JP2775578B2

JP2775578B2 - 加速度センサとその製造方法

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Publication number: JP2775578B2
Application number: JP5257606A
Authority: JP
Inventors: 仗祐中田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-09-20
Filing date: 1993-09-20
Publication date: 1998-07-16
Anticipated expiration: 2013-07-16
Also published as: JPH0792188A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、加速度センサとその
製造方法に関する。この発明は、特にシリコンＳｉチッ
プ上に形成されたｐ型半導体によるピエゾ抵抗効果又は
シリコンＳｉチップの両主面に対向して形成された電極
による可変容量型コンデンサを活かした片持ち梁構造の
加速度センサに好適に利用される。

【０００２】

【従来の技術】加速度を検出するセンサとして、ピエゾ
抵抗型、容量型及び圧電型のものが存在する。ピエゾ抵
抗型と容量型とは、圧電型と異なり連続的な加速度を検
出することが可能である点で優れており、その汎用が期
待されている。

【０００３】ピエゾ抵抗型の加速度センサとは、構造的
には例えば図５に示すように、固定部１５、錘１６及び
この錘１６と固定部１５とを可撓性をもって連結する梁
１７よりなるシリコンＳｉチップ１２と、固定部１５を
挟持するとともに前記錘１６及び梁１７を封止する上下
２つのシリコン製蓋１３，１４とからなる。そして、錘
１６は、本体に加速度が加わることによって固定部１５
を基準として相対的に変位する。チップ１２の梁１７内
には、錘１６の変位によって撓む梁１７の機械的変形量
に応じて電気抵抗が変化する歪ゲージ部（図示省略）
が、チップ１２の固定部１５上には、このゲージ部の電
気信号を外部に導く電気回路（図示省略）及び外部電極
１８がそれぞれ形成されている。

【０００４】このような構造を備えることにより、加速
度センサ１１に加速度が加わると、錘１６に慣性力が働
いて加速度とは逆方向に錘１６が変位する。この変位に
応じて梁１７が撓み、梁１７内に拡散形成された抵抗素
子の電気抵抗がピエゾ抵抗効果により変化する。ピエゾ
抵抗型の加速度センサ１１は、その抵抗変化量を検出し
て加速度を測定するものである。尚、上蓋１３及び下蓋
１４の内面には、錘１６の過大変位による梁１７の破壊
を防止するために、錘１６に向かって突出するストッパ
１９が設けられている。

【０００５】一方、容量型の加速度センサとは、構造的
には例えば図６に示すように、ピエゾ抵抗型と同じく固
定部２５、錘２６及び梁２７よりなるシリコンＳｉチッ
プ２２と、パイレックスガラス製蓋２３，２４とからな
る。そして、錘２６は、本体に加速度が加わることによ
って固定部２５を基準として相対的に変位する点でもピ
エゾ抵抗型と同様である。但し、チップ２２の梁２７内
には抵抗素子が形成されておらず、錘２６の両主面に対
向する上下両蓋２３，２４の内面にそれぞれ電極２８，
２９が形成され、錘２６と電極２８，２９との間の空隙
をもってコンデンサを構成する。

【０００６】センサ２１に加速度が加わると、ピエゾ型
の場合と同様に錘２６が変位する。この変位に応じて錘
２６と電極２８（２９）との距離が変わる。すなわち、
錘２６と上部電極２８との距離が増し（又は減り）、錘
２６と下部電極２９との距離が減り（又は増し）、上下
の静電容量に差が生じる。従って、相補型方形波電圧を
上下両電極２８，２９にそれぞれ印加すると、加速度が
加わらないときは相殺されて出力がゼロとなるが、加速
度が加わると静電容量差によって方形波が出力される。
容量型の加速度センサ２１は、その方形波を検出して加
速度を測定するものである。これらピエゾ抵抗型及び容
量型の加速度センサの製造方法は、簡単に述べると次の
通りである。

【０００７】先ず、ピエゾ抵抗型の場合、公知の半導体
チップの製造方法と同様にして、ｎ型半導体よりなるシ
リコンＳｉウェハーの片側主面（面方位(100)）にｐ型
半導体よりなる低抵抗拡散リード、ピエゾ抵抗及びＡｌ
電極を形成する。次にＳｉの酸化膜を全表面に設けた
後、フォトリソグラフィ工程にて前記ピエゾ抵抗形成面
と反対側の面に方形環状のＳｉを露出させる。そして、
その露出部分より前記ピエゾ抵抗形成面に向かって水酸
化カリウムＫＯＨ水溶液にて異方性エッチングを行う。
このエッチングにより、梁に相当する部分のみ所定の厚
さ（通常８〜２０μｍ程度）だけ残し、その他の部分を
くり貫く。こうして、くり貫き部分の内側が錘、外側が
固定部、所定厚さだけ残された薄肉部が梁となる。ウェ
ハーをエッチング液から取り出し、洗浄し乾燥し、Ｓｉ
チップの両主面に蓋を陽極接合する。その後に個々のチ
ップに切断する。こうして加速度センサが完成する。

