(57)【要約】【課題】小型化を図れ且つ耐衝撃性に優れた半導体多軸加速度センサおよびその製造方法を提供する。【解決手段】センサ本体１は、矩形枠状のフレーム部１１の内側に重り部１２が配置されている。重り部１２は、４つの撓み部１３を介してフレーム部１１に支持された直方体状のコア部１２ａと、コア部１２ａと一体に形成されコア部１２ａとフレーム部１１とフレーム部１１の周方向において隣り合う各一対の撓み部１３の間の空間にそれぞれ配置された４つの付随部１２ｂとを有している。各撓み部１３は、両側縁から側方へ突出した突出片１３ｂ，１３ｂが一体に形成されており、各付随部１２ｂは、重り部１２が表面側に変位したときに突出片１３ｃの裏面に当たって重り部１２の変位を制限するストッパ部１２ｃを突出片１３ｂの表裏方向において重なるように突設してある。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
枠状のフレーム部の表裏に貫通する開口窓内にフレーム部から離間して配置された重り部が十字状に配置された４つの撓み部を介してフレーム部に支持され、重り部の変位により撓み部に生じる歪みを検出する抵抗素子が撓み部に設けられたセンサ本体を備えた半導体多軸加速度センサであって、重り部は、各撓み部の一端部が連結されたコア部と、コア部と一体に形成されコア部とフレーム部とフレーム部の周方向において隣り合う各一対の撓み部の間の空間にそれぞれ配置された４つの付随部とを有し、各撓み部は、両側縁から側方へ突出した突出片が一体に形成され、各付随部は、重り部が表面側に変位したときに突出片の裏面に当たって重り部の変位を制限するストッパ部を突出片の表裏方向において重なるように突設してなることを特徴とする半導体多軸加速度センサ。
【請求項２】
前記センサ本体は、裏面側のシリコン基板と表面側のシリコン層との間に埋込酸化膜を介在させたＳＯＩ基板を用いて形成され、前記各撓み部それぞれがシリコン層の一部により形成され、前記重り部に加速度が作用していない状態での前記ストッパ部と前記突出片の裏面との間の距離が埋込酸化膜の厚さ寸法に設定されてなることを特徴とする請求項１記載の半導体多軸加速度センサ。
【請求項３】
前記突出片は、表裏に貫通する複数の貫通孔が形成されてなることを特徴とする請求項２記載の半導体多軸加速度センサ。
【請求項４】
枠状のフレーム部の表裏に貫通する開口窓内にフレーム部から離間して配置された重り部が十字状に配置された４つの撓み部を介してフレーム部に支持され、重り部の変位により撓み部に生じる歪みを検出する抵抗素子が撓み部に設けられたセンサ本体を備えた半導体多軸加速度センサであって、重り部は、各撓み部の一端部が連結されたコア部と、コア部と一体に形成されコア部とフレーム部とフレーム部の周方向において隣り合う各一対の撓み部の間の空間にそれぞれ配置された４つの付随部とを有し、各付随部は、重り部が表面側に変位したときに撓み部の裏面に当たって重り部の変位を制限するストッパ部を撓み部の表裏方向において重なるように突設してなることを特徴とする半導体多軸加速度センサ。
【請求項５】
前記センサ本体は、裏面側のシリコン基板と表面側のシリコン層との間に埋込酸化膜を介在させたＳＯＩ基板を用いて形成され、前記各撓み部それぞれがシリコン層の一部により形成され、前記重り部に加速度が作用していない状態での前記ストッパ部と前記撓み部の裏面との間の距離が埋込酸化膜の厚さ寸法に設定されてなることを特徴とする請求項４記載の半導体多軸加速度センサ。
【請求項６】
前記フレーム部は、前記周方向において隣り合う各一対の前記撓み部の間の部位に内側面と表面とが開放されている凹所が形成され、前記重り部の前記各付随部は、前記重り部が裏面側に変位したときに凹所の内底面に当たって前記重り部の変位を制限する突片を前記フレーム部の表裏方向において凹所の内底面に重なるように突設してなることを特徴とする請求項２または請求項３または請求項５記載の半導体多軸加速度センサ。
【請求項７】
前記突片が前記シリコン層の一部により形成され、前記重り部に加速度が作用していない状態での前記突片と前記凹所の内底面との間の距離が前記埋込酸化膜の厚さ寸法に設定されてなることを特徴とする請求項６記載の半導体多軸加速度センサ。
【請求項８】
前記重り部の前記各付随部は、前記フレーム部との対向面と表面とが開放されている凹部が形成され、前記フレーム部は、前記重り部が前記表面側に変位したときに凹部の内底面が当たって前記重り部の変位を制限する規制片を突設してなることを特徴とする請求項６または請求項７記載の半導体多軸加速度センサ。
【請求項９】
前記規制片が前記シリコン層の一部により形成され、前記重り部に加速度が作用していない状態での前記規制片と前記凹部の内底面との間の距離が前記埋込酸化膜の厚さ寸法に設定されてなることを特徴とする請求項８記載の半導体多軸加速度センサ。
【請求項１０】
前記フレーム部は、前記表裏方向における表面側の端部に、前記撓み部の裏面に重なる突部が突設されてなることを特徴とする請求項２，３，５〜９のいずれかに記載の半導体多軸加速度センサ。
【請求項１１】
請求項２記載の半導体多軸加速度センサの製造方法であって、前記シリコン層のうち前記フレーム部および前記各撓み部および前記各突出片および前記重り部に対応する部分が残るように前記シリコン層を前記ＳＯＩ基板の表面側から前記埋込酸化膜に達するまでエッチングする表面側パターニング工程と、表面側パターニング工程の後で前記シリコン基板のうち前記フレーム部に対応する部分と前記重り部に対応する部分とが分離され且つ前記ストッパ部に対応する部分が形成されるように前記シリコン基板を前記ＳＯＩ基板の裏面側から前記埋込酸化膜に達するまでドライエッチングする裏面側パターニング工程と、裏面側パターニング工程の後で前記埋込酸化膜の露出した部分および前記埋込酸化膜のうち前記撓み部に相当する部位に重なる部分および前記突出片に相当する部位に重なる部分をウェットエッチングして除去する犠牲層エッチング工程とを備えることを特徴とする半導体多軸加速度センサの製造方法。
【請求項１２】
請求項３記載の半導体多軸加速度センサの製造方法であって、前記シリコン層のうち前記フレーム部および前記各撓み部および前記各突出片および前記重り部に対応する部分が残り且つ前記貫通孔が形成されるように前記シリコン層を前記ＳＯＩ基板の表面側から前記埋込酸化膜に達するまでエッチングする表面側パターニング工程と、表面側パターニング工程の後で前記シリコン基板のうち前記フレーム部に対応する部分と前記重り部に対応する部分とが分離され且つ前記ストッパ部に対応する部分が形成されるように前記シリコン基板を前記ＳＯＩ基板の裏面側から前記埋込酸化膜に達するまでドライエッチングする裏面側パターニング工程と、裏面側パターニング工程の後で前記埋込酸化膜の露出した部分および前記埋込酸化膜のうち前記撓み部に相当する部分に重なる部分をウェットエッチングして除去する犠牲層エッチング工程とを備えることを特徴とする半導体多軸加速度センサの製造方法。
【請求項１３】
請求項５記載の半導体多軸加速度センサの製造方法であって、前記シリコン層のうち前記フレーム部および前記各撓み部および前記重り部に対応する部分が残るように前記シリコン層を前記ＳＯＩ基板の表面側から前記埋込酸化膜に達するまでエッチングする表面側パターニング工程と、表面側パターニング工程の後で前記シリコン基板のうち前記フレーム部に対応する部分と前記重り部に対応する部分とが分離され且つ前記ストッパ部に対応する部分が形成されるように前記シリコン基板を前記ＳＯＩ基板の裏面側から前記埋込酸化膜に達するまでドライエッチングする裏面側パターニング工程と、裏面側パターニング工程の後で前記埋込酸化膜の露出した部分および前記埋込酸化膜のうち前記撓み部に相当する部位に重なる部分をウェットエッチングして除去する犠牲層エッチング工程とを備えることを特徴とする半導体多軸加速度センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、自動車、家電製品などに用いられる半導体多軸加速度センサおよびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から提供されている半導体加速度センサとしては、ピエゾ抵抗式のものや静電容量式のものなどがある。ここにおいて、ピエゾ抵抗式の半導体加速度センサであって複数方向それぞれの加速度に感度を有するものの一例として、図２０に示す構成の半導体多軸加速度センサが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この半導体多軸加速度センサは、シリコン基板２０１上にシリコンエピタキシャル層２０２を成長した所謂エピ基板２００を用いて形成したセンサ本体１’の裏面にガラス製のカバー２’が接合されている。なお、図２０は一部破断した概略斜視図である。
