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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf einen Halbleiterdrucksensor eines Diaphragmatyps, welcher
ein Druckerfassungsdiaphragma und einen Verformungsmeßwiderstand
aufweist, die auf einem Halbleitersubstrat gebildet sind, dessen
primäre Oberfläche einer
(110)-Seite bzw. -Ebene entspricht.
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Dieser Typ eines Halbleiterdrucksensors
ist mit einem Halbleitersubstrat, dessen Hauptoberfläche der
(110)-Seite entspricht,
einem Druckerfassungsdiaphragma, welches auf der Hauptoberfläche des
Halbleitersubstrats gebildet ist, und einem Verformungsmeßwiderstand
ausgestattet, welcher eine Brückenschaltung
bildet, die auf dem Diaphragma gebildet ist und ein Erfassungssignal
in Verbindung mit einer Verformung des Diaphragmas ausgibt (siehe
beispielsweise die JP-A-2001-356061, Seite 3, 1 (Patentdokument 1)).
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Dabei enthält der Verformungsmeßwiderstand,
welcher auf der (110)-Seite angeordnet ist, ein Paar Mittenmeßvorrichtungen,
welche an dem mittleren Abschnitt des Diaphragmas entlang der Richtung der <110>-Kristallachse angeordnet
sind, und ein Paar Seitenmeßvorrichtungen,
welche näher
an der Randseite des Diaphragmas als an den Mittenmeßvorrichtungen
angeordnet sind (vgl. beispielsweise die
JP-A-11-94666 , Seite 11,
15 (Patentdokument 2)).
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4 zeigt
dabei ein Diagramm, welches die Anordnung von Verformungsmeßwiderständen Rc1, Rc2,
Rs1, Rs2 in einem Diaphragma 30 darstellt, welches auf
der Hauptoberfläche
eines Halbleitersubstrats 10 eines Halbleiter drucksensors
nach dem Stand der Technik unter Verwendung des oben beschriebenen
Halbleitersubstrats gebildet ist. Zwei Kristallachsen <110> und <100>, welche senkrecht zueinander
ausgerichtet sind, sind strukturell auf der (110)-Seite entsprechend
der Hauptoberfläche
des Halbleitersubstrats 10 vorhanden.
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Dabei liegt bezüglich der Empfindlichkeit gegenüber einer
Belastung, welche in der Richtung der <110>-Kristallachse
auftritt, ein deutlich größerer Piezowiderstandskoeffizient
als bezüglich
der Empfindlichkeit gegenüber
einer Belastung vor, welche in der Richtung der <100>-Kristallachse
auftritt, und somit wird die Belastung, welche nicht in der Richtung
der <100>-Kristallachse, sondern
in der Richtung der <110>-Kristallachse auftritt,
zur Erfassung der Belastung auf die (110)-Seite verwendet.
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Da eine <110>-Ausrichtung
lediglich einer Richtung auf der <110>-Seite vorhanden ist,
muß die Anordnung
der Verformungsmeßwiderstände Rc1, Rc2,
Rs1, Rs2 wie in 4 dargestellt
notwendigerweise angenommen werden, um ein höheres Ausgangssignal bezüglich der
Kristallachse zu erzielen, welche die höhere Empfindlichkeit besitzt.
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D.h., es sind die Mittenmeßvorrichtungen Rc1,
Rc2, welche an der mittleren Seite des Diaphragmas 30 entlang
der Richtung der <110>-Kristallachse angeordnet
sind, und die Seitenmeßvorrichtungen
Rs1, Rs2, welche näher
an der Randseite des Diaphragmas 39 als an den Mittenmeßvorrichtungen Rc1,
Rc2 angeordnet sind, vorgesehen, und es ist die Brückenschaltung
aus diesen vier Verformungsmeßwiderständen konstruiert,
um die Belastung zu erfassen, welche in der Richtung der <110>-Kristallachse auftritt.
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Insbesondere sind die Widerstandswerte
der Mittenmeßvorrichtungen
Rc1 und Rc2 auf RA bzw. RD festgelegt, und es sind die Widerstandswerte
der Seitenmeßvorrichtungen
Rc3 und Rc4 auf RB bzw. RA festgelegt, und diese Verformungsmeßwiderstände sind
in Reihe miteinander verbunden, um eine rechtwinklige geschlossene
Schaltung zu bilden, wodurch eine wheatstonesche Brücke wie
in 5 dargestellt konstruiert
wird.
