JP2011069648A - 微小デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】微小デバイス形成時において陽極接合が行われるときにガラス基板にアルカリ金属イオンが析出することを防止できる微小デバイスを提供すること。
【解決手段】フレーム部２１とフレーム部２１に対して変位自在に支持される錘部２２とフレーム部２１と錘部２２とを接続するビーム部２３とを有するセンサ基板１１と、ガラス基板とを備える微小デバイスであって、センサ基板１１とガラス基板とは陽極接合されており、ガラス基板の両主面には、アルカリ金属イオンの析出を防止する保護膜３１が形成されている構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、微小デバイスに関する。

微小デバイスとして、加速度センサ、ジャイロセンサ、アクチュエータ、赤外線センサなどが知られている。これらの微小デバイスは、例えば、ガラス基板とシリコン基板とが陽極接合されることにより形成されている（例えば、特許文献１など）。

ところで、陽極接合とは、ガラスとシリコンや金属などとを重ね合わせたものを熱と電圧とを加えることにより密着接合することをいう。詳しくは、ガラスとシリコンや金属とを重ね合わせたものを加熱すると同時に、ガラス側を陰極、シリコン側を陽極として電圧をかけることで、ガラス中のアルカリ金属イオンを陰極側に拡散させる。そして、重ね合わされたガラスとシリコンや金属などとの間に静電引力を発生させて密着を促し、ガラスとシリコンや金属などとを化学反応させて接合する。

このような陽極接合が行われることで、例えば、ガラス基板とシリコン基板とが陽極接合される微小デバイスを形成するとき、ガラス中のアルカリ金属イオンが陰極側に拡散させられることによりガラス中に含まれるアルカリ金属イオンがガラス表面に析出することがある。この現象により、陽極接合後の工程などによってシリコン基板表面に析出物が付着し、微小デバイスの諸特性を悪化させるという問題がある。

従来、ガラス基板において、可動電極である質量体との対向面に相当する箇所に窒化珪素膜を形成した容量式加速度センサが提案されている（例えば、特許文献２など）。

特開平５−１４２２４７号公報 特開２００６−１３３２４５号公報

特許文献２では、ガラス基板と可動電極である質量体とが付着することを防止するために、ガラス基板表面であって可動電極である質量体と対向する箇所に窒化珪素膜が形成されている。そのため、ガラス基板と可動電極である質量体とが付着することを防止することができる。また、ガラス基板において窒化珪素膜が形成されている箇所ではアルカリ金属イオンの析出を防止することもできる。しかしながら、窒化珪素膜が形成されていない箇所に関してはアルカリ金属イオンの析出を防止することは困難である。

本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、微小デバイス形成時において陽極接合が行われるときにガラス基板にアルカリ金属イオンが析出することを防止できる微小デバイスを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、フレーム部と、フレーム部に対して変位自在に支持される錘部と、フレーム部と錘部とを接続するビーム部とを有するセンサ基板と、ガラス基板とを備える微小デバイスであって、センサ基板とガラス基板とは陽極接合されており、ガラス基板の両主面には、アルカリ金属イオンの析出を防止する保護膜が形成されている構成とする。

また、本発明の微小デバイスは、センサ基板とガラス基板とは金属層を介して陽極接合されることにより、センサ基板とガラス基板との間には金属層によりギャップが形成されていることが好ましい。

また、本発明の微小デバイスは、保護膜がリンを含んだシリコン酸化膜であることが好ましい。

また、本発明の微小デバイスは、保護膜がシリコン窒化膜であることが好ましい。

また、本発明の微小デバイスは半導体加速度センサであることが好ましい。

本発明の微小デバイスは、センサ基板とガラス基板とは陽極接合されており、ガラス基板の両主面にはアルカリ金属イオンの析出を防止する保護膜が形成されているため、センサ基板とガラス基板とを陽極接合させるときにガラス基板上にアルカリ金属イオンが析出することを防止することができる。

