JP2010069599A - Ｍｅｍｓセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】 全体が薄型で可動電極部の支持が安定し、しかも可動電極部の動作余裕を確保できるＭＥＭＳセンサを提供する。
【解決手段】 機能層１０は、シリコンウエハから分離された固定電極部と可動電極部と枠体層２５を有している。固定電極部の支持導通部１２と可動電極部の支持導通部１７および枠体部２５と、第１の基板１は、第１の絶縁層３ａ，３ｂ，３ｃで固定されている。第２の基板２に第２の絶縁層３０が形成され、その表面に接続電極部３１，３２およびシール電極部３３が形成されており、これらが接続金属層４１，４２およびシール金属層４３と共晶接合または拡散接合されている。その結果、錘部２０の可動領域が金属シール層で封止されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、シリコン（Silicon）層を微細加工して形成されたＭＥＭＳセンサに係り、特に、薄型で且つ可動領域の密閉機能に優れたＭＥＭＳセンサに関する。

ＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical Systems）センサは、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）層を構成するシリコン（Ｓｉ）ウエハを微細加工することで、可動電極部と固定電極部が形成される。この微細なセンサは、可動電極部の動作により、加速度センサ、圧力センサ、振動型ジャイロ、またはマイクロリレーなどとして使用される。

この種のＭＥＭＳセンサは、シリコンウエハの一部で形成された可動電極部がクリーンな空間内で微細な距離で動作できるように、可動電極部の可動領域を密閉することが必要である。

そのためのパッケージング技術として、以下の特許文献１に記載された発明では、ＳＯＩ層を構成するシリコンウエハから形成された可動電極部および固定電極部が、ガラス基板とガラス基板との間に配置され、可動電極部の可動領域の周囲部分において、ガラスフリットで、上下のガラス基板が接合されて、前記ガラスフリットでシール層が形成されている。
特開２０００−３０７０１８号公報

しかし、特許文献１に記載されているように、２枚のガラス基板の間に可動電極部を封入したパッケージング構造では、センサ全体の厚さ寸法が大きくなる。

また、上下のガラス基板の対向間隔が、可動電極部の可動領域の周囲をシールするガラスフリットの厚さで決められるために、ガラス基板の対向間隔を高精度に決めるのが難しく、その結果、可動電極部とガラス基板との間に可動電極の動作に必要な可動余裕（マージン）を適切な寸法で設定するのが難しい。

また、ガラスフリットは溶融して固化することでシール層となるため、微細パターンのシール層を形成するのが難しい。さらに、溶融したガラスフリットが、可動電極の可動領域に流れ込まないようにするために、可動電極の可動領域とガラスフリットのシール層との間に距離を空けることが必要である。そのため、パッケージング全体が大型にならざるを得ない。

さらに、この種のＭＥＭＳセンサは、小型化のために、可動電極部の可動領域と重なる部分に電極層やリード層を形成せざるを得ないが、これら電極層やリード層と可動電極層との間にマージンとなる寸法を確保することが必要であり、これによっても、パッケージングの薄型化を実現するのが難しい。

本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、薄型で且つ小型でパッケージングでき、しかも可動電極部と基板との間に、適正な可動余裕（マージン）を確保しやすい構造のＭＥＭＳセンサを提供することを目的としている。

また本発明は、可動電極部の可動領域を囲むシール層を薄く形成でき、しかもシール層を形成する材料が可動電極部の動作に悪影響を与えにくい構造のＭＥＭＳセンサを提供することを目的としている。

本発明は、第１の基板と、第２の基板と、前記第１の基板と前記第２の基板との間に配置された可動電極部および固定電極部とを有するＭＥＭＳセンサにおいて、
前記第１の基板の表面に、第１の絶縁層を介して、前記可動電極部および前記固定電極部のそれぞれの支持導通部が固定され、前記第２の基板の表面に、第２の絶縁層とこの第２の絶縁層の内部に埋設されたリード層と前記リード層に導通して前記支持導通部に個別に接続される接続電極部が設けられており、
前記第２の絶縁層には、前記可動電極部に対面する凹部が形成されていることを特徴とするものである。

本発明のＭＥＭＳセンサは、第１の基板の表面に設けられた第１の絶縁層と、第２の基板の表面に設けられた第２の絶縁層との間に、可動電極部および固定電極部の支持導通部が挟まれて固定されている。第１の基板と第２の基板の間隔は、主に、可動電極部および固定電極部の厚さと、第１の絶縁層および第２の絶縁層の厚さとで決められる。これらの厚さ寸法は、比較的高精度に設定できるため、第１の基板と第２の基板の厚さ寸法を均一に決めることができる。

また、第２の絶縁層に、可動電極部に対向する凹部が形成されているため、可動電極部と第２の絶縁層との間に、可動余裕（マージン）を確保でき、薄型でありながら、可動電極部が確実に動作できるＭＥＭＳセンサを得ることができる。

