JP2014178218A - 半導体物理量センサ - Google Patents

Abstract

【課題】より簡素な構成で各電位取出部から可動電極と固定電極の電位を取り出すことの可能な半導体物理量センサを得る。
【解決手段】対向配置される可動電極８および固定電極１０（１１）が形成されたシリコン基板（半導体基板）４と、そのシリコン基板（半導体基板）４の一方の面４ａの一部を露出させた状態で被覆するガラス基板（絶縁基板）２と、一方の面４ａの露出部４０に設けられる複数の電極パッド（電位取出部）２０、２１（２２）と、を備える。そして、シリコン基板（半導体基板）４に、可動電極８の電極パッド（電位取出部）２０と固定電極１０（１１）の電極パッド（電位取出部）２１（２２）とを絶縁させる絶縁部２５を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体物理量センサに関する。

従来の半導体物理量センサとして、対向配置される可動電極および固定電極が形成された半導体基板と、半導体基板の一方の面の一部を露出させた状態で被覆する絶縁基板と、を備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１では、上述した半導体基板における一方の面の露出部に複数の電位取出部を設けるようにしている。このような構成により、絶縁基板側に電位取出部としてのスルーホールを形成する一般的な構成と比べて、加工工数を低減でき有利であった。

特開２００６−３４９５６３号公報

しかしながら、上記従来技術にあっては、半導体基板に配線を形成するとともに、その配線をばね状に引き回すことで可動電極および固定電極と各電位取出部とを電気的に接続していた。そのため、配線の形成作業が煩雑となってしまう虞があった。

また、上記従来技術（図１１、図１２）では、半導体基板の貫通エッチング時において、エッチングにより配線を損傷する可能性がある。さらに、半導体基板からの応力、または配線自身による応力に耐えきれずに配線が断線してしまう虞もあった。

そこで、本発明は、より簡素な構成で各電位取出部から可動電極と固定電極の電位を取り出すことの可能な半導体物理量センサを得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１の特徴は、対向配置される可動電極および固定電極が形成された半導体基板と、前記半導体基板の一方の面の一部を露出させた状態で被覆する絶縁基板と、前記一方の面の露出部に設けられる複数の電位取出部と、を備え、前記半導体基板に、前記可動電極の電位取出部と前記固定電極の電位取出部とを絶縁させる絶縁部を形成したことを要旨とする。

本発明の第２の特徴は、前記半導体基板には、前記可動電極の電位取出部と前記固定電極の電位取出部とを離間させる間隙部が形成されており、前記絶縁部は、前記間隙部に酸化膜を埋め戻すことで形成されていることを要旨とする。

本発明の第３の特徴は、前記間隙部が、複数形成されていることを要旨とする。

本発明によれば、半導体基板に可動電極の電位取出部と固定電極の電位取出部とを絶縁させる絶縁部を形成している。そのため、半導体基板自体によって可動電極とその電位取出部および固定電極とその電位取出部を電気的に接続させることができつつ、各電位取出部が同電位となってしまうことを防止できる。よって、より簡素な構成で各電位取出部から可動電極と固定電極の電位を取り出すことが可能となる。

本発明の第１実施形態にかかる半導体物理量センサを示した図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。 本発明の第２実施形態にかかる半導体物理量センサの平面図である。

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。なお、以下の複数の実施形態には、同様の構成要素が含まれている。よって、以下では、それら同様の構成要素には共通の符号を付与するとともに、重複する説明を省略する。

[第１実施形態]
図１（ａ）、（ｂ）は、本発明にかかる半導体物理量センサの第１実施形態を示した図であり、本実施形態では、半導体物理量センサとして加速度センサ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、上下に配置される２枚のガラス基板（絶縁基板）２と、これら２枚のガラス基板２に挟まれるシリコン基板（半導体基板）４とを備えている。ガラス基板２は絶縁層となり、シリコン基板４は半導体層となる。これらガラス基板２とシリコン基板４とは、最終的に陽極接合などによって一体に接合される。

シリコン基板４には、図１（ａ）に示すように、公知の半導体プロセスにより間隙５を形成することで、中心部を取り囲む略矩形状のアンカー部６が形成されている。そして、そのアンカー部６のさらに外周側には、絶縁性の周囲フレーム７が配置されている。なお、本実施形態では、略矩形状のアンカー部６の短辺方向（図中左右方向）をＹ方向、長辺方向（図中上下方向）をＸ方向として以下説明するものとする。

