JPH10104263A - 半導体加速度センサおよびその製造方法 - Google Patents
半導体加速度センサおよびその製造方法Info
- Publication number
- JPH10104263A JPH10104263A JP8279995A JP27999596A JPH10104263A JP H10104263 A JPH10104263 A JP H10104263A JP 8279995 A JP8279995 A JP 8279995A JP 27999596 A JP27999596 A JP 27999596A JP H10104263 A JPH10104263 A JP H10104263A
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- Japan
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- weight
- cap
- pedestal
- acceleration sensor
- depression
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
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- Pressure Sensors (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 シール構造で、位相遅れの少ない半導体加速
度センサを提供する。 【解決手段】 ｐ型シリコン基板１７上に形成されたｎ
型エピタキシャル層９からなり、シリコン基板１７を選
択的にエッチングして、肉薄の梁２により重り部３を両
側から周囲のフレーム４に懸架、支持する梁構造体を作
る。梁２の両側には梁２の応力を感知する４つのｐ型ピ
エゾ抵抗６が拡散形成されている。梁構造体のフレーム
の上下両面には、台座１とキャップ５が接合されてい
る。台座１とキャップ５はそれぞれ重り部２３と対向す
る窪みを有して、窪みの深さｄは重り部３が加速度に応
じて上下に変位時に、エア・ダンピングを起こさないよ
うに設定されている。これにより、重り部はエア・ダン
ピングを受けずに加速度信号に応答でき、ピエゾ抵抗が
ほぼ時間遅れなしに加速度信号を感知し、検出される信
号に、位相遅れに起因する出力誤差が大幅に低減される
効果が得られる。
度センサを提供する。 【解決手段】 ｐ型シリコン基板１７上に形成されたｎ
型エピタキシャル層９からなり、シリコン基板１７を選
択的にエッチングして、肉薄の梁２により重り部３を両
側から周囲のフレーム４に懸架、支持する梁構造体を作
る。梁２の両側には梁２の応力を感知する４つのｐ型ピ
エゾ抵抗６が拡散形成されている。梁構造体のフレーム
の上下両面には、台座１とキャップ５が接合されてい
る。台座１とキャップ５はそれぞれ重り部２３と対向す
る窪みを有して、窪みの深さｄは重り部３が加速度に応
じて上下に変位時に、エア・ダンピングを起こさないよ
うに設定されている。これにより、重り部はエア・ダン
ピングを受けずに加速度信号に応答でき、ピエゾ抵抗が
ほぼ時間遅れなしに加速度信号を感知し、検出される信
号に、位相遅れに起因する出力誤差が大幅に低減される
効果が得られる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、半導体加速度セ
ンサに係り、とくに加速度を感知する重りの応答性を向
上させた半導体加速度センサの構成とその製造方法に関
する。
ンサに係り、とくに加速度を感知する重りの応答性を向
上させた半導体加速度センサの構成とその製造方法に関
する。
【０００２】
【従来の技術】従来の半導体加速度センサとしては、例
えば米国特許第５、１０３、６６７号に開示されている
ようなものがある。これは、図５に示されるように、シ
リコン基板４０を底面から異方性エッチングして、形成
した薄肉の梁２２によって、重り部２３を周囲の肉厚の
フレーム２４に支持する。このシリコン基板４０の上下
両面には、台座２１とキャップ２５が接合され、サンド
ウィッチ構造となっている。台座２１とキャップ２５は
それぞれ重り部２３と対向する窪みを有して、重り部２
３が加速度に応じて上下に変位可能な空間を作ってい
る。
えば米国特許第５、１０３、６６７号に開示されている
ようなものがある。これは、図５に示されるように、シ
リコン基板４０を底面から異方性エッチングして、形成
した薄肉の梁２２によって、重り部２３を周囲の肉厚の
フレーム２４に支持する。このシリコン基板４０の上下
両面には、台座２１とキャップ２５が接合され、サンド
ウィッチ構造となっている。台座２１とキャップ２５は
それぞれ重り部２３と対向する窪みを有して、重り部２
３が加速度に応じて上下に変位可能な空間を作ってい
る。
【０００３】梁２２上にはピエゾ抵抗２６が形成されて
いて、シリコン基板４０の主面と略垂直方向に加速度が
印加されるときに、梁２２がたわんで応力が生じ、ピエ
ゾ抵抗２６の抵抗値が変化して加速度を検出できるよう
になっている。また、キャップ２５は右端の一部が切除
され、ここのフレーム２４にはピエゾ抵抗２６の出力を
外部へ取り出すためのパッド電極３０が形成されてい
る。さらに、キャップ２５の窪みの中には重り部２３と
対向して電極２９が形成されていて、この電極２９と重
り部２３の間に電圧を印加すると静電力が生じ、重り部
２３に加速度印加時と同様な出力を発生させることがで
きるので、センサ機能の自己診断ができるような構成と
なっている。
