JP2005091031A - 容量式力学量センサの異物除去方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 可動部下の中空部にある異物を除去できる容量式力学量センサの異物除去方法を提供すること
【解決手段】 半導体基板１上に、可動電極１１，１２、錘部１３、及びばね部１４からなり、加速度の印加により変位する可動部１０と、可動電極１１，１２の検出面に対向する検出面を有する固定電極２１，３１を有する固定部２０，３０とを備える容量式加速度センサにおいて、所定の駆動電圧を可動部１０と固定部２０，３０との間に印加する事により、可動部１０を強制的に変位させた。そして、可動部１０と当該可動部下の半導体基板１との間の中空部１６に隠れていた異物７０を露出させ、吸引手段８０等により当該異物７０を除去した。
【選択図】 図３

Description

本発明は、加速度や角速度等の力学量を検出する容量式力学量センサの異物除去方法に関するものである。

半導体基板上に形成される容量式力学量センサは、近年、より高精度・高感度なセンサが求められる中で、センサ自体の構造がより高密度で複雑化してきている。そのため、センサ構成要素の各部位において、外観検査が非常に困難な状態になってきている。

この容量式力学量センサにおける品質上の問題点として、例えば異物の噛み込みがある。特に、異物が可動部と半導体基板との間の中空部に隠れた状態になっていると、可視光による外観検査では異物は検出されず、可動部（可動電極、錘部）−固定電極間や可動部−半導体基板間に異物が噛み込んで、センサが正常に作動することが出来なくなる恐れがある。

そこで、赤外線等を用いた検出手段により、可動部を透過して、可動部と半導体基板との間に隠れている異物を検出する方法がある。

しかしながら、上記手段により異物を発見できても、可動部と半導体基板との間に隠れている異物を除去することは困難であるため、当該異物を内包するセンサは不良品として処理される。

本発明は上記問題点に鑑み、可動部下の中空部にある異物を除去できる容量式力学量センサの異物除去方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成する為に、請求項１に記載の容量式力学量センサの異物除去方法は、ばね部を介して半導体基板に支持され、検出対象となる力学量の印加に応じて変位する錘部と、当該錘部の側面から延伸しつつ一体に形成された可動電極とからなる可動部と、半導体基板に支持される固定部アンカと、当該固定部アンカから延伸しつつ可動電極の検出面と対向する検出面を有する固定電極とからなる固定部とを備え、力学量の印加により、可動部が可動電極と固定電極との検出面間距離が変化する方向に変位したときの、可動電極と固定電極との間の静電容量の変化から力学量を検出する容量式力学量センサにおいて異物を除去する方法である。そして、可動部と固定部との間に所定の駆動電圧を印加し、可動部を変位させることにより、可動部下の中空部にある異物を露出させて、当該異物を除去することを特徴とする。

このように、所定の駆動電圧を可動部と固定部との間に印加する事により、可動電極と固定電極との間に静電気力が発生するので、この静電気力に応じて可動部を変位させることができる。従って、可動部の変位前において、可動部と当該可動部下の半導体基板との間の中空部に隠れていた異物が、可動部の変位により露出されるので、異物を除去することが可能となる。

異物の除去方法としては、請求項２に記載のように、可動部を変位させた状態で、露出された異物を吸引除去する方法を採用しても良い。

この場合、強制的に吸引するので、わずかにでも露出していれば吸引除去することができる。また、異物が帯電により付着している場合でも、除去することができる。

その際、請求項３に記載のように、半導体基板に対して、可動部が下となるように容量式力学量センサを配置させた状態で、可動部を変位させて吸引除去を行うと、異物をより効率良く除去することができる。

別の異物除去方法として、請求項４に記載のように、半導体基板に対して、可動部が下となるように容量式力学量センサを配置し、その状態で可動部を変位させることにより、露出した異物を落下させて除去する方法を採用しても良い。

異物がほぼ完全に露出していれば、異物自身の自重による落下により、異物を除去することもできる。

また、請求項４に記載の条件において、請求項５に記載のように、容量式力学量センサがパッケージに搭載されている場合、可動部を変位させた状態で、パッケージに外力を印加することにより、異物を落下させて除去することもできる。

