JP4913408B2 - Semiconductor sensor - Google Patents
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Description
本発明は、半導体加速度センサ、半導体圧力センサ等の半導体センサに関するものである。 The present invention relates to a semiconductor sensor such as a semiconductor acceleration sensor or a semiconductor pressure sensor.
特開2002−243759号公報(特許文献1)等には、センサ本体と、該センサ本体上に形成された複数のセンサ素子とを具備する半導体センサ(半導体加速度センサ)が示されている。この半導体加速度センサのセンサ本体は、マスクパターンが形成された半導体結晶基板にエッチングが施されて、中心部に重錘固定部、外周部に筒状の支持部、そして重錘固定部と支持部との間に重錘固定部及び支持部よりも厚みが薄いダイヤフラム部が形成されて構成されている。また、複数のセンサ素子は、支持部の反対側に位置するダイヤフラム部の表面上に形成された拡散抵抗から構成されている。この種の半導体加速度センサでは、外部から加えられた力による加速度、または傾斜させた静止状態で加わる重力加速度に基づく力により重錘固定部に固定された重錘が動いてダイヤフラム部が撓むことにより、センサ素子を構成する各拡散抵抗の抵抗値が変化して歪み量に応じた1以上の軸線方向の加速度を検出する。この種の半導体加速度センサでは、通常、ダイヤフラム部の外形形状を四角形にするため、支持部の内周面は、切頭角錐形の内部空間を囲むように、実質的に同形状の4つの台形状の傾斜面が環状に組み合わされて構成されている。 Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2002-243759 (Patent Document 1) and the like show a semiconductor sensor (semiconductor acceleration sensor) including a sensor body and a plurality of sensor elements formed on the sensor body. The sensor body of this semiconductor acceleration sensor is formed by etching a semiconductor crystal substrate on which a mask pattern is formed, a weight fixing portion at the center, a cylindrical support portion at the outer peripheral portion, and a weight fixing portion and a support portion. A diaphragm portion having a thickness smaller than that of the weight fixing portion and the support portion is formed therebetween. Further, the plurality of sensor elements are constituted by diffusion resistors formed on the surface of the diaphragm portion located on the opposite side of the support portion. In this type of semiconductor acceleration sensor, the weight fixed to the weight fixing part moves due to the acceleration based on the force applied from the outside or the force based on the gravitational acceleration applied in a tilted stationary state, and the diaphragm part bends. As a result, the resistance value of each diffused resistor constituting the sensor element changes, and one or more accelerations in the axial direction corresponding to the amount of strain are detected. In this type of semiconductor acceleration sensor, since the outer shape of the diaphragm portion is usually a quadrangle, the inner peripheral surface of the support portion is formed by four platforms having substantially the same shape so as to surround the inner space of the truncated pyramid shape. Shaped inclined surfaces are combined in an annular shape.
しかしながら、従来の半導体加速度センサでは、重錘に作用した加速度によってダイヤフラム部に必要以上の力が加わると、ダイヤフラム部の外形形状の角部に応力が集中し、ダイヤフラム部が損傷することがある。このような問題を解決するために、特開平5−196525号公報(特許文献2)、特開平6−174571号公報(特許文献3)等では、ダイヤフラム部の外形形状を形成する正多角形を正八角形のように多角化(角の数を増やす)したものが提案されている。このように、ダイヤフラム部の正多角形の角の数を増やすと、角部に加わる力を和らげることができる。そのため、ダイヤフラム部の損傷を防ぐことができる。
しかしながら、ダイヤフラム部の正多角形の角の数を増やすと、マスクパターンの形状が複雑になる上、エッチングが面倒になるという問題があった。 However, when the number of regular polygon corners in the diaphragm portion is increased, there is a problem that the shape of the mask pattern becomes complicated and etching becomes troublesome.
本発明の目的は、ダイヤフラム部の損傷を防ぐことができ、しかも簡単にエッチングが行える半導体センサを得ることを目的とする。 An object of the present invention is to obtain a semiconductor sensor that can prevent damage to a diaphragm portion and that can be easily etched.
