JP7129599B2 - センサ - Google Patents

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Description

本発明は、車の制御等に用いられるセンサに関する。
特許文献１～５は、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ－ｏｎ－Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いて形成されたセンサ基板を有する従来のセンサを開示している。特許文献６、７は、センサ基板を封止する上蓋を有する従来のセンサを開示している。この上蓋はシリコンとガラスからなる構造体で形成されている。これらの従来のセンサでは増大し続けている高精度化への要求に十分応えることができない場合がある。
特表平１１－５１３８４４号公報 特許第４２１６５２５号公報 特許第５３１７１５４号公報 特開２０１０－１０７２４０号公報 特許第５９５３２５２号公報 特許第５８３４０９８号公報 特開２０１２－１５６４０３号公報
センサは、センサ基板と、センサ基板の上面に接合した上蓋基板とを備える。センサ基板は、固定部と、固定部に接続されて変形可能な梁部と、固定部に対して可動に梁部に接続された錘部とを有する。上蓋基板は、シリコンを含む第１の部分と、第１の部分に接合してガラスを含む第２の部分とを有する。第１の部分は、第２の部分に比べてセンサ基板に向って突出する突出部を有する。
このセンサは、高い精度あるいは高い信頼性を有する。
図１Ａは実施の形態におけるセンサの斜視図である。 図１Ｂは図１Ａに示すセンサの線１Ｂ－１Ｂにおける断面図である。 図１Ｃは実施の形態におけるセンサのセンサ基板の上面図である。 図２は実施の形態におけるセンサの製造方法を示す断面図である。 図３は実施の形態におけるセンサの製造方法を示す断面図である。 図４は実施の形態におけるセンサの製造方法を示す断面図である。 図５は実施の形態におけるセンサの製造方法を示す断面図である。 図６Ａは実施の形態におけるセンサの拡大断面図である。 図６Ｂは実施の形態におけるセンサの拡大断面図である。 図６Ｃは実施の形態におけるセンサの拡大断面図である。 図７Ａは実施の形態におけるセンサのセンサ基板の支持層の上面図である。 図７Ｂは実施の形態におけるセンサのセンサ基板の支持層の上面図である。 図７Ｃは実施の形態におけるセンサのセンサ基板の支持層の上面図である。 図８は実施の形態におけるセンサの断面図である。 図９Ａは実施の形態におけるセンサの上蓋基板の製造方法を示す断面図である。 図９Ｂは実施の形態におけるセンサの上蓋基板の製造方法を示す断面図である。 図９Ｃは実施の形態におけるセンサの上蓋基板の製造方法を示す断面図である。 図９Ｄは実施の形態におけるセンサの上蓋基板の製造方法を示す断面図である。 図９Ｅは実施の形態におけるセンサの上蓋基板の製造方法を示す断面図である。 図９Ｆは実施の形態におけるセンサの上蓋基板の製造方法を示す断面図である。 図９Ｇは実施の形態におけるセンサの上蓋基板の製造方法を示す断面図である。 図１０は実施の形態におけるさらに他のセンサの断面図である。 図１１Ａは実施の形態におけるセンサの拡大断面図である。 図１１Ｂは実施の形態におけるセンサの拡大断面図である。 図１１Ｃは実施の形態におけるセンサの拡大断面図である。 図１１Ｄは実施の形態におけるセンサの拡大断面図である。 図１１Ｅは実施の形態におけるセンサの拡大断面図である。 図１１Ｆは実施の形態におけるセンサの拡大断面図である。 図１１Ｇは実施の形態におけるセンサの拡大断面図である。 図１１Ｈは実施の形態におけるセンサの拡大断面図である。 図１１Ｉは実施の形態におけるセンサの拡大断面図である。 図１２は実施の形態におけるセンサ素子の製造方法を示す断面図である。 図１３は実施の形態における他のセンサの断面図である。 図１４は実施の形態におけるさらに他のセンサの断面図である。 図１５Ａは実施の形態におけるさらに他のセンサの上面図である。 図１５Ｂは図１５Ａに示すセンサの線１５Ｂ－１５Ｂにおける断面図である。 図１６Ａは図１５Ａと図１５Ｂに示すセンサの製造方法を示す断面図である。 図１６Ｂは図１５Ａと図１５Ｂに示すセンサの製造方法を示す断面図である。 図１６Ｃは図１５Ａと図１５Ｂに示すセンサの製造方法を示す断面図である。 図１６Ｄは図１５Ａと図１５Ｂに示すセンサの製造方法を示す断面図である。 図１６Ｅは図１５Ａと図１５Ｂに示すセンサの製造方法を示す断面図である。 図１６Ｆは図１５Ａと図１５Ｂに示すセンサの製造方法を示す断面図である。