この場合、異物が完全に露出していなくとも、その衝撃で異物を可動部から完全に露出させて、落下させて除去することができる。

また、請求項４に記載の条件において、請求項６に記載のように、可動電極が、当該可動電極を挟んで対向配置される固定電極の両者に向けて、順次変位するように駆動電圧を印加し、可動部を変位させることにより、異物を落下させて除去することもできる。

この場合、異物が露出していなくとも、可動部の変位により、異物が振られて可動部から完全に露出し、落下させて除去することができる。

また、請求項７に記載のように、検出手段により、可動部下の中空部における異物の検出を行い、検出結果に基づいて、異物を除去することが好ましく、さらには、請求項８に記載のように、当該検出手段により、検出された異物が除去されたかの確認を行うことが好ましい。この場合、異物除去と外観検査を同一工程で実施することができる。

尚、検出手段としては、請求項９に記載のように、可視光を用いた検出手段により、可動部を変位させた状態で、請求項７又は請求項８に記載の検出を行うことが好ましい。

検出手段としては、赤外線等を用いた検出手段により、可動部を変位させない状態で可動部を透過して異物の検出を行うこともできる。しかしながら、検出能力が可視光に比べて低く、低倍率レンズでは微小な異物の検出が困難であり、高倍率レンズでは検出視野が狭く検査に長時間必要となる。従って、可動部を変位させた状態で、可視光を用いた検出手段を適用することにより、より確実に異物を除去することができる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。尚、本実施の形態においては、容量式力学量センサとして、容量式加速度センサを例にとり、以下に説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本実施形態における容量式加速度センサのセンサ部の構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面における断面図である。

容量式加速度センサは、図１（ｂ）に示すように、例えば単結晶シリコンからなる第１半導体層１と第２半導体層２との間に、犠牲層としての例えば酸化シリコンからなる絶縁層３が形成されてなるＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板に対して、半導体製造技術を利用した周知のマイクロマシニング技術を用いて、センサ部４を形成することにより構成される。尚、本実施形態において、半導体基板とは第１半導体層１を意味する。

センサ部４は、図１（ａ）に示すように、第２半導体層２から形成された可動部１０と一対の固定部２０，３０、及びこれらを取り囲む周囲部４０から構成されており、可動部１０、固定部２０，３０、及び周囲部４０の間には所定の間隙が設けられ、相互に絶縁されている。

可動部１０は、可動電極１１，１２、錘部１３、及びばね部１４から構成されている。

可動電極１１，１２は、加速度が作用する質量部としての錘部１３の両側面から錘部１３の長手方向と直交するように延伸して一体形成され、例えば図１（ａ）に示すように夫々の側面に４本ずつ設けられる。

ばね部１４は、錘部１３の両端に形成されており、錘部１３と第１半導体層１及び絶縁層３を介して接続する支持部である可動部アンカ１５とを連結している。また、本実施の形態において、ばね部１４は加速度の印加方向（図１（ａ）の上下方向）に対して垂直方向に貫通孔を有する矩形枠形状を有している。従って、加速度の印加方向に沿って変位するばね機能を有しているため、可動部１０が加速度を受けると、錘部１３及び可動電極１１，１２を加速度の印加方向と逆方向に変位させると共に、加速度の消失により元の位置に戻すことができる。

尚、可動電極１１，１２、錘部１３、及びばね部１４が形成される領域は、第２半導体層２及び絶縁層３が選択的エッチング（図１（ａ）の破線で囲まれた領域）により除去され、中空部１６が存在する。また、可動部アンカ１５の所定の位置には、後述するＣ−Ｖ変換回路に接続される可動電極用パッド１７が連結形成されている。

固定部２０，３０は、固定電極２１，３１、及び固定部アンカ２２，３２から構成される。

固定電極２１，３１は、固定部アンカ２２，３２から延伸し、錘部１３の両側面から突出する可動電極１１，１２に対して、夫々所定の検出面間距離を有し平行に対向配置される。また、固定電極２１，３１は例えば可動電極１１，１２同様、選択的エッチング（図１（ａ）の破線で囲まれた領域）によりその直下に中空部１６を有し、固定部アンカ２２，３２に片持ち支持されている。

