JPH07508835A - 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】 加速度センサ 従来の技術 本発明は、請求項１記載の形式の加速度センサから出発する。ヨーロッパ特許公 開第０３６９３５２号明細書から、既に、シリコンウェーハを結合するために酸 化珪素からなる誘電性薄層を利用する加速度センサが公知である。この種の酸化 珪素層は、シリコンの全面的酸化、引き続いての構造化により製造される。

発明の効果 それに対して、本発明による独立請求項に記載の加速度センサは、センサの製造 及び評価が簡略化されるという利点を有する。特に有利であるのは、センサの密 閉が下方板又は上方板の整合を必要とせずに可能であることにある。

従属請求項に記載の手段により、このセンサの有利な実施態様が可能である。中 空室内の規定された圧力により、可動電極の緩衝が影響を受ける。３つのノリコ ンウェーハの分割によってセンサを製造することにより、質量体製造が特に簡単 、ひいては廉価である。

このウェーハの１つが構造を有していない場合には、このウェーハの整合が省け る。

従属請求項５記載の特徴を有するセンサは、ストッパにより可動電極の運動が制 限されるという利点を有する。特に、衝突により可動電極の上方板又は下方板へ の付着が回避される。従属請求項６記載に記載された手段により、本発明による センサの有利な実施態様が提供され、該実施態様の場合には各板を結合させるた めの層が同様にストッパのために利用される。

請求項７記載の特徴を有するセンサは、有効容量の漂遊容量に対する比が改良さ れるという利点を有する。その従属請求項に記載された手段により、この加速度 センサの有利な実施態様が可能である。特に簡単に、局所的酸化により製造され た酸化珪素層を全面的に製造した酸化珪素層と結合させることができる。局所的 酸化により製造した２つの酸化珪素層との結合により、特に両者の酸化珪素層の 一方の厚さが酸化後の加工により縮小されていれば、有効容量の漂遊容量に対す る比は更に改良される。この加工は、機械的に又は相応するエツチング技術によ り特に簡単に行われる。

独立請求１３項に記載の特徴を有する加速度センサは、ストッパを有するという 利点を有する。もう１つの利点としては、全てのプロセスが中間板上で行われ、 従って中間板の製造方法をストッパを製造するためにも利用することができるこ とに見なされる。その従属請求項に記載の手段により、この加速度センサの有利 な実施態様が可能である。シリコンの局所的酸化により製造された誘電層を使用 することにより、有効容量の漂遊容量に対する比が改良される。該センサはまた 、その密閉された誘電フィルムに基づき中間板に対して相対的に整合する必要が ない上方板又は下方板により密閉することができる。

従属請求項１６〜１８に記載された手段により、前記加速度センサの有利な実施 態様及び改良が可能である。前記の析出技術により、可能な材料パレットは結合 層及びストッパのために拡大される。この場合、これらの析出技術がシリコンの 酸化の場合よりも明らかに低い温度で行うのが特に有利である。この場合には、 酸化珪素の他に、同様に窒化珪素からなる誘電層を使用することもできる。

図面 本発明の実施例は図面に示されており、以下に詳細に説明する。図中、第１図は 上方板と下方板の間に密閉した誘電層を有する加速度センサの製造、第２図はス トッパを有する加速度センサ、第３図及び第４図はシリコンの局所的酸化、第５ 図は後加工された局所的酸化部位、第６ａ図は構造化され全面的族された２つの 誘電層の結合部位、第６ｂ図は局所的酸化部及び全面的誘電フィルムを有する結 合部位、第７図は２つの局所的酸化部の結合部位、第８図は一方が後加工された ２つの局所的酸化部の結合部位、及び第９図は中間板上の異なった厚さの誘電層 を有する加速度センサを示す。

第１図に、５で３つのシリコンウェーハが示されている。これらは第１図に、加 速度センサの製造工程を明らかにするために、互いに引き離された状態で示され ている。矢印により示されているように、加速度センサを製造するために互いに ウェーハ５を結合させる。個々のセンサは、上方板１、中間板２及び下方板３を 有する個々のセンサを形成するために、線３１に沿って分割することにより個別 化する。中間板２から可動電極が構造化されており、該電極はたわみばね３２及 び振動質量体３３からなっていてもよい。結合層２０．１９により、振動質量体 ３３が上方板１及び下方板３に対して一定の間隔を保持することが達成される。

たわみばね３２及び振動質量体３３は、該振動質量体３３が加速度によりその静 止位置から変位せしめられるように構成されている。上方板１、中間板２、下方 板３の電気的接続及び相応する、ここに記載されていない電子回路により、中間 板２と、それぞれ上方板１及び下方板３との間の容量を測定する。その際、この 容量の変化が、加速度のための１つの尺度である。

