JP2010107521A - 微小電気機械デバイス - Google Patents
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Abstract
【課題】微小電気機械要素と集積回路との両方の高性能化が可能な微小電気機械デバイスを提供する。
【解決手段】微小電気機械要素であるジャイロセンサと集積回路3とが1つの素子形成基板1に形成されたジャイロセンサ装置であり、素子形成基板1が、シリコン基板(第1の半導体基板)1Aと、シリコン基板1Aの厚み方向の一表面側に設けられシリコン基板1Aよりも抵抗率の大きなシリコン基板(第2の半導体基板)1Bとを有した多層基板であり、ジャイロセンサがシリコン基板1Aとシリコン基板1Bとに亙って形成されるとともに、集積回路3がシリコン基板1Bに形成されている。シリコン基板1Aの他表面側に固着された支持基板2を備え、ジャイロセンサの可動部が、シリコン基板Bとシリコン基板1Aの周部と支持基板2とで囲まれた密閉空間内に位置している。
【選択図】図8
【解決手段】微小電気機械要素であるジャイロセンサと集積回路3とが1つの素子形成基板1に形成されたジャイロセンサ装置であり、素子形成基板1が、シリコン基板(第1の半導体基板)1Aと、シリコン基板1Aの厚み方向の一表面側に設けられシリコン基板1Aよりも抵抗率の大きなシリコン基板(第2の半導体基板)1Bとを有した多層基板であり、ジャイロセンサがシリコン基板1Aとシリコン基板1Bとに亙って形成されるとともに、集積回路3がシリコン基板1Bに形成されている。シリコン基板1Aの他表面側に固着された支持基板2を備え、ジャイロセンサの可動部が、シリコン基板Bとシリコン基板1Aの周部と支持基板2とで囲まれた密閉空間内に位置している。
【選択図】図8
Description
本発明は、集積回路(電子回路)の集積化されていない狭義のMEMS(Micro Electro Mechanical System)、NEMS(Nano Electro Mechanical System)などの微小電気機械要素と集積回路とが1つの素子形成基板に形成された微小電気機械デバイスに関するものである。
従来から、マイクロマシンニング技術を利用して微小電気機械要素が形成された半導体基板と、集積回路が形成された半導体基板とを積層した微小電気機械デバイスの一例として、半導体圧力センサが提案されている(例えば、特許文献1参照)。なお、上記特許文献1に開示された半導体圧力センサでは、微小電気機械要素を形成する半導体基板としてp−形シリコン基板を用い、集積回路を形成する半導体基板としてn−形シリコン基板を用いている。
ところで、上述の微小電気機械デバイスでは、微小電気機械要素を形成する半導体基板と集積回路を形成する半導体基板との両方とも抵抗率の高いシリコン基板を用いているので、例えば、微小電気機械要素からなる3次元構造体の一部を可動電極や固定電極などの電極として使用する微小電気機械デバイス(静電容量型の加速度センサ、ジャイロセンサ、圧力センサ、静電駆動型のマイクロバルブ、マイクロリレーなど)では、電極のインピーダンス成分が大きくて微小電気機械要素の高性能化が難しかった。
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、微小電気機械要素と集積回路との両方の高性能化が可能な微小電気機械デバイスを提供することにある。
請求項1の発明は、微小電気機械要素と集積回路とが1つの素子形成基板に形成された微小電気機械デバイスであって、素子形成基板が、第1の半導体基板と、第1の半導体基板の厚み方向の一表面側に設けられ少なくとも一部が第1の半導体基板よりも抵抗率の大きな第2の半導体基板とを有した多層基板であり、微小電気機械要素が少なくとも第1の半導体基板に形成されるとともに、集積回路が第2の半導体基板において第1の半導体基板よりも抵抗率の大きな部分に形成されてなり、第1の半導体基板の他表面側に固着された支持基板を備え、微小電気機械要素の可動部が、第2の半導体基板と第1の半導体基板の周部と支持基板とで囲まれた密閉空間内に位置していることを特徴とする。なお、ここにおいて、微小電気機械要素とは、集積回路の集積化されていない狭義のMEMS若しくはNEMSを意味している。