図１Ａは実施の形態におけるセンサ５０１の斜視図である。図１Ｂは図１Ａに示すセンサ５０１の線１Ｂ－１Ｂにおける断面図である。実施の形態におけるセンサ５０１は角速度を検出する角速度センサである。センサ５０１は、センサ基板１と、センサ基板１の上面に接合する上蓋基板６０１と、センサ基板１の下面に接合する下蓋基板６０２と、上蓋基板６０１の上面に設けられた電極６０３を備える。このように、上蓋基板６０１とセンサ基板１と下蓋基板６０２は上下方向Ｄ１００に積層されている。センサ基板１は、支持層２０３と、支持層２０３の上面に接合する犠牲層２０２と、犠牲層２０２の上面に接合する活性層２０１とを有する。このように、活性層２０１と犠牲層２０２と支持層２０３は上下方向Ｄ１００に積層されている。活性層２０１の上面はセンサ基板１の上面を構成し、支持層２０３の下面はセンサ基板１の下面を構成する。
図１Ｃはセンサ基板１の活性層２０１の上面図である。
センサ基板１は、固定部５０と、固定部５０に対して可動である可動部１０とを有する。可動部１０は、固定部５０に接続された梁部６１と、固定部５０に対して可動に梁部６１に接続された錘部６０とを有する。錘部６０は梁部６１を介して固定部５０に接続されている。図１Ｂに示すように、センサ基板１の固定部５０は犠牲層２０２を介して支持層２０３に固定されている。センサ基板１は駆動電極２０～２７と、モニタ電極３０～３３と検出電極４０～４７とをさらに有する。これらの電極は犠牲層２０２を介して支持層２０３に固定されており、固定部５０に対して変位せずに固定されている。
可動部１０は上下方向Ｄ１００において支持層２０３の上面から一定の距離を空けて対向している。可動部１０は、固定部１０に対して可動なように梁部６１を介して固定部１０に接続されて支持されている。
支持層２０３の上面に直角の上下方向Ｄ１００における梁部６１の幅は、梁部６１の上下方向Ｄ１００に直角で支持層２０３の上面に平行な方向Ｄ１０１における梁部６１の幅より大きい。これにより、梁部６１は方向Ｄ１０１には上下方向Ｄ１００に比べて撓みやすく変形しやすいが、上下方向Ｄ１００には方向Ｄ１０１に比べて撓みにくく変形しにくい。したがって、梁部６１を介して固定部５０に接続されている錘部６０は方向Ｄ１０１には固定部５０に対して変位しやすいが、上下方向Ｄ１００には方向Ｄ１０１に比べて固定部５０に対して変位しにくい。
可動部１０の錘部６０は、駆動錘部１０Ａ～１０Ｄと検出錘部１１Ａ、１１Ｂとを有する。
駆動錘部１０Ａ～１０Ｄと検出錘部１１Ａ、１１Ｂはそれぞれ梁部６１に接続されている。
また、駆動錘部１０Ａ～１０Ｄは梁部６１を介して可動部１０の中央に位置する固定部５０Ａに接続されている。梁部６１と駆動錘部１０Ａ～１０Ｄが駆動方向に変位できるように支持している。
また、検出錘部１１Ａは梁部６１を介して駆動錘部１０Ａ、１０Ｂに接続されている。梁部６１は検出錘部１１Ａが検出方向に変位できるように支持している。
また、検出錘部１１Ｂは、梁部６１を介して駆動錘部１０Ｃ、１０Ｄに接続されている。梁部６１は、検出錘部１１Ｂが検出方向に変位できるように支持している。
次にセンサ基板１の動作について説明する。
駆動錘部１０Ａ～１０Ｄが駆動電極２０～２７によってそれぞれ駆動方向に固定部５０に対して変位すると、この変位が検出錘部１１Ａ、１１Ｂに伝達されて検出錘部１１Ａ、１１Ｂが固定部５０に対して変位する。
駆動電極２０～２７はＩＣ等の回路素子を含む回路１０００から電圧が印加され、静電駆動によって可動部１０の各部を駆動する。駆動電極２０は可動部１０の駆動錘部１０Ａを駆動し、駆動電極２２は可動部１０の駆動錘部１０Ｂを駆動し、駆動電極２４は可動部１０の駆動錘部１０Ｄを駆動し、駆動電極２６は可動部１０の駆動錘部１０Ｃを駆動する。
モニタ電極３０～３３は、可動部１０の各部位の駆動方向における静電容量を検出し、回路１０００にフィードバックする。回路１０００は、静電容量を電圧に変換するＣ／Ｖ変換回路とＰＬＬ（ＰＨＡＳＥ－ＬｏｃｋｅｄＬｏｏｐ回路等を内蔵しており、可動部１０の各部位が一定の振れ幅及び周期で振動するように駆動電極２０～２７に電圧を出力する。
検出電極４０～４７は、可動部１０の各部位の検出方向における静電容量を検出し、回路１０００に出力する。検出電極４０～４３は検出錘部１１Ａの変位を検出し、検出電極４４～４７は検出錘部１１Ｂの変位を検出する。これらの変位は、可動部１０の駆動方向の変位、及び駆動方向と検出方向の双方に直交する上下方向Ｄ１００に延びる中心軸１００Ｃの周りの回転に起因してコリオリ力によって生じる。これらの変位はセンサ基板１に与えられた加速度によっても生じる。
