JP2004294359A

JP2004294359A - 圧力センサ

Info

Publication number: JP2004294359A
Application number: JP2003089644A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Nakahara; 剛中原
Original assignee: Nippon Seiki Co Ltd
Current assignee: Nippon Seiki Co Ltd
Priority date: 2003-03-28
Filing date: 2003-03-28
Publication date: 2004-10-21
Anticipated expiration: 2023-03-28
Also published as: JP4186669B2

Abstract

【課題】高圧測定が可能で、かつ製造工程を簡素化することのできる圧力センサを提供する。
【解決手段】（１００）面からエッチング処理に伴って開口部及び薄肉のダイアフラム部２が形成されてなる半導体基板１を圧力導入孔２０ａを有するガラス台座（ガラス基板）２０上に配設し、半導体基板１とガラス台座２０とを陽極接合法によって接合する。半導体基板１のガラス台座２０との接合面３ａの幅Ｌ４（Ａ）とし、ダイアフラム部２の略中心から前記開口部の端部までの長さをＬ５（Ｂ）とした場合に、Ｌ４とＬ５との比Ｌ４／Ｌ５が、０．２≦Ｌ４／Ｌ５≦０．５になるように設定される。
【選択図】図５

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板のダイアフラム部に複数の歪みゲージをブリッジ状に形成し、ダイアフラム部が受ける圧力を電気信号として出力することで圧力を検出する半導体式圧力センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の半導体式圧力センサにあっては、例えば肉薄のダイアフラム部と、このダイアフラム部の外側周囲に形成される肉厚の支持部とを有する半導体基板を備え、前記ダイアフラム部にピエゾ抵抗素子からなる歪みゲージを形成し、前記ダイアフラム部が受ける圧力によって歪みゲージに歪みを発生させ、前記歪みゲージのピエゾ抵抗効果による抵抗値の変化をブリッジ回路の電圧変化として取り出して圧力の値を検出するセンサ素子を備えるものが知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
このような圧力センサは、前記センサ素子と、前記ダイアフラム部に圧力を伝達するための圧力導入孔部を備えたガラス台座（ガラス基板）とを陽極接合法によって接合し、前記ガラス台座を金属製のベース板上に低融点ガラスを介して固定する構造が一般的である。また、陽極接合による前記センサ素子と前記ガラス台座との接合強度を向上させるために、前記センサ素子の前記支持部の前記ガラス台座との接合面にアルミニウム（Ａｌ）層を形成し、両部材の接合強度を高めるものが提案されている（特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−３８７２６号公報
【特許文献２】
特開２００１−２８４６０３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
かかる圧力センサは、前記センサ素子の前記支持部に前記アルミニウム層を形成し、前記ガラス台座との強固な接合を得て高圧測定用として用いられるものであるが、前記圧力センサの製造工程において、前記アルミニウム層の形成工程が必要となることから製造工程が煩雑となり、また前記圧力センサの製造コストが高くなってしまうといった問題点を有している。
【０００６】
本発明は前述した問題点に着目し、高圧測定が可能で、かつ製造工程を簡素化することのできる圧力センサを提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決するため、請求項１に記載の圧力センサのように、（１００）面からのエッチング処理に伴って開口部及び薄肉のダイアフラム部が形成されてなる半導体基板を圧力導入孔を有するガラス基板上に配設し、前記半導体基板と前記ガラス基板とを陽極接合法によって接合してなる圧力センサであって、前記半導体基板の前記ガラス基板との接合面の幅をＡとし、前記ダイアフラム部の略中心から前記開口部の端部までの長さをＢとした場合に、ＡとＢとの比Ａ／Ｂが、０．２≦Ａ／Ｂ≦０．５になるように設定されていることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明は、請求項１に記載の圧力センサにおいて、前記半導体基板の前記接合面近傍の内壁に曲面部が形成されてなることを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。
