KR20060095517A - 진동형 자이로센서 및 진동 소자의 제조 방법 - Google Patents

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KR20060095517A
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vibration
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데루오 이나구마
준이찌 혼다
고지 스즈끼
가즈오 다까하시
에이지 나까시오
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소니 가부시끼 가이샤
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Abstract

소형화의 특성을 유지하면서 내구성의 향상이나 저코스트를 도모한 진동형 자이로센서를 제공한다. 복수개의 랜드(4)를 갖는 배선 패턴(5)이 형성된 지지 기판(2)과, 이 지지 기판(2)의 표면에 실장된 한쌍의 진동 소자(20X, 20Y)를 구비한 진동형 자이로센서(1)에서, 각 진동 소자(20)는, 랜드(4)에 접속되는 복수의 단자부(25)가 형성된 실장면을 갖는 기초부(22)와, 이 기초부(22)의 측주부로부터 외팔보 형상으로 일체로 돌출 설치되고 기초부(22)의 실장면과 동일면을 구성하는 기판 대향면을 갖는 진동자부(23)를 갖고, 진동자부(23)의 기단 부위에는, 기초부(22)를 향하여 해당 진동자부(23)의 단면적이 점차로 커지는 보강부(129)가 형성되어 있다.
진동형 자이로센서, 진동자부, 전극층, 랜드, 기초부, 보강부

Description

진동형 자이로센서 및 진동 소자의 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING VIBRATING GYROSENSOR AND VIBRATING ELEMENT}
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 진동형 자이로센서(1)의 커버 부재(15)를 제거하여 보았을 때의 전체 사시도.
도 2는 진동형 자이로센서(1)의 진동 소자(20)의 주요부 단면도.
도 3은 진동형 자이로센서(1)를 제어 기판(100)에 실장했을 때의 상태를 나타내는 진동 소자(20)의 주요부 단면도.
도 4는 진동 소자(20)의 저면도.
도 5는 진동형 자이로센서(1)의 저면도.
도 6은 진동형 자이로센서의 회로 구성도.
도 7은 진동 소자(20)의 저면측으로부터 본 전체 사시도.
도 8은 진동 소자(20)의 상면측으로부터 본 전체 사시도.
도 9는 진동 소자(20)의 진동자부(23)에 형성되는 모따기부(130) 및 용융면(134)의 형성 공정의 설명도.
도 10은 진동형 자이로센서(1)의 제조 방법을 설명하는 주요 공정 플로우도.
도 11은 진동 소자의 제조 공정에 이용하는 실리콘 기판(21)의 평면도.
도 12는 본 발명의 실리콘 기판(21)의 단면도.
도 13은 포토레지스트층(34)에 진동 소자 형성 부위를 패터닝한 실리콘 기판(21)의 평면도.
도 14는 본 발명의 실리콘 기판(21)의 단면도.
도 15는 실리콘 산화막(33A)에 진동 소자 형성 부위를 패터닝한 실리콘 기판(21)의 평면도.
도 16은 본 발명의 실리콘 기판(21)의 단면도.
도 17은 진동자부의 두께를 규정하는 다이어프램부(38)를 구성하는 에칭 오목부(37)를 형성한 실리콘 기판(21)의 평면도.
도 18은 본 발명의 실리콘 기판(21)의 단면도.
도 19는 에칭 오목부(37)의 확대 단면도.
도 20은 다이어프램부(38)에 제1 전극층(40)과 압전막층(41)과 제2 전극층(42)을 적층 형성한 상태의 주요부 단면도.
도 21은 제2 전극층(42)에 구동 전극층(29)과 검출 전극(30)을 패터닝한 상태의 주요부 평면도.
도 22는 본 발명의 주요부 단면도.
도 23은 압전막층(41)에 압전 박막층(28)을 패터닝한 상태의 주요부 평면도.
도 24는 본 밞명의 주요부 단면도.
도 25는 제1 전극층(40)에 기준 전극층(27)을 패터닝한 상태의 주요부 평면도.
도 26은 본 발명의 주요부 단면도.
도 27은 평탄화층(24)을 형성한 상태의 주요부 평면도.
도 28은 본 발명의 주요부 단면도.
도 29는 기초부 형성 영역에 리드(31)를 형성한 상태의 주요부 평면도.
도 30은 본 발명의 주요부 단면도.
도 31은 절연 보호층 형성용의 포토레지스트층(44)을 형성한 상태의 주요부 평면도.
도 32는 절연 보호층의 제1 알루미나층(46)을 형성한 상태의 주요부 단면도.
도 33은 절연 보호층의 산화 실리콘층(47)을 형성한 상태의 주요부 단면도.
도 34는 절연 보호층의 제2 알루미나층(48) 및 에칭스톱층(70)을 형성한 상태의 주요부 단면도.
도 35는 진동자부의 외형을 형성하는 외형 홈(39)을 형성한 상태의 주요부 평면도.
도 36은 본 발명의 진동자부의 길이 방향과 수직한 방향으로부터 본 주요부 단면도.
도 37은 본 발명의 진동자부의 길이 방향으로부터 본 주요부 단면도.
도 38은 진동 소자(20)의 조정 공정의 설명도.
도 39는 보강부(129)의 길이 치수와 진동자부(23)의 진폭과의 관계를 도시하는 특성도.
도 40은 낙하 시험의 결과를 도시하는 특성도.
도 41은 보강부(129)의 길이 치수와 세로 공진 주파수와의 관계를 도시하는 특성도.
도 42는 절연 보호층(45)의 산화 실리콘층(47)을 형성하는 스퍼터 조 내의 가스압 조건과 노이즈 발생율과의 관계를 도시하는 특성도.
도 43은 산화 실리콘층(47)의 층두께와 노이즈 발생율의 관계를 도시하는 특성도.
도 44는 진동형 자이로센서의 불량율 특성도로서, 도 44a는 실시 형태에 따른 진동 소자(20)를 구비한 진동형 자이로센서의 불량율 특성도이며, 도 44b는 일반적인 실리콘 기판에 의해 제조한 진동 소자를 구비한 비교예 진동형 자이로센서의 불량율 특성도.
도 45는 외란에 의한 용량 변화의 특성도.
도 46은 외란에 의한 오프셋 전압값 변화의 특성도.
도 47은 실리콘 기판의 체적 저항율과 오프셋 전압값 변화의 특성도.
도 48은 진동자부(23)의 좌우 형상 대칭성과 진동 모드와의 관계를 설명하는 도면으로서, 도 48a는 진동자부(23)의 형상이 좌우 대칭인 상태에서의 진동 모드를 도시하고, 도 48b는 진동자부(23)의 형상이 좌우 비대칭인 상태에서의 진동 모드를 도시하는 도면.
도 49는 진동자부(23)의 외형을 오려내는 외형 홈(39)의 형성 공정을 설명하는 도면으로서, 도 49a는 진동자부 길이 방향으로부터 본 주요부 단면도, 도 49b는 진동자부길이 방향과 직교하는 방향으로부터 본 외형 홈(39)의 주요부 단면도.
도 50은 본 발명의 제2 실시 형태의 작용을 설명하는 도면으로서, 도 50a는 진동자부(23)의 형상이 좌우 대칭인 상태에서의 진동 모드를 도시하고, 도 50b는 진동자부(23)의 형상이 좌우 비대칭인 상태에서의 진동 모드를 도시하는 도면.
도 51은 진동자부(23)의 기단 부위(근원부)의 형상을 모식적으로 도시하는 진동 소자의 주요부 평면도.
도 52는 진동자부(23)의 근원부의 형상의 좌우 대칭성과 진동 모드와의 관계를 설명하는 도면으로서, 도 52a는 진동자부(23)의 근원부의 형상이 좌우 대칭인 상태에서의 진동 모드를 도시하고, 도 52b는 진동자부(23)의 근원부의 형상이 좌우 비대칭인 상태에서의 진동 모드를 도시하는 도면.
도 53은 본 발명의 제3 실시 형태를 설명하는 외형 홈(39)의 형성 공정을 나타내는 주요부 평면도.
도 54는 본 발명의 제3 실시 형태의 작용을 설명하는 진동 소자의 주요부 평면도.
도 55는 진동자부의 근원부의 형상의 형성예를 설명하는 도면.
도 56은 전극층 등이 표면에 형성된 진동자부(23)의 휘어짐 상태를 모식적으로 설명하는 측단면도.
도 57은 본 발명의 제4 실시 형태를 설명하는 진동 소자의 측단면도.
도 58은 진동자부의 휘어짐량과 검출 신호 출력과의 관계를 도시하는 특성도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 진동형 자이로센서
2 : 지지 기판
4 : 랜드
5 : 배선 패턴
7 : IC 회로 소자
8 : 전자 부품
11 : 간격 구성 오목부
12, 14 : 부하 완충 홈부
15 : 커버 부재
20 : 진동 소자
21 : 실리콘 기판
22 : 기초부
22-2 : 실장면
22-3 : 측주부
23 : 진동자부
23-2 : 기판 대향면
25 : 단자부
26 : 금범프
27 : 기준 전극층
28 : 압전 박막층
29 : 구동 전극층
30 : 검출 전극
31 : 리드
32 : 위치 정렬용 마크
33 : 실리콘 산화막
37 : 에칭 오목부
38 : 다이어프램부
39 : 외형 홈
45 : 절연 보호층
46, 48 : 알루미나층
47 : 산화 실리콘층
50 : 구동 검출 회로부
58 : 휘어짐 제어막
100 : 제어 기판
129 : 보강부
129H : 가로 보강부
129V : 세로 보강부
130 : 모따기부
133 : 에칭 경사면
134 : 용융면
[특허 문헌1] 일본 특개평7-113643호 공보
본 발명은, 예를 들면, 비디오 카메라의 손 떨림 검지나 버추얼 리얼리티 장치에서의 동작 검지, 카 내비게이션 시스템에서의 방향 검지 등에 이용되는 각속도 센서에 관한 것으로, 더 자세히는, 외팔보의 진동자를 갖는 소형의 진동형 자이로센서 및 진동 소자의 제조 방법에 관한 것이다.
종래부터, 민생용 각속도 센서로서는, 외팔보의 진동자를 소정의 공진 주파수로 진동시켜두고, 각속도의 영향에 의해서 발생하는 코리올리력을 압전 소자 등으로 검출함으로써 각속도를 검출하는, 소위 진동형의 자이로센서가 널리 이용되고 있다.
진동형 자이로센서는, 단순한 기구, 짧은 기동 시간, 염가로 제조 가능하다는 이점을 갖고 있고, 예를 들면 비디오 카메라, 버추얼 리얼리티 장치, 카 내비게이션 시스템 등의 전자 기기에 탑재되어, 각각 손 떨림 검지, 동작 검지, 방향 검지 등을 할 때의 센서로서 활용되고 있다.
종래의 진동형 자이로센서는, 진동 소자가 적절한 압전 재료를 기계 가공에 의해서 잘라내어 소정의 형상으로 정형하여 제작되고 있었다. 진동형 자이로센서로서는, 탑재되는 본체 기기의 소형 경량화, 다기능 고성능화에 수반하여, 더욱 소형화나 고성능화가 요구되고 있지만, 기계 가공에 의한 가공 정밀도의 한계에 의해 서 소형이고 고정밀도의 진동 소자를 제작하는 것이 곤란했다.
따라서, 최근, 반도체 프로세스에 적용되는 박막 기술을 이용하여, 실리콘 기판 위에 압전 박막층을 사이에 끼워 한쌍의 전극층을 적층 형성함으로써, 외팔보 형상의 진동 소자를 구비한 것이 제안되고 있다(예를 들면 특허 문헌1 참조). 이러한 진동형 자이로센서는, 소형 박형화가 도모됨으로써, 다른 용도의 센서 등과 조합하여 복합화나 고기능화가 도모된다.
그런데, 진동형 자이로센서에서는, 예를 들면 제어 기판 등의 실장 기판에 실장되어 본체 기기에 탑재된다. 본체 기기의 소형 경량화나 다기능 고성능화에 수반하여, 진동형 자이로센서는 한층 더 소형화나 고성능화가 요구되고 있다. 종래의 진동형 자이로센서에서는, 진동 소자의 각 전극과 지지 기판측의 랜드를 와이어 본딩법에 의해 접속하고 있기 때문에, 진동 소자의 주위에 와이어를 주회하기 위한 스페이스가 필요해져 소형화가 한계가 있었다.
이 때문에, 반도체 칩 등의 실장법으로서 채용되고 있는 플립 칩 실장법 등에 의해 진동 소자를 지지 기판에 대하여 표면 실장함으로써 실장 스페이스나 실장 효율의 향상화를 도모하는 것도 검토되고 있다. 진동형 자이로센서에서는, 마찬가지로 하여 지지 기판이 실장 기판에 대하여 표면 실장됨으로써 스페이스나 실장 공정의 효율화가 도모되고 있다.
한편, 진동 소자의 소형화나 표면 실장법 등의 채용에 의해서, 진동형 자이로센서는 외부로부터 가해지는 진동이나 충격 등의 외부 부하의 영향을 강하게 받 는다. 진동형 자이로센서에서는, 진동 소자도 종래의 것에 비하여 체적비로 약 1/100 정도까지 소형화되고 있어, 기계적인 외부 부하에 대한 내구성을 유지하는 것이 곤란해지고 있다. 이 때문에, 예를 들면 잘못하여 기기를 낙하시킨 경우의 큰 충격력에 의해 진동 소자의 파손, 특히 진동 소자에 크랙이 발생하거나 파손이 발생하기도 하여 신뢰성이 저하한다고 하는 문제가 있었다.
또한, 진동형 자이로센서에서는, 복합화나 고기능화의 요청에 수반하여 소형·박형화가 도모됨에 따라서, 각 전극층 간이나 배선 패턴의 스페이스를 충분히 확보하는 것이 곤란해진다. 그리고, 각 전극층에 부착한 예를 들면 수분이나 먼지 등의 콘태미네이션의 영향에 의해 각 전극층 간에서 리크 현상이 발생하여 노이즈가 발생하는 경우가 있었다. 이 때문에, 노이즈가 출력 신호에 중첩하여 출력됨으로써 고정밀도의 진동 검출을 행할 수 없게 된다고 하는 문제가 있었다.
또한, 진동형 자이로센서에서는, 다른 센서 부품이나 전자 부품 등과 함께 동일한 지지 기판에 실장되어 복합화나 고기능화가 도모되도록 된 경우에, 상호의 절연을 유지하는 것도 필요해진다. 그리고, 실리콘 기판을 이용하여 미세한 두께로 형성한 각 전극층이나 압전 박막층을 기계적으로 보호하는 것도 필요해짐과 함께, 각 전극층의 산화도 방지할 필요가 있다.
한편, 반도체 기술에서는, 일반적으로 적절한 도핑 처리가 실시된 N 타입 혹은 P 타입 단결정 실리콘 기판이 이용되고, 그 주면 위에 박막 기술에 의해서 소자나 미세 패턴이 형성된다. 이러한 단결정 실리콘 기판은, 수십Ω·㎝ 정도로 저체적 저항율의 특성을 갖고 있다. 종래의 진동형 자이로센서는, 단결정 실리콘 기판 을 기재로 하여 압전 박막층과 함께 전극층을 형성되는 진동 소자가, 외부 광이나 열 부하에 의해서 특성이 크게 변동하여 안정되며 또한 고정밀도의 검출 동작을 행할 수 없다고 하는 문제가 있었다.
또한 상세한 메카니즘은 해명되어 있지 않지만, 진동형 자이로센서는, 광이나 열에 의해서 층 내에 존재하는 홀이나 캐리어가 여기하여 미세 전류가 발생하여, 진동 소자의 특성에 영향을 미친다고 생각된다. 또한, 진동 소자는, 공정 도중에 단결정 실리콘 기판의 표면에 성막된 산화층을 개재하여 전극층과 실리콘층 내에 발생한 핀홀이나 부주의한 취급에 의한 산화막의 결손, 혹은 공정 중에 실시되는 산화막의 에칭 처리 시에 있어서 패터닝 정밀도 어긋남이나 레지스트 내의 불순물에 의한 산화막의 결손 등에 의해서, 전극층과 실리콘층이 단락하는 경우가 있다. 즉, 종래의 진동형 자이로센서에서는, 저체적 저항율의 실리콘층을 개재하여 전극층 간의 단락 불량이 발생하여, 수율의 향상을 도모할 수 없다고 하는 문제가 있었다.
본 발명은 전술한 문제를 감안하여 이루어져, 소형화의 특성을 유지하면서 내구성의 향상이나 저코스트를 도모한 진동형 자이로센서 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.
또한, 본 발명은, 각 전극층을 밀봉함으로써 수분이나 먼지 등의 영향을 배제하여 고정밀도이고 또한 안정된 진동 검출을 가능하게 하는 소형의 진동형 자이로센서 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.
또한, 본 발명은, 외부 광이나 열 등의 외란에 대한 내성 향상을 도모함과 함께 수율의 향상을 도모하는 진동형 자이로센서 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.
이상의 과제를 해결함에 있어서, 본 발명은, 복수개의 랜드를 갖는 배선 패턴이 형성된 지지 기판과, 그 지지 기판의 표면에 실장된 진동 소자를 구비한 진동형 자이로센서로서,
상기 진동 소자는, 상기 랜드에 접속되는 복수의 단자부가 형성된 실장면을 갖는 기초부와, 이 기초부의 측주부로부터 외팔보 형상으로 일체로 돌출 설치되고 상기 기초부의 실장면과 동일면을 구성하는 기판 대향면을 갖는 진동자부를 갖고,
상기 진동자부의 기판 대향면에는, 제1 전극층과, 이 제1 전극층 위에 적층된 압전층과, 이 압전층 위에 적층된 제2 전극층이 각각 형성되고,
상기 진동자부의 기단 부위에는, 상기 기초부를 향하여 그 진동자부의 단면적이 점차로 커지는 보강부가 형성되어 있다.
또한, 본 발명은, 복수의 단자부가 형성된 실장면을 갖는 기초부와, 이 기초부의 측주부로부터 외팔보 형상으로 일체로 돌출 설치되고 상기 기초부의 실장면과 동일면을 구성하는 기판 대향면을 갖는 진동자부를 갖고, 상기 진동자부의 기판 대향면에는, 제1 전극층과, 이 제1 전극층 위에 적층된 압전층과, 이 압전층 위에 적층된 제2 전극층이 각각 형성된 진동 소자의 제조 방법으로서,
실리콘 기판의 제1 주면측에 에칭 처리를 실시하여, 소정의 경사각으로 경사진 에칭 경사면을 가짐과 함께 상기 제1 주면으로부터의 두께가 해당 진동 소자의 진동자부의 두께에 대응하는 깊이의 에칭 오목부를 형성하는 에칭 오목부 형성 공정과,
상기 실리콘 기판의 상기 에칭 오목부와 대향하는 제2 주면 위에, 상기 압전막층 및 제1, 제2 전극층을 형성하는 전극 형성 공정과,
상기 에칭 오목부 내에서 상기 진동자부의 외형을 형성하는 관통홈으로 이루어지는 コ자형의 외형 홈을 패턴 형성하는 외형 홈 형성 공정과,
상기 외형 홈의 양 단부에 각각 도달하도록 상기 실리콘 기판을 절단하여 해당 진동 소자의 기초부를 절단하는 절단 공정을 갖고,
상기 외형 홈 형성 공정에서는, 상기 외형 홈의 양단부를 상기 에칭 오목부의 도중 개소에 형성함으로써, 상기 진동자부의 기단 부위에, 상기 기초부를 향하여 그 진동자부의 단면적이 점차로 커지는 보강부를 형성한다.
진동자부의 기단 부위에 상기 보강부를 형성함으로써, 진동 소자에 큰 외부 부하가 가해진 경우에도 진동자부의 파손 발생이 억제되어, 소형화의 특성을 유지하면서 내구성의 향상을 도모하는 것이 가능해진다. 또한, 진동 소자의 제조 공정 상에서 상기 보강부를 동시에 형성할 수 있으므로, 보강부 형성을 위한 특별한 공정을 별도로 필요하지 않아서, 보강부를 구비한 진동 소자를 저코스트 또한 생산성 높게 제조할 수 있다.
또한, 진동자부의 기판 대향면에, 제1 전극층, 압전층 및 제2 전극층을 밀봉하는 절연 보호층을 형성함으로써, 공기 중의 수분이나 먼지 등을 차단하여 이들의 각 전극층 등에의 부착을 방지함과 함께, 각 전극층의 산화 억제, 전기적 절연, 혹 은 각 전극층 및 압전막층의 기계적 보호를 도모할 수 있어, 고정밀도 또한 안정된 진동 검출을 행하는 것이 가능해진다.
또한, 진동 소자의 구성 기재로서 비도핑 단결정 실리콘 기판을 이용하여, 기재의 저도전성화를 도모함으로써 외부로부터의 광이나 열로부터의 내구성을 높임과 함께, 제조 프로세스 상에서의 층간 단락 등의 불량율 저감에 기여하여 수율의 향상을 도모하는 것이 가능해진다.
<발명을 실시하기 위한 최량의 형태>
이하, 본 발명의 실시 형태로서 도면에 도시한 진동형 자이로센서에 대하여, 상세히 설명한다.
또한, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상에 기초하여 여러가지의 변형이 가능하다. 또한, 본 명세서에서는, 이하에 설명한 바와 같이 구성 부재의 각 부위에 대하여 구체적인 치수값을 예로 들어 설명하고 있지만, 각 치수값은 중심 기준값이다. 각 부위는, 이 중심 기준값에 한정된 치수값으로 형성되는 것에 한정되지 않고, 일반적인 공차 범위의 치수값을 갖고서 형성되는 것은 물론이다. 또한, 진동형 자이로센서는, 이러한 치수값의 형상에 한정되지 않고, 특성 사양에 따라서 각 부가 적절하게 형성된다.
(제1 실시 형태)
[진동형 자이로센서의 개략 구성]
진동형 자이로센서(1)는, 도 1에 도시한 바와 같이 지지 기판(2)과, 이 지지 기판(2)의 제1 주면(2-1) 위에 조립되고 부품 실장 공간부(3)를 구성하는 커버 부 재(15)에 의해 외관 부재를 구성하여, 예를 들면 비디오 카메라에 탑재되어 손떨림 보정 기구를 구성한다. 또한, 진동형 자이로센서(1)는, 예를 들면 버추얼 리얼리티 장치에 이용되어 동작 검지기를 구성하거나, 혹은 카 내비게이션 장치에 이용되어 방향 검지기를 구성한다.
진동형 자이로센서(1)는, 지지 기판(2)에 예를 들면 세라믹 기판이나 글래스 기판 등이 이용되고 있다. 지지 기판(2)의 제1 주면(2-1) 상에는 복수개의 랜드(4) 등을 갖는 소정의 배선 패턴(5)이 형성되어 부품 실장 영역(6)이 구성되어 있다. 부품 실장 영역(6)에는, 상세 내용을 후술하는 서로 다른 축 방향의 진동을 검출하도록 탑재되는 제1, 제2 한쌍의 진동 소자(20X, 20Y)(이하, 개별로 설명하는 경우를 제외하고 진동 소자(20)라고 총칭함), IC 회로 소자(7), 또한 외부 부착용 다수개의 세라믹 컨덴서나 적절한 전자 부품(8)이 혼재되어 있다.
