KR101119257B1

KR101119257B1 - 진동형 자이로 센서 소자

Info

Publication number: KR101119257B1
Application number: KR20050026251A
Authority: KR
Inventors: 가즈오 다까하시; 다까시 다무라; 쥰이찌 혼다; 데루오 이나구마
Original assignee: 소니 주식회사
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2005-03-30
Publication date: 2012-03-15
Also published as: KR20060044964A; US20050241395A1; JP4478495B2; US7263884B2; JP2005291858A

Abstract

소형이며 감도가 높은 외팔보 형상의 진동자를 가진 진동형 자이로 센서 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 단결정 실리콘 기판상에 박막 형성 프로세스에 의해 형성된 하부 전극, 압전 박막, 상부 전극을 가진 외팔보 형상의 진동자(11)가, 상부 전극으로서 진동자(11)를 진동시키는 전압을 인가하는 진동자(11)의 길이 방향으로 형성된 구동 전극(6a)과, 구동 전극(6a)을 사이에 끼운 형태로 구동 전극(6a)과 접촉하지 않고 평행하게 진동자(11)의 길이 방향으로 형성된 제1 검출 전극(6b) 및 제2 검출 전극(6c)을 가지며, 구동 전극(6a)의 폭을 W0, 제1 검출 전극(6b)의 폭을 W1, 제2 검출 전극(6c)의 폭을 W2, W = W0 + W1 + W2로 하는 경우, 조건으로 0.5 < (W0/W) < 1을 충족시키는 것으로 실현한다.

실리콘 기판, 진동자, 압전 박막, 검출 전극, 구동 전극

Description

진동형 자이로 센서 소자{VIBRATION TYPE GYROSENSOR DEVICE}

도1은 본 발명을 실시하기 위한 최량의 형태로 나타낸 진동형 자이로 센서 소자에 대하여 설명하기 위한 사시도.

도2는 동 진동형 자이로 센서 소자를 구비하는 각속도 센서의 구성에 대하여 설명하기 위한 도면.

도3은 동 진동형 자이로 센서 소자를 구비하는 진동자에 대하여 설명하기 위한 사시도.

도4는 동 진동형 자이로 센서 소자에 대하여 설명하기 위한 평면도.

도5는 동 진동형 자이로 센서 소자를 제조할 때에 이용하는 단결정 실리콘 기판에 대하여 설명하기 위한 평면도.

도6은 도5에 도시한 단결정 실리콘 기판을 XX선으로 절단했을 때의 단면도.

도7은 단결정 실리콘 기판에 레지스트막 패턴을 형성한 모습을 도시한 평면도.

도8은 도7에 도시한 단결정 실리콘 기판을 XX선으로 절단했을 때의 단면도.

도9는 단결정 실리콘 기판의 열산화막을 제거했을 때의 모습을 도시한 평면도.

도10은 도9에 도시한 단결정 실리콘 기판을 XX선으로 절단했을 때의 단면도.

도11은 단결정 실리콘 기판에 결정 이방성 에칭을 실시한 모습을 도시한 평면도.

도12는 도11에 도시한 단결정 실리콘 기판을 XX선으로 절단했을 때의 단면도.

도13은 도12에 도시한 영역 A를 확대하여 도시한 단면도.

도14는 단결정 실리콘 기판의 표면측 모습을 도시한 평면도.

도15는 도14에 도시한 단결정 실리콘 기판을 XX선으로 절단했을 때의 단면도.

도16은 하부 전극막, 압전막, 상부 전극막이 형성된 단결정 실리콘 기판의 모습을 도시한 평면도.

도17은 도16에 도시한 단결정 실리콘 기판을 XX선으로 절단했을 때의 단면도.

도18은 구동 전극, 검출 전극이 형성된 단결정 실리콘 기판의 모습을 도시한 평면도.

도19는 도18에 도시한 단결정 실리콘 기판을 XX선으로 절단했을 때의 단면도.

도20은 압전체가 형성된 단결정 실리콘 기판의 모습을 도시한 평면도.

도21은 도20에 도시한 단결정 실리콘 기판을 XX선으로 절단했을 때의 단면도.

도22는 기준 전극이 형성된 단결정 실리콘 기판의 모습을 도시한 평면도.

도23은 도22에 도시한 단결정 실리콘 기판을 XX선으로 절단했을 때의 단면도.

도24는 평탄화 레지스트막이 형성된 단결정 실리콘 기판의 모습을 도시한 평면도.

도25는 도24에 도시한 단결정 실리콘 기판을 YY선으로 절단했을 때의 단면도.

도26은 배선 접속 단자가 형성된 단결정 실리콘 기판의 모습을 도시한 평면도.

도27은 도26에 도시한 단결정 실리콘 기판을 YY선으로 절단했을 때의 단면도.

도28은 진동자 주변에 반응성 이온 에칭에 의해 주위 공간이 형성된 단결정 실리콘 기판의 모습을 도시한 평면도.

도29는 도28에 도시한 단결정 실리콘 기판을 YY선으로 절단했을 때의 단면도.

도30은 도28에 도시한 단결정 실리콘 기판을 XX선으로 절단했을 때의 단면도.

도31은 복수의 진동형 자이로 센서 소자가 형성된 단결정 실리콘 기판을 도시한 평면도.

도32는 단결정 실리콘 기판에 형성된 복수의 진동형 자이로 센서 소자를 절단할 때의 절단선을 도시한 단결정 실리콘 기판의 모습을 도시한 평면도.

도33은 진동형 자이로 센서 소자를 IC 기판상에 접합시켰을 때의 모습을 도시한 평면도.

도34는 진동형 자이로 센서 소자를 구비하는 각속도 센서에 커버재를 장착했을 때의 모습을 도시한 평면도.

도35는 진동형 자이로 센서 소자에 있어서 변화시키는 구동 전극의 폭에 대하여 설명하기 위한 도면.

도36은 구동 전극의 상대폭과 감도의 관계를 도시하는 도면.

도37은 표준 전극에 대하여 설명하기 위한 도면.

도38은 진동형 자이로 센서 소자에 있어서 변화시키는 검출 전극의 길이에 대하여 설명하기 위한 도면.

도39는 검출 전극의 상대 길이와 감도의 관계를 도시한 도면.

도40은 진동형 자이로 센서 소자에 있어서 변화시키는 검출 전극의 위치에 대하여 설명하기 위한 도면.

도41은 검출 전극의 상대 위치와 감도의 관계를 도시한 도면.

도42는 구동 전극, 검출 전극의 형상을 직사각형 이외로 한 경우의 일 예를 도시한 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 단결정 실리콘 기판

4a : 기준 전극

5a : 압전체

6a : 구동 전극

6b, 6c : 검출 전극

10 : 진동형 자이로 센서 소자

11 : 진동자

12 : 주위 공간

R : 근원 라인

[문헌1] JP 8-261763 A

[문헌2] JP 8-327364 A

[문헌3] JP 7-113643 A

본 발명은, 예를 들면 비디오 카메라의 손떨림 검지나 버추얼 리얼리티 장치에서의 동작 검지, 카 네비게이션 시스템에서의 방향 검지 등에 이용되는 각속도 센서에 관한 것으로, 상세하게는 외팔보 진동자를 가진 소형 진동형 자이로 센서 소자에 관한 것이다.

종래부터 민생용 각속도 센서로는 외팔보 진동자를 소정의 진동 주파수로 진동시켜 두고 각속도의 영향으로 발생하는 코리올리힘을 압전 소자 등으로 검출하는 것으로 각속도를 검출하는, 소위 진동형의 자이로 센서(이하, 진동형 자이로 센서 라고 부른다)가 널리 사용되고 있다.

진동형 자이로 센서는 단순한 기구, 짧은 기동 시간, 저가로 제조 가능하다는 등의 이점을 가지고 있어, 예를 들면 비디오 카메라, 버추얼 리얼리티 장치, 카 네비게이션 시스템 등의 전자 기기에 탑재되어 각각 손떨림 검지, 동작 검지, 방향 검지 등을 할 때의 센서로 활용되고 있다.

진동형 자이로 센서는 탑재되는 전자 기기의 소형화, 고성능화에 따라 소형화, 고성능화가 요구되고 있다. 예를 들면, 전자 기기의 다기능화를 위하여 다른 용도로 사용되는 각종 센서와 조합하여 진동형 자이로 센서를 한 기판상에 탑재하여 소형화를 도모하는 등의 요청이 있다.

그런데, 진동형 자이로 센서는 압전 재료를 기계 가공에 의해 잘라내어 성형하는 것으로 진동자를 제작하고 있었기 때문에, 상술한 바와 같은 소형화를 수행하기에는 가공 정밀도에 한계가 있어 원하는 성능을 얻을 수 없다는 등의 문제가 있었다.

이에, 진동자를 단결정 실리콘 기판상에 압전 재료로 박막을 형성하는 것으로 제작하여 소형화한 압전 진동 각속도계, 즉 진동형 자이로 센서가 고안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1, 특허문헌 2 참조). 또한, 실리콘 가공 프로세스에 의해 형성된 외팔보인 진동자로 하고, 이 진동자의 길이 방향으로 구동 전극과, 구동 전극을 사이에 끼운 형태로 구동 전극과 접촉하지 않고 평행하게 한 쌍의 검출 전극이 형성된 진동형 자이로 센서가 고안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 3 참조).

이와 같은 진동형 자이로 센서에 있어서는 보다 높은 감도로 각속도를 검출 하는 것이 요구되고 있다.

[특허문헌 1] 일본 특개평8-261763호 공보

[특허문헌 2] 일본 특개평8-327364호 공보

[특허문헌 3] 일본 특개평7-113643호 공보

이에, 본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술에 비추어 안출된 것으로, 구동 전극의 폭, 구동 전극의 길이, 검출 전극의 진동자상의 위치를 규정함으로써, 감도를 향상시킨 진동형 자이로 센서 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.

삭제

상술의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 관한 진동형 자이로 센서 소자는, 단결정 실리콘 기판상에 박막 형성 프로세스에 의해 형성된 하부 전극, 압전 박막, 상부 전극을 가진 진동자를 구비하고, 상기 압전 박막의 압전 효과를 이용하여 각속도를 검출하는 진동형 자이로 센서 소자로서, 상기 진동자는 상기 상부 전극으로서 상기 진동자를 진동시키는 전압을 인가하는 상기 진동자의 길이 방향으로 형성된 구동 전극과, 상기 구동 전극을 사이에 끼운 형태로 상기 구동 전극과 접촉하지 않고 평행하게 상기 진동자의 길이 방향으로 형성된 제1 검출 전극 및 제2 검출 전극을 갖는다.