【０００３】
センサ本体１’は、矩形枠状のフレーム部１１’を備え、フレーム部１１’の内側に配置された重り部１２’がフレーム部１１’よりも薄肉である４つの撓み部１３’を介してフレーム部１１’に連続一体に連結された構造を有している。なお、４つの撓み部１３’は十字状に配置されている。
【０００４】
各撓み部１３には、それぞれ歪みを検出する抵抗素子として２個ずつのピエゾ抵抗Ｒが形成されている。ピエゾ抵抗Ｒは、ブリッジ回路を構成するように配線（図示せず）によって接続されている。また、ブリッジ回路の各端子となるパッド１６はフレーム部１１’に形成されている。
【０００５】
ここにおいて、図２０の左側に示したように、センサ本体１’の厚み方向をｚ軸方向、ｚ軸方向に直交する平面においてフレーム部１１’の一辺に沿った方向をｘ軸方向、この一辺に直交する辺に沿った方向をｙ軸方向と規定すれば、重り部１２’は、ｘ軸方向に延長された２つ１組の撓み部１３’，１３’と、ｙ軸方向に延長された２つ１組の撓み部１３’，１３’とを介してフレーム部１１’に支持されていることになり、ｘ軸方向に延長された２つの撓み部１３’，１３’に形成された合計４つのピエゾ抵抗Ｒがブリッジ回路を構成するように配線によって電気的に接続され、ｙ軸方向に延長された２つの撓み部１３’，１３’に形成された合計４つのピエゾ抵抗Ｒが別のブリッジ回路を構成するように配線によって電気的に接続されている。
【０００６】
上述のカバー２’は、外形が矩形状であって、センサ本体１’の裏面に周部が陽極接合により接合されており、重り部１２’との対向面に重り部１２’の移動範囲を確保するための凹所２ａ’が形成されている。
【０００７】
したがって、センサ本体１’にｘ軸方向ないしｙ軸方向の成分を含む外力（すなわち、加速度）が作用すると、重り部１２’の慣性によってフレーム部１１’に対して重り部１２’が変位し、結果的に撓み部１３’が撓んで当該撓み部１３’に形成されているピエゾ抵抗Ｒの抵抗値が変化することになる。つまり、ピエゾ抵抗Ｒの抵抗値の変化を検出することによりセンサ本体１’に作用したｘ軸方向ないしｙ軸方向の加速度をそれぞれ検出することができる。
【０００８】
ところで、図２０におけるセンサ本体１’では、フレーム部１１’と重り部１２’とを分離するために、水酸化カリウム水溶液（ＫＯＨ）などのアルカリ系溶液を用い上記エピ基板２００の裏面側からエッチング速度の結晶方位依存性を利用してウェットエッチングによる異方性エッチングを行っているので、センサ本体１’の小型化が上記異方性エッチングを行う際に上記エピ基板２００の裏面に形成するマスクの開口寸法に応じて制限されてしまい、撓み部１３’の長さが短くなり高感度化が難しくなってしまう。そこで、図２０におけるセンサ本体１’では、上記異方性エッチングを行った後に切込溝２０３を形成することで撓み部１３’の長さを長くすることによって、高感度化を図っている。
【０００９】
これに対して、近年のシリコンマイクロマシンニング技術の進展に伴い、ウェットエッチングによる異方性エッチングの代わりに、ドライエッチングによりシリコンの結晶方位に依存せずに垂直に深掘り加工する技術が利用できるようになり、図２１に示す構成の半導体多軸加速度センサが提案されている。なお、図２１は一部破断した概略斜視図である。
【００１０】
図２１に示す構成の半導体多軸加速度センサは、厚み方向の中間部にシリコン酸化膜からなる埋込酸化膜１０２を有するＳＯＩ基板１００を用いて形成したセンサ本体１の裏面にガラス製のカバー２を陽極接合した構造を有する。なお、ＳＯＩ基板１００は、シリコン基板からなる支持基板１０１とｎ形のシリコン層（シリコン活性層）１０３との間に絶縁膜である埋込酸化膜１０２が形成された所謂ＳＯＩウェハの一部により構成される。
【００１１】
センサ本体１は、矩形枠状のフレーム部１１を備え、フレーム部１１の内側に配置された重り部１２がフレーム部１１よりも薄肉である４つの撓み部１３を介してフレーム部１１に連続一体に連結された構造を有している。ここにおいて、センサ本体１は、重り部１２における埋込酸化膜１０２よりも裏面側の部分の厚さがフレーム部１１における埋込酸化膜１０２よりも裏面側の部分の厚さに比べて薄くなっており、フレーム部１１の裏面が全周にわたって矩形状のカバー２の周部に接合されている。したがって、重り部１２の裏面とカバー２との間には重り部１２の厚さ方向への重り部１２の変位を可能とする隙間が形成されている。なお、各撓み部１３は、上述のシリコン層１０３の一部により形成されている。また、４つの撓み部１３は十字状に配置されている。
【００１２】
重り部１２は、上述の４つの撓み部１３を介してフレーム部１１に支持された直方体状のコア部１２ａと、コア部１２ａと一体に形成されコア部１２ａとフレーム部１１とフレーム部１１の周方向において隣り合う各一対の撓み部１３の間の空間にそれぞれ配置された４つの付随部１２ｂとを有している。ここに、各付随部１２ｂそれぞれの周囲にはコア部１２ａとの連結部位を除いてスリット１４が形成されている。また、センサ本体１は、撓み部１３の裏面側であって隣り合う付随部１２ｂの間にスリット１４に連通する分離溝１８が形成されている。
【００１３】
図２１に示した構成の半導体多軸加速度センサでは、上述のドライエッチングにより垂直に深掘り加工する技術を利用して重り部１２を形成しているので、図２０に示した構成の半導体多軸加速度センサのようにウェットエッチングによる異方性エッチングを利用して重り部１２’を形成したものに比べて、小型化を図る（チップサイズの小型化を図る）ことができるという利点がある。
【００１４】
【特許文献１】
特開平９−２８９３２７号公報（第３頁〜第４頁、図１、図２）
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図２１に示した構成の半導体多軸加速度センサでは、重り部１２に対してｚ軸方向へ過大な加速度が作用したときに、重り部１２がカバー２側へ変位する場合にはカバー２により重り部１２の変位が制限されるが、重り部１２がカバー２から離れる向きへ変位する場合には制限がかからないので、撓み部１３が破損してしまうという不具合があった。そこで、センサ本体１の厚み方向においてカバー２とは反対側に別のカバーを接合することが考えられるが、センサ全体としての厚さ寸法が大きくなってしまう。
【００１６】
また、図２１に示した構成の半導体多軸加速度センサでは、重り部１２に対してｘ軸方向またはｙ軸方向へ過大な加速度が作用したときには、重り部１２に当該重り部１２の重心を中心として回転モーメントが作用し、重り部１２が例えば図２２における時計回り方向に回転するが、図２２の右側の付随部１２ｂがカバー２に当たり、カバー２との当接点を支点として重り部１２が時計回り方向に回転し、撓み部１３が破損してしまうという不具合があった。
【００１７】
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、小型化を図れ且つ耐衝撃性に優れた半導体多軸加速度センサおよびその製造方法を提供することにある。
【００１８】
【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、枠状のフレーム部の表裏に貫通する開口窓内にフレーム部から離間して配置された重り部が十字状に配置された４つの撓み部を介してフレーム部に支持され、重り部の変位により撓み部に生じる歪みを検出する抵抗素子が撓み部に設けられたセンサ本体を備えた半導体多軸加速度センサであって、重り部は、各撓み部の一端部が連結されたコア部と、コア部と一体に形成されコア部とフレーム部とフレーム部の周方向において隣り合う各一対の撓み部の間の空間にそれぞれ配置された４つの付随部とを有し、各撓み部は、両側縁から側方へ突出した突出片が一体に形成され、各付随部は、重り部が表面側に変位したときに突出片の裏面に当たって重り部の変位を制限するストッパ部を突出片の表裏方向において重なるように突設してなることを特徴とする。この請求項１の発明の構成によれば、重り部とフレーム部とを撓み部を介して連結する部位を除いて分離する際にドライエッチングによる深掘り加工技術を利用することでセンサ本体の小型化を図ることができ、しかも、各撓み部は、両側縁から側方へ突出した突出片が一体に形成され、各付随部には、重り部が表面側に変位したときに突出片の裏面に当たって重り部の変位を制限するストッパ部を撓み部の表裏方向において重なるように突設しているので、ストッパ部が突出片の裏面に当たることでセンサ本体の表面側への重り部の変位が制限されて撓み部の破損が防止されるから、耐衝撃性を高めることができ、センサ本体の表面側にカバーを設ける場合に比べてセンサ全体の厚さ寸法を小さくすることができて小型化を図れる。
