JP2008544513A - 微小機械モーションセンサーを製造する方法、および、微小機械モーションセンサー - Google Patents

Abstract

本発明は、加速度、角加速度、または、角速度といった、物理量の測定において用いられる測定装置に関し、より正確には、微小機械モーションセンサーに関する。本発明によるモーションセンサーのコンポーネントのウエハー平面内の領域は、ダイシング切断されて９０゜回転されたモーションセンサーのコンポーネントの領域よりも小さい。それに対応して、本発明によるモーションセンサーのコンポーネントは、９０゜回転された該コンポーネントの高さは、接合の方向では、接合されたウエハーによって形成されるウエハー積層体の厚さよりも小さい。本発明の目的は、微小機械モーションセンサーの改善された製造方法を提供すること、および、微小機械モーションセンサーを提供することであり、小さい微小機械モーションセンサーの解決策での使用には特に好適なものである。
【選択図】図３

Description

発明の分野
本発明は、加速度、角加速度、または、角速度といった、物理量の測定において使用される測定装置に関し、より正確には、微小機械(micromechanical、マイクロメカニカル)モーションセンサーに関する。本発明の目的は、微小機械モーションセンサーの改善された製造方法を提供し、かつ、特に小さい微小機械モーションセンサーの解決策（solution、ソリューション）での使用に適用可能な微小機械モーションセンサーを提供することである。

発明の背景
微小機械モーションセンサーに基づく測定は、単純な原理からなる方法であること、そして、加速度、角加速度、または、圧力といった、物理量を測定する上で信頼性のある方法であることがわかっている。微小機械モーションセンサーにおいて、その測定は、例えば容量性の(capacitive、静電容量の）原理に基いており、該センサーの動作状態の変化が、バネで懸架された震動質量部(seismic mass)を変位させる。質量部の位置は、１対の電極間のキャパシタンスによって検出することができ、その表面同士の間のキャパシタンスは、その面積とそれら表面間の距離に関連するものである。微小機械モーションセンサーに基づく測定は、様々な物理量の極めて小さな計測範囲であっても使用されることができる。

一般に、小さい微小機械モーションセンサーは、シリコン上に作製された微小機械構造体に基づいている。バルク微小機械(bulk micromechanics)という用語は、厚い微小機械構造体を示しており、それは、典型的には１００μｍよりも厚く、ウエハー材料をエッチングすることによって形成されるものである。バルク微小機械センサーの利点は、その構造体の領域(area)に対して、該構造体の質量部が大きいことであり、そのことで、優れた性能の容量性加速度センサーの製造が可能となっている。

専門家用のおよび消費者用の電子機器の製造において、現在使用されている従来技術の接続(connection)法と密閉(encapsulation)法、および、消費者用の電子機器の小型化は、微小機械モーションセンサーなどのコンポーネント（構成装置）の寸法、特に高さに対する厳しい要求をもたらしている。残念ながら、バルク微小機械において、ウエハー平面を密閉封止すると、機械構造体は多くの場合両方の表面上で封止されなければならないので、特にウエハーの平面に垂直な方向のセンサーコンポーネントの高さは、一般に大きく、制御することが難しい。従って、封止ウエハーは、著しく、センサーコンポーネントの高さを増大させている。

以下に、従来技術を、添付の図面を例示的に参照して記載する。
図１は、微小機械モーションセンサーの製造において用いられる、従来技術によるウエハー構造体を示している。
図２は、微小機械モーションセンサーの製造において用いられる、ウエハー構造体からダイシング（diced)された、従来技術によるコンポーネント（構成装置）を示している。

図１は、微小機械モーションセンサーの製造において用いられる、従来技術によるウエハー構造体を示している。従来技術による微小機械モーションセンサーの製造においては、中央のウエハー１上に形成される微小なシステムは、例えば、陽極接合(anodic bonding)によって、２つの密閉封止ウエハー２、３をウエハーの上面と下面とに付着させることで封止される。