また、固定電極２１，３１は、可動電極１１，１２の検出面と対向する検出面の所定位置に、図示されない付着防止用の突起部を有している。これにより、固定電極２１，３１と可動電極１１，１２とのスティッキングによる付着を防止するようにしている。

固定部アンカ２２，３２は錘部１３と平行に配置され、絶縁層３を介して第１半導体層１上に固定されており、所定の位置にＣ−Ｖ変換回路に接続される固定電極用パッド２３，３３を有している。

ここで、図１（ａ）に示すように、固定電極２１，３１は可動電極１１，１２と同数の片側４本ずつ設けられており、可動電極１１と固定電極２１との間で第１検出部５０を、可動電極１２と固定電極３１との間で第２検出部５１を構成している。尚、本実施の形態において、可動電極１１，１２及び固定電極３１，３２の本数が第１検出部５０及び第２検出部５１において各４本の例を示したが、４本に限定されるものではない。

上記のように構成される容量式加速度センサにおいて、可動電極１１，固定電極２１からなる第１検出部５０の静電容量の総和をＣＳ１とし、可動電極１２，固定電極３１からなる第２検出部５１の静電容量の総和をＣＳ２とすると、加速度が印加されていない状態で静電容量の差ΔＣ（＝ＣＳ１−ＣＳ２）が略０となるように、各電極１１，２１、及び１２，３１が配置されている。質量部である錘部１３が検出方向である図１（ａ）の上下方向の加速度を受けると、可動部１０が加速度の印加方向とは逆方向に変位する。従って、静電容量の差ΔＣをＣ−Ｖ変換回路にて電圧の変化として検出することで、印加された加速度を検出することができる。尚、第１検出部５０と第２検出部５１の内、一方の容量変化から加速度を検出しても良い。

次に、本実施形態における容量式加速度センサの検出回路の一例を図２に示す。本実施形態のセンサにおける回路手段は、Ｃ−Ｖ変換回路（スイッチドキャパシタ回路）６０を有し、当該Ｃ−Ｖ変換回路６０は、第１検出部５０を構成する可動電極１１，固定電極２１からなる静電容量ＣＳ１と、第２検出部５１を構成する可動電極１２，固定電極３１からなる静電容量ＣＳ２との両静電容量の差を電圧に変換して出力するもので、演算増幅器６１、コンデンサ６２、及びスイッチ６３から構成されている。

演算増幅器６１の反転入力端子は、可動電極用パッド１７を介して可動電極１１，１２に接続されており、反転入力端子と出力端子と間には、コンデンサ６２及びスイッチ６３が並列に接続されている。また、演算増幅器６１の非反転入力端子には、図示しない電圧源からＶｃｃ／２の電圧が入力されている。

また、回路手段は図示しない制御回路を有しており、この制御回路は一方の固定電極用パッド２３から一定振幅Ｖｃｃで周期的に変化する第１搬送波を第１検出部５０の固定電極２１に入力し、他方の固定電極用パッド３３から、第１搬送波と位相が１８０°ずれ且つ同一振幅Ｖｃｃである第２搬送波を第２検出部５１の固定電極３１に入力する。

従って、加速度が印加されていない場合には、第１，第２検出部５０，５１の夫々の電位差は、共にＶｃｃ／２となり、第１検出部５０の静電容量ＣＳ１と第２検出部５１の静電容量ＣＳ２とが略等しくなる。また、Ｃ−Ｖ変換回路６０において、スイッチ６３は第１，２搬送波の周期に併せて所定の周期をもって開閉がなされ、スイッチ６３が開の時、加速度検出が行われる。この際、Ｃ−Ｖ変換回路６０からの出力電圧Ｖｏｕｔは次式で示される。

尚、Ｃｆはコンデンサ６２の静電容量である。

加速度が印加されると、第１，２検出部５０，５１の静電容量ＣＳ１，ＣＳ２のバランスが変化し、数式１の静電容量の差（ＣＳ１−ＣＳ２）に応じた電圧Ｖｏｕｔが出力される。そして、この出力Ｖｏｕｔは、図示されない増幅回路やローパスフィルタ等により信号処理され、加速度検出信号として検出される。尚、演算増幅器６１の非反転入力端子には、図示しない電圧源からＶｃｃ／２の電圧が入力されているが、Ｖｃｃ／２とは異なる電圧Ｖ１を設け、図示されないスイッチにより、第１，２搬送波の周期に応じた所定のタイミングでＶ１に切り替えることにより、可動電極１１，１２を強制的に変位させる自己診断機能を持たせても良い。

