JP2016176741A

JP2016176741A - 加速度センサおよびその製造方法

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Publication number: JP2016176741A
Application number: JP2015055652A
Authority: JP
Inventors: 政紀山内; Masanori Yamauchi; 陽平島田; Yohei Shimada
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2015-03-19
Filing date: 2015-03-19
Publication date: 2016-10-06

Abstract

【課題】梁部の厚みが変化することにより梁部の撓み量が変動するということのない、出力信号の安定した加速度センサおよびその製造方法を提供することを目的とするものである。
【解決手段】ベース層２０ａの上面に酸化膜層２０ｂを介して活性層２０ｃを設けるとともにこの活性層２０ｃの上面に第１の絶縁層２０ｄを設けさらにこの第１の絶縁層２０ｄの上面に第１の金属層２００ｂを設けた梁部１２ａにおける下面の表面粗さをＲａ＝０．０１μｍ以下とする構成としたものである。
【選択図】図７

Description

本発明は、車両等に用いられる加速度センサおよびその製造方法に関するものである。

図１０は従来の加速度センサ１の側断面図である。

図１０において、従来の加速度センサ１は、錘部２と、外枠部３と、外枠部３に一端が接続され、錘部２に他端が接続された梁部４と、錘部２と対向するように外枠部３に接続された上部基板８と、錘部２の上面に形成された自己診断電極７と、上部基板８において、自己診断電極７と対向する位置に形成された対向電極６とにより構成されていた。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献としては、例えば、特許文献１が知られている。

特開平６−１４８２３０号公報

しかしながら、上記従来の加速度センサ１においては、梁部２の厚みが変化すると、梁部２の撓み量が変動することとなり、その結果、加速度センサ１の出力信号が変動してしまうという課題を有していた。

本発明は上記従来の課題を解決するもので、梁部の厚みが変化することにより梁部の撓み量が変動するということのない、出力信号の安定した加速度センサおよびその製造方法を提供することを目的とするものである。

本発明の請求項１に記載の発明は、ベース層の上面に酸化膜層を介して活性層を設けるとともにこの活性層の上面に第１の絶縁層を設けさらにこの第１の絶縁層の上面に第１の金属層を設けた枠部と、前記枠部に一端を接続され前記ベース層、酸化膜層、活性層および第１の絶縁層を設けるとともに上面に検出部を設けた梁部と、前記梁部の他端に接続されるとともに前記ベース層、酸化膜層、活性層および第１の絶縁層を設けた錘部と備え、前記梁部における下面の表面粗さをＲａ＝０．０１μｍ以下としたものである。

この構成によれば、梁部の下面の表面粗さが小さいため、梁部の厚みの変化量が小さくなり、これにより、梁部の撓み量が変動することがなくなるから、加速度センサの出力信号が安定するという作用効果を有するものである。

本発明の請求項２に記載の発明は、予め酸化膜層を介して活性層を設けたベース層における活性層の上面に第１の絶縁層を形成した後、第１の絶縁層の上面に第１の金属層を形成する工程と、前記第１の金属層の上面に第２の絶縁層を形成した後、この第２の絶縁層の上面に第２の金属層を形成する工程と、前記ベース層の所定の位置にレジスト膜を形成した後、ベース層および酸化膜層を除去する工程と、前記活性層の所定の位置にレジスト膜を形成した後、活性層を除去する工程とを備え、前記活性層を除去する前に、活性層の下面に保護膜を形成した方法である。この方法によれば、活性層の下面に形成した保護膜により、エッチング時に梁部の下面が荒れることを防止できるという作用効果を有するものである。

本発明の請求項３に記載の発明は、活性層を除去する工程は、エッチングとデポジションを繰り返す工程とからなり、このエッチングおよびデポジションのガス流量を略等しくした方法で、この方法によれば、エッチング時に梁部の下面が荒れることを防止できるとともに、デポジションにより、梁部の下面を保護することができるという作用効果を有するものである。

