(57)【要約】【課題】ストッパと相手側の対向壁部の接触面積を減少させて、スティッキングの発生をより抑制可能な半導体物理量センサを得る。【解決手段】ストッパ６４ａと可動部５の対向壁部６４ｂ、５ｃを、間隙部δ５の深さ方向に沿う断面視で、互いに対向する仮想的な垂直面Ｓｗ、Ｔｗの各上端部Ｓｕ、Ｔｕおよび下端部Ｓｄ、Ｔｄから、当該上端部Ｓｕ、Ｔｕおよび下端部Ｓｄ、Ｔｄの範囲内で相手側に接近する位置に設けた頂点Ｓｐ、Ｔｐをそれぞれ結ぶ線対称形状となるように形成する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エッチングにより半導体基板に間隙部を形成することで、物理量の入力により相対変位する可動部と固定部とを形成するとともに、前記可動部と固定部の対向壁部のうち少なくとも何れか一方に相手側に向けて突出するストッパを形成した半導体物理量センサにおいて、
前記ストッパと相手側の対向壁部を、前記間隙部の深さ方向に沿う断面視で、互いに対向する仮想的な垂直面の各上端部および下端部から、当該上端部および下端部の範囲内で相手側に接近または離反する位置に設けた頂点をそれぞれ結ぶ線対称形状となるように形成したことを特徴とする半導体物理量センサ。
【請求項２】
前記ストッパは、当該ストッパの深さに対して相手側に向けて突出した当該ストッパの幅が小さく形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体物理量センサ。
【請求項３】
前記ストッパは、当該ストッパの幅方向に沿って湾曲した円弧状に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体物理量センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体物理量センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、例えば加速度センサなどの半導体物理量センサでは、エッチングによりシリコン基板に間隙部を形成する製造過程や、センサの作動中に過大な物理量が入力された際に、可動部が動作して固定部に固着してしまう所謂スティッキングが問題視されている。
【０００３】
そこで、可動部と固定部の対向壁部の何れかにストッパを形成し、当該ストッパと相手側の対向壁部を接触させることで、これらの接触面積を減少させて上記スティッキングを抑制するようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−３３０６２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来の半導体物理量センサにあっては、ストッパによりスティッキングの発生を抑制することができるのであるが、接触面積をより減少させるようにすることが尚好ましい。
【０００６】
そこで、本発明は、ストッパと相手側の対向壁部の接触面積を減少させて、スティッキングの発生をより抑制可能な半導体物理量センサを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
かかる課題を解決するために、本発明にあっては、エッチングにより半導体基板に間隙部を形成することで、物理量の入力により相対変位する可動部と固定部とを形成するとともに、前記可動部と固定部の対向壁部のうち少なくとも何れか一方に相手側に向けて突出するストッパを形成した半導体物理量センサにおいて、前記ストッパと相手側の対向壁部を、前記間隙部の深さ方向に沿う断面視で、互いに対向する仮想的な垂直面の各上端部および下端部から、当該上端部および下端部の範囲内で相手側に接近または離反する位置に設けた頂点をそれぞれ結ぶ線対称形状となるように形成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、従来と比べて同じ断面視での接触面積を減少させることができる分、ストッパと相手側の対向壁部の接触面積を減少させ易くなり、スティッキングの発生をより抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる半導体物理量センサを模式的に示す内部の平面図である。
【図２】図１中Ｂ部の拡大図である。
【図３】図２中Ｃ部の拡大断面図である。
【図４】図２中ストッパの斜視図である。
