JP2010032345A - 加速度センサおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】十分な強度を具備したストッパ部を有し、過度な加速度が加わっても破壊が防止される加速度センサと、このような加速度センサを簡便に製造するための製造方法を提供する。
【解決手段】シリコン層（活性層シリコン）／酸化シリコン層／シリコン層（基板シリコン）の３層構造を有するＳＯＩ基板からなる枠部２３と、シリコン層（活性層シリコン）からなり、枠部の各辺から内側方向に突出する４本の梁２２と、梁により支持される錘接合部２１と、シリコン層（基板シリコン）からなり、錘接合部に酸化シリコン層を介して接合された基部２５Ａと、４本の梁と枠部で囲まれた４箇所の窓部２４へ基部から突出した４個の突出部２５Ｂと、各突出部から突出するとともに突出部の平面と段差を有する係合用凸部２８とで構成される錘２５と、シリコン層（活性層シリコン）からなり枠部の角部を挟む２辺に架設された板状の４個のストッパ部２９と、を備え、係合用凸部２８は先端側がストッパ部２９下方に突出するように構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、加速度センサとその製造方法に係り、特に過度な加速度が加わっても破壊が防止される加速度センサとその製造方法に関する。

近年、ＭＥＭＳ（Micro Electromechanical Systems）技術を用いた小型のセンサの開発が進んでおり、加速度を検出するセンサを携帯電話やゲーム機等の種々の用途に使用したり、また、応用の検討がなされている。このような加速度センサは、例えば、シリコン層／酸化シリコン層／シリコン層の３層構造を有するＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウェーハを用いて作製される。このタイプのセンサとしては、図１０、図１１に示すように、シリコン層５２ａ／酸化シリコン層５２ｂ／シリコン層５２ｃの３層構造を有するＳＯＩウェーハ５２を刳り貫くように形成された開口部５４を有するフレーム５３と、このフレーム５３に複数の梁５６を介して支持され、外力が作用したときに変位可能な錘５５を備えている。この錘５５は、複数の梁５６に支持された基部５５Ａと、この基部５５Ａから十字型の梁５６の間方向に突出している４個の突出部５５Ｂからなっている。そして、梁５６にはピエゾ抵抗素子５７が配されており、錘５５に外力（加速度）が加わって変位が生じると、ピエゾ抵抗素子５７が梁５６の撓みによる抵抗変化を検出して加速度を測定するものである。

このような加速度センサでは、過度な加速度が加わると、錘５５が大きく変位して梁５６に破損が生じることがある。このため、図１０、図１２に示すようなストッパ部５９（図１０では斜線を付して示す）が４ヶ所の開口部５４に設けられ、過度な加速度が錘５５に加わったときに、突出部５５Ｂがストッパ部５９に接触して過大な変位が阻止され、梁５６の損傷が防止されるように構成されている。このようなストッパ部５９はシリコン層５２ａからなり、酸化シリコン層５２ｂをエッチングにより除去して、シリコン層５２ｃからなる錘５５の突出部５５Ｂと分離する必要がある。そして、この酸化シリコン層５２ｂのエッチング除去を容易とするために、エッチングの薬液流入用の複数の小開口を備えたストッパ部（特許文献１）、フレーム５３から開口部５４に斜めに架設された棒状のストッパ部（特許文献２）等が提案されている。
特開２００４−１９８２４３号公報 特開２００４−３１７４７８号公報

しかしながら、酸化シリコン層５２ｂのエッチング除去の容易性を求めた従来のストッパ部は、エッチング液と酸化シリコン層５２ｂとの接触を高めるために複数の小開口が設けられたり、棒状とされているため、強度が不十分であり、錘５５の過大な変位を防止するという本来の機能が損なわれるという問題があった。
本発明は、上記のような実情に鑑みてなされたものであり、十分な強度を具備したストッパ部を有し、過度な加速度が加わっても破壊が防止される加速度センサと、このような加速度センサを簡便に製造するための製造方法を提供することを目的とする。