本発明は、それぞれの前記支持導通部の表面に接続金属層が形成されており、それぞれの前記接続電極部と前記接続金属層とが共晶接合または拡散接合されていることが好ましい。

可動電極部と固定電極部のそれぞれの支持導通部と、第２の基板の第２の絶縁層とが、接続電極部と接続金属層との接合層を介して接合されることになるが、接合層の厚さ寸法が薄いために、この接合層を介して第１の基板と第２の基板の間隔を高精度に決めやすい。また、接合層の金属の膜厚が薄いので、この金属が可動電極部の可動領域に流れ込むことも生じにくい。

また、前記凹部により可動電極部と第２の絶縁層との間の可動余裕を確保できるため、接合層の厚さ寸法をできるかぎり薄くできる。接合層を薄くすることで、可動電極部と固定電極部が接合層から熱応力を受けにくくなる。熱応力による可動電極部や固定電極部の歪みを防止するためには、前記接続電極部の厚さ寸法および前記接合層の厚さ寸法が４μｍ以下であることが好ましい。

本発明は、前記支持導通部には、前記接続電極部と前記接続金属層との接合層を囲む連続するまたは不連続の溝が形成されていることが好ましい。

上記溝が形成されていると、接合層を構成する金属が、周囲に拡散するのを防止しやすくなり、可動電極部の動作が金属層によって阻害されることを防止しやすい。

本発明は、前記可動電極部および前記固定電極部と同じ材料で同じ厚さに形成された枠体層が設けられ、この枠体層が、前記可動電極部の可動領域を囲んでおり、
前記第１の基板と前記枠体層とが、前記可動領域の外周において、前記第１の絶縁層と同じ絶縁層を介して接合されており、
前記第２の絶縁層の表面に、前記接続電極部と同じ金属材料で形成されたシール電極部が形成され、前記枠体層の表面に前記接続金属層と同じ金属材料で形成されたシール金属層が形成されており、前記シール電極部と前記シール金属層とが共晶接合または拡散接合されて、前記可動領域の外周を囲むシール層が形成されているものとして構成できる。

上記のように、第２の絶縁層と枠体層との間に、共晶接合または拡散接合によるシール金属層が形成されていると、可動電極部の可動領域を囲むシール構造を薄く構成でき、第１の基板と第２の基板との間の距離を均一に保つことができる。また、シール金属層の金属材料は少量であるため可動電極部の可動領域に流れにくく、シール金属層を可動領域に接近して配置しても、前記金属材料が可動電極部の動作に悪影響を与えにくい。そのために、小型に構成しやすくなる。

また、本発明は、前記第２の絶縁層の内部に埋設された前記リード層が、前記シール層の外部に引き出され、前記第２の基板に、前記リード層に導通する接続パッドが設けられているものである。

第２の絶縁層は、第１の基板と第２の基板の距離を保つ機能を発揮するのにならず、リード層を絶縁して外部に導く機能も発揮する。よって、薄型化できるとともに、リード層を確実に絶縁して外部の電気回路に接続させることが可能になる。

さらに本発明は、前記第２の基板の代わりにＩＣパッケージが使用され、前記リード層の代わりに、前記第２の絶縁層を貫通して形成された接続層により、前記接続電極部がＩＣパッケージの電極パッドに接続されているものであってもよい。

この場合、ＭＥＭＳセンサは、ＩＣパッケージの表面に形成される第２の絶縁層の上に、可動電極部と固定電極部および枠体層が形成され、その上に第１の基板が重ねられた構造であるため、さらに薄型に構成できる。

本発明は、第１の基板と第２の基板との間隔が、可動電極部および固定電極部の厚さ寸法と、第１の絶縁層および第２の絶縁層の厚さで決められるため、第１の基板と第２の基板の間隔を高精度に決めやすく、薄型が可能である。

また、第２の絶縁層は、リード層を絶縁する機能を発揮するのみならず、その表面に凹部を形成することで、可動電極部が動作するときの空間を形成することができるため、薄型でありながら、可動電極部が確実に動作するＭＥＭＳセンサを得ることができる。

前記凹部により可動電極部の可動余裕を確保できるために、接続電極部および接合層をできるかぎり薄くでき、接合層の熱応力が可動電極部や固定電極部に与える影響を少なくできる。

可動電極部の可動領域の周囲を囲むシール層が、第２の絶縁層と枠体層との間の接合層で構成されるため、シール層も薄型にでき、シール層の金属が可動電極部の動作に悪影響を与えにくくなる。

図１は本発明の実施の形態のＭＥＭＳセンサを示すものであり、可動電極部と固定電極部および枠体層を示す平面図である。図１では第１の基板および第２の基板の図示は省略している。図２は図１のＩＩ部の拡大図、図３はＩＩＩ部の拡大図である。図４は、ＭＥＭＳセンサの全体構造を示す断面図であり、図１をＩＶ−ＩＶ線で切断した断面図に相当している。図５は、ＭＥＭＳセンサの製造方法を説明する断面図である。なお、図４と図５では、各層の配置構成が上下逆となっている。

