JP3659151B2 - 半導体加速度センサ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体加速度センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、半導体加速度センサとして、図９および図１０に示すように、矩形枠状の支持部１６に一対の薄肉の撓み部４を介して揺動自在に支持された重り部５を有し、各撓み部４にそれぞれ撓み部４の変形を検出する２つのゲージ抵抗６が形成され、各ゲージ抵抗６から支持部１６の所定部位にわたってｐ+形拡散抵抗配線１１が形成されたセンシングエレメント１’を備えたものが提案されている。なお、上述の撓み部４は、一般的に、ビームあるいはカンチレバーと称されている。
【０００３】
ここにおいて、センシングエレメント１’における重り部５と、撓み部４と、支持部１６とはシリコン基板１ａをエッチング加工することで一体に形成されている。すなわち、センシングエレメント１’は、シリコン基板１ａの裏面側において重り部５を全周にわたって囲む凹所１０ａが異方性エッチングなどを利用して形成され、シリコン基板１ａの主表面側において撓み部４を残して重り部５を略全周にわたって囲み且つ凹所１０ａに連通するスリット１０が形成されている。要するに、シリコン基板１ａの主表面側において、支持部１６の内周面と重り部５の外周面との間には、スリット１０の幅だけの隙間があることになる。なお、ゲージ抵抗６はシリコン基板１ａの一部よりなる撓み部４の主表面側の適宜位置にｐ形不純物を拡散させることにより形成されている。
【０００４】
また、センシングエレメント１’の主表面側（図９における上面側）には、支持部１６においてｐ+形拡散抵抗配線１１にコンタクト部１２を介して接続されたアルミニウム配線１３が設けられており、さらに、支持部１６の表面には、アルミニウム配線１３に接続された入出力用のパッド１４が設けられている。ここに、パッド１４は、矩形枠状の支持部１６のうち後述の上部キャップ２’に覆われていない領域（撓み部４を挟んで重り部５に対向する部位）の表面上に形成されており、別途に設けられた導電パターン２０にボンディングワイヤ７を介して電気的に接続して使用される。
【０００５】
なお、この半導体加速度センサでは、上述の４つのゲージ抵抗６がブリッジ接続されており、センシングエレメント１’の厚み方向（図９における上下方向）に加速度αが印加されると、その加速度αの大きさに応じて重り部５（以下、重り部５の重さをｍとする）に力Ｆ＝ｍαが発生し重り部５が揺動することで撓み部４が撓み、その結果、撓み部４に歪みによる応力が生じ、ピエゾ抵抗効果によって各ゲージ抵抗６の抵抗値が変化するので、この抵抗値変化を電圧信号として取り出すことで、印加された加速度を検出できるようになっている。言い換えれば、加速度に比例した電圧信号を取り出すことができる。
【０００６】
また、センシングエレメント１の主表面側（図９における上面側）には、シリコンと略等しい熱膨張率を有する耐熱ガラスからなる上述の上部キャップ２’が陽極接合により接合されている。ここに、上部キャップ２’は、センシングエレメント１の主表面側に設けられたアルミニウム薄膜よりなる接合用薄膜９（図１０参照）を介してセンシングエレメント１に接合されているが、上記パッド１４が形成された領域に対応する部位が開放されている。接合用薄膜９は支持部１６において撓み部４の延出方向に平行な部位に当該部位の長手方向に沿って形成されている。すなわち、接合用薄膜９は、支持部１６と撓み部４と重り部５とを結ぶ直線に平行な方向（図１０における左右方向）に沿って形成されている。したがって、図９における右端部では、上部キャップ２’の端面とセンシングエレメント１’の端面とで囲まれた開放部１５が形成されている。なお、接合用薄膜９の膜厚は１μｍ〜２μｍ程度の範囲で適宜設定されている。
【０００７】
さらに、センシングエレメント１’の裏面側（図９における下面側）には、シリコンと略等しい熱膨張率を有する耐熱ガラスからなる下部キャップ３’が陽極接合により接合されている。ここに、下部キャップ３’は、周部が全周にわたって支持部１６に接合されている。
【０００８】
上部キャップ２’および下部キャップ３’は、それぞれ重り部５との対向面に重り部５の揺動空間（重り部５との間のエアギャップ）を確保するための凹所２ａ，３ａがサンドブラスト法などにより形成されている。
【０００９】
上述の半導体加速度センサでは、上記エアギャップを形成してエアダンピングを大気圧下で行わせるようにし、エアダンピング効果によって重り部５の揺動範囲を抑制してセンシングエレメント１’の破壊を防止している。ここに、センシングエレメント１’は、エアダンピング効果によって減衰特性を持たせセンサ自体の周波数特性が最適になるように各凹所２ａ，３ａの底面と重り部５との距離などを設定してある。つまり、共振を起こさないようにエアダンピング効果を利用して減衰特性を持たせてある。要するに、センシングエレメント１’の撓み部４と重り部５とを上部キャップ２’および下部キャップ３’にて囲まれた空間に収納しエアダンピングを大気圧下で行わせることにより、重り部５の移動を抑制して撓み部４の破壊を防止している。
【００１０】
さらに、上部キャップ２’および下部キャップ３’は、それぞれ凹所２ａ，３ａの底面において重り部５に対向する部位の適宜位置に、過大な加速度が印加された時に重り部５の一定以上の変位を規制する微小なストッパ２ｂ，３ｂが突設されている。要するに、過大な加速度が印加された場合には、重り部５がストッパ２ｂ，３ｂに当接することにより、それ以上変位することがないから、重り部５が過大に変位することによる撓み部４の破壊を防止することができるのである。
【００１１】
なお、上述のボンディングワイヤ７およびパッド１４は、ＪＣＲ（Junction Coating Resin）１９により保護されている。したがって、振動や衝撃によりボンディングワイヤ７とパッド１４との接続部にかかるストレスが緩和されるので、ボンディングワイヤ７の接続信頼性が向上する。ＪＣＲ１９としては、シリコーン樹脂を用いており、表面張力によって上部キャップ２’の凹所２ａ内にシリコーン樹脂が侵入しようとするが、上部キャップ２’の凹所２ａの底面から樹脂侵入防止突起１７がセンシングエレメント１’の支持部１６における撓み部４近傍の部位に向かって突設されているので、シリコーン樹脂が上部キャップ２の凹所２ａ内に侵入するのを防ぐことができる。ここに、シリコーン樹脂の粘度は１００Ｐ〜６００Ｐ程度、硬度は２０〜３０程度である。また、樹脂侵入防止突起１７とセンシングエレメント１’との間の距離は上述の接合用薄膜９の膜厚（約１〜２μｍ）と同じ寸法に設定してある。
【００１２】
また、上部キャップ２’に形成する凹所２ａの深さ寸法を例えば数１０μｍに設定した場合、ストッパ２ｂの突出高さは凹所２ａの深さ寸法よりも数μｍ〜１０μｍ弱程度低くした寸法に設定してある。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来構成の半導体加速度センサは、エアダンピング効果を利用して減衰特性を持たせ、ストッパ２ｂ，３ｂにより重り部５が一定以上変位しないようにするものであり、上部キャップ２’および下部キャップ３’それぞれに形成する凹所２ａ，３ａとストッパ２ｂ，３ｂとをサンドブラスト法により形成している。ここにおいて、凹所２ａ，３ａの深さ寸法およびストッパ２ｂ，３ｂの突出寸法は数μｍレベルの精度が必要であるが、サンドブラスト法によって直径が４０μｍ〜１５０μｍの硬い砂（アルミナなどの砥粒）をガラス基板の表面へ噴射して削っているので、凹所２ａ，３ａおよびストッパ２ｂ，３ｂの加工精度が低く、１０μｍ以上のばらつきが発生するから、ダンピング特性（周波数特性）の制御が難しく、センサ特性の高精度化が難しいという不具合があった。ここにおいて、凹所２ａ，３ａの深さ寸法が設定寸法よりも大きいとダンピングが弱過ぎて共振が大きくなって撓み部４が折れる場合があり、設定寸法よりも小さいとダンピングが効き過ぎて出力が出ない場合がある。
【００１４】
