JP2010223693A - 微小デバイスおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】陽極接合の際、錘部がガラスストッパに接着せず、錘部がガラスストッパに接触した場合でも異物が発生しない微小デバイスを提供する。
【解決手段】可動部と、可動部の周囲に設けられ可動部を可動可能に支持するフレーム１１と、を有するシリコン基板１と、可動部との間にギャップ５、６を設けるようにシリコン基板１のフレーム１１に陽極接合されるガラス基板２、３と、を備える微小デバイスであって、フレーム１１に陽極接合されるガラス基板２、３の接合面２２、３２の面粗度はＲａ＝２ｎｍ以下であり、ガラス基板２、３のシリコン基板１側の表面において可動部に対向する対向面２３、３３の面粗度はＲａ＝０．２乃至０．５μｍであるようにした。
【選択図】図１

Description

本願発明は、微小デバイスおよびその製造方法に関するものである。

従来の加速度センサは図３に示されるように、フレーム４１とフレーム４１の略中央に位置する錘部４２と錘部４２をフレーム４１の略中央に位置するように吊り下げ支持し錘部４２の動きを検出する感応抵抗素子を具備する梁部４３とを備えるシリコン基板４４と、錘部４２とギャップ４７ａ、４７ｂを設けた状態で対向するとともに陽極接合を用いてフレーム４１の所望の位置に連結支持された平板状の上部ガラスストッパ４５ａおよび下部ガラスストッパ４５ｂと、を備えている。また、ギャップ４７ａ、４７ｂは、それぞれ上部ガラスストッパ４５ａとシリコン基板４４との間と、下部ガラスストッパ４５ｂとシリコン基板４４との間と、にギャップ形成用のＡｌからなるスペーサ４６を挿入することで形成されている。
ここで、陽極接合とは、例えば上部ガラスストッパ４５ａをシリコン基板４４のフレーム４１の所望の位置に当接させ、ガラスストッパ４５ａに陰極導体板を当接させ、フレーム４１を陽極、陰極導体板を陰極として、直流電圧を印加すると同時に３００〜５００℃程度の温度で加熱し、上部ガラスストッパ４５ａとフレーム４１とを接続する方法である。
ところが、この陽極接合の際、直流電圧を印加するためフレーム４１には電界が生じるが、このときフレーム４１に連結された錘部４２にも電界が発生する。この錘部４２に生じる電界によって錘部４２のシリコンイオンが上部ガラスストッパ４５ａ、下部ガラスストッパ４５ｂの方向に移動するためギャップ４７ａ、４７ｂの巾が小さければ錘部４２と上部ガラスストッパ４５ａ、下部ガラスストッパ４５ｂとが接着するといった問題点があった。
そこで、特開２００３−２７０２６２号公報（特許文献１）に示される加速度センサでは、上記従来の加速度センサの上部ガラスストッパ４５ａおよび下部ガラスストッパ４５ｂの錘部４２との対向面をサンドブラスト処理等の粗面化処理によって粗面化し、錘部と上部ガラスストッパ、下部ガラスストッパとが接着することを防いでいた。

特開２００３−２７０２６２号公報

しかしながら、上記従来例である特許文献１に記載の加速度センサにあっては、粗面化処理の種類によっては、対向面は尖った形状の突起が多数形成されて粗面化されており、錘部がガラスストッパに接触した場合、尖った形状の突起が欠け落ちて異物となり、加速度センサの不良の原因となっていた。
本願発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、その課題は、陽極接合の際、錘部がガラスストッパに接着せず、錘部がガラスストッパに接触した場合でも異物が発生しない微小デバイスを提供することである。

上記課題を解決するために、本願請求項１記載の発明では、可動部と、可動部の周囲に設けられ可動部を可動可能に支持するフレームと、を有するシリコン基板と、可動部との間にギャップを設けるようにシリコン基板のフレームに陽極接合されるガラス基板と、を備える微小デバイスであって、フレームに陽極接合されるガラス基板の接合面の面粗度はＲａ＝２ｎｍ以下であり、ガラス基板のシリコン基板側の表面において可動部に対向する対向面の面粗度はＲａ＝０．２乃至０．５μｍであるようにしている。

又、本願請求項２記載の発明では、上記請求項１記載の微小デバイスの製造方法において、前記対向面は、サンドブラスト加工後にエッチングされて形成されることを特徴としている。

