JPH075192A - 半導体加速度センサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】半導体の微細加工技術を利用して形成した、小
形で加速度検出感度が高く、かつ感度の自己診断機能が
高い、従って精度良好な、半導体加速度センサとその製
造方法を提供することにある。 【構成】従来の半導体加速度センサの重錘部３の自由端
面に、更に、シリコン基板を異方性エッチングして形成
した末広がりの延長用重錘部１４ｃを接着して、接着後
の重錘部の質量を増大させて加速度検出感度を向上さ
せ、かつ、延長させた重錘部の自由端面積増大により固
定電極との間で電圧印加時に作用する静電力を増大さ
せ、加速度検出感度の自己診断機能を高めた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体をマイクロマシ
ーニングして形成した、加速度検出感度やその精度が良
好で、しかも占有面積が小さくて済む、検出感度自己診
断機能を備えた半導体加速度センサ及びその製造方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体の微細加工技術を機械の構
成に応用したマイクロマシーンが各種製作され、小型化
に好適なので重宝がられている。その一例として例えば
図４に示すようなものがある。これは、両持ち梁式加速
度センサで、梁に直交する方向に加えられた加速度を梁
の撓み量によって検出し、他方、部材間に算出可能な静
電力を発生させ、そのときに発生する梁の撓み量と比較
することによって加速度検出感度の自己診断を行えるよ
うにしたものである。かかる加速度センサは例えばリン
ミッシェル ロイランス及びジェイムズ ビー エインジ
ェル（ Lynn Mi-chlle Roylance, James B. Angell）に
よって「ア バッチ ファブリケイティッド シリコン
アクセレロメータ」（"A Batch-Fabricated Silicon
Acceler-ometer"）なる題名で米国電気電子学会の電子
素子研究論文誌（IEEE Transac-tions on Electron Dev
ices）巻ED-26，No.12、１９７９年１２月号に発表され
ている。図４において、１はセンサ・チップとなるｐ形
シリコンよりなる半導体基板で、裏面からの異方性エッ
チングにより肉薄の梁２が形成されていて、これが中央
の重錘部３を両側の支持部１ａから支持するいわゆる両
持ち梁構造となっている。このセンサ基板の上面には凹
部７を有するシリコンのキャップ４が、下面には凹部８
を有するシリコンの台座５が合金接合等により接着され
ていて、基板面に直角な方向の加速度に応じて重錘部３
が上下に変位でき、かつ其の変位が上下それぞれで凹部
７中の突起部９と凹部８中の突起部１０により制限さ
れ、過大加速度印加時の梁の破損を防止するような構成
になっている。梁２の表面には半導体基板１の端部に近
い支持部１ａ側と重錘部３に近い側とに１対のピエゾ抵
抗６が配置されていて、加速度印加により重錘部３が変
位し、梁が扁平Ｓ字状に変形して梁の表面に歪が生じる
と、その歪は、梁の一端に近い側では延び、他端に近い
側では縮み、又は、その逆になり、１対のピエゾ抵抗の
抵抗値は互いに逆に変化する。従って、重錘部３の両側
にある２個所の梁２に配置したピエゾ抵抗それぞれを対
向辺とする図示してないフル・ブリッジ回路を構成させ
れば、ピエゾ抵抗の変化量を容易に検出できる。また、
こうすることによって他の方向例えば基板面に平行な方
向に対する感度を低減させることが可能となっている。
センサ・チップとなる半導体基板１と、それぞれキャッ
プ４、台座５の間に形成された狭いギャップは、重錘部
３のストッパとして機能するばかりでなく、梁２の共振
を抑制するエア・ダンパとしても作用する。重錘部３の
上には加速度検出感度の自己診断に用いる金属電極１１
が設置されていて上側のキャップ４との間に狭いギャッ
プを挾んで対向している。キャップ４の凹部にも金属電
極（図示せず）が形成されており、この電極は接着部を
通ってボンディング・パッド１２に引出されている。こ
の上側キャップ４の電極と重錘部３上の電極１１の間に
電圧を印加すると静電力により重錘部３は上側に変位
し、下向き加速度が加わった時と同様な変形歪を梁２に
発生させることができる。この時のピエゾ抵抗６の抵抗
変化による出力をチェックすることによりセンサの検出
感度を確認するいわゆる自己診断が可能となる。

