JP4020875B2 - 可動構造部を有する微小構造体及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、可動構造部を有する微小構造体に関し、特に、可動構造部の動きに応じて出力信号を得る加速度センサに関する。

可動構造部を利用したセンサには種々のタイプのものがある。例えば、慣性センサとして代表的なものとして、加速度センサや角加速度センサ（振動ジャイロ）がある。

自動車などの車両の加速度を検出する加速度センサは、一般に、半導体のピエゾ抵抗効果を利用している。このようなセンサは、例えば、シリコン基体に空洞部を形成し、その中に３次元方向に動くことができる箱形の可動構造部を収容している。可動構造部にはピエゾ素子が連結されており、可動構造部の動きに対応した応力がピエゾ素子に加わるように構成されている。そして、ピエゾ素子に加わる応力の変化を抵抗の変化として検出し、当該検出結果を用いて車両の走行制御などを行っている。

ところで、上記のようにシリコン基体に収容される可動構造部は、動けることが重要であるが、過剰に動いた場合には、センサの破壊につながることもある。そこで、従来においては、例えば、特公平５−７１１４８号公報に開示されているように、可動構造部の上下方向の過剰動作を防止するための、ガラス製のストッパーが設けられている。

しかしながら、従来のようにガラス製のストッパーを設けると、センサ（チップ）の厚みが増すという問題点があった。また、ガラスの接合工程が煩雑であり、製造コストの増加につながる。更に、ガラスとシリコンの接合による応力がセンサ特性に影響することも否定できない。

従って、本発明の目的は、厚みの増加を最小限に抑えることが可能であり、実質的に微小構造体の特性への影響が無く、簡易且つ低コストで製造可能な微小構造体を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１の態様に係る微小構造体は、可動構造部を３次元方向に移動可能に収容した基体を備え；可動構造部は、基体に収容された時に、少なくとも１面が外部に露出した状態であり；所定の間隙を介して可動構造部の露出した面を覆うように形成され、当該可動部の過剰な動きを防止する網目状の薄膜を設けている。

好ましくは、薄膜は、弾性部材を介して基体に連結される。これにより、可動構造部の衝撃を吸収することができ、可動構造部の過剰な動きによるセンサ破壊の確率を低減させることが可能となる。

また、弾性部材がスプリング構造であると、そのバネ性によって、より衝撃が吸収されやすく、センサ破壊の確率を一層低減できる。

本発明の第２の態様に係る微小構造体の製造方法においては、基体上に犠牲層を形成し；犠牲層上に網目状の薄膜を形成する。そして、可動構造部を形成した後、犠牲層を除去する。

薄膜を形成するに際し、ダイシング及びワイヤボンディングなどのアセンブリ工程の後に犠牲層を除去すれば、アセンブリ工程における薄膜ストッパの破壊を回避することができる。

本発明においては、薄膜を用いて可動構造部の過剰な動きを防止しているため、ガラス製のストッパーを用いた場合に比べ、厚みの増加を最小限に抑えることが可能となる。また、薄膜の形成時に基体及び可動構造部に加わる応力は殆ど無いため、センサなどの微小構造体の特性への影響が実質的に無い。また、薄膜を網目状に成形しているため、可動構造部が過剰に動いて当該薄膜に衝突したときの衝撃が分散され、センサ破壊の確率を低減させることが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、加速度センサを例にとって説明する。なお、本発明は、角加速度センサ（振動ジャイロ）等の他の慣性センサに加えて、アクチュエータ等の可動構造部を有するあらゆるタイプの微小構造体（ＭＥＭＳ）に適用可能である。

図１は、本発明の実施例に係る加速度センサ１０の構造を示す斜視図である。図２は、加速度センサ１０の薄膜ストッパを省略した構造を示す斜視図である。図３は、加速度センサ１０の構造を示す平面図である。また、図４は、加速度センサ１０の内部構造を示す断面図である。本実施例に係る加速度センサ１０は、シリコン基体１２と、シリコン基体１２の中央付近において上下左右のあらゆる方向に移動可能に収容された可動構造部（可動マス）１４とを備えている。シリコン基体１２の内側には、箱形の空間が形成されており、その中に可動構造部１４が収容される。可動構造部１４は、慣性力を向上させるために、４つの正方形を中央で連結した所謂クローバー型に成形されている。なお、シリコン基体１２と可動構造部１４との上面は、同一面となるように設計されている。

