WO2012014792A1 - 物理量センサ及びその製造方法 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a physical quantity sensor formed by finely processing a silicon substrate, and more particularly, to a physical quantity sensor excellent in airtightness and electrical stability.
- Patent Document 1 discloses an invention related to a sensor module.
- the electrode forming substrate and the circuit forming substrate are opposed to each other above and below the sensor substrate.
- the sensor substrate and the electrode forming substrate, and the sensor substrate and the circuit forming substrate are joined by a sealing metal layer.
- the substrates are sealed by Au—Au bonding. In such a case, room temperature bonding is performed.
- through-hole wirings are formed in the sensor substrate and the electrode formation substrate so as to penetrate between the upper and lower surfaces. According to Patent Document 1, the through-hole wiring and each substrate are insulated.
- Patent Document 1 a structure in which each substrate is sealed with metal is also disclosed in Patent Document 2.
- the physical quantity sensor includes a component in which a plurality of silicon substrates are stacked with an insulating layer interposed therebetween, and each silicon substrate is in an electrically floating state (anywhere electrically Is not connected). For this reason, there has been a problem that the electrical stability cannot be improved, for example, parasitic capacitance increases and noise is likely to be generated.
- a movable part for detecting a physical quantity change is provided largely in the center, and a frame part surrounding the movable part is provided around the movable part. And the upper and lower sides of a frame part are sealed between the board
- the present invention solves the above-described conventional problems, and particularly aims to provide a physical quantity sensor that is excellent in both airtightness and electrical stability.
- the physical quantity sensor includes a conductive first base material, a conductive second base material, a movable part disposed between the first base material and the second base material, and A conductive functional member having a frame portion surrounding the movable portion, and a detection portion for detecting displacement of the movable portion;
- the frame body and the first base material are joined by a first insulating layer, A first metal layer is formed on a surface of the functional member facing the second base material, and the first metal layer is formed in a frame shape on the facing surface of the frame body portion.
- 1 sealing layer separated from the first sealing layer, penetrates the functional member and the first insulating layer, and is electrically connected to the frame body portion and the first base material.
- a first contact layer, and A second insulating layer is formed on a surface of the second base material facing the functional member, and a second metal layer is formed on a surface of the second insulating layer;
- the second metal layer is separated from the second sealing layer formed at a position facing the first sealing layer and the second sealing layer, and penetrates the second insulating layer.
- a second contact layer electrically connected to the second base material,
- the first sealing layer and the second sealing layer are eutectic bonded, and the space between the frame body portion and the second base material is sealed, and the first sealing layer and The first contact layer and the second contact layer separated from the second sealing layer are electrically connected to each other, and the first base material, the second base material, and the frame are connected.
- the body part is set to the same potential.
- the present invention also provides a conductive first base material, a conductive second base material, a movable portion disposed between the first base material and the second base material, and the movable base material.
- a method of manufacturing a physical quantity sensor comprising: a conductive functional member having a frame body portion surrounding a portion; and a detection unit for detecting displacement of the movable unit, The frame body and the first base material are joined by a first insulating layer, A first metal layer is formed on a surface of the functional member facing the second base material, and at this time, the first metal layer is formed in a frame shape on the surface of the frame body.
- a second metal layer is formed on the surface of the second insulating layer formed on the surface of the second base material facing the functional member. At this time, the second metal layer is formed on the first insulating layer.
- a second sealing layer formed at a position opposite to the sealing layer, and the second sealing layer, separated from the second sealing layer, and electrically connected to the second base material through the second insulating layer A second contact layer to be configured, The first sealing layer and the second sealing layer are eutectic bonded and the first contact layer and the second sealing layer separated from the first sealing layer and the second sealing layer, respectively. Electrically connecting the two contact layers to bring the first base material, the second base material and the frame body portion to the same potential; It is characterized by having.
- the first sealing layer and the first contact layer are separated, and the second sealing layer and the second contact layer are separated.
- an insulating layer exists between the 1st base material and a functional member, or the surface of a 2nd base material. Therefore, each base material is in an electrically floating state.
- each contact layer separated from each sealing layer is electrically connected to each base material through the insulating layer, and between the first contact layer and the second contact layer is electrically connected.
- the frame body part excluding the movable part (electrode part) among the first base material, the second base material, and the functional member can be set to the same potential.
- a limited area of the physical quantity sensor can be effectively used, and downsizing of the physical quantity sensor can be promoted.
- Patent Document 1 does not disclose a structure for setting the same potential between substrates stacked via an insulating layer.
- the sealing layer is Au—Au room temperature bonding and not eutectic bonding as in the present invention.
- the first sealing layer and the first contact layer are separated, and the second sealing layer and the second contact portion are formed separately.
- the phenomenon that the eutectic-reacted metal flows out to the contact layer can be suppressed. Therefore, the first sealing layer and the second sealing layer can be appropriately eutectic bonded, and the space between the frame body portion of the functional member and the second base material can be appropriately sealed.
- the parasitic capacitance can be reduced, noise can be suppressed, and the electrical stability can be improved, and the eutectic-reacted metal is sealed during eutectic bonding. Outflow from the position of the layer to the contact layer can be suppressed, and each substrate can be appropriately sealed, and a physical quantity sensor excellent in reliability can be obtained.
- the first metal layer has a first electrical connection layer formed on the surface of the functional member that is electrically connected directly or indirectly to the first contact layer
- the second metal layer further includes a second electrical connection layer formed integrally with the second contact layer,
- the first electrical connection layer and the second electrical connection layer are eutectic-bonded, and the first contact layer and the second contact layer are connected to the first electrical connection layer and the second electrical connection layer. It is preferable to be electrically connected via an electrical connection layer.
- the first contact layer and the second contact layer can be electrically connected with a simple structure.
- the first contact layer, the second contact layer, the first electrical connection layer, and the second electrical connection layer are all in the plan view in the first sealing layer. And it is preferable to be formed at a position between the second sealing layer and the movable part.
- the physical quantity sensor can be downsized.
- the first electrical connection layer and the second electrical connection layer are formed in different length dimensions, and the electrical connection layer formed long is provided on the side where the electrical connection layer is formed short. It is preferable that a protruding joining stopper portion is formed at a position facing the connection layer. During eutectic bonding, it is possible to suppress pressing between the substrates more than a predetermined amount, and a stable eutectic bonding state can be obtained.
- each of the first sealing layer and the second sealing layer is formed with curved corners.
- the first sealing layer and the second sealing layer are each formed with a substantially constant width.
- the first metal layer is formed with Ge, Mg, or Zn
- the second metal layer is formed with Al or an Al alloy
- the metal layer is formed with Ge, Mg, or Zn
- the first metal layer is formed with Al or an Al alloy.
- Al or Al alloy is easy to soften during eutectic bonding, and Al or Al alloy tends to flow out into the contact layer in the configuration of the comparative example described above.
- each contact layer is formed separately from each sealing layer, it is possible to suppress the contact layer outflow phenomenon from the sealing layer even if Al or an Al alloy is used. .
- the parasitic capacitance can be reduced, noise can be suppressed, and the electrical stability can be improved, and the eutectic reaction during eutectic bonding is caused by the position of the sealing layer. It is possible to suppress the flow out from the contact layer to the contact layer, and it is possible to appropriately seal between the substrates, and to make the physical quantity sensor excellent in reliability.
- FIG. 1 is a partial longitudinal sectional view of the physical quantity sensor shown in FIG. 1 cut along the line CC and viewed from the direction of the arrow;
- the perspective view which shows the state which the physical quantity sensor of this embodiment is operating (A) is the partial perspective view which shows the back surface state of a functional member, (b) is the partial top view which shows the surface state of a wiring board, A portion of a physical quantity sensor having a functional board shown in FIG. 5 (a) and a wiring board shown in FIG.
- FIG. 5B is a diagram illustrating a first sealing layer formed on a functional member of a physical quantity sensor in a comparative example, a first contact layer, and a second formed on a wiring board.
- FIG. 1 is a plan view of a physical quantity sensor (plan view of a functional member) in an embodiment different from FIG. It is a physical quantity sensor in 2nd Embodiment of this invention, (a) is the partial perspective view which shows the back surface state of a functional member, (b) is the partial top view which shows the surface state of a wiring board, Overall model diagram in simulation experiment, Distribution diagram of bonding pressure showing simulation experiment results of comparative example, Distribution diagram of the bonding pressure showing the simulation experiment results of the example,
- the Y direction is the left-right direction
- the Y1 direction is the left direction
- the Y2 direction is the right direction
- the X direction is the front-rear direction
- the X1 direction is the front
- the X2 direction is the rear.
- the direction perpendicular to both the Y direction and the X direction is the vertical direction (Z direction; height direction).
- the physical quantity sensor shown in FIG. 1 is formed having, for example, a conductive functional member (silicon substrate) 9 which is a rectangular flat plate. That is, a planar resist layer corresponding to the shape of each part is formed on the functional member 9, and the silicon substrate is etched by deep RIE (deep reactive ion etching) at a part where the resist layer does not exist. Each part is separated by cutting in the process. Therefore, each part formed in the functional member 9 of the physical quantity sensor is configured within the range of the thickness of the front surface and the back surface of the silicon substrate. As shown in FIG. 3 (the frame body portion 8 shown in FIG.
- the functional member 9 when the physical quantity sensor is in a stationary state under zero gravity, the functional member 9 is positioned on the same surface on the entire front surface and the entire back surface. And there are no parts protruding from the front and back surfaces. Since the actual physical quantity sensor is used on the earth, the functional member 9 is slightly displaced by the influence of the gravity of the earth even when it is stationary.
- the functional member 9 constituting the physical quantity sensor has a movable part 2 and a frame body part 8 around the movable part 2.
- the movable part 2 includes a weight part 2a that is displaced in parallel to the height direction (Z), and rotation support parts 3, 4, 14, provided inside the weight part 2a. 15.
- the planar shapes of the rotation support portions 3 and 4 are formed in a crank shape.
- a connecting arm 3a extending forward (X1) and a leg portion 3b extending rearward (X2) are integrally formed.
- the second rotation support portion 4 is formed integrally with a connecting arm 4a extending rearward (X2) and a leg portion 4b extending forward (X1).
- the connecting arms 3a and 4a and the leg portions 3b and 4b are formed in a shape extending away from the anchor portions 5 to 7, and extending in a predetermined width dimension in parallel to the front-rear direction (X1-X2 direction). Yes.
- a central anchor portion 5, a left anchor portion 6, and a right anchor portion 7 are provided inside the movable portion 2.
- the anchor portions 5 to 7 are provided at predetermined intervals in the left-right direction (Y).
- the width dimension in the front-rear direction (X) of the center anchor part 5, the left anchor part 6 and the right anchor part 7 is substantially the same.
- Each anchor portion 5 to 7 is a partial longitudinal sectional view taken along the line CC in FIG. 2 and viewed from the direction of the arrow in FIG. 2. However, only the anchor portion 5 is shown in FIG. As shown in FIG. 2, the first base 10 is fixedly supported via an oxide insulating layer (SiO 2 layer; first insulating layer) 25.
- SiO 2 layer first insulating layer
- the frame body portion 8 provided around the movable portion 2 is fixedly supported by the first base material 10 via an oxide insulating layer (SiO 2 layer) 25.
- the conductive first base material 10 is, for example, a silicon substrate.
