JP4032941B2 - 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、自動車、航空機、家電製品等に用いる半導体加速度センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、半導体加速度センサには、加速度を受けて変位する錘部の支持の仕方により、片持ち梁方式と両持ち梁方式とがある。また、その錘部の変位した量、すなわち加速度を測定する方法にも、機械的な歪みを電気抵抗の変化で測定する方法と、静電容量の変化で測定する方法とがある。例えば、特許文献１には機械的な歪みを電気抵抗の変化で検出する両持ち梁方式の半導体加速度センサが開示してある。図７は、この半導体加速度センサの２面図であり、図７（ａ）は上面図、図７（ｂ）は図７（ａ）におけるＡ−Ａ’部分の断面図である。
【０００３】
この半導体加速度センサは、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板よりなる半導体基板をエッチングして形成したものであって、図７に示すように、半導体加速度センサチップ１と、このチップ１に接合して支持する台座１０とを備えてなり、チップ１は、厚肉の錘部８と、この錘部８の外周縁を離間して外囲するフレーム７と、このフレーム７及び錘部８との間に懸架して、錘部８をフレーム７に揺動自在に支持させる薄肉の可撓部６（ビーム又はカンチレバ）を４つと、この可撓部６に形成したピエゾ抵抗９Ｘ，９Ｙ，９Ｚと、ピエゾ抵抗９Ｘ，９Ｙ，９Ｚからの出力をそれぞれ取り出す電極１７Ｘ，１７Ｙ，１７Ｚとを備えている。そして、フレーム７を接着剤１６により台座１０に接着して固定すると共に、その接着剤１６に厚みを持たせるようにして、錘部８の下端面と台座１０の表面との間に空隙部分Ｃを形成し、この空隙部分Ｃで錘部８を揺動させている。
【０００４】
この半導体加速度センサに加速度が加わったときには、その加速度に応じて錘部８が揺動変位し、この錘部８の揺動変位に応じて可撓部６が撓む。そして、可撓部６に形成したピエゾ抵抗９Ｘ，９Ｙ，９Ｚが、この可撓部６の撓み量に応じてその抵抗値を変化させるため、電極１７Ｘ，１７Ｙ，１７Ｚからはピエゾ抵抗９Ｘ，９Ｙ，９Ｚの抵抗値変化に応じた電圧値の変化を測定でき、この電圧値を参照して、加わった加速度の値を求めている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−２３４２４２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
この半導体加速度センサで加速度を測定するときには、上記のようにピエゾ抵抗９Ｘ，９Ｙ，９Ｚに電圧を印加するため、ピエゾ抵抗９Ｘ，９Ｙ，９Ｚには熱が発生している。また、電極１７Ｘ，１７Ｙ，１７Ｚとピエゾ抵抗９Ｘ，９Ｙ，９Ｚとを高濃度拡散配線（図示せず）で電気的に接続している場合には、その高濃度拡散配線にも電圧が加わった状態となるため、この高濃度拡散配線にも熱が発生する。このように、可撓部６に形成したピエゾ抵抗９Ｘ，９Ｙ，９Ｚや高濃度拡散配線に熱が発生すると、可撓部６や、この可撓部６表面に形成した保護膜であるシリコン酸化膜、シリコン窒化膜等が熱膨張させてしまうことがある。可撓部６等が熱膨張すると、その形状が変形して出力特性に変動を生じさせてしまうことがあり、測定結果に著しい誤差を生じさせてしまうことがある。
【０００７】
そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、精度よく加速度を測定することのできる半導体加速度センサを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明の半導体加速度センサは、錘部と、その錘部を離間して外囲するフレームと、上記フレームに上記錘部を揺動自在に支持させる薄肉の可撓部と、その可撓部の撓み量に応じた電気信号を出力する上記可撓部に形成した抵抗体と、上記抵抗体からの出力を取り出す電極とを備えた半導体加速度センサにおいて、上記可撓部に、その可撓部の厚み方向の側方に突出する放熱フィンを形成すると共に、当該可撓部と当該放熱フィンとの連結部分を放熱フィンの幅に比較して細くくびれさせていることを特徴とする。
【０００９】
請求項２に係る発明の半導体加速度センサは、請求項１に記載の発明において、上記放熱フィンの表面に金属膜を形成してなることを特徴とする。
【００１０】
請求項３に係る発明の半導体加速度センサは、請求項２に記載の発明において、上記金属膜を、上記可撓部の表面のうち、上記放熱フィンと連結する部分及びその近傍部分に延設してなることを特徴とする。
【００１１】
請求項４に係る発明の半導体加速度センサは、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の発明において、上記放熱フィンを、上記可撓部の厚み方向の同一の側方に複数形成したことを特徴とする。
【００１２】
請求項５に係る発明の半導体加速度センサは、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の発明において、上記連結部分は、その幅が上記放熱フィンの幅の５０％以下であることを特徴とする。
【００１３】
請求項６に係る発明の半導体加速度センサは、請求項５に記載の発明において、上記連結部分は、その幅が上記放熱フィンの幅の５〜３０％の範囲内であることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明に係る半導体加速度センサの実施の形態を、図を参照して以下に説明する。
【００１５】
図１は、本発明の請求項１に係る半導体加速度センサの一参考例を示す２面図であり、図１（ａ）は上面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’部分の断面図である。図１において、１は半導体加速度センサチップ、７はフレーム、９（９Ｘ，９Ｙ，９Ｚ）は抵抗体としてのピエゾ抵抗、６は可撓部、８は錘部、６１は放熱フィン、１７Ｘ，１７Ｙ，１７Ｚは電極、１０は台座を、それぞれ示している。
【００１６】
半導体加速度センサチップ１は、ＳＯＩ基板をエッチングして形成しており、ＳＯＩ基板は、活性層２の厚みを数μｍ〜１０μｍ程度、中間酸化膜３の厚みを０．３〜１μｍ程度、支持層４の厚みを３００〜６００μｍ程度に積層したものを用いている。このようなＳＯＩ基板をエッチングして形成する錘部８及びフレーム７は共に、その厚み方向に活性層２、中間酸化膜３、支持層４を有してなり、可撓部６は活性層２からなっている。
【００１７】
可撓部６に形成した放熱フィン６１は、可撓部６の厚み方向に突出するように形成している。この放熱フィン６１は、薄肉で幅広の直方体形状に形成しており、その厚み方向が可撓部６の長手方向と略一致するようにしている。この放熱フィン６１のサイズについては、可撓部６の変形を妨げない範囲内で適宜設定すればよいが、例えば、その厚みは可撓部６の長手方向の全長の２０％以下、さらに好ましくは１〜１０％の範囲内で、また、その長さは錘部８の厚み方向の全長の３０％程度以上になるようにすればよい。また、放熱フィン６１の表面積が大きい程、放熱性が向上する傾向にあるので、放熱フィン６１の長さは、錘部８の厚み方向の全長と同じ長さにするのが好ましい。また、サイズだけでなく形状についても、単なる直方体形状でなく、その表面に溝を形成して、表面が凹凸状になるようにして、放熱フィン６１の表面積を大きくするのも好ましい。さらに、放熱フィン６１の数についても、可撓部６に一つだけ形成するよりは、複数形成した方が放熱性が向上する傾向にあるので、可撓部６の長手方向に沿って複数形成するのが好ましい。しかし、放熱フィン６１同士をあまりに接近させて形成した場合には、その放熱フィン６１同士の間を空気が流通しにくくなり、放熱効率が低下する傾向にあるので、適当に距離を離して形成するのが好ましく、例えば放熱フィン６１間の距離が可撓部６の長手方向の全長の５％程度以上になるようにする。上記のような放熱フィン６１を、可撓部６に形成することで、ピエゾ抵抗９に発生した熱を放熱フィン６１に効率的に熱伝導させ放熱させることが可能となる。
【００１８】
錘部８は、４つの可撓部６に連結した中央錘部８１と、この中央錘部８１に連結した４つの側錘部８２よりなり、外観状は十字の形状をなしている。この側錘部８２は、可撓部６の支持する中央錘部８１を中心にして、３次元方向に自在に揺動できる。
【００１９】