いて、シリコン基板４０の主面と略垂直方向に加速度が
印加されるときに、梁２２がたわんで応力が生じ、ピエ
ゾ抵抗２６の抵抗値が変化して加速度を検出できるよう
になっている。また、キャップ２５は右端の一部が切除
され、ここのフレーム２４にはピエゾ抵抗２６の出力を
外部へ取り出すためのパッド電極３０が形成されてい
る。さらに、キャップ２５の窪みの中には重り部２３と
対向して電極２９が形成されていて、この電極２９と重
り部２３の間に電圧を印加すると静電力が生じ、重り部
２３に加速度印加時と同様な出力を発生させることがで
きるので、センサ機能の自己診断ができるような構成と
なっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上記のような従来の加
速度センサにあっては、センサの応答性の観点からのエ
ア・ギャップの大きさについての検討はとくに行なわれ
ておらず、過大な加速度が加わった時重り部が窪みの底
部に当接して梁の過大な変位を防止することが考えられ
ている程度であった。したがって重り部２３と上下に配
置されているキャップ２５、台座２１との間に存在する
エアキャップ２７、２８は通常数μｍ程度である。
速度センサにあっては、センサの応答性の観点からのエ
ア・ギャップの大きさについての検討はとくに行なわれ
ておらず、過大な加速度が加わった時重り部が窪みの底
部に当接して梁の過大な変位を防止することが考えられ
ている程度であった。したがって重り部２３と上下に配
置されているキャップ２５、台座２１との間に存在する
エアキャップ２７、２８は通常数μｍ程度である。
【０００５】しかしながら、上記のようなエア・ギャッ
プの大きさでは、重り部２３が高速変位時に、エア・ダ
ンピング影響を受けることになる。これによって重り部
２３と梁２２からなる振動系の共振は抑さえられるが、
かなりの位相遅れがもたらされる。この位相遅れは共振
周波数の１／１０程度の周波数においても相当有るた
め、使用に制限を受けることになり、とくに位相を含め
て高精度で加速度を検出するような用途には使うことが
できないという問題点があった。
プの大きさでは、重り部２３が高速変位時に、エア・ダ
ンピング影響を受けることになる。これによって重り部
２３と梁２２からなる振動系の共振は抑さえられるが、
かなりの位相遅れがもたらされる。この位相遅れは共振
周波数の１／１０程度の周波数においても相当有るた
め、使用に制限を受けることになり、とくに位相を含め
て高精度で加速度を検出するような用途には使うことが
できないという問題点があった。
【０００６】また、上記サンドウィッチ構造の加速度セ
ンサにおいては、キャップ２５の右側端部の切除は、キ
ャップ２５とフレーム２４そして台座２１を接合してか
ら行なうため、キャップ２５にはパッド電極３０と接触
しないような空隙が設けられている。この空隙は通常窪
みと一緒に形成されるため、窪みと同様な深さを有す
る。したがって、ダイヤモンド砥石などで切る時に、そ
の隙間を越えてパッド電極を破損させてしまう恐れがあ
るという問題もある。この発明は、上記のような従来の
問題点に着目してなされたもので、エアダンビングの影
響を無視できるような構造にし、応答性のよい半導体加
速度センサを提供することを目的としている。
ンサにおいては、キャップ２５の右側端部の切除は、キ
ャップ２５とフレーム２４そして台座２１を接合してか
ら行なうため、キャップ２５にはパッド電極３０と接触
しないような空隙が設けられている。この空隙は通常窪
みと一緒に形成されるため、窪みと同様な深さを有す
る。したがって、ダイヤモンド砥石などで切る時に、そ
の隙間を越えてパッド電極を破損させてしまう恐れがあ
るという問題もある。この発明は、上記のような従来の
問題点に着目してなされたもので、エアダンビングの影
響を無視できるような構造にし、応答性のよい半導体加
速度センサを提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】このため、本発明は、半
導体基板を選択的にエッチングして形成され、肉薄の梁
で肉厚の重り部を周囲の肉厚のフレーム部を懸架、支持
する構造体と、前記梁上に形成され、該梁上の応力を検
出するためのピエゾ抵抗と、前記重り部を包含する領域
に対応した窪み部を有する台座と、前記重り部を包含す
る領域に対応した窪み部を有するキャップとを備え、前
記台座と前記キャップが窪みを対向させ前記半導体基板
を挟むように前記フレーム部に接合されて構成される半
導体加速度センサにおいて、前記重り部と前記窪みの対
向面積Ｓ、梁のばね常数ｋ、台座とキャップによりシー
ルされた気体の粘度μに対して、前記重り部と前記窪み
の間に形成するエア・ギャップの長さｄが次式を満足す
るように前記窪みの深さが設定されるものとした。
導体基板を選択的にエッチングして形成され、肉薄の梁
で肉厚の重り部を周囲の肉厚のフレーム部を懸架、支持
する構造体と、前記梁上に形成され、該梁上の応力を検
出するためのピエゾ抵抗と、前記重り部を包含する領域
に対応した窪み部を有する台座と、前記重り部を包含す
る領域に対応した窪み部を有するキャップとを備え、前
記台座と前記キャップが窪みを対向させ前記半導体基板
を挟むように前記フレーム部に接合されて構成される半
導体加速度センサにおいて、前記重り部と前記窪みの対
向面積Ｓ、梁のばね常数ｋ、台座とキャップによりシー
ルされた気体の粘度μに対して、前記重り部と前記窪み
の間に形成するエア・ギャップの長さｄが次式を満足す
るように前記窪みの深さが設定されるものとした。
【数２】
