JP4450548B2

JP4450548B2 - 力検知素子と力検知素子の製造方法

Info

Publication number: JP4450548B2
Application number: JP2002297125A
Authority: JP
Inventors: 健太朗水野; 厚志塚田; 二郎坂田; 義輝大村; 昭二橋本; 優美増岡
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2002-10-10
Filing date: 2002-10-10
Publication date: 2010-04-14
Anticipated expiration: 2022-10-10
Also published as: JP2004132811A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、力検知素子と力検知素子の製造方法に関し、特に、ピエゾ抵抗素子を利用した力検知素子と、その製造方法とに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、エンジンのシリンダ内燃焼圧力等を検知するために使用される力検知素子として、ピエゾ抵抗素子を利用した小型の力検知素子が知られている。ピエゾ抵抗素子は、歪み（応力変形）に応じて歪みが生じた部分の抵抗率が変化する素子である。このピエゾ抵抗素子は、一般に、半導体製造技術により単結晶シリコン（Ｓｉ）基板の主面上に形成されたゲージ抵抗によって構成されている。
【０００３】
例えば、（１１０）面を主面とするＳｉ基板上に、ピエゾ抵抗効果を持つ４つのゲージ抵抗を＜１００＞方向及び＜１１０＞方向にメサ状に形成してホイートイーストンブリッジを構成し、このホイートイーストンブリッジの上に力伝達ブロックを配置した力検知素子が提案されている（特許文献１参照）。
【０００４】
この力検知素子では、力伝達ブロックに力が作用すると、力伝達ブロックからＳｉ基板の厚み方向に応力が伝達されるので、この応力の方向に対して垂直方向に電流が流れるように電圧を印加する。そして、応力に応じて発生するゲージ抵抗のピエゾ抵抗効果が＜１００＞方向と＜１１０＞方向とで異なることから、抵抗値に差が生じ、この抵抗値の差を電圧差として検知することで、力伝達ブロックに作用した力を検知している。
【０００５】
また、この力検知素子を製造するには、ゲージ抵抗が形成されたＳｉウエハとガラスウエハとを陽極接合した後、ダイシングしている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平８−２７１３６３号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ゲージ抵抗がメサ状に形成された従来の力検知素子では、メサ段差により生じるＳｉ基板と力伝達ブロックとのギャップに、例えば、ダイシング時に発生する切粉等の塵埃が侵入する、という問題があった。Ｓｉ基板と力伝達ブロックとのギャップに切粉が侵入すると、力伝達ブロックからＳｉ基板に応力が正確に伝達されず、力検知素子の信頼性が低下する。
【０００８】
本発明は上記問題を解決すべく成されたものであり、本発明の目的は、半導体基板と力伝達ブロックとのギャップに塵埃が侵入するのを防止して、信頼性に優れた力検知素子を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の力検知素子は、半導体基板と、前記半導体基板の一方の主面にメサ状に形成されると共に、押圧されたときに電気抵抗が変化するゲージ部と、前記ゲージ部と共に電流経路を形成するように、前記ゲージ部と電気的に接続された電極と、前記ゲージ部を面で押圧することにより、作用した力を半導体基板の厚み方向に伝達する力伝達ブロックと、前記半導体基板の前記主面が所定深さで除去されて前記ゲージ部がメサ状となるように段差が形成されたときに、除去されずに残された前記段差周辺の前記半導体基板の前記主面からなり、前記力伝達ブロックとが接合されて前記ゲージ部を封止する封止部と、を備え、少なくとも前記力伝達ブロックの押圧面の周縁と前記封止部とが接触して前記段差を覆うように、前記力伝達ブロックと前記半導体基板の前記主面とが接合された、ことを特徴とする。
【００１１】
本発明の力検知素子において、力伝達ブロックと共にゲージ部を封止する封止部は、ゲージ部側だけに段差を備えるように形成されている。即ち、半導体基板の主面が所定深さで除去されてゲージ部がメサ状となるように段差が形成されたときに、除去されずに残された段差周辺の半導体基板の主面が封止部となり、この封止部と前記力伝達ブロックとが接合されて前記ゲージ部を封止する。ゲージ部及びその周辺の半導体基板の表面は、力伝達ブロックと封止部とが接合されて形成された密閉空間内に封止されているので、半導体基板と力伝達ブロックとの間に塵埃が入り込むことが無い。その結果、力検知素子の信頼性が向上する。
【００１２】
また、上記の力検知素子は、一方の主面に複数のゲージ部がメサ状に形成された半導体ウエハの前記ゲージ部が形成された主面に、前記ゲージ部の各々を封止するための複数の封止部を形成し、前記封止部と共に前記ゲージ部を封止するように、前記半導体ウエハと複数の力伝達ブロック形成部が形成されたブロック基板とを接合し、前記ブロック基板が接合された半導体ウエハを、前記ブロック基板と共にブロック間でダイシングすることにより製造することができる。
【００１３】
この方法によれば、製造後のみならず、製造工程においても、ダイシング時に発生する切粉が、半導体基板と力伝達ブロックとのギャップに侵入するのが防止され、更に信頼性に優れた力検知素子を得ることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
第１の実施の形態に係る力検知素子は、図４（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、表面にｐ型半導体層が形成されたｎ型シリコン単結晶基板１０について、ゲージ部４２の周辺を塵埃侵入防止部４４を残してエッチング等により所定深さで除去し、力伝達ブロック１２によりゲージ部４２が押圧されるようにしたものである。以下では、図１、図２に示すゲージ部や塵埃侵入防止部等をメサ状に形成する力検知素子（第１の参考例）の変形例として説明する。図１（Ａ）及び（Ｂ）、図２（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、矩形状のｎ型シリコン単結晶基板１０と、ガラス製の力伝達ブロック１２と、が接合されて構成されている。シリコン単結晶基板１０の接合面側の主面には、基板長手方向の両側に配置された１対の電極配置部１４、両電極配置部を橋渡しするように長手方向に沿って形成された直線状のゲージ部１６、電極配置部１４とゲージ部１６とを結び付けるリード部１５、及びゲージ部１６を取り囲む塵埃侵入防止部１８が設けられている。塵埃侵入防止部１８は、ゲージ部１６に平行な１対の平行部と、ゲージ部１６に垂直な１対の垂直部と、を四角形の辺に沿って連続させることにより形成されている。