【００１９】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記センサ本体は、裏面側のシリコン基板と表面側のシリコン層との間に埋込酸化膜を介在させたＳＯＩ基板を用いて形成され、前記各撓み部それぞれがシリコン層の一部により形成され、前記重り部に加速度が作用していない状態での前記ストッパ部と前記突出片の裏面との間の距離が埋込酸化膜の厚さ寸法に設定されてなることを特徴とする。この請求項２の発明の構成によれば、製造時に埋込酸化膜のうち前記ストッパ部と前記突出片の裏面との間に介在する部分を選択的にエッチングすることにより前記ストッパ部と前記突出片の裏面との間の距離の製品間でのばらつきを小さくすることができ、製造歩留まりの向上を図れ、結果的に低コスト化を図ることができる。
【００２０】
請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記突出片は、表裏に貫通する複数の貫通孔が形成されてなることを特徴とする。この請求項３の発明の構成によれば、製造時に前記埋込酸化膜のうち前記ストッパ部と前記突出片の裏面との間に介在する部分を選択的にエッチングする際のエッチング時間の短縮が可能となる。
【００２１】
請求項４の発明は、枠状のフレーム部の表裏に貫通する開口窓内にフレーム部から離間して配置された重り部が十字状に配置された４つの撓み部を介してフレーム部に支持され、重り部の変位により撓み部に生じる歪みを検出する抵抗素子が撓み部に設けられたセンサ本体を備えた半導体多軸加速度センサであって、重り部は、各撓み部の一端部が連結されたコア部と、コア部と一体に形成されコア部とフレーム部とフレーム部の周方向において隣り合う各一対の撓み部の間の空間にそれぞれ配置された４つの付随部とを有し、各付随部は、重り部が表面側に変位したときに撓み部の裏面に当たって重り部の変位を制限するストッパ部を撓み部の表裏方向において重なるように突設してなることを特徴とする。この請求項４の発明の構成によれば、重り部とフレーム部とを撓み部を介して連結する部位を除いて分離する際にドライエッチングによる深掘り加工技術を利用することでセンサ本体の小型化を図ることができ、しかも、各付随部には、重り部が表面側に変位したときに撓み部の裏面に当たって重り部の変位を制限するストッパ部を撓み部の表裏方向において重なるように突設しているので、ストッパ部が撓み部の裏面に当たることでセンサ本体の表面側への重り部の変位が制限されて撓み部の破損が防止されるから、耐衝撃性を高めることができ、センサ本体の表面側にカバーを設ける場合に比べてセンサ全体の厚さ寸法を小さくすることができて小型化を図れる。また、重り部の各付随部からストッパ部が突設されていることにより、重り部の重量を大きくでき、感度が向上するという利点がある。
【００２２】
請求項５の発明は、請求項４の発明において、前記センサ本体は、裏面側のシリコン基板と表面側のシリコン層との間に埋込酸化膜を介在させたＳＯＩ基板を用いて形成され、前記各撓み部それぞれがシリコン層の一部により形成され、前記重り部に加速度が作用していない状態での前記ストッパ部と前記撓み部の裏面との間の距離が埋込酸化膜の厚さ寸法に設定されてなることを特徴とする。この請求項５の発明の構成によれば、製造時に埋込酸化膜のうち前記ストッパ部と前記撓み部の裏面との間に介在する部分を選択的にエッチングすることにより前記ストッパ部と前記撓み部の裏面との間の距離の製品間でのばらつきを小さくすることができ、製造歩留まりの向上を図れ、結果的に低コスト化を図ることができる。
【００２３】
請求項６の発明は、請求項２または請求項３または請求項５の発明において、前記フレーム部は、前記周方向において隣り合う各一対の前記撓み部の間の部位に内側面と表面とが開放されている凹所が形成され、前記重り部の前記各付随部は、前記重り部が裏面側に変位したときに凹所の内底面に当たって前記重り部の変位を制限する突片を前記フレーム部の表裏方向において凹所の内底面に重なるように突設してなることを特徴とする。この請求項６の発明の構成によれば、突片が凹所の内底面に当たることで前記センサ本体の裏面側への前記重り部の変位が制限されて前記撓み部の破損が防止されるから、耐衝撃性を高めることができ、前記センサ本体の裏面側にカバーを設ける場合に比べて前記センサ全体の厚さ寸法を小さくすることができて小型化を図れる。また、前記重り部の前記各付随部から突片が突設されていることにより、前記重り部の重量を大きくでき、感度が向上するという利点がある。
【００２４】
請求項７の発明は、請求項６の発明において、前記突片が前記シリコン層の一部により形成され、前記重り部に加速度が作用していない状態での前記突片と前記凹所の内底面との間の距離が前記埋込酸化膜の厚さ寸法に設定されてなることを特徴とする。この請求項７の発明の構成によれば、製造時に埋込酸化膜のうち前記突片と前記凹所の内底面との間に介在する部分を選択的にエッチングすることにより前記ストッパ部と前記突出片の裏面との間の距離の製品間でのばらつきを小さくすることができ、製造歩留まりの向上を図れ、結果的に低コスト化を図ることができる。
【００２５】
請求項８の発明は、請求項６または請求項７の発明において、前記重り部の前記各付随部は、前記フレーム部との対向面と表面とが開放されている凹部が形成され、前記フレーム部は、前記重り部が前記表面側に変位したときに凹部の内底面が当たって前記重り部の変位を制限する規制片を突設してなることを特徴とする。この請求項８の発明の構成によれば、前記重り部の前記表面側への変位をより確実に制限することができ、耐衝撃性がさらに向上する。
【００２６】
請求項９の発明は、請求項８の発明において、前記規制片が前記シリコン層の一部により形成され、前記重り部に加速度が作用していない状態での前記規制片と前記凹部の内底面との間の距離が前記埋込酸化膜の厚さ寸法に設定されてなることを特徴とする。この請求項９の発明の構成によれば、製造時に埋込酸化膜のうち前記規制片と前記凹部の内底面との間に介在する部分を選択的にエッチングすることにより前記規制片と前記凹部の内底面との間の距離の製品間でのばらつきを小さくすることができ、製造歩留まりの向上を図れ、結果的に低コスト化を図ることができる。
【００２７】
請求項１０の発明は、請求項２，３，５〜９の発明において、前記フレーム部は、前記表裏方向における表面側の端部に、前記撓み部の裏面に重なる突部が突設されてなることを特徴とする。この請求項１０の発明の構成によれば、前記フレーム部の前記表裏方向における表面側の端部に突部を突設していない場合に比べて前記撓み部と前記フレーム部との連結部位に応力が集中するのを緩和することができて前記撓み部が破損しにくくなり、耐衝撃性が高くなる。
【００２８】
請求項１１の発明は、請求項２記載の半導体多軸加速度センサの製造方法であって、前記シリコン層のうち前記フレーム部および前記各撓み部および前記各突出片および前記重り部に対応する部分が残るように前記シリコン層を前記ＳＯＩ基板の表面側から前記埋込酸化膜に達するまでエッチングする表面側パターニング工程と、表面側パターニング工程の後で前記シリコン基板のうち前記フレーム部に対応する部分と前記重り部に対応する部分とが分離され且つ前記ストッパ部に対応する部分が形成されるように前記シリコン基板を前記ＳＯＩ基板の裏面側から前記埋込酸化膜に達するまでドライエッチングする裏面側パターニング工程と、裏面側パターニング工程の後で前記埋込酸化膜の露出した部分および前記埋込酸化膜のうち前記撓み部に相当する部位に重なる部分および前記突出片に相当する部位に重なる部分をウェットエッチングして除去する犠牲層エッチング工程とを備えることを特徴とする。この請求項１１の発明によれば、裏面側パターニング工程において前記シリコン基板のうち前記フレーム部に対応する部分と前記重り部に対応する部分とを分離するのと同時に前記ストッパ部を形成することができ、裏面側パターニング工程の後で前記埋込酸化膜の露出した部分および前記埋込酸化膜のうち前記撓み部に相当する部位に重なる部分をウェットエッチングするのと同時に前記突出片に相当する部位に重なる部分をウェットエッチングすることができるので、小型化を図れ且つ耐衝撃性に優れた半導体多軸加速度センサを提供することができる。
【００２９】
