JP2010185667A - Mechanical quantity sensor and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、外力に応じて変位可能な容量素子を用いて力学量を検出する力学量センサ及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a mechanical quantity sensor that detects a mechanical quantity using a capacitive element that can be displaced according to an external force, and a method for manufacturing the same.
近年、各種電子機器の小型軽量化、多機能化や高機能化が進み、実装される電子部品にも高密度化が要求されている。このような要求に応じて各種電子部品が半導体デバイスとして製造されるものが増加している。このため、回路素子として製造される半導体デバイス以外に力学量を検出するセンサ等も半導体デバイスを用いて製造されて、小型軽量化が図られている。例えば、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術を用いて小型で単純な構造を有する加速度センサあるいは角速度センサでは、外力に応じて変位する可動部を半導体基板に形成し、この可動部の変位が静電容量素子を利用して検出されるタイプのセンサ（いわゆる静電容量型センサ）等が実用化されている。 In recent years, various electronic devices have been reduced in size, weight, functionality, and functionality, and electronic components to be mounted have been required to have higher density. In response to such demands, an increasing number of electronic components are manufactured as semiconductor devices. For this reason, in addition to the semiconductor device manufactured as a circuit element, a sensor for detecting a mechanical quantity is also manufactured using the semiconductor device, and a reduction in size and weight is achieved. For example, in an acceleration sensor or an angular velocity sensor having a small and simple structure using MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology, a movable portion that is displaced according to an external force is formed on a semiconductor substrate, and the displacement of the movable portion is electrostatically detected. A type of sensor (so-called capacitive sensor) that is detected using a capacitive element has been put into practical use.
このようなセンサでは、可動部を安定して変位させるため、半導体基板を封止材（例えば、ガラス基板等）で密封する構造がとられており、密封された封止空間はガス抜き等が行われて、可動部の変位を阻害する要因が排除されている。このような可動部を密封した封止構造を有するデバイスを、本書面では封止型デバイスと呼称するものとする。封止型デバイスには、ＭＥＭＳ素子以外に、ＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）素子やＦ−ＢＡＲ（Thin Film Bulk Acoustic Wave Resonators）素子等も含まれる。静電容量型センサは、一般に一対のガラス基板に挟まれて接合された半導体基板内に、所定の自由度をもって変位可能な錘部を用意し、当該錘部を加速度や角速度などに伴う変位を検出する錘部として利用する。変位の検出は、容量素子の静電容量の値に基づいて行われる。静電容量型センサにおいて、多軸成分の力学量を検出するために、従来、１軸のセンサを複数組み合わせて使われていたが、サイズやコストの点で問題であった。 Such a sensor has a structure in which the semiconductor substrate is sealed with a sealing material (for example, a glass substrate) in order to displace the movable part stably, and the sealed sealing space is vented. This is done to eliminate the factor that hinders the displacement of the movable part. A device having a sealing structure in which such movable parts are sealed is referred to as a sealed device in this document. Sealed devices include SAW (Surface Acoustic Wave) elements and F-BAR (Thin Film Bulk Acoustic Wave Resonators) elements in addition to MEMS elements. In general, a capacitance type sensor has a weight part that can be displaced with a predetermined degree of freedom in a semiconductor substrate sandwiched between a pair of glass substrates, and the weight part can be displaced with acceleration or angular velocity. It is used as a weight part to detect. The displacement is detected based on the capacitance value of the capacitive element. Conventionally, in order to detect a dynamic quantity of multi-axis components in a capacitance type sensor, a plurality of single-axis sensors have been used in combination. However, this is a problem in terms of size and cost.
そこで、１つのセンサ素子によって多軸成分の検出を行うことが可能な静電容量型センサの研究が進んでいる。このような１つのセンサ素子によって多軸成分の力学量を検出するセンサが開示されている（非特許文献１）。 Therefore, research on a capacitive sensor capable of detecting multi-axis components with a single sensor element is in progress. A sensor that detects a mechanical quantity of a multi-axis component with such a single sensor element is disclosed (Non-Patent Document 1).
静電容量型の角速度センサの動作原理について、図１２を参照して説明する。図１２（Ａ）及び（Ｂ）は、静電容量型の角速度センサの概略構成と、基本動作を示す図である。図１２（Ａ）において、角速度センサ７００は、上ガラス基板（第１基板）７０１と、半導体基板７０２と、下ガラス基板（第２基板）７０３と、により構成される。上ガラス基板７０１の半導体基板７０２との対向面には、駆動用の電極７０４が形成されている。半導体基板７０２には、錘部７０５と、錘部７０５を図中の上下方向に変位可能に支持する可撓部７０６が形成されている。半導体基板７０２は、その上面と下面が上ガラス基板７０１と下ガラス基板７０３に接合されて封止されることにより、その内部は真空封止されている。 The principle of operation of the capacitive angular velocity sensor will be described with reference to FIG. 12A and 12B are diagrams showing a schematic configuration and basic operation of a capacitive angular velocity sensor. In FIG. 12A, the angular velocity sensor 700 includes an upper glass substrate (first substrate) 701, a semiconductor substrate 702, and a lower glass substrate (second substrate) 703. A driving electrode 704 is formed on a surface of the upper glass substrate 701 facing the semiconductor substrate 702. The semiconductor substrate 702 is formed with a weight portion 705 and a flexible portion 706 that supports the weight portion 705 so as to be displaceable in the vertical direction in the drawing. The semiconductor substrate 702 is sealed by bonding its upper and lower surfaces to the upper glass substrate 701 and the lower glass substrate 703 and sealing the inside.
図１２（Ａ）は、電極７０４に駆動電圧として５Ｖを印加した状態を示す図である。この場合、錘部７０５は電極７０４との間の静電引力Ｆｃにより上方に引っ張り上げられる。図１２（Ｂ）は、電極７０４に印加する駆動電圧を０Ｖにした状態を示す図である。この場合、錘部７０５は可撓部７０６のばね復元力Ｆｂにより元の位置に戻される。この角速度センサ７００では、図１２（Ａ）及び（Ｂ）の駆動電圧の印加動作を繰り返すことにより錘部７０５を振動させた状態で、角速度に伴うコリオリ力が検出される。 FIG. 12A is a diagram illustrating a state in which 5 V is applied to the electrode 704 as a driving voltage. In this case, the weight portion 705 is pulled upward by the electrostatic attractive force Fc between the electrode 704 and the weight portion 705. FIG. 12B is a diagram illustrating a state in which the drive voltage applied to the electrode 704 is 0V. In this case, the weight portion 705 is returned to the original position by the spring restoring force Fb of the flexible portion 706. In this angular velocity sensor 700, the Coriolis force associated with the angular velocity is detected in a state where the weight portion 705 is vibrated by repeating the operation of applying the drive voltage shown in FIGS.
図１２では、真空封止された静電容量型の角速度センサを例示したが、真空封止を必要としない静電容量型の加速度センサの製造方法が、例えば、特許文献１により提案されている。この加速度センサでは、シリコン基板をエッチング処理することにより互いに分離して形成された固定部と可動部とから構成されるくし形電極を有している。この加速度センサの製造方法では、シリコン基板の一側面のうち、固定部の固定電極と可動部の梁、質量部及び可動電極に相当する部位に保護膜（シリコン酸化膜：ＳｉＯ２）を形成し、エッチング処理により固定部及び可動部を分離して形成する際の寸法精度を良くすることを提案している。 FIG. 12 illustrates a vacuum-sealed electrostatic capacitance type angular velocity sensor. However, for example, Patent Document 1 proposes a method for manufacturing a capacitive acceleration sensor that does not require vacuum sealing. . This acceleration sensor has comb-shaped electrodes composed of a fixed portion and a movable portion that are formed separately from each other by etching the silicon substrate. In this method of manufacturing an acceleration sensor, a protective film (silicon oxide film: SiO 2 ) is formed on one side surface of a silicon substrate at a portion corresponding to a fixed electrode of a fixed portion, a beam of a movable portion, a mass portion, and a movable electrode. It has been proposed to improve the dimensional accuracy when the fixed portion and the movable portion are separately formed by etching.
しかしながら、上述の特許文献１により提案された加速度センサの製造方法では、最初に、固定部及び可動部の形成部位に関わらずシリコン基板の一側面全体にシリコン窒化膜（ＳｉＮ）を形成し、パターンニングにより固定部及び可動部の形成部位のシリコン窒化膜（ＳｉＮ）を除去し、エッチング処理により固定部及び可動部を分離形成し、半導体基板とガラス基板とを接合する前に余分なシリコン窒化膜（ＳｉＮ）を除去している。このため、シリコン窒化膜（ＳｉＮ）の形成時に半導体基板のガラス基板との接合面に強い応力を生じさせ、成膜された接合面に結晶欠陥が発生しやすくなる。このため、特許文献１の製造方法では、上述の封止型デバイスにおいて必須となる真空封止状態を維持することは困難である。 However, in the acceleration sensor manufacturing method proposed by the above-mentioned Patent Document 1, first, a silicon nitride film (SiN) is formed on the entire side surface of the silicon substrate regardless of the formation site of the fixed portion and the movable portion, and the pattern is formed. The silicon nitride film (SiN) is removed from the formation part of the fixed part and the movable part by polishing, and the fixed part and the movable part are separated and formed by etching, and an extra silicon nitride film is formed before the semiconductor substrate and the glass substrate are bonded. (SiN) is removed. For this reason, when forming a silicon nitride film (SiN), a strong stress is generated on the bonding surface of the semiconductor substrate with the glass substrate, and crystal defects are easily generated on the formed bonding surface. For this reason, in the manufacturing method of patent document 1, it is difficult to maintain the vacuum sealing state essential in the above-mentioned sealed device.
また、上述の図１２に示したような静電容量型の角速度センサの製造では、可撓部の上面と下面にはシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）が形成されており、エッチング処理により可撓部を形成する時のエッチングストップ層となる。しかし、可撓部の側壁はシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）が形成されておらず、シリコン（Ｓｉ）が露出しているため、錘部をエッチング処理（ＤＲＩＥ：Ｄｅｅｐ Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）により形成する際にエッチングガスの回り込み等により側壁部が腐食して、可撓部に形状不良が発生することを確認した。図１３は、可撓部の側壁にエッチングガスによる腐食が発生する現象を模式的に示した図である。図１４は、エッチングガスにより実際に腐食が発生した可撓部の部分を撮影した顕微鏡写真である。図１４に示すように、エッチングガスにより可撓部の側壁が腐食すると、その側壁部分に形状不良が発生する。また、図１４には示していないが、可撓部と錘部とが接続される付根部分にもエッチングガスによる腐食が発生し、付根部分が抉られて形状不良が発生する。 Further, in the manufacture of the capacitance type angular velocity sensor as shown in FIG. 12 described above, silicon oxide films (SiO 2 ) are formed on the upper surface and the lower surface of the flexible portion. It becomes an etching stop layer when forming. However, since the silicon oxide film (SiO 2 ) is not formed on the side wall of the flexible portion and silicon (Si) is exposed, the weight portion is formed by etching processing (DRIE: Deep Reactive Ion Etching). In addition, it was confirmed that the side wall portion was corroded by the wraparound of the etching gas and the like, and a defective shape was generated in the flexible portion. FIG. 13 is a diagram schematically illustrating a phenomenon in which corrosion due to an etching gas occurs on the side wall of the flexible portion. FIG. 14 is a photomicrograph of the portion of the flexible part where corrosion has actually occurred due to the etching gas. As shown in FIG. 14, when the side wall of the flexible portion is corroded by the etching gas, a shape defect occurs in the side wall portion. Although not shown in FIG. 14, the root portion where the flexible portion and the weight portion are connected is also corroded by the etching gas, and the root portion is crushed, resulting in a defective shape.
