JP4091041B2 - 触覚センサー及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、触覚センサーに関するもので、より詳細には、外部物体との接触圧力とともに、その接触による熱に関する情報を感知することができる、広い領域の感覚を具現することができるようにした触覚センサー及びその製造方法に関するものである。
現在、接触を通じての周辺環境の情報、つまり接触力、振動、表面の粗さ、熱伝導度に対する温度変化などを獲得する触覚機能は、次世代の情報収集媒体として認識されており、このような触覚感覚を代替することのできる生体模倣型触覚センサーは、血管内の微細手術、ガン診断などの各種医療診断及び施術に使用されるだけでなく、向後の仮想環境具現技術において重要な触覚提示技術に提供され得るので、その重要性が増している。
前記生体模倣型触覚センサーは、すでに産業用ロボットの手首に使用されている６自由度の力・トルクセンサーと、ロボットのグリッパー（gripper）用に接触圧力及び瞬間的な滑りを感知することのできるものが開発されているが、これは感知部の大きさが比較的大きい関係上、敏感度が低いという問題を有していた。
そして、微小機電集的システム（ＭＥＭＳ：micro electro mechanical system）制作技術を利用して触覚センサーの開発可能性を見せてくれたが、これらは単なる接触力に関する情報だけを獲得できるように制作されたので、外部環境に関する情報収集面では制限的であった。
従って、実質的な生体模倣型触覚センサーを開発するためには、皮膚と外部物体との接触圧力だけでなく、接触点の熱に関する情報を感知することができる、広い領域の感覚を具現することのできるセンサーの仕様が要求される。
また、生体模倣センサーが周辺と円滑な相互作用をするためには、センサー融合による多チャンネルアレイセンサーたちに対する高速信号処理システムに関する開発が必要である。
一方、 微小機電集的システム（ＭＥＭＳ）で製作した力センサーＰは、通常図１に図示されているように、三荷重（Fx, Fy, Fz）を受けている四角形の形の薄膜型感知部で構成されるもので、前記力センサー感知部は、荷重ブロック（loading block）１６と全体の構造を支持する支持ブロック（side block）１７とから成り、過荷重（overload）が伝達された時、膜の破壊を防止するために過荷重保護ブロック（overload protection）１８をシリコン微細加工技術で製作し、力センサー感知部と接触するようになっている。
図２は、微細加工技術による触覚センサーを示した平面図で、図３は、図２の回路構成図であり、ここに図示されているように、ウェーハ１上には、前述したように荷重ブロック１６と支持ブロック１７とで構成される四つの微細力センサーＰと、温度測定用金属線１３とヒーター１４とで構成される四つの熱センサーＴとで構成されているところ、本出願人は微細加工技術（ＭＥＭＳ）を利用した実質的な触覚センサーの製作を具現せしめようとする。
〔非特許文献１〕
Bart J. Kane et. al., “CMOS-compatible traction stress sensor for use in high-resolution tactile imaging”, Sensors and Actuators, 1996, A54, p.511-516
〔非特許文献２〕
Tao Mei et. al., “An integrated MEMS three-dimensional tactile sensor with large force range”, Sensors and Actuators, 2000, 80, 155-162
〔非特許文献３〕
Lin Wang et. al., “A silicon-based shear force sensor: development and characterization”, Sensors and Actuators, 2000, 84, 33-44
〔非特許文献１〕
Bart J. Kane et. al., “CMOS-compatible traction stress sensor for use in high-resolution tactile imaging”, Sensors and Actuators, 1996, A54, p.511-516
