JP4481323B2 - 物理量センサ及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、物理量センサ及びその製造方法に係り、特に圧力センサ、加速度センサ及び角速度センサなどの物理量センサ及びその製造方法に好適なものである。
従来の物理量センサとしては、特開2004−255562号公報(特許文献1)に示された圧力センサ、加速度センサ及び角速度センサなどに用いられるものがある。この物理量センサは、半導体基板と、この半導体基板の上に形成された絶縁膜と、この絶縁膜の上に形成された構造層と、この構造層の構造物を保護する真空室を形成しつつこの構造層の上に陽極接合されるガラス基板と、構造層のアンダーバンプメタルに相当する位置に形成されたガラス基板のビア孔と、このビア孔に配されアンダーバンプメタルと結合して検出信号を取り出すソルダボールとを備えている。
特開2004−255562号公報
上述した特許文献1の物理量センサでは、ガラス基板にビア孔が形成されている。ガラス基板への加工の方法は、大きく分けて三つある。一つ目は化学反応を用いた加工であり、二つ目はレーザー加工であり、三つ目は機械加工である。
まず、一つ目の加工方法である化学反応を用いた加工について述べる。これは、溶剤を用いたウェットエッチングや、ガスを用いたドライエッチングが当てはまる。これらの加工ではマスクさえ形成してしまえば一括にパターンが形成できるという利点がある。しかし、ガラスの加工の場合、結晶方位の差によるウェットエッチングレートの差を用いることが困難なため孔が広がる。また、ドライエッチングの場合、条件さえ選定すれば狭ギャップでの孔加工は可能だが、この工程にかかる時間は他の加工方法の数倍〜数十倍であり加工に時間がかかる。
二つ目のレーザー加工には、エキシマレーザー加工やCOレーザー加工などがある。レーザー加工の孔径は基本的にレーザーのスポット径で決まるため、狭ギャップでの加工は可能である。しかし、レーザー加工は孔を一つずつ加工していくため、孔の数が多くなると加工に時間がかかる。特に、昨今ウェハレベルパッケージが主流になってきており、且つ、ウェハの大口径化が進み一枚のウェハに必要な加工孔数は多くなる傾向がある。
最後に、三つ目の加工方法である機械加工にっいて述べる。機械加工にはドリル加工やサンドブラスト加工などが挙げられる。ドリル加工はウェハ面に対し垂直な孔を形成することが可能であるが、前述したレーザー加工と同様に孔を個別に加工していく必要があるため時間がかかる。サンドブラスト加工はウェハ内の孔を同時に加工が可能である。ただし、サンドブラスト加工では、加工壁にテーパが発生する、加工抜け側面にチッピングが発生する、加工面にクラックが発生し易いなどの問題があり狭ギャップ孔加工は不可能である。
以上より、ガラス基板への加工は時間のかからない狭ギャップ加工は困難であり、物理量センサの小型化、高密度化を図ることの障害となっていた。
本発明の目的は、長期信頼性を確保しつつ、小型化、高密度化を図ることができる物理量センサ及びその製造方法を提供することにある。
発明の第の態様は、支持基板と、センサ素子を有し且つ前記支持基板上に絶縁層を介して接合された素子基板と、前記センサ素子の領域を覆い且つ前記素子基板に接合されたガラスキャップと、前記センサ素子へ電気的に接続された貫通配線とを備えた物理量センサの製造方法において、シリコン基板で構成された前記支持基板と前記センサ素子を有するシリコン基板で構成された前記素子基板とを前記絶縁層を挟持して接合してSOI基板を作製する工程と、前記SOI基板に前記貫通配線を形成するための貫通孔を形成する工程と、前記貫通配線を前記SOI基板の貫通孔内を貫通するように形成する工程と、
前記ガラスキャップにおける前記貫通配線の領域を覆った部分を前記素子基板に陽極接合する工程とを有することにある
係る本発明の第の態様におけるより好ましい具体的構成例は次の通りである。
