JP4974212B2 - 力学量センサ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、表面弾性波（ＳＡＷ）を利用した力学量センサに関し、特に、無線通信可能な力学量センサ及びその製造方法に関する。

ＳＡＷを利用した無線通信用の力学量センサ及びその製造方法は、特許文献１に開示されている。図８は、その従来技術による無線通信可能なＳＡＷを利用した力学量センサの基本構成図である。図８に示すように、従来の力学量センサ８００は、圧電基板８０１上に櫛歯電極を形成したＳＡＷ素子８０２、整合回路８０３、アンテナ８０４で構成される。なお、図８において、８０５はＳＡＷ素子駆動信号発生部のアンテナ、８０７は送受信回路、８０８は駆動信号発生回路、８０９は演算回路、８１０は表示部、８１２はＳＡＷ素子駆動信号発生部を示す。また、その力学量センサ８００の製造工程は、ＳＡＷ素子８０２、整合回路８０３及びアンテナ８０４をそれぞれ圧電基板８０１上に薄膜形成する工程と所定の外装に組立する工程からなる。この製造方法により、０．２ｍｍ厚の小型で、且つ無線通信（通信距離：１ｍ程度）により、歪み、圧力等の力学量あるいは温度（温度範囲：３０〜４０℃程度）が検出できるＳＡＷセンサを実現している。

特開２００４−１２９１８５号公報

上述した特許文献１では、力学量センサ（ＳＡＷセンサ）８００は、基本構成要素であるＳＡＷ素子８０２、整合回路８０３及びアンテナ８０４を圧電基板８０１上に一体化して形成することで、ＳＡＷセンサの小型化、低背化及び低コスト化を図っている。また、圧電基板８０１の薄膜化は、ＳＡＷセンサの高感度化の有効な手段となる。しかしながら、製造工程の歩留りを考慮したＳＡＷセンサのセンサ基板となる圧電基板８０１の厚みは０．２ｍｍ程度が限界であるという問題点があった。また、アンテナ自体も圧電基板の直上に一体化して形成しているので、圧電基板の圧電効果による振動波によりＳＡＷ素子８０２を構成する櫛歯電極以外の箇所が励振されるという問題点があった。なお、ここで発生した振動波は、ＳＡＷ素子８０２により励振される表面弾性波と相互干渉を生じ、力学量センサ（ＳＡＷセンサ）８００の特性を劣化させる。

本発明は、上述した問題点を解決すべくなされたもので、その技術課題は、圧電基板の厚みを薄くしても工程歩留りの低下がなく量産性に優れる高感度で小型の無線通信可能な力学量センサ及びその製造方法を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明の力学量センサは、圧電単結晶基板上に形成された櫛歯電極（ＩＤＴ：Ｉｎｔｅｒ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）及び反射器を有する表面弾性波（ＳＡＷ）素子と、主面間を貫く孔を有し前記孔の上に前記表面弾性波素子の表面弾性波伝搬部が位置するように前記孔の周辺部で前記圧電単結晶基板を支持する非圧電性基板と、前記非圧電性基板上で前記圧電単結晶基板を除去した領域に形成されたアンテナと、前記櫛歯電極に前記アンテナを接続する整合回路とを備えることを特徴とする。

また、本発明の力学量センサは、支持台となる非圧電性基板と、表面に櫛歯電極（ＩＤＴ）及び反射器を有する表面弾性波（ＳＡＷ）素子が形成され、前記非圧電性基板により支持される支持接合部を有すると共に前記表面弾性波素子の表面弾性波が伝搬し前記支持接合部よりも薄く形成された表面弾性波伝搬部を有する圧電単結晶基板と、前記非圧電性基板上で前記圧電単結晶基板を除去した領域に形成されたアンテナと、前記櫛歯電極に前記アンテナを接続する整合回路とを備えることを特徴とする。

前記非圧電性基板上の前記圧電単結晶基板はダイヤフラム構造をなすとよい。

前記圧電単結晶基板の周縁に沿って前記支持接合部が一続きで設けられるとよい。

前記圧電単結晶基板の一部に主面間を貫く貫通孔を設け、片持ち梁構造又は両持ち梁構造又は３つ以上の支持部を持つ梁構造を有する力学量センサとするとよい。

圧電単結晶基板上に形成された櫛歯電（ＩＤＴ）及び反射器を有する表面弾性波（ＳＡＷ）素子と、前記圧電単結晶基板を支持する非圧電単結晶基板と、前記非圧電単結晶基板上で前記圧電単結晶基板を除去した領域に形成されたアンテナと、前記櫛歯電極と前記アンテナを接続する整合回路で構成された力学量センサであって、前記圧電単結晶基板の直下にある非圧電単結晶基板の一部に空洞部を設け、ダイヤフラム構造を形成した力学量センサとするとよい。

前記非圧電単結晶基板及び圧電単結晶基板の少なくとも一部に空洞部を設け、片持ち梁構造又は両持ち梁構造又は３つ以上の支持部を有する梁構造を具備した力学量センサとするとよい。

前記圧電単結晶基板上に形成された前記表面弾性波素子と前記アンテナとの間には弾性的振動を遮断するための間隙又は溝が形成されるとよい。

前記圧電単結晶基板が、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ホウ酸リチウム、ランガサイト、酸化亜鉛のいずれかからなるとよい。

前記非圧電性基板がシリコン、ＳiＣ又は硝子からなるとよい。

前記非圧電性基板がシリコン基板であり、前記アンテナの下方にあたる前記シリコン基板の部分には空洞部があり、この空洞部の上方に形成されたシリコン化合物絶縁層を支持体として前記アンテナが保持されるとよい。