上述のように可撓部及び付根部分に形状不良が発生すると、錘部を多軸方向（Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向）に変位可能に支持する可撓部の対称性が損なわれ、角速度センサの他軸感度を上昇させ、角速度の検出誤差を増加させる原因となる。すなわち、角速度センサでは、加えられる外力に応じて可撓部が撓むことにより錘部を外力に応じた方向のみに変位させることが好ましいが、可撓部の対称性が損なわれると錘部を異なる方向にも変位させることになる。このため、例えば、Ｘ軸方向の外力に対してＸ軸方向の変位のみが計測されるべき場合に、Ｙ軸方向の変位も計測されてしまい、Ｘ軸方向の変位の計測値に対してＹ軸方向の変位の計測値がノイズ成分となり、角速度センサの検出精度を低下させる原因となる。このようなノイズ成分が発生する割合を示す値（％）が、角速度センサの他軸感度である。 As described above, when a defective shape occurs in the flexible portion and the root portion, the symmetry of the flexible portion that supports the weight portion so as to be displaceable in the multiaxial directions (X direction, Y direction, Z direction) is impaired, and the angular velocity This increases the other-axis sensitivity of the sensor and increases the angular velocity detection error. That is, in the angular velocity sensor, it is preferable to displace the weight part only in the direction according to the external force by bending the flexible part according to the applied external force, but when the symmetry of the flexible part is lost, the weight part is It will also be displaced in different directions. For this reason, for example, when only the displacement in the X-axis direction should be measured with respect to the external force in the X-axis direction, the displacement in the Y-axis direction is also measured. The measurement value of the axial displacement becomes a noise component, which causes a decrease in detection accuracy of the angular velocity sensor. The value (%) indicating the rate at which such a noise component is generated is the other-axis sensitivity of the angular velocity sensor.
本発明は上記に鑑み、封止型デバイスである静電容量型の力学量センサにおいて、対称性をもって錘部を多軸方向に変位可能に支持する可撓部の形状不良を低減して他軸感度を低減し、かつ、錘部が配置される封止空間内の真空封止状態を良好に維持する力学量センサ及びその製造方法を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above, the present invention provides a capacitive type mechanical quantity sensor that is a sealed device, and reduces the shape defect of the flexible part that supports the weight part so as to be displaceable in multiple axes with symmetry. An object of the present invention is to provide a mechanical quantity sensor that reduces sensitivity and maintains a vacuum sealed state in a sealed space in which a weight portion is arranged, and a method for manufacturing the same.
本発明の実施の形態に係る力学量センサは、フレーム部と、前記フレーム部の内側に配置された錘部と、前記錘部と前記フレーム部とを接続する可撓部と、を備えた半導体基板と、前記フレーム部の一方の側に接合された第１基板と、前記フレーム部の他方の側に接合された第２基板と、前記第１基板上に設けられ、前記錘部と対向する第１電極と、前記第２基板上に設けられ、前記錘部と対向する第２電極と、を備え、前記可撓部は保護膜で被覆され、前記錘部は前記フレーム部と前記第１基板及び前記第２基板との接合により前記半導体基板内に形成された封止空間内に配置されたことを特徴とする。 A mechanical quantity sensor according to an embodiment of the present invention includes a frame portion, a weight portion disposed inside the frame portion, and a flexible portion that connects the weight portion and the frame portion. A substrate, a first substrate bonded to one side of the frame portion, a second substrate bonded to the other side of the frame portion, and provided on the first substrate, facing the weight portion. A first electrode; and a second electrode provided on the second substrate and facing the weight portion, wherein the flexible portion is covered with a protective film, and the weight portion includes the frame portion and the first electrode. It is characterized in that it is disposed in a sealed space formed in the semiconductor substrate by bonding between the substrate and the second substrate.
本発明の実施の形態に係る力学量センサの製造方法は、半導体基板に、フレーム部、前記フレーム部の内側に配置される錘部、および前記錘部と前記フレーム部とを接続する可撓部となる各領域を形成し、前記フレーム部領域、前記錘部領域、および可撓部領域の上に第１材料により第１保護膜を形成し、前記第１保護膜上に第２材料により第２保護膜を形成し、第１エッチング処理により少なくとも前記フレーム部領域上の前記第２保護膜を除去し、第２エッチング処理により前記フレーム部の接合面に残る前記第１保護膜を除去し、前記フレーム部の一方の側と接合される第１基板上に、第１電極を形成し、前記フレーム部の他方の側と接合される第２基板上に、第２電極と、前記第２電極を形成し、前記錘部と前記第１電極とを対向させて前記第１基板と前記フレーム部の一方の側とを接合し、前記錘部と前記第２電極とを対向させて前記第２基板と前記フレーム部の他方の側とを接合し、前記フレーム部と前記第１基板及び前記第２基板との接合により前記半導体基板内に封止空間を形成し、前記封止空間内に前記錘部を配置したことを特徴とする。 A manufacturing method of a mechanical quantity sensor according to an embodiment of the present invention includes: a semiconductor substrate; a frame portion; a weight portion disposed inside the frame portion; and a flexible portion that connects the weight portion and the frame portion. A first protective film is formed on the frame part area, the weight part area, and the flexible part area with a first material, and a second material is formed on the first protective film with a second material. Forming a protective film, removing at least the second protective film on the frame part region by a first etching process, removing the first protective film remaining on the joint surface of the frame part by a second etching process; A first electrode is formed on a first substrate bonded to one side of the frame part, and a second electrode and the second electrode are formed on a second substrate bonded to the other side of the frame part. And the weight portion and the first electrode are opposed to each other. The first substrate and one side of the frame portion are joined together, the weight portion and the second electrode are opposed to each other, the second substrate and the other side of the frame portion are joined, and the frame A sealing space is formed in the semiconductor substrate by bonding a portion to the first substrate and the second substrate, and the weight portion is disposed in the sealing space.
本発明によれば、封止型デバイスである静電容量型の力学量センサにおいて、対称性をもって錘部を多軸方向に変位可能に支持する可撓部の形状不良を低減して他軸感度を低減し、かつ、錘部が配置される封止空間内の真空封止状態を良好に維持する力学量センサ及びその製造方法を提供することができる。 According to the present invention, in a capacitive mechanical quantity sensor that is a sealed type device, the shape defect of the flexible part that supports the weight part so as to be displaceable in multi-axis directions with symmetry is reduced and the other axis sensitivity is reduced. It is possible to provide a mechanical sensor and a method for manufacturing the same that can satisfactorily maintain the vacuum sealing state in the sealing space in which the weight portion is disposed.
以下、図面を参照して、本発明の一実施の形態を詳細に説明する。なお、本実施の形態では、封止型デバイスとして力学量センサの例について説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In this embodiment, an example of a mechanical quantity sensor as a sealed device will be described.
＜力学量センサの構造＞
図１は力学量センサ１００を分解した状態を示す分解斜視図である。図１では力学量センサ１００の面内に直交する２軸（Ｘ軸とＹ軸）を設定し、この２軸に垂直な方向をＺ軸と定めている。力学量センサ１００は、半導体基板Ｗを、その上下に位置する第１基板１４０と第２基板１５０とで挟んで構成されている。半導体基板Ｗは、シリコン膜１１０、ＢＯＸ層１２０、シリコン基板１３０が順に積層して構成される。半導体基板Ｗは後述するような製造工程により、枠状のフレーム（フレーム部１１１とフレーム部１３１とを含む）と、このフレーム内に可撓性を有する可撓部１１３（１１３ａ〜１１３ｄ）により変位可能に支持される錘接合部（錘接合部１１２と錘接合部１３２とを含む）とが、一体的に構成され、力学量を検出するセンサ部を形成している。また、シリコン膜１１０には、フレーム部１１１、錘接合部１１２ａ〜１１２ｅ及び可撓部１１３（１１３ａ〜１１３ｄ）から離隔して、ブロック上層部１１４ａ〜１１４ｊが形成されている。
<Structure of mechanical quantity sensor>
FIG. 1 is an exploded perspective view showing a state in which the mechanical quantity sensor 100 is disassembled. In FIG. 1, two axes (X axis and Y axis) perpendicular to the plane of the mechanical quantity sensor 100 are set, and a direction perpendicular to the two axes is defined as the Z axis. The mechanical quantity sensor 100 is configured by sandwiching a semiconductor substrate W between a first substrate 140 and a second substrate 150 positioned above and below the semiconductor substrate W. The semiconductor substrate W is configured by laminating a silicon film 110, a BOX layer 120, and a silicon substrate 130 in this order. The semiconductor substrate W is displaced by a frame-like frame (including the frame portion 111 and the frame portion 131) and a flexible portion 113 (113a to 113d) having flexibility in the frame by a manufacturing process described later. The weight joint portions (including the weight joint portion 112 and the weight joint portion 132) that are supported in an integrated manner are integrally configured to form a sensor unit that detects a mechanical quantity. In addition, block upper layer portions 114a to 114j are formed in the silicon film 110 so as to be separated from the frame portion 111, the weight joint portions 112a to 112e, and the flexible portions 113 (113a to 113d).
シリコン膜１１０、ＢＯＸ層１２０、シリコン基板１３０、第１基板１４０、第２基板１５０は、その外周が例えば３ｍｍ×３ｍｍの略正方形状であり、これらの高さはそれぞれ２０μｍ、２μｍ、６００μｍ、５００μｍ、５００μｍである。これらの外形、高さは一例であり、上記に限定されるものではない。 The outer periphery of the silicon film 110, the BOX layer 120, the silicon substrate 130, the first substrate 140, and the second substrate 150 has a substantially square shape of, for example, 3 mm × 3 mm, and their heights are 20 μm, 2 μm, 600 μm, and 500 μm, respectively. 500 μm. These external shapes and heights are examples, and are not limited to the above.
シリコン膜１１０、ＢＯＸ層１２０、シリコン基板１３０から構成される半導体基板Ｗは、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いて製造可能である。また、第１基板１４０および第２基板１５０は、ガラス材料、半導体材料、金属材料、絶縁性樹脂材料のいずれかにより構成される。 The semiconductor substrate W including the silicon film 110, the BOX layer 120, and the silicon substrate 130 can be manufactured using an SOI (Silicon On Insulator) substrate. The first substrate 140 and the second substrate 150 are made of any one of a glass material, a semiconductor material, a metal material, and an insulating resin material.
次に、半導体基板Ｗの詳細な構成について、図２を参照して説明する。図２において、（Ａ）は半導体基板Ｗの平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ線から見た半導体基板Ｗの断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線から見た半導体基板Ｗの断面図である。 Next, a detailed configuration of the semiconductor substrate W will be described with reference to FIG. 2A is a plan view of the semiconductor substrate W, FIG. 2B is a cross-sectional view of the semiconductor substrate W as viewed from line AA in FIG. 2A, and FIG. 2C is from line BB in FIG. It is sectional drawing of the semiconductor substrate W which was seen.
