JP2006145546A - 加速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性が高く、過大な加速度で破損することのない加速度センサを提供する。
【解決手段】２枚のシリコン基板１０，２０を絶縁層３０で貼り合わせたＳＯＩウエハを用い、第１のシリコン基板１０に開口部１１が設けられ、周辺固定部１２、錘固定部１３、梁部１４、ストッパ部１５の各領域が一体形成されている。一方、第２のシリコン基板２０には、台座部２１とこの台座部よりも若干薄い錘部２３が形成され、この錘部２３とストッパ部１５が重なるような寸法になっている。これにより、錘部２３の加速度による変位は、ストッパ部１５と台座部２１が固定された容器の底面で制限され、過大な加速度による破壊が防止される。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＸＹＺの３軸方向の加速度を検出するための加速度センサ、特に過大な加速度による破壊防止技術に関するものである。

特公平８−７２２８号公報 特開平１０−４８２４３号公報

図２（ａ），（ｂ）は、従来の加速度センサの構成図である。
図２（ａ）は前記特許文献１の第１図に記載された加速度センサで、円盤状のシリコンによる単結晶基板５０を有している。単結晶基板５０には、中心から順に同心円状に、作用部５１、可撓部５２及び固定部５３が配置されている。可撓部５２は、裏面の肉厚が薄く形成されて可撓性を有するようになっており、表面にはピエゾ抵抗効果を有する複数の抵抗素子（図示していない）が形成されている。作用部５１の裏面には円柱状の重錘体５４が固着され、固定部５３は円筒状の台座５５を介して容器６０の底部６１に接着剤６２で固着されている。台座５５は、通常の状態で重錘体５４が容器６０の底面に接触しないような高さに設定されている。

容器６０の壁面部６３の上部には配線孔が設けられ、この配線孔を通して配線用の電極７０が外部に引き出されている。電極７０の容器６０内の一端は、ボンディングワイヤ７１によって単結晶基板５０上の抵抗素子に接続されている。また、容器６０の上部は、蓋６４が被せられている。

このような加速度センサでは、可撓部５２上に線状に形成された抵抗素子をＸ方向及びＹ方向に配置し、各抵抗素子の歪みによる電気抵抗の変化を検出して、重錘体５４に加えられる加速度の大きさと向きを算出できるようになっている。また、大きな加速度が加えられたときには、重錘体５４が容器６０の底部６１に接触して過大な変位を阻止し、単結晶基板５０の破壊を防止するようになっている。

図２（ｂ）は前記特許文献２の図５に記載された２層構造の加速度センサの断面図で、質量部の過大な変位を阻止するための構造を示している。

この加速度センサは、正方形の第１の半導体基板７０と第２の半導体基板８０を、接着剤や溶着等の周知の固着手段で接合して構成されている。半導体基板７０は、図には表れていない正方形の中心質量部７１、この中心質量部７１の四隅に接続された４個の周辺質量部７２、基板周辺の支持部７３、及び中心質量部７１と支持部７３とを可撓性を持たせて接続するために肉厚を薄くした梁部７４が一体に形成されている。また、梁部７４の表面には、図示されていないが、ピエゾ抵抗効果を有する複数の抵抗素子が形成されている。一方、半導体基板８０は、中央部に位置する錘部８１と、この錘部８１の周囲に一定の間隔をあけて配置された台座８２とで構成されている。

そして、図２（ｂ）の構造１では、周辺質量部７２の外周を、錘部８１の外周よりも大きく形成すると共に、周辺質量部７２と重なる台座８２の内側の上面に、この周辺質量部７２との間に間隙を形成するための凹部８２ａを設けている。これにより、周辺質量部７２と台座８２の重なりによって質量部の過大な変位が阻止されるようになっている。また、図２（ｂ）の構造２では、周辺質量部７２の外周を、錘部８１の外周よりも小さく形成すると共に、支持部７３と重なる錘部８１の周辺の上面に、この支持部７３との間に間隙を形成するための凹部８１ａを設けている。これにより、支持部７３と錘部８１の重なりによって質量部の過大な変位が阻止されるようになっている。

しかしながら、従来の加速度センサでは、次のような課題があった。
例えば、図２（ａ）の加速度センサは、台座５５を容器６０の底部６１に接着剤６２で固着している。このため、接着剤６２の量が多くなったり、接着時の押し付け圧力が大きくなった場合に、この接着剤６２が重錘体５４の下側に押し出され、ついには重錘体５４まで達してこの重錘体５４を固定してしまうという問題があった。また、接着剤６２が厚くなって重錘体５４と容器６０の底部６１との距離が広がり、ストッパとして働く限界距離を越えてしまうという問題があった。本発明は、過大な加速度によって破損しない加速度センサを提供するものである。

