CN1171554A - 半导体加速度传感器 - Google Patents
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Abstract
采用化学蚀刻加工方法,以形成具有扩散电阻的薄壁部分的半导体加速度传感器,扩散电阻用来检测位移造成的电阻阻值变化,在切割刮刀上利用电蚀现象和切割磨料颗粒的电泳现象,以消除加工蜕化或微裂缝问题。
Description
本发明涉及一种利用诸如硅等半导体晶体内的压电电阻效应把位移转变为电信号的半导体器件，更具体地说，涉及加速度传感器和压力传感器。
图3示出日本专利临时公布第HEI4-96280号中所公开的设有膜片部分的半导体加速度传感器的制造方法。膜片是通过对半导体衬底进行机械加工而制成的。在这过程中，制备图3A所示的上面形成了应变片的半导体衬底。利用诸如回转式刮刀之类的刮刀在背面一个区域用机械方法形成适当厚度的凹槽7，从而形成膜片部分，以便在图3B不形成应变片的半导体衬底1背面[顶面(a)]形成适合于应变片图案的膜片部分。在所有预定区域都形成凹槽7之后，进行化学蚀刻以清除机械损伤，从而形成图3C的膜片部分。最后，将形成了膜片部分之后的半导体衬底切割成图3D中的芯片。
图4A是一个视图，说明按日本专利临时公布第HEI1-302167号所公开的微切削加工方法生产的半导体加速度传感器，其中凹槽部分7在悬臂梁12的支持体11附近形成，从而形成薄壁部分8。扩散电阻2设在传感器的顶部，从而形成桥路50。这些扩散电阻在凹槽部分形成。桥路示于图4B。在这个半导体加速度传感器上，检测部分的凹槽部分是用各向同性蚀刻形成的。凹槽部分据说是用氢氟酸作蚀刻剂形成的。
示出了制造半导体加速度传感器的一种典型的方法。见IEEEtransaction on Electron Device，Vol.ED-26，No.12，Dec.1979。
图5示出一种用微切削加工方法制造的传统的半导体加速度传感器。图5A是顶视图，图5B是剖面图。在这个加速度传感器上，对硅衬底1进行蚀刻，形成悬臂梁12和重叠部分13。在这里，通过蚀刻法使悬臂梁12的厚度比其他地方薄，并且，悬臂梁12受图3B箭头方向的加速度作用而变形。另外，悬臂梁12的变形量用悬臂梁12顶部形成的扩散电阻2a的压电电阻效应检测，通过与扩散电阻2b比较而求出加速度。这里，扩散电阻2a和2b连接到高浓度扩散区9和输出端子10。另外，为了避免悬臂梁12破坏，安排了上挡块21和下挡块22，再整个安置在陶瓷衬底23上。当用机械加工方法形成膜片时，会产生机械损伤和微裂缝，完成机械加工后，需要进行化学蚀刻，以清除蜕化层。在进行蚀刻时，需要用光刻法在背面形成开孔部分，并蚀刻硅以形成凹槽部分。一直存在这样的问题，即既要从内侧又要从外侧进行光刻，从而引起制造设备上的问题，另外要进行诸如形成保护薄膜和在背面形成电路等处理，以防止蚀刻过程在其他部位造成破坏。
本发明的目的是解决这些问题，可以简单地形成半导体加速度传感器检测部分的凹槽部分，并有助于降低成本。
在按本发明的半导体加速度传感器中，检测部分的凹槽部分是用机械切割的方法形成的。因为特别需要控制薄壁部分的厚度，故在切割刮刀上采用电蚀和磨料颗粒，该部分用切割磨料颗粒的电泳现象切割。另外，在把电蚀应用于机械切割用的切割刮刀的过程中，形成切割刮刀的粘结剂发生掏析作用，并使切割刮刀的磨料颗粒突出。此外，借助非导电膜的形成来限制这种突出所产生的切割作用。
图1是处理过程示意图，说明按本发明制造半导体加速度传感器的方法；
图2是按本发明的半导体加速度传感器的透视图；
图3是处理过程示意图，说明半导体加速度传感器的传统制造方法；
图4是传统半导体加速度传感器的透视图和桥路；
图5是传统半导体加速度传感器的顶视图和剖面图；
图6是处理过程示意图，说明半导体加速度传感器的传统制造方法；
图7是说明性示意图，用来解释本发明一个实施例的电泳现象；
图8是说明性示意图，用来解释本发明一个实施例的切割设备；
图9是说明性示意图，用来解释本发明一个实施例的切割方法；
图10是说明性示意图，用来解释本发明一个实施例的切割方法；
图11是按本发明一个实施例的半导体加速度传感器的透视图；
图12是本发明所用的刮刀截面图；以及
图13是说明性示意图，用来解释本发明的处理过程中的电蚀现象；