図２（Ａ）に示すシリコン膜１１０には、フレーム部１１１、錘接合部１１２ａ〜１１２ｅ、可撓部１１３ａ〜１１３ｅ及びブロック上層部１１４ａ〜１１４ｊが形成されている。フレーム部１１１は、外周が略正方形、内周が錘接合部１１２ａ〜１１２ｅの形状に応じた多角形の枠形状の基板である。錘接合部１１２ａ〜１１２ｅは、図２（Ａ）をＺ方向から見た場合、略クローバー状の形状を有している。錘接合部１１２ａ〜１１２ｅは、該錘接合部１１２ａ〜１１２ｅと略同一形状の錘部１３２（図２（Ｂ）及び（Ｃ）に示す錘部１３２）とＢＯＸ層１２０を介して接合され、フレーム部１１１に対して一体的に変位する。可撓部１１３ａ〜１１３ｄは、それぞれ略長方形の基板であり、フレーム部１１１と錘接合部１１２ｂ〜１１２ｅとを４方向で接続する。可撓部１１３ａ〜１１３ｄは、厚みが薄いため可撓性を有しており、撓みが可能な梁として機能する。可撓部１１３ａ〜１１３ｄが撓むことで、錘接合部１１２ａ〜１１２ｅがフレーム部１１１に対して変位可能である。なお、ブロック上層部１１４ａ〜１１４ｊは、フレーム部１１１、錘接合部１１２ａ〜１１２ｅ及び可撓部１１３ａ〜１１３ｅから離間して形成されている。 In the silicon film 110 shown in FIG. 2A, a frame portion 111, weight joint portions 112a to 112e, flexible portions 113a to 113e, and block upper layer portions 114a to 114j are formed. The frame portion 111 is a polygonal frame-shaped substrate whose outer periphery is substantially square and whose inner periphery corresponds to the shape of the weight joint portions 112a to 112e. The weight joint portions 112a to 112e have a substantially clover-like shape when FIG. 2A is viewed from the Z direction. The weight joint portions 112a to 112e are joined to the weight portion 132 (the weight portion 132 shown in FIGS. 2B and 2C) having substantially the same shape as the weight joint portions 112a to 112e via the BOX layer 120, and the frame It is displaced integrally with the part 111. The flexible portions 113a to 113d are substantially rectangular substrates, respectively, and connect the frame portion 111 and the weight joint portions 112b to 112e in four directions. The flexible portions 113a to 113d have flexibility because they are thin, and function as beams that can be bent. When the flexible portions 113a to 113d are bent, the weight joint portions 112a to 112e can be displaced with respect to the frame portion 111. The block upper layer portions 114a to 114j are formed apart from the frame portion 111, the weight joint portions 112a to 112e, and the flexible portions 113a to 113e.
錘接合部１１２ａ〜１１２ｅ及び可撓部１１３ａ〜１１３ｅは、その一部を図２（Ｂ）に示すように、フレーム部１１１表面よりも低い位置に形成されており、第１基板１４０に対して変位可能である。 As shown in FIG. 2B, the weight joint portions 112 a to 112 e and the flexible portions 113 a to 113 e are partly formed at a position lower than the surface of the frame portion 111. Displaceable.
錘接合部１１２ａの上面は、駆動用電極として機能する。この錘接合部１１２ａの上面は、第１基板１４０の下面に設置された後述する駆動用電極１４４ａ〜１４４ｅ（図３参照）との間に印加された電圧によって錘接合部１１２ａ〜１１２ｅをＺ軸方向に振動させる。この駆動の詳細については後述する。 The upper surface of the weight junction 112a functions as a drive electrode. The upper surface of the weight junction 112a is connected to the drive electrodes 144a to 144e (described later) installed on the lower surface of the first substrate 140 by a voltage applied to the weight junctions 112a to 112e in the Z axis. Vibrate in the direction. Details of this drive will be described later.
錘接合部１１２ｂ〜１１２ｅの上面は、錘接合部１１２ｂ〜１１２ｅのＸ軸およびＹ軸方向の変位を検出する後述する検出用電極としてそれぞれ機能する。この錘接合部１１２ｂ〜１１２ｅの上面は、第１基板１４０の下面に設置された後述する検出用電極１４１ｂ〜１４１ｅとそれぞれ容量性結合する。なお、錘接合部１１２ｂ〜１１２ｅと検出用電極１４１ｂ〜１４１ｅにそれぞれ付した符号のアルファベット部分（ｂ〜ｅ）は、それぞれ相互の位置関係に対応させて同様の順序で付している。この検出の詳細については後述する。 The upper surfaces of the weight joint portions 112b to 112e function as detection electrodes to be described later that detect displacements in the X-axis and Y-axis directions of the weight joint portions 112b to 112e. The upper surfaces of the weight junctions 112b to 112e are capacitively coupled to detection electrodes 141b to 141e (described later) installed on the lower surface of the first substrate 140, respectively. In addition, the alphabet part (b-e) of the code | symbol attached | subjected to the weight junction parts 112b-112e and the detection electrodes 141b-141e, respectively is attached | subjected in the same order corresponding to mutual positional relationship. Details of this detection will be described later.
図２（Ｂ）において、シリコン基板１３０には、フレーム部１３１と、錘部１３２（１３２ａ〜１３２ｅ）と、ブロック下層部１３４ａ〜１３４ｊと、が形成されている。シリコン基板１３０は、半導体基板Ｗをエッチングして開口を形成することで、フレーム部１３１と錘部１３２（１３２ａ〜１３２ｅ）が作成可能である。なお、錘部１３２の高さ（図２（Ｂ）のＺ軸方向）は、フレーム部１３１の高さより低く作成する。これは、錘部１３２と第２基板１５０との間に測定レンジに相当するギャップを確保し、錘部１３２の変位を可能にするためである。なお、ブロック下層部１３４ａ〜１３４ｊは、フレーム部１３１、錘部１３２及び可撓部１１３ａ〜１１３ｅから離間して形成されている。 In FIG. 2B, a frame portion 131, weight portions 132 (132a to 132e), and block lower layer portions 134a to 134j are formed on the silicon substrate 130. In the silicon substrate 130, the frame portion 131 and the weight portion 132 (132a to 132e) can be formed by forming an opening by etching the semiconductor substrate W. The height of the weight portion 132 (in the Z-axis direction in FIG. 2B) is made lower than the height of the frame portion 131. This is because a gap corresponding to the measurement range is secured between the weight part 132 and the second substrate 150 and the weight part 132 can be displaced. In addition, the block lower layer parts 134a-134j are formed away from the frame part 131, the weight part 132, and the flexible parts 113a-113e.
フレーム部１３１は、外周が略正方形、内周が錘部１３２の形状に応じた多角形の枠形状の基板であり、シリコン膜１１０のフレーム部１１１と対応した形状を有する。フレーム部１３１は、ＢＯＸ層１２０ａを介してフレーム部１１１に接合されており、フレーム部１１１と一体化されている。 The frame part 131 is a polygonal frame-shaped substrate whose outer periphery is substantially square and whose inner periphery corresponds to the shape of the weight part 132, and has a shape corresponding to the frame part 111 of the silicon film 110. The frame part 131 is joined to the frame part 111 via the BOX layer 120 a and is integrated with the frame part 111.
錘部１３２は、加速度に起因する力、あるいは、角速度に起因するコリオリ力を受ける錘（作用体）として機能する。錘部１３２は、略直方体形状の錘部１３２ａ〜１３２ｅに区分される。中心に配置された錘部１３２ａには、４方向から錘部１３２ｂ〜１３２ｅが接続され、全体として一体的に変位（移動、回転）することが可能となっている。即ち、錘部１３２ａは、錘部１３２ｂ〜１３２ｅを接続する接続部として機能する。錘部１３２は、図２（Ａ）を鉛直方向から見た場合に、略クローバー状の形状を有している。 The weight part 132 functions as a weight (action body) that receives a force caused by acceleration or a Coriolis force caused by angular velocity. The weight part 132 is divided into substantially rectangular parallelepiped weight parts 132a to 132e. Weight parts 132b to 132e are connected to the weight part 132a arranged at the center from four directions, and can be displaced (moved or rotated) integrally as a whole. That is, the weight part 132a functions as a connection part for connecting the weight parts 132b to 132e. The weight part 132 has a substantially clover-like shape when FIG. 2A is viewed from the vertical direction.
錘部１３２ａ〜１３２ｅは、それぞれ錘接合部１１２ａ〜１１２ｅと対応する略正方形の断面形状（図２（Ａ）のＸ−Ｙ座標平面から見た形状）を有する。錘部１３２ａ〜１３２ｅは、ＢＯＸ層１２０ｂを介して錘接合部１１２ａ〜１１２ｅと接合される。錘部１３２ａ〜１３２ｅに加わった力に応じて錘接合部１１２が変位し、その結果、力学量の測定が可能となる。 The weight parts 132a to 132e have substantially square cross-sectional shapes (shapes seen from the XY coordinate plane in FIG. 2A) corresponding to the weight joint parts 112a to 112e, respectively. The weight parts 132a to 132e are joined to the weight joint parts 112a to 112e via the BOX layer 120b. The weight joint 112 is displaced according to the force applied to the weights 132a to 132e, and as a result, the mechanical quantity can be measured.
錘部１３２を錘部１３２ａ〜１３２として構成している理由は、力学量センサ１００の小型化と高感度化の両立を図るためである。力学量センサ１００を小型化（小容量化）すると、錘部１３２の容量も小さくなり、その質量が小さくなることから、力学量に対する感度も低下する。可撓部１１３ａ〜１１３ｄの撓みを阻害しないように錘部１３２ｂ〜１３２ｅを分散配置することで、錘部１３２全体としての質量を確保している。この結果、力学量センサ１００の小型化と高感度化の両立が図られる。 The reason why the weight part 132 is configured as the weight parts 132a to 132 is to achieve both miniaturization and high sensitivity of the mechanical quantity sensor 100. When the mechanical quantity sensor 100 is reduced in size (reduced capacity), the capacity of the weight portion 132 is reduced and the mass thereof is reduced, so that the sensitivity to the mechanical quantity is also reduced. The weights 132b to 132e are distributed and arranged so as not to hinder the bending of the flexible parts 113a to 113d, thereby securing the mass of the weight part 132 as a whole. As a result, the mechanical quantity sensor 100 can be both reduced in size and increased in sensitivity.
錘部１３２ａの下面（第２基板１５０の上面に対向する面）は、後述する駆動用電極Ｅとして機能する。この錘部１３２ａの下面は、第２基板１５０の上面に設置された後述する駆動用電極１５１ａ（図３（Ｂ）参照）との間に印加された電圧によって錘接合部１１２ａ〜１１２ｅをＺ軸方向に振動させる。なお、この駆動の詳細については後述する。 The lower surface of the weight portion 132a (the surface facing the upper surface of the second substrate 150) functions as a driving electrode E described later. The lower surface of the weight portion 132a is configured such that the weight joint portions 112a to 112e are Z-axised by a voltage applied to a driving electrode 151a (described later with reference to FIG. 3B) installed on the upper surface of the second substrate 150. Vibrate in the direction. Details of this drive will be described later.
錘部１３２ｂ〜１３２ｅのそれぞれの下面は、錘接合部１１２ｂ〜１１２ｅのＸ軸およびＹ軸方向の変位を検出する後述する検出用電極としてそれぞれ機能する。これらの錘部１３２ｂ〜１３２ｅの裏面の検出用電極は、第２基板１５０の上面に設置された後述する検出用電極１５１ｂ〜１５１ｅ（図３（Ｂ）参照）とそれぞれ容量性結合する。なお、錘部１３２ｂ〜１３２ｅと検出用電極１５１ｂ〜１５１ｅにそれぞれ付した符号のアルファベット部分（ｂ〜ｅ）は、それぞれ相互の位置関係に対応させて同様の順序で付している。この検出の詳細については後述する。 The lower surfaces of the weight portions 132b to 132e function as detection electrodes to be described later that detect displacements in the X-axis and Y-axis directions of the weight joint portions 112b to 112e. The detection electrodes on the back surfaces of these weight portions 132b to 132e are capacitively coupled to detection electrodes 151b to 151e (see FIG. 3B), which will be described later, installed on the upper surface of the second substrate 150, respectively. In addition, the alphabet part (b-e) of the code | symbol attached | subjected to the weight parts 132b-132e and the detection electrodes 151b-151e, respectively is attached | subjected in the same order corresponding to the mutual positional relationship. Details of this detection will be described later.
