JP5541306B2 - 力学量センサ装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
R1,R1a 第1力学量センサ(圧力センサ)
R2,R2a〜R2f 第2力学量センサ(加速度センサ)
R3 第3力学量センサ(角速度センサ)
10〜14 第1の基板
20〜29 第2の基板
K1,K1a 第1空間
K2,K2a〜K2f 第2空間
K3 第3空間
F3,F3a〜F3f 封止部材
Claims (16)
- 第1力学量の圧力を検出する第1力学量センサと、前記圧力以外の第2力学量を検出する第2力学量センサとが一体化されてなる力学量センサ装置であって、
前記圧力によって変位する第1力学量センサの第1力学量検出部と、前記第2力学量によって変位する第2力学量センサの第2力学量検出部とが、半導体からなる第1の基板の主面側に、所定の間隔を置いて変位可能な状態に形成され、
前記第1の基板の主面側に、前記第1力学量検出部と第2力学量検出部をそれぞれ所定の間隔を置いて覆う、第2の基板が貼り合わされてなり、
前記第1の基板と第2の基板によって、前記第1力学量検出部と第2力学量検出部を変位可能な状態でそれぞれ気密に収容する第1空間と第2空間が、互いに連通せずにそれぞれ形成されてなり、
前記第1の基板が、埋め込み酸化膜を間に挟んだ支持基板とSOI層からなるSOI基板からなり、
前記埋め込み酸化膜に達するトレンチにより、周囲から絶縁分離された複数のSOI層からなる半導体領域が形成されてなり、
前記複数の半導体領域のうち、一部の半導体領域で前記第1力学量センサの第1力学量検出部が構成されてなり、
前記複数の半導体領域のうち、一部の半導体領域で前記第2力学量センサの第2力学量検出部が構成されてなり、
前記第2力学量検出部は、
少なくとも一つの半導体領域が、前記埋め込み酸化膜の一部を犠牲層エッチングすることにより、変位可能に形成された第2可動電極を有する第2可動半導体領域であり、
少なくとももう一つの半導体領域が、前記第2可動電極と対向する第2固定電極を有する第2固定半導体領域であり、
前記第2可動電極と第2固定電極の対向する面の間の空間を誘電体層とする静電容量が形成され、
前記第2可動電極が、印加される前記第2力学量に応じて変位し、それに伴う前記静電容量の変化を測定して、前記第2力学量を検出し、
前記第1力学量検出部は、
少なくとも一つの半導体領域が、前記埋め込み酸化膜に対して交わる方向に形成された第1の壁部を第1の電極として有してなり、内部に中空部が設けられることによって前記第1の壁部が薄肉化され、該第1の壁部がダイヤフラムとして変形変位可能に形成された第1の半導体領域であり、
少なくとももう一つの半導体領域が、前記第1の壁部と対向する第2の壁部を第2の電極として有する第2の半導体領域であり、
前記第1の電極と第2の電極の対向する面の間の空間を誘電体層とする静電容量が形成され、
少なくとも前記第1の電極が、被測定媒体の前記圧力に応じて前記第2の電極の対向面に対して垂直方向に変形変位し、
前記第1の電極と第2の電極の間隔変化に伴う前記静電容量の変化を測定して、前記圧力を検出することを特徴とする力学量センサ装置。 - 第1力学量の圧力を検出する第1力学量センサと、前記圧力以外の第2力学量を検出する第2力学量センサとが一体化されてなる力学量センサ装置であって、
前記圧力によって変位する第1力学量センサの第1力学量検出部と、前記第2力学量によって変位する第2力学量センサの第2力学量検出部とが、半導体からなる第1の基板の主面側に、所定の間隔を置いて変位可能な状態に形成され、
前記第1の基板の主面側に、前記第1力学量検出部と第2力学量検出部をそれぞれ所定の間隔を置いて覆う、第2の基板が貼り合わされてなり、
前記第1の基板と第2の基板によって、前記第1力学量検出部と第2力学量検出部を変位可能な状態でそれぞれ気密に収容する第1空間と第2空間が、互いに連通せずにそれぞれ形成されてなり、
前記第1の基板が、埋め込み酸化膜を間に挟んだ支持基板とSOI層からなるSOI基板からなり、
前記埋め込み酸化膜に達するトレンチにより、周囲から絶縁分離された複数のSOI層からなる半導体領域が形成されてなり、
前記複数の半導体領域のうち、一部の半導体領域で前記第1力学量センサの第1力学量検出部が構成されてなり、