ピエゾ抵抗９は、半導体不純物拡散技術により可撓部６の活性層２に形成してあり、半導体加速度センサチップ１のＸ軸方向にかかる加速度を検出するピエゾ抵抗９Ｘと、同Ｙ軸方向にかかる加速度を検出するピエゾ抵抗９Ｙ、同Ｚ軸方向にかかる加速度を検出するピエゾ抵抗９Ｚよりなっている。このピエゾ抵抗９Ｘ，９Ｙ，９Ｚの配置については、ピエゾ抵抗９Ｚは、４つの可撓部６のそれぞれに形成すると共に、ピエゾ抵抗９Ｘ，９Ｙは、４つの可撓部６のうち中央錘部８１を挟んで対向する２つの可撓部６のそれぞれに形成する。また、４つのピエゾ抵抗９Ｘ間は、ホイーストンブリッジ回路を構成するように、アルミ配線又は不純物拡散配線により電気的に接続する。また、ピエゾ抵抗９Ｙ，９Ｚについても、それぞれ同様にホイーストンブリッジ回路を構成させている。
【００２０】
電極１７Ｘ，１７Ｙ，１７Ｚは、上記のピエゾ抵抗９Ｘ，９Ｙ，９Ｚでそれぞれ構成させた３つのホイーストンブリッジ回路にそれぞれ電気的に接続し、各ホイーストンブリッジ回路からの出力を外部に取り出せるようにしている。電極とホイーストンブリッジ回路との電気的な接続は、アルミ配線や不純物拡散配線等により行なっている。
【００２１】
フレーム７は、厚肉に形成してあり、錘部８をその外周縁を離間して外囲すると共に、可撓部６を介してその錘部８を揺動自在に支持している。このフレーム７は、自動車や航空機等の移動体に固定して用いる。
【００２２】
可撓部６は、薄肉に形成してあり、その厚み方向に撓み可能であると共に、その長手方向を軸にして捻転可能である。この可撓部６は、その長手方向の一端部が錘部８に連結すると共に、他端部はフレーム７に連結して、フレーム７に錘部８を揺動自在に支持させている。
【００２３】
台座１０は、パイレックスガラス（Ｐｙｒｅｘ Ｇｌａｓｓ、コーニング社の登録商標）等のガラス板よりなり、フレーム７に接合する部分以外を所定の深さ掘り込んで、断面凹形状に形成している。このように台座１０に凹部を形成することで、台座１０とフレーム７とを接合したときに、錘部８の下端面と台座１０の表面とに空隙部分Ｃを形成するようにしている。なお台座１０には、チップ１を支持する機能の他に、錘部８が過度に揺動したときに、その過度の揺動を制限するストッパーの機能も持たせている。この台座１０がストッパーの機能を有することにより、錘部８が過度に揺動した場合に、可撓部６がこの過度の揺動を支えきれずに崩壊してしまう、といったことを防止できる。なお、この台座１０には、ガラス板以外にも、シリコン基板を用いてもよい。
【００２４】
上記の半導体加速度センサの製造工程を以下に説明する。まず、ＳＯＩ基板の活性層２を形成していない方の表面（以下、基板下面）側から、フレーム７及び錘部８及び放熱フィン６１を形成しようとする部分以外の部分を、中間酸化膜３に達するまでドライエッチングする。このとき、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）、Ｄ−ＲＩＥ（Ｄｅｅｐ Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）等のエッチング方法を用いれば、ＳＯＩ基板を垂直にエッチングすることができ、半導体加速度センサを小型化しやすくなって好ましい。
【００２５】
次に、ＳＯＩ基板の活性層２を形成した方の表面（以下、基板上面）側から、フレーム７及び錘部８及び可撓部６を形成しようとする部分以外の部分を、中間酸化膜３に達するまでウェットエッチングして、フレーム７及び錘部８及び可撓部６を、そのそれぞれの連結部分だけを残して切り離す。
【００２６】
続いて、フレーム７及び錘部８及び放熱フィン６１以外の部分にある中間酸化膜３を、基板下面側からフッ酸を含んだ液によりエッチング除去する。これにより、フレーム７及び錘部８及び可撓部６間と、可撓部６の下面とに残っている間酸化膜３を除去する。このとき、錘部８の表面は活性層２であり、可撓部６の表面と略同じ高さになる。なお、可撓部６の表面には、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜よりなる絶縁膜を形成して保護膜にしている。
【００２７】
続いて、４つの可撓部６の所定の位置に、それぞれ半導体不純物拡散技術によりピエゾ抵抗９を形成する。さらに、イオン注入又はボロンをデポジット拡散して不純物拡散配線を形成すると共に、この不純物拡散配線により、同一方向の加速度を検出する４つのピエゾ抵抗同士を電気的に接続して、ホイーストンブリッジ回路を構成させる。このようにして、ＳＯＩ基板から半導体加速度センサのチップ１を形成する。最後に、フレーム７と台座１０とを陽極接合して、半導体加速度センサを製造する。
【００２８】
なお、上記の製造工程において、基板下面側から中間酸化膜３をエッチング除去するときに、フッ酸を含んだ液によりエッチング除去したが、これはドライエッチングで行なうようにしてもよい。
【００２９】
また、台座１０を所定の深さ掘り込んで、台座１０と錘部８の間に空隙部分Ｃを形成するようにしたが、これに限定するものではなく、空隙部分Ｃを形成できればどのような方法であってもよい。例えば、錘部８を所定の長さだけ、基板下面側からウェットエッチングして除去することにより、空隙部分Ｃを形成するようにしてもよく、他にも、フレーム７と台座１０とを接合するときに、所定の厚みを有する部材を介して接合するようにして空隙部分Ｃを形成するようにしてもよい。
【００３０】
また上記では、放熱フィン６１を形成する対象に、３軸方向に加わった加速度をそれぞれ検出できる３軸の半導体加速度センサを適用したが、これに限定するものではなく、１軸や２軸方向の加速度を検出する半導体加速度センサに適用して形成するようにしてもよい。
【００３１】
上記のように、可撓部６に放熱フィン６１を設けたので、この半導体加速度センサは、ピエゾ抵抗に発生した熱を効率的に放熱させることができ、精度よく加速度を測定することが可能となる。
【００３２】
図２は、本発明の請求項１に係る半導体加速度センサの一実施の形態を示す２面図であり、図２（ａ）は上面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ’部分の断面図である。図２において、１は半導体加速度センサチップ、７はフレーム、９は抵抗体としてのピエゾ抵抗、６は可撓部、８は錘部、６２は放熱フィン、１７Ｘ，１７Ｙ，１７Ｚは電極、１０は台座を、それぞれ示している。
【００３３】
この半導体加速度センサチップ１は、ＳＯＩ基板をエッチングして形成しており、ＳＯＩ基板は、活性層２の厚みを数μｍ〜１０μｍ程度、中間酸化膜３の厚みを０．３〜１μｍ程度、支持層４の厚みを３００〜６００μｍ程度に積層したものを用いている。このようなＳＯＩ基板をエッチングして形成する錘部８及びフレーム７は共に、その厚み方向に活性層２、中間酸化膜３、支持層４を有してなり、可撓部６は活性層２からなっている。
【００３４】
可撓部６に形成した放熱フィン６２は、可撓部６の厚み方向の両側方に突出するように形成している。この放熱フィン６２は、薄肉で幅広に形成してあり、幅広面が錘部８の厚み方向の上側端面（以下、錘部の上端面）に重なる位置に設けている。また、錘部８のうち、この放熱フィン６２の幅広面と対面する部分８２１については、その中間酸化膜３をエッチング除去して凹形状に形成し、放熱フィン６２との間に空隙を有するようにしている。このようにすることで、錘部８が変位するとき、放熱フィン６２と錘部８の凹部８２１の表面との間に形成した空隙部分の空気の粘性により、エアーダンピング作用が生じ、可撓部６の耐衝撃性を向上させる効果も奏する。また、この放熱フィン６２と可撓部６との連結部分は、加速度が加わった時に、放熱フィン６２が可撓部６の変形を妨げないよう、細く、くびれさせている。その放熱フィン６２のサイズについては、特に限定するものではなく適宜設計すればよく、幅広面が大きいほど放熱性がよくなることを鑑みて設計すればよい。しかし、放熱フィン６２と可撓部６との連結部分については、上記のように細くくびれていることが好ましく、その幅サイズについては、例えば放熱フィン６２の幅の５０％以下、好ましくは５〜３０％の範囲内にすればよい。上記のように放熱フィン６２を形成することで、ピエゾ抵抗９で発生した熱は、放熱フィン６２に熱伝導し、その放熱フィン６２から空気に放熱する。
【００３５】
錘部８は、４つの可撓部６に連結した中央錘部８１と、この中央錘部８１に連結した４つの側錘部８２よりなり、外観状は十字の形状をなしている。この側錘部８２は、可撓部６により中央錘部８１を中心として、３次元方向に自在に揺動できる。
【００３６】