【図５】ストッパと相手側の対向壁部が接触する状態を（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に順を追って模式的に示し、（ａ）は接触する前の状態、（ｂ）は接触した状態、（ｃ）は接触した後の状態を示した断面図である。
【図６】本発明の第２実施形態にかかる半導体物理量センサにおける図２中Ｃ部と同位置の拡大断面図である。
【図７】図６に示すストッパの斜視図である。
【図８】ストッパと相手側の対向壁部が接触する状態を（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に順を追って模式的に示し、（ａ）は接触する前の状態、（ｂ）は接触した状態、（ｃ）は接触した後の状態を示した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。以下では、半導体物理量センサとして、互いに直角となるＸ軸およびＹ軸方向の加速度を検出できる２軸加速度センサを例示する。なお、以下の複数の実施形態には、同様の構成要素が含まれている。よって、以下では、それら同様の構成要素には共通の符号を付与するとともに、重複する説明を省略する。
【００１１】
［第１実施形態］
図１〜図５は、本発明の第１実施形態にかかる加速度センサ１を示した図である。
【００１２】
本実施形態の加速度センサ１は、半導体素子ディバイスを形成した略正方形状のシリコン基板（半導体基板）３の両面を、その保護層となる二枚のガラス基板（図示せぬ）で挟み込み、それらシリコン基板３とガラス基板とを例えば陽極接合などにより一体に結合することで形成される。
【００１３】
シリコン基板３には、図１に示すように、シリコン基板３に公知の半導体プロセスにより複数の異なる幅の間隙部δ１〜δ５を形成することで、周縁部に形成される略矩形状の枠部２、可動部５、固定部６、ビーム（ばね部）８および当該ビーム（ばね部）８を介して可動部５を支持する支持部９を形成している。そして、シリコン基板３とガラス基板との接合面には比較的浅い凹部（図示せぬ）が形成されており、シリコン基板３各部の絶縁性や可動部５の動作性の確保が図られている。
【００１４】
間隙部δ１〜δ４は、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）などにより垂直エッチング加工を行うことで、側壁面がシリコン基板３の表面と垂直となるように形成される。このように、垂直エッチング加工により形成された間隙部δ１〜δ４の側壁面同士は、互いに略平行に対向することになる。反応性イオンエッチングとしては、例えば、誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ：Inductively Coupled Plasma）を備えたエッチング装置によるＩＣＰ加工を利用することができる。
【００１５】
枠部２および支持部９は、シリコン基板３の四つの周縁（四辺）に沿って略一定幅で枠状に延設されている。そして、支持部９は、枠部２の内周側に、略枠状の間隙部δ３をもって隔離された状態で配置されている。なお、この枠部２および支持部９は、裏面側をガラス基板（図示せぬ）の表面に接合することで、ガラス基板に固定される。
【００１６】
支持部９の内側には、支持部９の四隅から、支持部９の各辺と平行に、かつ中途で直角に折れ曲がりながらそれぞれ中心に向けて渦巻き状に伸びる四つのビーム８が設けられている。ビーム８は、それぞれ支持部９の二辺分に亘って相互干渉することなく延設されるとともに、内側端部では可動部５の隅部に接続されており、支持部９に対して可動部５を弾性的に可動支持するバネ要素（渦巻きバネ）として機能する。
【００１７】
すなわち、本実施形態では、可動部５に、バネ要素としてのビーム８によって可動支持される質量要素（マス）としての機能を与え、これらバネ要素と質量要素とによってバネ−マス系を構成し、質量要素としての可動部５の変位から、その加速度や角加速度を得ることができるようになっている。
【００１８】
そして、この可動部５の変位を検出するために、本実施形態では、可動部５に設けた可動電極と固定部６に設けた固定電極とを間隙部δ１、δ２をもって相互に対向配置させて検出部７を構成している。この検出部７における可動電極と固定電極との静電容量を検出することで、当該間隙部δ１、δ２の変化、すなわち可動電極に対する固定電極の変位を検出するようにしている。
