TWI270894B - Conductor for movable circuit and vibration-type rotating instrument - Google Patents

Description

1270894 (1) 玖、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於用於配設在以動作中形狀會變化爲前提 之可動體的電路（以下，稱爲可動電路）的導電體及將其 用於配線圖案的振動式旋轉儀。 【先前技術】 矽係最具有代表性的基板材料而被使用在半導體裝置 ，特別是半導體積體電路（1C)、微電子裝置、或者精密 測量裝置中。矽基板被如此廣爲使用的理由，在於：工業 上可便宜製造高純度的矽晶圓，及在矽基板上可形成化學 上極爲穩定的氧化膜（Si02 )，所以可以容易地絕緣分離 高集成化裝置的元件之間。 例如，在藉由批次式系統的1C製造中，多數的裝置 係在相互間電性絕緣分離之狀態下而形成在1片矽晶圓上 。此裝置特性所要求的絕緣分離係藉由在晶圓上產生0.3 〜1.0// m程度的氧化膜而達成。 作爲精緻的裝置之事例，可舉環型振動式旋轉儀（例 如，參考日本專利特開平10-267667號公報）。環型振動 式旋轉儀係振動式旋轉儀的一種，是具有對於懸垂狀態的 環型振動子給予橢圓振動的構造之旋轉儀。此環型振動式 旋轉儀並無如振動式旋轉儀之一的壓電旋轉儀般，對外來 壓力敏感的固疋支點，橢圓振動不易受到由於外來應力的 影響故，所以具有可以高精度檢測角速度的特徵。 -5- (2) 1270894 第1圖係顯示環型振動式移轉儀的矽基板圖，第2圖係 顯示設置在環上的配線圖案。 如第1圖所示般，矽基板1例如係具有藉由8根懸臂1-2 而以懸垂狀態懸掛位於中央的環1 -1的構造。如第2圖所示 般，矽基板1 (在第2圖之例中，爲環1 _ χ )係使用在比通 常的CPU等的積體電路用者還薄的單晶矽晶圓2形成絕緣 膜3之基板。而且，環型振動子例如係藉由濺鍍法而在絕 緣膜3上形成Al-Si系等之配線用導電膜後，藉由微影法 和化學蝕刻以形成軌跡（配線圖案）4，進而藉由ICP(感 應耦合電漿）蝕刻以形成環1-1和懸臂1-2而做成。 設置在環1 -1及懸臂1 - 2的軌跡4，在其圓周方向有交 流電流流通，在上下方向受到磁氣迴路（未圖示出）的磁 場，所以由於羅倫茲力而變形爲橢圓形（將此稱爲振動模 式1)。藉由調整流經懸臂1-2的電流的相位，對於環^ 的橢圓振動給予角速度時，對於振動模式1，科氏力作用 ，由振動模式1錯開45 °的位置新產生振動模式2。藉由監 視產生振動模式2的振動模式1之不動點（節點），便可以 知道角速度。 在測量旋轉儀性能的指標上，有稱爲漂移者。所謂漂 移係意指實際上環雖然靜止，但是恰如正旋轉著般，來自 旋轉儀的訊號產生變化，漂移愈小’旋轉儀的性能愈好。 另外，漂移的單位係以每單位時間（通常每一小時）所檢 測到的旋轉之外觀上的角速度[(deg/sec)/hr]來表示。其適 當値雖因用途而各有不同，但是在例如用於動搖控制等之 -6- (3) 1270894 旋轉儀的情形時，爲〇.〇5(deg/SeC)/hr以下。 漂移在確保因應旋轉儀的使用目的之性能 要的指標，但是即使是使用相同材料所製作的 値也會有偏差。本發明者就此原因而進行硏究 移大的樣本中，相對的其配線用導電膜的結晶 〇 第3圖係顯示振動式旋轉儀的配線用導電 織圖，（a )係顯示漂移小至0 · 0 3 (d e g / s e c) / h r 線用導電膜的組織圖，（b )係顯示 0.12(deg/Sec)/hr的樣本之配線用導電膜的組 ，此圖是追蹤個別的配線用導電膜的一部份的 圖。如第3圖所示般，漂移小的樣本之結晶粒 樣本的結晶粒小。 一般用於半導體裝置的配線的導電性以結 佳。其主要理由係配線的結晶粒如小，則粒界 爲電阻，而阻礙自由電子的移動。 但是，本發明者們認爲配設在可動體（在 旋轉儀的情形，爲環1 -1及懸臂1 -2 )的配線用 晶粒如變大，在外力（在環型振動式旋轉儀的 倫茲力）施加於配現實，由於加工硬化等關係 容易變化。本發明者們在此假定下，進一步進 果’得到結論爲，在用於以振動式旋轉儀爲代 路的導電體之情形下，比起確保導電性，不如 電膜的結晶粒變小，以使機械強度的變化變小 上雖極爲重 旋轉儀，其 ，發現在漂 粒變得粗大 膜的金屬組 之樣本的配 漂移大至 織圖。另外 EBSP影像 比漂移大的 晶粒大者爲 增加，此成 環型振動式 導電膜的結 情形，爲羅 ，機械強度 行硏究的結 表的可動電 使配線用導 反而更爲重 -7- 1270894 (4) 要。 【發明內容】 本發明之目的在於提供：最適合於配現在以電路動作 中電路本身的形狀會變化爲前提的可動體的電路之導電體 ，及將此導電體當成配線圖案使用的振動式旋轉儀。

