JP2012150029A - Vibration type transducer and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、伝送器等に使用される振動式トランスデューサおよび振動式トランスデューサの製造方法に関する。 The present invention relates to a vibratory transducer used for a transmitter or the like and a method for manufacturing the vibratory transducer.
振動式トランスデューサは、シリコン基板上に形成された振動子の共振周波数の変化を検出することにより印加された物理量を測定する。振動式トランスデューサは、圧力センサ、加速度センサ、角速度センサ、共振器等のMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)デバイスとして伝送器等において広く用いられている。 The vibration type transducer measures the applied physical quantity by detecting a change in the resonance frequency of the vibrator formed on the silicon substrate. Vibrating transducers are widely used in transmitters and the like as MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) devices such as pressure sensors, acceleration sensors, angular velocity sensors, and resonators.
図15は、従来の振動式トランスデューサの構造を説明する断面図である。本図は、振動式トランスデューサを振動式圧力センサに適用した場合の例である。本図に示すように振動式圧力センサ300は、ダイアフラム302が形成されたシリコン基板301に振動子310が形成され、シェル320により覆われている。シェル320内は、振動子310の機械的Q値を高くするために真空度の高い真空室となっており、酸化膜による封止材330によって封止されている。 FIG. 15 is a cross-sectional view illustrating the structure of a conventional vibration transducer. This figure is an example when the vibration type transducer is applied to a vibration type pressure sensor. As shown in this figure, the vibration type pressure sensor 300 includes a vibrator 310 formed on a silicon substrate 301 on which a diaphragm 302 is formed, and is covered with a shell 320. The inside of the shell 320 is a vacuum chamber having a high degree of vacuum in order to increase the mechanical Q value of the vibrator 310 and is sealed by a sealing material 330 made of an oxide film.
従来の振動式圧力センサ300は、振動子と、振動子を囲む真空室を多層膜によって形成している。このため、製造工程が複雑で、振動子310の上下ギャップ調整も困難である。これにより、センサ特性にばらつきが生じやすく、また、製造コストも高くなっている。 In the conventional vibration pressure sensor 300, a vibrator and a vacuum chamber surrounding the vibrator are formed of a multilayer film. For this reason, the manufacturing process is complicated, and it is difficult to adjust the vertical gap of the vibrator 310. As a result, the sensor characteristics are likely to vary, and the manufacturing cost is high.
また、静圧が高い環境で測定するためには、シェル320が変形しないように、シェル320を厚膜化して真空室の強度を上げる必要がある。しかし、薄膜を積層して構造を形成しているため、厚膜化が困難であるのに加え、シェル320を厚膜化すると、膜応力の問題が発生する。なお、特許文献2には、多層膜を用いずに圧力センサの真空室を形成することが記載されているが、この真空室における真空は基準圧としての真空である。このため、特許文献2に記載された技術を振動式圧力センサにそのまま適用しても、振動子の振動のために要求される真空度を満足することはできない。 Further, in order to perform measurement in an environment with a high static pressure, it is necessary to increase the strength of the vacuum chamber by increasing the thickness of the shell 320 so that the shell 320 is not deformed. However, since the structure is formed by laminating thin films, it is difficult to increase the film thickness, and when the shell 320 is increased in thickness, a problem of film stress occurs. In Patent Document 2, it is described that a vacuum chamber of a pressure sensor is formed without using a multilayer film. The vacuum in this vacuum chamber is a vacuum as a reference pressure. For this reason, even if the technique described in Patent Document 2 is applied to the vibration pressure sensor as it is, the degree of vacuum required for vibration of the vibrator cannot be satisfied.
そこで、本発明は、振動式トランスデューサの製造工程を簡略化するとともに、簡易にセンサ性能の向上を図れるようにすることを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to simplify the manufacturing process of a vibration type transducer and to easily improve the sensor performance.
上記課題を解決するため、本発明の第1の態様である振動式トランスデューサの製造方法は、振動子が形成された第1のシリコン基板の振動子形成面側に、絶縁膜を挟んで第2のシリコン基板を接合させる工程と、前記第2のシリコン基板を、前記振動子を覆うとともに、前記振動子の励振または振動周波数検出のための電極として機能するシェルに加工する工程と、前記シェル内を真空封止する工程とを含むことを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, the method for manufacturing a vibration type transducer according to the first aspect of the present invention includes a second silicon substrate on which a vibrator is formed, and a second silicon wafer sandwiching an insulating film therebetween. Bonding the silicon substrate, processing the second silicon substrate into a shell that covers the vibrator and functions as an electrode for excitation or vibration frequency detection of the vibrator, And vacuum-sealing.
ここで、前記第1のシリコン基板に、不純物を拡散することにより犠牲層と前記振動子の層とを形成し、前記犠牲層をエッチングすることにより、前記振動子を形成する振動子形成工程をさらに含むことができる。 Here, a vibrator forming step for forming a vibrator by forming a sacrificial layer and the vibrator layer in the first silicon substrate by diffusing impurities and etching the sacrificial layer. Further can be included.
あるいは、前記第1のシリコン基板に、凹部を形成し、前記凹部に犠牲層と前記振動子の層とを選択エピタキシャル成長によって成膜し、前記犠牲層をエッチングすることにより、前記振動子を形成する振動子形成工程をさらに含むようにしてもよい。 Alternatively, a recess is formed in the first silicon substrate, a sacrificial layer and a layer of the vibrator are formed in the recess by selective epitaxial growth, and the sacrificial layer is etched to form the vibrator. A vibrator forming step may be further included.
また、前記振動子形成工程において、前記振動子の層から、前記振動子と電気的に接続するための配線を同時に形成することができる。 Further, in the vibrator forming step, wiring for electrically connecting to the vibrator can be simultaneously formed from the vibrator layer.
