專利名稱：半導(dǎo)體加速度傳感器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有抗沖擊性的半導(dǎo)體加速度傳感器及其制備方法。
背景技術(shù)：
圖15A和圖15B顯示了常規(guī)的半導(dǎo)體加速度傳感器。這種傳感器包括框架101，其內(nèi)部具有一開口；撓性橫梁102，從框架101延伸到框架101的開口內(nèi)并具有相交部分；重物103，其懸掛在橫梁102的交叉部分并由橫梁102的交叉部分支撐以使該重物可自由移動(dòng)；壓電電阻器(未示出)，其安裝在橫梁102上并且隨橫梁102中由于重物的位移所產(chǎn)生的變形而改變電阻值；以及底座105。(例，參考日本特開專利公開Hei 8-327656和日本特開專利公開Hei 11-135804)框架101例如由硅制成的半導(dǎo)體襯底構(gòu)成，并如平面圖中所見，其大致為矩形，在其內(nèi)部具有一開口106。設(shè)置橫梁102為每個(gè)橫梁從構(gòu)成框架101的四個(gè)側(cè)面的每一個(gè)的上表面向內(nèi)延伸，并且橫梁102在框架101內(nèi)的中心附近彼此相交以形成交叉部分102a。較細(xì)地形成每個(gè)橫梁102，以便其為撓性的。
在橫梁102的表面，并分別在交叉部分102a的附近以及在橫梁102的四個(gè)底端部分102b處設(shè)置多個(gè)壓電電阻器(未示出)。這里假設(shè)平行于框架101的任意一個(gè)側(cè)面的方向是X-軸，平行于框架101的另一側(cè)面并以90度角與X-軸相交的方向是Y-軸，與X-軸和Y-軸都以90度角相交的方向是Z-軸。根據(jù)這種假設(shè)，對(duì)應(yīng)X-軸、Y-軸、Z-軸的每組有四個(gè)壓電電阻器的三組壓電電阻器形成惠斯登橋以分別檢測(cè)在三個(gè)軸方向上作用的加速度。這些壓電電阻器進(jìn)一步連接到框架101上形成的電極(未示出)。
重物103連接并懸掛于橫梁102的交叉部分102a的下表面，由此由框架101支撐重物103以便重物103由于橫梁102的撓性可自由移動(dòng)。重物103具有梯形截面，該梯形截面的寬度在Z-軸方向上從框架101到底座105而減小。而且，重物103具有小于框架101的厚度，以為重物103響應(yīng)其上作用的加速度提供可自由移動(dòng)的空間。在框架101的開口106的拐角部分，設(shè)置制動(dòng)器104以限制重物103的移動(dòng)。每個(gè)制動(dòng)器104大致為三角形，通過并沿著框架101的對(duì)應(yīng)側(cè)面支撐三角形的兩邊。制動(dòng)器104和底座105具有限制重物103自由移動(dòng)程度的功能。如平面圖中所見，底座105大致為與框架101的外形相同的矩形。
當(dāng)加速度在具有上述結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體加速度傳感器上作用時(shí)，由于重物被框架101和橫梁102支撐而可自由移動(dòng)，因此重物103根據(jù)其上作用的加速度方向和大小縱向地、橫向地和/或垂直地前后移動(dòng)。這時(shí)，在橫梁102中出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)發(fā)生從而多個(gè)壓電電阻器承受應(yīng)力，由此它們的電阻改變。結(jié)果，惠斯登橋失去平衡，從對(duì)應(yīng)各個(gè)軸的惠斯登橋輸出對(duì)應(yīng)其上作用的加速度的電信號(hào)。通過從電極采集電信號(hào)，可檢測(cè)加速度。當(dāng)橫梁102上作用過量的加速度時(shí)，制動(dòng)器104和底座105限制重物103的自由移動(dòng)，由此防止它們斷裂。
然而，根據(jù)這種半導(dǎo)體加速度傳感器，當(dāng)重物103撞擊制動(dòng)器104時(shí)，存在沖撞局部集中的可能。由于這種影響，很難提高制動(dòng)器104的抗斷裂的能力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種通過改進(jìn)制動(dòng)器的斷裂極限而具有優(yōu)良的抗沖擊性的半導(dǎo)體加速度傳感器。
為了達(dá)到該目的，根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體加速度傳感器由半導(dǎo)體襯底形成并包括一矩形框架，具有側(cè)面及其內(nèi)部的一開口，并且該框架進(jìn)一步具有該框架的每?jī)蓚€(gè)鄰接側(cè)面的拐角部分；多個(gè)撓性橫梁，其從框架延伸到該框架的開口內(nèi)，并且在其之間的相交處具有一交叉部分；一重物，其懸掛在所述橫梁的交叉部并由其支撐，并且從俯視方向看，該重物位于該開口中以便自由移動(dòng)，并且該重物具有分別面向所述框架拐角部分的拐角部分；以及壓電電阻器，其安裝在所述橫梁上并隨橫梁中由于重物的位移所產(chǎn)生的變形而改變電阻值，其中該框架包括分別在框架各個(gè)拐角部分設(shè)置的風(fēng)擋部分，分別用于限制重物的拐角部分的位移超過預(yù)定數(shù)值，其中每個(gè)風(fēng)擋部分覆蓋開口的一部分，該部分包括從框架的每個(gè)拐角部分到該開口內(nèi)的范圍，并且，其中重物的每個(gè)拐角部分的角被去掉，以具有從俯視方向看的弧形或至少由三條邊構(gòu)成的折線形。
