JP2018031714A - 物理量センサ - Google Patents

Abstract

【課題】ＭＥＭＳプロセスによって製造した小型の角速度センサが酸化膜を透過する水分によって，センサ内部の圧力が大気圧側に増加することを抑制する物理量センサを提供する。【解決手段】電極基板の貫通電極部周辺に配置したシリコン酸化膜の端部の直上に、シリコン酸化膜と直接密着するように水分透過防止膜が形成されている構造とする。【選択図】図１

Description

本発明は物理量の測定に用いられる物理量センサの構造に関し、特にセンサ内部が真空中で封止される角速度センサ構造に関する。

近年、MEMS技術における微細化加工技術の発展により、シリコンおよびガラス等の材料を適用した加速度、角速度などの物理量を測定する様々なセンサが提供されている。

MEMS技術を用いた物理量センサは、半導体デバイスと比較してアスペクト比（開口幅と加工深さとの比）が高い構造体を形成できる利点がある。また、高アスペクト比の溝を加工できるICP（Induction Coupled Plasma）方式のRIE（Reactive Ion Etching）装置を適用したドライエッチング法によって、シリコンからなる立体構造および可動構造を形成することにより、機械加工と比較して優れた加工精度の各種構造体を形成することができる。

このようなMEMS技術を用いた物理量センサとして、特開２０１５−１１００２号公報（特許文献１）に記載された複合センサ素子が知られている。この複合センサ素子は、組み立てにシリコン直接接合技術を適用しており、角速度センサの平面振動体と加速度センサの可動体とを、同一の基板上にそれぞれが浮いた状態に設けている。また、平面振動体と可動体との上側を、間隔を置いて蓋部材で覆っている。基板と蓋部材とからなる空間部は区分壁部によって角速度センサ用空間部と加速度センサ用空間部とに区分されている。角速度センサ用空間部は200Pa程度の真空状態で気密封止された状態とし、加速度センサ用空間部は10000から50000Paくらいの真空度で気密封止された状態としている。これにより、平面振動体は高周波数かつ大きな振幅で振動することができ、角速度センサにおける角速度の検知感度を高めることができる。

平面振動体が配置されているデバイス基板の駆動に必要な電極は、蓋部材の低抵抗シリコン材料を電極として複数個、つながっており、低抵抗シリコン電極の周囲は酸化膜によって絶縁されている。蓋部材の低抵抗シリコン電極部の表面には金属電極が形成されており、金属電極部以外の部分はSiNおよび樹脂の保護膜によって保護されている。金属電極周囲の保護膜は、一般的な半導体回路の保護膜と同様の技術が適用されている。言い換えれば、金属電極部以外の部分は、全面でSiNおよび樹脂の保護膜によって保護されている。

また、特許文献２に記載された構造では、MEMS素子部が金属膜をスパッタリングする際の真空度（圧力）で密閉空間内に保持されている。初期の雰囲気から変動することを抑制することで信頼性を高めるために、密閉空間内の内壁は、窒化シリコン膜とシリコン膜によって覆われている。この構造によってMEMS素子が配置される空間の内壁からガスが発生することを抑制している。製造方法はMEMS素子を形成後に犠牲層によってMEMS素子を保護し、ポリシリコン膜、窒化シリコン膜、層間絶縁膜を形成後、CMPまたはエッチバック技術を適用して平面化し、金属配線と層間絶縁膜の工程を繰り返して任意の金属配線層を形成する。その後、金属膜リリース孔を用いて犠牲層を除去することによってMEMS素子の周囲に空間を形成する。最終的にリリース孔はスパッタリング法を適用してふさがれる。前記プロセスでは、リリース孔封止プロセスによって、金属材料の一部は密閉空間内部に浸入する。また、この構造では、外部に取りだす金属電極部周囲の絶縁をリング状の窒化シリコン材料を適用している。前記、リング状の窒化シリコン膜はポリシリコン膜の斜面に沿った形で形成されており、その上部には層間絶縁膜が形成されている。また、窒化シリコン膜はMEMS素子を取り囲む密閉空間の曲面および複数の段差部を保護する形で形成されている。