本発明の加速度センサは、ベース層の上面に酸化膜層を介して活性層を設けるとともにこの活性層の上面に第１の絶縁層を設けさらにこの第１の絶縁層の上面に第１の金属層を設けた枠部と、前記枠部に一端を接続され前記ベース層、酸化膜層、活性層および第１の絶縁層を設けるとともに上面に検出部を設けた梁部と、前記梁部の他端に接続されるとともに前記ベース層、酸化膜層、活性層および第１の絶縁層を設けた錘部と備え、前記梁部における下面の表面粗さをＲａ＝０．０１μｍ以下としたものである。この構成によれば、梁部の下面の表面粗さが小さいため、梁部２の厚みの変化量が小さくなり、これにより、梁部２の撓み量が変動することがなくなるから、出力信号が安定した加速度センサを提供することができるという効果を有するものである。

本発明の一実施の形態における加速度センサの分解斜視図同加速度センサの検出素子の上面図同加速度センサの側断面図同加速度センサの検出回路を示す回路図同加速度センサにおけるベース層の上面に活性層を介して形成されるコンタクト部の側断面図本発明の一実施の形態における加速度センサの製造工程図同加速度センサの製造工程図同加速度センサの製造工程図同加速度のセンサにおける梁部の裏面の表面粗さを示す図従来の加速度センサの側断面図

以下、本発明の一実施の形態における加速度センサについて、図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の一実施の形態における加速度センサの分解斜視図、図２は同加速度センサにおける検出素子の上面図、図３（ａ）は図２のＡ−Ａ´線における断面図、（ｂ）は（ａ）の検出素子２０を拡大した図である。

図１、図２、図３に示すように、加速度センサ１０は、検出素子２０と、検出素子２０の上面に接続される上蓋３０と、検出素子２０の下面に設けた錘部と備え、前記梁部における下面の表面粗さをＲａ＝０．０１μｍ以下としたものである。
検出素子２０は、支持基板１２と、錘部１３と、支持基板１２に一端が接続され、錘部１３に他端が接続された第１の梁部１４ａおよび第２の梁部１４ｂと、錘部１３の上面に形成された自己診断電極１６と、支持基板１２に形成された接地電極１８と、を備える。

ここで、支持基板１２は、検出素子２０の外周側に位置し、その形状は、例えば略四角形の枠状に形成されている。そして、前記支持基板１２から延出されている枠部１２ａにより、検出素子２０における錘部１３を取り囲むように構成されている。また、支持基板１２の内側には、第１の梁部１４ａおよび第２の梁部１４ｂが設けられている。

第１の梁部１４ａおよび第２の梁部１４ｂはそれぞれ、一端が支持基板１２に繋がり、他端が錘部１３に繋がっている。なお、図１では１対の梁を有する構造を示すが、これに限らない。例えば、１本、あるいは３本の梁部で錘部１３を支持する構造であってもよい。

錘部１３は、第１の梁部１４ａおよび第２の梁部１４ｂの先端に繋がっており、支持基板１２の内側に位置する。また、錘部１３と支持基板１２との間には、錘部１３を取囲む溝が設けられている。これにより、錘部１３と支持基板１２との間には隙間が形成され、錘部１３は、第１の梁部１４ａおよび第２の梁部１４ｂによってＺ軸方向に変位可能に支持されている。

検出素子２０は、シリコンからなるベース層２０ａと、ベース層２０ａ上のシリコン酸化膜の絶縁層からなる酸化膜層２０ｂと、酸化膜層２０ｂ上のシリコン層である活性層２０ｃと、活性層２０ｃ上に設けた第１の絶縁層２０ｄと、を有している。

上蓋３０は、自己診断電極１６と対向する位置に形成された対向電極１７を備えている。また、第１の梁部１４ａの上に検出部１４ｃが形成され、第２の梁部１４ｂの上に検出部１４ｄが形成されている。自己診断電極１６は第１の梁部１４ａおよび第２の梁部１４ｂ上の配線を経由して支持基板１２上の電極パッドに接続されている。

また、支持基板１２、錘部１３、第１の梁部１４ａ、第２の梁部１４ｂ、上蓋３０は、シリコン、溶融石英、アルミナ等を用いることができる。好ましくは、シリコンを用いて形成することにより、微細加工技術を用いて小型の加速度センサとすることができる。

また、支持基板１２と上蓋３０とを接着する方法として、接着材による接着や金属接合、常温接合、陽極接合等を用いることができる。このうち、接着材としてはエポキシ系樹脂やシリコン系樹脂等の接着剤が用いられる。接着剤として、シリコン系樹脂を用いることにより、接着剤自身の硬化による応力を小さくすることができる。

