JP4343965B2

JP4343965B2 - 慣性センサ

Info

Publication number: JP4343965B2
Application number: JP2007035416A
Authority: JP
Inventors: 岳春鈴木
Original assignee: Oki Semiconductor Co Ltd
Current assignee: Lapis Semiconductor Co Ltd
Priority date: 2007-02-15
Filing date: 2007-02-15
Publication date: 2009-10-14
Anticipated expiration: 2027-02-15
Also published as: JP2008197067A; US7905146B2; US20080196497A1

Description

本発明は、自動車や航空機、携帯機器等の装置に搭載され、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる３軸の加速度を検出する半導体加速度センサや、ジャイロスコープ等の慣性センサに関する。

従来の半導体加速度センサは、支持基板と、該支持基板上に埋込み酸化膜を挟んで形成されたシリコン薄膜層とを有するＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板で形成され、４つの側壁からなる矩形の外枠と、外枠の内部にスリットを介して配置されたコア部と４つの付帯錘からなる重錘部と、外枠の各側壁と重錘部とをそれぞれ接続して十字状に配置され、シリコン薄膜層により形成された可撓部と、外枠の側壁からスリットを跨いで重錘部上に延在し、シリコン薄膜層により形成された矩形の第１の突片と、この第１の突片の裏面と埋込み酸化膜の厚さに相当する間隔で対向する底面を有し、重錘部上に形成された矩形の第１の凹所と、重錘部からスリットを跨いで外枠の側壁上に延在し、シリコン薄膜層により形成された矩形の第２の係止片と、この第２の係止片の裏面と埋込み酸化膜の厚さに相当する間隔で対向する底面を有し、外枠の側壁上に形成された第２の凹所と、可撓部の両側縁の一部に埋込み酸化膜の厚さに相当する間隔対向する重錘部の付帯錘に形成されたストッパ部とを備え、第１の突片と第１の凹所とを可撓部の両側の付帯錘の中央部にそれぞれ配置すると共に、第２の突片と第２の凹所とを付帯錘の隅部にそれぞれ配置し、重錘部の表裏方向（Ｚ軸方向）の変位を制限して半導体加速度センサの耐衝撃性を向上させている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００４−２９４２３０号公報（主に第１２頁段落００４４−００４８、第１５頁段落００６４、第１９図）

しかしながら、上述した従来の技術においては、ＳＯＩ基板により形成された外枠の側壁から延在させた矩形の第１の突片とこれに対向する底面を有する矩形の第１の凹所、および重錘部から延在させた矩形の第２の係止片とこれに対向する底面を有する矩形の第２の凹所により重錘部の変位を制限しているため、過大な外力、例えば半導体加速度センサを搭載した携帯機器が落下して床面に衝突したときに生ずる８０００Ｇ以上の衝撃力によりＺ軸周りに重錘部がＸ−Ｙ平面と平行に変位し、第２の突片の先端が第２の凹所の側面に衝突したときは、第２の突片が矩形形状に形成され、その付根部が９０度に形成されているので、付根部に応力集中が生じ、第２の突片が破損して可撓部に過大な変形が生じ、可撓部が破損して加速度の検出が不可能になる場合があるという問題がある。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、過大な衝撃力による慣性センサの破損を防止する手段を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために、支持基板と、前記支持基板上に絶縁膜を挟んで形成されたシリコン薄膜層とを有するＳＯＩ基板で形成された矩形の外枠と、前記外枠の内部に前記外枠と離間して配置され、前記ＳＯＩ基板で形成された重錘部と、前記外枠の各側壁と前記重錘部とをそれぞれ接続して十字状に配置され、前記シリコン薄膜層により形成された可撓部と、を備えた慣性センサにおいて、前記外枠の側壁から前記重錘部上に延在し、前記側壁のシリコン薄膜層により先端に向かって縮小する台形状に形成された第１の係止片と、前記第１の係止片の裏面と対向する底面を有し、前記重錘部の前記シリコン薄膜層および前記絶縁層を除去して形成された第１の凹部と、前記重錘部から前記外枠の側壁上に延在し、前記重錘部のシリコン薄膜層により先端に向かって縮小する台形状に形成された第２の係止片と、該第２の係止片の裏面と対向する底面を有し、前記外枠の側壁の前記シリコン薄膜層および前記絶縁層を除去して形成された第２の凹部と、前記外枠の側壁から前記重錘部との間に延在し、前記側壁のシリコン薄膜層により先端に向かって縮小する台形状に形成された突出片とを設け、前記第１の係止片と前記突出片とを、前記第２の凹部の両側に、それぞれ隣接させて配置すると共に、前記第２の係止片を、前記第２の凹部の側面との間に隙間を介して配置してストッパ機構を形成し、前記ストッパ機構を、前記可撓部の両側にそれぞれ設けたことを特徴とする。

