JP5999027B2

JP5999027B2 - 物理量センサ

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Publication number: JP5999027B2
Application number: JP2013114306A
Authority: JP
Inventors: 圭正杉本; 酒井　峰一; 峰一酒井
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2013-05-30
Filing date: 2013-05-30
Publication date: 2016-09-28
Anticipated expiration: 2033-05-30
Also published as: JP2014232090A; WO2014192263A1

Description

本発明は、第１基板と第２基板との間に気密室が形成され、気密室に物理量に応じたセンサ信号を出力するセンシング部が備えられた物理量センサに関するものである。

従来より、この種の物理量センサとして、次のようなものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

すなわち、第１基板には、センシング部が形成されていると共に、当該センシング部と電気的に接続されるパッド部およびセンシングを囲む枠状の封止部が形成されている。また、第２基板には、パッド部（配線部）が形成されていると共に、第１基板に形成された封止部に対応する枠状の封止部が形成されている。そして、第１基板の封止部と第２基板の封止部とが接合されることで第１、第２基板の間に気密室が構成され、気密室内にセンシング部が配置されている。また、第１基板に形成されたパッド部と第２基板に形成されたパッド部とが接合されている。

なお、第１基板に形成されるパッド部と第２基板に形成されたパッド部とは、共晶接合されている。

特開２０１０−１７１３６８号公報

しかしながら、上記物理量センサでは、第１基板に形成されたパッド部と第２基板に形成されたパッド部とが共晶接合されており、接合界面に反応層（合金層）が形成される。このため、接合強度がばらつき、信頼性が低下するという問題がある。

すなわち、金属材料が共晶接合される場合、接合界面には反応層が形成され、当該反応層は図７に示されるように反応時間に応じて成長を続ける。これに対し、接合強度は、反応層が形成される初期状態では接合界面における密着面積の増加と接合界面の原子結合によって増加するが、反応層が所定時間だけ成長した後は格子間隔の差のために厚くなった反応層内にクラックが発生し易くなることによって減少する。つまり、反応層の成長度合いによって、第１基板に形成されたパッド部と第２基板に形成されたパッド部との接合強度がばらついてしまう。

本発明は上記点に鑑みて、第１基板に形成されたパッド部と第２基板に形成されたパッド部との接合強度がばらつくことを抑制できる物理量センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、一面（１０ａ）を有する第１基板（１０）と、一面（４０ａ）を有し、当該一面が第１基板の一面と対向する状態で第１基板と接合される第２基板（４０）とを備え、第１、第２基板の間に気密室（９０）が形成され、気密室に物理量に応じたセンサ信号を出力するセンシング部（６０）が配置された物理量センサにおいて、以下の点を特徴としている。

すなわち、第１基板の一面には、センシング部と電気的に接続される第１基板用パッド部（２５）が形成され、第２基板の一面には、第１基板用パッド部と接合される第２基板用パッド部（５３）が形成され、第１基板用パッド部と第２基板用パッド部とは、同じ金属材料を用いて構成されて金属接合されており、第２基板には、厚さ方向に貫通して第２基板用パッド部に達する貫通孔（７０ａ）に第２基板用パッド部と電気的に接続され、かつ第１、第２基板用パッド部と同じ金属材料を用いて構成された貫通電極（７０ｃ）が配置されており、第１基板用パッド部、第２基板用パッド部、貫通電極の一部が積層されていることを特徴としている。

これによれば、第１、第２基板用パッド部が同じ金属材料を用いて構成されているため、第１、第２基板用パッド部の接合界面に反応層（合金層）が形成されることを抑制でき、接合強度がばらつくことを抑制できる。

また、貫通電極を第１、第２基板用パッドと同じ金属材料を用いて構成することにより、貫通電極と第２基板用パッドとの間に反応層が形成されることを抑制できる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の第１実施形態における加速度センサの断面図である。図１に示す第１基板における第２基板側の平面図である。図１に示す第２基板における第１基板側の平面図である。第１基板に対する製造工程を示す断面図である。貼り合わせ基板に対する製造工程を示す断面図である。図１に示す加速度センサの製造工程を示す断面図である。反応層の成長と接合強度との関係を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、本実施形態では、加速度を検出する加速度センサに本発明の物理量センサを適用した例を説明する。