検出部１４ｃ、１４ｄとして、歪抵抗方式を用いることができる。歪抵抗としてピエゾ抵抗を用いることにより、加速度センサ１０の感度を向上させることができる。また、歪抵抗方式として酸化膜歪み抵抗体を用いた薄膜抵抗方式を用いることにより、加速度センサ１０の温度特性を向上させることができる。

図４は加速度センサ１０の検出回路を示す回路図である。

Ｒ１は検出部１４ｃに対応する抵抗、Ｒ４は検出部１４ｄに対応するピエゾ抵抗、Ｒ２およびＲ３は支持基板１２に設けられた基準となるピエゾ抵抗である。図４に示す如く、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４をブリッジ型に接続し、対向する一対の接続点ＶｄｄとＧＮＤとの間に電圧を印加し、Ｖｏｕｔ１とＶｏｕｔ２と間の電圧の変化を検出することにより、加速度センサ１０に印加された加速度を検出することができる。

以上の構成において、加速度センサ１０にＺ軸方向の加速度が作用すると、錘部１３に作用する慣性力（外部応力）によって錘部１３が揺動し、これに起因して梁部が歪み変形する。その結果、検出部１４ｃ、１４ｄに応力が加わる。これにより、加速度による外部応力に応じてピエゾ抵抗の抵抗値が変化するため、ピエゾ抵抗に流れる電流も抵抗値に応じて変化する。このため、ピエゾ抵抗に流れる電流を検出信号として用いることで検出素子２０に作用した加速度（慣性力）を検出することができる。

図３に戻り、下蓋４０は、錘部１３と対向する部分に凹部４１を形成している。下蓋４０は、シリコン材料を用いて形成されている。また、上蓋３０も、シリコン材料を用いて形成されている。

以下、図３および図４を用いて自己診断機能について説明する。
図３に示すように、自己診断を行う際には、診断回路から、自己診断電極１６と対向電極１７との間に電圧Ｖを印加する。これにより自己診断電極１６と対向電極１７の間に静電力が発生し、錘部１３が上蓋３０に引き寄せられる。この錘部１３の変位により、検出部１４ｃに対応する抵抗Ｒ１および検出部１４ｄに対応する抵抗Ｒ４が低下する。したがって、ブリッジ回路の出力電圧Ｖｏｕｔが検出され、正常に動作していることが確認できる。

図５は、本発明の一実施の形態における加速度センサのベース層の上面に活性層を介して形成される他のコンタクト部の側断面図である。

コンタクト部１１は、第１の絶縁層２０ｄに設けた第１の開口部２０ｆに、例えばクロム、あるいはクロムを含む合金等からなる第１の金属層２００ｂを設けている。そして、この第１の金属層２００ｂは活性層２０ｃが第２の金属層２００ａに相互拡散しないための密着層としての役割を果たしている。そして、この第１の金属層２００ｂを前記第２の金属層２００ａと絶縁するために、第２の絶縁層２０ｅを設けている。そして、さらに、第２の金属層２００ａは図２に示すように、配線１８ａを経由して、検出素子２０に設けられる接地電極１８に接続される。

この構成により、自己診断の際に錘部１３に帯電が発生したとしても、その電荷を錘部１３における活性層２０ｃ、梁部１４ａ、１４ｂにおける活性層２０ｃ、枠部１２ａのコンタクト部１１における活性層２０ｃ、第１の金属層２００ｂ、第２の金属層２００ａ、配線１８ａ、接地電極１８を介してグランドに落とすことができるので、例えば、活性層２０ｃと対向電極１７で形成される空間に電界が形成されることを抑制でき、その結果、錘部１３を動作させる静電力が安定し正常な自己診断を行うことができる。

このように、第１の金属層２００ｂを設けた場合のコンタクト部１１ｂでは、第１の絶縁層２０ｄに設けた第１の開口部２０ｆと第２の絶縁層２０ｅに設けた第２の開口部２０ｇは同じ位置に設けられる。そして、第１の絶縁層２０ｄに設ける第１の開口部２０ｆよりも第２の絶縁層２０ｅに設ける第２の開口部２０ｇの方が大きいことが好ましい。（すなわち、図５において、Ｄ２＜Ｄ１、あるいは、第１の絶縁層２０ｄに設ける第１の開口部２０ｆよりも第２の絶縁層２０ｅに設ける第２の開口部２０ｇの方が、垂直方向断面において、幅において大きい）この構成により、第２の金属層２００ａと第１の金属層２００ｂとのコンタクト抵抗を低減でき、より効率よく錘部１３の帯電を抑制することができる。