【００１９】
具体的には、図１に示すように、可動部５は、その中心部５ａから支持部９の各辺の中央部に向けてその辺と略垂直な方向に帯状に細長く伸びる櫛歯状可動電極５１を備えている。本実施形態では、複数の可動側櫛歯５１ａが、相互に平行に一定のピッチで設けられている。
【００２０】
一方、固定部６は、可動部５の隅部５ｂに隣接して設けられるアンカー部６３を備えており、このアンカー部６３は、支持部９の各辺に沿って帯状に細長く伸びる縁部６３ａを備えている。そして、この縁部６３ａに、可動部５の中心部５ａ側に向けて伸びる櫛歯状固定電極６１が接続されている。本実施形態では、複数の固定側櫛歯６１ａが、相互に平行に一定のピッチ（可動部５の可動側櫛歯５１ａと同一のピッチ）で設けられており、可動部５の複数の可動側櫛歯５１ａと間隙部δ１、δ２をもって噛み合うようにしてある。
【００２１】
この検出部７では、可動側櫛歯５１ａと固定側櫛歯６１ａとの間隙部δ１、δ２は、櫛歯に対して一方側で狭く（間隙部δ２）、他方側で広く（間隙部δ１）設定してあり（δ１＞δ２）、狭い側の間隙部δ２を検知ギャップとして、この間隙部δ２を介して相互に対向する櫛歯５１、６１間の静電容量、すなわち固定電極と可動電極との間の静電容量を検出するようになっている。
【００２２】
図１に示すように、検出部７は、枠部２の各辺の中央部に対応して設けられており、Ｘ方向検出用の検出部７Ｘ（図１では上下の検出部）とＹ方向検出用の検出部７Ｙ（図１では左右の検出部）とがそれぞれ二箇所ずつ設けられている。
【００２３】
なお、櫛歯状固定電極６１は、アンカー部６３を介してガラス基板（図示せぬ）に固定されている。このとき、アンカー部６３と支持部９とは相互に絶縁されており、支持部９に外部取出し用の一方の電極５Ｅが設けられるとともに、アンカー部６３に他方の電極６Ｅ１、６Ｅ２が設けられる。
【００２４】
そして、Ｘ軸方向の加速度（物理量）の入力により、櫛歯状可動電極５１と櫛歯状固定櫛電極６１との間の隙間部δ１、δ２が変化した際の静電容量変化を、電極５Ｅ、６Ｅ１から取り出して処理することにより、Ｘ軸方向の加速度を検出することができるようになっている。また、Ｙ軸方向の加速度の入力により櫛歯状可動電極５１と櫛歯状固定電極６１との間の隙間部δ１、δ２が変化した際の静電容量変化を、電極５Ｅ、６Ｅ２から取り出して処理することにより、Ｙ軸方向の加速度を検出することができるようになっている。
【００２５】
ここで、本実施形態では、アンカー部６３の側方には、当該アンカー部６３に隣接してストッパー用の副アンカー部６４が設けられており、この副アンカー部６４も固定部６としてガラス基板（図示せぬ）に接合されるようになっている。
【００２６】
副アンカー部６４には、図２に示すように、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に沿うとともに、可動部５に向けて突出した突起状のストッパ６４ａが設けられている。なお、本実施形態では、固定部６としての副アンカー部６４に可動部５に向けて突出するストッパ６４ａを形成したが、可動部５に副アンカー部６４に向けて突出するストッパ６４ａを設けるようにしてもよい。
【００２７】
このように、本実施形態では、副アンカー部６４に突起状のストッパ６４ａを設けることで、所定の加速度が入力された際や、過大な加速度の入力により可動部５が大きく変位した際に、櫛歯状可動電極５１と櫛歯状固定電極６１とが接触してしまうのを抑制するようにしている。しかも、この副アンカー部６４のストッパ６４ａは、検出部７以外で可動部５と対向する位置に設けられるため、検出部７である櫛歯状可動電極５１と櫛歯状固定電極６１とに直接ストッパが設けられる構成と比べて、櫛歯５１、６１の破損や損傷をより抑制することができるという利点がある。したがって、本実施形態では、ストッパ６４ａと可動部５との間の間隙部δ５が、上述した間隙部δ１〜δ５の中で、一番小さく設定されている。
【００２８】
そして、図３に示すように、本実施形態ではストッパ６４ａと可動部５の対向壁部６４ｂ、５ｃを、間隙部δ５の深さ方向に沿う断面視で、互いに対向する仮想的な垂直面Ｓｗ、Ｔｗの各上端部Ｓｕ、Ｔｕおよび下端部Ｓｄ、Ｔｄから、当該上端部Ｓｕ、Ｔｕおよび下端部Ｓｄ、Ｔｄの範囲内で相手側に接近する位置に設けた頂点Ｓｐ、Ｔｐをそれぞれ結ぶ線対称形状となるように形成してある。
【００２９】