一方、非特許文献１によれば、一般的に水分はガラス膜を透過することが知られている。空気中の水分はガラス中に水酸基OHとして存在し、ほとんどの場合、ガラス中への浸入はフィックの拡散式に従う。ガラスに浸入する水の量および深さは一定温度、一定湿度下では時間と拡散係数の積に平方根に比例する。そのため、前記のような真空空間を有する物理量センサでは、一般的に外部圧力は大気圧であり、センサ内部は真空となっている観点から水分が酸化膜などを透過することによって内部に浸入する可能性が存在する。

特開２０１５−１１００２号公報 特開２０１５−１４５０３６号公報

NEW GLASS Vol.21.No3(2006)

特許文献1に記載された複合センサ素子は、蓋部材に形成された金属電極部以外の低抵抗シリコン上部には、酸化膜が形成され、その上に SiNおよび樹脂の保護膜によって保護されていると記載されている。そして、SiNおよび樹脂の保護膜は金属電極部以外の全面に形成されている。上記の構造では酸化膜の上にSiN膜が形成されていることから、金属電極部側面の酸化膜側面から水分が真空空間へ浸入することが考えられる。

また、特許文献2では最終的にMEMS素子の空間を真空に保持するために、金属スパッタリング法でリリース孔を封止しているため、内部に金属粉体が混入する。それとともに内部圧力は金属スパッタリング法での金属粉体形成時の圧力でしか封止することはできない。すなわち、任意での圧力調整は実施することができない可能性が存在する。

一般的に角速度センサでは、真空封止された空間において、固定電極に対向して可動電極の櫛歯が形成され、任意の真空度において駆動部は一定の共振周波数によって駆動する。このとき、駆動部は駆動マスの重さが共振周波数を決めることから重要となる。特許文献2では金属膜が密閉空間に浸入することから、駆動マスに金属粉体が付着することが予測でき、駆動マスの重さを変化させてしまう課題が考えられる。そのため、前記の製造プロセスでは、角速度センサに適用することは困難であると考えられる。また、金属電極部周囲の絶縁部に、斜面状に形成されたポリシリコン膜をおおうようにリング状の窒化シリコン材料を適用している点から、窒化シリコン膜は厚く形成されていることが予測でき、その結果、線膨張率の違いによる割れが発生する可能性が存在する。

犠牲層プロセスを適用していることから製造プロセスも複雑であると予測できる。また、MEMS素子内部の真空空間表面からのアウトガス放出を抑制する構造に関する発明であり、周囲からの水分の浸入に対して配慮された発明ではない。

本発明の目的は、MEMSプロセスによって製造した小型の角速度センサが酸化膜を透過する水分によって、センサ内部の圧力が大気圧側に増加することを抑制する構造を提供することにある。

本発明によると、固定層およびデバイス層が一体となった基板と電極基板の2層構造もしくは固定基板、デバイス基板、電極基板の少なくとも3層構造から構成され、物理量を測定するセンシング部の内部は、任意の真空度で密閉されており、前記、電極基板は、複数の低抵抗シリコンからなる貫通電極が、多角形からなるシリコン酸化膜によって個別に絶縁された構造体において、電極基板の低抵抗シリコンからなる貫通電極部周辺に配置した多角形からなるシリコン酸化膜の端部の直上に、前記シリコン酸化膜周辺部をおおうように、かつ、直接密着するように水分透過防止膜が形成されている構造を適用すると良い。

本発明によれば、多角形からなるシリコン酸化膜と直接密着することによって、水分が真空からなるセンシング空間への浸入を直接的に防止でき、センシング空間の真空度を安定的に確保できる。前記シリコン酸化膜周辺部には段差部は存在していないことから、平面部に、水分透過防止膜を形成することが可能となるため、水分透過防止膜の膜厚を薄く形成できる。そのため、角速度センサ内に形成したセンシング空間の真空度を安定的に保ち、信頼性に優れた物理量センサを提供できる。水分透過防止膜は多角形からなるシリコン酸化膜に上部にだけ密着して配置されているため、電極基板全体を保護する場合と比較して、水分透過防止膜による応力を低減できる。また、電極パッド部以外に酸化膜を形成する構造を適用することで、樹脂などの保護膜は必要ない。

本発明の物理量センサを説明する断面図 デバイス基板の構造を説明する平面図 水分透過防止膜の配置に関する平面図 高湿度試験によるセンシング空間内の変動を説明する図 従来構造における水分浸入経路に関する断面図 酸化膜のアスペクト比を説明する断面図 本発明の他の物理量センサを説明する断面図 本発明の素子を搭載したパッケージの断面図

