JP4562524B2 - モノリシックシリコン加速度センサーの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、シリコンからマイクロマシン加工された加速度センサーに関し、より詳しくは、トーションまたはカンチレバーの支持部材によって位置決めされた慣性質量を有するセンサーに関する。
シリコンウエハーを1軸に沿った加速度を検出できる適切な構成へとマイクロマシン加工することによって、小型でコンパクトな加速度センサーを作成することが可能であることが、当該技術では知られている。
マイクロマシン加工プロセスは、通常複数のシリコンウエハーのバッチに対し実施される。当該プロセスは、マスキングすること、ウエハー表面にエッチング停止材料のパターンを形成すること、露出したシリコンをエッチングすること、エッチング停止材料を除去すること、メタライズすること、およびボンディングすることからなる。
シリコンウエハーは、個々の加速度センサーデバイスへとダイスカットされ、該デバイスは、パッケージされ、適切な電子回路に接続されて加速度計が形成される。これらの技術を用いて、2軸または3軸加速度センサーは、それぞれ、2または3の直交する加速軸に沿って正確に機械的に位置合わせされた2または3のダイスカットされた個別デバイス(discrete devices)を必要とする。
マイクロマシン加工プロセスにより作成された速度センサーの例は、以下の米国特許に記載されている(米国特許第4,574,327号、米国特許第4,930,043号、米国特許第5,008,774号)。
このようにして製造されたデバイスは、デバイス同士の間で広範囲のパラメーター変動を示し得る。さらに、多軸のアプリケーションでは、複数の個別デバイスが、それぞれの加速軸に機械的に正確に整列されていなければならない。製造において直面する困難性は、中央面の正確な位置と複数のデバイスの正確な整列を含んでおり、製造プロセスを複雑で時間がかかり、かつ高価なものにしている。
本発明は、比較的に簡単な製造プロセスによってシリコンからマイクロマシン加工され、デバイス間でタイトなパラメーター公差を有し、低い機械的ストレスで、温度安定性のあるモノリシック多軸加速度センサーに関する。
当該モノリシック多軸加速度センサー(monolithic multiple axes acceleration sensor)は、デバイス製造において用いられるリソグラフィープロセスにより整列され得るものであるため、個別デバイスの、直交した加速軸に沿った正確な機械的整列が必要とされない。本発明の製造プロセスは、所定の加速度感度をもつデバイスを製造するために、低感度デバイスから高感度デバイスまでの範囲のバッチで、バッチベースで調整可能である。
当該シリコン加速度センサーの発明は、1、2、3または4つのシリコン加速度センサーセルを有し、それぞれのセンサーセルは、移動可能なシリコン慣性質量を有し、該シリコン慣性質量は、加速に応じて移動し、かつ、シリコン慣性質量の第1表面と同一平面にあるビーム部材により位置決め(position)されており、かつ、シリコン支持構造体に固定されている。慣性質量とシリコン支持構造体の加速による、慣性質量の移動または起きたビーム部材のたわみを検知する手段が提供される。各慣性質量の相対的ポジションは、ビーム部材の位置を角度の基準(reference)として用いて、各シリコン質量の第1表面を見た場合に、隣接する慣性質量に対して直角になっている。
本発明を具体化するシリコン加速度センサーデバイス(移動可能な一つのシリコン慣性質量を有する単一センサーセルを持つ)は、直交する2つの軸の加速を感知できるが、一方の軸に沿った加速と他方とを区別することができない。
2つのセンサーセルを有するデバイスは、各センサーセルが、ビーム部材を角度の基準として用いて、シリコン質量の第1表面を見た場合、他のセンサーセルの慣性質量に対し180度の角度で位置決めされた移動可能なシリコン慣性質量からなるのであるが、直交する2つの軸の加速を感知でき、また2つの軸に沿った加速を区別することができる。
3つのセンサーセルを有するデバイスは、各センサーセルが、ビーム部材を角度の基準として用いて、シリコン質量の第1表面を見た場合、お互いに対し0、90および180度の角度で位置決めされた移動可能なシリコン慣性質量からなるのであるが、直交する3つの軸の加速を感知でき、また3つの軸それぞれに沿った加速を区別することができる。
4つのセンサーセルを有するデバイスは、各センサーセルが、ビーム部材を角度の基準として用いて、シリコン質量の第1表面を見た場合、お互いに対し0、90、180および270度の角度で位置決めされた移動可能なシリコン慣性質量からなるのであるが、直交する3つの軸の加速を感知でき、また3つの軸それぞれに沿った加速を区別することができる。4つのセンサーセルからなるデバイスは、各慣性質量の第1表面を見た場合、物理的に対称な幾何学図形であり、反対方向の非線形性を打ち消す能力を与える。従って、多軸加速度感知は、複数の別個の1軸加速度感知デバイスの正確な機械的整列を要求しない、一つのモノリシックデバイスにより達成できる。
慣性質量の移動を検知するための一つの手段は、移動可能な慣性質量の第1表面と、第1表面から間隔をあけて支持シリコン構造に関して固定された第1導電層との間の静電容量を測定すること、および第1表面とは反対側の移動可能な慣性質量の第2表面と、第2表面から間隔をあけて支持しているシリコン構造に関して固定された第2導電層との間の静電容量(キャパシタンス)を測定することによる。
慣性質量の移動を検知するための別の手段は、位置決めしているビーム部材上に置かれたピエゾ抵抗素子の抵抗を測定することである。ビーム部材は、カンチレバー(片持ち梁)の構成、トーション(捩り)の構成のいずれであってもよい。慣性質量の形状は、発明の好ましい態様では、直方体として概して記載されている。
シリコン慣性質量の第1セクションは、露出した第1表面からエッチング停止層に達するまで第1ウエハーセクションについてU形溝(U-shaped channel)および線条形溝(bar-shaped channel)をエッチングすることにより形成され、第1ウエハーセクションについて線条形溝およびU形溝は、第2ウエハーセクションの長方形の枠形溝と水平に整列し、等しい面積となるように位置している。即ち、U形溝と線条形溝は、慣性質量の第1セクションを囲み、かつ、ビーム部材を残すように互いに離れて配置されており、かつ、
第1表面内における〔U形溝と線条形溝とビーム部材となる部分〕と、第2表面における長方形の枠形溝とは、表裏で互いに対応し等しい領域となるように、U形溝と線条形溝が、第1表面内で水平方向に位置合わせされている。
エッチング停止層を貫通するかまたは慣性質量のエッチングされた表面上に、慣性質量の第2セクションと慣性質量の第1セクションを電気的に接続する手段が提供される。エッチングされた枠形溝、エッチングされたU形溝およびエッチングされた線条形溝により露出した二酸化ケイ素層は、その後、除去され、それにより、ビーム部材により位置決めされシリコン支持構造体に固定された直方体型移動可能シリコン慣性質量が作成される。
慣性質量の第2セクションと慣性質量との第1セクションとを電気的に接続する他の手段としては、生成するエッチングされ除去された構造の上に、導電性ポリシリコン層をデポジションすることである。このデポジションプロセスは、非導電性シリコンウエハーセクションの使用が望まれている場合でも、用いることができる。
慣性質量の第1表面と第1導電層との間の第1静電容量測定のために、シリコン支持構造体に対し、慣性質量の第1表面から離れた第1導電層を固定することにより;または、慣性質量の第2表面と第2導電層との間の第2静電容量測定のために、シリコン支持構造体に対し、慣性質量の第2表面から離れた第2導電層を固定することにより、シリコン慣性質量の移動を検知する手段が提供される。これらの導電層は、好ましくは、組成は金属である。あるいは、シリコン支持構造体に固定された位置決めされたビーム部材上にピエゾ抵抗素子を置き、ビーム部材が曲がったまたは捩れた場合の抵抗の変化を測定することにより、慣性質量の移動を検知する手段が提供される。
