JP2004163373A - 半導体物理量センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】従来に比べて高感度化を図れる半導体物理量センサを提供する。
【解決手段】半導体物理量センサである半導体圧力センサにおける２つのゲージ抵抗素子３ａ，３ｂそれぞれを１本のカーボンナノチューブにより構成している。製造にあたっては、撓み部たるダイヤフラム１ｂを有するマイクロ構造体１の一表面側の絶縁膜２上に触媒金属材料からなる触媒金属薄膜を形成し、触媒金属薄膜をパターニングすることによってそれぞれ触媒金属薄膜の一部からなる複数の尖突状の基端電極部５を形成する。その後、マイクロ構造体１の上記一表面側に複数の導電配線４を形成する。次に、カーボンナノチューブの原料ガスの雰囲気中にて所定温度に加熱されたマイクロ構造１における複数の導電配線４のうち対となる導電配線４，４間に電圧を印加することにより基端電極部５の先端から１本のカーボンナノチューブを成長させる。
【選択図】 図１
【解決手段】半導体物理量センサである半導体圧力センサにおける２つのゲージ抵抗素子３ａ，３ｂそれぞれを１本のカーボンナノチューブにより構成している。製造にあたっては、撓み部たるダイヤフラム１ｂを有するマイクロ構造体１の一表面側の絶縁膜２上に触媒金属材料からなる触媒金属薄膜を形成し、触媒金属薄膜をパターニングすることによってそれぞれ触媒金属薄膜の一部からなる複数の尖突状の基端電極部５を形成する。その後、マイクロ構造体１の上記一表面側に複数の導電配線４を形成する。次に、カーボンナノチューブの原料ガスの雰囲気中にて所定温度に加熱されたマイクロ構造１における複数の導電配線４のうち対となる導電配線４，４間に電圧を印加することにより基端電極部５の先端から１本のカーボンナノチューブを成長させる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧力や加速度などの物理量を検出する半導体物理量センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、検出対象である圧力や加速度などの力学的物理量の大きさを電気信号に変換して出力する物理量センサとして、半導体結晶に外力が加えられたときに抵抗率が変化するピエゾ抵抗効果を利用したピエゾ抵抗型の半導体圧力センサや半導体加速度センサが知られている。この種の半導体物理量センサは、半導体基板をマイクロマシンニング技術により加工することによって、外力により変形しやすい薄肉の撓み部が形成されたマイクロ構造体を具備し、撓み部にピエゾ抵抗素子からなるゲージ抵抗素子が２つ形成されており、これら２つのゲージ抵抗素子がマイクロ構造体の非変形部位に形成した２つの基準用抵抗素子とともにブリッジ回路を構成するように導電配線により接続することで、マイクロ構造体に加わった物理量を電気信号に変換して出力するようになっている。
【０００３】
ところで、半導体物理量センサの分野にあっては、マイクロマシンニング技術の進歩によりセンサチップの小型化が進んでいるが、センサチップの小型化に伴い、マイクロ構造体に力学的物理量が加わることによって生じる機械的な変形量も微小なものとなるので、ゲージ抵抗素子の更なる高感度化が望まれている。しかしながら、ピエゾ抵抗素子で実現できる感度レベルは高感度化の要望に応えるには限界に達しつつあるのが実情である。
【０００４】
一方、近年では所謂ナノテクノロジーの分野において、カーボンナノチューブが各種センサの検出用素子として注目されている。例えば、カーボンナノチューブについては、注目すべき性質の一つとして、長手方向に変形を生じると導電率（抵抗値）が変化する特性を有しているので、ピエゾ抵抗素子に代わるゲージ抵抗素子として期待される。ここにおいて、カーボンナノチューブを半導体物理量センサのゲージ抵抗素子として用いるには、マイクロ構造体の所定部位上へカーボンナノチューブを生成する方法を確立する必要がある。カーボンナノチューブの生成方法については各所において研究開発が行われており、最近では、走査型プローブ顕微鏡のプローブや電界放出素子の分野において、シリコン構造体上にカーボンナノチューブを成長させる方法としてシリコンの突起部に触媒金属層を堆積させておき、ＣＶＤ法により突起部からカーボンナノチューブを成長させる方法や、シリコンの２つの突起部間にバイアス電圧を印加しながらＣＶＤ法により突起部間に１本のカーボンナノチューブを成長させる方法が報告されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００５】
【非特許文献１】
小野崇人・江刺正喜，「ＭＥＭＳからＮＥＭＳへ」，応用物理，応用物理学会，２００２年８月，第７１巻，第８号，ｐ９８３−９８４
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、半導体圧力センサや半導体加速度センサといった半導体物理量センサのゲージ抵抗素子としてカーボンナノチューブを採用する場合、ゲージ抵抗素子を配置すべき所定の位置に、所定の方向で所定本数のカーボンナノチューブをセンサ構造体に固定化する必要があるが、これらの条件を満足するようにカーボンナノチューブを生成させることは容易ではない。すなわち、カーボンナノチューブの生成方法としては、ギャップを介して対向配置した電極間にバイアス電圧を印加した状態でＣＶＤ法により上記電極間にカーボンナノチューブを生成させる方法があるが、バイアス電圧が印加された状態において上記電極間に生じる電界領域の範囲において意図しない複数本のカーボンナノチューブが成長したり、意図する方向とずれてカーボンナノチューブが成長したりする恐れがあるからである。要するに、ギャップを介して対向配置した電極間にバイアス電圧を印加した状態でＣＶＤ法により上記電極間にカーボンナノチューブを生成させる方法では、カーボンナノチューブの本数や向きの制御が難しく、カーボンナノチューブを高精度に配設することができなかった。
【０００７】
また、上記非特許文献１には、上述のようにシリコンの突起部間にバイアス電圧を印加した状態で突起部間に１本のカーボンナノチューブを成長させる方法が開示されているが、上記非特許文献１には走査型プローブ顕微鏡のプローブや電界放出素子の用途におけるカーボンナノチューブの生成方法が記載されているにすぎず、半導体圧力センサや半導体加速度センサといった半導体物理量センサのゲージ抵抗素子として用いるカーボンナノチューブの具体的な生成方法を提供するものではない。特に、上記非特許文献１に開示されたカーボンナノチューブの生成方法は、シリコンの突起部をカーボンナノチューブ成長の起点電極としているので、シリコン基板を加工して撓み部を含むマイクロ構造体を形成している半導体物理量センサに上記生成方法をそのまま適用するには、マイクロマシンニング技術を利用して上記突起部を形成する工程が必要であり、突起部の位置や突出高さに高い精度が要求されることとなって、結果としてマイクロ構造体を形成するマイクロマシンニング加工の処理工程の複雑化を招くことになる。
【０００８】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、従来に比べて高感度化を図れる半導体物理量センサを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、上記目的を達成するために、半導体基板をマイクロマシンニング加工することによりフレーム及び該フレームに支持された薄肉の撓み部が形成された構造体であって検出対象とする物理量が当該構造体に加わると前記撓み部の力学的作用中心に応力を生じて前記撓み部が湾曲変形するようにしたマイクロ構造体と、前記マイクロ構造体の一表面側において絶縁膜を介して前記撓み部に重なるように配置されたゲージ抵抗素子と、前記マイクロ構造体の前記一表面側においてパターン形成され前記ゲージ抵抗素子の両端それぞれに電気的に接続された一対の導電配線と、前記ゲージ抵抗素子の両端位置にそれぞれ配置され前記ゲージ抵抗素子を前記各導電配線にそれぞれ接続する一対の基端電極部とを備え、前記一対の基端電極部は、前記一表面に平行な面内で互いの先端が対向する尖突状に形成され、且つ、少なくとも一方がカーボンナノチューブを成長させるための触媒金属材料により構成され、前記ゲージ抵抗素子は、前記一対の基端電極部の先端間に成長した１本のカーボンナノチューブで構成され、前記一対の基端電極部間における前記撓み部の変形形状と同じように変形することを特徴とする。
【００１０】
この請求項１の発明の構成によれば、前記ゲージ抵抗素子を構成するカーボンナノチューブの少なくとも一部が前記撓み部に重なるように配置されていることにより、検出対象とする物理量が前記マイクロ構造体に加わって前記撓み部が湾曲変形したとき、前記撓み部の湾曲変形に追従して前記カーボンナノチューブも変形し、前記カーボンナノチューブの導電率（抵抗値）が変化するので、前記カーボンナノチューブに前記導電配線を通じて電圧を印加しておけば、前記マイクロ構造体に加わった物理量を電気信号に変換して検出することができる。また、前記ゲージ抵抗素子の両端位置に配置された前記一対の基端電極部の少なくとも一方がカーボンナノチューブを成長させるための触媒金属材料により構成され、且つ、前記一対の基端電極部を互いの先端が対向する尖突状に形成しているので、製造時に、例えば、前記一対の基端電極部間にバイアス電圧を印加してＣＶＤ法によりカーボンナノチューブを成長させれば、前記基端電極部の先端に電界が集中した状態で触媒金属材料により構成された側の前記基端電極部から前記一対の基端電極部の先端間に１本のカーボンナノチューブが成長するから、前記ゲージ抵抗素子を構成するカーボンナノチューブの本数や向きがばらつくことがない。また、前記ゲージ抵抗素子を構成する前記カーボンナノチューブは前記撓み部が湾曲変形するときに前記撓み部の湾曲変形に追従して変形するので、検出感度を向上できる。以上の説明から分かるように、請求項１の発明の構成によれば、前記ゲージ抵抗素子として１本のカーボンナノチューブを採用し当該カーボンナノチューブが高い精度で配置されているので、従来のピエゾ抵抗型の半導体物理量センサに比べて高感度化を図ることができる。
