JPH07280831A - カンチレバー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 応力に基づいた変位によって衝突する片持梁
を全体的に支持するストッパを設置することにより、片
持梁の損傷を防止したカンチレバーを提供する。 【構成】 カンチレバーは、中空領域１３，１４によっ
て基板１０を部分的に分離した梁部１２及び基部１１と
から構成されている。この基部１１は、梁部１２の尾端
を片持状に支持している。ストッパは引張弾性を有する
樹脂で形成され、変動部３１、支持部３２及び伸縮部３
３ａ〜３３ｃとから構成されている。変動部３１は梁部
１２上に形成され、支持部３２は梁部１２を所定間隔で
取り囲む基部１１上に形成され、伸縮部３３ａ〜３３ｃ
は変動部３１と支持部３２との間を部分的に接続して変
動部３１及び支持部３２間の距離よりも冗長に形成され
ている。外部からの比較的大きい応力が負荷しても、伸
縮部３３ａ〜３３ｃが弛みを無くして最大限に伸びる
と、梁部１２は制動を受けるので、梁部１２の変位が所
定限度を越えることはない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、加速度（Ｇ）センサな
どの応力センサに用いられるカンチレバーに関し、より
詳細には、片持梁の変位が限度以上になることを防止す
るストッパを設置したカンチレバーに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体デバイスを製造するための
微細加工技術を利用することにより、半導体基板上に形
成した各種センサが開発されつつある。このようなセン
サの中には、いわゆるカンチレバー構造を有する加速度
センサなどの応力センサも含まれている。この応力セン
サを構成するカンチレバーには、通常、ストッパやダン
パが設置されており、片持梁の変位が限度以上になるこ
とを防止している。

【０００３】従来のカンチレバーでは、図７に示すよう
に、基板５０の所定位置に四角柱状の台座６０と鳥居状
のストッパ８０とがそれぞれ設置されている。レバー７
０は、片持梁状に尾端部を台座６０上で支持されるとと
もに、先端部を基板５０とストッパ８０とによって囲ま
れた隙間に配置するように設置されている。ここでは、
ストッパ８０はレバー７０と隔置して基板５０に外付け
で形成されている。

【０００４】なお、このようなカンチレバーに関して
は、特開昭６１−１７８６６４号公報などに詳細に記載
されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のカンチレバーでは、ストッパ８０が基板に外付けで
製造される際に、取付精度があまり良好ではない。その
ため、変位したレバー７０と接触するストッパ８０の表
面が傾いている場合、レバー７０とストッパ８０との接
触は通常面状であるところが、線状または点状となるこ
とがある。

【０００６】より詳細に説明すると、図７のカンチレバ
ーでは、応力が負荷していない場合、図８（ａ）に示す
ように、レバー７０の先端部は基板５０とストッパ８０
とによって囲まれた隙間に位置している。ここで、応力
が負荷すると、図８（ｂ）に示すように、レバー７０の
先端部が変位してストッパ８０に接触することになる。
ストッパ８０の取付が上述したように良好でなく、レバ
ー７０に負荷した応力が比較的大きい場合、例えばレバ
ー７０は接触箇所７１で線状または点状に衝突するの
で、大きな負荷が集中した損傷箇所７２で折れ曲がって
しまう。

【０００７】そこで、本発明は、上記の問題点を解決
し、応力に基づいた変位によって衝突する片持梁を全体
的に支持するストッパを設置することにより、片持梁の
損傷を防止したカンチレバーを提供することを目的とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明に係るカンチレバ
ーは、上記の目的を達成するために、基板の内側領域か
ら形成されている梁部と、この梁部の一端を片持状に支
持して基板の周辺領域から形成されている基部とから構
成されたカンチレバーにおいて、梁部上に形成されて梁
部と共に変位する変動部と、梁部を所定間隔で取り囲む
基部上に形成されて基部と共に固定した支持部と、変動
部と支持部との間の距離よりも冗長である幅を有して形
成されて変動部及び支持部を部分的に接続する複数個の
伸縮部とから一体に構成された引張弾性を有する樹脂で
形成され、外部から負荷した応力に対応する梁部の変位
を限定するストッパを備えることを特徴とする。

【０００９】ここで、上記伸縮部の幅は、梁部の尾端側
から先端側に至る配置に対応して変動部と支持部との間
の距離よりも昇順に冗長になるように設定されているこ
とを特徴としてもよい。また、上記樹脂はポリイミド樹
脂であることを特徴としてもよい。

【００１０】

【作用】本発明に係るカンチレバーにおいては、外部か
ら応力が負荷していない場合、梁部は自然な状態にある
ので、梁部の変位は基部に対してほぼ最小となってい
る。このとき、梁部は基板の表面方向にほぼ平行に位置
しているので、樹脂における複数個の伸縮部はそれぞれ
弛みを有した状態である。