本発明の実施形態に係る微小デバイスとしての半導体加速度センサの（ａ）平面図及び（ｂ）Ａ−Ａ矢視断面図である。 本発明の実施形態に係る微小デバイスとしての半導体加速度センサに備わるセンサ基板が製造される過程を説明するための図である。 本発明の実施形態に係る微小デバイスとしての半導体加速度センサに備わるガラス基板が製造される過程を説明するための図である。

以下、本発明の実施形態に係る微小デバイスとして半導体加速度センサについて図面を参照して説明する。

なお、本発明の微小デバイスとは、例えば、加速度センサ、ジャイロセンサ、アクチュエータ、赤外線センサなどに応用できるが、以下の実施形態では微小デバイスとして半導体加速度センサを用いて説明する。これは、微小デバイスが加速度センサに限定するということではない。

図１（ａ）及び（ｂ）は本発明の実施形態に係る半導体加速度センサ１の平面図及び断面図を示す。また、図２（ａ）乃至（ｄ）は半導体加速度センサ１に備わるセンサ基板１１が製造される過程を示し、図３（ａ）乃至（ｃ）は半導体加速度センサに備わる第１のガラス基板１２及び第２のガラス基板１３が製造される過程を示す。

半導体加速度センサ１は、シリコン基板１４を加工して形成されるセンサ基板１１と、センサ基板１１の上方に配置される第１のガラス基板１２と、センサ基板１１の下方に配置される第２のガラス基板１３とを備える。以下、各構成を詳細に説明する。

センサ基板１１は、矩形状に形成され、矩形枠状のフレーム部２１と、フレーム部２１の内側に配置された錘部２２と、錘部２２をフレーム部２１の長手方向端部の一辺に接続する一対の薄肉状のビーム部２３とを備える。また、錘部２２の周囲であってビーム部２３と接続されていない３辺には、センサ基板１１の厚み方向に貫通する開口部２４が設けられている。フレーム部２１は、その外周がセンサ基板１１の外周によって構成されている。錘部２２は、一対のビーム部２３を介して変位自在にフレーム部２１に支持されている。

センサ基板１１の主面であって第１のガラス基板１２と対向する面には、内部応力をコントロールするために絶縁膜２５が形成されている。一対のビーム部２３は、フレーム部２１の幅手方向に離間して設けられており、錘部２２がフレーム部２１の長手方向端部の一辺に接続されている。

一対のビーム部２３には、それぞれに２個のピエゾ抵抗２６が設けられている。これら４個のピエゾ抵抗２６は、ホイートストンブリッジ回路が構成されるように拡散配線２７によって接続されている。また、拡散配線２７と接続しかつフレーム部２１の主表面に現れるように、ビーム部２３と接続される側のフレーム部２１の一辺に、ホイートストンブリッジ回路の各端子となる６個の端子電極２８が並列して設けられている。また、ビーム部２３が形成されている一辺と対向するフレーム部２１の一辺のそれぞれの角部にはアルミニウムからなる矩形状の金属層２９が設けられている。金属層２９は、陽極接合を行うときに通電媒体として働く接合用金属層であり、また、第１のガラス基板１２とセンサ基板１１との間にギャップ（間隔）３２を形成させるために設けられている。

第１のガラス基板１２は、矩形で板状である。第１のガラス基板１２の両主面には保護膜３１としてのリンがドープされたシリコン酸化膜（ＰＳＧ膜）が形成されている。なお、第１のガラス基板１２が配置されたときに、センサ基板１１の一辺の角部に形成された金属層２９と対向する箇所の保護膜３１は除去されている。

第１のガラス基板１２は、センサ基板１１の角部に形成された２個の金属層２９を介してセンサ基板１１と陽極接合により接合され、センサ基板１１と所定のギャップ３２を有するようにセンサ基板１１の上方に配置されている。所定のギャップ３２とは、錘部２２が変位するときに錘部２２と第１のガラス基板１２とが接触することがないように遊びを持たせるための間隔をいう。

