JP5622105B2 - 機能素子、機能素子の製造方法、物理量センサー及び電子機器 - Google Patents

機能素子、機能素子の製造方法、物理量センサー及び電子機器 Download PDF

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Description

本発明は、機能素子、機能素子の製造方法、物理量センサー及び電子機器に関するものである。
機能素子としては、固定配置された固定電極と、固定電極に対して間隔を隔てて対向するとともに変位可能に設けられた可動電極とを有し、固定電極と可動電極との間の静電容量に基づいて、加速度、角速度等の物理量を検出する物理量センサー素子が知られている（特許文献１、特許文献２参照）。
特許文献１、特許文献２の物理量センサー素子は、差動方式で容量検出できるように各々の櫛歯電極部が絶縁材料を充填した溝により電気的に絶縁されつつ機械的には繋がっている構造を有している。
例えば、特許文献１に記載の物理量センサー素子は、単層の半導体基板、またはＳＯＩ基板を用い、固定電極及び可動電極が、それぞれ櫛歯状をなすように並ぶ複数の電極指を有し、互いにかみ合うように配置されている。
また、特許文献１に記載の物理量センサー素子では、可動電極の隣り合う２つの電極指間に、固定電極の２つの電極指が臨むように設けられているとともに、当該固定電極の２つの電極指が互いに電気的に絶縁されている。これにより、固定電極の当該２つの電極指の一方の電極指の他方の電極指とそれに対向する可動電極の電極指との間の静電容量とを別々に測定し、それらの測定結果に基づいて（いわゆる差動検出方式を用いて）、物理量を検出することができる。
さらに特許文献１、特許文献２においては、単層の半導体基板をドライエッチング等で可動構造体の下に空洞を加工することで物理量センサー素子を形成している。このような手法を用いると単層基板だけで絶縁分離構造を含むセンサー構造が形成でき、低コストが実現できる。
特許第４２３８４３７号公報 特表２００２−５１０１３９号公報
しかしながら、特許文献１、特許文献２においては、単層の半導体基板において絶縁分離した可動構造体をドライエッチング等で浮かせる構成となるため、可動構造の厚みや形状に制約があり、高感度化や耐衝撃性の点で問題があった。
特に、特許文献１に記載の物理量センサー素子では、固定電極及び可動電極の各々が導通しないように電極指を個別に絶縁分離する必要があり、製造効率が低下するという問題がある。さらにＳＯＩ基板は一般的に高価であり、製品コストが大きくなる問題があった。
そこで、本発明は、上記問題点に着目し、製造効率の低下を抑制した機能素子、機能素子の製造方法、物理量センサー及び電子機器を提供することを目的とする。
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
第１の形態に係る機能素子は、第１基板と、前記第１基板上に設けられ、且つ、素子部を有する第２基板と、を備え、前記第１基板と前記第２基板との間には内部空間が設けられ、前記第１基板には、第１配線が配置される第１配線溝と、第２配線が配置されるとともに前記内部空間と外部とを連通する第２配線溝と、を有し、前記素子部は、前記第１配線溝及び前記第２配線溝を跨ぐように前記第１基板に接続している第１固定電極指、第２固定電極指を含み、前記第１固定電極指は、前記第１配線とバンプを介して電気的に接続されているとともに、前記第２配線からは絶縁しており、前記第２固定電極指は、前記第２配線とバンプを介して電気的に接続されているとともに、前記第１配線からは絶縁していることを特徴とする。
第２の形態に係る機能素子は、前記第１基板上には、前記第２基板を覆うようにリッドが接合され、前記第２基板は、前記第１配線溝及び前記第２配線溝に前記リッドを接合する接合部材が入り込むことにより封止されていることを特徴とする。
第３の形態に係る機能素子は、前記溝には、前記素子部と接続されている配線が設けられていることを特徴とする。
第４の形態に係る機能素子は、前記第１基板は、シリコンを含むガラス材料からなり、前記第２基板は、半導体材料からなり、前記第１基板と前記第２基板とは、陽極接合により接合されていることを特徴とする。
第５の形態に係る機能素子は、前記素子部は、可動部と、前記可動部を支持している支持部と、前記第１基板側に接続している固定電極指と、を有し、前記可動部は、前記固定電極指に対向している可動電極指と、前記可動部と前記支持部を接続している可撓部と、含むことを特徴とする。
第１の形態に係る機能素子の製造方法は、第１基板と第２基板とを用意し、前記第１基板および前記第２基板の少なくとも一方の面に溝を形成する工程と、前記第１基板上に前記第２基板を接合し、前記第１基板と前記第２基板との間に内部空間を形成し、前記溝により前記内部空間を通気させる工程と、前記第２基板に素子部を形成する工程と、前記第２基板を覆うようにリッドを前記第１基板に接合すると共に、封止部材により前記溝を封止する工程と、を備えたことを特徴とする。
第２の形態に係る機能素子の製造方法は、第１基板と第２基板とを用意し、前記第２基板に貫通孔を形成する工程と、前記第１基板上に前記第２基板を接合し、前記第１基板と前記第２基板との間に内部空間を形成し、前記貫通孔により前記内部空間を通気させる工程と、前記第２基板の前記貫通孔を含む領域をエッチングで抜いて素子部を形成する工程と、を備えたことを特徴とする。
第１の形態に係る物理量センサーは、第１の形態乃至第５の形態のいずれか１の形態の機能素子を有することを特徴とする。
第１の形態に係る電子機器は、第１の形態乃至第５の形態のいずれか１の形態の機能素子を有することを特徴とする。
