(57)【要約】【課題】  比較的に安価なシリコンウェハを用いることから材料コストが節減でき、しかも、構造体の切欠き、アンダーカットおよび粘着現象を生じないジャイロスコープおよびその製造方法を提供する。【解決手段】  ジャイロスコープの製造方法は、金属膜とこの金属膜の両側に取り付けられた第１および第２ウェハとを有するシリコン−金属−シリコン（ＳＭＳ）ウェハを製造する段階と、第１ウェハに可動構造体を形成する段階と、所定のスペースを有する第１キャップを第１ウェハの表面に取り付ける段階と、第１ウェハから金属膜および第２ウェハを除去する段階と、第１キャップと対称構造を有する第２キャップを前記第１ウェハの裏面に取り付ける段階とを含む。【選択図】      図２Ｇ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）金属膜とこの金属膜の両側に取り付けられた第１および第２ウェハとを有するシリコン−金属−シリコン（ＳＭＳ）ウェハを製造する段階と、
ｂ）前記第１ウェハに可動構造体を形成する段階と、
ｃ）所定のスペースを有する第１キャップを前記第１ウェハの表面に取り付ける段階と、
ｄ）前記第１ウェハから金属膜および第２ウェハを除去する段階と、
ｅ）前記第１キャップと対称構造を有する第２キャップを前記第１ウェハの裏面に取り付ける段階と、
を含むことを特徴とするジャイロスコープの製造方法。
【請求項２】
前記ａ）段階は、
ａ１）所定の厚さを有する前記第２ウェハ上に前記金属膜を形成する段階と、
ａ２）金属ペーストを用いて前記金属膜上に第１ウェハをボンディングする段階と、
ａ３）化学機械的研磨工程により前記第１ウェハを前記可動構造体の厚さに研磨する段階と、
を含むことを特徴とする請求項１に記載のジャイロスコープの製造方法。
【請求項３】
前記ｂ）段階は、
ｂ１）第１ウェハの所定の部分をフォトリソグラフィ工程によりパターニングする段階と、
ｂ２）前記金属膜をエッチングのバリアとして前記パターニングされた部分をドライエッチングする段階と、
を含むことを特徴とする請求項１に記載のジャイロスコープの製造方法。
【請求項４】
前記第１キャップおよび第２キャップは、陽極ボンディングされることを特徴とする請求項１に記載のジャイロスコープの製造方法。
【請求項５】
前記ｄ）段階は、硫酸洗浄工程を含むことを特徴とする請求項１に記載のジャイロスコープの製造方法。
【請求項６】
前記ａ３）段階は、ラッピング工程を含むことを特徴とする請求項２に記載のジャイロスコープの製造方法。
【請求項７】
前記金属膜は、バッファ層とメタル層を備えることを特徴とする請求項２に記載のジャイロスコープの製造方法。
【請求項８】
シリコン製の可動構造体と、
前記可動構造体を真空に封止するためのスペースを形成すべく前記構造体の両側に配されるガラス製の第１および第２キャップと、
を備えることを特徴とするジャイロスコープ。
【請求項９】
前記第１および第２キャップは、対称構造であることを特徴とする請求項８に記載のジャイロスコープ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はジャイロスコープの製造方法に係り、特に、ＳＭＳ（シリコン−金属−シリコン、以下、ＳＭＳ）ウェハを用いたジャイロスコープの製造方法およびこの方法により製造されたジャイロスコープに関する。
【背景技術】
【０００２】
ジャイロスコープは、動いている物体の角速度を測定するセンサーであって、船舶、航空機およびミサイルなどの移動体の姿勢と位置を測定する慣性航法装置において極めて重要な位置を占めている。
近年、ジャイロスコープの小型化、高感度化およびコストダウンを成し遂げられる微小電気機械システム（ＭＥＭＳ：Micro Electro Mechanical System）技術を用いたマイクロジャイロスコープが開発され、自動車、家電製品、情報通信などに幅広く用いられている。
【０００３】
上記したマイクロジャイロスコープは、ｘ，ｙの２自由度運動が可能な構造体であり、この構造体に対して左右方向の静電力により駆動した状態で、垂直方向（ｚ方向）を軸とした回転が加えられると、上下方向（ｙ方向）のコリオリ力が構造体に働いて構造体が上下方向に振動する。この構造体の上下方向の振動の大きさを静電容量に変換してセンサー回路で検出するように構成される。ここで、低い電圧にて構造体を駆動させて感度を高めるために、構造体が振動する環境を真空にしている。
【０００４】