前記複数の半導体領域のうち、一部の半導体領域で前記第2力学量センサの第2力学量検出部が構成されてなり、
前記第2力学量検出部は、
少なくとも一つの半導体領域が、前記埋め込み酸化膜の一部を犠牲層エッチングすることにより、変位可能に形成された第2可動電極を有する第2可動半導体領域であり、
少なくとももう一つの半導体領域が、前記第2可動電極と対向する第2固定電極を有する第2固定半導体領域であり、
前記第2可動電極と第2固定電極の対向する面の間の空間を誘電体層とする静電容量が形成され、
前記第2可動電極が、印加される前記第2力学量に応じて変位し、それに伴う前記静電容量の変化を測定して、前記第2力学量を検出し、
前記第2力学量センサは、加速度センサ、角速度センサおよびローレンツ力センサのいずれかであり、
前記第2力学量センサが加速度センサの場合には、前記第2空間が所定気圧に封止されてなり、
前記第2力学量センサが角速度センサまたはローレンツ力センサの場合には、前記第2空間が真空に封止されてなり、
前記第2力学量センサが加速度センサである場合において、
前記第2の基板を貫通して、該第2の基板の外部と前記第2空間を連通する第3の貫通穴が形成されてなり、
前記第2の基板において、前記第1の基板との貼り合わせ面と反対側の外面に、前記第3の貫通穴を封止する封止部材が配置されてなり、
前記貼り合わせ面からの前記封止部材の最大高さが、前記貼り合わせ面からの前記外面の最大高さより低く設定されてなり、
前記第2の基板の外面において、枠状のリブ部が形成されてなり、
前記外面の最大高さが、前記リブ部の上面に設定されてなることを特徴とする力学量センサ装置。 - 第1力学量の圧力を検出する第1力学量センサと、前記圧力以外の第2力学量を検出する第2力学量センサとが一体化されてなる力学量センサ装置であって、
前記圧力によって変位する第1力学量センサの第1力学量検出部と、前記第2力学量によって変位する第2力学量センサの第2力学量検出部とが、半導体からなる第1の基板の主面側に、所定の間隔を置いて変位可能な状態に形成され、
前記第1の基板の主面側に、前記第1力学量検出部と第2力学量検出部をそれぞれ所定の間隔を置いて覆う、第2の基板が貼り合わされてなり、
前記第1の基板と第2の基板によって、前記第1力学量検出部と第2力学量検出部を変位可能な状態でそれぞれ気密に収容する第1空間と第2空間が、互いに連通せずにそれぞれ形成されてなり、
前記第1の基板が、埋め込み酸化膜を間に挟んだ支持基板とSOI層からなるSOI基板からなり、
前記埋め込み酸化膜に達するトレンチにより、周囲から絶縁分離された複数のSOI層からなる半導体領域が形成されてなり、
前記複数の半導体領域のうち、一部の半導体領域で前記第1力学量センサの第1力学量検出部が構成されてなり、
前記複数の半導体領域のうち、一部の半導体領域で前記第2力学量センサの第2力学量検出部が構成されてなり、
前記第2力学量検出部は、
少なくとも一つの半導体領域が、前記埋め込み酸化膜の一部を犠牲層エッチングすることにより、変位可能に形成された第2可動電極を有する第2可動半導体領域であり、
少なくとももう一つの半導体領域が、前記第2可動電極と対向する第2固定電極を有する第2固定半導体領域であり、
前記第2可動電極と第2固定電極の対向する面の間の空間を誘電体層とする静電容量が形成され、
前記第2可動電極が、印加される前記第2力学量に応じて変位し、それに伴う前記静電容量の変化を測定して、前記第2力学量を検出し、
前記第1力学量センサおよび第2力学量センサと共に、第3力学量を検出する第3力学量センサが一体化されてなり、
前記第3力学量によって変位する第3力学量センサの第3力学量検出部が、前記第1の基板の主面側に、前記第1力学量センサおよび第2力学量センサと所定の間隔を置いて変位可能な状態に形成され、
前記第3力学量検出部が、前記第2の基板で所定の間隔を置いて覆われてなり、
前記第3力学量検出部を変位可能な状態で気密に収容する第3空間が、前記第1空間および第2空間と互いに連通せずに形成されてなり、
前記複数の半導体領域のうち、一部の半導体領域で前記第3力学量センサの第3力学量検出部が構成されてなり、
前記第3力学量検出部は、
