JP2010091350A - Method of manufacturing mems sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)センサの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) sensor.
従来、錘部に作用する慣性力によって生ずる梁部の変形をピエゾ抵抗素子などで検出することにより、加速度、姿勢(傾斜角)、角速度、振動などを検出するMEMSセンサが知られている。このようなMEMSセンサでは、錘部に作用する力に応じて錘部から梁部に作用する力が梁部を変形させるため、加速度、姿勢(傾斜角)、角速度、振幅などの物理量の検出精度は錘部と梁部との位置合わせ精度に依存する。
特許文献1、2には、基板の表裏両側からのエッチングにより錘部と梁部とを形成するMEMSセンサの製造方法が記載されている。
特許文献3には、梁部に低融点金属体を溶着することによって梁部と錘部とを形成するMEMSセンサの製造方法が記載されている。
Patent Document 3 describes a method of manufacturing a MEMS sensor in which a beam part and a weight part are formed by welding a low melting point metal body to the beam part.
しかし、特許文献1、2に記載された製造方法では、基板の表裏両側からエッチングすることによって錘部と梁部の形状が形成されるため、表裏両側からエッチングする際に用いる保護膜の位置のずれによって錘部と梁部の位置がずれる。また特許文献3に記載された製造方法では、梁部に低融点金属体を機械的に位置合わせする精度が問題となって錘部と梁部の位置合わせ精度を高くすることが困難であるし、機械的な逐次処理のために製造コストが増大する。
However, in the manufacturing methods described in
本発明はこれらの問題に鑑みて創作されたものであって、MEMSセンサによる物理量の検出精度を高めることを目的とする。 The present invention was created in view of these problems, and an object of the present invention is to improve the detection accuracy of a physical quantity by a MEMS sensor.
(1)上記目的を達成するためのMEMSセンサの製造方法は、支持部と、支持部に一端が結合し支持部よりも薄い梁部と、梁部の他端に結合し梁部よりも厚い錘部と、梁部に設けられ梁部の歪みを検出する歪み検出手段と、を備えるMEMSセンサの製造方法であって、基板の表面上に膜を積層することによって膜によって構成される歪み検出手段と基板とを含む積層構造体を形成し、第一の通孔が形成されている第一の保護膜を積層構造体の薄膜上に形成し、第一の通孔から露出している積層構造体を貫通するまでエッチングすることによって、梁部の側面と錘部の側面の梁部から離間している部分とを形成し、錘部の側面の梁部から離間している部分を覆い第二の通孔が形成されている第二の保護膜を基板の裏面上に形成し、第二の通孔から露出している基板をエッチングすることによって梁部の厚さを調整するとともに錘部の側面の基板からなる残部を形成する、ことを含む。 (1) A MEMS sensor manufacturing method for achieving the above object includes a support part, a beam part having one end coupled to the support part and thinner than the support part, and a beam part coupled to the other end of the beam part and thicker than the beam part. A method for manufacturing a MEMS sensor, comprising: a weight portion; and a strain detection means provided on the beam portion for detecting strain of the beam portion, wherein the strain detection is configured by a film by laminating a film on the surface of the substrate. Forming a laminated structure including means and a substrate, forming a first protective film having a first through-hole formed on a thin film of the laminated structure, and exposing the first through-hole By etching until the structure is penetrated, the side surface of the beam portion and the portion spaced from the beam portion on the side surface of the weight portion are formed, and the portion separated from the beam portion on the side surface of the weight portion is covered. Forming a second protective film having a second through hole on the back surface of the substrate; The substrate exposed to form the remainder consisting of the substrate side of the weight portion with adjusting the thickness of the beam portion by etching from involves.
本発明によると、積層構造体の薄膜上に形成した第一の保護膜を用いたエッチングにより梁部の側面と錘部の側面の梁部から離間した部分の側面の全部または一部とが確定するため、錘部と梁部の位置合わせ精度を高めることができる。したがって、本発明によるとMEMSセンサによる物理量の検出精度を高めることができる。なお、梁部の側面および錘部の側面は、基板の主面に対して垂直な面である。 According to the present invention, by etching using the first protective film formed on the thin film of the laminated structure, the side surface of the beam portion and the whole or a part of the side surface of the portion separated from the beam portion of the side surface of the weight portion are determined. Therefore, the alignment accuracy between the weight portion and the beam portion can be increased. Therefore, according to the present invention, the physical quantity detection accuracy by the MEMS sensor can be increased. Note that the side surface of the beam portion and the side surface of the weight portion are surfaces perpendicular to the main surface of the substrate.