一方、上記したマイクロジャイロスコープの主な構成要素である構造体は、一端が基板から飛び出している片持ち梁、あるいは両端を除いた中央部分を基板から浮かせて基板との間にスペースを形成したブリッジなどの構造体で構成でき、この構造体の形成には犠牲層のエッチング方法が使われている。また、犠牲層としては、シリコンとのエッチング選択比が大きな酸化膜が使われる。
【０００５】
図１Ａないし図１Ｄは、通常のマイクロジャイロスコープの構造および製造方法を説明するための断面図である。図中、符号１０は半導体ウェハ、２０は構造体、そして３０はキャップである。
ここで、半導体ウェハ１０としては、図１Ａに示すように、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ウェハ、すなわち、第１および第２ウェハ１１，１２間に所定の厚さを有する酸化膜１３が挟まれているＳＯＩウェハが使われるが、これはかなり高価である。
【０００６】
マイクロジャイロスコープを製造するための第１段階は、前記の如き構造の半導体ウェハ１０を用意または製造する過程であり、第２段階は、前記半導体ウェハ１０の所定の部分に構造体２０を形成する過程である。
構造体２０は、第１ウェハ１１の所定部分をフォトリソグラフィ工程によりパターニングしてドライエッチングすることにより形成するが、この工程により形成された構造体２０の一例が図１Ｂに示されている。
【０００７】
構造体２０を形成した後には、この構造体２０を半導体ウェハ１０から浮かせるべく酸化膜１３をウェットエッチングする工程を行い、これにより、図１Ｃに示すように、半導体ウェハ１０から浮いている構造体２０が得られる。
最後に、図１Ｄに示すように、半導体ウェハ１０の上部にキャップ３０を陽極ボンディングして構造体２０を封止することにより、構造体２０が位置する部分を真空にする。ここで、キャップ３０は、ガラス製である。
【０００８】
しかしながら、前記の如き通常のマイクロジャイロスコープの製造方法は次のような問題を包含しており、改善が望まれている。
まず第１に、高価なＳＯＩウェハを使用するため、製造コストが上がる。
第２に、犠牲層として酸化膜１３を使用するため、構造体２０を形成するための第１ウェハ１１のドライエッチングに当たって構造体２０の端部に不要な切欠き（図１Ｂにおける４１）が生じ、構造体２０を浮かせるための酸化膜１３のウェットエッチングに当たって望ましくないアンダーカット（図１Ｃにおける４２）が生じると共に、ウェットエッチング中に構造体２０が第２ウェハ１２に粘り着いてしまう現象（粘着現象）が生じる。この粘着現象は、封止キャップ３０を陽極ボンディングする過程でも生じうるが、かかる切欠き、アンダーカットおよび粘着現象はジャイロスコープの特性および性能の低下、さらには、歩留まりの低下を招いてしまう。
【０００９】
第３に、半導体ウェハ１０とキャップ３０の材質が異なるため、熱膨張の係数差による応力発生により構造が不安定になる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、通常の安価なシリコンウェハを使用することにより、製造コストを下げられるジャイロスコープの製造方法を提供するところにある。
本発明の別の目的は、金属膜をエッチングのバリアとして用いることにより、切欠き、アンダーカットおよび粘着問題の発生を根本的に抑えられるジャイロスコープの製造方法を提供するところにある。
【００１１】
本発明のさらに別の目的は、前記の如き製造方法により製造されたジャイロスコープを提供するところにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記目的を達成するために、本発明に係るジャイロスコープの製造方法は、金属膜とこの金属膜の両側に取り付けられた第１および第２ウェハとを有するＳＭＳウェハを製造する段階と、前記第１ウェハに可動構造体を形成する段階と、所定のスペースを有する第１キャップを前記第１ウェハの表面に取り付ける段階と、前記第１ウェハから金属膜および第２ウェハを除去する段階と、前記第１キャップと対称構造を有する第２キャップを前記第１ウェハの裏面に取り付ける段階と、を含む。
【００１３】
ＳＭＳウェハを製造する段階は、所定の厚さを有する前記第２ウェハ上に前記金属膜を形成する段階と、金属ペーストを用いて前記金属膜上に第１ウェハをボンディングする段階と、化学機械的研磨（ＣＭＰ）工程により前記第１ウェハを前記可動構造体の厚さに研磨する段階とを含む。
また、構造体を形成する段階は、第１ウェハの所定の部分をフォトリソグラフィ工程によりパターニングする段階と、前記金属膜をエッチングのバリアとして前記パターニングされた部分をドライエッチングする段階とを含む。
