JPH04276559A - 半導体加速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体加速度センサお
よびその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の半導体加速度センサは、例えばア
イトリプルイートランザクションズオン　　エレクトロ
ンデバイセズ（Ｉ．Ｅ．Ｅ．Ｅ．Ｔｒａｎｓ．ｏｎＥｌ
ｅｃ．Ｄｅｖ．）、Ｖｏｌ．ＥＤ−２６、Ｐ１９１１、
１９７９に紹介されているように、先端部にスコップの
様な形状をしたおもりと、おもりに一端が接続された梁
を有しこの梁の他端が接続されおもりと梁をかこむよう
な形状の支持部分からなり単結晶シリコンを材料にして
マイクロマシニングと呼ばれる微細加工技術を駆使して
作製される。加速度がその構造体に加えられると、先端
部のおもりには加速度に比例した力が生じるため、それ
を支えている梁の支持部分にもその力に比例した応力が
生じる。そこで、いわゆる感圧素子であるピエゾ抵抗体
を支持部分近傍の梁に形成して、支持部分に生じた応力
の変化をピエゾ抵抗体によって電気抵抗値の変化つまり
電気的な信号に変換し、加速度の検出を行なっている。 このような半導体加速度センサにおいては、検出感度は
先端部に形成したおもりの質量に比例する。従って、半
導体加速度センサを高感度化する一つの手段として、お
もりの質量を大きくしようとする試みがある。従来は、
めっき法等によってシリコン梁の先端部に重量密度の大
きな金属膜を形成する方法（トランスデューサ（Ｔｒａ
ｎｓｄｕｃｅｒ’８７）予稿集Ｐ１１２〜１１５）が試
みられてきた。

【０００３】また、他方、前述の従来構造では逆に加速
度検出用のおもりを周辺部に配置することにより、半導
体チップのほとんどを、加速度検出用のおもりとして用
いる構造の加速度センサがある（特開平２−９４６６６
、９５２６４、９５２６６号公報）。以下このタイプの
センサを周辺おもり型加速度センサと称する。この半導
体加速度センサでは、半導体チップのほとんどを加速度
検出用のおもりとして用いるため、従来構造に比較して
、小さな半導体チップでより感度の高い加速度センサが
得られるようになっている。この周辺おもり型の加速度
センサは、第４図に示すように、中央部に支持部分６、
その外側（周辺部）におもり４があって両者が梁５で接
続された構造である。このような複雑な構造体は、シリ
コンの異方性エッチングを用いることによって、作製さ
れる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前述してきたように、
半導体加速度センサにおいては、加速度を検出するため
のおもりの材料は、主として半導体基板自体である。し
かしながら、おもりの形状はエッチングによって著しく
制約を受けるため、任意の形のおもりを設けることが困
難であった。特に、異方性エッチングを用いた加工は加
工精度は高いがシリコンの特定の結晶軸方向にしかその
製造の自由度がなく、時には、その感度を優先させるた
めに素子全体の対称性を犠牲にして、不要な振動モード
を有する素子を設計せざるをえないという欠点があった
。例えば図４に示した周辺おもり型センサを（１００）
面方位のシリコン基板から作るとおもり部分４の平面形
状を正方形にすることができ素子全体を対称形にするこ
とができるが、この場合（１１１）面は基板面に対して
斜めになるためおもりの体積が小さくなってしまい感度
が低下する。これを防ぐためには（１１０）面方位のシ
リコン基板を用いればよい（（１１１）面が基板と垂直
になる）が、おもり部分４の平面形状がひし形になって
素子が非対称になってしまう。このことは、おもり形状
の設計自由度を著しく狭めることになり、半導体加速度
センサの性能向上を制約する条件となっていた。また、
シリコン基板の一部を加速度検出用おもりとして用いる
ことは、シリコン半導体加速度センサの製造上作り易い
という利点があるが、一方、おもりを大きくしようとす
ると、素子サイズが大きくなり、１枚のシリコン基板か
ら得られる素子数が減少し、センサのコストが上昇する
と言う問題点があった。また、逆に、センサ重量を気に
しない用途では、センサが小さくなることによって、セ
ンサチップの取扱が容易でなくなると言った弊害もあっ
た。また、前述した周辺おもり形の加速度センサは、素
子サイズを小さくすることが可能であるという利点を有
するが、センサ素子の中心部におもりの支持部があるた
め、素子製造上の困難さがある。これは主として、異方
性エッチングによるメサ形状作製の不安定性のためであ
り、この結果、素子製造時の歩留りが悪いという欠点を
もたらしている。加速度センサの形状を得るため、通常
は、エッチング液としてヒドラジン、水酸化カリウム等
のアルカリの溶液を用いた異方性エッチングを用いる。 基板として（１００）面方位のシリコン基板を用い＜１
１０＞方向に平行な四角いマスクパターンを用いると、
エッチング速度の遅い（１１１）面を出しながらエッチ
ングが進行し、正確なメサ形状のパターンが得られる。 しかしエッチングされないはずのメサの角の部分（３つ
の面が交わる部分）が現実にはエッチングされてしまい
正確なメサ形状が形成できない。

