JP2010008127A - 半導体物理量センサ - Google Patents

Abstract

【課題】可動電極が固定電極に貼り付くことを防止可能な半導体物理量センサを提供する。
【解決手段】可動電極の表面上の適宜位置にはシリコン基板２を２段エッチングすることにより凸部１３が形成されている。このような構成によれば、シリコン基板２と絶縁層２０の対向面積を小さくすることができるので、シリコン基板２と絶縁層２０を陽極接合する際にシリコン基板２が絶縁層２０に貼り付くことを防止できる。また絶縁層２０の下面２０ｂの凸部１３に対向する位置には金属膜１４が形成されている。このような構成によれば、金属膜１４がシリコン基板２と絶縁層２０間の緩衝の役割を果たすので、シリコン基板２と絶縁層２０を陽極接合する際にシリコン基板２が絶縁層２０に貼り付くことをより確実に防止できる。
【選択図】図３

Description

本発明は、固定電極と可動電極との間の静電容量を検出することにより加速度等の物理量を検出する半導体物理量センサに関する。

従来より、物理量が加わることによって変位する可動電極としての半導体基板と、可動電極と対向する位置に固定電極が設けられた絶縁基板とを有し、可動電極の変位に伴う固定電極と可動電極間の静電容量の変化を検出することにより加速度等の物理量を検出する半導体物理量センサが知られている（特許文献１参照）。
特開平10-90300号公報

従来の半導体物理量センサによれば、半導体基板と絶縁基板を陽極接合する際、可動電極が固定電極に貼り付き、歩留まりが低下することがあった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、可動電極が固定電極に貼り付くことを防止可能な半導体物理量センサを提供することにある。

本発明に係る半導体物理量センサは、物理量が加わることによって変位する可動電極としてのシリコン基板と、可動電極と対向する位置に固定電極が設けられた絶縁基板とを有し、可動電極の変位に伴う固定電極と可動電極間の静電容量の変化を検出することにより物理量を検出する半導体物理量センサであって、シリコン基板を２段エッチング処理することにより絶縁基板との対向面に形成された第１の凸部と、第１の凸部と対向する前記絶縁基板表面に形成された金属膜とを備えることを特徴とする。

本発明に係る半導体物理量センサによれば、第１の凸部を形成することによりシリコン基板と絶縁基板の対向面積を小さくすると同時に、金属膜がシリコン基板と絶縁基板間の緩衝の役割を果たすので、可動電極が固定電極に貼り付くことを防止できる。

以下、図１乃至図３を参照して、本発明の実施形態となる半導体物理量センサの構成について説明する。なお図１は半導体物理量センサを構成する半導体基板を示す平面図、図２及び図３はそれぞれ図１に示す線分ＡＡ及び線分ＢＢにおける半導体物理量センサの断面図を示す。

本発明の実施形態となる半導体物理量センサ１は、図２，図３に示すように、陽極接合によりシリコン基板２の表裏両面にガラス基板等の絶縁層２０，２１を接合することで形成され、図１に示す紙面に向かって垂直な方向（Ｚ方向）の加速度や角速度等の物理量を検出することができる。シリコン基板２には、図１乃至図３に示すように、半導体プロセスにより間隙１０を形成することにより、アンカー部３，ビーム部４，可動電極５，フレーム部７，及び電位取出部８が形成されている。シリコン基板２と絶縁層２０，２１との接合面には、図２，３に示すように、比較的浅い凹部２２が形成されており、シリコン基板２各部の絶縁性や可動電極５の動作性の確保が図られている。

絶縁層２０の表面２０ａ上には導体層２３が成膜されており、シリコン基板２の各部の電位を取得するための電極として用いられる。本実施形態では、絶縁層２０にサンドブラスト加工等によって貫通孔２４を形成してシリコン基板２の表面（絶縁層２０側の表面）の一部を露出させておき、絶縁層２０の表面上から貫通孔２４の内周面上及びシリコン基板２の表面上にかけて電気的に接続された一連の導体層２３を成膜するようにして、導体層２３からシリコン基板２内の各部の電位を検出できるようにしてある。

シリコン基板２は、図１に示すように、全体として平面視で略長方形状に形成されており、フレーム部７が、シリコン基板２の四つの周縁（四辺）に沿って略一定幅で枠状に設けられている。間隙１０は、反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etching : RIE）等により垂直エッチング加工をすることで、間隙１０の側壁面をシリコン基板２の表面と垂直となるように形成される。このようにして、垂直エッチング加工により形成された間隙１０の側壁面同士は、互いに略平行に対向することになる。反応性イオンエッチングとしては、例えば、誘導結合型プラズマ（Inductively Coupled Plasma : ICP）を備えたエッチング装置によるＩＣＰ加工を利用することができる。

