JP4153464B2 - 光干渉型振動センサとその製造方法 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

本発明は、光干渉型振動センサとその製造法に関する。

これまでに、図３に示す構造の光干渉型振動センサが提案されている。光ファイバを挿入し固定するための孔１６が開けられたガラス１７、おもり２５とそれを支持する梁２４が形成されたシリコン基板１８、おもりの貼り付きを防ぐための導電性膜２３が形成された保護部材のガラス１９の３層構造から成る。おもり上に全反射ミラー膜２２が形成されており、端面にハーフミラー膜２１が形成された光ファイバ１５を全反射ミラー膜とハーフミラー膜が並行かつあるギャップを持つように固定用の孔に挿入し、接着剤２６で固定した構造となっている。梁によって支持されたおもりが振動する際に全反射ミラー膜とハーフミラー膜の間隔が変化し、このとき光ファイバに送られた光はファイバの端面のハーフミラー膜とおもり上面の全反射ミラー膜の間で干渉を起こし、戻り光に強弱が生じるため、これを観測することにより、ＡＥ（Acoustic Emission）などの振動を測定できる。

また、図４に示す構造の光干渉型振動センサも提案されている。これは図３の光干渉型振動センサに全反射ミラー膜とハーフミラー膜の間隔を調節することが可能な機構を与えたものである。おもりと対向する部分の保護部材ガラス上に電圧を印加するための導電性膜２８を形成する。導電性膜をセンサの外に引き出し、リード線２７を取り付ける。導電性膜に電圧を印加するとおもりと導電性膜の間に電位差が生じ、静電引力が発生する。この静電引力でおもりを引っ張り全反射ミラー膜とハーフミラー膜の間隔を変化させることが可能である。
特開2003-337063

図３と図４の構造の光干渉型振動センサはともにガラスの貫通孔に光ファイバを挿入してこの光ファイバを安定に固定するために細い径の深孔をあける必要がある。その場合、アスペクトの高い孔を開ける方法としてドリルを用いた機械加工法が使われているが、上記のような細径の深孔の加工では径が細いためドリルが折れる、ドリルの消耗が早いなどの技術的問題が存在する。また、ガラスの孔開け加工は一括ではないため工程期間が長くなる。以上の技術的理由からガラスの加工費用が大きくなりセンサの製造コストが増大してしまう問題があった。ガラスに孔を開ける手段には他に、サンドブラスト加工、超音波加工、レーザー加工、電界放電加工、ドライエッチング、などの加工方法が挙げられるが、どれもファイバ挿入を目的とした細径（φ１３０μｍ）の垂直深孔を開けることは困難であり、加工コストの面も同様である。

おもりを支えている梁の厚さは、測定可能な振動周波数や振幅感度に大きく関与しているため、梁の厚さを精度よく制御し加工する必要があった。図３および図４の光干渉型振動センサでは、シリコンに不純物を高濃度拡散した層がウェットエッチングでエッチングされなくなることを利用し、この拡散層を梁として使用している。しかし、この場合に梁の厚さは拡散深さとなり、これは拡散時間や温度により決まるため、梁の厚さを高精度に加工するのは困難であった。

また、加工上シリコン基板の厚みを薄く出来ないため、おもりがある程度重くなってしまう。センサの固有振動数が高くなってくると梁も硬くなければならなくなり、図４の全反射ミラー膜とハーフミラー膜の間隔を調節可能な機構を与えたセンサにおいては、間隔を調整するために印加する電圧が数百ボルト程度必要となっていた。

前記の問題を解決するためには、光ファイバを挿入する孔を加工する材料をガラスではなく、シリコンのように垂直な深孔を一括加工することが可能な材料に替えて加工すればよい。シリコンの深孔加工は最近盛んに行われるようになってきたドライエッチング技術で、エッチングを行うガスと保護膜を作るガスを交互に流す、いわゆるボッシュプロセスを導入したＩＣＰ−ＲＩＥにより比較的容易に実現できるようになっている。また、シリコンの貫通孔加工はフォトリソグラフィーにより孔のパターンをマスク転写により一括で行うことが出来るため、大量生産によりコストを減らすことが出来る。

シリコンをガラスの代わりに使用する場合、シリコンの振動子との接合が問題となる。従来の光干渉型振動センサはガラスとシリコンを陽極接合により接合していた。ガラスの代わりにシリコンを用いればシリコンとシリコンの接合となり陽極接合に比べて技術的に困難になる。この問題を解決するため、ＳＯＩウェハのようなすでに接合済みの３層以上の多層基板を使用すればよい。３層のＳＯＩウェハを例にすれば、下層のシリコンにファイバ挿入用の孔を加工し、上層のシリコンには微細な振動子構造を加工し、中間絶縁層のＳｉＯ_２をエッチングして除去し振動子部分をフリーにするように加工すれば接合なしに実現できる。

