JP2017040540A - 複合センサデバイスの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】異物が侵入しても動作異常が発生しにくく、構造がシンプルで製作も容易な複合センサデバイスの製造方法を提供する。
【解決手段】機能基板ｋと、凹部２２ｂが形成された第一の補助基板ｈ１とを用意し、所定の気圧環境下で接合し密閉室２８を形成する第一の補助基板接合工程を備える。機能基板ｋの表面を研磨して第一の可撓部２２を形成する機能基板研磨工程を備える。機能基板ｋの第一の可撓部２２の部分、及びここから離れた部分を変質させて圧力検出用素子２４及び加速度検出用素子３８を形成する素子形成工程を備える。各検出用素子２４，３８の各出力を取り出すための電気配線の処理を行う機能基板配線工程を備える。機能基板ｋ及び第一の補助基板ｈ１の特定部分をエッチングにより除去し、第一及び第二の台座部２６，４４の部分、第二の可撓部３０、重錘部４２等を形成するエッチング工程を備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、圧力センサと各種の機能デバイスとを有する複合センサデバイスの製造方法に関する。

従来、図１１に示すように、気体の圧力を検出する圧力検出部と加速度を検出する加速度検出部とを有するセンサ本体１００が筐体内１０２内に設置された複合センサデバイス１０４があった。センサ本体１００は、筒状の側壁部１０６と、撓み性を有する膜であって側壁部１０６の上面を塞ぐように形成されたダイヤフラム１０８と、側壁部１０６の下面を塞ぐように取り付けられた重錘体１１０とを備え、側壁部１０６、ダイヤフラム１０８及び重錘体１１０により封止された密閉室１１２が形成されている。さらに、側壁部１０６及び重錘体１１０の周囲に設けられた枠状の台座１１４と、台座１１４と側壁部１０４とを接続する両端固定梁状の構造体であって、検出対象の加速度の作用により撓みを生じる接続部１１６とを備えている。

センサ本体１００は、可撓性を有する第一の基板α１と、第一の基板α１よりも厚い第二及び第三の基板α２，α３とを順番に積層し、積層する過程で各部に複数の処理や加工を行うことにより製造される。第一の基板α１は、薄いシリコン基板等であり、ダイヤフラム１０８及び接続部１１６は、矩形の第一の基板α１の内側をエッチングして幅狭のスリット１１８を設けることにより形成されている。

圧力検出部は、ダイヤフラム１０８の撓みを電気信号として検出するブロックであり、ダイヤフラム１０８の特定部分を変質させることによって、複数のピエゾ抵抗素子１２０が設けられている。密閉室１１２は、第一の基板α１と第二の基板α２とを接合し、第二の基板α２の内側をエッチングして側壁部１０６を形成し、その後、第二の基板α３に第三の基板α３を接合し、側壁部１０６の下端開口を塞ぐことによって形成されている。

加速度検出部は、重錘部１１０が変位した時の接続部１１６の撓みを電気信号として検出するブロックであり、接続部１１６の特定部分を変質させることによって複数のピエゾ抵抗素子１２２が設けられている。重錘部１１０は、第三の基板α３の内側をエッチングして形成されている。

台座１１４は、第二の基板α２の内側をエッチングして形成された上側部分１１４ａと、第三の基板α３の内側をエッチングして形成された下側部分１１４ｂとで構成され、第一の基板α１の周縁部を下方から支持している。

第一の基板α１の端部には、ピエゾ抵抗素子１２０，１２２の信号を外部出力するための複数のパッド１２４が設けられている。パッド１２４は金やアルミ等の層であり、パッド１２４とピエゾ抵抗素子１２０，１２２との間の電気的接続は、第一の基板α１の内部の拡散層によって行われている。あるいは、第一の基板α１表面に金やアルミ等の配線パターンを設けて接続している。

筐体１０２は、例えば樹脂製の箱体であり、左右側面に、下向きに突出する複数の基板実装用端子１２６が設けられている。センサ本体１００は、筐体１０２の底部に設置され、ダイヤフラム１０８が筐体１０２の天板に形成された気体導入孔１０２ａに対向している。また、センサ本体１００の各パッド１２４は、対応する基板実装用端子１２６の基端部にボンディングワイヤ１２８で接続され、ピエゾ抵抗素子１２０，１２２の信号が基板実装端子１２６を通じて外部出力される。

複合センサデバイス１０４は、特許文献１の図面に開示されているセンサ（圧力と加速度との双方を検出するセンサ）を筐体１０２内に設置したような構成であり、圧力及び加速度の測定原理及び動作は、特許文献１のセンサと同様である。

また、特許文献２に開示されているように、圧力センサと加速度センサとを有するセンサ本体を、基板ウエハとデバイスウエハとを積層することによって製造するセンサ製造方法があった。デバイスウエハは、ＤＳＯＩウエハ（ダブル・シリコン・オン・インシュレータ・ウエハ）で成り、酸化物層に挟まれた第一及び第二のデバイス層を有している。第二のデバイス層の特定部分に圧力センサ用のダイヤフラムが形成され、ダイヤフラム下方の第一のデバイス層の一部が円錐台状に除去されている。圧力センサの密閉室（真空室等）は、ダイヤフラムと、第一のデバイス層の除去された部分の内周面と、基板ウエハに形成された凹部とで囲まれている。加速度センサは、第一及び第二のデバイス層で形成されたプルーフマスを有し、プルーフマスが第二のデバイス層で成る１つの撓み領域により支持されている。つまり、プルーフマスを１つの撓み領域で片持ち梁状に支持して成る一軸加速度センサの構造になっている。台座は、デバイスウエハの第一のデバイス層の一部と基板ウエハとで構成されている。

特許文献２のセンサ本体の構造は、圧力センサと加速度センサとが異なる位置に区分けして設けられている点に特徴があり、例えば、加速度センサの部分をキャップで覆い、圧力センサの部分をキャップで覆わない構造にすることが可能になる（特許文献２の図１）。加速度センサを覆うことにより、気体に含まれる異物が加速度センサの内部に侵入して動作異常が発生するのを防止することができる。また、圧力センサをキャップで覆わないため、気体圧力が圧力センサに作用するのが妨げられず、気体圧力の検出を良好に行うことができる。