〔非特許文献２〕
Tao Mei et. al., “An integrated MEMS three-dimensional tactile sensor with large force range”, Sensors and Actuators, 2000, 80, 155-162
〔非特許文献３〕
Lin Wang et. al., “A silicon-based shear force sensor: development and characterization”, Sensors and Actuators, 2000, 84, 33-44
そこで、本発明は、前記のような触覚センサーの実質的な製造方法を具現するために創案されたもので、その目的は、外部物質との接触圧力（垂直力、水平力）とともに、その接触による熱に関する情報を感知することができる、広い領域の感覚を具現することのできる触覚センサーを製造することにある。
このような本発明の目的を達成するために、ウェーハの下面に力センサーの支持ブロック形成用パターンを形成し、上面に力センサーの圧電抵抗形成用パターンを形成する第１段階と；イオン注入工程を介してウェーハの上面に圧電抵抗を形成し、その上に酸化膜を蒸着する第２段階と；前記圧電抵抗の上部に接触ホールが形成されるようにし、熱センサーの他側酸化膜の上にラインホール形成用パターンを形成する第３段階と；前記ウェーハの上面に金属蒸着とリフトオフ工程を介して前記接触ホール間の連結線であるメタルラインと熱センサーの温度測定用金属線及びヒーターが形成されるようにする第４段階と；前記メタルラインと温度測定用金属線及びヒーターの上部側に酸化物を蒸着し、前記酸化物の薄膜の上に蒸着とエッチングを介して荷重ブロックを形成する第５段階と；前記荷重ブロックの形成されたウェーハの下面をエッチングして、力センサーの支持ブロックを形成する第６段階とを含むことを特徴とする触覚センサーの製造方法が提供される。
また、前記ウェーハは、シリコンウェーハであることを特徴とする。
また、前記第１段階は、ウェーハの両面に酸化膜及び窒化膜を蒸着し、ウェーハの下面に支持ブロック形成用パターンを形成し、ウェーハの上面に塗布された窒化膜を除去して、酸化膜上に圧電抵抗形成用パターンが形成されるようにする工程を含むことを特徴とする。
また、前記第２段階は、前記圧電抵抗形成用パターンで上部面に露出された酸化膜をバッファリングされた酸化物エッチング液（ＢＯＥ）を利用してエッチングし、前記支持ブロック形成用パターンでウェーハの下面に露出された窒化膜を除去し、これを介して上部面にイオン注入による圧電抵抗形成用パターンが形成されるようにする工程を含むことを特徴とする。
また、第３段階は、第２段階によりウェーハの上面に蒸着された酸化膜の上にフォトレジストを塗布し、ウェーハの下面に露出された酸化物をバッファリングされた酸化物エッチング液（ＢＯＥ）を利用してエッチングした後、接触ホール形成用パターンが形成されるようにする工程を含むことを特徴とする。
また、前記第４段階の金属蒸着に使われる金属は、チタニウム、ニッケル、金のグループから選択されたものか、これらの合金から成ることを特徴とする。
また、前記第５段階の酸化物の蒸着は、プラズマ強化化学気相蒸着（ＰＥＣＶＤ）工程を含むことを特徴とする。
また、前記第５段階の荷重ブロックは、厚いフォトレジスト（ＳＵ−８）で構成されることを特徴とする。
また、前記第６段階のエッチングは、水酸化カリウム（ＫＯＨ）によってなされることを特徴とする。
また、前記荷重ブロックは、支持ブロックの中央上部側に位置するように形成されることを特徴とする。
また、前記支持ブロックの下部側中央に、支持ブロックの下面と分離された過荷重保護ブロックが形成されるようにする段階を更に含んで成ることを特徴とする。
また、前記の方法によって製造されることを特徴とする触覚センサーが提供される。
上述したように、本発明は、外部物体との接触圧力とともに、その接触による熱に関する情報を感知することができる、広い領域の感覚を具現することができるようにすることによって、敏感度に対する著しい上昇効果を得、これによって各種産業分野は勿論、血管内の微細手術、ガン診断などの各種医療診断及び施術に適合に使用することができ、また向後仮想環境具現技術において重要な触覚提示技術に有効に適用及び採択することができるという利点を有することになる。
