JP2009150678A - ジャイロセンサ素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、生産効率に優れ、生産性の高いジャイロセンサ素子の製造方法を提供すること、さらには、小型化に適したジャイロセンサ素子の製造方法を提供することにある。さらに、感度の高く、信頼性に優れたジャイロセンサ素子の製造方法を提供することにある。
【解決手段】駆動振動脚及び検出振動脚を有する水晶片上に電極が形成されるジャイロセンサ素子の製造方法であり、水晶ウェハー上にマスク層を形成する工程と、マスク層を形成した水晶ウェハーをエッチングして水晶片が備わる水晶片基板を形成する工程と、水晶片基板に振動測定用電極を形成する工程と、水晶片基板に備わる水晶片の駆動及び検出振動周波数を測定する工程と、水晶片基板から振動測定用電極を除去する工程と、水晶片基板をウェットエッチングする工程と、ウェットエッチング後に水晶片基板に電極を形成する工程と、水晶片基板から電極が形成された水晶片を分離する工程を有する。
【選択図】図１

Description

水晶を用いた高精度で小型のジャイロセンサ素子の製造方法に関し、さらには、不良の発生が少なく生産性が高く信頼性に優れたジャイロセンサ素子の製造方法に関する。

近年、自動車のナビゲーションシステムの角速度検出や、デジタルカメラ、デジタルビデオ等の手ぶれ補正システムの角速度検出に用いられるジャイロセンサ素子の需要が高まっている。特に、水晶を用いたジャイロセンサ素子はセラミック材料を用いたジャイロセンサ素子に比べて周波数温度特性が優れており、信頼性が高いという理由から注目を浴びている。

従来は、この信頼性の高い水晶を用いたジャイロセンサ素子を製造するために以下に示すような製造方法が用いられていた（例えば特許文献１参照。）。

図１０は従来の四本の駆動振動脚と二本の検出振動脚を有するジャイロセンサ素子の構成を示した図である。図１０に示すように従来のジャイロセンサ素子２０は、水晶からなる水晶片１０５と電極２０５と錘部６００によって構成されている。水晶片１０５は連結脚１２５と、連結脚１２５に対して垂直方向に延びる四本の駆動振動脚１１５及び二本の検出振動脚１１６からなっており、駆動振動脚１１５と検出振動脚１１６にはそれぞれに電極２０５と錘部６００が形成されている。

このような形状からなる水晶片１０５はエッチング法によって形成され、水晶片１０５上の電極２０５はスパッタリング法や蒸着法によって金属膜を成膜した後フォトリソグラフィー法によって所定の形状にパターニングされる。駆動振動脚１１５と検出振動脚１１６の先端に形成される錘部６００は質量を大きくするために金（Ａｕ）を用い、メッキ法や蒸着法によって数ミクロン程度の厚さで厚く形成される。

図１１は従来の四本の駆動振動脚と二本の検出振動脚を有するジャイロセンサ素子の振動動作を模式的に示した図である。図１１においては、振動動作をわかりやすくするために各脚部を簡略化して線で表している。

ジャイロセンサ素子２０は、無回転状態の時は、図１１（ａ）に示すように、四本の駆動振動脚１１５のみが実線で示す振動姿態と一点鎖線で示す振動姿態の間を所定の周波数で振動し、その他の検出振動脚１１６及び連結脚１２５はほとんど振動しない。

回転状態になり角速度ωが加わると、図１１（ｂ）に示すように、振動している駆動振動脚１１５にコリオリ力が働き、これにより検出振動脚１１６が実線で示す振動姿態と一点鎖線で示す振動姿態の間を所定の周波数で振動し出す。ジャイロセンサ２０では、この検出振動脚１１６の振動を電極２０５（図１１には図示せず。）を通じて電気的に出力することで角速度ωを認知している。

なお、図１０に示すジャイロセンサ素子２０において、高い感度で且つ信頼性高く角速度を検出するには、駆動振動脚１１５の共振周波数と検出振動脚１１６の共振周波数の差である離調度がばらつきなく設計通りになるようにする必要がある。しかしながら製造過程において加工誤差による寸法ばらつきが生じるため、必ずしも駆動振動脚１１５と検出振動脚１１６の共振周波数が設計通りになるとは限らない。その結果、離調度（駆動振動脚１１５の共振周波数と検出振動脚１１６の共振周波数の差）も設計通りにはならず、そ
のままでは、高い感度で且つ信頼性高く角速度を検出することはできない。

そこで、従来のジャイロセンサ素子２０では錘部６００をレーザー加工法等により順次除去することによって、駆動振動脚１１５の共振周波数と検出振動脚１１６の共振周波数を調整し、離調度が設計通りになるようにしていた。

またこの他に、モニター水晶片を使って離調度を測定しながら、水晶片形成のためのエッチング時間を調整し、ジャイロセンサ素子の離調度を合わせ込む方法も提案されている（例えば特許文献２参照。）。

図１２は従来の一対の振動脚を有するジャイロセンサ素子の構成と振動動作を示した図である。図１２に示す従来のジャイロセンサ素子３０は形状の等しい一対の振動脚１１０を備える水晶片１０１と、その水晶片１０１上に所定の形状で形成された電極２１０とで構成されている。

このような構成からなるジャイロセンサ素子３０は、無回転状態の時は、図１２（ａ）に示すように、一方の振動脚１１０を励振させるとそれに伴い他方の振動脚１１０が共振し、その結果、２本の振動脚１１０がともに水平方向に振動（駆動振動ｆｄ）する。

