JP2016075579A - Method of manufacturing physical quantity sensor - Google Patents

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高野 加津雄
Kazuo Takano
加津雄 高野
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of manufacturing a physical quantity sensor such that a shift in relative position between a strain detection element and an outline of a diaphram is small and sensitivity of detection of deformation of the diaphram by the strain detection element is improved.SOLUTION: A method of manufacturing a pressure sensor 1 includes: a substrate preparing process of preparing a substrate 40 having a piezoresistive element 20, strained to output a signal, arranged on the side of one surface 40a; a first etching process of etching the substrate 40 from the side of the other surface 40b in top/reverse relation with the one surface 40a including a range overlapping the piezoresistive element 20 in plan view so as to form a first recessed part 41; and a second etching process of dry-etching a bottom part of the recessed part 41 including at least a part of the range overlapping the piezoresistive element 20 in plan view so as to form a second recessed part 42 having a diaphragm 10 at its bottom, a depth H2 of the second recessed part 42 being equal to or less than a depth H1 of the first recessed part 41.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、物理量センサーの製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a physical quantity sensor.

従来、物理量センサーの一例として、裏面側に凹部を形成することにより、表面側の中央部に略矩形状の薄肉の撓み部(以下、ダイアフラムという)を形成するとともに、このダイアフラムの変形を検出する感圧素子を備えている圧力センサーチップの裏面に、圧力導入孔となる貫通孔を形成したガラス台座を、貫通孔の開口部が凹部の開口面内に収容されるように接合し、圧力センサーチップとガラス台座との接合面に接する凹部の端縁形状が平面視で略円形である構成の半導体圧力センサーが知られている(例えば、特許文献1参照)。
上記半導体圧力センサーは、圧力センサーチップとガラス台座との接合面に接する凹部の端縁形状が平面視で略円形であることから、圧力印加時の応力集中が緩和され、破壊耐圧レベルが向上した半導体圧力センサーを提供できるとされている。
Conventionally, as an example of a physical quantity sensor, a concave portion is formed on the back surface side, thereby forming a substantially rectangular thin bent portion (hereinafter referred to as a diaphragm) at the center portion on the front surface side, and detecting deformation of the diaphragm. A pressure sensor chip is provided with a glass pedestal formed with a through hole serving as a pressure introducing hole on the back surface of the pressure sensor chip, and the pressure sensor is joined so that the opening of the through hole is accommodated in the opening surface of the recess. There is known a semiconductor pressure sensor having a configuration in which the edge shape of a concave portion in contact with the bonding surface between a chip and a glass pedestal is substantially circular in a plan view (for example, see Patent Document 1).
In the semiconductor pressure sensor, since the edge shape of the concave portion in contact with the joint surface between the pressure sensor chip and the glass pedestal is substantially circular in plan view, the stress concentration at the time of pressure application is relaxed, and the breakdown pressure level is improved. It is said that a semiconductor pressure sensor can be provided.

特開2002−39892号公報JP 2002-39892 A

上記半導体圧力センサーは、圧力センサーチップの裏面側をエッチングすることにより凹部が形成されるとともに、その底部にダイアフラムが形成される。ここで、凹部における段差部を有し、開口部側の第1凹部をエッチングして底部にダイアフラムを有する側を第2凹部とする。
一方、ダイアフラムの変形を検出する感圧素子は、製造上の制約から上記エッチングの前に圧力センサーチップの表面側に形成されている。
In the semiconductor pressure sensor, a recess is formed by etching the back side of the pressure sensor chip, and a diaphragm is formed at the bottom. Here, a step portion in the concave portion is provided, the first concave portion on the opening side is etched, and the side having the diaphragm at the bottom portion is defined as the second concave portion.
On the other hand, the pressure sensitive element for detecting the deformation of the diaphragm is formed on the surface side of the pressure sensor chip before the etching because of manufacturing restrictions.

このことから、上記半導体圧力センサーは、圧力センサーチップのエッチングの位置ずれや、圧力センサーチップのそりなどの変形に伴うエッチングの進行方向(進行角度)のずれなどにより、感圧素子とダイアフラムの輪郭との相対位置が、本来の位置からずれる虞がある。
この際、エッチングの進行方向のずれは、第2凹部が深くなるほど上記相対位置のずれを大きくさせることになる。
For this reason, the semiconductor pressure sensor has an outline of the pressure-sensitive element and the diaphragm due to the displacement of the etching of the pressure sensor chip and the deviation of the traveling direction (traveling angle) of the pressure sensor chip due to the deformation of the warp of the pressure sensor chip. The relative position may be deviated from the original position.
At this time, the shift in the etching progress direction increases the shift in the relative position as the second recess becomes deeper.

特許文献1の図1(b)などによれば、上記半導体圧力センサーは、第2凹部の深さが第1凹部の深さよりも相当程度深くなっている。
この結果、上記半導体圧力センサーは、上記相対位置のずれにより、感圧素子によるダイアフラムの変形の検出が不十分となることから、受圧感度が低下するなどの不具合が生じる虞がある。
According to FIG. 1B of Patent Document 1, the semiconductor pressure sensor has a depth of the second recess that is considerably deeper than the depth of the first recess.
As a result, the semiconductor pressure sensor may not be able to detect the deformation of the diaphragm by the pressure sensitive element due to the displacement of the relative position, which may cause a problem such as a decrease in pressure receiving sensitivity.

本発明は、上記課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。   SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.

[適用例1]本適用例にかかる物理量センサーの製造方法は、一方の面側に、歪みを受けて信号を出力する歪み検出素子が配置されている基板を準備する工程と、前記基板を、前記一方の面とは表裏の関係にある他方の面側から平面視で前記歪み検出素子と重なる範囲を含んでエッチングし、第1凹部を形成する第1エッチング工程と、前記第1凹部の底部を、平面視で前記歪み検出素子と重なる範囲の少なくとも一部を含んでドライエッチングし、底にダイアフラムを有する第2凹部を形成する第2エッチング工程と、を含み、前記第2凹部の深さは、前記第1凹部の深さ以下であることを特徴とする。   [Application Example 1] A method of manufacturing a physical quantity sensor according to this application example includes a step of preparing a substrate on one surface side on which a strain detection element that receives a strain and outputs a signal is disposed; Etching including a range overlapping with the strain detection element in plan view from the other surface side that is in a front-back relationship with the one surface, and forming a first recess, and a bottom portion of the first recess And a second etching step of forming a second recess having a diaphragm at the bottom thereof by dry etching including at least a part of a range overlapping with the strain detection element in plan view, the depth of the second recess Is less than the depth of the first recess.

これによれば、物理量センサーの製造方法は、一方の面側に歪み検出素子を有する基板を、他方の面側から歪み検出素子と重なる範囲を含んでエッチングして第1凹部を形成し、第1凹部の底部を、歪み検出素子と重なる範囲の少なくとも一部を含んでドライエッチングして底にダイアフラムを有する第2凹部を形成し、第2凹部の深さが第1凹部の深さ以下である。
これにより、物理量センサーの製造方法は、底にダイアフラムを有する第2凹部の深さが第1凹部の深さ以下であることから、従来(例えば、特許文献1)と比較して、歪み検出素子(感圧素子に相当)とダイアフラムの輪郭との相対位置のずれを小さくすることができる。
この結果、物理量センサーの製造方法は、上記相対位置のずれが小さく、歪み検出素子によるダイアフラムの変形(歪み)の検出感度が向上した物理量センサーを製造し、提供することができる。
According to this, in the method of manufacturing a physical quantity sensor, a substrate having a strain detection element on one surface side is etched to include a range overlapping the strain detection element from the other surface side to form a first recess, The bottom of the first recess is dry-etched to include at least part of the range overlapping the strain detection element to form a second recess having a diaphragm at the bottom, and the depth of the second recess is less than the depth of the first recess is there.
Thereby, since the depth of the 2nd recessed part which has a diaphragm in the bottom is below the depth of a 1st recessed part, the manufacturing method of a physical quantity sensor is a distortion detection element compared with the past (for example, patent document 1). It is possible to reduce a shift in relative position between the pressure sensor and the diaphragm contour.
As a result, the physical quantity sensor manufacturing method can manufacture and provide a physical quantity sensor in which the relative position shift is small and the detection sensitivity of the deformation (distortion) of the diaphragm by the strain detection element is improved.

また、物理量センサーの製造方法は、第2凹部をドライエッチングで形成することから、ウエットエッチングよりもエッチング時の非エッチング領域への回り込みが少なく、第2凹部の形状を精度よく形成することができる。   In addition, since the physical quantity sensor manufacturing method forms the second concave portion by dry etching, it is less likely to enter the non-etched region during etching than the wet etching, and the shape of the second concave portion can be formed with high accuracy. .

[適用例2]上記適用例にかかる物理量センサーの製造方法において、前記第2エッチング工程は、前記基板の前記一方の面側に設けられているパターンを基準にして、マスクの位置決めを行うレジスト形成ステップを含むことが好ましい。   Application Example 2 In the method of manufacturing a physical quantity sensor according to the application example, the second etching step includes resist formation for positioning a mask with reference to a pattern provided on the one surface side of the substrate. Preferably a step is included.

これによれば、物理量センサーの製造方法は、第2エッチング工程において、歪み検出素子と同じ基板の一方の面側に設けられているパターンを基準にして、マスクの位置決めを行うレジスト形成ステップを含むことから、基板の他方の面側に設けられているパターンを基準にした場合よりも、歪み検出素子とダイアフラムの輪郭との相対位置のずれを更に小さくすることができる。   According to this, the physical quantity sensor manufacturing method includes a resist forming step of positioning the mask with reference to a pattern provided on one surface side of the same substrate as the strain detection element in the second etching step. For this reason, the displacement of the relative position between the strain detection element and the outline of the diaphragm can be further reduced as compared with the case where the pattern provided on the other surface side of the substrate is used as a reference.

[適用例3]上記適用例にかかる物理量センサーの製造方法において、前記パターンは、前記歪み検出素子であることが好ましい。   Application Example 3 In the method of manufacturing a physical quantity sensor according to the application example, it is preferable that the pattern is the strain detection element.

これによれば、物理量センサーの製造方法は、上記適用例におけるパターンが歪み検出素子であることから、レジスト形成ステップにおいて、マスクの位置決めを更に正確に行うことができる。
この結果、物理量センサーの製造方法は、歪み検出素子とダイアフラムの輪郭との相対位置のずれを更に小さくすることができる。
According to this, in the physical quantity sensor manufacturing method, since the pattern in the application example is a strain detecting element, the mask can be positioned more accurately in the resist forming step.
As a result, the physical quantity sensor manufacturing method can further reduce the displacement of the relative position between the strain detection element and the contour of the diaphragm.

[適用例4]上記適用例にかかる物理量センサーの製造方法において、前記第1エッチング工程の前に、前記基板の厚みを薄くする工程を更に含むことが好ましい。   Application Example 4 In the method of manufacturing a physical quantity sensor according to the application example, it is preferable that the method further includes a step of reducing the thickness of the substrate before the first etching step.

これによれば、物理量センサーの製造方法は、第1エッチング工程の前に、基板の厚みを薄くする工程を更に含むことから、この工程を含まない場合よりも生産性を向上させることができる。   According to this, since the physical quantity sensor manufacturing method further includes the step of reducing the thickness of the substrate before the first etching step, the productivity can be improved as compared with the case where this step is not included.

[適用例5]上記適用例にかかる物理量センサーの製造方法において、前記第1エッチング工程の前に、前記基板の前記一方の面側に、平面視で前記ダイアフラムと重なる圧力基準室を形成する工程を更に含むことが好ましい。   Application Example 5 In the method of manufacturing a physical quantity sensor according to the application example described above, a step of forming a pressure reference chamber overlapping the diaphragm in plan view on the one surface side of the substrate before the first etching step. It is preferable that it is further included.

これによれば、物理量センサーの製造方法は、第1エッチング工程の前に、基板の一方の面側に、平面視でダイアフラムと重なる圧力基準室を形成する工程を更に含む。
これにより、物理量センサーの製造方法は、受圧したダイアフラムの歪みから、圧力基準室を基準にした圧力検出が可能な物理量センサーを製造し、提供することができる。
According to this, the manufacturing method of the physical quantity sensor further includes a step of forming a pressure reference chamber that overlaps the diaphragm in plan view on one surface side of the substrate before the first etching step.
Accordingly, the physical quantity sensor manufacturing method can manufacture and provide a physical quantity sensor capable of detecting pressure based on the pressure reference chamber from the distortion of the received diaphragm.

[適用例6]上記適用例にかかる物理量センサーの製造方法において、前記物理量センサーは、圧力検出機能を有する圧力センサーであることを特徴とする。   Application Example 6 In the physical quantity sensor manufacturing method according to the application example, the physical quantity sensor is a pressure sensor having a pressure detection function.

これによれば、物理量センサーの製造方法は、物理量センサーが、圧力検出機能を有する圧力センサーであることから、歪み検出素子による受圧したダイアフラムの変形(歪み)の検出感度が向上した圧力センサーを製造し、提供することができる。   According to this, since the physical quantity sensor is a pressure sensor having a pressure detection function, a pressure sensor with improved detection sensitivity of the deformation (distortion) of the diaphragm received by the strain detection element is manufactured. And can be provided.

第1実施形態の圧力センサーの概略構成を示す模式図であり、(a)は模式平面図、(b)は(a)のA−A線での模式断面図。It is a schematic diagram which shows schematic structure of the pressure sensor of 1st Embodiment, (a) is a schematic plan view, (b) is a schematic cross section in the AA of (a). 圧力センサーの模式検出用回路図。The circuit diagram for a model detection of a pressure sensor. 第1実施形態の圧力センサーの製造方法の主要な製造工程を示すフローチャート。The flowchart which shows the main manufacturing processes of the manufacturing method of the pressure sensor of 1st Embodiment. (a)〜(d)は、主要な製造工程を順に説明する模式断面図。(A)-(d) is a schematic cross section explaining a main manufacturing process in order. (e)〜(h)は、主要な製造工程を順に説明する模式断面図。(E)-(h) is a schematic cross section explaining a main manufacturing process in order. 圧力センサーの模式要部断面図。The principal part sectional drawing of a pressure sensor. 第2実施形態の圧力センサーの概略構成を示す模式図であり、(a)は模式平面図、(b)は(a)のA−A線での模式断面図。It is a schematic diagram which shows schematic structure of the pressure sensor of 2nd Embodiment, (a) is a schematic plan view, (b) is a schematic cross section in the AA of (a). 第2実施形態の圧力センサーの製造方法の主要な製造工程を示すフローチャート。The flowchart which shows the main manufacturing processes of the manufacturing method of the pressure sensor of 2nd Embodiment. (a)〜(d)は、主要な製造工程を順に説明する模式断面図。(A)-(d) is a schematic cross section explaining a main manufacturing process in order. (e)〜(h)は、主要な製造工程を順に説明する模式断面図。(E)-(h) is a schematic cross section explaining a main manufacturing process in order. 第2実施形態の変形例の圧力センサーの概略構成を示す模式断面図。The schematic cross section which shows schematic structure of the pressure sensor of the modification of 2nd Embodiment.

以下、本発明を具体化した実施形態について図面を参照して説明する。   DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the invention will be described with reference to the drawings.

(第1実施形態)
最初に、物理量センサーの一例として圧力検出機能を有する圧力センサーの構成について説明する。
図1は、第1実施形態の圧力センサーの概略構成を示す模式図であり、図1(a)は、模式平面図、図1(b)は、図1(a)のA−A線での模式断面図である。図2は、圧力センサーの模式検出用回路図である。なお、説明の便宜上、各構成要素の寸法比率は実際と異なる。
(First embodiment)
First, a configuration of a pressure sensor having a pressure detection function will be described as an example of a physical quantity sensor.
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a schematic configuration of the pressure sensor according to the first embodiment. FIG. 1A is a schematic plan view, and FIG. 1B is a line AA in FIG. FIG. FIG. 2 is a schematic detection circuit diagram of the pressure sensor. For convenience of explanation, the dimensional ratio of each component is different from the actual one.

図1、図2に示すように、第1実施形態の圧力センサー1は、基板40と、基板40の一方の面40a側を覆う空洞部層50と、を備え、平面形状が略矩形であって、略直方体形状に構成されている。
そして、圧力センサー1は、基板40の一方の面40a側に配置され、歪みを受けて信号を出力する歪み検出素子としてのピエゾ抵抗素子20と、基板40の一方の面40aとは表裏の関係にある他方の面40b側に、平面視でピエゾ抵抗素子20と重なる範囲を含んで設けられている第1凹部41と、第1凹部41の底部に、平面視でピエゾ抵抗素子20と重なる範囲の少なくとも一部(ここでは全部)を含んで設けられている第2凹部42と、を備えている。
更に、圧力センサー1は、第2凹部42の底に設けられているダイアフラム10と、ピエゾ抵抗素子20が接続される検出用回路30と、を備えている。加えて、圧力センサー1は、基板40の一方の面40a側に、平面視でダイアフラム10と重なる空洞の圧力基準室Sを備えている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the pressure sensor 1 of the first embodiment includes a substrate 40 and a cavity layer 50 that covers the one surface 40 a side of the substrate 40, and the planar shape is substantially rectangular. Thus, it has a substantially rectangular parallelepiped shape.
The pressure sensor 1 is disposed on the one surface 40a side of the substrate 40, and the piezoresistive element 20 as a strain detection element that receives a strain and outputs a signal, and the one surface 40a of the substrate 40 are front-back relations. The first recess 41 provided on the other surface 40b side including a range overlapping the piezoresistive element 20 in plan view, and a range overlapping the piezoresistive element 20 in plan view at the bottom of the first recess 41 And a second recess 42 provided to include at least a part (all in this case).
The pressure sensor 1 further includes a diaphragm 10 provided at the bottom of the second recess 42 and a detection circuit 30 to which the piezoresistive element 20 is connected. In addition, the pressure sensor 1 includes a hollow pressure reference chamber S that overlaps the diaphragm 10 in plan view on the one surface 40 a side of the substrate 40.

圧力基準室Sは、空洞部層50の内部にあって、空間形状が略直方体状に形成されており、平面視で略矩形状の底部に、一回り小さい略矩形状の輪郭を有するダイアフラム10が設けられていることになる。
圧力基準室Sは、周囲が封止されて真空状態(例えば、10Pa以下の真空度)になっている。これにより、圧力基準室Sは、圧力センサー1が検出する圧力の基準となり、圧力センサー1は絶対圧センサーとして機能する。
なお、圧力基準室Sは、真空状態でなくてもよく、例えば、窒素、アルゴン、ヘリウムなどの不活性ガスが充填された大気圧状態でもよい。
The pressure reference chamber S is inside the cavity layer 50 and has a substantially rectangular parallelepiped shape. The diaphragm 10 has a substantially rectangular outline that is slightly smaller at the bottom of the substantially rectangular shape in plan view. Will be provided.
The pressure reference chamber S is sealed in a vacuum state (for example, a degree of vacuum of 10 Pa or less). Thereby, the pressure reference chamber S becomes a reference of the pressure detected by the pressure sensor 1, and the pressure sensor 1 functions as an absolute pressure sensor.
Note that the pressure reference chamber S may not be in a vacuum state, and may be in an atmospheric pressure state filled with an inert gas such as nitrogen, argon, or helium, for example.

圧力基準室Sは、例えば、半導体製造プロセスを用いて、基板40の一方の面40a側に絶縁膜(パッシベーション膜)46を成膜後、酸化膜層51などからなる犠牲層51’を順次堆積させ、犠牲層51’を取り囲み、更に上から覆うように金属層52を順次堆積させた後、犠牲層51’を覆っている金属層52に複数の貫通孔53を設け、この貫通孔53から犠牲層51’を選択的にリリースエッチングした後、貫通孔53を封止層54で封止するなどして空洞部層50の内部に設けられている。(ここでは、便宜的に、圧力基準室S内を犠牲層51’として示している。)   In the pressure reference chamber S, for example, an insulating film (passivation film) 46 is formed on the one surface 40a side of the substrate 40 by using a semiconductor manufacturing process, and then a sacrificial layer 51 ′ composed of an oxide film layer 51 and the like is sequentially deposited. Then, the metal layer 52 is sequentially deposited so as to surround the sacrificial layer 51 ′ and cover the sacrificial layer 51 ′, and then a plurality of through holes 53 are provided in the metal layer 52 covering the sacrificial layer 51 ′. After the selective release etching of the sacrificial layer 51 ′, the through hole 53 is provided in the cavity layer 50 by sealing with the sealing layer 54. (Here, for convenience, the inside of the pressure reference chamber S is shown as a sacrificial layer 51 '.)

ダイアフラム10は、SOI基板(シリコン基板層とシリコン層との間に、SiO2(二酸化ケイ素、シリコン酸化膜ともいう)層が挿入された基板)や、シリコン基板などの半導体基板を用いた基板40の、他方の面40b側に第1凹部41を設け、更に第1凹部41の底部に第2凹部42を設けることにより、第2凹部42の底に形成されている。なお、第1凹部41及び第2凹部42は、平面視で略矩形状に形成されている。
ここでは、基板40にSOI基板を用い、シリコン基板層43を途中までエッチングすることにより第1凹部41が設けられ、第1凹部41の底部を更にSiO2層44に達するまでエッチングすることにより、第2凹部42が設けられている。
ここで、第2凹部42の深さH2は、第1凹部41の深さH1以下(H2≦H1)となっている。
The diaphragm 10 includes an SOI substrate (a substrate in which a SiO 2 (also referred to as silicon dioxide or silicon oxide film) layer is inserted between a silicon substrate layer and a silicon layer) or a substrate 40 using a semiconductor substrate such as a silicon substrate. The first recess 41 is provided on the other surface 40 b side, and the second recess 42 is provided at the bottom of the first recess 41, thereby forming the bottom of the second recess 42. In addition, the 1st recessed part 41 and the 2nd recessed part 42 are formed in the substantially rectangular shape by planar view.
Here, an SOI substrate is used as the substrate 40, and the first recess 41 is provided by etching the silicon substrate layer 43 halfway, and the bottom of the first recess 41 is further etched until the SiO 2 layer 44 is reached. A second recess 42 is provided.
Here, the depth H2 of the second recess 42 is equal to or less than the depth H1 of the first recess 41 (H2 ≦ H1).

ピエゾ抵抗素子20は、基板40のシリコン層45にリン、ボロンなどの不純物をドープ(拡散または注入)することにより、平面形状が略長方形状に形成されている。ピエゾ抵抗素子20は、加わる応力(ダイアフラム10の撓みによる歪み)に応じて抵抗値が直線的に変化する性質を有している。
ピエゾ抵抗素子20は、ダイアフラム10の略矩形状の輪郭の4つの辺のそれぞれに対応するように設けられている。(なお、便宜上、ピエゾ抵抗素子全体の説明には符号20を用い、個別説明には符号21〜24を用いる。)
The piezoresistive element 20 is formed in a substantially rectangular shape by doping (diffusing or implanting) impurities such as phosphorus and boron into the silicon layer 45 of the substrate 40. The piezoresistive element 20 has a property that the resistance value linearly changes in accordance with applied stress (distortion due to the deflection of the diaphragm 10).
The piezoresistive element 20 is provided so as to correspond to each of the four sides of the substantially rectangular outline of the diaphragm 10. (For convenience, the reference numeral 20 is used for the description of the entire piezoresistive element, and the reference numerals 21 to 24 are used for the individual description.)

ピエゾ抵抗素子21〜24は、ダイアフラム10の内側で、輪郭の各辺11〜14の直近に配置されている。
詳述すると、ダイアフラム10の辺11に対しては、ピエゾ抵抗素子21が長手方向を辺11に沿わせて辺11の中心近傍に配置され、辺11に対向する辺12に対しては、ピエゾ抵抗素子22が長手方向を辺12に沿わせて辺12の中心近傍に配置されている。
また、ダイアフラム10の辺11に隣り合う辺13に対しては、ピエゾ抵抗素子23が長手方向を辺13と直交する方向に沿わせて辺13の中心近傍に配置され、辺13に対向する辺14に対しては、ピエゾ抵抗素子24が長手方向を辺14と直交する方向に沿わせて辺14の中心近傍に配置されている。
つまり、ピエゾ抵抗素子21〜24は、長手方向が全て同じ方向になるように配置されている。なお、ピエゾ抵抗素子21〜24を接続する配線類は、省略してある。なお、ピエゾ抵抗素子21〜24は、それぞれ複数個が直列接続されている群形態としてもよい。
The piezoresistive elements 21 to 24 are disposed inside the diaphragm 10 and in the immediate vicinity of the sides 11 to 14 of the contour.
More specifically, for the side 11 of the diaphragm 10, a piezoresistive element 21 is arranged in the vicinity of the center of the side 11 with the longitudinal direction extending along the side 11, and for the side 12 facing the side 11, the piezoresistive element 21. The resistance element 22 is arranged in the vicinity of the center of the side 12 along the side 12 in the longitudinal direction.
For the side 13 adjacent to the side 11 of the diaphragm 10, a piezoresistive element 23 is arranged near the center of the side 13 along the direction perpendicular to the side 13, and the side facing the side 13. 14, a piezoresistive element 24 is arranged in the vicinity of the center of the side 14 with its longitudinal direction being along the direction orthogonal to the side 14.
That is, the piezoresistive elements 21 to 24 are arranged so that their longitudinal directions are all the same. Note that wirings for connecting the piezoresistive elements 21 to 24 are omitted. Note that a plurality of piezoresistive elements 21 to 24 may be grouped in series.