根據(jù)本發(fā)明，由于風(fēng)擋部分用作制動(dòng)器，因此不需要另外設(shè)置由分離構(gòu)件形成的制動(dòng)器，就限制了重物朝向橫梁的位移，從而重物的移動(dòng)不會(huì)超過加速度檢測(cè)限制而引起其斷裂。而且，分別對(duì)應(yīng)于框架的拐角部分的重物的每個(gè)拐角部分的角被去掉，以形成如平面圖中所示的圓弧或由至少三條邊構(gòu)成的折線。由于這種設(shè)計(jì)，當(dāng)重物撞擊風(fēng)擋部分時(shí)，可防止重物對(duì)風(fēng)擋部分施加的沖擊局部集中。因此，風(fēng)擋部分的斷裂強(qiáng)度提高，從而提高了半導(dǎo)體加速度傳感器的抗沖擊性。
優(yōu)選地，每個(gè)風(fēng)擋部分具有在其厚度方向上穿透的通孔。這在起初就夾在重物和風(fēng)擋部分之間的襯底和層被蝕刻的情況下是有利的，因?yàn)橛纱藭?huì)增加襯底或?qū)颖┞对谖g刻劑下的區(qū)域，因此可縮短蝕刻時(shí)間。
進(jìn)一步優(yōu)選，每個(gè)風(fēng)擋部分面向框架開口的邊緣，通過弧形交叉部分在其每個(gè)端部處鄰接到框架兩個(gè)邊緣的每個(gè)端部，其鄰接每個(gè)風(fēng)擋部分的邊緣并面向框架的開口。這可分散不然將集中在每個(gè)風(fēng)擋部分和框架之間的交叉部分上的應(yīng)力。因此，提高了風(fēng)擋部分的斷裂強(qiáng)度，從而也提高了半導(dǎo)體加速度傳感器的抗沖擊性。
在附加的權(quán)利要求中闡述本發(fā)明新穎的特征時(shí)，可從下面結(jié)合附圖的詳細(xì)描述中更好地理解本發(fā)明。


此后參考附圖描述本發(fā)明。請(qǐng)注意顯示所有的附圖是為了說明本發(fā)明或其實(shí)施例的技術(shù)思想，其中圖1A是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例1的半導(dǎo)體加速度傳感器的平面示意圖，同時(shí)圖1B是圖1A沿A-A線的剖面示意圖，以及圖1C是圖1A沿B-B線的剖面示意圖；圖2是半導(dǎo)體加速度傳感器的局部透視放大平面示意圖，顯示其包括并圍繞風(fēng)擋部分的這部分；圖3A到圖3D是半導(dǎo)體加速度傳感器及其分別在不同步驟下的產(chǎn)物的剖面示意圖，顯示了其制造方法；圖4是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例2的半導(dǎo)體加速度傳感器的局部透視放大平面示意圖，顯示其包括并圍繞風(fēng)擋部分的這部分；圖5是圖4沿C-C線的剖面示意圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例3的半導(dǎo)體加速度傳感器的局部透視放大平面示意圖，顯示包括并圍繞風(fēng)擋部分的那部分；圖7A是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例4的半導(dǎo)體加速度傳感器的平面示意圖，同時(shí)圖7B是圖7A沿A-A線的剖面示意圖，以及圖7C是圖7A沿B-B線的剖面示意圖。
圖8A是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例5的半導(dǎo)體加速度傳感器的平面示意圖，同時(shí)圖8B是圖8A沿A-A線的剖面示意圖，以及圖8C是圖8A沿B-B線的剖面示意圖；圖9是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例6的半導(dǎo)體加速度傳感器的平面示意圖；圖10是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例7的半導(dǎo)體加速度傳感器的平面示意圖；圖11是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例8的半導(dǎo)體加速度傳感器的平面示意圖；圖12是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例9的半導(dǎo)體加速度傳感器的平面示意圖；圖13是對(duì)于根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例10的用于半導(dǎo)體加速度傳感器，包括橫梁和主重物的框梁結(jié)構(gòu)的部分剖面示意圖；圖14A到圖14G是框梁結(jié)構(gòu)及其分別在不同步驟下的產(chǎn)物的剖面示意圖，顯示了其制造方法；圖15A是常規(guī)半導(dǎo)體加速度傳感器的斜視示意圖，同時(shí)圖15B是其剖面示意圖。
具體實(shí)施例方式
在下面參考附圖的非限制性實(shí)施例中描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的半導(dǎo)體加速度傳感器。
參考圖1A、圖1B以及圖1C和圖2描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例1的半導(dǎo)體加速度傳感器。通過處理SOI(絕緣體上硅)襯底1制造本實(shí)施例的半導(dǎo)體加速度傳感器，SOI襯底1包括支撐層12、在支撐層上的絕緣層12、在絕緣層上的有源層13的疊層，支撐層12例如由硅(Si)構(gòu)成，絕緣層12例如由二氧化硅構(gòu)成(SiO2)，有源層由硅(Si)構(gòu)成。有源層13是半導(dǎo)體層。半導(dǎo)體加速度傳感器包括框架2、橫梁3、壓電電阻器4、重物5以及風(fēng)擋部分6，作為主要構(gòu)成元件。