また、前記絶縁膜を挟んで第2のシリコン基板を接合させる工程に先立ち、前記絶縁膜を研磨する工程を含むことができる。また、前記シェルに加工する工程は、前記第2のシリコン基板を薄くすることにより行なうことができる。また、前記振動子と前記シェルの対向する面の少なくとも一方に、凸形状を形成する工程をさらに含むことができる。また、前記シェル内を真空封止する工程において、前記振動子と前記シェル内とに接合防止膜が成膜されることができる。 In addition, prior to the step of bonding the second silicon substrate with the insulating film interposed therebetween, a step of polishing the insulating film can be included. Further, the step of processing the shell can be performed by thinning the second silicon substrate. The method may further include a step of forming a convex shape on at least one of the opposing surfaces of the vibrator and the shell. In the step of vacuum-sealing the inside of the shell, a bonding prevention film can be formed on the vibrator and the shell.
上記課題を解決するため、本発明の第2の態様である振動式トランスデューサは、上述の製造方法により製造されたことを特徴とする。具体的には、ダイアフラムを備えた圧力センサとしたり、ダイアフラムを備えない絶対圧センサとすることができる。 In order to solve the above-described problems, the vibratory transducer according to the second aspect of the present invention is manufactured by the above-described manufacturing method. Specifically, it can be a pressure sensor with a diaphragm or an absolute pressure sensor without a diaphragm.
また、振動子が形成された第1の基板と、前記振動子を覆うとともに、前記振動子の励振または振動周波数検出のための電極として機能するシェルとを備え、前記シェルは、前記第1の基板の振動子形成面と少なくとも絶縁膜を挟んで接合された第2の基板を加工することによって形成され、前記振動子の機械的Qを高めるための真空室を形成している振動式トランスデューサとしてもよい。 A first substrate on which a vibrator is formed; and a shell that covers the vibrator and functions as an electrode for exciting the vibrator or detecting a vibration frequency. As a vibratory transducer that is formed by processing a second substrate bonded to at least an insulating film with a vibrator formation surface of the substrate, and forms a vacuum chamber for increasing the mechanical Q of the vibrator. Also good.
本発明によれば、振動式トランスデューサの製造工程を簡略化するとともに、簡易にセンサ性能の向上を図れるようになる。 According to the present invention, the manufacturing process of the vibration type transducer can be simplified and the sensor performance can be easily improved.
本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図1(a)は、本発明の振動式トランスデューサを振動式センサチップに適用した場合の構造を示している。また、図1(b)は、図1(a)中のA−Aにおける断面図である。 Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1A shows a structure when the vibration transducer of the present invention is applied to a vibration sensor chip. Moreover, FIG.1 (b) is sectional drawing in AA in Fig.1 (a).
図1(a)に示すように振動式センサチップ10は、裏面にダイアフラム110が形成されたシリコン基板100に、4本の振動子101(101a、101b、101c、101d)が形成され、2本の振動子を組として2つのシェル102(102a、102b)で覆われている。以下、特に区別する必要がない場合には、振動子101、シェル102と総称する。 As shown in FIG. 1A, the vibration sensor chip 10 includes four vibrators 101 (101a, 101b, 101c, 101d) formed on a silicon substrate 100 having a diaphragm 110 formed on the back surface. Are covered with two shells 102 (102a, 102b). Hereinafter, when there is no need to distinguish between them, they are collectively referred to as the vibrator 101 and the shell 102.
シリコン基板100上には、端子として、配線104aを介して振動子101aに接続するためのボンディングパッド103a、配線104bを介して振動子101bに接続するためのボンディングパッド103b、配線104cを介して振動子101cに接続するためのボンディングパッド103c、配線104dを介して振動子101dに接続するためのボンディングパッド103d、配線104eを介してシェル102aに接続するためのボンディングパッド103e、配線104fを介してシェル102bに接続するためのボンディングパッド103f、シリコン基板100の電位を定めるためのボンディングパッド103gが形成されている。以下、特に区別する必要がない場合には、ボンディングパッド103、配線104と総称する。ボンディングパッド103は、Alによって形成されており、配線104は、不純物がドーピングされたシリコン配線である。 On the silicon substrate 100, as a terminal, a bonding pad 103a for connecting to the vibrator 101a through the wiring 104a, a bonding pad 103b for connecting to the vibrator 101b through the wiring 104b, and a vibration through the wiring 104c are used. Bonding pad 103c for connection to the child 101c, bonding pad 103d for connection to the vibrator 101d via the wiring 104d, bonding pad 103e for connection to the shell 102a via the wiring 104e, and shell via the wiring 104f A bonding pad 103f for connecting to 102b and a bonding pad 103g for determining the potential of the silicon substrate 100 are formed. Hereinafter, when there is no need to distinguish between them, they are collectively referred to as bonding pads 103 and wirings 104. The bonding pad 103 is made of Al, and the wiring 104 is a silicon wiring doped with impurities.
図1(b)に示すように、振動子101の周囲には、シリコン基板100とシェル102に囲まれるようにキャビティー107が形成されている。キャビティー107内は、振動子101の機械的Q値を高くするために真空度の高い真空室となっている。すなわち、真空室の真空度を高くすることにより、共振点で振動子が安定に励振する、振動エネルギーの損失が小さくなる等の理由から、振動子101の機械的Q値を高くすることができる。振動子101は、導体となるように、不純物がドーピングされたシリコンにより形成されている。シェル102も、導体となるように不純物がドーピングされたシリコンにより形成されている。 As illustrated in FIG. 1B, a cavity 107 is formed around the vibrator 101 so as to be surrounded by the silicon substrate 100 and the shell 102. The cavity 107 is a vacuum chamber having a high degree of vacuum in order to increase the mechanical Q value of the vibrator 101. That is, by increasing the degree of vacuum in the vacuum chamber, the mechanical Q value of the vibrator 101 can be increased because the vibrator is stably excited at the resonance point and the loss of vibration energy is reduced. . The vibrator 101 is formed of silicon doped with impurities so as to be a conductor. The shell 102 is also formed of silicon doped with impurities so as to be a conductor.