図1を用いて本発明による物理量センサの構造例を説明する。図1は本発明の一例を示す角速度をセンシングするセンサの断面図を示している。基板は固定基板2、デバイス基板3、電極基板1の少なくとも3層構造から構成されている。固定基板2にはSiO2からなるシリコン酸化膜4bを介してデバイス基板3がシリコン直接接合法によって形成されている。デバイス基板3の上部と、電極基板1の下部は、同様に、シリコン同士がシリコン直接接合されている構造である。図1の角速度を測定するセンシング空間5はシリコンおよびシリコン酸化膜によって密閉された空間となっている。

デバイス基板3の角速度を測定するセンシング空間5は、上下に配置した固定基板2および電極基板1との空間において、圧力雰囲気が15Pa程度の真空雰囲気となっている。センシング空間5にはデバイス基板3に形成された固定電極7および可動電極8がある。これは数マイクロメータのギャップを有して複数の櫛歯が形成されている。図2にデバイス基板3の平面図の一例を示す。デバイス基板3には複数の固定電極7櫛歯が配置されている。可動電極8は一体となって形成されており、内部にばね梁11が形成され、可動時の変位を吸収できる構造となっている。本構造は面内方向の角速度を検出するためのものである。なお、図2の固定電極7および可動電極8は、複数の貫通電極10aおよび10bによって、電極基板1と電気的に導通している。

角速度の物理量のセンシングは、複数の櫛歯が固有の周波数で駆動（振動）させている場合に角速度が加わるとコリオリ力が発生する。このコリオリ力によって固定電極と可動電極の電極間ギャップが変化する。このコリオリ力による電極間ギャップの変化量を静電気力によって検出することで角速度を検出する。

可動電極振動体の駆動速度が速いほど、コリオリ力が大きくなるため、角速度センサの検出感度を良好にするためには振動体を高周波数で、かつ、大きな振幅で振動させる必要がある。しかしながらMEMS技術によって作製した振動体は微小ギャップで形成するため、振動雰囲気が大気圧の場合、空気（封止気体）のダンピング効果の影響が大きくなる。このダンピング効果が角速度センサの高周波数、かつ大振幅での振動に悪影響を与えてしまい、角速度センサの検出感度を低下させる。したがって、ダンピング効果の影響の小さい、すなわち真空雰囲気で角速度センサのセンシング部を封止することで高周波数かつ大振幅できる角速度センサを得ることができる。また、高真空であるほどダンピング効果の影響はさらに小さくなる。

角速度センサの駆動部および検出部を含む空間は安定した真空雰囲気を得ることが重要であり、角速度センサの検出感度を安定させることができる。

デバイス基板3の固定電極7は平面的に固定電極3aとつながっており、電極基板1の内部に配置した貫通電極10aを介して、その上に形成された金属電極9につながっている。同様に可動電極8は、デバイス基板の可動電極3bと平面的につながっており、電極基板1の内部に配置した貫通電極10bを介して、その上に形成された金属電極9につながっている構造である。前記、金属電極9と金ワイヤなどによってつなぎこむことによって、センサは外部との電気的なやり取りを行うことができる。

なお、金属電極9の位置は、図3に示すように、平面的には金属配線20によって電極パッド21に配置できる。そのため、電極パッド21は、電極基板の表面で任意の位置に引き回すことが可能である。なお、配線材料の下部には、電気的絶縁のために酸化膜が形成されている。

また、その他に金属配線20の材料は、密着性を考慮して下地膜としてクロムやチタンを配置し、その上に金を配置しても良い。また、熱的な耐熱性を向上させるためにクロムやチタンと金との間に白金やニッケルを配置しても良い。配線材料は前記に限らず、アルミニウム等の配線材料を適用しても良い。

電極基板1の内部に形成された貫通電極10aおよび10bは、周囲をSiO2等のシリコン酸化膜4aによって電気的に絶縁されている。なお、電極基板の金属電極9aは電極基板をアースに電気的におとすための電極である。

本発明では面内方向に可動する構造について説明しているが、電気的にデバイス基板3の振動体を可動電極8と設置し、金属電極9aを固定電極7として設置することによって面外構造の角速度センサとして適用することが可能である。

