DE10036106A1

DE10036106A1 - Halbleitersensor für eine physikalische Größe

Info

Publication number: DE10036106A1
Application number: DE10036106A
Authority: DE
Inventors: Minekazu Sakai; Minoru Murata; Seiki Aoyama; Youko Nakagawa
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1999-07-26
Filing date: 2000-07-25
Publication date: 2001-03-08
Anticipated expiration: 2020-07-26
Also published as: DE10066435B4; DE10036106B4; US6450031B1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Halbleitersensor für eine physikalische Größe, von welchem ein stabiler Sensorausgang sogar dann erzielt werden kann, wenn sich die Gebrauchstemperatur verändert. Eine Siliziumdünnschicht ist auf einer Isolierschicht auf einem tragenden Substrat angeordnet, und eine Brückenstruktur, welche ein Gewichtsteil und bewegliche Elektroden aufweist, und Auslegerstrukturen, welche feststehende Elektroden aufweisen, sind als separate Abschnitte von dieser Siliziumdünnschicht gebildet. Die auf dem Gewichtsteil vorgesehenen beweglichen Elektroden und die vorspringenden feststehenden Elektroden sind einander gegenüberliegend angeordnet. Schlitze sind an Wurzelabschnitten der vorspringenden feststehenden Elektroden an den feststehenden Enden davon gebildet, und die Breite der Wurzelabschnitte ist dadurch angemessen schmaler gestaltet als die Breite der feststehenden Elektroden. Als Ergebnis wird die Übertragung einer Biegung des tragenden Substrats auf die vorspringenden feststehenden Elektroden unterdrückt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Halbleiter sensoren für eine physikalische Größe, welche eine physika lische Größe wie eine Beschleunigung oder eine Winkelge schwindigkeit erfassen, und insbesondere auf Halbleitersen soren für eine physikalische Größe eines Kapazitätserfas sungstyps, wobei ein beweglicher Elektrodenteil und ein feststehender Elektrodenteil, welcher dem beweglichen Elek trodenteil gegenüberliegt, durch Bildung von Gräben in ei ner Halbleiterschicht eines, tragenden Substrats, welches aus einem Halbleiter besteht, geschaffen sind und eine an gelegte physikalische Größe auf der Grundlage einer Ände rung der Kapazität zwischen diesen beweglichen und festge legten Elektrodenteilen erfasst wird.

Halbleiterbeschleunigungssensoren beinhalten jene eines differentiellen Kapazitätstyps. Die Konstruktion eines Halbleiterbeschleunigungssensors eines differentiellen Ka pazitätstyps einer verwandten Technik ist in Fig. 17 darge stellt. Eine vertikale Querschnittsansicht entlang Linie XVIII-XVIII von Fig. 17 ist in Fig. 18 dargestellt. Ent sprechend Fig. 18 ist ein Halbleitersubstrat 102 auf einer Gehäuseplatte (package plate) 100 mit einem Haftmittel 101 befestigt, und eine Halbleiterdünnschicht 104 ist auf einer Isolierschicht 103 auf dem Halbleitersubstrat 102 angeord net. Durchgangslöcher 105, 106 sind in dem Halbleiter substrat 102 bzw. der Isolierschicht 103 gebildet. Die Halbleiterdünnschicht 104 ist derart strukturiert, dass als separate Abschnitte eine bewegliche Elektrodenbrückenstruk tur 107, eine feststehende Elektrodenauslegerbrückenstruk tur 108 und eine zweite feststehende Elektrodenausleger brückenstruktur 109 wie in Fig. 17 dargestellt gebildet werden. Die bewegliche Elektrodenbrückenstruktur 107 be sitzt Ankerteile 110, Aufhängungsteile 111, ein Gewichts teil 112 und kammförmige bewegliche Elektroden 113. Die er ste feststehende Elektrodenauslegerbrückenstruktur 108 be sitzt ein Ankerteil 114 und eine feststehende Elektrode 115. Ähnlich besitzt die zweite feststehende Elektrodenaus legerbrückenstruktur 109 ein Ankerteil 116 und eine fest stehende Elektrode 117. Die beweglichen Elektroden 113 und die feststehenden Elektroden 115, 117 stehen einander ge genüber, und wenn eine Beschleunigung in X-Richtung ent sprechend Fig. 17 aufgebracht wird, verschiebt sich das Ge wichtsteil 112 und es ändert sich eine Differenz der Kapa zität zwischen den beweglichen Elektroden 113 und den fest stehenden Elektroden 115, 117, und durch Extrahieren dieser Änderung der Differenz der Kapazität als Spannungsänderung ist es möglich die Beschleunigung zu erfassen.

Wenn sich die Temperatur ändert, bei welcher der Sensor verwendet wird, tritt jedoch infolge von Differenzen der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der unterschiedlichen Teile des Sensors, d. h. infolge von Differenzen des thermi schen Ausdehnungskoeffizienten zwischen der Platte 100, dem Haftmittel 101, dem Halbleitersubstrat 102, der Isolier schicht 103 und der Halbleiterdünnschicht 104 eine Verbie gung in dem Halbleitersubstrat 102 auf. Wegen dieser in Fig. 19, 20A und 20B dargestellten Verbiegung deformiert sich die feststehende Elektrode 117 (115), und der Abstand d zwischen der feststehenden Elektrode 117 (115) und der beweglichen Elektrode 113 ist wie in Fig. 20B dargestellt nicht länger konstant (d1 ≠ d2). Als Ergebnis tritt die Schwierigkeit auf, dass die Temperaturcharakteristik des Sensors schlecht ist.

Ein anderer Halbleiterbeschleunigungssensor des Kapazi tätserfassungstyps, welcher vorgeschlagen wurde, ist in Fig. 35 und 36 dargestellt. Dabei zeigt Fig. 35 eine Draufsicht und Fig. 36 eine Querschnittsansicht entlang der Linie XXXVI-XXXVI von Fig. 35. Dieser Sensor wird durch An wendung einer Mikro-Materialbearbeitung unter Verwendung einer Halbleiterherstellungstechnologie auf ein Halbleiter substrat mit einer Isolierschicht J3 zwischen einer ersten Halbleiterschicht J1 und einer zweiten Halbleiterschicht J2 gebildet.

Bei diesem Halbleiterbeschleunigungssensor ist durch Bildung von Gräben in der zweiten Halbleiterschicht J2 des Halbleitersubstrats ein bewegliches Elektrodenteil J6 ge schaffen, bei welchem ein Gewichtsteil J4 mit herausragen den Teilen J5 integriert ist, und es sind kammförmige fest stehende Elektrodenteile J7, J8 gebildet, welche den her ausragenden Teilen J5 gegenüberstehen. Dabei bildet die er ste Halbleiterschicht J1 und die Isolierschicht J3 ein tra gendes Substrat, und es ist eine Öffnung J9, welche an der Seite der zweiten Halbleiterschicht J2 geöffnet ist, in diesem tragenden Substrat gebildet. In dem in den Figuren dargestellten Beispiel ist die Öffnung J9 derart gebildet, dass das tragende Substrat von der Seite der zweite Halb leiterschicht J2 zu der gegenüberliegenden Seite nach rechts hindurchgeht.

Das bewegliche Elektrodenteil J6 wird an beiden Enden des Rands der Öffnung des tragenden Substrats elastisch ge halten bzw. getragen und verschiebt sich über die Öffnung J9 in die X-Richtung des Pfeils von Fig. 35 entsprechend einer aufgebrachten Beschleunigung. Die feststehenden Elek trodenteile J7, J8 sind aus sich gegenüberliegenden Elek troden J7a, J8a gebildet, welche den herausragenden Teilen J5 des beweglichen Elektrodenteils J6 über den Öffnungen J9 und zwischen Verbindungsteilen J7b, J8b gegenüberliegen, welche an dem Rand der Öffnung in dem tragenden Substrat befestigt sind und die gegenüberliegenden Elektroden J7a, J8a tragen. Somit stellt dieser Halbleiterbeschleunigungs sensor der verwandten Technik eine Konstruktion dar, welche wenigstens ein bewegliches Elektrodenteil J6 und zwei fest stehende Elektrodenteile, ein erstes feststehendes Elektro denteils J7 und ein zweites feststehendes Elektrodenteil J8 besitzt, die an gegenüberliegenden Seiten des beweglichen Elektrodenteils J6 vorgesehen sind.

Dabei wird die Kapazität zwischen der gegenüberliegen den Elektrode J7a des ersten feststehenden Elektrodenteils J7 und dem jeweiligen herausragenden Teil J5 des bewegli chen Elektrodenteils J6 als erste Erfassungskapazität JS1 bezeichnet, und die Kapazität zwischen der gegenüberliegen den Elektrode J8a des feststehenden Elektrodenteils J8 und dem jeweiligen herausragenden Teil J5 wird als die zweite Erfassungskapazität CS2 bezeichnet. In den Figuren sind die Kapazitäten mit Kondensatorsymbolen dargestellt. Entspre chend der durch eine aufgebrachte Beschleunigung hervorge rufenen Verschiebung des beweglichen Elektrodenteils J6 än dern sich die Erfassungskapazitäten CS1, CS2, und durch Er fassen (differentielles Erfassen) einer Differenz der Er fassungskapazitäten CS1 und CS2 ist es möglich die aufge brachte Beschleunigung zu erfassen.

Jedoch trat bei Studien, welche von den Erfindern bei dem oben beschriebenen Halbleiterbeschleunigungssensor der verwandten Technik durchgeführt worden sind, die Schwierig keit auf, dass der Fehler des Herstellungsprozesses des Sensors, welcher den Ausgabefehler des Sensors hervorruft, oder der Offset groß ist. Als nächstes wird eine Studie, welche von den Erfindern bezüglich dieser Offset-Schwierig keit durchgeführt wurde, auf der Grundlage des in Fig. 35 und 36 veranschaulichten Sensors der verwandten Technik erörtert. Fig. 24A stellt eine Erfassungsschaltung eines Halbleiterbeschleunigungssensors eines differentiellen Ka pazitätstyps dar. Bezugszeichen CP1, CP2 und CP3 bezeichnen parasitäre Kapazitäten.

Bei diesem Sensor der verwandten Technik ist CP1 die Kapazität zwischen dem Zwischenverbindungsteil J7b des er sten feststehenden Elektrodenteils J7 und dem tragenden Substrat, CP2 die Kapazität zwischen dem Zwischenverbin dungsteil J8b des feststehenden Elektrodenteils J8 und dem tragenden Substrat und JP3 die Kapazität zwischen Zwischen verbindungsteilen J6b des beweglichen Elektrodenteils J6 und dem tragenden Substrat. Ebenfalls bezeichnet J10 einen Umschaltkondensatorschaltkreis (SC-Schaltkreis, switched capacitor circuit); dieser SC-Schaltkreis J10 besitzt einen Kondensator J11 mit einer Kapazität Cf, einen Schalter J12 und einen Differentialverstärkerschaltkreis 13 und wandelt eine eingebende Kapazitätsdifferenz in eine Spannung um.

Ein Beispiel eines Zeitablaufsdiagramms des in Fig. 24A dargestellten Schaltkreises ist in Fig. 24B dargestellt. Bei diesem Sensor der verwandten Technik wird beispielswei se eine Trägerwelle 1 (mit einer Frequenz von 100 kHz und einer Amplitude von 0 bis 5 V) über eine feststehende Elek trodenkontaktstelle bzw. eine Kontaktstelle der feststehen den Elektrode (fixed electrode pad) J7c eingegeben, und es wird eine Trägerwelle 2 (mit einer Frequenz von 100 kHz und einer Amplitude von 0 bis 5 V), welche um 180° bezüglich der Trägerwelle 1 phasenversetzt ist, über eine feste Elektro denkontaktstelle bzw. eine Kontaktstelle der feststehenden Elektrode (fixed electrode pad) J8c eingegeben, und es wird der Schalter J12 des SC-Schaltkreises J10 mit dem in der Figur dargestellten Zeitablauf geöffnet und geschlossen. Eine aufgebrachte Beschleunigung wird danach als Spannungs wert Vu wie in der folgenden Gleichung (1) dargestellt aus gegeben:

Vo = {(CS1-CS2)+(CP1-CP2).CP3}.V/Cf (1)

Dabei ist V die Spannung über den Kontaktstellen J7c, J8c. Somit wird der Ausgang des Sensors durch die parasitä ren Kapazitäten CP1, CP2 und CP3 beeinflusst. Wenn der Be reich der zwei Teile, welche eine Kapazität C bilden, mit S und der Abstand dazwischen mit d bezeichnet wird, gilt im allgemeinen C = ε.S/d. Wenn infolge einer Prozessstreuung (process dispersion) oder dergleichen der Bereich der über lappenden Abschnitte der Zwischenverbindungsteile J7b, J8b und des tragenden Substrats sich ändert oder die Dicke der Isolierschicht J3 in dem tragenden Substrat sich ändert und der Abstand d, welcher die Kapazität C reguliert, sich än dert, tritt daher eine Streuung der parasitären Kapazitäten CP1 und CP2 auf, und CP1 und CP2 werden ungleich. D. h. so gar wenn die aufgebrachte Beschleunigung gleich null ist, tritt eine Differenz zwischen den parasitären Kapazitäten CP1 und CP2 auf und wird als Offset ausgegeben.

Bei diesem Halbleiterbeschleunigungssensor werden nor malerweise die Öffnung J9 und die Strukturen, in welchen das bewegliche Elektrodenteil J6 und die feststehenden Elektrodenteile J7, J8 freigesetzt werden, unter Verwendung von Fotolithographie und Ätzen der Halbleiterschicht und des tragenden Substrats gebildet. Als Ursache bzw. Grund des Bereichs der oben beschriebenen Änderung der überlap penden Abschnitte zeigt sich bei dem Prozess des Ätzens der Öffnung J9 [1] eine Fehlausrichtung einer Maske bezüglich des tragenden Substrats und [2] Unterschiede beim Ätzver fahren während des Ätzens.

Fig. 37A und 37B zeigen Ansichten, welche eine Pro zessstreuung bei der Öffnung J9 veranschaulichen, welche sich aus diesen Gründen [1] und [2] ergibt. Aufgrund des Grunds [1] wird wie beispielsweise in Fig. 37A dargestellt sogar dann, wenn die Öffnung J9 in der vorbestimmten Form gebildet ist, eine Positionsabweichung in einer Richtung wie durch die gestrichelten Linien dargestellt hervorgeru fen. Folglich ist der Bereich bzw. die Fläche der oben be schriebenen überlappenden Abschnitte beispielsweise klein auf der Seite der Kapazität CP1 und groß auf der Seite der Kapazität CP2.

Und entsprechend dem Grund [2] wie beispielsweise in Fig. 37B dargestellt wird die Art der durch die gestrichel ten Linien dargestellten Formabweichung bezüglich der Ziel form der Öffnung J9 hervorgerufen. Folglich ist der Bereich bzw. die Fläche der überlappenden Abschnitte beispielsweise klein auf der Seite der Kapazität CP1. Entsprechend von den Erfindern durchgeführten Studien betrugen die sich aus den Gründen [1] und [2] ergebenden Abweichungen ± 1 bis 50 µm. Und die Dickenstreuung der Isolierschicht J2 in dem tragen den Substrat betrug ± 0,1 µm.

Somit tritt entsprechend der von den Erfindern durchge führten Studien bei dem oben beschriebenen Sensor des dif ferentiellen Kapazitätstyps infolge der Prozessstreuung des Sensors eine Positionsabweichung der Öffnung in dem tragen den Substrat und eine Formabweichung von der vorbestimmten Form auf, und es tritt eine Dickenstreuung der Isolier schicht des tragenden Substrats auf. Es wurde herausgefun den, dass folglich dann, wenn die parasitären Kapazitäten der Zwischenverbindungsteile der feststehenden Elektroden teile, welche an dem Rand der Öffnung in dem tragenden Substrat befestigt sind, sich ändern, als Ergebnis der Offset groß wird.

Zusammen mit einem Ansteigen der Sensorempfindlichkeit wurden des weiteren Studien bezüglich der Schwierigkeit ei nes Offsets durchgeführt, und es wurde dabei herausgefun den, dass die folgenden Schwierigkeiten auftreten. Bei den oben beschriebenen Halbleiterbeschleunigungssensoren sind wie in Fig. 35 dargestellt eine bewegliche Elektrodenkon taktstelle bzw. eine Kontaktstelle der beweglichen Elek trode J6c, welche einen Anschluss zu dem beweglichen Elek trodenteil J6 bildet, und feststehende Elektrodenkon taktstellen J7c, J8c, welche einen Anschluss zu den Zwi schenverbindungsteilen J7b, J8b der feststehenden Elektro denteile J7, J8 bilden, im wesentlichen in einer Reihe auf derselben Seite der Öffnung in dem tragenden Substrat ange ordnet gebildet.

Ein Ende eines jeweiligen aus Al (Aluminium) oder Au (Gold) hergestellten Drahts J6d, J7d, J8d ist an jeder der Kontaktstellen J6c, J7c und J8c angeschlossen, und die an deren Enden dieser Drähte sind an einer (nicht dargestell ten) externen Schaltung angeschlossen, welche den oben be schriebenen SC-Schaltkreis J10 enthält. Dabei sind die pa rasitären Kapazitäten CW1, CW2 zwischen dem Draht J6d und dem Draht J7d bzw. zwischen dem Draht J6d und dem Draht J8d gebildet. Ein erfasstes Schaltkreisdiagramm, welches durch Hinzufügen dieser Zwischenverdrahtungsparasitärkapazitäten den Fig. 24A und 24B erlangt wird, ist in Fig. 33 darge stellt. Die aufgebrachte Beschleunigung wird durch die fol gende Gleichung (2) dargestellt als Spannungswert Vo ausge geben:

Vo = {(CS1-CS2)+(CW1-CW2)+(CP1-CP2).CP3}.V/Cf (2)

Da dabei Teile der oben beschriebenen Drähte außer den Teilen, welche an den Kontaktstellen und an der externen Schaltung angeschlossen sind, beweglich sind, können sie vibrieren, und als Ergebnis davon und von Positionsabwei chungen des Drahtbondens unterscheiden sich die parasitären Kapazitäten CW1 und CW2 stark. Demzufolge ergibt sich die Schwierigkeit, dass die parasitären Kapazitäten CW1 und CW2 nicht gleich sind und eine Offsetstreuung unter den Senso ren groß wird und der Offset schwankt.

Derartige Schwierigkeiten der Streuung der parasitären Kapazitäten in den Zwischenverbindungsteilen der festste henden Elektroden, welche durch eine Prozessstreuung des Sensors und eine Streuung der Parasitärkapazitäten zwischen den Drähten hervorgerufen wird, ist nicht auf Sensoren des differentiellen Kapazitätstyps beschränkt und ergeben sich im allgemeinen bei Halbleitersensoren für eine physikali sche Größe des Kapazitätserfassungstyps. D. h. beim Erfas sen von Kapazitäten zwischen beweglichen Elektroden und feststehenden Elektroden beeinflusst die Streuung der oben beschriebenen parasitären Kapazitäten die erfassten Kapazi täten und führt zu einem Ansteigen des Offsets.

Die Erfindung wurde im Hinblick auf den soweit be schriebenen Stand der Technik gemacht, und es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Halbleitersensor für eine physikalische Größe zu schaffen, mit welchem es möglich ist einen stabilen Sensorausgang sogar dann zu erzielen, wenn sich die Gebrauchsumgebung ändert.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der nebengeordneten unabhängigen Ansprüche.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass es bei einem Halbleitersensor für eine physikalische Größe des Kapazitätserfassungstyps ermöglicht wird, den Offset des Sensors sogar dann zu minimieren, wenn parasi täre Kapazitäten von Zwischenverbindungsteilen von festste henden Elektroden, die an dem Rand einer Öffnung in einem tragenden Substrat befestigt sind, sich infolge einer Pro zessstreuung des Sensors ändern.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass es bei einem Halbleitersensor für eine physika lische Größe des Kapazitätserfassungstyps ermöglicht wird die Offsetstreuung des Sensors durch Verringern der parasi tären Kapazitäten zwischen einem Draht für bewegliche Elek troden und Drähten für feststehende Elektroden zu minimie ren.

Entsprechend einem ersten Gesichtspunkt der vorliegen den Erfindung wird ein Halbleitersensor für eine physikali sche Größe bereitgestellt, welcher eine physikalische Größe auf der Grundlage einer Verschiebung einer beweglichen Elektrode relativ zu einer feststehenden Elektrode erfasst, die durch die Wirkung der physikalische Größe hervorgerufen wird, mit einem tragenden Substrat und einem Halbleiter substrat, welches auf dem tragenden Substrat für Sensorele mente angeordnet und in einer Brückenstruktur mit einem Brücken ähnlichen Gewichtsteil und einer auf dem Gewichts teil vorgesehenen beweglichen Elektrode und in einer Ausle gerstruktur mit einer vorspringenden feststehenden Elek trode, welche der beweglichen Elektrode gegenüberliegend angeordnet ist, gebildet wird, wobei die Breite eines Wur zelabschnitts (root portion) der vorspringenden feststehen den Elektrode an dem feststehenden Ende davon geeignet schmaler als die Breite der feststehenden Elektrode ist.

Wenn sich das tragende Substrat infolge einer thermi schen Spannung oder dergleichen biegt, da die Breite des Wurzelabschnitts der feststehenden Elektrode schmal ausge bildet ist, wird die Übertragung der Biegung des tragenden Substrats auf die vorspringende feststehende Elektrode un terdrückt. Dadurch wird die Positionsabweichung der beweg lichen Elektrode und der feststehenden Elektrode verhin dert, und es kann eine Schwankung des Sensorausgangs unter drückt werden. Auf diese Weise ist es möglich einen stabi len Sensorausgang sogar dann zu erzielen, wenn sich die Ge brauchsumgebung ändert.

Entsprechend einem zweiten Gesichtspunkt der vorliegen den Erfindung wird eine Änderung der relativen Position der beweglichen Elektrode und der feststehenden Elektrode als Änderung der Kapazität zwischen zwei Elektroden erfasst.

Wenn der Kapazitätslösungsweg verwendet wird, wird eine parasitäre Kapazität einer Zwischenverbindung der festste henden Elektrode zwischen der feststehenden Elektrodenaus legerbrückenstruktur und dem tragenden Substrat gebildet; es ist jedoch bei der Erfindung möglich die parasitäre Ka pazität zu verringern, welche sich auf eine Abweichung der relativen Positionsbeziehung zwischen der feststehenden Elektrodenauslegerstruktur und dem tragenden Substrat be zieht. Als Ergebnis kann eine Verbesserung des Offsets er zielt werden.

Wenn entsprechend einem dritten Gesichtspunkt der vor liegenden Erfindung die Breite des Wurzelabschnitts an dem feststehenden Ende der vorspringenden feststehenden Elek trode geeigneter Weise nicht größer als die Hälfte der Breite der feststehenden Elektrode ist, kann der Fehler des Sensorausgangs klein gehalten werden.

Entsprechend einem vierten Gesichtspunkt der vorliegen den Erfindung sind erste und zweite feststehende Elektro denpaare aus ersten und zweiten gegenüberliegenden Elektro den gebildet, welche einem beweglichen Elektrodenteil ge genüberliegend über einer Öffnung in einem tragenden Substrat angeordnet sind, wobei erste und zweite Zwischen verbindungsteile an dem tragenden Substrat befestigt sind und die ersten und zweiter gegenüberliegenden Elektroden tragen bzw. halten, wobei in jedem dieser feststehenden Elektrodenpaare das erste Zwischenverbindungsteil und das zweite Zwischenverbindungsteil elektrisch unabhängig von einander sind und einander gegenüberliegend an entgegenge setzten Seiten der Öffnung in dem tragenden Substrat ange ordnet sind.

Entsprechend diesem Gesichtspunkt der vorliegenden Er findung sind bei jedem der ersten und zweiten feststehenden Elektrodenpaare ein Paar von elektrisch unabhängigen Zwi schenverbindungsteilen einander gegenüberliegend über der Öffnung in dem tragenden Substrat angeordnet. Wenn infolge einer Prozessstreuung des Sensors dort eine Positions fehlausrichtung in der Öffnung in einer Richtung von einer vorbestimmten Position auftritt, steigt demzufolge bei je dem der feststehenden Elektrodenpaare die parasitäre Kapa zität der Zwischenverbindungsteile beispielsweise an der Seite des ersten Zwischenverbindungsteils an und verringert sich an der Seite des zweiten Zwischenverbindungsteils.

Da bei jedem der feststehenden Elektrodenpaare die pa rasitäre Kapazität der Zwischenverbindungsteile als Ganzes die Summe der parasitären Kapazitäten der ersten und zwei ten Zwischenverbindungsteile ist, fallen die Beträge des oben beschriebenen Anstiegs und Abfalls heraus, und im Ver gleich mit einem Fall, bei dem die Öffnung bezüglich ihrer Position effektiv nicht fehlausgerichtet ist, kann eine Streuung der parasitären Kapazitäten der Zwischenverbin dungsteile verringert werden. Da die Positionsfehlausrich tung der Öffnung in einer Richtung hervorgerufen durch eine Prozessstreuung des Sensors toleriert werden kann, kann so mit entsprechend diesem Gesichtspunkt der vorliegenden Er findung sogar dann, wenn die parasitären Kapazitäten der einzelnen Zwischenverbindungsteile der feststehenden Elek trodenpaare variieren, der Offset des Sensors minimiert werden.

Entsprechend einem fünften Gesichtspunkt der vorliegen den Erfindung sind in feststehenden Elektroden, welche Teile besitzen, die an Rändern des tragenden Substrats an der Öffnung befestigt sind, welche Zwischenverbindungsteile zum Extrahieren von Signalen nach außen bilden, Lücken, wo Abschnitte der Zwischenverbindungsteile entfernt worden sind, so dass das tragende Substrat bloßgelegt ist, in Tei len der Zwischenverbindungsteile gebildet, welche sich mit dem tragenden Substrat überlappen.

Da die Zwischenverbindungsbereiche- bzw. flächen der Zwischenverbindungsteile selbst um einen Betrag entspre chend den Lücken kleiner gestaltet werden können als die Zwischenverbindungsteile der feststehenden Elektrodenteile bei dem Stand der Technik, können als Ergebnis sogar dann, wenn die Positionsabweichung oder die Formabweichung der Öffnung, welche durch die Prozessstreuung hervorgerufen wird, auftritt oder wenn die Streuung der Dicke in der Iso lierschicht des tragenden Substrats auftritt, Änderungen der parasitären Kapazitäten an den Zwischenverbindungstei len klein gehalten werden. Sogar wenn die parasitären Kapa zitäten der Zwischenverbindungsteile der feststehenden Elektroden infolge einer Prozessstreuung des Sensors vari ieren, kann daher entsprechend diesem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung der Offset des Sensors minimiert werden.

Entsprechend einem sechsten Gesichtspunkt der vorlie genden Erfindung ist bei einem Halbleitersensor für eine physikalische Größe des Kapazitätserfassungstyps eine be wegliche Elektrodenkontaktstelle, an welcher ein Draht zum elektrischen Verbinden des beweglichen Elektrodenteils mit einem externen Teil angeschlossen ist, auf dem tragenden Substrat an einer ersten Seite der Öffnung gebildet, und es sind feststehende Elektrodenkontaktstellen, an welchen Drähte zum elektrischen Verbinden der feststehenden Elek trodenteile mit dem externen Teil angeschlossen sind, auf dem tragenden Substrat an einer zweiten Seite der Öffnung gegenüberliegend der ersten Seite gebildet.

Wie oben beschrieben ergibt im allgemeinen für die Ka pazität C die Beziehung C = ε.S/d. Da bei diesem Gesichts punkt der vorliegenden Erfindung die bewegliche Elektroden kontaktstelle und die feststehenden Elektrodenkontaktstel len einander gegenüberliegend an entgegengesetzten Seiten der Öffnung in dem tragenden Substrat im Vergleich mit ei nem Fall angeordnet sind, bei welchem wie bei dem Stand der Technik sowohl die bewegliche Elektrodenkontaktstelle als auch die feststehenden Elektrodenkontaktstellen auf dersel ben Seite der Öffnung angeordnet sind, können die Abstände zwischen den Drähten, welche an der beweglichen Elektroden kontaktstelle angeschlossen sind, und den feststehenden Elektrodenkontaktstellen stark erhöht werden. Folglich kön nen die parasitären Kapazitäten zwischen dem Draht für das bewegliche Elektrodenteil und den Drähten für die festste henden Elektrodenteile reduziert werden, und es kann die Offsetstreuung des Sensors minimiert werden.

Die in Fig. 34B dargestellten Ergebnisse wurden bezüg lich einer Untersuchung von den Erfindern erzielt, die be züglich der Beziehung zwischen dem Sensoroffset und den Ab ständen zwischen dem Draht für das bewegliche Elektroden teil und den Drähten für die feststehenden Elektrodenteile durchgeführt wurde. Entsprechend einem siebenten Gesichts punkt der vorliegenden Erfindung, der sich auf diese Ergeb nisse gründet, wird ein Halbleitersensor für eine physika lische Größe des Kapazitätserfassungstyps bereitgestellt, welcher einen beweglichen Elektrodendraht, der als bewegli che Elektrodenteil dient, und feststehende Elektrodendrähte aufweist, die als feststehende Elektrodenteile dienen, wo bei der bewegliche Elektrodendraht von den feststehenden Elektrodenteilen in einem Abstand von wenigstens 80 µm ge trennt ist.

Entsprechend den von den Erfindern durchgeführten Stu dien wird es erwünscht, dass wenn die Empfindlichkeit des Sensors ansteigt und der Offset (Ausgangsfehler) nicht grö ßer als 10% ist. Wenn dabei der Abstand zwischen dem beweg lichen Elektrodendraht und den feststehenden Elektroden drähten wenigstens 80 µm und vorzugsweise 100 µm und mehr be trägt, kann sogar dann, wenn dort eine Streuung oder Schwankung in dem Abstand zwischen den Drähten vorliegt, der Offset innerhalb von 10% gehalten werden.

Die vorliegende Erfindung wird in der nachfolgenden Be schreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In den Figuren der Zeichnung werden dieselben Abschnitte oder entsprechende Abschnitte mit denselben Bezugszeichen be zeichnet, um eine redundante Erklärung zu vermeiden.

Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf einen Halbleiterbe schleunigungssensor einer ersten Ausführungsform der vor liegenden Erfindung;

Fig. 2 zeigt eine Querschnittsansicht entlang Linie II-II von Fig. 1;

Fig. 3A und 3B zeigen Querschnittsansichten, welche einen Prozess zur Herstellung des Halbleiterbeschleuni gungssensors veranschaulichen;

Fig. 4A und 4B zeigen Querschnittsansichten, welche einen Prozess zur Herstellung des Halbleiterbeschleuni gungssensors darstellen;

Fig. 5 zeigt eine Draufsicht, welche in dem Sensor ge bildete Kapazitäten veranschaulicht;

Fig. 6 zeigt eine Querschnittsansicht entlang Linie VI-VI von Fig. 5, welche in dem Sensor gebildete Kapazitäten veranschaulicht;

Fig. 7 zeigt ein Schaltungsdiagramm einer Kapazitätsän derungserfassungsschaltung;

Fig. 8 zeigt ein Diagramm von der Schaltung zugeordne ten Wellenformen;

Fig. 9A bis 9C zeigen Ansichten, welche einen Offset veranschaulichen;

Fig. 10A bis 10C zeigen weitere Ansichten, welche einen Offset veranschaulichen;

Fig. 11A und 11B zeigen Ansichten, welche Fehler messergebnisse darstellen;

Fig. 12A und 12B zeigen Ansichten, welche Offset messergebnisse darstellen;

Fig. 13A bis 13C zeigen Ansichten, welche einen an deren Halbleiterbeschleunigungssensor darstellen;

Fig. 14A und 14B zeigen Ansichten, welche einen an deren Halbleiterbeschleunigungssensor veranschaulichen;

Fig. 15A bis 15C zeigen Ansichten, welche einen an deren Halbleiterbeschleunigungssensor darstellen;

Fig. 16A bis 16C zeigen Ansichten, welche einen an deren Halbleiterbeschleunigungssensor darstellen;

Fig. 17 zeigt eine Draufsicht auf einen Halbleiterbe schleunigungssensor einer verwandten Technik;

Fig. 18 zeigt eine Querschnittsansicht entlang Linie XVIII-XVIII von Fig. 17;

Fig. 19A und 19B zeigen Querschnittsansichten, wel che eine Wirkung einer Änderung der Gebrauchstemperatur veranschaulichen;

Fig. 20A und 20B zeigen Draufsichten, welche eine Wirkung einer Änderung der Gebrauchstemperatur darstellen;

Fig. 21 zeigt eine Draufsicht auf einen Halbleiterbe schleunigungssensor einer zweiten Ausführungsform der vor liegenden Erfindung;

Fig. 22 zeigt eine Querschnittsansicht entlang Linie XXII-XXII von Fig. 21;

Fig. 23A bis 23G zeigen Prozessansichten, welche ein Verfahren zur Herstellung des in Fig. 21 dargestellten Halbleiterbeschleunigungssensors veranschaulichen;

Fig. 24A zeigt ein Erfassungsschaltungsdiagramm eines Sensors eines differentiellen Kapazitätstyps;

Fig. 24 zeigt ein Betriebswellenformdiagramm der Schal tung von Fig. 24A;

Fig. 25A und 25B zeigen Ansichten, welche ein Bei spiel einer Positionsfehlausrichtung einer Öffnung in einem tragenden Substrat veranschaulichen;

Fig. 26 zeigt eine Draufsicht auf einen Halbleiterbe schleunigungssensor einer dritten Ausführungsform der vor liegenden Erfindung;

Fig. 27 zeigt eine Querschnittsansicht entlang Linie XXVII-XXVII von Fig. 26;

Fig. 28A und 28B zeigen jeweils eine Draufsicht und eine Querschnittsansicht, welche ein erstes modifiziertes Beispiel von Lücken bei der dritten Ausführungsform dar stellen;

Fig. 29 zeigt eine perspektivische Ansicht, welche ein zweites modifiziertes Beispiel von Lücken bei der dritten Ausführungsform darstellt;

Fig. 30 zeigt ein Diagramm, welches ein spezifisches Ergebnis einer Offsetreduzierung bei der vorliegenden Er findung darstellt;

Fig. 31 zeigt eine Draufsicht auf einen Halbleiterbe schleunigungssensor einer vierten Ausführungsform;

Fig. 32 zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Li nie XXXII-XXXII von Fig. 31;

Fig. 33 zeigt ein Erfassungsschaltungsdiagramm ähnlich demjenigen von Fig. 24A, welches jedoch parasitäre Kapazi täten zwischen den Drähten enthält;

Fig. 34A und 34B zeigen Ansichten, welche Ergebnisse einer Untersuchung bezüglich des Einflusses von parasitären Kapazitäten zwischen Drähten darstellen;

Fig. 35 zeigt eine Draufsicht auf einen Halbleiterbe schleunigungssensor einer verwandten Technik;

Fig. 36 zeigt eine Querschnittsansicht entlang Linie XXXVI-XXXVI von Fig. 35; und

Fig. 37A und 37B zeigen Draufsichten, welche eine Prozessstreuung einer Öffnung in einem tragenden Substrat veranschaulichen.

Spezifische Ausführungsformen der vorliegenden Erfin dung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die zugehöri gen Figuren beschrieben.

Erste Ausführungsform

Bei dieser Ausführungsform wird die vorliegende Erfin dung auf einen Halbleiterbeschleunigungssensor eines diffe rentiellen Kapazitätstyps bzw. eines Differenzkapazitäts typs angewandt. Eine Draufsicht auf diesen Halbleiterbe schleunigungssensor 1 ist in Fig. 1 dargestellt, und eine vertikale Querschnittsansicht entlang Linie II-II von Fig. 1 ist in Fig. 2 dargestellt. Dieser Sensor besitzt bewegli che Elektroden 16 (16a bis 16c) und 17 (17a bis 17c), wel che auf einem Brücken ähnlichen Gewichtsteil 15 vorgesehen sind, und vorspringende feststehende Elektroden 20 (20a bis 20c) und 24 (24a bis 24c).