又、本願請求項３記載の発明では、上記請求項２記載の微小デバイスの製造方法において、前記エッチングはウェットエッチングであることを特徴としている。
又、本願請求項４記載の発明では、上記請求項３記載の微小デバイスの製造方法において、ウェットエッチングが施されたガラス基板の表面に、この表面から陽極接合の際に、アルカリ成分が析出することを抑制する表面処理を施すことを特徴としている。
又、本願請求項５記載の発明では、上記請求項４記載の微小デバイスの製造方法において、前記表面処理は、ドライエッチングであることを特徴としている。
又、本願請求項６記載の発明では、上記請求項２記載の微小デバイスの製造方法において、前記エッチングはドライエッチングであることを特徴としている。
又、本願請求項７記載の発明では、上記請求項１記載の微小デバイスの製造方法において、前記対向面は、サンドブラスト加工後に研磨されて形成されることを特徴としている。
又、本願請求項８記載の発明では、上記請求項１記載の微小デバイスまたは請求項２乃至７のいずれか一項に記載の微小デバイスの製造方法において、微小デバイスは加速度センサであることを特徴としている。

本願請求項１記載の発明の微小デバイスにおいては、フレームに陽極接合されるガラス基板の接合面の面粗度はＲａ＝２ｎｍ以下であるので、フレームとガラス基板の接合面を陽極接合することができ、ガラス基板のシリコン基板側の表面において可動部に対向する対向面の面粗度Ｒａは０．２μｍ以上であるので、陽極接合の際、可動部がガラス基板に接着することがない。また、対向面の面粗度Ｒａは０．５μｍ以下であるので、可動部がガラス基板に接触したとしてもガラス基板の一部が欠け落ちて異物となることがなく微小デバイスの不良の原因となることがない。

又、本願請求項２記載の発明の微小デバイスにおいては、特に、対向面は、サンドブラスト加工後にエッチングされて形成されるので、エッチングにより対向面の面粗度Ｒａを０．２乃至０．５μｍにすることができる。

又、本願請求項３記載の発明の微小デバイスにおいては、特に、エッチングはウェットエッチングであるので、ウェットエッチングにより対向面の面粗度Ｒａを０．２乃至０．５μｍにすることができる。

又、本願請求項４記載の発明の微小デバイスにおいては、特に、ウェットエッチングが施されたガラス基板の表面に、この表面から陽極接合の際に、アルカリ成分が析出することを抑制する表面処理を施すので、アルカリ成分の析出が抑制され、アルカリ成分がシリコン基板に付着し微小デバイスの特性を悪化させることを防ぐことができる。

又、本願請求項５記載の発明の微小デバイスにおいては、特に、表面処理は、ドライエッチングであるので、ドライエッチングによって表面処理を施すことができる。

又、本願請求項６記載の発明の微小デバイスにおいては、特に、エッチングはドライエッチングであるので、ドライエッチングによって対向面の面粗度Ｒａを０．２乃至０．５μｍにすることができる。

又、本願請求項７記載の発明の微小デバイスにおいては、特に、対向面は、サンドブラスト加工後に研磨されて形成されるので、研磨処理によって対向面の面粗度Ｒａを０．２乃至０．５μｍにすることができる。

又、本願請求項８記載の発明の微小デバイスにおいては、特に、微小デバイスは加速度センサであるので、加速度センサのフレームとガラス基板の接合面を陽極接合することができ、陽極接合の際、可動部がガラス基板に接着せず、可動部がガラス基板に接触したとしてもガラス基板の一部が欠け落ちて異物となることがなく加速度センサの不良の原因となることがない。

本願発明の第１の実施形態である加速度センサを示し、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。 本願発明の第１の実施形態である加速度センサのシリコン基板の製造過程を示す断面図である。 従来例である加速度センサの断面図である。

本願発明の微小デバイスは、加速度センサ、ジャイロセンサ、アクチュエータ、赤外線センサなどであり、以下の各実施形態では、微小デバイスとして加速度センサを用いて説明するが、微小デバイスが加速度センサに限定される趣旨ではない。

