JP2011085595A - Ｍｅｍｓデバイス - Google Patents

Abstract

【課題】枠体内にビームを介して塊体が変位自在に支持されて成るセンサ基板を上下一対の封止板で気密に封止し、その塊体の可動量を検出することで、加速度や角速度などを検出するようにしたＭＥＭＳデバイスにおいて、気密性を劣化させないようにする。
【解決手段】塊体６への駆動信号の供給や前記塊体６の可動量に対応した検出信号を取出すための電極１２が設けられる側の封止板２１に半導体基板を用い、このことを利用して、完全に孔を形成せず、デバイス外部側から電極１２側へ凹部２３を形成し、その凹部２１の内壁から裏面までを不純物の拡散によって低抵抗領域２４として導電性を持たせ、その低抵抗領域２４を外部電極とする。したがって、貫通孔を形成しないので、ガラス基板で生じるようなチッピングが生じず、気密性を劣化させない配線構造を実現することができるとともに、導電不良を抑えることもでき、信頼性を向上することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術を用いた、いわゆる櫛歯型静電容量センサなどとして好適に実施され、枠体内にビームを介して塊体が変位自在に支持されて成るセンサ基板を上下一対の封止板で気密に封止し、その塊体の可動量を検出することで、加速度や角速度などの物理量を検出するようにしたＭＥＭＳデバイスに関し、特に配線の外部への引出し構造に関する。

上述のように枠体内にビームを介して塊体が変位自在に支持されて成るセンサ基板を上下一対の封止板で気密に封止して成るＭＥＭＳデバイスにおいて、一般的なセンサ基板１の構造を図８に示す。このセンサ基板１は、櫛歯型電極２を備え、ジャイロセンサを構成するものであり、図９はこのセンサ基板１を用いたＭＥＭＳデバイス３の配線構造を示す縦断面図であり、図９は図８の切断面線Ａ−Ａから見ている。このＭＥＭＳデバイス３における配線構造は、特許文献１に示されたものと同様である。

前記センサ基板１は、内部に開口部４を有する矩形のフレーム５と、前記開口部４内に位置して前記フレーム５に対して可動する塊体６と、弾性を有するとともに前記フレーム５と連結されて前記塊体６を支持するビーム８と、前記塊体６の可動量に対応した検出信号を取出すための前記櫛歯型電極２とを備えて構成される。このセンサ基板１には、前記フレーム５の上下面に、上側封止板１０および下側封止板１１がそれぞれ接合されて、前記開口部４内が気密に封止されている。前記下側封止板１１には、前記塊体６と相対する位置に、該塊体６を駆動させるための駆動電極１２が設けられている。

そして注目すべきは、この従来技術では、前記上側封止板１０および下側封止板１１はガラス基板から成り、シリコンなどから成るセンサ基板１には陽極接合によって接合され、前記下側封止板１１において、前記櫛歯型電極２や前記駆動電極１２と相対する位置には、該下部封止板１１の表裏面間を貫通する貫通孔１３が形成され、その貫通孔１３の内壁には外部の電極に接続される金属膜１４が形成されていることである。

図１０は、上述のように構成されるＭＥＭＳデバイス１における下側封止板１１の製造方法を説明するための図である。先ず、図１０（ａ）から図１０（ｂ１）で示すように、該下側封止板１１となるガラス基板の一方の面において、前記駆動電極１２に対応した位置には、スパッタ法、蒸着法またはＣＶＤ法などによって、銅やニッケルなどの導電性を有する材料で前記駆動電極１２が形成される。次に、図１０（ｃ１）で示すように、レーザ加工などで前記ガラス基板の所定の位置に表裏面間を貫通するように前記貫通孔１３が形成される。続いて、図１０（ｄ１）で示すように、前記スパッタ法、蒸着法またはＣＶＤ法などによって、前記貫通孔１３の内面および前記駆動電極１２において前記貫通孔１３に露出した裏面には、銅やニッケルなどの導電性を有する材料によって前記金属膜１４が形成される。この後、前記センサ基板１に接合される。