このような目的を達成するために、本発明の加速度センサは、シリコン層（活性層シリコン）／酸化シリコン層／シリコン層（基板シリコン）の３層構造を有するＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板からなる枠部と、前記シリコン層（活性層シリコン）からなり、前記枠部の各辺から内側方向に突出する４本の梁と、該梁により支持される錘接合部と、前記シリコン層（基板シリコン）からなり、前記錘接合部に前記酸化シリコン層を介して接合された基部と、前記４本の梁と枠部で囲まれた４箇所の窓部へ前記基部から突出した４個の突出部と、各突出部から突出するとともに前記突出部の前記シリコン層（活性層シリコン）側の平面と段差を有する係合用凸部とで構成される錘と、前記シリコン層（活性層シリコン）からなり、前記枠部の角部を挟む２辺に架設された板状の４個のストッパ部と、を少なくとも備え、前記係合用凸部は先端側が前記ストッパ部下方に突出し、係合用凸部の頂部とストッパ部との間に所定の間隙が設けられているような構成とした。

本発明の他の態様として、前記ストッパ部は、前記枠部の角部を一点とした三角形状であるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記係合用凸部の頂部と前記ストッパ部との間隙は、５〜３０μｍの範囲内にあるような構成とした。

また、本発明の加速度センサの製造方法は、シリコン層（活性層シリコン）／酸化シリコン層／シリコン層（基板シリコン）の３層構造を有するＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板のシリコン層（活性層シリコン）に、枠部と、該枠部の各辺から内側方向に突出する４本の梁と、該梁により支持される錘接合部と、前記枠部の角部を挟む２辺に架設された４個のストッパ部とを形成する工程と、前記シリコン層（基板シリコン）に、枠部と、該枠部の内側に非接触に位置する錘であって、前記錘接合部に前記酸化シリコン層を介して接合保持される基部と、前記４本の梁と枠部で囲まれた４箇所の窓部へ前記基部から突出した４個の突出部と、該突出部から突出するとともに前記ストッパ部の下方に先端部が非接触で達する係合用凸部と、からなる錘を形成する工程と、露出している酸化シリコン層を除去する工程と、を少なくともを有し、前記シリコン層（基板シリコン）に前記枠部と前記錘とを形成する工程では、前記酸化シリコン層が露出し、さらに、前記酸化シリコンに接触する前記係合用凸部にサイドエッチングが生じて前記係合用凸部の頂部が前記酸化シリコンから分離した状態となるまで、前記シリコン層（基板シリコン）側からマスクパターンを介してＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法によるドライエッチングによって開口部を穿設するような構成とした。

このような本発明の加速度センサは、過度な加速度が錘に加わったときに、係合用凸部がストッパ部に接触して過大な変位が阻止されるとともに、ストッパ部が枠部の角部を挟む２辺に架設された板状であるため、強度が十分に高く、これにより、過度な加速度が加わっても梁の損傷等の破壊が確実に防止され、信頼性の高い加速度センサである。
また、本発明の加速度センサの製造方法は、シリコン層（基板シリコン）に枠部と錘とを形成する工程において、４個の突出部から突出するとともにストッパ部の酸化シリコン層の下方に先端部が非接触で達する係合用凸部をＲＩＥ法で形成し、かつ、形成されたストッパ部は枠部の角部を挟む２辺に架設された板状であるため強度が高く、これにより、過度な加速度が加わっても梁の損傷等の破壊が防止された信頼性の高い加速度センサを製造することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
［加速度センサ］
図１は、本発明の加速度センサの一実施形態を示す平面図であり、図２は図１に示される加速度センサのＩ−Ｉ線における断面図、図３は図１に示される加速度センサのII−II線における断面図である。図１〜図３において、加速度センサ１は、センサ本体２と、このセンサ本体２に接合された支持基板３とを有している。センサ本体２は、酸化シリコン層１３をシリコン層１２（活性層シリコン）とシリコン層１４（基板シリコン）で挟持した３層構造を有するＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板１１からなる。尚、本発明の加速度センサは、センサ本体２からなり、支持基板３を備えていないものであってもよく、この場合、パッケージ用基板に直接搭載してもよい。