具体的には、図４に示すように、本実施形態のストッパ６４ａは、その面方向であるストッパ６４ａの幅方向に沿って緩やかに湾曲した円弧状に形成されるとともに、その深さ方向の略中央部分に設けられた頂点Ｓｐを境にして屈曲した形となっている。一方、相手側の可動部５は、その深さ方向の略中央部分に頂点Ｔｐを有しているとともに、その面方向に沿って湾曲せずに平坦状の傾斜面がストッパ６４ａに向けて突出した形となっている。このストッパ６４ａと可動部５との間の間隙部δ５は、上記間隙部δ１〜δ４と同様にして、ＩＣＰエッチングを用いた異方性ドライエッチングで加工される。なお、本実施形態では、ストッパ６４ａをその幅方向に沿って緩やかに湾曲した円弧状に形成したが、相手側の可動部５と同様にして、深さ方向に沿う断面視で略くの字状となるように平坦状の傾斜面を可動部５に向けて突出した形としてもよい。
【００３０】
このように、本実施形態では、ストッパ６４ａとこのストッパ６４ａに対向する可動部５の対向壁部６４ｂ、５ｃを、間隙部δ５の深さ方向に沿う断面視で互いに相手と接近する方向に屈曲した形状（略くの字状、略逆くの字状）としたので、図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、可動部５が動作してストッパ６４ａに突き当たる際に、（ｂ）中Ｄ部で示すように、ストッパ６４ａと可動部５の対向壁部６４ｂ、５ｃの接触面積を減少させることができる。
【００３１】
ここで、図４にも示すように、シリコン基板３をエッチングすることにより形成される突起状のストッパ６４ａは、当該ストッパ６４ａの深さＨに対して相手側に向けて突出した当該ストッパ６４ａの幅Ｗが小さく形成されるのが一般的である。
【００３２】
したがって、本実施形態のように、ストッパ６４ａと可動部５（相手側）の対向壁部６４ｂ、５ｃを、間隙部δ５の深さ方向に沿う断面視で互いに相手と接近する方向に屈曲した形状（略くの字状、略逆くの字状）となるように形成すれば、従来のストッパをその深さ方向に沿って線接触させる構成よりも、ストッパ６４ａと可動部５（相手側）の対向壁部６４ｂ、５ｃの接触面積をより減少させることができるのである。
【００３３】
以上、説明してきたように、本実施形態の加速度センサ１では、ストッパ６４ａと可動部５（相手側）の対向壁部６４ｂ、５ｃを、間隙部δ５の深さ方向に沿う断面視で、互いに対向する仮想的な垂直面Ｓｗ、Ｔｗの各上端部Ｓｕ、Ｔｕおよび下端部Ｓｄ、Ｔｄから、当該上端部Ｓｕ、Ｔｕおよび下端部Ｓｄ、Ｔｄの範囲内で相手側に接近する位置に設けた頂点Ｓｐ、Ｔｐをそれぞれ結ぶ線対称形状となるように形成してある。
【００３４】
したがって、従来と比べて同じ断面視での接触面積を減少させることができる分、ストッパ６４ａと可動部５（相手側）の対向壁部６４ｂ、５ｃの接触面積を減少させ易くなり、スティッキングの発生をより抑制することができる。すなわち、可動部５が動作してストッパ６４ａに突き当たった際に、これらの静電吸引力よりもバネ反力の方を大きくすることができ、図５（ｃ）に示すように、可動部５を復帰させることができる。
【００３５】
特に、本実施形態では、ストッパ６４ａは、当該ストッパ６４ａの深さに対して相手側に向けて突出した当該ストッパ６４ａの幅Ｗが小さく形成されている。そのため、従来のストッパをその深さ方向に沿って線接触させる構成よりも、ストッパ６４ａと可動部５（相手側）の対向壁部６４ｂ、５ｃの接触面積をより減少させることができる。
【００３６】
さらにまた、本実施形態では、ストッパ６４ａは、当該ストッパ６４ａの幅方向に沿って湾曲した円弧状に形成されている。したがって、ストッパ６４ａと可動部５（相手側）の対向壁部６４ｂ、５ｃを点接触させることができるようになり、スティッキングの発生をより確実に抑制することができる。
【００３７】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について図面を参照して説明する。図６は本実施形態にかかる加速度センサの図２中Ｃ部と同位置の拡大断面図、図７は図６に示すストッパの斜視図、図８はストッパと相手側の対向壁部が接触する状態を（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に順を追って模式的に示し、（ａ）は接触する前の状態、（ｂ）は接触した状態、（ｃ）は接触した後の状態を示した断面図である。
【００３８】
