JP2010216840A - Method of manufacturing dynamic quantity detection sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、互いに直交するX軸、Y軸及びZ軸の3軸方向の加速度を検出可能な力学量検出センサの製造方法に関する。 The present invention relates to a method of manufacturing a mechanical quantity detection sensor capable of detecting accelerations in three axial directions of an X axis, a Y axis, and a Z axis that are orthogonal to each other.
自動車産業や機械産業では、加速度を正確に検出できる小型の力学量検出センサの需要が高まっている。このような力学量検出センサとして、互いに直交する3軸方向の加速度を同時に検出できる加速度センサが知られている(例えば、特許文献1参照)。この加速度センサは、シリコン製の第1の半導体基板(活性層)、酸化シリコン製の絶縁層(犠牲層)、シリコン製の第2の半導体基板(ベース層)で構成された3層構造のSOI基板をエッチングして形成される。 In the automobile industry and the machine industry, there is an increasing demand for small mechanical quantity detection sensors that can accurately detect acceleration. As such a mechanical quantity detection sensor, an acceleration sensor that can simultaneously detect accelerations in three axial directions orthogonal to each other is known (see, for example, Patent Document 1). This acceleration sensor has a three-layer structure SOI composed of a first semiconductor substrate (active layer) made of silicon, an insulating layer (sacrificial layer) made of silicon oxide, and a second semiconductor substrate (base layer) made of silicon. It is formed by etching the substrate.
第1の半導体基板にはエッチングにより枠体と、枠体の中央に位置する変位部と、枠体の四辺から変位部に連なる梁部とが形成され、第2の半導体基板にはエッチングにより枠体に接合された支持部と、変位部に接合された錘部とが形成される。また、各梁部の上面には検出素子が配置されており、錘部に慣性力が作用して各梁部が撓み変形することで、3軸方向の加速度が検出される。 The first semiconductor substrate is formed with a frame body by etching, a displacement portion located at the center of the frame body, and a beam portion continuous from the four sides of the frame body to the displacement portion, and the second semiconductor substrate by frame etching. A support part joined to the body and a weight part joined to the displacement part are formed. In addition, a detection element is disposed on the upper surface of each beam portion, and an inertial force acts on the weight portion to cause each beam portion to bend and deform, thereby detecting acceleration in three axes.
このような力学量検出センサにおいては、梁部はSOI基板の犠牲層と活性層の2層で構成される。この力学量検出センサにおいて、より感度を向上させるためには、梁部における犠牲層と活性層の厚さなどを最適にすることが必要になる。 In such a mechanical quantity detection sensor, the beam portion is composed of two layers of a sacrificial layer and an active layer of an SOI substrate. In order to further improve the sensitivity of this mechanical quantity detection sensor, it is necessary to optimize the thicknesses of the sacrificial layer and the active layer in the beam portion.
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、高い感度を示すことができる力学量検出センサの製造方法を提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of this point, and it aims at providing the manufacturing method of the mechanical quantity detection sensor which can show high sensitivity.
本発明の力学量検出センサの製造方法は、活性層、ベース層及び前記活性層と前記ベース層との間に挟持された絶縁層で構成されたSOI基板の前記ベース層を加工して、枠体と、前記枠体の内側に位置する錘と、前記枠体に対し前記錘を揺動可能に支持する梁部と、を形成する工程と、前記梁部の厚さを薄くする工程と、前記活性層上に、前記梁部の撓み量に基づいて力学量に応じた信号を出力する検出素子を形成する工程と、を具備することを特徴とする。 The method of manufacturing a mechanical quantity detection sensor according to the present invention includes processing a base layer of an SOI substrate including an active layer, a base layer, and an insulating layer sandwiched between the active layer and the base layer. Forming a body, a weight located inside the frame, and a beam portion that supports the weight so as to be swingable with respect to the frame, and a step of reducing the thickness of the beam portion; Forming a detection element that outputs a signal corresponding to a mechanical quantity on the active layer based on a deflection amount of the beam portion.
この方法によれば、感度や強度を考慮して最適な状態の梁部を形成することができるので、高い感度を示すことができる力学量検出センサを製造することができる。 According to this method, it is possible to form a beam portion in an optimum state in consideration of sensitivity and strength, and thus it is possible to manufacture a mechanical quantity detection sensor that can exhibit high sensitivity.
