CN112424613B - 三维结构部件的制造方法、加速度拾取部件的制造方法、加速度拾取部件以及加速度传感器 - Google Patents

三维结构部件的制造方法、加速度拾取部件的制造方法、加速度拾取部件以及加速度传感器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种能够简化制造的三维结构部件的制造方法。三维结构部件的制造方法是对平板状的基体材料(10A)进行成形而制造具有厚度不同的多个部分(11～14)的三维结构部件的方法，其包括：掩模形成工序，在基体材料(10A)的至少一个主面的整体上形成掩模(30)；掩模除去工序，除去掩模(30)的一部分；以及蚀刻工序，对基体材料(10A)的露出的部分进行蚀刻，针对与三维结构部件的多个部分(11～14)分别对应的掩模(30)以及基体材料(10A)，按照三维结构部件的厚度较薄的顺序进行掩模除去工序和蚀刻工序的组。

Description

三维结构部件的制造方法、加速度拾取部件的制造方法、加速 度拾取部件以及加速度传感器
技术领域
本发明涉及一种对平板状的基体材料进行成形而制造具有厚度不同的多个部分的三维结构部件的方法。另外，本发明还涉及一种加速度传感器所使用的加速度拾取部件的制造方法、通过该制造方法制造的加速度拾取部件、以及具备该加速度拾取部件的加速度传感器。
背景技术
例如，存在具备加速度拾取部件的静电电容型(MEMS(Micro Electro MechanicalSystem：微机电系统)型)加速度传感器，其中，加速度拾取部件具备根据加速度而振动的振子部(例如参照专利文献1)。这样的加速度传感器或加速度拾取部件能够检测倾斜、运动、振动、冲击等，用于运动体的加速度以及摆动测量、振动倾斜分析、地震的测量、监视、警报等各种用途(例如参照专利文献2和3)。
这样的加速度拾取部件具备根据加速度而振动的振子部、与振子部连结的铰链部、经由铰链部支撑振子部的支撑部、以及振子部与支撑部之间的贯通槽部。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2008—70356号公报
专利文献2：日本特开2009—222540号公报
专利文献3：日本特开平10—325762号公报
发明内容
发明所要解决的课题
本申请发明人等尝试通过对一个平板状的基体材料进行成形而得到这样的加速度拾取部件。但是，由于加速度拾取部件中的支撑部、振子部以及铰链部的厚度不同，而且在支撑部与振子部之间具有贯通槽部，因此各部分的成形工序变得复杂。
例如，在成形具有多个台阶且在其一部分上具有贯通基体材料的部位的三维形状时，随着加工深度变大，难以通过旋涂法来涂敷抗蚀剂。如果仅是贯通部分的话，可以通过激光加工来进行加工，但基体材料的材料限于石英等，并且一般难以形成任意深度的台阶。
例如，针对大台阶的抗蚀剂涂敷能够通过喷雾法来实现。但是，由于条件因凹凸形状的差异(喷雾的流动难易度的差异等)而不同，因此在形成贯通部分的深蚀刻部位与浅台阶混合存在的形状中，条件变得复杂。另外，如果使用浸渍法作为针对大台阶的抗蚀剂涂敷方法，则容易在凹部产生抗蚀剂积存，特别是在形成贯通部分后难以应用。
本发明的目的在于提供一种能够简化制造的三维结构部件的制造方法以及加速度拾取部件的制造方法。另外，本发明的目的还在于提供一种利用该制造方法制造的加速度拾取部件以及具备该加速度拾取部件的加速度传感器。
用于解决课题的方案
(1)本发明所涉及的三维结构部件的制造方法是对平板状的基体材料进行成形而制造具有厚度不同的多个部分的三维结构部件的方法，其包括：掩模形成工序，在基体材料的至少一个主面的整体上形成掩模；掩模除去工序，除去掩模的一部分；以及蚀刻工序，对基体材料的露出的部分进行蚀刻，针对与三维结构部件的多个部分分别对应的掩模以及基体材料，按照三维结构部件的厚度较薄的顺序进行掩模除去工序和蚀刻工序的组。
