专利名称：半导体加速度传感器及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种具有抗冲击性的半导体加速度传感器及其制备方法。
背景技术：
图15A和图15B显示了常规的半导体加速度传感器。这种传感器包括框架101，其内部具有一开口；挠性横梁102，从框架101延伸到框架101的开口内并具有相交部分；重物103，其悬挂在横梁102的交叉部分并由横梁102的交叉部分支撑以使该重物可自由移动；压电电阻器(未示出)，其安装在横梁102上并且随横梁102中由于重物的位移所产生的变形而改变电阻值；以及底座105。(例，参考日本特开专利公开Hei 8-327656和日本特开专利公开Hei 11-135804)框架101例如由硅制成的半导体衬底构成，并如平面图中所见，其大致为矩形，在其内部具有一开口106。设置横梁102为每个横梁从构成框架101的四个侧面的每一个的上表面向内延伸，并且横梁102在框架101内的中心附近彼此相交以形成交叉部分102a。较细地形成每个横梁102，以便其为挠性的。
在横梁102的表面，并分别在交叉部分102a的附近以及在横梁102的四个底端部分102b处设置多个压电电阻器(未示出)。这里假设平行于框架101的任意一个侧面的方向是X-轴，平行于框架101的另一侧面并以90度角与X-轴相交的方向是Y-轴，与X-轴和Y-轴都以90度角相交的方向是Z-轴。根据这种假设，对应X-轴、Y-轴、Z-轴的每组有四个压电电阻器的三组压电电阻器形成惠斯登桥以分别检测在三个轴方向上作用的加速度。这些压电电阻器进一步连接到框架101上形成的电极(未示出)。
重物103连接并悬挂于横梁102的交叉部分102a的下表面，由此由框架101支撑重物103以便重物103由于横梁102的挠性可自由移动。重物103具有梯形截面，该梯形截面的宽度在Z-轴方向上从框架101到底座105而减小。而且，重物103具有小于框架101的厚度，以为重物103响应其上作用的加速度提供可自由移动的空间。在框架101的开口106的拐角部分，设置制动器104以限制重物103的移动。每个制动器104大致为三角形，通过并沿着框架101的对应侧面支撑三角形的两边。制动器104和底座105具有限制重物103自由移动程度的功能。如平面图中所见，底座105大致为与框架101的外形相同的矩形。
当加速度在具有上述结构的半导体加速度传感器上作用时，由于重物被框架101和横梁102支撑而可自由移动，因此重物103根据其上作用的加速度方向和大小纵向地、横向地和/或垂直地前后移动。这时，在横梁102中出现偏转发生从而多个压电电阻器承受应力，由此它们的电阻改变。结果，惠斯登桥失去平衡，从对应各个轴的惠斯登桥输出对应其上作用的加速度的电信号。通过从电极采集电信号，可检测加速度。当横梁102上作用过量的加速度时，制动器104和底座105限制重物103的自由移动，由此防止它们断裂。
然而，根据这种半导体加速度传感器，当重物103撞击制动器104时，存在冲撞局部集中的可能。由于这种影响，很难提高制动器104的抗断裂的能力。
发明内容
本发明的目的是提供一种通过改进制动器的断裂极限而具有优良的抗冲击性的半导体加速度传感器。
为了达到该目的，根据本发明的半导体加速度传感器由半导体衬底形成并包括一矩形框架，具有侧面及其内部的一开口，并且该框架进一步具有该框架的每两个邻接侧面的拐角部分；多个挠性横梁，其从框架延伸到该框架的开口内，并且在其之间的相交处具有一交叉部分；一重物，其悬挂在所述横梁的交叉部并由其支撑，并且从俯视方向看，该重物位于该开口中以便自由移动，并且该重物具有分别面向所述框架拐角部分的拐角部分；以及压电电阻器，其安装在所述横梁上并随横梁中由于重物的位移所产生的变形而改变电阻值，其中该框架包括分别在框架各个拐角部分设置的风挡部分，分别用于限制重物的拐角部分的位移超过预定数值，其中每个风挡部分覆盖开口的一部分，该部分包括从框架的每个拐角部分到该开口内的范围，并且，其中重物的每个拐角部分的角被去掉，以具有从俯视方向看的弧形或至少由三条边构成的折线形。