【０００５】本発明の目的は、任意形状のおもりを作製
することができ設計の自由度が高くしかも半導体チップ
のサイズを大きくすることなく多数の半導体加速度セン
サが製造できる、センサの製造コストが下がるという利
点もある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は半導体加速度セ
ンサのおもり部分に樹脂を付加して形状および重量を変
更したことを特徴とする。また本発明は半導体の構造体
に樹脂を付加してその樹脂を加速度センサの支持部分と
するか、あるいはおもりとすることを特徴とする。

【０００７】また本発明の製造方法は、あらかじめ作っ
てある半導体の構造体の中に感光性樹脂を注入し、マス
クを介して露光・現像して残った樹脂をおもりあるいは
支持部分とすることを特徴とする。

【０００８】

【実施例】（実施例１）図１（ａ）〜（ｃ）に本発明の
第１の実施例を示した。この例では、前述周辺おもり型
の加速度センサを用いている。始めに、既にシリコンの
異方性エッチング技術によって形状の形成されたシリコ
ンセンサ本体１を用意する（（ａ）図）。次に、アクリ
ル樹脂等のネガ型の感光性樹脂２をセンサの上に樹脂注
入器で塗布する（（ｂ）図）。一般に感光性の樹脂は、
必要な部分に紫外線を照射することによって、任意の形
状に樹脂を硬化できることが特徴である、また、非常に
短時間で樹脂を硬化させることが可能であり、しかも、
整形するのに鋳型が必要でないところが、他の樹脂を用
いた場合との著しい差である。最近開発された感光性の
樹脂の中には、適切に条件を選択すれば、１ｍｍを越え
る厚みを有する膜を作製することが可能となっている。 次に紫外線マスク（図示せず）をセンサ本体１に押し付
ける。この際にセンサ本体１と、マスクとを目合わせす
る。次に、樹脂が十分に硬化する量の紫外線を照射する
。最後に紫外線が照射されなかった部分の樹脂を取り除
くために、有機溶剤で洗浄（現像）する。なおセンサ本
体１のおもり部分４の内側に塗布された樹脂はマスクで
紫外線が照射されないようにして照射後有機溶剤で除去
しないと梁５が動かなくなり加速度を測定できない。 なおマスクの感光性樹脂２と接する側の面に離形効果の
ある薄膜をコーティングしておくと目合せや露光がしや
すい。マスクに円形のものを用いれば、円形のおもりを
有する加速度センサを得ることができる。（（ｃ）図）
。

【０００９】樹脂のおもり３を付加することによりシリ
コンのおもり部分４とあわせたおもり全体の重量が大き
くなりしかも樹脂おもり３はおもり部分４の外側に付加
してあるのでモーメントが大きくなりセンサの感度が高
くなる。

【００１０】一般に、おもり形状は半導体加速度センサ
の指向性、即ち、センサの多軸感度に著しく影響を与え
るが、本発明によれば、用いる遮光マスクの形状を任意
に変えることができるため、最適なおもり形状を直接実
現することができる。

【００１１】センサ本体１を（１１０）面方位のシリコ
ン基板から作った場合おもり部分４の平面形状はひし形
になり、非対称になってしまうが、円形の樹脂おもり３
を付加すれば対称にすることができ、一つの軸の方向の
加速度だけでなく複数の軸方向の加速度を測定できる。 樹脂はシリコンより比重は小さいが、本実施例では本体
の外側に付加してあるので樹脂おもり３のモーメントの
方がおもり部分４のモーメントよりずっと大きくなり、
樹脂おもりがある程度大きければシリコンのおもり部分
４の非対称性は無視できるようになる。一例としてセン
サ本体の寸法が数ｍｍのとき樹脂おもり３の直径は１ｍ
ｍ程度あればよい。