本發明者在重複於可動電路，特別是振動式旋轉儀中 ，使其配線圖案的結晶粒變小的硏究結果，而完成了本發 明。 本發明之要點爲下述（1 )所示的可動電路用導電體 及（2 )所示的振動式旋轉儀。

(1) 一種以A1爲主體的可動電路用導電體，其特徵 爲：結晶粒的平均剖面積在1 // m2以下。較好是此導電體 含有原子濃度N + 0: 550〜20000ppm。另外，較好是含有 原子濃度 Si:0.5 〜5.0%、Ta:0.5〜5.0% 及 Cu:0.5~5.0% 之一 種以上。更好是爲含有原子濃度Nd:0.5〜5·0%。 (2 ) —種振動式旋轉儀，其特徵爲：將上述（1 )記 載的可動電路用導電體用於配線圖案。 【實施方式】 本發明之對象係以Α1爲主體的可動電路用導電體。 此可動電路導電體在當成振動式旋轉儀的配線圖案利用時 有效。此處，所謂以Α1爲主體的可動電路導電體係意指 使用在配設於以動作中形狀會變化爲前提的可動體之電路 -8 - (5) 1270894 的A1基導電體。 (A )關於結晶粒的平均剖面積 在結晶粒的平均剖面積超過1 μ m2時，結晶粒大的糸条 故，電阻係數小，導電性雖然良好，但是機械強度容易變 化。其變化的程度以下述（a )式子的霍爾-裴起關係式 (Hall-Petch relation)表示。 〇 - o 〇+A.d ly/2 …（a) 但是，σ ο爲單結晶體金屬的拉伸降伏應力，a爲比 例常數，d爲結晶粒的直徑。 第4圖係顯示結晶粒的平均剖面積和漂移的關係圖。 如第4圖所示般，在結晶粒的平均剖面積爲1 // m2以下時， 漂移可以控制在〇.〇5(deg/sec)/hr以下。因此，設結晶粒 的平均剖面積控制在1 // m2以下。由漂移的觀點而言，較 好是結晶粒的平均剖面積愈小愈好，更好是在0.5 // m2以 下。結晶粒的平均剖面積的下限値雖沒有特別限定，但是 在小於0.00008 // m2時，電阻係數過大，導電性劣化。因 此，較好是結晶粒的平均剖面積在0.0000 8 # m2以上。 「結晶粒的平均剖面積」可由以下的步驟求得。 (1 )獲得樣本的EBSP影像（後方散射電子繞射影 像）。 (2 )任意選定1邊長爲a // m的正四方形的視野’計 -9 - (6) 1270894 算完全包含在該視野內的結晶數ηι ’與此四方形交叉的 結晶數n2。 (3 )計算視野內的結晶數的總計ητ( = ηι + η2/2)。 (4 )改變此作業，總共進行1次（i爲1〇以上）。 (5 )求得結晶粒的各視野的平均剖面積S i (= a2 / η τ)， 進而求得全視野的平均剖面積Save[ = ( Σ Si)/i]。 (B )化學組成 如上述之（A)般，使用於可動電路的導電體以使用結 晶粒的平均剖面積在1 # πι2以下者爲有效。作爲將結晶粒 的大小控制在上述範圍的手段之一，本發明者發現通常使 當成雜質而含有的N及〇的含有量比習知的導電體增加 ，即在以A1爲主體的導電體中使含有原子濃度（以下， 「％」意指「原子％」’ 「PPm」意指「原子ppm」） N + O:550 〜20000ppm 〇 一般N及Ο在導電體中係以雜質形式存在的元素， 這些元素如多數存在於導電體中，則結晶粒徑變小，粒界 增加，所以電氣電阻變大。因此，在使用於通常的電路的 導電體中，較好是極力降低這些元素的含有量。因此，在 電路動作中電路本身的形狀不會變化的一般的半導體用配 線中，N或者Ο的含有量都在l〇ppm以下。 但是，如上述般，在成爲本發明之對象的配設在以電 路動作中電路本身的形狀會變化爲前提的可動體之電路中 ，儘管確保導電性重要，但是提高電路本身的機械強度的 -10- (7) 1270894 穩定性更爲重要。 此處，含於以A1爲主體的導電體中的「N + 0 於5 5 0 p p m時，A1氮化物、A1氧化物的產生不充分 所以無法使結晶粒的大小變得足夠小。因此，導電 良好，但是電路動作中，導電體本身的機械強度容 。「N + 0」在超過20000ppm時，產生A1氮化物， 數有增加的傾向。而且，需要增加混合於導入真空 的Ar之N2及02濃度故，所以在製程效率面而言， 利。 因此，在任何一種情形下，容易損及導電體本 滑動作性，例如，在將此導電體用於振動式旋轉儀 圖案時，漂移變大。此種振動式旋轉儀有無法使用 高精度的用途之情形。因此，較好是在本發明的可 用導電體中包含原子濃度N + 0:550~20000ppm。更 含有 Ν + 0··600〜18000ppm。 本發明之可動電路用導電體係以A1爲主體者 以含有 N + O:550 〜20000ppm ，及 Si:0.5 〜5·