根据本发明，由于风挡部分用作制动器，因此不需要另外设置由分离构件形成的制动器，就限制了重物朝向横梁的位移，从而重物的移动不会超过加速度检测限制而引起其断裂。而且，分别对应于框架的拐角部分的重物的每个拐角部分的角被去掉，以形成如平面图中所示的圆弧或由至少三条边构成的折线。由于这种设计，当重物撞击风挡部分时，可防止重物对风挡部分施加的冲击局部集中。因此，风挡部分的断裂强度提高，从而提高了半导体加速度传感器的抗冲击性。
优选地，每个风挡部分具有在其厚度方向上穿透的通孔。这在起初就夹在重物和风挡部分之间的衬底和层被蚀刻的情况下是有利的，因为由此会增加衬底或层暴露在蚀刻剂下的区域，因此可缩短蚀刻时间。
进一步优�。扛龇绲膊糠置嫦蚩蚣芸诘谋咴担ü⌒谓徊娌糠衷谄涿扛龆瞬看α诮拥娇蚣芰礁霰咴档拿扛龆瞬浚淞诮用扛龇绲膊糠值谋咴挡⒚嫦蚩蚣艿目�。这可分散不然将集中在每个风挡部分和框架之间的交叉部分上的应力。因此，提高了风挡部分的断裂强度，从而也提高了半导体加速度传感器的抗冲击性。
在附加的权利要求中阐述本发明新颖的特征时，可从下面结合附图的详细描述中更好地理解本发明。
此后参考附图描述本发明。请注意显示所有的附图是为了说明本发明或其实施例的技术思想，其中图1A是根据本发明实施例1的半导体加速度传感器的平面示意图，同时图1B是图1A沿A-A线的剖面示意图，以及图1C是图1A沿B-B线的剖面示意图；图2是半导体加速度传感器的局部透视放大平面示意图，显示其包括并围绕风挡部分的这部分；图3A到图3D是半导体加速度传感器及其分别在不同步骤下的产物的剖面示意图，显示了其制造方法；图4是根据本发明实施例2的半导体加速度传感器的局部透视放大平面示意图，显示其包括并围绕风挡部分的这部分；图5是图4沿C-C线的剖面示意图；图6是根据本发明实施例3的半导体加速度传感器的局部透视放大平面示意图，显示包括并围绕风挡部分的那部分；图7A是根据本发明实施例4的半导体加速度传感器的平面示意图，同时图7B是图7A沿A-A线的剖面示意图，以及图7C是图7A沿B-B线的剖面示意图。
图8A是根据本发明实施例5的半导体加速度传感器的平面示意图，同时图8B是图8A沿A-A线的剖面示意图，以及图8C是图8A沿B-B线的剖面示意图；图9是根据本发明实施例6的半导体加速度传感器的平面示意图；图10是根据本发明实施例7的半导体加速度传感器的平面示意图；图11是根据本发明实施例8的半导体加速度传感器的平面示意图；图12是根据本发明实施例9的半导体加速度传感器的平面示意图；图13是对于根据本发明实施例10的用于半导体加速度传感器，包括横梁和主重物的框梁结构的部分剖面示意图；图14A到图14G是框梁结构及其分别在不同步骤下的产物的剖面示意图，显示了其制造方法；图15A是常规半导体加速度传感器的斜视示意图，同时图15B是其剖面示意图。
具体实施例方式
在下面参考附图的非限制性实施例中描述根据本发明实施例的半导体加速度传感器。
参考图1A、图1B以及图1C和图2描述根据本发明实施例1的半导体加速度传感器。通过处理SOI(绝缘体上硅)衬底1制造本实施例的半导体加速度传感器，SOI衬底1包括支撑层12、在支撑层上的绝缘层12、在绝缘层上的有源层13的叠层，支撑层12例如由硅(Si)构成，绝缘层12例如由二氧化硅构成(SiO2)，有源层由硅(Si)构成。有源层13是半导体层。半导体加速度传感器包括框架2、横梁3、压电电阻器4、重物5以及风挡部分6，作为主要构成元件。
框架2用作半导体加速度传感器的基座，并通过挠性横梁3，在它的内部空间内支撑重物5。通过在SOI衬底1上设置内开口以形成框架主体来形成框架2，并且如平面图中所示框架2的形状大致为矩形。因此，框架2包括由支撑层11，绝缘层12以及有源层13构成的三层。在支撑层11的表面上形成例如由铝(Al)制成、并分别连接到压电电阻器4x、4y、4z的电极(未示出)。通过电极，可采集转换成电信号的加速度。在每个开口21的侧面上，框架2的每两个邻接侧面的每个拐角部分22为例如如平面图所示的弧形。
