DE10126621A1

DE10126621A1 - Halbleiterdrucksensor mit einem gerundeten Eckteil der Membran

Info

Publication number: DE10126621A1
Application number: DE10126621A
Authority: DE
Inventors: Yuichiro Murata; Inao Toyoda; Yasutoshi Suzuki
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2000-06-05
Filing date: 2001-05-31
Publication date: 2001-12-06
Also published as: US20010052266A1; US6601452B2

Abstract

Ein Halbleiterdrucksensor hat eine Aussparung (2) auf einem Halbleitersubstrat (1). Die Aussparung (2) hat eine Seitenwand, eine Bodenwand, die als eine Membran (3) zum Erkennen eines Drucks dient, und ein Eckteil (2a) zwischen der Seitenwand und der Bodenwand mit einem Krümmungsradius R. Der Krümmungsradius R genügt der Formel DOLLAR A R/S = 526 È (d/S)·2· - 0,037 È (d/S) + a1, DOLLAR A wobei S eine Fläche der Membran (3) ist, d eine Dicke der Membran (3) ist und a1 in einem Bereich von je einschließlich 9,6 x 10·-7· bis 16 x 10·-7· liegt.

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiter drucksensor, der eine Membran hat, die durch eine auf ei nem Halbleitersubstrat gebildete Aussparung gebildet wird, um einen Druck zu erkennen.

JP-A-11-97413 schlägt einen Halbleiterdrucksensor vom Membrantyp vor, bei dem eine Aussparung auf einem Halb leitersubstrat (Siliciumsubstrat) durch anisotropes Ätzen gebildet wird, um eine Membran auf einem Boden der Aus sparung zu bilden, um einen Druck zu empfangen. Die Eck teile der Bodenseite der Aussparung, die die Membran be stimmen (die Rückseite der Membran), werden mittels isotropischem Ätzen gerundet, um die Versagensfestigkeit der Membran zu erhöhen. Das bedeutet, daß das Kantenteil der hinteren Oberfläche der Membran im Schnitt eine R- Form aufweist. Es wird jedoch festgestellt, daß die Ätz zeit verlängert wird und damit der Durchsatz verringert wird, wenn das Kantenteil stark gerundet wird.

Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht der obigen Probleme gemacht. Eine Aufgabe der Erfindung ist es, einen Halbleiterdrucksensor vom Membrantyp zu schaf fen, in dem ein Kantenteil der hinteren Oberfläche einer Membran effizient gerundet werden kann, während ein aus reichender Widerstand gegen Zerstörung durch Druck erhal ten bleibt.

In einer Ausführungsform der Erfindung hat ein Halb leiterdrucksensor eine Aussparung, die durch anisotropes Ätzen auf einem Halbleitersubstrat gebildet wird. Die Aussparung hat eine Seitenwand, eine Bodenwand, die als Membran zum Erkennen eines Drucks dient, und ein Eckteil zwischen der Seitenwand und der Bodenwand mit einem Krüm mungsradius R. Der Krümmungsradius R genügt einer Formel von:

R/S = 526.(d/S)²- 0,037.(d/S) + a1,

wobei S eine Fläche der Membran ist, d eine Dicke der Membran ist und a1 in einem Bereich von je einschließlich 9,6 × 10^-7 bis 16 × 10^-7 liegt. In diesem Fall kann das Eckteil durch anisotropes Ätzen effizient in einer kurzen Ätzzeit gerundet werden.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Verbindungsoberfläche einer Basis mit einer Druckeinlaßpassage mit einem Halbleitersubstrat, das eine Aussparung und eine Membran als die Bodenwand der Aussparung hat, verbunden. Ein Verbindungswinkel zwi schen einer Seitenwand der Aussparung und der Verbin dungsoberfläche der Basis ist gleich oder größer als 80°, so daß der Druck zur Auftrennung der Verbindung des Ver bindungsteils, an dem die Basis mit dem Halbleiter substrat verbunden ist, größer als der Widerstand gegen Zerstörung der Membran durch Druck ist. Eine Länge eines Teils, auf dem der Verbindungswinkel größer oder gleich 80° beträgt, ist bevorzugt mindestens 50% und noch besser mindestens 80% bezogen auf die Gesamtlänge des Verbin dungsteils rund um die Aussparung.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Beschrei bung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt, der einen Halbleiterdrucksensor nach einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorlie genden Erfindung zeigt;

Fig. 2 eine Draufsicht, die die Form einer Membran des in Fig. 1 gezeigten Drucksensors zeigt;

Fig. 3 ein Schaubild, das eine Beziehung zwischen dem Verhältnis d/S und dem Widerstand der Membran gegen Zer störung durch Druck zeigt, wobei d eine Dicke der Membran und S eine Fläche der Membran verkörpert;

Fig. 4 ein Schaubild, das eine Beziehung zwischen dem Krümmungsradius R und dem Widerstand der Membran gegen Zerstörung durch Druck zeigt;

Fig. 5 ein Schaubild, das eine Beziehung zwischen den Verhältnissen d/S und R/S zeigt;

Fig. 6 einen vergrößerten Schnitt, der einen Halblei terdrucksensor in einer zweiten bevorzugten Ausführungs form der vorliegenden Erfindung an einem mit dem Kreis VI in Fig. 1 angezeigten Teil zeigt;