Ta:0.5〜5.0%，及Cu:0.5〜5.0%之中的1種以上。 即Si、Ta及Cu都是在固融體的強化上有效的 此效果變得顯著是在任一種元素都含有0.5 %以上時 方面，任何一種元素都含超過5 %時，析出物增大 強度變得不均勻。因此，在含有這些元素的一種以 含有量，較好是個別設爲0.5〜5.0%。 本發明之以A1爲主體的可動電路用導電體較 」在低 之故， 性雖然 易變化 電阻係 成膜室 變得不 身的圓 的配線 於要求 動電路 較好是 ，也可 0% ， 元素。 〇另一 ，機械 上時的 好是含 -11 - (8) 1270894 有Nd:0.5〜5.0%。Nd係單獨具有使A1結晶粒微細化的作 用之元素，如係適量含有Nd的導電體時，則不管N(氮） 或〇(氧）的含有量，可使結晶粒的平均剖面積小至1 // m2 以下。另外，適量含有Nd的導電體如以下所示般，可使 厚度方向的結晶粒尺寸變小，此點更爲優異。以下，利用 圖面做說明。 第5圖係攝影以A1爲主體的導電體的上面之後方散射 電子繞射影像（EBSP )，第6圖係利用透過型電子顯微鏡 (TEM )，攝影以A1爲主體的導電體之厚度方向的剖面 的組織照片。在任一圖中，（a )係顯示含有S i: 1.0 %及 N + 0:499ppm的導電體，（b)係顯示含有 Si:1.0%及 N + 0:4817ppm的導電體，（c)係顯示含有Nd:2.0%的導 電體。 如第5 (a)圖及第6(a)圖所示般，在N + 0含有量 偏離本發明之範圍的導電體中，在其上面、厚度方向剖面 中，都形成粗大的結晶粒。另外，N + 0含有量在本發明所 規定的範圍內的導電體中，如第5(b)圖所示般，在其上 面，結晶粒雖然形成得很微細，但是此結晶粒的形狀係如 第6(b)圖所示的柱狀。另一方面，如第5(c)圖及第6 (c)圖所示般，在含Nd:2.0%的導電體中，知道在其上 面、厚度方向剖面中，結晶粒都形成得很微細。而且，如 後段的實施例所示般，如此如將在此A1爲主體的導電體 使含有Nd者用於振動式旋轉儀的配線圖案時，可以更降 低漂移。 -12- 1270894 Ο) 如上述般，作爲可動電路用導電體’較好是以A1爲 主體而含有Nd者。其含有量較好是爲〇·5〜5.0 %。 即Nd含有量低於0.5 %時，由Nd所引起之Α1結晶粒 的微細化並不足夠，如超過5.0%，則析出物過多，機械強 度變得不均勻。因此，在使含有Nd時，較好是其含有量 在 0 · 5 〜5.0 %。 如上述般，如使含有Nd，則不管N(氮）或0(氧）的含 有量，可以使導電體的結晶粒微細化。即使使N +0含有 550〜20000ppm的範圍，上述效果也不會消失。另外，本 發明的導電體在Nd之外，也可以使含有Si、Ta以及Cu 中的一種以上在〇 · 5〜5 · 0 %之範圍。 含於導電體中的各元素例如可以利用SIMS (二次離子 質量分析法）予以測量。此處之SIMS係將一次離子（氧離 子或者鉋離子）照射於樣本，藉由因此所射出的二次離子 的質量分析以界定元素，利用預先知道濃度的標準試料予 以定量的方法。 (C)關於本發明的可動電路用導電體之製造方法 可動電路用導電體一般係利用濺鍍裝置等，在基板表 面蒸鍍導電體的被膜而製作。本發明的可動電路用導電體 則特別較好是利用直流磁控濺鍍裝置來製作。 