JP4839747B2 - 静電容量型加速度センサ - Google Patents

Description

本発明は、この発明は、半導体マイクロマシニング技術を用いて形成される静電容量型加速度センサに関するものである。

このような加速度センサにおいては、加速度検出部を構成する質量体たる可動電極を、真空中あるいは不活性ガス中で良好に振動させるために、ガラスキャップ等の隔壁により加速度検出部を密閉する必要があり、また一方ではガラスキャップ内部に格納された加速度検出部から外部に信号を取り出すために、上記隔壁を貫通して配線を設ける必要がある。

このため特許文献１には、リンなどの不純物が低レベルでドーピングされた単結晶シリコンからなる接合枠（フレーム）にガラスキャップ（蓋）を陽極接合し、密閉空間を形成した加速度センサが示されている。即ち、シリコン酸化膜からなる絶縁層の上に設けられた高抵抗単結晶シリコン層で接合枠を形成するとともに、燐などの不純物を拡散することにより同じ高抵抗単結晶シリコン層を配線として利用している。

特開２０００−１５０９１６号公報 （図２）

このような加速度センサにおいては、ガラスキャップ内部に格納された加速度検出部から外部に信号を取り出すために、接合枠として設けられた単結晶シリコン層を利用しているので、配線間の絶縁のため及び密閉性を確保するため、やはり高抵抗単結晶シリコン層を利用して形成された連結帯を必要とする。また、やはり接合枠として設けられた単結晶シリコン層を利用しているので、配線の多層化ができない等配線設計の自由度が制約されている。

上述したような事情があるため、最近は接合枠及び配線は多結晶シリコンと絶縁膜との積層構造で構成されるようになってきている。しかしながら、多結晶シリコンの場合は、一般的に表面の凹凸は単結晶シリコンより大きくなり、さらに積層構造の場合には接合枠の下層の凹凸が上層の多結晶シリコン表面に影響を与え、その凹凸をさらに大きくする傾向があった。このような凹凸がある程度大きくなると陽極接合によるガラスキャップと接合枠との気密封止が不十分となり、密閉空間内に水分等の浸入が発生し、加速度センサとしての電気的特性に経年変化を引き起こす問題があった

さらには、このような加速度センサの製造においては、上述したように陽極接合によりガラスキャップと接合枠との接合を行うが、この陽極接合の際に印加される電圧によりガラスキャップに静電気が発生し、加速度検出部を構成する可動電極がガラスキャップ側に変移し張り付き接合されることがある、といった問題もあった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、配線設計の自由度を確保しつつ、加速度検出部の気密性を確保でき、併せて可動電極がガラスキャップ側に変移し張り付き接合されることを防止できる加速度センサを提供しようとするものである。

前記の目的を達成するために、本発明に係る静電容量型加速度センサは、加速度を検出するための可動部を有する加速度検出部を有する基板と、上記加速度検出部を取り囲むように上記基板上に固着された多結晶シリコンと絶縁膜との積層体からなる接合枠と、上記基板上に設けられ、上記基板と対向する面が上記接合枠と固着されている周縁領域とそれ以外の中央領域とで構成されているキャップと、上記キャップの少なくとも上記中央領域の表面に形成された導電性のシールド膜とを有し、上記シールド膜は上記可動部と電気的に接続されていることを特徴とする。さらには、本発明に係る静電容量型加速度センサは、上記シールド膜は、上記周縁領域の表面に延在し、上記接合枠と前記キャップとの接合部の全周にわたって介在して形成されており、上記キャップは上記中央領域より突出した支柱を有し、上記基板上に配置された配線に電気的に接続された台座と上記支柱が上記シールド膜を介して物理的に接続されることにより上記支柱の表面に形成された上記シールド膜を経由して上記シールド膜と上記可動部とが電気的に接続されていることを特徴とする。

上記のような構成としたため、本発明に係る静電容量型加速度センサは、加速度検出部の可動電極がキャップ側に変移し張り付き接合されることを防止できるとともに、キャップ内部の気密性が保持されることにより電気的特性の経年変化を防止できる。さらに、支柱と台座との接触面積を一定にしたことにより、製造バラツキにより陽極接合時の静電気による電界の遮蔽が損なわれることなく、安定した製造が可能となり製造歩留まりが向上する効果を有する。

＜実施の形態１＞
以下、本発明の実施の形態１を図に基づいて説明する。図１は本発明に係る加速度センサの実施の形態１を示す平面図及びＡ−Ａ断面図である。平面図においては便宜上キャップを省略している。

