JP6325329B2 - Ｍｅｍｓセンサ - Google Patents

Description

本発明は、振動構造ジャイロスコープなどの超小型電子機械システム（ＭＥＭＳ）センサ、およびそれに関連するＭＥＭＳセンサの製造方法に関する。ＭＥＭＳセンサは、半導体、たとえば、シリコン基板から形成される感知構造を備えることができる。

振動構造ジャイロスコープは、半導体、たとえば、シリコン基板から形成される超小型電子機械システム（ＭＥＭＳ）センサ装置の一例を提供する。それらは従来の微細加工技術を用いてシリコンウェハから一括製造することができる。低コスト、小寸法、元来の強靱な性質のために、広い範囲のガイダンス、ナビゲーション、プラットフォーム安定化の用途でＭＥＭＳジャイロスコープを利用することに大きな関心が寄せられている。しかしながら、ＭＥＭＳ装置の限られた性能のため、こうした領域での大規模な配備が制限されている。性能を限定する特徴の１つは、たとえば、装置の動作中の温度変動から生じるレートバイアス安定性の特徴である。

振動構造ジャイロスコープのいくつかの例が特許文献１〜特許文献３に挙げられている。図１は、輪形共振器１の内周から半導体基板に設けられるボス１１まで延在する可撓支持ビーム１０によって搭載される輪形共振器１を備える従来技術の振動構造ジャイロスコープの一例を示す。可撓支持ビーム１０により、輪形共振器１は略非減衰発振モードで駆動トランスデューサ１２および１３に応答して振動し、輪形共振器の面に垂直な軸を中心に印加される角速度に応答して振動することができる。そのような振動構造ジャイロスコープは、シリコン製の輪形共振器を有することができ、微細加工技術による製造に特に適する。

典型的な振動構造ジャイロスコープでは、輪形共振器は通常、ｃｏｓ２θ共振モードに励起される。完全に対称的な共振器の場合、このモードは実際には相互角度４５度の一次および二次振動モードの縮退対として存在する。一次モードは搬送波モードとして励起される。輪形共振器が面に垂直な軸を中心に回転すると、コリオリ効果がエネルギーを二次応答モードに結合する直交方向の二次振動を引き起こす。二次応答モードの運動の振幅は印加される角速度に比例する。

そのような装置では、直交バイアス（quadrature bias）が、理想的には等しく設定されるｃｏｓ２θ共振モードでの一次および二次周波数の不完全一致のせいで生じる場合がある。直交バイアスの大きさはΔＦ．ｓｉｎ４αに比例し、ΔＦは分割されたモード周波数であり、αは一次駆動軸に対するモード角度配向である。従来、直交バイアスは、ΔＦを室温で略０Ｈｚに設定するレーザトリミングプロセスを用いて製造中に最小化される。しかしながら、出願人は、ジャイロスコープ構造に使用される各種材料間の熱膨張係数不一致により生じる応力および変形歪力がΔＦ、ひいては直交バイアスを装置の動作温度範囲全体にわたって変動させる可能性があることに気づいた。

図２は、特許文献１に記載される種類の様々なセンサに関する、最初の室温値からの直交バイアス振動の典型的なデータを示す。平均変動は−４０〜＋８５℃測定範囲にわたって秒当たり約１５０度である。この信号は所望のレートバイアス信号に対して位相上直交し、制御電子回路によってほぼ拒否される。しかしながら、実際には、制御電子回路の部品公差は位相精度を制限する誤差を持ち込み、直交バイアスのいくらかはレートバイアスチャネルを突破する。直交バイアスと位相後差は温度と共に変動して、レートバイアスの変動を招く。そのような従来の振動構造ジャイロスコープにおけるレートバイアスの不安定の結果、性能は多くの高感度用途にとって満足のいくものでなくなる。

