JP2006058266A - Force detector and manufacturing method therefor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、作用する力(例えば、外力、圧力、加速度、角速度などに起因して作用する力)の大きさに応じた電気信号を出力する力検知装置に関する。 The present invention relates to a force detection device that outputs an electrical signal corresponding to the magnitude of an acting force (for example, a force acting due to external force, pressure, acceleration, angular velocity, etc.).
半導体基板(典型的には、シリコン単結晶が利用される)の表面に、ピエゾ抵抗効果が現れる結晶方向に伸びるメサ段差を形成し、そのメサ段差の頂面に接する力伝達ブロック(典型的には、結晶化ガラスが利用される)を配置した力検知装置が知られている。この種の力検知装置では、突起するメサ段差によって、半導体基板の表面と力伝達ブロックの間に間隙が形成される。間隙が形成されると、製造工程時に発生する異物(典型的には粉塵であり、主にダイシング工程時に発生する)が間隙に侵入し、間隙に浸入した異物が、力伝達ブロックに作用する荷重の大きさと力伝達ブロックとメサ段差の接触圧の大きさの間に成立する関係を所望の関係からずらしてしまうという問題が起こりえる。力伝達ブロックに作用する荷重の大きさとメサ段差に作用する接触圧の大きさの関係が所望の関係からずれてしまうと、力検知装置から得られる電気信号と力検知装置に作用する力の大きさの関係が所望のものからずれてしまう。この問題を解決する力検知装置が特許文献1に開示されている。
図11と図12に、異物対策が講じられた力検知装置の一例を示す。なお、図11と図12に示されるように、力伝達ブロック1032は、図の明瞭化のために2点破線で図示されている。また、図12の断面図は、図11のD、E、F線に対応している。
図11と図12に示すように、この力検知装置1010は、n型の半導体基板1022と、力伝達ブロック1032を備えている。この半導体基板1022の表面に、メサエッチングによって形成されたメサ段差1024が形成されている。このメサ段差1024の長手方向は、ピエゾ抵抗効果が現れる方向が選択されている。半導体基板1022の表面上は、絶縁性を確保するために、絶縁層1028で被覆されている(図11では図示省略)。
メサ段差1024の頂面部は、半導体基板1022と反対導電型のp型不純物がドープされており、ピエゾ領域1025を構成している。ピエゾ領域1025は、黒色のハッチングによって示されている。図12(E)に示すように、このピエゾ領域1025の両端部は、コンタクトホール1042a、1044aを介して一対の電極1042、1044と電気的に接続している。これにより、一対の電極間1042、1044は、メサ段差1024の頂面部に形成されたピエゾ領域1025を介して電気的に接続されている。
力伝達ブロック1032は、メサ段差1024の表面のピエゾ領域1025と、そのメサ領域1025を囲繞する囲繞領域1034において、半導体基板1022の表面に接している。力伝達ブロック1032は、この囲繞領域1034によって半導体基板1022の表面に固定されている。力伝達ブロック1032の形状は直方体である。
力伝達ブロック1032の半導体基板1022と対向する面と反対側の面(紙面上側の面)に荷重が作用すると、力伝達ブロック1032はその荷重の大きさに応じて、ピエゾ領域1025及びメサ段差1024に圧縮応力を伝達する。メサ段差1024はその圧縮応力の大きさに基づいて歪む。この歪みによってメサ段差1024のピエゾ領域1025の抵抗値は変化する。その変化量は荷重の大きさに比例する。定電流を流している場合、抵抗が変化すると一対の電極間1042、1044の電圧が変化することから、力伝達ブロック1032に作用する荷重を検知することができる。
FIG. 11 and FIG. 12 show an example of a force detection device in which foreign matter countermeasures are taken. As shown in FIGS. 11 and 12, the
As shown in FIGS. 11 and 12, the
The top surface portion of the
The
When a load acts on the surface opposite to the surface facing the
この力検知装置1010の特徴は、力伝達ブロック1032が、その周縁において半導体基板1022の表面と接合していることであり、換言すると、力伝達ブロック1032は、その囲繞領域1034の外周輪郭1033よりも外部に突出していないことである。このため、この囲繞領域1034よりも外部において、力伝達ブロック1032と半導体基板1022との間に間隙が形成されていない。したがって、間隙に異物が蓄積するという事態が生じない。なお、本出願人が特許文献1で示すように、力伝達ブロックと半導体基板の表面の間に沿って一巡するメサ状の封止部材が設けられていてもよい。この場合も、その封止部材と力伝達ブロックとが接合する囲繞領域の外周輪郭よりも外部では、間隙が形成されない構造を実現することができる。また、力伝達ブロックが、外周輪郭よりも外部において、例えばテーパ状に突出している場合、あるいは曲率を持って突出している場合、この力伝達ブロックと半導体基板の間隙は広く形成されるので、異物の蓄積は実質的に防止されている。この場合も、異物対策が講じられた力検知装置として評価できる。
The feature of the
本出願人は、自ら提案するこの種の力検知装置の研究を詳細に重ねたところ、新たな知見を得ることに成功した。それは、この種の力検知装置が、力伝達ブロックに作用する荷重を検知する感度と、力伝達ブロックと半導体基板との接合強度との間に存在するとされるトレードオフ関係を打破する構造である、という事実である。次に、このことを具体的に説明する。
図12(F)に示すように、力伝達ブロック1032と半導体基板1022との接合強度を強くして、力検知装置の機械的安定性を向上しようとすると、囲繞領域1034の面積を大きくする必要がある。一方、この種の力検知装置の検知感度を向上しようとすると、一般的に、力伝達ブロック1032と半導体基板1022の接する面(囲繞領域1034とピエゾ領域1025のいずれも)の面積を小さくしなければならないとされている。上述したように、囲繞領域1034の面積を小さくすると、力伝達ブロック1032と半導体基板1022の接合強度が弱くなり、力検知装置1010の機械的安定性を確保することが困難となる。即ち、この種の力検知装置1010では、検知感度と接合強度の間にトレードオフ関係が存在すると考えられていた。
ところが、本出願人が提案している力検知装置を詳細に研究したところ、力伝達ブロック1032と半導体基板1022の接する面のうち、ピエゾ領域1025の幅L1011を大きくし、その面積を増大した場合には、検知感度が大幅に悪化するものの、囲繞領域1034の幅L1012を大きくし、その面積を増大した場合、検知感度はそれほどには
悪化しないという現象を突き止めた。具体的に述べると、囲繞領域1034の面積を2倍に増大しても、検知感度は10%程度しか悪化しないことが判明してきた。つまり、異物対策が講じられた力伝達ブロック1032は、作用する荷重をメサ段差1024に集中して伝達し易い構造であることが判明してきた。このことから、この種の力検知装置は、検知感度をそれほど悪化させることなく、囲繞領域を広く確保し、力検知装置の機械的安定性を確保することが容易な構造であることが判明してきたのである。この種の力検知装置は、極めて特異な性質を有していると考えられる。
本発明は、この種の力検知装置の性質を利用し、接合強度を損ねないで検知感度をさらに高感度化すること、あるいは逆に、検知感度を損ねないで接合強度をさらに向上すること、さらには必要に応じて接合強度と検知感度の両者を共に向上することを目的として開発された。
The applicant has succeeded in obtaining new knowledge after conducting detailed research on this type of force detection device proposed by the present applicant. It is a structure in which this kind of force detection device breaks the trade-off relationship that exists between the sensitivity of detecting the load acting on the force transmission block and the bonding strength between the force transmission block and the semiconductor substrate. This is the fact. Next, this will be specifically described.
