(57)【要約】【課題】  全体が薄型で可動電極部の動作余裕を確保でき、さらに内部の密閉度の高いＭＥＭＳセンサを提供する。【解決手段】  機能層１０は、シリコンウエハから分離された固定電極部と可動電極部と枠体層２５を有している。固定電極部の支持導通部１２と可動電極部の支持導通部１７および枠体部２５と、支持基板１とが、第１の絶縁層３ａ，３ｂ，３ｃで固定されている。機能層１０は、支持導通部１２，１７および枠体層２５を除く部分でＺ２側の表面が距離Ｔ２だけ後退している。そして、支持導通部１２，１７および枠体層２５が、ＩＣパッケージ１００の表面１０１に金属の共晶接合または拡散接合で接合されている。また、共晶接合または拡散接合によって金属シール層４５が形成されている。前記後退距離Ｔ２によって、可動電極部の錘部２０などの可動部分の可動余裕を確保できる。【選択図】図４
2010071912.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、前記基板に支持された可動電極部および固定電極部を有するＭＥＭＳセンサにおいて、
前記可動電極部および前記固定電極部のそれぞれに設けられた支持導通部の第１の側の表面が、絶縁層を介して前記基板に固定され、それぞれの前記支持導通部の第２の側の表面が、支持母体に設けられた接続電極部に接続されており、
前記可動電極部および前記固定電極部の前記支持導通部以外の部分の第２の側の表面が、前記支持導通部の第２の側の表面よりも前記支持母体から離れる位置に後退していることを特徴とするＭＥＭＳセンサ。
【請求項２】
それぞれの前記支持導通部の第２の側の表面に接続金属層が形成されており、この接続金属層と前記接続電極部とが共晶接合または拡散接合されている請求項１記載のＭＥＭＳセンサ。
【請求項３】
前記可動電極部および前記固定電極部と同じ材料で同じ厚さに形成されて、前記可動電極部および前記固定電極部の周囲を囲む枠体層が設けられ、
前記基板と前記枠体層とが、前記絶縁層を介して接合されており、
前記枠体層の第２の側の表面に前記接続金属層と同じ金属材料で形成されたシール金属層が形成され、前記支持母体に前記接続電極部と同じ金属材料で形成されたシール電極部が設けられており、前記シール金属層と前記シール電極部とが共晶接合または拡散接合されてシール層が形成されている請求項２記載のＭＥＭＳセンサ。
【請求項４】
２枚のシリコンウエハが絶縁層を介して接合されたＳＯＩ層の一方のシリコンウエハで前記基板が形成され、他方のシリコンウエハで、前記可動電極部と前記固定電極部および前記枠体層が形成されており、それぞれの前記支持導通部と前記枠体層とを除く部分と前記基板との間で前記絶縁層が除去されている請求項３記載のＭＥＭＳセンサ。
【請求項５】
他方のシリコンウエハの第２の側では、それぞれの前記支持導通部の表面と前記枠体層の表面が同一面であり、それ以外の部分の表面に、支持母体から離れる位置に後退するように凹部が形成される請求項４記載のＭＥＭＳセンサ。
【請求項６】
前記支持母体がＩＣパッケージである請求項１ないし５のいずれかに記載のＭＥＭＳセンサ。
【請求項７】
前記支持母体が前記基板と同じ材料で形成されたキャップ基板である請求項１ないし５のいずれかに記載のＭＥＮＳセンサ。
【請求項８】
前記接続電極部の厚さが４μｍ以下である請求項１ないし７のいずれかに記載のＭＥＭＳセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコン（Silicon）層を微細加工して形成されたＭＥＭＳセンサに係り、特に、薄型で且つ可動領域の密閉機能に優れたＭＥＭＳセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical Systems）センサは、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）層を構成するシリコン（Ｓｉ）ウエハを微細加工することで、可動電極部と固定電極部が形成されている。この微細なセンサは、可動電極部の動作により、加速度センサ、圧力センサ、振動型ジャイロ、またはマイクロリレーなどとして使用される。
【０００３】
以下の特許文献１に記載されたＭＥＭＳセンサは、ＳＯＩ層の一方のシリコンウエハで支持基板が形成され、他方のシリコンウエハで可動部とこの可動部を囲む配線部が形成されている。また、シリコン基板で形成されたキャップ層が前記配線部の表面に接着剤で接着されて固定されている。
【０００４】
前記キャップ層には、前記可動部に対向する部分に凹部が形成されており、可動部の表面とキャップ層との間に可動余裕となる空間部が形成されている。
【特許文献１】特開２００７−３１１３９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載されているＭＥＭＳセンサは、可動部の厚さ方向の可動余裕を設けるためにキャップ層に凹部が形成されている。しかし、凹部を形成したことによるキャップ層の強度の低下を避けるためにはキャップ層を厚くすることが必要になり、結果としてセンサ全体の薄型化を実現しにくくなる。また、凹部を形成できるキャップ層を使用できず、例えば、可動部をＩＣパッケージの表面に直接に対向させたいような場合には、前記のように凹部を形成する構造を採用できない。