本発明が改良の対象とする半導体センサは、中心部に重錘固定部、外周部に筒状の支持部、そして重錘固定部と支持部との間に重錘固定部及び支持部よりも厚みが薄いダイヤフラム部を有する半導体結晶基板からなるセンサ本体と、支持部の反対側に位置するダイヤフラム部の表面上に形成された拡散抵抗からなる複数のセンサ素子とを具備している。そして、支持部の内周面が、切頭角錐形の内部を囲むように、実質的に同形状の少なくとも4つの傾斜面が環状に組み合わされて構成されている。本発明では、少なくとも4つの傾斜面の隣接する2つの傾斜面の間に両傾斜面の境界部を延びて両傾斜面を連結する平面または曲面からなる細長い連結面をそれぞれ形成する。本発明のように、連結面を形成すれば、ダイヤフラム部の外形形状のそれぞれの角部の角度が大きくなるので、ダイヤフラム部の各角部に加わる力を和らげることができる。そのため、ダイヤフラム部の損傷を防ぐことができる。また、本発明では、連結面を形成するものの、基本的には、環状に組み合わされる傾斜面の数(ダイヤフラム部の外形形状の正多角形の角の数)は変わらないため、ダイヤフラム部の正多角形を多角化する(角の数を増やす)場合に比べて、簡単にダイヤフラム部を形成できる。 The semiconductor sensor to be improved by the present invention has a weight fixing part at the center, a cylindrical support part at the outer periphery, and a weight fixing part and a support part between the weight fixing part and the support part. A sensor main body made of a semiconductor crystal substrate having a thin diaphragm portion, and a plurality of sensor elements made of diffusion resistors formed on the surface of the diaphragm portion located on the opposite side of the support portion. Then, at least four inclined surfaces having substantially the same shape are annularly combined so that the inner peripheral surface of the support portion surrounds the inside of the truncated pyramid. In the present invention, an elongated connecting surface composed of a flat surface or a curved surface is formed by extending the boundary between both inclined surfaces between two adjacent inclined surfaces of at least four inclined surfaces. If the connecting surface is formed as in the present invention, the angle of each corner portion of the outer shape of the diaphragm portion increases, so that the force applied to each corner portion of the diaphragm portion can be reduced. Therefore, damage to the diaphragm portion can be prevented. In the present invention, although the connecting surface is formed, basically, the number of inclined surfaces combined in an annular shape (the number of regular polygon corners of the outer shape of the diaphragm portion) does not change. The diaphragm portion can be easily formed as compared with the case where the polygon is diversified (increasing the number of corners).
連結面は、種々の形状を有しているものを採用できる。例えば、平面形状を有していてもよいし、曲面形状を有していてもよいし、複数の平面が組み合わされた形状を有していてもよい。 What has various shapes can be employ | adopted for a connection surface. For example, it may have a planar shape, may have a curved shape, or may have a shape in which a plurality of planes are combined.
ダイヤフラム部には、連結面の端部の近傍においてダイヤフラム部の裏面から突出する厚肉部を形成するのが好ましい。このような厚肉部を形成すれば、ダイヤフラム部の可撓性を大きく低下させることなく、ダイヤフラム部の強度を高めることができる。 In the diaphragm part, it is preferable to form a thick part protruding from the back surface of the diaphragm part in the vicinity of the end part of the connecting surface. If such a thick portion is formed, the strength of the diaphragm portion can be increased without greatly reducing the flexibility of the diaphragm portion.
厚肉部は、連結面の端部からダイヤフラム部の中心部に向かって徐々に厚み寸法が小さくなるように延びているのが好ましい。このようにすれば、ダイヤフラム部の可撓性を大きく低下させることなく、連結面の端部側の強度を高めることができる。 The thick part preferably extends so that the thickness dimension gradually decreases from the end of the connecting surface toward the center of the diaphragm. If it does in this way, the intensity | strength at the edge part side of a connection surface can be raised, without reducing the flexibility of a diaphragm part greatly.
