(57)【要約】【課題】目標とする共振周波数および離調周波数に調整できる共振デバイスの製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】シリコン基板に圧電体３および電極を形成する工程と、この圧電体３および電極をフォトリソグラフィーによりパターンを形成する工程と、シリコン基板をエッチングして構造体１を形成する工程と、この構造体１の少なくとも一面に保護膜を形成する工程と、この保護膜が形成されていない面をエッチングする工程とを含む共振デバイスの製造方法であり、保護膜の形成により厚み方向のエッチングを共振周波数の測定をしながら高精度な加工ができ、所定の離調周波数に調整できる。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板に圧電体および電極を形成する工程と、この圧電体および電極をフォトリソグラフィーによりパターンを形成する工程と、シリコン基板をエッチングして構造体を形成する工程と、この構造体の少なくとも一面に保護膜を形成する工程と、この保護膜が形成されていない面をエッチングする工程とを含む共振デバイスの製造方法。
【請求項２】
シリコン基板をエッチングして音叉形状の構造体を形成する工程において、エッチングを促進するガスとエッチングを抑制するガスの混合ガスを用いた請求項１に記載の共振デバイスの製造方法。
【請求項３】
フッ化カーボンポリマーの保護膜を形成する請求項１に記載の共振デバイスの製造方法。
【請求項４】
エッチングを促進するガスがＳＦ６、エッチングを抑制するガスがＣ４Ｆ８またはＣＨＦ３のいずれか１つである請求項２に記載の共振デバイスの製造方法。
【請求項５】
保護膜が形成されていない面をエッチングする工程において、ＸｅＦ２ガスを用いてドライエッチングする請求項１に記載の共振デバイスの製造方法。
【請求項６】
シリコン基板の一面に圧電体および電極を形成する工程と、この圧電体および電極をフォトリソグラフィーによりパターンを形成する工程と、シリコン基板をＳＦ６ガスとＣ４Ｆ８またはＣＨＦ３ガスのいずれか１つを用いてドライエッチングにより音叉形状の構造体に形成する工程と、この音叉形状の構造体上の圧電体および電極が形成された面のもう一方の面をＸｅＦ２ガスを用いてドライエッチングにより共振周波数を調整する共振デバイスの製造方法。
【請求項７】
シリコンからなる構造体の共振周波数を監視してエッチングする工程にフィードバック制御して調整する請求項６に記載の共振デバイスの製造方法。
【請求項８】
共振デバイスをパッケージまたは基板に実装してエッチングにより共振周波数を調整する請求項７に記載の共振デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は物体の機械的な共振現象を利用したデバイスに用いられ、例えば加速度センサ、角速度センサ、共振器、フィルタ等に応用される共振デバイスの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の共振デバイスとして角速度センサを例に挙げて説明する。
【０００３】
従来の角速度センサは、例えば米国特許第５４３８２３１号の明細書に記載されているようにシリコンなどの非圧電材料からなる音叉形状の構造体に１枚の下部電極と、この下部電極上に１枚の圧電体と、この圧電体の上に２つ以上の上部電極を貼り付けた構造であり、上部電極と下部電極間に電圧を印加して音叉形状の構造体に振動を与えた状態に外部より角速度が与えられるとコリオリ力によって振動方向とは垂直な方向に変位方向が変化し、この変位量を上部電極と下部電極間に発生する電圧を変位量として測定することで角速度の量が測定できるものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この音叉形状の構造体を利用した角速度センサでは駆動効率および検出感度を高めるため、音叉形状の構造体の駆動方向と検出方向の共振周波数を互いに接近させかつ所定値だけ離した共振周波数に設定する必要がある。この２つのモードの共振周波数は音叉形状の構造体の腕部の幅および厚み寸法で決定され、これらの寸法精度は±１μｍ以下と極めて高い精度が必要とされる。
【０００５】
この寸法精度を実現するためフォトリソグラフィーを用いた幅方向の加工方法や機械研削による厚み方向の加工方法が用いられている。これらの加工方法は音叉形状の構造体の腕部の幅方向、厚み方向の加工を行いそれぞれの方向の共振周波数の絶対値を決める重要なものであるが、角速度センサの感度を決定する要素として上述の共振周波数の絶対値だけではなく互いの共振周波数の差、つまり離調周波数を所定値に設定することが必要である。
【０００６】
しかし、上述の方法ではこの離調周波数を指標とする加工を行うことは困難である。それは加工の最中に測定できるのは音叉形状の構造体の腕部の幅や厚みの形状寸法だけであり、実際の共振周波数を正確に測定することが難しいからである。
