JP2008256598A - 半導体力学量センサ - Google Patents

Abstract

【課題】可動電極と固定電極との間の変位量を検出する構成において、熱や外部歪の影響を極力防止することができる半導体力学量センサを提供する。
【解決手段】外部から力学量が印加すると、可動電極と固定電極８との間の距離が変化するので、その距離変化に応じて印加力学量を検出することができる。ここで、固定電極８において下側の絶縁層１１に支持された部位には複数の貫通孔２１が形成されているので、絶縁層１１による固定電極８の支持面積を極力小さくすることができる。従って、固定電極８に第１の半導体層９からの応力伝達が生じ難くなるので、第１の半導体層９から絶縁層１１を通じて固定電極８に外部応力或いは熱応力が作用してしまうことを極力防止することができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、力学量の印加に応じて変位する可動電極と固定電極との間の距離変化に基づいて印加力学量を検出する半導体力学量センサに関する。

力学量の印加を検出するために可動電極と固定電極とを有した半導体力学量センサでは、半導体加工を利用したマイクロマシニング技術を利用していることから、固定電極を絶縁層を介して半導体基板上に形成するようにしている（特許文献１参照）。
特開平１１−３２６３６５号公報

このような構成の半導体力学量センサでは、微小な構造の変位によって物理量を検出しているため、熱や外部歪がセンサに印加されると、センサチップ、特に絶縁層を介して半導体基板上に支持されている固定電極が変形し、その影響で検出量に誤差を生じる問題がある。具体的には、基板実装時のはんだによる外部応力によって出力が変動したり、或いは、環境温度が変化して構造体に熱応力が加わることにより特性が変動したりする。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、可動電極と固定電極との間の変位量を検出する構成において、熱や外部歪の影響を極力防止することができる半導体力学量センサを提供することにある。

請求項１の発明によれば、固定電極には、絶縁層に達する複数の貫通孔が形成されているので、絶縁層による固定電極の支持面積を極力減らすことができる。これにより、固定電極に半導体基板からの応力伝達が生じ難くなるので、半導体基板から絶縁層を通じて固定電極に外部応力或いは熱応力が作用してしまうことを極力防止することができる。

請求項２の発明によれば、固定電極は、貫通孔間に位置する部位が絶縁層から浮いた状態となるので、熱或いは外部歪の影響を一層防止することができる。
請求項３の発明によれば、固定電極に複数の貫通孔を形成することにより固定電極の配線抵抗が増大するにしても、導電性薄膜により配線抵抗の増大を抑制できるので、センサの特性が変動してしまうことを防止できる。

請求項４の発明によれば、固定電極に導電性薄膜を形成した場合は、その導電性薄膜が新たな応力発生源となる虞があるものの、導電性薄膜は互いに分断された断続形状に形成されているので、応力発生源となってしまうことを防止できる。
請求項５の発明によれば、半導体加工技術により導電性薄膜を低コストで形成することができる。

（第１実施例）
以下、本発明を半導体加速度センサに適用した第１実施例について図１ないし図４を参照して説明する。
図２は半導体加速度センサの平面を模式的に示している。尚、図２でハッチングされた部位は断面ではなく、実際は平面である。この図２において、半導体加速度センサ（半導体力学量センサに相当）１は、ＳＯＩ（silicon on insulator）基板に半導体製造技術を利用した周知のマイクロマシン加工を施すことにより形成されている。

可動部２は、アンカー部３と、このアンカー部３に支持された矩形枠状のバネ部４と、このバネ部４と連結された重錘部５と、この重錘部５の両側に櫛歯形状に形成された可動電極６とから構成されている。一方、可動電極６の一方側に対向して櫛歯形状の第１の固定電極７が形成されていると共に、可動電極６の他方側に対向して第２の固定電極８が形成されている。

図３は、図２中におけるＡ−Ａ断面を示している。この図３において、半導体加速度センサ１は、第１の半導体層（半導体基板に相当）９と第２の半導体層１０との間に絶縁層１１を有するＳＯＩ基板によって構成されており、第１の半導体層９及び絶縁層１１は、可動部２及び各固定電極７，８が形成される領域において第２の半導体層１０が露出して浮いた状態となるように除去されている。

