JP2014077766A - センサ素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】センサ素子が備える金属膜を簡単な方法により形成することが可能な、圧力又は荷重を検知するセンサ素子の製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】半導体基板１０を準備する基板準備工程後に、センシング部２１及び配線部２２を形成するデバイス層加工工程を行う。その後、犠牲層１２を選択的に除去して、センシング部２１と、支持基板１１との間に空間を形成する犠牲層除去工程を行う。その後、半導体基板１０と、封止基板１４とを接合して、センシング部２１を封止する接合工程を行う。その後、スルーホール１１０を封止基板に形成するスルーホール形成工程を行う。その後、スルーホール１１０の底面１１７及びスルーホール１１０の開口２５が形成されている面２４に金属膜７５，１９を形成する金属膜形成工程を行う。
【選択図】図５

Description

本発明は、振動体と、振動体を振動させる信号が入力される駆動電極と、振動体の振動を検知する検知電極とを備えた微小電気機械素子である、圧力又は荷重を検知するセンサ素子の製造方法に関する。

従来、マイクロマシンニング技術を利用して形成した微小電気機械素子として、ジャイロセンサ素子、及び圧力センサ素子等の各種センサ素子が知られている。この種のセンサ素子では、外部の温度、湿度、及び微粒子等の影響を避けるため、一般に、シリコン基板に微小加工を施して形成されたセンシング部を他の基板で覆って気密封止する。この構成を採用した場合、封止されたセンシング部と外部との導通を取るためにスルーホールが必要になる。

例えば、特許文献１に記載の小型電子部品は、ガラス基板を貫通して設けると共にこれに連続して信号出力部の少なくとも一部を穿って設けられたスルーホールと、該スルーホールの内壁に設けられガラス基板の表面側に延びる導電膜とを備える。特許文献１に記載の小型電子部品は、薄肉部加工工程、第１の接合工程、機能部加工工程、第２の接合工程、連通孔加工工程、及び導電膜加工工程の順に各工程が実施されることによって製造される。薄肉部加工程では、シリコン基板の一方の表面に凹溝部を設ける。振動体の変位量を検出する電極板を第１のガラス基板上に形成した後、第１の接合工程では、シリコン基板と第１のガラス基板とが陽極接合等によって面接合される。機能部加工工程では、シリコン基板の薄肉部に機能部（センシング部）と信号出力部とが加工される。第２の接合工程では、シリコン基板の第２の表面に第２のガラス基板が面接合される。連通孔加工工程では、第１，第２のガラス基板のうち少なくともいずれかにサンドブラスト等の機械的な加工手段によってスルーホールが形成される。導電膜加工工程では、スルーホールの内壁に、信号出力部を通じてセンシング部に電気的に接続された導電膜が形成される。

特開２０００−１８６９３１号公報

薄肉部加工工程では、シリコン基板の表面側からマスクを通してエッチング処理を施すことによって、シリコン基板の薄肉部にセンシング部と信号出力部とが加工される。シリコン基板と対向する側の第１のガラス基板の表面には電極板が形成されており、エッチング処理によってシリコン基板の薄肉部が貫通すると、電極板が浸食される可能性がある。このため、電極板に保護膜を形成する、又は浸食されない材料を用いて電極板を形成することが必要である。電極板には、使用時の耐熱性及び信頼性等が要求されるため、エッチング処理を考慮して材料を選択することは困難である。したがって、電極板を保護するために、保護膜を形成したり、不要になった保護膜を除去したりする複雑な工程が必要になる。また、導電膜加工工程では、連通孔の位置に合わせて、メタルマスクを配置した上で、金属薄膜を形成する必要がある。メタルマスクは、金属薄膜を形成後除去する必要がある。

本発明は、センサ素子が備える金属膜を簡単な方法により形成することが可能な、圧力又は荷重を検知するセンサ素子の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る圧力又は荷重を検知するセンサ素子の製造方法は、支持基板と、前記支持基板上に形成された犠牲層と、前記犠牲層上に形成されたデバイス層とを備える半導体基板を準備する基板準備工程と、前記基板準備工程後に、前記半導体基板のうちの前記デバイス層を加工して、前記支持基板に対して変位可能に支持された振動体と、前記振動体を振動させる信号が入力される駆動電極と、前記振動体の振動を検知する検知電極とを備えるセンシング部、及び当該センシング部と電気的に接続された配線部を形成するデバイス層加工工程と、前記デバイス層加工工程後に、前記犠牲層を選択的に除去して、前記センシング部と、前記支持基板との間に空間を形成する犠牲層除去工程と、前記犠牲層除去工程後に、前記半導体基板と、封止基板とを接合して、前記センシング部を封止する接合工程と、前記接合工程後に、前記配線部と外部とを導通させるスルーホールを形成するスルーホール形成工程と、前記スルーホール形成工程後に、前記スルーホールの形成によって前記デバイス層が露出した部位である前記スルーホールの底面、及び前記スルーホールの開口が形成されている面に金属膜を形成する金属膜形成工程とを備える。

本態様のセンサ素子の製造方法では、デバイス層を加工してセンシング部を形成し、従来技術のように犠牲層除去工程前にセンシング部又は配線部を構成する金属膜を形成しない。したがって、本態様の製造方法では、従来技術のように、犠牲層除去工程においてセンシング部を構成する金属製部材（電極、配線等）を保護するために、金属製部材を覆う保護膜を形成したり、不要になった保護膜を除去したりする複雑な工程が不要である。上記金属製部材を形成した後に、犠牲層除去工程を行う従来技術では、金属製部材に対する他の構成要素の相対位置を所定範囲に合わせるための位置合わせ回数が２から３回必要であったのに対し、本態様ではそのような位置合わせを行う必要がない。さらに、本態様の金属膜形成工程では、スルーホールの底面と、封止基板が備える面のうちのスルーホールの開口が形成されている面とに、例えば、スパッタ及び蒸着等の方法によって、金属膜を形成する。したがって、金属膜形成工程では、金属膜を形成しない部位を保護するためのパターニングを行う必要がない。以上のように、本態様のセンサ素子の製造方法では、センサ素子が備える金属膜を、従来の方法に比べ簡単な方法により形成することが可能である。

本態様のセンサ素子の製造方法において、前記振動体は、少なくとも一端側が前記支持基板に対して固定された梁状部を備えてもよい。この場合の製造方法で製造されたセンサ素子では、振動体が梁状部を備えることにより、支持基板に対して変位しやすくなる。したがって、センサ素子を利用すれば、振動体の振動に基づき圧力又は荷重を精度よく検知することが可能である。なお、振動体は、一端側が支持基板に対して直接又は間接的に固定されていればよい。

本態様のセンサ素子の製造方法において、前記駆動電極は、一対の平行櫛歯状第一電極を備え、前記一対の平行櫛歯状第一電極のうちの一方は、前記支持基板に対して変位可能に前記振動体に接続されてもよい。この場合の製造方法で製造されたセンサ素子は、駆動電極が平行櫛歯状電極でない場合に比べ、一対の駆動電極間の静電容量を大きくすることができるので、駆動電極が平行櫛歯状電極ではない場合に比べ、振動体の振動量を大きくすることができる。振動体の振動量が大きくなると、検知電極が出力する信号が表す静電容量の変化も大きくなる。したがって、この場合のセンサ素子を用いれば、圧力又は荷重を精度よく検知することが可能である。

本態様のセンサ素子の製造方法において、前記検知電極は、一対の平行櫛歯状第二電極を備え、前記一対の平行櫛歯状第二電極のうちの一方は、前記支持基板に対して変位可能に前記振動体に接続されてもよい。この場合の製造方法で製造されたセンサ素子は、検知電極が平行櫛歯状電極でない場合に比べ、一対の検知電極間の静電容量を大きくすることができるので、検知電極が平行櫛歯状電極ではない場合に比べ、静電容量の変化を大きくすることができる。したがってこの場合のセンサ素子を用いれば、検知電極が出力する信号が表す静電容量の変化に基づき、圧力又は荷重を精度よく検知することが可能である。

本態様のセンサ素子の製造方法において、前記駆動電極は、一対の平行櫛歯状第一電極を備え、前記検知電極は、一対の平行櫛歯状第二電極を備え、前記一対の平行櫛歯状第一電極のうちの一方と、前記一対の平行櫛歯状第二電極のうちの一方とは一体に形成された共通電極であり、当該共通電極は前記支持基板に対して変位可能に前記振動体に接続されてもよい。この場合の製造方法で製造されたセンサ素子は、駆動電極と、検知電極とで、共通電極を共用するため、それぞれ別に設ける場合に比べ、センサ素子の大きさを小さくすることができる。また、上述の駆動電極を一対の平行櫛歯状第一電極とした場合及び検知電極を一対の平行櫛歯状第二電極とした場合の効果を奏することができる。

センサ素子１の分解斜視図である。 センシング部２１を拡大した斜視図である。 デバイス層１３の平面図である。 図３の４−４線の矢視方向に対応するセンサ素子１の断面図である。 センサ素子１の製造方法が備える各工程で形成される中間体の、図３の４−４線の矢視方向に対応する断面を用いた、センサ素子１の製造方法の説明図である。

以下、本発明を具体化したセンサ素子１の一実施形態について、図面を参照して順に説明する。なお、参照する図面は、本発明が採用し得る技術的特徴を説明するために用いるものであり、記載している装置の構成等は、それのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例である。図４及び５において、視認性を考慮し、犠牲層１２，接合膜１６，金属膜１９及び７５は実際の厚みよりも厚く図示している。

図１から４を参照してセンサ素子１の構成について説明する。図１の上側、下側、左斜め下側、右斜め上側、左斜め上側、及び右斜め下側を、それぞれ、センサ素子１の上側、下側、左側、右側、後ろ側、及び前側と言う。センサ素子１の左右方向、前後方向及び上下方向を、それぞれ、Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向とも言う。Ｚ方向の長さを厚み又は高さとも言う。図１に示すように、センサ素子１は、マイクロマシンニング技術を利用して形成した微小電気機械素子であり、外部から加えられる荷重（圧力）に応じて振動体３０の共振周波数が変化することを利用して、外部の圧力又は荷重を検知可能な素子である。