この発明によれば、微小電気機械要素を抵抗率の比較的小さな第1の半導体基板に形成し、集積回路を抵抗率の比較的大きな第2の半導体基板に形成することにより、微小電気機械要素と集積回路との両方の高性能化が可能になり、デバイス全体としての高性能化を図ることが可能となり、しかも、微小電気機械要素の可動部がデバイス外部からの塵や埃等の影響を受けるのを防止することができ、デバイス全体としての信頼性が向上する。
請求項2の発明は、請求項1の発明において、前記集積回路は、前記第2の半導体基板における前記第1の半導体基板側に形成されてなることを特徴とする。
この発明によれば、前記集積回路が前記第2の半導体基板における前記第1の半導体基板側とは反対側に形成されている場合に比べて、前記微小電気機械要素と前記集積回路とを電気的に接続する配線の長さを短くすることができ、デバイス全体としての性能を向上させることができる。
請求項3の発明は、請求項1または請求項2の発明において、前記第2の半導体基板は、前記集積回路を形成した後に所定厚さまで薄型化されてなることを特徴とする。
この発明によれば、前記第2の半導体基板が薄型化されていない場合に比べて、デバイス全体の小型化を図ることが可能となる。
請求項4の発明は、請求項1ないし請求項3の発明において、前記第2の半導体基板における前記第1の半導体基板側とは反対側に、前記第2の半導体基板の厚み方向に貫通した貫通配線を介して前記微小電気機械要素および前記集積回路それぞれに電気的に接続されたパッドが形成されてなることを特徴とする。
この発明によれば、前記素子形成基板の平面サイズを小さくすることが可能となる。
請求項5の発明は、請求項1ないし請求項3の発明において、前記支持基板における前記第1の半導体基板とは反対側に、前記支持基板の厚み方向に貫通した貫通配線を介して前記微小電気機械要素および前記集積回路それぞれに電気的に接続されたパッドが形成されてなることを特徴とする。
この発明によれば、前記第2の半導体基板に形成する集積回路の形成領域の大きさとは関係なく貫通配線を形成することができるので、前記素子形成基板の平面サイズを小さくすることが可能となる。
請求項1の発明では、微小電気機械要素と集積回路との両方の高性能化が可能となり、しかも、微小電気機械要素の可動部がデバイス外部からの塵や埃等の影響を受けるのを防止することができ、デバイス全体としての信頼性が向上するという効果がある。
(実施形態1)
本実施形態では、微小電気機械要素(MEMS)としてのジャイロセンサと、ジャイロセンサと協働する集積回路とを備えたジャイロセンサ装置を例示する。
本実施形態では、微小電気機械要素(MEMS)としてのジャイロセンサと、ジャイロセンサと協働する集積回路とを備えたジャイロセンサ装置を例示する。
本実施形態のジャイロセンサ装置は、図1および図2に示すように、抵抗率が比較的小さなシリコン基板1Aと、抵抗率が比較的大きなシリコン基板1Bとが積層された多層基板からなる素子形成基板1と、シリコン基板1Aにおけるシリコン基板1Bとは反対側に積層されたガラス基板からなる支持基板2とを備えている(図1(a)は図2のD−D’概略断面図、図1(b)は図2のE−E’概略断面図である)。ここにおいて、シリコン基板1Aと支持基板2とは陽極接合により接合されている。また、素子形成基板1は、シリコン基板1Aの厚さが500μm程度であるのに対して、シリコン基板1Bの厚さが10μ程度であり、抵抗率の異なるシリコン基板同士を接合した後で、抵抗率の大きなシリコン基板を薄型化(薄膜化)することにより形成してもよいし、シリコン基板1A上にエピタキシャル成長させた単結晶のシリコン層によりシリコン基板1Bを構成してもよい。
なお、本実施形態では、シリコン基板1Aの抵抗率を0.2Ωcm、シリコン基板1Bの抵抗率を20Ωcmに設定してあるが、これらの数値は特に限定するものではない。また、本実施形態では、シリコン基板1Aが第1の半導体基板を構成し、シリコン基板1Bが第2の半導体基板を構成している。
素子形成基板1は、図2における左側に、平面視において外周形状が矩形状である駆動質量体11および検出質量体12が素子形成基板1の一表面に沿って並設されるとともに、駆動質量体11および検出質量体12の周囲を囲む矩形枠状のフレーム10を有する微小電気機械要素(MEMS)が形成され、図2における右側に、集積回路3が形成されている(なお、図2においてハッチングを施した領域は集積回路3の形成領域を示している)。以下では、図1、図2の各図中に示した直交座標系のように、駆動質量体11と検出質量体12とが並ぶ方向をY方向、素子形成基板1の一表面(図1(a)における上面)に沿う面内でY方向に直交する方向をX方向、X方向とY方向とに直交する方向(つまり、素子形成基板1の厚み方向)をZ方向として説明する。
