JP5864332B2 - 静電容量型加速度センサの製造方法、製造装置および静電容量型加速度センサ - Google Patents

静電容量型加速度センサの製造方法、製造装置および静電容量型加速度センサ Download PDF

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Description

本発明は、静電容量型加速度センサの製造方法、製造装置および静電容量型加速度センサに関する。
加速度センサは、自動車のエアバッグ、ゲーム機、地震探査等の幅広い分野で利用されている。加速度センサには、例えば、固定電極の間に配置された可動電極が変位する際の静電容量の変化に基づいて加速度を検知する静電容量型加速度センサがある(例えば、特許文献1−2を参照)。
特開2010−145212号公報 特開平7−245417号公報
静電容量型加速度センサは、近年、周波数特性が0近傍から数千Hzという高周波帯域にまで感度が伸びている。このような様々な周波数帯域に対応するべく、例えば、可動電極が内置されるセンサエレメント内を適当な圧力に調整し、ガスのダンピング効果による振動の減衰能を増減させることが行われている。
ところで、近年の静電容量型加速度センサには、固定電極や可動電極、可動電極を支持するカンチレバー等の構成部品を、シリコン基板やガラス基板を集積化することによって構成した、いわゆるMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)と呼ばれるものがある。このような静電容量型加速度センサにおいて、センサエレメント内を適当な圧力に調整しようとする目的でシリコン基板あるいはガラス基板に通気路を設けると、ウェハから各センサを切り出す際、通気路を介してセンサエレメント内に異物が入る虞がある。
本願は、このような課題に鑑みてなされたものであり、センサエレメント内の圧力調整を目的とする通気路を設けた静電容量型加速度センサを製造する際の歩留まりを向上可能な静電容量型加速度センサの製造方法、製造装置および静電容量型加速度センサを提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明では、キャパシタの固定電極を成膜するための絶縁性基板と、絶縁性基板に接合する半導体基板との間に通路を形成するための溝を設け、通路と連通する貫通孔を半導体基板に形成し、固定電極を半導体基板に電気的に繋ぐ電極取り出し用の孔であって通路と連通する貫通孔を絶縁性基板に形成することにした。
詳細には、加速度に応じて容量が変化するキャパシタを有する静電容量型加速度センサの製造方法であって、前記キャパシタの固定電極を成膜するための絶縁性基板と、前記絶縁性基板の前記固定電極を成膜する面と反対側の面に接合する半導体基板との間に通路を形成する溝を、前記半導体基板と前記絶縁性基板のうち少なくとも何れかに形成する工程と、前記半導体基板を貫通する孔であって、前記溝によって形成される通路と連通する孔を前記半導体基板に形成する工程と、前記絶縁性基板を貫通し、前記固定電極を前記半導
体基板に電気的に繋ぐ電極取り出し用の孔であって、前記溝によって形成される通路と連通する孔を前記絶縁性基板に形成する工程と、を有する。
静電容量型加速度センサをこのようにして製造すれば、固定電極と対峙する可動電極を絶縁性基板や半導体基板で覆っても、可動電極を配置したセンサエレメント内の空間が、固定電極を半導体基板に電気的に繋ぐ絶縁性基板の孔から、半導体基板と絶縁性基板との間に形成される通路を経由して、半導体基板を貫通する孔と連通されるため、センサエレメント内を適当な圧力に調整可能である。
また、センサエレメント内を外部と連通するための孔は、半導体基板を貫通するように形成されているため、半導体基板や絶縁性基板を積層して加速度センサを形成したウェハの上面あるいは下面で開口することとなる。すなわち、静電容量型加速度センサを上記製造方法に従って製造すれば、センサエレメント内を外部と連通するための孔が、ウェハから加速度センサを切り出す際の切断面で開口しないため、切り出しの際、異物がセンサエレメント内に入る可能性が低くなる。よって、センサエレメント内の圧力調整を目的とする通気路を設けた静電容量型加速度センサを製造する際の歩留まりが向上する。