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In der in 5 dargestellten Brückenschaltung 100 erscheint
eine Verformung des Diaphragmas 30 als Änderung der Widerstandswerte
der Verformungsmeßwiderstände RA,
RB, RC, RD in dem Zustand, daß ein
konstanter Gleichstrom von dem Eingangsanschluß Ia dem Eingangsanschluß Ib zugeführt wird,
und es wird die Spannung (Erfassungssignal) , deren Pegel einem
erfaßten
Druck entspricht, d.h. ein Mittenwertpotential Vout, zwischen Ausgangsanschlüssen Pa
und Pb ausgegeben.
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Ein derartiger Halbleiterdrucksensor
wie oben beschrieben ist normalerweise derart konstruiert, daß ein Glassitz
(glas seat) an dem Halbleitersubstrat 10 durch anodisches
Bonden oder dergleichen wie in dem Patentdokument 1 offenbart,
beispielsweise befestigt ist.
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Das Halbleitersubstrat 10 und
der Glassitz besitzen einen unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten.
Wenn sich die Temperatur ändert,
tritt daher eine thermische Spannung zwischen dem Glassitz und dem
Halbleitersubstrat 10 auf, und es wird die somit auftretende
thermische Spannung auf die Verformungsmeßwiderstände Rc1, Rc2, Rs1, Rs2 auf
dem Diaphragma 30 übertragen. Dabei
unterscheiden sich die thermische Spannung, welche den Mittenvorrichtungen
Rc1, Rc2 aufgebracht wird, und die thermische Spannung, welche den
Seitenmeßvorrichtungen
Rs1, Rs2 aufgebracht wird, voneinander in der Größe, da die Anordnungspositionen
auf dem Diaphragma 20 unterschiedlich sind.
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Als Ergebnis wird der Unterschied
zwischen der thermischen Spannung, welche den Seitenmeßvorrichtungen
Rs1, Rs2 aufgebracht wird, und der thermischen Spannung, welche
den Mittenmeßvorrichtungen
Rc1, Rc2 aufgebracht wird, als Rauschen ausgegeben. Da sich der
Unterschied der thermischen Spannung in Abhängigkeit der Temperatur nichtlinear ändert, besitzt
die Temperaturcharakteristik des Offsets des Ausgangssignals eine
Krümmung bezüglich der
Temperatur.
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Dementsprechend tritt ein Unterschied
zwischen dem Gradienten des Offsets bezüglich der Temperatur in dem
Bereich von der Raumtemperatur bis zu einer hohen Temperatur und
dem Gradienten des Offsets bezüglich
der Temperatur in dem Bereich von einer niedrigen Temperatur bis
zu der Raumtemperatur in der Temperaturcharakteristik des Offsets des
Ausgangssignals auf. Dieser Unterschied wird als TNO (Temperature
Nonlinearity Offset) bezeichnet und stellt eine wichtige Charakteristik
zur Bestimmung der Genauigkeit des Sensors dar.
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Es wird insbesondere dann, wenn der
Halbleiterdrucksensor miniaturisiert werden soll, d.h., wenn das
Halbleitersubstrat 10 miniaturisiert werden soll, erwogen,
die Größe des Diaphragmas 30 zu
verringern, welches einen großen
Bereich einnimmt. Es wird jedoch in Studien der Erfinder herausgefunden, daß dann,
wenn das Diaphragma 30 in einer kleinen Größe konstruiert
wird, der Unterschied in der thermischen Spannung zwischen den Seitenmeßvorrichtungen
Rs1, Rs2 und den Mittenmeßvorrichtungen Rc1,
Rc2 erhöht
ist.
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Daher ist dann, wenn die Größe des Diaphragmas 30 kleiner
ist, die TNO-Charakteristik stärker
herabgesetzt. Dementsprechend wird eine Sensorstruktur verlangt,
welche ohne Herabsetzung der TNO-Charakteristik verbessert ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, die oben erörterten
Schwierigkeiten zu überwinden und
insbesondere einen Halbleiterdrucksensor zu schaffen, welcher ein
Druckerfassungsdiaphragma und einen Verformungsmeßwiderstand
besitzt, die auf dem Halbleitersubstrat gebildet sind, das eine (110)-Seite
als Hauptoberfläche
besitzt, wobei der Unterschied zwischen thermischen Spannungen, welche
den Mittenmeßvorrichtungen
und den Seitenmeßvorrichtungen
aufgebracht werden, maximal verringert werden können.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch
die Merkmale des Anspruchs 1.
