JP2008045911A - Pressure sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体からなる基板を利用した圧力センサに関する。 The present invention relates to a pressure sensor using a substrate made of a semiconductor.
小型で高精度な圧力センサとして、例えば、シリコンウェハなどの半導体基板の一部を薄板化したダイヤフラムを形成し、このダイヤフラムに歪ゲージなどの感圧素子を配して、感圧素子の変化を測定することによって、ダイヤフラムに加わった圧力を検出する半導体圧力センサが知られている。 As a small and high-precision pressure sensor, for example, a diaphragm made by thinning a part of a semiconductor substrate such as a silicon wafer is formed, and a pressure sensitive element such as a strain gauge is arranged on the diaphragm to change the pressure sensitive element. 2. Description of the Related Art A semiconductor pressure sensor that detects a pressure applied to a diaphragm by measurement is known.
こうした半導体圧力センサは、ダイアフラムを有する半導体基板をガラスなどの支持基板(台座)に接合したものであるが、この半導体基板と支持基板とが剥離しやすく、使用環境によってダイアフラムに強い圧力が加わると、圧力センサが破損しやすいという課題があった。 Such a semiconductor pressure sensor is obtained by bonding a semiconductor substrate having a diaphragm to a supporting substrate (pedestal) such as glass. However, when the semiconductor substrate and the supporting substrate are easily peeled off and a strong pressure is applied to the diaphragm depending on the use environment. There is a problem that the pressure sensor is easily damaged.
こうした、過度の圧力による半導体基板と支持基板との剥離という課題に対して、例えば特許文献1に記載された発明では、半導体基板の凹部における側面とダイアフラム部を成す頂面との境界部を丸めるとともに、凹部の側面と支持基板(台座)との接合部の角度を80°以上とした半導体圧力センサが記載されている。
しかしながら、特許文献1に記載された構造の半導体圧力センサでは、半導体基板と支持基板との接合部分に加わる応力の抑制効果は限定的であり、接合部分の破壊耐圧は10MPa程度が限界であった。このため、半導体圧力センサを使用可能な環境が限定されており、一層の高圧環境下での圧力検出にも耐えうる半導体圧力センサが望まれている。 However, in the semiconductor pressure sensor having the structure described in Patent Document 1, the effect of suppressing the stress applied to the joint portion between the semiconductor substrate and the support substrate is limited, and the breakdown pressure of the joint portion is limited to about 10 MPa. . For this reason, the environment in which the semiconductor pressure sensor can be used is limited, and a semiconductor pressure sensor that can withstand pressure detection under a higher pressure environment is desired.
本発明は、上記実情に鑑みて考案されたものであり、半導体基板と支持基板との剥離、およびダイアフラム部の破損を防止して、高圧の環境下でも使用可能な半導体圧力センサを提供することを目的とする。 The present invention has been devised in view of the above circumstances, and provides a semiconductor pressure sensor that can be used even in a high-pressure environment by preventing separation between a semiconductor substrate and a support substrate and damage to a diaphragm portion. With the goal.
本発明の請求項1に記載の半導体圧力センサは、半導体基板の一面から他面に向けて凹部を形成して、該半導体基板の一部を薄板化したダイアフラム部と、該ダイアフラム部に配された感圧素子と、該半導体基板の一面に接合された支持基板と、該支持基板を前記凹部に向けて貫通する開口とを有する半導体圧力センサであって、
前記半導体基板の厚み方向に沿った断面において、前記凹部の内側面と、前記半導体基板の一面に接合される前記支持基板の一面とが接する角度は、前記凹部の内側に向けて鋭角を成すことを特徴とする。
本発明の請求項2に記載の半導体圧力センサは、請求項1において、前記凹部は、前記半導体基板の一面と、前記ダイアフラム部を成す前記凹部の頂面との間で、対面する内側面どうしの幅が最大になる形状を成すことを特徴とする。
本発明の請求項3に記載の半導体圧力センサは、請求項1において、前記凹部の内側面は、前記半導体基板の他面に近づくほど、前記支持基板の一面に対する角度が漸減することを特徴とする。
本発明の請求項4に記載の半導体圧力センサは、請求項1において、前記支持基板はガラス基板であることを特徴とする。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a semiconductor pressure sensor according to the first aspect of the present invention, wherein a concave portion is formed from one surface of the semiconductor substrate toward the other surface, and a portion of the semiconductor substrate is thinned, and the diaphragm portion is disposed on the diaphragm portion. A pressure sensor, a support substrate bonded to one surface of the semiconductor substrate, and an opening penetrating the support substrate toward the recess,
In a cross section along the thickness direction of the semiconductor substrate, an angle between an inner surface of the recess and one surface of the support substrate bonded to one surface of the semiconductor substrate forms an acute angle toward the inner side of the recess. It is characterized by.
