JP2007192588A - ３次元配線を有する力学量センサおよび力学量センサの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ポスト内における断線をなくし、確実に導通をとることができることおよびポストを小型化し、小型で高性能な力学量センサおよびその製造方法を提供することである。
【解決手段】 ジャイロセンサ１は、導電性の材料を用いて、SOI基板２０と同様の厚さからなるポスト４１を形成することで、ポスト４１内の導通を容易にとることができる。また、ジャイロセンサ１は、導電性の材料を用いてポスト４１を形成することにより、SOI基板を用いてポストを形成する場合に必要であったポスト４１内の導通をとるためのV溝を形成することが不要となり、ポストのサイズを小さくすることができるため、ジャイロセンサ１の小型化が可能である。
【選択図】 図３

Description

本発明は、導電性の材料で柱状の構造体を作製し、その構造体を介して片側から外部へ電気信号の取り出し行うことが可能である３次元配線を有した加速度センサや角速度センサ等の力学量センサおよび、力学量センサを有する電子機器並びに力学量センサの製造方法に関するものである。

従来より、加速度センサや角速度センサ等の力学量センサの構造において、様々な検討が行われてきた。一般的に力学量センサの作製では、ガラス基板とシリコン基板を用いることが多く、特に力学量センサのセンサ部の形成には、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板が用いられてきた。ＳＯＩ基板を用いて作製した力学量センサは、梁や錘などを有する場合、梁の厚さや錘の大きさのばらつきが小さく、制御が行い易いという利点がある。また、力学量センサは、力学量センサの上下から電気信号を取り出すよりも、力学量センサの上下どちらか一方から電気信号を取り出した方が省スペース化できるため、上下どちらか一方から電気信号を取り出す方が実装性に優れている。上下どちらか一方からの電気信号取り出しを実現するためには、電気信号を上下どちらか一方に集約するための導電性の材料で形成された柱状の構造体（以下、ポスト）を用いることが一般的に知られている。

図１４は、ポスト８３を用いて、下側から電気信号を取り出した力学量センサの一例を示した図である（例えば非特許文献１参照。）。ガラス基板３０に設けられた電極パッド３２から電気信号を入力すると、上部電極１１と可動部８１の間に静電引力が発生し、可動部８１が振動する。また、可動部８１の振動挙動は、可動部８１と下部電極３１の間の容量変化で検出することができる。容量変化を示す電気信号は、下部電極３１からポスト８３を介し、ガラス基板３０に設けられた電極パッド３３から取り出すことができる。このように、ポスト８３を設けた構造を作製することで、実装性に優れ、下側からの電気信号取り出しが可能になる。また、図１４において、ポスト８３はＳＯＩ基板を用いて作製している。ＳＯＩ基板を用いてポスト構造を作製するためには、活性層２１と支持層２３の導通をとることが必要である。導通をとる手段として、活性層２１にテーパー状の孔（V溝）を形成し、孔の下の酸化膜２２をエッチングにより除去し、金属膜８２を成膜する手法を用いている。これにより、金属膜８２を介して活性層２１と支持層２３の導通をとっている。
計測自動制御学会東北支部第204回研究集会 資料番号204-10 SOIウエハを用いた真空封止構造多軸モーションセンサの試作 渡部善幸他

しかしながら、上記従来の方法では、SOI基板を用いてポスト８３を作製する際に、エッチングした酸化膜２２の側面形状によって金属膜８２の断線が起こり、活性層２１と支持層２３の導通不良となることで下側からの電極取り出しが行えなくなるという課題がある。

図１５は、図１４中Ａで示す部分の拡大図である。図１５に示すように、ポスト８３は、金属膜８２により、活性層２１と支持層２３の導通をとることが必要であり、導通をとるためには、金属膜８２を成膜する前に、酸化膜２２をエッチングすることが必要である。一般的に、熱酸化膜２２のエッチングの方法としては、ドライエッチングとウエットエッチングの２種類が考えられる。酸化膜２２をドライエッチングした場合、酸化膜２２は垂直にエッチングされる。その後、金属膜８２をスパッタ法や真空蒸着法により成膜すると、酸化膜２２の側壁には、金属膜８２が成膜されにくいため、図１５に示すＢ部分で断線する可能性がある。図１６は、酸化膜２２をウエットエッチングし、金属膜８２を成膜し、金属膜８２をパターニングした状態を示す図である。また、酸化膜２２をウエットエッチングした場合、酸化膜２２が等方性エッチングされ、図１６中Ｃで示すような形状になるため、金属膜８２を成膜した際に断線する。現在のウエットエッチング技術では、酸化膜２２をテーパー形状でエッチングすることはできない。また、一つのデバイス内にポスト８３が複数あった場合、各ポストにおいて上記のような課題が発生し、一本のポストでも断線が起こるとデバイスの性能に大きく影響をもたらすことになる。

さらに、活性層２１の加工においても、金属膜８２断線を防ぐために、ＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウム水溶液）やＫＯＨ（水酸化カリウム水溶液）などを用いて、ウエットエッチングを行い、テーパーをつけることが一般的である。しかし、ウエットエッチングでは、ドライエッチングと比較すると、パターンサイズが小さくできないため、ポストを小型化することができないという課題がある。

本発明は、このような事情に考慮してなされたもので、ポスト内における断線をなくし、確実に導通をとることができることおよびポストを小型化することを目的とし、小型で高性能な力学量センサおよびその製造方法を提供することである。

