(57)【要約】【課題】半導体センサを高精度かつ短時間で加工するとともに材料の無駄をなくし、しかも支持基板に形成した配線の断線を低減する。【解決手段】重り部１１は半導体により円筒状に形成され、重り部１１の中心軸上にトーションバー１５が配置され、重り部１１の中心軸方向において可撓となる薄肉状であって重り部１１の内周面とトーションバー１５の長手方向の中間部とがメンブレンばね１４により一体に結合される。重り部１１の中心軸方向の両側にはそれぞれ重り部１１との対向部位に電極１２ａ，１２ｂ，１３を形成した支持基板１０が配置される。トーションバー１５の各一端は、支持基板１０と重り部１１との距離に相当する厚み寸法を有した導電性材料からなるスペーサ１６を介して各支持基板１０にそれぞれ結合される。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体よりなる円筒状の重り部と、重り部の中心軸方向の両側にそれぞれ配置され重り部の中心軸方向の各面にそれぞれ対向する一対の支持基板と、各支持基板における重り部との対向部位にそれぞれ配置した電極と、重り部の中心軸上に配置され各一端が各支持基板に対してそれぞれ定位置に固定されるトーションバーと、重り部の中心軸方向において可撓となる薄肉状であって重り部の内周面とトーションバーの長手方向の中間部とを一体に結合するメンブレンばねと、トーションバーの各一端と各支持基板との間にそれぞれ介在し支持基板と重り部との距離に相当する厚み寸法を有し導電性材料からなるスペーサとを備えることを特徴とする半導体センサ。
【請求項２】
前記スペーサは金属からなることを特徴とする請求項１記載の半導体センサ。
【請求項３】
前記トーションバーはシリコンからなり、前記スペーサはポリシリコンからなることを特徴とする請求項１記載の半導体センサ。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の半導体センサの製造方法であって、半導体基板の表面において前記トーションバーとなる部位に薄膜からなる前記スペーサを形成した後、前記重り部およびスペーサにマスクを施して前記メンブレンばねおよびトーションバーをドライエッチングにより形成し、次に、前記電極を形成した前記支持基板とスペーサを形成したトーションバーとを陽極接合により接合することを特徴とする半導体センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として角速度の検出に用いる半導体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】
近年、自動車におけるサスペンションやエアバッグの制御装置、航空機における慣性航法システム、カメラの手ぶれ補償装置などでは、半導体センサからなる角速度センサを設けたものが提供されている。この種の用途に用いる角速度センサとして、図４に示すように、円筒状に形成された重り部１１を備え、重り部１１における軸方向の両面に電極１２ａ，１２ｂ，１３が対向する構成のものが知られている。重り部１１の内周面には、重り部１１の中心軸方向において可撓となる薄肉状であるメンブレンばね１４（図５参照）が一体に設けられ、メンブレンばね１４の中心には重り部１１の中心軸上に配置されたトーションバー１５（図５参照）が一体に結合される。重り部１１とメンブレンばね１４とトーションバー１５とはシリコンを両面からエッチングすることによって形成される。すなわち、図示する角速度センサは、表面マイクロマシニングによるデバイスではなく、バルクマイクロマシニングの技術を用いたデバイスとして形成される（たとえば、非特許文献１参照）。したがって、重り部１１の中心軸方向における寸法はトーションバー１５の長さ寸法と略一致することになる。
【０００３】
重り部１１の一面には周方向における略等間隔で複数個の極歯１６が突設される。すなわち、重り部１１の一面は極歯１６を設けた凸部と、隣接する各一対の極歯１６の間の凹部とが周方向において交互に繰り返す形状に形成される。各極歯１６は、それぞれ重り部１１の一面における中心側が外周側よりも狭幅になる略扇形に形成される。重り部１１において極歯１６を設けた一面には４個の電極１２ａ，１２ｂが対向している。各電極１２ａ，１２ｂは、極歯１６に略一致する形状である略扇形の複数本の歯部１７ａと、歯部１７ａの外周端を各電極１２ａ，１２ｂごとにまとめて接続する背部１７ｂとを備える櫛歯状に形成される。１つの電極１２ａ，１２ｂは重り部１１の周方向において略４分の１周分の範囲に形成され、歯部１７ａと背部１７ｂとを含む全体形状としては扇形に形成されている。言い換えると、各電極１２ａ，１２ｂは略９０度間隔で配置されることになる。
【０００４】