［適用例１］第１基板と、前記第１基板上に設けられ、且つ、素子部を有する第２基板と、を備え、前記第１基板と前記第２基板との間には内部空間が設けられ、前記第１基板および前記第２基板の互いに対向する面の少なくとも一方には、前記内部空間と外部とを連通する溝が設けられていることを特徴とする機能素子。
上記構成において、例えば第１基板に第２基板を積層したのち第２基板に素子部を形成する場合、第１基板と第２基板の接合時に接合によるガスが発生する場合があり、これが内部空間に蓄えられ膨張し、素子部の形成に悪影響を及ぼす虞がある。しかし、積層する前に第１基板および第２基板の少なくとも一方の面に外部と内部空間とを連通する溝を形成しておくことにより、積層時において前記ガスが内部空間から通気孔を通って外部に排出させることができるので、素子部の製造の歩留を高めることができる。また、通気用の孔を独立に形成する必要は無く、基板の表面に溝を形成しておき積層することで容易に通気用の孔を形成することができる。
［適用例２］前記第１基板上には、前記第２基板を覆うようにリッドが接着部材で接合され、前記溝は、前記接着部材により封止されたことを特徴とする適用例１に記載の機能素子。
上記構成により、リッドで第２基板を封止しつつ、溝をリッドの接着部材で封止することができるので、製造効率が格段に向上する。
［適用例３］前記溝には、前記素子部の配線が設けられたことを特徴とする適用例１または２に記載の機能素子。
上記構成により、溝を内部空間のガス抜きの用途だけでなく素子部の配線経路としても利用することができる。
［適用例４］前記第１基板は、ガラスで形成され、前記第２基板は、半導体材料で形成され、前記第１基板と前記第２基板とは、陽極接合により接合されたことを特徴とする適用例１乃至３のいずれか１例に記載の機能素子。
上記構成により、接着剤を用いることなく第１基板と第２基板とを陽極接合により強固に接続することができる。また陽極接合時にガスが発生して内部空間に放出されるが、通気孔によりガスを外部に排出して可動部の製造の歩留を高めることができる。
［適用例５］前記素子部は、可動部と、前記可動部を支持する支持部と、前記第１基板側に接続する固定電極指と、を有し、前記可動部は、前記固定電極指に対向する可動電極指と、前記可動電極指および前記支持部を接続した可撓部とを、有することを特徴とする適用例１乃至４のいずれか１例に記載の機能素子。
上記構成により、例えば、外力を受けたときに、可動電極指と固定電極指との間の静電容量は、可動電極指の変位により変化する。よって、この静電容量の変化により加速度等の物理量を検知することができ、製造効率の優れたセンサーを実現できる。
［適用例６］第１基板と第２基板とを用意し、前記第１基板および前記第２基板の少なくとも一方に表面に溝を形成する工程と、前記第１基板上に前記第２基板を接合し、前記第１基板と前記第２基板との間に内部空間を形成し、前記溝により前記内部空間を通気させる工程と、前記第２基板に素子部を形成する工程と、前記第２基板を覆うようにリッドを前記第１基板上に接着部材で接合すると共に、前記接着部材により前記溝を封止する工程と、を備えたことを特徴とする機能素子の製造方法。
上記方法により、第１基板と第２基板の積層時において前記ガスが内部空間から溝により形成された通気孔を通って外部に排出させることができるので、素子部の製造の歩留を高めることができる。
［適用例７］第１基板と第２基板とを用意し、前記第２基板に貫通孔を形成する工程と、前記第１基板上に前記第２基板を接合し、前記第１基板と前記第２基板との間に内部空間を形成し、前記貫通孔により前記内部空間を通気させる工程と、前記第２基板の前記貫通孔を含む領域をエッチングで抜いて素子部を形成する工程と、を備えたことを特徴とする機能素子の製造方法。
上記方法により、積層時において前記ガスが内部空間から貫通孔を通って外部に排出させることができるので、素子部の製造の歩留を高めることができる。さらに、第２基板のエッチングを行う領域に内部空間に貫通する貫通孔を形成するので、素子部を形成するときに貫通孔を消失させることができ、貫通孔を封止する必要がないので、製造効率が向上する。
［適用例８］適用例１乃至５のいずれか１例に記載の機能素子を有することを特徴とする物理量センサー。
上記構成により、製造効率が優れた物理量センサーを提供できる。
［適用例９］適用例１乃至８のいずれか１例に記載の機能素子を有することを特徴とする電子機器。
上記構成により、製造効率が優れた電子機器を提供できる。
第１実施形態に係る機能素子の平面図である。 図１の一点鎖線で囲まれた部分の拡大図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 図１のＢ−Ｂ線断面図である。 図１のＣ−Ｃ線断面図である。 図１のＤ−Ｄ線断面図である。 第１実施形態の機能素子の製造工程を示す。ここで図７（ａ）乃至図７（ｅ）において、左側は図５の一点鎖線で囲まれた部分の製造工程を示し、中央は図３の一点鎖線で囲まれた部分の製造工程を示し、右側は図４の一点鎖線で囲まれた部分の製造工程を示す。 第２実施形態に係る機能素子を示す図である。 第３実施形態に係る機能素子を示し、図９（ａ）は部分平面図、図９（ｂ）は部分側面図である。 第４実施形態に係る機能素子を示し、図１０（ａ）は第２基板に可動部等を形成する前の部分平面図、図１０（ｂ）は図１０（ａ）のＡ−Ａ線断面図、図１０（ｃ）は第２基板に可動部等を形成した後の部分平面図である。 第５実施形態に係る機能素子を示す図である。 第６実施形態に係る機能素子を示し、図１２（ａ）は平面図、図１２（ｂ）は側面から見た模式図である。 第７実施形態に係る機能素子を示す図である。
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図１乃至図６に第１実施形態に係る機能素子を示す。ここで図１は第１実施形態に係る機能素子の平面図、図２は図１の一点鎖線で囲まれた部分の拡大図、図３は図１のＡ−Ａ線断面図、図４は図１のＢ−Ｂ線断面図、図５は図１のＣ−Ｃ線断面図、図６は図１のＤ−Ｄ線断面図である。
