专利名称：可动电路用导电体及振动式旋转仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种使用于配设在以在动作中形状进行变化为前提的可动体上的电路(下面称为可动电路)的导电体及将其使用于配线图案的振动式旋转仪。
背景技术：
硅作为最具有代表性的基板材料而被使用于半导体装置，特别是半导体集成电路(IC)、微电子装置、或者精密测量装置中。硅基板被如此广为使用的理由是，工业上可低廉地制造高纯度的硅片，及在硅基板上形成化学上极为稳定的氧化膜(SiO2)，所以可以容易地将高集成化装置的元件之间绝缘分离。
例如，在借助批次系统(batch system)的IC制造中，多数的装置是在相互间电性绝缘分离的状态下而形成在1片硅片上。此装置特性所要求的绝缘分离是通过在晶片上产生0.3～1.0μm左右的氧化膜而实现的。
作为精密的装置的事例，可列举出环型振动旋转仪(例如，参考日本专利特开平10-267667号公报)。环型振动旋转仪是振动式旋转仪的一种，是具有使悬垂状态的环型振动子椭圆振动的构造的旋转仪。该环型振动旋转仪并无如作为振动式旋转仪的一种的压电旋转仪那样的对外来应力敏感的固定支点，椭圆振动不易受到外来应力的影响，所以具有可以高精度检测角速度的特征。
图1是表示环型振动旋转仪的硅基板的视图，图2是表示设置在环上的配线图案的视图。
如图1所示，硅基板1例如是具有通过8根悬挂件1-2而以悬垂状态悬挂位于中央的环1-1的构造。如图2所示，作为硅基板1(在图2的例中为环1-1)，是使用在比通常的CPU等的集成电路用的晶片更薄的单晶硅片2上形成绝缘膜3的基板。而且，环型振动子例如是这样制作的，即通过溅镀法而在绝缘膜3上形成Al-Si类等的配线用导电膜后，通过影印法和化学蚀刻而形成轨迹(配线图案)4，进而通过ICP(感应耦合等离子体)蚀刻而形成环1-1和悬挂件1-2。
设置在环1-1及悬挂件1-2的轨迹4，在其圆周方向有交流电流流通，在上下方向受到磁路(未图示出)的磁场，所以由于洛伦兹力而变形为椭圆形(将此称为振动模式1)。通过调整流经悬挂件1-2的电流的相位，对于环1-1的椭圆振动赋予角速度时，相对于振动模式1，科里奥利力作用，在由振动模式1错开45°的位置上新产生振动模式2。通过监视振动模式2产生的振动模式1的不动点(节点)，便可以知道角速度。
在测量旋转仪性能的指标中，有被称为漂移的指标。所谓漂移的意思是指即使实际上环是静止的，但是恰如正旋转着的那样，来自旋转仪的信号进行变化，漂移越小，旋转仪的性能就越好。另外，漂移的单位是以每单位时间(通常是每一小时)旋转的所检测到的表观上的角速度[(deg/sec)/hr]来表示。其合理值虽因用途而各有不同，但是在例如用于动摇控制等的旋转仪的情况下，为0.05(deg/sec)/hr以下。
漂移在确保对应旋转仪的使用目的的性能上是极为重要的指标，但是即使是使用相同材料所制作的旋转仪，其值也会有偏差。本发明者就此原因而进行了研究，发现在漂移大的样本中，相对的配线用导电膜的晶粒变得粗大。
图3是表示振动式旋转仪的配线用导电膜的金属组织的视图，图3(a)是表示漂移小至0.03(deg/sec)/hr的样本的配线用导电膜的组织图，图3(b)是表示漂移大至0.12(deg/sec)/hr的样本的配线用导电膜的组织图。另外，该图是追踪针对各个配线用导电膜的一部分的EBSP影像的视图。如图3所示，漂移小的样本的晶粒比漂移大的样本的晶粒小。
