JP4570993B2 - 加速度センサおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、加速度を検出する加速度センサおよびその製造方法に関する。

半導体からなるトランスデューサ構造体をガラス基板に接合して構成される加速度センサの技術が開示されている（特許文献１参照）。
特開２００３−３２９７０２号公報、第００４２段落、および図９

しかしながら、前記技術では加速度センサの小型化と生産容易性との両立が必ずしも容易ではない。即ち、トランスデューサ構造体をガラス基板に接合した状態で加速度センサを製造すると、ガラス基板の厚さから、加速度センサの厚さ方向の小型化が困難となる。一方、トランスデューサ構造体をガラス基板と接合しないで加速度センサを製造すると、製造中にトランスデューサ構造体が破壊される可能性が大きくなる。また、トランスデューサ構造体を大きくしてその取り扱いの容易化を図ると、加速度センサの小型化の要請に反することになる。
上記に鑑み、本発明は小型化と生産容易性の両立を図っ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。

本発明に係る加速度センサは、開口を有する固定部と、この開口内に配置され、かつ前記固定部に対して変位する変位部と、前記固定部と前記変位部とを接続する接続部と、を有し、かつ第１の半導体材料からなる第１の構造体と、前記変位部に接合される重量部と、前記重量部を囲んで配置され、かつ前記固定部に接合される台座と、を有し、前記第１の構造体に積層して配置され、かつ第２の半導体材料からなる第２の構造体と、前記台座に接続され、前記第２の構造体に積層して配置され、かつ金属材料からなる基体と、前記変位部の変位を検出する変位検出部と、を具備することを特徴とする。

本発明によれば、小型化と生産容易性の両立を図った加速度センサおよびその製造方法を提供できる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は本発明の一実施形態に係る加速度センサ１００を表す斜視図である。また、図２は加速度センサ１００を分解した状態を表す分解斜視図である。図３、図４はそれぞれ、加速度センサ１００を図１のＡ１−Ａ２およびＢ１−Ｂ２に沿って切断した状態を表す一部断面図である。

加速度センサ１００は、互いに積層して配置される第１の構造体１１０，接合部１２０，第２の構造体１３０，接合部１４０、および基体１５０を有する。なお、図２では、見やすさのために、接合部１２０，１４０の記載を省略している。
第１の構造体１１０，接合部１２０，第２の構造体１３０，接合部１４０、基体１５０は、その外周が例えば、１ｍｍの辺の略正方形状であり、これらの高さはそれぞれ、例えば、３〜１２μｍ、０．５〜３μｍ、６００〜７２５μｍ、０．１〜１μｍ、３０〜１５０μｍである。
第１の構造体１１０，接合部１２０，第２の構造体１３０はそれぞれ、シリコン、酸化シリコン、シリコンから構成可能であり、シリコン／酸化シリコン／シリコンの３層構造をなすＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いて製造可能である。また、基体１５０は金属、例えば、ステンレス材料、インバーで構成できる。接合部１４０は、金属合金で構成できる。

第１の構造体１１０は、外径が略正方形であり、固定部１１１，変位部１１２，接続部１１３（１１３a〜１１３ｄ）から構成される。第１の構造体１１０は、半導体材料の膜をエッチングして開口１１４ａ〜１１４ｄを形成することで、作成できる。

固定部１１１は、外周、内周（開口）が共に略正方形の枠形状の基板である。
変位部１１２は、外周が略正方形の基板であり、固定部１１１の開口の中央近傍に配置される。
接続部１１３a〜１１３ｄは略長方形の基板であり、固定部１１１と変位部１１２とを４方向（Ｘ正方向、Ｘ負方向、Ｙ正方向、Ｙ負方向）で接続する。

接続部１１３a〜１１３ｄは、撓みが可能な梁として機能する。接続部１１３a〜１１３ｄが撓むことで、変位部１１２が固定部１１１に対して変位可能である。具体的には、変位部１１２が固定部１１１に対して、Ｚ正方向、Ｚ負方向に直線的に変位する。また、変位部１１２は、固定部１１１に対してＸ軸およびＹ軸を回転軸とする正負の回転が可能である。即ち、ここでいう「変位」には、移動および回転（Ｚ軸方向での移動、Ｘ，Ｙ軸での回転）の双方を含めることができる。