以下、上記構成の半導体加速度センサ１の製造方法について簡単に説明する。
図２に示すＳＯＩ基板のパッド部１２〜１４にＡｌを蒸着して電極パッド１５〜１７を形成する。
次に、ＳＯＩ基板の裏面をバックポリッシュしてからプラズマＳｉＮ膜を堆積し、そのプラズマＳｉＮ膜をエッチングすることにより所定形状にパターニングする。
続いて、ＳＯＩ基板の表面にＰＩＱ（ポリイミド）膜を塗布し、そのＰＩＱをエッチングして、可動部２及び各固定電極７，８に対応した形状にパターニングしてから、ＰＩＱの上に保護膜としてのレジストを塗布し、裏面のプラズマＳｉＮ膜をマスクにしてＳＯＩ基板を例えばＫＯＨ水溶液で深堀エッチングする。この深堀エッチングにおいては絶縁層１１のエッチング速度がＳｉに比較して遅いため、絶縁層１１がエッチングストッパとして機能する。

この後、ＨＦ水溶液により、露出している絶縁層１１及びプラズマＳｉＮ膜を除去してから、ＳＯＩ基板の表面を保護しているレジストを除去し、ＰＩＱ膜をマスクにして、ドライエッチングにより第２の半導体層１０に貫通孔を形成する。この貫通孔によって、第２の半導体層１０に可動部２及び各固定電極７，８が形成される。
そして、表面のＰＩＱをＯ2 アッシングによって除去することにより半導体加速度センサ１が完成されている。
以上のように完成された半導体加速度センサ１では、可動部２の両端が絶縁層１１上に支持されていると共に、各固定電極７，８が絶縁層１１上に片持ち支持された形態となっている。

ここで、上記可動部２及び各固定電極７，８には矩形状の貫通孔１８が複数形成されており、この貫通孔１８により可動部２及び各固定電極７，８は矩形枠状部を複数組合わせた所謂ラーメン構造形状に形成されている。尚、上記貫通孔１８は、第２の半導体層１０をドライエッチングして可動部２及び各固定電極７，８を形成するのと同時に形成されている。
一方、可動部２及び各固定電極７，８においてパッド部１２〜１４と連なる部位は、第２の半導体層１０からなる周辺部と電気的に分離することにより目的の電気信号を取出す必要があるため、溝１９で物理的及び電気的に分離されている。

尚、上記半導体加速度センサ１の寸法は次のように設計されている。
（１）重錘部５及びアンカー部３の幅……１０〜２００μｍ
（２）可動電極６及び各固定電極７，８の長さ……１００〜５００μｍ
（３）バネ部４の幅……２〜１０μｍ
（４）バネ部４の長さ……１００〜５００μｍ
（５）可動電極６と各固定電極７，８との間のギャップ……２〜４μｍ
上記構成において、可動部２が検出方向の加速度を受けると、重錘部５が図２における上下方向に変位し、可動電極６の検出面と第１の固定電極７の検出面との間の距離及び可動電極６の検出面と第２の固定電極８の検出面との間の距離のうち一方が増加すると他方が減少するようになる。ここで、可動電極６の検出面と固定電極７，８の検出面とはそれぞれ静電容量を形成しており、加速度を受けると、それらの静電容量が変化するようになるので、図示しない差動検出回路によって印加加速度を検出することができる。

さて、本実施例では、固定電極７，８において絶縁層１１を介して第１の半導体層９に支持された所定部位には貫通孔形成領域２０（図２に破線で示す領域）が設定されている。
図１は、固定電極７，８の貫通孔形成領域２０を模式的に示す平面図である。この図１において、貫通孔形成領域２０には正方形或いは矩形状の貫通孔２１が複数形成されている。これらの貫通孔２１は、図４に模式的に示すように固定電極７，８を貫通して絶縁層１１に達しており、絶縁層１１が底面となるように形成されている。これらの貫通孔２１は、一辺が３．５μｍ以上（現実的には数十μｍ）、隣の貫通孔２１との間の部位となる残り部分が４〜６μｍとなるように形成されている。このような貫通孔２１は、可動部２及び各固定電極７，８に矩形状の貫通孔１８を形成する際に同時に形成することができる。

一方、可動部２において貫通孔形成領域２０の表面には複数の矩形状のＡｌ膜（導電性薄膜に相当）２２が蒸着されている。これらのＡｌ膜２２は、互いに分断された断続形状に形成されており、その一辺が５〜１５μｍ、隣のＡｌ膜とのピッチが５〜１５μｍに設定されている。

ところで、基板実装時のはんだによる外部応力が作用したり、或いは、環境温度が変化することにより構造体に熱応力が加わったりすることがあり、このような場合は、絶縁層１１を介して第１の半導体層９に支持されている固定電極７，８にも外部応力が作用したり、熱応力が加わったりするようになる。