【０００８】前記台座およびキャップはガラス基板から
作られ、その窪みはＨＦ系エッチ液によって前記式を満
足するような深さまでエッチングして形成される。その
エッチングを行なうに際して、ガラス基板にａ−Ｓｉ膜
を蒸着し、パターンニングした後アニールしてマスク材
として形成させる。そして、エッチングは２段に分けら
れ、ａ−Ｓｉ膜のマスクを用いて、ある程度の深さまで
第１のエッチングを行なった後、前記マスク材を除去
し、再度ａ−Ｓｉ膜を蒸着し、前記より所定の大きさで
小さくした窪みパターンでパターンニングをした後アニ
ールしてマスク材とし、所定の深さまで第２のエッチン
グを行なって窪みを形成する。
作られ、その窪みはＨＦ系エッチ液によって前記式を満
足するような深さまでエッチングして形成される。その
エッチングを行なうに際して、ガラス基板にａ−Ｓｉ膜
を蒸着し、パターンニングした後アニールしてマスク材
として形成させる。そして、エッチングは２段に分けら
れ、ａ−Ｓｉ膜のマスクを用いて、ある程度の深さまで
第１のエッチングを行なった後、前記マスク材を除去
し、再度ａ−Ｓｉ膜を蒸着し、前記より所定の大きさで
小さくした窪みパターンでパターンニングをした後アニ
ールしてマスク材とし、所定の深さまで第２のエッチン
グを行なって窪みを形成する。
【０００９】
【作用】本発明では、半導体基板と略垂直方向に加速度
が印加されると、重り部が変位し、梁に歪み応力が生じ
る。そして、ピエゾ抵抗が歪み応力に対応した抵抗値変
化を生じ、その抵抗値の変化を元に加速度信号が検出さ
れる。台座とキャップには重り部と所定のエア・ギャッ
プ長ｄをもって対向する窪みの深さが設定されているた
め、重り部が変位時に、エア・ダンピングを起こすこと
なく、ほぼ時間遅れなしに加速度信号に応答し、これに
より重り部と梁からなる振動系の共振周波数の近くまで
顕著な位相遅れを起こさずに加速度を検出できる。
が印加されると、重り部が変位し、梁に歪み応力が生じ
る。そして、ピエゾ抵抗が歪み応力に対応した抵抗値変
化を生じ、その抵抗値の変化を元に加速度信号が検出さ
れる。台座とキャップには重り部と所定のエア・ギャッ
プ長ｄをもって対向する窪みの深さが設定されているた
め、重り部が変位時に、エア・ダンピングを起こすこと
なく、ほぼ時間遅れなしに加速度信号に応答し、これに
より重り部と梁からなる振動系の共振周波数の近くまで
顕著な位相遅れを起こさずに加速度を検出できる。
【００１０】前記台座またはキャップがガラス基板から
作られ、その窪みはＨＦ系エッチ液によってエッチング
して形成されるので、ＨＦ系エッチ液と化学反応が起き
ないａ−Ｓｉをマスク材に用いることが可能となる。そ
してこのａ−Ｓｉをガラス基板に蒸着し、アニールする
と密着性が向上し、高濃度のＨＦ系エッチで長時間エッ
チングしても、密着不良とならないため、窪みを深く形
成することが可能となる。さらに、エッチングを２段に
分けて行なうと、窪みはより深く形成することができる
とともに、第２のエッチングを行なう際のマスクを第１
のエッチングより窪みパターンを所定の大きさで小さく
することで、マスク下へのアンダーカット量が低減さ
れ、窪み形状のパターンニング精度が向上する。
作られ、その窪みはＨＦ系エッチ液によってエッチング
して形成されるので、ＨＦ系エッチ液と化学反応が起き
ないａ−Ｓｉをマスク材に用いることが可能となる。そ
してこのａ−Ｓｉをガラス基板に蒸着し、アニールする
と密着性が向上し、高濃度のＨＦ系エッチで長時間エッ
チングしても、密着不良とならないため、窪みを深く形
成することが可能となる。さらに、エッチングを２段に
分けて行なうと、窪みはより深く形成することができる
とともに、第２のエッチングを行なう際のマスクを第１
のエッチングより窪みパターンを所定の大きさで小さく
することで、マスク下へのアンダーカット量が低減さ
れ、窪み形状のパターンニング精度が向上する。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、発明の実施の形態について
実施例により説明する。図１は、実施例の構成を示す半
導体加速度センサの断面図である。ｐ型シリコン基板１
７の上に順次ｎ型エピタキシャル層９、シリコン酸化膜
１１が形成され、ｐ型シリコン基板１７を裏面からエッ
チングにより中央部に重り部３と、重り部３を取り囲む
フレーム４、そして重り部３とフレーム４を結ぶ薄肉の
梁２からなる梁構造が構成されている。これにより、重
り部３は肉薄の梁２によって両側から周囲のフレーム４
に懸架、支持される。
実施例により説明する。図１は、実施例の構成を示す半
導体加速度センサの断面図である。ｐ型シリコン基板１
７の上に順次ｎ型エピタキシャル層９、シリコン酸化膜
１１が形成され、ｐ型シリコン基板１７を裏面からエッ
チングにより中央部に重り部３と、重り部３を取り囲む
フレーム４、そして重り部３とフレーム４を結ぶ薄肉の
梁２からなる梁構造が構成されている。これにより、重
り部３は肉薄の梁２によって両側から周囲のフレーム４
に懸架、支持される。
【００１２】ｎ型エピタキシャル層９で構成された梁２
の両側、フレーム４と重り部３の近傍には表面から４つ
のｐ型ピエゾ抵抗６が拡散形成されていて、図示しない
電極結線によりホイートストン・ブリッジ回路が形成さ
れている。ホイートストン・ブリッジ回路の出力信号は
ｐ型シリコン基板１７の右端に形成されたパッド電極１
０から取り出せるようになっている。シリコン基板１７
のｎ型エピタキシャル層９の表面には保護用のシリコン
酸化膜１１が形成されている。
の両側、フレーム４と重り部３の近傍には表面から４つ