変位部１１２の変位（移動および回転）を検知することで、Ｘ，Ｙ，Ｚの３軸方向の加速度を測定することができる。
接続部１１３a〜１１３ｄ上に、１２個のピエゾ抵抗素子Ｒ（Ｒｘ１〜Ｒｘ４，Ｒｙ１〜Ｒｙ４、Ｒｚ１〜Ｒｚ４）が配置されている。このピエゾ抵抗素子Ｒは、抵抗の変化として接続部１１３の撓み（あるいは、歪み）、ひいては変位部１１２の変位を検出するためのものである。なお、この詳細は後述する。

第２の構造体１３０は、外径が略正方形であり、台座１３１および重量部１３２（１３２a〜１３２ｅ）から構成される。第２の構造体１３０は、半導体材料の基板をエッチングして開口１３３を形成することで、作成可能である。なお、台座１３１と，重量部１３２とは、互いに高さがほぼ等しく、また開口１３３によって分離され、相対的に移動可能である。

台座１３１は、外周、内周（開口１３３）が共に略正方形の枠形状の基板である。台座１３１は固定部１１１と対応した形状を有し、接合部１４０によって固定部１１１に接続される。
重量部１３２は、質量を有し、加速度によって力を受ける重錘、あるいは作用体として機能する。即ち、加速度が印加されると、重量部１３２の重心に力が作用する。
重量部１３２は、略直方体形状の重量部１３２a〜１３３ｅに区分される。中心に配置された重量部１３２aに４方向から重量部１３２ｂ〜１３３ｅが接続され、全体として一体的に変位（移動、回転）が可能となっている。即ち、重量部１３２aは、重量部１３２ｂ〜１３３ｅを接続する接続部として機能する。

重量部１３２ａは、変位部１１２と対応する略正方形の断面形状を有し、接合部１２０によって変位部１１２と接合される。この結果、重量部１３２に加わった加速度に応じて変位部１１２が変位し、その結果、加速度の測定が可能となる。

重量部１３２ｂ〜１３３ｅはそれぞれ、第１の構造体１１０の開口１１４ａ〜１１４ｄに対応して配置される。重量部１３２が変位したときに重量部１３２ｂ〜１３３ｅが接続部１１３に接触しないようにするためである（重量部１３２ｂ〜１３３ｅが接続部１１３に接触すると、加速度の検出が阻害される）。

重量部１３２ａ〜１３３ｅによって、重量部１３２を構成しているのは、加速度センサ１００の小型化と高感度化の両立を図るためである。加速度センサ１００を小型化（小容量化）すると、重量部１３２の容量も小さくなり、その質量が小さくなることから、加速度に対する感度も低下する。接続部１１３a〜１１３ｄの撓みを阻害しないように重量部１３２ｂ〜１３３ｅを分散配置することで、重量部１３２の質量を確保している。この結果、加速度センサ１００の小型化と高感度化の両立が図られる。

接合部１２０は、既述のように、第１、第２の構造体１１０，１３０を接続するものである。接合部１２０は、固定部１１１と台座１３１を接続する接合部１２１と，変位部１１２と重量部１３２ａを接続する接合部１２２に区分される。接合部１２０は、これ以外の部分では、第１、第２の構造体１１０，１３０を接続していない。接続部１１３a〜１１３ｄの撓み、および重量部１３２ｂ〜１３３ｅの変位を可能とするためである。
なお、接合部１２１，１２２は、シリコン酸化膜をエッチングすることで構成可能である。

基体１５０は、略直方体の外形を有し、枠部１５１と底板部１５２とを有する。金属基板に略直方体状（例えば、縦横８００μｍ、深さ１０μｍ）の凹部１５３を形成することで基体１５０を作成できる。凹部１５３の作成には、種々の加工手段（例えば、エッチング、プレス加工、切削加工）を利用可能である。

枠部１５１は、外周、内周が共に略正方形の枠形状の基板形状である。枠部１５１は台座１３１と対応した形状を有し、接合部１４０によって台座１３１に接合される。
底板部１５２は、外周が枠部１５１と略同一の略正方形の基板形状である。
基体１５０に凹部１５３が形成されているのは、重量部１３２が変位するための空間を確保するためである。但し、基体１５０に凹部１５３を形成するのに替えて、あるいはこれと共に、台座１３１および重量部１３２の高さ（厚さ）を異ならせることも可能である。重量部１３２の厚さを台座１３１の厚さより薄くすることで、重量部１３２が変位する空間を確保できる。