지지 기판(2)의 부품 실장 영역(6)에는, IC 회로 소자(7)나 전자 부품(8)과 함께 진동 소자(20)가 적절한 실장기를 이용하여 각각 플립 칩법 등의 표면 실장법에 의해서 실장되어 있다. 동일 형상으로 형성된 한쌍의 진동 소자(20X, 20Y)는, 지지 기판(2)의 제1 주면(2-1)의 상대하는 코너 부위(2C-1, 2C-2)에 위치하여 상호 축선을 다르게 하여 실장되어 있다. 진동 소자(20)는, 도 2에 도시한 바와 같이 금 범프(26)를 개재하여 랜드(4)에 접속되는 복수의 단자부(25)가 형성된 실장면을 갖는 기초부(22)와, 이 기초부(22)의 일측주부로부터 외팔보 형상으로 일체로 돌출 설치된 진동자부(23)를 갖는다. 또한, 진동 소자(20)의 구성의 상세 내용은 후술한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 한 쪽의 제1 진동 소자(20X)는, 지지 기판(2)의 코너 부위(2C-1)에서 부품 실장 영역(6)에 구성한 부유 형상의 제1 진동 소자 실장 영역(13A)에 기초부(22)가 고정되고, 이 기초부(22)로부터 일체로 돌출 설치된 진동자부(23)가 지지 기판(2)의 측연을 따라 인접하는 코너 부위(2C-3)로 향해진다. 다른 쪽의 제2 진동 소자(20Y)는, 지지 기판(2)의 코너 부위(2C-2)에서 부품 실장 영역(6)에 구성한 부유 형상의 제2 진동 소자 실장 영역(13B)에 기초부(22)가 고정되고, 이 기초부(22)로부터 일체로 돌출 설치된 진동자부(23)가 지지 기판(2)의 측연을 따라 인접하는 코너 부위(2C-3)로 향해진다.
즉, 제1 진동 소자(20X) 및 제2 진동 소자(20Y)는, 각각의 진동자부(23)를 코너 부위(2C-3)을 향하여 상호 90°의 각도가 붙어서 지지 기판(2)에 각각 실장되어 있다. 또한, 진동형 자이로센서(1)는, 한쌍의 진동 소자(20X, 20Y)에 의해 직교하는 2축의 진동 검출을 행하도록 하지만, 본체 기기의 사양에 따라서 적절한 각도차를 갖고서 진동 소자(20X, 20Y)를 지지 기판(2)에 실장하도록 해도 되는 것은 물론이다.
진동형 자이로센서(1)는, 진동 소자(20)의 진동자부(23)를 공진시킨 상태에서, 진동자부(23)에 가해진 길이 방향 주위의 각속도를 검출한다. 진동형 자이로센서(1)에서는, 제1 진동 소자(20X)와 제2 진동 소자(20Y)를 지지 기판(2)에 각도를 다르게 하여 탑재함으로써, X축 방향과 Y축 방향의 각속도를 동시에 검출하여, 예를 들면 비디오 카메라의 손 떨림에 의한 진동 상태에 기초하는 제어 신호를 출력하여 손떨림 보정 기구를 구성한다.
다음으로, 지지 기판(2)의 구성의 상세에 대하여 설명한다.
[부하 완충 구조]
진동형 자이로센서(1)는, 지지 기판(2)을 얇은 두께로 함으로써 소형, 박형화가 도모되고 있기 때문에, 외부로부터 가해지는 진동이나 충격 등의 외부 부하에 의해서 지지 기판(2)에 왜곡이나 응력이 발생하는 경우가 있다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 지지 기판(2)에 외부 부하의 완충 구조가 형성됨으로써, 왜곡이나 응력이 발생한 경우라도 지지 기판(2)에 탑재한 진동 소자(20)에의 영향이 저감되도록 구성되어 있다.
지지 기판(2)에는, 도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이 제1 주면(2-1)의 각 코너 부위(2C-1, 2C-2)에 제1 부하 완충 홈부(12A, 12B)(이하, 개별로 설명하는 경우를 제외하고 제1 부하 완충 홈부(12)라고 총칭함)가 형성되어 있다. 전술한 진동 소자 실장 영역(13A, 13B)(이하, 개별로 설명하는 경우를 제외하고 진동 소자 실장 영역(13)이라고 총칭함)은 제1 부하 완충 홈부(12)에 의해서 둘러싸인 영역에 구성되어 있고, 각 진동 소자 실장 영역(13)에 진동 소자(20)가 실장된다.
또한, 지지 기판(2)에는, 도 3에 도시한 바와 같이 본체 기기 등의 외부의 제어 기판(100)에 실장되는 제2 주면(2-2) 측에 제2 부하 완충 홈부(14)가 형성되어 있다. 이 제2 부하 완충 홈부(14)는, 도 5에 도시한 바와 같이 제2 부하 완충 홈부(14A)와 제2 부하 완충 홈부(14B)로 이루어져, 이하 개별로 설명하는 경우를 제외하고 제2 부하 완충 홈부(14)라고 총칭한다. 제2 부하 완충 홈부(14)에 의해서 둘러싸인 영역은, 도 5에 도시한 바와 같이 단자 형성 영역(115A, 115B)(이하, 개별로 설명하는 경우를 제외하고 단자 형성 영역(115)이라고 총칭함)으로서 구성되어 있다.
제1 부하 완충 홈부(12)는, 도 4에 도시한 바와 같이 진동 소자(20)의 기초부(22)의 외형 치수보다도 큰 진동 소자 실장 영역(13)을 구성하는 전체 틀 형상의 유저홈에 의해서 구성되어 있다. 제1 부하 완충 홈부(12)는, 예를 들면 다이서 등에 의한 기계적 홈 가공이나 습식 엣칭법에 의한 화학적 홈 가공 혹은 레이저 등에 의한 드라이 에칭법에 의해 형성된다. 제1 부하 완충 홈부(12)는, 지지 기판(2)의 기계적 강도를 손상시키지 않는 범위에서 홈의 깊이를 100㎛ 이상으로 하여 형성된다.
제2 부하 완충 홈부(14A, 14B)는, 도 5에 도시한 바와 같이 각각 지지 기판(2)의 외주측연부를 따라 평행하게 형성되어 있다. 이들 제2 부하 완충 홈부(14A, 14B)와 외주측연부 사이의 영역에는, 단자 형성 영역(115A, 115B)으로서 각각에 외부 접속용 단자부로서 복수개의 실장 단자부(116A, 116B)(이하, 개별로 설명하는 경우를 제외하고 실장 단자부(116)라고 총칭함)가 적절히 배열하여 형성되어 있다. 지지 기판(2)은, 각 실장 단자부(116)에 각각 설치한 범프(117)를 개재하여 실장 단자부(외부 접속 단자부)(116)가 상대하는 제어 기판(100)측의 랜드와 접속됨으로써, 제어 기판(100)에 실장된다.
제2 부하 완충 홈부(14)도, 제1 부하 완충 홈부(12)와 마찬가지로, 예를 들면 다이서 등에 의한 기계적 홈 가공이나 습식 엣칭법에 의한 화학적 홈 가공 혹은 레이저 등에 의한 드라이 에칭법 등에 의해서 지지 기판(2)의 제2 주면(2-2)에 소 정의 깊이를 갖고서 형성된다. 제2 부하 완충 홈부(14)는, 지지 기판(2)의 제2 주면(2-2)에서 부유 형상의 단자 형성 영역(115)을 구성하고, 이 단자 형성 영역(115)에 외주측연부를 따라 복수개의 실장 단자부(116)가 배열하여 형성되도록 한다. 또한, 제2 부하 완충 홈부(14)는, 외주측연부를 따른 직선 홈에 한정되지 않고, 예를 들면 실장 단자부(116)를 둘러싸는 틀 형상이나 양단을 외주측연부에 개방된 대략 コ자형으로 형성하도록 하여도 된다.
또한, 지지 기판(2)에는, 제1 주면(2-1)과 제2 주면(2-2)을 관통하여 다수개의 비아가 형성되어 있고, 이들 비아를 통하여 제1 주면(2-1)측의 배선 패턴(5)과 제2 주면(2-2)측의 실장 단자부(116)가 적절하게 접속된다.
진동형 자이로센서(1)는, 본체 기기에 충격 등이 가해지면, 제어 기판(100)을 통하여 지지 기판(2)에 왜곡이나 응력이 발생한다. 본 실시 형태에서는, 전술한 바와 같이 제1 부하 완충 홈부(12)에 의해서 둘러싸여 부유 상태로 된 진동 소자 실장 영역(13) 위에 진동 소자(20)를 실장함으로써, 외부 부하에 의해 지지 기판(2)에 발생한 왜곡이나 응력이 제1 부하 완충 홈부(12)에 의해서 흡수된다. 따라서, 제1 부하 완충 홈부(12)는 일종의 댐퍼 작용을 발휘함으로써 진동 소자 실장 영역(13) 위에 실장한 진동 소자(20)에 대한 외부 부하의 영향을 저감하여, 진동 소자(20)가 안정된 상태에서 검출 동작을 행하도록 한다.
한편, 진동형 자이로센서(1)에서는, 전술한 바와 같이 제2 부하 완충 홈부(14)를 형성하여 부유 상태로 한 단자 형성 영역(115)에 형성된 실장 단자부(116)가 제어 기판(100)과의 고정부를 구성한다. 본 실시 형태에서는, 제어 기판(100) 을 통하여 전달되는 외부 부하가 제2 부하 완충 홈부(14)에 의해서 흡수된다. 따라서, 제2 부하 완충 홈부(14)는 일종의 댐퍼 작용을 발휘함으로써 진동 소자 실장 영역(13) 위에 실장한 진동 소자(20)에 대한 외부 부하의 영향을 저감하여, 진동 소자(20)가 안정된 상태에서 검출 동작을 행하도록 한다.
또한, 제1 부하 완충 홈부(12)는, 전체 둘레에 걸쳐 연속한 단면 コ자형의 홈부에 의해서 구성되지만, 이것에 한정되지 않는다. 제1 부하 완충 홈부(12)는, 소정의 특성을 만족시키는 것을 조건으로, 예를 들면 다수개의 홈부를 전체로서 틀 형상으로 배열하여 구성하도록 하여도 된다. 또한, 제2 부하 완충 홈부(14)도, 연속된 홈부에 의해서 구성될 필요는 없고, 예를 들면 다수개의 홈부를 배열하여 구성하도록 하여도 된다. 또한, 지지 기판(2)의 제1 주면(2-1)에 제1 부하 완충 홈부(12)를 형성함과 함께 제2 주면(2-2)에 제2 부하 완충 홈부(14)를 형성하여 표리 주면의 부하 완충 구조를 구성하도록 했지만, 소정의 특성을 갖는 것을 조건으로 제1 부하 완충 홈부(12)만 또는 제2 부하 완충 홈부(14)만으로 부하 완충 구조를 구성하도록 하여도 된다.
[간격 구성 오목부]
다음으로, 지지 기판(2)에는, 진동 소자(20X, 20Y)에 대응하여 부품 실장 영역(6)에, 진동자부(23)를 그 두께 방향으로 자유 진동시키는 공간부를 구성하는 오목부(11A, 11B)(이하, 개별로 설명하는 경우를 제외하고 간격 구성 오목부(11)라고 총칭함)가 형성되어 있다. 간격 구성 오목부(11)는, 지지 기판(2)의 제1 주면(2-1)에 대하여 예를 들면 에칭 가공이나 홈파기 가공을 실시함으로써 소정의 깊이와 개구 치수를 갖는 사각형의 유저홈 형상으로 형성된다.
진동형 자이로센서(1)는, 기초부(22)와 외팔보 형상의 진동자부(23)가 일체로 형성된 진동 소자(20)가, 금 범프(26)를 개재하여 지지 기판(2)의 제1 주면(2-1) 위에 실장된다. 진동 소자(20)는, 금 범프(26)의 두께에 의해 진동자부(23)와 지지 기판(2)의 제1 주면(2-1)과의 대향 간격이 규정되어 전체의 박형화가 도모되고 있지만, 금 범프(26)의 가공 한계에 의해서 충분한 간격을 유지할 수 없는 경우가 있다.
진동 소자(20)는, 진동자부(23)의 진동 동작에 수반하여 지지 기판(2)의 제1 주면(2-1)과의 사이에 공기의 흐름을 발생시킨다. 이 공기의 흐름은, 지지 기판(2)의 제1 주면(2-1)에 맞닿아 진동자부(23)를 밀어 올리는 덤핑 효과를 발생시킨다. 본 실시 형태에서는, 지지 기판(2)의 제1 주면(2-1)에 간격 구성 오목부(11)를 형성함으로써, 도 2에 도시한 바와 같이 제1 주면(2-1)과 진동자부(23) 사이에 충분한 간격을 유지하여 진동 소자(20)에 작용하는 덤핑 효과의 영향을 저감한다.
진동형 자이로센서(1)는, 지지 기판(2)의 제1 주면(2-1) 위에 진동 소자(20)를 실장한 상태에서 진동자부(23)가 간격 구성 오목부(11)와 대향하여 연장됨으로써 박형화를 유지하면서 도 2에 도시한 바와 같이 진동자부(23)와 지지 기판(2) 사이에 충분한 간격이 유지되도록 된다. 이에 의해, 진동자부(23)가 두께 방향으로 진동 동작했을 때에 덤핑 효과의 작용이 저감되어, 진동 소자(20)의 안정된 검출 동작이 확보된다.
간격 구성 오목부(11)는, 진동 소자(20)의 진동자부(23)의 치수에 맞추어서 최적화되어 지지 기판(2)에 형성된다. 본 실시 형태에서는, 진동 소자(20)가 후술하는 치수값으로 형성됨과 함께 진동자부(23)의 최대 진폭량을 p로 한 경우, 간격 구성 오목부(11)의 개구 치수는 2.1㎜×0.32㎜로 되고, 깊이 치수 k(도 2 참조)는, k≥ p/2+0.05(㎜)로 형성된다. 지지 기판(2)에 관한 구성의 간격 구성 오목부(11)가 형성됨으로써, 높이 치수가 억제되어 박형화가 도모됨과 함께, 진동 소자(20)에 대한 덤핑 효과의 영향이 저감되어 고Q값화가 유지되어 고감도로 안정된 손떨림 등의 검출 동작을 행할 수 있도록 된다.
계속해서, 진동 소자(20)의 구성의 상세에 대하여 설명한다.
[금 범프]
진동 소자(20)는, 후술하는 바와 같이 실리콘 기판(21)의 제2 주면(21-2)에 의해서 구성되는 기초부(22)의 제2 주면(22-2)이 지지 기판(2)에 대한 고정면(실장면)을 구성하여 전술한 진동 소자 실장 영역(13) 위에 실장된다. 도 4에 도시한 바와 같이 기초부(22)의 실장면(22-2)에는, 제1 단자부(25A)∼제4 단자부(25D)(이하, 개별로 설명하는 경우를 제외하고 단자부(25)라고 총칭함)가 형성됨과 함께, 이들 단자부(25) 위에 각각 금속 볼록부로서 제1 금 범프(26A)∼제4 금 범프(26D)(이하, 개별로 설명하는 경우를 제외하고 금 범프(26)라고 총칭함)가 형성되어 있다.
진동 소자(20)의 각 단자부(25)는, 각각 지지 기판(2)측의 배선 패턴(5)에 형성한 각 랜드(4)에 대응하여 형성되어 있다. 각 단자부(25)는, 대응하는 랜드(4)와 위치 정렬되어 지지 기판(2)에 조합된다. 그리고, 이 상태에서 진동 소자 (20)를 지지 기판(2)에 밀어 부치면서 초음파를 인가하여, 금 범프(26)를 개재하여 각 단자부(25)와 랜드(4)를 용착 접합시킨다. 이에 따라 진동 소자(20)는 지지 기판(2) 위에 실장된다. 이와 같이 진동 소자(20)를 소정 높이의 금 범프(26)를 개재하여 실장함으로써, 진동자부(23)가 그 제2 주면(기판 대향면)(23-2)을 지지 기판(2)의 제1 주면(2-1)에 대하여 소정의 높이 위치로 유지된 상태에서 소정의 진동 동작을 행할 수 있도록 한다.
본 실시 형태에서는, 표면 실장법으로 진동 소자(20)를 지지 기판(2)으로 실장함으로써 실장 공정의 효율화를 도모하고 있다. 표면 실장법에서의 접속자로서는, 전술한 금 범프(26)에 한정되지 않고, 반도체 프로세스에서 일반적으로 채용되는 땜납볼이나 구리 범프 등의 각종 다른 금속 볼록부를 이용할 수도 있다. 본 실시 형태에서는, 본체 기기의 제조 공정에서 리플로우 땜납 처리 등이 실시되어, 지지 기판(2)의 실장 단자부(116)가 범프(117)를 개재하여 제어 기판(100)의 각 랜드와 접속 고정되기 때문에, 내열성이 크고 또한 작업성이 높은 금 범프(26)가 접속자로서 채용하고 있다.
진동형 자이로센서에서는, 지지 기판에 대한 진동 소자의 고정 구조에 의해서 기계 품질 계수 Q(Q factor)가 결정된다. 본 실시 형태에서는, 진동 소자(20)가 기초부(22)를 금 범프(26)를 개재하여 지지 기판(2)의 제1 주면(2-1)으로부터 부유한 상태에서 실장됨으로써, 예를 들면 접착층을 개재하여 기초부 전체면을 지지 기판에 접합한 경우와 비교하여 진동자부(23)의 선단부의 감쇠 비율이 커져서 양호한 Q값이 얻어진다. 또한, 기초부(22)를 지지 기판(2)의 제1 주면(2-1)에 대 하여 1개소에서 고정하는 것보다도 복수 개소에서 고정하는 구조쪽이 양호한 Q값 특성이 얻어지기 때문에, 기초부(22)를 지지 기판(2)에 대하여 네 구석의 위치를 고정함으로써 양호한 Q값 특성을 얻도록 하고 있다.
또한, 각 금 범프(26)는 진동자부(23)의 길이 방향의 중심 축선에 대하여 폭 치수 t6(도 7 참조)의 범위 내의 영역에서 전체의 무게 중심을 위치시키도록 하여 설치할 수 있다. 이와 같이 금 범프(26)를 배치함으로써, 두께 방향으로 진동 동작하는 진동자부(23)는 좌우의 밸런스를 무너뜨리지 않고 안정된 상태에서 진동 동작하는 것이 가능해진다.
또한, 각 금 범프(26)를 기초부(22)로부터 돌출되는 진동자부(23)의 기단부(근원 부위(43)(도 35 참조))로부터 진동자부(23)의 폭 치수 t6의 2배를 반경으로 하는 영역의 외측 영역에 위치하여 형성함으로써, 금 범프(26)에 의한 진동자부(23)의 진동 동작을 흡수하는 작용을 저감하여 고Q값을 유지하는 것이 가능해진다.
또한, 적어도 1개의 금 범프(26)가, 진동자부(23)의 기단부로부터 기초부(22)의 두께 치수 t1(도 7 참조)의 2배의 범위의 영역 내에 형성됨으로써 진동자부(23)의 진동 동작이 기초부(22)에 전달되어 공진 주파수의 어긋남을 발생시키는 것이 방지되도록 된다.
또한, 금 범프(26)는 소위 2단 범프에 의해서 형성되도록 하여도 된다. 또한, 기초부(22)의 제2 주면 위에 전기적 접속을 행하지 않는, 소위 더미의 제5 금 범프를 형성하도록 하여도 된다. 이 경우에는 물론, 지지 기판(2) 측에는, 이 제5 금 범프가 용착 고정되는 더미 단자부가 형성된다.
[소자 형상]
그런데, 본 실시 형태의 진동 소자(20)는, 도 7에 도시한 바와 같이 진동자부(23)가, 기초부(22)의 제2 주면(실장면)(22-2)과 동일면을 구성하는 제2 주면(기판 대향면)(23-2)을 갖고, 일단부가 기초부(22)에 일체화되어 외팔보 형상으로 돌출 설치되어 있다. 진동자부(23)는, 그 상면(23-1)이 도 8에 도시한 바와 같이 기초부(22)의 제1 주면(상면)(22-1)으로부터 단락됨으로써 소정의 두께로 된다. 진동자부(23)는, 소정의 길이와 단면적을 갖고 기초부(22)의 일측주부(22-3)와 일체로 형성된 단면 사각형의 외팔보에 의해서 구성된다.
또한, 도 7 및 도 8에 도시한 바와 같이 기초부(22)의 측주부(22-3)로부터 돌출 설치되는 기단 부위에 상세 내용을 후술하는 보강부(129)가 일체로 형성되어 있다. 진동자부(23)에는, 그 제1 주면(상면)(23-1)측의 능선부의 전역과 보강부(129)의 능선부에 모따기부(130)가 형성되어 있다.
진동 소자(20)의 기초부(22)는, 도 7에 도시한 바와 같이 두께 치수 t1을 300㎛, 진동자부(23)의 선단부까지의 길이 치수 t2를 3㎜, 폭 치수 t3을 1㎜의 크기를 갖고서 형성된다. 진동 소자(20)의 진동자부(23)는, 두께 치수 t4를 100㎛, 길이 치수 t5를 2.5㎜, 폭 치수 t6을 100㎛로 형성된다. 또한, 진동자부(23)는, 기초부(22)의 측주부(22-3)로부터 50㎛의 길이 치수 t29의 범위에서 보강부(129)가 형성된다. 진동 소자(20)는, 상세 내용을 후술하는 바와 같이 구동 검출 회로부(50)로부터 인가되는 소정 주파수의 구동 전압에 의해 진동 동작하는데, 전술한 형상으로부터 40㎑의 공진 주파수로 진동한다. 또한, 진동 소자(20)는, 이러한 구성 에 한정되는 것이 아니라, 사용하는 주파수나 목표로 하는 전체 형상에 따라서 여러가지 설정된다.
또한, 기초부(22)와 진동자부(23)의 각 부가 다음 조건을 만족하여 진동 소자(20)를 형성할 수 있다. 즉, 기초부(22)는, 그 폭 치수 t3을 진동자부(23)의 폭 치수 t6의 2배 보다도 큰 폭 치수로 됨과 함께, 무게 중심 위치를 진동자부(23)의 길이 방향의 중심축선에 대하여 진동자부(23)의 폭 치수 t6의 2배의 영역 내에 위치하여 형성된다. 이러한 구성에 의해서 진동자부(23)가 좌우의 밸런스를 무너뜨리는 일없이 양호한 상태에서 진동 동작이 행해지게 된다. 또한, 기초부(22)의 두께 치수 t1를 진동자부(23)의 두께 치수 t4의 1.5배로 형성함으로써, 기초부(22)의 기계적 강도가 유지되어 진동자부(23)의 진동 동작에 의한 진동 동작의 발생을 억제할 수 있어서, 공진 주파수의 어긋남이 발생하지 않게 된다.
[보강부]
본 실시 형태의 진동 소자(20)는, 진동자부(23)에 보강부(129)를 형성함으로써 기단 부위 혹은 그 근방 부위의 기계적 강도를 향상시키고 있다. 이에 의해, 큰 외부 부하가 가해진 경우라도 진동자부(23)의 파손 발생을 억제할 수 있다. 보강부(129)는, 도 8에 도시한 바와 같이 진동자부(23)가 돌출 설치되는 기초부(22)의 측주부(22-3)의 부위에서 단면 치수를 최대로 함과 함께, 전술한 길이 치수 t29의 영역에서 두께와 폭이 점차로 작아지는 단면 형상으로 형성된다.
