JP6922528B2 - Manufacturing method of dynamic quantity sensor - Google Patents
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Description
本開示は、力学量センサ及びその製造方法に関する。 The present disclosure relates to a dynamic quantity sensor and a method for manufacturing the same.
ガラスと金属又は半導体材料とを接合とする方法として陽極接合が知られている。陽極接合は、アルカリ金属酸化物を副成分として含むガラスと金属又は半導体材料とを接触させて加熱し、ガラス側を陰極とし、金属又は半導体材料側を陽極として電圧を印加することにより、ガラスと金属又は半導体材料との間に静電引力が働いて両者が強く密着し、ガラスと金属又は半導体材料との界面で起こる共有結合によって、ガラスと金属又は半導体材料とを接合する方法であり、半導体材料から構成される圧力センサや加速度センサなどのトランデューサを含むMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)デバイスの製造に利用されている。 Anode bonding is known as a method for bonding glass to a metal or a semiconductor material. In the anode bonding, a glass containing an alkali metal oxide as a subcomponent is brought into contact with a metal or a semiconductor material to be heated, and a voltage is applied with the glass side as a cathode and the metal or semiconductor material side as an anode to obtain a voltage. This is a method in which an electrostatic attraction acts between a metal or a semiconductor material to strongly adhere the two, and a covalent bond occurs at the interface between the glass and the metal or the semiconductor material to bond the glass to the metal or the semiconductor material. It is used in the manufacture of MEMS (Micro Electrical Semiconductor Systems) devices including transducers such as pressure sensors and acceleration sensors made of materials.
可動部を有するMEMSデバイスを製造する際、可動部が設けられた金属又は半導体とガラス基板との陽極接合時の電圧印加により、可動部と対向するガラス基板の一面側が−(マイナス)に帯電し、静電引力によって可動部が対向するガラス基板又は可動部に対向するガラス基板の一面上に設けられた電極に引き寄せられて接触し、付着してしまうという問題があった。 When manufacturing a MEMS device having a movable part, one side of the glass substrate facing the movable part is charged negatively by applying a voltage at the time of anodizing the metal or semiconductor provided with the movable part and the glass substrate. There is a problem that the movable part is attracted to the electrode provided on one surface of the glass substrate facing the movable part or the glass substrate facing the movable part due to the electrostatic attraction, and comes into contact with the electrode, and adheres to the glass substrate.
引用文献1には、可動部が設けられた半導体基板とガラス基板との陽極接合する際に、可動部と対向するガラス基板の一面上に設けられた電極を接地して半導体基板と同電位にし、電極を電場のシールド層として機能させることによって静電引力の発生を防ぎ、静電引力により可動部がガラス基板に引き寄せられて接触することを防止することにより、可動部とガラス基板との貼り付きを防止する力学量センサの製造方法が開示されている。また、引用文献2には、可動部の下面と可動部に対向するガラス基板の一面上に設けられた電極に特定の材料を用いることにより、接触しても可動部とガラス基板との貼り付きが起こらないようにし、可動部とガラス基板との貼り付きを防止する力学量センサの製造方法が開示されている。 In Reference 1, when the semiconductor substrate provided with the movable portion and the glass substrate are anodically bonded, the electrode provided on one surface of the glass substrate facing the movable portion is grounded to have the same potential as the semiconductor substrate. By making the electrode function as a shield layer of the electric field, the generation of electrostatic attraction is prevented, and by preventing the movable part from being attracted to the glass substrate by the electrostatic attraction and coming into contact with the glass substrate, the movable part and the glass substrate are attached to each other. A method for manufacturing a dynamic quantity sensor that prevents sticking is disclosed. Further, in Cited Document 2, by using a specific material for the electrode provided on the lower surface of the movable portion and one surface of the glass substrate facing the movable portion, the movable portion and the glass substrate are stuck to each other even if they come into contact with each other. Disclosed is a method for manufacturing a dynamics sensor that prevents the occurrence of the above-mentioned problems and prevents the moving parts from sticking to the glass substrate.
しかしながら、引用文献1及び引用文献2に記載された方法を用いて力学量センサを製造する場合においても、半導体基板に設けられた可動部と対向するガラス基板との貼り付き防止が十分ではなく、力学量センサを安定的に製造することが困難となり、製造工程における力学量センサの歩留まりが低下するという問題がある。 However, even when the dynamics sensor is manufactured by using the methods described in Cited Document 1 and Cited Document 2, the prevention of sticking between the movable portion provided on the semiconductor substrate and the glass substrate facing the semiconductor substrate is not sufficient. There is a problem that it becomes difficult to stably manufacture the dynamic quantity sensor, and the yield of the dynamic quantity sensor in the manufacturing process decreases.
また、半導体基板とガラス基板との陽極接合時にガラス基板に含まれるナトリウムイオンなどの陽イオンが給電電極側に移動することにより、ガラス基板の給電電極が設けられた面とは反対側の面に表面荒れが発生したり、ガラス基板に電極が設けられる場合、陽イオンが給電電極側に移動することにより過剰に残存した酸素イオン(O2-)によって、電極が劣化してしまい、力学量センサの信頼性が低下するという問題がある。 Further, when the semiconductor substrate and the glass substrate are joined to the anode, cations such as sodium ions contained in the glass substrate move to the feeding electrode side, so that the surface of the glass substrate is opposite to the surface on which the feeding electrode is provided. When surface roughness occurs or an electrode is provided on the glass substrate, the electrode deteriorates due to excess oxygen ions (O 2- ) remaining due to the movement of cations to the feeding electrode side, resulting in a dynamics sensor. There is a problem that the reliability of the is lowered.
このような課題に鑑み、本開示の実施形態における目的は、可動部を備える力学量センサの製造において、半導体基板に設けられた可動部とガラス基板との貼り付きを防止し、電極の劣化を防止することにより、信頼性の高い力学量センサを安定的に製造することにある。 In view of such a problem, an object of the embodiment of the present disclosure is to prevent the movable portion provided on the semiconductor substrate from sticking to the glass substrate in the manufacture of the dynamic quantity sensor including the movable portion, and to prevent the electrode from deteriorating. By preventing this, it is necessary to stably manufacture a highly reliable mechanical quantity sensor.
本開示の一実施形態に係る力学量センサは、開口を有する枠部と、前記開口内に設けられ、前記枠部に対して変位する変位部と、前記枠部と前記変位部とを接続する可撓部と、を有する第1構造体と、前記枠部に接合される固定部と、前記固定部と離隔して設けられ、前記変位部に接合される錘部と、を有する第2構造体と、アルカリ金属を含むケイ酸ガラスから構成され、前記第2構造体に対向する第1面及び前記第1面と反対側に位置する第2面を有し、前記第1面が前記固定部と接合される支持基板と、を備え、前記支持基板の前記第1面の前記錘部と対向する部分におけるアルカリ金属の濃度と、前記第1面の前記固定部に対向する部分におけるアルカリ金属の濃度とが異なっている。 The mechanical quantity sensor according to the embodiment of the present disclosure connects a frame portion having an opening, a displacement portion provided in the opening and displaced with respect to the frame portion, and the frame portion and the displacement portion. A second structure having a first structure having a flexible portion, a fixing portion joined to the frame portion, and a weight portion provided separately from the fixing portion and joined to the displacement portion. It is composed of a body and silicate glass containing an alkali metal, has a first surface facing the second structure and a second surface located on the side opposite to the first surface, and the first surface is fixed. A support substrate to be joined to the portion is provided, and the concentration of alkali metal in the portion of the support substrate facing the weight portion on the first surface and the alkali metal in the portion of the first surface facing the fixed portion. Is different from the concentration of.
前記第1構造体は、第1半導体材料から構成され、前記第2構造体は、第2半導体材料から構成されてもよい。 The first structure may be made of a first semiconductor material, and the second structure may be made of a second semiconductor material.
力学量センサは、前記可撓部に設けられるピエゾ抵抗をさらに備えてもよい。または、力学量センサは、前記支持基板の前記第1面上に設けられた導電層をさらに含んでもよい。 The mechanical quantity sensor may further include a piezoresistive effect provided on the flexible portion. Alternatively, the mechanical quantity sensor may further include a conductive layer provided on the first surface of the support substrate.