駆動質量体11と検出質量体12とは、X方向に延長された一対の駆動ばね13を介して連続一体に連結されている。すなわち、X方向において検出質量体12の全長よりもやや短いスリット溝14aと、駆動質量体11におけるX方向の各側縁にそれぞれ一端が開放されX方向の一直線上に並ぶ2本のスリット溝14bとが形成され、スリット溝14aと各スリット溝14bとの間にそれぞれ駆動ばね13が形成されている。各駆動ばね13の一端部はスリット溝14aの各一端と検出質量体12の側縁との間に連続し、各駆動ばね13の他端部は2本のスリット溝14bの間の部位において駆動質量体11にそれぞれ連続している。駆動ばね13はねじれ変形が可能なトーションばねであって、駆動質量体11は検出質量体12に対して駆動ばね13の回りで変位可能になっている。つまり、駆動質量体11は検出質量体12に対してZ方向の並進とX方向の軸回りの回転とが可能であると言える。また、駆動ばね13にトーションばねを用いているから、素子形成基板1の厚み方向における駆動ばね13の寸法を小さくする必要がなく、駆動ばね13を形成する際の加工が容易である。
検出質量体12におけるX方向の各側縁にはY方向に延長された検出ばね15の一端部がそれぞれ連続し、両検出ばね15の他端部同士はX方向に延長された連結片16を介して連続一体に連結されている。すなわち、一対の検出ばね15と連結片16とにより平面視コ字状の部材が形成される。ただし、連結片16は駆動ばね13および検出ばね15に比較して十分に剛性が高くなるように設計されている。連結片16の長手方向の中間部には固定片17が突設され、固定片17は支持基板2に接合され定位置に固定されている。駆動質量体11および検出質量体12と検出ばね15および連結片16との間はコ字状のスリット溝14cにより分離されており、スリット溝14bの一端はスリット溝14cに連続している。検出ばね15はX方向に曲げ変形が可能であって駆動質量体11および検出質量体12は固定片17に対してX方向に変位可能になっている。
ところで、検出質量体12は厚み方向に貫通する4個の切抜孔18を有し、各切抜孔18の内側にはそれぞれ固定子20が配置されている。固定子20は、検出質量体12のX方向の両端付近に配置される電極片21を有し、電極片21からは櫛骨片22がX方向に延長され、電極片21と櫛骨片22とでL字状の形状をなしている。電極片21と櫛骨片22とは支持基板2に接合され、固定子20は定位置に固定されている。切抜孔18の内周面は固定子20の外周面の形状に沿った形状であって、固定子20との間には間隙が形成されている。検出質量体12のX方向の両端部には2個ずつの電極片21が配置されている。図3に示すように、櫛骨片22の幅方向の両端面にはそれぞれ多数本の固定櫛歯片23がX方向に列設されている。一方、切抜孔18の内側面であって櫛骨片22との対向面には、図3に示すように、固定櫛歯片23にそれぞれ対向する多数本の可動櫛歯片24がX方向に列設されている。各固定櫛歯片23と各可動櫛歯片24とは互いに離間しており、検出質量体12がX方向に変位する際の固定櫛歯片23と可動櫛歯片24との距離変化に伴う静電容量の変化を検出できるようにしてある。すなわち、固定櫛歯片23と可動櫛歯片24とにより検出質量体12の変位を検出する検出手段が構成されている。
ジャイロセンサは、フレーム10、固定片17および固定子20が支持基板2に接合されている。これらに対し、駆動質量体11および検出質量体12は、支持基板2との間に形成される間隙においてZ方向に変位可能でなければならないから、図1に示すように、支持基板2における素子形成基板1との対向面に凹所29を形成することによって駆動質量体11と支持基板2との間隙を確保するとともに、検出質量体12における支持基板2との対向面を支持基板2から後退させる(言い換えれば、シリコン基板1Aにおける支持基板2との対向面にバルクマイクロマシンニングにより凹部30を形成する)ことにより検出質量体12と支持基板2との間隙を確保している。言い換えれば、シリコン基板1Aにおける支持基板2との対向面にバルクマイクロマシンニングにより凹部30を形成することにより検出質量体12と支持基板2との間隙を確保しており、このような凹部30を設けることにより、固定櫛歯片23と可動櫛歯片24とのギャップを短くした場合にバルクマイクロマシンニングによる固定櫛歯片23と可動櫛歯片24とを分離工程が容易となる。このようなバルクマイクロマシンニングでは、例えば、垂直深掘が可能な誘導結合プラズマ型のドライエッチング装置による異方性ドライエッチング技術を利用すればよい。