框架2用作半導(dǎo)體加速度傳感器的基座，并通過撓性橫梁3，在它的內(nèi)部空間內(nèi)支撐重物5。通過在SOI襯底1上設(shè)置內(nèi)開口以形成框架主體來形成框架2，并且如平面圖中所示框架2的形狀大致為矩形。因此，框架2包括由支撐層11，絕緣層12以及有源層13構(gòu)成的三層。在支撐層11的表面上形成例如由鋁(Al)制成、并分別連接到壓電電阻器4x、4y、4z的電極(未示出)。通過電極，可采集轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的加速度。在每個(gè)開口21的側(cè)面上，框架2的每?jī)蓚€(gè)鄰接側(cè)面的每個(gè)拐角部分22為例如如平面圖所示的弧形。
每個(gè)橫梁3僅由有源層形成，并懸掛和支撐重物5以便重物可自由移動(dòng)。這里強(qiáng)調(diào)使用術(shù)語“自由移動(dòng)”以表示“縱向地、橫向地、和/或垂直地前后移動(dòng)”。每個(gè)橫梁3從框架2的每個(gè)側(cè)面的大約中心處向內(nèi)延伸，并通過交叉部分23在框架2的大約中心處相互連接。如平面圖所示每個(gè)橫梁3為與有源層13大致相同厚度的條形，并為撓性部件，通過重物5根據(jù)其上作用的加速度大小可彎曲。由橫梁3和框架2形成四個(gè)開口21。
當(dāng)橫梁3由于其上作用的加速度而變形時(shí)，壓電電阻器4x、4y以及4z分別將其中產(chǎn)生的應(yīng)力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。在橫梁3和交叉部分23之間的邊緣，以及橫梁3和框架2之間的邊緣附近，在橫梁3的表面上形成這些壓電電阻器4x、4y以及4z。其中，在橫梁3和交叉部分23之間的邊緣附近的壓電電阻器4x和4y對(duì)應(yīng)具有平行于框架2的側(cè)面的方向上的分矢量的加速度。定義平行框架2的一個(gè)側(cè)面的方向是X-軸，則平行于框架2的另一個(gè)側(cè)面并垂直于X-軸的方向是Y-軸，那么在平行于X-軸的橫梁3上設(shè)置的四個(gè)壓電電阻器4x形成惠斯登橋，同時(shí)在平行于Y-軸的橫梁3上設(shè)置的四個(gè)壓電電阻器4y形成另一個(gè)惠斯登橋。另一方面，在橫梁3和框架2之間的邊緣附近的壓電電阻器4z對(duì)應(yīng)具有垂直X-軸和Y-軸的方向上的分矢量的加速度。定義這個(gè)方向?yàn)閆-軸，四個(gè)橫梁3上設(shè)置的四個(gè)壓電電阻器4z形成另外的惠斯登橋。
根據(jù)其上作用的每個(gè)加速度的大小，重物5自由移動(dòng)并由此改變每個(gè)橫梁3的偏轉(zhuǎn)量。換句話說，施加到重物5的加速度轉(zhuǎn)換為根據(jù)牛頓的位移公式計(jì)算的力(F＝mα，這里F是力，m是重物5的質(zhì)量，以及α是加速度)，并且這個(gè)力使橫梁偏轉(zhuǎn)。重物5設(shè)置在框架2內(nèi)的空間中，以及懸掛在橫梁3上并通過橫梁3支撐。具體地，通過支撐層11形成重物5，并且重物5包括主重物51和四個(gè)輔助重物52。
如平面圖所示，主重物51的形狀大致為矩形，并具有小于框架2的厚度，小于的厚度量為每個(gè)橫梁3在Z-軸上的容許位移。主重物51通過SOI襯底1的絕緣層12連接到交叉部分23。如平面圖所示每個(gè)輔助重物52的形狀大致為矩形，并具有與由支撐層11形成的主重物51相同的厚度。如在其上沒有作用加速度時(shí)從有源層13的側(cè)面所見，輔助重物52分別連接到主重物51的四個(gè)拐角，并且分別設(shè)置在四個(gè)開口21內(nèi)。去掉面向框架2的每個(gè)拐角部分22的輔助重物52的每個(gè)拐角部分53的角，并且每個(gè)拐角部分53具有與每個(gè)拐角22相似的弧形(如平面圖中所示的弧形)。形成每個(gè)拐角部分53以具有這種弧度，從而使在框架2和每個(gè)輔助重物52之間的距離基本保持為常數(shù)。
每個(gè)風(fēng)擋部分6都是制動(dòng)器，以通過其與輔助重物52的接觸在Z-軸方向上限制重物5的過量位移，并且形成風(fēng)擋部分6，以覆蓋開口21的一部分，該部分包括從開口21的側(cè)面上框架2的兩個(gè)鄰接側(cè)面的拐角部分22到開口21內(nèi)的范圍。如平面圖所示，每個(gè)風(fēng)擋部分6的形狀大致為三角形，并由SOI襯底1的有源層13形成，以便風(fēng)擋部分6與每個(gè)橫梁3在相同平面上。
每個(gè)風(fēng)擋部分6具有在厚度方向上穿透的多個(gè)通孔61，在風(fēng)擋部分面向輔助重物52的區(qū)域中設(shè)置這些通孔。如平面圖所示，每個(gè)通孔61大致為圓形。這些通孔61在制備工藝中主要用作引入蝕刻劑的通路，以將重物5與風(fēng)擋部分6分隔開，并且通孔相互之間大致等距離設(shè)置，即任意兩個(gè)相鄰?fù)拙哂写笾潞愣ǖ闹行牡街行牡木嚯x。而且，最接近每個(gè)風(fēng)擋部分6的鄰接開口21的邊緣62的這些通孔，從邊緣62以大致為通孔61中心到中心距離的一半來設(shè)置。
接下來，參考圖3A到圖3D描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的半導(dǎo)體加速度傳感器的制備工藝。這些附圖是圖1中的半導(dǎo)體加速度傳感器或其產(chǎn)物沿圖1A中的A-A線截取的剖面示意圖，其分別描述了制備工藝的步驟。首先，制備具有400到600μm厚的支撐層11、0.3到1.5μm厚的絕緣層12以及4到6μm厚的有源層13的SOI襯底1，其中支撐層11的導(dǎo)電類型為n-型。在SOI襯底1的表面上，例如通過熱氧化形成二氧化硅(SiO2)的氧化膜(未示出)。絕緣層12具有與支撐層11和有源層13都不同的蝕刻率。這有利于執(zhí)行后面描述的蝕刻以除去支撐層11或有源層13，留下絕緣層12。