のｐ型ピエゾ抵抗６が拡散形成されていて、図示しない
電極結線によりホイートストン・ブリッジ回路が形成さ
れている。ホイートストン・ブリッジ回路の出力信号は
ｐ型シリコン基板１７の右端に形成されたパッド電極１
０から取り出せるようになっている。シリコン基板１７
のｎ型エピタキシャル層９の表面には保護用のシリコン
酸化膜１１が形成されている。
【００１３】この梁構造は、そのフレーム４が重り部３
と対向するような窪みを有するパイレックス・ガラスか
らなる台座１上に陽極接合されている。一方、フレーム
４の表面にも重り部３と対向するよう窪みを有するパイ
レックス・ガラスからなるキャップ５がシリコン酸化膜
１１を介して陽極接合されている。これにより、内部に
梁２および重り３を収納するキャビティが形成されてい
る。重り部３と上下窪みとの間にはそれぞれ重り部３が
加速度に応答して変位可能なエア・ギャップ７、８が形
成されている。
と対向するような窪みを有するパイレックス・ガラスか
らなる台座１上に陽極接合されている。一方、フレーム
４の表面にも重り部３と対向するよう窪みを有するパイ
レックス・ガラスからなるキャップ５がシリコン酸化膜
１１を介して陽極接合されている。これにより、内部に
梁２および重り３を収納するキャビティが形成されてい
る。重り部３と上下窪みとの間にはそれぞれ重り部３が
加速度に応答して変位可能なエア・ギャップ７、８が形
成されている。
【００１４】エア・ギャップ７、８の長さｄは、重り部
３が変位時のダンピング・ファクターｈが０．０１以下
で、エア・ダンピングの影響が無視できるように大きく
してある。すなわち重り部３の対向面積をＳ、キャビテ
ィ内の気体の粘度をμ、重り部の質量をｍ、重り部３の
上下方向変位に対応する梁２のばね定数をｋとすると、
ギャップ長ｄは式（１）を満足するように設定されてい
る。
３が変位時のダンピング・ファクターｈが０．０１以下
で、エア・ダンピングの影響が無視できるように大きく
してある。すなわち重り部３の対向面積をＳ、キャビテ
ィ内の気体の粘度をμ、重り部の質量をｍ、重り部３の
上下方向変位に対応する梁２のばね定数をｋとすると、
ギャップ長ｄは式（１）を満足するように設定されてい
る。
【数３】
【００１５】図２はダンピング・ファクタ−ｈを変えた
時の振幅と位相の周波数特性を示す。（ａ）は振幅の周
波数特性を示す図で、（ｂ）は位相の周波数特性を示す
図である。横軸は入力加速度の周波数を共振周波数で割
った正規化周波数であり、縦軸は入力加速度の振幅を低
周波数側の振幅で割った正規化振幅および位相である。
ｈ＝０．７０７が臨界ダンピング・ファクタ−で、低周
波数側でかなりの位相遅れを生じている。ダンピング・
ファクタ−ｈが小さくなっていくと共振のピークが段々
高くなっていくとともに低周波側での位相遅れは小さく
なっていく。共振周波数ｆ０の１／５の周波数まで測定
する場合を考えると、ｆ０／５での位相遅れは臨界ダン
ピングで１６．５度もあるのに対して、ｈ＝０．１では
２．４度とかなり小さくなっている。ｈ＝０．０１のと
きは図示しないが演算では０．２４度となり、ほぼ無視
できるレベルになる。
時の振幅と位相の周波数特性を示す。（ａ）は振幅の周
波数特性を示す図で、（ｂ）は位相の周波数特性を示す
図である。横軸は入力加速度の周波数を共振周波数で割
った正規化周波数であり、縦軸は入力加速度の振幅を低
周波数側の振幅で割った正規化振幅および位相である。
ｈ＝０．７０７が臨界ダンピング・ファクタ−で、低周
波数側でかなりの位相遅れを生じている。ダンピング・
ファクタ−ｈが小さくなっていくと共振のピークが段々
高くなっていくとともに低周波側での位相遅れは小さく
なっていく。共振周波数ｆ０の１／５の周波数まで測定
する場合を考えると、ｆ０／５での位相遅れは臨界ダン
ピングで１６．５度もあるのに対して、ｈ＝０．１では
２．４度とかなり小さくなっている。ｈ＝０．０１のと
きは図示しないが演算では０．２４度となり、ほぼ無視
できるレベルになる。
【００１６】重り部３の対向面積をＳ、キャビティ内の
気体の粘度をμ、重り部３の質量をｍ、重り部３の上下
方向変位に対応する梁２のばね定数をｋ、ギャップ長を
ｄとすると、エア・ダンピングの強さを表わすダンピン
グ・ファクタ−ｈは、式（２）のように表わされる。
気体の粘度をμ、重り部３の質量をｍ、重り部３の上下
方向変位に対応する梁２のばね定数をｋ、ギャップ長を
ｄとすると、エア・ダンピングの強さを表わすダンピン
グ・ファクタ−ｈは、式（２）のように表わされる。
【数４】 ここで重り部３の対向形状は正方形であると仮定した。
ばね定数ｋは梁２の長さをＬ、幅をｗ、厚さをｔ、Ｓｉ
基板の梁の長さ方向にヤング率をＥとすると式（３）の
ように表わされる。
ばね定数ｋは梁２の長さをＬ、幅をｗ、厚さをｔ、Ｓｉ
基板の梁の長さ方向にヤング率をＥとすると式（３）の
ように表わされる。
【数５】
【００１７】本実施例では、Ｌ＝４００μｍ、ｗ＝５６
０μｍ、ｔ＝１０μｍ、Ｅ＝１．７×１０ｄｙｎ／ｃｍ
として、 ｋ＝０．３ｇｆ／μｍとなる。そして重り部の対向面積
Ｓを１．５ｍｍ平方、キャビティ内の気体（大気圧の空
気）の粘度μを１８．２×１０６Ｐａ・ｓ、重り部の質
量ｍを１．６ｍｇとして、ｄ＞２４μｍに設定してあ
る。これにより、式（１）と式（２）からｈ＜０．０１
となり、エア・ダンピングの影響が低減される。
０μｍ、ｔ＝１０μｍ、Ｅ＝１．７×１０ｄｙｎ／ｃｍ
として、 ｋ＝０．３ｇｆ／μｍとなる。そして重り部の対向面積
Ｓを１．５ｍｍ平方、キャビティ内の気体（大気圧の空
気）の粘度μを１８．２×１０６Ｐａ・ｓ、重り部の質