図２（Ｂ）及び（Ｃ）に示すＢＯＸ層１２０は、フレーム部１１１とフレーム部１３１とを接続するＢＯＸ層１２０ａと、錘接合部１１２ａ〜１１２ｅと錘部１３２ａ〜１３２ｅを接続するＢＯＸ層１２０ｂと、ブロック上層部１１４ａ〜１１４ｊとブロック下層部１３４ａ〜１３４ｊを接続するＢＯＸ層１２０ｃと、により構成される。ＢＯＸ層１２０は、図２（Ｂ）及び（Ｃ）に示す部分以外の部分では、シリコン膜１１０及びシリコン基板１３０とは接続されていない。 The BOX layer 120 shown in FIGS. 2B and 2C includes a BOX layer 120a that connects the frame portion 111 and the frame portion 131, and a BOX layer 120b that connects the weight joint portions 112a to 112e and the weight portions 132a to 132e. And the BOX layer 120c connecting the block upper layer portions 114a to 114j and the block lower layer portions 134a to 134j. The BOX layer 120 is not connected to the silicon film 110 and the silicon substrate 130 at portions other than the portions shown in FIGS.
ブロック下層部１３４ａ〜１３４ｊは、それぞれブロック上層部１１４ａ〜１１４ｊと対応する略正方形の断面形状を有し、ＢＯＸ層１２０ｃによりブロック上層部１１４ａ〜１１４ｊと接合される。ブロック上層部１１４ａ〜１１４ｊ及びブロック下層部１３４ａ〜１３４ｊを接合したブロックは、それぞれ駆動用電極１４１ａ及び検出用電極１４１ｂ〜１４１ｅと、後述する駆動用電極１５１ａ及び検出用電極１５１ｂ〜１５１ｅに電源を供給するための配線の用途で用いられる。 The block lower layer portions 134a to 134j have substantially square cross-sectional shapes corresponding to the block upper layer portions 114a to 114j, respectively, and are joined to the block upper layer portions 114a to 114j by the BOX layer 120c. The block obtained by joining the block upper layer portions 114a to 114j and the block lower layer portions 134a to 134j supplies power to the drive electrode 141a and the detection electrodes 141b to 141e, and the drive electrode 151a and the detection electrodes 151b to 151e described later, respectively. It is used for wiring purposes.
また、図２（Ａ）〜（Ｃ）に示すシリコン膜１１０のフレーム部１１１の一部及びブロック上層部１１４ａ〜１１４ｊの各中央部と、ＢＯＸ層１２０ｂの一部及びＢＯＸ層１２０ｃの各中央部には、第１基板１４０とシリコン基板１３０とを必要な部分で導通させるため導通部１６０が形成されている。導通部１６０は、第１基板１４０とシリコン基板１３０とを導通させるものであり、シリコン膜１１０のフレーム部１１１の一部及びブロック上層部１１４ａ〜１１４ｊと、ＢＯＸ層１２０ｂの一部及びＢＯＸ層１２０ｃを貫通して形成されている。導通部１６０は、例えば、テーパー形状の貫通孔内に金属層を配置して構成されている。これらの導通部１６０は、後述する第１基板１４０に形成された配線用端子Ｔ１〜Ｔ１１の各形成位置に合わせて形成されている。なお、導通部１６０はシリコン膜１１０の上面より突出しないことが好ましい。 2A to 2C, a part of the frame part 111 and the central parts of the block upper layer parts 114a to 114j, a part of the BOX layer 120b, and the central parts of the BOX layer 120c. A conductive portion 160 is formed to connect the first substrate 140 and the silicon substrate 130 at necessary portions. The conducting part 160 conducts the first substrate 140 and the silicon substrate 130, and part of the frame part 111 and block upper layer parts 114a to 114j of the silicon film 110, part of the BOX layer 120b and BOX layer 120c. Is formed. The conducting part 160 is configured by arranging a metal layer in a tapered through hole, for example. These conducting portions 160 are formed in accordance with the formation positions of wiring terminals T1 to T11 formed on the first substrate 140 described later. It is preferable that the conduction part 160 does not protrude from the upper surface of the silicon film 110.
次に、図３を参照して第１、第２基板１４０、１５０について説明する。図３（Ａ）は第１基板１４０をＺ正方向から透視した平面図である。第１基板１４０の下面（シリコン膜１１０と対向する側）には駆動電極１４１ａと検出電極１４１ｂ〜１４１ｅが配置されている。駆動電極１４１ａは配線Ｌ１を通じて配線用端子Ｔ１と電気的に接続されている。検出電極１４１ｂ〜ｅは配線Ｌ３〜Ｌ６を通じて配線用端子Ｔ３〜Ｔ６と電気的に接続されている。なお、添え字の番号は対応している。なお、配線Ｌ１，Ｌ３〜Ｌ６と配線用端子Ｔ１，Ｔ３〜Ｔ６にそれぞれ付した符号の数字部分（１，３〜６）は、それぞれ相互の位置関係に対応させて同様の順序で付している。このように、駆動電極１４１ａと検出電極１４１ｂ〜ｅからの電気信号を外部に取り出すことが可能である。 Next, the first and second substrates 140 and 150 will be described with reference to FIG. FIG. 3A is a plan view of the first substrate 140 seen through from the positive Z direction. A drive electrode 141a and detection electrodes 141b to 141e are disposed on the lower surface (the side facing the silicon film 110) of the first substrate 140. The drive electrode 141a is electrically connected to the wiring terminal T1 through the wiring L1. The detection electrodes 141b to e are electrically connected to the wiring terminals T3 to T6 through the wirings L3 to L6. The subscript numbers correspond to each other. The numerical portions (1, 3 to 6) of the reference numerals attached to the wirings L1, L3 to L6 and the wiring terminals T1, T3 to T6 are attached in the same order corresponding to the mutual positional relationship. Yes. In this way, it is possible to take out electrical signals from the drive electrode 141a and the detection electrodes 141b to e.
図３（Ｂ）はＺ正方向からみた第２基板１５０の平面図である。第２基板１５０の上面（シリコン基板１３０と対向する側）には駆動電極１５１ａと検出電極１５１ｂ〜ｅが配置されている。駆動電極１５１ａは配線Ｌ２を通じて配線用端子Ｔ２と電気的に接続されている。検出電極１５１ｂ〜ｅは配線Ｌ７〜Ｌ１０を通じて配線用端子Ｔ７〜Ｔ１０と電気的に接続されている。ここでは詳細を図示しないが、配線Ｌ１〜Ｌ１０は、ブロック部と第１基板または第２基板との間に介在された状態にある。このようにして、駆動電極１５１ａと検出電極１５１ｂ〜ｅからの電気信号を外部に取り出すことが可能である。なお、配線Ｌ２，Ｌ７〜Ｌ１０と配線用端子Ｔ２，Ｔ７〜Ｔ１０にそれぞれ付した符号の数字部分（２，７〜１０）は、それぞれ相互の位置関係に対応させて同様の順序で付している。 FIG. 3B is a plan view of the second substrate 150 viewed from the positive Z direction. A drive electrode 151a and detection electrodes 151b to 151e are disposed on the upper surface of the second substrate 150 (the side facing the silicon substrate 130). The drive electrode 151a is electrically connected to the wiring terminal T2 through the wiring L2. The detection electrodes 151b to 151e are electrically connected to the wiring terminals T7 to T10 through the wirings L7 to L10. Although details are not shown here, the wirings L1 to L10 are in a state of being interposed between the block portion and the first substrate or the second substrate. In this way, it is possible to take out electrical signals from the drive electrode 151a and the detection electrodes 151b to 151e. The numerical portions (2, 7 to 10) of the reference numerals attached to the wirings L2 and L7 to L10 and the wiring terminals T2 and T7 to T10 are attached in the same order corresponding to the mutual positional relationship. Yes.
以上の図２及び図３に示した構成により、力学量センサ１００の外部（Ｃ−Ｖ変換回路など）と駆動用電極１４１ａ，１５１ａ及び検出用電極１４１ｂ〜１４１ｅ，１５１ｂ〜１５１ｅとの電気的接続を可能としている。 With the configuration shown in FIGS. 2 and 3 above, electrical connection between the outside of the mechanical quantity sensor 100 (CV conversion circuit and the like) and the drive electrodes 141a and 151a and the detection electrodes 141b to 141e and 151b to 151e. Is possible.
＜力学量センサの動作＞
上述したように、この力学量センサ１００では、錘接合部１１２と錘部１３２（１３２ａ〜１３２ｅ）が一体形成された錘部が、フレーム部１１１から延びる可撓部１１３により支持され、第１基板１４０、第２基板１５０、半導体基板Ｗにより囲まれた空間内で変位できるように構成されている。
<Operation of mechanical quantity sensor>
As described above, in the mechanical quantity sensor 100, the weight portion in which the weight joint portion 112 and the weight portion 132 (132a to 132e) are integrally formed is supported by the flexible portion 113 extending from the frame portion 111, and the first substrate. 140, the 2nd board | substrate 150, and the semiconductor substrate W are comprised so that it can displace in the space enclosed.
力学量センサ１００を加速度センサとして用いる場合は、加速度の作用に起因して生じる錘部１３２の変位を検出すればよい。加速度は、錘接合部１１２および錘部１３２と検出電極とで形成した容量素子の静電容量変化により、錘部（錘接合部１１２と錘部１３２の接合体）の変位を検出する。Ｘ、Ｙ軸方向の加速度は錘部の傾き、Ｚ軸方向の加速度はＺ軸方向に沿った錘部の変位を検出することで検出可能である。 When the mechanical quantity sensor 100 is used as an acceleration sensor, it is only necessary to detect the displacement of the weight part 132 caused by the action of acceleration. The acceleration detects the displacement of the weight part (the joined body of the weight joint part 112 and the weight part 132) based on the capacitance change of the capacitive element formed by the weight joint part 112, the weight part 132, and the detection electrode. The acceleration in the X and Y axis directions can be detected by detecting the inclination of the weight portion, and the acceleration in the Z axis direction can be detected by detecting the displacement of the weight portion along the Z axis direction.
力学量センサ１００を角速度センサとして用いる場合は、錘部１３２を駆動用電極１４１ａ，１５１ａにより上下振動させ（一般に、交流電圧を印加し、単振動させる）、角速度の作用に起因して生じる錘部１３２の変位を検出すればよい。例えば、錘部１３２がＺ軸方向に速度ｖｚで移動しているときに角速度ωが印加されると錘部１３２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およびＸ軸方向のコリオリ力Ｆｘが錘部１３２に作用する。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、錘接合部１１２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によって錘接合部１１２にＹ方向、Ｘ方向の傾き（変位）が生じる。したがって、錘部１３２の各軸方向の変位をそれぞれ検出すれば、各軸方向成分の角速度の値を求めることができる。力学量センサ１００においては、各軸方向成分の角速度の値を、錘部１３２と各電極との間で形成される容量素子の静電容量変化を検出することで検出が可能である。 In the case where the mechanical quantity sensor 100 is used as an angular velocity sensor, the weight portion 132 is caused to vibrate up and down by the drive electrodes 141a and 151a (generally, an AC voltage is applied to make a single vibration), and the weight portion caused by the action of the angular velocity. The displacement of 132 may be detected. For example, if the angular velocity ω is applied when the weight part 132 is moving in the Z-axis direction at the speed vz, the Coriolis force F acts on the weight part 132. Specifically, the Coriolis force Fy in the Y-axis direction and the Coriolis force Fx in the X-axis direction act on the weight portion 132 in accordance with the angular velocity ωx in the X-axis direction and the angular velocity ωy in the Y-axis direction. When the Coriolis force Fy due to the angular velocity ωx in the X-axis direction is applied, an inclination in the Y direction occurs at the weight joint 112. As described above, the weight joint 112 is inclined (displaced) in the Y direction and the X direction by the Coriolis forces Fy and Fx caused by the angular velocities ωx and ωy. Therefore, by detecting the displacement of the weight portion 132 in each axial direction, the value of the angular velocity of each axial component can be obtained. In the mechanical quantity sensor 100, the value of the angular velocity of each axial component can be detected by detecting the change in the capacitance of the capacitive element formed between the weight part 132 and each electrode.