貫通電極10の周囲に配置しているシリコン酸化膜4aの直上には水分透過防止膜6が配置されており、その上にシリコン酸化膜4cが形成されている。

水分透過防止膜6は、平面的には図3に示すように、貫通電極10（内側の点線の内部）とその外周部に配置されたシリコン酸化膜4a（2本の点線でおおわれた部分）を覆うように配置されている。より詳細には、貫通電極10の内側6aからシリコン酸化膜4aの外側6bまでを水分透過防止膜6によってリング状におおうと良い。貫通電極10およびシリコン酸化膜4aの形状によって、多角形で覆う構造でも良い。本発明の主旨は、電極基板1の表面に露出した、シリコン酸化膜4aに、直接的に水分透過防止膜6を形成することにある。

また、水分透過防止膜6は窒化シリコン膜を適用することが好ましい。これは水分を防止する効果が高いためである。

一般的に物理量センサから水分の影響を軽減または保護するために、窒化シリコン膜を電極基板1表面の電極パッド21以外の部分の全面に形成される。また、場合によっては樹脂材料による保護膜もその表面に形成される。本発明では、窒化シリコン膜を部分的に形成することによって、全面に形成される場合と比較して、膜の応力を低減させることが可能である。例えば、窒化シリコン膜の厚さが一定の場合、残留応力は体積比で異なる。センサの電極基板の全面に窒化シリコン膜を形成した場合はミリメートルオーダーになると予測できるが、本発明では一桁小さいマイクロオーダーのリング形状となる。そのため、センサ全体に作用する応力も極端に小さくなる。

また、本発明で形成する水分透過防止膜6は平面部に形成することができることから、段差部に形成する場合と比較して、薄く形成しても問題はない。段差部に形成する場合には、段差部のカバレッジが必要であることから、厚く形成する必要がある。

本発明では、固定基板2とデバイス基板3およびSiO2からなる酸化膜4bにSOI基板を適用することができる。一般にSOIウエハは固定層、ボックス層、デバイス層から構成されている。ボックス層は可動部を形成するために、デバイス構造が形成されたあとから除去される。より詳細には、高アスペクト比の加工ができるドライエッチング加工によってデバイス層に櫛歯などの構造体を加工後、ボックス層を除去することで、櫛歯構造体などを中空に浮かせることができる。そのため、ボックス層を厚くすると、深さ方向のエッチングと平面方向のエッチング速度が同等であることから、除去する際に、駆動櫛歯等を固定する部分が消失する可能性がある。これはボックス層がSiO2からなる酸化膜から形成されているためであり、フッ化水素酸水溶液またはフッ化水素酸の蒸気によって、等方性エッチングされるためである。そのため、ボックス層を厚くすると、駆動櫛歯等を固定する部分が大きくなるため、小型化が困難となり、ボックス層を薄く形成しなければならない。その結果、デバイス層の下面、すなわち、本発明における固定基板2と固定電極7および可動電極8の下面とのギャップは、数マイクロメータと小さい。

SOIウエハは、固定層およびデバイス層を一体とする基板一つのデバイス基板3として記載されている場合も存在する。そのため、本発明では、デバイス基板3、電極基板1の2層構造の場合でも、水分透過防止膜6を適用することができる。

センシング空間の真空度を維持することは信頼性向上の観点から重要となる。特に角速度センサは加速度センサとともに自動車用の横滑りを防止するシステムで活用されている。そのため、過酷な環境下で角速度センサは適用されることが想定できる。

図4に本発明の水分透過防止膜を適用した場合と適用していない場合の高温高湿試験結果を示す。センシング空間は、体積が微小であることから直接、真空度を測定することはできない。そのため、縦軸のセンシング空間の圧力は、共振係数となるＱ値で表している。横軸の高温高湿試験時間を増加させていくと、本発明の構造ではセンシング空間のＱ値はほとんど変動しないが、水分透過防止膜がないものはセンシング空間のＱ値が徐々に低下していく。これはセンシング空間の圧力が、徐々に大気圧側に増加していることを示している。

従来構造における模式図を適用して、水分が透過によって浸入する経路について図5を用いて説明する。固定基板2とデバイス基板3との間にシリコン酸化膜4bが配置され、その上部に電極基板1が配置されている。デバイス基板3にはMEMS素子15が配置され、3枚の基板によって密閉された真空のセンシング空間5が形成されている。電極基板1の内部にはシリコン酸化膜4aが配置されている。電極基板1の上部構造は、金属電極9をおおうように、その周囲にシリコン酸化膜4c、その上にSiN膜12、その上部に樹脂による保護膜13が形成されている。

