JP4747677B2 - 角速度センサの製造方法 - Google Patents
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Description
しかしながら、この封止の確実性を確保しつつ、角速度センサの小型化を図るのは必ずしも容易ではない。例えば、ガラス基板によって加速度センサを封止すると、強度の関係から厚さが大きくなり易く、角速度センサの厚さ方向の小型化が困難となる。
上記に鑑み、本発明は封止の確実性と小型化の両立を図った角速度センサおよびその製造方法を提供することを目的とする。
図1は角速度センサ100を分解した状態を表す分解斜視図である。
角速度センサ100は、互いに積層して配置される第1の構造体110,接合部120,第2の構造体130,および第1、第2の基体140、150を有する。
なお、図1、図2では、見やすさのために後述する電極の記載を省略している。
第1の構造体110,接合部120,第2の構造体130はそれぞれ、シリコン、酸化シリコン、シリコンから構成可能であり、シリコン/酸化シリコン/シリコンの3層構造をなすSOI(Silicon On Insulator)基板を用いて製造可能である。また、第1、第2の基体140,150はそれぞれ、樹脂材料と金属からなる積層体から構成できる。
変位部112は、変位部112a〜112eから構成される。変位部112aは、外周が略正方形の基板であり、固定部111の開口の中央近傍に配置される。変位部112b〜112eは、外周が略正方形の基板であり、変位部112aを4方向(X正方向、X負方向、Y正方向、Y負方向)から囲むように接続、配置される。変位部112a〜112eはそれぞれ、接合部120によって後述の重量部132a〜132eと接合され、固定部111に対して一体的に変位する。
駆動用電極115は、第1の基体140の裏面に設置された後述の駆動用電極146と容量性結合し、この間に印加された電圧によって変位部112をZ軸方向に振動させる。また検出用電極116は、第1の基体140の裏面に設置された後述の検出用電極147と容量性結合し、この間の容量の変化によって変位部112のX軸およびY軸方向の変位を検出する。なお、この駆動および検出の詳細は後述する。
接続部113a〜113dは、撓みが可能な梁として機能する。接続部113a〜113dが撓むことで、変位部112が固定部111に対して変位可能である。具体的には、変位部112が固定部111に対して、Z正方向、Z負方向に直線的に変位する。また、変位部112は、固定部111に対してX軸およびY軸を回転軸とする正負の回転が可能である。即ち、ここでいう「変位」には、移動および回転(Z軸方向での移動、X,Y軸での回転)の双方を含めることができる。
重量部132は、質量を有し、角速度に起因するコリオリ力を受ける重錘、あるいは作用体として機能する。即ち、角速度が印加されると、重量部132の重心にコリオリ力が作用する。
重量部132は、略直方体形状の重量部132a〜133eに区分される。中心に配置された重量部132aに4方向から重量部132b〜133eが接続され、全体として一体的に変位(移動、回転)が可能となっている。即ち、重量部132aは、重量部132b〜133eを接続する接続部として機能する。
なお、接合部121,122は、シリコン酸化膜をエッチングすることで構成可能である。
底板部144は、外周が枠部143と略同一の略正方形の基板形状である。
基体140に凹部145が形成されているのは、変位部112が変位するための空間を確保するためである。但し、基体140に凹部145を形成するのに替えて、あるいはこれと共に、固定部111および変位部112の高さ(厚さ)を異ならせることも可能である。変位部112の厚さを固定部111の厚さより薄くすることで、変位部112が変位する空間を確保できる。
例えば、基体本体141の主要構成要素が樹脂材料(例えば、ポリイミド材料)の場合には、第1の基体140の強度を確保するためにその厚さをある程度大きくする必要が生じる。これに加えて、第1の基体140が外部からの気体を透過して、角速度センサ100内部の真空度(減圧の程度)が低下する可能性がある。
補強部142の構成材料をその強度および気体非透過性の確保が容易な高強度・気体非透過性材料、例えば、金属とすることができる。このようにすると、第1の基体140の厚さの低減(即ち、角速度センサ100の小型化)および気体透過性の低減(即ち、角速度センサ100の長寿命化)が容易となる。