図１に示すように、センサ素子１は、平面視正方形状の支持基板１１，犠牲層１２，デバイス層１３，及び封止基板１４を主に備える。センサ素子１は、支持基板１１とデバイス層１３とにより犠牲層１２が挟み込まれたＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板１０の上面が封止基板１４により覆われた構成を有する。センサ素子１の大きさは、例えば、平面視の正方形の一辺の長さが４（ｍｍ）であり、厚みが約４６０（μｍ）である。支持基板１１及びデバイス層１３は、例えば、単結晶シリコンを用いて形成される。犠牲層１２は、例えば、絶縁性の二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）を用いて形成される。封止基板１４は、例えば、シリコン、ガラス、及びセラミクス等を用いて形成される。

支持基板１１は、他の層を支持する基板である。支持基板１１の厚みは、例えば、２００（μｍ）である。犠牲層１２は、支持基板１１とデバイス層１３との間に一定の間隔を形成するための層である。犠牲層１２の厚みは、支持基板１１とデバイス層１３との間の間隔とほぼ等しく、例えば、３（μｍ）である。デバイス層１３は、後述するセンシング部２１と、配線部２２とを備える。デバイス層１３の厚みは、例えば、５０（μｍ）である。封止基板１４は、外部の温度、湿度、及び微粒子等の影響を避けるために、センシング部２１を覆って気密封止する。封止基板１４の厚みは、例えば、２００（μｍ）である。

デバイス層１３と封止基板１４とは、接合材料製の膜１６（以下、接合膜１６と言う。）を介して接合されている。接合材料は、金属又は樹脂である。接合膜１６の厚みは、１から１０（μｍ）である。図４に示すように、封止基板１４の下面のセンシング部２１に対向する部位には、凹部１５が設けられている。凹部１５には、接合膜１６が形成されておらず、接合膜１６の厚みは凹部１５の高さとほぼ等しい。凹部１５は、封止基板１４がデバイス層１３に貼り合わされたときに、センシング部２１が封止基板１４に接触しないようにするために設けられている。センシング部２１の動作を保証するために、凹部１５の高さは、１（μｍ）以上あることが好ましい。封止基板１４には、ＳＯＩ基板１０と外部とを導通させるスルーホール１１１から１１４が、封止基板１４を貫通するように形成されている。封止基板１４の上面には金属膜１９が形成されている。金属膜１９の厚みは、０．２から１．０（μｍ）である。金属膜１９は、デバイス層１３及び封止基板１４間に発生する寄生容量を低減するために、封止基板１４に固定電圧を与えるための電極として使用される。

図１から図４を参照して、デバイス層１３に形成されたセンシング部２１，配線部２２及び枠部２３について説明する。図１に示すように、センシング部２１は、センサ素子１の平面視中央付近に設けられている。図２に示すように、センシング部２１は、振動体３０，駆動電極４０，及び検知電極５０を主に備える。センシング部２１の下方において犠牲層１２は除去されている。

図３に示すように、配線部２２は、センシング部２１と外部とを電気的に接続するための、配線７０，８０，及び９０を備える。配線部２２はさらに、電気パット部７１，８３，８４，９１，及び１０１を備える。配線部２２の下方において犠牲層１２が残されており、配線部２２は支持基板１１に固定されている。枠部２３は、平面視矩形の枠状であり、デバイス層１３の外周をなす。枠部２３の下方において犠牲層１２が残されており、枠部２３は支持基板１１に固定されている。枠部２３は、外部と、センシング部２１及び配線部２２とを区画する。

センシング部２１，配線部２２及び枠部２３は同一平面上に配置されている。センシング部２１，配線部２２及び枠部２３は、例えば、後述するデバイス層加工工程において、ＳＯＩ基板１０をエッチング処理することによって区画、形成される。以下、センシング部２１及び配線部２２が備える部材について説明する。センシング部２１及び配線部２２は、電気パット部１０１の構成を除き、ＸＹ平面上Ｘ方向の中心線ＣＬ１について対称に構成されているので、主にデバイス層１３の右側部について説明する。

図２に示すように、振動体３０は、センシング部２１の中央部に設けられた前後方向に長い矩形枠状の形状を有する。振動体３０は、梁状部３１，３２と、支持部３３，３４とを備える。梁状部３１，３２は、Ｙ方向に延びる細長い梁状の形状を有し、Ｙ方向に加わる荷重（圧力）に応じて弾性変形可能である。Ｙ方向に加わる荷重は、Ｙ方向に加わる圧縮力又は張力である。梁状部３１，３２は、少なくとも一端側が支持基板１１に対して固定されている。本実施形態では、梁状部３１，３２の後端は、支持部３３を介して間接的に支持基板１１に固定され、梁状部３１，３２の前端は、支持部３４を介して間接的に支持基板１１に固定されている。すなわち、梁状部３１，３２の両端は、間接的に支持基板１１に対して固定されている。梁状部３１，３２のＹ方向の長さ及びＸ方向の幅は、振動体３０に加わる荷重（圧力）、すなわち、センサ素子１を用いて検知する圧力又は荷重の範囲を考慮して定められる。