【００１２】また一方センサ本体１を（１００）シリコ
ン基板から作るとシリコンのおもり部分４の平面形状は
正方形で素子は対称性があるが、逆にこの素子を非対称
にしてひねりのモードを測定したいときは樹脂おもり３
を非対称に付加すればよい。

【００１３】また本実施例では樹脂おもり３をシリコン
のおもり部分４の上から塗布しているから、樹脂おもり
の少なくとも一部分はシリコンのおもり部分４の上に堆
積されておりセンサの厚みが増す。加速度センサはおも
りの振幅が大きくなりすぎるのを防ぐためパッケージの
適当な位置にストッパーを設けて振幅を調節する。樹脂
は塗布したときの厚さをかなり自由に調整できるので、
樹脂おもり３の厚さを調整してストッパーとの間の距離
すなわち振幅を調整できて便利である。

【００１４】（実施例２）図２に、第２の実施例を示し
た。この実施例では、おもりがチップの内側にある、い
わゆる中心おもり型加速度センサの場合について示して
いる。左側の図が斜視図、右側の図がそのＡ−Ａ’断面
図である。始めに、シリコンのエッチング加工によって
得られた半導体センサ本体１を用意する（（ａ）図）。 この場合、シリコンのおもり部分がなく、矩形の支持部
分６とダイアフラム１０だけが形成されている状態のウ
エハーを用いる事ができる。このダイアフラム１０（シ
リコン薄膜）の部分に感光性の樹脂（ネガ型）を流し込
む（（ｂ）図）。この場合、支持部分６が鋳型の役割を
果たしている。次に、おもりを形成する場所（ダイアフ
ラム１０の中央部）に、紫外線を照射するためのマスク
２０を目合わせをして載せ、紫外線を照射する。有機溶
剤で不要な樹脂部分を取り除くと樹脂おもり３をもつ加
速度センサとなる（（Ｃ）図）。

【００１５】以上のような工程をダイアフラム１０の反
対側の面に対して施すこともできる。また樹脂おもりを
ダイアフラムの上下の面に設けることもできる。おもり
を上下に設けるとおもりの重量を大きくでき高感度化さ
れる。ダイアフラム１０の上下に設けることで対称性が
向上するという利点もある。本工程は、本発明の非常に
大きな利点である。即ち、従来のようにめっき法を用い
ておもりを作製した場合には、めっきをするための配線
や前処理を別途行なう必要があり、裏面の特定の位置の
みに金属を堆積することは困難であるが、感光性樹脂を
用いた場合には、容易に実行できる。

【００１６】なおダイアフラムのままでも加速度センサ
として機能するが樹脂おもりを形成する前又は後にエッ
チングして梁の形状にしてもよい。樹脂おもり形成前に
梁形状にするときはおもり形成面と反対側の面をあらか
じめ適切な保護膜で被っておくことが望ましい。

【００１７】樹脂おもり３を支持部分６より厚くすれば
実施例１で述べた振幅調節の機能をもたせることができ
る。

【００１８】（実施例３）図３に、第３の実施例を示し
た。この例では、センサの中心部に支持部分を設けた周
辺おもり型センサへの適用例を示した。初めに、支持部
分のないシリコンセンサ本体１を用意する（（ａ）図）
。この場合には、シリコンのダイアフラム１０が全面に
形成されているのが望ましい。

【００１９】次に感光性樹脂をセンサに盛る（（ｂ）図
）。最後に支持部を形成するために必要なマスクを載せ
て紫外線を照射する。溶剤で不要な感光性樹脂を除去す
れば、樹脂の支持部分６を有する半導体加速度センサを
得ることができる（（ｃ）図）。樹脂の機械的特性（硬
さ等）を変化させることで、種々の応答特性を有した加
速度センサを実現できる。実際に用いるときは図３の素
子をひっくり返して支持部分６を台座にのせおもり４が
振動するスペースを確保する。つまり台座の高さが最大
振幅となる。なお実施例２と同様に樹脂の支持部分６の
形成前または後にダイアフラムをエッチングして梁にし
てもよい。樹脂おもり３をシリコンおもり部分４より厚
くすれば、前述の台座を兼ねることもできる。

【００２０】（実施例４）実施例２においてはダイアフ
ラム１０と支持部分６のみを有するセンサ本体１に樹脂
おもり３を形成したが、ダイアフラム、支持部分、シリ
コンのおもりを有し加速度センサとして動作するものに
対してそのシリコンのおもり上に同様の方法で樹脂おも
りを付加することもできる。