線条形溝は、U形溝の開いた上部を横切る方向に位置しており、U形溝の開いた上部の外側寸法内で中心にあり、U形溝の上部の外幅(外側寸法)全体と同じ長さまで伸びている。線条形溝の端は、空間的分離が、シリコン慣性質量がトーションビーム部材により位置決めされた状態のデバイスをもたらすようU形溝の上部から空間的に離れている。
線条形溝は、U形溝の開いた上部を横切る方向に位置しており、U形溝の開いた上部の内側寸法内で中心にあり、U形溝の上部の内幅(内側寸法)より短い長さに伸びている。線条形溝の端は、空間的分離が、シリコン慣性質量がカンチレバービーム部材により位置決めされた状態のデバイスをもたらすようU形溝の内側上部から空間的に離れている。
また、該枠形溝の形状である長方形が、長辺の長さである大寸法および短辺の長さである小寸法を有する形状であり、線条形溝の長手方向の寸法が、枠形溝の形状である長方形の大寸法とそろっていることにより、大寸法を増加させることによって、大寸法の方向に垂直な平面での慣性バランスを変更することなく、慣性質量を増加させることが可能となる。
それぞれのセンサーセルが移動可能なシリコン慣性質量からなる、3つのシリコン加速度センサーセルを有するデバイスの製造方法は、位置決めされたビームを角度の基準として用い、シリコン質量の露出した第1表面を見た場合に、第3慣性質量がリソグラフィー的に、その上物理的に、第2慣性質量に対し90度の角度で位置決めされかつ第1慣性質量に対し、180度の角度で位置決めされている点を除き、2つのシリコン加速度センサーセルを有するデバイスの製造方法と同じである。
それぞれのセンサーセルが移動可能なシリコン慣性質量からなる、4つのシリコン加速度センサーを有するデバイスの製造方法は、位置決めされたビームを角度の基準として用い、シリコン質量の露出した第1表面を見た場合に、第4慣性質量がリソグラフィー的に、その上物理的に、第3慣性質量に対し90度の角度で位置決めされ、第2慣性質量に対し180度の角度で位置決めされかつ第1慣性質量に対し、270度の角度で位置決めされている点を除き、3つのシリコン加速度センサーセルを有するデバイスの製造方法と同じである。
このようにして、モノリシック多軸加速度センサーは、複数の分離した単軸加速度センサーを正確に機械的に整列させるという必要がなく、作成することが可能である。
図1Aを参照すると、モノリシックシリコン加速度センサー100の一部が示されており、該センサーは、一つのシリコン加速度センサーセルを有し、該セルは、導電性の移動可能なシリコン慣性質量300を有し、該質量は、導電性のシリコン支持構造体200に固定されたトーションビーム部材400によって位置決めされており、X軸510、Y軸520、およびZ軸530が示されている。
同様に、図1Bは、モノリシックシリコン加速度センサー100の一部を示しており、該センサーは、一つのシリコン加速度センサーセルを有し、該セルは、導電性の移動可能なシリコン慣性質量300を有し、該質量は、導電性のシリコン支持構造体200に固定されたカンチレバービーム部材410によって位置決めされており、X軸510、Y軸520、およびZ軸530が示されている。
本発明の好ましい態様は、図1Aに示されたトーションビーム部材400を、移動可能なシリコン慣性質量300の位置決めするために利用しているので、図1Aは、本発明の動作を記述する目的で参照として用いられるが、図1Bのカンチレバーの構成にも同様に議論が適用できることは理解されるべきである。
Z軸530に関する加速について考えると、シリコン加速度センサー100が、Z軸530に沿って+Z方向に加速された場合、慣性質量300は、トーションビーム部材400により形成された軸について回転しながら、シリコン支持構造体200に関してZ軸530に沿って−Z方向に移動する。反対に、シリコン加速度センサー100が、Z軸530に沿って−Z方向に加速された場合、慣性質量300は、トーションビーム部材400により形成された軸について回転しながら、シリコン支持構造体200に関してZ軸530に沿って+Z方向に移動する。
X軸510に関する加速について考えると、シリコン加速度センサー100が、X軸510に沿って+X方向に加速された場合、慣性質量300は、トーションビーム部材400により形成された軸について回転しながら、シリコン支持構造体200に関してX軸510に沿って−X方向に移動する。反対に、シリコン加速度センサー100が、X軸510に沿って−X方向に加速された場合、慣性質量300は、トーションビーム部材400により形成された軸について回転しながら、シリコン支持構造体200に関してX軸510に沿って+X方向に移動する。
Y軸520に関する加速について考えると、シリコン加速度センサー100が、Y軸520に沿って+Zまたは−Z方向のいずれかに加速された場合、慣性質量300は、トーションビーム部材400により形成された軸について回転することができない。なぜなら加速により慣性質量にかかる力は、トーションビーム部材400により形成される軸に対して、ラジアルではなくむしろ一直線上にあるからである。
このように、図1Aのシリコン加速度センサー構成は、2つの直交する加速度軸に沿って、すなわち、Z軸530に沿っておよびX軸510に沿って加速を感知することができるが、これら2つの軸の加速度の間の違いを区別することはできない。
4つの慣性質量のそれぞれは、図1Aに示された移動可能なシリコン慣性質量300と同様に構成されており、シリコン支持構造体240に固定されたトーションビーム部材400により位置決め(positioned)されている。しかし、慣性質量310だけが、トーションビーム部材400により形成された回転軸(X軸510およびY軸520で参照される)の向きに関して、図1Aに示された慣性質量300と同様に配向している。これに対応して、慣性質量310だけが、図1Aの慣性質量300と同様に、トーションビーム部材400により形成された軸について回転することにより、X軸510およびZ軸530に沿った加速に応答する。
加速度の3つの直交する軸に沿った加速の方向に起因する慣性質量310の移動方向は、図3の表のラベル310の下の欄に示す。
加速度センサーの加速に関して、図1A中の慣性質量の動作を決定するために用いられる解析と同様の解析を用いて、慣性質量320、330、340の動作は、容易に決定し得る。X軸510、Y軸520、Z軸530に沿った加速に関して図2に示された加速度センサー140の4つの慣性質量310、320、330、340の動作の方向は、図3の表中に示している。
逆に、図2の加速度センサー140の−X方向の加速は、図2の慣性質量310の+Z方向の移動と、図2の慣性質量330の−Z方向の移動と、図2の慣性質量320、340の無移動とによる、唯一の組み合わせとなっている。
図2の加速度センサー140の、+Y、−Y、+Zおよび−Z方向の加速に応じた慣性質量の動作を同様に考えることにより、1つ、2つ、または3つ全ての直交する加速軸に沿って、同時に起こる加速の大きさと方向とのいかなる組み合わせに対しても、4つの慣性質量の動作の唯一の組み合わせがあるということが、図3に示された結果からわかる。
このようにして、図2に示された加速度センサーは、軸から外れた加速に起因する成分を含む、加速の3つの直交軸に沿った、加速の方向と大きさとを同時に感知することができる。図2は、対称的に配置された4つの慣性質量の構成を示しており、図3に従って対応しているが、1つ、2つ、または3つの直交する加速軸に沿った、または軸から外れた加速の成分の組合わせに沿った、加速の方向と大きさとを同時に区別するためには、3つの慣性質量だけが必要であるということが示されていることにも留意すべきである。
図4Bは、シリコン支持構造体230に固定されたトーションビーム部材により位置決めされた3つの慣性質量310、320、340を有する、単純化されたモノリシック多軸シリコン加速度センサー130の別の可能な配置である。第1カバープレート構造体は、図4Aおよび図4Bでは示していないが、これは、ビーム部材に関する慣性質量の相対的な角度のポジショニングが見えるようにするためである。