図４に示すように、ＭＥＭＳセンサは、第１の基板１と第２の基板２の間に、機能層１０が挟まれている。第１の基板１と機能層１０の各部は、第１の絶縁層３ａ，３ｂ，３ｃを介して接合されている。また、第２の基板２と機能層１０の間には第２の絶縁層３０が設けられている。

第１の基板１と機能層１０および第１の絶縁層３ａ，３ｂ，３ｃは、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）層を加工して形成されている。ここで使用するＳＯＩ層は、２つのシリコンウエハが、ＳｉＯ₂層である絶縁層（Insulator）を挟んで一体に接合されたものである。ＳＯＩ層の一方のシリコンウエハが、第１の基板１として使用され、他方のシリコンウエハが、加工されて機能層１０が形成されている。

機能層１０は、１枚のシリコンウエハから第１の固定電極部１１、第２の固定電極部１３、可動電極部１５および枠体層２５が分離されて形成されている。さらにＳＯＩ層の絶縁層の一部が除去されて、互いに分離された第１の絶縁層３ａ，３ｂ，３ｃが形成されている。

図１に示すように、機能層１０の平面形状は、中心（図心）Ｏに対して１８０度の回転対称であり、且つ中心Ｏを通りＸ方向に延びる線に対して上下方向（Ｙ方向）に対称である。

図１に示すように、中心ＯよりもＹ１側に第１の固定電極部１１が設けられている。第１の固定電極部１１では、中心Ｏに接近する位置に四角形の支持導通部１２が一体に形成されている。図４および図５に示すように、支持導通部１２は第１の絶縁層３ａによって第１の基板１の表面１ａに固定されている。第１の固定電極部１１は、前記支持導通部１２のみが前記第１の絶縁層３ａによって第１の基板１の表面１ａに固定されており、その他の部分は、第１の基板１との間の絶縁層が除去されて、第１の基板１の表面１ａとの間に、第１の絶縁層３ａの厚さに相当する間隔の隙間が形成されている。

図１に示すように、第１の固定電極部１１は、支持導通部１２からＹ１方向に直線的に延びる一定の幅寸法の電極支持部１１ａを有している。電極支持部１１ａのＸ１側には、複数の対向電極１１ｂが一体に形成されており、電極支持部１１ａのＸ２側には、複数の対向電極１１ｃが一体に形成されている。図２には、一方の対向電極１１ｃが示されている。複数の対向電極１１ｃはいずれもＸ２方向へ直線的に延びており、Ｙ方向の幅寸法は一定である。そして、複数の対向電極１１ｃは、Ｙ方向へ一定の間隔を空けて櫛歯状に配列している。Ｘ１側に延びる他方の対向電極１１ｂと、Ｘ２方向に延びる前記対向電極１１ｃは、中心Ｏを通ってＹ方向に延びる線に対して左右対称の形状である。

中心ＯよりもＹ２側には第２の固定電極部１３が設けられている。第２の固定電極部１３と前記第１の固定電極部１１は、中心Ｏを通ってＸ方向に延びる線に対して上下方向（Ｙ方向）へ対称形状である。すなわち、第２の固定電極部１３は、中心Ｏに接近する位置に設けられた四角形の支持導通部１４と、この支持導通部１４からＹ２方向へ直線的に延びる一定の幅寸法の電極支持部１３ａを有している。電極支持部１３ａのＸ１側には、電極支持部１３ａから一体に延びる複数の対向電極１３ｂが設けられ、電極支持部１３ａのＸ２側には、電極支持部１３ａから一体に延びる複数の対向電極１３ｃが設けられている。

図３に示すように、対向電極１３ｃはＸ２方向へ直線状に延び幅寸法が一定であり、且つＹ方向へ一定の間隔で互いに平行に形成されている。Ｘ１側の対向電極１３ｂも同様に一定の幅寸法でＸ１方向へ直線的に延び、Ｙ方向へ一定の間隔で平行に延びている。

第２の固定電極部１３も、支持導通部１４のみが第１の絶縁層３ａを介して第１の基板１の表面１ａに固定されている。それ以外の部分である電極支持部１３ａおよび対向電極１３ｂ，１３ｃは、第１の基板１の表面１ａとの間の絶縁層が除去されており、電極支持部１３ａおよび対向電極１３ｂ，１３ｃと、第１の基板１の表面１ａとの間に、第１の絶縁層の厚さに相当する間隔の隙間が形成されている。

図１に示す機能層１０は、四角形の枠体層２５の内側が可動領域であり、可動領域では、前記第１の固定電極部１１と第２の固定電極部１３を除く部分が可動電極部１５となっている。可動電極部１５は、同じシリコンウエハにおいて、前記第１の固定電極部１１と第２の固定電極部１３および枠体層２５から分離されて形成されている。

