專利名稱：半導體加速度傳感器及其制備方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種具有抗沖擊性的半導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；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。設置橫梁102為每個橫梁從構(gòu)成框架101的四個側(cè)面的每一個的上表面向內(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。較細地形成每個橫梁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的四個底端部分102b處設置多個壓電電阻器(未示出)。這里假設平行于框架101的任意一個側(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，對應X-軸、Y-軸、Z-軸的每組有四個壓電電阻器的三組壓電電阻器形成惠斯登橋以分別檢測在三個軸方向上作用的加速度。這些壓電電阻器進一步連接到框架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。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響應其上作用的加速度提供可自由移動的空間。在框架101的開口106的拐角部分，設置制動器104以限制重物103的移動。每個制動器104大致為三角形，通過并沿著框架101的對應側(cè)面支撐三角形的兩邊。制動器104和底座105具有限制重物103自由移動程度的功能。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。
當加速度在具有上述結(jié)構(gòu)的半導體加速度傳感器上作用時，由于重物被框架101和橫梁102支撐而可自由移動，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。這時，在橫梁102中出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)發(fā)生從而多個壓電電阻器承受應力，由此它們的電阻改變。結(jié)果，惠斯登橋失去平衡，從對應各個軸的惠斯登橋輸出對應其上作用的加速度的電信號。通過從電極采集電信號，可檢測加速度。當橫梁102上作用過量的加速度時，制動器104和底座105限制重物103的自由移動，由此防止它們斷裂。
然而，根據(jù)這種半導體加速度傳感器，當重物103撞擊制動器104時，存在沖撞局部集中的可能。由于這種影響，很難提高制動器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制動器的斷裂極限而具有優(yōu)良的抗沖擊性的半導體加速度傳感器。
為了達到該目的，根據(jù)本發(fā)明的半導體加速度傳感器由半導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，并且該框架進一步具有該框架的每兩個鄰接側(cè)面的拐角部分；多個撓性橫梁，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，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拐角部分設置的風擋部分，分別用于限制重物的拐角部分的位移超過預定數(shù)值，其中每個風擋部分覆蓋開口的一部分，該部分包括從框架的每個拐角部分到該開口內(nèi)的范圍，并且，其中重物的每個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，由于風擋部分用作制動器，因此不需要另外設置由分離構(gòu)件形成的制動器，就限制了重物朝向橫梁的位移，從而重物的移動不會超過加速度檢測限制而引起其斷裂。而且，分別對應于框架的拐角部分的重物的每個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。由于這種設計，當重物撞擊風擋部分時，可防止重物對風擋部分施加的沖擊局部集中。因此，風擋部分的斷裂強度提高，從而提高了半導體加速度傳感器的抗沖擊性。
優(yōu)選地，每個風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擋部分之間的襯底和層被蝕刻的情況下是有利的，因為由此會增加襯底或?qū)颖┞对谖g刻劑下的區(qū)域，因此可縮短蝕刻時間。
進一步優(yōu)選，每個風擋部分面向框架開口的邊緣，通過弧形交叉部分在其每個端部處鄰接到框架兩個邊緣的每個端部，其鄰接每個風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風擋部分和框架之間的交叉部分上的應力。因此，提高了風擋部分的斷裂強度，從而也提高了半導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，可從下面結(jié)合附圖的詳細描述中更好地理解本發(fā)明。