特開２００４−２４５７６０号公報 特開２００１−１３７８１８号公報

従来の複合センサデバイス１０４（センサ本体１００）及び特許文献１のセンサを製造する場合、第二の基板α２に第三の基板α３を接合する工程は、密閉室１１２（例えば真空室）を形成するため、気圧が管理された環境下（例えば真空環境下）で行われるが、ダイヤフラム１０８や接続部１１６のような薄くて微細な部分を有する第一の基板α１が投入されるので、破損しないように極めて慎重に取り扱わなければならず、効率よく製造するのが難しい。また、圧力検出部と加速度検出部とが同じ位置に重なるように配置した構造なので、特許文献２のように、加速度検出部を異物侵入防止用のキャップ等で覆うことができない。キャップを設けると、圧力検出部も覆ってしまい、気体圧力が圧力検出部に作用するのが妨げられるからである。

また、特許文献２に開示されているセンサの製造方法の場合、ＤＳＯＩウエハを用いて、プルーフマスと撓み領域である梁とを形成すると共に、圧力センサのダイヤフラムを形成しているので、感度の高い圧力センサ及び加速度センサを構成することが難しい。感度の高い検出を行うには、ダイヤフラムや梁部分を薄くし、プルーフマスを厚くすることが好ましいが、１枚のＤＳＯＩウエハにより、薄いダイヤフラムや梁部分と厚いプルーフマスとを最適に設定することは難しく、高感度、高出力であって、強い衝撃等を受ける加速度センサや、高い圧力の圧力センサには構造的に不向きなものである。また、基板ウエハとＤＳＯＩウエハとを接合する工程は、圧力センサの密閉室（例えば真空室）を形成するため、気圧が管理された環境下（例えば真空環境下）で行われるが、ダイヤフラムや撓み領域のような薄くて微細な部分を有するＤＳＯＩウエハが投入されるので、破損しないように極めて慎重に取り扱わなければならない。しかも、ＤＳＯＩウエハは、複数の層の複数の部分に様々な処理や加工を行わなければならないので、製造プロセスが複雑になる。したがって、このセンサの製造方法の場合、センサ本体を効率よく製造するのが難しく、しかも高度な製造設備が必要になりコストがかかるという問題がある。

本発明は、上記背景技術に鑑みて成されたものであり、圧力センサと各種の機能デバイスとを有するセンサ本体を、高度な製造設備を使用せずに効率よく製作できる複合センサデバイスの製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、圧力センサと機能デバイスとを有する複合センサデバイスの製造方法であって、機能基板と、表面の特定位置に第一の凹部が形成された第一の補助基板とを用意し、前記機能基板の裏面に前記第一の補助基板の表面を当接させ、所定の気圧環境下で接合することによって、前記機能基板と前記第一の凹部とで囲まれた密閉室を形成する第一の補助基板接合工程と、前記第一の補助基板接合工程の後、前記機能基板の表面を研磨して薄くすることにより、前記第一の凹部を塞ぐ位置に、前記機能基板で成る第一の可撓部を形成する機能基板研磨工程と、前記機能基板研磨工程の後、前記機能基板の前記第一の可撓部の部分を変質させ、機械的歪みを受けて自己の電気特性が変化する圧力検出用素子を形成すると共に、前記第一の可撓部から離れた特定の部分を変質させ、機械的歪みを受けて自己の電気特性が変化する機能素子を形成する素子形成工程と、前記素子形成工程の後、前記圧力検出用素子及び前記機能素子の各出力を取り出すため、前記機能基板の内部又は表面に電気配線の処理を行う機能基板配線工程と、前記機能基板研磨工程の後、前記機能基板及び前記第一の補助基板の特定部分をエッチングして除去することにより、前記第一の可撓部及びその周辺を前記基板の裏面側から支持する第一の台座部、前記機能基板の前記機能素子が配置された部分を梁状にした第二の可撓部、前記第二の可撓部の端部に連続する重錘部、及び前記第二の可撓部の前記重錘部から離れた位置を支持する第二の台座部を形成するエッチング工程とを備える複合センサデバイスの製造方法である。

前記各工程を経て作製された前記機能基板及び前記第一の補助基板で成る積層体は、複数の前記複合デバイスセンサが多面付けされたものであり、前記積層体を分割して個々の複合センサデバイスを得る分割工程を備える構成にしてもよい。

また、前記第一の補助基板の表面の、重錘部に対応する特定位置に第二の凹部が形成された第二の補助基板を用意し、前記各工程の後、前記第一の補助基板の裏面に前記第二の補助基板の表面を当接させて接合し、前記第二の凹部を非接触で前記重錘部に対向させ、前記第一の補助基板の前記重錘部の周囲を閉鎖する第二の補助基板接合工程を備える構成にしてもよい。

また、前記エッチング工程において、前記機能基板及び第一の補助基板の特定部分をエッチングして除去することにより、前記第一の台座部が前記第二の台座部を支持する連結梁を形成し、前記第二の補助基板接合工程に投入される前記第二の補助基板は、前記第二の凹部が前記第一の補助基板の重錘部及び前記連結梁に対応する位置に形成されている構成にしてもよい。さらに、前記各工程を経て作製された前記機能基板、前記第一の補助基板、及び前記第二の補助基板の積層体は、複数の前記複合デバイスセンサが多面付けされたものであり、前記各工程の後、前記積層体を分割することによって個々の複合センサデバイスを得る分割工程を備える構成にしてもよい。

前記機能基板の裏面には、前記第二の可撓部及びこの近傍に対応する特定位置に第三の凹部が形成されると共に、前記裏面の前記第一の可撓部及びこの近傍に対応する特定位置に第四の凹部が形成された第三の補助基板を用意し、前記各工程の後、前記機能基板の表に前記第三の補助基板の裏面を当接させて接合し、前記第三の補助基板の前記第四の凹部が設けられている領域を切断して除去することによって、前記機能基板の前記第二の可撓部及びこの近傍を覆う蓋部を形成する第三の補助基板接合及び切断工程を備える構成にしてもよい。さらに、前記各工程を経て作製された前記機能基板、前記第一の補助基板、前記第二の補助基板、及び前記第三の補助基板の積層体は、複数の前記複合デバイスセンサが多面付けされたものであり、前記各工程の後、前記積層体を分割することによって個々の複合センサデバイスを得る分割工程を備える構成にしてもよい。