また、上記従来構成の半導体加速度センサでは、上部キャップ２’および下部キャップ３’の材料としてガラス基板を用いているので、材料コストが高く、しかもサンドブラスト法による上部キャップ２’および下部キャップ３’の加工コストが高く、製品のコストが高くなってしまうという不具合があった。また、上記従来構成の半導体加速度センサを製造するにあたっては、上部キャップ２’を多数形成したガラス基板とセンシングエレメント１’を多数形成したシリコンウェハとを陽極接合により接合した後に、下部キャップ３’を多数形成したガラス基板とセンシングエレメント１’とを陽極接合により接合する必要があるので、陽極接合の工程が２回になり、製造コストが高くなってしまうという不具合があった。
【００１５】
なお、上記従来構成の半導体加速度センサでは、センシングエレメント１と上部キャップ２との陽極接合の位置合わせ、センシングエレメント１と下部キャップ３との陽極接合の位置合わせを、これらの端面合わせで行っているが、１００μｍ〜２００μｍ程度の精度しかないので、合わせしろのマージンが必要で、重り部５を大きくすることによる感度の向上を図ることが難しく、逆に感度を向上させるとチップサイズが大きくなって小型化が難しくなるという不具合もあった。さらに説明すると、上記従来の半導体加速度センサの製造にあたっては、上部キャップ２’を多数形成した円形状のガラス基板、センシングエレメント１’を多数形成した円形状のシリコンウェハ、下部キャップ３’を多数形成した円形状のガラス基板のそれぞにオリエンテーションフラットを加工形成しておき、オリエンテーションフラットの位置で位置決めを行っていたが、オリエンテーションフラットの加工精度が悪く数１００μｍレベルのずれが起こることがあるので、この分のマージンをとる必要があり、チップサイズが大きくなってしまうという不具合があった。
【００１６】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、低コスト化および高精度化が図れる半導体加速度センサを提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、上記目的を達成するために、支持部の主表面側の部位に薄肉の撓み部を介して揺動自在に支持された重り部を有し撓み部の変形を検出するゲージ抵抗が撓み部に形成されたシリコンからなるセンシングエレメントと、センシングエレメントの支持部の裏面側が接合され中央部にセンシングエレメントの重り部との間に重り部の揺動空間が形成されるガラス製の平板状の第１のキャップと、第１のキャップに接合され第１のキャップとの間にセンシングエレメントの撓み部および重り部を収納する凹所が形成され凹所の周部が第１のキャップに接合されたシリコン基板からなる第２のキャップとを備え、重り部は、第１のキャップとの間に前記揺動空間が形成されるように支持部よりも薄く形成されてなることを特徴とするものであり、重り部を第１のキャップとの間に前記揺動空間が形成されるように支持部よりも薄く形成したことにより、第１のキャップに凹所を形成せずに前記揺動空間を形成することができ、第２のキャップをシリコン基板により形成したことで、第２のキャップに形成する凹所をシリコンのエッチングにより加工することができるので、ガラス基板をサンドブラスト法により加工する場合に比べて凹所の加工精度を高めることができるとともに材料コストおよび加工コストを低減することができて、センサ特性の高精度化および低コスト化を図ることができ、さらに、製造に際して第２のキャップとセンシングエレメントとを第１のキャップに同時に陽極接合することが可能となり、製造コストを低減でき、より一層の低コスト化を図ることができる。
また、請求項１の発明では、支持部は、第１のキャップの周部に接合され第２のキャップの外周側面に対向する位置決め部が連続一体に形成され、位置決め部は、第２のキャップの外周側面との対向面が対向する外周側面に対して平行になるように第１のキャップとのなす角度を設定してあるので、第１のキャップにセンシングエレメントを位置合わせした後の第２のキャップの位置合わせが容易になるとともに位置合わせ精度が向上し、位置合わせのためのマージンを少なくすることができ、チップサイズの小型化を図ることができ、また、チップサイズを増加させることなく重り部のサイズを大きくすることが可能となって高感度化を図ることができる。
【００１９】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記支持部は、前記第２のキャップに覆われていない領域において前記撓み部から離れた位置に入出力用のパッドが形成され、前記第２のキャップは、前記凹所の底面から前記支持部における前記撓み部側の部位に向かって突出する樹脂侵入防止突起が突設されているので、パッドに接続されるボンディングワイヤとパッドとの接続部やボンディングワイヤにかかるストレスを緩和するための封止樹脂を塗布しても前記第２のキャップの凹所に封止樹脂が侵入することが防止されるから、封止樹脂を塗布することにより、ボンディングワイヤの接続信頼性が向上し、センサ全体の信頼性が向上する。
【００２１】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記第１のキャップは、前記重り部へ対向する部位に前記第１のキャップと前記重り部との間の距離よりも膜厚が小さな絶縁性薄膜が形成されているので、製造時に前記第１のキャップと前記センシングエレメントの重り部とが静電接合されるのを防ぐことができ、収率が向上するから低コスト化を図ることができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
本実施形態の半導体加速度センサは、図１および図２に示すように、支持部１６に一対の薄肉の撓み部４を介して揺動自在に支持された重り部５を有し、各撓み部４にそれぞれ撓み部４の変形を検出する２つのゲージ抵抗６が形成され、各ゲージ抵抗６から支持部１６の所定部位にわたってｐ+形拡散抵抗配線１１が形成されたセンシングエレメント１を備えている。また、センシングエレメント１は、後述の位置決め部１６ａが支持部１６に連続一体に形成されている。センシングエレメント１における重り部５と、撓み部４と、支持部１６と、位置決め部１６ａとはシリコン基板１ａをエッチング加工することで一体に形成されている。ここに、撓み部４は、シリコン基板１ａの裏面側から異方性エッチングを行って凹所１０ａを設けることによって形成されている。なお、ゲージ抵抗６はシリコン基板１ａの一部よりなる撓み部４の主表面側の適宜位置にｐ形不純物を拡散させることにより形成されている。
【００２７】
また、センシングエレメント１の主表面側（図１における上面側）には、支持部１６において上記ｐ+形拡散抵抗配線１１にコンタクト部１２を介して接続されたアルミニウム配線１３が設けられており、さらに、支持部１６の表面には、アルミニウム配線１３に接続された入出力用のパッド１４が設けられている。ここに、パッド１４は、支持部１６において撓み部４から比較的離れた領域の表面上に形成されており、別途に設けられた導電パターン２０にボンディングワイヤ７を介して電気的に接続して使用される。なお、上述の４つのゲージ抵抗６は上記従来構成と同様にブリッジ接続されている。
【００２８】
また、センシングエレメント１の裏面側（図１における下面側）には、シリコンと略等しい熱膨張率を有する耐熱ガラスからなる平板状の下部キャップ３が配設されており、センシングエレメント１の支持部１６の裏面側が下部キャップ３に陽極接合により接合されている。ここにおいて、下部キャップ３は、外周形状が矩形状の形状に形成されており、中央部においてセンシングエレメント１の重り部５との間に重り部５の揺動空間が形成されている。すなわち、重り部５は、下部キャップ３との間に上記揺動空間が形成されるように支持部１６よりも薄く形成されている。
【００２９】
重り部５の底面と下部キャップ３との間のギャップは、例えば１０〜２０μｍ程度に設定すればよく、重り部５を支持部１６よりも１０μｍ〜２０μｍ程度薄くするには、エッチャントを用いた異方性エッチングまたはドライエッチングにより重り部５に対応した部位を後面側からエッチング加工すればよい。したがって、重り部５の後面側をμｍオーダの高い加工精度で容易に加工することができ、重り部５と下部キャップ３との間のギャップをμｍオーダで管理することができ、サンドブラスト法によってガラス基板に凹所を形成する場合に比べて重り部５と下部キャップ３との間に形成されるギャップの寸法精度が高くなる。また、下部キャップ３にサンドブラスト加工によって凹所を形成する必要がなく、下部キャップ３の加工費を削減することができる。