(2)上記目的を達成するためのMEMSセンサの製造方法において、第一の通孔から露出している積層構造体を貫通するまでエッチングすることによって、錘部の両側に2つづつ結合し長手方向が互いに平行な4つの梁部の側面と錘部の側面の梁部の側面と平行な部分を含み梁部から離間している部分を形成する、ことを含んでもよい。 (2) In the manufacturing method of the MEMS sensor for achieving the above object, two layers are bonded to both sides of the weight portion by etching until the laminated structure exposed from the first through hole is penetrated. It may also include forming a portion that includes a side surface of the four beam portions parallel to each other and a side surface of the weight portion that is parallel to the side surface of the beam portion and that is separated from the beam portion.
錘部の両側に2つづつ結合し長手方向が互いに平行な4つの梁部を備え、それぞれの梁部の歪みを検出することによって3次元運動の物理量を検出するMEMSセンサでは、梁部の短手方向における錘部の寸法精度がMEMSセンサによる物理量の検出精度に大きく影響する。本発明によると、第一の保護膜のパターンによって錘部の側面の梁部の側面と平行な部分が確定するため、梁部の短手方向における錘部の寸法精度が高くなる。 In a MEMS sensor that includes four beam portions that are coupled two on both sides of the weight portion and that are parallel to each other in the longitudinal direction, and detects a physical quantity of three-dimensional motion by detecting distortion of each beam portion, The dimensional accuracy of the weight in the hand direction greatly affects the accuracy of physical quantity detection by the MEMS sensor. According to the present invention, since the portion of the side surface of the weight portion parallel to the side surface of the beam portion is determined by the pattern of the first protective film, the dimensional accuracy of the weight portion in the short direction of the beam portion is increased.
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら説明する。ただし、各図において対応する構成要素には同一の符号が付され、重複する説明は省略される。
1.第一実施形態
(構成)
本発明の第一実施形態により製造されるMEMSセンサであるピエゾ抵抗型の加速度センサを図1に示す。加速度センサ1は互いに直交する3軸の加速度成分を検出するためのMEMSセンサである。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the same code | symbol is attached | subjected to the corresponding component in each figure, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
1. First embodiment (Configuration)
FIG. 1 shows a piezoresistive acceleration sensor which is a MEMS sensor manufactured according to the first embodiment of the present invention. The acceleration sensor 1 is a MEMS sensor for detecting three-axis acceleration components orthogonal to each other.
加速度センサ1は、矩形枠の形態を有する支持部Sと、一端が支持部Sに結合している片持ち型の梁部F1、F2、F3、F4と、梁部F1、F2、F3、F4の他端に結合している十文字形の錘部Mと歪み検出手段としてのピエゾ抵抗素子40とを備え、図示しないパッケージに収容される。加速度センサ1を構成しているこれらの構造要素や電気的機能要素は、板状のバルク材料からなる基板100とシリコン層104と絶縁層106と配線層108とが一体に接合されている積層構造体によって構成されている。
The acceleration sensor 1 includes a support portion S having a rectangular frame shape, cantilevered beam portions F1, F2, F3, and F4 having one end coupled to the support portion S, and beam portions F1, F2, F3, and F4. And a
支持部Sは梁部F1、F2、F3、F4を支持するための構造要素である。支持部Sの形態は、梁部F1、F2、F3、F4の形態および配置と錘部Mの形態および配置とに応じて設計される。支持部Sは基板100とシリコン層104と絶縁層106とからなる。支持部Sは梁部F1、F2、F3、F4に比べて十分厚い基板100を含む複層構造体である。したがって支持部Sは実質的に変形しない。
The support portion S is a structural element for supporting the beam portions F1, F2, F3, and F4. The form of the support part S is designed according to the form and arrangement of the beam parts F1, F2, F3, F4 and the form and arrangement of the weight part M. The support part S includes a