本発明の加速度センサは、錘固定部を可撓的に支持する周辺固定部と、前記周辺固定部に固定する台座部と、前記錘固定部に固定され、角部が該角部と前記台座部の裏面との距離を長くするように構成される錘部とを備えたことを特徴としている。

本発明では、加速度センサの錘固定部に固定された錘部の角部がこの角部と台座部の裏面との距離を長くするように構成されている。これにより、台座部の裏面に接着剤を塗布して容器に固着するときに、この容器の底部と台座部の間から接着剤が押し出されても、この接着剤が錘部に達して錘部を固定してしまうおそれがないという効果がある。

加速度センサを、錘固定部とその周辺に配置された周辺固定部、及びこの錘固定部を周辺固定部に可撓的に接続する梁部を一体に形成した基板と、錘固定部よりも大きな面積を有して角部と台座部の裏面との距離が長くなるように構成した錘部と、この錘部の周辺に所定の間隔を介して配置される台座部と、台座部と周辺固定部、及び錘固定部と錘部とをそれぞれ接続する接続層とで構成する。

図１（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施例を示す加速度センサの構成図であり、同図（ａ）は平面図、同図（ｃ）は裏面図、及び同図（ｂ），（ｄ）は同図（ａ）中の断面Ａ−Ａ，Ｂ−Ｂにおける断面図である。

また、図３（ａ）〜（ｄ）は、図１の加速度センサにおける各層のパターンを示す平面図であり、同図（ａ）は第１のシリコン基板１０、同図（ｂ）は絶縁層３０、同図（ｃ）は補強部４１、及び同図（ｄ）は第２のシリコン基板２０の、それぞれのパターンを示している。

この加速度センサは、厚さ５μｍ程度の第１のシリコン基板１０と厚さ５２５μｍ程度の第２のシリコン基板２０とを絶縁層３０を介して貼り合わせたＳＯＩ（Silicon on Insulator）ウエハに、エッチング等の処理を施して形成したものである。

加速度センサ１個分のシリコン基板１０は、１辺が２．５ｍｍ程度のほぼ正方形をしており、その内側に４個の開口部１１を設けることにより、周辺固定部１２、錘固定部１３、梁部１４、及びストッパ部１５の各領域が形成されている。周辺固定部１２は、シリコン基板１０の周辺部に設けられた幅５００μｍ程度の領域であり、錘固定部１３は、このシリコン基板１０の中央部に設けられた１辺が７００μｍ程度のほぼ正方形の領域である。周辺固定部１２と錘固定部１３との間は、縦及び横方向に直交するように設けられた幅４００μｍ程度の４つの梁部１４で接続されている。梁部１４の表面には、機械的歪みによって電気抵抗が変化するピエゾ抵抗効果を有する抵抗素子１６が形成されている。

周辺固定部１２と梁部１４で囲まれるほぼ正方形の領域の内で、この周辺固定部１２の２辺を有するほぼ直角三角形の領域がストッパ部１５となっており、このストッパ部１５の反対側のほぼ直角三角形の領域が開口部１１となっている。また、ストッパ部１５には、複数の小さな開口部１７が設けられている。

一方、シリコン基板２０は、シリコン基板１０の周辺固定部１２に対応して周辺に設けられた幅５００μｍ程度の台座部２１と、この台座部２１の内側に間隙２２を介して設けられた錘部２３を有している。錘部２３は、シリコン基板１０の錘固定部１３、開口部１１及びストッパ部１５の領域に対応した形状をしている。即ち、錘部２３は、錘固定部１３に対応する中央錘部２３ａと、この中央錘部２３ａの四隅に接続された４個の周辺錘部２３ｂとで構成されている。

また、シリコン基板２０において、シリコン基板１０の梁部１４に対応する箇所は、溝部２４としてシリコンが除去されている。錘部２３の厚さは、台座部２１の厚さよりも最大許容変位量（例えば、５μｍ）だけ薄く形成されている。更に、錘部２３の下部の周囲には、例えば幅と高さが２０μｍ程度の段差部２３ｃが形成されている。

シリコン基板１０，２０は、周辺固定部１２に対応して残された絶縁層３０の酸化膜３１と、錘固定部１３に対応して残された絶縁層３０の酸化膜３２を介して相互に接続されている。また、シリコン基板１０の表面で、四隅の周辺固定部１２とストッパ部１５の境界線上には、このストッパ部１５を補強するために、図示しない保護膜を介して、アルミニウム等による補強部４１が設けられている。

