JP2015121468A - 力学量検出センサとその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】可動電極と可動電極を収容するパッケージ側に配置される固定電極とにより構成される隙間を高精度に確保できる力学量検出センサおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】パッケージに対して固定される固定電極１１０とパッケージに対して可動に配置される可動電極１０４との間隙の変動を利用して力学量を検出する力学量検出センサにおいて、パッケージを構成し可動電極の周囲に配置される枠部１１９と可動電極とが同一材料を含み形成されることを特徴とする力学量検出センサを提供する。
【選択図】図６

Description

本発明は、力学量の変化により対向した電極間の距離の変化をこれらの電極により形成されるコンデンサの静電容量の変化として検出することにより力学量変化を測定したり、電極間の接触によりスイッチングを行う力学量検出センサとその製造方法に関する。

容量型加速度センサは、固定電極と可動電極との間にできる間隙によるコンデンサの静電容量を検出することにより加速度を測定する。このような加速度センサを構成する可動電極は、固定電極が形成されている構造体と梁により保持されており、この梁の加速度によるたわみが可動電極の動きを発生し、固定電極との間のコンデンサ容量の変化を発生させている。固定電極と可動電極の間隙は、数μｍから数十μｍ程度であり、可動電極を保持する梁の厚みも数μｍから数十μｍである。また、梁のたわみを大きくするために、可動電極には錘が取り付けられた構造を有している。このような容量型加速度センサはその寸法精度などから、その製造方法として、シリコンを用いたいわゆるＭＥＭＳによる方法が多く採用されている（たとえば、特許文献１参照）が、近年の電鋳技術の発展により、電鋳による製造も提案されている（たとえば、特許文献２、３参照）。

しかしながら、シリコンを用いたＭＥＭＳによる方法では、シリコン本体を錘としたり、錘や可動電極を保持し、可動電極を可動するための梁をシリコンの窒化膜や酸化膜により作製する。この場合、シリコンを高アスペクト比でエッチングする工程を通す必要がある。この時、高額なドライエッチング装置を用いて危険性が高い特殊なガスを使用し、また、エッチングに際しても、シリコン化合物を使用していることからフッ化水素酸のような危険な薬品を多用する。このため、製造設備は高額となり、コスト高となるおそれがあった。

また、電鋳法により、このようなセンサを作製する場合、製造設備等はシリコンを用いたＭＥＭＳによる方法と比べ有利となるが、可動部となる梁や錘とそれを保持する部分を電鋳で作製することになるが、これを保持する固定電極を設けた基板と可動電極との間に設ける間隙を形成するために基板に凹部を形成する必要があり、この間隙の精度や可動部と固定基板との接続に課題があった。
さらに電鋳法による方法では、最終的にパッケージに収納する方法等に問題があった。

特開平８−３２０３４３号公報 特開２００７−１３９５８１号公報 特開２００９−１２８２６９号公報

本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、可動電極と可動電極を収容するパッケージ側に配置される固定電極とにより構成される隙間を高精度に確保できる力学量検出センサおよびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
本発明の力学量検出センサは、パッケージに対して固定される固定電極と前記パッケージに対して可動に配置される可動電極との間隙の変動を利用して力学量を検出する力学量検出センサであって、前記パッケージを構成し前記可動電極の周囲に配置される枠部と前記可動電極とが同一材料を含み形成されることを特徴とする。

また、本発明の力学量検出センサは、前記パッケージが、前記固定電極が固定される少なくとも２枚の基板を有し、前記枠部は、前記２枚の基板を接続するよう形成されることを特徴とする。

また、本発明の力学量検出センサは、前記同一材料が、ニッケルを主成分とする金属であることを特徴とする。また、本発明の力学量検出センサは、前記基板が、少なくともセラミックス、ガラス、表面に絶縁層が設けられたシリコンを含む絶縁性材料により構成されていることを特徴とする。

また、本発明の力学量検出センサは、前記可動電極が錘を備えることを特徴とする。
また、本発明の力学量検出センサは、前記固定電極と前記可動電極との間隙によるコンデンサの静電容量を検出することを特徴とする。また、本発明の力学量検出センサは、前記固定電極と前記可動電極との接触によるスイッチングを検出することを特徴とする。
また、本発明の力学量検出センサの製造方法は、前記枠部と前記可動電極とを電気めっき法により一括して形成する一括形成工程を備えることを特徴とする。