請求項１２の発明は、請求項３記載の半導体多軸加速度センサの製造方法であって、前記シリコン層のうち前記フレーム部および前記各撓み部および前記各突出片および前記重り部に対応する部分が残り且つ前記貫通孔が形成されるように前記シリコン層を前記ＳＯＩ基板の表面側から前記埋込酸化膜に達するまでエッチングする表面側パターニング工程と、表面側パターニング工程の後で前記シリコン基板のうち前記フレーム部に対応する部分と前記重り部に対応する部分とが分離され且つ前記ストッパ部に対応する部分が形成されるように前記シリコン基板を前記ＳＯＩ基板の裏面側から前記埋込酸化膜に達するまでドライエッチングする裏面側パターニング工程と、裏面側パターニング工程の後で前記埋込酸化膜の露出した部分および前記埋込酸化膜のうち前記撓み部に相当する部分に重なる部分をウェットエッチングして除去する犠牲層エッチング工程とを備えることを特徴とする。この請求項１２の発明によれば、裏面側パターニング工程において前記シリコン基板のうち前記フレーム部に対応する部分と前記重り部に対応する部分とを分離するのと同時に前記ストッパ部を形成することができ、裏面側パターニング工程の後で前記埋込酸化膜の露出した部分および前記埋込酸化膜のうち前記撓み部に相当する部位に重なる部分をウェットエッチングするのと同時に前記突出片に相当する部位に重なる部分を前記貫通孔を通してもウェットエッチングすることができるので、小型化を図れ且つ耐衝撃性に優れた半導体多軸加速度センサを提供することができる。
【００３０】
請求項１３の発明は、請求項５記載の半導体多軸加速度センサの製造方法であって、前記シリコン層のうち前記フレーム部および前記各撓み部および前記重り部に対応する部分が残るように前記シリコン層を前記ＳＯＩ基板の表面側から前記埋込酸化膜に達するまでエッチングする表面側パターニング工程と、表面側パターニング工程の後で前記シリコン基板のうち前記フレーム部に対応する部分と前記重り部に対応する部分とが分離され且つ前記ストッパ部に対応する部分が形成されるように前記シリコン基板を前記ＳＯＩ基板の裏面側から前記埋込酸化膜に達するまでドライエッチングする裏面側パターニング工程と、裏面側パターニング工程の後で前記埋込酸化膜の露出した部分および前記埋込酸化膜のうち前記撓み部に相当する部位に重なる部分をウェットエッチングして除去する犠牲層エッチング工程とを備えることを特徴とする。この請求項１３の発明によれば、裏面側パターニング工程において前記シリコン基板のうち前記フレーム部に対応する部分と前記重り部に対応する部分とを分離するのと同時に前記ストッパ部を形成することができ、小型化を図れ且つ耐衝撃性に優れた半導体多軸加速度センサを提供することができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
本実施形態の半導体多軸加速度センサは、図１ないし図３に示すように、厚み方向の中間部にシリコン酸化膜からなる埋込酸化膜１０２を有するＳＯＩ基板１００を用いて形成したセンサ本体１を備えている。なお、ＳＯＩ基板１００は、シリコン基板からなる支持基板１０１とｎ形のシリコン層（シリコン活性層）１０３との間に絶縁膜である埋込酸化膜１０２が形成された所謂ＳＯＩウェハの一部により構成される。ここに、支持基板１０１、埋込酸化膜１０２、シリコン層１０３それぞれの厚さ寸法は、４００〜６００μｍ、０．５〜３μｍ、４〜１０μｍ程度であればよく、シリコン層１０３の厚さ寸法は支持基板１０１の厚さ寸法に比べて十分に小さな値となる。
【００３２】
センサ本体１は、枠状（本実施形態では、矩形枠状）のフレーム部１１を備え、フレーム部１１の表裏に貫通する開口窓１１ａ内にフレーム部１１から離間して配置された重り部１２が十字状に配置された４つの撓み部１３を介してフレーム部１１に支持されている。ここにおいて、センサ本体１は、重り部１２における埋込酸化膜１０２よりも裏面側の部分の厚さがフレーム部１１における埋込酸化膜１０２よりも裏面側の部分の厚さに比べて薄くなっている。したがって、重り部１２の裏面とフレーム部１１の裏面を含む平面との間には重り部１２の厚さ方向への重り部１２の変位を可能とする隙間が形成されている。なお、各撓み部１３は、フレーム部１１に比べて薄肉であって、上述のＳＯＩ基板１００のシリコン層１０３を利用して形成されている。
【００３３】
重り部１２は、上述の４つの撓み部１３を介してフレーム部１１に支持された直方体状のコア部１２ａと、コア部１２ａと一体に形成されコア部１２ａとフレーム部１１とフレーム部１１の周方向において隣り合う各一対の撓み部１３の間の空間にそれぞれ配置された４つの付随部１２ｂとを有している。ここに、各付随部１２ｂそれぞれの周囲にはコア部１２ａとの連結部位を除いてスリット１４が形成されている。また、センサ本体１は、撓み部１３の裏面側であって隣り合う付随部１２ｂの間にスリット１４に連通する分離溝１８が形成されている。なお、各付随部１２ｂは直方体状に形成されている。
【００３４】
ところで、図１の左側に示したように、センサ本体１の厚み方向をｚ軸方向、ｚ軸方向に直交する平面において矩形枠状のフレーム部１１の一辺に沿った方向をｘ軸方向、この一辺に直交する辺に沿った方向をｙ軸方向と規定すれば、重り部１２は、ｘ軸方向に延長されてコア部１２ａを挟む２つ１組の撓み部１３，１３と、ｙ軸方向に延長されてコア部１２ａを挟む２つ１組の撓み部１３，１３とを介してフレーム部１１に支持されていることになる。
【００３５】
ｘ軸方向に延長された２つの撓み部１３，１３のうち図２の左側の撓み部１３は延長方向においてコア部１２ａ近傍に２つのピエゾ抵抗Ｒ１ｘ，Ｒ３ｘが形成されるとともにフレーム部１１近傍に１つのピエゾ抵抗Ｒ２ｚが形成され、図２の右側の撓み部１３は延長方向においてコア部１２ａ近傍に２つのピエゾ抵抗Ｒ２ｘ，Ｒ４ｘが形成されるとともにフレーム部１１近傍に１つのピエゾ抵抗Ｒ３ｚが形成されている。ここに、コア部１２ａ近傍の４つのピエゾ抵抗Ｒ１ｘ，Ｒ２ｘ，Ｒ３ｘ，Ｒ４ｘは、ｘ軸方向の加速度を検出するために形成されたものであり、長手方向を撓み部１３の延長方向に一致させてあり、図１０に示す左側のブリッジ回路を構成するように接続されている。なお、ピエゾ抵抗Ｒ１ｘ〜Ｒ４ｘは、重り部１２の変位により撓み部１３に生じる歪みを検出する抵抗素子であって、ｘ軸方向の加速度が作用したときに撓み部１３において最大応力が発生する領域に形成されている。また、図２では各ピエゾ抵抗Ｒ１ｘ〜Ｒ４ｘに電気的に接続された配線の図示を省略してある。
【００３６】
ｙ軸方向に延長された２つの撓み部１３，１３のうち図２の上側の撓み部１３は延長方向においてコア部１２ａ近傍に２つのピエゾ抵抗Ｒ１ｙ，Ｒ３ｙが形成されるとともにフレーム部１１近傍に１つのピエゾ抵抗Ｒ１ｚが形成され、図２の下側の撓み部１３は延長方向においてコア部１２ａ近傍に２つのピエゾ抵抗Ｒ２ｙ，Ｒ４ｙが形成されるとともにフレーム部１１近傍に１つのピエゾ抵抗Ｒ４ｚが形成されている。ここに、コア部１２ａ近傍の４つのピエゾ抵抗Ｒ１ｙ，Ｒ２ｙ，Ｒ３ｙ，Ｒ４ｙは、ｙ軸方向の加速度を検出するために形成されたものであり、長手方向を撓み部１３の延長方向に一致させてあり、図１０に示す中央のブリッジ回路を構成するように接続されている。なお、ピエゾ抵抗Ｒ１ｙ〜Ｒ４ｙは、重り部１２の変位により撓み部１３に生じる歪みを検出する抵抗素子であって、ｙ軸方向の加速度が作用したときに撓み部１３において最大応力が発生する領域に形成されている。また、図２では各ピエゾ抵抗Ｒ１ｙ〜Ｒ４ｙに電気的に接続された配線の図示を省略してある。
【００３７】
また、フレーム部１１近傍の４つのピエゾ抵抗Ｒ１ｚ，Ｒ２ｚ，Ｒ３ｚ，Ｒ４ｚは、ｚ軸方向の加速度を検出するために形成されたものであり、図１０に示す右側のブリッジ回路を構成するように接続されている。ただし、ピエゾ抵抗Ｒ１ｚ〜Ｒ４ｚは、重り部１２の変位により撓み部１３に生じる歪みを検出する抵抗素子であって、ｚ軸方向の加速度が作用したときに撓み部１３において最大応力が発生する領域に形成されている。また、２つ１組となる撓み部１３，１３のうち一方の組の撓み部１３，１３に形成したピエゾ抵抗Ｒ１ｚ，Ｒ４ｚは長手方向が撓み部１３，１３の延長方向（長手方向）に一致するように形成されているのに対して、他方の組の撓み部１３，１３に形成したピエゾ抵抗Ｒ２ｚ，Ｒ３ｚは長手方向が撓み部１３，１３の幅方向（短手方向）に一致するように形成されている。なお、図２では各ピエゾ抵抗Ｒ１ｚ〜Ｒ４ｚに電気的に接続された配線の図示を省略してある。
【００３８】
ところで、フレーム部１１には、８個のパッド（図示せず）を設けてある。すなわち、上述の各ブリッジ回路それぞれの出力端子となるパッドは各ブリッジ回路ごとに設けてあるが、各ブリッジ回路の入力端子となるパッドは３つのブリッジ回路で共通化されている（３つのブリッジ回路に対して入力端子としては２つのパッドのみ設けてある）。図１０の回路においては、ｘ軸方向の加速度を検出するためのブリッジ回路の２つの出力端子Ｘ１，Ｘ２、ｙ軸方向の加速度を検出するためのブリッジ回路の２つの出力端子Ｙ１，Ｙ２、ｚ軸方向の加速度を検出するためのブリッジ回路の２つの出力端子Ｚ１，Ｚ２がそれぞれパッドに対応している。また、図１０の回路においては、各ブリッジ回路に共通の２つの入力端子ＶＤＤ，ＧＮＤがそれぞれパッドに対応している。なお、入力端子ＶＤＤと入力端子ＧＮＤとの間には外部電源（図示せず）から電圧が印加されが、入力端子ＶＤＤが外部電源の高電位側、入力端子ＧＮＤが低電位側（グランド側）に接続される。