なお、前記静電容量型加速度センサは、加速度に応じて容量が変化する第1のキャパシタと、前記加速度に応じて前記第1のキャパシタと相反するように容量が変化する第2のキャパシタとを有し、前記溝を前記半導体基板と前記絶縁性基板のうち少なくとも何れかに形成する工程は、前記第1のキャパシタと前記第2のキャパシタのうち何れかの固定電極を成膜するための絶縁性基板と、前記絶縁性基板の前記固定電極を成膜する面と反対側の面に接合する半導体基板との間に通路を形成する溝を、前記半導体基板と前記絶縁性基板のうち少なくとも何れかに形成するものであってもよい。
静電容量型加速度センサは、加速度に応じて容量が変化する第1のキャパシタと、加速度に応じて第1のキャパシタと相反するように容量が変化する第2のキャパシタとを有することにより、加速度を高感度に計測可能である。このような静電容量型加速度センサを製造する場合、センサエレメント内を外部と連通するための孔は、第1のキャパシタと第2のキャパシタのうち何れかの側に設けられていれば、センサエレメント内の圧力調整は可能であり、また、孔を複数設ける場合に比べて製造時の歩留まりも高い。
また、前記絶縁性基板に孔を形成する工程は、前記半導体基板が接合された前記絶縁性基板の前記固定電極を成膜する面の側から、前記固定電極を前記半導体基板に電気的に繋ぐ電極取り出し用の孔であって、前記溝によって形成される通路と連通する孔を前記絶縁性基板に形成するものであってもよい。絶縁性基板に形成する孔をこのように形成すれば、半導体基板と絶縁性基板とを相互に接合する際の位置合わせが容易になるため、当該孔を前記通路に容易に連通させることが可能である。
なお、本発明は、上記製造方法を実現する製造装置、あるいは静電容量型加速度センサの側面から捉えることも可能である。
例えば、本発明は、加速度に応じて容量が変化するキャパシタを有する静電容量型加速度センサの製造装置であって、前記キャパシタの固定電極を成膜するための絶縁性基板と、前記絶縁性基板の前記固定電極を成膜する面と反対側の面に接合する半導体基板との間に通路を形成する溝を、前記半導体基板と前記絶縁性基板のうち少なくとも何れかに形成する手段と、前記半導体基板を貫通する孔であって、前記溝によって形成される通路と連通する孔を前記半導体基板に形成する手段と、前記絶縁性基板を貫通し、前記固定電極を前記半導体基板に電気的に繋ぐ電極取り出し用の孔であって、前記溝によって形成される通路と連通する孔を前記絶縁性基板に形成する手段と、を備えるものであってもよい。
また、本発明は、加速度に応じて容量が変化するキャパシタを有する静電容量型加速度センサであって、前記キャパシタの固定電極を成膜した絶縁性基板と、前記絶縁性基板の前記固定電極を成膜した面と反対側の面に接合される半導体基板と、前記絶縁性基板と前記半導体基板との間に通路を形成する溝であって、前記絶縁性基板と前記半導体基板のうち少なくとも何れかに形成される溝と、前記半導体基板を貫通する孔であって、前記溝によって形成される通路と連通する第一の孔と、前記絶縁性基板を貫通し、前記固定電極を前記半導体基板に電気的に繋ぐ電極取り出し用の孔であって、前記溝によって形成される通路と連通する第二の孔と、を備えるものであってもよい。
本発明であれば、センサエレメント内の圧力調整を目的とする通気路を設けた静電容量型加速度センサを製造する際の歩留まりを向上させることが可能である。
実施形態に係る製造方法によって製造される静電容量型加速度センサの構成図である。 加速度センサの圧力調整孔の部分を拡大した図である。 加速度センサの製造方法を示した図である。 圧力調整孔を切断面側に設けた従来技術に係る加速度センサの構成図である。 従来技術で製造したウェハから個々の加速度センサを切り出す工程を示した図である。 固定電極とシリコン層との電気的な接続状態を示した図である。 変形例に係る加速度センサの固定電極とシリコン層との電気的な接続状態を示した図である。
