JP2008224294A - 半導体加速度センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】感度の低下を抑制しつつ薄肉化に寄与する半導体加速度センサ及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】本発明は、半導体基板を用いて製造される半導体加速度センサにおいて、前記半導体基板によって成形される外枠と;前記半導体基板によって成形され、前記外枠に連結された複数の梁部と;前記半導体基板によって成形され、前記梁部に連結された第一錘部と;前記第一錘部の前記梁部と反対側の端面に連結された第二錘部とを備える。そして、前記第二錘部は、前記第一錘部よりも比重の大きな材質で成形されていることを特徴とする。
【選択図】図7
【解決手段】本発明は、半導体基板を用いて製造される半導体加速度センサにおいて、前記半導体基板によって成形される外枠と;前記半導体基板によって成形され、前記外枠に連結された複数の梁部と;前記半導体基板によって成形され、前記梁部に連結された第一錘部と;前記第一錘部の前記梁部と反対側の端面に連結された第二錘部とを備える。そして、前記第二錘部は、前記第一錘部よりも比重の大きな材質で成形されていることを特徴とする。
【選択図】図7
Description
本発明は、半導体基板を用いて製造される半導体加速度センサ及びその製造方法に関する。
半導体加速度センサは、ピエゾ抵抗体が形成されている可撓部によって支持されている錘部の位置が変化することにより可撓部が撓んだときのピエゾ抵抗体の抵抗値の変化を検出することにより加速度等を検出する。このような半導体加速度センサは、例えば走行中の自動車に加わる進行方向又は横方向の加速度の測定や、ビデオカメラの手ぶれの測定などに用いられる。
従来の、XYZ3方向の加速度を検出可能なピエゾ抵抗検出方式の3軸加速度センサについて図1〜図6を用いて説明する。図1に、従来の3軸加速度センサの概略図を示す。この加速度センサ10は、半導体基板からなり、エッチング等の半導体加工技術を用いて作製される。全体は、外枠12が形成され、その内側の一部には貫通された開口部14を有している。外枠12の底面はパッケージ若しくはパッケージに固定された台座に固定される(パッケージ及び台座は図示しない)。中心部には厚みが外枠12とほぼ同等の錘18が形成され、その錘18は、肉薄な4本の梁16によって四方より外枠12に連結されている。
4本の梁16のうち、2本の梁は、その中心線がX軸上に配置される。他の2本の梁16はY軸上に配置される。X方向検出用のピエゾ抵抗20をRX1〜RX4、Y方向検出用のピエゾ抵抗20をRY1〜RY4、Z方向検出用のピエゾ抵抗20をRZ1〜RZ4に示す。RX1〜RX4は、X軸方向の梁16上に形成される。RY1〜RY4と、RZ1〜RZ4は、Y軸方向の梁16上に形成される。各ピエゾ抵抗20は、錘18の変形時に、大きな応力を発生する梁16の根元近辺に配置されている。X軸方向の梁16上では、RX1〜RX4までの抵抗が、梁16の中心軸上に配置されている。Y軸方向の梁16上では、RY1〜RY4までの抵抗及びRZ1〜RZ4までの抵抗が、それぞれY軸方向の梁16の中心軸からある距離隔てたところで直線に並んで配置されている。
ここで、加速度検出原理について簡単に説明する。加速度センサ10に対してZ方向に加速度が加わったときは、錘18は、図2に示すように、−Z方向に平行移動する。このとき、外枠12側に配置されたピエゾ抵抗素子RZ1とRZ4には引張応力が、RZ2とRZ3には圧縮応力がかかる。その応力に応じてピエゾ抵抗RZ1〜RZ4の抵抗値が変化する。RZ1〜RZ4は、図4(A)のようにブリッジ回路に構成されることにより、印加加速度相当の電圧変化(Vo1−Vo2)として出力される。
加速度センサ10に対して+Y方向に加速度が加わったときは、錘18は図3に示すように、Y方向(X方向も同様)に傾く。このとき、ピエゾ抵抗素子RY1(RX1)とRY3(RX3)には引張応力が、RY2(RX2)とRY4(RX4)には圧縮応力がかかる。図4(B)のように構成されたブリッジ回路により、印加加速度相当の電圧変化(Vo1−Vo2)として出力される。
図5〜図6に従来の半導体3軸加速度センサ10の製造工程概略図を示す。まず、半導体基板11を用意し(10−1)、イオンインプラ技術等を用いることにより、その表面近郊にピエゾ抵抗20を形成する(10−2)。次に、表面側から半導体基板11をエッチングし、梁16のパターンを形成する(10−3)。