図１において、半導体基板１はシリコンからなり、相対向する２つの平行な主面を有し、厚みが４００μｍで２．２５ｍｍ×２．５ｍｍの長方形の基板である。半導体基板１の上面には絶縁のための厚さ１．６μｍの熱酸化膜２が設けられている。半導体基板１の上には熱酸化膜２を介して厚さ８μｍの加速度検出部３が設けられている。加速度検出部３は第１の固定電極４，第２の固定電極５及び可動電極６とで構成され、第１の固定電極４及び第２の固定電極５と可動電極６との間の静電容量の変化から加速度を検出している。このように第１の固定電極４，第２の固定電極５及び可動電極６はキャパシターとして働くので、導電性を付与するために、燐等の不純物がドープされて低抵抗化された多結晶シリコン、いわゆるドープトポリシリコンで構成される。また可動性を付与するために、可動電極６は半導体基板１から浮いた状態で変移可能に支持されている。

さらに半導体基板１上には、多結晶シリコンと絶縁膜との積層体からなる接合枠７が加速度検出部３の周囲を取り囲むように設けられており、その上に陽極接合により気密に接合されたガラス等からなるキャップ８と共に検出部を外界から隔離している。キャップ８の半導体基板１に対向する面の周縁部は接合枠７との接合面となっており、それを除いた部分には、加速度検出部３と接触しないように掘り込みがサンドブラスト加工又はエッチング加工により形成されている。掘り込みの深さは、可動電極６がキャップ方向に変移した場合に可動電極６の破壊や固定電極への乗り上げを防止するため、本実施の形態では可動電極６と同程度の９μｍにしている。キャップ８の掘り込みが形成された表面には厚さ０．１μｍのシールド膜９が形成されている。シールド膜９は延性変形する導電性材料であって、本実施の形態ではアルミニウムを用いている。シールド膜９はキャップ８の掘り込みが形成された表面だけでなく、図１には示されていないがキャップ８の周縁部の接合枠７と対向する面にも延設されている。また、第１の固定電極４，第２の固定電極５，可動電極６及び接合枠７からは、ドープトポリシリコンからなる厚さ０．４μｍの複数の配線１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄが、接合枠７を貫通して接合枠７の外側の半導体基板１上に設けられたそれぞれの外部取出し電極１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄに接続されるように半導体基板１上に形成されている。また、電極１１ｂと電極１１ｄとは配線１０ｅにより電気的に接続されている。

図２は接合枠７の構造を詳述するための図１のＢ−Ｂ断面図である。図２からわかるように接合枠７は、半導体基板１上の熱酸化膜２上に順に形成された、厚さ０．７μｍの高温酸化膜７ａ、厚さ０．４５μｍのＴＥＯＳ酸化膜７ｂ、厚さ０．１μｍの高温酸化膜７ｃ、厚さ０．１μｍの窒化膜７ｄ、厚さ８μｍのドープトポリシリコン膜７ｅ、厚さ０．１μｍのＴＥＯＳ酸化膜７ｆ及び厚さ０．６μｍの不純物がドープされていない多結晶シリコン膜であるノンドープポリシリコン膜７ｇの積層体として構成されている。なお、ＴＥＯＳ酸化膜とはＴＥＯＳ（Tetra Ethyl Ortho Silicate）をシリコンソースとしてＣＶＤ法により形成される２酸化シリコン膜である。ＴＥＯＳ酸化膜７ｂの一部は接合枠７を貫通している配線１０（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ）により置換わっている。なお図示されていないが、配線１０ｄはドープトポリシリコン膜７ｅと電気的に接続されるように処理されている。

本実施の形態では、最上層のノンドープポリシリコン膜７ｇとキャップ８とが陽極接合されることとなるが、ＴＥＯＳ酸化膜７ｆとノンドープポリシリコン膜７ｇとを省略して、直接ドープトポリシリコン膜７ｅとキャップ８とを陽極接合させることも可能である。しかしながら、ドープトポリシリコン膜７ｅに含まれる不純物が燐である場合には、陽極接合時にドープトポリシリコン膜７ｅの表面に燐を含む皮膜が形成され、十分な接合強度が確保されないことがある。ノンドープポリシリコン膜７ｇであれば不純物として燐を含まず、さらにはＴＥＯＳ酸化膜７ｆが下層のドープトポリシリコン膜７ｅからの燐の拡散を防止するため、本実施の形態の方がより望ましい構造である。