同一形態を有する梁部F1、F2、F3、F4のそれぞれの一端は支持部Sに結合している。梁部F1、F2、F3、F4と支持部Sとは通孔であるスリットH1によって隔てられ、梁部F1、F2、F3、F4と錘部Mとは通孔であるスリットH2によって隔てられている。梁部F1、F2は支持部Sおよび錘部Mの長手方向と平行に錘部Mを間に挟んで直列的に配列されている。また、梁部F3、F4は支持部Sおよび錘部Mの長手方向と平行に錘部Mを間に挟んで直列的に配列されている。梁部F1、F3のそれぞれの他端は錘部Mの一方の側面に結合し、梁部F2、F4のそれぞれの他端は錘部Mの他方の側面に結合している。梁部F1、F2、F3、F4は、シリコン層104絶縁層106とからなる。
One end of each of the beam portions F1, F2, F3, and F4 having the same form is coupled to the support portion S. The beam portions F1, F2, F3, and F4 and the support portion S are separated by a slit H1 that is a through hole, and the beam portions F1, F2, F3, and F4 and the weight portion M are separated by a slit H2 that is a through hole. Yes. The beam portions F1 and F2 are arranged in series in parallel with the longitudinal direction of the support portion S and the weight portion M with the weight portion M interposed therebetween. The beam portions F3 and F4 are arranged in series in parallel with the longitudinal direction of the support portion S and the weight portion M with the weight portion M interposed therebetween. The other ends of the beam portions F1 and F3 are coupled to one side surface of the weight portion M, and the other ends of the beam portions F2 and F4 are coupled to the other side surface of the weight portion M. The beam portions F 1,
錘部Mは、十文字形の底面を有する柱形であって、その重心が梁部F1、F2、F3、F4に接する面から離れて位置する形態を有する。錘部Mは梁部F1、F2、F3、F4の長手方向に長く、梁部F1、F2、F3、F4の短手方向に短い。錘部Mの側面は、梁部F1、F2、F3、F4の側面と平行な部分Mtと、梁部F1、F2、F3、F4の側面と垂直な残りの部分とで構成されている。錘部Mは梁部F1、F2、F3、F4に比べて十分厚い基板100を含む。したがって、錘部Mは支持部Sに対して相対的に運動する剛体として振る舞う。
The weight portion M has a columnar shape having a cross-shaped bottom surface, and has a form in which the center of gravity is located away from the surface in contact with the beam portions F1, F2, F3, and F4. The weight portion M is long in the longitudinal direction of the beam portions F1, F2, F3, and F4 and short in the short direction of the beam portions F1, F2, F3, and F4. The side surface of the weight portion M includes a portion Mt parallel to the side surfaces of the beam portions F1, F2, F3, and F4 and a remaining portion perpendicular to the side surfaces of the beam portions F1, F2, F3, and F4. The weight portion M includes a
梁部F1、F2、F3、F4の、支持部Sとの近接領域と錘部Mの近接領域とに合計12個のピエゾ抵抗素子40が設けられている。ピエゾ抵抗素子40は不純物濃度が相対的に低い抵抗部42と不純物濃度が高い接続抵抗低減部41とからなる。これらのピエゾ抵抗素子40はすべて、梁部F1、F2、F3、F4と支持部Sとの境界、あるいは梁部F1、F2、F3、F4と錘部Mとの境界をまたいでいる。ピエゾ抵抗素子40はシリコン層104に形成されている。梁部F1、F2、F3、F4の変形によって生ずる応力の向きは梁部F1、F2、F3、F4の表面と裏面とで逆になる。このため、ピエゾ抵抗素子40はシリコン層104の界面の近くに薄く形成される。ピエゾ抵抗素子40は4つ1組で1つのブリッジ回路を構成し、各ブリッジ回路から直交する3軸の加速度成分に相当する出力信号が取り出せるように結線される。なお、ピエゾ抵抗素子40をブリッジ回路として接続するための配線の一部を構成する配線層108の線幅が狭くなっている部分は図1Aにおいて省略されている。
A total of twelve
(製造方法)
次に図2から図6に基づいて加速度センサ1の製造方法を説明する。
はじめに立体的な機械構造が形成されていない図2に示す積層構造体Wを基板100の表面に薄膜を積層したり改質したりエッチングする公知の方法によって形成する。例えば、単結晶シリコン(Si)からなり厚さ400〜625μmのベースウエハの表面を熱酸化することによって二酸化シリコン(SiO2)からなる厚さ1μmのエッチストッパ層102を形成し、残部からなる厚いシリコン層101とエッチストッパ層102とからなる基板100を形成する。ここで基板100は、基板100の表面上に積層される薄膜に対して十分厚く、支持部Sおよび錘部Mの剛性をほぼ支配する程度の厚さの板状のバルク材料からなるものであればよい。そして図2に示す積層構造体Wは基板100の2つの主面の一方である表面側から施す加工によって形成される。例えば、単結晶シリコンからなり厚さ5〜20μmの薄いシリコン層104となるボンドウェハを基板100のエッチストッパ層102に接合し、SOI(Silicon On Insulator)ウエハを得る。次に薄いシリコン層104の表面から不純物イオンを注入し、活性化することによりシリコン層104にピエゾ抵抗素子40を形成する。次に絶縁層106として、例えば厚さ1μmの二酸化シリコン、窒化シリコン(SiN)等の膜を熱酸化法や堆積法によってシリコン層104の表面に形成する。次に絶縁層106の表面にアルミニウム(Al)、銅(Cu)、AlSi等からなる配線層108を形成し、コンタクトホールを介して配線層108とピエゾ抵抗素子40とを接続する。
(Production method)
Next, a method for manufacturing the acceleration sensor 1 will be described with reference to FIGS.