以下、本発明の実施形態について説明する。以下に示す実施形態は、本発明の一態様を例示するものであり、本発明の技術的範囲を以下の態様に限定するものではない。
図1は、実施形態に係る製造方法によって製造される静電容量型加速度センサ(以下、単に加速度センサという)1の構成図である。加速度センサ1は、MEMS(Micro Electro Mechanical System)のセンサであり、図1に示すように、コンデンサ(キャパシタ
)C1,C2を備える静電容量方式の加速度センサである。この加速度センサ1は、微小な2つの固定電極2−C1,2−C2と1つの可動電極3との組み合わせからなっており、加速度が加わるとカンチレバー4が曲がって可動電極3が移動し、可動電極3と各固定電極2−C1,2−C2との間の静電容量が変化する。すなわち、この加速度センサ1は、対峙する2つの固定電極2−C1,2−C2の間に可動電極3が挿置されていることにより、加速度センサ1に加速度が加わって可動電極3が移動し、例えば、可動電極3がコンデンサC1側の固定電極2−C1へ近づくとコンデンサC1の静電容量が増加してコンデンサC2の静電容量が減少し、可動電極がコンデンサC2側の固定電極2−C2へ近づくとコンデンサC1の静電容量が減少してコンデンサC2の静電容量が増加するようになっている。また、加速度がかかっていない状態では、コンデンサC1とコンデンサC2の容量は共に均等な状態となる。加速度センサ1から出力される信号は、所定の信号処理回路によって処理がなされ、各種加速度の計測の用に供される。
また、加速度センサ1には、図1に示されるように、圧力調整孔5が備わっている。このため、この加速度センサ1をセラミック等のパッケージにパッケージングする際、任意の圧力に調整した雰囲気中において、当該圧力調整孔5を例えばシーム溶接等で封止する
ことにより、可動電極3や固定電極2−C1,2−C2を配置したセンサエレメント内部を適当な圧力に調整することが可能である。すなわち、圧力調整孔5を封止する際の雰囲気圧力を変えると、センサエレメント内部の圧力が変わるため、カンチレバー4に支持される可動電極の振動を減衰させるエアダンピング効果が変化する。よって、圧力調整孔5を封止する際の雰囲気圧力を適当に調整することで、加速度センサ1の周波数特性をチューニングすることが可能である。
図2は、加速度センサ1の圧力調整孔5の部分(図1の符号Aで示した部分)を拡大した図である。加速度センサ1は、カンチレバー4や可動電極3を形成するシリコン層6−CCを、ガラス層7−C1,7−C2を介してシリコン層6−C1,6−C2で挟んだ構造になっている。シリコン層6−CCとシリコン層6−C1とに挟まれるガラス層7−C1には固定電極2−C1や外部電極取り出し用貫通孔8−C1が形成されており、シリコン層6−CCとシリコン層6−C2とに挟まれるガラス層7−C2には固定電極2−C2や外部電極取り出し用貫通孔8−C2が形成されている。
また、ガラス層7−C1とシリコン層6−C1との間には、図2に示されるように、圧力調整通路9が形成されている。この圧力調整通路9は、外部電極取り出し用貫通孔8−C1と圧力調整孔5とを繋ぐ通気路であり、センサエレメントの内部と外部とを繋げる空気の通り道である。
上記加速度センサ1は、次のようにして製造される。図3は、加速度センサ1の製造方法を示した図である。下記に示す製造方法は、所定の製造装置によって実現される。
(ステップS101)本製造方法においては、まず、用意したシリコンウェハ21の一部を掘り下げて溝26を形成する(図3(A))。このシリコンウェハ21は、前述したシリコン層6−C1を形成することになる材料である。シリコンウェハ21の一部を掘り下げる手法は、如何なるものであってもよいが、例えば、DRIE(Deep Reactive Ion Etching)であれば十分な掘り下げが可能である。DRIEは、とは、反応性イオンエッ