図３に示すように、支持部３３の後端側は、配線９０に接続している。また図１に示すように、振動体３０は、導電性を有する材料で形成されたデバイス層１３に形成されている。このため、振動体３０は、配線９０と機械的に接続されているとともに、電気的にも接続されている。支持部３４の前端側は固定部９２に接続している。図３に示すように、固定部９２は、振動体３０を支持基板１１に対して間接的に固定するための部位である。固定部９２は、振動体３０よりも前方となる位置に平面視矩形状に区画、形成されている。

図２に示すように、駆動電極４０は、振動体３０を振動させる信号（例えば、交流電圧）が入力される電極である。駆動電極４０は、互いに向き合ように平行に配列された一対の平行櫛歯状第一電極４１，４２を備える。第一電極４１，４２の複数の歯（電極）は、ＸＹ平面において、振動体３０の梁状部３１，３２に対して直角方向（Ｘ方向）に延設されている。第一電極４１，４２の隣り合う歯の間隔、並びに各歯のＸ及びＹ方向の長さは、一定である。第一電極４１，４２の歯の先端は、対向する電極の歯と歯の間の隙間に位置する。すなわち、第一電極４１，４２は、隙間を介して噛み合っている。

検知電極５０は、振動体３０の振動を検知する電極である。検知電極５０は、互いに向き合うように平行に配列された一対の平行櫛歯状第二電極５１，５２を備える。第一電極４１，４２と同様に、第二電極５１，５２の複数の歯（電極）は、ＸＹ平面において、振動体３０の梁状部３１，３２に対して直角方向（Ｘ方向）に延設されている。第二電極５１，５２の隣り合う歯の間隔、並びに各歯のＸ及びＹ方向の長さは、一定である。第二電極５１は、Ｙ方向において電極５３，５４に２分割されている。第一電極４１の歯と、第二電極５１の歯とのそれぞれは、ＸＹ平面上Ｙ方向の同じ位置に同数形成されている。同様に第一電極４２の歯と、第二電極５２の歯とのそれぞれは、ＸＹ平面上Ｙ方向の同じ位置に同数形成されている。第二電極５１，５２の歯の先端は、対向する電極の歯と歯の間の隙間に位置する。すなわち、第二電極５１，５２は、隙間を介して噛み合っている。

本実施形態では、第一電極４２と、第二電極５２とは一体に形成され、接続部６４，６５とともに共通電極６０をなす。接続部６４は、第一電極４２及び第二電極５２のＹ方向における中央付近に配置され、接続部６５は、振動体３０の梁状部３２と接続部６４とを接続している。接続部６５は、梁状部３２に対して直角に、梁状部３２と接続している。前述のように、振動体３０及び共通電極６０の下部の犠牲層１２は、除去されている。一方、配線９０と、固定部９２とのそれぞれの下部の犠牲層１２は残っている。したがって、振動体３０及び共通電極６０は、支持基板１１に対して一定の間隔をあけて浮いた状態になっており、支持部３３及び配線９０の接続点と、支持部３４及び固定部９２の接続点とを支点として、支持基板１１に対して変位可能である。

振動体３０及び共通電極６０は、ＸＹ平面上Ｘ方向の中心線ＣＬ１及びＹ方向の中心線ＣＬ２について対称に構成されている。また、支持部３３及び配線９０の接続点と、支持部３４及び固定部９２の接続点とのそれぞれは、中心線ＣＬ１上にある。振動体３０及び共通電極６０は、上記の２点を支点として支持された状態で、バランスを崩すことなく、ＸＹ平面上で変位可能である。

図２及び３に示すように、配線７０は、駆動電極４０の第一電極４１と外部とを電気的に接続するとともに、第一電極４１を支持するアンカとしての機能を有する。配線７０は、一端が駆動電極４０の第一電極４１に接続され、他端が電気パット部７１と接続している。電気パット部７１には、平面視矩形状の金属膜７２が形成されている。配線８０は、検知電極５０の第二電極５１と外部とを電気的に接続するとともに、第二電極５１を支持するアンカとしての機能を有する。配線８０は、配線８１，８２を備える。配線８１は、一端が検知電極５０の電極５３に接続され、他端が電気パット部８３と接続している。電気パット部８３には、平面視矩形状の金属膜８５が形成されている。配線８２は、一端が検知電極５０の電極５４に接続され、他端が電気パット部８４と接続している。電気パット部８４には、平面視矩形状の金属膜８６が形成されている。配線９０は、共通電極６０と外部とを電気的に接続するとともに、振動体３０及び共通電極６０を支持するアンカとしての機能を有する。配線９０は、一端が振動体３０を介して共通電極６０に接続され、他端が電気パット部９１と接続している。電気パット部９１には、平面視矩形状の金属膜９３が形成されている。配線７０，８０，及び９０の幅は一定である。