センサ１０は、また、可動構造部１４とシリコン基体１２とを連結する４本のビーム（支持梁）１６と、ビーム１６とシリコン基体１２との連結部分に跨って配置された８個のピエゾ抵抗素子１８とを備えている。各ビーム１６は、可動構造部１４のクローバーの葉と葉の間に対応する位置に配置される。シリコン基体１２の上面には、電極パッド２０が形成されており、図示しない配線によってピエゾ抵抗素子１８と電気的に接続されている。

可動構造部１４の上面には、所定の間隙を介して当該可動構造部１４を覆うように形成された薄膜ストッパ２２が配置されている。薄膜ストッパ２２は、網目状に成形されている。薄膜ストッパ２２は、正方形状に成形されており、四隅及び各辺の中央部付近において、弾性部３２を介してシリコン基体１２に連結固定されている。弾性部３２は、薄膜の一部をスプリング構造にパターンニングすることによって形成され、アンカー部３４を介してシリコン基体１２に固定される。ここで、所定の間隙とは、可動構造部１４の上方向への過動を十分に制止できるか又は、吸収することができるだけの距離的な余裕、又は隙間のことを言い、それぞれのサイズによって設計上適宜選択される。

図３（ａ），（ｂ）に示すように、シリコン基体１２は、ダイボンド面２４上に固定されている。上述したように、可動構造部１４はシリコン基体１２の内側空間内で上下左右に移動可能であるが、下方向への過動はダイボンド面２４によって制止され、水平方向の過動はシリコン基体１２の内壁面によって制止される。そして、可動構造部１４の上方向への過動は、薄膜ストッパ２２によって制止される。ここで、「過動」とは、センサなどの微小構造体が正常に動作しなくなる程度の動き、例えば、構造体が破壊される以上の動き、若しくは、センサ出力の最大定格以上の動き等を言う。

次に、上述した加速度センサ１０の製造工程について、図５を参照して説明する。最初に、活性層（Ｓｉ）４２；埋め込み酸化膜層（ＳｉＯ_２）４１；Ｓｉ基板からなるＳＯＩ基板４０を用意し、ＳＯＩ基板４０の活性層４２上（上表面側）に半導体加工技術を用い、ピエゾ抵抗素子１８，金属配線及び電極パッド２０を配列形成してブリッジ回路を構成する。その後、ＳｉＮ等の保護膜（図示せず）を形成し、図５（Ａ）に示すように、可動構造部１４に対応したパターン１４‘及びビーム１６とをＳＯＩ基板４０の活性層４２に形成する。

次に、図５（Ｂ）に示すように、ＳＯＩ基板４０上に有機薄膜（レジスト、ポリイミド等）を塗布後、パターニングして犠牲層４４を形成する。この犠牲層の膜厚が可動構造部１４と薄膜ストッパ２２までの間隙の距離となる。次に、図５（Ｃ）に示すように、薄膜ストッパ２２となる薄膜（アルミニウム等の金属又は、無機膜等）を形成してパターニングする。薄膜ストッパ２２のパターンは、支持部（アンカー部）から延びるスプリング構造部３２を有する。また、後に犠牲層４４をエッチングしやすくするために、エッチングホールを形成することが好ましい。

その後、Ｓｉ基板側（下側）からＳｉ Deep RIE (Reactive Ion Etching)によって可動構造部１４を形成し、埋め込み酸化膜をエッチングすることにより、可動構造部１４をリリースする。可動構造部１４が完成した後、Ｏ_２プラズマエッチングによって犠牲層４４のエッチングを行い、図５（Ｄ）に示すように、薄膜ストッパ２２を形成する。その後、ダイシングによって個々のセンサチップに切断し、このセンサチップをパッケージにボンディングし、センサチップ１０の電極パッド２０とパッケージのリードパッド（図示せず）をワイヤボンディングする。なお、犠牲層４４の除去は、上述したダイシングやワイヤボンディング等のアセンブリ工程後に行うこともできる。この場合、アセンブリ工程における薄膜ストッパ２２の破壊を回避することができる。