あるいは、前記図１０（ａ）から図１０（ｂ２）で示すように、陽極接合、拡散接合、ダイボンド材による接着等によって、センサ基板１に下側封止板１１が接合され、図１０（ｃ２）で示すように、レーザ加工などで下側封止板１１の所定の位置に表裏面間を貫通するように貫通孔１３が形成され、さらに図１０（ｄ２）で示すように、前記スパッタ法、蒸着法またはＣＶＤ法などによって、前記貫通孔１３の内面および前記駆動電極１２において前記貫通孔１３に露出した裏面には、銅やニッケルなどの導電性を有する材料によって前記金属膜１４が形成される。

特開平７−１２８３６５号公報

しかしながら、上述のような従来技術では、レーザ加工等によって下側封止板１１に貫通孔１３を形成する工程（図１０（ｃ１）（ｃ２））において、貫通孔１３の周縁部に、ガラス加工に特有のチッピング等のダメージが生じるという問題がある。図１１（ａ）で示すように前記チッピング１５が小さい場合は、該チッピング１５は前記駆動電極１２の範囲内で留まり、また図１１（ｂ）で示すように前記貫通孔１３の内周面から駆動電極１２の裏面は前記金属膜１４によって覆われ、ＭＥＭＳデバイス１内の気密は確保されている。

これに対して、図１２（ａ）で示すように前記チッピング１５が大きい場合は、該チッピング１５は前記駆動電極１２の範囲からはみ出し、また図１２（ｂ）で示すように前記貫通孔１３の内周面から駆動電極１２の裏面に対して、前記金属膜１４は充分なカバレッジが得られない。これらの場合、ＭＥＭＳデバイス１内の気密性が悪化し、塊体６の駆動を妨げ、性能が劣化するとともに、導電不良を招く。

本発明の目的は、気密性を有するＭＥＭＳデバイスにおいて、気密性を劣化させない配線構造を実現することができるとともに、導電不良を抑えることができるＭＥＭＳデバイスを提供することである。

本発明のＭＥＭＳデバイスは、枠体内にビームを介して塊体が変位自在に支持されて成るセンサ基板を上下一対の封止板で気密に封止し、前記センサ基板と前記封止板の少なくとも一方との間に、前記塊体への駆動信号の供給および／または前記塊体の可動量に対応した検出信号を取出すための内部電極を有するＭＥＭＳデバイスにおいて、前記少なくとも一方の封止板は半導体基板から成るとともに、該半導体基板の表面側に、前記内部電極に向けて凹部を有し、該凹部の内壁の底面及び周面、並びに前記底面から該半導体基板の裏面に亘って不純物の拡散による低抵抗領域となり、前記半導体基板の裏面の低抵抗領域を覆って前記内部電極が設けられ、前記低抵抗領域を外部電極とすることを特徴とする。

上記の構成によれば、枠体内にビームを介して塊体が変位自在に支持されて成るセンサ基板を上下一対の封止板で気密に封止し、その塊体の可動量を検出することで、加速度や角速度などの物理量を検出するようにしたＭＥＭＳデバイスにおいて、従来は前記上下一対の封止板は、シリコンなどから成る前記センサ基板と接合性の良好なガラス基板などが用いられていたのに対して、本発明では、半導体基板が前記センサ基板と接合可能となったことから、前記塊体への駆動信号の供給や前記塊体の可動量に対応した検出信号を取出すための内部電極が設けられる側の封止板には、半導体基板を用いる。

そして、前記デバイス外部から前記内部電極への配線構造としては、従来では前記ガラス板の表裏を連通する孔を形成し、その孔内にメッキなどで導体を形成していたのに対して、本発明では、前記封止板が半導体基板であるので、完全に孔を形成せず、デバイス外部側から内部電極側へ凹部を形成し、その凹部の内壁の底面及び周面、並びに前記底面から該半導体基板の裏面に亘って、不純物の拡散によって低抵抗領域として導電性を持たせ、前記半導体基板の裏面の低抵抗領域を覆って前記内部電極を設け、前記低抵抗領域を外部電極とする。