【０００６】
また、特許文献１に記載されたＭＥＭＳセンサは、可動部を囲むように設けられた配線部とキャップ部とが接着剤によって接着された構造であるため、可動部の可動領域の密閉度を十分に高くできない可能性がある。密閉度を高くするために接着剤の量を多くすると、接着剤が可動部に付着するおそれがある。さらに、接着剤によるシール部と可動部の可動領域との間に距離を空けることが必要になり、センサ全体が大きくなるのを避けることができない。
【０００７】
本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、薄型で且つ小型でパッケージングでき、しかも可動部の厚み方向への可動余裕（マージン）を確保しやすい構造のＭＥＭＳセンサを提供することを目的としている。
【０００８】
また本発明は、可動部の可動領域を囲むシール層の密閉信頼性を高めることができ、しかもシール層を形成する材料が可動電極部の動作に悪影響を与えにくい構造のＭＥＭＳセンサを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、基板と、前記基板に支持された可動電極部および固定電極部を有するＭＥＭＳセンサにおいて、
前記可動電極部および前記固定電極部のそれぞれに設けられた支持導通部の第１の側の表面が、絶縁層を介して前記基板に固定され、それぞれの前記支持導通部の第２の側の表面が、支持母体に設けられた接続電極部に接続されており、
前記可動電極部および前記固定電極部の前記支持導通部以外の部分の第２の側の表面が、前記支持導通部の第２の側の表面よりも前記支持母体から離れる位置に後退していることを特徴とするものである。
【００１０】
本発明のＭＥＭＳセンサは、第２の側の表面において、可動電極部と固定電極部の支持導通部以外の部分が後退しているため、可動電極部の可動部と支持母体との間の可動余裕を十分に確保しやすい。そのため、支持母体を加工することが不要になり、支持母体としてＩＣパッケージの表面などを利用することが可能になる。また、支持母体としてキャップ基板を使用したときには、キャップ基板を十分な厚さにしてもセンサ全体を薄型にできる。
【００１１】
本発明は、それぞれの前記支持導通部の第２の側の表面に接続金属層が形成されており、この接続金属層と前記接続電極部とが共晶接合または拡散接合されていることが好ましい。
【００１２】
それぞれの支持導通部と支持母体とが、接続電極部と接続金属層との接合層を介して接合されると、この接合層の厚さ寸法が薄いために、センサ全体を薄型に構成できる。さらに、接合層の金属が可動電極部の可動領域に流れ込むことも生じにくい。
【００１３】
また、可動電極部と支持母体との間に可動余裕を確保できるため、接合層の厚さ寸法をできるかぎり薄くできる。接合層を薄くすることで、可動電極部と固定電極部が接合層から熱応力を受けにくくなる。熱応力による可動電極部や固定電極部の歪みを防止するためには、前記接続電極部の厚さ寸法および前記接合層の厚さ寸法が４μｍ以下であることが好ましい。
【００１４】
また、本発明は、前記可動電極部および前記固定電極部と同じ材料で同じ厚さに形成されて、前記可動電極部および前記固定電極部の周囲を囲む枠体層が設けられ、
前記基板と前記枠体層とが、前記絶縁層を介して接合されており、
前記枠体層の第２の側の表面に前記接続金属層と同じ金属材料で形成されたシール金属層が形成され、前記支持母体に前記接続電極部と同じ金属材料で形成されたシール電極部が設けられており、前記シール金属層と前記シール電極部とが共晶接合または拡散接合されてシール層が形成されているものとして構成できる。
【００１５】
可動電極部の可動領域を囲むように枠体層を設けるとともに、この枠体層と支持母体との対面部に、共晶接合または共晶接合によるシール層を形成すると、可動電極部の可動領域を囲むシール構造を薄く構成でき、センサ全体を薄型化しやすくなる。また、共晶接合または拡散接合によるシール層の金属材料が少量であるため可動電極部の可動領域に流れにくく、シール層を可動領域に接近して配置しても、前記金属材料が可動電極部の動作に悪影響を与えにくい。そのために、小型に構成しやすくなる。さらに、シール層を構成する金属層が薄く且つ小面積であるため金属層と絶縁層との熱膨張係数の差による熱応力の影響を少なくできる。
【００１６】
本発明は、２枚のシリコンウエハが絶縁層を介して接合されたＳＯＩ層の一方のシリコンウエハで前記基板が形成され、他方のシリコンウエハで、前記可動電極部と前記固定電極部および前記枠体層が形成されており、それぞれの前記支持導通部と前記枠体層とを除く部分と前記基板との間で前記絶縁層が除去されているものである。
【００１７】
また本発明は、他方のシリコンウエハの第２の側では、それぞれの前記支持導通部の表面と前記枠体層の表面が同一面であり、それ以外の部分の表面に、支持母体から離れる位置に後退するように凹部が形成される。