First, the laminated structure W shown in FIG. 2 in which a three-dimensional mechanical structure is not formed is formed by a known method in which a thin film is laminated, modified, or etched on the surface of the
次に図3A、図3Bおよび図3Cに示すように積層構造体Wの基板100上に積層された膜の表面上に第一の保護膜R1を形成する。第一の保護膜R1は、感光性樹脂であるフォトレジストからなり、図1に示した通孔であるスリットH1、H2を形成するための第一の通孔であるスリットRSが形成されている。第一の保護膜R1の厚さは例えば2μmとする。
Next, as shown in FIGS. 3A, 3B, and 3C, a first protective film R1 is formed on the surface of the film laminated on the
続いて図3A、図3Bおよび図3Cに示すように第一の保護膜R1のスリットRSから露出している積層構造体Wを貫通すまでエッチングする。その結果、図1に示す梁部F1、F2、F3、F4の側面全部と錘部Mの側面の梁部F1、F2、F3、F4から離間している部分とが形成される。このとき、錘部Mの側面の梁部F1、F2、F3、F4の側面と平行な部分Mtが形成される。具体的には例えば、CHF3ガスを用いた反応性イオンエッチングにより二酸化シリコンからなる絶縁層106をエッチングする。続いてCF4ガスを用いた反応性イオンエッチングによって単結晶シリコンからなる薄いシリコン層104をエッチングする。続いて、CHF3ガスを用いた反応性イオンエッチング(RIE)によって基板100の二酸化シリコンからなるエッチストッパ層102をエッチングする。続いてC4F8プラズマを用いたパッシベーションとSF6プラズマを用いたエッチングとを短い間隔で交互に繰り返すボッシュプロセスといわれるDeep−RIE(Reactive Ion Etching)によって基板100の厚いシリコン層101をエッチングする。
Subsequently, as shown in FIGS. 3A, 3B, and 3C, etching is performed until the laminated structure W exposed from the slit RS of the first protective film R1 is penetrated. As a result, all the side surfaces of the beam portions F1, F2, F3, and F4 shown in FIG. 1 and portions spaced from the beam portions F1, F2, F3, and F4 on the side surface of the weight portion M are formed. At this time, a portion Mt parallel to the side surfaces of the beam portions F1, F2, F3, and F4 on the side surface of the weight portion M is formed. Specifically, for example, the insulating
次に第一の保護膜R1を除去した後に積層構造体Wを犠牲基板99に一時的に接着し、積層構造体Wの基板100の表面上に図4A、図4B、図4Eに示すように第二の保護膜R2を形成する。犠牲基板99と積層構造体Wとはワックス、フォトレジスト、両面粘着シートなどからなる接着手段Bを用いて一時的に接着することができる。第二の保護膜R2は、感光性樹脂であるフォトレジストからなり、梁部F1、F2、F3、F4の厚さをエッチングによって調整するための第二の通孔RTがフォトリソグラフィ技術によって形成されている。第二の保護膜R2の厚さは例えば6μmとする。
Next, after removing the first protective film R1, the laminated structure W is temporarily bonded to the
図4Cおよび図4Eに示すように第二の保護膜R2は、第一の保護膜R1によって形成された錘部Mの梁部F1、F2、F3、F4から離間している部分を覆う寸法に形成する。すなわち第一の保護膜R1によって形成された錘部Mの梁部F1、F2、F3、F4から離間している部分のうち梁部F1、F2、F3、F4の側面と平行な部分Mtについては、その部分Mtが図4Cに示すように覆われるように、錘部Mの梁部F1、F2、F3、F4から離間している部分を覆う第二の保護膜R2の部分の幅(梁部の短手方向の長さ。図4B、図4Cにおける水平方向)は、錘部Mの梁部F1、F2、F3、F4から離間している部分の幅(梁部の短手方向の長さ)よりも広く設定する。一方、第一の保護膜R1によって形成された錘部Mの梁部F1、F2、F3、F4から離間している部分のうち梁部F1、F2、F3、F4の側面に対して垂直な部分についても、図4Eに示すように第二の保護膜R2によって完全に覆う。 As shown in FIG. 4C and FIG. 4E, the second protective film R2 is dimensioned to cover the part of the weight M formed by the first protective film R1 that is separated from the beam parts F1, F2, F3, F4. Form. That is, regarding the portion Mt parallel to the side surfaces of the beam portions F1, F2, F3, and F4 among the portions spaced from the beam portions F1, F2, F3, and F4 of the weight portion M formed by the first protective film R1, The width of the portion of the second protective film R2 that covers the portions of the weight M that are separated from the beam portions F1, F2, F3, and F4 so that the portion Mt is covered as shown in FIG. 4B and 4C is the width of the portion of the weight M that is separated from the beam portions F1, F2, F3, and F4 (the length of the beam portion in the short direction). ) Wider than. On the other hand, of the portions spaced from the beam portions F1, F2, F3, and F4 of the weight portion M formed by the first protective film R1, the portion perpendicular to the side surfaces of the beam portions F1, F2, F3, and F4 Is completely covered by the second protective film R2 as shown in FIG. 4E.