本発明の力学量検出センサの製造方法においては、前記梁部の前記活性層側から加工して前記梁部の厚さを薄くすることが好ましい。この方法によれば、活性層の強度を保った状態で梁部のばね定数を小さくして感度の高い力学量検出センサを得ることができる。 In the manufacturing method of the mechanical quantity detection sensor of the present invention, it is preferable that the beam portion is thinned by processing from the active layer side of the beam portion. According to this method, it is possible to obtain a highly sensitive mechanical quantity detection sensor by reducing the spring constant of the beam portion while maintaining the strength of the active layer.
本発明の力学量検出センサの製造方法においては、前記梁部の前記絶縁層側から加工して前記梁部の厚さを薄くすることが好ましい。この方法によれば、絶縁層の厚さを薄くして絶縁層と活性層のヤング率を合わせることができるので、所望の性能の高い力学量検出センサを得ることができる。 In the manufacturing method of the mechanical quantity detection sensor of the present invention, it is preferable to process the beam portion from the insulating layer side to reduce the thickness of the beam portion. According to this method, since the Young's modulus of the insulating layer and the active layer can be matched by reducing the thickness of the insulating layer, a mechanical quantity detection sensor with high desired performance can be obtained.
本発明の力学量検出センサの製造方法においては、前記絶縁層を除去して、さらに前記活性層を薄くすることが好ましい。この方法によれば、活性層の強度を保った状態でより高感度の力学量検出センサを得ることができる。 In the method for manufacturing a mechanical quantity detection sensor of the present invention, it is preferable to remove the insulating layer and further thin the active layer. According to this method, a highly sensitive mechanical quantity detection sensor can be obtained while maintaining the strength of the active layer.
本発明の力学量検出センサの製造方法は、活性層、ベース層及び前記活性層と前記ベース層との間に挟持された絶縁層で構成されたSOI基板の前記ベース層を加工して、枠体と、前記枠体の内側に位置する錘と、前記枠体に対し前記錘を揺動可能に支持する梁部と、を形成し、前記梁部の厚さを薄くし、前記活性層上に、前記梁部の撓み量に基づいて力学量に応じた信号を出力する検出素子を形成する。この場合、感度や強度を考慮して最適な状態の梁部を形成することができるので、高い感度を示すことができる力学量検出センサを製造することができる。 The method of manufacturing a mechanical quantity detection sensor according to the present invention includes processing a base layer of an SOI substrate including an active layer, a base layer, and an insulating layer sandwiched between the active layer and the base layer. Forming a body, a weight positioned inside the frame, and a beam portion that supports the weight so as to be able to swing with respect to the frame, and reducing the thickness of the beam portion on the active layer In addition, a detection element that outputs a signal corresponding to a mechanical quantity based on the deflection amount of the beam portion is formed. In this case, since the beam portion in an optimum state can be formed in consideration of sensitivity and strength, a mechanical quantity detection sensor that can exhibit high sensitivity can be manufactured.
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。図1は、本発明の実施の形態に係る力学量検出センサの斜視図である。図2は、本発明の実施の形態に係る力学量検出センサの分解斜視図である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a perspective view of a mechanical quantity detection sensor according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is an exploded perspective view of the mechanical quantity detection sensor according to the embodiment of the present invention.
