加速度传感器的制作方法

专利名称：加速度传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于检测加速度的加速度传感器，该加速度传感器用于玩具、汽车、飞机、航空器、便携式终端等，尤其是，本发明涉及一种能够利用半导体技术生产的加速度传感器。
背景技术：
已经开发了利用物理量变化例如压敏电阻效应和静电电容变化的加速度传感器，并进行了商品化。这些加速度传感器广泛用于各种领域，但是近来需要能够非常灵敏地同时检测沿多轴方向的加速度的小型加速度传感器。
因为单晶硅由于晶格缺陷极少而成为理想的弹性体，且因为半导体处理技术可以在没有较大改变的情况下用于它，因此非常注重压敏电阻效应类型的加速度传感器，其中，薄的弹性支承部分布置在单晶硅基片中，且施加给薄弹性支承部分的应力通过应变仪例如压敏电阻效应元件而转变成待输出的电信号。
作为三维加速度传感器，已经使用的加速度传感器包括弹性支承臂，各弹性支承臂为梁结构，由单晶硅基片的较薄部分形成，该较薄部分使得由单晶硅基片在中心处的较厚部分构成的块部分与在外周的框架连接。多个应变仪沿各轴方向形成于弹性支承臂上。为了以更高的灵敏度检测很小的加速度，弹性支承臂制成为较长和/或较薄，或者用作摆锤的块部分制成为较重。当受到较大冲击时，能够检测较小加速度的加速度传感器将导致块部分的振幅过大，并导致弹性支承臂断裂。为了即使在施加较大冲击时也能避免弹性支承臂断裂，调节板可以安装在加速度传感器元件的上面和下面，以便将块部分的振幅限制在一定范围内。
在日本公开专利平4-274005、平5-41148和平8-233851中介绍了具有调节板的加速度传感器。
日本公开专利平4-274005和平8-233851还公开了一种方法，其中，为了将加速度传感器元件的调节板和块部分之间的间隙控制为预定值，直径基本与间隙距离相同的小球与粘接剂混合，且混合有小球的粘接剂用于将调节板粘接在加速度传感器元件上。该间隙可以保持预定值，因为在调节板和加速度传感器元件之间的间隙可以由小球的直径确定。因此，使用包含小球的粘接剂能够控制在调节板和加速度传感器元件之间的间隙。
加速度传感器通过这样的方法来制造，该方法包括通过光刻技术而在大约6英寸直径的硅晶片上形成多个加速度传感器元件；将该晶片切成一个个的加速度传感器元件；将各加速度传感器元件固定在保护盒内，并使电端子与导体连接；将调节板安装在加速度传感器元件上，并通过粘接剂而将保护盒的盖固定在保护盒上。
用于由硅晶片制造加速度传感器元件的方法使用喷溅装置，用于在元件上形成端子和引线；离子植入装置，用于形成压敏电阻；干蚀刻装置，用于对硅晶片等进行干蚀刻，以及涂覆和显影光阻膜并进行冲洗。特别是，在干蚀刻步骤中，硅晶片固定在具有树脂粘接剂的模型基片上，以便冷却该硅晶片。在干蚀刻步骤之后除去枢轴粘接剂的过程中，弹性支承臂很容易断裂，因为它们很薄(5至10μm)，同时它们为500至700μm长和80至120μm宽。粘接剂不能通过施加机械力来除去，而是通过使用溶剂。因此，少量的残余粘接剂将留在元件上。还有，因为灰尘在引线喷溅步骤中散开，因此可能在元件上产生粗糙部分和凸起。在喷溅中产生的大部分粗糙部分和凸起(下文中称为“污染物”)的高度小于几μm，并为较软材料，因此它们不会影响弹性支承臂的弯曲，且不会减小加速度传感器的输出电压和灵敏度，尽管它们的侧边长大于10μm。通过喷溅产生的污染物的材料比树脂粘接剂更硬，且高度高0.1至5μm，不过它们面积的侧边长度为几μm至10μm。但是，喷溅污染物不会影响弹性支承臂的弯曲。且认为该污染物并不会影响加速度的测量结果，因为它们的容积和重量都较小。已经证明，当测量很多污染物的高度时，污染物的高度不超过5μm。
相对于在安装成对着加速度传感器元件的调节板和加速度传感器元件的块部分之间的间隙g，该污染物不能忽视，因为该间隙很小，为大约15μm。考虑到污染物的高度，大部分的、污染物粘在元件的块部分上的加速度传感器元件都不能使用。因此，在对着调节板的表面上有污染物的这些加速度传感器元件都必须作为废品来进行处理。污染物降低了产品收得率，从而导致加速度传感器的成本提高。