回路１０００は、例えば、入力された静電容量を電圧に変換した後に周期的な反転処理を行なって検波信号を生成して平均化して角速度信号を生成、出力する。角速度信号は、検出方向と駆動方向の双方に直交する上下方向Ｄ１００の中心軸１０００Ｃの周りの角速度を示す。
回路１０００は反転処理を行なわず、慣性力によって生じた検出電極４０～４７の出力の直流成分を検出することにより、加速度を検出することもできる。
次に、センサ基板１の製造方法を説明する。図２から図５はセンサ基板１の製造方法を示す断面図である。図２から図５は、図１Ｂに示すセンサ基板１の構造を簡略化して示す。
まず、図２に示すＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ－ｏｎ－Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板１００１を用意する。ＳＯＩ基板１００１は、低抵抗シリコンよりなる活性層２０１と、酸化シリコン（ＳｉＯ２）よりなる犠牲層２０２と、シリコンよりなる支持層２０３とを有する。活性層２０１は犠牲層２０２の上面に設けられており、犠牲層２０２は支持層２０３の上面に設けられている。このように、活性層２０１と犠牲層２０２と支持層２０３とはがこの順に上下方向Ｄ１００に積層されている。
次に、図３に示すように、活性層２０１を可動部１０に加工する。この工程では、例えば、フォトリソグラフィを用いたマスクを行なった後に、フッ素系のガス等を用いて活性層２０１を犠牲層２０２が露出するまでドライエッチングする。なお、活性層２０１の加工の方法はこれに限定されず、種々の方法を採用することができる。
次に、図４に示すように、支持層２０３をエッチングして支持層２０３の上面から下面まで貫通する複数の貫通孔２０３Ｐを設ける。貫通孔２０３Ｐは上下方向Ｄ１００において可動部１０と対向する位置に設けられる。より詳細には、貫通孔２０３Ｐは上下方向Ｄ１００において錘部６０と梁部６１とに対向する位置に設けられる。実施の形態では、支持層２０３の上下方向Ｄ１００において可動部１０と対向する部分は、複数の貫通孔２０３Ｐにより形成されたメッシュ形状を有する。
次に、図５に示すように、貫通孔２０３Ｐを通してフッ素系のガスを導入して犠牲層２０２を部分的にドライエッチングによりエッチングして除去する。具体的には、犠牲層２０２の貫通孔２０３Ｐに面する部分を除去する。これにより、可動部１０が支持層２０３から分離される。一方、活性層２０１の固定部５０となる部分は犠牲層２０２が残る。したがって、この部分は支持層２０３に対して固定されたままとなる。上蓋基板６０１と下蓋基板６０２基板とセンサ基板１はセンサ素子８０を構成する。
支持層２０３の貫通孔２０３Ｐの代わりに可動部１０となる活性層２０１の部分に貫通孔を設けてメッシュ形状にすることで、犠牲層２０２を上述のように部分的にエッチングして除去することができる。しかし、この場合には貫通孔の周辺部のひずみに起因するエネルギーロスによりＱ値が低下することでセンサのＳ／Ｎ比が低下する。
実施の形態におけるセンサ素子８０のセンサ基板１では、図５に示すように、可動部１０となる活性層２０１の部分に貫通孔を設けず、支持層２０３の可動部１０と対向する位置に貫通孔２０３Ｐを設けることで上記のエネルギーロスを抑制でき、Ｑ値を高く保つことが可能となるため、センサ素子８０のＳ／Ｎ比を向上できる。
図４と図５に示す支持層２０３に設けられた貫通孔２０３Ｐは支持層２０３の上面から下面まで一定の径を有する円柱形状を有する。貫通孔２０３Ｐは他の形状を有していてもよい。
図６Ａは他の形状を有する貫通孔が形成されたセンサ素子８０の拡大断面図である。図６Ａに示す支持層２０３には、図４と図５に示す貫通孔２０３Ｐの代わりに、貫通孔２０３Ｐの位置に設けられた貫通孔１２０３Ｐが設けられている。貫通孔１２０３Ｐの径は支持層２０３の下面から上面に向かうにつれて大きくなる。すなわち、貫通孔１２０３Ｐは、可動部１０すなわち活性層２０１に向かって広がっている。この構成により犠牲層２０２と支持層２０３の接触する面積が減るので、犠牲層２０２のエッチングにかかる時間を大幅に短縮することができる。