アンカー部６の間隙３を隔てたＸ方向内側には錘を兼ねた可動電極８が形成されている。一方、アンカー部６の間隙９を隔てたＹ方向内側には一対の固定電極１０、１１が形成されている。なお、アンカー部６は、ガラス基板２に陽極接合等により固定される。

また、可動電極８は、その四隅とアンカー部６との間に形成されたばね部１２を介して揺動自在に支持されており、物理量としての加速度の印加によって可動電極８の移動が許容されるようになっている。このとき、可動電極８の両面と上下のガラス基板２のそれぞれの間にはギャップ（図示せぬ）が設けられ、そのギャップによって可動電極８の変位が可能となっている。

アンカー部６、可動電極８、第１の固定電極１０、第２の固定電極１１およびばね部１２は、シリコン基板４を、例えば反応性イオンエッチング等により垂直エッチング加工することで形成されている。

図１（ａ）に示すように、可動電極８は、Ｙ方向両側にＸ方向に沿って配置される一対の電極幹部８１、８２と、これら電極幹部８１、８２のＸ方向中央部間を連結する櫛歯基部８３とによって略Ｈ字状に形成されている。そして、可動電極８の櫛歯基部８３には、それぞれ複数の櫛歯電極８４ａ、８５ａがＸ方向の一方側（上側）と他方側（下側）とに向けて突出する第１櫛歯部分８４および第２櫛歯部分８５が設けられている。

一方、第１の固定電極１０と第２の固定電極１１とは、可動電極８の櫛歯基部８３を挟んで、Ｘ方向両側のスペースとなる一対の電極幹部８１、８２間に配置されている。そして、互いに対向する側とは反対側、つまり、Ｘ方向両端側が基部１４、１６となっている。そして、それら基部１４、１６には、可動電極８の櫛歯基部８３に向かって複数の櫛歯電極１５ａ、１７ａが突出した第３櫛歯部分１５および第４櫛歯部分１７が設けられている。

そして、可動電極８の第１櫛歯部分８４と第１の固定電極１０の第３櫛歯部分１５とが互いに噛合されているとともに、可動電極８の第２櫛歯部分８５と第２の固定電極１１の第４櫛歯部分１７とが互いに噛合されている。このとき、第１櫛歯部分８４の櫛歯電極８４ａと第３櫛歯部分１５の櫛歯電極１５ａとの間、および第２櫛歯部分８５の櫛歯電極８５ａと第４櫛歯部分１７の櫛歯電極１７ａとの間には、Ｙ方向に対して互いに逆となる側にそれぞれ所定の検知部が設けられている。そして、それぞれの検知部間のギャップに蓄積した静電気の変化（静電容量変化）を検出するようになっている。

ばね部１２は、可動電極８のＹ方向両側とＸ方向両側とに位置して、合計４箇所設けられている。それぞれのばね部１２は、例えば連続する一本の細長い線状部を複数段のつづら折り状に折曲した状態で形成することができ、ばね部１２全体で可動電極８の変位を許容するように弾発力をもって支持している。このとき、アンカー部６と可動電極８との間には、その可動電極８のＸ方向およびＹ方向への変位量を制限するストッパー部１３が配置されている。これにより、過大な加速度の入力によって、可動電極８がアンカー部６に衝突して固着してしまうのを防止できるようにしている。

また、本実施形態では、２枚のガラス基板２のうちの一方側（上側のガラス基板２）がシリコン基板４の一方の面４ａの一部を露出させた状態で被覆するようになっている。これにより、シリコン基板４の一方の面４ａには露出部４０が設けられていることになる。そして、本実施形態では、そのシリコン基板４の露出部４０に、複数（本実施形態では３つ）の電位取出部としての電極パッド２０、２１、２２を設けている。

電極パッド２０は、可動電極８の電位取出口となる。すなわち、可動電極８とアンカー部６とはばね部１２を介して互いに電気的に接続されており、そのアンカー部６と電極パッド２０とは間隙５の途切れ部分２７と露出部４０における電極パッド２０の周縁部４１とを介して互いに電気的に接続されている。よって、電極パッド２０から可動電極８の電位を取り出すことができる。

一方、電極パッド２１は、第１の固定電極１０の電位取出口となり、電極パッド２２は、第２の固定電極１１の電位取出口となる。すなわち、第１の固定電極１０と電極パッド２１とは第１の連結部２８と露出部４０における電極パッド２１の周縁部４２とを介して互いに電気的に接続されている。また、第２の固定電極１１と電極パッド２２とは第２の連結部２９と露出部４０における電極パッド２２の周縁部４３とを介して互いに電気的に接続されている。よって、電極パッド２１から第１の固定電極１０の電位を取り出すことができ、電極パッド２２から第２の固定電極１１の電位を取り出すことができる。