그리고, 상기 제1 검출 전극이 형성되어 있는 측의 상기 진동자의 측벽면으로부터 상기 제1 검출 전극의 폭 방향의 중심 위치까지의 최단 거리를 P1, 상기 제2 검출 전극이 형성되어 있는 측의 상기 진동자의 측벽면으로부터 상기 제2 검출 전극의 폭 방향의 중심 위치까지의 최단 거리를 P2, 상기 진동자의 폭을 S로 하는 경우, 조건으로서 0.04 ≤ (P1/S) < 0.125, 0.04 ≤ (P2/S) < 0.125를 충족시킨다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 관한 진동형 자이로 센서 소자는, 하부 전극, 압전 박막, 상부 전극을 가진 진동자를 구비하고, 상기 압전 박막의 압전 효과를 이용하여 각속도를 검출하는 진동형 자이로 센서 소자로서, 한쪽 주면 및 다른 쪽 주면의 면 방위가 {100}인 단결정 실리콘 기판의 한쪽 주면상에 {110}면에 대하여 평행 또는 수직인 직선으로 구성된 제1 개구부를 갖는 제1 보호막 패턴을 형성하고 상기 제1 개구부에 대하여 상기 진동자의 두께가 될 때까지 결정 이방성 에칭을 수행하고, 상기 진동자의 두께가 될 때까지 결정 이방성 에칭된 상기 한쪽 주면에 대향하는 상기 다른 쪽 주면상의 상기 진동자가 되는 영역에 상기 하부 전극, 상기 압전 박막, 상기 상부 전극을 순서대로 적층하여 형성하고, 상기 하부 전극, 상기 압전 박막, 상기 상부 전극이 형성된 상기 다른 쪽 주면상에 상기 {110}면에 대하여 평행 또는 수직인 직선으로 구성되며 상기 진동자에 대응하는 형상의 공극을 본뜬 제2 개구부를 갖는 제2 보호막 패턴을 형성하고 상기 제2 개구부에 대하여 반응성 이온 에칭(RIE : Reactive Ion Etching)을 수행하는 것으로 형성된 상기 진동자를 구비하며, 상기 진동자는 상기 상부 전극으로서 상기 진동자를 진동시키는 전압을 인가하는 상기 진동자의 길이 방향으로 형성된 구동 전극과, 상기 구동 전극을 사이에 끼운 형태로 상기 구동 전극과 접촉하지 않고 평행하게 상기 진동자의 길이 방향으로 형성된 제1 검출 전극 및 제2 검출 전극을 갖는다.

그리고, 상기 제1 검출 전극이 형성되어 있는 측의 상기 진동자의 측벽면으로부터 상기 제1 검출 전극의 폭 방향의 중심 위치까지의 최단 거리를 P1, 상기 제2 검출 전극이 형성되어 있는 측의 상기 진동자의 측벽면으로부터 상기 제2 검출 전극의 폭 방향의 중심 위치까지의 최단 거리를 P2, 상기 진동자의 폭을 S로 하는 경우, 조건으로서 0.04 ≤ (P1/S) < 0.125, 0.04 ≤ (P2/S) < 0.125를 충족시킨다. 단, "{ }"는 방향이 서로 다른 등가인 면 방위를 총칭하여 나타내기 위한 기호이다.

그리고, 상기 구동 전극의 폭을 W0, 상기 제1 검출 전극의 폭을 W1, 상기 제2 검출 전극의 폭을 W2, W = W0 + W1 + W2로 하는 경우, 조건으로서 0.5 < (W0/W) < 0.95을 충족시킨다.

상술의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 관한 진동형 자이로 센서 소자는, 하부 전극, 압전 박막, 상부 전극을 가진 진동자를 구비하고, 상기 압전 박막의 압전 효과를 이용하여 각속도를 검출하는 진동형 자이로 센서 소자로서, 한쪽 주면 및 다른 쪽 주면의 면 방위가 {100}인 단결정 실리콘 기판의 한쪽 주면상에 {110}면에 대하여 평행 또는 수직인 직선으로 구성된 제1 개구부를 갖는 제1 보호막 패턴을 형성하고 상기 제1 개구부에 대하여 상기 진동자의 두께가 될 때까지 결정 이방성 에칭을 수행하고, 상기 진동자의 두께가 될 때까지 결정 이방성 에칭된 상기 한쪽 주면에 대향하는 상기 다른 쪽 주면상의 상기 진동자가 되는 영역에 상기 하부 전극, 상기 압전 박막, 상기 상부 전극을 순서대로 적층하여 형성하고, 상기 하부 전극, 상기 압전 박막, 상기 상부 전극이 형성된 상기 다른 쪽 주면상에 상기 {110}면에 대하여 평행 또는 수직인 직선으로 구성되며 상기 진동자에 대응하는 형상의 공극을 본뜬 제2 개구부를 갖는 제2 보호막 패턴을 형성하고 상기 제2 개구부에 대하여 반응성 이온 에칭(RIE : Reactive Ion Etching)을 수행하는 것으로 형성된 상기 진동자를 구비하는며, 상기 진동자는 상기 상부 전극으로서 상기 진동자를 진동시키는 전압을 인가하는 상기 진동자의 길이 방향으로 형성된 구동 전극과, 상기 구동 전극을 사이에 끼운 형태로 상기 구동 전극과 접촉하지 않고 평행하게 상기 진동자의 길이 방향으로 형성된 제1 검출 전극 및 제2 검출 전극을 갖는다.

그리고, 상기 구동 전극의 폭을 W0, 상기 제1 검출 전극의 폭을 W1, 상기 제2 검출 전극의 폭을 W2, W = W0 + W1 + W2로 하는 경우, 조건으로서 0.5 < (W0/W) < 0.95을 충족시킨다. 단, "{ }"는 방향이 서로 다른 등가인 면 방위를 총칭하여 나타내기 위한 기호이다.

삭제

이하, 본 발명에 관한 진동형 자이로 센서 소자를 실시하기 위한 최량의 형태를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도1은 본 발명을 적용한 각속도 센서(50)가 구비하는 진동형 자이로 센서 소자(10)의 외관 사시도이며, 도2는 각속도 센서(50)의 회로 구성의 일 예를 도시한 도면이다. 또한, 설명을 위하여 도1에 도시한 진동형 자이로 센서 소자(10)는 일부를 투과하여 도시하고 있다.

도1에 도시한 바와 같이, 진동형 자이로 센서 소자(10)는 소위 외팔보인 진동자(11)를 구비하고 있다. 진동자(11)는 실리콘 단결정 기판에서 잘라낸 두께 t1, 길이 t2, 폭 t3인 소자로부터 진동자(11) 주위에 주위 공간(12)을 설치하는 것으로 타단이 고정된 보로 형성된다. 진동자(11)는 길이 방향과 수직인 방향으로 t7b 및 t7c의 공간폭, 길이 방향으로 t7a의 공간폭이 확보된다. 또한, t7b와 t7c는 같은 길이이다.

이와 같은 진동자(11)는 길이 방향에 대하여 수직인 평면으로 절단했을 때의 단면 형상이 직각 사변형이 되는 사각주형으로 형성되어 있다.

진동형 자이로 센서 소자(10)의 크기는, 예를 들면 상술한 바와 같이 소자의 두께를 t1, 소자의 길이를 t2, 소자의 폭을 t3으로 하면, t1 = 300㎛, t2 = 3㎜, t3 = 1㎜로 할 수 있다. 또한, 이 때의 진동자(11)의 크기는 도3에 도시한 바와 같이 진동자의 두께를 t4, 진동자의 길이를 t5, 진동자의 폭을 t6으로 한다면, 예를 들면 t4 = 100㎛, t5 = 2.5mm, t6 = 100㎛로 할 수 있다.

도4에 진동형 자이로 센서 소자(10)의 평면도를 도시한다. 도4에 도시한 바 와 같이, 진동자(11)의 상부에는 기준 전극(4a), 압전체(5a)가 순서대로 적층되고, 나아가 압전체(5a)상에 구동 전극(6a)과, 구동 전극(6a)을 사이에 끼고 한 쌍의 검출 전극(6b, 6c)이 진동자(11)의 길이 방향을 따라 서로 평행하며, 또한 접촉하지 않도록 형성되어 있다. 구동 전극(6a), 검출 전극(6b, 6c), 기준 전극(4a)에는 각각 배선 접속 단자(A, B, C, D)가 설치되어 있다.

압전체(5a)는, 예를 들면 티탄산 지르콘산 납(PZT) 등의 압전 세라믹스나 수정, LaTaO₃ 등의 압전 단결정 등으로 이루어지는 박막이다.

이와 같은 진동형 자이로 센서 소자(10)는 도2에 도시한 IC 회로(40)에 접속되는 것으로 동작하며, 각속도에 따라 발생하는 코리올리힘을 검출하는 각속도 센서(50)로서 기능한다.

IC 회로(40)는 가산 회로(41)와, 증폭 회로(42)와, 이상 회로(43)와, AGC(Automatic Gain Control)(44)와, 차동 증폭 회로(45)와, 동기 검파 회로(46)와, 평활 회로(47)를 구비하고 있다.

진동형 자이로 센서 소자(10)의 1쌍의 검출 전극(6b, 6c)은 각각 배선 접속 단자(B, C)를 통해 가산 회로(41)와 차동 증폭 회로(45)에 접속된다. 또한, 진동형 자이로 센서 소자(10)의 구동 전극(6a)은 배선 접속 단자(A)를 통해 AGC(4)의 출력단과 접속된다.

각속도 센서(50)에서는 가산 회로(41), 증폭 회로(42), 이상 회로(43), AGC(44) 및 진동형 자이로 센서 소자(10)에 의해 소위 이상 발진 회로가 구성되어 있으며, 이 이상 발진 회로에 의해 진동형 자이로 센서 소자(10)의 기준 전극(4a), 구동 전극(6a)간에 전압이 인가되어 진동자(11)를 자여(自勵)진동시킨다. 진동자(11)의 진동 방향은 당해 진동자(11)의 두께 방향이 된다.

또한, 각속도 센서(50)에서는 1쌍의 검출 전극(6b, 6c)이 배선 접속 단자(B, C)를 통해 접속된 가산 회로(41), 차동 증폭 회로(45)의 출력단이 동기 검파 회로(46)에 접속되고, 이 동기 검파 회로(46)가 평활 회로(47)에 접속되어 있으며, 이들과 압전체(5a)로 진동자(11)의 각속도를 검출하는 검출부로서 기능한다.

즉, 도2에 도시한 각속도 센서(50)에서는 진동형 자이로 센서 소자(10)의 진동자(11)를 상술한 이상 발진 회로로 자여진동시키고 있을 때에 진동자(11)의 길이 방향으로 각속도가 가해짐에 따라 진동 방향에 수직인 방향으로 발생하는 코리올리힘을 압전체(5a)로 검출하고 검출 전극(6b, 6c)으로부터 서로 반대 극성의 신호로 출력하고 차동 증폭 회로(45)에 입력한다. 차동 증폭 회로(45)에서 증폭된 출력은 동기 검파 회로(46)에 입력되어 동기 검파가 수행된다. 이 때, 동기 검파 회로(46)에는 동기 검파를 수행하기 위하여 가산기(41)로부터의 출력이 동기 신호로서 공급된다. 그리고, 동기 검파 회로(46)로부터의 출력이 평활 회로(47)를 통해 진동자(11)에 발생한 코리올리힘을 검출함에 따라 얻어진 직류 신호인 각속도 신호로서 출력된다.

이상과 같이 각속도 센서(50)에서는 압전체(5a)를 이용하여 진동자(11)를 진동시키는 동시에, 진동자(11)에 발생하는 코리올리힘을 압전체(5a)에 의해 검출하고, 이 압전체(5a)에 의해 검출된 코리올리힘에 의거하여 각속도를 검출할 수 있 다.

<실시예>

계속해서, 실시예로서 상술한 진동형 자이로 센서 소자(10)를 실제로 제작하며 그 제조 방법에 대하여 설명한다.

상술한 바와 같이, 도1에 도시한 진동형 자이로 센서 소자(10)는 단결정 실리콘 기판을 가공하는 것으로 형성된다.

도5는 진동형 자이로 센서 소자(10)를 형성할 때에 이용하는 단결정 실리콘 기판(1)의 평면도이며, 도6은 도5에 도시한 단결정 실리콘 기판(1)을 XX선으로 절단한 단면도이다. 상기 단결정 실리콘 기판(1)의 한쪽 주면(1B), 다른 쪽 주면(1A)은 열산화되어, 후술하는 결정 이방성 에칭시의 보호막으로 하는 SiO₂막이 형성되어 있다.