図６Ｂはさらに他の形状を有する貫通孔が形成されたセンサ素子８０の拡大断面図である。図６Ｂに示す支持層２０３には、図４と図５に示す貫通孔２０３Ｐの代わりに、貫通孔２０３Ｐの位置に設けられた貫通孔２２０３Ｐが設けられている。貫通孔２２０３Ｐの径は支持層２０３の下面から上面に向かうにつれて小さくなる。すなわち、貫通孔１２０３Ｐは、可動部１０すなわち活性層２０１に向かって狭まっている。この構成により犠牲層２０２のエッチングでのエッチングガス等のエッチャントを容易に犠牲層２０２に浸入させることができ、エッチング不良等に起因する歩留りの低下を抑制することが可能となる。
図６Ｃはさらに他の形状を有する貫通孔が形成されたセンサ素子８０の拡大断面図である。図６Ｃに示す支持層２０３には、図４と図５に示す貫通孔２０３Ｐの代わりに、貫通孔２０３Ｐの位置に設けられた貫通孔３２０３Ｐが設けられている。貫通孔３２０３Ｐは局部的に小さい径を有する１つ以上のくびれ部分３２０３Ｑを有する。この構成により、犠牲層２０２をエッチングする時にエッチャントが大きな速さで浸入するので、エッチングにかかる時間を短縮することが可能となる。
図７Ａから図７Ｃはセンサ基板１の支持層２０３の上面図であり、貫通孔２０３Ｐが支持層２０３の上面に開港する部分の形状を示す。この形状は貫通孔２０３Ｐの上下方向Ｄ１００に直角の方向Ｄ１０１の断面の形状である。図７Ａに示す貫通孔２０３Ｐの断面は円形状を有する。図７Ｂに示す貫通孔２０３Ｐの断面は丸まった角を有する多角形状を有する。図７Ｃに示す貫通孔２０３Ｐは頂点を有する角を有する多角形状を有する。貫通孔２０３Ｐの断面が、図７Ｂに示すように頂点を有する多角形状を有する場合には、その頂点に応力が集中し、支持層２０３の割れ等の不良が発生する場合がある。貫通孔２０３Ｐの断面が、図７Ｂと図７Ｃに示すように円形状あるいは丸まった角を有する多角形状を有することで、角への応力の集中を回避でき、支持層２０３の割れ等の不良を抑制することが可能となる。
図８はセンサ素子８０の断面図である。図８に示すように、センサ基板１の上面すなわち活性層２０１の上面に上蓋基板６０１を接合し、センサ基板１の下面すなわち支持層２０３の下面に貫通孔２０３Pを塞ぐように下蓋基板６０２を接合することにより、センサ素子８０が得られる。
下蓋基板６０２はシリコンよりなる。支持層２０３にエッチングホールを設けることで、下蓋基板６０２のシリコンと支持層２０３のシリコンによるＳｉ－Ｓｉ常温直接接合によりセンサ素子８０を真空封止することが可能となる。この接合方法は、陽極接合、拡散接合、共晶接合などの他の接合工法に比べて１～２桁以上高い真空度を実現できるため、センサ素子８０のＱ値を高く保つことが可能となり、Ｓ／Ｎ比を飛躍的に向上できる。また、Ｓｉ－Ｓｉ常温直接接合は常温で行うので、上記の他の接合方法に比べて接合時のウェハ歪による残留応力を小さくでき、例えばセンサ素子８０の温度ドリフトを小さくすることが可能となる。
上蓋基板６０１と下蓋基板６０２との材料と上下方向Ｄ１００での厚みとは互いに等しい。これにより、外部からの応力による歪みを軽減できるため、センサ素子８０の温度ドリフトを小さくすることが可能となる。また、支持層２０３に貫通孔２０３Ｐを設けることで錘部６０を支持する梁部６１でのエッチングのための貫通孔が不要になるので、センサ素子８０の周波数設計の自由度を向上させることが可能となる。
図１Ｂと図８に示すセンサ素子８０の上蓋基板６０１は、シリコンを含む部分１Ｓと、ガラスを含む部分１Ｇとを有する。ここで、シリコンを含む部分１Ｓは、センサ基板１に向って突出する突出部６０１Ｓを有する。シリコンを含む部分１Ｓは導電性を有し、上蓋基板６０１の上面から下面を貫通する貫通電極６０５を構成する。ガラスを含む部分１Ｇは絶縁性を有する。
図９Ａから図９Ｇは上蓋基板６０１の製造方法を示す断面図である。図９Ａに示すように、シリコンよりなり互いに反対側の面７０１Ａ、７０１Ｂを有するウェハ７０１を準備する。ウェハ７０１の一部は上蓋基板６０１の貫通電極６０５を構成する。貫通電極６０５の抵抗値を低くするために、ウェハ７０１の比抵抗は適切に選定され、１Ω・ｃｍ以下であることが好ましい。このような比抵抗を有するＳｉウェハ７０１にフォトリソグラフィやドライ／ウェットエッチング等の技術を用いてＳｉエッチング用のマスク７０２を形成する。マスク７０２の材料としては有機レジストの他に、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４等よりなるハードマスク等を用いることができる。
マスク７０２を形成した後、ＳＦ６とＯ２、ならびにＣ４Ｆ８を処理ガスとしてウェハ７０１の面７０１Ａをエッチングする、いわゆるボッシュプロセスなどを用いて、Ｓｉの深堀加工を行い、図９Ｂに示すように、面７０１Ａに突出する突出部７０３を形成する。
