JPH10300773A - 加速度センサならびに角加速度センサおよびそれらの製造方法 - Google Patents
加速度センサならびに角加速度センサおよびそれらの製造方法Info
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Abstract
く、検出感度および信頼性に優れた加速度センサを実現
する。 【解決手段】 支持枠部と、変位可能な少なくとも1個
の重り部および該重り部を前記支持枠部と連結する梁部
からなるセンサ構造体が基板シリコン上に絶縁層を介し
て形成されている薄膜シリコンに形成されている加速度
センサである。センサ構造体と基板シリコンの間の絶縁
層は除去されており、梁部は互いに平行な2本の梁から
なり、重り部は平行な2本の梁によって支持枠部に連結
され、平行な2本の梁のそれぞれの表面に少なくとも2
個の半導体ストレインゲージが形成されている。
Description
医療、計測、校正など、広範囲の分野において用いられ
る加速度センサ、角加速度センサおよびその製造方法に
関する。
て、特許第2551625号に開示された半導体加速度
センサを示す。図18において(a)は斜視図、(b)
はそのCC線断面図である。この半導体加速度センサ
は、シリコン単結晶基板をエッチング加工して、支持枠
1、重り部2a、2b、重り部2aと2bを連結する梁
部3a、重り部2a、重り部2bと支持枠をそれぞれ連
結する梁部3b、3cを形成し、梁部の上にゲージ抵抗
4a、4b、4c、4dを設けてそれらでホイートスト
ーンブリッジを構成したものである。図18(b)の矢
印で示す方向に加速度が働くとゲージ抵抗の抵抗値が変
化するのを利用して加速度を計測する。
に、シリコン基板を裏側から深くエッチング加工して3
00μmから400μm程度の厚肉の重り部と10μm
から50μm程度の薄肉の梁部を形成している。シリコ
ン基板としては、一般に4インチウエハが多く用いられ
ている。その理由は以下のとおりである。すなわち、梁
部を薄くするために基板を深くエッチングする必要があ
り、加工時間からくる生産性上の制約から、ウエハの厚
さは薄い方が有利である。重り部の厚さに相当する30
0μmから400μm程度の厚さでプロセス上で取り扱
い可能なウエハの寸法は4インチ程度であり、これ以上
の5インチや6インチの大口径ウエハの取り扱いはかな
り困難である。さらに、図18(b)に示すように、薄
肉の、共振点の低い梁部が多数形成されたダイシング前
のウエハは剛性が低く、衝撃が加わるとセンサ部あるい
はウエハ自身の共振現象が発生し易く、梁部に過大な変
位、応力が働く危険がある。従って、ウエハの寸法には
取り扱い上限界があった。
合、そのコストのほとんどがチップサイズとウエハサイ
ズで決まってしまう。例えば、同等の技術レベルで加速
度センサを製造する場合、ウエハサイズが大きければ、
1回のバッチ工程で処理できるチップ数が多く、当然チ
ップ単価は安くなる。しかし、上述した従来技術では、
使用できるウエハサイズに限界があり、コストの引き下
げはチップサイズの減少に求めるしかないが、チップサ
イズの減少にも、感度の低下、製造歩留まりの低下など
から限界がある。さらに、今後、半導体ウエハの大口径
化が進み、4インチウエハの供給が減少することも予想
される。仮に、5インチまたは6インチ等の大口径ウエ
ハでこの様な加速度センサを実現するには、600μm
から700μm程度の厚さのシリコン基板から10μm
〜30μmの厚さの梁部を形成しなければならず、エッ
チング加工時間の増加だけでなく、製造歩留まりの低下
の原因となる。
して、特開平8−248058号に開示されている加速
度センサの要部(櫛形電極部)を模式的に示す。この加
速度センサは第1の層(支持プレート)、その上の絶縁
層である第2の層およびさらにその上に被着された第3
の層からなる3層系、例えばSOI(シリコンオンイン
シュレータ)ウエハまたはエピタキシーポリシリコンウ
エハ(単結晶シリコン基板上に絶縁層を介して第3の層
としてポリシリコンを成長させたもの)を用いたもので
ある。第3の層には、変位可能な質量体(第1の支持
体)11が形成され、第1の支持体は直角方向に伸びる
複数の第1のプレート12を有して櫛形構造をなし、一
方、第1の支持体11の両側に第1の支持体と並行に形
成された第2の支持体13,13は直角方向に伸びる複
数の第2のプレート14を有して櫛形構造をなしてい
る。変位可能な質量体および複数の第1のプレートの下
部の絶縁層はエッチング除去され、質量体および複数の
第1のプレートは第1の層に平行に変位可能である。複
数の第2のプレートの下部の絶縁層は同様にエッチング
除去されているが、第2の支持体13,13の下部の絶
縁層は存在しており、従って、複数の第2のプレートは
変位不能とされている。複数の第1のプレート12と複
数の第2のプレート14はそれぞれ櫛形電極を構成し、
変位可能な質量体が第1のプレートと直角の方向に変位
すると容量が変化することを利用して加速度を計測す
る。これらの櫛形電極を外部回路へ導く導体路は第2の
層(絶縁層)によって第1の層から電気的に絶縁され、
さらに切欠部によって第3の層から電気的に絶縁される
構造である。
センサでは、容量変化を大きくして感度を増加させるた
めに、可動電極(第1のプレート)と固定電極(第2の
プレート)とのギャップを1〜5μmのレベルで形成す
る必要がある。しかしながら、対向する第1のプレート
と第2のプレートの間の容量だけでなく、これらの櫛形
構造が形成されている第3の層と支持プレート(第1の
層)との寄生容量があり、これらが総合して初期容量と
なる。一方、変位(加速度)の検出に際しては、櫛形構
造の対向する第1および第2のプレートの容量変化のみ
