(57)【要約】【課題】  チップサイズを有効に活用し、且つ、設計時間の短縮が期待できる容量型力学量センサ及びその製造方法を得ること。【解決手段】  容量型力学量センサにおいて、梁及び錘の一部に複数の貫通孔を形成することにより、機械特性の設計時間の短縮を実現し、小型化設計を容易にする。【選択図】      図１ 
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
梁により支持され、外部より印加される加速度又は角速度からなる力学量により変位する錘を有する半導体基板と、
前記半導体基板の表面の一部と接合し、前記錘の対向する位置に微小隙間１を隔てて配置した固定電極１を積層させた上部硝子基板と、
前記半導体基板の裏面の一部と接合し、前記錘の対向する位置に微小隙間２を隔てて配置した固定電極２を積層させた下部硝子基板とから成り、
前記錘の変位により、前記錘からなる可動電極と前記固定電極１間の容量変化、及び前記錘からなる可動電極と前記固定電極２間の容量変化から前記力学量を測定する容量型力学量センサにおいて、
前記梁及び前記錘の一部に貫通孔が形成されていることを特徴とする容量型力学量センサ。
【請求項２】
前記貫通孔が複数形成されていることを特徴とする請求項１に記載の容量型力学量センサ。
【請求項３】
半導体基板の両面に凹みを形成する工程と、
前記半導体基板の表面の前記凹み内を加工し、梁及び前記梁の一部に貫通孔を形成する工程と、
前記半導体基板の裏面の前記凹み内を加工し、前記梁に支持された錘及び前記錘の一部に貫通孔を形成する工程と、
平坦な上部硝子基板の表面に、固定電極１を積層形成する工程と、
平坦な下部硝子基板の表面に、固定電極２を積層形成する工程と
前記錘の対向する位置に前記固定電極１が配置されるよう、前記上部硝子基板を前記半導体基板の表面に接合し、且つ、前記錘の対向する位置に前記固定電極２が配置されるよう、前記下部硝子基板を前記半導体基板の裏面に接合する工程と、
を含むことを特徴とする容量型力学量センサの製造方法。
【請求項４】
梁により支持され、外部より印加される加速度や角速度といった力学量により変位する錘を有する半導体基板と、
前記半導体基板の表面の一部と接合し、前記錘の対向する位置に微小隙間１を隔てて配置した固定電極１を積層させた上部硝子基板と、
前記半導体基板の裏面の一部と接合し、前記錘の対向する位置に微小隙間２を隔てて配置した固定電極２を積層させた下部硝子基板とから成り、
前記錘の変位により、前記錘からなる可動電極と前記固定電極１間の容量変化、及び前記錘からなる可動電極と前記固定電極２間の容量変化から前記力学量を測定する容量型力学量センサにおいて、
前記梁の一部に貫通孔が形成されていることを特徴とする容量型力学量センサを製造するにあたり、
前記梁と前記梁の一部に形成した貫通孔は、同一のエッチング工程により形成されることを特徴とする容量型力学量センサの製造方法。
【請求項５】
梁により支持され、外部より印加される加速度又は角速度からなる力学量により変位する錘を有する半導体基板と、
前記半導体基板の表面の一部と接合し、前記錘の対向する位置に微小隙間１を隔てて配置した固定電極１を積層させた上部硝子基板と、
前記半導体基板の裏面の一部と接合し、前記錘の対向する位置に微小隙間２を隔てて配置した固定電極２を積層させた下部硝子基板とから成り、
前記錘の変位により、前記錘からなる可動電極と前記固定電極１間の容量変化、及び前記錘からなる可動電極と前記固定電極２間の容量変化から前記力学量を測定する容量型力学量センサにおいて、
前記錘の一部に貫通孔が形成されていることを特徴とする容量型力学量センサを製造するにあたり、
前記錘と前記錘の一部に形成した貫通孔は、同一のエッチング工程により形成されることを特徴とする容量型力学量センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、加速度、角速度といった力学的物理量を、容量変化として検出する容量型力学量センサに関する。特に、半導体製造プロセスにより製造された容量型力学量センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、外部から加わる加速度や角速度により変位する錘やその錘を支持する梁を半導体基板内に形成し、錘の可動電極に対し微小間隔を隔てて形成された固定電極との静電容量変化を検出する静電容量型力学量センサが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
図８にその概略図を示す。このセンサでは、錘８１と梁８２を微細加工で半導体基板８３内に作製し、両面からガラス基板（上側基板８４、下側基板８５）で接合し封止している。錘８１は、上側基板８４、下側基板８５及び半導体基板８３により形成される微小な空間内で、梁８２により支持され、浮いた状態になっている。
【０００４】