回転状態になり角速度ωが加わると、図１２（ｂ）に示すように、各振動脚１１０にコリオリ力が働き、互いに反対の向きに垂直方向に振動（検出振動ｆｓ）し出す。ジャイロセンサ３０では、この振動脚１１０の検出振動ｆｓを電気的に出力することで角速度ωを認知している。

このような振動動作をおこなうジャイロセンサ素子３０では、駆動振動ｆｄの共振周波数（駆動振動周波数ｆｄ１）と検出振動ｆｓの共振周波数（検出振動周波数ｆｓ１）が近いほど感度は高くなるが、近すぎると外乱の影響を受けやすくなり、信頼性が低くなる。よって、従来のジャイロセンサ素子３０は実験に基づいた最適な範囲で駆動振動周波数ｆｄ１と検出振動周波数ｆｓ１を離して作られている。なおジャイロセンサ素子３０においては、駆動振動周波数ｆｄ１と検出振動周波数ｆｓ１の差のことを離調度と称する。

ジャイロセンサ素子３０を精度良く且つ信頼性高く製造するには、離調度が最適な範囲内に収まるように作らなければならず、そのために従来は以下に示すような製造方法が用いられていた。

図１３は従来の一対の振動脚を有するジャイロセンサ素子の製造方法を示した図である。まず図１３（ａ）に示すように、水晶ウェハー１０００の両面に金属からなるマスク層４００を所望の形状で形成する。なおこの工程における所望の形状とは、一対の振動脚１１０を有する水晶片１０１を投影した形状である。

次に図１３（ｂ）に示すように、マスク層４００が形成された水晶ウェハー１０００をエッチング液、例えばバッファードフッ酸（ＢＨＦ）液中に投入してウェットエッチングを施し、水晶片１５１を形成する。

図１４は従来の一対の振動脚を有するジャイロセンサ素子の製造方法で形成した水晶片基板からモニター水晶片を折り取った状態を示した図である。図１３（ｂ）で形成される水晶片１５１は、図１４に示すように、水晶片基板１５００に連結して多数作られる。一回の工程で同時に多数の水晶片１５１を形成することができるので、この工程に至るまでの生産性は非常に高い。

なお、図１４に示すように、図１３（ｂ）にて水晶片１５１を形成した後には、水晶片基板１５００上にマスク層４００がほぼウェットエッチング前の状態で存在している。

従来のジャイロセンサ素子３０の製造方法では、図１４に示すように、水晶片基板１５００に連結する多数の水晶片１５１の中から一つ、もしくは数個を折り取り、振動測定用のモニター水晶片１５２として用いる。なお折り取ったモニター水晶片１５２は電極を形成するためにマスク層４００を剥離する。

図１５は従来のジャイロセンサ素子の製造方法に用いられるモニター水晶片の構成と振動測定時の状態を示した図である。図１５（ａ）に示すように、モニター水晶片１５２はマスク層４００を剥離した後に電極２１５を所定の形状で形成してから振動測定を行う。

モニター水晶片１５２の振動測定を行うと、図１５（ｂ）に示すように、駆動振動周波数ｆｄ２と検出振動周波数ｆｓ２を測定することができる。理想的には、この駆動振動周波数ｆｄ２と検出振動周波数ｆｓ２が設計通りの駆動振動周波数ｆｄ１と検出振動周波数ｆｓ１の値と一致しているのが望ましいが、製造過程において加工誤差による寸法ばらつきが必ず発生するため、設計通りの駆動振動周波数ｆｄ１と検出振動周波数ｆｓ１とは異なる駆動振動周波数ｆｄ２と検出振動周波数ｆｓ２になることが多い。

そこで、従来のジャイロセンサ素子３０の製造方法では、設計上の駆動振動周波数ｆｄ１と検出振動周波数ｆｓ１と、モニター水晶片１５２で測定された駆動振動周波数ｆｄ２と検出振動周波数ｆｓ２の差をもとに、ウェットエッチング工程の追加時間を算出する。

そして、その算出したエッチング時間だけ、折り取られていない水晶片１５１が連結した水晶片基板１５００を再度ウェットエッチングする。水晶片基板１５００に連結する水晶片１５１の上下面はマスク層４００が形成されたまま残されているので、側面のみがエッチングされて、図１３（ｃ）に示すように、振動脚１１０の枝幅が細い水晶片１０１が形成される。

その後、図１３（ｄ）に示すように、水晶片１０１上のマスク層４００を剥離した後に電極２１０を形成し、振動脚１１０が設計通りの駆動振動周波数ｆｄ１と検出振動周波数ｆｓ１で振動し、設計通りの離調度（駆動振動周波数ｆｄ１と検出振動周波数ｆｓ１の差）のジャイロセンサ素子３０が完成する。

特開２００６−２５８５２７号公報（第６頁、図１） 特開２００３−２８６４５号公報（第３頁、図３）

駆動振動脚１１５と検出振動脚１１６の先端に形成される錘部６００をレーザー加工法等により順次除去して離調度を調整する従来のジャイロセンサ２０の製造方法の場合、離調度を調整するためだけに錘部６００を形成しなければならず、製造工程が多く非常に生産性が悪い。