【００１０】
図１〜図３を用いて圧力センサの構造を説明する。１は例えば軸方位＜１００＞の図示しないシリコンウエハを一辺が２．２ｍｍの正方形に切断してなる単結晶シリコンからなるｎ型の半導体基板であり、この半導体基板１は、（１００）面からのエッチング処理によって肉薄状に形成されるダイアフラム部２と、このダイアフラム部２の周囲に一体形成される肉厚状からなる支持部３とを有している。なお本実施形態の場合、ダイアフラム部２の厚さは６０〜１００μｍ、ダイアフラム部２の大きさは１辺が１．３ｍｍの正方形に設定されている。このダイアフラム部２内の支持部３側にピエゾ抵抗素子からなる４つの歪みゲージ４（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）を備えている。
【００１１】
これら歪みゲージ４ａ〜４ｄは低抵抗体からなる複数のリード部５によって電気的に接続され、各リード部５と歪みゲージ４ａ〜４ｄによってブリッジ回路６が構成されている。なお、７は熱酸化法により半導体基板１の表面に形成されている二酸化珪素（ＳｉＯ↓２）からなる熱酸化膜、８は水分やナトリウム（Ｎａ）等の外部からの汚染から熱酸化膜７を保護するシリコンナイトライド膜である。
【００１２】
そして、熱酸化膜７、シリコンナイトライド膜８には、各リード部５同士の各接合部９（９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ）に対応する部分にコンタクトホール１０が形成されるとともに、このコンタクトホール１０の形成箇所にアルミニウム等の導電材料からなる電極部１１が形成され、この電極部１１を外方に延長形成することでボンディングパッド部１２が構成されている。
【００１３】
かかる構成の半導体式圧力センサは、図４に示すように、ブリッジ回路６の接合部９ａ，９ｂとなるボンディングパッド１２にワイヤボンディングにより接続されるボンディングワイヤ１３を介し電源電圧Ｖｃｃを印加することにより、ダイアフラム部２の表裏の圧力差によって生じる歪みを各歪みゲージ４の変化に応じた出力電圧Ｖｏとして、ブリッジ回路６の接合部９ｃ，９ｄとなるボンディングパッド１２からボンディングワイヤ１３を介し外部に取り出すものである。
【００１４】
一方、半導体基板１の裏面側には、半導体基板１における支持部３の接合面３ａと陽極接合により接合されるガラス台座２０を備えている。ガラス台座２０は、例えばアルミノホウケイ酸ガラスからなり、半導体基板１と略同等に一辺の長さが２．２ｍｍの正方形形状をなしている。半導体基板１は、半導体基板１のダイアフラム部２に対応する略中央に圧力導入孔２０ａが切削法やサンドブラスト法あるいは超音波法等により形成されている。
【００１５】
次に、図５及び図６を用いて圧力センサの構造を更に詳述する。
【００１６】
圧力センサは、一辺の長さＬ１が２．２ｍｍの正方形で、厚さＷ１が１５０〜２２０μｍのｎ型半導体基板１を用い、支持部３を残すように水酸化カリウム（ＫＯＨ）等のアルカリエッチング液に所定時間浸してなる異方性エッチングにより厚さＷ２が８０〜１２０μｍ、ダイアフラム部２の一辺の長さＬ２が１．２〜１．３ｍｍの肉薄状のダイアフラム部２を形成する。この場合、半導体基板１は、半導体基板１の幅方向の略中心Ｐであり、かつダイアフラム部２の幅方向の略中心Ｐを基準として一辺の長さＬ２が１．２〜１．３ｍｍからなるダイアフラム部２が得られるように、開口部の幅Ｌ３を１．３３ｍｍに設定し、異方性エッチングを行うことで、支持部３のガラス台座２０との接合面３ａの幅（幅方向の長さ）Ｌ４（Ａ）を０．４４ｍｍ（小数点以下３桁を四捨五入）とすることができる（図５（ａ））。尚、半導体基板１の厚さＷ１は、ガラス台座２０との接合強度及び圧力センサの出力特性のばらつきを考慮すると、１３５〜２１５μｍのものを用いることが望ましい。
【００１７】