【００３９】
次に、加速度の検出原理について図１１を参照しながら説明するが、検出原理については周知なので簡単に説明する。なお、図１１は上述の各ブリッジ回路を示しており、ｘ軸方向の加速度を検出するためのブリッジ回路の場合には図１１のピエゾ抵抗Ｒ１〜Ｒ４が上述のピエゾ抵抗Ｒ１ｘ〜Ｒ４ｘとなるとともに図１１の出力端子Ｖ１，Ｖ２が上述の出力端子Ｘ１，Ｘ２となり、ｙ軸方向の加速度を検出するためのブリッジ回路の場合には図１１中のピエゾ抵抗Ｒ１〜Ｒ４が上述のピエゾ抵抗Ｒ１ｙ〜Ｒ４ｙとなるとともに図１１の出力端子Ｖ１，Ｖ２が上述の出力端子Ｙ１，Ｙ２となり、ｚ軸方向の加速度を検出するためのブリッジ回路の場合には図１１中のピエゾ抵抗Ｒ１がピエゾ抵抗Ｒ１ｚ、ピエゾ抵抗Ｒ２がＲ４ｚ、ピエゾ抵抗Ｒ３がピエゾ抵抗Ｒ２ｚ、ピエゾ抵抗Ｒ４がピエゾ抵抗Ｒ３ｚとなるとともに図１１の出力端子Ｖ１，Ｖ２が上述の出力端子Ｚ１，Ｚ２となる。
【００４０】
いま、センサ本体１にｘ軸方向の成分を含む外力（すなわち、加速度）が作用したとすると、重り部１２の慣性によってフレーム部１１に対して重り部１２が変位し、結果的に撓み部１３が撓んで当該撓み部１３に形成されているピエゾ抵抗Ｒ１〜Ｒ４（Ｒ１ｘ〜Ｒ４ｘ）の抵抗値が変化することになる（例えば、ピエゾ抵抗Ｒ１，Ｒ３は抵抗値が増大し、ピエゾ抵抗Ｒ２，Ｒ４は抵抗値が減少することになる）ので、図１１における出力端子Ｖ１，Ｖ２（Ｘ１，Ｘ２）間に電位差が生じる。ここに、出力端子Ｖ１の電位をｖ１、出力端子Ｖ２の電位をｖ２、ブリッジ回路の出力電圧をｖとすれば、ｖ＝ｖ１−ｖ２となるから、ピエゾ抵抗Ｒ１〜Ｒ４の抵抗値の変化を検出することによりセンサ本体１に作用したｘ軸方向の加速度を検出することができるのである。なお、ｘ軸方向の加速度が作用したときには、ｙ軸方向の加速度を検出するためのブリッジ回路およびｚ軸方向の加速度を検出するためのブリッジ回路では抵抗値の増減が相殺されて出力端子Ｖ１，Ｖ２間に電位差は生じない。
【００４１】
同様に、センサ本体１にｙ軸方向の成分を含む外力（すなわち、加速度）が作用した場合にも、重り部１２の慣性によってフレーム部１１に対して重り部１２が変位し、結果的に撓み部１３が撓んで当該撓み部１３に形成されているピエゾ抵抗Ｒ１〜Ｒ４（Ｒ１ｙ〜Ｒ４ｙ）の抵抗値が変化することになり、出力端子Ｖ１，Ｖ２（Ｙ１，Ｙ２）間に電位差が生じるので、出力端子Ｖ１の電位をｖ１、出力端子Ｖ２の電位をｖ２、ブリッジ回路の出力電圧をｖとすれば、ｖ＝ｖ１−ｖ２となるから、ピエゾ抵抗Ｒ１〜Ｒ４の抵抗値の変化を検出することによりセンサ本体１に作用したｙ軸方向の加速度を検出することができるのである。
【００４２】
また、センサ本体１にｚ軸方向の成分を含む外力（すなわち、加速度）が作用した場合には、重り部１２の慣性によってフレーム部１１に対して重り部１２が変位し、結果的に撓み部１３が撓んで当該撓み部１３に形成されているピエゾ抵抗Ｒ１〜Ｒ４（Ｒ１ｚ〜Ｒ４ｚ）の抵抗値が変化することになる。ここにおいて、ピエゾ抵抗Ｒ１ｚ〜Ｒｚ４は同じ応力を受けるが、ピエゾ抵抗Ｒ１ｚ，Ｒ３ｚでは撓み部１３の延長方向に沿った向きで電流が流れるのに対してピエゾ抵抗Ｒ２ｚ，Ｒ４ｚでは撓み部１３の幅方向に沿った向きで電流が流れることによりピエゾ抵抗Ｒ１ｚ，Ｒ３ｚとピエゾ抵抗Ｒ２ｚ，Ｒ４ｚとで抵抗値の増減が逆となり、出力端子Ｖ１，Ｖ２（Ｚ１，Ｚ２）間に電位差が生じるので、出力端子Ｖ１の電位をｖ１、出力端子Ｖ２の電位をｖ２、ブリッジ回路の出力電圧をｖとすれば、ｖ＝ｖ１−ｖ２となるから、ピエゾ抵抗Ｒ１〜Ｒ４の抵抗値の変化を検出することによりセンサ本体１に作用したｚ軸方向の加速度を検出することができるのである。
【００４３】
ところで、上述の説明から分かるように、センサ本体１では、ピエゾ抵抗Ｒ１ｘ〜Ｒ４ｘ，Ｒ１ｙ〜Ｒ４ｙ，Ｒ１ｚ〜Ｒ４ｚが上記各ブリッジ回路を構成するように配線により電気的に接続されるとともにパッドに電気的に接続されるが、本実施形態では、ピエゾ抵抗Ｒ１ｘ〜Ｒ４ｘ，Ｒ１ｙ〜Ｒ４ｙ，Ｒ１ｚ〜Ｒ４ｚに電気的に接続された配線として拡散層配線と金属配線（例えば、アルミニウム配線）との２種類があり、少なくとも各撓み部１３に形成される部分が拡散層配線により構成されている。なお、各ピエゾ抵抗Ｒ１ｘ〜Ｒ４ｘ，Ｒ１ｙ〜Ｒ４ｙ，Ｒ１ｚ〜Ｒ４ｚに電気的に接続された配線のうちフレーム部１１に形成される部分の配線の大部分は金属配線により構成されているが、各ピエゾ抵抗Ｒ１ｘ〜Ｒ４ｘ，Ｒ１ｙ〜Ｒ４ｙ，Ｒ１ｚ〜Ｒ４ｚおよび各パッドのレイアウトの関係上配線を交差させる必要がある場合には、互いに交差する配線の一方を拡散層配線により構成するとともに他方を金属配線により構成するようにしてある。
【００４４】
ところで、上述の重り部１２は、４つの撓み部１３を介してフレーム部１１に支持された直方体状のコア部１２ａと、コア部１２ａと一体に形成されコア部１２ａとフレーム部１１とフレーム部１１の周方向において隣り合う各一対の撓み部１３の間の空間にそれぞれ配置された４つの付随部１２ｂとを有しているが、各撓み部１３は、両側縁から側方へ突出した突出片１３ｂ，１３ｂが一体に形成されており、各付随部１２ｂは、重り部１２が表面側に変位したときに突出片１３ｃの裏面に当たって重り部１２の変位を制限するストッパ部１２ｃを突出片１３ｂの表裏方向（重り部１２の厚み方向）において重なるように突設してある。ここにおいて、突出片１３ｃの厚さ寸法は、撓み部１３の厚さ寸法と一致させてあり、加速度が作用していない状態での上記表裏方向における突出片１３ｃの裏面とストッパ部１２ｃとの間の距離は、埋込酸化膜１０２の厚さ寸法と同じ値に設定してある。なお、突出片１３ｂは、表裏に貫通する複数の貫通孔１３ｃ（図４参照）が形成されている。
【００４５】
しかして、本実施形態の半導体多軸加速度センサでは、各撓み部１３の両側縁から側方へ突出した突出片１３ｂが一体に形成され、各付随部１２ｂには重り部１２が表面側に変位したときに突出片１３ｂの裏面に当たって重り部１２の変位を制限するストッパ部１２ｃを突出片１３ｂの表裏方向において重なるように突設しているので、ストッパ部１２ｃが突出片１３ｂの裏面に当たることでセンサ本体１の表面側への重り部１２の変位が制限されて撓み部１３の破損が防止されるから、耐衝撃性を高めることができ、センサ本体１の表面側にカバーを設ける場合に比べてセンサ全体の厚さ寸法を小さくすることができて小型化を図れる。
【００４６】
また、フレーム部１１は、周方向において隣り合う各一対の撓み部１３の間の部位に内側面と表面とが開放されている凹所１１ｄ（図７（ａ）参照）が形成されており、重り部１２の各付随部１２ｂは、重り部１２が裏面側に変位したときに凹所１１ｄの内底面に当たって重り部１２の変位を制限する突片１２ｄ（図７（ａ）参照）をフレーム部１１の表裏方向において重なるように突設してある。したがって、突片１２ｄが凹所１１ｄの内底面に当たることでセンサ本体１の裏面側への重り部１２の変位が制限されて撓み部１３の破損が防止されるから、耐衝撃性を高めることができ、センサ本体１の裏面側にカバーを設ける場合に比べてセンサ全体の厚さ寸法を小さくすることができて小型化を図れる。また、重り部１２の各付随部１２ｂから突片１２ｄが突設されていることにより、重り部１２の重量を大きくでき、感度が向上するという利点がある。ここにおいて、突片１２ｄは上述のＳＯＩ基板１００のシリコン層１０３を利用して形成されており、突片１２ｄの厚さ寸法は、撓み部１３の厚さ寸法と一致させてあり、加速度が作用していない状態での上記表裏方向における突片１２ｄと凹所１１ｄの内底面との間の距離が埋込酸化膜１０２の厚さ寸法と同じ値に設定されている。
【００４７】
また、重り部１２の各付随部１２ｂは、フレーム部１１との対向面と表面とが開放されている凹部１２ｅ（図７（ｂ）参照）が形成され、フレーム部１１は、重り部１２が表面側に変位したときに凹部１２ｅの内底面が当たって重り部１２の変位を制限する規制片１１ｅ（図７（ｂ）参照）を突設してある。したがって、重り部１２の表面側への変位をより確実に制限することができ、耐衝撃性がさらに向上する。ここにおいて、規制片１１ｅは上述のＳＯＩ基板１００のシリコン層１０３を利用して形成されており、規制片１１ｅの厚さ寸法は、撓み部１３の厚さ寸法と一致させてあり、加速度が作用していない状態での規制片１１ｅと凹部１１ｄの内底面との間の距離は、埋込酸化膜１０２の厚さ寸法と同じ値に設定してある。
【００４８】
以上の説明から分かるように、本実施形態では、埋込酸化膜１０２の厚さ寸法により重り部１２の変位量が制限されるから、埋込酸化膜１０２の厚さ寸法は、重り部１２の厚み方向へ重り部１２が変位したときに撓み部１３が破損しないような変位に応じて設定することが望ましい。
【００４９】