【００２１】（他の実施例）従来からの半導体加速度セ
ンサのおもりは、その基体が重量密度の小さなシリコン
で作製されているため、おもりとして十分に重くするた
めには、金属をそのうえに堆積するなどの手段が用いら
れていたが、本発明では、樹脂に重量密度の大きな金属
粉をフィラーとして混入させることによって、小さい体
積で重いおもりを得ることも可能である。

【００２２】また樹脂が外界に対して露出しないように
するためには、樹脂の上に、薄い金属膜などの保護膜を
設けることが望ましく、それによって信頼性は著しく高
くなる。低温で金属などの導電性薄膜を樹脂おもりの上
に形成して可動電極とし、対向する場所にもう一方の電
極を設ければ静電型の半導体加速度センサとして使うこ
とができる。

【００２３】実施例１〜４で感光性樹脂を用いた例につ
いてのみ記載してあるが、あらかじめ型を作っておいて
その型の中に樹脂を流しこむ方法をとれば、感光性のな
い一般の樹脂も使用できる。

【００２４】樹脂部分の形状設定は、センサと必ずしも
同時に行わなくてもよく、最初にセンサ本体の入る領域
は未硬化とし、後から、センサをその部分に挟み込んで
、感光性接着剤で接着してもよい。

【００２５】

【発明の効果】以上述べてきたように、従来ではおもり
の形状は半導体のエッチング出来る形状によって制限を
受けていたが、本発明によれば、樹脂を設ける場所は任
意であり、任意の形状のおもりを作製することが可能で
ある。このことにより、加速度センサの設計自由度が高
まり、高性能なセンサを製作することが可能となった。 例えば、半導体加速度センサにおいては、センサの対称
性がその特性に非常に重要な働きをするが、従来の様に
エッチングの手法だけでは、必ずしも対称性の良いおも
りを作製することが出来なかったが、本発明では、例え
ば円形の様に、非常に対称性の良いおもりを容易に作製
することが出来る。そのため、従来、多軸感度特性を犠
牲にして高感度化を計っていたセンサに対して、多軸感
度特性に優れたセンサを得ることが可能となった。

【００２６】また本発明ではおもりの大きさには限界が
なく、樹脂は半導体と比較して遥かに安価であり、しか
も、もととなる半導体チップの大きさは小さくてよいか
ら、感度が高くて扱い易く低コストの半導体加速度セン
サが作製できる。

【００２７】さらに、加速度センサでは共振による梁の
破壊が問題であるが、本発明のように構造体に樹脂を用
いた場合、樹脂に適度な柔軟性を持たせることによって
ダンピング効果を増大させることができ、センサの周波
数特性を改善できる効果があることも判明した。更に、
おもりがストッパに衝突した場合などに、大きな衝撃が
直接梁やダイアフラムに加えられないようになる等の耐
久性向上の効果も有している。柔らかい樹脂を用いると
、半導体加速度センサにおもり作製作業の際に新たに生
じる内部応力の増大を避けることができ、半導体と樹脂
の間での熱膨張率の差による熱応力発生を著しく回避で
きるという効果がある。

【００２８】また周辺おもり型の半導体加速度センサで
は、中心支持部分を梁に応力をかけることなく付け加え
ることができる。本発明により、半導体加速度センサは
より容易かつ安定に作製できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示したセンサの製造工
程およびセンサ構造を示した斜視図である。

【図２】本発明の第２の実施例を示したセンサの製造工
程およびセンサ構造を示した図である。

【図３】本発明の第３の実施例を示したセンサの製造工
程およびセンサ構造を示した図である。

【図４】従来の半導体加速度センサの構造を示す斜視図
である。

【符号の説明】

１　　シリコンセンサ本体 ２　　感光性樹脂 ３　　樹脂おもり部分 ４　　シリコンおもり部分 ５　　シリコン梁 ６　　支持部分 １０　　ダイアフラム ２９　　マスク

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　半導体加速度センサのおもり部分に樹
   脂のおもりを付加して形状および重量を変更したことを
   特徴とする半導体加速度センサ。
2. 【請求項２】　　半導体の構造体に樹脂を付加して、そ
   の樹脂をセンサの支持部分とするかあるいはおもりとす
   ることを特徴とする半導体加速度センサ。
3. 【請求項３】　　予め作製してある半導体の構造体の中
   に感光性樹脂を塗布し、形状を指定するための遮光マス
   クを介して露光・現像して残った樹脂をおもりあるいは
   支持部分とすることを特徴とする半導体加速度センサの
   製造方法。