チングの一種であり、プラズマ中のイオン種やラジカル種をバイアス電位によって試料方向に加速されて衝突させて行うエッチングである。
(ステップS102)次に、シリコンウェハ21を貫通する孔であって、上記ステップS101において掘り下げた部位とその裏側とを貫通する孔22を形成する(図3(B))。この孔22は、前述した圧力調整孔5を形成する孔である。孔22を形成する手法は、如何なるものであってもよいが、例えば、サンドブラストであれば孔22を適当に形成することが可能である。
(ステップS103)次に、シリコンウェハ21の上面および下面のうち、上記ステップS101において掘り下げた側の面にガラス基板23を接合する(図3(C))。ガラス基板23は、前述したガラス層7−C1を形成することになる材料である。ガラス基板23を接合する手法は、如何なるものであってもよいが、例えば、陽極接合であればガラス基板23をシリコンウェハ21に強固に接合することが可能である。陽極接合とは、シリコンウェハ21とガラス基板23を接合する手法の一種であり、高温雰囲気下で高電圧を印加することにより行う接合手法である。
(ステップS104)次に、シリコンウェハ21に接合したガラス基板23に、深さがシリコンウェハ21に達する孔24を形成する(図3(D))。この孔24は、前述した外部電極取り出し用貫通孔8−C1を形成する孔である。孔24を形成する手法は、如何なるものであってもよいが、例えば、サンドブラストであれば孔24を適当に形成することが可能である。
(ステップS105)次に、シリコンウェハ21に接合したガラス基板23のうち、可動電極3が対向することになる部分に電極25を成膜する(図3(E))。この電極25は、前述した固定電極2−C1を形成する電極である。電極25を形成する手法は、如何なるものであってもよいが、例えば、スパッタリングであれば適当な膜厚の電極25を成膜することが可能である。
以上に示す一連の処理(ステップS101〜S105)をシリコンウェハ21に施すことにより製作したシリコン層6−C1のガラス層7−C1側に、シリコン層6−CCやガラス層7−C2、シリコン層6−C2を接合することにより、前述した加速度センサ1が多数並ぶ円盤状の板(以下、単にウェハという。なお、ウェハという場合、シリコンウェハを指す場合があるが、ここでいうウェハとは、シリコンやガラスの層を重ねた積層体であり、シリコン製に限定されるものではない)が出来る。
このようにして製作されたウェハであれば、当該ウェハを縦横に切断して個々の加速度センサ1を切り出しても、圧力調整孔5からセンサエレメント内へ異物が入る可能性が低い。図4は、圧力調整孔を切断面側に設けた従来技術に係る加速度センサの構成図である。圧力調整孔が切断面側に設けられている場合、ウェハの切断は、次のようにして行う必要がある。
図5は、従来技術で製造したウェハから個々の加速度センサを切り出す工程を示した図である。図4に示したように、圧力調整孔を切断面側に設けようとする場合、ウェハの切断は、次のように行う必要がある。すなわち、圧力調整孔が切断面側に設けられている場合、カッターがウェハを切断する際の切粉や水といった異物が圧力調整孔からセンサエレメント内へ入るのを防止するため、圧力調整孔の手前までカッターで切断する(図5(A))。次に、ウェハを裏返し、圧力調整孔の手前までカッターで切断する(図5(B))。そして、最後に、ダイシングテープを縦横に引き伸ばして、各加速度センサを分離し、加速度センサの切り出しを完了する(図5(C))。
圧力調整孔が切断面側に設けられている場合、ウェハを裏返す際にダイシングテープの貼り換えが必要である。また、カッターを表面側と裏面側の両方から使う必要がある。また、ダイシングテープを縦横に引き延ばして各加速度センサを分離する際、割れた部材の破片といった異物が圧力調整孔からセンサエレメント内に入る虞がある。