しかしながら、これらの測定容量に並行して、漂遊容量が接続されており、該漂 遊容量はその値を加速度に依存して変化しない。この場合、加速度の良好な測定 可能性を確実にするには、有効容量、すなわち加速度と共に変化する容量は漂遊 容量に対して大きいべきである。加速度センサを製造する重要な工程は、ウエー ハの結合、ひいては中空室６の密閉である。有利には、可動電極４の運動を空気 での運動の緩衝により阻止されないように、中空室６内に減圧ないしは真空を封 じ込める。ウェーハ５の表面は極めて平滑でありかつ化学的前処理により活性化 されているので、ウェーハを重ね合わせるや否や、付着により、重ね合わせられ たウェーハ５の後からのずれが不可能である程の強固な結合が行われる。従って 、密閉した誘電層１０を有する上方板１又は下方板３を使用することにより、製 造方法が簡略化される。それというのも、中間板２に対する相対的な上方板１又 は下方板３の整合がもはや不必要であるからである。この場合、同様に中間板の 結合のために設けられた層は、層２０と同様に全面に設けられていてもよいが、 あるいはまた層１９にように小さい領域にのみ設けられていてもよい。ウェーハ ５もしくは上方板１、中間板２、下方板３の本来の結合は、重ね合わせ及び引き 続いての温度処理により行う。重ね合わせ前に、ウェーハの表面を、例えばウェ ーハをアンモニア溶液又は硝酸中に浸漬することにより活性化する。この場合、 誘電層のための材料としては、酸化珪素層の他に窒化珪素又はオキシ窒化珪素も 使用することもできる。

第２図には、単結晶からなる上方板１、中間板２及び下方板３を有する１つの加 速度センサを示す。中間板から、可動電極４が構造化されて形成されている。

３つの板１，２．３は、この場合も引き離された状態で示されている。上方板１ 、中間板２及び下方板３間の結合は、誘電層１１により行う。中空室６内には、 また減圧有利には真空が封じ込められている。この図面に示されたセンサは、そ の機能様式は第１図で記載したものと同じである。しかしながら、第１図のセン サとは異なり、この図面に示されたセンサは更にストッパ７を有する。該ストッ パ７により、可動電極４もしくは振動質量体３３の運動が制限される、特にスト ッパ７により、振動質量体３３が上方板１又は下方板３に面接触することが阻止 される。ストッパ７は、振動質量体３３と上方板もしくは下方板との間の僅かな 接触面が生じ得るに過ぎないように構成されている。

この場合、ストッパ７が振動質量体３３、上方板１又は下方板３のいずれかに配 置されているがは重要でない。特に板の結合中に振動質量体３３と板ｌ及び２と の間の接触は問題である。それというのも、この工程で板１，２．３及び振動質 量体３３の表面は化学的に活性化されており、従って接触すると強すぎる付着力 が生じるからである。

第３図及び第４図には、シリコンの局所的酸化を示す。このためには、シリコン 基板に厚さ約１５０ナノメータの窒化珪素４３を被覆する。窒化珪素の付着を改 良するために、なお厚さ約５０ナノメータの薄い酸化珪素層４２がシリコン４１ と窒化珪素４３との間に付設されていてもよい。局所的酸化珪素を製造すべき箇 所に、窒化珪素層４３は開口を有する。該ウェーハを酸素含有雰囲気内で８００ ℃を越える温度に加熱することにより、シリコン４１の露出した表面を酸化させ る。この場合、この際生じる局所的酸化珪素は、部分的にシリコン４１の表面内 部に成長しかつ部分的にシリコン４１の表面から突出する。その理由は、酸化珪 素はそれを製造するために必要な量の珪素のほぼ２倍の体積を有するからである 。局所的酸化珪素４４は、シリコン４１の初期の表面の約５５％まで広がりかつ シリコン４１内に約４５％侵入する。局所的酸化珪素の厚さは、例えば約１μｍ である。

第５図には、後加工された局所的酸化部４４を有するシリコン４１の断片を示す 。後加工により、シリコン４１の表面から突出した局所的シリコン４４の部分を 除去した。この加工は、機械的手段、化学的エツチング又は両者の方法の組み合 わせのいずれかにより行う。相応する方法は、ウェーハ製造から公知である。

