JP2004505264A - ３軸センサ及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・トンネリング／キャパシティブ・センサ及びその製造方法である。少なくとも２つの直交的に配置されたセンサ及び関連した組合わせ部が第一の基板またはウェハ上に定義され、前記少なくとも２つの直交的に配置されたセンサが直交方向に感度を有する。少なくとも第３のセンサも定義され、前記第３のセンサが直交的に配置された２つのセンサの感度の直交方向に直交する方向に感度を有し、前記共振構造部が上部に組合わせ部を有する。少なくとも２つの直交的に配置されたセンサに対する接部は第二の基板またはウェハ上の組合わせ部と共に形成され、前記第二の基板またはウェハ上の前記組合わせ部は前記第一の基板またはウェハ上の前記組合わせ部と相補的な形状を有する。前記第一の基板の前記組合わせ部は、前記第二の基板またはウェハ上の前記組合わせ部と対面関係に配置される。１つの組合わせ部に関連した共晶ボンディング層は、せれぞれの組合わせ部間のボンディングを容易にしている。少なくとも前記第一の基板またはウェハの部が除去されて、前記片持ち梁ビーム構造及び前記共振構造部を切り離す。
【選択図】図４０Ｃ
【選択図】図４０Ｃ
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ・エレクトロ・メカニカル（ＭＥＭ）・トンネリング／キャパシティブ・センサに関し、特に共晶的にボンディングされている複数ウェハを利用する３軸センサに関する。１形態における、単結晶、トンネリング及びキャパシティブ、共晶ボンディングを利用している３軸センサ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明は、高い性能を有する単結晶ケイ素トンネリング及びキャパシティブデバイスを用いている単基板上の複数軸回転率センサを組み立てる新しい工程を提供する。従来、３軸回転計測用の単ケイ素（Ｓｉ）基板上の複数軸キャパシティブセンサは実現されている。｛参考文献として、”マイクロマシンド デュアル インプット アクシス アンギュラー レイト センサ（Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｄｕａｌ Ｉｎｐｕｔ Ａｘｉｓ Ａｎｇｕｌａｒ Ｒａｔｅ Ｓｅｎｓｏｒ）”、トール ジュノー、エー．ピー．ピサーノ ソリッド ステート センサーズ アンド アクチュエイター アクシス アンギュラー レイト センサ（Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒ Ａｘｉｓ Ａｎｇｕｌａｒ Ｒａｔｅ Ｓｅｎｓｏｒ）”、トール ジュノー、エー．ピー．ピサーノ ソリッド センサーズ アンド アクチュエイター ワークショップ（Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ）、ヒルトン ヘッド、サウス カロライナ、ジューン（Ｊｕｎｅ）２〜６、１９９６、及び”マイクロストラクチャ デザイン オブ アングル メジャーイング エムイーエムエス ジャイロスコープス（Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ａｎｇｌｅ Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ＭＥＭＳ Ｇｙｒｏｓｃｏｐｅｓ）”、アンドレイ エム．シュケル、博士論文、バークレイ センサー アンド アクチベータ センタ、１９９９｝。しかしながら、従来には、単チップ３軸センサ用のトンネリング及びキャパシティブセンサの組合わせは無かった。大部分のマイクロマシン技術及び上記に関連した特許出願に係る技術は、２軸トンネリング率ジャイロ（Ｘ及びＹ検知用）及び単基板上の様々なタイプの２軸キャパシティブ率ジャイロに対しては利用することができる。
【０００３】
従来技術における問題点は、３つのセンサを使用すると、それらを機械的に調整する必要がある。３軸センサにとって必要なのは、採用された製造工程の結果として、それぞれのセンサに関連して自動的にセンサの調整がなされることである。本発明ではこの必要を満たしている。
【０００４】
概して、本発明は、２つが直交的に位置された片持ち梁ビーム、及び組合わせ部が第一の基板またはウェハ上に定義され、また少なくとも１つの接触部及び組合わせ部が第二の基板またはウェハ上に定義されているマイクロ・エレクトロ・メカニカル（ＭＥＭ）・３軸センサの製造方法を提供するものである。第二の基板またはウェハ上に施される組合わせ部は、第一の基板またはウェハ上の組合わせ部と好ましい相補的な形状を有している。２つの組合わせ部のうち少なくとも１つは、ウェハから伸長したケイ素突部を含み、その上部に対応部が組み合わされる。ボンディングまたは共晶層は少なくとも１つの組合わせ部上に提供され、その組合わせ部のそれぞれが対面関係に置かれる。その結果、２つの基板間に対して圧力が加えられると共に、熱が加えられることによりボンディングまたは共晶層における２つの組合わせ部間にボンディングが起こる。そして、第一の基板またはウェハは除去されて、第二の基板またはウェハに関連した動作をする片持ち梁ビームを自由にする。ボンディングまたは共晶層も、片持ち梁ビーム上に形成された接触部を用いた回路を作成するための片持ち梁ビームへの便利な電導路を提供する。
【０００５】
もう一つの特徴としては、本発明は、単結晶ケイ素マイクロ・エレクトロ・メカニカル・スイッチまたはセンサの構成及び製造方法を提供する。第一の基板またはウェハは、第一の基板またはウェハ上に少なくとも２つの片持ち梁ビーム構造部及び組合わせ部が定義されることで提供される。２つの片持ち梁ビームはお互いに直交的に配置される。もう１つの３番目の直交方向に反応するセンサも提供される。圧力に対して繊細なボンディング層は、第一の基板及び第二の基板間へ圧力及び熱の施工に応じて、第一の基板またはウェハ上に定義された組合わせ部を前記第二の基板又はウェハ上の組合わせ部とボンディングするために、少なくとも一つの組合わせ部上に配置される。
【０００６】
半導体製造型工程が３つのセンサの製造に向いていることから、本発明における３軸センサにお互いに関連して３つのセンサの自動的な自己調整を提供し、それ故に３つのセンサの構造の殆どを作り出すマスクを使用することで、３つのセンサのリソグラフ的な調整が行われる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
マイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサの片持ち梁ビーム形成に関するいくつかの技術は、図１〜図３７を用いて詳述する。その他の片持ち梁構造物を形成する技術は、本願に取り込んで詳細を説明する。本願の特徴である３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサは、図３８〜図４０Ｂを用いて説明する。
【０００８】
マイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサの図面は縮尺が合っていないが、それよりも、当業者のために関連した構造についてを明示している。当業者には、実際のこれら素子及び機構に関してはとても小さく、一般に半導体素子の製造に使用するのと同様分野の技術が用いられた特有の製造技術によるものであるとの認識がある。これら小型素子の大きさを理解するために、図２３において、本発明を用いたマイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサーの好適な実施例の実寸情報が表わされている。
【０００９】
図１Ａ及び図１Ｂには、片持ち梁（ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ）を形成する初期ウェハが図示されている。初期ウェハは、本体としてのｎ型ケイ素（Ｓｉ）１０上にドープｐ型ケイ素１２の薄層が形成された構造を持つ。ケイ素ウェハ１０はＳｉ＜１００＞結晶方向を持つ単結晶構造であることが望ましい。ｐ型ケイ素層１２は、ケイ素ウェハ１０上でエピタキシー層となるのが望ましい。層１２は、１〜２０マイクロメートル（μｍ）幅の厚さであるのが好ましいが、０．１μｍ〜８００μｍの厚さであっても構わない。一般的に、片持ち梁ビームの長さは片持ち梁ビームの厚さと同等とする。層１２が最終的に片持ち梁ビーム（ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｅｄ ｂｅａｍ）を形成するため、層１２の厚さは片持ち梁を形成するのに適した長さに合わせて選択される。
【００１０】
本実施例における層１２は、抵抗値を０．０５Ω−ｃｍ以下に減少するようにホウ素とｐ型ドープされるのが良いが、抵抗値が０．０１から０．０５Ω−ｃｍにドープされることが望ましい。本体ケイ素ウェハまたは基板１０の抵抗値は、約１０Ω−ｃｍであるのが望ましい。ホウ素は、ケイ素に比べ、比較的小さな原子で構成されており、層１２の抵抗値を減少するためには、ホウ素を半導体に加えるドーパント率として（１０２０）の水準を含める必要があり、それによりドープにより適した値に補正された圧力が誘導されるようになるのであり、類似した濃度水準を持つものとして、ゲルマニウムのような大きな純原子を持つ物質が挙げられる。ゲルマニウムは、最終金属内で電子電導体に寄与せず、電子電導体を除去しない点で、純原子であると考えられている。
【００１１】
図１Ａ及び図１Ｂには、片持ち梁（ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ）を形成する初期ウェハが図示されている。初期ウェハは、本体としてのｎ型ケイ素（Ｓｉ）１０上にドープｐ型ケイ素１２の薄層が形成された構造を持つ。薄いケイ素層１２はやがて、片持ち梁が形成される部材を提供する。ケイ素ウェハ１０はＳｉ＜１００＞結晶方向を持つ単結晶構造であることが望ましい。薄いエッチング停止層１１が薄いケイ素層１２及びケイ素ウェハ１０間に形成される。この構成を絶縁上ケイ素（ＳＯＩ）と呼ぶが、絶縁上ケイ素構造物を作成する技術は当業者にとってよく知られているので、ここでは詳細は記載しない。二酸化ケイ素層であり、厚さが１〜２μｍであるのが好ましいエッチング停止層１１は、例としてエッチング停止層１１をケイ素ウェハ１０の露出表面上を覆い隠すように形成するために、露出表面を通してケイ素ウェハ１０内部への酸素の転移によって作成することができ、またこのようにすることが同時に、薄いケイ素層１２が露出表面に隣接するのを定義する。このような薄い層１２は、＜１００＞のケイ素指向性を持つ単結晶構造をも有して作成されるのが望ましい。このエッチング停止層１１はやがて、ウェハ１０から片持ち梁ビームから切り離される。層１２は、１〜２０マイクロメートル（μｍ）幅の厚さであるのが好ましいが、０．１μｍ〜８００μｍの厚さであっても構わない。一般的に、片持ち梁ビームの長さは片持ち梁ビームの厚さと同等とする。層１２が最終的に片持ち梁ビームを形成するため、層１２の厚さは片持ち梁を形成するのに適した長さに合わせて選択される。
【００１２】
センサ構造内での層１２は、抵抗値を０．０５Ω−ｃｍ以下に減少するようにドープされるのが良いが、抵抗値が０．０１〜０．０５Ω−ｃｍにドープされることが望ましい。本体ケイ素ウェハまたは基板１０の抵抗値は、約１０Ω−ｃｍであるのが望ましい。ホウ素がドーパントとして利用される場合、ケイ素に比べ比較的小さな原子で構成されており、層１２の抵抗値を減少するためには、ホウ素を半導体に加えるドーパント率として（１０２０）の水準を含める必要があり、それによりドープにより適した値に補正された圧力が誘導されるようになるのであり、類似した濃度水準を持つものとして、ゲルマニウムのような大きな純原子を持つ物質が挙げられる。ゲルマニウムは、最終金属内で電子電導体に寄与せず、電子電導体を除去しない点で、純原子であると考えられている。
【００１３】
図１Ａ及び図１Ｂに図示された層１２は、符号１４に示されたような型押しされたにマスク層が、よく知られた写真平板技術を用いて形成されるが、この型押しは正面からみて大文字”Ｅ”の形状にするのが望ましい。大文字”Ｅ”の形状を呈するのが望ましいが、他の形状が用いられても構わない。本実施例では、Ｅ形状の外周部が組合わせ部を形成し、その部分でセンサの片持ち梁形成基板２と基板４とが組み合わされる。
【００１４】
図２Ａ及び図２Ｂに図示したマスク層１４の型押しの後、ウェハはプラズマエッチングにかけられ、薄いｐ型ケイ素層１２を通すようにエッチングを行い、ケイ素ウェハ１０内へも約５００Åの深さまでエッチングを行う。
【００１５】
図２Ａ及び図２Ｂに図示されているマスク１４はその後除去され、もう一方のフォトレジスト層が付加され、２つの穴部１６−１、１６−２が提供された形で図３Ａ及び図３Ｂでは図示されている。穴部１６−１は薄いｐ型ケイ素層１２の基板にある’Ｅ’形状の外周部に沿って構成され、さらに穴部１６−２は’Ｅ’形状ｐ型ケイ素層１２の内辺端部に配置または近接されている。
【００１６】
チタン／プラチナ／金層が次にマスク１６及び穴部１６−１、１６−２及び１３−３を通して溶着されて、接触柱１８−１、トンネリング接触端１８−２が形成される。チタン／プラチナ／金層は全ての厚さが約２０００Åであることが望ましい。チタン及びプラチナの個別層は、それぞれが１００−２００Åと１０００−２０００Åの厚みをもたせるべきである。フォトレジスト１６の除去の後、ウェハに約５２０℃で焼結工程を行い、接触部１８−１及び１８−２と、基板層１２との間にオームチタン−ケイ素結合を形成する。後述する図２４Ａ〜図２８Ｂに詳細を図示し、焼結工程は金属層が用いられる場合には除くことができ、接触部１８−１及び１８−２を接続するのに活かされる。
【００１７】
図４Ａ及び４Ｂに示した構造時にフォトレジスト層２０によって覆いがなされ、図３Ａ及び図３Ｂにおいて述べたフォトレジスト層１６においてなされたのと同じ形状を持つように型押しがなされる。それ故、フォトレジスト層２０は穴部２０−１及びもう一方の穴部２０−２を内部に有する。本技術の当業者には、穴部１６−１、１６−２、２０−１及び２０−２の大きさは実寸表示ではなく、また穴部１６−２及び２０−２は穴部１６−１及び２０−１に比べ、非常に小型になっていることが知られている。従って、より厚いチタン／プラチナ／金層がウェハ上に配置される時に、穴部２０−１を実質的に満たす（図５Ａ参照）。しかしながら、当業者には溶着工程が進むと、穴部２０−１及び２０−２の端部において張出しが起きるため、層２２のような層を溶着する際に、マスクの端部がいくらか満たされてしまうことが知られている。穴部２０−１の幅が非常に広いため、この満たされてしまう影響は特に重要とはならない。しかしながら、穴部２０−２は先端に向かってより細くなっているために、符号２０−２に示されている溶着されたチタン／プラチナ／金２２がピラミッド形状又は円錐形状を呈する。チタン／プラチナ／金層２２の溶着の厚さは、層２２が溶着工程中に穴部２０−２の天頂部を閉じるのに十分な厚さを有する。最終的に、約１００Åの厚さを有する比較的薄い金／ケイ素層２４が基板上及び穴部２０−１を通して符号２４−１に示したように溶着される。
【００１８】
フォトレジスト層２０は、上部に形成されている層２２及び２４が取り除かれて、図６Ａ及び６Ｂに示したような構造物が残される。層１２上の層２２−１及び２４−１の高さは、およそ１１，５００Åであるのが望ましく、またピラミッド形状または円錐形状の構造物２２−２はおよそ８，５００Åであるのが望ましい。第一の実施例に係るマイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサの片持ち梁ビーム部がこれによって形成され、これから第一の実施例に係るマイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサの基板構造の形成について述べる。見られるように、層２２−１及び２４−１が基板にある片持ち梁ビームと組合わせられる組合わせ部を形成する。