每个横梁3仅由有源层形成，并悬挂和支撑重物5以便重物可自由移动。这里强调使用术语“自由移动”以表示“纵向地、横向地、和/或垂直地前后移动”。每个横梁3从框架2的每个侧面的大约中心处向内延伸，并通过交叉部分23在框架2的大约中心处相互连接。如平面图所示每个横梁3为与有源层13大致相同厚度的条形，并为挠性部件，通过重物5根据其上作用的加速度大小可弯曲。由横梁3和框架2形成四个开口21。
当横梁3由于其上作用的加速度而变形时，压电电阻器4x、4y以及4z分别将其中产生的应力转换为电信号。在横梁3和交叉部分23之间的边缘，以及横梁3和框架2之间的边缘附近，在横梁3的表面上形成这些压电电阻器4x、4y以及4z。其中，在横梁3和交叉部分23之间的边缘附近的压电电阻器4x和4y对应具有平行于框架2的侧面的方向上的分矢量的加速度。定义平行框架2的一个侧面的方向是X-轴，则平行于框架2的另一个侧面并垂直于X-轴的方向是Y-轴，那么在平行于X-轴的横梁3上设置的四个压电电阻器4x形成惠斯登桥，同时在平行于Y-轴的横梁3上设置的四个压电电阻器4y形成另一个惠斯登桥。另一方面，在横梁3和框架2之间的边缘附近的压电电阻器4z对应具有垂直X-轴和Y-轴的方向上的分矢量的加速度。定义这个方向为Z-轴，四个横梁3上设置的四个压电电阻器4z形成另外的惠斯登桥。
根据其上作用的每个加速度的大�。匚�5自由移动并由此改变每个横梁3的偏转量。换句话说，施加到重物5的加速度转换为根据牛顿的位移公式计算的力(F＝mα，这里F是力，m是重物5的质量，以及α是加速度)，并且这个力使横梁偏转。重物5设置在框架2内的空间中，以及悬挂在横梁3上并通过横梁3支撑。具体地，通过支撑层11形成重物5，并且重物5包括主重物51和四个辅助重物52。
如平面图所示，主重物51的形状大致为矩形，并具有小于框架2的厚度，小于的厚度量为每个横梁3在Z-轴上的容许位移。主重物51通过SOI衬底1的绝缘层12连接到交叉部分23。如平面图所示每个辅助重物52的形状大致为矩形，并具有与由支撑层11形成的主重物51相同的厚度。如在其上没有作用加速度时从有源层13的侧面所见，辅助重物52分别连接到主重物51的四个拐角，并且分别设置在四个开口21内。去掉面向框架2的每个拐角部分22的辅助重物52的每个拐角部分53的角，并且每个拐角部分53具有与每个拐角22相似的弧形(如平面图中所示的弧形)。形成每个拐角部分53以具有这种弧度，从而使在框架2和每个辅助重物52之间的距离基本保持为常数。
每个风挡部分6都是制动器，以通过其与辅助重物52的接触在Z-轴方向上限制重物5的过量位移，并且形成风挡部分6，以覆盖开口21的一部分，该部分包括从开口21的侧面上框架2的两个邻接侧面的拐角部分22到开口21内的范围。如平面图所示，每个风挡部分6的形状大致为三角形，并由SOI衬底1的有源层13形成，以便风挡部分6与每个横梁3在相同平面上。
每个风挡部分6具有在厚度方向上穿透的多个通孔61，在风挡部分面向辅助重物52的区域中设置这些通孔。如平面图所示，每个通孔61大致为圆形。这些通孔61在制备工艺中主要用作引入蚀刻剂的通路，以将重物5与风挡部分6分隔开，并且通孔相互之间大致等距离设置，即任意两个相邻通孔具有大致恒定的中心到中心的距离。而且，最接近每个风挡部分6的邻接开口21的边缘62的这些通孔，从边缘62以大致为通孔61中心到中心距离的一半来设置。
接下来，参考图3A到图3D描述根据本发明实施例的半导体加速度传感器的制备工艺。这些附图是图1中的半导体加速度传感器或其产物沿图1A中的A-A线截取的剖面示意图，其分别描述了制备工艺的步骤。首先，制备具有400到600μm厚的支撑层11、0.3到1.5μm厚的绝缘层12以及4到6μm厚的有源层13的SOI衬底1，其中支撑层11的导电类型为n-型。在SOI衬底1的表面上，例如通过热氧化形成二氧化硅(SiO2)的氧化膜(未示出)。绝缘层12具有与支撑层11和有源层13都不同的蚀刻率。这有利于执行后面描述的蚀刻以除去支撑层11或有源层13，留下绝缘层12。