下面将参照附图描述本发明的实施例。图2是表示按本发明的半导体加速度传感器一个实施例的结构的透视图；这个实施例包括用来检测应力的悬臂梁12、用来支持悬臂部分的支持体11、作为质量部分的重叠部分13、以及为检测加在悬臂梁12上的应力所造成的位移而设置的扩散电阻2。扩散电阻部分要发生位移，在背面一侧形成凹槽部分，以改善灵敏度。扩散电阻形成图4B中的桥路50。在本结构中，支持体11安装在外壳内，以形成半导体加速度传感器。当加速度施加在悬臂梁12上时，悬臂梁弯曲，扩散电阻2的阻值变化，从而求出阻值的变化，作为输出电压检测出加速度。另外，有时在悬臂梁上形成温度补偿电路和输出放大电路。
接着，参照图1和图6介绍按本发明的半导体加速度传感器的制造方法。图6表示半导体加速度传感器的传统制造方法，图1表示半导体加速度传感器的按本发明的制造方法。采用传统的制造方法时，制造扩散电阻2和导线、为使扩散电阻2部分的壁较薄还采用蚀刻，但需要设置图案开口部分9，让蚀刻剂穿过到达该开口部分扩散电阻2的背面部分。这样，因为两面都需要形成图案，也就需要为此而采用的设施。另外，在扩散电阻一侧的表面需要形成保护膜，以防蚀刻剂进入。保护膜要求精确地实现薄膜质量的条件设定，以免蚀刻剂从薄膜的裂缝等渗入。因为有这样的问题，所以在本发明中采用机械切割的方法来减薄扩散电阻部分的壁厚。按照本发明的一种制造方法，只用光刻法已足以在一侧形成扩散电阻和导线，并足以形成半导体加速度传感器用的图案，以便在第一步起作用，并足以在第二步完成机械切割来减薄扩散电阻部分的壁厚，还有可能在生产过程中进行过程测量等等。
但是，在用水作普通的切割水的切割方法中，尽管可以切割出悬臂梁12，但有处理蜕化层和修整表面缺陷的问题。所以，为了进一步改善精度，在本实施例中采用了下列方法。存在这样的问题，即在半导体衬底1的切割过程中，当元件切出时，若元件的切割阻力增大，在元件中就会产生修整表面缺陷的问题从而破坏元件，有时元件做出来不是要求的尺寸。为了解决这些问题，利用了超细研磨颗粒的电泳现象。下面将介绍它的原理。超细二氧化硅研磨颗粒在碱液中带负电。因此，当电场作用在它上面时，二氧化硅颗粒便向阳极31移动，但到不了阴极32。这种现象示于图7。在阳极31带电的电极处有超细二氧化硅研磨颗粒。胶体二氧化硅的二氧化硅颗粒3在电极表面上出现电吸附现象。当电场起作用时，吸附层就会连续在电极表面上形成。换句话说，通过在刮刀5上产生电场，很容易形成超细二氧化硅研磨颗粒的吸附层，这使得以较小的切割阻力完成切削过程成为可能。本发明用的设备结构示于图8。该设备是这样构成的，它具有向切割刮刀5供应磨料的机构和把电蚀应用于设置在通用切割设备上的切割刮刀5的电源6。通过向刮刀5供应切割材料的胶体二氧化硅和通过直流电源6把电蚀应用于刮刀5，在刮刀5上便产生二氧化硅层。借助于这样的结构，将半导体衬底1安装在卡盘33上，并用该切割设备进行切割。
下面参照图9说明利用本发明的切削过程。切割刮刀5从固定的半导体衬底1上面下降，与半导体衬底1接触。这时，向刮刀5输送作为磨料的超细二氧化硅磨料颗粒。刮刀5处于吸附二氧化硅颗粒3的状态。超细二氧化硅磨料颗粒的颗粒直径是从10nm(纳米)到20nm，而在阳极31上带上电的具有这样颗粒直径的二氧化硅被吸附在刮刀5上。利用这种吸附层对半导体衬底1进行切割显示了效果，而且加工结果非常漂亮。
当在本实施例切出具有上述尺寸的元件时发现，传统切割中的修整表面缺陷量10μm改进为按本实施例的2μm。这样，就可以以高的产量供应稳定的元件，既不会使导线断开，又不会使扩散层破坏。
另外，作为降低修整表面缺陷量的一种方法，采用用铸铁作为粘结材料42并包含金刚石颗粒41的刮刀5，并把电蚀应用于刮刀5。由于对粘结材料42的电蚀在磨蚀剂的表面形成非导电膜40，掏析作用停止，使磨料颗粒在某种程度上突出。现参照图13解释这个过程。第一步，把电蚀应用于刮刀5。刮刀5的粘结材料42的铸铁作为铁离子43被掏析出来。掏析之后，氧化开始，在刮刀5的表面形成非导电膜40(第二步)。金刚石颗粒41从刮刀5突出。在这种状态下切割开始了。当切割继续进行时，金刚石颗粒41脱落或者非导电膜40被逐渐清除。结果，切割环境恶化。在这里，粘结材料42再次被电蚀作用掏析(第三步)。然后，形成非导电层40(回到第二步)。重复第二、第三和第四步，于是切割继续进行。这个系统称为切削过程中电蚀。