振動子101とシェル102との間には、所定量の静電ギャップが形成されており、振動子101とシェル102とが電極として機能し、ボンディングパッド103から与えられる両電極間の電位差によって静電引力を発生させて振動子101を励振する。そして、励振された振動子101の振動周波数を、振動子101とシェル102との間の静電容量変化によって検出する。静電容量変化は、ボンディングパッド103から取り出される電気信号に基づいて検出することができる。 A predetermined amount of electrostatic gap is formed between the vibrator 101 and the shell 102, and the vibrator 101 and the shell 102 function as electrodes, and static electricity is generated by a potential difference between both electrodes applied from the bonding pad 103. An electromotive force is generated to excite the vibrator 101. Then, the vibration frequency of the excited vibrator 101 is detected by a change in capacitance between the vibrator 101 and the shell 102. The change in capacitance can be detected based on an electric signal taken out from the bonding pad 103.
すなわち、振動子101が形成されたシリコン基板100が受ける圧力が変化すると振動子101の歪が変化し、振動子101の共振周波数が変化する。振動式センサチップ10は、この共振周波数の変化を検出することによって圧力を計測する圧力センサとなっている。ただし、振動子101の励振方式や、振動子101の振動周波数の検出は、種々の方式を用いることができる。 That is, when the pressure received by the silicon substrate 100 on which the vibrator 101 is formed changes, the distortion of the vibrator 101 changes, and the resonance frequency of the vibrator 101 changes. The vibration sensor chip 10 is a pressure sensor that measures pressure by detecting a change in the resonance frequency. However, various methods can be used for the excitation method of the vibrator 101 and the detection of the vibration frequency of the vibrator 101.
図2は、本実施形態の振動式センサチップ10の製造方法の概要を示す図である。図2(a)に示すP型の振動子101となる両持ち梁を形成したN型シリコン基板100に、図2(b)に示すように、酸化膜の絶縁膜130を介してN型シリコンの貼り合わせ基板120を接合し、図2(c)に示すように、貼り合わせ基板120を加工してシェル102を形成する。 FIG. 2 is a diagram illustrating an outline of a method for manufacturing the vibration sensor chip 10 of the present embodiment. As shown in FIG. 2B, N-type silicon is formed on the N-type silicon substrate 100 on which the doubly supported beam to be the P-type vibrator 101 shown in FIG. The bonded substrate 120 is bonded, and the bonded substrate 120 is processed to form the shell 102 as shown in FIG.
シェル102・振動子101の電極、配線104、基板100は、すべて単結晶シリコンにより形成されており、電気抵抗を下げるために不純物濃度を高くしている。振動子101は、キャビティー107を形成するための犠牲層エッチングの選択比や歪を大きくする意味でも不純物濃度が高く設定される。 The electrode of the shell 102 / vibrator 101, the wiring 104, and the substrate 100 are all formed of single crystal silicon, and the impurity concentration is increased in order to reduce the electrical resistance. The vibrator 101 is set to have a high impurity concentration in order to increase the selection ratio and strain of sacrificial layer etching for forming the cavity 107.
このように、本実施形態の振動式センサチップ10は、多層膜積層構造ではなく、貼り合わせ基板120によりシェル102を形成しているため、製造工程を簡略化するとともに、簡易にセンサ性能の向上を図れるようになっている。 As described above, the vibration type sensor chip 10 according to the present embodiment has a shell 102 formed of the bonded substrate 120 instead of the multilayer film laminated structure, thereby simplifying the manufacturing process and easily improving the sensor performance. Can be planned.
絶縁膜130は、シリコン基板100側の接合膜として利用しているが、静電ギャップdの調節にも利用されている。また、この絶縁膜は、振動子101とシェル102とを電気的にアイソレーションする役割も果たしている。 The insulating film 130 is used as a bonding film on the silicon substrate 100 side, but is also used to adjust the electrostatic gap d. The insulating film also serves to electrically isolate the vibrator 101 and the shell 102.
基板接合は、プラズマ処理などで表面を活性化させた接合方法によって行なうことができる。基板接合時に振動子101と貼り合わせ基板120の内側が活性化されることにより、振動子101とシェル102とが接合されるおそれがあるため、図2(d)に示すように、キャビティー107内に膜131を付着させ、活性面を失活させるための接合防止構造としている。 Substrate bonding can be performed by a bonding method in which surfaces are activated by plasma treatment or the like. Since the inside of the vibrator 101 and the bonded substrate 120 is activated when the substrates are joined, the vibrator 101 and the shell 102 may be joined. Therefore, as shown in FIG. A film 131 is attached to the inside to prevent the active surface from deactivating.
シェル102の厚さは、振動式センサチップ10に圧力が印加された際に破壊されない強度を持たせた厚とすることができ、パターニングが容易となるような厚さに設定されている。 The thickness of the shell 102 can be set to such a thickness that does not break when pressure is applied to the vibration sensor chip 10, and is set to a thickness that facilitates patterning.
次に、本実施形態の振動式センサチップ10の詳細な製造手順について図3、図4を参照して説明する。図3、図4は、振動式センサチップ10のプロセスフローを略断面図で示したものである。 Next, a detailed manufacturing procedure of the vibration type sensor chip 10 of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 3 and 4 are schematic sectional views showing the process flow of the vibration type sensor chip 10.
まず、図3(a)に示すように、N型のシリコン基板100に酸化膜を形成し、酸化膜をパターンニングしてマスクMを形成する。そして、図3(b)に示すように、不純物(ボロン)を拡散し、犠牲層となり振動子下ギャップを生成するP+層と、振動子101および配線104となるP++層とを形成する。 First, as shown in FIG. 3A, an oxide film is formed on an N-type silicon substrate 100, and a mask M is formed by patterning the oxide film. Then, as shown in FIG. 3B, impurities (boron) are diffused to form a P + layer that becomes a sacrificial layer and generates a sub-vibrator gap, and a P ++ layer that becomes the vibrator 101 and the wiring 104.