本実施形態の機能素子１０は、絶縁体となる第１基板１２上に第２基板５０を積層し、第２基板５０をリッド６６で封止した構成を有している。
例えば、第１基板１２はガラス等の絶縁体で形成されており、第２基板５０は、シリコン等の半導体基板で形成されている。第１基板１２の第２基板５０側には凹部２０と、第１の溝となる排気溝２４、第２の溝となる第１配線溝２６、第２配線溝２８が形成されている。さらに第１基板１２には、第１配線溝２６、第２配線溝２８とは別に第３配線溝３０が形成されている。
また第１基板１２は、第２基板５０と接合する接合部１４と、接合部１４の周囲を囲む外周部１６と、外周部１６に接続する端子部１８とを有する。接合部１４は平面視して第２基板５０と重なる領域であり、外周部１６は接合部１４の周囲であって平面視してリッド６６と重なる領域である。
凹部２０は、後述の素子部を構成する可動部５４と第１基板１２との干渉を回避するためのものである。よって凹部は接合部１４内であって可動部５４と対向する位置に形成される。また、第１基板１２に第２基板５０を積層すると、この凹部２０により、第１基板１２を内壁の一部とする内部空間６８が形成される。
排気溝２４は、第１基板１２を第２基板５０に積層（接着）する際に発生するガスを外部に排出するためのものである。排気溝２４は凹部２０の内壁の一部を切り欠くとともに、接合部１４及び外周部１６を経由して外部に連通される。よってこの排気溝２４により内部空間６８から接合部１４の外部に連通する排気孔７０が形成される。
第１配線溝２６は、第２基板５０と電気的に接続する第１配線３２を配置するための溝であり、第２配線溝２８は、第２基板５０と電気的に接続する第１配線溝２６とは別の第２配線３８を配置するための溝である。第１配線溝２６、第２配線溝２８は、第１基板１２の接合部１４であって凹部２０の外側となる領域から外周部１６を経由して端子部１８にわたり、再び外周部１６及び接合部１４に戻るＵ字型に形成されている。そして第２配線溝２８は第１配線溝２６の内側に沿って形成されている。また接合部１４において第１配線溝２６、第２配線溝２８は、第２基板５０を用いて構成される後述の固定電極指（第１固定電極指６２、第２固定電極指６４）の下を通過する。なお、第１配線溝２６、第２配線溝２８により、第２基板５０を用いて構成される後述の支持部５２との間に隙間が形成され、各配線溝を後述のように絶縁材料等で埋めない限り接合部１４にある各配線溝は排気孔７２として機能する。
第３配線溝３０は、第２基板５０と電気的に接続するための第３配線４４を配置するための溝である。第３配線溝３０は、支持部５２の下を通り外周部１６を経由して端子部１８に引き出されている。
第１基板１２の構成材料としては、具体的には高抵抗なシリコン材料、ガラス材料を用いるのが好ましく、特に後述の第２基板がシリコン材料を主原料として構成されている場合、アルカリ金属イオン（可動イオン）を含むガラス材料（例えば、パイレックス（登録商標）のような硼珪酸ガラス）を用いるのが好ましい。これにより。第２基板５０がシリコンを主原料として構成されている場合、第１基板１２と第２基板５０とを陽極接合することができる。この陽極接合により、接着剤を用いることなく第１基板１２と第２基板５０とを強固に接続することができる。
また第１基板１２の構成材料は、第２基板５０の構成材料の熱膨張係数差ができるだけ小さいことが好ましく、具体的には、第１基板１２の構成材料と第２基板５０の構成材料（及びリッドの構成材料）との熱膨張係数差が３ｐｐｍ／℃以下であることが好ましい。これにより、第１基板１２と第２基板５０との接合時に高温下に晒されても、第１基板１２と第２基板５０との間の残留応力を低減することができる。
第１配線３２は、後述の素子部の配線として第１配線溝２６内に形成されるとともに、固定電極指を構成する第１固定電極指６２と電気的に接続するものである。また第２配線３８は、後述の素子部の配線として第２配線溝２８内に形成されるとともに、固定電極指を構成する第２固定電極指６４と電気的に接続するものである。よって、第１配線３２の第１固定電極指６２に対向する位置には、突起となる第１バンプ３４が設けられ、第２配線３８の第２固定電極指６４に対向する位置には、突起となる第２バンプ４０が設けられている。また第１配線３２の端子部１８側には、第１端子電極３６が設けられ、第２配線３８の端子部１８側には、第２端子電極４２が設けられている。
第３配線４４は、後述の素子部の配線として第３配線溝３０内に形成されるとともに、第２基板５０を用いて構成される後述の支持部５２（可動電極指５８）に電気的に接続するものである。よって第３配線４４の支持部５２に対向する位置には、突起となる第３バンプ４６が設けられ、第３配線４４の端子部１８側には第３端子電極４８が設けられている。
なお、第１配線３２、第２配線３８、第３配線４４の厚み寸法は、それぞれ第１配線溝２６、第２配線溝２８、第３配線溝３０の深さ寸法より小さくなるように形成されている。また第１バンプ３４、第２バンプ４０、第３バンプ４６はそれぞれ第１配線溝２６、第２配線溝２８、第３配線溝３０から第１基板１２の主面上にはみ出るように形成される。そして各バンプは第１基板１２に第２基板５０を積層する際に押しつぶされる。その結果、第１配線３２は、後述の第１固定電極指６２と電気的・機械的に接続され、第２配線３８は後述の第２固定電極指６４と電気的・機械的に接続され、第３配線４４は後述の支持部５２（可動電極指５８）と電気的・機械的に接続する。
また第１配線溝２６、第２配線溝２８、第３配線溝３０は、それぞれ第１バンプ３４、第１端子電極３６、第２バンプ４０、第２端子電極４２、第３バンプ４６、第３端子電極４８を露出させた状態で絶縁性の樹脂材料等で埋め込んでもよい。