図１に示すように、可動電極部１５は、中心ＯよりもＸ１側に、Ｙ１−Ｙ２方向に延びる第１の支持腕部１６を有しており、中心ＯのＸ１側に接近した位置に、第１の支持腕部１６と一体に形成された四角形の支持導通部１７が設けられている。可動電極部１５は、中心ＯよりもＸ２側に、Ｙ１−Ｙ２方向に延びる第２の支持腕部１８を有しており、中心ＯのＸ２側に接近した位置に、第２の支持腕部１８と一体に形成された四角形の支持導通部１９が設けられている。

第１の支持腕部１６と第２の支持腕部１８とで挟まれた領域で、且つ第１の固定電極部１１と第２の固定電極部１３を除く部分が、錘部２０となっている。錘部２０のＹ１側の縁部は、弾性支持部２１を介して第１の支持腕部１６に支持されているとともに弾性支持部２３を介して第２の支持腕部１８に支持されている。錘部２０のＹ１側の縁部は、弾性支持部２２を介して第１の支持腕部１６に支持されているとともに、弾性支持部２４を介して第２の支持腕部１８に支持されている。

中心ＯよりもＹ１側では、錘部２０のＸ１側の縁部からＸ２側に延びる複数の可動対向電極２０ａが一体に形成されているとともに、錘部２０のＸ２側の縁部からＸ１側に延びる複数の可動対向電極２０ｂが一体に形成されている。図２に示すように、錘部２０と一体に形成された可動対向電極２０ｂは、第１の固定電極部１１の対向電極１１ｃのＹ２側の辺に対して静止時に距離δ１を介して対向している。同様に、Ｘ１側の可動対向電極２０ａも、第１の固定電極部１１の対向電極１１ｂのＹ２側の辺に対して静止時に距離δ１を介して対向している。

錘部２０には、中心ＯよりもＹ２側において、Ｘ１側の縁部からＸ２方向に平行に延びる複数の可動対向電極２０ｃが一体に形成されているとともに、Ｘ２側の縁部からＸ１方向に平行に延びる複数の可動対向電極２０ｄが一体に形成されている。

図３に示すように、可動対向電極２０ｄは、第２の固定電極部１３の対向電極１３ｃのＹ１側の辺に対して静止時に距離δ２を介して対向している。これは、Ｘ１側の可動対向電極２０ｃと対向電極１３ｂとの間においても同じである。静止時の対向距離δ１とδ２は、同じ寸法となるように設計されている。

図４に示すように、第１の支持腕部１６に連続する支持導通部１７と第１の基板１の表面１ａとが第１の絶縁層３ｂを介して固定されており、第２の支持腕部１８に連続する支持導通部１９と第１の基板１の表面１ａも第１の絶縁層３ｂを介して固定されている。可動電極部１５は、支持導通部１７と支持導通部１９のみが前記第１の絶縁層３ｂによって第１の基板１に固定されており、それ以外の部分、すなわち第１の支持腕部１６、第２の支持腕部１８、錘部２０、可動対向電極２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄおよび弾性支持部２１，２２，２３，２４は、第１の基板１の表面１ａとの間の絶縁層が除去されており、これら各部と第１の基板１の表面１ａとの間に第１の絶縁層３ｂの厚さ寸法に相当する間隔の隙間が形成されている。

弾性支持部２１，２２，２３，２４は、シリコンウエハから切り出された薄い板バネ部でミアンダパターンとなるように形成されている。弾性支持部２１，２２，２３，２４が変形することで、錘部２０がＹ１方向またはＹ２方向へ移動可能となっている。

図１に示すように、枠体層２５は、機能層１０を形成するシリコンウエハを四角い枠状に切り出すことで形成されている。この枠体層２５と第１の基板１の表面１ａとの間には、第１の絶縁層３ｃが残されている。この第１の絶縁層３ｃは、可動電極部１５の可動領域の外側の全周を囲むように設けられている。

図４と図５に示す機能層１０の製造方法は、絶縁層を介して２枚のシリコンウエハが接合されたＳＯＩ層を使用し、一方のシリコンウエハの表面に、第１の固定電極部１１、第２の固定電極部１３、可動電極部１５および枠体層２５を覆うレジスト層を形成し、レジスト層から露出している部分でシリコンウエハの一部を、高密度プラズマを使用した深堀ＲＩＥなどのイオンエッチング手段で除去し、第１の固定電極部１１、第２の固定電極部１３、可動電極部１５および枠体層２５を互いに分離させる。

このとき、支持導通部１２，１４，１７，１９および枠体層２５を除く全ての領域に、前記深堀ＲＩＥによって、多数の微細孔を形成しておく。図２と図３には、対向電極１１ｃに形成された微細孔１１ｄ、対向電極１３ｃに形成された微細孔１３ｄ、および錘部２０に形成された微細孔２０ｅが図示されている。