図４及び図５は、図１の加速度センサの製造方法を示す工程図（その１、及びその２）である。以下、この図４及び図５に従って、図１の加速度センサの製造方法を説明する。

（１） 工程１
例えば、厚さ５μｍで体積抵抗率６〜８Ω／ｃｍ程度のＮ型のシリコン基板１０と厚さ５２５μｍで体積抵抗率１６Ω／ｃｍ程度のシリコン基板２０を、厚さ５μｍ程度の酸化シリコンによる絶縁層３０を介して貼り合わせたＳＯＩウエハを準備する。

（２） 工程２
シリコン基板１０の表面に、１０００℃程度の加湿雰囲気を用いた熱酸化条件で、厚さ０．４μｍ程度の酸化シリコンによる保護膜４０を形成する。

（３） 工程３
ホトリソエッチング技術を用いて保護膜４０に開口部４０ａを設け、ボロン拡散法により、シリコン基板１０の表面に抵抗素子１６等となるＰ型の拡散層１８を形成する。更に、拡散層１８の表面にＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition)法によって保護酸化膜４０ｂを形成する。

（４） 工程４
ホトリソエッチング技術を用いて保護酸化膜４０ｂに電極取り出し口４０ｃを開口し、メタルスパッタリング技術を用いて保護膜４０上にアルミニウムを堆積する。更に、ホトリソエッチング技術を用いてアルミニウムをエッチングし、補強部４１と配線４２を同時に形成する。

（５） 工程５
ＰＲＤ（Plasma Reactive Deposition) 法を用いて、保護膜４０及びその上に形成された補強部４１や配線４２の表面に、保護用のシリコン窒化膜４３を形成する。尚、次の工程６以降の説明では、このシリコン窒化膜４３の図示を省略している。

（６） 工程６
シリコン窒化膜４３上にホトレジストを形成し、ホトリソエッチング技術を用いて、梁部１４とストッパ部１５を区隔する開口部１１と、後の工程で周辺錘部２３ｂとストッパ部１５の間に介在する絶縁層３０を除去するために用いる開口部１７を形成する。

（７） 工程７
ＳＯＩウエハの裏面、即ちシリコン基板２０の表面に、ＣＶＤ技術を用いて酸化膜４４を形成する。台座部２１に対応するように周囲の酸化膜４４を残し、中央部の酸化膜４４をホトリソエッチング技術を用いて除去して、開口部４４ａを形成する。更に、開口部４４ａに中に、錘部２３に対応するホトレジスト４５を形成する。

（８） 工程８
周辺部に残された酸化膜４４とホトレジスト４５をエッチングマスクとし、ガスチョッピング・エッチング技術（GCET:Gas Chopping Etching Technology、所謂 Bosch法）を用いてシリコン基板２０の表面を２０μｍ程度エッチングし、凹部２０ａを形成する。その後、ホトレジスト４５のみを除去する。

（９） 工程９
酸化膜４４をエッチングマスクとし、ＧＣＥＴを用いてシリコン基板２０の表面を５μｍ程度、追加エッチングする。これにより、厚さが台座部２１よりも５μｍ程度薄い錘部２３が得られ、更に中央部よりも厚さが２０μｍ程度薄い周辺部が形成される。この周辺部は、後の工程で段差部２３ｃとなるものである。

（１０） 工程１０
ホトリソ技術により、シリコン基板２０の台座部２１と錘部２３の間の間隙２２及び溝部２４を形成するためのエッチングマスク４６を形成する。

（１１） 工程１１
ＧＣＥＴを用いて、シリコン基板２０の間隙２２と溝部２４を形成する。

（１２） 工程１２
工程１１までの処理が完了したＳＯＩウエハを緩衝ふっ酸に浸漬し、シリコン基板１０，２０間の絶縁層３０をエッチングする。この時、シリコン基板１０に設けられた開口部１１，１７と、シリコン基板２０の間隙２２及び溝部２４から緩衝ふっ酸が流入し、周辺錘部２３ｂとストッパ部１５の間に介在する絶縁層３０が除去される。

その後、通常の半導体製造方法と同様に、ＳＯＩウエハからチップを切り出し、容器に収容して所定の配線を行う。

次に、動作を説明する。
容器に収容された加速度センサの錘部２３に下向きの加速度が加えられると、梁部１４が撓んで、この錘部２３が下側に変位する。錘部２３の下側への変位は、この錘部２３の底面が容器の底部に接する位置で停止され、それ以上の変位は阻止される。また、錘部２３に上向きの加速度が与えられると、梁部１４が撓んでこの錘部２３は上側に変位するが、周辺錘部２３ｂがストッパ部１５に接した位置で停止され、それ以上の変位は阻止される。