【００１８】
上記のように、ＳＯＩ層の一方のシリコンウエハを第２の側から加工することで、枠体層と支持導通部の第２の側の表面以外の部分を支持母体側から後退させた形状を容易に形成できる。
【００１９】
本発明は、前記支持母体がＩＣパッケージであってもよいし、または、前記支持母体が前記基板と同じ材料で形成されたキャップ基板であってもよい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明は、可動電極部の可動部と支持母体との間の可動余裕を十分に確保しやすい。そのため、支持母体を加工することが不要になり、支持母体としてＩＣパッケージの表面などを利用することが可能になる。また、支持母体としてキャップ基板を使用したときには、キャップ基板を十分な厚さにしてもセンサ全体を薄型にできる。
【００２１】
また、可動電極部の可動余裕を確保できるために、接続電極部および接合層をできるかぎり薄くでき、接合層の熱応力が可動電極部や固定電極部に与える影響を少なくできる。
【００２２】
また、共晶または拡散による接合層を設けることで、密閉信頼性に優れた薄いシール層を形成することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
図１は本発明の第１の実施の形態のＭＥＭＳセンサを示すものであり、可動電極部と固定電極部および枠体層を示す平面図である。図１では支持基板の図示を省略している。図２は図１のＩＩ部の拡大図、図３はＩＩＩ部の拡大図である。図４は、第１の実施の形態のＭＥＭＳセンサの全体構造を示す断面図であり、図１をＩＶ−ＩＶ線で切断した断面図に相当している。
【００２４】
図４に示すように、ＭＥＭＳセンサは、支持基板１と機能層１０とが第１の絶縁層３ａ，３ｂ，３ｃを介して接合されている。そして、機能層１０が、支持母体であるＩＣパッケージ１００の表面１０１に接合されている。前記表面１０１は、ＩＣパッケージ１００の表面に形成された絶縁層の表面である。ＩＣパッケージ１００は、ＭＥＭＳセンサの静電容量の変化を検出する検出回路やその他の回路を内蔵している。
【００２５】
支持基板１と機能層１０および第１の絶縁層３ａ，３ｂ，３ｃは、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）層を加工して形成されている。図７（Ａ）に示すようにＳＯＩ層６０は、２つのシリコンウエハ１Ａ，１０Ａが、ＳｉＯ2層である絶縁層（Insulator）３Ａを挟んで一体に接合されたものである。ＳＯＩ層６０の一方のシリコンウエハ１Ａが、支持基板１として使用され、他方のシリコンウエハ１０Ａが加工されて機能層１０が形成されている。
【００２６】
図１と図４に示すように、機能層１０は、１枚のシリコンウエハ１０Ａから第１の固定電極部１１、第２の固定電極部１３、可動電極部１５および枠体層２５が分離されて形成されている。さらにＳＯＩ層６０の絶縁層３Ａの一部が除去されて、互いに分離された第１の絶縁層３ａ，３ｂ，３ｃが形成されている。
【００２７】
図１に示すように、機能層１０の平面形状は、中心（図心）Ｏに対して１８０度の回転対称であり、且つ中心Ｏを通りＸ方向に延びる線に対して上下方向（Ｙ方向）に対称である。
【００２８】
図１に示すように、中心ＯよりもＹ１側に第１の固定電極部１１が設けられている。第１の固定電極部１１では、中心Ｏに接近する位置に四角形の支持導通部１２が一体に形成されている。図４に示すように、支持導通部１２は第１の絶縁層３ａによって支持基板１の表面１ａに固定されている。第１の固定電極部１１は、前記支持導通部１２のみが前記第１の絶縁層３ａによって支持基板１の表面１ａに固定されており、その他の部分は、支持基板１との間の絶縁層３Ａが除去されて、支持基板１の表面１ａとの間に、第１の絶縁層３ａの厚さに相当する間隔の隙間が形成されている。
【００２９】
図１に示すように、第１の固定電極部１１は、支持導通部１２からＹ１方向に直線的に延びる一定の幅寸法の電極支持部１１ａを有している。電極支持部１１ａのＸ１側には、複数の対向電極１１ｂが一体に形成されており、電極支持部１１ａのＸ２側には、複数の対向電極１１ｃが一体に形成されている。図２には、一方の対向電極１１ｃが示されている。複数の対向電極１１ｃはいずれもＸ２方向へ直線的に延びており、Ｙ方向の幅寸法は一定である。そして、複数の対向電極１１ｃは、Ｙ方向へ一定の間隔を空けて櫛歯状に配列している。Ｘ１側に延びる他方の対向電極１１ｂと、Ｘ２方向に延びる前記対向電極１１ｃは、中心Ｏを通ってＹ方向に延びる線に対して左右対称の形状である。
【００３０】
中心ＯよりもＹ２側には第２の固定電極部１３が設けられている。第２の固定電極部１３と前記第１の固定電極部１１は、中心Ｏを通ってＸ方向に延びる線に対して上下方向（Ｙ方向）へ対称形状である。すなわち、第２の固定電極部１３は、中心Ｏに接近する位置に設けられた四角形の支持導通部１４と、この支持導通部１４からＹ２方向へ直線的に延びる一定の幅寸法の電極支持部１３ａを有している。電極支持部１３ａのＸ１側には、電極支持部１３ａから一体に延びる複数の対向電極１３ｂが設けられ、電極支持部１３ａのＸ２側には、電極支持部１３ａから一体に延びる複数の対向電極１３ｃが設けられている。