As shown in FIG. 12F, in order to increase the bonding strength between the
However, when the force detection device proposed by the applicant is studied in detail, the width L1011 of the
The present invention makes use of the properties of this type of force detection device to further increase the detection sensitivity without losing the bonding strength, or conversely, further improving the bonding strength without losing the detection sensitivity, Furthermore, it was developed for the purpose of improving both joint strength and detection sensitivity as needed.
本発明の力検知装置は、半導体基板と力伝達ブロックを備えている。半導体基板の表面の一部の領域には、その領域が歪むと抵抗が変化するピエゾ領域が形成されている。力伝達ブロックは、ピエゾ領域とそのピエゾ領域を囲繞する囲繞領域において、半導体基板表面に接するとともに、その囲繞領域の外周輪郭よりも外部では、半導体基板表面と力伝達ブロックの間に異物を蓄積する間隙が存在しない。半導体基板表面と直交する方向の力伝達ブロックの高さは、ピエゾ領域において高く、囲繞領域の少なくとも一部において低く調整されている。
力伝達ブロックと半導体基板は、直接的に接していてもよく、あるいは他部材を介在させて間接的に接していてもよい。他部材を介在させる場合は、その他部材を半導体基板の一部として評価することができる。あるいは、力伝達ブロックの一部として評価することが妥当な場合もある。
囲繞領域の外周輪郭よりも外部において、力伝達ブロックと半導体基板の間隙が十分に広い場合は、異物が実質的に蓄積されない。ここでいう異物が蓄積する間隙とは、力伝達ブロックに荷重が作用したときに、力伝達ブロックの変位を妨げるほどに異物が蓄積されてしまう間隙をいう。異物の存在の有無によって、力検知装置の検知結果が安定しない場合をいう。このような事態が生じない限りにおいて、力伝達ブロックが囲繞領域の外周輪郭よりも外部に突出している態様は、本発明の力伝達ブロックとして解釈されるべきである。典型的には、テーパ状や曲率を持って突出する場合は、本発明の力伝達ブロックとして解釈されるべきである。
The force detection device of the present invention includes a semiconductor substrate and a force transmission block. A piezo region whose resistance changes when the region is distorted is formed in a partial region of the surface of the semiconductor substrate. The force transmission block is in contact with the semiconductor substrate surface in the piezoelectric region and the surrounding region surrounding the piezoelectric region, and accumulates foreign matter between the semiconductor substrate surface and the force transmission block outside the outer peripheral contour of the surrounding region. There is no gap. The height of the force transmission block in the direction orthogonal to the surface of the semiconductor substrate is adjusted to be high in the piezo region and low in at least a part of the surrounding region.
The force transmission block and the semiconductor substrate may be in direct contact with each other, or may be in indirect contact with another member interposed therebetween. When other members are interposed, the other members can be evaluated as a part of the semiconductor substrate. Alternatively, it may be appropriate to evaluate as part of a force transmission block.
When the gap between the force transmission block and the semiconductor substrate is sufficiently wide outside the outer peripheral contour of the surrounding area, foreign matter is not substantially accumulated. The gap in which foreign matter accumulates here refers to a gap in which foreign matter is accumulated so as to prevent displacement of the force transmission block when a load is applied to the force transmission block. A case where the detection result of the force detection device is not stable depending on the presence or absence of foreign matter. As long as such a situation does not occur, the aspect in which the force transmission block protrudes outside the outer peripheral contour of the surrounding region should be interpreted as the force transmission block of the present invention. Typically, when protruding with a taper or curvature, it should be interpreted as a force transmission block of the present invention.