金属膜７２，８５，８６及び９３は、金及び白金等の導電性の高い金属を用いて形成される。電気パット部７１，８３，８４及び９１はそれぞれ、図１に示すスルーホール１１１，１１５，１１６，及び１１３を介して外部と導通している。金属膜７２，８５，８６及び９３の平面形状は、スルーホール１１１，１１５，１１６，及び１１３の平面形状とほぼ同一である。金属膜７２，８５，８６及び９３には、それぞれ外部と、センシング部２１とを電気的に接続するための配線（図示外）が接続される。

図１に示すスルーホール１１４は、支持基板１１及びデバイス層１３の枠部２３の電位をとるために形成されている。支持基板１１は、電気パット部１０１に形成された取出口１０５及びスルーホール１１４を介して外部と導通している。デバイス層１３の枠部２３は電気パット部１０１と接続しており、スルーホール１１４を介して外部と導通している。図１及び３に示すように、支持基板１１の上面のうちの、取出口１０５が形成されている部分には、金属膜１０３が形成されている。金属膜１０３には、外部と、支持基板１１とを電気的に接続するための配線（図示外）が接続される。同様に、電気パット部１０１のうち、スルーホール１１４が形成されている部分には、金属膜１０２が形成されている。金属膜１０２には、枠部２３を接地するための配線（図示外）が接続される。金属膜１０２及び１０３は、金属膜７２，８５，８６及び９３と同じ金属を用いて形成される。

次に、センサ素子１を利用した圧力又は荷重の検知原理について説明する。センサ素子１に、Ｙ方向の荷重（圧力）が加わると、振動体３０の梁状部３１，３２が弾性変形し、荷重（圧力）に比例して振動体３０の共振周波数が変化する。一方、第一電極４１，４２間に交流電圧を印加すると、第一電極４１，４２間に生じる静電引力によって、振動体３０の共振周波数に応じて共通電極６０及び振動体３０がＸＹ平面上Ｘ方向に振動する。互いに対向する第二電極５１，５２は、コンデンサを形成している。共通電極６０が振動すると、第二電極５１，５２間の静電容量が変化する。したがって、検知電極５０が検知した、第二電極５１，５２間の静電容量の変化を、検知電極５０と電気的に接続されたプロセッサ（電気回路等）によって検知することによって、振動体３０の共振周波数、ひいては、センサ素子１に印加された圧力又は荷重を検知することができる。

次に、図５を参照して、上記構成を有するセンサ素子１の製造方法を説明する。図５に示すように、センサ素子１の製造方法は、実施順に、基板準備工程、デバイス層加工工程、犠牲層除去工程、接合工程、スルーホール形成工程、及び金属膜形成工程を含む。以下、各工程について詳述する。なお、以下の説明において、センサ素子１が備える複数のスルーホール１１１から１１４（図１参照）を総称してスルーホール１１０と言う。金属膜７２，８５，８６，９３及び１０２を総称して金属膜７５と言う。

［基板準備工程］
支持基板１１，犠牲層１２，及びデバイス層１３を含む積層体であるＳＯＩ基板１０を準備する。例えば、支持基板１１の一方の主面に犠牲層１２，及びデバイス層１３を順に形成することによってＳＯＩ基板１０が得られる。デバイス層１３の厚みは、センシング部２１の厚みとほぼ等しい。犠牲層１２の厚さは、センシング部２１における支持基板１１とデバイス層１３との空間２６の高さとほぼ等しい。

［デバイス層加工工程］
基板準備工程後に、ＳＯＩ基板１０のうちのデバイス層１３を加工して、センシング部２１，配線部２２，枠部２３を形成する。センシング部２１は、支持基板１１に対して変位可能に支持された振動体３０と、振動体３０を振動させる信号が入力される駆動電極４０と、振動体３０の振動を検知する検知電極５０とを備える。配線部２２は、センシング部２１と電気的に接続されている。デバイス層加工工程ではまず、ＳＯＩ基板１０の上面（デバイス層１３の上面）にフォトレジストを塗布し、露光及び現像すること（フォトリソグラフィ）によって、保護膜１７を形成する。保護膜１７の平面形状は、センシング部２１，配線部２２，及び枠部２３の平面形状とする。その後、保護膜１７をマスクとしてデバイス層１３をＺ方向に異方性エッチングする。デバイス層加工工程では、犠牲層１２をエッチングストッパとして利用する。デバイス層加工工程によって、保護膜１７のパターンと同一パターンの横断面を有する直柱体がデバイス層１３に形成される。保護膜１７は、デバイス層１３の加工が終了した後に除去される。なお、センシング部２１には、後述の犠牲層除去工程において、犠牲層１２を選択的にエッチングするためのエッチングホール（図示外）が形成されてもよい。エッチングホールは、例えば、平面視矩形状に形成され、センシング部２１に亘って等間隔にＸ方向及びＹ方向に並んで配置されてもよい。