Wie in Fig. 2 dargestellt ist ein Sensorchip 4 auf ei ner Gehäuseplatte (package plate) mittels eines Haftmittels 3 befestigt. Bei diesem Beispiel wird ein SOI-Substrat als Sensorchip 4 verwendet: eine Halbleiterdünnschicht (eine einkristalline Siliziumschicht) 7, welche als zu verwenden des Halbleitersubstrat dient, um Sensorelemente zu bilden, ist auf einer Isolierschicht 6, welche aus einer Silizium oxidschicht besteht, auf einem tragenden Substrat 5 ange ordnet, welches aus einem einkristallinen Siliziumsubstrat besteht. Die Halbleiterdünnschicht 7 wird erlangt durch An ordnen eines einkristallinen Siliziumsubstrat auf der Iso lierschicht 6 auf dem tragenden Substrat 5 und danach durch Reduzieren des einkristallinen Siliziumsubstrat auf einer Dünnschicht. Eine Schichtung bzw. ein Laminat, welches aus dem tragenden Substrat 5 und der isolierenden Schicht 6 be steht, bildet die Form einer quadratischen Platte und hat jeweils in der Mitte davon gebildete quadratische Durch gangslöcher 8, 9. Die Schichtung, welche aus dem tragenden Substrat 5 und der Isolierschicht 6 besteht, besitzt somit die Form eines quadratischen Rahmens.

Die Halbleiterdünnschicht (Siliziumschicht) 7 ist der art strukturiert, dass sie seine vorbestimmte Form aufweist, um wie in Fig. 1 dargestellt voneinander abgetrennt eine bewegliche Elektrodenbrückenstruktur 10, eine erste fest stehende Elektrodenauslegerstruktur 11 und eine zweite feststehende Elektrodenauslegerstruktur 12 zu bilden. Die bewegliche Elektrodenbrückenstruktur 10 ist aus Ankerteilen 13a und 13b, Aufhängungsteilen 14a und 14b, einem Gewichts teil 15, beweglichen Elektroden 16 und 17 und einem elek trischen Verbindungsteil 18 gebildet. Die bewegliche Elek trode 16 bildet eine Kammform und besitzt drei Zähne 16a, 16b und 16c. Die bewegliche Elektrode 17 bildet ebenfalls eine Kammform und besitzt drei Zähne 17a, 17b und 17c. Die Ankerteile 13a, 13b sind an der Spitze des quadratischen rahmenförmigen tragenden Substrats 5 (mittels der Isolier schicht) 6 befestigt. Die Aufhängungsteile 14a und 14b, das Gewichtsteil 15 und die beweglichen Elektroden 16, 17 sind über den Durchgangslöchern 8, 9 in dem tragenden Substrat 5 und der Isolierschicht 6 positioniert, und das Gewichtsteil wird durch die Ankerteile 13a, 13b mittels der Aufhängungs teile 14a, 14b getragen bzw. gehalten. Dabei besitzen die Aufhängungsteile 14a, 14b eine Federfunktion, um dem Ge wichtsteil 15 eine Verschiebung in die Richtung des Pfeils X von Fig. 1 zu ermöglichen, wenn es einer Beschleunigung unterworfen wird, welche eine Komponente in der Richtung enthält, und um den ursprünglichen Zustand wiederherzustel len, wenn die Beschleunigung nicht mehr auftritt.

Die beweglichen Elektroden 16, 17 erstrecken sich von den Seiten des Gewichtsteils 15 in eine Y-Richtung senk recht zu der X-Richtung. Die Zähne 16A bis 16c und 17a bis 17c der beweglichen Elektroden 16, 17 sind jeweils in einer Form einer im Querschnitt rechteckigen Stange gebildet. Das elektrische Verbindungsteil 18 erstreckt sich von dem An kerteil 13b und ist auf dem tragenden Substrat 5 (mittels der Isolierschicht 6) positioniert, und eine Elektrodenkon taktstelle (Aluminiumkontaktstelle) 19 zum Drahtbonden ist auf der oberen Seite des elektrischen Verbindungsteils 18 gebildet.

Die erste feststehende Elektrodenauslegerstruktur 11 besitzt eine erste feststehende Elektrode 20. Die erste feststehende Elektrode 20 bildet eine Kammform und besitzt drei Zähne 20a, 20b und 20c. Die Zähne 20a bis 20c dieser feststehenden Elektrode 20 sind jeweils in der Form einer im Querschnitt rechteckigen Stange gebildet. Das Ankerteil 21 der feststehenden Elektrode 20 ist an dem quadratischen rahmenförmigen tragenden Substrat 5 (mittels der Isolier schicht 6) befestigt. Die feststehende Elektrode 20 ist über den Durchgangslöchern 8, 9 in dem tragenden Substrat 5 und der Isolierschicht 6 positioniert und bildet eine Aus legerstruktur, welche sich von dem Ankerteil 21 erstreckt. Diese kammförmige feststehende Elektrode 20 (20a bis 20c) ist den kammförmigen beweglichen Elektroden 16 (16a bis 16c) gegenüberliegend über einem feststehenden Zwischenraum angeordnet. Eine Verschiebung der bewegliche Elektrode 16 bezüglich der feststehenden Elektrode 20 (eine Änderung der relativen Position der feststehenden Elektrode und der be weglichen Elektrode), welche durch die Aktion der Beschleu nigung hervorgerufen wird, wird als Änderung der Kapazität über den zwei Elektroden erfasst.

Dabei sind Durchgangslöcher (Schlitze) 23a, 23b (siehe Fig. 4) an einem Wurzelabschnitt 22 der vorspringenden feststehenden Elektrode 20 an der Seite des feststehenden Endes gebildet, und die Breite W1 des Wurzelabschnitts 22 ist geeignet schmaler als die Breite W2 der kammförmigen feststehenden Elektrode 20. Insbesondere ist W1 nicht grö ßer als die Hälfte von W2.

Ähnlich besitzt die zweite feststehende Elektrodenaus legerbrückenstruktur 12 eine zweite feststehende Elektrode 24. Die zweite feststehende Elektrode 24 bildet eine Kamm form und besitzt drei Zähne 24a, 24b und 24c. Die Zähne 24a bis 24c dieser feststehenden Elektrode 24 sind jeweils in der Form einer im Querschnitt rechteckigen Stange bzw. ei nes Blocks gebildet. Ein Ankerteil 25 der feststehenden Elektrode 24 ist an dem quadratischen rahmenförmigen tra genden Substrat 5 (mittels der Isolierschicht 6) befestigt. Die feststehende Elektrode 24 ist über den Durchgangslö chern 8, 9 in dem tragenden Substrat 5 und der Isolier schicht 5 positioniert und bildet eine Auslegerstruktur, welche sich von dem Ankerteil 25 erstreckt. Diese kammför mige feststehende Elektrode 24 (24a bis 24c) ist der kamm förmigen beweglichen Elektrode 17 (17a bis 17c) über einem feststehenden Zwischenraum gegenüberliegend angeordnet. Die Verschiebung der beweglichen Elektrode 17 bezüglich der feststehenden Elektrode 24 (die Änderung der relativen Po sition der feststehenden Elektrode und der beweglichen Elektrode), welche durch die Aktion der Beschleunigung her vorgerufen wird, wird als Änderung der Kapazität über den zwei Elektroden erfasst.

Dabei sind Durchgangslöcher (Schlitze) 27a, 27b an ei nem Wurzelabschnitt 26 der vorspringenden feststehenden Elektrode 24 an der Seite des feststehenden Endes gebildet, und die Breite W1 des Wurzelabschnitts 26 ist angemessen schmaler als die Breite W2 der kammförmigen feststehenden Elektrode 24. Insbesondere ist W1 nicht größer als die Hälfte von W2.

Da dann, wenn die Wurzelabschnitte 22, 26 der festste henden Elektroden 20, 24 zu dünn sind, sogar die festste henden Elektroden 20, 24 durch die von außen einwirkenden physikalische Größe (Beschleunigung) verschoben werden, werden die folgenden Bedingungen erfüllt, so dass im Ver gleich mit den beweglicher. Elektroden die feststehenden Elektroden sich nicht bewegen.

D. h. die wenn die feststehenden Elektroden 20, 24 sich unter einer Beschleunigung bewegen, erscheint dies in dem Sensorausgang als Fehler. Es wird erwünscht, dass dieser Fehler auf einem Wert von nicht mehr als 1% gehalten wird. Um im Hinblick darauf sicherzustellen, dass im Vergleich mit den beweglichen Elektroden die feststehenden Elektroden sich nicht bewegen, muss das Ausmaß, in welchem die Wurzel abschnitte 22, 26 der feststehenden Elektroden als Federn arbeiten, im Vergleich mit dem Ausmaß vernachlässigbar sein, zu welchem die Aufhängungsteile (Federteile) 14a, 14b als Federn arbeiten. Wenn insbesondere bei dieser Ausfüh rungsform die Federkonstante der Wurzelabschnitte 22, 26 der feststehenden Elektrodenauslegerbrückenstruktur 11, 12 mit Kf und die Federkonstante der Aufhängungsteile (Federteile) 14a, 14b der beweglichen Elektrodenbrücken struktur 10 mit Km bezeichnet werden, wird die Beziehung Kf ≧ Km × 100 erfüllt. Dadurch ist es möglich den Erfassungs fehler auf einem Wert nicht größer als 1% zu halten.

Elektrische Verbindungsteile 28, 29, welche sich von den Ankerteilen 21, 25 erstrecken, sind auf dem tragenden Substrat 5 (mittels der Isolierschicht 6) positioniert, und es sind Elektrodenkontaktstellen (Aluminiumkontaktstellen) 30, 31 zum Drahtbonden auf den oberen Seiten der elektri schen Verbindungsteile 28, 29 gebildet.

Zur Reduzierung des Gewichts sind Durchgangslöcher 32 in den Ankerteilen 13a und 13b, dem Gewichtsteil 15 und den beweglichen und feststehenden Elektroden 16, 17, 20 und 24 gebildet.

Als nächstes wird ein Verfahren zur Herstellung dieses Halbleiterbeschleunigungssensors unter Verwendung von Fig. 3A, 3B, 4A und 4B beschrieben. Fig. 3A, 3B, 4A und 4B zeigen Querschnittsansichten entlang Linie II-II von Fig. 1.

Zuerst wird wie in Fig. 3A dargestellt ein SOI-Wafer 50 vorbereitet. Dieser SOI-Wafer 50 besteht aus einer einkri stallinen Siliziumdünnschicht 53 auf einer Siliziumoxid schicht 52 auf einem einkristallinen Siliziumwafer 51 als Basis bzw. Sockel. Der einkristalline Siliziumwafer 51 wird als Basis verwendet, wobei der Wafer eine Ebenenausrichtung bezüglich seiner Oberfläche, die auf (100) oder (110) fest gelegt ist, und eine Dicke von wenigstens 200 µm aufweist. Die einkristalline Siliziumdünnschicht 53 ist ebenfalls ein Wafer, welcher eine Oberflächenebenenausrichtung von (100) oder (110) und eine Dicke von etwa 15 µm aufweist. Die Schichtdicke der Siliziumoxidschicht 52 beträgt 0,5 bis 3 µm. Die einkristalline Siliziumdünnschicht 53 besitzt bei spielsweise darin eindiffundiertes Phosphor in einer hohen Konzentration, um ihren spezifischen Widerstand zu verrin gern und einen Ohmschen Kontakt zwischen den Elektrodenkon taktstellen 19, 30 und 31 bereitzustellen.

Danach werden die Elektrodenkontaktstellen 19, 30 und 31 (siehe Fig. 1) auf der einkristallinen Siliziumdünn schicht 53 gebildet. Insbesondere wird Aluminium auf eine Dicke von etwa 1 µm auf der gesamten Oberfläche der einkri stallinen Siliziumdünnschicht 53 aufgetragen, und danach wird die Aluminiumschicht durch Fotolithographie und Ätzen zur Bildung der Elektrodenkontaktstellen 19, 30 und 31 strukturiert. Bei diesem Elektrodenkontaktstellenbildungs schritt wird wenn nötig ein thermischer Prozess (Sintern) zur Erlangung eines Ohmschen Kontakts der Elektrodenkon taktstellen 19, 30 und 31 durchgeführt.

Als nächstes wird wie in Fig. 3B dargestellt ein Mas kenbildungsschritt durchgeführt. Bei diesem Schritt wird eine Siliziumnitridschicht beispielsweise durch Plasma-CVD auf eine Dicke von 0,5 µm auf der gesamten Oberfläche (einer Hochglanz verchromten Oberfläche) des einkristallinen Sili ziumwafers 51 aufgetragen, und danach wird diese Silizium nitridschicht unter Verwendung von Fotolithographie und Ät zen strukturiert, um eine Maske 54 zur Bildung des Durch gangslochs 6 durch Ätzen zu bilden. Als Maskenmaterial kann anstelle von SiN, SiO₂ oder ein Resist oder dergleichen al ternativ verwendet werden.

Auf diese Weise wird eine Maske 54, welche ein Öff nungsgebiet (8) zum Erzeugen eines Lochs unter den bewegli chen Teilen besitzt, auf der Rückseite des SOI-Wafers 50 angeordnet. Ebenfalls wird ein Resist 55, welches einen Wi derstand bezüglich eines Trockenätzens besitzt, auf der einkristallinen Siliziumdünnschicht 53 und den Elektroden kontaktstellen 19, 30 und 31 in einer vorbestimmten Struk tur (einer Struktur entsprechend den beweglichen und fest stehenden Elektrodenstrukturen) gebildet, und es wird eine Maskenstruktur zur Bildung der beweglichen und feststehen den Elektrodenstrukturen auf der Oberfläche des SOI-Wafers 50 hergestellt. Als Maskenmaterial kann anstelle des Re sists SiO₂ oder SiN oder dergleichen alternativ verwendet werden.

Danach wird unter Durchführung eines anisotropen Trockenätzens unter Verwendung einer Trockenätzvorrichtung mit dem Resist 55 als Maske ein Graben, welcher die Silizi umoxidschicht 52 erreicht, in der einkristallinen Silizi umdünnschicht 53 gebildet. Dieser Graben enthält die Durch gangslöcher 23a, 23b, 27a, 27b und 32.

Ebenfalls wird unter Verwendung der Maske 54 der ein kristalline Siliziumwafer 51 wie in Fig. 4B dargestellt von der anderen Seite aus (der Seite auf der entgegengesetzten Seite von der Siliziumoxidschicht 52) unter Verwendung bei spielsweise von wässrigem KOH selektiv geätzt. Wenn die Si liziumoxidschicht 52 bloßgelegt wird, wird das Ätzen been det. Auf diese Weise wird das Durchgangsloch 8 in dem mono kristallinen Siliziumwafer 51 gebildet.

Als nächstes wird von der anderen Seite des einkri stallinen Siliziumwafers 51, dort wo die Siliziumoxid schicht 52 bloßgelegt ist, unter Durchführung eines Trockenätzens die Siliziumoxidschicht 52 entfernt. Auf diese Weise wird das Durchgangsloch 9 in der Siliziumoxid schicht 52 gebildet.

Als Ergebnis der Ausführung dieser Ätzschritte werden das Gewichtsteil 15, die Aufhängungsteile 14a, 14b und die beweglichen Elektroden 16 (16a bis 16c) und 17 (17a bis 17c) beweglich, und die ersten Elektroden 20 (20a bis 20c) und 24 (24a bis 24c) der feststehenden Elektrodenausleger brückenstrukturen 11, 12 werden beweglich. Auf diese Weise werden die bewegliche Elektrodenbrückenstruktur 10 und die feststehenden Elektrodenauslegerbrückenstrukturen 11, 12 voneinander abgetrennt.

Nachdem das Ätzen durchgeführt worden ist, wird die Maske entfernt und der SOI-Wafer 50 in Sensorchips einer vorbestimmten Form geschnitten. Dadurch wird der Sensorchip 4 fertiggestellt.

Danach wird der Sensorchip 4 wie in Fig. 2 dargestellt auf einer Gehäuseplatte 2 mit einem Haftmittel 3 befestigt. Dadurch wird die Herstellung des Sensors beendet.

Wenn bei einem Halbleiterbeschleunigungssensor, der wie oben beschrieben konstruiert ist, eine Beschleunigung ein schließlich einer Komponente in die X-Richtung des Pfeils von Fig. 1 aufgebracht wird, verschiebt sich das Gewichts teil 15 in die X-Richtung des Pfeils, und es wird eine Ver schiebung entsprechend der Beschleunigung durch die Masse des Gewichtsteils 15, die Wiederherstellungskraft der Auf hängungsteile 14a, 14b und, wenn eine Spannung eingeprägt wird, durch eine elektrostatische Kraft, welche zwischen den beweglichen Elektroden 16, 17 und den ersten und zwei ten feststehenden Elektroden 20, 24 wirkt, bestimmt. In diesem Fall wird eine erste Kapazität CS1 (siehe Fig. 5, 6) über der beweglichen Elektroden 16 und der ersten fest stehenden Elektrode 20 gebildet, und es wird eine zweite Kapazität CS2 über der bewegliche Elektrode 17 und der zweiten feststehenden Elektrode 24 (siehe Fig. 5, 6) ge bildet. Wenn eine Beschleunigung auf das Gewichtsteil 15 wie oben beschrieben einwirkt, variieren diese ersten und zweiten Kapazitäten CS1, CS2 unterschiedlich entsprechend der Verschiebung der beweglichen Elektroden 16, 17. Daher ist es möglich die Beschleunigung durch Extrahieren der Va riation dieser statischen Kapazitäten CS1, CS2 durch die Elektrodenkontaktstellen 19, 30 und 31 als Variation der elektrischen Ladung zu erfassen.

Bei dieser Ausführungsform werden die ersten und zwei ten Kapazitäten CS1 und CS2 zueinander gleichgesetzt, wenn keine Beschleunigung aufgebracht wird. D. h. die links und rechts in Fig. 1 angeordneten ersten und zweiten festste henden Elektroden und die in der Mitte angeordneten beweg lichen Elektroden sind spiegelsymmetrisch (left-right sym metrical), und es gilt CS1 = CS2.

Ebenfalls werden in Fig. 5 und 6 dargestellte para sitäre Kapazitäten CP1, CP2 und CP3 gebildet. D. h. Es wer den eine parasitäre Kapazität CP1 zwischen dem Ankerteil (Zwischenverbindungsteil) 21 der ersten feststehenden Elek trodenauslegerbrückenstruktur 11 und dem tragenden Substrat 5, eine parasitäre Kapazität CP2 zwischen dem Ankerteil (Zwischenverbindungsteil) 25 der zweiten feststehenden Elektrodenauslegerbrückenstruktur 12 und dem tragenden Substrat 5 und eine parasitäre Kapazität CP3 zwischen den Ankerteilen (Zwischenverbindungsteilen) 13a und 13b der be weglichen Elektrodenbrückenstruktur 10 und dem tragenden Substrat 5 gebildet.