【００１１】一方、外部から応力が負荷すると、梁部は
尾端を基部に固定して先端側をほぼ層厚方向に変位す
る。このとき、樹脂における変動部は支持部に対して梁
部と一体に変位するので、伸縮部は梁部の変位に対応し
て伸縮する。

【００１２】ここで、外部からの応力が比較的大きい場
合、これに対応して梁部は先端側を大きく変位しようと
する。しかしながら、樹脂における複数個の伸縮部がそ
れぞれ弛みを無くして最大限に伸びると、梁部は制動を
受けるので、梁部の変位が所定限度を越えることはな
い。このとき、樹脂における変動部が梁部と一体に形成
されていることにより、梁部は歪みなどを受けずに樹脂
における変動部及び伸縮部を介して支持部に保持され
る。

【００１３】特に、樹脂における変動部及び支持部を接
続する複数個の伸縮部の幅が梁部の尾端側から先端側に
至る配置に対応して昇順に冗長になるようにそれぞれ設
定されている場合、梁部は応力を一部の箇所に集中して
受けずに全体に拡散して受けるので、従来のような損傷
が低減する。

【００１４】

【実施例】以下、本発明に係る実施例の構成及び作用に
ついて、図１ないし図６を参照して説明する。なお、図
面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複
する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明の
ものと必ずしも一致していない。

【００１５】図１（ａ）は、本発明のカンチレバーに係
る一実施例の構成を示す上面図である。図１（ｂ）は、
図１（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った構造を示す断面図であ
る。このカンチレバーは、基板１０の内側領域から形成
されている平板状の梁部１２と、基板１０の周辺領域か
ら形成されて梁部１２の尾端を片持状に支持する四角柱
状の条基部１１とから構成されている。また、基部１１
と梁部１２とは、基板１０の層厚方向にコの字型柱状に
伸びる中空部１３によって所定間隔で部分的に切り離さ
れている。なお、梁部１２は基部１１と比較して薄い層
厚を有して成形されており、梁部１２の底面と基部１１
の側壁で囲まれた直方体状の中空部１４が形成されてい
る。

【００１６】基板１０の梁部１２上の所定位置には、検
出素子２０が形成されている。この検出素子２０の内部
には、図示しない４個のピエゾ抵抗器からなる所定のブ
リッジ回路が構成されている。これらピエゾ抵抗器は梁
部１２の変位に対応して抵抗値を変動するものである。
なお、ブリッジ回路は抵抗値の変動に対応した電圧を外
部に出力するように接続した配線を備えている。

【００１７】基板１０全体及び検出素子２０の上には、
樹脂３０がほぼ均一な層厚で接着されている。この樹脂
３０は、変動部３１、支持部３２及び伸縮部３３ａ〜３
３ｃで構成されており、梁部１２の変位に対するストッ
パとして機能するとともに、検出素子２０の表面保護用
の層間絶縁膜またはパッシベーション膜の少なくとも一
方としても機能する。変動部３１は梁部１２上に形成さ
れており、外部からの応力に基づいて変位する梁部１２
と一体に変動する。支持部３２は基部１１上に形成され
ており、梁部１２の変位を基部１１と一体に支持する。

【００１８】２個の伸縮部３３ａは、変動部３１におけ
る先端の側壁とこれに対向する支持部３２の側壁とを所
定位置で部分的に接続するようにそれぞれ形成されてい
る。３個の伸縮部３３ｂは、変動部３１における一方の
中端の側壁とこれに対向する支持部３２の側壁とを所定
位置で部分的に接続するようにそれぞれ形成されてい
る。３個の伸縮部３３ｃは、変動部３１における他方の
中端の側壁とこれに対向する支持部３２の側壁とを所定
位置で部分的に接続するようにそれぞれ形成されてい
る。

【００１９】ここで、樹脂３０は、大きな引張弾性率を
有する材料で形成されている。また、外部からの応力に
基づいて梁部１２が尾端で弾性変形して先端を所定限度
に変位した場合に対応するように、基部１１及び梁部１
２間を接続する伸縮部３３ａ〜３３ｃの幅が設定されて
いる。すなわち、変動部３１及び支持部３２間を接続す
る伸縮部３３ａ〜３３ｃの幅は、梁部１２の尾端側から
先端側に至る配置に対応して変動部３１と支持部３２と
の間の距離よりも昇順に冗長になるようにそれぞれ設定
されている。なお、変動部３１及び支持部３２を接続す
る伸縮部３３ａの幅は、伸縮部３３ｂ，３３ｃよりも大
きく、つまり最大の長さに設定されている。