Fig. 7 ein Schaubild, das eine Beziehung zwischen dem Verbindungswinkel θ und der Spannung im Verbindungsteil zeigt;

Fig. 8 eine Draufsicht, die ein Maskenmuster zur Bil dung einer Membran gemäß Fig. 6 zeigt;

Fig. 9 A eine Draufsicht, die die durch das in Fig. 8 gezeigte Maskenmuster gebildete Membran zeigt;

Fig. 9B einen Schnitt entlang der Linie IXB-IXB in Fig. 9A;

Fig. 9C einen Schnitt entlang der Linie IXC-IXC in Fig. 9A;

Fig. 9D einen Schnitt entlang der Linie IXD-IXD in Fig. 9A;

Fig. 10 ein Schaubild, das einen Effekt zur Erhöhung eines Widerstands des Verbindungsteils gegen Druck zeigt;

Fig. 11A und 11B Draufsichten, die die Membranformen der zweiten Ausführungsform und eines Vergleichsbeispiels zeigen;

Fig. 12 ein Schaubild, das eine Beziehung zwischen dem Verhältnis L_θ/L_T eines Teils, das einen Verbindungs winkel von 90° bildet, zur Gesamtheit eines Verbindungs teils und den vom Verbindungsteil ohne Trennung ausgehal tenen Druck zeigt;

Fig. 13 eine Draufsicht, die ein Maskenmuster zur Bildung einer Membran als eine Modifikation der zweiten Ausführungsform zeigt;

Fig. 14A eine Draufsicht, die die durch das Maskenmu ster nach Fig. 13 gebildete Membran zeigt;

Fig. 14B einen Schnitt entlang der Linie XIVB-XIVB in Fig. 14A;

Fig. 14C einen Schnitt entlang der Linie XIVC-XIVC in Fig. 14A;

Fig. 15A und 15B Schnitte, die ein Verfahren zur Bildung einer Membran in einer dritten bevorzugten Aus führungsform der vorliegenden Erfindung zeigen;

Fig. 16A eine Draufsicht, die eine Membran als erstes Beispiel der dritten Ausführungsform zeigt;

Fig. 16B einen Schnitt entlang der Linie XVIB-XVIB in Fig. 16A;

Fig. 16C einen Schnitt entlang der Linie XVIC-XVIC in Fig. 16A;

Fig. 16D einen Schnitt entlang der Linie XVID-XVID in Fig. 16A;

Fig. 17A eine Draufsicht, die eine Membran als zwei tes Beispiel der dritten Ausführungsform zeigt;

Fig. 17B einen Schnitt entlang der Linie XVIIB-XVIIB in Fig. 17A; und

Fig. 17C einen Schnitt entlang der Linie XVIIC-XVIIC in Fig. 17A.

Mit Bezug auf Fig. 1 und 2 hat ein Halbleiterdruck sensor S1 nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung ein Einkristallhalbleitersubstrat 1 mit einer (110)-Ebene als Kristallorientierung. Eine Aussparung 2 wird auf dem Halbleitersubstrat 1 gebildet, deren Grund als Membran 3 zum Erkennen eines Drucks dient. Die Membran 3 hat in der Draufsicht eine achteckige Form. Wie in Fig. 1 gezeigt, wird ein Kantenteil 2a (Eckteil) der Oberfläche der Mem bran 3 an der Seite der Aussparung 2 (rückseitige Ober fläche der Membran) so gerundet, daß sich in der Schnitt ansicht eine R-Form ergibt.

Die Membran 3 kann wie folgt gebildet werden: Eine Maske mit einem bestimmten Muster wird auf einer Oberflä che des Halbleitersubstrats 1 gebildet, und die Ausspa rung 2 wird auf dem Halbleitersubstrat 1 durch anisotro pes Ätzen mit KOH, TMAH oder ähnlichem gebildet. Zudem wird isotropes Ätzen mit anodischer Oxidation, wie in JP-A-11-97413 offenbart, durchgeführt, um das Kantenteil der rückseitigen Oberfläche 2a der Membran zu runden. So kann die Membran 3 gebildet werden. Die Aussparung 2 kann durch Trockenätzen gebildet werden.

Zudem wird in der vorliegenden Erfindung ein Einkri stallsiliciumsubstrat mit einer (110)-Kristallorientie rung als das Halbleitersubstrat 1 angenommen, und das Maskenmuster hat eine Öffnung, die mit der Öffnungsform der Aussparung 2 übereinstimmt, um die Membran durch Ät zen, wie oben beschrieben, zu bilden. Demgemäß kann die Membran 3 in einer in Fig. 2 schraffierten, in der Drauf sicht achteckigen Form gebildet werden.

(Nicht gezeigte) Dehnungsmeßstreifen werden auf der Oberfläche der Membran 3 (auf der gegenüberliegenden Sei te des Halbleitersubstrats bezogen auf die Aussparung 2) durch einen Halbleitervorgang wie Diffusion gebildet. Die Dehnungsmeßstreifen bilden eine Brückenschaltung, die ein elektrisches Signal in Übereinstimmung mit der Verformung der Membran 3 erzeugen, wodurch sie das Erkennen des an gewandten Drucks ermöglichen.