少なくとも一つの半導体領域が、前記埋め込み酸化膜の一部を犠牲層エッチングすることにより、変位可能に形成された第3可動電極を有する第3可動半導体領域であり、
少なくとももう一つの半導体領域が、前記第3可動電極と対向する第3固定電極を有する第3固定半導体領域であり、
前記第3可動電極と第3固定電極の対向する面の間の空間を誘電体層とする静電容量が形成され、
前記第3可動電極が、印加される前記第3力学量に応じて変位し、それに伴う前記静電容量の変化を測定して、前記第3力学量を検出し、
前記第2力学量センサと前記第3力学量センサが、加速度センサ、角速度センサおよびローレンツ力センサのいずれか2つの組み合わせであり、
前記第2力学量センサまたは前記第3力学量センサが加速度センサの場合には、対応する前記第2空間または前記第3空間が所定気圧に封止されてなり、
前記第2力学量センサまたは前記第3力学量センサが角速度センサまたはローレンツ力センサの場合には、対応する前記第2空間または前記第3空間が真空に封止されてなり、
前記第2力学量センサまたは第3力学量センサが加速度センサである場合において、
前記第2の基板を貫通して、該第2の基板の外部と前記第2空間を連通する第3の貫通穴が形成されてなり、
前記第2の基板において、前記第1の基板との貼り合わせ面と反対側の外面に、前記第3の貫通穴を封止する封止部材が配置されてなり、
前記貼り合わせ面からの前記封止部材の最大高さが、前記貼り合わせ面からの前記外面の最大高さより低く設定されてなり、
前記第2の基板の外面において、枠状のリブ部が形成されてなり、
前記外面の最大高さが、前記リブ部の上面に設定されてなることを特徴とする力学量センサ装置。 - 第1力学量の圧力を検出する第1力学量センサと、前記圧力以外の第2力学量を検出する第2力学量センサとが一体化されてなる力学量センサ装置であって、
前記圧力によって変位する第1力学量センサの第1力学量検出部と、前記第2力学量によって変位する第2力学量センサの第2力学量検出部とが、半導体からなる第1の基板の主面側に、所定の間隔を置いて変位可能な状態に形成され、
前記第1の基板の主面側に、前記第1力学量検出部と第2力学量検出部をそれぞれ所定の間隔を置いて覆う、第2の基板が貼り合わされてなり、
前記第1の基板と第2の基板によって、前記第1力学量検出部と第2力学量検出部を変位可能な状態でそれぞれ気密に収容する第1空間と第2空間が、互いに連通せずにそれぞれ形成されてなり、
前記第1の基板が、埋め込み酸化膜を間に挟んだ支持基板とSOI層からなるSOI基板からなり、
前記埋め込み酸化膜に達するトレンチにより、周囲から絶縁分離された複数のSOI層からなる半導体領域が形成されてなり、
前記複数の半導体領域のうち、一部の半導体領域で前記第1力学量センサの第1力学量検出部が構成されてなり、
前記複数の半導体領域のうち、一部の半導体領域で前記第2力学量センサの第2力学量検出部が構成されてなり、
前記第2力学量検出部は、
少なくとも一つの半導体領域が、前記埋め込み酸化膜の一部を犠牲層エッチングすることにより、変位可能に形成された第2可動電極を有する第2可動半導体領域であり、
少なくとももう一つの半導体領域が、前記第2可動電極と対向する第2固定電極を有する第2固定半導体領域であり、
前記第2可動電極と第2固定電極の対向する面の間の空間を誘電体層とする静電容量が形成され、
前記第2可動電極が、印加される前記第2力学量に応じて変位し、それに伴う前記静電容量の変化を測定して、前記第2力学量を検出し、
前記第1力学量センサおよび第2力学量センサと共に、第3力学量を検出する第3力学量センサが一体化されてなり、
前記第3力学量によって変位する第3力学量センサの第3力学量検出部が、前記第1の基板の主面側に、前記第1力学量センサおよび第2力学量センサと所定の間隔を置いて変位可能な状態に形成され、
前記第3力学量検出部が、前記第2の基板で所定の間隔を置いて覆われてなり、
前記第3力学量検出部を変位可能な状態で気密に収容する第3空間が、前記第1空間および第2空間と互いに連通せずに形成されてなり、
前記複数の半導体領域のうち、一部の半導体領域で前記第3力学量センサの第3力学量検出部が構成されてなり、
前記第3力学量検出部は、