深堀ＲＩＥなどによってシリコンウエハをエッチング加工した後に、シリコンを溶解せずに絶縁層のＳｉＯ₂層を溶解できる選択性の等方性エッチング処理を行う。このときエッチングガスまたはエッチング液は、シリコンウエハの前記各部を分離した溝内に浸透し、さらに前記微細孔内に浸透して、絶縁層が除去される。

その結果、支持導通部１２，１４，１７，１９および枠体層２５と、第１の基板１の表面１ａとの間のみ、第１の絶縁層３ａ，３ｂ，３ｃが残され、それ以外の部分で絶縁層が除去される。

ＳＯＩ層を使用して加工した第１の基板１は、厚さ寸法が０．２〜０．７ｍｍ程度、機能層１０の厚さ寸法は１０〜３０μｍ程度、第１の絶縁層３ａ，３ｂ，３ｃの厚さは１〜３μｍ程度である。

第２の基板２は、厚さ寸法が０．２〜０．７ｍｍ程度の単層のシリコンウエハで形成される。第２の基板２の表面２ａに第２の絶縁層３０が形成される。第２の絶縁層３０は、ＳｉＯ₂、ＳｉＮまたはＡｌ₂Ｏ₃などの無機絶縁層であり、スパッタ工程またはＣＶＤ工程で形成される。無機絶縁層としては、シリコンウエハとの熱膨張係数の差が、接続電極部を構成する導電性金属とシリコンウエハの熱膨張係数の差よりも小さい材料が選択される。好ましくは、シリコンウエハとの熱膨張係数の差が比較的小さいＳｉＯ₂またはＳｉＮが使用される。

図４と図５に示すように、第２の絶縁層３０の表面に、第１の固定電極部１１の支持導通部１２に対面する接続電極部３１が形成され、同様に第２の固定電極部１３の支持導通部１４に対面する接続電極部３１（図示せず）が形成される。また、第２の絶縁層３０の表面に、可動電極部１５の一方の支持導通部１７に対面する接続電極部３２が形成され、同様に、他方の支持導通部１９と対面する接続電極部３２（図示せず）も形成されている。

第２の絶縁層３０の表面には、前記枠体層２５の表面に対向するシール電極部３３が形成されている。このシール電極部３３は、前記接続電極部３１，３２と同じ導電性金属材料によって形成されている。シール電極部３３は、枠体層２５に対面して四角形に形成されており、可動電極部１５の可動領域の外周でこの可動領域の周囲全周を囲むように形成されている。接続電極部３１，３２およびシール電極部３３はアルミニウム（Ａｌ）で形成されている。

第２の絶縁層３０の内部には、一方の接続電極部３１に導通するリード層３４と、他方の接続電極部３２に導通するリード層３５が設けられている。リード層３４，３５はアルミニウムで形成されている。複数のリード層３４，３５は、それぞれの接続電極部３１，３２に個別に導通している。そして、それぞれのリード層３４，３５は、第２の絶縁層３０の内部を通過し、シール電極部３３と接触することなく、シール電極部３３が形成されている部分を横断して、シール電極部３３で囲まれている領域の外側へ延びている。第２の基板２には、前記領域の外側において、それぞれのリード層３４，３５に導通する接続パッド３６が設けられている。接続パッド３６は、低抵抗で酸化しにくい導電性材料であるアルミニウムや金などで形成されている。

第２の絶縁層３０は、接続電極部３１，３２が形成されている表面３０ａおよびシール電極部３３が形成されている表面３０ａが同一平面上に位置している。そして、第２の絶縁層３０には、接続電極部３１，３２とシール電極部３３が形成されていない領域に、第２の基板２の表面２ａに向けて凹部３８が形成されている。この凹部３８は、第２の絶縁層３０において、支持導通部１２，１４，１７，１９および枠体層２５に対向する前記表面３０ａ以外の全ての部分に形成されている。また、凹部３８は、第２の絶縁層３０の内部の途中までの深さであって、リード層３４，３５が露出しない深さに形成されている。

前記第２の絶縁層３０の形成方法は、第２の基板２の表面２ａに、無機絶縁層を一定の厚さでスパッタ工程で形成し、その表面にリード層３４，３５をスパッタ工程またはＣＶＤ工程などで形成し、さらにリード層３４，３５を覆うように無機絶縁層をスパッタ工程で形成する。その後に、表面３０ａが同一面となるように研磨し、さらにイオンミリングなどで前記凹部３８を掘り込む。

図５に示すように、機能層１０の支持導通部１２，１４の表面には、それぞれ前記接続電極部３１に対面する接続金属層４１が形成され、支持導通部１７，１９の表面には、それぞれの接続電極部３２に対面する接続金属層４２がスパッタ工程で形成される。さらに、枠体層２５の表面には、シール電極部３３に対面するシール金属層４３が形成される。シール金属層４３は、接続金属層４１，４２と同じ金属材料で同時に形成される。