接下来，通过除去氧化膜的中心部分将支撑层11上的氧化膜构图成预定形状，如平面图中所示，中心部分大致为矩形。此后，通过使用例如，碱性水溶液，如氢氧化钾水溶液(KOH)或氢氧化四甲铵(TMAH)水溶液的湿蚀刻，或使用例如反应离子蚀刻(RIE)的干蚀刻来蚀刻暴露的支撑层11，以在支撑层11中形成凹槽14(参考图3A)。
随后，在有源层13上形成压电电阻器，电极以及将压电电阻器电连接到电极的布线(未示出)。其中，如下形成压电电阻器4和布线。以预定形状构图有源层13上的氧化膜。通过例如，离子注入或淀积扩散将p-型导电杂质如硼(B)注入到由此暴露的有源层13中。此后，在加热到大约1100℃的蒸气和氧的混合气体中约30分钟使杂质热扩散到其中，从而在SOI衬底的有源层侧面的表面上形成包括压电电阻器和布线的另一氧化膜，由此形成压电电阻器和布线的工艺结束。
另一方面，如下形成电极。在如上形成压电电阻器4和布线之后，在布线上另一氧化膜上的预定位置处形成接触孔(未示出)。随后，例如，通过溅射在有源层13侧面上的氧化膜上淀积铝膜。此后，在铝膜上涂敷光刻胶(未示出)，然后以预定形状构图光刻胶，由此形成电极的工艺结束。
接下来，在支撑层11上涂敷光刻胶，然后构图光刻胶以除去对应凹槽14的下表面的周围部分的区域中的，以及对应凹槽14的下表面的四个大致为长矩形区域中的光刻胶，每个上述区域都包括从凹槽14的下表面的四个边的每个大致中心位置至凹槽14的下表面的内侧(大致中心)横跨的范围。此后，通过感应耦合等离子体(ICP)蚀刻，支撑层11在其除去光刻胶而暴露的那部分处，从凹槽14上的支撑层11的表面向上到其与绝缘层12相接处的末端被蚀刻掉(参考图3B)。
然后，在有源层13上涂敷光刻胶，并以预定形状构图光刻胶，以除去对应形成的开口21和通孔61的光刻胶部分。此后，通过上述的湿蚀刻或感应耦合等离子体(ICP)蚀刻，有源层13从除去光刻胶而暴露的有源层的表面向上到其与绝缘层12相接处的末端的被蚀刻掉(参考图3C)。
最后，通过浸没在氟化氢(HF)溶液中或通过暴露在氟化氢(HF)溶液的喷雾中蚀刻掉绝缘层12的一部分，该部分对应除了形成框架2和主重物51外的那些部分，由此形成可自由移动的重物5，并完成了半导体加速度传感器。
通过在封装(未示出)中安装该传感器，具体地通过在具有设置在传感器和封装之间的底座的封装中安装该传感器，并通过用电线将封装连接到传感器的电极，可将该半导体加速度传感器用作加速度传感器设备。
根据本实施例的半导体加速度传感器中，当半导体加速度传感器接收的加速度超过Z-轴中容许的加速度限度时，每个风挡部分6容许辅助重物52与其接触，由此防止横梁3的移动超过容许极限。而且，在框架2的拐角部分22上，以及每个辅助重物52的拐角部分上形成的弧形用作分散当辅助重物52撞击风挡部分6时产生的冲击，由此防止该冲击局部集中。
通孔61用于容许介于形成的风挡部分6和辅助重物52之间的绝缘层12增加其接触蚀刻剂的面积。而且，以相邻通孔61具有大致恒定的中心到中心的距离的方式设置通孔61，由此在蚀刻剂和绝缘层12之间的各个相邻接触点相互之间为大致等距离。
根据上面描述的半导体加速度传感器，可限制Z-轴方向上重物5的位移，并当重物5撞击风挡部分6时，减小施加到风挡部分6的冲击的局部集中。因此，增加了风挡部分6的断裂强度，并且因此提高了半导体加速度传感器的抗冲击性。
另外，根据上面描述的制备半导体加速度传感器的方法，缩短了用于蚀刻绝缘层12的时间。而且可防止过蚀刻介于形成的框架2和主重物51之间的部分绝缘层12，由此增加了半导体加速度传感器的强度。
请注意框架2的每个拐角部分22以及每个辅助重物52的拐角部分53的形状不限于平面图中所示的弧形。例如，用以45度角相交每两个侧面的每个侧面的垂直平面(形成如平面图所示的三个边构成的折线)，或用多个垂直平面切割框架2的每两个邻接侧面以及每个辅助重物52的两个邻接外侧，以在其每两个邻接侧面的每个拐角部分大致形成弧形。而且，也可以具有如平面图所示的多个边或弧形的形状，形成框架2的每个拐角22或每个辅助重物52的拐角部分53。