また、フレーム部１１は、表裏方向における表面側の端部に、撓み部１３の裏面に重なる突部１１ｆ（図８参照）が突設されている。ここにおいて、突部１１ｆは、支持基板１０１の一部と埋込酸化膜１０２の一部とにより構成されており、支持基板１０１の一部により形成されている部分には、上記表裏方向において撓み部１３に近づくほどフレーム部１１の開口窓１１ａの開口幅を狭くするように傾斜した傾斜面が形成されている。したがって、センサ本体１は、フレーム部１１の表裏方向における表面側の端部に突部１１ｆを突設していない図９に示すような場合に比べて撓み部１３とフレーム部１１との連結部位に応力が集中するのを緩和することができて撓み部１３が破損しにくくなり、耐衝撃性が高くなる。
【００５０】
以下、センサ本体１の製造方法について図５および図６を参照しながら説明するが、図５は図２のＢ−Ｂ’断面に対応する部分の製造工程断面を示し、図６は図２のＡ−Ａ’断面に対応する部分の製造工程断面を示している。
【００５１】
まず、ＳＯＩ基板１００（実際にはＳＯＩウェハ）の表面側のシリコン層１０３に上述の各ピエゾ抵抗Ｒ１ｘ〜Ｒ４ｘ，Ｒ１ｙ〜Ｒ４ｙ，Ｒｚ１〜Ｒ４ｚおよび各拡散層配線を不純物拡散技術などにより形成し、その後、ＳＯＩ基板１００の表面および裏面それぞれの全面にシリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層膜からなる絶縁膜３１，３２を形成することにより、図５（ａ），図６（ａ）に示す構造を得る。なお、上述の金属配線は、シリコン酸化膜を形成した後、シリコン窒化膜を形成する前に形成する。
【００５２】
次に、ＳＯＩ基板１００のシリコン層１０３のうちフレーム部１１および各撓み部１３および各突出片１３ｂおよび重り部１２に対応する部分を残し且つ貫通孔１３ｃを形成するためにＳＯＩ基板１００の表面側の絶縁膜３１をパターニングし、パターニングされた絶縁膜３１をマスクとして、ＳＯＩ基板１００のシリコン層１０３を表面側から埋込酸化膜１０２２に達する深さまでエッチングする表面側パターニング工程を行うことでスリット１４に対応する部位に溝２４を形成するとともに貫通孔１３ｃに対応する部位にエッチング孔（図示せず）を形成し、その後、ＳＯＩ基板１００において重り部１２に対応する部位をフレーム部１１に対応する部位に比べて薄くするためにＳＯＩ基板１００の裏面側の絶縁膜３２をパターニングし、パターニングされた絶縁膜３２をマスクとしてＳＯＩ基板１００を裏面側から所定深さまでエッチングして凹所３７を形成することにより、図５（ｂ），図６（ｂ）に示す構造を得る。なお、凹所３７を形成する工程は表面側パターニング工程の前に行ってもよい。
【００５３】
その後、支持基板１０１のうちフレーム部１１に対応する部分と重り部１２に対応する部分とが分離され且つストッパ部１２ｃに対応する部分が形成されるようにＳＯＩ基板１００の裏面側にマスク用のレジスト層３３をパターン形成してから、支持基板１０１をＳＯＩ基板１００の裏面側から埋込酸化膜１０２に達するまでドライエッチングすることにより、図５（ｃ），図６（ｃ）に示す構造を得る。なお、ここでは、誘導結合プラズマ型のドライエッチング装置のように深堀り加工が可能なドライエッチング装置を用いて支持基板１０１の露出部位を埋込酸化膜１０２に達するまで垂直にエッチングしており、隣り合う付随部１２ｂを分離する分離溝１８の開口幅が最終的な開口幅よりも狭く、付随部１２ｂの大きさが最終的な付随部１２ｂの大きさよりも大きくなっている。また、支持基板１０１においてスリット１４に対応する部位に溝２６が形成されているが、この溝２６の開口幅も最終的な開口幅よりも狭くなっている。また、ここでは、埋込酸化膜１０２がエッチングストッパ層として機能する。
【００５４】
次に、上述のレジスト層３３を残した状態で、ＴＭＡＨ水溶液（テトラメチル水酸化アンモニウム水溶液）ようなアルカリ系溶液を用いて支持基板１０１を裏面側から異方性エッチングし、レジスト層３３を除去することにより、図５（ｄ），図６（ｄ）に示す構造を得る。なお、このアルカリ系溶液を用いた異方性エッチングを行うことにより、分離溝１８および溝２６の開口幅が広がり、付随部１２ｂのサイズが若干小さくなり、しかも、上述の突部１１ｆが形成される。
【００５５】
その後、埋込酸化膜１０２のうち露出している部位をバッファードフッ酸溶液（フッ酸の緩衝溶液）のようなエッチング液を用いてウェットエッチングする犠牲層エッチング工程を行うことでスリット１４を形成するとともに重り部１２と撓み部１３とを分離することにより、図５（ｅ），図６（ｅ）に示す構造を得る。ここに、埋込酸化膜１０２のうち撓み部１３に対応する部位は犠牲層となり溝２４などを通して導入されるエッチング液によりエッチングされ、埋込酸化膜１０２のうち突出片１３ｂに対応する部位も犠牲層となり上記エッチング孔などを通して導入されるエッチング液によりエッチングされる。
【００５６】
以上説明した製造方法によれば、ＳＯＩ基板１００の裏面側および主表面側それぞれからのエッチング時に埋込酸化膜１０２をエッチングストッパ層として利用することで、撓み部１３の厚さ寸法を高精度に管理することが可能となって、歩留まりの向上が図れ、結果的に低コスト化を図れる。また、図２０に示した従来例のようにＫＯＨなどのアルカリ系溶液を用いたシリコンの異方性エッチングを利用して重り部１２を形成する場合に比べて、重り部１２の外周面とフレーム部１１の内周面との間の間隔を小さくすることができるので、センサ本体１の小型化を図れる。
【００５７】
また、重り部１２とフレーム部１１とを撓み部１３を介して連結する部位を除いて分離する際にドライエッチングによる深掘り加工技術を利用することで図２０に示した従来例に比べてセンサ本体１の小型化を図ることができる。また、上述の裏面側パターニング工程において支持基板１０１のうちフレーム部１１に対応する部分と重り部１２に対応する部分とを分離するのと同時にストッパ部１２ｃを形成することができ、裏面側パターニング工程の後で埋込酸化膜１０２の露出した部分および埋込酸化膜１０２のうち撓み部１３に相当する部位に重なる部分をウェットエッチングするのと同時に突出片１３ｂに相当する部位に重なる部分を貫通孔１３ｃ（上記エッチング孔）を通してウェットエッチングすることができるから、小型化を図れ且つ耐衝撃性に優れた半導体多軸加速度センサを提供することができる。
【００５８】
（実施形態２）
本実施形態の半導体多軸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１２ないし図１４に示すように、実施形態１で説明した突出片１３ｂを設けず、重り部１２のサイズを大きくして、重り部１２が表面側に変位したときにストッパ部１２ｃが撓み部１３の裏面に当たることで撓み部１３の変位が制限されるように構成している点などが相違する。要するに、本実施形態では、重り部１２の各付随部１２ｂに、重り部１２が表面側に変位したときに撓み部１３の裏面に当たって重り部１２の変位を制限するストッパ部１２ｃを撓み部１３の表裏方向において重なるように突設してある。ここに、本実施形態では、実施形態１に比べてフレーム部１１の開口窓１１ａのサイズを変更することなしに表裏方向に直交する面内での付随部１２ｂのサイズを大きくしている。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。
【００５９】
しかして、本実施形態の半導体多軸加速度センサでは、ストッパ部１２ｃが撓み部１３の裏面に当たることでセンサ本体１の表面側への重り部１２の変位が制限されて撓み部１３の破損が防止されるから、耐衝撃性を高めることができ、センサ本体１の表面側にカバーを設ける場合に比べてセンサ全体の厚さ寸法を小さくすることができて小型化を図れる。また、本実施形態では、実施形態１に比べて重り部１２の重量が大きいので、実施形態１に比べて感度が向上する。
【００６０】
なお、本実施形態の半導体多軸加速度センサの製造方法は、実施形態１における突出片１３ｂおよび貫通孔１３ｃを形成する必要のない点以外は実施形態１にて説明した製造方法と同様である。また、実施形態１にて説明した製造方法においてアルカリ系溶液により異方性エッチングを行う工程をなくして、図１５に示すように隣り合う付随部１２ｂ間の距離を短くして表裏方向において撓み部１３に重なるストッパ部１２ｃの重量を大きくすれば、結果的に重り部１２の重量を大きくすることができて、感度を向上させることができる。
【００６１】
（実施形態３）