- the oxide insulating layer 25 is not provided at a position facing the movable portion 2.
- the functional member 9 constituting the first base material 10, the oxide insulating layer 25, and the movable portion 2, the anchor portions 5 to 7 and the frame body portion 8 shown in FIG. 1 is, for example, an SOI substrate.
- the first substrate 10, the oxide insulating layer 25, and the functional member 9 constitute a sensor substrate 26.
- the distal end portion of the connecting arm 3 a of the first rotation support portion 3 and the weight portion 2 a are rotatably connected to each other at the connection portion 11 a, and the second rotation support portion 4
- the distal end portion of the connecting arm 4a and the weight portion 2a are rotatably connected at the connecting portion 11b.
- the connecting arm 3a of the first rotation support portion 3 is rotatably connected at the left anchor portion 6 and the fulcrum connection portion 12b, and at the center anchor portion 5 and the support connection portion 12a.
- the first connection arm 4a of the second rotation support portion 4 is rotatable at the right anchor portion 7 and the fulcrum connection portion 13b, and at the center anchor portion 5 and the support connection portion 13a. It is connected.
- a third rotation support portion 14 formed separately from the weight portion 2a and the left anchor portion 6 is provided behind the left anchor portion 6 (X2), and the right anchor portion is provided.
- a fourth rotation support portion 15 formed separately from the weight portion 2a and the right anchor portion 7 is provided in front (X1) of FIG.
- the tip end portion of the third rotation support portion 14 and the weight portion 2a are rotatably connected at a connecting portion 16a.
- tip part of the 4th rotation support part 15 and the weight part 2a are connected so that rotation is possible in the connection part 16b.
- the 3rd rotation support part 14 and the left anchor part 6 are rotatably connected in the fulcrum connection part 17a.
- foot_warmer part 7 are rotatably connected in the fulcrum connection part 17b.
- connection part 18a As shown in FIG. 1, the connecting arm 3a of the first rotation support part 3 and the third rotation support part 14 are connected via a connection part 18a. As shown in FIG. 1, the connecting arm 4a of the second rotation support part 4 and the fourth rotation support part 15 are connected via a connection part 18b.
- connection part 11a, 11b, 16a, 16b and each fulcrum connection part 12a, 13a, 13b, 17b are comprised by the torsion bar (spring part) which has spring property by cutting out a silicon substrate thinly by an etching. Is done.
- the physical quantity sensor is provided with a first base material 10 on one side separated from the weight part 2a in the height direction and a wiring board 30 on the other side.
- a fixed electrode 37 is provided on the surface of the wiring board 30.
- the wiring substrate 30 has a configuration in which an insulating layer (second insulating layer) 30b is formed on the surface of a conductive second base material (silicon substrate) 30a, and the fixed electrode 37 is conductive on the insulating layer 30b. It is formed by sputtering or plating a conductive metal material.
- the weight part 2 a functions as a movable electrode and constitutes a detection part together with the fixed electrode 37.
- the anchor portions 5 to 7 and the wiring substrate 30 are eutectic bonded by a metal bonding layer 50.
- a wiring layer 51 is formed inside the insulating layer 30b of the wiring board 30.
- the wiring layer 51 is electrically connected to the bonding layer 50 and is drawn out through the inside of the insulating layer 30b. (Not shown).
- the frame body portion 8 and the wiring substrate 30 are eutectic bonded by a metal sealing layer 52.
- This physical quantity sensor is shown in FIG. 3 by the elastic restoring force of each fulcrum connecting part and the torsion bar (spring part) provided at the connecting part when no force (acceleration etc.) is applied from the outside under zero gravity. As shown, the surfaces of all the parts are kept in the same plane. When this physical quantity sensor is actually used, it is slightly displaced due to the gravity of the earth.
- the acceleration acts on the weight portion 2a, the anchor portions 5 to 7 and the frame body portion 8.
- the weight portion 2a tries to stay in the absolute space due to the inertial force, and as a result, the weight portion 2a moves relative to each of the anchor portions 5 to 7 in a direction opposite to the direction in which the acceleration acts.
- the weight portion 2a is displaced from the position of the stationary state shown in FIG. 3 in the height direction by inertial force, so that the first rotation support portion 3 is centered on the fulcrum connecting portions 12a and 12b.
- the second rotation support portion 4 rotates in the height direction around the fulcrum connection portions 13a and 13b, and the third rotation support portion 14 centers around the fulcrum connection portion 17a.
- the fourth rotation support portion 15 rotates in the height direction around the fulcrum connection portion 17b.
- the torsion bars provided at the respective connecting portions 11a, 11b, 16a, 16b, 18a, 18b and the fulcrum connecting portions 12a, 12b, 13a, 13b, 17a, 17b are torsionally deformed.
- the weight part 2a can be effectively translated in the height direction (Z) by the support mechanism of the weight part 2a of the present embodiment.
- the leg portions 3b and 4b protrude in the direction opposite to the displacement direction of the weight portion 2a due to a change in physical quantity.
- the leg portions 3b and 4b are arranged so that the tip portions of the leg portions 3b and 4b are on the surface of the wiring board 30 (stopper surface) before the weight portion 2a contacts the surface 10a of the first base material 10 shown in FIG. ) Abuts on 30c and suppresses the displacement of the weight portion 2a in the height direction.
- the leg portions 3b and 4b that are displaced in the direction opposite to the displacement direction of the weight portion 2a are provided, and the stopper mechanism that suppresses the displacement of the weight portion 2a in the height direction (Z) is provided.
- FIG. 5 (a) is a partial perspective view showing the back surface state of the functional member 9 shown in FIG.
- FIG. 5A does not show the structure of the movable portion 2 and the anchor portions 5 to 7 shown in FIG.
- FIG. 5B is a partial plan view showing the surface state of the wiring board 30.
- the protrusions of the insulating layer 30b provided at positions facing the fixed electrode 37 and the anchor portions 5 to 7 shown in FIG. 2 and the metal on the surface of the protrusions are not shown.
- FIG. 6 shows a physical quantity sensor having a sensor board 26 including the functional member 9 shown in FIG. 5A and a wiring board 30 shown in FIG. It is a partial expanded longitudinal cross-sectional view when seen from.
- the first sealing of the frame-shaped pattern is performed on the back surface (facing surface facing the wiring substrate 30) 8 a of the frame body portion 8 so as to surround the periphery of the movable portion 2.
- Layer 56 is formed.
- the back surface 8 a of the frame body portion 8 is located inside the first sealing layer 56 (between the movable portion 2 and the first sealing layer 56).
- a first contact layer 57 is formed.
- the first contact layer 57 is formed separately from the first sealing layer 56.
- the first contact layer 57 penetrates the frame body portion 8 (functional member 9) and the oxide insulating layer 25 and is electrically connected to the surface of the frame body portion 8 and the first base material 10. Has been.
- the back surface 8 a of the frame body portion 8 is located inside the first sealing layer 56 (between the movable portion 2 and the first sealing layer 56).
- a first electrical connection layer 58 is formed.
- the first electrical connection layer 58 is formed separately from the first sealing layer 56 and the first contact layer 57. However, the first electrical connection layer 58 may be connected to the first contact layer 57.
- the arrangement, planar shape, and number of the first contact layer 57 and the first electrical connection layer 58 may be other than those shown in FIG. However, with the configuration of FIG. 5A, the limited area between the movable portion 2 and the first sealing layer 56 can be effectively utilized, and downsizing of the physical quantity sensor can be promoted.
- the first sealing layer 56, the first contact layer 57, and the first electrical connection layer 58 are formed by the first metal layer 59.
- the first metal layer 59 is preferably formed with Ge, Mg, and Zn. Among these, it is more preferable to select Ge.
- the first metal layer 59 may have a single layer structure or a laminated structure.
- the first metal layer 59 can be formed by sputtering or the like.
- a through hole 60 that penetrates the frame body portion 8 and the oxide insulating layer 25 is formed in the first contact layer 57.
- the metal layer 59 is formed in the first contact layer 57.
- the inside of the first contact layer 57 is not completely filled with the first metal layer 59, and a part of the through hole 60 remains. It should be noted that almost the entire inside of the through hole 60 may be filled with the first metal layer 59.
- the first metal layer 59 is also formed on the back surfaces of the anchor portions 5 to 7 shown in FIG.
- the insulating layer 30 b formed on the surface of the second base material 30 a constituting the wiring substrate 30 is a laminated structure of the lower insulating layer 30 b 1 and the upper insulating layer 30 b 2. It has become.
- the upper insulating layer 30b2 is SiN. Thereby, variation in the height dimension of the through hole 61 formed in the insulating layer 30b and the protrusions 62 to 64 can be suppressed.
- the surface 30 c of the insulating layer 30 b is formed with a projection 62 at a position facing the first sealing layer 56, and the second surface is formed on the surface of the projection 62.
- a sealing layer 65 is formed.
- the pattern width of the first sealing layer 56 is T1
- the pattern width of the second sealing layer 65 is T2.
- T2 is formed larger than the pattern width T1.
- a second contact layer 66 is formed on the surface 30 c of the insulating layer 30 b on the inner side of the second sealing layer 65.
- the second contact layer 66 is formed separately from the second sealing layer 65.
- the second contact layer 66 penetrates the insulating layer 30b and is electrically connected to the surface of the second base material 30a.
- a protrusion 63 is formed on the surface 30 c of the insulating layer 30 b at a position facing the first electrical connection layer 58 and extends from the second contact layer 66.
- a second electrical connection layer 67 is formed on the surface of the protrusion 63.
- the second electrical connection layer 67 has a shorter length dimension (dimension in the X1-X2 direction) than the first electrical connection layer 58, and the second electrical connection layer 67
- a protrusion 64 is formed at a position facing the first electrical connection layer 58. This protrusion 64 functions as a bonding stopper.
- the protrusion 64 protrudes most, and the protrusions 62 and 63 are formed at the same height and one step lower than the protrusion 64. Since the protruding portion 64 functions as a bonding stopper portion as described above, the protruding portion 64 is the same height as or slightly lower than the top portion of the second metal layer 68.
- the arrangement, planar shape, and number of the second contact layer 66 and the second electrical connection layer 67 are configured in accordance with those of the first contact layer 57 and the first electrical connection layer 58.
- the first contact layer 57 and the second contact layer 66 are arranged so as to be shifted in the planar direction. This is because the second sealing layer 65 is formed wider than the first sealing layer 56, and the usable region of the surface 30c of the wiring board 30 (the fixed electrode 37 and the second electrode shown in FIG. 2). This is because the second contact layer 66 is further separated from the second sealing layer 65 by effectively utilizing the region between the sealing layers 65.
- the second sealing layer 65, the second contact layer 66, and the second electrical connection layer 67 are formed by the second metal layer 68.
- the second metal layer 68 is preferably formed of Al or an Al alloy. Examples of the Al alloy include AlCu.
- the second metal layer 68 may have a single layer structure or a laminated structure. As the laminated structure, Ta / AlCu / Ge or the like can be presented.
- the second metal layer 68 can be formed by sputtering or the like.
- a through hole 61 penetrating the insulating layer 30b is formed, and the second metal layer 68 is formed from the surface 30c of the insulating layer 30b to the inner surface of the through hole 61.
- the inside of the second contact layer 66 is not completely filled with the second metal layer 68, and a part of the through hole 61 remains.
- the substantially entire inside of the through hole 61 may be filled with the second metal layer 68.