第１の基板と第２の基板と第３の基板からなり、第１の基板と第３の基板の間に第２の基板が設けられ、第１の基板には、厚さ方向の貫通孔と貫通孔を介して第２の基板側と逆側に電気信号を取り出すための電極パッドと第２の基板側に力学量センサの駆動または検出を行う電極が形成されており、第２の基板には、フレームとフレームから延出した梁と梁で保持された力学量を検出する検出部からなるセンサ部が形成されており、第３の基板には、第２の基板側に力学量センサの駆動または検出を行う電極が形成されており、第１の基板または第３の基板のいずれか一方に、第１の基板と第２の基板と第３の基板間の導通をとり、貫通孔の少なくとも一部をポストによって塞ぎ、貫通孔とポストを介して電極と電気的に接続する電極パッドが形成された力学量センサであって、ポストとセンサ部を別体で形成することを特徴とする力学量センサとした。

第１の基板と第２の基板と第３の基板からなり、第１の基板と第３の基板の間に第２の基板が設けられ、第１の基板または第３の基板のどちらか一方に厚さ方向の貫通孔と貫通孔を介して第２の基板側と逆側に電気信号を取り出すための電極パッドと第２の基板側に力学量センサの駆動または検出を行う電極が形成されており、第２の基板には、フレームとフレームから延出した梁と梁で保持された力学量を検出する検出部からなるセンサ部が形成されており、第３の基板には、第２の基板側に力学量センサの駆動または検出を行う電極が形成されており、貫通孔が設けられていない第１の基板または、第３の基板のどちらか一方に設けられた電極と導通しているポストの高さが調整可能な高さ調整機構と貫通孔の少なくとも一部をポストによって塞ぎ、貫通孔とポストを介して電極と電気的に接続する電極パッドが形成された力学量センサであって、ポストと高さ調整機構が導通していることを特徴とする力学量センサ。

高さ調整機構が、ポストの側面と導通することを特徴とした力学量センサとした。また、高さ調整機構が、ポストの第１の基板または第３の基板と接合していない面と導通することを特徴とした力学量センサとした。

高さ調整機構とポストが同種材料で形成されていることを特徴とする力学量センサとした。また、高さ調整機構とポストが異種材料で形成されていることを特徴とする力学量センサとした。また、同種材料がシリコンであることを特徴とする力学量センサとした。また、同種材料が金属であることを特徴とする力学量センサの製造方法とした。異種材料の一方がシリコンで、他方が金属であることを特徴とする力学量センサとした。

ポストが単一材料で形成されていることを特徴とする力学量センサとした。また、単一材料がシリコンであることを特徴とする力学量センサとした。また、単一材料が金属であることを特徴とする力学量センサとした。

ポストが少なくとも２種類の材料で形成されていることを特徴とする力学量センサとした。また、２種類の材料が、シリコンと金属であることを特徴とする力学量センサとした。

金属を用いたポストの形成方法が電鋳であることを特徴とする力学量センサとした。

金属が、金であることを特徴とする力学量センサとした。また、金属が、銅であることを特徴とする力学量センサとした。また、金属が、ニッケルであることを特徴とする力学量センサとした。

第１の基板と第２の基板と第３の基板からなり、第１の基板と第３の基板の間に第２の基板が設けられ、第１の基板には、厚さ方向の貫通孔と貫通孔を介して第２の基板側と逆側に電気信号を取り出すための電極パッドと第２の基板側に力学量センサの駆動または検出を行う電極が形成されており、第２の基板には、フレームとフレームから延出した梁と梁で保持された力学量を検出する検出部からなるセンサ部が形成されており、第３の基板には、第２の基板側に力学量センサの駆動または検出を行う電極が形成されており、第１の基板または第３の基板のいずれか一方に第１の基板と第２の基板と第３の基板間の導通をとるためのポストが形成された力学量センサの製造方法であって、貫通孔の少なくとも一部が塞がるようにポストを形成するためのポスト形成工程と第１の基板と第２の基板と第３の基板を一体にする接合工程と貫通孔とポストを介して電極と電気的に接続する電極パッドを形成する電極パッド形成工程を有し、ポスト形成工程において、ポストとセンサ部を別体で形成することを特徴とする力学量センサの製造方法とした。

第１の基板と第２の基板と第３の基板からなり、第１の基板と第３の基板の間に第２の基板が設けられ、第１の基板または第３の基板のどちらか一方に厚さ方向の貫通孔と貫通孔を介して第２の基板側と逆側に電気信号を取り出すための電極パッドと第２の基板側に力学量センサの駆動または検出を行う電極が形成されており、第２の基板には、フレームとフレームから延出した梁と梁で保持された力学量を検出する検出部からなるセンサ部が形成されており、第３の基板には、第２の基板側に力学量センサの駆動または検出を行う電極が形成されており、貫通孔が設けられていない第１の基板または第３の基板のどちらか一方に設けられた電極と導通しているポストの高さが調整可能な高さ調整機構からなる力学量センサの製造方法であって、ポストを形成するためのポスト形成工程とポストと高さ調整機構の導通をとるための接合工程と貫通孔の少なくとも一部をポストによって塞ぎ、貫通孔とポストを介して電極と電気的に接続する電極パッドを形成する電極パッド形成工程を有し、接合工程において、ポストの高さを調整できる機構が設けられていることを特徴とする力学量センサの製造方法とした。