【００１１】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記ゲージ抵抗素子と前記一対の基端電極部との組を２組備えるとともに、前記フレームに重なる部位に前記各ゲージ抵抗素子とは別のカーボンナノチューブよりなる２つの基準用抵抗素子が配置され、前記ゲージ抵抗素子と前記基準用抵抗素子とがブリッジ回路を構成するように前記導電配線により接続されてなることを特徴とする。
【００１２】
この請求項２の発明の構成によれば、前記ゲージ抵抗素子と前記基準用抵抗素子とでブリッジ回路を構成することにより、前記検出対象となる物理量の検出精度を向上させることができ、しかも、前記基準用抵抗素子と前記ゲージ抵抗素子との両方がカーボンナノチューブにより構成されているので、ブリッジ回路内での各抵抗素子の抵抗値のバランスが良くなり、良好な検出信号を得ることができる。
【００１３】
請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記基準用抵抗素子の両端位置にそれぞれ配置され且つ前記一表面に平行な面内で互いの先端が対向する尖突状に形成された一対の基端電極部を備え、当該一対の基端電極部の少なくとも一方が前記別のカーボンナノチューブを成長させるための触媒金属材料により構成されてなることを特徴とする。
【００１４】
この請求項３の発明の構成によれば、前記基準用抵抗素子を構成するカーボンナノチューブの本数および位置精度が向上し、前記ブリッジ回路の設計が容易になる。
【００１５】
請求項４の発明は、請求項１乃至３の発明において、前記各基端電極部が触媒金属材料により構成されてなることを特徴とする。
【００１６】
この請求項４の発明の構成によれば、前記一対の基端電極部のいずれの先端からもカーボンナノチューブを成長させることができるので、カーボンナノチューブの生成工程の設計の自由度が大きくなる。また、前記一対の基端電極部を一度の工程で同時に形成することができ、製造工程の簡略化および低コスト化を図れるとともに、前記一対の基端電極部の相対的な位置精度を高めることが可能となり、結果的に前記カーボンナノチューブの長さ寸法や向きの精度を高めることが可能となる。
【００１７】
請求項５の発明は、請求項１乃至４の発明において、前記ゲージ抵抗素子は、前記マイクロ構造体の前記一表面側においてパッシベーション膜により覆われてなることを特徴とする。
【００１８】
この請求項５の発明の構成によれば、前記ゲージ抵抗素子を構成するカーボンナノチューブを前記パッシベーション膜により保護することができる。また、前記パッシベーション膜によって前記ゲージ抵抗素子を長手方向の全体に亘って前記マイクロ構造体に対して強固に固定することができる。
【００１９】
請求項６の発明は、請求項１乃至５の発明において、前記一対の導電配線は、前記一対の導電配線間の距離が前記一対の基端電極部間の距離よりも大きくなるようにパターン形成されてなることを特徴とする。
【００２０】
この請求項６の発明の構成によれば、製造時において、例えば前記一対の導電配線間にバイアス電圧を印加してＣＶＤ法によりカーボンナノチューブを成長させる際に、前記一対の基端電極部を介さない位置でカーボンナノチューブが成長するのを防止することができる。
【００２１】
請求項７の発明は、請求項１乃至６の発明において、前記検出対象とする物理量が圧力であって、前記撓み部は、前記フレームの内側領域を占めて中心部が前記力学的作用中心となるダイヤフラムであることを特徴とする。
【００２２】
この請求項７の発明の構成によれば、従来のピエゾ抵抗型の半導体圧力センサに比べて高感度化を図った半導体圧力センサとして提供することができる。
【００２３】
請求項８の発明は、請求項１乃至６の発明において、前記検出対象とする物理量が加速度であって、前記マイクロ構造体が、前記フレームの内側領域に前記撓み部を介して前記フレームに支持された重り部を備え、前記撓み部は、前記重り部との連結部位に前記力学的作用中心があることを特徴とする。
【００２４】
この請求項８の発明の構成によれば、従来のピエゾ抵抗型の半導体加速度センサに比べて高感度化を図った半導体加速度センサとして提供することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
本実施形態では、半導体物理量センサとして図１および図２に示すような半導体圧力センサを例示する。
【００２６】
本実施形態における半導体圧力センサは、半導体基板であるシリコン基板をマイクロマシンニング加工した形成したマイクロ構造体１と、マイクロ構造体１の一表面側に形成したシリコン酸化膜からなる絶縁膜２上に配置されそれぞれ１本のカーボンナノチューブからなる２個のゲージ抵抗素子３ａ，３ｂおよび２個の基準用抵抗素子３ｃ，３ｄと、マイクロ構造体１の他表面に固着されたガラス製の台座９とを備えている。
【００２７】
マイクロ構造体１は、矩形枠状のフレーム１ａと、フレーム１ａの内側領域を占めてフレーム１ａに連続一体に連結された薄肉のダイヤフラム１ｂとで構成されている。すなわち、マイクロ構造体１は、フレーム１ａの内側に位置し全周に亘ってフレーム１ａに支持され圧力に感応するダイヤフラム１ｂがマイクロマシンニング加工により形成された構造体であって、ダイヤフラム１ｂが撓み部を構成しており、検出対象とする物理量である圧力が当該構造体に加わると撓み部の力学的作用中心（つまり、ダイヤフラム１ｂの中心部）に応力を生じて撓み部が湾曲変形するようになっている。
【００２８】
ダイヤフラム１ｂは、例えばＫＯＨ（水酸化カリウム）、ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）などのアルカリ系溶液などを用いた異方性エッチングによって上記シリコン基板の裏面側に凹所１ｃを設けることにより形成されている。ここにおいて、半導体基板として、シリコン基板の代わりに、厚み方向の中間に埋込酸化膜（シリコン酸化膜）からなる絶縁層が形成された所謂ＳＯＩ基板（表面側のシリコン層と裏面側のシリコン基板との間に上記絶縁層が介在した基板）を採用すれば、裏面側からのエッチング時に上記絶縁層をエッチングストッパ層として利用することで、ダイヤフラム１ｂの厚さ寸法を高精度に管理することが可能となって、歩留まりの向上が図れ、結果的に低コスト化を図れる。
【００２９】
また、台座９は、矩形板状であって、周部がマイクロ構造体１のフレーム１ａに陽極接合により固着されており、マイクロ構造体１の凹所１ｃへ流体を導入するための導入孔９ａが厚み方向に貫設されている。なお、台座９は、シリコンと熱膨張係数が略等しいガラスにより形成されている。
【００３０】
また、上述の２個のゲージ抵抗素子３ａ，３ｂおよび２個の基準用抵抗素子３ｃ，３ｄは、マイクロ構造体１の上記一表面側において絶縁膜２上に形成された導電性材料（例えば、アルミニウムなど）からなる複数（本実施形態では、４つ）の導電配線４によりブリッジ回路を構成するように接続されている。ここにおいて、ダイヤフラム１ｂとフレーム１ａとに跨るように配置されているゲージ抵抗素子３ａ，３ｂは、センシング用の抵抗素子であって、ダイヤフラム１ｂに圧力が加わったとすると、ダイヤフラム１ｂの湾曲変形に追従する形で変形し、導電率（抵抗値）が変化することになる。これに対して、フレーム１ａ上に配置されている基準用抵抗素子３ｃ，３ｄは、基準抵抗用の抵抗素子であって、ダイヤフラム１ｂに圧力が加わってダイヤフラム１ｂが変形したとしても導電率（抵抗値）が変化しない。
【００３１】
したがって、ブリッジ回路の対角位置の一方の端子間に適宜の検出用電源を接続するとともに対角位置の他方の端子間の電圧を検出し、適宜の補正を加えれば、ダイヤフラム１ｂに作用する圧力に比例する電圧を得ることができるのである。なお、本実施形態では、４つの導電配線４それぞれの一部が端子としてのパッドを構成している。ここに、マイクロ構造体１の上記一表面側には、各抵抗素子３ａ〜３ｄ、後述の各基端電極部５、および各導電配線４のうちパッドとなる部位以外を覆うパッシベーション膜（図示せず）が積層されている。
【００３２】
ところで、上述の各抵抗素子３ａ〜３ｃは、マイクロ構造体１の上記一表面に平行な面内においてダイヤフラム１ｂの中心を通る１つの直線上に、当該直線と長手方向が一致するように配置されている。ここに、ゲージ抵抗素子３ａ，３ｂは、ダイヤフラム１ｂの湾曲変形に伴う抵抗値の変化量が大きくなるようにダイヤフラム１ｂの外周（ダイヤフラム１ｂとフレーム１ａとの境界）を構成する４辺のうちの２辺それぞれに各辺の中点で略直交するように配置されている。すなわち、図１（ｂ）に示すようにゲージ抵抗素子３ｂとダイヤフラム１ｂの外周の一部を構成する１辺との交差角をθとすると、交差角θは略９０度となっており、上記１辺に平行な辺とゲージ抵抗素子３ａとの交差角についても同様に略９０度となっている。
【００３３】
なお、本実施形態では、ゲージ抵抗素子３ａ，３ｂの長手方向における略半分がダイヤフラム１ｂに重なるように配置され、残りがフレーム１ａに重なるように配置されており、ゲージ抵抗素子３ａ，３ｂの全部がダイヤフラム１ｂに重なるように配置されている場合に比べて、ゲージ抵抗素子３ａ，３ｂの抵抗値の変化量を大きくすることができる。また、本実施形態では、ダイヤフラム１ｂに流体の圧力が加わっていない状態では各抵抗素子３ａ〜３ｄの抵抗値が同じ値になるように各抵抗素子３ａ〜３ｄの長手方向の寸法を同じ寸法に設定することで、ブリッジ回路の検出精度を向上させている。
【００３４】
また、本実施形態では、各抵抗素子３ａ〜３ｄと各抵抗素子３ａ〜３ｄに電気的に接続される各導電配線４との間に、カーボンナノチューブを成長させるための触媒金属材料（例えば、鉄、ニッケル、コバルトなど）からなる基端電極部５が介在している。すなわち、本実施形態では、８個の基端電極部５が形成されている。各基端電極部５は、マイクロ構造体１における絶縁膜２上においてパターニングされた触媒金属薄膜により構成されており、カーボンナノチューブを介在させる対となる導電配線４，４の両方から互いに近づく向きに突出した尖鋭な平面形状に形成されており、各基端電極部５，５の先端同士を結んだ直線上にカーボンナノチューブが配置されている。要するに、各基端電極部５，５が上記一表面に平行な面内で互いの先端が対向する尖突状に形成され、カーボンナノチューブの両端位置にそれぞれ基端電極部５，５が配置されている。ここに、対となる導電配線４，４（各一対の導電配線４，４）間の距離は、対となる基端電極部５，５の先端間の距離よりも長くなるように設定されている。言い換えれば、対となる導電配線４，４は、基端電極部５，５の先端間の距離が最短距離となるように配設されている。なお、基端電極部５は、尖鋭な先端とは反対側の基端部が導電配線４により覆われ、導電配線４と電気的に接続されている。