보강부(129)는, 진동자부(23)의 기단 부위의 길이 치수 t29의 범위에서, 기초부(22)를 향하여 점차로 두께 치수를 증가시킨 세로 보강부(129V)와, 기초부(22) 의 측주부(22-3)를 향하여 점차로 폭 치수를 증가시킨 가로 보강부(129H)에 의해 구성되어 있다. 또한, 보강부(129)가 형성되는 진동자부(23)의 기단 부위의 길이 치수 t29는, 후술하는 바와 같이 진동자부(23)의 기단 부위에 기초부(22)의 측주부(22-3)로부터 길이 방향에 대하여 60㎛을 상한으로 하여 형성된다.
진동 소자(20)는, 후술하는 바와 같이 실리콘 기판(21)에 에칭 처리를 실시하여 다이어프램부(38)를 구성하는 에칭 오목부(37)(도 19)를 형성한 후, 다이어프램부(38)를 소정의 형상으로 오려내어 진동자부(23)의 외형이 형성된다. 보강부(129)는, 후술하는 바와 같이 에칭 처리에 의해서 형성되는 에칭 오목부(37)의 에칭 경사면(133)의 도중 개소에서 기초부(22)의 외형을 절단함으로써 형성된다.
즉, 진동 소자(20)는, 주면의 방위면이 (100)면, 측방의 방위면이 (110)면으로 되도록 잘라내는 것에 의해 주면에 대하여 측면의 대에칭성이 작은 특성을 갖는 실리콘 기판(21)을 소재로서 상세 내용을 후술하는 진동 소자 제조 공정을 거쳐서 제조된다. 실리콘 기판(21)에는, 진동 소자 제조 공정에 있어서 제1 주면(21-1)측으로부터 에칭 처리가 실시되어, 바닥부와 제2 주면(21-2)의 두께를 진동자부(23)의 두께 치수로 한 다이어프램부(38)를 구성하는 에칭 오목부(37)가 형성된다. 실리콘 기판(21)에는, 전술한 특성에 의해서 에칭의 진행이 두께 방향에 대하여 측면 방향이 작기 때문에, 제1 주면(21-1)으로부터 바닥부를 향하여 점차로 개구 치수가 작아지는 에칭 오목부(37)가 형성된다. 에칭 오목부(37)에는, 내주벽에, 제1 주면(21-1)으로부터 바닥부를 향하여 55°의 경사 각도가 붙은 에칭 경사면(133)이 형성된다.
진동 소자(20)는, 실리콘 기판(21)에 대하여, 에칭 오목부(37) 내에서 다이어프램부(38)에 진동자부(23)의 외형을 오려내는 외형 홈 형성 처리를 실시함과 함께 기초부(22)를 절단하는 절단 처리가 행하여져 형성된다. 진동 소자(20)는, 진동자부(23)의 외형 오려냄 가공을 에칭 경사면(133)의 도중 개소로부터 행한 후에 기초부(22)의 외형 절단 가공을 행함으로써, 진동자부(23)의 기단 부위가 측주부(22-3)를 향하여 55°를 갖고 점차로 두께가 크게 되도록 형성된다. 이에 의해, 도 8에 도시한 바와 같이 기단 부위에 전술한 보강부(129)가 구성된다.
진동 소자(20)는, 진동자부(23)의 기단 부위에 전술한 보강부(129)를 형성한 것에 의해 기계적 강도의 향상이 도모된다. 따라서, 본 실시 형태의 진동형 자이로센서(1)를 탑재한 본체 기기가 잘못 낙하되어 큰 충격 등이 부하된 경우에도, 진동자부(23)에 파손이나 균열 등이 발생하는 것이 방지되도록 된다.
또한, 진동 소자(20)는, 상세 내용을 후술하는 진동 소자 제조 공정에 있어서 실리콘 기판에 대하여 실시되는 에칭 기술을 교묘히 이용하여 미소한 진동자부(23)의 기단 부위에 보강부(129)를 형성하기 때문에, 정밀한 연마 처리 등의 기계 가공을 실시하는 일없이 보강부(129)를 간이하게 형성하는 것이 가능하다.
[모따기부·용융부]
한편, 실리콘 기판(21)에는, 그 표면에 매우 미세한 요철이나 마이크로 크랙 등이 존재하고 있다. 또한, 실리콘 기판(21)에는, 제2 주면(21-2)측으로부터 다이어프램부(38)에 반응성 이온 에칭 처리를 실시하여 전술한 진동자부(23)의 외형을 오려내는 외형 홈 형성 처리가 실시된다. 그 때에, 진동자부(23)의 측면과 제1 주 면(23-1)에 걸치는 능선 부위에 플라즈마의 흐름에 의해 미세한 줄 형상의 요철도 발생한다. 이들 미세한 요철이나 크랙에 대해서는, 도 9a에 도시한 바와 같이 미세 요철부(127)로 총칭한다. 또한, 도 9a에서는 요철부(127)를 약간 과장하여 도시하고 있다.
진동 소자(20)에서는, 예를 들면 진동 동작 시에 큰 충격 등이 부하되면 표면이나 능선 부위에 존재하는 미세 요철부(127)에 응력이 집중하여, 진동자부(23)에 전술한 기단 부위(근원 부위)뿐만아니라 도중 개소로부터도 큰 크랙이 발생하거나 파손 등이 발생할 우려가 있다. 그래서 본 실시 형태에서는, 진동자부(23)의 능선 부위나 제1 주면(23-1) 혹은 측면에 대하여 레이저 조사를 행하여 실리콘 기판(21)의 표면을 용융시켜, 모따기부(130) 및 용융면(134A, 134B)(이하, 용융면(134)이라고 총칭함)를 형성함으로써, 미세 요철부(127)를 제거하도록 하고 있다.
그런데, 진동 소자(20)에서는, 후술하는 바와 같이 진동자부(23)의 형상의 변동에 의한 가로세로의 공진 주파수의 주파수 차와 공진 시의 좌우 검출 신호의 파형의 진폭과 위상을 일치시키기 위해서, 진동자부(23)의 소정 개소에 레이저 가공을 실시하여 진동 상태를 교정하는 조정 처리가 실시된다. 전술한 모따기부(130)나 용융면(134)은, 이 조정 처리를 행하는 레이저 가공 공정 전 공정에서 레이저 장치를 공용하여 형성된다. 레이저 장치를 공용함으로써, 정밀한 연마 처리 등의 기계 가공을 실시하는 일없이 모따기부(130)나 용융면(134)을 간이하게 형성하는 것이 가능하다.
모따기부(130)는, 레이저 장치로부터 출사되는 파장이 예를 들면 532㎚의 레 이저를 적절한 스폿 직경으로 조정하여 진동자부(23)의 능선 부위에 조사하여 조사 부위를 용융시키는 것에 의해 형성된다. 용융면(134)은, 마찬가지로 하여 레이저를 적절한 스폿 직경으로 조정하여 도 8에 교선으로 표시한 영역으로 나타낸 바와 같이 진동자부(23)의 제1 주면(23-1)과 측면에 각각 조사하여, 표면을 용융시키는 것에 의해 형성된다.
모따기부(130)나 용융면(134)은, 실리콘 기판(21)의 표면을 용융시키는 것에 의해 도 9b에 도시한 바와 같이 표면에 존재하고 있었던 미세 요철부(127)를 제거하는 평활면으로서 구성된다. 따라서, 진동 소자(20)에 대하여 큰 외부 부하가 가해진 경우에도, 미세 요철부(127)에 있어서의 응력 집중이 억제되도록 되어, 진동자부(23)의 기계적 강도의 향상이 도모된다. 또한, 진동 소자(20)는, 전술한 모따기부(130)나 용융면(134)을 모두 구비할 필요는 없는 것은 물론이다.
[압전막·각종 전극층]
진동 소자(20)에는, 후술하는 진동 소자 제조 공정에 의해, 도 4에 도시한 바와 같이 진동자부(23)의 제2 주면(기판 대향면)(23-2) 상에 길이 방향의 대략 전체 길이에 걸쳐서, 기준 전극층(제1 전극층)(27)과, 압전 박막층(28)과, 구동 전극층(제2 전극층)(29)이 적층 형성되어 있다. 진동자부(23)의 제2 주면(기판 대향면)(23-2) 상에는, 구동 전극층(29)을 끼워 한 쌍의 검출 전극(30R, 30L)(이하, 개별로 설명하는 경우를 제외하고 검출 전극(30)이라고 총칭함)가 형성되어 있고, 이들 구동 전극층(29)과 검출 전극(30)에 의해 제2 전극층이 구성되어 있다.
진동자부(23)의 제2 주면(기판 대향면)(23-2)에는, 제1층으로서 기준 전극층 (27)이 형성되고, 이 기준 전극층(27) 상에 거의 동일 길이의 압전 박막층(28)이 적층 형성된다. 압전 박막층(28) 상에는, 이것과 거의 동일 길이이고 또한 폭이 좁은 구동 전극층(29)이 폭 방향의 중앙부에 위치하여 적층 형성됨과 함께, 이 구동 전극층(29)을 끼워 압전 박막층(28) 상에 한쌍의 검출 전극(30R, 30L)이 적층 형성된다.
[리드·단자부]
진동 소자(20)에는, 도 4에 도시한 바와 같이 기초부(22)의 제2 주면(실장면)(22-2) 상에, 기준 전극층(27)과 제1 단자부(25A)를 접속하는 제1 리드(31A)가 형성됨과 함께, 구동 전극층(29)과 제3 단자부(25C)를 접속하는 제3 리드(31C)가 형성되어 있다. 마찬가지로, 기초부(22)의 실장면(22-2) 상에는, 제1 검출 전극(30R)와 제2 단자부(25B)를 접속하는 제2 리드(31B)가 형성됨과 함께, 제2 검출 전극(30L)과 제4 단자부(25D)를 접속하는 제4 리드(31D)가 형성되어 있다. 또한, 각 리드(31A∼31D)에 대해서는, 이하, 개별로 설명하는 경우를 제외하고 리드(31)라고 총칭한다.
제1 리드(31A)는, 진동자부(23)에 형성한 기준 전극층(27)의 기단부로부터 기초부(22) 측에 일체로 연장되어, 도 4에 도시한 바와 같이 기초부(22)의 제2 주면(실장면)(22-2) 상에 진동자부(23)를 일체로 형성한 측의 한 쪽 코너부에 위치하여 형성된 제1 단자부(25A)와 일체화된다. 구동 전극층(29)과 검출 전극(30)은, 각각의 기단부가 진동자부(23)로부터 기초부(22)까지 약간 폭이 넓은 부위에서 일체로 연장되어, 이들 광폭 부위가 평탄화층(24)에 의해서 피복된다.
제2 리드(31B)는, 일단부가 평탄화층(24)을 타고 넘도록 하여 형성되고, 기초부(22)의 일측부를 따라 제1 단자부(25A)와 대향하는 후방측의 코너부로 유도되는 것에 의해, 이 코너부에 형성된 제2 단자부(25B)와 접속된다. 제3 리드(31C)는, 일단부가 평탄화층(24)을 타고 넘도록 하여 형성되고, 기초부(22)의 대략 중앙부를 가로 질러 후방측으로 유도됨과 함께 후단측을 따라 제2 단자부(25B)와 대향하는 코너부로 유도되는 것에 의해, 이 코너부에 형성된 제3 단자부(25C)와 접속된다. 제4 리드(31D)도, 일단부가 평탄화층(24)을 타고 넘도록 하여 형성되고, 기초부(22)의 다른측부를 따라 제3 단자부(25C)와 대향하는 전방측의 타방 코너부로 유도되는 것에 의해, 이 코너부에 형성된 제4 단자부(25D)와 접속된다.
또한, 진동 소자(20)에는, 전술한 구성에 관계없이, 단자부(25)가 기초부(22)의 제2 주면(실장면)(22-2) 상에 최적화되는 적절한 위치에서 또한 적절한 개수를 갖고 형성된다. 또한, 진동 소자(20)는, 각 전극층의 리드(31)와 단자부(25)와의 접속 패턴이 전술한 구성에 한정되는 것이 아닌 것은 물론이며, 단자부(25)의 위치나 개수에 따라서 기초부(22)의 제2 주면 위에 적절히 형성된다.
[절연 보호층]
진동 소자(20)에는, 도 2 및 도 4에 도시한 바와 같이 제2 주면(21-2) 측에서 기초부(22)와 진동자부(23)를 피복하는 절연 보호층(45)이 형성되어 있다. 절연 보호층(45)은, 제1층의 제1 알루미나(산화 알루미늄: Al2O3)층(46)과, 제2층의 산화 실리콘(SiO2)층(47)과, 제3층의 제2 알루미나층(48)으로 이루어지는 3층 구조 에 의해서 구성된다.
절연 보호층(45)에는, 도 2에 도시한 바와 같이 기초부(22)의 제2 주면(실장면)(22-2) 측에 형성한 각 단자부(25)의 형성 영역에 대응하여 단자 개구부(49)가 형성되어 있고, 이들 단자 개구부(49)를 통하여 각 단자부(25)가 외방으로 향하고 있다. 진동 소자(20)는, 도 2에 도시한 바와 같이 단자 개구부(49)로부터 돌출되도록 하여 각 단자부(25)에 금범프(26)가 형성된다.
절연 보호층(45)은, 기초부(22)와 진동자부(23)의 외주연과, 기준 전극층(27)이나 단자부(25)의 최외주 부위 사이에서 실리콘 기판(21)의 제2 주면(21-2)이 틀 형상으로 노출되도록 하여 형성된다. 절연 보호층(45)은, 외주 부위에 제2 주면(21-2)의 노출 부위를 남기는 것에 의해, 후술하는 진동 소자(20)의 잘라냄 공정에 있어서 외주 부위로부터 박리가 발생하는 것이 방지되어 있다. 또한, 절연 보호층(45)은, 폭 치수 t6가 100㎛로 된 진동자부(23)에서, 예를 들면 98㎛의 폭 치수를 갖고 형성된다.
절연 보호층(45)은, 제1 알루미나층(46)이 예를 들면 50㎚의 두께 치수를 갖고 형성된다. 제1 알루미나층(46)은, 기초부(22)나 진동자부(23)의 주면과의 밀착성을 향상시키는 기초 밀착층으로서 작용하여, 진동 동작하는 진동자부(23) 상에 절연 보호층(45)이 강고하게 성막 형성되도록 하여 박리 등의 발생이 방지되도록 한다.
산화 실리콘층(47)은, 공기 중의 수분 등을 차단하여 각 전극층 등에의 부착을 방지함과 함께, 각 전극층의 산화 억제, 각 전극층의 전기적 절연 혹은 박막의 각 전극층이나 압전 박막층(28)의 기계적 보호를 도모하는 기능을 발휘한다. 최상층의 제2 알루미나층(48)은, 실리콘 기판(21)에 후술하는 외형 홈 형성 공정을 실시하여 진동자부(23)를 형성할 때에 형성되는 레지스트층과의 밀착성을 향상시키는 작용을 발휘하여, 에칭제에 의한 산화 실리콘층(47)의 손상을 방지한다.
산화 실리콘층(47)은, 제2 전극층(42) 중 적어도 2배의 두께로, 1㎛ 이하의 두께로 형성되어 있다. 또한, 산화 실리콘층(47)은, 0.4 Pa 이하의 아르곤 가스 분위기 속에서 스퍼터법에 의해서 제1 알루미나층(46) 상에 성막된다. 절연 보호층(45)은, 산화 실리콘층(47)을 전술한 막두께로 하는 것에 의해, 충분한 절연 보호 기능을 발휘함과 동시에 성막 시의 버어 발생이 방지된다. 또한, 산화 실리콘층(47)은, 전술한 스퍼터 조건으로 성막함으로써, 고막밀도로 형성된다.
[위치 정렬용 마크]
진동형 자이로센서(1)에서는, 동일 형상의 제1 진동 소자(20X)와 제2 진동 소자(20Y)를 지지 기판(2)에 대하여 정밀하게 위치 결정하여 실장하기 위해, 지지 기판(2)이 각 랜드(4)의 위치를 실장기측에 인식시킨다. 진동 소자(20)에는, 실장기에 의해서 인식된 각 랜드(4)에 대하여 위치 결정되어 실장되도록 하기 위해, 기초부(22)의 제1 주면(상면)(22-1)에 위치 정렬용 마크(32A, 32B)(이하, 위치 정렬용 마크(32)라고 총칭함)가 설치되어 있다.
위치 정렬용 마크(32)는, 도 1 및 도 4에 도시한 바와 같이 기초부(22)의 제1 주면(상면)(22-1) 상에 폭 방향으로 이격하여 형성된 금속박 등으로 이루어지는 한쌍의 사각형부에 의해서 구성된다. 진동 소자(20)는, 실장기에 의해서 위치 정 렬용 마크(32)가 판독되고, 지지 기판(2)에 대한 위치나 자세의 실장 데이터가 생성된 후, 이 실장 데이터와 전술한 랜드(4)의 데이터에 기초하여, 지지 기판(2)에 대하여 정밀히 위치 결정되어 실장된다.
진동 소자(20)는, 위치 정렬용 마크(32)를 기초부(22)의 제1 주면 위에 형성했지만, 이러한 구성에 한정되는 것이 아니다. 위치 정렬용 마크(32)는, 기초부(22)의 제2 주면(실장면)(22-2)에, 예를 들면 배선 공정과 동일 공정에서 도체부로 이루어지는 위치 정렬용 마크를 단자부(25)나 리드(31)를 피한 적절한 위치에 형성하도록 하여도 된다. 위치 정렬용 마크(32)는, 상세 내용을 후술하는 바와 같이 진동 소자(20)의 전극층이나 진동자부(23)를 형성하는 외형 홈 형성 공정에서 이용되는 유도 결합형 플라즈마 장치에 의한 반응성 이온 에칭 처리 시에 이용되는 기준 마커에 맞춰, 위치 결정되어 형성되는 것이 바람직하다. 위치 정렬용 마크(32)는, 스테퍼 노광 장치를 이용함으로써, 진동자부(23)에 대하여 0.1㎛ 이하의 정밀도로 형성하는 것이 가능하다.
위치 정렬용 마크(32)는, 적절한 방법에 의해서 형성된다. 예를 들면 기초부(22)의 제2 주면(실장면)(22-2)에 후술하는 바와 같이 티탄층과 백금층으로 이루어지는 제1 전극층(40)의 패터닝에 의해서 형성한 경우에, 실장 공정에 있어서 판독이 행해져 화상 처리를 실시할 때에 양호한 콘트라스트가 얻어져 실장 정밀도의 향상이 도모되게 된다.
[커버]
계속해서, 지지 기판(2)의 제1 주면(2-1)을 외부로부터 차폐하는 커버(15)의 상세에 대하여 설명한다.
진동형 자이로센서(1)는, 손 떨림 등에 의해 발생하는 코리올리력에 의한 진동 소자(20)의 변위를, 상세 내용을 후술하는 바와 같이 이 진동 소자(20)에 형성한 압전 박막층(28)과 검출 전극(30)에 의해 검출하여 검출 신호를 출력한다. 그리고, 압전 박막층(28)에 광이 조사되면 초전 효과에 의해 전압이 발생하여, 이 초전압이 검출 동작에 영향을 미쳐서 검출 특성이 저하한다.
진동형 자이로센서(1)에서는, 지지 기판(2)과 커버 부재(15)에 의한 부품 실장 공간부(3)의 차광 대응이 도모되고, 외부광의 영향에 의한 특성 저하의 방지가 도모되고 있다. 지지 기판(2)에는, 도 1에 도시한 바와 같이 부품 실장 영역(6)을 모서리 따기 하도록 하여 외주 부위가 전체 둘레에 걸쳐 제1 주면(2-1)으로부터 단락되어 수직벽으로 이루어지는 차광 단부(9)를 구성함으로써, 커버 고정부(10)가 형성되어 있다. 그리고, 지지 기판(2)에 대하여 금속박판에 의해서 형성한 커버 부재(15)를, 커버 고정부(10) 상에 수지 접착에 의해서 전체 둘레에 걸쳐 접합함으로써, 부품 실장 공간부(3)를 밀폐하여 방진, 방습함과 함께 차광 공간부로서 구성한다.
커버 부재(15)는, 도 1에 도시한 바와 같이 지지 기판(2)의 부품 실장 영역(6)을 피복하기에 충분한 외형 치수를 갖는 주면부(16)와, 이 주면부(16)의 외주부에 전체 둘레에 걸쳐 일체로 절곡 형성된 외주벽부(17)로 이루어지는 전체 상자 형상으로 형성되어 있다. 커버 부재(15)는, 외주벽부(17)가, 지지 기판(2)에 조립된 상태에서 진동 소자(20)의 진동자부(23)가 진동 동작을 가능하게 하는 부품 실장 공간부(3)를 구성하는 높이 치수를 갖고 형성되어 있다. 커버 부재(15)에는, 외주벽부(17)의 개구 가장자리에 전체 둘레에 걸쳐, 지지 기판(2)에 형성한 커버 고정부(10)보다 약간 소폭으로 된 외주 플랜지부(18)가 일체로 절곡 형성되어 있다. 또한, 도시는 생략되어 있지만 외주 플랜지부(18)는 어스 볼록부를 형성하고, 진동형 자이로센서(1)가 제어 기판(100)에 실장된 때에 제어 기판(100) 상의 그라운드 단자에 접속된다.
커버 부재(15)는, 금속박판에 의해서 형성됨으로써 진동형 자이로센서(1)의 소형 경량화를 유지하고 있지만, 적외 파장의 외부광에 대한 차광성이 저하하여 충분한 차광 기능을 발휘할 수 없는 경우도 있다. 그래서 본 실시 형태에서는, 주면부(16)와 외주벽부(17)의 표면 전체에 예를 들면 적외 파장의 광을 흡수하는 적외선 흡수 도료를 도포하여 차광층(19)을 형성하고, 부품 실장 공간부(3)내에의 적외 파장의 외부광의 방사를 차폐하여 진동 소자(20)가 안정된 동작을 행하도록 한다. 또한, 차광층(19)은, 적외선 흡수 도료 용액 내에 디프하여 표리 주면에 형성하거나, 흑색 크롬 도금 처리나 흑염 처리 혹은 흑색 양극 산화 처리를 실시하여 형성하여도 된다.
전술된 바와 같이, 진동형 자이로센서(1)에서는, 지지 기판(2)에 대하여 커버 부재(15)가, 외주 플랜지부(18)를 커버 고정부(10) 상에 서로 겹치게 하고 접착제에 의해서 접합됨으로써 조립되어, 밀폐 또한 차광된 부품 실장 공간부(3)를 구성한다. 그런데, 서로 겹쳐진 커버 고정부(10)와 외주 플랜지부(18) 사이의 간극에 개재하는 접착제층을 투과하여 외부광이 부품 실장 공간부(3) 내에 진입하는 경 우가 있다. 그래서 본 실시 형태에서는, 전술한 바와 같이 지지 기판(2)이 주면(2-1)에 대하여 차광 단부(9)를 개재하여 커버 고정부(10)를 단락하여 형성한 것에 의해, 접착제층을 투과한 외부광이 차광 단부(9)에 의해서 차광되도록 하고 있다.
본 실시 형태에서는, 지지 기판(2)에 대하여 커버 부재(15)도 다른 구성 부재와 마찬가지로 표면 실장법에 의해서 조립하도록 함으로써, 조립 공정의 합리화가 도모되고 있다. 진동형 자이로센서(1)에서는, 커버 부재(15)를 지지 기판(2)의 단락된 커버 고정부(10) 상에 고정함으로부터 박형화가 도모됨과 함께, 접착제의 부품 실장 영역(6)에의 유입도 방지된다. 또한, 부품 실장 공간부(3)가 방진, 방습 공간부로서 구성됨과 함께 차광 공간부로서 구성됨으로써 진동 소자(20)에 있어서의 초전 효과의 발생을 억제하여 안정된 손 떨림 등의 검출 동작을 행하는 것을 가능하게 한다.