A semiconductor pressure sensor according to a second aspect of the present invention is the semiconductor pressure sensor according to the first aspect, wherein the concave portions are opposed to each other between inner surfaces facing each other between one surface of the semiconductor substrate and a top surface of the concave portion forming the diaphragm portion. It is characterized in that it has a shape that maximizes the width.
According to a third aspect of the present invention, in the semiconductor pressure sensor according to the first aspect, the angle of the inner surface of the concave portion with respect to the one surface of the support substrate gradually decreases as the inner surface of the concave portion approaches the other surface of the semiconductor substrate. To do.
A semiconductor pressure sensor according to a fourth aspect of the present invention is the semiconductor pressure sensor according to the first aspect, wherein the support substrate is a glass substrate.
本発明によれば、半導体基板の一面における凹部の内側面は、支持基板の一面に対して互いに向き合うように鋭角を成しているので、凹部の内側面が支持基板の一面と接する部分に加わる凹部の圧力は分散され、その一部は半導体基板を支持基板に向けて押し付ける方向に作用する。よって、開口を介して凹部の内側に強い圧力が加わっても、凹部の内側面が支持基板に接する部分で半導体基板を支持基板に向けて押し付ける力が働くので、半導体基板が支持基板から剥離してしまうことを効果的に防止することができる。 According to the present invention, the inner surface of the concave portion on one surface of the semiconductor substrate forms an acute angle so as to face each other on the one surface of the support substrate, so that the inner surface of the concave portion is added to the portion in contact with the one surface of the support substrate. The pressure in the concave portion is dispersed, and a part of the pressure acts in the direction of pressing the semiconductor substrate toward the support substrate. Therefore, even if a strong pressure is applied to the inside of the recess through the opening, the force that presses the semiconductor substrate toward the support substrate acts at the portion where the inner surface of the recess contacts the support substrate, so that the semiconductor substrate peels off from the support substrate. Can be effectively prevented.
以下、本発明に係る半導体圧力センサの一実施形態を図面に基づいて説明する。図1は、本発明の半導体圧力センサの一例を示す断面図である。本発明の半導体圧力センサ10は、半導体基板11と、支持基板12とを有する。半導体基板11はその一面11aで支持基板12の一面12aと接合されている。
Hereinafter, an embodiment of a semiconductor pressure sensor according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of a semiconductor pressure sensor of the present invention. The
半導体基板11には、一面11aから他面11bに向けて凹部13が形成される。この凹部13の形成によって半導体基板11が薄板化された領域はダイアフラム部14とされる。このような半導体基板11が薄板化されたダイアフラム部14は、凹部13の内側Sの圧力変動によって湾曲する。
A
半導体基板11の他面11b側には、感圧素子15が配される。この感圧素子15は、ダイアフラム部14の湾曲の度合いに応じて出力信号が変化し、これにより凹部13内の圧力を検出する。
A pressure
半導体基板11の厚み方向Nに沿った断面において、半導体基板11の凹部13の内側面13a,13bと、支持基板12の一面12aとはそれぞれ角度θで接し、この角度θは、凹部13の内側Sに向けて互いに向き合うように、鋭角を成している。例えば、本実施形態では、内側面13a,13bは、半導体基板11の厚み方向Nに沿った方向から、支持基板12の一面12aに沿った方向に向けて、角度θが漸減するようなテーパー形状を成している。
In the cross section along the thickness direction N of the