以下、添付の図面を参照して本発明による触覚センサーの製造方法に関して詳細に説明する。
図４ａ乃至図４ｔは、本発明による触覚センサーの製造過程を段階別に示したものである。
（第１段階）
図４ａに図示されているようなシリコンウェーハ１の両面に、図４ｂに図示されているように酸化膜２を蒸着した後、図４ｃに図示されているように再度酸化膜２の上に窒化膜３を蒸着した後、図４ｄに図示されているように写真石版（Photolithography）工程を介してウェーハ１の下面に力センサーの支持ブロック形成用パターン４を形成する。
図４ａに図示されているようなシリコンウェーハ１の両面に、図４ｂに図示されているように酸化膜２を蒸着した後、図４ｃに図示されているように再度酸化膜２の上に窒化膜３を蒸着した後、図４ｄに図示されているように写真石版（Photolithography）工程を介してウェーハ１の下面に力センサーの支持ブロック形成用パターン４を形成する。
そして、ウェーハ１の上面に蒸着された窒化膜３を、図４ｅに図示されているように反応性イオン蝕刻工程（ＲＩＥ）を利用したストリップオフ（Strip off）工程によって除去した後、図４ｆに図示されているように写真石版工程によって力センサーの圧電抵抗形成用パターン５を形成するのである。
（第２段階）
図４ｆに図示されているように、前記圧電抵抗形成用パターン５でウェーハ１の上面に露出された酸化膜２を、図４ｇに図示されているようにバッファリングされた酸化物エッチング液（ＢＯＥ）を利用してエッチングし、前記支持ブロック形成用パターン４でウェーハ１の下面に露出された窒化膜３を、図４ｈに図示されているように反応性イオン蝕刻工程（ＲＩＥ）によるストリップオフ工程を介して除去する。
図４ｆに図示されているように、前記圧電抵抗形成用パターン５でウェーハ１の上面に露出された酸化膜２を、図４ｇに図示されているようにバッファリングされた酸化物エッチング液（ＢＯＥ）を利用してエッチングし、前記支持ブロック形成用パターン４でウェーハ１の下面に露出された窒化膜３を、図４ｈに図示されているように反応性イオン蝕刻工程（ＲＩＥ）によるストリップオフ工程を介して除去する。
また、前記窒化膜３の除去を介してウェーハの上部面にイオン注入による圧電抵抗６を形成する工程を遂行するもので、このために、図４ｉに図示されているようにウェーハ１の上、下面に残存するフォトレジスト（ＰＲ）７をストリップオフ作業によって除去した後、図４ｊに図示されているようにイオン注入工程を介してウェーハ１の上面に圧電抵抗６を形成するものであり、前記圧電抵抗６の外部を保護するために、図４ｋに図示されているように圧電抵抗６の上に酸化膜２を蒸着するのである。
（第３段階）
図４ｎに図示されているように、前記圧電抵抗６の上部に接触ホール９を形成するために、図４ｌに図示されているように前記酸化膜２の上にフォトレジスト７を塗布し、支持ブロック形成用パターン４によりウェーハ１の下面に露出された酸化膜２を、バッファリングされた酸化物エッチング液（ＢＯＥ）を利用してエッチングする。
図４ｎに図示されているように、前記圧電抵抗６の上部に接触ホール９を形成するために、図４ｌに図示されているように前記酸化膜２の上にフォトレジスト７を塗布し、支持ブロック形成用パターン４によりウェーハ１の下面に露出された酸化膜２を、バッファリングされた酸化物エッチング液（ＢＯＥ）を利用してエッチングする。
そして、図４ｍに図示されているように、写真石版作業を介してウェーハ１の上面に接触ホール形成用パターン８を形成するもので、同様にバッファリングされた酸化物エッチング液（ＢＯＥ）を利用して、前記接触ホール形成用パターン８でウェーハ１の上部面に露出された酸化物を除去することによって、図４ｎに図示されているようにウェーハ１の上部面に接触ホール９が形成される。
また、前記ウェーハ１の上部面に残存する固いフォトレジスト７を除去し、再度接触ホール９の形成された状態でフォトレジスト７を塗布して、前記接触ホール９の他側のフォトレジスト７上に写真石版作業を介して、図４ｏに図示されているように酸化膜２の上に熱センサーＴのラインホール形成用パターン１０を形成するのである。
（第４段階）