こういったセンサに、外部より物理量（例えば加速度）が加わると、質量を有する錘８１には物理量に比例した力がかかり、梁８２の撓みにより錘８１が変位する。これにより、硝子上に形成された固定電極８６と錘８１からなる可動電極との間の容量値が変化し、加わった物理量の大きさを測定することができる。
【０００５】
ここで、センサの感度特性等に大きく影響を及ぼす機械特性（共振周波数、バネ定数）は、錘８１及び梁８２のサイズに大きく依存する。特に、振動型の角速度センサにおいては、良好な感度特性を示す為に、梁表面に垂直方向（ここではZ方向と定義する）の共振周波数及び梁長手方向（ここではX方向と定義する）の共振周波数を数％の誤差範囲内に形成することが要求される（例えば、非特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平８−９４６６６号公報
【非特許文献１】「振動形マイクロジャイロの設計指針」前中他、電気学会論文誌Ｅ，Ｖｏｌ．１１８−Ｅ，Ｎｏ．７／８，ｐｐ．３７７−３８３（１９９８）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特開平８-９４６６６に示すようなセンサ構造は、Z方向とX方向の振動が独立に動くのではなく、連動して動く構造をしている。つまり、X方向の共振周波数を変動させた場合、Z方向の共振周波数も変動する。その為、Z方向の共振周波数を仕様範囲内に収める為に、梁のサイズや錘のサイズを調整した場合に、X方向の共振周波数が仕様から外れ、また、X方向の共振周波数を仕様内に収めようとした場合、Z方向の共振周波数が仕様から外れるといったことが頻繁に起こる。このような計算を幾回か繰り返して、XとZの共振周波数を共に仕様内に収めることが可能となり、設計時間が必要以上にかかる。また、X・Zの共振周波数ともに仕様内に収める為に、やむを得ず錘や梁のサイズを大きくする必要が生ずる場合もあり、チップサイズの拡大及びコスト高の原因となる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、加速度、角速度といった力学的物理量を、半導体プロセスを用いて製造する構造体が変位することによる容量変化を検出する容量型力学量センサにおいて、
梁により支持され、外部より印加される加速度や角速度といった力学量により変位する錘を有する半導体基板と、半導体基板の表面の一部と接合し、錘の対向する位置に微小隙間１を隔てて配置した固定電極１を積層させた上部硝子基板と、半導体基板の裏面の一部と接合し、錘の対向する位置に微小隙間２を隔てて配置した固定電極２を積層させた下部硝子基板とから成り、錘の変位により、錘からなる可動電極と固定電極１間の容量変化、及び錘からなる可動電極と固定電極２間の容量変化から力学量を測定する容量型力学量センサにおいて、梁及び錘の一部に貫通孔が形成されていることを特徴とする容量型力学量センサ。
【０００８】
また、貫通孔が複数個形成されていることを特徴とする容量型力学量センサ。
【０００９】
従って、梁及び錘中に貫通孔を形成することにより、梁のサイズや錘のサイズを変更することなく、手間をかけずに共振周波数及びバネ定数等の機械特性の調整が可能となり、設計時間の短縮が期待できる。また、梁及び錘サイズの調整に自由度がでて、センサ形成領域を有効に活用できる。
【００１０】
また、半導体基板の両面に凹みを形成する工程と、半導体基板の表面の凹み内を加工し、梁及び梁の一部に貫通孔を形成する工程と、半導体基板の裏面の凹み内を加工し、梁に支持された錘及び錘の一部に貫通孔を形成する工程と、平坦な上部硝子基板の表面に、固定電極１を積層形成する工程と、平坦な下部硝子基板の表面に、固定電極２を積層形成する工程と、錘の対向する位置に固定電極１が配置されるよう、上部硝子基板を半導体基板の表面に接合し、且つ、錘の対向する位置に固定電極２が配置されるよう、下部硝子基板を半導体基板の裏面に接合する工程と、を含むことを特徴とする容量型力学量センサの製造方法。
【００１１】
また、梁により支持され、外部より印加される加速度や角速度といった力学量により変位する錘を有する半導体基板と、半導体基板の表面の一部と接合し、錘の対向する位置に微小隙間１を隔てて配置した固定電極１を積層させた上部硝子基板と、半導体基板の裏面の一部と接合し、錘の対向する位置に微小隙間２を隔てて配置した固定電極２を積層させた下部硝子基板とから成り、錘の変位により、錘からなる可動電極と固定電極１間の容量変化、及び錘からなる可動電極と固定電極２間の容量変化から力学量を測定する容量型力学量センサにおいて、梁の一部に貫通孔が形成されていることを特徴とする容量型力学量センサを製造するにあたり、梁と梁の一部に形成した貫通孔は、同一のエッチング工程により形成されることを特徴とする容量型力学量センサの製造方法。
【００１２】