図２は、微小機械モーションセンサーの製造において使用されるウエハー構造体からダイシングされた、従来技術によるコンポーネントを示している。ウエハー構造体からダイシングされた従来技術によるコンポーネントは、典型的には、中央のシリコンウエハー４上に形成された、微小機械モーションセンサーの可動(moving)電極構造体を有し、該構造体は、両側において、該微小機械モーションセンサーの固定(static)電極構造体を構成する２つのガラス／シリコン要素５、６を用いて封止される。ウエハーの積み重ね１〜３の厚さが、典型的には１．５〜２．５ｍｍであるので、ダイシング後のコンポーネントの高さは、ほとんど不可避的に大きいものである。

従来技術によるモーションセンサーの問題は、センサーコンポーネントの過剰な高さである。センサーコンポーネントの高さは、封止ウエハーを薄くすることにより縮小することができる。しかしながら、薄くすることには限界があり、そしてそれは、熱応力、ねじれ、または、外乱(environmental disturbance)に対する、感度の上昇といった新たな問題を伴う。

専門家用のおよび消費者用の電子機器の製造においては、先の解決策よりも高さが低く、かつ加速度、角加速度、または圧力といった、様々な物理量の信頼性ある測定での使用に適用可能な微小機械モーションセンサーに対する要求が大きくなっている。

発明の概要
本発明の目的は、微小機械モーションセンサーの改善された製造方法、および、改善された微小機械モーションセンサーである。この発明を用いて、回路基板コンポーネントの高さを抑えることが成し遂げられ、それは特に小さい微小機械モーションセンサーの解決策での使用に適用可能である。

本発明の第一の特徴によって、ウエハー要素から微小機械センサーを製造するための製造方法が提供され、当該方法では、微小機械モーションセンサーのコンポーネントが、少なくとも２つのウエハーを接合することによって得られるウエハー積層体からダイシングされ、
ウエハー表面の平面では、該モーションセンサーのコンポーネントの領域が、ダイシングされて９０゜だけ回転された該モーションセンサーのコンポーネントの領域よりも小さいように、かつ、
接合の方向では、９０゜だけ回転された該モーションセンサーのコンポーネントの高さが、接合されたウエハーによって形成された前記ウエハー積層体の厚さよりも小さいようになっている。

当該方法では、微小機械モーションセンサーの電気的な接続領域が、ダイスカット面上へと堆積され、該ダイスカット面の領域が最も大きいことが好ましい。

好ましくは、当該方法では、
微小機械モーションセンサーの構造体が、１つのウエハー上でエッチングされ、
少なくとも２つのウエハーが互いに接合されてウエハー積層体を形成し、
該ウエハー積層体が、モーションセンサーのコンポーネントを切断することによりダイシングされ、該コンポーネントは、ウエハー平面内では、狭く長いものであり、
該モーションセンサーのコンポーネントは、その側面の一つの上へと、９０゜回転され、かつ、
接続領域が、該モーションセンサーのコンポーネントのダイスカット面上にメタライズされる。

好ましくは、ウエハーを接合する前に、ウエハーの少なくとも１つが、ガラスまたは酸化物で覆われる。好ましくは、接合されるウエハーの数は、３つであり、センサー構造体を有するウエハーのそれぞれの側の面上に、１つの封止ウエハーがある。

本発明の第二の特徴によると、少なくとも２つのウエハーの接合によって得られるウエハー積層体からダイシングされた微小機械モーションセンサーが提供され、
当該モーションセンサーのコンポーネントの領域が、ウエハー表面の平面では、ダイシングされかつ９０゜回転された該モーションセンサーのコンポーネントの領域よりも小さく、かつ、
９０゜だけ回転された該モーションセンサーのコンポーネントの高さが、接合の方向では、接合されたウエハーによって形成されたウエハー積層体の厚さよりも小さいようになっている。

微小機械モーションセンサーの電気的な接続領域が、そのダイスカット面上に堆積され、該ダイスカット面の領域が最も大きいことが好ましい。

当該モーションセンサーの震動質量部は、長いビーム状の構造体であって、両方の側面で、一方の側の壁において支持されているのが好ましい。代替的には、モーションセンサーの震動質量部は、長いビーム状の構造体（１４）であって、両方の側面で、その中心で支持される。さらに、代替的には、当該モーションセンサーの震動質量部は、平面内に様々な横方向を向いて位置している構造体であって、両方のエッジで、一方の端部で支持されている。さらに、代替的には、当該モーションセンサーの震動質量部は、平面内に様々な斜めの方向を向いて位置している三角形の構造体であって、１つの隅部において両方のエッジで支持されている。