また、ＳＯＩのような接合済みの多層基板の代わりにシリコン基板を接着剤などで接合して作成した多層基板、層を堆積させて作成した多層基板、絶縁層を打ち込むことによって作成した多層基板、などを使用することも可能である。その場合にはファイバ挿入孔を一括加工可能である材料であるならばシリコンでなくともかまわない。

以上のような構造の光干渉型振動センサは、一括で孔開け加工が可能になるのはもちろんのこと、従来に必要だったシリコンとガラスの接合が１回不要になること、ＳＯＩウェハの上層のシリコンを用いておもりと梁を形成するため、従来必要だった不純物拡散の工程が必要なくなること、従来不純物拡散厚さによって決まっていた梁の厚さなどの形状を精度よく加工することが可能になること、そして、おもりの質量が従来に比べて小さくなるので、おもりを支持する梁をよりやわらかくすることが可能になり、電圧の印加によりおもりを変位させる際に印加電圧を数十ボルト程度に抑える効果が期待できること、など副次的に多数の課題を克服できる。

従来の構造の光干渉型振動センサにおいても、ファイバ挿入孔を形成する部分にはシリコンとの陽極接合を前提としてガラスを使用していた。この場合にもガラスの代わりにシリコンなどの一括加工可能な材料を用いればこの問題を解決できる。この場合の接合方法は直接接合や接着剤を用いる方法などで対処すればよい。

本発明に記載された方法を実施することにより、以下に記載されるような効果を奏する。
（１）ＳＯＩ基板を用いシリコンにファイバ挿入用の孔を開けるので、ガラスに孔を開ける必要がなくなる。孔開け加工にかかる時間およびコストの大幅な削減がもたらされ、振動センサの普及が広がる。そのほかにもシリコンとガラスの接合、シリコン基板への不純物拡散、全反射ミラーのパターニングの工程もＳＯＩの基板を使用することで省け、時間とコストの削減に寄与する。
（２）ＳＯＩ基板を用いることでＳＯＩ基板と保護部材の二層構造となること、またおもりと梁の形状を自由に設計できるため、体積サイズが従来に比べて数十分の１程度になる。また、実施例２の場合にはセンサの小型化により、おもりを引っ張るために必要な電圧が従来の構造の光干渉型振動センサの十分の1程度、数十ボルト程度になる。
（３）梁の厚さを上層シリコンの厚さにより決定しているため、高精度に厚みを制御できる。

図１に示した構造の光干渉型振動センサについて説明する。ＳＯＩ基板の上層シリコン部分５にはおもりとこれを支持する梁による振動子構造１０を設け、下層シリコン部分３には光ファイバを挿入しこれを固定するための孔２を開け、中間絶縁層のＳｉＯ_２層４をエッチングにより除去することによっておもり部分を浮かせるとともに空間部分を形成し、上層シリコン面には表面に導電性膜９を形成した保護部材のガラス６を接合し、おもりの表面にはファイバ挿入用の孔を通して全反射ミラー膜８を形成し、端面にハーフミラー膜７が形成された光ファイバ１を固定用の孔に挿入し接着剤１１で固定する。

以下に図１に示す光干渉型振動センサの製造工程について示す。図５から図１２はその製造工程における断面を示したものである。
図５：ＳＯＩ基板を用いる。ＳＯＩ基板下層シリコン部３はファイバ固定とこの孔のエッチング加工を考えると３００μｍ程度の厚さが適当である。ＳＯＩ上層シリコン部５は、おもりとガラス上の導電性膜との間隔におもりの厚さを加えた分の厚さにする。上層、下層とも所定の厚さよりも厚い場合には事前にエッチングなどで厚さを調整する。中間絶縁層のＳｉＯ_２層４の厚さは振動子と下層シリコン部との間隔になる。
図６：ウェットエッチングあるいはドライエッチングにより上層シリコン部５に掘り込み部分を加工する。ウェットの場合はＳＯＩ基板を酸化しフォトリソ後、酸化膜をマスクとしてエッチングを行い、ドライエッチングの場合もレジストあるいは酸化膜など適当なマスク材を用いる。
図７：上層シリコン部５にエッチングによりおもりおよび梁を加工する。おもりと梁から成る振動子が複雑形状の場合、ドライエッチングでシリコンをエッチングするのが適当である。
図８：ドライエッチングによりＳＯＩ基板の下層シリコン部３にファイバ挿入用の孔２を開ける。レジスト、酸化膜などの適当なマスク材を使用し深孔を加工する。
図９：エッチングにより振動子の下側の中間絶縁層ＳｉＯ_２を除去し空洞部を加工する。
図１０：上層シリコン部５を保護部材であるガラス６と接合する。このとき、ガラスには導電性膜９を形成し接合時にシリコンと一部がショートするように形成しておく。
図１１：全反射ミラー膜８をファイバ挿入孔を通しておもりの表面に成膜する。ダイシングで各チップに切り分ける。
図１２：端面にハーフミラー膜７を成膜した光ファイバ１を固定用の孔２に挿入し、接着剤１１で固定する。