が検出されるので、初期容量に対する容量変化が少な
く、従って、センサの感度を高くすることが難しい。さ
らに、この加速度センサは絶縁層をエッチングして多数
のセンサを形成した後、個別チップに分割するためのダ
イシング工程などで、櫛形電極間のギャップへの異物の
侵入の問題があり、あるいは、センサの使用中にセンサ
部に働いている静電力のために実装されている他部品か
ら異物が侵入するなどの問題がある。侵入する異物の大
きさによっては、櫛形電極の動きを妨げてしまうことが
あり、電極の動きを妨げない程度の大きさの異物の場合
でも、異物の材質によっては櫛形電極間の容量を変化さ
せてしまうことがある。さらに、エピタキシーポリシリ
コンウエハを用いる場合は、ポリシリコンがCVD装置
などの成膜装置によって生成されるものであるため、外
観寸法は同じであっても、内部応力や破壊応力などの機
械的特性にばらつきが発生し、センサの信頼性に欠ける
という問題があった。
した従来の問題、すなわち 1)単体の単結晶シリコンウエハを用いた加速度センサ
では、ウエハ厚さの厚い大口径のウエハ使用が困難であ
る、 2)SOIウエハあるいはエピタキシーポリシリコンウ
エハを用いた容量型の場合は、 a)センサの感度を高くすることが難しいこと、 b)絶縁層を除去した後のダイシング工程で、センサ構
造体への異物の侵入が起こり得 ること、 c)小さな異物の侵入によって検出容量が変化するこ
と、 d)センサ構造体の機械的な特性に関する信頼性が低い
こと、 を解決することにある。
ために、本発明による加速度センサは、支持枠部と、変
位可能な少なくとも1個の重り部および該重り部を前記
支持枠部と連結する梁部からなるセンサ構造体とが基板
シリコン上に絶縁層を介して形成された薄膜シリコンに
形成されている加速度センサにおいて、前記センサ構造
体と前記基板シリコンの間の前記絶縁層は除去されてお
り、前記梁部は互いに平行な複数組の梁からなり、前記
重り部は該平行な複数組の梁によって前記支持枠部に連
結され、前記平行な複数組の梁のうちの少なくとも1組
の梁の表面に少なくとも2個の半導体ストレインゲージ
が形成されていることを特徴とする。
あり、前記平行な複数組の梁は該重り部の4隅部に突出
して形成され、複数組の梁の表面にはそれぞれ4個の半
導体ゲージが形成されてホイートストーンブリッジを構
成している。あるいは、好ましくは前記重り部が2個で
あり、前記平行な複数組の梁は前記2個の重り部と前記
支持枠部の間および前記2個の重り部の間に形成され、
前記平行な複数組の梁のうちの前記2個の重り部の一方
と前記支持枠部との間の梁の少なくとも一つ、前記2個
の重り部の他方と前記支持枠部との間の梁の少なくとも
一つおよび前記2個の重り部の間の梁のそれぞれの表面
に少なくとも1個の半導体ゲージが形成されてホイート
ストーンブリッジを構成している。
重り部の厚さより薄い。
持枠部と、表面に磁性薄膜が形成された変位可能な重り
部および該重り部を前記支持枠部と連結する梁部からな
るセンサ構造体が基板シリコン上に絶縁層を介して形成
された薄膜シリコンに形成され、前記センサ構造体と前
記基板シリコンの間の前記絶縁層は除去されており、前
記重り部の周辺の支持枠部上に重り部を囲んでコイルが
形成されていることを特徴とする。
は、支持枠部と、それぞれ表面に磁性薄膜が形成された
変位可能な重り部および該重り部を前記支持枠部と連結
する梁部からなる複数のセンサ構造体が基板シリコン上
に絶縁層を介して形成された薄膜シリコンに形成され、
前記複数のセンサ構造体と前記基板シリコンの間の前記
絶縁層は除去されており、前記それぞれの重り部の周辺
の支持枠部上に重り部を囲んでそれぞれコイルが形成さ
れ、前記複数のコイルが直列に接続されていることを特
徴とする。
および前記直列に接続された複数の検出コイルからな
り、センサ構造体および検出コイルの数が異なる複数の
センサ群が同一の半導体チップに形成されていることが
好適である。
を行うための手段をさらに具え手いることが望ましく、
また、加速度センサが形成されている半導体チップに増
幅回路およびディジタル調整回路が形成されていること
が望ましい。
持枠部と、それぞれ表面に磁性薄膜が形成された変位可
能な第1の重り部および該第1の重り部を前記第1の支
持枠部と連結する第1の梁部からなる複数の第1のセン
サ構造体が基板シリコン上に絶縁層を介して形成された
薄膜シリコンに形成され、前記複数の第1のセンサ構造
体と前記基板シリコンの間の前記絶縁層は除去されてお
り、前記第1の重り部のそれぞれの周辺の第1の支持枠
部上に第1の重り部を囲んでそれぞれ第1の検出コイル
が形成され、前記複数の第1の検出コイルが直列に接続
されている第1のセンサ群と、第2の支持枠部と、それ
ぞれ表面に磁性薄膜が形成された変位可能な第2の重り
部および該第2の重り部を前記第2の支持枠部と連結す
る第2の梁部からなる複数の第2のセンサ構造体が前記
基板シリコン上に絶縁層を介して形成された前記薄膜シ
リコンに形成され、前記複数の第2のセンサ構造体と前
記基板シリコンの間の前記絶縁層は除去されており、前
記第2の重り部のそれぞれの周辺の第2の支持枠部上に
第2の重り部を囲んでそれぞれ第2の検出コイルが形成
され、前記複数の第2の検出コイルが直列に接続されて
いる第2のセンサ群とが同一の半導体チップ上に形成さ
れ、前記第1のセンサ群と第2のセンサ群のセンサ構造
体の数は等しく、前記第1のセンサ群と第2のセンサ群
は検出軸を対称軸として対称に配置され、前記検出軸の
周りの角加速度が発生したときに、前記第1および第2
のセンサ群の複数の第1および第2の検出コイルに流れ
る電流が同じ方向となるように前記第1および第2のセ
ンサ群の第1および第2の検出コイルは閉ループを構成
し、前記複数の第1および第2の検出コイルからの信号