本開示の一実施形態に係る力学量センサの製造方法は、第1半導体層及び第2半導体層を有する半導体基板における第1半導体層をエッチングして枠部と、変位部と、前記枠部と前記変位部とを接続する可撓部を形成して第1構造体を形成し、前記第2半導体層をエッチングして前記枠部に接合される固定部と、前記固定部と離隔して設けられ、前記変位部に接合される錘部とを形成して第2構造体を形成し、アルカリ金属を含むケイ酸ガラスから構成された支持基板の一方の面に第1導電層及び第2導電層を形成し、前記支持基板の一方の面とは反対側の他方の面と前記第2構造体の固定部とを陽極接合すること、を含み、前記陽極接合することは、前記第2導電層及び前記半導体基板を接地して、前記支持基板の他方の面と前記固定部との間に電圧を印加すること、を含み、前記第1導電層は前記固定部に少なくとも一部が重畳するように形成し、前記第2導電層は、前記錘部に少なくとも一部が重畳するように形成される。 In the method for manufacturing a dynamics sensor according to an embodiment of the present disclosure, the first semiconductor layer in the semiconductor substrate having the first semiconductor layer and the second semiconductor layer is etched to form a frame portion, a displacement portion, and the frame portion. A flexible portion connecting the displaced portion is formed to form a first structure, and a fixed portion joined to the frame portion by etching the second semiconductor layer is provided separately from the fixed portion. A first conductive layer and a second conductive layer are formed on one surface of a support substrate made of siliceous glass containing an alkali metal to form a second structure by forming a weight portion joined to the displaced portion. The anodic bonding includes forming a layer and anodic bonding the other surface of the support substrate opposite to one surface and the fixing portion of the second structure, and the anodic bonding includes the second conductivity. The first conductive layer is at least partially superimposed on the fixed portion, including grounding the layer and the semiconductor substrate and applying a voltage between the other surface of the support substrate and the fixed portion. The second conductive layer is formed so that at least a part thereof overlaps the weight portion.
力学量センサの製造方法は、前記第1半導体層の前記可撓部に不純物を拡散して複数のピエゾ抵抗を形成することをさらに含んでもよい。または、力学量センサの製造方法は、前記支持基板の他方の面に第3導電層を形成することをさらに含んでもよい。 The method for manufacturing a dynamic quantity sensor may further include diffusing impurities into the flexible portion of the first semiconductor layer to form a plurality of piezoresistive effects. Alternatively, the method of manufacturing a dynamic quantity sensor may further include forming a third conductive layer on the other surface of the support substrate.
本開示の一実施形態に係る力学量センサは、開口を有する枠部を有する第1構造体と、前記枠部に接合される固定部と、固定部と接続され、前記固定部に対して変位する変位部を有する第2構造体と、アルカリ金属を含むケイ酸ガラスから構成され、前記第2構造体に対向する第1面及び前記第1面と反対側に位置する第2面を有し、前記第1面が前記固定部と接合される支持基板と、を備え、前記支持基板の前記第1面の前記変位部と対向する部分におけるアルカリ金属の濃度と、前記第1面の前記固定部に対向する部分におけるアルカリ金属の濃度とが異なっている。 The mechanical quantity sensor according to the embodiment of the present disclosure is connected to a first structure having a frame portion having an opening, a fixed portion joined to the frame portion, and the fixed portion, and is displaced with respect to the fixed portion. It is composed of a second structure having a displacement portion and a silicate glass containing an alkali metal, and has a first surface facing the second structure and a second surface located on the opposite side of the first surface. A support substrate whose first surface is joined to the fixing portion, and a concentration of alkali metal in a portion of the support substrate facing the displacement portion of the first surface and the fixing of the first surface. The concentration of the alkali metal in the portion facing the portion is different.
前記変位部には、第1電極が設けられてもよく、前記変位部に対向する、前記支持基板の前記第1面には第2電極が設けられてもよい。 A first electrode may be provided on the displacement portion, or a second electrode may be provided on the first surface of the support substrate facing the displacement portion.
本開示の一実施形態によると、可動部を備える力学量センサの製造において、半導体基板に設けられた可動部とガラス基板との貼り付きを防止し、電極の劣化を防止することにより、信頼性の高い力学量センサを安定的に製造することができる。 According to one embodiment of the present disclosure, in the manufacture of a dynamic quantity sensor including a movable part, reliability is obtained by preventing the movable part provided on the semiconductor substrate from sticking to the glass substrate and preventing the deterioration of the electrode. It is possible to stably manufacture a high dynamic quantity sensor.
以下、図面を参照して本開示の実施形態に係る力学量センサ及びその製造方法について説明する。但し、以下に示す各実施形態は本開示の実施形態の一例であって、本開示はこれらの実施形態に限定して解釈されるものではなく、多くの異なる態様で実施することが可能である。なお、以下に示す各本実施形態及び実施形態で参照する図面において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、図面の寸法比率は説明の都合上実際の比率とは異なったり、構成の一部が図面から省略されたりする場合がある。 Hereinafter, the mechanical quantity sensor and the manufacturing method thereof according to the embodiment of the present disclosure will be described with reference to the drawings. However, each of the embodiments shown below is an example of the embodiments of the present disclosure, and the present disclosure is not construed as being limited to these embodiments, and can be implemented in many different embodiments. .. In each of the present embodiments and the drawings referred to in the embodiments shown below, the same parts or parts having the same functions are designated by the same reference numerals, and the repeated description thereof will be omitted. In addition, the dimensional ratio of the drawing may differ from the actual ratio for convenience of explanation, or a part of the configuration may be omitted from the drawing.
[第1実施形態]
(力学量センサ)
本開示の一実施形態に係る力学量センサとして、以下ではピエゾ抵抗型3軸加速度センサを一例として説明する。但し、本開示の一実施形態に係る力学量センサは、ピエゾ抵抗型加速度センサに限定されるものではなく、静電容量型の加速度センサ、圧力センサ、角速度センサなどであってもよい。図1は、本開示の一実施形態に係る力学量センサ100の斜視図であり、図2は、図1に示した力学量センサ100の分解斜視図である。
[First Embodiment]
(Mechanical quantity sensor)
As the mechanical quantity sensor according to the embodiment of the present disclosure, a piezoresistive 3-axis acceleration sensor will be described below as an example. However, the dynamic quantity sensor according to the embodiment of the present disclosure is not limited to the piezoresistive acceleration sensor, and may be a capacitance type acceleration sensor, a pressure sensor, an angular velocity sensor, or the like. FIG. 1 is a perspective view of the
図1及び図2を参照すると、力学量センサ100は、シリコン基板101a上に形成したシリコン酸化膜101b、さらにその上にシリコン膜101cが積層されたSOI基板101を用いて構成される加速度センサ本体103と、支持基板105とを含む。
Referring to FIGS. 1 and 2, the
加速度センサ本体103は、枠部109と、枠部109に対して変位する変位部111と、枠部109と変位部111とを接続する可撓部113(113a、113b)と、を有する第1構造体201、及び枠部109に接合される固定部117と、固定部117と離隔して設けられ、変位部111に接合される錘部119と、を有する第2構造体203を含む。尚、図1及び図2に示した力学量センサ100おいて、加速度センサ本体103の第1構造体201の上に設けられる配線層を含む一部の構成は省略されている。
The acceleration sensor
第1構造体201は、シリコン酸化膜101b及びシリコン膜101cから構成される。第1構造体201の可撓部113(113a、113b)上には複数のピエゾ抵抗Rx1〜Rx4、Ry1〜Ry4、Rz1〜Rz4が設けられる。ピエゾ抵抗Rx1〜Rx4、Ry1〜Ry4、Rz1〜Rz4は、ボロン(B)などの不純物を含む半導体材料から構成される。ピエゾ抵抗Rx1〜Rx4、Ry1〜Ry4、Rz1〜Rz4は、可撓部113(113a、113b)の撓み、換言すれば、枠部109に対する変位部111の変位を検出する。また、第1構造体201には、枠部109、変位部111及び可撓部113に囲まれた複数の開口115が設けられる。
The
図3は、第1構造体201のX軸方向の可撓部113aの拡大図である。図3に示すように、X軸方向の可撓部113aには、X軸方向の加速度を検出するために、ピエゾ抵抗Rx1〜Rx4が設けられる。また、X軸方向の可撓部113aには、Z軸方向の加速度を検出するために、ピエゾ抵抗Rz1〜Rz4が設けられる。同様に、Y軸方向の可撓部113bには、Y軸方向の加速度を検出するために、ピエゾ抵抗Ry1〜Ry4が設けられる。尚、ピエゾ抵抗Rz1〜Rz4は、Y軸方向の可撓部113bに設けられてもよい。各ピエゾ抵抗Rx1〜Rx4、Ry1〜Ry4、Rz1〜Rz4は、第1構造体201上に設けられる配線層301と電気的に接続される。配線層301は電極303に接続され、コンタクトホール305を介して外部装置と電気的に接続されてもよい。
FIG. 3 is an enlarged view of the
可撓部113(113a、113b)に設けられたピエゾ抵抗Rx1〜Rx4、Ry1〜Ry4、Rz1〜Rz4の伸縮による抵抗値の変化の符号のパターンと変化の絶対値により加速度の方向および大きさを検出することができる。図4A〜図4Cは、ピエゾ抵抗Rx1〜Rx4、Ry1〜Ry4、Rz1〜Rz4からX軸方向、Y軸方向及びZ軸方向の加速度を検出するための検出回路の一例を示す回路図である。図4A〜図4Cに示すように、ピエゾ抵抗Rx1〜Rx4、Ry1〜Ry4、Rz1〜Rz4は、それぞれブリッジ回路を形成するように接続される。 The direction and magnitude of acceleration are determined by the pattern of the sign of the change in resistance value due to expansion and contraction of the piezo resistors Rx1 to Rx4, Ry1 to Ry4, and Rz1 to Rz4 provided in the flexible portions 113 (113a, 113b) and the absolute value of the change. Can be detected. 4A to 4C are circuit diagrams showing an example of a detection circuit for detecting acceleration in the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction from the piezoresistives Rx1 to Rx4, Ry1 to Ry4, and Rz1 to Rz4. As shown in FIGS. 4A to 4C, the piezoresists Rx1 to Rx4, Ry1 to Ry4, and Rz1 to Rz4 are connected so as to form a bridge circuit, respectively.