駆動原理の一例について説明する。駆動用電極と錘部の間に電圧を印加すると、クーロン力によって駆動用電極と錘部が互いに引き合い、錘部（錘接合部１１２と錘部１３２）はＺ軸正方向または負方向に変位する。上下の駆動用電極に電圧印加を交互に行うことで、錘接合部１１２（錘部１３２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。駆動用電極と錘部の間、又は駆動用電極のいずれか一方のみに、錘部１３２の固有振動数の１／２の周波数の交流電圧を印加してもよい。錘部はフレーム部、第１基板１４０、及び第２基板１５０で囲まれた減圧空間内に配置されているため、安定して変位することができる。 An example of the driving principle will be described. When a voltage is applied between the driving electrode and the weight portion, the driving electrode and the weight portion are attracted to each other by Coulomb force, and the weight portions (the weight joint portion 112 and the weight portion 132) are displaced in the positive or negative direction of the Z axis. . By alternately applying a voltage to the upper and lower drive electrodes, the weight joint 112 (also the weight 132) vibrates in the Z-axis direction. The voltage can be applied using a positive or negative direct current waveform (a pulse waveform when considering non-application), a half-wave waveform, or the like. An AC voltage having a frequency that is half the natural frequency of the weight portion 132 may be applied between the driving electrode and the weight portion or only one of the driving electrodes. Since the weight portion is disposed in the decompression space surrounded by the frame portion, the first substrate 140, and the second substrate 150, the weight portion can be stably displaced.
一般に、角速度信号は数ｋＨｚ以上であり、加速度信号は角速度信号よりも２桁以上低い周波数であるため、外部の信号処理回路において各々を識別することができる。すなわち、加速度、角速度は外部に設けた信号処理回路により、低周波数成分（あるいはバイアス成分）、振動周波数に追随する信号をそれぞれフィルタ回路で処理し、その処理後の各信号を検出することで、３軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ）方向の加速度および２軸（Ｘ，Ｙ）方向の角速度を検出することが可能である。すなわち、１つのセンサ素子である力学量センサ１００を用いることにより、３軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ）方向の加速度および２軸（Ｘ，Ｙ）方向の角速度の双方あるいはいずれか一方を検出することが可能である。本実施の形態に記載した力学量センサ１００は、３軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ）方向の加速度と、２軸まわり（Ｘ，Ｙ）の角速度を検出することができる。 In general, the angular velocity signal is several kHz or more, and the acceleration signal has a frequency two or more digits lower than the angular velocity signal, so that each can be identified by an external signal processing circuit. In other words, the acceleration and angular velocity are processed by the filter circuit for the low frequency component (or bias component) and the signal following the vibration frequency by the signal processing circuit provided outside, and each signal after the processing is detected. It is possible to detect the acceleration in the triaxial (X, Y, Z) direction and the angular velocity in the biaxial (X, Y) direction. That is, by using the mechanical quantity sensor 100 that is one sensor element, the acceleration in the triaxial (X, Y, Z) direction and / or the angular velocity in the biaxial (X, Y) direction are detected. Is possible. The mechanical quantity sensor 100 described in the present embodiment can detect the acceleration in the three-axis (X, Y, Z) direction and the angular velocity around the two axes (X, Y).
＜力学量センサの製造方法＞
以下、力学量センサ１００の製造方法について図４（Ａ）〜（Ｄ）と、図５（Ａ）〜（Ｄ）と、図６（Ａ）〜（Ｄ）と、図７（Ａ），（Ｂ）を参照しながら説明する。なお、図４（Ａ）〜（Ｄ）、図５（Ａ）〜（Ｃ）、図６（Ａ）〜（Ｄ）、図７（Ａ），（Ｂ）は、図２（Ａ）に示したＡ−Ａ線から見た断面に基づいて各製造工程を示している。
<Method of manufacturing mechanical quantity sensor>
4A to 4D, FIGS. 5A to 5D, FIGS. 6A to 6D, and FIGS. A description will be given with reference to B). 4 (A) to (D), FIGS. 5 (A) to (C), FIGS. 6 (A) to (D), FIGS. 7 (A) and 7 (B) are shown in FIG. 2 (A). Each manufacturing process is shown based on the cross section seen from the AA line.
（１）半導体基板Ｗの準備（図４（Ａ）参照）
シリコン膜１１０、ＢＯＸ層１２０、シリコン基板１３０を積層してなる半導体基板Ｗ（ＳＯＩ基板）を用意する。上述したように、シリコン膜１１０は、フレーム部１１１、錘接合部１１２、可撓部１１３、およびブロック上層部１１４を構成する層である。ＢＯＸ層１２０は、シリコン膜１１０とシリコン基板１３０とを接合する層であり、かつエッチングストッパ層として機能する層である。シリコン基板１３０は、フレーム部１３１、錘部１３２、およびブロック下層部１３４を構成する層である。半導体基板Ｗは、ＳＩＭＯＸないし、貼り合せ法等により作成される。
(1) Preparation of semiconductor substrate W (see FIG. 4A)
A semiconductor substrate W (SOI substrate) formed by stacking a silicon film 110, a BOX layer 120, and a silicon substrate 130 is prepared. As described above, the silicon film 110 is a layer constituting the frame portion 111, the weight joint portion 112, the flexible portion 113, and the block upper layer portion 114. The BOX layer 120 is a layer that joins the silicon film 110 and the silicon substrate 130 and functions as an etching stopper layer. The silicon substrate 130 is a layer constituting the frame part 131, the weight part 132, and the block lower layer part 134. The semiconductor substrate W is produced by SIMOX or a bonding method.
（２）シリコン膜１１０の加工（図４（Ｂ）参照）
フレーム部１１１、錘接合部１１２ａ〜１１２ｅ、可撓部１１３ａ〜１１３ｄ、ブロック上層部１１４ａ〜１１４ｊを加工するためのマスクを形成し、該マスクを介してシリコン膜１１０をエッチングすることにより、フレーム部１１１と、錘接合部１１２ａ〜１１２ｅ及び可撓部１１３ａ〜１１３ｄを形成する位置に凹部１７０を形成する。エッチング方法として、ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）法を用いることができる。
(2) Processing of silicon film 110 (see FIG. 4B)
By forming a mask for processing the frame portion 111, the weight joint portions 112a to 112e, the flexible portions 113a to 113d, and the block upper layer portions 114a to 114j, and etching the silicon film 110 through the mask, the frame portion 111, and a concave portion 170 is formed at a position where the weight joint portions 112a to 112e and the flexible portions 113a to 113d are formed. As an etching method, a RIE (Reactive Ion Etching) method can be used.
（３）シリコン膜１１０とＢＯＸ層１２０の加工（図４（Ｃ）参照）
所定のマスクが形成されたシリコン膜１１０をエッチングすることにより、フレーム部１１１、錘接合部１１２ａ〜１１２ｅ、可撓部１１３ａ〜１１３ｄ、ブロック上層部１１４ａ〜１１４ｊをそれぞれ形成する。エッチング方法として、ＤＲＩＥ（Ｄｅｅｐ Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）を用いることができる。この場合、酸化シリコンとシリコンとでエッチング選択性を有するガスを用いればよい。
(3) Processing of the silicon film 110 and the BOX layer 120 (see FIG. 4C)
By etching the silicon film 110 on which the predetermined mask is formed, the frame portion 111, the weight joint portions 112a to 112e, the flexible portions 113a to 113d, and the block upper layer portions 114a to 114j are formed. As an etching method, DRIE (Deep Reactive Ion Etching) can be used. In this case, a gas having etching selectivity between silicon oxide and silicon may be used.
（４）シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）の形成（図４（Ｄ）参照）
図４（Ｃ）においてフレーム部１１１、錘接合部１１２ａ〜１１２ｅ、可撓部１１３ａ〜１１３ｄ、ブロック上層部１１４ａ〜１１４ｊが形成されたシリコン膜１１０上面の全面に熱酸化処理によりシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）２０１を形成する。この場合、熱酸化処理を用いることにより、フレーム部１１１、錘接合部１１２ａ〜１１２ｅ、可撓部１１３ａ〜１１３ｄ、ブロック上層部１１４ａ〜１１４ｊの各表面（図中の上面及び側面を含む）にシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）２０１を形成することができる。このシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）２０１は、後述するフレーム部１１１、錘接合部１１２ａ〜１１２ｅ、可撓部１１３ａ〜１１３ｄ、ブロック上層部１１４ａ〜１１４ｊをエッチングにより分離する際に、特に、可撓部１１３ａ〜１１３ｄの表面（図中の上面及び側面を含む）をエッチングガスの腐食に対して保護するエッチングストッパ層（第１保護膜）になる。
(4) Formation of silicon oxide film (SiO 2 ) (see FIG. 4D)
In FIG. 4C, a silicon oxide film (SiO 2) is formed on the entire upper surface of the silicon film 110 on which the frame portion 111, the weight joint portions 112a to 112e, the flexible portions 113a to 113d, and the block upper layer portions 114a to 114j are formed. 2 ) 201 is formed. In this case, by using thermal oxidation treatment, silicon is formed on each surface (including the upper surface and side surfaces in the drawing) of the frame portion 111, the weight joint portions 112a to 112e, the flexible portions 113a to 113d, and the block upper layer portions 114a to 114j. An oxide film (SiO 2 ) 201 can be formed. This silicon oxide film (SiO 2 ) 201 is used for the flexible portion particularly when the frame portion 111, the weight joint portions 112a to 112e, the flexible portions 113a to 113d, and the block upper layer portions 114a to 114j described later are separated by etching. It becomes an etching stopper layer (first protective film) that protects the surfaces of 113a to 113d (including the upper surface and side surfaces in the drawing) against etching gas corrosion.
（５）シリコン窒化膜（ＳｉＮ）の形成（図５（Ａ）参照）
図４（Ｄ）においてシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）２０１が形成されたシリコン膜１１０上面の全面にＬＰＣＶＤ（Ｌｏｗ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によりシリコン窒化膜（ＳｉＮ）２０２を形成する。この場合、ＬＰＣＶＤ法を用いることにより、フレーム部１１１、錘接合部１１２ａ〜１１２ｅ、可撓部１１３ａ〜１１３ｄ、ブロック上層部１１４ａ〜１１４ｊの表面（図中の上面及び側面を含む）にシリコン窒化膜（ＳｉＮ）２０２を形成することができる。
(5) Formation of silicon nitride film (SiN) (see FIG. 5A)
In FIG. 4D, a silicon nitride film (SiN) 202 is formed on the entire upper surface of the silicon film 110 on which the silicon oxide film (SiO 2 ) 201 is formed by LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition). In this case, a silicon nitride film is formed on the surfaces (including the upper surface and side surfaces in the drawing) of the frame portion 111, the weight junction portions 112a to 112e, the flexible portions 113a to 113d, and the block upper layer portions 114a to 114j by using the LPCVD method. (SiN) 202 can be formed.