在普通的加速度传感器中，在块部分的上表面的非布线区域和上部调节板之间的间隙的长度比在块部分的上表面的布线区域和上部调节板之间的间隙长在加速度传感器元件上的引线的厚度。不过，因为在传感器元件上的线厚度为最多大约1μm，而粘附在块部分上的污染物的高度为大约5μm，因此，当污染物粘附在块部分上的任何区域且当块部分由于过大加速度而移动时，污染物都很可能首先与上部调节板接触，且即使当施加的加速度在可测量范围内时，输出也很容易达到饱和。

发明内容
本发明的目的是在不增加成本的情况下提供一种加速度传感器，该传感器对于污染物有比普通传感器更宽的允许量，同时可精确测量的范围并不由于污染物与上部调节板的接触而变窄，且并不降低抗冲击性。
本发明的加速度传感器包括加速度传感器元件以及安装在该加速度传感器元件上以便覆盖它的上部调节板。该加速度传感器元件包括块部分，该块部分位于加速度传感器元件的中心；厚框架，该厚框架离块部分一定距离，并有在该厚框架的上表面上的多个电端子；多个弹性支承臂，这些弹性支承臂桥接块部分的上表面和厚框架的上表面；应变仪，该应变仪形成于弹性支承臂的上表面上；以及引线，该引线在应变仪之间和/或在应变仪和电端子之间进行连接。块部分的上表面由连接部分、布线区域和非布线区域组成，该连接部分使块部分与各弹性支承臂连接，而在该布线区域上有引线部分。上部调节板安装成有在块部分的布线区域和上部调节板的底表面之间的第一间隙，并且该上部调节板通过布置在厚框架的上表面上的粘接剂而固定在厚框架的上表面上。上部调节板有在块部分的非布线区域和上部调节板的底表面之间的第二间隙。该第二间隙的长度比第一间隙的长度、在布线区域上的引线厚度以及0.1μm的总和更长。
在本发明的加速度传感器中，优选是第二间隙的长度比第一间隙的长度、在布线区域上的导线厚度以及1.0μm的总和更长。更优选是，第二间隙的长度比第一间隙长在布线区域上的引线厚度和连接部分的厚度的总和。
在本发明的加速度传感器中，优选是连接部分的上表面基本与弹性支承臂的上表面平齐，且布线区域的高度基本与弹性支承臂的上表面平齐，除了在布线区域上的引线之外，且该布线区域使连接部分的一个上表面与连接部分的另一上表面连接，而非布线区域的高度低于布线区域以及连接部分的上表面的高度。
在本发明的加速度传感器中，优选是连接部分的厚度基本等于弹性支承臂的厚度。


图1是本发明实施例的加速度传感器的分解透视图；图2是用于图1所示的本发明实施例的加速度传感器中的加速度传感器元件的透视图；图3是图2中所示的加速度传感器元件的局部放大图；图4是沿图3中的线IV-IV的剖视图；图5是沿图3中的线V-V的剖视图；图6是沿图3中的线VI-VI的剖视图；图7A表示了包括压电电阻器的桥电路，该压电电阻器用于测量沿X轴(Y轴)方向的加速度；图7B表示了包括压电电阻器的桥电路，该压电电阻器用于测量沿Z轴方向的加速度；图8是布线部分的纵剖图，表示了交叉线；以及图9A至9F是表示本发明的加速度传感器元件的制造方法的解释图。
具体实施例方式
本发明实施例的加速度传感器安装在由例如铝制成的保护盒80中，如图1所示，该加速度传感器包括加速度传感器元件100以及与该加速度传感器元件间隔一预定间隙的上部调节板60。由例如铝材料制成的帽90安装在保护盒80的顶部。
保护盒80有侧框架82和内部底板84，且加速度传感器元件100的厚框架的底表面固定粘接在内部底板84上。当加速度传感器元件100固定在内部底板84上时，在加速度传感器元件100中心的块部分20并不与保护盒80的底板84接触，并保持预定间隙，该预定间隙的长度可以与在块部分的上表面和上部调节板之间的间隙不同。内部底板84保持距离块部分20的底表面的间隙，并防止在该间隙内向下振动，从而作为底板调节板。
保护盒80的侧框架82有多个第二输入/输出端子86，且安装在保护盒中的加速度传感器元件的各第一输入/输出端子32通过引线70而与这些第二输入/输出端子86连接。各第二输入/输出端子86再与通过在侧框架82中的导体布置在保护盒80的侧表面中的多个外部端子88连接。在本发明中，这些导体并不重要，因此未示出。