また、離調度の調整量を多くするには、錘部６００を厚く成膜して質量を大きくしなくてはならず、そのため、錘部６００の成膜工程にかかる時間が長くなるので、更に生産性が悪くなる。

また、レーザーで加工される錘部６００の近傍には、電極２０５が配線されており、レーザー加工によって、誤って電極２０５を断線させてしまう不良が発生することも多々あった。その結果、錘部６００をレーザー加工法等により順次除去して離調度を調整する従来の製造方法は、信頼性が低かった。

さらに、ジャイロセンサ素子２０が小型化されると、錘部６００の形成可能な領域が狭くなり、離調度の調整量が少なくなってしまうので、小型化には適していない。

一方、水晶片基板１５００の中から折り取ったモニター水晶片１５２の離調度の測定結果をもとに、再度水晶片基板１５００をウェットエッチングして離調度を合わせていく従来のジャイロセンサ３０の製造方法の場合、折り取ったモニター水晶片１５２は不良品として利用されずに廃棄されてしまうので、生産効率が悪い。

また、生産効率を良くするためにモニター水晶片１５２の測定数を少なくすると、その測定結果が水晶片基板１５００に連結する水晶片１５１の平均的な離調度とは、かけ離れた値を示すこともある。

モニター水晶片１５２の測定結果が水晶片１５１の平均的な離調度とかけ離れていると、最適なエッチング時間の算出ができないため、離調度調整の精度が非常に悪くなり、信頼性が低くなる。さらに最悪の場合、必要以上にエッチングし過ぎてしまい、水晶片基板１５００に連結する残りの水晶片１５１のすべてを不良にしてしまうこともあった。

また、モニター水晶片１５２上に形成される電極２１５は水晶片基板１５００から折り取られた後に形成されるのに対し、最終工程で水晶片１０１上に形成される電極２１０は水晶片基板１５００に連結した状態で形成されるので、電極２１５と電極２１０は必ずしも、同じ形状で同じ位置に形成されるとは限らない。電極２１０の形成状態によっては、離調度が設計値からはずれてしまう場合もある。

さらに、ジャイロセンサ素子３０が小型化され、モニター水晶片１５２が非常に小さくなると、折り取ったモニター水晶片１５２上に電極を形成することは、非常に難しく小型化に適していない。

本発明の目的は、高精度で小型のジャイロセンサ素子の製造方法を提供することであり、さらには、不良の発生が少なく生産性が高く信頼性に優れたジャイロセンサ素子の製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のジャイロセンサ素子の製造方法では、電気信号の入出力を行う電極と、該電極からの電気信号の入力によって振動する駆動振動脚及び回転運動によって生じるコリオリ力を検出する検出振動脚を有する水晶片とを備えるジャイロセンサ素子の製造方法であって、
水晶ウェハー上に所望の形状のマスク層を形成するマスク層パターニング工程と、
マスク層を形成した水晶ウェハーをエッチングして、複数の水晶片が連結して備わる水晶片基板を形成する水晶片基板形成工程と、
水晶片基板に連結する複数の水晶片上に振動測定用電極を形成する振動測定用電極形成工程と、
水晶片基板に連結し振動測定用電極が形成された水晶片を励振させ、水晶片基板に連結する水晶片の駆動振動周波数と検出振動周波数を測定する振動測定工程と、
水晶片基板に連結する水晶片から振動測定用電極を除去する振動測定用電極剥離工程と、
振動測定用電極を剥離した水晶片が連結して備わる水晶片基板をウェットエッチング法によってエッチングする追加エッチング工程と、
追加エッチング工程の後に、水晶片基板に連結する複数の水晶片上に前記電極を形成する電極形成工程と、
水晶片基板から電極が形成された水晶片を分離する水晶片分離工程とを有している。

また、振動測定用電極と電極を水晶片基板に備わるアライメントマークと位置合わせして形成するのが望ましい。

また、振動測定用電極形成工程において、導電性を有するマスク層を所定の形状に加工して振動測定用電極を形成するのが望ましい。

（作用）
本発明の上記手段では、まず水晶ウェハー上に形成されたマスク層をエッチング保護膜として利用し、水晶ウェハーのマスク層に覆われていない露出部をエッチングすることで水晶片基板に水晶片を形成する。エッチング法は切削加工法等に比べて非常に精度良く微細に加工することができるので、小型化に適している。さらに、多数の水晶片を同時に一括して形成することができるので、生産性にも優れている。

また、一枚の水晶片基板に複数の水晶片が連結して形成されるので、水晶片基板ごとに振動測定用電極や電極の形成工程を行うことができる。これにより、多数ある水晶片上に同時に一括して振動測定用電極や電極を形成できるので、生産性に優れている。また、ジャイロセンサ素子が小型化されて水晶片の大きさが小さくなっても、水晶片基板の大きさで作業ができるので、作業性が良く小型化にも適している。

また、本発明では、水晶片基板に連結した状態のままで、振動測定用電極が形成された水晶片の駆動振動周波数と検出振動周波数を測定する。水晶片基板から折り取ることなく振動測定を行うので、水晶片を無駄にすることが無く、生産効率を高くすることができる。

さらに、水晶片を折り取って無駄にすることがないので、一枚の水晶片基板の中から多くの水晶片を測定することが可能である。例えばすべての水晶片の振動測定を行ってもかまわない。これにより測定数を多くすることができるので、水晶片基板内のすべての水晶片の平均的な駆動振動周波数と検出振動周波数、しいてはそれらの差である平均的な離調度を精度良く予測することができる。

