JP5293010B2 - 力学量センサおよび積層体の製造方法 - Google Patents
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Description
このとき,フォトレジストをマスクとして金属材料をエッチングすることで,電極が形成される(例えば,特許文献2参照)。フォトレジストをパターニングすることで,マスクが形成され,金属材料のエッチング後に,フォトレジストが除去される。
図1は,本発明の一実施形態に係る力学量センサ100を分解した状態を表す分解斜視図である。力学量センサ100は,互いに積層して配置される構造体110,接合部120,構造体130,及び基体140,基体150を有する。
構造体110,接合部120,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,力学量センサ100は,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。構造体110,構造体130を構成するシリコンには,全体に例えばボロン等の不純物が含まれる導体材料を使用することが好ましい。後述するように,構造体110,構造体130を不純物が含まれるシリコンで構成することにより,力学量センサ100の配線を簡略化できる。本実施の形態では,構造体110及び構造体130に不純物が含まれるシリコンを使用している。
枠部131aは,外周,内周が共に略正方形の枠形状の基板であり,固定部111の枠部111aと対応した形状を有する。
突出部131bは,枠部131aの内周のコーナー部に配置され,重量部132bに向かって(X−Y平面のX方向を0°としたとき,0°方向に)突出する略正方形の基板であり,固定部111の突出部111bと対応した形状を有する。
台座131は,接合部120によって固定部111,及び接続部113a〜113dの所定の領域と接続される。
なお,接合部121,122,123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。
導通部160は,固定部111と台座131とを導通するものであり,固定部111の突出部111b及び接合部121を貫通している。
導通部161は,変位部112と重量部132とを導通するものであり,変位部112a及び接合部122を貫通している。
導通部162は,ブロック上層部114a,114b,114e,114f,114iとブロック下層部134a,134b,134e,134f,134iとをそれぞれ導通するものであり,ブロック上層部114a,114b,114e,114f,114i及び接合部123をそれぞれ貫通している。
導通部160〜162は,例えば,貫通孔の縁,壁面及び底部にAlのような金属層が形成されたものである。なお,貫通孔の形状は特に制限されないが,Al等のスパッタ等により金属層を効果的に形成できるため,導通部160〜162の貫通孔を上広の錐状の形状にすることが好ましい。
底板部142は,外周が枠部141と略同一の略正方形の基板形状である。
基体140に凹部143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。変位部112以外の構造体110,すなわち固定部111及びブロック上層部114a〜114jは,基体140と,例えば陽極接合によって接合される。陽極接合のために基体140の材料として,パイレックス(登録商標)ガラスなどの可動イオンを含むガラス材料を用いる。
なお,基体140は絶縁性材料を共晶接合などの方法により接合することも可能である。
重量部132以外の構造体130,すなわち台座131及びブロック下層部134a〜134jは,基体150と,陽極接合によって接合される。重量部132は,台座131及びブロック下層部134a〜134jよりも高さが低いため,基体150と接合されない。重量部132と基体150との間に間隙(ギャップ)を確保し,重量部132の変位を可能にするためである。
検出用電極154bには,ブロック下層部134cの裏面と電気的に接続される配線層L8,検出用電極154cには,ブロック下層部134dの裏面と電気的に接続される配線層L9,検出用電極154dには,ブロック下層部134gの裏面と電気的に接続される配線層L10,検出用電極154eには,ブロック下層部134hの裏面と電気的に接続される配線層L11がそれぞれ接続されている。
なお,図1〜図10では,構造体110,接合部120,構造体130の見やすさを考慮して,基体150が下に配置されるように図示している。配線用端子Tと外部回路とを,例えばワイヤボンディングで接続する場合には,力学量センサ100の基体150を例えば上になるように配置して容易に接続することができる。
力学量センサ100の配線,及び電極について説明する。