次に、突出部７０３が形成されたウェハ７０１の面７０１Ａでガラスよりなるガラスウェハ７０４を加熱溶融させ、図９Ｃに示すように、突出部７０３の間の凹部ガラスが埋め込まれた複合基板７０５を作成する。複合基板７０５は、面７０１Ｂの反対側の面７０５Ａを有する。ガラスウェハ７０４の熱膨張係数がウェハ７０１の熱膨張係数に近い方が、センサ特性、特に温度ドリフトに対して有利に働くので好ましい。
次に、図９Ｄに示すように、突出部７０３が露出するまで、グラインダー、ラッピング装置等により複合基板７０５の面７０５Ａを研削、研磨する。その後、図９Ｅに示すように、複合基板７０５を反転させ、ガラスウェハ７０４が露出しないように複合基板７０５の面７０１Ｂをグラインダー等により研削する。その際、或る程度の量の研削、研磨が完了したら、加工変質層の除去ならびに平坦化のために、図９Ｆに示すように、ＣＭＰ（化学的機械的研磨）により複合基板７０５の面７０１Ｂを平坦化する。上述のＳｉ－Ｓｉ直接接合を実施するため、複合基板７０５の面７０１Ｂの表面粗さＲａは１ｎｍ以下、好ましくは０．５ｎｍ以下である。
その後、図９Ｇに示すように、複合基板７０５の面７０１Ｂに、フォトリソグラフィによりレジストマスクを形成してドライエッチングを行うことで、突出部６０１Ｓを形成する。これにより、上蓋基板６０１が得られる。
突出部６０１Ｓは他の方法で形成することができる。例えば、複合基板７０５の面７０１Ｂ、７０５Ａに、例えばＬＰ－ＣＶＤやプラズマＣＶＤ等でＳｉＯ２等の強アルカリに耐性のある材料よりなる膜を形成し、その材料を加工してハードマスクを形成する。その後、水酸化カリウム（ＫＯＨ）や水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）等の強アルカリで複合基板７０５の面７０１Ｂをエッチングすることで、面７０１Ｂに突出部６０１Ｓを形成してもよい。
その後、図９Ｇに示すように、複合基板７０５の面７０１Ｃに駆動電極２０～２７とモニタ電極３０～３３と検出電極４０～４７にそれぞれ接続される電極６０３を、配線用金属をスパッタや蒸着することにより形成し上蓋基板６０１を形成する。その後、図８に示すように、Ｓｉ－Ｓｉ常温直接接合により突出部６０１Ｓをセンサ基板１の上面に接合する。電極６０３は貫通電極６０５を介して駆動電極２０～２７とモニタ電極３０～３３と検出電極４０～４７にそれぞれ接続される。パターニングにより電極６０３を配線として複合基板７０５の面７０１Ｃに形成することができる。
もしくは、電極６０３を形成する前に、複合基板７０５の突出部６０１ＳをＳｉ－Ｓｉ常温直接接合によりセンサ基板１の上面に接合し、必要であれば、複合基板７０５の面７０１Ｃに配線用金属をスパッタや蒸着等で成膜し、パターニングを行うことで、配線層を形成することが可能である。
図９Ｂと図９Ｃに示す突出部７０３の形状は、ガラスウェハ７０４を加熱溶融する際の荷重等で折れないように決定されている。実施の形態では、突出部７０３の上下方向Ｄ１００の厚みＷ４の方向Ｄ１０１の幅Ｗ３に対する比であるアスペクト比は３以下が望ましい。
また、貫通電極６０５のうちの突出部６０１Ｓの幅は、貫通電極６０５のうちのガラスに埋没した部分の幅と同じにする必要はなく、目的に応じて、貫通電極６０５のうちのガラスに埋没した部分の幅より大きく、あるいは、小さくすることが可能である。上蓋基板６０１とセンサ基板１と接合時の加重で折れないよう、突出部６０１Ｓの上下方向Ｄ１００の高さＨ３の突出部６０１Ｓの方向Ｄ１０１の幅Ｗ１（Ｗ２）に対する比であるアスペクト比は３以下が望ましい。また、全ての突出部６０１Ｓの形状を同じにする必要はない。図８に示すように、センサ基板１の外端１Ｅに近いほうの突出部６０１Ｓの方向Ｄ１０１の幅Ｗ２をセンサ基板１の中心に近いほうの突出部６０１Ｓの方向Ｄ１０１の幅Ｗ１より大きくしてもよい。これにより、センサ基板１の周縁の強度を向上できるので好ましい。
図１０は実施の形態における他のセンサ素子８１の断面図である。図１０において、図８に示すセンサ素子８０と同じ部分には同じ参照番号を付す。面方位が（００１）面であるウェハ７０１を用いて、強アルカリで上述の処理を行うと、図１０に示すように、突出部６０１Ｓはセンサ基板１に近づくにつれて細くなるテーパ形状を有する。突出部６０１Ｓは図８や図１０に示す形状に限定されるものではなく、他の形状を有していてもよい。
図１１Ａから図１１Ｉは他の形状を有する突出部６０１Ｓを有する上蓋基板６０１の断面図である。