【００３０】
また、下部キャップ３の各辺の長さは対向する重り部５の各辺の長さよりも長く形成されており、下部キャップ３のうちの一部は厚み方向においてセンシングエレメント１に重複していない。なお、本実施形態では、下部キャップ３が、センシングエレメント１の支持部１６の裏面側が接合され中央部にセンシングエレメント１の重り部５との間に重り部５の揺動空間が形成されるガラス製の第１のキャップを構成している。
【００３１】
また、本実施形態の半導体加速度センサは、下部キャップ３に接合され下部キャップ３との間にセンシングエレメント１の撓み部４および重り部５を収納する凹所２ａが形成され凹所２ａの周部が下部キャップ３に陽極接合により接合されたシリコン基板からなる上部キャップ２を備えている。ここにおいて、凹所２ａはシリコンの異方性エッチングにより形成されており、数μｍレベルの高い加工精度で凹所２ａを形成することができる。なお、本実施形態では、上部キャップ２が第２のキャップを構成している。
【００３２】
本実施形態の半導体加速度センサは、重り部５が下部キャップ３と上部キャップ２とで囲まれた空間で揺動し、エアダンピング効果によって重り部５の揺動範囲を抑制してセンシングエレメント１の破壊を防止している。ここに、センシングエレメント１は、エアダンピング効果によって減衰特性を持たせセンサ自体の周波数特性が最適になるように凹所２ａの底面と重り部５との距離、下部キャップ３と重り部５との距離などを設定してある。
【００３３】
上部キャップ２は、下部キャップ３の主表面側（図１における上面側）に表面形状がコ字状にパターニングされたアルミニウム薄膜よりなる接合用薄膜９（図２参照）を介して下部キャップ３に接合されている。なお、接合用薄膜９は下部キャップ３の周部に沿って形成されている。言い換えれば、接合用薄膜９は、図２に示すように、平面形状において矩形状の重り部５の４辺のうち撓み部４と繋がっていない３辺に沿って形成されている。以上説明したように上部キャップ２は、下部キャップ３に陽極接合されたものであり、上部キャップ２におけるセンシングエレメント１の支持部１６に対向する部位とセンシングエレメント１の支持部１６との間には隙間が形成されている。また、上部キャップ２は、上記パッド１４に対応する部位に開口窓２１（後述の図５参照）が形成されているので、上部キャップ２およびセンシングエレメント１それぞれを下部キャップ３に接合した後でもパッド１４へボンディングワイヤ７のボンディングを行うことができる。
【００３４】
パッド１４およびパッド１４に接続されたボンディングワイヤ７は、ＪＣＲ１９により保護されている。なお、ＪＣＲは、振動や衝撃によりパッド１４とボンディングワイヤ７との接続部にかかるストレスを緩和して接続部やボンディングワイヤ７を保護するための封止樹脂である。
【００３５】
ところで、上部キャップ２は、ＪＣＲ１９が上部キャップ２の凹所２ａ内に侵入するのを防ぐための樹脂侵入防止突起１７が凹所２ａの底面からセンシングエレメント１の支持部１６に向かって突設されている。ＪＣＲ１９としては、シリコーン樹脂を用いており、シリコーン樹脂の表面張力によって上部キャップ２の凹所２ａ内にシリコーン樹脂が侵入しようとするが、樹脂侵入防止突起１７がセンシングエレメント１の支持部１６における撓み部４側の部位に向かって突設されている。ここに、樹脂侵入防止突起１７はシリコンの異方性エッチングにより形成しているので、加工形状を高精度に制御することができ、樹脂侵入防止突起１７と支持部１６との間に１００ｎｍレベルの小さな隙間を形成することができて、シリコーン樹脂が上部キャップ２の凹所２ａ内に侵入するのを確実に防ぐことができるとともに、空気の流動による影響をなくすことができ、十分なエアダンピング効果を得ることができる。これに対し、従来構成の半導体加速度センサでは、樹脂侵入防止突起１７における支持部１６との対向面にはサンドブラスト法による加工を行わずに、センシングエレメント１側に形成した膜厚が１μｍ〜２μｍ程度のアルミニウム薄膜を部分的に除去することで樹脂侵入防止突起１７と支持部１６との間に１μｍ〜２μｍ程度の隙間を形成しており、ＪＣＲ１９の一部が侵入してしまう恐れがあった。これは、サンドブラスト法による加工では、樹脂侵入防止突起１７と支持部１６との間の隙間を数１０μｍ程度の精度でしか形成することができなためである。なお、ＪＣＲ１９として用いる樹脂はシリコーン樹脂に限定されるものではない。
【００３６】
さらに、上部キャップ２は、過大な加速度が印加された時に重り部５の移動範囲を規制するストッパ２ｂ（図１参照）が凹所２ａの底面において重り部５の４隅に対応して４つ突設されている。したがって、センシングエレメント１の厚み方向（図１における上下方向）に過大な加速度が印加された場合には、重り部５がストッパ２ｂに当接することにより、それ以上変位することがないから、重り部５が過大に変位することによる撓み部４の破壊を防止することができるのである。また、重り部５の４隅それぞれに対応する部位にストッパ２ｂが形成されているので、重り部５に捩れ方向の過大な加速度が加わっても、いずれかのストッパ２ｂに重り部５が当接するので、撓み部４の破損が防止される。要するに、本実施形態の半導体加速度センサでは、過大な加速度が印加されたときに重り部５の厚み方向への変位範囲が規制されるから、撓み部４にかかる応力を抑制することができて、撓み部４が破壊されるのを防ぐことができ、信頼性が高くなり、しかも、収率が高くなって低コスト化を図ることができる。また、本実施形態では、上部キャップ２における凹所２ａおよびストッパ２ｂをシリコンの異方性エッチングを利用して形成しているので、従来のようにガラス基板にサンドブラスト法により凹所２ａを形成する場合に比べて加工精度を高めることができるとともに加工費を削減することができる。
【００３７】
しかして、本実施形態の半導体加速度センサでは、センシングエレメント１の支持部１６の裏面側が接合され中央部にセンシングエレメント１の重り部５との間に重り部５の揺動空間が形成されるガラス製の下部キャップ３と、下部キャップ３に接合され下部キャップ３との間にセンシングエレメント１の撓み部４および重り部５を収納する凹所２ａが形成され凹所２ａの周部が下部キャップ３に接合されたシリコン基板からなる上部キャップ２とを備え、重り部５が下部キャップ３との間に上記揺動空間が形成されるように支持部１６よりも薄く形成されているので、下部キャップ３に凹所を形成せずに上記揺動空間を形成することができ、また、上部キャップ２に形成する凹所２ａをシリコンのエッチングにより加工することができるので、ガラス基板をサンドブラスト法により加工する場合に比べて凹所２ａの加工精度を高めることができるとともに材料コストおよび加工コストを低減することができ、センサ特性の高精度化および低コスト化を図ることができる。さらに、製造に際して上部キャップ２とセンシングエレメント１とを下部キャップ３に同時に陽極接合することが可能となり、製造コストを低減でき、より一層の低コスト化を図ることができる。
【００３８】
ところで、本実施形態の半導体加速度センサの製造にあたっては、図３に示すように、多数の上部キャップ２を連続一体に形成したシリコンウェハ２Ａ（図５参照）および多数のセンシングエレメント１を連続一体に形成したデバイスウェハ１Ａ（図４参照）それぞれを下部キャップ３を形成するためのガラス基板３Ａに対して位置決めし、シリコンウェハ２Ａおよびデバイスウェハ１Ａをガラス基板３Ａに対して同時に陽極接合した後に、ダイシングによりセンシングエレメント１と下部キャップ３と上部キャップ２とからなるチップに分割している。
【００３９】
ここにおいて、上述の位置決めでは、上部キャップ２およびセンシングエレメント１それぞれを下部３キャップに対して図１に示すように位置決めしているので、その後の陽極接合により上部キャップ２およびセンシングエレメント１が下部キャップ３に対して同時に接合される。
【００４０】
しかして、上述の製造方法によれば、陽極接合を１回で済ませることができるので、低コストで高精度の半導体加速度センサを提供することができる。
【００４１】
