JPH03128463A - 半導体式加速度センサ - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、例えば、自動車の前後加速度、横加速度等の
物理的振動あるいは応力を検出する半導体式加速度セン
サに関する。

［従来の技術］ シリコン半導体基板の一部を薄肉のダイヤフラムとなし
て、その上面に半導体歪ゲージを形成し、ダイヤフラム
に加えられる応力を半導体歪ゲージの抵抗値変化として
出力する半導体式の加速度センサが知られている。

第９図、第１０図に従来の半導体式加速度センサの一例
を示す。図において、シリコン半導体基板１には、清１
４に相当する部分を上下両方向からエツチングすること
により、中央部に、一端が固定され他端を自由端とする
片持ち梁構造が形成しである。片持ち梁１１は、その一
部を薄肉のダイヤフラム１２とするとともに、先端には
厚肉の重り部１３が形成してあり、加速度に応じて変位
できるようになしである。

ダイヤフラム１２の板厚は、通常、２０〜１００μｍ程
度、先端の重り部１３の板厚は２００〜１０００μｍ程
度であり、使用時、過度の衝撃により片持ち梁１１が折
損するのを防止するため、半導体基板１の上下面にガラ
スカバーを接合して、それぞれ上部ストッパ２、下部ス
トッパ３となしである。

半導体基板１と、上下ストッパ２．３の接合は、半導体
基板１に片持ち梁１１を形成した後、例えば、陽極接合
、低融点ガラス接合、接着剤等を用いて行なわれ、また
、ガラスカバーの代わりに金属あるいはセラミックス、
樹脂等からなるストッパを接着したものもある。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記従来の構成では、半導体基板１に、
異種材料である上部ストッパ２、下部ストッパ３を接合
、接着するため、熱歪や残留歪、あるいはクリープが発
生しやすく、これがダイヤフラム１２上の半導体歪ゲー
ジ１５に影響を及ぼして、正確な検出が困難になるおそ
れがある。

また、重り部１３と上下ストッパ２．３の距離の適正値
の設定が難しく、ストッパを有するにもかかわらず過大
な応力が作用して片持ち梁１１が破損するおそれが依然
として残る。さらに、半導体基板１に片持ち梁構造を形
成した後、上下ストッパ２．３を接着しているため、ス
トッパ２．３を接着するまでに加えられる衝撃や応力で
、ダイヤフラム１２が破損することがあり、製作プロセ
スにおける歩留りの低下が懸念されるという問題があっ
た。

しかして、本発明の目的は、上下ストッパの接合による
熱歪、残留歪等の発生を防止して正確な加速度検出を実
現するとともに、衝撃や応力で片持ち梁が破損すること
を防止することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記問題点を解決するために、本発明では、シリコン半
導体基板に、一端が固定され他端を自由端とする片持ち
梁構造を形成してその一部を薄肉のダイヤフラムとなす
とともに、先端には厚肉の重り部を設け、上記重り部と
所定の距離をおいて対向配設され、重り部の移動範囲を
規制する上部ストッパ、および下部ストッパを設けた半
導体式加速度センサにおいて、上記上部ストッパおよび
下部ストッパをシリコンで構成して、これらをシリコン
直接接合を用いて上記シリコン半導体基板に一体に接合
し、かつ、重り部と上部ストッパまたは下部ストッパと
の距離δを、下記一般式で表わされる最大応力σｍａｘ
が、シリコンの破壊応力σより小さくなるように設定し
た。

、１！　２　　　２ＡＢＣｈ （ここで、ｈはダイヤフラムの厚さ、１はダイヤフラム
の長さ、Ｅはヤング率、Ａは重り部の長さ、Ｂは重り部
の幅、Ｃは重り部の厚さ、ｍは重り部の質量、αは被検
出加速度である。） ［作用］ 上記構成では、半導体基板、上部ストッパ、および下部
ストッパを同一材料で構成し、シリコン直接接合で一体
に形成したので、各構成部材の熱膨脹係数が一致し、接
合時、あるいは使用時の温度変化により接合界面に熱歪
等が発生することを防止する。

また、上記一般式は上下ストッパがΩいた時の最大応力
σｍａＸを表わし、従って、これがシリコンの破壊応力
σより小さくなるように重り部と上下ストッパとの距離
δを設定すれば、最大応力σｍａｘが加えられても片持
ち梁が破損することはない。しかも、各部材は同一材料
でエツチング特性も一致するので、上下ストッパを接合
した後に片持ち梁構造を形成することが可能であり、製
作時の破損を抑制できる。

［実施例］ 以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は半導体式加速度センサの正面図、第２図は第１
図の■−■線断面図であり、図において、ハウジング４
内には、シリコン半導体基板１、上部ストッパ２、およ
び下部ストッパを兼ねる台座３よりなるセンサ本体が密
封されている。