本发明的加速度传感器元件100使用单晶硅基片，该单晶硅基片有通过SiO2绝缘层形成的SOI层，即SOI晶片，以便能够非常精确地控制弹性支承臂的厚度。SOI是绝缘体上外延硅(Silicon OnInsulator)的简称。在本例中，通过在厚度为大约600μm的Si晶片上薄薄地形成作为蚀刻阻止装置的SiO2绝缘层(大约1μm)而形成的晶片用作基片，在该SI晶片上形成大约10μm厚的N型单晶硅层。加速度传感器元件由以下部分构成在中心处的块部分20，它由较厚的单晶硅基片部分构成；方形框架30，该矩形框架30环绕块部分20布置并包围该块部分20；两对梁形弹性支承臂41、42、43、44，它们由较薄的单晶硅基片部分构成，以便使块部分20和框架30连接；应变仪(在下面的说明中，“压敏电阻”作为使用的应变仪的一个实例，因此它们称为“压敏电阻”)45，四个应变仪用于各轴线，且该应变仪布置在与彼此垂直的两个检测轴(X和Y轴)以及垂直于加速度传感器元件的顶表面的检测轴(Z轴)相对应的弹性支承臂上。即，两个压敏电阻X1、X2、X3、X4布置在沿X轴方向延伸的各弹性支承臂41、42上，以便检测X轴方向的加速度。两个压敏电阻Y1、Y2、Y3、Y4布置在沿Y方向延伸的各弹性支承臂43、44上，以便检测Y轴方向加速度。还有两个压敏电阻Z1、Z2、Z3、Z4布置在沿X轴方向延伸的各弹性支承臂41、42上，以便检测Z轴方向加速度。在本实例中，Z轴方向的加速度通过布置在沿X轴方向延伸的弹性支承臂41、42上的压敏电阻来检测，但是用于检测Z轴方向的加速度的元件也可以布置在沿Y轴方向延伸的弹性支承臂43、44上。用于检测沿各轴向的加速度的四个压敏电阻构成完全桥式检测电路。
多个输入/输出端子32布置在加速度传感器元件100的厚框架30的上表面上。输入/输出端子32通过多个从弹性支承臂的上表面至该厚框架的上表面的导体而与在弹性支承臂上的十二个压敏电阻的端子连接。图1至3并没有表示使输入/输出端子32与压敏电阻连接的这些导体。
图7A和7B表示了包括压敏电阻的全桥电路。在沿图1和2的X轴方向延伸的两个弹性支承臂中的一个41的上表面上形成压敏电阻X1和X2，而压敏电阻X3和X4形成于另一弹性支承臂42的上表面上。参考图7A，在串联连接的压敏电阻X1和X2之间的中间点以及在串联连接的压敏电阻X3和X4之间的中间点分别与各输入端子32连接，且测量电压Vcc施加在两个端子之间。在图7A中从压敏电阻X1拉出左引线以及从压敏电阻X4拉出的右引线与输出端子32连接，而从压敏电阻X2拉出的中心引线以及从压敏电阻X3拉出的中心引线与另一输出端子32连接。大部分在压敏电阻之间连接和/或在压敏电阻和端子之间连接的引线都布置在弹性支承臂41、42的上表面上。连接图7A的电路的左半部分和右半部分的三个引线局部布置在连接部分45、46和/或布线区域26的上表面上，它们将在后面介绍。
在沿X轴方向延伸的两个弹性支承臂中的一个41的上表面上还形成压敏电阻Z1和Z2，而压敏电阻Z3和Z4也形成于另一弹性支承臂42的上表面上。参考图7B，在串联连接的压敏电阻Z1和Z2之间的中间点以及在串联连接的压敏电阻Z3和Z4之间的中间点分别与各输入端子32连接，且测量电压Vcc施加在两个端子之间。在图7B中从压敏电阻Z1拉出左引线以及从压敏电阻Z3拉出的左引线与输出端子32连接，而从压敏电阻Z2拉出的右引线以及从压敏电阻Z4拉出的右引线与另一输出端子连接。大部分在压敏电阻之间连接和/或在压敏电阻和端子之间连接的引线布置在弹性支承臂41、42的上表面上。连接图7B的电路的左半部分和右半部分的三个引线局部布置在连接部分45、46和/或布线区域27的上表面上，它们将在后面介绍。
在沿Y轴方向延伸的两个弹性支承臂中的一个43的上表面上形成用于检测沿Y轴方向的加速度的压敏电阻Y1和Y2，而用于检测Y轴方向的加速度的压敏电阻Y3和Y4形成于另一弹性支承臂44的上表面上。由包括压敏电阻Y1、Y2、Y3、Y4的全桥电路也如图7A所示。在压敏电阻之间连接和/或在压敏电阻和端子之间连接的引线形成于弹性支承臂43、44的上表面上以及连接部分47、48和布线区域28的上表面上。