上記の力検知装置は、異物対策が講じられた力検知装置である。この種の力検知装置は、力伝達ブロックと半導体基板が接する囲繞領域の面積を大きくしても、検知感度がそれほど悪化しない。したがって、この種の力検知装置は、囲繞領域の面積を大きくし、接合強度を強固にした構成を採用することが可能である。さらに、上記力検知装置では、半導体基板表面と直交する方向の力伝達ブロックの高さが、ピエゾ領域において高く、囲繞領域の少なくとも一部において低く調整されている。このため、この力伝達ブロックに作用する力は、囲繞領域よりもピエゾ領域に集中し易くなる。これにより、この力検知装置は、ピエゾ領域に対して、より多くの圧縮応力が伝達され、力伝達ブロックに作用する荷重を高感度で検知することが可能となっている。したがって、この力検知装置は、接合強度を強固にするとともに、検知感度を悪化させない、あるいは必要に応じて高感度化することができる。あるいは、接合強度を従来と同等とするとともに、検知感度を高感度化することもできる。
なお、上記の力検知装置は、別の見方をすると、次のように捉えることができる。異物対策が講じられた力検知装置は、囲繞領域の面積を大きくすることができる。囲繞領域が幅広で構成されると、その囲繞領域に対応する力伝達ブロックも幅広で構成され得る。このような力伝達ブロックに対しては、囲繞領域の力伝達ブロックの高さを低くする本発明の構成を採用することで、力伝達ブロックに作用する荷重をピエゾ領域に集中して伝達させる現象を効果的に得ることができる。即ち、異物対策が講じられた力検知装置において、本発明の力伝達ブロックの構成は極めて有効に機能すると言える。
Said force detection apparatus is a force detection apparatus with which the foreign material countermeasure was taken. In this type of force detection device, even if the area of the surrounding region where the force transmission block and the semiconductor substrate are in contact with each other is increased, the detection sensitivity does not deteriorate so much. Therefore, this type of force detection device can employ a configuration in which the area of the surrounding region is increased and the bonding strength is increased. Further, in the force detection device, the height of the force transmission block in the direction orthogonal to the surface of the semiconductor substrate is adjusted to be high in the piezo region and low in at least a part of the surrounding region. For this reason, the force acting on the force transmission block is more easily concentrated on the piezo region than on the surrounding region. As a result, this force detection device can detect a load acting on the force transmission block with high sensitivity because more compressive stress is transmitted to the piezo region. Therefore, this force detection device can strengthen the bonding strength, and does not deteriorate the detection sensitivity, or can increase the sensitivity as necessary. Alternatively, the bonding strength can be made equal to the conventional one, and the detection sensitivity can be increased.
Note that the above-described force detection device can be grasped as follows from another viewpoint. The force detection device in which measures against foreign matter are taken can increase the area of the surrounding area. If the surrounding area is configured to be wide, the force transmission block corresponding to the surrounding area may be configured to be wide. For such a force transmission block, the load acting on the force transmission block is concentrated and transmitted to the piezo region by adopting the configuration of the present invention that lowers the height of the force transmission block in the surrounding region. Can be effectively obtained. That is, it can be said that the configuration of the force transmission block of the present invention functions extremely effectively in a force detection device in which measures against foreign matter are taken.
ピエゾ領域と囲繞領域との間の領域の少なくとも一部で、半導体基板と力伝達ブロックの間に間隙が確保されていることが好ましい。
間隙が確保されると、ピエゾ領域と力伝達ブロックとの接触する面積が相対的に大きくなる。このため、力伝達ブロックに作用する荷重を、ピエゾ領域に集中して伝達することができ、検知感度を高感度化することができる。
It is preferable that a gap is secured between the semiconductor substrate and the force transmission block in at least a part of the region between the piezo region and the surrounding region.
When the gap is secured, the contact area between the piezo region and the force transmission block becomes relatively large. For this reason, the load acting on the force transmission block can be concentrated and transmitted to the piezo region, and the detection sensitivity can be increased.
ピエゾ領域と囲繞領域の間の領域の少なくとも一部で、半導体基板表面に凹所が形成されているのが好ましい。
上記態様によると、前記凹所が力伝達ブロックによって囲繞され、半導体基板と力伝達ブロックの間に間隙を確保することができ、ひいては、ピエゾ領域と力伝達ブロックとの接触する面積を相対的に大きくすることができる。この力伝達ブロックは、作用する荷重をピエゾ領域に集中して伝達することができ、検知感度を高感度化することができる。
It is preferable that a recess is formed on the surface of the semiconductor substrate in at least a part of the region between the piezo region and the surrounding region.
According to the above aspect, the recess is surrounded by the force transmission block, and a gap can be secured between the semiconductor substrate and the force transmission block. As a result, the contact area between the piezo region and the force transmission block is relatively increased. Can be bigger. This force transmission block can transmit the acting load in a concentrated manner in the piezo region, and the detection sensitivity can be increased.
ピエゾ領域と囲繞領域の間の領域の少なくとも一部で、力伝達ブロック裏面に凹所が形成されているのが好ましい。
この場合も同様に、前記凹所が半導体基板によって囲繞され、半導体基板と力伝達ブロックの間に間隙を確保することができ、ひいては、ピエゾ領域と力伝達ブロックとの接触する面積を相対的に大きくすることができる。この力伝達ブロックは、作用する荷重をピエゾ領域に集中して伝達することができ、検知感度を高感度化することができる。
It is preferable that a recess is formed on the back surface of the force transmission block in at least a part of the region between the piezo region and the surrounding region.
Similarly, in this case, the recess is surrounded by the semiconductor substrate, so that a gap can be secured between the semiconductor substrate and the force transmission block, so that the contact area between the piezo region and the force transmission block is relatively increased. Can be bigger. This force transmission block can transmit the acting load in a concentrated manner in the piezo region, and the detection sensitivity can be increased.
力伝達ブロックには、ピエゾ領域と囲繞領域の間の領域において、ピエゾ領域側で高く、囲繞領域側で低い段差が形成されているのが好ましい。
上記の態様によると、半導体基板表面と直交する方向の高さが、ピエゾ領域において高く、囲繞領域において低く調整された力伝達ブロックが得られる。この力伝達ブロックは、作用する荷重をピエゾ領域に集中して伝達することができ、力検知装置の検知感度を高感度化することができる。
In the force transmission block, it is preferable that a step is formed in a region between the piezo region and the surrounding region which is high on the piezo region side and low on the surrounding region side.