本発明によれば、動電極と可動電極を収容するパッケージ側に配置される固定電極とにより構成される隙間を高精度に確保できる力学量検出センサ、およびその製造方法を提供することができる。

本発明の実施形態に係わる力学量検出センサの概要を示す図である。 本発明の実施形態に係わる力学量検出センサの概要のうち主要部の断面を示す図である。 本発明の実施形態に係わる力学量検出センサの概要のうち主要部の断面を示す図である。 本発明の実施形態に係わるパッケージを作製するための工程のうち、リッド基板形成工程を示す図である。 本発明の実施形態に係わるパッケージを作製するための工程のうち、電子部品搭載と封止接合工程を示す図である。 本発明の実施形態に係わるパッケージを作製するための工程のうち、一括形成工程を示す図である。 本発明の実施形態に係わるパッケージを作製するための工程のうち、各種電極等が配置されたベース基板を作製する工程を示す図である。 本発明の実施形態に係わるパッケージを作製するための工程のうち、各種電極等が配置されたリッド基板を作製する工程を示す図である。 本発明の実施形態に係わるパッケージを作製するための工程のうち、パッケージを個片化する工程を示す図である。

本発明に係る実施形態について、図を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態に係わる電極間に生じる電気容量と電極間の接触によるスイッチングを行う力学量検出センサを基板上面より透視したものの概略を示す図であり、図２および図３は主要部の断面を示す図であり、図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ図１におけるＡ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’、Ｃ−Ｃ’の断面の概略を、図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ図１におけるＤ−Ｄ’、Ｅ−Ｅ’、Ｆ ？Ｆ’の断面の概略を示す図である。

この力学量検出センサ１０１は、ベース基板１０２とリッド基板１０３との間に錘を搭載した可動電極１０４が梁１０５に搭載され、この梁１０５は梁固定部１０６でベース基板１０２上に設けられた内部電極１０７と接続されている。

この内部電極１０７はベース基板１０２を封止するように形成された貫通電極１０８を介して、この力学量検出センサ１０１を外部の電子回路等に接続するための電極である外部電極１０９と接続されている。

また、可動電極１０４を挟んでいるベース基板１０２とリッド基板１０３の内側にそれぞれ形成されている固定電極１１０、１１１は、可動電極１０７が接続されている内部電極１０７とは異なる内部電極１１２と１１３に接続されており、ベース基板１０２側の内部電極１１２は、貫通電極１１４を介して、外部電極１１５に接続され、リッド基板１０３側の内部電極１１３はベース基板１０２とリッド基板１０３を電気的に接続するためのポール電極１１６につながり、さらに、ベース基板１０２に設置されている貫通電極１１７を介して外部電極１１８へとつながっている。

また、ベース基板１０２とリッド基板１０３は、枠部１１９により締結されており、金属で封止されている貫通電極１０８、１１４、１１７とともに力学量検出センサ１０１の内部の気密性を保持している。枠部１１９は可動電極１０７の周囲に配置されている。

ここで力学量検出センサ１０１が加速度を検出する加速度量検出センサとして使用される場合、この加速度量検出センサは、加速度を受けると梁１０５が変形し、可動電極１０４と二つの固定電極１１０と１１１との間に存在する間隙の距離に変化を起こす際に生じる静電容量の変化を外部電極１１５、１１８から取り出し、外部の処理回路により電気信号として取り出すことになる。
また、加速度によっては、可動電極１０４と固定電極１１０、１１１が接触させるようにすれば、スイッチング素子として使用することもできるようになる。

このような構造を有するパッケージ化された力学量検出センサ（加速度量検出センサ）１０１は、ベース基板１０２とリッド基板１０２となる二枚の平板基板をもとにして、各部をフォトリソグラフィー技術等により複数個同時に形成し、二枚の基板を重ね合わせ接合することにより複数個の加速度量検出センサを同一基板内に作製し、最終的には、切断分割することにより個片化することにより効率よく作製される。

このような力学量検出センサ（加速度量検出センサ）１０１を作製するための工程は、図４から図９において示すように、ベース基板の貫通電極と内部電極作製工程（Ｓ１工程）、梁部作製工程（Ｓ２工程）、可動電極および枠部作製工程（Ｓ３工程／一括形成工程）、ベース基板基板作製工程（Ｓ４工程）、リッド基板作製工程（Ｓ５工程）および組立工程（Ｓ６工程）から構成されている。