Fig. 7 zeigt eine Schaltungskonstruktion einer Kapazi tätsänderungserfassungsschaltung, welche Variationen dieser statischen Kapazitäten erfasst. Entsprechend Fig. 7 wird der Halbleiterbeschleunigungssensor 1 durch eine äquiva lente Schaltung dargestellt.

Ein erstes Trägerwellensignal (mit einer Frequenz von beispielsweise 100 kHz und einem Spannungspegel von etwa 5 V), welches aus einer rechteckigen Welle der in Fig. 8 dargestellten Art besteht, wird an die Elektrodenkon taktstelle 30, welche als die erste feststehende Elektrode dient, angelegt, und es wird ein zweites Trägerwellensignal (mit einer Frequenz von beispielsweise 100 kHz und einem Spannungspegel von etwa 5 V), welches aus einer rechteckigen Welle, die um 180° bezüglich des ersten Trägerwellensignals phasenversetzt ist, an die Elektrodenkontaktstelle 31 ange legt, welche als die zweite feststehende Elektrode dient. Obwohl in den Figuren nicht veranschaulicht sind insbeson dere die ersten und zweiten Trägerwellensignale synchron mit einem Taktsignal von derselben Oszillatorschaltung ge bildet.

Mit diesen angelegten Trägerwellensignalen nimmt der Spannungspegel der Elektrodenkontaktstelle 19, welche als die beweglichen Elektroden dient, einen Pegel entsprechend den ersten und zweiten Kapazitäten CS1 und CS2 an, und die ser Spannungspegel wird von einem Umschaltkondensator schaltkreis 60 erfasst.

Der Umschaltkondensatorschaltkreis 60 ist aus einem Operationsverstärker 61, einem Rückkopplungskondensator 62 und einem Schaltelement 63 gebildet, welche wie in der Fi gur dargestellt angeschlossen sind. Ein Signal von der Elektrodenkontaktstelle 19 (ein Signal, welches den Span nungspegel der beweglichen Elektrode darstellt), wird dem invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 61 eingegeben, und es wird ein Spannungssignal von 2,5 V (äquivalent zu dem Spannungspegel, welcher an der Kontakt stelle 19 sich ergibt, wenn die ersten und zweiten Kapazi täten CS1, CS2 gleich sind), an den nicht invertierenden Eingangsanschluss angelegt. Das Schaltelement 63 wird durch ein Triggersignal ein- bzw. ausgeschaltet, welches synchron mit dem Taktsignal von der (nicht dargestellten) oben be schriebenen Oszillatorschaltung erzeugt wird, und wird ein gestellt, um für eine festgelegte Periode (eine Zeit, wel che kürzer als die Hälfte der Periode des ersten Trägerwel lensignals ist) an der abfallenden Flanke des ersten Trä gerwellensignals (der ansteigenden Flanke des zweiten Trä gerwellensignals) wie in Fig. 8 dargestellt in den Zustand EIN umzuschalten.

Die in Fig. 7 dargestellte Kapazitätsvariationserfas sungsschaltung arbeitet auf die folgende Weise:
Wenn die ersten und zweiten Kapazitäten CS1, CS2 gleich sind, wird zu dem Zeitpunkt T1 in dem Zeitablaufsdiagramm von Fig. 8 eine Spannung von 0 V an die erste feststehende Elektrode angelegt, wird eine Spannung von 5 V an die zweite feststehende Elektrode angelegt und wird eine Spannung von 2,5 V an die bewegliche Elektrode angelegt. Da das Schalt element 63 zu diesem Zeitpunkt in den Zustand EIN umge schaltet wird, wird die Ausgangsspannung Vo des Umschalt kondensatorschaltkreises 60 zu 2,5 V.

Wenn zu dem Zeitpunkt T2, nachdem eine vorbestimmte Zeit ab dem Zeitpunkt T1 verstrichen ist, das Schaltelement 63 in den Zustand AUS umgeschaltet wird, da sich die an die festen Elektroden angelegten Spannungen nicht geändert ha ben, bleibt die Ausgangsspannung Vo bei 2,5 V.

Da dabei der Pegel der Ausgangsspannung Vo entsprechend der Größe der differentiellen Variation der ersten und zweiten Kapazitäten CS1 und CS2 variiert, d. h. mit der Größe der auf das Gewichtsteil 15 einwirkenden Beschleuni gung, kann diese Ausgangsspannung Vo verwendet werden, um die Größe der Beschleunigung zu erfassen.

D. h. wenn in Relation zu den Kapazitäten CS1, CS2 zwi schen den beweglichen Elektroden und den feststehenden Elektroden und den parasitären Kapazitäten CP1 bis CP3 die Beschleunigung aufgebracht wird, geht der Ausgang des Sen sors aus den sich ändernden Zwischenräumen zwischen den be weglichen Elektroden und den feststehenden Elektroden her vor und es geht eine Änderung der Kapazität dazwischen (CS1-CS2) hervor. Insbesondere gilt für die Sensorausgangs spannung Vo:

Vo = {(CS1-CS2)+(CP1-CP2).CP3}.V/Cf

wobei V die Spannungsdifferenz zwischen den ersten und zweiten feststehenden Elektroden und Cf die Rückkopplungs kapazität des Umschaltkondensatorschaltkreises ist.

Wenn sich bei diesem Sensor die Umgebungstemperatur än dert, tritt eine Biegung in dem tragenden Substrat 5 des Sensorchips 4 auf und führt zu einer Deformierung der fest stehenden Elektroden.

Dieser Vorgang wird im folgenden unter Verwendung von bestimmten Figuren eines Beispiels erklärt. Der Temperatur bereich, über welchen dieser Sensor verwendet werden kann, liegt bei -40°C bis 140°C. Die Werte des thermischen Aus dehnungskoeffizienten des Sensors betragen 2,5 ppm/°C, E = 17 300 Kgf/mm² für das Silizium, welches das tragende Substrat 5 und die Halbleiterdünnschicht bildet; 2,5 ppm/°C, E = 6600 Kgf/mm² für die Siliziumoxidschicht (SiO₂), welche die Isolierschicht 6 bildet, 100 bis 300 ppm/°C, E = 250 Kgf/mm² für Silikonharz, welches das Haftmittel 3 bildet; und 7,7 ppm/°C, E = 31 600 Kgf/mm² für ein keramisches Material, welches die Gehäuseplatte 2 bildet. Die Tempera turvariation ist proportional zu dem Produkt aus dem ther mischen Ausdehnungskoeffizienten und dem Elastizitätsmodul (Young's modulus) E.

Falls die Temperatur von der Raumtemperatur bis zu ei ner niedrigen Temperatur variiert, wenn die Gehäuseplatte 2 sich zusammenzieht, da die Deformation der Gehäuseplatte 2 größer als die Deformation des Haftmittels 3 ist und die Deformation des Haftmittels 3 größer als die Deformation des Siliziums und der Siliziumoxidschicht ist, krümmt sich das tragende Substrat 5 des Sensorchips 4 (siehe Fig. 20B). Zusammen mit diesem Krümmen des tragenden Substrats 5 ver suchen die feststehenden Elektroden 20, 24 sich zu defor mieren. Die Deformation der beweglichen Elektroden 16, 17 wird durch die Aufhängungsteile 14a, 14b unterdrückt.

Dabei werden bei dieser Ausführungsform im Vergleich mit einem Sensor einer verwandten Technik (siehe Fig. 17, 18) die Durchgangslöcher 23a, 23b, 27a, 27b an den Wur zelabschnitten 22, 26 der feststehenden Elektroden, welche von dem quadratischen rahmenförmigen tragenden Substrat 5 herausragen, gebildet, und dadurch werden die Wurzelab schnitte 22, 26 der feststehenden Elektroden schmal, so dass eine Verzerrung (eine thermische Spannung) von dem tragenden Substrat 5, welche durch Unterschiede des thermi schen Expansionskoeffizienten hervorgerufen wird, nicht leicht auf die feststehenden Elektroden 20 und 24 übertra gen wird, und folglich ist die Struktur derart beschaffen, dass die feststehenden Elektroden 20, 24 nicht leicht de formiert werden.

Wenn bei der Beziehung zwischen der parasitären Kapazi tät CP1 zwischen der ersten feststehenden Elektrode 20 und dem tragenden Substrat 5 und der parasitären Kapazität CP2 zwischen der zweiten feststehenden Elektrode 24 und dem tragenden Substrat 5 die Bereiche bzw. Flächen der ersten und zweiten feststehenden Elektroden wie von oben aus be trachtet dieselben sind und die Positionen ihrer Rücksei tenformen auf dem Chip spiegelsymmetrisch (left-right sym metrical) sind, gilt CP1 = CP2; wenn jedoch infolge einer Prozessstreuung die Positionen ihrer Rückseitenformen in die links-rechts Richtung des Chips fehlausgerichtet sind, sind CP1 und CP2 unterschiedlich und es entsteht ein Offset.

Dieser Offset wird im folgenden detailliert erklärt. Es wird ein Fall berücksichtigt, bei welchem infolge einer Prozessstreuung die Positionen der Vorderseitenmaskenstruk tur (55) und der Rückseitenmaskenstruktur (54) von Fig. 3B fehlausgerichtet sind. Wenn in dem Fall der in Fig. 9A dar gestellten feststehenden Elektrodenstruktur der verwandten Technik im Vergleich mit einem Fall, bei welchem die Durch gangslöcher 105, 106 und die feststehenden Elektrodenausle gerstrukturen 108, 109 wie in Fig. 9B dargestellt an ihren richtigen Positionen angeordnet sind, sie zueinander um ei nen bestimmten Betrag δ wie in Fig. 9C dargestellt fehlaus gerichtet sind, ist der gegenüberliegende Bereich ΔS1, wel cher die Fehlausrichtung betrifft, das Produkt aus der Elektrodenbreite a1 und der Fehlausrichtung δ oder (a1.δ). Wenn diesbezüglich in dem Fall der in Fig. 10A darge stellten feststehenden Elektrodenstruktur der vorliegenden Ausführungsform im Vergleich mit einem Fall, bei welchem das Durchgangsloch 8, 9 und die feststehenden Elektroden auslegerbrückenstrukturen 11, 12 wie in Fig. 10B darge stellt an ihren richtigen Positionen angeordnet sind, sie zueinander um einen bestimmten Betrag δ wie in Fig. 10C dargestellt fehlausgerichtet sind, ist der gegenüberlie gende Bereich ΔS2, welcher die Fehlausrichtung betrifft, das Produkt aus der Breite a2 und der Fehlausrichtung δ oder (a2.δ). Dabei ist die Breite a2 der Struktur der vorliegenden Ausführungsform kleiner als die Breite a1 bei der Struktur der verwandten Technik, und somit ist der ge genüberliegende Bereich, welcher die Fehlausrichtung be trifft, ebenfalls kleiner (a2.δ < a1.δ). Wenn dieser gegenüberliegende Bereich kleiner ist, ist ebenfalls die Kapazität, welche die Fehlausrichtung betrifft (C = ε.S/d) ebenfalls kleiner. Als Ergebnis wird die Differenz zwischen den zwei parasitären Kapazitäten (= CP1-CP2) ebenfalls kleiner.

Da somit bei dem Sensor dieser Ausführungsform die Be reiche bzw. Flächen der Wurzelabschnitte 22, 26 der fest stehenden Elektroden klein sind, ist die Differenz zwischen den jeweiligen parasitären Kapazitäten (= CP1-CP2) klein. Da für den Sensorausgang Vo = {(CS1-CS2)+(CP1-CP2).CP3}.V/Cf sogar gilt, wenn eine Streuung bei der Rückseitenverarbei tung entsteht, ist daher die parasitäre Kapazität der Zwi schenverbindungen der feststehenden Elektroden (CP1-CP2).CP3 klein, und es wird folglich eine Verbesserung des Offsets erzielt.

Da auf diese Weise der gegenüberliegende Bereich, wel cher die Abweichung betrifft, proportional zu der Differenz der Kapazität (= CP1-CP2) ist, welche entsteht, wenn die Rückseitenform abweicht, wenn Durchgangslöcher 23a, 23b, 27a, 27b zum Verengen der Breite W vorgesehen sind, wird auf diese Weise die Differenz bei der Kapazität (= CP1-CP2) klein, welche entsteht, wenn die Rückseitenform abweicht, und es wird ein Offset unterdrückt.

Als nächstes werden die Dimensionen der Durchgangslö cher (Schlitze) 23a, 23b, 27a, 27b erörtert.

In Fig. 11A und 11B werden gemessene Ergebnisse ei nes Sensorausgangsfehlers für unterschiedliche Schlitzbrei ten dargestellt. Dabei ist der Fehler der Vertikalachse in Fig. 11B die Abweichung ΔV zwischen dem Sensorausgang V1 bei Raumtemperatur und dem Sensorausgang V2 bei der Mess temperatur, wobei keine Beschleunigung aufgebracht worden ist; d. h. es gilt

ERROR ΔV = {(V2-V1)/V1} × 100

Aus Fig. 11B ist ersichtlich, dass dann, wenn die Schlitzbreite größer als 200 µm ist, d. h. wenn die Schlitz breite wenigstens die Hälfte der Breite der feststehenden Elektrode beträgt (wenn der Wert W1 nicht größer als die Hälfte des Werts W2 von Fig. 1 gemacht wird), sich der Feh ler des Sensorausgangs (die Offsetabweichung) verringert. Ebenfalls kann gesehen werden, dass der Wunsch, dass der Fehler in Fig. 11B 1% oder weniger beträgt, dadurch erzielt werden kann, dass die Schlitzbreite größer als 260 µm ge macht wird, oder mit anderen Worten, dass der Wert W1 nicht größer als 0,35 des Werts W2 in Fig. 2 gemacht wird.

Fig. 12A und 12B zeigen Messergebnisse von Offsetab weichungen für unterschiedliche Schlitzbreiten bei einer bestimmten Temperatur. Dabei ist die Offsetabweichung auf der vertikalen Achse die Abweichung des Sensorausgangs von dem bei Raumtemperatur erzielten Ausgang, wenn keine Be schleunigung aufgebracht wird.

Aus Fig. 12B ist ersichtlich, dass dann, wenn die Schlitzbreite größer als 200 µm ist, d. h. wenn die Schlitz breite wenigstens etwa die Hälfte der Breite der festste henden Elektrode beträgt, sich die Offsetabweichung verrin gert.

Somit besitzt die vorliegende Ausführungsform die fol gende Charakteristik:

a) Durchgangslöcher 23a, 23b, 27a, 27b sind an Wurzel teilen 22, 26 der befestigten Endseiten der vorspringenden feststehenden Elektroden 10 und 24 gebildet, und die Breite W1 der Wurzelabschnitte 22, 26 ist dadurch schmaler gebil det als die Breite W2 der feststehenden Elektroden 20, 24. Sogar wenn infolge einer thermischen Spannung oder derglei chen das tragende Substrat 5 gebogen wird, da die Breite von jedem der Wurzelabschnitte 22, 26 der feststehenden Elektroden 20, 24 schmal gestaltet worden ist, wird folg lich die Übertragung der Biegung des tragenden Substrats 5 auf die vorspringenden feststehenden Elektroden 20, 24 un terdrückt. Als Ergebnis wird eine Positionsfehlausrichtung zwischen den feststehenden Elektroden 20, 24 und den sich bewegenden Elektroden 16, 17 verhindert, und es werden Schwankungen des Sensorausgangs unterdrückt. Auf diese Weise ist es möglich einen stabilen Sensorausgang sogar dann zu erzielen, wenn sich die Gebrauchsumgebung ändert.
b) Der Sensor besitzt den Vorteil eines sogenannten differentiellen Sensortyps mit ersten und zweiten festste henden Elektroden 20, 24 für eine differentielle Erfassung einer Verschiebung der beweglichen Elektroden 16, 17 auf die Aktion einer Beschleunigung.
c) Der Sensor besitzt den Vorteil, dass die bewegli chen Elektroden 16, 17 und die feststehenden Elektroden 20, 24 jeweils die Form eines Kamms besitzen und die Breite W1 der Wurzelabschnitte der kammförmigen feststehenden Elek troden 20, 24 angemessen schmaler als die Breite W2 der kammförmigen feststehenden Elektroden 20, 24 ist.
d) Wenn insbesondere die Fehlerkonstante der bewegli chen Elektrodenbrückenstruktur 10 mit Km bezeichnet wird und die Fehlerkonstante der feststehenden Elektrodenausle gerbrückenstrukturen 11, 12 mit Kf bezeichnet werden, er gibt sich, da die Beziehung KF ≧ Km × 100 erfüllt wird, den Vorteil, dass sich die feststehenden Elektroden nicht bewe gen, wenn eine Beschleunigung aufgebracht wird.
e) Eine Variation der relativen Positionen der beweg lichen Elektroden 16, 17 und der feststehenden Elektroden 20, 24 wird als Kapazitätsvariation zwischen den Elektroden erfasst, und wenn ein derartiger Kapazitätslösungsweg ver wendet wird, werden die parasitären Kapazitäten CP1, CP2 der feststehenden Elektrodenzwischenverbindungen zwischen den feststehenden Elektrodenauslegerbrückenstrukturen 11, 12 und dem tragenden Substrat 5 gebildet; sogar wenn bei diesem Sensor eine Positionsfehlausrichtung der Masken auf tritt, d. h. wenn die relative Positionsbeziehung zwischen den feststehenden Elektrodenauslegerbrückenstrukturen 11, 12 und dem tragenden Substrat 5 ausgerichtet ist, können jedoch Komponenten der parasitären Kapazitäten CP1, CP2, welche sich auf die Fehlausrichtung beziehen, verringert werden. Als Ergebnis kann eine Verbesserung beim Offset er zielt werden.
f) Da die Breite W1 der Wurzelabschnitte 22, 26 der feststehenden Elektroden angemessen nicht größer als die Hälfte der Breite W2 der feststehenden Elektroden 20, 24 gestaltet wird, wird der Fehler des Sensorausgangs verrin gert.