第１配線３２、第２配線３８、第３配線４４の構成材料としては、それぞれ導電性を有するものであれば、特に限定されず、各種電極材料を用いることができるが、例えば、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、ＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）、Ｉｎ３Ｏ３、ＳｎＯ２、Ｓｂ含有ＳｎＯ２、Ａｌ含有ＺｎＯ等の酸化物（透明電極材料）、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌまたはこれらを含む合金等が挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。
中でも、前述の各配線の構成材料としては、透明電極材料（特にＩＴＯ）を用いることが好適である。各配線がそれぞれ透明導電材料で構成されていると、第１基板１２が透明であった場合、第２基板５０を構成する固定電極指（第１固定電極指６２、第２固定電極指６４）の面上に存在する異物等を第１基板１２の固定電極指とは反対の面から容易に視認することができ、機能素子１０の検査を容易に行うことができる。
また第１端子電極３６、第２端子電極４２、第３端子電極４８の構成材料としては、前述した各配線と同様に導電性を有するものであれば、特に限定されず各種電極材料を用いることができる。
さらに、第１バンプ３４、第２バンプ４０、第３バンプ４６の構成材料としては、それぞれ、導電性を有するものであれば、特に限定されず、各種電極材料を用いることができるが、例えば、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ等の金属単体、またはこれらを含む合金の金属が好適である。このような金属を用いて各バンプを構成することにより、前述の各配線と固定電極指（第１固定電極指６２、第２固定電極指６４）、可動電極指５８との間の接点抵抗を小さくすることができる。
第２基板５０は、機能素子１０において加速度等の物理量を検知するものである。第２基板５０は、支持部５２、可動部５４、第１固定電極指６２、第２固定電極指６４を含む素子部を有する。ここで第２基板５０は導電性を有するものを用いるのが好ましく、支持部５２と可動部５４は電気的に接続した状態となっている。一方、第１固定電極指６２、第２固定電極指６４は、支持部５２及び可動部５４から空間的に分離され、電気的に絶縁されている。よって、第２基板５０は、支持部５２、可動部５４、第１固定電極指６２、第２固定電極指６４との間に空洞部７４を有する。
支持部５２は、第１基板１２と接合するとともに可動部５４を支持するものである。また支持部は第３バンプ接続することにより第３配線、第３端子電極と電気的に接続する。また支持部５２は、第１基板１２に第２基板５０を積層することにより排気溝２４との間に隙間を形成する。これにより内部空間６８から第１基板１２の接合部１４の外部に連通する排気孔７０が形成される。
可動部５４は、図１中の矢印の方向に変位するものである。可動部５４は第１基板１２に形成された凹部２０に対向する位置に形成され、可動部５４は第１基板１２との接合や干渉が回避され、外部から受ける外力（例えば加速度）により可動する。可動部５４は図１中の矢印方向を長手方向とするビーム５６と、ビーム５６の長手方向の両端に接続され支持部５２に接続される可撓部６０と、ビーム５６の長手方向に垂直な方向に延出するようにビーム５６に一定の間隔で並べられた状態で接続する複数の可動電極指５８を有する。可撓部６０は、例えば可動部５４全体が図中の矢印の方向に加速度を受けると、図中の矢印の方向に撓み変形する。よってビーム５６はその加速度によりビーム５６の長手方向に変位する。これによりビーム５６に接続する可動電極指５８もビーム５６の長手方向に変位する。
第１固定電極指６２、第２固定電極指６４は、上述のように支持部５２及び可動部５４と空間的に分離して形成されるとともに、固定電極指の長手方向の一端が第１基板１２の接合部１４の第１配線３２、第２配線３８に対向する位置に接合され、固定電極指の長手方向の他端が第１基板１２の凹部２０に対向する位置に配置される。また第１固定電極指６２、第２固定電極指６４は、図中の矢印の方向に交互に一定の間隔を置いて並べられて配置される。また第１固定電極指６２と第２固定電極指６４との間には、可動電極指５８が図中の矢印の方向と垂直な方向から交差するように配置されている。よって可動電極指５８は、図中の矢印の方向の一方の面において第１固定電極指６２と一定の間隔を置いて対向し、他方の面において第２固定電極指６４と一定の間隔を置いて対向することになる。したがって第１固定電極指６２、第２固定電極指６４の配列により櫛歯状の固定電極が形成され、この櫛歯状の固定電極に噛み込むように配置された可動電極指５８により櫛歯状の可動電極が形成される。
さらに第１固定電極指６２は、第１バンプ３４と電気的に接続され、第２固定電極指６４は第２バンプ４０と電気的に接続される。よって第１固定電極指６２は第１端子電極３６と電気的に接続され、第２固定電極指６４は第２端子電極４２に電気的に接続される。また可動電極指５８はビーム５６、可撓部６０を経由して支持部５２に電気的に接続する。したがって、可動電極指５８は支持部５２を経由して第３端子電極４８に電気的に接続する。よって第３端子電極４８に電圧を印加すると、可動電極指５８と第１固定電極指６２との間で静電容量が発生し、可動電極指５８と第２固定電極指６４との間で静電容量が発生する。よって第１端子電極３６から可動電極指５８と第１固定電極指６２との間の静電容量の情報を得ることができ。第２端子電極４２から可動電極指５８と第２固定電極指６４との間の静電容量の情報を得ることができる。