４個の電極１２ａ，１２ｂのうち互いに１８０度離れた２個の電極１２ａは駆動用電極であって、トーションバー１５にねじりを加えていない状態において、重り部１１の極歯１６と電極１２ａの歯部１７ａとは周方向において規定した角度だけずれるように配置されている。したがって、重り部１１と電極１２ａとの間に交流電圧を印加することによって、重り部１１の極歯１６と電極１２ａの歯部１７ａとの吸引力が変化し、吸引力が大きくなればトーションバー１５のばね力に抗して重り部１１が回転しようとし、吸引力が小さくなればトーションバー１５のばね力によって重り部１１に復帰力が作用する。つまり、上述のように交流電圧を印加することによって、重り部１１にトーションバー１５の回りで回転する参照振動を与える。一方、電極１２ａ，１２ｂのうちの残りの２個の電極１２ｂは参照振動の振幅を検出するための検出用電極であって、２個の電極１２ｂの間の静電容量の変化によって重り部１１の回転位置を検出する。
【０００５】
重り部１１において極歯１６を設けていない一面には略４分の１円となる扇形に形成された４個の電極１３が配置される。各電極１３は検出電極であって、重り部１１の周方向において電極１２ａ，１２ｂと略同じ位置にそれぞれ配置され、各電極１２ａ，１２ｂと各電極１３とが対向する。つまり、電極１３も電極１２ａ，１２ｂと同様に略９０度間隔で配置される。いま、電極１３を配置した平面に平行であって重り部１１の中心（トーションバー１５の長手方向の中心）を通る平面をｘｙ平面とし、参照振動をｚ軸の回りに与えているものとし、角速度がｙ軸回りに印加されたとする。このとき、参照振動に同期したコリオリ力による検出振動がｘ軸回りに生じるから、検出振動によって生じる重り部１１と電極１３との間のギャップの変化を静電容量の差動変化として検出すれば、重り部１１に作用した角速度を求めることができる。
【０００６】
【非特許文献１】
井奧淳他：「シリコン円筒振動型ジャイロ」、電気学会センサマイクロマシン準部門、マイクロマシン・センサシステム研究会ＰＨＳ−０２−１６、２００２年１１月２７〜２８日（第１−２頁、図１、２）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した角速度センサは、電極１２ａ，１２ｂ，１３を保持するために、図５のようにガラス基板からなる支持基板１０を備える。上述のように重り部１１の中心軸方向の寸法とトーションバー１５の長さ寸法とは略一致しており、支持基板１０において電極１２ａ，１２ｂ，１３を保持する部位は重り部１１との間にギャップを設ける必要があるから、支持基板１０とトーションバー１５との結合部位では支持基板１０に突台１０ａを形成することが必要になる。このような突台１０ａを形成するには、突台１０ａの周囲を除去する加工が必要になる。ここで、フッ酸などを用いた湿式のエッチングにより突台１０ａを形成すると加工精度が低いという問題があり、誘導結合プラズマエッチングのような乾式のエッチングにより突台１０ａを形成すると加工時間が長くなるという問題が生じる。その上、突台１０ａは支持基板１０の一部分に形成するにもかかわらず、支持基板１０の大部分を除去することになるから、材料に多くの無駄が生じるという問題もある。
【０００８】
さらに、上述したように、重り部１１に参照振動を与えるために電極１２ａと重り部１１との間に交流電圧を印加するから、突台１０ａにはトーションバー１５との結合部位に至る配線が必要であって、この配線は突台１０ａによる段差に跨るから断線しやすく、歩留まりが低下するという問題もある。
【０００９】
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、高精度かつ短時間で加工することができる上に材料の無駄がなく、しかも支持基板に凹凸がなく支持基板に配線を形成しても断線の少ない半導体センサおよびその製造方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、半導体よりなる円筒状の重り部と、重り部の中心軸方向の両側にそれぞれ配置され重り部の中心軸方向の各面にそれぞれ対向する一対の支持基板と、各支持基板における重り部との対向部位にそれぞれ配置した電極と、重り部の中心軸上に配置され各一端が各支持基板に対してそれぞれ定位置に固定されるトーションバーと、重り部の中心軸方向において可撓となる薄肉状であって重り部の内周面とトーションバーの長手方向の中間部とを一体に結合するメンブレンばねと、トーションバーの各一端と各支持基板との間にそれぞれ介在し支持基板と重り部との距離に相当する厚み寸法を有し導電性材料からなるスペーサとを備えることを特徴とする。
【００１１】
この構成によれば、トーションバーの各一端と支持基板との間にそれぞれ導電性材料からなるスペーサを介在させているから、重り部と電極との間のギャップをスペーサによって確保することができ、支持基板に突台を設ける必要がなく、結果的に、支持基板にエッチング加工が不要になって支持基板を高精度かつ短時間で加工することができる上に材料の無駄がなくなる。さらに、支持基板に凹凸が形成されないから、重り部に電圧を印加するための配線を設ける場合でも配線に段差が形成されず、製造時における配線の断線が少なくなるから歩留まりが向上する。