【００１４】
さらに、前記第１キャップおよび第２キャップは陽極ボンディングされ、ガラス製である。
さらに、金属膜および第２ウェハを除去する段階は硫酸洗浄工程を含み、第１ウェハの研磨段階はラッピング工程を含むことが望ましい。
一方、前記金属膜はバッファ層とメタル層を備え、バッファ層としてはＴｉＮやＴｉが、そしてメタル層としてはＡｌやＡｕが使用可能である。
【００１５】
本発明の目的を達成するために、本発明に係るジャイロスコープは、シリコン製の可動構造体と、前記可動構造体を真空に封止するためのスペースを形成すべく前記構造体の両側に配されるガラス製の第１および第２キャップとを備えることを特徴とする。
ここで、前記第１および第２キャップは対称構造を有する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ジャイロスコープ構造体の切欠き、アンダーカットおよび粘着現象が生じないことから、ジャイロスコープの性能および特性の向上を図ることができ、しかも不良の発生を著しく低減できて歩留まりを高められる。
加えて、構造体を真空に封止する第１および第２キャップが材質的に対称構造をなすことから、より安定した構造のジャイロスコープが得られる。
【００１７】
なおかつ、高価なＳＯＩウェハを使用せずに、安価な通常のシリコンウェハを使用することから、材料コストを下げられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、添付した図面に基づき、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。
図２Ａないし図２Ｈは、本発明の好適な実施の形態によるジャイロスコープの製造方法およびこれにより製造されたジャイロスコープを説明するための図である。
図中、符号１００は本発明の特徴部の１つであるＳＭＳ半導体ウェハである。ＳＭＳ半導体ウェハ１００とは、従来のＳＯＩ半導体ウェハとは異なり、比較的安価な２枚の通常のシリコンウェハの間に犠牲層として使われる金属膜が挟まれているウェハを言う。
【００１９】
本発明に係るジャイロスコープの製造方法の第１段階は、上記したようなＳＭＳ半導体ウェハ１００を用意または製造する過程である。ＳＭＳ半導体ウェハ１００は、図２Ａないし図２Ｃに示すように、まず、ほぼ５００μｍの厚さを有する第２ウェハ１２０上にほぼ１μｍの厚さを有する金属膜１３０を形成する。次いで、金属膜１３０上に金属ペーストまたはポリマー系の物質を用いて第２ウェハ１２０と同じ厚さを有する第１ウェハ１１０を取り付ける。その後、第１ウェハ１１０の厚さを後述する可動構造体の厚さに加工する。
【００２０】
ここで、第１および第２ウェハ１１０，１２０は、普通半導体工程に使われる安価なシリコンウェハである。金属膜１３０は、図２Ｈに示すように、メタル層１３０ａとバッファ層１３０ｂを備え、バッファ１３０ｂとメタル層１３０ａを第２ウェハ１２０上に順次蒸着することにより形成される。このとき、メタル層１３０ａとしてはＡｌやＡｕなどが使用可能であり、バッファ層１３０ｂとしてはＴｉＮやＴｉなどが使用可能である。ここで、バッファ層１３０ｂは、メタル層１３０ａと第２ウェハ１２０との間の接着性を高めるためのものである。一方、第１ウェハ１１０の加工は、ラッピング工程と化学機械的な研磨工程を含む。
【００２１】
このようにしてＳＭＳ半導体ウェハ１００を製造した後には、図２Ｄに示すように、構造体２００を形成する。構造体２００は、半導体ウェハ１００における第１ウェハ１１０の該当箇所をフォトリソグラフィ工程により、例えば、図示の如く、多数の電極状にパターニングする。次に、このパターニングされたフォトレジストをマスクとして、かつ、半導体ウェハ１００の金属膜１３０をエッチングのバリアとしてドライエッチングを行う。これらの過程は従来のＳＯＩウェハを用いる場合と大差ない。ところが、従来では犠牲層として酸化膜を用いていたため、エッチングに当たってイオンが酸化膜から反射される結果、エッチングにより得られる構造体の端部に不要な切欠き（図１Ｂにおける４１）が生じていたのに対し、本発明においては金属膜１３０をエッチングのバリアとして用いることから、前記の如きイオン反射が起こらず、切欠きの発生を抑えられる。
【００２２】
図２Ｄにおいて、構造体２００を構成する電極状の各構造部品は、それぞれ紙面に対して鉛直方向端部または中央部、あるいは複数箇所で第１ウェハ１１０と同一材料で連結されており、第１ウェハ１１０に対しても同一材料で連結されるようにパターニングされている。