ピエゾ抵抗９は、半導体不純物拡散技術により可撓部６の活性層２に形成してあり、半導体加速度センサチップ１のＸ軸方向にかかる加速度を検出するピエゾ抵抗９Ｘと、同Ｙ軸方向にかかる加速度を検出するピエゾ抵抗９Ｙ、同Ｚ軸方向にかかる加速度を検出するピエゾ抵抗９Ｚよりなっている。このピエゾ抵抗９Ｘ，９Ｙ，９Ｚの配置については、ピエゾ抵抗９Ｚは、４つの可撓部６のそれぞれに形成すると共に、ピエゾ抵抗９Ｘ，９Ｙは、４つの可撓部６のうち中央錘部８１を挟んで対向する２つの可撓部６のそれぞれに形成する。また、４つのピエゾ抵抗９Ｘ間は、ホイーストンブリッジ回路を構成するように、アルミ配線又は不純物拡散配線により電気的に接続する。また、ピエゾ抵抗９Ｙ，９Ｚについても、それぞれ同様にホイーストンブリッジ回路を構成させている。
【００３７】
電極１７Ｘ，１７Ｙ，１７Ｚは、上記のピエゾ抵抗９Ｘ，９Ｙ，９Ｚでそれぞれ構成させた３つのホイーストンブリッジ回路にそれぞれ電気的に接続し、各ホイーストンブリッジ回路からの出力を外部に取り出せるようにしている。電極とホイーストンブリッジ回路との電気的な接続は、アルミ配線や不純物拡散配線等により行なっている。
【００３８】
フレーム７は、厚肉に形成してあり、錘部８をその外周縁を離間して外囲すると共に、可撓部６を介してその錘部８を揺動自在に支持している。このフレーム７は、自動車や航空機等の移動体に固定して用いる。
【００３９】
可撓部６は、薄肉に形成してあり、その厚み方向に撓み可能であると共に、その長手方向を軸にして捻転可能である。この可撓部６は、その長手方向の一端部が錘部８に連結すると共に、他端部はフレーム７に連結して、フレーム７に錘部８を揺動自在に支持させている。
【００４０】
台座１０は、パイレックスガラス（Ｐｙｒｅｘ Ｇｌａｓｓ、コーニング社の登録商標）等のガラス板よりなり、フレーム７に接合する部分以外を所定の深さ掘り込んで、断面凹形状に形成している。このように台座１０に凹部を形成することで、台座１０とフレーム７とを接合したときに、錘部８の下端面と台座１０の表面とに空隙部分Ｃを形成するようにしている。なお台座１０には、チップ１を支持する機能の他に、錘部８が過度に揺動したときに、その過度の揺動を制限するストッパーの機能も持たせている。この台座１０がストッパーの機能を有することにより、錘部８が過度に揺動した場合に、可撓部６がこの過度の揺動を支えきれずに崩壊してしまう、といったことを防止できる。なお、この台座１０には、ガラス板以外にも、シリコン基板を用いてもよい。
【００４１】
上記の半導体加速度センサの製造工程を以下に説明する。まず、ＳＯＩ基板の活性層２を形成していない方の表面（以下、基板下面）側から、フレーム７及び錘部８及び放熱フィン６２を形成しようとする部分以外の部分を、中間酸化膜３に達するまでドライエッチングする。このとき、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）、Ｄ−ＲＩＥ（Ｄｅｅｐ Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）等のエッチング方法を用いれば、ＳＯＩ基板を垂直にエッチングすることができ、半導体加速度センサを小型化しやすくなって好ましい。
【００４２】
次に、ＳＯＩ基板の活性層２を形成した方の表面（以下、基板上面）側から、フレーム７及び錘部８及び可撓部６及び放熱フィン６２を形成しようとする部分以外の部分を、中間酸化膜３に達するまでウェットエッチングして、フレーム７及び錘部８及び可撓部６を、そのそれぞれの連結部分だけを残して切り離す。なお、このとき錘部８と放熱フィン６２との境界部分には、所定の幅を有し中間酸化膜３に達する溝を形成し、錘部８と放熱フィン６２とを切り離す。
【００４３】
続いて、フレーム７及び錘部８以外の部分にある中間酸化膜３を、基板下面側からフッ酸を含んだ液によりエッチング除去する。なお、このとき錘部８と放熱フィン６２の間にある中間酸化膜３も同様にしてエッチング除去する。これにより、フレーム７及び錘部８及び可撓部６間、並びに錘部８及び放熱フィン６２間、並びに可撓部６の下面に残っている中間酸化膜３を除去する。このとき錘部８の表面は活性層２であり、可撓部６の表面と略同じ高さになる。なお、可撓部６の表面には、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜よりなる絶縁膜を形成して保護膜にしている。
【００４４】
続いて、４つの可撓部６の所定の位置に、それぞれ半導体不純物拡散技術によりピエゾ抵抗９を形成する。さらに、イオン注入又はボロンをデポジット拡散して不純物拡散配線を形成すると共に、この不純物拡散配線により、同一方向の加速度を検出する４つのピエゾ抵抗同士を電気的に接続して、ホイーストンブリッジ回路を構成させる。このようにして、ＳＯＩ基板から半導体加速度センサのチップ１を形成する。最後に、フレーム７と台座１０とを陽極接合して、半導体加速度センサを製造する。
【００４５】
なお、上記の製造工程において、基板下面側から中間酸化膜３をエッチング除去するときに、フッ酸を含んだ液によりエッチング除去したが、これはドライエッチングで行なうようにしてもよい。
【００４６】
また、台座１０を所定の深さ掘り込んで、台座１０と錘部８の間に空隙部分Ｃを形成するようにしたが、これに限定するものではなく、空隙部分Ｃを形成できればどのような方法であってもよい。例えば、錘部８を所定の長さだけ、基板下面側からウェットエッチングして除去することにより、空隙部分Ｃを形成するようにしてもよく、他にも、フレーム７と台座１０とを接合するときに、所定の厚みを有する部材を介して接合するようにして空隙部分Ｃを形成するようにしてもよい。
【００４７】
また上記では、放熱フィン６１を形成する対象に、３軸方向に加わった加速度をそれぞれ検出できる３軸の半導体加速度センサを適用したが、これに限定するものではなく、１軸や２軸方向の加速度を検出する半導体加速度センサに適用して形成するようにしてもよい。
【００４８】
また、図３に示すように、この放熱フィン６２の表面にアルミニウム等の金属材料をスパッタ又は蒸着させて金属層１１を形成するようにすれば、放熱性を向上させることができ好ましい。
【００４９】
さらに、図４に示すように、可撓部６の表面のうち、放熱フィン６２と連結する部分の表面及びその近傍部分の表面にも、上記の金属層１１を延設するようにすれば、ピエゾ抵抗９で発生した熱を、より迅速に金属層１１に熱伝導させることができるので、より効率的に放熱させることが可能となる。
【００５０】
なお、ピエゾ抵抗９から金属層１１への熱伝導性をより向上させるため、金属層１１を形成する部分には、熱伝導性の低いシリコン酸化膜やシリコン窒化膜を非介在状態にさせることが好ましい。
【００５１】
また、本実施形態における別の実施形態として、図５に示すように、放熱フィン６２を可撓部６の厚み方向の両側にそれぞれに複数設けるようにすれば、より放熱性が向上できると共に、上記のエアーダンピング作用も著しく向上させることができ、好ましい。
【００５２】
上記のように、可撓部６に放熱フィン６２を形成したので、ピエゾ抵抗９で発生した熱を効率的に放熱させることができ、より高精度に加速度を測定させることが可能となる。
【００５３】
図６は、本発明の請求項１に係る半導体加速度センサの別の参考例を示す２面図であり、図６（ａ）は上面図、図６（ｂ）は図６（ａ）のＡ−Ａ’部分の断面図である。図６において、１は半導体加速度センサチップ、７はフレーム、９は抵抗体としてのピエゾ抵抗、６は可撓部、８は錘部、６３は放熱小孔、１７Ｘ，１７Ｙ，１７Ｚは電極、１０は台座を、それぞれ示している。
【００５４】
半導体加速度センサチップ１は、ＳＯＩ基板をエッチングして形成しており、ＳＯＩ基板は、活性層２の厚みを数μｍ〜１０μｍ程度、中間酸化膜３の厚みを０．３〜１μｍ程度、支持層４の厚みを３００〜６００μｍ程度に積層したものを用いている。このようなＳＯＩ基板をエッチングして形成する錘部８及びフレーム７は共に、その厚み方向に活性層２、中間酸化膜３、支持層４を有してなり、可撓部６は活性層２からなっている。
【００５５】
可撓部６に形成した放熱小孔６３は、可撓部６の厚み方向の全体を貫通している。このように形成することで、可撓部６の空気に接触する面積を放熱小孔６３の周壁分だけ増加させることができると共に、この放熱小孔６３内を空気が通過できるので、より多くの空気に可撓部６が接触できるようになって、放熱効率をより向上させることが可能となる。この放熱小孔６３の形状や数については、特に限定するものではなく、適宜設定すればよく、できるだけ可撓部６が空気に接触する面積を増加させるような形状及び数にすればよい。しかし、その大きさについては、径の小さいものにすることが必要であり、大きな径にした場合には、可撓部６が撓んだ際に、その放熱小孔６３に応力集中が発生してしまい、ピエゾ抵抗９の検出する可撓部６の撓みが安定しなくなり、著しく測定精度が低下する可能性がある。従って、放熱小孔６３を形成する場合には、可撓部６に応力集中が発生しない大きさの径で、できるだけ可撓部６の表面積を大きくできるようにすることが好ましい。
