JP2011153838A

JP2011153838A - 半導体物理量センサ

Info

Publication number: JP2011153838A
Application number: JP2010013955A
Authority: JP
Inventors: Hirosuke Moriguchi; 裕亮森口
Original assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2010-01-26
Filing date: 2010-01-26
Publication date: 2011-08-11

Abstract

【課題】可動部と固定部との間の間隙部の断面形状がテーパ状になった場合にも、その間隙部の干渉部分が破損するのを抑制できる半導体物理量センサを得る。
【解決手段】断面テーパ状となった間隙部δ３の幅狭となる側の端部に、当該間隙部δ３の対向壁部Ｔｗが干渉した際に面接触する面接触部８を形成する。
【選択図】図４

Description

本発明は、半導体物理量センサに関する。

加速度センサや振動センサなどの半導体物理量センサでは、半導体基板として用いられるシリコン基板に、公知の半導体プロセスにより間隙部を形成することで、物理量の入力により相対変位する可動部と固定部とを形成するようになっている。

そして、このようにシリコン基板に間隙部を形成する技術として、異方性エッチングにより直線状にエッチングする工程と、等方性エッチングによりテーパ状にエッチングする工程と、を備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−６６４８１号公報

ところで、半導体物理量センサのシリコン基板に設けられる可動部と固定部との間の間隙部は極狭い幅で形成され、その狭い間隙部を加工するには直線の加工性に優れた異方性エッチングが用いられる。ところが、極狭い間隙部をプラズマなどによる異方性エッチングで加工する際、側壁を保護しつつエッチングしていくのであるが、保護膜の形成の具合などによるコンディションによって間隙部の断面形状がテーパ状になってしまうことがある。このテーパ状は、加工をしていく手前側が幅狭になる場合と奥側が幅狭になる場合がある。

このように、隙間を設けた間隙部の幅狭となる側の端部は相手側に互いに近づく方向に突出した状態となる。すると、入力される物理量が過大である場合に、可動部と固定部とが相対変位した際に幅狭となる端部どうしが衝撃力をもって干渉し、場合によってはその干渉部分が破損してしまう虞がある。

このことは、特許文献１に開示された加工技術を、上述した可動部と固定部との間の間隙部に適用した場合にも、直線状部分がテーパー状に形成されてしまうことで角部が形成されてしまい、その角部どうしが衝撃力をもって干渉し、同様の不具合がもたらされる。

そこで、本発明は、可動部と固定部との間の間隙部の断面形状がテーパ状になった場合にも、その間隙部の干渉部分が破損するのを抑制できる半導体物理量センサを得ることを目的とする。

請求項１の発明にあっては、半導体基板にエッチングにより間隙部を形成することで、物理量の入力により相対変位する可動部と固定部とを形成するとともに、前記間隙部の断面がテーパー状に形成される半導体物理量センサにおいて、断面テーパ状となった前記間隙部の幅狭となる側の端部に、当該間隙部の対向壁部が干渉した際に面接触する面接触部を形成したことを特徴とする。

請求項１の発明によれば、エッチングにより可動部と固定部との間の間隙部が断面テーパ状に形成された場合に、その断面テーパ状となった間隙部の幅狭となる側の端部に面接触部が形成されているので、入力される物理量が過大であって間隙部の対向壁部どうしが干渉する場合にも、干渉した際の衝撃力を上記面接触部が広い面積をもって受け止めることができるため、接触部分の破損を抑制することができる。

図１は、本発明の一実施形態にかかる半導体物理量センサを模式的に示す内部の平面図である。図２は、図１中Ｂ部の拡大図である。図３は、図２中Ｃ部の拡大断面図である。図４は、間隙部の対向壁部どうしが干渉する状態を（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に順を追って模式的に示し、（ａ）は干渉する前の状態、（ｂ）は干渉した状態、（ｃ）は干渉した後の状態を示した断面図である。図５は、図２中Ｃ部に示す間隙部の変形例を示した断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１〜図４は、本発明にかかる半導体物理量センサの一実施形態を示し、本実施形態では半導体物理量センサを加速度センサ１、とりわけ、互いに直角となるＸ軸およびＹ軸方向の加速度を検出できる二軸方向検出型の加速度センサ１を例にとって説明するものとする。

本実施形態の加速度センサ１は、絶縁層としての図示せぬ２枚のガラス基板と、これら２枚のガラス基板間に挟まれる半導体基板としてのシリコン基板３と、を備えている。これらガラス基板とシリコン基板３とは、最終的に陽極接合などによって接合されるようになっており、これらの接合面に形成された凹部（図示せぬ）によって、シリコン基板３各部の絶縁性や可動部５の動作性の確保が図られている。

