JP2007502410A - 三軸加速度計 - Google Patents
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Abstract
本発明は、第１主要面および第２主要面とを有する、絶縁性材料からなる第１ウェハーを提供する工程と、第１ウェハーの第１主要面に２つ以上のキャビティをエッチングして形成する工程と、第１ウェハーの第１主要面上の金属層をパターニングして、第３加速度計用の電気接点を形成する工程と、半導体材料からなる第２ウェハーを提供する工程と、第２ウェハーの第１主要面の一部をエッチングする工程と、第２ウェハーのエッチングされた部分の少なくとも一部分が、第１ウェハー上の金属層の一部分の上に少なくとも重なるように第１ウェハーの第１主要面を第２ウェハーの第１主要面に接合する工程と、第２ウェハーの第２主要面上に金属層を堆積してパターニングする工程と、第１ウェハーの第１主要面にエッチングで形成されたキャビティの上に第１加速度計および第２加速度計が形成されるように第１加速度計、第２加速度計、および第３加速度計を画定するマスク層を第２ウェハーの第２主要面上に堆積してパターニングする工程と、第２ウェハーの第２主要面をエッチングして、第１加速度計および第２加速度計の各々が独立した２以上の梁の組を有するように加速度計を形成する工程と、第２ウェハーの第２主要面からマスク層を除去する工程とを有する三軸加速度計の製造方法に係る。
Description
本発明は、マイクロマシン（ＭＥＭＳ）デバイスに関する。本発明は、特に、直交する三軸の加速度を検出可能なＭＥＭＳ容量型加速度計に関する。
現在、自動車用エアバッグおよび慣性走行誘導システム等の多数のアプリケーション用に、マイクロマシン（ＭＥＭＳ）加速度計が製造されている。自動車用エアバッグ等に利用するためには、加速度計は、正確かつ適切な価格（inexpensive）である必要がある。
ＭＥＭＳ加速度計は、集積回路製造に使用されるプロセスと同一あるいは類似の製造プロセスを使用して、一枚のウェハー上に形成される。ＭＥＭＳデバイスは、電子的機能と機械的機能とを一つのデバイスに結合して実現している。
ＭＥＭＳデバイスの製造は、通常、多結晶シリコンと、酸化ケイ素（SiO2）あるいはケイ酸ガラス等の犠牲材料との交互積層を製造すること及び処理することに基づいている。多結晶シリコン層が１層ずつ積層及びパターニングされて、デバイス構成が形成される。構成の形成が完了すると、犠牲材料がエッチングで除去され、多結晶シリコン部材からなる、動作するＭＥＭＳデバイスが表れる。
ＭＥＭＳ加速度計の製造では、等方性リリースエッチングで犠牲材料が除去されると、加速度計の底面から伸びる加速度計の梁が現れる。リリースエッチングには、梁の一部までもエッチングして、加速度計の慣性質量（proof mass）および実効性を減じる点で不利である。
ＭＥＭＳデバイスの製造は、通常、多結晶シリコンと、酸化ケイ素（SiO2）あるいはケイ酸ガラス等の犠牲材料との交互積層を製造すること及び処理することに基づいている。多結晶シリコン層が１層ずつ積層及びパターニングされて、デバイス構成が形成される。構成の形成が完了すると、犠牲材料がエッチングで除去され、多結晶シリコン部材からなる、動作するＭＥＭＳデバイスが表れる。
ＭＥＭＳ加速度計の製造では、等方性リリースエッチングで犠牲材料が除去されると、加速度計の底面から伸びる加速度計の梁が現れる。リリースエッチングには、梁の一部までもエッチングして、加速度計の慣性質量（proof mass）および実効性を減じる点で不利である。
上述のような加速度計製造によれば、ウェハー面と面を同一とするインプレイン型加速度計を製造することができる。この方法を使用して、直交する２方向の加速度を計測するウェハー面と面を共に同一とする２つの加速度計を製作することができる。しかし、ウェハー面に垂直な加速度を計測する加速度計には、別の加速度計の設計が必要である。
本発明は、広義には、第１主要面および第２主要面とを有する、絶縁性材料からなる第１ウェハーを提供する工程と、第１ウェハーの第１主要面に２つ以上のキャビティをエッチングして形成する工程と、第１ウェハーの第１主要面上の金属層をパターニングして、第３加速度計用の電気接点を形成する工程と、半導体材料からなる第２ウェハーを提供する工程と、第２ウェハーの第１主要面の一部をエッチングする工程と、第２ウェハーのエッチングされた部分の少なくとも一部分が、第１ウェハー上の金属層の一部分の上に少なくとも重なるように第１ウェハーの第１主要面を第２ウェハーの第１主要面に接合する工程と、第２ウェハーの第２主要面上に金属層を堆積してパターニングする工程と、第１ウェハーの第１主要面にエッチングで形成されたキャビティの上に第１加速度計および第２加速度計が形成されるように第１加速度計、第２加速度計、および第３加速度計を画定するマスク層を第２ウェハーの第２主要面上に堆積してパターニングする工程と、第２ウェハーの第２主要面をエッチングして、第１加速度計および第２加速度計の各々が独立した２以上の梁の組を有するように加速度計を形成する工程と、第２ウェハーの第２主要面からマスク層を除去する工程とを有する三軸加速度計の製造方法に係るものである。