接下來，通過除去氧化膜的中心部分將支撐層11上的氧化膜構(gòu)圖成預(yù)定形狀，如平面圖中所示，中心部分大致為矩形。此后，通過使用例如，堿性水溶液，如氫氧化鉀水溶液(KOH)或氫氧化四甲銨(TMAH)水溶液的濕蝕刻，或使用例如反應(yīng)離子蝕刻(RIE)的干蝕刻來蝕刻暴露的支撐層11，以在支撐層11中形成凹槽14(參考圖3A)。
隨后，在有源層13上形成壓電電阻器，電極以及將壓電電阻器電連接到電極的布線(未示出)。其中，如下形成壓電電阻器4和布線。以預(yù)定形狀構(gòu)圖有源層13上的氧化膜。通過例如，離子注入或淀積擴(kuò)散將p-型導(dǎo)電雜質(zhì)如硼(B)注入到由此暴露的有源層13中。此后，在加熱到大約1100℃的蒸氣和氧的混合氣體中約30分鐘使雜質(zhì)熱擴(kuò)散到其中，從而在SOI襯底的有源層側(cè)面的表面上形成包括壓電電阻器和布線的另一氧化膜，由此形成壓電電阻器和布線的工藝結(jié)束。
另一方面，如下形成電極。在如上形成壓電電阻器4和布線之后，在布線上另一氧化膜上的預(yù)定位置處形成接觸孔(未示出)。隨后，例如，通過濺射在有源層13側(cè)面上的氧化膜上淀積鋁膜。此后，在鋁膜上涂敷光刻膠(未示出)，然后以預(yù)定形狀構(gòu)圖光刻膠，由此形成電極的工藝結(jié)束。
接下來，在支撐層11上涂敷光刻膠，然后構(gòu)圖光刻膠以除去對(duì)應(yīng)凹槽14的下表面的周圍部分的區(qū)域中的，以及對(duì)應(yīng)凹槽14的下表面的四個(gè)大致為長(zhǎng)矩形區(qū)域中的光刻膠，每個(gè)上述區(qū)域都包括從凹槽14的下表面的四個(gè)邊的每個(gè)大致中心位置至凹槽14的下表面的內(nèi)側(cè)(大致中心)橫跨的范圍。此后，通過感應(yīng)耦合等離子體(ICP)蝕刻，支撐層11在其除去光刻膠而暴露的那部分處，從凹槽14上的支撐層11的表面向上到其與絕緣層12相接處的末端被蝕刻掉(參考圖3B)。
然后，在有源層13上涂敷光刻膠，并以預(yù)定形狀構(gòu)圖光刻膠，以除去對(duì)應(yīng)形成的開口21和通孔61的光刻膠部分。此后，通過上述的濕蝕刻或感應(yīng)耦合等離子體(ICP)蝕刻，有源層13從除去光刻膠而暴露的有源層的表面向上到其與絕緣層12相接處的末端的被蝕刻掉(參考圖3C)。
最后，通過浸沒在氟化氫(HF)溶液中或通過暴露在氟化氫(HF)溶液的噴霧中蝕刻掉絕緣層12的一部分，該部分對(duì)應(yīng)除了形成框架2和主重物51外的那些部分，由此形成可自由移動(dòng)的重物5，并完成了半導(dǎo)體加速度傳感器。
通過在封裝(未示出)中安裝該傳感器，具體地通過在具有設(shè)置在傳感器和封裝之間的底座的封裝中安裝該傳感器，并通過用電線將封裝連接到傳感器的電極，可將該半導(dǎo)體加速度傳感器用作加速度傳感器設(shè)備。
根據(jù)本實(shí)施例的半導(dǎo)體加速度傳感器中，當(dāng)半導(dǎo)體加速度傳感器接收的加速度超過Z-軸中容許的加速度限度時(shí)，每個(gè)風(fēng)擋部分6容許輔助重物52與其接觸，由此防止橫梁3的移動(dòng)超過容許極限。而且，在框架2的拐角部分22上，以及每個(gè)輔助重物52的拐角部分上形成的弧形用作分散當(dāng)輔助重物52撞擊風(fēng)擋部分6時(shí)產(chǎn)生的沖擊，由此防止該沖擊局部集中。
通孔61用于容許介于形成的風(fēng)擋部分6和輔助重物52之間的絕緣層12增加其接觸蝕刻劑的面積。而且，以相鄰?fù)?1具有大致恒定的中心到中心的距離的方式設(shè)置通孔61，由此在蝕刻劑和絕緣層12之間的各個(gè)相鄰接觸點(diǎn)相互之間為大致等距離。
根據(jù)上面描述的半導(dǎo)體加速度傳感器，可限制Z-軸方向上重物5的位移，并當(dāng)重物5撞擊風(fēng)擋部分6時(shí)，減小施加到風(fēng)擋部分6的沖擊的局部集中。因此，增加了風(fēng)擋部分6的斷裂強(qiáng)度，并且因此提高了半導(dǎo)體加速度傳感器的抗沖擊性。
另外，根據(jù)上面描述的制備半導(dǎo)體加速度傳感器的方法，縮短了用于蝕刻絕緣層12的時(shí)間。而且可防止過蝕刻介于形成的框架2和主重物51之間的部分絕緣層12，由此增加了半導(dǎo)體加速度傳感器的強(qiáng)度。
請(qǐng)注意框架2的每個(gè)拐角部分22以及每個(gè)輔助重物52的拐角部分53的形狀不限于平面圖中所示的弧形。例如，用以45度角相交每?jī)蓚€(gè)側(cè)面的每個(gè)側(cè)面的垂直平面(形成如平面圖所示的三個(gè)邊構(gòu)成的折線)，或用多個(gè)垂直平面切割框架2的每?jī)蓚€(gè)鄰接側(cè)面以及每個(gè)輔助重物52的兩個(gè)鄰接外側(cè)，以在其每?jī)蓚€(gè)鄰接側(cè)面的每個(gè)拐角部分大致形成弧形。而且，也可以具有如平面圖所示的多個(gè)邊或弧形的形狀，形成框架2的每個(gè)拐角22或每個(gè)輔助重物52的拐角部分53。
也應(yīng)注意可在每個(gè)風(fēng)擋部分6的整個(gè)區(qū)域中形成通孔61，而不限于每個(gè)風(fēng)擋部分6面向?qū)?yīng)的輔助重物52的區(qū)域。另外，如平面圖所示通孔61的形狀不限于圓形或大致的圓形。進(jìn)一步可不形成通孔62而除去介于每個(gè)形成的風(fēng)擋部分6和輔助重物52之間的絕緣層12。
