JP5312853B2 - 力検知素子とその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ゲージ部を有する力検知素子に関する。本発明はまた、力検知素子の製造方法にも関する。

特許文献１に、基部層と絶縁層と半導体層が積層された積層基板を利用して製造した力検知素子が開示されている。図２６と図２７を参照し、特許文献１の力検知素子５００の製造方法を説明する。まず、図２６に示すように、基部層５０２と絶縁層５０４と半導体層５０６を有する積層基板５０７を用意し、半導体層５０６の表面に開口５４２ａを有するマスク層５４２を形成する。次に、半導体層５０６の表面から絶縁層５０４に達するまでエッチングし、図２７に示すゲージ部５１４と支持部５１６を形成する。ゲージ部５１４は、図示しない一対の電極間を伸びている。その後、ゲージ部５１４と支持部５１６の表面に、力伝達ブロック５１２を配置する。そうして製造される力検知素子５００のゲージ部５１４の高さＴ５１４は、半導体層５０６の厚みＴ５０６と等しい。

特開２００４−１９１２７９号公報

力検知素子では、力伝達ブロックに力が加わると、力伝達ブロックを介してゲージ部に力が伝達される。ゲージ部では、作用する力に応じて抵抗値が変化し、一対の電極間に流れる電流値が変化する。力検知素子は、一対の電極間を流れる電流値の変化から、力伝達ブロックに加わる力を検知する。一対の電極間に一定電流を流し、一対の電極間に生じる電圧差から力伝達ブロックに加わる力を検知することもできる。

従来の力検知素子では、力検知素子同士の検出特性のばらつきが小さく、安定した検出特性の力検知素子を量産することができた。
近年、力検知素子の高感度化が要求されており、高感度化するにつれて、力検知素子同士の検出特性のばらつきが顕在化してきた。そこで、本発明者らは、力検知素子同士の検出特性がばらつく理由を研究した。その結果、市販されている積層基板における半導体層の厚みが積層基板毎にばらつき、それがゲージ部の高さのばらつきとなり、ゲージ部の高さがばらつくことによって、力検知素子同士の検出特性がばらつくことを見出した。ゲージ部の高さが異なると、ゲージ部に作用する外力が同じであっても、ゲージ部内に発生する応力が異なるものとなる。ゲージ部の抵抗値は、ゲージ部内に発生する応力に応じて変化することから、ゲージ部内に発生する応力がばらつけば、力検知素子同士の検出特性がばらついてしまう。
ゲージ部の高さのバラツキによる検出特性への影響は相対的に小さいものであり、従来の感度レベルであれば、顕在化しなかった。従来は、ゲージ部の高さを規格化する必要性が全く認識されておらず、市販の積層基板の半導体層の厚みをそのまま利用してきた。市販の積層基板でも半導体層の厚みを規格化しており、その規格を満たしていれば、ゲージ部の高さのバラツキによる検出特性への影響が顕在化しなかった。
本発明者らは、市販の積層基板における半導体層の厚みの規格を満たしても、高感度な力検出素子になると、検出特性を安定させることができないことを初めて認識した。本発明者らは、高感度な力検知素子の検出特性を規格化するためには、ゲージ部の高さまでをも考慮しなければならないことを初めて認識した。本発明はその認識に基づいて創作されたものである。

例えば特許文献１の力検知素子では、ゲージ部５１４の高さＴ５１４が半導体層５０６の厚みＴ５０６によって決定される。半導体層５０６の厚みＴ５０６が精密に規格化されていれば、ゲージ部５１４の高さＴ５１４が規格化され、力検知素子の検出特性を規格化することができる。しかしながら、半導体層５０６の厚みＴ５０６がばらつけば、力検知素子の検出特性が力検知素子毎にばらついてしまう。市販で入手できる積層基板５０７の半導体層５０６の厚みＴ５０６は規格化されているが、許容範囲があり、高感度な力検出素子の検出特性を安定させるという目的から見ると、半導体層５０６の厚みＴ５０６はばらついている。
この場合、研磨技術や選別等を利用して、半導体層５０６の厚みＴ５０６を規格化すれば、力検知素子の検出特性を規格化できる。しかし研磨工程の追加や選別は、力検知素子の製造コストが増大してしまう。

本発明は、規格化された高さのゲージ部を有する力検知素子を簡易に製造する方法を提供することを目的としている。本発明はまた、規格化された高さのゲージ部を有する力検知素子を提供することをも目的としている。

本明細書で開示される技術では、ゲージ部に要求される高さよりも厚い半導体層を有する積層基板を用意する。半導体層の厚みはばらついており、半導体層の全厚みをエッチングすると、ゲージ部の高さがばらついてしまう。
本明細書で開示される技術では、その半導体層の表面から所定高さだけエッチングして第１溝を形成し、その第１溝の側方に残存する部分によって凸状のゲージ部を形成することを特徴としている。
本明細書で開示される技術によると、半導体層の厚みがばらついていても、半導体層の表面から規格化された高さだけエッチングすることによって、ゲージ部の高さを規格化することができる。これにより、規格化された検出特性を有する力検知素子を安定的に量産することができる。