図4A〜図4Cに示す入力電圧(Vx_in、Vy_in、Vz_in)と出力電圧(Vx_out、Vy_out、Vz_out)の関係は以下のとおりである。
加速度の大きさと各ピエゾ抵抗Rx1〜Rx4、Ry1〜Ry4、Rz1〜Rz4の伸縮の大きさとは比例し、且つ、ピエゾ抵抗Rx1〜Rx4、Ry1〜Ry4、Rz1〜Rz4の伸縮の大きさと各ピエゾ抵抗Rx1〜Rx4、Ry1〜Ry4、Rz1〜Rz4の抵抗値の大きさとは比例する。そのため、入力電圧(Vx_in、Vy_in、Vz_in)に対する出力電圧(Vx_out、Vy_out、Vz_out)の大きさは、X軸方向、Y軸方向、Z軸方向への加速度の大きさに比例する。 The magnitude of acceleration is proportional to the magnitude of expansion and contraction of each piezoresistive Rx1 to Rx4, Ry1 to Ry4, Rz1 to Rz4, and the magnitude of expansion and contraction of piezoresistives Rx1 to Rx4, Ry1 to Ry4, Rz1 to Rz4 and each piezoresistive resistance. It is proportional to the magnitude of the resistance value of Rx1 to Rx4, Ry1 to Ry4, and Rz1 to Rz4. Therefore, the magnitude of the output voltage (Vx_out, Vy_out, Vz_out) with respect to the input voltage (Vx_in, Vy_in, Vz_in) is proportional to the magnitude of the acceleration in the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction.
第2構造体203は、シリコン基板101aから構成される。第2構造体203の固定部117は、第1構造体201の枠部109に接合されている。また、第2構造体203の錘部119は、第1構造体201の変位部111に接合されている。
The
加速度センサ本体103は、支持基板105に接合される。支持基板105は、ケイ酸を主成分とするケイ酸ガラスで構成され、アルカリ金属酸化物などの副成分を含む。ケイ酸ガラスに含まれる副成分としては、酸化ナトリウムなどのアルカリ金属酸化物が挙げられる。また、副成分として、アルカリ金属酸化物の他にアルミナや酸化鉛、酸化マグネシウムなどが含まれてもよい。支持基板105は、第2構造体203に対向する第1面107a及び該第1面107aと反対側に位置する第2面107bを有する。支持基板105と加速度センサ本体103とは、陽極接合により互いに接合される。具体的には、支持基板105の第1面107aと第2構造体203の固定部117とが陽極接合によって接合される。
The acceleration sensor
加速度センサ本体103と接合された支持基板105の第1面107aの一部と該一部を除いた他の一部とでは、アルカリ金属の濃度が異なる。具体的には、第1面107aにおける、第2構造体203の固定部117に対向する部分のアルカリ金属の濃度と、支持基板105の第1面107aにおける、第2構造体203の錘部119と対向する部分のアルカリ金属の濃度とは異なる。
The concentration of the alkali metal differs between a part of the
図5は、加速度センサ本体103と対向する、支持基板105の第1面107aの上面図である。図5では、力学量センサ100の加速度センサ本体103は省略している。図5において、第1面107aにおける、第2構造体203の固定部117に対向する部分501は斜線で示す領域である。また、図5において、第1面107aにおける、第2構造体203の錘部119と対向する部分503は横線で示す領域である。上述したように、本開示の一実施形態に係る力学量センサ100において、支持基板105の第1面107aにおける、第2構造体203の固定部117に対向する部分501と、第2構造体203の錘部119と対向する部分503とでは、支持基板105に含まれるアルカリ金属の濃度が異なる。
FIG. 5 is a top view of the
例えば、アルカリ金属酸化物として酸化ナトリウム(Na2O)が副成分として含まれる場合、支持基板105の第1面107aにおける、第2構造体203の固定部117に対向する部分501のナトリウム(Na)濃度と第2構造体203の錘部119と対向する部分503のナトリウム(Na)濃度とが異なる。具体的には、支持基板105の第1面107aにおける、第2構造体203の錘部119と対向する部分503のナトリウム(Na)濃度は陽極接合前のナトリウム(Na)濃度と略変わらないのに対し、第2構造体203の固定部117に対向する部分501のナトリウム(Na)濃度は陽極接合前のナトリウム(Na)濃度よりも低い。
For example, when sodium oxide (Na 2 O) is contained as an alkali metal oxide as a sub-component, sodium (Na) in the
図6は、図1に示したA−Aに沿った断面図である。図6に示すように、支持基板105の第1面107aの、第2構造体203の固定部117に対向する部分501と、第2構造体203の錘部119と対向する部分503とにおけるナトリウムイオン(Na+)は、第1面107aの表面だけではなく、支持基板105の厚さ方向、即ち、第1面107aの表面から第2面107bに向かって深さdまでの領域で互いに異なる。ここで、dは、0.5μm〜1.6μmである。
FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the line AA shown in FIG. As shown in FIG. 6, sodium in the
そのため、支持基板105の第1面107aにおける、第2構造体203の錘部119と対向する部分403の帯電量は、第2構造体203の固定部117に対向する部分401の帯電量に比べて極めて小さい。その結果、第2構造体203の錘部119と対向する部分403と錘部119との間のクーロン力(静電引力)による、錘部119の支持基板105への貼り付きを防止することができ、力学量センサ100の信頼性を向上させることができる。
Therefore, the charge amount of the portion 403 facing the
(力学量センサの製造方法)
本開示の一実施形態に係る力学量センサの製造方法を説明する。以下では、図7A〜図7I及び図8を参照して、図1に示した力学量センサ100の製造方法を説明する。図7A〜図7I及び図8は、力学量センサ100の製造工程を説明するための図1に示したA−Aの断面沿う断面図である。尚、図7A〜図7I及び図8を参照して説明する力学量センサ100の製造方法は一例であって、力学量センサ100の製造方法は以下に説明する製造方法に限定されるわけではない。
(Manufacturing method of dynamic quantity sensor)
A method of manufacturing a dynamic quantity sensor according to an embodiment of the present disclosure will be described. Hereinafter, a method for manufacturing the
図7Aに示すように、シリコン基板101a(第1半導体層)上に形成したシリコン酸化膜101b、さらにその上にシリコン膜(第2半導体層)101cを積層したSOI基板(半導体基板)を準備する。SOI基板は、SIMOX法、貼り合せ法等により製造される。シリコン酸化膜101bは、後述の工程でエッチングストッパ層としても機能する。
As shown in FIG. 7A, an SOI substrate (semiconductor substrate) in which a
次にピエゾ抵抗Rx1〜Rx4、ピエゾ抵抗Ry1〜Ry4及びピエゾ抵抗Rz1〜Rz4をそれぞれ形成する。図7Bに示すように、まず、SOI基板のシリコン膜101c上に不純物拡散用のマスク701を形成する。マスク701の材料としては、例えばシリコン窒化膜(SiNX)やシリコン酸化膜(SiOX)などを用いることができる。シリコン膜101c全面に熱酸化あるいはプラズマCVD法によりシリコン酸化膜を成膜した後、シリコン窒化膜を成膜し、シリコン窒化膜上にレジストパターン(図示せず)を形成し、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜にピエゾ抵抗に対応する開口702をRIE(Reactive Ion Etching)又はフッ酸などを用いたウェットエッチングにより形成する。マスク701は1層構造でもよく、シリコン膜101c側からシリコン酸化膜、シリコン窒化膜の2層構造でもよい。なお、マスク701を2層構造とする場合、シリコン窒化膜は後述する不純物の拡散防止に用いることができる。
Next, the piezoresistives Rx1 to Rx4, the piezoresistives Ry1 to Ry4, and the piezoresistives Rz1 to Rz4 are formed, respectively. As shown in FIG. 7B, first, a