【００３１】
図３に示すように、対向電極１３ｃはＸ２方向へ直線状に延び幅寸法が一定であり、且つＹ方向へ一定の間隔で互いに平行に形成されている。Ｘ１側の対向電極１３ｂも同様に一定の幅寸法でＸ１方向へ直線的に延び、Ｙ方向へ一定の間隔で平行に延びている。
【００３２】
第２の固定電極部１３も、支持導通部１４のみが第１の絶縁層３ａを介して支持基板１の表面１ａに固定されている。それ以外の部分である電極支持部１３ａおよび対向電極１３ｂ，１３ｃは、支持基板１の表面１ａとの間の絶縁層３Ａが除去されており、電極支持部１３ａおよび対向電極１３ｂ，１３ｃと、支持基板１の表面１ａとの間に、第１の絶縁層３ａの厚さに相当する間隔の隙間が形成されている。
【００３３】
図１に示す機能層１０は、四角形の枠体層２５の内側が可動領域であり、可動領域では、前記第１の固定電極部１１と第２の固定電極部１３を除く部分が可動電極部１５となっている。可動電極部１５は、同じシリコンウエハ１０Ａにおいて、前記第１の固定電極部１１と第２の固定電極部１３および枠体層２５から分離されて形成されている。
【００３４】
図１に示すように、可動電極部１５は、中心ＯよりもＸ１側に、Ｙ１−Ｙ２方向に延びる第１の支持腕部１６を有しており、中心ＯのＸ１側に接近した位置に、第１の支持腕部１６と一体に形成された四角形の支持導通部１７が設けられている。可動電極部１５は、中心ＯよりもＸ２側に、Ｙ１−Ｙ２方向に延びる第２の支持腕部１８を有しており、中心ＯのＸ２側に接近した位置に、第２の支持腕部１８と一体に形成された四角形の支持導通部１９が設けられている。
【００３５】
第１の支持腕部１６と第２の支持腕部１８とで挟まれた領域で、且つ第１の固定電極部１１と第２の固定電極部１３を除く部分が、錘部２０となっている。錘部２０のＹ１側の縁部は、弾性支持部２１を介して第１の支持腕部１６に支持されているとともに弾性支持部２３を介して第２の支持腕部１８に支持されている。錘部２０のＹ１側の縁部は、弾性支持部２２を介して第１の支持腕部１６に支持されているとともに、弾性支持部２４を介して第２の支持腕部１８に支持されている。
【００３６】
図１に示すように、中心ＯよりもＹ１側では、錘部２０のＸ１側の縁部からＸ２側に延びる複数の可動対向電極２０ａが一体に形成されているとともに、錘部２０のＸ２側の縁部からＸ１側に延びる複数の可動対向電極２０ｂが一体に形成されている。図２に示すように、錘部２０と一体に形成された可動対向電極２０ｂは、第１の固定電極部１１の対向電極１１ｃのＹ２側の辺に対して静止時に距離δ１を介して対向している。同様に、Ｘ１側の可動対向電極２０ａも、第１の固定電極部１１の対向電極１１ｂのＹ２側の辺に対して静止時に距離δ１を介して対向している。
【００３７】
錘部２０には、中心ＯよりもＹ２側において、Ｘ１側の縁部からＸ２方向に平行に延びる複数の可動対向電極２０ｃが一体に形成されているとともに、Ｘ２側の縁部からＸ１方向に平行に延びる複数の可動対向電極２０ｄが一体に形成されている。
【００３８】
図３に示すように、可動対向電極２０ｄは、第２の固定電極部１３の対向電極１３ｃのＹ１側の辺に対して静止時に距離δ２を介して対向している。これは、Ｘ１側の可動対向電極２０ｃと対向電極１３ｂとの間においても同じである。静止時の対向距離δ１とδ２は、同じ寸法となるように設計されている。
【００３９】
図４に示すように、第１の支持腕部１６に連続する支持導通部１７と支持基板１の表面１ａとが第１の絶縁層３ｂを介して固定されており、第２の支持腕部１８に連続する支持導通部１９と支持基板１の表面１ａも第１の絶縁層３ｂを介して固定されている。可動電極部１５は、支持導通部１７と支持導通部１９のみが前記第１の絶縁層３ｂによって支持基板１に固定されており、それ以外の部分、すなわち第１の支持腕部１６、第２の支持腕部１８、錘部２０、可動対向電極２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄおよび弾性支持部２１，２２，２３，２４は、支持基板１の表面１ａとの間の絶縁層が除去されており、これら各部と支持基板１の表面１ａとの間に第１の絶縁層３ｂの厚さ寸法に相当する間隔の隙間が形成されている。
【００４０】
弾性支持部２１，２２，２３，２４は、シリコンウエハ１０Ａから切り出された薄い板バネ部でミアンダパターンとなるように形成されている。弾性支持部２１，２２，２３，２４が変形することで、錘部２０がＹ１方向またはＹ２方向へ移動可能となっている。可動電極部１５では、錘部２０および可動対向電極２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄが可動部分である。
【００４１】
図１に示すように、枠体層２５は、ＳＯＩ層６０のシリコンウエハ１０Ａの外周部分を四角い枠状に切り残すことで形成されている。この枠体層２５と支持基板１の表面１ａとの間には、第１の絶縁層３ｃが残されている。この第１の絶縁層３ｃは、第１の固定電極部１１と第２の固定電極部１３および可動電極部１５の外周の全周を囲むように設けられている。