これにより、本発明は、過大な衝撃力が加わったときの重錘部のＺ軸周りの変位による可撓部の過大な変形を、第２の係止片の先端が第２の凹部の側面を押圧することにより制限することができ、可撓部の破損による慣性センサの破損を防止することができるという効果が得られる。

以下に、図面を参照して本発明による慣性センサの実施例について説明する。

図１は実施例１の半導体加速度センサの上面を示す説明図、図２は実施例１の半導体加速度センサの下面を示す説明図、図３は図１のＡ部を示す斜視図、図４は実施例１の半導体加速度センサの上面を示す部分拡大図、図５は図４のＢ−Ｂ断面線に沿った断面を示す説明図、図６は図４のＣ−Ｃ断面線に沿った断面を示す説明図、図７は実施例１の半導体加速度センサの製造方法を示す説明図である。

なお、図７は図１の断面線Ｄ−Ｄに沿った断面で示してある。
図１、図２において、１は慣性センサとしての半導体加速度センサである。本実施例の半導体加速度センサ１は、シリコン（Ｓｉ）からなる５００μｍ程度の厚さの支持基板２に、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる１μｍ程度の厚さの絶縁膜としての埋込み酸化膜３（図３等に網掛けで示す。）を挟んで単結晶シリコンからなる１０μｍ程度の厚さのシリコン薄膜層４が形成されたＳＯＩ基板５（図７参照）を用いて複数同時に形成され、その後に個片に分割して形成される。

６はＳＯＩ基板５で形成された外枠であり、４つの側壁６ａを矩形（本実施例では正方形）状に配置して一体に形成された枠体である。
７はＳＯＩ基板５で形成された重錘部であり、外枠６の内部にスリット８を介して配置された矩形（本実施例では正方形）の錘であって、中央に位置する矩形のコア部７ａと、その４つの隅部にそれぞれ一体に設けられた矩形の付帯錘７ｂとで構成されている。

９はシリコン薄膜層４で形成された可撓部であり、外枠６の各側壁６ａの中央部と、重錘部７のコア部７ａの各辺の中央部とを接続する可撓性を有する梁部材であって、隣合う付帯錘７ｂを分離する重錘部７の分離溝１０の幅より狭い幅に形成されて十字状に配置されており、重錘部７を揺動可能に支持している。
また、可撓部７には、加速度を検出するためのブリッジ回路を形成する複数の図示しないピエゾ素子等の測定素子が形成されている。

図３、図４において、１２はシリコン薄膜層４で形成された第１の係止片であり、外枠６の側壁６ａからスリット８を跨いで重錘部７の付帯錘７ｂ上に延在して形成された突起であって、側壁６ａのシリコン薄膜層４との付根部から先端に向かって縮小する台形状（本実施例では等脚台形）に形成されている。
１３は第１の凹部であり、重錘部７の付帯錘７ｂ上に形成され、第１の係止片１２の裏面と間隔Ｋ（図５参照）で離間して対向する底面１３ａを有しており、第１の係止片１２の裏面を押圧して、重錘部７のＺ方向（図１において、紙面鉛直方向の手前方向）の動きを制限する。

また、第１の凹部１３の側面１３ｂは、台形状の第１の係止片１２の外周形状に隙間Ｓ（図４参照）を介して沿う台形状に形成されている。
１５はシリコン薄膜層４で形成された第２の係止片であり、重錘部７の付帯錘７ｂからスリット８を跨いで外枠６の側壁６ａ上に延在して形成された突起であって、付帯錘７ｂのシリコン薄膜層４との付根部から先端に向かって縮小する台形状（本実施例では等脚台形）に形成されている。

１６は第２の凹部であり、外枠６の側壁６ａ上に形成され、第２の係止片１５の裏面と間隔Ｋ（図６参照）で離間して対向する底面１６ａを有しており、第２の係止片１５の裏面により押圧されて、重錘部７の反Ｚ方向（図１において、紙面鉛直方向の奥行方向）の動きを制限する。
また、第２の凹部１６の側面１６ｂは、台形状の第２の係止片１５の外周形状に隙間Ｓ（図４参照）を介して沿う台形状に形成されている。