この他、前記第一の補助基板接合工程に投入される前記機能基板及び前記第一の補助基板は、互いに接合される側の面に酸化膜が形成され、前記第一の補助基板接合工程において、前記シリコン基板と前記第一の補助基板を、両者間に電圧を印加しながら加熱と加圧を行って接合する構成にすることが好ましい。前記機能基板研磨工程では、前記機能基板の表面を研磨することによって、厚さ３〜５μｍの前記第一の可撓部を形成する構成にすることが好ましい。

前記機能基板はシリコン基板で成り、前記圧力検出用素子は、自己の抵抗値の変化に基づいて気体の圧力を検出するピエゾ抵抗素子であり、前記前記機能素子は、自己の抵抗値の変化に基づいて加速度を検出するピエゾ抵抗素子であり、前記素子形成工程において、前記シリコン基板に不純物イオンを注入し変質させることによって前記ピエゾ抵抗素子を作製する構成にしてもよい。

本発明の複合センサデバイスの製造方法は、真空室等の気圧が管理された環境下で行われる工程（第一の補助基板接合工程）を備えているが、従来とは異なり、薄くて微細な部分を有しない状態の機能基板及び第一の補助基板を投入して行うことができるため、機能基板及び第一の補助基板の取り扱いが容易である。しかも、ＤＳＯＩウエハ等を使用しないので、製造プロセスも複雑にならない。したがって、センサ本体を効率よく製造することができ、高度な製造設備も不要になる。

また、本発明の複合センサデバイスの製造方法によれば、圧力センサと機能デバイスとが異なる位置に区分けして設けられるので、機能デバイスの部分だけを蓋部で覆う構造にすることができる。つまり、第三の補助基板接合及び切断工程を行って蓋部を設けることにより、機能デバイスの内部に異物が侵入しにくく、しかも圧力センサによる気体圧力の検出も良好に行われる複合センサデバイスを容易に得ることができる。

また、大型の機能基板、第一、第二、第三の補助基板を使用し、複数のセンサ本体を多面付けの状態に製作し、最後に分割工程により個々のセンサ本体に分割するという製造方法にすることにより、さらに生産性を向上させることができ、効率よく大量生産することができる。

複合センサデバイスの第一の実施形態を示す正面図（ａ）、Ｂ１−Ｂ１断面図（ｂ）である。 図１（ｂ）のＢ２−Ｂ２断面図である。 多面付けされたシリコン基板及び各補助基板を模式的に描いた図である。 本発明の複合センサデバイスの製造方法の一実施形態を示す図であって、第一の補助基板接合工程を示す図（ａ）、機能基板研磨工程を示す図（ｂ）、素子形成工程を示す図（ｃ）、及びエッチング工程を示す図（ｄ）である。 本発明の複合センサデバイスの製造方法の一実施形態を示す図であって、第二の補助基板接合工程と第三の補助基板接合及び切断工程とを示す図（ａ）〜（ｃ）、及び分割工程を示す図（ｄ）である。 複合センサデバイスの第一の実施形態を簡単化した２つの変形例を示す縦断面図（ａ）、（ｂ）である。 複合センサデバイスの第二の実施形態を示す正面図（ａ）、Ｃ１−Ｃ１断面図（ｂ）である。 図７（ｂ）のＣ２−Ｃ２断面図である。 複合センサデバイスの第三の実施形態を示す正面図（ａ）、Ｄ１−Ｄ１断面図（ｂ）である。 図９（ｂ）のＤ２−Ｄ２断面図である。 従来の複合センサデバイスを示す正面図（ａ）、Ａ１−Ａ１断面図（ｂ）、Ａ２−Ａ２断面図（ｃ）である。

以下、本発明の複合センサデバイスの製造方法の一実施形態について、図１〜図５に基づいて説明する。この実施形態の製造方法によって製造される複合センサデバイス１０は、図１、図２に示すように、圧力センサ１２と加速度センサ（機能デバイス）１４とを有するセンサ本体１６が１つの筐体１８内に設置されたものである。まず、組み立てられた複合センサデバイス１０の構造を簡単に説明する。

筐体１８は、例えば、合成樹脂製の閉じた箱体であり、圧力センサ１２の近傍に、圧力検出対象の気体を導入するための気体導入孔１８ａが設けられている。筐体１８及び気体導入孔１８ａは、筐体１８外の圧力と筐体１８内の圧力（圧力センサ１２に作用する気体の圧力）とが同じになるように設計されている。また、筐体１８の左右側面には、下向きに突出する複数の基板実装用端子２０が設けられている。基板実装用端子２０は、実装時の固定用にダミーの端子も設けられている。

センサ本体１６は、機能素子が形成されるシリコン基板である機能基板ｋ、第一、第二の補助基板ｈ１，ｈ２、及び第三の補助基板ｈ３を加工して設けられた蓋部４８により構成されている。補助基板ｈ１，ｈ２の外形は、互いに等しい長方形である。

圧力センサ１２は、機能基板ｋの特定位置に設けられたダイヤフラムである第一の可撓部２２（図１（ｂ）における左側の破線で囲んだ部分）を備えている。さらに、第一の可撓部２２には、第一の可撓部２２の機械的歪みを受けて自己の電気抵抗の値が変化するピエゾ抵抗素子である複数の圧力検出用素子２４が配設されている。

第一の可撓部２２及びその周辺は、図２に示すように、筐体１８の底部に固定された第一の台座部２６により支持されている。第一の台座部２６は、第一及び第二の補助基板ｈ１、ｈ２により形成され、補助基板ｈ１の表面が第一の可撓部２２及びその周辺の裏面側に当接している。さらに、第一の補助基板ｈ１は、この当接部分２６ａの内側に第一の凹部２６ｂを有し、第一の凹部２６ｂの開口が機能基板ｋの第一の可撓部２２で塞がれて密閉室２８（例えば、真空室）が設けられている。

圧力センサ１２の測定原理及び動作は、特許文献１のセンサが有する圧力検出部と同様である。つまり、筐体１８の気体導入孔１８ａから導入された気体が第一の可撓部２２に作用し、気体の圧力と密閉室２８内の圧力（真空室の場合０）との差に応じて第一の可撓部２２が弾性変形し、第一の可撓部２２が撓むことによって複数の圧力検出用素子２４の各抵抗値が変化し、各抵抗値の変化に基づいて気体の圧力を検出する。