ウェハーは、絶縁性材料であることが好ましい。ウェハーは、ガラス、ホウケイ酸ガラス、あるいは同等の別の材料から構成されることがより好ましい。
第１ウェハーの第１主要面にキャビティを形成するエッチング工程が異方性エッチングでおこなわれることが好ましい。
ウェハーに堆積される金属層が、クロム層とその上に堆積される金層とからなることが好ましい。あるいは、他の適切な金属、合金、金属の混合物を用いることもできる。
第１ウェハーの第１主要面上の金属層をパターニングする工程で、第３加速度計用の第１電気接点が形成されることが好ましい。
第１ウェハーの第１主要面上の金属層をパターニングする工程で、第１電気接点の各側に１以上の金属電極が形成されて、第３加速度計の第１電気接点の各側にコンデンサーが形成されることが好ましい。
第２ウェハーは、シリコンから構成されることが好ましい。
第１ウェハーを第２ウェハーに接合する工程の後、第２ウェハーの第２主要面を必要な厚さまで薄くすることが好ましい。
ウェハーの間の接合は、陽極接合、共晶接合、あるいは熱圧着接合でおこなうことが好ましい。
第２ウェハーの第２主要面上に堆積される金属層は、クロム層(下)/金層（上）となることが好ましい。あるいは、他の適切な金属、合金、金属の混合物を用いることもできる。
第２ウェハーの第２主要面上に堆積された金属層が、第１および第２加速度計用の電気接点を構成することが好ましい。
梁の各組がウェハーに繋がっている（is anchored to）ことが好ましい。
梁の一組が、梁の一端を左右に動かす手段を有することが好ましい。梁を動かす手段はバネ手段あるいは拘束（tether）手段であることがより好ましい。
加速度計の製造方法は、ウェハーをエッチングする工程の前に、ウェハーをマスクする工程をさらに有することが好ましい。
加速度計の製造方法が、さらに、リソグラフ・プロセスを使用してマスク層をパターニングする工程を有することが好ましい。
以下図面を参照して、本発明に係る好適実施形態を説明するが、これは例示であり、本発明を制限することを意図していない。
図１は、絶縁性材料のウェハー１を示す。ウェハーの第１主要面は、マスク層４で被覆される。ウェハー１は、ガラス、パイレックスガラス、あるいは同様の特性を有する他材料等の絶縁性材料から構成される。ウェハー１の第２主要面も、マスク層で被覆される。
ウェハー１とは構成が異なるウェハーを用いることもできる。この構成では、ウェハーが伝導性材料あるいはシリコン等の半導体材料から構成され、ウェハーの第１主要面が絶縁層で被覆される。この絶縁層には、酸化物、窒化物、リン珪酸ガラス（PSG）、ガラスフリット等が適している。
マスク層４は、ウェハー１の第１主要面あるいは絶縁層３に堆積される。マスク層４には、ウェハー１中あるいは絶縁層３とウェハー１中に形成される２つの加速度計用のキャビティを示すマークがパターニングされる。後段のプロセスに役立つアライメントを示すマークをマスク層にパターニングしてもよい。マスク層は、クロムあるいは、多結晶シリコン等の適切な材料から構成される。
図２は、パターニングがされたマスク層を示す。マスク層のパターニングには、この技術分野で当業者によく知られ、ウェハー製造産業で一般的に使用されるリソグラフ・プロセスを使用することができる。
図２は、パターニングがされたマスク層を示す。マスク層のパターニングには、この技術分野で当業者によく知られ、ウェハー製造産業で一般的に使用されるリソグラフ・プロセスを使用することができる。
図３は、エッチングでウェハー１に形成されたキャビティ５を示す。エッチングは、異方性エッチング等の適切なプロセスでおこなうことができる。エッチングでキャビティが形成された後、マスク層の残りが第１主要面から除去される。
図４は、ウェハー１の第１主要面上に金属層が堆積されていることを示す。金属層は、適切な金属であればよく、クロムおよび金の混合物であることが好ましい。
図５は、金属層をパターニングおよびエッチングして、第３加速度計用に、電気接点１８および電極３が形成されていることを示す。