本発明で開示される製造方法は、基部層と絶縁層と半導体層が積層されている積層基板から力検知素子を製造する。発明で開示される製造方法では、所定高さよりも厚い半導体層を有する積層基板を用意し、その半導体層の表面から所定高さだけエッチングして第１溝を形成する第１エッチング工程を備えている。第１エッチング工程を実施すると、第１溝の側方に残存する半導体層によって凸状のゲージ部が形成される。第１エッチング工程では、半導体層を貫通するまでエッチングしない。

本発明で開示される製造方法の一態様は、第１エッチング工程では、半導体層の厚みの半分を越えてエッチングする。
第１エッチング工程で半導体層を所定高さだけエッチングした状態では、絶縁層の表面全体が半導体層で覆われたままである。そのため、絶縁層の表面全体を覆っている半導体層が厚いと、ゲージ部を流れるゲージ電流が、ゲージ部以外の領域に存在している半導体層に流れてしまう。第１エッチング工程で半導体層の厚みの半分を超えてエッチングすることによって、ゲージ部以外の半導体層の抵抗値を高くし、ゲージ部以外の領域に電流が流れることを抑制することができる。

本明細書で開示される製造方法の他の一態様は、第１エッチング工程で形成された第１溝の底面の一部から絶縁層に達するまでエッチングして第２溝を形成する第２エッチング工程が付加されている。積層基板を平面視したときに、第１溝の側面と第２溝の側面がオフセットされている条件下で第２エッチング工程を実施する。
第１溝の側面と第２溝の側面がオフセットされていると、第２溝は、第１溝の側面から離れた場所に形成される。このため、ゲージ部の実質的な高さは、第１溝の側面の高さによって決定される。すなわち、ゲージ部の検出特性は第１溝の側面の高さによって決定される。ゲージ部の検出特性は、第１エッチング工程によって調整され、第２エッチング工程によって影響を受けない。したがって、半導体層の厚みにばらつきがあっても、第１エッチング工程によって規格化された高さを持つゲージ部を簡易に形成することができる。加えて、第２エッチング工程で第２溝を形成することによって、ゲージ部以外の領域に存在している半導体層に電流が流れることをさらに抑制することができる。

本明細書で開示される力検知素子は、基部層と、基部層の表面に設けられている絶縁層と、絶縁層の表面に設けられているとともに一対の電極間を伸びているゲージ部を有する半導体層とを備えている。ゲージ部は半導体層に形成された溝の側方を画定する凸部であり、その溝の深さは半導体層の厚みよりも小さい。
より具体的には、本明細書で開示される力検知素子の一態様は、基部層と、基部層の表面に設けられている絶縁層と、絶縁層の表面に設けられているとともに、一対の電極間を伸びているゲージ部を有する半導体層とを備えている。ゲージ部は半導体層に形成された溝の側方を画定する凸状であり、その溝の深さが半導体層の厚みよりも小さく、半導体層の厚みの半分よりも大きい。
また、本明細書で開示される力検知素子の他の一態様は、基部層と、基部層の表面に設けられている絶縁層と、前記絶縁層の表面に設けられているとともに一対の電極間を伸びているゲージ部を有する半導体層とを備えている。ゲージ部は、半導体層に形成された第１溝の側方を画定する凸状であり、第１溝の深さが半導体層の厚みよりも小さい。また、第１溝の底面の一部から絶縁層に達する第２溝が形成されている。第１溝の側面と第２溝の側面が、平面視したときにオフセットしている。

本明細書で開示される技術によると、規格化された高さのゲージ部を有しており、規格化された検出特性を有する力検知素子を安定的に量産することができる。

以下に説明する実施例の特徴について記載する。
（第１特徴）ゲージ部の厚みはおよそ１〜５μｍであり、溝の底面における半導体層の厚みはゲージ部の厚みよりも薄いことが好ましい。
（第２特徴）半導体層に形成される寄生抵抗Ｒ２は、ゲージ抵抗Ｒ１のおよそ４倍以上であることが好ましい。