支持基板12は、半導体基板11の一面12aと接合されて、凹部13の開放端側を塞ぐ。そして、この支持基板12には、凹部13に向けて、一面12aと他面12bとの間を貫通する開口16が形成される。この開口16によって、凹部13の内側Sは外気と繋がる。
The
このような構成の本発明の半導体圧力センサ10によれば、支持基板12の開口16に繋がる外部の圧力が高まると、開口16を介して凹部13の内側Sの内圧も高まる。すると、半導体基板11の一部が薄板化されたダイアフラム部14は、例えば図1(a)中の点線Fのように半導体基板11の他面12b側に湾曲する。ダイアフラム部14が湾曲すると、ダイアフラム部14の近傍に配された感圧素子15の出力信号が、ダイアフラム部14の湾曲の度合いに応じて変化する。この感圧素子15の出力信号の変化を検出することによって、凹部13の内側Sの圧力、即ち、開口16を介して凹部13と繋がった外部の圧力を検出することができる。
According to the
凹部13の内側Sの圧力が高まると、凹部13のダイアフラム部14側の内壁である頂面13cに加わる圧力は、半導体基板11と支持基板12とを剥離させる方向に作用する。しかし、本発明の半導体圧力センサ10では、半導体基板11の一面11a側における凹部13の内側面13a,13bは、支持基板12の一面12aに対して互いに向き合うように鋭角を成している。これにより、図1(b)に示すように、凹部13の内側面13a,13bが支持基板12の一面12aと接する部分に加わる凹部13の圧力Pは、x方向とy方向の2成分に分けることができる。
When the pressure on the inner side S of the
そして、圧力Pのx方向成分は半導体基板11と支持基板12とを剥離させる方向には作用せず、圧力Pのy方向成分は、逆に半導体基板11を支持基板12に向けて押し付ける方向に作用する。よって、開口16を介して凹部13の内側Sに強い圧力が加わっても、凹部13の内側面13a,13bが支持基板12に接する部分で半導体基板11を支持基板12に向けて押し付ける力が働くので、半導体基板11が支持基板12から剥離してしまうことを効果的に防止することができる。
The x-direction component of the pressure P does not act in the direction in which the
半導体基板11は、例えばシリコンウェハなどから構成されれば良い。また、支持基板13は、例えばガラス基板などから形成されていれば良い。こうした半導体基板11と支持基板13との接合は、例えば、陽極接合や接着層による接合など、各種接合方法を用いることができる。
The
感圧素子15は、歪ゲージセンサなど、各種圧力検出素子を用いることができる。また、感圧素子15の設置箇所は、上述した実施形態の如くダイアフラム部14の近傍で半導体基板11の他面11bに埋設する以外にも、例えば、半導体基板11の他面11b上に突出するように形成するなど、ダイアフラム部14の湾曲を検出できる位置であれば、どのような位置に設置しても良い。
As the pressure
凹部13の頂面13cと内側面13a,13bとの交差部分は、図1に示すように、テーパー形状を成しているのが好ましい。これにより、ダイアフラム部14に掛かる圧力を分散させることで、凹部13の内側Sに強い圧力が加わっても、半導体基板11を薄板化した強度が弱いダイアフラム部14が破損することを防止できる。
As shown in FIG. 1, it is preferable that the intersecting portion between the top surface 13c of the
凹部13の内側Sは、図1に示すように、半導体基板11の一面11aと、ダイアフラム部14を成す凹部13の頂面13cとの間で、対面する内側面13a,13bどうしの幅t1が最大になるのが好ましい。即ち、凹部13おける一面11aの幅t2や頂面13aの幅t3よりも、凹部13の中ほどの内側面13a,13bどうしの幅t1が最大になるような形状に凹部13を形成するとよい。これによって、凹部13の内側面13a,13bが頂面13cや支持基板12の一面12aと交わる部分に過度の圧力が掛かることを防止し、凹部13の耐圧性を高めることができる。
As shown in FIG. 1, the inner side S of the
凹部13の内側面13a,13bと、支持基板12の一面12aとが成す角度θは鋭角であればよいが、好ましくは60°〜89°の範囲に設定されればよい。角度θが60°以下では、半導体基板11と支持基板12との間の応力緩和効果はほぼ飽和してしまう。また、角度θが小さくなるほど凹部13が広がって半導体基板11が大型化してしまう。こうした理由から、角度θを60°〜89°の範囲に設定するのが好ましい。
The angle θ formed by the inner side surfaces 13a and 13b of the
本発明の半導体圧力センサにおける凹部の形状は、上述した実施形態のように、支持基板および頂面と内側面とが接する部分を、断面から見て湾曲したテーパー状に限定されない。例えば、図2に示した半導体圧力センサ20では、半導体基板21の凹部23の内側面23a,23bを中ほどで屈折させた断面が略六角形の形状を成し、内側面23a,23bが支持基板22の一面22aとの接する部分は、角度θが鋭角を成す傾斜面としている。
The shape of the concave portion in the semiconductor pressure sensor of the present invention is not limited to a tapered shape in which a portion where the support substrate and the top surface and the inner surface are in contact with each other is curved as viewed from the cross section as in the above-described embodiment. For example, in the
また、例えば、図3に示した半導体圧力センサ30では、半導体基板31の凹部33の内側面33a,33bを中ほどに向けて湾曲させた断面が樽状を成し、内側面33a,33bが支持基板32の一面32aとの接する部分は、角度θが漸減するテーパーを成している。こうした構成によっても、凹部33の耐圧性を高めるとともに、半導体基板31と支持基板32とを剥離させる方向に働く圧力を分散させることが可能となる。
Further, for example, in the
