JP4913408B2 - 半導体センサ - Google Patents

Description

本発明は、半導体加速度センサ、半導体圧力センサ等の半導体センサに関するものである。

特開２００２−２４３７５９号公報（特許文献１）等には、センサ本体と、該センサ本体上に形成された複数のセンサ素子とを具備する半導体センサ（半導体加速度センサ）が示されている。この半導体加速度センサのセンサ本体は、マスクパターンが形成された半導体結晶基板にエッチングが施されて、中心部に重錘固定部、外周部に筒状の支持部、そして重錘固定部と支持部との間に重錘固定部及び支持部よりも厚みが薄いダイヤフラム部が形成されて構成されている。また、複数のセンサ素子は、支持部の反対側に位置するダイヤフラム部の表面上に形成された拡散抵抗から構成されている。この種の半導体加速度センサでは、外部から加えられた力による加速度、または傾斜させた静止状態で加わる重力加速度に基づく力により重錘固定部に固定された重錘が動いてダイヤフラム部が撓むことにより、センサ素子を構成する各拡散抵抗の抵抗値が変化して歪み量に応じた１以上の軸線方向の加速度を検出する。この種の半導体加速度センサでは、通常、ダイヤフラム部の外形形状を四角形にするため、支持部の内周面は、切頭角錐形の内部空間を囲むように、実質的に同形状の４つの台形状の傾斜面が環状に組み合わされて構成されている。

しかしながら、従来の半導体加速度センサでは、重錘に作用した加速度によってダイヤフラム部に必要以上の力が加わると、ダイヤフラム部の外形形状の角部に応力が集中し、ダイヤフラム部が損傷することがある。このような問題を解決するために、特開平５−１９６５２５号公報（特許文献２）、特開平６−１７４５７１号公報（特許文献３）等では、ダイヤフラム部の外形形状を形成する正多角形を正八角形のように多角化（角の数を増やす）したものが提案されている。このように、ダイヤフラム部の正多角形の角の数を増やすと、角部に加わる力を和らげることができる。そのため、ダイヤフラム部の損傷を防ぐことができる。
特開２００２−２４３７５９号公報（第１８頁、図１） 特開平５−１９６５２５号公報（第６頁、図４） 特開平６−１７４５７１号公報（第９頁、図４）

しかしながら、ダイヤフラム部の正多角形の角の数を増やすと、マスクパターンの形状が複雑になる上、エッチングが面倒になるという問題があった。

本発明の目的は、ダイヤフラム部の損傷を防ぐことができ、しかも簡単にエッチングが行える半導体センサを得ることを目的とする。

本発明が改良の対象とする半導体センサは、中心部に重錘固定部、外周部に筒状の支持部、そして重錘固定部と支持部との間に重錘固定部及び支持部よりも厚みが薄いダイヤフラム部を有する半導体結晶基板からなるセンサ本体と、支持部の反対側に位置するダイヤフラム部の表面上に形成された拡散抵抗からなる複数のセンサ素子とを具備している。そして、支持部の内周面が、切頭角錐形の内部を囲むように、実質的に同形状の少なくとも４つの傾斜面が環状に組み合わされて構成されている。本発明では、少なくとも４つの傾斜面の隣接する２つの傾斜面の間に両傾斜面の境界部を延びて両傾斜面を連結する平面または曲面からなる細長い連結面をそれぞれ形成する。本発明のように、連結面を形成すれば、ダイヤフラム部の外形形状のそれぞれの角部の角度が大きくなるので、ダイヤフラム部の各角部に加わる力を和らげることができる。そのため、ダイヤフラム部の損傷を防ぐことができる。また、本発明では、連結面を形成するものの、基本的には、環状に組み合わされる傾斜面の数（ダイヤフラム部の外形形状の正多角形の角の数）は変わらないため、ダイヤフラム部の正多角形を多角化する（角の数を増やす）場合に比べて、簡単にダイヤフラム部を形成できる。

連結面は、種々の形状を有しているものを採用できる。例えば、平面形状を有していてもよいし、曲面形状を有していてもよいし、複数の平面が組み合わされた形状を有していてもよい。