図１〜図３に示されるように、センサ本体２を構成するシリコン層１２（活性層シリコン）は、錘接合部２１と、この錘接合部２１を支持するための４本の梁２２と、枠部２３と、各梁２２と枠部２３で囲まれた４箇所の窓部２４とを備えている。また、４本の梁２２には、ピエゾ抵抗素子３１が配設されている。すなわち、Ｘ軸方向の外力を検出する４個のピエゾ抵抗素子３１ｘと、Ｙ軸方向の外力を検出する４個のピエゾ抵抗素子３１ｙと、Ｚ軸方向の外力を検出する４個のピエゾ抵抗素子３１ｚが配設されている。
また、センサ本体２を構成するシリコン層１２（活性層シリコン）は、枠部２３の４箇所の角部に、この角部を挟む２辺に架設された板状のストッパ部２９（図１では斜線を付して示している）を備えている。図示例では、ストッパ部２９は枠部２３の角部を一点とした三角形状であり、小開口等が存在しない板状をなしている。
また、センサ本体２を構成するシリコン層１４（基板シリコン）は、錘２５と、この錘２５の周囲に開口部２７を介して位置する枠部２６とを備えている。錘２５は、その厚みが枠部２６よりも薄いものであり、基部２５Ａと、この基部２５Ａから十字型の梁２２の間（窓部２４）方向に突出している４個の突出部２５Ｂからなる。そして、錘２５の基部２５Ａは、酸化シリコン層１３を介してシリコン層１２（活性層シリコン）の錘接合部２１に接合されている。

図４は図１に示される加速度センサ１を構成する錘２５の平面図であり、図５は錘２５を構成する突出部２５Ｂの部分斜視図である。図１、図３〜図５に示されるように、各突出部２５Ｂは、枠部２３の角部に対向するとともに、ストッパ部２９の先端部２９ａがなす形状に沿った形状である壁面２５ｂを有している。そして、この壁面２５ｂから枠部２３の角部方向に突出する係合用凸部２８を備えている。この係合用凸部２８は、その先端部２８ａがストッパ部２９下方に突出し、かつ、その頂部２８ｂが突出部２５Ｂのシリコン層１２（活性層シリコン）側の平面２５ｂ′と段差を有している。したがって、係合用凸部２８の頂部２８ｂとストッパ部２９との間に所定の間隙が設けられている。

係合用凸部２８の先端部２８ａがストッパ部２９下方に入り込む長さＬ、係合用凸部２８の幅Ｗ（図１参照）は、過度な加速度が錘２５に加わったときに、係合用凸部２８がストッパ部２９に接触する面積を規定するものであり、係合用凸部２８の強度等を考慮して適宜設定することができ、例えば、長さＬは２０〜６０μｍ程度、幅Ｗは２０〜６０μｍ程度とすることができる。また、係合用凸部２８の頂部２８ｂとストッパ部２９との間の間隙Ｇ（図３参照）は、外力（加速度）が錘２５に加わったときの変位の許容量を規定するものであり、梁２２の強度等を考慮して適宜設定することができ、例えば、５〜３０μｍ程度とすることができる。この間隙Ｇが５μｍ未満であると、十分な測定レンジが確保できず、また、３０μｍを超えると、錘２５の上方（ストッパ部２９方向）への変位が大きくなりすぎ、梁２２の破損を招くおそれがある。

上述のような加速度センサ１は、４本の梁２２で支持された錘２５に、Ｘ軸、Ｙ軸、あるいは、Ｚ軸（図１参照）方向に外力が作用すると、錘２５に変位が生じる。この変位により、梁２２に撓みが生じて、錘２５に作用した外力がピエゾ素子３１により検出される。そして、過度な加速度が錘２５に加わったときに、係合用凸部２８がストッパ部２９に接触して過大な変位が阻止される。このストッパ部２９は、枠部２３の角部を挟む２辺に架設された板状であるため、強度が十分に高いものである。したがって、本発明の加速度センサ１は、過度な加速度が加わっても梁の損傷等の破壊が確実に防止され、信頼性の高いものである。
上述の係合用凸部２８は、その断面形状が長方形であるが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、図６に例示したような種々の態様とすることができる。すなわち、係合用凸部２８の形状は、その断面が台形状（図６（Ａ））、半円形状（図６（Ｂ））であってもよい。また、突出部２５Ｂの壁面２５ｂに複数個（図示例では２個）の係合用凸部２８を備えたもの（図６（Ｃ））とすることもできる。

また、上述のストッパ部２９は、枠部２３の角部を一点とした三角形状であるが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、図７に例示したような種々の形状とすることができる。すなわち、ストッパ部２９の先端部２９ａが弧をなすような形状（図７（Ａ））、ストッパ部２９の先端部２９ａが山形に突出するような形状（図７（Ｂ））であってもよい。また、ストッパ部２９が枠部２３と接続する部分をラウンド形状（図７（Ｃ））とし、応力集中によるストッパ部２９の破損の更なる防止効果を図ってもよい。
上述の加速度センサの実施形態は例示であり、本発明はこれに限定されるものではない。