一般用于半导体装置的配线的导电性以晶粒大者为佳。其主要理由是若配线的晶粒较小，则晶界增加，此成为电阻，而阻碍自由电子的移动。
但是，本发明者们认为，配设在可动体(在环型振动旋转仪的情况下，为环1-1及悬挂件1-2)的配线用导电膜的晶粒若变大，则在外力(在环型振动旋转仪的情况下，为洛伦兹力)施加于配线时，由于加工硬化等关系，机械强度容易变化。本发明者们在此假定下，进一步进行研究的结果，得到这样的结论，即在用于以振动式旋转仪为代表的可动电路的导电体的情况下，比起确保导电性，使配线用导电膜的晶粒变小、而使机械强度的变化变小反而更为重要。
发明的公开本发明的目的在于提供一种最适合于配设在以在电路动作中电路本身的形状进行变化为前提的可动体的电路的导电体，及将该导电体用作配线图案的振动式旋转仪。
本发明者反复研究在可动电路、特别是振动式旋转仪中使该配线图案的晶粒变小的结果，完成了本发明。
本发明的要点为下述(1)所示的可动电路用导电体及(2)所示的振动式旋转仪。
(1)一种可动电路用导电体，以Al为主体，其特征是，晶粒的平均截面积为1μm2以下。优选该导电体含有N+O，原子浓度为550～20000ppm。另外，优选含有原子浓度为Si0.5～5.0％、Ta0.5～5.0％及Cu0.5～5.0％中的一种以上。特别优选含有Nd，原子浓度为0.5～5.0％。
(2)一种振动式旋转仪，其特征是，将上述(1)中记载的可动电路用导电体用于配线图案。
附图的简单说明图1是表示环型振动旋转仪的硅基板的视图。
图2是表示设置在环上的配线图案的视图。
图3是表示振动式旋转仪的配线用导电膜的金属组织的视图，图3(a)是表示漂移小的样本的配线用导电膜的组织图，图3(b)表示漂移大的样本的配线用导电膜的组织图。
图4是表示晶粒的平均截面积和漂移的关系的视图。
图5是将以Al为主体的导电体的上面摄影的反向散射电子衍射影像(EBSP)，图5(a)是表示含有Si1.0％及N+O499ppm的导电体，图5(b)是表示含有Si1.0％及N+O4817ppm的导电体，图5(c)是表示含有Nd2.0％的导电体。
图6是利用透过型电子显微镜(TEM)将以Al为主体的导电体的厚度方向的截面进行摄像的组织照片，图6(a)是表示含有Si1.0％及N+O499ppm的导电体，图6(b)是表示含有Si1.0％及N+O4817ppm的导电体，图6(c)是表示含有Nd2.0％的导电体。
其中，附图标记说明如下1硅基板，1-1环，1-2悬挂件，2硅片，3绝缘膜，4配线图案实施发明的最佳方式本发明的对象是以Al为主体的可动电路用导电体。该可动电路导电体在用作振动式旋转仪的配线图案时有效。此处，所谓以Al为主体的可动电路导电体的意思是指使用在配设于以在动作中形状进行变化为前提的可动体的电路的Al基导电体。
(A)关于晶粒的平均截面积在晶粒的平均截面积超过1μm2时，因为晶粒大的缘故，比电阻小，导电性良好，但是机械强度容易变化。其变化的程度以下述(a)式的霍尔-佩奇关系式(Hall-Petch relation)表示。
σ＝σ0+A·d-1/2…(a)在此，σ0为单晶体金属的拉伸屈服应力，A为比例常数，d为晶粒的直径。
图4是表示晶粒的平均截面积和漂移的关系的视图。如图4所示，在晶粒的平均截面积为1μm2以下时，漂移可以控制在0.05(deg/sec)/hr以下。因此，将晶粒的平均截面积限制在1μm2以下。由漂移的观点而言，优选晶粒的平均截面积越小越好，特别是优选在0.5μm2以下。晶粒的平均截面积的下限值虽没有特别限定，但是在小于0.00008μm2时，比电阻过大，导电性劣化。因此，优选晶粒的平均截面积在0.00008μm2以上。