本発明によれば、ジャイロセンサは、導電性の材料を用いて、SOI基板と同様の厚さからなるポストを形成することで、ポスト内の導通を容易にとることができる。また、ジャイロセンサは、導電性の材料を用いてポストを形成することにより、SOI基板を用いてポストを形成する際に必要であったポスト内の導通をとるためのV溝を形成することが不要となり、ポストのサイズを小さくすることができるため、ジャイロセンサの小型化が可能である効果がある。

また、一方のガラス基板に導電枠を設け、その間にポストを挟みこむことによって、センサ部を形成するSOI基板より薄いシリコン基板を用いて、ポストを形成することができ、基板の厚みばらつきによる陽極接合時の接合不良を無くすことができる。また、導電枠でポストを挟み込むことで容易に導電枠とポスト間の導通をとることができる。さらに、導電枠の高さを数十μm以上とすることで、導電枠の横方向に対してバネ性を持たせることができ、ポストが接触した際にも、導電枠が折れる可能性を低減することができる。また、導電枠の間にポストを挟みこむことによって、陽極接合時のアライメントを行うことができる効果がある。

さらに、一方のガラス基板に導電梁を設け、導電梁にポストを接触させることによって、センサ部を形成するSOI基板より薄いシリコン基板を用いて、ポストを形成することができ、基板の厚みばらつきによる陽極接合時の接合不良を無くすことができる。また、導電梁は、ポストと接触することで容易に導電梁とポスト間の導通をとることができる。さらに、導電梁の一方を固定端、他方を自由端とすることで、導電梁の高さ方向にバネ性を持たせることができ、ポストが接触した際にも、導電梁が折れる可能性を低減することができる効果がある。

（実施の形態１）
図１から図４は、本発明の実施の形態１に係る力学量センサおよび力学量センサの製造方法を示している。本実施の形態においては、力学量センサをジャイロセンサ１として以下に説明する。図１は、ジャイロセンサ１の分解立体図、図２は、ジャイロセンサ１の上面図、図３は、図２に示すA’−A’の断面図を示したものである。なお、図１に示すジャイロセンサ１の分解立体図では、後述するガラス基板の各貫通孔、その各貫通孔に形成される電極パッドおよび、ガラス基板に設けられた電極は省略している。

図１から図３に示すように、ジャイロセンサ１は、ガラス基板１０と、ガラス基板３０、および、シリコン基板２０からなっており、シリコン基板２０は、ガラス基板１０、および、ガラス基板３０の間に挟まれた状態で陽極接合により接合されている。ガラス基板１０およびガラス基板３０の厚みは数百μmである。シリコン基板２０は、シリコン（Ｓｉ）支持層２３（例えば、厚さ３００〜８００μｍ）とシリコン支持基板２３上に形成された二酸化珪素（ＳｉＯ₂）からなるＢＯＸ層（Buried Oxide）２２と、ＢＯＸ層２２上に形成されたシリコン活性層２１（例えば、厚さ５〜１００μｍ）とを有するＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板２０として以下を説明する。

ジャイロセンサ１は、ガラス基板１０およびガラス基板３０に当接する複数のポスト４１と、活性層２１、ＢＯＸ層２２、支持層２３からなるフレーム２４と、フレーム２４に支持された４本のビーム６１（梁部）によってガラス基板１０およびガラス基板３０に接触しないように吊り下げられた検出部を含むプルーフマス６２と、ガラス基板１０のセンサ部６０側に形成された上部電極１１および、ガラス基板３０のセンサ部６０側に形成された下部電極３１とガラス基板３０に設けられた貫通孔３４と電気信号を外部に取り出す電極パッド３２、電極パッド３３からなっている。上部電極１１および下部電極３１は、一方が検出部を含むプルーフマス６２の駆動用、一方が静電容量変化の検出用として用いる。なお、力学量センサの種類によっては、ガラス基板１０、フレーム２４、ガラス基板３０で形成された空間が、高真空状態に保たれている場合もある。

また、ガラス基板３０に形成された複数のポスト４１は、各々所定の離隔（数十μm以上）をもって設けられており、隣り合うポスト４１同士が電気的に影響を受けないようになっている。また、ポスト４１は、ガラス基板に設けられた貫通孔３４と対応する位置に、貫通孔３４を塞ぐように形成されており、金属膜を成膜した後、パターニングすることで、各ポスト４１の端部と電気的に接続する電極パッド３２および電極パッド３３とが形成されている。電極パッド３２および電極パッド３３は、ポスト４１を介して、一方が上部電極１１と他方が下部電極３１と導通している。また、ポスト４１はシリコンのみの単一材料で形成されており、センサ部６０とは別体である。シリコンのみの単一材料を用いて、センサ部６０と別体でポスト４１を形成することは、ＳＯＩ基板２０にセンサ部６０と一体でポスト４１を形成することと比較すると、活性層２１と支持層２３の導通をとるための金属膜が必要ないため、断線が起こらず、容易に導通をとることができるという利点がある。また、ポスト４１を別のシリコン基板で形成することにより、活性層２１と支持層２３の導通をとる必要がないため、導通をとるのに必要となる構造であるＶ溝を活性層２１に形成する必要がなく、ポスト４１のサイズがＶ溝の大きさに影響されず、小型化することが可能である。