その結果、最適な設計通りの離調度（駆動振動周波数と検出振動周波数の差）に調整するために必要な追加エッチング時間を精度良く算出することが可能となり、追加エッチング工程後の水晶片基板内のほとんどの水晶片を設計に近い離調度に合わせ込むことができる。以上の理由から本発明は高い信頼性と高い生産性を両立可能である。

さらに、本発明では最後の工程で水晶片基板から水晶片を分離してジャイロセンサ素子の完成に至る。そのため、ほとんどすべての工程を水晶片基板の大きさで流すことができるので作業性が良く小型化にも適している。

本発明の製造方法における追加エッチング工程は、振動測定用電極剥離工程を経てから行うので、水晶片の全面が露出している状態で行われる。そのため水晶片の各振動脚は幅方向、長さ方向、厚み方向のすべて方向にエッチングされることになるが、水晶の結晶面の影響で、方向によってエッチングされる速度は一定ではない。一般にＺカット水晶ウェハーを使った場合、厚み方向は幅方向、長さ方向よりもエッチングが速く進む。

本発明では、この厚み方向にエッチングが速く進む水晶エッチング特性を利用することにより、駆動振動周波数の変化量と検出振動周波数の変化量に差が生じ、その結果、駆動振動周波数と検出振動周波数の差である離調度を追加エッチング工程によって変えることができる。

また、本発明の製造方法では、水晶片基板に振動測定用電極を形成する工程と、電極を形成する工程を有するが、振動測定用電極と電極はできる限り同じ位置に形成した方が離調度調整の信頼性は高まる。なぜなら電極位置関係によって、多少なりとも振動特性に違いが生じてしまうからである。そこで、本発明では、水晶片基板にアライメントマークをあらかじめ形成しておき、そのアライメントマークと位置合わせして、振動測定用電極と電極を形成している。アライメントマークの位置は追加エッチング工程前後で変わらないので、振動測定用電極と電極を同じ位置に形成することができる。

また、本発明ではマスク層を導電性材料で形成し、そのマスク層を所望の形状に加工することによって振動測定用電極を形成することも可能である。そうすることにより振動測定用電極の形成のために新たに導電性膜を成膜する手間が省け、生産性がより向上する。

本発明によれば、生産効率に優れ、生産性の高いジャイロセンサ素子の製造方法を提供できる。さらに、小型化に適したジャイロセンサ素子の製造方法を提供できる。さらに、感度が高く、信頼性に優れたジャイロセンサ素子の製造方法を提供できる。

（第１の実施形態）
図９は本発明のジャイロセンサ素子の構成と振動動作を示した図である。図９に示す本発明のジャイロセンサ素子１０は温度特性に優れた材料である水晶からなる水晶片１００と、その水晶片１００上に形成され電気信号の入出力を行う電極２００とで構成されている。

本発明のジャイロセンサ素子１０に用いられる水晶片１００は形状の等しい２本の駆動振動脚１１１と、駆動振動脚１１１よりも脚幅が狭く形成された１本の検出振動脚１１２が基部１２０から突出するフォーク状の形状をしている。

このような構成からなるジャイロセンサ素子１０は、以下に示すようにして角速度ωの検出を行う。まず２本の駆動振動脚１１１を励振させ、２本の駆動振動脚１１１を水平方向に振動（駆動振動ｆｄ）させる。無回転状態の時は、図９（ａ）に示すように、２本の駆動振動脚１１１は振動するが、残りの１本の検出振動脚１１２は振動しない。

回転状態になり角速度ωが加わると、図９（ｂ）に示すように、振動している駆動振動脚１１１にコリオリ力が働き、互いに反対の向きに垂直方向に振動（検出振動ｆｓ）し出す。この時、この垂直方向の振動（検出振動ｆｓ）に共振して検出振動脚１１２が振動するように設計されており、その結果、回転状態の時だけ検出振動脚１１２が振動（検出振動ｆｓ）する。本発明のジャイロセンサ１０では、この検出振動脚１１２の検出振動ｆｓを電気的に出力することで角速度ωを認知している。

このような振動動作をおこなうジャイロセンサ素子１０では、駆動振動ｆｄの共振周波数（駆動振動周波数ｆｄ１）と検出振動ｆｓの共振周波数（検出振動周波数ｆｓ１）が近いほど感度は高くなるが、近すぎると外乱の影響を受けやすくなり、信頼性が低くなる。

そこで高い感度と高い信頼性を両立させるために、本発明のジャイロセンサ素子１０では実験に基づいた最適な範囲で駆動振動周波数ｆｄ１と検出振動周波数ｆｓ１を離して作られる。なおジャイロセンサ素子１０において、駆動振動周波数ｆｄ１と検出振動周波数ｆｓ１の差のことを離調度Δｆと称する。

本実施形態では、高感度で且つ高い信頼性を有するジャイロセンサ素子１０を形成するために、離調度Δｆを３００〜５００Ｈｚ程度の範囲に設定し、この離調度Δｆになるように駆動振動脚１１１の形状を幅０．１５ｍｍ×厚み０．１６ｍｍ×長さ２．３ｍｍに、検出振動脚１１２の形状を幅０．０５ｍｍ×厚み０．１６ｍｍ×長さ２．４ｍｍに設計して、製造を行った。