【０００８】容量型の場合、低抵抗拡散リード、ピエゾ
抵抗及びＡｌ電極を有していないシリコンＳｉウェハー
を準備し、梁に相当する部分が厚さ方向の中央に位置す
るように、両側主面より異方性エッチングを行う以外、
ピエゾ抵抗型とほぼ同様の工程を経ることにより製造さ
れる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】いずれのタイプの加速
度センサにおいても、チップに蓋が接合された後は、既
述のように、蓋の内面に、錘に向かって突出するストッ
パが設けられているので、錘が過大変位することはな
く、従って、梁の破壊が未然に防止される。

【００１０】しかし、異方性エッチング後、蓋が接合さ
れる迄の間は、錘を支えているのは薄肉の梁のみであ
る。従って、ウェハーをエッチング液から取り出す際、
洗浄する際、個々のチップに切断する際又は蓋と組み合
わせる際に、相当な注意をしていても梁が破壊してしま
い、不良チップが多数発生する。その結果、従来の加速
度センサの製造過程は、製品歩留まりが非常に低かっ
た。かといって、梁の厚さをもっと厚くするとセンサの
感度が鈍ってしまう。すなわち、従来、センサの感度向
上と歩留まり向上とは両立し得ない課題があった。

【００１１】この発明の目的は、このような課題を解決
し、製造過程での梁の破壊を防止し、感度向上と歩留ま
り向上とを両立できる加速度センサの製造方法を提供す
ることにある。

【００１２】

【００１３】

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するこの
発明の加速度センサ製造方法は、固定部、錘及び錘と固
定部とを可撓性をもって連結する複数の梁を備えたチッ
プを準備し、このチップの錘及び梁を蓋によって封止し
た後、少なくとも一つの所望の梁が残るように他の梁を
切断することを特徴とする。上記チップは、好ましくは
梁内にピエゾ抵抗効果を生じるゲージ部が形成され、し
かもゲージ部の電気抵抗を外部に導く電気回路が配線さ
れたものである。

【００１５】この製造方法において、望ましいのは、梁
を切断する前のチップが、錘を中心として幾何学的に対
称な形状をしている場合である。同じく望ましいのは、
蓋の少なくとも梁を覗くことができる部分がガラスより
なり、切断がそのガラスを透過するレーザーにて行われ
る場合である。

【００１６】

【作用】蓋によって封止する迄は、複数（例えばｎ本）
の梁にて錘を支えているから、錘に対して不測の力が加
わっても１本の梁に作用する力は、１本の梁で支えてい
る場合の１／ｎに減る。従って、梁が破壊しにくく、梁
の厚さを薄くすることができる。また、蓋によって封止
した後は、不要の梁が切断されるので、梁の厚さに応じ
て切断前の梁の数を増減すれば良い。

【００１７】梁内にピエゾ抵抗効果を生じるゲージ部が
形成されたピエゾ抵抗型センサの場合、抵抗値が規定範
囲に属する梁を残し、その他の梁を切断することによ
り、抵抗値のばらつきを少なくすることができる。特
に、梁内の抵抗が、各梁毎に線形的に異なるように設計
されていると、多少抵抗値がばらついたとしても、少な
くともいずれかの梁内の抵抗が規定値に合致する。例え
ば、梁の配列順に徐々に抵抗値が増加するように設計し
ておき、蓋によって封止した後、梁の配列順に抵抗値を
測定し、抵抗が規定値に合致したところの梁を残して、
他の梁を切断すれば良い。

【００１８】梁を切断する前のチップが、錘を中心とし
て幾何学的に対称な形状をしている場合、どの梁も同じ
機械的性質を有する。従って、チップ間で梁の可撓性の
ばらつきを少なくすることができる。また、切断する梁
を誤るおそれがない。

【００１９】蓋の少なくとも梁を覗くことができる部分
をガラスで構成し、そのガラスを透過するレーザーにて
梁の切断を行うと、梁の面積が微細であっても瞬時且つ
正確に切断操作を実行することが可能となる。

【００２０】

【実施例】この発明の実施例を図面を参照しながら説明
する。図１は、ピエゾ抵抗型加速度センサを示し、
（Ａ）は、その平面図、（Ｂ）は、（Ａ）のＸ−Ｙ線に
沿って切断したところを左から眺めた断面図、（Ｃ）
は、（Ａ）のＰ−Ｑ線に沿う断面図である。図２は、上
記加速度センサの組立前における主要部品としてのＳｉ
チップの平面図、図３は、それを長尺方向に二等分断し
たところの断面図、図４は、底面図である。