图7A和7B中所示的电路的压敏电阻和端子与图1至3中的加速度传感器元件100的结构中所示的压敏电阻和端子相对应。
位于加速度传感器元件的中心的块部分20可以为方形。在图1至3所示的实例中，块部分有这样的结构，其中，在中心的方形的重量为分别在方形中心重量的四角的四个方形的重量。块部分20有连接部分45、46、47、48，这些连接部分45、46、47、48连接块部分和各弹性支承臂41、42、43、44的端部；布线区域26、27、28，这些布线区域26、27、28上有引线；以及非布线区域29。占据块部分20的上表面的大部分区域的非布线区域29优选是比弹性支承臂的上表面低该弹性支承臂41、42、43、44的厚度t。也就是，非布线区域从弹性支承臂41、42、43、44和厚框架30的上表面凹入弹性支承臂41、42、43、44的厚度t。弹性支承臂41、42、43、44的端部与非布线区域29的一部分交叠，并构成在块部分20和弹性支承臂41、42、43、44之间连接的连接部分45、46、47、48。连接部分45、46、47、48的宽度与弹性支承臂41、42、43、44的宽度w相同，且沿弹性支承臂的纵向方向(也就是沿X轴方向或Y轴方向)的长度L等于或大于弹性支承臂的厚度。
为了表示图2的加速度传感器元件100的局部放大结构，图4表示了沿图3的线IV-IV的剖视图，图5表示了沿图3的线V-V的剖视图，而图6表示了沿图3的线VI-VI的剖视图。如图4至6所示，弹性支承臂42的上表面基本与连接部分46和布线区域27的上表面平齐。在弹性支承臂42端部的连接部分46的底部与块部分20的上表面连接，而连接部分46使块部分20与弹性支承臂42连接。沿X轴方向的布线区域27的上表面基本与沿Y轴方向的布线区域28平齐。
尽管在加速度传感器元件的实例中，非布线区域29比弹性支承臂的上表面低弹性支承臂41、42、43、44的厚度，但是在本发明中，有利的是使非布线区域比弹性支承臂的上表面稍微低一些。非布线区域29通过干蚀刻至低于弹性支承臂41、42、43、44的上表面和厚框架的上表面而形成。在前述处理步骤中粘附在块部分20的上表面上的污染物可以通过对非布线区域蚀刻超过0.1μm而除去。优选是，通过蚀刻而使非布线区域29形成为比弹性支承臂41、42、43、44深超过1.0μm。但是并不希望使非布线区域29比弹性支承臂41、42、43、44的上表面和厚框架30的上表面深太多。非布线区域29的深蚀刻不仅需要很长机械加工时间，而且还使块部分20变轻。优选是，非布线区域29比弹性支承臂上表面低弹性支承臂的厚度，与实例中相同。通过当干蚀刻在弹性支承臂41、42、43、44和块部分20之间的穿透槽50时对非布线区域29进行蚀刻，从而可以将非布线区域29机械加工成比弹性支承臂的上表面低弹性支承臂41、42、43、44的厚度t。
布线区域26、27、28的形状类似于从非布线区域29升高的脊，从而在块部分20上的弹性支承臂41、42、43、44之间进行连接。也就是，它们在连接部分45、46、47、48之间进行连接。布置在弹性支承臂(例如43)的上表面上的引线通过布线区域28而导向另一弹性支承臂44的上表面。除了引线之外，布线区域基本与弹性支承臂的上表面平齐。引线从布线区域上稍微升高，也从弹性支承臂的上表面上稍微升高，且在布线区域上的引线厚度为最多1.0μm。
图8表示了布线部分沿Y轴方向的纵剖图。在图8中，Y轴引线281通过保护膜142而布置在块部分20的布线区域28上。与Y轴引线281垂直交叉的Z轴引线271、272、273位于保护膜142上。Y轴引线281的部分281a形成有P+，其中，硼掺杂在硅层中。由P+制成的引线可以在不增加引线厚度的情况下与另一引线交叉。