此后參考附圖描述本發(fā)明。請注意顯示所有的附圖是為了說明本發(fā)明或其實施例的技術(shù)思想，其中圖1A是根據(jù)本發(fā)明實施例1的半導體加速度傳感器的平面示意圖，同時圖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擋部分的這部分；圖3A到圖3D是半導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)明實施例2的半導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)明實施例3的半導體加速度傳感器的局部透視放大平面示意圖，顯示包括并圍繞風擋部分的那部分；圖7A是根據(jù)本發(fā)明實施例4的半導體加速度傳感器的平面示意圖，同時圖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)明實施例5的半導體加速度傳感器的平面示意圖，同時圖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)明實施例6的半導體加速度傳感器的平面示意圖；圖10是根據(jù)本發(fā)明實施例7的半導體加速度傳感器的平面示意圖；圖11是根據(jù)本發(fā)明實施例8的半導體加速度傳感器的平面示意圖；圖12是根據(jù)本發(fā)明實施例9的半導體加速度傳感器的平面示意圖；圖13是對于根據(jù)本發(fā)明實施例10的用于半導體加速度傳感器，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)半導體加速度傳感器的斜視示意圖，同時圖15B是其剖面示意圖。
具體實施例方式
在下面參考附圖的非限制性實施例中描述根據(jù)本發(fā)明實施例的半導體加速度傳感器。
參考圖1A、圖1B以及圖1C和圖2描述根據(jù)本發(fā)明實施例1的半導體加速度傳感器。通過處理SOI(絕緣體上硅)襯底1制造本實施例的半導體加速度傳感器，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是半導體層。半導體加速度傳感器包括框架2、橫梁3、壓電電阻器4、重物5以及風擋部分6，作為主要構(gòu)成元件。
框架2用作半導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)換成電信號的加速度。在每個開口21的側(cè)面上，框架2的每兩個鄰接側(cè)面的每個拐角部分22為例如如平面圖所示的弧形。
每個橫梁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。這里強調(diào)使用術(shù)語“自由移動”以表示“縱向地、橫向地、和/或垂直地前后移動”。每個橫梁3從框架2的每個側(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形成四個開口21。
當橫梁3由于其上作用的加速度而變形時，壓電電阻器4x、4y以及4z分別將其中產(chǎn)生的應力轉(zhuǎn)換為電信號。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對應具有平行于框架2的側(cè)面的方向上的分矢量的加速度。定義平行框架2的一個側(cè)面的方向是X-軸，則平行于框架2的另一個側(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上設置的四個壓電電阻器4x形成惠斯登橋，同時在平行于Y-軸的橫梁3上設置的四個壓電電阻器4y形成另一個惠斯登橋。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對應具有垂直X-軸和Y-軸的方向上的分矢量的加速度。定義這個方向為Z-軸，四個橫梁3上設置的四個壓電電阻器4z形成另外的惠斯登橋。
根據(jù)其上作用的每個加速度的大小，重物5自由移動并由此改變每個橫梁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)，并且這個力使橫梁偏轉(zhuǎn)。重物5設置在框架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的四個拐角，并且分別設置在四個開口21內(nèi)。去掉面向框架2的每個拐角部分22的輔助重物52的每個拐角部分53的角，并且每個拐角部分53具有與每個拐角22相似的弧形(如平面圖中所示的弧形)。形成每個拐角部分53以具有這種弧度，從而使在框架2和每個輔助重物52之間的距離基本保持為常數(shù)。
每個風擋部分6都是制動器，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，每個風擋部分6的形狀大致為三角形，并由SOI襯底1的有源層13形成，以便風擋部分6與每個橫梁3在相同平面上。
每個風擋部分6具有在厚度方向上穿透的多個通孔61，在風擋部分面向輔助重物52的區(qū)域中設置這些通孔。如平面圖所示，每個通孔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與風擋部分6分隔開，并且通孔相互之間大致等距離設置，即任意兩個相鄰通孔具有大致恒定的中心到中心的距離。而且，最接近每個風擋部分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置。
接下來，參考圖3A到圖3D描述根據(jù)本發(fā)明實施例的半導體加速度傳感器的制備工藝。這些附圖是圖1中的半導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，離子注入或淀積擴散將p-型導電雜質(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)圖光刻膠以除去對應凹槽14的下表面的周圍部分的區(qū)域中的，以及對應凹槽14的下表面的四個大致為長矩形區(qū)域中的光刻膠，每個上述區(qū)域都包括從凹槽14的下表面的四個邊的每個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，并以預定形狀構(gòu)圖光刻膠，以除去對應形成的開口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，該部分對應除了形成框架2和主重物51外的那些部分，由此形成可自由移動的重物5，并完成了半導體加速度傳感器。