【００５６】
錘部８は、４つの可撓部６に連結した中央錘部８１と、この中央錘部８１に連結した４つの側錘部８２よりなり、外観状は十字の形状をなしている。この側錘部８２は、可撓部６により中央錘部８１を中心として、３次元方向に自在に揺動できる。
【００５７】
ピエゾ抵抗９は、半導体不純物拡散技術により可撓部６の活性層２に形成してあり、半導体加速度センサチップ１のＸ軸方向にかかる加速度を検出するピエゾ抵抗９Ｘと、同Ｙ軸方向にかかる加速度を検出するピエゾ抵抗９Ｙ、同Ｚ軸方向にかかる加速度を検出するピエゾ抵抗９Ｚよりなっている。このピエゾ抵抗９Ｘ，９Ｙ，９Ｚの配置については、ピエゾ抵抗９Ｚは、４つの可撓部６のそれぞれに形成すると共に、ピエゾ抵抗９Ｘ，９Ｙは、４つの可撓部６のうち中央錘部８１を挟んで対向する２つの可撓部６のそれぞれに形成する。また、４つのピエゾ抵抗９Ｘ間は、ホイーストンブリッジ回路を構成するように、アルミ配線又は不純物拡散配線等により電気的に接続する。また、ピエゾ抵抗９Ｙ，９Ｚについても、それぞれ同様にホイーストンブリッジ回路を構成させている。
【００５８】
電極１７Ｘ，１７Ｙ，１７Ｚは、上記のピエゾ抵抗９Ｘ，９Ｙ，９Ｚでそれぞれ構成させた３つのホイーストンブリッジ回路にそれぞれ電気的に接続し、各ホイーストンブリッジ回路からの出力を外部に取り出せるようにしている。電極とホイーストンブリッジ回路との電気的な接続は、アルミ配線や不純物拡散配線等により行なっている。
【００５９】
フレーム７は、厚肉に形成してあり、錘部８をその外周縁を離間して外囲すると共に、可撓部６を介してその錘部８を揺動自在に支持している。このフレーム７は、自動車や航空機等の移動体に固定して用いる。
【００６０】
可撓部６は、薄肉に形成してあり、その厚み方向に撓み可能であると共に、その長手方向を軸にして捻転可能である。この可撓部６は、その長手方向の一端部が錘部８に連結すると共に、他端部はフレーム７に連結して、フレーム７に錘部８を揺動自在に支持させている。
【００６１】
台座１０は、パイレックスガラス（Ｐｙｒｅｘ Ｇｌａｓｓ、コーニング社の登録商標）等のガラス板よりなり、フレーム７に接合する部分以外を所定の深さ掘り込んで、断面凹形状に形成している。このように台座１０に凹部を形成することで、台座１０とフレーム７とを接合したときに、錘部８の下端面と台座１０の表面とに空隙部分Ｃを形成するようにしている。なお台座１０には、チップ１を支持する機能の他に、錘部８が過度に揺動したときに、その過度の揺動を制限するストッパーの機能も持たせている。この台座１０がストッパーの機能を有することにより、錘部８が過度に揺動した場合に、可撓部６がこの過度の揺動を支えきれずに崩壊してしまう、といったことを防止できる。なお、この台座１０には、ガラス板以外に、シリコン基板を用いてもよい。
【００６２】
上記の半導体加速度センサの製造工程を以下に説明する。まず、ＳＯＩ基板の活性層２を形成していない方の表面（以下、基板下面）側から、フレーム７及び錘部８を形成しようとする部分以外の部分を、中間酸化膜３に達するまでドライエッチングする。このとき、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ ＣｏｕｐｌｅｄＰｌａｓｍａ）、Ｄ−ＲＩＥ（Ｄｅｅｐ Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）等のエッチング方法を用いれば、ＳＯＩ基板を垂直にエッチングすることができ、半導体加速度センサを小型化しやすくなって好ましい。
【００６３】
次に、ＳＯＩ基板の活性層２を形成した方の表面（以下、基板上面）側から、フレーム７及び錘部８及び可撓部６を形成しようとする部分以外の部分を、中間酸化膜３に達するまでウェットエッチングすると共に、可撓部６については、放熱小孔６３を形成しようとする部分にはウェットエッチングを同じように施す。これにより、フレーム７及び錘部８及び可撓部６を、そのそれぞれの連結部分だけを残して切り離す。
【００６４】
続いて、フレーム７及び錘部８以外の部分にある中間酸化膜３を、基板下面側からフッ酸を含んだ液によりエッチング除去する。これにより、フレーム７及び錘部８及び可撓部６間、並びに可撓部６の下面及び放熱小孔６３内に残っている中間酸化膜３を除去する。このとき、錘部８の表面は活性層２であり、可撓部６の表面と略同じ高さになる。なお、可撓部６の表面には、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜よりなる絶縁膜を形成して保護膜にしているが、放熱小孔６３を形成した部分については、その絶縁膜を除去して、可撓部６の厚み方向の全体を貫通させるようにしている。
【００６５】
続いて、４つの可撓部６の所定の位置に、それぞれ半導体不純物拡散技術によりピエゾ抵抗９を形成する。さらに、イオン注入又はボロンをデポジット拡散して不純物拡散配線を形成すると共に、この不純物拡散配線により、同一方向の加速度を検出する４つのピエゾ抵抗同士を電気的に接続して、ホイーストンブリッジ回路を構成させる。このようにして、ＳＯＩ基板から半導体加速度センサのチップ１を形成する。最後に、フレーム７と台座１０とを陽極接合して、半導体加速度センサを製造する。
【００６６】
なお、上記の製造工程において、基板下面側から中間酸化膜３をエッチング除去するときに、フッ酸を含んだ液によりエッチング除去したが、これはドライエッチングで行なうようにしてもよい。
【００６７】
また、台座１０を所定の深さ掘り込んで、台座１０と錘部８の間に空隙部分Ｃを形成するようにしたが、これに限定するものではなく、空隙部分Ｃを形成できればどのような方法であってもよい。例えば、錘部８を、基板下面側からウェットエッチングして、所定の長さ除去することにより、空隙部分Ｃを形成するようにしてもよく、他にも、フレーム７と台座１０とを接合するときに、所定の厚みを有する部材を介して接合するようにして空隙部分Ｃを形成するようにしてもよい。
【００６８】
また上記では、放熱小孔６３を形成する対象に、３軸方向に加わった加速度をそれぞれ検出できる３軸の半導体加速度センサを適用したが、これに限定するものではなく、１軸や２軸方向の加速度を検出する半導体加速度センサに適用して形成するようにしてもよい。
【００６９】
上記のように、可撓部６に放熱小孔６３を形成したので、この半導体加速度センサは、ピエゾ抵抗９に発生した熱を効率的に放熱させることができ、加速度を精度よく測定することが可能となる。
【００７０】
以上、本発明の好適な実施の形態を説明したが、本発明はこの実施の形態に限らず、種々の形態で実施することができる。
【００７１】
【発明の効果】
上記のように本発明の請求項１乃至請求項６に記載の半導体加速度センサによれば、加速度が加わった時に、放熱フィンが可撓部を変形させるのを防止できると共に、抵抗体で発生した熱を効率的に放熱させることができるので、精度よく加速度を測定することが可能になる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の請求項１に係る半導体加速度センサの一参考例における２面図である。
【図２】 本発明の請求項１に係る半導体加速度センサの一実施の形態における２面図である。
【図３】上記半導体加速度センサにおける、放熱フィンに金属層を形成した図である。
【図４】上記半導体加速度センサにおける、放熱フィン及び可撓部に金属層を形成した図である。
【図５】上記半導体加速度センサにおける、別の実施形態を示す上面図である。
【図６】 本発明の請求項１に係る半導体加速度センサの別の参考例における２面図である。
【図７】従来の半導体加速度センサを示す２面図である。
【符号の説明】
６ 可撓部
７ フレーム
８ 錘部
９ ピエゾ抵抗
１１ 金属層
６１ 放熱フィン
６２ 放熱フィン
６３ 放熱小孔
１７Ｘ，１７Ｙ，１７Ｚ 電極
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車、航空機、家電製品等に用いる半導体加速度センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、半導体加速度センサには、加速度を受けて変位する錘部の支持の仕方により、片持ち梁方式と両持ち梁方式とがある。また、その錘部の変位した量、すなわち加速度を測定する方法にも、機械的な歪みを電気抵抗の変化で測定する方法と、静電容量の変化で測定する方法とがある。例えば、特許文献１には機械的な歪みを電気抵抗の変化で検出する両持ち梁方式の半導体加速度センサが開示してある。図７は、この半導体加速度センサの２面図であり、図７（ａ）は上面図、図７（ｂ）は図７（ａ）におけるＡ−Ａ’部分の断面図である。
