JP5032280B2

JP5032280B2 - 加速度センサの製造方法および加速度センサ

Info

Publication number: JP5032280B2
Application number: JP2007305336A
Authority: JP
Inventors: 松雄岸; 隆新輪
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2007-11-27
Filing date: 2007-11-27
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2027-11-27
Also published as: JP2009128270A

Description

本発明は、対向した電極間距離の加速度による変化を、これら電極により形成されるコンデンサの静電容量の変化として検出することにより、加速度を測定する容量型加速度センサとその製造方法に関する。

容量型加速度センサは、固定電極と可動電極との間にできる間隙によるコンデンサの静電容量を検出することより加速度を測定する。このような加速度センサを構成する可動電極は、固定電極が形成されている構造体と梁により保持されており、この梁の加速度によるたわみが可動電極の動きを発生し、固定電極との間のコンデンサ容量の変化を発生させている。固定電極と可動電極の間隙は、数μｍから数十μｍ程度であり、可動電極を保持する梁の厚みも数μｍから数十μｍである。また、梁のたわみを大きくするために、可動電極には錘がとりけられた構造を有している。このような容量型加速度センサはその寸法精度などから、シリコンを用いたＭＥＭＳによる方法が多く採用されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平８−３２０３４３

しかしながら、シリコンをもちいたＭＥＭＳによる方法では、シリコン本体を錘としたり、錘や可動電極を保持し、可動電極を可動するための梁をシリコンの窒化膜や酸化膜により作製する。この場合、シリコンを高アスペクト比でエッチングする工程や、前記のシリコン化合物をエッチングずる工程を通す必要がある。このとき高額なドライエッチング装置を用いて危険性が高い特殊なガスを使用し、また、湿式エッチングに際しても、シリコン化合物を使用していることからフッ化水素酸のような危険な薬品を多用する。このため、製造設備は高額となり、コスト高となると同時に、製造における安全面についても問題がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、製造設備負担をできるだけ小さく抑え、使用する薬品類も安全性が高いものを使用することができる加速度センサの製造方法および加速度センサを提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。

本発明に係る加速度センサの製造方法は、少なくとも一表面が電気的絶縁を有する基板の表面に電気的接続配線を形成する工程と、前記電気的接続配線が形成された前記基板の表面に第１の金属層を形成する工程と、前記第１の金属層の表面に第１のフォトレジスト層を形成し露光する工程と、前記第１のフォトレジスト層の露光部の表面の一部または全体に第２の金属層を形成する工程と、前記第２の金属層が形成された前記基板の表面に第２のフォトレジスト層を形成し露光を行い第１および第２のフォトレジスト層を現像する工程と、前記第１および第２のフォトレジスト層の開口部に湿式めっき法により第３の金属層を形成する工程と、前記第１および第２のフォトレジスト層を除去する工程と、前記第１および第２の金属層のうち、露出部をエッチング除去する工程と、を備えている。

この発明は、電気的接続配線が施されている基板表面全体に第１の金属層を形成することにより、基板表面全体に導電性をあたえることが可能となる。固定電極と可動電極を可動にするための梁となるべき位置が開口部となるように第１のフォトレジスト層を露光する。次に、第１のフォトレジスト層の表面のうち、可動電極が形成される部分に第２の金属層を形成し、表面全体に第２のフォトレジスト層を形成する。第２のフォトレジスト層上面より、固定電極、可動電極および梁となるべき部分が開口部となるように露光し、次いで現像することによって、固定電極、可動電極および梁となるべき部分が開口する。湿式めっき法を用いてこの開口部にめっき層を形成することにより、第３の金属層が形成できる。第１および第２のフォトレジスト層を除去したのち、第１および第２の金属をエッチングすることにより、加速度センサを提供できる。

本発明に係る加速度センサの製造方法は、少なくとも一表面が電気的絶縁を有する基板の表面に電気的接続配線を形成する工程と、前記電気的接続配線が形成された前記基板の表面に第１の金属層を形成する工程と、前記第１の金属層の表面に第１のフォトレジスト層を形成し露光する工程と、前記第１のフォトレジスト層の露光部の表面の一部または全体に第２の金属層を形成する工程と、前記第２の金属層が形成された前記基板の表面に第２のフォトレジスト層を形成し露光を行い第１および第２のフォトレジスト層を現像する工程と、前記第１および第２のフォトレジスト層の開口部に湿式めっき法により第３の金属層を形成する工程と、前記第１および第２のフォトレジスト層を除去する工程と、前記第１および第２の金属層のうち、露出部をエッチング除去する工程と、前記露出部をエッチングした後、前記電気的接続配線と、前記第３の金属層と、前記第１の金属層の端面露出部の全部もしくは一部を無電解めっき法によりメタライズする工程と、を備えている。