シリコン半導体基板１は、中央部に、一端が固定され他
端を自由端とする片持ち梁１１を有しており、該片持ち
梁１１はその一部を薄肉のダイヤフラム１２となしであ
る。片持ち梁１１の先端部は厚肉の重り部１３としてあ
り、加速度に応じて自由に変位できるようになしである
。図中、矢印は被検出応力の作用する方向を示す。

上記ダイヤフラム１２の上面には、公知の技術を用いて
ボロン等の不純物を熱拡散あるいはイオン注入すること
により、半導体歪ゲージ１５を形成してあり、ダイヤフ
ラム１２に生ずる歪を半導体歪ゲージ１５の抵抗値変化
として外部に取出せるようになしである。

シリコン半導体基板１は、片持ち梁１１を除く外周部を
支持部として、シリコンよりなる台座３に、後述するシ
リコン直接接合により固定しである。台座３の上部表面
３１は上記片持ち梁１１の重り部１層下面と所定のギャ
ップ１６を有して対向しており、重り部１３の下方への
移動範囲を規制する下部ストッパ面として機能する。一
方、重り部１３の上方には、所定のギャップ１７を有し
てシリコンよりなる上部ストッパ２が対向配設してあり
、上部ストッパ２はシリコン半導体基板１の上面にシリ
コン直接接合により接合しである。

また、シリコン基板１にはシリコン直接接合時のガス抜
き孔となる貫通孔１８が設けである。

なお、ハウジング４内にはシリコンオイル等のダンピン
グ液が封入されており、その振動減衰作用により、検出
しようとする加速度に相当する比較的低い周波数域以外
の周波数がカットされるようになしである。

次に、上記構造の半導体式加速度センサの製造方法を第
３図で説明する。本発明の半導体式加速度センサは、シ
リコン半導体製造プロセスで通常用いられるホトリソグ
ラフィー工程と、エツチング加工、およびシリコンウェ
ハ直接接合を組合わせて製造することができる。

まず（１）の工程において、シリコン基板１に、重り部
１層上部のギャップ１７を形成するための座ぐり加工を
行なう。ここでエツチング液としてはＫＯＨ，ＮａＯＨ
等のアルカリ溶液（１〜３ＯＮ濃度、室温〜８０℃）を
用いてもよいし、ＨＦ／ＨＮＯ３、ＨＦ／ＨＮＯ３／Ｃ
Ｈ３ＣＯ０Ｈ等のフッ硝酸系溶液（室温〜５０°Ｃ）を
用いてもよい。

アルカリ系エツチング液を用いる場合は、エツチング速
度は遅いが、面粗度、形状は良好となる。

また、エツチングマスクとしては、アルカリ系エツチン
グの場合、無機材料系のエツチングマスクが用いられ、
例えば、シリコン基板１表面のギャップ形成領域以外の
部分に熱酸化により５ｉ０２層を形成するか、蒸着、ス
パッタ等によりシリコン基板１上にＳｉＯ２膜を成膜す
る方法が利用できる。蒸着、スパッタ等による場合はＳ
ｉ３Ｎ４膜を用いてもよい。

一方、フッ硝酸系エツチング液を用いる場合は、エツチ
ング速度は速いが（数μｍ−５０μｍ／分）面粗度、パ
ターン形状がやや劣る。エツチングマスクとしては通常
のレジスト、ワックス等を用いることができる。

ギャップ１７を形成した後、さらにエツチングを行なっ
てシリコン直接接合時のガス抜き孔となる貫通孔１８を
形成する。この時、貫通孔１８を形成するためのエツチ
ングを行なった後に、上記ギャップ１７形成のためのエ
ツチングを行なってももちろんよい。

次に（２）の工程で、シリコン基板１上に未加工のシリ
コンウェハＷを直接接合する。シリコン直接接合（Ｗ、
Ｄ、Ｂ技術〉とは、シリコンを基材とする２つの層を、
接着剤層等を介さずに直接接合する接合法で、まず、接
合する２層の接合面に水分子の層をごく薄く（水１分子
程度の厚さ）介在させて、これらの層を水素結合により
弱く接合する。次いでこれを５００℃以上に加熱するこ
とにより接合界面に５ｉ−０−８ｉ基（シラノール基）
が形成され、さらに加熱すると水分子が完全に脱離して
５ｉ−８ｉ直接接合が形成される。