ダイヤフラム部には、連結面の端部の近傍においてダイヤフラム部の裏面から突出する厚肉部を形成するのが好ましい。このような厚肉部を形成すれば、ダイヤフラム部の可撓性を大きく低下させることなく、ダイヤフラム部の強度を高めることができる。

厚肉部は、連結面の端部からダイヤフラム部の中心部に向かって徐々に厚み寸法が小さくなるように延びているのが好ましい。このようにすれば、ダイヤフラム部の可撓性を大きく低下させることなく、連結面の端部側の強度を高めることができる。

マスクパターンが形成された半導体結晶基板にエッチングを施こしてセンサ本体を形成する場合には、マスクパターンに、エッチングの進行を補正する補正パターンを含ませればよい。そして、補正パターンは、エッチングにおいてダイヤフラム部の形成が完了する時に、少なくとも４つの傾斜面の隣接する２つの傾斜面の間に連結面をそれぞれ形成する寸法及び形状にする。このようにすれば、比較的単純な形状のマスクパターンを用いてエッチングをすることにより連結面を形成することができる。

また、補正パターンを、エッチングにおいてダイヤフラム部の形成が完了する時に、厚肉部を更に形成する寸法及び形状を有しているようにすれば、比較的単純な形状のマスクパターンにより厚肉部を形成することができる。

特に、半導体結晶基板のミラー指数（１００）面にエッチングを施こす場合には、少なくとも４つの傾斜面を環状に組み合わせるような形状に支持部の内周面を形成するようにエッチングを行うのが容易である。そのため、半導体結晶基板のミラー指数（１００）面にエッチングを施こす場合には、本発明の効果は顕著である。

［図１］図１は、本発明の実施の形態の半導体センサの断面図である。
［図２］図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。
［図３］図３は、図１の半導体センサに用いるセンサ本体の平面図である。
［図４］図４は、図１の半導体センサに用いるセンサ本体の裏面図である。
［図５］図５は、図４のＶ−Ｖ線断面図である。
［図６］図６は、図１の半導体センサに用いるセンサ本体の製造方法の説明に用いるための図である。
［図７］図７（Ａ）及び（Ｂ）は、他の連結面の態様を示す断面図である。

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、半導体加速度センサに適用した本発明の実施の形態の半導体センサの断面図であり、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。両図に示すように、本発明の実施の形態の半導体加速度センサは、センサ本体１と、センサ本体１に固定された重錘３と、センサ本体１を支持するガラス製の台座５とを有している。

図３及び図４は、センサ本体１の平面図及び裏面図である。図１〜図４に示すように、センサ本体１は、中心部に重錘固定部７が位置し、外周部に筒状の支持部９が位置し、重錘固定部７と支持部９との間にダイヤフラム部１１を有している。センサ本体１は、単結晶シリコンからなる半導体結晶基板のミラー指数（１００）面に異方性エッチングが施されて形成されている。支持部９の反対側に位置するダイヤフラム部１１の表面上には、加速度検出用拡散抵抗からなる図示しない複数のセンサ素子が形成されている。支持部９上には、複数の電極８…が形成されている（図３）。本例の半導体加速度センサは、外部から加えられた力による加速度、または傾斜させた静止状態で加わる重力加速度に基づく力により重錘３が動いてダイヤフラム部１１が撓むことにより、センサ素子を構成する各拡散抵抗の抵抗値が変化して歪み量に応じた１軸以上の方向の加速度を検出する。

重錘固定部７は、支持部９の内部空間１０内にダイヤフラム部１１から重錘３に向かって突出した形状を有している。重錘固定部７の先端には、重錘固定部７の中心を通りダイヤフラム部１１が延びる方向と直交する方向に延びる中心線Ｃ上に重錘３の中心が位置するように、重錘３が固定されている。この重錘固定部７は、八角形の横断面を有しており、その外周面は、ダイヤフラム部１１が位置する側から離れるに従って中心線Ｃに近づくように傾斜する傾斜面として形成されている。