次に別の実施例である図２に記載した構造の光干渉型振動センサについて説明する。実施例１に記載した構造において、上層シリコン面に取り付ける保護部材のガラスにおもりを引っ張るための電極板と電極パッドをパターンした導電性膜を設け、センサの外に引き出した電極パッド部分にリード線１２を取り付ける。他の部分の構造は実施例１と同様である。

製造方法についても実施例１に記載の手順とほとんど同様であり、異なる部分のみ説明する。
保護部材上への電極板の形成：実施例１では貼り付き防止のための導電性膜であったが、実施例２ではおもりを引っ張る目的としても使用する。ガラスとの陽極接合を行う場合は、静電引力による貼り付き防止のために導電性膜を一部シリコンとショートさせておく必要があるが、ダイシングでチップに分割する際にこのショートさせておいた部分が切り離されるような導電性膜をパターンしておく。
ワイヤーボンディング：おもりを引っ張るための電極板に電圧を加えるために電極パッドに配線を施す。

図１、２に示す構造の光干渉型振動センサにおいて、図１３に示すように、上層基板に接合される保護部材であるガラスをシリコン３３に代えた構造。シリコンとシリコンの接合には接着剤を使用する、あるいはシリコンとシリコンの直接接合などの方法を用いる。

実施例１を説明する光干渉型振動センサの断面図 実施例２を説明する動作点調整機構を有する光干渉型振動センサの断面図 従来までの光干渉型振動センサの断面図 従来までの動作点調整機構を有する光干渉型振動センサの断面図 実施例１の製造方法におけるＳＯＩ基板の断面図 実施例１の製造方法において、上層シリコン部分にウェットエッチングを行ったＳＯＩ基板の断面図 実施例１の製造方法において、上層シリコン部分におもりと梁の振動子構造をドライエッチングにより加工したＳＯＩ基板の断面図 実施例１の製造方法において、下層シリコン基板に光ファイバ挿入孔をドライエッチングにより加工したＳＯＩ基板の断面図 実施例１の製造方法において、中間絶縁層ＳｉＯ_２をエッチングにより除去し空洞部を形成したＳＯＩ基板の断面図 実施例１の製造方法において、導電性膜をパターンした保護部材ガラスを上層シリコンに接合した断面図 実施例１の製造方法において、おもり上に光ファイバ挿入孔を通して全反射ミラー膜を形成した光干渉型振動センサの断面図 実施例１の製造方法において、端面にハーフミラー膜を形成した光ファイバを光ファイバ挿入孔に挿入し固定した光干渉型振動センサの断面図 実施例３において、保護部材のガラスをシリコンに代えた光干渉型振動センサの構造を説明する断面図

符号の説明

１、１５ 光ファイバ
２、１６ ファイバ挿入孔
３ ＳＯＩ基板下層シリコン
４ ＳＯＩ基板中間絶縁層ＳｉＯ_２
５ ＳＯＩ基板上層シリコン
６、１９ 保護部材
７、２１ ハーフミラー膜
８、２２ 全反射ミラー膜
９、２３ 導電性膜
１０ 振動子部
１１、２６ 接着剤
１２、２７ リード線
１３、２８ 電圧印加用配線
１７ ガラス
１８ シリコン基板
２０ 不純物拡散層
２４ 梁（不純物拡散層）
２５ おもり
３３ シリコン基板

Claims (5)

1. ＳＯＩ基板の上層のシリコン層に形成された振動子構造、下層のシリコン層に形成された光ファイバ挿入用の孔、中間絶縁層をエッチングにより除去した空間部、振動子の裏面に形成された全反射ミラー膜、上層のシリコンと接合された保護部材から成る振動子部と、端面にハーフミラー膜が形成された光ファイバが上記振動子部の光ファイバ挿入用の孔に挿入され固定された構造を特徴とする光干渉型振動センサ。
2. 請求項１に記載の光干渉型振動センサの構造で、保護部材上に金属配線と配線パッドが形成され、この配線パッドにリード線を付加したことを特徴とする光干渉型振動センサ。
3. ＳＯＩ基板の上層に振動子をエッチングにより形成する工程、下層に光ファイバ挿入孔を一括加工で形成する工程、中間絶縁層をエッチングにより除去し空間部を形成する工程、上層部に保護部材を接着する工程、光ファイバ挿入孔を通して振動子の裏面に全反射ミラーを成膜する工程、端面にハーフミラーを形成した光ファイバを孔に挿入し固定する工程、を基本として製作される光干渉型振動センサの製造方法。
4. 保護部材がガラスである請求項１または２記載の光干渉型振動センサ。
5. 保護部材がシリコンである請求項１または２記載の光干渉型振動センサ。