なお、このとき、シリコン基板１あるいはシリコンウェ
ハＷの接合表面に酸化層（Ｓ　ｉ　０２層）が形成され
ていてもよく、従って、シリコン直接接合には、５ｉ−
８ｉ、５ｉ−８ｉ０２、およびＳ　ｉ　０２−８　ｉ　
０２間の接合が含まれる。ここでは、接合界面をダイヤ
フラム形成時のエツチングストップとして利用するため
、シリコンウェハＷ下面にＳｉＯ２層を形成し、Ｓ　ｉ
　−８ｉ　０２間の接合とした。また、ＳｉＯ２層を介
した方が接合性が向上することが判明している。

（３）の工程では、シリコン基板１下面をエツチングし
て下部ギャップ１６を形成する。この下部ギャップ１６
および前記した上部ギャップ１７は、上記重り部１３の
移動範囲を規制し、片持ち梁１１の破損を抑制するため
に重要であり、エツチング深さは後述する第４図（ｎ）
式に基づいて高精度に設定される。具体的には、通常、
数μｍから数１００μｍの範囲である。

（４）の工程では、上部ウェハＷを所望のダイヤフラム
１２厚さとなるまでラップ研磨する。研磨後の厚さは、
通常、約２０〜１００μｍである。

その後、パターニングを行なうためのポリッシュ仕上げ
を行ない、所定箇所に不純物を拡散して半導体歪ゲージ
１５を形成する。

次に（５）の工程で、シリコン基板１下面よりダイヤフ
ラム１２、および重り部１３を形成するためのエツチン
グを同時に行なう。この時、ウェハＷ下面の５ｉＯｚ層
はエツチングストッパとして作用する。

（６）の工程では、シリコン基板１下面にシリコンウェ
ハをシリコン直接接合により接合し、台座３とする。

さらに、（７）の工程で上部ウェハＷに溝１４をエツチ
ングにより形成し、片持ち梁１１構造を切り離して、重
り部１３の上下にストッパを有する一体型シリコン片持
ち梁構造を製作する。しかる後、ハウジング内に配して
シリコンオイルを密封し、完成品とする。なお、製造方
法は上記工程に限られるものではなく、例えば（６）の
工程と（７）の工程を入替えて片持ち梁１１構造を形成
した後に台座３を接合してもよい。

上記構成において、自動車の走行時、加速度に応じて重
り部１３が変位すると、ダイヤフラム１２上の歪ゲージ
１５にこれに応じた応力が加わり、ピエゾ抵抗効果によ
り抵抗値が変化する。ここで、検出時の最大応力は第４
図（Ｉ＞式で表わされ、従って、抵抗値の変化を検出す
ることによって加えられた応力を知り、（Ｉ＞式より加
速度を検出することができる。

ただし、過度の衝撃が加わって重り部１３の変位が大き
くなると、薄膜状のダイヤフラム１２が折損するおそれ
があり、本発明では上下ストッパ２．３で重り部１３の
移動範囲を規制している。

この上下ストッパ２．３が働いた時の片持ち梁１１の根
元にかかる最大応力は第４図の（ｎ）式で表わされ、従
ってこの最大応力σｍａｘが、シリコンの破壊応力より
小さくなるように重り部１３と上下ストッパ２．３との
距離δを設定すれば、重り部１３の破損を防止すること
ができる。シリコンの破壊応力は、通常、７〜３５ｋｇ
／−であり、使用するシリコンウェハの面方位等により
その数値は変動する。なお式中、αは被測定加速度、ｍ
は重り部の質量、Ａは重り部の長さ、Ｂは重り部の幅、
Ｃは重り部の厚さ、ｈはダイヤフラムの厚さ、１はダイ
ヤフラムの長さ、Ｅはヤング率である。

第５図にはストッパをもうけない場合の加速度と応力の
関係を示す。このように上下ストッパ２．３がないと、
わずか数１０Ｇでシリコンの破壊応力（ここでは９ｋｇ
／−とした）に達して壊れてしまう。しかし、第６図に
示すように、距離δを数１０μｍ以下の大きさに設定す
れば、上向きの力に対しては上部ストッパ２が、下向き
の力に対しては台座３が下部ストッパとして作用し、被
検出加速度に比べはるかに大きな加速度（例えばδ＝６
０μｍのとき５〜７０００Ｇ＞が加わっても、重り部の
変位はストッパで制限されるため、片持ち梁１１に加わ
る応力は約３ｋｇ／−程度でほぼ横ばいとなり、片持ち
梁が破壊されることはない。

これにより、例えば、１．５Ｇといった微小な加速度を
リニアリティーよく検出できる。なお、このとき　各部
寸法は以下の通りとしな。

Ａ　：　６ｍｍ　　　　　ｈ　：　０．０２５ｍｍＢ　
：　２ｍｍ　　　　　ｍ　：　２．３３ｇ／ａ＋ｔＣ：
　０．４ｍｍ　　　Ｅ　：　１７０００ｋｇ／ｍｎ１ｆ
Ｊ：２ＩＴＩＩＴ＋ 上記のように構成すれば、シリコン基板および上下スト
ッパを全てシリコンで形成するので各部材の熱膨張係数
が一致し、接合界面における残留応力がなくなり、熱歪
等の発生を抑制できる。従って、加速度センサの出力特
性の温度ドリフトを大きく低減できる。