支持部９は、矩形の環状を有しており、内周面は、ほぼ切頭角錐形の内部空を囲むように、実質的に同形状の４つの台形状の傾斜面１３…が環状に組み合わされて構成されている。傾斜面１３…は、ダイヤフラム部１１が位置する側に向かうに従って中心線Ｃに近づくように傾斜しており、後述するストッパ構造の一部を構成している。４つの傾斜面１３…の隣接する２つの傾斜面１３，１３の間には、両傾斜面１３，１３の境界部を延びて両傾斜面１３，１３を連結する平面状の細長い連結面１５がそれぞれ形成されている。

ダイヤフラム部１１は、重錘固定部７及び支持部９よりも薄い厚み寸法からなり、可撓性を有している。ダイヤフラム部１１の裏面には、４つの厚肉部１７…が形成されている。厚肉部１７は、図４及び図５に示すように、ダイヤフラム部１１の裏面から突出する形状を有しており、連結面１５の端部からダイヤフラム部１１の中心部に向かって徐々に厚み寸法が小さくなるように延びている。また、厚肉部１７は、連結面１５の端部から放射状に延びるように厚み寸法の大きな嶺部１７ａ…を有している。

本例では、センサ本体１を次のようにして作った。まず、ほぼ平板状の半導体結晶基板のミラー指数（１００）面にシリコン酸化膜、シリコン窒化膜等からなる厚み数百ｎｍのマスクパターンを形成した。マスクパターンとしては、例えば、図６の符号２３に示すように、支持部９を形成する支持部形成部２５とエッチングの進行を補正する補正パターン部２７とを有するものを形成することができる。補正パターン部２７は、角形形状を有しており、支持部形成部２５の内側角部に連結されて該内側角部から重錘固定部の角部に向かって延びている。また、このマスクパターン２３と共に、重錘固定部７を形成する重錘固定部形成部を含むマスクパターンも形成する。次に、ＫＯＨ等のアルカリエッチング液でエッチングを施して連結面１５及び厚肉部１７を備えたセンサ本体１を完成した。このように、補正パターン部（２７）は、エッチングにおいてダイヤフラム部１１の形成が完了する時に、連結面１５をそれぞれ形成し、ダイヤフラム部１１に厚肉部１７を形成する寸法及び形状を有している。本例の半導体加速度センサでは、比較的単純な形状のマスクパターンを用いてエッチングをすることにより連結面１５及び厚肉部１７を形成することができるので、ダイヤフラム部の可撓性を大きく低下させることなく、ダイヤフラム部の強度を高めることができる。

重錘３は、円板状に近い輪郭を有するタングステンにより形成されている。この重錘３は、一端が重錘固定部７に接着剤により固定された状態で、支持部９内の内部空間１０と台座５内の内部空間１２とに跨って２つの内部空間内に配置されている。重錘３の環状の部分３ａは、支持部９内の内部空間１０に入り込んでいる。本例では、環状の部分３ａは、ダイヤフラム部１１に沿う方向に延びる第１の面３ｂと、支持部９の内周面と交差する方向に延びる第２の面３ｃと、第１の面３ｂと第２の面３ｃとの交差点（角部）からなる当接部３ｄと、ダイヤフラム部１１との反対側に位置する底面３ｅとを有している。当接部３ｄは、重錘固定部７が位置する側から見た輪郭形状が円形を有するようにほぼ円形の線状に延びている。そのため、図２に示すように、当接部３ｄは支持部９の４つの傾斜面１３…のそれぞれのほぼ中央に対向することになる。本例では、当接部３ｄと傾斜面１３…との接触位置は、傾斜面１３…の支持部９の厚み方向の中央位置よりも支持部９の底面側に位置している。また、当接部３ｄと前述した支持部９の４つの傾斜面１３…とにより重錘のストッパ構造が構成されている。そのため、重錘３の変位量が所定の範囲を超えると、当接部３ｄが傾斜面１３…に当接して重錘３の変位量が規制される。

なお、上記例では、連結面１５は、平面形状を有しているが、図７（Ａ）に示すように、連結面３５を曲面により形成してもよいし、図７（Ｂ）に示すように、連結面４５を複数の平面を組み合わせて形成してもよい。