図３は、特許文献１に記載の振動構造ジャイロスコープのセンサヘッド構造の概略断面を示す。輪形共振器１はシリコン基板２０から間隔をおいて支持されるように図示される一方、シリコン基板層２０はパイレックスガラス台座層２２とパイレックスガラススペーサ層２４に搭載されてＭＥＭＳ構造を形成する。ＭＥＭＳチップはたとえば、シリコーンエラストマ接着剤のダイボンド層２６によって剛体カンパッケージベース２８に装着される。特許文献１によると、カンパッケージハウジング２８はコバール（Ｋｏｖａｒ）材料、すなわち、ニッケル鉄合金製である。ＭＥＭＳ装置の構造に使用される各種材料間で異なる熱膨張係数のために、装置の周囲温度に応じて変動する応力および変形歪力が生じる。たとえば、シリコンの熱膨張係数は３．２ｐｐｍ／℃、パイレックス（Ｐｙｒｅｘ）の熱膨張係数は３．２５ｐｐｍ／℃である一方、ニッケル鉄合金（たとえば、ＮＩＬＯ４５）の熱膨張係数は７ｐｐｍ／℃である。ＭＥＭＳチップは正方形であるため、幅広のために他よりも剛直な角領域周囲の大きな範囲に関しては応力由来の変形に抵抗する傾向がある。この結果、正方形チップの角と面に角度的に沿った山と谷のある非対称の応力および変形歪力分布が生じる可能性がある。この可変の応力および変形歪力は、支持脚部１０を通じて輪形共振器１に伝わるおそれがある。これが共振器１に有効にｃｏｓ４θの摂動を伝え、周囲温度に応じて変動するｃｏｓ２θモード間の分割周波数ΔＦを生じさせる。

非対称の応力および変形歪力の主要な原因は、パッケージハウジング２８とＭＥＭＳ装置間の大きな熱膨張差である。ダイボンド層２６はＭＥＭＳ装置をパッケージハウジング２８の応力および変形歪力から切り離すことを目的とする。しかしながら、そのようなシリコーンエラストマ接着剤材料は通常、シリコン層（１９０ｘ１０⁹Ｐａ）やパイレックス層（６２．７ｘ１０⁹Ｐａ）と比べて低いヤング率（０．１ｘ１０⁹Ｐａ）を有するが、シリコンの３．２ｐｐｍ／℃およびパイレックスの３．２５ｐｐｍ／℃と比べて非常に高い熱膨張係数（５００ｐｐｍ／℃）を有する。結果として、大きな応力および変形歪力がエラストマダイボンド層２６からＭＥＭＳ構造に与えられ、ｃｏｓ４θ周期で大きな非対称を取り込む場合がある。正方形チップ構造はこの非対称を収束させるように作用するため、熱誘導応力と変形歪力がｃｏｓ２θモード対の周波数を分割する。

英国特許第２３２２１９６号明細書 米国特許第５９３２８０４号明細書 米国特許第６２８２９５８号明細書 国際公開第２０１０／００７４０６号

本発明は、先に概説した問題の少なくともいくつかに対処しようと試みるものである。

ＭＥＭＳセンサであって、半導体基板層から形成され、半導体基板層が電気絶縁基板層を備える台座に搭載され、電気絶縁基板層が半導体基板に接合されて矩形センサチップを形成する振動感知構造を備え、台座がセンサチップをハウジングに搭載するための少なくとも１つの電気絶縁スペーサ層をさらに備え、電気絶縁スペーサ層が八角形であるＭＥＭＳセンサが本明細書に開示される。

ＭＥＭＳセンサは、ｃｏｓ２θ振動モード対を用いて動作することができる任意の種類の振動感知構造を備えることができる。ＭＥＭＳセンサは、振動感知構造をｃｏｓ２θ共振モードである一次面内共振モードで振動させるように構成された駆動トランスデューサをさらに備えることができる。一組の例では、ＭＥＭＳセンサは、振動感知構造を備える振動構造ジャイロスコープとすることができる。別の組の例では、ＭＥＭＳセンサは円形ディスク共振器を備える共振質量センサ検出器とすることができる。そのような質量検出器は、熱誘導応力または変形歪力の変動から生じるｃｏｓ２θ振動モードで生成される周波数分割を測定することができる。これは、医療診断や薬物検出などの用途における検出者の感度に影響を及ぼし得る。

一例では、八角形のスペーサ層は、上述のようにｘおよびｙ切断線の少なくともいくつかの接合点に空隙が存在する結果、すべての層を通じて共にダイスカットすることによって形成されている場合がある。もしくは、八角形のスペーサ層が別個に形成され、たとえば台座を形成するようにダイスカットした後に矩形センサチップに搭載されている場合がある。

そのようなＭＥＭＳセンサでは、スペーサ層は、ハウジングに固定するダイボンドが八角形であることを確保する。つまり、熱誘導の応力または変形歪力がセンサに伝えられるのを八角形の形状のスペーサ層によって制御することができる。スペーサ層は、半導体基板に接合される電気絶縁基板層よりも厚く、さらには矩形センサチップ全体よりも厚くすることができる。スペーサ層はＭＥＭＳセンサの最も厚い部分であり得る。スペーサ層を八角形にすることで、対角線に沿った有効剛性を大幅に低減し、主ｘおよびｙ軸に沿った剛性により近づけることができる。矩形センサチップから生じる残りの剛性のｃｏｓ４θ非対称は、たとえば主軸と対角軸に沿って等しい面内剛性を与えるように八角形のスペーサ層の形状を調節することによって補償することができる。たとえば、八角形のスペーサ層は、主辺よりも対角辺が長い非対称形状を有することができる。