そして図4Cに示すように、錘部Mの梁部F1、F2、F3、F4から離間している部分から梁部の短手方向にはみ出す第二の保護膜R2の幅D2は、錘部Mと梁部F1、F2、F3、F4とを隔てるスリットH2の幅L2よりも狭く設定する。すなわち基板100の梁部F1、F2、F3、F4に重なる部分は第二の保護膜R2の開口RTから完全に露出させる。また錘部Mの梁部F1、F2、F3、F4から離間している部分からはみ出す第二の保護膜R2の幅D2は、図4Dに示す第二の保護膜R2のアライメント公差EYよりも大きく設定する。より具体的には、錘部Mの梁部F1、F2、F3、F4から離間している部分からはみ出す第二の保護膜R2の幅D2は、次式を満たす範囲に設定される。
EY<D2<L2−EY
As shown in FIG. 4C, the width D2 of the second protective film R2 that protrudes from the portion of the weight M away from the beams F1, F2, F3, and F4 in the short direction of the beam is equal to the weight M. Is set to be narrower than the width L2 of the slit H2 separating the beam portions F1, F2, F3, and F4. That is, portions of the
EY <D2 <L2-EY
錘部Mと梁部F1、F2、F3、F4とを隔てるスリットH2の幅L2は、例えば50μm〜100μm程度に設定することができ、フォトリソグラフィ技術における保護膜R2のアライメント公差EYは2μm程度の範囲内に収めることができる。したがって、錘部Mの梁部F1、F2、F3、F4から離間している部分からはみ出す第二の保護膜R2の幅D2を第二の保護膜R2のアライメント公差EYより大きく設定し、かつ、錘部Mと梁部F1、F2、F3、F4とを隔てるスリットH2の幅L2よりも狭く設定することは、非常に容易である。すなわち、第二の保護膜R2のアライメントのずれが最大となる場合であっても図4Dに示すように錘部Mの梁部F1、F2、F3、F4から離間している部分のうち梁部F1、F2、F3、F4の側面と平行な部分Mtが第二の保護膜R2によって覆われ、かつ基板100の梁部F1、F2、F3、F4に重なる部分が開口RTから完全に露出するような第二の保護膜R2を形成することは十分可能であるし、容易である。
The width L2 of the slit H2 that separates the weight part M and the beam parts F1, F2, F3, and F4 can be set to, for example, about 50 μm to 100 μm, and the alignment tolerance EY of the protective film R2 in the photolithography technique is about 2 μm. Can be within the range. Therefore, the width D2 of the second protective film R2 protruding from the part of the weight M that is spaced from the beam parts F1, F2, F3, F4 is set larger than the alignment tolerance EY of the second protective film R2, and It is very easy to set narrower than the width L2 of the slit H2 that separates the weight portion M and the beam portions F1, F2, F3, and F4. That is, even in the case where the misalignment of the second protective film R2 is the maximum, as shown in FIG. 4D, the beam portion among the portions of the weight portion M that are separated from the beam portions F1, F2, F3, and F4. A portion Mt parallel to the side surfaces of F1, F2, F3, and F4 is covered with the second protective film R2, and a portion that overlaps the beam portions F1, F2, F3, and F4 of the
以上説明したように第二の保護膜R2を形成することによって、錘部Mの側面の梁部F1、F2、F3、F4の側面と平行な部分Mtを第一の保護膜R1のパターンによって確定させることができる。 As described above, by forming the second protective film R2, the portion Mt parallel to the side surfaces of the beam portions F1, F2, F3, and F4 on the side surface of the weight M is determined by the pattern of the first protective film R1. Can be made.
次に図5Aおよび図5Bに示すように第二の保護膜Rの第二の通孔RTから露出している基板100をエッチングすることによって基板100の図1に示す梁部F1、F2、F3、F4に重なっている部分を除去する。その結果、図1に示す梁部F1、F2、F3、F4の厚さが調整されるとともに、錘部Mの側面の基板100からなる残部Msが形成される。前述したように、第二の保護膜R2を用いて基板100をエッチングするこの工程では、錘部Mの側面の梁部F1、F2、F3、F4の側面と平行な部分Mtは変形しない。具体的には例えば、前述したボッシュプロセスによって基板100の厚いシリコン層101の一部を除去し、CHF3ガスを用いた反応性イオンエッチング(RIE)によって基板100のエッチストッパ層102の一部を除去する。エッチストッパ層102は、緩衝フッ酸または希フッ酸によって等法的にエッチングしても良いし、無水HFとアルコールの混合ガスを用いて気相で等方的にエッチングしても良い。
Next, as shown in FIGS. 5A and 5B, by etching the
その後、第二の保護膜Rと接着手段Bとを除去し、ダイシング等の工程を実施すると図1に示す加速度センサ1が完成する。 Thereafter, the second protective film R and the bonding means B are removed, and a process such as dicing is performed to complete the acceleration sensor 1 shown in FIG.