以下に図１に示した力学量検出センサ（加速度量検出センサ）１０１の作製について、図２および図３における各断面のうち、主要構成部をまとめた概略断面図をもとに説明する。

まず、Ｓ１工程では図４に示したごとく、ベース基板となる９６％アルミナ基板２０１に貫通電極となる部分にレーザーにより貫通穴２０２を開け（図４（ａ））、無電解めっき法により銅めっき層２０３を貫通穴２０２内を含めたアルミナ基板２０１全体に形成し（図４（ｂ））し、ドライフィルムフォトレジストをアルミナ基板２０１の量面に貼付後、第一面を完全に覆い、第二面を露光現像により所望の開口部２０４を有するめっきレジスト層２０５を形成し（図４（ｃ））、電気めっきにより、貫通穴２０２を塞ぐように電気銅めっき層２０６を形成した後、この電気銅めっき層２０６の表面に電気めっき法によりニッケルめっき２μｍと金めっき０．０５μｍからなる表面めっき層２０７を形成し（図４（ｄ））、めっきレジスト層２０５を剥離し（図４（ｅ））、ドライフィルムフォトレジストをアルミナ基板２０１の量面に貼付後、第二面を完全に覆い、第一面を露光現像により所望の開口部２０８を有するめっきレジスト層２０９を形成し、電気めっき法によりニッケルめっき２μｍと金めっき０．０５μｍからなる表面めっき層２１０を形成し（図４（ｆ））、最後にめっきレジスト層２０９を剥離除去することにより、貫通電極、内部電極および固定電極の主要部が形成されたベース基板２１１を得る。

次に、Ｓ２工程では、図５に示したごとく、ベース基板２１１のうち第一面に梁が接続されるべき内部電極と枠部および図示しないポール電極１１６部が接続される部分が開口部２１２となり、かつ、可動電極とベース基板上の固定電極との間の間隙となるべき厚みの第一のめっきレジスト層２１３をポジ型フォトレジストのコートと露光現像により作製し（図５（ａ））、この第一面表面全体にクロム膜２０ｎｍ、銅膜１００ｎｍからなる導電膜２１４を順次スパッタリング法で形成し（図５（ｂ））、可動電極、梁および図示しないポール電極の形状と枠部が接続される部分に開口部２１５となるように、また、ベース基板２１１の第二面の全面に第二のめっきレジスト層２１６をポジ型フォトレジストのコートと露光現像により作製し（図５（ｃ））、梁の厚みとなるように電気めっき法によりニッケルめっき層と密着層としての金めっき層からなるめっき層２１７を開口部２１５内に形成し（図５（ｄ））、第二のめっきレジスト層２１６を剥離することにより梁２１８が形成されたベース基板２１９を得る。

次に、Ｓ３工程では、図６に示したごとく、ベース基板２１９の第二面の全面と第一面に可動電極と枠部および図示しないポール電極となるべき部分に開口部２２０を有し、且つ、可動電極の厚みおよび枠部の高さとなるべき厚み以上のめっきレジスト層２２１をドライフィルムフォトレジストの貼付、露光、現像により形成し（図６（ａ））、開口部２２０に可動電極の厚みおよび枠部、図示しないポール電極の高さとなるべき厚み以上の厚みを有するニッケルめっき層２２２を電気めっき法により形成し（図６（ｂ））、ニッケルめっき層２２２の表面を必要に応じて、研削、研磨を施すことにより、可動電極２２３と枠部２２４および図示しないポール電極の高さを所望の厚みまで削ると同時に平坦度をだし、可動電極２２３と枠部２２４および図示しないポール電極の主要部が形成されたベース基板２２５を得る（一括形成工程）。

次に、Ｓ４工程では、図７に示したごとく、めっきレジスト層２２１を剥離し（図７（ａ））、ベース基板２２５の第二面の表面の銅めっき層２０３の表面に現れている部分と第一面の表面に現れた導電膜２１４を銅膜、クロム膜の順にエッチング除去し（図７（ｂ））、第一のめっきレジスト層２１３を除去することにより可動電極２２３と梁２１８を形成し（図７（ｃ））、最後にベース基板２２５の第一面表面の銅めっき層２０３のうち表面に現れている部分をエッチング除去することにより、可動電極２２６、梁２２７、枠部２２８および図示しないポール電極、さらに固定電極２２９、内部電極２３０、貫通電極２３１、外部電極２３２が備えられたベース基板２３３を得る。