加速度センサ１４は、機能基板ｋにおける第一の可撓部２２から離れた位置、つまり、図１（ｂ）における右側の例えば約３／４の広い領域に、梁状の第二の可撓部３０を４つ備えている。第二の可撓部３０は、機能基板ｋに幅狭のスリット３２を設けることにより形成され、略正方形の中央部３４を、外側にある略正方形の枠体部３６の各辺中央部に第二の可撓部３０を介して連結するような構造になっている。さらに、各第二の可撓部３０には、第二の可撓部３０の機械的歪みを受けて自己の電気抵抗の値が変化するピエゾ抵抗素子である複数の加速度検出用素子（機能素子）３８が配設されている。

機能基板ｋの中央部３４の４つの角部には、スリット３２により第二の可撓部３０と区切られた４つの翼状部４０が形成されている。中央部３４及び４つの翼状部４０（第二の可撓部３０の端部）の各裏面側には、それぞれ角柱状の部分が設けられている。５つの角柱状部分は、第一の補助基板ｈ１により形成され、互いの角部同士が繋がって一体になっており、外力を受けて変位する重錘部４２となる。

枠体部３６の裏面側は、図２に示すように、筐体１８の底部に固定された第二の台座部４４により支持されている。第二の台座部４４は、第一及び第二の補助基板ｈ１，ｈ２により第一の台座部２６と一体に設けられ、第一の補助基板ｈ１の部分が角筒状に形成され、その下端開口を第二の補助基板ｈ２の第二の凹部４６で塞いだ構造になっている。さらに、枠体部３６の表面側には、第二の可撓部３０、スリット３２及びこの近傍を広く覆う蓋部４８が設けられている。蓋部４８は、第三の補助基板ｈ３により形成され、第二の可撓部３０、中央部３４及び翼状部４０に対向する部分に広い第三の凹部４８ａが設けられている。

このように、加速度センサ１４の主要部分である第二の可撓部３０、加速度検出用素子３８、及び重錘部４２は、補助基板ｈ１，ｈ２により形成された第二の台座部４４と蓋部４８により囲まれた密閉空間内に設けられている。また、第二及び第三の凹部４６，４８ａの内側面は、重錘部４２又は機能基板ｋと非接触で対面し、外部から過大な衝撃が加わって重錘部４２や第二の可撓部３０、または中央部３４や翼状部４０が大きく変位した時に、保護用のストッパの働きをする。

加速度センサ１４の測定原理及び動作は、特許文献１のセンサが有する加速度検出部と同様である。つまり、外力が重錘部４２に作用し、重錘部４２の変位が４つの第二の可撓部３０に伝達され、第二の可撓部３０が撓むことによって複数の加速度検出用素子３８の抵抗値が変化し、各抵抗値の変化に基づいてＸＹＺ軸方向の加速度成分を検出する。

さらに、機能基板ｋの端部（図１（ｂ）における左下側の位置）には、圧力検出用素子２４及び加速度検出用素子３８の信号を外部出力するためのパッド５０が複数設けられている。パッド５０は金やアルミ等の層であり、図示しない配線パターン等を通じて圧力検出用素子２４及び加速度検出用素子３８と電気的に接続されている。

各パッド５０は、対応する基板実装用端子２０の基端部にボンディングワイヤ５２で接続され、圧力検出用素子２４及び加速度検出用素子３８の信号が、基板実装端子２０を通じて外部出力される。なお、図１（ｂ）では、パッド５０が４個、基板実装用端子２０が図の左右で合計７本のみ表示されているが、パッド５０及び基板実装用端子２０は、圧力検出用素子２４及び加速度検出用素子３８の数により適宜設定される。

次に、本発明の一実施形態である複合センサデバイス１０の好ましい製造方法を説明する。上記の機能基板ｋ、第一乃至第三の補助基板ｈ１，ｈ２，ｈ３は、図３に示すように、それぞれ規定のサイズに多面付けされた大型の機能基板Ｋ、第一乃至第三の補助基板Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３として製造工程に投入される。以下、分割前の大型の基板をアルファベット大文字で示す。１つの複合センサデバイス１０に使用される単位領域は、ハッチングで示す１区画である（長手方向の長さが例えば約１ｍｍ）。

まず、図４（ａ）に示すように、機能基板Ｋと、表面に第一の凹部２６ｂを形成した第一の補助基板Ｈ１とを用意する。機能基板Ｋの厚みは、取り扱い性を考慮した適度な厚み、例えば約３００μｍである。第一の補助基板Ｈ１は、例えば厚みが約４００μｍ程度のシリコン基板を用い、第一の凹部２６ｂの深さは例えば約３〜５μｍである。また、機能基板Ｋ及び第一の補助基板Ｈ１は、互いに対向する側の面に、接合性を向上させるための酸化膜を形成しておくとよい。そして、真空の環境下で機能基板Ｋと第一の補助基板Ｈ１とを重ね、両者間に電圧を印加しながら所定の高温状態で加圧して接合し、密閉室２８を形成する（第一の補助基板接合工程）。その後、機能基板Ｋの表面を研磨して厚みを約３〜５μｍまで薄くし、図４（ｂ）に示すように、機能基板Ｋが圧力センサ１２のダイヤフラム等として機能可能な厚さにする（機能基板研磨工程）。これにより、十分な可撓性を有する第一の可撓部２２が形成される。

機能基板Ｋは、最初から薄いものを用いると破損させやすいので、第一の補助基板接合工程には取り扱い性の良い厚さのものを投入し、第一の補助基板Ｈ１に接合した後、機能基板研磨工程を行って薄くする。機能基板Ｋの厚みを３〜５μｍとしたのは、以下の理由による。圧力センサ１２の検出感度は、例えばダイヤフラムの径を一定（ここでは、２００〜３００μｍ）とすると、ダイヤフラム厚の２乗に反比例する。感度は、ダイヤフラム厚を薄くすれば、飛躍的に高くなるが、機能基板Ｋを精度よく研磨するには加工限界がある。つまり、量産時の歩留りを考慮した加工限界が３〜５μｍである。なお、ダイヤフラムの径が大きくなれば、同様の感度で厚みを厚くできるが、圧力センサ１２の領域が広くなり、複合センサデバイス１０のサイズが大きくなり、コストもアップする。さらに、複合センサデバイス１０の大きさに制約がない場合でも、より検出感度の高い方がセンサ出力のＳ／Ｎ比が良くなり、性能が向上する。したがって、圧力センサのダイヤフラムとしては、加工限界まで薄くすることが好ましく、この複合センサデバイス１０の場合、第一の可撓部２２の厚みは３〜５μｍが好適である。