駆動用電極146a〜146eはそれぞれ、駆動用電極115a〜115eと容量性結合し、この間に印加された電圧によって変位部112をZ軸方向に振動させる。また検出用電極147b〜147eはそれぞれ、検出用電極116b〜116eと容量性結合し、この間の容量の変化によって変位部112のX軸およびY軸方向の変位を検出する。なお、この駆動および検出の詳細は後述する。
また、基体本体141に、樹脂基板(例えば、ポリイミド)と金属基板(例えば、銅)の積層体を用いることができる。金属基板をエッチング液(例えば、FeCl3の水溶液)でウェットエッチングすることで凹部145を形成することができる。この場合、枠部143の下面は金属材料から構成されることになる。
既述のように、基体本体141に凹部145を形成しないことも考えられる(例えば、変位部112および接続部113の高さを固定部111の高さより低くする)。このときには、この金属基板を2段階エッチングすることを要しない。金属基板は、枠部143の下面に対応する箇所、および駆動用電極146、検出用電極147の構成材料として用いることが可能である。
第2の金属基板を2段階にエッチングして凹部145、および駆動用電極146と検出用電極147を形成する。このとき、第2の金属基板は補強部142を構成する。また、前述のように、凹部145を形成しない場合には、第2の金属基板をエッチングして、駆動用電極146と検出用電極147を形成する(枠部143の下面に対応する箇所も第2の金属基板となる)。
例えば、第1の構造体110側に金(Au)の層を第1の基体140側に錫(Sn)の層を形成し、これらを接触した状態で加熱する。この結果、金と錫とが合金化されて合金(金スズ共晶合金)の接合層が形成され、第1の基体140と第1の構造体110が接合される。
このとき、第1の構造体110と金層の間にNi,Ti,Cr等からなるバリア層を付加することが好ましい。金が第1構造体110内に拡散して、角速度センサ100の特性が劣化するのを防止できる。また、バリア層は第1構造体110上に金の層を形成するに際して、第1構造体110とこの膜とを接着させるためのいわば接着剤としても機能する(金は反応性が低いため、例えば、シリコンへの付着強度が小さい)。
底板部154は、外周が枠部153と略同一の略正方形の基板形状である。
基体150に凹部155が形成されているのは、重量部132が変位するための空間を確保するためである。但し、第2の基体150に凹部155を形成するのに替えて、あるいはこれと共に、台座部131および重量部132の高さ(厚さ)を異ならせることも可能である。重量部132の厚さを台座部131の厚さより薄くすることで、重量部132が変位する空間を確保できる。
例えば、基体本体151の主要構成要素が樹脂材料(例えば、ポリイミド材料)の場合には、第2の基体150の強度を確保するためにその厚さをある程度大きくする必要が生じる。これに加えて、第2の基体150が外部からの気体を透過して、角速度センサ100内部の真空度(減圧の程度)が低下する可能性がある。
補強部152の構成材料をその強度および気体非透過性の確保が容易な高強度・気体非透過性材料、例えば、金属とすることができる。このようにすると、第2の基体150の厚さの低減(即ち、角速度センサ100の小型化)および気体透過性の低減(即ち、角速度センサ100の長寿命化)が容易となる。
駆動用電極156はそれぞれ、駆動用電極135と容量性結合し、この間に印加された電圧によって変位部112をZ軸方向に振動させる。なお、この駆動の詳細は後述する。
また、後述するように、作成された角速度センサ100を半導体基板からのダイシングにより取り出す際に、基体150の底面の任意の箇所を押圧することが可能である。このため、生産時の取り扱いが容易となる。
この点、第2の基体150は、第1の基体140と本質的に異なるものではないので詳細な説明を省略する。
角速度センサ100による角速度の検出の原理を説明する。既述のように、第1の構造体110と第1の基体140間に対をなす駆動用電極115,146および検出用電極116、147が配置されている。また、第2の構造体130と第2の基体150間に対をなす駆動用電極135,156が配置されている。
駆動用電極115,146間に電圧を印加すると、クーロン力によって駆動用電極115,146が互いに吸引され、変位部112(重量部132も)はZ軸正方向に変位する。また、駆動用電極135,156間に電圧を印加すると、クーロン力によって駆動用電極135,156が互いに吸引され、変位部112(重量部132も)はZ軸負方向に変位する。即ち、駆動用電極115,146間、駆動用電極135,156間への電圧印加を交互に行うことで、変位部112(重量部132も)はZ軸方向に振動する。この電圧の印加は正又は負の直流波形(非印加時も考慮するとパルス波形)、半波波形等を用いることができる。
