(57)【要約】【課題】感度特性に優れ、生産性の向上を図ることができる角速度センサ及びその製造方法を提供する。【解決手段】本発明に係る角速度センサの製造方法は、振動子部１０２の厚みに相当する厚みの基板１１１と、基板１１１よりも厚い基板１１２とをそれぞれ準備することを含む。基板１１２の上には絶縁膜１１２ａが形成される。絶縁膜１１２ａには基板１１２の表面を露出させる開口９０が形成される。基板１１１と基板１１２は絶縁膜１１２ａを挟んで貼り合わされる。基板１１１の上には圧電機能層７が形成される。開口９０の形成位置に対応する基板１１１上の領域内には振動子部１０２が形成される。基板１１１及び基板１１２を切断することで基部１０３の外形が形成される。【選択図】図１１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の主面と第２の主面とを有し、振動子部と前記振動子部を支持する基部とを含む第１の層と、
前記第１の層の前記第１の主面に形成された圧電膜と、
前記第１の層の前記第２の主面側で前記基部と一体的に接合された第２の層と
を具備する角速度センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の角速度センサであって、
前記第２の層は、第１の層よりも厚みが大きい
角速度センサ。
【請求項３】
請求項２に記載の角速度センサであって、
前記第１の層は、前記振動子部の厚みと同等の厚みを有する
角速度センサ。
【請求項４】
請求項３に記載の角速度センサであって、
前記第１の層と前記第２の層はそれぞれシリコン基板からなり、
前記角速度センサは、前記第１の層と前記第２の層の間に、シリコン酸化膜からなる接合層をさらに具備する
角速度センサ。
【請求項５】
請求項４に記載の角速度センサであって、
前記基部の前記第１の主面側に形成され、外部回路に接続される複数の端子部をさらに具備し、
前記第２の層は、前記第２の主面上の、前記端子部の形成位置を含む領域にわたって接合されている
角速度センサ。
【請求項６】
請求項５に記載の角速度センサであって、
前記振動子部は、互いに平行に延びる３本のアーム部を有する
角速度センサ。
【請求項７】
請求項５に記載の角速度センサであって、
前記第２の層は、前記振動子部を遮蔽する遮蔽部を有し、
前記遮蔽部は、前記振動子部と対向する側の面に、前記振動子部の振動空間を形成する凹所を有する
角速度センサ。
【請求項８】
第１の基板上に絶縁膜を形成し、
前記絶縁膜に前記第１の基板を露出させる開口を形成し、
前記絶縁膜を挟んで前記第１の基板上に第２の基板を貼り合わせ、
前記第１の基板及び前記第２の基板の何れか一方の基板の主面に圧電膜を形成し、
前記開口の形成位置に対応する前記主面上の領域内に振動子部を形成し、
前記第１の基板及び前記第２の基板を切断することで前記振動子部を支持する基部の外形を形成する
角速度センサの製造方法。
【請求項９】
請求項８に記載の角速度センサの製造方法であって、
前記第２の基板は、前記第１の基板よりも厚みが小さく、
前記主面は、前記第２の基板の主面である
角速度センサの製造方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の角速度センサの製造方法であって、
前記絶縁膜を形成することは、シリコン基板である前記第１の基板を酸素雰囲気下で加熱処理することで前記第１の基板上にシリコン酸化膜を形成することを含む
角速度センサの製造方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の角速度センサの製造方法であって、
前記振動子部を形成することは、ドライエッチングプロセスを用いて、前記第２の基板に前記振動子部の外形に対応したエッチング溝を形成することを含む
角速度センサの製造方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載角速度センサの製造方法であって、
前記開口を介して前記振動子部を外部へ露出させる貫通孔を前記第１の基板に形成することをさらに有する
角速度センサの製造方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の角速度センサの製造方法であって、
前記貫通孔を形成することは、ドライエッチングプロセスを用いて、前記第１の基板に前記開口の外形に対応したエッチング溝を形成することを含む
角速度センサの製造方法。
【請求項１４】
請求項９に記載の角速度センサの製造方法であって、
前記開口を形成した後、前記開口から露出する前記第１の基板の表面に凹所を形成することをさらに有する
角速度センサの製造方法。
【請求項１５】
請求項９に記載の角速度センサの製造方法であって、
前記圧電膜を形成する前に、前記主面を所定量研磨することをさらに有する
角速度センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、ビデオカメラの手振れ検知や、バーチャルリアリティ装置における動作検知、カーナビゲーションシステムにおける方向検知などに用いられる角速度センサ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、民生用の角速度センサとしては、片持ちや両持ちの振動音片型振動子、音叉型振動子などを所定の共振周波数で振動させておき、角速度の影響によって生じるコリオリ力を圧電素子などで検出することによって角速度を検出する、いわゆる振動型のジャイロセンサ（以下、角速度センサと呼ぶ。）が、広く使用されている。
【０００３】
角速度センサは、単純な機構、短い起動時間、安価で製造可能といった利点を有しており、例えば、ビデオカメラ、バーチャルリアリティ装置、カーナビゲーションシステムなどの電子機器に搭載され、それぞれ手振れ検知、動作検知、方向検知などをする際のセンサとして活用されている。