[회로 구성]
다음으로, 진동형 자이로센서(1)를 구동하는 회로 구성에 대하여 도 6을 참조하여 설명한다.
진동형 자이로센서(1)는, 제1 진동 소자(20X)와 제2 진동 소자(20Y)와 각각 접속되어 IC 회로 소자(7)나 전자 부품(8) 등에 의해서 구성된 제1 구동 검출 회로부(50X)와 제2 구동 검출 회로부(50Y)를 구비하고 있다. 이들 제1 구동 검출 회로부(50X)와 제2 구동 검출 회로부(50Y)는 상호 동일한 회로 구성으로 되기 때문에, 이하, 구동 검출 회로부(50)라고 총칭하여 설명한다. 구동 검출 회로부(50)는, 임피던스 변환 회로(51)와, 가산 회로(52)와, 발진 회로(53)와, 차동 증폭 회로(54) 와, 동기 검파 회로(55)와, 직류 증폭 회로(56) 등을 구비하고 있다.
구동 검출 회로부(50)는, 도 6에 도시한 바와 같이 진동 소자(20)의 제1 검출 전극(30R)와 제2 검출 전극(30L)에 대하여 임피던스 변환 회로(51)와 차동 증폭 회로(54)가 접속된다. 임피던스 변환 회로(51)에는 가산 회로(52)가 접속되고, 이 가산 회로(52)에 접속된 발진 회로(53)가 구동 전극층(29)과 접속된다. 차동 증폭 회로(54)와 발진 회로(53)는 동기 검파 회로(55)가 접속되고, 이 동기 검파 회로(55)에 직류 증폭 회로(56)가 접속된다. 또한, 진동 소자(20)의 기준 전극층(27)은, 지지 기판(2)측의 기준 전위(57)와 접속된다.
구동 검출 회로부(50)는, 진동 소자(20)와 임피던스 변환 회로(51)와 가산 회로(52)와 발진 회로(53)에 의해 자려 발진 회로를 구성한다. 그리고, 발진 회로(53)로부터 구동 전극층(29)에 대하여 소정 주파수의 발진 출력 Vgo를 인가함으로써 진동 소자(20)의 진동자부(23)에 고유 진동을 발생시킨다. 진동 소자(20)의 제1 검출 전극(30R)으로부터의 출력 Vgr와 제2 검출 전극(30L)으로부터의 출력 Vgl은 임피던스 변환 회로(51)에 공급되어, 이것들의 입력에 기초하여 임피던스 변환 회로(51)로부터 가산 회로(52)에 대하여 각각 출력 Vzr와 Vzl을 출력한다. 가산 회로(52)는, 이것들의 입력에 기초하여 발진 회로(53)에 대하여 가산 출력 Vsa를 출력한다.
진동 소자(20)의 제1 검출 전극(30R)로부터의 출력 Vgr와 제2 검출 전극(30L)로부터의 출력 Vgl은 차동 증폭 회로(54)에 공급된다. 구동 검출 회로부(50)는, 후술하는 바와 같이 진동 소자(20)가 손 떨림을 검출하면 이들 출력 Vgr와 출 력 Vgl에 차이가 발생하기 때문에, 차동 증폭 회로(54)에 의해서 소정의 출력 Vda가 얻어진다. 차동 증폭 회로(54)로부터의 출력 Vda는, 동기 검파 회로(55)에 공급된다. 동기 검파 회로(55)는 출력 Vda를 동기 검파함으로써 직류 신호 Vsd로 변환하여 직류 증폭 회로(56)에 공급하여, 소정의 직류 증폭을 행한 직류 신호 Vsd를 출력한다.
동기 검파 회로(55)는, 차동 증폭 회로(54)의 출력 Vda를, 발진 회로(53)로부터 구동 신호에 동기하여 출력되는 클럭 신호 Vck의 타이밍으로 전파 정류한 후에 적분하여 직류 신호 Vsd를 얻는다. 구동 검출 회로부(50)는, 전술한 바와 같이이 직류 신호 Vsd를 직류 증폭 회로(56)에 있어서 증폭하여 출력함으로써, 손 떨림에 의해 발생하는 각속도 신호의 검출이 행하여진다.
구동 검출 회로부(50)는, 임피던스 변환 회로(51)가 하이·임피던스 입력 Z2의 상태에서 로우·임피던스 출력 Z3를 얻도록 되어 있고, 제1 검출 전극(30R)와 제2 검출 전극(30L) 사이의 임피던스 Z1와 가산 회로(52)의 입력 사이의 임피던스 Z4를 분리하는 작용을 발휘한다. 임피던스 변환 회로(51)를 설치함으로써, 이들 제1 검출 전극(30R)와 제2 검출 전극(30L)으로부터 큰 출력 차이를 얻는 것이 가능하게 된다.
구동 검출 회로부(50)에서는, 전술한 임피던스 변환 회로(51)가 입력과 출력과의 임피던스 변환 기능을 발휘할 뿐이고 신호의 크기에 영향을 주는 경우는 없다. 따라서, 제1 검출 전극(30R)으로부터의 출력 Vgr와 임피던스 변환 회로(51)의 한 쪽 측의 출력 Vzr, 및 제2 검출 전극(30L)으로부터의 출력 Vgl과 임피던스 변환 회로(51)의 다른 쪽측의 출력 Vzl은 각각 동일한 크기이다. 구동 검출 회로부(50)에서는, 진동 소자(20)에 의해서 손 떨림 검출이 행하여져 제1 검출 전극(30R)으로부터의 출력 Vgr와 제2 검출 전극(30L)으로부터의 출력 Vgl에 차가 있더라도, 가산 회로(52)로부터의 출력 Vsa로 유지된다.
구동 검출 회로부(50)에서는, 예를 들면 스위칭 동작 등에 의해서 노이즈가 중첩되는 경우가 있더라도, 발진 회로(53)의 출력 Vgo에 중첩된 노이즈 성분이 진동 소자(20)에 있어서의 밴드 필터와 동등한 기능에 의해서 공진 주파수 이외의 성분이 제거됨으로써, 차동 증폭 회로(54)로부터 노이즈 성분이 제거된 고정밀도의 출력 Vda를 얻는 것이 가능하게 된다. 또한, 진동형 자이로센서(1)는, 전술한 구동 검출 회로부(50)에 한정되는 것이 아니라, 고유 진동하는 진동자부(23)의 손 떨림 동작에 의한 변위를 압전 박막층(28)과 한쌍의 검출 전극(30)에 의해 검출하여, 적절한 처리를 행하여 검출 출력을 얻도록 구성되면 된다.
진동형 자이로센서(1)에서는, 전술한 바와 같이 X축 방향의 각속도를 검출하는 제1 진동 소자(20X)와 Y축 방향의 각속도를 검출하는 제2 진동 소자(20Y)를 구비하고 있다. 제1 진동 소자(20X)에 접속된 제1 구동 검출 회로부(50X)로부터는 X축 방향의 검출 출력 VsdX가 얻어짐과 함께, 제2 진동 소자(20Y)에 접속된 제2 구동 검출 회로부(50Y)로부터는 Y축 방향의 검출 출력 VsdY가 얻어진다. 진동형 자이로센서(1)에서는, 제1 진동 소자(20X)와 제2 진동 소자(20Y)가, 각각 수 kHz 내지 수백 kHz의 범위에서 동작 주파수의 설정이 가능하다. 그리고, 제1 진동 소자(20X)의 동작 주파수 fx와 제2 진동 소자(20Y)의 동작 주파수 fy와의 주파수 차 (fx-fy)를 1 kHz 이상, 예를 들면 2 kHz∼3 kHz로 함으로써 크로스토크가 저감되어 정밀한 진동 검출이 행하여지게 된다.
[진동형 자이로센서의 제조 방법]
이하, 본 실시 형태의 진동형 자이로센서(1)의 제조 방법에 대하여 설명한다. 도 10은 진동형 자이로센서(1)의 제조 방법을 설명하는 주요 공정 플로우이다.
진동형 자이로센서(1)에서는, 전술한 진동 소자(20)가, 예를 들면 도 11 및 도 12에 도시한 바와 같이 주면(21-1)의 방위면이 (100)면, 측면(21-3)의 방위면이 (110)면으로 되도록 잘라내어진 실리콘 기판(21)을 기재로 하여 다수개가 일괄하여 형성된 후에, 절단 공정을 거쳐 1개씩으로 절단된다.
본 실시 형태에서, 실리콘 기판(21)은, 후술하는 바와 같이 도핑 처리가 실시되지 않은 거의 순단결정 실리콘 기판 혹은 체적 저항율이 100Ω·㎝ 인 단결정 실리콘 기판이 이용된다. 실리콘 기판(21)은, 이러한 단결정 실리콘 기판을 이용함으로써, 실리콘층이 고저항값 특성을 갖게 된다.
[기판 준비 공정]
실리콘 기판(21)은, 외형 치수가, 공정에 이용되는 설비 사양에 따라서 잘라냄 치수가 적절하게 결정되어, 예를 들면 300×300(㎜)로 된다. 실리콘 기판(21)은 도 11에 도시한 바와 같이 평면에서 보아 사각 형상의 기판에 한하지 않고, 평면에서 보아 원형의 웨이퍼 형상이어도 된다. 실리콘 기판(21)은, 작업성이나 코스트 등에 의해서 두께 치수가 결정되는데, 적어도 진동 소자(20)의 기초부(22)의 두께 치수보다도 큰 두께이면 된다. 실리콘 기판(21)은, 전술한 바와 같이 기초부(22)의 두께가 300㎛ 임과 함께 진동자부(23)의 두께가 100㎛이기 때문에, 300㎛ 이상의 기판이 이용된다.
실리콘 기판(21)에는, 열산화 처리가 실시되어, 도 12에 도시한 바와 같이 제1 주면(21-1) 상 및 제2 주면(21-2) 상에 각각 실리콘 산화막(SiO2막)(33A, 33B)(이하, 개별로 설명하는 경우를 제외하고 실리콘 산화막(33)이라고 총칭함)가 전체면에 걸쳐서 형성되어 있다. 실리콘 산화막(33)은, 후술하는 바와 같이 실리콘 기판(21)에 결정 이방성 에칭 처리를 실시할 때에 보호막으로서 기능한다. 실리콘 산화막(33)은, 보호막 기능을 발휘하면 되고 적절한 두께를 갖고 형성되는데, 예를 들면 0.3㎛ 정도의 두께 치수로 형성된다.
[에칭 오목부 형성 공정]
진동 소자 제조 공정은, 반도체 프로세스의 박막 공정과 마찬가지의 공정으로 이루어져, 실리콘 기판(21)의 제1 주면(21-1)측으로부터 각 진동 소자(20)의 진동자부(23)를 형성하는 부위를 소정의 두께 치수로 하는 전술한 에칭 오목부(37)를 형성하는 에칭 오목부 형성 공정을 포함한다.
에칭 오목부 형성 공정은, 도 13∼도 19에 도시한 바와 같이 실리콘 기판(21)의 제1 주면(21-1)에, 포토레지스트층(34)을 형성하는 포토레지스트층 형성 공정과, 에칭 오목부(37)의 형성 부위에 대응하여 포토레지스트층(34)에 포토레지스트층 개구부(35)를 형성하는 포토레지스트 패터닝 공정과, 포토레지스트층 개구부 (35)로 향하는 실리콘 산화막(33A)를 제거하여 실리콘 산화막 개구부(36)를 형성하는 제1 에칭 처리 공정과, 실리콘 산화막 개구부(36) 내에 에칭 오목부(37)를 형성하는 제2 에칭 처리 공정 등을 갖는다.
포토레지스트층 형성 공정은, 실리콘 기판(21)의 제1 주면(21-1)에 형성한 실리콘 산화막(33A) 상에 전체면에 걸쳐 포토레지스트재를 도포하여 포토레지스트층(34)을 형성한다. 포토레지스트층 형성 공정은, 포토레지스트재로서 예를 들면 동경 오우카사제의 감광성 포토레지스트재 「OFPR-8600」가 이용되고, 이 포토레지스트재를 도포한 후에 마이크로파로 가열하여 수분을 제거하는 프리베이킹 처리를 실시하여 실리콘 산화막(33A) 상에 포토레지스트층(34)을 형성한다.
포토레지스트 패터닝 공정은, 포토레지스트층(34) 상에 각 실리콘 산화막 개구부(36)를 형성하는 부위를 개구부로 한 마스킹 처리를 실시하여, 포토레지스트층(34)에 대하여 노광, 현상 처리를 실시한다. 포토레지스트 패터닝 공정은, 각 실리콘 산화막 개구부(36)의 대응 부위의 포토레지스트층(34)을 제거하여, 도 13 및 도 14에 도시한 바와 같이 실리콘 산화막(33A)를 외방으로 향하게 하는 다수개의 포토레지스트층 개구부(35)를 일괄하여 형성한다. 또한, 실리콘 기판(21)에는, 도 13에 도시한 바와 같이 3×5개의 포토레지스트층 개구부(35)가 형성됨으로써 후술하는 각 공정을 거쳐 15개의 진동 소자(20)가 일괄하여 제조되도록 한다.
제1 에칭 처리 공정은, 포토레지스트층 개구부(35)를 통하여 외부로 향하는 실리콘 산화막(33A)를 제거하는 공정이다. 제1 에칭 처리는, 실리콘 기판(21)의 계면의 평활성을 유지하기 위해, 실리콘 산화막(33A)만을 제거하는 습식 에칭법을 채용하지만, 이 방법에 한정되는 것이 아니라 예를 들면 이온 에칭법 등의 적절한 에칭 처리이어도 된다.
제1 에칭 처리에는, 에칭액으로서 예를 들면 불화암모늄 용액을 이용하여, 실리콘 산화막(33A)를 제거하여 실리콘 산화막 개구부(36)를 형성한다. 이에 의해, 도 15 및 도 16에 도시한 바와 같이 실리콘 기판(21)의 제1 주면(21-1)을 외부로 향하게 한다. 또한, 제1 에칭 처리는, 장시간에 걸쳐 에칭을 행한 경우에 실리콘 산화막 개구부(36)의 측면으로부터 에칭이 진행하는 소위 사이드 에칭 현상이 발생하기 때문에, 실리콘 산화막(33A)이 에칭된 시점에 종료하도록 에칭 시간을 정확하게 관리하는 것이 바람직하다.
제2 에칭 처리는, 실리콘 산화막 개구부(36)를 통하여 외부로 향하는 실리콘 기판(21)의 제1 주면(21-1)에 에칭 오목부(37)를 형성하는 공정이다. 제2 에칭 처리 공정은, 실리콘 기판(21)의 결정 방향에 에칭 속도가 의존하는 성질을 이용한 결정 이방성의 습식 에칭 처리에 의해서, 실리콘 기판(21)을 진동자부(23)의 두께까지 에칭한다.
제2 에칭 처리 공정에는, 에칭액으로서 예를 들면 TMAH(수산화테트라메틸암모늄)이나 KOH(수산화칼륨) 혹은 EDP(에틸렌 디아민-피로카테콜수) 용액이 이용된다. 제2 에칭 처리는, 구체적으로는 에칭액으로서 표리면의 실리콘 산화막(33A, 33B)의 에칭 레이트의 선택비가 보다 커지는 TMAH 20% 용액을 이용하여, 이 에칭액을 교반하면서 온도를 80℃로 유지하여, 6 시간의 에칭을 행하여 도 17 및 도 18에 도시하는 에칭 오목부(37)를 형성한다.
제2 에칭 처리 공정에서는, 기재로서 이용하는 실리콘 기판(21)의 제1 주면(21-1)이나 제2 주면(21-2)에 대하여 측면(21-3)의 대에칭성이 작은 특성을 이용하여, (100)면에 대하여 약55°의 각도의 면방위로 되는 (110)면이 출현하는 에칭이 행하여진다. 이에 의해, 개구부에서 저면을 향하여 약55°의 경사 각도를 갖고 점차로 개구 치수가 작아져, 내주벽에 약55°의 경사 각도의 에칭 사면(133)을 갖는 에칭 오목부(37)가 형성된다.
에칭 오목부(37)는, 후술하는 외형 오려냄 공정이 실시되어 진동자부(23)를 형성하는 다이어프램부(38)를 구성한다. 에칭 오목부(37)는, 도 17에 도시한 바와 같이 길이 치수 t8, 폭 치수 t9의 개구 치수를 갖고, 도 19에 도시한 바와 같이 깊이 치수 t10를 갖고 형성된다. 에칭 오목부(37)는, 도 19에 도시한 바와 같이 제1 주면(21-1)으로부터 제2 주면(21-2)측을 향하여 점차로 개구 치수가 작아지는 단면이 사다리꼴의 공간부에 의해서 구성된다.
에칭 오목부(37)는, 내주벽이 전술한 바와 같이 내방 하강으로 55°의 경사 각도 θ가 붙어서 형성된다. 다이어프램부(38)는, 후술하는 바와 같이, 진동자부(23)의 폭 치수 t6와 길이 치수 t5 및 그 외주부를 오려내도록 하여 실리콘 기판(21)에 형성하는 외형 홈(39)의 폭 치수 t7(도 36 및 도 37 참조)에 의해 규정한다. 외형 홈(39)의 폭 치수 t7는, (깊이 치수 t10×1/tan55°)로 구해진다.
따라서, 에칭 오목부(37)는, 다이어프램부(38)의 폭을 규정하는 개구 폭 치수 t9가, (깊이 치수 t10×1/tan55°)×2+t6(진동자부(23)의 폭 치수)+2×t7(외형 홈(39)의 폭 치수)부터 구해진다. 에칭 오목부(37)는, 개구 부위의 폭 치수 t9가, t10=200㎛, t6=100㎛, t7=200㎛이라고 하면, t9=780㎛로 된다.
또한, 에칭 오목부(37)는, 전술한 제2 에칭 처리를 실시하는 것에 의해 길이 방향에 대해서도 폭 방향과 마찬가지로 그 내주벽이 각각 경사 각도가 55°의 경사면으로서 구성된다. 따라서, 에칭 오목부(37)는, 다이어프램부(38)의 길이를 규정하는 길이 치수 t8가, (깊이 치수 t10×1/tan55°)×2+t5(진동자부(23)의 길이 치수)+t7(외형 홈(39)의 폭 치수)부터 구해진다. 에칭 오목부(37)는, 길이 치수 t8가, t10=200㎛, t5=2.5 ㎜, t7=200㎛로 하면, t8=2980㎛로 된다.
[전극 형성 공정(성막)]
전술한 에칭 오목부 형성 공정에 의해, 실리콘 기판(21)에 에칭 오목부(37)의 저면과 제2 주면(21-2) 사이에, 소정의 두께를 갖는 사각형의 다이어프램부(38)가 구성된다. 다이어프램부(38)는, 진동 소자(20)의 진동자부(23)를 구성한다. 에칭 오목부 형성 공정의 후, 다이어프램부(38)의 제2 주면(21-2)측을 가공면으로 하여 전극 형성 공정이 실시된다.
전극 형성 공정은, 예를 들면 마그네트론 스퍼터 장치에 의해서, 에칭 오목부(37)의 형성 부위와 대향하는 제2 주면(21-2) 상에, 실리콘 산화막(33B)를 통하여 각 전극층을 형성한다. 전극 형성 공정은, 도 20에 도시한 바와 같이 실리콘 산화막(33B)를 통하여 기준 전극층(27)을 구성하는 제1 전극층(40)을 형성하는 제1 전극층 형성 공정과, 압전 박막층(28)을 구성하는 압전막층(41)을 형성하는 압전막층 형성 공정과, 구동 전극층(29) 및 검출 전극(30)을 구성하는 제2 전극층(42)을 형성하는 제2 전극층 형성 공정을 포함한다.
또한, 진동 소자 제조 공정에서는, 진동자부(23)에 대한 전술한 제1 전극층(40)의 형성 공정과 제2 전극층(42)의 형성 공정에 맞추어, 기초부(22)의 형성 부위에 각 리드(31)나 단자부(25)를 형성하기 위한 도체층의 형성 공정도 동시에 행해지도록 한다.
제1 전극층 형성 공정은, 도 20에 도시한 바와 같이 진동자부(23)의 구성 부위에 대응하는 실리콘 산화막(33B) 상에 전체면에 걸쳐 티탄을 스퍼터링하여 티탄 박막층을 형성하는 공정과, 이 티탄 박막층 상에 플라티넘(백금)을 스퍼터링하여 플라티넘층을 형성하여 2층 구성의 제1 전극층(40)을 적층 형성하는 공정으로 이루어진다. 티탄 박막층 형성 공정은, 예를 들면 가스압 0.5 Pa, RF(고주파) 파워 1 kW의 스퍼터 조건으로 실리콘 산화막(33B) 상에 막두께가 50㎚ 이하(예를 들면 5㎚∼20㎚) 정도의 티탄 박막층을 성막한다. 플라티넘층 형성 공정은, 예를 들면 가스 두께 0.5 Pa, RF 파워 0.5 kW의 스퍼터 조건으로 티탄 박막층 상에 막두께가 200㎚ 정도의 플라티넘 박막층을 성막한다.
제1 전극층(40)은, 티탄 박막층이 실리콘 산화막(33B)와의 밀착성을 향상시키는 작용을 발휘함과 함께, 플라티넘층이 양호한 전극으로서 작용한다. 제1 전극층 형성 공정은, 전술한 제1 전극층(40)의 형성과 동시에 다이어프램부(38)로부터 기초부(22)의 형성 영역으로 연장하여 제1 리드(31A)와 제1 단자부(25A)를 구성하는 도체층도 형성한다.
압전막층 형성 공정은, 전술한 제1 전극층(40) 상에 전체면에 걸쳐, 예를 들면 티탄산지르콘산납(PZT)을 스퍼터링하여 소정의 두께의 압전막층(41)을 적층 형 성한다. 압전막층 형성 공정은, Pb(1+x)(Zr0.53Ti0.47)O3-y 산화물을 타깃으로서 이용하여, 예를 들면 가스압 0.7 Pa, RF 파워 0.5 kW의 스퍼터 조건으로 제1 전극층(40) 상에 막두께가 1㎛ 정도인 PZT 층으로 이루어지는 압전막층(41)을 적층 형성한다. 압전막층 형성 공정은, 전기로에 의해 압전막층(41)을 베이킹함으로써, 결정화 열처리를 실시한다. 베이킹 처리는, 예를 들면 산소 분위기 하에서, 700℃, 10분간의 조건으로 행한다. 또한, 압전막층(41)은, 전술한 제1 전극층(40)으로부터 연장된 기초부(22)의 형성 영역에 형성된 전극층의 일부를 피복하여 형성된다.
제2 전극층 형성 공정은, 전술한 압전막층(41) 상에 전체면에 걸쳐, 플라티넘을 스퍼터링하여 플라티넘층을 형성함으로써 제2 전극층(42)을 적층 형성한다. 제2 전극층 형성 공정은, 가스압 0.5 Pa, RF 파워 0.5 kW의 스퍼터 조건으로 압전막층(41) 상에 막두께가 200㎚ 정도의 플라티넘 박막층을 성막한다.
[전극 형성 공정(패터닝)]
다음으로, 최상층에 형성된 제2 전극층(42)에 대하여 패터닝 처리를 실시하는 제2 전극층 패터닝 공정이 행해진다. 제2 전극층 패터닝 공정으로서는 도 21 및 도 22에 도시한 바와 같이 소정 형상의 구동 전극층(29)과 한쌍의 검출 전극(30R, 30L)을 형성한다.