慣性質量300は、図6には示されていないが、図1Aにはトーションビーム部材400として示された導電性トーションビーム部材により、静的に位置決めされている。トーションビーム部材は、導電性シリコン支持構造体200に固定されており、該シリコン支持構造体200は、第1表面202および反対側の第2表面204を有する。第1カバープレート構造体600は、慣性質量300の第1表面302から離れた第1金属層640を有し、第1金属層640はシリコン支持構造体200の第1表面202に固定された、第1絶縁体610、好ましくはガラスの上に形成されている。第1金属層640と、慣性質量300の第1表面302とは、慣性質量300の位置に依存する値を持つ第1可変キャパシターを形成している。
第2カバープレート構造体700は、慣性質量300の第2表面304から離れた第2金属層740からなり、第2金属層740はシリコン支持構造体200の第1表面204に固定された、第2絶縁体710、好ましくはガラスの上に形成される。第2金属層740と慣性質量300の第2表面304とは、慣性質量300の位置に依存する値を持つ第2可変キャパシターを形成している。
慣性質量300の移動がもたらす加速度の大きさは、第1可変キャパシターの値と第2可変キャパシターの値との差の大きさを測定することにより示される。
慣性質量300を容量測定回路に電気的に接続する好ましい手段は、電気リード線880を、導電性ビーム部材を通して導電性の慣性質量300に電気的に接続された導電性シリコン支持構造体200の外部表面上に形成された電気的ボンディングパッド870に接続することによる。
第1カバープレート構造体600の第1金属層640を容量測定回路に電気的に接続する好ましい手段は、導電性シリコンの第3ウエハーセクション620によるものであり、該セクションは、第2表面624を有し、第1絶縁体610上にマウントされており、第1絶縁体610を通って第1金属層640と電気的に接触している第1の導電性シリコンのメサ630を有する。容量測定回路に接続された電気リード線880はまた、シリコンの第3ウエハーセクション620の第2表面624上の電気的ボンディングパッド870に接続されており、第1金属層640へ電気的な接続を達成している。
同様に、第2カバープレート構造体700の第2金属層740を容量測定回路に電気的に接続する好ましい手段は、導電性シリコンの第4ウエハーセクション720によるものであり、該セクションは、第2表面724を有し、第2絶縁体710上にマウントされ、第2絶縁体710を通って第2金属層740と電気的に接触している第2の導電性シリコンのメサ730を有する。容量測定回路に接続された電気リード線880はまた、シリコンの第4ウエハーセクション720の第2表面724上の電気的ボンディングパッド870に接続されており、第2金属層740へ電気接続を達成している。
本発明のこの好ましい態様では、シリコン慣性質量300の形状は直方体であり、慣性質量300の第1表面302は、可変キャパシターのための誘電空間をあけるために、シリコン支持構造体200の第1表面202からは、わずかに低い位置に下げられ、慣性質量300の第2表面304は、可変キャパシターのための誘電空間をあけるために、シリコン支持構造体200の第2表面204からは、わずかに低い位置に下げられている。
ピエゾ抵抗素子420は、ビーム部材410に結合され、メタライズされた配線890を通して直列に電気的ボンディングパッド870に接続されている。ビーム部材410の曲がりのレベル(それは、慣性質量300の移動の量を与え、慣性質量300が受けた加速の大きさの量でもある)を決定するために、ボンディングワイヤー880が、これらのピエゾ抵抗素子を抵抗測定回路に接続している。
上記枠形溝の形状である長方形が、4辺の長さが互いに等しい正方形である場合、枠形溝によって第2表面に描かれる外側の正方形と内側の正方形のうち、内側の正方形の一辺の長さを内寸と呼ぶこととして、慣性質量の第2セクションを形成する工程は、露出した第2表面からエッチング停止層に達するまで、層状サンドイッチの厚さと等しい内寸を持った正方形を有する枠形溝をドライエッチングすることによってなされ、それによってビーム部材によって位置決めされた立方体形の慣性質量が形成される。
慣性質量の移動を検出する手段を提供する工程は、
(a)導電性のシリコンの第3ウエハーセクションの露出した第1表面上に第1の二酸化ケイ素層を成長させ、かつ、導電性のシリコンの第4ウエハーセクションの露出した第1表面上に第1の二酸化ケイ素層を成長させる工程を有し、これらシリコンの第3および第4ウエハーセクションは、露出した第1表面の反対側に第2表面を有するものであり、
(b)微小な柱形パターンが慣性質量の位置と一致して位置するように、該柱形パターンを除いて第1の二酸化ケイ素層の表面を露出させて、前記シリコンの第3および第4ウエハーセクション上の第1の二酸化ケイ素層をマスキングする工程と、
(c)第3および第4ウエハーセクションの第1表面上に、マスキングされた二酸化ケイ素の柱形パターンを除いて、シリコンの露出したエリアが形成されるように、第1の二酸化ケイ素層を、露出した該第1の二酸化ケイ素層の表面から除去する工程と、
(d)シリコンの微小なメサが、柱形パターンの下の、第3ウエハーセクションの第1表面上に形成されるように、および、柱形パターンの下の、第4ウエハーセクションの第1表面上に形成されるように、75ミクロンの深さで、第3および第4ウエハーセクションの露出したエリアをエッチングする工程と、
(e)囲まれた長方形が少なくとも一つのシリコンのメサを含みかつ慣性質量のポジシションと一致するように位置合わせされるように、溝を、第3および第4ウエハーセクションの第1表面上に、長方形を描くクロスハッチパターンにて、第3および第4ウエハーセクションの厚さの半分の厚さまで形成する工程と、
(f)溝がガラスで満たされシリコンのメサがガラスで覆われるように、該シリコンのメサと該溝とを有する第3および第4ウエハーセクションの第1表面上にガラス層を溶融させる工程と、
(g)該平坦なガラス表面が、露出したシリコンのメサのパターンを有し、該平坦なガラス表面が、第3および第4ウエハーセクションの第1表面上に形成されるように、ガラス平面を研磨する工程と、
(h)ガラスで満たされた溝が露出し、電気絶縁が長方形クロスハッチパターン内に形成されるように、第3および第4ウエハーセクションの第2表面を裏面研磨し、それによって第3ウエハーセクションから第1カバープレート構造を形成し、かつ第4ウエハーセクションから第2カバープレート構造を形成する工程と、
(i)金属層がシリコンのメサによって反対側のシリコン表面と電気的に接続され、慣性質量の第1および第2表面と一致するよう大きさおよび位置が決められるように、第1および第2カバープレート構造のガラス第1表面上に長方形パターン層をメタライズによって形成する工程と、
(j)メタライズによって形成された長方形パターン層が慣性質量の第1表面と一致しかつ離れるように、第1カバープレート構造のガラス表面を、シリコン支持構造の第1表面にボンディングする工程であって、それによって第1可変キャパシターが形成される該工程と、
(k)メタライズによって形成された長方形パターン層が慣性質量の第2表面と一致しかつ離れるように、第2カバープレート構造のガラス表面を、シリコン支持構造の第2表面にボンディングする工程であって、それによって第2可変キャパシターが形成される該工程と、
(l)第1可変キャパシターの値と第2可変キャパシターの値を測定するために、第1カバープレート構造のシリコンウエハーセクション、シリコン支持構造、および第2カバープレート構造のシリコンウエハーセクションを、電子回路に電気的に接続するための手段を提供する工程とを、
有していてもよい。
また、慣性質量の移動を検知する手段を提供する工程は、
(a)第1ガラス層および第2ガラス層に、慣性質量の位置と一致するポジションに、微小な孔を形成する工程を有し、各ガラス層は、第1表面および第2表面を有しており、
(b)微小な孔の表面をメタライズする工程を有し、
(c)第1ガラス層の第1表面上に、および、第2ガラス層の第1表面上に、第1の長方形の金属層をメタライズによって形成する工程を有し、各長方形の金属層は、メタライズされた孔により第1および第2ガラス層の反対側の第2表面に電気的に接続され、かつ、メタライズによって形成された前記金属層は、慣性質量の第1および第2表面に一致するように、大きさおよび位置が決められており、
