JP2018031714A - Physical quantity sensor - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a physical quantity sensor which can suppress increase of the pressure in the inside of a sensor to an atmospheric pressure side by water generated by passing-through an oxide film of a small angular velocity sensor manufactured by an MEMS process.SOLUTION: A water-permeable prevention film is formed immediately on an edge of a silicon oxide film around a penetration electrode part of an electrode substrate so as to directly contact with the silicon oxide film.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は物理量の測定に用いられる物理量センサの構造に関し、特にセンサ内部が真空中で封止される角速度センサ構造に関する。   The present invention relates to a structure of a physical quantity sensor used for measuring a physical quantity, and more particularly to an angular velocity sensor structure in which the inside of a sensor is sealed in a vacuum.

近年、MEMS技術における微細化加工技術の発展により、シリコンおよびガラス等の材料を適用した加速度、角速度などの物理量を測定する様々なセンサが提供されている。   In recent years, various sensors for measuring physical quantities such as acceleration and angular velocity using materials such as silicon and glass have been provided due to the development of miniaturization processing technology in MEMS technology.

MEMS技術を用いた物理量センサは、半導体デバイスと比較してアスペクト比(開口幅と加工深さとの比)が高い構造体を形成できる利点がある。また、高アスペクト比の溝を加工できるICP(Induction Coupled Plasma)方式のRIE(Reactive Ion Etching)装置を適用したドライエッチング法によって、シリコンからなる立体構造および可動構造を形成することにより、機械加工と比較して優れた加工精度の各種構造体を形成することができる。   The physical quantity sensor using the MEMS technology has an advantage that a structure having a higher aspect ratio (ratio between the opening width and the processing depth) can be formed as compared with the semiconductor device. Also, by forming a three-dimensional structure and a movable structure made of silicon by dry etching method using RIE (Reactive Ion Etching) RIE (ICP) method that can process high aspect ratio grooves, machining and Various structures with excellent processing accuracy can be formed.

このようなMEMS技術を用いた物理量センサとして、特開2015−11002号公報(特許文献1)に記載された複合センサ素子が知られている。この複合センサ素子は、組み立てにシリコン直接接合技術を適用しており、角速度センサの平面振動体と加速度センサの可動体とを、同一の基板上にそれぞれが浮いた状態に設けている。また、平面振動体と可動体との上側を、間隔を置いて蓋部材で覆っている。基板と蓋部材とからなる空間部は区分壁部によって角速度センサ用空間部と加速度センサ用空間部とに区分されている。角速度センサ用空間部は200Pa程度の真空状態で気密封止された状態とし、加速度センサ用空間部は10000から50000Paくらいの真空度で気密封止された状態としている。これにより、平面振動体は高周波数かつ大きな振幅で振動することができ、角速度センサにおける角速度の検知感度を高めることができる。   As a physical quantity sensor using such MEMS technology, a composite sensor element described in JP-A-2015-11002 (Patent Document 1) is known. In this composite sensor element, a silicon direct bonding technique is applied to the assembly, and the planar vibration body of the angular velocity sensor and the movable body of the acceleration sensor are provided in a state of floating on the same substrate. Moreover, the upper side of the planar vibrating body and the movable body is covered with a lid member at an interval. The space portion composed of the substrate and the lid member is divided into an angular velocity sensor space portion and an acceleration sensor space portion by a partition wall portion. The angular velocity sensor space is hermetically sealed in a vacuum state of about 200 Pa, and the acceleration sensor space is hermetically sealed in a vacuum degree of about 10,000 to 50,000 Pa. Accordingly, the planar vibrating body can vibrate with a high frequency and a large amplitude, and the angular velocity detection sensitivity of the angular velocity sensor can be increased.

平面振動体が配置されているデバイス基板の駆動に必要な電極は、蓋部材の低抵抗シリコン材料を電極として複数個、つながっており、低抵抗シリコン電極の周囲は酸化膜によって絶縁されている。蓋部材の低抵抗シリコン電極部の表面には金属電極が形成されており、金属電極部以外の部分はSiNおよび樹脂の保護膜によって保護されている。金属電極周囲の保護膜は、一般的な半導体回路の保護膜と同様の技術が適用されている。言い換えれば、金属電極部以外の部分は、全面でSiNおよび樹脂の保護膜によって保護されている。   A plurality of electrodes necessary for driving the device substrate on which the planar vibrating body is arranged are connected using the low resistance silicon material of the lid member as an electrode, and the periphery of the low resistance silicon electrode is insulated by an oxide film. A metal electrode is formed on the surface of the low-resistance silicon electrode portion of the lid member, and portions other than the metal electrode portion are protected by a protective film made of SiN and resin. For the protective film around the metal electrode, the same technology as the protective film of a general semiconductor circuit is applied. In other words, the entire portion other than the metal electrode portion is protected by the protective film of SiN and resin.

また、特許文献2に記載された構造では、MEMS素子部が金属膜をスパッタリングする際の真空度(圧力)で密閉空間内に保持されている。初期の雰囲気から変動することを抑制することで信頼性を高めるために、密閉空間内の内壁は、窒化シリコン膜とシリコン膜によって覆われている。この構造によってMEMS素子が配置される空間の内壁からガスが発生することを抑制している。製造方法はMEMS素子を形成後に犠牲層によってMEMS素子を保護し、ポリシリコン膜、窒化シリコン膜、層間絶縁膜を形成後、CMPまたはエッチバック技術を適用して平面化し、金属配線と層間絶縁膜の工程を繰り返して任意の金属配線層を形成する。その後、金属膜リリース孔を用いて犠牲層を除去することによってMEMS素子の周囲に空間を形成する。最終的にリリース孔はスパッタリング法を適用してふさがれる。前記プロセスでは、リリース孔封止プロセスによって、金属材料の一部は密閉空間内部に浸入する。また、この構造では、外部に取りだす金属電極部周囲の絶縁をリング状の窒化シリコン材料を適用している。前記、リング状の窒化シリコン膜はポリシリコン膜の斜面に沿った形で形成されており、その上部には層間絶縁膜が形成されている。また、窒化シリコン膜はMEMS素子を取り囲む密閉空間の曲面および複数の段差部を保護する形で形成されている。   Further, in the structure described in Patent Document 2, the MEMS element portion is held in the sealed space at a vacuum degree (pressure) when the metal film is sputtered. In order to improve reliability by suppressing fluctuation from the initial atmosphere, the inner wall in the sealed space is covered with a silicon nitride film and a silicon film. This structure suppresses the generation of gas from the inner wall of the space where the MEMS element is arranged. The manufacturing method protects the MEMS element with a sacrificial layer after forming the MEMS element, forms a polysilicon film, a silicon nitride film, and an interlayer insulating film, and then planarizes by applying CMP or an etch back technique, and forms a metal wiring and an interlayer insulating film. The above process is repeated to form an arbitrary metal wiring layer. Then, a space is formed around the MEMS element by removing the sacrificial layer using the metal film release hole. Finally, the release holes are blocked by applying a sputtering method. In the process, a part of the metal material enters the inside of the sealed space by the release hole sealing process. In this structure, a ring-shaped silicon nitride material is applied to the insulation around the metal electrode portion taken out to the outside. The ring-shaped silicon nitride film is formed along the slope of the polysilicon film, and an interlayer insulating film is formed on the top. The silicon nitride film is formed to protect the curved surface of the sealed space surrounding the MEMS element and the plurality of step portions.

一方、非特許文献1によれば、一般的に水分はガラス膜を透過することが知られている。空気中の水分はガラス中に水酸基OHとして存在し、ほとんどの場合、ガラス中への浸入はフィックの拡散式に従う。ガラスに浸入する水の量および深さは一定温度、一定湿度下では時間と拡散係数の積に平方根に比例する。そのため、前記のような真空空間を有する物理量センサでは、一般的に外部圧力は大気圧であり、センサ内部は真空となっている観点から水分が酸化膜などを透過することによって内部に浸入する可能性が存在する。   On the other hand, according to Non-Patent Document 1, it is generally known that moisture permeates a glass film. Moisture in the air exists as hydroxyl OH in the glass, and in most cases, penetration into the glass follows Fick's diffusion equation. The amount and depth of water penetrating into the glass is proportional to the square root of the product of time and diffusion coefficient at a constant temperature and humidity. Therefore, in a physical quantity sensor having a vacuum space as described above, the external pressure is generally atmospheric pressure, and moisture can permeate through the oxide film or the like from the viewpoint that the inside of the sensor is vacuum. Sex exists.