電極基板1の上部に配置されているシリコン酸化膜4cは、電極基板1が低抵抗シリコン材料を適用しているために、配線材料との絶縁の目的で形成される。

プロセス的には、全面にシリコン酸化膜4cを形成後、フォトリソによって金属電極部および電極パッド部のパターンを形成し、エッチングによってシリコン酸化膜を除去する。その後、再度、フォトリソによって配線構造を形成し、スパッタリング装置または蒸着装置を適用して、金属膜を形成し後、レジストを除去することによって、任意の位置に金属電極と配線構造を形成する。または、全面に金属膜を形成した後、フォトリソによってパターンを形成し、レジストをマスクとして、金属膜をエッチングすることで、任意の位置に金属電極と配線構造を形成する。そのあとに、配線部の上部および金属電極9の周囲は、シリコン酸化膜4cによって保護される。これは異物が載った場合に電気的なショートを防止するためである。

そのため、金属電極9の端部に形成されたシリコン酸化膜4cは、金属電極9の端部の上に形成される。すなわち、金属電極9の端部ではシリコン酸化膜4cの側面が露出する。

その結果、シリコン酸化膜の端部から14aに示すように水分が浸入する。その後、電極基板1のシリコン酸化膜4aを透過して、センシング空間5内へ浸入する。

一般的にウエハで作成されたセンサは最終的にダイシングによって切断される。そのため、センサチップの端面はむき出しとなり、水分浸入経路14cを予測した。

前記の構成ではセンサチップの周囲が大気圧約100000Pa、センシング空間は15Paであり、大気圧の方がセンシング空間の圧力と比較して大きい。そのため、大気中に存在する水分は、シリコン酸化膜を透過してセンシング空間に浸入することは、フィックの拡散式に従う。浸入する拡散係数Dは（1）式で表される。なお、D₀：拡散係数、Eは活性化エネルギー、kはボルツマン定数、tは絶対温度を示す。

D＝D₀exp(-E/kT) ‥‥（1）

シリコン酸化膜を透過してセンシング空間に浸入する経路は2ヵ所存在する。詳細を図6に示す。一方は、固定基板2とデバイス基板3の間に存在するシリコン酸化膜4bであり、もう一方は、電極基板1内に絶縁のために形成されたシリコン酸化膜4aである。シリコン酸化膜4bは接合面であり、側面は先に説明したようにダイシングによって加工されることから端面はむきだしの状態である。この部分から浸入する水分を防止することは極めて困難である。一方、電極基板1内に絶縁のために形成されたシリコン酸化膜4aは上部に水分透過防止膜を形成することによって、水分がセンシング空間に浸入することを防止することが可能である。

水分の浸入を防止するためには、各々のシリコン酸化膜の寸法が重要となってくる。シリコン酸化膜の厚さと幅の寸法のアスペクト比が小さいほど、水分は浸入しやすくなる。これは、アスペクト比の小さい値の断面は、幅と長さの比が小さいことを示しており、単位時間当たりに水分が通過する量が同一であると仮定すると、アスペクト比が小さい方が、より多くの水分を透過するからである。

また、センシング空間と接触している電極基板に形成した複数のシリコン酸化膜の表面積と、デバイス基板3と固定基板2との間に形成されたシリコン酸化膜4bの表面積を比較して、後者の方の表面積が小さい構造が良い。これはセンシング空間5と接触している表面積が大きいほど、水分がより多く浸入するためである。

電極基板1内に絶縁のために形成されたシリコン酸化膜4aの幅16bと高さ16aとの比、すなわち、シリコン酸化膜4aのアスペクト比16a/16bと、シリコン酸化膜4bの厚さ17bと長さ17aとの比、すなわち、シリコン酸化膜4bのアスペクト比17a/17bを比較した場合に、シリコン酸化膜4bのアスペクト比が大きいことが良い。さらに、複数個のシリコン酸化膜4aの全体の表面積とシリコン酸化膜4bの全体の表面積がセンシング空間5と接している表面積を比較した場合に、センシング空間5と接しているシリコン酸化膜4bの全体の表面積は小さい方が良い。