図５は、金属層をパターニングおよびエッチングして、第３加速度計用に、電気接点１８および電極３が形成されていることを示す。
図６は、まずマスクされ、パターニングされ、エッチングされた第２ウェハー６を示している。ウェハー６は、シリコン等の半導体材料から構成される。図６からわかるように、（さらに図１５からより明確となるように）、２つのキャビティがシリコンの第１主要面からエッチングで形成され、２つのキャビティの間に凸部１７が形成される。次に、マスク層が除去される。
次に、ウェハー６の第１主要面がウェハー１の第１主要面に図７に示すように接合され、ウェハー６の凸部１７が金属部分１８と接合する。２層の接合には、陽極接合、共晶接合、あるいは熱圧着接合等の適切な接合方法を使用することができる。
ウェハー６がセンサーに必要とされる厚さよりも厚いときは、ウェハー６の第２主要面は図８に示す必要とされる厚さまで薄くされる。ウェハー６の第２主要面を薄くする手法には、湿式化学エッチング、背面研削、ラッピング、化学機械研磨、これらの組み合わせ、および他の手法がある。
ウェハー６がセンサーに必要とされる厚さよりも厚いときは、ウェハー６の第２主要面は図８に示す必要とされる厚さまで薄くされる。ウェハー６の第２主要面を薄くする手法には、湿式化学エッチング、背面研削、ラッピング、化学機械研磨、これらの組み合わせ、および他の手法がある。
図８は、必要な厚さにされた上層となるウェハー６と、ウェハー１との接合状態を示す。ウェハー６の厚さにより、インプレイン型加速度計の梁の太さおよび第３加速度計の脚の太さが決まる。このプロセスにより形成されるインプレイン型加速度計の容量も、梁の太さに関連する。加速力に対するインプレイン型加速度計の感度も、梁の太さに関連する。梁が太くなるほど、梁が変位したときの容量変化が大きくなる。また、梁が太くなることにより、センサーのセイスミック・マス、すなわち慣性質量（proof mass）が大きくなる。また、センサーの感度も低重力加速度まで改善する。
ウェハー１をウェハー６に接合する工程（および必要であれば、ウェハー６を薄くする工程）の次に、図９に示すように、ウェハー６の第２主要面上金属層７が堆積される。センサーに接続することができる別の電子機器への電気接点、特に第１加速度計および第２加速度計への電気接点の形成には、メタライゼーション処理が使用される。
図１０は、金属層７をパターニングすることによって形成された電気接点を示す。
図１０は、金属層７をパターニングすることによって形成された電気接点を示す。
次に、マスク層８が金属層７の上およびウェハー６上に堆積される。マスク層８は、リソグラフ・プロセス等の適切なプロセスを使用してパターニングされる。
図１１からわかるように、マスク層がパターニングされて、各加速度計のセンサー構造が形成される。２つのインプレイン型加速度計について、加速度計のセンサー構造は、キャビティの各側に一つずつ２つの櫛状構造物と、櫛状構造物を両側に備えた中央梁とを有する。中央梁から延びる各櫛状構造物は、（図１４にその詳細が示されているように、）いずれかの櫛状構造物と互いに噛み合う。しかし、マスク上に別の適切な構造をパターニングすることもできる。
図１１からわかるように、マスク層がパターニングされて、各加速度計のセンサー構造が形成される。２つのインプレイン型加速度計について、加速度計のセンサー構造は、キャビティの各側に一つずつ２つの櫛状構造物と、櫛状構造物を両側に備えた中央梁とを有する。中央梁から延びる各櫛状構造物は、（図１４にその詳細が示されているように、）いずれかの櫛状構造物と互いに噛み合う。しかし、マスク上に別の適切な構造をパターニングすることもできる。
第３加速度計は、軸１９に沿った動きを検出し、中央カラム１７の各側から突き出ている１以上の脚を有する。軸１９に沿った加速がない場合、第３加速度計の脚は、ウェハー１と同一面上にある。軸１９に沿って加速が生じた場合、加速度計が傾いて（チルトして）、カラム１７の一方の側の金属層と脚との間の容量を増加させ、加速度計の他方の側の金属層と脚との間の容量を減少させる。
マスクのパターニングの次に、図１２に示すようにマスクがエッチングされて、ウェハー１中のキャビティ５の上に浮かされて、第３加速度計の脚がフリーとなるインプレイン型加速度計の構造が形成される。このエッチング工程は異方性エッチングでおこなうことができる。ウェハー６をウェハー１に接合する前にウェハー１中にキャビティ５を形成し、ウェハー６中にキャビティを形成することにより、加速度計の梁の下を等方性エッチングによりエッチングして梁をウェハーから出現させる必要がなくなる。こうして、等方性エッチングにより梁が大変細くなり、その結果センサーの感度の劣化および容量の減少が生じる等の等方性エッチングに関する問題が回避される。
製造プロセスの最終工程で、図１３に示すように、センサーの最上層から不必要なマスク層９がエッチングにより取り除かれる。また、オプションとして、金属層の上にパシベーション層が形成されることもある。この段階で、センサーは機能するようになっている。次に、センサーには、ウェーハレベルのパッケージングがおこなわれ、個別のダイにウェハーを切り分ける（dicing）ことができるようになる。
図１４は、本発明に係る方法を使用して形成されたインプレイン型加速度計の上面図である。図１４からわかるように、加速度計の構造は、キャビティ５の上に浮かされている。
センサー構造は、アンカーブロック１０のところでウェハー１に繋がる４組のコンデンサー固定電極を有する。各コンデンサー電極には、櫛状に配置するように幅広梁に一方で接合する複数の梁が含まれる。この幅広梁がアンカーブロックに繋がっている。
第２のコンデンサー電極には、符号１５が付されている。このコンデンサー電極は、中央の幅広梁と、幅広梁の両側から直交して伸びる複数の小幅梁を有する。このコンデンサー電極の幅広梁は、バネ手段１３によりアンカー１２に固定されている。バネ手段１３により、コンデンサー電極１５は、矢印１６で示す方向に動くことができる。コンデンサー電極を一方向に動かすことができる任意の手段を用いることができる。
センサー構造は、アンカーブロック１０のところでウェハー１に繋がる４組のコンデンサー固定電極を有する。各コンデンサー電極には、櫛状に配置するように幅広梁に一方で接合する複数の梁が含まれる。この幅広梁がアンカーブロックに繋がっている。
第２のコンデンサー電極には、符号１５が付されている。このコンデンサー電極は、中央の幅広梁と、幅広梁の両側から直交して伸びる複数の小幅梁を有する。このコンデンサー電極の幅広梁は、バネ手段１３によりアンカー１２に固定されている。バネ手段１３により、コンデンサー電極１５は、矢印１６で示す方向に動くことができる。コンデンサー電極を一方向に動かすことができる任意の手段を用いることができる。
アンカーブロック１０あるいは１２は、電極として使用されるメタライゼーションされた領域７を有する。電極は、アンカーブロック１０あるいは１２に接続するウェハーの別の領域に設けてもよい。アンカーブロックはすべて同一のウェハー上にあるが、下部ウェハーの絶縁特性により、これらのアンカーブロックはお互いに絶縁されている。センサー構造の下となる下部ウェハー中のキャビティ５により、センサー構造が浮かされ、センサー構造はウェハー表面に平行な加速力に自由に応答することができるようになる。こうして、移動電極を固定電極に対して変位させる力により生じる容量の変化が検出できるようになる。
図１５は、三軸加速度計の平面図である。ボックス２１および２２は、図１４にその詳細を示したインプレイン型加速度計を示す。三軸加速度計の面内二軸の加速度を評価できるように、２つのインプレイン型加速度計は相互に直交するように配置される。第３加速度計は、三軸加速度計の面と同一面内には含まれない方向の加速度を計測する。例えば、第３加速度計は、センサー面に垂直な加速度を計測する唯一の加速度計となる。センサーの構造は、図のレイアウトに限定されるものではない。また、４以上の加速度計を設けてもよい。
図１５からわかるように、メタライゼーションにより、第３加速度計の中心に電気接点１８が形成され、加速度計の脚の下にも電気接点３が設けられる。図１５に示す加速度計は、中心の第１の側に一脚、中心の別の側に二脚を有する。別の実施形態では、加速度計は中心の各側に異なる数の脚を有することもできる。中心を介して脚に電力が供給されて、電気接点３を備えるコンデンサーが形成される。
図１６に示すように軸２３に沿って加速が生じると、第３加速度計は一方の電気接点３に向かって傾き、加速度計のそちら側の容量を減少させ、加速度計の逆側の容量を増加させる。
以上、好適実施形態を含めて本発明を説明した。当業者に自明な変形および修正は本発明の範囲に含まれるものとする。
Claims (20)
- 第１主要面および第２主要面を有する、絶縁性材料からなる第１ウェハーを提供する工程と、
前記第１ウェハーの第１主要面内に２以上のキャビティをエッチングして形成する工程と、
前記第１ウェハーの第１主要面上に金属層をパターニングして、第３加速度計用の電気接点を形成する工程と、
半導体材料からなる第２ウェハーを提供する工程と、