ところで、上記従来の半導体加速度センサの製造にあたっては、上部キャップ２’を多数形成した円形状のガラス基板、センシングエレメント１’を多数形成した円形状のシリコンウェハ、下部キャップ３’を多数形成した円形状のガラス基板のそれぞにオリエンテーションフラットを加工形成しておき、オリエンテーションフラットの位置で位置決めを行っていたが、オリエンテーションフラットの加工精度が悪く数１００μｍレベルのずれが起こることがあるので、この分のマージンをとる必要があり、チップサイズが大きくなってしまうという不具合があった。
【００４２】
これに対して、上述のセンシングエレメント１における支持部１６は、図２および図６に示すように下部キャップ３の周部に接合され上部キャップ２の外周側面に対向する一対の位置決め部１６ａが連続一体に形成されている。位置決め部１６ａは、上部キャップ２の外周側面との対向面が、対向する外周側面に対して平行になるように下部キャップ３とのなす角度θ１（図７参照）を設定してある。要するに、図７において、上部キャップ２の外周側面と下部キャップ３とのなす角度θ２は位置決め部１６ａが下部キャップ３となす角度θ１と略等しくなっている。ここに、上部キャップ２と位置決め部１６ａとの互いの対向面はどちらもシリコン（１１１）面であって、異方性エッチングによって加工を行っているので、上述の各角度θ１，θ２は両方とも約５４．７度になる。
【００４３】
しかして、本実施形態では、下部キャップ３にセンシングエレメント１を位置合わせした後の上部キャップ３の位置合わせが容易になるとともに位置合わせ精度が向上し、位置合わせのためのマージンを少なくすることができ、チップサイズの小型化を図ることができ、また、チップサイズを増加させることなく重り部５のサイズを大きくすることが可能となって高感度化を図ることができる。
【００４４】
（実施形態２）
本実施形態の半導体加速度センサの基本構成は実施形態１と略同じであって、図８に示すように、下部キャップ３において、重り部５へ対向する部位に下部キャップ３と重り部５との間の距離よりも膜厚が小さな絶縁性薄膜２２が形成されている点に特徴がある。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００４５】
本実施形態の半導体加速度センサの製造方法は実施形態１で説明した製造方法と略同じあって、上部キャップ３およびセンシングエレメント１それぞれを絶縁性薄膜２２が形成された下部キャップ３に対して位置決めした後に、上部キャップ３およびセンシングエレメント１を下部キャップ３に対して同時に陽極接合するので、陽極接合が１回で済み、しかも絶縁性薄膜２２があらかじめ形成されていることにより、陽極接合時にセンシングエレメント１の重り部５と下部キャップ３とが静電接合されるのを防ぐことができる。
【００４６】
なお、絶縁性薄膜２２としては、例えばシリコン酸化膜、シリコン窒化膜などを用い、膜厚は数１００ｎｍ〜数μｍの範囲で適宜設定すればよい。また、絶縁性薄膜２２の成膜方法としては、例えばスパッタ法、ＣＶＤ法などを採用すればよい。
【００４７】
【発明の効果】
請求項１の発明は、支持部の主表面側の部位に薄肉の撓み部を介して揺動自在に支持された重り部を有し撓み部の変形を検出するゲージ抵抗が撓み部に形成されたシリコンからなるセンシングエレメントと、センシングエレメントの支持部の裏面側が接合され中央部にセンシングエレメントの重り部との間に重り部の揺動空間が形成されるガラス製の平板状の第１のキャップと、第１のキャップに接合され第１のキャップとの間にセンシングエレメントの撓み部および重り部を収納する凹所が形成され凹所の周部が第１のキャップに接合されたシリコン基板からなる第２のキャップとを備え、重り部は、第１のキャップとの間に前記揺動空間が形成されるように支持部よりも薄く形成されてなるものであり、重り部を第１のキャップとの間に前記揺動空間が形成されるように支持部よりも薄く形成したことにより、第１のキャップに凹所を形成せずに前記揺動空間を形成することができ、第２のキャップをシリコン基板により形成したことで、第２のキャップに形成する凹所をシリコンのエッチングにより加工することができるので、ガラス基板をサンドブラスト法により加工する場合に比べて凹所の加工精度を高めることができるとともに材料コストおよび加工コストを低減することができて、センサ特性の高精度化および低コスト化を図ることができ、さらに、製造に際して第２のキャップとセンシングエレメントとを第１のキャップに同時に陽極接合することが可能となり、製造コストを低減でき、より一層の低コスト化を図ることができるという効果がある。
また、請求項１の発明では、支持部は、第１のキャップの周部に接合され第２のキャップの外周側面に対向する位置決め部が連続一体に形成され、位置決め部は、第２のキャップの外周側面との対向面が対向する外周側面に対して平行になるように第１のキャップとのなす角度を設定してあるので、第１のキャップに前記センシングエレメントを位置合わせした後の第２のキャップの位置合わせが容易になるとともに位置合わせ精度が向上し、位置合わせのためのマージンを少なくすることができ、チップサイズの小型化を図ることができ、また、チップサイズを増加させることなく重り部のサイズを大きくすることが可能となって高感度化を図ることができるという効果がある。
【００４９】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記支持部は、前記第２のキャップに覆われていない領域において前記撓み部から離れた位置に入出力用のパッドが形成され、前記第２のキャップは、前記凹所の底面から前記支持部における前記撓み部側の部位に向かって突出する樹脂侵入防止突起が突設されているので、パッドに接続されるボンディングワイヤとパッドとの接続部やボンディングワイヤにかかるストレスを緩和するための封止樹脂を塗布しても前記第２のキャップの凹所に封止樹脂が侵入することが防止されるから、封止樹脂を塗布することにより、ボンディングワイヤの接続信頼性が向上し、センサ全体の信頼性が向上するという効果がある。
【００５１】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記第１のキャップは、前記重り部へ対向する部位に前記第１のキャップと前記重り部との間の距離よりも膜厚が小さな絶縁性薄膜が形成されているので、製造時に前記第１のキャップと前記センシングエレメントの重り部とが静電接合されるのを防ぐことができ、収率が向上するから低コスト化を図ることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１を示す概略断面図である。
【図２】同上において上部キャップを取り外した状態の概略平面図である。
【図３】同上の製造方法の説明図である。
【図４】同上の製造方法の説明図である。
【図５】同上の製造方法の説明図である。
【図６】同上の概略断面図である。
【図７】図６の要部Ｂの説明図である。
【図８】実施形態２を示す概略断面図である。
【図９】従来例を示す概略断面図である。
【図１０】同上におけるセンシングエレメントの概略平面図である。
【符号の説明】
１ センシングエレメント
１ａ シリコン基板
２ 上部キャップ
２ａ 凹所
２ｂ ストッパ
３ 下部キャップ
４ 撓み部
５ 重り部
６ ゲージ抵抗
７ ボンディングワイヤ
１１ ｐ+形拡散抵抗配線
１４ パッド
１６ 支持部
１７ 樹脂侵入防止突起
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体加速度センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、半導体加速度センサとして、図９および図１０に示すように、矩形枠状の支持部１６に一対の薄肉の撓み部４を介して揺動自在に支持された重り部５を有し、各撓み部４にそれぞれ撓み部４の変形を検出する２つのゲージ抵抗６が形成され、各ゲージ抵抗６から支持部１６の所定部位にわたってｐ+形拡散抵抗配線１１が形成されたセンシングエレメント１’を備えたものが提案されている。なお、上述の撓み部４は、一般的に、ビームあるいはカンチレバーと称されている。
【０００３】