前記非圧電性基板がＳＯＩ（Silicon-on-Insulator）基板からなるとよい。

前記圧電単結晶基板の直下にＳＯＩ（Silicon-on-Insulator）層を有するとよい。

前記圧電単結晶基板の直下にＳＯＩ（Silicon-on-Insulator）層及び埋め込み酸化膜を有するとよい。

前記圧電単結晶基板の表面弾性波伝搬部の厚みは、前記櫛歯電極によって励振される表面弾性波の１波長以上であるとよい。

前記アンテナの下部の非圧電単結晶基板に空洞部があり、酸化シリコン膜または窒化シリコン薄膜を支持体として前記アンテナが保持されるとよい。

本発明の力学量センサの製造方法は、圧電単結晶基板上に形成された櫛歯電極（ＩＤＴ）及び反射器を有する表面弾性波（ＳＡＷ）素子と、主面間を貫く孔を有し前記孔の上に前記表面弾性波素子の表面波伝搬部が位置するように前記孔の周辺部で前記圧電単結晶基板を支持する非圧電性基板と、前記非圧電性基板上で前記圧電単結晶基板を除去した領域に形成されたアンテナと、前記櫛歯電極と前記アンテナを接続する整合回路とを備える力学量センサの製造方法であって、平板状の圧電単結晶基板と平板状の非圧電性基板を貼り合わせる工程と、前記平板状の圧電単結晶基板を研磨し所望の厚みに薄膜化する工程と、前記平板状の圧電単結晶基板の周縁部を除去して前記アンテナを形成するための前記平板状の非圧電性基板の表面を露出させる工程と、金属成膜、フォトファブリケーション及びエッチングにより、前記櫛歯電極、前記反射器、前記アンテナ及び前記整合回路を形成する工程と、前記圧電単結晶基板を支持する非圧電性基板の一部を除去するように非圧電性基板に孔を設ける工程とを含むことを特徴とする。

前記表面弾性波素子が前記非圧電性基板によって支持される構造が、片持ち梁構造、両持ち梁構造又は３つの支持部で支持される構造となるように前記圧電単結晶基板に主面間を貫く貫通孔を設ける工程を含むとよい。

また、本発明の力学量センサの製造方法は、支持台となる非圧電性基板と、表面に櫛歯電極（ＩＤＴ）及び反射器を有する表面弾性波（ＳＡＷ）素子が形成され、前記非圧電性基板により支持される支持接合部を有すると共に前記表面弾性波素子の表面弾性波が伝搬し前記支持接合部よりも薄く形成された表面弾性波伝搬部を有する圧電単結晶基板と、前記非圧電性基板上で前記圧電単結晶基板を除去した領域に形成されたアンテナと、前記櫛歯電極に前記アンテナを接続する整合回路とを備える力学量センサの製造方法であって、平板状の圧電単結晶基板の所望の一部に空間部を形成する工程と、前記空間部が形成された圧電単結晶基板と平板状の非圧電性基板を貼り合わせる工程と、前記空間部が形成された圧電単結晶基板を研磨し所望の厚みに薄膜化する工程と、金属成膜、フォトファブリケーション及びエッチングにより、前記櫛歯電極、前記反射器、前記アンテナ及び前記整合回路を形成する工程とを含むことを特徴とする。

前記圧電単結晶基板の主面間を貫く少なくとも１つの貫通孔を形成するための、フォトファブリケーション及びエッチングの工程を含むとよい。

前記表面弾性波素子と前記アンテナの間の前記非圧電性基板に溝を形成するためのフォトファブリケーション及びエッチングの工程を含むとよい。

本発明の力学量センサの製造方法は、圧電単結晶基板上に形成された櫛歯電極（ＩＤＴ）及び反射器を有する表面弾性波（ＳＡＷ）素子と、前記圧電単結晶基板を支持する非圧電単結晶基板と、前記非圧電単結晶基板上で前記圧電単結晶基板を除去した領域に形成されたアンテナと、前記櫛歯電極と前記アンテナを接続する整合回路で構成され、前記圧電単結晶基板の直下にある非圧電単結晶基板の一部に空洞部を設け、ダイヤフラム構造を形成した力学量センサの製造方法であって、（１）前記圧電単結晶基板と前記非圧電単結晶基板を貼り合わせる行程と、
（２）前記圧電単結晶基板を研磨し所望の厚みに薄膜化する行程と、
（３）金属成膜、フォトファブリケーション及びエッチングにより、前記櫛歯電極、前記反射器、前記アンテナ及び前記整合回路を形成する工程と、
（４）前記非圧電単結晶基板の一部を除去し圧電単結晶を前記非圧電単結晶基板よりリリースする工程を具備することを特徴とする。

本発明の力学量センサの製造方法は、圧電単結晶基板上に形成された櫛歯電極（ＩＤＴ）及び反射器を有する表面弾性波（ＳＡＷ）素子と、前記圧電単結晶基板を支持する非圧電単結晶基板と、前記非圧電単結晶基板上で前記圧電単結晶基板を除去した領域に形成されたアンテナと、前記櫛歯電極と前記アンテナを接続する整合回路で構成され、前記圧電単結晶基板の直下にある非圧電単結晶基板の一部に空洞部を設け、ダイヤフラム構造を形成し、前記圧電単結晶基板の少なくとも一部に貫通孔を設け、前記圧電単結晶基板上にある前記ＳＡＷ素子と前記アンテナの間に溝を形成し、片持ち梁構造又は両持ち梁構造又は３つ以上の支持部を有する梁構造を具備した力学量センサの製造方法であって、
（１）前記圧電単結晶基板と非圧電単結晶基板を貼り合わせる工程と、
（２）前記圧電単結晶基板を研磨し所の厚みに薄膜化する工程と、
（３）金属成膜、フォトファブリケーション及びエッチングにより、前記櫛歯電極、前記反射器、前記アンテナ及び前記整合回路を形成する工程と、
（４）フォトファブリケーション及びエッチングにより、前記ダイヤフラム構造の圧電単結晶基板の少なくとも一部に貫通孔を形成するとともに、前記圧電単結晶上のＳＡＷ素子とアンテナの間の溝を形成する工程と、
（５）前記非圧電単結晶基板の一部を除去し前記圧電単結晶基板を前記非圧電単結晶基板 よりリリースする工程とを具備することを特徴とする。