その後、図４（ｃ）に示すように、機能基板Ｋの所定位置に不純物イオンを注入し、変質させることによって、圧力検出用素子２４及び加速度検出用素子３８を形成する（素子形成工程）。そして、機能基板Ｋの所定位置に、金やアルミ等の層であるパッド５０を形成し、各素子２４，３８とパッド５０との間を電気的に接続する処理を行う（機能基板配線工程）。パッド５０と圧力検出用素子２４及び加速度検出用素子３８との間の電気的接続、及び圧力検出用素子２４と加速度検出用素子３８の各々ピエゾ抵抗素子２４，３８間の相互接続は、例えば、機能基板ｋの内部の拡散層によって行う。あるいは、パッド５０の形成時に、機能基板Ｋの表面に金やアルミ等の配線パターンを同時に設けて接続してもよい。

その後、図４（ｄ）に示すように、機能基板Ｋのスリット３２の部分と第一の補助基板Ｈ１の特定領域とを深堀エッチングで除去し、第二の可撓部３０、第一の台座部２６の上側部分、重錘部４２、及び第二の台座部４０の上側部分を形成する(エッチング工程)。

次に、図５（ａ）に示すように、重錘部４２に対応する位置に第二の凹部４６を形成した第二の補助基板Ｈ２を用意する。さらに、第二の可撓部３０等に対応する位置に第三の凹部４８ａを形成すると共に、第一の可撓部２２及びこの近傍に対応する位置に第四の凹部４８ｂを形成した第三の補助基板Ｈ３を用意する。第二及び第三の補助基板Ｈ２，Ｈ３は、素材がシリコン、ガラス、セラミック、金属、樹脂等であり、それぞれの厚みは、例えば約１００〜３００μｍである。そして、図５（ｂ）に示すように、第二の補助基板Ｈ２の凹部４６側の面を第一の補助基板Ｈ１に接合する（第二の補助基板接合工程）。さらに、第三の補助基板Ｈ３の凹部４８ａ，４８ｂ側の面を機能基板Ｋに接合する。接合方法は、例えば、樹脂、ガラス、共晶合金、ハンダ等で接着するとよい。第二及び第三の補助基板Ｈ２，Ｈ３がシリコン材の場合はシリコン拡散接合でもよいし、補助基板Ｈ３がガラス材の場合は直接接合する陽極接合でもよい。

第二及び第三の補助基板Ｈ２，Ｈ３が接合されると、第二の可撓部３０、加速度検出用素子３８、及び重錘部４２が、第二の台座部４４及び第三の補助基板Ｈ３の第三の凹部４８ａで囲まれた密閉空間内に配置される。そして、図５（ｃ）に示すように、第三の補助基板Ｈ３のみを位置Ｌ１で切断し、第四の凹部４８ｂが設けられている領域を除去する（第三の補助基板接合及び切断工程）。この領域を除去するのは、圧力センサ１２の第一の可撓部２２を覆ってしまう不要な部分だからであり、蓋部４８として機能する第三の凹部４８ａの領域だけ残すためである。位置Ｌ１は、第三の補助基板Ｈ３が機能基板Ｋから離間している箇所なので、ダイシングソーで切断するときに機能基板Ｋを傷つけることなく、第三の補助基板Ｈ３の不要部分を除去することができる。これで、複数のセンサ本体１６が多面付けされた積層体が得られる。

その後、図５（ｄ）に示すように、積層体を位置Ｌ２で分割し、個々のセンサ本体１６を得る（分割工程）。なお、第三の補助基板Ｈ３を切断する時や積層体を分割する時は、切粉が発生したり洗浄用の液体等を使用したりするが、加速度センサ１４の中枢部分である第二の可撓部３０、加速度検出用素子３８、及び重錘部４２が密閉空間内にあるので、切粉等の異物が侵入して不具合が発生する心配はない。

その後、分割した各センサ本体１６を個々の筐体１８の底部に設置し、ボンディングワイヤ５２で配線した後、筐体１８を閉鎖すると、図１〜図３に示す複合センサデバイス１０の状態になる。

以上説明したように、この実施形態の複合センサデバイスの製造方法は、真空室等の気圧が管理された環境下で行われる工程（第一の補助基板接合工程）を備えているが、薄くて微細な部分を有しない状態の機能基板Ｋ及び第一の補助基板Ｈ１を投入して行うことができるため、機能基板Ｋ及び第一の補助基板Ｈ１の取り扱いが容易である。しかも、特許文献２に開示されたようなＤＳＯＩウエハ等を使用しないので、製造プロセスも複雑にならない。したがって、センサ本体１６を効率よく製造することができ、高度な製造設備も不要になる。

また、圧力センサ１２と加速度センサ１４とが異なる位置に区分けして設けられるので、加速度センサ１４の部分だけを蓋部４８等で覆う構造にすることができる。つまり、第三の補助基板接合及び切断工程を行って蓋部４８を設けることにより、加速度センサ１４の内部に異物が侵入しにくく、しかも圧力センサ１２による気体圧力の検出も良好に行われる複合センサデバイスを容易に得ることができる。

また、大型の機能基板Ｋ、第一、第二、第三の補助基板Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３を使用し、複数のセンサ本体１６を多面付けの状態に製作し、最後に分割工程により個々のセンサ本体１６に分割するという製造方法なので、非常に効率よく大量生産することができる。

次に、上記の製造工程の一部を省略することによって製作可能な複合センサデバイス１０の変形例について、図６（ａ）、（ｂ）に基づいて説明する。ここで、複合センサデバイス１０と同様の構成は、同一の符号を付して説明を省略する。

