JP2005172808A - 半導体加速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 線膨張係数の差に起因する応力がセンサに与える影響を低減して温度特性の優れた半導体加速度センサを提供すること。
【解決手段】 半導体基板１からなり、内方を開口したフレーム２と、フレーム２から開口内に延設された弾性を有するビーム３と、ビーム３により吊り下げ支持されて遊動自在に可動する錘部４と、ビーム３に設けられるとともに作用する加速度に応じて抵抗値の変化するピエゾ抵抗５と、フレーム２に固着された台座６と、を備えた半導体加速度センサ。台座６は、フレーム２と相対する面にフレーム２と当接する第１の支持手段７を有し、その反対側の面には台座６と直交する方向において第１の支持手段７と重ならない位置に第２の支持手段７を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、応力を電気信号に変換することにより作用した加速度を検知する半導体加速度センサに関し、特に、温度特性に優れた半導体加速度センサに関するものである。

この種の背景技術として、本願出願人は、例えば、特開２００３−２７０２６３号公報（特許文献１）に温度特性を向上させる半導体加速度センサを提案した。これを図３示す。図３（ａ）はその全体概略斜視図であり、図３（ｂ）はＡ−Ａ線で切断したときの概略断面図である。

このものは、センサチップ１００と、上ストッパ２００と、下ストッパ３００と、支持部４００とを備えている。

センサチップ１００は、このものに作用した加速度を電気信号に変換して出力するものであり、半導体基板にて形成されている。また、その構成要素としてフレーム１１０と、梁部１２０と、錘部１３０と、ピエゾ抵抗素子１４０とを有している。

フレーム１１０は、錘部１３０を支持しており、平面視において略四角形状に形成されている。また、その内方は、それぞれの辺がフレーム１１０の周縁と平行となる略四角形状に開口されており、全体としてフレーム１１０は枠体に構成されている。

梁部１２０は、フレーム１１０と錘部１３０との間に介在して錘部１３０を吊り下げ支持しており、平面視において短冊状に形成されており、また、その厚みは弾性を有するように薄肉状に形成されている。また、このものは、フレーム１１０を構成する４辺の上面から内方に向かってそれぞれ突設しており、フレームの内方の中央部１３１で交差して一体化している。

さらに、梁部１２０上には、錘部１３０の揺動に応じて生じる歪みによって抵抗値が変化するピエゾ抵抗素子１４０が、中央部１３１の梁部１２０と錘部１３０との境界上にそれぞれ２本ずつと、梁部１２０とフレーム１１０との境界上にそれぞれ１本ずつ形成されている。そして、これらのピエゾ抵抗素子１４０は電気的に電極１５０と接続されており、この電極１５０を介して検出した加速度信号を出力している。

上ストッパ２００は、センサチップ１００に過度の加速度が作用したときの梁部１２０の破壊を抑制しており、耐熱ガラス等の半導体基板に近い線膨張係数を持つガラス材にて形成されている。また、その形状は、平面視において略四角形の平板であり、電極１５０を露出させる分だけセンサチップ１００より小さく形成されている。また、このもののフレーム１１０の上面と接合する部分より内方は、錘部１３０の変位空隙を確保するために堀り込まれている。

下ストッパ３００は、上ストッパ２００同様、センサチップ１００に過度の加速度が作用したときの梁部１２０の破壊を抑制しており、耐熱ガラス等の半導体基板に近い線膨張係数を持つガラス材にて形成されている。また、その形状は、平面視において略四角形の平板であり、センサチップ１００と略同等の大きさに形成されている。

さらに、下ストッパ３００におけるフレーム１１０の下面と接合する面には平面視において略四角形の柱体をなす支持部４００が複数設けられている。この支持部４００は、錘部１３０の変位空隙を確保する高さに形成されており、フレーム１１０の各辺の中央位置とそれぞれ接合する位置に配設されている。