次に、図6に示すように、裏面側から半導体基板11をエッチングし、一部貫通させることにより錘18と外枠12のパターンを形成する(10−4)。最後に、ダイシング等の切削技術を用いて個々にチップを切り離し、ダイスボンド材24を用いてパッケージ底部26及びパッケージに固定された台座に外枠12の底面を固着する(10−5)。これら各工程におけるパターン形成には、半導体製造等に使用されるフォトリソグラフィ技術を用いることにより、高精度な加工が実現される。
しかしながら、近年、携帯電話やノートPCのような機器類の薄化に伴い、それらに搭載される加速度センサ自体への薄化への要求も大きくなっている。センサを薄くする場合、枠や錘の厚みを小さくすることが一案と考えられる。しかし、枠や錘の厚みを小さくすると、錘質量が減少し、感度の低下が懸念される。特に、錘を薄くした場合には、Z方向に比べX方向及びY方向の感度低下が著しい。
例えば、図1のZ方向に1Gの加速度が加えられた場合には、梁16に加わる曲げモーメントは、梁16の長さL1と錘18の質量mの積で表される。これに対し、Y(X)方向に1Gの加速度が加えられた場合には、梁16を通る平面から錘18の重心までの距離L2と錘18の質量mの積で示される。つまり、錘18が薄くなった場合、曲げモーメントは錘18の質量mにのみ比例するため、Z方向のセンサ感度は1次関数的に減少する。しかし、曲げモーメントは、錘18の重心までの距離L2及び錘18の質量mに比例するため、Y(X)方向のセンサ感度は、2次関数的に大きく減少する。すなわち、錘18を薄くすることで、Z方向に比べてX及びY方向の感度の落ち込みが大きくなり、Z方向とX方向及びY方向との感度バランスが崩れるという問題が発生する。また、梁16の長さL1を大きくすることにより、X方向およびY方向の感度低下を1次関数的にすることは可能となるが、この場合、センサ10自体のサイズが大きくなるという問題が発生する。
なお、本発明とは直接関係ないが、加速度センサの錘の構造に関する発明が特許文献1に開示されている。
特開2006−250653号公報
本発明は、上記のような状況に鑑みてなされたものであり、感度の低下を抑制しつつ薄肉化に寄与する半導体加速度センサ及びその製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の第一の態様は、半導体基板を用いて製造される半導体加速度センサにおいて、前記半導体基板によって成形される外枠と;前記半導体基板によって成形され、前記外枠に連結された複数の梁部と;前記半導体基板によって成形され、前記梁部に連結された第一錘部と;前記第一錘部の前記梁部と反対側の端面に連結された第二錘部とを備える。そして、前記第二錘部は、前記第一錘部よりも比重の大きな材質で成形されていることを特徴とする。
本発明の第二の態様に係る半導体加速度センサの製造方法は、半導体基板の表面付近にX、Y、Zのそれぞれの加速度を検出するピエゾ抵抗素子を形成する工程と;前記半導体基板を表面側から加工して前記ピエゾ抵抗素子を形成した4本の梁部を形成する工程と;前記半導体基板を裏面側から加工して、錘部の形成領域に段差部を形成する工程と;前記段差部の一部に前記半導体基板より比重の大きい材料をメッキ法で積層して第二錘部を形成する工程と;前記第二錘部を残すようにして前記半導体基板を裏面側から加工して、前記梁部で支えられた第一錘部を形成する工程とを含む。そして、前記錘部が、前記半導体基板より成形される第一錘部と前記第二錘部とから成ることを特徴とする。
本発明によれば、半導体基板からなる第一錘部の下に比重の大きな第二錘部を連結しているため、センサ感度の低下を伴うことなく錘を薄くすることができる。また、第二錘部についてもフォトリソグラフィ技術等の半導体製造技術を用いて形成できるため、第一錘部との位置ずれを抑制でき、安定した特性のセンサを多数製造することが可能となる。
図7は、本発明の実施例を示す3軸半導体加速度センサの概略図である。加速度センサ110は、半導体基板からなり、エッチング等の半導体加工技術を用いて作製される。全体は、外枠112が形成され、その内側の一部には貫通された開口部114を有している。外枠112の底面はパッケージ若しくはパッケージに固定された台座に固定される(パッケージ及び台座は図示しない)。中心部には厚みが外枠112とほぼ同等の錘118(118a+118b)が形成され、その錘118は、肉薄な4本の梁116によって四方より外枠112に連結されている。ここで、半導体基板としては、半導体材料のみからなる基板の他、内部に絶縁膜が形成されたSOI(Silicon-on-Insulator)基板を採用することも可能である。
