JP3643116B2 - 可動電気回路用導電膜および振動式ジャイロ - Google Patents
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Description
【技術分野】
【０００１】
本発明は、動作中に形状が変化することを前提とした可動体に配設される電気回路（以下、可動電気回路という）に用いる導電膜およびこれを配線パターンに用いた振動式ジャイロに関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコンは、半導体デバイス、特に半導体集積回路（ＩＣ）、マイクロエレクトロニクスデバイス、または精密測定デバイスにおいて、最も代表的な基板材料として用いられている。このようにシリコン基板が多用される理由は、工業的に高純度のシリコンウエーハが廉価に製造できること、および、化学的に極めて安定な酸化膜（SiＯ2）をシリコン基板上に形成することにより、容易に高集積化デバイスの素子間を絶縁分離できることにある。
【０００３】
例えば、バッチシステムによるＩＣの製造においては、多数のデバイスが１枚のシリコンウエーハ上に互いに電気的に絶縁分離された状態で形成される。このデバイス特性に要求される絶縁分離は、ウエーハ上に0.3〜1.0μm程度の酸化膜を生成させることによって達成される。
【０００４】
精緻なデバイスの事例として、リング型振動ジャイロ（例えば、特開平10-267667号公報参照）が挙げられる。リング型振動ジャイロは、振動式ジャイロの一種であり、宙吊り状態のリング型振動子に楕円振動を与える構造を有するジャイロである。このリング型振動ジャイロは、振動式ジャイロの一種である圧電ジャイロのような外来応力に敏感な固定支点がなく、楕円振動は外来応力による影響を受けにくいため、角速度を高精度に検出できるという特徴を有している。
【０００５】
図１は、リング型振動ジャイロにおけるシリコン基板を示す図であり、図２は、リング上に設けられた配線パターンを示す図である。
【０００６】
図１に示すように、シリコン基板１は、例えば、８本のサスペンション1-2により中央にあるリング1-1を宙吊り状態で懸架する構成を有している。図２に示すように、シリコン基板１（図２の例ではリング1-1）としては、通常のＣＰＵ等の集積回路用のものより薄い単結晶シリコンウエーハ２に絶縁膜３を形成したものが用いられる。そして、リング型振動子は、例えばスパッタリングにより絶縁膜３上にAl−Si系などの配線用導電膜を形成した後、フォトリソグラフィとケミカルエッチングによりトラック（配線パターン）４を形成し、更に、ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）エッチングによりリング1-1とサスペンション1-2を形成して作製される。
【０００７】
リング1-1およびサスペンション1-2に設けられたトラック４は、その周方向には交流電流が流され、上下方向には磁気回路（図示しない）による磁場を受けるため、ローレンツ力により楕円形状に変形する（これを振動モード１という）。サスペンション1-2に流す電流の位相を調整することによりリング1-1の楕円振動に角速度を与えると、振動モード１に対してコリオリ力が働き、新たに振動モード１から４５°ずれた位置に振動モード２が発生する。振動モード２が発生する振動モード１の不働点（ノード）をモニターすることにより角速度を知ることができる。
【０００８】
ジャイロの性能を測る指標にドリフトと呼ばれるものがある。ドリフトとは、実際にはリングが静止しているにもかかわらず、あたかも回転しているようにジャイロからの信号が変化することを意味し、ドリフトが小さいほど、ジャイロの性能は良好となる。なお、ドリフトの単位は、単位時間当たり（通常は１時間当たり）に回転したと検出された見かけ上の角速度〔(deg/sec)/hr〕で表される。その適正値は、用途によって様々だが、例えば、動揺制御などに用いるジャイロの場合には0.05(deg/sec)/hr以下である。
【０００９】
ドリフトは、ジャイロの使用目的に応じた性能を確保する上で極めて重要な指標であるが、同じ材料を用いて作製されたジャイロでもその値にバラツキが生じる。本発明者は、この原因について行った研究により、ドリフトが大きいサンプルでは、相対的に配線用導電膜の結晶粒が粗大となっていることを見出した。
【００１０】
図３は、振動式ジャイロの配線用導電膜の金属組織を示す図であり、(a)はドリフトが0.03(deg/sec)/hrと小さかったサンプルの配線用導電膜の組織図を示し、(b)はドリフトが0.12(deg/sec)/hrと大きかったサンプルの配線用導電膜の組織図を示す。なお、この図は、それぞれの配線用導電膜の一部についてのＥＢＳＰ像をトレースした図である。図３に示すように、ドリフトが小さかったサンプルの結晶粒は、ドリフトが大きかったサンプルのそれと比較して小さい。
【００１１】
一般に、半導体デバイスに使用される配線の導電性は、結晶粒が大きい方がよいこととされている。その主な理由は、配線の結晶粒が小さいと粒界が増え、これが抵抗となって自由電子の移動を阻害することである。
【００１２】