これはシリコン酸化膜4bのアスペクト比が小さく、センシング空間5と接しているシリコン酸化膜4bの全体の表面積が大きい場合は、シリコン酸化膜4aの端部から水分の浸入を防止したとしても、シリコン酸化膜4bから水分がセンシング空間5に浸入するためである。

図7は本発明の他の一例を示す角速度をセンシングするセンサの断面図を示している。基板は固定基板2、デバイス基板3、電極基板1の少なくとも3層構造から構成されている。固定基板2には溝19が形成されており、SiO2からなるシリコン酸化膜4bを介してデバイス基板3がシリコン直接接合法によって形成されている。

デバイス層の上部と、電極基板1の下部は、同様に、シリコン同士がシリコン直接接合されている構造である。図7の角速度を測定するセンシング空間5はシリコンおよびシリコン酸化膜によって密閉された空間となっている。

デバイス基板3の角速度を測定するセンシング空間5は、上下に配置した固定基板2および電極基板1との空間において、圧力雰囲気が10Pa程度の真空雰囲気となっている。センシング空間5には固定電極7および可動電極8が形成されている。これは数ミクロンのギャップを有して複数の櫛歯が形成されている。

前記、固定電極7および可動電極8と外部との電気的な導通は図1で説明した例と同様である。

電極基板1の内部に形成された低抵抗シリコンからなる貫通電極10の周囲は、2重に形成されたシリコン酸化膜4aおよびその内部にポリシリコン18が埋め込まれた構造となっている。この構造では絶縁部のアスペクト比を増加させることが可能で、電極基板1の厚さを増加させることができる。それによって電極基板の耐圧性能が向上する。

また、固定基板2に溝19を形成したことで、角速度のセンシング部の空間体積を大きくできるため、センシング空間5の表面から発生する微小発生ガス（アウトガス）が発生した場合でも体積効果によって、微小発生ガスによる真空ばらつきを抑制できる。

より詳細には、角速度のセンシング空間5は真空中で密閉されているが、真空中で保持されているため、長期信頼性の観点から考慮すると時間の経過に比例して微小発生ガスの発生することが予測できる。その結果、真空度が悪化することによって、センシング空間内の可動電極の共振周波数が変化し、性能が悪化することが予測できる。そのため、センシング空間の圧力変動を抑制することは重要となる。

また、デバイスが形成されている基板のセンシング部には、多くの可動および検出用の櫛歯および梁がマイクロメータ単位で形成されている場合が多く、センシング部の空間体積に対して、センシング部の表面積の割合は大きい。その結果、微小ガス成分が発生する割合が大きくなる。これは表面積の大きさに比例して微小ガス成分が発生する割合が高くなるためである。

一方、固定基板1の溝空間は、内部には構造体はないことから、体積に対する表面積の割合は、梁形成部と比較して非常に小さい。そのため、角速度センサのセンシング部空間は微小ガス成分（アウトガス）が発生する割合が小さくなる。そのため、圧力の安定に寄与できる。

気体の圧力Pは（2）式により、体積Vが増加すると、気体の圧力変動は低下する。すなわち、センシング空間の圧力ばらつきは、微小発生ガスの発生量に対して、体積の大小によって圧力が変化する。なお、nは気体の物質量（モル数）、Rは気体定数、Tは気体の熱力学的温度を示す。

PV=nRT ‥‥（2）

そのため、本発明の図7の構造では、角速度のセンシング空間内で微小発生ガスが発生した場合でもセンシング空間内の気体の圧力Pの変化率は小さくなる。

また、前記（2）式より、体積がN倍になると圧力は1／Nとなる。すなわち、体積が大きくなるほど、センシング空間の圧力変動は抑制できる。

本発明に適用されている基板の接合には、シリコンの直接接合が適用されている。これは、シリコンウエハもしくは表面に酸化膜が形成されたシリコンウエハに親水化処理を行い、室温近傍で貼り合わせる。これにより、水素結合などによって貼り合わせた2枚のシリコンウエハは結合される。この状態ではまだ、接合強度が弱いため、900度〜1150度の温度で加熱処理を行い。それにより、シロキサン結合状態を作り出し、最終的にシリコンとシリコンの強固な結合状態得られる強固な接合方法である。