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，可將該半導體加速度傳感器用作加速度傳感器設備。
根據(jù)本實施例的半導體加速度傳感器中，當半導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，每個風擋部分6容許輔助重物52與其接觸，由此防止橫梁3的移動超過容許極限。而且，在框架2的拐角部分22上，以及每個輔助重物52的拐角部分上形成的弧形用作分散當輔助重物52撞擊風擋部分6時產(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，以相鄰通孔61具有大致恒定的中心到中心的距離的方式設置通孔61，由此在蝕刻劑和絕緣層12之間的各個相鄰接觸點相互之間為大致等距離。
根據(jù)上面描述的半導體加速度傳感器，可限制Z-軸方向上重物5的位移，并當重物5撞擊風擋部分6時，減小施加到風擋部分6的沖擊的局部集中。因此，增加了風擋部分6的斷裂強度，并且因此提高了半導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體加速度傳感器的方法，縮短了用于蝕刻絕緣層12的時間。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，由此增加了半導體加速度傳感器的強度。
請注意框架2的每個拐角部分22以及每個輔助重物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度角相交每兩個側(cè)面的每個側(cè)面的垂直平面(形成如平面圖所示的三個邊構(gòu)成的折線)，或用多個垂直平面切割框架2的每兩個鄰接側(cè)面以及每個輔助重物52的兩個鄰接外側(cè)，以在其每兩個鄰接側(cè)面的每個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邊或弧形的形狀，形成框架2的每個拐角22或每個輔助重物52的拐角部分53。
也應注意可在每個風擋部分6的整個區(qū)域中形成通孔61，而不限于每個風擋部分6面向?qū)妮o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。進一步可不形成通孔62而除去介于每個形成的風擋部分6和輔助重物52之間的絕緣層12。
實施例2圖4和圖5表示根據(jù)本發(fā)明實施例2的半導體加速度傳感器的一部分，該部分包括并圍繞風擋部分7。除了根據(jù)本實施例的半導體加速度傳感器的每個風擋部分7與實施例1的風擋部分6不同外，除了風擋部分7之外的根據(jù)本發(fā)明實施例的半導體加速度傳感器的元件基本上與實施例1中的相同。因此，這里使用相同的附圖標記表示實施例1中相同的元件，并在此省略這些相同元件的詳細描述。
本實施例的風擋部分7與實施例1的風擋部分6不同之處在于面向框架2的開口21的風擋部分7的邊緣72通過弧形相交部分71(在平面圖中的弧形)在其每個端部連接到框架2的兩個邊緣21a的每個的端部，這兩個邊緣21a鄰接風擋部分7的邊緣72并面向框架2的開口21。當半導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，風擋部分7允許輔助重物52與其接觸，由此防止橫梁3移動超過容許的限度。而且，交叉部分71的弧形可分散不然將集中在交叉部分71上的應力。
根據(jù)本實施例，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)使當輔助重物52顯著移動時可以在其拐角部分53處被風擋部分7阻止，輔助重物52以及風擋部分7之間較大面積地接觸，使風擋部分7遭受較小的沖擊。
根據(jù)本實施例的半導體加速度傳感器，可進一步增加風擋部分7的斷裂強度，并由此增加半導體加速度傳感器的抗沖擊性。應當指出的是相交部分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垂直平面上的多個邊的折線(如平面圖所示)構(gòu)成的近似弧形。
實施例3圖6表示根據(jù)本發(fā)明實施例3的半導體加速度傳感器的一部分，該部分包括并圍繞風擋部分7。本發(fā)明不同于圖4中顯示的實施例2之處在于形成的根據(jù)本實施例的框架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。本實施例與圖4中所示的實施例2的相同處在于輔助重物52的拐角部分53為弧形。
實施例4圖7A、圖7B和圖7C表示本實施例的半導體加速度傳感器。根據(jù)本實施例，作為撓性部件的每個橫梁3具有從主重物51到框架2的對應面逐漸增加的寬度。具體地，每個橫梁3具有的形狀是，當每個橫梁3的寬度位置從主重物51開始并變得更接近框架2的對應面時，橫梁在框架2的側(cè)面的端部增加其寬度。如圖所示，如平面圖所示每個輔助重物52具有與如平面圖中所示的每個對應開口21大致相同的形狀。每個輔助重物52的這種形狀以及每個開口21的這種形狀分別與上面實施例1描述的那些對應的形狀不同，而兩個實施例中的其它結(jié)構(gòu)是彼此相同的。具體地，在本實施例4中，例如每個框架2具有風擋部分6，并且去掉每個輔助重物52的拐角部分的角。風擋部分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的移動范圍。
根據(jù)本實施例，可增加在框架2的側(cè)面的每個橫梁3的強度，即可增加其彈性常數(shù)。結(jié)果，可減小由于從框架2傳遞到每個橫梁3的熱應力引起的重物5的位移，由此改進傳感器的溫度特性，尤其是每個設置在框架2的側(cè)面處每個橫梁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。而且減小了隨時間的性能變化以及滯后特性的發(fā)生。