【０００３】従来からの半導体加速度センサには、図４
に示した例の他に、図５に示すような例もある。この例
では、図４に示した例で用いられていたシリコン・キャ
ップ４がなく、自己診断時に用いる金属電極１３がシリ
コン台座５の凹部８に形成されている。加速度の検出方
法は図４に示した従来例の場合と同様に、重錘部３を半
導体基板１の支持部１ａ（固定部分）に連結して支持す
る梁２の上に、重錘部寄りと固定部寄りの２個所に配置
したピエゾ抵抗６が、加速度によって重錘部３が上下方
向に変位した時、梁２に生ずる歪の程度に応じて互いに
逆方向に増減する量によって検出する。この従来例でセ
ンサ・チップを形成しているのは導電形がｐ形の層と、
その片面にエピタキシャル成長により形成させた比較的
薄いｎ形層（いわゆるｎエピ層）よりなるシリコンの半
導体基板で、このような基板は、ｐ形の＜１００＞面か
らアルカリ性水溶液中で電界をかけてエレクトロケミカ
ルエッチング（以後ＥＣＥと略称）により異方性エッチ
ングを行って、Ｖ字状溝を形成させる際、ｎエピ層に対
してはエッチング速度が遅いので、このｎエピ層が梁部
として残る。このｎエピ層の端部にこの層を貫通するｐ
+領域が形成されていて、この領域の表面にボンディン
グ・パッド１２が設置されている。自己診断に際して
は、上記ボンディング・パッドを用いて台座５の凹部の
電極１３との間に電圧を印加することによって、重錘部
３の端面と電極１３との間に静電力を作用させ、重錘部
３を下方へ変位させ、その変位の程度を、加速度を印加
した時と同様に、梁部２の上に配置したピエゾ抵抗６の
抵抗変化により検出する。図４に示した従来例に比較す
ると、シリコン・キャップを使用しないため、自己診断
用の電極をセンサ・チップの重錘部の上側に形成させる
必要が無く、センサ・チップ面を有効に使用でき、配線
なども複雑にならないが、その代り、下方への過大な加
速度が加わった際に、振幅を抑制して梁部を保護する機
能は失われる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のような
従来の半導体加速度センサでは、重錘部を＜１００＞面
を表面とするシリコン基板にＥＣＥにより異方性エッチ
ングを行って形成した加速度センサ基板と、凹部に金属
電極を蒸着、パターンニングしたシリコンキャップ又は
台座を接着して、重錘部裏面または端面とシリコンキャ
ップ又は台座の凹部金属電極との間に静電力を働かせる
自己診断用静電アクチュエータを構成させるような構造
になっている。そのため、（ｉ）＜１００＞面を表面と
するシリコン基板にＥＣＥにより異方性エッチングを行
って形成した重錘部は、梁で支持されている基部の幅に
比べて端部では幅が小さくなり、加速度計測のためには
ある程度重錘部の質量を大きくしたいのに、たとえ基板
を厚くしてみても端部の幅は細くなるばかりで重錘部の
質量は余り大きくならず、センサ・チップの面積効率が
悪い、（ii）自己診断機能を持たせるために重錘部端部
と台座固定電極との間に作用する静電力を利用するが、
そのためにも重錘部端部の幅が細いのは困る。重錘部の
端部の幅が狭いままで大きな静電力を作用させようとす
れば、印加電圧に限度があることを考えれば、電極間の
ギャップを狭くしなければならないが、そうするとギャ
ップの均一性の管理が製造工程で困難になり、また場合
によっては、重錘部の下方可動範囲が短く制限されて計
測対象である加速度の上限を低く抑えることになる、な
どの問題点が生じていた。

【０００５】本発明は、上記のような問題点のない、加
速度検出感度が高く、検出感度の自己診断機能も良好
な、すなわち加速度を高精度で検出できる、半導体加速
度センサとその製造方法を提供することを課題とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明においては、半導体基板面の２個所に平行に溝
を形成させ、これらの溝の中間部よりなる重錘部と、重
錘部を溝を隔てて囲み重錘部に比較して大質量の物体に
取付けられる支持部と、溝底部を形成し重錘部と支持部
を連結して重錘部を支持する肉薄な梁部と、梁部の同一
面に、重錘部寄りと支持部寄りに対をなして配置された
ピエゾ抵抗と、重錘部端面に対向して空間を隔てて平行
に、支持部と一体に設置された導電面とを備え、上記半
導体基板面に直交する方向に加速度が働き重錘部の慣性
により梁部が変形した際、梁部の１対のピエゾ抵抗の抵
抗値が加速度の大きさに対応して互いに逆方向に変わる
変化量を、加速度の大きさを示す量として検出し、さら
に、その値と、上記重錘部端面とそれに平行な導電面の
間に電圧を印加したとき、静電力により生ずるピエゾ抵
抗変化検出値とを比較することにより、加速度検出感度
の自己診断を行う半導体加速度センサにおいて、＜１０
０＞面を表面とするシリコン基板（上記半導体基板も実
際にはシリコンで作るが、別部材であることを示すため
に特にシリコン基板とよぶ）面に、上記半導体基板面の
平行溝の間隔以上離して２個所に平行に異方性エッチン
グによりＶ字状溝を形成させ、この基板表面の２個所の
溝の間の中央が上記重錘部の端面の中央に合致するよう
にシリコン基板表面を上記半導体基板表面に接着させた
後、シリコン基板のＶ字状溝底部を切断し、接着により
両端支持部の中間に新たに形成された重錘部の２基板接
着部位より幅の広い端面に平行に空間を隔てて、支持部
に接着された台座と一体に形成した導電面を設けること
にした。