以下に、この実施形態例のベース層の上面に、活性層を介して形成されるコンタクト部の製造工程の一例を図６に基づいて説明する。

まず、図６（ａ）のように、活性層２０ｃの表面に第１の絶縁層２０ｄを形成する。この第１の絶縁層２０ｄは、活性層２０ｃの表面を保護すると共に、活性層２０ｃを絶縁させるためのものである。例えば、第１の絶縁層２０ｄとしてＳｉＯ２等の酸化膜を形成する場合には、例えば熱酸化手法により活性層２０ｃの表面部分を酸化させて第１の絶縁層２０ｄが形成される。

次に、図６（ｂ）に示されるように、その第１の絶縁層２０ｄの予め定められた位置に第１の開口部２０ｆを開口形成する。その第１の開口部２０ｆは、例えばフォトリソ技術を用いて形成することができる。つまり、まず、第１の絶縁層２０ｄの表面全面にレジスト膜を形成し、その後、そのレジスト膜の上方側に配置したコンタクトホール形成位置規制用のマスクを利用してコンタクトホール形成領域以外のレジスト膜部分を紫外線照射により硬化させる。そして、レジスト膜の硬化してない部分、つまり、コンタクトホール形成領域のレジスト膜部分を除去してレジスト膜に第１の絶縁層２０ｄまで達する孔部を形成する。その後、そのレジスト膜の孔部の形成位置の第１の絶縁層２０ｄの部分をそのレジスト膜の孔部を通して例えばドライエッチング手法やウエットエッチング手法により除去してコンタクトホールを形成する。その後、レジスト膜を例えばアッシング手法により除去する。このようにフォトリソ技術を利用して第１の開口部２０ｆを形成することができる。

次に、図６（ｃ）に示すように、密着層としての第１の金属層２００ｂを形成する。この金属層も例えば第１の絶縁層２０ｄの表面全面にスパッタ等の成膜形成技術により形成する。

次に、図６（ｄ）に示すように、第１の金属層２００ｂの表面に第２の絶縁層２０ｅを形成する。この第２の絶縁層２０ｅは第１の金属層２００ｂの表面を保護すると共に、第２の絶縁層２０ｅの表面上に形成される図４に示す、Ｖｄｄ、ＧＮＤ、Ｖｏｕｔ１およびＶｏｕｔ２からなる電極や検出部１４ｃに対応するビエゾ抵抗Ｒ１、検出部１４ｄに対応するピエゾ抵抗Ｒ４、支持基板１２に設けられたピエゾ抵抗Ｒ２、Ｒ３およびそれらを結線してブリッジ回路を構成する配線と、第１の金属層２００ｂとを絶縁させるためのものである。

また、第２の絶縁層２０ｅとしてＳｉＮ膜が形成される場合には、例えばＣＶＤ（ｃｈｅｍｉｃａｌｖａｐｏｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により第２の絶縁層２０ｅが第１の金属層２００ｂ上に積層形成される。

次に、図６（ｅ）に示されるように、第２の絶縁層２０ｅの予め定められた位置に第２の開口部２０ｇを形成する。第２の開口部２０ｇも前述のフォトリソ技術を用いることで形成することができる。

次に、図６（ｆ）に示すように、第２の金属層２００ａを形成する。この第２の金属層２００ａも例えば第２の絶縁層２０ｅの表面全面にスパッタ等の成膜形成技術により形成する。

次に、図７（ａ）に示すように、第２の金属層２００ａの所定の位置にレジスト膜（図示せず）を形成した後、ドライエッチングをすることにより、活性層２０ｃを残すまで、前記第２の金属層２００ａ、第２の絶縁層２０ｅおよび第１の金属層２００ｂを除去する。