したがって、上記構成の半導体加速度センサによれば、センサチップ１００は、その中心から最も近距離にある支持位置、すなわち、フレーム１１０の各辺の中央位置に接合する支持部４００の微小面積で支持される。この場合、線膨張係数の異なる材料同士が接合している領域を小さくできるので、熱による膨張量又は収縮量は、フレーム１１０の全面を接合した場合と比較して小さくなり、また、センサチップ１００の中心及び隣り合う支持部４００とのなす角が９０°に形成されているので、熱膨張又は熱収縮に伴って支持部４００から梁部１２０に伝達される応力が均等になり、結果的に、線膨張係数の差に起因する熱応力がセンサチップに与える影響を緩和して温度特性を向上させることができる。

また、特開２０００−３０４７６２号公報（特許文献２）には上ストッパ及び下ストッパの四隅に形成した支持部によりフレームと固着した半導体加速度センサを提案している。
特開２００３−２７０２６３号公報 特開２０００−３０４７６２号公報

しかしながら、このような半導体加速度センサにおいては、例えば、パッケージのような、下ストッパ３００と接合されて半導体加速度センサ本体を固定する部材からの熱応力は考慮されておらず、特に、パッケージが樹脂にて形成されている場合、下ストッパ３００とパッケージとの線膨張係数差は下ストッパ３００とフレーム１１０との線膨張係数差に比べて大きくなる傾向にあり、高精度な温度特性を要求される状況においては熱応力の緩和能力が不足して梁部１２０に影響をもたらし、温度特性を十分に向上させることができない場合があった。

本発明は、上記の点に鑑みてなしたものであり、その目的とするところは、線膨張係数の差に起因する応力がセンサに与える影響を低減して温度特性の優れた半導体加速度センサを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明の半導体加速度センサは、半導体基板からなり、内方を開口したフレームと、前記フレームから前記開口内に延設された弾性を有するビームと、前記ビームにより吊り下げ支持されて遊動自在に可動する錘部と、前記ビームに設けられるとともに作用する加速度に応じて抵抗値の変化するピエゾ抵抗と、前記フレームに固着された台座と、を備えた半導体加速度センサであって、前記台座は、前記フレームと相対する面にフレームと当接する第１の支持手段を有し、前記面と反対側の面には、前記台座と直交する方向において第１の支持手段と重ならない位置に第２の支持手段を有することを特徴とするものである。

請求項２に係る発明の半導体加速度センサは、請求項１記載の構成において、前記第１の支持手段は前記フレームの各辺の中間位置に設けられ、前記第２の支持手段は前記台座の隅角部に設けられてなるものとしている。

請求項３に係る発明の半導体加速度センサは、請求項１又は２記載の構成において、前記第１の支持手段及び前記第２の支持手段は、前記台座と一体形成された凸部であるものとしている。

請求項４に係る発明の半導体加速度センサは、請求項１乃至３いずれかに記載の構成において、前記台座は、前記第１の支持手段と前記第２の支持手段との間に前記台座の厚み方向に貫通するスリット部を有してなるものとしている。

本発明の半導体加速度センサによれば、第１の支持手段及び第２の支持手段を台座と直交する方向において重ならない位置に設けている、すなわち、台座の一方の主面から見たその投影像において、第１の支持手段及び第２の支持手段を両者が重ならない位置に設けることにより、第２の支持手段から第１の支持手段を介してビームまで到達する距離を長く取ることができ、その結果、ビームに到達する応力が距離に反比例して小さくなるので、線膨張係数の違いにより温度変化で生じる熱応力による影響を低減して温度特性を向上することができる。

また、第１の支持手段と第２の支持手段との間にスリット部を設けることにより、熱応力の伝達経路をスリット部で迂回させてより長く取ることができ、温度変化で生じる熱応力による影響をさらに低減して温度特性を向上することができる。