實(shí)施例2圖4和圖5表示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例2的半導(dǎo)體加速度傳感器的一部分，該部分包括并圍繞風(fēng)擋部分7。除了根據(jù)本實(shí)施例的半導(dǎo)體加速度傳感器的每個(gè)風(fēng)擋部分7與實(shí)施例1的風(fēng)擋部分6不同外，除了風(fēng)擋部分7之外的根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的半導(dǎo)體加速度傳感器的元件基本上與實(shí)施例1中的相同。因此，這里使用相同的附圖標(biāo)記表示實(shí)施例1中相同的元件，并在此省略這些相同元件的詳細(xì)描述。
本實(shí)施例的風(fēng)擋部分7與實(shí)施例1的風(fēng)擋部分6不同之處在于面向框架2的開口21的風(fēng)擋部分7的邊緣72通過弧形相交部分71(在平面圖中的弧形)在其每個(gè)端部連接到框架2的兩個(gè)邊緣21a的每個(gè)的端部，這兩個(gè)邊緣21a鄰接風(fēng)擋部分7的邊緣72并面向框架2的開口21。當(dāng)半導(dǎo)體加速度傳感器接收的加速度超過Z-軸上允許的加速度極限時(shí)，風(fēng)擋部分7允許輔助重物52與其接觸，由此防止橫梁3移動(dòng)超過容許的限度。而且，交叉部分71的弧形可分散不然將集中在交叉部分71上的應(yīng)力。
根據(jù)本實(shí)施例，去掉輔助重物52的拐角部分53的角，并且拐角部分53具有如側(cè)面圖所示的弧形形狀。這種結(jié)構(gòu)使當(dāng)輔助重物52顯著移動(dòng)時(shí)可以在其拐角部分53處被風(fēng)擋部分7阻止，輔助重物52以及風(fēng)擋部分7之間較大面積地接觸，使風(fēng)擋部分7遭受較小的沖擊。
根據(jù)本實(shí)施例的半導(dǎo)體加速度傳感器，可進(jìn)一步增加風(fēng)擋部分7的斷裂強(qiáng)度，并由此增加半導(dǎo)體加速度傳感器的抗沖擊性。應(yīng)當(dāng)指出的是相交部分71不限于弧形，而可以分別是一垂直平面上的線段(如平面圖中所示)，該垂直平面以45度角在線段的兩端與邊緣和框架2相交。相交部分71也可以是分別在多個(gè)垂直平面上的多個(gè)邊的折線(如平面圖所示)構(gòu)成的近似弧形。
實(shí)施例3圖6表示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例3的半導(dǎo)體加速度傳感器的一部分，該部分包括并圍繞風(fēng)擋部分7。本發(fā)明不同于圖4中顯示的實(shí)施例2之處在于形成的根據(jù)本實(shí)施例的框架2的拐角部分22具有如平面圖中所示的多條邊(具體地是三條邊)，而實(shí)施例2中的拐角部分22具有如平面圖中所示的弧形曲面。本實(shí)施例與圖4中所示的實(shí)施例2的相同處在于輔助重物52的拐角部分53為弧形。
實(shí)施例4圖7A、圖7B和圖7C表示本實(shí)施例的半導(dǎo)體加速度傳感器。根據(jù)本實(shí)施例，作為撓性部件的每個(gè)橫梁3具有從主重物51到框架2的對(duì)應(yīng)面逐漸增加的寬度。具體地，每個(gè)橫梁3具有的形狀是，當(dāng)每個(gè)橫梁3的寬度位置從主重物51開始并變得更接近框架2的對(duì)應(yīng)面時(shí)，橫梁在框架2的側(cè)面的端部增加其寬度。如圖所示，如平面圖所示每個(gè)輔助重物52具有與如平面圖中所示的每個(gè)對(duì)應(yīng)開口21大致相同的形狀。每個(gè)輔助重物52的這種形狀以及每個(gè)開口21的這種形狀分別與上面實(shí)施例1描述的那些對(duì)應(yīng)的形狀不同，而兩個(gè)實(shí)施例中的其它結(jié)構(gòu)是彼此相同的。具體地，在本實(shí)施例4中，例如每個(gè)框架2具有風(fēng)擋部分6，并且去掉每個(gè)輔助重物52的拐角部分的角。風(fēng)擋部分6的形狀和輔助重物52的拐角部分的形狀不限于附圖中所示，而可具有任意的形狀。(這種形狀的任意性也適用于下面的實(shí)施例。)在圍繞框架2的矩形邊緣的底表面處將框架2粘接到蓋50的矩形邊緣的內(nèi)表面，該蓋50為如平面圖所示的矩形。這種蓋也可用于上述的實(shí)施例。在面向重物50的側(cè)面上，該蓋50具有形成于其中的凹槽以保證重物5的移動(dòng)范圍。
根據(jù)本實(shí)施例，可增加在框架2的側(cè)面的每個(gè)橫梁3的強(qiáng)度，即可增加其彈性常數(shù)。結(jié)果，可減小由于從框架2傳遞到每個(gè)橫梁3的熱應(yīng)力引起的重物5的位移，由此改進(jìn)傳感器的溫度特性，尤其是每個(gè)設(shè)置在框架2的側(cè)面處每個(gè)橫梁3端部附近的電阻器構(gòu)成的橋接電路的輸出的溫度特性。而且減小了隨時(shí)間的性能變化以及滯后特性的發(fā)生。