図６は、本発明の他の実施例に係る加速度センサ５０の構成を示す平面図である。本実施例においては、４枚の分割された薄膜ストッパ２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄを用いて、可動構造部１４の上方への過動を制止するようになっている。本実施例において、上記実施例と同一又は対応する構成要素については、同一の参照符号を付し、重複した説明は省略する。４枚の薄膜ストッパ２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄは、各々スプリング（スプリング構造部）３２を介してシリコン基体１２に連結されている。また、隣接する薄膜ストッパ同士についても、スプリング３２によって連結されている。本実施例のように、薄膜ストッパを分割すると同時に、薄膜ストッパ同士をスプリング３２で連結することにより、上記実施例に比べ、可動構造部１４の過動による衝撃をより効果的に吸収することが可能となる。

以上、本発明の実施例（実施形態、実施態様）について説明したが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではなく、特許請求の範囲に示された技術的思想の範疇において変更可能なものである。

図１は、本発明の実施例に係る加速度センサの構造を示す斜視図である。 図２は、実施例に係る加速度センサのストッパネット（薄膜）を省略した構造を示す斜視図である。 図３（ａ），（ｂ）は、図１のＩ−Ｉ方向及びＪ−Ｊ方向の断面図である。 図４は、実施例に係る加速度センサの構造を示す平面図である。 図５は、実施例に係る加速度センサの製造工程を示す断面図である。 図６は、本発明の他の実施例に係る加速度センサの構成を示す平面図である。

符号の説明

１０ 加速度センサ
１２ シリコン基体
１４ 可動構造部（可動マス）
１４’ 可動構造部１４に対応したパターン部であり、後に可動構造部１４の一部となる部分
１６ ビーム（支持梁）
１８ ピエゾ抵抗素子
２０ 電極パッド
２２ 薄膜ストッパ
２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ 薄膜ストッパ
２４ ダイボンド面
３２ 弾性構造部（スプリング）
３４ アンカー部
４０ ＳＯＩ基板
４１ 埋め込み酸化膜
４２ 活性層
４４ 犠牲層

Claims (9)

1. 可動構造部を有する微小構造体において、
   前記可動構造部を３次元方向に移動可能に収容した基体を備え；
   前記可動構造部は、前記基体に収容された時に、少なくとも１面が外部に露出した状態であり；
   所定の間隙を介して前記可動構造部の露出した面を覆うように形成され、当該可動部の過剰な動きを防止する網目状の薄膜を設けたことを特徴とする微小構造体。
2. 前記薄膜は、弾性部材を介して前記基体に連結されていることを特徴とする請求項１に記載の微小構造体。
3. 前記薄膜は、複数の薄膜領域に分割されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の微小構造体。
4. 前記複数の薄膜領域同士が弾性部材を介して連結されていることを特徴とする請求項３に記載の微小構造体。
5. 前記弾性部材は、スプリング構造であることを特徴とする請求項２又は４に記載の微小構造体。
6. 前記微小構造体は、加速度センサであることを特徴とする請求項１，２，３，４又は５に記載の微小構造体。
7. 請求項１に記載の微小構造体を製造する方法において、
   前記基体上に犠牲層を形成し；
   前記犠牲層上に前記網目状の薄膜を形成し；
   前記可動構造部を形成した後、前記犠牲層を除去することを特徴とする微小構造体の製造方法。
8. ダイシング及びワイヤボンディングなどのアセンブリ工程の後に前記犠牲層を除去することを特徴とする請求項７に記載の製造方法。
9. 前記微小構造体は、加速度センサであることを特徴とする請求項７又は８に記載の製造方法。