次に、図3(c)に示すように、不純物拡散時にマスクとして使用したマスクMを除去し、酸化膜による絶縁膜130を成膜・パターニングする。絶縁膜130の表面粗さや、段差を除去する研磨も行なう。そして、不純物拡散によって形成されたP+層の一部をエッチング除去して、振動子101を形成する。 Next, as shown in FIG. 3C, the mask M used as a mask during impurity diffusion is removed, and an insulating film 130 made of an oxide film is formed and patterned. Polishing is also performed to remove the surface roughness of the insulating film 130 and steps. Then, a part of the P + layer formed by impurity diffusion is removed by etching to form the vibrator 101.
ここで、絶縁膜130は、P+層の犠牲層エッチングで振動子101を形成するときのエッチングマスク、貼り合わせ基板120との接合膜、振動子上側ギャップの調節、シェル102と振動子101との間の絶縁膜、P++層とシリコン基板100の表面との段差調整として機能する。 Here, the insulating film 130 includes an etching mask for forming the vibrator 101 by sacrificial layer etching of the P + layer, a bonding film with the bonded substrate 120, adjustment of the vibrator upper gap, and the shell 102 and the vibrator 101. It functions as a step adjustment between the insulating film, the P ++ layer, and the surface of the silicon substrate 100.
また、絶縁膜130を接合工程よりも前に研磨するのは、不純物拡散によってシリコン基板100に凹凸部ができ、その表面に成膜した絶縁膜130表面にも生じる凹凸形状および表面粗さを小さくするためである。これにより、後の封止時にキャビティー107内に付着する膜を低減することができ、また、貼り合わせ基板120を接合できる面状態とすることができる。研磨方法は、ポリッシングやCMP等により行なうことができる。 In addition, the polishing of the insulating film 130 before the bonding step is to form an uneven portion on the silicon substrate 100 due to impurity diffusion, and to reduce the uneven shape and surface roughness generated on the surface of the insulating film 130 formed on the surface. It is to do. Thereby, the film | membrane adhering in the cavity 107 at the time of subsequent sealing can be reduced, and it can be set as the surface state which can join the bonding board | substrate 120. FIG. The polishing method can be performed by polishing, CMP, or the like.
このとき、完全に平坦化せずに、わずかな段差を残しておくことができるが、完全に平坦化するようにしてもよい。完全に平坦化することにより、貼り合わせ基板120を接合することで、キャビティー107内が密閉される。この場合の接合方法は、高真空下における表面活性化接合を採用することができ、シリコン基板100と貼り合わせ基板120との接合と同時に真空封止も行なわれることになる。 At this time, a slight level difference can be left without being completely flattened, but it may be completely flattened. By completely flattening, the inside of the cavity 107 is sealed by bonding the bonded substrate 120 together. As a bonding method in this case, surface activated bonding under high vacuum can be employed, and vacuum sealing is performed simultaneously with bonding between the silicon substrate 100 and the bonded substrate 120.
振動子上側ギャップの調節のための絶縁膜130の厚さの調整は、研磨とフッ酸によるエッチング処理により容易に行なうことができる。この処理によって絶縁膜130に貼り合わせ基板120が接合できる表面粗さとすることができる。 Adjustment of the thickness of the insulating film 130 for adjusting the vibrator upper gap can be easily performed by polishing and etching with hydrofluoric acid. By this treatment, the surface roughness that allows the bonded substrate 120 to be bonded to the insulating film 130 can be obtained.
P+層の犠牲層エッチングでは、TMAHやヒドラジン等のアルカリ溶液を使用して、選択エッチングを行なうことができる。また、N型であるシリコン基板100は、電界エッチングによって、陽極酸化保護される。 In the sacrificial layer etching of the P + layer, selective etching can be performed using an alkaline solution such as TMAH or hydrazine. The N-type silicon substrate 100 is anodically protected by electric field etching.
犠牲層エッチングによって、振動子101が形成されるが、振動子101とボンディングパッド103とが電気的につながるように、配線104として利用される箇所のP+層は、エッチングされないように絶縁膜130によって保護する。振動子101の形成は、従来の積層膜構造のようにキャビティー107内に形成された犠牲層をエッチングするのではなく、犠牲層が露出している状態でエッチングできるため、エッチング処理が容易となる。 The vibrator 101 is formed by the sacrificial layer etching, but the P + layer used as the wiring 104 is not etched by the insulating film 130 so that the vibrator 101 and the bonding pad 103 are electrically connected. Protect. The vibrator 101 can be formed by etching without sacrificing the sacrificial layer formed in the cavity 107 as in the conventional laminated film structure. Become.
次に、図3(d)に示すように、シリコン基板100の絶縁膜130を接合面として、N型シリコン基板である貼り合わせ基板120を接合する。貼り合わせ基板120の接合は、プラズマ処理などで表面を活性化させる接合方法によって行なうことができる。接合後は、熱処理を行ない、接合強度を増すための処理も行なうようにする。ただし、貼り合わせ基板120の接合は、熱接合を用いるようにしてもよい。 Next, as shown in FIG. 3D, a bonded substrate 120 which is an N-type silicon substrate is bonded using the insulating film 130 of the silicon substrate 100 as a bonding surface. Bonding substrate 120 can be bonded by a bonding method in which the surfaces are activated by plasma treatment or the like. After bonding, heat treatment is performed to perform processing for increasing the bonding strength. However, the bonding substrate 120 may be bonded by thermal bonding.