本発明によれば、圧電単結晶基板上に形成された櫛歯電極（ＩＤＴ）及び反射器を有するＳＡＷ素子と、圧電単結晶基板を支持する非圧電性基板と、非圧電性基板上に形成されたアンテナと、櫛歯電極にアンテナを接続する整合回路とからなる力学量センサにおいて、圧電単結晶基板と非圧電性基板の接合界面の一部に空洞部（空間部）を設け、圧電単結晶からなるダイヤフラム構造などの力学量センサを構成することで、圧力、応力、振動、加速度等の外力による前記ダイヤフラム構造などが変形しやすくなり、センサとしての高感度化が実現される。

また、圧電単結晶基板上に形成されたＳＡＷ素子と非圧電性基板上に形成されたアンテナとの間に空隙又は溝が形成される。その結果、圧電単結晶基板上に一体化しないで、非圧電性基板上にあるアンテナは、アンテナ近傍の圧電結晶による圧電効果により励起される振動波の影響を受けにくい構造になり、圧電単結晶基板上に一体化して形成された櫛歯電極によって励振された表面弾性波との相互干渉を低減できる。

また、アンテナの下部にある非圧電性基板に空洞部（空間部）を形成し、酸化薄膜を支持体としてアンテナを保持することで、非圧電性基板の影響による渦電流損失や誘導損失を低減できる。

更に、（１）予め圧電単結晶基板の所望の一部に空間部を形成する工程と、（２）圧電単結晶基板と非圧電性基板を貼り合わせる工程と、（３）圧電単結晶基板を研磨し所望の厚みに薄膜化する工程と、（４）ＳＡＷ素子の櫛歯電極及び反射器とアンテナ及び整合回路を形成するための金属成膜工程、フォトファブリケーション工程及びエッチング工程と、（５）ダイヤフラム構造の圧電単結晶基板に少なくとも１つの貫通孔を形成するためのフォトファブリケーション工程及びエッチング工程とを導入することで、圧電基板の厚みを薄くしても工程歩留りの低下を招かない量産性に優れた圧電体力学量センサの製造方法が可能となる。その結果、圧電単結晶基板の厚みを薄くしても工程歩留りの低下がなく量産性に優れる高感度で小型の無線通信可能な力学量センサ及びその製造方法の提供が可能となる。

本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施の形態１による力学量センサの斜視図を示す。図１に示すように、本発明の力学量センサ５００は、圧電単結晶基板５０１上に形成された櫛歯電極５０２及び反射器５０３を有するＳＡＷ素子５０４と、圧電単結晶基板５０１の支持台となる非圧電単結晶基板５０５と、非圧電単結晶基板５０５上に形成されたアンテナ５０６と、ＳＡＷ素子５０４とアンテナ５０６を接続する整合回路５０７から構成される。ここで、圧電単結晶基板５０１は、外力に対して変位しやすくするために、表面弾性波が伝搬する領域、つまり櫛歯電極５０２と反射器５０３間にある圧電単結晶基板５０１の直下の非圧電単結晶基板５０５の一部に矩形の孔５０８（空洞部）が設けられている。

また、後で詳述するように、非圧電単結晶基板５０５及び圧電単結晶基板５０１の少なくとも１つの部分に貫通孔を設け、ダイヤフラム構造、片持ち梁構造、両持ち梁構造、あるいは３つ以上の支持部を有する梁構造のいずれかを採用し、力学量センサの用途に応じて適用することも可能である。

本実施の形態１の圧電単結晶基板５０１は、ランガサイト単結晶の４８．５°回転Ｙカット基板をＸ軸に対して反時計方向に２６．７°回転させた方向を表面弾性波の進行方向とすることで、効率よく表面弾性波を伝搬できる。また、ランガサイト単結晶の他に、水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ホウ酸リチウム、酸化亜鉛を任意の方位及び方向を選定することで同様に効率よく表面弾性波を伝搬できる。

更に、本実施の形態１の非圧電単結晶基板５０５は、（１００）面のシリコン単結晶が用いられる。シリコン以外では、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＳｉＣなどが高耐熱の用途に好適である。

また、アンテナ５０６は、薄膜プロセスとの適合性及び使用する周波数帯を考慮すると、フェライトバーアンテナ、ループアンテナ、あるいはパッチアンテナ等が好適である。

次に、本発明による力学量センサの動作原理について図１を用いて説明する。ここでは、本発明の実施の形態として位相変化による場合の動作原理について詳述するが、その他のセンサの信号検出方法には、周波数、遅延時間、速度変化等を利用した方法が挙げられ、位相検出法に限定されるものではない。

本発明の力学量センサを用いたセンサシステムは、力学量センサに質問信号を送信するため及び力学量センサからの応答信号を受信するための質問器（図示せず）と少なくとも１つ以上の力学量センサから構成される。アンテナ５０６により質問器からの特定の電磁波を受信し、整合回路５０７を介して電気的に接続された櫛歯電極５０２で電荷が誘起され、圧電効果により表面弾性波が励振され、所望の方向に伝搬された表面弾性波が反射器５０３において反射し、再び櫛歯電極５０２に戻る。外力Ｆを加えると、櫛歯電極５０２と反射器５０３の間の距離ｌが変化し、伝搬する表面弾性波の位相変化Δφが生じる。両持ち梁構造の場合には、梁の中央部に加えられる外力Ｆと位相変化Δφの関係は数１となる。ここで、ｆ0は櫛歯電極より励振された表面弾性波の周波数、υは伝搬する表面弾性波の速度、Ｅ，ｄは圧電単結晶基板のヤング率及び厚みである。