(1)前記貫通孔を形成する工程は、前記SOI基板の反素子基板側から前記支持基板に大径の孔を形成する工程と、前記SOI基板の反支持基板側から前記素子基板に小径の孔を形成する工程と、前記大径の孔の内面に絶縁膜を形成する工程とを有すること。
また、本発明の第2の態様は、支持基板と、センサ素子を有し且つ前記支持基板上に絶縁層を介して接合された素子基板と、前記センサ素子の領域を覆い且つ前記素子基板に接合されたガラスキャップと、前記センサ素子へ電気的に接続された貫通配線と、を備えた物理量センサにおいて、前記貫通配線は前記素子基板、前記絶縁層及び前記支持基板を貫通する貫通孔内を貫通して形成され、前記ガラスキャップにおける前記貫通配線の領域を覆った部分と前記素子基板とは陽極接合されており、前記支持基板に固定される前記センサ素子の電極部分は前記絶縁層及び前記ガラスキャップで絶縁した電極部分で形成され、前記素子基板を貫通する貫通孔は前記センサ素子の電極部分を貫通するように形成され、前記貫通配線は、前記素子基板の電極部分の貫通孔を除くガラスキャップ側表面と前記ガラスキャップの表面との間に設けられた多結晶シリコン膜を介して電気的に導通するように形成され、且つ、前記センサ素子の電極部分の貫通孔内及びこのセンサ素子の電極部分の貫通孔に対応する前記支持基板の貫通孔内で絶縁膜を介して形成され、前記センサ素子の電極部分の貫通孔内は低抵抗の多結晶シリコン膜で充填されていることにある。
係る本発明の物理量センサ及びその製造方法によれば、長期信頼性を確保しつつ、小型化、高密度化を図ることができる。
以下、本発明の複数の実施形態について図を用いて説明する。各実施形態の図における同一符号は同一物または相当物を示す。なお、本発明は、それぞれの実施形態を適宜に組み合わせることにより、さらに効果的なものとすることを含む。
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態の物理量センサ50及びその製造方法を、図1から図4を用いて説明する。
まず、図1から図3を参照しながら物理量センサ50を説明する。図1はガラスキャップ12を外した状態で示す本実施形態の物理量センサ50の斜視図、図2はガラスキャップ12を省略した状態における図1の物理量センサ50の平面図、図3は図1のA−A断面図である。
本実施形態の物理量センサ50は、角速度センサと加速度センサとの複合センサである。この物理量センサ50は、支持基板2と、センサ素子30を有し且つ支持基板2上に絶縁層3を介して接合された素子基板1と、センサ素子30の領域を覆い且つ素子基板1に接合されたガラスキャップ12と、素子基板1、絶縁層3及び支持基板2を貫通する貫通孔に形成され且つセンサ素子30へ電気的に接続された貫通配線10と、を備えて構成されている。貫通配線10は後述する各10a〜10lを共通的に称する場合に用いる。
支持基板2は、矩形状に形成され、低抵抗の単結晶シリコン材料からなるシリコン基板で構成されている。素子基板1は、支持基板2の外形と同じ外形の矩形状に形成され、低抵抗の単結晶シリコン材料からなり、外周に形成された枠部14とこの枠部14の内部に形成されたセンサ素子30とから構成されている。絶縁層3は、素子基板1と支持基板2との絶縁を図るものであり、シリコン酸化膜で形成されている。本実施形態では、このように素子基板1と支持基板2との間に絶縁層3を挟んだ状態の貼りあわせ基板(SOI基板:Silicon On Insulator基板)が使用されているので、これらの各構成要素を容易に製作することができる。
枠部14は、支持基板2に絶縁層3を介して接合されると共に、ガラスキャップ12に陽極接合され、支持基板2とガラスキャップ12との間に挟持されている。この枠部14は、全周にわたってガス吸着剤13を有しており、内側枠部14aと外側枠部14bとに分離されている。ガス吸着剤13は、その上面がガラスキャップ12に接し下面が絶縁層3に接して、気密封止部15の外周を取り囲むように設けられている。