重量部132(変位部112)がZ軸方向に速度vzで移動しているときに角速度ωが印加されると重量部132にコリオリ力Fが作用する。具体的には、X軸方向の角速度ωxおよびY軸方向の角速度ωyそれぞれに応じて、Y軸方向のコリオリ力Fy(=2・m・vz・ωx)およびX軸方向のコリオリ力Fx(=2・m・vz・ωy)が重量部132に作用する(mは、重量部132の質量)。
コリオリ力Fyによって変位部112にY方向への傾きが生じていることが判る。このように、角速度ωx、ωyに起因するコリオリ力Fy、Fxによって変位部112にY方向、Y方向の傾き(変位)が生じる。
変位部112の傾きは検出用電極116、147によって検出することができる。変位部112にY正方向のコリオリ力Fyが印加されると、検出用電極116c、147c間の距離は小さくなり、検出用電極116e、147e間の距離は大きくなる。この結果、検出用電極116c、147c間の容量は大きくなり、検出用電極116e、147e間の容量は小さくなる。即ち、検出用電極116b〜116e、147b〜147e間の容量の差に基づいて、変位部112のX、Y方向の傾きの変化を検出し、検出信号として取り出すことができる。
検出用電極116、147から出力される信号は、重量部132に印加される角速度ωy、ωxに起因する成分のみではない。この信号には重量部132に印加されるX軸、Y軸方向の加速度αx、αyに起因する成分も含まれる。加速度αx、αyによっても変位部112の変位が生じうるからである。
検出信号からバイアス成分を除去することで、検出信号から角速度成分の抽出、即ち、角速度の測定を行うことができる。例えば、検出信号の周波数分析によって変位部112の振動数と同様の振動成分を抽出する。
角速度センサ100の作成工程につき説明する。
図11は、角速度センサ100の作成手順の一例を表すフロー図である。また、図12〜図20は、図7に対応し、図11の作成手順における角速度センサ100の状態を表す断面図である(図1に示す角速度センサ100をA1−A2で切断した断面に相当する)。
図12に示すように、第1、第2、第3の層11、12、13の3層を積層してなる半導体基板Wを用意する。
図21は、半導体基板Wの模式図である。ここでは第1、第2、第3の層11、12、13の記載を省略している。本図に示すように、半導体基板Wは複数の領域Aに区分され、これらの領域Aそれぞれに角速度センサ100を作成する。即ち、角速度センサ100は、一枚の半導体基板W上に複数(例えば、数千個、数万個)纏めて作成される。
図12には、図21の一つの領域Aが表されているものとし、他の図13〜図20も同様とする。
シリコン/酸化シリコン/シリコンという3層の積層構造をもった半導体基板Wは、シリコン基板上に、シリコン酸化膜、シリコン膜を順に積層することで作成できる(いわゆるSOI基板)。
なお、ここでは第1の層11と第3の層13とを同一材料(シリコン)によって構成するものとするが、第1、第2、第3の層11、12、13のすべてを異なる材料によって構成しても良い。
第1の層11をエッチングすることにより、開口114を形成し、第1の構造体110を形成する。即ち、第1の層11に対して浸食性を有し、第2の層12に対して浸食性を有しないエッチング方法を用いて、第1の層11の所定領域(開口114a〜114d)に対して、第2の層12の上面が露出するまで厚み方向にエッチングする。
図13は、第1の層11に対して、上述のようなエッチングを行い、第1の構造体110を形成した状態を示す。
第3の層13をエッチングすることにより、開口133を形成し、第2の構造体130を形成する。即ち、第3の層13に対して浸食性を有し、第2の層12に対して浸食性を有しないエッチング方法により、第3の層13の所定領域(開口133)に対して、第2の層12の下面が露出するまで厚み方向へのエッチングを行う。
図14は、第3の層13に対して、上述のようなエッチングを行い、第2の構造体130を形成した状態を示す。
第2の層12をエッチングすることにより、接合部120を形成する。即ち、第2の層12に対しては浸食性を有し、第1の層11および第3の層13に対しては浸食性を有しないエッチング方法により、第2の層12に対して、その露出部分から厚み方向および層方向にエッチングする。