図１に示されるように、加速度センサは、第１基板１０と第２基板４０とが積層されて構成されている。なお、図１は、図２および図３中のI−I断面に相当している。

第１基板１０は、本実施形態では、支持基板１１上に絶縁膜１２を介して半導体層１３が配置されたＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板とされており、一面１０ａが半導体層１３のうち絶縁膜１２側と反対側の表面で構成されている。なお、支持基板１１は、シリコン基板等で構成され、絶縁膜１２はＳｉＯ_２やＳｉＮ等で構成され、半導体層１３はポリシリコン等で構成される。

そして、半導体層１３には、図１および図２に示されるように、マイクロマシン加工が施されて溝部１４が形成され、溝部１４によって可動部２０と周辺部３０とが区画されている。

また、支持基板１１および絶縁膜１２には、可動部２０（後述する枠部２２）が支持基板１１および絶縁膜１２と接触することを防止するために、可動部２０と対向する部分に窪み部１５が形成されている。

可動部２０は、平面矩形状の開口部２１が形成された矩形枠状の枠部２２と、開口部２１の対向辺部を連結するように備えられたトーション梁２３とを有している。そして、可動部２０は、トーション梁２３が絶縁膜１２に支持されたアンカー部２４と連結されることにより、支持基板１１に支持されている。

ここで、図１〜図３中のｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の各方向について説明する。図１〜図３中では、ｘ軸方向を図１中紙面左右方向とし、ｙ軸方向を第１基板１０の面内においてｘ軸と直交する方向とし、ｚ軸方向を第１基板１０の面方向に対する法線方向としている。

トーション梁２３は、ｚ軸方向の加速度が印加されたとき、可動部２０の回転中心となる回転軸となる部材であり、本実施形態では開口部２１を２分割するように備えられている。

枠部２２は、ｚ軸方向の加速度が印加されたとき、トーション梁２３を回転軸として回転できるように、トーション梁２３を基準として非対称な形状とされている。本実施形態では、枠部２２は、第１部位２２ａにおけるトーション梁２３から最も離れている部分の端部までのｘ軸方向の長さが、第２部位２２ｂにおけるトーション梁２３から最も離れている部分の端部までのｘ軸方向の長さより短くされている。つまり、本実施形態の枠部２２は、第１部位２２ａの質量が第２部位２２ｂの質量より小さくされている。

また、第１基板１０の一面１０ａ（半導体層１３の表面）には、パッド部２５、３１および枠状の封止部３２が形成されている。具体的には、パッド部２５はアンカー部２４に形成されて当該アンカー部２４（可動部２０）と接続され、パッド部３１は周辺部３０に形成されて当該周辺部３０と接続され、封止部３２は、可動部２０（溝部１４）を囲むように周辺部３０に形成されている。

なお、パッド部３１は、周辺部３０のうち封止部３２で囲まれる領域内に配置されており、パッド部２５、３１および封止部３２は、本実施形態では、アルミニウムで構成されている。また、本実施形態では、パッド部２５が本発明の第１基板用パッド部に相当し、封止部３２が本発明の第１基板用封止部に相当している。

さらに、第１基板１０の一面１０ａには、周辺部３０における外縁部に封止部３２を囲む枠状のスペーサ３３が形成されている。このスペーサ３３は、第１基板１０と第２基板４０との間隔を維持するものであり、酸化膜等の絶縁膜で構成されている。特に限定されるものではないが、外部環境から印加されるナトリウムイオンなどを捕獲するため、イオントラップとなるリン等を添加してもよい。

第２基板４０は、図１および図３に示されるように、貼り合わせ基板４１と、貼り合わせ基板４１のうち第１基板１０と対向する一面および側面に形成された絶縁膜４２と、貼り合わせ基板４１のうち第１基板１０側と反対側の他面に形成された絶縁膜４３とを有している。そして、絶縁膜４２のうち第１基板１０と対向する面にて第２基板４０の一面４０ａが構成されている。