次に、Ｓ５工程では、図８に示したごとく、ベース基板２０１と同じ材質である９６％アルミナ基板２３４の第一面にクロム膜５０ｎｍ、銅膜５００ｎｍからなる導電層２３５をスパッタリングで形成し（図８（ａ））、枠部およびリッド基板側の固定電極、内部電極、枠部および図示しないポール電極部となる部分が開口部２３６となるようにドライフィルムフォトレジストによりパターニングされためっきレジスト層２３７を形成し（図８（ｂ））、電気めっき法によりニッケル層０．５μｍ、金層０．０５μｍからなるめっき層２３８を形成し（図８（ｃ））、固定電極および内部電極となる部分をドライフィルムフォトレジストによるパターニングによりめっきレジスト層２３９を形成し（図８（ｄ））、開口している枠部および図示しないポール電極部となる部分に電気めっき法により所望とする厚みのニッケル層と酸化防止用の金層０．０５μｍからなる間隙形成層を兼ねるはんだバリア層２４０を形成し（図８（ｅ））、メッキレジスト層２３９および２３７を剥離、除去し（図８（ｆ））、表面にあらわれた導電層２３５を銅層、クロム層の順にエッチング除去し（図８（ｇ））、金（８０％）、スズ（２０％）からなる金スズ共晶はんだペーストをリッド部とポール電極となる部分のバリア層２４０の上にスクリーン印刷法により印刷した後、リフロー処理および洗浄を行うことにより金スズ接合層２４１を形成することによりリッド基板２４２を得る。

次に、Ｓ６工程では、図９に示したごとく、ベース基板２３３とリッド基板２４２を内面となるべき面を対向、位置合わせし（図９（ａ））、真空中で加圧、加熱することにより金スズ接合層２４１を溶融し、ベース基板２３３の枠部２２８とリッド基板２４２のバリア層２４０を接合することにより、可動電極２３０等が真空封入され（図９（ｂ））、最後にウエハをダイシング装置で切断することにより個片化し、パッケージ化された力学量検出センサ（加速度量検出センサ）２４３を得る。

本実施の形態では、片持ち梁の容量型加速度センサおよびスイッチング素子機能を有する加速度量検出センサを例に挙げたが、両持ち梁や複数の梁を備えたセンサとすることも可能であることは言うまでもなく、梁におけるバネ力や可動電極と固定電極との間隙の距離、さらに錘の質量等については、目的とするセンサの仕様により任意に設定できるものであり、規定されるものではないことは言うまでもなく、これらの設定は、作製工程におけるめっき膜厚、めっきレジスト層の厚み、および平面における寸法によって任意に決定することができる。

また、ベース基板およびリッド基板の材料として９６％アルミナ基板（セラミックス）を用いたが、ガラスや酸化膜により表面が絶縁化されたシリコンウエハ等の絶縁性材料でも適用できることは言うまでもない。

また、本実施の形態では、貫通電極をフォトリソグラフィー法と銅めっきにより作製したが、ベース基板の内外をつなぐ電極を他の方法、例えば、アルミナ基板を焼成作製する際に、金属ペーストとともに作製する方法等を用いることによっても同様の効果を発揮する。

このようにして作製される力学量検出センサは、センサを構成するベース基板とリッド基板がこれを接続する金属製枠部とともにパッケージの役割を果たすことになるので、センサの小型化、薄型化を可能にするとともに、別に設けられたパッケージにセンサを実装、封入する必要がないのでコスト面においても非常に優れたものとなる。

また、ウエハ状基板を用いることにより、センサを多数個取りし、封止後、切断し、個片化するので、格段に生産性をあげることができる。
以上、本発明によれば、信頼性が高く、小型化、薄型化に優れた力学量検出センサを安価で提供することができる。