マスクパターンが形成された半導体結晶基板にエッチングを施こしてセンサ本体を形成する場合には、マスクパターンに、エッチングの進行を補正する補正パターンを含ませればよい。そして、補正パターンは、エッチングにおいてダイヤフラム部の形成が完了する時に、少なくとも4つの傾斜面の隣接する2つの傾斜面の間に連結面をそれぞれ形成する寸法及び形状にする。このようにすれば、比較的単純な形状のマスクパターンを用いてエッチングをすることにより連結面を形成することができる。 When the sensor body is formed by etching the semiconductor crystal substrate on which the mask pattern is formed, the mask pattern may include a correction pattern for correcting the progress of etching. Then, the correction pattern has a size and a shape that form a connection surface between two adjacent inclined surfaces of at least four inclined surfaces when the formation of the diaphragm portion is completed in etching. If it does in this way, a connecting surface can be formed by etching using a mask pattern of a comparatively simple shape.
また、補正パターンを、エッチングにおいてダイヤフラム部の形成が完了する時に、厚肉部を更に形成する寸法及び形状を有しているようにすれば、比較的単純な形状のマスクパターンにより厚肉部を形成することができる。 Further, if the correction pattern has a size and shape that further forms the thick part when the formation of the diaphragm part is completed in the etching, the thick part is formed by a relatively simple mask pattern. Can be formed.
特に、半導体結晶基板のミラー指数(100)面にエッチングを施こす場合には、少なくとも4つの傾斜面を環状に組み合わせるような形状に支持部の内周面を形成するようにエッチングを行うのが容易である。そのため、半導体結晶基板のミラー指数(100)面にエッチングを施こす場合には、本発明の効果は顕著である。 In particular, when etching is performed on the Miller index (100) surface of the semiconductor crystal substrate, the etching is performed so that the inner peripheral surface of the support portion is formed in a shape in which at least four inclined surfaces are combined in an annular shape. Easy. Therefore, the effect of the present invention is remarkable when etching is performed on the Miller index (100) plane of the semiconductor crystal substrate.
[図1]図1は、本発明の実施の形態の半導体センサの断面図である。
[図2]図2は、図1のII−II線断面図である。
[図3]図3は、図1の半導体センサに用いるセンサ本体の平面図である。
[図4]図4は、図1の半導体センサに用いるセンサ本体の裏面図である。
[図5]図5は、図4のV−V線断面図である。
[図6]図6は、図1の半導体センサに用いるセンサ本体の製造方法の説明に用いるための図である。
[図7]図7(A)及び(B)は、他の連結面の態様を示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor sensor according to an embodiment of the present invention.
2 is a cross-sectional view taken along the line II-II in FIG.
[FIG. 3] FIG. 3 is a plan view of a sensor body used in the semiconductor sensor of FIG.
[FIG. 4] FIG. 4 is a back view of a sensor body used in the semiconductor sensor of FIG.
5 is a cross-sectional view taken along line VV in FIG.
[FIG. 6] FIG. 6 is a diagram for explaining a method of manufacturing a sensor main body used in the semiconductor sensor of FIG.
[FIG. 7] FIGS. 7A and 7B are cross-sectional views showing other aspects of the connecting surface.