貼り合わせ基板120は、高い不純物濃度にドーピングされた単結晶シリコンのみで構成することができ、パターンは形成しない。シリコンウェーハに形成されているオリエンテーションフラットによって、シリコンの結晶方位を所定の方位に合わせる程度で、シリコン基板100との位置を決めることができる。したがって、細かいアライメントの処理の必要がなく、簡素な工程にすることができる。 The bonded substrate 120 can be composed of only single crystal silicon doped with a high impurity concentration, and does not form a pattern. With the orientation flat formed on the silicon wafer, the position relative to the silicon substrate 100 can be determined by adjusting the silicon crystal orientation to a predetermined orientation. Therefore, there is no need for fine alignment processing, and a simple process can be achieved.
なお、絶縁膜130と貼り合わせ基板120との間にさらに別の基板を挟んだり、シリコン等の導電性を有する膜を形成するようにしてもよい。また、絶縁膜130は、貼り合わせ基板側120側に形成するようにしてもよい。 Note that another substrate may be sandwiched between the insulating film 130 and the bonded substrate 120, or a conductive film such as silicon may be formed. The insulating film 130 may be formed on the bonded substrate side 120 side.
次に、図3(e)に示すように、接合した貼り合わせ基板120を、研削研磨して、所望の厚さまで薄くする。薄肉化は、後のシェル102のパターニング時に、エッチング量を減らし、また、加工が容易となるように行なわれる。研削研磨加工は、グラインディング加工によって容易に行なうことができる。ただし、所望厚の貼り合わせ基板120を用いることで、研削研磨工程は省くことができる。また、薄肉化は、エッチング処理やブラスト加工によって行なったり、これらを併用して行なうようにしてもよい。 Next, as shown in FIG. 3E, the bonded bonded substrate 120 is ground and polished to a desired thickness. The thinning is performed so as to reduce the etching amount and facilitate processing when patterning the shell 102 later. Grinding and polishing can be easily performed by grinding. However, the grinding and polishing step can be omitted by using the bonded substrate 120 having a desired thickness. Further, the thinning may be performed by etching or blasting, or may be performed in combination.
次いで、図4(a)に示すように、薄肉化された貼り合わせ基板120をパターニングして、シェル102と配線104とを同時に形成する。シェル102を形成するためのパターニングは、ドライエッチングによって行ない、ウエットエッチングによるキャビティー107内への水や薬品の侵入がないようにすることが望ましい。これにより、封止後のシェル102内の真空度を向上することができる。最終的なシェル102の厚さは、研削加工とシェルパターニング時のドライエッチングによって調節することができる。 Next, as shown in FIG. 4A, the thinned bonded substrate 120 is patterned to form the shell 102 and the wiring 104 at the same time. The patterning for forming the shell 102 is preferably performed by dry etching so that water or chemicals do not enter the cavity 107 by wet etching. Thereby, the degree of vacuum in the shell 102 after sealing can be improved. The final thickness of the shell 102 can be adjusted by grinding and dry etching during shell patterning.
次に、図4(b)に示すように、CVDにより、キャビティー107を真空封止する。封止工程は、振動子101とシェル102とが接合することを防止するための工程として必要となる。貼り合わせ基板120の接合時にプラズマ処理などによって表面を活性化するが、このときに接合面ではない振動子101とシェル102とが対向する部分も活性化処理が行なわれて活性面が現れる。このため、振動子101とシェル102とが接合してしまうおそれがある。本実施形態では、基板接合した後の工程でCVDによる封止を行なうことで、活性化された振動子101表面やシェル102内面に膜131(図2(d)参照)を付着させて失活させる。これにより、振動子101とシェル102とが接合することを防止している。 Next, as shown in FIG. 4B, the cavity 107 is vacuum-sealed by CVD. The sealing step is necessary as a step for preventing the vibrator 101 and the shell 102 from joining. The surface is activated by plasma treatment or the like when the bonded substrate 120 is bonded. At this time, the portion where the vibrator 101 and the shell 102 which are not the bonding surface face each other is also activated and an active surface appears. For this reason, there exists a possibility that the vibrator | oscillator 101 and the shell 102 may join. In the present embodiment, the film 131 (see FIG. 2D) is attached to the activated surface of the vibrator 101 and the inner surface of the shell 102 by performing sealing by CVD in a process after the substrates are bonded, and deactivated. Let This prevents the vibrator 101 and the shell 102 from joining.
また、従来の積層膜構造の製造方法では、キャビティー107内外を結ぶ通路は、犠牲層エッチング用流路として、十分なサイズが必要となっていた。このため、封止時に振動子101に付着する膜が多くなり、振動子101の張力に与える影響が大きくなっていた。これに対し、本実施形態では、振動子101を形成した後に貼り合わせ基板120を接合するため、キャビティー107内外を結ぶ通路を小さくでき、封止時にキャビティー107内に付着する膜131を低減することができる。これにより、振動子101の張力に与える影響を小さくすることができる。なお、封止穴108は、図5(a)中のB−Bに示す箇所の断面図5(b)に示すように、シェル102の端部に設けられている。 Further, in the conventional manufacturing method of the laminated film structure, the passage connecting the inside and the outside of the cavity 107 needs to have a sufficient size as a sacrificial layer etching flow path. For this reason, more films adhere to the vibrator 101 at the time of sealing, and the influence on the tension of the vibrator 101 is increased. On the other hand, in this embodiment, since the bonded substrate 120 is bonded after the vibrator 101 is formed, the passage connecting the inside and the outside of the cavity 107 can be reduced, and the film 131 attached to the inside of the cavity 107 during sealing is reduced. can do. Thereby, the influence on the tension of the vibrator 101 can be reduced. In addition, the sealing hole 108 is provided in the edge part of the shell 102, as shown in sectional drawing 5 (b) of the location shown to BB in FIG. 5 (a).
次いで、図4(c)に示すように、不要な封止膜を除去し、絶縁膜130をパターニングする。さらに、Al膜を成膜・パターニングして、ボンディングパッド103を形成する。 Next, as shown in FIG. 4C, the unnecessary sealing film is removed, and the insulating film 130 is patterned. Further, an Al film is formed and patterned to form the bonding pad 103.