フレーム部７の内側には、シリコン基板２の平面視略中央位置よりフレーム部７の一長辺側（図１の上側）に僅かにずれた位置に、矩形断面を有する柱状のアンカー部３が設けられており、このアンカー部３のフレーム部７の短辺に対向する一対の側壁からビーム部４，４がそれぞれフレーム部７の長辺と略平行に延伸している。ビーム部４は、一定の断面でフレーム部７の長辺に沿う方向に延伸し、アンカー部３側の端部４ａに対して反対側となる端部４ｂが可動電極５に接続されている。可動電極５は、フレーム部７の内周面７ａに間隙１０をもって対向する平面視で略矩形状の外周面５ｄを備えると共に、アンカー部３及びビーム部４，４の外側を間隙１０をもって囲むように形成されている。

すなわち可動電極５は、図１に示すように、アンカー部３及びビーム部４，４に対して、フレーム部７の一長辺側（図１の下側）には、間隙１０を空けて略矩形状の大板部５ａを備える一方、フレーム部７の他の長辺側（図１の上側）には、間隙１０を空けて略矩形状の小板部５ｂを備えており、これら大板部５ａと小板部５ｂとが、フレーム部７の短辺に沿う一対の接続部５ｃ，５ｃを介して相互に接続された形状となっている。そして、ビーム部４，４はそれぞれ対応する接続部５ｃ，５ｃの略中央部に接続されている。大板部５ａ、小板部５ｂは、それぞれ１枚の単結晶シリコン基板から形成されているため、小板部５ｂよりサイズの大きい大板部５ａの質量が大きくなっている。このように可動電極５が、半導体物理量センサ１の固定部としてのアンカー部３にビーム部４，４を介して非対称な質量バランスで可動支持された構造は、半導体層２に間隙１０を形成すると共に半導体層２及び絶縁層２０，２１のうち少なくともいずれか一方に凹部２２を形成することで得ることができる。従って、アンカー部３，ビーム部４，４，及び可動電極５は、シリコン基板２の一部として一体に構成されており、それらアンカー部３，ビーム部４，４，及び可動電極５の電位はほぼ等電位とみなすことができる。

ビーム部４，４は、フレーム部７に対して可動電極５を弾性的に可動支持するバネ要素として機能する。本実施形態では、ビーム部４，４は、半導体物理量センサ１の厚み方向に長い断面（ビーム部４の延伸軸に垂直な断面）を有しているため、厚み方向には撓みにくい。また可動電極５は、ビーム部４，４を挟んで相互に対向する質量の異なる大板部５ａと小板部５ｂとを備えているため、半導体物理量センサ１に厚み方向の加速度が生じると、大板部５ａ及び小板部５ｂに作用する慣性力の差によるビーム部４，４のねじりにより、ビーム部４，４を中心として揺動することになる。すなわち本実施形態では、ビーム部４，４はねじりビーム（トーションビーム）として機能することになる。そして本実施形態では、可動電極５の大板部５ａ及び小板部５ｂのそれぞれに対向するように絶縁層２０の下面２０ｂに固定電極６Ａ，６Ｂを設け、大板部５ａと固定電極６Ａとの間の静電容量、及び小板部５ｂと固定電極６Ｂとの間の静電容量を検出することで、これら間隙１０の変化、ひいては半導体物理量センサ１の固定部に対する可動電極５の揺動姿勢の変化を得ることができる。固定電極６は、絶縁層２０の下面２０ｂ上に導体層（例えばアルミニウム合金の層）として形成してある。

具体的には、可動電極５が揺動することなく絶縁層２０の下面２０ｂに対して平行な姿勢にある状態では、大板部５ａと固定電極６Ａとの間の間隙の大きさと、小板部５ｂと固定電極６Ｂとの間の間隙の大きさとが等しくなるため、大板部５ａ及び固定電極６Ａの相互対向面積と、小板部５ｂ及び固定電極６Ｂの相互対向面積とを等しくしてある場合には、大板部５ａと固定電極６Ａとの間の静電容量と、小板部５ｂと固定電極６Ｂとの間の静電容量とは等しくなる。一方、可動電極５が揺動して絶縁層２０の下面２０ｂに対して傾き、大板部５ａが固定電極６Ａから離れると共に小板部５ｂが固定電極６Ｂに近接した状態では、可動電極５が揺動することなく絶縁層２０の下面２０ｂに対して平行な姿勢にある状態に比べて、大板部５ａと固定電極６Ａとの間の間隙は大きくなり、小板部５ｂと固定電極６Ｂとの間の間隙は小さくなるから、大板部５ａと固定電極６Ａとの間の静電容量は小さくなり、小板部５ｂと固定電極６Ｂとの間の静電容量は大きくなる。同様に、可動電極５が揺動して絶縁層２０の下面２０ｂに対して傾き、大板部５ａが固定電極６Ａに近接すると共に小板部５ｂが固定電極６Ｂから離間した状態では、可動電極５が揺動することなく絶縁層２０の下面２０ｂに対して平行な姿勢にある状態に比べて、大板部５ａと固定電極６Ａとの間の間隙は小さくなり、小板部５ｂと固定電極６Ｂとの間の間隙は大きくなるから、大板部５ａと固定電極６Ａとの間の静電容量は大きくなり、小板部５ｂと固定電極６Ｂとの間の静電容量は小さくなる。