次に、図７（ｂ）に示すように、ウエハーを上下逆さまに取り付けた後、ベース層２０ａの下面の所定の位置にレジスト膜（図示せず）を形成し、さらに、ドライエッチングすることにより、ベース層２０ａを除去し、さらに、ウェットエッチングすることにより、酸化膜層２０ｂを除去する。

次に、図７（ｃ）に示すように、活性層２０ｃおよびベース層２０ａの下面に保護膜２２０を形成する。

次に、図７（ｄ）に示すように、ウエハーの上下を戻して取り付けた後、活性層２０ｃの所定の位置にレジスト膜（図示せず）を形成し、さらに、ドライエッチングすることにより、活性層２０ｃを貫通させる。

ここで、活性層２０ｃを除去する製造条件を調整する場合を考えると、従来の加速度センサの製造方法においては、エッチングをデポジションを数十回繰り返す際に、エッチングのガス流量を４００［ｓｃｃｍ］とするとともに、デポジションのガス流量を１５０［ｓｃｃｍ］としていた。そのため、図８（ａ）に示すように、活性層２０ｃの下面にまで、エッチングガスが回り込むこととなり、活性層２０ｃの下面に表面粗さＲａ＝０．０５７［μｍ］からなる荒部２１０が発生していた。そのため、第１の梁部１４ａおよび第２の梁部１４ｂの厚みが薄くなり、曲がり易くなるから、加速度センサの出力信号が変動してしまうという課題を有していた。

本発明の一実施の形態における加速度センサの製造方法においては、活性層を除去する前に、活性層の下面に保護膜を形成するとともに、エッチングのガス流量を３００［ｓｃｃｍ］とするとともに、デポジションのガス流量を３００［ｓｃｃｍ］と略等しくしているため、第１の梁部１４ａおよび第２の梁部１４ｂの下面にエッチングガスが回り込んで、荒部２１０の表面粗さを小さくすることが出来るという作用効果を有するものである。

すなわち、図９に示すように、エッチングのガス流量を従来に比較して変更することにより、活性層２０ｃの下面に表面粗さＲａ＝０．０１［μｍ］とすることが出来る。

そしてさらに、活性層２０ｃおよびベース層２０ａの下面に保護膜２２０を形成することにより、図８（ｂ）および図９に示すように、荒部２１０の表面粗さＲａ＝０．００５［μｍ］まで、低減するものである。

本発明の加速度センサおよびその製造方法は、梁部の厚みが変化することにより梁部の撓み量が変動するということのない、出力信号の安定した加速度センサを提供することができるという効果を有するものであり、車両等に用いられる加速度センサとして有用なものである。

１２ａ枠部
１３錘部
１４ａ第１の梁部
１４ｂ第２の梁部
１４ｃ、１４ｄ検出部
２０ａベース層
２０ｂ酸化膜層
２０ｄ、２０ｅ絶縁層
２０ｃ活性層
２００ａ、２００ｂ金属層
２１０荒部
２２０保護膜

Claims

ベース層の上面に酸化膜層を介して活性層を設けるとともにこの活性層の上面に第１の絶縁層を設けさらにこの第１の絶縁層の上面に第１の金属層を設けた枠部と、前記枠部に一端を接続され前記ベース層、酸化膜層、活性層および第１の絶縁層を設けるとともに上面に検出部を設けた梁部と、前記梁部の他端に接続されるとともに前記ベース層、酸化膜層、活性層および第１の絶縁層を設けた錘部と備え、前記梁部における下面の表面粗さをＲａ＝０．０１μｍ以下とした加速度センサ。
予め酸化膜層を介して活性層を設けたベース層における活性層の上面に第１の絶縁層を形成した後、第１の絶縁層の上面に第１の金属層を形成する工程と、前記第１の金属層の上面に第２の絶縁層を形成した後、この第２の絶縁層の上面に第２の金属層を形成する工程と、前記ベース層の所定の位置にレジスト膜を形成した後、ベース層および酸化膜層を除去する工程と、前記活性層の所定の位置にレジスト膜を形成した後、活性層を除去する工程とを備え、前記活性層を除去する前に、活性層の下面に保護膜を形成した加速度センサの製造方法。
活性層を除去する工程は、エッチングとデポジションを繰り返す工程とからなり、このエッチングおよびデポジションのガス流量を略等しくした請求項２記載の加速度センサの製造方法。