的に接続されている。
したがって、これらの駆動用電極144a、154a、検出用電極144b〜144e、154b〜154eに対する配線は、ブロック下層部134a〜134jの下面に接続すればよい。配線用端子T2〜T9は、それぞれブロック下層部134a〜134hの下面に配置され、配線用端子T10、T11は、それぞれブロック下層部134i、134jの下面に配置されている。
以上より、配線用端子T2〜T11は、それぞれ順に、検出用電極144e、144b、154b、154c、144c、144d、154d、154e、駆動用電極144a、154aと電気的に接続されている。
駆動用電極E1、検出用電極E1は、変位部112の上面及び重量部132の下面からそれぞれなっている。変位部112及び重量部132は、導通部161で導通されており、いずれも導電性材料で構成されている。台座131及び固定部111は、導通部160で導通されており、いずれも導電性材料で構成されている。変位部112と接続部113と固定部111は、導電性材料により一体的に構成されている。したがって、駆動用電極E1、検出用電極E1に対する配線は、台座131の下面に接続すればよい。配線用端子T1は、台座131の突出部131bの下面に配置されて、配線用端子T1は、駆動用電極E1、検出用電極E1と電気的に接続されている。
以上のように、第1の構造体110、及び第2の構造体130を導電性材料(不純物が含まれるシリコン)で構成しているので、ブロック上層部114a〜114j、及びブロック下層部134a〜134jが接合されたブロックa〜jに配線としての機能をもたせることができ、容量素子に対する配線を簡略にすることが可能である。
力学量センサ100による加速度および角速度の検出の原理を説明する。
(1)変位部112の振動
駆動用電極144a、E1間に電圧を印加すると、クーロン力によって駆動用電極144a、E1が互いに引き合い、変位部112(重量部132も)はZ軸正方向に変位する。また、駆動用電極154a、E1間に電圧を印加すると、クーロン力によって駆動用電極154a、E1が互いに引き合い、変位部112(重量部132も)はZ軸負方向に変位する。即ち、駆動用電極144a、E1間、駆動用電極154a、E1間への電圧印加を交互に行うことで、変位部112(重量部132も)はZ軸方向に振動する。この電圧の印加は正又は負の直流波形(非印加時も考慮するとパルス波形)、半波波形等を用いることができる。
(1)変位部112の振動
駆動用電極144a、E1間に電圧を印加すると、クーロン力によって駆動用電極144a、E1が互いに引き合い、変位部112(重量部132も)はZ軸正方向に変位する。また、駆動用電極154a、E1間に電圧を印加すると、クーロン力によって駆動用電極154a、E1が互いに引き合い、変位部112(重量部132も)はZ軸負方向に変位する。即ち、駆動用電極144a、E1間、駆動用電極154a、E1間への電圧印加を交互に行うことで、変位部112(重量部132も)はZ軸方向に振動する。この電圧の印加は正又は負の直流波形(非印加時も考慮するとパルス波形)、半波波形等を用いることができる。
なお、駆動用電極144a、E1(変位部112aの上面)、駆動用電極154a、E1(重量部132aの下面)は振動付与部として、検出用電極144b〜144e、154b〜154e、E1(変位部112b〜112eの上面、重量部132b〜132eの下面)は変位検出部として機能する。
変位部112の振動の周期は電圧を切り換える周期で決まってくる。この切換の周期は変位部112の固有振動数にある程度近接していることが好ましい。変位部112の固有振動数は、接続部113の弾性力や重量部132の質量等で決定される。変位部112に加えられる振動の周期が固有振動数に対応しないと、変位部112に加えられた振動のエネルギーが発散されてエネルギー効率が低下する。
なお、駆動用電極144a、E1間、又は駆動用電極154a、E1間のいずれか一方のみに、変位部212の固有振動数の1/2の周波数の交流電圧を印加してもよい。
(2)加速度に起因する力の発生
重量部132(変位部112)に加速度αが印加されると重量部132に力F0が作用する。具体的には、X、Y、Z軸方向それぞれの加速度αx、αy、αzに応じて、X、Y、Z軸方向の力F0x(=m・αx)、F0y(=m・αy)、F0z(=m・αz)が重量部132に作用する(mは、重量部132の質量)。その結果、変位部112にX、Y方向への傾き、およびZ方向への変位が生じる。このように、加速度αx、αy、αzによって変位部112にX、Y、Z方向の傾き(変位)が生じる。
重量部132(変位部112)に加速度αが印加されると重量部132に力F0が作用する。具体的には、X、Y、Z軸方向それぞれの加速度αx、αy、αzに応じて、X、Y、Z軸方向の力F0x(=m・αx)、F0y(=m・αy)、F0z(=m・αz)が重量部132に作用する(mは、重量部132の質量)。その結果、変位部112にX、Y方向への傾き、およびZ方向への変位が生じる。このように、加速度αx、αy、αzによって変位部112にX、Y、Z方向の傾き(変位)が生じる。
(3)角速度に起因するコリオリ力の発生