진동형 자이로 센서 소자(10)에서 사용하는 단결정 실리콘 기판(1)은 도5에 도시한 바와 같이 당해 단결정 실리콘 기판(1)의 한쪽 주면(1B)의 면 방위가 {100}, 도6에 도시한 바와 같이 측면(1C)의 면 방위가 {110}이 되도록 잘라져 있다. 또한, 다른 쪽 주면(1A)은 한쪽 주면(1B)과 평행하기 때문에 다른 쪽 주면(1A)의 면 방위도 {100}으로 되어 있다.

단, "{ }"은 방향이 서로 다른 등가인 면 방위를 총칭하여 나타내기 위한 기호로, 예를 들면 {100}은 (100), (010), (001) 등을 총칭하는 것으로 한다.

이와 같이 결정 면 방위를 규정하여 잘려지는 단결정 실리콘 기판(1)의 크기 는 가공 프로세스 라인에 설치된 장치에 따라 임의로 설정된다. 예를 들면, 본 실시예에서는 세로 × 가로가 3㎝ × 3㎝각의 단결정 실리콘 기판(1)을 이용하고 있다.

또한, 단결정 실리콘 기판(1)의 두께는 작업성이나 당해 기판의 가격에 따라 결정되는데, 적어도 진동형 자이로 센서 소자(10)에 형성하는 진동자(11)의 두께 이상이면 된다. 예를 들면, 본 실시예에서는 도3을 이용하여 도시한 바와 같이 진동자(11)의 두께(t4)를 100㎛로 하고 있으므로 단결정 실리콘 기판(1)의 두께를 3배인 300㎛로 하고 있다.

도6에 도시한 바와 같이 단결정 실리콘 기판(1)의 다른 쪽 주면(1A) 및 한쪽 주면(1B)에는 열산화하는 것으로 SiO₂막인 열산화막(2A, 2B)을 형성한다. 이 열산화막(2A, 2B)은 후술하는 결정 이방성 에칭을 수행할 때의 보호막으로 기능한다. 열산화막(2A, 2B)의 두께는 임의이지만, 본 실시예에서는 0.1㎛로 하고 있다. 또한, 본 실시예에서 이용하는 단결정 실리콘 기판(1)은 전도형으로 N형을 채용하고 있지만, 임의로 결정할 수 있다.

또한, 이하의 설명에서 단결정 실리콘 기판(1)에 있어서 열산화막(2A)이 형성된 다른 쪽 주면(1A)측을 표면으로 하고, 열산화막(2B)이 형성된 한쪽 주면(1B)측을 이면으로 한다.

이와 같은 단결정 실리콘 기판(1)을 이용하여 우선 당해 단결정 실리콘 기판(1)의 이면에서 결정 이방성 에칭을 수행하는 부분에 형성되어 있는 열산화막(2B) 을 포토 에칭에 의해 제거한다.

포토 에칭은 열산화막(2B)상에 상기 제거하는 부분이 개구된 레지스트막 패턴을 형성하는 공정(포토리소그래피)과, 상기 패턴을 이용하여 열산화막(2B)을 제거하는 공정(에칭)으로 크게 나누어진다.

도7은 단결정 실리콘 기판(1)의 열산화막(2B)상에 레지스트막 패턴(3)이 형성된 모습을 도시한 평면도이며, 도8은 도7에 도시한 단결정 실리콘 기판(1)을 XX선으로 절단했을 때의 단면도이다.

도7에 도시한 바와 같이 열산화막(2B)상에 형성된 레지스트막 패턴(3)은 {110}면과 수직인 방향의 길이를 t8로 하고, {110}면과 평행한 방향의 길이를 t9로 하는 t8 × t9 사이즈의 직사각형상인 개구부(3a)가 소정의 간격을 두고 규칙적으로 배열된 패턴으로 이루어져 있다. 본 실시예에서는 3 × 5개의 개구부(3a)가 형성된 패턴으로 하고 있다. 개구부(3a)의 각각이 1개의 진동형 자이로 센서 소자(10)가 된다.

이 레지스트막 패턴(3)은 반도체 가공 프로세스에서 이용되고 있는 포토리소그래피와 완전히 동일하게 하여, 열산화막(2B)상을 마이크로파로 가열하여 수분을 제거하는 프리베이킹을 수행하고 나서 감광성 수지인 포토레지스트막을 도포하고 상기 개구부(3a)를 형성하기 위한 상기 패턴이 형성된 마스크를 포토레지스트막에 노광하여 현상을 하는 공정을 거쳐 형성된다.

개구부(3a)의 크기를 결정하는 t8, t9는 진동형 자이로 센서 소자(10)의 진동자(11)의 형상과 단결정 실리콘 기판(10)의 두께(t1), 도1에서 도시한 진동자의 공간폭(t7a, t7b)에 의해 결정된다. 또한, t8, t9의 구체적인 수치에 대해서는 뒤에 상세하게 설명한다.

이와 같이 하여 도8에 도시한 바와 같이 단결정 실리콘 기판(1)의 열산화막(2B)상에는 레지스트막 패턴(3)이 형성된다.

이어서, 레지스트막 패턴(3)에 의해 형성된 개구부(3a)의 열산화막(2B)을 에칭에 의해 제거한다. 도9는 레지스트막 패턴(3)에 의해 형성된 개구부(3a) 부분의 열산화막(2B)만 제거된 단결정 실리콘 기판(11)의 모습을 도시한 평면도이며, 도10은 도9에 도시한 단결정 실리콘 기판(1)을 XX선으로 절단했을 때의 단면도이다.

열산화막(2B)을 제거하는 경우의 에칭은 이온 에칭 등의 물리적 에칭이어도 되고 습식 에칭이어도 되지만, 단결정 실리콘 기판(1)의 계면 평활성을 고려한다면 열산화막(2B)만 제거되는 습식 에칭이 적합하다.

본 실시예에서는 습식 에칭의 약액으로 불화암모늄을 이용하였다. 단, 습식 에칭인 경우 장시간 에칭을 수행하면 개구 부분의 측면으로부터 에칭이 진행되는, 소위 사이드 에칭이 커지기 때문에 열산화막(2B)의 개구 부분(3a)만 제거된 시점에서 종료하도록 에칭 시간을 정확하게 제어한다.

이와 같이 하여 레지스트막 패턴(3)의 개구부(3a)에 위치하는 열산화막(2B)은 도10에 도시한 바와 같이 제거된다.

이어서, 상술한 에칭에 의해 열산화막(2B)이 제거됨에 따라 레지스트막 패턴(3)의 개구부(3a)와 동일한 크기인 t8 × t9의 개구부(2Ba)로부터 {100}면이 노출된 단결정 실리콘 기판(1)에 대하여 습식 에칭을 실시하여 단결정 실리콘 기판(1) 의 두께를 진동자(11)의 두께인 t4까지 깎아낸다.

도11은 단결정 실리콘 기판(1)에서 열산화막(2B)이 제거되어 {100}면이 노출된 t8 × t9 크기의 개구부(2Ba)만 에칭된 모습을 도시한 평면도이며, 도12는 도11에 도시한 단결정 실리콘 기판(1)을 XX선으로 절단했을 때의 단면도이다. 또한, 도13은 도12에 도시한 영역 A를 확대하여 도시한 도면이다.

여기서, 단결정 실리콘 기판(1)에 실시되는 습식 에칭은 결정 방향으로 에칭 속도가 의존하는 성질을 이용한 결정 이방성 에칭이다. 열산화막(2B)이 제거되어 {100}면이 노출된 상기 개구부(2Ba)에 대하여 결정 이방성 에칭을 하면 도13에 도시한 바와 같이 {100}면에 대하여 약 55도 각도의 면 방위가 되는 {111}면이 나타나고, 진동자(11)의 두께인 t4만큼 확보하도록 에칭을 종료하는 것으로, 소위 다이어프램 형상이 된다.

일반적으로, 단결정 실리콘은 그 결정 구조면에서 {111}면이 {100}면에 비해 매우 에칭되기 어렵다는 결정 방향에 대한 에칭 속도 의존성이 있다. 구체적으로는 단결정 실리콘의 {100}면의 에칭 속도는 {111}면의 에칭 속도의 200배 정도로 되어 있다.

단결정 실리콘에 대하여 결정 이방성 에칭을 실시할 때에 사용 가능한 에칭액은 TMAH(수산화테트라메틸암모늄), KOH(수산화칼륨), EDP(에틸렌디아민-피로카테콜-물), 히드라진 등이다.

본 실시 형태에서는 에칭액으로 열산화막(2A)과 열산화막(2B)의 에칭 그레이트의 선택비가 보다 커지는 TMAH(수산화테트라메틸암모늄) 20% 용액을 사용하였다. 에칭시에는 에칭액을 교반하면서 온도를 80℃로 유지하고 6시간에 걸쳐 다이어프램의 높이(t10)가 200㎛, 즉 에칭함으로써 남는 단결정 실리콘 기판(1)의 두께(t11)가 진동자(11)의 두께(t4)와 동일한 100㎛가 될 때까지 에칭하였다.

여기서, 결정 이방성 에칭을 실시하기 위하여 도7을 이용하여 설명한 레지스트막 패턴(3)에 의해 형성한 개구부(3a)의 사이즈를 규정하는 t8, t9의 수치에 대하여 구체적으로 설명한다.

개구부(3a)의 폭(t9), 즉 에칭 후의 다이어프램의 폭은 도13에 도시한 바와 같이 t9 = t9a + t9b + t9c로 되어 있다.

t9c는 도3에 도시한 진동자(11)의 폭(t6)과 도1에 도시한 진동자(11) 주변에 형성하는 주위 공간(12)의 공간폭(t7b, t7c)을 이용하여 t9c = t6 + t7b + t7c로 나타낼 수 있다.

또한, t9a, t9b는 각각 같은 길이이며, 도13에 도시한 바와 같이 결정 이방성 에칭을 실시했을 때에 나타내는 {111}면과, 단결정 실리콘 기판(1)의 이면인 {100}면이 55도의 각도를 이루고 있는 점에서, 다이어프램의 깊이(t10)를 이용하여 t9a = t9b = t10 × 1/tan55°로 나타낼 수 있다.

따라서, 개구부(3a)의 폭(t9)은 t9 = {t10 × 1/tan55°} × 2 + (t6 + t7b +t7c)가 된다. 여기서 t6 = 100㎛, t7b = t7c = 200㎛, t10 = 200㎛로 하면 t9 = 780㎛가 된다.

상술한 바와 같은 결정성 이방 에칭을 수행하면 레지스트막 패턴(3)의 개구부(3a)에 있어서의 t8 방향에도 t9 방향과 마찬가지로 {100}면과 55도의 각도를 이 루는 {111}면이 나타난다. 따라서, 개구부의 길이(t8), 즉 에칭 후의 다이어프램의 길이는 도3에 도시한 진동자(11)의 길이(t5), 도1에 도시한 진동자(11) 주변에 형성하는 주변 공간(12)의 공간폭(t7a)을 이용하여 t8 = {t10 × 1/tan55°} × 2 + (t5 + t7a)가 된다. 여기서, t5 = 2.5㎜, t7a = 200㎛, t10 = 200㎛로 하면 t8 = 2980㎛가 된다.

상술의 설명에서는 단결정 실리콘 기판(1) 전체를 도시하면서 설명했지만, 설명의 편의상 이하의 설명에서는 도11에 영역 W로 나타내는 다이어프램이 형성된 단결정 실리콘 기판(1)만을 이용하여 설명한다. 또한, 이하의 설명에서는 열산화막(2A)측에 대한 가공 공정이 되기 때문에, 표면인 열산화막(2A)측을 상면으로 한 평면도, 및 이 평면도를 소정의 위치에서 절단한 단면도를 이용하여 설명한다.

구체적으로는, 도11에 도시한 영역(W)의 다이어프램이 형성된 단결정 실리콘 기판(1)을 열산화막(2A)을 상면으로 하면 도14와 같이 평면도가 되고, XX선으로 절단되는 단면도는 도15와 같이 된다.