を増幅する手段および前記複数の検出コイルからの出力
を積分して角速度信号を出力する手段を備えたことを特
徴とする。
下記工程、(a)基板シリコン、SiO2 層および薄膜
シリコンからなるSOIウエハを作製する工程、(b)
前記薄膜シリコンの、半導体ストレーンゲージに対応す
る位置に不純物をイオン注入して拡散抵抗を形成し、さ
らに前記薄膜シリコンに回路構成に必要なデバイス形成
する工程、(c)前記ウエハの全面に保護膜を設け、パ
ターニングおよびエッチングにより、前記薄膜シリコン
を貫通する貫通孔を開け、重り部と周囲に残された支持
枠部につながる梁部を形成する工程、(d)前記貫通孔
を形成するための保護膜はそのまま残し、ウエットエッ
チングによって、前記重り部および梁部の下部のSiO
2 層をエッチング除去する工程、(e)前記保護膜を除
去し、前記ウエハの全面にレジストを塗布する工程、
(f)ダイシングによって、前記ウエハの厚さを少し残
してチップを分割するためのスリットを形成する工程、
(g)O2 プラズマによって前記ウエハ上の前記レジス
トを灰化して除去する工程、(h)前記スリットに応力
を集中させてチップを分割する工程、を有することを特
徴とする。
は、下記工程、(a)基板シリコン、SiO2 層および
薄膜シリコンからなるSOIウエハを準備する工程、
(b)前記薄膜シリコンの、半導体ストレーンゲージに
対応する位置に不純物をイオン注入して拡散抵抗を形成
し、重り部に対応する位置に磁性薄膜を形成し、前記磁
性薄膜を囲んで検出コイルを形成し、さらに前記薄膜シ
リコンに回路構成に必要なデバイス形成する工程、
(c)前記ウエハの全面に保護膜を設け、パターニング
およびエッチングにより、前記薄膜シリコンを貫通する
貫通孔を開け、重り部と周囲に残された支持枠部につな
がる梁部を形成する工程、(d)前記貫通孔を形成する
ための保護膜はそのまま残し、ウエットエッチングによ
って、前記重り部および梁部の下部のSiO2 層をエッ
チング除去する工程、(e)前記保護膜を除去し、前記
ウエハの全面にレジストを塗布する工程、(f)ダイシ
ングによって、前記ウエハの厚さを少し残してチップを
分割するためのスリットを形成する工程、(g)O2 プ
ラズマによって前記ウエハ上の前記レジストを灰化して
除去する工程、(h)前記スリットに応力を集中させて
チップを分割する工程、を有することを特徴とする。
にSOI(シリコンオンインシュレータ)ウエハを用い
る。SOIウエハ成形技術として、再結晶化法、エピタ
キシャル成長法(SOSなど)、絶縁層埋込法(SIM
OXなど)、貼合法など、幾つかの方法が公知である
が、本発明に好適に適用可能なSOIウエハは、酸化膜
を利用した直接接合技術によって成形される。すなわ
ち、厚さ500〜700μmの第1のシリコン基板(支
持用基板)の表面を鏡面に研磨し、同じ口径の第2のシ
リコン基板(可動部形成用基板)の表面に厚さ数μmの
酸化膜を形成し、これら2枚の基板を重ね合わせ、密着
させて酸化雰囲気中で加熱させることにより、2枚の基
板を接合させる。ついで、第2の基板を研磨および精密
鏡面研磨して接着面と対向する表面の酸化膜を除去する
とともに、第2の基板の厚さを所定の厚さ、例えば5〜
10μm、とすることによって、所望のSOIウエハが
得られる。
して多数個の加速度センサを形成する。具体的には、第
2のシリコン基板に、重り部と梁部からなる可動部とそ
れを支持する支持枠部を有し、梁部に半導体ストレイン
ゲージが形成されたセンサ部、増幅回路、ディジタル調
整回路、配線および入出力端子などを形成し、可動部の
下部の絶縁層(犠牲酸化膜)をエッチング除去し、しか
る後に、ウエハを個別チップにダイシングして多数の加
速度センサを作製することができる。
部は厚肉の第1のシリコン基板上の第2のシリコン基板
に形成されているので、大口径ウエハの使用に伴う強度
上の問題はない。特に、センサ部の寸法が小さく、40
〜80kHz程度の高周波領域に共振点があり、第1の
シリコン基板として厚さ500〜700μmのウエハを
使用しているので、ウエハ自身の共振によって薄い梁部
に過大な変位または応力が働くこともない。そのため、
5インチ、6インチまたは8インチの大口径ウエハを用
いて多数のセンサを一括して作製することができる。
を示す。図1(a)は加速度センサの上面図、図1
(b)はそのa−a線に沿った断面図であり、図2
(a)はセンサ部の拡大上面図、図2(b)はそのb−
b線に沿った断面図である。
00と薄膜シリコン101との間に電気的分離および犠
牲層となるSiO2 層102が形成されているチップ
の、薄膜シリコン101にはチップの中心部に配置され
たセンサ部103、ディジタル調整回路104、アナロ
グ増幅回路105、入出力端子106およびディジタル
調整用端子107が形成されている。アナログ増幅回路
105はセンサ部103の出力を増幅するためのもの、
ディジタル調整回路104はセンサの感度補正および温
度補正などを行うための回路であり、例えばROMによ
って構成される。ディジタル調整用端子107はそのた
めのデータをディジタル調整回路104に入力するため
の端子である。
は、重り部110、その4隅の突起部(梁部)111a
1 ,111a2 ,111b1 ,111b2 、からなり、
重り部110は4隅の突起部(梁部)111a1 ,11
1a2 ,111b1 ,111b2 を介して周囲の支持枠
部112と一体化されている。この構造は、重り部11
0がその両側の平行な2組の梁部、すなわち突起部11
1a1 ,111a2 を含む第1の梁部および突起部11
1b1 ,111b2 を含む第2の梁部によって支持枠部
112に支持されている構造であるる。108は第2の
シリコン基板を貫く貫通孔であり、これらの貫通孔を利