［加速度センサの製造方法］
図８は、本発明の加速度センサの製造方法の一例を示す工程図であり、上述の加速度センサ１の製造を例としたものである。尚、図８は、図３に示した断面形状に相当する部位を示している。
本発明では、シリコン層１２（活性層シリコン）、酸化シリコン層１３、シリコン層１４（基板シリコン）の３層構造を有するＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウェーハ１１′に多面付けで加工を行うことができる。図８において、まず、各面付け毎に、錘接合部２１、梁２２、枠部２３、ストッパ部２９を形成するための溝部１６をシリコン層１２（活性層シリコン）に形成し、また、錘２５の厚みを設定するための凹部１７をシリコン層１４（基板シリコン）に形成する（図８（Ａ））。この溝部１６、凹部１７の形成は、例えば、マスクパターンを介して、シリコンの深堀エッチング手法であるＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法により行うことができる。このＲＩＥ法としては、ＩＣＰ（Inductive Coupled Plasma）方式、ＣＣＰ（Capacitively Coupled Plasma）方式、ＥＣＰ（Electron Coupled Plasma）方式、ＳＷＰ（Surface Wave Plasma）方式、ＨＷＰ（Helicon Wave Plasma）方式等を用いることができる。また、サンドブラスト法、ウエットエッチング法、フェムト秒レーザ法により溝部１６、凹部１７を形成することもできる。

次に、各面付け毎に、ＳＯＩウェーハ１１′のシリコン層１４（基板シリコン）側（凹部１７側）からマスクパターン３１を介して酸化シリコン層１３が露出するまで開口部２７を穿設して錘２５（基部２５Ａ、突出部２５Ｂ、係合用凸部２８）と枠部２６を形成する（図８（Ｂ））。開口部２７の穿設による枠部２６と錘２５の形成は、ＲＩＥ法によりマスクパターン３１を介して行うことができる。そして、この工程では、係合用凸部２８の先端部２８ａが、ストッパ部２９の酸化シリコン層１３の下方に非接触で達するように係合用凸部２８が形成される。このような加工は、以下のように行うことができる。まず、シリコン層（基板シリコン）１４側からマスクパターン３１を介して酸化シリコン層１３が露出するまでＲＩＥ法によりドライエッチングを行う。その後、さらに、ＲＩＥ法によりドライエッチングを継続すると、図９（Ａ）に示すように、酸化シリコン１３に接触する係合用凸部２８にサイドエッチングが生じる。このようなサイドエッチングが生じる原因は、プラスに帯電している酸化シリコン１３と、エッチングガスのプラスイオンが反発すること、シリコン層（基板シリコン）１４側からのドライエッチングが酸化シリコン１３に到達すると、エッチングレートの違いからエッチングガスのプラスイオンが余剰になること、が考えられる。そして、係合用凸部２８の頂部２８ｂが酸化シリコン１３から分離した状態、すなわち、係合用凸部２８の頂部２８ｂとストッパ部２９の酸化シリコン層１３との間に所望の間隙Ｇが形成されたところで（図９（Ｂ））、ＲＩＥ法によるドライエッチングを終了する。

次いで、溝部１６と開口部２７とに露出する酸化シリコン層１３を除去する（図８（Ｃ））。これによりセンサ本体２が得られ、次いで、錘２５と非接触となるようにシリコン層（基板シリコン）１４の枠部２６に支持基板３（図示せず）を接合することにより、加速度センサ１が得られる。酸化シリコン層１３の除去は、例えば、反応性ガスによるドライエッチングにより行うことができる。
尚、マスクパターン３１の形成方法には特に制限はなく、例えば、感光性レジストを用いてフォトリソグラフィーによる形成する方法、樹脂層や金属層を配設し、これにレーザ描画により直接パターニングする方法等を用いることができる。
このような本発明の製造方法は、シリコン層１４（基板シリコン）に枠部２６と錘２５とを形成する工程において、４個の突出部２５Ｂから突出するとともにストッパ部２９の酸化シリコン層１３の下方に先端部２８ａが非接触で達する係合用凸部２８をＲＩＥ法で形成するので、ストッパ部２９の構造を、酸化シリコン層のエッチング除去の容易性を求めた従来のストッパ部構造（複数の小開口を備えた構造、棒状構造）とする必要がなく、板状構造とすることができ、強度が格段に向上したものとなる。これにより、過度な加速度が加わっても梁の損傷等の破壊が防止された信頼性の高い加速度センサを製造することができる。