次に、このジャイロセンサ１の作用について説明する。まず、電極パッド３２に電圧が印加されると、ポスト４１から上部電極１１に導通し、上部電極１１と検出部を含むプルーフマス６２の上部の間に静電引力が発生する。検出部を含むプルーフマス６２は、上部電極１１と検出部を含むプルーフマス６２の上部の間に発生した静電引力によって所定の入力波形で励振する。そして、検出部を含むプルーフマス６２は、この励振状態で外部から角速度を受けると４本のビーム６１を回転中心として、Ｘ方向或いはＹ方向回りに捩れて変位するようになっている。そして、検出用の下部電極３１は、検出部を含むプルーフマス６２との距離変化を静電容量の変化として検出する。これにより、検出部を含むプルーフマス６２の変位を変位に応じた静電容量として検出でき、また、検出した容量を電気信号として下部電極３１からポスト４１を介して電極パッド３３から取り出すことができる。また、非図示であるが、センサ部６０のフレーム２４の少なくとも一箇所は、接地されている。

次に、このジャイロセンサ１の製造工程を図４−１及び図４−２の工程断面図に基づいて説明する。図４−１及び図４−２に示す各工程は、図２中のA’−A’の位置に相当する断面図である。まず図４−１（a）に示すように、センサ部６０を形成するために、活性層２１（例えば１００μm以下）、BOX層２２（例えば数μm）、支持層（例えば、８００μm以下）からなるSOI基板２０を準備する。次に、図４−１（b）に示すように、活性層２１と支持層２３に数μmのギャップ２５を形成する。形成方法に関しては、ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）などを用いたドライエッチングでもＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウム水溶液）やＫＯＨ（水酸化カリウム水溶液）などを用いたウエットエッチングでもどちらでも構わない。次に、図４−１（ｃ）に示すように、上部電極１１を形成したガラス基板１０と活性層２１を陽極接合により接合する。上部電極１１の材質は、金やアルミニウムなどの金属で厚さは数μm以下である。陽極接合温度は、２５０℃〜４００℃、印加電圧は、１ＫＶ以下である。

次に、図４−１（ｄ）に示すように、支持層２３とＢＯＸ層２２をエッチングすることで、検出部を含むプルーフマス６２、ビーム６１およびフレーム２４を形成する。支持層２３のエッチングに関しては、ドライエッチングでもウエットエッチングでも構わないが、ＤＲＩＥ（Ｄｅｅｐ Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）を用いることによって、短時間で支持層２３を垂直にエッチングすることが可能である。また、ＢＯＸ層２２のエッチングに関しても、ドライエッチングでもウエットエッチングでも構わない。

次に図４−２（ｅ）に示すように、貫通孔３４を設けたガラス基板３０に下部電極３１を形成する。下部電極３１の材質および膜厚は、上部電極１１と同様である。次に、図４−２（ｆ）に示すように、シリコン基板４０とガラス基板３０を陽極接合により接合する。この時、シリコン基板４０の厚さは、センサ部６０を形成したＳＯＩ基板２０の厚さと同様にすることが望ましいが、基板の購入時において、厚みに公差があるため、SOI基板２０とシリコン基板４０の厚みを全く等しくすることは困難である。しかし、陽極接合時にかかる温度によってガラス基板が撓むため、SOI基板の厚み±数μm程度であれば、基板厚みばらつきによる接合不良が起こらず、陽極接合を行うことができる。したがって、シリコン基板４０は、SOI基板の厚み±数μmのものを使用する。

次に図４−２（ｇ）に示すように、シリコン基板４０をエッチングすることで、ポスト４１を形成する。シリコンのエッチングに関しては、ドライエッチングであるDRIEを用いることで、ウエットエッチングを用いるより、短時間で垂直に加工ができるとともに、ポスト４１を小型化することができる。次に、図４−２（ｈ）に示すように、ガラス基板３０と支持層２３を陽極接合により接合する。これにより、センサ部６０とポスト４１が一体の構造になる。また、ＳＯＩ基板２０とシリコン基板４０の厚さがほぼ同一であることから、陽極接合の際にも、SOI基板２０とシリコン基板４０の厚みに起因する接合不良は起きない。また、この工程における陽極接合では、電圧を印加するための電極をフレーム２４とポスト４１でそれぞれ独立して設けて陽極接合を行うことで、電気的に独立なフレーム２４とポスト４１を一回の陽極接合で同時に接合する。

次に、図４−２（ｉ）に示すように、ガラス基板３０に設けた貫通孔３４にアルミニウムや金などの金属を成膜し、成膜した金属膜をパターニングすることで、電極パッド３２および電極パッド３３を形成する。金属の成膜方法は、真空蒸着やスパッタ法などであり、膜厚は１０μm以下である。

なお、上記の製造工程において各工程の順序は記載された順序に限られるものではない。また、ジャイロセンサ１のように、ガラス基板１０とフレーム２４とガラス基板３０で形成された空間を密閉にする必要がない力学量センサにおいては、ポスト４１によって貫通孔３４の一部を塞いでいてもよい。また、貫通孔３４に金属膜を成膜する代わりに、貫通孔３４を金属で充填し、充填した金属を電極パッド３２、電極パッド３３としてもよい。さらに、ポスト４１は、ガラス基板３０に限らず、ガラス基板１０に形成してもよい。ガラス基板１０にポスト４１を形成した場合は、貫通孔３４がないため、ガラス基板１０に電極を用いることで電鋳などを用いてポスト４１の形成を行うことができる。図１３は、電鋳を用いてポスト４１を形成する図２中A'−A'における工程断面図である。図１３（a）に示すように、ガラス基板１０に上部電極１１と個別電極１３を形成する。

