JP5444783B2

JP5444783B2 - 微小デバイス

Info

Publication number: JP5444783B2
Application number: JP2009077639A
Authority: JP
Inventors: 和夫江田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2009-03-26
Filing date: 2009-03-26
Publication date: 2014-03-19
Anticipated expiration: 2029-03-26
Also published as: JP2010232385A

Description

本願発明は、例えば加速度センサやジャイロセンサなどの微小デバイスに関するものである。

特開平７−１９３２５６号公報（特許文献１）には、半導体加速度センサが開示されている。この加速度センサは、図６に示されるように、支持部６１と肉薄部６２と可動部６３とピエゾ抵抗６４とを備えるシリコン基板６５と、凹部６６内に形成され、可動部６３に対向する電極６７を有するガラス台座６８と、を備え、シリコン基板６５とガラス台座６８とが陽極接合される。この陽極接合の際、ガラス台座６８の部分６９で電極６７とシリコン基板６５の電極取り出し部７０とが接触し、この電極６７と電極取り出し部７０の接続部において、電極６７の膜厚を載りこえて電極取り出し部７０がガラス台座６８と陽極接合されることになる。
上述の加速度センサによると加速度センサの小型化、製造工程の簡略化、製造工程数の低減を達成することができるとされている。

特開平７−１９３２５６号公報

しかしながら、上記従来例である加速度センサにあっては、電極６７がガラス台座６８のシリコン基板６５と陽極接合される領域より突出した構造であり、接合後も電極６７を挟んだ接合部分に局所的な残留応力が発生し、加速度センサの特性に悪影響を及ぼしたり、接合時の圧接力不足による電極６７と電極取り出し部７０との接合不良や電気的接続不良が発生しやすい構造となっている。

本願発明は、上記背景技術に鑑みて発明されたものであり、その課題は、金属部材同士の接触が良好であり信頼性の高い構造を備える微小デバイスを提供することである。

上記課題を解決するために、本願請求項１記載の発明では、半導体基板を用いて形成されセンサ部を備えるセンサ基板と、センサ基板の一表面側に接合されるカバー基板とを備え、センサ基板の一表面側の所定箇所はセンサ部の一部であり、一表面側において前記所定箇所以外の箇所に第１の接続用金属層が形成され、前記所定箇所および第１の接続用金属層を囲む所定領域を第１の接合用領域となし、カバー基板のセンサ基板側の表面には第１の接続用金属層に対向する位置に第２の接続用金属層が形成され、カバー基板のセンサ基板側の表面において第１の接合用領域に対向する位置を第２の接合用領域となし、第１の接続用金属層と第２の接続用金属層とが共晶結合され電気的に接続されるとともに、第１の接合用領域と第２の接合用領域が接合され、センサ部が閉塞されるようにセンサ基板とカバー基板とが接合されてなるようにしている。

又、本願請求項２記載の発明では、上記請求項１記載の微小デバイスにおいて、カバー基板はガラス基板からなり第１の接合用領域と第２の接合用領域とは陽極接合により接合されることを特徴としている。
又、本願請求項３記載の発明では、上記請求項１記載の微小デバイスにおいて、カバー基板は半導体基板からなり第１の接合用領域と第２の接合用領域とは表面活性化接合により接合されることを特徴としている。
又、本願請求項４記載の発明では、上記請求項１記載の微小デバイスにおいて、センサ基板の第１の接合用領域またはカバー基板の第２の接合用領域の一方には接合用樹脂層が形成されており、接合用樹脂層を介して第１の接合用領域と第２の接合用領域とは接合されることを特徴としている。
又、本願請求項５記載の発明では、上記請求項１乃至４のいずれか一項に記載の微小デバイスの製造方法において、センサ基板またはカバー基板の一方に凹部を設け、この凹部の底部に第１または第２の接続用金属層を形成し、他方のセンサ基板またはカバー基板に第１または第２の接続用金属層を形成する工程と、凹部の深さより第１の接続用金属層の厚みと第２の接続用金属層の厚みとを合わせた厚みが大きくなるように第１の接続用金属層および第２の接続用金属層は形成されており、第１の接続用金属層および第２の接続用金属層を溶融させて凹部に収まるようになして第１の接続用金属層と第２の接続用金属層とを共晶結合させる工程と、を備えることを特徴としている。
又、本願請求項６記載の発明では、上記請求項５記載の微小デバイスの製造方法において、第１又は第２の接続用金属層の少なくとも一方には、その厚さを保持して体積が少なくなるように空所が形成されていることを特徴としている。