“晶粒的平均截面积”可由以下的步骤求得。
(1)获得样本的EBSP影像(反向散射电子衍射影像)。
(2)任意选定1边长为aμm的正四方形的视野。计算完全包含在该视野内的结晶数n1，与此四方形相交叉的结晶数n2。
(3)计算视野内的结晶数的总计nT(＝n1+n2/2)。
(4)改变视野，总共将该作业进行i次(i为10以上)。
(5)求得晶粒的各视野的平均截面积Si(＝a2/nT)，进而求得全视野的平均截面积SAVE[＝(∑Si)/i]。
(B)针对化学组成如上述的(A)所示，使用于可动电路的导电体中以使用晶粒的平均截面积在1μm2以下者为有效。本发明者发现，作为将晶粒的大小控制在上述范围的手段之一，通常使作为不纯物而含有的N及O的含有量比公知的导电体增加，即在以Al为主体的导电体中使含有原子浓度(以下，“％”的意思是指“原子％”，“ppm”的意思是指“原子ppm”)N+O550～20000ppm。
一般N及O是在导电体中作为不纯物存在的元素，这些元素若在导电体中存在较多，则晶粒直径变小，晶界增加，所以电阻变大。因此，在使用于通常的电路的导电体中，优选尽可能降低这些元素的含有量。因此，在电路动作中电路本身的形状不发生变化的一般的半导体用配线中，N或者O的含有量都在10ppm以下。
但是，如上面所述，在成为本发明的对象这样的配设在以在电路动作中电路本身的形状进行变化为前提的可动体的电路中，当然要确保导电性，但是提高电路本身的机械强度的稳定性也很重要。
此处，以Al为主体的导电体中所包含的“N+O”在低于550ppm时，Al氮化物、Al氧化物的产生不充分，所以无法使晶粒的大小变得足够小。因此，导电性虽然良好，但是电路动作中，导电体本身的机械强度容易变化。“N+O”在超过20000ppm时，产生Al氮化物，比电阻有增加的倾向。而且，需要使混合于导入真空成膜室的Ar的N2及O2浓度增加，所以在加工效率方面而言，变得不利。
因此，在任何情况下，都容易损及导电体本身的圆滑动作性，例如，在将该导电体用于振动式旋转仪的配线图案时，漂移变大。这种振动式旋转仪有无法使用于要求高精度的用途的情况。因此，优选在本发明的可动电路用导电体中包含原子浓度N+O550～20000ppm。更优选含有N+O600～18000ppm。
本发明的可动电路用导电体是以Al为主体，也可以含有N+O550～20000ppm、以及Si0.5～5.0％、Ta0.5～5.0％、及Cu0.5～5.0％之中的1种以上。
即Si、Ta及Cu都是在固融体的强化方面有效的元素。此效果变得显著是在使任一种的元素都含有0.5％以上的情况。另一方面，若任何一种元素都含有超过5％，则存在析出物增大、机械强度变得不均匀的情况。因此，在含有这些元素的一种以上时的含有量，优选分别为0.5～5.0％。
本发明的以Al为主体的可动电路用导电体，最优选含有Nd0.5～5.0％。Nd是单独具有使Al晶粒微细化的作用的元素，如是适量含有Nd的导电体时，则不管N(氮)或O(氧)的含有量，可使晶粒的平均截面积小至1μm2以下。另外，适量含有Nd的导电体如以下所示，在可使厚度方向的晶粒尺寸变小这一点上更为优异。以下，利用视图进行说明。
图5是将以Al为主体的导电体的上面进行摄影的反向散射电子衍射影像(EBSP)，图6是利用透过型电子显微镜(TEM)，将以Al为主体的导电体的厚度方向的截面进行摄影的组织照片。在任一图中，(a)是表示含有Si1.0％及N+O499ppm的导电体，(b)是表示含有Si1.0％及N+O4817ppm的导电体，(c)是表示含有Nd2.0％的导电体。