センサ素子30は、枠部4、絶縁層3、支持基板2及びガラスキャップ12で囲まれた気密封止部15の内部に配置されている。このセンサ素子30は、複数の振動体4a、4b、複数の梁5a〜5d、振動体4a、4bの支持部である複数のアンカー6a〜6d、複数の可動電極7a〜7h、複数の固定電極11a〜11hを備えている。
振動体4a、4b、梁5a〜5d、及び可動電極7a〜7hは、支持基板2から絶縁層3の厚さの分だけ浮いた構造となっている。アンカー6a〜6d及び固定電極11a〜11hは絶縁層3を介して支持基板2に固定されている。
振動体4a、4bは、梁5a〜5dを介して面内方向に振動可能な状態でアンカー6a〜6dに支持され、加えられた加速度または角速度によって振動される。また、2つの振動体4a、4bは互いにメカニカルリンク8a、8bにより繋がっている。振動体4a、4b間ではメカニカルリンク8a、8bを通じて双方の振動エネルギーのやり取りが行われる。
梁5a〜5dは、面内方向の加速度または角速度を受けた場合に、質量を持った振動体4a、4bに発生する慣性力を利用することで当該方向に振動体4a、4bを変位させる機能とともに、加速度または角速度の印加終了とともに振動体4a、4bを元の状態へと復元させるばね機能を備える。アンカー6a〜6dは、振動体4a、4bの周囲4箇所に配置され、振動体4a、4bを周囲から吊るように支持している。
可動電極7a〜7hは、振動体4a、4bの振動方向と直交した方向に延びる櫛歯部を有しており、振動体4a、4bと連動して振動される。固定電極11a〜11hは可動電極7a〜7hと対向するように櫛歯部を有しており、加速度または角速度が加わった時、可動電極7a〜7hの櫛歯部と固定電極11a〜11hの櫛歯部との間に発生する静電容量の変化を検出する。
振動体4a、4bには、絶縁層3を犠牲層エッチングする際に使用するトレンチ孔9が複数設けられている。これは、本実施形態のように振動体4a、4bがアンカー6a〜6dよりも大きな場合、絶縁層3の犠牲層エッチングを行う際に、振動体4a、4bの下部の絶縁層3よりも支持基板2に固定されているべきアンカー6a〜6dの下部の絶縁層3が先にエッチングされてしまい、アンカー6a〜6dが浮いてしまうこと防ぐためである。換言すれば、トレンチ孔9を形成することで、振動体4a、4bの側面側からの犠牲層エッチングだけでなく、トレンチ孔側からも犠牲層エッチングして、犠牲層エッチングするのに必要な時間を少なくするためである。なお、トレンチ孔9の形状は本実施形態では正方形としている。
貫通配線10a〜10lは、素子基板1、絶縁層3及び支持基板2を貫通して形成されたセンサ素子30の信号検出用配線であり、可動電極側の貫通配線10a〜10dと固定電極側の貫通配線10e〜10lとから構成されている。
可動電極側の貫通配線10a〜10dは、素子基板1のアンカー6a〜6dの貫通孔とそれに対応する部分に設けられた絶縁層3及び支持基板2の貫通孔を貫通するように形成され、梁5a〜5d及び振動体4a、4bを通して可動電極7a〜7hと電気的に接続されている。
固定電極側の貫通配線10e〜10lは、素子基板1の固定電極11a〜11hの基部の貫通孔とそれに対応する部分に設けられた絶縁層3及び支持基板2の貫通孔を貫通するように形成され、固定電極11a〜11hに電気的に接続されている。
ここで、素子基板1、絶縁層3及び支持基板2の貫通孔はリソグラフィやエッチングなどにより成形され、素子基板1及び支持基板2の貫通孔はアスペクト比1以上の高アスペクト比で形成されている。係る構成によって、これらの貫通孔を狭ピッチで加工することができ、物理量センサ50の小型化、高密度化を図ることができる。