Eine aus Glas gefertigte Basis 4 wird durch anodi sches Bonden mit dem Halbleitersubstrat 1 verbunden, um die Aussparung 2 zu überdecken. Die Basis 4 definiert da durch eine Druckeinlaßpassage 5, durch die die Aussparung 2 mit der Außenwelt verbunden ist. Der zu messende Druck (Meßdruck) wird durch den Druckeinlaß 5 in die Aussparung 2 eingeführt, und die Membran 3 erhält den Meßdruck an ihrer Rückseite. Die Basis 4 kann aus Silicium sein.

In der vorliegenden Erfindung ist das Kantenteil 2a der rückseitigen Oberfläche der Membran 3 gerundet, um einen Krümmungsradius R zu haben, der der folgenden Glei chung (1) genügt, in der d eine Dicke der Membran 3 ver körpert und S eine Fläche (Fläche der achteckigen ebenen Form in dieser Ausführungsform) der Membran 3 verkörpert.

R/S = 526.(d/S)²- 0,037.(d/S) + a1 . . . (1)

Hier genügt A1 einer Beziehung von 9,6 × 10^-7 ≦ a1 ≦ 16 × 10^-7. Die Gleichung 1 für den Krümmungsradius R ist ein Ergebnis von Studien und Prüfungen, um die R-Form des rückwärtigen Kantenteils 2a zu schaffen, die es ermög licht, die maximale Wirkung auf die Versagensfestigkeit der Membran 3 ohne unnötige Verlängerung der Ätzzeit be reitzustellen.

Zudem wird die Beziehung zwischen der Form und der Versagensfestigkeit der Membran 3 über eine FEM- (finite Element-Methoden-) Spannungsanalyse untersucht. Noch ge nauer wird eine Spannung festgestellt, die an einem Maxi malspannungsteil erzeugt wird (d. h. an dem Kantenteil der rückseitigen Oberfläche 2a der Membran 3), wenn Druck auf die Membran ausgeübt wird. Der Widerstand gegen Zerstö rung durch Druck wird als der Druck bestimmt, der ange wendet wird, wenn die festgestellte Spannung die Versa gensfestigkeit erreicht.

Somit kann der Widerstand der Membran gegen Zerstö rung durch Druck mit Änderungen in der Fläche S, der Dicke d, dem Krümmungsradius R der Membran durch eine Si mulation vorhergesagt werden. Unten wird ein Ergebnis der Simulation mittels FEM-Analyse erläutert, das vom Sensor S1 der vorliegenden Ausführungsform gewonnen wurde. In dieser Simulation wurden als Dimensionen der Membran 3 unter Bezugnahme auf Fig. 2 W1 auf 1,3 mm und W2 auf 1,4 mm gesetzt.

Fig. 3 zeigt Simulationsergebnisse und tatsächliche Messungen in der Beziehung zwischen dem Verhältnis d/S der Dicke d und der Fläche S der Membran 3 und dem Wider stand der Membran gegen Zerstörung durch Druck. Fig. 3 zeigt außerdem einen Fall, in dem der Krümmungsradius R 1 µm ist, und einen Fall, in dem der Krümmungsradius R 0 µm ist (d. h. das Kantenteil wurde nicht gerundet). Hier beträgt die mit einer schwarzen ⚫ oder weißen ○ Markie rung angezeigte Streuungsbreite 3σ. Somit wird gezeigt, daß die Simulationsergebnisse mit den tatsächlichen Mes sungen ausreichend übereinstimmen.

Fig. 4 zeigt Simulationsergebnisse (R-Druckwiderstandskurve) in einer Beziehung zwischen dem ausgehaltenen Druck und dem Krümmungsradius R der Mem bran. Noch genauer zeigt Fig. 4 Druckwiderstandskurven in drei Fällen, in denen die Verhältnisse d/S jeweils 3,48 × 10^-5 (fettgedruckte durchgezogene Linie), 1,86 × 10^-5 (fettgedruckte gestrichelte Linie) und 1,44 × 10^-5 (fettgedruckte strichpunktierte Linie) als Ergebnis der Simulation zeigen. Die mit der Markierung ○ (d/S = 3,48 × 10^-5) und Markierung Δ (d/S = 1,86 × 10^-5) bezeichneten Punkte sind tatsächliche Messungen.

Fig. 4 zeigt, daß, obwohl mit einer Vergrößerung des Kurvenradius der von der Membran Widerstand gegen Zerstö rung durch Druck erhöht wird, der Grad der Verbesserung an einem bestimmten Punkt gesättigt ist. Das bedeutet, die Wirkung der Erhöhung des ausgehaltenen Drucks ist an diesem Punkt auch dann gesättigt, wenn der Krümmungsradi us R erhöht wird, und danach wird die Wirkung kaum er höht, obwohl die Ätzzeit in Übereinstimmung mit der Ver größerung des Krümmungsradius R verlängert wird.

Hier werden in jeder R-Druckwiderstandskurve in Fig. 4 Näherungslinien (schmale gestrichelte Linien) mit Bezug auf jeweils einen Teil gezeichnet, in dem der Grad der Erhöhung des ausgehaltenen Drucks groß ist, und einen Teil, in dem der Grad der Erhöhung des ausgehaltenen Drucks gering ist (gesättigter Teil), und mit K1, K2 oder K3 wird ein Schnittpunkt ermittelt, der als ein kriti scher Punkt (Sättigungspunkt) angesehen wird. Wenn die Membran 3 den Krümmungsradius R, der mit dem kritischen Punkt K1, K2 oder K3 mit dem zugehörigen Verhältnis d/S übereinstimmt, hat, wird die maximale Wirkung zur Verbes serung der Versagensfestigkeit der Membran bei minimaler Ätzzeit zum Runden des Kantenteils 2a mit dem Krümmungs radius R (d. h. mit dem kleinsten Krümmungsradius R) er reicht werden.