本願請求項１記載の発明の微小デバイスにおいては、第１の接続用金属層と第２の接続用金属層とが共晶結合され電気的に接続されるとともに、第１の接合用領域と第２の接合用領域が接合され、センサ部が閉塞されるようにセンサ基板とカバー基板とが接合されるので、第１の接続用金属層と第２の接続用金属層とを共晶結合させる際に、第１の接続用金属層および第２の接続用金属層を溶融させることによって第１の接続用金属層および第２の接続用金属層の応力を低減させて第１の接続用金属層と第２の接続用金属層との接合不良や電気的接続不良を低減させる信頼性の高い微小デバイスを提供することができる。

又、本願請求項２記載の発明の微小デバイスにおいては、特に、カバー基板はガラス基板からなり第１の接合用領域と第２の接合用領域とは陽極接合により接合されるので、陽極接合によりセンサ基板とカバー基板とを容易に接合させることができる。

又、本願請求項３記載の発明の微小デバイスにおいては、特に、カバー基板は半導体基板からなり第１の接合用領域と第２の接合用領域とは表面活性化接合により接合されるので、熱を加えることなくセンサ基板とカバー基板とを接合させることができ、センサ基板またはカバー基板に熱による応力が加わることを防ぐことができる。

又、本願請求項４記載の発明の微小デバイスにおいては、特に、センサ基板の第１の接合用領域またはカバー基板の第２の接合用領域の一方には接合用樹脂層が形成されており、接合用樹脂層を介して第１の接合用領域と第２の接合用領域とは接合されるので、強固にカバー基板とセンサ基板とを接合させることができる。
又、本願請求項５記載の発明の微小デバイスにおいては、特に、センサ基板またはカバー基板の一方に凹部を設け、この凹部の底部に第１または第２の接続用金属層を形成し、他方のセンサ基板またはカバー基板に第１または第２の接続用金属層を形成する工程と、凹部の深さより第１の接続用金属層の厚みと第２の接続用金属層の厚みとを合わせた厚みが大きくなるように第１の接続用金属層および第２の接続用金属層は形成されており、第１の接続用金属層および第２の接続用金属層を溶融させて凹部に収まるようになして第１の接続用金属層と第２の接続用金属層とを共晶結合させる工程と、を備えるので、第１および第２の接続用金属層を凹部内で溶融し押し広げながら共晶結合させることができる。
又、本願請求項６記載の発明の微小デバイスにおいては、特に、第１又は第２の接続用金属層の少なくとも一方には、その厚さを保持して体積が少なくなるように空所が形成されているので、第１又は第２の接続用金属層の厚みが大きく体積を小さくすることができ、溶融した際に凹部内に収まるようにすることができる。

本願発明の実施形態における加速度センサのセンサ基板を示し、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａの概略断面図である。本願発明の実施形態における加速度センサのカバー基板を示し、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂの概略断面図である。本願発明の実施形態における加速度センサのベース基板を示し、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃの概略断面図である。本願発明の実施形態における加速度センサを示し、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄの概略断面図である。本願発明の第３の実施形態における加速度センサのベース基板を示し、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＥ−Ｅの概略断面図である。従来例である加速度センサを示す説明図である。

本願発明の微小デバイスは、加速度センサ、ジャイロセンサ、アクチュエータ、赤外線センサなどであり、以下の各実施形態では、微小デバイスとして静電容量型の加速度センサを用いて説明するが、微小デバイスが静電容量型の加速度センサに限定される趣旨ではない。

本願発明の第１の実施形態について説明する。本実施形態の加速度センサは、図１に示すように半導体基板（シリコン基板）１０を用いて形成されたセンサ基板１と、図２に示すように第１の基板（ガラス基板）２０を用いて形成されたカバー基板２と、図３に示すように第２の基板（ガラス基板）３０を用いて形成されたベース基板３とで概略構成され。カバー基板２は、センサ基板１の一表面側（図４（ｂ）における上面側）に封着され、ベース基板３は、センサ基板１の他表面側（図４（ｂ）における下面側）に封着される。
ここにおいて、センサ基板１、カバー基板２およびベース基板３の外周形状は矩形状であり、カバー基板２およびベース基板３はセンサ基板１と同じ外形寸法に形成されている。