なお、貼り合わせ基板４１は、シリコン基板等で構成され、絶縁膜４２はＳｉＯ_２やＳｉＮ等で構成され、絶縁膜４３はＴＥＯＳ等で構成される。

そして、第２基板４０の一面４０ａには、第１、第２配線部５１、５２が形成されている。具体的には、第１配線部５１は、第１部位２２ａと対向する部分に形成されて当該第１部位２２ａとの間に所定の容量を構成する第１固定電極５１ａと、第１固定電極５１ａから引き出された第１引き出し配線５１ｂとを有している。また、第２配線部５２は、第２部位２２ｂと対向する部分に形成されて当該第２部位２２ｂとの間に所定の容量を構成する第２固定電極５２ａと、第２固定電極５２ａから引き出された第２引き出し配線５２ｂとを有している。これにより、可動部２０と第１、第２固定電極５１ａ、５２ａとによって加速度に応じたセンサ信号を出力するセンシング部６０が構成されている。

なお、第１、第２固定電極５１ａ、５２ａは、同じ平面形状とされ、加速度が印加されていない状態において、第１、第２部位２２ａ、２２ｂとの間に等しい容量を構成している。また、第１、第２引き出し配線５１ｂ、５２ｂは、それぞれ第１、第２固定電極５１ａ、５２ａと反対側の端部の形状が円状とされている。

また、第２基板４０の一面４０ａには、パッド部２５、パッド部３１と対向する部分にパッド部５３、５４が形成されていると共に、封止部３２と対向する部分に当該封止部３２と同じ形状の封止部５５が形成されている。

なお、パッド部５３、５４および封止部５５は、パッド部２５、３１および封止部３２と同様に、アルミニウムで構成されている。また、本実施形態では、パッド部５３が本発明の第２基板用パッド部に相当し、封止部５５が本発明の第２基板用封止部に相当している。

さらに、第２基板４０には、第２基板４０を厚さ方向（第１、第２基板１０、４０の積層方向）に貫通する４つの貫通電極部７０が形成されている。各貫通電極部７０は、絶縁膜４３、貼り合わせ基板４１、絶縁膜４２を貫通する貫通孔７０ａに絶縁膜７０ｂを介して貫通電極７０ｃが形成され、絶縁膜４３上に貫通電極７０ｃおよび外部回路と電気的に接続されるパッド部７０ｄが形成された構成とされている。

そして、各貫通電極部７０は、それぞれ第１、第２配線部５１、５２、パッド部５３、５４と電気的に接続されている。つまり、各貫通電極部７０における貫通孔７０ａは、それぞれ第１、第２配線部５１、５２、パッド部５３、５４に達するように形成されており、各貫通電極７０ｃは、それぞれ第１、第２配線部５１、５２、パッド部５３、５４と電気的に接続されるように貫通孔７０ａに配置されている。

これにより、可動部２０がパッド部２５、５３を介して貫通電極７０ｃと接続され、第１、第２固定電極５１ａ、５２ａが貫通電極７０ｃと接続される。また、周辺部３０がパッド部３１、５４を介して貫通電極７０ｃと接続される。

なお、第１、第２配線部５１、５２と電気的に接続される貫通電極部７０の貫通孔７０ａは、第１、第２配線部５１、５２における第１、第２引き出し配線５１ｂ、５２ｂのうち第１、第２固定電極５１ａ、５２ａ側と反対側の端部に達するように形成されている。また、本実施形態では、貫通孔７０ａは円筒状とされ、絶縁膜７０ｂは、例えば、ＴＥＯＳ等の絶縁材料で構成されている。そして、貫通電極７０ｃは、第１、第２配線部５１、５２、パッド部５３、５４と同様に、アルミニウムで構成されている。

さらに、絶縁膜４３には、貼り合わせ基板４１の所定箇所を開口させるコンタクトホール４３ａが形成されている。そして、コンタクトホール４３ａには、貼り合わせ基板４１と外部回路とを接続して当該貼り合わせ基板４１を所定の電位に維持するためのコンタクト部８０が埋め込まれている。このコンタクト部８０は、貫通電極７０ｃおよびパッド部７０ｄと同様に、アルミニウムで構成されている。