【００１９】
以下に基板について述べる。図７Ａ及び７Ｂでは、酸化ケイ素層３２及び３４を表面の広範囲に有するウェハ３０が示されている。層３２及び３４のそれぞれの厚さは、およそ１．０マイクロメートルであるのが望ましい。次に、図８Ａ及び８Ｂに示されるように付加及び型押しされたフォトレジスト層３６によってマスクが形成されて、穴部３６−１、３６−２、３６−３及び３６−４が内部に形成されている。穴部３６−１は、基本的に図３Ａ及び３Ｂで述べた穴部１６−１の形状及び構造に対応している。類似形として、穴部３６−２が、基本的に図３Ａ及び３Ｂで述べた穴部１６−２に対応している。穴部３６−３及び３６−４は制御及びセルフテスト電極３８−３及び３８−４の溶着を考慮している。チタン／プラチナ／金層３８がマスク３６上、また穴部を通して内部に接触電極３８−１、３８−２、３８−３及び３８−４を層３４上に形成するように溶着される。フォトレジスト層３６も、層３８の溶着時に、接続パッド４０が内部紐状導体４２と共に電極のそれぞれをも形成するように、内部に穴部を有する。好ましくは、防護環４４が先端電極３６−２、関連する紐状導体４２−２及び接続パッド４０−２の周囲に配置されるのが良い。防護環は簡便のため側面図では図示しない。
【００２０】
フォトレジスト層３６はこの時、上部に溶着された層３８を取り外して除去され、図９Ａ及び９Ｂに示される構造物を残す。接部３８−１は大文字Ｅの外周形状を呈し、片持ち梁ビーム形成基板２の類似した形状を有する組合わせ部２２−１、２４−１と組合わされる組合わせ部を提供する。
【００２１】
図１０は、図１Ａから６Ｂにおいて述べたように組み立てられるのが好ましい片持ち梁ビーム形成基板２が、図７Ａ〜図９Ｂにおいて述べたように組み立てられた基板４に関連した部と、機械的に揃えられる。もちろん、当業者にとって、ウェハ１０及び３０の表面に見られるパターンは、ウェハの表面を越えて何度も繰返され、符号２２−１、２４−１１２及び２２−２で構成される片持ち梁ビーム形成基板２及び符号３８−１から３８−４で構成されている対応している基板４がケイ素ウェハ１０及び３０上で組み合わされるように製造されているのは知られている。２つのウェハは組み合わされ（図１１を参照）、圧力及び熱によって層２４−１及び層３８−１間で共晶ボンディングが起こる。圧力はおよそ１０００のデバイスを含む３インチ（７．５ｃｍ）ウェハ２、４の間に約４００℃で約５，０００Ｎの力が加えられて展開されるのが好ましい。もちろん、力はウェハのサイズによって調整され、全ての表面がボンディングされる必要がある。
【００２２】
層２４−１及び３８−１は大文字”Ｅ”の外周部の形状を持つことが望ましく、それによってマイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサの可動接部２２−２が、この物理形状で効果的に防護される。共晶ボンディング形成後、ケイ素層１０は除去され、図１２Ａび図１２Ｂに図示されたマイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサが得られる。ケイ素は非ドープのケイ素をエッチングするエチレンジアミンピロカテコール（ＥＤＰ）によって除去することが可能であり、ホウ素によってドープされたケイ素がここで述べるこのエッチング液に抵抗する。このエッチング工程では接部２２−２を有するホウ素ドープされたケイ素片持ち梁ビーム１２と、基板４にボンディングされた補助または組合わせ部２２−１及び２４−１のみが残される。マイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサについての好ましい寸法は、図１２Ａに示される。ビームは２００〜３００μｍ（０．２〜０．３ｍｍ）の長さを有するのが望ましい。
【００２３】
エチレンジアミンピロカテコールをエッチング液として利用する代わりに、例として層１２及び基板１０間のエッチング停止層のような二酸化ケイ素層が利用されている場合には、プラズマエッチングを利用することができる。
【００２４】
マイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサの第二の実施例を以下に説明する。第一の実施例の場合のように、片持ち梁ビーム形成基盤２の組立について初めから説明し、また基板４及び共晶ボンディング及びマイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサの完成形態について説明する。明らかにするのは、この第二の実施例が第一の実施例と基板４上で片持ち梁ビームが補助されている点について異なっている。
【００２５】
第二の実施例についての片持ち梁形成基板２の組立は、第一の実施例の図１Ａ〜図４Ｂで述べた点から始まる。組み立て工程は、図１〜図４Ｂにおいて示した工程で実現でき、図１Ａ〜図４Ｂに示した構造となる。そこから、フォトレジスト層２０’が置かれ、図１３Ａ及び図１３Ｂに示されたような単穴部２０−２を内包した形状を呈する。１５，０００Åの厚さを持つ金層２６がフォトレジスト層２０’上に付加され、接部１８−２から穴部２０−２上に配置された金が、金層２６の溶着間に穴部２０−２において張出しを形成することにより、ピラミッド形状または円錐形状をなす突接部２６−２を形成する。接部２０−２が形成された後、残されたフォトレジスト層２０’が除去されて、片持ち梁ビーム構造物が図１４Ａ及び図１４Ｂに示されるように視認できるようになる。第二の実施例における図１４Ａ及び図１４Ｂと、第一の実施例における図６Ａ及び図６Ｂの２つの実施例間の差異は、第二の実施例には層２２−１及び２４−１が無い部分であり、故に本実施例では組合わせ部が層１８−１により提供される。
【００２６】
マイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサの第二の実施例の基板４の組立を、以下に図１５Ａから図１９Ｂを用いて述べる。図１５Ａ及び図１５Ｂでは、ケイ素のウェハ３０’が図示され、フォトレジスト層５０が配置されて、大文字’Ｅ’の外周形状が型押しされている。この時露出したケイ素が２０００Åの厚さのエッチングにより、フォトレジスト層のマスク５０が型押しされた下にウェハ３０−１の突部を定義する。フォトレジストマスク５０がこの時に除去され、ウェハ３０が酸化されて酸化層５２、５４をその露出表面に形成する。酸化層はそれぞれ１μｍの厚さを持つのが好ましい。もちろん、図１６Ａに示す表面端部は酸化されていないが、図１６Ａに図示する型押しは、全体のウェハ３０において見られる複数の型押しの繰返しの１つが示されているのみであるためである。
【００２７】
図１７及び図１７Ｂでは、フォトレジスト層５６が、前述したような大文字’Ｅ’の外周形状を呈する穴部５６−１を内包して付加されている。この時、２，０００Åの厚さを持つのが好ましいチタン／プラチナ／金層５８が、穴部５６−１を通って溶着され、次に穴部５６−１では、１，０００Åの厚さを持つのが好ましい金／ケイ素共晶層６０の溶着が行われる。これによりチタン／プラチナ／金層５８−１及び金／ケイ素共晶層６０−１が形成され、前述したように大文字’Ｅ’の外周形状に沿って形成されるのが望ましい。
【００２８】
フォトレジスト層５６がこの時除去され、図１８Ａに示す（ｉ）穴部６２−２、６２−３及び６２−４，以下図１８Ｂに示す（ｉｉ）パッド４０−１から４０−４及び紐状導体４１用穴部、（ｉｉｉ）防護環４４及びそのパッド用穴部が型押しされたフォトレジスト層６２が付加される。簡単に述べると、防護環４４用穴部は１８Ａには示しておらず、チタン／プラチナ／金層が、図１９Ａ及び図１９Ｂに示すように、フォトレジスト層上及び穴部６２−２から６２−４を通して溶着され、穴部６２−２から６２−４では接部６４−３、６４−４及び６４−２を形成する。これら接部は前述した紐状導体４２によって、接部が形成するパッド４０−２〜４４−４と内部接触がなされ、接部４０及び紐状導体が形成されると同時に接部６４−３、６４−４及び６４−２が形成されるのが望ましい。外周形状層５８−１及び６０−４も紐状導体４２によってパッド４０−１と接続される。フォトレジスト層６２は除去されて、図１９Ａ及び図１９Ｂに示すように基板が視認できるようになる。２０，０００Åの高さを持つのが好ましい突部３０−１と比較的薄い層５８−１及び６０−１は基板における組合わせ部を形成する。
【００２９】
図２０では、第二の実施例における片持ち梁ビーム形成部２は、ここで基板４とボンディングされる。図２０では、２つの基板１０及び３０’が対面関係になり、それにより組合わせ部１８−１及び３０−１、５８−１、６２−１が一直線上になり、層１８−１及び６０−１がそれぞれ適切に組合わされる。圧力及び熱（好ましくは、その上部におよそ１０００のセンサが配置された３インチウェハ２、４の間に４００℃で５，０００Ｎの圧力を付加するのが望ましい）が付加され、共晶ボンディングが図２１に示すように層１８−１０及び６０−１間で起こる。その後、ケイ素ウェハ１０がエッチング停止層１１を用いて除去され、そして層１１が除去されて、図２２に示すマイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサ構造が得られる。ｐ型ケイ素層１２は、片持ち梁ビームとして補助する部１２−２と、下層を通して基板４に接触されているもう一方の部とを含む。金接触部２６−２は符号１２−２、１２−１、１８−１、６０−１、５８−１及び金接触部に関連する紐状導体４２によってパッドと一対にされている。
【００３０】
図２３は図２２と基本的に一致し、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサをより詳細に、かつ好適なマイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサの寸法をも本図では示している。
【００３１】
以下に、第一の実施例及び第二の実施例に関して上述した図４Ｂについて再度述べるが、チタン／プラチナ／金層１８は接部１８−１及び１８−２を形成するのに利用され、これら接部はホウ素ドープされた片持ち梁１２とオーム接触が形成されるように焼結される。特記事項として、焼結は紐状導体を接部１８−１及び１８−２の間に提供することにより避けることができる。そのような改良の詳細をここで述べ、図２４Ａ及び図２４Ｂに焼結について図示する。
【００３２】
この改良によれば、ケイ素ウェハ１０上に形成される薄いケイ素層１２には（ｉ）ホウ素がドープされ、または（ｉｉ）非ドープされ、またはその他の添加物がドープされる。非ドープされる（または他の不純物によってドープされる）場合、基板１０上のエピタキシャル成長より他の方法によって形成されるのが望ましく、また薄いエッチング停止層１１がケイ素エピタキシャル層１２とケイ素ウェハ１０間に形成される。この構造は絶縁上ケイ素（ＳＯＩ）と呼ばれるが、絶縁上ケイ素の形成技術は本技術分野で良く知られているためここでは詳述しない。二酸化ケイ素層であることが好ましいエッチング停止層１１は、１−２μｍの厚さを持つことが望ましく、作成例としては、ケイ素ウェハ１０内部に酸素を添加し、ケイ素ウェハ１０の露出面下部を被覆するエッチング停止層１１を形成し、同時に、薄ケイ素層１２をその露出面に隣接することにより作成される。薄い層１２もそれ故に、＜１００＞結晶配列を有する単結晶構造で作成されているのが好ましい。エッチング停止層１１が利用される場合には、二酸化ケイ素層の厚さが約１〜２μｍを有することが望ましい。このエッチング停止層１１はウェハ１０から片持ち梁ビームを前述した２つの工程であるプラズマエッチング工程によって切り離される。層１２がホウ素ドープされる場合には、エピタキシャル層の抵抗値が１Ω−ｃｍ以下に減衰するドープがされる。そうなる程度のホウ素ドープでエピタキシャル層１２は、その後のウェハ１０から片持ち梁ビーム１０を切り離すエチレンジアミンピロカテコールエッチングに抵抗できるため、エッチング停止層は必要ない。
【００３３】
付加的に、ドープされまたは非ドープである薄いケイ素層１２が上部に形成されたケイ素層１０（図２４Ａ及び図２４Ｂ参照）が熱酸化により比較的薄い二酸化ケイ素層を層１２の露出表面に形成しているのが良い。層１２は１．２μｍの厚さを持つのが良い（しかし、用途に応じて薄くしても厚くしても良い）。付加二酸化ケイ素層の厚さは、およそ０．２μｍであるのが望ましい。この時点に至り、希望により互いの広範囲の表面を酸化し、酸化部分を下層からはがしても良い。付加酸化層はビームの端部に形成されたトンネリング突部の金内部にビームからケイ素の拡散に対してより良い防護を提供するのに向いている。この付加酸化層は片持ち梁のどの実施例において使用されても良いが、簡便のために殆どの図においては省略されている。しかしながら、図４１において、符号７０で表わして確認できる。
【００３４】
図２５Ａ及び図２５Ｂでは、フォトレジスト層１４が層１２（または存在すれば付加酸化層）上に付加され、図２Ａ及び図２Ｂにおいて述べた、フォトレジスト層１４が大文字’Ｅ’形状を呈した型押しがされるのが望ましい。図２５Ａ及び２５Ｂにおける構造は、プラズマエッチングにより、層１１及１２を通過してケイ素基板１０内に５００Åまでエッチングする。その時、フォトレジスト層１６が付加され、図２６Ａ及び図２６Ｂに示す型押しがなされる。フォトレジスト層１６は図３Ａ及び図３Ｂに図示された層１６と、次にフォトレジスト層上に、好ましくはチタン／プラチナ／金である金属層の溶着時に、付加穴部１６−５が紐状導体１８−５の形成に提供する穴部６１−１及び１６−２間の接続に含まれていることを除き、基本的に同じ配置及び構造が型押しされる。層１８の溶着の後、フォトレジスト層１６は除去されて、図２７Ａ及び図２７Ｂに示すように、層１６上に形成された層１８の部分が、下層１２または存在すれば付加酸化層上の層１８の残存部１８−１、１８−２及び１８−５を残して取り外される。
【００３５】
図２７Ａ及び図２７Ｂに図示する構造になった後、トンネリング突部２２がマスキングを利用して及び金またはチタン／プラチナ／金層の溶着によって付加され、例として、それによって図２８Ａ及び図２８Ｂに示す構造となる。構造を利用することで、符号２２−１（図６Ａ参照）が同時に溶着されることにより、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサは前述した図１０及び図１１として完成する。ケイ素基板３０が突部３０−１（例として図１６Ａ参照）を形成しているように代えた場合は、符号２２−１の溶着が省略でき、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサは図２０及び図２１において述べたように完成する。図２８Ａ及び図２８Ｂにおいて図示する構造を図１９Ａ及び図１９Ｂに図示した基板４へと共晶ボンディングし、片持ち梁ビームからケイ素ウェハ１０を除去した後を、図２９Ａ及び図２９Ｂに示す。片持ち梁ビームは２つのプラズマエッチングによって形成されるのが望ましい。第一のエッチングではウェハ１０を除去し、第二のエッチングではエッチング停止層１１を除去する。
【００３６】