一例では、ＭＥＭＳセンサは、たとえば、以下より詳細に説明するような振動構造ジャイロスコープである。この例では、感知構造は、略平面状輪形共振器と、半導体基板から間隔をおいて配置された輪形共振器を支持し、輪形共振器を１つまたはそれ以上の面内共振モードで発振させるように構成された複数の可撓支持部材とを備えることができる。半導体基板と輪形共振器はシリコン製とすることができる。輪形共振器をｃｏｓ２θ共振モードで振動させる駆動トランスデューサを設けることができる。輪形共振器の発振を検知する感知トランスデューサを設けることができる。

振動構造ジャイロスコープに関連するどの例でも、可撓支持部材は２つの直交自由度を有する、たとえば一次および二次発振モードを可能にする弾性支持を提供することができる。内容を参照により本明細書に組み込む特許文献４に開示されるように、可撓支持部材は輪形共振器周囲に等角に間隔をおいて配置される８対の弾性脚部を備える。

振動構造ジャイロスコープに関連するどの例でも、駆動トランスデューサは電磁、光学、熱膨張、圧電または静電効果などの任意の適切な駆動手段を利用することができる。感知トランスデューサは静電感知または電磁感知などの任意の適切な手段を利用することができる。しかしながら、一組の例では、感知トランスデューサは、たとえば、輪形共振器と支持部材上の誘電性トラックによって構成される少なくとも１つの誘導性ピックオフトランスデューサを備える。誘導性ピックオフトランスデューサは、支持部材がそれぞれ誘導性のたとえば金属トラックを担持する際により対称に近づけることができるため、静電トランスデューサ対よりも好ましくあり得る。

従来のように、振動構造ジャイロスコープに関連するどの例でも、該装置は、輪形共振器の面に略直角な磁界を生成する手段をさらに備えることができる。具体的には、リング極磁気アセンブリは共振器に磁界を集中させるため、輪形共振器の周内に配置される永久磁石を備え、輪形共振器はアセンブリの上側極と下側極間の間隙に配置される。

半導体基板と、略平面状輪形共振器と、半導体基板から間隔をおいて配置された輪形共振器を支持し、輪形共振器を１つまたはそれ以上の面内共振モードで発振させるように構成された複数の可撓支持部材と、振動感知構造をｃｏｓ２θ共振モードである一次面内共振モードで振動させる駆動トランスデューサと、輪形共振器の面に略垂直な軸を中心に印加される角速度に応答して生成される、直交二次面内共振モードから生じる輪形共振器の発振を検知する感知トランスデューサと、を備え、半導体基板層が少なくとも１つの電気絶縁基板層に搭載され、１つまたはそれ以上の基板層が八角形である振動構造ジャイロスコープが本明細書に開示される。

振動構造ジャイロスコープなどのＭＥＭＳ装置を形成するのに使用される基板層は通常、矩形構造であって、これはダイシングプロセスによって形成される自然な形状であり、該プロセスはその上で装置が製造される、たとえば、シリコンおよび／またはガラスのウェハからセンサダイを切断するのに最も良く使用される。したがって、八角形の基板層は基準からの予期しない逸脱を示す。出願人は、最も有害な非対称応力の作用は、ｃｏｓ２θ共振モード対に及ぼす最大差動作用であると認識した。これは、最大放射方向応力が第１のモードの放射状波腹と一致し、最小放射方向応力が第２のモードの放射状波腹と一致する、すなわち、４５度周期であるときに発生する。従来の正方形基板構造はまさにこの応力非対称の４５度周期をもたらし、したがって、輪形共振器の振動においてｃｏｓ４θ摂動を増大させる。多くの点で、正方形基板形状は輪形共振器と共に利用されるｃｏｓ２θ共振モードと最も相容れない。少なくとも１つの基板層を八角形になるように形成することによって、ｃｏｓ４θ非対称を低減し、さらには排除することができる。