この発明は、電気的接続配線が施されている基板表面全体に第１の金属層を形成することにより、基板表面全体に導電性をあたえることが可能となる。固定電極と可動電極を可動にするための梁となるべき位置が開口部となるように第１のフォトレジスト層を露光する。次に、第１のフォトレジスト層の表面のうち、可動電極が形成される部分に第２の金属層を形成し、表面全体に第２のフォトレジスト層を形成する。第２のフォトレジスト層上面より、固定電極、可動電極および梁となるべき部分が開口部となるように露光し、次いで現像することによって、固定電極、可動電極および梁となるべき部分が開口する。湿式めっき法を用いてこの開口部にめっき層を形成することにより、第３の金属層が形成できる。第１および第２のフォトレジスト層を除去したのち、第１および第２の金属層をエッチングすることにより、加速度センサの基本的構造は完成するが、さらに、金属部の全体または一部をメタライズすることにより第４の金属層を形成する。耐薬品性に劣る金属層を除去でき、かつ、不可避的に現れる耐薬品性に劣る金属層部を耐食性、耐久性に優れた第４の金属で完全に覆うことができ、耐久性に優れた加速度センサを提供できる。メタライズの方法としては、無電解めっき法を用いることによれば容易に行うことができる。

本発明に係る実施の形態について、図１から図１１を参照して説明する。

本発明に係る加速度センサの上方および断面方向から示した図１に示すごとく、加速度センサは、少なくとも一表面が電気的に絶縁性を有する基板１と、後述する固定電極と基板および外部との接続を行うための固定電極配線２と、後述する可動電極と基板および外部との接続を行うための可動電極配線３と、基板１の表面に設けられ、基板の表面と垂直方向に形成された固定電極４と、基板１の表面に設けられ、基板の表面と垂直方向に形成された梁５と、固定電極４のそれぞれに対して基板の表面と平行方向に間隙を挟んで対向するように梁５のそれぞれに支持された、錘を兼ねた可動電極６とから構成されている。また、固定電極５と、梁５と、可動電極６とは、それぞれ金属からなっている。

このような構成からなる加速度センサの製造工程は、図２に示すように、基板１上に固定電極配線２および可動電極配線３を形成するための、配線を形成する工程（Ｓ１０）と、第２および第３の金属層を電気めっき法により形成するに当たり必要となる導電性を付与し、基板上の各配線と固定電極３や梁が一体となった可動電極とを接続するための金属層を形成する、第１の金属層を形成する工程（Ｓ１１）と、固定電極４および梁５の外形形状を決め型を形成する、第１のフォトレジスト層を形成し、露光する工程（Ｓ１２）と、錘を兼ねた可動電極４を効率よく形成するための導電層を形成する、第２の金属層を形成する工程（Ｓ１３）と、固定電極４、梁５、および錘を兼ねた可動電極４の外形形状を決める型を形成する、第２のフォトレジスト層を形成し、露光と現像する工程（Ｓ１４）と、固定電極４と錘を兼ねた可動電極６とを形成する、第３の金属層を形成する工程（Ｓ１５）と、型であるフォトレジスト層を除去する工程（Ｓ１６）と、不要となった第１の金属層の露出部をエッチングする工程（Ｓ１７）と、耐久性を高めるためのメタライズ層を形成する、第４の金属層を形成する工程を備えている。

以下、各ステップについて説明する。

基板上に配線を形成する工程（Ｓ１０）では、図３（ａ）に示すように、表面に熱酸化膜が形成され、電気的に絶縁性を有するシリコン基板７上に、スパッタリングにより、シリコン基板７側から、クロム５０ｎｍ、ニッケル２００ｎｍ、金１００ｎｍからなる金属膜８を順次形成する。次に、図３（ｂ）に示すように、所望とする電極パターンのフォトレジスト層９を形成する。その後、金、ニッケルおよびクロムを順次エッチングし（図３（ｃ））、フォトレジスト層９を剥離、除去することにより、配線が施された基板１０を作製する。

第１の金属層を形成する工程（Ｓ１１）では、図４に示すように、スパッタリングによりクロム膜５０ｎｍ、銅膜２００ｎｍからなる第１の金属層１１を、配線が施された基板１０の処理面全面に形成する。