Weitere Beispiele

Bei einer Konstruktion, welche diejenige von Fig. 2 er setzt, ist wie in Fig. 13A dargestellt das Durchgangsloch 8 (siehe Fig. 2) nicht in dem tragenden Substrat 5 vorgese hen, und die beweglichen und feststehenden Elektroden sind mittels des in der Isolierschicht 6 vorgesehenen Durch gangslochs 9 beweglich gemacht. Zur Zeit der Herstellung wird wie in Fig. 13B dargestellt ein SOI-Wafer vorbereitet bzw. präpariert; es wird ein Graben (23a usw.) in der Sili ziumdünnschicht 7 wie in Fig. 13C dargestellt durch Ätzen gebildet; und es wird danach wie in Fig. 13A dargestellt ein Opferschichtätzen in einem vorbestimmten Gebiet der Isolierschicht 6 durchgeführt, um das Durchgangsloch 9 zu bilden.

Oder als Ersatz einer Konstruktion, welche diejenigen von Fig. 1 und 2 ersetzt, wird wie in Fig. 14A und 14B dargestellt anstelle der Verwendung eines SOI-Substrats eine Siliziumdünnschicht 71 direkt auf ein isolierendes Substrat 70 gebondet, und die beweglichen und feststehenden Elektroden werden durch eine in dem isolierenden Substrat 70 gebildete Austiefung beweglich gemacht. Zur Zeit der Herstellung wird das isolierende Substrat 70 präpariert und die Austiefung 72 in einem vorbestimmten Gebiet des isolie renden Substrats 70 wie in Fig. 15A dargestellt gebildet; das isolierende Substrat 70 wird wie in Fig. 15B darge stellt an einem Siliziumwafer 71 befestigt; der Siliziumwa fer 71 wird wie in Fig. 15C dargestellt bis auf eine Dünn schicht abgeschliffen; und danach wird ein Graben (23a, 23b, 27a, 27b usw.) wie in Fig. 14A und 14B dargestellt durch Ätzen in der Siliziumdünnschicht 71 gebildet.

Oder es wird als Konstruktion, welche diejenige von Fig. 2 ersetzt, wie in Fig. 16A dargestellt anstelle der Verwendung eines SOI-Substrats eine Siliziumdünnschicht 81 direkt auf ein isolierendes Substrat 80 gebondet, und es werden die beweglichen und feststehenden Elektroden durch eine in dem isolierenden Substrat 80 gebildete Austiefung 82 beweglich gemacht. Zur Zeit der Herstellung wird ein Si liziumsubstrat 81 präpariert, und es wird die Austiefung 82 in einem vorbestimmten Gebiet des Siliziumsubstrats 81 wie in Fig. 16B dargestellt gebildet; das isolierende Substrat 80 und das Siliziumsubstrat 81 werden zusammen angeordnet bzw. befestigt, und das Siliziumsubstrat 81 wird danach wie in Fig. 16C dargestellt zu einer Dünnschicht abgeschliffen, und danach wird ein Graben (23a usw.) durch Ätzen in der Siliziumdünnschicht 71 wie in Fig. 16A dargestellt gebil det.

Wohingegen in Fig. 1 und 2 Durchgangslöcher 23a, 23b (27a, 27b) an beiden Seiten des Wurzelabschnitts 22 (26) der feststehenden Elektrode 20 (24) bereitgestellt werden, kann entsprechend einem weiteren Beispiel ein Durchgangs loch lediglich an einer Seite vorgesehen werden. Jedoch ist die bevorzugte Form des Wurzelabschnitts der feststehenden Elektrode geeigneterweise eine schmale Form in der Mitte der kammförmigen feststehenden Elektrode.

Neben einem Halbleiterbeschleunigungssensor kann die vorliegende Ausführungsform ebenfalls auf einen Halbleiter winkelgeschwindigkeitssensor angewandt werden.

Zweite Ausführungsform

Bei dieser Ausführungsform wird die vorliegende Erfin dung ebenfalls auf einen Halbleiterbeschleunigungssensor eines differentiellen Kapazitätstyps als Beispiel eines Halbleitersensors für eine physikalische Größe eines Kapa zitätserfassungstyps angewandt, und diese zweite Ausfüh rungsform bezweckt einen Minimierung des Offsets des Sen sors durch Annahme einer Konstruktion, welche eine Positi onsabweichung einer Öffnung in eine Richtung hervorgerufen durch eine Prozessstreuung des Sensors toleriert. Fig. 21 zeigt eine Draufsicht auf diesen Halbleiterbeschleunigungs sensor 100, und Fig. 22 zeigt eine schematische Quer schnittsansicht entlang Linie XXII-XXII von Fig. 21.

Der Halbleiterbeschleunigungssensor (hiernach als Sen sor bezeichnet) 100 wird ähnlich wie der in Fig. 35 darge stellte Sensor unter Durchführung von bekannten Mikro-Mate rialbearbeitungsprozessen auf einem Halbleitersubstrat ge bildet. Wie in Fig. 22 dargestellt ist das Halbleiter substrat des Halbleiterbeschleunigungssensors 100 ein rechteckiges SOI-Substrat 10 mit einer Isolierschicht 13 als Isolierschicht zwischen einem ersten Siliziumsubstrat 11, welches als erste Halbleiterschicht dient, und einem zweiten Siliziumsubstrat 12, welches als zweite Halbleiter schicht dient, und das erste Siliziumsubstrat 11 und die Isolierschicht 13 sind äquivalent zu dem tragenden Substrat 20 anderwärts auf die Erfindung bezogen.

Eine rechteckige Öffnung 21 ist in dem tragenden Substrat 20 gebildet, welche von der Seite des zweiten Si liziumsubstrats 12 zu der gegenüberliegenden Seite dadurch hindurchtritt. Überhängende Strukturen, welche jeweils eine Kammform besitzen, die aus einem beweglichen Elektrodenteil 30 und feststehenden Elektroden 40, 50, 60 und 70 bestehen, werden durch Bildung von Gräben in dem zweiten Halbleiter substrat 12 geschaffen. Die Öffnung 21 wird durch Entfernen eines rechteckigen Gebiets des tragenden Substrats 20 unter den überhängenden Teilen 30 bis 70 gebildet.

Das bewegliche Elektrodenteil 30 ist derart angeordnet, dass es die Öffnung 21 zwischen einem gegenüberliegenden Paar von Seiten des Rands des tragenden Substrats 20 um die Öffnung herum kreuzt. Dieses bewegliche Elektrodenteil 30 ist aus Enden eines rechteckigen Gewichtsteils 31 gebildet, welches integriert an Ankerteile 33a und 33b durch Aufhän gungsteile 32 angeschlossen ist, welche aus rechteckigen Rahmen bestehen, und diese Ankerteile 33a und 33b werden an entgegengesetzten Seiten des Rands der Öffnung des tragen den Substrats 20 getragen bzw. gehalten. Als Ergebnis hän gen das Gewichtsteil 31 und die Aufhängungsteile 32 über der Öffnung 21.

Die rechteckigen Aufhängungsteile 32 besitzen eine Feh lerfunktion wie eine Verschiebung in eine Richtung senk recht zu der Längsrichtung der Stange bzw. des Blocks, wo durch es erlaubt wird das Gewichtsteil 31 in die Richtung des Pfeils X in Fig. 21 zu verschieben, wenn es einer Be schleunigung einschließlich einer Komponente in der Rich tung unterworfen wird, und der ursprüngliche Zustand wie derhergestellt wird, wenn die Beschleunigung beendet ist. Folglich kann das bewegliche Elektrodenteil 30, welches auf dem tragenden Substrat 20 an den Enden der Verschiebungs richtung (Richtung des Pfeils X) des Gewichtsteils 31 ge tragen wird, über der Öffnung 21 entsprechend einer aufge brachten Beschleunigung verschoben werden.

Ebenfalls besitzt das bewegliche Elektrodenteil 30 er ste herausragende Teile 34 und zweite herausragende Teile 35, welche integriert in entgegengesetzte Richtungen von den Seitenflächen des Gewichtsteils 31 in eine Richtung senkrecht zu der Verschiebungsrichtung (Richtung des Pfeils X) herausragen, und diese herausragenden Teile 34 und 35 hängen ebenfalls über der Öffnung 21 in dem tragenden Substrat 20. Diese herausragenden Teile 34 und 35 besitzen jeweils die Form einer im Querschnitt rechteckigen Stange bzw. eines Blocks.

Die feststehenden Elektroden 40 bis 70 werden durch ein anderes gegenüberliegendes Paar von Seiten des Rands des tragenden Substrats 20 um die Öffnung 21 herum getragen; d. h. die Seiten, wo die Ankerteile 33a und 33b nicht getra gen werden (hiernach die gegenüberliegenden Seiten für die feststehenden Elektroden). Die feststehenden Elektroden 40 und 50 sind als erstes feststehendes Elektrodenpaar vorge sehen, welche einander gegenüberliegend an Positionen auf den gegenüberliegenden Seiten für die feststehenden Elek troden von der Mitte versetzt auf das Ankerteil 33a zu (in Fig. 21 die oberen Positionen) angeordnet sind, und die feststehenden Elektroden 60 und 70 sind als zweites fest stehenden Elektrodenpaar vorgesehen, welche einander gegen überliegend an Positionen auf den gegenüberliegenden Seiten für die feststehenden Elektroden von der Mitte versetzt auf das Ankerteil 33b zu (in Fig. 21 die unteren Positionen) angeordnet sind. Die feststehenden Elektroden 40 bis 70 sind voneinander alle elektrisch unabhängig.

Das erste feststehende Elektrodenpaar 40, 50 besitzt Zwischenverbindungsteile 41 und 51, welche an den gegen überliegenden Seiten für die feststehenden Elektroden des tragenden Substrats 20 befestigt sind und dem Gewichtsteil 31 und den gegenüberliegenden Elektroden 42 und 52 gegen überliegen, welche parallel zu den Seitenflächen der ersten und zweiten herausragenden Teile 34 und 35 des beweglichen Elektrodenteils 30 mit einem vorbestimmten Erfassungsab stand (Erfassungslücke) dazwischen angeordnet sind. Die ge genüberliegenden Elektroden 42 und 52 werden durch die Zwi schenverbindungsteile 41 und 51 in Form eines Auslegers ge halten und hängen über der Öffnung 21 in dem tragenden Substrat 20.

Dabei ist das erste feststehende Elektrodenpaar 40, 50 ebenfalls aus einer feststehenden Elektrode 40, welche an der gegenüberliegenden Seite für die feststehenden Elektro den auf der Seite der ersten herausragenden Teile 43 (die linke Seite in Fig. 21) positioniert ist, und einer fest stehenden Elektrode 50 gebildet, welche an der gegenüber liegenden Seite für die feststehenden Elektroden auf der Seite der zweiten herausragenden Teile (der rechten Seite in Fig. 21) positioniert ist. Bezüglich der feststehenden Elektrode 40 bildet die gegenüberliegende Elektrode 42, welche den ersten herausragenden Teilen 34 gegenüberliegt, eine erste gegenüberliegende Elektrode, und das Zwischen verbindungsteil 41, welches diese erste gegenüberliegende Elektrode 42 trägt, bildet ein erstes Zwischenverbindungs teil; und bezüglich der feststehenden Elektrode 50 bildet die gegenüberliegende Elektrode 52, welche dem zweiten her ausragenden Teil 35 gegenüberliegt, eine zweite gegenüber liegende Elektrode, und das Zwischenverbindungsteil 51, welches diese zweite gegenüberliegende Elektrode 52 trägt, bildet ein zweites Zwischenverbindungsteil.

Das zweite feststehende Elektrodenpaar 60, 70 besitzt Zwischenverbindungsteile 61 und 71, welche an den gegen überliegenden Seiten für die feststehenden Elektroden des tragenden Substrats 20 befestigt sind und dem Gewichtsteil 31 und den gegenüberliegenden Elektroden 62 und 72 gegen überliegen, welche parallel mit den Seitenflächen der er sten und zweiten herausragenden Teile 34 und 35 des beweg lichen Elektrodenteils 30 mit einem vorbestimmten Erfas sungszwischenraum (Erfassungslücke) dazwischen angeordnet sind. Die gegenüberliegenden Elektroden 62 und 72 werden durch die Zwischenverbindungsteile 61 und 71 in Form eines Auslegers getragen und hängen über der Öffnung 21 in dem tragenden Substrat.

Dabei ist das zweite feststehende Elektrodenpaar 60, 70 ebenfalls aus einer feststehenden Elektrode 60, welche auf der gegenüberliegenden Seite für die feststehenden Elektro den auf der Seite des ersten herausragenden Teils (der lin ken Seite in Fig. 21) positioniert ist, und einer festste henden Elektrode 70 hergestellt, welche an der gegenüber liegenden Seite für die feststehenden Elektroden auf der Seite des zweiten herausragenden Teils 35 (der rechten Seite in Fig. 21) positioniert ist. Bezüglich der festste henden Elektrode 60 bildet die gegenüberliegende Elektrode 62, welche den ersten herausragenden Teilen 34 gegenüber liegt, eine erste gegenüberliegende Elektrode, und das Zwi schenverbindungsteil 61, welche diese erste gegenüberlie gende Elektrode 62 trägt, bildet ein erstes Zwischenverbin dungsteil; und bezüglich der feststehenden Elektrode bildet die gegenüberliegende Elektrode 72, welche den zweiten her ausragenden Teilen 35 gegenüberliegt, eine zweite gegen überliegende Elektrode, und das Zwischenverbindungsteil 71, welche diese zweite gegenüberliegende Elektrode 72 trägt, bildet ein zweites Zwischenverbindungsteil.

Um die Konstruktion der feststehenden Elektroden 40 bis 70 bei dieser Ausführungsform zusammenzufassen, das erste feststehende Elektrodenpaar 40, 50 ist aus einer festste henden Elektrode 40, welche aus dem ersten Zwischenverbin dungsteil 41 und der ersten gegenüberliegenden Elektrode 42 besteht, und aus einer feststehenden Elektrode 50 gebildet, welche aus dem zweiten Zwischenverbindungsteil 51 und der zweiten gegenüberliegenden Elektrode 52 besteht. Das zweite feststehende Elektrodenpaar 60, 70 ist aus einer festste henden Elektrode 60, welche aus dem ersten Zwischenverbin dungsteil 61 und der ersten gegenüberliegenden Elektrode 62 besteht, und aus der feststehenden Elektrode 70 gebildet, welche aus dem zweiten Zwischenverbindungsteil 71 und der zweiten gegenüberliegenden Elektrode 72 besteht.

Die gegenüberliegenden Elektroden 42 und 52 in dem er sten feststehenden Elektrodenpaar 40, 50 bilden Kapazitäten CS40, CS50 über den Erfassungslücken zwischen ihnen selbst und den herausragenden Teilen 34, 35 des ihnen gegenüber liegenden beweglichen Elektrodenteils 30. Die gegenüberlie genden Elektroden 62 und 72 in dem zweiten feststehenden Elektrodenpaar 60, 70 bilden Kapazitäten CS60, CS70 über den Erfassungslücken zwischen ihnen selbst und den heraus ragenden Teilen 34, 35 des ihnen gegenüberliegenden beweg lichen Elektrodenteils 30. In Fig. 21 sind diese Kapazitä ten CS40 bis CD70 mit Kondensatorsymbolen bezeichnet.

Die Summe (CS40 + CS50) der Kapazitäten CS40 und CS50, welche sich auf das erste feststehende Elektrodenpaar be ziehen, bildet eine erste Erfassungskapazität, und die Summe von (CS60 + CS70) der Kapazitäten CS60 und CS7 46988 00070 552 001000280000000200012000285914687700040 0002010036106 00004 468690, wel che sich auf das zweite feststehende Elektrodenpaar bezie hen, bildet eine zweite Erfassungskapazität. Wie in Fig. 21 dargestellt bestehen die gegenüberliegenden Elektroden je weils aus zwei im Querschnitt rechteckigen herausragenden Teilen, welche die Seitenflächen eines jeweiligen ihnen ge genüberliegenden herausragenden Teils schichtweise anord nen; dies dient der Erhöhung der gegenüberliegenden Berei che bzw. Flächen und dadurch der Erhöhung der Kapazitäten, um die Empfindlichkeit des Sensors zu verbessern.

In den ersten und zweiten feststehenden Elektrodenpaa ren 40, 50 und 60, 70 besitzen die elektrisch unabhängigen ersten Zwischenverbindungsteile 41, 61 und die zweiten Zwi schenverbindungsteile 51, 71 vorzugsweise im wesentlichen denselben Zwischenverbindungsbereich. In diesem Beispiel besitzen die vier Zwischenverbindungsteile 41 bis 71 alle dieselbe Form und dieselbe Zwischenverbindungsfläche. Und in vorbestimmten Positionen auf den Zwischenverbindungstei len 41, 51, 61 und 71 der feststehenden Elektroden auf dem tragenden Substrat 20 sind feststehende Elektrodenkon taktstellen bzw. Kontaktstellen der feststehenden Elektro den (fixed electrode pad) für ein Drahtbonden 41a, 51a, 61a und 71a gebildet.

Ebenfalls ist ein bewegliches Elektrodenzwischenverbin dungsteil 22, welches integriert an das Ankerteil 33b des beweglichen Elektrodenteils 30 angeschlossen ist, auf dem tragenden Substrat 20 gebildet. Und eine bewegliche Elek trodenkontaktstelle bzw. Kontaktstelle der beweglichen Elektrode (movable electrode pad) 23 zum Drahtbonden ist an einer vorbestimmten Position auf diesem Zwischenverbin dungsteil der beweglichen Elektrode 22 gebildet. Die Elek trodenkontaktstellen 23 und 41a bis 71a sind beispielsweise aus Aluminium gebildet.

Als nächstes wird auf der Grundlage der oben beschrie benen Konstruktion ein Verfahren zur Herstellung eines Sen sors 100 dieser Ausführungsform beschriebenen. Fig. 23A bis 23G zeigen schematische Querschnittsansichten entspre chend Fig. 22, welche einen Prozess zur Herstellung eines Sensors der oben beschriebenen Art veranschaulichen. Zuerst wird wie in Fig. 23A dargestellt ein SOI-Substrat 10 vorbe reitet, welches aus ersten und zweiten Siliziumsubstraten 11, 12 besteht, wobei die Ebenenausrichtung ihrer Oberflä chen beispielsweise auf (100) festgelegt ist und mit der oben beschriebenen Siliziumoxidschicht 13 dazwischen ver bunden sind (der nicht verarbeitete Zustand ist darge stellt).