According to the above aspect, a force transmission block is obtained in which the height in the direction orthogonal to the surface of the semiconductor substrate is adjusted to be high in the piezo region and low in the surrounding region. The force transmission block can transmit the acting load in a concentrated manner in the piezo region, and can increase the detection sensitivity of the force detection device.
力伝達ブロックの側壁は、囲繞領域の外周輪郭から半導体基板表面と直交する方向に伸びているのが好ましい。換言すると、力伝達ブロックは、囲繞領域の外周輪郭の外部に向けて全く突出していない。したがって、囲繞領域の外周輪郭の外部において、力伝達ブロックと半導体基板表面との間に間隙が形成されていない。
上記態様の力伝達ブロックは、外部に突出する部分が存在しないので、この突出する部分が作用する荷重によって垂れ下がり、ピエゾ領域側が反り上がるといった現象が生じない。これにより、作用する荷重をより集中してピエゾ領域に伝達することができる。したがって、より検知感度が高感度化された力検知装置を得ることができる。
It is preferable that the side wall of the force transmission block extends in a direction perpendicular to the semiconductor substrate surface from the outer peripheral contour of the surrounding region. In other words, the force transmission block does not protrude at all toward the outside of the outer peripheral contour of the surrounding area. Therefore, no gap is formed between the force transmission block and the semiconductor substrate surface outside the outer peripheral contour of the surrounding region.
Since the force transmission block of the above aspect does not have a portion protruding to the outside, the phenomenon that the protruding portion hangs down due to the load applied and the piezo region side is warped does not occur. Thereby, the acting load can be more concentrated and transmitted to the piezo region. Therefore, it is possible to obtain a force detection device with higher detection sensitivity.
本出願人は、上記の力検知装置を簡単に製造することができる新たな製造方法をも創作した。
本発明の力検知装置の製造方法は、半導体基板の表面に、ピエゾ抵抗効果を有するピエゾ領域とそのピエゾ領域に導通する電極で構成される単位素子構造を、格子状に複数個を作り込む工程を備えている。さらに、前記単位素子構造間の間隙を通過する格子状の溝が裏面側に形成されている板材を用意する工程を備えている。上記の工程を経た後に、その板材の裏面を半導体基板の表面に接合する工程を備えている。そして、その板材の裏面側の格子状の溝に対応する表面側の格子状の線に沿って、その板材の表面側から裏面側の溝に達する深さを持ち、裏面側の溝よりも広い幅を持つ格子状の溝を形成する工程を備えている。
上記の各工程を実施すると、各単位素子構造上の板材は、その周囲の高さが低くなった形状として得られる。本発明に係る力伝達ブロックを簡単に得ることができる。本発明の力検知装置を簡単に製造することができる。
The present applicant has also created a new manufacturing method capable of easily manufacturing the above-described force detection device.
The method for manufacturing a force detection device according to the present invention includes a step of forming a plurality of unit element structures in a lattice shape on a surface of a semiconductor substrate, each of which includes a piezo region having a piezoresistive effect and an electrode conducting to the piezo region. It has. Further, the method includes a step of preparing a plate material in which lattice-like grooves passing through the gaps between the unit element structures are formed on the back surface side. After passing through said process, it has the process of joining the back surface of the board | plate material to the surface of a semiconductor substrate. And it has a depth that reaches the groove on the back surface side from the surface side of the plate material along the lattice line on the surface side corresponding to the lattice groove on the back surface side of the plate material, and is wider than the groove on the back surface side. A step of forming a grid-like groove having a width is provided.
If each said process is implemented, the board | plate material on each unit element structure will be obtained as a shape where the circumference height became low. The force transmission block according to the present invention can be easily obtained. The force detection device of the present invention can be easily manufactured.
本発明の力検知装置は、接合強度を損ねないで検知感度をさらに高感度化すること、あるいは逆に、検知感度を損ねないで接合強度をさらに向上すること、さらには必要に応じて接合強度と検知感度の両者を共に向上することが可能である。 The force detection device of the present invention can further increase the detection sensitivity without deteriorating the bonding strength, or conversely, further improve the bonding strength without deteriorating the detection sensitivity, and further, if necessary, the bonding strength. It is possible to improve both the detection sensitivity and the detection sensitivity.
最初に実施例の主要な特徴を列記する。
(第1形態) ピエゾ領域は、周辺の半導体基板から電気的に絶縁された電流経路を形成する。
(第2形態) 第1形態のピエゾ領域は、半導体基板表面に形成されるとともに、ピエゾ抵抗効果が現れる方向に伸びたメサ段差に、半導体基板とは反対導電型の不純物がドープされて形成された領域である。
(第3形態) 第1形態のピエゾ領域は、平坦な半導体基板の表面の一部に半導体基板と反対導電型の不純物がドープされて形成された領域である。
(第4形態) 第1形態のピエゾ領域は、周囲の半導体基板から絶縁材料によって隔てられた内部に電流経路を形成する領域でもよい。
(第5形態) 力伝達ブロックは、半導体基板との囲繞領域に対応する部分の高さが低い段差状の形状である。
(第6形態) 第5形態の段差は、力伝達ブロックを一巡している。
(第7形態) 力伝達ブロック側壁が、半導体基板側に向けて末広がりのテーパ状に加工されている。
First, the main features of the embodiment are listed.
(First Form) The piezo region forms a current path that is electrically insulated from the surrounding semiconductor substrate.
(Second Mode) The piezo region of the first mode is formed on the surface of the semiconductor substrate and is formed by doping a mesa step extending in a direction in which the piezoresistive effect appears with an impurity having a conductivity type opposite to that of the semiconductor substrate. Area.
(Third Embodiment) The piezoelectric region of the first embodiment is a region formed by doping a part of the surface of a flat semiconductor substrate with an impurity having a conductivity type opposite to that of the semiconductor substrate.
(4th form) The piezoelectric area | region of a 1st form may be an area | region which forms an electric current path in the inside separated by the insulating material from the surrounding semiconductor substrate.
(Fifth Mode) The force transmission block has a stepped shape in which the height of the portion corresponding to the surrounding region with the semiconductor substrate is low.