【００４２】
図４に示すように、同じシリコンウエハ１０Ａから切り出された第１の固定電極部１１、第２の固定電極部１３、可動電極部１５および枠体層２５のそれぞれは、第１の側（Ｚ１側）に向く表面が同一面であり、この表面と支持基板１の表面１ａとの間隔Ｔ１は、ＳＯＩ層６０の絶縁層３Ａ（第１の絶縁層３ａ，３ｂ，３ｃ）の厚さ寸法で決められている。
【００４３】
一方、第１の固定電極部１１の支持導通部１２の第２の側（Ｚ２側）に向く表面１２ａおよび第２の固定電極部１３の支持導通部１４の第２の側に向く表面１４ａ（図面には現れていない）と、可動電極部１５の支持導通部１７の第２の側に向く表面１７ａおよび支持導通部１９の第２の側に向く表面１９ａ（図面には現れていない）と、枠体層２５の第２の側に向く表面２５ａは、同一平面上に位置している。
【００４４】
そして、第１の固定電極部１１のうちの前記支持導通部１２を除く部分、すなわち電極支持部１１ａと対向電極１１ｂ，１１ｃの第２の側（Ｚ２側）に向く表面は、支持導通部１２の表面１２ａよりもＺ１方向に距離Ｔ２だけ後退している。同様に、第２の固定電極部１３の電極支持部１３ａと対向電極１３ｂ，１３ｃの第２の側に向く表面も、前記支持導通部１４の第２の側に向く表面１４ａよりも距離Ｔ２だけＺ１側に後退している。また、可動電極部１５のうちの前記支持導通部１７，１９を除く部分、すなわち第１の支持腕部１６と第２の支持腕部１８、錘部２０、可動対向電極２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ、および弾性支持部２１，２２，２３，２４のそれぞれの第２の側（Ｚ２側）に向く表面は、支持導通部１７，１９の第２の側を向く表面１７ａ，１９ａよりも距離Ｔ２だけＺ１側に後退している。
【００４５】
図４に示すように、第１の固定電極部１１の支持導通部１２の第２の側に向く表面１２ａには接続金属層４１が形成され、同様に第２の固定電極部１３の支持導通部１４の第２の側に向く表面１４ａにも接続金属層４１が形成されている。また、可動電極部１５の支持導通部１７の第２の側に向く表面１７ａに接続金属層４２が形成され、他方の支持導通部１９の第２の側に向く表面１９ａにも接続金属層４２が形成されている。
【００４６】
図４に示すように、枠体層２５の第２の側に向く表面２５ａにはシール金属層４３が形成されている。このシール金属層４３は、第１の固定電極部１１、第２の固定電極部１３および可動電極部１５の外周の全周を囲む四角形の枠体のパターンとなるように成膜されている。
【００４７】
図７（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）は、支持基板１および機能層１０の製造方法をさらに詳しく示す断面図である。
【００４８】
図７（Ａ）に示すように、シリコンウエハ１Ａとシリコンウエハ１０Ａが絶縁層３Ａを介して接合されているＳＯＩ層６０を用い、前記シリコンウエハ１０Ａの第２の側（Ｚ２側）の表面に、接続金属層４１と接続金属層４２およびシール金属層４３を同じスパッタ工程で成膜する。
【００４９】
図７（Ｂ）に示すように、シリコンウエハ１０Ａの第２の側の表面にドライエッチングを施して凹部１０Ｂを形成する。このとき、支持導通部１２，１４の第２の側の表面１２ａ，１４ａと、支持導通部１７，１９の第２の側の表面１７ａ，１９ａ、および枠体層２５の第２の側の表面２５ａとなる部分を残し、それ以外の部分でシリコンウエハ１０Ａの一部を除去して前記凹部１０Ｂが形成される。したがって、前記各表面１２ａ，１４ａ，１７ａ，１９ａ，および２５ａは、同一面のまま残される。前記凹部１０Ｂの深さ寸法はＴ２である。
【００５０】
次に、シリコンウエハ１０Ａの第２の側（Ｚ２側）の表面に、第１の固定電極部１１、第２の固定電極部１３、可動電極部１５および枠体層２５のパターンを覆うようにレジスト層を形成し、レジスト層から露出している部分でシリコンウエハ１０Ａの一部を、高密度プラズマを使用した深堀ＲＩＥなどのイオンエッチング手段で除去する。その結果、図７（Ｃ）に示すように、シリコンウエハ１０Ａから、第１の固定電極部１１、第２の固定電極部１３、可動電極部１５および枠体層２５が互いに分離されて形成される。
【００５１】
このとき、支持導通部１２，１４，１７，１９および枠体層２５となる部分を除くその他の全ての領域に、前記深堀ＲＩＥによって、多数の微細孔が形成される。図２と図３には、対向電極１１ｃに形成された微細孔１１ｄ、対向電極１３ｃに形成された微細孔１３ｄ、および錘部２０に形成された微細孔２０ｅが図示されている。
【００５２】
深堀ＲＩＥなどによってシリコンウエハをエッチング加工した後に、シリコンを溶解せずに絶縁層のＳｉＯ2層を溶解できる選択性の等方性エッチング処理を行う。このときエッチングガスまたはエッチング液は、シリコンウエハ１０Ａの前記各部を分離した溝内に浸透し、さらに前記微細孔１１ｄ，１３ｄ，２０ｅ内に浸透して、絶縁層３Ａが除去される。その結果、図７（Ｄ）に示すように、支持導通部１２，１４，１７，１９および枠体層２５と支持基板１の表面１ａとの間で、第１の絶縁層３ａ，３ｂ，３ｃが残され、それ以外の部分で絶縁層３Ａが除去される。