［犠牲層除去工程］
デバイス層加工工程後に、犠牲層１２を選択的に除去して、センシング部２１と、支持基板１１との間に空間２６を形成する。犠牲層１２の除去は、等方性エッチングを用いて行われる。具体的には、犠牲層１２の除去は、フッ酸（ＨＦ）及び緩衝フッ酸（ＢＨＦ）等のエッチング剤を用いたウエットエッチング又はフッ酸系ガス等のエッチング剤を用いたドライエッチングによって行うことができる。エッチング剤（液又はガス）は、上記デバイス層加工工程で除去された部位を介して犠牲層１２に到達し、デバイス層１３が除去された部位の下方に存在する犠牲層１２に加え、センシング部２１の下方に位置している犠牲層１２を側面から除去する。

［接合工程］
犠牲層除去工程後に、ＳＯＩ基板１０と、封止基板１４とを接合して、センシング部２１を封止する。接合強度及び耐久性の観点から、ＳＯＩ基板１０と封止基板１４とは、金属拡散接合又は樹脂接合によって、接合膜１６を介して接合されることが好ましい。金属拡散接合により接合する場合、例えば次のような手順で接合される。まず、ＳＯＩ基板１０の上面に第一金属膜が選択的に形成され、封止基板１４の下面に第二金属膜が選択的に形成される。図５に示すように、少なくともセンシング部２１の上部となる部分、及びスルーホール１１０が形成される部分には第一金属膜及び第二金属膜が形成されない。次に、第一金属膜と第二金属膜とを重ね合わせた状態で、加圧及び加熱して熱圧着させる。この場合の、第一金属膜の材料と、第二金属膜の材料とのそれぞれは、ＳＯＩ基板１０のデバイス層１３及び封止基板１４のそれぞれの材質に応じて選択される。例えば、ＳＯＩ基板１０のデバイス層１３と、封止基板１４とのそれぞれが単結晶シリコンによって形成されている場合、第一金属膜及び第二金属膜の材料は、同一の金属である場合と、互いに異なる金属である場合とがある。第一金属膜及び第二金属膜が同一の金属で形成される場合、例えば、金（Ａｕ）、及び金（Ａｕ）合金が用いられる。第一金属膜と、第二金属膜とで異なる金属が用いられる場合、一方の材料としてアルミニウム（Ａｌ）が用いられ、他方の材料としてゲルマニウム（Ｇｅ）が用いられる。金属拡散接合は、陽極接合に比べより高い気密性を実現できるという利点がある。

同様に、樹脂接合に用いられる樹脂は、デバイス層１３及び封止基板１４のそれぞれの材質に応じて異なる。例えば、デバイス層１３と、封止基板１４とのそれぞれが単結晶シリコンによって形成されている場合、樹脂接合に用いられる樹脂は、例えば、ポリイミドである。樹脂接合では、接合面に凹凸があっても、樹脂によってその凹凸を吸収して平滑化できるという利点がある。樹脂接合によってデバイス層１３と、封止基板１４とを接合する場合、例えば、封止基板１４又はデバイス層１３の表面に接合膜１６を予め選択的に形成する。このとき、図５に示すように、少なくともセンシング部２１の上部となる部分、及びスルーホール１１０が形成される部分には接合膜１６が形成されない。その後、接合方法に応じた条件下で、デバイス層１３及び封止基板１４を接合膜１６を介して接合する。金属拡散接合及び樹脂接合の接合作業はそれぞれ、真空中、不活性ガス雰囲気中又は乾燥ガス中で行われることが好ましい。センサ素子１内から湿気を排除することによって、センシング部２１の機械的及び電気的な動作を確保するためである。

［スルーホール形成工程］
接合工程後に、配線部２２と外部とを導通させるスルーホールを形成する。本実施形態では、封止基板１４にスルーホール１１０を形成する。具体的には、デバイス層加工工程と同様に、封止基板１４の上面にフォトレジストを塗布し、露光及び現像することによって、保護膜１８を形成する。保護膜１８が形成されていない領域の平面形状は、スルーホールの開口２５の平面形状とする。保護膜１８をマスクとして封止基板１４をＺ方向に異方性エッチングする。エッチングは、例えば、ドライエッチング及びシリコン深掘りエッチング（Ｄｅｅｐ ｒｅａｃｔｉｖｅ−ｉｏｎ ｅｔｃｈｉｎｇ：ＤＲＩＥ）を採用可能である。スルーホール形成工程では、デバイス層形成工程のようにエッチングストッパを設けていない。このためスルーホール形成工程では、スルーホールによってデバイス層１３を確実に外部に露出させつつ、デバイス層１３が過度に除去されることがないように、エッチング条件が調整される。スルーホール形成工程によって、保護膜１８のパターンと同一パターンの横断面を有する直柱体が封止基板１４に形成される。