加速度センサ本体を構成するセンサ基板１は、枠状（本実施形態では、矩形枠状）のフレーム部１１の内側に配置される重り部１２が前記一表面側において可撓性を有する薄肉の撓み部１３を介してフレーム部１１に揺動自在に支持されており、重り部１２がカバー基板２に設けられた固定電極２１に対向する可動電極を兼ねている。すなわち、重り部１２および撓み部１３がセンサ部を構成している。ここにおいて、重り部１２の周囲には撓み部１３を除いてフレーム部１１との間にスリット１４が形成されている。また、スリット１４は異なる２箇所からフレーム部１１を横断して、半導体基板１０の端まで延設されており、スリット１４によりフレーム１１は、それぞれ独立した第１のフレーム部１１ａおよび第２のフレーム部１１ｂに分断されている。また、センサ基板１の重り部１２および撓み部１３の前記一表面側の表面全体が同一厚さで２μｍ凹むように形成されている。

また、センサ基板１は、前記一表面側において第２のフレーム部１１ｂ上に、凹部１５が形成されている。この凹部１５の形状は一辺の長さが１００μｍの正方形であり、深さが２μｍである。凹部１５の底部には第１の接続用金属層１６が形成されている。第１の接続用金属層１６はＡｕＳｎからなり、その形状は一辺が７０μｍの正方形で、その厚みは１．２μｍである。ここで、第１の接続用金属層１６は、ＡｕＳｎのスパッタリング工程、フォトリソ工程、ＡｕＳｎエッチング工程、を経て形成される。
また、センサ基板１は、前記一表面側において第１のフレーム部１１ａ上には、ＡｕＳｎからなる第１の外部電極用金属層１７が、第２のフレーム部１１ｂ上には第２の外部電極用金属層１８が、第１の接続用金属層１６と同様の工程を経て形成されており、拡散配線等により第１の外部電極用金属層１７は、上述の可動電極に電気的に接続されている。
カバー基板２は、平板状の形状であり、カバー基板２のセンサ基板１側（図４（ｂ）における下面側）の表面には、センサ基板１の可動電極に対向する位置に上述の固定電極２１が設けられ、センサ基板１の第１の接続用金属層１６に対向する位置には第２の接続用金属層２６が設けられている。さらに、センサ基板１側の表面には固定電極２１と第２の接続用金属層２６を連結する長尺の連結用金属層２２が設けられている。固定電極２１と第２の接続用金属層２６と連結用金属層２２はＡｕ／Ｔｉのスパッタリング工程、フォトリソ工程、Ａｕ／Ｔｉエッチング工程、を経て一体に形成される。固定電極２１は可動電極たる重り部１２に対向するように重り部１２と略同一の平面形状を備え、第２の接続用金属層２６は第１の接続用金属層１６に対向するように第１の接続用金属層１６と略同一の平面形状を備えている。すなわち第２の接続用金属層２６の形状は一辺が７０μｍの正方形になるように形成されている。また、第２の接続用金属層２６と固定電極２１と連結用金属層２２とは、その厚みが１μｍになるように形成されている。ここにおいて、センサ基板１の重り部１２および撓み部１３の前記一表面側の表面全体が同一厚さで２μｍ凹むように形成されているので、重り部１２に対向して設けられた固定電極２１とセンサ基板１の重り部１２および撓み部１３とで構成されるセンサ部との間にセンサ部が変位する変位空間が形成されている。
また、カバー基板２には、センサ基板１に設けられた、第１の外部電極用金属層１７に対向する位置に第１の貫通孔２７が、第２の外部電極用金属層１８に対向する位置に第２の貫通孔２８が形成されている。

ベース基板３には、センサ基板１側の表面（図４（ｂ）における上面側）である一表面において、外周部が突出した凸部３１が形成されている。すなわち凸部３１の内側が凸部３１より凹んだ凹所３２であり、この凹所３２によりセンサ基板１の重り部１２および撓み部１３とで構成されるセンサ部が変位する変位空間が形成されている。

次に、上述したセンサ基板１とカバー基板２とのを接合方法について説明する。まず、センサ基板１とカバー基板２の外周を合わせるように位置調整を行う。このとき、可動電極と固定電極２１とが対向し、第１の接続用金属層１６と第２の接続用金属層２６とが対向している。また、カバー基板２に設けられた第１の貫通孔２７からセンサ基板１に設けられた第１の外部電極用金属層１７が露出し、カバー基板２に設けられた第２の貫通孔２８からセンサ基板１に設けられた第２の外部電極用金属層１８が露出する構成となっている。