数１により、位相変化Δφは外力Ｆと比例関係にあり、位相変化Δφを検出することで外力Ｆを検知できる。この位相変化Δφを有する表面弾性波は櫛歯電極５０２で受信され、再び整合回路５０７、アンテナ５０６を経て電磁波を媒体として質問器に返信される動作原理により、無線通信可能な力学量センサが実現する。

次に、本実施の形態１の力学量センサの製造方法について説明する。図２は、本発明の実施の形態１での力学量センサの製造工程を示し、図２（ａ）、図２（ｂ）、図２（ｃ）、図２（ｄ）、図２（ｅ）、図２（ｆ）は、各工程に対応する素子の模式的な断面図である。

まず、厚みが３００μｍのランガサイト単結晶基板６０１と、５００μｍのシリコン単結晶基板６０２とを各々のスタート基板とする［図２（ａ）参照］。次に、接着剤を用いない直接的な接合技術により、ランガサイト単結晶基板６０１とシリコン単結晶基板６０２をウエハーレベルで貼り合わせる［図２（ｂ）参照］。また、機械的研磨及びＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing：化学的機械的研磨加工）を併用し、ランガサイト単結晶基板を所望の厚み６０４に研磨加工する［図２（ｃ）参照］。なお、接着剤を用いない直接的な接合の前に、シリコン単結晶表面は、０．０１μｍ以上の酸化膜を熱酸化法あるいはＣＶＤ法等で形成し、ランガサイト単結晶基板６０１とシリコン単結晶基板６０２の界面６０３に酸素を介した共有結合を行うことでより強固な接合になる。ランガサイト単結晶の熱膨張係数は０．０６×１０^-4／℃とシリコンの０．０４×１０^-4／℃とほぼ同等の値で、比較的高い熱処理温度が必要な直接接合に好適な材料の組合せになる。なお、直接接合法の他に、Ａｕ−Ｓｎ系、Ａｕ−Ｓｉ系、Ａｕ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｓｉ系等の共晶接合も接合技術として適用できる。

以上の工程により、支持台となるシリコン単結晶基板に対して圧電単結晶基板の厚みを十分薄くできる。更に、表面弾性波の伝搬エネルギーの殆どが表面からその１波長程度に集中するので、ランガサイト単結晶基板の厚みを１波長程度の厚みにすることが効率の観点から望ましい。ただし、１波長よりも小さくなると、伝搬エネルギーの損失が増加するので好ましくない。例えば、伝搬する表面弾性波の周波数を櫛歯電極６０６の設計により４００ＭＨｚ程度とした場合には、ランガサイト単結晶の厚みは、８μｍ程度になる。

次に、フォトリソグラフィー技術と湿式あるいは乾式エッチング法により、アンテナが形成される周縁領域のランガサイト単結晶基板６０１を除去する［図２（ｄ）］。例えば、ランガサイト単結晶のエッチャントは、１０％程度に希釈した塩酸水溶液等が用いられる。続いて、フォトグラフィー技術とスパッタリング法、蒸着法や鍍金法等により金属薄膜を堆積する技術により、櫛歯電極６０６、反射器６０７、ループ型のアンテナ６０５及び整合回路（図示せず）を形成する［図２（ｅ）］。所望の金属薄膜には、アルミニウム（Ａｌ）やクロム（Ｃｒ）／金（Ａｕ）膜等がある。最後に、ＣＶＤ法等により形成された酸化シリコン膜や窒化シリコン膜をマスクとして、湿式あるいは乾式エッチングにより、シリコン単結晶基板の一部に空洞部６０８を形成し、ランガサイト単結晶薄膜からなるダイヤフラム構造を形成する［図２（ｆ）］。なお、後で詳述するが、片持ち梁構造、両持ち梁構造等を形成してもよい。

更に、本実施の形態１の変形例では、シリコン単結晶基板の代わりにＳＯＩ（Silicon-on-Insulator）基板を利用することで、エッチング後に残存するランガサイト単結晶を含む梁構造体の厚みを精度良く形成できる。例えば、シリコン活性層（ＳＯＩ層）の厚みが２μｍ、埋め込み酸化膜の厚みが１μｍ、基板全体の厚みが３５０μｍのＳＯＩ基板を用いる。なお、最終段階での薄膜化された梁構造の厚みは、研磨工程［図２（ｃ）］におけるランガサイト単結晶の厚みとスタート基板のＳＯＩ基板のＳＯＩ層、あるいはＳＯＩ層及び埋め込み酸化膜の厚みを加えた厚みとなる。

このように、ＳＯＩ基板を利用することで、ランガサイト単結晶のみの梁構造に比べ数μｍのシリコン単結晶及び埋め込み酸化膜層が付与され、センサの感度が低下する懸念があるが、最終工程［図２（ｆ）］におけるシリコン単結晶のエッチャントによるランガサイト単結晶のオーバエッチングを防止でき、梁構造体の厚みを精度良く製造できる。

また、図２（ｅ）、図２（ｆ）のように、ランガサイト単結晶上のＳＡＷ素子とアンテナの間には空隙が形成され、アンテナ近傍の圧電効果により励振された振動波と櫛歯電極によって励振された表面弾性波と相互干渉を低減している。なお、空隙の部分に溝を形成すると更によい。

また、アンテナ６０５の直下にあるシリコン単結晶基板６０２に別の空洞部を形成し、ＣＶＤ法等で形成された１μｍの酸化シリコン膜、あるいは窒化シリコン薄膜を支持体としてアンテナを保持することで、シリコン単結晶基板による渦電流損や誘電損等を低減できる。

本発明により、無線通信可能な力学量センサの一形態である圧力センサを製作した。この圧力センサは、ランガサイト基板の厚みを１０μｍ、ダイヤフラムの直径を５００μｍ、アンテナで受信する電磁波の周波数を４００ＭＨｚとなるように櫛歯電極のピッチ幅、電極幅を設計し、製作した。得られた圧力センサの感度は、約２０°／ｐｓｉであり、従来技術のセンサ感度と比べ約１０倍以上の感度向上を確認した。