次に、図１３(b)に示すように、レジスト１２を用いてパターニングを行う。レジスト１２の厚みは、数μm以上である。次に図１３(ｃ)に示すように、電鋳を行い、ガラス基板１０と逆側の研磨することで、水平出しを行う。電鋳の材質は、金やニッケルや銅などである。次に図１３（d）に示すように、レジストを剥離し、ポスト４１が形成される。さらには、図１２は、ポスト４１を２種類の材料で形成した図である。

図１２に示すように、センサ部６０を形成しているSOI基板２０よりも薄いシリコン基板４０を用いて、ポスト４１の一部４１（a）を形成し、足りない厚さを電鋳により、金属４１（b）で補ってもよい。また、ガラス基板１０とシリコン基板２０およびシリコン基板２０とガラス基板３０は、陽極接合以外の方法（例えば、常温接合など）で接合しても構わない。

以上説明したように、本発明の実施の形態１によれば、ジャイロセンサ１は、導電性の材料を用いて、SOI基板２０と同様の厚さからなるポスト４１を形成することで、ポスト４１内の導通を容易にとることができる。また、ジャイロセンサ１は、導電性の材料を用いてポスト４１を形成することにより、SOI基板を用いてポストを形成する場合に必要であったポスト４１内の導通をとるためのV溝を形成することが不要となり、ポストのサイズを小さくすることができるため、ジャイロセンサ１の小型化が可能である。
実施の形態１で述べた構造および製造方法は、ジャイロセンサなどの力学量センサだけでなく、片側から電極の取り出しを行うような３次元配線が必要なデバイスの構造および製造方法にも適用することができる。
（実施の形態２）
図５から図８は、本発明の実施の形態２に係る力学量センサおよび力学量センサの製造方法を示している。なお、実施の形態１と同じ構成は同一符号を用い、説明を省略する。実施の形態２では、ポスト４１の高さを調節することができる導通枠５１を設けたジャイロセンサ１の構造およびその製造方法について説明する。図５は、ジャイロセンサ１の上面図、図６は、図５のB’−B’断面図、図７は、ポスト４１の拡大図を示したものである。図５および図６に示すように、導通枠５１は、導電性の材料で形成されており、ポスト４１に対して２つずつ配置されているとともに、ポスト４１を導通枠５１で挟み込むことにより、ポスト４１と接触している。なお、導通枠５１とポスト４１を接触させることができれば、導通枠５１は１つでもよく、逆に2つ以上の導通枠５１でポスト４１を挟み込んでもよい。また、図７に示すように、導電枠５１にポスト４１を嵌め込む際に、導通枠５１がポスト４１を挟み込みやすいように、導通枠５１には、テーパー５２が、ポスト４１には、テーパー４２が設けられている。

また、導通枠５１の高さH１を数十μm以上にすることで、導通枠５１にバネ性をもたすことが可能になり、導通枠５１は、折れにくくなる。さらに、図６と図７に示すように、導通枠５１をポスト４１の側面に接触させることによって、導通をとることが可能であるため、ポスト４１の高さはセンサ部６０を形成するSOI基板２０の厚さよりも薄くて良い。ポスト４１を形成するシリコン基板４０や、センサ部６０を形成するSOI基板２０を購入した場合、初期状態で基板間には少なくとも±数μm、大きいものでは±数十μmの厚みばらつきがあり、厚みばらつきが大きい場合、陽極接合不良を起こす可能性がある。そこで、ポスト４１の高さをSOI基板２０の厚さよりも薄くすることによって、基板の購入時に発生する厚みを十分に吸収することができ、基板の厚みばらつきによる陽極接合の接合不良を確実になくすことができる。導電枠５１を形成することによって、ジャイロセンサ１は、電極パッド３２に電圧が印加されると、ポスト４１から導通枠５１を介して上部電極１１に導通し、上部電極１１と検出部を含むプルーフマス６２の上部の間に静電引力が発生する。また、ジャイロセンサ１のような高真空状態が必要な力学量センサにおいては、図７（a）に示すように、貫通孔３４がないガラス基板１０に導通枠５１を形成し、ポスト４１を貫通孔３４があるガラス基板３０に形成するか、図７（ｂ）に示すように、ガラス基板３０に貫通孔３４を塞ぐように導電枠５１を形成し、ガラス基板１０にポスト４１を形成することが必要となる。高真空状態が必要でない力学量センサにおいては、導通枠５１とポスト４１が、ガラス基板１０または、ガラス基板３０のどちら一方ずつに形成されていれば良く、貫通孔３４をポスト４１または、導電枠５１により塞ぐ必要はない。

次に、このジャイロセンサ１の製造工程を図８−１、図８−２、図８−３の工程断面図に基づいて説明する。図８−１、図８−２、図８−３は、図５における各工程のB’−B’断面を示している。図８−１（a）に示すように、ガラス基板１０に上部電極１１を形成する。次に、図８−１（ｂ）に示すように、ガラス基板１０とシリコン基板５０を陽極接合する。次に、図８−１（ｃ）に示すように、TMAHやKOHを用いて、ウエットエッチングを行うことによりテーパー５２を形成する。次に図８−１（ｄ）に示すように、ドライエッチングまたは、ウエットエッチングにより、導電枠５１を形成する。次に、図８−２（ｅ）に示すように、活性層２１、ＢＯＸ層２２、支持層２３からなるＳＯＩ基板２０を準備する。次に図８−２（ｆ）に示すように、ギャップ２５を形成する。