第一の変形例の複合センサデバイス５４は、図６（ａ）に示すように、筐体５６とセンサ本体５８とで構成され、複合センサデバイス１０とほぼ同じ機能を実現しつつ、全体の外形を薄型化したものである。

センサ本体５８は、上記のセンサ本体１６の構成から、加速度センサ１４を覆う蓋部４８（第三の補助基板ｈ３）が省略されている。さらに、第二の補助基板ｈ２が省略され、第一及び第二の台座部２６，４４が、第一の補助基板ｈ１だけで形成されている。筐体５６は、省略された蓋部４８及び第二の補助基板ｈ１の厚み分だけ低背化されており、第二の補助基板ｈ２に設けられていた第二の凹部４６が、筐体５６の底部に設けられている。

センサ本体５８を製造するときは、上記と同様に、第一の補助基板接合工程、機能基板研磨工程、素子形成工程、機能基板配線工程、及びエッチング工程を行う。そして、図４（ｄ）に示す積層体の状態で分割工程を行うことによって、個々のセンサ本体５８を得ることができる。その後、センサ本体５８を筐体５６の底部に設置し、ボンディングワイヤ５２を接続する等の作業を行うことによって、複合センサデバイス５４を製作することができる。

なお、ここでは上述の複合センサデバイス１０の構成から、第二の補助基板ｈ２と、蓋部４８を形成する第三の補助基板ｈ３を省略したが、第三の補助基板ｈ３による蓋部４８のみを省いても良く、第二の補助基板ｈ２のみを省いて蓋部４８を設けても良く、用途に合わせて適宜の構造を設定し得るものである。

第二の変形例の複合センサデバイス６０は、上記の複合センサデバイス１０の構成から筐体１８が省略され、センサ本体１６だけで構成されている。これは、いわゆるベアチップ実装用の形態であり、図６（ｂ）に示すように、センサ本体（複合センサデバイス６０）がユーザ側の実装基板６２の上面に直接設置（ダイボンド）され、パッド５０とユーザ実装基板６２とがボンディングワイヤ５２で接続される。

センサ本体１６は、上記のように、第一の補助基板接合工程、機能基板研磨工程、素子形成工程、機能基板配線工程、エッチング工程、第二の補助基板接合工程、第三の補助基板接合及び切断工程、及び分割工程を行って製作される。そして、図５（ｄ）に示すセンサ本体１６の状態で、複合センサデバイス６０として出荷される。

次に、上記の製造工程で製造可能な複合センサデバイスの第二の実施形態について、図７、図８に基づいて説明する。ここで、上記の複合センサデバイス１０と同様の構成は、同一の符号を付して説明を省略する。この実施形態の複合センサデバイス６４は、上記の複合センサデバイス１０と同様に、圧力センサ１２と加速度センサ（機能デバイス）１４とを有するセンサ本体６６が１つの筐体１８内に設けられたものである。

上記の複合センサデバイス１０は、第一及び第二の台座部２６，４４が一体に形成され、共に筐体１８に固定されているが、この複合センサデバイス６４は、第一の台座部２６が筐体１８に固定され、第二の台座４４は、筐体１８に直接固定されるのではなく、片持ち梁構造の連結梁６８を介して第一の台座部２６に支持されているという特徴がある。

複合センサデバイス６４は、図７（ｂ）、図８に示すように、機能基板ｋの外形のやや内側に加速度センサ１４の部分（第二の可撓部３０、スリット３２、中央部３４、枠体部３６及び翼状部４０）が設けられ、枠体部３６の外周に沿って幅狭のスリット７０が設けられ、外側の枠体部７２と区切られている。スリット７０は、パッド５０に近い位置で途切れており、連結梁６８は、この途切れた部分の機能基板ｋ及び第一の補助基板ｈ１により形成されている。枠体部７２の取付面である裏面側は、図８に示すように、第一の台座部２６の上面２６ｃにより支持されている。

第一の台座部２６は、第一及び第二の補助基板ｈ１，ｈ２により形成され、第一の補助基板ｈ１の角筒状の部分（枠体部７２の裏側の部分）の下端開口を第二の補助基板ｈ２の第二の凹部４６で塞いだ構造になっている。第二の台座部４４は、第一の補助基板ｈ１により形成され、第一の補助基板ｈ１の角筒状の部分（枠体部３６の裏側の部分）の下端開口は開放している。また、蓋部４８は、枠体部３６の表面側ではなく枠体部７２の表面側に設けられ、第二の可撓部３０、スリット３２に加えて、新たに設けられたスリット７０及びこの近傍も覆っている。つまり、複合センサデバイス６４の場合、加速度センサ１４の中枢部分である第二の可撓部３０、加速度検出用素子３８、重錘部４２、第二の台座部４４及び連結梁６８は、第一の台座部２６（第一及び第二の補助基板ｈ１，ｈ２）及び蓋部４８により囲まれた密閉空間内に設けられる。複合センサデバイス６４の他の構成は、複合センサデバイス１０と同様である。

複合センサデバイス６４は、上述した複合センサデバイス１０の製造工程の一部を変更することによって容易に製造できる。具体的には、エッチング工程で、上記の連結梁６８も合わせて形成する。さらに、第二の補助基板接合工程に投入する第二の補助基板ｈ２の第二の凹部４６を、第一の補助基板ｈ１の重錘部４２及び連結梁６８に対応する位置に形成しておけばよい。

複合センサデバイス６４は、上記の複合センサデバイス１０と同様の機能を実現しつつ、さらに、加速度センサ１４に発生するドリフト誤差を低減することができる。ドリフト誤差とは、加速度検出用素子３４の出力が加速度以外の要因で変化してしまうことによる誤差のことである。

複合センサデバイス１０の場合、図２に示すように、加速度センサ１４の第二の可撓部３０が十字状に配置され、第二の台座部４４の角筒状部分（第一の補助基板ｈ１の部分）により両端支持され、第二の台座部４４の下面全体（第二の補助基板ｈ２の下面全体）が筐体１８の底部に固定されている。したがって、例えば環境温度の変化によって筐体１８が膨張収縮すると、第二の台座部４４が変形し、これにより第二の可撓部３０が撓んでしまい、加速度検出用素子３８の抵抗値が変化する可能性がある。つまり、重錘部４２に加速度が作用していないにもかかわらず加速度検出用素子３８の抵抗値が変化することになるので、加速度検出のドリフト誤差となる。