（６）シリコン窒化膜（ＳｉＮ）の除去（図５（Ｂ）参照）
図５（Ｂ）において、錘接合部１１２ａ〜１１２ｅと可撓部１１３ａ〜１１３ｄの形成領域に対応するマスク（図示せず）を用いて、錘接合部１１２ａ〜１１２ｅと可撓部１１３ａ〜１１３ｄの上面にレジスト２０３を形成する。次いで、図中の上方からエッチングガスを流すドライエッチングにより、フレーム部１１１、錘接合部１１２ａ〜１１２ｅ、ブロック上層部１１４ａ〜１１４ｊ、及びＢＯＸ層１２０の各上面のシリコン窒化膜（ＳｉＮ）２０２を除去する。ドライエッチング方法としては、ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）法を用いることができる。
(6) Removal of silicon nitride film (SiN) (see FIG. 5B)
In FIG. 5B, a mask (not shown) corresponding to the formation region of the weight joint portions 112a to 112e and the flexible portions 113a to 113d is used to connect the weight joint portions 112a to 112e and the flexible portions 113a to 113d. A resist 203 is formed on the upper surface. Next, the silicon nitride film (SiN) 202 on each upper surface of the frame portion 111, the weight junction portions 112a to 112e, the block upper layer portions 114a to 114j, and the BOX layer 120 is removed by dry etching in which an etching gas is supplied from above in the drawing. To do. As the dry etching method, a RIE (Reactive Ion Etching) method can be used.
（７）シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）とレジストの除去（図５（Ｃ）参照）
さらに、図５（Ｃ）において、ウエットエッチングにより、フレーム部１１１、錘接合部１１２ａ〜１１２ｅ、及びブロック上層部１１４ａ〜１１４ｊの各上面のシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）と、これら各部の間のＢＯＸ層１２０を除去するとともに、可撓部１１３ａ〜１１３ｄ上面のレジスト２０３を除去する。
(7) Removal of silicon oxide film (SiO 2 ) and resist (see FIG. 5C)
Further, in FIG. 5C, the silicon oxide film (SiO 2 ) on each upper surface of the frame portion 111, the weight junction portions 112a to 112e, and the block upper layer portions 114a to 114j and the BOX between these portions by wet etching. The layer 120 is removed, and the resist 203 on the upper surfaces of the flexible portions 113a to 113d is removed.
（８）シリコン窒化膜（ＳｉＮ）の除去（図５（Ｄ）参照）
次いで、熱リン酸を利用するウエットエッチングにより、フレーム部１１１及びブロック上層部１１４ａ〜１１４ｊの側壁に残るシリコン窒化膜（ＳｉＮ）を除去し、錘接合部１１２ａ〜１１２ｅ及び可撓部１１３ａ〜１１３ｄの上面と側壁に残るシリコン窒化膜（ＳｉＮ）を除去する。
(8) Removal of silicon nitride film (SiN) (see FIG. 5D)
Next, the silicon nitride film (SiN) remaining on the side walls of the frame portion 111 and the block upper layer portions 114a to 114j is removed by wet etching using hot phosphoric acid, and the weight junction portions 112a to 112e and the flexible portions 113a to 113d are removed. The silicon nitride film (SiN) remaining on the upper surface and side walls is removed.
以上の工程により、可撓部１１３ａ〜１１３ｄの表面（図中の上面及び側面を含む）は、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）で被覆されるため、素子を分離する際のエッチングガスの回り込みによる腐食から可撓部１１３ａ〜１１３ｄの表面（図中の上面及び側面を含む）を保護することが可能になる。また、第１基板１４０と接合されるフレーム部１１１及びブロック上層部１１４ａ〜１１４ｊの各接合面からシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）とシリコン窒化膜（ＳｉＮ）の残滓は除去されるため、第１基板１４０に接合する際に密着性を向上できる。 Through the above steps, the surfaces of the flexible portions 113a to 113d (including the upper surface and the side surfaces in the drawing) are covered with the silicon oxide film (SiO 2 ), and therefore corrosion due to the wraparound of the etching gas when separating the elements. Therefore, it is possible to protect the surfaces (including the upper surface and side surfaces in the drawing) of the flexible portions 113a to 113d. Further, since the residues of the silicon oxide film (SiO 2 ) and the silicon nitride film (SiN) are removed from the bonding surfaces of the frame portion 111 and the block upper layer portions 114a to 114j bonded to the first substrate 140, the first substrate is removed. Adhesion can be improved when bonding to 140.
（９）導通部１６０の形成（図６（Ａ）参照）
導通部１６０の形成領域に対応するマスク（図示せず）を用いてブロック上層部１１４ａ〜１１４ｊ及びＢＯＸ層１２０をエッチングすることにより、導通部１６０の加工位置を決める開口（図示せず）を形成する。エッチング方法として、ＤＲＩＥ（Ｄｅｅｐ Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）を用いることができる。続いて、ブロック上層部１１４ａ〜１１４ｊとＢＯＸ層１２０ａを貫通する開口に対して、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１６０を形成する。ブロック上層部１１４ａ〜１１４ｊの上面に堆積した不要な金属層（導通部１６０の上端の縁（図示せず）の外側の金属層）はエッチングで除去する。
(9) Formation of conductive portion 160 (see FIG. 6A)
The block upper layer portions 114a to 114j and the BOX layer 120 are etched using a mask (not shown) corresponding to the formation region of the conduction portion 160, thereby forming an opening (not shown) that determines the processing position of the conduction portion 160. To do. As an etching method, DRIE (Deep Reactive Ion Etching) can be used. Subsequently, for example, Al is deposited by an evaporation method, a sputtering method, or the like in the opening penetrating the block upper layer portions 114a to 114j and the BOX layer 120a, thereby forming the conduction portion 160. Unnecessary metal layers deposited on the upper surfaces of the block upper layer portions 114a to 114j (metal layers outside the upper edge (not shown) of the conductive portion 160) are removed by etching.
（１０）第１基板の接合（図６（Ｂ）参照）
第１基板１４０の接合は、以下の１）〜３）に示す工程により行われる。
(10) Joining the first substrate (see FIG. 6B)
The bonding of the first substrate 140 is performed by the following steps 1) to 3).
１）第１基板１４０の作成
第１基板１４０は、ガラス材料、半導体、金属材料、絶縁性樹脂材料のいずれかより構成される。第１基板１４０としてガラス材料を用いる場合について説明する。可動イオンを含むガラス基板（例えばテンパックス（登録商標）ガラス）を用いる。第１基板１４０のシリコン膜１１０との対向面の錘接合部１１２ａ〜１１２ｅにそれぞれ対向する位置に駆動用電極１４１ａ、検出用電極１４１ｂ〜１４１ｅ、及び配線Ｌ１，Ｌ３〜Ｌ６を、例えば、Ａｌからなるパターンによって形成する（図３（Ａ）参照）。また、第１基板１４０をエッチングあるいはサンドブラストにより、配線用端子Ｔ１〜Ｔ１１を形成するための上広の錐状貫通孔（図示せず）を１１個形成する（図６（Ｂ）、図３（Ａ）参照）。なお、図６（Ｂ）では、配線用端子Ｔ４，Ｔ６が形成された断面を示している。
1) Creation of the 1st board | substrate 140 The 1st board | substrate 140 is comprised from either a glass material, a semiconductor, a metal material, and an insulating resin material. A case where a glass material is used as the first substrate 140 will be described. A glass substrate (for example, Tempax (registered trademark) glass) containing mobile ions is used. The driving electrode 141a, the detection electrodes 141b to 141e, and the wirings L1 and L3 to L6 are made of Al, for example, at positions facing the weight junctions 112a to 112e on the surface of the first substrate 140 facing the silicon film 110, respectively. (See FIG. 3A). Further, eleven broad conical through holes (not shown) for forming the wiring terminals T1 to T11 are formed by etching or sandblasting the first substrate 140 (FIG. 6B, FIG. 3). A)). FIG. 6B shows a cross section in which wiring terminals T4 and T6 are formed.
２）半導体基板Ｗと第１基板１４０の接合
第１基板１４０と半導体基板Ｗとを、陽極接合により接合する（図６（Ｂ）参照）。可動部を形成する前に、第１基板１４０を陽極接合しているので、半導体基板Ｗと第１基板１４０の陽極接合時に静電引力が発生しても錘接合部１１２ａ〜１１２ｅは第１基板１４０側に引き寄せられることはない。
2) Bonding of Semiconductor Substrate W and First Substrate 140 The first substrate 140 and the semiconductor substrate W are bonded by anodic bonding (see FIG. 6B). Since the first substrate 140 is anodically bonded before the movable portion is formed, the weight bonded portions 112a to 112e are not affected by the first substrate even if electrostatic attraction occurs during the anodic bonding of the semiconductor substrate W and the first substrate 140. It is not attracted to the 140 side.
３）配線用端子Ｔ１〜Ｔ１１の形成
第１基板１４０の上面及び錐状貫通孔（図示せず）内に、例えば、Ｃｒ層、Ａｕ層の順に金属層を蒸着法やスパッタ法等により形成する。不要な金属層（配線用端子Ｔ１〜Ｔ１１の上端の縁の外側の金属層）をエッチングにより除去し、配線用端子Ｔ１〜Ｔ１１を形成する（図３（Ａ）参照）。配線用端子Ｔ１〜Ｔ１１は、半導体基板Ｗとの接合前に形成しておいてもよい。
3) Formation of wiring terminals T1 to T11 In the upper surface of the first substrate 140 and a conical through hole (not shown), for example, a metal layer is formed in the order of a Cr layer and an Au layer by vapor deposition or sputtering. . Unnecessary metal layers (metal layers outside the top edges of the wiring terminals T1 to T11) are removed by etching to form wiring terminals T1 to T11 (see FIG. 3A). The wiring terminals T1 to T11 may be formed before bonding to the semiconductor substrate W.
（１１）シリコン基板１３０の加工（図６（Ｃ）参照）
シリコン基板１３０の第２基板１５０との対向面の、フレーム部１３１、錘部１３２ａ〜１３２ｅ及びブロック下層部１３４ａ〜１３４ｊの形成位置に対応する領域をエッチングすることにより凹部１８０を形成する。エッチング方法として、ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）法を用いることができる。
(11) Processing of silicon substrate 130 (see FIG. 6C)
A recess 180 is formed by etching a region corresponding to the formation position of the frame part 131, the weight parts 132a to 132e, and the block lower layer parts 134a to 134j on the surface of the silicon substrate 130 facing the second substrate 150. As an etching method, a RIE (Reactive Ion Etching) method can be used.
（１２）シリコン基板１３０の加工（図７（Ａ）参照）
フレーム部１３１、錘部１３２ａ〜１３２ｅ、ブロック下層部１３４ａ〜１３４ｊを加工するためのマスクを形成し、該マスクを介してシリコン基板１３０をエッチングすることにより、フレーム部１１１と、錘接合部１１２ａ〜１１２ｅ及び可撓部１１３ａ〜１１３ｄに対応する開口１８１を形成する。エッチング方法として、ＤＲＩＥ（Ｄｅｅｐ Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）法を用いることができる。なお、図７（Ａ）では、フレーム部１３１、錘部１３２ｃ，１３２ｄ、ブロック下層部１３４ｄ，１３４ｆが加工された断面を示している。
(12) Processing of silicon substrate 130 (see FIG. 7A)
A mask for processing the frame part 131, the weight parts 132a to 132e, and the block lower layer parts 134a to 134j is formed, and the silicon substrate 130 is etched through the mask, whereby the frame part 111 and the weight joint parts 112a to 112a. An opening 181 corresponding to 112e and the flexible portions 113a to 113d is formed. As an etching method, a DRIE (Deep Reactive Ion Etching) method can be used. 7A shows a cross section in which the frame portion 131, the weight portions 132c and 132d, and the block lower layer portions 134d and 134f are processed.