如图5(a)及图6(a)所示，在N+O含有量偏离本发明的范围的导电体中，在其上面，在厚度方向截面，都形成粗大的晶粒。另外，N+O含有量在本发明所规定的范围内的导电体中，如图5(b)所示，在其上面，晶粒虽然形成得很微细，但是此晶粒的形状是如图6(b)所示的柱状。另一方面，如图5(c)及图6(c)所示，可知在含有Nd2.0％的导电体中，在其上面，在厚度方向截面，晶粒都形成得很微细。而且，如后面的实施例所示，当将如此使以Al为主体的导电体中含有Nd的导电体用于振动式旋转仪的配线图案时，可以进一步降低漂移。
如上所述，作为可动电路用的导电体，优选以Al为主体而含有Nd的导电体。其含有量优选为0.5～5.0％。
即，Nd含有量低于0.5％时，由Nd所引起的Al晶粒的微细化并不充分，如超过5.0％，则析出物产生过多，机械强度变得不均匀。因此，在使含有Nd时，优选其含有量为0.5～5.0％。
如上所述，如使含有Nd，则不管N(氮)或O(氧)的含有量，可以使导电体的晶粒微细化。即使使N+O含有550～20000ppm的范围，上述效果也不会消失。另外，本发明的导电体在Nd之外，也可以使含有Si、Ta以及Cu中的一种以上在0.5～5.0％的范围。
导电体中所含有的各元素例如可以利用SIMS(次级离子质量分析法)进行测量。此处的SIMS是这样的方法，即将初级离子(氧离子或者铯离子)照射于样本，根据所出来的次级离子的质量分析而特定元素，利用预先知道浓度的标准样本进行定量。
(C)关于本发明的可动电路用导电体的制造方法可动电路用导电体一般是利用溅镀装置等，通过在基板表面蒸镀导电体的覆膜而制作。本发明的可动电路用导电体特别优选利用直流磁控管溅镀装置来制作。
直流磁控管溅镀法是这样的方法，即在设置了阴极和阳极的真空成膜室中封入Ar气体等的状态下，通过在两电极施加(400～500V)的直流电压，使阳离子化的Ar等的气体分子以高速冲击目标(Al合金)，使Al粒子(或者还有Si粒子、Ta粒子、Cu粒子或者Nd粒子)飞散，附着在硅基板上(实际上是SiO2膜上)，从而在硅基板上蒸镀Al合金膜。
在使本发明的可动电路用导电体含有N和/或O时，在蒸镀时，是在导入了在Ar中混合了N2和/或O2的气体的状态下，进行溅镀。由此，存在于真空成膜室中的N离子和/或者O离子被取入导电膜中。混合于Ar的N2及O2浓度越高，则被取入导电膜中的N及O的浓度也越高。为了将这些元素的在导电体中的含有量控制在所期望的范围内，只要例如将混合气体中的N和O的浓度控制在600～20000ppm的程度即可。
热处理由于存在使晶粒粗大化的可能，所以没有实施的必要。但是，在振动式旋转仪的制造工序中，例如，需要将通过上述方法制作了配线图案的硅基板和基座玻璃接合，通常该接合是使用阳极接合技术。在阳极接合中，硅基板及基座玻璃是在加热为420℃左右的状态下，加上600V的直流电压共30分钟的程度。因此，导电体成为被施以一种热处理的状态，但是即使在被加上这样的热之后，也可以获得所期望的晶粒尺寸。
如此制作的导电体若被用作振动式旋转仪的配线图案时，如后述的实施例所示，可以降低振动式旋转仪的浸泡漂移(ソ一クドリフト)。本发明的振动式旋转仪例如可如下述这样地制作。
即本发明的振动式旋转仪是在硅片的表面上形成7500左右厚度的SiO2膜后，依循上述方法，可以在SiO2膜上形成Al-Si合金等的导电膜，之后，利用影印法和化学蚀刻，形成规定的配线图案，进而通过ICP蚀刻将硅片进行蚀刻而制作。