【００１６】
これら電極配置部１４、リード部１５、ゲージ部１６、及び塵埃侵入防止部１８の各々は、ｎ型シリコン単結晶基板１０の表面にボロンを拡散させる等してｐ型半導体層を形成し、所定パターンで所定深さ（通常は２〜３μｍ程度）までエッチングすることで、メサ状に形成される。これにより、メサの表面近傍にはｐ型半導体が配置される。
【００１７】
ゲージ部１６等が形成されたシリコン単結晶基板１０の表面は、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜等の絶縁膜２０で被覆されている。また、電極配置部１４の表面には、絶縁膜２０を介してアルミニウム等の金属電極２４が形成され、電極配置部１４上の絶縁膜２０には、電極配置部１４と金属電極２４とをコンタクトさせるためのコンタクトホール２２が設けられている。
【００１８】
力伝達ブロック１２は、その頂面に加えられた力をゲージ部１６に垂直に伝達するようにゲージ部１６上に配置されると共に、その外周が塵埃侵入防止部１８の平行部及び垂直部上面の略中央部分に位置するように塵埃侵入防止部１８上に配置されている。このように配置することで、ゲージ部１６及びその周辺が、力伝達ブロック１２と塵埃侵入防止部１８とが接合されて形成された密閉空間内に封止され、シリコン単結晶基板１０と力伝達ブロック１２との間に塵埃が入り込むことが無い。
【００１９】
この力検知素子では、力伝達ブロック１２の頂面に力が加えられると、力伝達ブロック１２はその力をゲージ部１６に垂直に伝達する。これにより、ゲージ部１６のピエゾ抵抗係数が変化し、電極間に印加される電圧が変化する。この電圧変化により力伝達ブロック１２に作用する力を検知することができる。
【００２０】
次に、図３（Ａ）〜（Ｄ）を参照して上記の力検知素子の製造方法について説明する。図３（Ａ）に示すように、一方の主面に電極配置部１４、リード部１５、ゲージ部１６、塵埃侵入防止部１８、及び金属電極２４を１組とする単位素子が複数形成されたシリコンウエハ３０と、力伝達ブロック１２に加工される部分３２を複数含むと共に、表面に溝入れ加工を施して隣接する力伝達ブロック１２間の不要部分３４の厚みを除去し易いように薄くしたガラスウエハ３６と、を用意する。
【００２１】
そして、ガラスウエハ３６とシリコンウエハ３０とを、力伝達ブロック１２の外周が塵埃侵入防止部１８の平行部及び垂直部上面の略中央部分に位置するように、溝入れ加工が施された面をゲージ部１６等が形成された面と対向させて重ね合わせ、陽極接合等の静電接合により接触部分を強固に固着する。これにより、ゲージ部１６及びその周辺は、部分３２と塵埃侵入防止部１８とが接合されて形成された密閉空間内に封止される。
【００２２】
次に、図３（Ｂ）に示すように、ガラスウエハ３６の不要部分３４をダイシングソー等の切削装置３８により複数回上下動させて切削して除去する。これにより、ガラスウエハ３６から不要部分３４が除去され、シリコンウエハ３０上に残存した部分は力伝達ブロック１２として機能する。この切削工程では、ガラスウエハ３６の切粉が大量に発生するが、上記の密閉空間内に切粉が入り込むことは無い。
【００２３】
次に、図３（Ｃ）に示すように、電極を保護するために、力伝達ブロック１２を含むシリコンウエハ３０の表面全面を樹脂等の保護膜４０で被覆した後、ダイシングソー等の切削装置３８によりシリコンウエハ３０をダイシングして、個々の力検知素子を切り出す。最後に、図３（Ｄ）に示すように、保護膜４０を除去して、図１に示す力検知素子を得る。
【００２４】
以上説明した通り、上記の力検知素子は、ゲージ部１６及びその周辺のシリコン単結晶基板１０表面が、力伝達ブロック１２と塵埃侵入防止部１８とが接合されて形成された密閉空間内に封止されているので、シリコン単結晶基板１０と力伝達ブロック１２との間に塵埃が入り込むことが無く、力検知性能に悪影響を及ぼすことが無い。この結果、力検知素子の信頼性が向上する。
【００２５】
また、製造工程においても、力伝達ブロック１２に加工される部分３２を含むガラスウエハ３６とシリコンウエハ３０とを接合してゲージ部１６及びその周辺を密閉空間内に封止した後にダイシングを行うので、シリコン単結晶基板１０と力伝達ブロック１２との間にダイシング時に発生する切粉が侵入するのを防止することができる。これにより、信頼性に優れた力検知素子を製造することができる。
【００２６】
なお、上記では、ゲージ部や塵埃侵入防止部等をメサ状に形成する例について説明したが、本発明の実施の形態では、図４（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、表面にｐ型半導体層が形成されたｎ型シリコン単結晶基板１０について、ゲージ部４２の周辺を塵埃侵入防止部４４を残してエッチング等により所定深さで除去し、力伝達ブロック１２によりゲージ部４２が押圧される。この場合には、ゲージ部４２及びその周辺のシリコン単結晶基板１０表面が、力伝達ブロック１２と塵埃侵入防止部４４とが接合されて形成された密閉空間内に封止されているので、シリコン単結晶基板１０と力伝達ブロック１２との間に塵埃が入り込むことが無く、力検知性能に悪影響を及ぼすことが無い。この結果、力検知素子の信頼性が向上する。なお、図１、図２に示す力検知素子と同じ構成部分については、同じ符号を付して説明を省略する。
【００４１】
また、上記の実施の形態においては、半導体基板としてＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用いてもよい。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の力検知素子によれば、半導体基板と力伝達ブロックとのギャップに塵埃が侵入するのが防止され、信頼性が向上する、という効果が得られる。
【００４３】
また、本発明の力検知素子の製造方法によれば、製造工程においても、ダイシング時に発生する切粉が、半導体基板と力伝達ブロックとのギャップに侵入するのが防止され、更に信頼性に優れた力検知素子を得ることができる、という効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は参考例に係る力検知素子の構造を示す斜視図であり、（Ｂ）は平面図である。
【図２】（Ａ）は参考例に係る力検知素子をＡＡ線で切断した場合の端面図であり、（Ｂ）はＢＢ線で切断した場合の端面図である。
【図３】（Ａ）〜（Ｄ）は参考例に係る力検知素子の製造工程を説明するための図である。
【図４】（Ａ）は第１の実施の形態に係る力検知素子を示す斜視図であり、（Ｂ）は平面図であり、（Ｃ）は（Ａ）の素子をＡＡ線で切断した場合の端面図であり、（Ｄ）は（Ａ）の素子をＢＢ線で切断した場合の端面図である。
【符号の説明】
１０，５０シリコン単結晶基板
１２，５２力伝達ブロック
１６，５６ゲージ部
１８塵埃侵入防止部
３０シリコンウエハ
３６ガラスウエハ
３８切削装置