(2)在上述三维结构部件的制造方法中，优选掩模形成工序中的掩模是正型抗蚀剂，优选在掩模除去工序中，通过对掩模的一部分进行曝光而除去。
(3)本发明所涉及的另一三维结构部件的制造方法是对平板状的基体材料进行成形而制造具有厚度不同的四个部分的三维结构部件的方法，其包括：掩模形成工序，在基体材料的至少一个主面的整体上形成掩模；第一掩模除去工序，除去与三维结构部件的最薄的部分对应的掩模的一部分；第一蚀刻工序，对与三维结构部件的最薄的部分对应的基体材料的露出的部分进行蚀刻；第二掩模除去工序，除去与三维结构部件的第二薄的部分对应的掩模的一部分；第二蚀刻工序，对与三维结构部件的第二薄的部分以及最薄的部分对应的基体材料的露出的部分进行蚀刻；第三掩模除去工序，除去与三维结构部件的第三薄的部分对应的掩模的一部分；以及第三蚀刻工序，对与三维结构部件的第三薄的部分、第二薄的部分以及最薄的部分对应的基体材料的露出的部分进行蚀刻。
(4)在上述三维结构部件的制造方法中，优选掩模形成工序中的掩模是正型抗蚀剂，优选在第一掩模除去工序、第二掩模除去工序以及第三掩模除去工序中，通过对掩模的一部分进行曝光而除去。
(5)本发明所涉及的加速度拾取部件的制造方法是制造用于加速度传感器的加速度拾取部件的方法，该加速度拾取部件通过对平板状的基体材料进行成形而具有振子部、与上述振子部连结的铰链部、经由铰链部支撑振子部的支撑部、以及振子部与支撑部之间的贯通槽部，上述加速度拾取部件的制造方法包括：掩模形成工序，在基体材料的两个主面的整体上形成掩模；第一掩模除去工序，除去与贯通槽部对应的掩模的一部分；第一蚀刻工序，对与贯通槽部对应的基体材料的露出的部分进行蚀刻；第二掩模除去工序，除去与铰链部对应的掩模的一部分；第二蚀刻工序，对与铰链部以及贯通槽部对应的基体材料的露出的部分进行蚀刻；第三掩模除去工序，除去与振子部对应的掩模的一部分；以及第三蚀刻工序，对与振子部、铰链部以及贯通槽部对应的基体材料的露出的部分进行蚀刻。
(6)在上述加速度拾取部件的制造方法中，优选掩模形成工序中的掩模是正型抗蚀剂，优选在第一掩模除去工序、第二掩模除去工序以及第三掩模除去工序中，通过对掩模的一部分进行曝光而除去。
(7)本发明所涉及的加速度拾取部件是用于加速度传感器的加速度拾取部件，其具备：根据加速度而振动的振子部；与振子部连结的铰链部；经由铰链部支撑振子部的支撑部；以及振子部与支撑部之间的贯通槽部，振子部的与支撑部对置的侧面的厚度方向的中央部的内角为90度±10度，振子部与铰链部的边界处的内角为120度±10度。
(8)本发明所涉及的MEMS型加速度传感器具备：上述的加速度拾取部件；可动电极，其设于加速度拾取部件的振子部的两个主面；以及固定电极，其与可动电极对置地设置并被供给交流电压。
发明效果
根据本发明，能够提供一种能够简化制造的三维结构部件的制造方法以及加速度拾取部件的制造方法。另外，还能够提供利用该制造方法制造的加速度拾取部件以及具备该加速度拾取部件的加速度传感器。
附图说明
图1是本实施方式所涉及的加速度传感器的概略端面图。
图2是图1所示的加速度传感器的概略俯视图。
图3是表示本实施方式所涉及的加速度拾取器的立体图。
图4是图3所示的加速度拾取器的IV-IV线剖视图。
图5A是表示本实施方式所涉及的加速度拾取部件的抗蚀剂涂敷工序(掩模形成工序)的图。
图5B是表示本实施方式所涉及的加速度拾取部件的第一抗蚀剂除去工序(第一掩模除去工序)的图。