【０００４】
角速度センサは、搭載される電子機器の小型化、高性能化に伴い、小型化、高性能化が要求されている。例えば、電子機器の多機能化のため、他の用途で用いる各種センサと組み合わせて、角速度センサを一基板上に搭載させ、小型化を図るといった要請がある。
【０００５】
従来は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の圧電材を機械加工により薄片状に加工し、バネ等で保持し、電気信号を加えて振動させる構成のジャイロセンサが一般的であったが、小型化が困難であった。
【０００６】
そこで、例えばＳｉ（シリコン）の単結晶基板を用い、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）などの圧電材をスパッタやゾルゲル等で基板上に薄膜として形成し、更に基板の所定部分に対するエッチングを行い、断面が方形状の四角柱の振動子を一枚の基板から同時に多数個形成する技術が開発されてきている。（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−４３０５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
Ｓｉ基板に圧電材の薄膜が形成された角速度センサにおいては、振動子の縦の共振と横の共振のそれぞれの周波数の差がジャイロセンサとしての感度に大きく影響する。このため、振動アームの厚みと振動アームの幅を厳密に制御し、上記周波数の差を１００〜４００Ｈｚ程度に制御する必要がある。
【０００９】
従来は、ウエハ（Ｓｉ基板）の露出面の結晶方位に依存して発生するエッチングレートの差を利用して、ウェットエッチングにより略四角錐台状の陥没部を形成し、この陥没部の底面の平坦部における厚みをジャイロの振動アームの厚みとしていた（上記特許文献１参照）。
【００１０】
しかしながら、ウェットエッチング法は、エッチング温度などエッチングレートをばらつかせる因子の存在が数多く存在するため、加工精度に問題が残る。例えば、基板を大型化した場合、ウエハ面内の厚みばらつきが顕著となり、ウエハの面内位置に応じて素子の感度分布が発生して、歩留まりの低下を招く場合がある。
【００１１】
さらに、ウェットエッチングは、長時間アルカリ溶液に浸す必要がある。このため、圧電層などの機能性膜の形成プロセス後に上記エッチング処理を行うと、上記機能性膜に悪影響を及ぼすおそれがある。また、機能性膜の形成プロセス前に上記エッチング処理を行うと、ウエハの機械的強度が低下しているため、プロセス中にウエハの割れが発生するおそれがある。
【００１２】
一方、振動アームの厚み寸法で加工された薄い厚みのウエハを用いて角速度センサを形成する方法も考えられる。しかしながら、振動アームの厚みが例えば１００μｍである場合、ウエハに必要な強度が大幅に不足する。このため、ウエハのハンドリング性が損なわれたり、ハンドリング中にウエハの割れが生じたりするおそれがある。
【００１３】
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、感度特性に優れ、生産性の向上を図ることができる角速度センサ及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に係る角速度センサの一形態においては、第１の層と、圧電膜と、第２の層とを具備する。
上記第１の層は、第１の主面と第２の主面とを有し、振動子部と前記振動子部を支持する基部とを含む。上記圧電膜は、上記第１の層の上記第１の主面に形成されている。上記第２の層は、上記第１の層の上記第２の主面側で上記基部と一体的に接合される。
【００１５】
上記角速度センサによれば、第２の層は、第１の層を支持する支持層として機能する。したがって、第１の層を比較的薄い厚みの基板、例えば振動子部の厚みと同等の厚みの基板で構成できる。この場合、振動子部の厚み寸法が基板の面内位置に依存しない、感度特性に優れた角速度センサを提供することが可能となる。
【００１６】
上記角速度センサは、例えば、基準電位に接続された第１の電極と、駆動信号が入力される第２の電極と、これら第１、第２の電極の間に配置された圧電膜と、コリオリ力検出用の第３の電極とを有する構成とすることができる。
【００１７】
上記第２の層は、上記第１の層よりも厚みを大きくすることができる。これにより、第１の層の支持層としての機能を高めることができる。
【００１８】
上記第１の層と上記第２の層はそれぞれシリコン基板で構成することができる。また、上記第１の層と上記第２の層の間の接合層は、シリコン酸化膜で構成することができる。これにより、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）と呼ばれる基板接合技術を用いて感度特性に優れた角速度センサを生産性高く製造することが可能となる。
【００１９】
上記角速度センサは、上記基部の上記第１の主面側に形成され、外部回路に接続される複数の端子部をさらに具備していてもよい。この場合、上記第２の層は、上記第２の主面上の、上記端子部の形成位置を含む領域にわたって接合されることができる。
これにより、例えば当該角速度センサを上記外部回路に対してフリップチップ実装するに際して、第２の層による補強機能によってマウント時の基部の破損を防止することが可能となる。
【００２０】
上記振動子部は、互いに平行に延びる３本のアーム部を有する構成とすることができる。勿論、アーム部の本数はこれに限らず、１本（片持ち又は両持ち梁型）でもよいし２本（音叉型）でもよい。振動子部を３本のアーム部で構成した場合、上記圧電膜は、各アーム部について同様に形成することができる。また、３本のアーム部のうち、例えば中央のアーム部に圧電駆動用の電極を形成し、外側の２本のアーム部に角速度検出用の電極を形成するなど、適宜の配置変更が可能である。
【００２１】