図7Cに示すように、ピエゾ抵抗を熱拡散法やイオン注入法により形成する。例えば、熱拡散法を用いてシリコン膜101cにホウ素を拡散させる場合、BBr3などを少なくともマスク701が形成された面に曝し、不純物を堆積して熱拡散させることにより不純物拡散層を形成する。ピエゾ抵抗は、形成の条件を適宜調整することにより拡散領域表面における不純物濃度の調整をすることができる。また、ピエゾ抵抗は、形成する幅、長さ及び断面積により抵抗値を調整することができる。抵抗値は長さを調整することで、簡便に設計変更が可能である。尚、図7Cにおいては、ピエゾ抵抗Rz1〜Rz4のみを図示している。
As shown in FIG. 7C, the piezoresistive effect is formed by a thermal diffusion method or an ion implantation method. For example, when boron is diffused in the
次に、図7Dに示すように、シリコン膜101c上に絶縁層703を形成する。例えば、シリコン膜101cの表面に熱酸化あるいはプラズマCVD法などを用いて、シリコン酸化膜(SiOX)の絶縁層703を形成する。SiOX膜はTEOS(Si(OC2H5)4)/O2、SiH4/N2Oなどのガスを用いて形成することができる。絶縁層703は、加速度センサ本体103の可撓部113の機械的特性に影響を与えないように、内部応力の小さな膜を薄く形成することが好ましい。
Next, as shown in FIG. 7D, the insulating
次に、図7Eに示すように、コンタクトホール705を介してピエゾ抵抗に接続される配線301を形成する。配線301は、Al、Al−Si、Al−Ndなどの金属材料をスパッタ法などにより成膜し、それをパターニングすることによって形成される。尚、配線301とピエゾ抵抗との間でオーミックコンタクト抵抗を下げるために、熱処理(380℃〜420℃)することが好ましい。また、配線層301と同一の材料を用いて、電極303(図3参照)を同一の工程で形成することができる。図示はしないが、配線301上にシリコン窒化膜(SiNX)などから構成される保護膜を形成してもよい。この場合、保護膜に開口を設け、電極を露出するコンタクトホール305(図3参照)を形成する。
Next, as shown in FIG. 7E, the
次に、図7Fに示すように、加速度センサ本体103を形成する。シリコン膜101cをシリコン酸化膜101bの上面が露出するまでRIEなどによりエッチングを行い、開口部115(図2参照)を設けて、枠部109(図1及び図2参照)、X軸方向の可撓部113a、Y軸方向の可撓部113a及び変位部111(図1及び図2参照)を形成して第1構造体201(図2参照)を形成する。
Next, as shown in FIG. 7F, the acceleration sensor
さらに、シリコン基板101aの下面にマスクを形成する。このマスクを用いてシリコン基板101aをシリコン酸化膜103bの下面が露出するまでエッチングして、図7Fに示すように固定部117及び錘部119を形成し、第2構造体203を形成する。エッチングには、例えば、DRIE(Deep Reactive Ion Etching)を用いる。DRIEでは材料層を厚み方向に侵食しながら掘り進むエッチングステップと、エッチングによる侵食の進行に伴って形成される側壁にポリマーの壁を形成するデポジションステップと、を交互に繰り返す。掘り進んだ穴の側壁は、順次ポリマーの壁が形成されて保護されるため、エッチングが横方向に広がらず、ほぼ厚み方向にのみ侵食を進ませることが可能である。エッチングガスとしてSF6等を用い、デポジションガスとしてC4F8等を用いることができる。その後、エッチングストッパとして用いた部分の不要なシリコン酸化膜103bをRIEあるいはウェットエッチングにより除去する。これにより、シリコン酸化膜103bは、枠部109と固定部117、変位部111と錘部119の間のみに存在するようになる。以上の工程で加速度センサ本体103が形成される。
Further, a mask is formed on the lower surface of the
次に、加速度センサ本体103と、ナトリウム(Na)などの可動イオンとなり得るアルカリ金属を含むケイ酸ガラスから構成される支持基板105とを陽極接合する。まず、図7Gに示すように、加速度センサ本体103と対向する支持基板105の第1面107aとは反対側の第2面107b上に、第1導電層707及び第2導電層709を形成する。第1導電層707及び第2導電層703は、例えば、Al、Al−Si、Al−Nd、Al−Cuなどの金属材料をスパッタ法などにより成膜し、それをパターニングすることによって同一の工程で形成される。第1導電層707は加速度センサ本体103の固定部117に少なくとも一部が重畳するようにされ、第2導電層709は加速度センサ本体103の錘部119に少なくとも一部が重畳するように形成される。
Next, the
次に図7Hに示すように、加速度センサ本体103と支持基板105とを接着させて陽極接合する。支持基板105は、第1面107aが加速度センサ本体103に対向するように加速度センサ本体103の第2構造体203に接着される。加速度センサ本体103と支持基板105との陽極接合の際、支持基板の第2面107bに形成された第1導電層707を給電電極とし、第2導電層709をGNDに接続された接地電極とする。また、陽極接合の際、加速度センサ本体103は、GNDに接続される。
Next, as shown in FIG. 7H, the acceleration sensor
図8に示すように、300℃〜400℃に加熱しながら、支持基板105の第1導電層707を陰極として負電圧(約−1kV)を印加する。すると、支持基板105における第1導電層707に重畳している部分のナトリウムイオン(Na+)などのアルカリ金属イオンが第1導電層707側に移動する。そのため、支持基板105における、第1導電層707が形成された第2面107bとは反対側の第1面107a側の第1導電層707に重畳している部分においてアルカリ金属イオンが欠乏し、酸素イオン(O2-)が残存する空間電荷層801が形成される。その結果、支持基板105と加速度センサ本体103の固定部117間にクーロン力(静電引力)が働き、互いに強く接触し、支持基板105と加速度センサ本体103の固定部117との界面で共有結合が生じ、支持基板105と加速度センサ本体103の固定部117とが接合する。
As shown in FIG. 8, a negative voltage (about -1 kV) is applied using the first
上述したように、本開示の力学量センサの製造方法では、加速度センサ本体103の錘部119に少なくとも一部が重畳する第2導電層709は、接地電極としてGNDに接続される。そのため、支持基板105の第2導電層709に重複する部分では、支持基板105中の可動イオンの移動が抑制され、電荷の中和状態が維持される。つまり、加速度センサ本体103と支持基板105との陽極接合時に、支持基板105の第1面107a側の第2導電層709に重複する部分では空間電荷層が形成されない。その結果、支持基板105の第1面107a側の第2導電層709に重複する部分では、支持基板105と加速度センサ本体103間にクーロン力(静電引力)が生じず、加速度センサ本体103の錘部119が対向する支持基板105に貼り付くことを防止できる。また、支持基板105の第2導電層709に重複する部分では可動イオンの移動が抑制されるため、支持基板105の第1面107aの第2導電層709に重複する部分では表面荒れの発生を防止することができ、また製品を使用中に性能に影響するような静電引力が働くことを防止できる。
As described above, in the method for manufacturing a dynamic quantity sensor of the present disclosure, the second
加速度センサ本体103と支持基板105との陽極接合後、図7Iに示すように、支持基板105の第2面107bから第1導電層707及び第2導電層709を除去し、力学量センサ100が製造される。
After the anodic bonding of the acceleration sensor
上述したように、力学量センサ100は、陽極接合工程において、支持基板105の第1面107a側の第1導電層707に重複する部分と第2導電層709に重複する部分とでは、ナトリウム(Na)などのアルカリ金属の濃度が異なる。ナトリウム(Na)などのアルカリ金属の移動が抑制される、支持基板105の第1面107a側の第2導電層709に重複する部分では空間電荷層が形成されないため、電荷の中和状態が維持される。したがって、陽極接合時、及び力学量センサ100の使用時に錘部119が支持基板105に貼り付くことを防止することができ、力学量センサ100の信頼性が向上する。
As described above, in the anode bonding step, the
[第2実施形態]
以上に述べた本開示の一実施形態では、力学量センサの一例としてピエゾ抵抗型の加速度センサを挙げた。しかしながら、本開示の力学量センサはピエゾ抵抗型の加速度センサに限定されるわけではない。例えば、力学量センサは静電容量型の加速度センサ、圧力センサ、角速度センサなどであってもよい。以下では、本開示の一実施形態に係る力学量センサの一例として、静電容量型の加速度センサを説明する。