接続金属層４１，４２とシール金属層４３は、接続電極部３１，３２およびシール電極部３３を形成するアルミニウムと共晶接合または拡散接合しやすい金属材料であるゲルマニウムで形成されている。

図４に示すように、第１の基板１と第２の基板２を、表面１ａ，２ａが対向するように重ね、接続電極部３１と接続金属層４１とを対面させ、接続電極部３２と接続金属層４２とを対面させ、さらにシール電極部３３とシール金属層４３とを対面させる。そして、加熱しながら第１の基板１と第２の基板２とを弱い力で加圧する。これにより、接続電極部３１と接続金属層４１とが共晶接合し、接続電極部３２と接続金属層４２とが共晶接合する。あるいは拡散接合する。接続電極部３１，３２と接続金属層４１，４２との共晶接合または拡散接合により、支持導通部１２，１４，１７，１９が第１の絶縁層３ａ，３ｂと第２の絶縁層３０との間で動かないように挟持されるとともに、接続電極部３１，３１と支持導通部１２，１４とが個別に導通し、接続電極部３２，３２と支持導通部１７，１９とが個別に導通する。

同時に、シール電極部３３とシール金属層４３とが共晶接合または拡散接合する。この共晶接合または拡散接合により、枠体層２５と第２の絶縁層３０とが強固に固定されるとともに、可動電極部１５の可動領域の周囲全周を囲む金属シール層４５が形成される。

このＭＥＭＳセンサは、２枚のシリコンウエハが絶縁層を介して接合されたＳＯＩ層と他の１枚のシリコンウエハとを重ねた構造であるため、全体に薄型である。また、第１の固定電極部１１の支持導通部１２、第２の固定電極部１３の支持導通部１４、および可動電極部１５の支持導通部１７，１９が、第１の絶縁層３ａ，３ｂと第２の絶縁層３０とで挟まれて固定される構造であるため、支持導通部１２，１４，１７，１９が安定して支持固定される。

支持導通部１２，１４，１７，１９と第２の絶縁層３０が、接続電極部３１，３２と接続金属層４１，４２との共晶接合または拡散接合で接合されているが、この接合層は薄く且つ面積が小さく、しかも支持導通部１２，１４，１７，１９と第１の基板１とが無機絶縁材料の第１の絶縁層３ａ，３ｂを介して接合されている。そのため、周囲温度が高くなったとしても、接合層の熱応力が支持導通部１２，１４，１７，１９の支持構造に影響を与えにくく、熱応力による固定電極部１１，１３や可動電極部１５の歪みなどが発生しにくい。

同様に、可動電極部１５の可動領域の周囲を囲む金属シール層４５は、枠体層２５と第２の絶縁層３０との間で薄く形成された接合層であり、枠体層２５が十分な厚み寸法を有しているため、金属シール層４５の熱応力によって、第１の基板１と第２の基板２の歪みなどが発生しにくい。

このＭＥＭＳセンサは、第１の基板１と第２の基板２の厚さ寸法、および機能層１０の厚さ寸法、さらに第２の絶縁層３０の厚さ寸法によって、全体の厚さ寸法がほぼ決められる。それぞれの層の厚さ寸法は、高精度に管理できるため、厚さのばらつきが生じにくくなる。しかも、第２の絶縁層３０には、可動電極部１５の可動領域に対向する凹部３８が形成されているため、接合層が薄く全体が薄型であっても、可動電極部１５に厚さ方向の移動余裕（マージン）を与えることができ、外部から厚さ方向への大きな加速度が作用しても、錘部２０および可動対向電極２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄが第２の絶縁層３０に当たりにくく、誤動作を生じにくい。

このＭＥＭＳセンサは、Ｙ１方向またはＹ２方向の加速度を検知する加速度センサとして使用することができる。例えば、ＭＥＭＳセンサにＹ１方向への加速度が作用すると、その反作用により可動電極部１５の錘部２０がＹ２方向へ移動する。このとき、図２に示す、可動対向電極２０ｂと固定側の対向電極１１ｃとの対向距離δ１が広がって、可動対向電極２０ｂと対向電極１１ｃとの間の静電容量が低下する。同時に、図３に示す、可動対向電極２０ｄと対向電極１３ｃとの対向距離δ２が狭くなって、可動対向電極２０ｂと対向電極１３ｃとの間の静電容量が増大する。

静電容量の減少と増大を電気回路で検出し、対向距離δ１の増大による出力の変化と対向距離δ２の減小による出力の変化との差を求めることにより、Ｙ１方向へ作用した加速度の変化や加速度の大きさを検知することができる。