【００２０】基板１０は、シリコンなどの半導体材料で
形成されている。検出素子２０は、ブリッジ回路の構成
及び機能に対応して通常用いられる各種の材料で形成さ
れている。樹脂３０は、いわゆるポリイミド樹脂などの
高分子材料で形成されている。ポリイミド樹脂は、通
常、無水ピロメリト酸などの酸無水物と芳香族ジアミン
などのジアミンとの化学反応によって中間体としてポリ
アミド酸を合成した後、このポリアミド酸を熱的反応ま
たは化学反応によって環化して製造される。このポリイ
ミド樹脂は、高分子骨格にフタルイミド構造を有するこ
とで特徴づけられ、高分子骨格の組成に起因して熱安定
性や機械的強度に優れており、良好な耐熱応力性を有す
る。

【００２１】次に、上記実施例の作用について説明す
る。

【００２２】このカンチレバーでは、外部から応力が負
荷していない場合、図２に示すように、梁部１２は自然
な状態にあるので、梁部１２の変位は基部１１に対して
ほぼ最小となっている。このとき、梁部１２は基板１０
の表面方向にほぼ平行に位置しているので、伸縮部３３
ａ〜３３ｃはそれぞれ弛みを有した状態である。

【００２３】一方、外部から応力が負荷すると、梁部１
２は尾端を基部１１に固定して先端側をほぼ層厚方向に
変位する。このとき、変動部３１は支持部３２に対して
梁部１２と一体に変位するので、伸縮部３３ａ〜３３ｃ
は梁部１２の変位に対応して伸縮する。

【００２４】ここで、外部からの応力が比較的大きい場
合、これに対応して梁部１２は先端側を大きく変位しよ
うとする。しかしながら、伸縮部３３ａ〜３３ｃがそれ
ぞれ弛みを無くして最大限に伸びると、梁部１２は制動
を受けるので、梁部１２の変位が所定限度を越えること
はない。このとき、変動部３１が梁部１２と一体に設置
されていることにより、梁部１２は歪みなどを受けずに
変動部３１及び伸縮部３３ａ〜３３ｃを介して支持部３
２に保持される。

【００２５】特に、変動部３１及び支持部３２を接続す
る伸縮部３３ａ〜３３ｃの幅が梁部１２の尾端側から先
端側に至る配置に対応して昇順に冗長になるようにそれ
ぞれ設定されていることにより、梁部１２は応力を一部
の箇所に集中して受けずに全体に拡散して受けるので、
従来のような損傷が低減する。

【００２６】次に、上記実施例の製造方法について説明
する。

【００２７】図４〜６（ａ）は、上記実施例のカンチレ
バーにおける製造工程の各段階を示す上面図である。図
４〜６（ｂ）は、図４〜６（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った構
造を示す断面図である。まず、基板１０としてウェハま
たはウェハから分割したチップを設置する。続いて、通
常の半導体デバイス製造技術を用いることにより、基板
１０の所定領域上に所定のブリッジ回路を含む検出素子
２０を形成する（図４）。

【００２８】次に、通常のスピンコート法に基づき、基
板１０及び検出素子２０上に樹脂３０を形成する。続い
て、通常のフォトリソグラフィ技術に基づき、露光現像
を行った後、所定の温度（約３００〜４００℃）でキュ
アを行う。続いて、通常のフォトリソグラフィ技術に基
づき、所定パターンのマスク材を樹脂３０の表面上に形
成する。さらに、基板１０の裏面上に保護レジストをコ
ートし、所定のエッチング液中に浸す。すなわち、基板
１０及び樹脂３０を表面側から部分的にエッチング除去
して微細加工を行い、所定形状の変動部３１、支持部３
２及び伸縮部３３ａ〜３３ｃをそれぞれ形成する。続い
て、樹脂３０の表面上からマスク材をエッチング除去す
る（図５）。

【００２９】次に、通常のフォトリソグラフィ技術に基
づき、所定パターンのマスク材を基板１０の裏面上に形
成する。続いて、通常のウェットエッチング法を用いる
ことにより、所定のエッチング液中に基板１０を浸す。
すなわち、基板１０を裏面側あるいは側壁側から部分的
にエッチング除去して微細加工を行い、所定形状の基部
１１及び梁部１２をそれぞれ形成する。続いて、基板１
０の裏面上からマスク材をエッチング除去する（図
６）。

【００３０】このようにカンチレバーの形成工程に引き
続いて半導体デバイスの製造技術、特にパターンニング
工程を利用し、カンチレバーに対応してストッパを一括
して形成することにより、ストッパの形状及び配置に関
する精度は従来よりも向上する。また、ストッパの形状
及び配置に関して伸縮部の個数や余裕長さなどの種々の
条件を変更する際にも、パターンニング工程でマスク材
のパターンを変更することにより、対応処理が容易に実
施することができる。

【００３１】なお、本発明は上記実施例に限られるもの
ではなく、種々の変形を行うことが可能である。

【００３２】例えば、上記実施例では、ストッパを構成
する樹脂としてポリイミド樹脂が用いられている。しか
しながら、ポリイミド樹脂以外の樹脂を用いても、大き
な引張弾性率を有していれば、上記実施例とほぼ同様な
作用効果が得られる。

【００３３】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
係るカンチレバーによれば、外部から応力が負荷する
と、梁部は尾端を基部に固定して先端側をほぼ層厚方向
に変位する。このとき、変動部は支持部に対して梁部と
一体に変位するので、伸縮部は梁部の変位に対応して伸
縮する。

【００３４】ここで、外部からの応力が比較的大きい場
合、これに対応して梁部は先端側を大きく変位しようと
する。しかしながら、複数個の伸縮部がそれぞれ弛みを
無くして最大限に伸びると、梁部は制動を受けるので、
梁部の変位が所定限度を越えることはない。このとき、
変動部が梁部と一体に設置されていることにより、梁部
は歪みなどを受けずに変動部及び伸縮部を介して支持部
に保持される。そのため、梁部は応力を一部の箇所に集
中して受けずに全体に拡散して受けるので、従来のよう
な損傷が低減する。

【００３５】したがって、応力に基づいて変位する片持
梁を樹脂からなる複数個の伸縮部によって全体的に支持
するストッパを設置することにより、片持梁の損傷を防
止したカンチレバーを提供することができる。

【００３６】また、このようなストッパは、レバーの形
成工程に引き続いて半導体デバイスの製造技術を利用し
て一括して形成される。そのため、形状及び配置に関す
る精度は従来よりも向上する上に、伸縮部の個数や余裕
長さなどの種々の条件を変更する際にも、パターンニン
グ工程におけるマスク材のパターン変更による対応処理
が容易に実施される。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明のカンチレバーに係る一実施例
の構成を示す上面図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線
に沿った構造を示す断面図である。

【図２】図１のカンチレバーにおいて応力が負荷してい
ない状態を示す斜視図である。

【図３】図１のカンチレバーにおいて応力が負荷してい
る状態を示す斜視図である。

【図４】（ａ）は図１のカンチレバーにおける製造工程
の第１段階を示す上面図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−
Ｂ線に沿った構造を示す断面図である。

【図５】（ａ）は図１のカンチレバーにおける製造工程
の第２段階を示す上面図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−
Ｂ線に沿った構造を示す断面図である。

【図６】（ａ）は図１のカンチレバーにおける製造工程
の第３段階を示す上面図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−
Ｂ線に沿った構造を示す断面図である。

【図７】従来のカンチレバーにおける構成を示す斜視図
である。

【図８】（ａ）は図７のカンチレバーにおいて応力が負
荷していない状態を示す断面図であり、（ｂ）は図７の
カンチレバーにおいて応力が負荷している状態を示す断
面図である。

【符号の説明】

１０…基板、１１…基部、１２…梁部、１３，１４…中
空部、２０…検出素子、３０…樹脂、３１…変動部、３
２…支持部、３３ａ〜３３ｃ…伸縮部、５０…基板、６
０…台座、７０…レバー、７１…衝突箇所、７２…損傷
箇所、８０…ストッパ。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板の内側領域から形成されている梁部
   と、この梁部の一端を片持状に支持して前記基板の周辺
   領域から形成されている基部とから構成されたカンチレ
   バーにおいて、 前記梁部上に形成されて前記梁部と共に変位する変動部
   と、前記梁部を所定間隔で取り囲む前記基部上に形成さ
   れて前記基部と共に固定した支持部と、前記変動部と前
   記支持部との間の距離よりも冗長である幅を有して形成
   されて前記変動部及び前記支持部を部分的に接続する複
   数個の伸縮部とから一体に構成された引張弾性を有する
   樹脂で形成され、外部から負荷した応力に対応する前記
   梁部の変位を限定するストッパを備えることを特徴とす
   るカンチレバー。
2. 【請求項２】 前記伸縮部の幅は、前記梁部の尾端側か
   ら先端側に至る配置に対応して前記変動部と前記支持部
   との間の距離よりも昇順に冗長になるように設定されて
   いることを特徴とする請求項１記載のカンチレバー。
3. 【請求項３】 前記樹脂はポリイミド樹脂であることを
   特徴とする請求項１記載のカンチレバー。