基体１５０には、金属、例えば、Ｆｅ−Ｎｉ系合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金、より具体的には、ステンレス、インバーを用いることができる。基体１５０に金属材料を用いることで、例えば、ガラス材料を用いた場合と比較して、基体１５０の高さの低減、ひいては加速度センサ１００の薄型化を図ることができる。具体的には、基体１５０の高さ（厚さ）をガラス材料の場合での６００μｍ程度に対して、５０μｍ程度とすることができる。ガラス材料よりも金属材料の方が破壊に強いからである。
また、後述するように、作成された加速度センサ１００を半導体基板からのダイシングにより取り出す際に、基体１５０の底面の任意の箇所を押圧することが可能である。このため、生産時の取り扱いが容易となる。
なお、インバーは熱膨張率が小さいことから、基体１５０にインバーを用いることで、加速度センサ１００の温度特性の向上を図れる。

接合部１４０は、既述のように、第２の構造体１３０と基体１５０（より具体的には台座１３１と枠部１５１）を接続するものである。
図５は、接合部１４０を拡大した状態を表す拡大断面図である。本実施形態では接合部１４０は、第１接合層１４１と，第２接合層１４２とに区分されている。

第１接合層１４１は、例えば、Ｎｉ，Ｔｉ，Ｃｒのいずれかを用いることができる。第１接合層１４１は、第２構造体１３０と第２接合層１４２との間のバリア層として機能し、第２接合層１４２の構成材料（例えば、金）が第２構造体１３０内に拡散して、加速度センサ１００の特性が劣化するのを防止する。また、第１接合層１４１は第２構造体１３０上に後述する膜（例えば、金の膜）を形成するに際して、第２構造体１３０とこの膜とを接着させるためのいわば接着剤としても機能する（金は反応性が低いため、例えば、シリコンへの付着強度が小さい）。

第２接合層１４２には、例えば、金（Ａｕ）と錫（Ｓｎ）の合金（金スズ共晶合金）を用いることができる。第２構造体１３０に金の膜を形成し、基体１５０にスズの膜を形成し、第２構造体１３０と基体１５０それぞれの膜を接触した状態で加熱する。この結果、金と錫とが合金化されて第２接合層１４２が形成され、第２構造体１３０と基体１５０が接合される。

（加速度センサ１００の動作）
加速度センサ１００による加速度の検出の原理を説明する。既述のように、接続部１１３ａ〜１１３ｄには、合計１２個のピエゾ抵抗素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４，Ｒｙ１〜Ｒｙ４，Ｒｚ１〜Ｒｚ４が配置されている。
これら各ピエゾ抵抗素子は、シリコンからなる接続部１１３ａ〜１１３ｄの上面付近に形成されたＰ型もしくはＮ型の不純物ドープ領域によって構成できる。

３組のピエゾ抵抗素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４、Ｒｙ１〜Ｒｙ４、Ｒｚ１〜Ｒｚ４が、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｘ軸方向に一直線に並ぶように配置される。ピエゾ抵抗素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４はそれぞれ、接続部１１３ｄの外周近傍、内周近傍、接続部１１３ｂの内周近傍、外周近傍に配置される。ピエゾ抵抗素子Ｒｙ１〜Ｒｙ４はそれぞれ、接続部１１３ｃの外周近傍、内周近傍、接続部１１３ａの内周近傍、外周近傍に配置される。ピエゾ抵抗素子Ｒｚ１〜Ｒｚ４はそれぞれ、接続部１１３ｄの外周近傍、内周近傍、接続部１１３ｂの内周近傍、外周近傍に配置される。
なお、ピエゾ抵抗素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４、Ｒｚ１〜Ｒｚ４は、接続部１１３ｄ、１１３ｂとで配置が異なっている。これはピエゾ抵抗素子Ｒによる接続部１１３の撓みの検出をより高精度化するためである。

３組のピエゾ抵抗素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４、Ｒｙ１〜Ｒｙ４、Ｒｚ１〜Ｒｚ４はそれぞれ、重量部１３２のＸ、Ｙ，Ｚ軸方向成分の変位を検出するＸ、Ｙ，Ｚ軸方向成分変位検出部として機能する。なお、４つのピエゾ抵抗素子Ｒｚ１〜Ｒｚ４は、必ずしもＸ軸方向に配置する必要はなく、Ｙ軸方向に配置してもよい。