上記第２の層は、上記振動子部を被覆する遮蔽部を有していてもよい。上記遮蔽部は、上記振動子部と対向する側の面に、上記振動子部の振動空間を形成する凹所を有する構成とすることができる。
これにより、振動子部の振動空間を確保しながら、第２の層による振動子部の保護効果を得ることが可能となる。
【００２２】
本発明に係る角速度センサの製造方法の一形態においては、第１の基板上に絶縁膜を形成することを含む。上記絶縁膜には、上記第１の基板を露出させる開口が形成される。上記絶縁膜を挟んで上記第１の基板上に第２の基板が貼り合わされる。上記第１の基板及び上記第２の基板の何れか一方の基板の主面には、圧電膜が形成される。上記開口の形成位置に対応する上記主面上の領域内には、振動子部が形成される。上記第１の基板及び上記第２の基板を切断することで、上記振動子部を支持する基部の外形が形成される。
【００２３】
上記角速度センサの製造方法においては、第１の基板と第２の基板とを貼り合わせた基板を用いて角速度センサを製造するようにしている。これにより、ハンドリングに必要な基板厚みを容易に確保することが可能となる。また、振動子部及び基部が形成される側の基板の厚みを薄くしても、他方の基板が支持層として機能するため、基板に割れを生じさせることもない。これにより、生産性の向上を図ることができる。さらに、振動子部の振動空間を上記絶縁膜の開口内に確保することができる。このため、振動子を直接エッチング液に曝すことなく上記振動空間を形成することができるとともに、エッチング液の使用によって圧電膜が被る悪影響を回避することができる。
【００２４】
上記角速度センサの製造方法においては、上記第２の基板を上記第１の基板よりも厚みを小さくし、上記主面を上記第２の基板の主面とすることができる。
例えば、第２の基板として、製造後の振動子部の厚みと同等厚の基板を用いることができる。この場合、振動子部の厚み寸法が基板の面内位置に依存しない、感度特性に優れた角速度センサを提供することが可能となる。
【００２５】
なお、第２の基板を製造後の振動子部の厚みとする他の方法としては、第１の基板への貼り合わせ後、圧電膜の形成前に、上記主面である第２の基板の表面を研磨して当該第２の基板を所定厚に加工することも可能である。
【００２６】
上記絶縁膜の形成工程では、シリコン基板である上記第１の基板を酸素雰囲気下で加熱処理することで、上記第１の基板上にシリコン酸化膜を形成するようにしてもよい。
これにより、第１の基板上に結晶性等の膜質に優れた絶縁膜（シリコン酸化膜）を形成することができる。
【００２７】
上記振動子部の形成工程では、ドライエッチングプロセスを用いて、上記第２の基板に上記振動子部の外形に対応したエッチング溝を形成するようにしてもよい。
これにより、振動子部の高精度な外形加工を実現することができ、厚み寸法だけでなく幅寸法にも優れた振動子部を形成することが可能となる。
【００２８】
上記角速度センサの製造方法は、上記開口を介して上記振動子部を外部へ露出させる貫通孔を上記第２の基板にさらに形成してもよい。
これにより、振動子部の厚み空間を確実に確保することが可能となる。
【００２９】
上記貫通孔の形成工程では、ドライエッチングプロセスを用いて、上記第２の基板に上記開口の外形に対応したエッチング溝を形成するようにしてもよい。
これにより、貫通孔の形成領域を全てエッチング除去する場合と比較して、効率よく貫通孔を形成することが可能となる。
【００３０】
上記角速度センサの製造方法は、上記開口を形成した後、上記開口から露出する上記第２の基板の表面に凹所をさらに形成するようにしてもよい。
これにより、振動子部の厚み空間を確実に確保することができる。
【発明の効果】
【００３１】
以上のように、本発明によれば、感度特性に優れた角速度センサを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００３３】
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態による角速度センサ１の実装面側の平面図、図２は角速度センサ１の正面図、図３（Ａ）は角速度センサ１の側面図、図３（Ｂ）は角速度センサ１の背面図である。図１及び図２において、Ｘ軸方向は角速度センサ１の幅方向を示し、Ｙ軸方向は角速度センサ１の長手方向を示している。また、Ｚ軸方向は角速度センサ１の厚み方向を示している。
【００３４】
図３に示すように、角速度センサ１は、ベース層１１（第１の層）と支持層１２（第２の層）との積層構造を有している。後述するように、ベース層１１は、振動子部２を含む活性層として構成されており、支持層１２は、ベース層１１の補強層として構成されている。
【００３５】
図１に示すようにベース層１１は、振動子部２と、振動子部２を支持する基部３とを有する。振動子部２と基部３との間には、くびれ部８が形成されている。くびれ部８は、振動子部２の励振時に振動が基部３へ伝播するのを抑える機能を有している。
【００３６】
振動子部２は、図１において左側から順に、第１のアーム部２１、第２のアーム部２２及び第３のアーム部２３と、これらのアーム部２１〜２３を連結する連結部２０とを有している。アーム部２１〜２３は、互いに等間隔にＹ軸方向に平行に延びる直方体形状にそれぞれ形成されている。
【００３７】
振動子部２及び基部３を有するベース層１１は非圧電基板からなり、本実施の形態では、シリコン単結晶基板で構成されている。ベース層１１の厚みは、振動子部２の厚さと同一とされ、その大きさは例えば１００μｍである。ベース層１１の厚みは、上記の例に限らず、例えば、５０μｍ以上２００μｍ以下とすることができる。角速度センサ１を後述するような幅寸法及び長さ寸法で形成する場合、ベース層１１の厚みは９０μｍ以上１１０μｍ以下とすることができる。
【００３８】