【０００７】実際には、支持部、梁部、重錘部を形成さ
せる上記半導体基板としても、＜１００＞面を表面とす
るｐ形シリコン基板の片面に、低キャリヤ濃度のｎ形層
をエピタキシャル成長させたものを用い、ｐ形＜１００
＞面上の２個所に、ＥＣＥにより異方性エッチングを行
ってＶ字状溝を形成させて、肉薄のｎ形エピタキシャル
層よりなる梁部と、梁部によって両端を支持部に連結さ
れた、端面に近付くにつれて次第に幅が狭くなる重錘部
などが形成される。さらに別個の、＜１００＞面を表面
とするｐ形シリコン基板の片面に、低キャリヤ濃度のｎ
形層をエピタキシャル成長させたもののｐ形の表面上
の、上記半導体基板面の溝の間隔以上に離れた２個所に
平行にＥＣＥにより異方性エッチングを行ってＶ字状溝
を形成させたのち、上記両基板の何れか一方を裏返し
て、それぞれの表面の２個所の溝の間の中央が合致する
ように、両基板の表面同士を、導電性接合部材によって
合金接合法で接着させたのち、シリコン基板のＶ字状溝
それぞれの底部を、エッチング液中でのレーザ光照射に
よる選択性エッチングなどによって切断し、両基板接着
部位では細幅で端部では広幅の端面を有する重錘部と、
それを空間を隔てて囲む支持部とを形成させ、さらに、
重錘部の上記切断によって自由になった端部の側の支持
部端面に、片面に平坦底面を有する凹部を形成させた台
座を、凹部を重錘部の端面に向けて接着させ、重錘部端
面に対向して平行な導電面を台座の凹部底面に設ける。

【０００８】

【作用】上記手段を採れば、重錘部の質量が大きくなっ
て加速度検出感度が向上する。また、重錘部の端面積が
大きくなるから、この端面に対向する固定電極との間の
ギャップを余り狭くしないでも、対向する固定電極との
間の静電力を増大させることができ、自己診断機能を向
上させることができる。従って、加速度検出感度が高
く、しかも良好な自己診断機能に裏付けられた精度の高
い、半導体加速度センサが得られることになる。

