JP2008298441A - Method for manufacturing mechanical quantity detecting sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、加速度、角速度等の力学量を検出する力学量検出センサの製造方法に関する。 The present invention relates to a method of manufacturing a mechanical quantity detection sensor that detects a mechanical quantity such as acceleration and angular velocity.
近年、半導体微細加工技術等を用いた、機械・電子・光・化学等の多様な機能を集積化したデバイスであるMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)に注目が集まる。これらは半導体ウエハ内に複数のチップ領域に分けて配置され、ウエハ内に多数のデバイスを形成することが可能である。実用化されたデバイスとしては、例えば、加速度センサ、角速度センサといった力学量検出センサが挙げられ、半導体からなるトランデューサ構造体をガラス基板に接合して構成される、加速度を検出する力学量センサの技術が開示されている(特許文献1参照)。
上述した力学量検出センサの動作原理の一例として、各素子内に設けられた錘部(重量部)の振動変位に伴う電気信号変化を測定することで力学量を検出する。変位する錘部は、可撓性を有する少なくとも一つの梁部(接続部)により固定された枠部(固定部)接続される。センサにおける錘部は梁部に支えられ、中空状態で存在している。一般に、可撓性を有する梁部は自立薄膜(メンブレン)として構成され、物理的に脆弱である。 As an example of the operating principle of the above-described mechanical quantity detection sensor, a mechanical quantity is detected by measuring a change in an electric signal accompanying a vibration displacement of a weight part (weight part) provided in each element. The displaced weight portion is connected to a frame portion (fixed portion) fixed by at least one beam portion (connecting portion) having flexibility. The weight part in the sensor is supported by the beam part and exists in a hollow state. Generally, a flexible beam portion is configured as a self-supporting thin film (membrane) and is physically fragile.
上述の力学量検出センサは、周知の半導体微細加工技術を用いて作製される。一般的にはシリコン基板や、シリコン/二酸化珪素/シリコンの3層構造からなるSOI(Silicon On Insulator)基板等を用い、各層に所望の加工を施してメンブレン(梁部)を形成する。これらメンブレンを有する各メンブレン構造体はウエハ内にチップ領域に分けて複数配置される。
ここで、メンブレンとは、金属または半導体材料からなる少なくとも一つの層から構成される自立薄膜であり、例えば数nm(ナノメートル)〜数十μmの厚みを有する機能部分のことを指す。メンブレンは、例えば、上述の半導体基板をエッチングすることによって形成される。このようなエッチング方法としてドライエッチング法を用いる。力学量検出センサの検出感度は、梁部の可撓性に依存し、高感度な製品を製造するために梁部の厚みを薄くするなどの設計的試みがなされる。
The above-described mechanical quantity detection sensor is manufactured using a known semiconductor microfabrication technique. In general, a silicon substrate or an SOI (Silicon On Insulator) substrate having a three-layer structure of silicon / silicon dioxide / silicon is used, and a desired process is performed on each layer to form a membrane (beam portion). A plurality of membrane structures having these membranes are arranged in a chip area in the wafer.
Here, the membrane is a free-standing thin film composed of at least one layer made of a metal or a semiconductor material, and refers to a functional part having a thickness of, for example, several nanometers to several tens of micrometers. The membrane is formed, for example, by etching the above-described semiconductor substrate. A dry etching method is used as such an etching method. The detection sensitivity of the mechanical quantity detection sensor depends on the flexibility of the beam portion, and a design attempt is made such as reducing the thickness of the beam portion in order to manufacture a highly sensitive product.
しかし、メンブレンの物理的強度は非常に脆弱であり、例えば、プロセス時における圧力変動や衝撃などによって、メンブレン(梁部)が破損し、センサの枠部から脱落する。ドライエッチング法ではプロセス中に基板を、該基板の裏面側よりヘリウムなどのガスを供給して冷却しているが、メンブレンの破損によって基板の冷却効率が下がり、プロセス性能の低下を引き起こすという問題があることが判った。
上記に鑑み、本発明は力学量検出センサ素子内に作製されたメンブレンの破損を抑制するでき、かつプロセス性能の低下を低減することが可能な力学量検出センサの製造方法を提供することを目的とする。
However, the physical strength of the membrane is very fragile. For example, the membrane (beam portion) is damaged by pressure fluctuation or impact during the process, and falls off the sensor frame. In the dry etching method, the substrate is cooled by supplying a gas such as helium from the back side of the substrate during the process. However, there is a problem that the cooling efficiency of the substrate is lowered due to the membrane breakage and the process performance is lowered. It turns out that there is.
In view of the above, it is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a mechanical quantity detection sensor that can suppress breakage of a membrane produced in a mechanical quantity detection sensor element and can reduce deterioration in process performance. And
本発明に係る力学量検出センサの製造方法は、半導体材料からなる第1の層、絶縁材料からなる第2の層、半導体材料からなる第3の層が順に積層されてなる半導体基板を用いて、前記第1の層に開口を有する固定部と、この開口内に配置され、かつ前記固定部に対して変位する変位部と、前記固定部と前記変位部とを接続する接続部とを含む第1の構造体を形成する第1の構造体形成工程と、前記第1の構造体側に保護層を設ける保護層配設工程と、前記半導体基板を前記保護層と一体の状態で、その厚み方向にエッチングして前記第3の層に前記変位部に接合される重量部と、前記重量部を囲んで配置され、かつ前記固定部に接合される枠部とを含む第2の構造体を形成する第2の構造体形成工程とを含み、前記第2の構造体形成工程後に前記保護層を除去する保護層除去工程を行うことを特徴とする。 The manufacturing method of the mechanical quantity detection sensor according to the present invention uses a semiconductor substrate in which a first layer made of a semiconductor material, a second layer made of an insulating material, and a third layer made of a semiconductor material are sequentially laminated. A fixing portion having an opening in the first layer, a displacement portion disposed in the opening and displaced with respect to the fixing portion, and a connection portion connecting the fixing portion and the displacement portion. The thickness of the first structure forming step for forming the first structure, the protective layer providing step for providing a protective layer on the first structure side, and the thickness of the semiconductor substrate in an integrated state with the protective layer A second structure including a weight part that is etched in a direction and bonded to the displacement part on the third layer; and a frame part that is disposed to surround the weight part and is bonded to the fixing part. A second structure forming step to be formed, and after the second structure forming step And performing a protective layer removing step of removing the protective layer.