應(yīng)當(dāng)指出的是每個(gè)橫梁3也可具有從主重物51的側(cè)面到框架2的側(cè)面增加寬度和厚度的形狀。因此在框架2側(cè)面處的每個(gè)橫梁3的強(qiáng)度進(jìn)一步加強(qiáng)。而且每個(gè)橫梁3可具有在垂直其長(zhǎng)度方向的平面上的梯形截面。與背面相比，這增加了在正面處的每個(gè)橫梁3的強(qiáng)度，因此減小了由于熱應(yīng)力的橫梁3的偏轉(zhuǎn)。可選地，每個(gè)橫梁3在垂直其長(zhǎng)度方向的平面上可具有這種截面，以便橫梁3在其兩個(gè)側(cè)面的每一個(gè)都為凹弧形。這可增加每個(gè)橫梁3的側(cè)面的面積，由此減小由于熱應(yīng)力引起的橫梁3的偏轉(zhuǎn)。而且，每個(gè)橫梁3具有從其大約中心到其兩端在長(zhǎng)度方向上增加的厚度。
實(shí)施例5圖8A、8B和圖8C表示根據(jù)本實(shí)施例的半導(dǎo)體加速度傳感器。本實(shí)施例在每個(gè)橫梁3的形狀上不同于實(shí)施例4。每個(gè)橫梁3的形狀是，如平面圖所示，每個(gè)橫梁3在長(zhǎng)度方向上從其在主重物51的端部到其大約中心位置具有恒定寬度，以及在長(zhǎng)度方向上從大約中心位置到框架2的對(duì)應(yīng)面的端部具有逐漸增加的寬度。
與實(shí)施例4相比本實(shí)施例可減小在主重物51附近的每個(gè)橫梁3的寬度，由此提高在X-軸和Y-軸的每個(gè)方向上加速度檢測(cè)的靈敏性。
實(shí)施例6圖9表示根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體加速度傳感器。在本實(shí)施例中，每個(gè)橫梁的形狀是，如平面圖所示，每個(gè)橫梁3從其在主重物51的側(cè)面的端部，到長(zhǎng)度方向上接近其在框架2的對(duì)應(yīng)側(cè)面的端部的另一位置具有恒定的寬度，并且從長(zhǎng)度方向上的另一位置到其在框架2的對(duì)應(yīng)側(cè)面的端部具有逐漸增加的寬度。
本發(fā)明也可減小主重物51附近的每個(gè)橫梁3的寬度，由此提高在X-軸和Y-軸的每個(gè)方向上加速度檢測(cè)的靈敏性。另外，由于形成每個(gè)橫梁3在框架2的對(duì)應(yīng)側(cè)面的端部具有如平面圖所示的弧形，因此當(dāng)過量的加速度施加到每個(gè)橫梁3時(shí)可緩解在框架2的側(cè)面的每個(gè)橫梁3的端部部分的應(yīng)力集中，由此增加抗沖擊性。
除了如平面圖所示的弧形外形狀來增加朝向框架2的側(cè)面的寬度之外，每個(gè)橫梁3也可以具有如側(cè)面圖所示的凹槽或弧形以增加朝向框架2的側(cè)面的厚度。每個(gè)橫梁3也可只具有如平面圖所示的弧形或如側(cè)面圖所示的弧形。優(yōu)選地，每個(gè)橫梁既具有如平面圖所示的弧形又具有側(cè)面圖所示的弧形以進(jìn)一步增加抗沖擊性。
實(shí)施例7圖10表示根據(jù)本實(shí)施例的半導(dǎo)體加速度傳感器。在本實(shí)施例中，如平面圖所示，每個(gè)橫梁3具有從其在框架2側(cè)面的端部到接近其在主重物51側(cè)面的端部處的一內(nèi)部位置在長(zhǎng)度方向上減小的寬度，然后從這個(gè)內(nèi)部位置到它在主重物51側(cè)面的端部在長(zhǎng)度方向上增加的寬度。每個(gè)橫梁3在主重物51側(cè)面的其內(nèi)部端部處的擴(kuò)展的寬度可以穩(wěn)定橋接電路的輸出值的溫度特性，該橋接電路用于分別檢測(cè)X-軸和Y-軸方向上的加速度。
實(shí)施例8圖11表示根據(jù)本實(shí)施例的半導(dǎo)體加速度傳感器。在本實(shí)施例中，如平面圖所示，形成的每個(gè)橫梁3具有從其在框架2側(cè)面的端部到第一內(nèi)部位置在長(zhǎng)度方向上減小的寬度，然后從這個(gè)第一內(nèi)部位置到接近它在主重物51側(cè)面的第二內(nèi)部位置在長(zhǎng)度方向上恒定的寬度，然后從這個(gè)第二內(nèi)部位置到它在主重物51側(cè)面的端部在長(zhǎng)度方向上逐漸增加的寬度。每個(gè)橫梁3在它的在主重物51側(cè)面的內(nèi)部端部的擴(kuò)展寬度可獲得與上面實(shí)施例7中描述的那些相同效果。
實(shí)施例9圖12表示根據(jù)本實(shí)施例的半導(dǎo)體加速度傳感器。在本實(shí)施例中，如平面圖所示，形成的每個(gè)橫梁3具有從它在框架2側(cè)面的端部在長(zhǎng)度方向上的向內(nèi)逐漸減小的寬度。這一特征與其它特定的實(shí)施例相同。這一特征可獲得與上面實(shí)施例中所述的相同效果。此外，如圖12所示，每個(gè)橫梁3也可在它在重物51的內(nèi)部具有，與其它實(shí)施例的每個(gè)對(duì)應(yīng)形狀不同的形狀。
實(shí)施例10圖13表示根據(jù)本實(shí)施例用于半導(dǎo)體加速度傳感器的框-梁結(jié)構(gòu)。本實(shí)施例的框-梁結(jié)構(gòu)，在它的基本設(shè)計(jì)中，與上述每個(gè)實(shí)施例的框-梁結(jié)構(gòu)基本相同，除了這里的每個(gè)橫梁3具有從它在主重物51側(cè)面的端部到它在框架2側(cè)面的端部增加的厚度。在本實(shí)施例中，用硅襯底制備用于半導(dǎo)體加速度傳感器的框-梁結(jié)構(gòu)。根據(jù)本實(shí)施例的這種結(jié)構(gòu)可減小由于從框架2傳遞到每個(gè)橫梁3的熱應(yīng)力引起的主框架51的位移，由此改進(jìn)溫度特性。
接下來，參考圖14A到14G描述根據(jù)本實(shí)施例的用于半導(dǎo)體加速度傳感器的包括橫梁3的框-梁結(jié)構(gòu)的制備方法。