이어서, 열산화막(2A)상에 도1에 도시한 기준 전극(4a), 압전체(5a), 구동 전극(6a), 검출 전극(6b, 6c)을 형성하기 위하여 하부 전극막, 압전막, 상부 전극막을 성막한다. 단결정 실리콘 기판(1)의 열산화막(2A)상에 하부 전극막(4), 압전막(5), 상부 전극막(6)을 순서대로 성막하면, 그 평면도는 도16과 같이 되고, 도16에 도시한 XX선으로 절단한 단면도는 도17과 같이 된다.

본 실시예에서는 하부 전극막(4), 압전막(5), 상부 전극막(6)을 모두 마그네트론 스패터 장치를 이용하여 성막하였다.

우선, 열산화막(2A)상에 하부 전극막(4)을 성막한다. 본 실시예에서는 우선 마그네트론 스패터 장치의 조건을 가스압 : 0.5㎩, RF 파워 : 1㎾로 하고 열산화막(2A)상에 티탄(Ti)의 막두께가 50㎚이 되도록 성막하였다. 이어서, 성막한 티탄(Ti)상에 장치의 조건을 가스압 : 0.5㎩, RF 파워 : 0.5㎾로 하고 플라티나(Pt)를 막두께가 200㎚이 되도록 성막하였다. 즉, 티탄과 플라티나를 상기 막두께가 되도록 성막하여 하부 전극막(4)을 형성하고 있다.

다음으로, 하부 전극막(4)상에 압전막(5)을 성막한다. 본 실시예에서는 우선 Pb_{(1 + x)}(Zr_0.53Ti_0.47)O_3-y산화물을 타깃으로 이용하고 마그네트론 스패터 장치의 조건을 상온, 가스압 : 0.7㎩, RF 파워 : 0.5㎾로 하여 하층 전극(4)으로 성막된 플라티나(Pt)상에 티탄산 지르콘산 납(PZT)의 압전체 박막을 막두께가 1㎛가 되도록 성막하였다. 이어서, 티탄산 지르콘산 납(PZT)을 성막한 단결정 실리콘 기판(1)을 전기로에 넣고 산소 분위기하 700℃, 10분간이라는 조건으로 결정화 열처리를 수행하는 것으로 압전막(5)을 형성하였다.

마지막으로 압전막(5)상에 상부 전극막(6)을 성막한다. 본 실시예에서는 마그네트론 스패터 장치의 조건을 가스압 0.5㎩, RF 파워 : 0.5㎾로 하고 압전막(5)상에 플라티나(Pt)를 막압이 200㎚이 되도록 성막하였다.

다음으로, 상부 전극막(6)을 가공하여 구동 전극(6a), 검출 전극(6b, 6c)을 형성한다. 도18은 구동 전극(6a), 검출 전극(6b, 6c)이 형성된 단결정 실리콘 기판(1)의 모습을 도시한 평면도이며, 도19는 도18에 도시한 단결정 실리콘 기판(1)을 XX선으로 절단했을 때의 단면도이다.

구동 전극(6a)은 상술한 바와 같이 진동자(11)를 구동하기 위한 전압을 인가하는 전극으로, 진동자(11)의 중심이 되도록 형성된다. 또한, 검출 전극(6b, 6c)은 상술한 바와 같이 진동자(11)에 발생한 코리올리힘을 검출하기 위한 전극으로, 구동 전극(6a)을 사이에 끼듯이 구동 전극(6a)과 평행하며, 또한 접촉하지 않도록 진동자(11)에 형성된다.

또한, 도18에 도시한 바와 같이 구동 전극(6a), 검출 전극(6b, 6c)은 그 한쪽 단부가 진동자(11)의 근원인 근원 라인(R)과 일치하도록 형성되고, 각 전극의 상기 한쪽 단부에는 각각 단자 접합부(6a₁, 6b₁, 6c₁)가 형성된다.

본 실시 형태에서는 구동 전극(6a)의 폭(t13)을 50㎛, 검출 전극(6b, 6c)의 폭(t14)을 10㎛, 구동 전극(6a) 및 검출 전극(6b, 6c)의 길이(t12)를 2㎜, 검출 전극(6b, 6c)의 구동 전극(6a)과의 간격(t15)을 각각 5㎛로 하였다. 이 구동 전극(6a), 검출 전극(6b, 6c)은 진동자(11)상에 형성되는 범위라면 임의의 크기로 설계할 수 있다. 또한, 본 실시예에서는 단자 접합부(6a₁, 6b₁, 6c₁)의 각각의 길이(t16)를 50㎛, 폭(t17)을 50㎛로 하였다.

본 실시예에서는 구동 전극(6a), 검출 전극(6b, 6c) 및 단자 접합부(6a₁, 6b₁, 6c₁)를 포토리소그래피 기술을 이용하여 상부 전극막(6)상에 레지스트막 패턴을 형성한 후 이온 에칭에 의해 불필요한 부분의 전극막(6)을 제거하는 것으로 형성하였다.

본 발명은 이 구동 전극(6a), 검출 전극(6b, 6c) 및 단자 접합부(6a₁, 6b₁, 6c₁)를 형성할 때의 수법에 한정되는 것이 아니라, 상술한 수법 이외에도 여러 수법을 적용할 수 있다.

다음으로, 압전막(5)을 가공하여 진동자(11)상에 압전체(5a)를 형성한다. 도20은 압전막(5)을 가공하여 압전체(5a)가 형성된 단결정 실리콘 기판(1)의 모습을 도시한 평면도이며, 도21은 도20에 도시한 단결정 실리콘 기판(1)을 XX선으로 절단했을 때의 단면도이다.

압전체(5a)는 상부 전극막(6)을 가공하여 형성한 구동 전극(6a), 검출 전극(6b, 6c)을 완전히 피복하는 형상이라면 어떠한 형상이어도 상관없다.

본 실시예에서는 압전체(5a)의 길이(t18)를 2.2㎜, 폭(t19)을 90㎛로 하였다. 이와 같은 크기의 압전체(5a)는 그 중심이 진동자(11)의 중심과 일치하고 한쪽 단부가 진동자(11)의 근원인 근원 라인(R)과 일치되도록 한다.

압전체(5a)의 폭(t18)은 진동자(11)의 폭(t4) 이하의 폭이어야 한다. 또한, 본 실시예에서는 상술한 단자 접합부(6a₁, 6b₁, 6c₁) 아래에 압전막(5)을 단자 접합부(6a₁, 6b₁, 6c₁)의 각 외주로부터 5㎛의 폭을 지니게 하여 남겨 놓았다. 이 단자 접합부(6a₁, 6b₁, 6c₁) 아래에 남겨진 압전막(5)은 진동형 자이로 센서 소자(10) 전체의 형상 사이즈에 따라 임의로 설정하게 된다.

본 실시예에서는 포토리소그래피 기술을 이용하여 압전체(5a) 및 단자 접합 부(6a₁, 6b₁, 6c₁) 아래에 남기는 압전막(5) 형상의 레지스트막 패턴을 형성한 후 불초산 용액에 의한 습식 에칭에 의해 불필요한 부분의 압전막(5)을 제거함으로써 압전체(5a)를 형성하였다.

상술한 바와 같이 본 실시예에서는 압전체(5a)를 형성하기 위하여 압전막(5)의 불필요 부분을 제거하는 수법을 습식 에칭으로 하고 있지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니라, 물리적인 에칭인 이온 에칭에 의한 제거 방법이나 화학적인 작용과 물리적인 작용으로 에칭하는 반응성 이온 에칭(RIE : Reactive Ion Etching)에 의한 제거 방법 등을 적용할 수 있다.

다음으로, 하부 전극막(4)을 가공하여 진동자(11)상에 기준 전극(4a)을 형성한다. 도22는 하부 전극막(4)을 가공하여 기준 전극(4a)이 형성된 단결정 실리콘 기판(1)의 모습을 도시한 평면도이며, 도23은 도22에 도시한 단결정 실리콘 기판(1)을 XX선으로 절단했을 때의 단면도이다.

기준 전극(4a)은 압전막(5)을 가공하여 형성한 압전체(5a)를 완전히 피복하는 형상이라면 어떠한 형상이어도 상관없다.

본 실시예에서는 기준 전극(4a)의 길이(t20)를 2.3㎜로 하고, 폭(t21)을 94㎛로 하였다. 이와 같은 기준 전극(4a)은 그 중심이 진동자(11)의 중심과 일치하고 한쪽 단부를 진동자(11)의 근원인 근원 라인(R)과 일치되도록 한다.

기준 전극(4a)의 폭(t20)은 진동자(11)의 폭(t4) 이하의 폭이어야 한다. 또한, 본 실시예에서는 상술한 바와 같이 제거하지 않았던 압전막(5) 아래의 하부 전 극막(4)을 상기 압전막(5)의 외주로부터 5㎛의 폭을 지니게 하여 남겨 놓았다. 이 폭에 관해서는 진동형 자이로 센서 소자(10) 전체의 형상 사이즈에 따라 임의로 설정하게 된다.

또한, 기준 전극(4a)과 외부와의 전기적 접합을 도모하기 위하여 도22에 도시한 바와 같이 하부 전극막(4)에 의해 배선 접속 단자(D)가 형성되어 있다. 상술한 바와 같이 압전막(5) 아래에 남겨진 하부 전극막(4)을 통해 기준 전극(4a)과 배선 접속 단자(D)는 전기적으로 접속되어 있다.

본 실시예에서는 진동형 자이로 센서 소자(10)와 외부와의 전기적인 접속은 와이어 본딩에 의해 수행하는 것을 전제로 하고 있기 때문에, 배선 접속 단자(D)의 실제로 배선되는 단자부를 와이어 본딩시에 필요한 면적만큼 확보한다.

본 실시예에서는 배선 접속 단자(D)의 길이(t22)를 200㎛, 폭(t23)을 100㎛로 하였다. 진동형 자이로 센서 소자(10)의 외부와의 접합에 관해서는 접합 방법도 포함하여 임의로서, 채용하는 접합 방법에 따라 배선 접속 단자(D)의 형상이 최적이 되도록 설정한다.

본 실시예에서는 포토리소그래피 기술을 이용하여 도22에 도시한 바와 같은 형상이 되는 레지스트막 패턴을 형성한 후 이온 에칭에 의해 불필요한 부분의 하부 전극막(4)을 제거하는 것으로 기준 전극(4a), 배선 접속 단자(D), 기준 전극(4a)과 배선 접속 단자(D)를 전기적으로 접속하는 하부 전극막(4)을 형성하였다.

상술한 바와 같이, 본 실시예에서는 기준 전극(4a)을 형성하기 위하여 하부 전극막(4)의 불필요 부분을 제거하는 수법을 물리적인 에칭인 이온 에칭으로 하고 있지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니라, 화학적인 에칭인 습식 에칭이나, 화학적인 작용과 물리적인 작용으로 에칭하는 반응성 이온 에칭(RIE : Reactive Ion Ethcing)에 의한 제거 방법을 적용할 수 있다.

다음으로, 구동 전극(6a), 검출 전극(6b, 6c)의 한쪽 단부측에 각각 형성되어 있는 단부 접합부(6a₁, 6b₁, 6c₁)와 배선 접속 단자(A, B, C)의 전기적 접합을 원활하게 하기 위하여 평탄화 레지스트막(7)을 형성한다.

도24는 평탄화 레지스트막(7)이 형성된 단결정 실리콘 기판(1)의 모습을 도시한 평면도이며, 도25는 도24에 도시한 단결정 실리콘 기판(1)을 YY선으로 절단했을 때의 단면도이다.