図４ｑに図示されているように、前記接触ホール９間の電気回路的な連結がなされると同時に、ラインホール形成用パターン１０によって熱センサーＴの温度測定用金属線１３及びヒーター１４が形成されるようにするために、図４ｐに図示されているようにウェーハ１の上部面にＥ−ビーム（beam）ソースを利用した金属蒸着をすることになるのだが、この時、前記メタル層１１はチタニウム（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）のグループから選択されたものや、これらの合金によって成る。
図４ｑに図示されているように、前記接触ホール９間の電気回路的な連結がなされると同時に、ラインホール形成用パターン１０によって熱センサーＴの温度測定用金属線１３及びヒーター１４が形成されるようにするために、図４ｐに図示されているようにウェーハ１の上部面にＥ−ビーム（beam）ソースを利用した金属蒸着をすることになるのだが、この時、前記メタル層１１はチタニウム（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）のグループから選択されたものや、これらの合金によって成る。
その次、図４qに図示されているように、リフトオフ工程によって、接触ホール９間の連結線である力センサーのメタルライン１２と、熱センサーＴの温度測定用金属線１３及びヒーター１４が形成されるのである。
（第５段階）
図４ｒに図示されているように、前記メタルライン１２と温度測定用金属線１３及びヒーター１４の上部側に、プラズマ強化化学気相蒸着（ＰＥＣＶＤ：Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）工程を利用して酸化膜１５を蒸着する。
図４ｒに図示されているように、前記メタルライン１２と温度測定用金属線１３及びヒーター１４の上部側に、プラズマ強化化学気相蒸着（ＰＥＣＶＤ：Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）工程を利用して酸化膜１５を蒸着する。
その後、再び反応性イオン蝕刻工程（ＲＩＥ）によるエッチング作業を遂行した後、前記酸化膜１５の上に写真石版作業を介して、図４に図示されているように厚いフォトレジスト（ＳＵ−８）から成った荷重ブロック１６を形成することになる。
（第６段階）
図４ｔに図示されているように、荷重ブロック１６の形成されたウェーハ１の下面を水酸化カリウム（ＫＯＨ）によってエッチングし、力センサーの支持ブロック１７を形成するもので、前記荷重ブロック１６が支持ブロック１７の中央上部側に位置するように前記支持ブロック１７を形成し、これにて荷重ブロック１６と支持ブロック１７とで構成される力センサーＰと、温度測定用金属線１３とヒーター１４とで構成される熱センサーＴを形成することができるのである。
図４ｔに図示されているように、荷重ブロック１６の形成されたウェーハ１の下面を水酸化カリウム（ＫＯＨ）によってエッチングし、力センサーの支持ブロック１７を形成するもので、前記荷重ブロック１６が支持ブロック１７の中央上部側に位置するように前記支持ブロック１７を形成し、これにて荷重ブロック１６と支持ブロック１７とで構成される力センサーＰと、温度測定用金属線１３とヒーター１４とで構成される熱センサーＴを形成することができるのである。
一方、本発明は、前記支持ブロック１７の中央部の下部側に過荷重保護ブロック１８を形成する段階を更に含むもので、前記過荷重保護ブロック１８の上部側は支持ブロック１７の下面と分離された状態に形成される。
Ｐ 力センサー
Ｔ 熱センサー
１ ウェーハ
２ 酸化膜
３ 窒化膜
４ 支持ブロック形成用パターン
５ 圧電抵抗形成用パターン
６ 圧電抵抗
７ フォトレジスト
８ 接触ホール形成用パターン
９ 接触ホール
１０ ラインホール形成用パターン
１１ メタル層
１２ メタルライン
１３ 温度測定用金属線
１４ ヒーター
１５ 酸化膜
１６ 荷重ブロック
１７ 支持ブロック
１８ 過荷重保護ブロック
Ｔ 熱センサー
１ ウェーハ
２ 酸化膜
３ 窒化膜
４ 支持ブロック形成用パターン
５ 圧電抵抗形成用パターン
６ 圧電抵抗
７ フォトレジスト
８ 接触ホール形成用パターン
９ 接触ホール
１０ ラインホール形成用パターン
１１ メタル層
１２ メタルライン
１３ 温度測定用金属線
１４ ヒーター
１５ 酸化膜
１６ 荷重ブロック
１７ 支持ブロック
１８ 過荷重保護ブロック