Wenn das Kantenteil 2a isotrop zur Abrundung geätzt wird, sind Verfahrensfehler unvermeidlich. Daher besteht die Möglichkeit, daß der Krümmungsradius R unter Annahme des Auftretens eines Verfahrensfehlers die zu den Punkten m1, m2 oder m3 in Fig. 4 gehörende Größenordnung er reicht, wenn das Ätzen für eine vorher festgesetzte Ätz zeit durchgeführt wird, so daß der Krümmungsradius R min destens dem kritischen Punkt K1, K2 oder K3 entspricht.

Eine Kurve, die die Punkte m1, m2 und m3 verbindet, zeigt parallel zu der Kurve, die die kritischen Punkte k1, k2 und k3 verbindet, die Größenordnung der beim Ätzen entstandenen Verfahrensfehler. Das heißt, das Kantenteil 2a der Membran 3 kann den Krümmungsradius R in einem Be reich haben, der mit dem schraffierten Bereich P in Fig. 4 übereinstimmt.

Fig. 5 zeigt eine Beziehung zwischen dem Verhältnis d/S und dem Verhältnis R/S des Bereichs P, das ebenso ein schraffierter Bereich in Fig. 5 ist. Die untere Kurve P1 in Fig. 5 entspricht der Kurve, die die untere Grenze (die Kurve, die die kritischen Punkte k1, k2 und k3 ver bindet) in Fig. 4 zeigt, und verkörpert die Gleichung (1), in der a1 9,6 × 10^-7 ist. Die obere Kurve P2 in Fig. 5 stimmt mit der Kurve überein, die die obere Grenze (die Kurve, die die Punkte m1, m2 und m3 verbindet) in Fig. 4 zeigt, und verkörpert die Gleichung (1), in der a1 16 × 10^-7 ist.

Der Bereich P in Fig. 5 ist der Schlüsselbereich. Da nach kann die Beziehung zwischen den Verhältnissen d/S und R/S und der Bereich von a1 in Gleichung (1) bestimmt werden. Daher kann die Versagensfestigkeit der Membran 3 durch Durchführen des isotropen Ätzens für die minimale Ätzzeit zum Ausrunden des Kantenteils 2a der Membran 3 ausreichend erhöht werden, wenn der Krümmungsradius R der Membran 3 der Gleichung (1) genügt.

Die Gleichung (1) bezieht die Verfahrensfehler durch das Ätzen zum Ausrunden des Kantenteils 2a ein. Bevorzugt stimmt jedoch der Krümmungsradius R mit dem Punkt auf der Kurve, die in Fig. 4 die untere Grenze zeigt (die die kritischen Punkte k1, k2 und k3 verbindet), d. h. mit dem Punkt P1 auf der Kurve in Fig. 5, überein. Das heißt, daß a1 in Gleichung (1) bevorzugt 9,6 × 10^-7 ist.

Daher wird in dieser Ausführungsform der Krümmungsra dius R des Kantenteils 2a der Membran 3 so gesteuert, daß er Gleichung (1) genügt. In diesem Fall kann die Membran 3 effizient gebildet werden, während die Versagensfestig keit der Membran 3 erhöht wird. Zudem ist die Form der Membran 3 im Sensor S1 der vorliegenden Ausführungsform achteckig. Daher kann die Spannungsdehnung am Verbin dungsteil zwischen dem Halbleitersubstrat 1 und der Basis 4 im Vergleich zu einem Fall, in dem die Form der Membran in der Draufsicht rechteckig ist, reduziert werden. Dies ist aus Sicht der Verbesserung der Versagensfestigkeit zu bevorzugen, weil der Bruchwiderstandsdruck am Verbin dungsteil erhöht werden kann.

Das Halbleitersubstrat 1 ist nicht auf ein Einkri stallsiliciumsubstrat mit einer (110)-Kristallebenenori entierung beschränkt. Beispielsweise kann die Kristall orientierung eine (100)-Ebene sein. Auch die Form der Membran 3 ist nicht auf eine achteckige Form beschränkt, sondern kann auch andere Formen wie ein Reckteck anneh men. Das bedeutet, daß die vorliegende Ausführungsform dadurch gekennzeichnet ist, daß der Krümmungsradius R des Kantenteils der hinteren Oberfläche der Membran der in Gleichung (1) gezeigten Beziehung genügt und die anderen Merkmale entsprechend verändert werden.

Ein Halbleiterdrucksensor S2 nach einer zweiten Aus führungsform wird unter Bezug auf die Fig. 6 bis 15 er läutert, wobei die gleichen Teile wie in der ersten Aus führungsform mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet werden.