(6th form) The level | step difference of 5th form makes a round of the force transmission block.
(7th form) The force transmission block side wall is processed into the taper shape which spreads toward the semiconductor substrate side.
図面を参照して以下に各実施例を詳細に説明する。
(第1実施例) 図1と図2に、第1実施例の力検知装置を示す。なお、図1と図2に示すように、力伝達ブロック32は、図の明瞭化のために2点破線で図示されている。また、図2の断面図は、図1のA、B、C線に対応している。
図1と図2に示すように、この力検知装置10は、結晶面(110)面のn型のシリコン単結晶を主成分とする半導体基板22と、力伝達ブロック32を備えている。半導体基板22の表面にメサエッチングによって形成されたメサ段差24を備えている。このメサ段差24は、半導体基板22に形成された凹所26の残部として形成されている。メサ段差24は、凹所26のほぼ中心を横断して伸びている。このメサ段差24の長手方向は、ピエゾ抵抗効果が現れる方向が選択されている。この例では、メサ段差24の長手方向は、結晶方向<110>と一致する。この凹所26は、力伝達ブロック32によって封止され、閉じた間隙26を形成する(後に詳細する)。
半導体基板22の表面上は、絶縁性を確保するために、絶縁層28で被覆されている(図1では図示省略)。メサ段差24の頂面部は、半導体基板22と反対導電型のp型不純物がドープされており、ピエゾ領域25を構成している。このピエゾ領域25は、黒色のハッチングによって図示されている。図2(B)に示すように、このピエゾ領域25の両端部は、コンタクトホール42a、44aを介して一対の電極42、44と電気的に接続している。これにより、一対の電極間42、44は、メサ段差24の頂面部に形成されたピエゾ領域25を介して電気的に接続されている。
Embodiments will be described in detail below with reference to the drawings.
First Embodiment FIGS. 1 and 2 show a force detection device according to a first embodiment. As shown in FIGS. 1 and 2, the
As shown in FIGS. 1 and 2, the
The surface of the
この力検知装置10の半導体基板22上に、結晶化ガラスを主成分とする力伝達ブロック32が固定されている。この力伝達ブロック32は、メサ段差24のピエゾ領域25と、メサ段差24を囲繞する囲繞領域34において、半導体基板22の表面と接している。囲繞領域34は、メサ段差24の周部の間隙26を一巡している。この囲繞領域34の幅は一定である。力伝達ブロック32は、この囲繞領域34によって半導体基板22上に固定されている。
力伝達ブロック32は、囲繞領域34の外周輪郭33よりも外部に突出していない。力伝達ブロック32の側壁は、囲繞領域34の外周輪郭33から半導体基板22表面と直交する方向に伸びている。したがって、囲繞領域34の外周輪郭33より外部において、力伝達ブロック32と半導体基板22表面との間には間隙が形成されていない。異物対策が講じられている。
また、別の見方をすると、この力伝達ブロック32は、次のように表現することもできる。半導体基板22と平行方向の力伝達ブロック32の幅は、図1と図2に示すように、半導体基板22との囲繞領域34の外周輪郭33を越えない範囲内であると表現することもできる。
さらに、この力伝達ブロック32は、ピエゾ領域25側で高く、囲繞領域34側で低い段差で形成されている。図1と図2に示すように、半導体基板22の表面と直交する方向の力伝達ブロック32の高さは、囲繞領域34に対応する部分おける高さH12が残部よりも低くなっている。より詳細には、前記高さH12の部分は、力伝達ブロック32を一巡して形成されており、この領域の幅38は囲繞領域34の幅と略一致している。また、その高さH12は、メサ段差24のピエゾ領域25に対応する部分の高さH11よりも低く調整されている。
なお、力伝達ブロック32の半導体基板22と対向する面と反対側の面(紙面上側の面である。以下、上側面という)に、図示しない半球が固定されている。
On the
The
From another point of view, the
Further, the
A hemisphere (not shown) is fixed to the surface of the
図示しない半球に荷重が作用すると、半球はその荷重を力伝達ブロック32の上側面に均等に加える。力伝達ブロック32はその荷重の大きさに応じて、接触領域36を介してメサ段差24に圧縮応力を伝達する。本実施例の力伝達ブロック32は、ピエゾ領域25側で高く、囲繞領域34側で低く調整されているので、力伝達ブロック32に作用する荷重は、圧縮応力としてメサ段差24に集中して伝達される。メサ段差24はその圧縮応力によって歪み、その歪み量は圧縮応力の大きさに基づいている。より多くの圧縮応力が伝達されるので、メサ段差24は大きく歪む(力伝達ブロックが直方体である場合と比較して)。この歪み量に基づくメサ段差24の抵抗値の変化量は、定電流を流した場合、一対の電極間42、44の電圧値の変化量として検知される。メサ段差24の歪み量が大きいので、電圧値の変化量も大きくなる。これにより、力伝達ブロック32に作用する力を高感度で検知することができる。
なお、図2に示すように、力伝達ブロック32の高さが低い部分の幅38を調整すると、検知感度を調整することが可能である。この幅38を大きくすると、検知感度はさらに向上する。
また、力伝達ブロック32と半導体基板22との接合強度を強固にしようとすると、囲繞領域34を幅広で構成するのが好ましい。囲繞領域34を幅広で構成するほど、検知感度は悪化し易くなるが(もちろん、異物対策が講じられている本実施例は、異物対策が講じられていない場合に比して悪化しない)、力伝達ブロック32の周囲が低く構成されている本実施例では、検知感度の悪化が抑制されている。場合によっては、囲繞領域34を幅広で構成したとしても、検知感度が高感度化され得る。したがって、検知感度を悪化させないで、あるいは検知感度を高感度化するとともに、接合強度が強固な力検知装置10を得ることができる。
また、囲繞領域34の接合面積を従来と同等であっても、段差状の力伝達ブロック32を利用することで、検知感度を高感度化することができる。接合強度を損ねないで、検知感度を高感度化することができる。
When a load acts on a hemisphere (not shown), the hemisphere applies the load evenly to the upper surface of the
As shown in FIG. 2, the detection sensitivity can be adjusted by adjusting the
In order to increase the bonding strength between the
Moreover, even if the joint area of the surrounding
なお、本実施例の異物対策が講じられた力検知装置10は、力伝達ブロック32とは無関係に、次の理由からも、メサ段差24に圧縮応力を集中して伝達することが可能であると考えられる。
例えば、力伝達ブロックが、囲繞領域よりも外側に突出している場合(異物対策が講じられていない場合)、この力伝達ブロックは、その突出している部分の自らの重量及び作用する荷重に基づいて垂れ下がることによって、中心側が反り上がった状態になっていると考えられる。これにより、中心側に荷重が伝達され難い構造であると考えられる。
一方、本実施例の力伝達ブロック32は、その外周輪郭33よりも外側に突出して形成されていない。力伝達ブロック32の外周輪郭33が、半導体基板22の表面と接合している。これにより、本実施例の力伝達ブロック32は、もとより作用する力を中心側に集中し易い構造であると考えられる。したがって、本実施例の力伝達ブロックで32は、囲繞領域34の面積を大きくしても、検知感度をそれほど悪化させない現象を得ることができると考えられる。
Note that the
For example, when the force transmission block protrudes outside the surrounding area (when no foreign matter countermeasures are taken), the force transmission block is based on the weight of the protruding portion and the applied load. It is thought that the center side is warped by sagging. Thereby, it is thought that it is a structure where a load is hard to be transmitted to the center side.