支持基板2において駆動質量体11との対向面にはアルミニウム薄膜のような導電性の金属薄膜からなる固定駆動電極25(図1(a)参照)が形成されている。一方、素子形成基板1は、固定駆動電極25において支持基板2の凹所29の周部まで延長された部分を介して支持基板2に接合された一対の電極片26を備えており、各固定片17、各電極片21,26それぞれの表面にパッド28が形成されている。さらに、図示例ではフレーム10において取付片17の近傍部位に、固定片17を挟む形で一対の接地片19が形成されており、各接地片19上にもパッド28が形成されている。このように、各パッド28は、素子形成基板1において支持基板2に接合された固定片17、各電極片21,26、各接地片19それぞれの上に形成されているので、各パッド28それぞれへボンディングワイヤを確実にボンディングすることができる。
上述したジャイロセンサを製造する際には、シリコン基板1Aとシリコン基板1Bとからなる素子形成基板1に上記凹部30を形成した後で、上記凹所29および固定駆動電極25を形成した支持基板2と素子形成基板1とを接合する。この状態では、素子形成基板1の各部位(フレーム10、駆動質量体11および検出質量体12、固定子20)は分離されていないから、素子形成基板1を支持基板2に接合した後に、フレーム10を分離する溝、スリット溝14a〜14c、固定子20を分離する溝を素子形成基板1における支持基板2とは反対側の表面から形成して各部位に分離するバルクマイクロマシンニングを行う。このようなバルクマイクロマシンニングでは、例えば、垂直深掘が可能な誘導結合プラズマ型のドライエッチング装置による異方性ドライエッチング技術を利用すればよい。この段階において、固定片17は支持基板2に接合されているから、固定片17に連続する駆動質量体11および検出質量体12は支持基板2に保持されており、また、固定子20も支持基板2に接合されている。なお、集積回路3の製造方法については、周知の方法を採用すればよいので説明を省略する。また、ジャイロセンサの複数のパッド28のうちの一部と集積回路3の複数のパッド38(図1(a)参照)のうちの一部とはボンディングワイヤWを介して電気的に接続する。
以下に本実施形態におけるジャイロセンサの動作を説明する。
ジャイロセンサは駆動質量体11に規定の振動を与えておき、外力による角速度が作用したときの検出質量体12の変位を検出するものである。ここにおいて、駆動質量体11を振動させるには固定駆動電極25と駆動質量体11との間に正弦波形ないし矩形波形の振動電圧を印加すればよい。振動電圧は、交流電圧が望ましいが、極性を反転させることは必須ではない。駆動質量体11は駆動ばね13と検出質量体12と検出ばね15と連結片16とを介して固定片17に電気的に接続され、固定片17の表面にはパッド28が形成されており、また、固定駆動電極25は電極片26に電気的に接続され、電極片26の表面にもパッド28が形成されているから、固定片17上のパッド28と電極片26上のパッド28との間に振動電圧を印加すれば、駆動質量体11と固定駆動電極25との間に静電力を作用させて駆動質量体11を支持基板2に対してZ方向に振動させることができる。振動電圧の周波数は、駆動質量体11および検出質量体12の質量や駆動ばね13および検出ばね15のばね定数などにより決まる共振周波数に一致させれば、比較的小さい駆動力で大きな振幅を得ることができる。
駆動質量体11を振動させている状態において、素子形成基板1にY方向の軸回りの角速度が作用したときに、X方向にコリオリ力が発生し、検出質量体12(および駆動質量体11)は固定子20に対してX方向に変位する。可動櫛歯片24が固定櫛歯片23に対して変位すれば、可動櫛歯片24と固定櫛歯片23との距離が変化し、結果的に可動櫛歯片24と固定櫛歯片23との間の静電容量が変化する。この静電容量の変化は、4個の固定子20に接続されたパッド28から取り出すことができる。すなわち、X方向において並ぶ各一対の電極片21の間の静電容量は固定櫛歯片23と可動櫛歯片24との距離変化を反映するから、両電極片21は可変容量コンデンサの電極と等価であって、図示する構成では4個の可変容量コンデンサが形成されるから、各可変容量コンデンサの静電容量をそれぞれ検出したり、両可変容量コンデンサを並列に接続した合成容量を検出したりすることにより、検出質量体12の変位を検出することができる。駆動質量体11の振動は既知であるから、検出質量体12の変位を検出することにより、コリオリ力を求めることができる。