重量部132(変位部112)がZ軸方向に速度vzで移動しているときに角速度ωが印加されると重量部132にコリオリ力Fが作用する。具体的には、X軸方向の角速度ωxおよびY軸方向の角速度ωyそれぞれに応じて、Y軸方向のコリオリ力Fy(=2・m・vz・ωx)およびX軸方向のコリオリ力Fx(=2・m・vz・ωy)が重量部132に作用する(mは、重量部132の質量)。
重量部132(変位部112)がZ軸方向に速度vzで移動しているときに角速度ωが印加されると重量部132にコリオリ力Fが作用する。具体的には、X軸方向の角速度ωxおよびY軸方向の角速度ωyそれぞれに応じて、Y軸方向のコリオリ力Fy(=2・m・vz・ωx)およびX軸方向のコリオリ力Fx(=2・m・vz・ωy)が重量部132に作用する(mは、重量部132の質量)。
X軸方向の角速度ωxによるコリオリ力Fyが印加されると、変位部112にY方向への傾きが生じる。このように、角速度ωx、ωyに起因するコリオリ力Fy、Fxによって変位部112にY方向、X方向の傾き(変位)が生じる。
(4)変位部112の変位の検出
以上のように、加速度αおよび角速度ωによって、変位部112の変位(傾き)が生じる。検出用電極144b〜144e、154b〜154eによって、変位部112の変位を検出することができる。
以上のように、加速度αおよび角速度ωによって、変位部112の変位(傾き)が生じる。検出用電極144b〜144e、154b〜154eによって、変位部112の変位を検出することができる。
変位部112にZ正方向の力F0zが印加されると、検出用電極E1(変位部112cの上面)、144c間および検出用電極E1(変位部112eの上面)、144e間の距離は共に小さくなる。この結果、検出用電極E1(変位部112cの上面)、144c間および検出用電極E1(変位部112eの上面)、144e間の容量は共に大きくなる。即ち、検出用電極E1と検出用電極144b〜144e間の容量の和(あるいは、検出用電極E1と検出用電極154b〜154e間の容量の和)に基づいて、変位部112のZ方向の変位を検出し、検出信号として取り出すことができる。
一方、変位部112にY正方向の力F0yまたはコリオリ力Fyが印加されると、駆動用電極E1(変位部112cの上面)、144c間、検出用電極E1(重量部132eの下面)、154e間の距離は小さくなり、検出用電極E1(変位部112eの上面)、144e間、検出用電極E1(重量部132cの下面)、154c間の距離は大きくなる。この結果、検出用電極E1(変位部112cの上面)、144c間、検出用電極E1(重量部132eの下面)、154e間の容量は大きくなり、検出用電極E1(変位部112eの上面)、144e間、検出用電極E1(重量部132cの下面)、154c間の容量は小さくなる。即ち、検出用電極E1と検出用電極144b〜144e、154b〜154eとの間の容量の差に基づいて、変位部112のX、Y方向の傾きの変化を検出し、検出信号として取り出すことができる。
以上のように、検出用電極E1、144b〜144e、154b〜154eによって変位部112のX方向、Y方向への傾きおよびZ方向への変位を検出する。
(5)検出信号からの加速度、角速度の抽出
検出用電極144b〜144e、154b〜154e、E1から出力される信号には、加速度αx、αy、αz、角速度ωx、ωyに起因する成分の双方が含まれる。これらの成分の相違を利用して、加速度および角速度を抽出できる。
検出用電極144b〜144e、154b〜154e、E1から出力される信号には、加速度αx、αy、αz、角速度ωx、ωyに起因する成分の双方が含まれる。これらの成分の相違を利用して、加速度および角速度を抽出できる。
重量部132(質量m)に加速度αが印加されたときの力Fα(=m・α)は重量部132の振動には依存しない。即ち、検出信号中の加速度成分は、重量部132の振動に対応しない一種のバイアス成分である。一方、重量部132(質量m)に角速度ωが印加されたときの力Fω(=2・m・vz・ω)は重量部132のZ軸方向の速度vzに依存する。即ち、検出信号中の角速度成分は、重量部132の振動に対応して周期的に変化する一種の振幅成分である。
具体的には、検出信号の周波数分析によって、変位部112の振動数より低周波のバイアス成分(加速度)、変位部112の振動数と同様の振動成分(角速度)を抽出する。この結果、力学量センサ100によるX、Y、Z方向(3軸)の加速度αx、αy、αz、およびX、Y方向(2軸)の角速度ωx、ωyの測定が可能となる。
(力学量センサ100の作成)
力学量センサ100の作成工程につき説明する。図12は、力学量センサ100の作成手順の一例を表すフロー図である。また、図13A〜図13Kは、図12の作成手順における力学量センサ100の状態を表す断面図である(図1に示す力学量センサ100をC−Cで切断した断面に相当する)。図13A〜図13Kは、図10の力学量センサ100を上下逆に配置したものに対応する。
力学量センサ100の作成工程につき説明する。図12は、力学量センサ100の作成手順の一例を表すフロー図である。また、図13A〜図13Kは、図12の作成手順における力学量センサ100の状態を表す断面図である(図1に示す力学量センサ100をC−Cで切断した断面に相当する)。図13A〜図13Kは、図10の力学量センサ100を上下逆に配置したものに対応する。
(1)半導体基板Wの用意(ステップS10、および図13A)
図13Aに示すように、第1、第2、第3の層11、12、13の3層を積層してなる半導体基板Wを用意する。