このように、本実施形態では、可動電極８、第１の固定電極１０および第２の固定電極１１と各電極パッド２０〜２２とをシリコン基板４自体によって電気的に接続させるようにしている。そのため、シリコン基板４自体が配線の役目となり、シリコン基板４への配線の形成を不要とできる。

しかしながら、可動電極８と固定電極１０（１１）とが同じシリコン基板４で接続されていると、可動電極８の電位を取り出す電極パッド２０と、固定電極１０（１１）の電位を取り出す電極パッド２１（２２）とが同電位となってしまう。

そこで、本実施形態では、シリコン基板４に、可動電極８の電極パッド２０と固定電極１０（１１）の電極パッド２１（２２）とを絶縁させる絶縁部２５を形成している。

具体的には、図１（ａ）に示すように、本実施形態では、シリコン基板４の露出部４０が設けられたＹ方向の一端側に、絶縁部２５をＸ方向に沿って合計４箇所形成し、これにより、３つの各電極パッド２０〜２２をそれぞれ絶縁させるようにしている。

すなわち、電極パッド２０が第２の絶縁部２５ｂと第３の絶縁部２５ｃとによって、電極パッド２１および電極パッド２２と絶縁されている。また、電極パッド２１が第１の絶縁部２５ａと第２の絶縁部２５ｂとによって電極パッド２０および２２と絶縁されており、電極パッド２２が第３の絶縁部２５ｃと第４の絶縁部２５ｄとによって電極パッド２０および２１と絶縁されている。

本実施形態では、シリコン基板４に、可動電極８の電極パッド２０と、第１の固定電極１０の電極パッド２１と、第２の固定電極１１の電極パッド２２とを離間させる間隙部２３を形成している。そして、その間隙部２３に、図１（ｂ）に示すように、例えばポリシリコンなどの絶縁酸化膜２４を埋め戻すことで絶縁部２５が形成されている。

本実施形態では、絶縁部２５の各間隙部２３は、いずれもシリコン基板４に形成された間隙５に連通するように形成されている。これにより、可動電極８の領域（可動電極８、ばね部１２、アンカー部６、間隙５の途切れ部分２７および露出部４０における電極パッド２０の周縁部４１とで接続された領域）と、第１および第２の固定電極１０、１１の領域とが完全に離間するようになっている。なお、第１の固定電極１０の領域とは、第１の固定電極１０、第１の連結部２８および露出部４０における電極パッド２１の周縁部４２とで接続された領域となる。また、第２の固定電極１１の領域とは、第２の固定電極１１、第２の連結部２９および露出部４０における電極パッド２２の周縁部４３とで接続された領域となる。

そして、このように形成された各間隙部２３に、上述した酸化膜２４を埋め戻すことで、各電極パッド２０〜２２の絶縁性を高めるとともに、加速度センサ１の使用時に内部へ異物などが進入するを抑制できるようにしている。

このように構成された加速度センサ１は、印加される加速度によって可動電極８が第１の固定電極１０および第２の固定電極１１に対してＹ方向に変位する。これにより、第１櫛歯部分８４と第３櫛歯部分１５との間の静電容量、および第２櫛歯部分８５と第４櫛歯部分１７との間の静電容量が変化する。そして、それらの静電容量変化は、電気信号として各電極パッド２０〜２２から外部に取り出され、それらの静電容量信号を処理することにより、印加された加速度の大きさを検知することができる。

以上、説明したように、本実施形態の加速度センサ１によれば、シリコン基板（半導体基板）４に、可動電極８の電極パッド（電位取出部）２０と固定電極１０（１１）の電極パッド（電位取出部）２１（２２）とを絶縁させる絶縁部２５を形成している。そのため、シリコン基板４自体によって可動電極８とその電極パッド２０および固定電極１０（１１）とその電極パッド２１（２２）を電気的に接続させることができつつ、各電極パッド２０、２１（２２）が同電位となってしまうことを防止できる。よって、より簡素な構成で各電極パッド２０、２１（２２）から可動電極８と固定電極１０（１１）の電位を取り出すことが可能となる。

また、このようにシリコン基板４自体によって可動電極８とその電極パッド２０および固定電極１０（１１）とその電極パッド２１（２２）を電気的に接続させることができるため、従来のような配線による電気的接続の信頼性の低下を抑制することができる。