図１は本発明のジャイロセンサ素子の製造方法を示した図である。以下に本発明のジャイロセンサ素子１０の製造方法について説明する。まず図１（ａ）に示すように、板厚が１６０μｍの水晶ウェハー１０００の平面上に、所望とする水晶片１００の外形形状をかたどったマスク層４００を形成する。本発明の製造方法では、本工程をマスク層パターニング工程と称する。

図２は本発明のジャイロセンサ素子の製造方法におけるマスク層パターニング工程後の状態を示した図である。図２に示すように水晶ウェハー１０００の表裏面には、複数の水晶片パターン４１０と、その水晶片パターンが接続する枠部パターン４２０と、アライメントマーク２１００を有するマスク層４００が形成されている（図２では裏面側のマスク層４００は見えていない。）。

本実施形態では、真空成膜法の一つであるスパッタリング法を用いて、水晶ウェハー１０００上にクロム（Ｃｒ）膜を成膜し、さらにそのＣｒ膜上に金（Ａｕ）膜を成膜した後、フォトリソグラフィー法によってマスク層４００を形成した。フォトリソグラフィー法は一般にＬＳＩ分野で広く用いられており、ミクロン以下の非常に高い精度でのパターニングが可能であることが一般にも知られており、小型化に適している。

次に、図１（ｂ）に示すように、マスク層４００をマスクとして使用してエッチング法によって水晶ウェハー１０００を加工し、さらにその後、図１（ｃ）に示すように、マスク層４００を除去して、２本の駆動振動脚１１３と１本の検出振動脚１１４の水晶片１５０が出来上がる。

本工程で用いられるエッチング法は切削加工法等に比べて非常に精度良く微細に加工することができる加工法であり、非常に小さな水晶片１５０を形成することも可能である。よってジャイロセンサ素子１０の小型化に非常に適している。なお本発明の製造方法では、図１（ｂ）から図１（ｃ）に至る工程を水晶片基板形成工程と称している。

図３は本発明のジャイロセンサ素子の製造方法における水晶片基板形成工程後の状態を示した図である。図１（ｃ）は一枚の水晶ウェハー１０００をエッチング加工してできた複数の水晶片１５０のうちの一つだけを部分的に表示したものであり、全体的には、図３に示すように、複数の水晶片１５０が枠部１５５０で連結した一枚の水晶片基板１５００として形成される。

このように複数の水晶片１５０を同時に一括して形成することができるので、本工程は生産性にも優れていると言える。なお本工程では、マスク層４００に形成されていたアライメントマーク２１００も転写され、水晶片基板１５００上に彫り込まれたアライメントマーク２０００が同位置に形成される。

本実施形態では、１６０μｍの板厚の水晶ウェハー１０００を、７０℃のバッファードフッ酸（ＢＨＦ）で４時間のウェットエッチング加工を行った後、Ａｕのエッチング液とＣｒのエッチング液でマスク層４００を除去して、複数の水晶片１５０が連結した水晶片基板１５００を形成した。

なお本実施形態では、ウェットエッチング法によって水晶片基板１５００を形成したが、ドライエッチング法によっても同様に水晶片基板１５００を形成することは可能である。本発明の製造方法における水晶片基板形成工程では、ウェットエッチング法を用いても、ドライエッチング法を用いて何ら問題はない。

次に、図１（ｄ）に示すように、水晶片１５０上に振動測定用電極３００を形成する。本発明では本工程のことを振動測定用電極形成工程と称している。さらに、その振動測定用電極３００を通じて水晶片１５０に電界をかけることで駆動振動脚１１３、検出振動脚１１４を振動させ、駆動振動脚１１３の駆動振動周波数ｆｄ２と検出振動周波数ｆｓ２を測定する。本発明では本工程のことを振動測定工程と称している。

図４は本発明のジャイロセンサ素子の製造方法における振動測定用電極形成工程後の状態を示した図である。本発明の振動測定用電極形成工程では、図４に示すように、複数の水晶片１５０が枠部１５５０を介して連結した水晶片基板１５００上に振動測定用電極３００を形成する。

水晶片基板１５００ごとに振動測定用電極３００の形成工程を処理することができ、同時に一括して多数ある水晶片１５０上に振動測定用電極３００を形成できるので、非常に生産性が良好である。また、ジャイロセンサ素子１０が小型化され、水晶片１５０の大きさが小さくなっても、水晶片基板１５００の大きさで作業することができるので、作業性が良く小型化にも適している。

なお、水晶片基板１５００に形成されるアライメントマーク２０００を目安にして振測測定用電極３００を位置合わせして形成することで、水晶片１５０の所定の位置に精度良く振動測定用電極３００を形成することができる。

さらに本発明の振動測定工程では、図４に示す水晶片基板１５００に連結した状態のままで水晶片１５０の駆動振動周波数ｆｄ２と検出振動周波数ｆｓ２を測定する点も大きな特徴である。水晶片基板１５００から折り取ることなく振動測定を行うので、従来の製造方法のように測定した水晶片１５０（従来の製造方法ではモニター水晶片１５２）を無駄に廃棄する必要が無く、生産効率を高くすることができる。