次に、これらのセンサ基板１およびカバー基板２をチャンバー内に設置し、チャンバーを真空排気し気圧を１０^−５Ｔｏｒｒとし、その後、チャンバー内の温度を４４０℃に昇温させ、温度安定後にセンサ基板１およびカバー基板２に１０００ｋｇｆ／ｃｍ^２程度の圧力を加えて第１の接続用金属層１６と第２の接続用金属層２６とを共晶結合させる。さらに、カバー基板２に−６００Ｖをセンサ基板１に０Ｖを印加することによって、センサ基板１の前記一表面側とカバー基板２のセンサ基板１側の表面とを陽極接合させる。また、ベース基板３とセンサ基板１とは、ベース基板３に−６００Ｖをセンサ基板に０Ｖを印加することによって、センサ基板１の前記他表面側におけるフレーム部１１とベース基板３のセンサ基板２側の表面における凸部３１とを陽極接合させる。
ここで、センサ基板１の前記一表面側の陽極接合される領域は、フレーム部１１に形成された凹部１５と第１の外部電極用金属層１７と第２の外部電極用金属層１８とを除く領域であり、この第１の接合用領域とカバー基板２のセンサ基板１側の表面において前記第１の接合領域と対向する領域である第２の接合用領域とが陽極接合される。

ところで、センサ基板１に設けられた凹部１５に形成された第１の接続用金属層１６の厚みは１．２μｍであり、カバー基板２に形成された第２の接続用金属層２６の厚みは１μｍとなっている。センサ基板１に設けられた凹部１５の深さは２μｍであるので、第１の接続用金属層１６の厚みと第２の接続用金属層２６の厚みとを合わせた厚みが凹部１５の深さより大きい構成となっており、前記第１の接合領域と第２の接合領域が当接しない構成となっているが、これらの第１の接続用金属層１６と第２の接続用金属層２６とは共晶結合の際に溶融し、凹部１５に収まるので、前記第１の接合領域と第２の接合領域とを陽極接合させることができる。なお、本実施形態では、凹部１５はセンサ基板１に形成したが、カバー基板２に形成してもよく、また、センサ基板１およびカバー基板２の両方に形成してもよい。この場合においても、第１の接続用金属層１６の厚みと第２の接続用金属層２６の厚みとを合わせた厚みが凹部１５の深さより大きくなるように、凹部１５、第１の接続用金属層１６および第２の接続用金属層２６を形成する必要がある。

したがって、本実施形態の加速度センサおよび加速度センサの製造方法によれば、凹部１５の深さより第１の接続用金属層１６の厚みと第２の接続用金属層２６の厚みとを合わせた厚みが大きいので、確実に第１の接続用金属層１６および第２の接続用金属層２６を当接させ凹部１５内で溶融し押し広げながら共晶結合させることができ、第１の接続用金属層１６および第２の接続用金属層２６の応力を低減させて第１の接続用金属層１６と第２の接続用金属層２６との接合不良や電気的接続不良を低減させる信頼性の高い加速度センサを提供することができる。ここで、第１の接続用金属層１６又は第２の接続用金属層２６の少なくとも一方には、その厚さを保持して体積が小さくなるように空所を形成しておき、溶融した第１の接続用金属層１６および第２の接続用金属層２６が凹部１５に収まるようにしておいてもよい。

また、第１の接合用領域と第２の接合用領域とは陽極接合により接合されるので、陽極接合によりセンサ基板１とカバー基板２とを容易に接合させることができる。

次に、本願発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態の加速度センサでは、カバー基板２およびベース基板３の構成と、センサ基板１とカバー基板２と接合方法およびセンサ基板１とベース基板３との接合方法と、が第１の実施形態と異なっている。なお、本実施形態の加速度センサの他の構成については、第１の実施形態と同様である。よって、同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態のカバー基板２は第１の基板（シリコン基板）２０を用いて形成され、ベース基板３は第２の基板（シリコン基板）３０を用いて形成されている。
次に、センサ基板１とカバー基板２とのを接合方法について説明する。まず、センサ基板１とカバー基板２の外周を合わせるように位置調整を行う。次に、これらのセンサ基板１およびカバー基板２をチャンバー内に設置し、チャンバーを真空排気し気圧を１０^−５Ｔｏｒｒとし、その後、チャンバー内の温度を４４０℃に昇温させ、温度安定後に、センサ基板１の第１の接合領域とカバー基板２の第２の接合領域とにＡｒビームを照射し第１の接合領域と第２の接合領域とを活性化させ、センサ基板１およびカバー基板２に１０００ｋｇｆ／ｃｍ^２程度の圧力を加えて第１の接続用金属層１６と第２の接続用金属層２６とを共晶結合させるとともに、第１の接合領域と第２の接合領域との表面活性化接合させる。この共晶結合および表面活性化接合は同時に行われる。また、ベース基板３とセンサ基板１とは、ベース基板３の凸部３１と、センサ基板１の前記他表面側におけるフレーム部１１とにＡｒビームを照射させ表面活性化接合させる。
したがって、本実施形態の加速度センサおよび加速度センサの製造方法によれば、第１の接合用領域１６と第２の接合用領域２６とは表面活性化接合により接合されるので、熱を加えることなくセンサ基板１とカバー基板２とを接合させることができ、センサ基板１またはカバー基板２に熱による応力が加わることを防ぐことができる。