ここに、可動櫛歯片24の変位は、(駆動質量体11の質量)/(駆動質量体11の質量+検出質量体12の質量)に比例するから、駆動質量体11の質量が検出質量体12の質量に比較して大きいほど可動櫛歯片24の変位が大きくなり、結果的に感度が向上することになる。そこで、本実施形態では駆動質量体11の厚み寸法を検出質量体12の厚み寸法よりも大きくしてある。また、感度は可動櫛歯片24と固定櫛歯片23との対向面積が大きいほど各可変容量コンデンサの静電容量が大きくなって感度が向上するから、素子形成基板1の厚み方向における可動櫛歯片24および固定櫛歯片23それぞれの寸法は大きいほうが望ましいが、当該寸法がフレーム10の厚さ寸法と同じで可動櫛歯片24と固定櫛歯片23との距離が短くなると可動櫛歯片24と固定櫛歯片23とを分離する溝のアスペクト比が高すぎてバルクマイクロマシンニングによる加工が難しいので、素子形成基板1の厚み方向における可動櫛歯片24および固定櫛歯片23それぞれの寸法はフレーム10の厚さ寸法よりも小さく設定しておき、素子形成基板1の一面に上記凹部30を形成した後で素子形成基板1の他面側から可動櫛歯片24と固定櫛歯片23とを分離する溝を形成すればよい。
以上説明した本実施形態のジャイロセンサ装置では、微小電気機械要素であるジャイロセンサと集積回路3とが1つの素子形成基板1に形成されており、ジャイロセンサを抵抗率の比較的小さなシリコン基板1Aに形成し、集積回路3を抵抗率の比較的大きなシリコン基板に形成してあるので、ジャイロセンサと集積回路3との両方の高性能化が可能になり、微小電気機械デバイスであるジャイロセンサ装置全体(つまり、デバイス全体)としての高性能化を図ることが可能となる。また、本実施形態では、ジャイロセンサがバルクマイクロマシンニングにより形成されているので、ジャイロセンサが表面マイクロマシンニングにより形成されている場合に比べて、ジャイロセンサの機械的性能および電気的性能の向上を図れる。また、素子形成基板1は、ジャイロセンサのフレーム10が微小電気機械要素用のグランドを構成しており、ジャイロセンサのグランドが集積回路3のグランドを兼ねているので、微小電気機械要素用のグランドと集積回路3のグランドとが別々に形成されてトレンチなどにより絶縁分離されている場合に比べて、電気的性能が向上するとともに、製造が容易になる。
ところで、本実施形態のジャイロセンサ装置におけるジャイロセンサは、シリコン基板1Aとシリコン基板1Bとに亙って形成されているのに対して、シリコン基板1Bの抵抗率が面内で一様でシリコン基板1Aの抵抗率よりも大きくなっているが、ジャイロセンサの高性能化の観点からは、シリコン基板1Bにおけるジャイロセンサが形成される部分の抵抗率が集積回路3が形成される部分の抵抗率よりも小さく設定されていることが望ましく、シリコン基板1Bにおけるジャイロセンサが形成される部分の抵抗率がシリコン基板1Aの抵抗率と等しく設定されているのが好ましい。
(実施形態2)
本実施形態のジャイロセンサ装置の基本構成は実施形態1と略同じであって、図4に示すように、素子形成基板1を構成する多層基板が、シリコン基板1Aとシリコン基板1Bとの間にシリコン酸化膜からなる絶縁層1Cを有している点などが相違する。要するに、本実施形態では、素子形成基板1としてシリコン基板上のシリコン酸化膜上にシリコン層が形成されたSOI基板を用いることが可能となる。なお、実施形態1と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態のジャイロセンサ装置の基本構成は実施形態1と略同じであって、図4に示すように、素子形成基板1を構成する多層基板が、シリコン基板1Aとシリコン基板1Bとの間にシリコン酸化膜からなる絶縁層1Cを有している点などが相違する。要するに、本実施形態では、素子形成基板1としてシリコン基板上のシリコン酸化膜上にシリコン層が形成されたSOI基板を用いることが可能となる。