本発明は、力学量検出センサ素子内のメンブレンの破損を抑制でき、かつプロセス性能の低下を低減することが可能な力学量検出センサの製造方法を提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the manufacturing method of the mechanical quantity detection sensor which can suppress the failure | damage of the membrane in a mechanical quantity detection sensor element, and can reduce the fall of process performance.
以下、本発明を実施態様について、図面を用いて説明する。
<実施例1>
本発明は、力学量検出センサの製造方法に関するものである。まず、本発明の方法により製造される加速度センサの構造等およびその製造方法について述べる。また力学量検出センサの他の態様として角速度センサの構造等およびその製造方法については後述する。
図1から図3は本発明の実施形態に係る加速度センサを示す図であり、図1は加速度センサの斜視図、図2は加速度センサの分解斜視図、図3は加速度センサの上面図(a)と、その上面図におけるA−Aの断面図(b)を示したものである(但し配線部分等は図面の見易さのため、図示せず)。図3(a)に示すように、加速度センサ100の上面図は略正方形であり、例えば1mm正方の大きさを有するものとする。
加速度センサは、半導体材料からなる第1の層、絶縁材料からなる第2の層、半導体材料からなる第3の層が順に積層されてなる半導体基板から構成される。半導体基板は例えば、SOI(Silicon On Insulator)基板であり、その場合、第1の層はシリコンからなる活性層3、第2の層は二酸化珪素からなるBOX(埋め込み酸化膜)層4、第3の層はシリコンからなる支持層5であり、それぞれ、例えば、2μm〜10μm、0.5〜3μm、300〜800μmの厚さを有する。SOI基板1の下面(支持層5側)と、ガラス基板2の上面は接合されて一体に構成されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
<Example 1>
The present invention relates to a method for manufacturing a mechanical quantity detection sensor. First, the structure of the acceleration sensor manufactured by the method of the present invention and the manufacturing method thereof will be described. Further, as another aspect of the mechanical quantity detection sensor, the structure of the angular velocity sensor and the manufacturing method thereof will be described later.
1 to 3 are views showing an acceleration sensor according to an embodiment of the present invention. FIG. 1 is a perspective view of the acceleration sensor, FIG. 2 is an exploded perspective view of the acceleration sensor, and FIG. 3 is a top view of the acceleration sensor (a). ) And a cross-sectional view (b) taken along line AA in the top view thereof (however, the wiring portion and the like are not shown for the sake of easy viewing). As shown in FIG. 3A, the top view of the
The acceleration sensor is composed of a semiconductor substrate in which a first layer made of a semiconductor material, a second layer made of an insulating material, and a third layer made of a semiconductor material are sequentially stacked. The semiconductor substrate is, for example, an SOI (Silicon On Insulator) substrate. In this case, the first layer is an
ガラス基板2は、例えばNaイオンなどの可動イオンを含有する、いわゆるパイレックス(登録商標)ガラス等が用いられる。後述するようにSOI基板1とガラス基板2とは陽極接合により接合される。ガラス基板2は重量部5a(後述する)の過剰変位を防止するストッパ機能と、センサの台座として機能するものであり、上記の機能を果たすものであれば、材料はガラスに限定されないものとする。そのような材料として、例えば、シリコン、樹脂、金属などを用いることが可能である。
As the
活性層3には、4つの開口部3dを有する固定部3cと、この開口部3d内に配置され、かつ固定部3cに対して変位する鉛直視四角平板状の変位部3aと、固定部3cと変位部3aとを接続する4つの接続部3bが配設される。接続部3bにはピエゾ抵抗Rが形成されている。
The
支持層5には、BOX層4に設けられた接合部4aを介して変位部3aと接合された鉛直視略クローバー状の重量部5aと、固定部3cに接合され、重量部5aを囲むように配置された枠部5bが配設されている。
The supporting
接続部3bが変位部3aと接続される端部、および、固定部3cと接続される端部に3組のピエゾ抵抗Rx1〜Rx4、Ry1〜Ry4、Rz1〜Rz4が接続部上の接続部長手方向に配置される。なお、これら3組12個のピエゾ抵抗Rは不純物拡散配線によって形成されており、不純物拡散配線によるパターンと連結され、さらに、そのパターン上の所定位置に開口部が形成されて、アルミ配線に連結されるようになっている(パターン等については図示省略)。当該パターンないしアルミ配線は、ホイートストーンブリッジ回路を形成しているが、当該回路の詳細については本出願人による特開2006−258528号によることとして、本明細書ではその記載を省略する。
Three ends of the piezoresistors Rx1 to Rx4, Ry1 to Ry4, and Rz1 to Rz4 are connected to the end of the connecting
(加速度センサの製造方法)
次に上述の構造等を踏まえ、加速度センサ100の作製工程について説明する。
図4は本発明に係る実施形態に係る加速度センサの作製手順の一例を表すフロー図である。また、図5は図4の作製手順における加速度センサの状態を表す断面図である。
(Acceleration sensor manufacturing method)
Next, a manufacturing process of the
FIG. 4 is a flowchart showing an example of a manufacturing procedure of the acceleration sensor according to the embodiment of the invention. FIG. 5 is a sectional view showing the state of the acceleration sensor in the manufacturing procedure of FIG.