ここにおいて、センシングエレメント１’における重り部５と、撓み部４と、支持部１６とはシリコン基板１ａをエッチング加工することで一体に形成されている。すなわち、センシングエレメント１’は、シリコン基板１ａの裏面側において重り部５を全周にわたって囲む凹所１０ａが異方性エッチングなどを利用して形成され、シリコン基板１ａの主表面側において撓み部４を残して重り部５を略全周にわたって囲み且つ凹所１０ａに連通するスリット１０が形成されている。要するに、シリコン基板１ａの主表面側において、支持部１６の内周面と重り部５の外周面との間には、スリット１０の幅だけの隙間があることになる。なお、ゲージ抵抗６はシリコン基板１ａの一部よりなる撓み部４の主表面側の適宜位置にｐ形不純物を拡散させることにより形成されている。
【０００４】
また、センシングエレメント１’の主表面側（図９における上面側）には、支持部１６においてｐ+形拡散抵抗配線１１にコンタクト部１２を介して接続されたアルミニウム配線１３が設けられており、さらに、支持部１６の表面には、アルミニウム配線１３に接続された入出力用のパッド１４が設けられている。ここに、パッド１４は、矩形枠状の支持部１６のうち後述の上部キャップ２’に覆われていない領域（撓み部４を挟んで重り部５に対向する部位）の表面上に形成されており、別途に設けられた導電パターン２０にボンディングワイヤ７を介して電気的に接続して使用される。
【０００５】
なお、この半導体加速度センサでは、上述の４つのゲージ抵抗６がブリッジ接続されており、センシングエレメント１’の厚み方向（図９における上下方向）に加速度αが印加されると、その加速度αの大きさに応じて重り部５（以下、重り部５の重さをｍとする）に力Ｆ＝ｍαが発生し重り部５が揺動することで撓み部４が撓み、その結果、撓み部４に歪みによる応力が生じ、ピエゾ抵抗効果によって各ゲージ抵抗６の抵抗値が変化するので、この抵抗値変化を電圧信号として取り出すことで、印加された加速度を検出できるようになっている。言い換えれば、加速度に比例した電圧信号を取り出すことができる。
【０００６】
また、センシングエレメント１の主表面側（図９における上面側）には、シリコンと略等しい熱膨張率を有する耐熱ガラスからなる上述の上部キャップ２’が陽極接合により接合されている。ここに、上部キャップ２’は、センシングエレメント１の主表面側に設けられたアルミニウム薄膜よりなる接合用薄膜９（図１０参照）を介してセンシングエレメント１に接合されているが、上記パッド１４が形成された領域に対応する部位が開放されている。接合用薄膜９は支持部１６において撓み部４の延出方向に平行な部位に当該部位の長手方向に沿って形成されている。すなわち、接合用薄膜９は、支持部１６と撓み部４と重り部５とを結ぶ直線に平行な方向（図１０における左右方向）に沿って形成されている。したがって、図９における右端部では、上部キャップ２’の端面とセンシングエレメント１’の端面とで囲まれた開放部１５が形成されている。なお、接合用薄膜９の膜厚は１μｍ〜２μｍ程度の範囲で適宜設定されている。
【０００７】
さらに、センシングエレメント１’の裏面側（図９における下面側）には、シリコンと略等しい熱膨張率を有する耐熱ガラスからなる下部キャップ３’が陽極接合により接合されている。ここに、下部キャップ３’は、周部が全周にわたって支持部１６に接合されている。
【０００８】
上部キャップ２’および下部キャップ３’は、それぞれ重り部５との対向面に重り部５の揺動空間（重り部５との間のエアギャップ）を確保するための凹所２ａ，３ａがサンドブラスト法などにより形成されている。
【０００９】
上述の半導体加速度センサでは、上記エアギャップを形成してエアダンピングを大気圧下で行わせるようにし、エアダンピング効果によって重り部５の揺動範囲を抑制してセンシングエレメント１’の破壊を防止している。ここに、センシングエレメント１’は、エアダンピング効果によって減衰特性を持たせセンサ自体の周波数特性が最適になるように各凹所２ａ，３ａの底面と重り部５との距離などを設定してある。つまり、共振を起こさないようにエアダンピング効果を利用して減衰特性を持たせてある。要するに、センシングエレメント１’の撓み部４と重り部５とを上部キャップ２’および下部キャップ３’にて囲まれた空間に収納しエアダンピングを大気圧下で行わせることにより、重り部５の移動を抑制して撓み部４の破壊を防止している。
【００１０】
さらに、上部キャップ２’および下部キャップ３’は、それぞれ凹所２ａ，３ａの底面において重り部５に対向する部位の適宜位置に、過大な加速度が印加された時に重り部５の一定以上の変位を規制する微小なストッパ２ｂ，３ｂが突設されている。要するに、過大な加速度が印加された場合には、重り部５がストッパ２ｂ，３ｂに当接することにより、それ以上変位することがないから、重り部５が過大に変位することによる撓み部４の破壊を防止することができるのである。
【００１１】
なお、上述のボンディングワイヤ７およびパッド１４は、ＪＣＲ（Junction Coating Resin）１９により保護されている。したがって、振動や衝撃によりボンディングワイヤ７とパッド１４との接続部にかかるストレスが緩和されるので、ボンディングワイヤ７の接続信頼性が向上する。ＪＣＲ１９としては、シリコーン樹脂を用いており、表面張力によって上部キャップ２’の凹所２ａ内にシリコーン樹脂が侵入しようとするが、上部キャップ２’の凹所２ａの底面から樹脂侵入防止突起１７がセンシングエレメント１’の支持部１６における撓み部４近傍の部位に向かって突設されているので、シリコーン樹脂が上部キャップ２の凹所２ａ内に侵入するのを防ぐことができる。ここに、シリコーン樹脂の粘度は１００Ｐ〜６００Ｐ程度、硬度は２０〜３０程度である。また、樹脂侵入防止突起１７とセンシングエレメント１’との間の距離は上述の接合用薄膜９の膜厚（約１〜２μｍ）と同じ寸法に設定してある。
【００１２】
また、上部キャップ２’に形成する凹所２ａの深さ寸法を例えば数１０μｍに設定した場合、ストッパ２ｂの突出高さは凹所２ａの深さ寸法よりも数μｍ〜１０μｍ弱程度低くした寸法に設定してある。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来構成の半導体加速度センサは、エアダンピング効果を利用して減衰特性を持たせ、ストッパ２ｂ，３ｂにより重り部５が一定以上変位しないようにするものであり、上部キャップ２’および下部キャップ３’それぞれに形成する凹所２ａ，３ａとストッパ２ｂ，３ｂとをサンドブラスト法により形成している。ここにおいて、凹所２ａ，３ａの深さ寸法およびストッパ２ｂ，３ｂの突出寸法は数μｍレベルの精度が必要であるが、サンドブラスト法によって直径が４０μｍ〜１５０μｍの硬い砂（アルミナなどの砥粒）をガラス基板の表面へ噴射して削っているので、凹所２ａ，３ａおよびストッパ２ｂ，３ｂの加工精度が低く、１０μｍ以上のばらつきが発生するから、ダンピング特性（周波数特性）の制御が難しく、センサ特性の高精度化が難しいという不具合があった。ここにおいて、凹所２ａ，３ａの深さ寸法が設定寸法よりも大きいとダンピングが弱過ぎて共振が大きくなって撓み部４が折れる場合があり、設定寸法よりも小さいとダンピングが効き過ぎて出力が出ない場合がある。
【００１４】
また、上記従来構成の半導体加速度センサでは、上部キャップ２’および下部キャップ３’の材料としてガラス基板を用いているので、材料コストが高く、しかもサンドブラスト法による上部キャップ２’および下部キャップ３’の加工コストが高く、製品のコストが高くなってしまうという不具合があった。また、上記従来構成の半導体加速度センサを製造するにあたっては、上部キャップ２’を多数形成したガラス基板とセンシングエレメント１’を多数形成したシリコンウェハとを陽極接合により接合した後に、下部キャップ３’を多数形成したガラス基板とセンシングエレメント１’とを陽極接合により接合する必要があるので、陽極接合の工程が２回になり、製造コストが高くなってしまうという不具合があった。
【００１５】