上述の加速度センサの製造方法の実施形態は例示であり、本発明はこれに限定されるものではない。
また、上述の実施形態では、ピエゾ抵抗型の加速度センサを例として説明したが、本発明は、静電容量型の加速度センサにおいても同様に適用可能である。

小型で高信頼性の加速度センサが要求される種々の分野において適用できる。

本発明の加速度センサの一実施形態を示す平面図である。 図１に示される加速度センサのＩ−Ｉ線における断面図である。 図１に示される加速度センサのII−II線における断面図である。 図１に示される加速度センサを構成する錘の平面図である。 図４に示される錘を構成する突出部の部分斜視図である。 係合用凸部の他の態様を説明するための図である。 ストッパ部の他の態様を説明するための図である。 本発明の加速度センサの製造方法を説明するための工程図である。 係合用凸部のサイドエッチングを説明するための図である。 従来の加速度センサの一例を示す平面図である。 図１０に示される加速度センサのIII−III線における断面図である。 図１０に示される加速度センサのIV−IV線における断面図である。

符号の説明

１…加速度センサ
２…センサ本体
３…支持基板
１１…ＳＯＩ基板
１１′…ＳＯＩウェーハ
１２…シリコン層（活性層シリコン）
１３…酸化シリコン層
１４…シリコン層（基板シリコン）
２１…錘接合部
２２…梁
２３…枠部
２４…窓部
２５…錘
２５Ａ…錘の基部
２５Ｂ…錘の突出部
２６…枠部
２７…開口部
２８…係合用凸部
２８ａ…係合用凸部の先端部
２８ｂ…係合用凸部の頂部
２９…ストッパ部
３１…マスクパターン

Claims (4)

1. シリコン層（活性層シリコン）／酸化シリコン層／シリコン層（基板シリコン）の３層構造を有するＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板からなる枠部と、
   前記シリコン層（活性層シリコン）からなり、前記枠部の各辺から内側方向に突出する４本の梁と、該梁により支持される錘接合部と、
   前記シリコン層（基板シリコン）からなり、前記錘接合部に前記酸化シリコン層を介して接合された基部と、前記４本の梁と枠部で囲まれた４箇所の窓部へ前記基部から突出した４個の突出部と、各突出部から突出するとともに前記突出部の前記シリコン層（活性層シリコン）側の平面と段差を有する係合用凸部とで構成される錘と、
   前記シリコン層（活性層シリコン）からなり、前記枠部の角部を挟む２辺に架設された板状の４個のストッパ部と、を少なくとも備え、
   前記係合用凸部は先端側が前記ストッパ部下方に突出し、係合用凸部の頂部とストッパ部との間に所定の間隙が設けられていることを特徴とする加速度センサ。
2. 前記ストッパ部は、前記枠部の角部を一点とした三角形状であることを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ。
3. 前記係合用凸部の頂部と前記ストッパ部との間隙は５〜３０μｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の加速度センサ。
4. 加速度センサの製造方法において、
   シリコン層（活性層シリコン）／酸化シリコン層／シリコン層（基板シリコン）の３層構造を有するＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板のシリコン層（活性層シリコン）に、枠部と、該枠部の各辺から内側方向に突出する４本の梁と、該梁により支持される錘接合部と、前記枠部の角部を挟む２辺に架設された４個のストッパ部とを形成する工程と、
   前記シリコン層（基板シリコン）に、枠部と、該枠部の内側に非接触に位置する錘であって、前記錘接合部に前記酸化シリコン層を介して接合保持される基部と、前記４本の梁と枠部で囲まれた４箇所の窓部へ前記基部から突出した４個の突出部と、該突出部から突出するとともに前記ストッパ部の下方に先端部が非接触で達する係合用凸部と、からなる錘を形成する工程と、
   露出している酸化シリコン層を除去する工程と、を少なくともを有し、
   前記シリコン層（基板シリコン）に前記枠部と前記錘とを形成する工程では、前記酸化シリコン層が露出し、さらに、前記酸化シリコンに接触する前記係合用凸部にサイドエッチングが生じて前記係合用凸部の頂部が前記酸化シリコンから分離した状態となるまで、前記シリコン層（基板シリコン）側からマスクパターンを介してＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法によるドライエッチングによって開口部を穿設することを特徴とするセンサの製造方法。

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