図13Aに示すように、第1、第2、第3の層11、12、13の3層を積層してなる半導体基板Wを用意する。
第1、第2、第3の層11、12、13はそれぞれ、第1の構造体110、接合部120、第2の構造体130を構成するための層であり、ここでは、不純物が含まれるシリコン、酸化シリコン、不純物が含まれるシリコンからなる層とする。
不純物が含まれるシリコン/酸化シリコン/不純物が含まれるシリコンという3層の積層構造をもった半導体基板Wは、不純物が含まれるシリコン基板上にシリコン酸化膜を積層した基板と、不純物が含まれるシリコン基板とを接合後、後者の不純物が含まれるシリコン基板を薄く研磨することで作成できる(いわゆるSOI基板)。
ここで、不純物が含まれるシリコン基板は、例えば、チョクラルスキー法によるシリコン単結晶の製造において、不純物をドープすることにより製造できる。シリコンに含まれる不純物としては、例えばボロンを挙げることができる。ボロンが含まれるシリコンとしては、例えば、高濃度のボロンを含み、抵抗率が0.001〜0.01Ω・cmのものを使用できる。
なお、ここでは第1の層11と第3の層13とを同一材料(不純物が含まれるシリコン)によって構成するものとするが、第1、第2、第3の層11、12、13のすべてを異なる材料によって構成してもよい。
(2)第1の構造体110の作成(第1の層11のエッチング、ステップS11、および図13B)
第1の層11をエッチングすることにより、開口115を形成し、第1の構造体110を形成する。即ち、第1の層11に対して浸食性を有し、第2の層12に対して浸食性を有しないエッチング方法を用いて、第1の層11の所定領域(開口115a〜115d)に対して、第2の層12の上面が露出するまで厚み方向にエッチングする。
第1の層11をエッチングすることにより、開口115を形成し、第1の構造体110を形成する。即ち、第1の層11に対して浸食性を有し、第2の層12に対して浸食性を有しないエッチング方法を用いて、第1の層11の所定領域(開口115a〜115d)に対して、第2の層12の上面が露出するまで厚み方向にエッチングする。
第1の層11の上面に、第1の構造体110に対応するパターンをもったレジスト層を形成し、このレジスト層で覆われていない露出部分を垂直下方に侵食する。このエッチング工程では、第2の層12に対する浸食は行われないので、第1の層11の所定領域(開口115a〜115d)のみが除去される。図13Bは、第1の層11に対して、上述のようなエッチングを行い、第1の構造体110を形成した状態を示す。
(3)接合部120の作成(第2の層12のエッチング、ステップS12、および図13C)
第2の層12をエッチングすることにより、接合部120を形成する。即ち、第2の層12に対しては浸食性を有し、第1の層11および第3の層13に対しては浸食性を有しないエッチング方法により、第2の層12に対して、その露出部分から厚み方向および層方向にエッチングする。
第2の層12をエッチングすることにより、接合部120を形成する。即ち、第2の層12に対しては浸食性を有し、第1の層11および第3の層13に対しては浸食性を有しないエッチング方法により、第2の層12に対して、その露出部分から厚み方向および層方向にエッチングする。
このエッチング工程では、別途、レジスト層を形成する必要はない。即ち、第1の層11の残存部分である第1の構造体110が、第2の層12に対するレジスト層として機能する。エッチングは、第2の層12の露出部分に対してなされる。
第2の層12に対するエッチング工程(ステップS12)では、次の2つの条件を満たすエッチング法を行う必要がある。第1の条件は、厚み方向とともに層方向への方向性をもつことであり、第2の条件は、酸化シリコン層に対しては浸食性を有するが、シリコン層に対しては浸食性を有しないことである。
第1の条件は、不要な部分に酸化シリコン層が残存して重量部132の変位の自由度を妨げることがないようにするために必要な条件である。第2の条件は、既に所定形状への加工が完了しているシリコンからなる第1の構造体110や第3の層13に浸食が及ばないようにするために必要な条件である。
第1、第2の条件を満たすエッチング方法として、バッファド弗酸(例えば、HF=5.5wt%、NH4F=20wt%の混合水溶液)をエッチング液として用いるウェットエッチングを挙げることができる。また、CF4ガスとO2ガスとの混合ガスを用いたRIE法によるドライエッチングも適用可能である。
(4)導通部160〜162の形成(ステップS13、および図13D)
導通部160〜162の形成は、次のa、bのようにして行われる。
a.錐状貫通孔の形成
第1の構造体110及び第2の層12の所定の箇所をウエットエッチングし、第2の層12まで貫通するような錘状貫通孔を形成する。エッチング液としては、第1の構造体110のエッチングでは、例えば、20%TMAH(水酸化テトラメチルアンモニウム)を用いることができ、第2の層12のエッチングでは、例えば、バッファド弗酸(例えば、HF=5.5wt%、NH4F=20wt%の混合水溶液)を用いることができる。
導通部160〜162の形成は、次のa、bのようにして行われる。
a.錐状貫通孔の形成