ここで可動部５４が図中の矢印の方向に変位した場合に、可動電極指５８は、第１固定電極指６２、第２固定電極指６４のいずれか一方の側に偏ることになる。このとき可動電極指５８が接近した方の固定電極指と可動電極指５８との間の静電容量は増加し、可動電極指５８が遠ざかった方の固定電極指と可動電極指５８との間の静電容量は減少する。
したがって、本実施形態においては、可動電極指５８と第１固定電極指６２との間の静電容量と、可動電極指５８と第２固定電極指６４との間の静電容量を独立に測定することができ、さらにその差分を測定することにより測定される物理量の大きさとその方向（図中の矢印の方向）を高精度に検出することができる。
ここで、第２基板５０の構成材料、すなわち支持部５２、可動部５４（ビーム５６、可動電極指５８、可撓部６０）、第１固定電極指６２、第２固定電極指６４は、後述のようにエッチングにより形成することが好適である。そして上述のように第１基板１２の可動部５４に対向する位置には凹部２０が形成されている。よって第２基板５０において、可動部５４と第１基板１２との接合及び干渉を回避するための凹部を形成する必要はなく、各構成材料は予め用意された第２基板５０の厚みを有した状態で形成することができる。よって各構成材料の厚みを簡単かつ高精度に揃えることができる。また各構成材料を厚く形成することができるので、機能素子１０の耐衝撃性を高めることができる。さらに可動電極指５８、第１固定電極指６２、第２固定電極指６４を厚く形成することができるので、電極間の静電容量を大きくすることができ、機能素子１０の物理量検出の感度を高めることができる。さらに第１固定電極指６２、第２固定電極指６４は、支持部５２及び可動部５４から空間的に分離している。これにより各固定電極指と第１基板１２との接合面積を十分なものとしつつ各固定電極指の小型化を図ることができる。そのため機能素子１０の耐衝撃性の向上と小型化を両立させることができる。
第２基板５０の構成材料としては、前述したように静電容量の変化に基づく物理量の検出が可能であれば特に限定されないが、半導体が好ましく、具体的には、例えば、単結晶シリコン、ポリシリコン等のシリコン材料を用いることが好ましい。
シリコンはエッチングにより高精度に加工することができる。そのため第２基板５０を、シリコンを主原料として構成することにより、第２基板５０の寸法精度を高め、その結果物理量センサー素子である機能素子１０の高感度化を図ることができる。またシリコンは疲労が少ないため、機能素子１０の耐久性を向上させることもできる。また第２基板５０を構成するシリコン材料には、リン、ボロン等の不純物がドープされているのが好ましい、これにより第２基板５０の導電性を優れたものとすることができる。
リッド６６は、キャップ型の形状でキャビティ部７６を有し、例えばエポキシ系の接着剤等により第１基板１２の外周部１６に接合されるとともに、キャビティ部７６に第２基板５０を収納して第２基板５０を封止する。その際、リッド６６と第１基板１２との間の接着部材としての接着層７８が、排気溝２４、第１配線溝２６、第２配線溝２８、第３配線溝３０に入り込むことにより第２基板５０が封止される。
図７に第１実施形態の機能素子の製造工程を示す。ここで図７（ａ）乃至図７（ｆ）において、左側は図５の一点鎖線で囲まれた部分の製造工程を示し、中央は図３の一点鎖線で囲まれた部分の製造工程を示し、右側は図４の一点鎖線で囲まれた部分の製造工程を示す。
上記構成に係る機能素子１０の製造工程について説明する。本実施形態においては、第１基板１２の構成材料としてガラス材料を用い、第２基板５０の構成材料としてシリコンを用いた場合について説明する。まず図７（ａ）に示すように、第１基板１２において、凹部２０、排気溝２４、第１配線溝２６（不図示）、第２配線溝２８、第３配線溝３０を形成する。これらの形成方法としては、特に限定されないが、例えばプラズマエッチング、リアクティブイオンエッチング、ビームエッチング、光アシストエッチング等の物理的エッチング法、ウェットエッチング等の化学的エッチング等のうちの１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。なお、以下の各工程におけるエッチングにおいても、同様の方法を用いることができる。
また上述したエッチングに際しては、例えば、フォトリソグラフィー法により形成されたマスクを好適に用いることができる。また、マスク形成、エッチング、マスク除去を複数回繰り返し、凹部２０、排気溝２４、第１配線溝２６、第２配線溝２８、第３配線溝３０を形成する。そして、このマスクはエッチング後に除去される。このマスクの除去方法としては、例えば、マスクがレジスト材料で形成される場合には、レジスト剥離液、マスクが金属材料で構成される場合には、リン酸溶液のようなメタル剥離液等を用いることができる。なお、凹部２０、排気溝２４、第１配線溝２６、第２配線溝２８、第３配線溝３０の形成順序は任意に設定することができるが、マスクとして、例えば、グレースケールマスクを用いることにより、これら（深さの異なる複数の凹部）を一括形成しても良い。
次に図７（ｂ）に示すように第１基板１２上に第１配線３２（不図示）、第２配線３８、第３配線４４を形成する。各配線の形成方法（成膜方法）としては特に限定されないが、例えば、真空蒸着、スパッタリング（低温スパッタリング）、イオンプレーティング等の乾式メッキ法、電解メッキ、無電解メッキ等の湿式メッキ法、容射等、薄膜の接合等が挙げられる。なお、以下の各工程における成膜においても、同様の方法を用いることができる。
そして、図７（ｃ）に示すように、第１端子電極３６（不図示）、第２端子電極４２（不図示）、第３端子電極４８、第１バンプ３４（不図示）、第２バンプ４０、第３バンプ４６を形成する。なお、これらを形成後、これらを露出させた状態で各配線を保護する絶縁材料を各溝に埋め込んでもよい。