本発明ではこれ以外にアルゴンイオンビームを適用した表面活性化接合を適用しても良い。この接合法では基板に対する熱的な不可が小さい効果がある。

電極基板1およびデバイス基板3に適用されるシリコン材料は0.01-0.05Ωcmの抵抗値を有する材料が良い。

固定基板2の溝および電極基板1の溝は高アスペクト比の加工が可能なドライエッチング加工によって形成すると良い。これは、溝の側面を垂直に加工することができるためである。ドライエッチング法によって平面的に曲線を有する形状および複雑な矩形形状などの溝を形成できるためである。

図8に本発明の物理量センサの実用的なアセンブル方法を示す。リードフレーム28の上に金属ペースト27を介して制御LSI 24が配置され、制御用LSI 24の上に本発明の角速度センサ22および加速度センサ25が接着層26を介して搭載されている。リードフレーム28およびコンデンサ等の他部品（図示せず）とともに、モールド樹脂29を適用してモールド成形することでパッケージ状態を形成するか、もしくは、セラミックスパッケージに搭載しても良い。信号の検出および電気の供給を行うために制御用LSI等の電極パッド21bと本発明の角速度センサ22および加速度センサ25の電極パッド21aを、金ワイヤ23によって電気的につないである構造である。

前記のパッケージ構造では、X方向とY方向の2軸の加速度センサと1軸の角速度センサ、X方向とZ方向の2軸の加速度センサと1軸の角速度センサ、1軸の加速度センサと2軸の角速度センサ、2軸の角速度センサなど各種センサを配置することができ、物理量を測定する用途は様々な場合に適用できる。

本発明では、水分の透過を抑制する構造であり、かつ、真空のセンシング空間はシリコン材料とシリコン酸化膜材料だけに囲まれているため、信頼性が高い。そのため、高湿度の雰囲気および窒素酸化物、油蒸気などの腐食性ガスが存在する雰囲気でも適用することが可能である。

また、電極基板1には一部もしくは全ての貫通電極部から金属配線部が、電極パッド部までつながっている構造である。電極パッド部以外の部分は、全てシリコン酸化膜でおおわれている構造を適用することで、水分透過防止膜を保護する効果があり、プロセス中の破損、もしくは組み立て時に発生する接触などによる水分透過防止膜の破損を抑制でき、樹脂などの保護膜も必要なくなる。

前記の物理量センサにおいて、固定基板にシリコン材料を適用し、デバイス基板および電極基板に低抵抗シリコン材料を適用し、デバイス基板には可動電極部と固定電極部が形成されており、複数の低抵抗シリコン電極がシリコン酸化膜によって個別に絶縁された貫通電極および溝が形成された電極基板と前記、可動電極部と固定電極部は、個別に貫通電極と接触しており、角速度の物理量を測定するセンシング部を有し、かつ、静電容量式センサであって、前記デバイス基板と固定基板は酸化膜を介して結合され、前記デバイス基板と電極基板はシリコン同士によって接合されている構造を適用することによって、信頼性に優れた角速度センサを提供できる。前記、電極基板に形成された溝は、シリコンの高アスペクト比の溝を加工できるドライエッチング加工法によって形成することが好ましい。これはシリコン加工溝の側面を垂直形状とすることができるためである。
固定基板、デバイス基板、電極基板の接合方法にはシリコンの直接接合を適用することが好ましい。3枚の基板の内、少なくとも2枚の基板の接合にシリコンの直接接合を適用することによって、接合前に角速度センサの可動電極部である振動体との溝を任意の深さに設定することができる。

前記、電極基板に形成したシリコン酸化膜の深さ／幅のアスペクト比と、デバイス基板と固定基板との間に形成されたシリコン酸化膜の幅／厚さのアスペクト比を比較して、後者の方のアスペクト比が大きい構造を適用することで、水分の透過抑制に効果がある。これは、水分の浸入は酸化膜の幅と深さの関係から、アスペクト比の小さい値の方が、水分が、通過するためにより多くの時間を有するためであり、さらに、後者の接合部はセンサの側面に存在し、水分を抑制するための保護膜を形成することが困難であることによる。

また、センシング空間と接触している電極基板に形成した複数のシリコン酸化膜の表面積と、デバイス基板と固定基板との間に形成されたシリコン酸化膜の表面積を比較して、後者の方の表面積が小さい構造が良い。

さらに、水分防止膜には窒化シリコン膜を適用することによって水分浸入抑制効果を向上できる。なお、絶縁膜で、酸化膜の形成温度に耐える膜であれば、その他の材料を適用しても同様の効果が得られる。