図1及び図2に示すように、力学量検出センサ1は、第1の半導体基板2と第2の半導体基板3とを絶縁層4を介して接合して構成されている。力学量検出センサ1は、例えば、第1の半導体基板2をシリコン層(活性層)、絶縁層4を酸化シリコン層(犠牲層)、第2の半導体基板3をシリコン層(ベース層)とした3層構造をなすSOI(Silicon On Insulator)基板を用いて製造可能である。
As shown in FIGS. 1 and 2, the mechanical quantity detection sensor 1 is configured by joining a
第1の半導体基板2には、第2の半導体基板3と比較して相対的に薄板状のシリコン層で構成され、収納空間が形成された矩形枠状の枠体11と、枠体11の内側に配置された変位部12と、枠体11の四辺と変位部12とを接続する4つの梁部13とが形成されている。枠体11、変位部12、梁部13は、第1の半導体基板2をエッチングにより変位部12の周囲に上面視L字状の4つの開口を設けることで形成される。
The
枠体11は、L字状の4つの開口により変位部12を囲うように形成されている。変位部12は、略正方形状に形成され、枠体11の枠内中央に配置されている。4つの梁部13は、それぞれ枠体11の一辺から対向辺に向かって延在する長尺部15と、長尺部15に連なり、変位部12の四隅に接続される短尺部16とから構成される。このように、4つの梁部13は、長尺部15を有しているため、撓み易い構成となっている。
The
各梁部13の長尺部15の上面には、それぞれ検出素子17が設けられており、この検出素子17により各梁部13の撓み量が検出される。検出素子17は、いわゆる圧電素子であり、図示しない下地膜の上面に、下部電極25、圧電薄膜26、上部電極27の順に蒸着などにより成膜することで形成される。検出素子17は、梁部13に生じた撓みにより変形し、この変形による圧力を電圧に変換して出力する。
A
第2の半導体基板3には、第1の半導体基板2と比較して相対的に厚板状のシリコン層で構成され、矩形状の開口部23を有する支持部21と、開口部23の内側に配置された錘部22とが形成されている。支持部21および錘部22は、第1の半導体基板2をエッチングにより錘部22の周囲に矩形枠状の開口を設けることで形成される。
The
支持部21は、上面視において枠体11に対応した形状を有しており、枠体11の下面に絶縁層4を介して接合されている。錘部22は、略直方体形状に形成されており、変位部12の下面に絶縁層4を介して接合されている(錘部22と変位部12で錘を構成する)。したがって、このように、錘部22は、枠体11の収納空間及び支持部21の開口部23の内側において、変位部12と共に錘をなし、4つの梁部13により揺動自在に支持される。よって、錘部22の重心位置に慣性力が作用すると、X軸回りの回動、Y軸回りの回動、Z軸方向の直動が可能となっている。
The
梁部13は、活性層である第1半導体基板2と犠牲層である絶縁層4とで構成されている。この梁部13は、SOI基板のベース層を加工することにより、枠体11及び錘と共に形成される。次いで、力学量検出センサに所望の性能を発揮させるために、梁部13の厚さを薄くする(梁部13を修正する)。この場合において、図3(a)に示すように、梁部13を絶縁層4側から加工して絶縁層4に凹部4aを形成して梁部13の厚さを薄くする。この方法によれば、絶縁層の厚さを薄くして絶縁層4と第1半導体基板2(活性層)のヤング率を合わせることができるので、所望の性能の高い力学量検出センサを得ることができる。
The
あるいは、図3(b)に示すように、梁部13の第1半導体基板2(活性層)側から加工して第1半導体基板2に凹部2aを形成して梁部13の厚さを薄くする。この方法によれば、第1半導体基板2の強度を保った状態で梁部13のばね定数を小さくして感度の高い力学量検出センサを得ることができる。
Alternatively, as shown in FIG. 3B, the
あるいは、図3(c)に示すように、梁部13を絶縁層4側から加工して、絶縁層4を除去して、さらに第1半導体基板2に凹部2bを形成して第1半導体基板2を薄くする。この方法によれば、第1半導体基板2の強度を保った状態でより高感度の力学量検出センサを得ることができる。
Alternatively, as shown in FIG. 3C, the
図3(a)〜図3(c)の方法は択一的ではなく、力学量検出センサに発揮させる所望の特性を考慮して、適宜組み合わせて用いることができる。その場合の加工の順序については特に制限はない。 The methods shown in FIGS. 3A to 3C are not alternative, and can be used in appropriate combination in consideration of desired characteristics to be exhibited by the mechanical quantity detection sensor. There is no restriction | limiting in particular about the order of a process in that case.
なお、凹部2a,2b,4aの深さ、すなわち第1半導体基板2や絶縁層4への加工量は、予め加工量と感度との間の関係を求めておき、所望の特性に適合するように前記関係から適宜求める。また、第1半導体基板2や絶縁層4に対する加工としては、エッチングやイオンミリングなどを用いることができる。また、加工にエッチングを用いる場合には、オーバーエッチングも考慮して加工量を設定することが好ましい。
The depths of the
次に、図4及び図5を参照して、力学量検出センサの加工プロセスの一例について説明する。図4(a)〜(d)及び図5(a)〜(c)は、本発明の実施の形態に係る力学量検出センサの製造方法を説明するための図である。 Next, an example of the machining process of the mechanical quantity detection sensor will be described with reference to FIGS. 4 (a) to 4 (d) and FIGS. 5 (a) to 5 (c) are diagrams for explaining a method of manufacturing the mechanical quantity detection sensor according to the embodiment of the present invention.