また、本実施形態では、シリコン基板４に、可動電極８の電極パッド２０と固定電極１０（１１）の電極パッド２１（２２）とを離間させる間隙部２３が形成されており、絶縁部２５が、間隙部２３に形成された酸化膜２４により構成されている。そのため、各電極パッド２０、２１（２２）の絶縁性を高めることができるとともに、加速度センサ１の使用時に、内部（可動電極８と上下のガラス基板２のそれぞれの間に形成されたギャップ内）へ異物などが進入してしまうのを抑制することができる。

また、本実施形態では、複数の電極パッド（電位取出部）２０〜２２が、加速度センサ１の検知軸方向となるＹ方向の一端側に集約されている。そのため、複数の電極パッドをＹ方向の両側に配置させる構成（例えば、可動電極の電極パッドをＹ方向一端側に設け、固定電極の電極パッドをＹ方向他端側に設ける構成）と比べて、加速度センサ１をＹ方向に小型化し易くできるという利点がある。

また、本実施形態では、シリコン基板４に間隙部２３が複数形成されている。そのため、固定電極１０（１１）と可動電極８との間の距離が大きくなり、寄生容量を低減することができる。

なお、本実施形態では、アンカー部６の外周側に周囲フレーム７を設けるようにしたが、周囲フレーム７は設けなくてもよい。

[第２実施形態]
次に、本発明の第２実施形態について図面を参照して説明する。図２は、本実施形態にかかる加速度センサ１Ａを示した図である。

本実施形態の加速度センサ１Ａは、上記第１実施形態の加速度センサ１と略同様の構成を有している。

すなわち、本実施形態の加速度センサ１Ａにあっても、シリコン基板４の露出部４０に、可動電極８の電位取出口となる電極パッド２０と、第１の固定電極１０および第２の固定電極１１の電位取出口となる電極パッド２１、２２とが設けられている。そして、シリコン基板４には、可動電極８の電極パッド２０と、第１の固定電極１０の電極パッド２１と、第２の固定電極１１の電極パッド２２とを絶縁させる絶縁部２５が形成されている。

ここで、本実施形態の加速度センサ１Ａが上記第１実施形態と主に異なる点は、第１の固定電極１０の基部１４と第２の固定電極１１の基部１６の無駄スペースを削除したことにある。また、本実施形態では、アンカー部６のＸ方向中央部における一対の無駄スペースにあっても削除してある。

上述した無駄スペースは、ガラス基板２側に電位取出部としてのスルーホールを形成する構成の場合に、シリコン基板４側に電極部を形成するスペースであった。しかしながら、本実施形態ならびに上記第１実施形態では、シリコン基板４の露出部４０に、電位取出部としての電極パッド２０〜２２を設ける構成となっている。したがって、上述した無駄スペースを削除することができ、これにより、加速度センサ１Ａの更なる小型化が可能となる。

以上の構成の本実施形態にあっても、上記第１実施形態と同様の作用、効果を奏することができる。すなわち、シリコン基板４自体によって可動電極８とその電極パッド２０および固定電極１０（１１）とその電極パッド２１（２２）を電気的に接続させることができつつ、各電極パッド２０、２１（２２）が同電位となってしまうことを防止できる。よって、より簡素な構成で各電極パッド２０、２１（２２）から可動電極８と固定電極１０（１１）の電位を取り出すことができる。

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、種々の変形が可能である。

例えば、上記実施形態では、半導体物理量センサとして加速度センサを例示したが、これに限ることなく、可動電極を変位させる物理量であれば、その物理量の検出センサとして本発明を適用できる。

１、１Ａ 加速度センサ（半導体物理量センサ）
２ ガラス基板（絶縁基板）
４ シリコン基板（半導体基板）
４ａ シリコン基板（半導体基板）の一方の面
４０ 露出部
８ 可動電極
１０ 第１の固定電極（固定電極）
１１ 第２の固定電極（固定電極）
２０、２１、２２ 電極パッド（電位取出部）

Claims (3)

1. 対向配置される可動電極および固定電極が形成された半導体基板と、
   前記半導体基板の一方の面の一部を露出させた状態で被覆する絶縁基板と、
   前記一方の面の露出部に設けられる複数の電位取出部と、を備え、
   前記半導体基板に、前記可動電極の電位取出部と前記固定電極の電位取出部とを絶縁させる絶縁部を形成したことを特徴とする半導体物理量センサ。
2. 前記半導体基板には、前記可動電極の電位取出部と前記固定電極の電位取出部とを離間させる間隙部が形成されており、
   前記絶縁部は、前記間隙部に形成された酸化膜であることを特徴とする請求項１に記載の半導体物理量センサ。
3. 前記間隙部が、複数形成されていることを特徴とする請求項２に記載の半導体物理量センサ。

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