１８はシリコン薄膜層４で形成された突出片であり、外枠６の側壁６ａからスリット８上に重錘部７の付帯錘７ｂに達しない長さで突出し、側壁６ａのシリコン薄膜層４との付根部から先端に向かって縮小する台形状に形成されている。
本実施例の間隔Ｋは、ＳＯＩ基板５の埋込み酸化膜３の厚さに相当する長さに形成される。

また、隙間Ｓは、５０００Ｇ程度の衝撃力により重錘部７がＺ軸周りに変位したときに、第２の係止片１５の先端と第２の凹部１６の側面１６ｂとが接触する程度に形成されている。５０００Ｇ程度の衝撃力による可撓部９の変形では、可撓部９に破損が生じることはないからである。
上記の第１の係止片１２と突出片１８とは、図１、図４に示すように、外枠６の側壁６ａに形成された第２の凹部１６の両側にそれぞれ隣接させて配置され、第２の係止片１５を、その裏面を第２の凹部１６の底面１６ａに間隔Ｋを介して対向させ、かつ第２の凹部１６の側面１６ｂとの間に隙間Ｓを介して配置すると共に、第１の係止片１２を、その裏面を重錘部７の付帯錘１７ｂに形成された第１の凹部１３の底面１３ａに間隔Ｋを介して対向させ、かつ第１の凹部１３の側面１３ｂとの間に隙間Ｓを介して配置して、本実施例のストッパ機構を形成し、このストッパ機構を可撓部９の両側にそれぞれ配置して、図１に示す本実施例の半導体加速度センサ１を形成する。

以下に、図７を用い、Ｐで示す工程に従って本実施例の半導体加速度センサの製造方法について説明する。
Ｐ１、シリコン薄膜層４に測定素子等を形成したＳＯＩ基板５を準備し、支持基板２の裏面上に熱酸化法によりシリコン酸化膜２１を形成し、そのシリコン酸化膜２１上にＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によりシリコン窒化膜２２を形成する。

Ｐ２、フォトリソグラフィによりシリコン窒化膜２２上にスリット８および分離溝１０の形成領域を露出させた図示しないレジストマスクを形成し、これをマスクとして、プラズマエッチング等の異方性エッチングにより、シリコン窒化膜２２、シリコン酸化膜２１および支持基板２をエッチングして、埋込み酸化膜３を露出させ、後にスリット８および分離溝１０の一部となる掘込溝２３を形成する。

Ｐ３、工程Ｐ２で形成したレジストマスクを除去し、フォトリソグラフィによりシリコン薄膜層４上に、第１の係止部１２と第２の係止部１５と突出片１８の形成領域を除くスリット８の形成領域、および可撓部９の形成領域を除く分離溝１０の形成領域、並びに第１の係止部１２と第１の凹部１３との隙間Ｓ、および第２の係止部１５と第２の凹部１６との隙間Ｓの形成領域を露出させたレジストマスク２５を形成し、これをマスクとして、プラズマエッチング等の異方性エッチングにより、シリコン薄膜層４をエッチングして、埋込み酸化膜３を露出させ、後にスリット８および分離溝１０、隙間Ｓの一部となる掘込溝２６を形成する。

Ｐ４、工程Ｐ３で形成したレジストマスク２５を除去し、フッ酸（ＨＦ）によるウェットエッチングにより酸化シリコンを選択的にエッチングして露出している埋込み酸化膜３並びに、第１の係止部１２と第１の凹部１３とのオーバラップ部および第２の係止部１５と第２の凹部１６とのオーバラップ部の埋込み酸化膜３を除去すると共に、支持基板２の裏面のシリコン窒化膜２２とシリコン酸化膜２１とを除去する。

これにより、第１の係止部１２と第１の凹部１３との間隔Ｋおよび隙間Ｓ、並びに第２の係止部１５と第２の凹部１６との間隔Ｋおよび隙間Ｓが形成され、その後に半導体加速度センサ１の単位で個片に分割して本実施例の半導体加速度センサ１が製造され、図示しない基板等に外枠６の裏面を接着剤により貼付して用いられる。
このようにして製造された半導体加速度センサ１は、そのストッパ機構が十字状に配置された可撓部９の両側にそれぞれ配置されているので、比較的大きな衝撃力により重錘部７がＺ方向に変位したときに、第１の凹部１３の底面１３ａが第１の係止片１２を押圧して可撓部９の過大な変形を制限し、重錘部７が反Ｚ方向に変位したときに、第２の係止片１５が第２の凹部１６の底面１６ａを押圧して可撓部９の過大な変形を制限するので、Ｚ軸方向の衝撃力により可撓部９が破損することはない。