半導体基板１は、ダイアフラム部２と支持部３との境界部１４に対応する半導体基板１のエッチング面側に形成される角部１５（図５（ａ）参照）と、支持部３のガラス台座２０との接合面３ａの近傍の内壁１６とを除去する処理がなされる。半導体基板１は、六フッ化硫黄と水素の混合ガスを用いてプラズマエッチング法からなる等方性エッチングにより、角部１５が丸まり曲面部１７が形成されるとともに、支持部３の接合面３ａの近傍の内壁１６に曲面部１８が形成される（図２及び図３，図５（ｂ）参照）。尚、前述の等方性エッチング後におけるダイアフラム部２の厚さＷ２は、６０〜１００μｍになる。
【００１８】
半導体基板１は、酸化炉に投入され表裏面に熱酸化膜７が形成される。
【００１９】
尚、図５（ａ），（ｂ）において図示はされていないが前記異方性、等方性エッチング時には、半導体基板１表面及び支持部３の背面に熱酸化膜７、シリコンナイトライド膜８が重ねて形成されており、前記等方性エッチング後に熱酸化膜７、シリコンナイトライド膜８が除去されるようになっている。
【００２０】
半導体基板１は、ダイアフラム部２において、各歪みゲージ４ａ〜４ｄの形成箇所に対応する表面の熱酸化膜７が除去され、ボロン等のｐ型の半導体材料を用いて熱拡散によりダイアフラム部２内の所定位置に各歪みゲージ４ａ〜４ｄが形成され、再び、各歪みゲージ４ａ〜４ｄの形成部分に熱酸化膜７が形成される（図５（ｃ）参照）。半導体基板１は、各歪みゲージ４ａ〜４ｄを図１及び図４で示すブリッジ回路６状にするため、例えば、各歪みゲージ４ａ〜４ｄの両端から所定パターンで熱酸化膜７が除去され、各歪みゲージ４ａ〜４ｄよりも濃度が高いボロン等のｐ型の半導体材料を用い、熱拡散により各リード部５が形成されることでブリッジ回路６が得られる。
【００２１】
半導体基板１の各リード部５により形成される各接合部９ａ〜９ｄは、コンタクトホール１０，電極部１１及びボンディングパッド１２が形成できるような接合部形状に形成される。そして、ブリッジ回路６が形成された半導体基板１は、半導体基板１の表面の熱酸化膜７上にシリコンナイトライド膜８が形成される（図５（ｄ）参照）。
【００２２】
半導体基板１は、ダイアフラム部２において、各接合部９ａ〜９ｄの形成箇所に対応するシリコンナイトライド膜８をプラズマエッチング法等により除去され、このシリコンナイトライド膜８を除去した部分の熱酸化膜７がフッ酸混合液等を用いて除去される。従って半導体基板１は、シリコンナイトライド膜８から熱酸化膜７を介し各接合部９ａ〜９ｄに達する各コンタクトホール１０が形成される（図５（ｅ）参照）。この場合、熱酸化膜７の除去により半導体基板１の背面側に形成される熱酸化膜７は除去されることになる。
【００２３】
半導体基板１は、コンタクトホール１０の形成位置に、アルミニウム等からなる導電部材が蒸着やスパッタリング法等の手段によって電極部１１及びボンディングパッド１２が形成される（図５（ｆ））。
【００２４】
そして、半導体基板１をガラス台座２０に配設し、半導体基板１側を陽極とし、ガラス台座２０側を陰極とし、所定の直流電圧を印加する陽極接合法によりガラス台座２０上に半導体基板１を固定することで圧力センサが完成する。
【００２５】
尚、ボンディングパッド１２は、図３に示すようにボンディングワイヤ１３によって図示しない外部回路と電気的に接続される。
【００２６】
かかる圧力センサは、検出精度が高くかつ調整の容易性を考慮すると、圧力センサのフルスケール電圧（出力電圧）の温度特性における直線性が最も良くなるためには、図６に示すように各歪みゲージ４（４ａ〜４ｄ）の略中心Ｑとダイアフラム部２の略中心Ｐとの距離をＸ、ダイアフラム部２と支持部３との境界部１４とダイアフラム部２の略中心Ｐとの距離をＲとしたときのＸとＲとの比Ｘ／Ｒが０．９３から０．９８となるようにダイアフラム部２に歪ゲージ４を配設することが望ましい。このことは、本願出願人によって特願２００２−２８５６０４号にて提案している。
【００２７】
図７は、支持部３のガラス台座２０との接合面３ａの幅Ｌ４と、ダイアフラム部２の略中心Ｐから開口部の端部までの長さＬ５（Ｂ）との比Ｌ４／Ｌ５と、半導体基板１とガラス台座２０との接合強度との関係を示す図であり、ガラス台座２０の圧力導入孔２０ａの孔径を０．８ｍｍとし、この圧力導入孔２０ａから圧力をダイアフラム部２の裏面側から印加して、半導体基板１がガラス台座２０から剥がれる方向に前記圧力が作用する場合の強度を示すものである。図６を用いて説明したことを前提とし、厚さＷ１が１５０μｍの半導体基板１を用いた場合の圧力センサは、図７に示すように比Ｌ４／Ｌ５が「５」となる付近で破壊強度がほぼ一定となるため、この付近の比Ｌ４／Ｌ５のものを用いることが望ましいが、接合面３ａの幅Ｌ４の寸法を大きくし比Ｌ４／Ｌ５を「５」に近づけると、半導体基板１が大型化することなり、シリコンウエハからの半導体基板１の取り数が減少し、大幅な製造コストのアップにつながる。