本実施形態の半導体多軸加速度センサの基本構成は実施形態２と略同じであって、実施形態２では付随部１２ｂから突設したストッパ部１２ｃが撓み部１３の延長方向における中央部のみに重なるように形成されているのに対して、図１６および図１７に示すように、付随部１２ｂに形成するストッパ部１２ｃを撓み部１３の延長方向に沿った方向の全長に亘って形成している点が相違する。したがって、本実施形態では、実施形態１に比べてフレーム部１１の開口窓１１ａのサイズを変更することなしに撓み部１３とストッパ部１２ｃとの重なる面積を大きくするとともに重り部１２の重量を大きくしている。なお、実施形態２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。
【００６２】
しかして、本実施形態の半導体多軸加速度センサでは、実施形態２に比べて重り部１２の重量が大きいので、実施形態２に比べて感度が向上する。
【００６３】
なお、本実施形態の半導体多軸加速度センサの製造方法は、突出片１３ｂおよび貫通孔１３ｃを形成する必要のない点以外は実施形態１にて説明した製造方法と同様である。
【００６４】
（実施形態４）
本実施形態の半導体多軸加速度センサの基本構成は実施形態３と略同じであって、図１８および図１９に示すように、フレーム部１１に形成する凹所１１ｄと付随部１２から突設する突片１１ｄとの組の数を２倍にするとともに、付随部１２ｂに形成する凹部１２ｅとフレーム部１１から突設する規制片１１ｅとの組の数を２倍にしている点が相違する。すなわち、本実施形態では、フレーム部１１に形成する凹所１１ｄと付随部１２から突設する突片１１ｄとの組を各付随部１２ｂそれぞれに対応して２組ずつ設け、付随部１２ｂに形成する凹部１２ｅとフレーム部１１から突設する規制片１１ｅとの組を各付随部１２ｂそれぞれに対応して２組ずつ設けてある。なお、実施形態３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。
【００６５】
しかして、本実施形態の半導体多軸加速度センサでは、実施形態３に比べてより確実に重り部１２の変位を制限することができ、耐衝撃性が向上する。
【００６６】
なお、本実施形態の半導体多軸加速度センサの製造方法は、突出片１３ｂおよび貫通孔１３ｃを形成する必要のない点以外は実施形態１にて説明した製造方法と同様である。
【００６７】
【発明の効果】
請求項１の発明は、枠状のフレーム部の表裏に貫通する開口窓内にフレーム部から離間して配置された重り部が十字状に配置された４つの撓み部を介してフレーム部に支持され、重り部の変位により撓み部に生じる歪みを検出する抵抗素子が撓み部に設けられたセンサ本体を備えた半導体多軸加速度センサであって、重り部は、各撓み部の一端部が連結されたコア部と、コア部と一体に形成されコア部とフレーム部とフレーム部の周方向において隣り合う各一対の撓み部の間の空間にそれぞれ配置された４つの付随部とを有し、各撓み部は、両側縁から側方へ突出した突出片が一体に形成され、各付随部は、重り部が表面側に変位したときに突出片の裏面に当たって重り部の変位を制限するストッパ部を突出片の表裏方向において重なるように突設してなるものであり、重り部とフレーム部とを撓み部を介して連結する部位を除いて分離する際にドライエッチングによる深掘り加工技術を利用することでセンサ本体の小型化を図ることができ、しかも、各撓み部は、両側縁から側方へ突出した突出片が一体に形成され、各付随部には、重り部が表面側に変位したときに突出片の裏面に当たって重り部の変位を制限するストッパ部を撓み部の表裏方向において重なるように突設しているので、ストッパ部が突出片の裏面に当たることでセンサ本体の表面側への重り部の変位が制限されて撓み部の破損が防止されるから、耐衝撃性を高めることができ、センサ本体の表面側にカバーを設ける場合に比べてセンサ全体の厚さ寸法を小さくすることができて小型化を図れるという効果がある。
【００６８】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記センサ本体は、裏面側のシリコン基板と表面側のシリコン層との間に埋込酸化膜を介在させたＳＯＩ基板を用いて形成され、前記各撓み部それぞれがシリコン層の一部により形成され、前記重り部に加速度が作用していない状態での前記ストッパ部と前記突出片の裏面との間の距離が埋込酸化膜の厚さ寸法に設定されているので、製造時に埋込酸化膜のうち前記ストッパ部と前記突出片の裏面との間に介在する部分を選択的にエッチングすることにより前記ストッパ部と前記突出片の裏面との間の距離の製品間でのばらつきを小さくすることができ、製造歩留まりの向上を図れ、結果的に低コスト化を図ることができるという効果がある。
【００６９】
請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記突出片は、表裏に貫通する複数の貫通孔が形成されているので、製造時に前記埋込酸化膜のうち前記ストッパ部と前記突出片の裏面との間に介在する部分を選択的にエッチングする際のエッチング時間の短縮が可能となるという効果がある。
【００７０】
請求項４の発明は、枠状のフレーム部の表裏に貫通する開口窓内にフレーム部から離間して配置された重り部が十字状に配置された４つの撓み部を介してフレーム部に支持され、重り部の変位により撓み部に生じる歪みを検出する抵抗素子が撓み部に設けられたセンサ本体を備えた半導体多軸加速度センサであって、重り部は、各撓み部の一端部が連結されたコア部と、コア部と一体に形成されコア部とフレーム部とフレーム部の周方向において隣り合う各一対の撓み部の間の空間にそれぞれ配置された４つの付随部とを有し、各付随部は、重り部が表面側に変位したときに撓み部の裏面に当たって重り部の変位を制限するストッパ部を撓み部の表裏方向において重なるように突設してなるものであり、重り部とフレーム部とを撓み部を介して連結する部位を除いて分離する際にドライエッチングによる深掘り加工技術を利用することでセンサ本体の小型化を図ることができ、しかも、各付随部には、重り部が表面側に変位したときに撓み部の裏面に当たって重り部の変位を制限するストッパ部を撓み部の表裏方向において重なるように突設しているので、ストッパ部が撓み部の裏面に当たることでセンサ本体の表面側への重り部の変位が制限されて撓み部の破損が防止されるから、耐衝撃性を高めることができ、センサ本体の表面側にカバーを設ける場合に比べてセンサ全体の厚さ寸法を小さくすることができて小型化を図れるという効果がある。また、重り部の各付随部からストッパ部が突設されていることにより、重り部の重量を大きくでき、感度が向上するという利点がある。
【００７１】
請求項５の発明は、請求項４の発明において、前記センサ本体は、裏面側のシリコン基板と表面側のシリコン層との間に埋込酸化膜を介在させたＳＯＩ基板を用いて形成され、前記各撓み部それぞれがシリコン層の一部により形成され、前記重り部に加速度が作用していない状態での前記ストッパ部と前記撓み部の裏面との間の距離が埋込酸化膜の厚さ寸法に設定されているので、製造時に埋込酸化膜のうち前記ストッパ部と前記撓み部の裏面との間に介在する部分を選択的にエッチングすることにより前記ストッパ部と前記撓み部の裏面との間の距離の製品間でのばらつきを小さくすることができ、製造歩留まりの向上を図れ、結果的に低コスト化を図ることができるという効果がある。
【００７２】
請求項６の発明は、請求項２または請求項３または請求項５の発明において、前記フレーム部は、前記周方向において隣り合う各一対の前記撓み部の間の部位に内側面と表面とが開放されている凹所が形成され、前記重り部の前記各付随部は、前記重り部が裏面側に変位したときに凹所の内底面に当たって前記重り部の変位を制限する突片を前記フレーム部の表裏方向において凹所の内底面に重なるように突設しているので、突片が凹所の内底面に当たることで前記センサ本体の裏面側への前記重り部の変位が制限されて前記撓み部の破損が防止されるから、耐衝撃性を高めることができ、前記センサ本体の裏面側にカバーを設ける場合に比べて前記センサ全体の厚さ寸法を小さくすることができて小型化を図れるという効果がある。また、前記重り部の前記各付随部から突片が突設されていることにより、前記重り部の重量を大きくでき、感度が向上するという利点がある。
【００７３】
請求項７の発明は、請求項６の発明において、前記突片が前記シリコン層の一部により形成され、前記重り部に加速度が作用していない状態での前記突片と前記凹所の内底面との間の距離が前記埋込酸化膜の厚さ寸法に設定されているので、製造時に埋込酸化膜のうち前記突片と前記凹所の内底面との間に介在する部分を選択的にエッチングすることにより前記ストッパ部と前記突出片の裏面との間の距離の製品間でのばらつきを小さくすることができ、製造歩留まりの向上を図れ、結果的に低コスト化を図ることができるという効果がある。
【００７４】
請求項８の発明は、請求項６または請求項７の発明において、前記重り部の前記各付随部は、前記フレーム部との対向面と表面とが開放されている凹部が形成され、前記フレーム部は、前記重り部が前記表面側に変位したときに凹部の内底面が当たって前記重り部の変位を制限する規制片を突設しているので、前記重り部の前記表面側への変位をより確実に制限することができ、耐衝撃性がさらに向上するという効果がある。