（第１実施例）
図１に、力検知素子１００の分解斜視図を模式的に示す。図２に、図１のII−II線に沿った断面図を示す。
図１に示すように、力検知素子１００は、力検知基板５と力伝達ブロック１２を備えている。力伝達ブロック１２はガラスで形成されている。力検知基板５は、基部層２と絶縁層４と半導体層６が積層された市販のＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板７を利用して形成されている。基部層２はｐ型の不純物を含むシリコン（Ｓｉ）で形成されている。絶縁層４は基部層２の表面に設けられており、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）で形成されている。半導体層６は絶縁層４の表面に設けられており、ｐ型の不純物を含むシリコンで形成されている。半導体層６には溝（第１溝）１５が形成されており、その溝１５の側方に残存する半導体層６によって、一対の電極部８（電極部８ａと電極部８ｂ）とゲージ部１４と一対の支持部１６が画定されている。電極部８、ゲージ部１４及び支持部１６はメサ型の形状を有している。電極部８の表面にはアルミニウム（Ａｌ）を主材料とする一対の電極１０（正電極１０ａと負電極１０ｂ）が設けられている。ゲージ部１４は電極１０ａ、１０ｂ間を伸びており、電極１０ａ、１０ｂと電気的に接続している。ゲージ部１４の不純物濃度は、ゲージ部１４以外の半導体層６の不純物濃度よりも濃い。そのため、ゲージ部１４の抵抗値は、ゲージ部１４以外の半導体層６の抵抗値よりも低い。

図２に示すように、力伝達ブロック１２は、ゲージ部１４と支持部１６の表面に接している。後述するが、力伝達ブロック１２は、ゲージ部１４と支持部１６に陽極接合されている。なお、ゲージ部１４と支持部１６の高さＴ１４は、溝１５の底面における半導体層６ａの厚みＴ６ａよりも厚い。なお、図示は省略しているが、電極１０ａ、１０ｂが形成されている範囲以外の力検知基板５の表面には、保護膜として酸化膜が形成されている。なお、その酸化膜は必須の構成ではなく、力検知基板５の一部にだけ形成されていてもよい。

力検知素子１００の動作について説明する。
外部から力伝達ブロック１２に力が加わると、その力が力伝達ブロック１２を介してゲージ部１４に伝達され、ゲージ部１４内に応力が発生し、ゲージ部１４の抵抗値が変化する。その結果、正電極１０ａから負電極１０ｂに流れる電流値が変化する。その電流値の変化量に基づいて、力伝達ブロック１２に加えられた力を計算することができる。

図３に、力検知基板５の平面図を示す。また、図４に、半導体層６に形成されるゲージ抵抗Ｒ１と寄生抵抗Ｒ２を説明する図を示す。
上記したように、ゲージ部１４の不純物濃度は、ゲージ部１４以外の半導体層６の不純物濃度よりも濃い。また、図２に示すように、ゲージ部１４の高さＴ１４は、溝１５の底面を形成する半導体層６ａの厚みＴ６ａよりも厚い。そのため、ゲージ部１４に形成されるゲージ抵抗Ｒ１は、ゲージ部１４以外の半導体層６に形成される寄生抵抗Ｒ２よりも小さい。正電極１０ａと負電極１０ｂの間を流れる電流は、ゲージ部１４を流れ易く、ゲージ部１４以外の半導体層６を流れにくい。溝１５の底面に半導体層６ａが存在していても、力検知素子１００の検知精度を良好に維持することができる。本実施例では、半導体層６の厚みＴ６は２．５μｍであり、ゲージ部１４の高さＴ１４は２．０μｍであり、半導体層６ａの厚みＴ６ａは０．５μｍである。そのため、ゲージ抵抗Ｒ１を寄生抵抗Ｒ２よりも十分に小さくすることができる。なお、半導体層６の厚みＴ６が２．５μｍの場合、ゲージ部１４の高さＴ１４は１．２５μｍ以上であり、半導体層６ａの厚みＴ６ａは１．２５μｍ以下であることが好ましい。しかしながら、以下に説明する寄生抵抗Ｒ２がゲージ抵抗Ｒ１のおよそ４倍以上であれば、高さＴ１４と厚みＴ６ａの値は、この限りではない。

ここで、ゲージ抵抗Ｒ１と寄生抵抗Ｒ２について具体的に計算した結果を示す。
本実施例では、半導体層６の厚みＴ６が２．５μｍ、図１に示す長さＬ６が２ｍｍ、幅Ｗ６が１ｍｍ、抵抗率が１０ΩｃｍのＳＯＩ基板７を利用して力検知素子１００を製造した（図１、２を参照）。ゲージ部１４及び支持部１６の高さＴ１４を２μｍとし、支持部１６の長さＬ１６を８００μｍとし、支持部１６の幅Ｗ１６を８０μｍとした。なお、本実施例では、ゲージ部１４にｐ型不純物をイオン注入し、ゲージ部１４の抵抗値をおよそ１〜５ｋΩに調整した。また、力伝達ブロック１２の長さＬ１２を１ｍｍとし、幅Ｗ１２を１ｍｍとした。