[Second Embodiment]
In one embodiment of the present disclosure described above, a piezoresistive acceleration sensor is mentioned as an example of the dynamic quantity sensor. However, the dynamic quantity sensor of the present disclosure is not limited to the piezoresistive acceleration sensor. For example, the dynamic quantity sensor may be a capacitance type acceleration sensor, a pressure sensor, an angular velocity sensor, or the like. Hereinafter, a capacitance type acceleration sensor will be described as an example of the dynamic quantity sensor according to the embodiment of the present disclosure.
(力学量センサ)
図9は、本開示の一実施形態に係る力学量センサ900の一例を示す断面図である。力学量センサ900は、静電容量型の加速度センサである。静電容量型の加速度センサは、一般的に一対のガラス基板に挟まれて接合された半導体基板内に、所定の自由度をもって変位可能な錘部を設け、当該錘部を加速度に伴う変位を検出する可動部として利用する。変位の検出は、容量素子の静電容量の値に基づいて行われる。
(Mechanical quantity sensor)
FIG. 9 is a cross-sectional view showing an example of the
図9に示すように、力学量センサ900は、シリコン基板901a上に形成したシリコン酸化膜901b、さらにその上にシリコン膜901cが積層されたSOI基板901を有し、SOI基板901には変位部911、可撓部913及び枠部915を有する第1構造体902と、固定部917及び錘部919を有する第2構造体904とを含む。第1構造体902及び第2構造体904は、上述した力学量センサ100の第1構造体201及び第2構造体203と略同様であるため、詳細な説明は省略する。
As shown in FIG. 9, the
力学量センサ900は、SOI基板901に接合される支持基板903及び対向基板908を有する。支持基板903及び対向基板908は、ケイ酸ガラスで構成され、アルカリ金属酸化物などの副成分を含む。ケイ酸ガラスに含まれる副成分としては、酸化ナトリウムなどのアルカリ金属酸化物が挙げられる。また、副成分として、アルカリ金属酸化物の他にアルミナや酸化鉛、酸化マグネシウムなどが含まれてもよい。
The
支持基板903は、第2構造体904に対向する第1面906a及び該第1面906aと反対側に位置する第2面906bを有する。支持基板903と第2構造体904の固定部917とは、陽極接合により互いに接合される。支持基板903の第1面906aにおいて、錘部919に対応する部分には、駆動用電極905及び検出用電極907が内部電極として設けられている。尚、図示はしないが、支持基板903の第1面906aには、内部電極に電気的に接続される配線層が設けられる。
The
対向基板908は、第1構造体902に対向する第1面912a及び該第1面912aと反対側に位置する第2面912bを有する。第1構造体902に対向する第1面912aには、変位部911及び可撓部913に対応する凹部が設けられる。対向基板908と第1構造体902の枠部915とは、陽極接合により互いに接合される。対向基板908の第1面912aにおいて、錘部919に対応する部分には、駆動用電極909及び検出用電極910が内部電極として設けられている。尚、図示はしないが、対向基板908の第1面912aには、内部電極に電気的に接続される配線層が形成される。
The facing
力学量センサ900において、上述した力学量センサ100と同様に、SOI基板901と接合された支持基板903の第1面906aの一部と該一部を除いた他の一部とでは、アルカリ金属の濃度が異なる。具体的には、支持基板903の第1面906aにおける、第2構造体904の固定部917に対向する部分のアルカリ金属の濃度と、支持基板903の第1面906aにおける、第2構造体904の錘部919と対向する部分のアルカリ金属の濃度とは異なる。
In the
同様に、力学量センサ900において、SOI基板901と接合された対向基板908の第1面912aの一部と該一部を除いた他の一部とでは、アルカリ金属の濃度が異なる。具体的には、対向基板908の第1面912aにおける、第1構造体902の枠部915に対向する部分のアルカリ金属の濃度と、対向基板908の第1面912aにおける、第1構造体902の変位部911と対向する部分のアルカリ金属の濃度とは異なる。
Similarly, in the
例えば、支持基板903及び対向基板908にアルカリ金属酸化物として酸化ナトリウム(Na2O)が副成分として含まれる場合、支持基板903の第1面906aにおける、第2構造体904の固定部917に対向する部分のナトリウム(Na)濃度と第2構造体904の錘部919と対向する部分のナトリウム(Na)濃度とが異なる。
For example, when the
具体的には、支持基板903の第1面906aにおける、第2構造体904の錘部919と対向する部分のナトリウム(Na)濃度は陽極接合前のナトリウム(Na)濃度と略同じであるのに対し、第2構造体904の固定部917に対向する部分のナトリウム(Na)濃度は陽極接合前のナトリウム(Na)濃度よりも低い。そのため、支持基板903の第1面906aにおける、第2構造体904の錘部919と対向する部分の帯電量は、第2構造体904の固定部917に対向する部分の帯電量に比べて極めて小さい。その結果、支持基板903の第2構造体904の錘部919と対向する部分と錘部919との間のクーロン力(静電引力)による、錘部919の支持基板903への貼り付きを防止することができ、力学量センサ900の信頼性を向上させることができる。また、陽極接合時に支持基板903の第1面906aにおける、第2構造体904の錘部919と対向する部分の電荷の中和状態が維持されるため、支持基板903の第1面906aに設けられた駆動用電極905及び検出用電極907の酸化を防止できる。
Specifically, the sodium (Na) concentration of the portion of the
同様に、対向基板908の第1面912aにおける、第1構造体902の変位部911と対向する部分のナトリウム(Na)濃度は陽極接合前のナトリウム(Na)濃度と略同じであるのに対し、第1構造体902の枠部915に対向する部分のナトリウム(Na)濃度は陽極接合前のナトリウム(Na)濃度よりも低い。そのため、対向基板908の第1面912aにおける、第1構造体902の変位部911と対向する部分の帯電量は、第1構造体902の枠部915に対向する部分の帯電量に比べて極めて小さい。その結果、第1構造体902の変位部911と対向する部分と変位部911との間のクーロン力(静電引力)による、錘部919の対向基板908への貼り付きを防止することができ、力学量センサ900の信頼性を向上させることができる。また、陽極接合時に対向基板908の第1面912aにおける、第1構造体902の変位部911と対向する部分の電荷の中和状態が維持されるため、対向基板908の第1面912aに設けられた駆動用電極909及び検出用電極910の酸化を防止できる。
Similarly, the sodium (Na) concentration of the portion of the
(力学量センサの製造方法)
以下、図10A〜図10Cを参照して、力学量センサ900の製造方法を説明する。力学量センサ900の製造方法において、図7A〜図7I及び図8を参照して説明した力学量センサ100の製造方法と同様の工程については、詳細な説明を省略する。尚、図10A〜図10Cを参照して説明する力学量センサ900の製造方法は一例であって、力学量センサ900の製造方法は以下に説明する製造方法に限定されるわけではない。
(Manufacturing method of dynamic quantity sensor)
Hereinafter, a method of manufacturing the
ピエゾ抵抗の形成工程を省略することを除いて、力学量センサ100の第1構造体201及び第2構造体203の形成と同様に、SOI基板901に第1構造体902及び第2構造体904を形成する。また、支持基板903及び対向基板908に、それぞれスパッタ法などにより導電層を形成する。該導電層の材料としては、Al、Au、Ptなどの金属材料を用いることができる。形成した該導電層をパターニングして、支持基板903及び対向基板908に、駆動用電極905と検出用電極907、及び駆動用電極909及び検出用電極910を内部電極としてそれぞれ形成する。また、該内部電極に電気的に接続する配線を形成してもよい。配線は、Al、Al−Si、Al−Nd、Al−Cuなどの金属材料をスパッタ法などにより成膜し、それをパターニングすることによって形成される。
Similar to the formation of the