（１３）第２基板１５０の接合（図７（Ｂ）参照）
第２基板１５０の接合は、以下の１）〜２）に示す工程により行われる。
(13) Joining the second substrate 150 (see FIG. 7B)
The bonding of the second substrate 150 is performed by the following steps 1) to 2).
１）第２基板１５０の作成
第２基板１５０としては、前述した第１基板１４０と略同様の材料を用いることができる。本実施の形態では、第２基板１５０としてガラス基板を用いた場合について説明する。可動イオンを含むガラス基板の錘部１３２ａ〜１３２ｅにそれぞれ対向する位置に、駆動用電極１５１ａ、検出用電極１５１ｂ〜１５１ｅ、及び配線Ｌ２，Ｌ７〜Ｌ１０を、例えば、アルミニウムＡｌ等からなるパターンによって形成する（図３（Ｂ）参照）。
1) Creation of the second substrate 150 As the second substrate 150, substantially the same material as the first substrate 140 described above can be used. In this embodiment, the case where a glass substrate is used as the second substrate 150 will be described. The driving electrode 151a, the detection electrodes 151b to 151e, and the wirings L2 and L7 to L10 are formed, for example, in a pattern made of aluminum Al or the like at positions facing the weight portions 132a to 132e of the glass substrate containing movable ions. (See FIG. 3B).
２）半導体基板Ｗと第２基板１５０の接合
第２基板１５０と半導体基板Ｗとを、真空中で陽極接合により接合する。図７（Ｂ）は、半導体基板Ｗと第２基板１５０を接合した状態を示す。
2) Bonding of the semiconductor substrate W and the second substrate 150 The second substrate 150 and the semiconductor substrate W are bonded by anodic bonding in a vacuum. FIG. 7B shows a state where the semiconductor substrate W and the second substrate 150 are bonded.
上述の第１基板１４０と第２基板１５０を半導体基板Ｗに陽極接合することにより、半導体基板Ｗの内部には封止空間が形成される。 A sealing space is formed inside the semiconductor substrate W by anodic bonding the first substrate 140 and the second substrate 150 to the semiconductor substrate W.
（１４）半導体基板Ｗ、第１基板１４０、第２基板１５０のダイシング
互いに接合された半導体基板Ｗ、第１基板１４０、及び第２基板１５０をダイシングソー等で切断し、個々の力学量センサ１００に分離する。以上のように力学量センサ１００が製造できる。
(14) Dicing of the semiconductor substrate W, the first substrate 140, and the second substrate 150 The semiconductor substrate W, the first substrate 140, and the second substrate 150 bonded to each other are cut with a dicing saw or the like, and the individual mechanical quantity sensors 100 are separated. To separate. The mechanical quantity sensor 100 can be manufactured as described above.
上述の製造方法により製造された力学量センサ１００内の可撓部１１３ａ〜１１３ｄの一例を図８に示す。図８は、可撓部を上面から撮影した顕微鏡写真を示す図である。この可撓部は、その表面（図中の上面）がエッチングガスの腐食に対して保護するエッチングストッパ層（第１保護膜）になるシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）により被覆されている。このため、図８に示す可撓部では、図１４に示したような形状不良が発生していない。その結果、錘部を多軸方向（Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向）に変位可能に支持する可撓部の対称性を改善することができ、角速度センサの他軸感度を低減し、角速度の検出誤差を低減することが可能になる。また、図８には示していないが、可撓部と錘部とが接続される付根部分もシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）により被覆されているため、付根部分が抉られる形状不良が発生しなくなり、可撓部の対称性を改善することができ、角速度センサの他軸感度を低減し、角速度の検出誤差を低減することが可能になる。 An example of the flexible portions 113a to 113d in the mechanical quantity sensor 100 manufactured by the above-described manufacturing method is shown in FIG. FIG. 8 is a view showing a micrograph of the flexible part taken from the upper surface. The flexible part is covered with a silicon oxide film (SiO 2 ) whose surface (upper surface in the drawing) serves as an etching stopper layer (first protective film) that protects against etching gas corrosion. For this reason, in the flexible part shown in FIG. 8, the shape defect as shown in FIG. 14 does not occur. As a result, it is possible to improve the symmetry of the flexible portion that supports the weight portion so that the weight portion can be displaced in a multi-axis direction (X direction, Y direction, Z direction), reduce the other axis sensitivity of the angular velocity sensor, Detection error can be reduced. Although not shown in FIG. 8, since the root portion where the flexible portion and the weight portion are connected is also covered with the silicon oxide film (SiO 2 ), the shape defect that causes the root portion to be broken does not occur. The symmetry of the flexible part can be improved, the other-axis sensitivity of the angular velocity sensor can be reduced, and the angular velocity detection error can be reduced.
他軸感度の低減について具体的に説明する。Ｘ軸方向の角速度を計測する場合は、錘部をＹ軸周りに回転させる。この場合、錘部はＹ軸を中心に傾き、Ｘ軸方向の左右のギャップが変化し、Ｙ軸を中心にして一方のギャップは拡がり、他方のギャップは縮まる。この時の静電容量の変化を、Ｘ１（電極１と錘部との静電容量差）とし、Ｘ２（電極２と錘部との静電容量差）とすると、計測される角速度信号Ｘは、Ｘ＝Ｘ１（電極１と錘部との静電容量差）−Ｘ２（電極２と錘部との静電容量差）に比例したものとみなせる。但し、電極１と電極２は、上述の第１基板１４０に形成された検出電極１４１ｂ〜１４１ｅと、第２基板１５０に形成された検出用電極１５１ｂ〜１５１ｅのことである。 The reduction of the other axis sensitivity will be specifically described. When measuring the angular velocity in the X-axis direction, the weight is rotated around the Y-axis. In this case, the weight portion tilts about the Y axis, the left and right gaps in the X axis direction change, one gap widens around the Y axis, and the other gap shrinks. If the change in capacitance at this time is X1 (capacitance difference between the electrode 1 and the weight portion) and X2 (capacitance difference between the electrode 2 and the weight portion), the measured angular velocity signal X is , X = X1 (capacitance difference between electrode 1 and weight portion) −X2 (capacitance difference between electrode 2 and weight portion). However, the electrode 1 and the electrode 2 are the detection electrodes 141b to 141e formed on the first substrate 140 and the detection electrodes 151b to 151e formed on the second substrate 150, respectively.
また、Ｙ軸方向の角速度を計測する場合は、錘部をＸ軸周りに回転させる。この場合、錘部はＸ軸を中心に傾き、Ｙ軸方向の左右のギャップが変化し、Ｘ軸を中心にして一方のギャップは拡がり、他方のギャップは縮まる。この時の静電容量の変化を、Ｙ１（電極１と錘部との静電容量差）とし、Ｙ２（電極２と錘部との静電容量差）とすると、計測される角速度信号Ｙは、Ｙ＝Ｙ１（電極１と錘部との静電容量差）−Ｙ２（電極２と錘部との静電容量差）に比例したものとみなせる。 Further, when measuring the angular velocity in the Y-axis direction, the weight portion is rotated around the X-axis. In this case, the weight portion tilts around the X axis, the left and right gaps in the Y axis direction change, one gap widens around the X axis, and the other gap shrinks. If the change in capacitance at this time is Y1 (capacitance difference between the electrode 1 and the weight portion) and Y2 (capacitance difference between the electrode 2 and the weight portion), the measured angular velocity signal Y is , Y = Y1 (capacitance difference between the electrode 1 and the weight portion) −Y2 (capacitance difference between the electrode 2 and the weight portion).
したがって、Ｘ軸方向の角速度を計測する場合は角速度信号Ｘのみが出力され、Ｙ軸方向の角速度を計測する場合は角速度信号Ｙのみが出力されることが望ましい。この前提に基づいて、Ｘ軸他軸感度とＹ軸他軸感度を以下に示す式（１），（２）により表すことができる。
Ｘ軸他軸感度（Ｙ軸回転）＝１００×（Ｙ軸感度／Ｘ軸感度）［％］・・・（１）
Ｙ軸他軸感度（Ｘ軸回転）＝１００×（Ｘ軸感度／Ｙ軸感度）［％］・・・（２）
但し、Ｙ軸感度：角速度信号Ｙ，Ｘ軸感度：角速度信号Ｘ
Therefore, it is desirable that only the angular velocity signal X is output when measuring the angular velocity in the X-axis direction, and only the angular velocity signal Y is output when measuring the angular velocity in the Y-axis direction. Based on this premise, the X-axis other-axis sensitivity and the Y-axis other-axis sensitivity can be expressed by the following equations (1) and (2).
X-axis other axis sensitivity (Y-axis rotation) = 100 × (Y-axis sensitivity / X-axis sensitivity) [%] (1)
Y axis other axis sensitivity (X axis rotation) = 100 × (X axis sensitivity / Y axis sensitivity) [%] (2)
However, Y-axis sensitivity: angular velocity signal Y, X-axis sensitivity: angular velocity signal X
従来の製造方法で製造した力学量センサと、本実施の形態の製造方法で製造した力学量センサの他軸感度を計測した結果、従来の力学量センサは他軸感度が３０％以上であり、本実施の形態の力学量センサは他軸感度が５％に改善したことを確認した。 As a result of measuring the other axis sensitivity of the mechanical quantity sensor manufactured by the conventional manufacturing method and the mechanical quantity sensor manufactured by the manufacturing method of the present embodiment, the conventional mechanical quantity sensor has an other axis sensitivity of 30% or more, It was confirmed that the other-axis sensitivity of the mechanical quantity sensor of the present embodiment was improved to 5%.
なお、上記実施の形態では、第１保護膜としてシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）を形成し、第２保護膜としてシリコン窒化膜（ＳｉＮ）を形成する場合を示したが、これらの材料の組み合わせに限るものではない。例えば、第１保護膜／第２保護膜の組み合わせとして、Ｔｉ／Ｃｒ，Ｔｉ／Ａｌ（合金を含む），Ｃｒ／Ａｌ，ＴｉＮｉ／Ｃｒ，ＴｉＮ／Ａｌ等も適用可能である。すなわち、第１保護膜に適用する材料の条件は、第２保護膜をドライエッチング処理で形成する際に選択比がとれること、ＤＲＩＥの回り込みエッチングで選択比がとれることである。また、第２保護膜に適用する材料の条件は、第１保護膜をウエットエッチング処理によりエッチングされないことである。 In the above embodiment, the silicon oxide film (SiO 2 ) is formed as the first protective film and the silicon nitride film (SiN) is formed as the second protective film. It is not limited. For example, Ti / Cr, Ti / Al (including an alloy), Cr / Al, TiNi / Cr, TiN / Al, etc. are applicable as a combination of the first protective film / second protective film. That is, the condition of the material applied to the first protective film is that a selection ratio can be obtained when the second protective film is formed by dry etching, and a selection ratio can be obtained by DRIE wraparound etching. Moreover, the condition of the material applied to the second protective film is that the first protective film is not etched by the wet etching process.
また、本実施の形態の力学量センサ１００は、第１基板１４０と接合されるフレーム部１１１及びブロック上層部１１４ａ〜１１４ｊの各接合面からシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）とシリコン窒化膜（ＳｉＮ）の残滓は除去されるため、第１基板１４０に接合する際に密着性を向上でき、半導体基板Ｗ内で錘部が配置される封止空間内の真空封止状態を良好に維持することができる。 In addition, the mechanical quantity sensor 100 according to the present embodiment includes a silicon oxide film (SiO 2 ) and a silicon nitride film (SiN) from each joint surface of the frame part 111 and the block upper layer parts 114 a to 114 j joined to the first substrate 140. Since the residue is removed, the adhesion can be improved when bonding to the first substrate 140, and the vacuum sealing state in the sealing space in which the weight portion is arranged in the semiconductor substrate W can be satisfactorily maintained. it can.