상술한 도22에 도시한 바와 같이 배선 접합 단자(A, B, C)와 단자 접합부(6a₁, 6b₁, 6c₁)를 각각 물리적으로 접합할 때에는 압전체(5a)를 형성할 때에 남겨진 압전막(5)의 단부와 기준 전극(4a)을 형성할 때에 남겨진 하부 전극막(4)의 단부를 각각 통과해야 한다.

본 실시예에서 압전체(5a)는 압전막(5)을 습식 에칭에 의해 에칭하는 것으로 형성되어 있으며, 에칭된 단부는 단결정 실리콘 기판(1) 방향으로 역 테이퍼 형상, 혹은 수직 형상으로 되어 있다. 이 때문에, 평탄화 레지스트막(7)을 형성하지 않고 단자 접합부(6a₁, 6b₁, 6c₁)와 배선 접속 단자(A, B, C)를 각각 전기적으로 접속하도록 배선막을 형성하면, 상기 단부의 단차에 의해 전기적 접속이 끊어질 우려가 있다.

또한, 기준 전극(4a)과 전기적으로 접속되어 있는 하부 전극막(4)의 단부가 노출되어 있기 때문에, 평탄화 레지스트막(7)을 형성하지 않으면 구동 전극(6a), 검출 전극(6b, 6c)과 기준 전극(4a)이 단락되어 버리게 된다.

이상의 이유로 도24에 도시한 바와 같이 단자 접합부(6a₁, 6b₁, 6c₁)상에 평탄화 레지스트막(7)을 형성하여 상기 압전막(5) 단부의 단차를 없애고 상기 하부 전극막(4)의 단부가 노출되지 않도록 한다.

평탄화 레지스트막(7)의 형상은 상술한 바와 같이 상기 압전막(5) 단부의 단차를 없애고 상기 하부 전극막(4)의 단부가 노출되지 않는 형상이라면 임의로 설정할 수 있다. 본 실시예에서는 평탄화 레지스트막(7)의 폭(t24)을 200㎛, 길이(t25)를 50㎛로 하였다.

평탄화 레지스트막(7)은 포토리소그래피 기술에 의해 도24에 도시한 부분에 원하는 형상으로 패터닝한 레지스트막을 280 내지 300℃ 정도의 열처리를 가하는 것으로 경화시킨다. 본 실시예에서는 레지스트막의 두께를 2㎛ 정도로 하였으나, 이 두께에 관해서는 압전막(5), 하부 전극막(4)의 두께에 따라 변화시켜 양자의 합계 두께 이상으로 하는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는 레지스트막을 이용하여 평탄화 레지스트막(7)을 형성하고 있지만, 상기 이유를 회피할 수 있는 비도전성 재료라면 그 형성 방법도 포함하여 임의이다.

다음으로, 구동 전극(6a), 검출 전극(6b, 6c)을 외부에 접속하기 위한 배선 처리를 실시할 때에 이용하는 배선 접속 단자(A, B, C)를 형성한다. 도26은 배선 접속 단자(A, B, C)를 형성한 단결정 실리콘 기판(1)의 모습을 도시한 평면도이며, 도27은 도26에 도시한 단결정 실리콘 기판(1)을 YY선으로 절단했을 때의 단면도이다.

도26에 도시한 배선 접속 단자(A, B, C)는 구동 전극(6a), 검출 전극(6b, 6c)의 단자 접합부(6a₁, 6b₁, 6c₁)와 각각 접속되어 있다. 본 실시예에서는 진동형 자이로 센서 소자(10)와 외부와의 전기적인 접속은 와이어 본딩에 의해 수행하는 것을 전제로 하고 있기 때문에, 배선 접속 단자(A, B, C)의 실제로 배선되는 단자부를 상술한 배선 접속 단자(D)와 마찬가지로 와이어 본딩시에 필요한 면적만큼 확보한다.

각 배선 접속 단자(A, B, C)는 평탄화 레지스트막(7)의 상면을 지나 단자 접합부(6a₁, 6b₁, 6c₁)와 각각 접촉하도록 열산화막(2A)상에 형성된다. 배선 접속 단자(A, B, C)와 단자 접속부(6a₁, 6b₁, 6c₁)의 접합 부분인 각 전극 접합부의 형상은 임의이지만, 전기적인 접촉 저항을 감소시키기 위하여 5㎛ 사방 이상의 크기가 바람직하다.

배선 접속 단자(A, B, C)에서 실제로 배선이 접속되는 단자부는 상술한 바와 같이 와이어 본딩 접합을 수행할 때에 필요한 면적만큼을 확보 가능한 형상이 된다.

본 실시예에서는 배선 접속 단자(A, B, C) 각각의 단자부의 길이(t26)를 200㎛, 폭(t27)을 100㎛로 하였다. 진동형 자이로 센서 소자(10)의 외부와의 접합에 관해서는 접합 방법도 포함하여 임의로서, 채용하는 접합 방법에 따라 배선 접속 단자(A, B, C)의 형상을 최적이 되도록 설정한다.

본 실시예에서는 포토리소그래피 기술을 이용하여 도26에 도시한 바와 같은 형상이 되는 레지스트막 패턴을 형성한 후 배선 접속 단자(A, B, C)를 스패터링에 의해 형성하였다. 스패터링했을 때에 불필요한 부분에 부착된 막은 레지스트막 패턴을 제거할 때에 동시에 제거하는, 소위 리프트 오프 수법으로 제거하였다.

구체적으로는, 배선 접속 단자(A, B, C)는 부착력을 향상시키기 위한 티탄(Ti)을 20㎚만큼 퇴적시키고, 전기 저항이 낮고 저비용인 동(Cu)을 300㎚ 퇴적시키고, 더욱이 와이어 본딩과의 접합을 용이하게 하기 위하여 금(Au)을 300㎚ 퇴적시켜 형성하였다. 또한, 이 배선 접속 단자(A, B, C)를 형성할 때에 이용하는 재료 및 배선 접속 단자(A, B, C)의 형성 방법은 임의로서, 본 발명은 상기 재료 및 형성 방법에 한정되는 것은 아니다.

이어지는 공정은 도1에 도시한 바와 같이 진동형 자이로 센서(10)에 주위 공간(12)을 형성하는 것으로 외팔보의 진동자(11)를 제작하는 공정이다. 도28은 단결정 실리콘 기판(1)에 주위 공간(12)을 형성하는 것으로 외팔보의 진동자(11)가 형성된 모습을 도시한 평면도이며, 도29는 도28에 도시한 단결정 실리콘 기판(1)을 YY선으로 절단한 모습을 도시한 단면도이며, 도30은 도28에 도시한 단결정 실리콘 기판(1)을 XX선으로 절단한 모습을 도시한 단면도이다.

도28에 도시한 바와 같이, 주위 공간(12)은 검출 전극(6b, 6c)이 형성되어 있는 측의 진동자(11) 측면으로부터 좌우 방향으로 각각 t7b 및 t7c의 폭을 갖는 공간과, 진동자(11)의 길이 방향이며 진동자(11)의 근원 라인(R)과 반대의 단부측에 t7a의 폭을 갖는 공간에 의해 구성된, 소위 "コ"형의 형상을 가진 공간으로 이루어져 있다.

본 실시예에서는 t7b, t7c를 각각 200㎛로 하고 있다. 이 t7b, t7c는 주위 공간(12) 내의 기체 상태나 요구되는 진동자(11)의 진동의 질을 나타내는 Q치 등에 따라 결정하게 된다.

본 실시예에서는, 우선 포토리소그래피 기술을 이용하여 도28에 도시한 바와 같은 "コ"형 형상의 레지스트막 패턴을 열산화막(2A)상에 형성한 후 열산화막(2A)을 이온 에칭으로 제거한다. 열산화막(2A)을 제거하려면 습식 에칭으로도 가능하지만, 사이드 에칭이 발생함에 따른 치수 오차를 고려한다면 이온 에칭이 적합하다.

이어서, 열산화막(2A)이 제거된 "コ"형의 단결정 실리콘 기판(1)을 반응성 이온 에칭(RIE : Reactive Ion Etching)으로 에칭하여 관통시키는 것으로 주위 공간(12)을 형성한다.

본 실시예에서는 유도 결합형 플라즈마(ICP : Inductively Coupled Plasma)를 구비한 에칭 장치를 이용하여 에칭 공정과, 에칭한 부분에 측벽 보호를 위한 측벽 보호막을 성막하는 공정을 반복하는 Bosch 프로세스(Bosch사)로 수직인 측벽면을 갖는 진동자(11)를 형성한다.

이 Bosch 프로세스를 이용하는 것으로 ICP에 의해 고밀도인 플라즈마를 생성 하고, 에칭을 위한 SF₆와 측벽 보호를 위한 C₄F₈의 가스를 교대로 도입함으로써, 매분 10㎛ 정도의 속도로 에칭하면서 수직인 측벽면을 갖는 진동자(11)를 형성할 수 있다.

이상의 프로세스에 의해 진동형 자이로 센서 소자(10)의 형성에 관한 압전 소자 형성, 형상 형성, 배선 형성의 주요 공정이 종료되어, 예를 들면 도31에 도시한 바와 같이 단결정 실리콘 기판(1) 내에 진동형 자이로 센서 소자(10)가 여러 개, 여기서는 5 × 3개 형성되게 된다.

1장의 단결정 실리콘 기판(1) 내에 형성되는 진동형 자이로 센서 소자(10)의 수는 도31에 도시한 바와 같이 5 × 3개에 한정되지 않고, 설계하는 진동형 자이로 센서 소자(10)의 크기 및 형성할 때의 각각의 피치에 따라 결정하게 된다.

다음 공정에서는 이와 같이 단결정 실리콘 기판(1)에 형성된 복수의 진동형 자이로 센서 소자(10)를 절단하여 단일 소자로 한다. 단결정 실리콘 기판(1)으로부터 진동형 자이로 센서 소자(10)를 분단할 때의 수법이나 치수는 특별히 정해진 것이 아니며, 분단 후의 형상도 임의이다.

본 실시예에서는 도32에 도시한 소자 분단선(20)에 따르듯이 다이아몬드 커터로 분단흠을 붙인 후 손으로 직접 단결정 실리콘 기판(1)을 부러뜨려 진동형 자이로 센서 소자(10)를 취출하였다. 또한, 단결정 실리콘 기판(1)을 분단하는 수법도 임의의 수법이 적용 가능한데, 예를 들면 지석에 의한 연삭이나 단결정 실리콘 기판(1)의 면 방위를 이용하여 절단하는 수법 등이어도 된다.

이어서, 도33에 도시한 바와 같이 개개로 분단된 진동형 자이로 센서 소자(10)를 IC 기판(21)에 접착한다. 진동형 자이로 센서 소자(10)와 IC 기판(21)의 접착 수법은 임의인데, 본 실시예에서는 염기성 접착제를 이용하여 접착하였다.

IC 기판(21)에 진동형 자이로 센서 소자(10)를 접착한 후 전기적인 접속을 수행한다. IC 기판(21)상에는 모두(冒頭)의 도2를 이용하여 설명한 IC 회로(40)가 탑재되어 있다. 또한, IC 기판(21)에는 도2에 도시한 AGC(44)의 단부와 접속된 기판 단자(22a), 동기 검파 회로(45)에 접속된 기판 단자(22b, 22c), 도시하지 않은 기판 전극과 접속된 기판 단자(22d)가 형성되어 있다.

본 실시예에서는 진동형 자이로 센서 소자(10)의 배선 접속 단자(A, B, C, D)와 IC 기판(21) 내의 기판 단자(22a, 22b, 22c, 22d)를 각각 와이어 본딩에 의한 결선 방법을 이용하여 전기적 접속을 수행하였다. 이 결선 방법도 임의로서, 반도체에서 이용되는 도전성 범프를 형성하는 수법도 이용 가능하다.