以上説明した製造方法によると、第一の保護膜R1を用いたエッチングにより梁部F1、F2、F3、F4の側面全部と錘部Mの側面の梁部F1、F2、F3、F4の側面と平行な部分Mtとが形成されるため、梁部F1、F2、F3、F4と錘部Mとの位置合わせ精度を高めることができる。その結果、加速度センサ1の可動部の形状精度を高めることができる。そして、長手方向が互いに平行な4つの梁部F1、F2、F3、F4の歪みを検出することによって加速度を検出する加速度センサ1において、梁部F1、F2、F3、F4の側面全部と錘部Mの側面の梁部F1、F2、F3、F4の側面と平行な部分Mtとの位置合わせ精度が1つの保護膜R1を用いた1度のエッチングで高められることは、加速度センサ1の検出精度の向上に大きく寄与する。 According to the manufacturing method described above, all the side surfaces of the beam portions F1, F2, F3, and F4 and the side surfaces of the beam portions F1, F2, F3, and F4 on the side surface of the weight portion M are etched by using the first protective film R1. Since the parallel portion Mt is formed, the alignment accuracy between the beam portions F1, F2, F3, and F4 and the weight portion M can be increased. As a result, the shape accuracy of the movable part of the acceleration sensor 1 can be increased. In the acceleration sensor 1 that detects acceleration by detecting distortion of the four beam portions F1, F2, F3, and F4 whose longitudinal directions are parallel to each other, all the side surfaces and the weight portions of the beam portions F1, F2, F3, and F4 The detection accuracy of the acceleration sensor 1 is that the alignment accuracy of the portion Mt parallel to the side surfaces of the beam portions F1, F2, F3, and F4 on the side surface of M is improved by one etching using one protective film R1. It greatly contributes to improvement.
2.第二実施形態
本発明の第二実施形態により製造されるMEMSセンサである6軸のモーションセンサを図6A、6B、6C、6Dに示す。モーションセンサ2は互いに直交する3軸の加速度成分と互いに直交する3軸の角速度成分を検出するためのMEMSセンサを構成するダイである。
2. Second Embodiment FIGS. 6A, 6B, 6C, and 6D show a six-axis motion sensor that is a MEMS sensor manufactured according to a second embodiment of the present invention. The
モーションセンサ2は、矩形枠の形態を有する支持部Sと、固定端が支持部Sに結合している片持ち型の梁部Fと、梁部Fの自由端に結合している錘部Mと、ひずみ検出手段としてのピエゾ抵抗素子40と、ひずみ検出手段または駆動手段としての圧電素子Pとを備え、図示しないパッケージに収容される。モーションセンサ2を構成しているこれらの構造要素や電気的機能要素は、板状のバルク材料からなる基板100とシリコン層104と絶縁層106と配線層108と圧電層110と電極層112と保護層114と配線層115が一体に接合されている積層構造体によって構成されている。
The
支持部Sは4つの梁部Fを支持するための枠形の構造要素である。支持部Sは基板100と薄いシリコン層104と絶縁層106と保護層114とからなる。支持部Sは梁部Fに比べて十分厚い基板100を含む複層構造体である。したがって支持部Sは実質的に変形しない。
The support portion S is a frame-shaped structural element for supporting the four beam portions F. The support portion S includes a
同一形態を有する4つの梁部Fは支持部Sの内側において十文字形に配列され、それぞれの一端が支持部Sに結合し、それぞれの他端が錘部Mに結合している。それぞれの梁部Fは薄いシリコン層104と絶縁層106と保護層114とからなる。
The four beam portions F having the same form are arranged in a cross shape inside the support portion S, and one end of each is coupled to the support portion S and the other end is coupled to the weight portion M. Each beam portion F includes a
錘部Mは、梁部Fに結合しているほぼ直方体形の中央部の4つの角部にそれぞれ直方体形の部分が結合している形態を有する。錘部Mは梁部Fに比べて十分厚い基板100を含む。したがって、錘部Mは支持部Sに対して相対的に運動する剛体として振る舞う。
The weight portion M has a form in which a rectangular parallelepiped portion is coupled to four corners of a substantially rectangular parallelepiped central portion coupled to the beam portion F. The weight portion M includes a
錘部Mと支持部Sと梁部Fとは通孔である4つのスリットHによって隔てられている。
梁部Fの支持部Sとの近接領域と錘部Mとの近接領域とに合計12個のピエゾ抵抗素子40が設けられている。ピエゾ抵抗素子40はシリコン層104に形成されている。梁部Fの変形によって生ずる応力の向きは梁部Fの表面と裏面とで逆になる。このため、ピエゾ抵抗素子40はシリコン層104の界面の近くに薄く形成される。ピエゾ抵抗素子40は4つ1組で1つのブリッジ回路を構成し、各ブリッジ回路から直交する3軸の加速度成分に相当する出力信号が取り出せるように結線される。
The weight part M, the support part S, and the beam part F are separated by four slits H which are through holes.