これに対して、複合センサデバイス６４の場合、図８に示すように、加速度センサ１４の第二の台座部４４が筐体１８と独立し、第二の台座部４４が連結梁６８を介して第一の台座部２６に連結され支持される構造なので、筐体１８が膨張収縮しても、第二の台座部４４がほとんど変形せず、その影響が第二の可撓部３０に伝わらない。したがって、例えば、複合センサデバイス６４を図示しないユーザ実装基板にハンダ付けしたとき、加速度検出用素子３８の零点出力がほとんど変動せず、ドリフト誤差が極めて小さい値に抑えられる。なお、複合センサデバイス６４の場合、連結梁６８の厚みが第一の補助基板ｈ１の厚み（約４００μｍ）とほぼ等しくなっているが、連結梁６８の弾性特性を調節するため、第一の補助基板ｈ１の厚みより薄くしてもよい。

次に、上記の製造工程で製造可能な複合センサデバイスの第三の実施形態について、図９、図１０に基づいて説明する。ここで、上記の複合センサデバイス１０と同様の構成は、同一の符号を付して説明を省略する。この実施形態の複合センサデバイス７４は、上記の複合センサデバイス１０と同様に、圧力センサ１２と加速度センサ（機能デバイス）１４とを有するセンサ本体７６が１つの筐体１８内に設けられたものである。

上記の複合センサデバイス１０は、十字状に配置された４つの第二の可撓部３０が、枠状の第二の台座部４４により両端支持されているが、この複合センサデバイス７４の場合、Ｌ字状に配置された２つの第二の可撓部７８の基端部が、枠状の第二の台座部４４により片持ち梁状に支持されているという特徴がある。

複合センサデバイス７４は、図９（ｂ）に示すように、機能基板ｋにおける第一の可撓部２２から離れた位置、つまり、図９（ｂ）における右側の例えば約３／４の広い領域に、Ｌ字状の第二の可撓部７８を備えている。第二の可撓部７８は、機能基板ｋに渦巻き状のスリット８０を設けることにより形成され、基端部が、略正方形の枠体部３６のパッド５０に近い位置に連結されたような構造になっている。重錘部４２は、第二の可撓部７８の先端にある略正方形の先端部８２の裏面側に設けられている。複合センサデバイス７４の他の構成は、複合センサデバイス１０と同様である。

加速度センサ１４にＬ字状の第二の可撓部７８を設け、複数の加速度検出用素子３８を配置するという構成は、本願発明者らによる特許第５５０９３９９号公報に開示されている慣性センサの構成と同様であり、測定原理及び動作はほぼ同じである。複合センサデバイス４８は、上述した複合センサデバイス１０のエッチング工程の内容（エッチングのレイアウト）を変更することによって容易に製造できる。

複合センサデバイス７４は、上記の複合センサデバイス１０と同様の機能を実現し、さらに、上記の複合センサデバイス６４と同様に、加速度センサ１４に発生するドリフト誤差を低減することができる。

上述したように、複合センサデバイス１０の場合、加速度センサ１４の第二の可撓部３０が、枠状の第二の台座部４４により両端支持され、第二の台座部４４の下面全体が筐体１８に固定されているため、例えば環境温度の変化によって筐体１８が膨張収縮すると、加速度検出のドリフト誤差が発生する可能性がある。

これに対して、複合センサデバイス７４の場合、図１０に示すように、枠状の第二の台座部４４の下面全体が筐体１８に固定されているものの、第二の可撓部７８が片端支持されている構造なので、筐体１８が膨張収縮しても、その影響が第二の可撓部７８に伝わらないので、加速度検出のドリフト誤差を小さく抑えることができる。

なお、本発明の複合センサデバイスの製造方法は、上記実施形態に限定されるものではない。製造対象の複合センサデバイスの実施形態も、上記に限定されるものではなく、上記の加速度センサ１４は、第二の可撓部３０，７８及び複数の加速度検出用素子３８が３軸方向の加速度を検出するよう構成されているが、例えば、１軸方向の加速度を検出するシンプルな構成にしてもよいし、さらに角速度センサや角加速度センサ等を形成しても良い。

機能基板は、シリコン以外の素材の基板を使用してもよい。第一乃至第三の補助基板についても同様である。また、センサ本体は、単位外形の機能基板及び補助基板を用いて別々に製造してもよく、この場合、積層体を分割する分割工程を省略することができる。

さらに、図８、図１０に示した複合センサデバイスの変形例として、第二の補助基板ｈ２と、蓋部４８を形成する第三の補助基板ｈ３を省略しても良く、第三の補助基板ｈ３による蓋部４８のみを省いても良く、第二の補助基板ｈ２のみを省いて蓋部４８を設けても良い。さらに、図６（ｂ）に示すように、ユーザ側の実装基板の上面に直接ダイボンドする構造にしても良い。

また、本発明の製造方法により製造される複合センサデバイスは、圧力センサと所定の機能デバイスとを組み合わせたものであればよく、機能デバイスは、上記のピエゾ抵抗型の加速度センサのほか、圧電型の角速度センサや、発電デバイス等でもよい。

例えば角速度センサである振動ジャイロセンサの場合、普段から重錘部を一定の周波数で振動させておく必要がある。しかし、上記の加速度センサ１４は、重錘部４２の周囲が蓋部４８や第二の補助基板ｈ２に囲まれて非常に狭くなっているため、この構造をそのまま振動ジャイロセンサに適用すると、空気の流動抵抗によって重錘部４２の振動が妨げられる可能性がある。そこで、例えば、蓋部４８や第二の補助基板ｈ２の、重錘部４２に対向する面（第三の凹部４８ａや第二の凹部４６の内側面）に、空気の流路となる複数の凹条を設け、振動時の重錘部４２付近の空気が流れやすい構造にしておくことが好ましく、本発明の製造方法により容易に実現することができる。

また、発電デバイスの場合、例えば本願発明者らによる特許第５５２９３２８号公報に開示されている発電素子の構成が適しており、上記の複合センサデバイス７４の加速度センサ１４が有する加速度検出用素子３８の代わりに、機械エネルギーを電気エネルギーに変換する圧電素子を配置することで実現することができ、複合センサデバイス７４の場合と同様に、本発明の製造方法により容易に実現することができる。