貫通配線10a〜10lは、低抵抗のシリコンで形成されたアンカー6a〜6d及び固定電極11a〜11hの貫通孔内に絶縁膜を介することなく充填され、アンカー6a〜6d及び固定電極11a〜11hと電気的に接続されている。貫通配線10a〜10lはアンカー6a〜6d及び固定電極11a〜11hとのみ導通しており、支持基板2とは絶縁膜18を介しているために導通していない。
係る構成によって、貫通配線10a〜10lをアンカー6a〜6d及び固定電極11a〜11hに簡単にしかも確実に電気的に接続できる。
ガラスキャップ12は、センサ素子30の全体を覆って気密封止部15を形成するように、素子基板1に被せて接合し、気密封止部15と外部との気体のやり取りを制限している。ガラスキャップ12と素子基板1の枠部14とは全周にわたって陽極接合されている。陽極接合方法とは、接合したい部分のシリコンに正、ガラスに負の電極を接続し、電圧を印加することで接合面界面にOH−が集まり帯電させ、シリコンとガラス間で静電力を発生させる接合方法である。
貫通配線10a〜10lの材料として例えばメッキを用いた場合、メッキ埋め込み時の不良による巣や、支持基板2との線膨張係数の差による剥離などが原因で、外部からガスや水分が流入する恐れがある。また、貫通配線10a〜10lの材料として例えば多結晶シリコンを用いた場合、支持基板2との線膨張係数の差による剥離などが抑止できるが、充填不良の恐れは残る。そこで、本実施形態では、ガラスキャップ12は、貫通配線10a〜10lの領域の上面を覆い、貫通配線10a〜10lの周囲をアンカー6a〜6d及び固定電極11a〜11hと陽極接合している。これによって、貫通配線10a〜10lが充填不良などを起こした際も、貫通配線部が外部と気密封止部15との気体や水分の経路になることを防ぐことができ、長期信頼性を確保できる。
ガラスキャップ12を素子基板1に陽極接合する際の電圧の印加により、振動体4a、4bの変位を引き起こし、振動体4a、4bがガラス12に当接して固着してしまうことを防ぐため、振動体4a、4bの変位を許容する衝突防止用凹部19が形成されている。凹部19の形成は、サンドブラスト加工で行われる。
本実施形態では、気密封止部の内部に気体を封止するか、または気密封止部の内部に存在するほぼ全ての気体を排出して高真空にすることにより、センシング性能の向上または安定を図っている。この気体の封止または高真空を維持するために、貫通配線部を通して外部と気密封止部15との気体や水分の経路になることを防ぐことが重要である。
係る構成の物理量センサ50に加速度が印加されると、2つの振動体4a、4bは、1つの振動モードで打ち消しあう方向に変位しつつ、慣性力により同一の方向にも変位する。また、物理量センサ50にz軸周りの角速度が印加されると、2つの振動体4a、4bは、1つの振動モードでx軸方向に互いに打ち消しあうように変位しつつ、コリオリ力によりy軸方向にも互いに打ち消しあうように変位する。以上の変位方向の差異を利用することによって、加速度と角速度の信号を分離することができる。
次に、図4を参照しながら、貫通配線10f、10gの製造工程を説明する。図4は図1の物理量センサ50の貫通配線10f、10gの製造工程を示す断面図である。なお、他の貫通配線の製造工程も全て同一のため、貫通配線10f、10gを代表して説明する。
素子基板1と支持基板2の2枚の単結晶シリコン基板の間にシリコン酸化膜からなる絶縁層3を挟んで接合したSOI基板(Silicon On Insulator)20を作製する。SOI基板20の素子基板1と支持基板2は共に低抵抗の単結晶シリコン材料で作製されている。
素子基板に振動体4を形成するためのドライエッチング用マスクとするため、図4(a)に示すように、熱酸化によりSOI基板20の全面に酸化膜21を形成する。次いで、酸化膜21をフォトリソグラフィとエッチング技術を利用しパターニングすることにより支持基板2にドライエッチング用マスクを形成する。次いで、前記工程で形成した酸化膜21をマスクとしてドライエッチングを行い、支持基板層2に孔21f2、21g2を形成する。