従って、大板部５ａと固定電極６Ａとの間の間隙を検知ギャップとする静電容量と、小板部５ｂと固定電極６Ｂとの間の間隙を検知ギャップとする静電容量との差動出力から、Ｃ−Ｖ変換することで得られる電圧波形を求め半導体物理量センサ１に加えられた種々の物理量を検出することができる。このような物理量は、可動電極５及び固定電極６Ａ，６Ｂの電位から取得することができる。本実施形態では、図１，図２に示すように、アンカー部３上の絶縁層２０には貫通孔２４が形成されており、可動電極５の電位は、この貫通孔２４の内面に形成した導体層２３を介して取り出される。

本実施形態では、大板部５ａの表面上の適宜位置にはシリコン基板２を２段エッチングすることにより図１，３に示すように凸部１３が形成されている。このような構成によれば、シリコン基板２と絶縁層２０の対向面積を小さくすることができるので、シリコン基板２と絶縁層２０を陽極接合する際にシリコン基板２が絶縁層２０に貼り付くことを防止できる。また本実施形態では、絶縁層２０の下面２０ｂの凸部１３に対向する位置には金属膜１４が形成されている。このような構成によれば、金属膜１４がシリコン基板２と絶縁層２０間の緩衝の役割を果たすので、シリコン基板２と絶縁層２０を陽極接合する際にシリコン基板２が絶縁層２０に貼り付くことをより確実に防止できる。なお金属膜１４は、固定電極６Ａ，６Ｂと同一材料として同じ工程で形成することが望ましい。これにより、金属膜１４を別途形成する場合に比べて製造の手間が減り、製造コストを低減することができる。

また図４に示すように、金属膜１４側にも凸部１４ａを形成するようにしてもよい。このような構成によれば、シリコン基板２と絶縁層２０の対向面積をさらに小さくすることができるので、シリコン基板２と絶縁層２０を陽極接合する際にシリコン基板２が絶縁層２０に貼り付くことをさらに確実に防止できる。また図５（ａ），（ｂ）に示すように、金属膜１４の形状を平面視リング状になるようにパターニングしてもよい。このような構成によれば、シリコン基板２と絶縁層２０の貼り付きを防止しつつ、リングの内部を介して凸部１３表面の状態を観察することができる。

以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。

本発明の実施形態となる半導体物理量センサの構成を示す平面図である。 図１に示す線分ＡＡにおける半導体物理量センサの断面図である。 図１に示す線分ＢＢにおける半導体物理量センサの断面図である。 図３に示す金属膜の第１変形例を示す断面図である。 図３に示す金属膜の第２変形例を示す断面図及び平面図である。

符号の説明

１：半導体物理量センサ
２：シリコン基板
３：アンカー部
４：ビーム部
５：可動電極
７：フレーム部
８：電位取出部
１０：間隙
１３，１４ａ：凸部
１４：金属膜
２０，２１：絶縁層
２２：凹部
２３：導体層
２４：貫通孔

Claims (3)

1. 物理量が加わることによって変位する可動電極としてのシリコン基板と、可動電極と対向する位置に固定電極が設けられた絶縁基板とを有し、可動電極の変位に伴う固定電極と可動電極間の静電容量の変化を検出することにより前記物理量を検出する半導体物理量センサであって、前記シリコン基板を２段エッチング処理することにより前記絶縁基板との対向面に形成された第１の凸部と、前記第１の凸部と対向する前記絶縁基板表面に形成された金属膜とを備えることを特徴とする半導体物理量センサ。
2. 請求項１に記載の半導体物理量センサにおいて、
   前記第１の凸部と対向する前記金属膜表面に第２の凸部が形成されていることを特徴とする半導体物理量センサ。
3. 請求項１に記載の半導体物理量センサにおいて、
   前記金属膜は、平面視リング形状を有することを特徴とする半導体物理量センサ。

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