さらに、水晶片１５０を折り取って無駄に廃棄することがないので、一枚の水晶片基板１５００の中から多くの水晶片１５０を測定することが可能である。例えば水晶片基板１５００に連結するすべての水晶片１５０を振動測定することも可能である。このように測定数を多くすることができるので、水晶片基板１５００内のすべての水晶片１５０の平均的な駆動振動周波数ｆｄ２と検出振動周波数ｆｓ２を精度良く予測することができる。

本実施形態では、水晶片基板１５００上に下層が０．０３μｍ厚のＣｒ膜で、上層が０．１５μｍ厚のＡｕ膜からなる積層膜をフォトリソグラフィー法でパターニングして振動測定用電極３００を形成した。そしてその振動測定用電極３００に外部から電圧を加え、一つ一つの水晶片１５０の駆動振動周波数ｆｄ２と検出振動周波数ｆｓ２を測定し、駆動振動周波数ｆｄ２と検出振動周波数ｆｓ２の差である調整前離調度Δｆ２を調べた。その結果、本実施形態では、水晶片基板１５００内の各水晶片１５０の調整前離調度Δｆ２は４００Ｈｚ〜６００Ｈｚの範囲にあった。

次に、図１（ｅ）に示すように、振動測定用電極３００を除去してから水晶片１５０をウェットエッチングして、駆動振動脚１１１の駆動振動周波数ｆｄ１と検出振動周波数ｆｓ１の差、すなわち調整後離調度Δｆ１が最適な範囲、例えば本実施形態では３００〜５００Ｈｚ程度になるように調整を行う。この調整工程を本発明では追加エッチング工程と称している。

追加エッチング工程は振動測定用電極３００を除去してから行われるので、水晶片１５０の全面が露出している状態で行われる。そのため水晶片１５０の各振動脚（駆動振動脚１１３、検出振動脚１１４）は幅方向、長さ方向、厚み方向のすべて方向にエッチングされることになる。しかしながら水晶をウェットエッチングする場合、その結晶面の影響で、エッチングされる速度は一定ではない。一般にＺカット水晶ウェハーを使った場合、厚み方向は幅方向、長さ方向よりもエッチングが速く進むことが知られている。

水晶エッチング特性によって厚み方向にエッチングが速く進むと、検出振動周波数ｆｓ２が大きく変化し、駆動振動周波数ｆｄ２はそれほど変化しない。その結果、駆動振動周波数ｆｄ２の変化量と検出振動周波数ｆｓ２の変化量に差が生じ、離調度Δｆが大きく変化することになる。

なおこの追加エッチング工程における離調度Δｆの調整は、あらかじめ測定した水晶片１５０の調整前離調度Δｆ２（＝駆動振動周波数ｆｄ２−検出振動周波数ｆｓ２）と希望とする調整後離調度Δｆ１（＝駆動振動周波数ｆｄ１−検出振動周波数ｆｓ１）の差からウェットエッチング時間を算出し、その算出したウェットエッチング時間で水晶片基板１５００をエッチング処理することにより行われる。

よってあらかじめ測定して得た調整前離調度Δｆ２の測定精度が高ければ高いほど、精度良く設計通りの調整後離調度Δｆ１に調整することができる。本発明では、前述のように振動測定工程において測定数を多くすることができるので、調整前離調度Δｆ２の測定精度を高めることができ、その結果、非常に精度良く振動周波数を調整することができる。

図５は本発明のジャイロセンサ素子の製造方法における追加エッチング工程後の状態を示した図である。先の振動測定工程において測定数を多くすれば、水晶片基板１５００内のすべての水晶片１５０の平均的な調整前離調度Δｆ２を精度良く予測することができる。

この平均的な調整前離調度Δｆ２をもとにして算出したウェットエッチング時間を用いれば、水晶片基板１５００に連結するほぼすべての水晶片１００を設計通り調整後離調度Δｆ１からなる駆動振動脚１１１と検出振動脚１１２にすることができる。その結果、一枚の水晶片基板１５００内における調整不良を減らすことができるので、生産性が格段に向上する。

本実施形態では、振動測定工程で測定した水晶片１５０の調整前離調度Δｆ２が４００Ｈｚ〜６００Ｈｚ程度であったので、希望とする調整後離調度Δｆ１（３００〜５００Ｈｚ）よりも約１００Ｈｚ大きかった。そこで、５０℃のバッファードフッ酸（ＢＨＦ）で数分間の追加エッチング処理を行った。

その後、図１（ｆ）に示すように、新たに形成された水晶片１００上に電極２００を形成し（電極形成工程と称する。）、再度、駆動振動脚１１１の駆動振動周波数ｆｄ１と検出振動周波数ｆｓ１を測定し、希望とする調整後離調度Δｆ１に調整されていることを確
認する。なおこの時点で調整が足りなかった場合には、再度電極２００を剥離して追加エッチング工程を行うことも可能である。

本発明では、従来の製造方法のように水晶片１００を折り取る必要がないので、水晶片１００を無駄にすることなく何度でも追加エッチング工程を行うことができる。

図６は本発明のジャイロセンサ素子の製造方法における電極形成工程後の状態を示した図である。本発明の電極形成工程では、図６に示すように、複数の水晶片１００が連結した水晶片基板１５００上に電極２００を形成する。水晶片基板１５００ごとに電極２００の形成工程を処理することができ、同時に一括して多数ある水晶片１００上に電極２００を形成できるので、非常に生産性が良好である。