量ｍを１．６ｍｇとして、ｄ＞２４μｍに設定してあ
る。これにより、式（１）と式（２）からｈ＜０．０１
となり、エア・ダンピングの影響が低減される。
【００１８】上記のような広いギャップ長を実現するに
は、キャップおよび台座用ガラス基板をＨＦ系のエッチ
液で長時間エッチングする必要があり、そのためには、
マスク膜が剥離しないことが重要となる。以下その実施
方法について加速度センサの加工工程から説明する。図
３は、この加速度センサの加工工程を示すフローであ
る。最初、（ａ）に示すように、ｐ形シリコン基板１７
の上に梁の厚さに対応した厚さでｎ形エピタキシャル層
９を成長させ、表面に熱酸化によりシリコン酸化膜１
１、１２を形成する。
は、キャップおよび台座用ガラス基板をＨＦ系のエッチ
液で長時間エッチングする必要があり、そのためには、
マスク膜が剥離しないことが重要となる。以下その実施
方法について加速度センサの加工工程から説明する。図
３は、この加速度センサの加工工程を示すフローであ
る。最初、（ａ）に示すように、ｐ形シリコン基板１７
の上に梁の厚さに対応した厚さでｎ形エピタキシャル層
９を成長させ、表面に熱酸化によりシリコン酸化膜１
１、１２を形成する。
【００１９】次に、（ｂ）のように、ボロンのイオン注
入によりｐ形ピエゾ抵抗６を選択的に形成した後、ｎ形
エピタキシャル層に電圧バイアスするための図示しない
ｎ＋領域を形成する。次にシリコン基板１７裏面のシリ
コン酸化膜１２をパターンニングして異方性エッチング
のための耐エッチ・マスク層を形成する。
入によりｐ形ピエゾ抵抗６を選択的に形成した後、ｎ形
エピタキシャル層に電圧バイアスするための図示しない
ｎ＋領域を形成する。次にシリコン基板１７裏面のシリ
コン酸化膜１２をパターンニングして異方性エッチング
のための耐エッチ・マスク層を形成する。
【００２０】この後、（ｃ）のように、シリコン酸化膜
１１を選択的にエッチングをして図示しないコンタクト
を形成し、ピエゾ抵抗６をブリッジ接続するためのＡｌ
の電極配線を形成する。このときパッド電極１０が形成
される。次にｎ形エピタキシャル層９に正の電圧をバイ
アスしながら、ＫＯＨやヒドラジンなどの異方性エッチ
液を用いてシリコン基板１７を裏面からエッチするエレ
クトロケミカル・エッチングを行なう。エッチングはｎ
形エピタキシャル層９とのｐｎ接合面で停止する。これ
により、ｎ形エピタキシャル層９からなる梁２で重り部
３を周囲のフレーム４に支持するような梁構造体が完成
する。
１１を選択的にエッチングをして図示しないコンタクト
を形成し、ピエゾ抵抗６をブリッジ接続するためのＡｌ
の電極配線を形成する。このときパッド電極１０が形成
される。次にｎ形エピタキシャル層９に正の電圧をバイ
アスしながら、ＫＯＨやヒドラジンなどの異方性エッチ
液を用いてシリコン基板１７を裏面からエッチするエレ
クトロケミカル・エッチングを行なう。エッチングはｎ
形エピタキシャル層９とのｐｎ接合面で停止する。これ
により、ｎ形エピタキシャル層９からなる梁２で重り部
３を周囲のフレーム４に支持するような梁構造体が完成
する。
【００２１】一方、キャップ５は（ｄ）に示すように、
パイレックス・ガラス基板１９上にａ−Ｓｉ膜１３をス
パッタまたはプラズマＣＤＶにより形成し、キャップ用
の所定形状にパターンニングし、３００〜５００℃でア
ニールして密着性を向上させる。その後高濃度のＨＦ水
溶液を用いて十分から一時間以上パイレックス・ガラス
のエッチングを行ない、上記演算された２４μｍ以上の
深さの窪みを形成して、作成する。このキャップ５の右
側にはパッド電極１０を見込んだ幅寸法を有し窪みと同
じ深さの空隙１８が窪みと同時エッチングで形成されて
いる。
パイレックス・ガラス基板１９上にａ−Ｓｉ膜１３をス
パッタまたはプラズマＣＤＶにより形成し、キャップ用
の所定形状にパターンニングし、３００〜５００℃でア
ニールして密着性を向上させる。その後高濃度のＨＦ水
溶液を用いて十分から一時間以上パイレックス・ガラス
のエッチングを行ない、上記演算された２４μｍ以上の
深さの窪みを形成して、作成する。このキャップ５の右
側にはパッド電極１０を見込んだ幅寸法を有し窪みと同
じ深さの空隙１８が窪みと同時エッチングで形成されて
いる。
【００２２】台座１については、（ｅ）に示すように、
（ｄ）で示したキャップ５の作成と同様な要領で、パイ
レックス・ガラス基板２０上にａ−Ｓｉ膜１４をスパッ
タまたはプラズマＣＤＶにより形成し、台座用の所定形
状にパターンニングし、３００〜５００℃でアニールし
て密着性を向上させる。その後高濃度のＨＦ水溶液も用
いて十分から一時間以上パイレックス・ガラスのエッチ
ングを行ない、上記２４μｍ以上の深さの窪みを形成し
て、作成する。
（ｄ）で示したキャップ５の作成と同様な要領で、パイ
レックス・ガラス基板２０上にａ−Ｓｉ膜１４をスパッ
タまたはプラズマＣＤＶにより形成し、台座用の所定形
状にパターンニングし、３００〜５００℃でアニールし
て密着性を向上させる。その後高濃度のＨＦ水溶液も用
いて十分から一時間以上パイレックス・ガラスのエッチ
ングを行ない、上記２４μｍ以上の深さの窪みを形成し
て、作成する。
【００２３】その後、梁構造体の耐エッチ・マスク１
２、パイレックス・ガラスからなるキャップ５のａ−Ｓ
ｉ膜１３、パイレックス・ガラスからなる台座１のａ−
Ｓｉ膜１４をそれぞれ除去した後、フレーム４の裏面を
台座１に、フレーム４の表面にはキャップ１をそれぞれ
陽極接合する。この後、パッド電極１０の上方が開放す
るようにキャップ５の一部を肉薄のところでダイヤモン