以上が本実施形態における第２基板４０の構成である。そして、上記第１、第２基板１０、４０が接合されて一体化されることにより、加速度センサが構成されている。具体的には、第１、第２基板１０、４０は、パッド部２５とパッド部５３、パッド部３１とパッド部５４、封止部３２と封止部５５とが金属接合されることにより一体化されている。つまり、同じ金属材料同士が接合されており、パッド部２５とパッド部５３、パッド部３１とパッド部５４、封止部３２と封止部５５との間に反応層（合金層）は形成されていない。そして、第１、第２基板１０、４０の間の空間によって気密室９０が構成され、枠部２２および第１、第２固定電極５１ａ、５２ａが気密室９０に封止されている。

なお、第１基板１０と第２基板４０との間隔は、スペーサ３３によって規定される。また、気密室９０は、例えば、真空とされている。

以上が本実施形態における加速度センサの構造である。このような加速度センサは、ｚ軸方向の加速度が印加されると、枠部２２がトーション梁２３を回転軸として加速度に応じた回転をする。そして、第１部位２２ａと第１固定電極５１ａとの間の容量と、第２部位２２ｂと第２固定電極５２ａとの間の容量とが加速度に応じて変化するため、この容量変化に基づいて加速度の検出が行われる。

次に、上記加速度センサの製造方法について説明する。

まず、図４（ａ）に示されるように、支持基板１１を用意し、支持基板１１上にＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等によって絶縁膜１２を形成する。なお、絶縁膜１２は、熱酸化等で形成してもよい。

次に、図４（ｂ）に示されるように、絶縁膜１２上にレジストや酸化膜等のマスク（図示せず）を形成してウェットエッチング等を行い、支持基板１１に窪み部１５を形成する。

続いて、図４（ｃ）に示されるように、絶縁膜１２と半導体層１３とを接合して第１基板１０を形成する。絶縁膜１２と半導体層１３との接合は、特に限定されるものではないが、例えば、次のように行うことができる。

まず、絶縁膜１２の接合面および半導体層１３の接合面にＮ_２プラズマ、Ｏ_２プラズマ、またはＡｒイオンビームを照射し、絶縁膜１２および半導体層１３の各接合面を活性化させる。そして、適宜形成されたアライメントマークを用いて赤外顕微鏡等によるアライメントを行い、室温〜５５０℃で絶縁膜１２および半導体層１３をいわゆる直接接合により接合する。

なお、ここでは直接接合を例に挙げて説明したが、絶縁膜１２と半導体層１３とは、陽極接合や中間層接合、フージョン接合等の接合技術によって接合されてもよい。また、接合後に、高温アニール等の接合品質を向上させる処理を行ってもよい。さらに、接合後に、半導体層１３を研削研磨によって所望の厚さに加工してもよい。

次に、図４（ｄ）に示されるように、第１基板１０の一面１０ａにＣＶＤ法等によって絶縁膜を形成する。そして、レジストや酸化膜等のマスク（図示せず）を用いて反応性イオンエッチング等で当該絶縁膜をパターニングし、上記スペーサ３３を形成する。

その後、図４（ｅ）に示されるように、第１基板１０の一面１０ａにＣＶＤ法等によって金属膜（アルミニウム）を形成する。そして、レジストや酸化膜等のマスク（図示せず）を用いて反応性イオンエッチング等で当該金属膜をパターニングすることにより、パッド部２５、３１および封止部３２を形成する。

次に、図４（ｆ）に示されるように、レジストや酸化膜等のマスク（図示せず）を用いて反応性イオンエッチング等で半導体層１３に溝部１４を形成する。これにより、可動部２０が形成された第１基板１０が用意される。

また、上記図４とは別工程において、図５（ａ）に示されるように、貼り合わせ基板４１を用意し、熱酸化等によって貼り合わせ基板４１の全面に絶縁膜４２を形成する。

次に、図５（ｂ）に示されるように、絶縁膜４２のうち第１基板１０と対向する部分に金属膜を形成する。そして、レジストや酸化膜等のマスク（図示せず）を用いて反応性イオンエッチング等で当該金属膜をパターニングすることにより、第１、第２配線部５１、５２、パッド部５３、５４、封止部５５を形成する。