また、ジャイロセンサ素子１０が小型化され、水晶片１００の大きさが小さくなっても、水晶片基板１５００の大きさで作業することができるので、作業性が良く小型化にも適している。なお、水晶片基板１５００に形成されるアライメントマーク２０００を目安にして電極２００を位置合わせして形成することで、水晶片１００の所定の位置に精度良く電極２００を形成することができる。

また、振動測定用電極形成工程と、電極形成工程で同一のアライメントマーク２０００を利用することで、振動測定用電極３００と電極２００はほぼ同じ位置に形成することができ、その結果、電極位置関係による振動特性への影響を少なくすることができるため、離調度調整の信頼性を高めることができる。

本実施形態では、水晶片基板１５００上に下層が０．０３μｍ厚のＣｒ膜で、上層が０．１５μｍ厚のＡｕ膜からなる積層膜をスパッタリング法で成膜した後、フォトリソグラフィー法でパターニングして電極２００を形成した。

そしてその電極２００に外部から電圧を加え、一つ一つの水晶片１００の駆動振動周波数ｆｄ１と検出振動周波数ｆｓ１を測定したところ、駆動振動周波数ｆｄ１と検出振動周波数ｆｓ１の差である調整後離調度Δｆ１は設計通りの４００Ｈｚ〜６００Ｈｚの範囲内にあった。以上のようにして、離調度Δｆを希望とする最適な範囲内に調整することができた。

最後に、図７に示すように、水晶片基板１５００から電極２００が形成された水晶片１００を分割し、ジャイロセンサ素子１０が完成する。本工程を水晶片分離工程と称する。なお、分割方法はいかなる方法を用いてもかまわないが、本実施形態では、レーザー加工法によって水晶片１００の分割を行った。

レーザー加工法によって水晶片分離工程を行う場合においても、水晶片基板１５００に形成されたアライメントマーク２０００を目安として利用すれば、レーザーを正確に所定の位置に照射することができ、折り取り位置の不良を極力少なくすることができる。

以上のようにして、本実施形態では高精度で高い信頼性を有する小型のジャイロセンサ素子１０を製造することができた。またジャイロセンサ素子１０を製造するにおいて、一括で大量のジャイロセンサ素子１０を生産でき、且つ不良の発生も少なくすることができたので、生産性を大幅に向上させることができた。

（第２の実施形態）
図８は本発明のマスク層を振動測定用電極にするジャイロセンサ素子の製造方法を示した図である。本実施形態は導電性を有するマスク層４００を用い、そのマスク層４００を
振動測定用電極３５０としても利用した例である。

以下にその製造方法を説明する。まず始めに、図８（ａ）に示すように、水晶ウェハー１０００の平面上に、所望とする水晶片１００の外形形状をかたどった導電性のマスク層４００を形成する（マスク層形成工程）。さらにマスク層４００上にはレジストパターン５００を振動測定用電極３５０の形状で形成する。

本実施形態では、板厚が１６０μｍの水晶ウェハー１０００上に、スパッタリング法で、０．０３μｍ厚のクロム（Ｃｒ）膜、続けて０．１５μｍ厚の金（Ａｕ）膜を成膜した後、フォトリソグラフィー法によってマスク層４００を形成した。さらにそのマスク層４００上に感光性レジストを塗布しフォトリソグラフィー法によってレジストパターン５００を形成した。

次に、図８（ｂ）に示すように、マスク層４００をマスクとして使用してエッチング法によって水晶ウェハー１０００を加工し水晶片１５０を形成する（水晶片形成工程）。

本実施形態では、１６０μｍの板厚の水晶ウェハー１０００を、７０℃のバッファードフッ酸（ＢＨＦ）で４時間のウェットエッチング加工を行い、複数の水晶片１５０が連結した水晶片基板１５００を形成した。なおこの時、レジストパターン５００はバッファードフッ酸（ＢＨＦ）、Ａｕのエッチング液、Ｃｒのエッチング液に対して耐食性を有しているので、形状が壊れることはなかった。

次に本実施形態では、図８（ｃ）に示すように、レジストパターン５００をマスクとして使用してエッチング法によってマスク層４００をパターニングし、振動測定用電極３５０を形成する（振動測定用電極形成工程）。その後、レジストパターン５００を除去して振動測定用電極３５０を露出させ、その振動測定用電極３５０に電流を流して水晶片１５０の駆動振動脚１１３、検出振動脚１１４を振動させ、駆動振動脚１１３の駆動振動周波数ｆｄ２と検出振動周波数ｆｓ２を測定する（振動測定工程）。

このように、本実施形態の振動測定用電極形成工程では、振動測定用電極の形成のために新たに導電性膜を成膜する手間を省くことができる。そのため生産性をより向上させることができる。

次に、図８（ｄ）に示すように、振動測定用電極３５０を除去してから水晶片１５０をウェットエッチングし、駆動振動脚１１１、検出振動脚１１２を有する水晶片１００を形成する（追加エッチング工程）。なおこの時のウェットエッチング処理時間は、振動測定工程で得られた調整前離調度Δｆ２（駆動振動周波数ｆｄ２と検出振動周波数ｆｓ２の差）、と希望とする調整後離調度Δｆ１（駆動振動周波数ｆｄ１と検出振動周波数ｆｓ１の差）を鑑みて算出する。

本実施形態では、振動測定工程で測定した水晶片１５０の調整前離調度Δｆ２が４００Ｈｚ〜６００Ｈｚ程度であった。希望とする調整後離調度Δｆ１（３００〜５００Ｈｚ）よりも約１００Ｈｚ大きかったので、５０℃のバッファードフッ酸（ＢＨＦ）で数分間の追加エッチング処理を行った。