なお、実施形態1と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態のジャイロセンサ装置では、素子形成基板1のシリコン基板1Aとシリコン基板1Bとの間に絶縁層1Cが介在しており、ジャイロセンサをシリコン基板1Aのみを用いて形成してあるのに対して、集積回路3をシリコン基板1Bのみに形成してあるので、ジャイロセンサと集積回路3とを素子形成基板1の絶縁層1Cにより電気的に絶縁することができる。また、本実施形態では、ジャイロセンサにおける可動部である駆動質量体11、検出質量体12、駆動ばね13、検出ばね15がシリコン基板1Aのみにより形成されているので、可動部がシリコン基板1Aと絶縁層1Cとシリコン基板1Bとを用いて形成されている場合に比べて、可動部の機械的特性が向上し、ジャイロセンサの電気的特性が安定する。また、本実施形態では、ジャイロセンサが素子形成基板1におけるシリコン基板1Aを用いて形成され、シリコン基板1Aにパッド28が形成されているので、ジャイロセンサがシリコン基板1Aと絶縁層1Cとシリコン基板1Bとを用いて形成されている場合に比べて、パッド28を容易に形成することが可能となる。
ところで、本実施形態のジャイロセンサ装置の製造にあたっては、図5(a)に示すように、一表面側に集積回路3および各パッド28,38を形成し且つ他表面側に上記凹部30を形成した素子形成基板1と、素子形成基板1との対向面側に凹所29および固定駆動電極25を形成した支持基板2とを接合し、その後、図5(b)に示すように素子形成基板1の上記一表面側から異方性ドライエッチングを行うことで素子形成基板1の不要部分を除去し、続いて、図5(c)に示すようにジャイロセンサのパッド28と集積回路3のパッド38とをボンディングワイヤWを介して接続するような製造プロセスが考えられる。しかしながら、上述の製造プロセスにおいて、素子形成基板1と支持基板2とを陽極接合する際に、シリコン基板1Aに設けてある陽極接合用電極(図示せず)をグランド側としてガラス基板からなる支持基板2に設けてある陽極接合用電極(図示せず)に600V程度の負電圧を印加した場合、集積回路3が形成されているシリコン基板1Bはフローティング状態にあるので、集積回路3が絶縁破壊されてしまう恐れがある。
そこで、本実施形態の製造方法では、シリコン基板1Bに対して、素子形成基板1におけるシリコン基板1Aと支持基板2との陽極接合時にシリコン基板1Aの陽極接合用電極と電気的に接続される電位安定用電極(図示せず)をあらかじめ形成しておき、シリコン基板1Aと支持基板2との陽極接合時に、シリコン基板1Aの陽極接合用電極とシリコン基板1Bの電位安定用電極とを電気的に接続して図6に示すようにシリコン基板1Aとシリコン基板1Bとをグランド側として同電位にしておくことにより、陽極接合時に集積回路3が絶縁破壊されるのを防止している。
(実施形態3)
本実施形態のジャイロセンサ装置の基本構成は実施形態1と略同じであって、図7に示すように、素子形成基板1におけるシリコン基板1Aを用いてジャイロセンサが形成されるとともに、シリコン基板1Aにおいて各パッド28.38が形成された表面とは反対側にシリコン基板1Bが形成され、シリコン基板1Bにおけるシリコン基板1A側に集積回路3が形成されている点などが相違する。ここにおいて、集積回路3は、シリコン基板1Bに形成した配線39およびシリコン基板1Aの厚み方向に貫設した貫通配線37を介してパッド38と電気的に接続されている。また、本実施形態では、シリコン基板1Bが実施形態1における支持基板2を兼ねており、シリコン基板1Bにおけるシリコン基板1A側の表面に凹所29および固定駆動電極25を形成してある。他の構成は実施形態1と同様である。
本実施形態のジャイロセンサ装置の基本構成は実施形態1と略同じであって、図7に示すように、素子形成基板1におけるシリコン基板1Aを用いてジャイロセンサが形成されるとともに、シリコン基板1Aにおいて各パッド28.38が形成された表面とは反対側にシリコン基板1Bが形成され、シリコン基板1Bにおけるシリコン基板1A側に集積回路3が形成されている点などが相違する。ここにおいて、集積回路3は、シリコン基板1Bに形成した配線39およびシリコン基板1Aの厚み方向に貫設した貫通配線37を介してパッド38と電気的に接続されている。また、本実施形態では、シリコン基板1Bが実施形態1における支持基板2を兼ねており、シリコン基板1Bにおけるシリコン基板1A側の表面に凹所29および固定駆動電極25を形成してある。他の構成は実施形態1と同様である。