本発明の実施の形態に係る力学量センサ１００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、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配線用端子Ｔ（Ｔ１〜Ｔ１１）と、電子回路基板もしくはＩＣ等の能動素子とを接続することにより、力学量センサと電子回路とを１つの電子部品として提供することができる。この電子部品は、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ことが可能である。 The mechanical quantity sensor 100 according to the embodiment of the present invention is mounted on a circuit board on which an active element such as an IC is mounted, for example, and is connected to a wiring terminal T (T1 to T11) by a known method and material such as wire bonding connection. ) And an active element such as an electronic circuit board or IC, the mechanical quantity sensor and the electronic circuit can be provided as one electronic component. This electronic component can be distributed in the market by being mounted on a mobile terminal such as a game machine or a mobile phone.
以下に、力学量センサ１００により検出される加速度と角速度の各変位信号を処理する処理回路について説明する。 Hereinafter, a processing circuit that processes each displacement signal of acceleration and angular velocity detected by the mechanical quantity sensor 100 will be described.
＜処理回路＞
上記力学量センサ１００により検出される加速度と角速度の変位信号を処理する各処理回路の構成例について図９を参照して説明する。
<Processing circuit>
A configuration example of each processing circuit that processes displacement signals of acceleration and angular velocity detected by the mechanical quantity sensor 100 will be described with reference to FIG.
図９は、力学量センサ１００により検出される加速度及び角速度の変位信号を処理する処理回路３００の回路構成を示す図である。図９において、処理回路３００は、Ｃ−Ｖコンバータ３０１と、アンプ回路（Ａｍｐ）３０２と、フィルタ回路３０３と、から構成される。 FIG. 9 is a diagram illustrating a circuit configuration of a processing circuit 300 that processes displacement signals of acceleration and angular velocity detected by the mechanical quantity sensor 100. In FIG. 9, the processing circuit 300 includes a CV converter 301, an amplifier circuit (Amp) 302, and a filter circuit 303.
Ｃ−Ｖコンバータ３０１は、印加される加速度及び角速度に応じて力学量センサ１００から出力される各軸方向の各変位信号（静電容量変化）を電圧信号に変換してアンプ回路３０２に出力する。アンプ回路３０２は、Ｃ−Ｖコンバータ３０１から入力される電圧信号を所定の増幅率で増幅してフィルタ回路３０３に出力する。フィルタ回路３０３は、数ｋＨｚ以上の信号成分を通過させるフィルタ機能を有する。フィルタ回路３０３は、アンプ回路３０２で増幅された電圧信号から数ｋＨｚ以上の信号成分を通過させて、Ｘ軸方向とＹ軸方向の角速度検出信号として出力する。フィルタ回路３０３は、低周波数の信号成分をＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の加速度検出信号として出力する。 The CV converter 301 converts each axial displacement signal (capacitance change) output from the mechanical quantity sensor 100 in accordance with the applied acceleration and angular velocity into a voltage signal and outputs the voltage signal to the amplifier circuit 302. . The amplifier circuit 302 amplifies the voltage signal input from the CV converter 301 with a predetermined amplification factor and outputs the amplified signal to the filter circuit 303. The filter circuit 303 has a filter function that allows a signal component of several kHz or more to pass therethrough. The filter circuit 303 passes a signal component of several kHz or more from the voltage signal amplified by the amplifier circuit 302 and outputs it as an angular velocity detection signal in the X-axis direction and the Y-axis direction. The filter circuit 303 outputs a low-frequency signal component as an acceleration detection signal in the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction.
次に、上記力学量センサ１００と処理回路３００を実装した半導体装置とした例について説明する。なお、本明細書において半導体装置とは、半導体技術を利用して機能しうる装置全般を指し、電子機器も半導体装置の範囲に含まれるものとする。 Next, an example of a semiconductor device in which the mechanical quantity sensor 100 and the processing circuit 300 are mounted will be described. Note that in this specification, a semiconductor device refers to all devices that can function using semiconductor technology, and electronic devices are also included in the scope of semiconductor devices.
図１０は、上記力学量センサ１００と処理回路３００を実装した半導体装置として、例えば、センサモジュール４００の一例を示す図である。図１０において、センサモジュール４００は、上記処理回路３００を含む信号処理チップ４０１と、メモリチップ４０２と、上記力学量センサ１００を含むセンサチップ４０３と、が基板４０４上に実装されている。各チップ４０１，４０２，４０３は、ボンディングワイヤ４０５により接続されている。メモリチップ４０２は、信号処理チップ４０１の制御用のプログラムやパラメータ等を記憶するメモリである。 FIG. 10 is a diagram illustrating an example of a sensor module 400 as a semiconductor device on which the mechanical quantity sensor 100 and the processing circuit 300 are mounted. In FIG. 10, in the sensor module 400, a signal processing chip 401 including the processing circuit 300, a memory chip 402, and a sensor chip 403 including the dynamic quantity sensor 100 are mounted on a substrate 404. Each chip 401, 402, 403 is connected by a bonding wire 405. The memory chip 402 is a memory that stores a control program, parameters, and the like for the signal processing chip 401.
上記のようなセンサモジュール４００を提供することにより、ゲーム機、携帯電話等のモバイル端末機への実装が容易になる。 Providing the sensor module 400 as described above facilitates mounting on a mobile terminal such as a game machine or a mobile phone.
次に、図１０に示したセンサモジュール４００を電子機器として、例えば、モバイル端末機に実装した例について説明する。 Next, an example in which the sensor module 400 shown in FIG. 10 is implemented as an electronic device in, for example, a mobile terminal will be described.
図１１は、センサモジュール４００を実装した携帯型情報端末５００の一例を示す図である。図１１において、携帯型情報端末５００は、ディスプレイ部５０１と、キーボード部５０２と、から構成される。センサモジュール４００は、キーボード部５０２の内部に実装されている。携帯型情報端末５００は、その内部に各種プログラムを記憶し、各種プログラムにより通信処理や情報処理等を実行する機能を有する。この携帯型情報端末５００では、センサモジュール４００により検出される加速度や角速度をアプリケーションプログラムで利用することにより、例えば、落下時の加速度を検出して電源をオフさせる等の機能を付加することが可能になる。 FIG. 11 is a diagram illustrating an example of the portable information terminal 500 in which the sensor module 400 is mounted. In FIG. 11, the portable information terminal 500 includes a display unit 501 and a keyboard unit 502. The sensor module 400 is mounted inside the keyboard unit 502. The portable information terminal 500 has a function of storing various programs therein and executing communication processing, information processing, and the like by the various programs. In this portable information terminal 500, by using the acceleration and angular velocity detected by the sensor module 400 in the application program, for example, it is possible to add a function of detecting the acceleration at the time of dropping and turning off the power. become.
上記のようにセンサモジュール４００をモバイル端末機に実装することにより加速度、角速度を精度良く検出できるようになるため、モバイル端末機の信頼性を向上させることが可能になる。 Since the sensor module 400 is mounted on the mobile terminal as described above, the acceleration and the angular velocity can be detected with high accuracy, so that the reliability of the mobile terminal can be improved.
１００…力学量センサ、１１０…シリコン膜、１１１，１３１…フレーム部、１１２ａ〜１１２ｅ…錘接合部、１１３ａ〜１１３ｄ…可撓部、１２０…ＢＯＸ層、１３０…シリコン基板、１３２（１３２ａ〜１３２ｅ）…錘部、１４０…第１基板、１４１ａ，１５１ａ…駆動用電極、１４１ｂ〜１４１ｅ，１５１ｂ〜１５１ｅ…検出用電極、１５０…第２基板、１６０…導通部、２０１…シリコン酸化膜、２０２…シリコン窒化膜、３００…処理回路、４００…センサモジュール、５００…携帯型情報端末、Ｌ１，Ｌ２…（駆動用電極と接続する）配線、Ｌ３〜Ｌ１０…（検出用電極と接続する）配線。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Mechanical quantity sensor, 110 ... Silicon film, 111, 131 ... Frame part, 112a-112e ... Weight junction part, 113a-113d ... Flexible part, 120 ... BOX layer, 130 ... Silicon substrate, 132 (132a-132e) ... Weight part 140... First substrate 141 a and 151 a. Driving electrode 141 b to 141 e and 151 b to 151 e Detection electrode 150. Second substrate 160. Conducting part 201. Silicon oxide film 202. Nitride film, 300 ... processing circuit, 400 ... sensor module, 500 ... portable information terminal, L1, L2 ... (connected to drive electrode), L3 to L10 ... (connected to detection electrode).
Claims (8)
前記フレーム部の一方の側に接合された第１基板と、
前記フレーム部の他方の側に接合された第２基板と、
前記第１基板上に設けられ、前記錘部と対向する第１電極と、
前記第２基板上に設けられ、前記錘部と対向する第２電極と、を備え、
前記可撓部は保護膜で被覆され、前記錘部は前記フレーム部と前記第１基板及び前記第２基板との接合により前記半導体基板内に形成された封止空間内に配置されたことを特徴とする力学量センサ。 A semiconductor substrate comprising a frame portion, a weight portion disposed inside the frame portion, and a flexible portion connecting the weight portion and the frame portion;
A first substrate bonded to one side of the frame portion;
A second substrate bonded to the other side of the frame portion;
A first electrode provided on the first substrate and facing the weight portion;
A second electrode provided on the second substrate and facing the weight portion;
The flexible portion is covered with a protective film, and the weight portion is disposed in a sealed space formed in the semiconductor substrate by joining the frame portion to the first substrate and the second substrate. Characteristic mechanical quantity sensor.
前記フレーム部領域、前記錘部領域、および前記可撓部領域の上に第１材料により第１保護膜を形成し、
前記第１保護膜上に第２材料により第２保護膜を形成し、
第１エッチング処理により少なくとも前記フレーム部領域上の前記第２保護膜を除去し、
第２エッチング処理により前記フレーム部の接合面に残る前記第１保護膜を除去し、
前記フレーム部の一方の側と接合される第１基板上に、第１電極を形成し、
前記フレーム部の他方の側と接合される第２基板上に、第２電極を形成し、
前記錘部と前記第１電極とを対向させて前記第１基板と前記フレーム部の一方の側とを接合し、
前記錘部と前記第２電極とを対向させて前記第２基板と前記フレーム部の他方の側とを接合し、
前記フレーム部と前記第１基板及び前記第２基板との接合により前記半導体基板内に封止空間を形成し、前記封止空間内に前記錘部を配置したことを特徴とする力学量センサの製造方法。 A semiconductor substrate is formed with a frame portion, a weight portion disposed inside the frame portion, and each region serving as a flexible portion connecting the weight portion and the frame portion,
Forming a first protective film with a first material on the frame part region, the weight part region, and the flexible part region;
Forming a second protective film on the first protective film with a second material;
Removing at least the second protective film on the frame part region by a first etching process;
Removing the first protective film remaining on the joint surface of the frame portion by a second etching process;
Forming a first electrode on a first substrate bonded to one side of the frame portion;
Forming a second electrode on a second substrate bonded to the other side of the frame portion;
Bonding the first substrate and one side of the frame portion with the weight portion and the first electrode facing each other;
Bonding the second substrate and the other side of the frame portion with the weight portion and the second electrode facing each other;
A mechanical quantity sensor characterized in that a sealing space is formed in the semiconductor substrate by joining the frame part to the first substrate and the second substrate, and the weight part is disposed in the sealing space. Production method.
前記力学量センサにより検出される力学量検出信号を処理する処理回路と、
を備えることを特徴とする半導体装置。 The mechanical quantity sensor according to claim 1 or 2,
A processing circuit for processing a mechanical quantity detection signal detected by the mechanical quantity sensor;
A semiconductor device comprising:
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