Danach wird ein in Fig. 23B dargestellter Elektroden kontaktstellenbildungsprozess durchgeführt. In diesem Schritt wird Aluminium auf die gesamte Oberfläche des zwei ten Siliziumsubstrats 12 auf eine Dicke von beispielsweise 1 µm aufgetragen, und danach wird diese Aluminiumschicht un ter Verwendung von Fotolithographie und Ätzen zur Bildung der Elektrodenkontaktstellen 23 und 41a bis 71a struktu riert (in den Fig. 23A bis 23G ist lediglich die Kontakt stelle 71a dargestellt).

Von diesem Zustand ausgehend wird ein in Fig. 23C dar gestellter Dimensionierungs- bzw. Größeneinstellungsschritt durchgeführt. In diesem Schritt wird durch Schneiden und Polieren bzw. Schleifen der anderen Seite (der Seite an der entgegensetzten Seite von der Oxidschicht 13) des ersten Siliziumsubstrats 11 die Dimension der Dicke dieses Substrats 11 auf beispielsweise 300 µm eingestellt, und da nach wird auf dieser Seite eine Hochglanzverchromung durch geführt. Der Grund zur Verringerung der Dimension der Dicke des ersten Siliziumsubstrats 11 auf etwa 300 µm besteht darin die Ätztiefe zu verringern, wenn die Öffnung 21 durch anisotropes Ätzen wie oben beschrieben gebildet wird, und dadurch ein Ansteigen der durch das anisotrope Ätzen her vorgerufenen Dimensionen der Chipkonstruktion zu verhin dern.

Als nächstes wird ein in Fig. 23D dargestellter Masken bildungsschritt durchgeführt. In diesem Schritt wird eine Siliziumnitridschicht beispielsweise durch Plasma-CVD auf eine Dicke von 0,5 µm auf der gesamten Oberfläche (einer hochglanzverchromten Oberfläche) des ersten Silizium substrats 1 aufgetragen, und danach wird diese Siliziumni tridschicht unter Verwendung von Fotolithographie und Ätzen zur Bildung einer Maske strukturiert, um für die Bildung der Öffnung 21 durch Ätzen verwendet zu werden.

Danach wird ein in Fig. 23E dargestellter Grabenbil dungsschritt durchgeführt. In diesem Schritt wird ein nicht dargestelltes Resists, welches gegenüber einem Trockenätzen widerstandsfähig ist, auf einer Maske auf dem zweiten Sili ziumsubstrat 12 und den Elektrodenkontaktstellen 23 und 41a bis 71a gebildet, und es wird ein anisotropes Trockenätzen mit einer Trockenätzvorrichtung durchgeführt, um in dem zweiten Siliziumsubstrat 12 Gräben T1 zu bilden, welche die Siliziumoxidschicht 13 erreichen. Zu dieser Zeit wird das Muster einer Überhangsstruktur gebildet, welche aus dem be weglichen Elektrodenteil 30 und den feststehenden Elektro den 40 bis 70 (die feststehenden Elektroden 40, 50 sind nicht dargestellt) der in Fig. 21 dargestellten Art gebil det wird.

Von diesem Zustand ausgehend wird ein in Fig. 23F dar gestellter erster Ätzschritt durchgeführt. In diesem ersten Ätzschritt wird das zweite Siliziumsubstrat 12 selektiv von seiner anderen Seite (der Seite auf der entgegengesetzten Seite von der Oxidschicht) her unter Verwendung der Maske M1 und beispielsweise mit wässrigem KOH selektiv geätzt. Bei dieser Ausführungsform wird die Ätzzeit derart gehand habt, wobei das erste Siliziumsubstrat 11 bei einer Dicke von etwa 10 µm verbleibt. Und obwohl in den Figuren nicht veranschaulicht, wird vor dem Ausführen des ersten Ätz schritts die andere Seite des SOI-Substrats 10 mit einem Resist bedeckt, und dieses Resist wird beispielsweise nach der Beendung des ersten Ätzschritts entfernt.

Als nächstes wird wie in Fig. 23G dargestellt ein zwei ter Ätzschritt durchgeführt. Bei diesem zweiten Ätzschritt wird beispielsweise unter Durchführung eines Trockenätzens unter Verwendung einer Plasmaätzvorrichtung von der anderen Seite des ersten Siliziumsubstrats 11 eine Dicke von 10 µm, welche auf der Siliziumoxidschicht 13 in dem ersten Ätz schritt verblieben ist, entfernt, und dadurch wird die Rückseite (Unterseite) der Siliziumoxidschicht 13 bloßge legt. Bei diesem Trockenätzen wird zur selben Zeit eben falls die Maske M1 entfernt.

Als nächstes wird ein dritter Ätzschritt (Freisetzschritt) durchgeführt. Bei diesem dritten Ätz schritt wird unter Durchführung eines Ätzens mit einer auf HF basierenden Ätzflüssigkeit die Siliziumoxidschicht 13 entfernt. Als Ergebnis dieses dritten Ätzschritts wird die Öffnung 21 gebildet, und es werden das bewegliche Elektro denteil 30 und die feststehenden Elektroden 40 bis 70 frei gesetzt. Das SOI-Substrat wird danach in Sensorchips einer vorbestimmten Form (in diesem Beispiel ein Rechteck) durch Zersägen (dicing) geschnitten, und der in Fig. 21 und 22 dargestellte Sensor 100 wird dadurch fertiggestellt.

Im folgenden wird der Betrieb dieses Sensors 100 er klärt. Dieser Sensor 100 ist ein Beschleunigungssensor ei nes differentiellen Kapazitätstyps, welcher eine aufge brachte Beschleunigung auf der Grundlage einer Differenz zwischen der ersten Erfassungskapazität (CS40 + CS50) und der zweiten Erfassungskapazität (CS60 + CS70) erfasst, wenn das bewegliche Elektrodenteil 30 entsprechend der Beschleu nigung verschoben wird. Dementsprechend kann der grundle gende Betrieb auf der Grundlage von Fig. 24A und 24B be schrieben werden.

In der Erfassungsschaltung des in Fig. 24A dargestell ten Halbleiterbeschleunigungssensors des differentiellen Kapazitätstyps sind die erste Erfassungskapazität CS1 und die zweite Erfassungskapazität CS2 jeweils äquivalent zu der ersten Erfassungskapazität (CS40 + CS50) und der zwei ten Erfassungskapazität (CS60 + CS70) in dem Sensor 100. Ebenfalls sind in Fig. 21 parasitäre Kapazitäten CP3 und CP40 bis CP70 dargestellt, und es ergibt sich die folgende Beziehung zwischen diesen parasitären Kapazitäten und den parasitären Kapazitäten CP1 bis CP3 von Fig. 24:
Zuerst ist die parasitäre Kapazität CP1, welche sich auf das erste feststehende Elektrodenpaar 40 und 50 be zieht, äquivalent zu der Summe (CP40 + CP50) einer Kapazi tät CP40 zwischen dem ersten Zwischenverbindungsteil 41 und dem tragenden Substrat 20 und einer Kapazität 50 zwischen dem zweiten Zwischenverbindungsteil 51 und dem tragenden Substrat 20. Und die parasitäre Kapazität CP2, welche sich auf das zweite feststehende Elektrodenpaar 60 und 70 be zieht, ist äquivalent zu der Summe (CP60 + CP70) einer Ka pazität CP60 zwischen dem ersten Zwischenverbindungsteil 61 und dem tragenden Substrat 20 und einer Kapazität CP70 zwi schen dem zweiten Zwischenverbindungsteil 71 und dem tra genden Substrat 20. Und die parasitären Kapazität CP3, wel che sich auf das bewegliche Elektrodenteil 30 bezieht, ist äquivalent zu einer Kapazität CP3 zwischen dem beweglichen Elektrodenzwischenverbindungsteil 22 und dem tragenden Substrat 20.

Bei diesem Sensor 100 wird ebenfalls eine Wellen formoperation der in dem Zeitablaufsdiagramm von Fig. 24B dargestellten Art bewirkt. D. h. bei diesem Sensor 100 wird beispielsweise eine Trägerwelle 1 (mit einer Frequenz von 100 kHZ und einer Amplitude von 0 bis 5 V) den feststehenden Elektroden 40 und 50 durch die feststehenden Elektrodenkon taktstellen 41a und 51a eingegeben, es wird eine Träger welle 2 (mit einer Frequenz von 100 kHz und einer Amplitude von 0 bis 5 V), welche bezüglich der Trägerwelle 1 um 180° phasenversetzt ist, den zweiten feststehenden Elektroden 60 und 70 durch die feststehenden Elektrodenkontaktstellen 61a und 71a eingegeben, und es wird der Schalter J12 des SC-Schaltkreises J10 mit dem in der Figur dargestellten Zeit ablauf geöffnet und geschlossen.

Wenn bei diesem Sensor 100 das bewegliche Elektroden teil 30 einer Beschleunigung in der Erfassungsrichtung un terworfen wird, verschiebt sich das Gewichtsteil 31 in die Richtung des Pfeils X von Fig. 21, und der Erfassungszwi schenraum zwischen den herausragenden Teilen 34 und 35 und den gegenüberliegenden Elektroden 42, 52, 62 und 72 schwankt. Folglich ändern sich die oben beschriebenen Kapa zitäten CS40 bis CS70. Diese Änderung wird wie durch Glei chung (1) ausgedrückt als Spannungswert Vo entsprechend der Differenz zwischen der ersten Erfassungskapazität CS1 (d. h. CS40 + CS50) und der zweiten Erfassungskapazität CS2 (d. h. CS60 + CS70) ausgegeben. Dieser Spannungswert wird als auf gebrachte Beschleunigung erfasst.

Dabei zeigen Fig. 25A und 25B ein Beispiel, bei wel chem in dem Sensor 100 infolge einer Prozessstreuung des Sensors wie bei dem Beispiel der Positionsfehlausrichtung der Maske M1 in Fig. 23A bis 23G die Öffnung 21 in einer Richtung aus ihrer Position versetzt ist. Fig. 25B zeigt einen Fall, bei welchem die rechteckige Öffnung 21 bezüg lich ihrer Position von den geforderten Zustand (Fig. 25A) auf die rechte Seite ohne eine Änderung der Form oder der Größe abgewichen ist. Die gestrichelten Linien von Fig. 25B zeigen die Position der Öffnung 21 in Fig. 25A.

Da die Zwischenverbindungsbereiche bzw. -flächen der Zwischenverbindungsteile 41, 51, 61 und 71 in den festste henden Elektroden Bereiche bzw. Flächen des Kontakts mit dem tragenden Substrat 20 wie durch die schraffierten Ab schnitte in Fig. 25A und 25B dargestellt sind, werden sie mit S(40), S(50), S(60) und S(70) bezeichnet. Da bei diesem Beispiel die vier Zwischenverbindungsteile 41, 51, 61 und 71 alle dieselbe Form und dieselbe Größe besitzen, sind S(40) bis S(70) im wesentlichen gleich. Wenn der Zwi schenverbindungsbereich der ersten feststehenden Elektroden 40, 50 mit S1 bezeichnet wird und der Zwischenverbindungs bereich der zweiten feststehenden Elektroden 60, 70 mit S2 bezeichnet wird, dann werden in dem in Fig. 25A dargestell ten Zustand die Zwischenverbindungsbereiche S1, S2 durch die folgende Gleichung (3) gegeben:

S1 = S(40) + S(50)
S2 = S(60) + S(70) (3)

Als nächstes werden die jeweiligen Zwischenverbindungs flächen der Zwischenverbindungsteile 41, 51, 61 und 71 der feststehenden Elektroden mit der Öffnung 21, welche bezüg lich der Position wie in Fig. 25B dargestellt fehlausge richtet ist, mit S'(40), S'(50), S'(60) und S'(70) bezeich net. Wenn dabei die Änderung in jedem der Zwischenverbin dungsflächen mit dx bezeichnet wird, dann werden S'(40), S'(50), S'(60) und S'(70) durch die folgende Gleichung 4 gegeben:

S'(40) = S(40) + dx
S'(50) = S(50) - dx
S'(60) = S(60) + dx
S'(70) = S(70) - dx (4)

In dem in Fig. 25B dargestellten Zustand sind die Zwi schenverbindungsfläche S1 der ersten feststehenden Elektro den 40, 50 und die Zwischenverbindungsfläche S2 der zweiten feststehenden Elektroden 60, 70 durch die folgende Glei chung (5) gegeben:

S1 = S'(40) + S'(50) = S(40) + dx + S(50) - dx
= S(40) + S(50)
S2 = S'(60) + S'(70) = S(60) + dx + S(70) - dx
= S(60) + S(70) (5)

Wenn somit bei dieser Ausführungsform die Öffnung 21 in einer Richtung aus ihrer Position versetzt ist, da bei je dem der ersten und zweiten feststehenden Elektrodenpaare beispielsweise die Fläche, welche zu der parasitären Kapa zität beiträgt, auf der Seite der ersten Zwischenverbindung 41, 61 erhöht ist und auf der Seite der zweiten Zwischen verbindungsteile 51, 71 verringert ist, ist als Ergebnis die Streuung der parasitären Kapazität der Zwischenverbin dungsteile, welche durch die Positionsfehlausrichtung der Öffnung 21 hervorgerufen wird, verringert.

Wenn insbesondere die ersten Zwischenverbindungsteile 41, 61 und die zweiten Zwischenverbindungsteile 51, 71 der art gestaltet sind, dass sie im wesentlichen zueinander dieselbe Größe und Form besitzen, besteht der Vorteil, dass das Ansteigen und das Verringern der parasitären Kapazität hervorgerufen durch die Positionsfehlausrichtung der Öff nung 21 vollständig aufgehoben werden kann. Da in diesem Beispiel die vier Zwischenverbindungsteile 41 bis 71 die selbe Form und Zwischenverbindungsfläche wie durch die obige Gleichung (5) dargestellt besitzen, entsteht kein Un terschied in der Fläche zwischen den Zwischenverbindungs flächen S1 und S2 als Ergebnis der Positionsfehlausrichtung der Öffnung 21.

Da die Differenz (CP1-CP2) zwischen den parasitären Ka pazitäten CP1 und CP2 nicht als Konsequenz einer Positions fehlausrichtung der Öffnung 21 wie aus der obigen Gleichung (1) zu sehen variiert, ist es möglich zu verhindern, dass bei dem Sensoroffset eine Streuung auftritt und dass er groß wird. Auf diese Weise ist es bei dieser Ausführungs form sogar dann möglich den Offset des Sensors zu minimie ren, wenn dort eine Streuung der parasitären Kapazität der Zwischenverbindungsteile der feststehenden Elektroden vor liegt, welche durch eine Positionsfehlausrichtung der Öff nung in einer Richtung resultierend aus der Prozessstreuung des Sensors auftritt.

Dritte Ausführungsform

Bei dieser Ausführungsform wird die vorliegende Erfin dung ebenfalls auf einen Halbleiterbeschleunigungssensor des differentiellen Kapazitätstyps angewandt, jedoch zielt die dritte Ausführungsform darauf ab es zu ermöglichen den Offset des Sensors durch Annahme einer Konstruktion zu mi nimieren, welche nicht nur eine Positionsabweichung einer Öffnung in eine Richtung hervorgerufen durch eine Prozess streuung des Sensors toleriert, sondern ebenfalls eine Formabweichung der Öffnung und eine Dickenstreuung der Iso lierschicht des Siliziumsubstrats toleriert. Fig. 26 zeigt eine Draufsicht auf diesen Halbleiterbeschleunigungssensors 200, und Fig. 27 zeigt eine schematische Querschnittsan sicht entlang Linie XXVII-XXVII von Fig. 26.

Der Halbleiterbeschleunigungssensor (hiernach als Sen sor bezeichnet) 200 wie der Sensor der oben beschriebenen zweiten Ausführungsform wird unter Durchführung von bekann ten Mikro-Materialbearbeitungsprozessen auf einem SOI- Substrat 10 gebildet. Wie bei der zweiten Ausführungsform werden kammförmige Überhangstrukturen, welche aus einem be weglichen Elektrodenteil 230 und ersten und zweiten fest stehenden Elektrodenteilen 240, 250 bestehen, durch Bildung von Gräben in einen zweiten Siliziumsubstrat 12 geschaffen, und es wird eine Öffnung 21 durch Entfernen eines recht eckigen Gebiets in dem tragenden Substrat 20 gebildet, wo die Überhangstrukturen 230 bis 270 gebildet werden.

Das bewegliche Elektrodenteil 230 ist derart angeord net, dass es die Öffnung 21 zwischen einem gegenüberliegen den Paar von Seiten des Rands des tragenden Substrats 20 um die Öffnung herum kreuzt. Dieses bewegliche Elektrodenteil 250 besitzt das bewegliche Elektrodenteil der zweiten Aus führungsform als seine Basisstruktur. D. h. das bewegliche Elektrodenteil 230 ist aus Seiten eines rechteckigen Ge wichtsteils 31 gebildet, welche integriert mit Ankerteilen 233a und 233b durch Aufhängungsteile 232 verbunden sind, die aus rechteckigen Rahmen bestehen, und diese Ankerteile 233a und 233b werden auf gegenüberliegenden Seiten der Öff nung in dem tragenden Substrat 20 gehalten bzw. getragen.

Dabei besitzen die Aufhängungsteile 232 dieselbe Feh lerfunktion wie ihre Gegenstücke bei der zweiten Ausfüh rungsform, und das bewegliche Elektrodenteil 230 kann über die Öffnung 21 in die Richtung des Pfeils X entsprechend Fig. 26 in Übereinstimmung mit einer aufgebrachten Be schleunigung verschoben werden. Ebenfalls besitzt das be wegliche Elektrodenteil 230 erste herausragende Teile 243 und zweite herausragende Teile 235, welche integriert in entgegensetzte Richtungen von den Seitenflächen des Ge wichtsteils 231 in eine Richtung senkrecht zu der oben be schriebenen Verschiebungsrichtung herausragen. Diese her ausragenden Teile 234 und 215 sind jeweils in Form einer im Querschnitt rechteckigen Stange gebildet.

Das erste feststehende Elektrodenteil 240 besitzt inte griert ein Zwischenverbindungsteil 241, welches an dem Rand der Öffnung in dem Tragesubstrat 20 befestigt ist und dem Gewichtsteil 231 gegenüberliegt, und beispielsweise drei gegenüberliegende Elektroden 242, welche parallel mit Sei tenflächen der ersten herausragenden Teile 234 des bewegli chen Elektrodenteils 230 mit einem vorbestimmten Erfas sungszwischenraum (Erfassungslücke) dazwischen angeordnet sind. Die gegenüberliegenden Elektroden 242 werden durch das Zwischenverbindungsteil 241 in einer Auslegerform ge halten bzw. getragen und hängen über der Öffnung 21 in dem tragenden Substrat 20.