図2に示すように、ピエゾ抵抗素子21〜24は、検出用回路30に接続され、ブリッジ回路(ホイートストンブリッジ回路)を構成している。
ピエゾ抵抗素子21〜24は、互いに抵抗値が等しくなるように構成されている。
圧力センサー1は、ピエゾ抵抗素子23とピエゾ抵抗素子22との接続部に、駆動回路(図示せず)から駆動電圧(AVDC)が供給されるとともに、ピエゾ抵抗素子21とピエゾ抵抗素子24との接続部が接地(アース)されている。
これにより、圧力センサー1は、ピエゾ抵抗素子21とピエゾ抵抗素子23との接続部31、及びピエゾ抵抗素子22とピエゾ抵抗素子24との接続部32に、検出用回路30における中点電位が出力される。
As shown in FIG. 2, the piezoresistive elements 21 to 24 are connected to the detection circuit 30 and constitute a bridge circuit (Wheatstone bridge circuit).
The piezoresistive elements 21 to 24 are configured to have the same resistance value.
In the pressure sensor 1, a drive voltage (AVDC) is supplied from a drive circuit (not shown) to a connection portion between the piezoresistive element 23 and the piezoresistive element 22, and the piezoresistive element 21 and the piezoresistive element 24 are connected to each other. The connection is grounded.
Thus, the pressure sensor 1 outputs the midpoint potential in the detection circuit 30 to the connection part 31 between the piezoresistive element 21 and the piezoresistive element 23 and the connection part 32 between the piezoresistive element 22 and the piezoresistive element 24. Is done.

ここで、圧力センサー1の動作について説明する。
図2に示すように、圧力センサー1は、圧力が印加されることに伴うダイアフラム10の撓み(変形)によるピエゾ抵抗素子21〜24の抵抗値の変化によって生じる接続部31−32間の電位差から圧力値を導出する。
なお、ピエゾ抵抗素子21,22は、ダイアフラム10が撓むことにより、長手方向が圧縮されて抵抗値が小さくなるように設定され、ピエゾ抵抗素子23,24は、ダイアフラム10が撓むことにより、長手方向が伸長されて抵抗値が大きくなるように設定されている。
Here, the operation of the pressure sensor 1 will be described.
As shown in FIG. 2, the pressure sensor 1 is based on a potential difference between the connection portions 31-32 caused by a change in the resistance value of the piezoresistive elements 21 to 24 due to the deflection (deformation) of the diaphragm 10 when pressure is applied. The pressure value is derived.
The piezoresistive elements 21 and 22 are set so that the longitudinal direction is compressed and the resistance value is reduced by the diaphragm 10 being bent, and the piezoresistive elements 23 and 24 are set by the diaphragm 10 being bent. The longitudinal direction is extended so that the resistance value is increased.

圧力センサー1は、圧力が印加されない状態では、ダイアフラム10が撓まないことから、ピエゾ抵抗素子21〜24の抵抗値に変化はなく、互いに等しいままである。
これにより、圧力センサー1は、接続部31−32間の電位差が0となり、導出される圧力値は0となる。
In the pressure sensor 1, the diaphragm 10 does not bend in a state where no pressure is applied, so that the resistance values of the piezoresistive elements 21 to 24 are not changed and remain equal to each other.
As a result, in the pressure sensor 1, the potential difference between the connecting portions 31-32 becomes 0, and the derived pressure value becomes 0.

圧力センサー1は、外部から圧力が印加されると、ダイアフラム10が、例えば、圧力基準室S側に撓むことから、ピエゾ抵抗素子21,22の抵抗値が小さくなり、ピエゾ抵抗素子23,24の抵抗値が大きくなる。
これにより、圧力センサー1は、接続部31,32の中点電位が変化し、接続部31−32間に電位差が生じることから、この電位差に応じた圧力値がルックアップテーブルなどに基づいて導出される。
なお、ダイアフラム10が撓む際に生じる応力は、輪郭に近いほど大きいことが知られている。このことから、ピエゾ抵抗素子20は、圧力の検出感度を向上させる(換言すれば、抵抗値の変化を大きくする)べく、ダイアフラム10の輪郭の内側の直近に配置されていることが好ましい。
When pressure is applied from the outside to the pressure sensor 1, the diaphragm 10 bends, for example, toward the pressure reference chamber S, so that the resistance values of the piezoresistive elements 21 and 22 become small, and the piezoresistive elements 23 and 24. The resistance value increases.
As a result, in the pressure sensor 1, the midpoint potential of the connecting portions 31 and 32 changes, and a potential difference is generated between the connecting portions 31 and 32. Therefore, a pressure value corresponding to the potential difference is derived based on a lookup table or the like. Is done.
In addition, it is known that the stress produced when the diaphragm 10 bends is so large that it is close to the outline. From this, it is preferable that the piezoresistive element 20 is disposed immediately inside the contour of the diaphragm 10 in order to improve the pressure detection sensitivity (in other words, increase the change in the resistance value).

次に、圧力センサー1の製造方法の一例について説明する。
図3は、第1実施形態の圧力センサーの製造方法の主要な製造工程を示すフローチャートであり、図4(a)〜(d)、図5(e)〜(h)は、主要な製造工程を順に説明する模式断面図である。なお、各図の断面位置は、図1(b)と同様である。
Next, an example of the manufacturing method of the pressure sensor 1 will be described.
FIG. 3 is a flowchart showing main manufacturing steps of the pressure sensor manufacturing method according to the first embodiment, and FIGS. 4A to 4D and FIGS. 5E to 5H show the main manufacturing steps. It is a schematic cross section explaining these in order. In addition, the cross-sectional position of each figure is the same as that of FIG.1 (b).

図3に示すように、圧力センサー1の製造方法は、基板準備工程と、基板厚調整工程と、圧力基準室形成工程と、第1エッチング工程と、第2エッチング工程と、を含んでいる。圧力センサー1は、例えば、半導体製造プロセスなどを用いて製造されている。   As shown in FIG. 3, the manufacturing method of the pressure sensor 1 includes a substrate preparation step, a substrate thickness adjustment step, a pressure reference chamber formation step, a first etching step, and a second etching step. The pressure sensor 1 is manufactured using, for example, a semiconductor manufacturing process.

[基板準備工程]
まず、図4(a)に示すように、ウエハー状の基板40の一方の面40a側のシリコン層45の所定の位置に、リン、ボロンなどの不純物をドープすることにより、平面形状が略長方形状のピエゾ抵抗素子20(21〜24)を形成する。
これにより、一方の面40a側に、歪みを受けて信号を出力する歪み検出素子としてのピエゾ抵抗素子20が配置されている基板40を準備したことになる。
[Board preparation process]
First, as shown in FIG. 4A, by doping impurities such as phosphorus and boron into a predetermined position of the silicon layer 45 on the one surface 40a side of the wafer-like substrate 40, the planar shape is substantially rectangular. A piezoresistive element 20 (21 to 24) is formed.
Thus, the substrate 40 on which the piezoresistive element 20 as a strain detecting element that receives a strain and outputs a signal is arranged on one surface 40a side is prepared.

[基板厚調整工程]
ついで、図4(b)に示すように、バックグラインド法などを用いて、基板40の他方の面40b側を削り、ウエハー状であって十分な強度を確保するべく比較的厚く形成されている基板40の厚み(例えば、700μm程度)を、所望の厚み(例えば、150μm〜400μm程度)まで薄くする。
[Substrate thickness adjustment process]
Next, as shown in FIG. 4B, the other surface 40b side of the substrate 40 is shaved by using a back grinding method or the like, and is formed in a wafer shape and relatively thick so as to ensure sufficient strength. The thickness of the substrate 40 (for example, about 700 μm) is reduced to a desired thickness (for example, about 150 μm to 400 μm).