以下に、本発明およびその好ましい形態を、添付の図面を例示的に参照して詳細に述べる。

図１〜２は、上記で述べた。以下に、本発明およびその好ましい実施形態を、図３〜９を参照して説明する。

本発明の詳細な記述
本発明による微小機械モーションセンサーの解決策（ソリューション）の特徴は、ウエハーの面におけるダイシングされたコンポーネントの領域が、ダイシングされかつ９０゜回転されたコンポーネントの領域よりも小さいように、該モーションセンサーのコンポーネントがウエハー構造体からダイシングされることである。本発明による微小機械モーションセンサーの電気的な接続の領域は、ダイスカット面上に堆積(deposit)され、その領域が最も大きい。とりわけ、本発明による微小機械モーションセンサーのコンポーネント（該コンポーネントは９０゜回転されたものである）の接合の方向での高さは、接合されたウエハーによって形成されるウエハー積層体の厚さよりも小さい。

図３は、当該微小機械モーションセンサーの製造において用いられる、ウエハー構造体からダイシングされた、本発明によるコンポーネント（構成装置）を示している。該図は、いくつかのダイシングされた微小機械モーションセンサーのコンポーネント７〜９を示しており、そのうちの１つの微小機械モーションセンサーのコンポーネント８が、その側面のうちの１つの上へと、９０゜回転されている。該コンポーネントの接続領域１１、１２は、ダイシングされた微小機械モーションセンサーのコンポーネント８の、ダイスカットした側壁１０の上へ堆積される。

本発明による微小機械モーションセンサーの構造体は、次のように設計される。即ち、ウエハー面の方向における寸法が、ウエハー積層体の厚さよりも明らかに小さく、１ｍｍを十分下回ることさえある、というものが得られるように設計される。本発明による微小機械モーションセンサーの製造においては、極めて狭くかつ長いコンポーネント７〜９がウエハー構造体から切り出され、それは、従来技術とは逆である。

本発明による微小機械モーションセンサーの製造では、複数のウエハーを接合し切断した後、該コンポーネントの接続領域が、そのダイスカット面に堆積され、その領域が最も大きい。ダイシングの後、該コンポーネント７〜９は、一方の側面上へと回転され、該コンポーネントの接続領域１１、１２は、該コンポーネント７〜９の他方のダイスカット側壁１０上に堆積される。本発明による解決策を用いることにより、該コンポーネントは、基板またはカプセルに接合される場合に、極めて高さが低くなる。

図４は、ウエハー構造体からダイシングされた、本発明による微小機械モーションセンサーのコンポーネントの断面図を示している。本発明による微小機械モーションセンサーでは、震動質量部(seismic mass)１３は、長いビーム(beam、梁）状の構造体１３であって、それは、該質量部の一方の縁部でかつ両側で、薄い曲がりバネによって支持されている。そのような構造体は、例えば、容量性加速度センサーとして用いることができる。

本発明による微小機械モーションセンサーでは、構造体の寸法比は、典型的な微小機械のそれとは異なる。概して言うと、当該微小機械構造体は、ウエハーの厚さに比べて、ウエハー面へと幅広くなっている。本発明による解決策では、狭い薄切り片(slice)がウエハーから切り出され、その薄切り片は、９０゜回転されると、接合の方向には薄く、かつ、幅広いものである。

図５は、当該微小機械モーションセンサーコンポーネントの震動質量部の、本発明による代替的な構造体の解決策を示している。本発明による代替的な微小機械モーションセンサーでは、震動質量部１４は、長い、ビーム状の構造体１４であり、薄い、または、狭い捩じりバネによって、両側のその中央で支持されている。そのような構造体は、例えば、角加速度の容量性センサーとして用いることができる。

図６は、当該微小機械モーションセンサーコンポーネントの震動質量部の、本発明による第二の代替的な構造体の解決策を示している。本発明による第二の代替的な微小機械モーションセンサーでは、震動質量部１５〜１８は、構造体１５〜１８であって、それらは、面内の様々な横(lateral)の方向（０゜、９０゜、１８０゜、２７０゜）に設置されており、一方の端部において両方のエッジ上に、薄いまたは幅の狭い捩じりバネによって支持されている。そのような構造体は、例えば、いくつかの軸を有する加速度センサーとして用いることができる。