Das zweite feststehende Elektrodenteil 250 besitzt in tegriert ein Zwischenverbindungsteil 251, welches an dem Rand der Öffnung in dem tragenden Substrat 20 befestigt ist und dem Gewichtsteil 231 gegenüberliegt, und beispielsweise drei gegenüberliegende Elektroden 252, welche parallel mit Seitenflächen der zweiten herausragenden Teile 235 des be weglichen Elektrodenteils 230 mit einem vorbestimmten Er fassungszwischenraum (Erfassungslücke) dazwischen angeord net sind. Die gegenüberliegenden Elektroden 252 werden durch das Zwischenverbindungsteil 251 in Auslegerform ge halten bzw. getragen und hängen in der Öffnung 21 in dem tragenden Substrat 20 über.

Dabei sind die gegenüberliegenden Elektroden 242, 252 jeweils in Form einer im Querschnitt rechteckigen Stange bzw eines Blocks gebildet. Feststehende Elektrodenkon taktstellen zum Drahtbonden 241a und 251 zum Extrahieren von Signalen nach außen sind an vorbestimmten Positionen auf den Zwischenverbindungsteilen 241 und 251 gebildet. Ein bewegliches Elektrodenzwischenverbindungsteil bzw. ein Zwi schenverbindungsteil der beweglichen Elektrode (movable electrode interconnection part) 222, welches integriert mit dem Ankerteil 233b des beweglichen Elektrodenteils 230 ver bunden ist, ist auf dem tragenden Substrat 20 gebildet, und es ist eine bewegliche Elektrodenkontaktstelle 223 zum Drahtbonden an einer vorbestimmten Position auf diesem be weglichen Elektrodenzwischenverbindungsteil 222 gebildet. Die Elektrodenkontaktstellen 223, 241a und 251a sind bei spielsweise aus Aluminium hergestellt.

Ebenfalls besitzen das Gewichtsteil 231, die Ankerteile 233a, 233b und die ersten und zweiten herausragenden Teile 234, 235 des beweglichen Elektrodenteils 230 und der gegen überliegenden Elektroden 242, 252 und die feststehenden Elektroden 242, 252 der feststehenden Elektrodenteile einen "Rahmen" bzw. eine starre Rahmenstruktur ("rahmen" rigid frame structure) der in Fig. 26 dargestellten Art. D. h. die rechteckigen Durchgangslöcher 236 sind in diesen Teilen ge bildet, treten durch sie von der Seite der Öffnung 21 hin durch, und es wird mittels dieser Durchgangslöcher 236 die Form eines sogenannten "Rahmens" bzw. einer starren Rahmen struktur gebildet, welche aus vielen kombinierten recht eckigen rahmenförmigen Teilen besteht. Auf diese Weise sind das bewegliche Elektrodenteil 230 und die gegenüberliegen den Elektroden 242, 252 leicht gemacht, und es ist ihre Verdrehungsstärke erhöht.

Es sind ebenfalls viele rechteckige Durchgangslöcher 262, welche miteinander in der Form eines Rahmens einer starren Rahmenstruktur verbunden sind, dort gebildet, wo die Zwischenverbindungsteile 241 und 251 das tragende Substrat 20 überlappen, und wie in Fig. 26 dargestellt tre ten Teile dieser Durchgangslöcher 260 von der Oberfläche der Zwischenverbindungsteile 241, 251 bis zu dem tragenden Substrat 20 hindurch. Diese in den Zwischenverbindungstei len gebildeten Durchgangslöcher 260 bilden Lücken, wo Ab schnitte der Zwischenverbindungsteile entfernt worden sind wie bezüglich der Erfindung beschrieben, und die Oxid schicht 13 des tragenden Substrats 20 ist durch diese Durchgangslöcher 262 bloßgelegt.

Ebenfalls ist bei diesem Halbleiterbeschleunigungssen sor 200 eine erste Erfassungskapazität (erster Kondensator) (CS1) zwischen dem ersten herausragenden Teilen 234 des be weglichen Elektrodenteils 230 und den gegenüberliegenden Elektroden 242 des ersten feststehenden Elektrodenteils 240 gebildet, und es ist eine zweite Erfassungskapazität (zweiter Kondensator) zwischen den zweiten herausragenden Teilen 235 des beweglichen Elektrodenteils 230 und den ge genüberliegenden Elektroden 252 des zweiten feststehenden Elektrodenteils 250 gebildet. Wenn folglich bei diesem Halbleiterbeschleunigungssensor 200 ebenfalls das bewegli che Elektrodenteil 230 sich entsprechend der Aufbringung der Beschleunigung verschiebt, kann die aufgebrachte Be schleunigung auf der Grundlage der Differenz zwischen der ersten Erfassungskapazität CS1 und der zweiten Erfassungs kapazität CS2 erfasst werden, somit kann der grundlegende Betrieb auf der Grundlage von Fig. 24A und 24B wie oben erörtert erklärt werden.

Die Beziehung zwischen den parasitären Kapazitäten CP1 bis CP3 von Fig. 24A und den parasitären Kapazitäten des Halbleiterbeschleunigungssensors 200 ist wie folgt: die pa rasitäre Kapazität CP1 an dem ersten feststehenden Elektro denteil 240 ist die Kapazität zwischen dem Zwischenverbin dungsteil 241 und dem tragenden Substrat 20; die parasitäre Kapazität CP2 an dem zweiten feststehenden Elektrodenteil 250 ist die Kapazität zwischen dem Zwischenverbindungsteil 251 und dem tragenden Substrat 20; und die parasitäre Kapa zität CP3 an dem beweglichen Elektrodenteil 230 ist die Ka pazität zwischen dem beweglichen Elektrodenteil 222 und dem tragenden Substrat 20.

Und bei diesem Sensor wird wie bei der zweiten Ausfüh rungsform wie in Fig. 24A und 24B dargestellt beispiels weise eine Trägerwelle (mit einer Frequenz von 100 kHz und einer Amplitude von 0 bis 5 V) dem ersten feststehenden Elektrodenteil 240 durch die feststehende Elektrodenkon taktstelle 241a eingegeben, es wird eine Trägerwelle 2 (mit einer Frequenz von 100 kHz und einer Amplitude von 0 bis 5 V), welche bezüglich der Trägerwelle 1 um 180° phasenver setzt ist, dem zweiten feststehenden Elektrodenteil 250 durch die Zwischenverbindungskontaktstelle 251a eingegeben, und es wird der Schalter J12 des SC-Schaltkreises J10 mit dem in der Figur dargestellten Zeitablauf geöffnet und ge schlossen.

Wenn bei diesem Halbleiterbeschleunigungssensor 200 das bewegliche Elektrodenteil 230 einer Beschleunigung in der Erfassungsrichtung unterliegt, verschiebt sich das Ge wichtsteil 231 in Richtung des Pfeils X entsprechend Fig. 26, und der Erfassungszwischenraum zwischen den herausra genden Teilen 234 und 235 und den gegenüberliegenden Elek troden 242, 252 schwankt. Diese Änderung wird als Span nungswert Vo wie durch die obige Gleichung (1) dargestellt entsprechend der Differenz zwischen der ersten Erfassungs kapazität CS1 und der zweiten Erfassungskapazität CS2 aus gegeben. Dieser Spannungswert Vo wird als aufgebrachte Be schleunigung erfasst.

Bei dieser Ausführungsfcrm können im Vergleich zu den Zwischenverbindungsteilen der feststehenden Elektrodenteile bei dem Stand der Technik die Zwischenverbindungsbereiche bzw. -flächen der Zwischenverbindungsteile 241, 251 selbst um einen Betrag entsprechend den Durchgangslöchern (Lücken) 260 kleiner gemacht werden. Sogar wenn eine Positionsabwei chung oder Formabweichung der Öffnung 21 hervorgerufen durch eine Prozessstreuung auftritt oder wenn eine Dicken streuung in der Oxidschicht (Isolierschicht) 13 des tragen den Substrats 20 auftritt, kann folglich die Änderung der parasitären Kapazitäten der Zwischenverbindungsteile 241 und 251 klein gemacht werden. Sogar wenn die parasitären Kapazitäten der Zwischenverbindungsteile 241 und 251 der feststehenden Elektrodenteile 240, 250 infolge einer Pro zessstreuung des Sensors variieren, kann daher der Offset des Sensors minimiert werden.

Die Lücken bei dieser Ausführungsform können wie in Fig. 28A und 28B dargestellt alternativ konstruiert werden (erstes Modifizierungsbeispiel). Fig. 28A zeigt eine Drauf sicht und Fig. 28B zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Linie XXVIIIB-XXVIIIB von Fig. 28A. Bei diesem Beispiel sind die Lücken aus rechteckigen Durchgangslöchern 262 und den Lückengebieten 263 gebildet, und es können dieselben Effekte wie jene der oben beschriebenen vorliegenden Aus führungsform erzielt werden. Dieselben Effekte können eben falls durch Bereitstellung der Lücken in der Ausführungs form in Form eines großen Durchgangslochs 261 (zweites Mo difizierungsbeispiel) der in Fig. 29 dargestellten Art er langt werden.

Jedoch wird insbesondere für die Lücken bevorzugt, dass sie als Mehrzahl von rechteckigen Durchgangslöcher 260, welche miteinander verbunden sind, in Form eines "Rahmens" bzw. einer starren Rahmenstruktur wie in Fig. 26 darge stellt bereitgestellt werden, da dies die Stärke (Verdrehungsstärke und dergleichen) der Zwischenverbin dungsteile 241 und 251 erhöht. Der Halbleiterbeschleuni gungssensor 200 dieser Ausführungsform kann ebenfalls durch das in Fig. 23A bis 23G veranschaulichte Verfahren her gestellt werden, und die Lücken 236 und 260 bis 263 können in dem oben beschriebenen Grabenbildungsschritt hergestellt werden.

Ein Effekt dieser Ausführungsform ist insbesondere in Fig. 30 dargestellt. Diese Figur zeigt die Ergebnisse einer Untersuchung bezüglich der Beziehung zwischen dem Grad ei ner Positionsabweichung der Öffnung 21 von der Zielposition (der Position 0 µm auf der horizontalen Achse in Fig. 30) hervorgerufen durch Prozessstreuung des Sensors und dem Ausgang, wenn die Beschleunigung gleich null ist (Offset). Entsprechend Fig. 30 wird der Grad der Positionsabweichung (Einheiten: µm) auf der horizontalen Achse dargestellt, und der 0G-Fehler (Einheiten: mV) oder der Offset wird auf der vertikalen Achse dargestellt. Wie aus Fig. 30 ersichtlich wird im Vergleich mit einem Sensor der verwandten Technik, welcher keine Lücken besitzt, bei diesem Halbleiterbe schleunigungssensor 200 eine Positionsabweichung der Öff nung nahezu ohne Offset hervorgerufen. Es hat sich eben falls gezeigt, dass dieselbe Wirkung wie die in Fig. 30 dargestellte mit dem Sensor der oben beschriebenen zweiten Ausführungsform erzielt werden kann.

Vierte Ausführungsform

Bei dieser Ausführungsfarm wird die vorliegende Erfin dung ebenfalls auf einen Halbleiterbeschleunigungssensor des differentiellen Kapazitätstyps angewandt, jedoch zielt die vierte Ausführungsform darauf ab eine Offsetstreuung des Sensors durch Annahme einer Konstruktion zu minimieren, welche es ermöglicht die parasitären Kapazitäten zwischen dem Draht für die bewegliche Elektrode und den Drähten für die feststehenden Elektroden zu reduzieren. Fig. 31 zeigt eine Ansicht dieses Halbleiterbeschleunigungssensors 300, und Fig. 32 zeigt eine schematische Querschnittsansicht entlang Linie XXXII-XXXII von Fig. 31. Dieser Halbleiterbe schleunigungssensor 300 gründet sich auf der Struktur und dem Betrieb des in Fig. 26 und 27 dargestellten Sensors, und die Teilen in Fig. 31 und 32, welche dieselben Teile wie diejenigen in Fig. 26 und 27 sind, sind mit densel ben Bezugszeichen bezeichnet und deren Beschreibung wird abgekürzt, wobei die hauptsächlichen Punkte eines Unter schieds im folgenden erörtert werden.

Der Halbleiterbeschleunigungssensor 300 besitzt ein tragendes Substrat 20, welches aus einem Halbleiter mit ei ner Öffnung 21 gebildet ist, die sich an einer darin gebil deten Seite öffnet; ein bewegliches Elektrodenteil 230, welches auf diesem tragenden Substrat 20 gehalten bzw. ge tragen wird, und sich über die Öffnung 21 in Richtung des Pfeils X von Fig. 31 entsprechend einer aufgebrachten Be schleunigung verschiebt; und ein erstes und zweites fest stehendes Elektrodenteil 240, 250, welche an dem tragenden Substrat 20 befestigt und dem beweglichen Elektrodenteil 230 gegenüberliegend angeordnet sind.

Obwohl dabei der Halbleiterbeschleunigungssensor 300 anders wie der in Fig. 26 dargestellte Sensor nicht mit Lücken in den Zwischenverbindungsteilen 241, 251 der fest stehenden Elektrodenteile 240 und 250 versehen ist, können diese alternativ vorgesehen werden. Bei diesem Halbleiter beschleunigungssensor 300 ist die Rückseite des tragenden Substrats 20 mittels eines Haftmittels 310 an einem Gehäuse 320 wie in Fig. 32 dargestellt befestigt. Eine externe Schaltung ist in dem Gehäuse 320 untergebracht.

Der Beschleunigungssensor 300 unterscheidet sich von dem Sensor von Fig. 26 dahingehend, dass das bewegliche Elektrodenzwischenverbindungsteil 222 integriert mit dem anderen Ankerteil 233a des beweglichen Elektrodenteils 220 verbunden gebildet ist. Und damit verbunden ändert sich ebenfalls die Anordnungsbeziehung zwischen der beweglichen Elektrodenkontaktstelle 223, an welche ein Draht W1 für ei nen elektrischen Anschluss des beweglichen Elektrodenteils 230 nach außen angeschlossen ist, und den feststehenden Elektrodenkontaktstellen 241a und 251a, an welche Drähte W2, W3 für einen elektrischen Anschluss der feststehenden Elektrodenteile 240, 250 nach außen angeschlossen sind, von derjenigen von Fig. 26.

D. h. anders als bei der Kontaktstellenanordnung bei der verwandten Technik, bei welcher die Kontaktstellen alle an derselben Seite der Öffnung in dem tragenden Substrat ange ordnet sind (siehe Fig. 35), sind die beweglichen Elektro denkontaktstelle 223 und die feststehenden Elektrodenkon taktstellen 241a, 251a an Orten gebildet, welche einander an entgegengesetzten Seiten der Öffnung in dem tragenden Substrat 20 gegenüberliegen. Und wenn als Ergebnis diese Art einer Kontaktstellenanordnung angenommen wird, ist der Draht (der Draht der beweglichen Elektrode) W1, welcher mit der beweglichen Elektrodenkontaktstelle 223 verbunden ist, um einen Abstand von über 80 µm von den Drähten (den Drähten der feststehenden Elektrode) W2 und W3 getrennt, welche mit den feststehenden Elektrodenkontaktstellen 241a, 251a ver bunden sind.

Dieser Halbleiterbeschleunigungssensor 300 kann eben falls wie der Sensor der dritten Ausführungsform durch das in Fig. 23A bis 23G veranschaulichte Verfahren herge stellt werden. Die Drähte W1 bis W3 sind durch Verbinden der Kontaktstellen 223, 241a und 251a mit der in dem Ge häuse 320 untergebrachten (nicht dargestellten) externen Schaltung durch Drahtbonden beispielsweise mit Aluminium (Al) oder Gold (Au) gebildet. Die Drähte W1 bis W3 besitzen einen Durchmesser von etwa 30 µm bis 50 µm wie normalerweise beim Drahtbonden verwendet, und ihre Länge beträgt bei spielsweise etwa 2 mm, obwohl sie nicht speziell beschränkt ist.

Die erste Erfassungskapazität CS1, die zweite Erfas sungskapazität CS2 und die parasitären Kapazitäten CP1 bis CP3 bei diesem Halbleiterbeschleunigungssensor 300 sind dieselben wie diejenigen, welche bei der zweiten Ausfüh rungsform erörtert worden sind, und der Erfassungsbetrieb ist ebenfalls derselbe. Bei dieser Ausführungsform beein flussen die parasitären Drahtkapazitäten von den Drähten W1 bis W3 den Erfassungsbetrieb, und eine Erfassungsschaltung einschließlich dieser parasitären Drahtkapazitäten kann auf dieselbe Weise wie diejenige erörtert werden, welche in Fig. 33 dargestellt ist.

Entsprechend Fig. 33 sind die Kapazitäten CS1, CS2, CP1 bis CP3 dieselben wie bei dem Sensor der dritten Ausfüh rungsform, die parasitäre Drahtkapazität CW1 entstammt von einem Kondensator, welcher zwischen dem Draht W1 der beweg lichen Elektrode und dem Draht CW2 der feststehenden Elek trode (auf der Seite der Kontaktstelle 241a der feststehen den Elektrode) gebildet ist, und die parasitäre Drahtkapa zität CW2 entstammt von einem Kondensator, welcher zwischen dem Draht W1 der beweglichen Elektrode und dem Draht CW3 der feststehenden Elektrode (auf der Seite der Kontakt stelle 251a der feststehenden Elektrode) gebildet ist.

Bei diesem Halbleiterbeschleunigungssensor 300 wird ebenfalls wie in Fig. 24A und 24B dargestellt beispiels weise die oben beschriebene Trägerwelle 1 dem ersten fest stehenden Elektrodenteil 240 durch die Kontaktstelle 241a der feststehenden Elektrode eingegeben, und es wird die oben beschriebene Trägerwelle 2 dem zweiten feststehenden Elektrodenteil 52 durch die Kontaktstelle 251a der festste henden Elektrode eingegeben, und es wird der Schalter J12 des SC-Schaltkreises J10 entsprechend dem in Fig. 24B dar gestellten Zeitablauf geöffnet und geschlossen. Wenn eine Beschleunigung aufgebracht wird, wird dabei die aufgebrach te Beschleunigung, wenn die parasitären Kapazitäten der Drähte enthalten sind, wie durch die oben beschriebene Gleichung (2) dargestellt erzielt.