【００２１】［加速度センサの構造］ピエゾ抵抗型加速
度センサ（以下、単に「センサ」ともいう。）１は、面
方位（１００）、厚み３００μｍ、長辺５．０ｍｍ、短
辺３．０ｍｍの半導体Ｓｉチップ２と、このチップ２の
上下両主面にそれぞれ接合されたパイレックスガラス製
の上蓋３及び下蓋４とからなる。センサ１は、Ｐ−Ｑ線
を中心として前後対称の形状をなしている。また、Ｘ−
Ｙ線を中心としても後述の一部分を除くほか左右対称と
なっている。

【００２２】チップ２は、方形枠状の固定部５と、セン
サ１本体に加速度が加わることによって固定部５を基準
として相対的に変位する矩形の錘６と、この錘６と固定
部５とを一体的に連結する厚さ８μｍ、幅２００μｍの
梁７とからなる。そして、梁７は、可撓性を有し、錘６
の変位によって撓む。しかも、梁７内には、梁７の変形
量に応じてピエゾ抵抗効果を生じるｐ型拡散抵抗よりな
るゲージ部８が形成されている。

【００２３】尚、錘６及び梁７は、固定部５を挟む上蓋
３と下蓋４によって気密封止されている。従って、ゲー
ジ部８の電気抵抗を検出するために、ｐ型拡散低抵抗に
よるリード９が、錘６の端から二股状に梁７内を経由し
て上蓋３の外へ出て固定部５の外部表面にまで形成され
ており、リード９の端部にはＡｌの電極端子９１が形成
されている。

【００２４】一方、Ｘ−Ｙ線を中心軸として梁７の対称
位置には、梁７と同形同質の梁を切断した痕７’が残っ
ている。上蓋３及び下蓋４は、内側面の中央部が外周部
より薄くなっており、しかもその中央部には、上蓋３に
４つ、下蓋４に１つのストッパ３１・・・３１，４１が
錘６に向けて突出しており、錘６の振幅を制限してい
る。

【００２５】［加速度センサの製造方法］上記センサ１
は、大別して（１）固定部５、錘６及び複数の梁７を備
えたチップ２を準備する工程、（２）錘６及び梁７を上
下の蓋３，４によって気密封止する工程、（３）その
後、少なくとも一つの所望の梁７が残るように他の梁を
切断する工程を経て製造される。以下、工程順に説明す
る。

【００２６】先ず、（１００）面を主面とするシリコン
Ｓｉウェハー（図示省略）の表面を高温酸化して、酸化
ケイ素皮膜を設ける。その上にフォトレジストを塗布
し、露光及びエッチングを経てリード９のパターンにシ
リコンＳｉを露出させる。

【００２７】次いでこのようにして得た複数のシリコン
Ｓｉウェハーを複数のＢＮ板と交互に並べて石英ボート
に載せ、石英チューブ中、窒素ガスを流しながら温度１
１００℃で抵抗加熱を行う。そうすると、露出したＳｉ
ウェハー部分にホウ素Ｂが拡散し、その部分のみｐ型半
導体となり、酸化ケイ素皮膜にて覆われた部分はｎ型半
導体として残る。同様のフォトリソグラフィ工程にてゲ
ージ部８に該当する部分の酸化膜を除去し、再びホウ素
Ｂを拡散させることにより、ゲージ部８にピエゾ抵抗が
形成され、これに連なる上記ｐ型半導体部分は、リード
９となる。その後、電極端子設置部分の酸化膜を除去
し、Ａｌを全面蒸着し、フォトリソグラフィ工程にてリ
ード上にＡｌの電極端子９１を４つ形成する（図２参
照）。

【００２８】次に、図４の寸法パターンを１つとする多
数の周期的に配列したパターンが得られるように、フォ
トリソグラフィ工程にて前記ピエゾ抵抗形成面と反対側
の面に方形環状のＳｉを露出させる。但し、この段階で
は梁を形成する部分の酸化膜を残しておく。そして、Ａ
ｌの電極端子側のシリコンＳｉウェハーの表面を水酸化
カリウムＫＯＨに侵されないよう保護板を貼り合わせて
から、反対側表面の露出部分より前記ピエゾ抵抗形成面
に向かって水酸化カリウムＫＯＨ水溶液にて第一次の異
方性エッチングを行う。続いて梁を形成する表面のＳｉ
酸化膜をフォトリソグラフィ工程にて除去した後、同様
に第二次の異方性エッチングを繰り返す。

【００２９】これらのエッチングにより、梁７に相当す
る部分（本例では紙面の左右に２箇所）のみ８μｍの厚
さだけ残し、その他の部分を断面台形状にくり貫く。こ
の場合、結晶学的に（１１１）面は（１００）面に比べ
てエッチングされ難いので、エッチング液は、（１１
１）面方向、すなわち、ウェハーの主面に対して５４．
７°方向に浸食する。従って、エッチング開始面におい
てＳｉを露出させる方形環状の面積を決めることによ
り、計算値通りに正確にエッチングすることができる。
こうして、くり貫き部分の内側が錘６、外側が固定部
５、所定厚さだけ残された２箇所の薄肉部が梁７，７と
なる（図３参照）。

