具体实施方式
以下,参照附图对应用了本发明的具体的实施方式进行详细说明。
<第1实施方式>
首先,对本发明的第1实施方式所涉及的压力传感器进行说明。图1是表示本实施方式所涉及的压力传感器所使用的传感器芯片的结构的俯视图。图2是图1的II-II剖视图,图3是III-III剖视图。本实施方式所涉及的压力传感器,是利用半导体的压阻效应的半导体压力传感器。
压力传感器具有由半导体基板构成的传感器芯片10。传感器芯片10形成为正方形状。如图1所示,将正方形状的传感器芯片10的各顶点设为A、B、C、D。如图1所示,将左上角设为角A,将右下角设为角B,将右上角设为角C,将左下角设为角D。将连结角A和角B的对角线设为对角线AB,将连结角C和角D的对角线设为对角线CD。由于传感器芯片10形成为正方形,所以对角线AB和对角线CD正交。进一步,将传感器芯片10的中心设为中心O。中心O与对角线AB和对角线CD的交点一致。
如图2所示,传感器芯片10具有作为基台的第1半导体层1、绝缘层2及第2半导体层3的3层构造。例如,作为传感器芯片10能够使用SOI(Silicon On Insulator,绝缘体上硅)基板,该SOI基板由第1半导体层1、0.5μm左右厚度的绝缘层2、和第2半导体层3构成。第1半导体层1及第2半导体层3例如由n型单晶硅层构成。绝缘层2例如由SiO2层构成。在第1半导体层1上形成有绝缘层2。
并且,在绝缘层2上形成有第2半导体层3。因而,在第1半导体层1和第2半导体层3之间配设有绝缘层2。当对第1半导体层1进行蚀刻时,绝缘层2作为蚀刻停止层(etching stopper)发挥功能。第2半导体层3构成差压用隔膜4。如图2所示,差压用隔膜4配设在芯片的中央部分。
在传感器芯片10的中央部,设置有用于检测差压的差压用隔膜4。如图2所示,通过除去第1半导体层1而形成差压用隔膜4。即,在差压用隔膜4处,传感器芯片10变薄。在此,如图1所示,差压用隔膜4形成为正方形状。并且,差压用隔膜4的中心与传感器芯片10的中心O一致。即,差压用隔膜4的中心点位于对角线AB和对角线CD的交点上。进而,差压用隔膜4相对于正方形状的传感器芯片10倾斜45°配置。因而,对角线AB垂直地通过差压用隔膜4的对置的2边的中心。并且,对角线CD垂直地通过差压用隔膜4的对置的其他2边的中心。
在差压用隔膜4的表面设置有差压用测定元件5b·5c。将这两个差压用测定元件5b·5c统称为差压用测定元件5。差压用测定元件5设置在差压用隔膜4的端部。即,差压用测定元件5形成在差压用隔膜4的周缘部上。
两个差压用测定元件形成在差压用隔膜4的与对角线AB平行的一个端边(第1端边)上。即,仅在差压用隔膜4的1边上形成有差压用测定元件5,在余下的3边上不形成差压用测定元件。在此,在角C侧的边形成有差压用测定元件5b·5c。这样,在差压用隔膜4的1边形成有两个差压用测定元件5,在一方的差压用测定元件5b的附近形成有另一方的差压用测定元件5c。
差压用测定元件5b的长边方向与对角线CD垂直。即,差压用测定元件5b形成为,该差压用测定元件5b与形成有该差压用测定元件5b的差压用隔膜4的1边平行。另一方面,差压用测定元件5c的长边方向形成为与对角线CD平行。即,差压用测定元件5c形成为,与形成有该差压用测定元件5c的差压用隔膜4的1边垂直。因而,接近配置的静压用测定元件5b和静压用测定元件5c设置在正交的方向。