図３０ではまた１つのマイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサの実施例を示している。この場合のマイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサは完成図である。既に述べた事項とともに、当業者にとって既に述べた詳細な説明から改良して以降の実施例を生産するのは難しいことではないよう、全てについてここに説明する。図１Ａ〜図１２Ｂに示した実施例では、層２４−１及び３８−１の間でケイ素基板１０と閉じるように好ましい共晶ボンディングが行われている。図３０の実施例では、金及び金／ケイ素層間で補助腕８０内の中央部において閉じるように好ましい共晶ボンディングが行われている。一方のこの実施例では図１Ａから図１２Ｂで述べられた第一の実施例と類似している。図３１の実施例では、金及び金／ケイ素層間で好ましい共晶ボンディングが行われており、図１Ａ〜図１２Ｂに示したように、基板４に対して閉じるのと反対に片持ち梁１２に対して閉じるように行われる。図３０及び図３１の実施例の場合には、片持ち梁ビーム１２は良好な導電性を持つことにより、ビーム１２の端部における接部２２−２及び基板４上の接部４０−１（図１２Ｂ）の間の電導路として作用する。ホウ素ドープされたケイ素片持ち梁ビーム１２の抵抗値が０．０５Ω−ｃｍ以下になるのが好ましい。片持ち梁ビーム１２の抵抗値が低いことにより、エチレンジアミンピロカテコールが基板１０のエッチング除去に向いている（図１０及び図１１及び除去の記述を参照）。また、絶縁上ケイ素ウェハ及び二酸化ケイ素層１１（図２４Ａから図２８Ｂ）が、基板１０のエッチング除去時に片持ち梁ビーム１２の防護のためのエッチング停止層として利用されるのが良い。
【００３７】
図１０、２３、２９及び３０の実施例の構成は、比較的薄い金属組合わせ層のみが必要であり、より安定性の高いケイ素柱または突部３０−１を提供することから、図２３及び２９の実施例を用いるのが望ましい。
【００３８】
図３２及び図３３の実施例は、図２９及び３０の実施例と類似しているが、図２９及び図３０の実施例では、図２４Ａ及び図２９Ｂにおいて述べた紐状導体１８−５を利用している。これらの実施例では、層がホウ素とドープされている場合には、片持ち梁ビーム１２の抵抗値が０．０５Ω−ｃｍ以下であるのが望ましい。紐状導体により、片持ち梁ビーム１２に対して抵抗値の高いケイ素の使用も許される。層１２がホウ素でドープされている場合には、片持ち梁ビームがエチレンジアミンピロカテコールをエッチング液として利用してウェハ１０から切り離される。また、絶縁上ケイ素形成が二酸化ケイ素停止層１１と共に利用されて（図２４Ａ〜図２８Ｂを参照）、ウェハまたは基板１０のエッチング除去時に片持ち梁ビーム１２を防護すると良い。
【００３９】
図３４〜図３７の実施例は、平面基板の代わりに第二の実施例において述べたようにケイ素突部３０−１を持つ基盤が利用されている点除いて（図１３Ａ〜図２３及び関連した記述を参照）、図２９、３１、３０及び３２と類似している。
【００４０】
一般的に、図１３Ａ〜図２３及び図３４〜図３７の実施例は、これらの実施例の全てがケイ素柱または突部３０−１を持つ基板３０’を利用し、完成するセンサがより良い機械的安定性を提供すると思われるために、マイクロ・エレクトロ・メカニカルセンサに利用されるのが望ましい。
【００４１】
これまでセンサの組立に関する構成を述べ、またアメリカ合衆国特許出願内のそれぞれの単動センサの提供の詳述までをここに含んでいる。もちろん。多くのセンサが一時に共通基板またはウェハ上で製造される。実際に、隣接しているセンサ同士は関連しており、また一方に対して直交的に位置するため、その結果１組のセンサは二つの異なった方向に対応している。図３８で示されるように２つのトンネリングセンサ１０１及び１０２が配置されて、それらの片持ち梁ビーム１２がそれぞれ、Ｘ軸、Ｙ軸に沿うように配置されている。３つめのキャパシティブセンサ１０３はＺ軸に沿って対応するように提供される。結果として、センサはこのように３軸への対応を持つ。センサ１０３は例として、アメリカ合衆国特許５，２２６，３２１に配置型が使用できる。また、第３のセンサ１０３が当業者の間で知られている四つ葉のクローバー型構造を有していても良い。クローバー型のデザインは、内部に４角形状のクローバーの葉の形状９１及び外周端９２（図３９、４０Ａ及び４０Ｂを参照）が定義されるようにエッチングされた吊板９０を含む。柱９３は板９０の少なくとも１つの表面中央部に、例として符号９４のエポキシセメントでボンディングされている。柱９３はたいていＺ軸に沿って動くことができ、クローバーの葉の形状９１もそれと共に動く。適合電極９５は吊板及び柱の動作を感知するために提供される。
【００４２】
２つの直角的に配置されたセンサは、アメリカ合衆国特許出願番号＿”ア シングル クリスタル、デュアル ウェハ、 ジャイロスコープ アンド ア メソッド オブ メイキング セイム（Ａ Ｓｉｎｇｌｅ Ｃｒｙｓｔａｌ， Ｄｕａｌ Ｗａｆｅｒ， Ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ ａｎｄ ａ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｍａｋｉｎｇ Ｓａｍｅ）”出願日＿（代理人整理番号６１８０２２−２）に記載された型のトンネリング回転率センサが良い。上述した特許出願の内容は本願明細書中に含めて記載している。
【００４３】
吊板９０の外周端９２に配置された組合わせ部はセンサ１０３に関連した補助構造物９３へと共晶ボンディングがなされ、その方法は図２３における片持ち梁ビーム１２をその補助構造物へとボンディングする方法と非常に似通っている。以下図４０Ｂを参照する。補助構造物９３が基板４内の基板９４から突出ているケイ素突部９４−１と共に形成されるのが望ましい。チタン／プラチナ／金層５８−７及び金／ケイ素共晶層６０−７は、センサ１０３の補助構造物の外周形状に沿うように形成されるのが望ましい。層５８−７及び６０−７は、例として図２３の実施例に基づくセンサ１０１及び１０２の形成時のように、層５８及び６０が配置されるのと同時に形成されるのが望ましい。
【００４４】
板９０は、センサ１０１及び１０２の片持ち梁ビーム１２が片持ち梁基板２内に形成されるのとほぼ同時に形成されるのが望ましい。チタン／プラチナ／金によって形成されたマルチレイヤ１８−１及び板９０に対する組合わせ部を含む片持ち梁ビーム１２は、板９０の外周端にチタン／プラチナ／金のマルチレイヤ１８−７が形成されるのと共に提供されるのが好ましい。層１８−７は、層１８が片持ち梁ビーム構造の製造における配置と同時に形成されるのが望ましい。これで柱９３が形成される。片持ち梁ビーム２及び基板４が形成された後、それらは機械的に調整がなされる。前述したように圧力及び熱が付加され、図２１及び２３に図示された層１８−１と６０−１との間で共晶ボンディングが行われ、それと同時に図４０Ｂに図示された層１８−７と層６０−１との間で共晶ボンディングが行われる。
【００４５】
図４０Ｃは図４０Ｂと類似している。この実施例では、二つのトンネリングジャイロスコープ１０１及び１０２が共通基板３０上に見ることができる。２つのジャイロスコープはｘ軸及びｙ軸に沿って配置される。ｚ軸ジャイロは符号１０３で表わされている。この実施例では、３つのジャイロが基板３０、壁１３１及び上板１３０によって定義されることによって定義された真空空間内に包含されているのが望ましい。上板１３０及び壁１３１は、上述した片持ち梁ビーム１２が板に固定される方法のような共晶ボンディングがされているのが良い。
【００４６】
構造として図面に図示したように、大文字’Ｅ’に関しての多くの事例を述べた。しかしながら、この形状が特別でるというわけではなく、基本的に層１２の片持ち梁ビームによって形成される片持ち梁構造に良い機械的補助が提供されることから好ましいとしたものである。もちろん、補助構造または片持ち梁ビーム１２の周囲の組合わせ構造はデザインの選択によって変更することができ、またそれは大文字’Ｅ’の境界を形成する必要というわけではなく、円、三角形、またはその他の希望の形状を含めて簡単な形状で形成することができる。
【００４７】
片持ち梁ビーム１２上に紐状導体を利用する実施例では、片持ち梁ビーム１２上のパッド及び接部（例えば２６−２及び２６−３）が一般的に紐状導体１８−１、１８−２及び１８−５上に形成されるように図示されている。要素２６−２及び２９−３は直接片持ち梁ビーム１２上に形成されても良い場合には、片持ち梁ビーム上の紐状導体は様々な簡単な種類の道順を定めることができ、対象への接続または片持ち梁ビーム１２上に形成されたもう一方の金属によってもう一方の接部を作成して良い。
【００４８】
片持ち梁ビームの遠心端における接部は、円錐または三角形で図示及び詳述した。当業者にとっては、これらの接部が異なった構造を持ち、いくつかの実施例中では平面構造であることは良く知られている。
【００４９】
この記述全体に渡り、チタン／プラチナ／金層と記載している。当業者にとっては、この学術用語はチタン／プラチナ／金層がチタン層、プラチナ層、金層の独立した層によって構成されている状態であることは良く知られている。チタン層は溶着を助成し、その際にプラチナ層が隣接した層からケイ素の金内部への拡散を防止するように動作する。ケイ素が金内部へと拡散することにより二酸化ケイ素を露出表面上に形成していく場合、二酸化ケイ素が非電導であることから、金接部が持つ機能に対して悪影響を持つために、ケイ素が金内部へと混合するのを防止することが望ましい。
【００５０】
マイクロ・エレクトロ・メカニカル・デバイスの異なった様々な実施例を以上に述べた。多くはセンサに関し、いくつかはスイッチである。さらに多くの実施例は本願に記載の事項に基づいて当業者が容易に想到し得るものである。しかしながら、全ての場合における基板４は片持ち梁形成構造物２と、共晶ボンディングが２つの基板２、４の露出層間で起こる要素である圧力と好ましくは熱とを加えられることにより接合されている。
【００５１】
最良の形態の実施例について本発明を述べたが、当業者において改良が行われるのを望む。本発明は従属項に記載されたものを除き、前述したものに限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】
本発明に係る、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサの片持ち梁ビームの形成部分に関する第一実施例の構成図である。
【図１Ｂ】
本発明に係る、図１Ａに対応する片持ち梁ビームの形成部分に関する形成時の一段階を示す平面図である。
【図２Ａ】
本発明に係る、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサの片持ち梁ビームの形成部分に関する第一実施例の構成図である。
【図２Ｂ】
本発明に係る、図２Ａに対応する片持ち梁ビームの形成部分に関する形成時の一段階を示す平面図である。
【図３Ａ】
本発明に係る、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサの片持ち梁ビームの形成部分に関する第一実施例の構成図である。
【図３Ｂ】
本発明に係る、図３Ａに対応する片持ち梁ビームの形成部分に関する形成時の一段階を示す平面図である。
【図４Ａ】
本発明に係る、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサの片持ち梁ビームの形成部分に関する第一実施例の構成図である。
【図４Ｂ】
本発明に係る、図４Ａに対応する片持ち梁ビームの形成部分に関する形成時の一段階を示す平面図である。
【図５Ａ】
本発明に係る、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサの片持ち梁ビームの形成部分に関する第一実施例の構成図である。
【図５Ｂ】
本発明に係る、図５Ａに対応する片持ち梁ビームの形成部分に関する形成時の一段階を示す平面図である。
【図６Ａ】
本発明に係る、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサの片持ち梁ビームの形成部分に関する第一実施例の構成図である。
【図６Ｂ】
本発明に係る、図６Ａに対応する片持ち梁ビームの形成部分に関する形成時の一段階を示す平面図である。
【図７Ａ】
本発明に係る、第一実施例のトンネリング・センサの基板部分の構成工程における切断図である。
【図７Ｂ】
本発明に係る、図７Ａに対応する基板部分の構成工程における平面図である。
【図８Ａ】
本発明に係る、第一実施例のトンネリング・センサの基板部分の構成工程における切断図である。
【図８Ｂ】
本発明に係る、図８Ａに対応する基板部分の構成工程における平面図である。
【図９Ａ】
本発明に係る、第一実施例のトンネリング・センサの基板部分の構成工程における切断図である。
【図９Ｂ】
本発明に係る、図９Ａに対応する基板部分の構成工程における平面図である。
【図１０】
本発明に係る、片持ち梁ビーム形成部と基板部分とを組合わせ、望ましい共晶ボンディングを利用して互いのボンディングが行われた図である。
【図１１】
本発明に係る、片持ち梁ビーム形成部と基板部分とを組合わせ、望ましい共晶ボンディングを利用して互いのボンディングが行われた図である。
【図１２Ａ】
本発明に係る、第一の実施例に関する完成したトンネリング・センサの切断図である。
【図１２Ｂ】
本発明に係る、第一の実施例に関する完成したトンネリング・センサの平面図である。
【図１３Ａ】
本発明に係る、マイクロ・エレクトロ・メカニカルセンサの片持ち梁の第二の実施例に関する組立工程の切断図である。
【図１３Ｂ】
本発明に係る、片持ち梁の平面図である。
【図１４Ａ】
本発明に係る、マイクロ・エレクトロ・メカニカルセンサの片持ち梁の第二の実施例に関する組立工程の切断図である。
【図１４Ｂ】
本発明に係る、片持ち梁の平面図である。
【図１５Ａ】
本発明に係る、トンネリングセンサの第二の実施例の基板組立に関する切断図である。
【図１５Ｂ】
本発明に係る、ウェハの第二の実施例に関する組立工程に関する平面図である。
【図１６Ａ】
本発明に係る、トンネリングセンサの第二の実施例の基板組立に関する切断図である。
【図１６Ｂ】
本発明に係る、ウェハの第二の実施例に関する組立工程に関する平面図である。
【図１７Ａ】
本発明に係る、トンネリングセンサの第二の実施例の基板組立に関する切断図である。
【図１７Ｂ】
本発明に係る、ウェハの第二の実施例に関する組立工程に関する平面図である。
【図１８Ａ】
本発明に係る、トンネリングセンサの第二の実施例の基板組立に関する切断図である。
【図１８Ｂ】
本発明に係る、ウェハの第二の実施例に関する組立工程に関する平面図である。
【図１９Ａ】
本発明に係る、トンネリングセンサの第二の実施例の基板組立に関する切断図である。
【図１９Ｂ】
本発明に係る、ウェハの第二の実施例に関する組立工程に関する平面図である。
【図２０】
本発明に係る、片持ち梁及び基板をお互いにそろえ、お互いを共晶ボンディングによってボンディングする側方図である。
【図２１】
本発明に係る、片持ち梁及び基板をお互いにそろえ、お互いを共晶ボンディングによってボンディングする際の切断図である。
【図２２Ａ】
本発明に係る、第二実施例によって完成したマイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサの切断図である。
【図２２Ｂ】
本発明に係る、第二実施例によって完成したマイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサの正面図である。
【図２３】
本発明に係る、第二実施例によって完成したマイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサの切断図である。
【図２４Ａ】
本発明に係る、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサの片持ち梁の第一及び第二の実施例の改良に関する切断図である。
【図２４Ｂ】
本発明に係る、改良の組立工程を表わす平面図である。
【図２５Ａ】