八角形の基板層を設けることによって、一次および二次ｃｏｓ２θ共振モード周波数は等しく設定され得、または少なくともΔＦが略一定に維持されるようにできる。八角形構造の場合、優勢な放射方向応力の非対称はｃｏｓ８θ放射方向変動を有するため、ｃｏｓ２θモード対のそれぞれの最大と最小の数が等しくなり、差動応力作用が発生しない。したがって、振動構造ジャイロスコープの直交バイアスは、そうでない場合には一次および二次ｃｏｓ２θ共振モードの一致を阻害する応力および変形歪力非対称を引き起こすであろう温度変化と分離することができる。温度に伴う直交バイアスの変動を低減することは、室温で実行される直交バイアストリミングの精度をジャイロスコープの動作範囲全体にわたって高精度に維持できるために極めて望ましい。また、これにより装置のレートバイアス性能も向上する。

八角形の基板層は対称（たとえば、辺が均等な長を有する）であっても非対称（たとえば、辺が不均等な長を有する）であってもよい。基板層の一部または全部が同一の八角形状をとることができる。したがって、ＭＥＭＳ振動構造ジャイロスコープを八角形のセンサダイから作製することができる。

半導体基板層は１つまたはそれ以上の電気絶縁基板層に搭載してＭＥＭＳ構造を形成し、その後適切に収納またはパッケージ化することができる。たとえば、少なくとも１つの電気絶縁基板層は、金属カンなどのパッケージベースに搭載することができる。パッケージベースまたはハウジングはニッケル鉄合金などの磁気材料で作製することができる。上述のように、１つまたはそれ以上の基板層を八角形とする効果は、それ以外ではパッケージ材料と基板層とで異なる熱膨張係数から生じるであろう非対称の応力および変形歪力分布を回避することである。

電気絶縁基板層は、たとえばセラミック層を含む任意の適切な電気絶縁材料で作製することができる。一例では、半導体基板層はガラス層を備える少なくとも１つの電気絶縁基板層に搭載される。半導体基板層はガラス層に接合することができる。これにより半導体、たとえば、シリコン基板層を気密封止して環境影響から保護することができる。

従来の微細加工技術では、通常半導体、たとえば、シリコンウェハがエッチングされて輪形共振器を形成し、その後ひっくり返されて別のウェハによって提供されるガラス基板層に（たとえば、静電または陽極ボンディングを用いて）接合される。次に、シリコンおよびガラス基板層を切断して、個々のＭＥＭＳセンサダイを形成することができる。理想的には、ガラス基板層の熱膨張係数は半導体、たとえばシリコン層の熱膨張係数と近く、パイレックスのようなホウ珪酸塩ガラスをガラス層として使用することができる。

従来の（ｘおよびｙ軸に沿った）ダイシングは、図４に示すような矩形センサダイを生成する。特許文献１に記載の装置の場合、４インチ（１０ｃｍ）ウェハから５６個のダイを作製することができる。図３に示すように、各ダイは輪形共振器１内のシリコン基板２０に搭載される磁気アセンブリ３０（上側極と下側極に挟まれた永久磁石）を含む。図４では、黒丸がこれらの磁気アセンブリの位置を示す。ｘおよびｙ軸に沿って移動するダイシングブレードは磁気アセンブリを形成する金属構造と接触しないため、シリコンとガラス層を損傷させることなく、きれいに切断することができる。

一例では、少なくとも半導体、たとえばシリコン基板層が八角形となるようにダイスカットされる。半導体、たとえば、シリコン基板層に搭載されるどの電気絶縁（たとえば、ガラス）基板層も同じ八角形状を有するようにダイスカットすることができる。基板層を一緒に搭載、たとえば装着し、その後一緒に個々のＭＥＭＳセンサダイへとダイスカットすることが簡便である。

１つのダイシング方法は、ｘおよびｙ軸に対するある角度で基板層を切断する、たとえば、追加の対角線切断を行って八角形ダイを形成することを備える。しかしながら、ｘおよびｙ軸から離れた角度での切断は、ダイシングブレードがＭＥＭＳ装置の磁気構造に接触するリスクを負うと理解される。これは、ダイシングブレードが八角形のセンサダイを切断する自由なアクセスを有するように基板層全体にわたってセンサアセンブリに交互に空間を設けることによって回避することができる。ウェハの位置の半分からセンサ構造を省くことで、必然的に作成可能なＭＥＭＳ装置の数が、たとえば、５６から２８へと低減される。