図３は図１におけるＣ−Ｃ断面の詳細図で、接合枠７とキャップ８との接合構造を示しているが、シールド膜９の一部は接合枠７とキャップ８との間に、接合枠７とキャップ８との接合部の全周にわたって介在している。また、シールド膜９は接合枠７の接合表面全体にわたって形成されておらず、本実施例のように接合枠７の接合表面の内縁から１００μｍ程度を覆っている。接合枠７の構造がドープトポリシリコン膜７ｅが表面に露出した構造である場合は、この状態のままでシールド膜９とドープトポリシリコン膜７ｅとは電気的に接続されるが、本実施の形態のように最上層がノンドープポリシリコン膜７ｇとなっている構造であれば、接合枠７の一部に電位取出し領域１２を設け、この領域のＴＥＯＳ酸化膜７ｆを除去し、この領域のノンドープポリシリコン膜７ｇに不純物を導入し低抵抗化することにより、シールド膜９とドープトポリシリコン膜７ｅとをこの電位取出し領域１２において電気的に接続させることができる。

陽極接合とはガラスのような絶縁物とシリコンのような半導体あるいは金属のような導体を接合する技術で、本実施の形態では半導体である接合枠７と絶縁物であるキャップ８との接合で、接合枠７とキャップ側の対応部が重なるように位置合わせを行い、真空又は不活性ガス雰囲気中で４００℃前後で加熱し、シリコン基板側を陽極、キャップ側を陰極として数百Ｖの電圧を印加することで行う。処理時間は数十分から数時間である。

加速度検出部３の可動電極６は加速度を検出するため、力が加わると自由に動く状態にある。上述したように陽極接合時には電圧が印加される状態にあるため、キャップ８に静電気が蓄積され、その静電気力により可動電極６がキャップ側に変移し張り付き接合されることがあることは課題として述べたが、本実施の形態におけるシールド膜９はこのような課題解決のために設けられている。すなわち陽極接合時にシールド膜９と可動電極６とを電気的に接続し両者が同電位となるようにしておけば、キャップ８に蓄積された静電気による電界は遮蔽されるため、可動電極６のキャップ８への張り付きといった不具合は生じない。上述したようにシールド膜９とドープトポリシリコン膜７ｅとは電気的に接続されており、ドープトポリシリコン膜７ｅと外部取出し電極１１ｄとは配線１０ｄを介して電気的に接続されているので、陽極接合時には配線１０ｅにより外部取出し電極１１ｂと１１ｄとを互いに短絡しておけばよい。配線１０ｅは陽極接合後に除去してもしなくても、本来の加速度検出機能を損なうことはないが、実動作時における外来の電磁ノイズに対する遮蔽機能を有するので、配線１０ｅを残し外部取出し電極１１ｂと１１ｄとを互いに短絡した状態にしておく方が望ましい。

さらに本実施の形態におけるシールド膜９の効果として次の点が上げられる。多結晶シリコンと高温酸化膜やＴＥＯＳ酸化膜等の絶縁膜との積層体となっていることにより、さらに多結晶シリコンの粒径が異なることにより、接合枠７の表面には微細な凹凸が存在する。一般的に陽極接合では、このような凹凸が３００ｎｍ以下であれば十分な気密接合ができると考えられているが、それを超えると良好な気密接合を形成することは困難である。しかしながら、本実施の形態のようにシールド膜９がキャップ８の接合枠７と対向する面にも延設されている場合には、シールド膜９は延性変形する導電性材料であるので、静電気力による圧縮の力を受けて上記凹凸を埋める方向に塑性変形し、良好な気密接合形成に寄与する。かかる加速度センサにあっては、接合枠７の表面に凹凸があっても陽極接合による気密接合が可能で、気密が保たれないことで発生する不具合、例えば長期使用による水分浸入による劣化、悪環境下での使用による特性の変動等が発生しなくなり、高精度で高信頼度の加速度センサが得られる効果がある。この場合シールド膜９をキャップ８の接合枠７と対向する面全面に設けると、シールド膜９は直接外気と触れることとなり、外気が触れた部分からシールド膜９を構成する導電性材料の腐食が次第に進行する恐れが生じる。本実施の形態のようにシールド膜９の接合面への延設を一部に留めて外部に露出させないようにしておけば、シールド膜９の厚みが十分小さければ、シールド膜９の存在しない領域でも、不十分ながらも接合枠７とキャップ８との接合は形成され、その接合によりシールド膜９と外気との接触が抑えられるため、上記腐食の進行は大幅に抑制される。