次に、図８−２（ｇ）に示すように、センサ部６０を形成する。これにより、ビーム６１とプルーフマス６２が形成される。次に、図８−２（ｈ）に示すように、活性層２１と導電枠５１を形成したガラス基板１０を陽極接合する。次に、図８−３（i）に示すように、ガラス基板３０に下部電極３１と貫通孔３４を形成する。次に、図８−３（ｊ）に示すように、シリコン基板４０を陽極接合し、ウエットエッチングでテーパー４２を形成する。また、陽極接合するシリコン基板４０の厚みは、センサ部６０を形成したSOI基板２０よりも薄く、導電枠５１高さとシリコン基板の厚みの合計がSOI基板２０以上であればよい。次に、図８−３（ｋ）に示すように、シリコン基板４０をドライエッチングまたは、ウエットエッチングすることにより、テーパー４２を有するポスト４１を形成する。

次に、図８−３（ｌ）に示すように、支持層２３とガラス基板３０を陽極接合する。この際に、ポスト４１は、導電枠５１間に挟まれ、ポスト４１と導電枠５１は接触する。また、導電枠５１に設けられたテーパー５２とポスト４１に設けられたテーパー４２によって、ポスト４１は導電枠５１にスムーズに挟まる。さらに、ポスト４１を導電枠５１で挟み込むことによって、陽極接合における、支持層２３とガラス基板３０のアライメントを行うことも可能である。次に、図８−３（ｍ）に示すように、ガラス基板３０に設けた貫通孔３４にアルミニウムや金などの金属を成膜し、金属膜をパターニングすることで電極パッド３２および電極パッド３３を形成する。
なお、上記の製造工程において各工程の順序は記載された順序に限られるものではない。また、導電枠５１とポスト４１は、同種材料でも異種材料でもよい。導電枠５１は、導電性の材料であればよいため、電鋳などを用いて形成してもよい。また、ガラス基板１０とシリコン基板４０は、陽極接合以外の方法（例えば、常温接合など）で接合しても構わない。

以上説明したように、実施の形態２によれば、一方のガラス基板１０に導電枠５１を設け、その間にポスト４１を挟みこむことによって、センサ部６０を形成するSOI基板２０より薄いシリコン基板４０を用いて、ポスト４１を形成することができ、基板の厚みばらつきによる陽極接合時の接合不良を無くすことができる。また、導電枠５１でポスト４１を挟み込むことで容易に導電枠５１とポスト４１間の導通をとることができる。さらに、導電枠５１の高さを数十μm以上とすることで、導電枠５１の横方向に対してバネ性を持たせることができ、ポスト４１が接触した際にも、導電枠５１が折れる可能性を低減することができる。また、導電枠５１の間にポスト４１を挟みこむことによって、陽極接合時のアライメントを行うことができる。

実施の形態２で述べた構造および製造方法は、ジャイロセンサなどの力学量センサだけでなく、片側から電極の取り出しを行うような３次元配線が必要なデバイスの構造および製造方法にも適用することができる。
（実施の形態３）
図９から図１１および図１７は、本発明の実施の形態３に係る力学量センサおよび力学量センサの製造方法を示している。なお、実施の形態１と同じ構成は同一符号を用い、説明を省略する。実施の形態３では、ポスト４１の高さを調節することができる導電梁７３を設けたジャイロセンサ１の構造およびその製造方法について説明する。

図９は、図６と同様、ジャイロセンサ１の断面図、図１０は導電梁７３を有するポスト４１の拡大図を示したものである。導電梁７３は、導電性材料で形成されている。図９において、実施の形態１および２で示したビーム６１かつプルーフマス６２は、可動部６３とする。図９に示すように、導電梁７３とポスト４１は、支持層２３とガラス基板３０を陽極接合することによりポスト４１の上面で接触し、導通する。これにより、ジャイロセンサ１は、電極パッド３２に電圧が印加されると、ポスト４１から導電梁７３を介して上部電極１１に導通し、上部電極１１と可動部６３の上部の間に静電引力が発生する。また、図１０に示すように、導電梁７３は、一方が固定端、他方が自由端となっている。図１０（a）は、陽極接合前の状態を示しており、図１０（ｂ）は、陽極接合後の状態を示している。陽極接合を行うことで、導電梁７３は、ポスト４１によって上方向に押し上げられ撓む。これにより、確実に導電梁７３とポスト４１を導通させることができる。導電梁７３の寸法は、ガラス基板１０からの高さH２が数μm以上、長さL1が数十μm以上、厚みT1は、数μm以上である。さらに、非図示ではあるが、紙面奥行き方向の幅は、数μm以上である。