本発明の力学量検出センサは、可動電極を構成する電極、梁、錘が金属で構成されているので、強度が高く、耐食性等の信頼性に優れたものとなり、可動電極と対向する固定電極を形成する基板としてセラミックス、ガラス、絶縁層を形成したシリコン等からなる平板基板を用いるので、可動電極と固定電極の間隙を安定的なものとすることができ、可動電極を収納する二枚の平板基板を接続する枠が金属からなることから、強度、耐食性等の信頼性に優れたものとすると同時に可動電極を挟み、少なくとも一方の平板基板上に固定電極が形成されている二枚の平板基板がセンサのパッケージを構成することから、小型化が可能となり、さらに、コスト面で優れたものとなる。

また、本発明の力学量検出センサは、可動電極の主要部である錘を構成する金属と実質的にこのセンサのパッケージの側壁を構成し、かつ、可動電極と固定電極間の間隙に影響を与えることとなる二枚の平板基板とを接続する金属が同じ材質であることから、熱膨張率が同じとなるので、熱による膨張、収縮等による可動電極と固定電極の電極間距離の変化を抑えることができるので、センサとしての温度特性が優れたものとなる。

また、本発明の力学量検出センサは、可動電極の主要部である錘を構成する金属と実質的にこのセンサのパッケージの側壁を構成し、かつ、可動電極と固定電極間の間隙に影響を与えることとなる二枚の平板基板とを接続する金属がニッケルであることから、熱膨張率が同じとなるので、熱による膨張、収縮等による可動電極と固定電極の電極間距離の変化を抑えることができるので、センサとしての温度特性が優れたものとなり、さらに、その製造方法として安価な湿式めっき法を採用できるので容易かつ安価なものとなる。

また、本発明の力学量検出センサの製造方法によれば、可動電極部を構成する錘の主要部を構成する金属と二枚の平板基板とを接続する金属からなる枠部を電気めっき法により形成するので、これら二つを同時に形成することができると同時に、同じ金属とすることができるので、熱膨張率が同じとなるので、熱による膨張、収縮等による可動電極と固定電極の電極間距離の変化を抑えることができるので、センサとしての温度特性が優れたものとなり、さらに、その製造方法として安価な湿式めっき法を採用できるので容易かつ安価なものとして提供することができる。

１０１、２４３ 力学量検出センサ
１０２、２１１、２１９、２２５、２３３ ベース基板
１０３、２４２ リッド基板
１０４、２２３、２２６ 可動電極
１０５、２１８、２２７ 梁
１０６ 梁固定部
１０７、１１２、２３０ 内部電極
１０８、１１４、１１７、２３１ 貫通電極
１０９、１１５、１１８、１２０、２３２ 外部電極
１１０、１１１、２２９ 固定電極
１１６ ポール電極
１１９、２２４、２２８ 枠部
２０１、２３４ アルミナ基板
２０２ 貫通穴
２０３ 銅めっき層
２０４、２０８、２１２、２１５、２２０、２３６ 開口部
２０５、２０９、２２１、２３７、２３９ めっきレジスト層
２０６ 電気銅めっき層
２０７、２１０ 表面めっき層
２１３ 第一のめっきレジスト層
２１４、２３５ 導電膜
２１６ 第二のめっきレジスト層
２１７、２３８ めっき層
２２２ ニッケルめっき層
２４０ バリア層

Claims (8)

1. パッケージに対して固定される固定電極と前記パッケージに対して可動に配置される可動電極との間隙の変動を利用して力学量を検出する力学量検出センサにおいて、
   前記パッケージを構成し前記可動電極の周囲に配置される枠部と前記可動電極とが同一材料を含み形成されることを特徴とする力学量検出センサ。
2. 前記パッケージは、前記固定電極が固定される少なくとも２枚の基板を有し、
   前記枠部は、前記２枚の基板を接続するよう形成されることを特徴とする請求項１に記載の力学量検出センサ。
3. 前記同一材料が、ニッケルを主成分とする金属であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の力学量検出センサ。
4. 前記基板は、少なくともセラミックス、ガラス、表面に絶縁層が設けられたシリコンを含む絶縁性材料により構成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の力学量検出センサ。
5. 前記可動電極は、錘を備えることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の力学量検出センサ。
6. 前記固定電極と前記可動電極との間隙によるコンデンサの静電容量を検出する請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の力学量検出センサ。
7. 前記固定電極と前記可動電極との接触によるスイッチングを検出する請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の力学量検出センサ。
8. 前記枠部と前記可動電極とを電気めっき法により一括して形成する一括形成工程を備えることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の力学量検出センサの製造方法。

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