＜実施の形態２＞
上記実施の形態１においては、シールド膜９を接合枠７に挟み込むため、シールド膜９自体の厚みにより、図３に示されるように接合枠７とキャップ８とが接合されない領域１３が生じる。発明者らの実験では、この接合されない領域１３は水平方向にシールド膜９の膜厚の１００〜５００倍の距離に至ることがわかっている。例えば上記実施の形態１ではその距離は１０〜５０μｍに達する。シールド膜９の膜厚を大きくすれば接合できない領域の幅が大きくなり、その分接合される領域の幅が小さくなるが、接合しなければならない幅は製品の強度で決まっているため、シールド膜９の膜厚は小さい方が望ましいことになる。一方シールド膜９がアルミニウムや金等の金属の場合は、シールド膜９の膜厚が小さすぎると、シリコンやガラスに拡散したりマイグレーションを起こしたりして、部分的にシールド膜９が消滅したり亀裂が入ったりすることがある。このような場合、当初の目的であったシールド膜９と加速度検出部３とを同電位にして静電気力を遮蔽することができなくなる。

実施の形態２は上述のような相反する課題に対応するための形態であり、その構造の断面図を図４に示す。本図においてシールド膜９は、比較的膜厚の小さい第１の層９ａと比較的膜厚の大きい第２の層９ｂとの２層で構成されており、それ以外の部分は実施の形態１の構造を示した図１と同様である。第１の層は、実施の形態１の場合と同様で、キャップ８の掘り込みが形成された表面だけでなく、接合枠７と対向する面にも延設されており、その厚さは０．１μｍである。第２の層はキャップ８の掘り込みが形成された表面のみに形成され、その厚さは望ましくは０．４μｍ以上であり、本実施の形態では０．７μｍである。したがってキャップ８の掘り込みが形成された表面においては、シールド膜９は第１の層と第２の層を併せて厚み０．８μｍとなる。このような構造とすることにより、キャップ８の掘り込みが形成された表面においては、シールド膜９は十分な膜厚を確保できるため消滅したり亀裂が入ったりするようなことはなく、またキャップ８の接合枠７と対向する面においては、シールド膜９の膜厚は小さいままであるため接合されない領域１３が増加せず十分な接合幅を確保でき、上述した課題の解決が可能となる。

＜実施の形態３＞
実施の形態３はやはり上述のような相反する課題に対応する別の形態であり、その構造の詳細を図５に及び図５のＣ−Ｃ断面図を図６に示す。図５においてシールド膜９は厚さ０．８μｍであり、それ以外の部分は実施の形態１の構造を示した図１と同様である。図６は接合枠７とキャップ８との接合構造を示しているが、シールド膜９の一部は接合枠７とキャップ８との間に介在している。接合枠７のシールド膜９が介在している部分には、シールド膜９の膜厚と同程度若しくは多少小さい深さを有する窪み７１が接合枠７の全周にわたって形成されている。接合枠７の構造をこのようにすることにより、膜厚の制約を受けることなくシールド膜９を設けることができるようになり、十分な接合強度が確保でき、しかも部分的にシールド膜９が消滅したり亀裂が入ったりすることはない。また、シールド膜９を厚く形成できることにより、接合枠７のより大きな凹凸にも対応でき、信頼性が向上するとともに、接合枠７の凹凸を気にすることなく設計・製造ができ、凹凸を埋める工程が除去できる等の効果が得られる。この窪み７１は、接合枠７の構造がドープトポリシリコン膜７ｅが表面に露出した構造である場合は、接合枠７の当該部分のドープトポリシリコン膜７ｅをエッチングにより除去することにより得られ、接合枠７の構造がその最上層がノンドープポリシリコン膜７ｇとなっている構造であれば、その除去量がＴＥＯＳ酸化膜７ｆの膜厚と併せてシールド膜９の膜厚と同程度若しくは多少小さくなるように、接合枠７の当該部分のドープトポリシリコン膜７ｅをエッチングにより除去し、当該領域のＴＥＯＳ酸化膜７ｆを除去することにより得られる。但し、この領域のノンドープポリシリコン膜７ｇに不純物を導入し低抵抗化しておく必要がある。

同様の窪みは図７のようにキャップ８側に設けることも可能である。図７は実施の形態３の変形例における接合枠７とキャップ８との接合構造を示しており、やはり図５のＣ−Ｃ断面図である。図７においては、窪み８１はキャップ８側にその全周にわたってシールド膜９の膜厚と同程度若しくは多少小さい深さで設けられている。作用効果については図６の場合と同じであるので、説明を省略する。