次に、こうした半導体圧力センサを構成する半導体基板に凹部を形成する方法を例示する。図4(a)に示すように、まず、シリコンウェハなどの半導体基板51の他面51bに、感圧素子52を形成する。次に、図4(b)に示すように、半導体基板51の一面51aから、SF6 ガスによるプラズマエッチングと、C4F8ガスによる保護膜形成を交互に行うことでダイアフラム部の形成を行う。この際、SF6 ガスによるプラズマエッチング時間に対し、C4F8ガスによる保護膜形成時間を段階的に短くすることによって、半導体基板51の一面51aから他面51b方向に向けて、エッチング穴53の幅Wを広げていく。
Next, a method for forming a recess in a semiconductor substrate constituting such a semiconductor pressure sensor will be exemplified. As shown in FIG. 4A, first, the pressure
そして、半導体基板51のエッチングが半導体基板の厚み方向Nの中ほどまで達したら、今度はSF6 ガスによるプラズマエッチング時間に対し、C4F8ガスによるに保護膜形成時間を段階的に長くすることによって、図4(c)に示すように、エッチング穴53の幅Wが半導体基板51の他面51b方向に向けて狭めていく。このように、SF6 ガスプラズマによるエッチングと、C4F8ガスプラズマによる保護膜形成を交互に行う際に、それぞれの処理時間を段階的に変化させることによって、互いに対面する内側面54a,54bどうしの幅Wが半導体基板の厚み方向Nで変化した内面形状の凹部54を得ることができる。
When the etching of the
また、この凹部54の形成によって、半導体基板51を薄板化したダイアフラム部56が形成される。この後、予め開口部を形成した支持基板を半導体基板51の一面51aに接合することによって、内側面54a,54bと支持基板の一面とが凹部54の内側に向けて互いに向き合うように鋭角を成した凹部54を形成することができる。
In addition, the formation of the
こうした凹部の形成は、上述した実施形態以外にも、例えば、ダイアフラムエッチング時のマスク材として数十μm程度の厚みの厚膜レジストを用意し、SF6+O2ガスなどを用いて意図的に中膨らみ形状にすることによって、例えば図3に示すような形状の凹部を形成する非ボッシュプロセスによるエッチングや、半導体基板の厚み方向の任意の深さまでドーピングを行うことによって、半導体基板の幅方向のエッチングレートを途中で変化させるなどの方法を用いればよい。 In addition to the above-described embodiment, for example, a thick film resist having a thickness of about several tens of μm is prepared as a mask material at the time of diaphragm etching, and the formation of such a recess is intentionally performed using SF 6 + O 2 gas or the like. Etching in the width direction of the semiconductor substrate by performing an etching by a non-Bosch process for forming a concave portion having a shape as shown in FIG. 3, for example, by doping to an arbitrary depth in the thickness direction of the semiconductor substrate A method such as changing the rate midway may be used.
10 半導体圧力センサ、11 半導体基板、12 支持基板、13 凹部、13a,13b 内側面(凹部)、14 ダイアフラム部、15 感圧素子、16 開口。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記半導体基板は、その厚み方向に沿った断面において、前記凹部の内側面と、前記半導体基板の一面に接合される前記支持基板の一面とが成す角度θが鋭角であることを特徴とする半導体圧力センサ。 Semiconductor substrate, diaphragm portion having concave portion arranged from one surface of semiconductor substrate toward other surface, and thinned region in part of semiconductor substrate, pressure-sensitive element arranged in diaphragm portion, and semiconductor A semiconductor pressure sensor comprising at least a support substrate bonded to one surface of the substrate and having an opening penetrating toward the recess,
The semiconductor substrate is characterized in that an angle θ formed by an inner surface of the recess and one surface of the support substrate bonded to one surface of the semiconductor substrate is an acute angle in a cross section along the thickness direction thereof. Pressure sensor.
The semiconductor pressure sensor according to claim 1, wherein the support substrate is a glass-based member.
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JP2004325220A (en) * | 2003-04-24 | 2004-11-18 | Hitachi Unisia Automotive Ltd | Semiconductor sensor and its manufacturing method |
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