しかしながら、以上に示す一連の処理(ステップS101〜S105)をシリコンウェハ21に施すことにより製作したウェハであれば、圧力調整孔5がウェハの上面あるいは下面において開口しているため、従来技術のようにカッターを圧力調整孔の手前で寸止めさせる必要がない。すなわち、カッターによる切断のみでウェハから個々の加速度センサ1を完全に切り出すことが可能である。このため、従来技術のように、ウェハを裏返す必要もなく、ダイシングテープの貼り換えも不要である。また、カッターによる切断のみで各加速度センサ1が完全に切り離されているので、加速度センサ1をピックアップする際にダイシングテープを縦横に引き延ばしても部材が割れず、異物が圧力調整孔5からセンサエレメント内に入る虞が無い。
また、以上に示す一連の処理(ステップS101〜S105)をシリコンウェハ21に施すことにより製作した加速度センサ1であれば、圧力調整孔5と外部電極取り出し用貫通孔8−C1とが、圧力調整通路9を介して繋がっているため、固定電極2−C1とシリコン層6−C1との電気的な接続の信頼性が高い。図6は、固定電極2−C1とシリコン層6−C1との電気的な接続状態を示した図である。図6(A)は、圧力調整孔5と外部電極取り出し用貫通孔8−C1とを圧力調整通路9を介して繋いだ本実施形態を示したも
のであり、図6(B)は、圧力調整孔5と外部電極取り出し用貫通孔8−C1とを直接繋いだ比較例を示したものである。
図6(A)に示すように、本実施形態の場合、固定電極2−C1を例えばスパッタリングによって形成することにより、固定電極2−C1を構成する粒子をシリコン層6−C1に十分に付着させることができる。一方、図6(B)に示すように、比較例の場合、ガラス層7−C1側から外部電極取り出し用貫通孔8−C1を覗いてもシリコン層6−C1が露出していないため、固定電極2−C1を例えばスパッタリングによって形成しても、固定電極2−C1を構成する粒子がシリコン層6−C1に付着しない。このことから、図6(A)に示す本実施形態であれば、図6(B)に示す比較例に比べて、固定電極2−C1とシリコン層6−C1との電気的な接続の信頼性が高まることが判る。
また、図6(A)に示すように、本実施形態の場合、圧力調整孔5と外部電極取り出し用貫通孔8−C1とを圧力調整通路9を介して繋いでいるため、比較例のように圧力調整孔5と外部電極取り出し用貫通孔8−C1とを直接繋いだ場合に比べて、センサエレメント内に異物が侵入しにくい。
なお、圧力調整通路9は、シリコンウェハ21を掘り下げた溝によって形成されるものに限定されるものでなく、例えば、ガラス基板23を掘り下げた溝によって形成してもよいし、シリコンウェハ21とガラス基板23の両方を掘り下げたそれぞれの溝によって形成してもよい。また、上記製造方法の各工程は、上述した順序に限定されるものでなく、異なる順序で実行してもよい。
また、上記加速度センサ1は、次のように変形してもよい。図7は、変形例に係る加速度センサ1の固定電極2−C1とシリコン層6−C1との電気的な接続状態を示した図である。
本変形例に係る加速度センサ1は、外部電極取り出し用貫通孔8−C1内の壁面と天井面とが、次のように構成されている。すなわち、上記実施形態では、上記ステップS104の説明や図6(A)に示すように、シリコンウェハ21が少々削れる程度の深さの孔24を形成している。一方、本変形例では、孔24を形成する際、孔24がガラス基板23を貫通し、シリコンウェハ21が孔24の内部に現れた時点で孔24の形成を停止する。なお、孔24は、ステップS101において形成した溝26の端部と重なる位置に形成する。これにより、シリコン層6−C1によって形成される外部電極取り出し用貫通孔8−C1内の天井面と、ガラス層7−C1によって形成される外部電極取り出し用貫通孔8−C1内の壁面の上側の縁との間の段差が無くなる。
外部電極取り出し用貫通孔8−C1内の天井面が、壁面の上側の縁から横方向に延在しており、壁面と天井面との境界部分に図6(A)に示すような段差が存在しないため、ステップS105で説明したように電極25をスパッタリングにより成膜しても、外部電極取り出し用貫通孔8−C1内の壁面と天井面との境界部分にスパッタ粒子が確実に付着し、固定電極2−C1とシリコン層6−C1とが電気的に確実に接続されて導通不良が防止される。