［第１の実施形態］
第１の実施形態に係る半導体加速度センサについて図１に基づき説明する。図１（ａ）はその概略斜視図、図１（ｂ）はその概略下面図である。

この実施形態の半導体加速度センサは、例えば、シリコン（Ｓｉ）からなる支持層１１上に、例えば、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる絶縁層１２を介してシリコンからなる活性層１３を積層したＳＯＩ基板１を加工することにより形成しており、その主要構成要素として、フレーム２と、ビーム３と、錘部４と、ピエゾ抵抗５と、台座６と、支持手段７とを備えている。

このうち、フレーム２は、半導体加速度センサの基体となるものであり、ビーム３を介して錘部４を支持するものである。このものは、ＳＯＩ基板１の内方を穿設した枠体であり、平面視において略四角形状に形成している。また、このフレーム２は、支持層１１、絶縁層１２、活性層１３の３層で構成しており、その支持層１１の表面にはピエゾ抵抗５と接続した、例えば、アルミニウム（Ａｌ）からなる電極（図示せず）を形成している。

ビーム３は、作用する加速度に応じて錘部４が遊動自在に動くように吊り下げ支持するものである。このものは、ＳＯＩ基板１の活性層１３にて構成しており、フレーム２の各辺の中央付近を基端部３１として内方に向かって突設し、フレーム２の中央付近で交差部２１を介して互いに一体化している。また、このビーム３は、平面視において長四角形状の短冊体であり、その厚みを活性層１３と略同等に形成している。本実施形態では活性層１３の厚みを５μｍ程度としており、このような厚みにおいては、ビーム３は作用する加速度に応じて可撓する弾性体として機能する。

錘部４は、作用する加速度の大きさに応じて誘導してビーム３の撓み量を変化させるものである。このものは、ＳＯＩ基板１の支持層１１にて構成しており、主錘部４１と４つの補助錘部４２とからなる。

このうち、主錘部４１は、交差部２１の下面に絶縁層１２を介して結合している。その形状は平面視において四角形状の塊体であり、その厚みはフレーム２の支持層１１の厚みと略同等であり、主錘部４１の下面がフレーム２の下面と同一平面を構成している。

一方、補助錘部４２は、主錘部４１の４つの隅角にそれぞれ一体化して形成しており、加速度が作用していない状態でＳＯＩ基板１の活性層１３側から見たときに、隣り合うビーム３とそのビーム３を支持するフレーム２の辺とで囲まれた領域に位置するように形成している。その形状は、平面視において略四角形状の塊体であり、その厚みは主錘部４１と略同等の厚みを有している。

ピエゾ抵抗５は、応力によりビーム３が変形した際の撓み量を電気信号に変換するものである。このものは、ビーム３の表面に形成しており、詳細にはビーム３とフレーム２との結合部分近傍及びビーム３と交差部２１との結合部分近傍に配置している。このうち、交差部２１の近傍にあるピエゾ抵抗５は、フレーム２の辺と平行な方向のベクトル成分を持つ加速度に対して応答し、例えば、フレーム２の任意の一辺と平行な方向をＸ軸と規定し、Ｘ軸と直交してかつフレーム２の辺と平行な方向をＹ軸と規定すると、Ｘ軸と平行なフレーム２上にある４つのピエゾ抵抗５で１組のホイートストンブリッジを構成し、また、Ｙ軸と平行なフレーム２上にある４つのピエゾ抵抗で１組のホイートストンブリッジを構成している。さらに、フレーム２の近傍にあるピエゾ抵抗５は、Ｘ軸及びＹ軸に直交する方向のベクトル成分を持つ加速度に対して応答し、例えば、この方向をＺ軸と規定すると、ビーム３上にある４つのピエゾ抵抗５で１組のホイートストンブリッジを構成している。

台座６は、半導体加速度センサに過度の加速度が作用したときに、錘部４の以上変位によるビーム３の破壊を低減するためのものである。このものは、シリコン（Ｓｉ）と線膨張係数の近い、例えば、硼珪酸ガラス等にて形成している。また、この台座６は、後述する支持手段７を介してフレーム２の支持層１１に固着しており、その形状は、平面視において略四角形状の平板であり、フレーム２と略同等の大きさである。