しかして、本実施形態では、実施形態1に比べて装置全体(微小電気機械デバイス全体)の薄型化を図ることができる。
(実施形態4)
本実施形態のジャイロセンサ装置の基本構成は実施形態1と略同じであって、図8に示すように、集積回路3が、素子形成基板1の厚み方向においてジャイロセンサと重なっている点や、ジャイロセンサの可動部が、シリコン基板1Bとシリコン基板1Aの周部(ここでは、ジャイロセンサのフレーム10)と支持基板2とで囲まれた密閉空間内に位置している点などが相違する。また、本実施形態では、集積回路3がシリコン基板1Bにおけるシリコン基板1A側に形成されており、シリコン基板1Bにおけるシリコン基板1Aとは反対側に形成された各パッド28がシリコン基板1Bに貫設された貫通配線27を介してジャイロセンサと電気的に接続され、各パッド38がシリコン基板1Bに貫設された貫通配線37およびシリコン基板1Bにおけるシリコン基板1Aとの対向面に沿って形成された金属配線39を介して集積回路3と電気的に接続されている。なお、実施形態1と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態のジャイロセンサ装置の基本構成は実施形態1と略同じであって、図8に示すように、集積回路3が、素子形成基板1の厚み方向においてジャイロセンサと重なっている点や、ジャイロセンサの可動部が、シリコン基板1Bとシリコン基板1Aの周部(ここでは、ジャイロセンサのフレーム10)と支持基板2とで囲まれた密閉空間内に位置している点などが相違する。また、本実施形態では、集積回路3がシリコン基板1Bにおけるシリコン基板1A側に形成されており、シリコン基板1Bにおけるシリコン基板1Aとは反対側に形成された各パッド28がシリコン基板1Bに貫設された貫通配線27を介してジャイロセンサと電気的に接続され、各パッド38がシリコン基板1Bに貫設された貫通配線37およびシリコン基板1Bにおけるシリコン基板1Aとの対向面に沿って形成された金属配線39を介して集積回路3と電気的に接続されている。なお、実施形態1と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
しかして、本実施形態のジャイロセンサ装置では、実施形態1のように微小電気機械要素であるジャイロセンサと集積回路3とが素子形成基板1の厚み方向において重ならないように素子形成基板1に形成されたものに比べて、素子形成基板1の小型化(素子形成基板1の平面サイズの小型化)を図れ、実装基板などへの実装面積を低減することができる。しかも、集積回路3は、シリコン基板1Bにおけるシリコン基板1A側に形成されているので、集積回路3がシリコン基板1Bにおけるシリコン基板1A側とは反対側に形成されている場合に比べて、ジャイロセンサと集積回路3とを電気的に接続する配線の長さを短くすることができ、デバイス全体としての性能を向上させることができる。また、シリコン基板1Bにおけるシリコン基板1A側とは反対側に、シリコン基板1Bの厚み方向に貫通した貫通配線27,37を介してジャイロセンサ、集積回路3それぞれに電気的に接続されたパッド28,38が形成されているので、素子形成基板1上で配線を引き回すことなくパッド28,38を露出させることができるので、素子形成基板1の平面サイズを小さくすることが可能となる。
また、本実施形態のジャイロセンサ装置では、ジャイロセンサの上記可動部が上記密閉空間内に位置しているので、ジャイロセンサの可動部がデバイス外部からの塵や埃等の影響を受けるのを防止することができ、デバイス全体としての信頼性が向上する。
ところで、本実施形態のジャイロセンサ装置の製造にあたっては、シリコン基板1Bの一表面側に集積回路3を形成した後で、シリコン基板1Bを他表面側から研磨することで所定厚さまで薄型化し(図8中の破線は研磨された部分を示している)、その後で、各貫通配線27,37を形成し、続いて各パッド28,38を形成する。したがって、シリコン基板1Bが薄型化されていない場合に比べて、デバイス全体の小型化を図ることが可能となる。
(実施形態5)