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Die Erfinder haben einen Halbleiterdrucksensor
geschaffen, welcher ein auf einer Hauptoberfläche eines Halbleitersubstrats
gebildetes Diaphragma besitzt, dessen Hauptoberfläche einer
(110)-Seite entspricht, wobei das Diaphragma eine rechtwinklig (beispielsweise
quadratisch) ebene Form besitzt, welche vier Seiten eines Paars
erster Seiten, welche sich entlang der Richtung der <110>-Kristallachse erstrecken,
und eines Paars zweiter Seiten enthält, welche sich entlang der
Richtung der <100>-Kristallachse erstrecken.
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Die Erfinder haben den Halbleiterdrucksensor
wie oben beschrieben unter Verwendung eines Finite-Elemente-Verfahrens
(FEM) analysiert und bestimmt, wie der Unterschied der thermischen
Spannung, welcher zwischen den Mittenmeßvorrichtungen und den Seitenmeßvorrichtungen
auftritt, sich in Abhängigkeit
verschiedener Orte auf dem Diaphragma verteilt (vgl. 3). Die vorliegende Erfindung wurde
auf der Grundlage des Verteilungszustands des Unterschieds der derart
bestimmten thermischen Spannung implementiert.
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Entsprechend einer ersten Ausbildung
der vorliegenden Erfindung wird ein Halbleiterdrucksensor geschaffen,
welcher ein Halbleitersubstrat, dessen Hauptoberfläche einer
(110)-Seite entspricht, ein Druckerfassungsdiaphragma, welches auf
der Hauptoberfläche
des Halbleitersubstrats gebildet ist, und Verformungsmeßwiderstände (Rc1,
Rc2, Rs1, Rs2) aufweist, welche auf dem Diaphragma gebildet sind
und eine Brückenschaltung
(100) zur Ausgabe eines Erfassungssignals in Verbindung
mit der Verformung des Diaphragmas bilden, wobei die planare Form
des Diaphragmas vier Seiten eines Paars erster Seiten, welche sich
entlang der Richtung der <110>-Kristallachse erstrecken,
und eines Paars zweiter Seiten aufweist, welche sich entlang der Richtung
der <100>-Kristallachse erstrecken,
und die Verformungsmeßwiderstände enthalten
ein Paar von Mittenmeßvorrichtungen
(Rc1, Rc2), welche an dem mittleren Abschnitt des Diaphragmas entlang
der Richtung der <110>-Kristallachse angeordnet sind, und ein
Paar von Seitenmeßvorrichtungen
(Rs1, Rs2), welche näher
an dem Randabschnitt des Diaphragmas als an den Mittenmeßvorrichtungen
angeordnet sind.
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D.h., wenn eine Achse, welche jede
der ersten Seiten des Diaphragmas halbiert und durch den Mittelpunkt
des Diaphragmas hindurchtritt, als erste Achse (K1) festgelegt wird,
und eine Achse, welche die erste Achse vertikal schneidet und durch
den Mittelpunkt des Diaphragmas hindurchtritt, als zweite Achse
(K2) festgelegt wird, befindet sich jede der Seitenmeßvorrichtungen
(Rs1, Rs2) auf einer virtuellen Linie (T1, T2, T3, T4), welche sich
von dem Mittelpunkt jeder der Mittenmeßvorrichtungen (Rc1, Rc2) bis
zu dem Randabschnitt des Diaphragmas erstreckt und die erste Achse
und die zweite Achse in einem Winkel von 45° schneidet.
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Durch Annahme der Positionsanordnung
der Seitenmeßvorrichtungen
wie oben beschrieben kann der Unterschied zwischen der thermischen
Spannung, welche den Mittenmeßvorrichtungen
(Rc1, Rc2) aufgebracht wird, und der thermischen Spannung, welche
den Seitenmeßvorrichtungen
(Rs1, Rs2) aufgebracht wird, maximal verringert werden.