しかし、本発明者らは、可動体（リング型振動ジャイロの場合、リング1-1およびサスペンション1-2）に配設される配線用導電膜の結晶粒が大きくなると、配線に外力（リング型振動ジャイロの場合、ローレンツ力）が加わったときに、機械的強度が加工硬化等により変化しやすくなると考えた。本発明者らは、この仮定のもと更に研究を重ねた結果、振動式ジャイロに代表される可動電気回路に用いられる導電膜の場合には、導電性を確保することよりも配線用導電膜の結晶粒を小さくし、機械的強度の変化を小さくすることが重要であると結論した。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、回路作動中に電気回路自体の形状が変化することを前提とした可動体に配設する電気回路に最適な導電膜、およびこの導電膜を配線パターンとして用いた振動式ジャイロを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明者は、可動電気回路、特に振動式ジャイロにおいて、その配線パターンの結晶粒を小さくするべく研究を重ねた結果、本発明を完成させた。
【００１５】
本発明は、下記の(1)に示す可動電気回路用導電膜および(2)に示す振動式ジャイロを要旨とする。
【００１６】
(1)Alを主体とする可動電気回路用導電膜であって、結晶粒の平均断面積が１μｍ2以下であることを特徴とする可動電気回路用導電膜。この導電膜は、原子濃度でＮ＋Ｏ：550〜20000ppmを含有することが望ましい。また、原子濃度で、Si：0.5〜5.0％、Ta：0.5〜5.0％およびCu：0.5〜5.0％の一種以上を含むことも望ましい。特に望ましいのは、原子濃度で、Nd：0.5〜5.0％を含有するものである。
【００１７】
(2)上記の(1)に記載の可動電気回路用導電膜を配線パターンに用いることを特徴とする振動式ジャイロ。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の対象は、Alを主体とする可動電気回路用導電膜である。この可動電気回路用導電膜は、例えば、振動式ジャイロの配線パターンとして用いる場合に有効である。ここで、Alを主体とする可動電気回路用導電膜とは、動作中に形状が変化することを前提とした可動体に配設される電気回路に用いるAl基導電膜を意味する。
【００１９】
（Ａ）結晶粒の平均断面積について
結晶粒の平均断面積が１μｍ2を超える場合には、結晶粒が大きいため比抵抗が小さく導電性は良好となるが、機械的強度が変化しやすくなる。その変化の度合いは下記の(a)式のホール−ペッチの関係式（Hall-Petch relation）で表される。
【００２０】
σ=σ0＋Ａ・ｄ-1/2 …(a)
但し、σ0は単結晶体金属の引張降伏応力、Ａは比例定数、ｄは結晶粒の直径を意味する。
【００２１】
図４は、結晶粒の平均断面積とドリフトとの関係を示す図である。図４に示すように、結晶粒の平均断面積が１μｍ2以下の場合に、ドリフトを0.05(deg/sec)/hr以下に制御することができる。従って、結晶粒の平均断面積は、１μｍ2以下に制限することとした。ドリフトの観点からは、結晶粒の平均断面積は小さければ小さいほど望ましく、特に、0.5μｍ2以下が望ましい。結晶粒の平均断面積の下限値は特に定めないが、0.00008μｍ2未満の場合には、比抵抗が大きくなり過ぎて導電性が劣化する。このため、結晶粒の平均断面積は0.00008μｍ2以上であることが望ましい。
【００２２】
「結晶粒の平均断面積」は下記の手順で求めることができる。
(1)サンプルのＥＢＳＰ像（後方散乱電子回折像）を得る。
(2)１辺の長さがａμｍの正四角形の視野を任意に選定し、その視野内に完全に含まれる結晶数ｎ1、この四角形と交差している結晶数ｎ2を数える。
(3)視野内の結晶数の総計ｎT（＝ｎ1＋ｎ2／２）を計算する。
(4)この作業を視野を変えてトータルでｉ回（ｉは１０以上）行う。
(5)結晶粒の各視野の平均断面積Ｓi(＝ａ2／ｎT)を求め、さらに、全視野の平均断面積ＳAVE〔＝（ΣＳi）／ｉ〕を求める。
【００２３】
（Ｂ）化学組成について
上記の（Ａ）に示すように、可動電気回路に用いられる導電膜には、結晶粒の平均断面積が１μｍ2以下であるものを用いるのが有効である。本発明者は、結晶粒の大きさを上記の範囲とするための一つの手段として、通常、不純物として含まれるＮおよびＯの含有量を従来の導電膜よりも増加させる、即ち、Alを主体とする導電膜中に原子濃度（以下、「％」は「原子％」を意味し、「ppm」は「原子ppm」を意味する。）で、Ｎ＋Ｏ：550〜20000ppmを含ませることを見出した。
【００２４】
一般に、ＮおよびＯは導電膜中に不純物として存在する元素であり、これらの元素が導電膜中に多く存在すると結晶粒径を小さくし、粒界を増やすので電気抵抗を大きくする。このため、通常の電気回路に用いる導電膜では、これらの元素の含有量を極力低減することが望ましいとされている。従って、回路作動中に電気回路自体の形状が変化することがない一般的な半導体用配線中においては、ＮまたはＯの含有量は、いずれも10ppm以下である。
【００２５】
しかし、前述のように、本発明が対象とするような回路作動中に電気回路自体の形状が変化することを前提とした可動体に配設する電気回路では、導電性を確保することもさることながら、電気回路自体の機械的強度の安定性を高めることが重要である。
【００２６】
ここで、Alを主体とする導電膜中に含まれる「Ｎ＋Ｏ」が550ppm未満の場合、Al窒化物、Al酸化物の生成が不十分なため、結晶粒の大きさを十分に小さくすることができない。このため、導電性は良好となるものの、回路作動中に導電膜自体の機械的強度が変化しやすくなる。「Ｎ＋Ｏ」が20000ppmを超える場合には、Al窒化物が生成して比抵抗が増大する傾向がある。また、真空成膜室に導入するArに混合するＮ2およびＯ2濃度を増加させる必要があるので、プロセス効率の面で不利となる。
【００２７】