一方、４つの梁部１４に形成された抵抗素子１６の電気抵抗は、この梁部１４の撓みに応じて変化する。これにより、４つの抵抗素子１６の変化量に基づいて、加速度の大きさと方向が算出される。

このように、本実施例の加速度センサは、次のような利点がある。
（ｉ） 錘部２３の上側への許容量を越える変位は、補強部４１で補強が施されたストッパ部１５で阻止され、下側への許容量を越える変位は容器６０の底面６１で阻止される。これにより、過大な加速度によるセンサの破壊を防止することができる。
（ii） ＳＯＩウエハをエッチングして形成しているので、複数のシリコン基板を貼り合わせるという工程が不要である。このため、寸法誤差が極めて小さくなり、信頼性と精度を向上させることができる。
（iii) 錘部２３の下部の周囲に段差部２３ｃを形成している。これにより、台座部２１の裏面に接着剤を塗布して容器６０に固着するときに、この容器６０の底部６１と台座部２１の間から接着剤が押し出されても、この接着剤が錘部２３に達してこの錘部２３を固定してしまうおそれがない。

なお、本発明は、上記実施例に限定されず、種々の変形が可能である。この変形例としては、例えば、次のようなものがある。
（ａ） 形状は正方形に限定されない。長方形や円形でも良い。また、シリコン基板１０，２０等の寸法は、例示したものに限定されない。
（ｂ） 工程４で電極取り出し口を設ける時に、台座部２１の上に位置する周辺固定部１２上に開口部を設けて、アルミニウムの配線４２とこの周辺固定部１２のシリコンの合金層を形成するようにしても良い。これにより、補強部４１の強度を向上することができる。
（ｃ） 工程４，５では、単一のアルミニウム層で補強部４１や配線４２を形成したが、補強部４１の強度を更に高めるために、周知の多層配線形成技術を用いて複数のアルミニウム層を形成しても良い。
（ｄ） 工程９は、表面をレジストでカバーしておいて、裏面のシリコン露出部を水酸化カリウム液、或いはＴＭＡＨ（Tetra-methylammonium Hydroxide）液でエッチングするようにしても良い。また、裏面の酸化膜形成を開口部の形成前に行い、その後、開口部の形成、裏面の酸化膜の開口部の形成を順次行い、更に工程７を行うようにしても良い。

本発明の実施例を示す加速度センサの構成図である。 従来の加速度センサの構成図である。 図１の加速度センサにおける各層のパターンを示す平面図である。 図１の加速度センサの製造方法を示す工程図（その１）である。 図１の加速度センサの製造方法を示す工程図（その２）である。

符号の説明

１０，２０ シリコン基板
１１，１７ 開口部
１２ 周辺固定部
１３ 錘固定部
１４ 梁部
１５ ストッパ部
１６ 抵抗素子
２０ａ 凹部
２１ 台座部
２２ 間隙
２３ 錘部
２４ 溝部
３０ 絶縁層
３１，３２ 酸化膜
４０ 保護膜
４１ 補強部
４２ 配線

Claims (6)

1. 錘固定部を可撓的に支持する周辺固定部と、
   前記周辺固定部に固定する台座部と、
   前記錘固定部に固定され、角部が該角部と前記台座部の裏面との距離を長くするように構成される錘部とを、
   備えたことを特徴とする加速度センサ。
2. 前記錘部の変位を制限するために該錘部を一定の間隔をおいて覆うように配置したストッパを更に備えたことを特徴とする請求項１記載の加速度センサ。
3. 錘固定部、該錘固定部の周辺に配置された周辺固定部、該錘固定部を該周辺固定部に可撓的に接続する梁部を一体に形成した基板と、
   前記錘固定部よりも大きな面積を有する錘部と、
   前記錘部の周辺に所定の間隔を介して配置される台座部と、
   前記台座部と前記周辺固定部、及び前記錘固定部と前記錘部とをそれぞれ接続する接続層とで構成され、
   前記錘部の角部は該角部と前記台座部の裏面との距離を長くするように構成されることを特徴とする加速度センサ。
4. 前記基板は、前記錘部の変位を制限するストッパを含むことを特徴とする請求項３記載の加速度センサ。
5. 前記角部は段差部によって構成されることを特徴とする請求項１、２、３または４記載の加速度センサ。
6. 前記角部は複数の平面によって構成されることを特徴とする請求項１、２、３または４記載の加速度センサ。

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