図11は,図9に示す力学量センサ100における6組の容量素子を示す断面図である。図11では,電極として機能する部分をハッチングで示している。なお,図11では6組の容量素子を図示しているが,前述したように力学量センサ100には,10組の容量素子が形成される。
10組の容量素子の一方の電極は,基体140に形成された駆動用電極144a,検出用電極144b〜144e,及び基体150に形成された駆動電極154a,検出用電極154b〜154eである。
もう一方の電極は,変位部112aの上面の駆動用電極E1,変位部112b〜112eの上面にそれぞれ形成された検出用電極E1,重量部132aの下面の駆動用電極E1,及び重量部132b〜132eの下面にそれぞれ形成された検出用電極E1である。すなわち,変位部112及び重量部132を接合した構造体は,10組の容量性結合の共通電極として機能する。構造体110及び構造体130は,導体材料(不純物が含まれるシリコン)から構成されているため,変位部112及び重量部132を接合した構造体は,電極として機能することができる。
(1)変位部112の振動
駆動用電極144a,E1間に電圧を印加すると,クーロン力によって駆動用電極144a,E1が互いに引き合い,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154a,E1間に電圧を印加すると,クーロン力によって駆動用電極154a,E1が互いに引き合い,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144a,E1間,駆動用電極154a,E1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)に加速度αが印加されると重量部132に力F0が作用する。具体的には,X,Y,Z軸方向それぞれの加速度αx,αy,αzに応じて,X,Y,Z軸方向の力F0x(=m・αx),F0y(=m・αy),F0z(=m・αz)が重量部132に作用する(mは,重量部132の質量)。その結果,変位部112にX,Y方向への傾き,およびZ方向への変位が生じる。このように,加速度αx,αy,αzによって変位部112にX,Y,Z方向の傾き(変位)が生じる。
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)。
以上のように,加速度αおよび角速度ωによって,変位部112の変位(傾き)が生じる。検出用電極144b〜144e,154b〜154eによって,変位部112の変位を検出することができる。
検出用電極144b〜144e,154b〜154e,E1から出力される信号には,加速度αx,αy,αz,角速度ωx,ωyに起因する成分の双方が含まれる。これらの成分の相違を利用して,加速度および角速度を抽出できる。
力学量センサ100の作成工程につき説明する。
図12は,力学量センサ100の作成手順の一例を表すフロー図である。また,図13A〜図13Jは,図12の作成手順における力学量センサ100の状態を表す断面図である(図1に示す力学量センサ100をC−Cで切断した断面に相当する)。図13A〜図13Jは,図10の力学量センサ100を上下逆に配置したものに対応する。
図13A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。なお,半導体基板Wは直径が150〜200mm程度であり,一枚の半導体基板Wから複数の力学量センサ100が形成される。
不純物が含まれるシリコン/酸化シリコン/不純物が含まれるシリコンという3層の積層構造をもった半導体基板Wは,不純物が含まれるシリコン基板上にシリコン酸化膜を積層した基板と,不純物が含まれるシリコン基板とを接合後,後者の不純物が含まれるシリコン基板を薄く研磨することで作成できる(いわゆるSOI基板)。
シリコンに含まれる不純物としては,例えばボロンを挙げることができる。ボロンが含まれるシリコンとしては,例えば,高濃度のボロンを含み,抵抗率が0.001〜0.01Ω・cmのものを使用できる。
第1の層11をエッチングすることにより,開口115を形成し,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115a〜115d)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13Bは,第1の層11に対して,上述のようなエッチングを行い,構造体110を形成した状態を示す。このとき,ブロック上層部114が画定される。
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,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構造体110や第3の層13に浸食が及ばないようにするために必要な条件である。