従って、いずれの場合も導電膜自体の円滑な動作性が損なわれやすくなり、例えば、この導電膜を振動ジャイロの配線パターンに用いる場合にはドリフトが大きくなる。このような振動式ジャイロは、高い精度が要求される用途には使用できない場合がある。このため、本発明の可動電気回路用導電膜には、原子濃度で、Ｎ＋Ｏ：550〜20000ppmを含むのが望ましい。より望ましいのは、Ｎ＋Ｏ：600〜18000ppmである。
【００２８】
本発明の可動電気回路用導電膜は、Alを主体とするものであり、Ｎ＋Ｏ：550〜20000ppm、ならびに、Si：0.5〜5.0％、Ta：0.5〜5.0％およびCu：0.5〜5.0％のうちの１種以上を含んでもよい。
【００２９】
即ち、Si、TaおよびCuはいずれも固溶体の強化に有効な元素である。この効果が顕著となるのは、いずれの元素も0.5％以上含有させた場合である。一方、いずれの元素も5.0％を超えて含有させると、析出物が増大して機械的強度が不均一となる場合がある。従って、これらの元素の一種以上を含有させる場合の含有量は、それぞれ0.5〜5.0％とするのが望ましい。
【００３０】
本発明のAlを主体とする可動電気回路用導電膜は、Nd：0.5〜5.0％を含むものであるのが最も望ましい。Ndは、単独でAlの結晶粒を微細化する作用を有する元素であり、Ndを適量含む導電膜であれば、Ｎ（窒素）やＯ（酸素）の含有量にかかわらず、結晶粒の平均断面積を１μｍ2以下にすることができる。また、Ndを適量含ませた導電膜は、以下に示すように、厚さ方向の結晶粒の寸法を小さくすることができる点でもより優れている。以下、図を使って説明する。
【００３１】
図５は、Alを主体とする導電膜の上面を撮影した後方散乱電子回折像（ＥＢＳＰ）であり、図６は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いてAlを主体とする導電膜の厚さ方向の断面を撮影した組織写真である。いずれの図においても、(a)はSi：1.0％およびＮ＋Ｏ：499ppmを含む導電膜を示し、(b)はSi：1.0％およびＮ＋Ｏ：4817ppmを含む導電膜を示し、(c)はNd：2.0％を含む導電膜を示す。
【００３２】
図５(a)および図６(a)に示すように、Ｎ＋Ｏ含有量が本発明の範囲を外れる導電膜では、その上面においても厚さ方向断面においても粗大な結晶粒が形成される。また、Ｎ＋Ｏ含有量が本発明で規定される範囲内にある導電膜では、図５(b)に示すように、その上面においては結晶粒が微細に形成されるが、この結晶粒の形状は、図６(b)に示すように柱状である。一方、図５(c)および図６(c)に示すように、Ndを2.0％含む導電膜では、その上面においても厚さ方向断面においても結晶粒が微細に形成されることが分かる。そして、後段の実施例に示すように、このようにAl主体の導電膜にNdを含有させたものを振動式ジャイロの配線パターンに用いると、ドリフトを更に低減することが可能となる。
【００３３】
以上のように、可動電気回路用の導電膜としては、Alを主体とし、Ndを含むものが望ましく、その含有量は0.5〜5.0％であるのが望ましい。
【００３４】
即ち、Nd含有量が0.5％未満の場合、NdによるAl結晶粒の微細化が十分ではなく、5.0％を超えると析出物が過剰に生成し、機械的強度が不均一となる。従って、Ndを含有させる場合には、その含有量を0.5〜5.0％とするのが望ましい。
【００３５】
上述のように、Ndを含有させれば、Ｎ（窒素）やＯ（酸素）の含有量にかかわらず、導電膜の結晶粒を微細化することができる。但し、Ｎ＋Ｏを550〜20000ppmの範囲で含有させても、上記の効果が失われることはない。また、本発明の導電膜には、Ndとともに、Si、TaおよびCuのうち一種以上を0.5〜5.0％含有させてもよい。
【００３６】
導電膜中に含まれる各元素は、例えば、ＳＩＭＳ（二次イオン質量分析法）を用いて測定することができる。ここで、ＳＩＭＳとは、一次イオン（酸素イオンまたはセシウムイオン）をサンプルに照射して、出てくる二次イオンの質量分析により元素を特定し、予め濃度の分かっている標準試料を用いて定量する方法である。
【００３７】
（Ｃ）本発明の可動電気回路用導電膜の製造方法について
一般に電気回路用導電膜は、スパッタリング装置等を用いて、基板表面に導電体の被膜を蒸着させることにより作製される。本発明の可動電気回路用導電膜は、特に、ＤＣマグネトロンスパッタリング装置を用いて作製されるのが望ましい。
【００３８】
ＤＣマグネトロンスパッタリングとは、陰極と陽極を設けた真空成膜室の中にArガスなどを封入した状態で、両電極に（400〜500Ｖ）の直流電圧を加えることにより陽イオン化したAr等の気体分子をターゲット（Al合金）に高速で衝突させてAl粒子（または、更にSi粒子、Ta粒子、Cu粒子またはNd粒子）を飛散させ、シリコン基板（実際には、SiＯ2膜上）に付着させることによりAl合金膜をシリコン基板上に蒸着させる方法である。
【００３９】
本発明の可動電気回路用導電膜にＮおよび／またはＯを含有させる場合には、蒸着の際に、ArにＮ2および／またはＯ2を混合したガスが導入された状態で、スパッタリングが行なわれる。これにより、真空成膜室中に存在するＮイオンおよび／またはＯイオンが導電膜中に取り込まれる。Arに混合するＮ2およびＯ2濃度が多いほど、導電膜中に取り込まれるＮおよびＯ濃度も高くなる。これらの元素の導電膜中の含有量を所望の範囲とするためには、例えば、混合ガス中のＮおよびＯの濃度は600〜20000ppm程度とすればよい。
【００４０】