図６は、図３に対応し、重量部１３２（質量ｍ）にＸ軸正方向の加速度（＋αｘ）による力（＋Ｆｘ＝＋ｍ・αｘ）が印加されたときの加速度センサ１００の状態を表す断面図である。
重量部１３２がＹ軸に対して正方向に回転する結果、ピエゾ抵抗素子Ｒｘ１、Ｒｘ３はＸ軸方向に伸び（（＋）として表現）、ピエゾ抵抗素子Ｒｘ２、Ｒｘ４はＸ軸方向に縮んでいる（（−）として表現）。

図７は、図３に対応し、重量部１３２（質量ｍ）にＸ軸負方向の加速度（−αｘ）による力（−Ｆｘ＝−ｍ・αｘ）が印加されたときの加速度センサ１００の状態を表す断面図である。
重量部１３２がＹ軸に対して負方向に回転する結果、ピエゾ抵抗素子Ｒｘ１、Ｒｘ３はＸ軸方向に縮み（（−）として表現）、ピエゾ抵抗素子Ｒｘ２、Ｒｘ４はＸ軸方向に伸びている（（＋）として表現）。

図８は、図３に対応し、重量部１３２（質量ｍ）にＺ軸正方向の加速度（＋αｚ）による力（＋Ｆｚ＝＋ｍ・αｚ）が印加されたときの加速度センサ１００の状態を表す断面図である。
重量部１３２がＺ軸に対して正方向に移動する結果、ピエゾ抵抗素子Ｒｚ１、Ｒｚ４はＸ軸方向に縮み（（−）として表現）、ピエゾ抵抗素子Ｒｚ２、Ｒｚ３はＸ軸方向に伸びている（（＋）として表現）。

図９は、図３に対応し、重量部１３２（質量ｍ）にＺ軸負方向の加速度（−αｚ）による力（−Ｆｚ＝−ｍ・αｚ）が印加されたときの加速度センサ１００の状態を表す断面図である。
重量部１３２がＺ軸に対して負方向に移動する結果、ピエゾ抵抗素子Ｒｚ１、Ｒｚ４はＸ軸方向に伸び（（＋）として表現）、ピエゾ抵抗素子Ｒｚ２、Ｒｚ３はＸ軸方向に縮んでいる（（−）として表現）。

以上から判るように、ピエゾ抵抗素子Ｒの伸び（＋）、縮み（−）の組み合わせと、その伸び縮みの量それぞれから、加速度の方向および量を検出することができる。ピエゾ抵抗素子Ｒの伸び、縮みは、ピエゾ抵抗素子Ｒの抵抗の変化として検出できる。
各ピエゾ抵抗素子ＲがシリコンへのＰ型不純物ドープによって構成されているとする。この場合には、ピエゾ抵抗素子Ｒの長手方向での抵抗値は、伸び方向の応力が作用したときには増加し、縮み方向の応力が作用した場合には減少する。
なお、ピエゾ抵抗素子ＲをシリコンへのＮ型不純物ドープによって構成した場合には、抵抗値の増減が逆になる。

図１０〜図１２はそれぞれ、ピエゾ抵抗素子Ｒの抵抗からＸ，Ｙ，Ｚの軸方向それぞれでの加速度を検出するための検出回路の構成例を示す回路図である。この検出回路では、Ｘ，Ｙ，Ｚの軸方向の加速度成分それぞれを検出するために、４組のピエゾ抵抗素子からなるブリッジ回路を構成し、そのブリッジ電圧を検出している。
これらのブリッジ回路では入力電圧Ｖｉｎ（Ｖｘ_ｉｎ、Ｖｙ_ｉｎ、Ｖｚ_ｉｎ）それぞれに対する出力電圧Ｖｏｕｔ（Ｖｘ_ｏｕｔ、Ｖｙ_ｏｕｔ、Ｖｚ_ｏｕｔ）の関係は以下の式（１）〜（３）で表される。
Ｖｘ_ｏｕｔ／Ｖｘ_ｉｎ＝
［Ｒｘ４／（Ｒｘ１＋Ｒｘ４）−Ｒｘ３／（Ｒｘ２＋Ｒｘ３）］ ……式（１）
Ｖｙ_ｏｕｔ／Ｖｙ_ｉｎ＝
［Ｒｙ４／（Ｒｙ１＋Ｒｙ４）−Ｒｙ３／（Ｒｙ２＋Ｒｙ３）］ ……式（２）
Ｖｚ_ｏｕｔ／Ｖｚ_ｉｎ＝
［Ｒｚ３／（Ｒｚ１＋Ｒｚ３）−Ｒｚ４／（Ｒｚ２＋Ｒｚ４）］ ……式（３）