Mit Bezug auf Fig. 6 wird in der zweiten Ausführungs form zunächst am Verbindungsteil zwischen dem Halbleiter substrat 1 und der Basis 4 ein Verbindungswinkel θ zwi schen der Seite der Aussparung 2 und der Basis 4 in so vielen Bereichen wie möglich gleich oder größer als 80° gemacht. Entsprechend ist der Widerstand gegen die Tren nung an diesem Verbindungsteil dadurch größer als die Druckversagensfestigkeit der Membran 3.

Diese Struktur basiert auf den folgenden Untersuchun gen. Fig. 7 zeigt eine Verbindung zwischen dem Verbin dungswinkel (°) und der Dehnung (%), d. h. einer Dehnung des Verbindungsteils, die am Verbindungsteil zwischen der Basis und dem Halbleitersubstrat hervorgerufen wird, wel che durch eine Simulation mittels FEM (finite Elementme thode) erhalten wird.

Wie in Fig. 7 gezeigt, erkennt man, daß die Dehnung des Verbindungsteils mit der Zunahme des Verbindungswin kels θ abnimmt, und die Dehnung des Verbindungsteils ist bei einem sehr geringen Wert beinahe gesättigt, wenn der Verbindungswinkel größer als ungefähr 80° ist. Obwohl ein geringer Verfahrensfehler nicht zu vermeiden ist, ist die Obergrenze des Verbindungswinkels A im wesentlichen 90°.

Die Verbindungsstärke zwischen dem Halbleitersubstrat 1 und der Basis 4 kann erhöht werden, wenn das Teil, das einen Verbindungswinkel θ größer als ungefähr 80° hat, mindestens einen bestimmten Bruchteil des gesamten Ver bindungsteils einnimmt. Als Konsequenz kann eine hohe Verläßlichkeit des Verbindungsteils erreicht werden.

Dieser Effekt zum Verbessern der Verbindungsstärke wird noch genauer auf Grundlage des Halbleiterdrucksen sors S2 in der vorliegenden Erfindung erläutert. Fig. 8 zeigt eine Draufsicht eines Maskenmusters zum Bilden der Membran 3, und die Fig. 9A bis 9D zeigen die genaue Form der Membran 3, die durch das Maskenmuster gebildet wird.

In dieser Ausführungsform wird ein Einkristallsilici umsubstrat mit einer (110)-Kristallebenenorientierung als Halbleitersubstrat 1 angenommen. Als Maskenmuster zum Bilden der Membran 3 durch Ätzen wird eine Maske M1 mit einer achteckigen Öffnung, die in Fig. 8 durch Schraffur gezeigt ist, auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats 1 gebildet. Die Öffnung der Maske M1 ist im wesentlichen ein Rhombus, der eine Längsachse parallel zur <110<-Rich tung des Substrats und vier Seiten senkrecht zur <111<- Richtung des Substrats hat, ist jedoch tatsächlich ein Achteck, weil die Eckteile des Rhombus ausgeschnitten sind.

Anisotropes Ätzen wird dann mit diesem Maskenmuster durchgeführt. Als Ergebnis, wie in Fig. 9A gezeigt, wird die Aussparung 2 mit einer hexagonalen Öffnung mit den sechs Seiten L1, L2 gebildet, und die Membran 3 wird als der Boden der Aussparung 2 mit einer achteckigen Form (in Fig. 9A schraffiert) gebildet. Zu dieser Zeit bildet, wie in den Fig. 9B und 9D gezeigt, jede Seite L1, die senk recht zur <111<-Richtung ist, einen Verbindungswinkel θ von im wesentlichen 90° mit der Oberfläche des Halblei tersubstrats 1.

Im Halbleiterdrucksensor S2 in der vorliegenden Aus führungsform beträgt der Teil, der den Verbindungswinkel θ von im wesentlichen 90° bildet, 88% des gesamten Ver bindungsteils zwischen dem Halbleitersubstrat 1 und der Basis 4. Dieses Verhältnis stimmt mit einem Verhältnis der Seitenlängen, die den Verbindungswinkel θ von 90° bilden (die Summe der Längen der vier Seiten L1), zu ei ner Gesamtlänge der sechs Seiten L1, L2, die die Öffnung der Aussparung 2 bilden, überein.

Hier zeigt Fig. 10 das Ergebnis des Effekts zur Ver besserung der Verbindungsstärke im Sensor S2 nach der vorliegenden Ausführungsform, das im Vergleich zu einem (Vergleichs-)Beispiel geprüft wurde, bei dem 23% des ge samten Verbindungsteils den Verbindungswinkel θ von 90° bilden. In jedem Fall wurden 10 Muster geprüft. Das Ver gleichsbeispiel wurde mit einem anderen Maskenmuster zur Bildung der Membran als dem in der vorliegenden Ausfüh rungsform gebildet.

Fig. 11A und 11B zeigen jeweils Draufsichten der Membranen in der vorliegenden Ausführungsform und im Ver gleichsbeispiel. In den Figuren bedeuten eine durchgezo gene Linie, eine strichpunktierte Linie und eine gestri chelte Linie die Verbindungswinkel θ an den jeweiligen Teilen zu jeweils 90° bzw. 45° und 35,3°. Sowohl in der vorliegenden Ausführungsform als auch in dem Vergleichs beispiel waren jeweils die Abmessungen W1 bzw. W2 1,3 mm bzw. 1,4 mm.