熱処理は結晶粒を粗大化するおそれがあるので実施する必要はない。しかし、振動式ジャイロの製造工程においては、例えば、上記の方法により配線パターンを作製したシリコン基板と台座ガラスとを接合する必要があり、通常この接合には陽極接合技術が用いられる。陽極接合では、シリコン基板および台座ガラスは、420℃程度に加熱した状態で、600Ｖの直流電圧を30分程度負荷される。このため、導電膜は一種の熱処理が与えられた状態となるが、このような熱が加えられた後であっても、所望する結晶粒サイズが得られる。
【００４１】
このようにして作製した導電膜は、振動式ジャイロの配線パターンとして用いれば、後述の実施例に示すように、振動式ジャイロのソークドリフトを低減できる。本発明の振動式ジャイロは、例えば、下記のようにして製造することができる。
【００４２】
即ち、本発明の振動式ジャイロは、シリコンウエーハの表面に7500Å程度の厚さのSiＯ2膜を形成した後、上記の方法に従ってSiＯ2膜上にAl−Si合金などの導電膜を形成し、その後、フォトリソグラフィとケミカルエッチングを用いて、所定の配線パターンを形成し、更に、ＩＣＰエッチングによりシリコンウエーハをエッチングすることにより作製できる。
【実施例】
【００４３】
シリコンウエーハの表面に7500Å程度の厚さのSiＯ2膜を形成した後、ＤＣマグネトロンスパッタリングによりSiＯ2膜上に表１に示す化学組成を有するAl合金の導電膜を形成した。
【００４４】
本発明例１〜８、ならびに比較例４〜６および８については、真空成膜室に導入する混合ガス中のＮ2およびＯ2濃度を変化させて導電膜中のＮおよびＯ濃度を調整した。本発明例９〜１１、ならびに比較例１〜３、７および９については、通常のArガスを導入して成膜した。各種の化学組成を有する導電膜を形成したシリコン基板に、フォトリソグラフィとケミカルエッチングを用いて、所定の配線パターンを形成し、更に、ＩＣＰエッチングによりシリコンウエーハをエッチングすることによりリング型振動子を作製し、これらを同じ条件で接合、ダイボンドして振動式ジャイロを作製した。振動式ジャイロは、それぞれの条件毎に２５個作製した。
【００４５】
これらの振動式ジャイロについて、ＮおよびＯの濃度、結晶粒のサイズ、ソークドリフトの測定を行った。
【００４６】
ＮおよびＯの濃度測定は、前述のＳＩＭＳを用いて行った。ソークドリフトは、50℃の恒温槽に振動式ジャイロを入れ、静止状態での角速度出力の初期値と４時間後の値とを計測し、その差を４で除することによって求めた。また、結晶粒サイズは、下記の手順で「結晶粒の平均断面積」として求めた。
(1)各配線パターンのＥＢＳＰ像を得た。
(2)１辺の長さが4.5μｍの正四角形の視野を任意に選定し、その視野内に完全に含まれる結晶数ｎ1、この四角形と交差している結晶数ｎ2を数えた。
(3)視野内の結晶数の総計ｎT（＝ｎ1＋ｎ2／２）を計算した。
(4)この作業を視野を変えてトータルで１０回行った。
(5)結晶粒の各視野の平均断面積Ｓi(＝ａ2／ｎT)を求め、さらに、全視野の平均断面積ＳAVE〔＝（ΣＳi）／ｉ〕を求めた。
【００４７】
これらの結果を表１に示す。
【００４８】
【表１】
【００４９】
表１に示すように、本発明例１〜１２は、いずれも結晶粒の平均断面積が１μｍ2以下であり、ドリフトが0.012〜0.048(deg/sec)/hrであった。特に、平均断面積が0.5μｍ2以下の本発明例３、５〜７および１１ではドリフトが更に良好な0.03(deg/sec)/hr以下となった。
【００５０】
一方、比較例１〜９は、いずれも結晶粒の平均断面積が１μｍ2を超え、ドリフトが0.069〜0.124(deg/sec)/hrと高い値となった。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明の可動電気回路用導電膜は、電気回路自体の変位の自由度を高めることができるので、回路作動中に電気回路自体の形状が変化することを前提とした可動体に配設する電気回路に最適な導電膜である。特に、この導電膜を振動式ジャイロの配線パターンとして用いれば、ソークドリフトを小さくすることができるので、高性能な振動式ジャイロを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】リング型振動ジャイロにおけるシリコン基板を示す図である。
【図２】リング上に設けられた配線パターンを示す図である。
【図３】振動式ジャイロの配線用導電膜の金属組織を示す図であり、(a)はドリフトが小さかったサンプルの配線用導電膜の組織図を示し、(b)はドリフトが大きかったサンプルの配線用導電膜の組織図を示す。
【図４】結晶粒の平均断面積とドリフトとの関係を示す図である。
【図５】Alを主体とする導電膜の上面を撮影した後方散乱電子回折像（ＥＢＳＰ）であり、(a)はSi：1.0％およびＮ＋Ｏ：499ppmを含む導電膜を示し、(b)はSi：1.0％およびＮ＋Ｏ：4817ppmを含む導電膜を示し、(c)はNd：2.0％を含む導電膜を示す。
【図６】透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いてAlを主体とする導電膜の厚さ方向の断面を撮影した組織写真であり、(a)はSi：1.0％およびＮ＋Ｏ：499ppmを含む導電膜を示し、(b)はSi：1.0％およびＮ＋Ｏ：4817ppmを含む導電膜を示し、(c)はNd：2.0％を含む導電膜を示す。
【符号の説明】
【００５３】
１．シリコン基板、1-1．リング、1-2．ビーム、２．シリコンウエーハ、
３．絶縁膜、４．配線パターン
【０００１】