(1)SOI基板の準備(ステップS11、および図5(a))
図5(a)に示すように、支持層5、BOX層4、活性層3からなるSOI基板1を用意する。SOI基板は、SIMOX(Separated by Implanted Oxygen)法ないし、貼り合せ法等により作製される。
(1) Preparation of SOI substrate (step S11 and FIG. 5 (a))
As shown in FIG. 5A, an
(2)第1の構造体形成(ステップS12、および図5(b)〜(d))
第1の構造体形成は以下のa〜eのようにして行われる。
a.拡散層の形成
拡散層は、例えばCVD(Chemical Vapor Deposition)法により、活性層3上にSiN(シリコン窒化膜)を積層し、レジストをマスクとしてRIE(Reactive Ion Etching)で拡散層パターン開口(図示せず)を形成する。パターン開口部に対して例えば、B(ボロン)を含む不純物層をスピンコートにより塗布し、その後約1000℃の熱処理し、不純物層に含まれる不純物を活性層内に拡散させ、拡散層11を形成する。不要な拡散マスク(SiN)は熱リン酸によって、これをエッチングし除去する。(図5(b))
(2) First structure formation (step S12 and FIGS. 5B to 5D)
The first structure formation is performed as follows.
a. Formation of Diffusion Layer The diffusion layer is formed by stacking SiN (silicon nitride film) on the
b.配線の形成
配線層の形成は、活性層3上に絶縁層12を形成する。絶縁層12は例えば、活性層3の表面を熱酸化することで二酸化珪素の層を形成できる。絶縁層12に、例えばレジストをマスクとしたRIEによって、コンタクトホール(開口)13を形成する。
次に、例えば、スパッタ法や蒸着法により、活性層3上にAlもしくはNdを含むAl層を形成する。配線等にAl−Nd合金を用いると、後の加熱工程においてヒロック(球状突起物)の発生が抑えられ、好適である。この堆積により形成される金属層を、レジストをマスクとして、例えばウエットエッチングすることで活性層3上に配線15、コンタクトホール13内に層間接続体14が形成される。
b. Formation of Wiring The wiring layer is formed by forming the insulating
Next, an Al layer containing Al or Nd is formed on the
c.防護膜16の形成
次に、CVD法によりSiN層を堆積し、活性層3上に防護層16を形成し、SOI基板1を380℃あるいは400℃程度に熱処理し、拡散層11と配線15をオーミック接触させる。その後、例えば、レジストをマスクとするRIEによって、防護層16をエッチングして、防護層16にパッド開口17を形成する(図5(c))。
c. Next, the SiN layer is deposited by CVD, the
d.活性層のエッチング
活性層3をエッチングすることにより、開口部3dを形成し、変位部3a、接続部3b、固定部3cを形成する。例えば、このようなエッチングとして活性層3のに対して侵食性を有し、BOX層4に対して侵食性を有しない(もしくは活性層3の侵食性に比して低い)エッチング方法を用いることにより可能である。これにより、開口部3dに対してBOX層4の上面が露出するまで厚み方向にエッチングし、第1の構造体を形成する(図5(c))。
d. Etching of Active Layer By etching the
e.導通部19の形成
絶縁層12にレジストをマスクとするRIEによって貫通孔18に対応する開口を形成する。その後、この開口から上面が露出した活性層3を、BOX層4の上面が露出するまで厚み方向にエッチングし、貫通孔18を形成する。
貫通孔18内に、例えばAlを蒸着法やスパッタ法等により堆積させて導通部19を形成する(図5(d))。
e. Formation of
In the through
(3)保護層の形成(ステップS12、および図5(e))
活性層3側に保護層を形成する。
保護層6は、例えば水溶性高分子材料を水に溶解させた液体を塗布することで形成できる。水溶性高分子材料として、例えば、ポリビニルアルコール(PVA)を用いることができる。ポリビニルアルコールの塗布は、周知の塗布法により行われ、例えば、膜厚3〜5μmの厚さで塗布する。
ポリビニルアルコールは、プラズマエッチング耐性に富み、かつエッチング時に発泡等が起こらないため、プロセス異常を起こすことがない。本実施例ではポリビニルアルコールを用いるが、これに限定されるわけではなく、水またはアルコール等の水溶性液体で容易に剥離可能な水溶性高分子材料を用いることができる。また、上記水溶性高分子材料以外に、有機溶媒可溶性高分子を用いることも可能である。
保護層6の別の態様として、エネルギー照射(加熱または紫外線照射)により剥離可能な粘着面を有するシートを保護層として用いることができる。そのようなシートとして、例えば、UV(紫外線)剥離シート(セルファBG(耐熱タイプ) 積水化学工業株式会社製)、もしくは、熱剥離シート(リバアルファ(型番:319Y−4H) 日東電工株式会社製)を用いることができる。
上記のいずれかの材料、方法により、活性層3の上面に保護層6を形成する(図5(e))。
また、後述するような支持基板を備える構成において、保護層6を支持基板側に設ける場合にも上記の材料、方法により配設することができる。
(3) Formation of protective layer (step S12 and FIG. 5 (e))
A protective layer is formed on the
The
Polyvinyl alcohol has high resistance to plasma etching and does not cause foaming or the like during etching, so that it does not cause process abnormality. In this embodiment, polyvinyl alcohol is used. However, the present invention is not limited to this, and a water-soluble polymer material that can be easily peeled off with a water-soluble liquid such as water or alcohol can be used. In addition to the water-soluble polymer material, an organic solvent-soluble polymer can be used.
As another embodiment of the
The
Moreover, in the structure provided with a support substrate as will be described later, the
(4)支持層の加工(ステップS13、および図5(f))
支持層5の加工は2段階に区分して作製される。
1)ギャップの作製
支持層5の下面に、枠部5bに対応するパターンをもったレジスト層を形成し、このレジスト層で被覆されていない露出部分を垂直上方へと侵食させる。この結果、支持層5の下面にギャップ(例えば、5〜10μm)が形成される。
(4) Processing of support layer (step S13 and FIG. 5 (f))
The processing of the
1) Production of gap A resist layer having a pattern corresponding to the
2)重量部5aおよび枠部5bの形成
支持層5の下面に、重量部5a、枠部5bに対応するパターンを持ったレジスト層を形成し、このレジスト層が被覆されてない露出部分を、後述するエッチング方法により、シリコン酸化膜4の下面が露出されるまでエッチングを行う。これにより、重量部5a、枠部5b(第2の構造体)を形成する(図5(f))。
2) Formation of
上述のエッチング方法として、例えば、DRIE(Deep Reactive Ion Etching)が挙げられる。この方法では材料層を厚み方向に侵食しながら掘り進むエッチングステップと、彫った穴の側壁にポリマーの壁を形成するデポジションステップと、を交互に繰り返す。掘り進んだ穴の側壁は、順次ポリマーの壁が形成されて保護されるため、ほぼ厚み方向にのみ侵食を進ませることが可能であり、エッチングガスとしてSF6等のイオン・ラジカル供給ガスを用い、デポジションガスとしてC4F8等を用いることができる。 An example of the etching method described above is DRIE (Deep Reactive Ion Etching). In this method, an etching step of digging while eroding the material layer in the thickness direction and a deposition step of forming a polymer wall on the side wall of the carved hole are alternately repeated. Since the side walls of the holes that have been dug are protected by the formation of polymer walls in sequence, it is possible to cause erosion only in the thickness direction, and an ion / radical supply gas such as SF6 is used as the etching gas. C4F8 or the like can be used as the deposition gas.
図8を参照して、誘導結合型プラズマエッチング装置について説明する。エッチング装置60は、チャンバ61と、チャンバ61内に設置された電磁コイル62と、電磁コイル62と電気的に接続した高周波電源63を含む。エッチング装置60は、チャンバ61の周りに配置された磁場レンズ64と、チャンバ61の底に配置されると共にSOI基板1を載せるステージ65と、ステージ65にSOI基板1を固定する静電チャック(図示せず)を含む。エッチング装置60は、チャンバ61を排気する真空ポンプ66と、真空ポンプ66を開閉する電磁バルブ67を含む。
プラズマ源としては上記のICP型の他に、容量結合型プラズマ(CCP型:Capacitively-Coupled Plasma)、電子サイクロトロン共鳴プラズマ(ECP型:Electron-Coupled Plasma)、マイクロ波励起表面波プラズマ(SWP:Surface Wave Plasma)、ヘリコン波励起プラズマ(HWP:Helicon Wave Plasma)などを用いても同様の効果を得ることができる。
The inductively coupled plasma etching apparatus will be described with reference to FIG. The
As the plasma source, in addition to the above-mentioned ICP type, capacitively coupled plasma (CCP type: Capacitively-Coupled Plasma), electron cyclotron resonance plasma (ECP type: Electron-Coupled Plasma), microwave excited surface wave plasma (SWP: Surface) Similar effects can be obtained by using Wave Plasma) or Helicon Wave Plasma (HWP).
SOI基板1をステージ65の上に配置する。SOI基板1は静電チャックによってステージ65に固定される。SOI基板1と静電チャックの間には例えば、1000〜2000Vの直流電圧を印加し、その静電引力によってSOI基板1を保持する。また、メカクランプによるSOI基板1の保持は、クランプ(固定冶具)をSOI基板1の外周部に当接させて機械的に保持する。
次に、真空ポンプ66を作動し、電磁バルブ67の開閉を行い、チャンバ61の内部を所望の真空度に維持する。プロセスガスをチャンバ61内に導入し、高周波電源63をオンにする。プロセスガスは電磁コイル62の高周波によって励起されて、プラズマを発生し、ラジカル、イオンを生成する。このラジカル、イオンは、SOI基板1の所望の加工面をエッチングし、重量部5a、接続部3b、枠部5cを形成する。上記のエッチングは一般に製造されているICP型ドライエッチング装置を用いて行うことが可能である。エッチング中、SOI基板1は、加工に付される面の裏側からヘリウムなどのガスが供給される。該ガスはSOI基板1を冷却する役割を果たす。
The
Next, the
上記のエッチングが進み、支持層3の厚みが薄くなると、接続部3bはBOX層4に支持されたメンブレンとなる。このメンブレンは脆弱であるため、エッチング終了後にステージ65よりSOI基板1をリリースする際に静電引力により破損するおそれがある。また、エッチング処理の際およびチャンバ61よりSOI基板1が取り出され、搬送系(図示せず)に供される際の圧力変動によりメンブレンが破損するおそれがある。
しかし本発明において、メンブレンを有するSOI基板1は保護層6により保護され、メンブレンの破損を抑制することが可能である。特に、エッチング中にメンブレン破損が起こると、冷却用ガスがリークしてプロセス性能が低下する。また、エッチングガスによる第1の層の腐食損傷を防ぐことが可能である。
When the etching proceeds and the thickness of the
However, in the present invention, the
(5)保護層の除去(ステップS14、および図5(g))
保護層6が水溶性高分子材料からなる場合には、SOI基板1を分離液(例えば、純水)に浸水させることにより、保護層6を溶解させ、除去する。分離液を加熱することで、除去に要する時間を短縮させることができる。また、別の態様として熱剥離シート及びUV剥離シートを保護層6として用いた場合には、それぞれ加熱およびUV光照射により保護層6を除去することができる。
(5) Removal of protective layer (step S14 and FIG. 5 (g))
When the
次に、BOX層4の所定の領域をエッチングすることにより、接合部4aを形成する。すなわち、BOX層4に対しては侵食性を有し、活性層3および支持層5に対しては侵食性を有しないエッチング方法により、BOX層4に対して、その露出部分から厚み方向および層方向にエッチングする。
このようなエッチング方法としては、例えば、バッファド弗酸(例えばHF=5.5wt%、NH4F=20wt%の混合水溶液)をエッチング液として用いるウエットエッチングを挙げることができる。
Next, the
As such an etching method, for example, wet etching using buffered hydrofluoric acid (for example, a mixed aqueous solution of HF = 5.5 wt% and NH 4 F = 20 wt%) as an etchant can be cited.
(6)ガラス基板2の接合(ステップS15、および図5(h))
SOI基板1とガラス基板2とを陽極接合により接合する。ガラス基板2と枠部5bとを接触させて加熱した状態で、これらの間に電圧を印加することで、枠部5bを接点としてSOI基板1とガラス基板2が接合され、一体となった加速度センサ100が製造される。
ガラス基板2は、上述した材料からなる基板を用いることができ、例えば、シリコンからなる基板等を用いた場合、SOI基板と直接接合により接合することができる。
(6) Bonding of glass substrate 2 (step S15 and FIG. 5 (h))
The
As the
その後、加速度センサ100は、ダイシングソー等を用いたダイシングにより、それぞれチップ化され、個々の加速度センサに分離する。このような加速度センサは一般的にはピエゾ抵抗型加速度センサと呼ばれている。本実施例に挙げたピエゾ抵抗型加速度センサの他に、静電容量型加速度センサに本願発明を適用できることは言うまでもない。
Thereafter, the
ここで、保護層6と、さらに剛体からなる薄板状平板の支持基板とを備える構成等について説明する(図6および図7)。支持基板は、該支持基板と半導体基板(SOI基板)とで保護層を挟むように配置され、保護層を介して半導体基板(SOI基板)と支持基板とが接合されている
支持基板は、例えば、シリコンやガラス等の材料からなる薄板状平板(ウエハ)である。さらには、支持層5と同質材料、つまり、シリコンウエハを用いることが生産性の面で優れる。一般に、ドライエッチング装置における静電チャックを用いたウエハステージは、載置するウエハの材料に合わせて選択されるため、半導体材料(主にシリコン)からなる力学量検出センサの製造をするにあたりステージ交換等の必要が無く、生産上効率上優れる。高アスペクト比を有する第1の構造体の開口内に保護層を形成することが困難である場合に、メンブレン破損に伴うエッチング時の冷却用ガスのリークを防ぐことができ、さらに好適である。
Here, the structure etc. provided with the
表面に溝部を設けた支持基板の態様等について図面を用いて説明する。図6(a)は支持基板7の一部を模式的に表す上面図であり、(b)は接着層7を介して支持基板7とSOI基板1とを接合した状態におけるB−B断面を表す図である。支持基板7は、例えば、半導体基板Wと略同一の口径(例えば、10cm〜20cm)である支持基板であり、その厚さは、例えば、600μmである。溝部は、図6(a)に示すように、例えば、深さ200μm、幅1mmの溝を1mmピッチで格子状に配設したパターンである。このとき、溝部の領域が支持基板7面内で占める割合を約75%であるものとする。
支持基板7に溝部20を形成し、例えば、水溶性高分子材料からなる保護層6を介してSOI基板1と支持基板7を接着した際に、図6(b)に示すように溝部20の底面と接着層との間に空洞部30が形成される。空洞部により、分離時に分離液の侵入を容易にする。溝部はアスペクト比の高い切片部として形成されることが好ましく、その場合、保護層6が溝部の底部まで到達せず、空洞部が形成される。
支持基板7に形成される溝部20はエッチングもしくはサンドブラスト法により形成できる。
A description will be given, using the drawings, of a support substrate having a groove on the surface. FIG. 6A is a top view schematically showing a part of the
When the groove portion 20 is formed in the
The groove 20 formed in the
支持基板7に設けられたパターンとして、図6に示すような実施形態を用いることもできる。図7(a)において、例えば、200μm口径のスルーホール40(例えば、200μm辺の正方形等でもよい)が1mmピッチで配置されている。スルーホール同士を結合する、例えば、幅50μm、深さ200μmの結合部50が配設されている。スルーホールは隣接する少なくとも一つのそれと結合部50により構成されている。分離時にスルーホールより分離液の侵入を容易にし、かつ、結合部により支持基板面内に分離液が行き渡り、良好な分離作業が得られる。
As a pattern provided on the
次に、本実施例に係る力学量検出センサの別の態様に係る角速度センサの構造等および製造方法について説明する(なお、加速度センサと略同一の構成に関しては同一符号を付す)。保護層および支持基板の態様に関しては上述の加速度センサの製造方法に用いた材料/条件と略同一であり、記載は省略する。 Next, the structure and the manufacturing method of an angular velocity sensor according to another aspect of the mechanical quantity detection sensor according to the present embodiment and a manufacturing method thereof will be described (the same reference numerals are assigned to substantially the same configuration as the acceleration sensor). The aspects of the protective layer and the support substrate are substantially the same as the materials / conditions used in the method for manufacturing the acceleration sensor described above, and the description is omitted.
<実施例2>
図9は角速度センサ200を分解した状態を示す分解斜視図である。図10は、図9の力学量検出センサにおける半導体基板を分解した分解斜視図である(図の見易さのため第2の層は図示せず)。
角速度センサ200は、一対の支持基板(ガラス基板)と、該一対のガラス基板の間に挟持された状態で陽極接合により接合された半導体基板より構成される。半導体基板は、例えば、SOI(Silicon On Insulator)基板1である。その場合、第1、第2、第3の層はそれぞれ、活性層、BOX(埋め込み酸化膜)層、支持層である。力学量検出センサ100はその外形が、例えば、3〜5mm辺の略正方形状である。
SOI基板1は、シリコンからなる支持層5に二酸化珪素からなるBOX層4、シリコンからなる活性層3が順に積層されてなる。活性層3、BOX層4、支持層5、ガラス基板2はそれぞれ、例えば、5〜100μm、1〜5μm、300〜800μm、300〜600μmの厚みを有する。
<Example 2>
FIG. 9 is an exploded perspective view showing a state where the
The
The
活性層3は、開口部3dを有する固定部3cと、その開口部3d内に配置され、かつ固定部3cに対して変位する変位部3aと、固定部3cと変位部3aとを接続する接続部(梁部)3bと、ブロック上層部3eを有する。支持層5は、変位部3aに接合される重量部5aと、重量部5aを囲んで配置され、固定部3cに接合される枠部5bと、ブロック下層部5cを有する。BOX層4は固定部3dと枠部5b、変位部3aと重量部5a、ブロック上層部3eとブロック下層部5cとをそれぞれ接合する接合部4aを有する(図9の見易さのため図示せず)。
図9および図10では、固定部3cより4本の接続部が伸び、固定部3cと変位部3aとを接続する。変位部3aの周囲には4つの開口部3dが存在し、この開口部3d内にブロック上層部3eが配置されている。
The
In FIG. 9 and FIG. 10, four connecting portions extend from the fixing
図11は、図9に示す力学量検出センサ100をA−Aに沿って切断した状態を示す断面図である。上下ガラス基板2と、固定部3c、接合部4a、枠部5bにより密閉室が形成され、外部から作用した力学量(角速度)を検出する検出部を密閉室内に備えている。
変位部3aは密閉室内において、接続部3bによりガラス基板2に接触しないように中空状態で存在している。重量部5aは変位部3aに接合されており、質量を有し、角速度に起因するコリオリ力および加速度に起因する慣性力を受ける重錘、あるいは作用体として機能する。重量部5aは図10に示すように、例えば、鉛直視略クローバー形状をしており、質量を分散配置することでセンサの小型化と高感度化の両立を図っている。
FIG. 11 is a cross-sectional view showing a state where the mechanical
The
固定部3cと接合されたガラス基板2上であって、変位部3aと対向する位置には駆動用電極E1a、検出用電極E2aが設けられている。同様に、枠部5bと接合されたガラス基板2上であって、質量部5aと対向する位置には駆動用電極E1b、検出電極E2bが設けられている。なお、図示しないが変位部5aの上面および重量部5aの下面にはE(駆動電極および検出電極)が設けられている。駆動用電極E1とEは容量結合しており、この間に電圧が印加されると変位部3a上部および質量部5aの下部には静電引力が作用し、変位部3a(重量部5aも)をZ軸方向に振動させることができる。
A driving electrode E1a and a detection electrode E2a are provided on the
変位部3aをZ軸方向に振動させた状態で、X軸又はY軸方向の角速度ωx、ωyによるY軸又はX軸のコリオリ力Fy、Fxによる変位部3aの変位を検出することで角速度ωx、ωyを測定できる。このように角速度センサ200は、2軸の角速度ωx、ωyを測定できる。なお、検出方法等に関しては後述する。
In a state where the
活性層3および支持層5に設けられたブロック上層部3eおよびブロック下層部5eは、それぞれ配線用途で用いられる。駆動電極E1aは、図示しない配線とブロック下層部5e、導通部19、ブロック上層部3eにより配線用端子17aと電気的に接続され、配線用端子12aに電圧が印加されると変位部3aの上面に静電引力が作用する。同様に、駆動電極E1bは、図示しない配線とブロック下層部5eにより配線端子17bと電気的に接続され、配線用端子17bに電圧が印加されると重量部5aの下面に静電引力が作用する。なお、変位部3aと重量部5aとは導通部19により、電気的に接続されている。ブロック部は配線用途として用いられている。
The block
角速度センサ200による力学量の検出の原理を述べる。
(1)変位部3aの振動
駆動用電極E1a、変位部3a上面の駆動電極E(図示せず)に電圧を印加すると、静電引力によって互いに引合い、変位部3a(重量部5aも)はZ軸正方向に変位する。同様に、駆動用電極E1b、重量部5a下面の駆動電極E(図示せず)に電圧を印加すると、静電引力によって互いに引合い、変位部3a(重量部5aも)はZ軸負方向に変位する。即ち、電圧印加を交互に行うことで、変位部3a(重量部5aも)はZ軸方向に振動する。この電圧の印加は正又は負の直流波形(非印加時も考慮するとパルス波形)、半波波形等を用いることができる。
The principle of detection of the mechanical quantity by the
(1) Vibration of the
変位部3aの振動の周期は電圧を切り換える周期できまってくる。この切換の周期は変位部3aの固有振動数にある程度近接していることが好ましい。変位部3aの固有振動数は、接続部3bの弾性力や重量部5aの質量等で決定される。変位部3aに加えられる振動の周期が固有振動数に対応しないと、変位部3aに加えられた振動のエネルギーが発散されてエネルギー効率が低下する。
The period of vibration of the
なお、駆動用電極E1a、E(図示せず)間、又は駆動用電極E1b、E(図示せず)間のいずれか一方のみに、変位部3aの固有振動の1/2の周波数の交流電圧を印加してもよい。
Note that an AC voltage having a frequency half that of the natural vibration of the
(2)力学量の発生
重量部5a(変位部3a)がZ軸方向に速度vzで移動しているときに角速度ωが印加されると重量部5aにコリオリ力Fが作用する。具体的には、X軸方向の角速度ωxおよびY軸方向の角速度ωyそれぞれに応じて、Y軸方向のコリオリ力Fy(=2・m・vz・ωx)およびX軸方向のコリオリ力Fx(=2・m・vz・ωy)が重量部5aに作用する(mは、重量部5aの質量)。
(2) Generation of mechanical quantity When the angular velocity ω is applied when the
X軸方向の角速度ωxによるコリオリ力Fyが印加されると、変位部3aにY方向への傾きが生じる。このように、角速度ωx、ωyに起因するコリオリ力Fy、Fxによって変位部3aにY方向、X方向の傾き(変位)が生じる。
When the Coriolis force Fy due to the angular velocity ωx in the X-axis direction is applied, the
(3)変位部3aの変位の検出
変位部3aの傾きは、検出用電極E2a、E2bによって検出できる。変位部3aにコリオリ力が印加されると、検出用電極E2aと変位部3a上面に設けられた検出用電極E(図示せず)との距離、および検出用電極E2bと重量部5aの下面に設けられた検出用電極E(図示せず)との距離が変化し、その結果、両電極の容量は変化することになる。即ち、この容量変化(具体的には、両電極間の容量差)に基づいて変位部3aの傾きの変化を検出し、検出信号として取り出すことができる。
(3) Detection of displacement of the
以上のように、駆動用電極によって変位部3aをZ軸方向に振動させ、検出用電極によって変位部3aのX、Y方向の傾きを検出する。この結果、力学量検出センサ100によるX、Y方向(2軸)の角速度ωy、ωxの測定が可能となる。
As described above, the
(4)検出信号の分離
検出用電極から出力される信号は、重量部5aに印加される角速度ωy、ωxに起因する成分のみではない。この信号には重量部5aに印加されるX軸、Y軸方向の加速度αx、αyに起因する成分も含まれる。加速度αx、αyによっても変位部5aの変位が生じうるからである。
(4) Separation of Detection Signal The signal output from the detection electrode is not only the component due to the angular velocities ωy and ωx applied to the
検出信号の直流成分、交流成分を図示しない外部電気回路により分離して検出することで、加速度成分と角速度成分をそれぞれ独立に測定することが可能である。これにより角速度を検出することができる。 By detecting the DC component and AC component of the detection signal separately by an external electric circuit (not shown), the acceleration component and the angular velocity component can be measured independently. Thereby, the angular velocity can be detected.