なお、この工程における金属膜は、図４（ｅ）に工程において形成した金属膜と同じ材料が用いられ、本実施形態ではアルミニウムが用いられる。

続いて、図６（ａ）に示されるように、第１基板１０と第２基板４０とを接合する。具体的には、適宜形成されたアライメントマークを用いて赤外顕微鏡等によるアライメントを行い、第１基板１０のパッド部２５、３１、封止部３２と、第２基板４０のパッド部５３、５４、封止部５５とを３００〜５００°で金属接合する。

これにより、第１基板１０と第２基板４０との間の空間が封止部３２と封止部５５とにより封止されて気密室９０となり、枠部２２および第１、第２固定電極５１ａ、５２ａが気密室９０に気密封止される。

このとき、第１基板１０のパッド部２５、３１および封止部３２と、第２基板４０のパッド部５３、５４および封止部５５とは、それぞれ同じ金属であるアルミニウムで構成されているため、接合界面に反応層（合金層）が形成されない。

なお、第１基板１０と第２基板４０との間隔は、スペーサ３３によって規定される。

次に、図６（ｂ）に示されるように、絶縁膜４２および貼り合わせ基板４１を第１基板１０側と反対側から研削し、第１基板１０側と反対側の絶縁膜４２を除去すると共に貼り合わせ基板４１を薄くする。なお、この工程は、第１基板１０と第２基板４０とを接合する前に行ってもよい。

続いて、図６（ｃ）に示されるように、パッド部５３、５４に対応する場所の貼り合わせ基板４１および絶縁膜４２を除去することにより、２つの貫通孔７０ａを形成する。また、図６（ｃ）とは別断面において、第１、第２配線部５１、５２における第１、第２引き出し配線５１ｂ、５２ｂに対応する場所の貼り合わせ基板４１および絶縁膜４２を除去することにより、２つの貫通孔７０ａを形成する。そして、各貫通孔７０ａの壁面にＴＥＯＳ等の絶縁膜７０ｂを成膜する。このとき、貼り合わせ基板４１のうち第１基板１０側と反対側に形成された絶縁膜にて絶縁膜４３が構成される。つまり、絶縁膜４３と絶縁膜７０ｂとは同じ工程で形成される。その後、各貫通孔７０ａの底部に形成された絶縁膜７０ｂを除去し、各貫通孔７０ａ内において、第１、第２配線部５１、５２における第１、第２引き出し配線５１ｂ、５２ｂ、パッド部５３、５４を露出させる。

次に、図６（ｄ）に示されるように、各貫通孔７０ａにスパッタ法や蒸着法等によって金属膜を配置して各貫通電極７０ｃを形成する。そして、各貫通電極７０ｃと第１、第２配線部５１、５２における第１、第２引き出し配線５１ｂ、５２ｂ、パッド部５３、５４とをそれぞれ電気的に接続する。その後、絶縁膜４３上の金属膜をパターニングしてパッド部７０ｄを形成することで貫通電極部７０を構成する。

なお、この工程における金属膜は、図４（ｅ）および図５（ｂ）に工程において形成した金属膜と同じ材料が用いられ、本実施形態ではアルミニウムが用いられる。

また、絶縁膜４３にコンタクトホール４３ａを形成すると共にコンタクトホール４３ａに金属膜を埋め込んでコンタクト部８０を形成することにより、上記加速度センサが製造される。

なお、上記では、１つの加速度センサの製造方法について説明したが、ウェハ状の第１、第２基板１０、４０を用意し、これらを接合した後にダイシングカットしてチップ単位に分割するようにしてもよい。

以上説明したように、本実施形態では、第１基板１０のパッド部２５、３１と第２基板４０のパッド部５３、５４とは同じ金属材料であるアルミニウムで構成されている。このため、第１基板１０のパッド部２５、３１と第２基板４０のパッド部５３、５４との間には反応層が形成されず、接合強度がばらつくことを抑制でき、信頼性を向上できる。