【００２８】
よって、半導体基板１のサイズを変更せず、ダイアフラム部２の一辺の長さＬ２を１．２〜１．３ｍｍとし、ダイアフラム部２の厚さＷ２を６０〜１００μｍとすると、各歪みゲージ４（４ａ〜４ｄ）の略中心Ｑとダイアフラム部２の略中心Ｐとの距離をＸ、ダイアフラム部２と支持部３との境界部１４とダイアフラム部２の略中心Ｐとの距離をＲとしたときのＸとＲとの比Ｘ／Ｒを０．９３から０．９８とする為には、開口部の幅Ｌ３を１．３３ｍｍとして設定し異方性エッチングすることで、支持部３のガラス台座２０との接合面３ａの幅Ｌ４と、ダイアフラム部２の略中心Ｐから開口部の端部までの長さＬ５（Ｂ）との比Ｌ４／Ｌ５を０．２〜０．５の範囲とすることが可能となる。尚、ダイアフラム部２の一辺の長さＬ２は、圧力センサの定格圧力と設計上のダイアフラム部２の破壊強度との関係を示す安全率や、圧力センサの出力電圧のフルスケール電圧の直線性等を考慮し、１．２〜１．３ｍｍに設定される。
【００２９】
尚、比Ｌ４／Ｌ５が０．２〜０．５を用いた圧力センサが２０００ｋｐａ以上の高圧に耐えうることは、図７からも明らかである。
【００３０】
かかる圧力センサは、（１００）面からのエッチング処理に伴って開口部及び薄肉のダイアフラム部２が形成されてなる半導体基板１を圧力導入孔２０ａを有するガラス台座２０上に配設し、前記接合面３ａとガラス台座２０とを陽極接合法によって接合するものであり、半導体基板１のガラス台座２０との接合面３ａの幅をＬ４とし、ダイアフラム部２の略中心Ｐから開口部の端部までの長さをＬ５とした場合に、Ｌ４とＬ５との比Ｌ４／Ｌ５が、０．２≦Ｌ４／Ｌ５≦０．５になるように設定されるものである。従って、従来のような接合強度を向上させるための専用の工程を必要とすることなく、比Ｌ４／Ｌ５の設定のみで高圧測定に耐えうる圧力センサを得ることができるため、製造工程を簡素化することが可能となり、また、製造工程の簡素化に伴い圧力センサの製造コストも低減することが可能となる。
【００３１】
また、圧力センサは、半導体基板１の接合面３ａの近傍の内壁１６に曲面部１８を形成するものであり、ガラス台座２０の圧力導入孔２０ａから導入される圧力による半導体基板１の剥がし方向に作用する応力、即ちガラス台座２０と接合面３ａに作用する前記応力を曲面部１８によって分散させることができ、接合強度を更に向上させることが可能となる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明は、（１００）面からのエッチング処理に伴って開口部及び薄肉のダイアフラム部が形成されてなる半導体基板を圧力導入孔を有するガラス基板上に配設し、前記半導体基板と前記ガラス基板とを陽極接合法によって接合してなる圧力センサに関し、高圧測定が可能で、かつ製造工程を簡素化することのできる圧力センサを得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の圧力センサを示す平面図。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図。
【図３】図１のＢ−Ｂ断面図。
【図４】同上圧力センサの回路構成を示す図。
【図５】同上圧力センサの製造工程を示す図。
【図６】同上圧力センサの出力特性を説明する図。
【図７】同上圧力センサの接合強度を説明する図。
【符号の説明】
１半導体基板
２ダイアフラム部
３支持部
３ａ接合面
１６内壁
１８曲面部
２０ガラス台座（ガラス基板）
２０ａ圧力導入孔

Claims

（１００）面からのエッチング処理に伴って開口部及び薄肉のダイアフラム部が形成されてなる半導体基板を圧力導入孔を有するガラス基板上に配設し、前記半導体基板と前記ガラス基板とを陽極接合法によって接合してなる圧力センサであって、
前記半導体基板の前記ガラス基板との接合面の幅をＡとし、前記ダイアフラム部の略中心から前記開口部の端部までの長さをＢとした場合に、ＡとＢとの比Ａ／Ｂが、
０．２≦Ａ／Ｂ≦０．５
になるように設定されていることを特徴とする圧力センサ。
前記半導体基板の前記接合面近傍の内壁に曲面部が形成されてなることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。