差压用测定元件5是具有压阻效应的应变片。因而,当传感器芯片10产生应变时,各差压用测定元件5b·5c的电阻发生变化。另外,在传感器芯片的上表面形成有与各差压用测定元件5b·5c连接的配线(未图示)。例如,在各差压用测定元件5b·5c的两端连接有配线。两个差压用测定元件5利用该配线与电桥电路接线。借助由差压用隔膜4隔开的空间的压力差,差压用隔膜4发生变形。对于差压用测定元件5,根据差压用隔膜4的变形量而电阻发生变化。通过检测该电阻变化,能够测定压力。如图3所示,差压用测定元件5形成在传感器芯片10的表面。进而,在差压用测定元件5b·5c的长边方向的两端连接有配线(未图示)。例如,差压用测定元件5b形成为,与传感器芯片10的晶面方位(100)中的压阻系数最大的<110>晶向平行。
进一步,在传感器芯片10设置有一个静压用隔膜17。如图3所示,通过除去第1半导体层1而形成静压用隔膜17。即,在静压用隔膜17处,传感器芯片10变薄。静压用隔膜17配置在差压用隔膜4的外周部。即,在差压用隔膜4的外侧配置有静压用隔膜17。静压用隔膜17配置在对角线CD上。静压用隔膜17比差压用隔膜4小。
静压用隔膜17配置在中心O和角D之间。即,在差压用隔膜4的位于角D侧的1边和角D之间配置有静压用隔膜17。在此,差压用隔膜4的角D侧的1边是未形成差压用测定元件5的边。
静压用隔膜17形成为长方形状。因而,静压用隔膜17的长边和短边正交。即,在静压用隔膜17存在长边方向和短边方向。在此,将从传感器芯片10的中心朝向外侧延伸的方向设为径向(r方向)。即,从传感器芯片10的中心点朝向传感器芯片10的端部的方向成为径向。由于传感器芯片10和差压用隔膜4的中心一致,所以该径向成为相对于差压用隔膜4的中心的径向。进而,将与径向正交的方向称作周方向(θ方向)。周方向与以传感器芯片10的中心为中心的圆的切线方向对应。静压用隔膜17的短边与径向平行。
静压用隔膜17的短边与对角线CD平行。并且,在对角线CD上,静压用隔膜17的长边方向和周方向平行。在静压用隔膜17形成有静压用测定元件15b·15d。静压用测定元件15b形成在静压用隔膜17的端部。静压用测定元件15b形成在静压用隔膜17的位于角D侧的边上,且在静压用隔膜17的长边上沿着该长边形成。另一方面,静压用测定元件15d形成在静压用隔膜17的中央部。即,静压用测定元件15d形成在静压用隔膜17的周缘的内侧。
静压用测定元件15b·15d是与差压用测定元件5同样的应变片。因而,当传感器芯片10产生应变时,由于压阻效应,各静压用测定元件15b·15d的电阻发生变化。静压用测定元件15b·15d和差压用测定元件5同样地与电桥电路连接。由此,能够测定静压。另外,如图3所示,静压用测定元件15b·15d形成在传感器芯片10的表面。在静压用测定元件15b·15d的长边方向的两端连接有配线(未图示)。进而,与差压用测定元件5同样,静压用测定元件15b·15d与电桥电路接线。
在此,静压用隔膜17形成在差压用隔膜4的没有形成差压用测定元件5的边的外侧。即,在差压用隔膜4中,由于差压用测定元件5形成在位于角C侧的边,所以在角C和差压用隔膜4之间未形成静压用隔膜17。从与形成有差压用测定元件5的差压用隔膜4的1边(位于角C侧的边)不同的边(位于角D侧的边)到传感器芯片10的端之间,配置有静压用隔膜17。
由此,能够减少施加静压时对差压用测定元件5的影响。与将差压用测定元件5配置在差压用隔膜4的各边的结构相比,能够使差压用测定元件5和静压用隔膜17之间离开距离。因此,能够更准确地测定差压。并且,与在差压用隔膜4的外周部设置四个静压用隔膜17的结构相比,能够使静压用测定元件15和差压用隔膜4之间离开距离。因此,能够减少施加差压时对静压用测定元件15b·15d的影响。由此,能够更准确地测定静压。这样,能够准确地测定静压及差压。能够使差压用隔膜4与静压用测定元件15b·15d之间的间隔变宽。因此,能够减小在邻接的隔膜产生的应力的影响。即,能够抑制因静压与差压之间的干涉而产生的串扰的影响。