A total of twelve
圧電素子Pは、薄いシリコン層104の表面上に設けられる。圧電素子Pは、電極として機能する配線層108と電極層112との間に圧電層110が挟まれた構造を有する。複数の圧電素子Pの一部は、梁部Fを歪ませることによって錘部Mを周回運動させる駆動手段として機能し、残部は角速度に伴うコリオリ力によって生ずる梁部Fの歪みを検出する検出手段として機能する。
The piezoelectric element P is provided on the surface of the
(製造方法)
図7から図10に基づいてモーションセンサ2の製造方法を説明する。
はじめに立体的な機械構造が形成されていない図7に示す積層構造体Wを基板100の表面に薄膜を積層したり改質したりエッチングする公知の方法によって形成する。例えば、第一実施形態と同様にして基板100、薄いシリコン層104、絶縁層106を形成し、ピエゾ抵抗素子40を形成した後に、厚さ0.1μmの白金(Pt)からなる配線層108を絶縁層106の表面全体に形成する。次に、配線層108の表面全体に厚さ3μmのPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)からなる圧電層110をスパッタ法またはゾルゲル法によって形成する。次に圧電層110の表面全体に白金からなる厚さ0.1μmの電極層112を形成する。その後、3種類の保護膜を用いて電極層112、圧電層110、配線層108を順にエッチングする。次に感光性ポリイミドからなる厚さ10μmの保護層114を形成し、露光・現像によってコンタクトホールを形成する。次にコンタクトホールから露出している配線層108および電極層112に接続するアルミニウム(Al)からなる厚さ0.5μmの配線層118を形成する。次に配線層118をエッチングによりパターニングすると、図8に示す積層構造体Wが得られる。
(Production method)
A method for manufacturing the
First, the laminated structure W shown in FIG. 7 in which a three-dimensional mechanical structure is not formed is formed by a known method of laminating, modifying, or etching a thin film on the surface of the
次に図8A、図8B、図8Cに示すように積層構造体Wの基板100上に積層された膜の表面上に第一の保護膜R1を形成する。第一の保護膜R1は、感光性樹脂であるフォトレジストからなり、図6に示した通孔であるスリットHを形成するための第一の通孔であるスリットRSが形成されている。第一の保護膜R1の厚さは例えば6μmとする。
Next, as shown in FIGS. 8A, 8B, and 8C, a first protective film R1 is formed on the surface of the film laminated on the
続いて、第一の実施形態と同様に、第一の保護膜R1のスリットRSから露出している積層構造体Wを貫通するまでエッチングする。 Subsequently, as in the first embodiment, etching is performed until the laminated structure W exposed from the slit RS of the first protective film R1 is penetrated.
次に図9A、図9B、図9Cに示すように、積層構造体Wを接着手段Bを用いて犠牲基板99に仮接着し、積層構造体Wの基板100の表面上に第二の保護膜R2を形成する。第二の保護膜R2は、感光性樹脂であるフォトレジストからなり、梁部Fの厚さをエッチングによって調整するための第二の通孔RTがフォトリソグラフィ技術によって形成されている。第二の保護膜R2の厚さは例えば6μmとする。第一実施形態と同様に、錘部Mの側面の梁部Fから離間している部分を覆うように、第二の保護膜R2の形状と寸法は設定される。
Next, as shown in FIGS. 9A, 9B, and 9C, the laminated structure W is temporarily bonded to the
次に図10A、図10Bに示すように、第一実施形態と同様に、第二の保護膜Rの第二の通孔RTから露出している基板100をエッチングすることによって基板100の梁部Fに重なっている部分を除去し、梁部Fの厚さを調整するとともに錘部Mの側面の基板100からなる残部Msを形成する。その結果、図6に示す梁部Fと錘部Mとが完成する。
Next, as shown in FIGS. 10A and 10B, the beam portion of the
本実施形態においても、第一の保護膜R1を用いたエッチングにより梁部Fの側面全部と錘部Mの側面の梁部Fから離間した部分の全部又は一部とが形成されるため、梁部Fと錘部Mとの位置合わせ精度を高めることができる。 Also in the present embodiment, all the side surfaces of the beam portion F and all or a portion of the side surfaces of the weight portion M spaced apart from the beam portion F are formed by etching using the first protective film R1. The alignment accuracy between the part F and the weight part M can be increased.