本発明に係る、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサの片持ち梁の第一及び第二の実施例の改良に関する切断図である。
【図２５Ｂ】
本発明に係る、改良の組立工程を表わす平面図である。
【図２６Ａ】
本発明に係る、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサの片持ち梁の第一及び第二の実施例の改良に関する切断図である。
【図２６Ｂ】
本発明に係る、改良の組立工程を表わす平面図である。
【図２７Ａ】
本発明に係る、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサの片持ち梁の第一及び第二の実施例の改良に関する切断図である。
【図２７Ｂ】
本発明に係る、改良の組立工程を表わす平面図である。
【図２８Ａ】
本発明に係る、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサの片持ち梁の第一及び第二の実施例の改良に関する切断図である。
【図２８Ｂ】
本発明に係る、改良の組立工程を表わす平面図である。
【図２９Ａ】
本発明に係る、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサの片持ち梁の第一及び第二の実施例の改良に関する切断図である。
【図２９Ｂ】
本発明に係る、改良の組立工程を表わす平面図である。
【図３０】
本発明に係る、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサのもう１つの実施例の側面図であり、この実施例では柱の中央部に共晶ボンディングが施されている。
【図３１】
本発明に係る、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサのまたもう１つのの実施例の側面図であり、この実施例では片持ち梁１２に隣接した部分に共晶ボンディングが施されている。
【図３２】
本発明に係る、図３０に示された実施例の柱補助の中央部内に共晶ボンディングをもつマイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサのもう１つの実施例の側面図であり、また片持ち梁ビーム構造物上に紐状導体を有する。
【図３３】
本発明に係る、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサのもう１つの実施例の側面図であり、この実施例では図３１に示された実施例における片持ち梁ビームの隣接部に共晶ボンディングが施されており、また片持ち梁ビーム構造物上に紐状導体を有する。
【図３４】
本発明に係る、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサのもう１つの実施例の側面図であり、この実施例では片持ち梁ビームの隣接部に共晶ボンディングが施されており、また、柱補助構造部を形成するケイ素突部を持つ基板を利用している。
【図３５】
本発明に係る、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサのまたもう１つの実施例の側面図であり、この実施例では片持ち梁の隣接部に共晶ボンディングが施され、図３４の実施例に示した柱補助構造物を形成しているケイ素突部を持つ基板を利用し、片持ち梁ビーム構造物上に紐状導体を有している。
【図３６】
本発明に係る、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサのもう１つの実施例の側面図であり、図３０の実施例で示された柱補助部の中央部内に好ましい共晶ボンディングが施され、柱補助構造部を形成するケイ素突部を持つ基板が利用されている。
【図３７】
本発明に係る、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサのもう１つの実施例の側面図であり、図３６に示されたようにこの実施例では柱補助部の中央部内に好ましい共晶ボンディングが施され、柱補助構造部を形成するケイ素突部を持つ基板を利用し、片持ち梁ビーム構造物上に紐状導体を有している。
【図３８】
本発明に係る、３軸センサにおける３つのセンサ配列の平面図である。
【図３９】
本発明に係る、図３８のＺ軸センサの透視図である。
【図４０Ａ】
本発明に係る、図３８の３軸センサの側面構成図である。
【図４０Ｂ】
本発明に係る、図４０Ａのさらなる詳細な側面図である。
【図４０Ｃ】
本発明に係る、もう一方の実施例の側面図である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ・エレクトロ・メカニカル（ＭＥＭ）・トンネリング／キャパシティブ・センサに関し、特に共晶的にボンディングされている複数ウェハを利用する３軸センサに関する。１形態における、単結晶、トンネリング及びキャパシティブ、共晶ボンディングを利用している３軸センサ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明は、高い性能を有する単結晶ケイ素トンネリング及びキャパシティブデバイスを用いている単基板上の複数軸回転率センサを組み立てる新しい工程を提供する。従来、３軸回転計測用の単ケイ素（Ｓｉ）基板上の複数軸キャパシティブセンサは実現されている。｛参考文献として、”マイクロマシンド デュアル インプット アクシス アンギュラー レイト センサ（Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｄｕａｌ Ｉｎｐｕｔ Ａｘｉｓ Ａｎｇｕｌａｒ Ｒａｔｅ Ｓｅｎｓｏｒ）”、トール ジュノー、エー．ピー．ピサーノ ソリッド ステート センサーズ アンド アクチュエイター アクシス アンギュラー レイト センサ（Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒ Ａｘｉｓ Ａｎｇｕｌａｒ Ｒａｔｅ Ｓｅｎｓｏｒ）”、トール ジュノー、エー．ピー．ピサーノ ソリッド センサーズ アンド アクチュエイター ワークショップ（Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ）、ヒルトン ヘッド、サウス カロライナ、ジューン（Ｊｕｎｅ）２〜６、１９９６、及び”マイクロストラクチャ デザイン オブ アングル メジャーイング エムイーエムエス ジャイロスコープス（Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ａｎｇｌｅ Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ＭＥＭＳ Ｇｙｒｏｓｃｏｐｅｓ）”、アンドレイ エム．シュケル、博士論文、バークレイ センサー アンド アクチベータ センタ、１９９９｝。しかしながら、従来には、単チップ３軸センサ用のトンネリング及びキャパシティブセンサの組合わせは無かった。大部分のマイクロマシン技術及び上記に関連した特許出願に係る技術は、２軸トンネリング率ジャイロ（Ｘ及びＹ検知用）及び単基板上の様々なタイプの２軸キャパシティブ率ジャイロに対しては利用することができる。
【０００３】
従来技術における問題点は、３つのセンサを使用すると、それらを機械的に調整する必要がある。３軸センサにとって必要なのは、採用された製造工程の結果として、それぞれのセンサに関連して自動的にセンサの調整がなされることである。本発明ではこの必要を満たしている。
【０００４】
概して、本発明は、２つが直交的に位置された片持ち梁ビーム、及び組合わせ部が第一の基板またはウェハ上に定義され、また少なくとも１つの接触部及び組合わせ部が第二の基板またはウェハ上に定義されているマイクロ・エレクトロ・メカニカル（ＭＥＭ）・３軸センサの製造方法を提供するものである。第二の基板またはウェハ上に施される組合わせ部は、第一の基板またはウェハ上の組合わせ部と好ましい相補的な形状を有している。２つの組合わせ部のうち少なくとも１つは、ウェハから伸長したケイ素突部を含み、その上部に対応部が組み合わされる。ボンディングまたは共晶層は少なくとも１つの組合わせ部上に提供され、その組合わせ部のそれぞれが対面関係に置かれる。その結果、２つの基板間に対して圧力が加えられると共に、熱が加えられることによりボンディングまたは共晶層における２つの組合わせ部間にボンディングが起こる。そして、第一の基板またはウェハは除去されて、第二の基板またはウェハに関連した動作をする片持ち梁ビームを自由にする。ボンディングまたは共晶層も、片持ち梁ビーム上に形成された接触部を用いた回路を作成するための片持ち梁ビームへの便利な電導路を提供する。
【０００５】
もう一つの特徴としては、本発明は、単結晶ケイ素マイクロ・エレクトロ・メカニカル・スイッチまたはセンサの構成及び製造方法を提供する。第一の基板またはウェハは、第一の基板またはウェハ上に少なくとも２つの片持ち梁ビーム構造部及び組合わせ部が定義されることで提供される。２つの片持ち梁ビームはお互いに直交的に配置される。もう１つの３番目の直交方向に反応するセンサも提供される。圧力に対して繊細なボンディング層は、第一の基板及び第二の基板間へ圧力及び熱の施工に応じて、第一の基板またはウェハ上に定義された組合わせ部を前記第二の基板又はウェハ上の組合わせ部とボンディングするために、少なくとも一つの組合わせ部上に配置される。
【０００６】
半導体製造型工程が３つのセンサの製造に向いていることから、本発明における３軸センサにお互いに関連して３つのセンサの自動的な自己調整を提供し、それ故に３つのセンサの構造の殆どを作り出すマスクを使用することで、３つのセンサのリソグラフ的な調整が行われる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
マイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサの片持ち梁ビーム形成に関するいくつかの技術は、図１〜図３７を用いて詳述する。その他の片持ち梁構造物を形成する技術は、本願に取り込んで詳細を説明する。本願の特徴である３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサは、図３８〜図４０Ｂを用いて説明する。
【０００８】
マイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサの図面は縮尺が合っていないが、それよりも、当業者のために関連した構造についてを明示している。当業者には、実際のこれら素子及び機構に関してはとても小さく、一般に半導体素子の製造に使用するのと同様分野の技術が用いられた特有の製造技術によるものであるとの認識がある。これら小型素子の大きさを理解するために、図２３において、本発明を用いたマイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサーの好適な実施例の実寸情報が表わされている。
【０００９】
図１Ａ及び図１Ｂには、片持ち梁（ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ）を形成する初期ウェハが図示されている。初期ウェハは、本体としてのｎ型ケイ素（Ｓｉ）１０上にドープｐ型ケイ素１２の薄層が形成された構造を持つ。ケイ素ウェハ１０はＳｉ＜１００＞結晶方向を持つ単結晶構造であることが望ましい。ｐ型ケイ素層１２は、ケイ素ウェハ１０上でエピタキシー層となるのが望ましい。層１２は、１〜２０マイクロメートル（μｍ）幅の厚さであるのが好ましいが、０．１μｍ〜８００μｍの厚さであっても構わない。一般的に、片持ち梁ビームの長さは片持ち梁ビームの厚さと同等とする。層１２が最終的に片持ち梁ビーム（ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｅｄ ｂｅａｍ）を形成するため、層１２の厚さは片持ち梁を形成するのに適した長さに合わせて選択される。
【００１０】
本実施例における層１２は、抵抗値を０．０５Ω−ｃｍ以下に減少するようにホウ素とｐ型ドープされるのが良いが、抵抗値が０．０１から０．０５Ω−ｃｍにドープされることが望ましい。本体ケイ素ウェハまたは基板１０の抵抗値は、約１０Ω−ｃｍであるのが望ましい。ホウ素は、ケイ素に比べ、比較的小さな原子で構成されており、層１２の抵抗値を減少するためには、ホウ素を半導体に加えるドーパント率として（１０２０）の水準を含める必要があり、それによりドープにより適した値に補正された圧力が誘導されるようになるのであり、類似した濃度水準を持つものとして、ゲルマニウムのような大きな純原子を持つ物質が挙げられる。ゲルマニウムは、最終金属内で電子電導体に寄与せず、電子電導体を除去しない点で、純原子であると考えられている。
【００１１】
図１Ａ及び図１Ｂには、片持ち梁（ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ）を形成する初期ウェハが図示されている。初期ウェハは、本体としてのｎ型ケイ素（Ｓｉ）１０上にドープｐ型ケイ素１２の薄層が形成された構造を持つ。薄いケイ素層１２はやがて、片持ち梁が形成される部材を提供する。ケイ素ウェハ１０はＳｉ＜１００＞結晶方向を持つ単結晶構造であることが望ましい。薄いエッチング停止層１１が薄いケイ素層１２及びケイ素ウェハ１０間に形成される。この構成を絶縁上ケイ素（ＳＯＩ）と呼ぶが、絶縁上ケイ素構造物を作成する技術は当業者にとってよく知られているので、ここでは詳細は記載しない。二酸化ケイ素層であり、厚さが１〜２μｍであるのが好ましいエッチング停止層１１は、例としてエッチング停止層１１をケイ素ウェハ１０の露出表面上を覆い隠すように形成するために、露出表面を通してケイ素ウェハ１０内部への酸素の転移によって作成することができ、またこのようにすることが同時に、薄いケイ素層１２が露出表面に隣接するのを定義する。このような薄い層１２は、＜１００＞のケイ素指向性を持つ単結晶構造をも有して作成されるのが望ましい。このエッチング停止層１１はやがて、ウェハ１０から片持ち梁ビームから切り離される。層１２は、１〜２０マイクロメートル（μｍ）幅の厚さであるのが好ましいが、０．１μｍ〜８００μｍの厚さであっても構わない。一般的に、片持ち梁ビームの長さは片持ち梁ビームの厚さと同等とする。層１２が最終的に片持ち梁ビームを形成するため、層１２の厚さは片持ち梁を形成するのに適した長さに合わせて選択される。
【００１２】
センサ構造内での層１２は、抵抗値を０．０５Ω−ｃｍ以下に減少するようにドープされるのが良いが、抵抗値が０．０１〜０．０５Ω−ｃｍにドープされることが望ましい。本体ケイ素ウェハまたは基板１０の抵抗値は、約１０Ω−ｃｍであるのが望ましい。ホウ素がドーパントとして利用される場合、ケイ素に比べ比較的小さな原子で構成されており、層１２の抵抗値を減少するためには、ホウ素を半導体に加えるドーパント率として（１０２０）の水準を含める必要があり、それによりドープにより適した値に補正された圧力が誘導されるようになるのであり、類似した濃度水準を持つものとして、ゲルマニウムのような大きな純原子を持つ物質が挙げられる。ゲルマニウムは、最終金属内で電子電導体に寄与せず、電子電導体を除去しない点で、純原子であると考えられている。
【００１３】
図１Ａ及び図１Ｂに図示された層１２は、符号１４に示されたような型押しされたにマスク層が、よく知られた写真平板技術を用いて形成されるが、この型押しは正面からみて大文字”Ｅ”の形状にするのが望ましい。大文字”Ｅ”の形状を呈するのが望ましいが、他の形状が用いられても構わない。本実施例では、Ｅ形状の外周部が組合わせ部を形成し、その部分でセンサの片持ち梁形成基板２と基板４とが組み合わされる。
【００１４】
図２Ａ及び図２Ｂに図示したマスク層１４の型押しの後、ウェハはプラズマエッチングにかけられ、薄いｐ型ケイ素層１２を通すようにエッチングを行い、ケイ素ウェハ１０内へも約５００Åの深さまでエッチングを行う。