【０００３】
この半導体加速度センサは、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板よりなる半導体基板をエッチングして形成したものであって、図７に示すように、半導体加速度センサチップ１と、このチップ１に接合して支持する台座１０とを備えてなり、チップ１は、厚肉の錘部８と、この錘部８の外周縁を離間して外囲するフレーム７と、このフレーム７及び錘部８との間に懸架して、錘部８をフレーム７に揺動自在に支持させる薄肉の可撓部６（ビーム又はカンチレバ）を４つと、この可撓部６に形成したピエゾ抵抗９Ｘ，９Ｙ，９Ｚと、ピエゾ抵抗９Ｘ，９Ｙ，９Ｚからの出力をそれぞれ取り出す電極１７Ｘ，１７Ｙ，１７Ｚとを備えている。そして、フレーム７を接着剤１６により台座１０に接着して固定すると共に、その接着剤１６に厚みを持たせるようにして、錘部８の下端面と台座１０の表面との間に空隙部分Ｃを形成し、この空隙部分Ｃで錘部８を揺動させている。
【０００４】
この半導体加速度センサに加速度が加わったときには、その加速度に応じて錘部８が揺動変位し、この錘部８の揺動変位に応じて可撓部６が撓む。そして、可撓部６に形成したピエゾ抵抗９Ｘ，９Ｙ，９Ｚが、この可撓部６の撓み量に応じてその抵抗値を変化させるため、電極１７Ｘ，１７Ｙ，１７Ｚからはピエゾ抵抗９Ｘ，９Ｙ，９Ｚの抵抗値変化に応じた電圧値の変化を測定でき、この電圧値を参照して、加わった加速度の値を求めている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−２３４２４２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
この半導体加速度センサで加速度を測定するときには、上記のようにピエゾ抵抗９Ｘ，９Ｙ，９Ｚに電圧を印加するため、ピエゾ抵抗９Ｘ，９Ｙ，９Ｚには熱が発生している。また、電極１７Ｘ，１７Ｙ，１７Ｚとピエゾ抵抗９Ｘ，９Ｙ，９Ｚとを高濃度拡散配線（図示せず）で電気的に接続している場合には、その高濃度拡散配線にも電圧が加わった状態となるため、この高濃度拡散配線にも熱が発生する。このように、可撓部６に形成したピエゾ抵抗９Ｘ，９Ｙ，９Ｚや高濃度拡散配線に熱が発生すると、可撓部６や、この可撓部６表面に形成した保護膜であるシリコン酸化膜、シリコン窒化膜等が熱膨張させてしまうことがある。可撓部６等が熱膨張すると、その形状が変形して出力特性に変動を生じさせてしまうことがあり、測定結果に著しい誤差を生じさせてしまうことがある。
【０００７】
そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、精度よく加速度を測定することのできる半導体加速度センサを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明の半導体加速度センサは、錘部と、その錘部を離間して外囲するフレームと、上記フレームに上記錘部を揺動自在に支持させる薄肉の可撓部と、その可撓部の撓み量に応じた電気信号を出力する上記可撓部に形成した抵抗体と、上記抵抗体からの出力を取り出す電極とを備えた半導体加速度センサにおいて、上記可撓部に、その可撓部の厚み方向の側方に突出する放熱フィンを形成すると共に、当該可撓部と当該放熱フィンとの連結部分を放熱フィンの幅に比較して細くくびれさせていることを特徴とする。
【０００９】
請求項２に係る発明の半導体加速度センサは、請求項１に記載の発明において、上記放熱フィンの表面に金属膜を形成してなることを特徴とする。
【００１０】
請求項３に係る発明の半導体加速度センサは、請求項２に記載の発明において、上記金属膜を、上記可撓部の表面のうち、上記放熱フィンと連結する部分及びその近傍部分に延設してなることを特徴とする。
【００１１】
請求項４に係る発明の半導体加速度センサは、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の発明において、上記放熱フィンを、上記可撓部の厚み方向の同一の側方に複数形成したことを特徴とする。
【００１２】
請求項５に係る発明の半導体加速度センサは、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の発明において、上記連結部分は、その幅が上記放熱フィンの幅の５０％以下であることを特徴とする。
【００１３】
請求項６に係る発明の半導体加速度センサは、請求項５に記載の発明において、上記連結部分は、その幅が上記放熱フィンの幅の５〜３０％の範囲内であることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明に係る半導体加速度センサの実施の形態を、図を参照して以下に説明する。
【００１５】
図１は、本発明の請求項１に係る半導体加速度センサの一参考例を示す２面図であり、図１（ａ）は上面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’部分の断面図である。図１において、１は半導体加速度センサチップ、７はフレーム、９（９Ｘ，９Ｙ，９Ｚ）は抵抗体としてのピエゾ抵抗、６は可撓部、８は錘部、６１は放熱フィン、１７Ｘ，１７Ｙ，１７Ｚは電極、１０は台座を、それぞれ示している。
【００１６】
半導体加速度センサチップ１は、ＳＯＩ基板をエッチングして形成しており、ＳＯＩ基板は、活性層２の厚みを数μｍ〜１０μｍ程度、中間酸化膜３の厚みを０．３〜１μｍ程度、支持層４の厚みを３００〜６００μｍ程度に積層したものを用いている。このようなＳＯＩ基板をエッチングして形成する錘部８及びフレーム７は共に、その厚み方向に活性層２、中間酸化膜３、支持層４を有してなり、可撓部６は活性層２からなっている。
【００１７】
可撓部６に形成した放熱フィン６１は、可撓部６の厚み方向に突出するように形成している。この放熱フィン６１は、薄肉で幅広の直方体形状に形成しており、その厚み方向が可撓部６の長手方向と略一致するようにしている。この放熱フィン６１のサイズについては、可撓部６の変形を妨げない範囲内で適宜設定すればよいが、例えば、その厚みは可撓部６の長手方向の全長の２０％以下、さらに好ましくは１〜１０％の範囲内で、また、その長さは錘部８の厚み方向の全長の３０％程度以上になるようにすればよい。また、放熱フィン６１の表面積が大きい程、放熱性が向上する傾向にあるので、放熱フィン６１の長さは、錘部８の厚み方向の全長と同じ長さにするのが好ましい。また、サイズだけでなく形状についても、単なる直方体形状でなく、その表面に溝を形成して、表面が凹凸状になるようにして、放熱フィン６１の表面積を大きくするのも好ましい。さらに、放熱フィン６１の数についても、可撓部６に一つだけ形成するよりは、複数形成した方が放熱性が向上する傾向にあるので、可撓部６の長手方向に沿って複数形成するのが好ましい。しかし、放熱フィン６１同士をあまりに接近させて形成した場合には、その放熱フィン６１同士の間を空気が流通しにくくなり、放熱効率が低下する傾向にあるので、適当に距離を離して形成するのが好ましく、例えば放熱フィン６１間の距離が可撓部６の長手方向の全長の５％程度以上になるようにする。上記のような放熱フィン６１を、可撓部６に形成することで、ピエゾ抵抗９に発生した熱を放熱フィン６１に効率的に熱伝導させ放熱させることが可能となる。
【００１８】
錘部８は、４つの可撓部６に連結した中央錘部８１と、この中央錘部８１に連結した４つの側錘部８２よりなり、外観状は十字の形状をなしている。この側錘部８２は、可撓部６の支持する中央錘部８１を中心にして、３次元方向に自在に揺動できる。
【００１９】
ピエゾ抵抗９は、半導体不純物拡散技術により可撓部６の活性層２に形成してあり、半導体加速度センサチップ１のＸ軸方向にかかる加速度を検出するピエゾ抵抗９Ｘと、同Ｙ軸方向にかかる加速度を検出するピエゾ抵抗９Ｙ、同Ｚ軸方向にかかる加速度を検出するピエゾ抵抗９Ｚよりなっている。このピエゾ抵抗９Ｘ，９Ｙ，９Ｚの配置については、ピエゾ抵抗９Ｚは、４つの可撓部６のそれぞれに形成すると共に、ピエゾ抵抗９Ｘ，９Ｙは、４つの可撓部６のうち中央錘部８１を挟んで対向する２つの可撓部６のそれぞれに形成する。また、４つのピエゾ抵抗９Ｘ間は、ホイーストンブリッジ回路を構成するように、アルミ配線又は不純物拡散配線により電気的に接続する。また、ピエゾ抵抗９Ｙ，９Ｚについても、それぞれ同様にホイーストンブリッジ回路を構成させている。
【００２０】