図4(a)に示すように、第1の半導体基板2、絶縁層4、第2の半導体基板3を積層したSOI基板を準備し、第1の半導体基板2の上面にサポート基板30が配置される。次に、図4(b)に示すように、第2の半導体基板3の下面が研磨され薄化されると共に、第2の半導体基板3がフォトリソグラフィ及びエッチング(deep RIE)により加工されて支持部21及び錘部22が形成される。
As shown in FIG. 4A, an SOI substrate in which the
次に、図4(c)に示すように、第3の基板31がフォトリソグラフィ及びエッチングにより加工されて凹部31aが形成され、第2の半導体基板3の下面に接合される。次に、図4(d)に示すように、第1の半導体基板2の上面からサポート基板30が剥離され、第1の半導体基板2の上面が研磨されて所望の厚みに薄化される。
Next, as shown in FIG. 4C, the
次に、梁部13の厚さを薄くする。この場合、図3(a)に示すように、梁部13を絶縁層4側から加工して絶縁層4に凹部4aを形成して梁部13の厚さを薄くするか、図3(b)に示すように、梁部13の第1半導体基板2(活性層)側から加工して第1半導体基板2に凹部2aを形成して梁部13の厚さを薄くするか、図3(c)に示すように、梁部13を絶縁層4側から加工して、絶縁層4を除去して、さらに第1半導体基板2に凹部2bを形成して第1半導体基板2を薄くする。なお、図3(a)に示す場合には、上記図4(c)に示す構造になる前に加工する必要があり、図3(b)に示す場合には、上記図4(d)に示す構造の後に加工する必要がある。
Next, the thickness of the
次に、図5(a)に示すように、第1の半導体基板2の上面にスパッタリングにより絶縁材料が被着される。次に、図5(b)に示すように、絶縁層18の梁部13領域を含む領域上に、検出素子17が形成される。検出素子17は、梁13及び変位部12上に形成された下部電極25と、下部電極25上に形成された圧電薄膜26と、圧電薄膜26上に部分的に形成された上部電極27とから構成されている。まず、梁13及び変位部12上にスパッタリングにより金属材料を被着し、フォトリソグラフィ及びエッチングにより金属材料をパターンニングして下部電極25を形成する。次いで、スパッタリングにより圧電材料を被着し、フォトリソグラフィ及びエッチングにより圧電材料をパターンニングして圧電薄膜26を形成する。次いで、スパッタリングにより金属材料を被着し、フォトリソグラフィ及びエッチングにより金属材料をパターンニングして圧電薄膜26上に部分的に上部電極27を形成する。
Next, as shown in FIG. 5A, an insulating material is deposited on the upper surface of the
次に、図5(c)に示すように、第1の半導体基板2を絶縁層4,18と共に部分的に除去することにより、梁部13及び変位部12を設ける。このようにして、力学量検出センサを得ることができる。
Next, as shown in FIG. 5C, the
次に、図6を参照して、力学量検出センサの動作について簡単に説明する。図6は、力学量検出センサの検出動作説明図であり、(a)は錘部がX軸回りに回動する際の検出動作説明図であり、(b)は錘部がZ軸方向に直動する際の検出動作説明図である。 Next, the operation of the mechanical quantity detection sensor will be briefly described with reference to FIG. 6A and 6B are explanatory diagrams of detection operation of the mechanical quantity detection sensor. FIG. 6A is an explanatory diagram of detection operation when the weight portion rotates around the X axis. FIG. 6B is an explanatory diagram of the weight portion in the Z-axis direction. It is detection operation explanatory drawing at the time of linear motion.