다음으로, 도34에 도시한 바와 같이 진동형 자이로 센서 소자(10) 및 IC 기판(21)상의 회로와 외부와의 접촉을 없애기 위하여 커버재(30)를 장착하여 보호한다. 커버재(30)의 재료는 임의이지만 외부 노이즈의 영향을 고려하여 SUS 등 실드 효과가 있는 것이 바람직하다. 또한, 커버재(30)는 진동자(11)의 진동을 저해하지 않는 형상으로 해야 한다. 이와 같이 하여 각속도 센서(50)가 형성된다.

이와 같이, 각속도 센서(50)를 구성하는 진동형 자이로 센서 소자(10)가 구비하는 진동자(11)의 구동 전극(6a)에 전압을 인가하여 소정의 공진 주파수로 진동시킨 경우, 진동자(11)는 진동자(11)의 두께 방향인 세로 방향으로 세로 공진 주파 수로 공진하는 동시에, 진동자(11)의 폭 방향인 가로 방향으로 가로 공진 주파수로 공진하게 된다.

그런데, 진동형 자이로 센서 소자(10)의 각속도 검출 감도(이하, 단순히 감도라고 부른다)는 진동자(11)를 자여진동시켰을 때의 진동량, 검출 전극(6b, 6c)에서 검출되는 검출 신호의 신호 레벨, 검출 효율에 비례하여 높아진다. 진동형 자이로 센서 소자(10)의 감도를 높일 수 있다면, 당해 진동형 자이로 센서 소자(10)의 성능을 대폭 향상시킬 수 있다.

예를 들면, 진동자(11)의 진동량은 구동 전극(6a)의 폭을 넓게 하여 구동 전극(6a)의 면적을 증가시키는 것으로 늘릴 수 있다. 또한, 검출 신호의 신호 레벨은 진동자(11)에 각속도가 인가되었을 때에 압전체(5a)의 변화가 가장 커지는 진동자(11)의 근원측을 남기도록 검출 전극(6b, 6c)의 길이를 조정하는 것으로 검출 전극의 단위 면적당의 평균 전하량이 늘기 때문에 높일 수 있다. 또한, 검출 효율은 검출 전극(6b, 6c)의 진동자(11)에 대한 위치를 적절하게 결정하는 것으로 높일 수 있다.

상술의 설명에서는 진동자(11)에 형성하는 구동 전극(6a)의 폭(t13), 검출 전극(6b, 6c)의 길이(t12), 검출 전극(6b, 6c)의 진동자(11)상에서의 위치를 고정적으로, 예를 들면 도18에 도시한 바와 같이 기재하고 있지만, 이대로라면 최적의 감도가 되지 않는다. 이에, 이하의 설명에서 구동 전극(6a)의 폭, 검출 전극(6b, 6c)의 길이, 검출 전극(6b, 6c)의 진동자(11)상에서의 위치를 변화시켜 각각의 감도를 측정하여, 진동형 자이로 센서 소자(10)의 감도를 최적으로 하는 적절한 구동 전극(6a)의 폭, 적절한 검출 전극(6b, 6c)의 길이, 적절한 검출 전극(6b, 6c)의 진동자(11)상의 위치를 결정한다.

이 때, 전극막(6)으로부터 구동 전극(6a), 검출 전극(6b, 6c)을 형성하는 공정은 이온 에칭할 때에 전극막(6)상에 형성하는 레지스트막 패턴의 형상을 바꾼 것 이외는 상술한 설명과 완전히 동일하기 때문에 설명을 생략한다.

(구동 전극폭)

우선, 구동 전극(6a)의 폭을 변화시킨 경우에 대하여 설명한다. 또한, 상술의 설명에서는 구동 전극(6a)의 폭을 t13, 검출 전극(6b, 6c)의 폭을 t14로 하고 설명하고 있지만, 이하의 설명에서는 구동 전극(6a)의 폭을 W0, 검출 전극(6b, 6c)의 폭을 각각 W1, W2로 재정의한다.

도35에 구동 전극(6a)의 폭(W0)을 변화시킨 진동형 자이로 센서 소자(10)를 도시하고, 도36에 이 진동형 자이로 센서 소자(10)의 감도를 측정한 결과를 도시한다.

또한, 구동 전극(6a)의 폭(W0)을 변화시킴에 따라 이하의 조건을 충족시키면서 검출 전극(6b, 6c)의 폭(W1, W2)도 변화하게 된다. 검출 전극(6b, 6c)의 폭(W1, W2)을 변화시킬 때의 조건은, 구동 전극(6a)과 검출 전극(6b, 6c)의 간격을 진동자(11)가 양호하게 구동 가능한 정도로 확보하는 것과, 진동자(11)의 측벽면(11b, 11c)측으로부터 어느 정도의 거리를 확보하고 검출 전극(6b, 6c)을 배치하는 것의 2가지이다.

도36의 가로축인 구동 전극폭은 진동자(11)상에 형성한 구동 전극(6a)의 폭 (W0)과 검출 전극(6b, 6c)의 폭(W1, W2)의 총합인 유효 압전막폭{W(W = W0 + W1 + W2)}에 대한 구동 전극(6a)의 폭(W0) 비율(W0/W), 즉 구동 전극(6a)의 폭(W0)을 유효 압전 박막폭(W)을 1로 했을 때의 상대치로 나타내고 있다. 또한, 이하의 설명에서는 구동 전극(6a)의 폭(W0)을 상대치로 나타내는 경우에는 구동 전극(6a)의 상대폭이라고 부른다.

또한, 도36의 세로축인 감도는, 진동자(11)를 자여진동시킨 경우의 진동자(11)의 진동량과, 검출 전극(6b, 6c)으로부터 검출되는 검출 신호의 곱으로 구해지는 감도를, 진동자(11)상에 표준 전극을 형성한 경우에 얻어지는 감도를 1(a.u)로 하고 이 상대치로 나타내고 있다. 즉, 도36에 도시한 감도가 1(a.u) 이상이면 진동자(11)상에 표준 전극을 형성한 진동형 자이로 센서 소자(10)의 감도를 상회하고 있다.

표준 전극이란, 도37에 도시한 바와 같이 구동 전극(6a)의 폭(W0)과 검출 전극(6b, 6c)의 폭(W1, W2)을 W0 : W1 : W2 = 2 : 1 : 1로 하고, 구동 전극(6a)과 검출 전극(6b, 6c)의 간격을 각각 한없이 0이 되도록 하고, 또한 검출 전극(6b, 6c)의 진동자(11)상의 설치 위치를 진동자(11)의 측벽면(11b, 11c) 방향으로 각각 한없이 근접 배치한 경우의 구동 전극(6a), 검출 전극(6b, 6c)을 뜻한다.

또한, 구동 전극(6a), 검출 전극(6b, 6c)의 길이는 도37에 도시한 바와 같이 진동자(11)의 근원 라인(R)으로부터 각각의 전극 영역의 중심 위치까지의 거리로 하고, 각각 L1, L2로 정의한다. 구동 전극(6a), 검출 전극(6b, 6c)이 표준 전극인 경우 L1 = L2로 한다.

따라서, 구동 전극(6a), 검출 전극(6b, 6c)이 표전 전극인 경우 표준 전극(6a)의 폭을 상술한 상대폭으로 나타내면 W0 : W1 : W2 = 2 : 1 : 1이므로, 2/(2 + 1 + 1) = 0.5가 되며, 이 때의 감도를 1(a.u)로 한다.

도36에 도시한 바와 같이 구동 전극(6a)의 상대폭을 0.5로부터 증가시켜 가면, 감도는 1(a.u)로부터 1.5(a.u) 정도까지 상승한다. 그리고, 감도는 구동 전극(6a)의 상대폭 증가에 따라 감소되어 가서 상대폭이 0.95일 때 다시 1(a.u)가 된다. 그리고, 구동 전극(6a)의 상대폭이 1이 될 때에 감도는 0.6(a.u) 정도가 된다. 따라서, 진동형 자이로 센서 소자(10)의 감도는 0.5 < 상대폭(W0/W) ≤ 0.95의 범위에서 구동 전극(6a), 검출 전극(6b, 6c)을 표준 전극으로 하는 경우의 감도 1.0(a.u)를 대폭 상회하게 된다.

그런데, 도36에 도시한 바와 같이 구동 전극(6a)의 상대폭이 0.95 < 상대폭(W0/W) < 1인 범위에서의 감도 저하는, 진동형 자이로 센서 소자(10)를 도2에 도시한 바와 같이 IC 회로(40)와 접속하여 각속도 센서(50)를 구성한 경우의 IC 회로(40)의 영향에 따른 것이다. 이와 같이, 구동 전극(6a)의 상대폭이 0.95 < 상대폭(W0/W) < 1인 범위에서 진동형 자이로 센서 소자(10)의 감도는 전자 회로에 의존하게 된다. 이것은 IC 회로(40)를 개량하는 것으로 용이하게 개선할 수 있어, 0.95 < 상대폭(W0/W) < 1의 범위에서도 1(a.u) 이상의 감도로 할 수 있다.

따라서, 진동자(11)상에 표준 전극을 형성한 진동형 자이로 센서 소자(10)의 감도, 1(a.u) 이상이 되는 구동 전극(6a)의 상대폭은, IC 회로(40)와 같은 진동형 자이로 센서 소자(10)를 구동시키는 전자 회로의 영향을 무시한 경우에는 0.5 < 상 대폭(W0/W) < 1로 규정되고, 전자 회로의 영향을 엄밀하게 고려한 경우에는 0.5 < 상대폭(W0/W) ≤ 0.95로 규정되게 된다. 즉, 이 상대폭이 되도록 구동 전극(6a)의 폭(W0)을 결정함으로써, 진동형 자이로 센서 소자(10)의 감도를 고감도로 할 수 있다.

(검출 전극 길이)

이어서, 검출 전극(6a)의 길이를 변화시킨 경우에 대하여 설명한다. 도38에 검출 전극(6b, 6c)의 길이를 변화시킨 진동형 자이로 센서 소자(10)를 도시하고, 도39에 이 진동형 자이로 센서 소자(10)의 감도를 측정한 결과를 도시한다.

도39의 가로축인 검출 전극 길이는 도38에 도시한 바와 같이 진동자(11)의 근원 라인(R)으로부터 구동 전극(6a)의 중심 위치까지의 거리를 L1, 마찬가지로 근원 라인(R)으로부터 검출 전극(6b, 6c)의 중심 위치까지의 거리를 L2로 했을 때, L1에 대한 L2의 비율(L2/L1)로 나타내고 있다.

즉, 도39의 가로축의 검출 전극의 길이는 진동자(11)의 근원 라인(R)으로부터 검출 전극(6b, 6c)의 중심 위치까지의 거리(L2)를 근원 라인(R)으로부터 구동 전극(6a)의 중심 위치까지의 거리를 1로 했을 때의 상대치로 나타내고 있다. 또한, 이하의 설명에서는 검출 전극(6b, 6c)의 길이를 상대치로 나타내는 경우에는 검출 전극(6b, 6c)의 상대 길이라고 부른다.

또한, 도39의 세로축인 감도는, 진동자(11)를 자여진동시킨 경우의 진동자(11)의 진동량과 검출 전극(6b, 6c)으로부터 검출되는 검출 신호의 곱으로 구해지는 감도를, 진동자(11)상에 표준 전극을 형성한 경우의 감도를 1(a.u)로 한 상대치 로 나타내고 있다. 또한, 표준 전극에 대해서는 도37을 이용하여 이미 설명했으므로 생량한다.

그런데, 구동 전극(6a), 검출 전극(6b, 6c)이 표준 전극인 경우의 검출 전극(6b, 6c)의 길이를 상술한 상대 길이로 나타내면, L1 = L2이므로 L2/L1 = 1이 된다. 이 때의 감도를 1(a.u)로 한다.

한편, 본 발명에서는 검출 전극(6b, 6c)의 길이에 대해서는 표준 전극을 진동자(11)상에 형성했을 때에 얻어지는 감도를 20% 향상시키도록 검출 전극(6b, 6c)의 길이를 규정하는 것으로 한다. 따라서, 도39에 도시한 바와 같이 진동형 자이로 센서 소자(10)의 감도를 표준 전극에서의 감도, 1(a.u)보다 20% 향상시킨 1.2(a.u) 이상으로 하려면, 검출 전극(6b, 6c)의 상대 길이를 0.15 ≤ 상대 길이(L2/L1) ≤ 0.75의 범위로 규정하면 된다.

그런데, 도38에 도시한 바와 같이 검출 전극(6b, 6c)의 상대 길이가 0 < 상대 길이(L2/L1) < 0.15인 범위에서의 감도 저하는 진동형 자이로 센서 소자(10)를 도2에 도시한 바와 같이 IC 회로(40)와 접속하여 각속도 센서(50)를 구성한 경우의 IC 회로(40)의 영향에 따른 것이다. 이와 같이 검출 전극(6b, 6c)의 상대 길이가 0 < 상대 길이(L2/L1) < 0.15인 범위에서 진동형 자이로 센서 소자(10)의 감도는 전자 회로에 의존하게 된다. 이것은 IC 회로(40)를 개량하는 것으로 용이하게 개선할 수 있어, 0 < 상대 길이(L2/L1) < 0.15의 범위에서도 1.2(a.u) 이상의 감도로 하는 것이 가능하다.

따라서, 진동자(11)상에 표준 전극을 형성한 진동형 자이로 센서 소자(10)의 감도, 1.2(a.u) 이상이 되는 검출 전극(6b, 6c)의 상대 길이는, IC 회로(40)와 같은 진동형 자이로 센서 소자(10)를 구동시키는 전자 회로의 영향을 무시한 경우에는 0 < 상대 길이(L2/L1) ≤ 0.75로 규정되고, 전자 회로의 영향을 엄밀하게 고려한 경우에는 0.15 ≤ 상대 길이(L2/L1) ≤ 0.75로 규정되게 된다. 즉, 이 상대 길이가 되도록 진동자(11)의 근원 라인(R)으로부터 검출 전극(6b, 6c)의 중심 위치까지의 거리(L2)를 결정함으로써, 진동형 자이로 센서 소자(10)의 감도를 고감도로 할 수 있다.

(검출 전극 위치)

다음으로, 검출 전극(6b, 6c)의 진동자(11)상에서의 위치를 변화시킨 경우에 대하여 설명한다. 또한, 상술의 설명에서는 진동자(11)의 폭을 t6으로 설명하고 있지만, 이하의 설명에서는 진동자(11)의 폭을 S로 재정의한다.

도40에 검출 전극(6b, 6c)의 진동자(11)상에서의 위치를 변화시킨 진동형 자이로 센서 소자(10)를 도시하고, 도41에 이 진동형 자이로 센서 소자(10)의 감도를 측정한 결과를 도시한다.

도41의 가로축인 검출 전극 위치는 검출 전극(6b)에서는 도40에 도시한 바와 같이 진동자(11)의 측벽면(11b)으로부터 검출 전극(6b)의 폭 방향의 중심까지의 최단 거리를 P1로 했을 때, 진동자(11)의 폭(S)에 대한 P1의 비율(P1/S)로 나타내고 있다. 한편, 검출 전극(6c)에서는 마찬가지로 도40에 도시한 바와 같이 진동자(11)의 측벽면(11c)으로부터 검출 전극(6c)의 폭 방향의 중심까지의 최단 거리를 P2로 했을 때, 진동자(11)의 폭(S)에 대한 P2의 비율(P2/S)로 나타내고 있다.

즉, 도41의 가로축의 검출 전극 위치는 진동자(11)의 측벽면(11b, 11c)으로부터 검출 전극(6b, 6c)의 폭 방향의 중심 위치까지의 거리(P1, P2)를 각각 진동자(11)의 폭(S)을 1로 했을 때의 상대치로 나타내고 있다. 또한, 이하의 설명에서는 검출 전극(6b, 6c)의 위치를 상대치로 나타내는 경우에는 검출 전극(6b, 6c)의 상대 위치라고 부른다.

또한, 도41의 세로축인 감도는, 진동자(11)를 자여진동시킨 경우의 진동자(11)의 진동량과, 검출 전극(6b, 6c)으로부터 검출되는 검출 신호의 곱으로 구해지는 감도를, 진동자(11)상에 표준 전극을 형성한 경우의 감도를 1(a.u)로 한 상대치로 나타내고 있다. 또한, 표준 전극에 대해서는 도37을 이용하여 이미 설명했으므로 생략한다.

그런데, 구동 전극(6a), 검출 전극(6b, 6c)이 표준 전극인 경우의 검출 전극(6b, 6c)은 각 전극간의 간격이 한없이 0에 가깝고 진동자(11)의 측벽면(11b, 11c) 방향으로 각각 한없이 근접 배치되어 있다. 따라서, 검출 전극(6b, 6c)의 위치를 상술한 상대 위치로 나타내면, 진동자(11)의 측벽면(11b, 11c)으로부터 검출 전극(6b, 6c)의 폭 방향의 중심까지의 최단 거리(P1, P2)는 도37에 도시한 바와 같이 각각 0.125가 된다. 이 때의 감도를 1(a.u)로 한다.

도41에 도시한 바와 같이 검출 전극(6b, 6c)의 상대 위치를 0.125로부터 마이너스 방향, 즉 진동자(11)의 측벽면(11b, 11c) 방향으로 변화시켜 가면, 감도는 1(a.u)에서 2(a.u) 정도까지 상승한다. 그리고, 감도는 검출 전극(6b, 6c)의 상대 위치의 측벽면(11b, 11c) 방향으로의 변화에 따라 감소되어 가서 상대 위치가 0.04 일 때 다시 1(a.u)가 되고, 한층 더한 변화로 1(a.u) 이하가 된다.

따라서, 진동형 자이로 센서 소자(10)의 감도는 0.04 ≤ 상대 위치(P1/S) < 0.125, 0.04 ≤ 상대 위치(P2/S) < 0.125의 범위에서 구동 전극(6a), 검출 전극(6b, 6c)을 표준 전극으로 한 경우의 감도 1.0(a.u)를 대폭 상회하게 된다.

그런데, 도41에 도시한 바와 같이 검출 전극(6b, 6c)의 상대 위치가 0 < 상대 위치(P1/S) < 0.04, 0 < 상대 위치(P2/S) < 0.04의 범위에서의 감도 저하는 진동형 자이로 센서 소자(10)를 도2에 도시한 바와 같이 IC 회로(40)와 접속하여 각속도 센서(50)를 구성한 경우의 IC 회로(40)의 영향에 따른 것이다.

이와 같이, 검출 전극(6b, 6c)의 상대 길이가 0 < 상대 위치(P1/S) < 0.04, 0 < 상대 위치(P2/S) < 0.04의 범위에서 진동형 자이로 센서 소자(10)의 감도는 전자 회로에 의존하게 된다. 이는 IC 회로(40)를 개선하는 것으로 용이하게 개선할 수 있어, 0 < 상대 위치(P1/S) < 0.04, 0 < 상대 위치(P2/S) < 0.04의 범위에서도 1(a.u) 이상의 감도로 하는 것이 가능하다.

따라서, 진동자(11)상에 표준 전극을 형성한 진동형 자이로 센서 소자(10)의 감도, 1(a.u) 이상이 되는 검출 전극(6b, 6c)의 상대 길이는, IC 회로(40)와 같은 진동형 자이로 센서 소자(10)를 구동시키는 전자 회로의 영향을 무시한 경우에는 0 < 상대 위치(P1/S) < 0.125, 0 < 상대 위치(P2/S) < 0.125로 규정되고, 전자 회로의 영향을 엄밀하게 고려한 경우에는 0.04 ≤ 상대 위치(P2/S) < 0.125, 0.04 ≤ 상대 위치(P2/S) < 0.125로 규정되게 된다. 즉, 이 상대 위치가 되도록 검출 전극(6b, 6c)의 위치를 결정함으로써, 진동형 자이로 센서 소자(10)의 감도를 고감도로 할 수 있다.

이와 같이, 진동형 자이로 센서 소자(10)는 구동 전극(6a)의 폭, 검출 전극(6b, 6c)의 길이, 검출 전극(6b, 6c)의 위치를 규정함으로써, 진동자(11)상에 표준 전극을 형성한 경우에 비해 감도를 비약적으로 향상시킬 수 있다.

또한, 상술한 설명에서는 구동 전극(6a)의 폭, 검출 전극(6b, 6c)의 길이, 검출 전극(6b, 6c)의 위치를 각각 단독으로 규정하고 있지만, 이는 설명을 위한 것으로, 상술한 조건을 임의로 조합하여 진동자(11)상에 구동 전극(6a), 검출 전극(6b, 6c)을 형성하여 감도를 향상시키는 것도 당연히 가능하다.

또한, 상술한 설명에서는 구동 전극(6a), 검출 전극(6b, 6c)의 형상은 모두 직사각형으로 기재하고 있지만, 본 발명은 이와 같이 각종 전극의 형상으로 한정되는 것이 아니다. 예를 들면, 도42에 도시한 바와 같이 구동 전극(6a), 검출 전극(6b, 6c)의 전극 형상을 사다리꼴 형상으로 하는 것도 가능하다.

구동 전극(6a)을 도42에 도시한 바와 같은 사다리꼴 형상으로 함으로써, 전극 면적이 증가되기 때문에, 진동형 자이로 센서 소자(10)의 감도를 향상시킬 수 있다. 또한, 검출 전극(6b, 6c)을 도42에 도시한 바와 같은 근원 라인(R)측의 단부가 넓어지는 사다리꼴 형상으로 함으로써, 각속도 인가시에 가장 변동이 커지는 진동자(11)의 근원 라인(R)측 검출 전극(6b, 6c)의 면적이 증가하여 당해 검출 전극(6b, 6c)에서 검출되는 검출 신호 레벨을 높일 수 있기 때문에, 진동형 자이로 센서 소자(10)의 감도를 향상시킬 수 있다.

이와 같이, 구동 전극(6a), 검출 전극(6b, 6c)의 형상을 사다리꼴 형상으로 하고, 상술한 구동 전극(6a)의 폭, 검출 전극(6b, 6c)의 길이, 검출 전극(6b, 6c)의 위치를 규정함으로써, 상승 효과에 의해 더욱 진동형 자이로 센서 소자(10)의 감도를 향상시킬 수 있다.

또한, 실시예에서는 상술한 수법으로 형성한 진동형 자이로 센서 소자(10)를 일 예로 나타내고, 이 진동형 자이로 센서 소자(10)가 구비하는 진동자(11)상에 형성하는 구동 전극(6a)의 폭, 검출 전극(6b, 6c)의 길이, 검출 전극(6b, 6c)의 진동자(11)상의 위치를 규정하도록 하고 있지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니라, 단결정 실리콘 기판상에 박막 형성 프로세스에 의해 형성된 하부 전극, 압전 박막, 상부 전극을 가진 외팔보 형상의 진동자를 구비하고, 압전 박막의 압전 효과를 이용하여 각속도를 검출하는 진동형 자이로 센서 소자에 대하여 넓게 적용할 수 있다.

본 발명은, 구동 전극의 폭을 W0, 제1 검출 전극의 폭을 W1, 제2 검출 전극의 폭을 W2, W = W0 + W1 + W2로 하고, 진동자 근원으로부터 구동 전극의 중심 위치까지의 거리를 L1, 진동자 근원으로부터 제1 검출 전극의 중심 위치까지의 거리 및 상기 진동자 근원으로부터 제2 검출 전극의 중심 위치까지의 거리를 L2로 하고, 제1 검출 전극이 형성되어 있는 측의 진동자의 측벽면으로부터 제1 검출 전극의 폭 방향의 중심 위치까지의 최단 거리를 P1, 제2 검출 전극이 형성되어 있는 측의 진동자의 측벽면으로부터 제2 검출 전극의 폭 방향의 중심 위치까지의 최단 거리를 P2, 진동자의 폭을 S로 하는 경우, 이하에 나타내는 조건(1) 0 < (L2/L1) ≤ 0.75, (2) 0 < (P1/S) < 0.125, (3) 0 < (P2/S) < 0.125, (4) 0.5 < (W0/W) < 1을 단독, 혹은 임의로 조합하여 충족시키고 있다.

이와 같이, 구동 전극의 폭, 제1 검출 전극 및 제2 검출 전극의 길이, 제1 검출 전극 및 제2 검출 전극의 진동자상의 위치를 규정함으로써, 진동자의 진동량이 증가하여 검출 신호의 신호 레벨이 높아져 검출 효율을 높일 수 있기 때문에, 매우 감도가 높은 진동형 자이로 센서 소자로 하는 것이 가능하다.

Claims

단결정 실리콘 기판상에 박막 형성 프로세스에 의해 형성된 하부 전극, 압전 박막, 상부 전극을 가진 진동자를 구비하고, 상기 압전 박막의 압전 효과를 이용하여 각속도를 검출하는 진동형 자이로 센서 소자로서,

상기 진동자는 상기 상부 전극으로서 상기 진동자를 진동시키는 전압을 인가하는 상기 진동자의 길이 방향으로 형성된 구동 전극과, 상기 구동 전극을 사이에 끼운 형태로 상기 구동 전극과 접촉하지 않고 평행하게 상기 진동자의 길이 방향으로 형성된 제1 검출 전극 및 제2 검출 전극을 가지며,

상기 제1 검출 전극이 형성되어 있는 측의 상기 진동자의 측벽면으로부터 상기 제1 검출 전극의 폭 방향의 중심 위치까지의 최단 거리를 P1, 상기 제2 검출 전극이 형성되어 있는 측의 상기 진동자의 측벽면으로부터 상기 제2 검출 전극의 폭 방향의 중심 위치까지의 최단 거리를 P2, 상기 진동자의 폭을 S로 하는 경우, 이하에 나타내는 조건(1), (2)을 충족시키는 것을 특징으로 하는 진동형 자이로 센서 소자.

(1) 0.04 ≤ (P1/S) < 0.125

(2) 0.04 ≤ (P2/S) < 0.125
제1항에 있어서,

상기 구동 전극의 폭을 W0, 상기 제1 검출 전극의 폭을 W1, 상기 제2 검출 전극의 폭을 W2, W = W0 + W1 + W2로 하는 경우, 이하에 나타내는 조건(3)을 충족시키는 것을 특징으로 하는 진동형 자이로 센서 소자.

(3) 0.5 < (W0/W) < 1
제1항에 있어서,

상기 구동 전극의 폭을 W0, 상기 제1 검출 전극의 폭을 W1, 상기 제2 검출 전극의 폭을 W2, W = W0 + W1 + W2로 하는 경우, 이하에 나타내는 조건(4)을 충족시키는 것을 특징으로 하는 진동형 자이로 센서 소자.

(4) 0.5 < (W0/W) ≤ 0.95
하부 전극, 압전 박막, 상부 전극을 가진 진동자를 구비하고, 상기 압전 박막의 압전 효과를 이용하여 각속도를 검출하는 진동형 자이로 센서 소자로서,

한쪽 주면 및 다른 쪽 주면의 면 방위가 {100}인 단결정 실리콘 기판의 한쪽 주면상에 {110}면에 대하여 평행 또는 수직인 직선으로 구성된 제1 개구부를 갖는 제1 보호막 패턴을 형성하고 상기 제1 개구부에 대하여 상기 진동자의 두께가 될 때까지 결정 이방성 에칭을 수행하고,

상기 진동자의 두께가 될 때까지 결정 이방성 에칭된 상기 한쪽 주면에 대향하는 상기 다른 쪽 주면상의 상기 진동자가 되는 영역에 상기 하부 전극, 상기 압전 박막, 상기 상부 전극을 순서대로 적층하여 형성하고,

상기 하부 전극, 상기 압전 박막, 상기 상부 전극이 형성된 상기 다른 쪽 주면상에 상기 {110}면에 대하여 평행 또는 수직인 직선으로 구성되며 상기 진동자에 대응하는 형상의 공극을 본뜬 제2 개구부를 갖는 제2 보호막 패턴을 형성하고 상기 제2 개구부에 대하여 반응성 이온 에칭(RIE : Reactive Ion Etching)을 수행하는 것으로 형성된 상기 진동자를 구비하며,

상기 진동자는 상기 상부 전극으로서 상기 진동자를 진동시키는 전압을 인가하는 상기 진동자의 길이 방향으로 형성된 구동 전극과, 상기 구동 전극을 사이에 끼운 형태로 상기 구동 전극과 접촉하지 않고 평행하게 상기 진동자의 길이 방향으로 형성된 제1 검출 전극 및 제2 검출 전극을 가지며,

상기 제1 검출 전극이 형성되어 있는 측의 상기 진동자의 측벽면으로부터 상기 제1 검출 전극의 폭 방향의 중심 위치까지의 최단 거리를 P1, 상기 제2 검출 전극이 형성되어 있는 측의 상기 진동자의 측벽면으로부터 상기 제2 검출 전극의 폭 방향의 중심 위치까지의 최단 거리를 P2, 상기 진동자의 폭을 S로 하는 경우, 이하에 나타내는 조건(1), (2)을 충족시키는 것을 특징으로 하는 진동형 자이로 센서 소자.

(1) 0.04 ≤ (P1/S) < 0.125

(2) 0.04 ≤ (P2/S) < 0.125

단, "{ }"는 방향이 서로 다른 등가인 면 방위를 총칭하여 나타내기 위한 기호이다.
제4항에 있어서,

상기 구동 전극의 폭을 W0, 상기 제1 검출 전극의 폭을 W1, 상기 제2 검출 전극의 폭을 W2, W = W0 + W1 + W2로 하는 경우, 이하에 나타내는 조건(3)을 충족시키는 것을 특징으로 하는 진동형 자이로 센서 소자.

(3) 0.5 < (W0/W) < 1
제4항에 있어서,

상기 구동 전극의 폭을 W0, 상기 제1 검출 전극의 폭을 W1, 상기 제2 검출 전극의 폭을 W2, W = W0 + W1 + W2로 하는 경우, 이하에 나타내는 조건(4)을 충족시키는 것을 특징으로 하는 진동형 자이로 센서 소자.

(4) 0.5 < (W0/W) ≤ 0.95
단결정 실리콘 기판상에 박막 형성 프로세스에 의해 형성된 하부 전극, 압전 박막, 상부 전극을 가진 진동자를 구비하고, 상기 압전 박막의 압전 효과를 이용하여 각속도를 검출하는 진동형 자이로 센서 소자로서,

상기 진동자는 상기 상부 전극으로서 상기 진동자를 진동시키는 전압을 인가하는 상기 진동자의 길이 방향으로 형성된 구동 전극과, 상기 구동 전극을 사이에 끼운 형태로 상기 구동 전극과 접촉하지 않고 평행하게 상기 진동자의 길이 방향으로 형성된 제1 검출 전극 및 제2 검출 전극을 가지며,

상기 구동 전극의 폭을 W0, 상기 제1 검출 전극의 폭을 W1, 상기 제2 검출 전극의 폭을 W2, W = W0 + W1 + W2로 하는 경우, 이하에 나타내는 조건(1)을 충족시키는 것을 특징으로 하는 진동형 자이로 센서 소자.

(1) 0.5 < (W0/W) < 0.95
제7항에 있어서,

상기 제1 검출 전극이 형성되어 있는 측의 상기 진동자의 측벽면으로부터 상기 제1 검출 전극의 폭 방향의 중심 위치까지의 최단 거리를 P1, 상기 제2 검출 전극이 형성되어 있는 측의 상기 진동자의 측벽면으로부터 상기 제2 검출 전극의 폭 방향의 중심 위치까지의 최단 거리를 P2, 상기 진동자의 폭을 S로 하는 경우, 이하에 나타내는 조건(2), (3)을 충족시키는 것을 특징으로 하는 진동형 자이로 센서 소자.

(2) 0.04 ≤ (P1/S) < 0.125

(3) 0.04 ≤ (P2/S) < 0.125
하부 전극, 압전 박막, 상부 전극을 가진 진동자를 구비하고, 상기 압전 박막의 압전 효과를 이용하여 각속도를 검출하는 진동형 자이로 센서 소자로서,

한쪽 주면 및 다른 쪽 주면의 면 방위가 {100}인 단결정 실리콘 기판의 한쪽 주면상에 {110}면에 대하여 평행 또는 수직인 직선으로 구성된 제1 개구부를 갖는 제1 보호막 패턴을 형성하고 상기 제1 개구부에 대하여 상기 진동자의 두께가 될 때까지 결정 이방성 에칭을 수행하고,

상기 진동자의 두께가 될 때까지 결정 이방성 에칭된 상기 한쪽 주면에 대향하는 상기 다른 쪽 주면상의 상기 진동자가 되는 영역에 상기 하부 전극, 상기 압전 박막, 상기 상부 전극을 순서대로 적층하여 형성하고,

상기 하부 전극, 상기 압전 박막, 상기 상부 전극이 형성된 상기 다른 쪽 주면상에 상기 {110}면에 대하여 평행 또는 수직인 직선으로 구성되며 상기 진동자에 대응하는 형상의 공극을 본뜬 제2 개구부를 갖는 제2 보호막 패턴을 형성하고 상기 제2 개구부에 대하여 반응성 이온 에칭(RIE : Reactive Ion Etching)을 수행하는 것으로 형성된 상기 진동자를 구비하며,

상기 진동자는 상기 상부 전극으로서 상기 진동자를 진동시키는 전압을 인가하는 상기 진동자의 길이 방향으로 형성된 구동 전극과, 상기 구동 전극을 사이에 끼운 형태로 상기 구동 전극과 접촉하지 않고 평행하게 상기 진동자의 길이 방향으로 형성된 제1 검출 전극 및 제2 검출 전극을 가지며,

상기 구동 전극의 폭을 W0, 상기 제1 검출 전극의 폭을 W1, 상기 제2 검출 전극의 폭을 W2, W = W0 + W1 + W2로 하는 경우, 이하에 나타내는 조건(1)을 충족시키는 것을 특징으로 하는 진동형 자이로 센서 소자.

(1) 0.5 < (W0/W) < 0.95

단, "{ }"는 방향이 서로 다른 등가인 면 방위를 총칭하여 나타내기 위한 기호이다.
제9항에 있어서,

상기 제1 검출 전극이 형성되어 있는 측의 상기 진동자의 측벽면으로부터 상기 제1 검출 전극의 폭 방향의 중심 위치까지의 최단 거리를 P1, 상기 제2 검출 전극이 형성되어 있는 측의 상기 진동자의 측벽면으로부터 상기 제2 검출 전극의 폭 방향의 중심 위치까지의 최단 거리를 P2, 상기 진동자의 폭을 S로 하는 경우, 이하에 나타내는 조건(2), (3)을 충족시키는 것을 특징으로 하는 진동형 자이로 센서 소자.

(2) 0.04 ≤ (P1/S) < 0.125

(3) 0.04 ≤ (P2/S) < 0.125
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