【００３５】
以下、本実施形態におけるカーボンナノチューブの生成方法について説明する。
【００３６】
シリコン基板を加工してマイクロ構造体１を形成した後、マイクロ構造体１の上記一表面側の絶縁膜２上にカーボンナノチューブを成長させるための上記触媒金属材料からなる触媒金属薄膜を形成し、リソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して触媒金属薄膜をパターニングすることによってそれぞれ触媒金属薄膜の一部からなる複数の基端電極部５を形成する。
【００３７】
その後、マイクロ構造体１の上記一表面側の全面に例えばスパッタ法や蒸着法などによって導電配線４の構成材料である導電性材料（例えば、アルミニウムなど）からなる導電性膜を形成し、リソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して導電性膜をパターニングすることによってそれぞれ導電性膜の一部からなる複数の導電配線４を形成する。
【００３８】
次に、カーボンナノチューブの原料ガス（例えば、炭化水素を含むＣ２Ｈ２ガス、Ｃ２Ｈ４ガス、ＣＨ４ガスなど）の雰囲気中にて所定温度（例えば、５００℃〜１０００℃）に加熱されたマイクロ構造体１における複数の導電配線４のうち対となる導電配線４，４間に電圧（バイアス電圧）を印加することにより尖突状の基端電極部５の先端から１本のカーボンナノチューブを成長させる。つまり、各一対の基端電極部５，５間にそれぞれ１本のカーボンナノチューブを成長させる。
【００３９】
しかして、上述のカーボンナノチューブの生成方法によれば、対となる導電配線４，４間に電圧を印加することによって尖突状の基端電極部５，５の先端間に電界が集中し、基端電極部５，５の先端間にのみ１本のカーボンナノチューブを成長させることができるので、基端電極部５，５の先端の位置を制御することでカーボンナノチューブの形成位置を制御することができる。言い換えれば、基端電極部５，５の先端の位置を制御することで、カーボンナノチューブの長手方向の寸法およびダイヤフラム部１ｂの外周とカーボンナノチューブとの交差角θを制御することができるから、マイクロ構造体１の上記一表面に平行な面内においてカーボンナノチューブを高い位置精度で配置することが可能となる。要するに、カーボンナノチューブを配置したい直線上に一対の基端電極部５，５の先端が位置し且つ一対の基端電極部５，５の先端間の距離がカーボンチューブの長さ寸法分だけ離間するように基端電極部５，５を配設すれば、所望の長さのカーボンチューブを所望の直線上に配設することができるのである。また、本実施形態では、対となる導電配線４，４それぞれとカーボンナノチューブとを接続する対となる基端電極部５，５の両方を触媒金属材料により形成してあるので、対となる基端電極部５，５のいずれの先端からもカーボンナノチューブを成長させることができ、カーボンナノチューブの生成工程の設計の自由度が大きくなる。また、対となる各一対の基端電極部５，５を一度の工程で同時に形成することができ、製造工程の簡略化および低コスト化を図れるとともに、対となる各一対の基端電極部５，５の相対的な位置精度を高めることが可能となり、結果的にカーボンナノチューブの長さ寸法や向きの精度を高めることが可能となる。なお、本実施形態では、対となる導電配線４，４の両方から突出させている基端電極部５，５の両方を触媒金属材料により構成しているが、一方を導電配線４と同じ導電性材料を構成材料とする突出部として導電配線４のパターニング時に形成するようにしてもよい。
【００４０】
以上説明した本実施形態の半導体圧力センサによれば、ゲージ抵抗素子３ａ，３ｂとしてそれぞれ１本のカーボンナノチューブを採用し各カーボンナノチューブが高い精度で配置されているので、従来のピエゾ抵抗型の半導体圧力センサに比べて高感度化を図ることができる。
【００４１】
（実施形態２）
本実施形態では、半導体物理量センサとして図３および図４に示すような半導体加速度センサを例示する。
【００４２】
本実施形態における半導体加速度センサは、半導体基板であるシリコン基板をマイクロマシンニング加工した形成したマイクロ構造体１１と、マイクロ構造体１１の一表面側に形成されているシリコン酸化膜からなる絶縁膜１２上に配置されそれぞれ１本のカーボンナノチューブからなる２個のゲージ抵抗素子１３ａ，１３ｂおよび２個の基準用抵抗素子１３ｃ，１３ｄと、マイクロ構造体１１の他表面に固着されたガラス製の台座１９とを備えている。
【００４３】
マイクロ構造体１１は、矩形枠状のフレーム１１ａを備え、フレーム１１ａの内側領域にフレーム１１ａから離間して配置された重り部１１ｂの周囲の１辺がフレーム１１ａよりも薄肉である２つの撓み部１１ｃを介してフレーム１１ａに連続一体に連結された構造を有している。すなわち、マイクロ構造体１１は、フレーム１１ａの内側に位置し加速度に感応する重り部１１ｂが２つの撓み部１１ｃを介してフレーム１１ａに支持されており、重り部１１ｂの周囲には撓み部１１ｃを除いてフレーム１１ａとの間にスリット１１ｄが形成されている。また、撓み部１１ｃは重り部１１ｂの１辺に沿う方向に離間して２箇所に形成されている。以上説明したマイクロ構造体１１は、フレーム１１ａの内側に重り部１１ｂおよびフレーム１１ａに支持された２つの撓み部１１ｃ，１１ｃがマイクロマシンニング加工により形成された構造体であって、検出対象とする物理量である加速度が当該構造体に加わると撓み部１１ｃの力学的作用中心（つまり、撓み部１１ｃと重り部１１ｂとの連結部位）に応力を生じて撓み部１１ｃが湾曲変形するようになっている。
【００４４】
なお、重り部１１ｂは、例えば、シリコン基板においてスリット１１ｄに対応する部位を裏面側（上記他表面側）から例えばＫＯＨ（水酸化カリウム）などのアルカリ系溶液などを用いて異方性エッチングを行った後、スリット１１ｄに対応する部位をシリコン基板の主表面側（上記一表面側）からエッチングすることで形成することができる。ここにおいて、半導体基板として、シリコン基板の代わりに、上記ＳＯＩ基板を採用すれば、裏面側および主表面側それぞれからのエッチング時に上記絶縁層をエッチングストッパ層として利用することで、撓み部１１ｃの厚さ寸法を高精度に管理することが可能となって、歩留まりの向上が図れ、結果的に低コスト化を図れる。また、上記ＳＯＩ基板のシリコン基板（支持基板）においてスリット１１ｄに対応する部位を裏面側から誘導結合プラズマ型のドライエッチング装置により上記絶縁層に達するまで垂直にエッチングした後、上記ＳＯＩ基板のシリコン層においてスリット１１ｄに対応する部位をＳＯＩ基板の主表面から上記絶縁層に達する深さまでエッチングし、その後、上記絶縁層においてスリット１１ｄに対応する部位をエッチングするようにすれば、アルカリ系溶液を用いたシリコンの異方性エッチングを利用して重り部１１ｂを形成する場合に比べて、重り部１１ｂの外周面とフレーム１１ａの内周面との間の間隔を小さくすることができるので、マイクロ構造体１１の小型化を図れ、半導体加速度センサの小型化を図ることができる。
【００４５】
また、台座１９は、矩形板状であって、周部がマイクロ構造体１１のフレーム１１ａに陽極接合により固着されており、マイクロ構造体１１との対向面には重り部１１ｂの揺動空間を確保するための凹所１９ｂがサンドブラスト法などによって形成されている。なお、台座１９は、シリコンと熱膨張係数が略等しいガラスにより形成されている。
【００４６】
また、上述の２個のゲージ抵抗素子１３ａ，１３ｂおよび２個の基準用抵抗素子１３ｃ，１３ｄは、マイクロ構造体１１の上記一表面側において絶縁膜１２上に形成された導電性材料（例えば、アルミニウムなど）からなる複数（本実施形態では、５つ）の導電配線１４によりブリッジ回路を構成するように接続されている（なお、マイクロ構造体１１の厚み方向において重なる導電配線１４，１４間には図示しない絶縁膜を介在させてある）。ここにおいて、それぞれ撓み部１１ｃに重なるように撓み部１１ｃの延長方向に長手方向を一致させて配置されているゲージ抵抗素子１３ａ，１３ｂは、センシング用の抵抗素子を構成している。すなわち、マイクロ構造体１１の厚み方向の成分を含む外力（加速度）が重り部１１ｂに作用すると、重り部１１ｂの慣性によって支持部１１ａと重り部１１ｂとがマイクロ構造体１１の厚み方向へ相対的に変位し、結果的に撓み部１１ｃが撓んでゲージ抵抗素子１３ａ，１３ｂが変形し、ゲージ抵抗素子１３ａ，１３ｂの抵抗値が変化することになる。これに対して、フレーム１１ａに重なるように配置されている基準用抵抗素子１３ｃ，１３ｄは、基準抵抗用の抵抗素子であって、重り部１１ｂが変位したとしても抵抗値が変化しない。
【００４７】
したがって、ゲージ抵抗素子１３ａ，１３ｂの抵抗値の変化を検出することにより、マイクロ構造体１１に作用した加速度を検出することができる。言い換えれば、ブリッジ回路の対角位置の一方の端子間に適宜の検出用電源を接続するとともに対角位置の他方の端子間の電圧を検出し、適宜の補正を加えれば、重り部１１ｂに作用する加速度に比例する電圧を得ることができるのである。なお、本実施形態では、上述の各導電配線１４それぞれの一部が端子としてのパッドを構成しており、一端が導電配線１４を介して基準用抵抗素子１３ｃに接続されたゲージ抵抗素子１３ａと、一端が導電配線１４を介してゲージ抵抗素子１３ｂに接続された基準用抵抗素子１３ｄとは、互いの他端に接続された導電配線１４同士が図示しないパッケージのグランドを介して電気的に接続されるようになっている。また、マイクロ構造体１１の上記一表面側には、各抵抗素子１３ａ〜１３ｄ、後述の各基端電極部１５、および各導電配線１４のうちパッドとなる部位以外を覆うパッシベーション膜（図示せず）が積層されている。
【００４８】
また、上述の各ゲージ抵抗素子１３ａ，１３ｂは、撓み部１１ｃの変形に伴う電気抵抗の変化量が大きくなるように撓み部１１ｃの延長方向を長手方向として配置されており、各ゲージ抵抗素子１３ａ，１３ｂが撓み部１１ｃと同じように変形するので、各ゲージ抵抗素子１３ａ，１３ｂの電気抵抗の変化量を大きくすることができる。また、本実施形態では、重り部１１ｂに加速度が作用していない状態では各抵抗素子１３ａ〜１３ｂの抵抗値が同じ値になるように各抵抗素子１３ａ〜１３ｂの長手方向の寸法を同じ寸法に設定することで、ブリッジ回路の検出精度を向上させている。