本発明は、動作中に形状が変化することを前提とした可動体に配設される電気回路（以下、可動電気回路という）に用いる導電膜およびこれを配線パターンに用いた振動式ジャイロに関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコンは、半導体デバイス、特に半導体集積回路（ＩＣ）、マイクロエレクトロニクスデバイス、または精密測定デバイスにおいて、最も代表的な基板材料として用いられている。このようにシリコン基板が多用される理由は、工業的に高純度のシリコンウエーハが廉価に製造できること、および、化学的に極めて安定な酸化膜（SiＯ2）をシリコン基板上に形成することにより、容易に高集積化デバイスの素子間を絶縁分離できることにある。
【０００３】
例えば、バッチシステムによるＩＣの製造においては、多数のデバイスが１枚のシリコンウエーハ上に互いに電気的に絶縁分離された状態で形成される。このデバイス特性に要求される絶縁分離は、ウエーハ上に0.3〜1.0μm程度の酸化膜を生成させることによって達成される。
【０００４】
精緻なデバイスの事例として、リング型振動ジャイロ（例えば、特開平10-267667号公報参照）が挙げられる。リング型振動ジャイロは、振動式ジャイロの一種であり、宙吊り状態のリング型振動子に楕円振動を与える構造を有するジャイロである。このリング型振動ジャイロは、振動式ジャイロの一種である圧電ジャイロのような外来応力に敏感な固定支点がなく、楕円振動は外来応力による影響を受けにくいため、角速度を高精度に検出できるという特徴を有している。
【０００５】
図１は、リング型振動ジャイロにおけるシリコン基板を示す図であり、図２は、リング上に設けられた配線パターンを示す図である。
【０００６】
図１に示すように、シリコン基板１は、例えば、８本のサスペンション1-2により中央にあるリング1-1を宙吊り状態で懸架する構成を有している。図２に示すように、シリコン基板１（図２の例ではリング1-1）としては、通常のＣＰＵ等の集積回路用のものより薄い単結晶シリコンウエーハ２に絶縁膜３を形成したものが用いられる。そして、リング型振動子は、例えばスパッタリングにより絶縁膜３上にAl−Si系などの配線用導電膜を形成した後、フォトリソグラフィとケミカルエッチングによりトラック（配線パターン）４を形成し、更に、ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）エッチングによりリング1-1とサスペンション1-2を形成して作製される。
【０００７】
リング1-1およびサスペンション1-2に設けられたトラック４は、その周方向には交流電流が流され、上下方向には磁気回路（図示しない）による磁場を受けるため、ローレンツ力により楕円形状に変形する（これを振動モード１という）。サスペンション1-2に流す電流の位相を調整することによりリング1-1の楕円振動に角速度を与えると、振動モード１に対してコリオリ力が働き、新たに振動モード１から４５°ずれた位置に振動モード２が発生する。振動モード２が発生する振動モード１の不働点（ノード）をモニターすることにより角速度を知ることができる。
【０００８】
ジャイロの性能を測る指標にドリフトと呼ばれるものがある。ドリフトとは、実際にはリングが静止しているにもかかわらず、あたかも回転しているようにジャイロからの信号が変化することを意味し、ドリフトが小さいほど、ジャイロの性能は良好となる。なお、ドリフトの単位は、単位時間当たり（通常は１時間当たり）に回転したと検出された見かけ上の角速度〔(deg/sec)/hr〕で表される。その適正値は、用途によって様々だが、例えば、動揺制御などに用いるジャイロの場合には0.05(deg/sec)/hr以下である。
【０００９】
ドリフトは、ジャイロの使用目的に応じた性能を確保する上で極めて重要な指標であるが、同じ材料を用いて作製されたジャイロでもその値にバラツキが生じる。本発明者は、この原因について行った研究により、ドリフトが大きいサンプルでは、相対的に配線用導電膜の結晶粒が粗大となっていることを見出した。
【００１０】
図３は、振動式ジャイロの配線用導電膜の金属組織を示す図であり、(a)はドリフトが0.03(deg/sec)/hrと小さかったサンプルの配線用導電膜の組織図を示し、(b)はドリフトが0.12(deg/sec)/hrと大きかったサンプルの配線用導電膜の組織図を示す。なお、この図は、それぞれの配線用導電膜の一部についてのＥＢＳＰ像をトレースした図である。図３に示すように、ドリフトが小さかったサンプルの結晶粒は、ドリフトが大きかったサンプルのそれと比較して小さい。
【００１１】
一般に、半導体デバイスに使用される配線の導電性は、結晶粒が大きい方がよいこととされている。その主な理由は、配線の結晶粒が小さいと粒界が増え、これが抵抗となって自由電子の移動を阻害することである。
【００１２】
しかし、本発明者らは、可動体（リング型振動ジャイロの場合、リング1-1およびサスペンション1-2）に配設される配線用導電膜の結晶粒が大きくなると、配線に外力（リング型振動ジャイロの場合、ローレンツ力）が加わったときに、機械的強度が加工硬化等により変化しやすくなると考えた。本発明者らは、この仮定のもと更に研究を重ねた結果、振動式ジャイロに代表される可動電気回路に用いられる導電膜の場合には、導電性を確保することよりも配線用導電膜の結晶粒を小さくし、機械的強度の変化を小さくすることが重要であると結論した。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、回路作動中に電気回路自体の形状が変化することを前提とした可動体に配設する電気回路に最適な導電膜、およびこの導電膜を配線パターンとして用いた振動式ジャイロを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明者は、可動電気回路、特に振動式ジャイロにおいて、その配線パターンの結晶粒を小さくするべく研究を重ねた結果、本発明を完成させた。