應當指出的是每個橫梁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)面處的每個橫梁3的強度進一步加強。而且每個橫梁3可具有在垂直其長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橫梁3的強度，因此減小了由于熱應力的橫梁3的偏轉(zhuǎn)?？蛇x地，每個橫梁3在垂直其長度方向的平面上可具有這種截面，以便橫梁3在其兩個側(cè)面的每一個都為凹弧形。這可增加每個橫梁3的側(cè)面的面積，由此減小由于熱應力引起的橫梁3的偏轉(zhuǎn)。而且，每個橫梁3具有從其大約中心到其兩端在長度方向上增加的厚度。
實施例5圖8A、8B和圖8C表示根據(jù)本實施例的半導體加速度傳感器。本實施例在每個橫梁3的形狀上不同于實施例4。每個橫梁3的形狀是，如平面圖所示，每個橫梁3在長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，以及在長度方向上從大約中心位置到框架2的對應面的端部具有逐漸增加的寬度。
與實施例4相比本實施例可減小在主重物51附近的每個橫梁3的寬度，由此提高在X-軸和Y-軸的每個方向上加速度檢測的靈敏性。
實施例6圖9表示根據(jù)本發(fā)明的半導體加速度傳感器。在本實施例中，每個橫梁的形狀是，如平面圖所示，每個橫梁3從其在主重物51的側(cè)面的端部，到長度方向上接近其在框架2的對應側(cè)面的端部的另一位置具有恒定的寬度，并且從長度方向上的另一位置到其在框架2的對應側(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附近的每個橫梁3的寬度，由此提高在X-軸和Y-軸的每個方向上加速度檢測的靈敏性。另外，由于形成每個橫梁3在框架2的對應側(cè)面的端部具有如平面圖所示的弧形，因此當過量的加速度施加到每個橫梁3時可緩解在框架2的側(cè)面的每個橫梁3的端部部分的應力集中，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一步增加抗沖擊性。
實施例7圖10表示根據(jù)本實施例的半導體加速度傳感器。在本實施例中，如平面圖所示，每個橫梁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)部位置在長度方向上減小的寬度，然后從這個內(nèi)部位置到它在主重物51側(cè)面的端部在長度方向上增加的寬度。每個橫梁3在主重物51側(cè)面的其內(nèi)部端部處的擴展的寬度可以穩(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X-軸和Y-軸方向上的加速度。
實施例8圖11表示根據(jù)本實施例的半導體加速度傳感器。在本實施例中，如平面圖所示，形成的每個橫梁3具有從其在框架2側(cè)面的端部到第一內(nèi)部位置在長度方向上減小的寬度，然后從這個第一內(nèi)部位置到接近它在主重物51側(cè)面的第二內(nèi)部位置在長度方向上恒定的寬度，然后從這個第二內(nèi)部位置到它在主重物51側(cè)面的端部在長度方向上逐漸增加的寬度。每個橫梁3在它的在主重物51側(cè)面的內(nèi)部端部的擴展寬度可獲得與上面實施例7中描述的那些相同效果。
實施例9圖12表示根據(jù)本實施例的半導體加速度傳感器。在本實施例中，如平面圖所示，形成的每個橫梁3具有從它在框架2側(cè)面的端部在長度方向上的向內(nèi)逐漸減小的寬度。這一特征與其它特定的實施例相同。這一特征可獲得與上面實施例中所述的相同效果。此外，如圖12所示，每個橫梁3也可在它在重物51的內(nèi)部具有，與其它實施例的每個對應形狀不同的形狀。
實施例10圖13表示根據(jù)本實施例用于半導體加速度傳感器的框-梁結(jié)構(gòu)。本實施例的框-梁結(jié)構(gòu)，在它的基本設計中，與上述每個實施例的框-梁結(jié)構(gòu)基本相同，除了這里的每個橫梁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。在本實施例中，用硅襯底制備用于半導體加速度傳感器的框-梁結(jié)構(gòu)。根據(jù)本實施例的這種結(jié)構(gòu)可減小由于從框架2傳遞到每個橫梁3的熱應力引起的主框架51的位移，由此改進溫度特性。
接下來，參考圖14A到14G描述根據(jù)本實施例的用于半導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對應框架2設置，光屏蔽區(qū)域32b對應主重物51設置，光發(fā)射區(qū)域32c對應每個橫梁3設置。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。(簡言之，光發(fā)射區(qū)域32是梯型光發(fā)射區(qū)域。)這里強調(diào)圖14C中的箭頭示意性表示來自曝光光源的光，并且每個箭頭的頂端顯示光到達的點。
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掩模部分31a，其與框架2對應設置并具有均勻厚度；第二保護掩模部分31b，其與主重物51對應設置并具有均勻厚度；以及傾斜轉(zhuǎn)移掩模部分31c，其與每個橫梁3對應設置并具有從第二保護掩模部分31b側(cè)面到第一保護掩模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，使用例如感應耦合等離子體蝕刻設備，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的方式對襯底80進行后表面圖形化步驟，以留下其對應主重物51和框架2的部分，并使襯底在其對應每個橫梁3的每個部分具有需要的厚度。此后，如圖14G所示除去光刻膠層33以形成包括每個橫梁3的框-梁結(jié)構(gòu)，其中每個橫梁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。