【００１２】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記スペーサが金属からなることを特徴とする。この構成によれば、支持基板に配線を設けスペーサと配線とを接続する場合に、スペーサを配線と同材料で形成することが可能になり、配線とスペーサとの接合が容易になる。
【００１３】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記トーションバーがシリコンからなり、前記スペーサがポリシリコンからなることを特徴とする。この構成によれば、トーションバーとスペーサとの熱膨張率の差が小さいから、トーションバーとスペーサとの接合による内部応力の発生を抑制することができる。
【００１４】
請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の半導体センサの製造方法であって、半導体基板の表面において前記トーションバーとなる部位に薄膜からなる前記スペーサを形成した後、前記重り部およびスペーサにマスクを施して前記メンブレンばねおよびトーションバーをドライエッチングにより形成し、次に、前記電極を形成した前記支持基板とスペーサを形成したトーションバーとを陽極接合により接合することを特徴とする。
【００１５】
この方法では、半導体基板にあらかじめスペーサを形成した後に、ドライエッチングによりメンブレンばねおよびトーションバーを形成するから、加工対象となる半導体基板の厚み寸法が従来構成と同寸法であるとすれば重り部の質量は従来構成と同じであって、重り部と支持基板との間のギャップを確保しながらも、半導体基板については従来構成と比較して材料の損失が増加することがなく、むしろ支持基板における材料の損失が低減されることによって、コストの低減につながる。しかも、スペーサは一般的な薄膜の形成技術および加工技術によって形成することができるから、加工工程が大幅に増加することがない。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本実施形態において説明する半導体センサは、角速度センサであって基本的な構成は図４に示した従来構成と同様のものである。すなわち、図１および図２に示すように、円筒状に形成された重り部１１を備え、重り部１１の内周面には中心軸方向の中心付近に結合された円板状のメンブレンばね１４が設けられ、さらにメンブレンばね１４の中心を通り重り部１１の中心軸上に配置されたトーションバー１５を連続一体に備える。重り部１１とメンブレンばね１４とトーションバー１５とは、半導体基板（たとえば、ｎ形シリコン基板）を両面からエッチングすることによって形成される。メンブレンばね１４は、重り部１１の中心軸方向において可撓となるように薄肉状に形成され、トーションバー１５は重り部１１がトーションバー１５の回りに回転すると復帰力を作用させる。ここに、重り部１１の中心軸方向の寸法とトーションバー１５の長さ寸法とは略一致する。
【００１７】
一方、重り部１１の中心軸方向における両面には、ガラス基板からなる２枚の支持基板１０がそれぞれ対向する形で配置される。つまり、２枚の支持基板１０の間に重り部１１が配置される。一方の支持基板１０において重り部１１との対向面には電極１２ａ，１２ｂが設けられ、他方の支持基板１０において重り部１１との対向面には電極１３が設けられる。さらに、各支持基板１０にはトーションバー１５に電気的に接続される配線１８も形成される。各電極１２ａ，１２ｂ，１３の形状、配置、機能は従来構成と同様である。各電極１２ａ，１２ｂ，１３は、支持基板１０の厚み方向の一面に導電性薄膜（金属薄膜）として形成され、支持基板１０に貫設された透孔１０ｂの内周面に形成された導電性薄膜を通して外部回路と接続される。図示する透孔１０ｂは、矩形状に開口し、支持基板１０の厚み方向において電極１２ａ，１２ｂ，１３を設けた面から反対面に向かって開口面積を拡げる形状に形成されている。
【００１８】
ところで、各支持基板１０とトーションバー１５の各一端とはそれぞれスペーサ１６を介して結合される。スペーサ１６は、重り部１１と電極１２ａ，１２ｂ，１３との間のギャップを確保するのに必要な厚み寸法を有し、しかも支持基板１０に形成した配線１８とトーションばね１５とを電気的に接続するために導電性材料により形成される。具体的には、スペーサ１６の材料として金属またはポリシリコンが選択される。
【００１９】
上述した構成によって、支持基板１０には凹凸を設けることなく重り部１１と電極１２ａ，１２ｂ，１３との間のギャップを確保することができるから、支持基板１０にエッチングを施す必要がなく、高い加工精度が得られるとともに従来構成ではエッチングのために必要であった加工時間が不要になる。しかも、重り部１１に交流電圧を印加するための配線と、トーションばね１５とをスペーサ１６を介して接続するから、支持基板１０の上の配線に段差を生じることがなく、結果的に配線の断線の可能性が低減され歩留まりが向上する。