구동 전극층(29)은, 전술한 바와 같이 진동자부(23)를 구동시키는 소정의 구동 전압이 인가되는 전극이며, 진동자부(23)의 폭 방향의 중앙 영역에 소정의 폭을 갖고 길이 방향의 거의 전역에 걸쳐 형성된다. 검출 전극(30)은, 진동자부(23)에 발생한 코리올리력을 검출하는 전극이며, 구동 전극층(29)의 양측에 위치하여 길이 방향의 거의 전역에 걸쳐 상호 절연을 유지하여 평행하게 형성된다.
제2 전극층 패터닝 공정은, 제2 전극층(42)에 대하여 포토리소그래프 처리를 실시하여 도 21에 도시한 바와 같이 압전막층(41) 상에 구동 전극층(29)과 검출 전극(30)을 형성한다. 제2 전극층 패터닝 공정은, 구동 전극층(29)과 검출 전극(30)과의 대응 부위에 레지스트층을 형성하고, 불필요한 부위의 제2 전극층(42)을 예를 들면 이온 에칭법 등에 의해서 제거한 후에 레지스트층을 제거하는 등의 공정을 거쳐, 구동 전극층(29)과 검출 전극(30)을 패턴 형성한다. 제2 전극층 패터닝 공정은, 이러한 공정에 한정되지 않고, 반도체 프로세스에 있어서 채용되어 있는 적절한 도전층 형성 공정을 이용하여 구동 전극층(29)이나 검출 전극(30)을 형성하도록 해도 되는 것은 물론이다.
구동 전극층(29)과 검출 전극(30)은, 도 21에 도시한 바와 같이 선단부와 동시에 진동자부(23)의 근원으로 되는 근원 부위(43)에 있어서도 동일하게 되도록 하여 형성된다. 이 제2 전극층 패터닝 공정에서는, 근원 부위(43)에 있어서 일치된 구동 전극층(29)과 검출 전극(30)과의 기단부에, 각각 폭이 넓게 된 리드 접속부(29-1, 30R-1, 30L-1)가 일체로 패턴 형성된다.
제2 전극층 패터닝 공정에서는, 제2 전극층(42)을 패터닝하여 예를 들면 길이 치수 t12가 2㎜, 폭 치수 t13가 50㎛인 구동 전극층(29)을 형성한다. 그리고, 이 구동 전극층(29)을 끼워, 도 21에 도시한 바와 같이 각각 폭 치수 t14가 10㎛인 제1 검출 전극(30R)와 제2 검출 전극(30L)을, 5㎛의 간격 치수 t15를 갖고 패턴 형 성한다. 또한, 제2 전극층 패터닝 공정은, 길이 치수가 각각 50㎛, 폭 치수도 각각 50㎛으로 한 리드 접속부(29-1, 30R-1, 30L-1)를 패턴 형성한다. 또한, 구동 전극층(29)과 검출 전극(30)은 전술한 치수값에 한정되는 것이 아니라, 진동자부(23)의 제2 주면 위에 형성하는 것이 가능한 범위에서 적절하게 형성된다.
계속해서, 전술한 압전막층(41)에 대하여 패터닝 처리를 실시하는 압전막층 패터닝 공정에 의해서, 도 23 및 도 24에 도시하는 소정 형상의 압전 박막층(28)을 형성한다. 압전 박막층(28)은, 압전막층(41)에 대하여 전술한 구동 전극층(29)과 검출 전극(30)보다도 큰 면적의 부위를 남기도록 패터닝 처리를 실시하여 형성된다. 압전 박막층(28)은, 진동자부(23)에 대하여, 그 폭보다도 약간 소폭이며 기단부로부터 선단부의 근방 위치에 걸쳐 형성된다.
압전막층 패터닝 공정은, 압전막층(41)에 대하여 포토리소그래프 처리를 실시하여 압전 박막층(28)의 대응 부위에 레지스트층을 형성하고, 불필요한 부위의 압전막층(41)을 예를 들면 불질산 용액을 이용한 습식 에칭법 등에 의해서 제거한 후에, 레지스트층을 제거하는 등의 공정을 거쳐, 도 23 및 도 24에 도시하는 압전 박막층(28)을 형성한다. 또한, 상기의 예에서는 압전막층(41)을 습식 에칭법에 의해서 에칭 처리를 실시하도록 했지만, 이러한 방법에 한정되는 것이 아니라, 예를 들면 이온 에칭법이나 반응성 이온 에칭법(RIE:Reactive Ion Etching) 등의 적절한 방법을 실시함으로써 압전 박막층(28)을 형성하도록 해도 되는 것은 물론이다.
압전막층 패터닝 공정에서는, 압전 박막층(28)의 기단부가 도 23에 도시한 바와 같이 진동자부(23)의 근원으로 되는 근원 부위(43)에 있어서 구동 전극층(29) 과 검출 전극(30)과 거의 동형으로 되도록 하여 형성된다. 그리고, 압전 박막층(28)은, 기단부로부터 구동 전극층(29)이나 검출 전극(30)의 리드 접속부(29-1, 30R-1, 30L-1)보다도 약간 큰 면적을 갖고 단자 수납부(28-1)가 일체로 패턴 형성된다.
압전막층 패터닝 공정은, 길이 치수 t18가 구동 전극층(29)이나 검출 전극(30)보다도 약간 긴 2.2 ㎜, 폭 치수 t19가 90㎛인 압전 박막층(28)을 패턴 형성한다. 압전 박막층(28)의 기단부에 형성되는 단자 수납부(28-1)는, 구동 전극층(29)이나 검출 전극(30)의 리드 접속부(29-1, 30R-1, 30L-1)의 주위에 5㎛의 폭 치수를 갖고 패터닝된다. 또한, 압전 박막층(28)은 전술한 치수값에 한정되는 것이 아니고, 구동 전극층(29)이나 검출 전극(30)보다도 큰 면적을 갖고 진동자부(23)의 제2 주면(23-2) 상에 형성하는 것이 가능한 범위에서 적절하게 형성된다.
그리고, 제1 전극층(40)에 대하여, 전술한 제2 전극층 패터닝 공정과 마찬가지의 패터닝 처리를 실시하는 제1 전극층 패터닝 공정에 의해서, 도 25 및 도 26에 도시한 바와 같이 기준 전극층(27)을 패턴 형성한다. 제1 전극층 패터닝 공정은, 기준 전극층(27)의 대응 부위에 레지스트층을 형성하고, 불필요한 부위의 제1 전극층(40)을 예를 들면 이온 에칭법 등에 의해서 제거한 후에 레지스트층을 제거하는 등의 공정을 거쳐, 기준 전극층(27)을 패턴 형성한다. 또한, 제1 전극층 패터닝 공정은, 이러한 공정에 한정되지 않고, 반도체 프로세스에 있어서 채용되어 있는 적절한 도전층 형성 공정을 이용하여 기준 전극층(27)을 형성하도록 해도 되는 것은 물론이다.
제1 전극층 패터닝 공정에서는, 진동자부(23)의 제2 주면 위에 있어서 그 폭보다도 약간 소폭이고 압전 박막층(28)보다도 큰 폭을 갖는 기준 전극층(27)을 형성한다. 기준 전극층(27)의 기단부는, 도 25에 도시한 바와 같이 진동자부(23)의 근원으로 되는 근원 부위(43)에 있어서 구동 전극층(29)과 검출 전극(30) 및 압전 박막층(28)과 거의 동형으로 되도록 하여 형성된다. 이 제1 전극층 패터닝 공정에서는, 기단부로부터 측방으로 일체로 인출되고 기초부(22)의 형성 부위 상에 제1 리드(31A)와 그 선단부의 제1 단자부(25A)가 동시에 패턴 형성된다.
제1 전극층 패터닝 공정에서는, 길이 치수 t20가 2.3 ㎜, 폭 치수 t21가 94㎛로 되어, 압전 박막층(28)의 주위에 5㎛의 폭 치수를 갖고 기준 전극층(27)을 형성한다. 또한, 제1 전극층 패터닝 공정은, 기준 전극층(27)이 전술한 치수값에 한정되는 것이 아니고, 진동자부(23)의 제2 주면 위에 형성하는 것이 가능한 범위에서 적절하게 형성된다.
[평탄화층 형성 공정]
진동 소자 제조 공정에서는, 전술한 각 공정을 거쳐 기초부(22)의 형성 부위에 대응하여, 구동 전극층(29)과 검출 전극(30)의 리드 접속부(29-1, 30R-1, 30L-1) 및 단자부(25B∼25D)를 형성함과 함께, 이들 각 단자부(25)와 일체화되는 리드(31B∼31D)를 형성한다. 이 때, 리드(31B∼31D)를 리드 접속부(29-1, 30R-1, 30L-1)와 원활히 접속하기 위해, 도 27 및 도 28에 도시하는 평탄화층(24)을 형성한다.
리드 접속부(29-1, 30R-1, 30L-1)와 단자부(25B∼25D)를 접속하는 리드(31B∼31D)는, 도 29 및 도 30에 도시한 바와 같이 압전 박막층(28)의 단자 수납부(28- 1)나 기준 전극층(27)의 단부를 통과하여 기초부(22)의 형성 부위를 주회하도록 하여 형성된다. 전술한 바와 같이 압전 박막층(28)은 압전막층(41)에 습식 에칭 처리를 실시하여 패터닝되기 때문에, 에칭 개소의 단부가 실리콘 기판(21)의 제2 주면(21-2)측을 향하여 역테이퍼 혹은 수직인 단부로 되어있다. 따라서, 기초부(22)의 형성 부위에 리드(31B∼31D)를 직접 형성한 경우에, 상기 단부에서 단선을 발생시키는 경우가 있다. 또한, 기초부(22)의 형성 부위에 주회되어 있는 제1 리드(31A)와 리드(31B∼31D)와의 절연을 유지할 필요도 있다.
평탄화층 형성 공정은, 기초부(22)의 형성 부위에 형성한 레지스트층에 포토리소그래프 처리를 실시하여, 리드 접속부(29-1, 30R-1, 30L-1)와 제1 리드(31A)를 피복하는 레지스트층을 패턴 형성한다. 패턴 형성된 레지스트층은, 예를 들면 160℃∼300℃ 정도의 가열 처리가 실시됨으로써 경화하여 평탄화층(24)을 구성한다. 평탄화층 형성 공정은, 폭 치수 t24가 200㎛, 길이 치수 t25가 50㎛, 두께 치수가 2㎛(도 28에서는 강조하여 도시되어 있음)의 평탄화층(24)을 형성한다. 또한, 평탄화층 형성 공정은, 이러한 공정에 한정되는 것이 아니라, 반도체 프로세스 등에 실시되는 적절한 레지스트층 형성 공정이나 적절한 절연성 재료를 이용하여 평탄화층(24)을 형성하도록 하여도 된다.
[배선층 형성 공정]
다음으로, 기초부(22)의 형성 부위에 전술한 제2 단자부(25B)∼제4 단자부(25D) 및 제2 리드(31B)∼제4 리드(31D)를 형성하는 배선층 형성 공정이 실시된다. 배선층 형성 공정은, 기초부(22)의 형성 부위에 전체면에 걸쳐 감광성의 포토레지 스트층을 형성함과 함께, 이 포토레지스트층에 대하여 포토리소그래프 처리를 실시하여 제2 단자부(25B)∼제4 단자부(25D)나 제2 리드(31B)∼제4 리드(31D)에 대응하는 개구 패턴을 형성하고, 또한 스퍼터링에 의해서 각 개구부 내에 도체층을 형성하여 배선층을 형성한다. 배선층 형성 공정은, 소정의 도체부를 형성한 후에, 포토레지스트층을 제거하여 도 29 및 도 30에 도시하는 제2 단자부(25B)∼제4 단자부(25D) 및 제2 리드(31B)∼제4 리드(31D)를 패턴 형성한다.
이 배선층 형성 공정에서는, 실리콘 산화막(33B)에 대한 밀착성의 향상을 도모하는 티탄층이나 알루미나층이 기초층으로서 형성된 후에, 이 티탄층 상에 전기저항이 낮게 저코스트의 구리층이 형성된다. 이 예에서는, 예를 들면 티탄층이 20㎚의 두께로 형성되고, 구리층이 300㎚의 두께로 형성된다. 또한, 배선층 형성 공정은, 이러한 공정에 한정되지 않고, 예를 들면 반도체 프로세스로 범용되는 각종의 배선 패턴 형성 기술에 의해서 배선층을 형성하도록 하여도 된다.
[절연 보호층 형성 공정]
계속해서, 전술한 공정을 거쳐 주면 위에 단자부(25)와 리드(31)를 형성한 기초부(22)와, 각 전극층과 압전 박막층(28)을 형성한 진동자부(23)의 주면 위에 3층 구성의 절연 보호층(45)을 형성하는 절연 보호층 형성 공정이 실시된다. 절연 보호층 형성 공정은, 레지스트층 형성 공정과, 레지스트층 패터닝 형성 공정과, 제1 알루미나층 형성 공정과, 산화 실리콘층 형성 공정과, 제2 알루미나층 형성 공정과, 레지스트층 제거 공정을 포함한다.
절연 보호층 형성 공정은, 레지스트층 형성 공정과 레지스트층 패터닝 형성 공정을 거쳐서, 도 31에 도시한 바와 같이 실리콘 기판(21)의 제2 주면 위에 절연 보호층(45)의 형성 부위를 개구한 레지스트층(44)을 형성한다. 레지스트층 형성 공정은, 실리콘 기판(21) 상에 전체면에 걸쳐 감광성 레지스트제를 도포하여 레지스트층(44)을 형성한다. 레지스트층 패터닝 형성 공정은, 레지스트층(44)에 대하여 포토리소그래프 처리를 실시하여 절연 보호층(45)의 형성 영역에 대응하는 부위를 개구하여 절연 보호층 형성 개구부(44A)를 형성한다. 또한, 레지스트층(44)은, 도시를 생략하지만 단자부(25)의 대응 부위가 각각 원형으로 남겨진다.
절연 보호층 형성 공정은, 스퍼터법에 의해서 제1 알루미나층(46)과 산화 실리콘층(47)과 제2 알루미나층(48)을 적층 형성함과 함께, 불필요한 스퍼터 형성막을 레지스트층(44)과 함께 제거하여 레지스트층(44)의 절연 보호층 형성 개구부(44A) 내에 3층 구조의 스퍼터 형성층을 남기는 소위 리프트오프법에 의해서 원하는 절연 보호층(45)을 형성한다. 또한, 도 32∼도 34에서는, 절연 보호층 형성 개구부(44A)에 형성되는 각 스퍼터막 만을 도시하고 있지만, 이 절연 보호층 형성 개구부(44A)를 구성하는 레지스트층(44) 상에도 마찬가지로 하여 스퍼터막이 형성되는 것은 물론이며, 이들 스퍼터막은 레지스트층 제거 공정에 의해서 레지스트층(44)과 함께 일괄하여 제거된다.
제1 알루미나층 형성 공정은, 알루미나의 스퍼터링을 실시하여, 도 32에 도시한 바와 같이 전술한 절연 보호층 형성 개구부(44A)의 내부에 제1 알루미나층(46)을 형성한다. 제1 알루미나층(46)은, 50㎚ 정도의 두께 치수 t26를 갖고 형성되고, 절연 보호층 형성 개구부(44A) 내에서 전술한 바와 같이 실리콘 기판(21)이 나 구동 전극층(29) 혹은 검출 전극(30)과의 밀착성을 향상시키는 기초 금속층으로서 기능한다.
산화 실리콘층 형성 공정은, 산화 실리콘의 스퍼터링을 실시하여, 도 33에 도시한 바와 같이 전술한 제1 알루미나층(46) 상에 산화 실리콘층(47)을 형성한다. 산화 실리콘층 형성 공정은, 스퍼터 조 내에 있어서의 아르곤압이 0.35 Pa를 방전 한계의 하한으로 하기 때문에, 아르곤압을 하한값보다도 약간 고압으로 한 0.4 Pa로 설정하여 산화 실리콘의 스퍼터링을 행하여, 고밀도의 산화 실리콘막(47)을 형성한다. 산화 실리콘막 형성 공정은, 구동 전극층(29)이나 검출 전극(30) 중 적어도 2배의 두께를 가짐으로써 충분한 절연 보호 기능을 발휘하고, 또한 리프트오프법에 있어서 버어 발생율이 작은 범위의 두께인 1㎛ 이하의 두께 치수 t27를 갖는 산화 실리콘층(47)을 형성한다. 산화 실리콘층(47)은, 구체적으로는 750㎚의 두께 치수 t27로 형성된다.
제2 알루미나층 형성 공정은, 알루미나의 스퍼터링을 실시하여, 도 34에 도시한 바와 같이 전술한 산화 실리콘층(47) 상에 제2 알루미나층(48)을 전체면에 걸쳐 형성한다. 제2 알루미나층(48)은, 50㎚ 정도의 두께 치수 t28를 갖고 형성되고, 후술하는 외형 홈 형성 공정에 있어서 형성되는 레지스트층과의 밀착성을 향상시킴으로써, 에칭제에 의한 산화 실리콘층(47)의 손상을 방지한다.
[외형 홈 형성 공정]
다음으로, 실리콘 기판(21)의 제1 주면(21-1) 상에, 도 34에 도시한 바와 같이 에칭스톱층(70)을 형성하는 공정이 실시된다. 에칭스톱층(70)은, 후술하는 외 형 홈 형성 공정을 실리콘 기판(21)에 대하여 실시할 때에, 제1 주면(21-1) 측에 플라즈마 집중이 발생하여 소정의 엣지 형상이 형성되지 않는 형상 불량의 발생을 억제하는 기능을 발휘한다. 에칭스톱층 형성 공정은, 예를 들면 실리콘 기판(21)의 제1 주면(21-1) 상에, 스퍼터법에 의해서 전체면에 걸쳐 두께가 500㎚ 정도의 산화 실리콘을 형성한다.
외형 홈 형성 공정은, 다이어프램부(38)를 관통하여 진동자부(23)의 외주부를 구성하는 외형 홈(39)을 형성한다. 외형 홈 형성 공정에서는, 도 35∼도 37에 도시한 바와 같이, 다이어프램부(38)와 대향하는 실리콘 기판(21)의 제2 주면(21-2)측으로부터, 전술한 각 전극층을 적층 형성한 실리콘 기판(21)의 진동자부(23)의 한 쪽 측의 근원 부위(43)를 시단(39A)으로 하고, 진동자부(23)를 둘러싸도록 다른 쪽측의 근원 부위(43)를 종단(39B)으로 하는 대략 コ자 형상의 관통홈으로 이루어지는 외형 홈(39)이 형성된다. 외형 홈(39)은, 전술한 바와 같이 200㎛의 폭 치수 t7를 갖고 형성된다.
외형 홈 형성 공정은, 구체적으로는 실리콘 산화막(33B)를 소정 형상의 コ자 형상으로 제거하여 실리콘 기판(21)의 제2 주면(21-2)을 노출시키게 하는 제1 에칭 처리 공정과, 노출된실리콘 기판(21)에 대하여 외형 홈(39)을 형성하는 제2 에칭 처리 공정으로 이루어진다.
제1 에칭 공정에서는, 실리콘 산화막(33B) 상에 전체면에 걸쳐 감광성의 포토레지스트층을 형성함과 함께, 이 포토레지스트층에 대하여 포토리소그래프 처리를 실시하여 전술한 각 전극층의 형성 영역을 둘러싸고 진동자부(23)의 외형 치수 와 동일한 개구 치수를 갖는 コ자 형상의 개구 패턴을 형성한다. 제1 에칭 처리 공정은, 개구 패턴을 통하여 노출된 실리콘 산화막(33B)를 이온 에칭에 의해서 제거한다. 또한, 제1 에칭 처리 공정은, 예를 들면 습식 에칭에 의해서 실리콘 산화막(33B)를 コ자 형상으로 제거하는 것도 가능하지만, 사이드 에칭에 의한 치수 오차의 발생을 고려하면, 이온 에칭이 바람직하게 실시된다.
제2 에칭 공정에서는, 남겨진 실리콘 산화막(33B)가 레지스트막(에칭 보호막)으로서 이용된다. 제2 에칭 처리 공정은, 레지스트막(실리콘 산화막(33B))과의 선택비가 얻어지고, 또한 진동자부(23)의 외주부가 고정밀도의 수직면으로 구성되도록 하기 위해, 실리콘 기판(21)에 대하여 예를 들면 반응성 이온 에칭이 실시된다.
제2 에칭 처리 공정에는, 고밀도인 플라즈마를 생성하는 유도 결합형 플라즈마(ICP:Inductively Coupled Plasma)를 생성하는 기능을 갖는 반응성 이온 에칭(RIE) 장치가 이용된다. 제2 에칭 처리 공정은, 에칭 개소에 SF6 가스를 도입하는 에칭 처리와, C4F8 가스를 도입하여 에칭한 개소에 외주벽을 보호하기 위한 보호막 형성 공정을 반복하는 Bosch(Bosch 사) 프로세스가 이용되어, 매분 10㎛ 정도의 속도로 수직인 내벽을 갖는 외형 홈(39)을 실리콘 기판(21)에 형성한다.
제2 에칭 처리 공정 후, 실리콘 기판(21)의 제1 주면(21-1)에 형성된 에칭스톱층(70)을 제거하는 공정이 실시된다. 에칭스톱층의 제거 공정은, 예를 들면 불화암모늄을 이용한 습식 에칭 처리에 의해서 산화 실리콘으로 이루어지는 에칭스톱 층(70)을 제거한다. 또한, 에칭스톱층 제거 공정은, 전술한 외형 홈 형성 공정에서 형성한 포토레지스트층을 제거하면 절연 보호층(45)도 제거되므로, 에칭스톱층(70)을 제거한 후에 해당 포토레지스트층의 제거가 행하여지도록 한다.
[분극 처리 공정]
계속해서, 실리콘 기판(21) 상에 형성되는 각 진동 소자(20)의 압전 박막층(28)을 일괄하여 분극 처리하는 분극 처리 공정이 행해진다. 분극 처리 위한 분극용 배선에는 Cu 배선이 이용된다. Cu 배선은, 후술하는 분극 처리를 행한 후에 습식 에칭 처리에 의해서 용이하게 용해함으로써, 각 진동 소자(20)에 손상을 부여하는 일없이 제거하는 것이 가능하다. 또한, 분극용 배선에 대해서는, Cu 배선에 한정되지 않고, 전술한 기능을 발휘하는 적절한 도전체에 의해서 형성해도 되는 것은 물론이다.
Cu 배선의 형성에는, 예를 들면 포토리소그래프 처리에 의해서 원하는 형상을 개구부로 하는 레지스트층을 실리콘 기판(21)의 제2 주면(21-2) 상에 패턴 형성한 후에, Cu 층을 스퍼터법에 의해 성막함과 함께 불필요한 부위에 부착한 Cu 층을 레지스트층과 함께 제거하는 리프트오프법이 이용된다. Cu 배선은, 분극 처리 시의 도통을 확보하기 위해, 예를 들면 폭 치수가 30㎛ 이상, 두께가 400㎚ 정도로 한다.