少なくとも一つの半導体領域が、前記埋め込み酸化膜の一部を犠牲層エッチングすることにより、変位可能に形成された第3可動電極を有する第3可動半導体領域であり、
少なくとももう一つの半導体領域が、前記第3可動電極と対向する第3固定電極を有する第3固定半導体領域であり、
前記第3可動電極と第3固定電極の対向する面の間の空間を誘電体層とする静電容量が形成され、
前記第3可動電極が、印加される前記第3力学量に応じて変位し、それに伴う前記静電容量の変化を測定して、前記第3力学量を検出し、
前記第1力学量センサ、第2力学量センサおよび第3力学量センサと共に、第4力学量を検出する第4力学量センサが一体化されてなり、
前記第4力学量によって変位する第4力学量センサの第4力学量検出部が、前記第1の基板の主面側に、前記第1力学量センサ、第2力学量センサおよび第3力学量センサと所定の間隔を置いて変位可能な状態に形成され、
前記第4力学量検出部が、前記第2の基板で所定の間隔を置いて覆われてなり、
前記第4力学量検出部を変位可能な状態で気密に収容する第4空間が、前記第1空間、第2空間および第3空間と互いに連通せずに形成されてなり、
前記複数の半導体領域のうち、一部の半導体領域で前記第4力学量センサの第4力学量検出部が構成されてなり、
前記第4力学量検出部は、
少なくとも一つの半導体領域が、前記埋め込み酸化膜の一部を犠牲層エッチングすることにより、変位可能に形成された第4可動電極を有する第4可動半導体領域であり、
少なくとももう一つの半導体領域が、前記第4可動電極と対向する第4固定電極を有する第4固定半導体領域であり、
前記第4可動電極と第4固定電極の対向する面の間の空間を誘電体層とする静電容量が形成され、
前記第4可動電極が、印加される前記第4力学量に応じて変位し、それに伴う前記静電容量の変化を測定して、前記第4力学量を検出し、
前記第2力学量センサ、前記第3力学量センサおよび前記第4力学量センサが、それぞれ、加速度センサ、角速度センサおよびローレンツ力センサであり、
前記第2空間が所定気圧に封止されてなり、前記第3空間と前記第4空間が真空に封止されてなり、
前記第2力学量センサまたは第3力学量センサが加速度センサである場合において、
前記第2の基板を貫通して、該第2の基板の外部と前記第2空間を連通する第3の貫通穴が形成されてなり、
前記第2の基板において、前記第1の基板との貼り合わせ面と反対側の外面に、前記第3の貫通穴を封止する封止部材が配置されてなり、
前記貼り合わせ面からの前記封止部材の最大高さが、前記貼り合わせ面からの前記外面の最大高さより低く設定されてなり、
前記第2の基板の外面において、枠状のリブ部が形成されてなり、
前記外面の最大高さが、前記リブ部の上面に設定されてなることを特徴とする力学量センサ装置。 - 前記第1力学量検出部は、
少なくとも一つの半導体領域が、前記埋め込み酸化膜に対して交わる方向に形成された第1の壁部を第1の電極として有してなり、内部に中空部が設けられることによって前記第1の壁部が薄肉化され、該第1の壁部がダイヤフラムとして変形変位可能に形成された第1の半導体領域であり、
少なくとももう一つの半導体領域が、前記第1の壁部と対向する第2の壁部を第2の電極として有する第2の半導体領域であり、
前記第1の電極と第2の電極の対向する面の間の空間を誘電体層とする静電容量が形成され、
少なくとも前記第1の電極が、被測定媒体の前記圧力に応じて前記第2の電極の対向面に対して垂直方向に変形変位し、
前記第1の電極と第2の電極の間隔変化に伴う前記静電容量の変化を測定して、前記圧力を検出することを特徴とする請求項2乃至4のいずれか一項に記載の力学量センサ装置。 - 前記第1の壁部が、前記埋め込み酸化膜に対して直交する方向に形成されてなることを特徴とする請求項1または5に記載の力学量センサ装置。
- 前記中空部が封止されて所定の基準圧とされると共に、
前記第2の基板を貫通して、該第2の基板の外部と前記第1空間を連通する第1の貫通穴が形成されてなり、
少なくとも前記第1の電極が、前記第1の貫通穴を介して前記第1空間に導入される前記被測定媒体の圧力に応じて、前記第2の電極の対向面に対して垂直方向に変形変位することを特徴とする請求項1,5,6のいずれか一項に記載の力学量センサ装置。 - 前記第1空間が封止されて所定の基準圧とされると共に、