本実施形態のジャイロセンサ装置の基本構成は実施形態4と略同じであって、図9に示すように、集積回路3の形成領域が実施形態4に比べて広く、支持基板2におけるシリコン基板1Aとは反対側に各パッド28,38を形成し、支持基板2に各貫通配線27,37を形成している点が相違する。なお、実施形態4の同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態のジャイロセンサ装置の基本構成は実施形態4と略同じであって、図9に示すように、集積回路3の形成領域が実施形態4に比べて広く、支持基板2におけるシリコン基板1Aとは反対側に各パッド28,38を形成し、支持基板2に各貫通配線27,37を形成している点が相違する。なお、実施形態4の同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
しかして、本実施形態では、シリコン基板1Bに形成する集積回路3の形成領域の大きさとは関係なく貫通配線27,37を形成することができるので、素子形成基板1の平面サイズを小さくすることが可能となる。
1 素子形成基板
1A シリコン基板(第1の半導体基板)
1B シリコン基板(第2の半導体基板)
2 支持基板
3 集積回路
10 フレーム(周部)
11 駆動質量体(可動部)
12 検出質量体(可動部)
13 駆動ばね(可動部)
15 検出ばね(可動部)
1A シリコン基板(第1の半導体基板)
1B シリコン基板(第2の半導体基板)
2 支持基板
3 集積回路
10 フレーム(周部)
11 駆動質量体(可動部)
12 検出質量体(可動部)
13 駆動ばね(可動部)
15 検出ばね(可動部)
Claims (5)
- 微小電気機械要素と集積回路とが1つの素子形成基板に形成された微小電気機械デバイスであって、素子形成基板が、第1の半導体基板と、第1の半導体基板の厚み方向の一表面側に設けられ少なくとも一部が第1の半導体基板よりも抵抗率の大きな第2の半導体基板とを有した多層基板であり、微小電気機械要素が少なくとも第1の半導体基板に形成されるとともに、集積回路が第2の半導体基板において第1の半導体基板よりも抵抗率の大きな部分に形成されてなり、第1の半導体基板の他表面側に固着された支持基板を備え、微小電気機械要素の可動部が、第2の半導体基板と第1の半導体基板の周部と支持基板とで囲まれた密閉空間内に位置していることを特徴とする微小電気機械デバイス。
- 前記集積回路は、前記第2の半導体基板における前記第1の半導体基板側に形成されてなることを特徴とする請求項1記載の微小電気機械デバイス。
- 前記第2の半導体基板は、前記集積回路を形成した後に所定厚さまで薄型化されてなることを特徴とする請求項1または請求項2記載の微小電気機械デバイス。
- 前記第2の半導体基板における前記第1の半導体基板側とは反対側に、前記第2の半導体基板の厚み方向に貫通した貫通配線を介して前記微小電気機械要素および前記集積回路それぞれに電気的に接続されたパッドが形成されてなることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の微小電気機械デバイス。
- 前記支持基板における前記第1の半導体基板とは反対側に、前記支持基板の厚み方向に貫通した貫通配線を介して前記微小電気機械要素および前記集積回路それぞれに電気的に接続されたパッドが形成されてなることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の微小電気機械デバイス。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2015033587A1 (ja) * | 2013-09-05 | 2015-03-12 | 日立オートモティブシステムズ株式会社 | 角速度センサ |
JP2016001148A (ja) * | 2014-06-12 | 2016-01-07 | セイコーエプソン株式会社 | 機能素子、機能素子の製造方法、電子機器、および移動体 |
CN112744779A (zh) * | 2019-10-30 | 2021-05-04 | 台湾积体电路制造股份有限公司 | 微机电系统及其制造方法 |
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-
2010
- 2010-02-01 JP JP2010020429A patent/JP2010107521A/ja not_active Withdrawn
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