したがって、気密性を有するＭＥＭＳデバイスにおいて、気密性を劣化させない配線構造を実現することができるとともに、導電不良を抑えることもでき、信頼性を向上することができる。

また、本発明のＭＥＭＳデバイスは、前記凹部の内面に、金属膜をさらに有することを特徴とする。

上記の構成によれば、前記凹部の内面に、蒸着などで金属膜をさらに設けることで、前記低抵抗領域よりも導電性の高いこの金属膜によって、外部電極の電気抵抗を低減することができる。

さらにまた、本発明のＭＥＭＳデバイスでは、前記半導体基板は、ＳＯＩ基板であることを特徴とする。

上記の構成によれば、前記半導体基板に凹部を形成する際に、異方性エッチングを行うことになるが、その半導体基板をＳＯＩ基板とし、絶縁層を前記凹部の底部の厚さより内方に形成しておくことで、異方性エッチングを先ず前記絶縁層で停止させ、その後にその絶縁層をエッチングで除去すると、残された底部の厚みは、気密性を確保することができるとともに、導電性を確保することができる前記低抵抗領域に適した厚みとなり、工程管理を簡略化することができる。

本発明のＭＥＭＳデバイスは、以上のように、枠体内にビームを介して塊体が変位自在に支持されて成るセンサ基板を上下一対の封止板で気密に封止し、その塊体の可動量を検出することで、加速度や角速度などの物理量を検出するようにしたＭＥＭＳデバイスにおいて、前記塊体への駆動信号の供給や前記塊体の可動量に対応した検出信号を取出すための内部電極が設けられる側の封止板に半導体基板を用い、このことを利用して、完全に孔を形成せず、デバイス外部側から内部電極側へ凹部を形成し、その凹部の内壁の底面及び周面、並びに前記底面から該半導体基板の裏面に亘って、不純物の拡散によって低抵抗領域として導電性を持たせ、前記半導体基板の裏面の低抵抗領域を覆って前記内部電極を設け、前記低抵抗領域を外部電極とする。

それゆえ、気密性を有するＭＥＭＳデバイスにおいて、気密性を劣化させない配線構造を実現することができるとともに、導電不良を抑えることもでき、信頼性を向上することができる。

本発明の実施の第１の形態に係るＭＥＭＳデバイスにおける配線構造を示す縦断面図である。 図１で示すＭＥＭＳデバイスにおける下側封止板の製造方法を説明するための図である。 本発明による駆動電極付近の構造を示す図である。 本発明の実施の第２の形態に係るＭＥＭＳデバイスにおける配線構造を示す縦断面図である。 図４で示すＭＥＭＳデバイスにおける下側封止板の製造方法を説明するための図である。 本発明の実施の第３の形態に係るＭＥＭＳデバイスにおける配線構造を示す縦断面図である。 図６で示すＭＥＭＳデバイスにおける下側封止板の製造方法を説明するための図である。 ＭＥＭＳセンサにおける一般的なセンサ基板の構造を示す平面図である。 典型的な従来技術のＭＥＭＳデバイスにおける配線構造を示す縦断面図である。 図９で示すＭＥＭＳデバイスにおける下側封止板の製造方法を説明するための図である。 従来技術による駆動電極付近の構造を示す図である。 従来技術による駆動電極付近の構造を示す図である。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の第１の形態に係るＭＥＭＳデバイス２０における配線構造を示す縦断面図である。このＭＥＭＳデバイス２０も、ジャイロセンサであり、以下に示す各実施の形態のＭＥＭＳデバイス共、センサ基板１および上側封止板１０は、前述の図８および図９で示す構成と同様で、図１は図８の切断面線Ａ−Ａから見た縦断面図であり、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。

注目すべきは、本発明では、下側封止板２１が半導体基板から成るとともに、内部電極である櫛歯型電極２および駆動電極１２に向けて凹部２３を有し、該凹部２３の内壁は不純物の拡散による低抵抗領域２４となり、この低抵抗領域２４を外部電極とすることである。

図２は、上述のように構成されるＭＥＭＳデバイス２０における下側封止板２１の製造方法を説明するための図である。たとえば３００〜５００μｍ程度の厚さを有する半導体基板において、該ＭＥＭＳデバイス２０の外側となる面の前記電極２，１２に対応した位置に、図２（ａ）から図２（ｂ）で示すように、たとえば水酸化カリウム水溶液（ＫＯＨ）またはテトラメチルアンモニウム水溶液（ＴＭＡＨ）等のアルカリ性溶液を用いたウェットエッチング等によって、その表面から、底部２３ａが厚さ５μｍ程度に至るまで異方性エッチングが施され、前記凹部２３が形成される（第１の工程）。この厚さであれば、該下側封止板２１の内外の気密を確保することができるとともに、前記不純物を該下側封止板２１の内面（裏面）に亘って拡散することができる。前記厚さは、エッチング時間で管理することができる。

次に、図２（ｃ）で示すように、たとえばボロン（Ｂ）やリン（Ｐ）等の不純物が、イオン注入法またはデポジット拡散法等によって、前記下側封止板２１の凹部２３の底面２３ａおよび斜面２３ｂに注入され、不純物注入部２５が形成される（第２の工程）。続いて、たとえば１１００℃程度にした水蒸気と酸素との混合気体中での熱拡散等によって、前記不純物注入部２５の不純物が、図２（ｄ）で示すように、少なくとも凹部２３の底面２３ａから、該下側封止板２１の裏面に亘って、低抵抗領域となるまで拡散され、前記低抵抗領域２４が形成される（第３の工程）。

その後、たとえば銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）またはアルミニウム（Ａｌ）等の導電性材料薄膜が、金属めっき法やスパッタ法等によって、図２（ｅ１）で示すように前記下側封止板２１の表面に積層され、所定形状にパターニングされることで前記駆動電極１２が形成される。あるいは、陽極接合、拡散接合、ダイボンド材による接着等によって、図２（ｅ２）で示すように、前記下側封止板２１とセンサ素子１のフレーム５の固着部とが接合される（第４の工程）。こうして、前記図１で示すような配線構造が実現される。

このように本発明では、下側封止板２１が半導体基板であることを利用して、完全に孔を形成せず、デバイス外部側から電極２，１２側へエッチングによって凹部２３を形成するので、図３（ａ）で示すように前記チッピングなどが生じることはない。また、その凹部２３の内壁を不純物の拡散によって低抵抗領域２４として導電性を持たせ、その低抵抗領域２４を外部電極とするので、図３（ｂ）で示すように前記凹部２３の内周面から電極２，１２の裏面は前記低抵抗領域２４によって覆われ、ＭＥＭＳデバイス２０内の気密は確保されている。これによって、気密性を有するＭＥＭＳデバイス２０において、気密性を劣化させない配線構造を実現することができるとともに、導電不良を抑えることもでき、信頼性を向上することができる。また、ガラス基板に比べて、シリコンなどの半導体基板の方が、加工が容易である。

なお、上述のような半導体基板同士の接合については、たとえば特開平１０−９２７０２号公報に、詳しく述べられている。

［実施の形態２］
図４は、本発明の実施の第２の形態に係るＭＥＭＳデバイス３０における配線構造を示す縦断面図である。このＭＥＭＳデバイス３０は、前述のＭＥＭＳデバイス２０に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。注目すべきは、このＭＥＭＳデバイス３０は、下側封止板３１における前記凹部２３の内面に、金属膜３３をさらに有することである。

図５は、上述のように構成されるＭＥＭＳデバイス３０における下側封止板３１の製造方法を説明するための図である。たとえば３００〜５００μｍ程度の厚さを有する半導体基板３１において、該ＭＥＭＳデバイス３０の外側となる面の前記電極２，１２に対応した位置に、図５（ａ）から図５（ｂ）で示すように、たとえば水酸化カリウム水溶液（ＫＯＨ）またはテトラメチルアンモニウム水溶液（ＴＭＡＨ）等のアルカリ性溶液を用いたウェットエッチング等によって、底部２３ａが厚さ５μｍ程度に至るまで異方性エッチングが施され、前記凹部２３が形成される（第１の工程）。

次に、図５（ｃ）で示すように、たとえばボロン（Ｂ）やリン（Ｐ）等の不純物が、イオン注入法またはデポジット拡散法等によって、前記下側封止板３１の凹部２３の底面２３ａに注入され、不純物注入部２５が形成される（第２の工程）。続いて、たとえば１１００℃程度にした水蒸気と酸素との混合気体中での熱拡散等によって、前記不純物注入部２５の不純物が、図５（ｄ）で示すように、少なくとも凹部２３の底面２３ａが低抵抗領域となるまで拡散され、前記低抵抗領域２４が形成される（第３の工程）。

その後、本実施の形態では、たとえば銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）等を用いて、金属めっき法やスパッタ法等によって、図５（ｅ）で示すように、前記凹部２３の底面２３ａおよび斜面２３ｂに前記金属膜３３が形成される（第５の工程）。

続いて、前記図２（ｅ１）および図２（ｅ２）と同様に、たとえば銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）またはアルミニウム（Ａｌ）等の導電性材料薄膜を、金属めっき法やスパッタ法等によって、図５（ｆ１）で示すように前記下側封止板３１の表面に積層し、所定形状にパターニングすることで前記駆動電極１２が形成され、あるいは陽極接合、拡散接合、ダイボンド材による接着等によって、図５（ｆ２）で示すように、前記下側封止板３１とセンサ素子１のフレーム５の固着部とが接合される（第４の工程）。こうして、前記図４で示すような配線構造が実現される。

このように構成することで、前記低抵抗領域２４よりも導電性の高いこの金属膜３３によって、外部電極の電気抵抗を低減することができる。また、不純物の注入において、凹部２３の底面２３ａには充分なドーズ量を得ることができるけれども、斜面２３ｂには、その傾斜が急になるとドーズ量が確保しにくい。したがって、上述のようにその斜面２３ｂの部分を金属膜３３で覆うことで、底部２３ａに適切なドーズ量で注入を行うことができるとともに、注入時間を短くすることができる。

［実施の形態３］
図６は、本発明の実施の第３の形態に係るＭＥＭＳデバイス４０における配線構造を示す縦断面図である。このＭＥＭＳデバイス４０は、前述のＭＥＭＳデバイス３０に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。注目すべきは、このＭＥＭＳデバイス４０は、下側封止板４１が、ＳＯＩ基板から成ることである。ＳＯＩ基板は、支持層４１ａ上に、中間絶縁層４１ｂを介してシリコンから成る活性層４１ｃが積層されて構成されており、前記活性層４１ｃが前記凹部２３の底面２３ａとなる。

図７は、上述のＭＥＭＳデバイス４０における下側封止板４１の製造方法を説明するための図である。たとえば支持層４１ａが４００μｍ程度、中間絶縁層４１ｂが０．５μｍ程度、活性層４１ｃが５μｍ程度の膜厚を有するＳＯＩ基板の支持層４１ａ側の面の前記電極２，１２に対応した位置に、図７（ａ）から図７（ｂ）で示すように、たとえば水酸化カリウム水溶液（ＫＯＨ）またはテトラメチルアンモニウム水溶液（ＴＭＡＨ）等のアルカリ性溶液を用いたウェットエッチング等によって、前記ＳＯＩ基板の中間絶縁層４１ｂが露出するまで、支持層４１ａに異方性エッチングが施される（第１−１の工程）。次に、露出した中間絶縁層４１ｂが、図７（ｃ）で示すように活性層４１ｃが露出するまで、ドライエッチング等が施され、該活性層４１ｃが底部２３ａとなり、前記支持層４１ａおよび中間絶縁層４１ｂが斜面２３ｂとなる凹部２３が形成される（第１−２の工程）。