也应注意可在每个风挡部分6的整个区域中形成通孔61，而不限于每个风挡部分6面向对应的辅助重物52的区域。另外，如平面图所示通孔61的形状不限于圆形或大致的圆形。进一步可不形成通孔62而除去介于每个形成的风挡部分6和辅助重物52之间的绝缘层12。
实施例2图4和图5表示根据本发明实施例2的半导体加速度传感器的一部分，该部分包括并围绕风挡部分7。除了根据本实施例的半导体加速度传感器的每个风挡部分7与实施例1的风挡部分6不同外，除了风挡部分7之外的根据本发明实施例的半导体加速度传感器的元件基本上与实施例1中的相同。因此，这里使用相同的附图标记表示实施例1中相同的元件，并在此省略这些相同元件的详细描述。
本实施例的风挡部分7与实施例1的风挡部分6不同之处在于面向框架2的开口21的风挡部分7的边缘72通过弧形相交部分71(在平面图中的弧形)在其每个端部连接到框架2的两个边缘21a的每个的端部，这两个边缘21a邻接风挡部分7的边缘72并面向框架2的开口21。当半导体加速度传感器接收的加速度超过Z-轴上允许的加速度极限时，风挡部分7允许辅助重物52与其接触，由此防止横梁3移动超过容许的限度。而且，交叉部分71的弧形可分散不然将集中在交叉部分71上的应力。
根据本实施例，去掉辅助重物52的拐角部分53的角，并且拐角部分53具有如侧面图所示的弧形形状。这种结构使当辅助重物52显著移动时可以在其拐角部分53处被风挡部分7阻止，辅助重物52以及风挡部分7之间较大面积地接触，使风挡部分7遭受较小的冲击。
根据本实施例的半导体加速度传感器，可进一步增加风挡部分7的断裂强度，并由此增加半导体加速度传感器的抗冲击性。应当指出的是相交部分71不限于弧形，而可以分别是一垂直平面上的线段(如平面图中所示)，该垂直平面以45度角在线段的两端与边缘和框架2相交。相交部分71也可以是分别在多个垂直平面上的多个边的折线(如平面图所示)构成的近似弧形。
实施例3图6表示根据本发明实施例3的半导体加速度传感器的一部分，该部分包括并围绕风挡部分7。本发明不同于图4中显示的实施例2之处在于形成的根据本实施例的框架2的拐角部分22具有如平面图中所示的多条边(具体地是三条边)，而实施例2中的拐角部分22具有如平面图中所示的弧形曲面。本实施例与图4中所示的实施例2的相同处在于辅助重物52的拐角部分53为弧形。
实施例4图7A、图7B和图7C表示本实施例的半导体加速度传感器。根据本实施例，作为挠性部件的每个横梁3具有从主重物51到框架2的对应面逐渐增加的宽度。具体地，每个横梁3具有的形状是，当每个横梁3的宽度位置从主重物51开始并变得更接近框架2的对应面时，横梁在框架2的侧面的端部增加其宽度。如图所示，如平面图所示每个辅助重物52具有与如平面图中所示的每个对应开口21大致相同的形状。每个辅助重物52的这种形状以及每个开口21的这种形状分别与上面实施例1描述的那些对应的形状不同，而两个实施例中的其它结构是彼此相同的。具体地，在本实施例4中，例如每个框架2具有风挡部分6，并且去掉每个辅助重物52的拐角部分的角。风挡部分6的形状和辅助重物52的拐角部分的形状不限于附图中所示，而可具有任意的形状。(这种形状的任意性也适用于下面的实施例。)在围绕框架2的矩形边缘的底表面处将框架2粘接到盖50的矩形边缘的内表面，该盖50为如平面图所示的矩形。这种盖也可用于上述的实施例。在面向重物50的侧面上，该盖50具有形成于其中的凹槽以保证重物5的移动范围。
根据本实施例，可增加在框架2的侧面的每个横梁3的强度，即可增加其弹性常数。结果，可减小由于从框架2传递到每个横梁3的热应力引起的重物5的位移，由此改进传感器的温度特性，尤其是每个设置在框架2的侧面处每个横梁3端部附近的电阻器构成的桥接电路的输出的温度特性。而且减小了随时间的性能变化以及滞后特性的发生。