【０００７】
本発明は上記従来の問題点を解決するもので、目標とする共振周波数および離調周波数に調整できる共振デバイスの製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、以下の構成を有するものである。
【０００９】
本発明の請求項１に記載の発明は、シリコン基板に圧電体および電極を形成する工程と、この圧電体および電極をフォトリソグラフィーによりパターンを形成する工程と、シリコン基板をエッチングして構造体を形成する工程と、この構造体の少なくとも一面に保護膜を形成する工程と、この保護膜が形成されていない面をエッチングする工程とを含む共振デバイスの製造方法であり、保護膜の形成により厚み方向のエッチングを共振周波数の測定をしながら高精度に行うことができ、所定の離調周波数に調整できる。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、シリコン基板をエッチングして構造体を形成する工程において、エッチングを促進するガスとエッチングを抑制するガスの混合ガスを用いた請求項１に記載の共振デバイスの製造方法であり、エッチングを抑制するガスによりエッチングの側面に保護膜を生成してレジスト膜の下方のみに進行させることができる。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、フッ化カーボンポリマーの保護膜を形成する請求項２に記載の共振デバイスの製造方法であり、シリコンと比べてエッチングガスに対して大きなエッチング選択比をもつため、シリコンのみのエッチングができる。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、エッチングを促進するガスがＳＦ６、エッチングを抑制するガスがＣ４Ｆ８またはＣＨＦ３のいずれか１つである請求項１に記載の共振デバイスの製造方法であり、エッチングを抑制するガスによりエッチングの側面にフッ化カーボンのポリマーの保護膜を生成してレジスト膜の下方のみに進行させることができる。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、保護膜が形成されていない面をエッチングする工程において、ＸｅＦ２ガスを用いてドライエッチングする請求項１に記載の共振デバイスの製造方法であり、エッチングにおいてプラズマを発生させる必要がないため、プラズマによるノイズの影響を受けずに共振周波数の測定ができる。
【００１４】
請求項６に記載の発明は、シリコン基板の一面に圧電体および電極を形成する工程と、この圧電体および電極をフォトリソグラフィーによりパターンを形成する工程と、シリコン基板をＳＦ６ガスとＣ４Ｆ８またはＣＨＦ３ガスのいずれか１つを用いてドライエッチングにより音叉形状の構造体に形成する工程と、この音叉形状の構造体上の圧電体および電極が形成された面のもう一方の面をＸｅＦ２ガスを用いてドライエッチングにより共振周波数を調整する共振デバイスの製造方法であり、エッチングを抑制するガスによりエッチングの側面にフッ化カーボンのポリマーの保護膜を生成してレジスト膜の下方のみに進行させることができると共にエッチングにおいてプラズマを発生させる必要がないため、プラズマによるノイズの影響を受けずに安定した共振周波数の測定ができる。
【００１５】
請求項７に記載の発明は、シリコンからなる構造体の共振周波数を監視してエッチングする工程にフィードバック制御して調整する請求項６に記載の共振デバイスの製造方法であり、エッチングを共振周波数の測定をしながら高精度に行うことができ、所定の離調周波数に調整できる。
【００１６】
請求項８に記載の発明は、共振デバイスをパッケージまたは基板に実装してエッチングにより共振周波数を調整する請求項７に記載の共振デバイスの製造方法であり、パッケージまたは基板に実装してエッチングを共振周波数の測定をすることにより高精度に行うことができ、所定の離調周波数に調整できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、一実施の形態を用いて本発明の請求項１〜８に記載の発明について説明する。
【００１８】
図１は本発明による共振デバイスとしての代表例である角速度センサの構造を示す斜視図である。シリコンからなる音叉形状の構造体１と、この構造体１の上面に白金からなる下部電極２と、この下部電極２の上面にチタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電体３の駆動用圧電体３Ａと検出用圧電体３Ｂと、この駆動用圧電体３Ａの上面に上部電極４の駆動用電極４Ａ、そして検出用圧電体３Ｂの上面に検出用電極４Ｂが形成される。また下部電極２および上部電極４は配線を通して構造体１の基部７に設けた電極パッド６に引き出され、外部と接続できるようになっている。
【００１９】