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Entsprechend einer zweiten Ausbildung
der vorliegenden Erfindung werden dabei die als Paar vorkommenden
Seitenmeßvorrichtungen
(Rs1, Rs2) vorzugsweise derart angeordnet, daß sie zueinander in Bezug auf
die erste Achse (K1) symmetrisch ausgerichtet sind. Entsprechend
einer dritten Ausbildung der vorliegenden Erfindung werden des weiteren
die als Paar vorkommenden Seitenmeßvorrichtungen (Rs1, Rs2) vorzugsweise
derart angeordnet, daß sie zueinander
symmetrisch bezüglich
der zweiten Achse (K2) ausgerichtet sind.
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Bei der zweiten und dritten Ausbildung
kann jeder der Verformungsmeßwiderstände so symmetrisch
wie möglich
bezüglich
der Mitte des Diaphragmas angeordnet sein, so daß die Verformungsmeßwiderstände leicht
hergestellt werden können.
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In Klammern gesetzte Bezugszeichen
der jeweiligen Einheiten sind als Beispiele vorgesehen, um die entsprechende
Beziehung zu bestimmten Elementen anzuzeigen, welche in Bezug auf
die später beschriebenen
Ausführungsformen
beschrieben werden.
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Die vorliegende Erfindung wird in
der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung
erläutert.
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1 zeigt
eine schematische Querschnittsansicht, welche einen Halbleiterdrucksensor
einer bevorzugten Ausführungsform
darstellt;
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2 zeigt
ein Diagramm, welches die planare Form eines Diaphragmas darstellt,
welches auf einem Halbleitersubstrat des in 1 dargestellten Sensors gebildet ist;
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3 zeigt
ein Diagramm, welches eine Verteilung der thermischen Spannung in
dem Diaphragma auf der Grundlage einer von den Erfindern durchgeführten Analyse
eines Finite-Elemente-Verfahrens darstellt;
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4 zeigt
ein Diagramm, welches einen Anordnungszustand von Verformungsmeßwiderständen auf
einer Hauptoberfläche
eines Halbleitersubstrats bei einem Halbleiterdrucksensor nach dem Stand
der Technik unter Verwendung des Halbleitersubstrats darstellt,
dessen Hauptoberfläche
einer (110)-Seite entspricht; und
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5 zeigt
ein Drahtverbindungsdiagramm, welches eine Brückenschaltung darstellt, die
durch die in 4 dargestellten
Verformungsmeßwiderstände konstruiert
ist.
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Im folgenden wird eine bevorzugte
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die zugehörigen Figuren
beschrieben.
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1 zeigt
eine schematische Querschnittsansicht, welche einen Halbleiterdrucksensor
S1 einer Ausführungsform
darstellt, und 2 zeigt
eine Draufsicht auf den Halbleiterdrucksensor S1 von der Oberseite
aus und stellt die planare Form eines auf einem Halbleitersubstrat 10 des
Sensors 1 gebildeten Diaphragmas 30 dar.
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Das Halbleitersubstrat 10 ist
ein Einkristallsiliziumsubstrat, in welchem die Ebenenrichtung der Hauptoberflächen 11, 12 einer
(110)-Seite bzw. -Ebene entspricht. D.h., in 1 entsprechen eine Oberfläche (die
untere Oberfläche
in 1) 11 des
Halbleitersubstrats 10 und die andere Oberfläche (die obere
Oberfläche
in 1) 12 des
Halbleitersubstrats 10 der (110)-Seite.
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Ein Aussparungsabschnitt 20,
welcher eine Aussparung von einer Oberfläche 11 des Halbleitersubstrats 10 bildet,
ist in dem Halbleitersubstrat 10 gebildet. Ein Druckerfassungsdiaphragma 30 ist
an der Bodenoberflächenseite
des Aussparungsabschnitts 20 gebildet, welches bezüglich der
Dicke in Verbindung mit der Bildung des Aussparungsabschnitts 20 verringert
ist, d.h. an der anderen Seite der Oberfläche 12 des Halbleitersubstrats 10.
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Bei dieser Ausführungsform ist die planare Form
des Diaphragmas 30 auf eine rechtwinklige Form wie in 2 dargestellt festgelegt.
Insbesondere ist das Diaphragma 30 derart konstruiert,
daß es eine
quadratische Form besitzt, welche vier Seiten aufweist, d.h. ein
Paar erster Seiten 31, 32, welche sich entlang
der Richtung der <110>-Kristallachse erstrecken,
und ein Paar zweiter Seiten 33, 34, welche sich
entlang der Richtung der <100>-Kristallachse erstrecken.