また、比較的大きな衝撃力により重錘部７がＸ軸方向またはＹ軸方向に変位したときに、第１の凹部１３の底面１３ａが第１の係止片１２を押圧し、重錘部７の反対側にある第２の係止片１５が第２の凹部１６の底面１６ａを押圧して可撓部９の過大な変形を制限するので、Ｘ軸方向またはＹ軸方向の衝撃力により可撓部９が破損することはない。
更に、本実施例の第１の係止片１２および第２の係止片１５は、台形状に形成されているので、第１および第２の係止片１２、１５の付根部の強度を確保することができる。

前記の比較的大きな衝撃力により重錘部７がＺ方向に変位して、第１の凹部１３の底面１３ａが第１の係止片１２を押圧したときに、第２の係止片１５と第２の凹部１６の間のオーバラップ部の間隔が埋込み酸化膜３の厚さの略２倍に広がり（反Ｚ方向の場合も同様）、比較的大きな衝撃力により重錘部７がＸ軸方向またはＹ軸方向に変位して、第１の凹部１３が第１の係止片１２を押圧し、重錘部７の反対側にある第２の係止片１５が第２の凹部１６を押圧したときは、それぞれの反対側にある係止片と凹部とのオーバラップ部の間隔が埋込み酸化膜３の厚さの略２倍に広がる場合があり、その広がったオーバラップ部の間隔に塵芥等が侵入すると重錘部の動きが阻害され、加速度の検出が不可能になる場合があるが、本実施例の第１の係止片１２および第２の係止片１５は、台形状に形成されているので、第１および第２の係止片１２、１５と、第１および第２の凹部１３、１６とのそれぞれのオーバラップ部の面積が、矩形の場合に較べて小さくなり、各軸方向の衝撃力によりオーバラップ部の間隔が広がったとしても、塵芥等が侵入する可能性を低減することができる。

このことは、ＳＯＩ基板５を用いて形成される半導体加速度センサ１の場合に、特に有効である。
本実施例の半導体加速度センサ１に過大な衝撃力が加わり、重錘部７がＺ軸周りに変位した場合は、第２の係止片１５の先端が第２の凹部１６の側面１６ｂを押圧して可撓部９の過大な変形を制限するので、可撓部９が破損することはなく、第２の係止片１５が台形状に形成され、その付根部が鈍角に形成されているので、付根部の応力集中が緩和され、第２の係止片１５が破損することもない。

また、第２の係止片１５の、第１の係止片１２の反対側に第２の凹部１６に隣接して突出片１８が設けられているので、過大な衝撃力が加わって、第２の係止片１５の先端が第２の凹部１６よりスリット８側に移動したとしても、第２の係止片１５の先端を突出片１８の側面、または第１の係止片１２の側面で係止することができ、可撓部９の過大な変形を抑制して可撓部９の破損を防止することができる。

以上説明したように、本実施例では、第１の係止片と突出片とを、第２の凹部の両側にそれぞれ隣接させて配置すると共に、第２の係止片を、第２の凹部の側面との間に隙間Ｓを介して配置したストッパ機構を、可撓部の両側にそれぞれ設けたことによって、過大な衝撃力が加わったときの重錘部のＺ軸周りの変位による可撓部の過大な変形を、第２の係止片の先端が第２の凹部の側面を押圧することにより制限することができ、可撓部の破損による半導体加速度センサの破損を防止することができる。

また、第１の係止片と第２の係止片と突出片とを、それぞれ先端に向かって縮小する台形状に形成したことによって、過大な衝撃力により第２の係止片の先端が第２の凹部の側面を押圧したときの第２の係止片１５の付根部の応力集中を緩和して、第２の係止片１５の破損を防止することができると共に、第１および第２の係止片と、第１および第２の凹部とのそれぞれのオーバラップ部の面積を縮小して、オーバラップ部への塵芥等の侵入を抑制することができる。

更に、第１および第２の係止片と、第１および第２の凹部との間の間隔Ｋを、埋込み酸化膜の厚さに相当する間隔としたことによって、埋込み酸化膜の厚さにより間隔Ｋを容易に調整することができる。

図８は実施例２のストッパ機構の上面を示す説明図である。
なお、上記実施例１と同様の部分は、同一の符号を付してその説明を省略する。
本実施例の第１の係止片１２の第１の凹部１３とのオーバラップ部、および第２の係止片１５の第２の凹部１６とのオーバラップ部には、それぞれの厚さ方向、つまりシリコン薄膜層４の厚さ方向に貫通する貫通穴３１が設けられている。