在差压用隔膜4的1边上形成有相当于本发明中的第1差压用测定元件的径向的差压用测定元件5c,和相当于本发明中的第2差压用测定元件的周方向的差压用测定元件5b。即,形成于正交的方向的两个差压用测定元件5b·5c形成在差压用隔膜4的同一边上。进而,利用设置于该1边的两个差压用测定元件5b·5c(及未图示的两个外部固定电阻)形成电桥电路。进一步,将静压用隔膜17配置在未设置差压用测定元件5的方向。即,在未设置差压用测定元件5的边的外侧形成静压用隔膜17。通过形成为这样的结构,能够准确地测定静压及差压。即,能够实现小型且高性能的压力传感器。另外,在本实施方式中,在差压用隔膜4的边上形成有差压用测定元件5b·5c,但只要形成在差压用隔膜的端部附近的产生最大应力的部位即可。
并且,传感器芯片10与基座11接合。将基座11和传感器芯片10接合的区域设为接合区域13A。并且,将基座11和传感器芯片10不接合的区域设为非接合区域13。即,如图3所示,在基座11的位于角C侧的端部形成有薄壁部,在除此之外的部分形成有厚壁部。薄壁部处的厚度比厚壁部处的高度低。该厚壁部与传感器芯片10接合。另一方面,在薄壁部处,基座11和传感器芯片10不接合。
在此,非接合区域13形成在角C侧。进而,非接合区域13形成为三角形状。即,非接合区域13形成为以角C为顶点的直角等边三角形。除了非接合区域13以外的区域是接合区域13A,在该接合区域13A的中央形成有贯通孔18。设置于基座11的贯通孔18连通至差压用隔膜4。由此,贯通孔18成为导入口,能够将气体导入至差压用隔膜4。接合区域13A和非接合区域13之间的边界线与对角线AB平行。这样,设置非接合区域13的方向与设置静压用隔膜17的方向不同。即,在中心O和角C之间的区域设置有非接合区域13,在中心O和角D之间的区域设置有静压用隔膜17。
以在对角线AB方向产生的应力和在与对角线AB垂直的对角线CD方向产生的应力相等的方式,对非接合区域13及接合区域13A的尺寸进行调整。通过形成为这样的结构,能够提高温度特性。即,如日本专利第3359493号公报所示,能够使因温度引起的零点漂移及其偏差最小,具有良好的温度特性。进一步,能够形成为在非接合区域13的周边不配置静压用隔膜17的结构。因此,能够确保形成非接合区域13的空间。由此,能够实现小型且高性能的压力传感器。
接着,对本实施方式所涉及的压力传感器的制造方法进行说明。首先,使用图4及图5对压力传感器所使用的传感器芯片10的制造工序进行说明。图4是表示传感器芯片10的制造方法的图,表示从上方观察时的传感器芯片10的结构。图5是表示传感器芯片10的制造工序的工序剖视图,表示图4的V-V截面的结构。
首先,准备SOI(Silicon On Insulator)晶片,该SOI晶片由第1半导体层1、0.5μm左右厚度的绝缘层2、和第2半导体层3构成。为了制作该SOI晶片,可以采用在Si基板中注入氧而形成SiO2层的SIMOX(Separation by IMplanted Oxygen,注氧隔离)技术,可以使用将两个Si基板粘贴在一起的SDB(Silicon Direct Bonding,硅直接键合)技术,也可以使用其他方法。另外,也可以使第2半导体层3平坦化及薄膜化。例如,能够利用被称作CCP(Computer ControlledPolishing,数控抛光)的研磨法等将第2半导体层3研磨至预定厚度。
在第2半导体层3的上表面,利用杂质扩散或者离子注入法形成由p型Si构成的静压用测定元件15b·15d。由此,成为图4(a)及图5(a)所示的结构。当然能够在该工序中形成差压用测定元件5b·5c。如图1等所示,各测定元件形成在成为各隔膜的部位的预定的位置。另外,也可以在下述的隔膜的形成工序之后形成差压用测定元件5b·5c、静压用测定元件15b·15d。当然,也可以使差压用测定元件5具有与静压用测定元件15b·15d不同的特性。