［金属膜形成工程］
スルーホール形成工程後に、スルーホール１１０の底面１１７，及び封止基板１４の上面２４に、それぞれ金属膜７５，１９を形成する。図５に示すように、スルーホール１１０の底面１１７は、スルーホール１１０の形成によってデバイス層１３が露出した部位である。また封止基板１４の上面２４は、封止基板１４が備える面のうちのスルーホール１１０の開口２５が形成されている面である。金属膜１９，及び７５は、例えば、金、白金等の耐食性に優れた金属が用いられる。金属膜１９及び７５の厚みは、０．２から１．０（μｍ）である。金属膜１９，及び７５は、例えば、スパッタ及び蒸着等の方法によって形成される。金属膜形成工程では、マスクを介さずに金属膜１９，及び７５を形成する。このため、金属膜１９は、開口２５の縁に及ぶ。金属膜７５の形状は、開口２５の形状とほぼ同じである。なお、本実施形態の電気パット部１０１には取出口１０５が設けられている。このため、スルーホール１１４（図１参照）の底面は、スルーホール１１４の形成によってデバイス層１３が露出した部位に加え、取出口１０５によって支持基板１１が露出した部位を含む。このため、金属膜形成工程では、取出口１０５に対応する支持基板１１の部位にも金属膜１０３が形成される。なお、金属膜１９，及び７５は、スルーホール１１０によって断線されている。金属膜１９，及び７５をより確実に断線させるために、例えば、スルーホール１１０を逆テーパー状に形成させてもよいし、図５に示すように接合膜１６の開口をスルーホール１１０の開口よりも大きくしてもよい。このようにすれば、金属膜１９，及び７５の成膜時に、両者をより確実に断線させることが可能である。

以上詳述したセンサ素子１の製造方法において、基板準備工程、デバイス層加工工程、犠牲層除去工程、接合工程、スルーホール形成工程、及び金属膜形成工程は、それぞれ本発明の基板準備工程、デバイス層加工工程、犠牲層除去工程、接合工程、スルーホール形成工程、及び金属膜形成工程に対応する。ＳＯＩ基板１０，支持基板１１，犠牲層１２，デバイス層１３，封止基板１４，振動体３０，駆動電極４０，検知電極５０及び共通電極６０は、それぞれ、本発明の半導体基板，支持基板、犠牲層、デバイス層、封止基板、振動体、駆動電極、検知電極及び共通電極に相当する。第一電極４１，４２は、本発明の一対の平行櫛歯状第一電極に相当する。第二電極５１，５２は、本発明の一対の平行櫛歯状第二電極に相当する。

以上詳述した製造方法によってセンサ素子１は製造される。センサ素子１を用いて圧力又は荷重を検知する場合には、センサ素子１の金属膜７２，８５，８６，９３，１０２及び１０３には、信号を入力したり取り出したりするためのボンディングワイヤが溶接される。本実施形態のセンサ素子１の製造方法では、ＳＯＩ基板１０を使用してセンサ素子１を製造している。このため、デバイス層加工工程及び犠牲層除去工程において、通常のシリコン半導体デバイスで使用される設計手法、加工方法を使用して、精度よくセンシング部２１を加工可能である。センサ素子１が備える金属膜は、接合膜１６（金属拡散接合によって接合した場合のみ）並びに金属膜１９，７５，及び１０３である。接合膜１６及び金属膜１９，７５，及び１０３はいずれも、犠牲層除去工程後に形成される。このため、従来技術のように、犠牲層除去工程においてセンシング部を構成する金属膜を保護するために、金属膜を覆う保護膜を形成したり、不要になった保護膜を除去したりする複雑な工程が不要である。

従来技術のように、スルーホールをサンドブラスト等の機械的な工程により形成した場合には、スルーホールのＸＺ又はＹＺ断面形状がテーパー状になり、スルーホールの底面を基準としてスルーホールの大きさを設計した場合には、スルーホールの開口が大きくなる傾向にあった。これに対し本実施形態のスルーホール形成工程では、エッチングによってスルーホールを形成するため、本実施形態のスルーホール１１０の開口２５の大きさと底面１１７の大きさとはほぼ等しくすることができる。したがって、スルーホールの底面を基準としてスルーホールの大きさを設計した場合にも、従来に比べスルーホールの開口の大きさを小さくすることができる。具体的には、上記実施形態のように平面視正方形状の開口及び底面を有し、底面の一辺の長さが０．２５（ｍｍ）となるスルーホールを形成する場合、２から３回の位置合わせを有する製造方法によって製造された場合には、該開口の一辺の長さは０．３（ｍｍ）程度であった。これに対し、本実施形態の製造方法によれば、該開口の一辺の長さをスルーホールの底面の一辺の長さとほぼ同じ約０．２５（ｍｍ）にすることが可能である。スルーホールは、センサ素子１のＸＹ平面に占める割合が大きいため、従来に比べスルーホールの開口の大きさを小さくした場合、センサ素子１の小型化が可能であり、センサ素子１の設計の自由度が向上する。

なお、本発明は上記実施形態に限られず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を加えてもよい。例えば、以下の（１）から（５）に示す変形が適宜加えられてもよい。

（１）センサ素子１が備える構成の形状、材料及び数等は適宜変更されてよい。例えば、支持基板１１及びデバイス層１３は、例えば、多結晶シリコンを用いて形成されてもよいし、シリコン以外の半導体材料を用いて形成されてもよい。他の例では、センサ素子１のセンシング部２１は、ＸＹ平面上Ｘ方向の中心線ＣＬ１及びＹ方向の中心線ＣＬ２について対称の形状を有していたが、非対称の形状を有していてもよい。