振動子部２の一方の表面（第１の表面）には、下部電極４、圧電膜５及び上部電極６の多層膜でなる圧電機能層７が形成されている。圧電機能層７は、第１〜第３のアーム部２１〜２３のそれぞれの表面に形成されている。
【００３９】
具体的に、第１のアーム部２１には、下部電極４と、圧電膜５１と、上部電極６１及び６４ａとでなる圧電機能層が形成されている。上部電極６１は第１のアーム部２１を励振する駆動電極として機能し、上部電極６４ａは第１のアーム部に発生する歪を検出する検出電極として機能する。なお、以下の説明では、「上部電極６１」を「駆動電極６１」ともいい、「上部電極６４ａ」を「検出電極６４ａ」ともいう。
【００４０】
第２のアーム部２２には、下部電極４と、圧電膜５２と、上部電極６２、６４ｂ及び６４ｃとでなる圧電機能層が形成されている。上部電極６２は第２のアーム部２２を励振する駆動電極として機能し、上部電極６４ｂ及び６４ｃは第２のアーム部２２に発生する歪を検出する検出電極として機能する。なお、以下の説明では、「上部電極６２」を「駆動電極６２」ともいい、「上部電極６４ｂ」及び「上部電極６４ｃ」をそれぞれ「検出電極６４ｂ」及び「検出電極６４ｃ」ともいう。
【００４１】
そして、第３のアーム部２３には、下部電極４と、圧電膜５３と、上部電極６３及び６４ｄとでなる圧電機能層が形成されている。上部電極６３は第３のアーム部２３を励振する駆動電極として機能し、上部電極６４ｄは第３のアーム部２３に発生する歪を検出する検出電極として機能する。なお、以下の説明では、「上部電極６３」を「駆動電極６３」ともいい、「上部電極６４ｄ」を「検出電極６４ｄ」ともいう。
【００４２】
下部電極４は、第１のアーム部２１、第２のアーム部２２及び第３のアーム部２３に対して共通に形成された共通電極として機能する。なお、以下の説明では、「下部電極４」を「共通電極４」ともいう。共通電極４は所定の基準電位（グランド電位または直流オフセット電位）に接続されている。駆動電極６１〜６３は、図示しない制御部における駆動信号発生回路に接続されており、中央の第２アーム部２２と外側の２本のアーム部２１、２３との間において互いに逆位相の駆動信号が入力される。検出電極６４ａ〜６４ｄは、上記駆動信号発生回路（自励発振回路）及び角速度検出回路に接続される。
【００４３】
圧電膜５１〜５３は、例えば、鉛とチタン、ジルコニウムの酸化物の混合物であるＰＺＴなどを用いることができる。共通電極４及び上部電極（駆動電極６１〜６３、検出電極６４ａ〜６４ｄ）は、例えば、チタンと白金の積層膜で構成することができる。
【００４４】
ＰＺＴの組成は、Ｐｂ１＋Ｘ（ＺｒＹＴｉ１−Ｙ）Ｏ３＋Ｘで表すことができる。具体的なＰＺＴの組成は、例えば、Ｘを０以上０．３以下、Ｙを０以上０．５５以下とすることができる。この場合のＰＺＴの膜厚は、例えば、４００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下とすることができる。
【００４５】
３本のアーム部２１〜２３は、縦方向の共振周波数がそれぞれほぼ同じ共振周波数をもつように設定され、横方向の共振周波数もそれぞれほぼ同じように設定されるが、これに限られない。
【００４６】
また、本実施の形態では、中央側の第２のアーム部２２の中央部に駆動電極６２とその両側に一対の検出電極６４ｂ、６４ｃを形成し、外側の第１、第３のアーム部２１、２３には中央部に駆動電極６１、６３を、その一側方に検出電極６４ａ、６４ｄをそれぞれ形成した。これに代えて、検出電極を外側のアーム部にのみ形成したり、中央側のアーム部にのみ形成したりしてもよい。駆動電極についても同様に、３本のアーム部にそれぞれ形成する例に限られず、外側のアーム部にのみ、あるいは、中央側のアーム部にのみ形成するようにしてもよい。
【００４７】
圧電機能層７の形成面と同一側である基部３の表面には、振動子部２を構成する各アーム部２１〜２３上の圧電機能層７と電気的に接続されるパッド部９ａ〜９ｈと、それらの配線部１３（１３ａ〜１３ｈ）がそれぞれ形成されている。パッド部９ａ〜９ｈは、図示しない配線基板（外部回路）に電気的に接続される端子部を構成している。
【００４８】
ここで、パッド部９ａは、配線部１３ａを介して第１のアーム部２１の駆動電極６１に接続され、パッド部９ｂは、配線部１３ｂを介して第１のアーム部２１の検出電極６４ａに接続されている。パッド部９ｃは、配線部１３ｃを介して共通電極４に接続され、パッド部９ｄは、配線部１３ｄを介して第２のアーム部２２の検出電極６４ｂに接続されている。パッド部９ｅは、配線部１３ｅを介して第２のアーム部２２の駆動電極６２に接続され、パッド部９ｆは、配線部１３ｆを介して第２のアーム部２２の検出電極６４ｃに接続されている。そして、パッド部９ｇは、配線部１３ｇを介して第３のアーム部２３の検出電極６４ｄに接続され、パッド部９ｈは、配線部１３ｈを介して第３のアーム部２３の駆動電極６３に接続されている。
【００４９】
各パッド部９ａ〜９ｈには、バンプ１０がそれぞれ形成されている。本実施の形態では、角速度センサ１は図示しない配線基板上へフリップチップ方式で実装される。バンプ１０は、角速度センサ１と上記配線基板との間を電気的、機械的に接続する機能を果たす。バンプ１０はＡｕバンプやはんだバンプなどで構成することができる。また、バンプ１０は角速度センサ１側に形成される例に限られず、上記配線基板側に形成されていてもよい。
【００５０】
支持層１２は、図３に示すように、ベース層１１の基部１１に一体的に接合されている。支持層１２は、バンプ１０が形成されている基部１１の実装面とは反対側の表面（第２の表面）に接合されている。支持層１２は、ベース層１１と同様に、シリコン単結晶基板で構成されている。ベース層１１と支持層１２の間には接合層１３が形成されており、この接合層１３はシリコン酸化膜で構成されている。
【００５１】