ピエゾ抵抗素子Ｒの伸び縮の量と抵抗値Ｒの変化とが比例することから、入力電圧に対する出力電圧の比（Ｖｘｏｕｔ／Ｖｘｉｎ、Ｖｙｏｕｔ／Ｖｙｉｎ、Ｖｚｏｕｔ／Ｖｚｉｎ）は加速度と比例し、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸それぞれでの加速度を分離して測定することが可能となる。

（加速度センサ１００の作成）
加速度センサ１００の作成工程につき説明する。
図１３は、加速度センサ１００の作成手順の一例を表すフロー図である。また、図１４〜図２３は、図４に対応し、図１３の作成手順における加速度センサ１００の状態を表す断面図である（図１に示す加速度センサ１００をＢ１−Ｂ２で切断した断面に相当する）。

（１）半導体基板Ｗの用意（ステップＳ１１，および図１４、図２４）
図１４に示すように、第１、第２、第３の層１１、１２、１３の３層を積層してなる半導体基板Ｗを用意する。
図２４は、半導体基板Ｗの模式図である。ここでは第１、第２、第３の層１１、１２、１３の記載を省略している。本図に示すように、半導体基板Ｗは複数の領域Ａに区分され、これらの領域Ａそれぞれに加速度センサ１００を作成する。即ち、加速度センサ１００は、一枚の半導体基板Ｗ上に複数（例えば、数千個、数万個）纏めて作成される。
図１４には、図２４の一つの領域Ａが表されているものとし、他の図１５〜図２３も同様とする。

第１、第２、第３の層１１、１２、１３はそれぞれ、第１の構造体１１０，接合部１２０，第２の構造体１３０を構成するための層であり、ここでは、シリコン、酸化シリコン、シリコンからなる層とする。
シリコン／酸化シリコン／シリコンという３層の積層構造をもった半導体基板Ｗは、シリコン基板上に、シリコン酸化膜、シリコン膜を順に積層することで作成できる（いわゆるＳＯＩ基板）。

第２の層１２を第１、第３の層１１，１３とは異なる材料から構成しているのは、第１、第３の層１１，１３とエッチング特性を異ならせ、エッチングのストッパ層として利用するためである。第１の層１１に対する上面からのエッチング、および第３の層１３に対する下面からのエッチングの双方で、第２の層１２がエッチングのストッパ層として機能する。
なお、ここでは第１の層１１と第３の層１３とを同一材料（シリコン）によって構成するものとするが、第１、第２、第３の層１１、１２、１３のすべてを異なる材料によって構成しても良い。

（２）第１の構造体１１０の作成（第１の層１０のエッチング、ステップＳ１２，および図１５）
第１の層１１をエッチングすることにより、開口部１１４を形成し、第１の構造体１１０を形成する。即ち、第１の層１１に対して浸食性を有し、第２の層１２に対して浸食性を有しないエッチング方法を用いて、第１の層１１の所定領域（開口１１４ａ〜１１４ｄ）に対して、第２の層１２の上面が露出するまで厚み方向にエッチングする。

第１の層１１の上面に、第１の構造体１１０に対応するパターンをもったレジスト層を形成し、このレジスト層で覆われていない露出部分を垂直下方に浸食する。このエッチング工程では、第２の層１２に対する浸食は行われないので、第１の層１１の所定領域（開口１１４ａ〜１１４ｄ）のみが除去される。
図１５は、第１の層１１に対して、上述のようなエッチングを行い、第１の構造体１１０を形成した状態を示す。

（３）第２の構造体１３０の作成（第３の層１３のエッチング、ステップＳ１３，および図１６）
第３の層１３をエッチングすることにより、開口部１３３を形成し、第２の構造体１３０を形成する。即ち、第３の層１３に対して浸食性を有し、第２の層１２に対して浸食性を有しないエッチング方法により、第３の層１３の所定領域（開口部１３３）に対して、第２の層１２の下面が露出するまで厚み方向へのエッチングを行う。

第３の層１３の下面に、第２の構造体１３０に対応するパターンをもったレジスト層を形成し、このレジスト層で覆われていない露出部分を垂直上方へと浸食させる。このエッチング工程では、第２の層１２に対する浸食は行われないので、第３の層１３の所定領域（開口部１３３）のみが除去される。
図１６は、第３の層１３に対して、上述のようなエッチングを行い、第２の構造体１３０を形成した状態を示す。