最後に、図4(d)に示すように、振動子101形成面と反対側の面に凹部を形成し、ダイアフラム110を形成する。 Finally, as shown in FIG. 4D, a concave portion is formed on the surface opposite to the surface on which the vibrator 101 is formed, and the diaphragm 110 is formed.
このように、本実施形態の振動式センサチップ10は、複雑な積層膜構造ではなく、貼り合わせ基板120によりシェル102を形成しているため、多くの工程が削減されて容易に制作可能となり製造コストを低減することができる。 As described above, the vibration type sensor chip 10 according to the present embodiment has a complicated laminated film structure, and the shell 102 is formed by the bonded substrate 120, so that many processes can be reduced and manufacturing can be easily performed. Cost can be reduced.
また、キャビティー107を形成する前に振動子101の形成ができるため、振動子101の形成が容易となり、歩留が向上する。さらに、振動子101、シェル102の電極を形成する際に、配線104も同時に形成でき、工程の簡略化を図ることができる。これらにより製造コストを一層低減することができる。 Further, since the vibrator 101 can be formed before the cavity 107 is formed, the vibrator 101 can be easily formed and the yield is improved. Furthermore, when forming the electrodes of the vibrator 101 and the shell 102, the wiring 104 can be formed at the same time, and the process can be simplified. As a result, the manufacturing cost can be further reduced.
また、シェル102を積層膜ではなく、貼り合わせ基板120により形成することで、シェル102の残留応力を低減させることができるとともに、シェル102の厚さを厚くすることが容易となる。これにより、シェル102の破壊強度を上げることができ、振動式センサチップ10の静圧耐圧性能の向上を図ることができる。 Further, by forming the shell 102 with the bonded substrate 120 instead of the laminated film, the residual stress of the shell 102 can be reduced and the thickness of the shell 102 can be easily increased. Thereby, the breaking strength of the shell 102 can be increased, and the hydrostatic pressure resistance performance of the vibration type sensor chip 10 can be improved.
さらに、キャビティー107が形成された後には犠牲層エッチングを行なわないため、キャビティー107内につながる経路を小さくでき、封止時にキャビティー107内に付着する膜131を低減することができる。このため、振動子101への膜付着が減少するため、振動子101の張力を高く保つことができ、高圧レンジの振動式センサチップ10を製作することができるようになる。 Further, since the sacrificial layer etching is not performed after the cavity 107 is formed, a path connected to the cavity 107 can be reduced, and the film 131 attached to the cavity 107 at the time of sealing can be reduced. For this reason, since film adhesion to the vibrator 101 is reduced, the tension of the vibrator 101 can be kept high, and the vibration type sensor chip 10 in the high pressure range can be manufactured.
なお、上記の製造手順では、図3(a)に示したように、シリコン基板100中に、不純物であるボロンを拡散してP+層とP++層とを形成したが、図6(a)に示すようにマスクMが形成された状態から、図6(b)に示すように、シリコン基板100をエッチングして凹部を形成し、P+層、P++層を埋め戻すような選択エピタキシャル成長によって代用してもよい。図6(c)はP+層の成膜を示し、図6(d)はP++層の成膜を示している。ただし、シリコン基板100のエッチングを行なわず、凹部を形成することなく、選択エピタキシャル成長によってP+層、P++層を形成するようにしてもよい。 In the above manufacturing procedure, as shown in FIG. 3A, boron as an impurity is diffused in the silicon substrate 100 to form the P + layer and the P ++ layer. As shown in FIG. 6B, the silicon substrate 100 is etched to form a recess and the P + layer and the P ++ layer are backfilled as shown in FIG. 6B. Also good. FIG. 6C shows the formation of the P ++ layer, and FIG. 6D shows the formation of the P ++ layer. However, the P + layer and the P ++ layer may be formed by selective epitaxial growth without etching the silicon substrate 100 and without forming a recess.
なお、本発明は上述の製造方法や構造に限られず、種々の変形を適用することができる。例えば、上述の例では、振動子101となる梁を形成したシリコン基板100に、絶縁膜130を介して貼り合わせ基板120を接合したが、図7(a)に示すように、梁を形成しない状態で貼り合わせ基板120を接合するようにしてもよい。 The present invention is not limited to the manufacturing method and structure described above, and various modifications can be applied. For example, in the above example, the bonded substrate 120 is bonded to the silicon substrate 100 on which the beam to be the vibrator 101 is formed via the insulating film 130, but no beam is formed as shown in FIG. The bonded substrate 120 may be bonded in a state.
このとき、エッチングして振動子101とするパターンを形成した後、梁を形成しない状態でシリコン基板100と貼り合わせ基板120とを接合し、シェル102を形成してから、図7(b)に示すように、接合基板とした状態で犠牲層134のエッチングを行なう。このような手順で梁を形成すると、絶縁膜130のパターンエッジ部がエッチングにより侵されないため、貼り合わせ基板120を絶縁膜130のパターンエッジ部までしっかりと接合させることが容易となる。 At this time, after forming a pattern to form the vibrator 101 by etching, the silicon substrate 100 and the bonded substrate 120 are bonded to each other without forming a beam, and the shell 102 is formed. Then, FIG. As shown, the sacrificial layer 134 is etched in the state of the bonded substrate. When the beam is formed in such a procedure, the pattern edge portion of the insulating film 130 is not damaged by etching, and it becomes easy to firmly bond the bonded substrate 120 to the pattern edge portion of the insulating film 130.