また、梁により支持され、外部より印加される加速度や角速度といった力学量により変位する錘を有する半導体基板と、半導体基板の表面の一部と接合し、錘の対向する位置に微小隙間１を隔てて配置した固定電極１を積層させた上部硝子基板と、半導体基板の裏面の一部と接合し、錘の対向する位置に微小隙間２を隔てて配置した固定電極２を積層させた下部硝子基板とから成り、錘の変位により、錘からなる可動電極と固定電極１間の容量変化、及び錘からなる可動電極と固定電極２間の容量変化から力学量を測定する容量型力学量センサにおいて、梁の一部に貫通孔が形成されていることを特徴とする容量型力学量センサを製造するにあたり、錘と錘の一部に形成した貫通孔は、同一のエッチング工程により形成されることを特徴とする容量型力学量センサの製造方法。
【００１３】
従って、梁及び梁の一部に形成する貫通孔、或いは、錘及び錘の一部に形成する貫通孔を同一プロセスで加工を行うことにより、工程数の低減が図れ、製造コストの低減と共に歩留まりの向上も望める。
【発明の効果】
【００１４】
梁及び錘中に貫通孔を形成することにより、共振周波数及びバネ定数等の機械特性の設計における調整時間の短縮が期待でき、開発費の削減が望める。また、梁及び錘サイズの調整に自由度がある為、センサ形成領域を有効に活用できるとともに、センササイズの拡大を防ぐことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の力学量センサを代表して角速度センサを例にあげ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【実施例１】
【００１６】
まず、本発明の実施例１に係わる容量型力学量センサの断面図を図１に示す。本力学量センサは、上部硝子基板1、シリコン基板２及び下部硝子基板３の３層構造をしており、それら３基板を接合して構造体を作製する。半導体（シリコン）基板２内には、エッチングにより梁4と錘5を有した振動体が形成されており、外部より加わる力により、振動体（梁４と錘５）は、振動したり、捩れたりする。梁４の厚み、幅、長さ、及び錘５の厚み、面積等の形状は、任意のバネ定数及び共振周波数が得られるよう、設計される。また、半導体基板２に形成された、梁４及び錘５と、それぞれ対向する上下硝子基板１，３との間には、微小隙間６、７が存在する。振動体（梁４と錘５）は、半導体基板２の外周部に、梁４を介して接続している。外部からの力により、錘５を支持する梁４が撓み、錘５は、微小隙間６、７内で移動する。
【００１７】
振動体（梁４と錘５）を形成したシリコン基板２を上下より挟み込む上下硝子基板１、３の一部には、貫通穴８が形成され、これら貫通穴８を通して、上下硝子１，３の内側に形成した電極を外側に引き出す構造をしている。貫通穴８の外側には、導電性材料９が積層されており、硝子内（微小隙間６，７）は封止される。上下硝子基板１，３の内側に形成された固定電極１１は、貫通穴８の側壁に形成した配線を通し、この導電性材料９から外へ取り出している。なお、梁４及び錘５の一部には、振動体の共振周波数及びバネ定数を調整する目的の貫通孔１２が形成されている。
【００１８】
ここで、実施例１に係わる容量型力学量センサは、例えば、特開平１０-２２７６４４号公報に記載のセンサと同様の原理により動作する。ここではその動作原理を以下で簡単に説明する。上側硝子基板１と下側硝子基板３の内面側に設けた励起用固定電極１０に交流電圧を印加させ、グランド（接地）に保持した可動電極となる振動体（梁４と錘５）との間に働く静電力により振動体（梁４と錘５）を上下振動させる。このようにｚ軸方向に速度が与えられた振動体（梁４と錘５）に、ｙ軸周りの角速度が加わると、ｘ軸方向にそれらのベクトル積のコリオリ力が与えられ、図２に示すように、梁４が撓む。上側硝子基板１と下側硝子基板３の内面側には、検出用固定電極１１を設けてあり、梁４の撓みによる錘５の傾きから、検出用固定電極１１と可動電極となる錘５との間の容量に変化が生じ、この容量変化から角速度の大きさを検出する。
【００１９】
図３に、本発明の実施例１に係わる容量型力学量センサの平面図の一例を示す。錘３１は四方から梁３２で支持されており、梁３２の端部３４、３５、３６、３７は、図１における半導体基板２の外周部に固定される。錘３１と梁３２はともに、基本的に上下左右対称形をしている。このような振動体の機械特性を示すバネ定数ｋは、ｋ＝nEbt3/L2、共振周波数ｆは、ｆ＝1/2π・√k/mで示される（n梁本数、Eヤング率、t梁厚み、b梁厚、L梁長、m錘質量）。図３に示すセンサには、振動体の共振周波数及びバネ定数を調整する目的で、梁３２に幾つかの貫通孔３３が規則的に形成されている。貫通孔３３の大きさ及び数を調節し、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸における任意の共振周波数及びバネ定数を得ている。このような調整機構により、設計が容易となり、設計時間の短縮が期待できる。例えば、共振周波数及びバネ定数を下げたいときには、貫通孔３３の数を増やしたりサイズを大きくし、また、共振周波数及びバネ定数を上げたいときには、貫通孔３３の数を減らしたりサイズを小さくする。また、図４（ａ）に示すように、例えば、錘４１のサイズに対し、梁４２のサイズが小さく設計された場合においても、図４（ｂ）のように、梁４３に貫通孔４４を挿入することにより、錘４５のサイズと梁４３のサイズをほぼ同程度に調整することが可能となる。通常の設計のおいては、目標とする機械特性を得る為に、梁の長さや幅を変えて対応しているが、センササイズが大きくなることもあり、コストアップに繋がる。本発明の実施例１に係わる容量型力学量センサによれば、容易な調整により、設計時間の短縮が期待できるとともに、センサ形成領域を有効に活用することが可能となる。