別の方法は、ｘおよびｙ軸に沿って基板層を切断する前に基板層のｘおよびｙ軸の少なくともいくつかの接合点に空隙を形成することを備える。空隙は、八角形のセンサダイを生じるように各ダイに追加の辺を有効に形成する。一つの利点は、ウェハ上のセンサ位置全部を、ダイシングブレードと干渉させずに磁気アセンブリで埋めることができることである。空隙は、半導体基板層には深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）プロセス、または電気絶縁基板層にはガラス加工技術などの従来の技術を用いて各基板層で形成することができる。しかしながら、各基板層の空隙を同じ位置に形成し、半導体基板層を電気絶縁基板層に搭載するときにこれらの空隙を位置合わせする必要がある。

いずれの場合も、八角形のセンサダイを形成する場合は常に、従来の矩形センサチップと比べて装置特徴の一部を再設計する必要がある。たとえば、特許文献１に記載の装置では、金属ボンドパッドは、ＭＥＭＳセンサとパッケージピンとの電気接続のために矩形チップの角部に存在する。金属トラッキングとボンドパッドレイアウトは、必要に応じて角領域を避けるように調節することができる。しかしながら、従来、位置合わせの重要な特徴が角領域に配置され、各種基板層の位置合わせだけでなく、各矩形チップの磁気アセンブリを配置するときの位置合わせを助けるために使用される。そのような位置合わせキーは再配置できるが、標準的な製造プロセスの大幅な変更を必要とし、実行するのに時間と費用がかさみ得る。

特に簡便な構成では、少なくとも半導体（たとえば、シリコン）基板層は矩形であり、少なくとも１つの電気絶縁（たとえば、ガラス）基板層は八角形である。これにより、特にセンサ装置特徴を備える半導体（たとえば、シリコン）基板層にとっての既存の製造プロセスの大半を維持しつつ、ＭＥＭＳセンサダイに八角形状を採り入れることができる。半導体、たとえばシリコン基板層に直接搭載される電気絶縁（たとえば、ガラス）基板層は同じ矩形状であることが簡便であろう。したがって、これらの層はｘおよびｙ軸に沿った従来の切断によって共にダイスカットすることができる。この例では、半導体基板層に間接的に搭載される別の電気絶縁（たとえば、ガラス）基板層が八角形状を有することが都合が良い。この別の電気絶縁基板層はスペーサ層の形状をとることができる。

半導体基板によって支持され、ｃｏｓ２θ共振モードで振動するように駆動される、略平面状輪形共振器を有する種類の振動構造ジャイロスコープ用の台座であって、半導体基板層を搭載するための少なくとも１つの電気絶縁基板層を備え、電気絶縁基板層が八角形である台座も本明細書で開示される。上述のように、半導体基板層は矩形とし、従来のダイシングによってウェハから切断することができる。半導体基板層はシリコンから形成することができる。電気絶縁基板層はセラミックまたはガラス層の形状をとることができる。

一例では、八角形の電気絶縁基板層は半導体基板層に直接搭載することができる。別の例では、八角形の電気絶縁基板層は、半導体基板層を直接搭載するスペーサ層とすることができる。つまり、スペーサ層は、半導体基板層に搭載されるＭＥＭＳセンサ構造の邪魔をせずに八角形に切断することができる。スペーサ層が半導体基板層に直接搭載される電気絶縁基板層に搭載される前に、スペーサ層に空隙を形成することが便利である。その後、組み立てられた層はすべて、上側層に矩形ダイを、空隙によりスペーサ層に八角形ダイを形成するようにｘおよびｙ軸に沿って切断することによって共にダイスカットすることができる。

例えば振動構造ジャイロスコープ用のＭＥＭＳセンサダイの製造方法であって、半導体基板層に振動感知構造を形成することと、矩形センサダイが基板層の面で直交するｘおよびｙ切断線によって画定されるように半導体基板層を電気絶縁基板層に搭載することと、電気絶縁基板層をｘおよびｙ切断線の少なくともいくつかの接合点に形成される空隙を有するスペーサ層に搭載することと、層をダイスカットして、八角形のスペーサ層に搭載される矩形センサチップを備えるセンサダイを形成することと、を備える方法が本明細書に開示される。振動感知構造は、上述などの振動構造ジャイロスコープ用の実質的に平坦な共振器とすることができる。

開示される方法は、半導体基板層に搭載されるセンサ特徴、たとえば位置合わせキーまたはボンドパッドの位置を必ずしも必要することなく八角形の形状の恩恵を保持することができる。上側電気絶縁基板（たとえば、ガラス台座）層と半導体（たとえば、シリコン）基板層とに手をつけないままで下側スペーサ層のみに空隙を生成することによって、従来のアセンブリプロセスを修正せずに使用することができる。