上記のように構成される容量式加速度センサにおいて、例えばエッチング時のカスや埃等の異物がセンサ部４に存在したまま製品として使用すると、例えば可動電極１１，１２が異物を噛み込み、可動電極１１，１２と固定電極２１，３１との間が短絡したり、加速度が印加された際に可動部１０が変位するのを妨げることなり、容量式加速度センサがセンサとして正常に機能しなくなる。

そこで、光学顕微鏡等の検出手段を用いて、センサ部４の表面から外観検査がなされている。しかしながら、図３（ａ）に示すように、センサ部４の表面から検出手段８０として可視光を用いた顕微鏡等により外観検査をしても、可動部１０（図３（ａ）においては可動電極１１）直下の中空部１６に存在する異物７０までは検出することができない。尚、図３（ａ）は、図１（ａ）のＢ−Ｂ断面における断面図であり、可動部１０の変位前の状態を示す。また、図３（ａ）においては、便宜上、第１検出部５０のみを図示している。

また、検出手段８０として赤外線等を用いた顕微鏡により、可動部１０を透過して検査し、可動部１０下の異物７０を検出することもできるが、仮に異物７０を発見できても、可動部１０下に隠れた異物７０を除去するのは困難であり、従来は不良として処理していた。

しかしながら、本実施の形態においては、可動部１０及び固定部２０，３０に所定の駆動電圧を印加することにより、可動電極１１，１２と固定電極２１，３１間に静電気力を発生させ、例えば図３（ｂ）に示すように、可動電極１１を所定量変位させる。これにより、変位前の状態で、可動電極１１直下の中空部１６に隠れていた異物７０が露出されるので、例えば後述する吸引により異物７０を除去することが可能となる。

具体的な異物除去方法としては、図３（ｃ）に示すように、第１半導体層１に対して可動電極１１が下となるように、容量式加速度センサを配置する。そして、可動電極用パッド１７と固定電極用パッド２３，３３にプローブを当て、所定の駆動電圧を印加して可動電極１１（可動部１０）を変位させる。そして、可動電極１１の変位によって、図３（ｃ）に示すように、異物７０が可動電極１１直下から露出されるので、異物７０は自重によりセンサ外に落下し除去されることとなる。

尚、可動電極１１の変位量は、特に限定されるものではないが、本実施形態においては、変位前の状態における可動電極１１と固定電極２１の検出面間距離から、固定電極２１の検出面に設けられた図示されない付着防止用の突起部の突起高さを引いた長さ分とし、当該長さ分可動電極１１が変位するように、所定の駆動電圧が印可されるものとする。

このように、本実施形態における容量式加速度センサによると、可動部１０と固定部２０，３０との間に駆動電圧を印可することにより、可動部１０を変位させて、変位前に可動部１０直下の中空部１６にあった異物７０を、可動部１０から露出させることができる。従って、当該異物７０を除去することができる。従って、より適正な品質保証を実施することができる。また、センサの製造歩留も向上される。

尚、上述の異物除去方法は、実質的には検出手段８０による外観検査とともに実施される。例えば、図３（ｂ）に示す検出手段８０として、可視光を用いた光学顕微鏡を準備し、変位前の状態で、外観検査を行う。変位前の検査終了後、可動電極用パッド１７と固定電極用パッド２３，３３にプローブを当てて所定の駆動電圧を印加し、可動電極１１を変位させる。この変位状態において、検出手段８０により外観検査を行い、変位前に隠れていた部位に異物７０があるかどうか確認する。そして異物７０が検出された場合には、露出している異物７０を除去する。さらに、除去後に外観検査を行うことにより、完全に異物７０が除去されたかの確認を行う。

このように、検出手段８０によって異物７０の有無を検出することにより、異物７０のある部分のみに対して異物除去を行うことができるので、効率的に異物除去を行うことができる。