[圧力基準室形成工程]
ついで、図4(c)に示すように、基板40の一方の面40a側に、Si34(窒化ケイ素、シリコンナイトライドともいう)などからなる絶縁膜46を成膜後、CVD法などを用いて酸化膜(例えば、SiO2膜)層51などからなる犠牲層51’を順次堆積させ、犠牲層51’を取り囲み、更に上から覆うようにスパッタリング法などを用いて金属層(配線層)52を順次堆積させる(通常、犠牲層51’の堆積及び金属層52の堆積は、複数層に分けて交互に行う)。
ついで、犠牲層51’を覆っている金属層52に複数の貫通孔53を設け、この貫通孔53から犠牲層51’をドライエッチングまたはウエットエッチングにより選択的にリリースエッチングした後、真空中(例えば、10Pa以下の真空度)で、貫通孔53をスパッタリング法などを用いて封止層54で封止することにより、空洞部層50の内部に圧力基準室Sを形成する。
なお、圧力基準室S内は、真空状態でなくてもよく、例えば、窒素、アルゴン、ヘリウムなどの不活性ガスが充填された大気圧状態でもよい。
[Pressure reference chamber formation process]
Next, as shown in FIG. 4C, an insulating film 46 made of Si 3 N 4 (also referred to as silicon nitride or silicon nitride) or the like is formed on one surface 40a side of the substrate 40, followed by CVD or the like. A sacrificial layer 51 ′ composed of an oxide film (for example, SiO 2 film) layer 51 or the like is sequentially deposited by using a metal layer (wiring layer) using a sputtering method or the like so as to surround the sacrificial layer 51 ′ and further cover from above. ) 52 are sequentially deposited (usually, the deposition of the sacrificial layer 51 ′ and the deposition of the metal layer 52 are alternately performed in a plurality of layers).
Next, a plurality of through holes 53 are provided in the metal layer 52 covering the sacrificial layer 51 ′, and the sacrificial layer 51 ′ is selectively release etched from the through holes 53 by dry etching or wet etching, and then in vacuum (for example, The pressure reference chamber S is formed inside the cavity layer 50 by sealing the through-hole 53 with the sealing layer 54 using a sputtering method or the like at a degree of vacuum of 10 Pa or less.
The pressure reference chamber S may not be in a vacuum state, and may be in an atmospheric pressure state filled with an inert gas such as nitrogen, argon, or helium.

[第1エッチング工程]
ついで、図4(d)に示すように、スピンコーティング法などを用いて基板40の他方の面40bにレジスト401を塗布し、フォトリソグラフィー法などを用いてレジスト401を、第1凹部41(図1参照)の平面形状に合わせてパターニングする。
ついで、図5(e)に示すように、Boschプロセス(c−C48(八フッ化シクロブタン)ガスで保護膜を形成するステップと、SF6(六フッ化硫黄)ガスでエッチングするステップとを交互に繰り返すプロセス)を用いたドライエッチングにより、基板40の他方の面40b側からシリコン基板層43を途中までエッチングし、第1凹部41を形成する。このとき、平面視でピエゾ抵抗素子20と重なる範囲を含んでエッチングする。
また、第1凹部41の深さH1は、シリコン基板層43の厚みtの半分以上(H1≧(t/2))とする。
[First etching step]
Next, as shown in FIG. 4D, a resist 401 is applied to the other surface 40b of the substrate 40 using a spin coating method or the like, and the resist 401 is applied to the first recess 41 (see FIG. 4) using a photolithography method or the like. 1), patterning is performed according to the planar shape.
Next, as shown in FIG. 5 (e), a step of forming a protective film with a Bosch process (c-C 4 F 8 (cyclobutane octafluoride) gas) and a step of etching with SF 6 (sulfur hexafluoride) gas The silicon substrate layer 43 is etched partway from the other surface 40b side of the substrate 40 by dry etching using a process in which the first recess 41 is formed. At this time, the etching is performed including a range overlapping with the piezoresistive element 20 in plan view.
The depth H1 of the first recess 41 is at least half the thickness t of the silicon substrate layer 43 (H1 ≧ (t / 2)).

なお、ここでのエッチングは、例えば、KOH(水酸化カリウム)水溶液、TMAH(テトラメチルアンモニアハイドロオキサイド)水溶液、EDP(エチレンジアミンピロカテコール)水溶液などのアルカリ性エッチング液を用いたウエットエッチングとしてもよい。   The etching here may be wet etching using an alkaline etching solution such as a KOH (potassium hydroxide) aqueous solution, a TMAH (tetramethylammonium hydroxide) aqueous solution, or an EDP (ethylenediamine pyrocatechol) aqueous solution.

[第2エッチング工程]
ついで、図5(f)に示すように、レジスト401を剥離した後、CVD法などを用いて基板40の他方の面40b及び第1凹部41にレジスト402を成膜し、フォトリソグラフィー法などを用いてレジスト402を、第2凹部42(図1参照)の平面形状に合わせてパターニングする。
ついで、図5(g)に示すように、Boschプロセスを用いたドライエッチングにより、第1凹部41の底部をSiO2層44に達するまでエッチングし、第2凹部42を形成する。このとき、平面視でピエゾ抵抗素子20と重なる範囲の少なくとも一部(ここでは全部)を含んでエッチングする。
これにより、第2凹部42の底にダイアフラム10が形成されたことになる。換言すれば、底にダイアフラム10を有する第2凹部42を形成したことになる。
この際、第2凹部42の深さH2は、第1凹部41の深さH1以下(H2≦H1)となっている。
ついで、図5(h)に示すように、剥離剤などを用いてレジスト402を剥離する。
以上の工程などを経ることにより、図1に示す圧力センサー1を得る。
[Second etching step]
Next, as shown in FIG. 5F, after the resist 401 is peeled off, a resist 402 is formed on the other surface 40b of the substrate 40 and the first recess 41 using a CVD method or the like, and a photolithography method or the like is performed. Then, the resist 402 is patterned in accordance with the planar shape of the second recess 42 (see FIG. 1).
Next, as shown in FIG. 5G, the bottom of the first recess 41 is etched until it reaches the SiO 2 layer 44 by dry etching using the Bosch process, thereby forming the second recess 42. At this time, the etching is performed so as to include at least part (here, all) of the range overlapping with the piezoresistive element 20 in plan view.
As a result, the diaphragm 10 is formed at the bottom of the second recess 42. In other words, the second recess 42 having the diaphragm 10 at the bottom is formed.
At this time, the depth H2 of the second recess 42 is equal to or less than the depth H1 of the first recess 41 (H2 ≦ H1).
Next, as shown in FIG. 5H, the resist 402 is stripped using a stripping agent or the like.
Through the above steps, the pressure sensor 1 shown in FIG. 1 is obtained.

上述したように、第1実施形態の圧力センサー1の製造方法は、一方の面40a側にピエゾ抵抗素子20を有する基板40を、他方の面40b側からピエゾ抵抗素子20と重なる範囲を含んでエッチングして第1凹部41を形成し、第1凹部41の底部を、ピエゾ抵抗素子20と重なる範囲の少なくとも一部(ここでは全部)を含んでドライエッチングして底にダイアフラム10を有する第2凹部42を形成し、第2凹部42の深さH2が第1凹部41の深さH1以下(H2≦H1)である。
これにより、圧力センサー1の製造方法は、底にダイアフラム10を有する第2凹部42の深さH2が第1凹部41の深さH1以下であることから、従来(例えば、特許文献1)と比較して、ピエゾ抵抗素子20とダイアフラム10の輪郭との相対位置のずれを小さくすることができる。
As described above, the manufacturing method of the pressure sensor 1 of the first embodiment includes the range in which the substrate 40 having the piezoresistive element 20 on the one surface 40a side overlaps the piezoresistive element 20 from the other surface 40b side. The first recess 41 is formed by etching, and the bottom of the first recess 41 is dry-etched to include at least a part (here, all) of the range overlapping with the piezoresistive element 20. The recess 42 is formed, and the depth H2 of the second recess 42 is equal to or less than the depth H1 of the first recess 41 (H2 ≦ H1).
Thereby, the manufacturing method of the pressure sensor 1 is compared with the conventional method (for example, Patent Document 1) because the depth H2 of the second recess 42 having the diaphragm 10 at the bottom is equal to or less than the depth H1 of the first recess 41. Thus, the displacement of the relative position between the piezoresistive element 20 and the outline of the diaphragm 10 can be reduced.