以下、本願発明の第１の実施形態の加速度センサについて図１を参照して説明する。本実施形態の加速度センサは、シリコン基板１の一表面側（図１（ｂ）における上面側）に接合された第１のガラス基板２と前記一表面側とは反対側の他表面側（図１（ｂ）における下面側）に接合された第２のガラス基板３とによって概略構成されている。シリコン基板１は矩形状に形成されており、枠状のフレーム１１と、このフレーム１１の内側に形成された開口１２に配置されたおもり部１３と、フレーム１１とおもり部１３とを接続する薄肉部１４とを備えるように形成されている。フレーム１１の外周はシリコン基板１の外周によって構成されており、フレーム１１の内周の形状は矩形状であり、矩形状の内周の長辺の方向とシリコン基板１の長手方向とが一致するように形成されている。
シリコン基板１の前記一表面側において、薄肉部１４は枠状のフレーム１１の内周の２つの短辺のうちの一辺において２箇所設けられており、この２つの薄肉部１４が撓むことによってフレーム１１におもり部１３が可動可能に支持され、開口１２内におもり部１３が位置している。すなわち、可動可能なおもり部１３よって可動部が構成されている。
この薄肉部１４の前記一表面側には４つ（１つの薄肉部１４に２つ）のピエゾ抵抗１５が形成され、これら４つのピエゾ抵抗１５を用いてホイートストンブリッジ回路が構成され、加速度検出が行われる。また、シリコン基板１の前記一表面側には長手方向をシリコン基板１の長手方向と同じくする、直線矩形状に拡散配線１６が薄肉部１４からフレーム１１にかけて延設されている。この拡散配線１６の一端部は、薄肉部１４に形成されたピエゾ抵抗１５と接触し、ピエゾ抵抗１５と接触した一端部と反対側の一端部がフレーム１１であるシリコン基板１の長手方向の端部まで形成されている。
また、シリコン基板１の前記一表面側には開口１２を除いて、その全面に、保護膜および内部応力コントロールのために絶縁膜（シリコン酸化膜）１７が形成されている。この絶縁膜１７の長手方向の端部には貫通孔が形成されており、この貫通孔と略同じ外形の凸部を備える電極１８が貫通孔に挿入され、その凸部の先端がシリコン基板１の前記一表面側に形成された前記拡散配線１６のピエゾ抵抗１５と接触した一端部とは、反対側の一端部と接触しており、電極１８の凸部と反対側の端部が絶縁膜１７から露出している。
さらにシリコン基板１の前記一表面側において、絶縁膜１７上にはアルミ膜１９が２つ形成されている。アルミ膜は、シリコン基板１の４つの角部のうち、シリコン基板１の長手方向の端部であって電極１８が形成された端部と反対側の端部における２つの角部に形成されている。アルミ膜１９はその外形が矩形状に形成されており、それぞれ、その長手方向がシリコン基板１の長手方向と一致するように形成されている。
第１のガラス基板２は、矩形状に形成されており、その短手方向の長さが、シリコン基板１の短手方向の長さと略同じであり、長手方向の長さが、シリコン基板１の長手方向の長さより短くなるように形成されている。また、第１のガラス基板２のシリコン基板１の前記一表面側に接合される表面には、外周部を残して第１の凹部２１が形成されている。
第１のガラス基板２は、シリコン基板１の前記一表面側にその外形が重なるように接合される。この際、第１のガラス基板２はアルミ膜１９を介してシリコン基板１に陽極接合されるので、シリコン基板１のアルミ膜１９が形成された２つの角部と第１のガラス基板２の４つの角部のうち第１のガラス基板２の長手方向における２つの角部が対応して接合される。ここにおいて、第１のガラス基板２の外周部の表面の所定箇所がアルミ膜１９と接触し接合される第１の接合面２２であり、この第１の接合面２２の面粗度Ｒａが２ｎｍ以下になるように形成されている。
第１のガラス基板２が接合されることによって、開口１２が第１のガラス基板２によって覆われ、シリコン基板１のおもり部１３の上方には第１のガラス基板２に形成された第１の凹部２１が位置し、この第１の凹部２１によっておもり部１３と第１のガラス基板２との間に第１のギャップ５が形成される。ここで、第１のガラス基板２に形成された第１の凹部２１の底面が、可動部であるおもり部１３と対向しており、第１の凹部２１の底面が第１の対向面２３となっている。この第１の対向面２３の面粗度Ｒａは０．２乃至０．５μｍになるように形成されている。
また、第１のガラス基板２の長手方向の長さは、シリコン基板１の長手方向の長さより短くなるように形成されているため、シリコン基板１に形成された電極１８は第１のガラス基板２に覆われず、露出する構成となっている。
第２のガラス基板３は、その外形サイズがシリコン基板１と等しく形成されており、シリコン基板１の前記他表面側に接合される表面には外周部を残して第２の凹部３１が形成されており、その外形が重なるようにシリコン基板１に接合される。このとき、第２のガラス基板３の外周部の表面がシリコン基板１と接合される第２の接合面３２であり、この第２の接合面３２の面粗度Ｒａが２ｎｍ以下になるように形成されている。
第２のガラス基板３がシリコン基板１に接合された状態において、シリコン基板１のおもり部１３の下方には第２のガラス基板３に形成された第２の凹部３１が位置し、この第２の凹部３１によっておもり部１３と第２のガラス基板３との間にギャップ６が形成される。ここで、第２のガラス基板３に形成された第２の凹部３１の底面が、可動部であるおもり部１３と対向しており、第２の凹部３１の底面が第２の対向面３３となっている。この第２の対向面３３の面粗度Ｒａは０．２乃至０．５μｍになるように形成されている。
上述の加速度センサに加速度が印加されると、薄肉部１４に撓み応力が発生し、薄肉部１４の前記一表面側に形成されたピエゾ抵抗１５のピエゾ効果により応力に伴った抵抗値の変化が生じる。その結果、ホイートストンブリッジ回路には加速度に比例した電位差が出力され、この電位差出力を検出することにより加速度を検出する。