- the second metal layer 68 is also formed on the surface of the protrusion formed on the surface of the insulating layer 30b facing each of the anchor portions 5 to 7 shown in FIG.
- the second metal layer 68 is also formed as the fixed electrode 37 (see FIG. 2).
- the material and film thickness of the second metal layer 68 constituting the fixed electrode 37 and the other second metal layer 68 are not necessarily the same. That is, the second metal layer 68 constituting the fixed electrode 37 and the second metal layer 68 constituting the second sealing layer 65, the second contact layer 66 and the second electrical connection layer 67 are separately provided. It is also possible to form by this process.
- the fixed electrode 37 is preferably formed thinner than the second sealing layer 65, the second contact layer 66, and the second electrical connection layer 67. This is because the movable range in the height direction of the movable portion 2 (the weight portion 2a) can be increased.
- the first sealing layer 56 (first metal layer 59) and the second sealing layer 65 (second metal layer 68) shown in FIGS. 2 and 6 are eutectic-bonded to form the sealing layer 52. Is formed.
- the first metal layer 59 and the second metal layer 68 located between each of the anchor portions 5 to 7 and the wiring substrate 30 are eutectic bonded to form the bonding layer 50.
- the first electrical connection layer 58 (first metal layer 59) and the second electrical connection layer 67 (second metal layer 68) are eutectic bonded to form the electrical connection layer 77.
- FIG. 7 is a process diagram showing a method of manufacturing a physical quantity sensor according to this embodiment. Each drawing is a partial longitudinal sectional view during the manufacturing process.
- the sensor substrate 26 includes an SOI substrate including a conductive first base material (silicon substrate) 10, an oxide insulating layer (SiO 2 layer; first insulating layer) 25, and a conductive functional member (silicon substrate) 9. Is used.
- the functional member 9 of the SOI substrate is cut into each part shown in FIG. 1 by deep RIE. Although not shown in FIG. 1 and FIG. 7A, a large number of fine holes are formed in the movable portion 2, and the movable portion 2 is interposed between the movable portion 2 and the first base material 10 through the fine holes. The oxide insulating layer 25 is removed.
- a through-hole 60 that reaches the first base material 10 through the frame body portion 8 and the oxide insulating layer 25 is formed.
- a first metal layer 59 is formed in a predetermined region on the back surface of the functional member 9 by sputtering or the like.
- a first sealing layer 56, a first contact layer 57, and a first electrical connection layer 58 are formed on the back surface 8 a of the frame body portion 8 by the first metal layer 59.
- the first sealing layer 56 and the first contact layer 57 are formed separately.
- the first contact layer 57 and the first electrical connection layer 58 are formed inside the first sealing layer 56 (between the first sealing layer 56 and the movable portion 2).
- a first metal layer 59 is also formed on the back surfaces of the anchor portions 5-7.
- the first metal layer 59 It is preferable to form the first metal layer 59 with Ge, Mg, or Zn. Of these, Ge is preferably used.
- the wiring board 30 is formed.
- An insulating layer (second insulating layer) 30b is formed on the surface of a conductive second base material (silicon substrate) 30a constituting the wiring board 30.
- the second insulating layer 30b has a laminated structure as shown in FIG.
- a wiring layer 51 (see FIG. 2) is also formed inside the insulating layer 30b.
- the protrusions 62 to 64 are formed on the surface 30c of the insulating layer 30b by etching.
- a through hole 61 that penetrates through the insulating layer 30b and reaches the second base material 30a is formed.
- a second metal layer 68 is formed in a predetermined region on the surface of the insulating layer 30b by sputtering or the like.
- a second sealing layer 65, a second contact layer 66, and a second electrical connection layer 67 are formed on the surface 30c of the insulating layer 30b by the second metal layer 68.
- the second sealing layer 65 and the second contact layer 66 are formed separately.
- the second contact layer 66 and the second electrical connection layer 67 are integrally formed.
- the second sealing layer 65 is formed on the protrusion 62 provided at a position facing the first sealing layer 56.
- the second electrical connection layer 67 is formed on the protrusion 63 formed on the surface 30c of the insulating layer 30b.
- a second metal layer 68 is also formed on the surface of the protrusion formed at a position facing each of the anchor portions 5-7. Further, a fixed electrode 37 (see FIG. 2) is formed. The second metal layer 68 constituting the fixed electrode 37 and the other second metal layer 68 may be different in material, structure, and the like.
- the second metal layer 68 It is preferable to form the second metal layer 68 with Al or an Al alloy.
- AlCu can be preferably applied as the Al alloy.
- the sensor substrate 26 manufactured in the process of FIG. 7A and the wiring substrate 30 manufactured in the process of FIG. 7B are opposed to each other at a predetermined heat treatment temperature. Press contact.
- the first sealing layer 56 first metal layer 59
- the second sealing layer 65 first metal layer formed on the surface 30c of the insulating layer 30b.
- the sealing layer 52 can be formed by eutectic bonding with the second metal layer 68). Thereby, between the frame part 8 and the wiring board 30 can be sealed appropriately.
- first electrical connection layer 58 (first metal layer 59) formed on the back surface 8a of the frame body 8 and the second electrical connection layer 67 (second layer) formed on the surface 30c of the insulating layer 30b.
- the electrical connection layer 77 can be formed by eutectic bonding with the metal layer 68).
- first metal layer 59 formed on the back surfaces of the anchor portions 5 to 7 and the second metal layer 68 formed on the wiring substrate 30 side are eutectic bonded to each other to form the bonding layer 50 (see FIG. 2). ) Can be formed.
- the first sealing layer 56 and the first contact layer 57 are separated from each other, and the second sealing layer 65 and the second contact layer 66 are separated from each other. did.
- the sensor substrate 26 includes the oxide insulating layer 25, and the wiring substrate 30 also includes the insulating layer 30 b. Therefore, in the present embodiment, the contact layers 57 and 66 separated from the sealing layers 56 and 65 are electrically connected to the base materials 9, 10 and 30 a through the insulating layers 25 and 30 b.
- the first contact layer 57 and the second contact layer 66 are electrically connected to each other, so that the movable portion (electrode portion) among the first base material 10, the second base material 30a, and the functional member 9 is connected.
- the frame body portion 8 excluding 2 can be set to the same potential. Thereby, stray capacitance generated in the physical quantity sensor can be appropriately removed, and a highly accurate output can be obtained. Further, by connecting the contact layers 57 and 66 penetrating the insulating layer, the limited area of the physical quantity sensor can be effectively used, and the physical quantity sensor can be reduced in size.
- first sealing layer 56 and the first contact layer 57 are separated from each other, and the second sealing layer 65 and the second contact layer 66 are separated from each other.
- FIG. 8A shows the first sealing layer 56 formed on the functional member 9 of the physical quantity sensor according to the present embodiment, the first contact layer 57, and the second sealing formed on the wiring board 30.
- FIG. 6 is a partial plan view in which a layer 65 and a second contact layer 66 are overlaid.
- FIG. 8B shows the first sealing layer 70 formed on the functional member of the physical quantity sensor in the comparative example, the first contact layer 71, and the second sealing layer 72 formed on the wiring board.
- FIG. 6 is a plan view in which second contact layers 73 are superimposed.
- the first sealing layer 70 and the first contact layer 71 are formed integrally, and the second sealing layer 72 and the second contact layer 73 are integrated. Is formed. That is, unlike the present embodiment shown in FIG. 8A, the first sealing layer 70 and the first contact layer 71 are not separated from each other, and the second sealing layer 72 and the second sealing layer 72 are not separated from each other. The contact layer 73 is not separated.
- the first sealing layer 70 and the first contact layer 71 are made of Ge
- the second sealing layer 72 and the second contact layer 73 are made of Al.
- the first contact layer 71 and the second contact layer 73 are bonded by eutectic bonding with the first sealing layer 70 and the second sealing layer 72 by performing pressure contact while performing a predetermined heat treatment. In this state, they are electrically connected through the sealing layers 70 and 72.
- the second contact layer 73 is located at a lower position than the sealing layers 70 and 72 due to the protrusion shape formed on the insulating layer on the wiring board side, so that metal is particularly used for the second contact layer. 73 is easy to flow.
- voids 75 are likely to be formed in the sealing layer 74 formed by eutectic bonding of the sealing layers 70 and 72, and gas or liquid easily enters the inside of the sensor by using the void 75 as a leak path, thereby improving the reliability of the sensor. There was a problem of lowering.
- the first sealing layer 56 and the first contact layer 57 and between the second sealing layer 65 and the second contact layer 57 are separated from each other, the first and second sealing layers 56 and 65 are pressed together while performing a predetermined heat treatment to form a eutectic bond between the first sealing layer 56 and the second sealing layer 65.
- 65 that can be easily softened for example, Al
- the second sealing layer 65 is located higher than the second contact layer 66, but the second sealing layer 65 and the second contact layer 66 are not connected to each other. The softened metal does not flow out from the second sealing layer 65 toward the second contact layer 66.
- the first sealing layer 56 and the second sealing layer 65 can be appropriately eutectic-bonded, and the problem that the void 75 as shown in FIG. 8B is generated in the sealing layer 52 can be suppressed.
- the space between the frame body portion 8 of the functional member 9 and the wiring board 30 can be appropriately sealed.
- the electrical stability can be improved and the sealing layer can be formed at the time of eutectic bonding. It is possible to suppress the outflow of the metal to the contact layer, to properly seal between the substrates, and to make the physical quantity sensor excellent in reliability.
- a first electrical connection layer 58 formed of the first metal layer 59 and a second electrical connection layer 67 formed of the second metal layer 68 are provided. Provided. Then, eutectic bonding can be performed between the first electrical connection layer 58 and the second electrical connection layer 67. At this time, the second contact layer 66 and the second electrical connection layer 67 need to be connected. If it is separated, it is electrically insulated by the insulating layer 30 b interposed between the second contact layer 66 and the second electrical connection layer 67. On the other hand, the first contact layer 57 and the first electrical connection layer 58 may be separated as shown in FIG.
- the first contact layer 57 and the first electrical connection layer 58 are electrically connected via the conductive functional member 9 which is a silicon substrate. Whether or not the first contact layer 57 and the first electrical connection layer 58 are separated can be variously selected depending on the structure of the physical quantity sensor or the like, but the first contact layer 57 and the first electrical connection layer 58 can be selected.
- the first contact layer 57 and the first electrical connection layer 58 are preferably separated from each other if there is no problem in electrical connection with the electrical connection layer 58 via the functional member 9.
- the first contact layer 57 can be completely independent. For example, when Al or an Al alloy is used for the first metal layer 59 and Ge, Mg, or Zn is used for the second metal layer 68, the metal easily flows out to the first contact layer 57.
- the second contact layer 66 is connected to the first electrical connection layer 58 and the second electrical connection layer 67 which are eutectic bonded. Therefore, when eutectic bonding is performed, a metal that is easily softened flows out to the second contact layer 66, and a void is formed in the electric connection layer 77 including the first electric connection layer 58 and the second electric connection layer 67. There is a possibility. However, even if voids occur in the electrical connection layer 77, there is no functional problem. In the present embodiment, the generation of voids in the sealing layer 52 is suppressed, and even if voids are generated in the electrical connection layer 77 located inside the sealing layer 52, the airtightness between the substrates is impaired. Absent.