【００４９】
ところで、本実施形態では、各抵抗素子１３ａ〜１３ｄと各抵抗素子１３ａ〜１３ｄに電気的に接続される各導電配線１４との間に、カーボンナノチューブを成長させるための触媒金属材料（例えば、鉄、ニッケル、コバルトなど）からなる基端電極部１５が介在している。すなわち、本実施形態では、８個の基端電極部１５が形成されている。各基端電極部１５は、マイクロ構造体１１における絶縁膜１２上においてパターニングされた触媒金属薄膜により構成されており、カーボンナノチューブを介在させる対となる導電配線１４，１４の両方から互いに近づく向きに突出した尖鋭な平面形状に形成されており、各基端電極部１５，１５の先端同士を結んだ直線上にカーボンナノチューブが配置されている。要するに、各基端電極部１５，１５が上記一表面に平行な面内で互いの先端が対向する尖突状に形成され、カーボンナノチューブの両端位置にそれぞれ基端電極部１５，１５が配置されている。ここに、対となる導電配線１４，１４（各一対の導電配線１４，１４）間の距離は、対となる基端電極部１５，１５の先端間の距離よりも長くなるように設定されている。言い換えれば、対となる導電配線１４，１４は、基端電極部１５，１５の先端間の距離が最短距離となるように配設されている。なお、基端電極部１５は尖鋭な先端とは反対側の基端部が導電配線１４により覆われ、導電配線１４と電気的に接続されている。
【００５０】
以下、本実施形態におけるカーボンナノチューブの生成方法について説明する。
【００５１】
シリコン基板を加工してマイクロ構造体１１を形成した後、マイクロ構造体１１の上記一表面側の絶縁膜１２上にカーボンナノチューブを成長させるための上記触媒金属材料からなる触媒金属薄膜を形成し、リソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して触媒金属薄膜をパターニングすることによってそれぞれ触媒金属薄膜の一部からなる複数の基端電極部１５を形成する。
【００５２】
その後、マイクロ構造体１１の上記一表面側の全面に例えばスパッタ法や蒸着法などによって導電配線１４の構成材料である導電性材料（例えば、アルミニウムなど）からなる導電性膜を形成し、リソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して導電性膜をパターニングすることによってそれぞれ導電性膜の一部からなる導電配線１４を形成する。
【００５３】
次に、カーボンナノチューブの原料ガス（例えば、炭化水素を含むＣ２Ｈ２ガス、Ｃ２Ｈ４ガス、ＣＨ４ガスなど）の雰囲気中にて所定温度（例えば、５００℃〜１０００℃）に加熱されたマイクロ構造体１１における複数の導電配線１４のうち対となる導電配線１４，１４間に電圧（バイアス電圧）を印加することにより尖突状の基端電極部１５の先端から１本のカーボンナノチューブを成長させる。つまり、各一対の基端電極部１５，１５間にそれぞれ１本のカーボンナノチューブを成長させる。
【００５４】
しかして、上述のカーボンナノチューブの生成方法によれば、対となる導電配線１４，１４間に電圧を印加することによって尖突状の基端電極部１５，１５の先端間に電界が集中し、基端電極部１５，１５の先端間にのみカーボンナノチューブを成長させることができるので、基端電極部１５，１５の位置を制御することでカーボンナノチューブの形成位置を制御することができる。言い換えれば、基端電極部１５，１５の先端の位置を制御することで、カーボンナノチューブの長手方向の寸法を制御することができるとともに、カーボンナノチューブを長手方向が撓み部１１ｃの延長方向と平行になるように配置することができるから、マイクロ構造体１１の上記一表面に平行な面内においてカーボンナノチューブを高い位置精度で配置することが可能となる。要するに、カーボンナノチューブを配置したい直線上に一対の基端電極部１５，１５の先端が位置し且つ一対の基端電極部１５，１５の先端間の距離がカーボンチューブの長さ寸法分だけ離間するように基端電極部１５，１５を配設すれば、所望の長さのカーボンチューブを所望の直線上に配設することができるのである。
【００５５】
また、本実施形態では、対となる導電配線１４，１４それぞれとカーボンナノチューブとを接続する対となる基端電極部１５，１５の両方を触媒金属材料により形成してあるので、対となる基端電極部１５，１５のいずれの先端からもカーボンナノチューブを成長させることができ、カーボンナノチューブの生成工程の設計の自由度が大きくなる。また、対となる各一対の基端電極部１５，１５を一度の工程で同時に形成することができ、製造工程の簡略化および低コスト化を図れるとともに、対となる各一対の基端電極部１５，１５の相対的な位置精度を高めることが可能となり、結果的にカーボンナノチューブの長さ寸法や向きの精度を高めることが可能となる。なお、本実施形態では、対となる導電配線１４，１４の両方から突出させている基端電極部１５，１５の両方を触媒金属材料により構成しているが、一方を導電配線１４と同じ導電性材料を構成材料とする突出部として導電配線１４のパターニング時に形成するようにしてもよい。
【００５６】
以上説明した本実施形態の半導体加速度センサによれば、ゲージ抵抗素子１３ａ，１３ｂとしてそれぞれ１本のカーボンナノチューブを採用し各カーボンナノチューブが高い精度で配置されているので、従来のピエゾ抵抗型の半導体加速度センサに比べて高感度化を図ることができる。
【００５７】
【発明の効果】
請求項１の発明は、上記構成を採用したことにより、ゲージ抵抗素子として１本のカーボンナノチューブを採用し当該カーボンナノチューブが高い精度で配置されているので、従来のピエゾ抵抗型の半導体物理量センサに比べて高感度化を図ることができるという効果がある。
【００５８】
請求項２の発明は、上記構成を採用したことにより、前記ゲージ抵抗素子と前記基準用抵抗素子とでブリッジ回路を構成することにより、前記検出対象となる物理量の検出精度を向上させることができ、しかも、前記基準用抵抗素子と前記ゲージ抵抗素子との両方がカーボンナノチューブにより構成されているので、ブリッジ回路内での各抵抗素子の抵抗値のバランスが良くなり、良好な検出信号を得ることができるという効果がある。
【００５９】
請求項３の発明は、上記構成を採用したことにより、前記基準用抵抗素子を構成するカーボンナノチューブの本数および位置精度が向上し、前記ブリッジ回路の設計が容易になるという効果がある。
【００６０】
請求項４の発明は、上記構成を採用したことにより、前記一対の基端電極部のいずれの先端からもカーボンナノチューブを成長させることができるので、カーボンナノチューブの生成工程の設計の自由度が大きくなるという効果があり、また、前記一対の基端電極部を一度の工程で同時に形成することができ、製造工程の簡略化および低コスト化を図れるとともに、前記一対の基端電極部の相対的な位置精度を高めることが可能となり、結果的に前記カーボンナノチューブの長さ寸法や向きの精度を高めることが可能となるという効果がある。
【００６１】
請求項５の発明は、上記構成を採用したことにより、前記ゲージ抵抗素子を構成するカーボンナノチューブを前記パッシベーション膜により保護することができるという効果があり、また、前記パッシベーション膜によって前記ゲージ抵抗素子を長手方向の全体に亘って前記マイクロ構造体に対して強固に固定することができるという効果がある。
【００６２】
請求項６の発明は、上記構成を採用したことにより、製造時において、例えば前記一対の導電配線間にバイアス電圧を印加してＣＶＤ法によりカーボンナノチューブを成長させる際に、前記一対の基端電極部を介さない位置でカーボンナノチューブが成長するのを防止することができるという効果がある。
【００６３】
請求項７の発明は、上記構成を採用したことにより、従来のピエゾ抵抗型の半導体圧力センサに比べて高感度化を図った半導体圧力センサとして提供することができるという効果がある。
【００６４】
請求項８の発明は、上記構成を採用したことにより、従来のピエゾ抵抗型の半導体加速度センサに比べて高感度化を図った半導体加速度センサとして提供することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１における半導体圧力センサを示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）の要部拡大図である。
【図２】同上における半導体圧力センサを示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は（ａ）の要部拡大図である。
【図３】実施形態２における半導体加速度センサを示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）の要部拡大図である。
【図４】同上における半導体加速度センサを示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は（ａ）の要部拡大図である。
【符号の説明】
１ マイクロ構造体
１ａ フレーム
１ｂ ダイヤフラム
２ 絶縁膜
３ａ，３ｂ ゲージ抵抗素子
３ｃ，３ｄ 基準用抵抗素子
４ 導電配線
５ 基端電極部
９ 台座
９ａ 導入孔
１１ マイクロ構造体
１１ａ フレーム
１１ｂ 重り部
１１ｃ 撓み部
１１ｄ スリット
１２ 絶縁膜
１３ａ，１３ｂ ゲージ抵抗素子
１３ｃ，１３ｄ 基準用抵抗素子
１４ 導電配線
１５ 基端電極部
１９ 台座
１９ｂ 凹所
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧力や加速度などの物理量を検出する半導体物理量センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、検出対象である圧力や加速度などの力学的物理量の大きさを電気信号に変換して出力する物理量センサとして、半導体結晶に外力が加えられたときに抵抗率が変化するピエゾ抵抗効果を利用したピエゾ抵抗型の半導体圧力センサや半導体加速度センサが知られている。この種の半導体物理量センサは、半導体基板をマイクロマシンニング技術により加工することによって、外力により変形しやすい薄肉の撓み部が形成されたマイクロ構造体を具備し、撓み部にピエゾ抵抗素子からなるゲージ抵抗素子が２つ形成されており、これら２つのゲージ抵抗素子がマイクロ構造体の非変形部位に形成した２つの基準用抵抗素子とともにブリッジ回路を構成するように導電配線により接続することで、マイクロ構造体に加わった物理量を電気信号に変換して出力するようになっている。