(d)第1および第2ガラス層の第2表面上に、電気的ボンディングパッドを、メタライズによって形成する工程を有し、各ボンディングパッドは、第1および第2ガラス層の第1表面上で対応する、メタライズによって形成された長方形の金属層に、メタライズされた孔によって電気的に接続されており、
(e)第1ガラス層の第1表面をシリコン支持構造の第1表面にボンディングする工程を有し、メタライズによって形成された長方形の金属層は、慣性質量の第1表面と一致しかつ離れており、それによって第1可変キャパシターが形成されており、
(f)第2ガラス層の第2表面をシリコン支持構造の第2表面にボンディングする工程を有し、メタライズによって形成された長方形の金属層は、慣性質量の第2表面と一致しかつ離れており、それによって第1可変キャパシターが形成されており、
(g)第1可変キャパシターの値と第2可変キャパシターの値を測定するために、第1ガラス層の電気的ボンディングパッド、シリコン支持構造、および第2ガラス層の電気的ボンディングパッドを、電子回路に電気的に接続するための手段を提供する工程を有していてもよい。
当該モノリシックシリコン加速度センサーの製造方法は、次の工程に細かく分けることができる。即ち、
工程(1)2つの導電性シリコン層に挟まれた二酸化ケイ素の層状サンドイッチを形成する、
工程(2)移動可能なシリコン慣性質量、ビーム部材、シリコン支持構造体を製造する、
工程(3)第1カバープレート構造体および第2カバープレート構造体を製造し、第1および第2カバープレート構造体をシリコン支持構造体に接合する、および
工程(4)得られた構造を1、2、3または4のセンサーセルデバイスにダイスカットし、電気リード線を接合し、デバイスを封止する。
工程(4)は、当該技術において、常法および周知の技術が使用されるため、これらの手法の詳細な記述を示す必要はないであろう。以下の記載は、単一センサーセルを有するモノリシックシリコン加速度センサーデバイスの製造方法を記すものであるが、複数の単一センサーセルデバイスが同時にバッチ製造されるだけでなく、複数の、複数軸に沿った加速を感知するのに用いられる複数センサーセルデバイスもまた同時にバッチ製造され得るものである。単一デバイス中にある複数センサーセル同士の間の主たる差異は、お互いのセンサーセルに対する角度の配向と電気的接続構成である。それ故に、以下の記載は、単一センサーセルデバイスの製造に焦点を当てている。というのは、一旦これが理解されれば、どのように多数の複数センサーセルデバイスが同時に製造されるのかがより簡単に理解されるからである。記載中の寸法は、本発明の好ましい態様のための代表的なものであり、実例を挙げる目的のためのものであることに留意されたい。実際のデバイス寸法は、所望のデバイスパラメーターによって変わるものである。
図9について考えると、同図は、第2導電性シリコンウエハー292のセクション250を示しており、代表的には400ミクロン厚である。その後の製造工程で考慮される同様の第1ウエハーセクション、第3ウエハーセクションおよび第4ウエハーセクションもまたあることに留意されたい。
図10Aに示された第2ウエハーセクション250もまた、代表的には400ミクロン厚であり、代表的には600ミクロン平方である第1表面256および第2表面258を有する。層状サンドイッチを製造する好ましい方法は、後の製造工程で行われるエッチング操作を妨げない位置に、第2ウエハーセクション250の第1表面256上に窒化ケイ素のドットを形成させることである。第2ウエハーセクション250の第1表面256は、その後熱的に酸化され、選択的な第1の二酸化ケイ素層254が窒化ケイ素252のドットに覆われていない場所に形成される。
図10Bは、酸化プロセスにより形成されるシリコンのメサ262を有する図10Aの第2ウエハーセクション250の断面を示す。第1の二酸化ケイ素層254は、第2ウエハーセクション250の第1表面256からその後除去され、シリコンと窒化ケイ素のドット252との界面に関連して、第2ウエハーセクション250の第1表面256に凹部を残す。
図11Aおよび図11Bは、第2ウエハーセクション250を示しており、第2ウエハーセクション250に形成された凹部内に第2の二酸化ケイ素層260が熱的に成長し、図10Bの窒化ケイ素ドット252とシリコンの間の界面に対応するレベルまで伸び、そして窒化ケイ素ドット252が除去された後のものである。このようにして、平坦な表面が、図11Aおよび図11Bに示されるようにシリコンのメサ262が散りばめられた第2の二酸化ケイ素層260からなる第2ウエハーセクション250の第1表面256の近くに形成される。
図12Aおよび図12Bは、代表的には600ミクロン平方の第1表面276および第2表面278を有する第2導電性シリコンウエハーの第1ウエハーセクション270を示す。この第1ウエハーセクション270は、第1ウエハーセクションの第2表面278が形成された平面表面に接触するように、形成された第2ウエハーセクション250の平面表面に接合されている。第1ウエハーセクション270は、その後、代表的には5から10ミクロンの間の値まで研磨除去されている。当該値が、後の製造工程で形成されるビーム部材の厚さを決定する。これが、約400ミクロンの代表的厚さを有する、シリコンの第1ウエハーセクション270とシリコンの第2ウエハーセクション250とに挟まれた二酸化ケイ素の層状サンドイッチをもたらし、これにより、第1ウエハーセクション250と第2ウエハーセクション270とは、シリコンのメサ262によって、二酸化ケイ素層を通じて相互接続される。
図12Aおよび図12Bに示された構造と類似の構造を製造する別の態様の一つは、図12Aおよび図12Bの第1シリコンウエハーセクション270を図12Aおよび図12Bに示すように、第2ウエハーセクション250上の第2二酸化ケイ素層260の平面表面に接合する前に、図11Aおよび図12Bに示した第2ウエハーセクションの第2二酸化ケイ素層260の表面下に、代表的には5から10ミクロンの深さで、イオンを注入することである。第1ウエハーセクションは、上記のように、研磨除去されないが、結果得られる構造は、熱的な衝撃を受ける。熱的な衝撃の結果、第2ウエハーセクション250は、イオン注入と、第2ウエハーセクション250の残りのシリコンとの接合に沿って割れを起こし、結果、図12Aおよび図12Bに示された構造を反転させた構造を生じ、その構造において、第2ウエハーセクション250は、代表的には5から10ミクロン厚であり、第1ウエハーセクションは代表的には400ミクロン厚である。
図12Aおよび図12Bに示された構造と類似の構造を製造するその他の別の態様は、図13Aに示すように、第2ウエハーセクション250上に二酸化ケイ素の第1層254を形成し、その後、二酸化ケイ素層254を通して第2ウエハーセクション250の幾つかの小さいエリア255を露出させ、溶融したシリコンの液溜りをつくり、図13Bに示されるように、溶融したシリコンの液溜りを第1二酸化ケイ素層254の露出した表面にくみ上げることである。溶融したシリコンが冷えたとき、図13Bに示すようにシリコンの第1層270が二酸化ケイ素層254の上に形成され、図12Aおよび図12Bと同様の構造を生じる。
図12Aおよび図12Bに示された構造と類似の構造を製造するその他の別の態様は、図13に示したように、第2ウエハーセクション250の第1表面256の上に二酸化ケイ素の第1層254を形成する。第1ウエハーセクション270の第2表面は、図13Cに示すように第1二酸化ケイ素層254に接合されている。複数の小さい孔は、二酸化ケイ素層254へ延び、第1ウエハーセクション270と第2ウエハーセクション250のいずれかに露出し、露出した二酸化ケイ素層254を除去し、導電性ポリシリコンまたは他の導電性材料を小さい孔に充填する。これは、第1ウエハーセクション270と第2ウエハーセクション250の間の電気的接続の形成をもたらす。
また、複数の電気的に相互接続する経路を作成する工程は、
(a)シリコンの第1ウエハーセクションまたはシリコンの第2ウエハーセクションのいずれかに、エッチング停止層に達するまで複数の小さい孔を形成する工程と、
(b)該小さい孔の底に露出したエッチング停止層を除去する工程と、