首先，如圖14A所示，在硅襯底80的后表面(圖中的上表面)上涂敷正光刻膠以形成光刻膠層31，由此獲得如圖14B所示的光刻膠涂敷襯底。這個(gè)步驟后，使用如圖14C所示的曝光光掩模，曝光光刻膠層31。光掩模32具有在此形成的光屏蔽區(qū)域32a(此后指第一光屏蔽區(qū)域32a)、光屏蔽區(qū)域32b(此后指第二光屏蔽區(qū)域)、光發(fā)射區(qū)域32c，光屏蔽區(qū)域32a對(duì)應(yīng)框架2設(shè)置，光屏蔽區(qū)域32b對(duì)應(yīng)主重物51設(shè)置，光發(fā)射區(qū)域32c對(duì)應(yīng)每個(gè)橫梁3設(shè)置。在此，光發(fā)射區(qū)域32c具有這種透光性分配從它在第一光屏蔽區(qū)域32a側(cè)面的端部到它在第二光屏蔽區(qū)域32b側(cè)面的端部逐漸變化并增加。(簡(jiǎn)言之，光發(fā)射區(qū)域32是梯型光發(fā)射區(qū)域。)這里強(qiáng)調(diào)圖14C中的箭頭示意性表示來自曝光光源的光，并且每個(gè)箭頭的頂端顯示光到達(dá)的點(diǎn)。
在使用光掩模32曝光光刻膠層31的步驟后，顯影并構(gòu)圖光刻膠層31，由此獲得如圖14D所示的具有構(gòu)圖的光刻膠層31的襯底。該構(gòu)圖光刻膠層31組成硅襯底80的后表面上的掩模層，其中掩模層包括第一保護(hù)掩模部分31a，其與框架2對(duì)應(yīng)設(shè)置并具有均勻厚度；第二保護(hù)掩模部分31b，其與主重物51對(duì)應(yīng)設(shè)置并具有均勻厚度；以及傾斜轉(zhuǎn)移掩模部分31c，其與每個(gè)橫梁3對(duì)應(yīng)設(shè)置并具有從第二保護(hù)掩模部分31b側(cè)面到第一保護(hù)掩模31a側(cè)面逐漸增加厚度。
在形成掩模層的上述步驟后，在硅襯底80的后表面(圖中的上表面)上，使用例如感應(yīng)耦合等離子體蝕刻設(shè)備，干蝕刻光刻膠層31的傾斜轉(zhuǎn)移掩模部分31c，直到除去傾斜的轉(zhuǎn)移掩模部分31c。此后，除去光刻膠層的剩余掩模層，由此獲得如圖14E所示的襯底。因此，該干蝕刻步驟是指轉(zhuǎn)移步驟。
接下來，如圖14E所示在襯底上形成構(gòu)圖的光刻膠層33以獲得圖14F所示的襯底。隨后，以在它的后表面上(圖中的上表面)干蝕刻襯底80的方式對(duì)襯底80進(jìn)行后表面圖形化步驟，以留下其對(duì)應(yīng)主重物51和框架2的部分，并使襯底在其對(duì)應(yīng)每個(gè)橫梁3的每個(gè)部分具有需要的厚度。此后，如圖14G所示除去光刻膠層33以形成包括每個(gè)橫梁3的框-梁結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)橫梁3具有從它在主重物51側(cè)面的端部到它在框架2側(cè)面的端部逐漸增加的厚度。
這里強(qiáng)調(diào)如上述實(shí)施例中描述的半導(dǎo)體加速度傳感器是可檢測(cè)X-軸、Y-軸、Z-軸方向上的加速度的三軸傳感器。然而，本發(fā)明的技術(shù)思想可用于兩軸或一軸的半導(dǎo)體加速度傳感器。
上面使用提供的優(yōu)選實(shí)施例描述本發(fā)明，但這種描述不解釋為用于限制本發(fā)明。對(duì)那些閱讀了描述的本領(lǐng)域技術(shù)人員來說進(jìn)行各種變換是清楚、明顯、或容易的。因此，附加的權(quán)利要求將解釋為覆蓋落入本發(fā)明精神和范圍的所有修改和變化。
權(quán)利要求
1.一種由半導(dǎo)體襯底形成的半導(dǎo)體加速度傳感器，其包括一矩形框架，具有側(cè)面及其內(nèi)部的一開口，并且該框架進(jìn)一步具有該框架每?jī)蓚€(gè)鄰接側(cè)面的拐角部分；多個(gè)撓性橫梁，其從該框架延伸到該框架的開口內(nèi)，并且在其之間的相交處具有一交叉部分；一重物，其懸掛于所述橫梁的交叉部分并由所述橫梁的交叉部分支撐，并且從俯視方向看，該重物位于該開口中以便自由移動(dòng)，并且該重物具有分別面向所述框架的拐角部分的拐角部分；以及壓電電阻器，其安裝在所述橫梁上并隨由于該重物的移動(dòng)在所述橫梁中產(chǎn)生的形變而改變電阻值，其中，該框架包括分別設(shè)置在所述框架拐角部分的風(fēng)擋部分，以分別限制所述重物的拐角部分的位移超過預(yù)定值，其中，每個(gè)所述風(fēng)擋部分覆蓋該開口的一部分，該部分包括從該框架的每個(gè)拐角部分到該開口內(nèi)的范圍，以及其中，該重物的每個(gè)拐角部分的角被去掉，以具有從俯視方向看的弧形或至少三條邊構(gòu)成的折線形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體加速度傳感器，其中，該框架每?jī)蓚€(gè)鄰接側(cè)面構(gòu)成的該框架的每個(gè)該拐角部分具有如從俯視方向所見的弧形或至少由三條邊構(gòu)成的折線形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體加速度傳感器，其中，每個(gè)所述風(fēng)擋部分具有在其厚度方向上穿透的通孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體加速度傳感器，其中，每個(gè)所述風(fēng)擋部分的面向該框架的該開口的邊緣，通過一弧形交叉部分在其每個(gè)端部處，鄰接所述框架兩個(gè)邊緣的每個(gè)端部，所述框架兩個(gè)邊緣鄰接每個(gè)所述風(fēng)擋部分的邊緣并面向該框架的該開口。