On the other hand, the
次に、図3を参照して、この力検知装置10の製造方法を説明する。
まず、図3(a)に示すように、n型の単結晶シリコンを主成分とする半導体ウエハ22を準備する。この半導体ウエハ22の表面をエッチング処理し、凹所(後の閉じた空間26)を形成する。この凹所の残部は、図示されないメサ段差となる。このメサ段差の頂面部にp型不純物を注入し、図示しないピエゾ領域を形成する。次に、この半導体基板22の表面を酸化し、絶縁層28で被覆した後に、図示しないコンタクトホールを形成し、そのコンタクトホールを覆う電極42、44を形成する。この半導体ウエハ22には、上記単位素子構造が、格子状に複数個作り込まれている。
Next, with reference to FIG. 3, the manufacturing method of this
First, as shown in FIG. 3A, a
次に、図3(b)に示すように、結晶化ガラスを主成分とするガラスウエハ32a(後に力伝達ブロック32となる)を準備する。このガラスウエハ32aには、格子状に溝入れ加工が施されており、その溝入れ加工が施された面を半導体基板22の表面と対向して接合する。この溝は、単位素子構造間の間隙の位置と一致している。ガラスウエハ32aと半導体基板22は、例えば陽極接合によって固着される。
本実施例では、力伝達ブロック32と半導体基板22の囲繞領域34の面積を大きく形成しても、検知感度がそれほど悪化しない。したがって、この囲繞領域34を幅広で形成することができる。このことは、ガラスウエハ32aと半導体基板22を接合する工程において、両者の位置ずれを許容する幅が広くなるということでもある。したがって、本実施例の力検知装置10の構造は、製造の面からも作りやすい構造であるという特徴を備えている。
Next, as shown in FIG. 3B, a
In this embodiment, even if the areas of the
次に、図3(c)に示すように、ダイシングソー92を複数回(この例では4回。1回でもよい)上下動させて、ガラスウエハ32aの溝入れ加工された部分に対応する領域を切削除去する。このとき、溝入れ加工された溝に達するとともに、その溝よりも広い幅の範囲を切削除去する。この工程により、残存したガラスウエハ32aの形状は、その周囲の高さがメサ段差側よりも低くなった段差状となり、所望する形状の力伝達ブロック32を得ることができる。
上述したように、本実施例では、前記囲繞領域34が幅広で形成されている。したがって、このダイシングソー92でガラスウエハ32aに段差を形成する工程は、正確な制御を必要とせずに、容易に実施することができる。段差状の力伝達ブロック32を容易に得ることができる。
Next, as shown in FIG. 3 (c), the dicing saw 92 is moved up and down a plurality of times (in this example, four times or even once) to correspond to the grooved portion of the
As described above, in this embodiment, the
次に、図3(d)に示すように、電極42、44等を保護するために、半導体基板22の表面を樹脂等を主成分とする保護膜82で完全に被覆する。
次に、図3(e)に示すように、ダイシングソー94を用いて、各々の力検知装置に沿って切り出す。
上記の各工程を経て、本実施例の力検知装置を得ることができる。
なお、図3(d)に示す保護膜82の形成は必ずしも必要ではなく、省略することも可能である。
Next, as shown in FIG. 3D, in order to protect the
Next, as shown in FIG. 3 (e), a dicing saw 94 is used to cut out along each force detection device.
Through the above steps, the force detection device of this embodiment can be obtained.
Note that the formation of the
次に、本実施例の力伝達ブロックの変形例を図4〜図7に示す。この各変形例の断面図は、第1実施例の図2(c)方向の断面に対応して図示されている。
図4の力伝達ブロック132は、その断面が台形状である。側壁が半導体基板122の表面に向けて末広がりのテーパ状に加工されている。力伝達ブロック132は、囲繞領域134における高さH112(囲繞領域134の幅内で変動するが、どの高さが選択されてもよい)が、メサ段差124のピエゾ領域125における高さH111よりも低く調整されている。この変形例も、力伝達ブロック132の上側面に作用する荷重は、メサ段差124に集中して伝達されるので、その作用する荷重を高感度に検知することができる。
Next, the modification of the force transmission block of a present Example is shown in FIGS. The cross-sectional views of these modifications are shown corresponding to the cross section of the first embodiment in the direction of FIG. 2 (c).