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Wie in 1 und 2 dargestellt sind Verformungsmeßwiderstände Rc1,
Rc2, Rs1, Rs2, welche eine Brückenschaltung
zur Ausgabe eines Erfassungssignals in Verbindung mit der Verformung
des Diaphragmas 30 bilden, auf der anderen Oberfläche 12 des
Halbleitersubstrats 10 ge bildet. Die Verformungsmeßwiderstände Rc1,
Rc2, Rs1, Rs2 sind durch Dotieren, Diffusion oder dergleichen gebildete Diffusionsmeßwiderstände.
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In diesem Fall sind die Verformungsmeßwiderstände Rc1,
Rc2, Rs1, Rs2 derart angeordnet, daß die Längsrichtung der Widerstände entlang
der Richtung der <110>-Kristallachse ausgerichtet
ist, und sie enthalten ein Paar Mittenmeßvorrichtungen Rc1, Rc2, welche
an dem mittleren Abschnitt des Diaphragmas 30 angeordnet
sind, und ein Paar Seitenmeßvorrichtungen
Rs1, Rs2, welche näher
an dem Randabschnitt des Diaphragmas 30 als an den Mittenmeßvorrichtungen
Rc1, Rc2 angeordnet sind.
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Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform ist jeder der Verformungsmeßwiderstände Rc1, Rc2,
Rs1, Rs2 wie ein Draht konstruiert, welcher wiederholt vor- und
zurückgebogen
ist. Die Längsrichtung
jedes vor- und zurückgebogenen
Widerstandsdrahts entspricht der Längsrichtung des Widerstands.
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Wie als Linien mit einem langen und
zwei kurzen Strichen in 2 angezeigt
ist eine virtuelle Achse, welche jede der ersten Seiten 31, 32 des
Diaphragmas 30 halbiert und durch den Mittelpunkt des Diaphragmas 30 hindurchtritt,
als erste Achse K1 festgelegt, und eine virtuelle Achse, welche
senkrecht zu der ersten Achse K1 ausgerichtet ist und durch den
Mittelpunkt des Diaphragmas 30 hindurchtritt, ist als zweite
Achse K2 festgelegt.
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Wenn bei dieser Ausführungsform
die erste Achse K1 und die zweite Achse K2 auf diese weise festgelegt
sind, ist jede Seitenmeßvorrichtung
Rs1, Rs2 auf einer virtuellen Linie (T1, T2, T3, T4) befindlich,
welche sich von dem Mittelpunkt jeder der Mittenmeßvorrichtungen
(Rc1, Rc2) bis zu dem Randabschnitt des Diaphragmas 30 er streckt
und die erste Achse und die zweite Achse unter 45° schneidet.
In 2 sind die virtuellen
Linien T1, T2, T3, T4 als Linien mit einem langen und einem kurzen
Strich angezeigt.
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In dem Fall von 2 ist eine Seitenmeßvorrichtung Rs1 auf der virtuellen
Linie T1 einer Mittenmeßvorrichtung
Rc1 befindlich, und die andere Seitenmeßvorrichtung Rs2 ist auf der
virtuellen Linie T4 der anderen Mittenmeßvorrichtung Rc2 befindlich.
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Wie in 2 dargestellt,
sind zwei virtuelle Linien für
jede der Mittenmeßvorrichtungen
Rc1, Rc2 vorgesehen. D.h., es kann jede der Seitenmeßvorrichtungen
Rs1, Rs2 auf einer Linie der vier virtuellen Linien T1 bis T4 angeordnet
werden.
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Anstelle des Beispiels von 2 kann eine Mittenmeßvorrichtung
Rs1 auf der virtuellen Linie T2 befindlich sein, während die
andere Mittenmeßvorrichtung
Rs2 auf der virtuellen Linie T4 befindlich ist, es kann eine Mittenmeßvorrichtung
Rs1 auf der virtuellen Linie T2 befindlich sein, während die
andere Mittenmeßvorrichtung
Rs2 auf der virtuellen Linie T1 befindlich ist, oder es kann eine
Mittenmeßvorrichtung
Rs1 auf der virtuellen Linie T2 befindlich sein, während die
andere Mittenmeßvorrichtung
Rs2 auf der virtuellen Linie T3 befindlich ist.