また、本実施例の第１の係止片１２と、第２の係止片１５と、突出片１８とのそれぞれの付根部（図８に矢印Ｒを付して示した部位）には、シリコン薄膜層４により形成された湾曲部としてのフィレットＲが設けられている。
このような、貫通穴３１およびフィレットＲは、上記実施例１の工程Ｐ３においてシリコン薄膜層４に掘込溝２６を形成するときに、同時に形成するようにする。

上記のように、本実施例では、第１の係止片の第１の凹部とのオーバラップ部、および第２の係止片の第２の凹部とのオーバラップ部に、貫通穴を設けたことによって、上記実施例１の工程Ｐ４におけるオーバラップ部の埋込み酸化膜の除去をより迅速に行うことができ、半導体加速度センサの製造効率を向上させることができる。
また、第１の係止片と、第２の係止片と、突出片とのそれぞれの付根部にフィレットＲを設けたことによって、過大な衝撃力が加わったときの重錘部のＺ軸周りの変位による第２の係止片や第１の係止片、突出片の付根部の応力集中を更に緩和することができる。

なお、上記各実施例においては、慣性センサは半導体加速度センサであるとして説明したが、慣性センサは前記に限らず、搭載される装置自体の回転に伴う角速度を検出するジャイロスコープ等であってもよい。

実施例１の半導体加速度センサの上面を示す説明図実施例１の半導体加速度センサの下面を示す説明図図１のＡ部を示す斜視図実施例１の半導体加速度センサの上面を示す部分拡大図図４のＢ−Ｂ断面線に沿った断面を示す説明図図４のＣ−Ｃ断面線に沿った断面を示す説明図実施例１の半導体加速度センサの製造方法を示す説明図実施例２のストッパ機構の上面を示す説明図

符号の説明

１半導体加速度センサ
２支持基板
３埋込み酸化膜
４シリコン薄膜層
６外枠
６ａ側壁
７重錘部
７ａコア部
７ｂ付帯錘
８スリット
９可撓部
１０分離溝
１２第１の係止片
１３第１の凹部
１３ａ、１６ａ底面
１３ｂ、１６ｂ側面
１５第２の係止片
１６第２の凹部
１８突出片
２１シリコン酸化膜
２２シリコン窒化膜
２３、２６掘込溝
２５レジストマスク
３１貫通穴

Claims

支持基板と、前記支持基板上に絶縁膜を挟んで形成されたシリコン薄膜層とを有するＳＯＩ基板で形成された矩形の外枠と、
前記外枠の内部に前記外枠と離間して配置され、前記ＳＯＩ基板で形成された重錘部と、
前記外枠の各側壁と前記重錘部とをそれぞれ接続して十字状に配置され、前記シリコン薄膜層により形成された可撓部と、を備えた慣性センサにおいて、
前記外枠の側壁から前記重錘部上に延在し、前記側壁のシリコン薄膜層により先端に向かって縮小する台形状に形成された第１の係止片と、
前記第１の係止片の裏面と対向する底面を有し、前記重錘部の前記シリコン薄膜層および前記絶縁層を除去して形成された第１の凹部と、
前記重錘部から前記外枠の側壁上に延在し、前記重錘部のシリコン薄膜層により先端に向かって縮小する台形状に形成された第２の係止片と、
該第２の係止片の裏面と対向する底面を有し、前記外枠の側壁の前記シリコン薄膜層および前記絶縁層を除去して形成された第２の凹部と、
前記外枠の側壁から前記重錘部との間に延在し、前記側壁のシリコン薄膜層により先端に向かって縮小する台形状に形成された突出片とを設け、
前記第１の係止片と前記突出片とを、前記第２の凹部の両側に、それぞれ隣接させて配置すると共に、前記第２の係止片を、前記第２の凹部の側面との間に隙間を介して配置してストッパ機構を形成し、
前記ストッパ機構を、前記可撓部の両側にそれぞれ設けたことを特徴とする慣性センサ。
請求項１において、
前記第１の係止片の、前記第１の凹部とのオーバラップ部、および前記第２の係止片の、前記第２の凹部とのオーバラップ部に、それぞれ厚さ方向に貫通する貫通穴を設けたことを特徴とする慣性センサ。
請求項１または請求項２において、
前記第１の係止片と、前記第２の係止片と、突出片とのそれぞれの付根部に湾曲部を設けたことを特徴とする慣性センサ。
請求項１ないし請求項３のいずれか一項において、
前記第１の係止片の裏面と前記第１の凹部の底面との間隔、および前記第１の係止片の裏面と前記第１の凹部の底面との間隔を、前記絶縁膜の厚さに相当する間隔としたことを特徴とする慣性センサ。