導通部160〜162の形成は,次のa,bのようにして行われる。
a.錐状貫通孔の形成
構造体110及び第2の層12の所定の箇所をウエットエッチングし,第2の層12まで貫通するような錘状貫通孔を形成する。エッチング液としては,構造体110のエッチングでは,例えば,20%TMAH(水酸化テトラメチルアンモニウム)を用いることができ,第2の層12のエッチングでは,例えば,バッファド弗酸(例えば,HF=5.5wt%,NH4F=20wt%の混合水溶液)を用いることができる。
構造体110の上面及び錐状貫通孔内に,例えばAlを蒸着法やスパッタ法等により堆積させて,導通部160〜162を形成する。構造体110の上面に堆積した不要な金属層(導通部160〜162の上端の縁(図示せず)の外側の金属層)はエッチングで除去する。
1)基体140の作成
絶縁性材料からなる基板(Naイオンなどの可動イオンを含むガラス基板,例えば,パイレックス(登録商標)ガラス)をエッチングして凹部143を形成し,駆動用電極144a,検出用電極144b〜144e,及び配線層L1,L4〜L7を所定の位置に形成する。なお,ガラスが可動イオンを含むのは,後の陽極接合のためである。
半導体基板Wと基体140とを,陽極接合により接合する。
構造体130の作成前に基体140を陽極接合している。重量部132を形成する前に,基体140を陽極接合しているので,接続部113a〜113dには厚みの薄い領域が存在せず可撓性を有していないため,半導体基板Wと基体140の接合時には静電引力が生じても変位部112は基体140に引き寄せられることはない。しかし,後述する基体150との陽極接合時には変位部112は接続部113により可動支持されており,基体140側に引き寄せられる可能性がある。
図13Eは,半導体基板Wと基体140とを接合した状態を示す。
構造体130の形成は,次のa,bのようにして行われる。
a.ギャップ10の形成(図13F)
第3の層13の上面に,重量部132の形成領域及びその近傍を除いてレジスト層を形成し,このレジスト層で覆われていない露出部分(重量部132の形成領域及びその近傍)を垂直下方へと侵食させる。この結果,重量部の形成される領域の上部に重量部132の変位を可能とするためのギャップ10が形成される。
ギャップ10が形成された第3の層13をエッチングすることにより,開口133,ブロック下層部134a〜134j,及びポケット135を形成し,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,厚み方向へのエッチングを行う。
図13Gは,第3の層13に対して,上述のようなエッチングを行い,構造体130を形成した状態を示す。このとき,ブロック下層部134が画定されるとともに,ブロックa〜iが形成される。
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。
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。
a.基体150の作成
絶縁性材料からなる基板(Naイオンなどの可動イオンを含むガラス基板,例えば,パイレックス(登録商標)ガラス)に,駆動用電極154a,検出用電極154b〜154e,及び配線層L2,L8〜L11を所定の位置に形成する。また,基体150をエッチングすることにより,配線用端子T1〜T11を形成するための上広の錐状貫通孔11を所定の箇所に11個形成する。なお,ガラスが可動イオンを含むのは,後の陽極接合のためである。
ポケット135にゲッター材料(サエスゲッターズジャパン社製,商品名 非蒸発ゲッター)を入れて,基体150と半導体基板Wとを,陽極接合により接合する。
図13Hは,半導体基板Wと基体150とを接合した状態を示す。
基体150の上面及び錐状貫通孔11内に,例えばCr層,Au層の順に金属層を蒸着法やスパッタ法等により形成する。不要な金属層(配線用端子Tの上端の縁の外側の金属層)をエッチングにより除去し,配線用端子T1〜T11を形成する。
例えば,450℃の熱処理によってポケット135中のゲッター材料を活性化した後,互いに接合された半導体基板W,基体140,及び基体150にダイシングソー等で切れ込みを入れて,個々の力学量センサ100に分離する。
以下,基体140,150への駆動用電極144a等(駆動用電極144a,検出用電極144b〜144e,及び配線層L1,L4〜L7),駆動用電極154a等(駆動用電極154a,検出用電極154b〜154e,及び配線層L2,L8〜L11)の形成工程の詳細を説明する。
基板SUB(基体140,150)上に,導体層C1〜C3を順に形成する。導体層C1〜C3の形成には,蒸着法,スパッタ法,イオンプレーティング法,MO―CVD法などを用いることができる。後述のように,導体層C1〜C3はそれぞれエッチング材料M1〜M3によってエッチングされる。