また、上記したような製作プロセスを用いれば、片持ち
梁構造を製作プロセスの最後に形成できるため、プロセ
ス中で重り部１３の移動範囲が常時制限されるので、片
持ち梁１１に無理な衝撃や過大な応力がかからなくなる
。従って、センサチップの取扱いが簡便であり、プロセ
スの歩留りを大幅に向上できる。

なお、上記実施例では、重り部１３の下面をエツチング
することによりギャップ１６を形成したが、本発明では
、第７図および第８図に示すように、台座３の重り部１
３と対向する面に座ぐり加工することでギャップ１６を
形成してももちろんよい。このようにすることで、同一
面側より複数回数エツチングを行なう上記実施例の場合
に比べ、片持ち梁１１を形成するエツチング加工の精度
を向上でき、歩留り向上が可能となる。

［発明の効果コ 上記構成では、半導体基板、上部ストッパ、および下部
ストッパを同一材料で構成し、シリコン直接接合で一体
に形成したので、各構成部材の熱膨張係数が一致し、半
導体歪ゲージに悪影響を与える残留応力をなくすことが
できる。また温度変化により生じるセンサ特性のドリフ
トを低減することができ、正確な加速度検出が実現でき
る。

また、重り部と上下ストッパとの距離を適正に設定した
ので、過度の衝撃や応力により片持ち梁が破損すること
を防止できる。しかも、上部ストッパあるいは下部スト
ッパを予め接合することが可能であるので、製作プロセ
ス中で片持ち梁に加わる過大な応力をカットオフするこ
とができ、製作プロセスにおける歩留りを向上できる。

またハンドリングが容易になるため作業性が向上する。

さらに、シリコン直接接合を用いたので、接着剤層等を
介する従来のものに比し、接合厚さを薄くすることがで
き（１μｍ以下）、接合厚さのバラツキを小さくできる
。このため寸法精度に優れ、上記の重り部と上下ストッ
パとの距離を高精度に管理・設定することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第６図は本発明の一実施例を示し、第１図は半
導体式加速度センサの正面図、第２図は第１図の■−■
線断面図、第３図（１）〜（７）は本実施例における半
導体式加速度センサの製造工程図、第４図（１）、（２
）は片持ち梁に加わる応力を説明するための図、第５図
および第６図は上下ストッパの作用を説明するための図
であり、第７図および第８図は本発明の他の実施例を示
し、第７図は半導体式加速度センサの正面図、第８図は
第７図の■−■線断面図であり、第９図および第１０図
はそれぞれ従来の半導体式加速度センサの断面図および
正面図である。 １・・・・・・シリコン半導体基板 １１・・・・・・片持ち梁 １２・・・・・・ダイヤフラム １３・・・・・・重り部 ２・・・・・・上部ストッパ ３・・・・・・台座（下部ストッパ） 第１図 ＄２図 第４図 （１） 検出時の最大応力 「−一］ 【 第５図 加 速 度 ［Ｇ］ 加 速 度 ［Ｇコ 第７図 第８図 ＄９図 第１０図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　シリコン半導体基板に、一端が固定され他端を自由端
   とする片持ち梁構造を形成してその一部を薄肉のダイヤ
   フラムとなすとともに、先端には厚肉の重り部を設け、
   上記重り部と所定の距離をおいて対向配設され、重り部
   の移動範囲を規制する上部ストッパ、および下部ストッ
   パを設けた半導体式加速度センサにおいて、上記上部ス
   トッパおよび下部ストッパをシリコンで構成して、これ
   らをシリコン直接接合を用いて上記シリコン半導体基板
   に一体に接合し、かつ、重り部と上部ストッパまたは下
   部ストッパとの距離δを、下記一般式で表わされる最大
   応力σｍａｘが、シリコンの破壊応力σより小さくなる
   ように設定したことを特徴とする半導体式加速度センサ
   。 σｍａｘ＝（３Ｅｈ／ｌ＾２）・δ＋（ｌ＾２／２ＡＢ
   Ｃｈ）・ｍ・α（ここで、ｈはダイヤフラムの厚さ、ｌ
   はダイヤフラムの長さ、Ｅはヤング率、Ａは重り部の長
   さ、Ｂは重り部の幅、Ｃは重り部の厚さ、ｍは重り部の
   質量、αは被検出加速度である。）