Nach diesen Untersuchungen liegt die obere Grenze des Versagensdrucks an der Membran 3 für diese Art von Halb leiterdrucksensor praktisch auf einer Höhe von ungefähr 6 MPa. Wie aus Fig. 10 ersichtlich, trennt sich das Ver bindungsteil zwischen dem Halbleitersubstrat 1 und der Basis 4 im Vergleichsbeispiel vor dem Bruch der Membran 3. Im Gegensatz hierzu kann die Trennung am Verbindungs teil in der vorliegenden Ausführungsform verhindert wer den, weil der Widerstand gegen Trennung durch Druck am Verbindungsteil größer als der Versagensdruck der Membran 3 werden kann.

Als nächstes wurde eine Beziehung zwischen dem Ver hältnis des Teils, das den Verbindungswinkel θ von 90° bildet, zum gesamten Verbindungsteil und der Widerstand gegen Zerstörung durch Trennung untersucht. Fig. 12 zeigt eine Beziehung zwischen dem Verhältnis der Länge (L_θ) des Teils mit dem Verbindungswinkel θ von 90° zur Gesamtlänge (L_T), L_θ/L_T (%) und dem bis zur Trennung ausgehaltenen Druck (MPa) des Verbindungsteils. Die Beziehung wurde durch FEM-Analyse berechnet, und die im Schaubild mit ei nem schwarzen Punkt ⚫ eingefügten Punkte sind tatsächli che Messungen der vorliegenden Ausführungsform und des Vergleichsbeispiels.

In Fig. 12 kann die Verbindungsstärke zwischen dem Halbleitersubstrat 1 und der Basis 4 verbessert werden, wen das Verhältnis L_θ/L_T so festgelegt wird, daß der Wi derstand gegen Zerstörung durch Trennung am Verbindungs teil größer als der Versagensdruck der Membran 3 wird. Als Ergebnis kann die Verläßlichkeit des Verbindungsteils erreicht werden. Beispielsweise soll das Verhältnis L_θ/L_T 50% oder mehr betragen, wenn die obere Grenze (6 MPa) des Versagensdrucks der Membran 3 in der Praxis als ange strebte untere Grenze des bis zur Trennung ausgehaltenen Drucks am Verbindungsteil angesehen ist.

Obwohl das Verhältnis in der vorliegenden Ausfüh rungsform 88% beträgt, wird dieses Verhältnis in Erwar tung eines Sicherheitsfaktors bestimmt. Daher ist das Verhältnis bevorzugt 80% oder mehr. Wie in Fig. 7 ge zeigt, ist außerdem die Dehnung des Verbindungsteils so gesättigt, daß sie ungefähr gleich der im Fall ist, wenn der Verbindungswinkel θ 90° beträgt, wenn der Verbin dungswinkel θ 80° oder mehr beträgt. Daher kann ungefähr der gleiche Effekt wie in Fig. 12 gezeigt erreicht wer den, wenn der Verbindungswinkel θ 80° oder mehr beträgt.

Somit hat in der vorliegenden Ausführungsform im Halbleiterdrucksensor vom auf der rückseitigen Oberfläche Druck empfangenden Typ, bei dem das Kantenteil 2a der rückseitigen Oberfläche der Membran 3 gerundet ist, das Teil, das den Verbindungswinkel θ gleich oder größer als 80° bildet, mehr als ein bestimmtes Verhältnis in Bezug auf das gesamte Verbindungsteil. Daher kann die Verbin dungsstärke zwischen dem Halbleitersubstrat 1 und der Ba sis 4 so weit erhöht werden, daß sie gleich oder größer als der Versagensdruck der Membran 3 ist, was zu einer hohen Verläßlichkeit des Verbindungsteils führt.

Wenn das Verhältnis 100% beträgt, d. h. wenn der Ver bindungswinkel θ überall am Verbindungsteil 90° beträgt, ist es offensichtlich zu bevorzugen, die Verbindungs stärke zu erhöhen. Dieser Aufbau wird mit Bezug auf die Fig. 13, 14A bis 14C als eine modifizierte Ausführungs form beschrieben.

Fig. 13 zeigt die Draufsicht eines Maskenmusters zum Bilden der Membran in der modifizierten Ausführungsform, und die Fig. 14A bis 14C zeigen eine genaue Form der Membran, die durch dieses Maskenmuster gebildet wird. In dieser modifizierten Ausführungsform wird eine Maske M2 mit einer Rhombusöffnung, wie in Fig. 13 (schraffierter Bereich in der Figur) gezeigt, auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats 1 mit (110)-Kristallorientierung ge bildet. Die Öffnung der Maske M2 hat eine Rhombusform mit einer Längsachse parallel zur <110<-Richtung und vier Seiten senkrecht zur <111<-Richtung des Substrats.

Das anisotrope Ätzen wird mit diesem Maskenmuster durchgeführt. Demgemäß wird, wie in Fig. 14A gezeigt, die Aussparung 2 mit einer rhombischen Öffnung mit vier Sei ten L1 gebildet, und die Membran 3 wird als ein Boden der Aussparung 2 mit einer achteckigen Form (schraffierter Bereich in der Figur) gebildet. Dabei ist, wie in den Fig. 14B und 14C gezeigt, der Verbindungswinkel θ im we sentlichen 90° an allen vier Seiten L1, die die Öffnung der Aussparung 2 bilden.