支持層１２は、ベース層１１よりも厚みが大きく形成されている。具体的には、角速度センサ１を製造する上で薄い厚みのベース層１１に所定の機械的強度を付与できるのに十分な厚さで支持層１２が形成されている。例えば、ベース層１１の厚みが１００μｍである場合、支持層１２の厚み（Ｚ方向寸法）は３００μｍとすることができる。支持層１２の厚みは、上記の例に限らず、例えば、２００μｍ以上４００μｍ以下とすることができ、素子（角速度センサ）の形状や大きさ等に応じて、適宜設定可能である。
【００５２】
支持層１２の幅（Ｘ方向寸法）、長さ（Ｙ方向寸法）は適宜変更することが可能である。本実施の形態では、支持層１２の幅及び長さは、基部３の幅及び長さと同一の大きさに設定されており、ベース層１１の第２の表面側における基部３の形成領域全体が支持層１２によって覆われている。
【００５３】
支持層１２が上述のように構成されることによって、基部３上のパッド部９ａ〜９ｈの形成位置を含む領域にわたって、基部３の第２の主面側に支持層１２が接合されることになる。この場合、支持層１２による基部３の補強機能が得られるため、実装治具（マウンタ）を用いて角速度センサ１を外部回路（配線基板）へ実装するに際して、上記外部回路に対する角速度センサの押し付け力から基部３の破損を防止することが可能となる。
【００５４】
角速度センサ１の各部の大きさは、おおよそ以下のとおりである。各アーム部２１〜２３の厚みは１００μｍ、基部３と支持層１２のトータル厚みは４００μｍ、素子長さ（全長）は３ｍｍ、素子幅は０．５ｍｍ、各アーム部２１〜２３の長さは１．８〜１．９ｍｍ、各アーム部２１〜２３の幅は１００μｍである。
【００５５】
次に、以上のように構成される角速度センサ１の典型的な動作例を説明する。
【００５６】
駆動電極６１〜６３に駆動信号が入力されると、第１〜第３のアーム部２１〜２３は図２においてＺ軸方向に振動する。上述のように、中央のアーム部２２と外側の２本のアーム部２１、２３には互いに逆位相の駆動信号が入力されるため、中央のアーム部２２と外側の２本のアーム部２１、２３は図２に示すように逆位相で振動する。このとき、第２のアーム部２２の振幅が第１、第３のアーム部２１、２３の振幅の２倍で振動することで、不要な振動が縮退し安定な振動モードが得られる。
【００５７】
図２に示すように、振動子部２の軸方向（Ｙ軸方向）の周りに角速度ωが加えられると、各アーム部２１〜２３にコリオリ力が作用し、圧電機能層７の形成面と平行な方向（Ｘ軸方向）に振動する成分が生成される。角速度センサ１は、この振動成分を検出電極６４ａ〜６４ｄにより検出し角速度信号として図示しない制御部に出力する。上記制御部は、入力された角速度信号に基づいて角速度を算出する。
【００５８】
本実施の形態の角速度センサ１においては、支持層１２は、ベース層１１を支持する機能を有している。したがって、ベース層１１を比較的薄い厚みの基板、例えば振動子部２の厚みと同等の厚みの基板で構成することができる。これにより、振動子部２の厚み寸法が基板の面内位置に依存しない、感度特性に優れた角速度センサを提供することが可能となる。
【００５９】
また、本実施の形態の角速度センサ１によれば、支持層１２によってベース層１１の機械的強度を高めることができる。これにより、例えば、角速度センサ１の実装工程や実使用時におけるベース層１１の破損を防止して、信頼性の高い角速度検出を確保することが可能となる。
【００６０】
以下、本実施の形態の角速度センサ１の製造方法について図４〜図１４を参照して具体的に説明する。ここで、図４〜図１４において（Ａ）は基板の斜視図、（Ｂ）はその断面図である。
【００６１】
まず、図４に示すように、支持層１２を構成する基板１１２（第１の基板又は第２の基板）を準備する。基板１１２としては、例えば、厚さ３００μｍのシリコン単結晶基板が用いられる。
【００６２】
次に、図５に示すように、酸素雰囲気中で加熱処理することで、基板１１２の表面に熱酸化膜１１２ａ、１１２ｂを全面に形成する。これにより、基板１１２の表面に絶縁膜を容易に形成することができる。なお、図においては基板１１２の表面側及び裏面側に熱酸化膜が形成された状態を示しているが、実際は基板の側面にも同様な熱酸化膜が形成される。
【００６３】
熱酸化膜１１２ａ、１１２ｂ（絶縁膜）はシリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）である。熱酸化膜１１２ａ、１１２ｂの膜厚は、例えば、約１μｍとすることができるが、上記の例に限らず、０．１μｍ以上３μｍ以下とすることができる。なお、酸化膜の形成方法は、上述した熱酸化法に限られず、例えばＣＶＤ法などで形成した化学蒸着膜あるいはプラズマＴＥＯＳ膜で上記酸化膜を形成することも可能である。酸化膜を熱酸化法で形成することにより、結晶性等の膜質に優れた酸化膜を形成でき、後述する基板接合工程において安定した接合作用を得ることが可能となる。
【００６４】
続いて、図６に示すように、基板１１２の一方の表面に形成した熱酸化膜１１２ａに、基板１１２の表面の一部を露出させる開口９０を形成する。
【００６５】
開口９０の形成方法としては、公知のフォトリソグラフィ技術を用いることができる。具体的には、熱酸化膜１１２ａの表面にフォトレジスト膜を形成した後、開口９０の形状パターンを有するマスクを介して上記フォトレジスト膜を露光する。その後、フォトレジスト膜を現像して開口９０の形状パターンに対応したレジストパターンを形成する。そして、基板１１２をフッ化アンモニウムなどの適宜の薬液に浸してレジストパターンの開口部に位置する熱酸化膜１１２ａをエッチングして除去する。
【００６６】
なお、説明及び理解の容易のため、開口９０は基板１１２上に１つだけ図示されているが、一枚の基板から複数（例えば数十〜数百）のセンサを同時に作製する場合には、開口９０は基板１１２上に複数個形成される。
【００６７】
次に、図７に示すように、ベース層１１を構成する基板１１１（第２の基板又は第１の基板）を準備する。基板１１１としては、例えば、振動子部２と同じ厚さ１００μｍのシリコン単結晶基板が用いられる。基板１１１の大きさは、基板１１２とほぼ同一の大きさに形成されている。