The
図5の力伝達ブロック232は、力伝達ブロック232側に凹所226が形成され、この凹所226によって、力伝達ブロック232と半導体基板222との間に閉じた間隙226が形成される例である。この例の半導体基板222の表面は、エッチング処理されていない。したがって、半導体基板222の表面にメサ段差は形成されておらず、ピエゾ領域225は平坦な半導体基板222の表面部に、図示しない一対の電極間方向に伸びて形成されている。このピエゾ領域225の長手方向は、ピエゾ抵抗効果が現れる方向が選択されている。一方、力伝達ブロック232側に、閉じた間隙226内を横断するメサ段差が形成されている。この力伝達ブロック232側のメサ段差が、半導体基板222の表面のピエゾ領域225の位置に一致しており、力伝達ブロック232とピエゾ領域225は、この箇所で接している。
力伝達ブロック232は、囲繞領域234における高さH212が、ピエゾ領域225における高さH211よりも低く調整されている。したがって、力伝達ブロック232の上側面に作用する荷重は、ピエゾ領域225に集中して伝達されるので、作用する荷重を高感度に検知することができる。
The
In the
図6の力伝達ブロック332は、図5の一つの変形例と評価できる。この力伝達ブロック332は、半導体基板322と接合する面(囲繞領域334とピエゾ領域325のいずれも)に向けて逆末広がりのテーパ状に加工されている。この例では、力伝達ブロック332が、囲繞領域334の外周輪郭333よりも外部に突出して形成されている。外周輪郭333側のテーパ面331が、その外周輪郭333よりも外側に向けて突出している。しかしながら、このテーパ面331と半導体基板322表面の間隙は十分に広く、この間隙に異物(例えば、粉塵など)が蓄積することはほとんどない。また、本実施例のように、テーパ状に突出している場合は、〔0015〕で詳細した現象と同様の効果が得られる。即ち、テーパ状に突出している場合は、その突出する部分の重量によって、中心側に荷重が伝達し難くなるという現象は生じず、もとより中心側に集中し易いという、上述した各実施例に特異な現象を得ることができる構造である。なお、このテーパ面331と半導体基板322表面とのなす角が45°以上であると、この力伝達ブロック332は、上記の効果を確実に得ることができるために好適である。
図6の力検知装置の力伝達ブロック332は、囲繞領域334における高さH312が、ピエゾ領域325における高さH311よりも低く調整されている。したがって、力伝達ブロック332に作用する荷重は、ピエゾ領域325により集中して伝達されるので、作用する荷重を高感度に検知することができる。
The
In the
図7の力伝達ブロック432は、力伝達ブロック432と半導体基板422との間に、例えばチタン(Ti)や窒化チタン(TiN)を主成分とする金属部材452、454が介在している例である。金属部材452、454の材料は、金属に代えて酸化シリコン、窒化シリコンであってもよい。この金属部材452は、半導体基板422の一部として評価することができる。したがって、力伝達ブロック432と半導体基板422の接する面は、力伝達ブロック432と金属部材452が接する面として評価してもよい。
図7に示すように、力伝達ブロック432は、囲繞領域434における高さH412が、ピエゾ領域425における高さH411よりも低く調整されている。これにより、力伝達ブロック432に作用する荷重は、ピエゾ領域425に集中して伝達されるので、作用する荷重を高感度に検知することができる。
The
As shown in FIG. 7, the
次に、段差状の形状異方性で形成される力伝達ブロックを用いた、いくつかの実施例を図8〜図10に示す。これらの実施例は、メサ段差の形状が、第1実施例のそれとは異なる例である。
(第2実施例) 図8は、第2実施例の力検知装置510の平面図を示す。なお、力伝達ブロック532の形状は、第1実施例と同様に段差状の形状をしている。図8では、図の明瞭化のため2点破線で示されている。
この実施例のメサ段差524は、結晶面(110)面のn型の半導体基板522の表面をメサエッチングして形成されている。このメサ段差524は、エッチングされた凹所526の残部として形成される。メサ段差524の頂面部には、半導体基板522と反対導電型のp型不純物が導入され、ピエゾ領域525が形成されている。ピエゾ領域525は、黒色のハッチングによって図示されている。メサ段差524は、一対の電極542、544方向に伸びるとともに、間隙526の中心を一巡する円形状に形成されている。このため、円中心に対して対向するメサ段差524は実質的に平行であり、そのため、この対向するメサ段差524の結晶方向も平行となっている。したがって、一対の電極542、544間の等価回路は、ピエゾ抵抗効果によって可変する抵抗が並列に構成されていると評価できる。この円形状のメサ段差524の構造は、圧縮荷重に対して感度の高い<110>方向の成分と、感度のない(あるいは小さい)<100>方向の成分の合成となる。そのため、感度は低下するものの2つの可変抵抗の変化量を利用することから、変化量を安定して検知することができる。したがって、力伝達ブロック532に作用する荷重の大きさと、抵抗値の変化量の比例関係が極めて線形性を示すことになる。力伝達ブロック532に作用する荷重を正確に検知する力伝達装置を得ることができる。
Next, some examples using a force transmission block formed with a step-like shape anisotropy are shown in FIGS. These embodiments are examples in which the shape of the mesa step is different from that of the first embodiment.