图5C是表示本实施方式所涉及的加速度拾取部件的第一蚀刻工序的图。
图5D是表示本实施方式所涉及的加速度拾取部件的第二抗蚀剂除去工序(第二掩模除去工序)的图。
图5E是表示本实施方式所涉及的加速度拾取部件的第二蚀刻工序的图。
图5F是表示本实施方式所涉及的加速度拾取部件的第三抗蚀剂除去工序(第三掩模除去工序)的图。
图5G是表示本实施方式所涉及的加速度拾取部件的第三蚀刻工序的图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式的一例进行说明。另外，在各附图中，对相同或相当的部分标注相同的符号。
(加速度传感器)
图1是本实施方式所涉及的加速度传感器的概略端面图，图2是图1所示的加速度传感器的概略俯视图。图1是图2的加速度传感器的I-I线剖视图。图1以及图2所示的加速度传感器1具备加速度拾取部件10、可动电极20、固定电极21、转矩线圈22、磁铁23、电源24、伺服控制部26以及箱体2。
在图1以及图2中，电源24和伺服控制部26以电气框图示出，其它部件在结构上示出。另外，在图2中，省略了图1中的固定电极21、磁铁23、电源24、伺服控制部26以及箱体2。
加速度拾取部件10具备支撑部11、振子部12以及铰链部13。支撑部11固定于加速度传感器1的箱体2的一部分。振子部12经由铰链部13与支撑部11的一部分连结，并且通过贯通槽部14而与支撑部11的一部分以外的其它部分分离。由此，振子部12根据加速度以铰链部13为支点而振动。
在振子部12的两个主面设有可动电极20和转矩线圈22。
可动电极20例如与设置在箱体2的一部分上的固定电极21对置。可动电极20和固定电极21构成静电电容，例如从电源24向固定电极21供给交流电压。由此，若加速度拾取部件10的振子部12振动，则在可动电极20上产生的电压发生变化(静电电容型、MEMS(MicroElectro Mechanical System：微机电系统)型)。
转矩线圈22例如与设置在箱体2的一部分上的磁铁23对置。流动于转矩线圈22的电流由伺服控制部26控制。
转矩线圈22还作为加速度拾取部件10的振子部12的配重发挥作用。此外，作为振子部12的配重，也可以设置与转矩线圈22不同的部件。
伺服控制部26基于来自可动电极20的信号，进行控制转矩线圈22的电流的所谓伺服控制。由此，伺服控制部26基于由加速度输入引起的振子部12的位移(振动量)，使电流流过转矩线圈22，通过电磁力的作用控制振子部12返回中立位置。
这样的加速度传感器1和加速度拾取部件10能够检测倾斜、运动、振动、冲击，用于运动体的加速度以及摆动测量、振动倾斜分析、地震的测量、监视、警报等各种用途。
(加速度拾取部件)
图3是本实施方式所涉及的加速度拾取部件10的立体图，图4是图3所示的加速度拾取部件10的IV-IV线剖视图。图3以及图4所示的加速度拾取部件10具备支撑部11、振子部12以及铰链部13。
支撑部11呈大致环状，经由从内周面的一部分延伸的铰链部13支撑振子部12。
振子部12呈大致圆板状，设置于支撑部11的内部空间。振子部12的外周面的一部分与铰链部13连结。在振子部12的外周面的一部分以外的部分与支撑部11的内周面的一部分以外的部分之间形成有贯通槽部14。即，振子部12经由铰链部13与支撑部11连结，并且在铰链部13以外与支撑部11分离。由此，振子部12作为惯性力学中的质量部(质量部)发挥功能。
铰链部13作为惯性力学中的弹性部发挥功能。
振子部12的厚度比支撑部11的厚度薄，铰链部13的厚度比振子部12的厚度薄。
振子部12的与支撑部11对置的侧面的厚度方向的中央部的内角θ侧为90度±10度，优选为90度。振子部12与铰链部13的边界处的内角θ边为120度±10度，优选为123度。其详细情况将在后面描述。