また、異物７０の除去と外観検査を同一工程で実施することができるので、工程数の増加を抑制することができる。

尚、図３（ｃ）の場合、可動電極１１の変位後には異物７０が落下して除去されていることもありえる。従って、その場合は、変位前の部位に異物７０がなかったものとするか、或いは駆動電圧を調整して、段階的に可動電極１１を変位させて、異物７０が可動電極１１下からある程度露出した状態を検出すれば良い。

また、本実施形態において、図３（ｃ）に示すように、露出した異物７０を自重落下により除去する例を示した。しかしながら、それ以外の異物除去方法を用いることができる。例えば、図４に示すように、可動電極１１を変位させた状態で、吸引手段９０により異物７０を強制的に吸引除去しても良い。この場合、異物７０が可動電極１１から完全に露出していない状態であっても、除去することができる。また、異物７０が露出しながらも帯電により可動部１０（可動電極１１）の裏面等に付着していたり、異物７０が可動電極１１と第１半導体層１との間に噛み込んでいる場合でも除去することができる。尚、吸引手段９０による除去は、図３（ｂ）のように第１半導体層１に対して可動電極１１を上にした状態でも適用が可能であるが、図４に示すように第１半導体層１に対して可動電極１１を下にした状態で実施すると、自身の自重により、異物７０をより効率的に除去することができる。

別の異物除去方法として、図５に示すように、可動電極１１が、当該可動電極１１を挟んで対向配置される固定電極２１の両者に向けて順次変位するように駆動電圧を印加し、異物７０を振り落として除去する方法も適用することができる。例えば、第１半導体層１に対して可動電極１１を下にした状態で、所定の駆動電圧を印可することにより、可動電極１１は一方の固定電極２１に向かって変位する。そして駆動電圧をオフすることにより、可動電極１１は他方の固定電極２１方向に変位し、変位前の位置に戻る。これを順次行うことにより、可動電極１１は図５において左右に繰り返し変位し、変位前に可動電極１１直下にあった異物７０が、可動電極１１の変位により振られて可動電極１１から露出し、落下除去される。この場合、単純に、可動電極１１を変位させただけでは、自重により異物７０が落下しない場合（例えば、異物７０が露出していないか、わずかに露出している場合や、可動電極１１と第１半導体層１との間に噛み込んでいる場合等）であっても、可動電極１１の連続的な変位による振動で、異物７０を可動電極１１から露出させ、落下により除去することができる。

さらに別の異物除去方法として、図６に示すように、容量式加速度センサが回路基板１００を介してパッケージ１１０上に搭載されている場合、当該パッケージ１１０に外力１２０を印加することにより、その衝撃で異物７０を落下除去させる方法も適用することができる。例えば、第１半導体層１に対して可動電極１１を下にした状態で、可動電極１１を変位させただけでは異物７０が落下により除去されない状態（例えば異物７０が完全に露出していない状態や、可動電極１１と第１半導体層１との間に噛み込んでいる状態等）であっても、衝撃により異物７０を可動電極１１下から完全に露出させ、落下により除去することができる。尚、図４〜図６に示した異物除去方法も、上述した検出手段８０による外観検査とともに実施される。

尚、図３（ａ）〜（ｃ）、図４、図５、及び図６に示した異物７０の除去方法の説明において、可動電極１１のみを図示して説明したが、それ以外の可動部１０の構成要素である可動電極１２、錘部１３、及びばね部１４においても同様である。

以上本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態のみに限定されず、種々変更して実施する事ができる。

本実施形態において、容量式力学量センサとして容量式加速度センサを例示した。しかしながら、本発明はヨーレートセンサや角速度センサ等の容量式センサにも適用することができる。

また、検出手段８０としては、可視光以外にも赤外線等の可動部１０を透過する光源を検出手段８０を用いても良い。この場合、可動部１０の変位前の状態で、検出手段８０により異物７０の確認を行い、異物７０が検出された場合には、可動部１０及び固定部２０，３０に所定の駆動電圧を印加して、可動部１０を変位させる。そして、露出した異物７０を除去し、駆動電圧をオフにして可動部１０を元の位置に戻した状態で、再度検出手段８０により異物７０が除去されたかの確認を行えばよい。しかしながら、赤外線等を用いた検出手段８０は、可視光を用いた検出手段８０よりも一般的に検出能力が低いので、本実施形態で示したように、可視光を用いた検出手段８０により、異物７０の検出と異物７０除去の確認を行うことが好ましい。