なお、上記従来構成の半導体加速度センサでは、センシングエレメント１と上部キャップ２との陽極接合の位置合わせ、センシングエレメント１と下部キャップ３との陽極接合の位置合わせを、これらの端面合わせで行っているが、１００μｍ〜２００μｍ程度の精度しかないので、合わせしろのマージンが必要で、重り部５を大きくすることによる感度の向上を図ることが難しく、逆に感度を向上させるとチップサイズが大きくなって小型化が難しくなるという不具合もあった。さらに説明すると、上記従来の半導体加速度センサの製造にあたっては、上部キャップ２’を多数形成した円形状のガラス基板、センシングエレメント１’を多数形成した円形状のシリコンウェハ、下部キャップ３’を多数形成した円形状のガラス基板のそれぞにオリエンテーションフラットを加工形成しておき、オリエンテーションフラットの位置で位置決めを行っていたが、オリエンテーションフラットの加工精度が悪く数１００μｍレベルのずれが起こることがあるので、この分のマージンをとる必要があり、チップサイズが大きくなってしまうという不具合があった。
【００１６】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、低コスト化および高精度化が図れる半導体加速度センサを提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、上記目的を達成するために、支持部の主表面側の部位に薄肉の撓み部を介して揺動自在に支持された重り部を有し撓み部の変形を検出するゲージ抵抗が撓み部に形成されたシリコンからなるセンシングエレメントと、センシングエレメントの支持部の裏面側が接合され中央部にセンシングエレメントの重り部との間に重り部の揺動空間が形成されるガラス製の平板状の第１のキャップと、第１のキャップに接合され第１のキャップとの間にセンシングエレメントの撓み部および重り部を収納する凹所が形成され凹所の周部が第１のキャップに接合されたシリコン基板からなる第２のキャップとを備え、重り部は、第１のキャップとの間に前記揺動空間が形成されるように支持部よりも薄く形成されてなることを特徴とするものであり、重り部を第１のキャップとの間に前記揺動空間が形成されるように支持部よりも薄く形成したことにより、第１のキャップに凹所を形成せずに前記揺動空間を形成することができ、第２のキャップをシリコン基板により形成したことで、第２のキャップに形成する凹所をシリコンのエッチングにより加工することができるので、ガラス基板をサンドブラスト法により加工する場合に比べて凹所の加工精度を高めることができるとともに材料コストおよび加工コストを低減することができて、センサ特性の高精度化および低コスト化を図ることができ、さらに、製造に際して第２のキャップとセンシングエレメントとを第１のキャップに同時に陽極接合することが可能となり、製造コストを低減でき、より一層の低コスト化を図ることができる。
また、請求項１の発明では、支持部は、第１のキャップの周部に接合され第２のキャップの外周側面に対向する位置決め部が連続一体に形成され、位置決め部は、第２のキャップの外周側面との対向面が対向する外周側面に対して平行になるように第１のキャップとのなす角度を設定してあるので、第１のキャップにセンシングエレメントを位置合わせした後の第２のキャップの位置合わせが容易になるとともに位置合わせ精度が向上し、位置合わせのためのマージンを少なくすることができ、チップサイズの小型化を図ることができ、また、チップサイズを増加させることなく重り部のサイズを大きくすることが可能となって高感度化を図ることができる。
【００１９】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記支持部は、前記第２のキャップに覆われていない領域において前記撓み部から離れた位置に入出力用のパッドが形成され、前記第２のキャップは、前記凹所の底面から前記支持部における前記撓み部側の部位に向かって突出する樹脂侵入防止突起が突設されているので、パッドに接続されるボンディングワイヤとパッドとの接続部やボンディングワイヤにかかるストレスを緩和するための封止樹脂を塗布しても前記第２のキャップの凹所に封止樹脂が侵入することが防止されるから、封止樹脂を塗布することにより、ボンディングワイヤの接続信頼性が向上し、センサ全体の信頼性が向上する。
【００２１】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記第１のキャップは、前記重り部へ対向する部位に前記第１のキャップと前記重り部との間の距離よりも膜厚が小さな絶縁性薄膜が形成されているので、製造時に前記第１のキャップと前記センシングエレメントの重り部とが静電接合されるのを防ぐことができ、収率が向上するから低コスト化を図ることができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
本実施形態の半導体加速度センサは、図１および図２に示すように、支持部１６に一対の薄肉の撓み部４を介して揺動自在に支持された重り部５を有し、各撓み部４にそれぞれ撓み部４の変形を検出する２つのゲージ抵抗６が形成され、各ゲージ抵抗６から支持部１６の所定部位にわたってｐ+形拡散抵抗配線１１が形成されたセンシングエレメント１を備えている。また、センシングエレメント１は、後述の位置決め部１６ａが支持部１６に連続一体に形成されている。センシングエレメント１における重り部５と、撓み部４と、支持部１６と、位置決め部１６ａとはシリコン基板１ａをエッチング加工することで一体に形成されている。ここに、撓み部４は、シリコン基板１ａの裏面側から異方性エッチングを行って凹所１０ａを設けることによって形成されている。なお、ゲージ抵抗６はシリコン基板１ａの一部よりなる撓み部４の主表面側の適宜位置にｐ形不純物を拡散させることにより形成されている。
【００２７】
また、センシングエレメント１の主表面側（図１における上面側）には、支持部１６において上記ｐ+形拡散抵抗配線１１にコンタクト部１２を介して接続されたアルミニウム配線１３が設けられており、さらに、支持部１６の表面には、アルミニウム配線１３に接続された入出力用のパッド１４が設けられている。ここに、パッド１４は、支持部１６において撓み部４から比較的離れた領域の表面上に形成されており、別途に設けられた導電パターン２０にボンディングワイヤ７を介して電気的に接続して使用される。なお、上述の４つのゲージ抵抗６は上記従来構成と同様にブリッジ接続されている。
【００２８】
また、センシングエレメント１の裏面側（図１における下面側）には、シリコンと略等しい熱膨張率を有する耐熱ガラスからなる平板状の下部キャップ３が配設されており、センシングエレメント１の支持部１６の裏面側が下部キャップ３に陽極接合により接合されている。ここにおいて、下部キャップ３は、外周形状が矩形状の形状に形成されており、中央部においてセンシングエレメント１の重り部５との間に重り部５の揺動空間が形成されている。すなわち、重り部５は、下部キャップ３との間に上記揺動空間が形成されるように支持部１６よりも薄く形成されている。
【００２９】
重り部５の底面と下部キャップ３との間のギャップは、例えば１０〜２０μｍ程度に設定すればよく、重り部５を支持部１６よりも１０μｍ〜２０μｍ程度薄くするには、エッチャントを用いた異方性エッチングまたはドライエッチングにより重り部５に対応した部位を後面側からエッチング加工すればよい。したがって、重り部５の後面側をμｍオーダの高い加工精度で容易に加工することができ、重り部５と下部キャップ３との間のギャップをμｍオーダで管理することができ、サンドブラスト法によってガラス基板に凹所を形成する場合に比べて重り部５と下部キャップ３との間に形成されるギャップの寸法精度が高くなる。また、下部キャップ３にサンドブラスト加工によって凹所を形成する必要がなく、下部キャップ３の加工費を削減することができる。
【００３０】
また、下部キャップ３の各辺の長さは対向する重り部５の各辺の長さよりも長く形成されており、下部キャップ３のうちの一部は厚み方向においてセンシングエレメント１に重複していない。なお、本実施形態では、下部キャップ３が、センシングエレメント１の支持部１６の裏面側が接合され中央部にセンシングエレメント１の重り部５との間に重り部５の揺動空間が形成されるガラス製の第１のキャップを構成している。
【００３１】