次に、図７（ｄ）に示すように、第１基板１２の上面の接合部１４と、エッチング前の第２基板５０と、を陽極接合法により接合する。これにより、凹部２０と第２基板５０による内部空間が形成される。また、この接合により、各バンプは押しつぶされて、上述のように対応する可動電極指５８や固定電極指に電気的・機械的に接合する。
ところで、この陽極接合により第１基板１２と第２基板５０との接合領域から酸素が発生し内部空間６８に放出される。しかし、この陽極接合の際に第２基板５０と排気溝２４により内部空間６８と外部とを連通する排気孔７０が形成されるので、内部空間６８から外部に酸素を排出させることができる。また第２基板５０は、第１基板１２に積層する際の取り扱い性を高めたり、固定電極指や可動電極指のアスペクト比（電極幅対電極厚みの比率）を大きくして検出感度を高めるために、第１基板１２への接合前に必要とする厚みより厚くしておく場合がある。このときは、ＣＰＭ法、ドライポリッシュ法等を用いて積層後の第２基板５０の薄肉化を行なう。
そして、図７（ｅ）に示すように、第２基板５０をエッチングすることにより、空洞部７４を形成し、支持部５２、可動部５４（ビーム５６、可動電極指５８、可撓部６０）、第１固定電極指６２、第２固定電極指６４が形成される。このとき、第１固定電極指６２、第２固定電極指６４は、それぞれ互いに空間的に分離するとともに、支持部５２及び可動部とも空間的に分離しつつ第１基板１２の接合部１４に接合した状態を維持する。また第１固定電極指６２は、第１バンプ３４に接合した状態を維持し。第２固定電極指６４は、第２バンプ４０に接合した状態を維持する。
最後に、図７（ｆ）に示すように、キャビティ部７６を有するリッド６６を第１基板１２に接合し、第２基板５０を収納・封止した機能素子１０が形成される。このようにリッド６６により第２基板５０を封止するので、可動部５４を安定的に動作させることができる。さらに排気孔７０を上述の排気溝２４で形成している場合は、リッド６６による第２基板５０の封止と同時に排気溝２４を接着剤（接着層７８）で封止することが可能となり、製造工程を削減してコストを抑制することができる。
本実施形態のように、第１基板１２に第２基板５０を積層したのち可動部５４を形成する場合、第１基板１２と第２基板５０の接合時に接合によるガスが発生するため、凹部２０の内部の雰囲気が膨張し、可動部５４の形成に悪影響を及ぼしたり、第１基板１２と第２基板５０が剥離してしまう虞がある。しかし、積層する前に外部と内部空間６８とを接続する排気孔７０を形成しておくことにより、積層時においてガスが内部空間６８から排気孔７０を通って外部に排出させることができるので、可動部５４の製造の歩留を高めることができる。また本実施形態では、排気孔７０を独立に形成する必要は無く、基板（第１基板１２）の表面に溝を形成することにより容易に排気孔７０が形成することができる。
図８に第２実施形態に係る機能素子を示す。なお、以降の実施形態において、第１実施形態と共通する構成要素については同一番号を付するものとし、必要な場合を除いてその説明を省略する。第２実施形態に係る機能素子８０は、基本構成は第１実施形態と類似するが、第１基板１２は、前述の第２の溝（第２配線溝２８）から分岐して内部空間６８に接続する第３の溝（排出溝８２）を有する点で相違する。
このため、第１基板１２にエッチング前の第２基板５０を積層する際に、第２の溝（第２配線溝２８）及び第３の溝（排出溝８２）を、第２の溝（第２配線溝２８）の外周部１６側及び第３の溝（排出溝８２）の内部空間６８側の端部を残して封止される。これにより内部空間６８と第２基板５０の外部とを連通する排気孔８４が形成される。
よって、第２実施形態においては、第２配線溝２８は排出溝としての機能も有する。 よって、第２配線３８を絶縁材料で保護する際、第２配線溝２８の排気孔８４と共有する領域においては絶縁材料等により溝を完全に埋めないようにする必要がある。
そして第１基板１２とエッチング前の第２基板５０を陽極接合により接合する際、内部空間６８に放出された酸素は、第２の溝（第２配線溝２８）、第３の溝（排出溝８２）により形成される排気孔８４を通って第２基板５０の外部に排出させることができる。よって、第１実施形態の排気溝２４を形成する必要は無い。なお第２実施形態の機能素子８０は、排気溝２４を形成せず排出溝８２を形成する点で異なるだけあるので、その製造方法についての説明を省略する。
図９に第３実施形態に係る機能素子を示す。図９（ａ）は部分平面図、図９（ｂ）は部分側面図である。第３実施形態に係る機能素子９０は、第１実施形態、第２実施形態とは異なり、第１基板１２に凹部２０を形成せず、第２基板５０の第１基板１２に対向する側に凹部９２を形成している。そして第２基板５０のこの凹部９２に対向する位置に可動部９４（可動部５４）を形成している。一方、第１基板１２においては、排気溝２５が第１基板１２の外周部１６から第２基板５０の凹部９２に対向する位置にまで延びて形成されている。そして第１基板１２とエッチング前の第２基板５０との陽極接合の際に、凹部９２と第１基板１２により形成された内部空間９８に酸素が放出される。しかし、排気溝２５及び第１基板１２より形成された排気孔１００により内部空間９８と外部とが連通されるので、内部空間９８に放出された酸素を外部に排出することができる。なお凹部９２は、第１基板１２に第２基板５０を積層する前に上述のエッチング等により形成する。
なお、凹部（第１実施形態の凹部２０、第２実施形態の凹部９２）は可動部５４、可動部９４と第１基板１２との接合・干渉を回避するためのものであるので、第１基板１２、及び／または、第２基板５０に形成することができる。