(c)シリコンの第1ウエハーセクションとシリコンの第2ウエハーセクションとの間で電気的な接続がなされるように、該小さい孔の表面をメタライズする工程とを、
有していてもよい。
図12Aおよび図12Bに示された第1ウエハーセクション270および第2ウエハーセクション250に挟まれた二酸化ケイ素層260の層状サンドイッチは、この第2工程の出発点となる。後の工程で形成される慣性質量の移動のための空間を作成するために、図14Aおよび図14Bに示すように、第11ミクロン凹部284が、第1ウエハーセクション270の第1表面276上に形成され、第21ミクロン凹部264が、第2ウエハーセクション250の第1表面258上に形成される。
図14Bに示される第2の二酸化ケイ素層260およびシリコンのメサ262は、製造プロセスの以前の工程で形成されたことに留意されたい。
第1凹部284および第2凹部264は、図14Bに示すように、第1ウエハーセクション270の露出した第1表面276上の窒化ケイ素の第1層および第2ウエハーセクション250の露出した第1表面258上の窒化ケイ素の第1層を形成することにより形成される。
窒化ケイ素の第1層と窒化ケイ素の第2層は、第1長方形凹部284および第2長方形凹部264のために、第1および第2の露出した長方形エリアを提供すべくマスキングされる。
第1および第2の露出した長方形エリアは、互いに表裏で対応するよう、水平方向に位置合わせされて配置されている。第1および第2の露出した長方形エリアはその後、二酸化ケイ素層から除去され、シリコンの第1および第2長方形エリアが第1ウエハーセクション270および第2ウエハーセクション250上に露出する。二酸化ケイ素層は、第1および第2長方形エリアの露出したシリコン上に形成される。窒化ケイ素層のマスキングが除去され、窒化ケイ素および二酸化ケイ素が除去され、図14Aおよび図14Bに示されたように、二酸化ケイ素層が形成されていた場所に、第1ウエハーセクション270の第1表面276に1ミクロンの凹部および第2ウエハーセクション250の第2表面258に1ミクロンの凹部が残る。
二酸化ケイ素層は、図14Bの第2ウエハーセクション250の第2表面258の残りの露出エリアの上に形成され、枠形マスクは取り除かれ、図14Bに示す第2ウエハーセクション250の第2表面258上の第2凹部264内にシリコンの枠形エリアが露出される。露出したシリコンは、露出した第2表面258からエッチング停止部を形成する図14Bの二酸化ケイ素層260に至るまで、エッチング、好ましくはレジスティブイオンエッチング(RIE)され、図14Bの第2ウエハーセクション250に枠形溝266を形成し、図15Aおよび図15Bに示すように、シリコン支持構造体200および慣性質量の第2セクション308を生じる。
溝266の内部には、第2表面304を有する慣性質量の第2セクション308があり、該第2表面304は、以前には、図14Bの第2ウエハーセクション250の第2表面258の一部であった。
溝266の外側には、第2表面204を有するシリコン支持構造体200があり、該第2表面204は、以前には、図14Bの第2ウエハーセクション250の第2表面258の一部であった。
図1Aの移動可能なシリコン慣性質量300の第1セクション306およびトーションビーム部材400は、第1凹部284の外周内に、それぞれ通常20ミクロン幅を有する、U形エリアと線条形エリアをマスキングすることにより、図16Aおよび図16Bに示すように、図14Bの第1ウエハーセクション270に形成される。
線条形エリアは、図15Aおよび図15Bに示す長方形の枠形溝266の大寸法とそろった、長手方向の寸法を有する。U形エリアと線条形エリアは、ビーム部材となる部分を加えた領域が、図15Aの長方形の枠形溝266(以前に、図14Aの第2ウエハーセクション250に形成されている)に対して表裏で対応するよう、水平方向に位置あわせされかつ等しい領域となるように位置している。この位置合わせは、直方体形の慣性質量を、この後の慣性質量第1セクション306のエッチングプロセスの後に形成することを可能にする。
二酸化ケイ素層は、図14Aの第1ウエハーセクション270の第1表面276の残りの露出エリア上に形成され、U形および線条形マスクは除去され、図14Aの第1ウエハーセクション270の第1表面276上の第1凹部284内にシリコンのU形および線条形エリアが露出される。
露出したシリコンは、露出した第1表面276からエッチング停止部を形成する図14Aの二酸化ケイ素層260に至るまでエッチング(好ましくはRIE)され、図16Aおよび図16Bに示すように図14Aの第1ウエハーセクション250にU形溝286および枠形溝288を形成する。U形溝286と線条形溝288の間の隙間のシリコンは、トーションビーム部材400を形成する。
U形溝286および線条形溝288の内部には、第1表面302を有する慣性質量の第1セクション306があり、該第1表面302は、以前には、図14Aに示す第1ウエハーセクション270の第1表面276の一部であった。溝286、288の外側には、第1表面202を有するシリコン支持構造体200があり、該第1表面202は、以前には、図14Bに示す第1ウエハーセクション270の第1表面276の一部であった。
図16Aおよび図16Bに示された、結果得られた構造は、シリコン支持構造体200に固定されたトーションビーム部材と二酸化ケイ素のウェブにより所定の位置に支持された図1Aの慣性質量300である。図16Bに示された慣性質量は、図14Bの二酸化ケイ素層260と第1ウエハーセクション270の一部であった第1セクション306、および図14Bの第2ウエハーセクション250の一部であった第2セクション308を有する。図16Bに示されたシリコン支持構造体200は、図14Bの、第1ウエハーセクション270の一部と、二酸化ケイ素層260、および第2ウエハーセクション250を有する。
使用される除去剤は、通常、フッ化水素である。
他の別の態様では、図16AのU形溝286および線条形溝288の間の空間的分離を調整することによってビーム部材の幅を調整する、または、図16Aおよび図16Bに示すようにエッチングされた溝266、286、288の幅を調整することによりビーム部材の長さを調整する。
トーションビーム部材400を作成するための好ましい態様は、図1Aに示すように、図16Aおよび図16Bを参照して、U形溝286の開いた上部(open top)を横切る方向に、線条形溝288をポジショニングさせ、U形溝286の外側寸法内で、線条形溝288を中心に置き、線条形溝288の長さをU形溝286の上部の外幅(外側寸法)一杯まで伸ばし、線条形溝288の端をU形溝286の上部から空間的に離すことによる。
別の態様では、図1Bに示すようにカンチレバービーム部材を作成する。図18を参照して、線条形溝288をU形溝286の開いた上部を横切る方向に位置取らせ、線条形溝288はU形溝286の開いた上部の内側寸法内で中心にあり、線条形溝288の長さはU形溝286の上部の内幅(内側寸法)より短い長さに伸びており、線条形溝288の端はU形溝286の内側上部から空間的に離れることによって形成される。
慣性質量の移動を検知する好ましい態様は、2つの可変静電容量を測定することである。第1の可変静電容量は、慣性質量300の第1表面302と、シリコン支持構造体200に固定かつ絶縁されている第1カバープレート構造体600に固定された第1金属層640との間である。第2の可変静電容量は、慣性質量300の第2表面304と、シリコン支持構造体200に固定かつ絶縁されている第2カバープレート構造体700に固定された第2金属層740との間である。
図19に示すように、第1カバープレート構造体は、第2カバープレート構造体700の鏡像なので、簡潔のために、第1カバープレート構造体の製造だけを記載している。
第1の金属長方形パターン層640は、当該金属層640が、導電性シリコンのメサ630により反対側の導電性第3ウエハーセクション620およびその第2表面624に電気的に接続するように、第1カバープレート構造体の平面ガラス表面612上に形成される。第1金属層640は、図19に示す慣性質量300の第1表面302と一致するよう大きさおよび位置が決められる。