上部调节板60安装成覆盖加速度传感器元件100的上表面。在上部调节板60的底表面和加速度传感器元件100的块部分20的上表面的布线区域之间提供有间隙(例如5至15μm的间隙g1)。在加速度传感器元件100的厚框架30(在本实施例中，该厚框架是方形厚框架)的上表面的各拐角处提供有浆糊，以便将上部调节板60固定在加速度传感器元件100上。
在上部调节板60的底表面和加速度传感器元件100的块部分20的非布线区域之间的间隙在本发明中称为第二间隙(g2)。该第二间隙(g2)是第一间隙(g1)、引线厚度以及非布线区域与布线区域的高度差的总和，该布线区域基本与弹性支承臂的上表面平齐。在本实例中，因为非布线区域比布线区域低连接部分的厚度，因此第二间隙(g2)比第一间隙(g1)大引线厚度和连接部分厚度的总和。但是，在本发明中，有利的是非布线区域比布线区域低0.1μm，优选是低超过1.0μm。因此，第二间隙(g2)的长度比第一间隙(g1)、引线厚度以及0.1μm(优选是1.0μm)的总和更长。
当污染物粘附在块部分的上表面上时，在上部调节板的底表面和块部分的上表面之间的间隙下降一个污染物的高度，且块部分的振幅也缩小该高度。污染物包括残余粘接剂和通过喷溅产生的污染物。
当加速度传感器元件由硅晶片制成时，硅晶片通过粘接剂而固定在模型基片上，以便对加速度传感器元件进行干蚀刻，从而使加速度传感器元件的上表面对着模型基片。在干蚀刻之后，通过溶剂除去粘接剂，因为弹性支承臂极薄(为5至10μm)，从而不能通过施加机械力(例如超声波清洗)来除去。因此，在除去粘接剂之后，很少量的粘接剂留在块部分的上表面上。残余粘接剂成为污染物。大部分的残余粘接剂的侧边长大于10μm，但是高度小于几μm。相反，通过喷溅产生的污染物较硬，且侧边为几μm至10μm，面积较小，但是高度为0.1至5μm。
因为非布线区域29占据块部分20的上表面的大部分面积，因此，在本发明的加速度传感器中，粘接在非布线区域上的污染物几乎可以通过相对布线区域稍微干蚀刻该非布线区域而除去。且即使在蚀刻后5μm高的污染物留在非布线区域上，如果非布线区域相对于布线区域降低弹性支承臂厚度(也就是连接部分厚度)，留下的污染物也不会减小在上部调节板的底表面和块部分的上表面之间的间隙(g1)。
这里使用的浆糊包含大约10个质量％的硬塑料球，该硬塑料球的直径为大约15μm。硬塑料球由基于二乙烯基苯的交联聚合物制成，并为可从市场上获得的产品(用于调节液晶显示器的间隙)。标称直径为15μm的球非常精确，平均颗粒直径为15μm±0.1μm，直径的标准偏差为0.6μm。
浆糊包含粘接剂，该粘接剂即使在硬化后仍然有弹性。优选是，硅橡胶树脂粘接剂(例如由Dow Corning Toray Silicone Co.，Ltd生产的DA6501)可以用作粘接剂。硅橡胶树脂粘接剂具有足够弹性，在硬化后的杨氏模量小于8.8×10-4G Pa。因为在硬化后仍然有弹性的该粘接剂用于将上部调节板固定在加速度传感器芯片上，因此，该加速度传感器芯片在粘接剂硬化后不会受到较大应力。
在本发明的加速度传感器中，与用于将上部调节板60固定在厚框架上表面上的浆糊相同的浆糊用于将加速度传感器元件100的厚框架30的底表面固定在保护盒80的内部底板84上。因为浆糊包含硬塑料球，因此可以在块部分的底表面和内部底板之间形成距离与硬塑料球的直径相同或比粘接剂厚度更大的间隙。从可操作性考虑，优选是使用相同浆糊来将上部调节板固定在加速度传感器元件上以及将加速度传感器元件固定在保护盒中。不过，其它粘接剂例如环氧树脂粘接剂也可以用于将加速度传感器元件的厚框架的底表面固定在内部底板上，假设粘接区域不会影响加速度元件的灵敏度的话。
在本发明中，上部调节板可以由棚硅酸盐玻璃等制成。硼硅酸盐玻璃的线性热膨胀系数为大约7×10-6，它大于硅的线性热膨胀系数，即2.4×10-6。不过，使用在硬化后具有较小硬度的粘接剂使得上部调节板能够使用具有该较大线性膨胀系数的材料。
下面介绍加速度传感器芯片的尺寸。方形加速度传感器元件100的侧边长度为3300μm，厚框架30的厚度为600μm，宽度为450μm。中心的块部分20的侧边长度为大约1000μm，厚度为600μm。四个弹性支承臂41、42、43、44的长度为700μm，宽度为110μm，并由SiO2绝缘层上的硅制成，它的厚度为大约10μm。