这种设备的结构示于图10。设备的结构包括把电蚀应用于切割刮刀5的结构，以及通过切割刮刀5附近的阴极附件32和直流电源6来把电蚀应用于刮刀5的结构。半导体衬底1被这样的结构切割。
在这个实施例中，采用了固定切割带，以便用紫外线照射它来软化粘结能力，作为固定工件半导体衬底1的一种方法。这样做，半导体衬底1就能够容易地切割出来，还能固定得牢固。可以切割出具有小间距的元件，用上述方法使用切割设备切割处理蜕化层。
图1表示制造过程。在图1A中，在半导体衬底1上形成扩散电阻2并在上层形成钝化层。第二步，在图1B中，采用诸如回转刮刀等刮刀5从扩散层的背面进行切割，以此用机械方法使背面壁厚较薄。这时，采用胶体二氧化硅作为切割液，并借助于直流电源把电蚀应用于刮刀5。第三、第四步刮刀5继续切割半导体衬底1。这时，在图1C和1D中，胶体二氧化硅的二氧化硅颗粒3已经被吸附到刮刀5上，而且二氧化硅颗粒3与半导体衬底1接触。图1E表示做好的成品，但可以形成膜片部分，而凹槽7不产生加工蜕化层。虽然在本实施例中，就悬臂梁进行描述，但本方法对于两端固定的半导体中心臂的情况同样有效。作为本实施例，生产出了臂部长5mm、宽2mm薄壁部分厚0.03mm的半导体加速度传感器。本实施例的半导体加速度传感器在5V输入电压下输出电压为1mV。这个输出电压几乎等于理论值，与蚀刻法相比，数值不分散，得出了令人满意的结果。另外，这是近年来已有利用微加工技术来生产半导体加速度传感器的例子，但是，与微加工技术相比，本系统容易获得要求的半导体加速度传感器。
在本实施例中，采用具有垂直刃的切割刮刀5，但最好采用有倾斜角的或两角为园角R的刮刀5形状。利用这样的刮刀5可以加工图11所示形状的凹槽，从而避免采用垂直刮刀在角上造成的应力集中现象，并进一步加大抗冲击强度。
本发明利用上述的结构产生下列效果。在形成检测位移造成的电阻阻值变化的扩散电阻的薄壁部分的过程中，采用机械切削方法，以及对切割刮刀利用切割磨料颗粒的电蚀和电泳现象，可以完成既没有加工蜕化现象，又没有微裂缝的优异的加工过程。另外，利用机械切割方法形成传感器，加工过程减少了，于是生产成本得以降低。既然不用诸如强酸等化学药品，也就不会对引线等造成破坏，从而提高产量。
Claims (8)
1.一种制造具有半导体加速度传感器的半导体器件的方法，其特征在于它包括以下步骤：
在半导体衬底上形成扩散电阻，
用机械切割方法减薄具有扩散电阻的所述半导体衬底的背面，
形成具有所述半导体衬底的扩散电阻的元件区，
形成用来固定所述元件端部的支持体，以及
在用机械切割方法减薄所述半导体衬底扩散电阻的背面过程中，在所述机械切割过程中，把电蚀应用于切割刮刀和使磨料颗粒带电。
2.按照权利要求1的制造具有半导体加速度传感器的半导体器件的方法，其特征在于二氧化硅颗粒含于所述机械切割中用的磨料中。
3.按照权利要求1的制造具有半导体加速度传感器的半导体器件的方法，其特征在于其中半导体加速度传感器的检测部分的凹槽部分是采用回转切割方法形成的。
4.按照权利要求1的制造具有半导体加速度传感器的半导体器件的方法，其特征在于，在把电蚀应用于所述机械切割的切割刮刀的过程中，包括形成切割刮刀的粘结剂的掏析过程。
5.按照权利要求1的制造具有半导体加速度传感器的半导体器件的方法，其特征在于，包括在所述元件端部加上重叠部分的过程。
6.一种形成半导体器件的方法，其特征在于有以下步骤：
在半导体衬底上形成扩散电阻，以及
采用加有磨料颗粒和电场的切割刮刀，切割所述半导体衬底具有扩散电阻一面的背面，以此减小所述半导体衬底的厚度。
7.按照权利要求6的制造半导体器件的方法，其特征在于所述磨料颗粒是二氧化硅。
8.形成半导体器件的方法，其特征在于包括下列步骤：
在半导体衬底上形成扩散电阻，以及
利用切割磨料颗粒的电泳现象，切割所述半导体衬底具有扩散电阻的一面的背面，以减小所述半导体衬底的厚度。
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| PB01 | Publication | ||
| C01 | Deemed withdrawal of patent application (patent law 1993) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |