JP2013205027A - ジャイロ素子のレーザトリミング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】基材表面をレーザトリミングすることにより、基材断面の非対称性の修正を行った結果、基材の加工屑が飛散したり再付着してしまうことを防止するための、レーザトリミング方法を提供する。
【解決手段】半透過の性質を持つ基材を用いることで、レーザ６を基材内部に照射することが可能になり、内部加工だと質量変化を伴わず、しかも基材断面の非対称性のみを修正することができる。そして、レーザトリミング時の加工屑が出ないので、加工屑による再付着を防止することが可能になる。
【選択図】図４

Description

本発明は、航空機、自動車、ロボット、船舶、車両等の移動体の姿勢制御やナビゲーション等、各種電子機器に用いる角速度を検出する角速度センサや、あるいは、加速度センサなどのセンサデバイスの形状などの加工を行うレーザトリミング方法に関するものである。

従来の、角速度センサは、例えば、図１に示すように、物体の角度や角速度を検出するためのジャイロ素子１を有しており、ジャイロ素子１は、基部４があり、それを基点として、２本の音叉アーム３を有し、音叉アーム３上に、少なくとも２つ以上の圧電膜２を備えている。各音叉アーム３上、または電極面５１とも呼ぶ面上に、それぞれ、図示しない駆動用電極と検出用電極があり、対応する駆動用と検出用の圧電膜２に接続されている。図１では、特に、駆動用と検出用の圧電膜２を区別はしていない。駆動電極に互いに逆位相となるような交流信号を与えると、駆動用の圧電膜２は、音叉アーム３の幅方向に駆動振動し開閉運動を行う。素子の開閉動作はそれの駆動共振周波数と一致させる。開閉方向は一軸方向のみが望ましい。その理想的な開閉運動を行うには音叉アーム３の断面形状は長方形、正方形などの線対称な四辺形が望ましい。

しかし、ジャイロ素子１の製造工程において、加工バラツキが生じるため、音叉アーム３の断面形状は正確な長方形、正方形などの四辺形にはならない。図１に示すように、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸を定めると、音叉アーム３の断面形状がＹ軸方向の軸を対称軸にして、Ｘ軸方向に線対称であって、かつ、ＸＹ平面を対象面として、Ｚ軸方向に面対称な形状であれば、音叉アーム３は、Ｚ軸方向にたわむことなくＸ軸方向にのみ駆動振動するが、対称性が崩れていると、Ｘ軸方向の駆動振動に合わせてＺ軸方向に励振される。一般にこれは不要振動、漏れ振動などと呼ばれている。

上記の漏れ振動は、音叉アーム３上に配置された検出電極で起電され、漏れ信号と呼ばれる信号になる。

検出信号は、駆動周波数と同周波数で振動し、振幅は角速度に比例したコリオリ力からくるいわゆる振幅変調の形で発生する。この振幅変調を復調する際は同期検波が行われる。理論上、漏れ信号は検出目的であるコリオリ信号、すなわち、検出信号と理論上９０度の位相差をなす。また漏れ信号は検出信号に比べ桁違いに大きい。

微小な検出信号は復調の際に高倍率で増幅する必要がある。漏れ信号も共に同倍率で増幅される。回路は増幅に上限があるため検出信号にあわせた増幅率では漏れ振動が一定値以上大きいと回路が飽和し機能しなくなる。また漏れ信号が小さい場合でも検出検波後に直流成分となってあらわれてしまい、センサーとしての性能劣化につながる。また漏れ信号を除去するための付加回路が必要になるなど生産の妨げにもなる。

前述の様に漏れ振動の発生はジャイロ素子として好ましくない。これらの原因として、図１に示すように、ジャイロ素子１の音叉アーム３の断面形状の外形を加工する際、加工誤差、エッチングの掘り込み垂直性でどうしても形状の不均一さがある。特に、角速度センサや加速度センサの基材断面の非対称性に起因する不要な漏れ振動を改善するため、基材上にある圧電膜の対面でカド部や稜線、あるいはその近傍にレーザを照射し、いわゆる音叉アーム３の断面形状の不均一修正のためのレーザ加工が行われている。

図２ａ〜２ｇを用いて、従来のジャイロ素子１のレーザ加工から分離するまでの製造工程について説明しておく。図２ａは、ジャイロ素子１が成膜済みのウェハ１１の裏面である。レーザ加工をするための外形加工用レジスト１２を形成する。ジャイロ素子１形成部分のレジストが抜けている部分以外はレジストで覆われている。

図２ｂは、ウェハ１１の表面であり、レジスト１２により保護した部分以外のウェハ基材１１であるシリコン（Ｓｉ）を、ＲＩＥなどのエッチング工程により除去し成型する。ここでは、ジャイロ素子１の一部を連結したままにする。音叉型のジャイロ素子１は音叉アーム３が振動するため静止箇所である基部４で連結している。この連結部にはジャイロ素子１を駆動と測定するための配線がある。この配線は、ウエハ１１上で、ジャイロ素子１以外の比較的広い場所にある外部測定端子部まで延びており、駆動と測定用の接続がしやすいようになっている。またジャイロ素子１は微細なため個々では取り扱いが困難であるが、連結されているため取り扱いが楽になる利点もある。

図２ｄは、図２ｂで加工済みのウェハを裏側から見た図であり、レーザトリミングの様子を、ジャイロ素子１を個別に拡大図示したものである。外形成形されることにより稜線８が規定される。従来技術では音叉アーム３の稜線部８、またはその近傍をレーザで削ることにより、断面形状の不均一さを修正する、これをレーザトリミング（Ｌａｓｅｒ Ｔｒｉｍｍｉｎｇ）と呼ぶ。例えば、図２ｄの稜線部である箇所１６をレーザトリミングして断面形状の不均一さを修正する。

図２ｄより、ジャイロ素子１は、一部エッチングで分離されず完全な個片化はされていない。音叉アーム３の断面形状の不均一さはエッチング条件、装置、膜厚測定値、Ｓｉウエハの結晶方位、素子位置、完成品漏れ信号、素子感度などで統計的に予想が可能である。この断面形状の不均一な部分はレーザトリミングにより除去され理想形状に近づく。なお加工深さ、加工位置などレーザーの諸条件は先の統計情報を元にをマッピングデータを作成しそれを参照している。現状技術では音叉アーム３の稜線部８、またはその近傍をレーザで削ることにより、断面形状の不均一さを修正する。

図２ｅは、図２ｄのレーザトリミングの様子のＥ−Ｅ断面図であり、音叉アーム３の稜線部８である部分１６をレーザトリミングしている。例えば、断面が平行四辺形の場合には、鋭角になる角部を、破線で示したような研削面にするために、レーザ６によりレーザトリミングする。角部などのレーザトリミングには微小加工が可能な波長の短い、または低出力が可能なレーザが一般的に使用される。ウェハ表面側には圧電膜２が見えている。

図２ｆは、レーザトリミングが終わったウェハの表面の破線の位置で、Ｓｉウェハをはじめ様々な被加工物の切断や溝入れなどの加工を行う刃であるダイシングブレード１４を用いて、分離をしようとしている図である。図２ｇは、図２ｆの破線に従い、分離を行った後のジャイロ素子１である。個片化工程は、分離加工工程
においてウェハを固定する図示しないダイシングテープでウエハを固定し、図示しないダイシング装置により行う。その後ダイシングテープを剥離し、ウェハ１１を各ジャイロ素子１に個片化する。

角速度センサ１０を構成する、音叉形状のジャイロ素子１を製造する多くの場合、ジャイロ素子の基材としてのシリコン(Ｓｉ)上に、薄膜ＰＺＴなどの圧電膜２および電極を、真空薄膜工程において所定の場所に成膜し配置する。基材の厚みにより振動特性が決定されるため、研磨工程において所定の厚みに薄化される。ジャイロ素子１を音叉形状にするためドライエッチング工程において外形を形成する。

上述したように、２本の音叉アーム３の断面形状は線対称な四辺形が好ましい。しかし実際はドライエッチング工程では、ウェハ上全面において、完全な垂直加工が困難であり、傾斜角をもった断面になる。すなわち平行四辺形、または台形形状である。断面形状が傾斜角が９０度である四辺形であれば、水平面内の振動を与えた場合、運動も水平面内の運動になるが、断面形状が非対称や不均一な四辺形である場合に、水平面内の振動を与えても水平方向の振動の分力で鉛直方向の振動が励振される。いわゆる不要振動、漏れ振動と呼ばれるものである。

特許文献１は、音叉型振動子を備えた慣性力センサについて開示している。２本の音叉アームの断面形状がそれぞれ対称であって略長方形であれば加工ばらつきによる漏れ振動が生じないが、現実的には困難であるので、２本の音叉アームの角部にレーザを照射してトリミング部を形成させることで、音叉型振動子の質量バランスを調整している。

特許文献２は、音叉型の角速度センサの製造方法について開示している。振動子としての２本のアームの断面は必ずしも対称に直角四角形状になるわけではなく、歪んだ四角形状になる。そのため、アームの振動方向は、例えば歪んだ斜め方向になり、精度の良い角速度の検出が困難になってしまう。そこで、アームの側面からレーザを照射し外形加工を施し、アームの振動を水平方向になるように調整している。

特許文献３は、加工対象物の内部にレーザで改質領域を形成させるレーザ加工方法について開示している。加工対象物、例えば、圧電材料、ガラス、半導体材料の内部に集光点を合わせてレーザを照射し、クラック領域や、屈折率変化領域、単結晶構造から多結晶構造に変化した領域等を形成させて、切断等を行っている。

特開２００７−２７９００１号公報 特開２００８−０９６１３８号公報 特開２００２−１９２３７０号公報

上述のように、従来、素子の外形を加工する際、形状の不均一さが問題であるため、その不均一な部分やその近傍にレーザーを照射して外形加工、いわゆるレーザトリミングが行われている。

ところが、このレーザトリミングにより基材は一瞬で高温になり溶融する。溶融した基材は飛散または改質し除去されるという、いわゆるレーザアブレーションである。しかし、この基材表面のレーザトリミング方法では、レーザトリミング時にレーザアブレーションにより加工屑が発生してしまい、除去した基材の一部が加工屑として再付着し、センサの使用中に剥離の可能性がある。また、加工屑として飛散した分の質量変化を伴う。加速度センサで、加速度検出のため付加したおもりを、運動方向修正のために質量除去は好ましくない。また、角速度センサで、質量変化が起きると平衡がずれてしまい、信号も非対称になってしまう。

さらに、加工変質箇所が基材の表層にあることから、振動によりこれを基点とした亀裂の進行がおこり破損する場合がある。

本発明は、この問題点を考慮してなされたもので、基材表面をレーザトリミングすることにより、基材断面の非対称性の修正を行った結果、基材の加工屑が飛散したり再付着してしまうことを防止するための、レーザトリミング方法を提供することを目的とする。

本発明は、鉛直方向に対し水平方向に駆動振動する音叉アームを備えたジャイロ素子であって、前記音叉アームは、半透過の性質を持つ基材から成り、前記音叉アーム上に圧電膜とその電極を備えており、レーザを、前記基材内部の焦点位置に照射させ、前記焦点位置を中心とした近傍の前記基材内部の結晶構造を改質させることにより、前記音叉アーム断面の非対称性を修正することを特徴とするジャイロ素子の内部レーザトリミング方法である。

このように、半透過の性質を持つ基材を用いることで、レーザを基材内部に照射することが可能になり、内部加工だと質量変化を伴わず、しかも基材断面の非対称性のみを修正することができる。そして、レーザトリミング時の加工屑が出ないので、加工屑による再付着を防止することが可能である。

本発明の方法で、基材内部をレーザトリミングすることにより、加工屑が飛散したり再付着してしまうことを防止させ、基材断面の非対称性の修正を行うことができる。

ジャイロ素子の平面図である。 ジャイロ素子のウェハの裏面図である。 ジャイロ素子のウェハの表面図である。 ジャイロ素子の加工済ウェハの裏面図である。 ジャイロ素子の内部レーザトリミングの様子を示す断面図である。 ジャイロ素子の分離をしようとしているウェハの表面図である。 分離を行った後のジャイロ素子の表面図である。 実施形態１の圧電膜が設けてある部分の断面図である。 実施形態１の圧電膜が設けてある部分の断面図である。 実施形態１のウェハ裏面から見たジャイロ素子１の斜視図である。 変形例１の断面図である。 変形例２の断面図である。 変形例３の断面図である。 変形例４の斜視図である。 実施形態３の角速度センサの斜視図である。 実施形態３の角速度センサの斜視図である。 実施形態３の角速度センサの断面図である。 実施形態４の加速度センサ素子の斜視図 評価を行う際の測定系を示す模式図である。

図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに以下に記載した構成要素は、適宜組み合わせることができる。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。

（実施形態１）
角速度センサ１０を構成する、図１に示すジャイロ素子１の音叉アーム３の基材であるＳｉは波長１０００ｎｍ近傍で半透過の性質を持つ。基材であるＳｉはウェハ１１の基材である。この性質を利用して、この波長帯のレーザをＳｉ内部の任意の位置に集光する。レーザの集光により、焦点近傍のＳｉは瞬時に高温になり、単結晶から多結晶へ改質する。焦点を任意方向に移動することにより、連続的線状、または断続的線状、または３次元状に移動しＳｉ内部のレーザトリミングを行うことが可能になる。これによりジャイロ素子１の基材としてＳｉは照射前に均一だった弾性率が照射後は局所的に変化する。これにより運動方向に変化が起きる。レーザトリミング位置を制御し任意方向に運動させることが可能になる。

Ｓｉ内部にレーザートリミングの箇所があると、その近傍、周辺は基材であるＳｉに覆われている。これは弾性体であり、亀裂の進行が進みにくいことが特徴になっている。たとえば、外部に亀裂のある金属は外力により亀裂が進行し崩壊するが、内部に空洞部分のある金属は崩壊しにくく、検査でも発見しにくい。

問題点である漏れ振動を抑制するために、従来のように、断面の非対称形状を望ましい対称形状に再加工すればよいが現実的ではなく、現状は音叉アームの表層の一部で外部レーザトリミングを行い、漏れ振動を抑制するための調整をするが、実施形態１では、Ｓｉ基材内部の任意の位置に集光する。レーザのＳｉ基材内部への集光により焦点近傍のＳｉは瞬時に高温になり、単結晶から多結晶へ改質する。

実施形態１で用いるレーザの波長帯域はＳｉに対して半透過であるためレーザーの入射方向に金属などレーザを反射させる機能膜がウェハ表層５１にある場合は裏面５２側から、金属膜が両面に有る場合は斜め、または側面から入射させ、焦点を移動させ内部レーザトリミング箇所を移動することが可能である。