ここにおいて、支持手段７は台座６と一体形成しており、フレーム２と相対する面及びその反対側にある面からその厚み方向に突設ししており、その形状は、平面視において略正方形状をなす柱体である。また、支持手段７のフレーム２との当接面における一辺は、フレーム２の各辺の幅の略半分の長さとしている。また、この支持手段７は台座６に複数設けている。このうち、フレーム２と相対する面側の上側支持手段７１は、フレーム２の各辺の中央付近とそれぞれ当接する位置、すなわち、台座６の周縁を構成する各辺の中央付近にそれぞれ形成してあり、一方、その反対面側の下側支持手段７２は台座６の４つの隅角に形成している。特に、上側支持手段７１は、錘部４の下方向への変位を可能にする変位空間を形成しており、少なくとも検知しようとする最大加速度による錘部４の変位量と同等の高さに形成している。

次に、その製造方法について説明する。

まず、それぞれの層厚が、例えば、支持層１１が４００μｍ程度、絶縁層１２が０．５μｍ程度、活性層１３が５μｍ程度のＳＯＩ基板１を用い、その表面に、例えば、パイロジェニック酸化法により二酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる酸化膜を形成する。

次いで、活性層１３にピエゾ抵抗５、拡散配線（図示せず）、金属配線（図示せず）及び電極（図示せず）を形成する。このうち、ピエゾ抵抗５及び拡散配線の形成は、まず、ビーム３及びフレーム２の所定の位置の酸化膜を除去し、例えば、活性層がｎ型の導電型を有する場合、導電型がｐ型となる不純物、例えば、ボロン（Ｂ）をイオン注入法又はデポジット拡散法等を用いて支持層１１に注入する。続いて、１１００℃程度に昇温した水蒸気と酸素との混合気体中で３０分程度不純物を熱拡散して処理を終える。

一方、金属配線及び電極の形成は、拡散配線上の所定の位置の酸化膜を除去してコンタクトホール（図示せず）を形成し、活性層１３の酸化膜上に、例えば、アルミニウム（Ａｌ）をスパッタ法を用いて積層する。続いて、フォトレジスト（図示せず）を塗布後、所定形状にパターニングして処理を終える。

次いで、活性層１３にフォトレジストを塗布し、隣り合うビーム３とフレーム２とに囲まれた領域のフォトレジストを除去し、誘導結合型プラズマエッチング（ＩＣＰ）を用いて活性層１３をエッチングしてその領域を開口する。

次いで、支持層１１にフォトレジストを塗布し、フレーム２と錘部４との境界となる部位のフォトレジストを除去し、ＩＣＰを用いて支持層１１を絶縁層１２に至るまでエッチング除去してフレーム２と錘部４を形成する。このとき、ＩＣＰには、例えば、六フッ化硫黄（ＳＦ６）ガスを用いる。

次いで、例えば、フッ化水素酸（ＨＦ）の溶液を霧状にして噴霧し、フレーム２の支持層１１と当接する絶縁層１２及び錘部４の主錘部４１と当接する絶縁層１２を除いた他の領域の絶縁層１２をエッチングして錘部４を遊動自在にする。

最後に、予め支持手段７の形成された台座６をフレーム２に当接させ、例えば、陽極接合を用いて接合して半導体加速度センサを完成する。

このあと、上記工程を経て形成した半導体加速度センサを、例えば、パッケージ（図示せず）などに固着して外部と電気的に接続することにより、加速度センサ装置として使用可能になる。