ド砥石によって切り取って図１に示すようなシール構造
を完成する。パッド電極１０からの加速度の検出信号は
リード線によってその上方から外部へ出力される。これ
によってキャップ５および台座１の底壁と重り部３の間
に十分な間隙が形成されて、重り部３がエア・ダンピン
グを受けず変位できる。
２、パイレックス・ガラスからなるキャップ５のａ−Ｓ
ｉ膜１３、パイレックス・ガラスからなる台座１のａ−
Ｓｉ膜１４をそれぞれ除去した後、フレーム４の裏面を
台座１に、フレーム４の表面にはキャップ１をそれぞれ
陽極接合する。この後、パッド電極１０の上方が開放す
るようにキャップ５の一部を肉薄のところでダイヤモン
ド砥石によって切り取って図１に示すようなシール構造
を完成する。パッド電極１０からの加速度の検出信号は
リード線によってその上方から外部へ出力される。これ
によってキャップ５および台座１の底壁と重り部３の間
に十分な間隙が形成されて、重り部３がエア・ダンピン
グを受けず変位できる。
【００２４】本実施例は、以上のように構成され、ギャ
ップ長ｄは式（１）を満足するように設定されているた
め、重り部が殆どエア・ダンピングを受けずに変位する
ことができる。これによって、エア・ダンピングにより
検出加速度の周波数の帯域が制限されることなく、また
高周波側での位相遅れが大幅に改善され、共振周波数の
１／５程度の低周波数においても、位相遅れがほとんど
無い応答性の高い高精度の加速度検出が実現できる。
ップ長ｄは式（１）を満足するように設定されているた
め、重り部が殆どエア・ダンピングを受けずに変位する
ことができる。これによって、エア・ダンピングにより
検出加速度の周波数の帯域が制限されることなく、また
高周波側での位相遅れが大幅に改善され、共振周波数の
１／５程度の低周波数においても、位相遅れがほとんど
無い応答性の高い高精度の加速度検出が実現できる。
【００２５】また、梁および重り部などをフレームによ
って上下からキャップと台座で挟むような構造にしたの
で、簡易パッケージングが可能となる。キャップのパッ
ド電極と対向する位置に窪みと同じ深さの空隙が形成さ
れているので、ダイヤモンド砥石でキャップ５を切る際
に、下のパッド電極までは距離が長いため、誤ってパッ
ド電極を破損させてしまうことが防がれる。なお、本実
施例では、両持ち梁構造について説明したが、これに限
らず、片持ち梁構造あるいはダイアフラム構造について
も同様に適用することができる。
って上下からキャップと台座で挟むような構造にしたの
で、簡易パッケージングが可能となる。キャップのパッ
ド電極と対向する位置に窪みと同じ深さの空隙が形成さ
れているので、ダイヤモンド砥石でキャップ５を切る際
に、下のパッド電極までは距離が長いため、誤ってパッ
ド電極を破損させてしまうことが防がれる。なお、本実
施例では、両持ち梁構造について説明したが、これに限
らず、片持ち梁構造あるいはダイアフラム構造について
も同様に適用することができる。
【００２６】次に、本発明の第２の実施例を説明する。
この実施例は、第１の実施例の製造工程におけるキャッ
プ作成および台座作成の各工程を変え、窪みの成形精度
を向上させるものであるすなわち、まず図４の（ａ）に
示すように、パイレックス・ガラス基板２０上にａ−Ｓ
ｉ膜１４をスパッタまたはプラズマＣＤＶにより形成
し、キャップ用の所定形状にパターンニングして、３０
０〜５００℃でアニールして密着性を向上させる。その
後高濃度のＨＦ水溶液を用いて、最終的に必要な窪みの
深さの半分程度までエッチングを行なう。
この実施例は、第１の実施例の製造工程におけるキャッ
プ作成および台座作成の各工程を変え、窪みの成形精度
を向上させるものであるすなわち、まず図４の（ａ）に
示すように、パイレックス・ガラス基板２０上にａ−Ｓ
ｉ膜１４をスパッタまたはプラズマＣＤＶにより形成
し、キャップ用の所定形状にパターンニングして、３０
０〜５００℃でアニールして密着性を向上させる。その
後高濃度のＨＦ水溶液を用いて、最終的に必要な窪みの
深さの半分程度までエッチングを行なう。
【００２７】次いで、ａ−Ｓｉ膜１４を除去し、（ｂ）
のように再度スパッタまたはプラズマＣＤＶによりａ−
Ｓｉ膜１４’を形成し、前記ａ−Ｓｉ膜１４より小さく
した窪みパターンでパターンニングして、３００〜５０
０℃でアニールして密着性を向上させる。その後、
（ｃ）に示すように、高濃度のＨＦ水溶液を用いて、最
終的に必要な窪みの深さまでエッチングを行なって、台
座１を作成する。キャップについても台座と同様に行な
うことが可能である。これによって、ａ−Ｓｉ膜下への
アンダーカット量を低減させることができ、窪み形状の
パターンニング精度を向上させることができる。
のように再度スパッタまたはプラズマＣＤＶによりａ−
Ｓｉ膜１４’を形成し、前記ａ−Ｓｉ膜１４より小さく
した窪みパターンでパターンニングして、３００〜５０
０℃でアニールして密着性を向上させる。その後、
（ｃ）に示すように、高濃度のＨＦ水溶液を用いて、最
終的に必要な窪みの深さまでエッチングを行なって、台
座１を作成する。キャップについても台座と同様に行な
うことが可能である。これによって、ａ−Ｓｉ膜下への
アンダーカット量を低減させることができ、窪み形状の
パターンニング精度を向上させることができる。
【００２８】
【発明の効果】本発明では、台座とキャップに挟まれた
半導体梁構造を備え、加速度が印加されると、重り部が
変位し、梁に形成したピエゾ抵抗が歪み応力に対応した
抵抗値変化を生じ、その抵抗値の変化を基に加速度信号
が検出される半導体加速度センサにおいて、台座および