【００１５】
図２Ａ及び図２Ｂに図示されているマスク１４はその後除去され、もう一方のフォトレジスト層が付加され、２つの穴部１６−１、１６−２が提供された形で図３Ａ及び図３Ｂでは図示されている。穴部１６−１は薄いｐ型ケイ素層１２の基板にある’Ｅ’形状の外周部に沿って構成され、さらに穴部１６−２は’Ｅ’形状ｐ型ケイ素層１２の内辺端部に配置または近接されている。
【００１６】
チタン／プラチナ／金層が次にマスク１６及び穴部１６−１、１６−２及び１３−３を通して溶着されて、接触柱１８−１、トンネリング接触端１８−２が形成される。チタン／プラチナ／金層は全ての厚さが約２０００Åであることが望ましい。チタン及びプラチナの個別層は、それぞれが１００−２００Åと１０００−２０００Åの厚みをもたせるべきである。フォトレジスト１６の除去の後、ウェハに約５２０℃で焼結工程を行い、接触部１８−１及び１８−２と、基板層１２との間にオームチタン−ケイ素結合を形成する。後述する図２４Ａ〜図２８Ｂに詳細を図示し、焼結工程は金属層が用いられる場合には除くことができ、接触部１８−１及び１８−２を接続するのに活かされる。
【００１７】
図４Ａ及び４Ｂに示した構造時にフォトレジスト層２０によって覆いがなされ、図３Ａ及び図３Ｂにおいて述べたフォトレジスト層１６においてなされたのと同じ形状を持つように型押しがなされる。それ故、フォトレジスト層２０は穴部２０−１及びもう一方の穴部２０−２を内部に有する。本技術の当業者には、穴部１６−１、１６−２、２０−１及び２０−２の大きさは実寸表示ではなく、また穴部１６−２及び２０−２は穴部１６−１及び２０−１に比べ、非常に小型になっていることが知られている。従って、より厚いチタン／プラチナ／金層がウェハ上に配置される時に、穴部２０−１を実質的に満たす（図５Ａ参照）。しかしながら、当業者には溶着工程が進むと、穴部２０−１及び２０−２の端部において張出しが起きるため、層２２のような層を溶着する際に、マスクの端部がいくらか満たされてしまうことが知られている。穴部２０−１の幅が非常に広いため、この満たされてしまう影響は特に重要とはならない。しかしながら、穴部２０−２は先端に向かってより細くなっているために、符号２０−２に示されている溶着されたチタン／プラチナ／金２２がピラミッド形状又は円錐形状を呈する。チタン／プラチナ／金層２２の溶着の厚さは、層２２が溶着工程中に穴部２０−２の天頂部を閉じるのに十分な厚さを有する。最終的に、約１００Åの厚さを有する比較的薄い金／ケイ素層２４が基板上及び穴部２０−１を通して符号２４−１に示したように溶着される。
【００１８】
フォトレジスト層２０は、上部に形成されている層２２及び２４が取り除かれて、図６Ａ及び６Ｂに示したような構造物が残される。層１２上の層２２−１及び２４−１の高さは、およそ１１，５００Åであるのが望ましく、またピラミッド形状または円錐形状の構造物２２−２はおよそ８，５００Åであるのが望ましい。第一の実施例に係るマイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサの片持ち梁ビーム部がこれによって形成され、これから第一の実施例に係るマイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサの基板構造の形成について述べる。見られるように、層２２−１及び２４−１が基板にある片持ち梁ビームと組合わせられる組合わせ部を形成する。
【００１９】
以下に基板について述べる。図７Ａ及び７Ｂでは、酸化ケイ素層３２及び３４を表面の広範囲に有するウェハ３０が示されている。層３２及び３４のそれぞれの厚さは、およそ１．０マイクロメートルであるのが望ましい。次に、図８Ａ及び８Ｂに示されるように付加及び型押しされたフォトレジスト層３６によってマスクが形成されて、穴部３６−１、３６−２、３６−３及び３６−４が内部に形成されている。穴部３６−１は、基本的に図３Ａ及び３Ｂで述べた穴部１６−１の形状及び構造に対応している。類似形として、穴部３６−２が、基本的に図３Ａ及び３Ｂで述べた穴部１６−２に対応している。穴部３６−３及び３６−４は制御及びセルフテスト電極３８−３及び３８−４の溶着を考慮している。チタン／プラチナ／金層３８がマスク３６上、また穴部を通して内部に接触電極３８−１、３８−２、３８−３及び３８−４を層３４上に形成するように溶着される。フォトレジスト層３６も、層３８の溶着時に、接続パッド４０が内部紐状導体４２と共に電極のそれぞれをも形成するように、内部に穴部を有する。好ましくは、防護環４４が先端電極３６−２、関連する紐状導体４２−２及び接続パッド４０−２の周囲に配置されるのが良い。防護環は簡便のため側面図では図示しない。
【００２０】
フォトレジスト層３６はこの時、上部に溶着された層３８を取り外して除去され、図９Ａ及び９Ｂに示される構造物を残す。接部３８−１は大文字Ｅの外周形状を呈し、片持ち梁ビーム形成基板２の類似した形状を有する組合わせ部２２−１、２４−１と組合わされる組合わせ部を提供する。
【００２１】
図１０は、図１Ａから６Ｂにおいて述べたように組み立てられるのが好ましい片持ち梁ビーム形成基板２が、図７Ａ〜図９Ｂにおいて述べたように組み立てられた基板４に関連した部と、機械的に揃えられる。もちろん、当業者にとって、ウェハ１０及び３０の表面に見られるパターンは、ウェハの表面を越えて何度も繰返され、符号２２−１、２４−１１２及び２２−２で構成される片持ち梁ビーム形成基板２及び符号３８−１から３８−４で構成されている対応している基板４がケイ素ウェハ１０及び３０上で組み合わされるように製造されているのは知られている。２つのウェハは組み合わされ（図１１を参照）、圧力及び熱によって層２４−１及び層３８−１間で共晶ボンディングが起こる。圧力はおよそ１０００のデバイスを含む３インチ（７．５ｃｍ）ウェハ２、４の間に約４００℃で約５，０００Ｎの力が加えられて展開されるのが好ましい。もちろん、力はウェハのサイズによって調整され、全ての表面がボンディングされる必要がある。
【００２２】
層２４−１及び３８−１は大文字”Ｅ”の外周部の形状を持つことが望ましく、それによってマイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサの可動接部２２−２が、この物理形状で効果的に防護される。共晶ボンディング形成後、ケイ素層１０は除去され、図１２Ａび図１２Ｂに図示されたマイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサが得られる。ケイ素は非ドープのケイ素をエッチングするエチレンジアミンピロカテコール（ＥＤＰ）によって除去することが可能であり、ホウ素によってドープされたケイ素がここで述べるこのエッチング液に抵抗する。このエッチング工程では接部２２−２を有するホウ素ドープされたケイ素片持ち梁ビーム１２と、基板４にボンディングされた補助または組合わせ部２２−１及び２４−１のみが残される。マイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサについての好ましい寸法は、図１２Ａに示される。ビームは２００〜３００μｍ（０．２〜０．３ｍｍ）の長さを有するのが望ましい。
【００２３】
エチレンジアミンピロカテコールをエッチング液として利用する代わりに、例として層１２及び基板１０間のエッチング停止層のような二酸化ケイ素層が利用されている場合には、プラズマエッチングを利用することができる。
【００２４】
マイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサの第二の実施例を以下に説明する。第一の実施例の場合のように、片持ち梁ビーム形成基盤２の組立について初めから説明し、また基板４及び共晶ボンディング及びマイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサの完成形態について説明する。明らかにするのは、この第二の実施例が第一の実施例と基板４上で片持ち梁ビームが補助されている点について異なっている。
【００２５】
第二の実施例についての片持ち梁形成基板２の組立は、第一の実施例の図１Ａ〜図４Ｂで述べた点から始まる。組み立て工程は、図１〜図４Ｂにおいて示した工程で実現でき、図１Ａ〜図４Ｂに示した構造となる。そこから、フォトレジスト層２０’が置かれ、図１３Ａ及び図１３Ｂに示されたような単穴部２０−２を内包した形状を呈する。１５，０００Åの厚さを持つ金層２６がフォトレジスト層２０’上に付加され、接部１８−２から穴部２０−２上に配置された金が、金層２６の溶着間に穴部２０−２において張出しを形成することにより、ピラミッド形状または円錐形状をなす突接部２６−２を形成する。接部２０−２が形成された後、残されたフォトレジスト層２０’が除去されて、片持ち梁ビーム構造物が図１４Ａ及び図１４Ｂに示されるように視認できるようになる。第二の実施例における図１４Ａ及び図１４Ｂと、第一の実施例における図６Ａ及び図６Ｂの２つの実施例間の差異は、第二の実施例には層２２−１及び２４−１が無い部分であり、故に本実施例では組合わせ部が層１８−１により提供される。
【００２６】
マイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサの第二の実施例の基板４の組立を、以下に図１５Ａから図１９Ｂを用いて述べる。図１５Ａ及び図１５Ｂでは、ケイ素のウェハ３０’が図示され、フォトレジスト層５０が配置されて、大文字’Ｅ’の外周形状が型押しされている。この時露出したケイ素が２０００Åの厚さのエッチングにより、フォトレジスト層のマスク５０が型押しされた下にウェハ３０−１の突部を定義する。フォトレジストマスク５０がこの時に除去され、ウェハ３０が酸化されて酸化層５２、５４をその露出表面に形成する。酸化層はそれぞれ１μｍの厚さを持つのが好ましい。もちろん、図１６Ａに示す表面端部は酸化されていないが、図１６Ａに図示する型押しは、全体のウェハ３０において見られる複数の型押しの繰返しの１つが示されているのみであるためである。
【００２７】
図１７及び図１７Ｂでは、フォトレジスト層５６が、前述したような大文字’Ｅ’の外周形状を呈する穴部５６−１を内包して付加されている。この時、２，０００Åの厚さを持つのが好ましいチタン／プラチナ／金層５８が、穴部５６−１を通って溶着され、次に穴部５６−１では、１，０００Åの厚さを持つのが好ましい金／ケイ素共晶層６０の溶着が行われる。これによりチタン／プラチナ／金層５８−１及び金／ケイ素共晶層６０−１が形成され、前述したように大文字’Ｅ’の外周形状に沿って形成されるのが望ましい。
【００２８】
フォトレジスト層５６がこの時除去され、図１８Ａに示す（ｉ）穴部６２−２、６２−３及び６２−４，以下図１８Ｂに示す（ｉｉ）パッド４０−１から４０−４及び紐状導体４１用穴部、（ｉｉｉ）防護環４４及びそのパッド用穴部が型押しされたフォトレジスト層６２が付加される。簡単に述べると、防護環４４用穴部は１８Ａには示しておらず、チタン／プラチナ／金層が、図１９Ａ及び図１９Ｂに示すように、フォトレジスト層上及び穴部６２−２から６２−４を通して溶着され、穴部６２−２から６２−４では接部６４−３、６４−４及び６４−２を形成する。これら接部は前述した紐状導体４２によって、接部が形成するパッド４０−２〜４４−４と内部接触がなされ、接部４０及び紐状導体が形成されると同時に接部６４−３、６４−４及び６４−２が形成されるのが望ましい。外周形状層５８−１及び６０−４も紐状導体４２によってパッド４０−１と接続される。フォトレジスト層６２は除去されて、図１９Ａ及び図１９Ｂに示すように基板が視認できるようになる。２０，０００Åの高さを持つのが好ましい突部３０−１と比較的薄い層５８−１及び６０−１は基板における組合わせ部を形成する。
【００２９】
図２０では、第二の実施例における片持ち梁ビーム形成部２は、ここで基板４とボンディングされる。図２０では、２つの基板１０及び３０’が対面関係になり、それにより組合わせ部１８−１及び３０−１、５８−１、６２−１が一直線上になり、層１８−１及び６０−１がそれぞれ適切に組合わされる。圧力及び熱（好ましくは、その上部におよそ１０００のセンサが配置された３インチウェハ２、４の間に４００℃で５，０００Ｎの圧力を付加するのが望ましい）が付加され、共晶ボンディングが図２１に示すように層１８−１０及び６０−１間で起こる。その後、ケイ素ウェハ１０がエッチング停止層１１を用いて除去され、そして層１１が除去されて、図２２に示すマイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサ構造が得られる。ｐ型ケイ素層１２は、片持ち梁ビームとして補助する部１２−２と、下層を通して基板４に接触されているもう一方の部とを含む。金接触部２６−２は符号１２−２、１２−１、１８−１、６０−１、５８−１及び金接触部に関連する紐状導体４２によってパッドと一対にされている。
【００３０】
図２３は図２２と基本的に一致し、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサをより詳細に、かつ好適なマイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサの寸法をも本図では示している。
【００３１】
以下に、第一の実施例及び第二の実施例に関して上述した図４Ｂについて再度述べるが、チタン／プラチナ／金層１８は接部１８−１及び１８−２を形成するのに利用され、これら接部はホウ素ドープされた片持ち梁１２とオーム接触が形成されるように焼結される。特記事項として、焼結は紐状導体を接部１８−１及び１８−２の間に提供することにより避けることができる。そのような改良の詳細をここで述べ、図２４Ａ及び図２４Ｂに焼結について図示する。
【００３２】
この改良によれば、ケイ素ウェハ１０上に形成される薄いケイ素層１２には（ｉ）ホウ素がドープされ、または（ｉｉ）非ドープされ、またはその他の添加物がドープされる。非ドープされる（または他の不純物によってドープされる）場合、基板１０上のエピタキシャル成長より他の方法によって形成されるのが望ましく、また薄いエッチング停止層１１がケイ素エピタキシャル層１２とケイ素ウェハ１０間に形成される。この構造は絶縁上ケイ素（ＳＯＩ）と呼ばれるが、絶縁上ケイ素の形成技術は本技術分野で良く知られているためここでは詳述しない。二酸化ケイ素層であることが好ましいエッチング停止層１１は、１−２μｍの厚さを持つことが望ましく、作成例としては、ケイ素ウェハ１０内部に酸素を添加し、ケイ素ウェハ１０の露出面下部を被覆するエッチング停止層１１を形成し、同時に、薄ケイ素層１２をその露出面に隣接することにより作成される。薄い層１２もそれ故に、＜１００＞結晶配列を有する単結晶構造で作成されているのが好ましい。エッチング停止層１１が利用される場合には、二酸化ケイ素層の厚さが約１〜２μｍを有することが望ましい。このエッチング停止層１１はウェハ１０から片持ち梁ビームを前述した２つの工程であるプラズマエッチング工程によって切り離される。層１２がホウ素ドープされる場合には、エピタキシャル層の抵抗値が１Ω−ｃｍ以下に減衰するドープがされる。そうなる程度のホウ素ドープでエピタキシャル層１２は、その後のウェハ１０から片持ち梁ビーム１０を切り離すエチレンジアミンピロカテコールエッチングに抵抗できるため、エッチング停止層は必要ない。
【００３３】