支持部１６の高さＴ１４は、溝１５の底面における半導体層６ａの厚みＴ６ａよりも大きい。そのため、支持部１６の抵抗値Ｒ１６は、半導体層６ａの抵抗値Ｒ６ａよりも小さい。ここでは、抵抗値Ｒ１６と抵抗値Ｒ６ａを別々に計算する。
抵抗値Ｒ１６は、以下の式（１）で計算することができる。
Ｒ１６＝（半導体層６の抵抗率）×（Ｌ１６）／（Ｗ１６×Ｔ１４） （１）
また、力伝達ブロック１２に覆われる部分の半導体層６ａの抵抗値Ｒ６ａは、以下の式（２）で計算することができる。
Ｒ６ａ＝（半導体層６の抵抗率）×（Ｌ１２）／（Ｗ１２×Ｔ６ａ） （２）
上記式（１）、（２）より、Ｒ１６＝８００ｋΩ、Ｒ６ａ＝２００ｋΩとなる。ゲージ部１４以外の半導体層６の抵抗値は、２つの抵抗値Ｒ１６と１つの抵抗値Ｒ６ａの並列抵抗であり、約１３３ｋΩとなる。ゲージ部１４以外の半導体層６の抵抗値（１３３ｋΩ）は、ゲージ部１４の抵抗値（１〜５ｋΩ）の２７〜１３３倍である。ゲージ部１４以外の半導体層６に電流がほどんど流れないことが確認された。

基部層２の材料は半導体材料に限定されないが、上記したように半導体材料（シリコン）であることが好ましい。基部層２として半導体材料を採用すれば、市販のＳＯＩ基板を用いて力検知素子１００を製造することができる。また、電極部８、ゲージ部１４及び支持部１６の表面は例えば湾曲状でもよいが、上記したようにメサ型の形状であることが好ましい。力伝達ブロック１２が、ゲージ部１４と支持部１６に強固に結合することができる。さらに、力伝達ブロック１２に加えられる力を、ゲージ部１４に伝達し易くすることができる。また、ゲージ部１４はｎ型不純物を含んでいてもよいが、上記したようにｐ型不純物を含んでいることが好ましい。ｎ型不純物を含んでいるよりも、ｐ型不純物を含んでいる方が力検知素子１００の感度を高くすることができる。

図５から図１２を参照し、力検知素子１００の製造方法を説明する。なお、図５から図１０は、力検知基板５の製造工程を示している。また、図５から図８は図１のII−II線に沿った断面の製造工程を図示しており、図９、１０は図１のＸ−Ｘ線に沿った断面の製造工程を図示している。
まず図５に示すように、基部層２と絶縁層４と半導体層６が積層されている積層基板７を用意し、半導体層６の表面に開口４０ａを有するマスク層４０を形成する。その後、表面が露出している半導体層６に、ボロン（Ｂ）をイオン注入する。図１のゲージ部１４に対応する位置のｐ型不純物濃度が濃くなる。

次に、図６に示すように、マスク層４０を除去した後に、半導体層６の表面に開口４２ａを有するマスク層４２を形成する。マスク層４２は、ゲージ部１４と支持部１６に対応した領域上に形成される。その後、図７に示すように、半導体層６の表面から深部に向けて深さＴ１４だけ半導体層６をドライエッチングする（第１エッチング工程）。このドライエッチングでは、半導体層６の厚みの８０％をエッチング除去する。すなわち、半導体層６を２．０μｍだけエッチングする。
本実施例では、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法を用いて、ドライエッチングをする。ドライエッチングは、ＨＢｒ、Ｃｌ２、Ｏ２等のガスを利用して半導体層６を２μｍエッチングすることに対して、マスク層４２が充分に耐え得る（エッチングされない）選択比となる条件で実施する。ＲＩＥ法を用いてドライエッチングすれば、エッチング時間を管理するだけで所望する深さＴ１４の溝（第１溝）１５を簡易に形成することができる。なお、ＲＩＥ法に代えて、アルカリ溶液によるエッチング等を利用することもできる。

上記第１エッチング工程により溝１５が形成され、その溝１５の側方に残存する半導体層６によって、図１のゲージ部１４と支持部１６と電極部８ａ、８ｂが画定される。第１エッチング工程では絶縁層４を露出させないので、絶縁層４の表面全体が半導体層６で覆われている。次に、図８に示すように、半導体層６の表面に絶縁膜４４を形成する。電極部（図示省略）８の表面も絶縁膜４４で被覆される。

次に、図９に示すように、絶縁膜４４の表面に開口４４ａを形成する。開口４４ａは、ｐ型不純物が高濃度に含まれている半導体層６（ゲージ部１４）の表面に形成する。すなわち、図５に示す工程でボロンがイオン注入された範囲上に、開口４４ａを形成する。次に、図１０に示すように、電極部８の表面に電極１０を形成する。電極１０は、スパッタや蒸着等の方法を用いて絶縁膜４４の表面に形成され、ゲージ部１４に電気的に接続される。この段階で、図１の力検知基板５が完成する。