構造体２００を形成した後、図２Ｅに示すように、構造体２００付き第１ウェハ１１０の上面に構造体２００を封止するための所定のスペース３１０を有するガラス製の第１キャップ３００を取り付ける。第１キャップ３００は、後述する第２キャップと共に構造体２００が位置する箇所を高真空にするために封止するものであって、陽極ボンディングにより第１ウェハ１１０に取り付けられる。
【００２３】
次に、構造体２００を支持している金属膜１３０と第２ウェハ１２０を除去することにより、構造体２００が可動状態で第１ウェハ１１０に支持される。この工程は硫酸を用いた洗浄などにより容易に成し遂げられる。この金属膜１３０と第２ウェハ１２０が除去された状態は、図２Ｆに示されている。
次に、上記した第１キャップ３００と構造的および材質的に対称関係にある第２キャップ４００を第１ウェハ１１０の裏面に陽極ボンディングにより取り付ける。これにより、図２Ｇに示すように、第１キャップ３００および第２キャップ４００のスペース３１０，４１０により形成されるスペース部に構造体２００が移動自在に位置するようなジャイロスコープが製造される。ここで、構造体２００が位置するスペース部は真空状態に保持され、これにより、低い電圧をもっても構造体２００を駆動することができ、しかも感度も非常に良くなる。
【００２４】
以上述べたように、金属膜１３０をエッチングのバリアとしてドライエッチングすることにより構造体２００を形成することから、構造体２００の切欠きの発生を抑えられる。また、従来より多用されている、酸化膜をウェットエッチングして構造体を浮かせる方法を用いず、金属膜１３０および第２ウェハ１２０を除去して構造体２００を浮かせる方法を用いることから、従来の如きアンダーカットの問題、あるいは構造体がその上部または下部の部材に貼りつくような粘着現象が生じない。さらに、シリコン製の構造体２００を介してその両側に第１キャップおよび第２キャップ３００，４００が材質的な対称関係を有するべく配されることから、従来の如き熱膨張の係数差による応力発生の問題を解消できる。
【００２５】
以上、本発明について詳細に説明したが、これは単なる例示的なものに過ぎず、この技術分野における当業者であれば、本発明の技術的な要旨を逸脱しない範囲内において各種の変形および修正が可能であるということは理解できるであろう。よって、これらの適切な変形および修正により得られる全ての均等物も本発明に範囲に属すると解釈されるべきである。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明によれば、慣性航法装置などに使われるジャイロスコープを安価に製造でき、しかも高感度のジャイロスコープを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１Ａ】従来のジャイロスコープの製造工程図である。
【図１Ｂ】従来のジャイロスコープの製造工程図である。
【図１Ｃ】従来のジャイロスコープの製造工程図である。
【図１Ｄ】従来のジャイロスコープの製造工程図である。
【図２Ａ】本発明に係るジャイロスコープの製造工程図である。
【図２Ｂ】本発明に係るジャイロスコープの製造工程図である。
【図２Ｃ】本発明に係るジャイロスコープの製造工程図である。
【図２Ｄ】本発明に係るジャイロスコープの製造工程図である。
【図２Ｅ】本発明に係るジャイロスコープの製造工程図である。
【図２Ｆ】本発明に係るジャイロスコープの製造工程図である。
【図２Ｇ】本発明に係るジャイロスコープの製造工程図である。
【図２Ｈ】本発明に係るジャイロスコープの製造工程図である。
【符号の説明】
【００２８】
１００：ＳＭＳ半導体ウェハ
１１０，１２０：第１および第２ウェハ
１３０：金属膜
２００：構造体
３００，４００：第１および第２キャップ
３１０，４１０：スペース
【図１Ａ】
2005181328.tif 000003
【図１Ｂ】
2005181328.tif 000004
【図１Ｃ】
2005181328.tif 000005
【図１Ｄ】
2005181328.tif 000006
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
2005181328.tif 000008
【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図２Ｆ】
2005181328.tif 000012
【図２Ｇ】
2005181328.tif 000013
【図２Ｈ】
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