図１０に第４実施形態に係る機能素子を示す。図１０（ａ）は第２基板に可動部等を形成する前の部分平面図、図１０（ｂ）は図１０（ａ）のＡ−Ａ線断面図、図１０（ｃ）は第２基板に可動部等を形成した後の部分平面図である。第４実施形態に係る機能素子１１０は、第１実施形態、第２実施形態同様に第１基板１２に凹部２０を形成するが、排気溝１１２を第２基板５０の端部から第１基板１２の凹部２０に対向する面にまで形成する点で相違する。これにより、第２基板５０および排気溝１１２により排気孔１１４が形成され、この排気孔１１４により、凹部２０及びエッチング前の第２基板５０により形成される内部空間６８と、外部と、が連通する。そして図１０（ｃ）に示すように、エッチングによる可動部５４等の形成後は、排気孔１１４の凹部２０（空洞部７４）に対向する領域は切除される。
図１１に第５実施形態に係る機能素子を示す。第５実施形態に係る機能素子１７０は、第１実施形態、第２実施形態同様に第１基板１２に凹部２０を形成するが、第２基板５０のエッチングを行なう領域（空洞部７４）に内部空間６８に貫通する貫通孔１７２を形成したのち、第１基板１２に第２基板５０を積層する点で相違する。すなわちエッチングにより形成される空洞部７４であって凹部２０に対向する位置に貫通孔１７２を形成する。これにより、第１基板１２と第２基板５０との陽極接合の際に内部空間６８に放出された酸素を貫通孔１７２から排出させることができる。またエッチングにより可動部等を形成したのちは、この貫通孔１７２は消失する。このため、可動部等の形成後に貫通孔１７２を封止する必要がないので、製造効率が向上する。
図１２に第６実施形態に係る機能素子を示す。図１２（ａ）は平面図、図１２（ｂ）は側面から見た模式図である。第６実施形態に係る機能素子１２０は、第１基板１２２と第２基板１３０の積層構造であるが、第２基板１３０は、可動部１３２と、前記可動部１３２を支持する支持部１４２と、により形成されている。そして可動部１３２は、フラップ板１３４と、フラップ板１３４の釣り合いの位置から離れた位置と前記支持部１４２とを連結し、前記フラップ板１３４の回転軸となる連結部１３６と、フラップ板１３４の第１基板１２２に対向する面に形成された可動電極１３８、可動電極１４０と、を有する。また可動電極１３８、可動電極１４０は連結部１３６を挟むように、それぞれフラップ板１３４の片側に接続されている。また可動電極１３８、可動電極１４０は連結部１３６を経由して第２基板１３０の外部と電気的に接続可能である。
一方、第１基板１２２はフラップ板１３４との干渉を回避するためフラップ板１３４に対向する位置に凹部１２４を形成し、凹部１２４の底部に固定電極１２６、固定電極１２８を形成している。固定電極１２６は、第１基板１２２の可動電極１３８に対向する位置に形成され、固定電極１２８は第２基板の可動電極１４０に対向する位置に形成されている。
本実施形態の場合も第１基板１２２と第２基板１３０とを陽極接合により接合することができるが、第１実施形態等と同様に第１基板１２２に排気溝１４４を形成すればよい。また本実施形態においてもフラップ板１３４と連結部１３６はエッチングにより形成するが、第５実施形態と同様に、エッチングされる領域に貫通孔１４６を形成した後に陽極接合を行えばよい。なお可動電極１３８、可動電極１４０、固定電極１２６、固定電極１２８は、第１基板１２２と第２基板１３０との陽極接合を行なう前に形成する必要がある。
本実施形態においては、可動電極と固定電極との間で電圧を印加すると、可動電極１３８と固定電極１２６との間で静電容量が発生し、可動電極１４０と固定電極１２８との間で静電容量が発生する。そして、例えば第２基板１３０の法線方向から加速度を受けた場合、フラップ板１３４は連結部を軸として回転する。この場合、フラップ板１３４は可動電極１３８が設けられた方が重くなるので、可動電極１３８が設けられた側は慣性の法則により加速度の方向と反対の方向に変位する。よって、可動電極１３８と固定電極１２６との間の静電容量、可動電極１４０と固定電極１２８との間の静電容量は一方が増加すると他方が減少する関係になる。よって両者の差分を採ることにより加速度等の物理量の大きさとその方向（第２基板１３０の法線方向）を検知することができる。
図１３に第７実施形態に係る機能素子を示す。第７実施形態に係る機能素子１５０は、第１基板１５２と第２基板の積層構造であるが、可動部は、第２基板１５８の一部が薄肉に形成され第２基板１５８の主面の法線方向からの外力により撓み変形可能とするダイアフラム１６０として形成されている。そしてダイアフラム１６０の第１基板１５２側には可動電極１６２が形成されている。
第１基板１５２は、第２基板１５８と対向する位置に凹部１５４が形成され、凹部１５４の底面の可動電極１６２に対向する位置に固定電極１５６を有している。本実施形態の場合も第１基板１５２と第２基板１５８とを陽極接合により接合することができるが、第１実施形態等と同様に第１基板１５２に排気溝１６４を形成すればよい。また上述のように取り扱いの便宜のため、第２基板１５８は必要とする厚みより厚い状態で第１基板１５２と陽極接合を行い、接合後に第２基板１５８を薄肉化することによりダイアフラム１６０を形成してもよい。また前述同様に可動電極１６２、固定電極１５６は、第１基板１５２と第２基板１５８との陽極接合を行なう前に形成する必要がある。
本実施形態においては、例えば第２基板１５８の法線方向に垂直な方向に加速度を受けると慣性の法則によりダイアフラム１６０が加速度と反対側に向けて撓み変形する。また内部空間１６６が気密封止されている場合は、内部空間１６６の圧力と外部との圧力差によりダイアフラム１６０が撓み変形する。これにより可動電極１６２と固定電極１５６との間の静電容量の変化を測定して物理量の大きさとその方向を検知することができる。
いずれの実施形態に係る機能素子においても、機能素子を駆動する集積回路（ＩＣ）等に接続して物理量センサーを構築することが可能である。例えばＩＣを角速度検出回路や加速検出回路、圧力検出回路として形成することにより、ジャイロセンサー、加速度センサー、圧力センサーとして構成することができる。