また、貫通電極７０ｃは、第１、第２配線部５１、５２およびパッド部５３、５４と同じ金属材料であるアルミニウムで構成されている。このため、貫通電極７０ｃと第１、第２配線部５１、５２およびパッド部５３、５４との間に反応層が形成されず、貫通電極７０ｃと第１、第２配線部５１、５２およびパッド部５３、５４との接合強度がばらつくことを抑制できる。特に、パッド部５３、５４と接続される貫通電極７０ｃは、第１基板１０のパッド部２５、３１と共に積層構造となるが、これらを全て同じ金属材料で構成することによって接合強度がばらつくことを抑制でき、信頼性を向上できる。

さらに、第１基板１０の封止部３２と第２基板４０の封止部５５とは同じ金属材料であるアルミニウムで構成されている。このため、第１基板１０の封止部３２と第２基板４０の封止部５５との間に合金層が形成されることも抑制できる。

（他の実施形態）
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。

例えば、上記第１実施形態では、ｚ軸方向の加速度を検出する加速度センサを例に挙げて説明したが、ｘ軸方向またはｙ軸方向の加速度を検出する加速度センサに本発明を適用することもできる。この場合、第１基板１０に、加速度に応じて変位する可動電極を有する可動部２０と、可動電極と対向する固定電極を有する固定部が形成される。また、本発明の物理量センサを角速度センサ等に適用することもできる。

そして、上記第１実施形態において、第１基板１０のパッド部３１および第２基板４０のパッド部５４は形成されていなくてもよい。

また、上記第１実施形態において、第１基板１０のパッド部２５、３１および封止部３２、第２基板４０の第１、第２配線部５１、５２、パッド部５３、５４は、同じ金属材料で構成されていればよく、例えば、Ａｕ等で構成されていてもよい。

さらに、上記第１実施形態において、第１、第２配線部５１、５２は第１、第２引き出し配線５１ｂ、５２ｂを有していなくてもよい。つまり、貫通電極７０ｃを第１、第２固定電極５１ａ、５２ａと直接接続するようにしてもよい。

１０第１基板
１０ａ一面
２５パッド部（第１基板用パッド部）
４０第２基板
４０ａ一面
５３パッド部（第２基板用パッド部）
６０センシング部
９０気密室

Claims

一面（１０ａ）を有する第１基板（１０）と、
一面（４０ａ）を有し、当該一面が前記第１基板の一面と対向する状態で前記第１基板と接合される第２基板（４０）と、を備え、
前記第１、第２基板の間に気密室（９０）が形成され、前記気密室に物理量に応じたセンサ信号を出力するセンシング部（６０）が配置された物理量センサにおいて、
前記第１基板の一面には、前記センシング部と電気的に接続される第１基板用パッド部（２５）が形成され、
前記第２基板の一面には、前記第１基板用パッド部と接合される第２基板用パッド部（５３）が形成され、
前記第１基板用パッド部と前記第２基板用パッド部とは、同じ金属材料を用いて構成されて金属接合されており、
前記第２基板には、厚さ方向に貫通して前記第２基板用パッド部に達する貫通孔（７０ａ）に前記第２基板用パッド部と電気的に接続され、かつ前記第１、第２基板用パッド部と同じ金属材料を用いて構成された貫通電極（７０ｃ）が配置されており、
前記第１基板用パッド部、前記第２基板用パッド部、前記貫通電極の一部が積層されていることを特徴とする物理量センサ。
前記第１基板の一面には、前記一面の法線方向から視たとき、前記センシング部を囲む枠状の第１基板用封止部（３２）が形成され、
前記第２基板の一面には、前記第１基板用封止部と金属接合され、前記第１基板用封止部と同じ金属材料を用いて構成された枠状の第２基板用封止部（５５）が形成されており、
前記気密室は、前記第１、第２基板用封止部が接合されることで前記第１基板と前記第２基板との間に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の物理量センサ。
前記第１基板には、前記一面側に前記一面に対する法線方向への加速度に応じて変位する可動部（２０）が形成され、
前記第２基板には、前記可動部と対向する部分に固定電極（５１ａ、５２ａ）が形成されており、
前記センシング部は、前記可動部および前記固定電極にて構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の物理量センサ。