上述の例では、貼り合わせ基板120としてN型のシリコン基板を用いているが、P型シリコン基板を用いるようにしてもよい。N型のシリコン基板を用いた方が、振動子101とシェル102との絶縁抵抗が取りやすいが、P型シリコン基板の方が配線抵抗を容易に小さくでき、ボンディングパッド103とのコンタクト抵抗を容易に小さくすることができる。 In the above example, an N-type silicon substrate is used as the bonded substrate 120, but a P-type silicon substrate may be used. The insulation resistance between the vibrator 101 and the shell 102 is easier when the N-type silicon substrate is used, but the wiring resistance can be reduced more easily and the contact resistance with the bonding pad 103 is easier with the P-type silicon substrate. Can be made smaller.
また、上述の例では、貼り合わせ基板120からシェル102とシェル102の配線104を形成したが、図8(a)、図8(b)に示すように、配線104を別の部材から形成するようにしてもよい。例えば、シェル102の厚さを厚く設定する場合、ボンディングパッド103などを形成する際に、段差が大きくなることで問題が生じる可能性がある。このような場合に、配線104を別部材で形成することにより段差を小さくして、容易なパターニングを行なえるようになる。また、シェル102と配線104とを同時にパターニングした後、配線104の一部または全部をエッチングする等によって厚さを調整するようにしてもよい。この場合、配線抵抗を考慮するものとする。 In the above example, the shell 102 and the wiring 104 of the shell 102 are formed from the bonded substrate 120. However, as shown in FIGS. 8A and 8B, the wiring 104 is formed from another member. You may do it. For example, when the thickness of the shell 102 is set to be thick, there is a possibility that a problem may occur due to a large step when the bonding pad 103 or the like is formed. In such a case, by forming the wiring 104 with a separate member, the level difference can be reduced and easy patterning can be performed. Alternatively, the thickness may be adjusted by, for example, etching part or all of the wiring 104 after patterning the shell 102 and the wiring 104 at the same time. In this case, the wiring resistance is considered.
上述のように、基板接合時にプラズマ処理などによって表面を活性化するが、このとき、接合面ではない振動子101とシェル102とが対向する部分も活性化処理が行なわれて、活性面が現れる。この活性面は、封止時に形成される膜により失活されるが、封止前に振動子101とシェル102とが接合してしまうおそれがある。 As described above, the surface is activated by plasma treatment or the like at the time of substrate bonding. At this time, the activation process is also performed on a portion where the vibrator 101 and the shell 102 which are not the bonding surface face each other, and an active surface appears. . This active surface is deactivated by a film formed at the time of sealing, but there is a possibility that the vibrator 101 and the shell 102 are bonded before sealing.
そこで、図9(a)、図9(b)に示すようにシェル102または振動子101に凸形状136、凸形状138を形成したり、図9(c)に示すように、活性化処理をしても接合が困難である接合防止膜132を成膜しておくことが有効である。振動子101とシェル102との接合防止対策が行なわれていれば、CVD成膜による封止工程を省くことができる。 Therefore, the convex shape 136 and the convex shape 138 are formed on the shell 102 or the vibrator 101 as shown in FIGS. 9A and 9B, or the activation process is performed as shown in FIG. Even if it is difficult to bond, it is effective to form a bonding preventing film 132 that is difficult to bond. If measures for preventing the bonding between the vibrator 101 and the shell 102 are taken, the sealing step by CVD film formation can be omitted.
凸形状は、シェル102または振動子101のいずれか一方の一部の箇所に形成すれば十分であるが、振動子101の共振周波数や歪が変化することによりセンサ性能に影響を及ぼす可能性があるため、シェル102側への形成が望ましい。 Although it is sufficient that the convex shape is formed at a part of one of the shell 102 and the vibrator 101, there is a possibility that the sensor performance may be affected by a change in the resonance frequency or strain of the vibrator 101. Therefore, formation on the shell 102 side is desirable.
接合防止膜132は、炭化珪素、DLC(diamond‐like carbon)等を用いることができる。振動子101側に成膜する場合には、上述の理由から、接合防止膜132の残留応力や、適切なパターン形成、形成面積等を考慮する必要がある。 As the bonding prevention film 132, silicon carbide, DLC (diamond-like carbon), or the like can be used. When the film is formed on the vibrator 101 side, it is necessary to consider the residual stress of the bonding prevention film 132, appropriate pattern formation, formation area, and the like for the reasons described above.
また、1チップ内に配置する振動子101およびシェルの数に制限はない。これらの数を変化させることで、振動式センサチップの小型化や精度の向上等を図ることができる。図10は、振動子101が2個でシェル102が1個の場合を示しており、一方の振動子101をリファレンス振動子として、測定精度を向上させるようにしている。また、振動子101の形状は、図11(a)に示すように両持ちのI字型でもよいし、図11(b)に示すようにH型としたり、図11(c)に示すように片持ち梁としてもよい。なお、図11(b)においては、H型振動子1の周辺に犠牲層エッチング後の凹部140が形成されている。 There are no restrictions on the number of vibrators 101 and shells arranged in one chip. By changing these numbers, it is possible to reduce the size and improve the accuracy of the vibration type sensor chip. FIG. 10 shows a case where there are two vibrators 101 and one shell 102, and one vibrator 101 is used as a reference vibrator to improve measurement accuracy. The shape of the vibrator 101 may be a double-ended I-shape as shown in FIG. 11 (a), an H-shape as shown in FIG. 11 (b), or as shown in FIG. 11 (c). It is good also as a cantilever. In FIG. 11B, a recess 140 after sacrificial layer etching is formed around the H-type vibrator 1.
さらに、本発明の振動式トランスデューサは、ダイアフラムを形成しない絶対圧センサに適用することもでき、図10は、振動式トランスデューサを、ダイアフラムを形成しない絶対圧センサ20に適用した場合の構造例を示している。 Furthermore, the vibration type transducer of the present invention can also be applied to an absolute pressure sensor that does not form a diaphragm, and FIG. 10 shows a structural example when the vibration type transducer is applied to an absolute pressure sensor 20 that does not form a diaphragm. ing.