(加速度拾取部件的制造方法)
接着，参照图5A～图5G以及图4，对加速度拾取部件10的制造方法进行说明。图5A是表示本实施方式所涉及的加速度拾取部件10的抗蚀剂涂敷工序(掩模形成工序)的图。图5B是表示本实施方式所涉及的加速度拾取部件10的第一抗蚀剂除去工序(第一掩模除去工序)的图，图5C是表示本实施方式所涉及的加速度拾取部件10的第一蚀刻工序的图。图5D是表示本实施方式所涉及的加速度拾取部件10的第二抗蚀剂除去工序(第二掩模除去工序)的图，图5E是表示本实施方式所涉及的加速度拾取部件10的第二蚀刻工序的图。图5F是表示本实施方式所涉及的加速度拾取部件10的第三抗蚀剂除去工序(第三掩模除去工序)的图，图5G是表示本实施方式所涉及的加速度拾取部件10的第三蚀刻工序的图。
首先，如图5A所示，在平板状的基体材料10A的两个主面整体涂敷(形成)正型抗蚀剂(掩模)30(抗蚀剂涂敷工序：掩模形成工序)。作为基体材料10A的材料，可以举出石英、玻璃、水晶或硅等。作为正型抗蚀剂的材料，可以举出感光后能够溶解除去的AZP4330(MerckPerformance Materials合同会社制)、FPPR-P60ET(富士药品工业株式会社制)等。作为正型抗蚀剂的涂敷方法，可以使用旋涂法、喷雾法或浸渍法等。
接着，如图5B所示，对与加速度拾取部件10的最薄的贯通槽部14(厚度0mm：在本申请中，“部件的厚度”也包括厚度0mm。即，部件的最薄的部分也包括厚度0mm的贯通槽部。)，即对与加工深度最深的贯通槽部14对应的正型抗蚀剂30的一部分进行曝光(显影)。由此，除去与贯通槽部14对应的正型抗蚀剂30的一部分(第一抗蚀剂除去工序：第一掩模除去工序)。作为曝光光源，例如使用水银灯。
接着，如图5C所示，对与贯通槽部14对应的基体材料10A的露出的部分进行蚀刻(第一蚀刻工序)。
接着，如图5D所示，对与加速度拾取部件10的第二薄的铰链部13、即加工深度为第二深的铰链部13对应的正型抗蚀剂30的一部分进行曝光(显影)。由此，除去与铰链部13对应的正型抗蚀剂30的一部分(第二抗蚀剂除去工序：第二掩模除去工序)。作为曝光光源，使用与上述第一抗蚀剂除去工序相同的光源。
接着，如图5E所示，对与铰链部13以及贯通槽部14对应的基体材料10A的露出的部分进行蚀刻(第二蚀刻工序)。作为蚀刻液，使用与上述第一蚀刻工序相同的蚀刻液。
接着，如图5F所示，对与加速度拾取部件10的第三薄的振子部12、即加工深度为第三深的振子部12对应的正型抗蚀剂30的一部分进行曝光(显影)。由此，除去与振子部12对应的正型抗蚀剂30的一部分(第三抗蚀剂除去工序：第三掩模除去工序)。作为曝光光源，使用与上述第一抗蚀剂除去工序以及第二抗蚀剂工序相同的光源。
接下来，如图5G所示，对与振子部12、铰链部13以及贯通槽部14对应的基体材料10A的露出的部分进行蚀刻(第三蚀刻工序)。作为蚀刻液，使用与上述第一蚀刻工序以及第二蚀刻工序相同的蚀刻液。
接着，对与加速度拾取部件10的支撑部11对应的正型抗蚀剂30的剩余部分进行曝光(显影)。由此，除去与支撑部11对应的正型抗蚀剂30的剩余部分，得到图4所示的加速度拾取部件10。
上述全部工序在暗室(黄光室)中进行。
这里，一般针对每个蚀刻加工、即针对每个加工部位进行抗蚀剂形成以及抗蚀剂除去。
但是，根据本实施方式的加速度拾取部件的制造方法，抗蚀剂形成工序仅为最初的一次，因此不针对每个蚀刻加工进行抗蚀剂除去。并且，按照三维结构部件的厚度变薄的顺序、即按照加工深度变深的顺序，扩大抗蚀剂的开口部，或者在抗蚀剂上形成新的开口部，反复进行蚀刻。由此，能够由平板状的基体材料简单地制造具有厚度不同的振子部12、铰链部13、支撑部11以及贯通槽部14的加速度拾取部件10。