次に、本実施の形態１の変形例として、表面弾性波素子の支持構造の例を図面に基づいて説明する。

図３は非圧電単結晶基板による圧電単結晶基板の支持構造を示す模式的な平面図である。図３（ａ）はダイヤフラム構造、図３（ｂ）は片持ち梁構造、図３（ｃ）は両持ち梁構造、図３（ｄ）は３辺支持構造を示し、３１は非圧電単結晶基板、３２は圧電単結晶基板、３３は圧電単結晶基板３２の主面間を貫く貫通孔である。

図３（ａ）のダイヤフラム構造は図１に示した実施の形態１と同様の構造であり、圧電単結晶基板３２に貫通孔はなく、非圧電単結晶基板３１には貫通する矩形の孔３４が設けられている。

図３（ｂ）の片持ち梁構造では、非圧電単結晶基板３１に設けられた矩形の孔３４の３辺に沿うようにコ字形状の貫通孔３３が圧電単結晶基板３２に設けられ、その片持ち梁の部分を表面弾性波が伝搬する。

図３（ｃ）の両持ち梁構造では、非圧電単結晶基板３１に設けられた矩形の孔３４の対向する２辺に沿うように２つの貫通孔３３が圧電単結晶基板３２に設けられ、その両持ち梁の部分を表面弾性波が伝搬する。

図３（ｄ）の３辺支持構造では、非圧電単結晶基板３１に設けられた矩形の孔３４の１辺に沿うように矩形の貫通孔３３が圧電単結晶基板３２に設けられ、その３辺に囲まれた部分を表面弾性波が伝搬する。

このような支持構造は、例えば、ダイヤフラム構造は圧力センサに、片持ち梁構造、両持ち梁構造及び３辺支持構造は加速度センサ、運動量センサ、変位量センサなどに使い分けることができる。

引き続き、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図４は、本発明の実施の形態２による力学量センサの断面図を示す。このセンサの全体形状は矩形板状の非圧電単結晶基板上に表面弾性波が伝搬する部分の板厚を薄くした矩形板状の圧電単結晶基板を接合したもので、その圧電単結晶基板表面にＳＡＷ素子が形成されている。

図４に示すように、本実施の形態２の力学量センサは、圧電単結晶基板１０１上に形成された櫛歯電極１０２及び反射器１０３を有するＳＡＷ素子１０７と、圧電単結晶基板１０１の支持台となる非圧電性基板１０５と、非圧電性基板１０５上に形成されたアンテナ１０４と、ＳＡＷ素子１０７とアンテナ１０４を接続する整合回路（図示せず）から構成される。ここで、圧電単結晶基板１０１は、外力に対して変位しやすくするために、表面弾性波が伝搬する領域（表面弾性波伝搬部）、つまり櫛歯電極１０２と反射器１０３間にある圧電単結晶基板１０１と非圧電性基板１０５の接合界面の一部に空間部１０６が設けられている。すなわち、圧電単結晶基板１０１は、非圧電性基板１０５により支持される支持接合部を有すると共に表面弾性波素子の表面弾性波が伝搬し前記支持接合部よりも薄く形成された表面弾性波伝搬部を有する。

図５は、本発明の実施の形態３による力学量センサの断面図である。図５に示すように、本実施の形態３の力学量センサは、圧電単結晶基板２０１上に形成された櫛歯電極２０２及び反射器２０３を有するＳＡＷ素子２０７と、圧電単結晶基板２０１の支持台となる非圧電性基板２０５と、非圧電性基板２０５上に形成されたループ型のアンテナ２０４と、ＳＡＷ素子２０７とアンテナ２０４を接続する整合回路（図示せず）から構成される。圧電単結晶基板２０１の少なくとも一部に空間部２０６に通じる貫通孔２０８を設け、片持ち梁構造を形成する。なお、貫通孔２０８の形状及び数を適宜選択することで、両持ち梁構造、あるいは３つ以上の支持部を有する梁構造のいずれかを形成することが可能であり、力学量センサの用途に応じて適用することができる。

本実施の形態３の圧電単結晶基板２０１は、ランガサイト単結晶の４８．５°回転Ｙカット基板をＸ軸に対して反時計方向に２６．７°回転させた方向を表面弾性波の進行方向とすることで、効率よく表面弾性波を伝搬できる。また、ランガサイト単結晶の他に、水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ホウ酸リチウム、酸化亜鉛を任意の方位及び方向を選定することで同様に効率よく表面弾性波を伝搬できる。

更に、本発明の非圧電性基板２０５は、（１００）面のシリコン単結晶が用いられる。シリコン以外では、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＳｉＣなどが高耐熱の用途に好適である。あるいは、非圧電性基板１０５として硝子基板を用いることも可能であり、前記圧電単結晶基板２０１の熱膨張係数と略同等の数値を有する硝子基板を選定することで熱応力の問題を緩和することができる。

また、アンテナ２０４は、薄膜プロセスとの適合性及び使用する周波数帯を考慮すると、フェライトバーアンテナ、ループアンテナ、あるいはパッチアンテナ等が好適である。

ところで、本発明の実施の形態２，３の力学量センサの動作原理については、すでに説明した実施の形態１の動作原理と同様であるので、その説明は省略する。

次に、実施の形態２の力学量センサに戻って、その製造方法を説明する。図６は、本実施の形態２での力学量センサの製造工程を示し、図６（ａ）、図６（ｂ）、図６（ｃ）、図６（ｄ）、図６（ｅ）は、各工程に対応する素子の模式的な断面図である。

まず、厚みが３００μｍのランガサイト単結晶基板３０１と、５００μｍのシリコン単結晶基板３０２とを各々のスタート基板とする［図６（ａ）参照］。予め、サンドブラスト法、湿式、あるいは乾式エッチング法等の公知のエッチング法によりランガサイト単結晶基板３０１の一部に空間部３１０を形成する。空間部の深さは、５〜５０μｍ程度である。