特開2015−11002号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2015-11002 特開2015−145036号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2015-145036

NEW GLASS Vol.21.No3(2006)NEW GLASS Vol.21.No3 (2006)

特許文献1に記載された複合センサ素子は、蓋部材に形成された金属電極部以外の低抵抗シリコン上部には、酸化膜が形成され、その上に SiNおよび樹脂の保護膜によって保護されていると記載されている。そして、SiNおよび樹脂の保護膜は金属電極部以外の全面に形成されている。上記の構造では酸化膜の上にSiN膜が形成されていることから、金属電極部側面の酸化膜側面から水分が真空空間へ浸入することが考えられる。   In the composite sensor element described in Patent Document 1, an oxide film is formed on a low-resistance silicon upper portion other than the metal electrode portion formed on the lid member, and is protected by a SiN and resin protective film thereon. It is described. And the protective film of SiN and resin is formed in the whole surface other than a metal electrode part. In the above structure, since the SiN film is formed on the oxide film, it is conceivable that moisture enters the vacuum space from the side surface of the oxide film on the side surface of the metal electrode portion.

また、特許文献2では最終的にMEMS素子の空間を真空に保持するために、金属スパッタリング法でリリース孔を封止しているため、内部に金属粉体が混入する。それとともに内部圧力は金属スパッタリング法での金属粉体形成時の圧力でしか封止することはできない。すなわち、任意での圧力調整は実施することができない可能性が存在する。   In Patent Document 2, since the release hole is sealed by a metal sputtering method in order to finally maintain the space of the MEMS element in a vacuum, metal powder is mixed inside. At the same time, the internal pressure can be sealed only by the pressure at the time of forming the metal powder by the metal sputtering method. That is, there is a possibility that arbitrary pressure adjustment cannot be performed.

一般的に角速度センサでは、真空封止された空間において、固定電極に対向して可動電極の櫛歯が形成され、任意の真空度において駆動部は一定の共振周波数によって駆動する。このとき、駆動部は駆動マスの重さが共振周波数を決めることから重要となる。特許文献2では金属膜が密閉空間に浸入することから、駆動マスに金属粉体が付着することが予測でき、駆動マスの重さを変化させてしまう課題が考えられる。そのため、前記の製造プロセスでは、角速度センサに適用することは困難であると考えられる。また、金属電極部周囲の絶縁部に、斜面状に形成されたポリシリコン膜をおおうようにリング状の窒化シリコン材料を適用している点から、窒化シリコン膜は厚く形成されていることが予測でき、その結果、線膨張率の違いによる割れが発生する可能性が存在する。   In general, in an angular velocity sensor, comb teeth of a movable electrode are formed facing a fixed electrode in a vacuum-sealed space, and the drive unit is driven at a constant resonance frequency at an arbitrary degree of vacuum. At this time, the driving unit is important because the weight of the driving mass determines the resonance frequency. In Patent Document 2, since the metal film enters the sealed space, it can be predicted that the metal powder adheres to the driving mass, and there is a problem that the weight of the driving mass is changed. Therefore, it is considered difficult to apply to the angular velocity sensor in the manufacturing process. In addition, it is predicted that the silicon nitride film is formed thick because the ring-shaped silicon nitride material is applied to the insulating portion around the metal electrode portion so as to cover the sloped polysilicon film. As a result, there is a possibility of cracking due to the difference in linear expansion coefficient.

犠牲層プロセスを適用していることから製造プロセスも複雑であると予測できる。また、MEMS素子内部の真空空間表面からのアウトガス放出を抑制する構造に関する発明であり、周囲からの水分の浸入に対して配慮された発明ではない。   Since the sacrificial layer process is applied, the manufacturing process can be predicted to be complicated. In addition, the invention relates to a structure that suppresses outgas emission from the surface of the vacuum space inside the MEMS element, and is not an invention that takes into account moisture intrusion from the surroundings.

本発明の目的は、MEMSプロセスによって製造した小型の角速度センサが酸化膜を透過する水分によって、センサ内部の圧力が大気圧側に増加することを抑制する構造を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a structure in which a small angular velocity sensor manufactured by a MEMS process suppresses an increase in pressure inside the sensor to an atmospheric pressure side due to moisture that permeates an oxide film.

本発明によると、固定層およびデバイス層が一体となった基板と電極基板の2層構造もしくは固定基板、デバイス基板、電極基板の少なくとも3層構造から構成され、物理量を測定するセンシング部の内部は、任意の真空度で密閉されており、前記、電極基板は、複数の低抵抗シリコンからなる貫通電極が、多角形からなるシリコン酸化膜によって個別に絶縁された構造体において、電極基板の低抵抗シリコンからなる貫通電極部周辺に配置した多角形からなるシリコン酸化膜の端部の直上に、前記シリコン酸化膜周辺部をおおうように、かつ、直接密着するように水分透過防止膜が形成されている構造を適用すると良い。   According to the present invention, the sensing layer for measuring a physical quantity is composed of at least a three-layer structure of a substrate and an electrode substrate in which a fixed layer and a device layer are integrated or a fixed substrate, a device substrate, and an electrode substrate. The electrode substrate is a structure in which a plurality of through-electrodes made of low resistance silicon are individually insulated by a polygonal silicon oxide film, and the electrode substrate has a low resistance. A moisture permeation preventive film is formed directly on the edge of the polygonal silicon oxide film disposed around the through-electrode part made of silicon so as to cover the silicon oxide film peripheral part and directly adhere to it. It is good to apply the structure.

本発明によれば、多角形からなるシリコン酸化膜と直接密着することによって、水分が真空からなるセンシング空間への浸入を直接的に防止でき、センシング空間の真空度を安定的に確保できる。前記シリコン酸化膜周辺部には段差部は存在していないことから、平面部に、水分透過防止膜を形成することが可能となるため、水分透過防止膜の膜厚を薄く形成できる。そのため、角速度センサ内に形成したセンシング空間の真空度を安定的に保ち、信頼性に優れた物理量センサを提供できる。水分透過防止膜は多角形からなるシリコン酸化膜に上部にだけ密着して配置されているため、電極基板全体を保護する場合と比較して、水分透過防止膜による応力を低減できる。また、電極パッド部以外に酸化膜を形成する構造を適用することで、樹脂などの保護膜は必要ない。   According to the present invention, by directly adhering to the polygonal silicon oxide film, it is possible to directly prevent moisture from entering the sensing space consisting of vacuum, and to ensure a stable degree of vacuum in the sensing space. Since there is no step portion in the periphery of the silicon oxide film, it is possible to form a moisture permeation preventive film on the flat portion, so that the thickness of the moisture permeation preventive film can be reduced. Therefore, it is possible to stably maintain the degree of vacuum in the sensing space formed in the angular velocity sensor and to provide a physical quantity sensor with excellent reliability. Since the moisture permeation preventive film is disposed in close contact with the upper portion of the polygonal silicon oxide film, stress due to the moisture permeation preventive film can be reduced as compared with the case where the entire electrode substrate is protected. Further, by applying a structure in which an oxide film is formed in addition to the electrode pad portion, a protective film such as a resin is unnecessary.

本発明の物理量センサを説明する断面図Sectional drawing explaining the physical quantity sensor of this invention デバイス基板の構造を説明する平面図Plan view explaining the structure of the device substrate 水分透過防止膜の配置に関する平面図Plan view on the arrangement of moisture permeation prevention film 高湿度試験によるセンシング空間内の変動を説明する図Diagram explaining fluctuations in sensing space due to high humidity test 従来構造における水分浸入経路に関する断面図Cross-sectional view of moisture penetration path in conventional structure 酸化膜のアスペクト比を説明する断面図Cross-sectional view explaining the aspect ratio of the oxide film 本発明の他の物理量センサを説明する断面図Sectional drawing explaining the other physical quantity sensor of this invention 本発明の素子を搭載したパッケージの断面図Sectional view of a package on which the element of the present invention is mounted

図1を用いて本発明による物理量センサの構造例を説明する。図1は本発明の一例を示す角速度をセンシングするセンサの断面図を示している。基板は固定基板2、デバイス基板3、電極基板1の少なくとも3層構造から構成されている。固定基板2にはSiO2からなるシリコン酸化膜4bを介してデバイス基板3がシリコン直接接合法によって形成されている。デバイス基板3の上部と、電極基板1の下部は、同様に、シリコン同士がシリコン直接接合されている構造である。図1の角速度を測定するセンシング空間5はシリコンおよびシリコン酸化膜によって密閉された空間となっている。   A structural example of a physical quantity sensor according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 shows a cross-sectional view of a sensor for sensing angular velocity according to an example of the present invention. The substrate is composed of at least a three-layer structure of a fixed substrate 2, a device substrate 3, and an electrode substrate 1. A device substrate 3 is formed on the fixed substrate 2 by a silicon direct bonding method through a silicon oxide film 4b made of SiO2. Similarly, the upper part of the device substrate 3 and the lower part of the electrode substrate 1 have a structure in which silicon is directly bonded to silicon. The sensing space 5 for measuring the angular velocity in FIG. 1 is a space sealed by silicon and a silicon oxide film.