在以这种方式构成的SOI晶片的下表面形成抗蚀剂9。利用公知的光刻工序在第1半导体层1上形成抗蚀剂9的图案。即,通过涂敷感光性树脂膜并进行曝光、显影,来形成抗蚀剂9的图案。抗蚀剂9在与压敏区域(形成隔膜的区域)相当的部分具有开口部。即,在形成隔膜的部分处,第1半导体层1露出。由此,成为图5(b)所示的结构。
进而,将抗蚀剂9作为掩膜,对第1半导体层1进行蚀刻。由此,成为图5(c)所示的结构。例如,能够使用公知的ICP蚀刻等的干法蚀刻对第1半导体层1进行蚀刻。当然也可以利用使用KOH或TMAH等溶液的湿法蚀刻对第1半导体层1进行蚀刻。在对第1半导体层1进行蚀刻后形成差压用隔膜4及静压用隔膜17。在此,绝缘层2作为蚀刻停止层发挥功能。因而,绝缘层2从抗蚀剂9的开口部露出。
进而,在除去抗蚀剂9后,成为图4(b)及图5(d)所示的结构。之后,形成用于与静压用测定元件15b·15d及差压用测定元件5获得电连接的配线(未图示)。由此,形成电桥电路,完成传感器芯片10。另外,也可以在图5(d)之前进行形成配线的工序。例如,可以在图5(a)之前制作配线,也可以在图5(a)~图5(c)之间制作配线。并且,如上所述,可以在图5(d)之后进行静压用测定元件15b·15d及差压用测定元件5的形成,也可以在图5(a)~图5(d)之间进行静压用测定元件15b·15d及差压用测定元件5的形成。即,配线的形成工序和应变片的形成工序的顺序并没有特别的限定。
并且,也可以分开进行差压用隔膜4和静压用隔膜17的蚀刻工序。例如,使用不同的两种抗蚀剂图案,分别实施差压用隔膜4和静压用隔膜17的蚀刻。即,在形成用于设置差压用隔膜4的抗蚀剂图案之后,进行蚀刻。在形成差压用隔膜4之后,除去抗蚀剂。其后,形成用于设置静压用隔膜17的抗蚀剂图案。在将该抗蚀剂图案用作掩膜进行蚀刻后,形成静压用隔膜17。这样,通过在不同的蚀刻工序中设置差压用隔膜4和静压用隔膜17,能够使差压用隔膜4和静压用隔膜17具有不同的厚度。当然,也可以在形成静压用隔膜17之后形成差压用隔膜4。
接着,使用图6及图7对基座11的制造工序进行说明。图6是表示基座11的制造方法的图,表示从上方观察时的基座11的结构。图7是表示基座11的制造工序的工序剖视图,表示图6的VII-VII截面的结构。
首先,如图6(a)及图7(a)所示,准备作为基座11的基板。作为基板,使用派热克斯(注册商标)玻璃或陶瓷等平坦的基板。进而,在基座11上形成作为掩膜的抗蚀剂19。由此,成为图7(b)所示的结构。抗蚀剂19利用公知的曝光、显影处理对抗蚀剂19进行图案形成。该抗蚀剂19在形成非接合区域13的部分被除去。即,形成非接合区域13的部分从基座11露出,在形成接合区域13A的部分处,基座11由抗蚀剂19覆盖。
进而,在将抗蚀剂19作为掩膜进行蚀刻后,成为图6(b)及图7(c)所示的结构。在与基座11的角C相当的端部形成有凹部,余下的部分形成为凸部。即,基座11局部变薄,在基座11形成有厚壁部和薄壁部。薄壁部形成得比厚壁部薄。该薄壁部形成于非接合区域13。在此,利用使用HF等的湿法蚀刻在基座11形成薄壁部。或者,也可以利用喷砂等形成薄壁部。
进而,除去抗蚀剂19,形成贯通孔18。即,在基座11的中央形成圆形的贯通孔18。由此,成为图6(c)所示的结构。例如如图7(d)上侧所示,能够通过钻孔加工而形成贯通孔18。或者,如图7(d)的下侧所示,也可以通过两面喷砂加工而形成贯通孔18。另外,在通过两面喷砂加工形成贯通孔18的情况下,在基座11的两面形成掩膜29。这样完成基座11。