付加的に、ドープされまたは非ドープである薄いケイ素層１２が上部に形成されたケイ素層１０（図２４Ａ及び図２４Ｂ参照）が熱酸化により比較的薄い二酸化ケイ素層を層１２の露出表面に形成しているのが良い。層１２は１．２μｍの厚さを持つのが良い（しかし、用途に応じて薄くしても厚くしても良い）。付加二酸化ケイ素層の厚さは、およそ０．２μｍであるのが望ましい。この時点に至り、希望により互いの広範囲の表面を酸化し、酸化部分を下層からはがしても良い。付加酸化層はビームの端部に形成されたトンネリング突部の金内部にビームからケイ素の拡散に対してより良い防護を提供するのに向いている。この付加酸化層は片持ち梁のどの実施例において使用されても良いが、簡便のために殆どの図においては省略されている。しかしながら、図４１において、符号７０で表わして確認できる。
【００３４】
図２５Ａ及び図２５Ｂでは、フォトレジスト層１４が層１２（または存在すれば付加酸化層）上に付加され、図２Ａ及び図２Ｂにおいて述べた、フォトレジスト層１４が大文字’Ｅ’形状を呈した型押しがされるのが望ましい。図２５Ａ及び２５Ｂにおける構造は、プラズマエッチングにより、層１１及１２を通過してケイ素基板１０内に５００Åまでエッチングする。その時、フォトレジスト層１６が付加され、図２６Ａ及び図２６Ｂに示す型押しがなされる。フォトレジスト層１６は図３Ａ及び図３Ｂに図示された層１６と、次にフォトレジスト層上に、好ましくはチタン／プラチナ／金である金属層の溶着時に、付加穴部１６−５が紐状導体１８−５の形成に提供する穴部６１−１及び１６−２間の接続に含まれていることを除き、基本的に同じ配置及び構造が型押しされる。層１８の溶着の後、フォトレジスト層１６は除去されて、図２７Ａ及び図２７Ｂに示すように、層１６上に形成された層１８の部分が、下層１２または存在すれば付加酸化層上の層１８の残存部１８−１、１８−２及び１８−５を残して取り外される。
【００３５】
図２７Ａ及び図２７Ｂに図示する構造になった後、トンネリング突部２２がマスキングを利用して及び金またはチタン／プラチナ／金層の溶着によって付加され、例として、それによって図２８Ａ及び図２８Ｂに示す構造となる。構造を利用することで、符号２２−１（図６Ａ参照）が同時に溶着されることにより、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサは前述した図１０及び図１１として完成する。ケイ素基板３０が突部３０−１（例として図１６Ａ参照）を形成しているように代えた場合は、符号２２−１の溶着が省略でき、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサは図２０及び図２１において述べたように完成する。図２８Ａ及び図２８Ｂにおいて図示する構造を図１９Ａ及び図１９Ｂに図示した基板４へと共晶ボンディングし、片持ち梁ビームからケイ素ウェハ１０を除去した後を、図２９Ａ及び図２９Ｂに示す。片持ち梁ビームは２つのプラズマエッチングによって形成されるのが望ましい。第一のエッチングではウェハ１０を除去し、第二のエッチングではエッチング停止層１１を除去する。
【００３６】
図３０ではまた１つのマイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサの実施例を示している。この場合のマイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサは完成図である。既に述べた事項とともに、当業者にとって既に述べた詳細な説明から改良して以降の実施例を生産するのは難しいことではないよう、全てについてここに説明する。図１Ａ〜図１２Ｂに示した実施例では、層２４−１及び３８−１の間でケイ素基板１０と閉じるように好ましい共晶ボンディングが行われている。図３０の実施例では、金及び金／ケイ素層間で補助腕８０内の中央部において閉じるように好ましい共晶ボンディングが行われている。一方のこの実施例では図１Ａから図１２Ｂで述べられた第一の実施例と類似している。図３１の実施例では、金及び金／ケイ素層間で好ましい共晶ボンディングが行われており、図１Ａ〜図１２Ｂに示したように、基板４に対して閉じるのと反対に片持ち梁１２に対して閉じるように行われる。図３０及び図３１の実施例の場合には、片持ち梁ビーム１２は良好な導電性を持つことにより、ビーム１２の端部における接部２２−２及び基板４上の接部４０−１（図１２Ｂ）の間の電導路として作用する。ホウ素ドープされたケイ素片持ち梁ビーム１２の抵抗値が０．０５Ω−ｃｍ以下になるのが好ましい。片持ち梁ビーム１２の抵抗値が低いことにより、エチレンジアミンピロカテコールが基板１０のエッチング除去に向いている（図１０及び図１１及び除去の記述を参照）。また、絶縁上ケイ素ウェハ及び二酸化ケイ素層１１（図２４Ａから図２８Ｂ）が、基板１０のエッチング除去時に片持ち梁ビーム１２の防護のためのエッチング停止層として利用されるのが良い。
【００３７】
図１０、２３、２９及び３０の実施例の構成は、比較的薄い金属組合わせ層のみが必要であり、より安定性の高いケイ素柱または突部３０−１を提供することから、図２３及び２９の実施例を用いるのが望ましい。
【００３８】
図３２及び図３３の実施例は、図２９及び３０の実施例と類似しているが、図２９及び図３０の実施例では、図２４Ａ及び図２９Ｂにおいて述べた紐状導体１８−５を利用している。これらの実施例では、層がホウ素とドープされている場合には、片持ち梁ビーム１２の抵抗値が０．０５Ω−ｃｍ以下であるのが望ましい。紐状導体により、片持ち梁ビーム１２に対して抵抗値の高いケイ素の使用も許される。層１２がホウ素でドープされている場合には、片持ち梁ビームがエチレンジアミンピロカテコールをエッチング液として利用してウェハ１０から切り離される。また、絶縁上ケイ素形成が二酸化ケイ素停止層１１と共に利用されて（図２４Ａ〜図２８Ｂを参照）、ウェハまたは基板１０のエッチング除去時に片持ち梁ビーム１２を防護すると良い。
【００３９】
図３４〜図３７の実施例は、平面基板の代わりに第二の実施例において述べたようにケイ素突部３０−１を持つ基盤が利用されている点除いて（図１３Ａ〜図２３及び関連した記述を参照）、図２９、３１、３０及び３２と類似している。
【００４０】
一般的に、図１３Ａ〜図２３及び図３４〜図３７の実施例は、これらの実施例の全てがケイ素柱または突部３０−１を持つ基板３０’を利用し、完成するセンサがより良い機械的安定性を提供すると思われるために、マイクロ・エレクトロ・メカニカルセンサに利用されるのが望ましい。
【００４１】
これまでセンサの組立に関する構成を述べ、またアメリカ合衆国特許出願内のそれぞれの単動センサの提供の詳述までをここに含んでいる。もちろん。多くのセンサが一時に共通基板またはウェハ上で製造される。実際に、隣接しているセンサ同士は関連しており、また一方に対して直交的に位置するため、その結果１組のセンサは二つの異なった方向に対応している。図３８で示されるように２つのトンネリングセンサ１０１及び１０２が配置されて、それらの片持ち梁ビーム１２がそれぞれ、Ｘ軸、Ｙ軸に沿うように配置されている。３つめのキャパシティブセンサ１０３はＺ軸に沿って対応するように提供される。結果として、センサはこのように３軸への対応を持つ。センサ１０３は例として、アメリカ合衆国特許５，２２６，３２１に配置型が使用できる。また、第３のセンサ１０３が当業者の間で知られている四つ葉のクローバー型構造を有していても良い。クローバー型のデザインは、内部に４角形状のクローバーの葉の形状９１及び外周端９２（図３９、４０Ａ及び４０Ｂを参照）が定義されるようにエッチングされた吊板９０を含む。柱９３は板９０の少なくとも１つの表面中央部に、例として符号９４のエポキシセメントでボンディングされている。柱９３はたいていＺ軸に沿って動くことができ、クローバーの葉の形状９１もそれと共に動く。適合電極９５は吊板及び柱の動作を感知するために提供される。
【００４２】
２つの直角的に配置されたセンサは、アメリカ合衆国特許出願番号＿”ア シングル クリスタル、デュアル ウェハ、 ジャイロスコープ アンド ア メソッド オブ メイキング セイム（Ａ Ｓｉｎｇｌｅ Ｃｒｙｓｔａｌ， Ｄｕａｌ Ｗａｆｅｒ， Ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ ａｎｄ ａ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｍａｋｉｎｇ Ｓａｍｅ）”出願日＿（代理人整理番号６１８０２２−２）に記載された型のトンネリング回転率センサが良い。上述した特許出願の内容は本願明細書中に含めて記載している。
【００４３】
吊板９０の外周端９２に配置された組合わせ部はセンサ１０３に関連した補助構造物９３へと共晶ボンディングがなされ、その方法は図２３における片持ち梁ビーム１２をその補助構造物へとボンディングする方法と非常に似通っている。以下図４０Ｂを参照する。補助構造物９３が基板４内の基板９４から突出ているケイ素突部９４−１と共に形成されるのが望ましい。チタン／プラチナ／金層５８−７及び金／ケイ素共晶層６０−７は、センサ１０３の補助構造物の外周形状に沿うように形成されるのが望ましい。層５８−７及び６０−７は、例として図２３の実施例に基づくセンサ１０１及び１０２の形成時のように、層５８及び６０が配置されるのと同時に形成されるのが望ましい。
【００４４】
板９０は、センサ１０１及び１０２の片持ち梁ビーム１２が片持ち梁基板２内に形成されるのとほぼ同時に形成されるのが望ましい。チタン／プラチナ／金によって形成されたマルチレイヤ１８−１及び板９０に対する組合わせ部を含む片持ち梁ビーム１２は、板９０の外周端にチタン／プラチナ／金のマルチレイヤ１８−７が形成されるのと共に提供されるのが好ましい。層１８−７は、層１８が片持ち梁ビーム構造の製造における配置と同時に形成されるのが望ましい。これで柱９３が形成される。片持ち梁ビーム２及び基板４が形成された後、それらは機械的に調整がなされる。前述したように圧力及び熱が付加され、図２１及び２３に図示された層１８−１と６０−１との間で共晶ボンディングが行われ、それと同時に図４０Ｂに図示された層１８−７と層６０−１との間で共晶ボンディングが行われる。
【００４５】
図４０Ｃは図４０Ｂと類似している。この実施例では、二つのトンネリングジャイロスコープ１０１及び１０２が共通基板３０上に見ることができる。２つのジャイロスコープはｘ軸及びｙ軸に沿って配置される。ｚ軸ジャイロは符号１０３で表わされている。この実施例では、３つのジャイロが基板３０、壁１３１及び上板１３０によって定義されることによって定義された真空空間内に包含されているのが望ましい。上板１３０及び壁１３１は、上述した片持ち梁ビーム１２が板に固定される方法のような共晶ボンディングがされているのが良い。
【００４６】
構造として図面に図示したように、大文字’Ｅ’に関しての多くの事例を述べた。しかしながら、この形状が特別でるというわけではなく、基本的に層１２の片持ち梁ビームによって形成される片持ち梁構造に良い機械的補助が提供されることから好ましいとしたものである。もちろん、補助構造または片持ち梁ビーム１２の周囲の組合わせ構造はデザインの選択によって変更することができ、またそれは大文字’Ｅ’の境界を形成する必要というわけではなく、円、三角形、またはその他の希望の形状を含めて簡単な形状で形成することができる。
【００４７】
片持ち梁ビーム１２上に紐状導体を利用する実施例では、片持ち梁ビーム１２上のパッド及び接部（例えば２６−２及び２６−３）が一般的に紐状導体１８−１、１８−２及び１８−５上に形成されるように図示されている。要素２６−２及び２９−３は直接片持ち梁ビーム１２上に形成されても良い場合には、片持ち梁ビーム上の紐状導体は様々な簡単な種類の道順を定めることができ、対象への接続または片持ち梁ビーム１２上に形成されたもう一方の金属によってもう一方の接部を作成して良い。
【００４８】
片持ち梁ビームの遠心端における接部は、円錐または三角形で図示及び詳述した。当業者にとっては、これらの接部が異なった構造を持ち、いくつかの実施例中では平面構造であることは良く知られている。
【００４９】
この記述全体に渡り、チタン／プラチナ／金層と記載している。当業者にとっては、この学術用語はチタン／プラチナ／金層がチタン層、プラチナ層、金層の独立した層によって構成されている状態であることは良く知られている。チタン層は溶着を助成し、その際にプラチナ層が隣接した層からケイ素の金内部への拡散を防止するように動作する。ケイ素が金内部へと拡散することにより二酸化ケイ素を露出表面上に形成していく場合、二酸化ケイ素が非電導であることから、金接部が持つ機能に対して悪影響を持つために、ケイ素が金内部へと混合するのを防止することが望ましい。
【００５０】
マイクロ・エレクトロ・メカニカル・デバイスの異なった様々な実施例を以上に述べた。多くはセンサに関し、いくつかはスイッチである。さらに多くの実施例は本願に記載の事項に基づいて当業者が容易に想到し得るものである。しかしながら、全ての場合における基板４は片持ち梁形成構造物２と、共晶ボンディングが２つの基板２、４の露出層間で起こる要素である圧力と好ましくは熱とを加えられることにより接合されている。
【００５１】
最良の形態の実施例について本発明を述べたが、当業者において改良が行われるのを望む。本発明は従属項に記載されたものを除き、前述したものに限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】
本発明に係る、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサの片持ち梁ビームの形成部分に関する第一実施例の構成図である。
【図１Ｂ】
本発明に係る、図１Ａに対応する片持ち梁ビームの形成部分に関する形成時の一段階を示す平面図である。
【図２Ａ】
本発明に係る、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサの片持ち梁ビームの形成部分に関する第一実施例の構成図である。
【図２Ｂ】
本発明に係る、図２Ａに対応する片持ち梁ビームの形成部分に関する形成時の一段階を示す平面図である。
【図３Ａ】
本発明に係る、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサの片持ち梁ビームの形成部分に関する第一実施例の構成図である。
【図３Ｂ】
本発明に係る、図３Ａに対応する片持ち梁ビームの形成部分に関する形成時の一段階を示す平面図である。
【図４Ａ】
本発明に係る、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサの片持ち梁ビームの形成部分に関する第一実施例の構成図である。
【図４Ｂ】
本発明に係る、図４Ａに対応する片持ち梁ビームの形成部分に関する形成時の一段階を示す平面図である。
【図５Ａ】
本発明に係る、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサの片持ち梁ビームの形成部分に関する第一実施例の構成図である。
【図５Ｂ】
本発明に係る、図５Ａに対応する片持ち梁ビームの形成部分に関する形成時の一段階を示す平面図である。
【図６Ａ】
本発明に係る、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサの片持ち梁ビームの形成部分に関する第一実施例の構成図である。
【図６Ｂ】
本発明に係る、図６Ａに対応する片持ち梁ビームの形成部分に関する形成時の一段階を示す平面図である。
【図７Ａ】
本発明に係る、第一実施例のトンネリング・センサの基板部分の構成工程における切断図である。
【図７Ｂ】
本発明に係る、図７Ａに対応する基板部分の構成工程における平面図である。
【図８Ａ】
本発明に係る、第一実施例のトンネリング・センサの基板部分の構成工程における切断図である。
【図８Ｂ】
本発明に係る、図８Ａに対応する基板部分の構成工程における平面図である。
【図９Ａ】
本発明に係る、第一実施例のトンネリング・センサの基板部分の構成工程における切断図である。
【図９Ｂ】
本発明に係る、図９Ａに対応する基板部分の構成工程における平面図である。
【図１０】