デバイス基板3の角速度を測定するセンシング空間5は、上下に配置した固定基板2および電極基板1との空間において、圧力雰囲気が15Pa程度の真空雰囲気となっている。センシング空間5にはデバイス基板3に形成された固定電極7および可動電極8がある。これは数マイクロメータのギャップを有して複数の櫛歯が形成されている。図2にデバイス基板3の平面図の一例を示す。デバイス基板3には複数の固定電極7櫛歯が配置されている。可動電極8は一体となって形成されており、内部にばね梁11が形成され、可動時の変位を吸収できる構造となっている。本構造は面内方向の角速度を検出するためのものである。なお、図2の固定電極7および可動電極8は、複数の貫通電極10aおよび10bによって、電極基板1と電気的に導通している。   The sensing space 5 for measuring the angular velocity of the device substrate 3 is a vacuum atmosphere with a pressure atmosphere of about 15 Pa in the space between the fixed substrate 2 and the electrode substrate 1 arranged above and below. The sensing space 5 includes a fixed electrode 7 and a movable electrode 8 formed on the device substrate 3. This has a plurality of comb teeth with a gap of several micrometers. An example of a plan view of the device substrate 3 is shown in FIG. A plurality of fixed electrode 7 comb teeth are arranged on the device substrate 3. The movable electrode 8 is integrally formed, and a spring beam 11 is formed inside, so that the displacement at the time of movement can be absorbed. This structure is for detecting the angular velocity in the in-plane direction. Note that the fixed electrode 7 and the movable electrode 8 in FIG. 2 are electrically connected to the electrode substrate 1 by a plurality of through electrodes 10a and 10b.

角速度の物理量のセンシングは、複数の櫛歯が固有の周波数で駆動(振動)させている場合に角速度が加わるとコリオリ力が発生する。このコリオリ力によって固定電極と可動電極の電極間ギャップが変化する。このコリオリ力による電極間ギャップの変化量を静電気力によって検出することで角速度を検出する。   In sensing the physical quantity of angular velocity, Coriolis force is generated when angular velocity is applied when a plurality of comb teeth are driven (vibrated) at a specific frequency. Due to this Coriolis force, the gap between the fixed electrode and the movable electrode changes. The angular velocity is detected by detecting the change amount of the gap between the electrodes due to the Coriolis force by the electrostatic force.

可動電極振動体の駆動速度が速いほど、コリオリ力が大きくなるため、角速度センサの検出感度を良好にするためには振動体を高周波数で、かつ、大きな振幅で振動させる必要がある。しかしながらMEMS技術によって作製した振動体は微小ギャップで形成するため、振動雰囲気が大気圧の場合、空気(封止気体)のダンピング効果の影響が大きくなる。このダンピング効果が角速度センサの高周波数、かつ大振幅での振動に悪影響を与えてしまい、角速度センサの検出感度を低下させる。したがって、ダンピング効果の影響の小さい、すなわち真空雰囲気で角速度センサのセンシング部を封止することで高周波数かつ大振幅できる角速度センサを得ることができる。また、高真空であるほどダンピング効果の影響はさらに小さくなる。   Since the Coriolis force increases as the driving speed of the movable electrode vibrating body increases, it is necessary to vibrate the vibrating body at a high frequency and a large amplitude in order to improve the detection sensitivity of the angular velocity sensor. However, since the vibrator manufactured by the MEMS technology is formed with a small gap, when the vibration atmosphere is atmospheric pressure, the influence of the damping effect of air (sealing gas) becomes large. This damping effect adversely affects the vibration of the angular velocity sensor at a high frequency and a large amplitude, and decreases the detection sensitivity of the angular velocity sensor. Therefore, it is possible to obtain an angular velocity sensor having a high frequency and a large amplitude by sealing the sensing portion of the angular velocity sensor in a vacuum atmosphere, which is less affected by the damping effect. Further, the higher the vacuum, the smaller the influence of the damping effect.

角速度センサの駆動部および検出部を含む空間は安定した真空雰囲気を得ることが重要であり、角速度センサの検出感度を安定させることができる。   It is important to obtain a stable vacuum atmosphere in the space including the drive unit and the detection unit of the angular velocity sensor, and the detection sensitivity of the angular velocity sensor can be stabilized.

デバイス基板3の固定電極7は平面的に固定電極3aとつながっており、電極基板1の内部に配置した貫通電極10aを介して、その上に形成された金属電極9につながっている。同様に可動電極8は、デバイス基板の可動電極3bと平面的につながっており、電極基板1の内部に配置した貫通電極10bを介して、その上に形成された金属電極9につながっている構造である。前記、金属電極9と金ワイヤなどによってつなぎこむことによって、センサは外部との電気的なやり取りを行うことができる。   The fixed electrode 7 of the device substrate 3 is planarly connected to the fixed electrode 3a, and is connected to the metal electrode 9 formed thereon through the through electrode 10a disposed inside the electrode substrate 1. Similarly, the movable electrode 8 is planarly connected to the movable electrode 3b of the device substrate, and is connected to the metal electrode 9 formed thereon through the through electrode 10b disposed inside the electrode substrate 1. It is. By connecting the metal electrode 9 with a gold wire or the like, the sensor can perform electrical exchange with the outside.

なお、金属電極9の位置は、図3に示すように、平面的には金属配線20によって電極パッド21に配置できる。そのため、電極パッド21は、電極基板の表面で任意の位置に引き回すことが可能である。なお、配線材料の下部には、電気的絶縁のために酸化膜が形成されている。   The position of the metal electrode 9 can be arranged on the electrode pad 21 by the metal wiring 20 in a plan view as shown in FIG. Therefore, the electrode pad 21 can be routed to an arbitrary position on the surface of the electrode substrate. An oxide film is formed below the wiring material for electrical insulation.

また、その他に金属配線20の材料は、密着性を考慮して下地膜としてクロムやチタンを配置し、その上に金を配置しても良い。また、熱的な耐熱性を向上させるためにクロムやチタンと金との間に白金やニッケルを配置しても良い。配線材料は前記に限らず、アルミニウム等の配線材料を適用しても良い。   In addition, the material of the metal wiring 20 may be arranged such that chromium or titanium is disposed as a base film in consideration of adhesion, and gold is disposed thereon. Moreover, in order to improve thermal heat resistance, you may arrange | position platinum and nickel between chromium, titanium, and gold | metal | money. The wiring material is not limited to the above, and a wiring material such as aluminum may be applied.

電極基板1の内部に形成された貫通電極10aおよび10bは、周囲をSiO2等のシリコン酸化膜4aによって電気的に絶縁されている。なお、電極基板の金属電極9aは電極基板をアースに電気的におとすための電極である。   The through electrodes 10a and 10b formed inside the electrode substrate 1 are electrically insulated from each other by a silicon oxide film 4a such as SiO2. The metal electrode 9a of the electrode substrate is an electrode for electrically placing the electrode substrate on the ground.

本発明では面内方向に可動する構造について説明しているが、電気的にデバイス基板3の振動体を可動電極8と設置し、金属電極9aを固定電極7として設置することによって面外構造の角速度センサとして適用することが可能である。   In the present invention, a structure that is movable in the in-plane direction is described. It can be applied as an angular velocity sensor.

貫通電極10の周囲に配置しているシリコン酸化膜4aの直上には水分透過防止膜6が配置されており、その上にシリコン酸化膜4cが形成されている。   A moisture permeation preventive film 6 is disposed immediately above the silicon oxide film 4a disposed around the through electrode 10, and a silicon oxide film 4c is formed thereon.

水分透過防止膜6は、平面的には図3に示すように、貫通電極10(内側の点線の内部)とその外周部に配置されたシリコン酸化膜4a(2本の点線でおおわれた部分)を覆うように配置されている。より詳細には、貫通電極10の内側6aからシリコン酸化膜4aの外側6bまでを水分透過防止膜6によってリング状におおうと良い。貫通電極10およびシリコン酸化膜4aの形状によって、多角形で覆う構造でも良い。本発明の主旨は、電極基板1の表面に露出した、シリコン酸化膜4aに、直接的に水分透過防止膜6を形成することにある。   As shown in FIG. 3, the moisture permeation preventive film 6 includes a through electrode 10 (inside the inner dotted line) and a silicon oxide film 4a disposed on the outer periphery thereof (a portion covered with two dotted lines). It is arranged to cover. More specifically, it is preferable to cover the inside 6a of the through electrode 10 to the outside 6b of the silicon oxide film 4a in a ring shape by the moisture permeation preventive film 6. Depending on the shape of the through electrode 10 and the silicon oxide film 4a, a structure covered with a polygon may be used. The gist of the present invention is to directly form the moisture permeation preventive film 6 on the silicon oxide film 4a exposed on the surface of the electrode substrate 1.

また、水分透過防止膜6は窒化シリコン膜を適用することが好ましい。これは水分を防止する効果が高いためである。   The moisture permeation preventive film 6 is preferably a silicon nitride film. This is because the effect of preventing moisture is high.

一般的に物理量センサから水分の影響を軽減または保護するために、窒化シリコン膜を電極基板1表面の電極パッド21以外の部分の全面に形成される。また、場合によっては樹脂材料による保護膜もその表面に形成される。本発明では、窒化シリコン膜を部分的に形成することによって、全面に形成される場合と比較して、膜の応力を低減させることが可能である。例えば、窒化シリコン膜の厚さが一定の場合、残留応力は体積比で異なる。センサの電極基板の全面に窒化シリコン膜を形成した場合はミリメートルオーダーになると予測できるが、本発明では一桁小さいマイクロオーダーのリング形状となる。そのため、センサ全体に作用する応力も極端に小さくなる。   In general, in order to reduce or protect the influence of moisture from the physical quantity sensor, a silicon nitride film is formed on the entire surface of the electrode substrate 1 other than the electrode pads 21. In some cases, a protective film made of a resin material is also formed on the surface. In the present invention, by partially forming the silicon nitride film, the stress of the film can be reduced as compared with the case where the silicon nitride film is formed over the entire surface. For example, when the thickness of the silicon nitride film is constant, the residual stress varies with the volume ratio. When the silicon nitride film is formed on the entire surface of the electrode substrate of the sensor, it can be estimated that the thickness is on the order of millimeters. Therefore, the stress acting on the entire sensor is extremely reduced.

また、本発明で形成する水分透過防止膜6は平面部に形成することができることから、段差部に形成する場合と比較して、薄く形成しても問題はない。段差部に形成する場合には、段差部のカバレッジが必要であることから、厚く形成する必要がある。   In addition, since the moisture permeation preventive film 6 formed in the present invention can be formed on the flat portion, there is no problem even if it is formed thinner than the case where it is formed on the step portion. When forming in a step part, since the coverage of a step part is required, it needs to form thickly.

本発明では、固定基板2とデバイス基板3およびSiO2からなる酸化膜4bにSOI基板を適用することができる。一般にSOIウエハは固定層、ボックス層、デバイス層から構成されている。ボックス層は可動部を形成するために、デバイス構造が形成されたあとから除去される。より詳細には、高アスペクト比の加工ができるドライエッチング加工によってデバイス層に櫛歯などの構造体を加工後、ボックス層を除去することで、櫛歯構造体などを中空に浮かせることができる。そのため、ボックス層を厚くすると、深さ方向のエッチングと平面方向のエッチング速度が同等であることから、除去する際に、駆動櫛歯等を固定する部分が消失する可能性がある。これはボックス層がSiO2からなる酸化膜から形成されているためであり、フッ化水素酸水溶液またはフッ化水素酸の蒸気によって、等方性エッチングされるためである。そのため、ボックス層を厚くすると、駆動櫛歯等を固定する部分が大きくなるため、小型化が困難となり、ボックス層を薄く形成しなければならない。その結果、デバイス層の下面、すなわち、本発明における固定基板2と固定電極7および可動電極8の下面とのギャップは、数マイクロメータと小さい。   In the present invention, an SOI substrate can be applied to the fixed substrate 2, the device substrate 3, and the oxide film 4b made of SiO2. In general, an SOI wafer is composed of a fixed layer, a box layer, and a device layer. The box layer is removed after the device structure is formed to form the movable part. More specifically, the comb-like structure or the like can be floated hollow by removing the box layer after processing the structure such as the comb-teeth on the device layer by dry etching processing capable of processing with a high aspect ratio. Therefore, when the box layer is thickened, the etching rate in the depth direction and the etching rate in the planar direction are equal, and therefore, the portion for fixing the driving comb teeth or the like may be lost during removal. This is because the box layer is formed of an oxide film made of SiO2, and isotropically etched by a hydrofluoric acid aqueous solution or hydrofluoric acid vapor. For this reason, when the box layer is thickened, a portion for fixing the driving comb teeth and the like becomes large, so that it is difficult to reduce the size, and the box layer must be formed thin. As a result, the lower surface of the device layer, that is, the gap between the fixed substrate 2 and the lower surfaces of the fixed electrode 7 and the movable electrode 8 in the present invention is as small as several micrometers.

SOIウエハは、固定層およびデバイス層を一体とする基板一つのデバイス基板3として記載されている場合も存在する。そのため、本発明では、デバイス基板3、電極基板1の2層構造の場合でも、水分透過防止膜6を適用することができる。   An SOI wafer may be described as a single device substrate 3 in which a fixed layer and a device layer are integrated. Therefore, in the present invention, the moisture permeation preventive film 6 can be applied even in the case of the two-layer structure of the device substrate 3 and the electrode substrate 1.

センシング空間の真空度を維持することは信頼性向上の観点から重要となる。特に角速度センサは加速度センサとともに自動車用の横滑りを防止するシステムで活用されている。そのため、過酷な環境下で角速度センサは適用されることが想定できる。   Maintaining the degree of vacuum in the sensing space is important from the viewpoint of improving reliability. In particular, the angular velocity sensor is used together with an acceleration sensor in a system for preventing a side slip for an automobile. Therefore, it can be assumed that the angular velocity sensor is applied in a harsh environment.

図4に本発明の水分透過防止膜を適用した場合と適用していない場合の高温高湿試験結果を示す。センシング空間は、体積が微小であることから直接、真空度を測定することはできない。そのため、縦軸のセンシング空間の圧力は、共振係数となるQ値で表している。横軸の高温高湿試験時間を増加させていくと、本発明の構造ではセンシング空間のQ値はほとんど変動しないが、水分透過防止膜がないものはセンシング空間のQ値が徐々に低下していく。これはセンシング空間の圧力が、徐々に大気圧側に増加していることを示している。   FIG. 4 shows the results of the high-temperature and high-humidity test when the moisture permeation preventive film of the present invention is applied and when it is not applied. Since the sensing space has a small volume, the degree of vacuum cannot be measured directly. For this reason, the pressure in the sensing space on the vertical axis is represented by a Q value that is a resonance coefficient. When the high temperature and high humidity test time is increased on the horizontal axis, the Q value of the sensing space hardly fluctuates in the structure of the present invention, but the Q value of the sensing space gradually decreases when there is no moisture permeation prevention film. Go. This indicates that the pressure in the sensing space gradually increases to the atmospheric pressure side.

従来構造における模式図を適用して、水分が透過によって浸入する経路について図5を用いて説明する。固定基板2とデバイス基板3との間にシリコン酸化膜4bが配置され、その上部に電極基板1が配置されている。デバイス基板3にはMEMS素子15が配置され、3枚の基板によって密閉された真空のセンシング空間5が形成されている。電極基板1の内部にはシリコン酸化膜4aが配置されている。電極基板1の上部構造は、金属電極9をおおうように、その周囲にシリコン酸化膜4c、その上にSiN膜12、その上部に樹脂による保護膜13が形成されている。   A path through which moisture permeates through permeation will be described with reference to FIG. A silicon oxide film 4b is disposed between the fixed substrate 2 and the device substrate 3, and the electrode substrate 1 is disposed thereon. A MEMS element 15 is arranged on the device substrate 3, and a vacuum sensing space 5 sealed by three substrates is formed. A silicon oxide film 4a is disposed inside the electrode substrate 1. In the upper structure of the electrode substrate 1, a silicon oxide film 4c is formed around the metal electrode 9, a SiN film 12 is formed thereon, and a protective film 13 made of resin is formed thereon.

電極基板1の上部に配置されているシリコン酸化膜4cは、電極基板1が低抵抗シリコン材料を適用しているために、配線材料との絶縁の目的で形成される。   The silicon oxide film 4c disposed on the electrode substrate 1 is formed for the purpose of insulation from the wiring material because the electrode substrate 1 uses a low-resistance silicon material.

プロセス的には、全面にシリコン酸化膜4cを形成後、フォトリソによって金属電極部および電極パッド部のパターンを形成し、エッチングによってシリコン酸化膜を除去する。その後、再度、フォトリソによって配線構造を形成し、スパッタリング装置または蒸着装置を適用して、金属膜を形成し後、レジストを除去することによって、任意の位置に金属電極と配線構造を形成する。または、全面に金属膜を形成した後、フォトリソによってパターンを形成し、レジストをマスクとして、金属膜をエッチングすることで、任意の位置に金属電極と配線構造を形成する。そのあとに、配線部の上部および金属電極9の周囲は、シリコン酸化膜4cによって保護される。これは異物が載った場合に電気的なショートを防止するためである。   In terms of process, after the silicon oxide film 4c is formed on the entire surface, the pattern of the metal electrode portion and the electrode pad portion is formed by photolithography, and the silicon oxide film is removed by etching. Thereafter, a wiring structure is formed again by photolithography, a sputtering apparatus or a vapor deposition apparatus is applied to form a metal film, and then the resist is removed to form a metal electrode and a wiring structure at an arbitrary position. Alternatively, after forming a metal film on the entire surface, a pattern is formed by photolithography, and the metal film is etched using the resist as a mask, thereby forming a metal electrode and a wiring structure at an arbitrary position. Thereafter, the upper part of the wiring part and the periphery of the metal electrode 9 are protected by the silicon oxide film 4c. This is to prevent an electrical short when a foreign object is placed.

そのため、金属電極9の端部に形成されたシリコン酸化膜4cは、金属電極9の端部の上に形成される。すなわち、金属電極9の端部ではシリコン酸化膜4cの側面が露出する。   Therefore, the silicon oxide film 4 c formed on the end portion of the metal electrode 9 is formed on the end portion of the metal electrode 9. That is, the side surface of the silicon oxide film 4c is exposed at the end of the metal electrode 9.

その結果、シリコン酸化膜の端部から14aに示すように水分が浸入する。その後、電極基板1のシリコン酸化膜4aを透過して、センシング空間5内へ浸入する。   As a result, moisture enters from the end of the silicon oxide film as shown by 14a. Thereafter, it penetrates the silicon oxide film 4a of the electrode substrate 1 and enters the sensing space 5.

一般的にウエハで作成されたセンサは最終的にダイシングによって切断される。そのため、センサチップの端面はむき出しとなり、水分浸入経路14cを予測した。   Generally, a sensor made of a wafer is finally cut by dicing. Therefore, the end face of the sensor chip was exposed, and the moisture intrusion path 14c was predicted.

前記の構成ではセンサチップの周囲が大気圧約100000Pa、センシング空間は15Paであり、大気圧の方がセンシング空間の圧力と比較して大きい。そのため、大気中に存在する水分は、シリコン酸化膜を透過してセンシング空間に浸入することは、フィックの拡散式に従う。浸入する拡散係数Dは(1)式で表される。なお、D0:拡散係数、Eは活性化エネルギー、kはボルツマン定数、tは絶対温度を示す。 In the above configuration, the ambient pressure of the sensor chip is about 100,000 Pa and the sensing space is 15 Pa. The atmospheric pressure is larger than the pressure in the sensing space. Therefore, it is in accordance with Fick's diffusion formula that moisture present in the atmosphere permeates the sensing space through the silicon oxide film. The infiltration diffusion coefficient D is expressed by equation (1). D 0 : Diffusion coefficient, E is activation energy, k is Boltzmann constant, and t is absolute temperature.


D=D0exp(-E/kT) ‥‥(1)

D = D 0 exp (-E / kT) (1)

シリコン酸化膜を透過してセンシング空間に浸入する経路は2ヵ所存在する。詳細を図6に示す。一方は、固定基板2とデバイス基板3の間に存在するシリコン酸化膜4bであり、もう一方は、電極基板1内に絶縁のために形成されたシリコン酸化膜4aである。シリコン酸化膜4bは接合面であり、側面は先に説明したようにダイシングによって加工されることから端面はむきだしの状態である。この部分から浸入する水分を防止することは極めて困難である。一方、電極基板1内に絶縁のために形成されたシリコン酸化膜4aは上部に水分透過防止膜を形成することによって、水分がセンシング空間に浸入することを防止することが可能である。   There are two paths that penetrate the silicon oxide film and enter the sensing space. Details are shown in FIG. One is a silicon oxide film 4b existing between the fixed substrate 2 and the device substrate 3, and the other is a silicon oxide film 4a formed in the electrode substrate 1 for insulation. Since the silicon oxide film 4b is a bonding surface and the side surface is processed by dicing as described above, the end surface is exposed. It is extremely difficult to prevent moisture entering from this portion. On the other hand, the silicon oxide film 4a formed for insulation in the electrode substrate 1 can prevent moisture from entering the sensing space by forming a moisture permeation preventive film on the top.

水分の浸入を防止するためには、各々のシリコン酸化膜の寸法が重要となってくる。シリコン酸化膜の厚さと幅の寸法のアスペクト比が小さいほど、水分は浸入しやすくなる。これは、アスペクト比の小さい値の断面は、幅と長さの比が小さいことを示しており、単位時間当たりに水分が通過する量が同一であると仮定すると、アスペクト比が小さい方が、より多くの水分を透過するからである。   In order to prevent moisture from entering, the dimensions of each silicon oxide film are important. The smaller the aspect ratio of the thickness and width dimension of the silicon oxide film, the easier it is for moisture to enter. This indicates that the cross-section with a small aspect ratio has a small width to length ratio, and assuming that the amount of moisture passing through per unit time is the same, the smaller the aspect ratio, This is because more moisture is permeated.

また、センシング空間と接触している電極基板に形成した複数のシリコン酸化膜の表面積と、デバイス基板3と固定基板2との間に形成されたシリコン酸化膜4bの表面積を比較して、後者の方の表面積が小さい構造が良い。これはセンシング空間5と接触している表面積が大きいほど、水分がより多く浸入するためである。   Also, the surface area of the plurality of silicon oxide films formed on the electrode substrate in contact with the sensing space is compared with the surface area of the silicon oxide film 4b formed between the device substrate 3 and the fixed substrate 2, and the latter A structure with a smaller surface area is preferred. This is because the larger the surface area in contact with the sensing space 5, the more moisture enters.

電極基板1内に絶縁のために形成されたシリコン酸化膜4aの幅16bと高さ16aとの比、すなわち、シリコン酸化膜4aのアスペクト比16a/16bと、シリコン酸化膜4bの厚さ17bと長さ17aとの比、すなわち、シリコン酸化膜4bのアスペクト比17a/17bを比較した場合に、シリコン酸化膜4bのアスペクト比が大きいことが良い。さらに、複数個のシリコン酸化膜4aの全体の表面積とシリコン酸化膜4bの全体の表面積がセンシング空間5と接している表面積を比較した場合に、センシング空間5と接しているシリコン酸化膜4bの全体の表面積は小さい方が良い。   The ratio of the width 16b and the height 16a of the silicon oxide film 4a formed for insulation in the electrode substrate 1, that is, the aspect ratio 16a / 16b of the silicon oxide film 4a, and the thickness 17b of the silicon oxide film 4b When the ratio with the length 17a, that is, the aspect ratio 17a / 17b of the silicon oxide film 4b is compared, the aspect ratio of the silicon oxide film 4b is preferably large. Further, when the total surface area of the plurality of silicon oxide films 4a and the total surface area of the silicon oxide film 4b are in contact with the sensing space 5, the entire silicon oxide film 4b in contact with the sensing space 5 is compared. The surface area should be small.

これはシリコン酸化膜4bのアスペクト比が小さく、センシング空間5と接しているシリコン酸化膜4bの全体の表面積が大きい場合は、シリコン酸化膜4aの端部から水分の浸入を防止したとしても、シリコン酸化膜4bから水分がセンシング空間5に浸入するためである。   This is because when the aspect ratio of the silicon oxide film 4b is small and the entire surface area of the silicon oxide film 4b in contact with the sensing space 5 is large, even if the intrusion of moisture from the end of the silicon oxide film 4a is prevented, This is because moisture enters the sensing space 5 from the oxide film 4b.

図7は本発明の他の一例を示す角速度をセンシングするセンサの断面図を示している。基板は固定基板2、デバイス基板3、電極基板1の少なくとも3層構造から構成されている。固定基板2には溝19が形成されており、SiO2からなるシリコン酸化膜4bを介してデバイス基板3がシリコン直接接合法によって形成されている。   FIG. 7 shows a sectional view of a sensor for sensing angular velocity according to another example of the present invention. The substrate is composed of at least a three-layer structure of a fixed substrate 2, a device substrate 3, and an electrode substrate 1. A groove 19 is formed in the fixed substrate 2, and the device substrate 3 is formed by a silicon direct bonding method via a silicon oxide film 4b made of SiO2.

デバイス層の上部と、電極基板1の下部は、同様に、シリコン同士がシリコン直接接合されている構造である。図7の角速度を測定するセンシング空間5はシリコンおよびシリコン酸化膜によって密閉された空間となっている。   Similarly, the upper part of the device layer and the lower part of the electrode substrate 1 have a structure in which silicon is directly bonded to silicon. The sensing space 5 for measuring the angular velocity in FIG. 7 is a space sealed by silicon and a silicon oxide film.

デバイス基板3の角速度を測定するセンシング空間5は、上下に配置した固定基板2および電極基板1との空間において、圧力雰囲気が10Pa程度の真空雰囲気となっている。センシング空間5には固定電極7および可動電極8が形成されている。これは数ミクロンのギャップを有して複数の櫛歯が形成されている。   The sensing space 5 for measuring the angular velocity of the device substrate 3 is a vacuum atmosphere having a pressure atmosphere of about 10 Pa in the space between the fixed substrate 2 and the electrode substrate 1 arranged above and below. A fixed electrode 7 and a movable electrode 8 are formed in the sensing space 5. This has a plurality of comb teeth formed with a gap of several microns.

前記、固定電極7および可動電極8と外部との電気的な導通は図1で説明した例と同様である。   The electrical continuity between the fixed electrode 7 and the movable electrode 8 and the outside is the same as the example described in FIG.

電極基板1の内部に形成された低抵抗シリコンからなる貫通電極10の周囲は、2重に形成されたシリコン酸化膜4aおよびその内部にポリシリコン18が埋め込まれた構造となっている。この構造では絶縁部のアスペクト比を増加させることが可能で、電極基板1の厚さを増加させることができる。それによって電極基板の耐圧性能が向上する。   The periphery of the through electrode 10 made of low-resistance silicon formed inside the electrode substrate 1 has a structure in which a double-formed silicon oxide film 4a and polysilicon 18 are embedded therein. With this structure, the aspect ratio of the insulating portion can be increased, and the thickness of the electrode substrate 1 can be increased. Thereby, the pressure resistance performance of the electrode substrate is improved.

また、固定基板2に溝19を形成したことで、角速度のセンシング部の空間体積を大きくできるため、センシング空間5の表面から発生する微小発生ガス(アウトガス)が発生した場合でも体積効果によって、微小発生ガスによる真空ばらつきを抑制できる。   Further, since the space volume of the angular velocity sensing part can be increased by forming the groove 19 in the fixed substrate 2, even if a minute gas (outgas) generated from the surface of the sensing space 5 is generated, Vacuum variation due to the generated gas can be suppressed.

より詳細には、角速度のセンシング空間5は真空中で密閉されているが、真空中で保持されているため、長期信頼性の観点から考慮すると時間の経過に比例して微小発生ガスの発生することが予測できる。その結果、真空度が悪化することによって、センシング空間内の可動電極の共振周波数が変化し、性能が悪化することが予測できる。そのため、センシング空間の圧力変動を抑制することは重要となる。   More specifically, although the angular velocity sensing space 5 is sealed in a vacuum, since it is held in a vacuum, a small amount of generated gas is generated in proportion to the passage of time from the viewpoint of long-term reliability. Can be predicted. As a result, it can be predicted that when the degree of vacuum is deteriorated, the resonance frequency of the movable electrode in the sensing space is changed and the performance is deteriorated. Therefore, it is important to suppress pressure fluctuations in the sensing space.

また、デバイスが形成されている基板のセンシング部には、多くの可動および検出用の櫛歯および梁がマイクロメータ単位で形成されている場合が多く、センシング部の空間体積に対して、センシング部の表面積の割合は大きい。その結果、微小ガス成分が発生する割合が大きくなる。これは表面積の大きさに比例して微小ガス成分が発生する割合が高くなるためである。   Also, the sensing part of the substrate on which the device is formed often has many movable and detecting combs and beams formed in units of micrometers, and the sensing part is compared with the spatial volume of the sensing part. The surface area ratio is large. As a result, the rate at which minute gas components are generated increases. This is because the proportion of generation of minute gas components increases in proportion to the size of the surface area.

一方、固定基板1の溝空間は、内部には構造体はないことから、体積に対する表面積の割合は、梁形成部と比較して非常に小さい。そのため、角速度センサのセンシング部空間は微小ガス成分(アウトガス)が発生する割合が小さくなる。そのため、圧力の安定に寄与できる。   On the other hand, since the groove space of the fixed substrate 1 has no structure inside, the ratio of the surface area to the volume is very small compared to the beam forming portion. For this reason, the rate at which minute gas components (outgas) are generated in the sensing space of the angular velocity sensor is reduced. Therefore, it can contribute to the stability of pressure.

気体の圧力Pは(2)式により、体積Vが増加すると、気体の圧力変動は低下する。すなわち、センシング空間の圧力ばらつきは、微小発生ガスの発生量に対して、体積の大小によって圧力が変化する。なお、nは気体の物質量(モル数)、Rは気体定数、Tは気体の熱力学的温度を示す。   The gas pressure P decreases according to the equation (2) as the volume V increases. In other words, the pressure variation in the sensing space changes depending on the volume of the generated gas generated. Here, n is the amount of gas substance (number of moles), R is a gas constant, and T is the thermodynamic temperature of the gas.


PV=nRT ‥‥(2)

PV = nRT (2)

そのため、本発明の図7の構造では、角速度のセンシング空間内で微小発生ガスが発生した場合でもセンシング空間内の気体の圧力Pの変化率は小さくなる。   Therefore, in the structure of FIG. 7 of the present invention, even when a minute gas is generated in the angular velocity sensing space, the rate of change of the pressure P of the gas in the sensing space is small.

また、前記(2)式より、体積がN倍になると圧力は1/Nとなる。すなわち、体積が大きくなるほど、センシング空間の圧力変動は抑制できる。   Further, from the equation (2), when the volume is increased N times, the pressure is 1 / N. That is, as the volume increases, the pressure fluctuation in the sensing space can be suppressed.

本発明に適用されている基板の接合には、シリコンの直接接合が適用されている。これは、シリコンウエハもしくは表面に酸化膜が形成されたシリコンウエハに親水化処理を行い、室温近傍で貼り合わせる。これにより、水素結合などによって貼り合わせた2枚のシリコンウエハは結合される。この状態ではまだ、接合強度が弱いため、900度〜1150度の温度で加熱処理を行い。それにより、シロキサン結合状態を作り出し、最終的にシリコンとシリコンの強固な結合状態得られる強固な接合方法である。   The direct bonding of silicon is applied to the bonding of the substrates applied to the present invention. In this method, a silicon wafer or a silicon wafer having an oxide film formed on the surface is subjected to a hydrophilization treatment and bonded together in the vicinity of room temperature. As a result, the two silicon wafers bonded together by hydrogen bonding or the like are bonded. Since the bonding strength is still weak in this state, heat treatment is performed at a temperature of 900 to 1150 degrees. Thereby, a siloxane bond state is created, and finally a strong bonding method is obtained in which a strong bond state between silicon and silicon is obtained.

本発明ではこれ以外にアルゴンイオンビームを適用した表面活性化接合を適用しても良い。この接合法では基板に対する熱的な不可が小さい効果がある。   In the present invention, surface activated bonding using an argon ion beam may be applied. This bonding method has an effect that the thermal impossibility of the substrate is small.