次に、この導電梁７３の製造工程を図１１の工程断面図に基づいて説明する。なお、導電梁を含むジャイロセンサ１の製造工程に関しては、実施の形態２に示した製造工程と同様であるため、ここでは、導電梁７３の製造工程のみを示すことにする。図１１（a）に示すように、シリコン基板７０を準備し、ウエットエッチングまたは、ドライエッチングによりギャップ７１を形成する。ギャップの深さは数μm以上である。また、シリコン基板７０の厚みは、数百μmである。次に、図１１（ｂ）に示すように、ウエットエッチングまたは、ドライエッチングによりギャップ７２を形成する。ギャップ７２の深さは、数μm以上であり、バネ性が得られる程度の厚みである。次に、図１１（ｃ）示すように、シリコン基板７０と上部電極１１が形成されたガラス基板１０を陽極接合する。次に図１１（ｄ）に示すように、シリコン基板７０をガラス基板１０側と逆側からウエットエッチングまたは、ドライエッチングを行い、一方が固定端で他方が自由端の導電梁７３を形成する。図１１（ｄ）以降の工程は、実施の形態２に示した図８（e）以降と同様であるため省略する。これにより、図９に示すような、導電梁７３を有するジャイロセンサ１を形成することができる。

また、図１７に示すように、導電梁７３の代わりにバンプ９１を用いてもよい。図１７（a）は、陽極接合前の状態、図１７（ｂ）は、陽極接合後の状態を示している。図１７に示すように、金属の塑性変形を利用してバネ性を持たせ、陽極接合時にポスト４１をバンプ９１に押し付けることで、ポスト４１とバンプ９１は確実に導通をとることができる。バンプ９１の材質は、金などの金属や、導電性のゴムなどである。また、バンプの厚みT２は数μm以上である。

なお、上記の製造工程において各工程の順序は記載された順序に限られるものではない。また、導電梁７３とポスト４１は、同種材料でも異種材料でもよい。導電梁７３は、導電性の材料であればよいため、電鋳などを用いて形成してもよい。また、シリコン基板７０の代わりにSOI基板を用いることによって、図１０に示すH2やT1の制御が行いやすくなる。また、ガラス基板１０とシリコン基板７０は、陽極接合以外の方法（例えば、常温接合など）で接合しても構わない。

以上説明したように、実施の形態３によれば、一方のガラス基板１０に導電梁７３を設け、導電梁７３にポスト４１を接触させることによって、センサ部６０を形成するSOI基板２０より薄いシリコン基板４０を用いて、ポスト４１を形成することができ、基板の厚みばらつきによる陽極接合時の接合不良を無くすことができる。また、導電梁７３は、ポスト４１と接触することで容易に導電梁７３とポスト４１間の導通をとることができる。さらに、導電梁７３は、一方を固定端、他方を自由端とすることで、導電梁７３の高さ方向にバネ性を持たせることができ、ポスト４１が接触した際にも、導電梁７３が折れる可能性を低減することができる。
実施の形態３で述べた構造および製造方法は、ジャイロセンサなどの力学量センサだけでなく、片側から電極の取り出しを行うような３次元配線が必要なデバイスの構造および製造方法にも適用することができる。

本発明の実施の形態１に係る力学量センサの斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る力学量センサの上面図である。 本発明の実施の形態１に係る力学量センサの断面図である。 本発明の実施の形態１に係る力学量センサの製造方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る力学量センサの製造方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態２に係る力学量センサの上面図である。 本発明の実施の形態２に係る力学量センサの断面図である。 本発明の実施の形態２に係るポスト構造の拡大図である。 本発明の実施の形態２に係る力学量センサの製造方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態２に係る力学量センサの製造方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態２に係る力学量センサの製造方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態３に係る力学量センサの概略図である。 本発明の実施の形態３に係るポスト構造の拡大図である。 本発明の実施の形態３に係る力学量センサの製造方法の一部を示す断面図である。 本発明実施の形態１に係るポスト構造の拡大図である 本発明実施の形態１に係る力学量センサの製造方法の一部を示す断面図である。 従来技術を示す力学量センサの断面図である。 図１４に示す力学量センサのコンタクト部分の拡大図である。 BOX層をウエットエッチングした状態を示すコンタクト部分の拡大図である。 本発明の実施の形態３に係るポスト構造の拡大図である。

符号の説明

１ ジャイロセンサ（力学量センサ）
１０、３０ ガラス基板
１１、１３、３１ 電極
２０、４０、５０、７０ シリコン基板
２１ 活性層
２２ 熱酸化膜
２３ 支持層
２４ フレーム
２５、７１，７２ ギャップ
３２、３３ 電極パッド
３４ 貫通孔
４１、８３ ポスト
４２、５２ テーパー部
５１ 導電枠
６０ センサ部
６１ ビーム
６２ プルーフマス
６３、８１ 可動部
７３ 導電梁
８２ 金属膜
９１ バンプ

Claims (20)