下面将介绍加速度传感器元件100的制造方法。图9A至9F表示了部分(右半部分)沿图3中X轴方向的剖面(IV-IV剖面)，以便说明主要处理。如上所述，SOI晶片是单晶硅基片，它由Si基片120、在顶表面上的SOI层140(该SOI层是Si活性层)以及在Si基片120和SOI层140之间的SiO2层130(用作蚀刻停止器)而构成，如图9A中的参考标号所示。对于它们的厚度，基片120的厚度为600μm，SiO2层的厚度为1μm，而SOI层的厚度为大约10μm。
制造方法的第一步骤是利用光致抗蚀剂或热氧化SiO2膜等在SOI层140的表面上形成预定形状的图形，并利用通过杂质扩散处理(例如离子植入)而扩散的硼来形成压敏电阻Z3和Z4(图9A)。对于表面杂质密度，从温度特征和灵敏度方面考虑，采用大约2×1018原子/cm3，而用于形成导体(如图8中的281a所示)的P+层的硼浓度形成为比压敏电阻更厚。
然后，为了保护压敏电阻Z3和Z4，制成了保护膜142(图9B)。对于保护膜142，将使用通常用于半导体技术的SiO2和PSG(磷硅酸盐玻璃)的多层膜，以便有活动离子的吸收效应。也可以使用SiO2和SiN的两层膜来代替SiO2和PSG的两层膜。优选是，为了有较高灵敏度，保护膜142的厚度制成为尽可能薄，以便减小应力，因此它制成为0.3μm至0.5μm。
然后，通过用氢氟酸作为主要成分来进行湿蚀刻，从而在保护膜142中在压敏电阻Z3和Z4的两端处形成用于连接导体的通孔144(图9C)。
然后，为了形成引线，通过喷溅形成铝膜。厚度为0.3μm至0.5μm。通过光蚀刻形成引线282(图9D)。形成于SOI层上的保护膜142和引线282的总厚度制成为大约0.6μm至大约1.0μm。
然后，尽管未示出，在SOI层140上形成光致抗蚀剂掩模，该光致抗蚀剂掩模具有厚框架、弹性支承臂、以及块部分的连接部分和布线区域的形状，SOI层140通过干蚀刻而进行蚀刻，以便到达SiO2层130，从而将块部分20的穿透槽50和非布线区域29a除去SOI层的厚度。因为SiO2层130作为干蚀刻的蚀刻停止器，因此只蚀刻硅层(见图9E)。
然后，将SOI晶片设置成使得具有压敏电阻的晶片表面对着模型基片，并通过树脂粘接剂(未示出)而固定在该模型基片上。当对SOI晶片的、大约600μm厚的硅基片120进行干蚀刻时必须进行冷却，因为干蚀刻在具有SF6-气体和氧气的等离子体中进行。在基片120的后表面上，光致抗蚀剂掩模根据在表面上的压敏电阻Z3和Z4的位置而形成块部分20和框架30的形状，SOI层140的穿透槽图形50利用双面对齐装置来进行对齐，基片120通过干蚀刻方法来进行蚀刻，且通过利用具有缓冲剂的氢氟酸进行湿蚀刻而除去作为蚀刻停止器的SiO层130(图9F)。
然后，通过使用切块机等而将形成于晶片上的多个加速度传感器元件一个个地切成传感器芯片，且通过用溶剂溶解树脂粘接剂而将各加速度元件从模型基片上取下。通过装配处理例如封装等，将形成半导体加速度传感器。
实验为了进行试验，制备了结构与上述实例中所述的加速度传感器相同的加速度传感器元件，只不过使弹性支承臂与块部分连接的连接部分的长度L为7μm；在上部调节板的底表面和块部分的上表面(即引线的上表面)之间的第一间隙长度(g1)为14μm，且非布线区域比弹性支承臂的上表面低1μm至13μm。也就是，对于在非布线区域和弹性支承臂的上表面之间的高度差为1μm(试样B)、3μm(试样C)、5μm(试样D)、7μm(试样E)、10μm(试样F)和13μm(试样G)的各试样组，制造2800件加速度传感器元件。还有，为了比较，制造2800件在它们之间没有高度差的加速度传感器元件(试样A)。在这些加速度传感器元件中，试样A的第二间隙(g2)为15μm，试样B为16μm，试样C为18μm，试样D为20μm，试样E为22μm，试样F为25μm，试样G为28μm，因为第一间隙(g1)设置为14μm，引线厚度为1μm。