また、本実施形態の半導体加速度センサは、下部キャップ３に接合され下部キャップ３との間にセンシングエレメント１の撓み部４および重り部５を収納する凹所２ａが形成され凹所２ａの周部が下部キャップ３に陽極接合により接合されたシリコン基板からなる上部キャップ２を備えている。ここにおいて、凹所２ａはシリコンの異方性エッチングにより形成されており、数μｍレベルの高い加工精度で凹所２ａを形成することができる。なお、本実施形態では、上部キャップ２が第２のキャップを構成している。
【００３２】
本実施形態の半導体加速度センサは、重り部５が下部キャップ３と上部キャップ２とで囲まれた空間で揺動し、エアダンピング効果によって重り部５の揺動範囲を抑制してセンシングエレメント１の破壊を防止している。ここに、センシングエレメント１は、エアダンピング効果によって減衰特性を持たせセンサ自体の周波数特性が最適になるように凹所２ａの底面と重り部５との距離、下部キャップ３と重り部５との距離などを設定してある。
【００３３】
上部キャップ２は、下部キャップ３の主表面側（図１における上面側）に表面形状がコ字状にパターニングされたアルミニウム薄膜よりなる接合用薄膜９（図２参照）を介して下部キャップ３に接合されている。なお、接合用薄膜９は下部キャップ３の周部に沿って形成されている。言い換えれば、接合用薄膜９は、図２に示すように、平面形状において矩形状の重り部５の４辺のうち撓み部４と繋がっていない３辺に沿って形成されている。以上説明したように上部キャップ２は、下部キャップ３に陽極接合されたものであり、上部キャップ２におけるセンシングエレメント１の支持部１６に対向する部位とセンシングエレメント１の支持部１６との間には隙間が形成されている。また、上部キャップ２は、上記パッド１４に対応する部位に開口窓２１（後述の図５参照）が形成されているので、上部キャップ２およびセンシングエレメント１それぞれを下部キャップ３に接合した後でもパッド１４へボンディングワイヤ７のボンディングを行うことができる。
【００３４】
パッド１４およびパッド１４に接続されたボンディングワイヤ７は、ＪＣＲ１９により保護されている。なお、ＪＣＲは、振動や衝撃によりパッド１４とボンディングワイヤ７との接続部にかかるストレスを緩和して接続部やボンディングワイヤ７を保護するための封止樹脂である。
【００３５】
ところで、上部キャップ２は、ＪＣＲ１９が上部キャップ２の凹所２ａ内に侵入するのを防ぐための樹脂侵入防止突起１７が凹所２ａの底面からセンシングエレメント１の支持部１６に向かって突設されている。ＪＣＲ１９としては、シリコーン樹脂を用いており、シリコーン樹脂の表面張力によって上部キャップ２の凹所２ａ内にシリコーン樹脂が侵入しようとするが、樹脂侵入防止突起１７がセンシングエレメント１の支持部１６における撓み部４側の部位に向かって突設されている。ここに、樹脂侵入防止突起１７はシリコンの異方性エッチングにより形成しているので、加工形状を高精度に制御することができ、樹脂侵入防止突起１７と支持部１６との間に１００ｎｍレベルの小さな隙間を形成することができて、シリコーン樹脂が上部キャップ２の凹所２ａ内に侵入するのを確実に防ぐことができるとともに、空気の流動による影響をなくすことができ、十分なエアダンピング効果を得ることができる。これに対し、従来構成の半導体加速度センサでは、樹脂侵入防止突起１７における支持部１６との対向面にはサンドブラスト法による加工を行わずに、センシングエレメント１側に形成した膜厚が１μｍ〜２μｍ程度のアルミニウム薄膜を部分的に除去することで樹脂侵入防止突起１７と支持部１６との間に１μｍ〜２μｍ程度の隙間を形成しており、ＪＣＲ１９の一部が侵入してしまう恐れがあった。これは、サンドブラスト法による加工では、樹脂侵入防止突起１７と支持部１６との間の隙間を数１０μｍ程度の精度でしか形成することができなためである。なお、ＪＣＲ１９として用いる樹脂はシリコーン樹脂に限定されるものではない。
【００３６】
さらに、上部キャップ２は、過大な加速度が印加された時に重り部５の移動範囲を規制するストッパ２ｂ（図１参照）が凹所２ａの底面において重り部５の４隅に対応して４つ突設されている。したがって、センシングエレメント１の厚み方向（図１における上下方向）に過大な加速度が印加された場合には、重り部５がストッパ２ｂに当接することにより、それ以上変位することがないから、重り部５が過大に変位することによる撓み部４の破壊を防止することができるのである。また、重り部５の４隅それぞれに対応する部位にストッパ２ｂが形成されているので、重り部５に捩れ方向の過大な加速度が加わっても、いずれかのストッパ２ｂに重り部５が当接するので、撓み部４の破損が防止される。要するに、本実施形態の半導体加速度センサでは、過大な加速度が印加されたときに重り部５の厚み方向への変位範囲が規制されるから、撓み部４にかかる応力を抑制することができて、撓み部４が破壊されるのを防ぐことができ、信頼性が高くなり、しかも、収率が高くなって低コスト化を図ることができる。また、本実施形態では、上部キャップ２における凹所２ａおよびストッパ２ｂをシリコンの異方性エッチングを利用して形成しているので、従来のようにガラス基板にサンドブラスト法により凹所２ａを形成する場合に比べて加工精度を高めることができるとともに加工費を削減することができる。
【００３７】
しかして、本実施形態の半導体加速度センサでは、センシングエレメント１の支持部１６の裏面側が接合され中央部にセンシングエレメント１の重り部５との間に重り部５の揺動空間が形成されるガラス製の下部キャップ３と、下部キャップ３に接合され下部キャップ３との間にセンシングエレメント１の撓み部４および重り部５を収納する凹所２ａが形成され凹所２ａの周部が下部キャップ３に接合されたシリコン基板からなる上部キャップ２とを備え、重り部５が下部キャップ３との間に上記揺動空間が形成されるように支持部１６よりも薄く形成されているので、下部キャップ３に凹所を形成せずに上記揺動空間を形成することができ、また、上部キャップ２に形成する凹所２ａをシリコンのエッチングにより加工することができるので、ガラス基板をサンドブラスト法により加工する場合に比べて凹所２ａの加工精度を高めることができるとともに材料コストおよび加工コストを低減することができ、センサ特性の高精度化および低コスト化を図ることができる。さらに、製造に際して上部キャップ２とセンシングエレメント１とを下部キャップ３に同時に陽極接合することが可能となり、製造コストを低減でき、より一層の低コスト化を図ることができる。
【００３８】
ところで、本実施形態の半導体加速度センサの製造にあたっては、図３に示すように、多数の上部キャップ２を連続一体に形成したシリコンウェハ２Ａ（図５参照）および多数のセンシングエレメント１を連続一体に形成したデバイスウェハ１Ａ（図４参照）それぞれを下部キャップ３を形成するためのガラス基板３Ａに対して位置決めし、シリコンウェハ２Ａおよびデバイスウェハ１Ａをガラス基板３Ａに対して同時に陽極接合した後に、ダイシングによりセンシングエレメント１と下部キャップ３と上部キャップ２とからなるチップに分割している。
【００３９】
ここにおいて、上述の位置決めでは、上部キャップ２およびセンシングエレメント１それぞれを下部３キャップに対して図１に示すように位置決めしているので、その後の陽極接合により上部キャップ２およびセンシングエレメント１が下部キャップ３に対して同時に接合される。
【００４０】
しかして、上述の製造方法によれば、陽極接合を１回で済ませることができるので、低コストで高精度の半導体加速度センサを提供することができる。
【００４１】
ところで、上記従来の半導体加速度センサの製造にあたっては、上部キャップ２’を多数形成した円形状のガラス基板、センシングエレメント１’を多数形成した円形状のシリコンウェハ、下部キャップ３’を多数形成した円形状のガラス基板のそれぞにオリエンテーションフラットを加工形成しておき、オリエンテーションフラットの位置で位置決めを行っていたが、オリエンテーションフラットの加工精度が悪く数１００μｍレベルのずれが起こることがあるので、この分のマージンをとる必要があり、チップサイズが大きくなってしまうという不具合があった。
【００４２】