シリコン基板３は、図１に示すように、ドライエッチングにより複数の異なる幅の間隙部δ１〜δ４をもって可動部５と固定部６とを加工し、それら可動部５と固定部６とが物理力である加速度の入力により相対変位して、後述する可動櫛歯状電極５１、５２と固定櫛歯状電極６１、６２との間の間隔が変化することにより、それら両電極間の静電容量の変化から入力された加速度を検出するようになっている。

すなわち、本実施形態では、可動部５は、図１に示すように、それの主体部分が全体としてほぼ矩形状を成し、それの対向する２辺の内側部分にＸ軸方向（図中左右方向）の加速度を検出する一対のＸ軸方向検出部７Ｘが配置されるとともに、残りの対向する２辺の内側部分にＹ軸方向（図中上下方向）の加速度を検出する一対のＹ軸方向検出部７Ｙが配置されている。

Ｘ軸方向検出部７Ｘは、可動部５から互いに離反する方向に突出する可動櫛歯状電極５１と、固定部６から互いの対向方向に向かって突出する固定櫛歯状電極６１と、を備える。それら可動櫛歯状電極５１と固定櫛歯状電極６１とは、間隙部δ１、δ２（δ１＞δ２）をもって互いに噛合される。それら両電極５１、６１は、可動部５のＸ軸方向の変位に伴ってそれぞれの間隙部δ１、δ２の幅が変化する方向に相対移動が可能となっている。

Ｙ軸方向検出部７Ｙは、Ｘ軸方向検出部７Ｘと同様に、可動部５から互いに離反する方向に突出する可動櫛歯状電極５２と、固定部６から互いの対向方向に向かって突出する固定櫛歯状電極６２と、を備える。それら可動櫛歯状電極５２と固定櫛歯状電極６２とは、上述した間隙部δ１、δ２（δ１＞δ２）をもって互いに噛合される。それら両電極５２、６２は、可動部５のＹ軸方向の変位に伴って、それぞれの間隙部δ１、δ２の幅が変化する方向に相対移動が可能となっている。

なお、本実施形態ではＸ軸方向検出部７ＸおよびＹ軸方向検出部７Ｙのそれぞれの両電極５１、６１および５２、６２の間隙幅は、それぞれδ１、δ２としてＸ軸−Ｙ軸方向で等しくしたが、これに限ることなくＸ軸方向とＹ軸方向とでそれぞれの間隙幅を異ならせることもできる。

可動部５は、それぞれの四隅部分から隣接する２辺を取り囲むように延在する４本のＬ字状ビーム５３を介して、可動部５の外周を囲繞するフレーム接合部５４に連結され、それらＬ字状ビーム５３の撓み変形により可動部５がＸ軸、Ｙ軸に沿った方向の変位が許容されるようになっている。

固定櫛歯状電極６１、６２は、アンカー部６３を介してガラス基板（図示せぬ）に固定される。このとき、アンカー部６３とフレーム接合部５４とは相互に絶縁されており、フレーム接合部５４に外部取出し用の一方の電極５Ｅが設けられるとともに、アンカー部６３に他方の電極６Ｅ１、６Ｅ２が設けられる。

そして、Ｘ軸方向の加速度（物理量）の入力により、可動櫛歯状電極５１と固定櫛歯状電極６１との間の隙間δ１、δ２が変化した際の静電容量変化を、電極５Ｅ、６Ｅ１から取り出して処理することにより、Ｘ軸方向の加速度を検出することができる。また、Ｙ軸方向の加速度の入力により可動櫛歯状電極５２と固定櫛歯状電極６２との間の隙間δ１、δ２が変化した際の静電容量変化を、電極５Ｅ、６Ｅ２から取り出して処理することにより、Ｙ軸方向の加速度を検出することができる。

また、アンカー部６３の側方に隣接してストッパー用の副アンカー部６４が設けられ、その副アンカー部６４も固定部６としてガラス基板（図示せぬ）に接合される。その副アンカー部６４には、図２に示すように、Ｘ軸方向およびＹ軸方向にストッパー部６４ａが可動部５に対向して突設されている。これにより、過大な加速度の入力により可動部５が大きく変位してストッパー部６４ａの先端に突き当たることにより、可動部５のそれ以上の変位を阻止し、ひいては、可動櫛歯状電極５１、５２と固定櫛歯状電極６１、６２とが干渉して破損されるのを防止できるようになっている。

したがって、ストッパー部６４ａと可動部５との間の間隙部δ３が、上述した間隙部δ１、δ２よりも小さく設定される。また、可動部５とＬ字状ビーム５３との間、Ｌ字状ビーム５３どうしの間およびＬ字状ビーム５３とフレーム接合部５４との間にそれぞれ間隙部δ４が設けられるが、本実施形態ではストッパー部６４ａの間隙部δ３が、可動部５と固定部６との間で最も幅狭の間隙部となっている。