本発明に係る、片持ち梁ビーム形成部と基板部分とを組合わせ、望ましい共晶ボンディングを利用して互いのボンディングが行われた図である。
【図１１】
本発明に係る、片持ち梁ビーム形成部と基板部分とを組合わせ、望ましい共晶ボンディングを利用して互いのボンディングが行われた図である。
【図１２Ａ】
本発明に係る、第一の実施例に関する完成したトンネリング・センサの切断図である。
【図１２Ｂ】
本発明に係る、第一の実施例に関する完成したトンネリング・センサの平面図である。
【図１３Ａ】
本発明に係る、マイクロ・エレクトロ・メカニカルセンサの片持ち梁の第二の実施例に関する組立工程の切断図である。
【図１３Ｂ】
本発明に係る、片持ち梁の平面図である。
【図１４Ａ】
本発明に係る、マイクロ・エレクトロ・メカニカルセンサの片持ち梁の第二の実施例に関する組立工程の切断図である。
【図１４Ｂ】
本発明に係る、片持ち梁の平面図である。
【図１５Ａ】
本発明に係る、トンネリングセンサの第二の実施例の基板組立に関する切断図である。
【図１５Ｂ】
本発明に係る、ウェハの第二の実施例に関する組立工程に関する平面図である。
【図１６Ａ】
本発明に係る、トンネリングセンサの第二の実施例の基板組立に関する切断図である。
【図１６Ｂ】
本発明に係る、ウェハの第二の実施例に関する組立工程に関する平面図である。
【図１７Ａ】
本発明に係る、トンネリングセンサの第二の実施例の基板組立に関する切断図である。
【図１７Ｂ】
本発明に係る、ウェハの第二の実施例に関する組立工程に関する平面図である。
【図１８Ａ】
本発明に係る、トンネリングセンサの第二の実施例の基板組立に関する切断図である。
【図１８Ｂ】
本発明に係る、ウェハの第二の実施例に関する組立工程に関する平面図である。
【図１９Ａ】
本発明に係る、トンネリングセンサの第二の実施例の基板組立に関する切断図である。
【図１９Ｂ】
本発明に係る、ウェハの第二の実施例に関する組立工程に関する平面図である。
【図２０】
本発明に係る、片持ち梁及び基板をお互いにそろえ、お互いを共晶ボンディングによってボンディングする側方図である。
【図２１】
本発明に係る、片持ち梁及び基板をお互いにそろえ、お互いを共晶ボンディングによってボンディングする際の切断図である。
【図２２Ａ】
本発明に係る、第二実施例によって完成したマイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサの切断図である。
【図２２Ｂ】
本発明に係る、第二実施例によって完成したマイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサの正面図である。
【図２３】
本発明に係る、第二実施例によって完成したマイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサの切断図である。
【図２４Ａ】
本発明に係る、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサの片持ち梁の第一及び第二の実施例の改良に関する切断図である。
【図２４Ｂ】
本発明に係る、改良の組立工程を表わす平面図である。
【図２５Ａ】
本発明に係る、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサの片持ち梁の第一及び第二の実施例の改良に関する切断図である。
【図２５Ｂ】
本発明に係る、改良の組立工程を表わす平面図である。
【図２６Ａ】
本発明に係る、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサの片持ち梁の第一及び第二の実施例の改良に関する切断図である。
【図２６Ｂ】
本発明に係る、改良の組立工程を表わす平面図である。
【図２７Ａ】
本発明に係る、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサの片持ち梁の第一及び第二の実施例の改良に関する切断図である。
【図２７Ｂ】
本発明に係る、改良の組立工程を表わす平面図である。
【図２８Ａ】
本発明に係る、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサの片持ち梁の第一及び第二の実施例の改良に関する切断図である。
【図２８Ｂ】
本発明に係る、改良の組立工程を表わす平面図である。
【図２９Ａ】
本発明に係る、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサの片持ち梁の第一及び第二の実施例の改良に関する切断図である。
【図２９Ｂ】
本発明に係る、改良の組立工程を表わす平面図である。
【図３０】
本発明に係る、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサのもう１つの実施例の側面図であり、この実施例では柱の中央部に共晶ボンディングが施されている。
【図３１】
本発明に係る、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサのまたもう１つのの実施例の側面図であり、この実施例では片持ち梁１２に隣接した部分に共晶ボンディングが施されている。
【図３２】
本発明に係る、図３０に示された実施例の柱補助の中央部内に共晶ボンディングをもつマイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサのもう１つの実施例の側面図であり、また片持ち梁ビーム構造物上に紐状導体を有する。
【図３３】
本発明に係る、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサのもう１つの実施例の側面図であり、この実施例では図３１に示された実施例における片持ち梁ビームの隣接部に共晶ボンディングが施されており、また片持ち梁ビーム構造物上に紐状導体を有する。
【図３４】
本発明に係る、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサのもう１つの実施例の側面図であり、この実施例では片持ち梁ビームの隣接部に共晶ボンディングが施されており、また、柱補助構造部を形成するケイ素突部を持つ基板を利用している。
【図３５】
本発明に係る、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサのまたもう１つの実施例の側面図であり、この実施例では片持ち梁の隣接部に共晶ボンディングが施され、図３４の実施例に示した柱補助構造物を形成しているケイ素突部を持つ基板を利用し、片持ち梁ビーム構造物上に紐状導体を有している。
【図３６】
本発明に係る、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサのもう１つの実施例の側面図であり、図３０の実施例で示された柱補助部の中央部内に好ましい共晶ボンディングが施され、柱補助構造部を形成するケイ素突部を持つ基板が利用されている。
【図３７】
本発明に係る、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサのもう１つの実施例の側面図であり、図３６に示されたようにこの実施例では柱補助部の中央部内に好ましい共晶ボンディングが施され、柱補助構造部を形成するケイ素突部を持つ基板を利用し、片持ち梁ビーム構造物上に紐状導体を有している。
【図３８】
本発明に係る、３軸センサにおける３つのセンサ配列の平面図である。
【図３９】
本発明に係る、図３８のＺ軸センサの透視図である。
【図４０Ａ】
本発明に係る、図３８の３軸センサの側面構成図である。
【図４０Ｂ】
本発明に係る、図４０Ａのさらなる詳細な側面図である。
【図４０Ｃ】
本発明に係る、もう一方の実施例の側面図である。
Claims (60)
- ３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・トンネリング／キャパシティブ・センサの製造方法であって、
（ａ） 第一の基板またはウェハ上に、少なくとも２つの直交的に配置されたセンサと関連された組合わせ部に供する片持ち梁ビーム構成部を定義するステップと、
（ｂ） 第一の基板またはウェハ上の少なくとも３つのセンサの共振構造を形成し、共振構成部の上部に組合わせ部を有するステップと、
（ｃ） 少なくとも２つの直交的に配置されたセンサに供する接部を形成し、第二の基板またはウェハ上に組合わせ部を形成するステップと、
（ｄ） 前記第一の基板上の前記組合わせ部を、前記第二の基板またはウェハ上の前記組合わせ部と対面関係に位置させるステップと、
（ｅ） 前記第一の基板またはウェハ上の前記組合わせ部に関連する層と、前記第二の基板またはウェハ上の前記組合わせ部に関連した層とをボンディングするステップと、
を具備したことを特徴とする３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・トンネリング／キャパシティブ・センサの製造方法。 - （ａ）少なくとも２つの直交的に配置されたセンサがセンサの直交方向に対して感度を有するステップと、（ｂ）第３のセンサが前記２つの直交的に配置された両方のセンサのセンサ感度方向に対して直交方向に感度を有するステップと、（ｃ）前記第二の基板またはウェハ上の前記組合わせ部が、前記第一の基板またはウェハ上の前記組合わせ部に対して相補形状を有するステップと、（ｅ）ボンディングが共晶ボンディングであるステップと、（ｆ）少なくとも第一の基板またはウェハの部位を除去して片持ち梁ビーム構成部及び前記板構造部を切り離すステップと、を持つ請求項１に記載の３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・トンネリング／キャパシティブ・センサの製造方法。
- 前記第二の基板がケイ素によって形成されている請求項１に記載の３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・トンネリング／キャパシティブ・センサの製造方法。
- 前記第二の基板またはウェハを形成する前記ケイ素が単結晶構造を持つ請求項３に記載の３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・トンネリング／キャパシティブ・センサの製造方法。
- 前記ケイ素の結晶構造がＳｉ＜１００＞である請求項４に記載の３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・トンネリング／キャパシティブ・センサの製造方法。
- 前記ケイ素がｎ型である請求項５に記載の３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・トンネリング／キャパシティブ・センサの製造方法。
- 前記第一の基板またはウェハがケイ素により形成されている請求項１に記載の３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・トンネリング／キャパシティブ・センサの製造方法。
- 前記第一の基板またはウェハを形成する前記ケイ素が単結晶構造を持つ請求項７に記載の３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・トンネリング／キャパシティブ・センサの製造方法。
- 前記第一の基板またはウェハ内の前記ケイ素の結晶構造がＳｉ＜１００＞である請求項８に記載の３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・トンネリング／キャパシティブ・センサの製造方法。
- 前記第一の基板またはウェハの前記ケイ素がｎ型である請求項９に記載の３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・トンネリング／キャパシティブ・センサの製造方法。
- ２つの前記基板間に圧力と共に熱が加えられた結果、２つの前記組合わせ部間でボンディングが起こる請求項１または２に記載の３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・トンネリング／キャパシティブ・センサの製造方法。
- 前記２つの直交的に配置されたセンサがトンネリング回転率ジャイロである請求項２に記載の３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・トンネリング／キャパシティブ・センサの製造方法。
- 前記共振構造部がキャパシティブ回転率ジャイロに対してコリオシス変換要素を形成する請求項１または２に記載の３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・トンネリング／キャパシティブ・センサの製造方法。
- 前記片持ち梁ビーム及び前記共振構造部の形成が、
（ａ） 前記第一の基板またはウェハ上にケイ素のエピタキシャル層を形成し、前記エピタキシャル層がドープされるステップと、
（ｂ） 前記第一の基板またはウェハ上に片持ち梁を定義するために、前記ケイ素のエピタキシャル層のマスキング及びエッチングをするステップと、
（ｃ） 前記第一の基板またはウェハをエッチングによって除去するステップと、
によって形成される請求項１または２に記載の３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・トンネリング／キャパシティブ・センサの製造方法。 - 接触部が、一時マスク層内の小穴部を通して金属を溶着することにより前記片持ち梁端部上に形成され、前記金属の溶着工程が進むにつれ、前記金属が溶着されて前記小穴部を被覆していき、それによって前記小穴部を通して溶着される前記接触部が、溶着工程が進むにつれて断面を減少しながら延伸構造を持つことができる程度に前記小穴部が十分小さくなっている請求項１４に記載の３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・トンネリング・センサの製造方法。
- 前記エピタキシャル層が、前記エピタキシャル層の抵抗値が０．０５Ω−ｃｍ以下に減少されるのに十分な濃度のホウ素とドープされる請求項１４に記載の３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・トンネリング・センサの製造方法。
- エチレンジアミンピロカテコールがエッチング液として使用されて、エッチングが行われる請求項１６に記載の３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・トンネリング・センサの製造方法。
- チタン、プラチナ及び金であるのが望ましい金属層が前記共晶層上に選択的に溶着され、また前記共晶層上に第一及び第二のオーム接触部が高温によって焼結形成され、前記第二のオーム接触が片持ち梁ビーム構造物の遠心端近くに配置され、また前記第一のオーム接触部が前記第一の基板上で組合わせ部を形成する請求項１７に記載の３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・トンネリング・センサの製造方法。
- チタン／プラチナ／金層が好ましい比較的薄い金属層が、焼結されまた前記チタン／プラチナ／金層が好ましい比較的薄い金属層上に配置され、前記比較的薄い金属層の第一構成部が前記第一の基板上の前記組合わせ部を形成し、また前記比較的薄い金属層の第一構成部が前記第一のオーム接触の上に位置し、前記比較的薄い金属層が前記第二構成部が前記第二のオーム接触における突接触部を形成する請求項１８に記載の３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・トンネリング・センサの製造方法。