用し、湿式エッチングによって、重り部110および梁
部111a1 ,111a2 ,111b1 ,111b2 の
下部のSiO2 層102をエッチング除去している(図
1(b)、図2(b)参照)。その結果、重り部110
および第1、第2の梁部はその表面に対して垂直な方向
に変位可能になっている。重り部110と梁部111a
1 ,111a2 ,111b1 ,111b2 の厚さは等し
く、例えば5μmであり、重り部110の寸法は、例え
ば850μm×600μm、梁部の幅は、例えば30μ
mである。梁部111a1 ,111a2 ,111b1 ,
111b2 の両端部のそれぞれの支持枠部側および重り
部側に、すなわち合計8個の半導体ストレインゲージ1
13a,113b,113c,113d,113e,1
13f,113g,113h、が不純物拡散によって形
成されている。114はこれらのストレインゲージを結
ぶ配線で、8個のストレインゲージによってホイートス
トーンブリッジが形成されている。このホイートストー
ンブリッジは定電圧電源VccおよびグラウンドGND
に接続され、その出力V+、V−は増幅回路105に導
かれる。
す。8個の半導体ストレインゲージ113a,113
b,113c,113d,113e,113f,113
g,113hによって構成されるホイートストーンブリ
ッジの出力V+、V−が増幅回路105に入力され増幅
される。図2(b)の矢印方向に加速度が働くと、重り
部側のストレインゲージ113b,113c,113
f,113gには圧縮応力が働いて抵抗値が下がり、支
持枠部側のストレインゲージ113a,113d,11
3e,113hには引張応力が働いて抵抗値が上がる。
その結果ホイートストーンブリッジから加速度の大きさ
に応じたセンサ出力が得られ、増幅回路105で増幅さ
れる。また、ディジタル調整回路104から感度補正の
ためのデータVg、感度の温度特性を補正するためのデ
ータTCSおよびオフセット電圧Voff(加速度を印
加しない状態でのセンサ出力)とオフセット電圧のずれ
を補正するためのデータΔVoffが増幅回路105に
入力される。増幅回路105の出力はハイパスフィルタ
116、ローパスフィルタ117を通して出力Vout
が得られる。この様にして、必要に応じて補正された検
出結果をブリッジ出力電圧Voutとして取り出すこと
ができる。ハイパスフィルタ116およびローパスフィ
ルタ117は外部回路でもよく、それらの周波数応答領
域の調整部分などをディジタル調整回路104に組み込
んでもよい。
形成された平行な二つの梁部111a、111bによっ
て支持枠部112に変位可能に支持されているが、これ
によって、図18に示した従来において生じ得る梁部の
ねじれ変形による測定誤差を防ぐことができる。さら
に、本実施例においてはブリッジの一辺に2個のストレ
インゲージを配した構成としているので、センサの感度
を高めることができる。また、本発明においては、半導
体ストレインゲージでホイートストーンブリッジを構成
しているので、センサ部103と基板シリコン100と
の間に重り部の動きを妨げない程度の大きさの異物が侵
入しても、容量型の場合と異なってセンサの特性に及ぶ
影響は少ない。
正常か否かを確認する機能、すなわちセルフチェック機
能を備えている。これは、基板シリコン100として比
抵抗の小さいシリコンを用い、その裏面に設けた電極1
15(図3においては、説明の便宜上センサの表面にあ
るように示してある)に外部から電圧Vselfを印加
して基板シリコン100と薄膜シリコン101との間に
電位差を発生させ、それによる静電力によってセンサ1
03を変位させ、その時のブリッジからの出力を検出す
ることによって行われる。基板シリコン100と薄膜シ
リコン101とのギャップはその間のSiO2 層の厚さ
によって決定される。換言すれば、SOIウエハを作製
する際にSiO2 層の厚さを制御することによって、ギ
ャップの寸法を容易に制御できる。従って、印加する電
圧によって生じる静電力の大きさを容易に、かつ正確に
計算できるので、電極115に印加する交流あるいは直
流電圧の大きさとセンサ出力の関係を調べることによっ
て自己診断(セルフチェック)が可能である。もちろ
ん、重り部、梁部からなる可動部の寸法は設計時に決定
されているので、基板シリコンと接触しない範囲の変位
を重り部に生じさせるための電圧範囲も容易に決定でき
る。
参照して説明する。図4は図2(a)のc−cに沿った
断面を示している。
製された基板シリコン100、SiO2 層102および
薄膜シリコン101からなるSOIウエハを準備する。
本実施例においては、口径6インチのウエハを用い、基
板シリコン100、SiO2層102および薄膜シリコ
ン101の厚さはそれぞれ625μm、1μm、および
5μmとした。この状態で、薄膜シリコン101の、半
導体ストレーンゲージ108a〜108hに対応する位
置にボロンまたはリンをイオン注入し、拡散抵抗を形成
する。ディジタル調整回路104、アナログ増幅回路1
05、端子106および107、配線その他の回路構成
に必要なデバイスもこの段階で薄膜シリコン101に形
成しておく。
ニングおよびエッチング(ウェットあるいはドライエッ
チング)により、薄膜シリコン101を貫通する貫通孔
108を開け、重り部と周囲に残された支持枠部につな
がる梁部を形成する。その際、重り部にも貫通孔108
を形成しておく。
そのまま残し、バッファフッ酸(HF+NH4 F)を用
いたウエットエッチングによって、重り部および梁部の
下部のSiO2 層102をエッチング除去する。
改めてウエハ全面にレジスト118を塗布する。このレ
ジストは次のダイシング工程においてセンサ部および回
路を保護するとともに、センサ部と基板シリコンの間に
形成されたギャップに異物が侵入するのを防ぐためのも