以下、本実施形態の加速度センサの製造方法について説明する。まず、シリコン基板１の製造方法について図２を用いて説明する。

図２（ａ）に示されるように、その一表面側（図２（ａ）における上面側）と前記一表面側と反対側である他表面側（図２（ａ）における下面側）とに絶縁膜１７が形成されたシリコン基板１の前記一表面側の絶縁膜１７の一部をフォトリソグラフィー工程によるウェットエッチングで除去した後、イオン注入工程および拡散工程によりピエゾ抵抗１５および拡散配線１６を形成する。

次に図２（ｂ）に示されるように、シリコン基板１の前記一表面側に形成された絶縁膜１７の一部をフォトリソグラフィー工程によるウェットエッチングで除去した後、電極１８を形成するとともに、アルミ膜１９を形成する。

次に図２（ｃ）に示されるように、シリコン基板１の前記他表面側に形成された絶縁膜１７の一部をフォトリソグラフィー工程によるウェットエッチングで除去した後、シリコン基板１に異方性エッチングを行い、凹所を形成する。

次に図２（ｄ）に示されるように、シリコン基板１の前記一表面側に形成された絶縁膜１７の一部をフォトリソグラフィー工程によるウェットエッチングで除去した後、シリコン基板１に異方性エッチングを行い、フレーム１１、おもり部１３、薄肉部１４を形成し、シリコン基板１の前記他表面側に残った絶縁膜１７を除去する。

次に第１のガラス基板２および第２のガラス基板３の製造方法について説明する。なお、第１のガラス基板２および第２のガラス基板３は、その長手方向の長さが異なるが、その他の構成および製造方法は同じであるので、ここでは第１のガラス基板２の製造方法についてのみ説明し、第２のガラス基板３の構成および製造方法についての説明は省略する。

第１のガラス基板２のシリコン基板１に接合される一表面側には、外周部を残して第１の凹部２１が形成されており、この第１の凹部２１の底面である、第１の対向面２３にサンドブラス加工が施された後、第１の対向面２３に例えばＣＦ_４ガスによるドライエッチング処理を行うことによって第１の対向面２３の面粗度Ｒａを０．２乃至０．５μｍにして、第１のガラス基板２が完成する。なお、サンドブラスト加工後にドライエッチング処理の変わりに第１の対向面２３に研磨処理を施して第１の対向面２３の面粗度Ｒａを０．２乃至０．５μｍとしてもよい。

上述した製造方法により形成された第１のガラス基板２および第２のガラス基板３を、上述の製造方法により形成されたシリコン基板１に陽極接合させ加速度センサは完成する。

以上、説明した本実施形態の加速度センサおよび加速度センサの製造方法によれば、第１のガラス基板２および第２のガラス基板３の第１の接合面２２および第２の接合面３２の面粗度はＲａ＝２ｎｍ以下であるので、シリコン基板１と第１のガラス基板２の第１の接合面２２および、シリコン基板１と第２のガラス基板３の第２の接合面３２とを陽極接合することができる。また、第１のガラス基板２の第１の対向面２３および第２のガラス基板３の第２の対向面３３にドライエッチング処理または研磨処理を施すことにより第１の対向面２３および第２の対向面３３の面粗度をＲａ＝０．２乃至０．５μｍに設定することができ、第１の対向面２３および第２の対向面３３の面粗度Ｒａは０．２μｍ以上であるので、陽極接合の際、可動部が第１ガラス基板２の第１の対向面２３または第２のガラス基板３の第２の対向面３３に接着することがない。また、第１の対向面２３および第２の対向面３３の面粗度Ｒａは０．５μｍ以下であるので、可動部が第１のガラス基板２の第１の対向面２３または第２のガラス基板３の第２の対向面３３に接触したとしても第１のガラス基板２または第２のガラス基板３の一部が欠け落ちて異物となることがなく加速度センサの不良の原因となることがない。