应当指出的是每个横梁3也可具有从主重物51的侧面到框架2的侧面增加宽度和厚度的形状。因此在框架2侧面处的每个横梁3的强度进一步加强。而且每个横梁3可具有在垂直其长度方向的平面上的梯形截面。与背面相比，这增加了在正面处的每个横梁3的强度，因此减小了由于热应力的横梁3的偏转。可选地，每个横梁3在垂直其长度方向的平面上可具有这种截面，以便横梁3在其两个侧面的每一个都为凹弧形。这可增加每个横梁3的侧面的面积，由此减小由于热应力引起的横梁3的偏转。而且，每个横梁3具有从其大约中心到其两端在长度方向上增加的厚度。
实施例5图8A、8B和图8C表示根据本实施例的半导体加速度传感器。本实施例在每个横梁3的形状上不同于实施例4。每个横梁3的形状是，如平面图所示，每个横梁3在长度方向上从其在主重物51的端部到其大约中心位置具有恒定宽度，以及在长度方向上从大约中心位置到框架2的对应面的端部具有逐渐增加的宽度。
与实施例4相比本实施例可减小在主重物51附近的每个横梁3的宽度，由此提高在X-轴和Y-轴的每个方向上加速度检测的灵敏性。
实施例6图9表示根据本发明的半导体加速度传感器。在本实施例中，每个横梁的形状是，如平面图所示，每个横梁3从其在主重物51的侧面的端部，到长度方向上接近其在框架2的对应侧面的端部的另一位置具有恒定的宽度，并且从长度方向上的另一位置到其在框架2的对应侧面的端部具有逐渐增加的宽度。
本发明也可减小主重物51附近的每个横梁3的宽度，由此提高在X-轴和Y-轴的每个方向上加速度检测的灵敏性。另外，由于形成每个横梁3在框架2的对应侧面的端部具有如平面图所示的弧形，因此当过量的加速度施加到每个横梁3时可缓解在框架2的侧面的每个横梁3的端部部分的应力集中，由此增加抗冲击性。
除了如平面图所示的弧形外形状来增加朝向框架2的侧面的宽度之外，每个横梁3也可以具有如侧面图所示的凹槽或弧形以增加朝向框架2的侧面的厚度。每个横梁3也可只具有如平面图所示的弧形或如侧面图所示的弧形。优选地，每个横梁既具有如平面图所示的弧形又具有侧面图所示的弧形以进一步增加抗冲击性。
实施例7图10表示根据本实施例的半导体加速度传感器。在本实施例中，如平面图所示，每个横梁3具有从其在框架2侧面的端部到接近其在主重物51侧面的端部处的一内部位置在长度方向上减小的宽度，然后从这个内部位置到它在主重物51侧面的端部在长度方向上增加的宽度。每个横梁3在主重物51侧面的其内部端部处的扩展的宽度可以稳定桥接电路的输出值的温度特性，该桥接电路用于分别检测X-轴和Y-轴方向上的加速度。
实施例8图11表示根据本实施例的半导体加速度传感器。在本实施例中，如平面图所示，形成的每个横梁3具有从其在框架2侧面的端部到第一内部位置在长度方向上减小的宽度，然后从这个第一内部位置到接近它在主重物51侧面的第二内部位置在长度方向上恒定的宽度，然后从这个第二内部位置到它在主重物51侧面的端部在长度方向上逐渐增加的宽度。每个横梁3在它的在主重物51侧面的内部端部的扩展宽度可获得与上面实施例7中描述的那些相同效果。
实施例9图12表示根据本实施例的半导体加速度传感器。在本实施例中，如平面图所示，形成的每个横梁3具有从它在框架2侧面的端部在长度方向上的向内逐渐减小的宽度。这一特征与其它特定的实施例相同。这一特征可获得与上面实施例中所述的相同效果。此外，如图12所示，每个横梁3也可在它在重物51的内部具有，与其它实施例的每个对应形状不同的形状。
实施例10图13表示根据本实施例用于半导体加速度传感器的框-梁结构。本实施例的框-梁结构，在它的基本设计中，与上述每个实施例的框-梁结构基本相同，除了这里的每个横梁3具有从它在主重物51侧面的端部到它在框架2侧面的端部增加的厚度。在本实施例中，用硅衬底制备用于半导体加速度传感器的框-梁结构。根据本实施例的这种结构可减小由于从框架2传递到每个横梁3的热应力引起的主框架51的位移，由此改进温度特性。
接下来，参考图14A到14G描述根据本实施例的用于半导体加速度传感器的包括横梁3的框-梁结构的制备方法。