のである。
を少し残してチップを分割するためのスリット119を
形成する。
ジストを灰化して除去する。
冶具1120を用いてチップを分割する。
1が完成する。
度センサを一括して生産でき、しかも、製造工程中に基
板シリコンとセンサ可動部の間のギャップに異物が侵入
することを防ぐことができる。
す。図5(a)は上面図であり、図5(b)はセンサ部
の拡大図である。
との間に電気的分離および犠牲層となるSiO2 層が形
成されているチップの、薄膜シリコン101にはチップ
の中心部に配置されたセンサ部200、ディジタル調整
回路104、アナログ増幅回路105、入出力端子10
6およびディジタル調整用端子107が形成されてい
る。本実施例が第1の実施例と異なるのは、センサ部の
構造と、それに伴う半導体ストレインゲージの配置であ
る。その他は第1の実施例と同様なので説明を省略す
る。
201b、二つの重り部と支持枠部212と連結し、ま
た二つの重り部同士を連結する6個の連結部211a
1 ,211a2 ,211a3 ,211b1 ,211b
2 ,211b3 からなっている。二つの重り部およびそ
の周囲には実施例1の重り部と同様に貫通孔108が設
けられており、二つの重り部と6個の連結部の下部のS
iO2 層はエッチング除去されている。従って、二つの
重り部は、連結部211a1 ,211a3 ,211b
1 ,211b3 を介して周囲の支持枠部212と一体化
され、紙面に垂直方向に変位可能になっている。この構
造は、二つの重り部201aおよび201bが平行な2
組の梁部、すなわち連結部211a1 ,211a2 ,2
11a3 を含む第1の梁部と連結部211b1 ,211
b2 ,211b3 を含む第2の梁部によって支持枠部2
12に支持された構造である。第1の梁部の連結部21
1a1 ,211a3 上、および第2の梁部の連結部21
1b2 ,211b3 上に、それぞれ半導体ストレインゲ
ージ213a,213b,213c,213dが不純物
拡散によって形成されている。感度を上げるために、梁
部の厚さは、好ましくは重り部の厚さ(薄膜シリコンの
厚さ)より薄くされる。本実施例においては、重り部の
厚さ5μmに対して梁部の厚さを2μmとした。本実施
例の加速度センサは第1の実施例と同様の工程で製作で
きる。ただし、梁部の厚さを薄くするには、上述の工程
(a)において、半導体ストレインゲージ、回路デバイ
スなどの形成の前に、パターンエッチングを行って、梁
部の厚さを薄くしておく。
ブリッジ回路を示す。図5の重り部の厚さ方向に基板シ
リコンに向かう方向の加速度が働いたとき、梁部の、半
導体ストレインゲージ213bおよび213dが形成さ
れている部分には圧縮応力が働き、半導体ストレインゲ
ージ213aおよび213cが形成されている部分には
引張応力が働く。従って、半導体ストレインゲージ21
3bおよび213dの抵抗は下がり、半導体ストレイン
ゲージ213aおよび213cの抵抗は上がる。これら
の作用によって、ホイートストーンブリッジ回路から加
速度変化に応じた電圧変化が出力される。
構成例を示す。図6に示したセンサ部と異なって、重り
部201a,201bは平行な3組の梁部、211c1
と211c2 、211d1 と211d2 、211e1 と
211e2 によって支持枠部に連結されている。重り部
201aと201bは図6の例と同様に平行な二つの梁
部211aと211bによって連結されている。そして
梁部211d1 ,211a,211b、および211d
2 には半導体ストレインゲージ213a,213b,2
13cおよび213dが形成され、これらでホイートス
トーンブリッジを構成している。梁部の表面には加速度
によって応力が発生するため、配線の安定性を高めるた
めに、各ストレインゲージを結ぶ配線として通常のAl
配線構造(シリコン上に絶縁層を介してAl配線を設け
る)をとらず、拡散配線を用いることがある。この場
合、拡散配線はシート抵抗であり、その値は長さと幅に
よって決まる。図5に示した例では、重り部と支持枠部
を連結する梁部でストレインゲージが形成されている部
分は1本の梁の上に2本の配線が必要で、そのために配
線の幅が狭くなり、シート抵抗は高くなり、従ってその
分感度が低下する。これに対し、図7の例では各梁に設
けられる配線は1本ですみ、従って配線幅を広くするこ
とができ、そのために低抵抗の配線を構成することがで
きるので、感度の低下を少なくすることができる。
ーンブリッジを構成するために同等のゲージ変化が得ら
れる組み合わせであればよく、図5および図6に示した
ゲージの配置およびゲージの組み合わせに限定されるも
のではない。
す。図8(a)は上面図であり、図8(b)はそのd−
d線に沿った断面図、図8(c)は図8(b)のセンサ
部の拡大図である。
0と薄膜シリコン101との間に電気的分離および犠牲
層となるSiO2 層102が形成されているチップの、
薄膜シリコン101にはセンサ部300、ディジタル調
整回路104、アナログ増幅回路105、入出力端子1
06およびディジタル調整用端子107が形成されてい
る。チップの中心部に配置されたセンサ部300の下部
のSiO2 層102は実施例1、2と同様にエッチング
除去されている。後に説明するように、セルフチェック
のために、基板シリコン100とセンサ部300との間
に電圧を印加して、センサ部を変位させることができ
る。
サ部300は、真空蒸着法あるいはスパッタリング法な
どの薄膜作成技術を用いて、薄膜磁石であるNbFeB
系、あるいはSmCo系等の磁性薄膜301が薄膜シリ
コン101の表面に形成された重り部(302)と、こ
の重り部と支持枠部112とを連結する弾性梁部303
からなっている。センサ部300の下部のSiO2 層は
前述したように除去されており、また、センサ部の周囲