しかしながら、本実施例では、固定電極７，８において絶縁層１１を介して第１の半導体層９に支持された貫通孔形成領域２０に、絶縁層１１を底面とする貫通孔１８を複数形成するようにしたので、絶縁層１１による支持面積を極力小さくすることができる。従って、第１の半導体層９から絶縁層１１を介して固定電極７，８に作用する外部応力、或いは熱応力を低減することができるので、絶縁層を介して半導体基板に固定電極を単に支持するだけの構成の従来例のものに比較して、基板実装時のはんだによる外部応力によって出力が変動したり、或いは、環境温度が変化して構造体に熱応力が加わることにより特性が変動したりすることを極力防止できる。

また、上述のように固定電極７，８に複数の貫通孔を形成することにより固定電極７，８の配線抵抗が増大するにしても、Ａｌ膜２２により配線抵抗が増大を抑制できるので、半導体加速度センサ１の特性が変動してしまうことを防止できる。この場合、Ａｌ膜２２を互いに分断された断続形状に形成するようにしたので、Ａｌ膜２２が応力発生源となってしまうことを防止できると共に、半導体加工技術によりＡｌ膜２２を低コストで形成することができる。

（第２実施例）
次に、本発明の第２実施例について図５を参照して説明するに、第１実施例と同一部分については説明を省略し、異なる部分について説明する。この第２実施例は、固定電極７，８の貫通孔形成領域２０を絶縁層１１からリリースしたことに特徴を有する。

図５は、固定電極７，８における貫通孔形成領域２０の製造方法を模式的に示す断面図である。この図５において、第１実施例と同様にして固定電極７，８にエッチングにより複数の貫通孔２１を形成した後（図５（ｂ））、さらにエッチングを進め、リリースエッチングとしてサイドエッチングを行うことにより、貫通孔２１間における第２の半導体層１０の下部を除去する。これにより、固定電極７，８において絶縁層１１を介して第１の半導体層９に支持されていた貫通孔形成領域２０を絶縁層１１からリリースする（図５（ｃ））。

このような第２実施例によれば、固定電極７，８における貫通孔形成領域２０を絶縁層１１からリリースするようにしたので、第１実施例のものに比較して、固定電極７，８が第１の半導体層９から受ける外部応力或いは熱応力を一層低減することができ、センサ特性を一層改善することができる。

本発明は、上記実施例に限定されることなく、次のように変形または拡張できる。
固定電極に形成する貫通孔２１の形状は、正方形或いは矩形状に限定されることなく、ひし形、丸、楕円などの適宜の形状を採用することができる。
本発明は、固定電極を絶縁層を介して支持する構造のセンサであれば、角速度センサ等の各種センサに適用することができる。

本発明の第１実施例における固定電極の貫通孔形成領域を模式的に示す平面図 半導体加速度センサを模式的に示す平面図 図２におけるＡ−Ａ断面図 固定電極の貫通孔形成領域を模式的に示す断面図 本発明の第２実施例における貫通孔形成領域の製造方法を示す断面図

符号の説明

図面中、１は半導体加速度センサ（半導体力学量センサ）、６は可動電極、７，８は固定電極、９は第１の半導体層（半導体基板）、１１は絶縁層、２０は貫通孔形成領域、２１は貫通孔、２２はＡｌ膜（導電性薄膜）である。

Claims (5)

1. 半導体基板に絶縁層を介して支持され、力学量の印加に応じて変位する可動電極と、前記半導体基板に前記絶縁層を介して支持され、前記可動電極と対向する固定電極とを備え、力学量の印加に応じて変位する前記可動電極と前記固定電極との間の距離変化に基づいて印加力学量を検出する半導体力学量センサにおいて、
   前記固定電極は、前記絶縁層を介して前記半導体基板により支持された部位に前記絶縁層に達する複数の貫通孔を備えていることを特徴とする半導体力学量センサ。
2. 前記固定電極は、前記貫通孔間に位置する部位が前記絶縁層からリリースしていることを特徴とする請求項１記載の半導体力学量センサ。
3. 前記固定電極は、導電性薄膜を備えていることを特徴とする請求項１または２記載の半導体力学量センサ。
4. 前記導電性薄膜は、互いに分断された断続形状に形成されていることを特徴とする請求項３記載の半導体力学量センサ。
5. 前記導電性薄膜は、アルミニウムであることを特徴とする請求項３または４記載の半導体力学量センサ。

Images