【００６８】
そして、図８に示すように、熱酸化膜１１２ａを挟んで基板１１１及び基板１１２を相互に貼り合わせる。また、基板１１１と基板１１２は一体接合されることで、以降の工程では、一枚の基板（ＳＯＩ基板１１０）としてハンドリングできるようになる。ここで、熱酸化膜１１２ａは、角速度センサ１におけるベース層１１と支持層１２の間を接合する接合層１３として機能する。
【００６９】
基板１１１、１１２の貼り合わせには、ＳＯＩ技術において一般的な基板接合技術を用いることができる。具体的には、加熱加圧技術を用いた原子拡散による固相接合を用いることができる。また、基板１１１、１１２の間に電圧を印加して接合する陽極接合法を用いることができる。さらに、接着剤を用いた接着接合も適用可能である。
【００７０】
続いて、図９に示すように、酸素雰囲気中で加熱処理することで、基板１１１の表面に熱酸化膜１１１ａを全面に形成する。熱酸化膜１１１ａが形成される基板１１１の表面は、後に圧電機能層７が形成されるＳＯＩ基板１１０の主面（側周面以外の面）に対応する。なお、図においては基板１１１の表面側に熱酸化膜が形成された状態を示しているが、実際は基板の側面にも同様な熱酸化膜が形成される。
【００７１】
熱酸化膜１１１ａ（絶縁膜）はシリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）である。熱酸化膜１１１ａの膜厚は特に限定されず、例えば、約１μｍとすることができるが、上記の例に限らず、０．１μｍ以上３μｍ以下とすることができる。なお、酸化膜の形成方法は、上述した熱酸化法に限らず、例えばＣＶＤ法などで形成した化学蒸着膜あるいはプラズマＴＥＯＳ膜で上記酸化膜を形成することも可能である。酸化膜を熱酸化法で形成することにより、結晶性等の膜質に優れた酸化膜を形成できる。
【００７２】
次に、図１０に示すように、基板１１１の上に、熱酸化膜１１１ａを介して、上述した圧電機能層７、パッド９ａ〜９ｈ、バンプ１０、配線部１３ａ〜１３ｈ等を形成する。
【００７３】
このとき、基板１１２上の開口９０の形成位置に対応する基板１１１上の領域内に角速度センサの振動子部２、くびれ部８が配置されるように、また、熱酸化膜１１２ａの形成位置に対応する基板１１１上の領域内に角速度センサの基部２が配置されるように素子形成領域を設定する。なお、図において参照符号１０１は、個片化する前のウエハ状態における角速度センサを示し、１０２は当該角速度センサ１０１の振動子部、１０３は当該角速度センサ１０１の基部をそれぞれ示している。
【００７４】
圧電機能層７の形成方法としては、熱酸化膜１１１ａ上に共通電極４を構成する電極膜、圧電膜５、上部電極６を構成する電極膜をスパッタリング法などの薄膜形成方法を用いて適宜形成する。また、フォトリソグラフィ技術を用いて振動子部の各アーム部２１〜２３に対応する形状のパターン形成を行い、適宜エッチングを繰り返す。以上のようにして、図１に示した圧電機能層７を形成することができる。
【００７５】
続いて、図１１に示すように、開口９０の形成位置に対応する基板１１１上の領域をドライエッチングして、基板１１１を厚さ方向に貫通する、振動子部２の外形形状に対応したエッチング溝９１を形成する。これにより、開口９０の直上に、振動子部１０２が形成される。
【００７６】
エッチング溝９１の形成方法としては、例えば、Deep RIE (Reactive Ion Etching)のようなシリコンの深堀加工技術を用いることができる。これは、エッチングプロセスと成膜プロセスを交互に繰り返し実施することで、エッチングパターンの側壁部に保護膜を形成しながらエッチングを進行させる加工技術である。これにより、基板の厚さ方向にエッチングを進行させる異方性エッチングを実現することができる。ここでは、エッチングガスとしてＳＦ６を、成膜ガスとしてＣ４Ｆ８をそれぞれ用いることができる。なお、エッチング溝９１の形成時、振動子部１０２や基部１０３の形成領域はレジスト等の保護膜で被覆される。
【００７７】
次に、図１２及び図１３に示すように、開口９０を介して振動子部１０２を露出させる貫通孔９３を基板１１２に形成する。
【００７８】
図１１に示した工程の終了によって振動子部１０２は独立した形態で形成されるため、上記貫通孔９３を形成せずとも振動子部１０２は基部１０３に対して振動することが可能となる。しかし、振動子部１０２の許容振幅は熱酸化膜１０２ａの厚み寸法に制限されるため、熱酸化膜１０２ａの膜厚によっては振動子部１０２の自由振動を確保できない場合がある。そこで、本実施の形態では以下に詳述するように振動子部１０２の下部領域に十分な空間を形成するため、上記貫通孔９３を形成するようにした。なお、熱酸化膜１０２ａの膜厚が十分である場合は、以下の工程は省略することができる。
【００７９】
貫通孔９３の形成工程では、図１２に示すように、ドライエッチングプロセスを用いて、基板１１２に開口９０の外形に対応したエッチング溝９２が環状に形成される。これにより、図１３に示すように、エッチング溝９２の内方側に位置する基板１１２のブロック部１１２ｐは、基板１１２との本体部との連続性が失われて分離される。また、ブロック部１１２ｐの形成領域は開口９０の形成によって基板１１１と分離されている。
【００８０】
したがって、エッチング溝９２の形成により、貫通孔９３を容易に形成することが可能となる。また、貫通孔９３の形成領域を全てエッチング除去する場合と比較して、エッチング面積を低減することができるので、効率よく貫通孔９３を形成することが可能となる。さらに、エッチング面積が大きい場合、エッチングガスの供給が間に合わなくなったり、ガス成分をプラズマ化して基板にイオンを照射するためのバイアスエネルギーが分散されたりすることで、エッチング効率が低下するおそれがあるが、本実施の形態ではこのような懸念を解消することが可能となる。