の薄膜シリコンも除去されて犠牲層エッチング用の貫通
孔108を形成しているので、磁性薄膜301を表面に
有する重り部302は弾性梁303を介して支持枠部と
一体化されており、重り部302に紙面に垂直な加速度
が働くと弾性梁303が撓んで、重り部は変位可能であ
る。貫通孔108の周辺の支持枠上には、重り部を囲ん
で検出コイル304が薄膜技術によって形成されてい
る。
である。図10(a)に示すように、センサに加速度G
が働いて、重り部302が、従って磁性薄膜301が、
上方に変位した場合、磁性薄膜301の加速度の変化に
応じて検出コイル304にはレンツの法則に従って電流
Iが流れる。一方、図10(b)に示すように、磁性薄
膜301が下方に変位した場合、検出コイル304には
図10(a)と逆方向の電流Iが流れる。この様にして
発生した誘導電流Iを積分回路などに入力して加速度
を、2段の積分回路に入力して速度を、3段の積分回路
に入力して変位を検出することができる。
1は図8(b)に対応する断面図である。
製された基板シリコン100、SiO2 層102および
薄膜シリコン101からなるSOIウエハを準備する。
この状態で、薄膜シリコン101の、重り部302に対
応する位置に真空蒸着法あるいはスパッタ法によって磁
性薄膜301を形成し、その周囲に検出コイルを形成す
る。図8に示したディジタル調整回路104、アナログ
増幅回路105、端子106および107、配線その他
の回路構成に必要なデバイスもこの段階で薄膜シリコン
101に形成しておく。
ニングおよびエッチング(ウェットあるいはドライエッ
チング)により、薄膜シリコン101を貫通する貫通孔
108を開け、重り部302と支持枠部につながる弾性
梁部303を形成する。
そのまま残し、バッファフッ酸を用いたウエットエッチ
ングによって、重り部および梁部の下部のSiO2 層1
02をエッチング除去する。
改めてウエハ全面にレジスト118を塗布する。このレ
ジストは次のダイシング工程においてセンサ部および回
路を保護するとともに、センサ部と基板シリコンの間に
形成されたギャップに異物が侵入するのを防ぐためのも
のである。
を少し残してチップを分割するためのスリット119を
形成する。
ジストを灰化して除去する。
冶具120を用いてチップを分割する。
1が完成する。
度センサを一括して生産でき、しかも、製造工程中に基
板シリコンとセンサ可動部の間のギャップに異物が侵入
することを防ぐことができる。
性薄膜301が表面に形成された重り部302は複数の
弾性梁303a,303bによって支持されている。こ
の場合、重り部302、従って磁性薄膜301の変位は
紙面に垂直方向の変位となる。
本実施例は第3の実施例のセンサ部を直列に接続したも
のである。1個のセンサの信号を増幅する場合、通常の
半導体ストレインゲージによるセンサや静電容量型のセ
ンサなどでは、増幅回路によって増幅することが一般的
である。しかしながら、本実施例の加速度センサの場
合、その原理的な特性により、複数のセンサを直列の連
結することで、連結したセンサ数だけセンサ信号を増幅
することが可能である。図13(a)は多数個のセンサ
部300を連結した低加速度用センサ401、図13
(b)は中程度の数のセンサ部300を連結した中加速
度用センサ402、図13(c)は1個のセンサ部30
0からなる高加速度用センサ403を示す。さらに、こ
れらの検出範囲の異なる複数のセンサを1個のチップ上
に作製し、複数のセンサの出力を切り換えて増幅器に入
力させるように構成しておけば、1個の加速度センサを
広い範囲の加速度の検出に使用することができる。
例を示す。両図においては、簡単のために2個のセンサ
部の検出コイル304のみを図示してある。センサ部3
00の検出コイル304に誘起された誘導電流を電圧変
換用抵抗411によって電圧出力に変換し、ディジタル
調整回路104による調整機能を有する増幅回路10
5、ハイパスフィルタ回路116、ローパスフィルタ回
路117などを経由して外部に出力している。図14は
ディジタル調整回路104、増幅回路105がセンサ部
が形成されているチップ以外に設けられている例であ
り、図15はこれらがセンサ部と同一チップに形成され
ている例である。
に、基板シリコン100とセンサ部300との間に電圧
を印加した時に発生する静電力によってセンサ部を動か
して、この時のセンサ部の動きに応じて検出コイルに誘
起される誘導電流を増幅回路105で増幅して出力する
ことによってセルフチェックが可能である。また、本実
施例では、通常の加速度検出とセルフチェックとを切り
換える切り換えスイッチ412,413を用いてセルフ
チェックを行うことも可能である。すなわち、通常の加
速度検出時には検出端子414,415に電流が流れ、
セルフチェック時にはセルフチェック用端子416に電
流が流れるように切り換える。セルフチェック時には、
検出コイル304にパルス出力を加えてセンサ部300
にインパルス的な電磁力を与え重り部302を動かし、
その時の応答を増幅回路以降の回路で処理して確認する
ことによって、セルフチェックを行うことが可能であ
る。これらの方法によれば、簡単なセンサ構成によっ
て、セルフチェック機能を実現することができる。さら
に、以上の方法以外に、永久磁石あるいは電磁石をセン
サ部300の近傍に配置し、外部からセンサ部に磁界を
与え、その磁界によってセンサ部300が動く際に検出
コイル304に発生する誘導電流を検出してセルフチェ
ックを行うことも可能である。
第3の実施例の加速度センサに付与し得ることは言うま
でもない。
8に示した第3の実施例または図13に示した第4の実
施例を二つ組み合わせて、角加速度を検出するようにし
たものである。検出軸500の左右に、本実施例ではそ