電極基板1およびデバイス基板3に適用されるシリコン材料は0.01-0.05Ωcmの抵抗値を有する材料が良い。   The silicon material applied to the electrode substrate 1 and the device substrate 3 is preferably a material having a resistance value of 0.01 to 0.05 Ωcm.

固定基板2の溝および電極基板1の溝は高アスペクト比の加工が可能なドライエッチング加工によって形成すると良い。これは、溝の側面を垂直に加工することができるためである。ドライエッチング法によって平面的に曲線を有する形状および複雑な矩形形状などの溝を形成できるためである。   The groove of the fixed substrate 2 and the groove of the electrode substrate 1 are preferably formed by dry etching processing capable of processing with a high aspect ratio. This is because the side surface of the groove can be processed vertically. This is because grooves having a curved shape in plan and a complicated rectangular shape can be formed by a dry etching method.

図8に本発明の物理量センサの実用的なアセンブル方法を示す。リードフレーム28の上に金属ペースト27を介して制御LSI 24が配置され、制御用LSI 24の上に本発明の角速度センサ22および加速度センサ25が接着層26を介して搭載されている。リードフレーム28およびコンデンサ等の他部品(図示せず)とともに、モールド樹脂29を適用してモールド成形することでパッケージ状態を形成するか、もしくは、セラミックスパッケージに搭載しても良い。信号の検出および電気の供給を行うために制御用LSI等の電極パッド21bと本発明の角速度センサ22および加速度センサ25の電極パッド21aを、金ワイヤ23によって電気的につないである構造である。   FIG. 8 shows a practical assembly method of the physical quantity sensor of the present invention. A control LSI 24 is disposed on the lead frame 28 via a metal paste 27, and the angular velocity sensor 22 and the acceleration sensor 25 of the present invention are mounted on the control LSI 24 via an adhesive layer 26. A package state may be formed by applying molding resin 29 together with other components (not shown) such as a lead frame 28 and a capacitor, or may be mounted on a ceramic package. In order to detect a signal and supply electricity, the electrode pad 21b of a control LSI or the like and the electrode pads 21a of the angular velocity sensor 22 and the acceleration sensor 25 of the present invention are electrically connected by a gold wire 23.

前記のパッケージ構造では、X方向とY方向の2軸の加速度センサと1軸の角速度センサ、X方向とZ方向の2軸の加速度センサと1軸の角速度センサ、1軸の加速度センサと2軸の角速度センサ、2軸の角速度センサなど各種センサを配置することができ、物理量を測定する用途は様々な場合に適用できる。   In the above package structure, the X-axis and Y-direction 2-axis acceleration sensor and the 1-axis angular velocity sensor, the X-direction and Z-direction acceleration sensor and the 1-axis angular velocity sensor, the 1-axis acceleration sensor and the 2-axis Various sensors such as an angular velocity sensor and a biaxial angular velocity sensor can be arranged, and the use of measuring physical quantities can be applied in various cases.

本発明では、水分の透過を抑制する構造であり、かつ、真空のセンシング空間はシリコン材料とシリコン酸化膜材料だけに囲まれているため、信頼性が高い。そのため、高湿度の雰囲気および窒素酸化物、油蒸気などの腐食性ガスが存在する雰囲気でも適用することが可能である。   In the present invention, the structure is configured to suppress moisture permeation, and the vacuum sensing space is surrounded only by the silicon material and the silicon oxide film material, so that the reliability is high. Therefore, the present invention can be applied even in a high humidity atmosphere and an atmosphere where a corrosive gas such as nitrogen oxide or oil vapor exists.

また、電極基板1には一部もしくは全ての貫通電極部から金属配線部が、電極パッド部までつながっている構造である。電極パッド部以外の部分は、全てシリコン酸化膜でおおわれている構造を適用することで、水分透過防止膜を保護する効果があり、プロセス中の破損、もしくは組み立て時に発生する接触などによる水分透過防止膜の破損を抑制でき、樹脂などの保護膜も必要なくなる。   In addition, the electrode substrate 1 has a structure in which a metal wiring portion is connected to an electrode pad portion from a part or all of the through electrode portions. All parts other than the electrode pad are covered with a silicon oxide film to protect the moisture permeation prevention film, preventing moisture permeation due to damage during the process or contact that occurs during assembly. The film can be prevented from being damaged, and a protective film such as a resin is not necessary.

前記の物理量センサにおいて、固定基板にシリコン材料を適用し、デバイス基板および電極基板に低抵抗シリコン材料を適用し、デバイス基板には可動電極部と固定電極部が形成されており、複数の低抵抗シリコン電極がシリコン酸化膜によって個別に絶縁された貫通電極および溝が形成された電極基板と前記、可動電極部と固定電極部は、個別に貫通電極と接触しており、角速度の物理量を測定するセンシング部を有し、かつ、静電容量式センサであって、前記デバイス基板と固定基板は酸化膜を介して結合され、前記デバイス基板と電極基板はシリコン同士によって接合されている構造を適用することによって、信頼性に優れた角速度センサを提供できる。前記、電極基板に形成された溝は、シリコンの高アスペクト比の溝を加工できるドライエッチング加工法によって形成することが好ましい。これはシリコン加工溝の側面を垂直形状とすることができるためである。
固定基板、デバイス基板、電極基板の接合方法にはシリコンの直接接合を適用することが好ましい。3枚の基板の内、少なくとも2枚の基板の接合にシリコンの直接接合を適用することによって、接合前に角速度センサの可動電極部である振動体との溝を任意の深さに設定することができる。
In the physical quantity sensor described above, a silicon material is applied to the fixed substrate, a low resistance silicon material is applied to the device substrate and the electrode substrate, and a movable electrode portion and a fixed electrode portion are formed on the device substrate. The through electrode in which the silicon electrode is individually insulated by the silicon oxide film and the electrode substrate in which the groove is formed, and the movable electrode portion and the fixed electrode portion are in contact with the through electrode individually, and the physical quantity of the angular velocity is measured. It has a sensing unit, and is a capacitance type sensor, wherein the device substrate and the fixed substrate are bonded via an oxide film, and the device substrate and the electrode substrate are bonded by silicon. Thus, an angular velocity sensor excellent in reliability can be provided. The groove formed in the electrode substrate is preferably formed by a dry etching method capable of processing a high aspect ratio groove of silicon. This is because the side surface of the silicon processing groove can be made vertical.
It is preferable to apply direct silicon bonding as a method for bonding the fixed substrate, the device substrate, and the electrode substrate. By applying silicon direct bonding to the bonding of at least two of the three substrates, the groove with the vibrating body that is the movable electrode part of the angular velocity sensor is set to an arbitrary depth before bonding. Can do.

前記、電極基板に形成したシリコン酸化膜の深さ/幅のアスペクト比と、デバイス基板と固定基板との間に形成されたシリコン酸化膜の幅/厚さのアスペクト比を比較して、後者の方のアスペクト比が大きい構造を適用することで、水分の透過抑制に効果がある。これは、水分の浸入は酸化膜の幅と深さの関係から、アスペクト比の小さい値の方が、水分が、通過するためにより多くの時間を有するためであり、さらに、後者の接合部はセンサの側面に存在し、水分を抑制するための保護膜を形成することが困難であることによる。   The aspect ratio of the depth / width of the silicon oxide film formed on the electrode substrate is compared with the aspect ratio of the width / thickness of the silicon oxide film formed between the device substrate and the fixed substrate. By applying a structure having a larger aspect ratio, moisture permeation can be suppressed. This is because moisture permeation takes more time for the moisture to pass due to the smaller aspect ratio due to the relationship between the width and depth of the oxide film. This is because it is difficult to form a protective film that exists on the side surface of the sensor and suppresses moisture.

また、センシング空間と接触している電極基板に形成した複数のシリコン酸化膜の表面積と、デバイス基板と固定基板との間に形成されたシリコン酸化膜の表面積を比較して、後者の方の表面積が小さい構造が良い。   In addition, the surface area of the silicon oxide film formed on the electrode substrate in contact with the sensing space is compared with the surface area of the silicon oxide film formed between the device substrate and the fixed substrate. A small structure is good.

さらに、水分防止膜には窒化シリコン膜を適用することによって水分浸入抑制効果を向上できる。なお、絶縁膜で、酸化膜の形成温度に耐える膜であれば、その他の材料を適用しても同様の効果が得られる。   Furthermore, by applying a silicon nitride film as the moisture prevention film, the moisture intrusion suppression effect can be improved. Note that the same effect can be obtained by applying other materials as long as the insulating film is a film that can withstand the oxide film formation temperature.