以上の例示は、振動子101を励振するための静電駆動と振動周波数の変化を計測するための静電容量の検出とを同じ電極により行なっているが、駆動電極と検出電極とを分けるようにしてもよい。この場合、図12に示すように振動子101の下に検出電極、駆動電極のいずれか一方の電極142を配置し、シェル102を他方の電極とする構造となる。 In the above example, the electrostatic drive for exciting the vibrator 101 and the detection of the electrostatic capacity for measuring the change of the vibration frequency are performed by the same electrode, but the drive electrode and the detection electrode are separated. It may be. In this case, as shown in FIG. 12, either the detection electrode or the drive electrode 142 is disposed under the vibrator 101, and the shell 102 is the other electrode.
また、振動子101の駆動方法と、振動周波数の検出方法は静電駆動、静電容量検出方法以外の方法を用いるようにしてもよい。振動子101の他の駆動方法として、例えば、圧電による駆動方法を用いることができる。圧電駆動を用いる場合には、図13に示すように、配線145が接続された圧電素子144を振動子101の付け根部分に配置すればよい。この場合、シェル102が静電容量検出用の電極となる。 Further, methods other than electrostatic drive and capacitance detection methods may be used as the method for driving the vibrator 101 and the method for detecting the vibration frequency. As another driving method of the vibrator 101, for example, a piezoelectric driving method can be used. When using piezoelectric driving, as shown in FIG. 13, the piezoelectric element 144 to which the wiring 145 is connected may be disposed at the base portion of the vibrator 101. In this case, the shell 102 serves as an electrode for detecting capacitance.
振動周波数の他の検出方法として、例えば、ピエゾ抵抗素子により検出する方法を用いることができる。この場合、図14に示すように、配線147が接続されたピエゾ抵抗素子146を振動子101の付け根部分に配置すればよい。この場合、シェル102が静電駆動用の電極となる。さらには、圧電駆動と静電容量変化による検出方法の組合せや、静電駆動とピエゾ抵抗素子を用いた検出方法の組合せを用いるようにしてもよい。 As another method of detecting the vibration frequency, for example, a method of detecting by a piezoresistive element can be used. In this case, as shown in FIG. 14, the piezoresistive element 146 to which the wiring 147 is connected may be disposed at the base portion of the vibrator 101. In this case, the shell 102 becomes an electrode for electrostatic driving. Further, a combination of a piezoelectric drive and a detection method based on a change in capacitance, or a combination of a detection method using an electrostatic drive and a piezoresistive element may be used.
また、本発明の振動式トランスデューサは、圧力センサ、加速度センサ、角速度センサ、共振器等のMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)デバイスとして広く用いることができる。以上説明したように、本発明によれば、振動式トランスデューサの製造工程を簡略化するとともに、簡易にセンサ性能の向上を図れるようになる。 The vibratory transducer of the present invention can be widely used as a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) device such as a pressure sensor, an acceleration sensor, an angular velocity sensor, and a resonator. As described above, according to the present invention, the manufacturing process of the vibration type transducer can be simplified and the sensor performance can be easily improved.
10…振動式センサチップ、20…絶対圧センサ、100…シリコン基板、101…振動子、102…シェル、103…ボンディングパッド、104…配線、107…キャビティー、108…封止穴、110…ダイアフラム、120…貼り合わせ基板、130…絶縁膜、131…膜、132…接合防止膜、134…犠牲層、136…凸形状、138…凸形状、140…凹部、142…電極、144…圧電素子、145…配線、146…ピエゾ抵抗素子、147…配線、300…振動式圧力センサ、301…シリコン基板、302…ダイアフラム、310…振動子、320…シェル、330…封止材 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Vibration type sensor chip, 20 ... Absolute pressure sensor, 100 ... Silicon substrate, 101 ... Vibrator, 102 ... Shell, 103 ... Bonding pad, 104 ... Wiring, 107 ... Cavity, 108 ... Sealing hole, 110 ... Diaphragm , 120 ... bonded substrate, 130 ... insulating film, 131 ... film, 132 ... anti-bonding film, 134 ... sacrificial layer, 136 ... convex shape, 138 ... convex shape, 140 ... concave portion, 142 ... electrode, 144 ... piezoelectric element, 145: Wiring, 146: Piezoresistive element, 147: Wiring, 300: Vibration pressure sensor, 301: Silicon substrate, 302: Diaphragm, 310 ... Vibrator, 320 ... Shell, 330 ... Sealing material
Claims (12)
前記第2のシリコン基板を、前記振動子を覆うとともに、前記振動子の励振または振動周波数検出のための電極として機能するシェルに加工する工程と、
前記シェル内を真空封止する工程とを含むことを特徴とする振動式トランスデューサの製造方法。 Bonding a second silicon substrate with at least an insulating film on the vibrator forming surface side of the first silicon substrate on which the vibrator is formed;
Processing the second silicon substrate into a shell that covers the vibrator and functions as an electrode for excitation or vibration frequency detection of the vibrator;
And a step of vacuum-sealing the inside of the shell.
前記第2のシリコン基板を薄くすることにより行なうことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の振動式トランスデューサの製造方法。 The step of processing into the shell comprises
6. The method of manufacturing a vibration type transducer according to claim 1, wherein the second silicon substrate is thinned.
前記振動子を覆うとともに、前記振動子の励振または振動周波数検出のための電極として機能するシェルとを備え、
前記シェルは、前記第1の基板の振動子形成面と少なくとも絶縁膜を挟んで接合された第2の基板を加工することによって形成され、前記振動子の機械的Qを高めるための真空室を形成していることを特徴とする振動式トランスデューサ。 A first substrate on which a vibrator is formed;
A shell that covers the vibrator and functions as an electrode for excitation or vibration frequency detection of the vibrator;
The shell is formed by processing a second substrate that is bonded to the vibrator formation surface of the first substrate with at least an insulating film interposed therebetween, and has a vacuum chamber for increasing the mechanical Q of the vibrator. A vibration transducer characterized by being formed.
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