図３は、図１における、Ｓｉ基材からなるジャイロ素子１の２本の音叉アーム３のうちの１本について、圧電膜が設けてある部分のＤ−Ｄ断面を示している。図３のように、断面形状が台形状の四辺形の場合、駆動時の理想振動方向は矢印Ａであり、駆動振動は形状異方性のために矢印Ｃのような振動になってしまい、不要な振動、すなわち、漏れ振動が、矢印Ｂになる。

図４は、図３と同様に、Ｓｉ基材からなるジャイロ素子１の音叉アーム３の、図１のＤ−Ｄ断面である。電極面５１、すなわち、ウェハでいうと表面５１であり、表面５１から、裏面５２、すなわち、ウェハでいうと裏面５２へ引いた垂線上、または、それより外側に、鉛直方向、すなわち、Ｚ軸の方向に、レーザ６を内部照射することにより、加工変質層７を設ける。加工変質層７の深さは、Ｚ軸方向のＳｉ基材１１の厚みに対し、５％〜９５％である。それ以外の領域では、加工変質層７が表層５１に近すぎ、それが亀裂の基点になり素子の破壊が起こる。

図４のように、基材Ｓｉの厚みをＺ軸方向と規定した場合。図４は断面形状の修正のため、裏面からレーザー６で内部を改質する。ウェハ表面５１に近い箇所からＹ軸方向に走引させて内部レーザトリミングを開始し、徐々に焦点をウェハ裏面５２方向にずらす。結果、内部改質させた加工変質層７を形成する。これにより不均一な部分１３の振動の寄与度を低くし漏れ振動を抑制できる。

加工変質層７は、弾性体としてのＳｉ基材からなる音叉アーム３の断面を、改質により分断することになる。つまり、弾性体の中間に緩衝材を挟み込んだ状態になる。これにより近似的に対称な形状としての運動になり、不要な振動、すなわち、図３の漏れ振動Ｂが抑えられる。

図５は、ウェハ裏面から見たジャイロ素子１の斜視図である。従来のレーザ加工において、図５のように、音叉アーム３の稜線８をレーザ加工、すなわち、本実施形態ではレーザトリミングと呼ぶ加工をする場合、ドライエッチングを行い、稜線８が形成されて初めて外部レーザトリミングを行うことが可能である。外部レーザトリミングの方法としては、例えば、稜線近傍レーザトリミング１７や、角部レーザトリミング１８があり、稜線近傍レーザトリミング１７とは、稜線から一定の間隔をあけ稜線に平行に表面を加工する方法であり、角部レーザトリミング１８とは、稜線上を加工する方法である。

稜線近傍レーザトリミング１７では、音叉アーム３には角部を除いた部分に外部レーザトリミング部を形成しているので、外部レーザトリミング部の近傍に外部レーザトリミングの加工熱に起因した加工変質層ができ母材の強度が低下したとしても、音叉アーム３強度の低下および不要振動の発生を抑制可能できるとされる。しかし表層を加工するので加工屑の発生は避けられない。角部レーザトリミング１８は２つの平面の交わる稜線上であるため高度な位置決めとレーザー照射を求められる。これがわずかでもずれると意図した稜線上の加工ではなく平面上を加工することになり漏れ振動の抑制ができないなど問題がある。

図５において、漏れ振動が大きい場合、断面形状の不均一な領域が大きいことになる。これを修正するため、従来であれば、長い稜線８上を除去するための外部レーザトリミングを行う。つまり、図５のように、Ｙ軸方向の稜線上または近傍に外部レーザトリミングを行う。漏れ振動の大きさにより、Ｙ軸方向へ外部レーザトリミングの加工長を調整する。稜線８上の外部レーザトリミングだけで修正できない場合、若干位置を音叉アーム３の幅方向、すなわち、Ｘ軸方向にずらし、さらに外部レーザトリミングを行う。

図５のように、レーザトリミングが効果的な箇所は、音叉アーム３の場合、２本の音叉アーム３の付け根を始点とした音叉アーム３の長手方向、すなわち、Ｙ軸方向に平行な領域である。すなわち、音叉アーム３の両腕は、基部４との付け根を支点にして振動するので、この付け根部分に、曲げによる応力が集中するからである。また、実施形態１では、内部レーザトリミングなのでＹ軸方向以外にも、Ｘ軸、Ｚ軸方向にも内部レーザトリミングできる。これはレーザトリミングで一番効果のある付け根近傍を、より多く立体的、且つ、効率的に内部レーザトリミングが可能である。

ジャイロ素子１は、音叉アーム３が、図１においては、Ｘ軸方向に共振状態で開閉動作を行っている。この動作において、一番応力が加わる部分は、２本の音叉アーム３の基部４との付け根の部分であるので、ここを修正することが振動修正には最も効果が得られる。逆に音叉アーム３の先端部は応力が小さく、音叉アーム３の先端部の稜線８を内部レーザトリミングしても効果は大きくない。