詳述すると、例えば、基板40が紙面下向きに反っていた場合(開いた傘のように反っていた場合)には、図6の圧力センサーの模式要部断面図に示すように、ドライエッチングで形成された第2凹部42の側壁が、SiO2層44に対して直角ではなく傾斜して形成されることになる。
ここで、第2凹部42の深さH2は、第1凹部41の深さH1以下(H2≦H1)であることから、第2凹部42の底におけるダイアフラム10の本来の輪郭の位置P0に対する実際の輪郭の位置P1のずれは、第2凹部42の深さH2’が第1凹部41の深さH1’を超えている(H2’>H1’)場合における、ダイアフラム10の本来の輪郭の位置P0に対する仮想の輪郭の位置P2のずれと比較して、小さくなる。
この結果、圧力センサー1の製造方法は、ダイアフラム10の輪郭とピエゾ抵抗素子20との相対位置のずれが小さく、ピエゾ抵抗素子20によるダイアフラム10の変形(歪み)の検出感度が向上した物理量センサーを製造し、提供することができる。
More specifically, for example, when the substrate 40 is warped downward (when it is warped like an open umbrella), as shown in the schematic cross-sectional view of the main part of the pressure sensor in FIG. The side wall of the formed second recess 42 is inclined with respect to the SiO 2 layer 44 rather than at a right angle.
Here, since the depth H2 of the second recess 42 is equal to or less than the depth H1 of the first recess 41 (H2 ≦ H1), the actual contour position P0 of the diaphragm 10 at the bottom of the second recess 42 is actually measured. The displacement of the contour position P1 is the original contour position of the diaphragm 10 when the depth H2 ′ of the second recess 42 exceeds the depth H1 ′ of the first recess 41 (H2 ′> H1 ′). This is smaller than the deviation of the position P2 of the virtual contour with respect to P0.
As a result, the manufacturing method of the pressure sensor 1 is a physical quantity sensor in which the displacement of the relative position between the contour of the diaphragm 10 and the piezoresistive element 20 is small and the detection sensitivity of deformation (distortion) of the diaphragm 10 by the piezoresistive element 20 is improved. Can be manufactured and provided.

また、圧力センサー1の製造方法は、第2凹部42をドライエッチングで形成することから、ウエットエッチングよりもエッチング時の非エッチング領域への回り込みが少なく、第2凹部42の形状を精度よく形成することができる。   Moreover, since the manufacturing method of the pressure sensor 1 forms the 2nd recessed part 42 by dry etching, there is less wraparound to the non-etching area | region at the time of etching than wet etching, and forms the shape of the 2nd recessed part 42 accurately. be able to.

また、圧力センサー1の製造方法は、第1エッチング工程の前に、基板40の厚みを薄くする基板厚調整工程を含むことから、この工程を含まない場合よりも第1エッチング工程及び第2エッチング工程の作業時間を短縮することができる。
これにより、圧力センサー1の製造方法は、生産性を向上させることができる。
Moreover, since the manufacturing method of the pressure sensor 1 includes the substrate thickness adjusting step of reducing the thickness of the substrate 40 before the first etching step, the first etching step and the second etching are performed as compared with the case where this step is not included. The working time of the process can be shortened.
Thereby, the manufacturing method of the pressure sensor 1 can improve productivity.

また、圧力センサー1の製造方法は、第1エッチング工程の前に、基板40の一方の面40a側に、平面視でダイアフラム10と重なる空洞の圧力基準室Sを形成する圧力基準室形成工程を更に含む。
これにより、圧力センサー1の製造方法は、受圧したダイアフラム10の歪みから、圧力基準室Sを基準にした圧力検出が可能な物理量センサーを製造し、提供することができる。
In addition, the manufacturing method of the pressure sensor 1 includes a pressure reference chamber forming step of forming a hollow pressure reference chamber S that overlaps the diaphragm 10 in plan view on the one surface 40a side of the substrate 40 before the first etching step. In addition.
Thereby, the manufacturing method of the pressure sensor 1 can manufacture and provide a physical quantity sensor capable of detecting pressure based on the pressure reference chamber S from the strain of the diaphragm 10 that has received pressure.

また、圧力センサー1の製造方法は、物理量センサーが、圧力検出機能を有する圧力センサーであることから、ピエゾ抵抗素子20による受圧したダイアフラム10の変形(歪み)の検出感度が向上した、物理量センサーとしての圧力センサー1を製造し、提供することができる。   In addition, since the physical quantity sensor is a pressure sensor having a pressure detection function, the pressure sensor 1 is manufactured as a physical quantity sensor with improved detection sensitivity of deformation (distortion) of the diaphragm 10 received by the piezoresistive element 20. The pressure sensor 1 can be manufactured and provided.

なお、生産性などに支障がなければ、基板厚調整工程は省いてもよい。また、基板40の一方の面40a側と他方の面40b側との差圧を検出する場合には、圧力基準室形成工程は不要となる。
なお、圧力センサー1の第1凹部41及び第2凹部42の平面形状は、いずれか一方または両方が略円形状であってもよい。
Note that the substrate thickness adjustment step may be omitted if there is no problem with productivity. Further, when detecting the differential pressure between the one surface 40a side and the other surface 40b side of the substrate 40, the pressure reference chamber forming step is not necessary.
In addition, as for the planar shape of the 1st recessed part 41 and the 2nd recessed part 42 of the pressure sensor 1, either one or both may be substantially circular shape.

(第2実施形態)
次に、物理量センサーの他の一例として圧力検出機能を有する他の圧力センサーの構成について説明する。
図7は、第2実施形態の圧力センサーの概略構成を示す模式図であり、図7(a)は、模式平面図、図7(b)は、図7(a)のA−A線での模式断面図である。なお、第1実施形態との共通部分については、詳細な説明は省略し、第1実施形態と異なる部分を中心に説明する。
(Second Embodiment)
Next, the configuration of another pressure sensor having a pressure detection function will be described as another example of the physical quantity sensor.
FIG. 7 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the pressure sensor according to the second embodiment. FIG. 7A is a schematic plan view, and FIG. 7B is a line AA in FIG. FIG. Note that a detailed description of portions common to the first embodiment will be omitted, and portions different from the first embodiment will be mainly described.

図7に示すように、第2実施形態の圧力センサー2は、圧力基準室Sが基板40の他方の面40b側に設けられている。
圧力センサー2の圧力基準室Sは、基板40の他方の面40b側に第1凹部41、第2凹部42を形成した後、ガラス板、シリコン基板などからなるベース基板60を基板40の他方の面40b側に接合することにより設けられている。
圧力基準室Sは、周囲が封止されて真空状態(例えば、10Pa以下の真空度)になっている。これにより、圧力基準室Sは、圧力センサー2が検出する圧力の基準となり、圧力センサー2は絶対圧センサーとして機能する。
As shown in FIG. 7, in the pressure sensor 2 of the second embodiment, the pressure reference chamber S is provided on the other surface 40 b side of the substrate 40.
In the pressure reference chamber S of the pressure sensor 2, the first recess 41 and the second recess 42 are formed on the other surface 40 b side of the substrate 40, and then the base substrate 60 made of a glass plate, a silicon substrate or the like is used as the other substrate 40. It is provided by bonding to the surface 40b side.
The pressure reference chamber S is sealed in a vacuum state (for example, a degree of vacuum of 10 Pa or less). Thereby, the pressure reference chamber S becomes a reference of the pressure detected by the pressure sensor 2, and the pressure sensor 2 functions as an absolute pressure sensor.

なお、圧力基準室Sは、真空状態でなくてもよく、例えば、窒素、アルゴン、ヘリウムなどの不活性ガスが充填された大気圧状態でもよい。
なお、圧力センサー2は、基板40の一方の面40aに、ピエゾ抵抗素子20を保護する絶縁膜46(図1参照)が設けられていてもよい。
圧力センサー2の動作については、第1実施形態と同様なので説明は省略する。
Note that the pressure reference chamber S may not be in a vacuum state, and may be in an atmospheric pressure state filled with an inert gas such as nitrogen, argon, or helium, for example.
In the pressure sensor 2, an insulating film 46 (see FIG. 1) that protects the piezoresistive element 20 may be provided on one surface 40 a of the substrate 40.
Since the operation of the pressure sensor 2 is the same as that of the first embodiment, the description thereof is omitted.

次に、圧力センサー2の製造方法の一例について説明する。
図8は、第2実施形態の圧力センサーの製造方法の主要な製造工程を示すフローチャートであり、図9(a)〜(d)、図10(e)〜(h)、は、主要な製造工程を順に説明する模式断面図である。なお、各図の断面位置は、図7(b)と同様である。
Next, an example of a manufacturing method of the pressure sensor 2 will be described.
FIG. 8 is a flowchart showing main manufacturing steps of the pressure sensor manufacturing method according to the second embodiment. FIGS. 9A to 9D and FIGS. 10E to 10H are the main manufacturing steps. It is a schematic cross section explaining a process in order. In addition, the cross-sectional position of each figure is the same as that of FIG.7 (b).