Claims (12)
- ウェーハの下面に力センサーの支持ブロック形成用パターンを形成し、上面に力センサーの圧電抵抗形成用パターンを形成する第１段階と；
イオン注入工程を介してウェーハの上面に圧電抵抗を形成し、その上に酸化膜を蒸着する第２段階と；
前記圧電抵抗の上部に接触ホールが形成されるようにし、熱センサーの他側酸化膜の上にラインホール形成用パターンを形成する第３段階と；
前記ウェーハの上面に金属蒸着とリフトオフ工程を介して前記接触ホール間の連結線であるメタルラインと熱センサーの温度測定用金属線及びヒーターが形成されるようにする第４段階と；
前記メタルラインと温度測定用金属線及びヒーターの上部側に酸化物を蒸着し、前記酸化物の薄膜の上に蒸着とエッチングを介して荷重ブロックを形成する第５段階と；
前記荷重ブロックの形成されたウェーハの下面をエッチングして、力センサーの支持ブロックを形成する第６段階とを含むことを特徴とする触覚センサーの製造方法。 - 前記ウェーハは、シリコンウェーハであることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の触覚センサーの製造方法。
- 前記第１段階は、ウェーハの両面に酸化膜及び窒化膜を蒸着し、ウェーハの下面に支持ブロック形成用パターンを形成し、ウェーハの上面に塗布された窒化膜を除去して、酸化膜上に圧電抵抗形成用パターンが形成されるようにする工程を含むことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の触覚センサーの製造方法。
- 前記第２段階は、前記圧電抵抗形成用パターンで上部面に露出された酸化膜をバッファリングされた酸化物エッチング液（ＢＯＥ）を利用してエッチングし、前記支持ブロック形成用パターンでウェーハの下面に露出された窒化膜を除去し、これを介して上部面にイオン注入による圧電抵抗形成用パターンが形成されるようにする工程を含むことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の触覚センサーの製造方法。
- 第３段階は、第２段階によりウェーハの上面に蒸着された酸化膜の上にフォトレジストを塗布し、ウェーハの下面に露出された酸化物をバッファリングされた酸化物エッチング液（ＢＯＥ）を利用してエッチングした後、接触ホール形成用パターンが形成されるようにする工程を含むことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の触覚センサーの製造方法。
- 前記第４段階の金属蒸着に使われる金属は、チタニウム、ニッケル、金のグループから選択されたものか、これらの合金から成ることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の触覚センサーの製造方法。
- 前記第５段階の酸化物の蒸着は、プラズマ強化化学気相蒸着（ＰＥＣＶＤ）工程を含むことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の触覚センサーの製造方法。
- 前記第５段階の荷重ブロックは、厚いフォトレジスト（ＳＵ−８）で構成されることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の触覚センサーの製造方法。
- 前記第６段階のエッチングは、水酸化カリウム（ＫＯＨ）によってなされることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の触覚センサーの製造方法。
- 前記荷重ブロックは、支持ブロックの中央上部側に位置するように形成されることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の触覚センサーの製造方法。
- 前記支持ブロックの下部側中央に、支持ブロックの下面と分離された過荷重保護ブロックが形成されるようにする段階を更に含んで成ることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の触覚センサーの製造方法。
- 第１項乃至第１１項のいずれか１項に記載の方法によって製造されることを特徴とする触覚センサー。
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