次に、図７（ｄ）で示すように、たとえばボロン（Ｂ）やリン（Ｐ）等の不純物が、イオン注入法またはデポジット拡散法等によって、前記ＳＯＩ基板の凹部２３の底面２３ａとなる活性層４１ｃに注入され、不純物注入部２５が形成される（第２の工程）。続いて、たとえば１１００℃程度にした水蒸気と酸素との混合気体中での熱拡散等によって、前記不純物注入部２５の不純物が、図７（ｅ）で示すように、底面２３ａの活性層４１ｃが低抵抗領域となるまで拡散され、前記低抵抗領域２４が形成される（第３の工程）。

続いて、前記図５（ｅ）と同様に、たとえば銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）等を用いて、金属めっき法やスパッタ法等によって、図７（ｆ）で示すように、前記凹部２３の底面２３ａおよび斜面２３ｂに前記金属膜３３が形成される（第５の工程）。

その後、前記図２（ｅ１）および図２（ｅ２）ならびに図５（ｆ１）および図５（ｆ２）と同様に、たとえば銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）またはアルミニウム（Ａｌ）等の導電性材料薄膜を、金属めっき法やスパッタ法等によって、図７（ｇ１）で示すように前記下側封止板４１の表面に積層し、所定形状にパターニングすることで前記駆動電極１２が形成され、あるいは陽極接合、拡散接合、ダイボンド材による接着等によって、図７（ｇ２）で示すように、前記下側封止板４１とセンサ素子１のフレーム５の固着部とが接合される（第４の工程）。こうして、前記図６で示すような配線構造が実現される。

このように構成することで、下側封止板４１に凹部２３を形成するために異方性エッチングを行うにあたって、その下側封止板４１がＳＯＩ基板であるので、異方性エッチングは先ず中間絶縁層４１ｂで停止し、その後にその中間絶縁層４１ｂをエッチングで除去すると、残された底部２３ａの厚みは、気密性を確保することができるとともに、導電性を確保することができる前記低抵抗領域２４に適した厚みとなり、工程管理を簡略化することができる。

なお、上側封止板１０に電極が設けられる場合には、その上側封止板１０が半導体基板で構成されてもよく、上下両側の封止板に電極が設けられる場合には、それらが共に半導体基板で構成されてもよい。

１ センサ基板
２ 櫛歯型電極
４ 開口部
５ フレーム
６ 塊体
８ ビーム
１０ 上側封止板
１２ 駆動電極
２０，３０，４０ ＭＥＭＳデバイス
２１，３１，４１ 下側封止板
２３ 凹部
２３ａ 底面
２３ｂ 斜面
２４ 低抵抗領域
２５ 不純物注入部
３３ 金属膜
４１ａ 支持層
４１ｂ 中間絶縁層
４１ｃ 活性層

Claims (3)

1. 枠体内にビームを介して塊体が変位自在に支持されて成るセンサ基板を上下一対の封止板で気密に封止し、前記センサ基板と前記封止板の少なくとも一方との間に、前記塊体への駆動信号の供給および／または前記塊体の可動量に対応した検出信号を取出すための内部電極を有するＭＥＭＳデバイスにおいて、
   前記少なくとも一方の封止板は半導体基板から成るとともに、該半導体基板の表面側に、前記内部電極に向けて凹部を有し、該凹部の内壁の底面及び周面、並びに前記底面から該半導体基板の裏面に亘って不純物の拡散による低抵抗領域となり、前記半導体基板の裏面の低抵抗領域を覆って前記内部電極が設けられ、前記低抵抗領域を外部電極とすることを特徴とするＭＥＭＳデバイス。
2. 前記凹部の内面に、金属膜をさらに有することを特徴とする請求項１記載のＭＥＭＳデバイス。
3. 前記半導体基板は、ＳＯＩ基板であることを特徴とする請求項１または２記載のＭＥＭＳデバイス。

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