これに対して、上述のセンシングエレメント１における支持部１６は、図２および図６に示すように下部キャップ３の周部に接合され上部キャップ２の外周側面に対向する一対の位置決め部１６ａが連続一体に形成されている。位置決め部１６ａは、上部キャップ２の外周側面との対向面が、対向する外周側面に対して平行になるように下部キャップ３とのなす角度θ１（図７参照）を設定してある。要するに、図７において、上部キャップ２の外周側面と下部キャップ３とのなす角度θ２は位置決め部１６ａが下部キャップ３となす角度θ１と略等しくなっている。ここに、上部キャップ２と位置決め部１６ａとの互いの対向面はどちらもシリコン（１１１）面であって、異方性エッチングによって加工を行っているので、上述の各角度θ１，θ２は両方とも約５４．７度になる。
【００４３】
しかして、本実施形態では、下部キャップ３にセンシングエレメント１を位置合わせした後の上部キャップ３の位置合わせが容易になるとともに位置合わせ精度が向上し、位置合わせのためのマージンを少なくすることができ、チップサイズの小型化を図ることができ、また、チップサイズを増加させることなく重り部５のサイズを大きくすることが可能となって高感度化を図ることができる。
【００４４】
（実施形態２）
本実施形態の半導体加速度センサの基本構成は実施形態１と略同じであって、図８に示すように、下部キャップ３において、重り部５へ対向する部位に下部キャップ３と重り部５との間の距離よりも膜厚が小さな絶縁性薄膜２２が形成されている点に特徴がある。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００４５】
本実施形態の半導体加速度センサの製造方法は実施形態１で説明した製造方法と略同じあって、上部キャップ３およびセンシングエレメント１それぞれを絶縁性薄膜２２が形成された下部キャップ３に対して位置決めした後に、上部キャップ３およびセンシングエレメント１を下部キャップ３に対して同時に陽極接合するので、陽極接合が１回で済み、しかも絶縁性薄膜２２があらかじめ形成されていることにより、陽極接合時にセンシングエレメント１の重り部５と下部キャップ３とが静電接合されるのを防ぐことができる。
【００４６】
なお、絶縁性薄膜２２としては、例えばシリコン酸化膜、シリコン窒化膜などを用い、膜厚は数１００ｎｍ〜数μｍの範囲で適宜設定すればよい。また、絶縁性薄膜２２の成膜方法としては、例えばスパッタ法、ＣＶＤ法などを採用すればよい。
【００４７】
【発明の効果】
請求項１の発明は、支持部の主表面側の部位に薄肉の撓み部を介して揺動自在に支持された重り部を有し撓み部の変形を検出するゲージ抵抗が撓み部に形成されたシリコンからなるセンシングエレメントと、センシングエレメントの支持部の裏面側が接合され中央部にセンシングエレメントの重り部との間に重り部の揺動空間が形成されるガラス製の平板状の第１のキャップと、第１のキャップに接合され第１のキャップとの間にセンシングエレメントの撓み部および重り部を収納する凹所が形成され凹所の周部が第１のキャップに接合されたシリコン基板からなる第２のキャップとを備え、重り部は、第１のキャップとの間に前記揺動空間が形成されるように支持部よりも薄く形成されてなるものであり、重り部を第１のキャップとの間に前記揺動空間が形成されるように支持部よりも薄く形成したことにより、第１のキャップに凹所を形成せずに前記揺動空間を形成することができ、第２のキャップをシリコン基板により形成したことで、第２のキャップに形成する凹所をシリコンのエッチングにより加工することができるので、ガラス基板をサンドブラスト法により加工する場合に比べて凹所の加工精度を高めることができるとともに材料コストおよび加工コストを低減することができて、センサ特性の高精度化および低コスト化を図ることができ、さらに、製造に際して第２のキャップとセンシングエレメントとを第１のキャップに同時に陽極接合することが可能となり、製造コストを低減でき、より一層の低コスト化を図ることができるという効果がある。
また、請求項１の発明では、支持部は、第１のキャップの周部に接合され第２のキャップの外周側面に対向する位置決め部が連続一体に形成され、位置決め部は、第２のキャップの外周側面との対向面が対向する外周側面に対して平行になるように第１のキャップとのなす角度を設定してあるので、第１のキャップに前記センシングエレメントを位置合わせした後の第２のキャップの位置合わせが容易になるとともに位置合わせ精度が向上し、位置合わせのためのマージンを少なくすることができ、チップサイズの小型化を図ることができ、また、チップサイズを増加させることなく重り部のサイズを大きくすることが可能となって高感度化を図ることができるという効果がある。
【００４９】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記支持部は、前記第２のキャップに覆われていない領域において前記撓み部から離れた位置に入出力用のパッドが形成され、前記第２のキャップは、前記凹所の底面から前記支持部における前記撓み部側の部位に向かって突出する樹脂侵入防止突起が突設されているので、パッドに接続されるボンディングワイヤとパッドとの接続部やボンディングワイヤにかかるストレスを緩和するための封止樹脂を塗布しても前記第２のキャップの凹所に封止樹脂が侵入することが防止されるから、封止樹脂を塗布することにより、ボンディングワイヤの接続信頼性が向上し、センサ全体の信頼性が向上するという効果がある。
【００５１】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記第１のキャップは、前記重り部へ対向する部位に前記第１のキャップと前記重り部との間の距離よりも膜厚が小さな絶縁性薄膜が形成されているので、製造時に前記第１のキャップと前記センシングエレメントの重り部とが静電接合されるのを防ぐことができ、収率が向上するから低コスト化を図ることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１を示す概略断面図である。
【図２】同上において上部キャップを取り外した状態の概略平面図である。
【図３】同上の製造方法の説明図である。
【図４】同上の製造方法の説明図である。
【図５】同上の製造方法の説明図である。
【図６】同上の概略断面図である。
【図７】図６の要部Ｂの説明図である。
【図８】実施形態２を示す概略断面図である。
【図９】従来例を示す概略断面図である。
【図１０】同上におけるセンシングエレメントの概略平面図である。
【符号の説明】
１ センシングエレメント
１ａ シリコン基板
２ 上部キャップ
２ａ 凹所
２ｂ ストッパ
３ 下部キャップ
４ 撓み部
５ 重り部
６ ゲージ抵抗
７ ボンディングワイヤ
１１ ｐ+形拡散抵抗配線
１４ パッド
１６ 支持部
１７ 樹脂侵入防止突起
Claims (3)
- 支持部の主表面側の部位に薄肉の撓み部を介して揺動自在に支持された重り部を有し撓み部の変形を検出するゲージ抵抗が撓み部に形成されたシリコンからなるセンシングエレメントと、センシングエレメントの支持部の裏面側が接合され中央部にセンシングエレメントの重り部との間に重り部の揺動空間が形成されるガラス製の平板状の第１のキャップと、第１のキャップに接合され第１のキャップとの間にセンシングエレメントの撓み部および重り部を収納する凹所が形成され凹所の周部が第１のキャップに接合されたシリコン基板からなる第２のキャップとを備え、重り部は、第１のキャップとの間に前記揺動空間が形成されるように支持部よりも薄く形成されてなり、支持部は、第１のキャップの周部に接合され第２のキャップの外周側面に対向する位置決め部が連続一体に形成され、位置決め部は、第２のキャップの外周側面との対向面が対向する外周側面に対して平行になるように第１のキャップとのなす角度を設定してなることを特徴とする半導体加速度センサ。
- 前記支持部は、前記第２のキャップに覆われていない領域において前記撓み部から離れた位置に入出力用のパッドが形成され、前記第２のキャップは、前記凹所の底面から前記支持部における前記撓み部側の部位に向かって突出する樹脂侵入防止突起が突設されてなることを特徴とする請求項１記載の半導体加速度センサ。
- 前記第１のキャップは、前記重り部へ対向する部位に前記第１のキャップと前記重り部との間の距離よりも膜厚が小さな絶縁性薄膜が形成されてなることを特徴とする請求項１または請求項２記載の半導体加速度センサ。
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