なお、上述した第１の層１１に対するエッチング工程（ステップＳ１２）と、第３の層１３に対するエッチング工程（ステップＳ１３）の順序は入れ替えることができる。いずれのエッチング工程を先に行ってもかまわないし、同時に行っても差し支えない。

（４）第１、第２の構造体１１０，１３０間の接合部１２０の作成（第２の層１２のエッチング、ステップＳ１４，および図１７）
第２の層１２をエッチングすることにより、接合部１２０を形成する。即ち、第２の層１２に対しては浸食性を有し、第１の層１１および第３の層１３に対しては浸食性を有しないエッチング方法により、第２の層１２に対して、その露出部分から厚み方向および層方向にエッチングする。

このエッチング工程では、別途、レジスト層を形成する必要はない。即ち、図１７に示すように、第１の層１１の残存部分である第１の構造体１１０と、第３の層１３の残存部分である第２の構造体１３０とが、それぞれ第２の層１２に対するレジスト層として機能する。エッチングは、第２の層１２の露出部分、すなわち、開口部１３３の形成領域に対してなされる。

以上の製造プロセスにおいて、第１の構造体１１０を形成する工程（ステップＳ１２）と、第２の構造体１３０を形成する工程（ステップＳ１３）では、次の２つの条件を満たすエッチング法を行う必要がある。
第１の条件は、各層の厚み方向への方向性を持つことである、第２の条件は、シリコン層に対しては浸食性を有するが、酸化シリコン層に対しては浸食性を有しないことである。第１の条件は、所定寸法をもった開口部や溝を形成するために必要な条件であり、第２の条件は、酸化シリコンからなる第２の層１２を、エッチングストッパ層として利用するために必要な条件である。

第１の条件を満たすエッチング方法として、誘導結合型プラズマエッチング法（ＩＣＰエッチング法：Induced Coupling Plasma Etching Method ）を挙げることができる。このエッチング法は、垂直方向に深い溝を掘る際に効果的な方法であり、一般に、ＤＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching ）と呼ばれているエッチング方法の一種である。
この方法では、材料層を厚み方向に浸食しながら掘り進むエッチング段階と、掘った穴の側面にポリマーの壁を形成するデポジション段階と、を交互に繰り返す。掘り進んだ穴の側面は、順次ポリマーの壁が形成されて保護されるため、ほぼ厚み方向にのみ浸食を進ませることが可能になる。

一方、第２の条件を満たすエッチングを行うには、酸化シリコンとシリコンとでエッチング選択性を有するエッチング材料を用いればよい。例えば、エッチング段階では、ＳＦ６ガス、およびＯ２ガスの混合ガスを、デポジション段階では、Ｃ４Ｆ８ガスを用いることが考えられる。

第２の層１２に対するエッチング工程（ステップＳ１４）では、次の２つの条件を満たすエッチング法を行う必要がある。第１の条件は、厚み方向とともに層方向への方向性をもつことであり、第２の条件は、酸化シリコン層に対しては浸食性を有するが、シリコン層に対しては浸食性を有しないことである。
第１の条件は、不要な部分に酸化シリコン層が残存して重量部１３２の変位の自由度を妨げることがないようにするために必要な条件である。第２の条件は、既に所定形状への加工が完了しているシリコンからなる第１の構造体１１０や第２の構造体１３０に浸食が及ばないようにするために必要な条件である。

第１、第２の条件を満たすエッチング方法として、バッファド弗酸（ＨＦ：ＮＨ４Ｆ＝１：１０の混合液）をエッチング液として用いるウェットエッチングを挙げることができる。また、ＣＦ４ガスとＯ２ガスとの混合ガスを用いたＲＩＥ法によるドライエッチングも適用可能である。

（５）基体１５０を形成した金属基板Ｍの接合（ステップＳ１５，および図１８〜図１９）
１）金属基板Ｍへの基体１５０の作成
金属基板Ｍに略直方体上の凹部１５３を形成することで基体１５０を作成できる。凹部１５３の作成には、種々の加工手段（例えば、エッチング、プレス加工、切削加工）を利用可能である。この段階では（後述のダイシング前）、基体１５０は金属基板Ｍ上に多数形成され、個々の基体１５０には分離されていない。
２）基体１５０の上面への金属皮膜の形成
基体１５０の上面に第１の金属、例えば、錫の皮膜を形成する。