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體加速度傳感器，其中，當(dāng)所述橫梁的寬度和厚度的位置分別變得更接近該框架時(shí)，每個(gè)所述橫梁在該框架側(cè)面的其端部處，增加其寬度和厚度中的至少一個(gè)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體加速度傳感器，其中，每個(gè)所述橫梁從其長(zhǎng)度方向上的大約中心處到其在該框架側(cè)面的一端部，增加其寬度和長(zhǎng)度中的至少一個(gè)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體加速度傳感器，其中，每個(gè)所述橫梁在從其長(zhǎng)度方向上的大約中心處到其在該框架側(cè)面的一端部的部分，具有至少下述之一從俯視方向看的一個(gè)弧形，以增加其朝向該框架側(cè)面的寬度；以及從側(cè)視方向看的一個(gè)弧形，以增加其朝向該框架側(cè)面的厚度。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體加速度傳感器，其中，每個(gè)所述橫梁在該框架側(cè)面的端部處具有從俯視方向看的一弧形，以增加其朝向該框架側(cè)面的寬度，或具有從側(cè)視方向看的弧形，以增加其朝向該框架側(cè)面的厚度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體加速度傳感器，其中，當(dāng)所述橫梁的寬度和長(zhǎng)度的位置分別變得更接近該重物時(shí)，每個(gè)所述橫梁在該重物側(cè)面的其端部處，增加其寬度和長(zhǎng)度中的至少一個(gè)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體加速度傳感器，其中，每個(gè)所述橫梁在重物側(cè)面的其端部具有至少下述之一從俯視方向看的在其寬度兩側(cè)的每一側(cè)的一個(gè)弧形，以增加其朝向該重物側(cè)面的寬度；及從側(cè)視方向看的一個(gè)弧形，以增加其朝向該重物側(cè)面的厚度。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體加速度傳感器，其中每個(gè)所述橫梁具有從其在該重物側(cè)面的端部到其在該框架側(cè)面的端部增加的厚度。
12.一種由襯底形成的半導(dǎo)體加速度傳感器的制備方法，該襯底具有一第一層、一半導(dǎo)體層、以及一第二層的疊層，該第二層夾在該第一層和該半導(dǎo)體層之間并具有不同于該第一層以及該半導(dǎo)體層的蝕刻率，該半導(dǎo)體加速度傳感器包括一矩形框架，其具有側(cè)面和其內(nèi)部的一開口，并進(jìn)一步具有該框架每?jī)蓚€(gè)鄰接側(cè)面的拐角部分；多個(gè)撓性橫梁，其從該框架延伸到框架開口內(nèi)，并且在其之間的相交處具有交叉部分；一重物，其懸掛于所述橫梁交叉部并由所述橫梁交叉部分支撐，并且從俯視方向看，該重物位于該開口中以便自由移動(dòng)，并且該重物分別具有面向所述框架的拐角部分的拐角部分；風(fēng)擋部分，其分別設(shè)置在所述框架的拐角部分，以分別限制所述重物的拐角部分的位移超出預(yù)定值；以及壓電電阻器，其安裝在所述橫梁上并隨由于該重物的移動(dòng)在所述橫梁中產(chǎn)生的形變而改變電阻值，該方法包括步驟蝕刻該第一層的暴露表面，以形成在該第一層的表面中具有下表面的凹槽；蝕刻該凹槽下表面的周圍部分以及大致為長(zhǎng)矩形區(qū)域，向上到該第一層與該第二層相接的端部以形成該框架和該重物，其中每個(gè)所述大致為長(zhǎng)矩形區(qū)域包括從該凹槽下表面的每個(gè)邊的大致中心位置到該凹槽的下表面內(nèi)部的范圍；蝕刻該半導(dǎo)體層對(duì)應(yīng)該框架開口的區(qū)域，向上到該半導(dǎo)體層與該第二層相接的端部以形成所述風(fēng)擋部分和所述橫梁；在每個(gè)所述風(fēng)擋部分中，至少在每個(gè)風(fēng)擋部分面向該重物的區(qū)域中，形成多個(gè)通孔；以及除去該第二層的一部分，留下該第二層對(duì)應(yīng)該框架和所述橫梁的交叉部分的其他部分。
全文摘要
一種半導(dǎo)體加速度傳感器包括框架2，其內(nèi)具有開口21；撓性橫梁3，從框架2延伸到框架2的開口內(nèi)；重物5，懸掛于橫梁3并由橫梁3支撐以使重物5可自由移動(dòng)；壓電電阻器4，安裝在橫梁3上并響應(yīng)其上產(chǎn)生的加速度而改變電阻值?？蚣?包括風(fēng)擋部分6，每個(gè)風(fēng)擋部分6覆蓋開口21的一部分，該部分包括從開口21側(cè)面上框架2的兩鄰接側(cè)面的拐角部分22到開口21內(nèi)的范圍，并且每個(gè)風(fēng)擋部分6用作制動(dòng)器以限制重物5的移動(dòng)。重物5具有分別面向拐角部分22的拐角部分53，每個(gè)拐角部分53的角被去掉以具有從俯視方向看的弧形或由至少三條邊構(gòu)成的折線形。由此，增加每個(gè)制動(dòng)器的斷裂強(qiáng)度，并因此獲得具有優(yōu)良抗沖擊性的半導(dǎo)體加速度傳感器。
文檔編號(hào)G01P15/12GK1576852SQ20041006183
公開日2005年2月9日 申請(qǐng)日期2004年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月25日
發(fā)明者吉田仁, 片岡萬士, 宮島久和, 赤井澄夫, 若林大介, 后藤浩嗣, 森井誠(chéng) 申請(qǐng)人:松下電工株式會(huì)社