第1の構造体110及び第2の層12の所定の箇所をウエットエッチングし、第2の層12まで貫通するような錘状貫通孔を形成する。エッチング液としては、第1の構造体110のエッチングでは、例えば、20%TMAH(水酸化テトラメチルアンモニウム)を用いることができ、第2の層12のエッチングでは、例えば、バッファド弗酸(例えば、HF=5.5wt%、NH4F=20wt%の混合水溶液)を用いることができる。
b.金属層の形成
第1の構造体110の上面及び錐状貫通孔内に、例えばAlを蒸着法やスパッタ法等により堆積させて、導通部160〜162を形成する。第1の構造体110の上面に堆積した不要な金属層(導通部160〜162の上端の縁(図示せず)の外側の金属層)はエッチングで除去する。
第1の構造体110の上面及び錐状貫通孔内に、例えばAlを蒸着法やスパッタ法等により堆積させて、導通部160〜162を形成する。第1の構造体110の上面に堆積した不要な金属層(導通部160〜162の上端の縁(図示せず)の外側の金属層)はエッチングで除去する。
(5)第1の基体140の接合(ステップS14、および図13E)
1)第1の基体140の作成
絶縁性材料からなる基板(例えば、可動イオンを含むガラス基板)をエッチングして凹部143を形成し、駆動用電極144a、検出用電極144b〜244e、及び配線層L1、L4〜L7を、例えばNdを含むAlからなるパターンによって所定の位置に形成する。ここで、ガラス基板が可動イオンを含むのは、後の陽極接合のためである。
1)第1の基体140の作成
絶縁性材料からなる基板(例えば、可動イオンを含むガラス基板)をエッチングして凹部143を形成し、駆動用電極144a、検出用電極144b〜244e、及び配線層L1、L4〜L7を、例えばNdを含むAlからなるパターンによって所定の位置に形成する。ここで、ガラス基板が可動イオンを含むのは、後の陽極接合のためである。
2)半導体基板Wと第1の基体140の接合
半導体基板Wと第1の基体140とを、例えば陽極接合により接合する。
半導体基板Wと第1の基体140とを、例えば陽極接合により接合する。
第2の構造体130の作成前に第1の基体140を陽極接合している。重量部132を形成する前に、第1の基体140を陽極接合しているので、接続部113a〜113dには厚みの薄い領域が存在せず可撓性を有していないため、静電引力が生じても変位部112は第1の基体140に引き寄せられない。このため、第1の基体140と変位部112との接合を防止することができる。図13Eは、半導体基板Wと第1の基体140とを接合した状態を示す。
(6)第3の層13の研磨(ステップS15、および図13F)
例えばCMP法(化学的機械的研磨法、Chemical Mechanical Polishing)により、第3の層13が所定の厚さとなるように、第3の層13の上面を研磨する。研磨後の第3の層13の厚さは、力学量センサ100に求められる機械的特性の仕様に応じて、適宜定められる。
例えばCMP法(化学的機械的研磨法、Chemical Mechanical Polishing)により、第3の層13が所定の厚さとなるように、第3の層13の上面を研磨する。研磨後の第3の層13の厚さは、力学量センサ100に求められる機械的特性の仕様に応じて、適宜定められる。
なお、第3の層13の研磨(ステップS15)は、第1の構造体130の作成(ステップS11)後に行ってもよいし、接合部120の作成(ステップS12)後に行ってもよいし、導通部160〜162の作成(ステップS13)後に行ってもよい。しかしながら、本実施の形態のように第1の基体の接合後(ステップS14)の後に第3の層13の研磨(ステップS15)を行うことが好ましい。この作成手順によれば、第1の基体140が半導体基板Wの支持板として機能し、半導体基板Wを従来よりも薄くできるので(後述する)、力学量センサ100全体の薄型化が容易であるとともに、力学量センサ100の設計の自由度を増すことができるためである。
本実施形態の力学量センサ100の製造方法は、ステップS15(第3の層13の研磨)を有しているため、共振周波数等の機械的特性の仕様に関係なく、ある厚さ以上の(第3の層13の厚さが重量部132の厚さよりも厚い)半導体基板Wを選択することが可能である。そのため、本実施形態によれば、力学量センサ100の製造のために準備される半導体基板Wの厚さの選択の自由度を向上させることが可能である。これにより、同一の厚みの複数の半導体基板Wを準備して、機械的特性の仕様の異なる数種類の力学量センサ100を製造することが可能である。
また、本実施形態の力学量センサ100の製造方法は、ステップS15(第3の層13の研磨)を有しているため、共振周波数等の機械的特性の仕様に関係なく、力学量センサ100の中間製品(最終製品に至る前の製造プロセスの途中の製品)を作り置きすることが可能である。
これは、ステップS15において、中間製品(例えば、第1の基体140と接合された半導体基板W)の第3の層13を研磨することにより、機械的特性に影響を及ぼす重量部132の厚さを調整できるので、求められる仕様の機械的特性の力学量センサ100を中間製品から製造することが可能だからである。
ここで、作り置きする中間製品としては、ステップS11において第1の構造体110が形成された半導体基板W、ステップS12において接合部120が形成された半導体基板W、ステップS13において導通部160〜162の形成された半導体基板W、又はステップS14において第1の基体140と接合された半導体基板Wを挙げることができる。この中でも、第1の構造体110の保護の観点から、第1の基体140と接合された半導体基板Wが好ましい。