なお、本発明は、可動電極部１５の錘部２０が、Ｘ−Ｙ平面と直交する向きの加速度に反応して厚さ方向へ移動して、固定電極部１１，１３の対向電極１１ｂ，１１ｃ，１３ｂ，１３ｃと、可動電極部１５の可動対向電極２０ａ，２０ｂ，２０ｃとの対向状態が、可動電極部１５の厚さ方向へずれて、対向面積が変化し、このときの可動対向電極と対向電極との間の静電容量の変化を検知するものであってもよい。

図６（Ａ）（Ｂ）は本発明のさらに好ましい実施の形態のＭＥＭＳセンサを示すものであり、図４のＶＩ部の拡大断面図に相当している。

図６（Ａ）に示す実施の形態では、可動電極部１５の支持導通部１７の表面に、接続金属層４２と接続電極部３２とが共晶接合しまたは拡散接合した接合部を囲むように溝５１が形成されている。溝５１は接合部の周囲全長を連続して囲むように形成されていてもよいし、または、接合部を囲むように間隔を空けて複数に分割されて形成されていてもよい。

図６（Ｂ）に示す実施の形態では、可動電極部１５の支持導通部１７の表面に、接続金属層４２と接続電極部３２との接合部を囲む溝５２が形成されている。この溝５２は接合層の周囲に連続して形成されており、接合金属層４２の一部が溝５２の内部まで形成されている。

図６（Ａ）（Ｂ）に示す実施の形態では、接続電極部３２と接続金属層４２の共晶接合または拡散接合の際に、溶融金属が溝５１，５２で堰き止められ、可動電極部１５の錘部２０の可動領域や、図２と図３に示す電極対向部に流れ出るのをさらに確実に防止できる。

なお、前記実施の形態では、接続電極部３１，３２およびシール電極部３３がアルミニウムで、接続金属層４１，４２およびシール金属層４３がゲルマニウムであるが、共晶接合または拡散接合が可能な金属の組み合わせとしては、アルミニウム−亜鉛、金−シリコン、金−インジウム、金−ゲルマニウム、金−錫などがある。これら金属の組み合わせにより、それぞれの金属の融点以下の温度である４５０℃以下の比較的低い温度で接合を行うことが可能になる。

図７は、本発明のさらに他の実施の形態のＭＥＭＳセンサを示す断面図である。
このＭＥＭＳセンサは、第２の基板２の代わりにＩＣパッケージ１００が使用されている。ＩＣパッケージ１００内には、対向電極と可動対向電極との静電容量の変化を検出する検出回路などが内蔵されている。

ＩＣパッケージ１００の上面１０１に第２の絶縁層３０が形成され、この第２の絶縁層３０の表面に、接続電極部３１，３２およびシール電極部３３が形成されている。接続電極部３１，３２は、第２の絶縁層３０を貫通するスルーホールなどの接続層１３４，１３５を介して、ＩＣパッケージ１００の上面１０１に現れている電極パッドなどに導通し、ＩＣパッケージ１００内の電気回路に接続されている。

図７に示すＭＥＭＳセンサも、機能層１０が、第１の基板１と第２の絶縁層３０との間に配置され、第２の絶縁層３０は厚さ寸法を管理して形成することができるので、ＩＣパッケージ１００の上面１０１から大きく突出することなく、且つ機能層１０を安定して保持できる。

図８は、接続電極部３１，３２あるいは接合層の厚さ寸法の最適値を求めるためのシミュレーションモデルを示している。第１の基板１０１と固定電極部１１６および第１の絶縁層１０３はＳＯＩ層から加工したものを想定しており、第１の基板１０１と固定電極部１１６はシリコンウエハ、第１の絶縁層１０３はＳｉＯ₂である。第２の基板１０２もシリコンウエハであり、第２の絶縁層１３０もＳｉＯ₂である。このシミュレーションでは、接合層１３２をアルミニウムの単層として熱応力について演算した。

計算に使用した物性値は以下の通りである。
ヤング率（Ｎ／ｍ²）：Ｓｉを１．５０Ｅ＋１１、ＳｉＯ₂を７．２０Ｅ＋１０、Ａｌを７．０３Ｅ＋１０とした。
ポアッソン比（−）：Ｓｉを０．１７、ＳｉＯ₂を０．２５、Ａｌを０．３５とした。

熱膨張係数（／kelvin）：Ｓｉを２．６０Ｅ−０６、ＳｉＯ₂を５．６０Ｅ−０７、Ａｌを２．３３Ｅ−０５とした。

また、第１の絶縁層１０３の長さ寸法Ｌ１を７０μｍ、固定電極部１１６の全長寸法を３５０μｍとした。

厚みは、第１の基板１０１と第２の基板１０２を１００μｍ、第１の絶縁層１０３を１．５μｍ、固定電極部１１６を２０μｍ、第２の絶縁層１３０を３μｍとした。

接合層１３２の長さ寸法Ｗ０を２０μｍとし、接合層１３２の厚み寸法Ｔ０を０．５μｍから１０μｍの間で変化させた。それぞれについて、７５℃に加熱したときの接合層１３２の熱応力による固定電極部１１６の下部先端部Ｐ１と上部先端部Ｐ２のδ方向への変位量を計算した。