従来のセンサ素子では、センサ素子の電位を取り出すために、センサ素子上に配線パターンを形成する、もしくはセンサ素子の活性層の一部を配線として使用する。したがって、配線が長くなる、もしくは配線が細くなり、寄生容量や寄生抵抗が発生する。実施の形態におけるセンサ素子８０では、上蓋基板６０１に貫通電極６０５を設けることで、電極の電位を短距離、太い配線で取り出すことができる。また、低誘電率材料である厚いガラス基板中に電極となるシリコンが離散して配置されている。したがって、寄生容量、寄生抵抗が著しく低減し、センサ素子８０のＳ／Ｎ比を大幅に向上することが可能となる。
上蓋基板６０１はセンサ基板１とＳｉ－Ｓｉ常温直接接合で接合されていており、陽極接合、拡散接合、共晶接合等の他の接合工法に比べて１～２桁以上高いレベルの真空度（１０－３Ｐａ以下）でセンサ素子８０を封止することが可能となる、したがって、センサ素子８０のＱ値を高く保つことが可能となり、センサ素子８０の高感度化、Ｓ／Ｎ比を飛躍的に改善することが可能となる。また、接合は常温で行われるので、他の接合工法に比べて、接合時の基板の歪が発生しにくく、接合後の基板に蓄積される残留応力が小さく、例えば温度ドリフトが小さいセンサ素子８０が得られる。さらに、接合前のセンサ基板１あるいは上蓋基板６０１上に、Ｓｉ、ＳｉＯ２以外に例えば接合用の金属等の材料を堆積する必要がないので、基板の材料であるウェハが安価で得られる。
また、接合用の金属層が存在しないので、金属層を堆積する工程で発生する異物はなく、また異物除去能力の高い硫酸過水やアンモニア加水等の汎用的な洗浄液を使用することが可能である。さらに、異物のきわめて少ない表面同士を接合するため、センサ素子８０は高い接合歩留を確保することが可能となる。また、上蓋基板６０１の多くの領域がガラスよりなる部分で形成されているので、センサ素子８０内を光学顕微鏡等で観察することができ、センサ素子８０内部のパターン形成不良や異物による不良等の良否判定を行うことが容易となる。
また、上蓋基板６０１の上面に配線として電極６０３を形成することで、信号処理回路（ＡＳＩＣ）とのワイヤーボンドによる接続等において、高い自由度を確保することが可能となる。また、ウェハから素子チップに個片化する際、素子を囲繞する材料はＳｉのみであり、ブレードダイシングだけでなく、ステルスダイシングを行うことができ、ブレードによるダメージや静電気の発生による固着、あるいはチップの外周のバリ等を抑制することが可能である。図１２は複数のセンサ素子８０が形成されたウェハ１９０の断面図である。具体的には図１２に示すように、センサ素子８０間の部位の表面、裏面それぞれに波数１０５３ｃｍ－１付近のＹＡＧレーザーＬＡを照射し、フィルムにウェハ１９０を貼り付けた状態からフィルムをエキスパンドすることで、チッピングなくセンサ素子８０を個片化することが可能となる。
図８に示すセンサ素子８０ではセンサ素子８０はエッチングのための複数の貫通孔２０３Ｐが形成された支持層２０３を有する。図１３は実施の形態における他のセンサ素子９０の断面図である。図１３において、図８と図１０に示すセンサ素子８０、８１と同じ部分には同じ参照番号を付す。図１３に示すセンサ素子９０では、支持層２０３に貫通孔が形成されていない。センサ素子９０は下蓋基板６０２を有していないが、貫通孔が形成されていない支持層２０３により真空封止の機密性を確保することができる。
図１４は実施の形態におけるさらに他のセンサ素子７０の断面図である。図１４において図８に示すセンサ素子８０と同じ部分には同じ参照番号を付す。図１４に示すセンサ素子７０では、センサ基板１上に電極６０３が設けられており、電極６０３に金属製のワイヤ６０４が接続されて回路１０００と接続されている。
図１５Ａは実施の形態におけるさらに他のセンサ５０２の上面図である。図１５Ｂは図１５Ａに示すセンサ５０２の線１５Ｂ－１５Ｂにおける断面図である。図１５Ａと図１５Ｂにおいて、図１Ａから図１Ｃに示すセンサ５０１と同じ部分には同じ参照番号を付す。
センサ５０２は加速度を検出する加速度センサである。センサ５０２は、図１Ａから図１Ｃに示すセンサ５０１と同様に、センサ基板１と、センサ基板１の上面に接合する上蓋基板６０１と、センサ基板１の下面に接合する下蓋基板６０２とを備える。上蓋基板６０１とセンサ基板１と下蓋基板６０２とは上下方向Ｄ１００に積層されている。