进而,将传感器芯片10和基座11接合。例如,通过阳极接合将基座11接合于传感器芯片10的第1半导体层1。在基座11的中心形成有到达差压用隔膜4的贯通孔18。贯通孔18与差压用隔膜4连通。并且,在角C的周边形成有非接合区域13。这样结束压力传感器的制作。这样制作的压力传感器小型且具有高性能。
另外,在上述说明中,将传感器芯片10和差压用隔膜4的形状形成为倾斜45°的正方形,但它们的形状并不限于正方形。例如,也可以将传感器芯片10和差压用隔膜4的形状形成为多边形状。在差压用隔膜4的1边上配置差压用测定元件5b·5c,在与该1边对置的1边的外侧配置静压用隔膜17及静压用测定元件15b·15d。由此,温度特性变高,能够容易地实现减少了串扰的压力传感器。或者,也可以将传感器芯片10和差压用隔膜4形成为圆形。在该情况下,也将差压用测定元件5b配置在差压用测定元件5c的附近。这样一来,能够容易地实现减少了串扰的压力传感器。
并且,在上述说明中,将静压用隔膜17形成为长方形并予以说明,但静压用隔膜17的形状并不限于长方形。例如,也可以将静压用隔膜形成为椭圆形等。换言之,只要静压用隔膜17是具有长边方向和短边方向的形状即可。进而,只要将与长边方向正交的短边方向沿着径向配置即可。将静压用测定元件15b·15d的长边方向沿着静压用隔膜的长边方向配置。即,静压用测定元件15b·15d的长边方向沿着周方向配置。并且,将静压用测定元件15b·15d形成在静压用隔膜17的基板端侧的端部,但也可以形成在基板中心侧的端部。进一步,将静压用测定元件15b·15d形成在静压用隔膜17的边上,但只要形成在静压用隔膜的端部附近的产生最大应力的部位即可。
<第2实施方式>
接着,使用图8对本发明的第2实施方式所涉及的压力传感器的结构进行说明。图8是表示压力传感器所使用的传感器芯片的结构的俯视图。在本实施方式中,静压用测定元件15b·15d的配置与第1实施方式不同。并且,具有静压用隔膜17为正方形状的结构。对于上述配置以外的结构,由于与第1实施方式同样,所以省略说明。并且,在图8(a)及图8(b)中,静压用测定元件15b·15d分别配置在不同的位置。
首先,对图8(a)所示的传感器芯片的结构进行说明。形成有一个正方形状的静压用隔膜17。在图8(a)中,两个静压用测定元件15b·15d与对角线CD平行。在本实施方式中,两个静压用测定元件15b·15d配置在静压用隔膜17的端部。进而,在静压用隔膜17的邻接的2边配置有静压用测定元件15b·15d。静压用测定元件15b配置在静压用隔膜17的与对角线AB平行的边上,且与配置该静压用测定元件15b的静压用隔膜17的1边垂直。另一方面,静压用测定元件15d配置在静压用隔膜17的与对角线CD平行的边上,且与配置该静压用测定元件15d的静压用隔膜17的1边平行。即便是这样的结构,也能够得到与第1实施方式同样的效果。
接着,对图8(b)所示的传感器芯片的结构进行说明。在图8(b)所示的结构中,相对于图8(a)的结构,静压用测定元件15b·15d的方向不同。对于除此之外的结构,由于与第1实施方式及图8(a)所示的结构同样,因此省略说明。如图8(b)所示,静压用测定元件15b·15d与对角线AB平行。进而,两个静压用测定元件15b·15d配置在静压用隔膜17的端部,在静压用隔膜17的邻接的2边配置有静压用测定元件15b·15d。静压用测定元件15b配置在静压用隔膜17的位于角D侧的1边,且与该1边平行。另一方面,静压用测定元件15d与配置该静压用测定元件15d的静压用隔膜17的1边垂直。即便是这样的结构,也能够得到与第1实施方式同样的效果。
这样,在本实施方式中,在静压用隔膜17的邻接的2边上分别配置有静压用测定元件。进而,在一方的边上,静压用测定元件与该一方的边垂直,在另一方的边上,静压测定元件与该另一方的边平行。当然,也可以形成为图8(a)~图8(c)以外的结构。