对于具有不同高度的非布线区域的七种加速度传感器元件中的每一种，研究了污染物的产生频率。对于对比实例A，2800个加速度传感器元件中的824个有在弹性支承臂或块部分的上表面上的至少一个污染物，对于全部元件，发生频率为大约30％。对于试样B至G(其中，非布线区域均匀地稍微降低)的各试样组，有大约300个元件具有在弹性支承臂或块部分的上表面上的至少一个污染物。可以认为，在喷溅步骤中大部分在非布线区域上产生的污染物都在干蚀刻步骤中通过非布线区域的干蚀刻而熔耗或脱落。在有污染物的加速度传感器元件中，大约150个在弹性支承臂或块部分的引线上有污染物，或者在块部分的连接部分上有污染物。当研究粘附在引线上或连接部分上的污染物时，发现它们的宽度和/或长度为2至100μm，高度为0.1至5μm。通过对非布线区域进行干蚀刻，缺陷产品的数目(过去为824)减少至大约300。因为当在非布线区域和弹性支承臂的上表面之间的高度差大于污染物的高度时，允许污染物粘附在非布线区域上，因此，可以理解，缺陷元件数目可以减少至大约150。对于污染物，加速度传感器元件的产品收得率通过对非布线区域进行干蚀刻而提高至大约90％，并通过使非布线区域降低超过污染物高度而进一步提高至大约95％，相反，普通的产品收得率为大约70％。
从试样A至G的加速度传感器元件中选择只有在非布线区域上才有污染物的加速度传感器元件，从各试样组中制造100个加速度传感器。在传感器中，在块部分的底部和保护盒的内部底板之间的间隙为19μm。上部调节板由150μm厚的蓝玻璃板制成。
当5G、10G和30G的加速度施加给加速度传感器时，测量输出电压和噪音水平，然后，在各加速度传感器从1m高度自由跌落在100mm厚的木板上之后测量加速度传感器的抗冲击性。从该高度跌落将向加速度传感器施加大约1500G至2000G的冲击。当施加加速度时输出电压和噪音水平在特定范围内的加速度传感器判断为“合格”产品。通过在跌落试验后是否能够测量输出电压来评价抗冲击性。不产生输出电压的加速度传感器判断为“缺陷”产品，而具有输出电压的加速度传感器判断为“合格”。测试结果如表1所示。
表1

表1表示了在各个测试中对于100个测试传感器的合格产品数目。对于作为对比实例的试样A，对于输出电压和噪音水平，在加速度10G时的缺陷产品为20％，在加速度20G时的缺陷产品为36％。对于试样B，当施加的加速度升高时缺陷比例增加，但是与对比实例相比，在加速度20G时减少了24％。只通过使非布线区域降低1μm，加速度传感器的缺陷比例可以改善24％，这证明使非布线区域降低1μm对于产品收得率很有效。同样，在实例C中，缺陷比例在20G时减少了27％。在非布线区域降低5μm的试样D中，在加速度20G时没有发现缺陷产品。因为粘附的污染物的最大高度为5μm，因此通过引线厚度(1μm)，可以避免污染物与调节板接触。对于g2大于试样D的试样E和G，没有缺陷产品。因此，在第二间隙(g2)等于试样D至G的第二间隙的加速度传感器中(也就是，非布线区域从布线区域降低超过5μm)，加速度传感器的产品收得率大大提高。但是，因为试样D、F和G需要与弹性支承臂的机械加工步骤不同的其它机械加工步骤来降低非布线区域，因此，与本发明中最优选的试样E相比，增加了加速度传感器的机械加工成本。因此，显然非布线区域的凹入深度优选是等于弹性支承臂的厚度。
表1还包括抗冲击测试的结果，其中，加速度传感器从100m高度自由跌落到100mm厚的板上。各试样F和G产生缺陷产品，在试样F和G中，非布线区域分别凹入10μm和13μm。因为试样F和G的非布线区域分别从弹性支承臂的表面降低10μm和13μm，也就是降低量大于弹性支承臂的厚度，因此，加速度传感器的连接部分似乎由于沿X或Y方向(沿弹性支承臂的纵向方向)施加在加速度传感器上的力而破坏。但是，与该破坏的连接部分垂直的连接部分并没有破坏。因此，可以知道，为了增加抗冲击性，重要的是使连接部分的、沿弹性支承臂的纵向方向的长度比弹性支承臂的厚度更长。