一例では、該方法は、スペーサ層のｘおよびｙ切断線の各接合点に空隙を形成するステップと、ｘおよびｙ切断線に沿って層をダイスカットして、八角形のスペーサ層に搭載される矩形センサチップを備えるセンサダイを形成するステップとを備える。

該方法は、センサダイのうち１つを選択するステップと、スペーサ層をセンサパッケージに接合してパッケージセンサを形成するステップとをさらに備えることができる。

該方法は、静電または陽極ボンディングを用いて半導体基板層を電気絶縁基板層に接合することを備える。該方法は、接着剤、たとえば、エポキシ接着剤を用いて電気絶縁基板層をスペーサ層に接合することを備える。

スペーサ層の空隙の数および配置がダイシング後に達成される八角形状を決定することができると理解される。空隙はたとえば対称または非対称形状を形成するためすべて同じサイズまたは異なるサイズとすることができる。スペーサ層の空隙は、超音波加工、ウェットエッチング、任意の適切な技術、たとえば、粉体吹付けなどの従来のガラス加工技術によって形成することができる。垂直側壁に正確な形状の空隙を生成できるため超音波加工を利用することができる。一方、ウェットエッチングと粉体吹付けは通常、傾斜側壁に空隙を生成する。

ＭＥＭＳセンサダイを作製するのに、そのような方法を利用する際、各矩形センサチップは八角形のスペーサ層に搭載されることからの恩恵を受けることができる。たとえば、矩形チップの角に熱誘導応力が集中する悪影響はスペーサ層の八重対称によって軽減させることができる。そのような恩恵は、純粋な矩形、たとえば、正方形状がｃｏｓ２θ共振モードに応力差の影響を及ぼすことのある振動感知構造を備えるＭＥＭＳセンサ装置にも拡大される。

振動構造ジャイロスコープの形状のＭＥＭＳセンサの例を、添付図面を参照して以下説明する。

輪形共振器を備えるＭＥＭＳセンサの従来技術の構成を示す図である。 特許文献１に記載される種類の、様々なＭＥＭＳセンサにおける、温度に伴う直交バイアス振動を示す図である。 特許文献１に記載の従来技術の振動構造ジャイロスコープの断面図である。 従来のウェハダイシングスキームを示す図である。 八角形ダイを作製する第１のウェハダイシングスキームを示す図である。 八角形ダイを作製する第２のウェハダイシングスキームを示す図である。 例示のセンサダイの概略図である。 別の例となるセンサダイの概略図である。 八角形のダイを使用して作製されたＭＥＭＳセンサにおける、温度に伴う直交バイアス振動を示す図である。

図１は、半導体基板６内に輪形共振器１を保持するように構成された８つの可撓支持部４ａ〜４ｈによって搭載される輪形共振器２を備える従来技術の振動構造ジャイロスコープの一例を示す。各可撓支持部４ａ〜４ｈは、一端で輪形共振器２の外周に、他端で基板６によって画定される支持枠１０の内周に装着される一対の弾性脚部８ａおよび８ｂを含む。可撓支持部４ａ〜４ｈにより、輪形共振器２は２つの支持部の金属トラックセクションによって構成される電磁駆動トランスデューサ（図示せず）に応答して振動することができる。一次および二次対の誘導性ピックオフトランスデューサ（図示せず）は、他の支持部上の金属トラックセクションによって構成される。

図２は、図３の断面図に示され、特許文献１に記載されるような、種々のセンサにおける、温度（２５℃値に正規化）の関数として直交バイアス振動（quadrature bias vibration）の標準的データを示す。上述のように、平均変動は、−４０〜＋８５℃の測定範囲にわたって秒当たり約１５０度である。図３から分かるように、従来の振動構造ジャイロスコープはシリコン基板２０から間隔をおいて支持される輪形共振器１の内側に搭載される磁気アセンブリ３０を備える。シリコン基板層２０はパイレックスガラス台座層２２およびパイレックスガラススペーサ層２４に搭載される。シリコンとパイレックスガラス基板層２０、２２、２４は略同様の熱膨張係数を有するが、パイレックスガラススペーサ層２４はシリコーンエラストマ接着剤の層２６によって外側カンパッケージハウジング２８に接合され、ダイボンド層２６とパッケージハウジング２８の材料は熱膨張係数が非常に大きく異なる。異なる熱膨張係数のせいで、センサ装置において周囲温度に応じて変動する熱誘導の応力および変形歪力が生じる。さらに、基板層２０、２２、２４によって形成されるセンサチップが矩形であるため、矩形構造の角部に非対称の応力および変形歪力分布が集中しやすく、輪形共振器１にｃｏｓ４θ摂動を与える。図２に見られるように、このため、様々な動作温度にわたって望ましくない直交バイアスの大きな変動が生じる。