図９は、横軸に接合層１３２の厚みＴ０を単位（μｍ）で示し、縦軸にＰ１とＰ２の変位量を単位（ｎｍ）で示している。なお、図９では、下部先端部Ｐ１を「頂点１」とし、上部先端部Ｐ２を「頂点２」と記載している。

図９の結果から、接合層１３２の厚みＷ０は４μｍ以下であることが好ましく１μｍ以下であることがさらに好ましい。

すなわち、前記実施の形態では、接続電極部３１，３２の厚さ寸法、あるいは接合層全体の厚さ寸法が４μｍ以下が好ましく、さらには１μｍ以下が好ましい。

本発明の実施の形態のＭＥＭＳセンサの可動電極部と固定電極部および枠体層の分離パターンを示す平面図、 図１のＩＩ矢視部の拡大平面図、 図１のＩＩＩ矢視部の拡大平面図、 ＭＥＭＳセンサの積層構造を示す断面図であり、図１のＩＶ−ＩＶ線での断面図に相当している、 ＭＥＭＳセンサの製造方法を示す断面図、 （Ａ）（Ｂ）は、図４のＶＩ矢視部の構造の詳細を実施の形態別に示す拡大断面図、 第２の基板の代わりにＩＣパッケージを使用した実施の形態を示す断面図、 接続電極部または接合層の厚さの最適値を求めるためのシミュレーションモデルの説明図、 シミュレーション結果を示す線図、

符号の説明

１ 第１の基板
２ 第２の基板
３ａ，３ｂ，３ｃ 第１の絶縁層
１０ 機能層
１１ 第１の固定電極部
１２ 支持導通部
１１ｂ，１１ｃ 対向電極
１３ 第２の固定電極部
１４ 支持導通部
１３ｂ，１３ｃ 対向電極
１５ 可動電極部
１６ 第１の支持腕部
１７ 支持導通部
１８ 第２の支持腕部
１９ 支持導通部
２０ 錘部
２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ 可動対向電極
２１，２２，２３，２４ 弾性支持部
２５ 枠体層
３０ 第２の絶縁層
３１，３２ 接続電極部
３３ シール電極部
３８ 凹部
４１，４２ 接続金属層
４３ シール金属層
４５ 金属シール層
１００ ＩＣパッケージ

Claims (7)

1. 第１の基板と、第２の基板と、前記第１の基板と前記第２の基板との間に配置された可動電極部および固定電極部とを有するＭＥＭＳセンサにおいて、
   前記第１の基板の表面に、第１の絶縁層を介して、前記可動電極部および前記固定電極部のそれぞれの支持導通部が固定され、前記第２の基板の表面に、第２の絶縁層とこの第２の絶縁層の内部に埋設されたリード層と前記リード層に導通して前記支持導通部に個別に接続される接続電極部が設けられており、
   前記第２の絶縁層には、前記可動電極部に対面する凹部が形成されていることを特徴とするＭＥＭＳセンサ。
2. それぞれの前記支持導通部の表面に接続金属層が形成されており、それぞれの前記接続電極部と前記接続金属層とが共晶接合または拡散接合されている請求項１記載のＭＥＭＳセンサ。
3. 前記支持導通部には、前記接続電極部と前記接続金属層との接合層を囲む連続するまたは不連続の溝が形成されている請求項２記載のＭＥＭＳセンサ。
4. 前記可動電極部および前記固定電極部と同じ材料で同じ厚さに形成された枠体層が設けられ、この枠体層が、前記可動電極部の可動領域を囲んでおり、
   前記第１の基板と前記枠体層とが、前記可動領域の外周において、前記第１の絶縁層と同じ絶縁層を介して接合されており、
   前記第２の絶縁層の表面に、前記接続電極部と同じ金属材料で形成されたシール電極部が形成され、前記枠体層の表面に前記接続金属層と同じ金属材料で形成されたシール金属層が形成されており、前記シール電極部と前記シール金属層とが共晶接合または拡散接合されて、前記可動領域の外周を囲むシール層が形成されている請求項２または３記載のＭＥＭＳセンサ。
5. 前記第２の絶縁層の内部に埋設された前記リード層が、前記シール層の外部に引き出され、前記第２の基板に、前記リード層に導通する接続パッドが設けられている請求項４記載のＭＥＭＳセンサ。
6. 前記第２の基板の代わりにＩＣパッケージが使用され、前記リード層の代わりに、前記第２の絶縁層を貫通して形成された接続層により、前記接続電極部がＩＣパッケージの電極パッドに接続されている請求項１ないし４のいずれかに記載のＭＥＭＳセンサ。
7. 前記接続電極部の厚さが４μｍ以下である請求項１ないし６のいずれかに記載のＭＥＭＳセンサ。

Images