第1の条件は、各層の厚み方向への方向性を持つことである、第2の条件は、シリコン層に対しては浸食性を有するが、酸化シリコン層に対しては浸食性を有しないことである。第1の条件は、所定寸法をもった開口や溝を形成するために必要な条件であり、第2の条件は、酸化シリコンからなる第2の層12を、エッチングストッパ層として利用するために必要な条件である。
この方法では、材料層を厚み方向に浸食しながら掘り進むエッチング段階と、掘った穴の側面にポリマーの壁を形成するデポジション段階と、を交互に繰り返す。掘り進んだ穴の側面は、順次ポリマーの壁が形成されて保護されるため、ほぼ厚み方向にのみ浸食を進ませることが可能になる。
第1の条件は、不要な部分に酸化シリコン層が残存して重量部132の変位の自由度を妨げることがないようにするために必要な条件である。第2の条件は、既に所定形状への加工が完了しているシリコンからなる第1の構造体110や第2の構造体130に浸食が及ばないようにするために必要な条件である。
変位部112上に駆動用電極115および検出用電極116を、重量部132aの裏面上に駆動用電極135を形成する。この形成は、電極材料(例えば、銅)の成膜およびパターニング(マスクを用いたエッチング)によって行える。
1)積層体C1,C2への第1、第2の基体140,150の作成
積層体C1,C2として、第1の金属基板と樹脂基板と第2の金属基板の3層積層体を用いることができる。
3層積層体の第2の金属基板を2段階にエッチングして凹部145、および駆動用電極146と検出用電極147を形成することで、第1の基体140を形成できる。また、3層積層体の第2の金属基板を2段階にエッチングして凹部155、および駆動用電極156を形成することで、第2の基体150を形成できる。
また、前述のように、凹部145を形成せず、第2の金属基板をエッチングして、駆動用電極146と検出用電極147を形成してもよい。
この段階では(後述のダイシング前)、第1、第2の基体140,150は積層体C1,C2それぞれ上に多数形成され、個々の基体140,150には分離されていない。
第1の構造体110と第1の基体140および第2の構造体130と第2の基体150を接合する。
・基体140の下面、基体150の上面への金属皮膜の形成
基体140の下面、基体150に第1の金属、例えば、錫の皮膜を形成する。
・第1構造体110の上面、第2構造体130の下面への金属皮膜の形成(メタライズ)
第1構造体110の上面、第2構造体130の下面に、第1の金属との間に合金をなす第2の金属、例えば、金の皮膜を形成する。第1構造体110の上面、第2構造体130の下面に金の膜を形成するに先んじて、バリア層として、例えば、Ni,Ti,Crのいずれかを成膜する。
第1構造体110の上面の金層と第1基体140の下面の錫層、第2構造体130の下面の金層と基体150の上面の錫層とを接触させた状態で、例えば、200〜250℃に加熱する。この結果、金層と錫層とが合金化して金錫合金層が形成されることで、第1構造体110と第1基体140、第2構造体130と第2基体150が接合される。
1)ダイシングパッド21への接続
積層体C2の底面にダイシングパッド21を接続する。ダイシングパッド21は、粘着性を有するフィルムであり、半導体基板Wおよび積層体C1,C2をダイシングして角速度センサ100を切り出すときに、角速度センサ100を固定するためのものである。なお、ダイシングパッド21の表面には、紫外線を照射することで、粘着性が低減される粘着材が塗布されている。
図22は、角速度センサ100が複数形成された半導体基板Wおよび積層体C1,C2にダイシングパッド21を接続した状態を表す模式図である。
突き出しピン22で第2の基体150の下面を押して、角速度センサ100を基板Wから持ち上げ、真空チャック23の吸引口24で吸引する(図19,図20)。このとき、ダイシングパッド21の粘着剤に紫外線(UV)を照射して、その粘着性を低減し、角速度センサ100がダイシングパッド21から容易に離間されるようにする。
第2の基体150が接続されていない状態で角速度センサ100を取り出そうとすれば、突き出しピン22が押すことができるのは台座部131の部分(図19の幅D0)に限られ、突き出しピン22の精密な制御を要することになる。突き出しピン22が重量部132を押すと、接続部113が破損されることになる。
また、基体140,150がガラス材料から構成されていると、基体140,150を薄くすることが困難であり、角速度センサ100の薄型化が困難となる。