電気的ボンディングパッド870は、図6に示すように、第3ウエハーセクション620の第2表面624上、シリコン支持構造体200の表面上および第4ウエハーセクション720の第2表面724上に形成される。
電気リード線880は、図6に示すように、第1可変キャパシターの値および第2可変キャパシターの値を測定するために、第1カバープレート構造体600、シリコン支持構造体200および第2カバープレート構造体を、電子回路に接続し、センサーが受ける加速度の大きさおよび方向の表れとなる、慣性質量300の移動の測定を提供する。
図22は、静電容量測定電子回路に接続された単一センサーセルを有するモノリシックシリコン加速度センサーの断面を示す。
孔666の表面が、絶縁材料660の第2表面664上の第1の長方形の金属層668と同様にメタライズされ、当該第2表面664上の長方形の金属層668が、メタライズされた孔によって第1表面に電気的に接続され、かつ、慣性質量の第1表面と一致した大きさおよび位置となっている。電気的ボンディングパッド870は、メタライズされた孔666に電気的に接触して、絶縁材料660の第1表面662条に形成される。絶縁材料660の第2表面664は、メタライズで形成された層668が慣性質量の第1表面と一致し、かつ離れているようにシリコン支持構造体の第1表面に接続され、それによって第1可変キャパシターが形成される。第2カバープレート構造体が同様に形成され、シリコン支持構造体の第2表面に接続される。
図5は、第1および第2の加速度センサーセルを有するモノリシック加速度センサーを示し、それによると、慣性質量320を有する第2センサーセルは、ビーム部材を角度の基準として用い、慣性質量の第1表面を見た場合、慣性質量340を有する第1センサーセルから180度の角度に方向付けられている。
図4Aおよび図4Bは、第1、第2、および第3加速度センサーセルを有する別のモノリシック加速度センサー120、130を示し、それによると、ビーム部材を角度の基準として用い、慣性質量の第1表面を見た場合、慣性質量310を有する第2センサーセルは、慣性質量340を有する第1センサーセルから90度の角度に方向付けられており、慣性質量320を有する第3センサーセルは、慣性質量340を有する第1センサーセルから180度の角度に方向付けられている。
図2は、第1、第2、第3、および第4加速度センサーセルを有する別のモノリシック加速度センサー140を示し、それによると、ビーム部材を角度の基準として用い、慣性質量の第1表面を見た場合、慣性質量310を有する第2センサーセルは、慣性質量340を有する第1センサーセルから90度の角度に方向付けられており、慣性質量320を有する第3センサーセルは、慣性質量340を有する第1センサーセルから180度の角度に方向付けられており、慣性質量330を有する第4センサーセルは、慣性質量340を有する第1センサーセルから270度の角度に方向付けられている。
Claims (26)
- 少なくとも一つのシリコン加速度センサーセルを形成する工程を有する、モノリシックシリコン加速度センサーの製造方法であって、
センサーセルを形成する工程が、
(a)露出した第1表面を有する導電性のシリコンの第1ウエハーセクションと、前記第1表面に対して反対側にある露出した第2表面を有する導電性のシリコンの第2ウエハーセクションとの間に、エッチング停止層からなる層状サンドイッチを形成する工程を有し、
(b)露出した第2表面からエッチング停止層に達するまで第2ウエハーセクションについて長方形の枠形溝をエッチングすることによって、移動可能なシリコン慣性質量の第2セクションを形成する工程を有し、
(c)露出した第1表面からエッチング停止層に達するまでシリコンの第1ウエハーセクションにU形溝および線条形溝をエッチングすることにより、慣性質量の第1セクションを形成する工程を有し、ここで、U形溝と線条形溝は、慣性質量の第1セクションを囲み、かつ、ビーム部材を残すように互いに離れて配置されており、かつ、
第1表面内におけるU形溝と線条形溝とビーム部材となる部分と、第2表面における長方形の枠形溝とは、互いに等しい領域となっており、かつ、表裏で互いに対応するように位置合わせされており、
(d)エッチングされた枠形溝、エッチングされたU形溝、およびエッチングされた線条形溝によって露出したエッチング停止層を除去する工程を有し、該除去により、第1表面および第2表面を有する直方体形の慣性質量が作成され、該慣性質量は、第1表面および第2表面を有するシリコン支持構造に固定された前記ビーム部材によって位置決めされており、
(e)慣性質量の移動を検出する手段を提供する工程を有し、
前記の層状サンドイッチを形成する工程が、
(a1)シリコンの第1ウエハーセクションとシリコンの第2ウエハーセクションとの間に、エッチング停止層を通過する、複数の電気的に相互接続する経路を作ることを有し、かつ、
(a2)後のエッチング工程を妨害しない位置となる様に、前記相互接続する経路をパターニングすることを有する、
ことを特徴とする前記製造方法。 - 層状サンドイッチを形成する工程が、
(a)シリコンの第1ウエハーセクションの第1表面上に、二酸化ケイ素層を形成する工程と、
(b)シリコンの第2ウエハーセクションを二酸化ケイ素層の表面と結合させる工程とを、有することを特徴とする、請求項1記載のモノリシックシリコン加速度センサーの製造方法。 - 層状サンドイッチを形成する工程が、
(a)シリコンの第1ウエハーセクションの第1表面上に、二酸化ケイ素層を形成する工程と、
(b)シリコンの第1ウエハーセクション中に、二酸化ケイ素層の表面下にイオンを注入する工程と、
(c)シリコンの第2ウエハーセクションを二酸化ケイ素層の表面と結合させる工程と、(d)得られた構造に熱的な衝撃を与え、第1ウエハーセクションが、イオン注入と第1ウエハーセクションの残りのシリコンとの接合に沿って割れを起こす工程とを、
有することを特徴とする、請求項1記載のモノリシックシリコン加速度センサーの製造方法。 - 層状サンドイッチを形成する工程が、
(a)シリコンの第1ウエハーセクションの第1表面上に、二酸化ケイ素層を形成する工程と、
(b)二酸化ケイ素層を通じてシリコンの第1ウエハーセクションの小さいエリアを露出させる工程と、
(c)溶融したシリコンの液溜りを熱的に形成する工程と、
(d)溶融したシリコンが冷えたときに二酸化ケイ素層上にシリコンの第2ウエハーセクションが形成されるように、溶融したシリコンの液溜りを、シリコンウエハーの露出したエリアから二酸化ケイ素層の露出した表面へくみ上げる工程とを、
有することを特徴とする、請求項1記載のモノリシックシリコン加速度センサーの製造方法。 - 複数の電気的に相互接続する経路を作成する工程が、
(a)シリコンの第1ウエハーセクションまたはシリコンの第2ウエハーセクションのいずれかに、エッチング停止層に達するまで複数の小さい孔を形成する工程と、
(b)該小さい孔の底に露出したエッチング停止層を除去する工程と、
(c)該小さい孔を通じてシリコンの第1ウエハーセクションとシリコンの第2ウエハーセクションとの間で電気的な接続がなされるように、該小さい孔に、導電性材料を充填する工程とを、
有することを特徴とする、請求項1記載のモノリシックシリコン加速度センサーの製造方法。 - 導電性材料がポリシリコンである、請求項5記載のモノリシックシリコン加速度センサーの製造方法。
- 複数の電気的に相互接続する経路を作成する工程が、
(a)シリコンの第1ウエハーセクションまたはシリコンの第2ウエハーセクションのいずれかに、エッチング停止層に達するまで複数の小さい孔を形成する工程と、
(b)該小さい孔の底に露出したエッチング停止層を除去する工程と、
(c)シリコンの第1ウエハーセクションとシリコンの第2ウエハーセクションとの間で電気的な接続がなされるように、該小さい孔の表面をメタライズする工程とを、
有することを特徴とする、請求項1記載のモノリシックシリコン加速度センサーの製造方法。 - 層状サンドイッチを形成する工程が、
(a)シリコンの第2ウエハーセクションの第2表面の裏面である第1表面上に、窒化ケイ素のドットを形成する工程を有し、該ドットの形成は、後のエッチングを妨害しない位置となるようなパターンにて行うものであり、