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Jedoch müssen in jedem Fall die Verformungsmeßwiderstände Rc1,
Rc2, Rs1, Rs2 derart angeordnet sein, daß die Längsrichtung des Widerstands
jedes Verformungsmeßwiderstands
Rc1, Rc2, Rs1, Rs2 entlang der Richtung der <110>-Kristallachse ausgerichtet
ist.
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Des weiteren wird es dann, wenn die
als Paar vorkommenden Seitenmeßvorrichtungen
Rs1, Rs2 miteinander ver glichen werden, bevorzugt, daß die als
Paar vorkommenden Seitenmeßvorrichtungen
Rs1, Rs2 in einer symmetrischen Positionsbeziehung in Bezug auf
die erste Achse K1 angeordnet sind, und es wird ebenfalls bevorzugt,
daß beide
Seitenmeßvorrichtungen
in einer symmetrischen Positionsbeziehung in Bezug auf die zweite
Achse K2 angeordnet sind.
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Durch Annahme der symmetrischen Anordnung
der Seitenmeßvorrichtungen
wie oben beschrieben können
die jeweiligen Verformungsmeßwiderstände Rc1,
Rc2, Rs1, Rs2 derart angeordnet werden, daß sie zueinander in Bezug auf
die Mitte des Diaphragmas 30 bis zu einem Maximum symmetrisch
angeordnet werden können,
so daß der
Herstellungsprozeß der
Verformungsmeßwiderstände Rc1,
Rc2, Rs1, Rs2 erleichtert werden kann.
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Die vier Verformungsmeßwiderstände Rc1, Rc2,
Rs1, Rs2 bilden wie in 5 dargestellt
die Brückenschaltung
100, um die Belastung zu erfassen, welche in der Richtung der <100>-Kristallachse auftritt,
wenn der Widerstandswert der Mittenmeßvorrichtung Rc1 auf RA festgelegt
ist, der Widerstandswert der Mittenmeßvorrichtung Rc2 auf RD festgelegt ist,
der Widerstandswert der Seitenmeßvorrichtung Rs1 auf RB festgelegt
ist und der Widerstandswert der Seitenmeßvorrichtung Rs2 auf RA festgelegt
ist.
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D.h., ebenfalls bei dem Halbleiterdrucksensor
S1 dieser Ausführungsform
sind die Verformungsmeßwiderstände Rc1,
Rc2, Rs1, Rs2 in Reihe miteinander verbunden, um eine rechtwinklige
geschlossene Schaltung zu bilden, wodurch eine wheatstonesche Brücke konstruiert
wird. Die Verbindung der jeweiligen Verformungsmeßwiderstände wird durch
Drähte
erreicht, welche durch (nicht dargestellte) Diffusionsschichten
oder dergleichen konstruiert sind.
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Bei der in 5 dargestellten Brückenschaltung 100 erscheint
die Verformung des Diaphragmas 30 als Änderung der Widerstandswerte
RA, RB, RC, RD der Verformungsmeßwiderstände in dem Zustand, daß ein konstanter
Gleichstrom I an dem Eingangsanschluß Ia bis Ib zugeführt wird
und die Spannung (Erfassungssignal), welche den Pegel entsprechend
dem erfaßten
Ausgangssignal besitzt, d.h. das Mittenwertpotential Vout, wird
an einem Punkt zwischen den Ausgangsanschlüssen Pa und Pb ausgegeben.
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Wie in 1 dargestellt
wird der Halbleiterdrucksensor S1 auf einen Glassitz durch anodisches Bonden
oder dergleichen auf der einen Oberfläche des Halbleitersubstrats 10 gebondet.
Bei dieser Ausführungsform
ist die Innenseite des Aussparungsabschnitts 20 durch den
Glassitz 40 hermetisch verschlossen und als Bezugsdruckkammer
festgelegt, wodurch ein Drucksensor eines Absolutdrucktyps konstruiert
wird.
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Obwohl nicht dargestellt kann ein
Druckeinführungsdurchgang,
durch welchen der Aussparungsabschnitt 20 und die Außenseite
miteinander Wechselsprechen, in dem Glassitz 40 gebildet
sein. Bei diesem Typ eines Halbleiterdrucksensors S1 kann ein Druck
bei der Messung durch den Druckeinführungsdurchgang in den Aussparungsabschnitt 20 derart
eingeführt
werden, daß die
Rückseitenoberfläche des
Diaphragmas 30 den derart eingeführten Druck aufnimmt.
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Der wie oben beschriebene Halbleiterdrucksensor
S1 kann wie folgt gebildet werden.