キャップと重り部との間のエア・ギャップ長ｄが所定値
以上に設定されているものとしたので、重り部が変位時
に、エア・ギャップ内の気体がエア・ダンピングを起こ
すことなく、重り部と梁からなる振動系の共振周波数の
近くまでほぼ位相遅れを起こさずに加速度を検出でき
る。
半導体梁構造を備え、加速度が印加されると、重り部が
変位し、梁に形成したピエゾ抵抗が歪み応力に対応した
抵抗値変化を生じ、その抵抗値の変化を基に加速度信号
が検出される半導体加速度センサにおいて、台座および
キャップと重り部との間のエア・ギャップ長ｄが所定値
以上に設定されているものとしたので、重り部が変位時
に、エア・ギャップ内の気体がエア・ダンピングを起こ
すことなく、重り部と梁からなる振動系の共振周波数の
近くまでほぼ位相遅れを起こさずに加速度を検出でき
る。
【００２９】前記台座またはキャップがガラス基板から
作られ、その窪みはＨＦ系エッチ液によってエッチング
して形成されるので、ＨＦ系エッチ液と化学反応が起き
ないａ−Ｓｉをマスク材に用いることが可能となる。そ
してこのａ−Ｓｉをガラス基板に蒸着し、アニールする
と密着性が向上し、高濃度のＨＦ系エッチで長時間エッ
チングしても、密着不良とならないため、窪みを深く形
成することが可能となる。
作られ、その窪みはＨＦ系エッチ液によってエッチング
して形成されるので、ＨＦ系エッチ液と化学反応が起き
ないａ−Ｓｉをマスク材に用いることが可能となる。そ
してこのａ−Ｓｉをガラス基板に蒸着し、アニールする
と密着性が向上し、高濃度のＨＦ系エッチで長時間エッ
チングしても、密着不良とならないため、窪みを深く形
成することが可能となる。
【００３０】さらに、エッチングを２段に分けて行なう
と、窪みはより深く形成することができるとともに、第
２のエッチングを行なう際のマスクを第１のエッチング
より窪みパターンを所定の大きさで小さくすることで、
マスク下へのアンダーカット量が低減され、窪み形状の
パターンニング精度が向上する。
と、窪みはより深く形成することができるとともに、第
２のエッチングを行なう際のマスクを第１のエッチング
より窪みパターンを所定の大きさで小さくすることで、
マスク下へのアンダーカット量が低減され、窪み形状の
パターンニング精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例の加速度センサの構造を示す断面図であ
る。
る。
【図２】共振周波数とのダンピング・ファクターｈを変
えた時の振幅、位相の周波数特性図である。
えた時の振幅、位相の周波数特性図である。
【図３】実施例の加速度センサの製造工程を示す図であ
る。
る。
【図４】実施例の変形例を示す図である。
【図５】従来例を示す図である。
１ 台座 ２ 梁 ３ 重り部 ４ フレーム ５ キャップ ６ ｐ型ピエゾ抵抗 ７、８ エア・ギャップ ９ ｎ型エピタキシャル層 １０ パッド電極 １１ シリコン酸化膜 １２ 耐エッチ・マスク １３ ａ−Ｓｉ膜 １７ ｐ型シリコン基板 １８ 空隙 １９、２０ ガラス基板 ２１ 台座 ２２ 梁 ２３ 重り部 ２４ フレーム ２５ キャップ ２６ ｐ型ピエゾ抵抗 ２７、２８ エア・ギャップ ２９ キャップ電極 ３０ パッド電極
Claims (5)
- 【請求項１】 半導体基板を選択的にエッチングして形
成され、肉薄の梁で肉厚の重り部を周囲の肉厚のフレー
ム部に懸架、支持する梁構造体と、前記梁上に形成さ
れ、該梁上の応力を検出するためのピエゾ抵抗と、前記
重り部を包含する領域に対応した窪み部を有する台座
と、前記重り部を包含する領域に対応した窪み部を有す
るキャップとを備え、前記台座と前記キャップが窪みを
対向させ前記半導体基板を挟むように前記フレーム部に
接合されて構成される半導体加速度センサにおいて、前
記重り部と前記窪みの対向面積Ｓ、梁のばね常数ｋ、台
座とキャップによりシールされた気体の粘度μに対し
て、前記重り部と前記窪みの間に形成されるエア・ギャ
ップの長さｄが次式を満足するように前記窪みの深さが
設定されていることを特徴とする半導体加速度センサ。 【数１】 - 【請求項２】 半導体基板を裏面から選択的に異方性エ
ッチングして、形成された肉薄の梁で肉厚の重り部を周
囲の肉厚のフレーム部に懸架、支持する梁構造体を形成
する工程と、該梁上に応力を検出するためのピエゾ抵抗
を形成する工程と、ガラス基板からＨＦ系エッチ液を用
いて前記重り部と対向し前記式を満足するような所定深
さの窪みを有する台座を形成する工程と、ガラス基板か
らＨＦ系エッチ液を用いて前記重り部と対向し前記式を
満足するような所定の深さの窪みを有するキャップを形
成する工程と、キャップと台座を前記半導体基板のフレ
ームの両面にそれぞれ陽極接合し、前記梁および重り部
からなる可動部をシールする工程とを有することを特徴
とする半導体加速度センサの製造方法。 - 【請求項３】 台座およびキャップを形成する工程は、
それぞれ前記ガラス基板にアモルファス・シリコン（ａ
−Ｓｉ）膜を蒸着し、パターンニングした後アニールし
てマスク材とし、前記窪みを形成するものであることを
特徴とする請求項２記載の半導体加速度センサの製造方
法。 - 【請求項４】 上記台座およびキャップは、ａ−Ｓｉ膜
を蒸着し、パターンニングした後アニールしてマスク材
とし、ＨＦ系エッチ液で第１のエッチングを行ない、前
記マスク材を除去し、再度ａ−Ｓｉ膜を蒸着し、前記よ
り所定の大きさで小さくした窪みパターンでパターンニ
ングをした後アニールしてマスク材とし、ＨＦ系エッチ
液で第２のエッチングを行なって窪みを形成することを