(b)シリコンの第2ウエハーセクションの前記第1表面に残存している露出したシリコン面上に、第1の二酸化ケイ素層を形成する工程を有し、
(c)シリコンと窒化ケイ素のドットとの間の界面に対応して、シリコンの第2ウエハーセクションの第1表面に凹部が形成されるよう、第1の二酸化ケイ素層を除去し、それにより窒化ケイ素のドットの下にシリコンのメサを形成する工程を有し、
(d)形成された凹部中に、シリコンのメサと窒化ケイ素のドットとの間の界面に対応するレベルまで、第2の二酸化ケイ素層を成長させる工程を有し、
(e)シリコンのメサ上面が散らばった第2の二酸化ケイ素層によって平坦な表面が形成されるように、窒化ケイ素ドットを除去する工程を有し、
(f)第2の二酸化ケイ素層を通過するシリコンのメサを通じて、シリコンの第1および第2ウエハーセクションが電気的に相互接続されている層状サンドイッチが形成されるように、第1ウエハーセクションと、シリコンのメサ上面が散らばった該二酸化ケイ素の平坦な表面とを、ボンディングする工程を有し、
(g)第1ウエハーセクションを研磨することによって、所望のビーム部材の厚さに対応するよう、第1シリコンウエハーの厚さを調整する工程を有すること、
を特徴とする、請求項1記載のモノリシックシリコン加速度センサーの製造方法。 - (a)慣性質量の第2セクションを形成する工程が、シリコンの第2ウエハーセクションに、露出した第2表面からエッチング停止層に達するまで、長方形の枠形溝をドライエッチングすることによってなされるものであり、該枠形溝の形状である長方形は、長辺の長さである大寸法および短辺の長さである小寸法を有する形状であること、および、
(b)慣性質量の第1セクションを形成する工程が、シリコンの第1ウエハーセクションに、U形溝と、長手方向の寸法を有する線条形溝とをドライエッチングする工程を有し、該溝は、露出した第1表面からエッチング停止層に達しており、線条形溝の長手方向の寸法は、シリコンの第2ウエハーセクションにある枠形溝の形状である長方形の大寸法とそろっており、これにより、大寸法の方向に垂直な平面での慣性バランスを変更することなく、大寸法を増加させることによって、慣性質量を増加させることを可能としていることを、
特徴とする、請求項1〜8のいずれか1項に記載のモノリシックシリコン加速度センサーの製造方法。 - 上記枠形溝の形状である長方形が、4辺の長さが互いに等しい正方形であって、
ここで、枠形溝によって第2表面に描かれる外側の正方形と内側の正方形のうち、内側の正方形の一辺の長さを内寸と呼ぶこととして、
慣性質量の第2セクションを形成する工程が、露出した第2表面からエッチング停止層に達するまで、層状サンドイッチの厚さと等しい内寸を持った正方形を有する枠形溝をドライエッチングすることによってなされ、それによってビーム部材によって位置決めされた立方体形の慣性質量が形成されることを特徴とする、請求項1〜8のいずれか1項に記載のモノリシックシリコン加速度センサーの製造方法。 - 当該方法がさらに、
(f)シリコンの第1ウエハーセクションの厚さを調整することによって、ビーム部材の厚さを調整する工程と、
(g)U形溝と線条形溝との間の空間的分離を調整することにより、ビーム部材の幅を調整する工程と、
(h)エッチングされた溝の幅を調整することにより、ビーム部材の長さを調整する工程とを、
有することを特徴とする、請求項1〜10のいずれか1項に記載のモノリシックシリコン加速度センサーの製造方法。 - ビーム部材の厚さを調整する工程が、所望の厚さとなるまでシリコンの第1ウエハーセクションの露出した第1表面上に、シリコンをエピタキシャル成長させることによって行われることを特徴とする、請求項11に記載のモノリシックシリコン加速度センサーの製造方法。
- ビーム部材の厚さを調整する工程が、所望の厚さとなるまでシリコンの第1ウエハーセクションの露出した第1表面をミリングすることよって行われることを特徴とする、請求項11に記載のモノリシックシリコン加速度センサーの製造方法。
- (a)慣性質量の第2セクションを形成する工程が、さらに、第2凹部内に長方形の枠形溝をエッチングすることに先立って、シリコンの第2ウエハーセクションの露出した第2表面上に、長方形の第2凹部を作成することを有し、および、
(b)慣性質量の第1セクションを形成する工程が、さらに、第1凹部内にU形溝および枠形溝をエッチングすることに先立って、シリコンの第1ウエハーセクションの露出した第1表面上に長方形の第1凹部を作成することを有することを、
特徴とする、請求項1〜13のいずれか1項に記載のモノリシックシリコン加速度センサーの製造方法。 - 長方形の第1凹部および長方形の第2凹部を作成する工程が、
(a)シリコンの第1ウエハーセクションの露出した第1表面上に第1窒化ケイ素層を形成し、シリコンの第2ウエハーセクションの露出した第2表面上に第2窒化ケイ素層を形成する工程を有し、これら窒化ケイ素層は、表裏で互いに対応するよう位置合わせされており、
(b)第1窒化ケイ素層と第2窒化ケイ素層上にそれぞれにマスクを形成し、それにより、第1窒化ケイ素層と第2窒化ケイ素層上に、長方形の凹部のための、第1および第2の露出した長方形エリアを付与する工程を有し、
(c)第1および第2の露出した長方形エリアを、表裏で互いに対応するようそれぞれの面内で水平方向に位置合わせする工程を有し、
(d)第1および第2の露出した長方形エリアのそれぞれの窒化ケイ素層を除去する工程を有し、それによって、第1および第2長方形エリアが、それぞれ、シリコンの第1ウエハーセクションおよびシリコンの第2ウエハーセクション上に露出し、
(e)シリコンの第1ウエハーセクションおよびシリコンの第2ウエハーセクション上に露出した第1および第2長方形エリア上に、二酸化ケイ素の層を形成する工程と、
(f)各窒化ケイ素層上のマスクを取り除く工程と、
(g)シリコンの第1および第2ウエハーセクションから、露出した窒化ケイ素および露出した二酸化ケイ素の層を除去する工程と、
を有することを特徴とする、請求項14記載のモノリシックシリコン加速度センサーの製造方法。 - 慣性質量の第1セクションを形成する工程が、
(a)線条形溝を、U形溝の開いた上部を横切る方向にポジショニングさせ、かつ、U形溝の開いた上部の外側寸法内で中心が一致するように置く工程と、
(b)線条形溝の長さを、U形溝の上部の外側寸法全体と同じ長さまで伸ばす工程と、
(c)線条形溝の端を、慣性質量がトーションビーム部材によって位置決めされるように、U形溝の上部から空間的に離す工程とを、
有することを特徴とする、請求項1〜15のいずれか1項に記載のモノリシックシリコン加速度センサーの製造方法。 - 慣性質量の第1セクションを形成する工程が、
(a)線条形溝を、U形溝の開いた上部を横切る方向にポジショニングさせ、U形溝の開いた上部の内側寸法内で中心が一致するように置く工程と、
(b)線条形溝の長さを、U形溝の開いた上部の内側寸法より短い長さに伸ばす工程と、(c)線条形溝の端を、シリコン慣性質量がカンチレバービーム部材により位置決めされるように、U形溝の開いた上部から空間的に離す工程とを、
有することを特徴とする、請求項1〜15のいずれか1項に記載のモノリシックシリコン加速度センサーの製造方法。 - 慣性質量の移動を検知する手段を提供する工程が、
(a)慣性質量の第1表面と、第1導電層との間の静電容量を測定する工程を有し、第1導電層は、該慣性質量の第1表面から離されており、シリコン支持構造と絶縁されかつ該構造に固定されており、
(b)慣性質量の第2表面と、第2導電層との間の静電容量を測定する工程を有し、第2導電層は、該慣性質量の第2表面から離されており、シリコン支持構造と絶縁されかつ該構造に固定されていることを、
特徴とする、請求項1〜17のいずれか1項に記載のモノリシックシリコン加速度センサーの製造方法。 - 慣性質量の移動を検出する手段を提供する工程が、
(a)導電性のシリコンの第3ウエハーセクションの露出した第1表面上に第1の二酸化ケイ素層を成長させ、かつ、導電性のシリコンの第4ウエハーセクションの露出した第1表面上に第1の二酸化ケイ素層を成長させる工程を有し、これらシリコンの第3および第4ウエハーセクションは、露出した第1表面の反対側に第2表面を有するものであり、