분극 처리 공정은, Cu 배선에 형성된 인가측 패드와 그라운드측 패드를 통하여 각 진동 소자(20)를 외부 전원에 일괄하여 접속함으로써, 효율적으로 행하는 것이 가능하다. 또한, 분극 처리 공정은, 예를 들면 와이어 본딩법에 의해서 각 패 드와 외부 전원과의 접속을 행함과 함께, 20V-20min의 조건으로 통전을 행하여 분극 처리를 실시한다. 분극 처리 공정은, 이러한 조건에 한정되지 않고, 적절한 접속 방법이나 분극 조건에 의해서 분극 처리를 실시하도록 해도 되는 것은 물론이다.
[금 범프 형성 공정]
다음으로, 금범프 형성 공정이 행해진다. 진동 소자(20)는, 전술한 바와 같이 지지 기판(2)에 표면 실장되기 때문에, 각 단자부(25) 상에 금범프(26)가 형성된다. 금범프 형성 공정은, 각 단자부(25)에 금 와이어의 본딩 툴을 밀어 부쳐 소정 형상의 스터드 범프를 형성한다. 금범프 형성 공정에서는, 필요에 따라 기초부(22) 상에 소위 더미 범프도 형성된다. 또한, 금범프(26)의 다른 형성 방법으로서는, 후술하는 도금 범프법이 있다.
도금 범프법은, 단자부(25) 상에 소정의 개구부를 갖는 도금 레지스트층을 형성하는 공정과, 금도금 처리에 의해 각 개구부 내에 금도금 층을 소정의 높이까지 성장시키는 금도금 공정과, 도금 레지스트층을 제거하는 공정을 포함한다. 또한, 금범프 형성 공정에서는, 도금 처리의 조건에 의해서 형성되는 금범프(26)의 두께(높이)에 한계가 있어, 원하는 높이를 갖는 금범프(26)가 형성할 수 없는 경우도 있다. 금범프 형성 공정에서는, 한 번의 도금 처리에 의해서 원하는 금범프(26)를 얻을 수 없는 경우에, 제1층의 금도금 층을 전극으로 하는 2회 도금 처리를 실시하여 소위 단차 금범프(26)를 형성하도록 하여도 된다.
또한, 범프 형성 공정에 대하여, 전술한 방법에 한정되지 않고, 반도체 프로 세스에서 실시되고 있는 예를 들면 증착법이나 전사법 등에 의해서 범프 형성을 행하도록 하여도 된다. 또한, 진동 소자 제조 공정에서는, 상세 내용을 생략하지만, 금범프(26)와 단자부(25)와의 밀착성을 향상시키기 위해서, TiW, TiN 등의 소위 범프 기초 금속층이 형성된다.
[절단 공정]
계속해서, 실리콘 기판(21)으로부터 각 진동 소자(20)를 절단하는 절단 공정이 실시된다. 절단 공정에서는, 예를 들면 다이아몬드 커터 등에 의해서 기초부(22)의 대응 부위를 절단하는 것에 의해, 각 진동 소자(20)의 절단이 행해진다. 절단 공정에서는, 다이아몬드 커터에 의해서 절단홈을 형성한 후에, 실리콘 기판(21)을 꺽어서 절단이 행해진다. 또한, 절단 공정은, 지석이나 연삭에 의해 실리콘 기판(21)의 면방위를 이용하여 절단을 행하도록 하여도 된다.
전술한 진동 소자 제조 공정에서는, 예를 들면 기초부(22)를 공통으로 하여, 이 기초부(22)가 인접하는 측면에 진동자부를 각각 일체로 형성함으로써 2축의 검출 신호를 얻는 2축 일체형 진동 소자와의 비교에서, 실리콘 기판(웨이퍼)(21)으로부터의 취득 수를 대폭 향상시키는 것을 가능하게 한다.
[보강부 형성 공정]
여기서, 진동자부(23)의 기단 부위에 구성되는 보강부(129)는, 전술한 진동 소자 제조 공정을 거쳐서 형성된다. 보강부(129)의 형성에 있어서는, 외형 홈 형성 공정에서, 진동자부(23)의 외형을 오려내는 외형 홈(39)의 양단부(39A, 39B)(도 35)를 에칭 오목부(37)의 내주벽에 형성된 에칭 경사면(133)의 도중 위치에 형성된 다. 그리고, 절단 공정에서는, 전술한 바와 같이 기초부(22)의 외형 치수에 대응하여 실리콘 기판(21)이 절단되는데, 기초부(22)의 측주부(22-3)의 대응 부위를 외형 홈(39)의 양단부(39A, 39B)와 접속하도록 에칭 경사면(133)의 도중에 절단한다. 이상과 같이하여, 도 8에 도시한 바와 같이 진동자부(23)의 기단 부위가 에칭 경사면(133)의 경사에 의해서 외측면(22-3)으로 향하여 점차로 두께를 크게 하는 형상으로 된다. 이에 따라 보강부(129)의 세로 보강부(129V)가 구성되도록 한다.
한편, 전술한 외형 홈 형성 공정에서, 진동자부(23)의 기단 부위(근원 부위(43))에 상당하는 외형 홈(39)의 양단부(39A, 39B)를 에칭으로 오려내었을 때, 특별한 조작을 필요로 하지 않고, 이 외형 홈(39)의 양단부(39A, 39B)가 만곡한 형상을 나타내게 된다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 보강부(129)의 가로 보강부(129H)를 이들 외형 홈(39)의 양단부(39A, 39B)의 만곡 형상을 이용하여 형성되도록 한다.
[실장 공정]
이상의 공정을 거쳐 제조된 진동 소자(20)는, 실리콘 기판(21)의 제2 주면(21-2)측을 실장면으로 하여, 지지 기판(2)의 제1 주면(2-1) 상에 표면 실장법에 의해서 실장된다. 진동 소자(20)는, 각 단자부(25)에 설치된 금범프(26)를 지지 기판(2)측의 상대하는 랜드(4)에 위치 정렬된다. 이 때, 진동 소자(20)는, 전술한 바와 같이 위치 정렬용 마크(32)가 판독되고, 실장기에 의해 위치와 방향이 고정밀도로 위치 결정된다.
진동 소자(20)는, 지지 기판(2)에 가압된 상태에서 초음파가 인가되어, 각 금범프(26)가 상대하는 랜드(4)에 용착됨으로써 지지 기판(2)의 제1 주면(2-1) 상에 실장된다. 지지 기판(2)에는, 제1 주면(2-1) 상에 IC 회로 소자(7)나 전자 부품(8)이 실장되어, 진동 소자(20)에 대하여 후술하는 조정 공정이 행해진 후, 커버 부재(15)가 부착됨으로써 진동형 자이로센서(1)가 완성된다.
이상과 같이, 본 실시 형태에서는, 기초부(22)에 진동자부(23)를 일체로 형성하여 이루어지는 다수개의 진동 소자(20)를 실리콘 기판(21)에 일괄하여 제작하고, 각각을 개개로 절단하도록 하고 있다. 그리고, 지지 기판(2)의 제1 주면(2-1) 상에, 동일 형상의 제1 진동 소자(20X)와 제2 진동 소자(20Y)를 90° 서로 다른 2축 상에 실장함으로써, 해당 2축의 검출 신호를 얻는 진동형 자이로센서(1)가 제작된다.
[모따기부·용융면 형성 공정]
진동 소자 제조 공정에서는, 후술하는 조정 공정에 이용하는 레이저 장치를 이용하여, 진동자부(23)에 모따기부(130) 혹은 용융면(134)이 형성된다. 모따기부(130) 혹은 용융면(134)의 형성 공정은, 조정 공정을 행한 후에 진동자부(23)에 레이저 가공을 실시하면 밸런스가 무너지게 되는 경우가 있기 때문에, 그 전공정에서 행해진다.
제2 에칭 처리 공정에서는, 플라즈마의 흐름에 의해서, 진동자부(23)의 두께 방향으로 되는 측면과 제1 주면(상면)(23-1) 및 이들 면에 걸치는 진동자부(23)의 능선 부위에 미세한 줄 형상의 요철부(127)(도 9a 참조)를 발생시킨다. 모따기부(130) 혹은 용융면(134)의 형성 공정은, 도 9b에 도시한 바와 같이, 진동자부(23) 의 소정 개소에 레이저를 조사하여 실리콘 기판(21)의 표면을 용융함으로써 미세 요철부(127)를 제거하여, 기계적 강도가 향상된 진동 소자(20)를 형성한다. 모따기부(130) 혹은 용융면(134)의 형성 공정은, 이 후에 실시되는 조정 공정에서 이용되는 레이저 장치를 공용함으로써 일련의 공정 중에 연속하여 행하는 것이 가능하다.
[조정 공정]
진동 소자 제조 공정에서는, 전술한 바와 같이 유도 결합형 플라즈마를 이용한 에칭 처리를 실시하여 실리콘 기판(21)으로부터 각 진동 소자(20)의 진동자부(23)를 각각 고정밀도로 오려내도록 하지만, 재료 취하기의 수율 등의 조건에 따라서 각 진동자부(23)가 플라즈마의 출사 중심선 상에 대하여 모두 좌우대칭으로 위치하여 형성되기 어렵다. 이 때문에, 각 진동 소자(20)의 위치 어긋남이나 기타 여러가지의 공정 조건 등에 따라서 각 진동자부(23)의 형상에 변동이 발생하는 경우가 있다. 진동 소자(20)는, 예를 들면 진동자부(23)의 단면 형상이 사다리꼴 형상 또는 평행 사변형 형상으로 형성된 경우에, 정규의 사각형 형상의 진동자부(23)와의 비교에서 수직인 상하 진동으로부터 어긋나 중심축선에 대하여 질량이 작은 측으로 기운 상태에서 진동 동작을 행하도록 된다(도 48 참조).
따라서, 진동자부(23)의 소정 개소에 레이저 가공을 실시하여 질량의 큰 측을 연삭함으로써 진동 상태를 교정하는 조정 공정이 실시된다. 조정 공정은, 미세한 크기로 형성되는 진동자부(23)의 단면 형상을 직접 시인하는 것이 곤란하기 때문에, 절단한 개개의 진동 소자(20)에 대하여 소정의 세로 공진 주파수로 진동자부 (23)를 진동 동작시켜 좌우의 검출 신호의 크기를 비교하는 방법에 의해서, 진동자부(23)의 단면 형상의 변동을 확인한다. 조정 공정은, 좌우의 검출 신호에 차이가 발생하고 있는 경우에, 레이저 가공에 의해서 작은 검출 신호를 출력하는 쪽의 진동자부(23)의 일부를 연삭한다.
조정 공정은, 예를 들면 대상으로 삼는 진동 소자(20)에 대하여, 조정 전에 도 38a에 도시한 바와 같이 발진 회로(71)의 발진 출력 G0을 구동 전극층(29)에 인가함으로써 진동 소자(20)를 세로 공진 상태에서 구동시킨다. 조정 공정은, 한쌍의 검출 전극층(30L, 30R)로부터 얻는 검출 신호 Gl0, Gr0를 가산 회로(72)에 의해서 가산하여, 그 가산 신호를 발진 회로(71)에 귀환시킨다. 그리고, 검출 전극(30L, 30R)에서 얻는 검출 신호 Gl0, Gr0에 기초하여, 발진 회로(71)의 발진 주파수를 세로 공진 주파수 f0로서 측정함과 함께 검출 신호 Gl0, Gr0의 차를 차분 신호로서 측정한다.
또한, 조정 공정은, 도 38b에 도시한 바와 같이 발진 회로(71)의 발진 출력 G1을 검출 전극(30L)에 인가함으로써 진동 소자(20)를 가로 공진 상태에서 구동시킨다. 조정 공정은, 검출 전극(30R)에서 얻는 검출 신호 Gr-1를 발진 회로(71)에 귀환시킴과 함께, 검출 신호 Gr-1에 기초하여, 발진 회로(71)의 발진 주파수를 가로 공진 주파수 f1로서 측정한다. 또한, 가로 공진 주파수는, 검출 신호 Gr-1로부터 얻는 가로 공진 주파수 f1와 검출 신호 Gl-1로부터 얻는 가로 공진 주파수 f2는 동일하기 때문에, 검출 전극(30L, 30R) 중 어느 한 쪽의 접속 상태에서 행하도록하면 된다.
또한, 조정 공정은, 도 38c에 도시한 바와 같이 발진 회로(71)의 발진 출력 G2을 검출 전극(30R)에 인가함으로써 진동 소자(20)를 가로 공진 상태에서 구동시킨다. 조정 공정은, 검출 전극(30L)에서 얻는 검출 신호 Gl-2를 발진 회로(71)에 귀환시킴과 함께, 검출 신호 Gl-2에 기초하여, 발진 회로(71)의 발진 주파수를 가로 공진 주파수 f2로서 측정한다. 조정 공정은, 전술한 각 측정에 의해서 얻은 세로 공진 주파수 f0와 가로 공진 주파수 f1, f2의 주파수 차를 이조도로 하여, 이조도가 소정의 범위인지의 여부를 판정한다. 또한, 조정 공정은, 검출 전극(30L, 30R)으로부터 검출되는 차분 신호가 소정의 범위인지의 여부를 판정한다.
조정 공정은, 전술한 이조도나 차분 신호의 판정 결과에 기초하여, 그 크기로부터 진동자부(23)에 대한 조정 가공 위치를 결정하여 레이저 조사를 행하여 일부를 연삭하여 조정을 행한다. 조정 공정은, 이하 마찬가지의 측정·레이저 가공을, 이조도와 차분 신호가 목표값을 달성할 때까지 실시한다.
조정 공정에는, 스폿 직경을 조정 가능한 파장 532㎚의 레이저를 출사하는 레이저 장치가 이용된다. 조정 공정은, 진동 소자(20)의 진동자부(23)에 대하여, 예를 들면 측면과 제1 주면(23-1)에 걸치는 능선 부위에 대하여 길이 방향의 적절한 장소에 레이저를 조사함으로써 조정을 행한다. 진동 소자(20)는, 진동자부(23)의 기단부로부터 선단부를 향할수록 레이저 조사에 의한 조정의 변화량이, 주파수 차, 검출 신호 밸런스 모두 작기 때문에, 기단부측에서 초벌 조정을 행하여, 선단부측에서 미세 조정을 행하는 것이 가능하다.
그리고, 이 조정 공정은 진동 소자(20)가 지지 기판(2)에 실장된 상태에서 행해지기 때문에, 실장 전에 해당 조정을 행한 때의 실장 후에 있어서의 재조정이 불필요해져, 진동형 자이로센서(1)의 생산성이 높여진다. 이 경우, 조정용 레이저가 조사되는 영역은 진동자부(23)의 상면(23-2)측이기 때문에, 실장 후의 조정 작업성에 우수하다. 또한, 이 진동자부(23)의 상면(23-2)은 압전층이나 전극층이 형성되어 있지 않은 면이기 때문에, 레이저 가공 시에 발생하는 열에 의해 압전 박막층(28)의 특성이 변화하거나, 분극 상태가 변화하는 등의 영향을 최대한 방지하는 것이 가능하다.
그런데, 진동형 자이로센서(1)는, 진동 소자(20)가, 구동 전극층(29)에 대하여 구동 검출 회로부(50)로부터 소정 주파수의 교류 전압이 인가됨으로써, 진동자부(23)가 고유의 진동수를 갖고 진동한다. 진동자부(23)는, 두께 방향인 세로 방향으로 세로 공진 주파수로 공진함과 함께 폭 방향인 가로 방향으로도 가로 공진 주파수로 공진한다. 진동 소자(20)는, 세로 공진 주파수와 가로 공진 주파수와의 차인 이조도가 작을수록 고감도 특성을 갖는다. 진동형 자이로센서(1)는, 전술한 바와 같이 결정 이방성 에칭 처리나 반응성 이온 에칭 처리를 실시하여 진동자부(23)의 외주부를 정밀도 좋게 형성함으로써 고 이조도화가 도모되고 있다.
진동 소자(20)는, 진동자부(23)의 길이 치수 t5의 정밀도에 의해서 세로 공진 주파수 특성에 큰 영향이 발생한다. 진동 소자(20)는, 전술한 바와 같이 진동자부(23)의 길이 치수 t5를 규정하는 근원 부위(43)가, 결정 이방성 에칭 처리를 실시하는 것에 의해 형성되는 다이어프램부(38)의 (100)면 및 55°의 각도를 하는 에칭 경사면(133)인 (111)면과, 평탄면인 경계선에 「어긋남」이 발생한 경우에, 이 「어긋남」량에 따라 이조도가 커져 버린다.
즉, 진동 소자(20)는, 이러한 「어긋남」량이, 결정 이방성 에칭 처리 시의 실리콘 산화막(33B) 상에 형성하는 레지스트막 패턴과, 반응성 이온 에칭 처리 시의 레지스트막 패턴의 위치 어긋남의 원인으로 된다. 따라서, 진동 소자(20)는, 예를 들면 공정 중에 실리콘 기판(21)의 제1, 제2 주면(21-1, 21-2)을 동시에 관찰 가능한 양면 얼라이너 장치에 의해 위치 결정하는 대응을 도모하도록 하여도 된다. 또한, 진동 소자(20)는, 실리콘 기판(21)의 제1 주면(21-1) 상이나 제2 주면(21-2) 상에 적절한 위치 결정용 패턴이나 마크를 형성하고, 이들을 기준으로 하여 다른 쪽 주면의 위치 규제를 행하는 얼라인먼트 장치에 의해서 위치 결정하는 대응을 도모하도록 하여도 된다. 진동 소자(20)는, 이러한 위치 결정의 대응이 지지 기판(2)에의 실장 공정에 있어서도 적용 가능하다.
또한, 진동 소자(20)는, 전술한 「어긋남」량이 약30㎛ 정도보다도 작은 범위이면, 세로 공진 주파수와 가로 공진 주파수가 거의 일치한다. 따라서, 진동 소자(20)는, 약간 정밀도가 높은 에칭 공정을 실시하는 것에 의해 실질적인 「어긋남」량에 의한 이조도 특성의 저하를 억제하는 것이 가능하고, 전술한 얼라인먼트 장치를 이용한 대응을 불필요로 하여 제조된다.
[보강부의 효과]
이상 설명한 바와 같이 본 실시 형태의 진동형 자이로센서(1)에서는, 진동 소자(20)가, 진동자부(23)의 기단 부위에 기초부(22)측을 향하여 점차로 단면 형상을 크게하는 보강부(129)(129V, 129H)를 형성함으로써, 잘못 본체 기기를 낙하시키 는 등에 의해서 큰 부하가 가해진 경우라도 진동자부(23)의 파손이 방지된다. 보강부(129)는, 이하의 해석 실험에 의해서 진동자부(23)의 기계적 강도를 향상시키는 것이 확인된다.
즉, 해석 실험은, 각각 길이 치수 t29를 달리하는 보강부(129)를 갖는 진동 소자(20)를 준비하여, 각각의 구동 전극층(29)에 점차로 큰 구동 전압을 인가하여 진동자부(23)를 강제적으로 큰 진폭으로 진동시켰다. 이 해석 실험에 따르면, 각 진동 소자(20)에 대하여, 진동자부(23)에 파손이 발생했을 때의 진폭과 보강부(129)의 길이 치수와의 관계에서, 도 39에 도시하는 실험 결과가 얻어졌다. 또한, 진동 소자(20)에는, 계산기 시뮬레이션의 결과에 따르면, 진동자부(23)에 대하여 진폭 100㎛에서 기단 부위에 약 0.5GPa의 응력이 발생한다.
도 39는, 종축이 진동자부(23)에 파손이 발생했을 때의 진폭(㎛p-p), 횡축이 보강부(129)의 길이 치수 t29(μ 동일 형상의 제1 진동 소자(20X)와 제2 진동 소자(20Y))이다. 보강부(129)의 길이 치수 t29는, 0 값이 에칭 오목부(37)의 에칭 경사면(133)을 이용하지 않고서 진동자부(23)를 기초부(22)의 외측면(22-3)으로부터 형성한 경우이며, 단면 형상이 큰 보강부(129)가 특별히 형성되어 있지 않은 진동 소자이다. 보강부(129)의 길이 치수 t29는, 이 위치로부터 외형 홈(39)의 기단부를 에칭 경사면(133)을 따라 개구부측으로 이동시키는 것에 의해 점차로 커진다.
도 39로부터 분명한 바와 같이, 진동 소자(20)는, 보강부(129)의 길이 치수 t29가 커짐에 따라서, 큰 진동(진폭)에 대하여 진동자부(23)의 파손이 발생되어 기계적 강도의 향상이 도모되는 것이 확인된다. 진동 소자(20)는, 보강부(129)의 길 이 치수 t29가 60㎛을 초과하는 범위로 되면 기계적 강도의 향상이 완만하게 된다. 진동 소자(20)는, 전술한 바와 같이 에칭 처리를 실시하여 실리콘 기판(21)을 관통하는 외형 홈(39)을 형성하여 진동자부(23)를 오려냄으로써, 큰 길이 치수 t29의 보강부(129)를 형성하는 경우에 에칭 처리의 효율이 저하한다. 따라서, 진동 소자(20)는, 소정의 기계적 강도가 유지됨과 함께 에칭 효율로부터, 전술한 바와 같이 보강부(129)가 길이 치수 t29가 50㎛ 정도로서 형성된다.
다음으로, 전술한 진동 소자(20)를 탑재한 진동형 자이로센서(1)와, 보강부(129)를 갖지 않는 진동 소자를 탑재한 진동형 자이로센서에 대하여, 낙하 시험을 실시하여 도 40에 도시하는 결과를 얻었다. 낙하 시험은, 진동형 자이로센서(1)가 탑재되는 본체 기기로서, 소니사제 비디오 카메라 「핸디캠」을 상정하여 참조부호(200g)의 강체를 기판으로 하여 진동형 자이로센서(1)를 부착하고, 일정한 자세로 낙하시키는 적절한 가이드 기구를 통하여 다른 높이 위치로부터 낙하시키는 방법에 의해 행하였다. 이 낙하 시험에 의해서, 진동자부(23)에 파손이 발생한 상태를 확인했다.
도 40a는, 보강부(129)를 갖고 있지 않은 진동형 자이로센서의 결과이며, 종축이 수량, 횡축이 낙하의 높이(㎝)이다. 또한, 도 40b는, 길이 치수 t29가 50㎛의 보강부(129)를 갖는 진동형 자이로센서(1)의 결과이다. 이들 도면으로부터 분명한 바와 같이, 진동형 자이로센서(1)는, 약50 ㎝ 정도까지 내낙하 높이 강도의 향상이 도모되고 있다.
도 41는, 진동 소자(20)에 있어서의 보강부(129)의 길이 치수 t29와 세로 공 진 주파수의 관계를 나타낸 도면이다. 진동 소자(20)는, 보강부(129)가 길이 치수 t29를 크게함에 따라서 진동자부(23) 전체의 길이 치수 t5도 커짐으로써 비례적으로 세로 공진 주파수도 감소하는 특성으로 된다. 진동 소자(20)는, 도 41로부터 분명한 바와 같이 보강부(129)의 길이 치수 t29가 약60㎛을 초과하는 범위로 하면 세로 공진 주파수의 변화가 작아진다. 진동 소자(20)는, 보강부(129)가 길이 치수 t29를 크게함에 따라서 두께 치수도 커져, 강성이 높아져 실질적인 진동 기점의 변화가 작아져 고정화되므로, 세로 공진 주파수의 변화가 작아진다. 따라서, 진동 소자(20)는, 세로 공진 주파수의 특성으로부터도 보강부(129)의 길이 치수 t29를 최대로도 60㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다.