第１のフォトレジスト層を形成し、露光する工程（Ｓ１２）では、図５（ａ）に示すように、第１の金属層１１上に、解像度が高いエポキシ系化学増幅型ネガ型フォトレジストをスピンコートし、加熱により溶剤を蒸発することにより、第１のフォトレジスト層１２を１００μｍ形成する。このフォトレジストは、波長３８０ｎｍ以上では感光することが無く、超高圧水銀灯より発せられる波長３６５ｎｍのｉ線により露光が行われる。梁５および固定電極４となるべき部分が現像後開口部となるように設計されたフォトマスクを、配線が施された基板１０とマスク合わせし、上記波長光により露光を行い、次いで、加熱を行って感光部の硬化を促進することにより、第１のフォトレジストのうち露光された部分１３を形成する。

第２の金属層を形成する工程（Ｓ１３）では、図６に示すように、上記基板表面に抵抗加熱による真空蒸着によりクロム膜５ｎｍ、銅膜３０ｎｍからなる金属膜１４を形成する。ここで、抵抗加熱による真空蒸着を膜形成に用いたのは、抵抗加熱による真空蒸着では、電子ビームによる蒸着やスパッタリングによる膜形成とは異なり、蒸発源からの発光は、所謂、黒体放射のみであるため、紫外光を発することがない。このため、第１のフォトレジスト層１２の未感光部を感光することなく、蒸着膜を形成することができる。クロム膜と銅膜からなる金属膜１４を形成後、金属膜１４上にネガ型であるフォトレジスト層１５を形成し、第１のフォトレジスト層のうち露光された部分１３と一致する部分のみが感光するように設計されたフォトマスクを合わせることにより、フォトレジスト層１５を露光し、次いで現像する。なお、このフォトレジスト層１５を構成するフォトレジストの現像液として、第１のフォトレジスト層１２を溶解しないものを用いる。その後、金属層１４をエッチングし、第２の金属層１６を形成する。

第２のフォトレジスト層を形成し、露光と現像する工程（Ｓ１４）では、図７に示すように、第２の金属層１６が形成された表面に、第１のフォトレジスト層１２と同じエポキシ系化学増幅型ネガ型フォトレジストをスピンコートし、加熱により溶剤を蒸発することにより、厚み５００μｍの第２のフォトレジスト層１７を形成する。錘を兼ねた固定電極４、可動電極６、および梁５となるべき部分が現像後開口部となるように設計されたフォトマスクを、配線が施された基板１０とマスク合わせを行い、超高圧水銀灯より発せられる波長３６５ｎｍのｉ線により露光を行い、その後、加熱を行って感光部の硬化を促進することにより、第１および第２のフォトレジストのうち露光された部分１８を形成する。次いで、現像を行うことにより、未露光部分を除去し、基板表面に第１および第２のフォトレジストのうち露光された部分１８をめっき型１９として形成する。

第３の金属層を形成する工程（Ｓ１５）では、図８に示すように、めっき型１９の開口部に所望とする厚みまで、電気めっきによりニッケルめっき層を形成することにより第３の金属層２０を形成する。このとき、電気めっきは、第１の金属層１１より成長を開始し、第１のフォトレジスト層のうち露光された部分１３の上方まで達した後、第２の金属層１６に接続する。その後、さらに電気めっきは基板に平行な状態で成長を続ける。所望の厚みまで、めっきが成長した時点で、電気めっきを終了し、表面状態や厚みの精度等必要に応じて、表面を研磨し、調整する。これにより、ニッケルからなる第３の金属層２０を形成する。

フォトレジスト層を除去する工程（Ｓ１６）では、図９に示すように、めっき型１９を除去する。これにより、本発明の加速度センサの基本的形状が形成する。

第１の金属層の露出部をエッチングする工程（１７）では、図１０に示したように、第１の金属層１１と第２の金属層１６とをエッチングにより除去する。この際、固定電極配線２、可動電極配線３やニッケルからなる第３の金属層２０を侵さない薬液をエッチング液として用いる。