本実施形態の半導体加速度センサによれば、上側支持手段７１を台座６の周縁を構成する各辺の中央付近にそれぞれ形成し、かつ下側支持手段７２を台座の隅角に形成することにより、下側支持手段７２から上側支持手段７１を介してビーム３までの応力の伝達距離を長く取ることができ、加えて、ビームに到達する応力は伝達距離に反比例して小さくなるので、結果的に線膨張係数の違いにより温度変化で生じる熱応力による影響を低減して温度特性を向上することができる。

なお、支持手段７は、台座６と一体化されているものに限定されるものではなく、別部材で構成して台座６とフレーム２との間及び台座６とパッケージとの間に介在させてもよい。この際、介在させる支持手段７の線膨張係数は、その支持手段７と固着されるそれぞれの部材の線膨張係数を上限及び下限として、その範囲内であることが望ましい。また、支持手段７の大きさ及び形成位置も上述した内容に限定されるものではなく、このような技術思想の範疇に含まれる限り適宜変更することが可能である。

［第２の実施形態］
第２の実施形態に係る半導体加速度センサを図２に基づき説明する。図２はその概略下面図である

本実施形態の半導体加速度センサは、台座８の所定の部分が第１の実施形態と異なるものであり、他の構成要素は第１の実施形態と実質的に同一であるので、同一部材には同一の番号を付して説明を省略する。

本実施形態の台座８は、上側支持手段７１と下側支持手段７２との間にスリット部８１を設けていることが第１の実施形態と異なる部分である。

このスリット部８１は、台座８の厚み方向と平行な方向に貫通した貫通孔であり、平面視において略長四角形状をなしている。このものは、その短辺の一方を台座８の周縁と一致させるように形成しており、上側支持手段７１と下側支持手段７２とを結ぶ直線を分断する位置に設けている。また、その大きさは、短辺を５０μｍ程度とし、長辺をフレーム２の一辺の幅と略同等に形成している。

本実施形態の半導体加速度センサによれば、上側支持手段７１と下側支持手段７２との間にスリット部８１を設けることにより、熱応力をスリット部８１で迂回させてその伝達距離をより長く取ることができるので、温度変化で生じる熱応力による影響をさらに低減して温度特性を向上することができる。

本発明の第１の実施形態に係る半導体加速度センサを示すものであり、（ａ）はその概略斜視図、（ｂ）は支持層から見た概略平面図である。 本発明の第２の実施形態に係る半導体加速度センサを支持層から見た概略平面図である。 従来の半導体加速度センサを示すものであり、（ａ）はその概略平面図、（ｂ）はＡ−Ａ線で切断したときの概略断面図である。

符号の説明

１ 半導体基板
２ フレーム
３ ビーム
４ 錘部
５ ピエゾ抵抗
６ 台座
７ 支持手段
７１ 上側支持手段（第１の支持手段）
７２ 下側支持手段（第２の支持手段）
８ 台座
８１ スリット部

Claims (4)

1. 半導体基板からなり、内方を開口したフレームと、前記フレームから前記開口内に延設された弾性を有するビームと、前記ビームにより吊り下げ支持されて遊動自在に可動する錘部と、前記ビームに設けられるとともに作用する加速度に応じて抵抗値の変化するピエゾ抵抗と、前記フレームに固着された台座と、を備えた半導体加速度センサであって、
   前記台座は、前記フレームと相対する面にフレームと当接する第１の支持手段を有し、前記面と反対側の面には、前記台座と直交する方向において第１の支持手段と重ならない位置に第２の支持手段を有することを特徴とする半導体加速度センサ。
2. 前記第１の支持手段は前記フレームの各辺の中間位置に設けられ、前記第２の支持手段は前記台座の隅角部に設けられてなる請求項１記載の半導体加速度センサ。
3. 前記第１の支持手段及び前記第２の支持手段は、前記台座と一体形成された凸部である請求項１又は２記載の半導体加速度センサ。
4. 前記台座は、前記第１の支持手段と前記第２の支持手段との間に前記台座の厚み方向に貫通するスリット部を有してなる請求項１乃至３いずれかに記載の半導体加速度センサ。

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