矩形センサチップは、図４に示すような従来のダイシングスキームを用いてシリコンおよび／またはガラスウェハからダイスカットすることができる。八角形のセンサダイを作製するため、１つまたはそれ以上のシリコンおよび／またはガラス基板層は、図５に示すような追加の対角線切断を用いてダイスカットすることができる。これらの図では、各センサダイに設けられる磁気アセンブリ３０は黒丸で示されている。図示されるように、図５の追加の対角線切断は、図４と比べて半数のダイが同じサイズのウェハから作製されるように磁気アセンブリ３０を交互に空間を空けて配置することによって対応することができる。

図６に示す別のダイシングスキームは、八角形状のセンサダイを作製するようにｘおよびｙ切断線が交差する各矩形ダイの角部に空隙４０を備えた１つまたはそれ以上の基板層を設ける。つまり、磁気アセンブリ３０に干渉せずに従来のダイシング技術を利用することができる。シリコン基板層２０が八角形ダイに切断される場合、特許文献１に記載される装置に対して、たとえば金属トラッキングおよびボンドパッドレイアウトを調節し、矩形チップの角領域に存在するであろう位置合わせキーを再配置することによって、いくらかの再設計を行う必要がある。しかしながら、これは、シリコン基板層２０の下に搭載される下側基板層のうちの１つ、たとえば、センサ装置をハウジング２８に搭載するために使用されるガラススペーサ層２４に空隙４０を形成するだけで回避することができる。基板層が共に搭載され，その後ｘおよびｙ切断線に沿ってダイスカットされると、上側シリコン層２０とガラス台座層２２は矩形ダイに切断されるが、下側ガラススペーサ層２４は八角形ダイに切断される結果、空隙４０が各ダイに追加の辺を形成する。

ガラススペーサ層５４（１．５ｍｍ厚）に搭載されたガラス台座層５２（０．８ｍｍ厚）に搭載されたシリコン基板層５０（０．１ｍｍ厚）を備える例示のセンサダイを図７に示す。シリコン層５０とガラス台座層５２は共に矩形状に切断されているが、ガラススペーサ層５４は対称的な八角形に切断されている。次に、このセンサダイは従来の技術を用いてカンパッケージベースまたはその他のハウジングに接合することができる。図８は、ガラススペーサ層５４´が非対称的な角形形状を有するように切断された別のセンサダイを示す。

図７および８には示さないが、振動構造ジャイロスコープを形成するため、輪形共振器および支持部材が、深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）プロセスを用いて０．１ｍｍ厚シリコンウェハ５０から作製される。その後、エッチングされたシリコンウェハは、陽極ボンディングプロセスを用いてパイレックスガラス台座ウェハ５２に接合される。次に、このウェハ対はエポキシ接着剤でパイレックスガラススペーサ層５４に接合される。各センサダイに八角形のスペーサ層５４を作製するため、ウェハボンディングプロセスに先立ち、空隙がｘおよびｙ切断線（たとえば、図６に示す）間の接合点に形成される。これらの空隙は超音波加工、ウェットエッチング、または粉体吹付などの従来のガラス加工技術を用いて簡便に形成することができる。ウェハボンディング後、各種層は位置合わせの問題なく、ｘおよびｙ軸に沿った従来の切断で共にダイスカットすることができる。

（実施例）
特許文献１に記載される種類の装置は、図５に示されるような別のダイ位置に配置される磁気アセンブリ３０で埋めたウェハを作製することによって製造される。追加の対角線ダイシングをウェハに適用して八角形のセンサダイを作製し、次に従来の手順を用いてダイを組み立てて、たとえば、シリコーンエラストマ接着剤層により装着して標準的なカンパッケージを作製した。特許文献１に記載の装置との差異は、ＭＥＭＳセンサの表面上の金属トラッキングの位置を変更したという比較的些細な修正だけであった。次いで、これらの八角形装置をテストし、従来の正方形チップ装置の性能と直接比較できるように温度に伴う直交バイアスの変動を測定した。図９に示す結果データは図２のデータと直接比較することができる。

図９は、温度（２５℃値に正規化）の関数として直交バイアス振動を示す。直交バイアス温度の変動が矩形装置に比べて八角形装置で６倍超低減されることが実証された。このことは、ｃｏｓ２θモード対へのｃｏｓ４θ摂動を招く有害な剛性非対称を低減するという八角形のセンサダイの効果を明確に実証している。