【００１５】
本発明は、下記の(1)に示す可動電気回路用導電膜および(2)に示す振動式ジャイロを要旨とする。
【００１６】
(1)Alを主体とする可動電気回路用導電膜であって、結晶粒の平均断面積が１μｍ2以下であることを特徴とする可動電気回路用導電膜。この導電膜は、原子濃度でＮ＋Ｏ：550〜20000ppmを含有することが望ましい。また、原子濃度で、Si：0.5〜5.0％、Ta：0.5〜5.0％およびCu：0.5〜5.0％の一種以上を含むことも望ましい。特に望ましいのは、原子濃度で、Nd：0.5〜5.0％を含有するものである。
【００１７】
(2)上記の(1)に記載の可動電気回路用導電膜を配線パターンに用いることを特徴とする振動式ジャイロ。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の対象は、Alを主体とする可動電気回路用導電膜である。この可動電気回路用導電膜は、例えば、振動式ジャイロの配線パターンとして用いる場合に有効である。ここで、Alを主体とする可動電気回路用導電膜とは、動作中に形状が変化することを前提とした可動体に配設される電気回路に用いるAl基導電膜を意味する。
【００１９】
（Ａ）結晶粒の平均断面積について
結晶粒の平均断面積が１μｍ2を超える場合には、結晶粒が大きいため比抵抗が小さく導電性は良好となるが、機械的強度が変化しやすくなる。その変化の度合いは下記の(a)式のホール−ペッチの関係式（Hall-Petch relation）で表される。
【００２０】
σ=σ0＋Ａ・ｄ-1/2 …(a)
但し、σ0は単結晶体金属の引張降伏応力、Ａは比例定数、ｄは結晶粒の直径を意味する。
【００２１】
図４は、結晶粒の平均断面積とドリフトとの関係を示す図である。図４に示すように、結晶粒の平均断面積が１μｍ2以下の場合に、ドリフトを0.05(deg/sec)/hr以下に制御することができる。従って、結晶粒の平均断面積は、１μｍ2以下に制限することとした。ドリフトの観点からは、結晶粒の平均断面積は小さければ小さいほど望ましく、特に、0.5μｍ2以下が望ましい。結晶粒の平均断面積の下限値は特に定めないが、0.00008μｍ2未満の場合には、比抵抗が大きくなり過ぎて導電性が劣化する。このため、結晶粒の平均断面積は0.00008μｍ2以上であることが望ましい。
【００２２】
「結晶粒の平均断面積」は下記の手順で求めることができる。
(1)サンプルのＥＢＳＰ像（後方散乱電子回折像）を得る。
(2)１辺の長さがａμｍの正四角形の視野を任意に選定し、その視野内に完全に含まれる結晶数ｎ1、この四角形と交差している結晶数ｎ2を数える。
(3)視野内の結晶数の総計ｎT（＝ｎ1＋ｎ2／２）を計算する。
(4)この作業を視野を変えてトータルでｉ回（ｉは１０以上）行う。
(5)結晶粒の各視野の平均断面積Ｓi(＝ａ2／ｎT)を求め、さらに、全視野の平均断面積ＳAVE〔＝（ΣＳi）／ｉ〕を求める。
【００２３】
（Ｂ）化学組成について
上記の（Ａ）に示すように、可動電気回路に用いられる導電膜には、結晶粒の平均断面積が１μｍ2以下であるものを用いるのが有効である。本発明者は、結晶粒の大きさを上記の範囲とするための一つの手段として、通常、不純物として含まれるＮおよびＯの含有量を従来の導電膜よりも増加させる、即ち、Alを主体とする導電膜中に原子濃度（以下、「％」は「原子％」を意味し、「ppm」は「原子ppm」を意味する。）で、Ｎ＋Ｏ：550〜20000ppmを含ませることを見出した。
【００２４】
一般に、ＮおよびＯは導電膜中に不純物として存在する元素であり、これらの元素が導電膜中に多く存在すると結晶粒径を小さくし、粒界を増やすので電気抵抗を大きくする。このため、通常の電気回路に用いる導電膜では、これらの元素の含有量を極力低減することが望ましいとされている。従って、回路作動中に電気回路自体の形状が変化することがない一般的な半導体用配線中においては、ＮまたはＯの含有量は、いずれも10ppm以下である。
【００２５】
しかし、前述のように、本発明が対象とするような回路作動中に電気回路自体の形状が変化することを前提とした可動体に配設する電気回路では、導電性を確保することもさることながら、電気回路自体の機械的強度の安定性を高めることが重要である。
【００２６】
ここで、Alを主体とする導電膜中に含まれる「Ｎ＋Ｏ」が550ppm未満の場合、Al窒化物、Al酸化物の生成が不十分なため、結晶粒の大きさを十分に小さくすることができない。このため、導電性は良好となるものの、回路作動中に導電膜自体の機械的強度が変化しやすくなる。「Ｎ＋Ｏ」が20000ppmを超える場合には、Al窒化物が生成して比抵抗が増大する傾向がある。また、真空成膜室に導入するArに混合するＮ2およびＯ2濃度を増加させる必要があるので、プロセス効率の面で不利となる。
【００２７】
従って、いずれの場合も導電膜自体の円滑な動作性が損なわれやすくなり、例えば、この導電膜を振動ジャイロの配線パターンに用いる場合にはドリフトが大きくなる。このような振動式ジャイロは、高い精度が要求される用途には使用できない場合がある。このため、本発明の可動電気回路用導電膜には、原子濃度で、Ｎ＋Ｏ：550〜20000ppmを含むのが望ましい。より望ましいのは、Ｎ＋Ｏ：600〜18000ppmである。
【００２８】
本発明の可動電気回路用導電膜は、Alを主体とするものであり、Ｎ＋Ｏ：550〜20000ppm、ならびに、Si：0.5〜5.0％、Ta：0.5〜5.0％およびCu：0.5〜5.0％のうちの１種以上を含んでもよい。
【００２９】