選択比(エッチングレートの比)は高い方が好ましい,十分なマスク性能を得るためには3倍以上であることが求められる。選択比が3倍未満であると,導体層C1のエッチング中に導体層C2の膜厚が減少し,導体層C2にピンホールなどが生じる可能性がある。
導体層C1,C3には実質的に同一性の高い材料,例えば,同一の材料(Al,Cu,Agの少なくともいずれか)を主材とする導体材料を用いることができる。具体的には,純Al,Al−Si,Al−Cu,Al−Nd,Al−Si−Cu等のAl合金,Cu,Agを用いることができる。導体層C1,C3には,添加物そのもの,あるいはその量が異なる材料を利用できる。例えば,導体層C1,C3に,純AlとAl−Nd合金の組み合わせ,Al−Nd合金とAl−Siの組み合わせ,Al−Nd合金とAl−Cu合金の組み合わせを用いることができる。
導体層C3を導体層C1より薄くすることで,導体層C3を除去するときに,導体層C1にアンダーカットが生じることが防止される。なお,この詳細は後述する。
第3の金属層C3上にレジストなどでマスク(図示せず)を形成し,該マスクをエッチングマスクとして,エッチング材料M3によって導体層C3をパターニングする。レジスト等のマスクはリムーバ(剥離液)やプラズマアッシング等で除去される。
導体層C3がAl系材料(Al,Al合金)からなる場合,ウェットエッチングあるいはドライエッチングによりエッチングを行う。ドライエッチングの場合,エッチングガスは塩素などハロゲン系ガスを用いることができる。ウェットエッチングの場合,リン酸,酢酸,硝酸の混合溶液を用いることができる。このような薬液として,例えば、和光純薬工業(株)製混酸アルミ溶液を用いることができる。
パターニングした導体層C3をエッチングマスクとして,エッチング材料M2によって導体層C2をパターニングする。導体層C2にレジストを形成する必要が無いので,導体層C2上へのレジストの残渣が低減される。
導体層C2がCrからなる場合,ウェットエッチングあるいはドライエッチングによりエッチングを行う。ドライエッチングの場合,エッチングガスは塩素と酸素の混合ガスを用いることができる。ウェットエッチングの場合,硝酸第二セリウムアンモニウムや過マンガン酸塩を含む組成のエッチング液等を用いることができる。このような薬液として,例えば,ザ・インクテック(株)製MR−E2000を用いることができる。
パターニングした導体層C2をエッチングマスクとして,エッチング材料M1によって導体層C1をパターニングする。導体層C1にレジストを形成する必要が無いので,導体層C1上へのレジストの残渣が低減される。
導体層C1がAl系材料からなる場合,ウェットエッチングあるいはドライエッチングによりエッチングを行う。ドライエッチングの場合,エッチングガスは塩素などハロゲン系ガスを用いることができる。ウェットエッチングの場合,リン酸,酢酸,硝酸の混合溶液を用いることができる。このような薬液として,例えば、和光純薬工業(株)製混酸アルミ溶液を用いることができる。
エッチング材料M3によって,導体層C3をエッチングして除去する。この結果,パターニングされた2層構造の導体層C1,C2が形成される。
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
111a 枠部
111b,111c 突出部
112(112a-112e) 変位部
113(113a-113d) 接続部
114(114a-114j) ブロック上層部
115(115a-115d) 開口
120,121,122,123 接合部
130 第2の構造体
131 台座
131a 枠部
131b〜131d 突出部
132(132a-133e) 重量部
133 開口
134(134a-134j) ブロック下層部
135 ポケット
140 基体
141 枠部
142 底板部
143 凹部
144a 駆動用電極
144b-144e 検出用電極
150 第2の基体
154a 駆動用電極
154b-154e 検出用電極
160-162 導通部
10 ギャップ
11 錘状貫通孔
L1,L2,L4-L11 配線層
T1-T11 配線用端子
E1 駆動用電極,検出用電極
Claims (4)
- 基板上に,金属をそれぞれ含む第1,第2,および第3の導体層を順に形成するステップと,
前記第3の導体層をパターニングするステップと,
前記パターニングされた第3の導体層をマスクとして,前記第2の導体層をパターニングするステップと,
前記パターニングされた第2の導体層をマスクとして,前記第1の導体層をパターニングするステップと,
前記パターニングされた第3の導体層を除去するステップと,を具備し,
前記第2の導体層の融点が前記第1の導体層の融点より高い,