首先，如图14A所示，在硅衬底80的后表面(图中的上表面)上涂敷正光刻胶以形成光刻胶层31，由此获得如图14B所示的光刻胶涂敷衬底。这个步骤后，使用如图14C所示的曝光光掩模，曝光光刻胶层31。光掩模32具有在此形成的光屏蔽区域32a(此后指第一光屏蔽区域32a)、光屏蔽区域32b(此后指第二光屏蔽区域)、光发射区域32c，光屏蔽区域32a对应框架2设置，光屏蔽区域32b对应主重物51设置，光发射区域32c对应每个横梁3设置。在此，光发射区域32c具有这种透光性分配从它在第一光屏蔽区域32a侧面的端部到它在第二光屏蔽区域32b侧面的端部逐渐变化并增加。(简言之，光发射区域32是梯型光发射区域。)这里强调图14C中的箭头示意性表示来自曝光光源的光，并且每个箭头的顶端显示光到达的点。
在使用光掩模32曝光光刻胶层31的步骤后，显影并构图光刻胶层31，由此获得如图14D所示的具有构图的光刻胶层31的衬底。该构图光刻胶层31组成硅衬底80的后表面上的掩模层，其中掩模层包括第一保护掩模部分31a，其与框架2对应设置并具有均匀厚度；第二保护掩模部分31b，其与主重物51对应设置并具有均匀厚度；以及倾斜转移掩模部分31c，其与每个横梁3对应设置并具有从第二保护掩模部分31b侧面到第一保护掩模31a侧面逐渐增加厚度。
在形成掩模层的上述步骤后，在硅衬底80的后表面(图中的上表面)上，使用例如感应耦合等离子体蚀刻设备，干蚀刻光刻胶层31的倾斜转移掩模部分31c，直到除去倾斜的转移掩模部分31c。此后，除去光刻胶层的剩余掩模层，由此获得如图14E所示的衬底。因此，该干蚀刻步骤是指转移步骤。
接下来，如图14E所示在衬底上形成构图的光刻胶层33以获得图14F所示的衬底。随后，以在它的后表面上(图中的上表面)干蚀刻衬底80的方式对衬底80进行后表面图形化步骤，以留下其对应主重物51和框架2的部分，并使衬底在其对应每个横梁3的每个部分具有需要的厚度。此后，如图14G所示除去光刻胶层33以形成包括每个横梁3的框-梁结构，其中每个横梁3具有从它在主重物51侧面的端部到它在框架2侧面的端部逐渐增加的厚度。
这里强调如上述实施例中描述的半导体加速度传感器是可检测X-轴、Y-轴、Z-轴方向上的加速度的三轴传感器。然而，本发明的技术思想可用于两轴或一轴的半导体加速度传感器。
上面使用提供的优选实施例描述本发明，但这种描述不解释为用于限制本发明。对那些阅读了描述的本领域技术人员来说进行各种变换是清楚、明显、或容易的。因此，附加的权利要求将解释为覆盖落入本发明精神和范围的所有修改和变化。
权利要求
1.一种由半导体衬底形成的半导体加速度传感器，其包括一矩形框架，具有侧面及其内部的一开口，并且该框架进一步具有该框架每两个邻接侧面的拐角部分；多个挠性横梁，其从该框架延伸到该框架的开口内，并且在其之间的相交处具有一交叉部分；一重物，其悬挂于所述横梁的交叉部分并由所述横梁的交叉部分支撑，并且从俯视方向看，该重物位于该开口中以便自由移动，并且该重物具有分别面向所述框架的拐角部分的拐角部分；以及压电电阻器，其安装在所述横梁上并随由于该重物的移动在所述横梁中产生的形变而改变电阻值，其中，该框架包括分别设置在所述框架拐角部分的风挡部分，以分别限制所述重物的拐角部分的位移超过预定值，其中，每个所述风挡部分覆盖该开口的一部分，该部分包括从该框架的每个拐角部分到该开口内的范围，以及其中，该重物的每个拐角部分的角被去掉，以具有从俯视方向看的弧形或至少三条边构成的折线形。
2.根据权利要求1所述的半导体加速度传感器，其中，该框架每两个邻接侧面构成的该框架的每个该拐角部分具有如从俯视方向所见的弧形或至少由三条边构成的折线形。
3.根据权利要求1所述的半导体加速度传感器，其中，每个所述风挡部分具有在其厚度方向上穿透的通孔。
4.根据权利要求1所述的半导体加速度传感器，其中，每个所述风挡部分的面向该框架的该开口的边缘，通过一弧形交叉部分在其每个端部处，邻接所述框架两个边缘的每个端部，所述框架两个边缘邻接每个所述风挡部分的边缘并面向该框架的该开口。
5.根据权利要求1所述的半导体加速度传感器，其中，当所述横梁的宽度和厚度的位置分别变得更接近该框架时，每个所述横梁在该框架侧面的其端部处，增加其宽度和厚度中的至少一个。