【００８１】
貫通孔９３の形成後、図１４に示すように、ＳＯＩ基板１１０をダイシングにより切断して、個々の角速度センサ１に個片化する。ダイシングラインは、角速度センサ１の基部３の外形とする。振動子部２は、エッチング溝９１により外形が形成されているので、このダイシング工程によって、図１に示した角速度センサ１が製造される。
【００８２】
以上のように、本実施の形態においては、基板１１２は、基板１１１を支持する支持層として機能する。したがって、振動子部２の厚みと同等の厚みで構成された基板１１１のハンドリング性が高まるとともに、基板１１１の割れの発生を防止することが可能となる。
【００８３】
本実施の形態によれば、基板１１１に対するウェットエッチングプロセスを用いることなく、ドライプロセスのみで振動子部２の外形が形成されている。したがって、エッチング精度を高めることができるとともに、基板上の面内エッチングレートの均一性が高まることで、振動子部２の厚み寸法が基板の面内位置に依存しない、感度特性に優れた角速度センサ１を製造することが可能となる。また、振動子部の振動空間を上記絶縁膜の開口内に確保することができる。このため、振動子を直接エッチング液に曝すことなく上記振動空間を形成することができるとともに、エッチング液の使用によって圧電膜が被る悪影響を回避することができる。
【００８４】
本実施の形態によれば、出発材料（基板１１１）の厚みで振動子部２の厚みを決定することができるので、振動子部の厚みの調整に機械加工を行う必要がなくなる。なお、ＳＯＩ基板１１０の作製後、基板１１１の主面を所定量研磨することによって、基板１１１の厚みを振動子部２の厚みに調整することも可能である。この場合、基板１１２は基板１１１の支持層として機能するので、研磨工程における基板１１１のハンドリング性、加工性が高められる。
【００８５】
さらに、本実施の形態によれば、振動子部２を形成する基板１１１の面方位の選定に自由度が得られるため、振動子部の強度の向上を図れるようになる。
つまり、シリコン基板をウェットエッチングして振動子の振動空間を形成する従来の技術においては、エッチング特性がシリコン基板の面方位に大きく依存するため、振動子の形成面に大きな制限があった。一方、シリコン基板は、一般に、そのへき開（又はへき界）面（（１１０）、（１１１）面）に沿った破壊が生じやすいことが知られている。このため、振動子のくびれ部分など応力が集中する部位に上記へき開面が存在すると、当該部位の強度が低下し、僅かな衝撃によって角速度センサの破壊を招くおそれがある。
これに対して、本実施の形態では、振動子部２が形成される基板１１１と、振動子部２の振動空間が形成される基板１１２とがそれぞれ別々の基板で構成されているため、振動子部２が形成される基板１１１の面方位の選定に高い自由度が得られる。したがって、基板１１１の面方位を適宜の方位に配向させることによって、振動子部２の破壊強度を向上させ、角速度センサの耐久性を高めることが可能となる。具体的には、振動子部２のくびれ部８の外面がシリコン基板のへき開面と交差するように、基板１１１あるいは振動子部２の面方位を選定することができる。
【００８６】
（第２の実施の形態）
図１５（Ａ）は、本発明の第２の実施の形態による角速度センサ８１の側面図である。なお、図において上述の第１の実施の形態と対応する部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。また、図１５（Ｂ）は図１５（Ａ）におけるＰ部の拡大断面図である。
【００８７】
本実施の形態の角速度センサ８１は、振動子部２及び基部３を有するベース層１１（第１の層）と支持層１２（第２の層）の接合構造を有する点で、上述の第１の実施の形態と共通する。しかし、本実施の形態では、支持層１２が、基部３に接合される本体部１２１と、振動子部２を遮蔽する遮蔽部１２２とを有する点で、第１の実施の形態と相違する。
【００８８】
遮蔽部１２２は、本体部１２１の一端部から振動子部２と平行に延びた板状に形成されている。遮蔽部１２２は振動子部２と同一長さに形成されているが、勿論これに限られない。また、遮蔽部１２２は、振動子部２と対向する側の面に、振動子部２の振動空間Ｓを形成する凹所１２２ａが形成されている。これにより、振動子部２の振動時における遮蔽部１２２との干渉を防止でき、振動子部２の自由振動が確保される。
【００８９】
上述した構成の角速度センサ８１においては、ベース層１２が振動子部２を遮蔽する遮蔽部１２２を有している。このため、角速度センサ８１を素子単位でハンドリングするときや配線基板上へ実装するときなどに、振動子部２を誤って破損させたりすることを防止することができる。これにより、振動子部２の保護を図ることが可能となる。
【００９０】
次に、本実施の形態の角速度センサ８１の製造方法について図１６〜図１８を参照して説明する。図４〜図１４において（Ａ）は基板の斜視図、（Ｂ）はその断面図である。
【００９１】
図１６は、基板１１２の表面に形成した熱酸化膜１１２ａに対する開口９０の形成工程を示している。この工程では、開口９０の形成後、図１６（Ｂ）に示すように、熱酸化膜１１２ａをマスクとするドライエッチング（ＲＩＥ）を施す。これにより、開口９０を介して露出した基板１１２の表面に凹所１２２ａが形成される。なお、開口９０の形成工程は上述の第１の実施の形態と同様であるので、ここではその説明を省略する。
【００９２】
凹所１２２ａは、基板１２２に対するハーフエッチングによって形成することができる。凹所１２２ａの深さは適宜設定可能であり、例えば、振動子部２（アーム部２１〜２３）の先端の振動振幅の倍程度となる１００μｍとすることができる。凹所１２２ａの深さは上記の例に限らず、例えば、３０μｍ以上１５０μｍ以下とすることができる。
【００９３】