Da bei dieser Ausführungsform die Kontaktstelle 223 der beweglichen Elektrode und die Kontaktstellen 241a, 251a der feststehenden Elektrode einander gegenüberliegend an entge gengesetzten Seiten der Öffnung in dem tragenden Substrat 20 im Vergleich mit einem Fall angeordnet sind, bei welchem die bewegliche Elektrodenkontaktstelle und die feststehen den Elektrodenkontaktstellen an derselben Seite der Öffnung angeordnet sind, ist der Abstand zwischen dem beweglichen Elektrodendraht W1 und den beweglichen Elektrodendrähten W2, W3 (Drahtzwischenraum) stark erhöht.

Folglich können die parasitären Drahtkapazitäten CW1 und CW2 verringert werden, und sogar dann, wenn die Drähte W1 bis W3 vibrieren oder bezüglich ihrer Position zur Zeit des Drahtbondens fehlausgerichtet sind, ist folglich die sich daraus ergebende Schwankung der parasitären Kapazitä ten CW1 und CW2 vom Standpunkt der Erfassungsschaltung als Ganzes aus betrachtet relativ klein. Somit ist es bei die ser Ausführungsform möglich die Offsetstreuung des Sensors zu minimieren.

Bei dieser Ausführungsform beträgt der Abstand zwischen dem beweglichen Elektrodendraht W1 und den feststehenden Elektrodendrähten W2 und W3 (Drahtabstand) wenigstens 80 µm. Dies ist ein bevorzugter Abstandsbereich, welcher als Er gebnisse von Studien erlangt wurde, die von den Erfindern dieser Erfindung auf der Grundlage des Konzepts dieser Aus führungsform eines Ansteigens des Drahtzwischenraums durch geführt worden ist, um die parasitären Kapazitäten CW1 und CW2 der Drähte zu verringern. Als Beispiel dieser Art von Studien ist ein Fall in Fig. 34A und 34B dargestellt, bei welchem die Drähte W1 bis W3 aus Al- oder Au-Drähten eines Durchmessers von 30 µm und einer Länge von 2 mm gebil det sind.

Fig. 34A stellt die Beziehung zwischen dem Drahtzwi schenraum und der parasitären Drahtkapazität CW1 oder CW2 dar, aus der ersichtlich ist, dass die Kapazität (Einheit: pF) bezüglich eines Punkts scharf ansteigt, wo der Drahtab stand auf unter 100 µm abfällt. Fig. 34B stellt die Bezie hung zwischen dem Drahtzwischenraum (Einheit: µm) und dem Ausgang des Sensors (Einheit: mV) dar, wenn der Drahtzwi schenraum infolge der oben beschriebenen Vibration oder der Positionsfehlausrichtung um 10 µm gedriftet ist.

Entsprechend den von den Erfindern der vorliegenden Er findung durchgeführten Studien wird es erwünscht, dass dann, wenn die Empfindlichkeit des Sensors ansteigt, der Offset (Ausgangsfehler) nicht größer als 10% ist. Da bei spielsweise entsprechend dem Beispiel der Studien der Aus gang des Sensors 40 mV/G beträgt (es wird ein Spannungswert von 40 mV pro Beschleunigung von 1 G ausgegeben), liegt der Offset vorzugsweise unter 4 mV. Aus Fig. 34B ist ersicht lich, daß dann, wenn der Drahtzwischenraum größer als 80 µm ist, es hinreichend ist, dass der Offset nicht größer als 4 mV ist.

Es wurde bestätigt, dass der in Fig. 34B dargestellte Trend unabhängig von dem Material und der Länge der Drähte anhält, wenn die Drähte einen normalen Durchmesser besitzen (beispielsweise einen Durchmesser von 30 µm bis 50 µm).

Obwohl wie oben erwähnt ein Drahtzwischenraum von we nigstens 80 µm bevorzugt wird, wobei eine Prozessstreuung beim Festlegen des Drahtzwischenraums und eine Ausgangs wertstreuung usw. berücksichtigt wird, beträgt der Draht zwischenraum vorzugsweise 100 µm oder mehr.

Weitere Ausführungsformen

Die Öffnung in dem tragenden Substrat muss lediglich an einer Seite des Substrats gebildet sein, und die andere Seite kann geschlossen sein. Diese Art von Öffnung kann beispielsweise durch Bildung eines Grabens in dem zweiten Siliziumsubstrat 12 in dem SOI-Substrat 10 und durch Ent fernen der Oxidschicht 13 als Opferschicht durch Ätzen ge bildet werden, wodurch eine Öffnung lediglich auf der Seite des zweiten Siliziumsubstrats 12 in dem tragenden Substrat 20 gebildet wird. Bei der zweiten und vierten Ausführungs form können Lücken der bezüglich der dritten Ausführungs form dargestellten Art in den Zwischenverbindungsteilen 41, 51, 61, 71, 241 und 251 gebildet werden.

Bei den dritten und vierten Ausführungsformen können nicht nur Sensoren des differentiellen Kapazitätstyps, son dern ebenfalls Halbleitersensoren für eine physikalische Größe des Kapazitätserfassungstyps im allgemeinen verwendet werden. In diesem Fall kann ebenfalls mittels des Effekts der Ausführungsformen des Unterdrückens einer Streuung der parasitären Kapazitäten der Einfluss der Streuung auf die erfassten Kapazitäten verringert werden, und es kann der Offset des Sensors verringert werden. Die Erfindung kann ebenfalls auf verschiedene andere Sensoren zur Erfassung von physikalischen Größen wie Winkelgeschwindigkeitssenso ren und Drucksensoren neben Halbleiterbeschleunigungssenso ren angewandt werden.

Vorstehend wurde ein Halbleitersensor für eine physika lische Größe offenbart, von welchem ein stabiler Sensoraus gang sogar dann erzielt werden kann, wenn sich die Ge brauchstemperatur verändert. Eine Siliziumdünnschicht ist auf einer Isolierschicht auf einem tragenden Substrat (5) angeordnet, und eine Brückenstruktur (10), welche ein Ge wichtsteil (15) und bewegliche Elektroden (16, 17) auf weist, und Auslegerstrukturen (11, 12), welche feststehende Elektroden (20, 24) aufweisen, sind als separate Abschnitte von dieser Siliziumdünnschicht gebildet. Die auf dem Ge wichtsteil vorgesehenen beweglichen Elektroden und die vor springenden feststehenden Elektroden sind einander gegen überliegend angeordnet. Schlitze (23a, 23b, 27a, 27b) sind an Wurzelabschnitten (22, 26) der vorspringenden festste henden Elektroden an den feststehenden Enden davon gebil det, und die Breite W1 der Wurzelabschnitte ist dadurch an gemessen schmaler gestaltet als die Breite W2 der festste henden Elektroden. Als Ergebnis wird die Übertragung einer Biegung des tragenden Substrats auf die vorspringenden feststehenden Elektroden unterdrückt.

Claims

1. Halbleitersensor für eine physikalische Größe mit:
einem tragenden Substrat (5);
einem Halbleitersubstrat für ein Sensorelement (7), welches von dem tragenden Substrat gehalten wird;
einer Brückenstruktur (10), welche in dem Halbleiter substrat für das Sensorelement gebildet ist, wobei die Brückenstruktur ein brückenähnliches Gewichtsteil (13a, 13b, 14a, 14b, 15) und eine auf dem Gewichtsteil vorgese hene bewegliche Elektrode (16) besitzt;
einer Auslegerstruktur (11), welche in dem Halbleiter substrat für das Sensorelement und von der Brückenstruktur abgetrennt gebildet ist, wobei die Auslegerstruktur eine vorspringende feststehende Elektrode (17) aufweist, welche der beweglichen Elektrode gegenüberliegend angeordnet ist;
wobei die Breite (W1) eines Wurzelabschnitts der vor springenden feststehenden Elektrode an einem feststehenden Ende davon schmaler als die Breite (W2) der feststehenden Elektrode ist und eine physikalische Größe auf der Grund lage einer Verschiebung der beweglichen Elektrode relativ zu der feststehenden Elektrode hervorgerufen durch eine Ak tion der physikalische Größe erfasst wird.

2. Halbleitersensor für eine physikalische Größe nach An spruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vorspringende feststehende Elektrode erste und zweite feststehende Elek troden enthält, welche vorgesehen sind, um die Verschiebung der beweglichen Elektrode differentiell zu erfassen, die der Aktion der physikalische Größe zugeordnet ist.

3. Halbleitersensor für eine physikalische Größe nach An spruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die bewegli che Elektrode als auch die feststehende Elektrode eine Kammform bilden und die Breite des Wurzelabschnitts an dem feststehenden Ende von einer kammförmigen feststehenden Elektrode schmaler als die Breite der kammförmigen festste henden Elektrode ist.

4. Halbleitersensor für eine physikalische Größe nach An spruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Kf ≧ Km × 100 gilt, wenn die Federkonstante der Brückenstruktur mit der beweg lichen Elektrode als Km bezeichnet wird und die Federkon stante der Auslegerstruktur mit der feststehenden Elektrode als Kf bezeichnet wird.

5. Halbleitersensor für eine physikalische Größe nach An spruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Änderung der relativen Position der beweglichen Elektrode und der fest stehenden Elektrode als Änderung der Kapazität zwischen zwei Elektroden erfasst wird.

6. Halbleitersensor für eine physikalische Größe nach An spruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des Wur zelabschnitts an dem feststehenden Ende der vorspringenden feststehenden Elektrode nicht größer als die Hälfte der Breite der feststehenden Elektrode ist.

7. Halbleitersensor für eine physikalische Größe mit:
einem tragenden Substrat (20), welches aus einem Halb leiter hergestellt ist und eine Öffnung (21) einer vorbe stimmten Form aufweist, wobei die Öffnung an einer Seite des tragenden Substrats gebildet ist;
einem beweglichen Elektrodenteil (30), welches von dem tragenden Substrat gehalten wird, zum Verschieben über die Öffnung entsprechend einer aufgebrachten physikalischen Größe;
einem ersten feststehenden Elektrodenabschnitt (40, 50), welcher eine erste Erfassungskapazität zwischen sich selbst und dem beweglichen Elektrodenteil definiert; und
einem zweiten feststehenden Elektrodenabschnitt (60, 70), welcher eine zweite Erfassungskapazität zwischen sich selbst und dem beweglichen Elektrodenteil definiert, wobei die aufgebrachte physikalische Größe auf der Grundlage der Differenz zwischen der ersten Erfassungskapazität und der zweiten Erfassungskapazität erfasst wird, wenn sich die be wegliche Elektrode entsprechend der aufgebrachten physika lischen Größe verschiebt,
wobei jeder der ersten und zweiten feststehenden Elek trodenabschnitte:
eine erste gegenüberliegende Elektrode (42, 62) und eine zweite gegenüberliegende Elektrode (52, 72), welche der beweglichen Elektrode über die Öffnung gegenüberliegend angeordnet ist; und
ein erstes Zwischenverbindungsteil (41, 61), welches an dem tragenden Substrat befestigt ist und die erste ge genüberliegende Elektrode hält, und ein zweites Zwischen verbindungsteil (51, 71) enthält, welches an dem tragenden Substrat befestigt ist und die zweiten gegenüberliegenden Elektroden hält, und
jedes der ersten und zweiten Zwischenverbindungsteile von jedem der ersten und zweiten feststehenden Elektroden abschnitte elektrisch unabhängig voneinander und einander gegenüberliegend an entgegengesetzten Seiten der Öffnung in dem tragenden Substrat angeordnet ist.

8. Halbleitersensor für eine physikalische Größe nach An spruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zwei ten Zwischenverbindungsteile (41, 51, 61, 71) im wesentli chen dieselbe Zwischenverbindungsfläche besitzen.

9. Halbleitersensor für eine physikalische Größe nach An spruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass
die Öffnung (21) in einem Rechteck gebildet ist;
das bewegliche Elektrodenteil (30) die Öffnung zwi schen einem Paar von entgegengesetzten Seitenwänden der Öffnung in dem tragenden Substrat (20) überkreuzend ange ordnet ist; und
die ersten und zweiten Zwischenverbindungsteile (41, 51, 61, 71) auf dem anderen Paar von entgegengesetzten Sei ten der Öffnung in dem tragenden Substrat angeordnet sind.

10. Halbleitersensor für eine physikalische Größe nach An spruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass
das bewegliche Elektrodenteil (30):
ein Gewichtsteil (31), welches von der Öffnung (21) durch deren Enden in einer Richtung gehalten wird, in wel cher sich die bewegliche Elektrode auf dem tragenden Substrat (20) an entgegengesetzten Seiten der Öffnung ver schiebt; und
erste und zweite herausragende Teile (34, 35) enthält, welche von diesem Gewichtsteil in wechselseitig entgegen setzten Richtungen senkrecht zu der Richtung herausragen, in welcher sich die bewegliche Elektrode verschiebt,
die ersten herausragenden Teile (34) aus Teilen, wel che der ersten gegenüberliegenden Elektrode (42) in dem er sten feststehenden Elektrodenpaar (40, 50) gegenüberliegen, und aus Teilen gebildet sind, welche der ersten gegenüber liegenden Elektrode (62) in der zweiten feststehenden Elek trode (60, 70) gegenüberliegen, und
die zweiten herausragenden Teile (35) aus Teilen, wel che der zweiten gegenüberliegenden Elektrode (52) in dem ersten feststehenden Elektrodenpaar gegenüberliegen, und aus Teilen gebildet sind, welche den zweiten gegenüberlie genden Elektroden (72) in der zweiten feststehenden Elek trode gegenüberliegen.

11. Halbleitersensor für eine physikalische Größe mit:
einem tragenden Substrat (20), welches aus einem Halb leiter gebildet ist und eine Öffnung (21) einer vorbestimm ten Form besitzt, wobei die Öffnung an einer Seite des Substrats gebildet ist;
einem beweglichen Elektrodenteil (230), welches von dem tragenden Substrat gehalten wird und sich über die Öff nung entsprechend einer aufgebrachten physikalische Größe verschiebt;
einem feststehenden Elektrodenabschnitt (240, 250) welcher an einem Rand des tragenden Substrats an der Öff nung befestigt und dem beweglichen Elektrodenteil gegen überliegend angeordnet ist, wobei die aufgebrachte physika lische Größe auf der Grundlage der Differenz zwischen der ersten Erfassungskapazität und der zweiten Erfassungskapa zität erfasst wird, wenn sich die bewegliche Elektrode ent sprechend der aufgebrachten physikalische Größe verschiebt; und
einem Zwischenverbindungsteil (241, 251), welches an Teilen des feststehenden Elektrodenteils vorgesehen ist, das an dem Rand des tragenden Substrats an der Öffnung be festigt ist, wobei das Zwischenverbindungsteil zum Extra hieren von Signalen nach außen dient und Lücken (260-263) besitzt, wo Abschnitte des Zwischenverbindungsteils derart entfernt worden sind, dass das tragende Substrat bloßgelegt ist, und in Teilen der Zwischenverbindungsteile gebildet sind, welche das tragende Substrat überlappen.

12. Halbleitersensor für eine physikalische Größe nach An spruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenverbin dungsteil derart gebildet ist, dass die Lücken aus einer Vielzahl von rechteckigen Durchgangslöchern (260) bestehen, welche durch die Zwischenverbindungsteile (241, 251) von ihren Oberflächen zu dem tragenden Substrat hindurchtreten und derart angeordnet sind, dass sie eine starre Rahmen struktur bilden.

13. Halbleitersensor für eine physikalische Größe mit:
einem tragenden Substrat (20), welches aus einem Halb leiter gebildet ist und eine Öffnung (21) einer vorbestimm ten Form aufweist, wobei die Öffnung an einer Seite des Substrats gebildet ist;
einem beweglichen Elektrodenteil (230), welches von dem tragenden Substrat gehalten wird und sich über die Öff nung entsprechend einer aufgebrachten physikalischen Größe verschiebt;
einem feststehenden Elektrodenabschnitt (240, 250), welcher an einem Rand des tragenden Substrats an der Öff nung befestigt und dem beweglichen Elektrodenteil gegen überliegend angeordnet ist, wobei die aufgebrachte physika lisch Größe auf der Grundlage einer Differenz zwischen der ersten Erfassungskapazität und der zweiten Erfassungskapa zität erfasst wird, wenn sich die bewegliche Elektrode ent sprechend der aufgebrachten physikalischen Größe ver schiebt;
einer Kontaktstelle der beweglichen Elektrode (223), welche auf dem tragenden Substrat an einer ersten Seite der Öffnung gebildet ist und einen Draht (W1) anschließt, wel cher das bewegliche Elektrodenteil mit einem externen Teil elektrisch verbindet; und
einer Kontaktstelle der feststehenden Elektrode (241a, 251a), welche auf dem tragenden Substrat auf einer zweiten Seite der Öffnung, welche der ersten Seite gegenüberliegt, gebildet ist und einen Draht (W2, W3) anschließt, welcher das feststehende Elektrodenteil mit dem externen Teil elek trisch verbindet.

14. Halbleitersensor für eine physikalische Größe mit:
einem tragenden Substrat (20), welches aus einem Halb leiter gebildet ist,
einem beweglichen Elektrodenteil (230), welches von dem tragenden Substrat gehalten wird und sich entsprechend einer aufgebrachten physikalischen Größe verschiebt; und
feststehenden Elektrodenteilen (240, 250), welche an dem tragenden Substrat befestigt und dem beweglichen Elek trodenteil gegenüberliegend angeordnet sind, wobei die auf gebrachte physikalische Größe auf der Grundlage der Diffe renz zwischen der ersten Erfassungskapazität und der zwei ten Erfassungskapazität erfasst wird, wenn sich die beweg liche Elektrode entsprechend der aufgebrachten physikali sche Größe verschiebt;
einem beweglichen Elektrodendraht (W1), welcher die bewegliche Elektrode mit einem externen Teil elektrisch verbindet und;
einem feststehenden Elektrodendraht (W2, W3), welcher die feststehende Elektrode mit dem externen Teil elektrisch verbindet, wobei der feststehende Elektrodendraht in einem Abstand von wenigstens 80 µm von den beweglichen Elektroden drähten getrennt ist.

15. Halbleitersensor für eine physikalische Größe nach An spruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der bewegliche Elektrodendraht (W1) in einem Abstand von wenigstens 100 µm von den feststehenden Elektrodendrähten (W2, W3) getrennt ist.