這里強調(diào)如上述實施例中描述的半導體加速度傳感器是可檢測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體加速度傳感器。
上面使用提供的優(yōu)選實施例描述本發(fā)明，但這種描述不解釋為用于限制本發(fā)明。對那些閱讀了描述的本領域技術(shù)人員來說進行各種變換是清楚、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
1.一種由半導體襯底形成的半導體加速度傳感器，其包括一矩形框架，具有側(cè)面及其內(nèi)部的一開口，并且該框架進一步具有該框架每兩個鄰接側(cè)面的拐角部分；多個撓性橫梁，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，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，該框架包括分別設置在所述框架拐角部分的風擋部分，以分別限制所述重物的拐角部分的位移超過預定值，其中，每個所述風擋部分覆蓋該開口的一部分，該部分包括從該框架的每個拐角部分到該開口內(nèi)的范圍，以及其中，該重物的每個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所述的半導體加速度傳感器，其中，該框架每兩個鄰接側(cè)面構(gòu)成的該框架的每個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所述的半導體加速度傳感器，其中，每個所述風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所述的半導體加速度傳感器，其中，每個所述風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端部處，鄰接所述框架兩個邊緣的每個端部，所述框架兩個邊緣鄰接每個所述風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所述的半導體加速度傳感器，其中，當所述橫梁的寬度和厚度的位置分別變得更接近該框架時，每個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。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的半導體加速度傳感器，其中，每個所述橫梁從其長度方向上的大約中心處到其在該框架側(cè)面的一端部，增加其寬度和長度中的至少一個。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導體加速度傳感器，其中，每個所述橫梁在從其長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所述的半導體加速度傳感器，其中，每個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所述的半導體加速度傳感器，其中，當所述橫梁的寬度和長度的位置分別變得更接近該重物時，每個所述橫梁在該重物側(cè)面的其端部處，增加其寬度和長度中的至少一個。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的半導體加速度傳感器，其中，每個所述橫梁在重物側(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所述的半導體加速度傳感器，其中每個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體加速度傳感器的制備方法，該襯底具有一第一層、一半導體層、以及一第二層的疊層，該第二層夾在該第一層和該半導體層之間并具有不同于該第一層以及該半導體層的蝕刻率，該半導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，并進一步具有該框架每兩個鄰接側(cè)面的拐角部分；多個撓性橫梁，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，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；風擋部分，其分別設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，其中每個所述大致為長矩形區(qū)域包括從該凹槽下表面的每個邊的大致中心位置到該凹槽的下表面內(nèi)部的范圍；蝕刻該半導體層對應該框架開口的區(qū)域，向上到該半導體層與該第二層相接的端部以形成所述風擋部分和所述橫梁；在每個所述風擋部分中，至少在每個風擋部分面向該重物的區(qū)域中，形成多個通孔；以及除去該第二層的一部分，留下該第二層對應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；壓電電阻器4，安裝在橫梁3上并響應其上產(chǎn)生的加速度而改變電阻值?？蚣?包括風擋部分6，每個風擋部分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，并且每個風擋部分6用作制動器以限制重物5的移動。重物5具有分別面向拐角部分22的拐角部分53，每個拐角部分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，增加每個制動器的斷裂強度，并因此獲得具有優(yōu)良抗沖擊性的半導體加速度傳感器。
文檔編號G01P15/12GK1576852SQ20041006183
公開日2005年2月9日 申請日期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 申請人:松下電工株式會社