センサ基板１は、上蓋基板６０１と下蓋基板６０２に接合する固定部５０と、固定部５０に対して可動に接続された可動部１０とを有する。可動部１０は、固定部５０に接続された梁部６１と、梁部６１に接続された２つの錘部６０とを有する。センサ基板１は、シリコンよりなる活性層２０１と、活性層２０１の下面に設けられた酸化シリコン（ＳｉＯ２）よりなる犠牲層２０２と、犠牲層２０２の下面に設けられたシリコンよりなる支持層２０３とを有する。活性層２０１と犠牲層２０２と支持層２０３とは固定部５０と可動部１０とを構成する。図１５Ａと図１５Ｂに示すセンサ５０２では、センサ基板１は、上蓋基板６０１に向かって突出して接合する突出部２０１Ｓと、下蓋基板６０２に向かって突出して接合する突出部２０３Ｓとを有する。
上蓋基板６０１は、ガラスを含む部分１Ｇと、部分１Ｇに接合するシリコンを含む部分１Ｓとを有する。ガラスを含む部分１Ｇは絶縁性を有する。シリコンを含む部分１Ｓは導電性を有する。上蓋基板６０１は、２つ錘部６０に上下方向Ｄ１００で間隔を空けてそれぞれ対向する２つの電極６０１Ｐを有する。上蓋基板６０１の上面には導電性を有する部分１Ｓに接合する電極６０３が設けられている。電極６０１Ｐは部分１Ｓを介して電極６０３に電気的に接続されている。
センサ５０２の加速度を検出する動作について以下に説明する。
センサ５０２に上下方向Ｄ１００の加速度が印加されると、梁部６１が変形して撓み、２つの錘部６０が梁部６１を中心に回動して共に電極６０１Ｐに近づくように変位するか、または梁部６１を中心に回動して共に電極６０１Ｐから遠ざかるように変位する。これにより、互いに対向する錘部６０と電極６０１Ｐとで形成される静電容量Ｃ１、Ｃ２が変化し、電極６０３を介して電極６０１Ｐと錘部６０に接続された回路１０００は、静電容量Ｃ１、Ｃ２の変化に基づき、センサ５０２に印加された加速度を検出する。
センサ５０２に上下方向Ｄ１００の直角の方向Ｄ１０１の加速度が印加されると、梁部６１が変形して撓み、２つの錘部６０のうちの一方の錘部６０が梁部６１を中心に回動して電極６０１Ｐに近づくように変位し、かつ他方の錘部６０が梁部６１を中心に回動して電極６０１Ｐから遠ざかるように変位する。これにより、互いに対向する錘部６０と電極６０１Ｐとで形成される静電容量Ｃ１、Ｃ２が変化し、電極６０３を介して電極６０１Ｐと錘部６０に接続された回路１０００は、静電容量Ｃ１、Ｃ２の変化に基づき、センサ５０２に印加された加速度を検出する。
センサ５０２の製造方法について以下に説明する。図１６Ａから図１６Ｆはセンサ５０２の製造方法を示す断面図である。
図９Ａから図９Ｇに示す工程により上蓋基板６０１を製造する。特に、電極６０１Ｐは図９Ｇに示す工程で、複合基板７０５の面７０１Ｂに設けるレジストマスクの形状を適切に設計することにより、突出部６０１Ｓと同時に形成することができる。
次に、図１６Ａから図１６Ｆを参照してセンサ５０２の製造方法を説明する。図１６Ａから図１６Ｆにおいて、各層の加工の際には製造設備においては図１６Ａから図１６Ｆに示す上下方向は反転する場合がある。
シリコンよりなる活性層２０１と、活性層２０１の下面に設けられた酸化シリコン（ＳｉＯ２）よりなる犠牲層２０２と、犠牲層２０２の下面に設けられたシリコンよりなる支持層２０３とを有するＳＯＩ基板８０１を準備する。図１６Ａに示すように、ＳＯＩ基板８０１の上面と下面とにＳｉＯ２よりなる膜８０１Ａ、８０１Ｂをそれぞれ形成する。その後、フォトリソグラフィ等により膜８０１Ａ、８０１Ｂにレジストパターンを形成し、膜８０１Ａ、８０１Ｂをパターニングすることにより、膜８０１Ａ、８０１ＢよりなるマスクをＳＯＩ基板８０１の上面と下面とに形成する。
その後、上記マスクを通しての異方性ウェットエッチング等により、図１６Ｂに示すように、ＳＯＩ基板８０１の活性層２０１の上面に突出部２０１Ｓを形成し、ＳＯＩ基板８０１支持層２０３の下面に突出部２０３Ｓを形成する。
その後、支持層２０３の下面にフォトリソグラフィ等によりレジストパターンを形成する。次に、図１６Ｃに示すように、Ｂｏｓｃｈプロセスにより支持層２０３の下面から犠牲層２０２が露出するまで支持層２０３をエッチングして錘部６０を形成する。
その後、図１６Ｄに示すように、支持層２０３から露出する犠牲層２０２の下面を活性層２０１が露出するまでドライエッチングする。
その後、図１６Ｅに示すように、シリコンよりなる下蓋基板６０２をセンサ基板１の支持層２０３の下面に設けられた突出部２０３Ｓの下面にＳｉ－Ｓｉ常温直接接合により直接接合する。
その後、図１６Ｆに示すように、活性層２０１の上面にフォトリソグラフィ等によりレジストパターンを形成する。その後、レジストパターンを通して上面から活性層２０１をドライエッチングすることにより、図１５Ａに示す錘部６０と固定部５０との間を分離するスリット５０２Ｓを形成して梁部６１を形成する。