Die Form der Membran in dieser modifizierten Ausfüh rungsform ist unter Berücksichtigung nur des Effekts zur Verbesserung der Verbindungsstärke bevorzugt. Unter Be rücksichtigung anderer Eigenschaften wie der Sensoremp findlichkeit, ist jedoch die in den Fig. 9A bis 9C ge zeigte Membran zu bevorzugen, weil die Fläche der Membran innerhalb eines Chips effizient vergrößert werden kann.

In der zweiten Ausführungsform hat das Halbleiter substrat 1 die (110)-Ebene auf der Oberfläche. Deshalb kann der Verbindungswinkel θ von 90° leicht durch ani sotropes Ätzen realisiert werden. Eine dritte Ausfüh rungsform zeigt ein Verfahren zur Bildung der Membran 3, die mit einem Verbindungswinkel θ von 90° auf der Gesamt heit des Verbindungsteils zwischen dem Halbleitersubstrat 1 und der Basis 4 gebildet werden kann, ohne die Kristallorientierung des Halbleitersubstrats 1 und die Form des Maskenmusters zu berücksichtigen.

Die Fig. 15A und 15B zeigen ein Verfahren zum Bilden der Membran 3 in dieser Ausführungsform. Zuerst wird, wie in Fig. 15A gezeigt, anisotropes Ätzen mit KOH, TMOH oder ähnlichem wie in der zweiten Ausführungsform auf einer Oberfläche des Halbleitersubstrats 1 durchgeführt, auf dem eine (nicht gezeigte) Maske gebildet ist (anisotroper Ätzschritt). Eine Ätztiefe zu dieser Zeit liegt bei unge fähr zwei Drittel (2/3) oder mehr der Tiefe der Ausspa rung 2, die schließlich, wie mit gestrichelten Linien in Fig. 15A gezeigt, gebildet wird.

Nach und nach wird das Eckteil zwischen der Boden oberfläche und der Seitenoberfläche des Aussparungsteils, das beim anisotropen Ätzen gebildet wird, im wesentlichen in gleicher Weise gerundet wie in der zweiten Ausfüh rungsform beschrieben (Rundungsschritt). Danach wird ani sotropes vertikales Ätzen wie Plasmaätzen durchgeführt, wobei CF₄-Systemgas benutzt wird. Demgemäß wird das Aus sparungsteil weiter geätzt, so daß die Aussparung 2 schließlich gebildet wird (anisotroper senkrechter Ätz schritt).

In diesem Schritt wird der Verbindungswinkel θ auf der Gesamtheit des Öffnungsteils der Aussparung 2 auf grund der Charakteristik des anisotropen senkrechten Ät zens 90°. Die schließlich gebildete Aussparung 2 folgt der Form des gerundeten Teils, das beim Rundungsschritt gebildet wird, d. h. hat aufgrund des Rundungsschritts an den Eckteilen eine gerundete Form. Danach wird die Maske entfernt und die Oberfläche des Halbleitersubstrats 1 wird mit der Basis 4 verbunden. Dadurch wird ein Halblei terdrucksensor S3 vervollständigt.

Die Fig. 16A bis 16D und 17A bis 17C zeigen zwei Formen (zwei Beispiele) der Membran 3 im Halbleiterdruck sensor 53. Die Fig. 16A bis 16D zeigen ein erstes Bei spiel, das ein Einkristallsiliciumsubstrat mit einer (110)-Kristallorientierung als Halbleitersubstrat 1 und ein Maskenmuster nach Fig. 9A annimmt. Die Fig. 17A bis 17C zeigen ein zweites Beispiel, das ein Einkristall substrat mit einer (100)-Kristallorientierung als Halb leitersubstrat 1 und ein quadratisches Maskenmuster an nimmt.

Im ersten und zweiten Beispiel ist der Verbindungs winkel θ auf der Gesamtheit des Verbindungsteils zwischen dem Halbleitersubstrat 1 und der Basis 4 90°. Im ersten Beispiel, das in den Fig. 16A bis 16D gezeigt wird, ist der Verbindungswinkel θ auch am gleichen Teil wie dem in Fig. 9C gezeigten, wo der Verbindungswinkel θ 35,3° ist (dem mit der Seite L2 übereinstimmenden Teil), 90°. Somit kann gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Verbin dungswinkel θ unabhängig von der Kristallebenenorientie rung des Halbleitersubstrats 1 und dem Maskenmuster auf der Gesamtheit des Verbindungsteils zwischen dem Halblei tersubstrat 1 und der Basis 4 90° gemacht werden, indem am Ende des Ätzschritts zur Bildung der Membran 3 das anisotrope senkrechte Ätzen durchgeführt wird.

Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen be schrieben wurde, ist es für Fachleute offensichtlich, daß Änderungen von Form und Detail ohne Abweichung von dem in den beigefügten Ansprüchen festgelegten Erfindungsrahmen gemacht werden können.

Zusammenfassend zeigt die Erfindung folgendes:
Ein Halbleiterdrucksensor hat eine Aussparung (2) auf einem Halbleitersubstrat (1). Die Aussparung (2) hat eine Seitenwand, eine Bodenwand, die als eine Membran (3) zum Erkennen eines Drucks dient, und ein Eckteil (2a) zwi schen der Seitenwand und der Bodenwand mit einem Krüm mungsradius R. Der Krümmungsradius R genügt der Formel

R/S = 526.(d/S)²- 0,037.(d/S) + a1,

wobei S eine Fläche der Membran (3) ist, d eine Dicke der Membran (3) ist und a1 in einem Bereich von je ein schließlich 9,6 × 10^-7 bis 16 × 10^-7 liegt.