【０００３】
ところで、半導体物理量センサの分野にあっては、マイクロマシンニング技術の進歩によりセンサチップの小型化が進んでいるが、センサチップの小型化に伴い、マイクロ構造体に力学的物理量が加わることによって生じる機械的な変形量も微小なものとなるので、ゲージ抵抗素子の更なる高感度化が望まれている。しかしながら、ピエゾ抵抗素子で実現できる感度レベルは高感度化の要望に応えるには限界に達しつつあるのが実情である。
【０００４】
一方、近年では所謂ナノテクノロジーの分野において、カーボンナノチューブが各種センサの検出用素子として注目されている。例えば、カーボンナノチューブについては、注目すべき性質の一つとして、長手方向に変形を生じると導電率（抵抗値）が変化する特性を有しているので、ピエゾ抵抗素子に代わるゲージ抵抗素子として期待される。ここにおいて、カーボンナノチューブを半導体物理量センサのゲージ抵抗素子として用いるには、マイクロ構造体の所定部位上へカーボンナノチューブを生成する方法を確立する必要がある。カーボンナノチューブの生成方法については各所において研究開発が行われており、最近では、走査型プローブ顕微鏡のプローブや電界放出素子の分野において、シリコン構造体上にカーボンナノチューブを成長させる方法としてシリコンの突起部に触媒金属層を堆積させておき、ＣＶＤ法により突起部からカーボンナノチューブを成長させる方法や、シリコンの２つの突起部間にバイアス電圧を印加しながらＣＶＤ法により突起部間に１本のカーボンナノチューブを成長させる方法が報告されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００５】
【非特許文献１】
小野崇人・江刺正喜，「ＭＥＭＳからＮＥＭＳへ」，応用物理，応用物理学会，２００２年８月，第７１巻，第８号，ｐ９８３−９８４
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、半導体圧力センサや半導体加速度センサといった半導体物理量センサのゲージ抵抗素子としてカーボンナノチューブを採用する場合、ゲージ抵抗素子を配置すべき所定の位置に、所定の方向で所定本数のカーボンナノチューブをセンサ構造体に固定化する必要があるが、これらの条件を満足するようにカーボンナノチューブを生成させることは容易ではない。すなわち、カーボンナノチューブの生成方法としては、ギャップを介して対向配置した電極間にバイアス電圧を印加した状態でＣＶＤ法により上記電極間にカーボンナノチューブを生成させる方法があるが、バイアス電圧が印加された状態において上記電極間に生じる電界領域の範囲において意図しない複数本のカーボンナノチューブが成長したり、意図する方向とずれてカーボンナノチューブが成長したりする恐れがあるからである。要するに、ギャップを介して対向配置した電極間にバイアス電圧を印加した状態でＣＶＤ法により上記電極間にカーボンナノチューブを生成させる方法では、カーボンナノチューブの本数や向きの制御が難しく、カーボンナノチューブを高精度に配設することができなかった。
【０００７】
また、上記非特許文献１には、上述のようにシリコンの突起部間にバイアス電圧を印加した状態で突起部間に１本のカーボンナノチューブを成長させる方法が開示されているが、上記非特許文献１には走査型プローブ顕微鏡のプローブや電界放出素子の用途におけるカーボンナノチューブの生成方法が記載されているにすぎず、半導体圧力センサや半導体加速度センサといった半導体物理量センサのゲージ抵抗素子として用いるカーボンナノチューブの具体的な生成方法を提供するものではない。特に、上記非特許文献１に開示されたカーボンナノチューブの生成方法は、シリコンの突起部をカーボンナノチューブ成長の起点電極としているので、シリコン基板を加工して撓み部を含むマイクロ構造体を形成している半導体物理量センサに上記生成方法をそのまま適用するには、マイクロマシンニング技術を利用して上記突起部を形成する工程が必要であり、突起部の位置や突出高さに高い精度が要求されることとなって、結果としてマイクロ構造体を形成するマイクロマシンニング加工の処理工程の複雑化を招くことになる。
【０００８】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、従来に比べて高感度化を図れる半導体物理量センサを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、上記目的を達成するために、半導体基板をマイクロマシンニング加工することによりフレーム及び該フレームに支持された薄肉の撓み部が形成された構造体であって検出対象とする物理量が当該構造体に加わると前記撓み部の力学的作用中心に応力を生じて前記撓み部が湾曲変形するようにしたマイクロ構造体と、前記マイクロ構造体の一表面側において絶縁膜を介して前記撓み部に重なるように配置されたゲージ抵抗素子と、前記マイクロ構造体の前記一表面側においてパターン形成され前記ゲージ抵抗素子の両端それぞれに電気的に接続された一対の導電配線と、前記ゲージ抵抗素子の両端位置にそれぞれ配置され前記ゲージ抵抗素子を前記各導電配線にそれぞれ接続する一対の基端電極部とを備え、前記一対の基端電極部は、前記一表面に平行な面内で互いの先端が対向する尖突状に形成され、且つ、少なくとも一方がカーボンナノチューブを成長させるための触媒金属材料により構成され、前記ゲージ抵抗素子は、前記一対の基端電極部の先端間に成長した１本のカーボンナノチューブで構成され、前記一対の基端電極部間における前記撓み部の変形形状と同じように変形することを特徴とする。
【００１０】
この請求項１の発明の構成によれば、前記ゲージ抵抗素子を構成するカーボンナノチューブの少なくとも一部が前記撓み部に重なるように配置されていることにより、検出対象とする物理量が前記マイクロ構造体に加わって前記撓み部が湾曲変形したとき、前記撓み部の湾曲変形に追従して前記カーボンナノチューブも変形し、前記カーボンナノチューブの導電率（抵抗値）が変化するので、前記カーボンナノチューブに前記導電配線を通じて電圧を印加しておけば、前記マイクロ構造体に加わった物理量を電気信号に変換して検出することができる。また、前記ゲージ抵抗素子の両端位置に配置された前記一対の基端電極部の少なくとも一方がカーボンナノチューブを成長させるための触媒金属材料により構成され、且つ、前記一対の基端電極部を互いの先端が対向する尖突状に形成しているので、製造時に、例えば、前記一対の基端電極部間にバイアス電圧を印加してＣＶＤ法によりカーボンナノチューブを成長させれば、前記基端電極部の先端に電界が集中した状態で触媒金属材料により構成された側の前記基端電極部から前記一対の基端電極部の先端間に１本のカーボンナノチューブが成長するから、前記ゲージ抵抗素子を構成するカーボンナノチューブの本数や向きがばらつくことがない。また、前記ゲージ抵抗素子を構成する前記カーボンナノチューブは前記撓み部が湾曲変形するときに前記撓み部の湾曲変形に追従して変形するので、検出感度を向上できる。以上の説明から分かるように、請求項１の発明の構成によれば、前記ゲージ抵抗素子として１本のカーボンナノチューブを採用し当該カーボンナノチューブが高い精度で配置されているので、従来のピエゾ抵抗型の半導体物理量センサに比べて高感度化を図ることができる。
【００１１】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記ゲージ抵抗素子と前記一対の基端電極部との組を２組備えるとともに、前記フレームに重なる部位に前記各ゲージ抵抗素子とは別のカーボンナノチューブよりなる２つの基準用抵抗素子が配置され、前記ゲージ抵抗素子と前記基準用抵抗素子とがブリッジ回路を構成するように前記導電配線により接続されてなることを特徴とする。
【００１２】
この請求項２の発明の構成によれば、前記ゲージ抵抗素子と前記基準用抵抗素子とでブリッジ回路を構成することにより、前記検出対象となる物理量の検出精度を向上させることができ、しかも、前記基準用抵抗素子と前記ゲージ抵抗素子との両方がカーボンナノチューブにより構成されているので、ブリッジ回路内での各抵抗素子の抵抗値のバランスが良くなり、良好な検出信号を得ることができる。
【００１３】
請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記基準用抵抗素子の両端位置にそれぞれ配置され且つ前記一表面に平行な面内で互いの先端が対向する尖突状に形成された一対の基端電極部を備え、当該一対の基端電極部の少なくとも一方が前記別のカーボンナノチューブを成長させるための触媒金属材料により構成されてなることを特徴とする。
【００１４】
この請求項３の発明の構成によれば、前記基準用抵抗素子を構成するカーボンナノチューブの本数および位置精度が向上し、前記ブリッジ回路の設計が容易になる。
【００１５】
請求項４の発明は、請求項１乃至３の発明において、前記各基端電極部が触媒金属材料により構成されてなることを特徴とする。
【００１６】
この請求項４の発明の構成によれば、前記一対の基端電極部のいずれの先端からもカーボンナノチューブを成長させることができるので、カーボンナノチューブの生成工程の設計の自由度が大きくなる。また、前記一対の基端電極部を一度の工程で同時に形成することができ、製造工程の簡略化および低コスト化を図れるとともに、前記一対の基端電極部の相対的な位置精度を高めることが可能となり、結果的に前記カーボンナノチューブの長さ寸法や向きの精度を高めることが可能となる。
【００１７】
請求項５の発明は、請求項１乃至４の発明において、前記ゲージ抵抗素子は、前記マイクロ構造体の前記一表面側においてパッシベーション膜により覆われてなることを特徴とする。
【００１８】
この請求項５の発明の構成によれば、前記ゲージ抵抗素子を構成するカーボンナノチューブを前記パッシベーション膜により保護することができる。また、前記パッシベーション膜によって前記ゲージ抵抗素子を長手方向の全体に亘って前記マイクロ構造体に対して強固に固定することができる。
【００１９】