このように、本実施の形態によれば、最終製品(力学量センサ100)の機械的特性の仕様に関係なく同一の中間製品を作り置きできるため、その量産効果により力学量センサ100の製造コストを低減することができる。
また、本実施形態の力学量センサ100の製造方法は、ステップS15(第3の層13の研磨)を有しているため、半導体基板Wの薄型化が容易であり、力学量センサ100全体を従来よりも薄型化することが可能である。ステップS15において、第1の基体140を接合した半導体基板Wを研磨して薄肉化処理を行っているので、第1の基体140が半導体基板Wの支持板として機能するためである。
第1の基体140が半導体基板Wの支持板として機能するため、従来技術のように薄肉化処理後の半導体基板(ガラス基板等の基体と接合されていない)をガラス基板等の基体と接合する際や、ハンドリング時に、半導体基板が破損するおそれが少ない。また、従来技術のように薄肉化処理後の半導体基板(ガラス基板等の基体と接合されていない)が反ってしまい、アライメントマークがずれる等の理由により加工精度の低下を招くおそれもない。
このように、本実施の形態によれば、第1の基体140を接合した半導体基板Wを研磨して薄肉化処理を行っているので半導体基板Wの破損や反りを抑制できる。そのため、従来困難であった例えば50μm程度にまで半導体基板Wを容易に薄肉化することが可能であり、力学量センサ100全体を従来よりも薄型化することができる。
また、本実施形態によれば、ステップS15(第3の層13の研磨)により、第3の層13を薄肉化して従来よりも重量部132の厚さを薄くすることが可能なので、力学量センサ100の設計の自由度を増すことができる。
(7)第2の構造体130の作成(第3の層13のエッチング、ステップS16、および図13G、図13H)
第2の構造体130の形成は、次のa、bのようにして行われる。
第2の構造体130の形成は、次のa、bのようにして行われる。
a.ギャップ10の形成(図13G)
所定の厚さまで研磨された第3の層13の上面に、重量部132の形成領域及びその近傍を除いてレジスト層を形成し、このレジスト層で覆われていない露出部分(重量部132の形成領域及びその近傍)を垂直下方へと侵食させる。この結果、重量部の形成される領域の上部に重量部132の変位を可能とするためのギャップ10が形成される。
所定の厚さまで研磨された第3の層13の上面に、重量部132の形成領域及びその近傍を除いてレジスト層を形成し、このレジスト層で覆われていない露出部分(重量部132の形成領域及びその近傍)を垂直下方へと侵食させる。この結果、重量部の形成される領域の上部に重量部132の変位を可能とするためのギャップ10が形成される。
b.第2の構造体130の形成(図13H)
ギャップ10が形成された第3の層13をエッチングすることにより、開口133、ブロック下層部134a〜134j、及びポケット135を形成し、第2の構造体130を形成する。即ち、第3の層13に対して浸食性を有し、第2の層12に対して浸食性を有しないエッチング方法により、第3の層13の所定領域(開口133)に対して、厚み方向へのエッチングを行う。
ギャップ10が形成された第3の層13をエッチングすることにより、開口133、ブロック下層部134a〜134j、及びポケット135を形成し、第2の構造体130を形成する。即ち、第3の層13に対して浸食性を有し、第2の層12に対して浸食性を有しないエッチング方法により、第3の層13の所定領域(開口133)に対して、厚み方向へのエッチングを行う。
第3の層13の上面に、第2の構造体130に対応するパターンをもったレジスト層を形成し、このレジスト層で覆われていない露出部分を垂直下方に侵食する。図13Hは、第3の層13に対して、上述のようなエッチングを行い、第2の構造体130を形成した状態を示す。
以上の製造プロセスにおいて、第1の構造体110を形成する工程(ステップS11)と、第2の構造体130を形成する工程(ステップS16)では、以下のようなエッチング法を行う必要がある。
第1の条件は、各層の厚み方向への方向性を持つことである、第2の条件は、シリコン層に対しては浸食性を有するが、酸化シリコン層に対しては浸食性を有しないことである。
第1の条件を満たすエッチング方法として、誘導結合型プラズマエッチング法(ICPエッチング法:Induced Coupling Plasma Etching Method )を挙げることができる。このエッチング法は、垂直方向に深い溝を掘る際に効果的な方法であり、一般に、DRIE(Deep Reactive Ion Etching )と呼ばれているエッチング方法の一種である。
この方法では、材料層を厚み方向に浸食しながら掘り進むエッチング段階と、掘った穴の側面にポリマーの壁を形成するデポジション段階と、を交互に繰り返す。掘り進んだ穴の側面は、順次ポリマーの壁が形成されて保護されるため、ほぼ厚み方向にのみ浸食を進ませることが可能になる。
一方、第2の条件を満たすエッチングを行うには、酸化シリコンとシリコンとでエッチング選択性を有するエッチング材料を用いればよい。例えば、エッチング段階では、SF6ガス、およびO2ガスの混合ガスを、デポジション段階では、C4F8ガスを用いることが考えられる。
(8)第2の基体150の接合(ステップS17、および図13I)