次に、図１１と図１２を参照し、力伝達ブロック１２の接合方法を説明する。ここでは、１つの積層基板７から複数の力検知素子１００を製造する方法を説明する。なお、以下に説明する製造方法は、１つの積層基板７から１つの力検知素子１００を製造する方法に適用することもできる。
図１１に、複数の力検知基板５の平面図を示す。図１１の破線２０は、力検知基板５のダイシングラインを示している。図１２に、図１１のＸII−ＸII線に沿った断面を示している。なお、図１２では、半導体層６の表面に形成されている絶縁膜４４（図８を参照）の図示を省略している。

図１２に示すように、力検知基板５上に力伝達ブロック１２を配置する。複数の力検知基板５に対して１つの力伝達ブロック１２を配置する。なお、力検知基板５上に力伝達ブロック１２を配置する前に、力伝達ブロック１２の表面に電極２６を形成し、基部層２の裏面に電極３４を形成し、半導体層６の表面に電極３０を形成する。電極３０は、複数の力検知基板５毎に形成しないで、１つの力検知基板５の半導体層６の表面に形成する。具体的には、第１溝１５の底面に露出している半導体層６の表面に電極３０を形成する。その後、電極２４に電源２２の負極に接続された針２４を接触させ、電極３０に電源２２の正極に接続された針２８を接触させ、電極３４に電源２２の正極に接続された針３２を接触させる。その後、電源２２の電圧を印加することにより、力伝達ブロック１２と、ゲージ部１４と支持部１６が陽極接合される。
その後、力伝達ブロック１２と力検知基板５をダイシングライン２０に沿って切断することにより、力検知素子１００が完成する。

上記したように、本実施例では、力検知基板５と力伝達ブロック１２を接合するときに、半導体層６の表面にも正の電圧を印加する。半導体層６に電圧を印加することにより、ゲージ部１４と支持部１６が電気的にフローティングすることを防止することができる。ゲージ部１４と支持部１６の電位を安定することができるので、力伝達ブロック１２は、ゲージ部１４と支持部１６に強固に接合することができる。
また、第１エッチング工程において溝１５の底面に半導体層６ａが残存するので、複数の力検知基板５が半導体層６で電気的に接続されている。そのため、力検知基板５と力伝達ブロック１２を接合するときに、複数の力検知基板５のうちの１つの半導体層６に電極３０を形成するだけで、全ての力検知基板５においてゲージ部１４と支持部１６が電気的にフローティングすることを防止することができる。

（第２実施例）
図１３から図１５を参照し、本実施例の力検知素子２００について説明する。図１３は力検知素子２００の力検知基板２０５の平面図を示しており、図１４は力検知素子２００のＸＩＶ−ＸＩＶ線に沿った断面図を示しており、図１５は力検知素子２００のＸＶ−ＸＶ線に沿った断面図を示している。なお、図示は省略しているが、本実施例でも、電極１０ａと電極１０ｂが形成されている範囲以外の力検知基板５の表面には、保護膜として酸化膜が形成されている。
図１３に示すように、力検知素子２００の力検知基板２０５は、第２溝５０を備えていることを特徴としている。第２溝５０は、電源の正極に接続される正電極１０ａの周りを囲っている。さらに第２溝５０は、支持部１６とゲージ部１４の間を正電極１０ａから負電極１０ｂに向けて伸びている。図１４、１５に示すように、第２溝５０は、第１溝１５の底部から絶縁層４の表面にまで達している。第１溝１５の側壁１５ｓと第２溝５０の側壁５０ｓは平面視したときにオフセットしている。すなわち、第１溝１５の側壁１５ｓと第２溝５０の側壁５０ｓの間には、距離Ｄ５１が設けられている。本実施例では、距離Ｄ５１は少なくとも側壁１５ｓの高さの２倍以上である。特に、距離Ｄ５１が少なくとも側壁１５ｓの高さの３倍以上であれば、ゲージ部１４の検出特性が第２溝５０の影響を受けることを避けることができる。ゲージ部１４の検出特性は、第１溝１５の側壁１５ｓの高さで決定される。なお、第２溝５０は、第１溝１５の底面から絶縁層４に達するまでドライエッチングすること（第２エッチング工程）により形成される。本実施例では、第２溝５０の幅が２μｍに調整されている。