請求項６の発明は、請求項１乃至５の発明において、前記一対の導電配線は、前記一対の導電配線間の距離が前記一対の基端電極部間の距離よりも大きくなるようにパターン形成されてなることを特徴とする。
【００２０】
この請求項６の発明の構成によれば、製造時において、例えば前記一対の導電配線間にバイアス電圧を印加してＣＶＤ法によりカーボンナノチューブを成長させる際に、前記一対の基端電極部を介さない位置でカーボンナノチューブが成長するのを防止することができる。
【００２１】
請求項７の発明は、請求項１乃至６の発明において、前記検出対象とする物理量が圧力であって、前記撓み部は、前記フレームの内側領域を占めて中心部が前記力学的作用中心となるダイヤフラムであることを特徴とする。
【００２２】
この請求項７の発明の構成によれば、従来のピエゾ抵抗型の半導体圧力センサに比べて高感度化を図った半導体圧力センサとして提供することができる。
【００２３】
請求項８の発明は、請求項１乃至６の発明において、前記検出対象とする物理量が加速度であって、前記マイクロ構造体が、前記フレームの内側領域に前記撓み部を介して前記フレームに支持された重り部を備え、前記撓み部は、前記重り部との連結部位に前記力学的作用中心があることを特徴とする。
【００２４】
この請求項８の発明の構成によれば、従来のピエゾ抵抗型の半導体加速度センサに比べて高感度化を図った半導体加速度センサとして提供することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
本実施形態では、半導体物理量センサとして図１および図２に示すような半導体圧力センサを例示する。
【００２６】
本実施形態における半導体圧力センサは、半導体基板であるシリコン基板をマイクロマシンニング加工した形成したマイクロ構造体１と、マイクロ構造体１の一表面側に形成したシリコン酸化膜からなる絶縁膜２上に配置されそれぞれ１本のカーボンナノチューブからなる２個のゲージ抵抗素子３ａ，３ｂおよび２個の基準用抵抗素子３ｃ，３ｄと、マイクロ構造体１の他表面に固着されたガラス製の台座９とを備えている。
【００２７】
マイクロ構造体１は、矩形枠状のフレーム１ａと、フレーム１ａの内側領域を占めてフレーム１ａに連続一体に連結された薄肉のダイヤフラム１ｂとで構成されている。すなわち、マイクロ構造体１は、フレーム１ａの内側に位置し全周に亘ってフレーム１ａに支持され圧力に感応するダイヤフラム１ｂがマイクロマシンニング加工により形成された構造体であって、ダイヤフラム１ｂが撓み部を構成しており、検出対象とする物理量である圧力が当該構造体に加わると撓み部の力学的作用中心（つまり、ダイヤフラム１ｂの中心部）に応力を生じて撓み部が湾曲変形するようになっている。
【００２８】
ダイヤフラム１ｂは、例えばＫＯＨ（水酸化カリウム）、ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）などのアルカリ系溶液などを用いた異方性エッチングによって上記シリコン基板の裏面側に凹所１ｃを設けることにより形成されている。ここにおいて、半導体基板として、シリコン基板の代わりに、厚み方向の中間に埋込酸化膜（シリコン酸化膜）からなる絶縁層が形成された所謂ＳＯＩ基板（表面側のシリコン層と裏面側のシリコン基板との間に上記絶縁層が介在した基板）を採用すれば、裏面側からのエッチング時に上記絶縁層をエッチングストッパ層として利用することで、ダイヤフラム１ｂの厚さ寸法を高精度に管理することが可能となって、歩留まりの向上が図れ、結果的に低コスト化を図れる。
【００２９】
また、台座９は、矩形板状であって、周部がマイクロ構造体１のフレーム１ａに陽極接合により固着されており、マイクロ構造体１の凹所１ｃへ流体を導入するための導入孔９ａが厚み方向に貫設されている。なお、台座９は、シリコンと熱膨張係数が略等しいガラスにより形成されている。
【００３０】
また、上述の２個のゲージ抵抗素子３ａ，３ｂおよび２個の基準用抵抗素子３ｃ，３ｄは、マイクロ構造体１の上記一表面側において絶縁膜２上に形成された導電性材料（例えば、アルミニウムなど）からなる複数（本実施形態では、４つ）の導電配線４によりブリッジ回路を構成するように接続されている。ここにおいて、ダイヤフラム１ｂとフレーム１ａとに跨るように配置されているゲージ抵抗素子３ａ，３ｂは、センシング用の抵抗素子であって、ダイヤフラム１ｂに圧力が加わったとすると、ダイヤフラム１ｂの湾曲変形に追従する形で変形し、導電率（抵抗値）が変化することになる。これに対して、フレーム１ａ上に配置されている基準用抵抗素子３ｃ，３ｄは、基準抵抗用の抵抗素子であって、ダイヤフラム１ｂに圧力が加わってダイヤフラム１ｂが変形したとしても導電率（抵抗値）が変化しない。
【００３１】
したがって、ブリッジ回路の対角位置の一方の端子間に適宜の検出用電源を接続するとともに対角位置の他方の端子間の電圧を検出し、適宜の補正を加えれば、ダイヤフラム１ｂに作用する圧力に比例する電圧を得ることができるのである。なお、本実施形態では、４つの導電配線４それぞれの一部が端子としてのパッドを構成している。ここに、マイクロ構造体１の上記一表面側には、各抵抗素子３ａ〜３ｄ、後述の各基端電極部５、および各導電配線４のうちパッドとなる部位以外を覆うパッシベーション膜（図示せず）が積層されている。
【００３２】
ところで、上述の各抵抗素子３ａ〜３ｃは、マイクロ構造体１の上記一表面に平行な面内においてダイヤフラム１ｂの中心を通る１つの直線上に、当該直線と長手方向が一致するように配置されている。ここに、ゲージ抵抗素子３ａ，３ｂは、ダイヤフラム１ｂの湾曲変形に伴う抵抗値の変化量が大きくなるようにダイヤフラム１ｂの外周（ダイヤフラム１ｂとフレーム１ａとの境界）を構成する４辺のうちの２辺それぞれに各辺の中点で略直交するように配置されている。すなわち、図１（ｂ）に示すようにゲージ抵抗素子３ｂとダイヤフラム１ｂの外周の一部を構成する１辺との交差角をθとすると、交差角θは略９０度となっており、上記１辺に平行な辺とゲージ抵抗素子３ａとの交差角についても同様に略９０度となっている。
【００３３】
なお、本実施形態では、ゲージ抵抗素子３ａ，３ｂの長手方向における略半分がダイヤフラム１ｂに重なるように配置され、残りがフレーム１ａに重なるように配置されており、ゲージ抵抗素子３ａ，３ｂの全部がダイヤフラム１ｂに重なるように配置されている場合に比べて、ゲージ抵抗素子３ａ，３ｂの抵抗値の変化量を大きくすることができる。また、本実施形態では、ダイヤフラム１ｂに流体の圧力が加わっていない状態では各抵抗素子３ａ〜３ｄの抵抗値が同じ値になるように各抵抗素子３ａ〜３ｄの長手方向の寸法を同じ寸法に設定することで、ブリッジ回路の検出精度を向上させている。
【００３４】
また、本実施形態では、各抵抗素子３ａ〜３ｄと各抵抗素子３ａ〜３ｄに電気的に接続される各導電配線４との間に、カーボンナノチューブを成長させるための触媒金属材料（例えば、鉄、ニッケル、コバルトなど）からなる基端電極部５が介在している。すなわち、本実施形態では、８個の基端電極部５が形成されている。各基端電極部５は、マイクロ構造体１における絶縁膜２上においてパターニングされた触媒金属薄膜により構成されており、カーボンナノチューブを介在させる対となる導電配線４，４の両方から互いに近づく向きに突出した尖鋭な平面形状に形成されており、各基端電極部５，５の先端同士を結んだ直線上にカーボンナノチューブが配置されている。要するに、各基端電極部５，５が上記一表面に平行な面内で互いの先端が対向する尖突状に形成され、カーボンナノチューブの両端位置にそれぞれ基端電極部５，５が配置されている。ここに、対となる導電配線４，４（各一対の導電配線４，４）間の距離は、対となる基端電極部５，５の先端間の距離よりも長くなるように設定されている。言い換えれば、対となる導電配線４，４は、基端電極部５，５の先端間の距離が最短距離となるように配設されている。なお、基端電極部５は、尖鋭な先端とは反対側の基端部が導電配線４により覆われ、導電配線４と電気的に接続されている。
【００３５】
以下、本実施形態におけるカーボンナノチューブの生成方法について説明する。
【００３６】
シリコン基板を加工してマイクロ構造体１を形成した後、マイクロ構造体１の上記一表面側の絶縁膜２上にカーボンナノチューブを成長させるための上記触媒金属材料からなる触媒金属薄膜を形成し、リソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して触媒金属薄膜をパターニングすることによってそれぞれ触媒金属薄膜の一部からなる複数の基端電極部５を形成する。
【００３７】
その後、マイクロ構造体１の上記一表面側の全面に例えばスパッタ法や蒸着法などによって導電配線４の構成材料である導電性材料（例えば、アルミニウムなど）からなる導電性膜を形成し、リソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して導電性膜をパターニングすることによってそれぞれ導電性膜の一部からなる複数の導電配線４を形成する。
【００３８】
次に、カーボンナノチューブの原料ガス（例えば、炭化水素を含むＣ２Ｈ２ガス、Ｃ２Ｈ４ガス、ＣＨ４ガスなど）の雰囲気中にて所定温度（例えば、５００℃〜１０００℃）に加熱されたマイクロ構造体１における複数の導電配線４のうち対となる導電配線４，４間に電圧（バイアス電圧）を印加することにより尖突状の基端電極部５の先端から１本のカーボンナノチューブを成長させる。つまり、各一対の基端電極部５，５間にそれぞれ１本のカーボンナノチューブを成長させる。
【００３９】