1)第2の基体150の作成
絶縁性材料からなる基板(例えば、可動イオンを含むガラス基板)に、駆動用電極154a、検出用電極154b〜154e、及び配線層L2、L8〜L11を、例えばNdを含むAlからなるパターンによって所定の位置に形成する。また、第2の基体150をエッチングすることにより、配線用端子T1〜T11を形成するための上広の錐状貫通孔10を所定の箇所に11個形成する。ここで、ガラス基板が可動イオンを含むのは、後の陽極接合のためである。
1)第2の基体150の作成
絶縁性材料からなる基板(例えば、可動イオンを含むガラス基板)に、駆動用電極154a、検出用電極154b〜154e、及び配線層L2、L8〜L11を、例えばNdを含むAlからなるパターンによって所定の位置に形成する。また、第2の基体150をエッチングすることにより、配線用端子T1〜T11を形成するための上広の錐状貫通孔10を所定の箇所に11個形成する。ここで、ガラス基板が可動イオンを含むのは、後の陽極接合のためである。
なお、第1の基体140と同様、駆動用電極154a等の形成に先立ち、エッチング等により第2の基体150に凹部を形成しても良い。この場合、第2の構造体130へのギャップ10の形成が不要となる。即ち、重量部132と第2の基体150間のギャップは、第2の構造体130、第2の基体150の何れか、または双方に設けに設けることができる。
2)半導体基板Wと第2の基体150の接合
ポケット135にゲッター材料(サエスゲッターズジャパン社製、商品名 非蒸発ゲッター)を入れて、第2の基体150と半導体基板Wとを、例えば陽極接合により接合する。図13Iは、半導体基板Wと第2の基体150とを接合した状態を示す。
ポケット135にゲッター材料(サエスゲッターズジャパン社製、商品名 非蒸発ゲッター)を入れて、第2の基体150と半導体基板Wとを、例えば陽極接合により接合する。図13Iは、半導体基板Wと第2の基体150とを接合した状態を示す。
なお、図13Iに示された第1の基体140の上面及び/又は第2の基体150の下面を、例えばポリッシング法により研磨して、第1の基体140及び/又は第2の基体150薄肉化し、力学量センサ100全体を従来よりも薄型化することが可能である。これにより半導体基板W、第1の基体140、及び第2の基体150の合計の厚さ(最終製品の力学量センサ100の厚さ)を、例えば1000μm(例えば、半導体基板Wの厚さ400μm、第1の基体140の厚さ300μm、第2の基体150の厚さ300μm)にすることができる。半導体基板W、第1の基体140、及び第2の基体150は互いに積層されているため、第1の基体140の研磨の際には、半導体基板W及び第2の基体150が支持板として機能し、第2の基体150の研磨の際には、半導体基板W及び第1の基体140が支持板として機能するためである。
(9)配線用端子T1〜T11の形成(ステップS18、および図13J)
第2の基体150の上面及び錐状貫通孔10内に、例えばCr層、Au層の順に金属層を蒸着法やスパッタ法等により形成する。不要な金属層(配線用端子Tの上端の縁の外側の金属層)をエッチングにより除去し、配線用端子T1〜T11を形成する。
第2の基体150の上面及び錐状貫通孔10内に、例えばCr層、Au層の順に金属層を蒸着法やスパッタ法等により形成する。不要な金属層(配線用端子Tの上端の縁の外側の金属層)をエッチングにより除去し、配線用端子T1〜T11を形成する。
(10)半導体基板W、第1の基体140、第2の基体150のダイシング(ステップS19および図13K)
例えば、450℃の熱処理によってポケット135中のゲッター材料を活性化した後、互いに接合された半導体基板W、第1の基体140、及び第2の基体150にダイシングソー等で切れ込みを入れて、個々の力学量センサ100に分離する。
例えば、450℃の熱処理によってポケット135中のゲッター材料を活性化した後、互いに接合された半導体基板W、第1の基体140、及び第2の基体150にダイシングソー等で切れ込みを入れて、個々の力学量センサ100に分離する。
以上のように、本実施形態によれば、ステップS15(第3の層13の研磨)を有しているため、共振周波数等の機械的特性の仕様に関係なく、ある厚さ以上の(第3の層13の厚さが重量部132の厚さよりも厚い)半導体基板Wを選択することが可能である。そのため、本実施形態によれば、力学量センサ100の製造のために準備される半導体基板Wの厚さの選択の自由度を向上させることが可能である。これにより、同一の厚みの複数の半導体基板Wを準備して、機械的特性の仕様の異なる数種類の力学量センサ100を製造することが可能である。
また、本実施形態によれば、共振周波数等の機械的特性の仕様に関係なく、力学量センサ100の中間製品を作り置きすることが可能である。ステップS15において、中間製品(例えば、第1の基体140と接合された半導体基板W)の第3の層13を研磨することにより、機械的特性に影響を及ぼす重量部132の厚さを調整できるので、求められる仕様の機械的特性の力学量センサ100を中間製品から製造することが可能だからである。このように、最終製品(力学量センサ100)の機械的特性の仕様に関係なく同一の中間製品を作り置きできるため、その量産効果により力学量センサ100の製造コストを低減することができる。