第１のガラス基板１２の大きさは、幅方向はセンサ基板１１と略同等であり長手方向はセンサ基板１１よりやや小さく形成されている。これにより、センサ基板１１に形成されたホイートストンブリッジ回路の各端子電極２８が、第１のガラス基板１２に覆われることがないように配置されている。

第２のガラス基板１３は、矩形で板状であり、その外形サイズがセンサ基板１１と略同等に形成されている。また、第２のガラス基板１３は、一方の主面では外周部を残して中程に凹部４１が形成されており、センサ基板１１と第２のガラス基板１２において凹部４１が形成された側の主面とが対向するようにセンサ基板１１の下方に配置されている。そして、センサ基板１１と第２のガラス基板１３とは陽極接合により接合されている。凹部４１によって、錘部２２が変位するときに錘部２２と第２のガラス基板１３とが接触することを防ぐことができる。

ここで、本実施形態に係る半導体加速度センサ１の製造方法について説明する。

絶縁膜２５が両主面に形成されているシリコン基板１４をフォトリソグラフィー工程により加工することで、ピエゾ抵抗２６と拡散配線２７と端子電極２８と金属層２９とが形成され、フレーム部２１と錘部２２とビーム部２３とを備えたセンサ基板１１が形成される。

図２（ａ）乃至（ｄ）は、本実施形態に係る半導体加速度センサ１に備わるセンサ基板１１が形成される過程を示す概略断面図である。

まず、シリコン基板１４の主面の表面であって端子電極２８が形成される箇所の絶縁膜２５をウエットエッチングにより除去する。絶縁膜２５が除去された箇所からイオン注入し酸化及び拡散させることにより、ピエゾ抵抗２６と拡散配線２７とを形成する（図２（ａ））。

そして、端子電極２８が形成される箇所であって絶縁膜２５が除去された箇所に拡散配線２７と接続されるように端子電極２８を形成する。また、ビーム部２３が形成される一辺と対向するフレーム部２１の一辺のそれぞれの角部には絶縁膜２５上に金属層２９を形成する（図２（ｂ））。

フレーム部２１と錘部２２とビーム部２３を形成するために、シリコン基板１４の主面の裏面であって開口部２４及びビーム部２３の下部に対応する箇所の絶縁膜２５をウエットエッチングにより除去する。この絶縁膜２５が除去された箇所に対して、主面の表面からの厚さが薄肉のビーム部２３の厚さとなるまでシリコン基板１４の主面の裏面側から異方性エッチングを行う。これにより、ビーム部２３と錘部２２の概ねの外形とが形成される（図２（ｃ））。

開口部２４を形成するために、シリコン基板１４の主面の表面であって開口部２４を設ける箇所の絶縁膜２５をウエットエッチングにより除去し、絶縁膜２５が除去された箇所に対してシリコン基板１４の主面の表面から異方性エッチングを行う。これにより、開口部２４が形成され、錘部２２とフレーム部２１とが形成される。そして、シリコン基板１４の主面の裏面側に形成されている絶縁膜２５をウエットエッチングにより除去する（図２（ｄ））。これらの工程を経ることにより、センサ基板１１が形成される。

図３（ａ）乃至（ｂ）は、本実施形態に係る半導体加速度センサ１に備わる第１のガラス基板１２が形成される過程を示す概略側面図であり、図３（ｂ−２）は、図３（ｂ−１）の下面平面図である。

保護膜３１として、ガラス板の主面の表裏両面にそれぞれＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）によりリンがドープされたシリコン酸化膜を形成する（図３（ａ））。

センサ基板１１と対向する面であってセンサ基板１１において金属層２９が形成された箇所に対応する箇所の保護膜３１としてのリンがドープされたシリコン酸化膜を、ドライエッチングにより除去する（図３（ｂ））。これらの工程を経ることにより、第１のガラス基板１２が形成される。