３）第３層の下面への金属皮膜の形成（メタライズ）
第２構造体１３０の下面に、第１の金属との間に合金をなす第２の金属、例えば、金の皮膜を形成する。第２構造体１３０の下面に金の膜を形成するに先んじて、バリア層として、例えば、Ｎｉ，Ｔｉ，Ｃｒのいずれかを成膜する。
図１８には、第１の金属膜１４３が形成された基体１５０と第２の金属膜１４４が形成された第２の構造体１３０とが対向して配置された状態を表している。

４）第２構造体１３０と基体１５０の接合
第２構造体１３０の下面の金層と基体１５０の上面の錫層とを接触させた状態で、例えば、２００〜２５０℃に加熱することで、金層と錫層とが合金化して金錫合金層が形成されることで、第２構造体１３０と基体１５０とが接合される。
図１９は、第１の金属膜１４３と第２の金属膜１４４とが合金化した接合層１４２で接合された第２の構造体１３０および基体１５０を表している。

（６）半導体基板Ｗのダイシング（ステップＳ１６および図２０〜図２３，図２５）
１）ダイシングパッド２１への接続
金属基板Ｍの底面にダイシングパッド２１を接続する（図２０）。ダイシングパッド２１は、粘着性を有するフィルムであり、半導体基板Ｗおよび金属基板Ｍをダイシングして加速度センサ１００を切り出すときに、加速度センサ１００を固定するためのものである。なお、ダイシングパッド２１の表面には、紫外線を照射することで、粘着性が低減される粘着材が塗布されている。
図２５は、加速度センサ１００が複数形成された半導体基板Ｗおよび金属基板Ｍにダイシングパッド２１を接続した状態を表す模式図である。

２）半導体基板Ｗおよび金属基板Ｍにダイシングソー等で切れ込みを形成する。このとき冷却液を用い、切断箇所の加熱を制限する（図２１）。

３）加速度センサ１００の取り出し
突き出しピン２２で基体１５０の下面を押して、加速度センサ１００を基板Ｗから持ち上げ、真空チャック２３の吸引口２４で吸引する（図２２，図２３）。このとき、ダイシングパッド２１の粘着剤に紫外線（ＵＶ）を照射して、その粘着性を低減し、加速度センサ１００がダイシングパッド２１から容易に離間されるようにする。

ここで、突き出しピン２２は基体１５０の下面の任意の位置（図２２の幅Ｄ）を押すことが可能である。基体１５０が金属で構成され、十分な強度を有する。このため、突き出しピン２２による押し出しによって加速度センサ１００が破損することがない。
基体１５０が接続されていない状態で加速度センサ１００を取り出そうとすれば、突き出しピン２２が押すことができるのは台座１３１の部分（図２２の幅Ｄ０）に限られ、突き出しピン２２の精密な制御を要することになる。突き出しピン２２が重量部１３２を押すと、接続部１１３が破損することになる。
また、基体１５０がガラス材料から構成されていると、基体１５０を薄くすることが困難であり、加速度センサ１００の薄型化が困難となる。

（その他の実施形態） 本発明の実施形態は上記の実施形態に限られず拡張、変更可能であり、拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明の一実施形態に係る加速度センサを表す斜視図である。 図1の加速度センサを分解した状態を表す分解斜視図である。 図１の加速度センサを切断した状態を表す一部断面図である。 図１の加速度センサを切断した状態を表す一部断面図である。 接合部を拡大した状態を表す拡大断面図である。 重量部にＸ軸正方向の加速度による力が印加されたときの加速度センサの状態を表す断面図である。 重量部にＸ軸負方向の加速度による力が印加されたときの加速度センサの状態を表す断面図である。 重量部にＺ軸正方向の加速度による力が印加されたときの加速度センサの状態を表す断面図である。 重量部にＺ軸負方向の加速度による力が印加されたときの加速度センサの状態を表す断面図である。 ピエゾ抵抗素子の抵抗からＸ軸方向での加速度を検出するための検出回路の構成例を示す回路図である。 ピエゾ抵抗素子の抵抗からＹ軸方向での加速度を検出するための検出回路の構成例を示す回路図である。 ピエゾ抵抗素子の抵抗からＺ軸方向での加速度を検出するための検出回路の構成例を示す回路図である。 加速度センサの作成手順の一例を表すフロー図である。 図１３の作成手順における加速度センサの状態を表す断面図である。 図１３の作成手順における加速度センサの状態を表す断面図である。 図１３の作成手順における加速度センサの状態を表す断面図である。 図１３の作成手順における加速度センサの状態を表す断面図である。 図１３の作成手順における加速度センサの状態を表す断面図である。 図１３の作成手順における加速度センサの状態を表す断面図である。 図１３の作成手順における加速度センサの状態を表す断面図である。 図１３の作成手順における加速度センサの状態を表す断面図である。 図１３の作成手順における加速度センサの状態を表す断面図である。 図１３の作成手順における加速度センサの状態を表す断面図である。 半導体基板を表す斜視図である。 半導体基板および金属基板の底面にダイシングパッドを貼り付けた状態を表す斜視図である。