- the movable part 2 must be formed on the functional member 9, and the space margin is smaller than that on the wiring board 30 side, so as shown in FIG.
- the portions can be arranged and formed more efficiently if the pattern width T1 of the first sealing layer 56 is made narrower than the pattern width T2 of the second sealing layer 65.
- sealing layer and the contact layer in the present embodiment can be applied to other embodiments.
- FIG. 9 is a plan view of a physical quantity sensor 80 according to another embodiment different from FIG.
- the silicon substrate (functional member) 81 constituting the physical quantity sensor 80 anchor portions 82 and 83, support arm portions 84 and 85 extending integrally from the anchor portions 82 and 83, and a weight portion 86 are formed by deep RIE.
- the frame body part 96 is formed separately.
- the weight portion 86 is integrally formed with a comb-like movable electrode 86a (only one movable electrode is provided with a reference numeral).
- the weight portion 86 and the support arm portions 84 and 85 are connected by spring portions 87 to 90.
- the anchor portions 91 and 92 and the anchor portions 91 and 92 are integrally formed on the silicon substrate (functional member) 81 by deep RIE, and are alternately arranged with the movable electrodes 86a.
- a comb-like fixed electrode 93 (only one fixed electrode is provided with a reference numeral) is formed separately from the weight portion 86.
- it can be used as an acceleration sensor that detects acceleration in the Y1 direction or the Y2 direction.
- the first metal is formed between the frame body portion 96 provided around the weight portion 86 and the wiring board (not shown) provided to face the frame body portion 96. And a second metal are sealed by eutectic bonding. Then, a contact layer 99 that is separated from the sealing layer 98 provided in the frame body portion 96 and penetrates the insulating layer is formed, and a contact that penetrates the insulating layer separated from the sealing layer (not shown) provided on the wiring board. A layer (not shown) is formed.
- FIG. 10A and 10B are physical quantity sensors according to the second embodiment of the present invention, in which FIG. 10A is a partial perspective view showing a back surface state of a functional member, and FIG. 10B is a partial plan view showing a surface state of a wiring board. .
- the same reference numerals as those in FIG. 5 denote the same parts as those in FIG.
- each of the sealing layers 56 and 65 includes linear or belt-like parallel portions 56a to 56d and 65a to 65d extending in parallel to the X1-X2 direction and the Y1-Y2 direction,
- the curved portions 56e to 56h and 65e to 65h are connected between the parallel portions.
- the four corners of each of the sealing layers 56 and 65 are formed in a curved shape unlike the cases of FIGS. 5A and 5B.
- the width dimension of the stop layers 56 and 65 is formed with a substantially constant width. Accordingly, a substantially uniform bonding pressure can be applied to the entire bonding surfaces of the sealing layers 56 and 65, and generation of voids in the unbonded region and the bonding surface can be suppressed.
- the constant width of the sealing layers 56 and 65 can be realized by separating the first contact layer 57 and the second contact layer 66 from the sealing layers 56 and 65. It will be.
- the sealing layers 56 and 65 may be formed in a shape having a substantially constant width including an outer periphery and an inner periphery such as a circular shape and an elliptical shape.
- This embodiment can be applied not only to acceleration sensors but also to general physical quantity sensors such as angular velocity sensors and impact sensors.
- the sensor substrate 26 and the wiring substrate 30 shown in FIG. 11 are model diagrams used in the simulation experiment.
- the sensor substrate 26 has a first sealing layer 56 having a constant thickness and a first electrical connection made of Ge on the back surface of the silicon substrate.
- the layer 58 was formed.
- the wiring substrate 30 was configured such that a SiN layer was formed on the surface of a silicon substrate, and a second sealing layer 65 and a second electrical connection layer 67 made of Al were formed on the surface thereof.
- the sealing layers 56 and 65 have the shape shown in FIG.
- the four corners of each sealing layer were configured as wide portions in which the contact layer was integrated with the sealing layer while being squared.
- the Young's modulus of Si (silicon) is 178000 MPa, the Poisson's ratio is 0.28, the Young's modulus of Al is 70300 MPa, the Poisson's ratio is 0.35, the Young's modulus of Ge is 102700 MPa, the Poisson's ratio is 0.28, and the Young's modulus of SiN was 374000 MPa and the Poisson's ratio was 0.28.
- FIG. 12A and 12 (b) are distribution diagrams of the bonding pressure acting on the bonding surface of the sealing layer of the comparative example.
- the region (1) shown in FIG. 12A is the strongest bonding pressure.
- the bonding pressure is in the order of the region (2), the region (3), the region (4), and the region (5). I found it smaller.
- FIG. 12B the region (1) is the strongest bonding pressure, and it was found that the bonding pressure decreases in the order of the region (2) and the region (3).
- FIG. 13 is a distribution diagram of the bonding pressure acting on the bonding surface of the sealing layer of the example.
- the region (6) shown in FIG. 13 has a higher bonding pressure than the region (7), but the region (7) occupies most of the bonding surface, and is compared to the comparative example shown in FIG. Thus, it was found that the variation in bonding pressure was small, and a substantially uniform bonding pressure could be applied to the entire bonding surface.