6.根据权利要求5所述的半导体加速度传感器，其中，每个所述横梁从其长度方向上的大约中心处到其在该框架侧面的一端部，增加其宽度和长度中的至少一个。
7.根据权利要求6所述的半导体加速度传感器，其中，每个所述横梁在从其长度方向上的大约中心处到其在该框架侧面的一端部的部分，具有至少下述之一从俯视方向看的一个弧形，以增加其朝向该框架侧面的宽度；以及从侧视方向看的一个弧形，以增加其朝向该框架侧面的厚度。
8.根据权利要求5所述的半导体加速度传感器，其中，每个所述横梁在该框架侧面的端部处具有从俯视方向看的一弧形，以增加其朝向该框架侧面的宽度，或具有从侧视方向看的弧形，以增加其朝向该框架侧面的厚度。
9.根据权利要求1所述的半导体加速度传感器，其中，当所述横梁的宽度和长度的位置分别变得更接近该重物时，每个所述横梁在该重物侧面的其端部处，增加其宽度和长度中的至少一个。
10.根据权利要求9所述的半导体加速度传感器，其中，每个所述横梁在重物侧面的其端部具有至少下述之一从俯视方向看的在其宽度两侧的每一侧的一个弧形，以增加其朝向该重物侧面的宽度；及从侧视方向看的一个弧形，以增加其朝向该重物侧面的厚度。
11.根据权利要求1所述的半导体加速度传感器，其中每个所述横梁具有从其在该重物侧面的端部到其在该框架侧面的端部增加的厚度。
12.一种由衬底形成的半导体加速度传感器的制备方法，该衬底具有一第一层、一半导体层、以及一第二层的叠层，该第二层夹在该第一层和该半导体层之间并具有不同于该第一层以及该半导体层的蚀刻率，该半导体加速度传感器包括一矩形框架，其具有侧面和其内部的一开口，并进一步具有该框架每两个邻接侧面的拐角部分；多个挠性横梁，其从该框架延伸到框架开口内，并且在其之间的相交处具有交叉部分；一重物，其悬挂于所述横梁交叉部并由所述横梁交叉部分支撑，并且从俯视方向看，该重物位于该开口中以便自由移动，并且该重物分别具有面向所述框架的拐角部分的拐角部分；风挡部分，其分别设置在所述框架的拐角部分，以分别限制所述重物的拐角部分的位移超出预定值；以及压电电阻器，其安装在所述横梁上并随由于该重物的移动在所述横梁中产生的形变而改变电阻值，该方法包括步骤蚀刻该第一层的暴露表面，以形成在该第一层的表面中具有下表面的凹槽；蚀刻该凹槽下表面的周围部分以及大致为长矩形区域，向上到该第一层与该第二层相接的端部以形成该框架和该重物，其中每个所述大致为长矩形区域包括从该凹槽下表面的每个边的大致中心位置到该凹槽的下表面内部的范围；蚀刻该半导体层对应该框架开口的区域，向上到该半导体层与该第二层相接的端部以形成所述风挡部分和所述横梁；在每个所述风挡部分中，至少在每个风挡部分面向该重物的区域中，形成多个通孔；以及除去该第二层的一部分，留下该第二层对应该框架和所述横梁的交叉部分的其他部分。
全文摘要
一种半导体加速度传感器包括框架2，其内具有开口21；挠性横梁3，从框架2延伸到框架2的开口内；重物5，悬挂于横梁3并由横梁3支撑以使重物5可自由移动；压电电阻器4，安装在横梁3上并响应其上产生的加速度而改变电阻值。框架2包括风挡部分6，每个风挡部分6覆盖开口21的一部分，该部分包括从开口21侧面上框架2的两邻接侧面的拐角部分22到开口21内的范围，并且每个风挡部分6用作制动器以限制重物5的移动。重物5具有分别面向拐角部分22的拐角部分53，每个拐角部分53的角被去掉以具有从俯视方向看的弧形或由至少三条边构成的折线形。由此，增加每个制动器的断裂强度，并因此获得具有优良抗冲击性的半导体加速度传感器。
文档编号G01P15/12GK1576852SQ20041006183
公开日2005年2月9日 申请日期2004年6月25日 优先权日2003年6月25日
发明者吉田仁, 片冈万士, 宫岛久和, 赤井澄夫, 若林大介, 后藤浩嗣, 森井诚 申请人:松下电工株式会社
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