符号の説明

１００ 加速度センサ
１１０ 第１の構造体
１１１ 固定部
１１２ 変位部
１１３ａ-１１３ｄ 接続部
１１４ａ-１１４ｄ 開口
１２０ 接合部
１２１ 接合部
１２２ 接合部
１３０ 第２の構造体
１３１ 台座
１３２ａ-１３３ｅ 重量部
１３３ 開口
１４０ 接合部
１４１ 接合層
１４２ 接合層
１５０ 基体
１５１ 枠部
１５２ 底板部
１５３ 凹部
Ｒｘ１-Ｒｘ４，Ｒｙ１-Ｒｙ４，Ｒｚ１-Ｒｚ４ ピエゾ抵抗素子

Claims (11)

1. 開口を有する固定部と，この開口内に配置され，かつ前記固定部に対して変位する変位部と，前記固定部と前記変位部とを接続する接続部と，を有し，かつ第１の半導体材料からなる第１の構造体と，
   前記変位部に接合される重量部と，前記重量部を囲んで配置され，かつ前記固定部に接合される台座と，を有し，前記第１の構造体に積層して配置され，かつ第２の半導体材料からなる第２の構造体と，
   前記台座に接続され，前記第２の構造体に積層して配置され，かつ厚さが１０μｍより大きく５０μｍより小さい金属材料からなる基体と，
   前記変位部の変位を検出する変位検出部と，
   を具備することを特徴とする加速度センサ。
2. 前記基体が，前記重量部に対応する凹部を有する
   ことを特徴とする請求項１記載の加速度センサ。
3. 前記金属材料が，ステンレスまたはインバーである
   ことを特徴とする請求項１記載の加速度センサ。
4. 前記第２の構造体と，前記基体とを接合する金属層
   をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の加速度センサ。
5. 前記第１，第２の半導体材料がいずれもシリコンである
   ことを特徴とする請求項１記載の加速度センサ。
6. 第1の半導体材料からなる第1の層，酸化物からなる第２の層，および第２の半導体材料からなる第３の層が順に積層されてなる半導体基板の前記第１および第２の層をエッチングして，開口を有する固定部と，この開口内に配置され，かつ前記固定部に対して変位する変位部と，前記固定部と前記変位部とを接続する接続部と，を有する第１の構造体と，重量部と，前記重量部を囲んで配置される台座と，を有し，前記第１の構造体に積層して配置される第２の構造体と，を作成するステップと，
   前記第１，第２の構造体が作成された半導体基板の前記第２の層をエッチングして，開口を有し，かつ前記固定部と前記台座とを接合する第１の接合部と，この開口内に配置され，かつ前記変位部と前記重量部とを接合する第２の接合部とを有する接合体を作成するステップと，
   前記第２の構造体の底面に厚さが１０μｍより大きく５０μｍより小さい金属基板を接合するステップと，
   前記金属基板の底面に粘着性の膜を貼り付けるステップと，
   前記第１，第２の構造体が作成された領域に対応して，前記半導体基板および金属基板を切断して，加速度センサを切り出すステップと，
   を具備することを特徴とする加速度センサの製造方法。
7. 前記領域に対応するように前記膜の底面を押圧して，前記切り出された加速度センサを押し出すステップと，
   前記押し出された加速度センサを吸引するステップと，
   をさらに具備することを特徴とする請求項６記載の加速度センサの製造方法。
8. 前記金属基板が，前記重量部に対応する凹部を有する
   ことを特徴とする請求項６記載の加速度センサの製造方法。
9. 前記金属基板の構成材料が，ステンレスまたはインバーである
   ことを特徴とする請求項６記載の加速度センサの製造方法。
10. 前記接合するステップにおいて，前記第２の構造体と，前記金属基板とが金属で接合される
    ことを特徴とする請求項６記載の加速度センサの製造方法。
11. 前記第１，第２の半導体材料がいずれもシリコンである
    ことを特徴とする請求項６記載の加速度センサの製造方法。

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