また、本実施形態によれば、ステップS15(第3の層13の研磨)を有しているため、半導体基板Wの薄型化が容易であり、その結果、力学量センサ100全体を従来よりも薄型化することが可能である。ステップS15において、第1の基体140を接合した半導体基板Wを研磨して薄肉化処理を行っているので、第1の基体140が半導体基板Wの支持板として機能し、従来問題となっていた半導体基板の反りや破損を抑制できるからである。
また、本実施形態によれば、ステップS15(第3の層13の研磨)において第1の基体140を接合した半導体基板Wを研磨して薄肉化処理を行い、従来よりも重量部132の薄肉化が可能なため、力学量センサ100の設計の自由度を増すことができる。
(第2の実施形態)
図14は、本発明の第2の実施形態に係る力学量センサ200の主要な部分を表す一部断面図である。図10に共通する部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
図14は、本発明の第2の実施形態に係る力学量センサ200の主要な部分を表す一部断面図である。図10に共通する部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
図14に示すように、本実施形態の力学量センサ200は、第1の実施形態の力学量センサ100と、第2の構造体(第2の構造体130、230)の調整方法(その結果として厚み)において相違している。すなわち、第1の実施形態の力学量センサ100では、第1の基体140と第1の構造体110との接合後、かつ第2の基体150と第2の構造体130との接合前において、厚さが薄く調整された第2の構造体130を備えている。これに対して、本実施形態の力学量センサ200では、第1の基体140と第1の構造体110との接合後、かつ第2の基体150と第2の構造体230との接合前において、厚さが厚く調整された第2の構造体230を備えている。
力学量センサ200の構成について説明する。力学量センサ200は、互いに積層して配置される第1の構造体110、接合部120、第2の構造体230、第1の基体140、第2の基体150を備えている。
第2の構造体230は、台座231(231a〜231d)、重量部232(232a〜232e)、及びブロック下層部234(234a〜234j)から構成される。台座231の突出部231dには、ポケット235が形成されている。
本実施形態の力学量センサ200が備える第2の構造体230は、厚さが厚く調整されている点においてのみ、第1の実施形態の力学量センサ100が備える第1の構造体130と相違している。
第2の構造体230の厚さの調整方法(結果として重量部232の厚さの調整方法)としては、例えば、重量部232が形成される領域の半導体材料層への半導体層(例えばエピタキシャル層)の成膜による厚肉化や、重量部232が形成される領域の半導体材料層への半導体層の接合による厚肉化等を挙げることができる。
重量部232は、製造プロセスの途中、すなわち、第1の構造体110の作成後、かつ第2の基体150と第2の構造体230との接合前に、重量部232の形成領域の半導体材料の厚さを厚く調整して形成されたものである。
重量部232の厚さは、特に制限されず、力学量センサ200に求められる機械的特性の仕様に応じて、適宜定められる。重量部232の厚さは、例えば700μmに調整することができる。
力学量センサ200の作成工程について説明する。図15は、力学量センサ200の作成手順の一例を表すフロー図である。
図15に示すように、本実施形態では、第1の実施形態での力学量センサ100の作成方法におけるステップS15での第3の層13の研磨に代えて、ステップS25において第3の層上に半導体層を形成している点において相違している。
半導体層の形成は、例えば、エピタキシャル層の成膜や、半導体層の接合等を挙げることができる。半導体層の接合方法としては、例えば、ウエハー直接接合法、表面活性化接合法等の公知の接合方法を挙げることができる。
なお、第3の層への半導体層の形成(ステップS25)は、第1の構造体130の作成(ステップS21)の後に行ってもよいし、接合部120の作成(ステップS22)の後に行ってもよいし、導通部160〜162の作成(ステップS23)の後に行ってもよい。
以上のように、本実施形態は、ステップS25(第3の層上への半導体層の形成)を有しているため、共振周波数等の機械的特性の仕様に関係なく、ある厚さ以下の(第3の層の厚さが重量部232の厚さ以下の)半導体基板Wを選択することが可能である。そのため、本実施形態によれば、力学量センサ200の製造のために準備される半導体基板Wの厚さの選択の自由度を向上させることが可能である。これにより、同一の厚みの複数の半導体基板Wを準備して、機械的特性の仕様の異なる数種類の力学量センサ200を製造することが可能である。また、同一の厚みの複数の半導体基板Wを準備して、力学量センサ200(重量部232が厚肉化処理されたもの)と力学量センサ100(重量部132が薄肉化処理されたもの)を製造することも可能である。
また、本実施形態によれば、共振周波数等の機械的特性の仕様に関係なく、力学量センサ200の中間製品を作り置きすることが可能である。ステップS25において、中間製品(例えば、第1の基体140と接合された半導体基板W)の第3の層上に半導体層を形成することにより、機械的特性に影響を及ぼす重量部232の厚さを調整できるので、求められる仕様の機械的特性の力学量センサ200を中間製品から製造することが可能だからである。このように、最終製品(力学量センサ200)の機械的特性の仕様に関係なく同一の中間製品を作り置きできるため、その量産効果により力学量センサ200の製造コストを低減することができる。