次に、本願発明の第３の実施形態について説明する。本実施形態の加速度センサでは、カバー基板２およびベース基板３の構成と、センサ基板１とカバー基板２と接合方法およびセンサ基板１とベース基板３との接合方法と、が第１の実施形態と異なっている。なお、本実施形態の加速度センサの他の構成については、第１の実施形態と同様である。よって、同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態のカバー基板２は第１の基板（シリコン基板またはガラス基板）２０を用いて形成され、ベース基板３は第２の基板（シリコン基板またはガラス基板）３０を用いて形成されている。

本実施形態のカバー基板２は図５に示されるように、第２の接合用領域に数μｍの厚さを有する接合用樹脂層２３が形成されている。また、本実施形態のカバー基板２に形成された第２の接続用金属層２６、固定電極２１および連結用金属層２２の平面形状は第１の実施形態と同様であるが、その厚みは、接合用樹脂層２３の厚みと１μｍの厚みを合わせた厚みを有している。すなわち第２の接続用金属層２６、固定電極２１および連結用金属層２２は接合用樹脂層２３より１μｍ突出した厚みを有している。
次に、センサ基板１とカバー基板２との接合方法について説明する。まず、センサ基板１とカバー基板２の外周を合わせるように位置調整を行う。次に、これらのセンサ基板１およびカバー基板２をチャンバー内に設置し、チャンバーを真空排気し気圧を１０^−５Ｔｏｒｒとし、その後、チャンバー内の温度を４４０℃に昇温させ、温度安定後に、センサ基板１およびカバー基板２に１０００ｋｇｆ／ｃｍ^２程度の圧力を加えて第１の接続用金属層１５と第２の接続用金属層２５とを共晶結合させるとともに接合用樹脂層２３を介してセンサ基板１の第１の接合用領域とカバー基板２の第２の接合用領域とを接合させる。また、ベース基板３とセンサ基板１とは、ベース基板３の凸部３１に接合用樹脂層を形成しておき、この接合用樹脂層を介して接合される。
したがって、本実施形態の加速度センサおよび加速度センサの製造方法によれば、接合用樹脂層２３を介して第１の接合用領域と第２の接合用領域とは接合されるので、強固にカバー基板２とセンサ基板１とを接合させることができる。

１センサ基板
２カバー基板
３ベース基板
１０半導体基板
１１フレーム部
１２重り部
１３撓み部
１４スリット
１５凹部
１６第１の接続用金属層
１７第１の外部電極用金属層
１８第２の外部電極用金属層
２０第１の基板
２１固定電極
２２連結用金属層
２６第２の接続用金属層
２７第１の貫通孔
２８第２の貫通孔
３０第２の基板
３１凸部
３２凹所

Claims

半導体基板を用いて形成されセンサ部を備えるセンサ基板と、センサ基板の一表面側に接合されるカバー基板と、を備え、センサ基板の一表面側の所定箇所はセンサ部の一部であり、前記一表面側において前記所定箇所以外の箇所に第１の金属層が形成され、前記カバー基板のセンサ基板側の表面には前記第１の金属層に対向する位置に第２の金属層が形成され、前記第１の金属層は、前記センサ基板に設けられた凹部に設けられ、前記第１の金属層の外周がその全周に渡って前記凹部の内側面から離隔する微小デバイス。
カバー基板と前記半導体基板とは陽極接合により接合されることを特徴とした請求項１記載の微小デバイス。
カバー基板は半導体基板からなり、前記カバー基板と前記半導体基板とは表面活性化接合により接合されることを特徴とした請求項１記載の微小デバイス。
前記センサ基板と前記カバー基板とは接合用樹脂層を介して接合されることを特徴とした請求項１記載の微小デバイス。