如上所述，通过使块部分的非布线区域从块部分的布线区域降低，以便使得在上部调节板和非布线区域之间的间隙大于在上部调节板和引线之间的间隙，可以避免粘附在加速度传感器元件的、对着上部调节板的表面上的污染物对加速度传感器性能的影响。通过使得在块部分的非布线区域与上部调节板的间隙(g2)以及引线与上部调节板的间隙(g1)之间的差等于弹性支承臂厚度和引线厚度的总和，非布线区域可以在机械加工弹性支承臂的同时进行机械加工。还有，通过跌落测试可以获得充分的抗冲击性。如上所述，高可靠性的加速度传感器可以通过本发明而以低成本来提供。
权利要求
1.一种加速度传感器，包括加速度传感器元件，该加速度传感器元件有块部分，该块部分位于加速度传感器元件的中心；厚框架，该厚框架离块部分一定距离，并有在该厚框架的上表面上的多个端子；多个弹性支承臂，这些弹性支承臂桥接着所述块部分的上表面和厚框架的上表面；应变仪，该应变仪形成于弹性支承臂的上表面上；以及引线，该引线在应变仪之间和/或在应变仪和端子之间进行连接；块部分的上表面包括连接部分，该连接部分使块部分与各弹性支承臂连接；布线区域，在该布线区域上有部分引线；以及非布线区域；以及上部调节板，该上部调节板安装成这样，即，在块部分的布线区域和上部调节板的底表面之间有第一间隙，以便覆盖加速度传感器元件，且该上部调节板通过布置在厚框架的上表面上的粘接剂而固定在厚框架的上表面上；其中，上部调节板有在块部分的非布线区域的上表面和上部调节板的底表面之间的第二间隙，该第二间隙的长度比第一间隙的长度、在布线区域上的引线的厚度以及0.1μm的总和更长。
2.根据权利要求1所述的加速度传感器，其中第二间隙的长度比第一间隙的长度、在布线区域上的引线厚度以及1μm的总和更长。
3.根据权利要求1所述的加速度传感器，其中第二间隙的长度比第一间隙的长度更长，其差值为在布线区域上的引线厚度和连接部分的厚度的总和。
4.根据权利要求1所述的加速度传感器，其中连接部分的上表面基本与弹性支承臂的上表面平齐，且布线区域除了导线之外的高度基本与弹性支承臂的上表面平齐，且该布线区域使所述连接部分的一个上表面与所述连接部分的另一上表面连接，以及非布线区域的高度低于布线区域以及连接部分的上表面的高度。
5.根据权利要求2所述的加速度传感器，其中连接部分的上表面基本与弹性支承臂的上表面平齐，且布线区域除了导线之外的高度基本与弹性支承臂的上表面平齐，且该布线区域使所述连接部分的一个上表面与所述连接部分的另一上表面连接，以及非布线区域的高度低于布线区域以及连接部分的上表面的高度。
6.根据权利要求3所述的加速度传感器，其中连接部分的上表面基本与弹性支承臂的上表面平齐，且布线区域除了导线之外的高度基本与弹性支承臂的上表面平齐，且该布线区域使所述连接部分的一个上表面与所述连接部分的另一上表面连接，以及非布线区域的高度低于布线区域以及连接部分的上表面的高度。
7.根据权利要求4所述的加速度传感器，其中连接部分的厚度基本等于弹性支承臂的厚度。
8.根据权利要求5所述的加速度传感器，其中连接部分的厚度基本等于弹性支承臂的厚度。
9.根据权利要求6所述的加速度传感器，其中连接部分的厚度基本等于弹性支承臂的厚度。
全文摘要
一种加速度传感器包括加速度传感器元件，该加速度传感器元件有位于中心的块部分、环绕该块部分的厚框架、以及桥接该块部分和厚框架的多个弹性支承臂；以及上部调节板，该上部调节板覆盖加速度传感器元件，并通过粘接剂固定在厚框架上。块部分的上表面有连接部分，该连接部分使块部分与各弹性支承臂连接；布线区域，在该布线区域上有引线；以及非布线区域。非布线区域为块部分的上表面的主要区域，并低于布线区域。上部调节板有与布线区域之间的第一间隙以及与非布线区域之间的第二间隙，该第二间隙的长度比第一间隙的长度、导线厚度以及0.1μm(优选是1.0μm)的总和更长。即使当污染物粘附在块部分上表面上时，也很可能在蚀刻非布线区域时使该污染物从上表面上除去，从而不会由于它们而减小块部分的振幅。
文档编号H01L29/84GK1598596SQ20041007974
公开日2005年3月23日 申请日期2004年9月16日 优先权日2003年9月16日
发明者秦野弘之, 古市真治, 斋藤正胜 申请人:日立金属株式会社