＜実施の形態４＞
次に本発明の実施の形態４を図に基づいて説明する。図８は本発明に係る加速度センサの実施の形態４を示す平面図及びＤ−Ｄ断面図である。平面図においてはやはり便宜上キャップを省略している。図８においては、電位取出し領域１２を接合枠７に設けず、キャップ８に支柱８ａを設け、半導体基板１上に配線１０ｄに電気的に接続された台座１４を設け、支柱８ａと台座１４とがシールド膜９を介して接続されており、それ以外の部分は実施の形態１の構造を示した図１と同様である。即ち、実施の形態１の電位取出し領域１２の役割を、接合枠７と独立して設けた台座１４に与えている。このような構成とすることにより、接合枠７、キャップ８またはシールド膜９の製造バラツキや接合枠７とキャップ８の位置合わせバラツキの影響を受けることなく支柱８ａと台座１４との接触面積を一定にできる。このように本実施の形態は、支柱８ａと台座１４との接触面積を一定にしたことにより、製造バラツキにより陽極接合時の静電気による電界の遮蔽が損なわれることなく、安定した製造が可能となり製造歩留まりが向上する効果を有する。

以上、本発明の具体的な実施形態を説明したが、本発明はこれらに限らず種々の改変が可能である。例えば、上記実施の形態においてはシールド膜９の材質はアルミニウムであるが、少なくとも延性変形する導電性材料であれば、本発明の範囲に含まれる。また上記実施の形態においては、可動電極６とシールド膜９とはそれぞれ外部取出し電極１１ｂと外部取出し電極１１ｄとに電気的に接続されるように配線１０ｂと配線１０ｄによりキャップ８の外部に取り出され、配線１０ｅにより外部取出し電極１１ｂと外部取出し電極１１ｄとが短絡されているが、キャップ８内部で配線により相互に短絡されていても本発明の範囲に含まれる。さらには、可動電極６とシールド膜９とにそれぞれ電気的に接続された外部取出し電極１１ｂと外部取出し電極１１ｄとが、キャップ８の外部において相互に接続可能に配置されておれば、陽極接合時においてのみ両外部取出し電極が短絡されるような処理をすることは容易であるので、本発明の範囲に含まれる。

本発明に係る加速度センサの実施の形態１を示す平面図及びＡ−Ａ断面図である。 図１のＢ−Ｂ断面図である。 図１のＣ−Ｃ断面図である。 本発明に係る加速度センサの実施の形態２を示す平面図及びＡ−Ａ断面図である。 本発明に係る加速度センサの実施の形態３を示す平面図及びＡ−Ａ断面図である。 図５のＣ−Ｃ断面図である。 図５のＣ−Ｃ断面図である。（変形例） 本発明に係る加速度センサの実施の形態４を示す平面図及びＤ−Ｄ断面図である。

符号の説明

１ 半導体基板、 ２ 熱酸化膜、 ３ 加速度検出部、 ４ 第１の固定電極、 ５ 第２の固定電極、 ６ 可動電極、 ７ 接合枠、 ８ キャップ、 ９ シールド膜、 １０ 配線、 １１ 外部取出し電極、 １２ 電位取出し領域、 １３ 接合枠７とキャップ８とが接合されない領域、 １４ 台座。

Claims (1)

1. 加速度を検出するための可動部を有する加速度検出部を有する基板と、
   前記加速度検出部を取り囲むように前記基板上に固着された多結晶シリコンと絶縁膜との積層体からなる接合枠と、
   前記基板上に設けられ、前記基板と対向する面が前記接合枠と固着されている周縁領域とそれ以外の中央領域とで構成されているキャップと、
   前記キャップの少なくとも前記中央領域の表面全体にわたって形成された導電性のシールド膜とを有し、
   前記シールド膜は前記可動部と電気的に接続されており、前記周縁領域の表面に延在し、前記接合枠と前記キャップとの接合部の全周にわたって介在して形成されており、
   前記キャップは前記中央領域より突出した支柱を有し、前記基板上に配置された配線に電気的に接続された台座と前記支柱が前記シールド膜を介して物理的に接続されることにより前記支柱の表面に形成された前記シールド膜を経由して前記シールド膜と前記可動部とが電気的に接続されていることを特徴とする静電容量型加速度センサ。

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