前記第２ウェハーの第１主要面の一部をエッチングする工程と、
前記第２ウェハーのエッチングされた部分の少なくとも一部分が前記第１ウェハー上の金属層の一部分の上に重なるように、当該第１ウェハーの第１主要面を当該第２ウェハーの第１主要面に接合する工程と、
前記第２ウェハーの第２主要面上に金属層を堆積してパターニングする工程と、
前記第１ウェハーの第１主要面にエッチングで形成された前記キャビティの上に第１加速度計および第２加速度計が形成されるように、当該第１加速度計、第２加速度計、および前記第３加速度計を画定するマスク層を前記第２ウェハーの第２主要面上に堆積してパターニングする工程と、
前記第２ウェハーの第２主要面をエッチングして、前記第１加速度計および第２加速度計の各々が独立した２組以上の複数の梁を有するように加速度計を形成する工程と、
前記第２ウェハーの第２主要面からマスク層を除去する工程と
を有する三軸加速度計の製造方法。 - 前記第１ウェハーが絶縁性材料であることを特徴とする、請求項１に記載の三軸加速度計の製造方法。
- 前記第１ウェハーがガラスから構成されることを特徴とする、請求項２に記載の三軸加速度計の製造方法。
- 前記第１ウェハーがホウケイ酸ガラスから構成されることを特徴とする、請求項２に記載の三軸加速度計の製造方法。
- 前記第１ウェハーの第１主要面にキャビティを形成するエッチング工程が、異方性エッチングでおこなわれることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれか一つに記載の三軸加速度計の製造方法。
- ウェハーに堆積される前記金属層が、クロム層とその上に堆積される金層とからなることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一つに記載の三軸加速度計の製造方法。
- 前記第１ウェハーの第１主要面上に金属層をパターニングする工程で、前記第３加速度計用の第１電気接点が形成されることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一つに記載の三軸加速度計の製造方法。
- 前記第１ウェハーの第１主要面上に金属層をパターニングする工程で、前記第１電気接点の各側に１以上の金属電極が形成されて、前記第３加速度計の第１電気接点の各側にコンデンサーが形成されることを特徴とする、請求項７に記載の三軸加速度計の製造方法。
- 前記第２ウェハーがシリコンから構成されることを特徴とする、請求項１ないし８のいずれか一に記載の三軸加速度計の製造方法。
- 前記第１ウェハーを第２ウェハーに接合する工程の後、前記第２ウェハーの第２主要面を必要な厚さまで薄くすることを特徴とする、請求項１ないし９のいずれか一つに記載の三軸加速度計の製造方法。
- 前記ウェハー接合工程が陽極接合でおこなわれることを特徴とする、請求項１ないし１０のいずれか一つに記載の三軸加速度計の製造方法。
- 前記ウェハー接合工程が共晶接合でおこなわれることを特徴とする、請求項１ないし１０のいずれか一つに記載の三軸加速度計の製造方法。
- 前記ウェハー接合工程が熱圧着接合でおこなわれることを特徴とする、請求項１ないし１０のいずれか一つに記載の三軸加速度計の製造方法。
- 前記第２ウェハーの第２主要面上に堆積された金属層が、クロム層とその上に堆積される金層とからなることを特徴とする、請求項１ないし１３のいずれか一つに記載の三軸加速度計の製造方法。
- 前記第２ウェハーの第２主要面上に堆積された金属層が、前記第１加速度計用の電気接点および第２加速度計用の電気接点を構成することを特徴とする、請求項１ないし１４のいずれか一つに記載の三軸加速度計の製造方法。
- 前記複数の梁の各組がウェハーに繋がっていることを特徴とする、請求項１に記載の三軸加速度計の製造方法。
- 複数の梁の一組が、梁の一端を左右に動かす手段を有する、ことを特徴とする請求項１ないし１６のいずれか一つに記載の三軸加速度計の製造方法。
- 前記梁を動かす手段がバネ手段あるいは係留（tether）手段であることを特徴とする、請求項１７に記載の三軸加速度計の製造方法。
- 前記ウェハーをエッチングする工程の前に前記ウェハーをマスクする工程をさらに有することを特徴とする、請求項１ないし１８のいずれか一つに記載の三軸加速度計の製造方法。
- リソグラフ・プロセスを使用して前記マスク層をパターニングする工程をさらに有することを特徴とする、請求項１ないし１９のいずれか一つに記載の三軸加速度計の製造方法。
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