【０００９】

【実施例】図１は、本発明の第１実施例センサの要部断
面図である。＜１００＞面を表面とするｐ形シリコン基
板の片面に、ｎ形層をエピタキシャル成長させた半導体
基板１のｐ形表面の２個所に、ＥＣＥにより異方性エッ
チングを行って、平行なＶ字状溝を形成させ、低濃度ｎ
形層ではエッチング速度が低下することを利用して、表
面に平行で所定長のＶ字状溝の底部すなわち梁部２を形
成させる。２個所の梁部の中間には重錘部３が形成さ
れ、基板の両端には夫々支持部１ａが形成される。梁部
２の上部に、支持部寄りと重錘部よりの２個所にピエゾ
抵抗６が形成されている。また、別個の、同様に＜１０
０＞面を表面とするｐ形シリコン基板の片面に、ｎ形層
をエピタキシャル成長させたシリコン基板のｐ形の表面
に、上記半導体基板面の溝の間隔以上に離れた２個所に
平行にＥＣＥにより異方性エッチングを行ってＶ字状溝
を形成させたシリコン基板１４を作成する。上記両基板
１、１４の何れか一方を裏返して、それぞれのｐ形表面
の２個所の溝の間の中央が合致するように、両基板の表
面同士を、合金接合法により、例えば銀ろう系接合部材
で、接着させたのち、シリコン基板１４の２個所のＶ字
状溝それぞれの底部に残るｎ形エピタキシャル層（いわ
ゆるｎエピ層）１４ｂを、例えばＮＨ₄Ｆなどのエッチ
ング液中でのレーザ光照射による選択性エッチングによ
って切断し、両基板接着部位では細幅で自由端では広幅
の端面を有する延長用重錘部１４ｃと、それを空間を隔
てて囲んで支持する延長用支持部１４ａとを分離して形
成させる。シリコン基板１４の両端に形成された延長用
支持部１４ａの下部に、例えばガラス製の台座５を接着
させる。この台座５には、中央部に凹部８が形成されて
おり、この凹部には蒸着・パターニングにより金属電極
１３が形成されている。上記のような、本発明半導体加
速度センサの基板面に直交する方向に加速度が加わる
と、重錘部３は慣性により変位し、そのために梁部２に
は変形歪が生ずる。梁部２の支持部寄りと重錘部寄りに
配置した１対のピエゾ抵抗は、上記重錘部の変位量に対
応して、互いに逆に増減する。２個所の梁部２の上に配
設したピエゾ抵抗６で、フルブリッジ回路を構成させ、
抵抗値変化を測定すれば、それは重錘部の変位すなわち
加速度に比例していることになる。半導体基板１のｎエ
ピ層１ｂの端部に、この層を貫通するｐ+形領域を形成
させてあって、この領域の表面にボンディングパッド１
２が配置してある。このボンディングパッドに電圧を印
加すると、重錘部は、合金接合法により接着された部分
の端面に至るまで全て同電位になる。そのため、台座５
の凹部８内面に形成された電極１３と重錘部自由端面と
の間に静電力が作用し、重錘部は変位する。この場合、
上記電圧は既知であるから、静電力は算出できる。算出
された特定の静電力によって生じた重錘部の変位、それ
による梁部の撓みによって生じたピエゾ抵抗の変化量
は、加速度によって重錘部が同一長変位したときのピエ
ゾ抵抗変化に等しい。重錘の変位の原因が、加速度であ
るか、静電力であるか、を問わずに、重錘部の変位した
がって梁部の撓み量（ピエゾ抵抗の変化量）と、基板直
交方向に重錘部に印加される力との関係が正確に得られ
る。重錘部の質量が判れば、上記の力から加速度も判
る。従って、この半導体加速度センサの検出感度を自己
診断できることになる。図２は、本発明第２実施例の半
導体加速度センサの要部断面図である。この実施例で
は、半導体基板１の上面に、凹部７を有するシリコンキ
ャップ４を接着してある。これにより、シリコンキャッ
プの突起部９によって重錘部３の上方への変位量が制限
され、過大な加速度が上下いずれの方向に印加されて
も、梁部２の破損が生じないように保護される。その他
の点では、第１実施例と全く同様である。なお、上記第
１実施例、第２実施例ともに重錘部を両持ち梁で支持さ
せているが、必ずしも両持ち梁形式に固執する必要はな
く、片持ち梁（カンチレバー）形式にしても良い。但
し、その場合は、梁部の一方の表面は伸び、他方の面は
縮むだけなので、ピエゾ抵抗はどちらか一方の面に一つ
配置するだけで良い。また、両面に配置して抵抗が互い
に逆方向に変化するのを利用しても良い。

【００１０】図３は本発明半導体加速度センサの製造方
法の概要を説明する図である。図（ａ）は＜１００＞面
を表面とするｐ形シリコン基板の片面に、ｎ形層をエピ
タキシャル成長させた半導体基板１のｐ形表面の２個所
に、ＥＣＥにより異方性エッチングを行って、平行なＶ
字状溝を形成させ、低濃度ｎ形層ではエッチング速度が
低下することを利用して、表面に平行で所定長のＶ字状
溝の底部すなわち梁部２、重錘部３、支持部１ａを形成
させ半導体基板１の断面図を示す。なお、図（ａ）中、
１ｂはｎ形エピタキシャル層（いわゆるｎエピ層）であ
る。図（ｂ）は＜１００＞面を表面とするｐ形シリコン
基板の片面に、ｎエピ層１４ｂをエピタキシャル成長さ
せたシリコン基板１４のｐ形表面の、半導体基板１上の
溝間隔以上に離れた２個所に、ＥＣＥにより異方性エッ
チングを行った状態を示す断面図で、１４ａは両端に位
置してエッチング時に残ったｎエピ層１４ｂにより中央
の延長用重錘部１４ｃに連結されている延長用支持部で
ある。図（ｃ）は導電性のある接合部材１５により半導
体基板１とシリコン基板１４の表面同士を、それぞれの
表面に形成させた溝の中央が合致するように合金接合法
により接着させた状態を示す図である。図（ｄ）はシリ
コン基板１４のＶ字状溝の底部にエッチングされ難いた
めに残ったｎエピ層１４ｂの一部分１４ｄを、エッチン
グ液中でレーザ光を照射するなどの手段で選択的に除
去、切断した状態を示す図である。図（ｅ）は上記のよ
うな工程を経て、中央に、中段の２基板接着部でくびれ
て上下とくに下端で幅が広くなった重錘部を、両側の支
持部から延びる梁部が支持している状態を示す図であ
る。