【００３０】ウェハーをエッチング液から取り出し、保
護板を外して洗浄し乾燥した後に、Ｓｉチップの両主面
に上下の蓋３，４を陽極接合する。そして、個々のチッ
プ２，２・・・２に切断する。

【００３１】最後に、電極端子９１に抵抗計（図示省
略）のプローブを当てて左右のゲージ部８，８の抵抗値
を測定する。そして、その抵抗値が規定値に近い方の梁
７（本例では図面の左側）を残すこととし、他方の梁７
（同右側）に発振波長１．０６μｍのＹＡＧレーザーを
ガラス製の上蓋３越しに照射してその梁を切断する。こ
うして加速度センサ１が完成する。尚、照射するレーザ
ーは、上蓋３を透過する性質のものでシリコンが切断で
きる光であれば良く、例えばＹＡＧレーザーに代えてＡ
ｒレーザーを用いることも可能である。

【００３２】［作用効果］本例の加速度センサの場合、
上下の蓋３，４によって封止する前は、２本の梁７，７
にて錘６を支えているから（図２〜４）、錘６に対して
不測の力が加わっても１本の梁に作用する力は、１本の
梁で支えている場合の１／２に減る。従って、梁が破壊
しにくく、梁の厚さを薄くすることができた。その結
果、梁の厚さを５μｍまで薄くしても９０％以上の歩留
まりが達成できた。

【００３３】また、抵抗値が規定範囲に属する梁のみを
残し、他方の梁を切断することにより、抵抗のばらつき
を少なくすることができた。そして、結果として加速度
に対する感度のばらつきが少なくできた。

【００３４】梁７，７を切断する前のチップ２が、錘６
を中心として幾何学的に対称な形状をしているので、ど
ちらの梁７，７を切断しても抵抗値以外の設計仕様条件
を充足することができる。

【００３５】上蓋３をパイレックスガラス製とし、その
ガラスを透過するＹＡＧレーザーにて梁の切断を行うの
で、梁の面積が微細であっても瞬時且つ正確に切断操作
を実行することができた。更に、上蓋３をパイレックス
ガラス製としているので、完成後にセンサ内部の様子を
知ることができるようになった。

【００３６】

【発明の効果】以上の通り、この発明によれば、たとえ
梁を薄くしても製造工程における加速度センサの梁の破
壊を未然に防止することができる。従って、センサの感
度向上と歩留まり向上とが両立する。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例のピエゾ抵抗型加速度センサを示し、
（Ａ）は、その平面図、（Ｂ）は、（Ａ）のＸ−Ｙ線に
沿って切断したところを左から眺めた断面図、（Ｃ）
は、（Ａ）のＰ−Ｑ線に沿う断面図である。

【図２】図１の加速度センサの主要部品としてのＳｉチ
ップの平面図である。

【図３】図３は、図２のＳｉチップを長尺方向に二等分
断したところの断面図である。

【図４】図１の加速度センサの主要部品としてのＳｉチ
ップの底面図である。

【図５】従来のピエゾ抵抗型加速度センサの断面図であ
る。

【図６】従来の容量型加速度センサの断面図である。

【符号の説明】

１，１１，２１…加速度センサ２，１２，２２
…半導体Ｓｉチップ３，１３，２３…上蓋４，１４，２４
…下蓋５，１５，２５…固定部６，１６，２６
…錘７，１７，２７…梁８
…ゲージ部

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01P 15/12 H01L 29/84

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】固定部、錘及び錘と固定部とを可撓性を
もって連結する複数の梁を備えたチップを準備し、この
チップの錘及び梁を蓋によって封止した後、少なくとも
一つの所望の梁が残るように他の梁を切断することを特
徴とする加速度センサの製造方法。
【請求項２】準備するチップは、梁内にピエゾ抵抗効
果を生じるゲージ部が形成され、しかもゲージ部の電気
抵抗を外部に導く電気回路が配線されたものである請求
項１に記載の加速度センサの製造方法。
【請求項３】梁内の抵抗が、各梁毎に線形的に異なる
ように設計されている請求項２に記載の加速度センサの
製造方法。
【請求項４】梁を切断する前のチップが、錘を中心と
して幾何学的に対称な形状をしている請求項１〜３のい
ずれかに記載の加速度センサの製造方法。
【請求項５】蓋の少なくとも梁を覗くことができる部
分がガラスよりなり、切断がそのガラスを透過するレー
ザーにて行われる請求項１〜４のいずれかに記載の加速
度センサの製造方法。