１０，５４，６０，６４，７４ 複合センサデバイス
１２ 圧力センサ
１４ 加速度センサ（機能デバイス）
１６，５８，６６，７６ センサ本体
１８，５６ 筐体
２２ 第一の可撓部
２４ 圧力検出用素子
２６ 第一の台座部
２６ｂ 第一の凹部
２８ 密閉室
３０，７８ 第二の可撓部
３８ 加速度検出用素子（機能素子）
４２ 重錘部
４４ 第二の台座部
４６ 第二の凹部
４８ 蓋部
４８ａ 第三の凹部
４８ｂ 第四の凹部
６８ 連結梁
ｋ，Ｋ 機能基板
ｈ１，Ｈ１ 第一の補助基板
ｈ２，Ｈ２ 第二の補助基板
ｈ３，Ｈ３ 第三の補助基板

特開２００４−２４５７６０号公報 特開２０１１−１３７８１８号公報

Claims (9)

1. 圧力センサと機能デバイスとを有する複合センサデバイスの製造方法において、
   機能基板と、表面の特定位置に第一の凹部が形成された第一の補助基板とを用意し、前記機能基板の裏面に前記第一の補助基板の表面を当接させ、所定の気圧環境下で接合することによって、前記機能基板と前記第一の凹部とで囲まれた密閉室を形成する第一の補助基板接合工程と、
   前記第一の補助基板接合工程の後、前記機能基板の表面を研磨して薄くすることにより、前記第一の凹部を塞ぐ位置に、前記機能基板で成る第一の可撓部を形成する機能基板研磨工程と、
   前記機能基板研磨工程の後、前記機能基板の前記第一の可撓部の部分を変質させ、機械的歪みを受けて自己の電気特性が変化する圧力検出用素子を形成すると共に、前記第一の可撓部から離れた特定の部分を変質させ、機械的歪みを受けて自己の電気特性が変化する機能素子を形成する素子形成工程と、
   前記素子形成工程の後、前記圧力検出用素子及び前記機能素子の各出力を取り出すため、前記機能基板の内部又は表面に電気配線の処理を行う機能基板配線工程と、
   前記機能基板研磨工程の後、前記機能基板及び前記第一の補助基板の特定部分をエッチングして除去することにより、前記第一の可撓部及びその周辺を前記基板の裏面側から支持する第一の台座部、前記機能基板の前記機能素子が配置された部分を梁状にした第二の可撓部、前記第二の可撓部の端部に連続する重錘部、及び前記第二の可撓部の前記重錘部から離れた位置を支持する第二の台座部を形成するエッチング工程とを備えることを特徴とする複合センサデバイスの製造方法。
2. 前記各工程を経て作製された前記機能基板及び前記第一の補助基板で成る積層体は、複数の前記複合デバイスセンサが多面付けされたものであり、
   前記積層体を分割して個々の複合センサデバイスを得る分割工程を備える請求項１記載の複合センサデバイスの製造方法。
3. 前記第一の補助基板の表面の、重錘部に対応する特定位置に第二の凹部が形成された第二の補助基板を用意し、
   前記各工程の後、前記第一の補助基板の裏面に前記第二の補助基板の表面を当接させて接合し、前記第二の凹部を非接触で前記重錘部に対向させ、前記第一の補助基板の前記重錘部の周囲を閉鎖する第二の補助基板接合工程を備える請求項１記載の複合センサデバイスの製造方法。
4. 前記エッチング工程において、前記機能基板及び第一の補助基板の特定部分をエッチングして除去することにより、前記第一の台座部が前記第二の台座部を支持する連結梁を形成し、
   前記第二の補助基板接合工程に投入される前記第二の補助基板は、前記第二の凹部が前記第一の補助基板の重錘部及び前記連結梁に対応する位置に形成されている請求項３記載の複合センサデバイスの製造方法。
5. 前記各工程を経て作製された前記機能基板、前記第一の補助基板、及び前記第二の補助基板の積層体は、複数の前記複合デバイスセンサが多面付けされたものであり、
   前記各工程の後、前記積層体を分割することによって個々の複合センサデバイスを得る分割工程を備える請求項３又は４記載の複合センサデバイスの製造方法。
6. 前記機能基板の裏面の、前記第二の可撓部及びこの近傍に対応する特定位置に第三の凹部が形成されると共に、前記裏面の前記第一の可撓部及びこの近傍に対応する特定位置に第四の凹部が形成された第三の補助基板を用意し、
   前記各工程の後、前記機能基板の表に前記第三の補助基板の裏面を当接させて接合し、前記第三の補助基板の前記第四の凹部が設けられている領域を切断して除去することによって、前記機能基板の前記第二の可撓部及びこの近傍を覆う蓋部を形成する第三の補助基板接合及び切断工程を備える請求項１、３又は４記載の複合センサデバイスの製造方法。
7. 前記各工程を経て作製された前記機能基板、前記第一の補助基板、前記第二の補助基板、及び前記第三の補助基板の積層体は、複数の前記複合デバイスセンサが多面付けされたものであり、
   前記各工程の後、前記積層体を分割することによって個々の複合センサデバイスを得る分割工程を備える請求項６記載の複合センサデバイスの製造方法。
8. 前記第一の補助基板接合工程に投入される前記機能基板及び前記第一の補助基板は、互いに接合される側の面に酸化膜が形成され、
   前記第一の補助基板接合工程において、前記シリコン基板と前記第一の補助基板を、両者間に電圧を印加しながら加熱と加圧を行って接合する請求項１乃至７のいずれか記載の複合センサデバイスの製造方法。
9. 前記機能基板はシリコン基板で成り、
   前記圧力検出用素子は、自己の抵抗値の変化に基づいて気体の圧力を検出するピエゾ抵抗素子であり、前記前記機能素子は、自己の抵抗値の変化に基づいて加速度を検出するピエゾ抵抗素子であり、
   前記素子形成工程において、前記シリコン基板に不純物イオンを注入し変質させることによって前記ピエゾ抵抗素子を作製する請求項１乃至８のいずれか記載の複合センサデバイスの製造方法。

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