れぞれ3個のセンサ300L,300Rが対称に配置さ
れている。検出軸500の周りに角加速度が変化したと
き、例えば、左側のセンサでは重り部が上側に変位し、
右側のセンサでは重り部が下側に変位する。これらのセ
ンサは図17に示すように、検出軸500の周りに角加
速度の変化が発生したとき、左右のセンサアレイの検出
コイル304L,304Rに同じ方向の電流が流れるよ
うな閉ループを構成するように結線されている。そし
て、その電流を、第4の実施例と同様に、電圧変換用抵
抗411で電圧に変換して積分および増幅することによ
って検出軸500の周りに発生する角加速度を検出する
角加速度検出センサとして使用できる。
次のような利点がある。
を作製できるので、コストダウンが可能である。
プにウエハを分割するためのダイシング工程で、センサ
構造体への異物の侵入が減少し、製造工程において歩留
まりの高いセンサを実現することができる。
膜とコイルによる検出原理を採用しているので、センサ
構造体の動きを妨げない大きさの微少な異物がギャップ
内に存在してもセンサ信号に与える影響が少ない。その
ために、高信頼性の加速度センサを実現できる。
センサを実現できる。
いているため、機械的特性の再現性があり、高信頼性の
加速度センサを実現できる。
る。
す図である。
る。
ク図である。
す図である。
ジ回路を示す図である。
す図である。
る。
る。
を示す図である。
示す図である。
図である。
す図である。
サを示す図である。
図である。
る。
る。
部 112 支持枠部 113a〜113h 半導体ストレインゲージ 114 配線 115 電極 116 ハイパスフィルタ 117 ローパスフィルタ 118 レジスト 119 スリット 120 冶具 121 完成したチップ 200 センサ部 201a,201b 重り部 211a1 ,211a2 ,211a3 ,211b1 ,2
11b2 ,211b3梁部 212 支持枠部 213a〜213d 半導体ストレインゲージ 300 センサ部 301 磁性薄膜 302 重り部 303,303a,303b 弾性梁 304 検出コイル 401 低加速度用センサ 402 中加速度用センサ 403 高加速度用センサ 411 電圧変換用抵抗 412,413 切り換えスイッチ 414,415 検出端子 416 セルフチェック用端子 500 回転軸
Claims (12)
- 【請求項1】 支持枠部と、変位可能な少なくとも1個
の重り部および該重り部を前記支持枠部と連結する梁部
からなるセンサ構造体とが基板シリコン上に絶縁層を介
して形成された薄膜シリコンに形成されている加速度セ
ンサにおいて、前記センサ構造体と前記基板シリコンの
間の前記絶縁層は除去されており、前記梁部は互いに平
行な複数組の梁からなり、前記重り部は該平行な複数組
の梁によって前記支持枠部に連結され、前記平行な複数
組の梁のうちの少なくとも1組の梁の表面に少なくとも
2個の半導体ストレインゲージが形成されていることを
特徴とする加速度センサ。 - 【請求項2】 前記重り部が1個であり、前記平行な複
数組の梁は前記重り部の4隅部に突出して形成され、複
数組の梁の表面にはそれぞれ4個の半導体ゲージが形成
されてホイートストーンブリッジを構成していることを
特徴とする請求項1に記載の加速度センサ。 - 【請求項3】 前記重り部が2個であり、前記平行な複
数組の梁は前記2個の重り部と前記支持枠部の間および
前記2個の重り部の間に形成され、前記平行な複数組の
梁のうちの前記2個の重り部の一方と前記支持枠部との
間の梁の少なくとも一つ、前記2個の重り部の他方と前
記支持枠部との間の梁の少なくとも一つおよび前記2個
の重り部の間の梁のそれぞれの表面に少なくとも1個の
半導体ゲージが形成されてホイートストーンブリッジを
構成していることを特徴とする請求項1に記載の加速度
センサ。 - 【請求項4】 前記梁部の厚さが前記重り部の厚さより
薄いことを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載
の加速度センサ。 - 【請求項5】 支持枠部と、表面に磁性薄膜が形成され
た変位可能な重り部および該重り部を前記支持枠部と連
結する梁部からなるセンサ構造体が基板シリコン上に絶
縁層を介して形成された薄膜シリコンに形成され、前記
センサ構造体と前記基板シリコンの間の前記絶縁層は除
去されており、前記重り部の周辺の支持枠部上に重り部
を囲んでコイルが形成されていることを特徴とする加速
度センサ。 - 【請求項6】 支持枠部と、それぞれ表面に磁性薄膜が
形成された変位可能な重り部および該重り部を前記支持
枠部と連結する梁部からなる複数のセンサ構造体が基板
シリコン上に絶縁層を介して形成された薄膜シリコンに
形成され、前記複数のセンサ構造体と前記基板シリコン
の間の前記絶縁層は除去されており、前記それぞれの重
り部の周辺の支持枠部上に重り部を囲んでそれぞれコイ
ルが形成され、前記複数のコイルが直列に接続されてい
ることを特徴とする加速度センサ。 - 【請求項7】 それぞれ請求項6に記載の前記複数のセ
ンサ構造体および前記直列に接続された複数の検出コイ
ルからなり、それぞれセンサ構造体および検出コイルの
数が異なる複数のセンサ群が同一の半導体チップに形成
されていることを特徴とする加速度センサ。 - 【請求項8】 請求項1から7のいずれかに記載の加速
度センサにおいて、自己診断を行うための手段をさらに
具えたことを特徴とする加速度センサ。 - 【請求項9】 請求項1から8のいずれかに記載の加速
度センサにおいて、前記加速度センサが形成されている
半導体チップに増幅回路およびディジタル調整回路が形
成されていることを特徴とする加速度センサ。 - 【請求項10】 第1の支持枠部と、それぞれ表面に磁
性薄膜が形成された変位可能な第1の重り部および該第