図７は、微小機械モーションセンサーコンポーネントの震動質量部の、本発明による第三の代替的な構造体の解決策である。本発明による第三の代替的な微小機械モーションセンサーでは、震動質量部１９〜２２は、三角形の構造体１９〜２２であって、それらは、面内の様々な傾斜した方向（４５゜、１３５゜、２２５゜、３１５゜）に設置されており、１つの隅部において両方のエッジ上に、薄いまたは幅の狭い捩じりバネによって支えられている。そのような構造体は、例えば、いくつかの軸に対する加速度センサーとして用いることができる。

図８は、本発明による、微小機械モーションセンサーの製造方法を示している。本発明による方法では、最初に、センサー構造体が、少なくとも１つのウエハー上にエッチング、２３、が施される。次に、少なくとも２つのウエハーが、例えば、陽極(anodic)または溶融(fusion)ボンディングによって互いに接合される、２４。典型的には、接合される３つのウエハーがあってよく、センサー構造体を有するウエハーのそれぞれの面に１つの封止ウエハーがある。接合されるウエハーは、ウエハー積層体を構成する。接合した後、該ウエハー積層体は、ウエハー面において、狭く長いモーションセンサーのコンポーネントへとダイシング２５が施される。次に、モーションセンサーのコンポーネント２６は、一方の側面上へと９０゜回転される。その後、接続領域が、当該モーションセンサーのコンポーネントのダイスカット面上へとメタライズ２７される。

図９は、微小機械モーションセンサーの、本発明による代替的な製造方法を示している。本発明による代替的な方法では、封止ウエハーのうちの少なくとも１つが、例えば、グレージング(glazing)または酸化２８によって、前処理される。加えて、センサー構造体は、少なくとも１つのウエハー上にエッチング２３が施される。次に、少なくとも２つのウエハーが、互いに接合される（２４）。典型的には、接合される３つのウエハーがあり得、センサー構造体を含むウエハーの各表面上に、１つの封止ウエハーががあってよく、接合されたウエハーは、ウエハー積層体を構成する。接合の後、ウエハー積層体は、ウエハー面において、狭く長いモーションセンサーのコンポーネントへとダイシングされる（２５）。次に、モーションセンサーのコンポーネント２６は、一方の側面上へと９０゜回転される。次に、接続領域が、当該モーションセンサーのコンポーネントのダイスカット面上へとメタライズされる（２７）。

本発明による方法によって製造される微小機械モーションセンサーでは、ウエハーの厚さは、接触領域を備え密閉化(encapsulated)されたコンポーネントの高さを制限しないであろう。その高さは、単に、露光マスクのデザインによって決定され、その寸法決めは、コンポーネントのパッケージングおよび取り付けの必要性ならびに性能(performance)に従って、十分に容易である。

このように、コンポーネントを封止するウエハーがその高さを増大させることはないので、本発明による微小機械モーションセンサーの解決策は、極めて高さの低い微小機械センサーの性能を最大にすることを可能にする。本発明による解決策を用いて、コンポーネントのウエハー面の領域のほとんど全てを、モーションセンサーの質量部として利用することができる。本発明によるモーションセンサーのエッジ上には、ウエハーの接合および密閉封止(hermetical sealing)のために必要とされるフレーム領域のみが必要とされ、その領域の幅は、典型的には約１００〜２００μｍである。

図１は、微小機械モーションセンサーの製造において使用される、従来技術によるウエハー構造体を示している。 図２は、微小機械モーションセンサーの製造において使用されるウエハー構造体からダイシングされた、従来技術によるコンポーネントを示している。 図３は、微小機械モーションセンサーの製造において使用されるウエハー構造体からダイシングされた、本発明によるコンポーネントを示している。 図４は、ウエハー構造体からダイシングされた、本発明による微小機械モーションセンサーのコンポーネントの断面図を示している。 図５は、微小機械モーションセンサーのコンポーネントの震動質量部の、本発明による代替的な構造体の解決策を示している。 図６は、微小機械モーションセンサーのコンポーネントの震動質量部の、本発明による第二の代替的な構造体の解決策を示している。 図７は、微小機械モーションセンサーのコンポーネントの震動質量部の、本発明による第三の代替的な構造体の解決策を示している。 図８は、微小機械モーションセンサーを製造する本発明による方法を示している。 図９は、微小機械モーションセンサーを製造する本発明による代替的な方法を示している。