図６は、図１のＤ−Ｄ断面である。図６は、実施形態１の、変形例１であり、レーザ６を音叉アーム３の長手方向、すなわち、Ｙ軸方向に照射して断続的な線状に改質を行う。それを一定間隔で厚み方向に焦点を移動し、同じ内部レーザトリミングを行う。結果として断続的な線状の加工変質層７を形成する。これにより改質され弾性率が異なった層が、基材Ｓｉの良質な弾性体で囲まれることになり、音叉アーム３の振動方向の調整が可能になる。

加工変質層７を断続的な線状にすることにより、内部レーザトリミングされた部分にあるもろい部分と、基材であるＳｉの持つ良質な弾性部位が交互になり、加工部の亀裂から破壊を抑えることが可能になる。レーザ６は、対物レンズの光源側に設けた圧電体による微小変位駆動機構を設けたレンズを光軸上に設置し、その駆動により焦点位置の可変を可能にしている。また断続的な線状の加工変質層７の形成方法はレーザのＱ−ＳＷ制御によるレーザの入切制御とスキャンスピードの組み合わせで行っている。ちなみに、Ｑ−ＳＷ制御とは、パルス状の高エネルギーレーザー光を得るためにＱ−ＳＷ（Ｑ−Ｓｗｉｔｃｈ）によりレーザを閉じ込め、所定の時間になったらＱ−ＳＷを開けレーザを一気に照射するという制御方法である。

図７は、図１のＤ−Ｄ断面である。図４ｃは、実施形態１の、変形例２であり、図４の様に、連続的な線状の加工変質層７を形成して、漏れ振動の抑制が可能であるが、線を連ねることにより、直方体状の内部レーザトリミングが可能である。例えば、内部レーザトリミング効果の一番大きい箇所は腕の付け根近傍であるが、この近傍に電極などがあり内部レーザトリミングが不可能であったり、被加工物の形状により内部レーザトリミング加工長を長く取れなくて、漏れ振動の十分な抑制が出来ない場合があるが、直方体状に加工変質層を設けることにより、短い距離でも、多くの不要な漏れ振動が抑制できる。ウェハ表面５１や裏面５２に近い場所でなくても内部レーザトリミングで効果が得られる。図７で、レーザ６は焦点近傍で高温になり、長手方向Ｙに走引し線上に内部レーザトリミングをする。そして、厚み方向Ｚに内部レーザトリミングするため焦点をＺ方向にずらしていくことで、平面上の内部レーザトリミングが可能になる。そこで、ＹＺ平面をＸ方向に、若干ずらすことにより、厚みを持った平面、すなわち、直方体状の加工をすることができる。

図８は、図１のＤ−Ｄ断面である。図８は、実施形態１の、変形例３であり、断続的な線状の加工変質層７を、偶数層と奇数層でずらすことにより破壊強度を増す方法を示している。図８の例は、加工変質層７はＸ軸方向に２列となっており、Ｘ軸方向とＺ軸方向に、隣り合う加工変質層７が互いに重ならないように、すなわち、ずらすように内部レーザトリミングを行う。基材となるＳｉは単結晶構造であり方位がある。その方位に力の方向が一致した場合、割れが進行しやすい。厚み方向にもこれがあり、図８の様にずらして断続的な線状の加工変質層７を形成することにより破壊原因となる亀裂進行を抑えることができる。

図９は、実施形態１の、変形例４であり、断続的な線状加工変質層７を、偶数層と奇数層でＹ軸方向にずらし、かつ、Ｘ軸方向にもずらすことにより更に破壊強度を増す方法を示している。変形例３は、図８の例で、加工変質層７はＸ軸方向に２列となっており、Ｘ軸方向とＺ軸方向に、隣り合う加工変質層７が互いに重ならないように、すなわち、ずらすように内部レーザトリミングを行っているが、変形例４は、変形例３に加えて、Ｙ軸方向にも隣り合う加工変質層７が互いに重ならないように、すなわち、ずらすように内部レーザトリミングを行っている。

実施形態１の内部レーザトリミングは、ジャイロ素子１単体でのレーザトリミングに対して有効であるが、ウエハでも有効である。また、レーザトリミング後の付着物が発生しないことにより洗浄も不要である。

（実施形態２）
図５は、ウェハ裏面から見たジャイロ素子１の斜視図である。従来のレーザ加工において、図５のように、音叉アーム３の稜線８をレーザ加工、すなわち、本実施形態ではレーザトリミングと呼ぶ加工をする場合、ドライエッチングを行い、稜線８が形成されて初めて外部レーザトリミングを行うことが可能である。外部レーザトリミングの方法としては、例えば、稜線近傍加工や、角部加工がある。

また、ジャイロ素子１は個片化されると微小なため、取り扱いが極めて難しい。実施形態１では、ジャイロ素子１がウェハ分離前で個片化された状態での内部レーザトリミングに対し、実施形態２では、ジャイロ素子１がウェハ分離前で個片化されていない状態での内部レーザトリミング方法である。

