JP2014512518A - 慣性センサの組立方法 - Google Patents

Abstract

少なくとも１つの測定ビーム（２３）と、検査体（１３）及び変形可能なプレート（１４）で形成される１つの活性体と、を含む慣性センサであって、前記活性体が、そのプレート（１４）を介して密閉囲いの内側に吊るされて維持され、前記測定ビーム（２３）が、前記囲いの内壁に前記検査体（１３）の一部を結合し、前記測定ビーム（２３）が、前記検査体（１３）より小さい厚さを有する慣性センサ。

Description

本発明は、ＭＥＭＳ（“microelectromechanical system”）又はＮＥＭＳ（“nanoelectromechanical system”）技術において形成される加速度計又はレートジャイロなどの慣性センサの分野に関連する。

より具体的には、本発明は、共鳴タイプの、又は例えばピエゾ抵抗などの可変抵抗を有する慣性ビーム測定センサの製造方法に関連する。

加速度計などの慣性センサは、特に、それが配置される物体の加速度を測定することが可能である。このようなセンサは、１つ又は幾つかの測定ビームに結合される検査体（プルーフマス（proof mass）とも呼ばれる）を備える。あるセンサの配置においては、慣性力は、検査体に加えられ、ビームに歪みを生じさせる。

共鳴タイプの測定ビームの場合において、検査体の塊によって加えられた歪みは、共鳴周波数の変化を生じさせる。例えばピエゾ抵抗である可変抵抗の測定ビームの場合において、検査体の塊によって加えられた歪みは、電気抵抗の変化を引き起こす。これは、加速度を測定することを可能にする。

一般的に、配置中における慣性力を最大化し、それによって測定ビームに十分な歪みを生じさせるために、大きな塊（mass）の検査体を使用することは有利である。さらに、このビーム上の検査体によって加えられる歪みを最小化させるために、可能な最も小さい厚さを有することは、測定ビームにとって有利である。

特許文献１は、検査体がビームより大きな厚さを有するセンサを開示し、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）技術に基づいたこのようなセンサを製造する２つの方法をさらに提供している。

この文献に開示された第１の製造方法によれば、歪みゲージは、ＳＯＩ基板の表面層において第１にエッチングされ、次いで保護膜で覆われる。次いで、検査体の形成に対する所望の厚さの層を得るために、シリコンエピタキシーがこの表面層で行われる。しかしながら、エピタキシャル成長技術は、装置が大規模であり、実施するのが高価であり、非常に大きなシリコン層の厚さを提供しない。この制限によって、ゲージに加えられる歪みを最大化するために、検査体の最適なサイズ及び従ってその塊のサイズを得ることが困難である。

この文献に記載された第２の製造方法によれば、検査体は、第１にＳＯＩ基板にエッチングされる。次いで、ナノメートルサイズの厚さのポリシリコン層は、歪みゲージの形成のために堆積される。しかしながら、ポリシリコン層の小さな厚さは、依然として制御するのが困難であり、それらの機械的及び電気的特性は、単結晶シリコン層の機械的及び電気的特性ほど良くない。さらに、このような薄層の堆積は、ゲージ性能に影響を与えることができる変形などの歪みを受け得る。そのため、この方法に関して、センサ感度を最適化する機械的及び電気的特徴を有するゲージを得ることが困難である。

そのため、検査体の塊の損害（detriment）に対して小さな厚さのゲージを提供する解決方法と、ゲージ感度の損害に対して大きな塊の検査体を提供する解決方法との間で選択がなされなければならないので、このような解決方法は満足いくものではない。

欧州特許第２，２１１，１８５号明細書

このような背景において、本発明は、特に、前述の制限がない新規な慣性センサの製造方法を提供することを目的とする。本発明は、特に、センサ性能を改善するために、検査体及び歪みゲージの寸法を最適化することを可能にする製造方法を提供することを目的とする。本発明は、特に、良好な性能を有する慣性センサを提供することを目的とし、単結晶シリコンで作られる、より小さな厚さの歪みゲージ及びより大きな塊の検査体を備える。

従って、本発明は、第１基板の第１活性層のエッチングによって検査体及び変形可能なプレート（例えば、線形ばね又はねじり軸）で形成される少なくとも１つの活性体を形成する段階であって、前記第１活性層が第１の厚さを有する段階と、第２基板の第２活性層のエッチングによって少なくとも１つの測定ビームを形成する段階であって、前記第２活性層が前記第１の厚さより小さい第２の厚さを有する段階と、前記第２活性層に前記第１活性層をシーリングする段階と、前記第１基板の非活性層を除去する段階と、第３基板のエッチングによって第１キャビティを形成する段階と、前記第１基板の前記活性層に前記第３基板をシーリングする段階であって、前記活性体が前記第１キャビティの内側に配される段階と、前記第２基板の非活性層を除去する段階と、第４基板のエッチングによって第２キャビティを形成する段階と、前記第２基板の活性層に前記第４基板をシーリングする段階と、を含む、慣性センサの製造方法を目的とする。

前記方法は、特に、ビーム及び活性体の寸法の良好な制御を与え、そのため活性体の厚さ及びビームの厚さの両方を最適化することを可能にする。前記方法は、特に、非常に小さい厚さの測定ビーム及びより大きな塊の活性体を得ることを可能にする。さらに、測定ビーム性能を劣化させる可能性がある歪みは、製造工程の最初からずっと制限される。それによって、測定ビーム感度は、検査体の塊を制限することなく改善される。すなわち、大きな塊を有する検査体及び小さい厚さの測定ビームの組合せは、慣性測定検出の点で良好な感度を与える。

有利には、前記方法は、活性体及び測定ビームの間の電気接触部を形成する段階をさらに含む。例えば、このような電気接触部は、第２活性層に第１活性層をシーリングする段階中に形成され得、このようなシーリングは、ビーム及び活性体の間に機械的接触及び電気的接触を形成することを可能にする。

一実施形態によれば、測定ビームは、歪みゲージを形成するピエゾ抵抗材料で作られ、その材料の電気抵抗は、塊に加えられる歪みに従って変化する。

他の実施形態によれば、測定ビームは、機械共鳴器であり、その共鳴周波数は、塊に加えられる歪みに従って変化する。例えば、共鳴器は、振動板、励起手段、及び振動を検出する手段を備える。

例えば、第２の厚さに対する第１の厚さの比は、１から５以上である。

前記方法は、前記第３基板の厚さにわたって少なくとも１つのリセスを形成し、前記第１基板を出現させる段階と、前記リセスに電気接触点を堆積する段階と、をさらに含み得る。

好ましくは、前記測定ビーム及び前記活性体を囲む媒体が真空を含み、センサの解像度のあらゆる劣化を制限する。

好ましくは、前記製造方法のシーリングが全て、真空下又は制御された雰囲気下で行なわれる。真空下におけるシーリングは、共鳴器が備えられる慣性センサの形成に対して好ましく、制御された雰囲気下におけるシーリングは、ピエゾ抵抗歪みゲージが備えられる慣性センサの形成に好ましい。

例えば、測定ビームは、有利にはピエゾ抵抗ビームの感度を改善するためにドーピングされた単結晶シリコンで作られる。

検査塊はまた、単結晶シリコンで作られ得る。

有利には、第１及び第２基板は、ＳＯＩタイプである。

本発明はまた、少なくとも１つの測定ビームと、検査体及び変形可能なプレートで形成される１つの活性体とを備える慣性センサを目的とし、前記活性体は、そのプレートを介して密閉囲い（tight enclosure）の内側に吊るされて維持され、測定ビームは、前記囲いの内壁に検査体の一部を接続し、前記測定ビームは、前記検査体の厚さより小さい厚さを有する。

図１は、本発明の実施形態による慣性センサの製造方法の段階を示す簡略化された図である。 図２は、本発明の実施形態による慣性センサの製造方法の段階を示す簡略化された図である。 図３は、本発明の実施形態による慣性センサの製造方法の段階を示す簡略化された図である。 図４は、本発明の実施形態による慣性センサの製造方法の段階を示す簡略化された図である。 図５は、本発明の実施形態による慣性センサの製造方法の段階を示す簡略化された図である。 図６は、本発明の実施形態による慣性センサの製造方法の段階を示す簡略化された図である。 図７は、本発明の実施形態による慣性センサの製造方法の段階を示す簡略化された図である。 図８は、本発明の実施形態による慣性センサの製造方法の段階を示す簡略化された図である。 図９は、本発明の実施形態による慣性センサの製造方法の段階を示す簡略化された図である。 図１０は、本発明の実施形態による慣性センサの製造方法の段階を示す簡略化された図である。 図１１は、本発明の実施形態による慣性センサの製造方法の段階を示す簡略化された図である。 図１２は、本発明の実施形態による慣性センサの製造方法の段階を示す簡略化された図である。 図１３は、本発明の実施形態による慣性センサの製造方法の段階を示す簡略化された図である。 図１４は、本発明の実施形態による慣性センサの製造方法の段階を示す簡略化された図である。 図１５は、本発明の実施形態による慣性センサの製造方法の段階を示す簡略化された図である。

本発明の前述の及び他の特徴並びに利点は、添付の図面と共に以下の非限定的な詳細な説明において詳細に検討され、図１から図１５は、本発明の実施形態による慣性センサの製造方法の段階を示す簡略化された図である。

図１５を参照すると、本発明の一実施形態によるピエゾ抵抗又は共鳴慣性センサは、特に、ピエゾ抵抗又は共鳴タイプの測定ビーム２３と、可動性の検査体１３及び変形可能なプレート１４で形成される活性体とを備える。検査体１３は、密閉囲い３０、４０の内側に吊るされて維持され、測定ビーム２３は、その囲いの内壁に変形可能なプレートを接続している。測定ビーム２３は、特に検査体１３より小さい厚さを有する。そのため、共鳴タイプの測定ビーム２３の場合には、検査体１３の偏位（deflection）は、共鳴周波数の変化を生じさせ、ピエゾ抵抗歪みゲージタイプの測定ビーム２３の場合には、検査体１３の偏位は、ゲージの電気抵抗の変化を引き起こし、その変化は、リセス内に配される電気パッドを介して回復され得る。

このようなセンサを製造する方法は、図１から１５に関連して以下に記載される。

例えば約１０μｍから１００μｍの範囲の第１の厚さｅ_１を有する第１活性層１０、及び、絶縁体１１の層（例えば、酸化物層）で作られる非活性層、及び、支持層１２（又はバルク）を備える、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）材料のウエハであり得る第１基板１（図１）から開始して、エッチングが第１活性層１０で行われる。このエッチング（図２）は、例えば、ＤＲＩＥ（deep reactive ion etching）タイプであり、第１活性層１０に検査体１３及び変形可能なプレートを形成することを含む。すなわち、第１活性層は、検査体１３、変形可能なプレート１４及びフレーム１５を備える。

例えば約１００ｎｍから１μｍの範囲の第２の厚さｅ_２を有する第２活性層２０、及び、絶縁体２１の層から作られる非活性層、及び、支持層２２を備える、ＳＯＩタイプの材料からなる層であり得る第２基板（図３）から開始して、エッチングが第１活性層２０で行われる。このエッチング（図４）は、例えば、フォトリソグラフィであり、第２活性層２０に測定ビーム２３を形成する。

次いで第１及び第２活性層１０、２０はシーリングされ、変形可能なプレート及び測定ビーム（図５及び６）間の電気接触に加えて機械的なシーリングを得る。他の構成（図に示されない）においては、測定ビームは、検査体１３及びフレーム１５の間に位置合わせされ得る。当然ながら、２つの活性層１０、２０の間の機械的なシーリングから独立してこの電気接触を形成することが可能である。

活性体を開放し、それを封入するために、非活性層、すなわち第１基板の絶縁層１１及び支持層１２における層が除去される（図７）。すなわち、検査体１３は吊るされ、測定ビーム２３を介して第２基板２に取り付けられ、維持される。

特に絶縁体（例えば、酸化物層）の層３１及び支持層３２（又はバルク）を備える第３基板３（図８）から、活性体を含むことを可能にする第１キャビティ３０は、例えばＤＲＩＥタイプのエッチングによって形成される。例えば、第１キャビティ３０は、図８に示されるように絶縁体層及び支持層の一部内に作られる。

活性体がこの第１のキャビティ３０の内側にあるように、第３基板３は、次いで第１基板１の活性層にシーリングされる（図９及び１０）。すなわち、第３基板３の絶縁層３１の自由表面は、第１活性層のフレーム１５の自由表面にシーリングされる。

同様に、非活性層、すなわち、第２基板の絶縁層２１及び支持層２２は、除去される（図１１）。

特に絶縁体の層４１（例えば酸化物層）及び支持層４２（又はバルク）を備える第４基板（図１２）から開始して、第２キャビティ４０はまた、例えばＤＲＩＥタイプのエッチングによって形成される。例えば、第２キャビティ３０は、図１２に示されるように絶縁層及び支持層の一部に作られる。

第４基板４は、次いで第２基板２の活性層にシーリングされ（図１２及び１３）、活性体及び測定ビームが第１及び第２キャビティ３０、４０によって形成される密閉囲い内に封入されるようになる。

また、第３基板３の厚さにわたり、第１基板１のフレーム１５のレベルに現れるリセスが形成され得る（図１４）。これらのリセスの電気接触点６の堆積は、検査体１３の偏位中に生じる電気信号を回復することを可能にする。

そのため、本発明の製造方法は、特に、組立の感度を変えることなく、非常に小さな厚さを有する歪みゲージ又は共鳴タイプの測定ビームが付けられた大きな塊の検査体が備えられた慣性センサを形成することを特に可能にする。すなわち、本発明の解決方法は、センサ性能を改善するために、検査体及び測定ビームの寸法を最適化することを可能にする。そのため、測定ビームにおける高い歪みを生じさせるための大きな塊の検査体、及びより良好な検出感度の測定ビームの両方を得ることが可能である。

１ 第１基板
２ 第２基板
３ 第３基板
４ 第４基板
５ リセス
６ 電気接触点
１０ 第１活性層
１１ 非活性層
１２ 非活性層
１３ 検査体
１４ 変形可能なプレート
１５ フレーム
２０ 第２活性層
２１ 絶縁層
２２ 支持層
２３ 測定ビーム
３０ 第１キャビティ
３１ 絶縁層
３２ 支持層
４０ 第２キャビティ
４１ 絶縁層
４２ 支持層

Claims (12)

1. 第１基板（１）の第１活性層（１０）のエッチングによって検査体（１３）及び変形可能なプレート（１４）で形成される少なくとも１つの活性体を形成する段階であって、前記第１活性層（１０）が第１の厚さ（ｅ_１）を有する段階と、
   第２基板（２）の第２活性層（２０）のエッチングによって少なくとも１つの測定ビーム（２３）を形成する段階であって、前記第２活性層（２０）が前記第１の厚さ（ｅ_１）より小さい第２の厚さ（ｅ_２）を有する段階と、
   前記第２活性層（２０）に前記第１活性層（１０）をシーリングする段階と、
   前記第１基板（１）の非活性層（１１、１２）を除去する段階と、
   第３基板（３０）のエッチングによって第１キャビティ（３０）を形成する段階と、
   前記第１基板（１）の前記活性層に前記第３基板をシーリングする段階であって、前記活性体が前記第１キャビティ（３０）の内側に配される段階と、
   前記第２基板（２）の非活性層（２１、２２）を除去する段階と、
   第４基板（４）のエッチングによって第２キャビティ（４０）を形成する段階と、
   前記第２基板（２）の活性層に前記第４基板（４）をシーリングする段階と、
   を含むことを特徴する、慣性センサの形成方法。
2. 前記活性体と前記測定ビーム（２３）との間に電気接触部を形成する段階をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記電気接触部が、前記第２活性層への前記第１活性層のシーリング中に形成され、このようなシーリングが前記ビームと前記活性体との間の機械的接触及び電気的接触の両方を引き起こすことを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 前記測定ビーム（２３）が、歪みゲージを形成するピエゾ抵抗材料で作られることを特徴とする、請求項１から３の何れか一項に記載の方法。
5. 前記測定ビーム（２３）が機械共振器であることを特徴する、請求項１から３の何れか一項に記載の方法。
6. 前記第２の厚さ（ｅ_２）に対する前記第１の厚さ（ｅ_１）の比が５以上であることを特徴する、請求項１から５の何れか一項に記載の方法。
7. 前記第３基板（３）の厚さにわたって少なくとも１つのリセス（５）を形成し、前記第１基板（１）を出現させる段階と、
   前記リセス（５）に電気接触点（６）を堆積する段階と、
   をさらに含むことを特徴とする、請求項１から６の何れか一項に記載の方法。
8. 前記測定ビーム及び前記活性体を囲む媒体が真空を含むことを特徴とする、請求項１から７の何れか一項に記載の方法。
9. 前記製造方法のシーリングが全て、真空下又は制御された雰囲気下で行なわれることを特徴とする、請求項１から８の何れか一項に記載の方法。
10. 前記測定ビーム及び前記検査塊が単結晶シリコンで作られることを特徴とする、請求項１から９の何れか一項に記載の方法。
11. 前記測定ビームが、ドーピングされた単結晶シリコンで作られることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
12. 前記第１及び第２基板（１、２）がＳＯＩタイプであることを特徴とする、請求項１から１１の何れか一項に記載の方法。

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