(b)微小な柱形パターンが慣性質量の位置と一致して位置するように、該柱形パターンを除いて第1の二酸化ケイ素層の表面を露出させて、前記シリコンの第3および第4ウエハーセクション上の第1の二酸化ケイ素層をマスキングする工程と、
(c)第3および第4ウエハーセクションの第1表面上に、マスキングされた二酸化ケイ素の柱形パターンを除いて、シリコンの露出したエリアが形成されるように、第1の二酸化ケイ素層を、露出した該第1の二酸化ケイ素層の表面から除去する工程と、
(d)シリコンの微小なメサが、柱形パターンの下の、第3ウエハーセクションの第1表面上に形成されるように、および、柱形パターンの下の、第4ウエハーセクションの第1表面上に形成されるように、75ミクロンの深さで、第3および第4ウエハーセクションの露出したエリアをエッチングする工程と、
(e)囲まれた長方形が少なくとも一つのシリコンのメサを含みかつ慣性質量のポジシションと一致するように位置合わせされるように、溝を、第3および第4ウエハーセクションの第1表面上に、長方形を描くクロスハッチパターンにて、第3および第4ウエハーセクションの厚さの半分の厚さまで形成する工程と、
(f)溝がガラスで満たされシリコンのメサがガラスで覆われるように、該シリコンのメサと該溝とを有する第3および第4ウエハーセクションの第1表面上にガラス層を溶融させる工程と、
(g)該平坦なガラス表面が、露出したシリコンのメサのパターンを有し、該平坦なガラス表面が、第3および第4ウエハーセクションの第1表面上に形成されるように、ガラス平面を研磨する工程と、
(h)ガラスで満たされた溝が露出し、電気絶縁が長方形クロスハッチパターン内に形成されるように、第3および第4ウエハーセクションの第2表面を裏面研磨し、それによって第3ウエハーセクションから第1カバープレート構造を形成し、かつ第4ウエハーセクションから第2カバープレート構造を形成する工程と、
(i)金属層がシリコンのメサによって反対側のシリコン表面と電気的に接続され、慣性質量の第1および第2表面と一致するよう大きさおよび位置が決められるように、第1および第2カバープレート構造のガラス第1表面上に長方形パターン層をメタライズによって形成する工程と、
(j)メタライズによって形成された長方形パターン層が慣性質量の第1表面と一致しかつ離れるように、第1カバープレート構造のガラス表面を、シリコン支持構造の第1表面にボンディングする工程であって、それによって第1可変キャパシターが形成される該工程と、
(k)メタライズによって形成された長方形パターン層が慣性質量の第2表面と一致しかつ離れるように、第2カバープレート構造のガラス表面を、シリコン支持構造の第2表面にボンディングする工程であって、それによって第2可変キャパシターが形成される該工程と、
(l)第1可変キャパシターの値と第2可変キャパシターの値を測定するために、第1カバープレート構造のシリコンウエハーセクション、シリコン支持構造、および第2カバープレート構造のシリコンウエハーセクションを、電子回路に電気的に接続するための手段を提供する工程とを、
有することを特徴とする、請求項1〜17のいずれか1項に記載のモノリシックシリコン加速度センサーの製造方法。 - 慣性質量の移動を検知する手段を提供する工程が、
(a)第1ガラス層および第2ガラス層に、慣性質量の位置と一致するポジションに、微小な孔を形成する工程を有し、各ガラス層は、第1表面および第2表面を有しており、
(b)微小な孔の表面をメタライズする工程を有し、
(c)第1ガラス層の第1表面上に、および、第2ガラス層の第1表面上に、第1の長方形の金属層をメタライズによって形成する工程を有し、各長方形の金属層は、メタライズされた孔により第1および第2ガラス層の反対側の第2表面に電気的に接続され、かつ、メタライズによって形成された前記金属層は、慣性質量の第1および第2表面に一致するように、大きさおよび位置が決められており、
(d)第1および第2ガラス層の第2表面上に、電気的ボンディングパッドを、メタライズによって形成する工程を有し、各ボンディングパッドは、第1および第2ガラス層の第1表面上で対応する、メタライズによって形成された長方形の金属層に、メタライズされた孔によって電気的に接続されており、
(e)第1ガラス層の第1表面をシリコン支持構造の第1表面にボンディングする工程を有し、メタライズによって形成された長方形の金属層は、慣性質量の第1表面と一致しかつ離れており、それによって第1可変キャパシターが形成されており、
(f)第2ガラス層の第2表面をシリコン支持構造の第2表面にボンディングする工程を有し、メタライズによって形成された長方形の金属層は、慣性質量の第2表面と一致しかつ離れており、それによって第1可変キャパシターが形成されており、
(g)第1可変キャパシターの値と第2可変キャパシターの値を測定するために、第1ガラス層の電気的ボンディングパッド、シリコン支持構造、および第2ガラス層の電気的ボンディングパッドを、電子回路に電気的に接続するための手段を提供する工程を有することを特徴とする、
請求項1〜17のいずれか1項に記載のモノリシックシリコン加速度センサーの製造方法。 - 慣性質量の移動を検知する手段を提供する工程が、
(a)ピエゾ抵抗素子をビーム部材に取り付ける工程と、
(b)加速に応じた慣性質量の移動によるビーム部材の捩れまたは曲がりの量を決定するために、ピエゾ抵抗素子から抵抗測定素子までの電気接続を提供する工程とを、
有することを特徴とする、請求項1〜17のいずれか1項に記載のモノリシックシリコン加速度センサーの製造方法。 - エッチングされた枠形溝、エッチングされたU形溝、およびエッチングされた線条形溝によって露出したエッチング停止層を除去する工程の後に、当該方法がさらに、
シリコンの第1ウエハーセクションと第2ウエハーセクションとが電気的に相互接続されるように、エッチングで形成された慣性質量の構造の表面上に導電性ポリシリコン層を設ける工程を含むことを特徴とする、請求項1〜21のいずれか1項に記載のモノリシックシリコン加速度センサーの製造方法。 - 当該方法がさらに、平面の加速を感知するための単一モノリシックシリコン加速度センサーセルを形成する工程を有することを特徴とする、請求項1〜22のいずれか1項に記載のモノリシックシリコン加速度センサーの製造方法。
- 当該方法がさらに、
(a)2軸の加速を感知する第1および第2シリコン加速度センサーセルを有するモノリシックセンサーを形成する工程と、
(b)ビーム部材を角度の基準として用い、慣性質量の第1表面を見た場合に、第2センサーセルを、第1センサーセルに対して90度または180度の角度に方向付けする工程とを、
有することを特徴とする、請求項1〜23のいずれか1項に記載のモノリシックシリコン加速度センサーの製造方法。 - 当該方法がさらに、
(a)3軸の加速を感知する第1、第2および第3シリコン加速度センサーセルを含むモノリシックセンサーを形成する工程と、
(b)ビーム部材を角度の基準として用い、慣性質量の第1表面を見た場合に、第2センサーセルを、第1センサーセルに対し90度の角度に方向付けする工程と、
(c)ビーム部材を角度の基準として用い、慣性質量の第1表面を見た場合に、第3センサーセルを、第1センサーセルに対し180度の角度に方向付けする工程とを、
有すること特徴とする、請求項1〜23のいずれか1項に記載のモノリシックシリコン加速度センサーの製造方法。 - 当該方法がさらに、
(a)3軸の加速を感知する第1、第2、第3および第4シリコン加速度センサーセルを有するモノリシックセンサーを形成する工程と、
(b)ビーム部材を角度の基準として用い、慣性質量の第1表面を見た場合に、第2センサーセルを、第1センサーセルに対し90度の角度に方向付けする工程と、
(c)ビーム部材を角度の基準として用い、慣性質量の第1表面を見た場合に、第3センサーセルを、第1センサーセルに対し180度の角度に方向付けする工程と、
(d)ビーム部材を角度の基準として用い、慣性質量の第1表面を見た場合に、第4センサーセルを、第1センサーセルに対し270度の角度に方向付けする工程とを、
有することを特徴とする、請求項1〜23のいずれか1項に記載のモノリシックシリコン加速度センサーの製造方法。
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