第２のガラス基板１３は、外形サイズがセンサ基板１１と略同等であり、一方の主面では外周部を残して中程に凹部４１が形成されている（図３（ｃ））。

そして、上記のように形成されたセンサ基板１１と第１のガラス基板１２と第２のガラス基板１３とを陽極接合にて接合する。このとき、第１のガラス基板１２を陰極、第２のガラス基板１３を陽極として陽極接合する。

以上のように、本実施形態に係る半導体加速度センサ１が得られる。

ここで、半導体加速度センサ１における加速度の検出方法について説明する。半導体加速度センサ１に加速度が作用されると錘部２２が変位する。錘部２２が変位することによりビーム部２３が撓み、この撓みに応じてビーム部２３に設けられたピエゾ抵抗２６の抵抗値が変化する。この抵抗値の変化を検出することにより半導体加速度センサ１に作用する加速度を検出することができる。

本実施形態に係る微小デバイスとしての半導体加速度センサ１は、第１のガラス基板１２の両主面に保護膜３１が形成されているため、センサ基板１１と第１のガラス基板１２とを陽極接合させるときに第１のガラス基板１２上にアルカリ金属イオンが析出することを防止することができる。このため、アルカリ金属イオンの析出物によって半導体加速度センサ１の諸特性を悪化させることを防止することができ、センサ特性のよい半導体加速度センサ１を得ることができる。

また、第１のガラス基板１２とセンサ基板１１との間には、金属層２９によりギャップ３２が形成されているため、第１のガラス基板１２と錘部２２とが接触することを防ぐことができる。また、金属層２９によりギャップ３２が形成されているため、例えばギャップ３２を形成するために第１のガラス基板１２を加工する場合と比べ、第１の基板１２を加工するという工数が減り低コスト化が図れる。

また、第１のガラス基板１２の両主面に形成された保護膜３１が、リンがドープされたシリコン酸化膜つまりリンを含んだシリコン酸化膜であるため、アルカリ金属イオンの拡散のバリア性が高く緻密な保護膜３１を形成することができるため好ましい。なお、本実施形態では、第１のガラス基板１２の両主面に形成された保護膜３１がリンを含んだシリコン酸化膜である例を示したが、これに限られることはない。例えば、保護膜３１をシリコン窒化膜とすることができる。保護膜３１がシリコン窒化膜であるときは、アルカリ金属イオンの拡散のバリア性が高くなるため好ましい。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は、上記構成に限られることなく発明の要旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、第２のガラス基板１３として両主面に保護膜が形成されたものを用いる構成とすることができる。

１ 微小デバイス（半導体加速度センサ）
１１ センサ基板
１２ 第１のガラス基板
１３ 第２のガラス基板
２１ フレーム部
２２ 錘部
２３ ビーム部
２４ 開口部
２５ 絶縁膜
２６ ピエゾ抵抗
２７ 拡散配線
２８ 端子電極
２９ 金属層
３１ 保護膜
３２ ギャップ

Claims (5)

1. フレーム部と前記フレーム部に対して変位自在に支持される錘部と前記フレーム部と前記錘部とを接続するビーム部とを有するセンサ基板と、ガラス基板とを備える微小デバイスであって、
   前記センサ基板と前記ガラス基板とは陽極接合されており、
   前記ガラス基板の両主面には、アルカリ金属イオンの析出を防止する保護膜が形成されていることを特徴とする微小デバイス。
2. 前記センサ基板と前記ガラス基板とは金属層を介して陽極接合されることにより、
   前記センサ基板と前記ガラス基板との間には前記金属層によりギャップが形成されていることを特徴とする請求項１に記載の微小デバイス。
3. 前記保護膜は、リンを含んだシリコン酸化膜であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の微小デバイス。
4. 前記保護膜は、シリコン窒化膜であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の微小デバイス。
5. 微小デバイスは半導体加速度センサであることを特徴とする請求項１乃至請求項４いずれか１項に記載の微小デバイス。

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