しかして、上述のカーボンナノチューブの生成方法によれば、対となる導電配線４，４間に電圧を印加することによって尖突状の基端電極部５，５の先端間に電界が集中し、基端電極部５，５の先端間にのみ１本のカーボンナノチューブを成長させることができるので、基端電極部５，５の先端の位置を制御することでカーボンナノチューブの形成位置を制御することができる。言い換えれば、基端電極部５，５の先端の位置を制御することで、カーボンナノチューブの長手方向の寸法およびダイヤフラム部１ｂの外周とカーボンナノチューブとの交差角θを制御することができるから、マイクロ構造体１の上記一表面に平行な面内においてカーボンナノチューブを高い位置精度で配置することが可能となる。要するに、カーボンナノチューブを配置したい直線上に一対の基端電極部５，５の先端が位置し且つ一対の基端電極部５，５の先端間の距離がカーボンチューブの長さ寸法分だけ離間するように基端電極部５，５を配設すれば、所望の長さのカーボンチューブを所望の直線上に配設することができるのである。また、本実施形態では、対となる導電配線４，４それぞれとカーボンナノチューブとを接続する対となる基端電極部５，５の両方を触媒金属材料により形成してあるので、対となる基端電極部５，５のいずれの先端からもカーボンナノチューブを成長させることができ、カーボンナノチューブの生成工程の設計の自由度が大きくなる。また、対となる各一対の基端電極部５，５を一度の工程で同時に形成することができ、製造工程の簡略化および低コスト化を図れるとともに、対となる各一対の基端電極部５，５の相対的な位置精度を高めることが可能となり、結果的にカーボンナノチューブの長さ寸法や向きの精度を高めることが可能となる。なお、本実施形態では、対となる導電配線４，４の両方から突出させている基端電極部５，５の両方を触媒金属材料により構成しているが、一方を導電配線４と同じ導電性材料を構成材料とする突出部として導電配線４のパターニング時に形成するようにしてもよい。
【００４０】
以上説明した本実施形態の半導体圧力センサによれば、ゲージ抵抗素子３ａ，３ｂとしてそれぞれ１本のカーボンナノチューブを採用し各カーボンナノチューブが高い精度で配置されているので、従来のピエゾ抵抗型の半導体圧力センサに比べて高感度化を図ることができる。
【００４１】
（実施形態２）
本実施形態では、半導体物理量センサとして図３および図４に示すような半導体加速度センサを例示する。
【００４２】
本実施形態における半導体加速度センサは、半導体基板であるシリコン基板をマイクロマシンニング加工した形成したマイクロ構造体１１と、マイクロ構造体１１の一表面側に形成されているシリコン酸化膜からなる絶縁膜１２上に配置されそれぞれ１本のカーボンナノチューブからなる２個のゲージ抵抗素子１３ａ，１３ｂおよび２個の基準用抵抗素子１３ｃ，１３ｄと、マイクロ構造体１１の他表面に固着されたガラス製の台座１９とを備えている。
【００４３】
マイクロ構造体１１は、矩形枠状のフレーム１１ａを備え、フレーム１１ａの内側領域にフレーム１１ａから離間して配置された重り部１１ｂの周囲の１辺がフレーム１１ａよりも薄肉である２つの撓み部１１ｃを介してフレーム１１ａに連続一体に連結された構造を有している。すなわち、マイクロ構造体１１は、フレーム１１ａの内側に位置し加速度に感応する重り部１１ｂが２つの撓み部１１ｃを介してフレーム１１ａに支持されており、重り部１１ｂの周囲には撓み部１１ｃを除いてフレーム１１ａとの間にスリット１１ｄが形成されている。また、撓み部１１ｃは重り部１１ｂの１辺に沿う方向に離間して２箇所に形成されている。以上説明したマイクロ構造体１１は、フレーム１１ａの内側に重り部１１ｂおよびフレーム１１ａに支持された２つの撓み部１１ｃ，１１ｃがマイクロマシンニング加工により形成された構造体であって、検出対象とする物理量である加速度が当該構造体に加わると撓み部１１ｃの力学的作用中心（つまり、撓み部１１ｃと重り部１１ｂとの連結部位）に応力を生じて撓み部１１ｃが湾曲変形するようになっている。
【００４４】
なお、重り部１１ｂは、例えば、シリコン基板においてスリット１１ｄに対応する部位を裏面側（上記他表面側）から例えばＫＯＨ（水酸化カリウム）などのアルカリ系溶液などを用いて異方性エッチングを行った後、スリット１１ｄに対応する部位をシリコン基板の主表面側（上記一表面側）からエッチングすることで形成することができる。ここにおいて、半導体基板として、シリコン基板の代わりに、上記ＳＯＩ基板を採用すれば、裏面側および主表面側それぞれからのエッチング時に上記絶縁層をエッチングストッパ層として利用することで、撓み部１１ｃの厚さ寸法を高精度に管理することが可能となって、歩留まりの向上が図れ、結果的に低コスト化を図れる。また、上記ＳＯＩ基板のシリコン基板（支持基板）においてスリット１１ｄに対応する部位を裏面側から誘導結合プラズマ型のドライエッチング装置により上記絶縁層に達するまで垂直にエッチングした後、上記ＳＯＩ基板のシリコン層においてスリット１１ｄに対応する部位をＳＯＩ基板の主表面から上記絶縁層に達する深さまでエッチングし、その後、上記絶縁層においてスリット１１ｄに対応する部位をエッチングするようにすれば、アルカリ系溶液を用いたシリコンの異方性エッチングを利用して重り部１１ｂを形成する場合に比べて、重り部１１ｂの外周面とフレーム１１ａの内周面との間の間隔を小さくすることができるので、マイクロ構造体１１の小型化を図れ、半導体加速度センサの小型化を図ることができる。
【００４５】
また、台座１９は、矩形板状であって、周部がマイクロ構造体１１のフレーム１１ａに陽極接合により固着されており、マイクロ構造体１１との対向面には重り部１１ｂの揺動空間を確保するための凹所１９ｂがサンドブラスト法などによって形成されている。なお、台座１９は、シリコンと熱膨張係数が略等しいガラスにより形成されている。
【００４６】
また、上述の２個のゲージ抵抗素子１３ａ，１３ｂおよび２個の基準用抵抗素子１３ｃ，１３ｄは、マイクロ構造体１１の上記一表面側において絶縁膜１２上に形成された導電性材料（例えば、アルミニウムなど）からなる複数（本実施形態では、５つ）の導電配線１４によりブリッジ回路を構成するように接続されている（なお、マイクロ構造体１１の厚み方向において重なる導電配線１４，１４間には図示しない絶縁膜を介在させてある）。ここにおいて、それぞれ撓み部１１ｃに重なるように撓み部１１ｃの延長方向に長手方向を一致させて配置されているゲージ抵抗素子１３ａ，１３ｂは、センシング用の抵抗素子を構成している。すなわち、マイクロ構造体１１の厚み方向の成分を含む外力（加速度）が重り部１１ｂに作用すると、重り部１１ｂの慣性によって支持部１１ａと重り部１１ｂとがマイクロ構造体１１の厚み方向へ相対的に変位し、結果的に撓み部１１ｃが撓んでゲージ抵抗素子１３ａ，１３ｂが変形し、ゲージ抵抗素子１３ａ，１３ｂの抵抗値が変化することになる。これに対して、フレーム１１ａに重なるように配置されている基準用抵抗素子１３ｃ，１３ｄは、基準抵抗用の抵抗素子であって、重り部１１ｂが変位したとしても抵抗値が変化しない。
【００４７】
したがって、ゲージ抵抗素子１３ａ，１３ｂの抵抗値の変化を検出することにより、マイクロ構造体１１に作用した加速度を検出することができる。言い換えれば、ブリッジ回路の対角位置の一方の端子間に適宜の検出用電源を接続するとともに対角位置の他方の端子間の電圧を検出し、適宜の補正を加えれば、重り部１１ｂに作用する加速度に比例する電圧を得ることができるのである。なお、本実施形態では、上述の各導電配線１４それぞれの一部が端子としてのパッドを構成しており、一端が導電配線１４を介して基準用抵抗素子１３ｃに接続されたゲージ抵抗素子１３ａと、一端が導電配線１４を介してゲージ抵抗素子１３ｂに接続された基準用抵抗素子１３ｄとは、互いの他端に接続された導電配線１４同士が図示しないパッケージのグランドを介して電気的に接続されるようになっている。また、マイクロ構造体１１の上記一表面側には、各抵抗素子１３ａ〜１３ｄ、後述の各基端電極部１５、および各導電配線１４のうちパッドとなる部位以外を覆うパッシベーション膜（図示せず）が積層されている。
【００４８】
また、上述の各ゲージ抵抗素子１３ａ，１３ｂは、撓み部１１ｃの変形に伴う電気抵抗の変化量が大きくなるように撓み部１１ｃの延長方向を長手方向として配置されており、各ゲージ抵抗素子１３ａ，１３ｂが撓み部１１ｃと同じように変形するので、各ゲージ抵抗素子１３ａ，１３ｂの電気抵抗の変化量を大きくすることができる。また、本実施形態では、重り部１１ｂに加速度が作用していない状態では各抵抗素子１３ａ〜１３ｂの抵抗値が同じ値になるように各抵抗素子１３ａ〜１３ｂの長手方向の寸法を同じ寸法に設定することで、ブリッジ回路の検出精度を向上させている。
【００４９】
ところで、本実施形態では、各抵抗素子１３ａ〜１３ｄと各抵抗素子１３ａ〜１３ｄに電気的に接続される各導電配線１４との間に、カーボンナノチューブを成長させるための触媒金属材料（例えば、鉄、ニッケル、コバルトなど）からなる基端電極部１５が介在している。すなわち、本実施形態では、８個の基端電極部１５が形成されている。各基端電極部１５は、マイクロ構造体１１における絶縁膜１２上においてパターニングされた触媒金属薄膜により構成されており、カーボンナノチューブを介在させる対となる導電配線１４，１４の両方から互いに近づく向きに突出した尖鋭な平面形状に形成されており、各基端電極部１５，１５の先端同士を結んだ直線上にカーボンナノチューブが配置されている。要するに、各基端電極部１５，１５が上記一表面に平行な面内で互いの先端が対向する尖突状に形成され、カーボンナノチューブの両端位置にそれぞれ基端電極部１５，１５が配置されている。ここに、対となる導電配線１４，１４（各一対の導電配線１４，１４）間の距離は、対となる基端電極部１５，１５の先端間の距離よりも長くなるように設定されている。言い換えれば、対となる導電配線１４，１４は、基端電極部１５，１５の先端間の距離が最短距離となるように配設されている。なお、基端電極部１５は尖鋭な先端とは反対側の基端部が導電配線１４により覆われ、導電配線１４と電気的に接続されている。
【００５０】
以下、本実施形態におけるカーボンナノチューブの生成方法について説明する。
【００５１】
シリコン基板を加工してマイクロ構造体１１を形成した後、マイクロ構造体１１の上記一表面側の絶縁膜１２上にカーボンナノチューブを成長させるための上記触媒金属材料からなる触媒金属薄膜を形成し、リソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して触媒金属薄膜をパターニングすることによってそれぞれ触媒金属薄膜の一部からなる複数の基端電極部１５を形成する。
【００５２】
その後、マイクロ構造体１１の上記一表面側の全面に例えばスパッタ法や蒸着法などによって導電配線１４の構成材料である導電性材料（例えば、アルミニウムなど）からなる導電性膜を形成し、リソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して導電性膜をパターニングすることによってそれぞれ導電性膜の一部からなる導電配線１４を形成する。
【００５３】