1の重り部を前記第1の支持枠部と連結する第1の梁部
からなる複数の第1のセンサ構造体が基板シリコン上に
絶縁層を介して形成された薄膜シリコンに形成され、前
記複数の第1のセンサ構造体と前記基板シリコンの間の
前記絶縁層は除去されており、前記第1の重り部のそれ
ぞれの周辺の第1の支持枠部上に第1の重り部を囲んで
それぞれ第1の検出コイルが形成され、前記複数の第1
の検出コイルが直列に接続されている第1のセンサ群
と、第2の支持枠部と、それぞれ表面に磁性薄膜が形成
された変位可能な第2の重り部および該第2の重り部を
前記第2の支持枠部と連結する第2の梁部からなる複数
の第2のセンサ構造体が前記基板シリコン上に絶縁層を
介して形成された前記薄膜シリコンに形成され、前記複
数の第2のセンサ構造体と前記基板シリコンの間の前記
絶縁層は除去されており、前記第2の重り部のそれぞれ
の周辺の第2の支持枠部上に第2の重り部を囲んでそれ
ぞれ第2の検出コイルが形成され、前記複数の第2の検
出コイルが直列に接続されている第2のセンサ群とが同
一の半導体チップ上に形成され、前記第1のセンサ群と
第2のセンサ群のセンサ構造体の数は等しく、前記第1
のセンサ群と第2のセンサ群は検出軸を対称軸として対
称に配置され、前記検出軸の周りの角加速度が発生した
ときに、前記第1および第2のセンサ群の複数の第1お
よび第2の検出コイルに流れる電流が同じ方向となるよ
うに前記第1および第2のセンサ群の第1および第2の
検出コイルは閉ループを構成し、前記複数の第1および
第2の検出コイルからの信号を増幅する手段および前記
複数の検出コイルからの出力を積分して角速度信号を出
力する手段を備えたことを特徴とする角加速度センサ。 - 【請求項11】 下記工程を有することを特徴とする加
速度センサの製造方法、 (a)基板シリコン、SiO2 層および薄膜シリコンか
らなるSOIウエハを準備する工程、 (b)前記薄膜シリコンの、半導体ストレーンゲージに
対応する位置に不純物をイオン注入して拡散抵抗を形成
し、さらに前記薄膜シリコンに回路構成に必要なデバイ
ス形成する工程、 (c)前記ウエハの全面に保護膜を設け、パターニング
およびエッチングにより、前記薄膜シリコンを貫通する
貫通孔を開け、重り部と周囲に残された支持枠部につな
がる梁部を形成する工程、 (d)前記貫通孔を形成するための保護膜はそのまま残
し、ウエットエッチングによって、前記重り部および梁
部の下部のSiO2 層をエッチング除去する工程、 (e)前記保護膜を除去し、前記ウエハの全面にレジス
トを塗布する工程、 (f)ダイシングによって、前記ウエハの厚さを少し残
してチップを分割するためのスリットを形成する工程。 (g)O2 プラズマによって前記ウエハ上の前記レジス
トを灰化して除去する工程、 (h)前記スリットに応力を集中させてチップを分割す
る工程。 - 【請求項12】下記工程を有することを特徴とする角加
速度センサの製造方法、 (a)基板シリコン、SiO2 層および薄膜シリコンか
らなるSOIウエハを準備する工程、 (b)前記薄膜シリコンの、半導体ストレーンゲージに
対応する位置に不純物をイオン注入して拡散抵抗を形成
し、重り部に対応する位置に磁性薄膜を形成し、前記磁
性薄膜を囲んで検出コイルを形成し、さらに前記薄膜シ
リコンに回路構成に必要なデバイス形成する工程、 (c)前記ウエハの全面に保護膜を設け、パターニング
およびエッチングにより、前記薄膜シリコンを貫通する
貫通孔を開け、重り部と周囲に残された支持枠部につな
がる梁部を形成する工程、 (d)前記貫通孔を形成するための保護膜はそのまま残
し、ウエットエッチングによって、前記重り部および梁
部の下部のSiO2 層をエッチング除去する工程、 (e)前記保護膜を除去し、前記ウエハの全面にレジス
トを塗布する工程、 (f)ダイシングによって、前記ウエハの厚さを少し残
してチップを分割するためのスリットを形成する工程、 (g)O2 プラズマによって前記ウエハ上の前記レジス
トを灰化して除去する工程、 (h)前記スリットに応力を集中させてチップを分割す
る工程。
Priority Applications (8)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP10753797A JP3284921B2 (ja) | 1997-04-24 | 1997-04-24 | 加速度センサならびに角加速度センサおよびそれらの製造方法 |
DE19818060A DE19818060B4 (de) | 1997-04-24 | 1998-04-22 | Beschleunigungssensor, Winkelbeschleunigungssensor und Herstellverfahren für diese Sensoren |
US09/241,096 US6332359B1 (en) | 1997-04-24 | 1999-02-01 | Semiconductor sensor chip and method for producing the chip, and semiconductor sensor and package for assembling the sensor |
US09/956,969 US6632697B2 (en) | 1997-04-24 | 2001-09-21 | Semiconductor sensor chip and method for producing the chip, and semiconductor sensor and package for assembling the sensor |
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