本発明の実施形態は上記の実施形態に限られず拡張、変更可能であり、拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
110 第1の構造体
111 固定部
112(112a-112e) 変位部
113(113a-113d) 接続部
114(114a-114d) 開口
115(115a-115e) 駆動用電極
116(116b-116e) 検出用電極
120,121,122 接合部
130 第2の構造体
131 台座部
132(132a-133d) 重量部
133 開口
135 駆動用電極
140 第1の基体
141 基体本体
142 補強部
143 枠部
144 底板部
145 凹部
146(146a-146e) 駆動用電極
147(147b-147e) 検出用電極
148,149 端子
150 第2の基体
151 基体本体
152 補強部
153 枠部
154 底板部
155 凹部
156 駆動用電極
158 端子
Claims (5)
- 第1の半導体材料からなる第1の層,酸化物からなる第2の層,および第2の半導体材料からなる第3の層が順に積層されてなる半導体基板の前記第1および第3の層をエッチングして,開口を有する固定部と,この開口内に配置され,かつ固定部に対して変位する変位部と,固定部と変位部とを接続する接続部と,を有し,かつ第1の半導体材料からなる第1の構造体と,重量部と,重量部を囲んで配置される台座と,を有し,第1の構造体に積層して配置される第2の構造体と,を作成するステップと,
前記第1,第2の構造体が作成された半導体基板の前記第2の層をエッチングして,開口を有し,かつ前記固定部と前記台座とを接合する第1の接合部と,この開口内に配置され,かつ前記変位部と前記重量部とを接合する第2の接合部とを有する接合体を作成するステップと,
前記第1の構造体の上面に,第1の金属層と第1の絶縁層とが積層される第1の積層体の前記第1の絶縁層の側の面を接合し,前記第2の構造体の下面に,第2の金属層と第2の絶縁層とが積層される第2の積層体の前記第2の絶縁層の側の面を接合するステップと,
を具備することを特徴とする角速度センサの製造方法。 - 前記第1,第2の積層体いずれかの底面に粘着性の膜を貼り付けるステップと,
前記第1,第2の構造体が作成された領域に対応して,前記半導体基板および前記第1,第2の積層体を切断して,角速度センサを切り出すステップと,
前記領域に対応するように前記膜の底面を押圧して,前記切り出された角速度センサを押し出すステップと,
前記押し出された角速度センサを吸引するステップと,
をさらに具備することを特徴とする請求項1記載の角速度センサの製造方法。 - 前記第1,第2の絶縁層が,エッチング可能な材料からなる
ことを特徴とする請求項1記載の角速度センサの製造方法。 - 前記第1,第2の半導体材料がいずれもシリコンである
ことを特徴とする請求項1記載の角速度センサの製造方法。 - 第1の半導体材料からなる第1の層,酸化物からなる第2の層,および第2の半導体材料からなる第3の層が順に積層されてなる半導体基板の前記第1および第3の層をエッチングして,開口を有する固定部と,この開口内に配置され,かつ固定部に対して変位する変位部と,固定部と変位部とを接続する接続部と,を有し,かつ第1の半導体材料からなる第1の構造体と,重量部と,重量部を囲んで配置される台座と,を有し,第1の構造体に積層して配置される第2の構造体と,を作成するステップと,
前記第1,第2の構造体が作成された半導体基板の前記第2の層をエッチングして,開口を有し,かつ前記固定部と前記台座とを接合する第1の接合部と,この開口内に配置され,かつ前記変位部と前記重量部とを接合する第2の接合部とを有する接合体を作成するステップと,
第1の金属層と第1の絶縁層とが積層される第1の積層体,および第2の金属層と第2の絶縁層とが積層される第2の積層体であって,前記第1,第2の積層体の少なくともいずれかが,前記第1の絶縁層または前記第2の絶縁層上に積層された第3の金属層を有する,第1,第2の積層体について,前記第1の構造体の上面に,前記第1の積層体の前記第1の絶縁層または前記第3の金属層の側の面を接合し,前記第2の構造体の下面に,前記第2の積層体の前記第2の絶縁層または前記第3の金属層の側の面を接合するステップと,
を具備することを特徴とする角速度センサの製造方法。
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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