3.他の実施形態
尚、本発明の技術的範囲は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、上記実施形態で示した材質や寸法や成膜方法やパターン転写方法はあくまで例示であるし、当業者であれば自明である工程の追加や削除や工程順序の入れ替えについては説明が省略されている。たとえば本発明は、振動センサ等の他のMEMSセンサに適用することもできる。
3. Other Embodiments The technical scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments, and it goes without saying that various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. For example, the materials, dimensions, film forming methods, and pattern transfer methods shown in the above embodiments are merely examples, and descriptions of addition and deletion of processes and replacement of process orders that are obvious to those skilled in the art are omitted. ing. For example, the present invention can also be applied to other MEMS sensors such as vibration sensors.
1:加速度センサ、2:モーションセンサ、40:ピエゾ抵抗素子、41:接続抵抗低減部、42:抵抗部、99:犠牲基板、100:基板、101:シリコン層、102:エッチストッパ層、104:シリコン層、106:絶縁層、108:配線層、110:圧電層、112:電極層、114:保護層、115:配線層、118:配線層、B:接着手段、F:梁部、H:スリット、M:錘部、P:圧電素子、R1:第一の保護膜、R2:第二の保護膜、RS:スリット、RT:通孔、S:支持部、W:積層構造体 1: acceleration sensor, 2: motion sensor, 40: piezoresistive element, 41: connection resistance reducing unit, 42: resistance unit, 99: sacrificial substrate, 100: substrate, 101: silicon layer, 102: etch stopper layer, 104: Silicon layer, 106: insulating layer, 108: wiring layer, 110: piezoelectric layer, 112: electrode layer, 114: protective layer, 115: wiring layer, 118: wiring layer, B: bonding means, F: beam portion, H: Slit, M: weight part, P: piezoelectric element, R1: first protective film, R2: second protective film, RS: slit, RT: through hole, S: support part, W: laminated structure
Claims (2)
前記支持部に一端が結合し前記支持部よりも薄い梁部と、
前記梁部の他端に結合し前記梁部よりも厚い錘部と、
前記梁部に設けられ前記梁部の歪みを検出する歪み検出手段と、
を備えるMEMSセンサの製造方法であって、
基板の表面上に膜を積層することによって、前記膜により構成される前記歪み検出手段と前記基板とを含む積層構造体を形成し、
第一の通孔が形成されている第一の保護膜を前記積層構造体の前記膜上に形成し、
前記第一の通孔から露出している前記積層構造体を貫通するまでエッチングすることによって、前記梁部の側面と前記錘部の側面の前記梁部から離間している部分とを形成し、
前記錘部の側面の前記梁部から離間している部分を覆い第二の通孔が形成されている第二の保護膜を前記基板の裏面上に形成し、
前記第二の通孔から露出している前記基板をエッチングすることによって前記梁部の厚さを調整するとともに前記錘部の前記側面の前記基板からなる残部を形成する、
ことを含むMEMSセンサの製造方法。 A support part;
A beam part having one end coupled to the support part and thinner than the support part;
A weight portion coupled to the other end of the beam portion and thicker than the beam portion;
Strain detection means provided on the beam portion for detecting strain of the beam portion;
A method of manufacturing a MEMS sensor comprising:
By laminating a film on the surface of the substrate, a laminated structure including the strain detecting means constituted by the film and the substrate is formed,
Forming a first protective film having a first through hole on the film of the laminated structure;
Etching until penetrating the laminated structure exposed from the first through hole, thereby forming a side surface of the beam portion and a portion spaced from the beam portion of the side surface of the weight portion,
Forming a second protective film on the back surface of the substrate, covering the portion of the side surface of the weight portion that is separated from the beam portion, and forming a second through hole;
Adjusting the thickness of the beam portion by etching the substrate exposed from the second through-hole and forming the remaining portion of the substrate on the side surface of the weight portion;
A method for manufacturing a MEMS sensor.
ことを含む請求項1に記載のMEMSセンサの製造方法。 Etching is performed until the laminated structure exposed from the first through-hole is penetrated, so that two side surfaces of the weight portion parallel to each other and two side surfaces of the weight portion are coupled to each other. Forming a portion that includes a portion parallel to the side surface of the beam portion of the side surface of the weight portion and is spaced apart from the beam portion;
The manufacturing method of the MEMS sensor of Claim 1 including this.
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