有効容量の漂遊容量に対する比を改良するために局所的酸化珪素を使用すること について、第６ａ図及び第６ｂ図で説明する。第６ａ図及び第６ｂ図には、互い に結合される２つのシリコンウェーハ５の断片ヲ示示す。第６ａ図では、両者の ウェーハ５は、誘電層を全面的に施しかつ引き続き構造化することにより製造し た誘電層４５により結合する。これは例えば第１図及び第２図に示したと同じ加 速度センサに相当する。

漂遊容量及び有効容量はそれぞれ平板コンデンサにより形成する。平板コンデン サ内の容量は、コンデンサ平板の間隔に逆比例する、即ちコンデンサ平板の互い の間隔が広くなる程、容量は益々小さくなる。有効容量を増大しかつ漂遊容量を 小さくすることが所望される。矢印４７により、漂遊容量のコンデンサ平板の間 隔を示す。矢印４８は、有効容量のためのコンデンサ平板の間隔を示す。第６ａ 図から認識されるように、漂遊容量の間隔は、ウェーハ５が該図面に示された層 ４５により結合されると、有効容量の間隔に等しい。

第６ａ図では、２つの誘電層１２及び１３を介する２つのウェーハ５の結合が示 されている。この場合、誘電層１２はシリコンの局所的酸化により製造されてい る。第６ｂ図から認識されるように、局所的酸化部１２を使用することにより、 有効容量４８の間隔に対する漂遊容量４７の相対間隔を改良した。この比率は第 ６ａ図におけるようにもはや１対１でなく、約１対１．５である。したがって、 両者のウェーハ５間の結合面積を維持することにより、有効容量の漂遊容量に対 する比率を改良した。

第７図に、シリコン１４及び１５の２つの局所的酸化部を有する２つのシリコン ウェーハ５の結合を示す。この場合は、有効容量４８の漂遊容量４７に対する相 対間隔は約１対２に改良されている、即ち同じ結合面積で、漂遊容量を更に減少 させた。

第８図は２つのシリコンウェーハ５を示し、該シリコンウェーハは局所的酸化部 １５及び後加工された局所的酸化部１６により結合される。この場合には、有効 容量４８の漂遊容量４７に対する相対間隔の比率は更に有効容量のために１対３ に変化せしめられた。

第９図には、単結晶シリコンからなる上方板１、中間板２及び下方板３からなる 加速度センサを示す。中間板２から、可動電極４が構造化されている。第９図に 示された加速度センサは、その機能方式は第１図及び第２図に示した加速度セン サに相当する。上方板１及び下方板３は、それぞれ中間板２に向かい合った側に 密閉した誘電層１０を有する、即ち板１．２及び３の接合のために整合が不必要 である。更に、振動質量体３３は、ストッパとして使用可能である局所的酸化部 １７を有する。更に、中間板２は局所的酸化部１８を有し、該酸化部を中間板２ を上方板１及び下方板３との結合のために利用する。該局所的酸化部１７は、局 所的酸化部１８より薄い。これは製造工程で、窒化珪素内の開口がまず局所的酸 化部１８のためにのみ存在することにより解決される。次いで、局所的酸化をそ の他の時間後中断しかつ局所的酸化部１７を形成するために、窒化珪素層に別の 開口を設ける。その後、なお暫く酸化を更に継続する。時間的突出後により、局 所的酸化部１８は酸化部１７よりも厚くなる。従つて、第９図によるセンサは整 合することなく密閉可能である、該センサはストッパを有し、かつ有効容量の漂 遊容量に対する比率は好ましい。

一一一一一 ＦＩＧ、３ ＦＩＧ、４ ＦＩＧ、５ ＦＩＧ、７ ＦＩＧ、８ １＋＋＋、＋ｌ＋ＡＭ＋＋＋＋＋４−　ρＣＴ／ＤＥ　９３１００５７０フロン トページの続き （７２）発明者　パンティーン、フランクドイツ連邦共和国　Ｗ−７２５７ディ ッツインゲン　クニールシュトラーセ　４４ （７２）発明者　シューベルト、ディートリッヒドイツ連邦共和国　Ｗ−７４１ ０ロイトリンゲン　ペーターーローゼガーーシュトラーセ８４ （７２）発明者　オツフエンベルク、ミヒャエルドイツ連邦共和国　Ｗ−７４０ ０テユービンゲン　オプ　デア　グラ−フェンハルデフ （７２）発明者　ルードルフ、フェリツクススイス国　ＣＨ−２０１４ポーμ　 リューデ　クロフ　１７