次に、直接接合、陽極接合、表面活性化技術等の公知技術により、ランガサイト単結晶基板３０１とシリコン単結晶基板３０２をウエハーレベルで貼り合わせる［図６（ｂ）参照］。また、機械的研磨及びＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing：化学的機械的研磨加工）を併用し、ランガサイト単結晶基板を所望の厚み３０４に研磨加工する［図６（ｃ）参照］。なお、前記接合工程の前に、シリコン単結晶表面は、０．０１μｍ以上の酸化膜を熱酸化法あるいはＣＶＤ法等で形成し、ランガサイト単結晶基板３０１とシリコン単結晶基板３０２の界面３０３に酸素を介した共有結合を行うことでより強固な接合になる。ランガサイト単結晶の熱膨張係数は０．０６×１０^-4／℃とシリコンの０．０４×１０^-4／℃とほぼ同等の値で、比較的高い熱処理温度が必要な直接接合に好適な材料の組合せになる。更に熱応力による構造体の変形が懸念されるような場合は、シリコン単結晶基板３０２の代わりとして組成調整による熱膨張係数の制御が容易な硝子基板を適用することが可能である。なお、直接接合法の他に、Ａｕ−Ｓｎ系、Ａｕ−Ｓｉ系、Ａｕ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｓｉ系等の共晶接合も接合技術として適用できる。

以上の工程により、支持台となるシリコン単結晶基板に対して圧電単結晶基板の厚み３０４を十分薄くできる。更に、表面弾性波の伝搬エネルギーの殆どが表面からその１波長程度に集中するので、ランガサイト単結晶基板の厚み３０４を１波長程度の厚みにすることが効率の観点から望ましい。ただし、１波長より小さくなると伝搬エネルギーの損失が増加するので好ましくない。例えば、伝搬する表面弾性波の周波数を、櫛歯電極３０６の設計により、４００ＭＨｚ程度とした場合には、ランガサイト単結晶の厚み３０４は、８μｍ程度になる。

次に、フォトリソグラフィー技術と湿式あるいは乾式エッチング法により、アンテナが形成される周縁領域のランガサイト単結晶基板を除去する［図６（ｄ）にはシリコン単結晶基板の縁辺部に沿ってループアンテナを形成する場合について模式的に示した］。例えば、ランガサイト単結晶のエッチャントは、１０％程度に希釈した塩酸水溶液等が用いられる。続いて、フォトリソグラフィー技術とスパッタリング法、蒸着法や鍍金法等により金属薄膜を堆積する技術により、櫛歯電極３０６、反射器３０７、アンテナ３０５及び整合回路（図示せず）を形成する［図６（ｅ）］。所望の金属薄膜には、アルミニウム（Ａｌ）やクロム（Ｃｒ）／金（Ａｕ）膜等がある。

次に、図５に示した本発明の実施の形態３での力学量センサについてその製造方法を説明する。図７は、本発明の実施の形態３での力学量センサの製造工程を示し、図７（ａ）、図７（ｂ）、図７（ｃ）、図７（ｄ）、図７（ｅ）、図７（ｆ）は各工程に対応する素子の模式的な断面図である。４１０は空間部、４０１はランガサイト単結晶基板、４０２はシリコン単結晶基板、４０３は接合の界面、４０４は薄く加工した後のランガサイト単結晶基板の厚み、４０５はアンテナ、４０６は櫛歯電極、４０７は反射器を示す。

前述の図６に記載の実施の形態２での製造工程と同様に図７（ａ）から図７（ｆ）への工程を経て、最後に、湿式あるいは乾式エッチングにより、ランガサイト単結晶基板の一部に空間部４１０に通じる貫通孔を形成し、ランガサイト単結晶薄膜からなる片持ち梁構造を形成する。なお、実施の形態１で図３に基づいて説明したように、貫通孔の形状と数を適宜選択することで、両持ち梁構造、３辺支持構造等を形成することもできる。

また、ランガサイト単結晶上のＳＡＷ素子とアンテナの間に間隙又は溝が形成され、アンテナ近傍の圧電効果により励振された振動波と櫛歯電極によって励振された表面弾性波と相互干渉を低減している。

更に、アンテナ４０５の下部にあるシリコン単結晶基板４０２に空洞部を形成し、ＣＶＤ法等で形成された１μｍの酸化シリコン膜、あるいは窒化シリコン薄膜を支持体としてアンテナ４０５を保持することで、シリコン単結晶基板４０２による渦電流損や誘電損等を低減できる。 なお、アンテナ４０５の下部は、アンテナ直下又はアンテナの下側を意味する。

前述の本発明の実施の形態２により、無線通信可能な力学量センサの一形態である圧力センサを製作した。この圧力センサは、ランガサイト基板の厚みを１０μｍ、支持接合部よりも薄く加工され表面弾性波が伝搬するダイヤフラム部の直径を５００μｍ、アンテナで受信する電磁波の周波数を４００ＭＨｚとなるように櫛歯電極のピッチ幅、電極幅を設計し、製作した。この圧力センサの感度は、約２０°／ｐｓｉで、従来技術のセンサ感度と比べ約１０倍以上の感度が向上していることを確認した。

なお、本発明による力学量センサは、圧力センサに限らず、圧電単結晶基板の形状を片持ち梁、両持ち梁等に用途に応じて形状を変更し、また適当な質量を付与することで、速度センサ、加速度センサ、角速度センサ等の力学量センサを実現できることは言うまでもない。

以上に示したように、本発明により圧電基板の厚みを薄くしても工程歩留りの低下を招かない量産性に優れた高感度で小型の無線通信可能な力学量センサ及びその製造方法の提供が可能となる。