第４の金属層を形成する工程（Ｓ１８）では、図１１に示すように、第３の金属層２０の下部に残っている第１の金属層１１の断面が現れている部分をはじめとして、露出している金属部表面の一部または全体に無電解めっき法により第４の金属層２３を形成する。無電解めっきには、ニッケル、金およびこれらの合金めっきを用いる。無電解めっきとして、ニッケルまたはニッケル合金めっきを用いる場合、第３の金属層にニッケルを用いているので、無電解めっきはニッケルの自己触媒作用により析出し、一部表面に現れている銅表面にも同時に析出するが、析出が不十分な場合には、置換型パラジウム触媒をニッケルおよび銅の表面に付着せしめ、その後、無電解ニッケルめっきを施しても良い。また、より信頼性を高める場合には、無電解金めっきを直接、もしくは、無電解ニッケルめっきを施した後に施しても良い。この場合、加速度センサの金属部はすべて金により覆われることになるので、電気的な特性に非常に優れたものとなる。また、作製された加速度センサは、基板１を除きすべて金属からなっており、強度、信頼性の点で各段に優れている。

このように、本発明に係る加速度センサの製造方法を適用することにより、シリコンやシリコン化合物のように脆性を有する材料を使うことなく、強度が高い金属材料で加速度センサを提供できる。また、加速度センサを製造する方法を高額な設備や危険なガス、薬品等を使うことが無いので、比較的安全な方法で、かつ、安価に提供できる。

本発明に係る加速度センサの上方および断面方向から示した図である。本発明の実施形態に係る加速度センサを作製するための製造方法を示すフロー図である。本発明の実施形態に係る加速度センサを作製するための製造方法のうち、基板上に配線を形成する工程を示す説明図である。本発明の実施形態に係る加速度センサを作製するための製造方法のうち、第１の金属層を形成する工程を示す図である。本発明の実施形態に係る加速度センサを作製するための製造方法のうち、第１のフォトレジスト層を形成し、露光する工程を示す図である。本発明の実施形態に係る加速度センサを作製するための製造方法のうち、第２の金属層を形成する工程を示す図である。本発明の実施形態に係る加速度センサを作製するための製造方法のうち、第２のフォトレジスト層を形成し、露光と現像する工程を示す図である。本発明の実施形態に係る加速度センサを作製するための製造方法のうち、第３の金属層を形成する工程を示す図である。本発明の実施形態に係る加速度センサを作製するための製造方法のうち、フォトレジスト層を除去する工程を示す図である。本発明の実施形態に係る加速度センサを作製するための製造方法のうち、第１の金属層の露出部をエッチングする工程を示す図である。本発明の実施形態に係る加速度センサを作製するための製造方法のうち、第４の金属層を形成する工程を示す図である。

符号の説明

１基板
２固定電極配線
３可動電極配線
４、２１固定電極
５梁
６可動電極
７シリコン基板
８、１４金属膜
９、１５フォトレジスト層
１０配線が施された基板
１１第１の金属層
１２第１のフォトレジスト層
１３第１のフォトレジストのうち露光された部分
１６第２の金属層
１７第２のフォトレジスト層
１８第１および第２のフォトレジスト層のうち露光された部分
１９めっき型
２０第３の金属層
２２梁が一体となった可動電極
２３第４の金属層

Claims

間隙を挟んで対向する固定電極および可動電極を備え、加速度による可動電極の動きにより生じるこれらの電極間隙の距離変化に伴う静電容量の変化を検出することによって加速度を測定するものであり、前記固定電極および可動電極が基板の表面に対して垂直方向に形成された容量型加速度センサの製造方法であって、
少なくとも一表面が電気的絶縁を有する基板の表面に電気的接続配線を形成する工程と、
前記電気的接続配線が形成された前記基板の表面に第１の金属層を形成する工程と、
前記第１の金属層の表面に第１のフォトレジスト層を形成し露光する工程と、
前記第１のフォトレジスト層の露光部の表面の一部または全体に第２の金属層を形成する工程と、
前記第２の金属層が形成された前記基板の表面に第２のフォトレジスト層を形成し露光を行い第１および第２のフォトレジスト層を現像する工程と、
前記第１および第２のフォトレジスト層の開口部に湿式めっき法により第３の金属層を形成する工程と、
前記第１および第２のフォトレジスト層を除去する工程と、
前記第１および第２の金属層のうち、露出部をエッチング除去する工程と、を備えていることを特徴とする加速度センサの製造方法。
前記露出部をエッチング除去した後、前記電気的接続配線と、前記第３の金属層と、前記第１の金属層の端面露出部の全部もしくは一部とを無電解めっき法によりメタライズする工程をさらに備えていることを特徴とする請求項１記載の加速度センサの製造方法。
請求項１または２記載の加速度センサの製造方法によって製造されたことを特徴とする加速度センサ。