【００５３】
図７（Ｂ）の工程で、シリコンウエハ１０Ａに深さＴ２の凹部１０Ｂを形成し、その後に、シリコンウエハ１０Ａを各部分に分離する工程を経ることで、図７（Ｄ）に示すように、支持導通部１２，１４，１７，１９の表面１２ａ，１４ａ，１７ａ，１９ａおよび枠体層２５の表面２５ａに対しそれ以外の部分がＺ１側へ距離Ｔ２だけ後退した状態の機能層１０が形成される。
【００５４】
ＳＯＩ層６０から加工した支持基板１は、厚さ寸法が０．２〜０．７ｍｍ程度、機能層１０の厚さ寸法は１０〜３０μｍ程度、第１の絶縁層３ａ，３ｂ，３ｃの厚さは１〜３μｍ程度である。
【００５５】
図４に示すように、ＩＣパッケージ１００の表面１０１にはＳｉＯ2、ＳｉＮまたはＡｌ2Ｏ3などの無機絶縁層が現れている。前記表面１０１は、少なくとも機能層１０が対面する部分が平坦面である。
【００５６】
前記表面１０１には、支持導通部１２の表面１２ａおよび支持導通部１４の表面１４ａに形成された接続金属層４１に個別に対面する接続電極部３１が形成されている。また、支持導通部１７の表面１７ａおよび支持導通部１９の表面１９ａに形成された接続金属層４２に個別に対面する接続電極部３２が形成されている。さらに、枠体層２５の表面２５ａに形成されたシール金属層４３に対面するシール電極部３３が形成されている。シール電極部３３は、枠体層２５の形状に倣って四角形の枠形状に形成されている。
【００５７】
接続電極部３１，３２およびシール電極部３３はアルミニウム（Ａｌ）であり、メッキ工程やスパッタ工程で形成されている。接続電極部３１，３２およびシール電極部３３は、ＩＣパッケージ１００の内部回路にそれぞれが接続されている。図７に示すように、機能層１０の第２の側（Ｚ２側）の表面に形成されている前記接続金属層４１，４２とシール金属層４３は、接続電極部３１，３２およびシール電極部３３を形成するアルミニウムと共晶接合または拡散接合しやすい金属材料であるゲルマニウムで形成されている。
【００５８】
図４に示すように、支持基板１と機能層１０が一体に形成されたセンサ積層体をＩＣパッケージ１００の表面１０１に重ね、接続電極部３１と接続金属層４１とを対面させ、接続電極部３２と接続金属層４２とを対面させ、さらにシール電極部３３とシール金属層４３とを対面させる。そして、加熱しながら支持基板１をＩＣパッケージ１００に弱い力で加圧する。これにより、接続電極部３１と接続金属層４１とが共晶接合し、接続電極部３２と接続金属層４２とが共晶接合する。または拡散接合する。接続電極部３１，３２と接続金属層４１，４２との共晶接合または拡散接合により、支持導通部１２，１４，１７，１９が第１の絶縁層３ａ，３ｂとＩＣパッケージ１００の表面１０１との間で動かないように挟持されるとともに、接続電極部３１，３１と支持導通部１２，１４とが個別に導通し、接続電極部３２，３２と支持導通部１７，１９とが個別に導通する。
【００５９】
同時に、シール電極部３３とシール金属層４３とが共晶接合または拡散接合する。この接合により、枠体層２５とＩＣパッケージ１００の表面１０１とが強固に固定されるとともに、第１の固定電極部１１と第２の固定電極部１３および可動電極部１５の周囲全周を囲む薄い金属シール層４５が形成される。
【００６０】
このＭＥＭＳセンサは、図７（Ａ）に示すように２枚のシリコンウエハ１Ａ，１０Ａが絶縁層３Ａを介して接合されたＳＯＩ層６０で形成された薄型の構造であり、ＩＣパッケージ１００の表面１０１に設置された状態で、表面１０１からＺ１方向への突出寸法を薄くできる。また、支持基板１とＩＣパッケージ１００の表面１０１との間において、可動電極部１５の可動領域の外周を囲むように前記金属シール層４５が形成されている。そのため、薄型でありながら内部の動作空間が密閉されたＭＥＭＳセンサを得ることができる。
【００６１】
また、支持導通部１２，１４，１７，１９と第２の絶縁層３０が、接続電極部３１，３２と接続金属層４１，４２との共晶接合または拡散接合で接合されているが、この接合層は薄く且つ面積が小さく、しかも支持導通部１２，１４，１７，１９と支持基板１とが無機絶縁材料の第１の絶縁層３ａ，３ｂを介して接合されている。そのため、周囲温度が高くなったとしても、接合層の熱応力が支持導通部１２，１４，１７，１９の支持構造に影響を与えにくく、熱応力による固定電極部１１，１３や可動電極部１５の歪みなどが発生しにくい。
【００６２】
同様に、可動電極部１５の可動領域の周囲を囲む金属シール層４５は、枠体層２５とＩＣパッケージ１００の表面１０１との間で薄く形成された共晶または拡散による接合層であり、枠体層２５が十分な厚み寸法を有している。そのため、金属シール層４５の熱応力によって、機能層１０の各部分や支持基板１に歪みなどが発生しにくい。
【００６３】