またいずれの実施形態に係る機能素子を、デジタルカメラ、パーソナルコンピュータ、携帯電話機、医療機器、各種測定機器等に搭載した電子機器を構築することができる。
以上、本発明の機能素子、機能素子の製造方法、物理量センサー及び電子機器について図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。例えば、上記説明では、第１基板および第２基板の少なくとも一方に凹部を形成し、内部空間を形成したが、平板状の第１基板および第２基板を用い、第１基板と第２基板との間にスペーサを介して両基板を接合することにより内部空間を形成してもよい。また、櫛歯状をなすように並ぶ複数の第１固定電極指６２、第２固定電極指６４が互いに空間的に分離していれば前述した実施形態に限定されない。
また第１固定電極指６２及び第２固定電極指６４と、これに噛み合うように設けられた可動電極指５８の本数、配置及び大きさ等の形態は、前述した実施形態に限定されない。
また可動部５４を図１の矢印の方向に垂直な方向に変位させるように構成してもよいし、図１の矢印の方向を回転軸として回動させるように構成してもよい。この場合、第１固定電極指６２及び第２固定電極指６４と可動電極指５８の対向面積の変化による静電容量変化に基づいて物理量を検出すればよい。
また上述の第１実施形態乃至第５実施形態では、機能素子を物理量センサー素子として用いる場合について説明したが、物理量センサー素子に限らず、例えば、各固定電極指、と可動電極指に異なる電圧を印加してクーロン力により可動電極指を駆動させることにより、固有周波数により発振する共振子として本発明の機能素子を用いてもよい。
１０………機能素子、１２………第１基板、１４………接合部、１６………外周部、１８………端子部、２０………凹部、２４………排気溝、２５………排気溝、２６………第１配線溝、２８………第２配線溝、３０………第３配線溝、３２………第１配線、３４………第１バンプ、３６………第１端子電極、３８………第２配線、４０………第２バンプ、４２………第２端子電極、４４………第３配線、４６………第３バンプ、４８………第３端子電極、５０………第２基板、５２………支持部、５４………可動部、５６………ビーム、５８………可動電極指、６０………可撓部、６２………第１固定電極指、６４………第２固定電極指、６６………リッド、６８………内部空間、７０………排気孔、７２………排気孔、７４………空洞部、７６………キャビティ部、７８………接着層、８０………機能素子、８２………排出溝、８４………排気孔、９０………機能素子、９２………凹部、９４………可動部、９６………排気溝、９８………内部空間、１００………排気孔、１１０………機能素子、１１２………排気溝、１１４………排気孔、１２０………機能素子、１２２………第１基板、１２４………凹部、１２６………固定電極、１２８………固定電極、１３０………第２基板、１３２………可動部、１３４………フラップ板、１３６………連結部、１３８………可動電極、１４０………可動電極、１４２………支持部、１４４………排気溝、１４６………貫通孔、１５０………機能素子、１５２………第１基板、１５４………凹部、１５６………固定電極、１５８………第２基板、１６０………ダイアフラム、１６２………可動電極、１６４………排気溝、１６６………内部空間、１７０………機能素子、１７２………貫通孔。

Claims (6)

  1. 第１基板と、
    前記第１基板上に設けられ、且つ、素子部を有する第２基板と、
    を備え、
    前記第１基板と前記第２基板との間には内部空間が設けられ、
    前記第１基板には、
    第１配線が配置される第１配線溝と、
    第２配線が配置されるとともに前記内部空間と外部とを連通する第２配線溝と、を有し、
    前記素子部は、
    前記第１配線溝及び前記第２配線溝を跨ぐように前記第１基板に接続している第１固定電極指、第２固定電極指を含み、
    前記第１固定電極指は、
    前記第１配線とバンプを介して電気的に接続されているとともに、前記第２配線からは絶縁しており、
    前記第２固定電極指は、
    前記第２配線とバンプを介して電気的に接続されているとともに、前記第１配線からは絶縁していることを特徴とする機能素子。
  2. 前記第１基板上には、前記第２基板を覆うようにリッドが接合され、
    前記第２基板は、
    前記第１配線溝及び前記第２配線溝に前記リッドを接合する接合部材が入り込むことにより封止されていることを特徴とする請求項１に記載の機能素子。
  3. 前記第１基板は、シリコンを含むガラス材料からなり、
    前記第２基板は、半導体材料からなり、
    前記第１基板と前記第２基板とは、陽極接合により接合されていることを特徴とする請求項１または２に記載の機能素子。
  4. 第１基板と第２基板とを用意し、前記第２基板に貫通孔を形成する工程と、前記第１基板上に前記第２基板を接合し、前記第１基板と前記第２基板との間に内部空間を形成し、 前記貫通孔により前記内部空間を通気させる工程と、
    前記第２基板の前記貫通孔を含む領域をエッチングで抜いて素子部を形成する工程と、
    を備えたことを特徴とする機能素子の製造方法。
  5. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の機能素子を有することを特徴とする物理量センサー。
  6. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の機能素子を有することを特徴とする電子機器。
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