Claims

半導体基板と、
前記半導体基板の一方の主面にメサ状に形成されると共に、押圧されたときに電気抵抗が変化するゲージ部と、
前記ゲージ部と共に電流経路を形成するように、前記ゲージ部と電気的に接続された電極と、
前記ゲージ部を面で押圧することにより、作用した力を半導体基板の厚み方向に伝達する力伝達ブロックと、
前記半導体基板の前記主面が所定深さで除去されて前記ゲージ部がメサ状となるように段差が形成されたときに、除去されずに残された前記段差周辺の前記半導体基板の前記主面からなり、前記力伝達ブロックとが接合されて前記ゲージ部を封止する封止部と、
を備え、
少なくとも前記力伝達ブロックの押圧面の周縁と前記封止部とが接触して前記段差を覆うように、前記力伝達ブロックと前記半導体基板の前記主面とが接合された、
ことを特徴とする力検知素子。
請求項１に記載の力検知素子を製造する力検知素子の製造方法であって、
一方の主面を所定深さで除去して複数の段差を形成することで複数のゲージ部がメサ状に形成されると共に、除去されずに残された前記段差周辺の主面が前記ゲージ部を封止する封止部として形成された半導体ウエハを用意し、
力伝達ブロックと前記半導体ウエハの前記主面とが接合されたときに、少なくとも前記力伝達ブロックの押圧面の周縁と前記半導体ウエハの前記主面とが接触して前記複数の段差の各々を覆うように、前記複数の封止部の各々に対応して複数の力伝達ブロック形成部が形成されたブロック基板を用意し、
前記半導体ウエハの前記段差周辺の前記主面と前記複数の力伝達ブロック形成部の各々とが接合されて前記複数のゲージ部を各々封止するように、前記半導体ウエハと前記複数の力伝達ブロック形成部が形成されたブロック基板とを接合し、
前記ブロック基板が接合された半導体ウエハを、前記ブロック基板と共にブロック間でダイシングして、力検知素子を製造する、
力検知素子の製造方法。