角速度センサ200の製造方法について述べる。
図12は、角速度センサ200の作成手順の一例を表すフロー図である。また図13は、図12の作成手順における角速度センサ200の状態を表す断面図である(図9においてA−Aで切断した断面図に相当する)。
A method for manufacturing the
FIG. 12 is a flowchart showing an example of a procedure for creating the
(1)SOI基板1の準備(ステップS20、および図13(a))
図13(a)に示すように、支持層5にBOX層4、活性層3を積層してなるSOI基板1を用意する。当該SOI基板1は、SIMOXないし、貼り合せ法等により作成される。
(1) Preparation of SOI substrate 1 (step S20 and FIG. 13 (a))
As shown in FIG. 13A, an
活性層3および支持層5には不純物が含まれている。不純物としては、例えば、ボロン等を挙げることができる。ボロンが含まれるシリコンとしては、例えば、高濃度のボロンを含み、抵抗率が0.001〜0.01Ω・cmのものを使用できる。不純物が含まれるシリコンは、例えば、チョクラルスキー法によるシリコン単結晶の製造において、ボロンをドープすることにより製造できる。
The
(2)第1の構造体形成(ステップS21、および図13(b))
変位部3a、接続部3b、固定部3c、ブロック上層部3eに対応するパターンのレジストマスクを活性層3上面に設け、活性層3を厚み方向にエッチングすることにより、開口部3dを形成し、変位部3a、接続部3b、固定部3cを形成する。例えば、このようなエッチングとして活性層3に対して侵食性を有し、BOX層4に対して侵食性を有しない(もしくは活性層3の侵食性に比して低い)エッチング方法を用いることにより可能である。これにより、開口部3dに対してBOX層4の上面が露出するまで厚み方向にエッチングし、第1の構造体を形成する(図13(b))。
(2) First structure formation (step S21 and FIG. 13B)
A resist mask having a pattern corresponding to the
上述のエッチング方法として、例えば、CF4ガスとO2ガスとの混合ガスを用いたRIE(Reactive Ion Etching)法によるドライエッチングを用いることができる。
As the above-described etching method, for example, dry etching by a RIE (Reactive Ion Etching) method using a mixed gas of
また、活性層3の所定の箇所をエッチングし、BOX層4まで貫通するような貫通孔19(後述する導通部19)を形成する。エッチング方法としては、例えば、20%TMAH(水酸化テトラメチルアンモニウム)を用いることができ、BOX層のエッチングでは、例えば、バッファド弗酸(例えば、HF=5.5wt%、NH4F=20wt%の混合水溶液)を用いることができる。
In addition, a predetermined portion of the
(3)保護層の形成(ステップS22、および図13(c))
上述した加速度センサの製造方法に記載した材料、方法、構成に従い、ここでは説明を省略する。
(3) Formation of protective layer (step S22 and FIG. 13 (c))
In accordance with the materials, methods, and configurations described in the method for manufacturing the acceleration sensor described above, description thereof is omitted here.
(4)第2の構造体形成(ステップS23、および図13(d))
重量部5a、枠部5b、ブロック下層部5eに対応するパターンのレジストマスクを支持層5下面に設け、支持層5を厚み方向にエッチングすることにより、重量部5a、枠部5b、ブロック下層部5eを形成する。例えば、このようなエッチングとして支持層5に対して侵食性を有し、BOX層4に対して侵食性を有しない(もしくは支持層5の侵食性に比して低い)エッチング方法を用いることにより可能である。これにより、BOX層4の下面が露出するまで厚み方向にエッチングし、第2の構造体を形成する(図13(d))。
(4) Formation of second structure (step S23 and FIG. 13 (d))
A resist mask having a pattern corresponding to the
(5)保護層の除去(ステップS24、および図13(e))
上述した加速度センサの製造方法に記載した方法等に従い、ここでは説明を省略する。
(5) Removal of protective layer (step S24 and FIG. 13 (e))
The description is omitted here in accordance with the method described in the method of manufacturing the acceleration sensor described above.
(6)電極の形成(ステップS25、および図13(e))
活性層3およびBOX層4内に形成した貫通孔19(後述する導通部19)および、変位部3a上面、重量部5a下面に、例えば、スパッタ法や蒸着法により、導通部19および、駆動用電極E(図示せず)、検出用電極E(図示せず)を形成する。電極および配線の材料としては、例えば、Al、Cu、Ni、Au、Al−Nd等を用いることができる。
(6) Formation of electrodes (step S25 and FIG. 13 (e))
The through-hole 19 (conducting
ガラス基板2上、かつ、変位部3aの上面、重量部5aの下面に対向する主面に、駆動用電極E1a、E1b、検出用電極E2a、E2bを、上述の方法により、AlまたはAl−Nd等を用いて形成する。
また変位部3aの上面と対向するガラス基板2には、変位部3aがガラス基板2に接触することを防ぐために、エッチングにより凹部(ギャップ)形成しておき、駆動用電極E1a、検出電極E2aおよび図示しない配線を形成する。
また重量部5aの下面と対向するガラス基板2には、配線用端子17に対応した位置に貫通孔(図示せず)が設けられており、該貫通孔に上述の金属を成膜することにより、配線用端子17を形成している。
The driving electrodes E1a and E1b and the detection electrodes E2a and E2b are formed on the
Moreover, in order to prevent the
Further, the
(7)ガラス基板2の接合(ステップS26、および図13(f))
SOI基板1と2枚のガラス基板2とを、例えば、陽極接合により接合する。
ガラス基板2は、可動イオンを多く含むガラス基板であることが好ましい。例えば、Naイオンを多く含むパイレックス(登録商標)ガラスを用いることができる。
(7) Bonding of glass substrate 2 (step S26 and FIG. 13 (f))
The
The
(8)ダイシング(ステップS27、および図13(f))
一対のガラス基板2と、該一対のガラス基板2の間に挟持された状態で陽極接合により接合されたSOI基板1とから構成される力学量検出センサ200をダイシングソー等でダイシングし、個別の角速度センサに分離する。
(8) Dicing (Step S27 and FIG. 13 (f))
A mechanical
以上、上述の力学量検出センサの製造方法は本発明に係る製造方法の一例であって、上述したステップの順序に限られるものではない。 As mentioned above, the manufacturing method of the above-mentioned mechanical quantity detection sensor is an example of the manufacturing method concerning the present invention, and is not restricted to the order of the above-mentioned step.