積層体の製造方法。 - 基板上に,金属をそれぞれ含む第1,第2,および第3の導体層を順に形成するステップと,
前記第3の導体層をパターニングするステップと,
前記パターニングされた第3の導体層をマスクとして,前記第2の導体層をパターニングするステップと,
前記パターニングされた第2の導体層をマスクとして,前記第1の導体層をパターニングするステップと,
前記パターニングされた第3の導体層を除去するステップと,を具備し,
前記第1,第3の導体層が,Al,Cu,Agの少なくともいずれかを含み,
前記第2の導体層がCr,Ti,W,Ta,Mo,Ni,およびCo,これらの窒化物,珪化物の少なくとも何れかを含む,
積層体の製造方法。 - 第1の半導体材料からなる第1の層,絶縁性材料からなる第2の層,および導電性を有する第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の層から,開口を有する固定部と,この開口内に配置され,かつ前記固定部に対して変位する変位部と,前記固定部と前記変位部とを接続する接続部と,を有する第1の構造体を形成するステップと,
第1の電極を有し,かつ第1の絶縁性材料から構成される第1の基体を形成するステップと,
前記第1の電極が前記変位部と対向するように,前記第1の基体を前記固定部に接合するステップと,
前記第3の層から,前記変位部に接合され,かつ底面を有する重量部と,前記重量部を囲んで配置され,かつ前記固定部に接合される台座と,を有する第2の構造体を形成するステップと,
前記第2の層から,前記第1,第2の構造体を接合する接合部を形成するステップと,
第2の電極を有し,かつ第2の絶縁性材料から構成される第2の基体を形成するステップと,
前記第2の電極が前記重量部の底面と対向するように,前記第2の基体を前記台座に接合するステップと,を具備し,
前記第1,第2の基体を形成するステップの少なくともいずれかが,
前記第1,第2の絶縁材料の少なくともいずれか上に,金属をそれぞれ含む第1,第2,および第3の導体層を順に形成するステップと,
前記第3の導体層をパターニングするステップと,
前記パターニングされた第3の導体層をマスクとして,前記第2の導体層をパターニングするステップと,
前記パターニングされた第2の導体層をマスクとして,前記第1の導体層をパターニングするステップと,
前記パターニングされた第3の導体層を除去するステップと,を有し,
前記第1,第2の電極の少なくともいずれかが,前記パターニングされた第1,第2の導体層を有し,
前記第2の導体層の融点が前記第1の導体層の融点より高い,
力学量センサの製造方法。 - 第1の半導体材料からなる第1の層,絶縁性材料からなる第2の層,および導電性を有する第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の層から,開口を有する固定部と,この開口内に配置され,かつ前記固定部に対して変位する変位部と,前記固定部と前記変位部とを接続する接続部と,を有する第1の構造体を形成するステップと,
第1の電極を有し,かつ第1の絶縁性材料から構成される第1の基体を形成するステップと,
前記第1の電極が前記変位部と対向するように,前記第1の基体を前記固定部に接合するステップと,
前記第3の層から,前記変位部に接合され,かつ底面を有する重量部と,前記重量部を囲んで配置され,かつ前記固定部に接合される台座と,を有する第2の構造体を形成するステップと,
前記第2の層から,前記第1,第2の構造体を接合する接合部を形成するステップと,
第2の電極を有し,かつ第2の絶縁性材料から構成される第2の基体を形成するステップと,
前記第2の電極が前記重量部の底面と対向するように,前記第2の基体を前記台座に接合するステップと,を具備し,
前記第1,第2の基体を形成するステップの少なくともいずれかが,
前記第1,第2の絶縁材料の少なくともいずれか上に,金属をそれぞれ含む第1,第2,および第3の導体層を順に形成するステップと,
前記第3の導体層をパターニングするステップと,
前記パターニングされた第3の導体層をマスクとして,前記第2の導体層をパターニングするステップと,
前記パターニングされた第2の導体層をマスクとして,前記第1の導体層をパターニングするステップと,
前記パターニングされた第3の導体層を除去するステップと,を有し,
前記第1,第2の電極の少なくともいずれかが,前記パターニングされた第1,第2の導体層を有し,
前記第1,第3の導体層が,Al,Cu,Agの少なくともいずれかを含み,
前記第2の導体層がCr,Ti,W,Ta,Mo,Ni,およびCo,これらの窒化物,珪化物の少なくとも何れかを含む,
力学量センサの製造方法。
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