その後、図８（ｅ）に示すように、新たに形成された水晶片１００上に電極２００を形成し（電極形成工程）、再度、駆動振動脚１１１の駆動振動周波数ｆｄ１と検出振動周波数ｆｓ１を測定し、希望とする調整後離調度Δｆ１に調整されていることを確認する。

本実施形態では、水晶片１００上に下層が０．０３μｍ厚のＣｒ膜で、上層が０．１５
μｍ厚のＡｕ膜からなる積層膜をスパッタリング法で成膜した後、フォトリソグラフィー法でパターニングして電極２００を形成した。

そしてその電極２００に外部から電圧を加え、一つ一つの水晶片１００の駆動振動周波数ｆｄ１と検出振動周波数ｆｓ１を測定したところ、駆動振動周波数ｆｄ１と検出振動周波数ｆｓ１の差である調整後離調度Δｆ１は設計通りの４００Ｈｚ〜６００Ｈｚの範囲内にあった。以上により、離調度Δｆを設計上の最適な範囲内に調整することができた。

最後に、図７に示すように水晶片基板１５００から電極２００が形成された水晶片１００を分割し、ジャイロセンサ素子１０が完成する（水晶片分離工程）。

本発明のジャイロセンサ素子の製造方法を示した図である。 本発明のジャイロセンサ素子の製造方法におけるマスク層パターニング工程後の状態を示した図である。 本発明のジャイロセンサ素子の製造方法における水晶片基板形成工程後の状態を示した図である。 本発明のジャイロセンサ素子の製造方法における振動測定用電極形成工程後の状態を示した図である。 本発明のジャイロセンサ素子の製造方法における追加エッチング工程後の状態を示した図である。 本発明のジャイロセンサ素子の製造方法における電極形成工程後の状態を示した図である。 本発明のジャイロセンサ素子の製造方法における水晶片分離工程を示した図である。 本発明のマスク層を振動測定用電極にするジャイロセンサ素子の製造方法を示した図である。 本発明のジャイロセンサ素子の構成と振動動作を示した図である。 従来の四本の駆動振動脚と二本の検出振動脚を有するジャイロセンサ素子の構成を示した図である。 従来の四本の駆動振動脚と二本の検出振動脚を有するジャイロセンサ素子の振動動作を模式的に示した図である。 従来の一対の振動脚を有するジャイロセンサ素子の構成と振動動作を示した図である。 従来の一対の振動脚を有するジャイロセンサ素子の製造方法を示した図である。 従来の一対の振動脚を有するジャイロセンサ素子の製造方法で形成した水晶片基板からモニター水晶片を折り取った状態を示した図である。 従来のジャイロセンサ素子の製造方法に用いられるモニター水晶片の構成と振動測定時の状態を示した図である。

符号の説明

１０、２０、３０ ジャイロセンサ素子
１００、１０１、１０５、１５０、１５１ 水晶片
１１０ 振動脚
１１１、１１３、１１５ 駆動振動脚
１１２、１１４、１１６ 検出振動脚
１２０ 基部
１２５ 連結脚
１５２ モニター水晶片
２００、２０５、２１０、２１５ 電極
３００、３５０ 振動測定用電極
４００ マスク層
４１０ 水晶片パターン
４２０ 枠部パターン
５００ レジストパターン
６００ 錘部
１０００ 水晶ウェハー
１５００ 水晶片基板
１５５０ 枠部
２０００、２１００ アライメントマーク

Claims (3)

1. 電気信号の入出力を行う電極と、この電極からの電気信号の入力によって振動する駆動振動脚及び回転運動によって生じるコリオリ力を検出する検出振動脚を有する水晶片とを備えるジャイロセンサ素子の製造方法であって、
   水晶ウェハー上に所望の形状のマスク層を形成するマスク層パターニング工程と、
   前記マスク層を形成した水晶ウェハーをエッチングして、複数の前記水晶片が連結して備わる水晶片基板を形成する水晶片基板形成工程と、
   前記複数の水晶片上に振動測定用電極を形成する振動測定用電極形成工程と、
   前記振動測定用電極が形成された水晶片を励振させ、この水晶片の駆動振動周波数と検出振動周波数を測定する振動測定工程と、
   前記水晶片から前記振動測定用電極を除去する振動測定用電極剥離工程と、
   前記振動測定用電極を剥離した水晶片が連結して備わる水晶片基板をウェットエッチング法によってエッチングする追加エッチング工程と、
   この追加エッチング工程の後に、前記水晶片基板に連結する複数の水晶片上に前記電極を形成する電極形成工程と、
   前記水晶片基板から前記電極が形成された水晶片を分離する水晶片分離工程と、
   を有することを特徴とするジャイロセンサ素子の製造方法。
2. 前記振動測定用電極と前記電極を前記水晶片基板に備わるアライメントマークと位置合わせして形成したことを特徴とする請求項１に記載のジャイロセンサ素子の製造方法。
3. 前記マスク層は導電性を有する導電性材料で形成され、前記振動測定用電極形成工程において、前記導電性を有するマスク層を所定の形状に加工して前記振動測定用電極を形成したことを特徴とする請求項１または２に記載のジャイロセンサ素子の製造方法。

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