電極１７Ｘ，１７Ｙ，１７Ｚは、上記のピエゾ抵抗９Ｘ，９Ｙ，９Ｚでそれぞれ構成させた３つのホイーストンブリッジ回路にそれぞれ電気的に接続し、各ホイーストンブリッジ回路からの出力を外部に取り出せるようにしている。電極とホイーストンブリッジ回路との電気的な接続は、アルミ配線や不純物拡散配線等により行なっている。
【００２１】
フレーム７は、厚肉に形成してあり、錘部８をその外周縁を離間して外囲すると共に、可撓部６を介してその錘部８を揺動自在に支持している。このフレーム７は、自動車や航空機等の移動体に固定して用いる。
【００２２】
可撓部６は、薄肉に形成してあり、その厚み方向に撓み可能であると共に、その長手方向を軸にして捻転可能である。この可撓部６は、その長手方向の一端部が錘部８に連結すると共に、他端部はフレーム７に連結して、フレーム７に錘部８を揺動自在に支持させている。
【００２３】
台座１０は、パイレックスガラス（Ｐｙｒｅｘ Ｇｌａｓｓ、コーニング社の登録商標）等のガラス板よりなり、フレーム７に接合する部分以外を所定の深さ掘り込んで、断面凹形状に形成している。このように台座１０に凹部を形成することで、台座１０とフレーム７とを接合したときに、錘部８の下端面と台座１０の表面とに空隙部分Ｃを形成するようにしている。なお台座１０には、チップ１を支持する機能の他に、錘部８が過度に揺動したときに、その過度の揺動を制限するストッパーの機能も持たせている。この台座１０がストッパーの機能を有することにより、錘部８が過度に揺動した場合に、可撓部６がこの過度の揺動を支えきれずに崩壊してしまう、といったことを防止できる。なお、この台座１０には、ガラス板以外にも、シリコン基板を用いてもよい。
【００２４】
上記の半導体加速度センサの製造工程を以下に説明する。まず、ＳＯＩ基板の活性層２を形成していない方の表面（以下、基板下面）側から、フレーム７及び錘部８及び放熱フィン６１を形成しようとする部分以外の部分を、中間酸化膜３に達するまでドライエッチングする。このとき、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）、Ｄ−ＲＩＥ（Ｄｅｅｐ Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）等のエッチング方法を用いれば、ＳＯＩ基板を垂直にエッチングすることができ、半導体加速度センサを小型化しやすくなって好ましい。
【００２５】
次に、ＳＯＩ基板の活性層２を形成した方の表面（以下、基板上面）側から、フレーム７及び錘部８及び可撓部６を形成しようとする部分以外の部分を、中間酸化膜３に達するまでウェットエッチングして、フレーム７及び錘部８及び可撓部６を、そのそれぞれの連結部分だけを残して切り離す。
【００２６】
続いて、フレーム７及び錘部８及び放熱フィン６１以外の部分にある中間酸化膜３を、基板下面側からフッ酸を含んだ液によりエッチング除去する。これにより、フレーム７及び錘部８及び可撓部６間と、可撓部６の下面とに残っている間酸化膜３を除去する。このとき、錘部８の表面は活性層２であり、可撓部６の表面と略同じ高さになる。なお、可撓部６の表面には、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜よりなる絶縁膜を形成して保護膜にしている。
【００２７】
続いて、４つの可撓部６の所定の位置に、それぞれ半導体不純物拡散技術によりピエゾ抵抗９を形成する。さらに、イオン注入又はボロンをデポジット拡散して不純物拡散配線を形成すると共に、この不純物拡散配線により、同一方向の加速度を検出する４つのピエゾ抵抗同士を電気的に接続して、ホイーストンブリッジ回路を構成させる。このようにして、ＳＯＩ基板から半導体加速度センサのチップ１を形成する。最後に、フレーム７と台座１０とを陽極接合して、半導体加速度センサを製造する。
【００２８】
なお、上記の製造工程において、基板下面側から中間酸化膜３をエッチング除去するときに、フッ酸を含んだ液によりエッチング除去したが、これはドライエッチングで行なうようにしてもよい。
【００２９】
また、台座１０を所定の深さ掘り込んで、台座１０と錘部８の間に空隙部分Ｃを形成するようにしたが、これに限定するものではなく、空隙部分Ｃを形成できればどのような方法であってもよい。例えば、錘部８を所定の長さだけ、基板下面側からウェットエッチングして除去することにより、空隙部分Ｃを形成するようにしてもよく、他にも、フレーム７と台座１０とを接合するときに、所定の厚みを有する部材を介して接合するようにして空隙部分Ｃを形成するようにしてもよい。
【００３０】
また上記では、放熱フィン６１を形成する対象に、３軸方向に加わった加速度をそれぞれ検出できる３軸の半導体加速度センサを適用したが、これに限定するものではなく、１軸や２軸方向の加速度を検出する半導体加速度センサに適用して形成するようにしてもよい。
【００３１】
上記のように、可撓部６に放熱フィン６１を設けたので、この半導体加速度センサは、ピエゾ抵抗に発生した熱を効率的に放熱させることができ、精度よく加速度を測定することが可能となる。
【００３２】
図２は、本発明の請求項１に係る半導体加速度センサの一実施の形態を示す２面図であり、図２（ａ）は上面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ’部分の断面図である。図２において、１は半導体加速度センサチップ、７はフレーム、９は抵抗体としてのピエゾ抵抗、６は可撓部、８は錘部、６２は放熱フィン、１７Ｘ，１７Ｙ，１７Ｚは電極、１０は台座を、それぞれ示している。
【００３３】
この半導体加速度センサチップ１は、ＳＯＩ基板をエッチングして形成しており、ＳＯＩ基板は、活性層２の厚みを数μｍ〜１０μｍ程度、中間酸化膜３の厚みを０．３〜１μｍ程度、支持層４の厚みを３００〜６００μｍ程度に積層したものを用いている。このようなＳＯＩ基板をエッチングして形成する錘部８及びフレーム７は共に、その厚み方向に活性層２、中間酸化膜３、支持層４を有してなり、可撓部６は活性層２からなっている。
【００３４】
可撓部６に形成した放熱フィン６２は、可撓部６の厚み方向の両側方に突出するように形成している。この放熱フィン６２は、薄肉で幅広に形成してあり、幅広面が錘部８の厚み方向の上側端面（以下、錘部の上端面）に重なる位置に設けている。また、錘部８のうち、この放熱フィン６２の幅広面と対面する部分８２１については、その中間酸化膜３をエッチング除去して凹形状に形成し、放熱フィン６２との間に空隙を有するようにしている。このようにすることで、錘部８が変位するとき、放熱フィン６２と錘部８の凹部８２１の表面との間に形成した空隙部分の空気の粘性により、エアーダンピング作用が生じ、可撓部６の耐衝撃性を向上させる効果も奏する。また、この放熱フィン６２と可撓部６との連結部分は、加速度が加わった時に、放熱フィン６２が可撓部６の変形を妨げないよう、細く、くびれさせている。その放熱フィン６２のサイズについては、特に限定するものではなく適宜設計すればよく、幅広面が大きいほど放熱性がよくなることを鑑みて設計すればよい。しかし、放熱フィン６２と可撓部６との連結部分については、上記のように細くくびれていることが好ましく、その幅サイズについては、例えば放熱フィン６２の幅の５０％以下、好ましくは５〜３０％の範囲内にすればよい。上記のように放熱フィン６２を形成することで、ピエゾ抵抗９で発生した熱は、放熱フィン６２に熱伝導し、その放熱フィン６２から空気に放熱する。
【００３５】
錘部８は、４つの可撓部６に連結した中央錘部８１と、この中央錘部８１に連結した４つの側錘部８２よりなり、外観状は十字の形状をなしている。この側錘部８２は、可撓部６により中央錘部８１を中心として、３次元方向に自在に揺動できる。
【００３６】
ピエゾ抵抗９は、半導体不純物拡散技術により可撓部６の活性層２に形成してあり、半導体加速度センサチップ１のＸ軸方向にかかる加速度を検出するピエゾ抵抗９Ｘと、同Ｙ軸方向にかかる加速度を検出するピエゾ抵抗９Ｙ、同Ｚ軸方向にかかる加速度を検出するピエゾ抵抗９Ｚよりなっている。このピエゾ抵抗９Ｘ，９Ｙ，９Ｚの配置については、ピエゾ抵抗９Ｚは、４つの可撓部６のそれぞれに形成すると共に、ピエゾ抵抗９Ｘ，９Ｙは、４つの可撓部６のうち中央錘部８１を挟んで対向する２つの可撓部６のそれぞれに形成する。また、４つのピエゾ抵抗９Ｘ間は、ホイーストンブリッジ回路を構成するように、アルミ配線又は不純物拡散配線により電気的に接続する。また、ピエゾ抵抗９Ｙ，９Ｚについても、それぞれ同様にホイーストンブリッジ回路を構成させている。
【００３７】
電極１７Ｘ，１７Ｙ，１７Ｚは、上記のピエゾ抵抗９Ｘ，９Ｙ，９Ｚでそれぞれ構成させた３つのホイーストンブリッジ回路にそれぞれ電気的に接続し、各ホイーストンブリッジ回路からの出力を外部に取り出せるようにしている。電極とホイーストンブリッジ回路との電気的な接続は、アルミ配線や不純物拡散配線等により行なっている。