また、外周の一部を残し、ジャイロ素子１の連続形状などの場合は取り扱いが楽になるが、外部レーザトリミング後、その一部を分離する必要があり、これにより、個片化後に外部レーザトリミングしたジャイロ素子１とは特性が異なる。しかしながら、実施形態２の内部レーザトリミング方法では、ウェハ状態で一括して内部レーザトリミングを行うことが可能である。これはドライエッチングでジャイロ素子１の外形を形成する場合、漏れ振動を引き起こす音叉アーム３の断面の非対称性は、ウエハ位置と密接な関連を持つことを利用する。

ドライエッチングはプラズマ源で発生したプラズマをウエハ裏面５２のバイアスで引き込み分子レベルの衝突によりエッチングを行うわけであるが、ウエハ中心はプラズマが垂直に引き込まれ正確な垂直のエッチングが行われる。プラズマ分布はウエハをプラズマが対向する場合、中心付近はプラズマ密度が濃く、外周部では薄い。これにより、ウエハ外周部は中央部のプラズマも引き込まれ、中央部に比較し、若干角度を持ってしまった状態でエッチングが行われてしまうことに起因する。つまり、プラズマ密度の差により、および、真空の引く経路とガスの吐出する場所でも断面の垂直エッチングが行われなくなり、結果として加工対象物の断面は非対称になってしまう。

図２ａ、図２ｂ、および、図２ｇは、実施形態２の内部レーザトリミング工程を示す。図２ａは、ジャイロ素子１が成膜済みのウェハ１１の裏面である。内部レーザトリミング後、エッチングで分離を行う際に使用するための外形加工用レジスト１２を形成する。

図２ｂは、図２ａのウェハ１１を表側５１から見た図であり、ここあるジャイロ素子１の外形は、次の外形加工工程において成形される素子稜線８を便宜的に表したものである。Ｓｉウエハの裏面５２より赤外線観察によりウエハ表面５１にある成膜、加工基準である十字形状のアライメントマーク１５を透過観察を行うことができる。これは赤外線の性質でＳｉウエハ１１に対し透過する波長であるため、ウェハ裏面５２からでも図２ｂに示す表面５１のアライメントマーク１５を観察できる。これによりウェハ裏面５２からでもジャイロ素子１位置の決定が可能である。

電極面５１、すなわち、ウェハ表面５１上にある十字形状のアライメントマーク１５を基準として、個片化後のジャイロ素子１の外形と位置もこの基準により決定される。個片化後の漏れ振動量はジャイロ素子１の位置、装置など統計的相関があり算出が可能である。これをもとに内部レーザトリミング加工量を決定する。素子位置と加工量、加工箇所を実施形態２の内部レーザトリミングを行う。

従来技術では、実施形態２の様に外形加工を行う前に稜線８位置を想定し、外部レーザトリミング量を統計的に決定しても、外部レーザトリミングを行うことは出来ない。これは、エッチングなどの外形加工を行った後に初めて、外部レーザトリミングを行う箇所である稜線８が現れるからである。たとえ稜線位置とレーザ加工量を想定し外部レーザトリミングしたとしても、外形加工のエッチングでこの箇所を再度加工することになる。外部レーザトリミングで掘り込まれた箇所に外形加工で稜線８を形作るため、レジスト形成することが出来ない。従って、正確にエッチングすることが出来ない。

内部レーザトリミングを行った後、レジスト塗布工程、フォトリソグラフィー工程を経て、エッチング工程により外形成形の加工をおこなった。

図２ｇは、外形加工のエッチングで素子は完全に分離された図である。ウェハの不要な箇所を取り除き、ジャイロ素子１の個片化された様子を図示したものである。この後パレットに整列する。エッチング時にレジストはパレットごと溶剤にて除去する。

実施形態２は、ジャイロ素子１単体ではなく、ウェハ状態での内部レーザトリミングに対して有効である。また、内部レーザトリミング後の付着物が発生しないことにより洗浄も不要である。

（実施形態３）
図１０は、ジャイロ素子１がパッケージ９に実装された角速度センサ１０を示すが、センサとしてほぼ完成品に近い状態である。ジャイロ素子１がパッケージ９に実装された後、内部レーザトリミングを行う場合、駆動制御などを行う制御用ＩＣ１９、配線なども実装される。この制御用ＩＣ１９で、ジャイロ素子１を駆動することにより、検出部に漏れ振動により引き起こされる信号を元に、内部レーザトリミングを行う。パッケージ９内に組込まれる制御用ＩＣ１９とジャイロ素子１の組み合わせで内部レーザトリミングを行うため、制御用ＩＣ１９がコリオリ力を検出できる漏れ信号の許容値と目標値との差違を無くすことが可能である。