【００７５】
請求項９の発明は、請求項８の発明において、前記規制片が前記シリコン層の一部により形成され、前記重り部に加速度が作用していない状態での前記規制片と前記凹部の内底面との間の距離が前記埋込酸化膜の厚さ寸法に設定されているので、製造時に埋込酸化膜のうち前記規制片と前記凹部の内底面との間に介在する部分を選択的にエッチングすることにより前記規制片と前記凹部の内底面との間の距離の製品間でのばらつきを小さくすることができ、製造歩留まりの向上を図れ、結果的に低コスト化を図ることができるという効果がある。
【００７６】
請求項１０の発明は、請求項２，３，５〜９の発明において、前記フレーム部は、前記表裏方向における表面側の端部に、前記撓み部の裏面に重なる突部が突設されているので、前記フレーム部の前記表裏方向における表面側の端部に突部を突設していない場合に比べて前記撓み部と前記フレーム部との連結部位に応力が集中するのを緩和することができて前記撓み部が破損しにくくなり、耐衝撃性が高くなるという効果がある。
【００７７】
請求項１１の発明は、請求項２記載の半導体多軸加速度センサの製造方法であって、前記シリコン層のうち前記フレーム部および前記各撓み部および前記各突出片および前記重り部に対応する部分が残るように前記シリコン層を前記ＳＯＩ基板の表面側から前記埋込酸化膜に達するまでエッチングする表面側パターニング工程と、表面側パターニング工程の後で前記シリコン基板のうち前記フレーム部に対応する部分と前記重り部に対応する部分とが分離され且つ前記ストッパ部に対応する部分が形成されるように前記シリコン基板を前記ＳＯＩ基板の裏面側から前記埋込酸化膜に達するまでドライエッチングする裏面側パターニング工程と、裏面側パターニング工程の後で前記埋込酸化膜の露出した部分および前記埋込酸化膜のうち前記撓み部に相当する部位に重なる部分および前記突出片に相当する部位に重なる部分をウェットエッチングして除去する犠牲層エッチング工程とを備えるので、裏面側パターニング工程において前記シリコン基板のうち前記フレーム部に対応する部分と前記重り部に対応する部分とを分離するのと同時に前記ストッパ部を形成することができ、裏面側パターニング工程の後で前記埋込酸化膜の露出した部分および前記埋込酸化膜のうち前記撓み部に相当する部位に重なる部分をウェットエッチングするのと同時に前記突出片に相当する部位に重なる部分をウェットエッチングすることができるから、小型化を図れ且つ耐衝撃性に優れた半導体多軸加速度センサを提供することができるという効果がある。
【００７８】
請求項１２の発明は、請求項３記載の半導体多軸加速度センサの製造方法であって、前記シリコン層のうち前記フレーム部および前記各撓み部および前記各突出片および前記重り部に対応する部分が残り且つ前記貫通孔が形成されるように前記シリコン層を前記ＳＯＩ基板の表面側から前記埋込酸化膜に達するまでエッチングする表面側パターニング工程と、表面側パターニング工程の後で前記シリコン基板のうち前記フレーム部に対応する部分と前記重り部に対応する部分とが分離され且つ前記ストッパ部に対応する部分が形成されるように前記シリコン基板を前記ＳＯＩ基板の裏面側から前記埋込酸化膜に達するまでドライエッチングする裏面側パターニング工程と、裏面側パターニング工程の後で前記埋込酸化膜の露出した部分および前記埋込酸化膜のうち前記撓み部に相当する部分に重なる部分をウェットエッチングして除去する犠牲層エッチング工程とを備えるので、裏面側パターニング工程において前記シリコン基板のうち前記フレーム部に対応する部分と前記重り部に対応する部分とを分離するのと同時に前記ストッパ部を形成することができ、裏面側パターニング工程の後で前記埋込酸化膜の露出した部分および前記埋込酸化膜のうち前記撓み部に相当する部位に重なる部分をウェットエッチングするのと同時に前記突出片に相当する部位に重なる部分を前記貫通孔を通してもウェットエッチングすることができるから、小型化を図れ且つ耐衝撃性に優れた半導体多軸加速度センサを提供することができるという効果がある。
【００７９】
請求項１３の発明は、請求項５記載の半導体多軸加速度センサの製造方法であって、前記シリコン層のうち前記フレーム部および前記各撓み部および前記重り部に対応する部分が残るように前記シリコン層を前記ＳＯＩ基板の表面側から前記埋込酸化膜に達するまでエッチングする表面側パターニング工程と、表面側パターニング工程の後で前記シリコン基板のうち前記フレーム部に対応する部分と前記重り部に対応する部分とが分離され且つ前記ストッパ部に対応する部分が形成されるように前記シリコン基板を前記ＳＯＩ基板の裏面側から前記埋込酸化膜に達するまでドライエッチングする裏面側パターニング工程と、裏面側パターニング工程の後で前記埋込酸化膜の露出した部分および前記埋込酸化膜のうち前記撓み部に相当する部位に重なる部分をウェットエッチングして除去する犠牲層エッチング工程とを備えるので、裏面側パターニング工程において前記シリコン基板のうち前記フレーム部に対応する部分と前記重り部に対応する部分とを分離するのと同時に前記ストッパ部を形成することができ、小型化を図れ且つ耐衝撃性に優れた半導体多軸加速度センサを提供す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の半導体多軸加速度センサの一部破断した概略斜視図である。
【図２】同上におけるセンサ本体の概略平面図である。
【図３】同上を示し、（ａ）は図２のＡ−Ａ’断面図、（ｂ）は図２のＢ−Ｂ’断面図である。
【図４】同上の要部斜視図である。
【図５】同上の製造方法を説明するための主要工程断面図である。
【図６】同上の製造方法を説明するための主要工程断面図である。
【図７】同上を示し、（ａ）は図２のＣ−Ｃ’断面図、（ｂ）は図２のＤ−Ｄ’断面図、（ｃ）は図２のＥ−Ｅ’断面図である。
【図８】同上を示し、図２のＦ−Ｆ’断面図である。
【図９】同上の他の構成例の断面図である。
【図１０】同上におけるセンサ本体に形成された回路の回路図である。
【図１１】同上の動作説明図である。
【図１２】実施形態２の半導体多軸加速度センサの一部破断した概略斜視図である。
【図１３】同上におけるセンサ本体の概略平面図である。
【図１４】図１３のＡ−Ａ’断面図である。
【図１５】同上の他の構成例の断面図である。
【図１６】実施形態３の半導体多軸加速度センサの一部破断した概略斜視図である。
【図１７】同上におけるセンサ本体の概略平面図である。
【図１８】実施形態４の半導体多軸加速度センサの一部破断した概略斜視図である。
【図１９】同上におけるセンサ本体の概略平面図である。
【図２０】従来例を示す半導体多軸加速度センサの一部破断した概略斜視図である。
【図２１】他の従来例を示す半導体多軸加速度センサの一部破断した概略斜視図である。
【図２２】同上の動作説明図である。
【符号の説明】
１  センサ本体
１１  フレーム部
１１ａ  開口窓
１２  重り部
１２ａ  コア部
１２ｂ  付随部
１２ｃ  ストッパ部
１３  撓み部
１３ｂ  突出片
１４  スリット
１８  分離溝
【図１】
2004294230.tif 000003
【図２】
2004294230.tif 000004
【図３】
2004294230.tif 000005
【図４】
2004294230.tif 000006
【図５】
2004294230.tif 000007
【図６】
2004294230.tif 000008
【図７】
2004294230.tif 000009
【図８】
2004294230.tif 000010
【図９】
2004294230.tif 000011
【図１０】
2004294230.tif 000012
【図１１】
2004294230.tif 000013
【図１２】
2004294230.tif 000014
【図１３】
2004294230.tif 000015
【図１４】
2004294230.tif 000016
【図１５】
2004294230.tif 000017
【図１６】
2004294230.tif 000018
【図１７】
2004294230.tif 000019
【図１８】
2004294230.tif 000020
【図１９】
2004294230.tif 000021
【図２０】
2004294230.tif 000022
【図２１】
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【図２２】
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