【００３８】
フレーム７は、厚肉に形成してあり、錘部８をその外周縁を離間して外囲すると共に、可撓部６を介してその錘部８を揺動自在に支持している。このフレーム７は、自動車や航空機等の移動体に固定して用いる。
【００３９】
可撓部６は、薄肉に形成してあり、その厚み方向に撓み可能であると共に、その長手方向を軸にして捻転可能である。この可撓部６は、その長手方向の一端部が錘部８に連結すると共に、他端部はフレーム７に連結して、フレーム７に錘部８を揺動自在に支持させている。
【００４０】
台座１０は、パイレックスガラス（Ｐｙｒｅｘ Ｇｌａｓｓ、コーニング社の登録商標）等のガラス板よりなり、フレーム７に接合する部分以外を所定の深さ掘り込んで、断面凹形状に形成している。このように台座１０に凹部を形成することで、台座１０とフレーム７とを接合したときに、錘部８の下端面と台座１０の表面とに空隙部分Ｃを形成するようにしている。なお台座１０には、チップ１を支持する機能の他に、錘部８が過度に揺動したときに、その過度の揺動を制限するストッパーの機能も持たせている。この台座１０がストッパーの機能を有することにより、錘部８が過度に揺動した場合に、可撓部６がこの過度の揺動を支えきれずに崩壊してしまう、といったことを防止できる。なお、この台座１０には、ガラス板以外にも、シリコン基板を用いてもよい。
【００４１】
上記の半導体加速度センサの製造工程を以下に説明する。まず、ＳＯＩ基板の活性層２を形成していない方の表面（以下、基板下面）側から、フレーム７及び錘部８及び放熱フィン６２を形成しようとする部分以外の部分を、中間酸化膜３に達するまでドライエッチングする。このとき、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）、Ｄ−ＲＩＥ（Ｄｅｅｐ Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）等のエッチング方法を用いれば、ＳＯＩ基板を垂直にエッチングすることができ、半導体加速度センサを小型化しやすくなって好ましい。
【００４２】
次に、ＳＯＩ基板の活性層２を形成した方の表面（以下、基板上面）側から、フレーム７及び錘部８及び可撓部６及び放熱フィン６２を形成しようとする部分以外の部分を、中間酸化膜３に達するまでウェットエッチングして、フレーム７及び錘部８及び可撓部６を、そのそれぞれの連結部分だけを残して切り離す。なお、このとき錘部８と放熱フィン６２との境界部分には、所定の幅を有し中間酸化膜３に達する溝を形成し、錘部８と放熱フィン６２とを切り離す。
【００４３】
続いて、フレーム７及び錘部８以外の部分にある中間酸化膜３を、基板下面側からフッ酸を含んだ液によりエッチング除去する。なお、このとき錘部８と放熱フィン６２の間にある中間酸化膜３も同様にしてエッチング除去する。これにより、フレーム７及び錘部８及び可撓部６間、並びに錘部８及び放熱フィン６２間、並びに可撓部６の下面に残っている中間酸化膜３を除去する。このとき錘部８の表面は活性層２であり、可撓部６の表面と略同じ高さになる。なお、可撓部６の表面には、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜よりなる絶縁膜を形成して保護膜にしている。
【００４４】
続いて、４つの可撓部６の所定の位置に、それぞれ半導体不純物拡散技術によりピエゾ抵抗９を形成する。さらに、イオン注入又はボロンをデポジット拡散して不純物拡散配線を形成すると共に、この不純物拡散配線により、同一方向の加速度を検出する４つのピエゾ抵抗同士を電気的に接続して、ホイーストンブリッジ回路を構成させる。このようにして、ＳＯＩ基板から半導体加速度センサのチップ１を形成する。最後に、フレーム７と台座１０とを陽極接合して、半導体加速度センサを製造する。
【００４５】
なお、上記の製造工程において、基板下面側から中間酸化膜３をエッチング除去するときに、フッ酸を含んだ液によりエッチング除去したが、これはドライエッチングで行なうようにしてもよい。
【００４６】
また、台座１０を所定の深さ掘り込んで、台座１０と錘部８の間に空隙部分Ｃを形成するようにしたが、これに限定するものではなく、空隙部分Ｃを形成できればどのような方法であってもよい。例えば、錘部８を所定の長さだけ、基板下面側からウェットエッチングして除去することにより、空隙部分Ｃを形成するようにしてもよく、他にも、フレーム７と台座１０とを接合するときに、所定の厚みを有する部材を介して接合するようにして空隙部分Ｃを形成するようにしてもよい。
【００４７】
また上記では、放熱フィン６１を形成する対象に、３軸方向に加わった加速度をそれぞれ検出できる３軸の半導体加速度センサを適用したが、これに限定するものではなく、１軸や２軸方向の加速度を検出する半導体加速度センサに適用して形成するようにしてもよい。
【００４８】
また、図３に示すように、この放熱フィン６２の表面にアルミニウム等の金属材料をスパッタ又は蒸着させて金属層１１を形成するようにすれば、放熱性を向上させることができ好ましい。
【００４９】
さらに、図４に示すように、可撓部６の表面のうち、放熱フィン６２と連結する部分の表面及びその近傍部分の表面にも、上記の金属層１１を延設するようにすれば、ピエゾ抵抗９で発生した熱を、より迅速に金属層１１に熱伝導させることができるので、より効率的に放熱させることが可能となる。
【００５０】
なお、ピエゾ抵抗９から金属層１１への熱伝導性をより向上させるため、金属層１１を形成する部分には、熱伝導性の低いシリコン酸化膜やシリコン窒化膜を非介在状態にさせることが好ましい。
【００５１】
また、本実施形態における別の実施形態として、図５に示すように、放熱フィン６２を可撓部６の厚み方向の両側にそれぞれに複数設けるようにすれば、より放熱性が向上できると共に、上記のエアーダンピング作用も著しく向上させることができ、好ましい。
【００５２】
上記のように、可撓部６に放熱フィン６２を形成したので、ピエゾ抵抗９で発生した熱を効率的に放熱させることができ、より高精度に加速度を測定させることが可能となる。
【００５３】
図６は、本発明の請求項１に係る半導体加速度センサの別の参考例を示す２面図であり、図６（ａ）は上面図、図６（ｂ）は図６（ａ）のＡ−Ａ’部分の断面図である。図６において、１は半導体加速度センサチップ、７はフレーム、９は抵抗体としてのピエゾ抵抗、６は可撓部、８は錘部、６３は放熱小孔、１７Ｘ，１７Ｙ，１７Ｚは電極、１０は台座を、それぞれ示している。
【００５４】
半導体加速度センサチップ１は、ＳＯＩ基板をエッチングして形成しており、ＳＯＩ基板は、活性層２の厚みを数μｍ〜１０μｍ程度、中間酸化膜３の厚みを０．３〜１μｍ程度、支持層４の厚みを３００〜６００μｍ程度に積層したものを用いている。このようなＳＯＩ基板をエッチングして形成する錘部８及びフレーム７は共に、その厚み方向に活性層２、中間酸化膜３、支持層４を有してなり、可撓部６は活性層２からなっている。
【００５５】
可撓部６に形成した放熱小孔６３は、可撓部６の厚み方向の全体を貫通している。このように形成することで、可撓部６の空気に接触する面積を放熱小孔６３の周壁分だけ増加させることができると共に、この放熱小孔６３内を空気が通過できるので、より多くの空気に可撓部６が接触できるようになって、放熱効率をより向上させることが可能となる。この放熱小孔６３の形状や数については、特に限定するものではなく、適宜設定すればよく、できるだけ可撓部６が空気に接触する面積を増加させるような形状及び数にすればよい。しかし、その大きさについては、径の小さいものにすることが必要であり、大きな径にした場合には、可撓部６が撓んだ際に、その放熱小孔６３に応力集中が発生してしまい、ピエゾ抵抗９の検出する可撓部６の撓みが安定しなくなり、著しく測定精度が低下する可能性がある。従って、放熱小孔６３を形成する場合には、可撓部６に応力集中が発生しない大きさの径で、できるだけ可撓部６の表面積を大きくできるようにすることが好ましい。
【００５６】
錘部８は、４つの可撓部６に連結した中央錘部８１と、この中央錘部８１に連結した４つの側錘部８２よりなり、外観状は十字の形状をなしている。この側錘部８２は、可撓部６により中央錘部８１を中心として、３次元方向に自在に揺動できる。
【００５７】
ピエゾ抵抗９は、半導体不純物拡散技術により可撓部６の活性層２に形成してあり、半導体加速度センサチップ１のＸ軸方向にかかる加速度を検出するピエゾ抵抗９Ｘと、同Ｙ軸方向にかかる加速度を検出するピエゾ抵抗９Ｙ、同Ｚ軸方向にかかる加速度を検出するピエゾ抵抗９Ｚよりなっている。このピエゾ抵抗９Ｘ，９Ｙ，９Ｚの配置については、ピエゾ抵抗９Ｚは、４つの可撓部６のそれぞれに形成すると共に、ピエゾ抵抗９Ｘ，９Ｙは、４つの可撓部６のうち中央錘部８１を挟んで対向する２つの可撓部６のそれぞれに形成する。また、４つのピエゾ抵抗９Ｘ間は、ホイーストンブリッジ回路を構成するように、アルミ配線又は不純物拡散配線等により電気的に接続する。また、ピエゾ抵抗９Ｙ，９Ｚについても、それぞれ同様にホイーストンブリッジ回路を構成させている。