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Zuerst wird das Halbleitersubstrat 10,
bei welchem die Ebenenrichtung der Hauptoberfläche, d.h. eine Oberfläche 11 und
die andere Oberfläche 12,
der (110)-Seite entspricht, bereitgestellt. Danach werden die Verfor mungsmeßwiderstände Rc1,
Rc2, Rs1, Rs2 verschiedener Arten von Drähten usw. auf der anderen Oberfläche des
Halbleitersubstrats 10 unter Verwendung einer Halbleiterherstellungstechnik
wie Ionendotierung, Diffusion, usw. gebildet.
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Danach wird eine (nicht dargestellte) Ätzmaske
mit einem Öffnungsabschnitt,
welcher eine vorbestimmte Form besitzt, in der einen Oberfläche 11 des
Halbleitersubstrats 10 gebildet. Die Ätzmaske kann aus einem Siliziumnitridfilm
durch CVD (Chemical Vapor Deposition) oder dergleichen gebildet
werden.
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Nachdem die Ätzmaske auf der einen Oberfläche 11 des
Halbleitersubstrats 10 wie oben beschrieben gebildet worden
ist, wird ein Ätzen
auf das Halbleitersubstrat 10 von der einen Oberfläche 11 davon
aus durchgeführt,
wodurch der Aussparungsabschnitt 20 in dem Halbleitersubstrat 10 gebildet
wird, und es wird das Diaphragma 3 0 an der Bodenoberflächenseite
des Aussparungsabschnitts 20 in dem Halbleitersubstrat 10 gebildet.
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Es kann ein anisotropes Ätzen unter
Verwendung einer alkalischen Ätzflüssigkeit
wie KOH (Kaliumhydroxid), TMAH (Tetra-Methylammoniumhalid) oder
dergleichen als Ätzmittel
zur Bildung des Diaphragmas verwendet werden.
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Der Halbleiterdrucksensor S1, welcher
die Verformungsmeßwiderstände Rc1,
Rc2, Rs1, Rs2 und das Diaphragma 30 besitzt, wird wie oben
beschrieben fertiggestellt. Danach wird der Halbleiterdrucksensor
S1 einem Ätzen
oder dergleichen unterworfen, um die Ätzmaske zu entfernen, und wird
danach mit dem Glassitz 40 durch das anodische Bonden oder
dergleichen verbunden.
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Wenn wie oben beschrieben die erste
Achse K1 und die zweite Achse K2 in dem Diaphragma, welches in der
Draufsicht eine quadratische Form besitzt, wie oben beschrieben
festgelegt sind, ist die vorliegende Erfindung dahingehend bestimmt,
daß jede
Seitenmeßvorrichtung
Rs1, Rs2 auf den virtuellen Linien T1 bis T4 befindlich ist, welche
sich von dem Mittelpunkt jeder Mittenmeßvorrichtung Rc1, Rc2 bis zu
dem Randabschnitt des Diaphragmas erstrecken und die erste Achse
K1 und die zweite Achse K2 in einem Winkel von 45° schneiden.
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Dieses Merkmal der vorliegenden Erfindung gründet sich
auf der Analyse, welche auf dem Finite-Elemente-Verfahren (FEM)
basiert, welches von den Erfindern in Bezug auf den Halbleiterdrucksensor
S1 durchgeführt
worden ist. Die Erfinder haben den Unterschied bei der thermischen
Spannung an verschiedenen Positionen auf dem Diaphragma 30 in Bezug
auf die thermische Spannung analysiert, welche den Mittenmeßvorrichtungen
Rc1, Rc2 aufgebracht wird.
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3 zeigt
ein Diagramm, welches einen Verteilungszustand des durch diese Analyse
bestimmten Unterschieds der thermischen Spannung darstellt. In diesem
Fall wird in 3 ein Fall
veranschaulicht, bei welchem ein oberer Halbbereich, welcher an
der oberen Seite von der ersten Achse K1 aus in dem Diaphragma 30 befindlich
ist, welches eine quadratische Form mit 600 μm × 600 μm besitzt. Die Verteilung des
unteren Halbbereichs des Diaphragmas 30 ist zu derjenigen
des oberen Halbbereichs in Bezug auf die erste Achse K1 symmetrisch, und
somit wird die Erläuterung
ausgelassen.