次いで、支持基板層2と貫通配線10f、10gとを絶縁するために、図4(b)に示すように、熱酸化で孔21f、21gの内面に酸化膜18を形成する。次いで、酸化膜21をフォトリソグラフィとエッチング技術を利用しパターニングすることにより素子基板1にドライエッチング用マスクを形成する。その際、素子基板1に形成するパターンは、支持基板2に形成したパターンの真上に来るように形成する。前記工程で形成した酸化膜21をマスクとしてドライエッチングを行い、素子基板1に孔21f、21gを形成する。孔21f、21gは、孔21f、21gの径よりも小さく、酸化膜18の内径と同一の径で形成する。次いで、素子基板側からドライエッチングにて絶縁層3を除去して孔21f、21gを形成する。
次いで、図4(c)に示すように、素子基板1、絶縁層及び支持基板2に形成された孔21f、21f、21f及び21g、21g、21gに多結晶シリコンを充填する。この多結晶シリコンにより、素子基板1とは導通しているが、支持基板2とは酸化膜18を介しているために絶縁された貫通電極10f、10gが形成される。
係る製造工程により、素子基板1とは導通しているが、支持基板2とは酸化膜18を介している貫通配線10f、10gが製作できる。
以上説明したように、本実施形態によれば、貫通配線10a〜10lを素子基板1、絶縁層3及び支持基板2を貫通する貫通孔に形成するようにしたので、これらの貫通孔を狭ピッチで加工することが可能となり、物理量センサ50の小型化、高密度化を図ることができる。また、ガラスキャップ12における貫通配線10a〜10lの領域を覆った部分を素子基板1に陽極接合しているので、貫通配線部外部と気密封止部15との気体や水分の経路になることを防ぐことができ、長期信頼性を確保できる。
第2実施形態では、貫通配線10a〜10lは、導電性金属または低抵抗多結晶シリコンを、素子基板1、絶縁層3及び支持基板2を貫通する貫通孔の内面に薄膜で形成するのみであり、貫通孔を完全に満たすように充填していない(図5には貫通配線10f、10gのみを示す)。これにより、貫通配線10a〜10lの形成時間が大幅に減少でき、コストの低下が期待できる。ここで、貫通配線10a〜10lを覆うようにガラスキャップ12と素子基板1とが陽極接合されていることから、外部からのガスあるいは水分の流入を防ぐことができる。
第3実施形態では、貫通配線用の孔は、素子基板1では狭く、支持基板2に形成された部分では広くなっている。貫通配線10は導電性金属または低抵抗多結晶シリコンで形成されており、素子基板1には充填するが、支持基板2には薄膜で形成するのみで充填されていない。これにより、貫通配線10a〜10lの形成時間を減少できると共に、途中の製造工程における貫通配線10a〜10lの内部空間を通してガスが流出してしまう不都合を解消できる。
第4実施形態では、枠部14の内側に絶縁物16で埋め込んでいる。これによって、ガスあるいは水分の経路となりうる箇所の距離が長くなるため、より外部からのガスあるいは水分の流入を防ぐことができる。
(第5実施形態)
第5実施形態を図8に示す。第5実施形態では、素子基板1を貫通する貫通孔の表面に、シリコンの熱酸化膜に代表される絶縁膜18が形成されている。具体的には、図8では、固定電極11cと11aとに設けられた貫通孔を指す。さらに、この孔は、貫通配線10h、10eを構成する低抵抗多結晶シリコンまたは導電性金属によって、充填されている。また、素子基板1の表面には接合用低抵抗多結晶シリコン60が形成されている。つまり、図8のように、振動体4a、可動電極7a、7c、固定電極11a、11c、枠部14の表面にも接合用低抵抗多結晶シリコン60が形成されている。この接合用低抵抗多結晶シリコン60を介して、ガラスキャップ12と可動電極7a、7c及び枠14とが陽極接合によって接合され、センサ素子30が封止されている。