（２）振動体３０は、外部から加えられる荷重（圧力）に応じて共振周波数が変化する構成であればよい。例えば、振動体３０は、両端が支持基板１１に対して間接的に固定された梁状部３１，３２を備えていたが、梁状部の数は２以外であってもよいし、梁状部の一端側のみが、直接又は間接的に支持基板１１に対して固定されていてもよい。振動体３０は、梁状部を備えない構成でもよい。

（３）駆動電極４０は、振動体３０を振動させる信号が入力された場合に、振動体３０を振動させるものであればよく、一対の平行櫛歯状第一電極４１，４２に限定されない。例えば、駆動電極は、一定の間隙を設けて対向する一対の平行電極、又は多孔質電極によって複数の電極対を構成する電極でもよい。同様に、検知電極５０は、振動体の振動を検知可能なものであればよく、一対の平行櫛歯状第二電極５１，５２に限定されない。

（４）センサ素子１は、共通電極６０を備えていたが、駆動電極４０の第一電極４２と、検知電極５０の第二電極５２とは、それぞれ別体であってもよい。

（５）センサ素子１の製造方法は適宜変更されてよい。例えば、基板準備工程では、支持基板１１，犠牲層１２，及びデバイス層１３の材料に応じて形成方法を変更してもよい。他の例では、接合工程において、陽極接合等の金属拡散接合及び樹脂接合以外の方法によって、デバイス層１３と封止基板１４とが接合されてもよい。他の例では、上記実施形態では、接合膜１６の厚みが凹部１５の高さとなっていたが、凹部１５の高さは、接合膜１６の厚みで調整される他、支持基板１１の下面を加工することによって調整されてもよい。他の例では、スルーホール形成工程において、サンドブラスト等の機械的な方法によってスルーホールが形成されてよい。また、スルーホールは支持基板に設けられてもよい。この場合、スルーホールの開口は支持基板の下面に形成され、スルーホールの底面はデバイス層の底面に形成される。このため金属膜形成工程において、支持基板の下面に金属膜が形成されることになる。

１ センサ素子
１０ ＳＯＩ基板
１１ 支持基板
１２ 犠牲層
１３ デバイス層
１４ 封止基板
２１ センシング部
２２ 配線部
２４ 上面
２５ 開口
３０ 振動体
３１，３２ 梁状部
４０ 駆動電極
４１，４２ 第一電極
５０ 検知電極
５１，５２ 第二電極
７２，７５，８５，８６，９３，１０２，１０３ 金属膜
１１０，１１１，１１２，１１３，１１４，１１５，１１６ スルーホール
１１７ 底面

Claims (5)

1. 支持基板と、前記支持基板上に形成された犠牲層と、前記犠牲層上に形成されたデバイス層とを備える半導体基板を準備する基板準備工程と、
   前記基板準備工程後に、前記半導体基板のうちの前記デバイス層を加工して、前記支持基板に対して変位可能に支持された振動体と、前記振動体を振動させる信号が入力される駆動電極と、前記振動体の振動を検知する検知電極とを備えるセンシング部、及び当該センシング部と電気的に接続された配線部を形成するデバイス層加工工程と、
   前記デバイス層加工工程後に、前記犠牲層を選択的に除去して、前記センシング部と、前記支持基板との間に空間を形成する犠牲層除去工程と、
   前記犠牲層除去工程後に、前記半導体基板と、封止基板とを接合して、前記センシング部を封止する接合工程と、
   前記接合工程後に、前記配線部と外部とを導通させるスルーホールを形成するスルーホール形成工程と、
   前記スルーホール形成工程後に、前記スルーホールの形成によって前記デバイス層が露出した部位である前記スルーホールの底面、及び前記スルーホールの開口が形成されている面に金属膜を形成する金属膜形成工程と
   を備えることを特徴とする微小電気機械素子である、圧力又は荷重を検知するセンサ素子の製造方法。
2. 前記振動体は、少なくとも一端側が前記支持基板に対して固定された梁状部を備えることを特徴とする請求項１に記載のセンサ素子の製造方法。
3. 前記駆動電極は、一対の平行櫛歯状第一電極を備え、
   前記一対の平行櫛歯状第一電極のうちの一方は、前記支持基板に対して変位可能に前記振動体に接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のセンサ素子の製造方法。
4. 前記検知電極は、一対の平行櫛歯状第二電極を備え、
   前記一対の平行櫛歯状第二電極のうちの一方は、前記支持基板に対して変位可能に前記振動体に接続されてい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センサ素子の製造方法。
5. 前記駆動電極は、一対の平行櫛歯状第一電極を備え、
   前記検知電極は、一対の平行櫛歯状第二電極を備え、
   前記一対の平行櫛歯状第一電極のうちの一方と、前記一対の平行櫛歯状第二電極のうちの一方とは一体に形成された共通電極であり、当該共通電極は前記支持基板に対して変位可能に前記振動体に接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のセンサ素子の製造方法。

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