図３は、ストッパー部６４ａと可動部５との間の間隙部δ３を拡大して示し、この間隙部δ３、および上述した可動部５と固定部６とを分離する間隙部δ１、δ２、δ４は、ＩＰＣエッチングを用いた異方性ドライエッチングで加工されるようになっている。この異方性エッチングは、面垂直方向の加工に優れているのであるが、いろんなコンディションが原因して、図３に示したように、隙間を設けた間隙部δ３の断面形状がテーパ状になることがある。なお、同図では、加工面側（図中上方）が幅狭となるテーパ形状で示してあるが、これとは逆に反対側が幅狭となるテーパ形状となる場合もある。

このように、間隙部δ３がテーパ状になると、その間隙部δ３の対向壁部Ｔｗは、図３に示した場合は加工面側に幅狭となる突出部分Ｔｐが設けられ、過大な加速度が入力されてストッパー部６４ａと可動部５が突き当たる場合は、まず、突出部分Ｔｐが互いに干渉し合うことになる。

ここで、本実施形態では、間隙部δ３の対向壁部Ｔｗに設けられる突出部分Ｔｐ、つまり、断面テーパ状となった間隙部δ３の幅狭となる側の端部に、その間隙部δ３の対向壁部Ｔｗが干渉した際に面接触する面接触部８を形成してある。このとき、図３では、間隙部δ３の断面形状が加工面側で幅狭となるテーパ形状である場合を示した関係上、面接触部８は間隙部δ３の加工面側に設けた場合を示したが、加工面とは反対側が幅狭となるテーパ形状である場合は、面接触部８は間隙部δ３の加工面とは反対側に設けられることになる。

面接触部８は、可動部５がシリコン基板３の面方向に変位することから、本実施形態では、シリコン基板３の面方向に対して平坦な垂直面８ａとして形成してある。この垂直面８ａは、シリコン基板３の面方向に対して垂直方向に所定幅ｗをもって形成され、その垂直面８ａの面積を広く確保できるようになっている。したがって、図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、可動部５がストッパー部６４ａに突き当たる際には、（ｂ）中Ｄ部で示すように、対向した面接触部８どうしが広い面積をもって干渉するようになっている。

以上の構成により、本実施形態の加速度センサ１によれば、異方性エッチングにより可動部５と固定部６との間の間隙部δ３が断面テーパ状に形成される場合があるが、その断面テーパ状となった間隙部δ３の幅狭となる側の端部に面接触部８が形成されている。これにより、過大な加速度が入力されて可動部５がストッパー部６４ａに突き当たり、間隙部δ３の対向壁部Ｔｗどうしが干渉する場合に、広い面積を確保した面接触部８で互いに当接することになる。したがって、干渉した際の衝撃力を面接触部８が広い面積をもって受け止めることができるため、接触部分の破損を抑制することができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態には限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で各種変更が可能である。例えば、上記実施形態では、ストッパー部６４ａと可動部５との間の間隙部δ３に面接触部８を設けたが、Ｌ字状ビーム５３近傍の間隙部δ４が最も幅狭の間隙部となる場合には、当該間隙部δ４に面接触部を設けても勿論よい。

また、上記実施形態では、断面テーパ状となった間隙部δ３の幅狭となる側の端部に平坦な垂直面８ａを設けることで面接触させるようにしたが、図５に示す変形例のように、曲率半径の大きな円弧面８ｂを形成して接触させるようにしても、接触部分の破損を抑制することができる。

なお、間隙部δ３は、異方性エッチングにより意図的に断面テーパ状にしてもよい。この場合、間隙部δ３の断面形状が加工面側で幅狭となるテーパ形状に構成すると、面接触部８や間隙部δ３の加工性を向上することができる。

また、加速度センサ１は、二軸方向検出型に限らず一軸方向検出型でもよく、さらには、加速度センサに限らず振動センサなどの半導体物理量センサであれば本発明を適用することができる。

１加速度センサ（半導体物理量センサ）
３シリコン基板（半導体基板）
５可動部
６固定部
８面接触部
Ｔｗ対向壁部
δ１〜δ４間隙部

Claims

半導体基板にエッチングにより間隙部を形成することで、物理量の入力により相対変位する可動部と固定部とを形成するとともに、前記間隙部の断面がテーパー状に形成される半導体物理量センサにおいて、
断面テーパ状となった前記間隙部の幅狭となる側の端部に、当該間隙部の対向壁部が干渉した際に面接触する面接触部を形成したことを特徴とする半導体物理量センサ。