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Abstract
【課題】 特に、気密性と電気的安定性の双方に優れた物理量センサを提供することを目的としている。 【解決手段】 センサ基板26の枠体部8の裏面8aには、枠状で形成された第1の封止層56と、第1の封止層56から分離され、機能部材9及び絶縁層25を貫いて、機能部材9及び第1の基材10に電気的に接続される第1のコンタクト層57とが形成される。配線基板30の表面には第1の封止層と対向する位置に形成された第2の封止層65と、第2の封止層65から分離され、絶縁層30bを貫いて第2の基材30aに電気的に接続される第2のコンタクト層66とが形成される。各封止層56,65が共晶接合される。各コンタクト層57,66が電気的に接続されて、第1の基材10、第2の基材30a及び枠体部8が同電位とされている。
Description
本発明は、シリコン基板を微細加工して形成された物理量センサに係り、特に、気密性と電気的安定性に優れた物理量センサに関する。
下記の特許文献1にはセンサモジュールに関する発明が開示されている。この特許文献では、センサ基板の上下に、電極形成基板と、回路形成基板とが対向している。センサ基板と電極形成基板の間、センサ基板と回路形成基板との間は、封止用金属層により接合されている。各基板間はAu-Au接合により封止されている。かかる場合、常温接合となる。
また、センサ基板及び電極形成基板には夫々上下面間を貫く貫通孔配線が形成されている。特許文献1によれば、貫通孔配線と各基板間は絶縁されている。
特許文献1に示すように各基板間を金属により封止する構成は特許文献2にも開示されている。
また、物理量センサでは、特許文献1に示すように、複数のシリコン基板が絶縁層を介して積層された構成部分を備え、個々のシリコン基板が電気的に浮いている状態(どことも電気的に接続されていない状態)となっている。このため、寄生容量が増大し、ノイズが発生しやすくなる等、電気的安定性を向上させることができないといった問題があった。
物理量センサでは、物理量変化を検知するための可動部が中央に大きく設けられ、その周囲に前記可動部を囲む枠体部が設けられる。そして枠体部の上下が絶縁層を備える基板との間で封止される(特許文献1参照)。このため、寄生容量を低減し、電気的安定性を向上させるための構造を、可動部の外側の非常に限定された領域に設けることが必要となる。このとき、近くには各基板間を封止するための金属による封止層が存在するため、この封止層に悪影響を及ぼさないようにしなければならない。
そこで本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、特に、気密性と電気的安定性の双方に優れた物理量センサを提供することを目的としている。
本発明における物理量センサは、導電性の第1の基材と、導電性の第2の基材と、前記第1の基材と前記第2の基材との間に配置された可動部及び前記可動部の周囲を囲む枠体部を備える導電性の機能部材と、前記可動部の変位を検出するための検知部と、を有して構成され、
前記枠体部と前記第1の基材との間が第1の絶縁層により接合されており、
前記機能部材の前記第2の基材との対向面には、第1の金属層が形成され、前記第1の金属層は、前記枠体部の前記対向面に枠状で形成された第1の封止層と、前記第1の封止層から分離され、前記機能部材及び前記第1の絶縁層を貫いて、前記枠体部及び前記第1の基材に電気的に接続される第1のコンタクト層と、を有して形成され、
前記第2の基材の前記機能部材との対向面には第2の絶縁層が形成され、前記第2の絶縁層の表面には、第2の金属層が形成されており、
前記第2の金属層は、前記第1の封止層と対向する位置に形成された第2の封止層と、前記第2の封止層から分離され、前記第2の絶縁層を貫いて前記第2の基材に電気的に接続される第2のコンタクト層と、を有して形成されており、
前記第1の封止層と前記第2の封止層とが共晶接合されて、前記枠体部と前記第2の基材間が封止されており、前記第1の封止層及び前記第2の封止層から夫々、分離された前記第1のコンタクト層及び前記第2のコンタクト層間が電気的に接続されて、前記第1の基材、前記第2の基材及び前記枠体部が同電位とされていることを特徴とするものである。
前記枠体部と前記第1の基材との間が第1の絶縁層により接合されており、
前記機能部材の前記第2の基材との対向面には、第1の金属層が形成され、前記第1の金属層は、前記枠体部の前記対向面に枠状で形成された第1の封止層と、前記第1の封止層から分離され、前記機能部材及び前記第1の絶縁層を貫いて、前記枠体部及び前記第1の基材に電気的に接続される第1のコンタクト層と、を有して形成され、
前記第2の基材の前記機能部材との対向面には第2の絶縁層が形成され、前記第2の絶縁層の表面には、第2の金属層が形成されており、
前記第2の金属層は、前記第1の封止層と対向する位置に形成された第2の封止層と、前記第2の封止層から分離され、前記第2の絶縁層を貫いて前記第2の基材に電気的に接続される第2のコンタクト層と、を有して形成されており、
前記第1の封止層と前記第2の封止層とが共晶接合されて、前記枠体部と前記第2の基材間が封止されており、前記第1の封止層及び前記第2の封止層から夫々、分離された前記第1のコンタクト層及び前記第2のコンタクト層間が電気的に接続されて、前記第1の基材、前記第2の基材及び前記枠体部が同電位とされていることを特徴とするものである。
また本発明は、導電性の第1の基材と、導電性の第2の基材と、前記第1の基材と前記第2の基材との間に配置された可動部及び前記可動部の周囲を囲む枠体部を備える導電性の機能部材と、前記可動部の変位を検出するための検知部と、を有して構成される物理量センサの製造方法であって、
前記枠体部と前記第1の基材との間は第1の絶縁層により接合されており、
前記機能部材の前記第2の基材との対向面に、第1の金属層を形成し、このとき、前記第1の金属層を、前記枠体部の前記対向面に枠状で形成した第1の封止層と、前記第1の封止層と分離し、前記機能部材及び前記第1の絶縁層を貫いて、前記枠体部及び前記第1の基材に電気的に接続する第1のコンタクト層と、を有して構成する工程、
前記第2の基材の前記機能部材との対向面に形成された第2の絶縁層の表面に、第2の金属層を形成し、このとき、前記第2の金属層を、前記第1の封止層と対向する位置に形成した第2の封止層と、前記第2の封止層と分離し、前記第2の絶縁層を貫いて前記第2の基材に電気的に接続する第2のコンタクト層と、を有して構成する工程、
前記第1の封止層と第2の封止層間を共晶接合するとともに、前記第1の封止層及び前記第2の封止層から夫々、分離した前記第1のコンタクト層及び前記第2のコンタクト層間を電気的に接続して、前記第1の基材、前記第2の基材及び前記枠体部を同電位にする工程、
を有することを特徴とするものである。
前記枠体部と前記第1の基材との間は第1の絶縁層により接合されており、
前記機能部材の前記第2の基材との対向面に、第1の金属層を形成し、このとき、前記第1の金属層を、前記枠体部の前記対向面に枠状で形成した第1の封止層と、前記第1の封止層と分離し、前記機能部材及び前記第1の絶縁層を貫いて、前記枠体部及び前記第1の基材に電気的に接続する第1のコンタクト層と、を有して構成する工程、
前記第2の基材の前記機能部材との対向面に形成された第2の絶縁層の表面に、第2の金属層を形成し、このとき、前記第2の金属層を、前記第1の封止層と対向する位置に形成した第2の封止層と、前記第2の封止層と分離し、前記第2の絶縁層を貫いて前記第2の基材に電気的に接続する第2のコンタクト層と、を有して構成する工程、
前記第1の封止層と第2の封止層間を共晶接合するとともに、前記第1の封止層及び前記第2の封止層から夫々、分離した前記第1のコンタクト層及び前記第2のコンタクト層間を電気的に接続して、前記第1の基材、前記第2の基材及び前記枠体部を同電位にする工程、
を有することを特徴とするものである。
このように本発明では、第1の封止層と第1のコンタクト層とを分離し、第2の封止層と第2のコンタクト層とを分離して形成した。本発明では、第1の基材と機能部材との間や第2の基材の表面に絶縁層が存在する。よって各基材は電気的に浮いた状態になっている。このため本発明では、各封止層と分離した各コンタクト層を、絶縁層を貫いて各基材と電気的に接続させ、そして第1のコンタクト層と第2のコンタクト層との間を電気的に接続することで、第1の基材、第2の基材、及び機能部材のうち可動部(電極部)を除く枠体部とを同電位にできる。また絶縁層を貫いたコンタクト層で繋げることで、物理量センサの限られた面積を有効活用でき、物理量センサの小型化を促進することができる。
特許文献1と本発明とを比較すると、特許文献1では、絶縁層を介して重ねられた各基板間を同電位にするための構造が開示されていない。また、封止層は、Au-Auの常温接合であり、本発明のように共晶接合ではない。
ここで、第1の封止層と第1のコンタクト層、及び第2の封止層と第2のコンタクト部とを夫々、分離せずに一体で形成した構成を比較例とし、まずは比較例の問題点を説明する。
比較例の場合、第1の封止層と第2の封止層間を共晶接合した際、共晶反応した金属が接合のための圧力を受けて変形し、第1の金属及び第2の金属のうち軟化しやすいほうの金属の一部がコンタクト層へ流れ出る現象が見られた。これにより、封止層にボイド(空洞)が形成されて、そこをリークパスとして気体や液体がセンサ内部に侵入しやすく、センサの信頼性が低下しやすくなる。
これに対して本発明では、第1の封止層と第1のコンタクト層とを分離し、第2の封止層と第2のコンタクト部とを分離して形成したので、共晶接合の際に、上記したような共晶反応した金属がコンタクト層へ流れ出てしまう現象を抑制できる。よって、第1の封止層と第2の封止層とを適切に共晶接合でき、機能部材の枠体部と第2の基材との間を適切に封止することができる。
このように本発明では、従来に比べて、寄生容量を低減でき、ノイズを抑制できる等、電気的安定性を向上させることができるとともに、共晶接合の際に共晶反応した金属が封止層の位置からコンタクト層にかけて流出するのを抑制でき、各基板間を適切に封止でき、信頼性に優れた物理量センサにできる。
本発明では、前記第1の金属層は、前記第1のコンタクト層に直接あるいは間接的に電気的に接続される前記機能部材の表面に形成された第1の電気接続層を有し、
前記第2の金属層は、さらに、前記第2のコンタクト層と一体に形成された第2の電気接続層を有し、
前記第1の電気接続層と前記第2の電気接続層間が共晶接合されて、前記第1のコンタクト層と前記第2のコンタクト層とが、前記第1の電気接続層、前記第2の電気接続層を介して電気的に接続されることが好ましい。これにより簡単な構造により第1のコンタクト層と第2のコンタクト層間を電気的に接続できる。
前記第2の金属層は、さらに、前記第2のコンタクト層と一体に形成された第2の電気接続層を有し、
前記第1の電気接続層と前記第2の電気接続層間が共晶接合されて、前記第1のコンタクト層と前記第2のコンタクト層とが、前記第1の電気接続層、前記第2の電気接続層を介して電気的に接続されることが好ましい。これにより簡単な構造により第1のコンタクト層と第2のコンタクト層間を電気的に接続できる。
また本発明では、前記第1のコンタクト層、第2のコンタクト層、前記第1の電気接続層及び前記第2の電気接続層は、いずれも、平面視にて、前記第1の封止層及び前記第2の封止層と前記可動部との間の位置に形成されていることが好ましい。物理量センサの小型化を実現できる。
また本発明では、前記第1の電気接続層と前記第2の電気接続層が異なる長さ寸法で形成されており、前記電気接続層が短く形成された側には、長く形成された前記電気接続層と対向する位置に、突起状の接合ストッパ部が形成されていることが好ましい。共晶接合の際、所定以上に各基板間が押圧されるのを抑制でき、安定した共晶接合状態を得ることができる。
また本発明では、前記第1の封止層及び前記第2の封止層は、夫々、四隅が湾曲形状で形成されていることが好ましい。また本発明では、前記第1の封止層及び前記第2の封止層は、夫々、略一定幅で形成されていることが好ましい。これにより接合圧力を封止層間の接合面全体で略均一にでき、未接合領域や前記接合面にボイドが発生するのを抑制でき、封止層間全体を適切に接合することができる。
また、前記第1の金属層が、Ge、Mg、あるいは、Znを有して形成され、前記第2の金属層が、AlあるいはAl合金を有して形成されており、または、第2の金属層が、Ge、Mg、あるいは、Znを有して形成され、前記第1の金属層が、AlあるいはAl合金を有して形成されていることが好ましい。AlあるいはAl合金は、共晶接合の際に軟化しやすく、上記した比較例の構成では、AlあるいはAl合金がコンタクト層内に流出しやすくなっている。これに対して本発明では、各コンタクト層を各封止層から分離して形成したので、AlあるいはAl合金を用いても、封止層からのコンタクト層流出現象を抑制することが可能になる。