また、上記例は、４つの傾斜面１３…が組み合わされてセンサ本体の内周面が構成される半導体加速度センサに本発明を適用した例を示したが、少なくとも４つの傾斜面が組み合わされてセンサ本体の内周面が構成される半導体加速度センサに本発明は適用できる。例えば、８つの傾斜面が組み合わされる半導体加速度センサにも本発明が適用できるのは勿論である。

また、上記例は、本発明を半導体加速度センサに適用した例を示したが、圧力センサ等の他の半導体センサに本発明を適用できるのは勿論である。

本発明によれば、連結面を形成するので、ダイヤフラム部の外形形状の角部が大きくなり、ダイヤフラム部の角部に加わる力を和らげることができる。そのため、ダイヤフラム部の損傷を防ぐことができる。

特に、本発明では、連結面を形成するものの、基本的には、環状に組み合わされる傾斜面の数（ダイヤフラム部の外形形状の正多角形の角の数）は変わらないため、ダイヤフラム部の正多角形を多角化する（角の数を増やす）場合に比べて、簡単にダイヤフラム部を形成できる。

Claims (9)

1. 中心部に重錘固定部、外周部に筒状の支持部、そして前記重錘固定部と前記支持部との間に前記重錘固定部及び前記支持部よりも厚みが薄いダイヤフラム部を有する半導体結晶基板からなるセンサ本体と、
   前記支持部の反対側に位置する前記ダイヤフラム部の表面上に形成された拡散抵抗からなる複数のセンサ素子とを具備し、
   前記支持部の内周面が、切頭角錐形の内部空間を囲むように、実質的に同形状の少なくとも４つの傾斜面が環状に組み合わされて構成されている半導体センサであって、
   前記少なくとも４つの傾斜面の隣接する２つの傾斜面の間に両傾斜面の境界部を延びて前記両傾斜面を連結する細長い連結面がそれぞれ形成されており、
   前記ダイヤフラム部には、前記連結面の端部の近傍において前記ダイヤフラム部の裏面から突出する厚肉部が形成されており、
   前記厚肉部は、連結面の端部からダイヤフラム部の中心部に向かって徐々に厚み寸法が小さくなるように延びている半導体センサ。
2. 前記連結面は、平面形状を有している請求項１に記載の半導体センサ。
3. 前記連結面は、曲面形状を有している請求項１に記載の半導体センサ。
4. 前記連結面は、複数の平面が組み合わされた形状を有している請求項１に記載の半導体センサ。
5. マスクパターンが形成された半導体結晶基板にエッチングが施されて、中心部に重錘固定部、外周部に筒状の支持部、そして前記重錘固定部と前記支持部との間前記重錘固定部及び前記支持部よりも厚みが薄いダイヤフラム部が形成されてなるセンサ本体と、
   前記支持部の反対側に位置する前記ダイヤフラム部の表面上に形成された拡散抵抗からなる複数のセンサ素子とを具備し、
   前記支持部の内周面が、切頭角錐形の内部空間を囲むように、実質的に同形状の少なくとも４つの傾斜面が環状に組み合わされて構成されている半導体センサであって、
   前記マスクパターンは、前記エッチングの進行を補正する補正パターンを含んでおり、
   前記補正パターンは、前記エッチングにおいて前記ダイヤフラム部の形成が完了するときに、前記少なくとも４つの傾斜面の隣接する２つの傾斜面の間に両傾斜面の境界部を延びて前記両傾斜面を連結する細長い連結面をそれぞれ形成する寸法及び形状を有しており、
   前記補正パターンは、前記エッチングにおいて前記ダイヤフラム部の形成が完了するときに、前記連結面の端部の近傍において前記ダイヤフラム部の裏面から突出する厚肉部を更に形成する寸法及び形状を有しており、
   前記厚肉部は、連結面の端部からダイヤフラム部の中心部に向かって徐々に厚み寸法が小さくなるように延びている半導体センサ。
6. 前記連結面は、平面形状を有している請求項５に記載の半導体センサ。
7. 前記連結面は、曲面形状を有している請求項５に記載の半導体センサ。
8. 前記連結面は、複数の平面が組み合わされた形状を有している請求項５に記載の半導体センサ。
9. 前記エッチングは、前記半導体結晶基板のミラー指数（１００）面に施されている請求項５に記載の半導体センサ。

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