次に、第1構造体902及び第2構造体904が形成されたSOI基板901と、ナトリウム(Na)などの可動イオンとなり得るアルカリ金属を含むケイ酸ガラスから構成される支持基板903とを陽極接合する。まず、SOI基板901と対向する支持基板903の第1面906aとは反対側の第2面906b上に、第1導電層1001及び第2導電層1003を形成する。第1導電層1001及び第2導電層1003は、例えば、Al、Al−Si、Al−Nd、Al−Cuなどの金属材料をスパッタ法などにより成膜し、それをパターニングすることによって同一の工程で形成される。第1導電層1001は第2構造体904の固定部917に少なくとも一部が重畳するようにされ、第2導電層1003は第2構造体904の錘部919に少なくとも一部が重畳するように形成される。
Next, the
次に、図10Aに示すように、SOI基板901と支持基板903とを接着させて陽極接合を行う。支持基板903は、第1面906aが第2構造体904に対向するようにSOI基板901に接着される。SOI基板901と支持基板903との陽極接合の際、支持基板903の第2面906bに形成された第1導電層1001を給電電極とし、第2導電層1003をGNDに接続された接地電極とする。また、陽極接合の際、SOI基板901は、GNDに接続される。
Next, as shown in FIG. 10A, the
300℃〜400℃に加熱しながら、支持基板903の第1導電層1001を陰極として負電圧(約−1kV)を印加する。すると、支持基板903における第1導電層1001に重畳している部分のナトリウムイオン(Na+)などのアルカリ金属イオンが第1導電層1001側に移動する。そのため、支持基板903における、第1導電層1001が形成された第2面906bとは反対側の第1面906a側の第1導電層1001に重畳している部分においてアルカリ金属イオンが欠乏し、酸素イオン(O2-)が残存する空間電荷層が形成される。その結果、支持基板903と第2構造体904の固定部917間にクーロン力(静電引力)が働き、支持基板903と第2構造体904の固定部917との界面で共有結合が生じ、支持基板903とSOI基板901とが接合する。
A negative voltage (about -1 kV) is applied using the first
力学量センサ100の製造方法と同様に、第2構造体904の錘部919に少なくとも一部が重畳する第2導電層1003は、接地電極としてGNDに接続される。そのため、支持基板903の第2導電層1003に重複する部分では、支持基板903中の可動イオンの移動が抑制され、電荷の中和状態が維持される。つまり、SOI基板901と支持基板903との陽極接合時に、支持基板903の第1面906a側の第2導電層1003に重複する部分では空間電荷層が形成されない。その結果、支持基板903の第1面906a側の第2導電層1003に重複する部分では、支持基板903とSOI基板901間にクーロン力(静電引力)が生じず、第2構造体904の錘部919が対向する支持基板903に貼り付くことを防止できる。また、支持基板903の第2導電層1003に重複する部分では可動イオンの移動が抑制されるため、支持基板903の第1面906aの第2導電層1003に重複する部分では表面荒れの発生を防止し、製品を使用中に性能に影響するような静電引力が働くことを防止できる。
Similar to the method for manufacturing the
次に、SOI基板901と、ナトリウム(Na)などの可動イオンとなり得るアルカリ金属を含むケイ酸ガラスから構成される対向基板908とを陽極接合する。まず、SOI基板901と対向する対向基板908の第1面912aとは反対側の第2面912b上に、第1導電層1005及び第2導電層1007を形成する。第1導電層1005及び第2導電層1007は、上述した支持基板903に形成された第1導電層1001及び第2導電層1003と同様の方法で形成することができる。第1導電層1005は第1構造体902の枠部915に少なくとも一部が重畳するようにされ、第2導電層1007は第1構造体902の変位部911に少なくとも一部が重畳するように形成される。
Next, the
次に、図10Bに示すように、SOI基板901と対向基板908とを接着させて陽極接合する。対向基板908は、第1面912aが第1構造体902に対向するようにSOI基板901に接着される。SOI基板901と対向基板908との陽極接合の際、対向基板908の第2面912bに形成された第1導電層1007を給電電極とし、第2導電層1005をGNDに接続された接地電極とする。また、陽極接合の際、SOI基板901は、GNDに接続される。
Next, as shown in FIG. 10B, the
300℃〜400℃に加熱しながら、対向基板908の第1導電層1005を陰極として負電圧(約−1kV)を印加する。すると、対向基板908における第1導電層1005に重畳している部分のナトリウムイオン(Na+)などのアルカリ金属イオンが第1導電層1005側に移動する。そのため、第1導電層1005が形成された第2面912bとは反対側の第1面912a側の第1導電層1005に重畳している部分においてアルカリ金属イオンが欠乏し、酸素イオン(O2-)が残存する空間電荷層が形成される。その結果、対向基板908と第1構造体902の枠部915間にクーロン力(静電引力)が働き、対向基板908と第1構造体902の枠部915との界面で共有結合が生じ、対向基板908とSOI基板901とが接合する。
A negative voltage (about -1 kV) is applied using the first
第1構造体902の変位部911に少なくとも一部が重畳する第2導電層1007は、接地電極としてGNDに接続される。そのため、対向基板908の第2導電層1007に重複する部分では、対向基板908中の可動イオンの移動が抑制され、電荷の中和状態が維持される。つまり、SOI基板901と対向基板908との陽極接合時に、対向基板908の第1面912a側の第2導電層1007に重複する部分では空間電荷層が形成されない。その結果、対向基板908の第1面912a側の第2導電層1007に重複する部分では、対応基板908とSOI基板901間にクーロン力(静電引力)が生じず、第1構造体902の変位部911が対向する対向基板908に貼り付くことを防止できる。また、対向基板908の第2導電層1007に重複する部分では可動イオンの移動が抑制されるため、対向基板908の第1面912aの第2導電層1007に重複する部分では表面荒れの発生を防止できる。
The second
SOI基板901と対向基板908との陽極接合後、図10Cに示すように、支持基板903の第2面906bに形成された第1導電層1001及び第2導電層1003と、対向基板908の第2面912bに形成された第1導電層1005及び第2導電層1007を除去し、力学量センサ900が製造される。
After the anode bonding between the
上述したように、力学量センサ900は、陽極接合工程において、支持基板903の第1面906a側の第1導電層1001に重複する部分と第2導電層1003に重複する部分とでは、ナトリウム(Na)などのアルカリ金属の濃度が異なる。ナトリウム(Na)などのアルカリ金属の移動が抑制される、支持基板903の第1面906a側の第2導電層1003に重複する部分では空間電荷層が形成されないため、電荷の中和状態が維持される。したがって、陽極接合時、及び力学量センサ900の使用時に錘部919が支持基板903に貼り付くことを防止することができ、力学量センサ900の信頼性が向上する。また、ナトリウム(Na)などのアルカリ金属の移動が抑制される、支持基板903の第1面906a側の第2導電層1003に重複する部分では電荷の中和状態が維持されるため、支持基板903中の酸素イオン(O2-)によって駆動用電極905及び検出用電極907が酸化し、高抵抗化することを防止できる。
As described above, in the anode bonding step, the
同様に、力学量センサ900は、陽極接合工程において、対向基板908の第1面912a側の第1導電層1005に重複する部分と第2導電層1007に重複する部分とでは、ナトリウム(Na)などのアルカリ金属の濃度が異なる。ナトリウム(Na)などのアルカリ金属の移動が抑制される、対向基板908の第1面912a側の第2導電層1007に重複する部分では空間電荷層が形成されないため、電荷の中和状態が維持される。したがって、陽極接合時、及び力学量センサ900の使用時に変位部911が対向基板908に貼り付くことを防止することができ、力学量センサ900の信頼性が向上する。また、ナトリウム(Na)などのアルカリ金属の移動が抑制される、対向基板908の第1面912a側の第2導電層1007に重複する部分では電荷の中和状態が維持される。そのため、対向基板908中の酸素イオン(O2-)によって駆動用電極909及び検出用電極910が酸化し、高抵抗化することを防止できる。
Similarly, in the anode bonding step, the
[第3実施形態]
以下では、本開示の一実施形態に係る力学量センサの一例として、圧力センサを説明する。
[Third Embodiment]
Hereinafter, the pressure sensor will be described as an example of the dynamic quantity sensor according to the embodiment of the present disclosure.