本発明の実施の形態１による力学量センサの斜視図。 本発明の実施の形態１での力学量センサの製造工程を示し、図２（ａ）、図２（ｂ）、図２（ｃ）、図２（ｄ）、図２（ｅ）、図２（ｆ）は、各工程に対応する素子の模式的な断面図。 本発明に係る非圧電単結晶基板による圧電単結晶基板の支持構造を示し、図３（ａ）はダイヤフラム構造、図３（ｂ）は片持ち梁構造、図３（ｃ）は両持ち梁構造、図３（ｄ）は３辺支持構造を示す模式的な平面図。 本発明の実施の形態２による力学量センサの断面図。 本発明の実施の形態３による力学量センサの断面図。 本発明の実施の形態２での力学量センサの製造工程を示し、図６（ａ）、図６（ｂ）、図６（ｃ）、図６（ｄ）、図６（ｅ）は、各工程に対応する素子の模式的な断面図。 本発明の実施の形態３での力学量センサの製造工程を示し、図７（ａ）、図７（ｂ）、図７（ｃ）、図７（ｄ）、図７（ｅ）、図７（ｆ）は各工程に対応する素子の模式的な断面図。 従来技術による無線通信可能なＳＡＷを利用した力学量センサの基本構成図。

符号の説明

３１ 非圧電単結晶基板
３２ 圧電単結晶基板
３３、２０８ 貫通孔
３４、５０８ 孔
１００、２００、５００ 力学量センサ
１０１、２０１、５０１ 圧電単結晶基板
１０２、２０２、５０２、３０６、４０６、６０６ 櫛歯電極
１０３、２０３、３０７、４０７、５０３、６０７ 反射器
１０４、２０４、３０５、４０５、５０６、６０５、８０４ アンテナ
１０５、２０５ 非圧電性基板
１０６、２０６ 空間部
１０７、２０７、５０４、８０２ ＳＡＷ素子
３０１、４０１、６０１ ランガサイト単結晶基板
３０２、４０２、６０２ シリコン単結晶基板
３０３、４０３、６０３ 界面
３０４、４０４、６０４ 厚み
３１０、４１０ 空間部
５０５ 非圧電単結晶基板
５０７、８０３ 整合回路

Claims (23)