【００５８】
電極１７Ｘ，１７Ｙ，１７Ｚは、上記のピエゾ抵抗９Ｘ，９Ｙ，９Ｚでそれぞれ構成させた３つのホイーストンブリッジ回路にそれぞれ電気的に接続し、各ホイーストンブリッジ回路からの出力を外部に取り出せるようにしている。電極とホイーストンブリッジ回路との電気的な接続は、アルミ配線や不純物拡散配線等により行なっている。
【００５９】
フレーム７は、厚肉に形成してあり、錘部８をその外周縁を離間して外囲すると共に、可撓部６を介してその錘部８を揺動自在に支持している。このフレーム７は、自動車や航空機等の移動体に固定して用いる。
【００６０】
可撓部６は、薄肉に形成してあり、その厚み方向に撓み可能であると共に、その長手方向を軸にして捻転可能である。この可撓部６は、その長手方向の一端部が錘部８に連結すると共に、他端部はフレーム７に連結して、フレーム７に錘部８を揺動自在に支持させている。
【００６１】
台座１０は、パイレックスガラス（Ｐｙｒｅｘ Ｇｌａｓｓ、コーニング社の登録商標）等のガラス板よりなり、フレーム７に接合する部分以外を所定の深さ掘り込んで、断面凹形状に形成している。このように台座１０に凹部を形成することで、台座１０とフレーム７とを接合したときに、錘部８の下端面と台座１０の表面とに空隙部分Ｃを形成するようにしている。なお台座１０には、チップ１を支持する機能の他に、錘部８が過度に揺動したときに、その過度の揺動を制限するストッパーの機能も持たせている。この台座１０がストッパーの機能を有することにより、錘部８が過度に揺動した場合に、可撓部６がこの過度の揺動を支えきれずに崩壊してしまう、といったことを防止できる。なお、この台座１０には、ガラス板以外に、シリコン基板を用いてもよい。
【００６２】
上記の半導体加速度センサの製造工程を以下に説明する。まず、ＳＯＩ基板の活性層２を形成していない方の表面（以下、基板下面）側から、フレーム７及び錘部８を形成しようとする部分以外の部分を、中間酸化膜３に達するまでドライエッチングする。このとき、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ ＣｏｕｐｌｅｄＰｌａｓｍａ）、Ｄ−ＲＩＥ（Ｄｅｅｐ Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）等のエッチング方法を用いれば、ＳＯＩ基板を垂直にエッチングすることができ、半導体加速度センサを小型化しやすくなって好ましい。
【００６３】
次に、ＳＯＩ基板の活性層２を形成した方の表面（以下、基板上面）側から、フレーム７及び錘部８及び可撓部６を形成しようとする部分以外の部分を、中間酸化膜３に達するまでウェットエッチングすると共に、可撓部６については、放熱小孔６３を形成しようとする部分にはウェットエッチングを同じように施す。これにより、フレーム７及び錘部８及び可撓部６を、そのそれぞれの連結部分だけを残して切り離す。
【００６４】
続いて、フレーム７及び錘部８以外の部分にある中間酸化膜３を、基板下面側からフッ酸を含んだ液によりエッチング除去する。これにより、フレーム７及び錘部８及び可撓部６間、並びに可撓部６の下面及び放熱小孔６３内に残っている中間酸化膜３を除去する。このとき、錘部８の表面は活性層２であり、可撓部６の表面と略同じ高さになる。なお、可撓部６の表面には、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜よりなる絶縁膜を形成して保護膜にしているが、放熱小孔６３を形成した部分については、その絶縁膜を除去して、可撓部６の厚み方向の全体を貫通させるようにしている。
【００６５】
続いて、４つの可撓部６の所定の位置に、それぞれ半導体不純物拡散技術によりピエゾ抵抗９を形成する。さらに、イオン注入又はボロンをデポジット拡散して不純物拡散配線を形成すると共に、この不純物拡散配線により、同一方向の加速度を検出する４つのピエゾ抵抗同士を電気的に接続して、ホイーストンブリッジ回路を構成させる。このようにして、ＳＯＩ基板から半導体加速度センサのチップ１を形成する。最後に、フレーム７と台座１０とを陽極接合して、半導体加速度センサを製造する。
【００６６】
なお、上記の製造工程において、基板下面側から中間酸化膜３をエッチング除去するときに、フッ酸を含んだ液によりエッチング除去したが、これはドライエッチングで行なうようにしてもよい。
【００６７】
また、台座１０を所定の深さ掘り込んで、台座１０と錘部８の間に空隙部分Ｃを形成するようにしたが、これに限定するものではなく、空隙部分Ｃを形成できればどのような方法であってもよい。例えば、錘部８を、基板下面側からウェットエッチングして、所定の長さ除去することにより、空隙部分Ｃを形成するようにしてもよく、他にも、フレーム７と台座１０とを接合するときに、所定の厚みを有する部材を介して接合するようにして空隙部分Ｃを形成するようにしてもよい。
【００６８】
また上記では、放熱小孔６３を形成する対象に、３軸方向に加わった加速度をそれぞれ検出できる３軸の半導体加速度センサを適用したが、これに限定するものではなく、１軸や２軸方向の加速度を検出する半導体加速度センサに適用して形成するようにしてもよい。
【００６９】
上記のように、可撓部６に放熱小孔６３を形成したので、この半導体加速度センサは、ピエゾ抵抗９に発生した熱を効率的に放熱させることができ、加速度を精度よく測定することが可能となる。
【００７０】
以上、本発明の好適な実施の形態を説明したが、本発明はこの実施の形態に限らず、種々の形態で実施することができる。
【００７１】
【発明の効果】
上記のように本発明の請求項１乃至請求項６に記載の半導体加速度センサによれば、加速度が加わった時に、放熱フィンが可撓部を変形させるのを防止できると共に、抵抗体で発生した熱を効率的に放熱させることができるので、精度よく加速度を測定することが可能になる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の請求項１に係る半導体加速度センサの一参考例における２面図である。
【図２】 本発明の請求項１に係る半導体加速度センサの一実施の形態における２面図である。
【図３】上記半導体加速度センサにおける、放熱フィンに金属層を形成した図である。
【図４】上記半導体加速度センサにおける、放熱フィン及び可撓部に金属層を形成した図である。
【図５】上記半導体加速度センサにおける、別の実施形態を示す上面図である。
【図６】 本発明の請求項１に係る半導体加速度センサの別の参考例における２面図である。
【図７】従来の半導体加速度センサを示す２面図である。
【符号の説明】
６ 可撓部
７ フレーム
８ 錘部
９ ピエゾ抵抗
１１ 金属層
６１ 放熱フィン
６２ 放熱フィン
６３ 放熱小孔
１７Ｘ，１７Ｙ，１７Ｚ 電極
Claims (6)
- 錘部と、その錘部を離間して外囲するフレームと、
上記フレームに上記錘部を揺動自在に支持させる薄肉の可撓部と、
その可撓部の撓み量に応じた電気信号を出力する上記可撓部に形成した抵抗体と、
上記抵抗体からの出力を取り出す電極とを備えた半導体加速度センサにおいて、
上記可撓部に、その可撓部の厚み方向の側方に突出する放熱フィンを形成すると共に、当該可撓部と当該放熱フィンとの連結部分を放熱フィンの幅に比較して細くくびれさせていることを特徴とする半導体加速度センサ。 - 上記放熱フィンの表面に金属膜を形成してなることを特徴とする請求項１に記載の半導体加速度センサ。
- 上記金属膜を、上記可撓部の表面のうち、上記放熱フィンと連結する部分及びその近傍部分に延設してなることを特徴とする請求項２に記載の半導体加速度センサ。
- 上記放熱フィンを、上記可撓部の厚み方向の同一の側方に複数形成したことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の半導体加速度センサ。
- 上記連結部分は、その幅が上記放熱フィンの幅の５０％以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の半導体加速度センサ。
- 上記連結部分は、その幅が上記放熱フィンの幅の５〜３０％の範囲内であることを特徴とする請求項５に記載の半導体加速度センサ。
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