ここで、この角速度センサの原理について図１を用いて説明する。上部電極４は駆動用電極４Ａと検出用電極４Ｂに分割され、それぞれ下部電極２と共に駆動用圧電体３Ａと検出用圧電体３Ｂを挟むよう対向している。このような構成において、駆動用電極４Ａと下部電極２との間に電圧を加えると、この駆動用電極４Ａと下部電極２に挟まれた駆動用圧電体３Ａの部分が伸縮して音叉形状の構造体１の２本の腕部９Ａおよび９Ｂの形状を歪ませ水平方向に振動が発生する。
【００２０】
このとき、この音叉形状の構造体１の腕部９Ａ，９Ｂに平行方向の軸廻りに回転運動が生じると、腕部９Ａ，９Ｂにはこの軸と駆動による振動方向に垂直な方向に撓みが発生する。そしてこの撓みによって検出用圧電体３Ｂに電荷が発生し検出用電極４Ｂによって検出される。つまり、このような角速度センサにおいては、腕部９Ａ，９Ｂの駆動および角速度の量の検知を行うために圧電体３の圧電現象、逆圧電現象を利用する。このため腕部９Ａ，９Ｂの変位量は大きいほど角速度の検出が容易となる。
【００２１】
これは検出できる電荷は歪みの量に比例するため、通常、駆動周波数は音叉形状の構造体１が持つ駆動方向の共振周波数の近傍に設定する。これにより駆動時の変位の量が大きくなり、その結果として角速度による変位がより大きくなるので検出が容易となる。更に角速度による検出の変位をより大きくするためには検出方向の共振周波数と駆動方向の共振周波数とを接近させることが望ましい。この両方の共振周波数が離れると、角速度による変位が検出方向に伝わり難くなるからである。
【００２２】
しかし両方の共振周波数が極端に近い場合や同じ共振周波数の場合には、結合や角速度による変位がこの共振に埋もれてしまい検出ができなくなる。つまり結合を起こさない程度にできる限り接近した共振周波数に設定することが必要である。例えば駆動方向の共振周波数を２０ｋＨｚとした場合には検出方向の共振周波数を１９．８ｋＨｚ程度にすることが望ましい。つまり離調周波数は共振周波数に対してほぼ１％以下の設定および制御が必要である。
【００２３】
次に、角速度センサの製造方法について図２〜図１２を用いて説明する。図２〜図８は図１の角速度センサのＡ−Ａ断面による製造工程図、図９は共振デバイスの一例の角速度センサをパッケージに実装した斜視図、図１０〜図１２は図９のパッケージに実装した角速度センサのＢ−Ｂ断面による製造工程図である。
【００２４】
図２に示すようにシリコン基板１４の上に下部電極２として白金を形成し、この下部電極２としての白金の上に圧電体３としてチタン酸ジルコン酸鉛を形成し、この圧電体３としてのチタン酸ジルコン酸鉛の上に上部電極４として金をスパッタリング、真空蒸着、ゾルゲル法などの通常の薄膜を形成する方法により形成する。
【００２５】
次に、図３に示すように上部電極４の上にレジストマスク１２をフォトリソグラフィーによりパターンを形成し図４に示すように上部電極４および圧電体３をエッチングする。このエッチングの方法としてはドライエッチングの方が望ましい。これは上部電極４と圧電体３を同じマスクで同時にエッチングするためには、サイドエッチの少ないエッチングが要求されるからである。ここで上部電極４は駆動用電極４Ａおよび検出用電極４Ｂ、圧電体３が駆動用圧電体３Ａおよび検出用圧電体３Ｂに分割される。
【００２６】
次に、図５に示すようにパターンを形成した上部電極４と一部の下部電極２の上にレジストマスク１３を形成して下部電極２をエッチングする。この方法はドライエッチングでもウエットエッチングでも可能である。ドライエッチングの場合はＣＦ４ガス、アルゴンガスを用いた通常のリアクティブオンエッチングによってエッチングされる。ウエットエッチングの場合は塩酸と硝酸の混合液が用いられる。
【００２７】
次に、図６に示すようにレジストマスク１３をそのまま用いてシリコン基板１４をエッチングする。この場合のエッチング方法はドライエッチングを用いる。このドライエッチングにおいてはエッチングを促進するガスと抑制するガスを用いる。エッチングを促進するガスとしてＳＦ６，ＣＦ４などを用いるが、これらのガスはシリコン基板１４のエッチングの深さ方向だけでなく横方向にも促進する作用がある。
【００２８】
図７に示すようにＣＨＦ３，Ｃ４Ｆ８などのエッチングを抑制するガスを混合することによりエッチングの側面にフッ化カーボンポリマーである保護膜５を生成してエッチングをレジストマスク１３の下方のみに進行させることが可能となる。またエッチングの進行方向の側面を垂直にする他の方法としてエッチングを促進するガスによってエッチングを少しだけ行い抑制するガスにより保護膜５を少しだけ形成する工程を繰り返してもほぼ垂直な側面が形成できる。具体的にはＳＦ６を１３０ｓｃｃｍ流して７秒間プラズマを発生させ約０．０１μｍの保護膜５を形成する工程を約１８０回繰り返した結果、約２００μｍの深さのほぼ垂直な側面が形成でき音叉形状の構造体１を形成することができた。
【００２９】