接合用低抵抗多結晶シリコン60が、固定電極11a、11c上に形成されているので、その固定電極11a、11cの貫通孔に絶縁膜18が形成されていても、固定電極11a、11cと貫通配線10h、10eとはそれぞれ電気的に接続される。したがって、貫通配線として機能できる。
本発明の第1実施形態の物理量センサの斜視図である。 ガラスキャップを省略した状態における図1の物理量センサの平面図である。 のA−A断面図である。 図1の物理量センサの貫通配線を製造する工程を示す断面図である。 本発明の第2実施形態の物理量センサの断面図である。 本発明の第3実施形態の物理量センサの断面図である。 本発明の第4実施形態の物理量センサの断面図である。 本発明の第5実施形態の物理量センサの断面図である。
符号の説明
1…素子基板、2…支持基板、3…絶縁層、4a、4b…振動体、5a〜5d…梁、6a〜6d…アンカー、7a〜7h…可動電極、8a〜8b…メカニカルリンク、9…トレンチ孔、10a〜10l…貫通配線、11a〜11h…固定電極、12…ガラスキャップ、13…ガス吸着剤、14…枠部、14a…内側枠部、14b…外側枠部、15…気密封止部、16…絶縁物、18…絶縁膜、19…凹部、20…SOI基板、30…センサ素子、50…物理量センサ、60…接合用低抵抗多結晶シリコン。

Claims (3)

  1. 支持基板と、センサ素子を有し且つ前記支持基板上に絶縁層を介して接合された素子基板と、前記センサ素子の領域を覆い且つ前記素子基板に接合されたガラスキャップと、前記センサ素子へ電気的に接続された貫通配線とを備えた物理量センサの製造方法において、
    シリコン基板で構成された前記支持基板と前記センサ素子を有するシリコン基板で構成された前記素子基板とを前記絶縁層を挟持して接合してSOI基板を作製する工程と、
    前記SOI基板に前記貫通配線を形成するための貫通孔を形成する工程と、
    前記貫通配線を前記SOI基板の貫通孔内を貫通するように形成する工程と、
    前記ガラスキャップにおける前記貫通配線の領域を覆った部分を前記素子基板に陽極接合する工程とを有する
    ことを特徴とする物理量センサの製造方法
  2. 請求項1において、
    前記貫通孔を形成する工程は、前記SOI基板の反素子基板側から前記支持基板に大径の孔を形成する工程と、前記SOI基板の反支持基板側から前記素子基板に小径の孔を形成する工程と、前記大径の孔の内面に絶縁膜を形成する工程とを有する
    ことを特徴とする物理量センサの製造方法
  3. 支持基板と、
    センサ素子を有し且つ前記支持基板上に絶縁層を介して接合された素子基板と、
    前記センサ素子の領域を覆い且つ前記素子基板に接合されたガラスキャップと、
    前記センサ素子へ電気的に接続された貫通配線と、を備えた物理量センサにおいて、
    前記貫通配線は前記素子基板、前記絶縁層及び前記支持基板を貫通する貫通孔内を貫通して形成され、
    前記ガラスキャップにおける前記貫通配線の領域を覆った部分と前記素子基板とは陽極接合されており、
    前記支持基板に固定される前記センサ素子の電極部分は前記絶縁層及び前記ガラスキャップで絶縁した電極部分で形成され、
    前記素子基板を貫通する貫通孔は前記センサ素子の電極部分を貫通するように形成され、
    前記貫通配線は、前記素子基板の電極部分の貫通孔を除くガラスキャップ側表面と前記ガラスキャップの表面との間に設けられた多結晶シリコン膜を介して電気的に導通するように形成され、且つ、前記センサ素子の電極部分の貫通孔内及びこのセンサ素子の電極部分の貫通孔に対応する前記支持基板の貫通孔内で絶縁膜を介して形成され、
    前記センサ素子の電極部分の貫通孔内は低抵抗の多結晶シリコン膜で充填されている
    ことを特徴とする物理量センサ。
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