前記支持基板と埋め込み酸化膜を貫通して、前記第1の基板の外部と前記中空部を連通する第2の貫通穴が形成されてなり、
少なくとも前記第1の電極が、前記第2の貫通穴を介して前記中空部に導入される前記被測定媒体の圧力に応じて、前記第2の電極の対向面に対して垂直方向に変形変位することを特徴とする請求項1,5,6のいずれか一項に記載の力学量センサ装置。 - 前記第1力学量検出部と第2力学量検出部に接続する配線が、前記第2の基板を貫通して形成されてなることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか一項に記載の力学量センサ装置。
- 前記第1力学量検出部と第2力学量検出部に接続する配線が、前記支持基板と埋め込み酸化膜を貫通して形成されてなることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか一項に記載の力学量センサ装置。
- 前記第1力学量検出部と第2力学量検出部に接続する配線が、前記埋め込み酸化膜の中に形成されてなることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか一項に記載の力学量センサ装置。
- 前記力学量センサ装置が、車載用であることを特徴とする請求項1乃至11のいずれか一項に記載の力学量センサ装置。
- 請求項1乃至4のいずれか一項に記載の力学量センサ装置の製造方法であって、
前記SOI基板のSOI層に前記トレンチを形成し、前記複数の半導体領域を形成すると共に、前記第1力学量検出部と第2力学量検出部を構成する、第1の基板の準備工程と、
前記第1の基板の主面側に貼り合わせた時に、前記第1力学量検出部と第2力学量検出部を変位可能な状態でそれぞれ気密に収容する第1空間と第2空間が互いに連通せずにそれぞれ形成されるように、前記第2の基板を準備する、第2の基板の準備工程と、
前記第1の基板の主面側に、前記第2の基板を貼り合わせる、基板貼り合わせ工程とを有してなることを特徴とする力学量センサ装置の製造方法。 - 前記第2の基板の準備工程が、前記第2の基板を貫通する配線貫通穴を形成する、配線貫通穴形成工程を有してなり、
前記基板貼り合わせ工程後において、前記配線貫通穴を導電材料で埋め込んで、前記第1力学量検出部と第2力学量検出部に接続する配線とする、第2の基板貫通配線形成工程を有してなることを特徴とする請求項13に記載の力学量センサ装置の製造方法。 - 前記第1の基板の準備工程において、前記SOI層を形成する前に、前記第1力学量検出部と第2力学量検出部に接続する配線を、予め前記埋め込み酸化膜の中の所定位置に形成しておくことを特徴とする請求項13に記載の力学量センサ装置の製造方法。
- 請求項1または5に記載の力学量センサ装置の製造方法であって、
前記SOI層に前記トレンチを形成し、前記複数の半導体領域を形成すると共に、前記第1力学量検出部と第2力学量検出部を構成する、第1の基板の準備工程と、
前記第1の基板の主面側に貼り合わせた時に、前記第1力学量検出部と第2力学量検出部を変位可能な状態でそれぞれ気密に収容する第1空間と第2空間が互いに連通せずにそれぞれ形成されるように、前記第2の基板を準備する、第2の基板の準備工程と、
前記第1の基板の主面側に、前記第2の基板を貼り合わせる、基板貼り合わせ工程とを有してなり、
前記第1の基板の準備工程が、
前記支持基板の上に形成された酸化膜上に第1の多結晶シリコン層を堆積して、該酸化膜を前記埋め込み酸化膜とすると共に、該第1の多結晶シリコン層を前記SOI層の一部とするSOI基板の第1準備工程と、
前記第1の多結晶シリコン層に前記埋め込み酸化膜に達する予備トレンチを形成した後、前記第1の多結晶シリコン層の上に第2の多結晶シリコン層を堆積し、前記予備トレンチの開口部を蓋して前記中空部とすると共に、前記第1の多結晶シリコン層と第2の多結晶シリコン層の積層体を前記SOI層とするSOI基板の第2準備工程と、
前記トレンチを形成して、前記第1の壁部を有する第1の半導体領域と前記第2の壁部を有する第2の半導体領域を形成するSOI基板の第3準備工程とを有してなることを特徴とする力学量センサ装置の製造方法。
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