図6(a)に示すように、力学量検出センサに対して加速度が働いて、錘部22に対してY軸方向に慣性力が作用すると、錘部22はX軸回りに回動する。このとき、梁部13a,13bの変位部12側がZ軸方向下方に移動して、梁部13a,13bの枠体11側にZ方向上方に力が作用する。また、梁部13c,13dの変位部12側がZ軸方向上方に移動して、梁部13c,13dの枠体11側にZ軸方向下方に力が作用する。そして、梁部13a,13bの枠体11側はZ軸方向上方に膨らむように撓み、梁部13c,13dの枠体11側はZ軸方向下方に凹むように撓む。
As shown in FIG. 6A, when acceleration acts on the mechanical quantity detection sensor and an inertial force acts on the
検出素子17a,17bは、それぞれ梁部13a,13bの枠体11側の撓みに合わせてZ軸方向上方に膨らむように変形し、変形に応じた電圧を出力する。また、検出素子17c,17dは、それぞれ梁部13c,13dの枠体11側の撓みに合わせてZ軸方向下方に凹むように変形し、変形に応じた電圧を出力する。各検出素子17a,17b,17c,17dから出力された電圧は、図示しない演算回路において演算され、加速度が算出される。
The
なお、錘部22がY軸回りに回動する場合には、逆に、梁部13a,13bの枠体11側にZ軸方向下方に力が作用し、梁部13c,13dの枠体11側にZ軸方向上方に力が作用する。したがって、検出素子17a,17bは、それぞれ梁部13a,13bの枠体11側の撓みに合わせてZ軸方向下方に凹むように変形し、検出素子17c,17dは、それぞれ梁部13c,13dの枠体11側の撓みに合わせてZ軸方向上方に膨らむように変形する。
When the
図6(b)に示すように、力学量検出センサに対して加速度が働いて、錘部22に対してZ軸方向下方に慣性力が作用すると、錘部22はZ軸方向下方に直動する。このとき、梁部13a,13b,13c,13dの変位部12側がZ軸方向下方に移動して、梁部13a,13b,13c,13dの枠体11側にZ軸方向上方に力が作用する。そして、梁部13a,13b,13c,13dの枠体11側はZ軸方向上方に膨らむように撓み、検出素子17a,17b,17c,17dもZ軸方向上方に膨らむように変形する。そして、各検出素子17a,17b,17c,17dから出力された電圧は、図示しない演算回路において演算され、加速度が算出される。
As shown in FIG. 6B, when acceleration acts on the mechanical quantity detection sensor and an inertial force acts on the
なお、力学量検出センサにおいて、錘部22及び変位部12の質量などを適宜変更することによってセンサ感度を任意に調整することも可能である。
In the mechanical quantity detection sensor, the sensor sensitivity can be arbitrarily adjusted by appropriately changing the masses of the
このように、本実施の形態においては、SOI基板の第2半導体基板4を加工して、枠体11と、前記枠体11の内側に位置する錘(変位部12、錘部22)と、前記枠体11に対し前記錘を揺動可能に支持する梁部13と、を形成し、前記梁部13の厚さを薄くし、前記活性層上に、前13記梁部の撓み量に基づいて力学量に応じた信号を出力する検出素子17を形成する。この場合、感度や強度を考慮して最適な状態の梁部13を形成することができるので、高い感度を示すことができる力学量検出センサを製造することができる。
Thus, in the present embodiment, the
また、上記した実施の形態においては、検出素子として圧電素子を例示して説明したが、この構成に限定されるものではない。梁部の撓みに基づいて力学量に応じた信号を出力する構成であればよく、例えば、圧電素子の代わりにピエゾ素子を用いてもよい。 In the above-described embodiment, the piezoelectric element is exemplified as the detection element. However, the present invention is not limited to this configuration. Any structure that outputs a signal corresponding to the mechanical quantity based on the deflection of the beam portion may be used. For example, a piezoelectric element may be used instead of the piezoelectric element.
また、今回開示された実施の形態は、全ての点で例示であってこの実施の形態に制限されるものではない。本発明の範囲は、上記した実施の形態のみの説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time is illustrative in all respects and is not limited to this embodiment. The scope of the present invention is shown not by the above description of the embodiments but by the scope of claims for patent, and is intended to include all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of claims for patent.
本発明は、互いに直交するX軸、Y軸及びZ軸の3軸方向の加速度を検出する力学量検出センサに有用である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is useful for a mechanical quantity detection sensor that detects acceleration in three axial directions of the X axis, the Y axis, and the Z axis orthogonal to each other.
1 力学量検出センサ
2 第1の半導体基板(第1の基板)
2a,2b,4a 凹部
3 第2の半導体基板(第2の基板)
4,18 絶縁層
11 枠体
12 変位部
13 梁部
17 検出素子
21 支持部
22 錘部
23 開口部
25 下部電極
26 圧電薄膜
27 上部電極
31 第3の基板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Mechanical
2a, 2b,
4,18 Insulating
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