(力学量センサ)
図11は、本開示の一実施形態に係る力学量センサ1100の一例を示す断面図である。力学量センサ1100は圧力センサであり、ここでは一例として、静電容量型圧力センサを説明する。静電容量型圧力センサは、ガラス基板に接合された半導体基板内に、所定の自由度をもって変位可能な変位部(ダイヤフラム)を設け、当該変位部を圧力に伴う変位を検出する可動部として利用する。変位の検出は、容量素子の静電容量の値に基づいて行われる。
(Mechanical quantity sensor)
FIG. 11 is a cross-sectional view showing an example of the
図11に示すように、力学量センサ1100は、シリコン基板1101c上に形成したシリコン酸化膜1101b、さらにその上にシリコン膜1101aが積層されたSOI基板1101を有し、SOI基板901には枠部1107を有する第1構造体1103と、変位部1109及び固定部1111を有する第2構造体1105とを含む圧力センサ本体1112、及び支持基板1113を含む。
As shown in FIG. 11, the
第1構造体1103は、シリコン膜1101c及びシリコン酸化膜1101bから構成される。第1構造体1103は、枠部1107を有する。枠部1107は、開口部1108を有する。第2構造体1105は、シリコン基板1101aから構成される。第2構造体1105は、第1構造体1103の枠部1107に接合される固定部1111と、固定部1111に接続する変位部1109を有する。変位部1109は、固定部1111に対して変位する。
The
圧力センサ本体1112は、支持基板1113に接合される。支持基板1113は、ケイ酸を主成分とするケイ酸ガラスで構成され、アルカリ金属酸化物などの副成分を含む。該副成分としては、酸化ナトリウムなどのアルカリ金属酸化物が挙げられる。また、アルカリ金属酸化物の他に、アルミナ、酸化鉛、酸化マグネシウムなどが副成分としてケイ酸ガラスに含まれてもよい。
The
支持基板1113は、第2構造体1103に対向する第1面1115a及び該第1面1115aと反対側に位置する第2面1115bを有する。支持基板1113と圧力センサ本体1112とは、陽極接合により接合される。具体的には、支持基板1113の第1面1115aと第2構造体1105の固定部1111とが陽極接合によって接合される。
The
図示はしないが、圧力センサ本体1112の第2構造体1105の変位部1109には可動電極(第1電極)が設けられる。また、図示はしないが、変位部1109に対向する、支持基板1113の第1面1115aには、固定電極(第2電極)が設けられる。可動電極(第1電極)と固定電極(第2電極)との間の静電容量の大きさは、力学量センサ1100にかかる圧力に依存する。力学量センサ1100が加圧されると、圧力センサ本体1112の変位部1109が変位し、可動電極(第1電極)と固定電極(第2電極)との距離が変動することにより、静電容量の大ききも変動する。静電容量の値に基づいて変位が検出され、力学量センサ1100にかかる圧力が算出される。支持基板1113の第1面1115aには、固定電極に電気的に接続された配線層が設けられもよい。
Although not shown, a movable electrode (first electrode) is provided on the
力学量センサ1100において、上述した力学量センサ100、900と同様に、SOI基板1101と接合された支持基板1113の第1面1115aの一部と該一部を除いた他の一部とでは、アルカリ金属の濃度が異なる。具体的には、支持基板1113の第1面1115aにおける、第2構造体1105の固定部1111に対向する部分のアルカリ金属の濃度と、支持基板1113の第1面1115aにおける、第2構造体1105の変位部1109と対向する部分のアルカリ金属の濃度とは異なる。
In the
例えば、支持基板1113にアルカリ金属酸化物として酸化ナトリウム(Na2O)が副成分として含まれる場合、支持基板1113の第1面1115aにおける、第2構造体1105の固定部1111に対向する部分のナトリウム(Na)濃度と第2構造体1105の変位部1109と対向する部分のナトリウム(Na)濃度とが異なる。
For example, when the
具体的には、支持基板1113の第1面1115aにおける、第2構造体1105の変位部1119と対向する部分のナトリウム(Na)濃度は陽極接合前のナトリウム(Na)濃度と略同じであるのに対し、第2構造体1105の固定部1111に対向する部分のナトリウム(Na)濃度は陽極接合前のナトリウム(Na)濃度よりも低い。そのため、支持基板1113の第1面1115aにおける、第2構造体1105の変位部1109と対向する部分の帯電量は、第2構造体1105の固定部1111に対向する部分の帯電量に比べて極めて小さい。その結果、支持基板1113の第2構造体1105の変位部1109と対向する部分と変位部1109との間のクーロン力(静電引力)による、変位部1109の支持基板1113への貼り付きを防止することができ、力学量センサ1100の信頼性を向上させることができる。また、陽極接合時に支持基板1103の第1面1115aにおける、第2構造体1105の変位部1109と対向する部分の電荷の中和状態が維持されるため、支持基板1113の第1面1115aに設けられた固定電極の酸化を防止できる。
Specifically, the sodium (Na) concentration of the portion of the
(力学量センサの製造方法)
本実施形態に係る力学量センサ1100の製造方法の特徴は、上述した第1実施形態に係る力学量センサ100及び第2実施形態に係る力学量センサ900と同様である。以下に説明する力学量センサ1100の製造方法において、図7A〜図7I及び図8を参照して説明した力学量センサ100の製造方法及び図10A〜図10Cを参照して説明した力学量センサ900の製造方法と同様の工程については、詳細な説明を省略する。尚、図12A〜図12Cを参照して説明する力学量センサ1100の製造方法は一例であって、力学量センサ1100の製造方法は以下に説明する製造方法に限定されるわけではない。
(Manufacturing method of dynamic quantity sensor)
The features of the manufacturing method of the
図12Aに示すように、SOI基板1101に第1構造体1103及び第2構造体1105を形成する。第2構造体1105の変位部1109の支持基板1113と対向する可動電極(第1電極)1201を形成する。変位部1109に対向する支持基板1113の第1面1115aには固定電極(第2電極)1203を形成する。まず、第2構造体1105の変位部1109に導電層を形成する。導電層はスパッタなどにより形成することができる。導電層の材料としては、Al、Au、Ptなどの金属材料を用いることができる。形成した導電層をパターニングして可動電極(第1電極)1201を形成する。同様に、支持基板1113の第1面1115aに固定電極(第2電極)1203を形成する。
As shown in FIG. 12A, the
次に、SOI基板1101と支持基板1113とを陽極接合する。まず図12Bに示すように、SOI基板1101と対向する支持基板1103の第1面1115aとは反対側の第2面1115b上に、第1導電層1205及び第2導電層1207を形成する。第1導電層1205及び第2導電層1207は、例えば、Al、Al−Si、Al−Nd、Al−Cuなどの金属材料をスパッタ法などにより成膜し、それをパターニングすることによって同一の工程で形成される。第1導電層1205は第2構造体1105の固定部1111に少なくとも一部が重畳するようにされ、第2導電層1207は第2構造体1105の変位部1109に少なくとも一部が重畳するように形成される。
Next, the
図12Cに示すように、SOI基板1101と支持基板1113とを接着させて陽極接合を行う。支持基板1113は、第1面1115aが第2構造体1105に対向するようにSOI基板1101に接着される。SOI基板1101と支持基板1113との陽極接合の際、支持基板1113の第2面1115bに形成された第1導電層1205を給電電極とし、第2導電層1207をGNDに接続された接地電極とする。また、陽極接合の際、SOI基板1101は、GNDに接続される。
As shown in FIG. 12C, the
300℃〜400℃に加熱しながら、支持基板1113の第1導電層1205を陰極として負電圧(約−1kV)を印加する。すると、支持基板1113における第1導電層1205に重畳している部分のナトリウムイオン(Na+)などのアルカリ金属イオンが第1導電層1205側に移動する。そのため、支持基板1113における、第1導電層1205が形成された第2面1115bとは反対側の第1面1115a側の第1導電層1205に重畳している部分においてアルカリ金属イオンが欠乏し、酸素イオン(O2-)が残存する空間電荷層が形成される。その結果、支持基板1113と第2構造体1105の固定部1111間にクーロン力(静電引力)が働き、支持基板1113と第2構造体1105の固定部1111との界面で共有結合が生じ、支持基板1113とSOI基板1101とが接合する。
A negative voltage (about -1 kV) is applied using the first