次に、カーボンナノチューブの原料ガス（例えば、炭化水素を含むＣ２Ｈ２ガス、Ｃ２Ｈ４ガス、ＣＨ４ガスなど）の雰囲気中にて所定温度（例えば、５００℃〜１０００℃）に加熱されたマイクロ構造体１１における複数の導電配線１４のうち対となる導電配線１４，１４間に電圧（バイアス電圧）を印加することにより尖突状の基端電極部１５の先端から１本のカーボンナノチューブを成長させる。つまり、各一対の基端電極部１５，１５間にそれぞれ１本のカーボンナノチューブを成長させる。
【００５４】
しかして、上述のカーボンナノチューブの生成方法によれば、対となる導電配線１４，１４間に電圧を印加することによって尖突状の基端電極部１５，１５の先端間に電界が集中し、基端電極部１５，１５の先端間にのみカーボンナノチューブを成長させることができるので、基端電極部１５，１５の位置を制御することでカーボンナノチューブの形成位置を制御することができる。言い換えれば、基端電極部１５，１５の先端の位置を制御することで、カーボンナノチューブの長手方向の寸法を制御することができるとともに、カーボンナノチューブを長手方向が撓み部１１ｃの延長方向と平行になるように配置することができるから、マイクロ構造体１１の上記一表面に平行な面内においてカーボンナノチューブを高い位置精度で配置することが可能となる。要するに、カーボンナノチューブを配置したい直線上に一対の基端電極部１５，１５の先端が位置し且つ一対の基端電極部１５，１５の先端間の距離がカーボンチューブの長さ寸法分だけ離間するように基端電極部１５，１５を配設すれば、所望の長さのカーボンチューブを所望の直線上に配設することができるのである。
【００５５】
また、本実施形態では、対となる導電配線１４，１４それぞれとカーボンナノチューブとを接続する対となる基端電極部１５，１５の両方を触媒金属材料により形成してあるので、対となる基端電極部１５，１５のいずれの先端からもカーボンナノチューブを成長させることができ、カーボンナノチューブの生成工程の設計の自由度が大きくなる。また、対となる各一対の基端電極部１５，１５を一度の工程で同時に形成することができ、製造工程の簡略化および低コスト化を図れるとともに、対となる各一対の基端電極部１５，１５の相対的な位置精度を高めることが可能となり、結果的にカーボンナノチューブの長さ寸法や向きの精度を高めることが可能となる。なお、本実施形態では、対となる導電配線１４，１４の両方から突出させている基端電極部１５，１５の両方を触媒金属材料により構成しているが、一方を導電配線１４と同じ導電性材料を構成材料とする突出部として導電配線１４のパターニング時に形成するようにしてもよい。
【００５６】
以上説明した本実施形態の半導体加速度センサによれば、ゲージ抵抗素子１３ａ，１３ｂとしてそれぞれ１本のカーボンナノチューブを採用し各カーボンナノチューブが高い精度で配置されているので、従来のピエゾ抵抗型の半導体加速度センサに比べて高感度化を図ることができる。
【００５７】
【発明の効果】
請求項１の発明は、上記構成を採用したことにより、ゲージ抵抗素子として１本のカーボンナノチューブを採用し当該カーボンナノチューブが高い精度で配置されているので、従来のピエゾ抵抗型の半導体物理量センサに比べて高感度化を図ることができるという効果がある。
【００５８】
請求項２の発明は、上記構成を採用したことにより、前記ゲージ抵抗素子と前記基準用抵抗素子とでブリッジ回路を構成することにより、前記検出対象となる物理量の検出精度を向上させることができ、しかも、前記基準用抵抗素子と前記ゲージ抵抗素子との両方がカーボンナノチューブにより構成されているので、ブリッジ回路内での各抵抗素子の抵抗値のバランスが良くなり、良好な検出信号を得ることができるという効果がある。
【００５９】
請求項３の発明は、上記構成を採用したことにより、前記基準用抵抗素子を構成するカーボンナノチューブの本数および位置精度が向上し、前記ブリッジ回路の設計が容易になるという効果がある。
【００６０】
請求項４の発明は、上記構成を採用したことにより、前記一対の基端電極部のいずれの先端からもカーボンナノチューブを成長させることができるので、カーボンナノチューブの生成工程の設計の自由度が大きくなるという効果があり、また、前記一対の基端電極部を一度の工程で同時に形成することができ、製造工程の簡略化および低コスト化を図れるとともに、前記一対の基端電極部の相対的な位置精度を高めることが可能となり、結果的に前記カーボンナノチューブの長さ寸法や向きの精度を高めることが可能となるという効果がある。
【００６１】
請求項５の発明は、上記構成を採用したことにより、前記ゲージ抵抗素子を構成するカーボンナノチューブを前記パッシベーション膜により保護することができるという効果があり、また、前記パッシベーション膜によって前記ゲージ抵抗素子を長手方向の全体に亘って前記マイクロ構造体に対して強固に固定することができるという効果がある。
【００６２】
請求項６の発明は、上記構成を採用したことにより、製造時において、例えば前記一対の導電配線間にバイアス電圧を印加してＣＶＤ法によりカーボンナノチューブを成長させる際に、前記一対の基端電極部を介さない位置でカーボンナノチューブが成長するのを防止することができるという効果がある。
【００６３】
請求項７の発明は、上記構成を採用したことにより、従来のピエゾ抵抗型の半導体圧力センサに比べて高感度化を図った半導体圧力センサとして提供することができるという効果がある。
【００６４】
請求項８の発明は、上記構成を採用したことにより、従来のピエゾ抵抗型の半導体加速度センサに比べて高感度化を図った半導体加速度センサとして提供することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１における半導体圧力センサを示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）の要部拡大図である。
【図２】同上における半導体圧力センサを示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は（ａ）の要部拡大図である。
【図３】実施形態２における半導体加速度センサを示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）の要部拡大図である。
【図４】同上における半導体加速度センサを示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は（ａ）の要部拡大図である。
【符号の説明】
１ マイクロ構造体
１ａ フレーム
１ｂ ダイヤフラム
２ 絶縁膜
３ａ，３ｂ ゲージ抵抗素子
３ｃ，３ｄ 基準用抵抗素子
４ 導電配線
５ 基端電極部
９ 台座
９ａ 導入孔
１１ マイクロ構造体
１１ａ フレーム
１１ｂ 重り部
１１ｃ 撓み部
１１ｄ スリット
１２ 絶縁膜
１３ａ，１３ｂ ゲージ抵抗素子
１３ｃ，１３ｄ 基準用抵抗素子
１４ 導電配線
１５ 基端電極部
１９ 台座
１９ｂ 凹所
Claims (8)
- 半導体基板をマイクロマシンニング加工することによりフレーム及び該フレームに支持された薄肉の撓み部が形成された構造体であって検出対象とする物理量が当該構造体に加わると前記撓み部の力学的作用中心に応力を生じて前記撓み部が湾曲変形するようにしたマイクロ構造体と、前記マイクロ構造体の一表面側において絶縁膜を介して前記撓み部に重なるように配置されたゲージ抵抗素子と、前記マイクロ構造体の前記一表面側においてパターン形成され前記ゲージ抵抗素子の両端それぞれに電気的に接続された一対の導電配線と、前記ゲージ抵抗素子の両端位置にそれぞれ配置され前記ゲージ抵抗素子を前記各導電配線にそれぞれ接続する一対の基端電極部とを備え、前記一対の基端電極部は、前記一表面に平行な面内で互いの先端が対向する尖突状に形成され、且つ、少なくとも一方がカーボンナノチューブを成長させるための触媒金属材料により構成され、前記ゲージ抵抗素子は、前記一対の基端電極部の先端間に成長した１本のカーボンナノチューブで構成され、前記一対の基端電極部間における前記撓み部の変形形状と同じように変形することを特徴とする半導体物理量センサ。
- 前記ゲージ抵抗素子と前記一対の基端電極部との組を２組備えるとともに、前記フレームに重なる部位に前記各ゲージ抵抗素子とは別のカーボンナノチューブよりなる２つの基準用抵抗素子が配置され、前記ゲージ抵抗素子と前記基準用抵抗素子とがブリッジ回路を構成するように前記導電配線により接続されてなることを特徴とする請求項１記載の半導体物理量センサ。
- 前記基準用抵抗素子の両端位置にそれぞれ配置され且つ前記一表面に平行な面内で互いの先端が対向する尖突状に形成された一対の基端電極部を備え、当該一対の基端電極部の少なくとも一方が前記別のカーボンナノチューブを成長させるための触媒金属材料により構成されてなることを特徴とする請求項２記載の半導体物理量センサ。
- 前記各基端電極部が触媒金属材料により構成されてなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体物理量センサ。
- 前記ゲージ抵抗素子は、前記マイクロ構造体の前記一表面側においてパッシベーション膜により覆われてなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体物理量センサ。
- 前記一対の導電配線は、前記一対の導電配線間の距離が前記一対の基端電極部間の距離よりも大きくなるようにパターン形成されてなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体物理量センサ。
- 前記検出対象とする物理量が圧力であって、前記撓み部は、前記フレームの内側領域を占めて中心部が前記力学的作用中心となるダイヤフラムであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の半導体物理量センサ。
- 前記検出対象とする物理量が加速度であって、前記マイクロ構造体が、前記フレームの内側領域に前記撓み部を介して前記フレームに支持された重り部を備え、前記撓み部は、前記重り部との連結部位に前記力学的作用中心があることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の半導体物理量センサ。
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