図8に示すように、圧力センサー2の製造方法は、基板準備工程と、基板厚調整工程と、第1エッチング工程と、第2エッチング工程と、圧力基準室形成工程と、を含んでいる。圧力センサー2は、例えば、半導体製造プロセスなどを用いて製造されている。   As shown in FIG. 8, the manufacturing method of the pressure sensor 2 includes a substrate preparation step, a substrate thickness adjustment step, a first etching step, a second etching step, and a pressure reference chamber forming step. The pressure sensor 2 is manufactured using, for example, a semiconductor manufacturing process.

[基板準備工程]
まず、図9(a)に示すように、ウエハー状の基板40の一方の面40a側のシリコン層45の所定の位置に、リン、ボロンなどの不純物をドープすることにより、平面形状が略長方形状のピエゾ抵抗素子20(21〜24)を形成する。
これにより、一方の面40a側に、歪みを受けて信号を出力する歪み検出素子としてのピエゾ抵抗素子20が配置されている基板40を準備したことになる。
なお、ピエゾ抵抗素子20形成後、基板40の一方の面40aに、絶縁膜46(図1参照)を成膜してもよい。
[Board preparation process]
First, as shown in FIG. 9A, by doping impurities such as phosphorus and boron into a predetermined position of the silicon layer 45 on the one surface 40a side of the wafer-like substrate 40, the planar shape is substantially rectangular. A piezoresistive element 20 (21 to 24) is formed.
Thus, the substrate 40 on which the piezoresistive element 20 as a strain detecting element that receives a strain and outputs a signal is arranged on one surface 40a side is prepared.
Note that an insulating film 46 (see FIG. 1) may be formed on one surface 40 a of the substrate 40 after the piezoresistive element 20 is formed.

[基板厚調整工程]
ついで、図9(b)に示すように、バックグラインド法などを用いて、基板40の他方の面40b側を削り、ウエハー状であって十分な強度を確保するべく比較的厚く形成されている基板40の厚みを、所望の厚みまで薄くする。
[Substrate thickness adjustment process]
Next, as shown in FIG. 9B, the other surface 40b side of the substrate 40 is shaved using a back grind method or the like, and is formed in a wafer shape and relatively thick to ensure sufficient strength. The thickness of the substrate 40 is reduced to a desired thickness.

[第1エッチング工程]
ついで、図9(c)に示すように、スピンコーティング法などを用いて基板40の他方の面40bにレジスト401を塗布し、フォトリソグラフィー法などを用いてレジスト401を、第1凹部41(図7参照)の平面形状に合わせてパターニングする。
ついで、図9(d)に示すように、Boschプロセスを用いたドライエッチングにより、基板40の他方の面40b側からシリコン基板層43を途中までエッチングし、第1凹部41を形成する。このとき、平面視でピエゾ抵抗素子20と重なる範囲を含んでエッチングする。
また、第1凹部41の深さH1は、シリコン基板層43の厚みtの半分以上(H1≧(t/2))とする。
なお、ここでのエッチングは、例えば、KOH水溶液、TMAH水溶液、EDP水溶液などのアルカリ性エッチング液を用いたウエットエッチングとしてもよい。
[First etching step]
Next, as shown in FIG. 9C, a resist 401 is applied to the other surface 40b of the substrate 40 using a spin coating method or the like, and the resist 401 is applied to the first recess 41 (see FIG. 9) using a photolithography method or the like. 7), patterning is performed according to the planar shape.
Next, as shown in FIG. 9D, the silicon substrate layer 43 is etched partway from the other surface 40b side of the substrate 40 by dry etching using the Bosch process, and the first recess 41 is formed. At this time, the etching is performed including a range overlapping with the piezoresistive element 20 in plan view.
The depth H1 of the first recess 41 is at least half the thickness t of the silicon substrate layer 43 (H1 ≧ (t / 2)).
Note that the etching here may be wet etching using an alkaline etching solution such as a KOH aqueous solution, a TMAH aqueous solution, or an EDP aqueous solution.

[第2エッチング工程]
ついで、図10(e)に示すように、レジスト401を剥離した後、CVD法などを用いて基板40の他方の面40b及び第1凹部41にレジスト402を成膜し、フォトリソグラフィー法などを用いてレジスト402を、第2凹部42(図7参照)の平面形状に合わせてパターニングする。
このとき、レジスト形成ステップとして、基板40の一方の面40a側に設けられているパターンを基準にして、マスク(露光用マスク)403の位置決めを行う。なお、パターンとしては、ピエゾ抵抗素子20を用いることが好ましい。
具体的には、例えば、位置合わせカメラB,Cでピエゾ抵抗素子21,22を認識し、位置合わせカメラB’,C’でマスク403の位置合わせマーク403b,403cを認識し、位置合わせカメラB−B’間及び位置合わせカメラC−C’間が所定の位置関係になるように、基板40とマスク403との位置合わせ(位置決め)を行う。
[Second etching step]
Next, as shown in FIG. 10E, after the resist 401 is removed, a resist 402 is formed on the other surface 40b of the substrate 40 and the first recess 41 using a CVD method or the like, and a photolithography method or the like is performed. Then, the resist 402 is patterned in accordance with the planar shape of the second recess 42 (see FIG. 7).
At this time, as a resist formation step, the mask (exposure mask) 403 is positioned with reference to the pattern provided on the one surface 40 a side of the substrate 40. Note that the piezoresistive element 20 is preferably used as the pattern.
Specifically, for example, the alignment cameras B and C recognize the piezoresistive elements 21 and 22, the alignment cameras B ′ and C ′ recognize the alignment marks 403b and 403c of the mask 403, and the alignment camera B Position alignment (positioning) between the substrate 40 and the mask 403 is performed so that a predetermined positional relationship is established between −B ′ and the alignment camera CC ′.

ついで、図10(f)に示すように、Boschプロセスを用いたドライエッチングにより、第1凹部41の底部をSiO2層44に達するまでエッチングし、第2凹部42を形成する。このとき、平面視でピエゾ抵抗素子20と重なる範囲の少なくとも一部(ここでは全部)を含んでエッチングする。
これにより、第2凹部42の底にダイアフラム10が形成されたことになる。換言すれば、底にダイアフラム10を有する第2凹部42を形成したことになる。
この際、第2凹部42の深さH2は、第1凹部41の深さH1以下(H2≦H1)となっている。
ついで、図10(g)に示すように、剥離剤などを用いてレジスト402を剥離する。
Next, as shown in FIG. 10 (f), the bottom of the first recess 41 is etched until it reaches the SiO 2 layer 44 by dry etching using the Bosch process, thereby forming the second recess 42. At this time, the etching is performed so as to include at least part (here, all) of the range overlapping with the piezoresistive element 20 in plan view.
As a result, the diaphragm 10 is formed at the bottom of the second recess 42. In other words, the second recess 42 having the diaphragm 10 at the bottom is formed.
At this time, the depth H2 of the second recess 42 is equal to or less than the depth H1 of the first recess 41 (H2 ≦ H1).
Next, as shown in FIG. 10G, the resist 402 is stripped using a stripping agent or the like.

[圧力基準室形成工程]
ついで、図10(h)に示すように、真空中(例えば、10Pa以下の真空度)で、ガラス板、シリコン基板などからなるベース基板60を、基板40の他方の面40b側に接着剤などの接合部材を用いて接合することにより圧力基準室Sを形成する。
なお、ベース基板60にアルカリ金属イオン(可動イオン)を含むガラス(例えば、パイレックス(登録商標)のような硼珪酸ガラス)を使用すれば、ベース基板60と基板40(シリコン基板層43)とを、陽極接合法を用いて接合することができる。
なお、圧力基準室S内は、真空状態でなくてもよく、例えば、窒素、アルゴン、ヘリウムなどの不活性ガスが充填された大気圧状態でもよい。
以上の工程などを経ることにより、図7に示す圧力センサー2を得る。
[Pressure reference chamber formation process]
Next, as shown in FIG. 10H, a base substrate 60 made of a glass plate, a silicon substrate, or the like is attached to the other surface 40b side of the substrate 40 in a vacuum (for example, a degree of vacuum of 10 Pa or less). The pressure reference chamber S is formed by bonding using the bonding member.
If glass containing alkali metal ions (movable ions) (for example, borosilicate glass such as Pyrex (registered trademark)) is used for the base substrate 60, the base substrate 60 and the substrate 40 (silicon substrate layer 43) are bonded to each other. Bonding can be performed using an anodic bonding method.
The pressure reference chamber S may not be in a vacuum state, and may be in an atmospheric pressure state filled with an inert gas such as nitrogen, argon, or helium.
Through the above steps, the pressure sensor 2 shown in FIG. 7 is obtained.