なお、力学量センサ200(本実施形態)の中間製品と力学量センサ100(第1の実施形態)の中間製品を同じもの(例えば、第1の基体140と接合された半導体基板W)とすることも可能である。これにより、さらなる量産効果により力学量センサ100、200の製造コストをさらに低減することができる。
また、本実施形態によれば、ステップS25(第3の層上への半導体層の形成)において第1の基体140を接合した半導体基板Wの厚肉化処理を行っているため、従来よりも重量部232の厚肉化が容易な場合がある。例えば、第3の層が厚肉であるため、汎用されている従来のSOI基板の製造装置によってこのようなSOI基板を製造することが困難な場合であっても、本実施形態によればそのような厚肉の重量部232(例えば、厚さ900μmの重量部232)の力学量センサ200を容易に製造できるためである。これにより、本実施形態によれば、力学量センサ200の設計の自由度を増すことができる。
(その他の実施形態)
本発明の実施形態は上記の実施形態に限られず拡張、変更可能であり、拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
本発明の実施形態は上記の実施形態に限られず拡張、変更可能であり、拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
また、力学量センサ100、200では、第1の構造体110及び第2の構造体130、230に、導電性材料(不純物が含まれるシリコン)を用いた場合を例に説明したが、必ずしも全体がすべて導電性材料で構成されている必要はない。少なくとも、駆動用電極E1、検出用電極E1や、配線用端子T10とブロック下層部134iの下面との間を導通する部分等のような必要な部分が導電性材料によって構成されていてもよい。
Claims (11)
- 開口を有する固定部と、この開口内に配置され、かつ前記固定部に対して変位する変位部と、前記固定部と前記変位部とを接続する接続部と、を有し、かつ平板状の第1の半導体材料から一体的に構成される第1の構造体と、
前記変位部に接合される重量部と、前記重量部を囲んで配置され、かつ前記固定部に接合される台座と、を有し、第2の半導体材料から構成され、かつ前記第1の構造体に積層して配置される第2の構造体と、
前記固定部に接続されて前記第1の構造体に積層配置され、絶縁性材料から構成される第1の基体と、
前記台座に接続されて前記第2の構造体に積層配置され、絶縁性材料から構成される第2の基体と、
前記変位部に積層方向の振動を付与する振動付与部と、
前記変位部の変位を検出する変位検出部と、を具備し、
前記重量部が、前記第1の構造体の作成後、かつ前記第2の基体と前記第2の構造体との接合前に、厚さの調整がなされている力学量センサ。 - 前記重量部が、前記第1の構造体と前記第1の基体との接合後に、厚さの調整がなされている請求項1に記載の力学量センサ。
- 前記厚さの調整が、前記第2の半導体材料から構成される層の研磨によりなされる請求項1に記載の力学量センサ。
- 前記厚さの調整が、前記第2の半導体材料から構成される層への成膜によりなされる請求項1に記載の力学量センサ。
- 前記厚さの調整が、前記第2の半導体材料から構成される層への半導体層の接合によりなされる請求項1に記載の力学量センサ。
- 第1の半導体材料からなる第1の層、絶縁性材料からなる第2の層、および第2の半導体材料からなる第3の層が順に積層されてなる半導体基板の前記第1の層をエッチングして、開口を有する固定部と、この開口内に配置され、かつ前記固定部に対して変位する変位部と、前記固定部と前記変位部とを接続する接続部と、を有する第1の構造体を形成するステップと、
前記第1の構造体が作成された前記半導体基板の前記第3の層の厚さを調整するステップと、
を有する力学量センサの製造方法。 - 前記第1の構造体を形成するステップと前記第3の層の厚さを調整するステップとの間に、絶縁性材料から構成される第1の基体を、前記固定部に接合して前記第1の構造体に積層配置するステップをさらに有する請求項6に記載の力学量センサの製造方法。
- 前記厚さの調整がなされた前記第3の層をエッチングして、前記変位部に接合される重量部と、前記重量部を囲んで配置され、かつ前記固定部に接合される台座と、を有する第2の構造体を形成するステップと、
絶縁性材料から構成される第2の基体を、前記台座に接合して前記第2の構造体に積層配置するステップと、
をさらに有する請求項6に記載の力学量センサの製造方法。 - 前記第3の層の厚さを調整するステップが、前記第3の層を研磨するステップを有する請求項6に記載の力学量センサの製造方法。
- 前記第3の層の厚さを調整するステップが、前記第3の層上に半導体層を成膜するステップを有する請求項6に記載の力学量センサの製造方法。
- 前記第3の層の厚さを調整するステップが、前記第3の層上に半導体層を接合するステップを有する請求項6に記載の力学量センサの製造方法。
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