直流磁控濺鍍法係在設置陰極和陽極的真空成膜室中 封入Ar氣體等的狀態下，在兩電極施加（400〜500V ) 的直流電壓，使陽離子或的Ar等之氣體分子以高速衝擊 -13- (10) 1270894 耙（A1合金），使A1粒子（或者另外之Si粒子、Ta粒 子、Cu粒子或者Nd粒子）飛散，以使附著在矽基板（實 際上’爲Si〇2膜上），而在矽基板上蒸鍍A1合金膜的方 法。 在使本發明的可動電路用導電體含有N及/或者〇 時’在蒸鍍之際，係在導入於Ar混合N2及/或者〇2之氣 體的狀態下’進行濺鍍。藉此，存在於真空成膜室中的N 離子及/或者Ο離子被取入導電膜中。混合在Ar的N2及 〇2濃度愈高，則被取入導電膜中的N及Ο濃度也愈高。 爲了將這些元素的導電體中的含有量控制在所較好是的範 圍，例如將混合氣體中的N及0的濃度控制在600〜 20000ppm之程度即可。 熱處理由於有使結晶粒粗大化之虞，所以沒有實施的 必要。但是，在振動式旋轉儀的製造工程中，例如，需要 接合以上述方法而製作配線圖案的矽基板和台座玻璃，通 常此接合係使用陽極接合技術。在陽極接合中，矽基板及 台座玻璃係在加熱爲420 °C程度之狀態下，加上600V之直 流電壓共30分鐘之程度。因此，導電體成爲被施以一種熱 處理之狀態，但是即使在被加上此種熱之後’也可以獲得 所較好是的結晶粒尺寸。 如此製作的導電體如被當成振動式旋轉儀的配線圖案 使用時，如後述的實施例所示般’可以降低振動式旋轉儀 的浸泡漂移。本發明的振動式旋轉儀例如可如下述般予以 製作。 -14- (11) 1270894 即本發明的振動式旋轉儀係在矽晶圓的表面形成 7500A程度厚度的Si〇2膜後，依循上述方法，在Si〇2膜 上形成A1-Si合金等的導電膜，之後，利用微影法和化學 蝕刻，形成特定的配線圖案，進而藉由ICP蝕刻以蝕刻砂 晶圓而製作。 (實施例） 在矽晶圓的表面形成7500人程度厚度的Si02膜後，藉 由直流磁控濺鍍法在Si02膜上形成具有表1所示的化學組 成的A1合金的導電膜。 關於本發明例1〜8，以及比較例4〜6以及8，係使導 入真空成膜室的混合氣體中的N2以及02濃度改變，以調 整導電膜中的N以及Ο濃度。關於本發明例9〜11以及比 較例1〜3、7以及9，係導入通常的Ar氣體予以成膜。利 用微影法和化學蝕刻，在形成具有各種化學組成的導電膜 之矽基板形成特定的配線圖案，進而藉由ICP蝕刻以蝕刻 矽晶圓，製作環型振動子，以相同條件將其接合，進行銲 晶以製作振動式旋轉儀。振動式旋轉儀係每一種條件各製 作25個。 就這些振動式旋轉儀進行N及Ο的濃度、結晶粒的 尺寸、浸泡漂移的測量。 N及Ο的濃度測量係利用上述的SIMS進行。浸泡漂 移係將振動式旋轉儀放入5(TC的恆溫槽中，測量靜止狀態 下的角速度輸出的起始値和4小時厚的値，將其差以4除而 -15- (12) 1270894 求得。另外，結晶粒尺寸係以下述步驟，視爲「結晶粒的 平均剖面積」而求得。 (1 )獲得各配線圖案的EBSP影響。 (2 )任意選擇1邊長爲4.5 // m的正四方形的視野， 計算完全含在該視野內的結晶數、與此四方形交叉的 結晶數n2。 (3 )計算視野內的結晶數的總計ητ( = η1 + η2/2)。