【００１１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、重
錘部の質量が従来よりも大きくなって同一加速度に対し
て従来よりも重錘部の変位量が大きくなり、しかも、重
錘部端面の面積が大きくなって同一印加電圧に対して従
来よりも大きな静電力が作用するようになり、加速度検
出感度、それに対する自己診断機能ともに向上した、高
感度で精度良好な半導体加速度センサとその製造方法が
得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例センサの要部断面図であ
る。

【図２】本発明第２実施例半導体加速度センサの要部断
面図である。

【図３】本発明半導体加速度センサの製造方法の概要を
説明する図である。

【図４】従来の半導体加速度センサの一例を示す断面図
である。

【図５】従来の半導体加速度センサの他の例を示す断面
図である。

【符号の説明】

１…半導体基板、 １ａ…支持部、１
ｂ…ｎエピ層、 ２…梁部、３…重錘
部、 ４…キャップ、５…台座、
６…ピエゾ抵抗、７、８…凹
部、 ９…突起部、１２…ボンディ
ングパッド、 １３…電極、１４…シリコン基
板、 １４ａ…支持部、１４ｂ…ｎエピ
層、 １４ｃ…延長用重錘部、１５…接
合部材。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体の微細加工技術を利用して、半導体
   基板面の２個所に平行に溝を形成させ、これらの溝の中
   間部よりなる重錘部と、重錘部を溝を隔てて囲み重錘部
   に比較して大質量の物体に取付けられる支持部と、溝底
   部を形成し重錘部と支持部を連結して重錘部を支持する
   肉薄な梁部と、梁部の同一面に、重錘部寄りと支持部寄
   りに対をなして配置されたピエゾ抵抗と、重錘部端面に
   対向して空間を隔てて平行に、支持部と一体に設置され
   た導電面とを備え、上記半導体基板面に直交する方向に
   加速度が働き重錘部の慣性により梁部が変形した際、梁
   部の１対のピエゾ抵抗の抵抗値が加速度の大きさに対応
   して互いに逆方向に変わる変化量を、加速度の大きさを
   示す量として検出し、更に、その値と、上記重錘部端面
   とそれに平行な導電面の間に電圧を印加したとき、静電
   力により重錘部が移動して生ずるピエゾ抵抗変化量とを
   比較することにより、加速度検出感度の自己診断を行う
   半導体加速度センサにおいて、＜１００＞面を表面とす
   るシリコン基板面に、上記半導体基板面の平行溝の間隔
   以上離して２個所に平行に異方性エッチングによりＶ字
   状溝を形成させ、この基板表面の２個所の溝の間の中央
   が上記重錘部の端面の中央に合致するようにシリコン基
   板表面を上記半導体基板表面に接着させた後、シリコン
   基板のＶ字状溝底部を切断し、接着により両端支持部の
   中間に新たに形成された重錘部の２基板接着部位より幅
   の広い端面に平行に空間を隔てて、支持部に接着された
   台座と一体に形成した導電面を設けたことを特徴とする
   半導体加速度センサ。
2. 【請求項２】＜１００＞面を表面とするシリコン基板面
   の２個所に平行に異方性エッチングによりＶ字状溝を形
   成させて半導体基板として用い、さらに別個の、＜１０
   ０＞面を表面とするシリコン基板面に、上記半導体基板
   面の溝の間隔以上に離れた２個所に平行に異方性エッチ
   ングによりＶ字状溝を形成させたのち、これらの基板の
   一方を裏返して、それぞれの表面の２個所の溝の間の中
   央が合致するように、表面同士を導電性のある接合部材
   により接着させたのち、シリコン基板のＶ字状溝それぞ
   れの底部を選択性エッチングにより切断し、接着部位で
   は細幅で端部では広幅の端面を有する重錘部と、それを
   空間を隔てて囲む支持部とを形成させ、さらに、重錘部
   自由端側の支持部端面に、片面に平坦底面を有する凹部
   を形成させた台座を、凹部を重錘部の端面に向けて接着
   させ、重錘部端面に対向して平行な導電面を台座の凹部
   底面に形成させたことを特徴とする請求項１に記載した
   半導体加速度センサの製造方法。