また、本実施形態において、容量式加速度センサの例として、第２半導体層２及び絶縁層３をエッチングすることにより、可動部１０と第１半導体層１との間に中空部１６を有する例を示した。しかしながら、第２半導体層２のみをエッチングすることにより、可動部１０と絶縁層３との間に中空部１６を有する構造にも、本発明を適用することができる。すなわち、可動部１０の裏面側に中空部１６を介して半導体基板を有する構造の容量式力学量センサであれば、本発明を適用することができる。

本発明の第１の実施における容量式加速度センサのセンサ部の構成を示す図であり、（ａ）は、平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面における断面図である。 容量式加速度センサの検出回路の一例を示す図である。 異物除去方法を説明するための概略断面図であり、（ａ）は変位前、（ｂ）は変位後、（ｃ）は（ｂ）に対して上下逆配置としたものの変位後を示す図である。 異物除去方法の変形例を示す概略断面図である。 異物除去方法の変形例を示す概略断面図である。 異物除去方法の変形例を示す概略断面図である。

符号の説明

１・・・第１半導体層
１０・・・可動部
１１，１２・・・可動電極
１６・・・中空部
２０，３０・・・固定部
２１，３１・・・固定電極
７０・・・異物
８０・・・検出手段

Claims (9)

1. ばね部を介して半導体基板に支持され、検出対象となる力学量の印加に応じて変位する錘部と、当該錘部の側面から延伸しつつ一体に形成された可動電極とからなる可動部と、
   前記半導体基板に支持される固定部アンカと、当該固定部アンカから延伸しつつ前記可動電極の検出面と対向する検出面を有する固定電極とからなる固定部とを備え、
   前記力学量の印加により、前記可動部が前記可動電極と前記固定電極との検出面間距離が変化する方向に変位したときの、前記可動電極と前記固定電極との間の静電容量の変化から前記力学量を検出する容量式力学量センサの異物除去方法であって、
   前記可動部と前記固定部との間に所定の駆動電圧を印加し、前記可動部を変位させることにより、前記可動部下の中空部にある異物を露出させて、当該異物を除去することを特徴とする容量式力学量センサの異物除去方法。
2. 前記可動部を変位させた状態で、露出された異物を吸引除去することを特徴とする請求項１に記載の容量式力学量センサの異物除去方法。
3. 前記半導体基板に対して、前記可動部が下となるように前記容量式力学量センサを配置し、その状態で前記可動部を変位させ、異物を吸引除去することを特徴とする請求項２に記載の容量式力学量センサの異物除去方法。
4. 前記半導体基板に対して、前記可動部が下となるように前記容量式力学量センサを配置し、その状態で前記可動部を変位させることにより、異物を落下させて除去することを特徴とする請求項１に記載の容量式力学量センサの異物除去方法。
5. 前記容量式力学量センサはパッケージに搭載され、前記可動部を変位させた状態で、前記パッケージに外力を印加することにより、異物を落下させて除去することを特徴とする請求項４に記載の容量式力学量センサの異物除去方法。
6. 前記可動電極が、当該可動電極を挟んで対向配置される前記固定電極の両者に向けて、順次変位するように前記駆動電圧を印加することにより、異物を落下させて除去することを特徴とする請求項４に記載の容量式力学量センサの異物除去方法。
7. 検出手段により、前記可動部下の中空部における異物の検出を行い、検出結果に基づいて、異物を除去することを特徴とする請求項１〜６いずれか１項に記載の容量式力学量センサの異物除去方法。
8. 前記検出手段により、検出された異物が除去されたかの確認を行うことを特徴とする請求項７に記載の容量式力学量センサの異物除去方法。
9. 前記検出手段は可視光を用いた検出手段であり、前記可動部を変位させた状態で、検出を行うことを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の容量式力学量センサの異物除去方法。

Images