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In 3 wird
die Größe des Unterschieds der
thermischen Spannung an den jeweiligen Positionen in Bezug auf die
thermische Spannung, welche an der Mitte der Mittenmeßvorrichtung
Rc1, Rc2 auftritt, durch Verteilungslinien wie Konturenlinien in
einer Karte bzw. einem Plan dargestellt. In diesem Fall sind die
Bereiche M1 bis M7 durch die Verteilungslinien segmentiert, und
es wird der Unterschied der thermischen Spannung stufenweise von
dem Bereich M1 bis zu dem Bereich M7 in dieser Reihenfolge um jeweils
0,01 MPa erhöht.
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Insbesondere verläuft der Unterschied der thermischen
Spannung von 0 bis 0,01 MPa in dem Bereich M1, von 0,01 bis 0,02
MOa in dem Bereich M2, von 0,02 bis 0,03 MPa in dem Bereich M3,
von 0,03 bis 0,04 MPa in dem Bereich M4, von 0,04 bis 0,05 MPa in
dem Bereich M5, von 0,05 bis 0,06 MPa in dem Bereich M6 und von
0,06 bis 0,07 MPa in dem Bereich M7.
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Aus 3 ist
ersichtlich, daß dann,
wenn die Seitenmeßvorrichtungen
Rs1, Rs2 in dem Bereich M1 angeordnet sind, der Unterschied zwischen
der thermischen Spannung, welche den Mittenmeßvorrichtungen Rc1, Rc2 aufgebracht
wird, und der thermischen Spannung, welche den Seitenmeßvorrichtungen
Rs1, Rs2 aufgebracht wird, maximal an Null angenähert werden kann. Der Bereich
M1 stimmt im wesentlichen mit den virtuellen Linien T1 bis T4 überein.
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Dementsprechend kann durch Anordnen
jeder Seitenmeßvorrichtung
Rs1, Rs2 auf den virtuellen Linien T1 bis T4 der Unterschied zwischen
den thermischen Spannungen, welche den Mittenmeßvorrichtungen Rc1, Rc2 und
den Seitenmeßvorrichtungen
Rs1, Rs2 aufgebracht werden, maximal verringert werden. Des weiteren
kann durch Annahme der Meßvorrichtungsanordnung
wie oben beschrieben der Halbleiterdrucksensor S1 bereitgestellt
werden, welcher eine hervorragende TNO-Charakteristik sogar dann
aufweist, wenn das Diaphragma 30 miniaturisiert ist.
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Es wird festgestellt, daß es nicht
verlangt wird, daß die
Seitenmeßvorrichtungen
auf den virtuellen Linien T1 bis T4 in einem Winkel von 45° befindlich
sind, wenn beide Seitenmeßvorrichtungen
an Abschnitten befindlich sind, welche dieselbe Belastungsverteilung
in dem Substrat besitzen.
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Die Beschreibung der Erfindung dient
lediglich als Beispiel, und somit liegen Änderungen, welche nicht vom
Kern der Erfindung abweichen, innerhalb des Rahmens der Erfindung.
Derartige Änderungen
werden nicht als Abweichung vom Rahmen der Erfindung angesehen.
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Vorstehend wurde ein Halbleiterdrucksensor offenbart.
Wenn in einem Diaphragma (30), welches eine quadratische
Form aufweist, die vier Seiten eines Paars erster Seiten (31, 32),
welche sich entlang der Richtung der <110>-Kristallachse
erstrecken, und eines Paars zweiter Seiten (33, 34)
enthält,
welche sich entlang der Richtung der <100>-Kristallachse
erstrecken, eine Achse, welche jede der ersten Seiten (31, 32)
des Diaphragmas (30) halbiert und durch den Mittelpunkt
des Diaphragmas hindurchtritt, als erste Achse K1 festgelegt ist
und eine Achse, welche vertikal die erste Achse K1 schneidet und
durch den Mittelpunkt des Diaphragmas hindurchtritt, als zweite Achse
K2 festgelegt ist, ist jede der Seitenmeßvorrichtungen Rs1, Rs2 auf
einer virtuellen Linie T1, T2, T3, T4 befindlich, welche sich von
dem Mittelpunkt jeder der Mittenmeßvorrichtungen Rc1, Rc2 bis
zu dem Randabschnitt des Diaphragmas (30) erstreckt und die
erste Achse K1 und die zweite Achse K2 in einem Winkel von 45° schneidet.