【００２０】
Ｚの共振周波数とＸ、Ｙの共振周波数を同程度増大させたり、低下させたりする場合は、図３及び図４に示す対応により可能であるが、Ｚの共振周波数とＸ、Ｙの共振周波数の増大量や低下量に差がある場合は、図５に示す調整方法が有効である。Ｘ、Ｙ方向の共振周波数が、目標仕様に対し低めに設計された場合には、図５（ａ）のように、錘５１の端の方に貫通孔５２を形成する方法が有効である。Ｚの共振周波数も若干増大するが、それ以上に、Ｘ，Ｙの共振周波数を増大させる効果が大きい。外側の質量を軽くすることにより、錘の重心にかかるＸ及びＹ方向へのモーメントを小さくでき、Ｘ、Ｙ方向の共振周波数を効果的に増大させることが可能となる。同様に、Ｚ方向の共振周波数が、目標仕様に対し低めに設計された場合においても、図５（ａ）での説明と同様な原理により、図５（ｂ）のように、錘５３の内の方に、貫通孔５４を形成する方法により効率的にＺの共振周波数を増大させることが可能となる。
【００２１】
このように、図３から図５に示した方法により、Ｚ方向及びＸ、Ｙ方向の共振周波数及びバネ定数を目標仕様内に、しかもセンササイズを拡大することなく対応可能である。
ここで、図３から図５において、貫通孔の形状が円柱で示してあるが、これに限らず、三角注等の多角柱や楕円柱であっても勿論構わない。また、この貫通孔の形成は、梁を形成する工程及び錘を形成する工程に用いるエッチングで同時に形成可能である為、コスト高には繋がらない。
【００２２】
図６及び図７は、本発明の実施例１に係わる角速度センサの製造工程を説明した図である。まず、図６の６０１のように、フォトリソ技術によりシリコン基板６１の両面にエッチング用マスク６２を形成する。マスク材に酸化珪素や窒化珪素を用いるが、シリコンのエッチャントに対し耐性の有る膜であれば他の材料でも問題ない。酸化膜の場合、沸酸により容易にマスク材をエッチングでき、マスクのパターンを作製できる。また、基板には、酸化膜を埋め込んだSOI(Silicon On Insulator)基板を使用しても良い。この場合、中間酸化膜が梁加工や錘加工におけるエッチストップ層として機能するため、厚みに対し高精度な加工を実現する。
【００２３】
次に、図６の６０２のように、シリコン基板６１を両面からエッチングし、微小隙間用の凹み６３、６４を形成する。ここで使用するエッチャントは、高精度な微小隙間を得られるよう、例えば、テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド水溶液や水酸化カリウム水溶液といった異方性のエッチャントを使用する。エッチングが終了したら、エッチングマスクを沸酸等により剥離する。また、このエッチング工程６０２では、反応性イオンエッチング等のドライエッチングにより凹み６３、６４を形成しても勿論構わない。その場合、エッチング用マスク６２は、ドライエッチングに耐えうる材料、例えばレジストを使用できる。
【００２４】
次に、図６の６０３のように、反応性イオンエッチングや誘導結合プラズマ（ICP）エッチングといったドライエッチによって、表面側から加工を施し、梁６５の形状と貫通孔の一部６６を同時に作製する。エッチングマスク材には、酸化珪素や窒化珪素用いても良いし、レジストでも構わない。ICPや電子サイクロトロンを利用した高密度プラズマプロセスを使用することにより、より垂直な加工が可能となると共に、エッチングレートが向上する為、梁の振動特性の向上と共に、作製コストの低減へと繋がる。
【００２５】
次に、高密度プラズマプロセスにより裏面側からシリコン基板６１をエッチングし、錘６７の形状及び貫通孔６８を同時に形成する。このとき、基板の一部は貫通され、振動体（梁６５と錘６７）が形成される。
また、SOI基板を使用した場合は、中間酸化膜が残るが、この後中間酸化膜をエッチングすることにより、振動体は形成される。
【００２６】
次に、図７に、上部硝子基板と下部硝子基板の作製工程を説明した図を示す。上部硝子基板と下部硝子基板は構造が同様である為、同一図で説明する。
【００２７】
まず、図７の７０１のように、貫通穴７３を形成した硝子基板７１と高不純物濃度シリコン基板７２を用意する。硝子は、シリコンと熱膨張係数が同様な硝子を選択し、ブラスト加工等により貫通穴７３を形成する。
【００２８】
次に、図７の７０２のように、硝子基板７１（穴径の小さい面側）と高不純物濃度シリコン基板７２を接合した後、研磨により高不純物濃度シリコン基板７２を薄く削る。
【００２９】