本発明では、従来に比べて、寄生容量を低減でき、ノイズを抑制できる等、電気的安定性を向上させることができるとともに、共晶接合の際に共晶反応した金属が封止層の位置からコンタクト層にかけて流出するのを抑制でき、各基板間を適切に封止でき、信頼性に優れた物理量センサにできる。
各図に示す物理量センサに関しては、Y方向が左右方向であり、Y1方向が左方向でY2方向が右方向、X方向が前後方向であり、X1方向が前方でX2方向が後方である。また、Y方向とX方向の双方に直交する方向が上下方向(Z方向;高さ方向)である。
図1に示す物理量センサは、例えば、長方形の平板である導電性の機能部材(シリコン基板)9を有して形成されている。すなわち、機能部材9に、各部分の形状に対応する平面形状のレジスト層を形成し、レジスト層が存在していない部分で、シリコン基板をディープRIE(ディープ・リアクティブ・イオン・エッチング)のエッチング工程で切断することで、各部分に分離している。したがって、物理量センサの機能部材9に形成される各部分は、シリコン基板の表面と裏面の厚みの範囲内で構成されている。図3(図1に示す枠体部8を図示せず)に示すように、物理量センサが無重力下で静止状態のとき、機能部材9は、表面全体と裏面全体が夫々、同一面上に位置しており、表面及び裏面から突出する部分がない。なお、実際の物理量センサは地球上で使用されるため、地球の重力の影響で機能部材9は静止状態であっても若干変位を生じている。
図1に示すように、物理量センサを構成する機能部材9は、可動部2と、可動部2の周囲に枠体部8とを有している。
図1や図3に示すように、可動部2は、高さ方向(Z)に平行に変位する錘部2aと、錘部2aの内側に設けられた回動支持部3,4,14,15とを有して構成される。図1、図3に示すように回動支持部3,4の平面形状はクランク状で形成されている。
図1に示すように第1の回動支持部3は、前方(X1)に延びる連結腕3aと、後方(X2)に延びる脚部3bとが一体に形成されている。また図1に示すように第2の回動支持部4は、後方(X2)に延びる連結腕4aと、前方(X1)に延びる脚部4bとが一体に形成されている。
連結腕3a,4a及び脚部3b,4bは各アンカ部5~7から離れる方向であって、前後方向(X1-X2方向)に平行に所定の幅寸法にて延出する形状で形成されている。
図1に示すように、可動部2の内側には、中央アンカ部5、左側アンカ部6及び右側アンカ部7が設けられている。各アンカ部5~7は、左右方向(Y)に所定の間隔を空けて設けられる。中央アンカ部5、左側アンカ部6及び右側アンカ部7の前後方向(X)の幅寸法は略同一である。
各アンカ部5~7は図2(図2は図1に示すC-C線に沿って切断し矢印方向から見た部分縦断面図である。ただし図2にはアンカ部5のみが図示されている)に示すように、第1の基材10に酸化絶縁層(SiO2層;第1の絶縁層)25を介して固定支持される。
また、可動部2の周囲に設けられた枠体部8は、第1の基材10に酸化絶縁層(SiO2層)25を介して固定支持される。
導電性の第1の基材10は例えばシリコン基板である。酸化絶縁層25は、可動部2と対向する位置には設けられていない。第1の基材10、酸化絶縁層25、及び図1に示す可動部2、アンカ部5~7、及び枠体部8を構成する機能部材9は、例えばSOI基板である。第1の基材10、酸化絶縁層25及び機能部材9でセンサ基板26を構成する。
図1に示すように、第1の回動支持部3の連結腕3aの先端部と錘部2aとが連結部11aにおいて回動自在に連結されており、第2の回動支持部4の連結腕4aの先端部と錘部2aとが連結部11bにおいて回動自在に連結されている。
また図1に示すように、第1の回動支持部3の連結腕3aは、左側アンカ部6と支点連結部12b、及び、中央アンカ部5と支持連結部12aにおいて回動自在に連結されている。また図1に示すように、第2の回動支持部4の第1連結腕4aは、右側アンカ部7と支点連結部13b、及び、中央アンカ部5と支持連結部13aにおいて回動自在に連結されている。
また図1に示す実施形態では、左側アンカ部6の後方(X2)に、錘部2a及び左側アンカ部6と分離して形成された第3の回動支持部14が設けられ、右側アンカ部7の前方(X1)に、錘部2a及び右側アンカ部7と分離して形成された第4の回動支持部15が設けられている。
図1に示すように第3の回動支持部14の先端部と錘部2aとは、連結部16aにおいて、回動自在に連結されている。また、第4の回動支持部15の先端部と錘部2aとは、連結部16bにおいて、回動自在に連結されている。また図1に示すように、第3の回動支持部14と左側アンカ部6とは、支点連結部17aにおいて、回動自在に連結されている。また第4の回動支持部15と右側アンカ部7とは、支点連結部17bにおいて、回動自在に連結されている。
図1に示すように、第1の回動支持部3の連結腕3aと第3の回動支持部14との間が連結部18aを介して連結されている。また図1に示すように、第2の回動支持部4の連結腕4aと第4の回動支持部15との間が連結部18bを介して連結されている。
各連結部部11a,11b,16a,16b及び各支点連結部12a,13a,13b,17bは、シリコン基板をエッチングにて幅細に切り出すことで、ばね性を有するトーションバー(ばね部)で構成される。
図2に示すように、物理量センサには、錘部2aと高さ方向にて離れた一方に第1の基材10と他方に配線基板30が設けられる。図2に示すように配線基板30の表面には、固定電極37が設けられている。配線基板30は導電性の第2の基材(シリコン基板)30aの表面に絶縁層(第2の絶縁層)30bが形成された構成であり、固定電極37は、前記絶縁層30b上に導電性金属材料をスパッタし、またはメッキすることで形成されている。錘部2aは可動電極として機能し、固定電極37とともに検知部を構成する。
また図2に示すように、各アンカ部5~7と配線基板30間は金属の接合層50により共晶接合されている。配線基板30の絶縁層30bの内部には配線層51が形成されており、配線層51は、接合層50と電気的に接続されるとともに、絶縁層30bの内部を通って外部に引き出されている(図示しない)。
また図2に示すように、枠体部8と配線基板30との間は金属の封止層52により共晶接合されている。
この物理量センサは、無重力下で外部から力(加速度等)が作用していないときに、それぞれの支点連結部および連結部に設けられたトーションバー(ばね部)の弾性復元力により、図3に示すように、全ての部分の表面が同一平面となった状態を維持している。なお、この物理量センサを実際に使用する際は地球の重力の影響で、若干変位している。
物理量センサに外部から例えば加速度が与えられると、加速度は、錘部2a、各アンカ部5~7及び枠体部8に作用する。このとき、錘部2aは慣性力によって絶対空間内で留まろうとし、その結果、各アンカ部5~7に対して錘部2aが加速度の作用方向と逆の方向へ相対的に移動する。そして図4に示すように、錘部2aは慣性力により図3の静止状態の位置から高さ方向へ向けて変位すべく、第1の回動支持部3が支点連結部12a、12bを中心に高さ方向に回動し、第2の回動支持部4が支点連結部13a,13bを中心として高さ方向に回動し、第3の回動支持部14が支点連結部17aを中心として高さ方向に回動し、第4の回動支持部15が支点連結部17bを中心として高さ方向に回動する。この回動動作時、各連結部11a,11b,16a,16b,18a,18b及び支点連結部12a,12b,13a,13b、17a,17bに設けられたトーションバーは捩れ変形する。
本実施形態の錘部2aの支持機構により錘部2aを高さ方向(Z)に効果的に平行移動させることが出来る。
また本実施形態では、物理量変化により、脚部3b,4bが、錘部2aの変位方向とは逆方向に飛び出す構造となっている。この脚部3b,4bは、錘部2aが図2に示す第1の基材10の表面10aに当接するよりも先に、脚部3b,4bの先端部が配線基板30の表面(ストッパ面)30cに当接し、錘部2aの高さ方向への変位を抑制する。
このように図1の実施形態では、錘部2aの変位方向とは逆方向に変位する脚部3b,4bを設け、錘部2aの高さ方向(Z)への変位を抑制するストッパ機構を設けている。
図5(a)は、図1に示す機能部材9の裏面状態を示す部分透視図である。ただし図5(a)には図1に示す可動部2や各アンカ部5~7の構造は図示していない。また図5(b)は、配線基板30の表面状態を示す部分平面図である。ただし図2に示す固定電極37や各アンカ部5~7と対向する位置に設けられる絶縁層30bの突起部や突起部表面の金属等については図示していない。
図6は図5(a)に示す機能部材9を備えるセンサ基板26と、図5(b)に示す配線基板30とを有して成る物理量センサをA-A線に沿って切断し矢印方向から見たときの部分拡大縦断面図である。
図5(a)、図6に示すように、枠体部8の裏面(配線基板30との対向面)8aには、可動部2の周囲を囲むように枠状パターンの第1の封止層56が形成されている。
また図5(a)、図6に示すように、枠体部8の裏面8aには、第1の封止層56よりも内側(可動部2と第1の封止層56との間)に、第1のコンタクト層57が形成されている。
図5(a)、図6に示すように、第1のコンタクト層57は、第1の封止層56から分離して形成されている。
図6に示すように第1のコンタクト層57は、枠体部8(機能部材9)及び酸化絶縁層25を貫いて、枠体部8及び第1の基材10の表面に電気的に接続されている。
また図5(a)、図6に示すように、枠体部8の裏面8aには、第1の封止層56よりも内側(可動部2と第1の封止層56との間)に、第1の電気接続層58が形成されている。
図5(a)、図6に示すように、第1の電気接続層58は、第1の封止層56、及び第1のコンタクト層57から分離して形成されている。ただし、第1の電気接続層58は、第1のコンタクト層57と繋がっていてもよい。
第1のコンタクト層57及び第1の電気接続層58の配置や平面形状、個数は図3(a)以外の構成であってもよい。ただし、図5(a)の構成により、可動部2と第1の封止層56との間の限定された領域内を有効活用でき、物理量センサの小型化を促進することができる。
第1の封止層56、第1のコンタクト層57及び第1の電気接続層58は、第1の金属層59により形成される。第1の金属層59は、Ge、Mg、Znを有して形成されることが好ましい。その中でもGeを選択することがより好適である。第1の金属層59は単層構造であってもよいし積層構造であってもよい。第1の金属層59をスパッタ等で形成できる。
図6に示すように、第1のコンタクト層57では、枠体部8及び酸化絶縁層25を貫く貫通孔60が形成され、枠体部8の裏面8aから貫通孔60の内面にかけて前記第1の金属層59が形成される。第1のコンタクト層57の内部は完全に、第1の金属層59により埋められておらず、貫通孔60の一部が残されている。なお貫通孔60内のほぼ全体が第1の金属層59により埋まった状態であってもよい。
なお第1の金属層59は、図2に示す各アンカ部5~7の裏面にも形成されている。
なお第1の金属層59は、図2に示す各アンカ部5~7の裏面にも形成されている。
図5(b)、図6に示すように、配線基板30を構成する第2の基材30aの表面に形成された絶縁層30bは、下側絶縁層30b1と上側絶縁層30b2との積層構造となっている。
下側絶縁層30b1は、例えばSiO2で、上側絶縁層30b2は、SiNである。これにより、絶縁層30bに形成される貫通孔61や、各突起部62~64の高さ寸法のばらつきを抑制できる。
図5(b)、図6に示すように、絶縁層30bの表面30cには、第1の封止層56と対向する位置に突起部62が形成され、突起部62の表面に第2の封止層65が形成されている。図5(a)に示すように、第1の封止層56のパターン幅はT1で、図5(b)に示すように、第2の封止層65のパターン幅はT2で、パターン幅T2のほうがパターン幅T1よりも大きく形成されている。
また図5(b)、図6に示すように、絶縁層30bの表面30cには、第2の封止層65よりも内側に、第2のコンタクト層66が形成されている。
図5(b)、図6に示すように、第2のコンタクト層66は、第2の封止層65から分離して形成されている。
図6に示すように第2のコンタクト層66は、絶縁層30bを貫いて第2の基材30aの表面に電気的に接続されている。
また図5(b)、図6に示すように、絶縁層30bの表面30cには、第1の電気接続層58と対向する位置に突起部63が形成され、第2のコンタクト層66から延出して形成された第2の電気接続層67が突起部63の表面に形成されている。
また図5(b)、図6に示すように、第2の電気接続層67は、第1の電気接続層58よりも長さ寸法(X1-X2方向への寸法)が短く、第2の電気接続層67の隣には、第1の電気接続層58と対向する位置に、突起部64が形成されている。この突起部64は、接合ストッパ部として機能する。
図6に示すように、突起部64が最も突き出ており、突起部62,63が同じ高さで且つ突起部64よりも一段低く形成されている。突起部64は上述したように接合ストッパ部として機能するため、第2の金属層68の頂部と同じ高さかもしくは若干低くなる。