特徴とする請求項２記載の半導体加速度センサの製造方
法。 - 【請求項５】 上記エッチ液として高濃度ＨＦエッチ液
を用いることを特徴とする請求項３または４記載の半導
体加速度センサの製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8279995A JPH10104263A (ja) | 1996-10-01 | 1996-10-01 | 半導体加速度センサおよびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8279995A JPH10104263A (ja) | 1996-10-01 | 1996-10-01 | 半導体加速度センサおよびその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10104263A true JPH10104263A (ja) | 1998-04-24 |
Family
ID=17618849
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8279995A Pending JPH10104263A (ja) | 1996-10-01 | 1996-10-01 | 半導体加速度センサおよびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH10104263A (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000133814A (ja) * | 1998-10-22 | 2000-05-12 | Toyota Motor Corp | 半導体装置 |
| WO2003016919A1 (en) * | 2001-08-20 | 2003-02-27 | Honeywell International Inc. | Micro-machined electromechanical system (mems) accelerometer device having arcuately shaped flexures |
| US6631642B2 (en) | 2000-07-06 | 2003-10-14 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | External force detecting sensor |
| JP2009047712A (ja) * | 2008-12-02 | 2009-03-05 | Mitsumi Electric Co Ltd | 振動型角速度センサ |
| KR101289101B1 (ko) * | 2010-11-18 | 2013-07-23 | 삼성전기주식회사 | 관성센서 |
| KR101331685B1 (ko) * | 2011-12-29 | 2013-11-20 | 삼성전기주식회사 | 관성센서 및 그 제조방법 |
| KR20150073626A (ko) * | 2013-12-23 | 2015-07-01 | 삼성전기주식회사 | Mems 센서모듈 및 mems 센서 패키지모듈 |
-
1996
- 1996-10-01 JP JP8279995A patent/JPH10104263A/ja active Pending
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000133814A (ja) * | 1998-10-22 | 2000-05-12 | Toyota Motor Corp | 半導体装置 |
| US6631642B2 (en) | 2000-07-06 | 2003-10-14 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | External force detecting sensor |
| EP1170595A3 (en) * | 2000-07-06 | 2003-11-26 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | External force detecting sensor |
| WO2003016919A1 (en) * | 2001-08-20 | 2003-02-27 | Honeywell International Inc. | Micro-machined electromechanical system (mems) accelerometer device having arcuately shaped flexures |
| JP2009047712A (ja) * | 2008-12-02 | 2009-03-05 | Mitsumi Electric Co Ltd | 振動型角速度センサ |
| KR101289101B1 (ko) * | 2010-11-18 | 2013-07-23 | 삼성전기주식회사 | 관성센서 |
| KR101331685B1 (ko) * | 2011-12-29 | 2013-11-20 | 삼성전기주식회사 | 관성센서 및 그 제조방법 |
| KR20150073626A (ko) * | 2013-12-23 | 2015-07-01 | 삼성전기주식회사 | Mems 센서모듈 및 mems 센서 패키지모듈 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20021022 |