即ち、Si、TaおよびCuはいずれも固溶体の強化に有効な元素である。この効果が顕著となるのは、いずれの元素も0.5％以上含有させた場合である。一方、いずれの元素も5.0％を超えて含有させると、析出物が増大して機械的強度が不均一となる場合がある。従って、これらの元素の一種以上を含有させる場合の含有量は、それぞれ0.5〜5.0％とするのが望ましい。
【００３０】
本発明のAlを主体とする可動電気回路用導電膜は、Nd：0.5〜5.0％を含むものであるのが最も望ましい。Ndは、単独でAlの結晶粒を微細化する作用を有する元素であり、Ndを適量含む導電膜であれば、Ｎ（窒素）やＯ（酸素）の含有量にかかわらず、結晶粒の平均断面積を１μｍ2以下にすることができる。また、Ndを適量含ませた導電膜は、以下に示すように、厚さ方向の結晶粒の寸法を小さくすることができる点でもより優れている。以下、図を使って説明する。
【００３１】
図５は、Alを主体とする導電膜の上面を撮影した後方散乱電子回折像（ＥＢＳＰ）であり、図６は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いてAlを主体とする導電膜の厚さ方向の断面を撮影した組織写真である。いずれの図においても、(a)はSi：1.0％およびＮ＋Ｏ：499ppmを含む導電膜を示し、(b)はSi：1.0％およびＮ＋Ｏ：4817ppmを含む導電膜を示し、(c)はNd：2.0％を含む導電膜を示す。
【００３２】
図５(a)および図６(a)に示すように、Ｎ＋Ｏ含有量が本発明の範囲を外れる導電膜では、その上面においても厚さ方向断面においても粗大な結晶粒が形成される。また、Ｎ＋Ｏ含有量が本発明で規定される範囲内にある導電膜では、図５(b)に示すように、その上面においては結晶粒が微細に形成されるが、この結晶粒の形状は、図６(b)に示すように柱状である。一方、図５(c)および図６(c)に示すように、Ndを2.0％含む導電膜では、その上面においても厚さ方向断面においても結晶粒が微細に形成されることが分かる。そして、後段の実施例に示すように、このようにAl主体の導電膜にNdを含有させたものを振動式ジャイロの配線パターンに用いると、ドリフトを更に低減することが可能となる。
【００３３】
以上のように、可動電気回路用の導電膜としては、Alを主体とし、Ndを含むものが望ましく、その含有量は0.5〜5.0％であるのが望ましい。
【００３４】
即ち、Nd含有量が0.5％未満の場合、NdによるAl結晶粒の微細化が十分ではなく、5.0％を超えると析出物が過剰に生成し、機械的強度が不均一となる。従って、Ndを含有させる場合には、その含有量を0.5〜5.0％とするのが望ましい。
【００３５】
上述のように、Ndを含有させれば、Ｎ（窒素）やＯ（酸素）の含有量にかかわらず、導電膜の結晶粒を微細化することができる。但し、Ｎ＋Ｏを550〜20000ppmの範囲で含有させても、上記の効果が失われることはない。また、本発明の導電膜には、Ndとともに、Si、TaおよびCuのうち一種以上を0.5〜5.0％含有させてもよい。
【００３６】
導電膜中に含まれる各元素は、例えば、ＳＩＭＳ（二次イオン質量分析法）を用いて測定することができる。ここで、ＳＩＭＳとは、一次イオン（酸素イオンまたはセシウムイオン）をサンプルに照射して、出てくる二次イオンの質量分析により元素を特定し、予め濃度の分かっている標準試料を用いて定量する方法である。
【００３７】
（Ｃ）本発明の可動電気回路用導電膜の製造方法について
一般に電気回路用導電膜は、スパッタリング装置等を用いて、基板表面に導電体の被膜を蒸着させることにより作製される。本発明の可動電気回路用導電膜は、特に、ＤＣマグネトロンスパッタリング装置を用いて作製されるのが望ましい。
【００３８】
ＤＣマグネトロンスパッタリングとは、陰極と陽極を設けた真空成膜室の中にArガスなどを封入した状態で、両電極に（400〜500Ｖ）の直流電圧を加えることにより陽イオン化したAr等の気体分子をターゲット（Al合金）に高速で衝突させてAl粒子（または、更にSi粒子、Ta粒子、Cu粒子またはNd粒子）を飛散させ、シリコン基板（実際には、SiＯ2膜上）に付着させることによりAl合金膜をシリコン基板上に蒸着させる方法である。
【００３９】
本発明の可動電気回路用導電膜にＮおよび／またはＯを含有させる場合には、蒸着の際に、ArにＮ2および／またはＯ2を混合したガスが導入された状態で、スパッタリングが行なわれる。これにより、真空成膜室中に存在するＮイオンおよび／またはＯイオンが導電膜中に取り込まれる。Arに混合するＮ2およびＯ2濃度が多いほど、導電膜中に取り込まれるＮおよびＯ濃度も高くなる。これらの元素の導電膜中の含有量を所望の範囲とするためには、例えば、混合ガス中のＮおよびＯの濃度は600〜20000ppm程度とすればよい。
【００４０】
熱処理は結晶粒を粗大化するおそれがあるので実施する必要はない。しかし、振動式ジャイロの製造工程においては、例えば、上記の方法により配線パターンを作製したシリコン基板と台座ガラスとを接合する必要があり、通常この接合には陽極接合技術が用いられる。陽極接合では、シリコン基板および台座ガラスは、420℃程度に加熱した状態で、600Ｖの直流電圧を30分程度負荷される。このため、導電膜は一種の熱処理が与えられた状態となるが、このような熱が加えられた後であっても、所望する結晶粒サイズが得られる。
【００４１】
このようにして作製した導電膜は、振動式ジャイロの配線パターンとして用いれば、後述の実施例に示すように、振動式ジャイロのソークドリフトを低減できる。本発明の振動式ジャイロは、例えば、下記のようにして製造することができる。
【００４２】