另外，根据本实施方式的加速度拾取部件的制造方法，在抗蚀剂形成工序中，为了对加工前的平坦的基体材料进行抗蚀剂涂敷，能够采用一般的旋涂法、喷雾法或浸渍法等。由此，能够更简单地制造加速度拾取部件10。
另外，根据本实施方式的加速度拾取部件的制造方法，使用感光后能够溶解除去的正型抗蚀剂作为抗蚀剂，因此，仅通过追加曝光就能够扩大抗蚀剂的开口部，或者在抗蚀剂上形成新的开口部。由此，能够更简单地制造加速度拾取部件10。
这里，如图5E以及图5F所示，在第二蚀刻工序中，振子部12的与支撑部11对置的侧面的厚度方向的中央部的内角θ侧相比90度非常小，产生了所谓的毛刺。但是，如图5G所示，通过在第三蚀刻工序中进一步对贯通槽部14进行蚀刻，能够使振子部12的与支撑部11对置的侧面的厚度方向的中央部的内角θ侧为90度±10度，优选为90度，从而能够减少毛刺。
另外，如图5E以及图5F所示，在第二蚀刻工序中，振子部12与铰链部13的边界处的内角θ边为90度左右，为锐角。这种情况下，在振子部12与铰链部13的边界上形成的可动电极有时会断线(断开)。但是，如图5G所示，通过在第三蚀刻工序中不仅对振子部12进行蚀刻，而且进一步对铰链部13也进行蚀刻，能够使振子部12与铰链部13的边界处的内角θ边为120度±10度，优选为123度的钝角。由此，能够减少在振子部12与铰链部13的边界上形成的可动电极的断线(断开)。
由此，在通过本实施方式的加速度拾取部件的制造方法制造的加速度拾取部件10中，振子部12的与支撑部11对置的侧面的厚度方向的中央部的内角θ侧为90度±10度，优选为90度。振子部12与铰链部13的边界处的内角θ边为120度±10度，优选为123度。由此，能够在振子部12的与支撑部11对置的侧面的厚度方向的中央部减少毛刺。另外，能够减少在振子部12与铰链部13的边界上形成的可动电极的断线(断开)。
以上对本发明的实施方式进行了说明，但本发明不限定于上述实施方式，可以进行各种变更以及变形。例如，在上述实施方式中，对制造加速度传感器所使用的加速度拾取部件10的方法进行了说明，该加速度拾取部件10通过对平板状的基体材料进行成形而具有振子部12、铰链部13、支撑部11以及贯通槽部14(即，具有厚度不同的四个部分的三维结构部件)。但是，本发明的特征不限定于此，也能够应用于对平板状的基体材料进行成形而制造具有厚度不同的多个部分的三维结构部件的方法。在该情况下，只要针对与三维结构部件的多个部分分别对应的抗蚀剂(掩模)以及基体材料，按照三维结构部件的厚度变薄的顺序进行抗蚀剂除去工序(掩模除去工序)和蚀刻工序的组即可。
另外，在上述实施方式中，在抗蚀剂涂敷工序(掩模形成工序)中，在基体材料的两个主面涂敷(形成)了抗蚀剂(掩模)，但也可以在基体材料的至少一个主面的整体涂敷(形成)抗蚀剂(掩模)。
符号说明
1—加速度传感器，2—箱体，10—加速度拾取部件，10A—基体材料，11—支撑部，12—振子部，13—铰链部，14—贯通槽部，20—可动电极，21—固定电极，22—转矩线圈，23—磁铁，24—电源，26—伺服控制部，30—正型抗蚀剂(掩模)。

Claims (5)

1.一种三维结构部件的制造方法，是对平板状的基体材料进行成形而制造具有厚度不同的多个部分的三维结构部件的方法，其特征在于，包括：
掩模形成工序，在上述基体材料的至少一个主面的整体上形成掩模，上述掩模形成工序仅进行最初的一次，在一个主面上仅形成一层掩模；
掩模除去工序，完全除去上述掩模的一部分并露出上述基体材料的相应的部分；以及
蚀刻工序，对上述基体材料的露出的部分进行蚀刻，