또한, 전술한 진동 소자(20)는, 진동자부(23)에 보강부(129)만을 형성하고, 모따기부(130) 혹은 용융면(134)이 형성된 것이 아니다. 진동 소자(20)는, 모따기부(130) 혹은 용융면(134)을 형성함으로써, 진동자부(23)의 기계적 강도가 더 향상된다. 진동 소자(20)는, 진동자부(23)에 모따기부(130) 혹은 용융면(134)을 형성함으로써, 전술한 보강부(129)에 의한 기단 부위의 기계적 강도의 향상뿐만 아니라, 진동자부(23)의 전체 길이에 걸치더라도 미세 요철부(127)에 기인하는 파손 등의 발생이 저감되어 기계적 강도의 향상이 도모된게 된다. 또한, 진동 소자(20)는, 보강부(129)에 대하여 능선 부위에 모따기부(130)를 형성하거나, 용융면(134)을 형성하는 대응을 도모하는 것도 효과적이다.
[절연 보호층의 효과]
진동형 자이로센서(1)에서는, 전술한 바와 같이 각 전극층 등을 밀봉하는 절 연 보호층(45)을 형성한 진동 소자(20)가 구비된다. 진동형 자이로센서(1)에서는, 전술한 절연 보호층(45)의 산화 실리콘층(47)의 형성 공정에서, 스퍼터 조의 아르곤 가스압 사양에 따라서 특성을 달리한 진동 소자(20)를 얻는다. 도 42는, 아르곤 가스압을 0.4 Pa∼0.6 Pa로 변화하여, 두께 치수 t27가 500㎚로 고정한 산화 실리콘층(47)을 각각 형성하여 절연 보호층(45)을 구성한 각 진동 소자(20)를 구비한 진동형 자이로센서(1)의 출력 전압에 있어서의 노이즈의 발생율의 특성도이다.
진동형 자이로센서(1)에서는, 도 42로부터 분명한 바와 같이 아르곤 가스압이 높게 됨에 따라서 노이즈 발생율이 커진다. 진동형 자이로센서(1)에서는, 아르곤 가스압이 높게 됨에 따라서 산화 실리콘층(47)의 밀도가 성기게 되기 때문에, 이 산화 실리콘층(47)에 의한 전술한 절연 보호 작용이 충분히 발휘할 수 없게 된다. 따라서, 진동형 자이로센서(1)에서는, 전술한 바와 같이 스퍼터 조의 아르곤 가스압을 0.4 Pa 이하로 또한 방전 한계 값인 0.35 Pa 이상의 조건으로 산화 실리콘층(47)을 형성한 절연 보호층(45)을 갖는 진동 소자(20)가 이용되도록 한다.
또한, 진동형 자이로센서(1)에서는, 산화 실리콘층(47)의 두께 치수에 의해서도 출력 전압에 있어서의 노이즈의 발생율이 변화한다. 도 43는, 스퍼터 조의 아르곤 가스압을 0.4 Pa로 일정으로 하고, 두께 300㎚의 제2 전극층(42) 상에 형성하는 절연 보호층(45)의 산화 실리콘층(47)에 대하여, 층두께 변화에 의한 진동형 자이로센서(1)의 출력 전압에 있어서의 노이즈의 발생율의 특성도이다.
진동형 자이로센서(1)에서는, 도 43으로부터 분명한 바와 같이, 산화 실리콘층(47)이 제2 전극층(42)의 두께보다도 2배의 600㎚ 미만인 경우에 전술한 보호 절 연 작용을 충분히 발휘할 수 없게 되어, 점차로 노이즈 발생율이 높게 된다. 따라서, 진동형 자이로센서(1)에서는, 전술한 바와 같이 버어 발생이 억제되는 1㎛ 이하로 또한 제2 전극층(42)의 두께보다도 2배 이상의 두께로 형성한 산화 실리콘층(47)을 갖는 진동 소자(20)가 이용되도록 한다.
[비도핑 단결정 실리콘 기판의 효과]
또한, 전술한 진동 소자 제조 공정에서는, 반도체 프로세스에 의해서, 단결정 실리콘 기판(21)의 제2 주면(21-2) 상에 제1 전극층(40)과 압전막층(41)과 제2 전극층(42)을 박막 형성한 후에, 이들 각 층에 대하여 소정의 패터닝 처리를 실시하여 진동 소자(20)를 제조한다. 그런데, 일반적인 반도체 프로세스에서는, 붕소나 인 등의 불순물 첨가 원소의 도핑 처리를 실시한 N 타입 혹은 P 타입의 실리콘 기판이 이용되고 있다. 일반적인 실리콘 기판은, 이 때문에 체적 저항율이 수십Ω·㎝이며, 어느 정도의 도전성을 갖고, 그라운드 기능이나 박막 형성시 등에 있어서의 하 전극 기능 등을 발휘하도록 하고 있다.
한편, 본 실시 형태에서는, 진동 소자 제조 공정에서, 전술한 바와 같이 실리콘 기판(21)으로서, 도핑 처리를 실시하지 않은 순수 실리콘 상태의 단결정 실리콘 기판이나 체적 저항율이 100Ω·㎝ 이상인 단결정 실리콘 기판이 이용된다. 실리콘 기판(21)은, 매우 고저항값 특성을 가짐으로써 도전 특성이 낮다.
실리콘 기판(21)은, 전술한 바와 같이 제1, 제2 주면(21-1, 21-2) 상에 실리콘 산화막(33)이 형성되고, 이 실리콘 산화막(33)이 에칭 처리 등에 있어서 보호막으로서 기능한다. 진동 소자 제조 공정에서는, 소정의 두께의 진동자부(23)를 형 성하기 위해, 실리콘 산화막(33)을 제거하여 실리콘 기판(21)에 에칭 오목부(37)를 형성한다. 실리콘 기판(21)은, 에칭 처리 등에 있어서 도포되는 포토레지스트재에 이물 등이 혼입하고 있었던 경우에, 실리콘 산화막(33)에 흠결이 생기는 경우가 있다. 실리콘 기판(21)에는, 외관 검사에서 검출하는 것이 곤란한 실리콘 산화막(33)에 발생하는 「흠집」이나 미세한 상처, 혹은 공정 중에서의 흠결 등이 있다.
일반적인 실리콘 기판을 이용한 경우에, 전술한 바와 같이 실리콘 산화막(33B) 상에 박막 형성되는 제1 전극층(40)이 전술한 흠결 등을 통하여 실리콘 기판과 도통하고, 또한 도전성이 양호한 실리콘 기판을 통하여 제2 전극층(42)과 도통 상태로 된다. 진동 소자 제조 공정에서는, 일반적인 도전성 실리콘 기판을 이용한 경우에, 수율이 도 44b에 도시한 바와 같이 약 20% 정도인 단락 불량이 발생하고 있었다. 진동 소자 제조 공정에서는, 일반적인 실리콘 기판을 이용하는 경우에, 충분한 막두께의 실리콘 산화막(33)을 형성하고, 고정밀도의 검사나 충분한 공정 관리가 필요하게 되어 효율도 저하한다.
이것에 대하여, 전술한 바와 같이 저 도전성의 실리콘 기판(21)을 이용하여 진동 소자(20)를 제조한 경우, 도 44a에 도시한 바와 같이 단락 불량율이 4% 정도까지 저감되도록 되었다. 또한, 진동 소자 제조 공정에서는, 각 공정에서의 온도 관리나 가스 관리도 효율적으로 행하는 것이 가능하게 됨과 함께 고정밀도의 박막 형성도 가능해져서, 공정의 대폭적인 효율화가 도모되게 된다.
진동형 자이로센서(1)에서는, 저도전성의 실리콘 기판(21)을 기재로서 제조한 진동 소자(20)를 구비함으로써 외부 광이나 열 부하 등의 외란에 대하여도 안정 된 동작이 행해지게 된다. 도 45는, 전술한 저도전성의 실리콘 기판(21)을 이용한 진동 소자(20)와 일반적인 N 타입 또는 P 타입의 실리콘 기판을 이용한 비교저의 진동 소자에 대하여, 각각 형광등, 백열등 및 레이저 포인터(적색)을 조사한 경우의 압전 박막층(28)의 용량 변화를 나타낸 도면이다.
진동 소자(20)는, 도 45으로부터 분명한 바와 같이, 모든 광원에 대하여 압전 박막층(28)의 용량 변화가 거의 발생하는 경우 없이, 안정된 검출 동작을 가능하게 하게 한다. 이것에 대하여 비교저의 진동 소자는, 특히 백열등에 대하여 큰 용량 변화가 발생하는 결과로 되었다. 비교예의 진동 소자에서는, 외부광의 영향을 받기 쉽고, 안정 또한 고정밀도의 검출 동작이 곤란하다.
또한, 도 46는, 마찬가지로 진동 소자(20)와 비교예의 진동 소자에 대하여 외부광의 조사를 행한 경우의 출력 신호의 오프셋 값의 변화를 나타낸 도면이다. 또한, 진동형 자이로센서(1)에서는, 회전 방향에서 변화하는 출력값에 의해서 각속도를 검지하기 위해 오프셋 전압을 인가하여 미리 출력을 오프셋하여 이용한다. 진동 소자(20)는, 도 46으로부터 분명한 바와 같이, 모든 광원에 대하여 오프셋 전압값의 변화가 거의 발생하는 경우가 없고, 안정된 동작이 가능하게 하게 된다. 이것에 대하여 비교예의 진동 소자는, 모든 광원에 대하여 오프셋 전압값이 변화하고, 특히 백열등에 대한 변화가 크다. 비교예의 진동 소자는, 외란의 영향에 의해서 동작이 불안정하여 진다.
진동 소자(20)는, 전술한 바와 같이 저 도전성의 단결정 실리콘 기판(21)을 기재로서 제조됨으로써, 외부 광이나 열 부하에 의해 미소 전류가 발생해도 저 도 전 특성에 의해서 이 미소 전류의 흐름이 억제됨으로써 압전 박막층(28)이나 각 전극층에의 영향이 억제되도록 될 것으로 생각된다.
도 47는, 백열등 아래에서의 체적 저항율을 달리하는 실리콘 기판을 이용하여 제작한 진동 소자를 구비하는 진동형 자이로센서의 오프셋 전압값의 변화를 나타낸 도면이다. 도 47로부터 분명한 바와 같이, 체적 저항율이 수십Ω·㎝ 인 일반적인 N 타입이나 P 타입의 실리콘 기판을 기재로 한 진동 소자의 경우, 큰 오프셋 전압값의 변화가 있다. 한편, 진동형 자이로센서는, 체적 저항율이 100Ω·㎝ 이상인 실리콘 기판을 기재로 하여 제조된 진동 소자를 구비하는 것에 의해, 백열등 아래에서도 오프셋 전압값의 변화가 거의 발생하지 않는 안정된 동작이 행해진다.
(제2 실시 형태)
전술한 제1 실시 형태에서, 실리콘 기판(21)에 대하여 진동자부(23)의 외형을 오려내는 외형 홈(39)의 형성 공정에서는, ICP-RIE(유도 결합형 플라즈마 반응성 이온 에칭)법이 이용되고 있다. 이 방법은, 실리콘 기판(21)에 대하여 수직 또한 고어스팩트비로 홈 가공을 행할 수 있는 점에서 매우 우수하다.
그런데, 실리콘 기판(21)의 크기(웨이퍼 직경)이 커지면, 도 48a에 모식적으로 도시한 바와 같이, 기판 상의 모든 진동자부(23)의 양측면을 이상적인 수직벽으로 대칭으로 형성하는 것이 곤란해져서, 플라즈마 처리실 내의 가스류 분포나 플라즈마 분포 등에 의해, 특히 기판 외주부에서 도 48b에 모식적으로 도시한 바와 같이, 진동자부(23)가 좌우 비대칭인 형상으로 되는 경우가 있다.
진동자부(23)의 진동 방향은, 좌우 대칭인 형상이면 이상적인 수직 방향의 진동 모드로 되어 (도 48a), 진동자부(23)의 표면에 형성된 좌우의 검출 전극(30L, 30R)으로부터 출력되는 검출 신호도 차가 없게 밸런스가 취해진 상태로 된다. 그러나, 진동자부(23)가 좌우 비대칭인 형상의 경우, 좌우의 검출 전극(30L, 30R)으로부터 출력되는 검출 신호가 각각 다르게 밸런스가 취해지지 않는 상태로 된다(도 48b). 좌우의 검출 신호가 상이하면, 진동자부(23)에 작용하는 회전 방향의 각속도의 검지량이 달라지거나, 우측 방향의 회전 각속도의 감도와 좌측 방향의 회전 각속도의 감도가 상호 다른 등의 문제점이 발생하게 된다.
한편, 전술한 바와 같이, 좌우 검출 신호의 밸런스를 조정하기 위해서, 진동 소자의 형성 후에 진동자부(23)의 소정 영역을 레이저 조사로써 연삭하는 것이 행해지고 있다. 그러나, 이 방법만으로 검출 신호의 밸런스를 취하도록 하면 조정 시간이 길어져 버린다. 또한, 레이저 조사로 조정할 수 있는 좌우 신호의 차는 대략 30% 정도이기 때문에, 조정 전의 검출 신호 차가 이것보다도 크면 제품으로서 이용할 수 없게 되어 생산성의 향상을 도모할 수 없게 된다.
따라서, 본 실시 형태에서는, 전술한 조정 공정에 의한 작업 시간을 짧게 할 수 있어 양품율을 높이는 것을 목적으로 하여, 후술하는 바와 같이, 진동자부(23)의 외형 형상을 형성하는 에칭 공정 시에, 외형 홈(39)의 바닥부로 향하는 진동자부(23)의 능선부가 만곡 형상으로 가공될 때까지 에칭 가공을 과잉으로 행하도록하고 있다.
도 49a에 도시한 바와 같이 진동자부(23)의 외형을 오려내도록 하여 형성되 는 コ자 형상의 외형 홈(39)은, 실리콘 기판(21)의 제2 주면(21-2) 측에 형성된 실리콘 산화막(33B)를 마스크로 하는 실리콘 기판(21)에의 에칭 가공에 의해 형성된다. 이 에칭 처리는, 통상적으로, 실리콘 기판(21)의 제1 주면(21-1) 측에 형성된 에칭 오목부(37) 내에서 가공 깊이가 다이어프램부(38)의 형성 두께에 상당하는 깊이에 달한 시점에서 종료된다. 이 때, 에칭 오목부(37) 상에 형성된 에칭스톱층(70)이 가공량을 제한한다.
그런데, 이 외형 홈(39)의 형성 공정에서, 가공되는 홈의 바닥부가 에칭스톱층(70)에 달한 후에도 더욱 에칭 처리를 계속시킨다(이하, 오버 에칭이라고도 함)와, 도 49b에 모식적으로 도시한 바와 같이, 에칭스톱층(70) 상의 전하 혹은 에천트의 저장소(도 49b 에서「E」로 표시)의 영향에 의해, 에칭 방향이 외형 홈(39)의 바닥부 측방으로 향해진다. 이에 의해, 도 49b에 도시한 바와 같이 다이어프램부(38)(진동자부(23))의 하단 능선부가 연삭되어 테이퍼 형상 혹은 만곡 형상으로 형성된다.
또한, 이 현상은 「노치」라고도 불리고, 통상의 프로세스에서는 되도록이면 발생하지 않도록 에칭 조건이 관리된다. 노치 현상은, 외형 홈(39)의 기울기가 클 수록, 에칭스톱층(70)과 이루는 각이 예각으로 되는 능선부측에 현저히 나타난다. 여기서, 도 49a는 진동자부(23)의 길이 방향으로부터 본 단면도, 도 49b는 진동자부(23)의 길이 방향에 대하여 수직인 방향으로부터 본 주요부 단면도이다.
본 실시 형태에서는, 외형 홈(39)의 형성 시의 오버 에칭에 기인하는 노치 현상을 이용하여, 진동자부(23)의 형상의 좌우 비대칭성에 기인하는 진동 모드의 기울기를 완화하도록 하고 있다.
도 48b에 도시한 바와 같이, 좌우 비대칭인 형상을 갖는 진동자부(23)에서, 통상의 에칭 가공(비오버 에칭)으로 형성된 진동자부(23)의 진동 모드에 비하여, 도 50b에 도시한 바와 같이 전술한 오버 에칭으로 형성된 진동자부(23)의 진동 모드쪽이, 보다 수직 방향의 진동 모드에 가깝게 된다. 이것은, 노치 현상에 의해 만곡 형상으로 에칭된 진동자부(23)의 좌우의 능선부(23VL, 23VR) 중 예각인 쪽의 능선부(23VL)의 피가공량이 많아지는 결과, 좌우의 비대칭성이 완화되어 진동자부(23)의 좌우 중량 밸런스가 개선됨으로써 진동 모드가 보다 수직 방향으로 교정된 것에 의한다.
한편, 도 48a에 도시한 바와 같이, 좌우 대칭의 형상을 갖는 진동자부(23)에 있어서도 마찬가지로, 오버 에칭으로 외형 홈(39)이 형성된 경우, 도 50a에 도시한 바와 같이 해당 진동자부(23)의 좌우의 능선부(23VL, 23VR)는 모두 노치 현상에 의해 만곡 형상으로 형성되게 된다. 그러나, 이 경우에는 능선부(23VL, 23VR)의 피가공량이 거의 동일하기 때문에, 형상의 좌우 대칭성이 손상되지 않고, 비오버 에칭 시의 진동 모드와 마찬가지로 수직 모드가 유지된다.
또한, 설명의 이해를 용이하게 하기 위해 도 48 및 도 50에서는 진동자부(23)의 상하를 역으로 도시하고 있고, 실제의 진동 소자는, 검출 전극(30)이나 구동 전극(29)이 형성되는 진동자부(23)의 기판 대향면(23-2)측을 밑으로 향해서 진동한다.
오버 에칭 처리는, 예를 들면 에칭 시간으로 관리할 수가 있어, 처리 시간을 비오버 에칭시간보다도 길게 설정하면 된다. 노치 현상을 이용한 진동자부(23)의 능선부(23VL, 23VR)의 단부로부터의 피가공량은, 진동자부의 크기나 형상, 구동 주파수 등의 사양에 따라서 적절하게 설정 가능하다. 또 전술한 제1 실시 형태에서 설명한 소자 형상 예에서는, 5㎛ 이상이다. 단, 피가공량이 과잉으로 크면 진동자 자체의 강도가 감소하기 때문에, 바람직하게는 20㎛ 이하로 한다.
이상과 같이, 본 실시 형태에 따르면, 원래 좌우 대칭 형상으로 형성되어 진동 모드도 이상적인 진동 소자에서는, 진동자부(23)의 하단 능선부에 테이퍼 형상 혹은 만곡 형상의 노치가 나타나더라도 이상적인 진동 모드가 유지된다. 또한, 당초 형상이 좌우 비대칭으로 형성되어 있기 때문에 진동 모드도 비스듬히 진동하고 있었던 진동 소자도, 진동자부(23)의 하단 능선부에 나타나는 노치로 비대칭성이 완화되어 진동 모드가 수직 방향에 가깝게 된다. 이 때문에, 종래 조정 불량으로 되어 있었던 언밸런스한 진동 모드로 진동하는 진동 소자도, 레이저 조사에 의한 조정 공정에서의 조정이 가능한 영역에 들어 가는 것에 의해, 생산 수율의 향상을 도모할 수 있다.
또한, 본 발명자들이 확인한 바에 따르면, 1매의 실리콘 기판으로부터 제작된 복수의 진동 소자에서, 조정 공정 전에 있어서의 좌우의 검출 신호 차가 30% 미만으로 되는 진동 소자의 양품율(수율)은, 종래에서는 약43% 이었던 것에 대하여, 본 실시 형태에 따르면 약87%로 배증시킬 수 있었다.
(제3 실시 형태)
전술한 제1 실시 형태에서, 실리콘 기판(21)에 대하여 진동자부(23)의 외형 을 오려내는 외형 홈(39)의 형성 공정에서는, ICP-RIE 법이 이용되고 있다. 이 방법은, 실리콘 기판(21)에 대하여 수직 또한 고어스팩트비로 홈 가공을 행할 수 있는 점에서 매우 우수하다.
일반적으로 에칭법으로 직선적인 홈을 가공하는 경우, 홈의 단부가 정밀도 좋게 직각(홈 폭 방향의 측면과 홈길이 방향의 측면 사이가 직각)으로 형성되지 않고서, 만곡한 형상으로 되는 경우가 많다. 따라서, 외형 홈(39)의 형성 공정 시에, 도 51에 도시한 바와 같이 진동자부(23)의 양측면과 기초부(22)의 측주부(22-3)사이의 경계부에 상당하는 진동자 근원부(23R1, 23R2)가 모두 평면적으로 보아 만곡한 형상으로 된다. 또한, 이 에칭 가공 특성을 이용하여 전술한 제1 실시 형태로 설명한 진동자부 기단 부위의 가로 보강부(129H)를 형성하도록 하고 있다.
그런데, 이러한 진동자 근원부(23R1, 23R2)는 좌우로 비대칭인 형상으로 되기 쉽다. 도 52a에 도시한 바와 같이 진동자부(23)의 진동 방향은 좌우가 대칭인 형상이면 이상적인 수직 방향의 진동 모드로 되어, 진동자부(23)의 표면에 형성된 검출 전극(30L, 30R)으로부터의 검출 신호도 좌우에서 차가 없게 밸런스가 취해져 있다. 이것에 대하여, 전술한 바와 같이 진동자 근원 형상(23R1, 23R2)가 좌우 비대칭인 형으로 된 경우, 도 52b에 도시한 바와 같이 진동자부(23)의 진동 방향이 기울어진 진동 모드로 되어 버린다.
이러한 기울어진 진동 모드를 갖는 진동자인 경우, 그 좌우의 검출 전극(30L, 30R)으로부터의 검출 신호의 밸런스가 취해지지 않는 상태로 된다. 좌우의 검출 신호가 상이하면, 진동자부(23)에 작용하는 회전 방향의 각속도의 검지량이 달라 버리거나, 우측 방향의 회전 각속도의 감도와 좌측 방향의 회전 각속도의 감도가 상호 다른 등의 문제점이 발생하여 버린다.
한편, 전술한 바와 같이, 좌우 검출 신호의 밸런스를 조정하기 위해서, 진동 소자의 형성 후에 진동자부(23)의 소정 영역을 레이저 조사로써 연삭하는 것이 행해지고 있다. 그러나, 이 방법만으로 검출 신호의 밸런스를 취하도록 하면 조정 시간이 길어져 버린다. 또한, 레이저 조사로 조정할 수 있는 좌우 신호의 차는 대략 30% 정도이기 때문에, 조정 전의 검출 신호차가 이것보다도 크면 제품으로서 이용할 수 없게 되어 생산성의 향상이 도모될 수 없게 된다.
따라서, 본 실시 형태에서는, 전술한 조정 공정에 의한 작업 시간을 짧게 할 수 있고 양품율을 높이는 것을 목적으로 하여, 후술하는 바와 같이, 진동자부(23)의 외형 형상을 형성하는 에칭 공정 시에, 외형 홈(39)의 양단부(39A, 39B)(도 53 참조)를 외측을 향하여 테이퍼 형상 혹은 만곡 형상으로 형성하도록 하고 있다.
도 53은, 외형 홈 형성 공정에서의 실리콘 기판(21)의 개략 평면도이며, 외형 홈(39)은 진동자부(23)의 외형을 둘러싸는 コ자 형상으로 형성되고, 외형 홈(39)의 양단부(39A, 39B)는 진동자부(23)의 외측을 향하여 만곡 형상으로 형성되어 있다. 외형 홈(39)의 형성은, 실리콘 기판(21) 상의 실리콘 산화막(33B)를 마스크로 하는 에칭 가공으로 형성된다(이 때 압전 박막층(28)이나 전극층(27, 29), 단자(25)나 리드(31) 등의 배선 패턴은 보호막으로 피복되어 있다). 따라서, 이 실리콘 산화막(33B)의 패터닝 시에, 외형 홈(39)의 형성 영역에 대응하는 コ자 형상 개구의 양단부를 도 53에 도시한 바와 같이 만곡하여 형성한다.