1. 圧電単結晶基板上に形成された櫛歯電極及び反射器を有する表面弾性波素子と、
   主面間を貫く孔を有し前記孔の上に前記表面弾性波素子の表面弾性波伝搬部が位置するように前記孔の周辺部で前記圧電単結晶基板を支持する非圧電性基板と、
   前記非圧電性基板上で前記圧電単結晶基板を除去した領域に形成されたアンテナと、
   前記櫛歯電極に前記アンテナを接続する整合回路とを備えることを特徴とする力学量センサ。
2. 支持台となる非圧電性基板と、
   表面に櫛歯電極及び反射器を有する表面弾性波素子が形成され、前記非圧電性基板により支持される支持接合部を有すると共に前記表面弾性波素子の表面弾性波が伝搬し、前記支持接合部よりも薄く形成された表面弾性波伝搬部を有する圧電単結晶基板と、
   前記非圧電性基板上で前記圧電単結晶基板を除去した領域に形成されたアンテナと、前記櫛歯電極に前記アンテナを接続する整合回路とを備えることを特徴とする力学量センサ。
3. 前記非圧電性基板上の前記圧電単結晶基板はダイヤフラム構造をなすことを特徴とする請求項１記載の力学量センサ。
4. 前記圧電単結晶基板の周縁に沿って前記支持接合部が一続きで設けられたことを特徴とする請求項２記載の力学量センサ。
5. 前記圧電単結晶基板の一部に主面間を貫く貫通孔を設け、片持ち梁構造又は両持ち梁構造又は３つ以上の支持部を持つ梁構造を有することを特徴とする請求項１又は２記載の力学量センサ。
6. 圧電単結晶基板上に形成された櫛歯電極及び反射器を有する表面弾性波素子と、前記圧電単結晶基板を支持する非圧電単結晶基板と、前記非圧電単結晶基板上で前記圧電単結晶基板を除去した領域に形成されたアンテナと、前記櫛歯電極と前記アンテナを接続する整合回路で構成された力学量センサであって、前記圧電単結晶基板の下部にある非圧電単結晶基板の一部に空洞部を設け、ダイヤフラム構造を形成したことを特徴とする力学量センサ。
7. 前記非圧電単結晶基板及び圧電単結晶基板の少なくとも一部に空洞部を設け、片持ち梁構造又は両持ち梁構造又は３つ以上の支持部を有する梁構造を具備したことを特徴とする請求項６記載の力学量センサ。
8. 前記圧電単結晶基板上に形成された前記表面弾性波素子と前記アンテナとの間には弾性的振動を遮断するための間隙又は溝が形成されたことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の力学量センサ。
9. 前記圧電単結晶基板が、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ホウ酸リチウム、ランガサイト、酸化亜鉛のいずれかからなることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の力学量センサ。
10. 前記非圧電性基板がシリコン、ＳｉＣ又は硝子からなることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の力学量センサ。
11. 前記非圧電性基板がシリコン基板であり、前記アンテナの下方にあたる前記シリコン基板の部分には空洞部があり、この空洞部の上方に形成されたシリコン化合物絶縁層を支持体として前記アンテナが保持されたことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の力学量センサ。
12. 前記非圧電性基板がＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板からなることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の力学量センサ。
13. 前記圧電単結晶基板の直下にＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）層を有することを特徴とする請求項１２記載の力学量センサ。
14. 前記圧電単結晶基板の直下にＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）層及び埋め込み酸化膜を有することを特徴とする請求項１３記載の力学量センサ。
15. 前記圧電単結晶基板の表面弾性波伝搬部の厚みは、前記櫛歯電極によって励振される表面弾性波の１波長以上であることを特徴とする請求項１から１４のいずれか１項に記載の力学量センサ。
16. 前記アンテナの下部の非圧電単結晶基板に空洞部があり、酸化シリコン膜または窒化シリコン薄膜を支持体として前記アンテナが保持されたことを特徴とする請求項１から１５のいずれか１項に記載の力学量センサ。
17. 圧電単結晶基板上に形成された櫛歯電極（ＩＤＴ）及び反射器を有する表面弾性波（ＳＡＷ）素子と、主面間を貫く孔を有し前記孔の上に前記表面弾性波素子の表面波伝搬部が位置するように前記孔の周辺部で前記圧電単結晶基板を支持する非圧電性基板と、前記非圧電性基板上で前記圧電単結晶基板を除去した領域に形成されたアンテナと、前記櫛歯電極と前記アンテナを接続する整合回路とを備える力学量センサの製造方法であって、平板状の圧電単結晶基板と平板状の非圧電性基板を貼り合わせる工程と、前記平板状の圧電単結晶基板を研磨し所望の厚みに薄膜化する工程と、前記平板状の圧電単結晶基板の周縁部を除去して前記アンテナを形成するための前記平板状の非圧電性基板の表面を露出させる工程と、金属成膜、フォトファブリケーション及びエッチングにより、前記櫛歯電極、前記反射器、前記アンテナ及び前記整合回路を形成する工程と、前記圧電単結晶基板を支持する非圧電性基板の一部を除去するように非圧電性基板に孔を設ける工程とを含むことを特徴とする力学量センサの製造方法。
18. 前記表面弾性波素子が前記非圧電性基板によって支持される構造が、片持ち梁構造、両持ち梁構造又は３つの支持部で支持される構造となるように前記圧電単結晶基板に主面間を貫く貫通孔を設ける工程を含むことを特徴とする請求項１７記載の力学量センサの製造方法。
19. 支持台となる非圧電性基板と、表面に櫛歯電極（ＩＤＴ）及び反射器を有する表面弾性波（ＳＡＷ）素子が形成され、前記非圧電性基板により支持される支持接合部を有すると共に前記表面弾性波素子の表面弾性波が伝搬し前記支持接合部よりも薄く形成された表面弾性波伝搬部を有する圧電単結晶基板と、前記非圧電性基板上で前記圧電単結晶基板を除去した領域に形成されたアンテナと、前記櫛歯電極に前記アンテナを接続する整合回路とを備える力学量センサの製造方法であって、平板状の圧電単結晶基板の所望の一部に空間部を形成する工程と、前記空間部が形成された圧電単結晶基板と平板状の非圧電性基板を貼り合わせる工程と、前記空間部が形成された圧電単結晶基板を研磨し所望の厚みに薄膜化する工程と、金属成膜、フォトファブリケーション及びエッチングにより、前記櫛歯電極、前記反射器、前記アンテナ及び前記整合回路を形成する工程とを含むことを特徴とする力学量センサの製造方法。
20. 前記圧電単結晶基板の主面間を貫く少なくとも１つの貫通孔を形成するための、フォトファブリケーション及びエッチングの工程を含むことを特徴とする請求項１９記載の力学量センサの製造方法。
21. 前記表面弾性波素子と前記アンテナの間の前記非圧電性基板に溝を形成するためのフォトファブリケーション及びエッチングの工程を含むことを特徴とする請求項１９又は２０記載の力学量センサの製造方法。
22. 圧電単結晶基板上に形成された櫛歯電極（ＩＤＴ）及び反射器を有する表面弾性波（ＳＡＷ）素子と、前記圧電単結晶基板を支持する非圧電単結晶基板と、前記非圧電単結晶基板上で前記圧電単結晶基板を除去した領域に形成されたアンテナと、前記櫛歯電極と前記アンテナを接続する整合回路で構成され、前記圧電単結晶基板の直下にある非圧電単結晶基板の一部に空洞部を設け、ダイヤフラム構造を形成した力学量センサの製造方法であって、
    （１）前記圧電単結晶基板と前記非圧電単結晶基板を貼り合わせる工程と、
    （２）前記圧電単結晶基板を研磨し所望の厚みに薄膜化する工程と、
    （３）金属成膜、フォトファブリケーション及びエッチングにより、前記櫛歯電極、前記反射器、前記アンテナ及び前記整合回路を形成する工程と、
    （４） 前記非圧電単結晶基板の一部を除去し圧電単結晶を前記非圧電単結晶基板よりリリースする工程を具備することを特徴とする力学量センサの製造方法。
23. 圧電単結晶基板上に形成された櫛歯電極（ＩＤＴ）及び反射器を有する表面弾性波（ＳＡＷ）素子と、前記圧電単結晶基板を支持する非圧電単結晶基板と、前記非圧電単結晶基板上で前記圧電単結晶基板を除去した領域に形成されたアンテナと、前記櫛歯電極と前記アンテナを接続する整合回路で構成され、前記圧電単結晶基板の直下にある非圧電単結晶基板の一部に空洞部を設け、ダイヤフラム構造を形成し、前記圧電単結晶基板の少なくとも一部に貫通孔を設け、前記圧電単結晶基板上にある前記ＳＡＷ素子と前記アンテナの間に溝を形成し、片持ち梁構造又は両持ち梁構造又は３つ以上の支持部を有する梁構造を具備した力学量センサの製造方法であって、
    （１）前記圧電単結晶基板と非圧電単結晶基板を貼り合わせる工程と、
    （２）前記圧電単結晶基板を研磨し所の厚みに薄膜化する工程と、
    （３）金属成膜、フォトファブリケーション及びエッチングにより、前記櫛歯電極、前記反射器、前記アンテナ及び前記整合回路を形成する工程と、
    （４）フォトファブリケーション及びエッチングにより、前記ダイヤフラム構造の圧電単結晶基板の少なくとも一部に貫通孔を形成するとともに、前記圧電単結晶上のＳＡＷ素子とアンテナの間の溝を形成する工程と、
    （５）前記非圧電単結晶基板の一部を除去し前記圧電単結晶基板を前記非圧電単結晶基板よりリリースする工程とを具備することを特徴とする力学量センサの製造方法。

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