その後、互いに接合するセンサ基板１と下蓋基板６０２とを洗浄する。その後、活性層２０１の突出部２０１Ｓに上蓋基板６０１の突出部６０１ＳをＳｉ－Ｓｉ常温直接接合によりにより直接接合することにより、図１５Ａと図１５Ｂに示すセンサ５０２が得られる。
実施の形態において、「上面」「下面」「上蓋基板」「下蓋基板」「上面視」等の方向を示す用語はセンサの構成部材の相対的な位置関係でのみ決まる相対的な方向を示し、鉛直方向等の絶対的な方向を示すものではない。
１ センサ基板
１０ 可動部
１０Ａ～１０Ｄ 錘部
１１Ａ、１１Ｂ 錘部
２０～２７ 電極
３０～３３ 電極
４０～４７ 電極
５０ 固定部
６０ 梁部
６１ 錘部
７０、８０、９０ センサ素子
２０１ 活性層
２０２ 犠牲層
２０３ 支持層
６０１ 上蓋基板
６０２ 下蓋基板
６０３ 電極
６０４ ワイヤ
６０５ 貫通電極

Claims (11)

  1. 固定部と、前記固定部に接続された梁部と、前記固定部に対して可動に前記梁部に接続された錘部とを有するセンサ基板と、
    前記センサ基板の上面に接合した上蓋基板と、
    を備え、
    前記上蓋基板は、シリコンを含み導電性を有する複数の第１の部分と、前記第１の部分に接合してガラスを含み絶縁性を有する第２の部分と、を有し、
    前記複数の第１の部分は、前記第２の部分に比べて前記センサ基板に向って突出する複数の突出部をそれぞれ有し、
    前記複数の突出部のうちの前記上蓋基板の外縁に最も近い最外突出部の幅は、前記複数の突出部のうちの前記最外突出部の他の突出部の幅よりも大きい、センサ。
  2. 前記突出部は前記センサ基板の前記上面と直接接合している、請求項１に記載のセンサ。
  3. 前記突出部は前記センサ基板の前記固定部の上面と直接接合している、請求項１に記載のセンサ。
  4. 前記センサ基板はＳＯＩ基板よりなる、請求項１に記載のセンサ。
  5. 前記上蓋基板の前記第２の部分は前記錘部と対向する、請求項１に記載のセンサ。
  6. 支持層と、前記支持層の上面に設けられた犠牲層と、前記犠牲層の上面に設けられた活性層とを有するセンサ基板と、
    前記センサ基板の上面に接合する上蓋基板と、
    前記センサ基板の下面に接合する下蓋基板と、
    を備え、
    前記活性層は、前記犠牲層を介して前記支持層に固定された固定部と、前記固定部に接続されて変形可能な梁部と、前記固定部に対して可動なように前記梁部に接続された錘部とを有し、
    前記支持層には、前記錘部と前記梁部とのうちの一方に対向する位置に前記支持層の上面と下面とを貫通する貫通孔が設けられており、
    前記貫通孔は、前記錘部と前記梁部のうちの前記一方に向かって広がっている、もしくは狭まっている、センサ。
  7. 支持層と、前記支持層の上面に設けられた犠牲層と、前記犠牲層の上面に設けられた活性層とを有するセンサ基板と、
    前記センサ基板の上面に接合する上蓋基板と、
    前記センサ基板の下面に接合する下蓋基板と、
    を備え、
    前記活性層は、前記犠牲層を介して前記支持層に固定された固定部と、前記固定部に接続されて変形可能な梁部と、前記固定部に対して可動なように前記梁部に接続された錘部とを有し、
    前記支持層には、前記錘部と前記梁部とのうちの一方に対向する位置に前記支持層の上面と下面とを貫通する貫通孔が設けられており、
    前記貫通孔は、局部的に小さい径を有するくびれ部分を有する、センサ。
  8. 支持層と、前記支持層の上面に設けられた犠牲層と、前記犠牲層の上面に設けられた活性層とを有するセンサ基板と、
    前記センサ基板の上面に接合する上蓋基板と、
    前記センサ基板の下面に接合する下蓋基板と、
    を備え、
    前記活性層は、前記犠牲層を介して前記支持層に固定された固定部と、前記固定部に接続されて変形可能な梁部と、前記固定部に対して可動なように前記梁部に接続された錘部とを有し、
    前記支持層には、前記錘部と前記梁部とのうちの一方に対向する位置に前記支持層の上面と下面とを貫通する貫通孔が設けられており、
    前記貫通孔は上面視において矩形状または円形状を有する、センサ。
  9. 前記上蓋基板の厚みと前記下蓋基板との厚みは等しい、請求項６から８いずれかに記載のセンサ。
  10. 前記上蓋基板と前記下蓋基板とは前記センサ基板を気密に封止する、請求項９に記載のセンサ。
  11. 前記上蓋基板と前記下蓋基板とは前記センサ基板を真空に封止する、請求項１０に記載のセンサ。
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