本実施例においては、錘118は、半導体基板から成る第1錘部118aと、その下方(梁116から遠い方)に形成された金属製の第2錘部118bとから構成されている。第1の梁118aは、半導体材料、例えばシリコンで形成される。一方、第2錘部118bは半導体材料より比重(密度)の大きい材料、例えば、金、銅、タングステン、ニッケルの金属等で形成される。半導体材料より比重の大きい材料が、第1錘部118aの下方に形成されることで、錘118をシリコンだけで形成した場合に比べ、錘118全体の質量が大きくなる。更に、錘118全体の重心位置を錘118の厚さ方向の中間点より下方に配置することができる。つまり、錘118を薄くした場合においても、錘118の重心位置が高くなることが抑制され、Z方向感度に比べてX方向及びY方向感度が著しく低下する課題を克服することが可能となる。
4本の梁116のうち、2本の梁は、その中心線がX軸上に配置される。他の2本の梁116はY軸上に配置される。X方向検出用のピエゾ抵抗120をRX1〜RX4、Y方向検出用のピエゾ抵抗120をRY1〜RY4、Z方向検出用のピエゾ抵抗120をRZ1〜RZ4に示す。RX1〜RX4は、X軸方向の梁116上に形成される。RY1〜RY4と、RZ1〜RZ4は、Y軸方向の梁116上に形成される。各ピエゾ抵抗120は、錘118の変形時に、大きな応力を発生する梁116の根元近辺に配置されている。X軸方向の梁116上では、RX1〜RX4までの抵抗が、梁116の中心軸上に配置されている。Y軸方向の梁116上では、RY1〜RY4までの抵抗及びRZ1〜RZ4までの抵抗が、それぞれY軸方向の梁116の中心軸からある距離隔てたところで直線に並んで配置されている。
従来の技術と重複するが、ここで、加速度検出原理について簡単に説明する。加速度センサ110に対してZ方向に加速度が加わったときは、錘118は、図2に示すように、−Z方向に平行移動する。このとき、外枠112側に配置されたピエゾ抵抗素子RZ1とRZ4には引張応力が、RZ2とRZ3には圧縮応力がかかる。その応力に応じてピエゾ抵抗RZ1〜RZ4の抵抗値が変化する。RZ1〜RZ4は、図4(A)のようにブリッジ回路に構成されることにより、印加加速度相当の電圧変化(Vo1−Vo2)として出力される。
加速度センサ110に対して+Y方向に加速度が加わったときは、錘118は図3に示すように、Y方向(X方向も同様)に傾く。このとき、ピエゾ抵抗素子RY1(RX1)とRY3(RX3)には引張応力が、RY2(RX2)とRY4(RX4)には圧縮応力がかかる。図4(B)のように構成されたブリッジ回路により、印加加速度相当の電圧変化(Vo1−Vo2)として出力される。
図8〜図9に本発明の実施例に係る半導体3軸加速度センサ110の製造工程概略図を示す。まず、半導体基板111を用意し(100−1)、イオンインプラ技術等を用いることにより、その表面近郊にピエゾ抵抗120を形成する(100−2)。次に、表面側から半導体基板111をエッチングし、梁116のパターンを形成する(100−3)。
次に、半導体基板111を裏面よりエッチングして、凹部111aを形成する(100−4)。エッチング量は、第2錘部118bを積層する厚み相当とする。次に、凹部111a内に第2錘部118bを形成する(100−5)。第2錘部118bは、半導体材料、例えばシリコンより比重(密度)の大きい材料、例えば金、タングステン、ニッケル等からなる。第2錘部118bは、メッキ法等の十分な厚みが得られるような積層法により形成される。なお、第2錘部118bの積層法は、メッキ法に限らず、スパッタ法や蒸着法を用いても構わない。
第2錘部118bをメッキ法によって成形する場合には、例えば、下地の金属層を凹部111a内に形成し、その金属層の表面に電界メッキによって金属層を厚み方向に成長させることによって所望の厚みを得る。十分な厚みを得る点においては、スパッタ法や蒸着に比べてメッキ法が適している。従って、第2錘部118bの材質、比重、必要な厚みに応じて当該錘118bの形成方法を選択することが好ましい。