第2のコンタクト層66及び第2の電気接続層67の配置や平面形状、個数は第1のコンタクト層57及び第1の電気接続層58のそれらに準じて構成される。
図6に示すように、第1のコンタクト層57と、第2のコンタクト層66とは平面方向にずれて配置されている。これは第2の封止層65が第1の封止層56よりも幅広で形成されていることや、配線基板30の表面30cの使用可能領域(図2に示す固定電極37と第2の封止層65間の領域)を有効活用して、第2のコンタクト層66を第2の封止層65からより離すためである。
第2の封止層65、第2のコンタクト層66及び第2の電気接続層67は、第2の金属層68により形成される。第2の金属層68は、AlあるいはAl合金等で形成されることが好ましい。Al合金としてはAlCuを例示できる。第2の金属層68は単層構造であってもよいし積層構造であってもよい。積層構造としては、Ta/AlCu/Ge等を提示できる。第2の金属層68をスパッタ等で形成できる。
図6に示すように、第2のコンタクト層66では、絶縁層30bを貫く貫通孔61が形成され、絶縁層30bの表面30cから貫通孔61の内面にかけて前記第2の金属層68が形成される。第2のコンタクト層66の内部は完全に第2の金属層68により埋められておらず、貫通孔61が一部、残されている。なお貫通孔61内のほぼ全体が第2の金属層68により埋まった状態であってもよい。
なお第2の金属層68は、図2に示す各アンカ部5~7と対向する絶縁層30bの表面に形成された突起部の表面にも形成されている。また、第2の金属層68は、固定電極37(図2参照)としても形成される。ただし、固定電極37を構成する第2の金属層68と、その他の第2の金属層68との材質や膜厚は、必ずしも同じでなくてもよい。すなわち、固定電極37を構成する第2の金属層68と、第2の封止層65、第2のコンタクト層66及び第2の電気接続層67を構成する第2の金属層68とを別々の工程で形成することも可能である。固定電極37は、第2の封止層65、第2のコンタクト層66及び第2の電気接続層67よりも薄く形成されるほうが好ましい。可動部2(錘部2a)の高さ方向への可動範囲を大きくできるからである。
図2、図6に示す第1の封止層56(第1の金属層59)と第2の封止層65(第2の金属層68)とが共晶接合されて、封止層52が形成される。また、各アンカ部5~7と配線基板30間に位置する第1の金属層59と第2の金属層68とが共晶接合されて、接合層50が形成される。また、第1の電気接続層58(第1の金属層59)と、第2の電気接続層67(第2の金属層68)とが共晶接合されて電気接続層77が形成される。
図7は、本実施形態における物理量センサの製造方法を示す工程図を示す。各図は、製造工程中における部分縦断面図である。
図7(a)に示す工程では、センサ基板26を形成する。センサ基板26には、導電性の第1の基材(シリコン基板)10、酸化絶縁層(SiO2層;第1の絶縁層)25及び導電性の機能部材(シリコン基板)9からなるSOI基板を用いる。
SOI基板の機能部材9をディープRIEにより、図1に示す各部分に切り出す。図1や図7(a)には図示しないが、可動部2には多数の微細孔を形成しており、この微細孔を介して、可動部2と第1の基材10間に介在する酸化絶縁層25を除去する。
また図7(a)に示すように、枠体部8及び酸化絶縁層25を貫いて第1の基材10にまで到達する貫通孔60を形成する。
続いて機能部材9の裏面の所定領域に、第1の金属層59をスパッタ等で形成する。第1の金属層59により、枠体部8の裏面8aに第1の封止層56、第1のコンタクト層57、第1の電気接続層58を形成する。このとき、少なくとも、第1の封止層56と第1のコンタクト層57とを分離して形成する。また、第1のコンタクト層57及び第1の電気接続層58を第1の封止層56よりも内側(第1の封止層56と可動部2との間)に形成する。また、各アンカ部5~7の裏面にも、第1の金属層59を形成する。
第1の金属層59を、Ge、Mg、あるいは、Znを有して形成することが好ましい。このうち、Geを用いることが好ましい。
次に図7(b)の工程では、配線基板30を形成する。配線基板30を構成する導電性の第2の基材(シリコン基板)30aの表面に絶縁層(第2の絶縁層)30bを形成する。第2の絶縁層30bは例えば図6に示すように積層構造である。なお絶縁層30bの内部に配線層51(図2参照)も形成する。更に絶縁層30bの表面30cに、各突起部62~64をエッチングにより形成する。また絶縁層30bを貫いて第2の基材30aにまで到達する貫通孔61を形成する。
続いて絶縁層30bの表面の所定領域に、第2の金属層68をスパッタ等で形成する。第2の金属層68により、絶縁層30bの表面30cに第2の封止層65、第2のコンタクト層66、第2の電気接続層67を形成する。このとき、第2の封止層65と第2のコンタクト層66とを分離して形成する。また、第2のコンタクト層66と第2の電気接続層67とを一体に形成する。第2の封止層65を第1の封止層56と対向する位置に設けられた突起部62上に形成する。また、第2の電気接続層67を絶縁層30bの表面30cに形成された突起部63上にかけて形成する。また各アンカ部5~7と対向する位置に形成された突起部の表面にも、第2の金属層68を形成する。更に固定電極37(図2参照)を形成する。固定電極37を構成する第2の金属層68と、それ以外の第2の金属層68とは材質や構造等が異なっていてもよい。
第2の金属層68をAlあるいはAl合金を有して形成することが好ましい。Al合金としてはAlCuを好ましく適用できる。
そして図7(c)の工程では、図7(a)の工程で製造されたセンサ基板26と、図7(b)の工程で製造された配線基板30とを対向させ、所定の熱処理温度により圧接する。これにより、枠体部8の裏面8aに形成された第1の封止層56(第1の金属層59)と、絶縁層30bの表面30cに形成された第2の封止層65(第2の金属層68)とを共晶接合して封止層52を形成することができる。これにより、枠体部8と配線基板30間を適切に封止することができる。
また、枠体部8の裏面8aに形成された第1の電気接続層58(第1の金属層59)と、絶縁層30bの表面30cに形成された第2の電気接続層67(第2の金属層68)とを共晶接合して電気接続層77を形成することができる。
更に、各アンカ部5~7の裏面に形成された第1の金属層59と、配線基板30側に形成された第2の金属層68とを共晶接合して接合層50(図2参照)を形成することができる。
以上のように、本実施形態では、第1の封止層56と第1のコンタクト層57との間、及び、第2の封止層65と第2のコンタクト層66との間を夫々分離した。本実施形態では、図6等に示すようにセンサ基板26には、酸化絶縁層25が存在し、配線基板30にも絶縁層30bが存在する。そこで本実施形態では、各封止層56,65と分離した各コンタクト層57,66を、各絶縁層25,30bを貫いて各基材9,10,30aに電気的に接続させたうえで、第1のコンタクト層57と第2のコンタクト層66とを電気的に接続し、これにより、第1の基材10、第2の基材30a、及び機能部材9のうち可動部(電極部)2を除く枠体部8とを同電位にできる。これにより、物理量センサに生じた浮遊容量を適切に除去し、高精度な出力を得ることが可能となる。また絶縁層を貫くコンタクト層57,66で繋げることで、物理量センサの限られた面積を有効活用でき、物理量センサの小型化を促進することができる。
そして、本実施形態では、第1の封止層56と第1のコンタクト層57との間、及び、第2の封止層65と第2のコンタクト層66との間を夫々分離したことで以下の効果を得ることができる。
図8(a)は、本実施形態における物理量センサの機能部材9に形成された第1の封止層56、第1のコンタクト層57、及び、配線基板30に形成された第2の封止層65、第2のコンタクト層66を重ね合わせた部分平面図である。
一方、図8(b)は、比較例における物理量センサの機能部材に形成された第1の封止層70、第1のコンタクト層71、及び配線基板に形成された第2の封止層72、第2のコンタクト層73を重ね合わせた平面図である。
図8(b)に示すように、第1の封止層70と第1のコンタクト層71とは一体に形成されており、第2の封止層72と第2のコンタクト層73とは一体に形成されている。すなわち、図8(a)に示す本実施形態と異なって、第1の封止層70と第1のコンタクト層71との間が分離されておらず、第2の封止層72と第2のコンタクト層73との間が分離されていない。
例えば、第1の封止層70及び第1のコンタクト層71はGeで形成され、第2の封止層72及び第2のコンタクト層73がAlで形成されている。所定の熱処理を施しながら圧接して、第1の封止層70と第2の封止層72とを共晶接合することで、第1のコンタクト層71と第2のコンタクト層73の間は、封止層70,72を介して電気的に接続された状態となる。
しかしながら、比較例の構造では、共晶接合の際の熱処理でAlが軟化して、図8(b)の矢印に示すように、Alが第2のコンタクト層73に流れ出す現象が見られた。特に図6のように、配線基板側の絶縁層に形成された突起形状により、第2のコンタクト層73が封止層70,72よりも低い位置にあるため、特に金属が第2のコンタクト層73に流れやすい状態になっている。この結果、封止層70,72の共晶接合により形成された封止層74にボイド75が形成されやすくなり、そこをリークパスとして気体や液体がセンサ内部に侵入しやすく、センサの信頼性が低下する問題があった。
これに対して、本実施形態では、図8(a)に示すように、第1の封止層56と第1のコンタクト層57との間、及び、第2の封止層65と第2のコンタクト層66との間を夫々分離したため、所定の熱処理を施しながら圧接して、第1の封止層56と第2の封止層65間を共晶接合したときに、封止層56、65を構成する軟化しやすい金属(例えばAl)がコンタクト層へ流れ出てしまう現象を抑制することができる。図6に示すように第2の封止層65は第2のコンタクト層66よりも高い位置にあるが、第2の封止層65と第2のコンタクト層66とは繋がっていないので、第2の封止層65から第2のコンタクト層66に向けて軟化した金属が流れ出すことはない。よって、第1の封止層56と第2の封止層65とを適切に共晶接合でき、封止層52に図8(b)に示すようなボイド75が発生する不具合を抑制でき、機能部材9の枠体部8と配線基板30との間を適切に封止することができる。
以上のように本実施形態では、従来に比べて、寄生容量を低減でき、ノイズを抑制できる等、電気的安定性を向上させることができるとともに、共晶接合の際の封止層を構成する金属のコンタクト層への流出を抑制でき、各基板間を適切に封止でき、信頼性に優れた物理量センサにできる。
図6に示すように、本実施形態では、第1の金属層59で形成された第1の電気接続層58と、第2の金属層68で形成された第2の電気接続層67とを設けた。そして、第1の電気接続層58と第2の電気接続層67との間を共晶接合することができる。このとき、第2のコンタクト層66と第2の電気接続層67との間は繋がっていることが必要である。もし分離されていると、第2のコンタクト層66と第2の電気接続層67との間に介在する絶縁層30bにより電気的に絶縁されてしまうからである。一方、第1のコンタクト層57と第1の電気接続層58との間は図6に示すように、分離されていてもよい。シリコン基板である導電性の機能部材9を介して、第1のコンタクト層57と第1の電気接続層58との間は電気的に接続される。なお、第1のコンタクト層57と第1の電気接続層58との間を分離するか否かは、物理量センサの構造等により種々、選択可能であるが、第1のコンタクト層57と第1の電気接続層58との間の機能部材9を介した電気的な接続に問題がなければ、第1のコンタクト層57と第1の電気接続層58との間は分離したほうがよい。第1のコンタクト層57を完全に独立させることができる。例えば、第1の金属層59に、AlやAl合金を用い、第2の金属層68に、Ge、Mg、あるいは、Znを用いる場合には、第1のコンタクト層57へ金属が流出しやすくなるが、第1のコンタクト層57を完全に独立させることで、第1のコンタクト層57への金属の流出を適切に防止することができるためである。一方、第2のコンタクト層66は、共晶接合された第1の電気接続層58及び第2の電気接続層67と繋がっている。よって、共晶接合した際に、軟化しやすい金属が、第2のコンタクト層66に流れ出し、第1の電気接続層58と第2の電気接続層67からなる電気接続層77にボイドが形成される可能性がある。しかし、電気接続層77にボイドが生じても機能的に問題はない。本実施形態は、封止層52にボイドが生じるのを抑制するものであり、封止層52の内側に位置する電気接続層77にボイドが生じても基板間の気密性が損なわれることはない。
また、第1の封止層56側は、機能部材9に、可動部2を形成しなければならず、スペースの余裕が配線基板30側よりも小さいので、図5(a)に示すように、第1の封止層56のパターン幅T1を、第2の封止層65のパターン幅T2よりも細くしたほうが効率的に各部分を配置・形成することができる。
本実施形態における封止層とコンタクト層とを分離した構造は、他の実施形態にも適用できる。