力学量センサ100、900の製造方法と同様に、第2構造体1105の変位部1109に少なくとも一部が重畳する第2導電層1207は、接地電極としてGNDに接続される。そのため、支持基板1113の第2導電層1207に重複する部分では、支持基板1113中の可動イオンの移動が抑制され、電荷の中和状態が維持される。つまり、SOI基板1101と支持基板1113との陽極接合時に、支持基板1113の第1面1115a側の第2導電層1207に重複する部分では空間電荷層が形成されない。その結果、支持基板1113の第1面1115a側の第2導電層1207に重複する部分では、支持基板1113とSOI基板1101間にクーロン力(静電引力)が生じず、第2構造体1105の変位部1109が対向する支持基板1113に貼り付くことを防止できる。また、支持基板1113の第2導電層1207に重複する部分では可動イオンの移動が抑制されるため、支持基板1113の第1面1115aの第2導電層1207に重複する部分では表面荒れの発生を防止し、製品を使用中に性能に影響するような静電引力が働くことを防止できる。
Similar to the manufacturing method of the
SOI基板1101と支持基板1113との陽極接合後、支持基板1103の第2面1115bに形成された第1導電層1205及び第2導電層1207を除去し、力学量センサ1100が製造される。
After the anode bonding between the
上述したように、力学量センサ1100は、陽極接合工程において、支持基板1113の第1面1115a側の第1導電層1205に重複する部分と第2導電層1207に重複する部分とでは、ナトリウム(Na)などのアルカリ金属の濃度が異なる。ナトリウム(Na)などのアルカリ金属の移動が抑制される、支持基板1113の第1面1115a側の第2導電層1207に重複する部分では空間電荷層が形成されないため、電荷の中和状態が維持される。したがって、陽極接合時、及び力学量センサ1100の使用時に変位部1109が支持基板1113に貼り付くことを防止することができ、力学量センサ1100の信頼性が向上する。また、ナトリウム(Na)などのアルカリ金属の移動が抑制される、支持基板1113の第1面1115a側の第2導電層1207に重複する部分では電荷の中和状態が維持されるため、支持基板1113中の酸素イオン(O2-)によって固定電極1203が酸化し、高抵抗化することを防止できる。
As described above, in the anode bonding step, the
以上に説明したように、本開示の一実施形態に係る力学量センサは、センサの錘部及び又は変位部を含む可動部と対向する基板との間にクーロン力(静電気力)が生じない。そのため、可動部と対向する基板との貼り付きを防止し、力学量センサの信頼性を向上させることができる。以上では、本開示の一実施形態に係る力学量センサとして、ピエゾ抵抗型加速度センサ、静電容量型加速度センサ及び静電容量型圧力センサを例に挙げて説明したが、これらのセンサ以外のセンサであっても同様の効果を奏することは明らかである。 As described above, in the mechanical quantity sensor according to the embodiment of the present disclosure, a Coulomb force (electrostatic force) is not generated between the movable portion including the weight portion and / or the displacement portion of the sensor and the substrate facing the substrate. Therefore, it is possible to prevent the movable portion from sticking to the facing substrate and improve the reliability of the dynamic quantity sensor. In the above, as the dynamic quantity sensor according to the embodiment of the present disclosure, a piezo resistance type acceleration sensor, a capacitance type acceleration sensor and a capacitance type pressure sensor have been described as examples, but sensors other than these sensors have been described. However, it is clear that the same effect is achieved.
100,900,1100:力学量センサ
101,901:SOI基板
103:加速度センサ本体
1112:圧力センサ本体
105,903,1113:支持基板
109,915,1107:枠部
111,911,1109:変位部
113,913:可撓部
115,1108:開口部
117,917,1111:固定部
119,919:錘部
Rx1〜Rx4、Ry1〜Ry4、Rz1〜Rz4:ピエゾ抵抗
201,902,1103:第1構造体
203,904,1105:第2構造体
301:配線層
707:第1導電層
709:第2導電層
908:対向基板
905,909:駆動用電極
907,910:検出用電極
1001,1005:第1導電層
1003,1007:第2導電層
100, 900, 1100:
Claims (3)
前記第2半導体層をエッチングして前記枠部に接合される固定部と、前記固定部と離隔して設けられ、前記変位部に接合される錘部とを形成して第2構造体を形成し、
アルカリ金属を含むケイ酸ガラスから構成された支持基板の一方の面に第1導電層及び第2導電層を形成し、
前記支持基板の一方の面とは反対側の他方の面と前記第2構造体の固定部とを陽極接合すること、
を含み、
前記陽極接合することは、前記第2導電層及び前記半導体基板を接地して、前記支持基板の他方の面と前記固定部との間に電圧を印加すること、
を含み、
前記第1導電層は前記固定部に少なくとも一部が重畳するように形成し、前記第2導電層は、前記錘部に少なくとも一部が重畳するように形成される、力学量センサの製造方法。 The first semiconductor layer in the semiconductor substrate having the first semiconductor layer and the second semiconductor layer is etched to form a frame portion, a displacement portion, and a flexible portion connecting the frame portion and the displacement portion. Form a structure,
A second structure is formed by forming a fixing portion that is bonded to the frame portion by etching the second semiconductor layer and a weight portion that is provided at a distance from the fixing portion and is bonded to the displacement portion. death,
A first conductive layer and a second conductive layer are formed on one surface of a support substrate made of silicate glass containing an alkali metal.
Anode bonding of the other surface on the side opposite to one surface of the support substrate and the fixing portion of the second structure.
Including
The anode bonding means that the second conductive layer and the semiconductor substrate are grounded and a voltage is applied between the other surface of the support substrate and the fixed portion.
Including
A method for manufacturing a dynamic quantity sensor, wherein the first conductive layer is formed so that at least a part thereof overlaps the fixed portion, and the second conductive layer is formed so that at least a part thereof overlaps the weight portion. ..
Wherein the other surface of the supporting substrate to form a third conductive layer further comprises a method of manufacturing a mechanical quantity sensor according to claim 1.
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