続いて、図１７に示すように、基板１１２に対して基板１１１を接合し、この基板１１１の上に圧電機能層７を形成する。なお、基板の接合工程、圧電機能層の形成工程は上述の第１の実施の形態と同様であるので、ここではその説明を省略する。
【００９４】
次に、図１８に示すように、ドライエッチングプロセスにより基板１１１に対してエッチング溝９１を形成することで、振動子部１０２の外形形状を形成する。その後、ダイシング工程を経て、角速度センサ８１が製造される。なお、エッチング溝９１の形成工程、ダイシング工程等は上述の第１の実施の形態と同様であるので、ここではその説明を省略する。
【００９５】
以上のように、本実施の形態によれば、上述の第１の実施の形態と同様な効果を得ることができる。特に本実施の形態によれば、基板１１２に貫通孔を形成することなく振動子部１０２の振動空間Ｓを形成することができる。この振動空間Ｓを凹所１２２ａで構成し、また凹所１２２ａをハーフエッチングによって形成しているので、加工時間が抑えられ、かつ高い歩留まりで角速度センサ８１を製造することができる。
【００９６】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００９７】
例えば以上の実施の形態では、３本のアーム部２１〜２３でなる振動子部２を備えた３音叉型の角速度センサを例に挙げて説明したが、１本または２本のアーム部でなる振動子部を備えた他の形式の角速度センサに対しても、本発明は適用可能である。
【００９８】
また、以上の実施の形態では、支持層１２を形成する基板１１２の表面に絶縁膜１１２ａを形成する例について説明したが、これに代えて、振動子部２を形成する基板１１１の表面に上記絶縁膜を形成してもよい。この場合、当該絶縁膜を挟んで基板１１１と基板１１２とが相互に接合される。
【００９９】
さらに、接合基板（ＳＯＩ基板）における振動子部の形成面である主面は、接合層としての絶縁膜が形成された基板側の主面でもよいし、当該絶縁膜が形成されない基板側の主面でもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】本発明の第１の実施の形態による角速度センサの実装面側の概略平面図である。
【図２】図１の角速度センサの概略正面図である。
【図３】図１の角速度センサの概略側面図及び背面図である。
【図４】図１の角速度センサの製造方法を説明する一工程図であり、第２の層を形成する基板の準備工程を示す概略斜視図及び要部断面図である。
【図５】図１の角速度センサの製造方法を説明する一工程図であり、第２の層を形成する基板の表面への絶縁膜の形成工程を示す概略斜視図及び要部断面図である。
【図６】図１の角速度センサの製造方法を説明する一工程図であり、絶縁膜への開口部の形成工程を示す概略斜視図及び要部断面図である。
【図７】図１の角速度センサの製造方法を説明する一工程図であり、第１の層を形成する基板と第２の層を形成する基板との接合工程を示す概略斜視図及び要部断面図である。
【図８】図１の角速度センサの製造方法を説明する一工程図であり、第１の層を形成する基板と第２の層を形成する基板との接合工程を示す概略斜視図及び要部断面図である。
【図９】図１の角速度センサの製造方法を説明する一工程図であり、第１の層を形成する基板の表面への絶縁膜の形成工程を示す概略斜視図及び要部断面図である。
【図１０】図１の角速度センサの製造方法を説明する一工程図であり、第１の層を形成する基板の表面への圧電機能層の形成工程を示す概略斜視図及び要部断面図である。
【図１１】図１の角速度センサの製造方法を説明する一工程図であり、第１の層を形成する基板に対する振動子部の外形加工工程を示す概略斜視図及び要部断面図である。
【図１２】図１の角速度センサの製造方法を説明する一工程図であり、第１の層を形成する基板に対する振動子部の振動空間の形成工程を示す概略斜視図及び要部断面図である。
【図１３】図１の角速度センサの製造方法を説明する一工程図であり、第１の層を形成する基板に対する振動子部の振動空間の形成工程を示す概略斜視図及び要部断面図である。
【図１４】図１の角速度センサの製造方法を説明する一工程図であり、素子の個片化工程を示す概略斜視図及び要部断面図である。
【図１５】本発明の第２の実施の形態による角速度センサの概略側面図及び要部の拡大断面図である。
【図１６】図１５の角速度センサの製造方法を説明する一工程図であり、第２の層を形成する基板の表面への絶縁膜の形成工程及び当該基板に対する凹所の形成工程を示す概略斜視図及び要部断面図である。
【図１７】図１５の角速度センサの製造方法を説明する一工程図であり、第１の層を形成する基板と第２の層を形成する基板との接合工程を示す概略斜視図及び要部断面図である。
【図１８】図１５の角速度センサの製造方法を説明する一工程図であり、第１の層を形成する基板に対する振動子部の外形加工工程を示す概略斜視図及び要部断面図である。
【符号の説明】
【０１０１】
１、８１、１０１…角速度センサ
２、１０２…振動子部
３、１０３…基部
４…下部電極（共通電極）
５、５１、５２、５３…圧電膜
６、６１、６２、６３…上部電極（駆動電極）
６４ａ、６４ｂ、６４ｃ、６４ｄ…上部電極（検出電極）
７…圧電機能層
８…くびれ部
９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅ、９ｆ、９ｇ、９ｈ…パッド部
１０…バンプ
１１…ベース層（第１の層）
１２…支持層（第２の層）
１３…接合層
９０…開口
９１、９２…エッチング溝
９３…貫通孔
１１０…ＳＯＩ基板
１１１、１１２…基板
１１２ａ…熱酸化膜（絶縁膜）
１２２…遮蔽部
１２２ａ…凹所
【図１】
2010014575.tif 000003
【図２】
2010014575.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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