このＭＥＭＳセンサは、機能層１０の支持導通部１２，１４，１７，１９の表面１２ａ，１４ａ，１７ａ，１９ａおよび枠体層２５の表面２５ａに対して、その他の部分がＺ１側に後退して、ＩＣパッケージ１００の表面１０１から離れている。そのため、ＩＣパッケージ１００の表面１０１に特別な加工を施さなくても、可動電極部１５の可動部分である錘部２０および可動対向電極２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄのＺ２方向への可動余裕を前記距離Ｔ２で確保できる。そのため、垂直方向への加速度が作用したときに可動部分がＩＣパッケージ１００の表面１０１に不用意に衝突するのを避けることができる。
【００６４】
このＭＥＭＳセンサは、Ｙ１方向またはＹ２方向の加速度を検知する加速度センサとして使用することができる。例えば、ＭＥＭＳセンサにＹ１方向への加速度が作用すると、その反作用により可動電極部１５の錘部２０がＹ２方向へ移動する。このとき、図２に示す、可動対向電極２０ｂと固定側の対向電極１１ｃとの対向距離δ１が広がって、可動対向電極２０ｂと対向電極１１ｃとの間の静電容量が低下する。同時に、図３に示す、可動対向電極２０ｄと対向電極１３ｃとの対向距離δ２が狭くなって、可動対向電極２０ｂと対向電極１３ｃとの間の静電容量が増大する。
【００６５】
これら静電容量の変化は、ＩＣパッケージ１００内の検出回路で検出され、対向距離δ１の増大による出力の変化と対向距離δ２の減小による出力の変化との差を求めることにより、Ｙ１方向へ作用した加速度の変化や加速度の大きさを検知することができる。
【００６６】
なお、本発明は、可動電極部１５の錘部２０が、Ｘ−Ｙ平面と直交する向きの加速度に反応して厚さ方向へ移動して、固定電極部１１，１３の対向電極１１ｂ，１１ｃ，１３ｂ，１３ｃと、可動電極部１５の可動対向電極２０ａ，２０ｂ，２０ｃとの対向状態が、可動電極部１５の厚さ方向へずれて、対向面積が変化し、このときの可動対向電極と対向電極との間の静電容量の変化を検知するものであってもよい。
【００６７】
図６（Ａ）（Ｂ）は本発明のさらに好ましい実施の形態のＭＥＭＳセンサを示すものであり、図４のＶＩ部の拡大断面図に相当している。
【００６８】
図６（Ａ）に示す実施の形態では、可動電極部１５の支持導通部１７の表面に、接続金属層４２と接続電極部３２との接合部を囲むように溝５１が形成されている。溝５１は接合部の周囲全長を連続して囲むように形成されていてもよいし、または、接合部を囲むように間隔を空けて複数に分割されて形成されていてもよい。
【００６９】
図６（Ｂ）に示す実施の形態では、可動電極部１５の支持導通部１７の表面に、接続金属層４２と接続電極部３２との接合部を囲む溝５２が形成されている。この溝５２は接合層の周囲に連続して形成されており、接合金属層４２の一部が溝５２の内部まで形成されている。
【００７０】
図６（Ａ）（Ｂ）に示す実施の形態では、接続電極部３２と接続金属層４２の共晶接合または拡散接合の際に、溶融金属が溝５１，５２で堰き止められ、可動電極部１５の錘部２０の可動領域や、図２と図３に示す電極対向部に流れ出るのをさらに確実に防止できる。
【００７１】
なお、前記実施の形態では、接続電極部３１，３２およびシール電極部３３がアルミニウムで、接続金属層４１，４２およびシール金属層４３がゲルマニウムであるが、共晶接合または拡散接合が可能な金属の組み合わせとしては、アルミニウム−亜鉛、金−シリコン、金−インジウム、金−ゲルマニウム、金−錫などがある。これら金属の組み合わせにより、それぞれの金属の融点以下の温度である４５０℃以下の比較的低い温度で接合を行うことが可能になる。
【００７２】
図７は、本発明の第２の他の実施の形態のＭＥＭＳセンサを示す断面図である。
第２の実施の形態のＭＥＭＳセンサは、機能層１０がキャップ基板２の表面に重ねられて接合されている。支持母体として機能するキャップ基板２は、厚さ寸法が０．４〜０．７ｍｍ程度の単層のシリコンウエハで形成される。
【００７３】
図５に示すように、キャップ基板２の表面２ａには第２の絶縁層３０が形成されている。第２の絶縁層３０は、ＳｉＯ2、ＳｉＮまたはＡｌ2Ｏ3などの無機絶縁層であり、スパッタ工程またはＣＶＤ工程で一定の膜厚に形成されている。無機絶縁層としては、シリコンウエハとの熱膨張係数の差が、接続電極部３１，３２を構成する導電性金属とシリコンウエハの熱膨張係数の差よりも小さい材料が選択される。好ましくは、シリコンウエハとの熱膨張係数の差が比較的小さいＳｉＯ2またはＳｉＮが使用される。
【００７４】
第２の絶縁層３０の表面には、接続電極部３１と接続電極部３２およびシール電極部３３が形成されている。第２の絶縁層３０の内部には、前記接続電極層３１と個別に導通するリード層３４と、接続電極層３２と個別に導通するリード層３５が形成されている。これらリード層３４，３５は、第２の絶縁層３０の内部を通過して、機能層１０が重ねられている領域よりも外側に突出し、キャップ基板２に形成された外部接続パッド３６に接続されている。
【００７５】
そして、接続電極部３１と接続金属層４１が共晶接合または拡散接合され、接続電極部３２と接続金属層４２とが共晶接合または拡散接合されて、リード層３４，３５と外部接続パッド３６から静電容量の変化を検出できるようにしている。また、シール電極部３３とシール金属層４３が共晶接合または拡散接合して金属シール層４５が形成されている。