第1錘部118aをシリコンで成形し、第2錘部118bを金で成形した場合、比重(シリコン:金)は約1:8となる。シリコン(第1錘部)のみで錘118を形成した場合(厚み:340μm)と同等の感度を得るためには、第1錘部118aと第2錘部118bの厚みは、図10に示すようになる。
次に、裏面側から半導体基板111の一部を貫通させるようにエッチングし、錘118(第1錘部118a)及び外枠112のパターンを形成する(100−6)。その後、切削等によりチップを個片化し、ダイスボンド材124によりパッケージ底部126及びパッケージに固定された台座に、外枠112の底面を固着する(100−7)。
これら各工程におけるパターン形成は、半導体製造等に用いるフォトリソグラフィ技術を使用する。これにより、各部の形成において高精度な加工が実現する。第2錘部118bもこのような半導体製造技術を用いて形成する為、第1錘部118aとの位置ずれを抑制できる。よって、安定した特性のセンサを多数製造することが可能となる。
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではなく、特許請求の範囲に示された技術的思想の範疇において変更可能なものである。図8−図9に示す各工程の順位は、ここに示すものに限らない。例えば、本実施例では、梁116のエッチング(100−3)を錘118aのエッチング(100−6)の前に行ったが、錘118aのエッチング後に梁116のエッチングを行っても良い。
110 3軸半導体加速度センサ
111 半導体基板
112 外枠
116 梁
118 錘
118a 第1錘部
118b 第2錘部
120 ピエゾ抵抗素子
111 半導体基板
112 外枠
116 梁
118 錘
118a 第1錘部
118b 第2錘部
120 ピエゾ抵抗素子
Claims (9)
- 半導体基板を用いて製造される半導体加速度センサにおいて、
前記半導体基板によって成形される外枠と;
前記半導体基板によって成形され、前記外枠に連結された複数の梁部と;
前記半導体基板によって成形され、前記梁部に連結された第一錘部と;
前記第一錘部の前記梁部と反対側の端面に連結された第二錘部とを備え、
前記第二錘部は、前記第一錘部よりも比重の大きな材質で成形されていることを特徴とする半導体加速度センサ。 - 前記第二錘部は金属であることを特徴とする請求項1に記載の半導体加速度センサ。
- 前記金属は、金、タングステン又はニッケルであることを特徴とする請求項2に記載の半導体加速度センサ。
- 前記前記第二錘部はメッキ法によって形成されることを特徴とする請求項2又は3に記載の半導体加速度センサ。
- 半導体基板を用いて製造され、X,Y,Zの3軸の加速度を検出する3軸半導体加速度センサにおいて、
前記半導体基板からなり、Z方向に中心部が貫通した外枠部と;
前記半導体基板からなり、前記外枠部とX及びY方向に距離を隔てて内側に配置され、前記外枠部と略同等のZ厚みを有する第一錘部と;
前記半導体基板からなり、前記外枠部のZ方向に垂直な1面及び前記外枠部のZ方向に垂直な1面と略同一面内に存在し、X及びY方向より前記外枠部の内面から前記錘部を支えるZ方向厚みの薄い4本の梁部とを備え、
前記第一錘部の、前記4本の梁が接続されていないZ方向に垂直な1面において、前記第一錘部より比重の大きい第二錘部が積層されていることを特徴とする3軸半導体加速度センサ。 - 前記第二錘部がメッキ法で前記第一錘部上に積層されることを特徴とする請求項5に記載の3軸半導体加速度センサ。
- 半導体基板の表面付近にX、Y、Zのそれぞれの加速度を検出するピエゾ抵抗素子を形成する工程と;
前記半導体基板を表面側から加工して前記ピエゾ抵抗素子を形成した4本の梁部を形成する工程と、
前記半導体基板を裏面側から加工して、錘部の形成領域に段差部を形成する工程と;
前記段差部の一部に前記半導体基板より比重の大きい材料をメッキ法で積層して第二錘部を形成する工程と;
前記第二錘部を残すようにして前記半導体基板を裏面側から加工して、前記梁部で支えられた第一錘部を形成する工程とを含み、
前記錘部が、前記半導体基板より成形される第一錘部と前記第二錘部とから成ることを特徴とする3軸半導体加速度センサの製造方法。 - 前記第二錘部がメッキ法で前記第一錘部上に積層されることを特徴とする請求項7に記載の3軸半導体加速度センサの製造方法。
- 前記第二錘部は、金、タングステン又はニッケルであることを特徴とする請求項7又は8に記載の半導体加速度センサの製造方法。
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