図9は図1とは別の実施形態における物理量センサ80の平面図を示す。
図9では物理量センサ80を構成するシリコン基板(機能部材)81に、ディープRIEにより、アンカ部82,83と、アンカ部82,83から一体に延びる支持腕部84,85と、錘部86と、枠体部96とが分離して形成される。錘部86には一体に櫛歯状の可動電極86a(一本の可動電極にのみ符号を付した)が形成されている。錘部86と、支持腕部84,85の間がばね部87~90により連結されている。
図9では物理量センサ80を構成するシリコン基板(機能部材)81に、ディープRIEにより、アンカ部82,83と、アンカ部82,83から一体に延びる支持腕部84,85と、錘部86と、枠体部96とが分離して形成される。錘部86には一体に櫛歯状の可動電極86a(一本の可動電極にのみ符号を付した)が形成されている。錘部86と、支持腕部84,85の間がばね部87~90により連結されている。
更に、図9に示すように、シリコン基板(機能部材)81に、ディープRIEにより、アンカ部91,92と、各アンカ部91,92に一体に形成され、可動電極86aと交互に配置される櫛歯状の固定電極93(一本の固定電極にのみ符号を付した)が、前記錘部86と分離して形成されている。
この実施形態では、Y1方向またはY2方向の加速度を検知する加速度センサとして使用することができる。
そして、図9に示すように、錘部86の周囲に設けられた枠体部96と、枠体部96と対向して設けられた配線基板(図示しない)との間が、第1の金属と第2の金属との共晶接合により封止されている。そして枠体部96に設けられた封止層98から分離されて絶縁層を貫くコンタクト層99が形成され、配線基板に設けられた封止層(図示しない)から分離された絶縁層を貫くコンタクト層(図示しない)が形成されている。
図10は、本発明の第2実施形態における物理量センサであり、(a)は、機能部材の裏面状態を示す部分透視図、(b)は、配線基板の表面状態を示す部分平面図である。なお図5と同じ符号は図5と同じ部分を示している。
図10(a)(b)に示すように各封止層56,65は、X1-X2方向及びY1-Y2方向に平行に延びる直線状や帯状の平行部56a~56d,65a~65dと、各平行部間を連結する湾曲部56e~56h,65e~65hとで構成される。このように図10(a)(b)の構成では、図5(a)(b)と異なって、各封止層56,65の四隅が湾曲形状で形成されており、これにより、各封止層56,65の幅寸法が略一定幅で形成されている。したがって、各封止層56,65の接合面全体に略均一な接合圧力を作用させることができ、未接合領域や接合面にボイドが発生するのを抑制でき、封止層56,65間全体を図5の構成に比べて適切に接合することができ、より気密性の高い物理量センサを構成できる。このように各封止層56,65の幅寸法を一定幅とすることは、第1のコンタクト層57や、第2のコンタクト層66を各封止層56,65と分離させることで実現可能となるものである。
なお、封止層56,65は図10と異なって、円形状や楕円形状等の外周及び内周を備えた略一定幅の形状で形成されてもよい。
本実施形態は加速度センサのみならず角速度センサ、衝撃センサ等、物理量センサ全般に適用可能である。
図11に示すセンサ基板26と配線基板30はシミュレーション実験に用いたモデル図であり、センサ基板26はシリコン基板の裏面にGeからなる一定厚の第1の封止層56及び第1の電気接続層58が形成されたものとして構成した。また配線基板30は、シリコン基板の表面にSiN層が形成され、その表面にAlからなる一定厚の第2の封止層65及び第2の電気接続層67が形成されたものとして構成した。
実施例では各封止層56,65を図10の形状とした。一方、比較例では、各封止層の四隅を、角張らせたうえコンタクト層の幅を封止層に一体化させた幅広部として構成した。
またSi(シリコン)のヤング率を178000MPa、ポアソン比を0.28、Alのヤング率を70300MPa、ポアソン比を0.35、Geのヤング率を102700MPa、ポアソン比を0.28、SiNのヤング率を374000MPa、ポアソン比を0.28とした。
そして図11の矢印に示すように、センサ基板26と配線基板30間に圧力を加えた。圧力の大きさを1~10MPaとした。
図12(a)(b)は、比較例の封止層の接合面に作用する接合圧力の分布図である。図12(a)に示す(1)の領域が最も強い接合圧力であり、以下、(2)の領域、(3)の領域、(4)の領域及び(5)の領域の順に接合圧力が小さくなることがわかった。図12(b)においても(1)の領域が最も強い接合圧力であり、以下、(2)の領域、(3)の領域の順に接合圧力が小さくなることがわかった。
一方、図13は、実施例の封止層の接合面に作用する接合圧力の分布図である。図13に示す(6)の領域のほうが(7)の領域よりも接合圧力が高くなったが、(7)の領域が接合面の大部分を占めており、図12に示す比較例に比べて接合圧力のばらつきが小さく、接合面全体に略均一な接合圧力を作用させることができるとわかった。
図12(a)(b)の比較例に示すように角の部分に圧力差が生じやすいことがわかった。そしてこのような圧力差が生じることで接合圧力が低すぎて接合されない箇所やボイドが生じやすくなる。そこで実施例のように四隅を湾曲させ、接合面の幅寸法を略一定幅に規制することで接合面全体に略一定の接合圧力を作用させることができるとわかった。これより、センサ基板の封止層と配線基板の封止層間全体を適切に接合できより気密性の高い物理量センサを構成することが可能になる。
2 可動部
2a、86 錘部
3、4、14、15 回動支持部
5、6、7、82、83,91、92 アンカ部
8,96 枠体部
9、81 機能部材
10 第1の基材
25 酸化絶縁層
26 センサ基板
30 配線基板
30a 第2の基材
30b 絶縁層
37 固定電極
50 接合層
51 配線層
52、98 封止層
56、70 第1の封止層
56a~56d、65a~65d 平行部
56e~56h、65e~65h 湾曲部
57、71 第1のコンタクト層
58 第1の電気接続層
59 第1の金属層
60、61 貫通孔
62、63、64 突起部
65,72 第2の封止層
66、73 第2のコンタクト層
67 第2の電気接続層
68 第2の金属層
77 電気接続層
2a、86 錘部
3、4、14、15 回動支持部
5、6、7、82、83,91、92 アンカ部
8,96 枠体部
9、81 機能部材
10 第1の基材
25 酸化絶縁層
26 センサ基板
30 配線基板
30a 第2の基材
30b 絶縁層
37 固定電極
50 接合層
51 配線層
52、98 封止層
56、70 第1の封止層
56a~56d、65a~65d 平行部
56e~56h、65e~65h 湾曲部
57、71 第1のコンタクト層
58 第1の電気接続層
59 第1の金属層
60、61 貫通孔
62、63、64 突起部
65,72 第2の封止層
66、73 第2のコンタクト層
67 第2の電気接続層
68 第2の金属層
77 電気接続層
Claims (13)
- 導電性の第1の基材と、導電性の第2の基材と、前記第1の基材と前記第2の基材との間に配置された可動部及び前記可動部の周囲を囲む枠体部を備える導電性の機能部材と、前記可動部の変位を検出するための検知部と、を有して構成され、
前記枠体部と前記第1の基材との間が第1の絶縁層により接合されており、
前記機能部材の前記第2の基材との対向面には、第1の金属層が形成され、前記第1の金属層は、前記枠体部の前記対向面に枠状で形成された第1の封止層と、前記第1の封止層から分離され、前記機能部材及び前記第1の絶縁層を貫いて、前記枠体部及び前記第1の基材に電気的に接続される第1のコンタクト層と、を有して形成され、
前記第2の基材の前記機能部材との対向面には第2の絶縁層が形成され、前記第2の絶縁層の表面には、第2の金属層が形成されており、
前記第2の金属層は、前記第1の封止層と対向する位置に形成された第2の封止層と、前記第2の封止層から分離され、前記第2の絶縁層を貫いて前記第2の基材に電気的に接続される第2のコンタクト層と、を有して形成されており、
前記第1の封止層と前記第2の封止層とが共晶接合されて、前記枠体部と前記第2の基材間が封止されており、前記第1の封止層及び前記第2の封止層から夫々、分離された前記第1のコンタクト層及び前記第2のコンタクト層間が電気的に接続されて、前記第1の基材、前記第2の基材及び前記枠体部が同電位とされていることを特徴とする物理量センサ。 - 前記第1の金属層は、さらに、前記第1のコンタクト層に直接あるいは間接的に電気的に接続される第1の電気接続層を有し、
前記第2の金属層は、さらに、前記第2のコンタクト層と一体に形成された第2の電気接続層を有し、
前記第1の電気接続層と前記第2の電気接続層間が共晶接合されて、前記第1のコンタクト層と前記第2のコンタクト層とが、前記第1の電気接続層、前記第2の電気接続層を介して電気的に接続される請求項1記載の物理量センサ。 - 前記第1のコンタクト層、第2のコンタクト層、前記第1の電気接続層及び前記第2の電気接続層は、いずれも、平面視にて、前記第1の封止層及び前記第2の封止層と前記可動部との間の位置に形成されている請求項2記載の物理量センサ。
- 前記第1の電気接続層と前記第2の電気接続層が異なる長さ寸法で形成されており、前記電気接続層が短く形成された側には、長く形成された前記電気接続層と対向する位置に、突起状の接合ストッパ部が形成されている請求項2または3に記載の物理量センサ。
- 前記第1の封止層及び前記第2の封止層は、夫々、四隅が湾曲形状で形成されている請求項1ないし4のいずれか1項に記載の物理量センサ。
- 前記第1の封止層及び前記第2の封止層は、夫々、略一定幅で形成されている請求項1ないし5のいずれか1項に記載の物理量センサ。
- 前記第1の金属層が、Ge、Mg、あるいは、Znを有して形成され、前記第2の金属層が、AlあるいはAl合金を有して形成されており、または、第2の金属層が、Ge、Mg、あるいは、Znを有して形成され、前記第1の金属層が、AlあるいはAl合金を有して形成されている請求項1ないし6のいずれか1項に記載の物理量センサ。
- 導電性の第1の基材と、導電性の第2の基材と、前記第1の基材と前記第2の基材との間に配置された可動部及び前記可動部の周囲を囲む枠体部を備える導電性の機能部材と、前記可動部の変位を検出するための検知部と、を有して構成される物理量センサの製造方法であって、
前記枠体部と前記第1の基材との間は第1の絶縁層により接合されており、
前記機能部材の前記第2の基材との対向面に、第1の金属層を形成し、このとき、前記第1の金属層を、前記枠体部の前記対向面に枠状で形成した第1の封止層と、前記第1の封止層と分離し、前記機能部材及び前記第1の絶縁層を貫いて、前記枠体部及び前記第1の基材に電気的に接続する第1のコンタクト層と、を有して構成する工程、
前記第2の基材の前記機能部材との対向面に形成された第2の絶縁層の表面に、第2の金属層を形成し、このとき、前記第2の金属層を、前記第1の封止層と対向する位置に形成した第2の封止層と、前記第2の封止層と分離し、前記第2の絶縁層を貫いて前記第2の基材に電気的に接続する第2のコンタクト層と、を有して構成する工程、
前記第1の封止層と第2の封止層間を共晶接合するとともに、前記第1の封止層及び前記第2の封止層から夫々、分離した前記第1のコンタクト層及び前記第2のコンタクト層間を電気的に接続して、前記第1の基材、前記第2の基材及び前記枠体部を同電位にする工程、
を有することを特徴とする物理量センサの製造方法。 - 前記第1のコンタクト層と直接あるいは間接的に電気的に接続される前記第1の金属層からなる第1の電気接続層を形成し、
前記第2のコンタクト層から延出して前記第2の金属層からなる第2の電気接続層を形成し、
前記第1の電気接続層と前記第2の電気接続層間を共晶接合して、前記第1のコンタクト層と前記第2のコンタクト層を、前記第1の電気接続層、及び、前記第2の電気接続層を介して電気的に接続する請求項8記載の物理量センサの製造方法。 - 前記第1の電気接続層と前記第2の電気接続層を異なる長さ寸法で形成し、このとき、前記電気接続層が短く形成された側には、長く形成された前記電気接続層と対向する位置に、突起状の接合ストッパ部を形成する請求項9記載の物理量センサの製造方法。
- 前記第1の封止層及び前記第2の封止層の四隅を、夫々、湾曲形状で形成する請求項8ないし10のいずれか1項に記載の物理量センサの製造方法。
- 前記第1の封止層及び前記第2の封止層を、夫々、略一定幅で形成する請求項8ないし11のいずれか1項に記載の物理量センサの製造方法。
- 前記第1の金属層を、Ge、Mg、あるいは、Znを有して形成し、前記第2の金属層を、AlあるいはAl合金を有して形成し、または、前記第2の金属層を、Ge、Mg、あるいは、Znを有して形成し、前記第1の金属層を、AlあるいはAl合金を有して形成する請求項8ないし12のいずれか1項に記載の物理量センサの製造方法。
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