前記に記載した角速度センサと、加速度センサと一緒に制御LSIとともに一つのセラミックス材料または樹脂材料からなるパッケージ内に配置することによって、信頼性に優れた複合タイプの物理量センサを提供できる。   By disposing the angular velocity sensor described above and the acceleration sensor together with the control LSI in a package made of one ceramic material or resin material, a composite type physical quantity sensor having excellent reliability can be provided.

また、角速度センサは自動車の走行制御用のセンサとして適用することができるため、高湿の雰囲気および窒素酸化物、油蒸気などの腐食性ガスが存在する場所への設置が可能となる。   Further, since the angular velocity sensor can be applied as a sensor for driving control of an automobile, it can be installed in a place with a high humidity atmosphere and a corrosive gas such as nitrogen oxide or oil vapor.

角速度センサは自動車用のセンサとして適用することが可能であるため、自動車の過酷な環境、例えば、エンジンルーム内での設置も可能となる。   Since the angular velocity sensor can be applied as an automobile sensor, it can be installed in a harsh environment of an automobile, for example, in an engine room.

本発明では角速度センサ以外にもセンシング部が真空環境で駆動する物理量センサであれば適用することが可能である。例えば、圧力センサにも適用することができる。   In the present invention, any sensor other than the angular velocity sensor can be applied as long as the sensing unit is a physical quantity sensor driven in a vacuum environment. For example, it can be applied to a pressure sensor.

本発明の各種構造を説明したが本発明は上述の例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲にて様々な変更が可能であることは、当業者によって容易に理解されよう。   Although various structures of the present invention have been described, the present invention is not limited to the above-described examples, and it is easy for those skilled in the art to make various modifications within the scope of the invention described in the claims. Will be understood.

1…電極基板、2…固定基板、3…デバイス基板、4…シリコン酸化膜、5…センシング空間、6…水分透過防止膜、7…固定電極、8…可動電極、9…金属電極、10…貫通電極、
11…ばね梁、12…SiN膜、13…保護膜、14…水分透過経路、15…MEMS素子、
16…シリコン酸化膜の長さと幅、17…接合部のシリコン酸化膜の長さと幅、
18…ポリシリコン、19…溝、20…配線、21…電極パッド、22…角速度センサ、
23…金ワイヤ、24…制御LSI、25…加速度センサ、26…接着層、27…金属ペースト、
28…リードフレーム、29…モールド樹脂
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Electrode substrate, 2 ... Fixed substrate, 3 ... Device substrate, 4 ... Silicon oxide film, 5 ... Sensing space, 6 ... Moisture permeation prevention film, 7 ... Fixed electrode, 8 ... Movable electrode, 9 ... Metal electrode, 10 ... Through electrode,
11 ... Spring beam, 12 ... SiN film, 13 ... Protective film, 14 ... Moisture permeation path, 15 ... MEMS element,
16 ... length and width of silicon oxide film, 17 ... length and width of silicon oxide film at junction,
18 ... polysilicon, 19 ... groove, 20 ... wiring, 21 ... electrode pad, 22 ... angular velocity sensor,
23 ... Gold wire, 24 ... Control LSI, 25 ... Accelerometer, 26 ... Adhesive layer, 27 ... Metal paste,
28 ... Lead frame, 29 ... Mold resin

Claims (7)

固定層およびデバイス層が一体となった基板と電極基板の2層構造、もしくは固定基板、デバイス基板、電極基板の少なくとも3層構造を備える物理量センサにおいて、
前記電極基板は、低抵抗シリコンからなる貫通電極と、該貫通電極を周囲から絶縁するために、該貫通電極の周囲に設けられるシリコン酸化膜と、を備え、
電極基板の前記シリコン酸化膜のデバイス層とは反対側の端部の直上に、前記端部をおおうように、かつ、直接密着するように水分透過防止膜が形成されていることを特徴とする物理量センサ。
In a physical quantity sensor having a two-layer structure of a substrate and an electrode substrate in which a fixed layer and a device layer are integrated, or at least a three-layer structure of a fixed substrate, device substrate, and electrode substrate
The electrode substrate includes a through electrode made of low-resistance silicon, and a silicon oxide film provided around the through electrode to insulate the through electrode from the surroundings,
A moisture permeation preventive film is formed directly on the opposite side of the electrode substrate on the side opposite to the device layer of the electrode substrate so as to cover the end and directly adhere to it. Physical quantity sensor.
請求項1記載の物理量センサにおいて、
前記電極基板は、その表面に前記貫通電極から金属配線が電極パッド部までつながっている構造を有し、電極パッド部が設けられる表面のうち、前記電極パッド部以外が、全てシリコン酸化膜でおおわれている構造を特徴とする物理量センサ。
In the physical quantity sensor according to claim 1,
The electrode substrate has a structure in which a metal wiring is connected to the electrode pad portion from the through electrode on the surface thereof, and a surface on which the electrode pad portion is provided is entirely covered with a silicon oxide film except for the electrode pad portion. Physical quantity sensor characterized by the structure.
請求項1または2に記載の前記固定基板、前記デバイス基板、前記電極基板の少なくとも3層構造を備える物理量センサにおいて、
前記固定基板にシリコン材料を適用し、
前記デバイス基板および前記電極基板に低抵抗シリコン材料を適用し、
前記デバイス基板には、可動電極部と固定電極部が形成されており、
前記貫通電極は複数形成されており、前記可動電極部と接触するものと、前記固定電極部に接触するものとを有しており、
前記デバイス基板と固定基板は酸化膜を介して結合され、前記デバイス基板と電極基板はシリコン同士によって接合されていることを特徴する物理量センサ。
The physical quantity sensor comprising at least a three-layer structure of the fixed substrate, the device substrate, and the electrode substrate according to claim 1 or 2,
Applying a silicon material to the fixed substrate;
Applying a low resistance silicon material to the device substrate and the electrode substrate,
The device substrate is formed with a movable electrode portion and a fixed electrode portion,
A plurality of the through electrodes are formed, and have a contact with the movable electrode part and a contact with the fixed electrode part,
The physical quantity sensor, wherein the device substrate and the fixed substrate are bonded via an oxide film, and the device substrate and the electrode substrate are bonded together by silicon.
請求項3記載の物理量センサにおいて、
前記電極基板に設けられた、前記貫通電極の周囲に設けられるように形成したシリコン酸化膜の深さ/幅のアスペクト比と、
前記デバイス基板と前記固定基板との間に形成されたシリコン酸化膜の幅/厚さのアスペクト比を比較して、後者の方のアスペクト比が大きいこと、を特徴とする物理量センサ。
In the physical quantity sensor according to claim 3,
A depth / width aspect ratio of a silicon oxide film provided on the electrode substrate and formed around the through electrode; and
A physical quantity sensor characterized by comparing the aspect ratio of the width / thickness of a silicon oxide film formed between the device substrate and the fixed substrate, and the latter has a larger aspect ratio.
請求項4に記載の物理量センサにおいて、
前記固定電極及び前記可動電極が設けられるセンシング空間と接触している電極基板に形成した複数のシリコン酸化膜の表面積と、デバイス基板と固定基板との間に形成されたシリコン酸化膜の表面積を比較して、後者の方の表面積が小さいことを特徴する物理量センサ。
In the physical quantity sensor according to claim 4,
Compare the surface area of multiple silicon oxide films formed on the electrode substrate in contact with the sensing space where the fixed electrode and the movable electrode are provided, and the surface area of the silicon oxide film formed between the device substrate and the fixed substrate. A physical quantity sensor characterized in that the latter has a smaller surface area.
請求項1乃至5の何れかに記載の物理量センサにおいて水分透過防止膜に窒化シリコン膜を適用することを特徴する物理量センサ。   6. The physical quantity sensor according to claim 1, wherein a silicon nitride film is applied to the moisture permeation preventive film. 請求項1乃至6の何れかに記載の物理量センサにおいて、角速度センサと、加速度センサと一緒に制御LSIとともに一つのセラミックス材料または樹脂材料からなるパッケージ内に配置することを特徴する物理量センサ   7. The physical quantity sensor according to claim 1, wherein the physical quantity sensor is arranged in a package made of one ceramic material or resin material together with the control LSI together with the angular velocity sensor and the acceleration sensor.
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