그 결과, 외형 홈(39)의 양단부(39A, 39B)는 실리콘 산화막(33B)의 개구 형상에 대응하여 만곡 형상으로 형성되게 된다. 그리고, 도 54에 도시한 바와 같이 진동자 근원부(23R1, 23R2)의 형상의 좌우 대칭성이 좋게 되어, 거의 동일 형상으로 할 수 있다. 이에 의해, 진동자부(23)의 수직한 진동 모드를 확보할 수 있어, 검출 신호의 밸런스를 높이는 것이 가능하게 된다.
도 55a∼도 55c는, 진동자 근원부(23R2)(23R1)의 평면에서 본 형상예를 나타내고 있다. 도 55a는 일정 곡율의 원 형상 또는 타원 형상으로 진동자 근원부(23R2)를 형성한 예를 나타내고 있고, 도 55b는 경사각이 상이한 테이퍼 형상으로 진동자 근원부(23R2)를 형성한 예를 나타내고 있다. 또한, 도 55c는 기초부(22)의 측주부(22-3)에 대한 경사각이 순차적으로 작아지는 복수의 경사면에서 진동자 근원부(23R2)를 형성한 예를 나타내고 있다.
또한, 진동자 근원부(23R1, 23R2)의 형상은 상기의 예에 한정되지 않고, 진동자부(23)의 외측을 향하고 점차 형성 폭이 크게 되도록 진동자 근원부(23R1, 23R2)가 테이퍼 형상 혹은 만곡 형상으로 형성되어 있으면 된다. 또한, 진동자 근원부(23R1, 23R2)의 곡율 반경은 임의로 설정 가능하고, 예를 들면 5㎛로 된다. 또한, 진동자 근원부(23R1, 23R2)의 형상에 따라서, 가로 보강부(129H)의 형상을 임의로 형성할 수 있다.
이상과 같이, 본 실시 형태에 따르면, 외형 홈(39)의 양단부(39A, 39B)를 당초부터 만곡 형상으로 패턴 형성하고, 진동자 근원부(23R1, 23R2)를 만곡 형성시키도록하고 있기 때문에, 진동자(23)의 형상을 좌우 거의 대칭으로 형성하여 진동 모 드를 이상적인 수직 모드로 유지할 수 있다. 이 때문에, 종래 조정 불량으로 되어 있었던 언밸런스한 진동 모드에서 진동하는 진동 소자도, 레이저 조사에 의한 조정 공정에서의 조정이 가능한 영역에 들어 가는 것에 의해, 생산 수율의 향상을 도모할 수 있다.
또한, 본 발명자들이 확인한 바에 따르면, 1매의 실리콘 기판으로부터 제작된 복수의 진동 소자에서, 조정 공정 전에 있어서의 좌우의 검출 신호 차가 30% 미만으로 되는 진동 소자의 양품율(수율)은, 종래에서는 38% 이었던 것에 대하여, 본 실시 형태에 따르면 약82%로 현저히 향상시킬 수 있었다. 또한, 이 때의 진동자 근원부의 형성 곡율 반경은 20㎛으로 했다.
(제4 실시 형태)
전술한 제1 실시 형태에 있어서 설명한 바와 같이, 진동 소자(20)의 진동자부(23)의 표면(기판 대향면(23-2))에는, 기준 전극층(27), 압전 박막층(28) 및 구동 전극층(29)이 적층 형성되고, 또한 이것들의 압전층 및 전극층은, 외기 중의 수분이나 먼지의 부착으로부터 보호하기 위한 절연 보호층(45)으로 피복되어 있다. 이들 압전 박막층(28), 전극층 및 보호층은, 100㎛ 정도의 얇은 진동자부(23)의 표면에 형성되기 때문에, 이것들의 형성막의 재료 선택에 따라서는 재료가 갖는 응력에 의해 진동자부(23) 자체가 휘어지게 될 가능성이 높다.
도 56에 도시한 바와 같이 스퍼터로 얻어지는 압전 박막층(28)은, 성막 후에 고온에서의 어닐링 처리를 행하여, 산화 처리를 행하고 있기 때문에, 도시하는 압축 방향의 응력이 가해진다. 또한 압전 박막층(28)에는 특성을 안정화시키기 위한 분극 처리를 행할 필요가 있는데, 이 분극 처리의 방향이 상부 전극측으로부터 하층 전극측에 행해진 경우, 압전막 자체가 도시하는 압축측의 내부 응력이 발생한다.
한편, 하부 전극막으로서 형성되는 기준 전극층(27)은, 막의 특성을 향상시키기 위해서 Ti/Pt를 채용하고 있는데, 결정 구조를 양호하게 하기 위해서 저가스압으로 스퍼터된다. 이 때문에, 하부 전극막에도 도면에서 도시한 바와 같이 압축 방향의 응력이 가해지고 있다. 또한, 상부 전극막으로서 형성되는 구동 전극층(29)(검출 전극(30R, 30L))도, 프로세스 중의 열처리나 산화되지 않는 금속막이 필요하게 되어, 하부 전극막과 동일하게 Pt를 채용하고 있다. 이 때문에, 상부 전극막에도 도시하는 압축 응력이 가해지게 된다. 그리고, 절연 보호층(45)도 마찬가지로, 산화 실리콘층과 그 상하의 알루미나층이 저압으로 스퍼터 성막되어 있기 때문에, 형성된 막에는 압축 응력이 가해진다.
이상의 점으로부터, 이들 막이 형성되는 진동자부(23)의 표면(기판 대향면)(23-2)은 도 56에 있어서 하방측을 볼록으로 하는 방향으로 휘어짐이 발생하기 쉽다. 진동자(23)에 휘어짐이 발생한 상태에서 진동시키면, 휘어지는 방향으로는 진동자부(23)를 구성하는 실리콘의 내성으로부터 진동량이 작고, 휘어짐과 반대측의 진동량이 커진다. 이 때문에, 도 56에 도시한 바와 같이 진동자부(23)의 연장 방향 a에 대하여 진동자부(23)의 진동 중심 b가 일치하지 않게 되어, 큰 공진 진폭이 얻어지지 않고 검출 감도가 저하한다. 또한, 도 56에 있어서는 설명을 이해하기 쉽게 하기 위해 진동 소자(20)의 상하를 반대로 하여, 진동자부(23)의 기판 대향면 (23-2)측을 상방측을 향하여 도시하고 있다.
따라서, 본 실시 형태에서는, 진동자부(23)의 휘어짐을 억제하여 높은 출력을 안정적으로 얻는 것을 목적으로 하여, 도 57에 도시한 바와 같이 진동자부(23)의 전극 형성면과는 반대측의 주면(진동자부(23)의 상면(23-1)) 측에 휘어짐 제어막(58)을 형성하고, 이 휘어짐 제어막(58)이 갖는 압축 응력으로 진동자부(23)의 각 면에 발생하는 압축 응력을 상쇄하여, 휘어짐을 억제하도록 하고 있다.
휘어짐 제어막(58)은, 성막 시에 진동자부(23)에 대하여 압축 응력을 부여할 수 있는 재료이면 특별히 제한되지 않고, 예를 들면 상부 전극막 혹은 하부 전극막에 이용되는 전극 재료와 동일한 Pt 막이나, 절연 보호막(45)과 동종 재료를 이용할 수 있다. 그리고, 압축 응력의 크기는 막두께나 성막 조건에 의존하므로, 진동자부(23)의 휘어짐량 조정은, 예를 들면 해당 휘어짐 전극막(58)의 막두께에 의해서 적절하게 조정할 수 있다.
휘어짐 제어막(58)을 형성하는 공정은, 진동 소자(20)를 형성한 후에 스퍼터에 의해 형성하거나, 진동 소자(20)의 형성 프로세스의 도중에 도입할 수 있다. 또한, 이용하는 재료도 특별히 한정되는 것이 아니라, 재료, 형성 방법 모두 임의이다.
도 58는, 진동자부(23)의 휘어짐량과, 이 때의 공진점에서의 진동 진폭과의 관계를 측정한 도면이다. 여기서, 진동자부(23)의 휘어짐량은, 기초부(22)로부터 진동자부(23)의 선단까지의 높이의 차로 하고 있다. 도 58로부터, 진동자부(23)의 휘어짐량이 수평 상태보다 ±5㎛ 이내이면 진폭이 크게 유지되고 있는 것에 대하 여, 휘어짐량이 ±10㎛을 초과하면 진폭이 감소하고 있는 것이 확인할 수 있다. 이상에 의해, 진동자부(23)의 휘어짐량을 수평보다 ± 5㎛ 이하로 억제함으로써 큰 공진 진폭이 얻어짐과 함께, 높은 검출 신호 및 높은 검출 감도가 얻어지도록된다.
이상과 같이 본 명세서에 개시한 진동형 자이로센서는, 그 외에 이하의 구성을 구비하고 있다.
1. 복수개의 랜드를 갖는 배선 패턴이 형성된 지지 기판과, 그 지지 기판의 표면에 실장된 진동 소자를 구비한 진동형 자이로센서에서,
상기 진동 소자는, 상기 랜드에 접속되는 복수의 단자부가 형성된 실장면을 갖는 기초부와, 이 기초부의 측주부로부터 외팔보 형상으로 일체로 돌출 설치되고 상기 기초부의 실장면과 동일면을 구성하는 기판 대향면을 갖는 진동자부를 갖고,
상기 진동자부의 기판 대향면에는, 제1 전극층과, 이 제1 전극층의 상에 적층된 압전층과, 이 압전층의 상에 적층된 제2 전극층과, 이들 제1 전극층, 압전층 및 제2 전극층을 밀봉하는 절연 보호층이 각각 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 진동형 자이로센서.
2. 상기 절연 보호층은, 적어도 산화 실리콘층을 포함하여 이루어지는 상기 1에 기재된 진동형 자이로센서.
3. 상기 산화 실리콘층의 상층 및 하층 중 적어도 하층 측에 밀착층이 형성되어 있는 상기 2에 기재된 진동형 자이로센서.
4. 상기 밀착층은 알루미나층인 상기 3에 기재된 진동형 자이로센서.
5. 상기 절연 보호층은, 상기 제2 전극층의 적어도 2배의 두께를 갖는 상기 1에 기재된 진동형 자이로센서.
6. 상기 절연 보호층은, 상기 제1 전극층보다도 폭이 넓고, 또한 상기 진동자부의 외주연을 따라 상기 진동자부의 기판 대향면을 노출시켜서 형성되어 있는 상기 1에 기재된 진동형 자이로센서.
7. 상기 진동자부의 상면 측에는, 해당 진동자부의 휘어짐량을 제어하는 휘어짐 제어막이 형성되어 있는 상기 1에 기재된 진동형 자이로센서.
8. 상기 진동자부의 휘어짐량이 ± 5㎛ 이내인 상기 7에 기재된 진동형 자이로센서.
9. 상기 진동 소자는, 비도핑 단결정 실리콘 기판을 기재로 하여 형성되어 있는 상기 1에 기재된 진동형 자이로센서.
10. 상기 비도핑 단결정 실리콘 기판의 체적 저항율은, 100Ω·㎝ 이상인 상기 9에 기재된 진동형 자이로센서.
11. 상기 지지 기판의 표면은, 차광성의 커버 부재로 피복되어 있는 상기 1에 기재된 진동형 자이로센서.
12. 복수의 단자부가 형성된 실장면을 갖는 기초부와, 이 기초부의 측주부로부터 외팔보 형상으로 일체로 돌출 설치되고 상기 기초부의 실장면과 동일면을 구성하는 기판 대향면을 갖는 진동자부를 구비한 진동형 자이로센서의 제조 방법에서,
상기 진동자부의 기판 대향면에 제1 전극층을 형성하는 공정과, 이 제1 전극층의 상에 압전층을 형성하는 공정과, 이 압전층의 상에 제2 전극층을 형성하는 공정과, 상기 압전층 및 제1, 제2 전극층을 피복하는 절연 보호층을 형성하는 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 진동형 자이로센서의 제조 방법.
13. 상기 절연 보호층은, 상기 진동자부의 기판 대향면 상에 밀착층을 형성하는 공정과, 이 밀착층의 상에 산화 실리콘층을 형성하는 공정을 갖는 상기 12에 기재된 진동형 자이로센서의 제조 방법.
14. 상기 산화 실리콘층은, 0.4 Pa 이하이고 또한 방전 한계의 하한값 이상의 아르곤 가스 분위기 속에서 스퍼터법에 의해 성막되는 상기 13에 기재된 진동형 자이로센서의 제조 방법.
15. 상기 절연 보호층을 형성하는 공정에서는, 상기 산화 실리콘층의 상에 레지스트 밀착층을 형성하는 공정을 더 갖는 상기 13에 기재된 진동형 자이로센서의 제조 방법.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 진동자부의 기단 부위에 기계적 강도를 향상시키는 보강부가 형성되어 있음과 함께 해당 보강부를 간이한 공정에 의해서 형성할 수 있으므로, 충격 등의 외부 부하에 대한 내구성의 향상을 도모하여 각속도 변화를 고정밀도로 검출하는 것이 가능해진다.
또한, 진동자부 표면의 각 전극층 및 압전막층을 밀봉하는 절연 보호층이 형성되어 있기 때문에, 소형, 박형, 협스페이스화되어 형성한 각 전극층 등에의 수분이나 먼지의 부착을 방지하여, 고정밀도의 진동 검출을 행하는 것이 가능해진다.
또한, 진동 소자의 기재로서 비도핑 단결정 실리콘 기판을 이용하고 있기 때 문에, 외부로부터의 광이나 열로부터의 내구성을 높임과 함께, 제조 프로세스 상에서의 층간 단락 등의 불량율 저감에 기여하여 수율의 향상을 도모할 수 있다.

Claims (29)

  1. 복수개의 랜드를 갖는 배선 패턴이 형성된 지지 기판과, 그 지지 기판의 표면에 실장된 진동 소자를 구비한 진동형 자이로센서에 있어서,
    상기 진동 소자는, 상기 랜드에 접속되는 복수의 단자부가 형성된 실장면을 갖는 기초부와, 이 기초부의 측주부로부터 외팔보 형상으로 일체로 돌출 설치되고 상기 기초부의 실장면과 동일면을 구성하는 기판 대향면을 갖는 진동자부를 갖고,
    상기 진동자부의 기판 대향면에는, 제1 전극층과, 이 제1 전극층 위에 적층된 압전층과, 이 압전층 위에 적층된 제2 전극층이 각각 형성되고,
    상기 진동자부의 기단 부위에는, 상기 기초부를 향하여 그 진동자부의 단면적이 점차로 커지는 보강부가 형성되어 있는
    것을 특징으로 하는 진동형 자이로센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 진동자부의 상면은, 상기 기초부의 상면으로부터 경사부를 통하여 단락(段落)되어 형성되어 있고,
    상기 보강부는, 상기 진동자부의 기단 부위 상면측에 상기 경사부를 따라 형성된 세로 보강부인 것을 특징으로 하는 진동형 자이로센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 보강부는, 상기 기초부의 측주부를 향하여 상기 진동자부의 기단 부위의 형성 폭이 점차로 증가하도록 형성된 가로 보강부인 것을 특징으로 하는 진동형 자이로센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 가로 보강부는, 상기 진동자부의 기단 부위의 양측부가 만곡 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 진동형 자이로센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 진동자부의 상면과 양측면 사이의 능선부는 용융된 모따기부로 되어 있는 것을 특징으로 하는 진동형 자이로센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 진동자부의 기판 대향면과 양측면 사이의 능선부 중 적어도 한 쪽이 만곡하고 있는 것을 특징으로 하는 진동형 자이로센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 진동자부에는, 그 기판 대향면을 제외하는 면 중 적어도 일부가 용융되어 평활면으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 진동형 자이로센서.
  8. 복수개의 랜드를 갖는 배선 패턴이 형성된 지지 기판과, 그 지지 기판의 표면에 실장된 진동 소자를 구비한 진동형 자이로센서에 있어서,
    상기 진동 소자는, 상기 랜드에 접속되는 복수의 단자부가 형성된 실장면을 갖는 기초부와, 이 기초부의 측주부로부터 외팔보 형상으로 일체로 돌출 설치되고 상기 기초부의 실장면과 동일면을 구성하는 기판 대향면을 갖는 진동자부를 갖고,
    상기 진동자부의 기판 대향면에는, 제1 전극층과, 이 제1 전극층 위에 적층된 압전층과, 이 압전층 위에 적층된 제2 전극층과, 이들 제1 전극층, 압전층 및 제2 전극층을 밀봉하는 절연 보호층이 각각 형성되고,
    상기 진동자부의 기단 부위에는, 상기 기초부를 향하여 그 진동자부의 단면적이 점차로 커지는 보강부가 형성되어 있는
    것을 특징으로 하는 진동형 자이로센서.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 절연 보호층은, 적어도 산화 실리콘층을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 진동형 자이로센서.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 산화 실리콘층의 상층 및 하층 중 적어도 하층측에 밀착층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 진동형 자이로센서.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 밀착층은 알루미나층인 것을 특징으로 하는 진동형 자이로센서.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 절연 보호층은, 상기 제2 전극층의 적어도 2배의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 진동형 자이로센서.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 절연 보호층은, 상기 제1 전극층보다도 폭이 넓고, 또한 상기 진동자부의 외주연을 따라 상기 진동자부의 기판 대향면을 노출시켜서 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 진동형 자이로센서.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 진동자부의 상면측에는, 그 진동자부의 휘어짐량을 제어하는 휘어짐 제어막이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 진동형 자이로센서.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 진동자부의 휘어짐 량이 ±5㎛ 이내인 것을 특징으로 하는 진동형 자이로센서.
  16. 복수개의 랜드를 갖는 배선 패턴이 형성된 지지 기판과, 그 지지 기판의 표면에 실장된 진동 소자를 구비한 진동형 자이로센서에 있어서,
    상기 진동 소자는, 비도핑 단결정 실리콘 기판을 기재로 하여 형성되어 있음과 함께, 상기 랜드에 접속되는 복수의 단자부가 형성된 실장면을 갖는 기초부와, 이 기초부의 측주부로부터 외팔보 형상으로 일체로 돌출 설치되고 상기 기초부의 실장면과 동일면을 구성하는 기판 대향면을 갖는 진동자부를 갖고,
    상기 진동자부의 기판 대향면에는, 제1 전극층과, 이 제1 전극층 위에 적층된 압전층과, 이 압전층 위에 적층된 제2 전극층이 각각 형성되고,
    상기 진동자부의 기단 부위에는, 상기 기초부를 향하여 그 진동자부의 단면적이 점차로 커지는 보강부가 형성되어 있는
    것을 특징으로 하는 진동형 자이로센서.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 비도핑 단결정 실리콘 기판의 체적 저항율은, 100Ω·㎝ 이상인 것을 특징으로 하는 진동형 자이로센서.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 지지 기판의 표면은, 차광성의 커버 부재로 피복되어 있는 것을 특징으로 하는 진동형 자이로센서.
  19. 복수의 단자부가 형성된 실장면을 갖는 기초부와, 이 기초부의 측주부로부터 외팔보 형상으로 일체로 돌출 설치되고 상기 기초부의 실장면과 동일면을 구성하는 기판 대향면을 갖는 진동자부를 갖고,
    상기 진동자부의 기판 대향면에는, 제1 전극층과, 이 제1 전극층 위에 적층된 압전층과, 이 압전층 위에 적층된 제2 전극층이 각각 형성된 진동 소자의 제조 방법으로서,
    실리콘 기판의 제1 주면측에 에칭 처리를 실시하여, 소정의 경사각으로 경사진 에칭 경사면을 가짐과 함께 상기 제1 주면으로부터의 두께가 상기 진동 소자의 진동자부의 두께에 대응하는 깊이의 에칭 오목부를 형성하는 에칭 오목부 형성 공정과,
    상기 실리콘 기판의 상기 에칭 오목부와 대향하는 제2 주면 위에, 상기 압전막층 및 제1, 제2 전극층을 형성하는 전극 형성 공정과,
    상기 에칭 오목부 내에서 상기 진동자부의 외형을 형성하는 관통홈으로 이루어지는 コ자형의 외형 홈을 패턴 형성하는 외형 홈 형성 공정과,
    상기 외형 홈의 양단부에 각각 도달하도록 상기 실리콘 기판을 절단하여 상기 진동 소자의 기초부를 절단하는 절단 공정을 갖고,
    상기 외형 홈 형성 공정에서는, 상기 외형 홈의 양단부를 상기 에칭 오목부의 도중 개소에 형성함으로써, 상기 진동자부의 기단 부위에, 상기 기초부를 향하여 그 진동자부의 단면적이 점차로 커지는 보강부를 형성하는
    것을 특징으로 하는 진동 소자의 제조 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 외형 홈 형성 공정은, 상기 실리콘 기판의 제2 주면 위에 상기 외형 홈의 형성 부위가 개구된 레지스트 패턴을 형성하는 공정을 포함하고, 상기 레지스트 패턴의 상기 외형 홈의 양단부에 대응하는 부위가 만곡하여 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 진동 소자의 제조 방법.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 외형 홈 형성 공정은, 상기 외형 홈의 바닥부를 과잉으로 에칭 가공하는 것을 특징으로 하는 진동 소자의 제조 방법.
  22. 제19항에 있어서,
    상기 절단 공정 후에, 상기 진동자부의 능선 부위의 일부를 레이저 조사에 의해 용융하여 모따기부를 형성하는 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 진동 소자의 제조 방법.
  23. 제19항에 있어서,
    상기 절단 공정 후에, 상기 진동자부의 기판 대향면을 제외하는 면 중 적어도 일부를 레이저 조사에 의해 용융하여 평활면을 형성하는 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 진동 소자의 제조 방법.
  24. 제19항에 있어서,
    상기 전극 형성 공정 후에, 상기 진동자부의 기판 대향면 위에 상기 압전막층 및 제1, 제2 전극층을 피복하는 절연 보호층을 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 진동 소자의 제조 방법.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 절연 보호층은, 상기 진동자부의 기판 대향면 위에 밀착층을 형성하는 공정과, 이 밀착층 위에 산화 실리콘층을 형성하는 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 진동 소자의 제조 방법.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 산화 실리콘층은, 0.4㎩ 이하이고 또한 방전 한계의 하한값 이상인 아르곤 가스 분위기 속에서 스퍼터법에 의해 성막되는 것을 특징으로 하는 진동 소자의 제조 방법.
  27. 제25항에 있어서,
    상기 절연 보호층을 형성하는 공정에서는, 상기 산화 실리콘층 위에 레지스트 밀착층을 형성하는 공정을 더 갖는 것을 특징으로 하는 진동 소자의 제조 방법.
  28. 제19항에 있어서,
    상기 진동자부의 기판 대향면과는 반대측의 면에, 그 진동자부의 휘어짐 량을 제어하는 휘어짐 제어막을 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 진동 소자의 제조 방법.
  29. 제19항에 있어서,
    상기 실리콘 기판으로서, 주면의 방위면이 (100)면, 측면의 방위면이 (110)면으로 되도록 잘라내어진 비도핑 단결정 실리콘 기판을 이용하는 것을 특징으로 하는 진동 소자의 제조 방법.
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