次に、図７の７０３のように、高不純物濃度シリコン７２をエッチングし、上側硝子基板と下側硝子基板の外側配線７４を形成する。このエッチングは、乾式でも湿式でも構わない。
【００３０】
次に、図７の７０４のように、貫通穴の穴径が大きい面側から金属膜を積層させ、パターン形成することにより、内側配線７５を形成する。この後、熱処理を行い、外側配線７４との電位コンタクトを確保する。
【００３１】
最後に、図には示さないが、図６及び図７のような工程により作製する上側硝子基板とシリコン基板と下側硝子基板を接合し、構造体を封止し、図１のようなセンサ構造を作製する。このときの接合は、硝子側に陰極電圧を与え、硝子−シリコン間の静電引力を利用する陽極接合や、接合面に金属を積層させ接合させる共晶接合等を使用する。
このような工程により作製する角速度センサにおいて、梁及び梁の一部に形成する貫通孔や、錘及び錘の一部に形成する貫通孔を同一プロセスで加工を行うことにより、加工工程数を低減でき、コスト低減の効果が得られる。
また、本実施例１の説明において角速度センサを例に取り上げたが、同様な梁及び錘を形成する加速度センサ及び力覚センサにおいても、本実施例１の適応が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】実施例１に係る容量型力学量センサの断面図である。
【図２】実施例１に係る容量型力学量センサの断面図である。
【図３】実施例１に係わる容量型力学量センサの平面図の一例である。
【図４】実施例１に係わる容量型力学量センサの平面図の一例である。
【図５】実施例１に係わる容量型力学量センサの平面図の一例である。
【図６】実施例１に係わる容量型力学量センサの製造工程を説明した断面図である。
【図７】実施例１に係わる容量型力学量センサの製造工程を説明した断面図である。
【図８】従来の容量型力学量センサを説明した断面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１                              上部硝子基板
２                              シリコン基板
３                              下部硝子基板
４                              梁
５                              錘
６、７                          微小隙間
８                              貫通穴
９                              導電性材料
１０                            励起用固定電極
１１                            検出用固定電極
１２                            貫通孔
３１、４１、４５、５１、５３    錘
３２、４２、４３                梁
３３、４４、５２、５４          貫通孔
３４、３５、３６、３７          梁の端部
６１                            シリコン基板
６２                            エッチング用マスク
６３、６４                      凹み
６５                            梁
６６                            貫通孔の一部
６７                            錘
６８                            貫通孔
７１                            硝子基板
７２                            高不純物濃度シリコン基板
７３                            貫通穴
７４                            外側配線
７５                            内側配線
８１                            錘
８２                            梁
８３                            半導体基板
８４                            上側基板
８５                            下側基板
８６                            固定電極
【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】
2005345245.tif 000007
【図６】
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【図７】
2005345245.tif 000009
【図８】
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