即ち、本発明の振動式ジャイロは、シリコンウエーハの表面に7500Å程度の厚さのSiＯ2膜を形成した後、上記の方法に従ってSiＯ2膜上にAl−Si合金などの導電膜を形成し、その後、フォトリソグラフィとケミカルエッチングを用いて、所定の配線パターンを形成し、更に、ＩＣＰエッチングによりシリコンウエーハをエッチングすることにより作製できる。
【実施例】
【００４３】
シリコンウエーハの表面に7500Å程度の厚さのSiＯ2膜を形成した後、ＤＣマグネトロンスパッタリングによりSiＯ2膜上に表１に示す化学組成を有するAl合金の導電膜を形成した。
【００４４】
本発明例１〜８、ならびに比較例４〜６および８については、真空成膜室に導入する混合ガス中のＮ2およびＯ2濃度を変化させて導電膜中のＮおよびＯ濃度を調整した。本発明例９〜１１、ならびに比較例１〜３、７および９については、通常のArガスを導入して成膜した。各種の化学組成を有する導電膜を形成したシリコン基板に、フォトリソグラフィとケミカルエッチングを用いて、所定の配線パターンを形成し、更に、ＩＣＰエッチングによりシリコンウエーハをエッチングすることによりリング型振動子を作製し、これらを同じ条件で接合、ダイボンドして振動式ジャイロを作製した。振動式ジャイロは、それぞれの条件毎に２５個作製した。
【００４５】
これらの振動式ジャイロについて、ＮおよびＯの濃度、結晶粒のサイズ、ソークドリフトの測定を行った。
【００４６】
ＮおよびＯの濃度測定は、前述のＳＩＭＳを用いて行った。ソークドリフトは、50℃の恒温槽に振動式ジャイロを入れ、静止状態での角速度出力の初期値と４時間後の値とを計測し、その差を４で除することによって求めた。また、結晶粒サイズは、下記の手順で「結晶粒の平均断面積」として求めた。
(1)各配線パターンのＥＢＳＰ像を得た。
(2)１辺の長さが4.5μｍの正四角形の視野を任意に選定し、その視野内に完全に含まれる結晶数ｎ1、この四角形と交差している結晶数ｎ2を数えた。
(3)視野内の結晶数の総計ｎT（＝ｎ1＋ｎ2／２）を計算した。
(4)この作業を視野を変えてトータルで１０回行った。
(5)結晶粒の各視野の平均断面積Ｓi(＝ａ2／ｎT)を求め、さらに、全視野の平均断面積ＳAVE〔＝（ΣＳi）／ｉ〕を求めた。
【００４７】
これらの結果を表１に示す。
【００４８】
【表１】
表１に示すように、本発明例１〜１２は、いずれも結晶粒の平均断面積が１μｍ2以下であり、ドリフトが0.012〜0.048(deg/sec)/hrであった。特に、平均断面積が0.5μｍ2以下の本発明例３、５〜７および１１ではドリフトが更に良好な0.03(deg/sec)/hr以下となった。
【００５０】
一方、比較例１〜９は、いずれも結晶粒の平均断面積が１μｍ2を超え、ドリフトが0.069〜0.124(deg/sec)/hrと高い値となった。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明の可動電気回路用導電膜は、電気回路自体の変位の自由度を高めることができるので、回路作動中に電気回路自体の形状が変化することを前提とした可動体に配設する電気回路に最適な導電膜である。特に、この導電膜を振動式ジャイロの配線パターンとして用いれば、ソークドリフトを小さくすることができるので、高性能な振動式ジャイロを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】リング型振動ジャイロにおけるシリコン基板を示す図である。
【図２】リング上に設けられた配線パターンを示す図である。
【図３】振動式ジャイロの配線用導電膜の金属組織を示す図であり、(a)はドリフトが小さかったサンプルの配線用導電膜の組織図を示し、(b)はドリフトが大きかったサンプルの配線用導電膜の組織図を示す。
【図４】結晶粒の平均断面積とドリフトとの関係を示す図である。
【図５】Alを主体とする導電膜の上面を撮影した後方散乱電子回折像（ＥＢＳＰ）であり、(a)はSi：1.0％およびＮ＋Ｏ：499ppmを含む導電膜を示し、(b)はSi：1.0％およびＮ＋Ｏ：4817ppmを含む導電膜を示し、(c)はNd：2.0％を含む導電膜を示す。
【図６】透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いてAlを主体とする導電膜の厚さ方向の断面を撮影した組織写真であり、(a)はSi：1.0％およびＮ＋Ｏ：499ppmを含む導電膜を示し、(b)はSi：1.0％およびＮ＋Ｏ：4817ppmを含む導電膜を示し、(c)はNd：2.0％を含む導電膜を示す。
【符号の説明】
【００５３】
１．シリコン基板、1-1．リング、1-2．ビーム、２．シリコンウエーハ、
３．絶縁膜、４．配線パターン
Claims (5)
- Alを主体とする可動電気回路用導電膜であって、結晶粒の平均断面積が１μｍ2以下であることを特徴とする可動電気回路用導電膜。
- ＮおよびＯ（酸素）の合計含有量が原子濃度で550〜20000ppmであることを特徴とする請求項１に記載の可動電気回路用導電膜。
- 原子濃度で、Si：0.5〜5.0％、Ta：0.5〜5.0％およびCu：0.5〜5.0％の一種以上を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の可動電気回路用導電膜。
- 原子濃度で、Nd：0.5〜5.0％を含有することを特徴とする請求項１から３までのいずれかに記載の可動電気回路用導電膜。
- 請求項１から請求項４までのいずれかに記載の可動電気回路用導電膜を配線パターンに用いることを特徴とする振動式ジャイロ。
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