なおエッチングの過程においてエッチングを抑制するガスによって保護膜５は音叉形状の構造体１の腕部９Ａ，９Ｂの側面だけでなく底面にも形成されるが、底面に形成された保護膜５は側面の保護膜５に比べてエッチングを促進するガスにより容易に除去されるのでエッチングは下方のみに進行するのである。そしてエッチングによりシリコン基板１４の底面まで貫通して音叉形状の構造体１が切り出されエッチングが終了する。このときエッチングを抑制するガスによるプラズマを発生させて終了することが望ましい。これにより確実に側面にフッ化カーボンポリマーの保護膜５が形成されるのである。
【００３０】
そして図８に示すようにレジストマスク１３を除去する。なおレジストマスク１３の上の保護膜５は除去されるがシリコン基板の構造体１の側面に形成された保護膜５は除去されない。
【００３１】
次に、図９に示すように音叉形状の構造体１をパッケージ８に実装してパッケージ８の電極と構造体１の基部７に形成した電極パッド６とをワイヤー１０で接続する。１１はパッケージ８の外側に設けた外部電極である。
【００３２】
図１０に示すようにパッケージ８に実装された音叉形状の構造体１の腕部９Ａ，９Ｂが中に浮いた状態となっている。この状態で図１１に示すようにエッチング装置１５の中に入れ、検出方向の共振周波数を外部の計測器１６によって測定する。そして図１２に示すようにガス導入口１７よりガスを導入すると音叉形状の構造体１のシリコンが露出している底面のみがエッチングされることになる。底面のシリコンがエッチングされると検出方向の共振周波数が徐々に低下する。この共振周波数は常に計測されエッチングにフィードバックされ、所定の値になるとフッ化キセノンガスの導入が停止する。
【００３３】
なお音叉形状の構造体１の側面はフッ化カーボンポリマーの保護膜５により保護されているためエッチングされることはなく駆動方向の共振周波数は変化しない。また音叉形状の構造体１の上面も下部電極２、圧電体３、上部電極４で覆われているためエッチングされることはない。
【００３４】
以上の共振デバイスの一例としての角速度センサの製造方法において、検出方向の共振周波数を常に測定しながらエッチングを行うことにより、所定の高精度な共振周波数に調整ができる。さらにフッ化キセノンガスのエッチングによりプラズマを発生させる必要がないため、プラズマによるノイズの影響がなく共振周波数の高精度な測定ができる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明の共振デバイスの製造方法は、シリコン基板に圧電体および電極を形成する工程と、この圧電体および電極をフォトリソグラフィーによりパターンを形成する工程と、シリコン基板をエッチングして構造体を形成する工程と、この構造体の少なくとも一面に保護膜を形成する工程と、この保護膜が形成されていない面をエッチングする工程とを含む共振デバイスの製造方法であり、保護膜の形成により厚み方向のエッチングを共振周波数の測定をしながら高精度な加工ができ、所定の離調周波数に調整できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による共振デバイスの角速度センサの構造を示す斜視図
【図２】図１の角速度センサのＡ−Ａ断面による製造工程図
【図３】図１の角速度センサのＡ−Ａ断面による製造工程図
【図４】図１の角速度センサのＡ−Ａ断面による製造工程図
【図５】図１の角速度センサのＡ−Ａ断面による製造工程図
【図６】図１の角速度センサのＡ−Ａ断面による製造工程図
【図７】図１の角速度センサのＡ−Ａ断面による製造工程図
【図８】図１の角速度センサのＡ−Ａ断面による製造工程図
【図９】角速度センサをパッケージに実装した斜視図
【図１０】図９のパッケージに実装した角速度センサのＢ−Ｂ断面による製造工程図
【図１１】図９のパッケージに実装した角速度センサのＢ−Ｂ断面による製造工程図
【図１２】図９のパッケージに実装した角速度センサのＢ−Ｂ断面による製造工程図
【符号の説明】
１　音叉形状の構造体
２　下部電極
３　圧電体
３Ａ　駆動用圧電体
３Ｂ　検出用圧電体
４　上部電極
４Ａ　駆動用電極
４Ｂ　検出用電極
５　保護膜
６　電極パッド
７　基部
８　パッケージ
９Ａ　腕部
９Ｂ　腕部
１０　ワイヤー
１１　外部電極
１２　レジストマスク
１３　レジストマスク
１４　シリコン基板
１５　エッチング装置
１６　計測器
１７　ガス導入口
【図１】
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【図２】
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【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】
2004079869.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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