- 前記第二の基板またはウェハ上で前記チタン／プラチナ／金接触部の形成はさらに、前記第二の基板またはウェハ上の前記接触部の少なくとも１つが前記第二の基板またはウェハ上の組合わせ部を定義する請求項１９に記載の３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・トンネリング・センサの製造方法。
- 共晶ボンディングを作成するための前記層が、前記第二の基板上の前記チタン／プラチナ／金接触部上に溶着された金−ケイ素共晶層及び／または前記第一の基板またはウェハ上の前記比較的薄いチタン／プラチナ／金層の第一構成部上に溶着された金−ケイ素共晶層によって提供される請求項２０に記載の３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・トンネリング・センサの製造方法。
- 金属層が前記エピタキシャル層畳に選択的に溶着され、また前記エピタキシャル層上に第一及び第二のオーム接触部が高温によって焼結形成され、前記第二のオーム接触が片持ち梁ビーム構造物の末端部近くに配置され、また前記第一のオーム接触部が前記第一の基板またはウェハ上で組合わせ部を形成する請求項１７に記載の３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・トンネリング・センサの製造方法。
- さらに前記第二の基板またはウェハの広範囲の表面から突出している突部の形成を含む請求項１９に記載の３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・トンネリング・センサの製造方法。
- さらに前記第二の基板またはウェハ上にチタン／プラチナ／金接部が形成され、前記第二の基板またはウェハ上の前記接部の少なくとも１つが、前記突部と組み合わされて、前記第二の基板またはウェハ上の組合わせ部を定義する請求項２３に記載の３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・トンネリング・センサの製造方法。
- 共晶層は金−ケイ素共晶層が前記第二の基板またはウェハ上のチタン／プラチナ／金接部上に溶着されることにより、及び／または金−ケイ素共晶層が第一の基板またはウェハ上のオーム接触部上に溶着されることにより提供される請求項２４に記載の３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・トンネリング・センサの製造方法。
- 前記共晶ボンディング用のケイ素が前記第二の基板またはウェハの前記組合わせ部にあるケイ素基板によって提供される請求項２３に記載の３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・トンネリング・センサの製造方法。
- チタン／プラチナ／金型押しされた金属層が選択的に前記共晶層上に溶着されて第一及び第二の内部接部を前記共晶層上に形成し、前記接部がチタン／プラチナ／金伸長電導性紐状層によって内部接触がなされ、前記第二の内部接部が前記片持ち梁ビーム構造物の遠心端近くに溶着され、片持ち梁構造物に比べ実質的に狭いのが好ましい前記伸長紐が前記片持ち梁ビーム構造物上で縦方向に溶着され、前記第一の内部接部が前記第一の基板またはウェハ上に組合わせ部を形成する請求項１６に記載の３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・トンネリング・センサの製造方法。
- さらに、前記第二の基板またはウェハの広範囲の表面から突出している突接部の形成が含まれる請求項２６に記載の３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・トンネリング・センサの製造方法。
- さらに、前記第二の基板またはウェハ上にチタン／プラチナ／金接部の形成を含み、前記第二の基板またはウェハ上の突部として一対になっている前記接部の少なくとも１つが前記第二の基板またはウェハ上の前記組合わせ部を定義する請求項２８に記載の３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・トンネリング・センサの製造方法。
- 前記ボンディングが共晶的に起こり、前記共晶層が、前記第二の基板上の前記チタン／プラチナ／金接触部上に溶着された金−ケイ素共晶層及び／または前記第一の基板またはウェハ上の第一の内部接続部上に溶着された金−ケイ素共晶層によって提供される請求項２９に記載の３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・トンネリング・センサの製造方法。
- 前記共晶ボンディング用のケイ素が前記第二の基板またはウェハの前記組合わせ部にあるケイ素基板によって提供される請求項２８に記載の３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・トンネリング・センサの製造方法。
- 共振構造部内の中央柱が前記第二の基板またはウェハ上の前記組合わせ部とボンディングされる請求項１４に記載の３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・トンネリング／キャパシティブ・センサの製造方法。
- 前記共振構造部の外枠が前記第二の基板またはウェハ上の前記組合わせ部とボンディングされる請求項１４に記載の３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・トンネリング／キャパシティブ・センサの製造方法。
- 前記片持ち梁ビーム構造及び共振構造部の形成が、
（ａ） 前記第一の基板またはウェハ上のエッチング停止層において形成されるステップと、
（ｂ） 前記エッチング停止層上の共晶層が形成され、前記共晶層が非ドープであるか、軽くドープされているステップと、
（ｃ） 前記第一の基板の隣接部に溶着された片持ち梁ビーム構造物を定義するために、前記共晶層をマスキング及びエッチングするステップと、
（ｄ） 前記エッチング停止層による抵抗を用いて、エッチング溶液の利用により前記第一の基板またはウェハを除去するステップと、
（ｅ） 前記片持ち梁ビーム構造物の抵抗を用いて、エッチング溶液を利用してエッチング停止層を除去するステップと、
を持つ請求項１または２に記載の３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・トンネリング・センサの製造方法。 - チタン／プラチナ／金層が選択的に前記共晶層上で溶着されて第一及び第二の金属接部を前記共晶層上に形成し、前記第二の接部が前記片持ち梁遠心端近くに溶着され、前記第一の接部が前記第一の基板上の組合わせ部を形成する請求項３４に記載の３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・トンネリング・センサの製造方法。
- ３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・トンネリング・センサの組立構造が、
（ａ） 片持ち梁構成部が直交的に配置され、共振構造部と関連した組合わせ部が前記第一の基板またはウェハ上に定義され、
（ｂ） 接部及び組合わせ部が第二の基板またはウェハ上に定義され、前記第二の基板またはウェハ上の前記組合わせ部が前記第一の基板またはウェハ上の前記組合わせ部と相補形状を有し、
（ｃ） 前記第一の基板またはウェハ上に定義された前記組合わせ部を、前記第二の基板上の組合わせ部とボンディングするための前記ボンディング層が、前記第一または第二の基板またはウェハ上の少なくとも１つ上の前記組合わせ部上に配置されていることを特徴とする３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・トンネリング・センサ。 - 組立部が３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・トンネリング・センサ作成に用いられ、ボンディング層が圧力／熱に敏感であることで、前記組合わせ部が圧力／熱が加えられることに対応してボンディングされる請求項３６に記載の３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・トンネリング・センサ。
- 前記第一及び第二の基板またはウェハがケイ素によって形成されている請求項３６に記載の３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・トンネリング・センサ。
- 第一の基板またはウェハを形成しているケイ素が単結晶構造を持つ請求項３８に記載の３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・トンネリング・センサ。
- 前記ケイ素の結晶構造がＳｉ＜１００＞である請求項３６または３９に記載の３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・トンネリング・センサ。
- 前記ケイ素がｎ型である請求項４０に記載の３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・トンネリング・センサ。
- 前記片持ち梁ビーム構造物及び共振構造部が前記第一の基板またはウェハ上の共晶層から形成され、前記共晶層がドーパントとドープされている請求項３６に記載の３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・トンネリング・センサ。
- 突接部が前記片持ち梁ビーム構造物の端部に配置される請求項４２に記載の３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・トンネリング・センサ。
- 前記共晶層が、前記共晶層の抵抗値が０．０５Ω−ｃｍ以下に減少するように十分な濃度のホウ素とドープされている請求項４２に記載の３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・トンネリング・センサ。
- さらに、前記共晶層上に第一及び第二のオーム接触部を持ち、前記第二のオーム接触部が前記片持ち梁ビーム構造物の遠心端近くに配置され、前記第一のオーム接触部が前記第一の基板またはウェハ上の組合わせ部を形成している請求項４４に記載の３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・トンネリング・センサ。
- 比較的薄い金属層が、前記第一及び第二のオーム接部上に配置され、前記第一のオーム接部上に配置された前記比較的薄い金属層の第一構成部及び前記比較的薄い金属層の第二構成部とが前記第二のオーム接部上に突接部を形成している請求項４５に記載の３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・トンネリング・センサ。
- 共振構造部内の中央柱が前記第二の基板またはウェハ上の前記組合わせ部とボンディングされている請求項３６に記載の３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・トンネリング・センサ。
- 前記共振構造部の外枠が前記第二の基板またはウェハ上の前記組合わせ部とボンディングされている請求項３６に記載の３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・トンネリング・センサ。
- さらに、前記第二の基板またはウェハ上に配置された金属接部を持ち、前記突部と組み合わされた前記第二の基板またはウェハ上の前記接部の少なくとも１つが、前記第二の基板上の前記組合わせ部を定義する請求項４６に記載の３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・トンネリング・センサ。
- 前記ボンディング層が前記第二の基板上の前記金属接部上に配置された金−ケイ素共晶層によって、及び／または第一の基板またはウェハ上の前記比較的薄い金属層の前記第一構成部上に配置された金−ケイ素共晶層によって提供される請求項４９に記載の３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・トンネリング・センサ。
- 前記共晶ボンディングに用いられるケイ素が、前記組合わせ部の前記第一または前記第二のウェハのケイ素基板によって提供される請求項４９に記載の３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・トンネリング・センサ。
- さらに、前記共晶層上に第一及び第二のオーム接触部を持ち、前記第二のオーム接触部が前記片持ち梁ビーム構造部の遠心端近くに配置され、前記第一のオーム接触部が前記第一の基板上の前記組合わせ部を形成する請求項４６に記載の３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・トンネリング・センサ。
- さらに、突部が前記第二の基板またはウェハの広範囲の表面から突き出ており、第二の基板またはウェハ上に金属接部を持ち、前記第二の基板またはウェハ上の前記接部の少なくとも１つが、前記突部が一対をなして前記第二の基板またはウェハ上に前記組合わせ部を定義する請求項５２に記載の３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・トンネリング・センサ。
- 前記ボンディング層が前記第二の基板またはウェハ上の前記金属接部上に配置された金−ケイ素共晶によって、及び／また前記第一のオーム接触部上に配置された金−ケイ素共晶層によって提供される請求項５３に記載の３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・トンネリング・センサ。
- 第一及び第二の内部金属接部が前記共晶層上に配置され、前記接部が伸長紐状金属層によって内部接触され、前記第二の内部接部が前記片持ち梁ビームの遠心端近くに配置され、前記伸長紐状層が前記片持ち梁ビーム構造物上に縦方向に配置され、前記第一の内部接部が前記第一の基板上の組合わせ部を形成する請求項４２に記載の３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・トンネリング・センサ。
- 突部が前記第二の基板またはウェハの広範囲な表面から突き出ており、金属接部が前記第二の基板またはウェハ上に配置され、前記第二の基板またはウェハ上の少なくとも１つの接部が、前記突部が一対とされることにより第二の基板またはウェハ上の組合わせ部を定義する請求項５５に記載の３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・トンネリング・センサ。
- 前記ボンディング層が前記第二の基板上の前記金属接部上に配置された金−ケイ素共晶層によって、及び／または第一の内部接部上に配置された金−ケイ素共晶層によって提供される請求項５６に記載の３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・トンネリング・センサ。
- 第３のウェハが前記センサの上部に真空状態でボンディングされて、前記センサを真空で密封する請求項３６に記載の３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・トンネリング／キャパシティブ・センサ。
- 前記ボンディング層が共晶ボンディング層である請求項３６に記載の３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・トンネリング・センサ。
- 前記金属がチタン／プラチナ／金である請求項４５、４６、４９乃至５７のいずれかに記載の３軸マイクロ・エレクトロ・メカニカル・トンネリング・センサ。
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