1・・加速度センサ
−C1,2−C2・・固定電極
3・・可動電極
4・・カンチレバー
5・・圧力調整孔
−CC,6−C1,6−C2・・シリコン層
−C1,7−C2・・ガラス層
−C1,8−C2・・外部電極取り出し用貫通孔
9・・圧力調整通路
21・・シリコンウェハ
22,24・・孔
23・・ガラス基板
25・・電極
26・・溝

Claims (5)

  1. 加速度に応じて容量が変化するキャパシタを有する静電容量型加速度センサの製造方法であって、
    前記キャパシタの固定電極を成膜するための絶縁性基板と、前記絶縁性基板の前記固定電極を成膜する面と反対側の面に接合する半導体基板との間に通路を形成する溝を、前記半導体基板と前記絶縁性基板のうち少なくとも何れかに形成する工程と、
    前記半導体基板を貫通する孔であって、前記溝によって形成される通路と連通する孔を前記半導体基板に形成する工程と、
    前記絶縁性基板を貫通し、前記固定電極を前記半導体基板に電気的に繋ぐ電極取り出し用の孔であって、前記溝によって形成される通路と連通する孔を前記絶縁性基板に形成する工程と、を有する、
    静電容量型加速度センサの製造方法。
  2. 前記静電容量型加速度センサは、加速度に応じて容量が変化する第1のキャパシタと、前記加速度に応じて前記第1のキャパシタと相反するように容量が変化する第2のキャパシタとを有し、
    前記溝を前記半導体基板と前記絶縁性基板のうち少なくとも何れかに形成する工程は、前記第1のキャパシタと前記第2のキャパシタのうち何れかの固定電極を成膜するための絶縁性基板と、前記絶縁性基板の前記固定電極を成膜する面と反対側の面に接合する半導体基板との間に通路を形成する溝を、前記半導体基板と前記絶縁性基板のうち少なくとも何れかに形成する、
    請求項1に記載の静電容量型加速度センサの製造方法。
  3. 前記絶縁性基板に孔を形成する工程は、前記半導体基板が接合された前記絶縁性基板の前記固定電極を成膜する面の側から、前記固定電極を前記半導体基板に電気的に繋ぐ電極取り出し用の孔であって、前記溝によって形成される通路と連通する孔を前記絶縁性基板に形成する、
    請求項1または2に記載の静電容量型加速度センサの製造方法。
  4. 加速度に応じて容量が変化するキャパシタを有する静電容量型加速度センサの製造装置であって、
    前記キャパシタの固定電極を成膜するための絶縁性基板と、前記絶縁性基板の前記固定電極を成膜する面と反対側の面に接合する半導体基板との間に通路を形成する溝を、前記半導体基板と前記絶縁性基板のうち少なくとも何れかに形成する手段と、
    前記半導体基板を貫通する孔であって、前記溝によって形成される通路と連通する孔を前記半導体基板に形成する手段と、
    前記絶縁性基板を貫通し、前記固定電極を前記半導体基板に電気的に繋ぐ電極取り出し用の孔であって、前記溝によって形成される通路と連通する孔を前記絶縁性基板に形成する手段と、を備える、
    静電容量型加速度センサの製造装置。
  5. 加速度に応じて容量が変化するキャパシタを有する静電容量型加速度センサであって、
    前記キャパシタの固定電極を成膜した絶縁性基板と、
    前記絶縁性基板の前記固定電極を成膜した面と反対側の面に接合される半導体基板と、
    前記絶縁性基板と前記半導体基板との間に通路を形成する溝であって、前記絶縁性基板と前記半導体基板のうち少なくとも何れかに形成される溝と、
    前記半導体基板を貫通する孔であって、前記溝によって形成される通路と連通する第一の孔と、
    前記絶縁性基板を貫通し、前記固定電極を前記半導体基板に電気的に繋ぐ電極取り出し
    用の孔であって、前記溝によって形成される通路と連通する第二の孔と、を備える、
    静電容量型加速度センサ。
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