力検知素子２００を使用するときには、基部層２を接地電位に固定することが多い。そのため、正電極１０ａと基部層２の間や、ゲージ部１４と基部層２の間に電位差が生じており、半導体層６から基部層２に向けて端面リーク電流が流れる虞がある。しかしながら、力検知素子２００では、第２溝５０が正電極１０ａの周りを囲っており、さらに第２溝５０がゲージ部１４に沿って正電極１０ａから負電極１０ｂに向けて伸びている。そのため、力検知素子２００では、縁面リーク電流が流れることを防止することができる。なお、図１３に示すように、第２溝５０は負電極１０ｂを囲っていない。これは負電極１０ｂと基部層２の間に電位差が生じないので、第２溝５０を設ける必要がないからである。ただし、第２溝５０は負電極１０ｂを囲っていてもよい。また、第２溝５０は、正電極１０ａとゲージ部１４と負電極１０ｂを囲って一巡していてもよい。

第２溝５０の作用効果をより詳細に説明する。
上記したように、電極１０ａは電源の正極に接続され、電極１０ｂは接地電位に固定されている。そのため、電極１０ａに近い部分は半導体層６の電位が高く、電極１０ｂに近い部分は半導体層６の電位が低い。電極１０ａに近い部分では、第２溝５０によって、電極１０ａが形成されている電極部８ａと半導体層６の側壁が分離されている。そのため、電極１０ａの近傍において、第２溝５０の外側の半導体層６の電位を接地電位にすることができる。すなわち、半導体層６と基部層２の間に電位差が生じることを防止することができる。電極１０ｂに近い部分では、電極部８ｂと基部層２の電位差がぼぼゼロである。そのため、第２溝５０が電極１０ｂを囲っていなくても、半導体層６から基部層２に向けて縁面リーク電流は流れない。

なお、基部層２を接地電位に固定しない場合、基部層２の電位が変動することがある。すなわち、基部層２が電気的にフローティングする。その場合、第２溝５０の外側の半導体層６と基部層２の間に電位差が生じ、半導体層６と基部層２の間に端面リーク電流が流れることがある。しかしながら、第２溝５０の外側の半導体層６の電位は、電極１０ｂの電位とほぼ同電位（接地電位）である。そのため、第２溝５０の外側の半導体層６と基部層２の間に端面リーク電流が流れても、ゲージ部１４に流れる電流に影響を与えることはない。力検知素子１００の検知精度を良好に維持することができる。

図１６に、力検知素子２００の半導体層６に形成されるゲージ抵抗Ｒ１と寄生抵抗Ｒ２を説明する図を示している。
図３で説明したように、支持部１６の寄生抵抗Ｒ１６は、支持部１６以外の半導体層６ａに形成される寄生抵抗Ｒ６ａよりも小さい。そのため、支持部１６には、支持部１６以外の半導体層６ａよりも電流が流れやすい。しかしながら、第２溝５０が支持部１６とゲージ部１４の間を正電極１０ａから負電極１０ｂに向けて伸びているので、ゲージ部１４を流れる電流がゲージ部１４以外の半導体層６にリークすることを防止することができる。そのため、支持部１６の電位も接地電位と等しくすることができる。図１６に示すように、寄生抵抗Ｒ２を、ほぼ無限大にすることができる。

（第３実施例）
図１７から図１９を参照し、力検知素子３００について説明する。図１７は力検知素子３００の分解斜視図を示し、図１８は図１７のＸＶIII−ＸＶIII線に沿った断面図を示し、図１９は、図１７のＸＩＸ−ＸＩＸ線に沿った断面図を示している。
図１７に示すように、半導体層６の表面に、窪み（第１溝）３１５が形成されている。窪み３１５によって、ゲージ部１４と支持部１６と電極部８が画定されている。力検知素子３００では、力伝達ブロック１２によって、ゲージ部１４が封止される。封止型の力検知素子３００は、力伝達ブロック１２からゲージ部１４に力を伝達し易くすることができる。感度の高い力検知素子を実現することができる。
図１８に示すように、第１溝３１５は絶縁層４に達していない。そのため、第１エッチング工程を実施することにより、ゲージ部１４の高さＴ１４を所定高さに調整することができる。
図１９に示すように、力検知素子３００では、電極部８を形成するために半導体層６をエッチングする必要がない。

力検知素子３００について、ゲージ部１４に形成されるゲージ抵抗Ｒ１と、ゲージ部１４以外の半導体層６に形成される寄生抵抗Ｒ２を具体的に計算した。結果を以下に示す。
本実施例では、半導体層６の厚みＴ６が２．５μｍ、長さＬ６が２ｍｍ、幅Ｗ６が１ｍｍ、抵抗率が１０ΩｃｍのＳＯＩ基板７を利用して力検知素子３００を製造した（図１７、１８を参照）。ゲージ部１４及び支持部１６の高さＴ１４を２μｍとし、支持部１６の幅Ｗ１６を１００μｍとした。また、力伝達ブロック１２の長さＬ１２を１ｍｍとし、幅Ｗ１２を１ｍｍとした。なお、本実施例では、ゲージ部１４にｐ型不純物をイオン注入し、ゲージ部１４の抵抗値をおよそ１〜５ｋΩに調整した。