上記の例は振動構造ジャイロスコープに関するが、本開示はそのような装置に限定されず、各種慣性センサや質量検知センサなどの振動感知構造を備えるＭＥＭＳセンサ装置にも適用できると理解される。

５０…シリコン基板層
５２…ガラス台座層
５４…ガラススペーサ層

Claims (14)

1. 半導体基板層から形成されるとともに、前記半導体基板層が電気絶縁基板層を備える台座に搭載され、前記電気絶縁基板層が前記半導体基板層に接合されて矩形センサチップを形成する振動感知構造を備えたＭＥＭＳセンサであって、
   前記台座が前記矩形センサチップをハウジングに搭載するための少なくとも１つの電気絶縁スペーサ層をさらに備え、前記電気絶縁スペーサ層が八角形であり、
   前記ＭＥＭＳセンサが振動構造ジャイロスコープであり、前記振動感知構造が、略平面状の輪形共振器と、前記半導体基板層から間隔をおいて配置された前記輪形共振器を支持するとともに前記輪形共振器を１つまたはそれ以上の面内共振モードで発振させるように構成された複数の可撓支持部材と、を備えた、ＭＥＭＳセンサ。
2. 前記八角形のスペーサ層が、前記半導体基板層を直接搭載する前記電気絶縁基板層よりも厚いことを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳセンサ。
3. 前記八角形のスペーサ層が前記電気絶縁基板層に搭載され、かつ前記電気絶縁基板層が切断されて前記台座を形成する前に、前記八角形のスペーサ層に空隙が形成されることを特徴とする請求項１または２に記載のＭＥＭＳセンサ。
4. 前記八角形のスペーサ層が別個に形成され、次いで前記矩形センサチップに搭載されることを特徴とする請求項１または２に記載のＭＥＭＳセンサ。
5. 前記八角形のスペーサ層が非対称形状を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のＭＥＭＳセンサ。
6. 前記振動感知構造を、ｃｏｓ２θ共振モードである一次面内共振モードで振動させるように構成された駆動トランスデューサを備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のＭＥＭＳセンサ。
7. 前記輪形共振器の面に略垂直な軸を中心に印加される角速度に応答して生成される、直交二次面内共振モードから生じる前記輪形共振器の発振を検知する感知トランスデューサを備えることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳセンサ。
8. ＭＥＭＳセンサダイの製造方法であって、
   半導体基板層に振動感知構造を形成することと、
   矩形センサダイが前記半導体基板層の面で直交するｘおよびｙ切断線によって画定されるように、前記半導体基板層を電気絶縁基板層に搭載させることと、
   前記電気絶縁基板層を、前記ｘおよびｙ切断線の少なくともいくつかの接合点に形成される空隙を有するスペーサ層に搭載させることと、
   前記半導体基板層、前記電気絶縁基板層、および前記スペーサ層を前記ｘおよびｙ切断線に沿って共にダイスカットして、八角形のスペーサ層に搭載される矩形センサチップを備えるセンサダイを形成させることと、
   を備えたＭＥＭＳセンサダイの製造方法。
9. 前記スペーサ層の前記ｘおよびｙ切断線の各接合点に空隙を形成することと、前記半導体基板層、前記電気絶縁基板層、および前記スペーサ層を前記ｘおよびｙ切断線に沿ってダイスカットして、前記八角形のスペーサ層に搭載される矩形センサチップを備えるセンサダイを形成することと、を備えることを特徴とする請求項８に記載のＭＥＭＳセンサダイの製造方法。
10. 前記センサダイのうち１つを選択することと、前記スペーサ層をセンサパッケージに接合してパッケージセンサを形成することと、をさらに備えることを特徴とする請求項８または９に記載のＭＥＭＳセンサダイの製造方法。
11. 前記八角形のスペーサ層が前記半導体基板層を直接搭載する前記電気絶縁基板層よりも厚いことを特徴とする請求項８〜１０のいずれか一項に記載のＭＥＭＳセンサダイの製造方法。
12. 前記振動感知構造が、振動構造ジャイロスコープ用の略平面状輪形共振器であることを特徴とする請求項８〜１１のいずれか一項に記載のＭＥＭＳセンサダイの製造方法。
13. 前記半導体基板層がシリコンで形成されることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載のＭＥＭＳセンサまたはＭＥＭＳセンサダイの製造方法。
14. 前記電気絶縁基板層がガラスで形成されることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載のＭＥＭＳセンサまたはＭＥＭＳセンサダイの製造方法。

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