【００７６】
図７に示すＭＥＭＳセンサは、ＳＯＩ層６０を加工した支持基板１および機能層１０と、単一の基板で形成されたキャップ基板２とが重ねられて構成されているため、薄型に構成できる。しかも、キャップ基板２に特別な加工を施さなくても、可動電極部１５の可動部分に距離Ｔ２の可動余裕を与えることができる。キャップ基板２および第２の絶縁層３０を一定の厚さに形成できるため、キャップ基板２と第２の絶縁層３０を薄く強制しても十分な強度を確保できる。
【００７７】
図８は、接続電極部３１，３２あるいは接合層の厚さ寸法の最適値を求めるためのシミュレーションモデルを示している。第１の基板１０１と固定電極部１１６および第１の絶縁層１０３はＳＯＩ層から加工したものを想定しており、第１の基板１０１と固定電極部１１６はシリコンウエハ、第１の絶縁層１０３はＳｉＯ2である。第２の基板１０２もシリコンウエハであり、第２の絶縁層１３０もＳｉＯ2である。このシミュレーションでは、接合層１３２をアルミニウムの単層として熱応力について演算した。
【００７８】
計算に使用した物性値は以下の通りである。
ヤング率（Ｎ／ｍ2）：Ｓｉを１．５０Ｅ＋１１、ＳｉＯ2を７．２０Ｅ＋１０、Ａｌを７．０３Ｅ＋１０とした。
ポアッソン比（−）：Ｓｉを０．１７、ＳｉＯ2を０．２５、Ａｌを０．３５とした。
【００７９】
熱膨張係数（／kelvin）：Ｓｉを２．６０Ｅ−０６、ＳｉＯ2を５．６０Ｅ−０７、Ａｌを２．３３Ｅ−０５とした。
【００８０】
また、第１の絶縁層１０３の長さ寸法Ｌ１を７０μｍ、固定電極部１１６の全長寸法を３５０μｍとした。
【００８１】
厚みは、第１の基板１０１と第２の基板１０２を１００μｍ、第１の絶縁層１０３を１．５μｍ、固定電極部１１６を２０μｍ、第２の絶縁層１３０を３μｍとした。
【００８２】
接合層１３２の長さ寸法Ｗ０を２０μｍとし、接合層１３２の厚み寸法Ｔ０を０．５μｍから１０μｍの間で変化させた。それぞれについて、７５℃に加熱したときの接合層１３２の熱応力による固定電極部１１６の下部先端部Ｐ１と上部先端部Ｐ２のδ方向への変位量を計算した。
【００８３】
図９は、横軸に接合層１３２の厚みＴ０を単位（μｍ）で示し、縦軸にＰ１とＰ２の変位量を単位（ｎｍ）で示している。なお、図９では、下部先端部Ｐ１を「頂点１」とし、上部先端部Ｐ２を「頂点２」と記載している。
【００８４】
図９の結果から、接合層１３２の厚みＷ０は４μｍ以下であることが好ましく１μｍ以下であることがさらに好ましい。
【００８５】
すなわち、前記実施の形態では、接続電極部３１，３２の厚さ寸法、あるいは接合層全体の厚さ寸法が４μｍ以下が好ましく、さらには１μｍ以下が好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本発明の第１の実施の形態のＭＥＭＳセンサの可動電極部と固定電極部および枠体層の分離パターンを示す平面図、
【図２】図１のＩＩ矢視部の拡大平面図、
【図３】図１のＩＩＩ矢視部の拡大平面図、
【図４】ＭＥＭＳセンサの積層構造を示す断面図であり、図１のＩＶ−ＩＶ線での断面図に相当している、
【図５】第２の実施の形態のＭＥＭＳセンサを示す断面図、
【図６】（Ａ）（Ｂ）は、図４のＶＩ矢視部の構造の詳細を実施の形態別に示す拡大断面図、
【図７】ＭＥＭＳセンサの製造工程を順に示す断面図、
【図８】接続電極部または接合層の厚さの最適値を求めるためのシミュレーションモデルの説明図、
【図９】シミュレーション結果を示す線図、
【符号の説明】
【００８７】
１  支持基板
１Ａ  シリコンウエハ
２  キャップ基板
３Ａ  絶縁層
３ａ，３ｂ，３ｃ  第１の絶縁層
１０  機能層
１０Ａ  シリコンウエハ
１１  第１の固定電極部
１２  支持導通部
１１ｂ，１１ｃ  対向電極
１３  第２の固定電極部
１４  支持導通部
１３ｂ，１３ｃ  対向電極
１５  可動電極部
１６  第１の支持腕部
１７  支持導通部
１８  第２の支持腕部
１９  支持導通部
２０  錘部
２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ  可動対向電極
２１，２２，２３，２４  弾性支持部
２５  枠体層
３０  第２の絶縁層
３１，３２  接続電極部
３３  シール電極部
４１，４２  接続金属層
４３  シール金属層
４５  金属シール層
６０  ＳＯＩ層
１００  ＩＣパッケージ
【図１】
2010071912.tif 000003
【図２】
2010071912.tif 000004
【図３】
2010071912.tif 000005
【図４】
2010071912.tif 000006
【図５】
2010071912.tif 000007
【図６】
2010071912.tif 000008
【図７】
2010071912.tif 000009
【図８】
2010071912.tif 000010
【図９】
2010071912.tif 000011