本実施形態の加速度センサ１Ａは、上記第１実施形態と同様にして、固定部６である副アンカー部１６４に、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に沿うとともに、可動部１０５に向けて突出した突起状のストッパ１６４ａが設けられている。
【００３９】
ここで、本実施形態が上記第１実施形態と主に異なる点は、ストッパ１６４ａと可動部１０５の対向壁部１６４ｂ、１０５ｃを、間隙部δ５の深さ方向に沿う断面視で、互いに対向する仮想的な垂直面Ｓｗ、Ｔｗの各上端部Ｓｕ、Ｔｕおよび下端部Ｓｄ、Ｔｄから、当該上端部Ｓｕ、Ｔｕおよび下端部Ｓｄ、Ｔｄの範囲内で相手側に離反する位置に設けた頂点Ｓｐ、Ｔｐをそれぞれ結ぶ線対称形状となるように形成してある。
【００４０】
具体的には、図７に示すように、本実施形態のストッパ１６４ａは、その面方向であるストッパ１６４ａの幅方向に沿って緩やかに湾曲した円弧状に形成されるとともに、その深さ方向の略中央部分に設けられた頂点Ｓｐを境にして屈曲した形となっている。一方、相手側の可動部１０５は、その深さ方向の略中央部分に頂点Ｔｐを有しているとともに、その面方向に沿って湾曲せずに平坦状の傾斜面がストッパ１６４ａと離反する方向に屈曲した形となっている。なお、本実施形態では、ストッパ６４ａをその幅方向に沿って緩やかに湾曲した円弧状に形成したが、相手側の可動部５と同様にして、深さ方向に沿う断面視で略く字状となるように平坦状の傾斜面を可動部５と離反する方向に屈曲した形としてもよい。
【００４１】
以上の構成により、本実施形態の加速度センサ１Ａによれば、ストッパ１６４ａとこのストッパ１６４ａに対向する可動部１０５の対向壁部１６４ｂ、１０５ｃを、間隙部δ５の深さ方向に沿う断面視で互いに相手と離反する方向に屈曲した形状（略逆くの字状、略くの字状）としたので、図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、可動部１０５が動作してストッパ１６４ａに突き当たる際に、（ｂ）中Ｄ部で示すように、ストッパ１６４ａと可動部１０５の対向壁部１６４ｂ、１０５ｃの接触面積を減少させることができる。
【００４２】
したがって、上記第１実施形態と同様にして、従来と比べて同じ断面視での接触面積を減少させることができる分、ストッパ１６４ａと可動部１０５（相手側）の対向壁部１６４ｂ、１０５ｃの接触面積を減少させ易くなり、スティッキングの発生をより抑制することができる。
【００４３】
また、本実施形態では、図８（ｂ）に示すように、可動部１０５が動作した際に、各上端部Ｓｕ、Ｔｕおよび下端部Ｓｄ、Ｔｄの二点で接触させるようにすることができるため、ストッパ１６４ａと可動部１０５（相手側）の対向壁部１６４ｂ、１０５ｃの接触力を分散させることができるという利点もある。
【００４４】
以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上記実施形態には限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で各種変更が可能である。例えば、上記実施形態では、半導体物理量センサとして２軸加速度センサを例示したが、１軸加速度センサや３軸加速度センサであってもよく、また、角速度センサ、振動センサ等、他の半導体物理量センサにあっても本発明を実施することができる。
【００４５】
また、上記実施形態では、半導体物理量センサとして３層構造（シリコン基板と二枚のガラス基板）のものを例示したが、単層のものや２層、４層以上の多層構造のものを用いることも可能である。
【００４６】
さらに、半導体物理量センサに形成される枠部、可動部、固定部、ばね部および支持部のスペック（形状、大きさ、レイアウト等）も適宜に変更可能である。
【符号の説明】
【００４７】
１    加速度センサ（半導体物理量センサ）
３    シリコン基板（半導体基板）
５    可動部
５ｃ  対向壁部
６    固定部
６４ａ  ストッパ
６４ｂ  対向壁部
δ１〜δ５  間隙部
Ｔｗ、Ｓｗ  垂直面
Ｔｕ、Ｓｕ  上端部
Ｔｄ、Ｓｄ  下端部
Ｔｐ、Ｓｐ  頂点
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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