制御用ＩＣ１９には、増幅器も組み込まれている。制御用ＩＣ１９には、次の機能が含まれている。１つは、ジャイロ素子１を共振状態で一定振幅になるよう駆動する。１つは、ジャイロ素子１はコリオリ力を受けることにより、駆動信号より９０度位相がずれた信号を検出するが、微細な信号なので高倍率にて増幅する。１つは、コリオリによる検出信号は振幅変調がかかっているためこれの検波を行う。なお、制御用ＩＣ１９で増幅できる倍率は制限があり、また、制御用ＩＣ１９には個々のばらつきをもっている。ジャイロ素子１と対になる制御用ＩＣ１９で、直接に駆動と検波を行うことにより、内部レーザトリミングでばらつきを含めた高精度な調整を行うことが可能になる。

ジャイロ素子１も制御用ＩＣ１９も、特性ばらつきを持っており、たとえ、個々に特性ばらつきをそれぞれの製品規格で、修正して組付けしても、コリオリ力は漏れ振動に比べて小さいため、そのコリオリ力を検出するため高倍率に増幅する必要があり、結局、漏れ振動も同じ倍率で増幅されてしまう。最下限同士が組み合わさった場合は、なおさら好ましくない結果になる。そのため、漏れ振動が大きいと、制御用ＩＣ１９に含まれる増幅機が飽和し機能しなくなる。したがって、制御用ＩＣ１９でコリオリ力が検出できる漏れ信号の許容レベルとしての目標値は、ジャイロ素子１の感度を増幅率などを考慮し決定され、例えば、２５ｍＶ以下程度である。

内部レーザトリミングの箇所は、多くの場合、圧電膜の対面に行われる。図５はウェハ裏面から見たジャイロ素子１の図であるが、実装後はこの圧電膜の対面、すなわち、ウェハ裏面５２がパッケージの内面に向き加工ができない。唯一、図５で示される裏面側の稜線８は、パッケージ９を傾斜をさせることにより加工ができる場合がある。通常の表面を外部レーザトリミングする方法では、基材Ｓｉの加工屑が発生し周囲に飛散付着する。これが制御用ＩＣ１９に再付着し電気的な動作不良などを引き起こす可能性がある。また付着した加工屑が経年変化で脱落し信頼性に問題を与える。

図１１は実施形態３の、ジャイロ素子１を、レーザ６の出射口に対向した状態のパッケージ９を、傾斜させて、ジャイロ素子１の音叉アーム３の側面に内部レーザトリミングを行う方法を示したものである。ここで、音叉アーム３の側面とは、図１において、音叉アーム３のＸ方向に垂直な面を指す。また、図１２は、ジャイロ素子１とそれを設置したパッケージ９を傾斜させ加工した例であり、４５度の設置治具にパッケージを固定し内部レーザトリミングをおこなっている。従来の方法では、レーザトリミング箇所はレーザ６の出射口に対向した場所にしか加工できないのであるが、実施形態３では、レーザ６の出射口に対向した状態の被加工物であるジャイロ素子１の音叉アーム３を、内部レーザトリミングの被加工物を傾斜させることにより、ジャイロ素子１の音叉アーム３の側面に内部レーザトリミングをすることが可能になる。傾斜させる方法としては、パッケージ９を設置する台は予め既定の傾斜をしており、その設置により、音叉アーム３の側面であって裏面側の稜線８がレーザ６側からみて視認可能となっている。内部レーザトリミングをウェハ裏面側からではなく、傾斜させ、音叉アーム３の側面上で焦点位置を移動することにより詳細な調整が可能になる。

ジャイロ素子１の表層には電極膜などがあり、レーザ６は反射してしまうため、レーザ６の出射口に対向した状態の、ジャイロ素子１を治具により傾ける。治具の傾斜角はパッケージ９とジャイロ素子１がレーザ６の光路に干渉しない角度で決定する。。レーザ６を照射し、ジャイロ素子１内部で合焦するように、ジャイロ素子１位置を計算し調整する。レーザ６により、基材Ｓｉは高温になり単結晶Ｓｉから多結晶Ｓｉに改質し、弾性率が変化する。それにより振動方向の調整がされる。内部の改質でジャイロ素子１の特性調整を行うため素子外部に加工屑の発生はしない。

実施形態３では、レーザ６の出射口に対向した状態の、ジャイロ素子１がパッケージに実装された角速度センサ１０の状態においても、斜めにすることで、ジャイロ素子１の音叉アーム３の側面における内部レーザトリミングが可能であり、加工屑が発生しないので加工屑飛散による不具合は発生しない。基材はＳｉ以外にも、レーザ種、パルス種、加工速度、レーザ出力などにより、ＧａＡｓ、ＳＯＩ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ガラスなどが可能である。

（実施形態４）
図１３は、実施形態４として、加速度センサ素子２１の斜視図を示している。加速度センサ素子２１で外部レーザトリミングする際、加工誤差、エッチングの掘り込み垂直性でどうしても形状の不均一さがでてしまう。この理想形状との差異のため、運動方向に不要な成分が現れてしまう。これを修正するために、外部レーザトリミングを行い、運動方向を修正する。しかし、表層への外部レーザトリミング時に、加工屑であるアブレーションが発生してしまう。加工屑として飛散した分の質量変化を伴うため、加速度検出のため付加したおもり２２を、運動方向修正のために質量除去することは好ましくない。運動方向を修正しても片側は質量変化が起きると平衡がずれて、取出し電極２３から得られる信号も非対称になってしまう。実施形態４の内部レーザトリミング２４では内部を変質させることにより運動方向の制御を行う。この方法では質量変化を伴わずしかも運動方向のみ調整可能である。またこれまでの方法にある、内部レーザトリミングによる外部亀裂からの破壊も抑えることが可能である。