ゲージ部１４以外の半導体層６の抵抗値は、第１実施例で説明した式（１）、（２）から計算することができる。その結果、ゲージ部１４以外の半導体層６の抵抗値は１００ｋΩとなり、ゲージ部１４の抵抗値の２０〜１００倍である。封止型の力検知素子３００でも、ゲージ部１４以外の半導体層６に電流がほとんど流れないことが確認された。

力検知基板３０５に代えて、図２０の力検知基板３０５ａを採用してもよい。図２０は、力検知基板３０５ａの平面図を示し、図２１は図２０のＸＸＩ−ＸＸＩ線に沿った断面を示し、図２２は図２０のＸＸII−ＸＸII線に沿った断面を示している。
図２０に示すように、力検知基板３０５ａは、第２溝３５０を備えている。第２溝３５０は、正電極１０ａの周りを囲っており、さらに支持部１６とゲージ部１４の間を正電極１０ａから負電極１０ｂに向けて伸びている。図２１、２２に示すように、第２溝３５０は、第１溝３１５の底部から絶縁層４の表面にまで達している。第２溝３５０の幅は２μｍに調整されている。力検知基板３０５ａを採用すると、第２実施例で説明した力検知素子２００と同様に、縁面リーク電流が流れることを防止することができる。また、ゲージ部１４を流れる電流が、ゲージ部１４以外の半導体層６にリークすることを防止することができる。

力検知基板３０５に代えて力検知基板３０５ａを採用する場合、第２溝３５０に異物等が挟まり、力伝達ブロック１２と半導体層６の接触面積が変化することがある。特に、図２０のＸＸIII−ＸＸIII線に沿った断面において第２溝３５０に異物が挟まると、力伝達ブロック１２と半導体層６の接触面積が変化する。力伝達ブロック１２と半導体層６の接触面積が変化すると、力検知素子の検出特性が変化することがある。しかしながら、上記にて説明したように、第２溝３５０の幅は２μｍである。例えば半導板層６の幅が１ｍｍの場合、第２溝３５０の半導体層６に対する割合は０．２％である。そのため、力伝達ブロック１２が半導体層６に接触する面積が変化しても、力検知素子３００の検出特性にはほとんど影響しない。
なお、図２３に示すように、力伝達ブロック１２と半導体層６の接触面積を一定に保つために、第２溝３５０内に絶縁膜４４を充填してもよい。その場合、半導体層６の表面に絶縁膜４４を形成するとき（第１実施例の図８の工程に相当する）に、絶縁膜４４を厚く形成すればよい。

（第４実施例）
図２４、２５を参照し、力検知素子４００について説明する。図２４は力検知素子４００の分解斜視図を示し、図２５は図２４のＸＸＶ−ＸＸＶ線に沿った断面図を示している。
図２４に示すように、力検知素子４００は、ホイートストーンブリッジ構造を有している。すなわち、力検知基板４０５は、４つの電極１０ａ〜１０ｄと、４つのゲージ部１４ａ〜１４ｄを有している。ゲージ部１４ａ、１４ｂ、１４ｃ及び１４ｄによって四角形が形成されており、その四角形の角部に電極１０ａ〜１０ｄが電気的に接続している。力検知素子４００も、第１溝４１５によって、電極部８ａ〜８ｄとゲージ部１４ａ〜１４ｄが画定されている。正電極１０ａは電源の高電圧に接続されており、負電極１０ｃは接地電位に固定されている。正電極１０ａと負電極１０ｃを一対の電極と呼ぶことができる。

力検知素子４００では、半導体層６の表面は（１１０）面である。そして、ゲージ部１４ａとゲージ部１４ｃは＜１１０＞方向に伸びており、ゲージ部１４ｂとゲージ部１４ｄは＜１００＞方向に伸びている。
力検知素子４００では、力伝達ブロック１２からゲージ部１４ａ〜１４ｄに力が伝達されたときに、ゲージ部１４ａとゲージ部１４ｃの抵抗値は変化しないで、ゲージ部１４ｂとゲージ部１４ｄの抵抗値は変化する。そのため、力伝達ブロック１２からゲージ部１４ａ〜１４ｄに力が伝達されたときに、電極１０ｂの出力電圧は減少し、電極１０ｄの出力電圧は増加する。力検知素子４００では、電極１０ｂと電極１０ｄの出力電圧の差を計算することにより、ゲージ部１４ｂとゲージ部１４ｄの抵抗値の変化量を求める。そして、ゲージ部１４ｂとゲージ部１４ｄでの抵抗値の変化量から、力伝達ブロック１２に加えられた力を計算する。