针对与上述三维结构部件的多个部分分别对应的上述掩模以及上述基体材料，按照上述三维结构部件的厚度变薄的顺序反复多次进行上述掩模除去工序和上述蚀刻工序的组，
上述掩模形成工序中的上述掩模为正型抗蚀剂，
在上述掩模除去工序中，通过对上述掩模的一部分进行曝光而除去。
2.一种三维结构部件的制造方法，是对平板状的基体材料进行成形而制造具有厚度不同的四个部分的三维结构部件的方法，其特征在于，包括：
掩模形成工序，在上述基体材料的至少一个主面的整体上形成掩模，上述掩模形成工序仅进行最初的一次，在一个主面上仅形成一层掩模；
第一掩模除去工序，完全除去与上述三维结构部件的最薄的部分对应的上述掩模的一部分并露出上述基体材料的相应的部分；
第一蚀刻工序，对与上述三维结构部件的最薄的部分对应的上述基体材料的露出的部分进行蚀刻；
第二掩模除去工序，完全除去与上述三维结构部件的第二薄的部分对应的上述掩模的一部分并露出上述基体材料的相应的部分；
第二蚀刻工序，对与上述三维结构部件的第二薄的部分以及最薄的部分对应的上述基体材料的露出的部分进行蚀刻；
第三掩模除去工序，完全除去与上述三维结构部件的第三薄的部分对应的上述掩模的一部分并露出上述基体材料的相应的部分；以及
第三蚀刻工序，对与上述三维结构部件的第三薄的部分、第二薄的部分以及最薄的部分对应的上述基体材料的露出的部分进行蚀刻，
上述掩模形成工序中的上述掩模为正型抗蚀剂，
在上述第一掩模除去工序、上述第二掩模除去工序以及上述第三掩模除去工序中，通过对上述掩模的一部分进行曝光而除去。
3.一种加速度拾取部件的制造方法，是制造加速度拾取部件的方法，该加速度拾取部件用于加速度传感器，通过对平板状的基体材料进行成形而具有振子部、与上述振子部连结的铰链部、经由上述铰链部支撑上述振子部的支撑部、以及上述振子部与上述支撑部之间的贯通槽部，
上述加速度拾取部件的制造方法的特征在于，包括：
掩模形成工序，在上述基体材料的两个主面的整体上形成掩模，上述掩模形成工序仅进行最初的一次，在每个主面上仅形成一层掩模；
第一掩模除去工序，完全除去与上述贯通槽部对应的上述掩模的一部分并露出上述基体材料的相应的部分；
第一蚀刻工序，对与上述贯通槽部对应的上述基体材料的露出的部分进行蚀刻；
第二掩模除去工序，完全除去与上述铰链部对应的上述掩模的一部分并露出上述基体材料的相应的部分；
第二蚀刻工序，对与上述铰链部以及上述贯通槽部对应的上述基体材料的露出的部分进行蚀刻；
第三掩模除去工序，完全除去与上述振子部对应的上述掩模的一部分并露出上述基体材料的相应的部分；以及
第三蚀刻工序，对与上述振子部、上述铰链部以及上述贯通槽部对应的上述基体材料的露出的部分进行蚀刻，
上述掩模形成工序中的上述掩模为正型抗蚀剂，
在上述第一掩模除去工序、上述第二掩模除去工序以及上述第三掩模除去工序中，通过对上述掩模的一部分进行曝光而除去。
4.一种加速度拾取部件，该加速度拾取部件根据权利要求3所述的加速度拾取部件的制造方法制造，用于加速度传感器，其特征在于，具备：
根据加速度而振动的振子部；
与上述振子部连结的铰链部；
经由上述铰链部支撑上述振子部的支撑部；以及
上述振子部与上述支撑部之间的贯通槽部，
上述振子部的与上述支撑部对置的侧面的厚度方向的中央部的内角为90度±10度，
上述振子部与上述铰链部的边界处的内角为120度±10度。
5.一种MEMS型加速度传感器，其特征在于，具备：
权利要求4所述的加速度拾取部件；
可动电极，其设于上述加速度拾取部件的振子部的两个主面；以及
固定电极，其与上述可动电极对置地设置并被供给交流电压。
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