(4 )改變此作業，總共進行10次。 (5 )求得結晶粒的各視野的平均剖面積Si( = a2/nT)， 進而求得全視野的平均剖面積S A V E [ = (Σ Si)/i]。 將這些結果表示在表1。 -16- (13)1270894

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17- (14) 1270894 如表1所示般，本發明例1〜1 2，任何一例都是結晶粒 的平均剖面積在1 // m2以下，漂移在0.012〜 (K048(deg/sec)/hr。特別是在平均剖面積爲0.5//m2以下的 本發明例3 、5〜7及11中，漂移成爲更好的 0.03(deg/sec)/hr 。 另一方面，比較例1〜9任一例都是結晶粒的平均剖面 積爲超過1/im2，漂移成爲高至0.069〜0.124(deg/sec)/hr 產業上的利用可能性 本發明的可動電路用導電體可以提高電路本身的變形 的自由度，所以係一種最適合於配設在以電路動作中電路 本身的形狀會變化爲前提之可動體的電路的導電體。特別 是如將此導電體當成振動式旋轉儀的配線圖案使用時，可 以使浸泡漂移變小，能夠提供高性能的振動式旋轉儀。 【圖式簡單說明】 第1圖係顯示環型振動式旋轉儀的矽基板圖。 第2圖係顯示設計在環上的配線圖案。 第3圖係顯示振動式旋轉儀的配線用導電膜的金屬組 織圖，（a )係顯示漂移小的樣本的配線用導電膜的組織 圖，（b )顯示漂移大的樣本的配線用導電膜的組織圖。 第4圖係顯示結晶粒的平均剖面積和漂移的關係圖。 第5圖係攝影以A1爲主體的導電體之上面的後方散射 18- (15) 1270894 電子繞射影像（EBSP ) ， （ a )係顯示含 Si: 1.0%及 N + 0:499ppm 的導電體，(b ) 係顯示含 Si:1.0%及 N + 0:4817ppm的導電體，（c )係顯示含N d : 2 · 0 %的導電 體。

第6圖係利用透過型電子顯微鏡（TEM)以攝影以A1 爲主體的導電體之厚度方向的剖面的組織照片，（a )係 顯示含Si:1.0%及N + 0:499ppm的導電體，（b)係顯示含 Si:1.0%及 N + 0:4817ppm 的導電體，（c )係顯示含 Nd:2.0%的導電體。 [圖號說明] 1 :砂基板， 1-1 :環， 1 - 2 ·懸臂’ 2 :砂晶圓，

3 :絕緣膜， 4 :配線圖案 -19-

Claims (1)

1270894 ———一― 年月日径(更)正本 (1) 拾、申請專利範圍 第92 1 1 7722號專利申請案 中文申請專利範圍修正本 民國95年9月19日修正 1. 一種可動電路用導電體，是針對以A1爲主體的可 動電路用導電體，其特徵爲： 結晶粒的平均剖面積在1 // m2以下。 2. 如申請專利範圍第1項記載的可動電路用導電體， 其中，N及 0(氧）的合計含有量爲原子濃度550〜 20000ρρπι ° 3 .如申請專利範圍第1或者第2項中任一項所記載的可 動電路用導電體，其中，含有原子濃度爲Si: 5.0%以下 、Ta : 5.0%以下及Cu : 5.0%以下之一種以上。 4.如申請專利範圍第1或第2項所記載的可動電路用導 電體，其中’含有Nd’其原子濃度爲〇·5〜5.0%。 5 .如申請專利範圍第3項所記載的可動電路用導電體 ，其中，含有Nd，其原子濃度爲〇·5〜5.0 %。 6 . —種振動式旋轉儀，其特徵爲： 將申請專利範圍第1項至第5項中任一項所記載的可動 電路用導電體用於配線圖案。 1270894 柒、（一）、本案指定代表圖為：第3圖 (二）、本代表圖之元件代表符號簡單說明： Μ j ^ \\ 捌、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學 式：