次に、本願発明の第２の実施形態の加速度センサについて説明する。なお、本実施形態の加速度センサは第１のガラス基板２および第２ガラス基板３の製造方法は上記第１の実施形態と異なるが、その他の加速度センサの構成およびシリコン基板１の製造方法は第１の実施形態と同様であるので。よって、同様の構成については同一の符号を付し、同様の構成およびシリコン基板１の製造方法の説明は省略する。

以下、第１のガラス基板２および第２のガラス基板３の製造方法について説明する。なお、第１のガラス基板２および第２のガラス基板３は、その長手方向の長さが異なるが、その他の構成および製造方法は同じであるので、ここでは第１のガラス基板２の製造方法についてのみ説明し、第２のガラス基板３の構成および製造方法についての説明は省略する。

第２のガラス基板３のシリコン基板１に接合される一表面側には、外周部を残して第１の凹部２１が形成されており、この第１の凹部２１の底面である、第１の対向面２３にサンドブラス加工が施された後、第１の対向面２３に例えばＨＦまたはＢＨＦ溶液によるウェットエッチング処理を行い、さらに第１の対向面に例えば、ＣＦ_４ガスによるドライエッチング処理を施し、第１の対向面２３の面粗度Ｒａを０．２乃至０．５μｍにして、第２のガラス基板３が完成する。

したがって、本実施形態の加速度センサおよび加速度センサの製造方法によれば、第１の対向面２３および第２の対向面３３にサンドブラスト加工後にウェットエッチング行うので、ウェットエッチングによって第１の対向面２３および第２の対向面３３の面粗度Ｒａを０．２乃至０．５μｍにすることができ、ウェットエッチング後に、第１の対向面２３および第２の対向面３３にドライエッチングを施すことによって、第１の対向面２３および第２の対向面３３からアルカリ成分の析出が抑制され、アルカリ成分がシリコン基板１に付着し加速度センサの特性を悪化させることを防ぐことができる。

１ シリコン基板
２ 第１のガラス基板
３ 第２のガラス基板
５ 第１のギャップ
６ 第２のギャップ
１１ フレーム
１２ 開口
１３ おもり部
１４ 薄肉部
１５ ピエゾ抵抗
１６ 拡散配線
１７ 絶縁層
１８ 電極
１９ アルミ膜
２１ 第１の凹部
２２ 第１の接合面
２３ 第１の対向面
３１ 第２の凹部
３２ 第２の接合面
３３ 第２の対向面

Claims (8)

1. 可動部と、可動部の周囲に設けられ可動部を可動可能に支持するフレームと、を有するシリコン基板と、可動部との間にギャップを設けるようにシリコン基板のフレームに陽極接合されるガラス基板と、を備える微小デバイスであって、
   フレームに陽極接合されるガラス基板の接合面の面粗度はＲａ＝２ｎｍ以下であり、ガラス基板のシリコン基板側の表面において可動部に対向する対向面の面粗度はＲａ＝０．２乃至０．５μｍであることを特徴とした微小デバイス。
2. 前記対向面は、サンドブラスト加工後にエッチングされて形成されることを特徴とする請求項１に記載の微小デバイスの製造方法。
3. 前記エッチングはウェットエッチングであることを特徴とする請求項２に記載の微小デバイスの製造方法。
4. ウェットエッチングが施されたガラス基板の表面に、この表面から陽極接合の際に、アルカリ成分が析出することを抑制する表面処理を施すことを特徴とする請求項３に記載の微小デバイスの製造方法。
5. 前記表面処理は、ドライエッチングであることを特徴とする請求項４に記載の微小デバイスの製造方法。
6. 前記エッチングはドライエッチングであることを特徴とする請求項２に記載の微小デバイスの製造方法。
7. 前記対向面は、サンドブラスト加工後に研磨されて形成されることを特徴とする請求項１に記載の微小デバイスの製造方法。
8. 微小デバイスは加速度センサであることを特徴とする請求項１に記載の微小デバイスまたは請求項２乃至７のいずれか一項に記載の微小デバイスの製造方法。

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