（評価）
図１４は本実施形態の、レーザトリミングのレーザ６と測定、搬送、移載機能を備えた装置構成を示す。パッケージ９に制御用ＩＣなど付帯部品と共に実装されたジャイロ素子１は、搬入側の搬送機３１から移載機３２により加工前測定機３３に移載される。静止状態でインピーダンス測定、共振状態で素子を振動し漏れ信号測定を行う。レーザトリミングで補正が可能な範囲のものは移載機３２により測定機構付の傾斜加工台３４に移載される。

傾斜加工台３４は鉛直方向に対し左右４５度の傾斜した面を持つ。先の漏れ信号の測定値の内、駆動信号に対する検出信号の位相差により、傾斜加工台３４の傾斜面に、ジャイロ素子１を備えたパッケージ９を設置して、予めレーザ及び搬送系を制御する制御用コンピュータのプログラムにより、ジャイロ素子１の音叉アーム３に、内部レーザトリミングを行うか判断する。傾斜加工台３４には素子を共振状態で駆動し漏れ信号測定を行うための測定端子が備わっている。また、傾斜加工台３４に設置されたジャイロ素子１を備えたパッケージ９は音叉位置、外形の反り、傾きなどが図示しないレーザ変位計およびオートコリメータにより正確に測定されレーザ照射位置の判定に用いる。

前述の加工前測定機３３の結果により測定された漏れ信号の値によって、音叉アーム３の左右アーム内外、または内部任意位置の、どこを内部レーザトリミングするかどうかについて制御用コンピュータのプログラムにより判断される。内部レーザトリミング位置は、ジャイロ素子１単体でのインピーダンス測定結果と、パッケージングされた漏れ振動測定の結果で、これまで統計的に相関がみられることも利用する。内部レーザトリミング中はジャイロ素子１に通電を行わない静止させた状態である。

ジャイロ素子１を備えたパッケージ９は、内部レーザトリミングを所定の回数行った後に共振状態で振動され、漏れ信号の測定が傾斜加工台３４に設けられた測定端子と測定機器を備えた測定部３６で行われる。これを漏れ信号が規定値以下になるまで繰り返す。内部レーザトリミング後、加工後測定機３５に移載されトリミング後の状態をインピーダンス特性検査、カメラによる外観検査などを自動で検査する。検査での良品は搬出側の搬送機３７に移載され、その後、封止工程、ロットナンバーなど刻印され、テーピング工程を経て出荷される。

本発明に関わる角速度センサは、航空機、自動車、ロボット、船舶、車両等の移動体の姿勢制御やナビゲーション等、各種電子機器に利用される。

１ ジャイロ素子
２ 圧電膜
３ 音叉アーム
４ 基部
５１ 電極面
５２ 下面
６ レーザー
７ 加工変質層
８ 稜線
９ パッケージ
１０ 角速度センサ
１１ ウェハ
１２ レジスト
１３ 加工変質層の不均一な部分
１４ ダイシングブレード
１５ アライメントマーク
１６ 稜線部である部分
１７ 稜線近傍レーザトリミング
１８ 角部レーザトリミング
１９ 制御用ＩＣ
２１ 加速度センサ素子
２２ おもり
２３ 取出し電極
２４ 内部レーザトリミング
３１ 搬入側の搬送機
３２ 移載機
３３ 加工前測定機
３４ 傾斜加工台
３５ 加工後測定機
３６ 測定部
３７ 搬出側の搬送機

Claims (4)

1. 鉛直方向に対し水平方向に駆動振動する音叉アームを備えたジャイロ素子のレーザトリミング方法であって、
   前記音叉アームは、半透過の性質を持つ基材から成り、前記音叉アーム上に圧電膜とその電極を備えており、
   レーザを、前記基材内部の焦点位置に照射させ、前記焦点位置を中心とした近傍の前記基材内部の結晶構造を改質させることにより、前記音叉アーム断面の非対称性を修正することを特徴とするジャイロ素子の内部レーザトリミング方法
2. 前記焦点位置を任意方向に移動させることを特徴とする請求項１に記載の内部レーザトリミング方法
3. 前記基材は、Ｓｉからなることを特徴とする請求項１から２のいずれかに記載の内部レーザトリミング方法
4. 前記レーザの出射方向に対向している前記パッケージを傾斜させ、それに伴い傾斜された音叉アームの側面上の焦点位置を移動させて内部レーザトリミングを行うことにより、前記音叉アーム断面の非対称性を修正することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のジャイロセンサの内部レーザトリミング方法
   
   
   

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