前記に記載した角速度センサと、加速度センサと一緒に制御ＬＳＩとともに一つのセラミックス材料または樹脂材料からなるパッケージ内に配置することによって、信頼性に優れた複合タイプの物理量センサを提供できる。

また、角速度センサは自動車の走行制御用のセンサとして適用することができるため、高湿の雰囲気および窒素酸化物、油蒸気などの腐食性ガスが存在する場所への設置が可能となる。

角速度センサは自動車用のセンサとして適用することが可能であるため、自動車の過酷な環境、例えば、エンジンルーム内での設置も可能となる。

本発明では角速度センサ以外にもセンシング部が真空環境で駆動する物理量センサであれば適用することが可能である。例えば、圧力センサにも適用することができる。

本発明の各種構造を説明したが本発明は上述の例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲にて様々な変更が可能であることは、当業者によって容易に理解されよう。

1…電極基板、2…固定基板、3…デバイス基板、4…シリコン酸化膜、5…センシング空間、6…水分透過防止膜、7…固定電極、8…可動電極、9…金属電極、10…貫通電極、
11…ばね梁、12…SiN膜、13…保護膜、14…水分透過経路、15…MEMS素子、
16…シリコン酸化膜の長さと幅、17…接合部のシリコン酸化膜の長さと幅、
18…ポリシリコン、19…溝、20…配線、21…電極パッド、22…角速度センサ、
23…金ワイヤ、24…制御LSI、25…加速度センサ、26…接着層、27…金属ペースト、
28…リードフレーム、29…モールド樹脂

Claims (7)

1. 固定層およびデバイス層が一体となった基板と電極基板の2層構造、もしくは固定基板、デバイス基板、電極基板の少なくとも3層構造を備える物理量センサにおいて、
   前記電極基板は、低抵抗シリコンからなる貫通電極と、該貫通電極を周囲から絶縁するために、該貫通電極の周囲に設けられるシリコン酸化膜と、を備え、
   電極基板の前記シリコン酸化膜のデバイス層とは反対側の端部の直上に、前記端部をおおうように、かつ、直接密着するように水分透過防止膜が形成されていることを特徴とする物理量センサ。
2. 請求項1記載の物理量センサにおいて、
   前記電極基板は、その表面に前記貫通電極から金属配線が電極パッド部までつながっている構造を有し、電極パッド部が設けられる表面のうち、前記電極パッド部以外が、全てシリコン酸化膜でおおわれている構造を特徴とする物理量センサ。
3. 請求項1または2に記載の前記固定基板、前記デバイス基板、前記電極基板の少なくとも3層構造を備える物理量センサにおいて、
   前記固定基板にシリコン材料を適用し、
   前記デバイス基板および前記電極基板に低抵抗シリコン材料を適用し、
   前記デバイス基板には、可動電極部と固定電極部が形成されており、
   前記貫通電極は複数形成されており、前記可動電極部と接触するものと、前記固定電極部に接触するものとを有しており、
   前記デバイス基板と固定基板は酸化膜を介して結合され、前記デバイス基板と電極基板はシリコン同士によって接合されていることを特徴する物理量センサ。
4. 請求項3記載の物理量センサにおいて、
   前記電極基板に設けられた、前記貫通電極の周囲に設けられるように形成したシリコン酸化膜の深さ／幅のアスペクト比と、
   前記デバイス基板と前記固定基板との間に形成されたシリコン酸化膜の幅／厚さのアスペクト比を比較して、後者の方のアスペクト比が大きいこと、を特徴とする物理量センサ。
5. 請求項4に記載の物理量センサにおいて、
   前記固定電極及び前記可動電極が設けられるセンシング空間と接触している電極基板に形成した複数のシリコン酸化膜の表面積と、デバイス基板と固定基板との間に形成されたシリコン酸化膜の表面積を比較して、後者の方の表面積が小さいことを特徴する物理量センサ。
6. 請求項1乃至5の何れかに記載の物理量センサにおいて水分透過防止膜に窒化シリコン膜を適用することを特徴する物理量センサ。
7. 請求項1乃至6の何れかに記載の物理量センサにおいて、角速度センサと、加速度センサと一緒に制御LSIとともに一つのセラミックス材料または樹脂材料からなるパッケージ内に配置することを特徴する物理量センサ

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