Claims (11)

1. ウエハー要素から微小機械モーションセンサーを製造するための製造方法であって、
   当該方法では、
   微小機械モーションセンサーのコンポーネントが、少なくとも２つのウエハーを互いに接合することによって得られるウエハー積層体から、ダイシングで切り出され、
   その特徴は、
   該微小機械モーションセンサーのコンポーネントが、次のようにダイシングされることであって、
   ウエハー表面の平面では、該モーションセンサーのコンポーネントの領域が、ダイスカットされかつ９０゜だけ回転された該モーションセンサーのコンポーネントの領域よりも小さいように、かつ、
   接合の方向では、９０゜だけ回転された該モーションセンサーのコンポーネントの高さが、接合されたウエハーによって形成された前記積層体の厚さよりも小さいように、
   ダイシングされることである、
   前記製造方法。
2. 微小機械モーションセンサーの電気的な接続領域が、ダイスカット面上に堆積され、該ダイスカット面の領域が最も大きいことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 当該方法において、
   微小機械モーションセンサーの構造体が、１つのウエハー上でエッチング（２３）され、
   少なくとも２つのウエハーが互いに接合（２４）されてウエハー積層体を形成し、
   該ウエハー積層体が、ウエハー平面内で、狭く長い、モーションセンサーのコンポーネントへとダイシングされ（２５）、
   該モーションセンサーのコンポーネントが、それらの側面の１つの上へと９０度回転され（２６）、
   接続領域が、該モーションセンサーのコンポーネントのダイスカット面上にメタライズ（２７）される、
   ことを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. ウエハーの接合に先立って、該ウエハーの少なくとも１つが、グレージングまたは酸化（２８）されることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
5. 接合されることになる３つのウエハーがあり、センサーの構造体を有するウエハーの両側の面上に、１つの封止ウエハーがあることを特徴とする、請求項３または４に記載の方法。
6. 少なくとも２つのウエハーの接合によって得られるウエハー積層体からダイシングで切り出された微小機械モーションセンサーであって、当該モーションセンサーの特徴は、
   ウエハー表面の平面では、該モーションセンサーのコンポーネントの領域が、ダイスカットされかつ９０゜だけ回転された該モーションセンサーのコンポーネントの領域よりも小さく、かつ、
   接合の方向では、９０゜だけ回転された該モーションセンサーのコンポーネントの高さが、接合されたウエハーによって形成された前記ウエハー積層体の厚さよりも小さいことである、
   前記微小機械モーションセンサー。
7. 当該微小機械モーションセンサーの電気的な接続領域が、そのダイスカット面上に堆積され、該ダイスカット面の領域が最も大きいことを特徴とする、請求項６に記載のモーションセンサー。
8. 当該モーションセンサーの震動質量部（１３）が、長いビーム状の構造体（１３）であって、両方の側面で、一方の側の壁において支持されていることを特徴とする、請求項６または７に記載のモーションセンサー。
9. 当該モーションセンサーの震動質量部（１４）が、長いビーム状の構造体（１４）であって、両方の側面で、その中心で支持されていることを特徴とする、請求項６または７に記載のモーションセンサー。
10. 当該モーションセンサーの震動質量部（１５）〜（１８）が、平面内に様々な横方向を向いて設置されている構造体（１５）〜（１８）であって、両方のエッジで、一方の端部で支持されていることを特徴とする、請求項６または７に記載のモーションセンサー。
11. 当該モーションセンサーの震動質量部（１９）〜（２２）が、平面内に様々な斜めの方向を向いて設置されている三角形の構造体（１９）〜（２２）であって、１つの隅部において両方のエッジで支持されていることを特徴とする、請求項６または７に記載のモーションセンサー。

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