<力学量検出センサを用いた電子部品について>
本発明に係る力学量検出センサは、例えば、IC等の能動素子を搭載する回路基板上に実装される。ワイヤボンディング接続等の周知の方法および材料によってパッド開口17および配線用端子17と、電子回路基板もしくはIC等の能動素子とを接続し、一つの電子部品として機能する。該電子部品は、例えば、ゲーム機、携帯電話等のモバイル端末機に搭載されて市場に流通する。
<Electronic parts using mechanical quantity detection sensor>
The mechanical quantity detection sensor according to the present invention is mounted on a circuit board on which an active element such as an IC is mounted, for example. The
100:加速度センサ
1:SOI基板
2:ガラス基板
3:活性層(第1の層)
3a:変位部
3b:接続部
3c:固定部
3d:開口部
4:BOX層(第2の層)
4a:接合部
5:支持層(第3の層)
5a:重量部
5b:枠部
6:保護層
7:支持基板
11:拡散層
12:絶縁層
13:コンタクトホール
14:層間接続体
15:配線
16:防護膜
17:パッド開口
18:貫通孔
19:導通部
Rx1〜Rx4、Ry1〜Ry4、Rz1〜Rz4:ピエゾ抵抗
20:溝部
30:空洞部
40:スルーホール
50:結合部
60:プラズマエッチング装置
61:チャンバ
62:電磁コイル
63:高周波電源
64:磁場レンズ
65:ステージ
66:真空ポンプ
67:電磁バルブ
W:半導体基板
200:角速度センサ
1:SOI基板
2:ガラス基板
3:活性層(第1の層)
3a:変位部
3b:接続部
3c:固定部
3d:開口部
3e:ブロック上層部
4:BOX層(第2の層)
4a:接合部
5:支持層(第3の層)
5a:重量部
5b:枠部
5e:ブロック下層部
17:配線用端子
19:導通部
E:駆動電極、検出電極
E1a、E1b:駆動用電極
E2a、E2b:検出用電極
100: Acceleration sensor 1: SOI substrate 2: Glass substrate 3: Active layer (first layer)
3a:
4a: Joint part 5: Support layer (third layer)
5a:
200: Angular velocity sensor 1: SOI substrate 2: Glass substrate 3: Active layer (first layer)
3a:
4a: Joint part 5: Support layer (third layer)
5a:
Claims (9)
前記第1の層に開口を有する固定部と、この開口内に配置され、かつ前記固定部に対して変位する変位部と、前記固定部と前記変位部とを接続する接続部とを含む第1の構造体を形成する第1の構造体形成工程と、
前記第1の構造体側に保護層を設ける保護層配設工程と、
前記半導体基板を前記保護層と一体の状態で、その厚み方向にエッチングして前記第3の層に前記変位部に接合される重量部と、前記重量部を囲んで配置され、かつ前記固定部に接合される枠部とを含む第2の構造体を形成する第2の構造体形成工程とを含み、
前記第2の構造体形成工程後に前記保護層を除去する保護層除去工程を行うことを特徴とする力学量検出センサの製造方法。 Using a semiconductor substrate in which a first layer made of a semiconductor material, a second layer made of an insulating material, and a third layer made of a semiconductor material are sequentially laminated,
A first portion including a fixed portion having an opening in the first layer; a displacement portion disposed in the opening and displaced with respect to the fixed portion; and a connection portion connecting the fixed portion and the displacement portion. A first structure forming step of forming one structure;
A protective layer disposing step of providing a protective layer on the first structure side;
The semiconductor substrate is integrally formed with the protective layer, and is etched in the thickness direction thereof to be bonded to the displacement portion by the third layer. The weight portion is disposed so as to surround the weight portion, and the fixing portion. A second structure forming step of forming a second structure including a frame portion joined to
A method for manufacturing a mechanical quantity detection sensor, comprising performing a protective layer removing step of removing the protective layer after the second structure forming step.
前記支持基板は、該支持基板と前記半導体基板とで前記保護層を挟むように配置され、
前記保護層を前記半導体基板あるいは前記支持基板の少なくとも一方に設けて、前記保護層を介して前記半導体基板と前記支持基板とが接合されていることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の力学量検出センサの製造方法。 In the protective layer disposing step, further comprising a step of supporting the semiconductor substrate and disposing a support substrate made of a rigid plate,
The support substrate is disposed so as to sandwich the protective layer between the support substrate and the semiconductor substrate,
The said protective layer is provided in at least one of the said semiconductor substrate or the said support substrate, and the said semiconductor substrate and the said support substrate are joined via the said protective layer. A method for manufacturing a mechanical quantity detection sensor according to item 1.
前記支持基板は前記半導体基板と対向する面に溝部を有していることを特徴する力学量検出センサ製造用の支持基板。 A support substrate used in the method of manufacturing a mechanical quantity detection sensor according to claim 4,
The support substrate for manufacturing a mechanical quantity detection sensor, wherein the support substrate has a groove on a surface facing the semiconductor substrate.
前記支持基板はスルーホールを有していることを特徴する力学量検出センサ製造用の支持基板。 A support substrate used in the method of manufacturing a mechanical quantity detection sensor according to claim 4,
The support substrate for manufacturing a mechanical quantity detection sensor, wherein the support substrate has a through hole.
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