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．表面的誘電層（１０〜２０）により相互に結合された単結晶シリコンからな る上方板（１）、中間板（２）及び下方板（３）と、中間板（２）から構造化さ れた加速により連動可能な電極（４）とを有し、該電極が中間板（２）から構造 化されており、上方板（１）及び下方板（３）と中間板（２）との間のそれぞれ の容量を測定する加速度センサにおいて、上方板（１）及び／又は下方板（３） が中間板（２）に向かい合った面に密閉した誘電層（１０）を有することを特徴 とする加速度センサ。 ２．板（１，２，３）が中空室（６）を包囲し、該中空室（６）内に可動電極（ ４）が存在しかつ該中空室（６）内に規定された圧力、有利には減圧が封じ込め られている、請求項１記載の加速度センサ。 ３．加速度センサが３つのシリコンウェーハ（５）の分割により製造されている 、前記請求項のいずれか１項記載の加速度センサ。 ４．ウェーハ（５）の少なくとも１つが構造を有しない、請求項３記載の加速度 センサ。 ５．表面的誘電層（１０〜２０）により相互に結合された単結晶シリコンからな る上方板（１）、中間板（２）及び下方板（３）と、中間板（２）から構造化さ れた加速により運動可能な電極（４）とを有し、上方板（１）及び下方板（３） と中間板（２）との間のそれぞれの容量を測定する加速度センサにおいて、下方 板（３）及び／又は上方板（１）が可動電極（４）の領域内に及び／又は中間板 （２）の可動電極（４）が誘電性材料からなるストッパ（７）を有することを特 徴とする加速度センサ。 ６．全ての板（１，２，３）が該板（１，２，３）を結合するための誘電層（１ １）を有し、それぞれの板（１，２，３）上に配置されたストッパ（７）が板（ １，２，３）の結合のための層（１１）と同じ厚さを有する、請求項５記載の加 速度センサ。 ７表面的誘電層（１０〜２０）により相互に結合された単結晶シリコンからなる 上方板（１）、中間板（２）及び下方板（３）と、中間板（２）から構造化され た加速により運動可能な電極（４）とを有し、該電極が中間板（２）から構造化 されており、上方板（１）及び下方板（３）と中間板（２）との間のそれぞれの 容量を測定する加速度センサにおいて、誘電層（１０〜２０）が酸化珪素からな り、かつ部分的に構造化されており、かつ構造化された酸化珪素の少なくとも一 部分がシリコンの局所的酸化により製造されていることを特徴とする加速度セン サ８．板の結合のために局所的酸化により製造された層（１２）が全面的に製造 された酸化珪素層（１３）と結合されている、請求項７記載の加速度センサ。 ９．板の結合のために局所的酸化により製造された２つの酸化珪素（１４，１５ ，１６）が相互に結合されている、請求項７記載の加速度センサ。 １０．両者の酸化珪素層（１５，１６）の１つの厚さが酸化後の加工により縮小 されている、請求項９記載の加速度センサ。 １１．加工を機械的に行う、請求項１０記載の加速度センサ。 １２．加工をエッチングにより行う、請求項１０記載の加速度センサ。 １３．表面的誘電層（１０〜２０）により相互に結合された単結晶シリコンから なる上方板（１）、中間板（２）及び下方板（３）と、中間板（２）から構造化 された加速により運動可能な電極（４）とを有し、かつ上方板（１）及び下方板 （３）と中間板（２）との間のそれぞれの容量を測定する加速度センサにおいて 、中間板（２）が構造化された誘電層（１７，１８）を有し、この層（１７）の 一部がストッパとしてかつ別の部分（１８）が上方板（３）及び下方板（３）と 結合するために使用可能であり、かつ上方板（１）及び下方板（３）と結合する ための層（１８）の厚さがストッパとして使用可能な層（１７）の厚さよりも大 きいことを特徴とする加速度センサ。 １４．誘電層（１７，１８）が二酸化珪素からなりかつシリコンの局所的酸化に より製造されている、請求項１３記載の加速度センサ。 １５．上方板（１）及び下方板（３）が中間板（２）に面した側に密閉した酸化 珪素膜を有する、請求項１３又は１４記載の加速度センサ。 １６．シリコンの局所的酸化により製造された誘電層（１０〜２０）がスパッタ リング、気相からの化学的析出又は気相からのプラズマ制御化学的析出により製 造されている、前記請求項のいずれか１項記載の加速度センサ。 １７．誘電層（１０〜２０）が酸化珪素からなる、請求項１６記載の加速度セン サ。 １８．誘電層（１９〜２０）が窒化珪素からなる、請求項１６記載の加速度セン サ。 １９．誘電層（１９〜２０）が硼珪酸ガラスからなる、請求項１６記載の加速度 センサ。