1. 第１の基板と、第２の基板と、第３の基板からなり、
   前記第１の基板と前記第３の基板の間に、前記第２の基板が設けられ、
   前記第１の基板には、厚さ方向の貫通孔と、前記貫通孔を介して前記第２の基板側と逆側に電気信号を取り出すための電極パッドと、前記第２の基板側に力学量センサの駆動または検出を行う電極が形成されており、
   前記第２の基板には、フレームと、前記フレームから延出した梁と、前記梁で保持された力学量を検出する検出部からなるセンサ部が形成されており、
   前記第３の基板には、前記第２の基板側に力学量センサの駆動または検出を行う前記電極が形成されており、
   前記第１の基板または、前記第３の基板のいずれか一方に、前記第１の基板と前記第２の基板と前記第３の基板間の導通をとり、前記貫通孔の少なくとも一部をポストによって塞ぎ、前記貫通孔と前記ポストを介して前記電極と電気的に接続する前記電極パッドが形成され、前記ポストと前記センサ部を別体で形成することを特徴とする力学量センサ。
2. 第１の基板と、第２の基板と、第３の基板からなり、
   前記第１の基板と前記第３の基板の間に前記第２の基板が設けられ、
   前記第１の基板または、前記第３の基板のどちらか一方に厚さ方向の貫通孔と、前記貫通孔を介して前記第２の基板側と逆側に電気信号を取り出すための電極パッドと、前記第２の基板側に力学量センサの駆動または検出を行う電極が形成されており、
   前記第２の基板には、フレームと、前記フレームから延出した梁と、前記梁で保持された力学量を検出する検出部からなるセンサ部が形成されており、
   前記第３の基板には、前記第２の基板側に力学量センサの駆動または検出を行う前記電極が形成されており、
   前記貫通孔が設けられていない前記第１の基板または、前記第３の基板のどちらか一方に設けられた前記電極と導通しているポストの高さが調整可能な高さ調整機構と、
   前記貫通孔の少なくとも一部を前記ポストによって塞ぎ、前記貫通孔と前記ポストを介して前記電極と電気的に接続する電極パッドが形成され、前記ポストと前記高さ調整機構が導通している力学量センサ。
3. 前記高さ調整機構が、前記ポストの側面と導通する請求項２に記載の力学量センサ。
4. 前記高さ調整機構が、前記ポストの前記第１の基板または前記第３の基板と接合していない面と導通する請求項２に記載の力学量センサ。
5. 前記高さ調整機構と前記ポストが同種材料で形成されている請求項２に記載の力学量センサ。
6. 前記高さ調整機構と前記ポストが異種材料で形成されている請求項２に記載の力学量センサ。
7. 前記同種材料がシリコンである請求項５に記載の力学量センサ。
8. 前記同種材料が金属である請求項５に記載の力学量センサ。
9. 前記異種材料の一方がシリコンで、他方が金属である請求項６に記載の力学量センサ。
10. 前記ポストが単一材料で形成されている請求項１または２に記載の力学量センサ。
11. 前記単一材料がシリコンである請求項１０に記載の力学量センサ。
12. 前記単一材料が金属である請求項１０に記載の力学量センサ。
13. 前記ポストが少なくとも２種類の材料で形成されている請求項１または２に記載の力学量センサ。
14. 前記２種類の材料が、シリコンと金属である請求項１３に記載の力学量センサ。
15. 前記金属を用いた前記ポストの形成方法が電鋳である請求項８または９または１２または１４に記載の力学量センサ。
16. 前記金属が、金である請求項１５に記載の力学量センサ。
17. 前記金属が、銅である請求項１５に記載の力学量センサ。
18. 前記金属が、ニッケルである請求項１５に記載の力学量センサ。
19. 第１の基板と、第２の基板と、第３の基板からなり、
    前記第１の基板と前記第３の基板の間に、前記第２の基板が設けられ、
    前記第１の基板には、厚さ方向の貫通孔と、前記貫通孔を介して前記第２の基板側と逆側に電気信号を取り出すための電極パッドと、前記第２の基板側に力学量センサの駆動または検出を行う電極が形成されており、
    前記第２の基板には、フレームと、前記フレームから延出した梁と、前記梁で保持された力学量を検出する検出部からなるセンサ部が形成されており、
    前記第３の基板には、前記第２の基板側に力学量センサの駆動または検出を行う前記電極が形成されており、
    前記第１の基板または、前記第３の基板のいずれか一方に、前記第１の基板と前記第２の基板と前記第３の基板間の導通をとるためのポストが形成された力学量センサの製造方法であって、
    前記貫通孔の少なくとも一部が塞がるようにポストを形成するためのポスト形成工程と、
    前記第１の基板と前記第２の基板と前記第３の基板を一体にする接合工程と、
    前記貫通孔と前記ポストを介して前記電極と電気的に接続する前記電極パッドを形成する電極パッド形成工程を有し、
    前記ポスト形成工程において、前記ポストと前記センサ部を別体で形成する力学量センサの製造方法。
20. 第１の基板と、第２の基板と、第３の基板からなり、
    前記第１の基板と前記第３の基板の間に前記第２の基板が設けられ、
    前記第１の基板または、前記第３の基板のどちらか一方に厚さ方向の貫通孔と、前記貫通孔を介して前記第２の基板側と逆側に電気信号を取り出すための電極パッドと、前記第２の基板側に力学量センサの駆動または検出を行う電極が形成されており、
    前記第２の基板には、フレームと、前記フレームから延出した梁と、前記梁で保持された力学量を検出する検出部からなるセンサ部が形成されており、
    前記第３の基板には、前記第２の基板側に力学量センサの駆動または検出を行う前記電極が形成されており、
    前記貫通孔が設けられていない前記第１の基板または、前記第３の基板のどちらか一方に設けられた前記電極と導通しているポストの高さが調整可能な高さ調整機構からなる力学量センサの製造方法であって、
    前記ポストを形成するためのポスト形成工程と、
    前記ポストと前記高さ調整機構の導通をとるための接合工程と、
    前記貫通孔の少なくとも一部を前記ポストによって塞ぎ、前記貫通孔と前記ポストを介して前記電極と電気的に接続する電極パッドを形成する電極パッド形成工程を有し、
    前記接合工程において、前記ポストの高さを調整できる機構が設けられている力学量センサの製造方法。

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