図２５に示すように、第１溝４１５は絶縁層４に達していない。そのため、第１エッチング工程を実施することにより、ゲージ部１４の高さＴ１４を所定高さに調整することができる。なお、力検知素子４００でも、電極１０ａ〜１０ｄや、ゲージ部１４ａ〜１４ｄの周囲に、第１溝４１５の底面から絶縁層４に達する第２溝を形成してもよい。縁面リーク電流が流れることと、ゲージ部１４ａ〜１４ｄ以外の半導体層６に電流が流れることを防止することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

第１実施例の力検知素子の分解斜視図を示す。 図１のII−II線に沿った断面図を示す。 第１実施例の力検知基板の平面図を示す。 第１実施例の力検知基板に形成されるゲージ抵抗と寄生抵抗の説明図を示す。 第１実施例の力検知素子の製造工程を示す。 第１実施例の力検知素子の製造工程を示す。 第１実施例の力検知素子の製造工程を示す。 第１実施例の力検知素子の製造工程を示す。 第１実施例の力検知素子の製造工程を示す。 第１実施例の力検知素子の製造工程を示す。 第１実施例の力検知素子の製造工程を示す。 第１実施例の力検知素子の製造工程を示す。 第２実施例の力検知素子の力検知基板の平面図を示す。 第２実施例の力検知素子のＸＩＶ−ＸＩＶ線に沿った断面図を示す。 第２実施例の力検知素子のＸＶ−ＸＶ線に沿った断面図を示す。 第２実施例の力検知基板に形成されるゲージ抵抗と寄生抵抗の説明図を示す。 第３実施例の力検知素子の分解斜視図を示す。 図１７のＸＶIII−ＸＶIII線に沿った断面図を示す。 図１７のＸＩＸ−ＸＩＸ線に沿った断面図を示す。 第３実施例の力検知素子における力検知基板の変形例を示す。 図２０のＸＸＩ−ＸＸＩ線に沿った断面図を示す。 図２０のＸＸII−ＸＸII線に沿った断面図を示す。 図２０のＸＸIII−ＸＸIII線に沿った断面図を示す。 第４実施例の力検知素子の分解斜視図を示す。 図２４のＸＸＶ−ＸＸＶ線に沿った断面図を示す。 従来の力検知素子の製造工程を示す。 従来の力検知素子の製造工程を示す。

符号の説明

２：基部層
４：絶縁層
６：半導体層
７：積層基板
１０、１０ａ、１０ｂ：電極
１４：ゲージ部
１５、２１５、３１５、４１５：第１溝
５０、３５０：第２溝
１００、２００、３００、４００：力検知素子

Claims (4)

1. 基部層と絶縁層と半導体層が積層された積層基板から、一対の電極間を所定高さで伸びているゲージ部が前記半導体層に形成されている力検知素子を製造する方法であって、
   前記所定高さよりも厚い半導体層を有する積層基板を用意し、その半導体層の表面から前記所定高さだけエッチングして第１溝を形成し、その第１溝の側方に凸状のゲージ部を形成する第１エッチング工程を備えており、
   前記第１エッチング工程で、前記半導体層の厚みの半分を越えてエッチングすることを特徴とする力検知素子の製造方法。
2. 基部層と絶縁層と半導体層が積層された積層基板から、一対の電極間を所定高さで伸びているゲージ部が前記半導体層に形成されている力検知素子を製造する方法であって、
   前記所定高さよりも厚い半導体層を有する積層基板を用意し、その半導体層の表面から前記所定高さだけエッチングして第１溝を形成し、その第１溝の側方に凸状のゲージ部を形成する第１エッチング工程と、
   前記第１エッチング工程で形成された前記第１溝の底面の一部から前記絶縁層に達するまでエッチングして第２溝を形成する第２エッチング工程と、を備えており、
   前記第１溝の側面と前記第２溝の側面が、平面視したときにオフセットされていることを特徴とする力検知素子の製造方法。
3. 基部層と、
   前記基部層の表面に設けられている絶縁層と、
   前記絶縁層の表面に設けられているとともに、一対の電極間を伸びているゲージ部を有する半導体層とを備えており、
   前記ゲージ部は前記半導体層に形成された溝の側方を画定する凸状であり、
   その溝の深さが前記半導体層の厚みよりも小さく、前記半導体層の厚みの半分よりも大きいことを特徴とする力検知素子。
4. 基部層と、
   前記基部層の表面に設けられている絶縁層と、
   前記絶縁層の表面に設けられているとともに、一対の電極間を伸びているゲージ部を有する半導体層とを備えており、
   前記ゲージ部は、前記半導体層に形成された第１溝の側方を画定する凸状であり、
   前記第１溝の深さが、前記半導体層の厚みよりも小さく、
   前記第１溝の底面の一部から前記絶縁層に達する第２溝が形成されており、
   前記第１溝の側面と前記第２溝の側面が、平面視したときにオフセットしていることを特徴とする力検知素子。

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