Second Embodiment FIG. 8 is a plan view of a
The
また、この実施例で利用される力伝達ブロック532は、囲繞領域534の外周輪郭533よりも外部に向けて突出して形成されていない。さらに、力伝達ブロック532は、囲繞領域534における高さが、円形状のメサ段差524のピエゾ領域525における高さよりも低く調整されている。したがって、この実施例も、力伝達ブロック532の上側面に作用する荷重は、円形状のメサ段差524のピエゾ領域525に集中して伝達されるので、その作用する荷重を高感度に検知することができる。力伝達ブロック532に作用する荷重を、正確に、そして高感度に検知することができる。
Further, the
(第3実施例) 図9に、第3実施例の力検知装置610の斜視図を示す。この実施例は、メサ段差624a、624b、624c、624dによってホイーストンブリッジを構成する例である。また、力伝達ブロック632の形状は、第1実施例と同様に段差状の形状をしている。
この実施例のメサ段差624a、624b、624c、624dは、結晶面(110)面のn型の半導体基板622の表面をメサエッチングして形成されている。このメサ段差624a、624b、624c、624dは、エッチングされた凹所626の残部として形成される。メサ段差624a、624b、624c、624dの頂面部には、半導体基板622と反対導電型のp型不純物が導入され、ピエゾ領域625が形成されている。対向するメサ段差同士(624aと624b、624cと624d)の長手方向は平行に伸びている。メサ段差624a、624bの長手方向は、メサ段差624c、624dの長手方向と直交しており、各々の結晶方向は<110>方向と<100>方向である。これにより、メサ段差624a、624b、624c、624dは、正四角形からなるホイーストンブリッジを構成している。この正四角形のそれぞれの角に、電極642、644、646、648が接続している。
対角をなす一対の電極642、646間に一定電流を流すとともに、もう一方の対角をなす一対の電極644、648間で電圧値を測定する。このような、ホイーストンブリッジで構成されるメサ段差624a、624b、624c、624dを利用すると、力伝達ブロック632に作用する荷重の大きさと、抵抗値の変化量との比例関係が極めて線形性を示す。力伝達ブロック632に作用する荷重を正確に検知することができる。
Third Embodiment FIG. 9 is a perspective view of a
The mesa steps 624a, 624b, 624c, and 624d in this embodiment are formed by mesa etching the surface of the n-
A constant current is passed between a pair of
また、この実施例で利用される力伝達ブロック632は、囲繞領域634の外周輪郭633を突出して形成されていない。さらに、力伝達ブロック632は、囲繞領域634における部分の高さは、ホイーストンブリッジで構成されるメサ段差624a、624b、624c、624dのピエゾ領域625における高さよりも低く調整されている。したがって、この実施例も、力伝達ブロック632の上側面に作用する荷重は、ホイーストンブリッジで構成されるメサ段差624に集中して伝達されるので、その作用する荷重を高感度に検知することができる。力伝達ブロック632に作用する荷重を、正確に、そして高感度に検知することができる。
図10は、第3実施例の変形例であり、ホイーンストンブリッジが円形で構成された例である。円中心に対して対向するメサ段差(724aと724b、724cと724d)は実質的に平行であり、そのため、この対向するメサ段差(724aと724b、724cと724d)の結晶方向は、各々<110>方向と<100>方向が主成分となっている。したがって、ホイーンストンブリッジとして機能し、第3実施例と同様の作用効果を得ることができる。力伝達ブロック732に作用する荷重を、正確に、そして高感度に検知することができる。
Further, the
FIG. 10 is a modification of the third embodiment, and is an example in which the Wheatstone bridge is formed in a circular shape. The mesa steps (724a and 724b, 724c and 724d) facing the center of the circle are substantially parallel, so the crystal directions of the facing mesa steps (724a and 724b, 724c and 724d) are each <110. The> direction and the <100> direction are the main components. Therefore, it functions as a Wheatstone bridge and can obtain the same effect as the third embodiment. The load acting on the
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in this specification or the drawings can achieve a plurality of objects at the same time, and has technical usefulness by achieving one of the objects.
22:半導体基板
24:メサ段差
25:ピエゾ領域
26:間隙
32:力伝達ブロック
33:力伝達ブロックの外周輪郭
34:囲繞領域
42、44:電極
22: semiconductor substrate 24: mesa step 25: piezo region 26: gap 32: force transmission block 33:
Claims (7)
半導体基板の表面の一部の領域に、その領域が歪むと抵抗が変化するピエゾ領域が形成されており、
力伝達ブロックは、ピエゾ領域とそのピエゾ領域を囲繞する囲繞領域において、半導体基板の表面に接しており、
その囲繞領域の外周輪郭よりも外側には、半導体基板の表面と力伝達ブロックとの間に異物を蓄積する間隙が存在せず、
半導体基板の表面と直交する方向の力伝達ブロックの高さは、ピエゾ領域において高く、囲繞領域の少なくとも一部において低く調整されていることを特徴とする力検知装置。 It has a semiconductor substrate and a force transmission block,
A piezo region in which resistance changes when the region is distorted is formed in a partial region of the surface of the semiconductor substrate,
The force transmission block is in contact with the surface of the semiconductor substrate in the piezoelectric region and the surrounding region surrounding the piezoelectric region,
Outside the outer peripheral contour of the surrounding area, there is no gap for accumulating foreign matter between the surface of the semiconductor substrate and the force transmission block,
The height of the force transmission block in the direction orthogonal to the surface of the semiconductor substrate is adjusted to be high in the piezo region and low in at least a part of the surrounding region.
前記単位素子構造間の間隙を通過する格子状の溝が裏面側に形成されている板材を用意する工程と、
その板材の裏面を半導体ウエハの表面に接合する工程と、
その板材の裏面側の格子状の溝に対応する表面側の格子状の線に沿って、その板材の表面側から裏面側の溝に達する深さを持ち、裏面側の溝よりも広い幅を持つ格子状の溝を形成する工程を備えている力検知装置の製造方法。
A step of forming a plurality of unit element structures in a lattice shape on a surface of a semiconductor wafer, the unit element structure including a piezo region having a piezoresistive effect and an electrode conducting to the piezo region;
Preparing a plate material in which a lattice-like groove passing through the gap between the unit element structures is formed on the back surface side;
Bonding the back surface of the plate material to the surface of the semiconductor wafer;
A depth that reaches the groove on the back surface from the surface side of the plate material along the lattice line on the surface side corresponding to the lattice groove on the back surface side of the plate material, and wider than the groove on the back surface side. A method for manufacturing a force detection device comprising a step of forming a lattice-shaped groove.
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