【００２０】
次に、上述した角速度センサの製造過程について図３を参照して説明する。ここでは、重り部１１とメンブレンばね１４とトーションバー１５の一体物を、ｎ形シリコンにより形成しているものとする。また、スペーサ１６を金属（具体的にはアルミニウム）を用いて形成するものとする。
【００２１】
まず、図３（ａ）のようなシリコン基板２０の一面にスパッタリングまたは蒸着によってアルミニウムのような金属膜を成膜する。次に、フォトリソグラフィ工程およびエッチング工程により金属膜をを加工し、図３（ｂ）のようにトーションばね１５の一端面となる部位にアルミニウム膜を残してスペーサ１６とする。つまり、スペーサ１６は薄膜として形成される。その後、図３（ｃ）のように、レジストもしくは酸化膜によるマスク２１を形成し、たとえば、ＤＥＥＰ−ＲＩＥのようなドライエッチングを施すことにより、図３（ｄ）のように、シリコン基板２０の一面側に凹所２２を形成する。この凹所２２は円環状に開口しており、凹所２２の底面はメンブレンばね１４の一面となり、底面の中央部にトーションバー１５の一端部が立設された形になる。
【００２２】
ここに、支持基板１０には、スパッタリングまたは蒸着によりアルミニウムなどの金属膜を成膜し、フォトリソグラフィ工程およびエッチング工程により金属膜を加工することによって電極１２ａ，１２ｂ，１３を形成しておく。上述のように、シリコン基板２０の一面に凹所２２が形成されると、シリコン基板２０からマスク２１を除去し、図３（ｅ）のように電極１２ａ，１２ｂ，１３を形成した２枚の支持基板１０のうちの一方に対して陽極接合により貼り合わせる。図示例では電極１３を設けた支持基板１０に形成した配線１８に、トーションバー１５に設けたスペーサ１６の部位を貼り合わせている。陽極接合に際しては、たとえば４００℃において、シリコン基板２０を正電位とし支持基板１０を負電位として６００Ｖの電圧を印加する。この条件によって、シリコン基板２０と支持基板１０とはスペーサ１６および配線１８を介して接合される。上述のようにして一方の支持基板１０にトーションバー１５を接合した後に、シリコン基板２０の他面に上記一面と同様の加工を施してメンブレンばね１４およびトーションバー１５を形成し、図３（ｆ）のようにスペーサ１６を他の支持基板１０に接合すれば、角速度センサが形成されるのである。
【００２３】
上述の構成例ではスペーサ１６としてアルミニウムのような金属を用いているが、ポリシリコンにより形成してもよい。スペーサ１６をポリシリコンにより形成する場合には、シリコン基板２０の表面にスペーサ１６となる部位以外にレジストを形成し、ポリシリコン層を成膜した後に、減圧ＣＶＤ法によりスペーサ１６となる部位以外のポリシリコンをリフトオフさせるなどの技術を採用すればよい。ここに、トーションバー１５は、重り部１１およびメンブレンばね１４と一体であってシリコンにより形成されているから、スペーサ１６をポリシリコンにより形成すれば、トーションバー１５とスペーサ１６との熱膨張率の差を小さくすることができるから内部応力の発生を抑制することができる。
【００２４】
【発明の効果】
本発明の構成によれば、重り部と電極との間のギャップをスペーサによって確保することができ、支持基板に突台を設ける必要がなく、結果的に、支持基板にエッチング加工が不要になって支持基板を高精度かつ短時間で加工することができる上に材料の無駄がなくなる。さらに、支持基板に凹凸が形成されないから、重り部に電圧を印加するための配線を設ける場合でも配線に段差が形成されず、製造時における配線の断線が少なくなるから歩留まりが向上する。
【００２５】
また、本発明方法によれば、加工対象となる半導体基板の厚み寸法が従来構成と同寸法であるとすれば重り部の質量は従来構成と同じであって、重り部と支持基板との間のギャップを確保しながらも、半導体基板については従来構成と比較して材料の損失が増加することがなく、むしろ支持基板における材料の損失が低減されることによって、コストの低減につながる。しかも、スペーサは一般的な薄膜の形成技術および加工技術によって形成することができるから、加工工程が大幅に増加することがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示す断面図である。
【図２】同上において重り部を透視した平面図である。
【図３】同上の製造方法を示す工程図である。
【図４】従来例を示す要部斜視図である。
【図５】同上の断面図である。
【符号の説明】
１０  支持基板
１１  重り部
１２ａ，１２ｂ  電極
１３  電極
１４  メンブレンばね
１５  トーションバー
１６  スペーサ
２０  シリコン基板
２１  マスク
【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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