Claims

1. Halbleiterdrucksensor, der folgendes umfaßt:
Ein Halbleitersubstrat (1) mit einer Aussparung (2), die durch anisotropes Ätzen auf einer von dessen Oberflä chen gebildet ist, wobei die Aussparung (2) eine Seiten wand, eine Bodenwand, die als eine Membran (3) zum Erfas sen eines Drucks dient, und ein Eckteil (2a) zwischen der Seitenwand und der Membran (3) aufweist und das Eckteil (2a) mit einem Krümmungsradius R gerundet ist, wobei:
der Krümmungsradius R des Eckteils (2a) einer Glei chung von
R/S = 526.(d/S)² - 0,037.(d/S) + a1,
genügt, wobei S eine Fläche der Membran (3) ist, d eine Dicke der Membran (3) ist und a1 in einem Bereich von je einschließlich 9,6 × 10^-7 bis 16 × 10^-7 liegt.

2. Halbleiterdrucksensor nach Anspruch 1, wobei a1 9,6 × 10^-7 ist.

3. Halbleiterdrucksensor nach einem der Ansprüche 1 und 2, der weiterhin eine Basis (4) enthält, die auf ei ner der Membran (3) gegenüberliegenden Seite mit dem Halbleitersubstrat (1) verbunden ist.

4. Halbleiterdrucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Membran (3) in der Draufsicht eine acht eckige Form hat.

5. Halbleiterdrucksensor, der umfaßt:
ein Halbleitersubstrat (1) mit einer Aussparung (2) auf einer dessen Oberflächen, wobei die Aussparung (2) eine Seitenwand, eine Bodenwand, die als eine Membran (3) dient, und ein Eckteil (2a) zwischen der Seitenwand und der Membran (3) zur Erfassung eines Drucks aufweist und das Eckteil (2a) gerundet ist; und
eine Basis (4), die eine Verbindungsoberfläche auf weist, die mit dem Halbleitersubstrat (1) an einer der Membran (3) gegenüberliegenden Seite verbunden ist und eine Druckeinlaßpassage (5) zum Einlaß des Drucks auf die Membran (3) definiert, wobei:
ein Verbindungswinkel (θ), der zwischen der Seiten wand der Aussparung (2) und der Verbindungsoberfläche der Basis (4) definiert ist, gleich oder größer als 80° ist, so daß der bis zur Trennung ausgehaltene Druck eines Ver bindungsteils, an dem die Verbindungsoberfläche mit dem Halbleitersubstrat (1) verbunden ist, größer als der Ver sagensdruck der Membran (3) ist.

6. Halbleiterdrucksensor nach Anspruch 5, wobei eine Länge eines Teils, das den Verbindungswinkel größer oder gleich als 80° definiert, mindestens 50% der gesamten Länge des Verbindungsteils, das die Aussparung (2) umrun det, beträgt.

7. Halbleiterdrucksensor nach Anspruch 6, wobei die Länge des Teils mindestens 80% der Gesamtlänge des die Aussparung (2) umrundenden Verbindungsteils beträgt.

8. Halbleiterdrucksensor nach Anspruch 5, wobei der Verbindungswinkel auf einer Gesamtheit des Verbindungs teils, das die Aussparung (2) umrundet, größer oder gleich 80° beträgt.

9. Halbleiterdrucksensor nach Anspruch 8, wobei der Verbindungswinkel auf der Gesamtheit des Verbindungs teils, das die Aussparung (2) umrundet, ungefähr gleich 90° ist.

10. Halbleiterdrucksensor nach einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei:
die Oberfläche des Halbleitersubstrats (1) eine [110]-Ebene ist; und
die Seitenoberfläche der Aussparung (2) eine [111]- Ebene ist.

11. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterdruck sensors, der ein Halbleitersubstrat (1) beinhaltet, das eine Aussparung (2) hat, wobei die Aussparung (2) eine Seitenwand, eine Bodenwand, die als eine Membran (3) dient, ein Eckteil (2a) zwischen der Seitenwand und der Membran (3), das gerundet ist, und eine Basis (4) mit ei ner Verbindungsoberfläche, die mit dem Halbleitersubstrat (1) an einer der Membran (3) gegenüberliegenden Seite verbunden ist, aufweist, wobei das Verfahren umfaßt:
Bilden der Aussparung (2) auf dem Halbleitersubstrat (1) durch Durchführen eines anisotropen Ätzschritts und nachfolgendes Durchführen eines anisotropen senkrechten Ätzschritts; und
Verbinden der Verbindungsoberfläche der Basis (4) mit dem Halbleitersubstrat (1),
wobei ein Verbindungswinkel (θ) zwischen der Seiten wand der Aussparung (2) und der Verbindungsoberfläche der Basis gleich oder größer als 80° ist, so daß der Wider stand gegen Zerstörung durch Trennung eines Verbindungs teils, an dem die Verbindungsoberfläche mit dem Halblei tersubstrat (1) verbunden ist, größer als ein Versagens druck der Membran (3) ist.