(实施例)在硅片的表面形成7500左右厚度的SiO2膜后，通过直流磁控管溅镀法在SiO2膜上形成具有表1所示的化学组成的Al合金的导电膜。
关于本发明例1～8、以及比较例4～6以及8，是使导入真空成膜室的混合气体中的N2以及O2浓度改变，而调整导电膜中的N以及O浓度。关于本发明例9～11以及比较例1～3、7以及9，是导入通常的Ar气体而进行成膜。利用影印法和化学蚀刻，在形成具有各种化学组成的导电膜的硅基板上，形成规定的配线图案，进而通过ICP蚀刻对硅片进行蚀刻，从而制作环型振动子，以相同条件将其接合，进行芯片焊接而制作振动式旋转仪。振动式旋转仪是每一种条件各制作25个。
针对这些振动式旋转仪，进行N及O的浓度、晶粒的尺寸、浸泡漂移的测量。
N及O的浓度测量是利用上述的SIMS进行。浸泡漂移是将振动式旋转仪放入50℃的恒温槽中，测量静止状态下的角速度输出的初始值和4小时后的值，将其差用4除而求得。另外，晶粒尺寸是以下述步骤，作为“晶粒的平均截面积”而求得。
(1)获得各配线图案的EBSP影像。
(2)任意选择1边长为4.5μm的正四方形的视野，计算完全包含在该视野内的结晶数n1、与此四方形相交叉的结晶数n2。
(3)计算视野内的结晶数的总计nT(＝n1+n2/2)。
(4)改变视野，总共将该作业进行10次。
(5)求得晶粒的各视野的平均截面积Si(＝a2/nT)，进而求得全视野的平均截面积SAVE[＝∑Si]/i]。
将这些结果表示在表1。
表1
“漂移值”意思是指“50℃的浸泡漂移”的值。
“-”是关于Si、Ta、Cu及Nd时，意思是指没有添加，关于N及O时，意思是指在Ar气体中没有导入。
如表1所示，本发明例1～12，任何一例都是晶粒的平均截面积在1μm2以下，漂移在0.012～0.048(deg/sec)hr。特别是在平均截面积为0.5μm2以下的本发明例3、5～7及11中，漂移成为更好的0.03(deg/sec)hr以下。
另一方面，比较例1～9都是晶粒的平均截面积超过1μm2，漂移成为高至0.069～0.124(deg/sec)hr的值。
工业上的可利用性本发明的可动电路用导电体可以提高电路本身的变位的自由度，所以是最适合于配设在以在电路动作中电路本身的形状会变化为前提的可动体的电路的导电体。特别是若将该导电体用作振动式旋转仪的配线图案时，可以使浸泡漂移变小，所以能够提供高性能的振动式旋转仪。
权利要求
1.一种可动电路用导电体，是以Al为主体的可动电路用导电体，其特征在于，晶粒的平均截面积为1μm2以下。
2.如权利要求1所述的可动电路用导电体，其特征在于，N及O(氧)的合计含有量是原子浓度为550～20000ppm。
3.如权利要求1或2所述的可动电路用导电体，其特征在于，含有原子浓度为Si0.5～5.0％、Ta0.5～5.0％及Cu0.5～5.0％中的一种以上。
4.如权利要求1至3中任意一项所述的可动电路用导电体，其特征在于，含有Nd，其原子浓度为0.5～5.0％。
5.一种振动式旋转仪，其特征在于，将权利要求1至4中任意一项所述的可动电路用导电体用于配线图案。
全文摘要
一种以晶粒的平均截面积在1μm
文档编号C22C21/12GK1545710SQ0380080
公开日2004年11月10日 申请日期2003年6月25日 优先权日2002年6月28日
发明者西田宏, 保崎一生, 小卷贤治, 治, 生 申请人:住友精密工业株式会社