上述したように、第2実施形態の圧力センサー2の製造方法は、第2エッチング工程において、ピエゾ抵抗素子20と同じ基板40の一方の面40a側に設けられているパターンを基準にして、マスク403の位置決めを行うレジスト形成ステップを含む。
このことから、圧力センサー2の製造方法は、基板40の他方の面40b側に設けられているパターンを基準にした場合よりも、ピエゾ抵抗素子20に対するレジスト402のパターニング精度が向上し、第2凹部42を高精度に形成することができる。
この結果、圧力センサー2の製造方法は、ピエゾ抵抗素子20とダイアフラム10の輪郭との相対位置のずれを更に小さくすることができる。
As described above, the manufacturing method of the pressure sensor 2 according to the second embodiment is based on the pattern provided on the one surface 40a side of the same substrate 40 as the piezoresistive element 20 in the second etching step. A resist forming step of positioning 403;
From this, the manufacturing method of the pressure sensor 2 improves the patterning accuracy of the resist 402 with respect to the piezoresistive element 20 as compared with the case where the pattern provided on the other surface 40b side of the substrate 40 is used as a reference. The recess 42 can be formed with high accuracy.
As a result, the manufacturing method of the pressure sensor 2 can further reduce the displacement of the relative position between the piezoresistive element 20 and the outline of the diaphragm 10.

また、圧力センサー2の製造方法は、上記パターンがピエゾ抵抗素子20の場合には、パターンとピエゾ抵抗素子20とが同一であることから、パターンとピエゾ抵抗素子20との相対位置のずれが「0」であり、レジスト形成ステップにおいて、マスク403の位置決めを更に正確に行うことができる。
この結果、圧力センサー2の製造方法は、ピエゾ抵抗素子20とダイアフラム10の輪郭との相対位置のずれを更に小さくすることができる。
Further, in the manufacturing method of the pressure sensor 2, when the pattern is the piezoresistive element 20, since the pattern and the piezoresistive element 20 are the same, the displacement of the relative position between the pattern and the piezoresistive element 20 is “ 0 ”, and the mask 403 can be positioned more accurately in the resist formation step.
As a result, the manufacturing method of the pressure sensor 2 can further reduce the displacement of the relative position between the piezoresistive element 20 and the outline of the diaphragm 10.

なお、圧力センサー2は、図11の第2実施形態の変形例の圧力センサーの概略構成を示す模式断面図に示すように、ベース基板60に圧力基準室Sに通じる貫通孔61を設け、圧力基準室Sを外部と連通させた構成としてもよい。
これによれば、圧力センサー2は、基板40の一方の面40a側に印加される圧力(白矢印)と、図示しない隔壁で一方の面40a側と分離(隔離)された他方の面40b側に印加される圧力(黒矢印)との差を検出する差圧センサーとして機能する。
なお、この場合には、圧力基準室形成工程は、大気中で行ってもよい。
The pressure sensor 2 is provided with a through-hole 61 communicating with the pressure reference chamber S in the base substrate 60 as shown in a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of a pressure sensor according to a modification of the second embodiment in FIG. The reference chamber S may be configured to communicate with the outside.
According to this, the pressure sensor 2 has a pressure (white arrow) applied to the one surface 40a side of the substrate 40 and the other surface 40b side separated (isolated) from the one surface 40a side by a partition (not shown). It functions as a differential pressure sensor that detects the difference from the pressure applied to (black arrow).
In this case, the pressure reference chamber forming step may be performed in the atmosphere.

なお、物理量センサーとしては、圧力センサーに限定されるものではなく、荷重センサー、加速度センサー、角速度センサーなどにも適用可能である。   Note that the physical quantity sensor is not limited to the pressure sensor, and can be applied to a load sensor, an acceleration sensor, an angular velocity sensor, and the like.

1,2…物理量センサーとしての圧力センサー、10…ダイアフラム、11,12,13,14…ダイアフラムの輪郭の辺、20,21,22,23,24…歪み検出素子としてのピエゾ抵抗素子、30…検出用回路、31,32…接続部、40…基板、40a…一方の面、40b…他方の面、41…第1凹部、42…第2凹部、43…シリコン基板層、44…SiO2層、45…シリコン層、46…絶縁膜、50…空洞部層、51…酸化膜層、51’…犠牲層、52…金属層、53…貫通孔、54…封止層、60…ベース基板、61…貫通孔、401,402…レジスト、403…マスク、403b,403c…位置合わせマーク、S…圧力基準室。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 2 ... Pressure sensor as physical quantity sensor, 10 ... Diaphragm, 11, 12, 13, 14 ... Edge of diaphragm outline, 20, 21, 22, 23, 24 ... Piezoresistive element as strain detection element, 30 ... detection circuit, 31 ... connecting unit, 40 ... substrate, 40a ... one surface, 40b ... other surface, 41 ... first concave portion, 42 ... second concave portion, 43 ... silicon substrate layer, 44 ... SiO 2 layer 45 ... Silicon layer 46 ... Insulating film 50 ... Cavity layer 51 ... Oxide film layer 51 '... Sacrificial layer 52 ... Metal layer 53 ... Through hole 54 ... Sealing layer 60 ... Base substrate 61 ... Through hole, 401, 402 ... resist, 403 ... mask, 403b, 403c ... alignment mark, S ... pressure reference chamber.

Claims (6)

一方の面側に、歪みを受けて信号を出力する歪み検出素子が配置されている基板を準備する工程と、
前記基板を、前記一方の面とは表裏の関係にある他方の面側から平面視で前記歪み検出素子と重なる範囲を含んでエッチングし、第1凹部を形成する第1エッチング工程と、
前記第1凹部の底部を、平面視で前記歪み検出素子と重なる範囲の少なくとも一部を含んでドライエッチングし、底にダイアフラムを有する第2凹部を形成する第2エッチング工程と、を含み、
前記第2凹部の深さは、前記第1凹部の深さ以下であることを特徴とする物理量センサーの製造方法。
Preparing a substrate on one surface side on which a strain detection element that receives a strain and outputs a signal is disposed;
Etching the substrate including a range overlapping the strain detection element in plan view from the other surface side that is in a front-back relationship with the one surface, and forming a first recess;
A second etching step of dry-etching the bottom of the first recess including at least a part of a range overlapping the strain detection element in plan view, and forming a second recess having a diaphragm on the bottom;
The depth of the 2nd crevice is below the depth of the 1st crevice, The manufacturing method of the physical quantity sensor characterized by the above-mentioned.
前記第2エッチング工程は、前記基板の前記一方の面側に設けられているパターンを基準にして、マスクの位置決めを行うレジスト形成ステップを含むことを特徴とする請求項1に記載の物理量センサーの製造方法。   2. The physical quantity sensor according to claim 1, wherein the second etching step includes a resist formation step of positioning a mask with reference to a pattern provided on the one surface side of the substrate. Production method. 前記パターンは、前記歪み検出素子であることを特徴とする請求項2に記載の物理量センサーの製造方法。   The method of manufacturing a physical quantity sensor according to claim 2, wherein the pattern is the strain detection element. 前記第1エッチング工程の前に、前記基板の厚みを薄くする工程を更に含むことを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の物理量センサーの製造方法。   The method of manufacturing a physical quantity sensor according to any one of claims 1 to 3, further comprising a step of reducing the thickness of the substrate before the first etching step. 前記第1エッチング工程の前に、前記基板の前記一方の面側に、平面視で前記ダイアフラムと重なる圧力基準室を形成する工程を更に含むことを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載の物理量センサーの製造方法。   5. The method according to claim 1, further comprising a step of forming a pressure reference chamber that overlaps the diaphragm in a plan view on the one surface side of the substrate before the first etching step. A method for producing a physical quantity sensor according to claim 1. 前記物理量センサーは、圧力検出機能を有する圧力センサーであることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか一項に記載の物理量センサーの製造方法。   The method of manufacturing a physical quantity sensor according to claim 1, wherein the physical quantity sensor is a pressure sensor having a pressure detection function.
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