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。図1は、半導体加速度センサに適用した本発明の実施の形態の半導体センサの断面図であり、図2は、図1のII−II線断面図である。両図に示すように、本発明の実施の形態の半導体加速度センサは、センサ本体1と、センサ本体1に固定された重錘3と、センサ本体1を支持するガラス製の台座5とを有している。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a sectional view of a semiconductor sensor according to an embodiment of the present invention applied to a semiconductor acceleration sensor, and FIG. 2 is a sectional view taken along the line II-II in FIG. As shown in both figures, the semiconductor acceleration sensor according to the embodiment of the present invention has a
図3及び図4は、センサ本体1の平面図及び裏面図である。図1〜図4に示すように、センサ本体1は、中心部に重錘固定部7が位置し、外周部に筒状の支持部9が位置し、重錘固定部7と支持部9との間にダイヤフラム部11を有している。センサ本体1は、単結晶シリコンからなる半導体結晶基板のミラー指数(100)面に異方性エッチングが施されて形成されている。支持部9の反対側に位置するダイヤフラム部11の表面上には、加速度検出用拡散抵抗からなる図示しない複数のセンサ素子が形成されている。支持部9上には、複数の電極8…が形成されている(図3)。本例の半導体加速度センサは、外部から加えられた力による加速度、または傾斜させた静止状態で加わる重力加速度に基づく力により重錘3が動いてダイヤフラム部11が撓むことにより、センサ素子を構成する各拡散抵抗の抵抗値が変化して歪み量に応じた1軸以上の方向の加速度を検出する。 3 and 4 are a plan view and a back view of the sensor
重錘固定部7は、支持部9の内部空間10内にダイヤフラム部11から重錘3に向かって突出した形状を有している。重錘固定部7の先端には、重錘固定部7の中心を通りダイヤフラム部11が延びる方向と直交する方向に延びる中心線C上に重錘3の中心が位置するように、重錘3が固定されている。この重錘固定部7は、八角形の横断面を有しており、その外周面は、ダイヤフラム部11が位置する側から離れるに従って中心線Cに近づくように傾斜する傾斜面として形成されている。 The
支持部9は、矩形の環状を有しており、内周面は、ほぼ切頭角錐形の内部空を囲むように、実質的に同形状の4つの台形状の傾斜面13…が環状に組み合わされて構成されている。傾斜面13…は、ダイヤフラム部11が位置する側に向かうに従って中心線Cに近づくように傾斜しており、後述するストッパ構造の一部を構成している。4つの傾斜面13…の隣接する2つの傾斜面13,13の間には、両傾斜面13,13の境界部を延びて両傾斜面13,13を連結する平面状の細長い連結面15がそれぞれ形成されている。 The
ダイヤフラム部11は、重錘固定部7及び支持部9よりも薄い厚み寸法からなり、可撓性を有している。ダイヤフラム部11の裏面には、4つの厚肉部17…が形成されている。厚肉部17は、図4及び図5に示すように、ダイヤフラム部11の裏面から突出する形状を有しており、連結面15の端部からダイヤフラム部11の中心部に向かって徐々に厚み寸法が小さくなるように延びている。また、厚肉部17は、連結面15の端部から放射状に延びるように厚み寸法の大きな嶺部17a…を有している。 The
本例では、センサ本体1を次のようにして作った。まず、ほぼ平板状の半導体結晶基板のミラー指数(100)面にシリコン酸化膜、シリコン窒化膜等からなる厚み数百nmのマスクパターンを形成した。マスクパターンとしては、例えば、図6の符号23に示すように、支持部9を形成する支持部形成部25とエッチングの進行を補正する補正パターン部27とを有するものを形成することができる。補正パターン部27は、角形形状を有しており、支持部形成部25の内側角部に連結されて該内側角部から重錘固定部の角部に向かって延びている。また、このマスクパターン23と共に、重錘固定部7を形成する重錘固定部形成部を含むマスクパターンも形成する。次に、KOH等のアルカリエッチング液でエッチングを施して連結面15及び厚肉部17を備えたセンサ本体1を完成した。このように、補正パターン部(27)は、エッチングにおいてダイヤフラム部11の形成が完了する時に、連結面15をそれぞれ形成し、ダイヤフラム部11に厚肉部17を形成する寸法及び形状を有している。本例の半導体加速度センサでは、比較的単純な形状のマスクパターンを用いてエッチングをすることにより連結面15及び厚肉部17を形成することができるので、ダイヤフラム部の可撓性を大きく低下させることなく、ダイヤフラム部の強度を高めることができる。 In this example, the sensor
重錘3は、円板状に近い輪郭を有するタングステンにより形成されている。この重錘3は、一端が重錘固定部7に接着剤により固定された状態で、支持部9内の内部空間10と台座5内の内部空間12とに跨って2つの内部空間内に配置されている。重錘3の環状の部分3aは、支持部9内の内部空間10に入り込んでいる。本例では、環状の部分3aは、ダイヤフラム部11に沿う方向に延びる第1の面3bと、支持部9の内周面と交差する方向に延びる第2の面3cと、第1の面3bと第2の面3cとの交差点(角部)からなる当接部3dと、ダイヤフラム部11との反対側に位置する底面3eとを有している。当接部3dは、重錘固定部7が位置する側から見た輪郭形状が円形を有するようにほぼ円形の線状に延びている。そのため、図2に示すように、当接部3dは支持部9の4つの傾斜面13…のそれぞれのほぼ中央に対向することになる。本例では、当接部3dと傾斜面13…との接触位置は、傾斜面13…の支持部9の厚み方向の中央位置よりも支持部9の底面側に位置している。また、当接部3dと前述した支持部9の4つの傾斜面13…とにより重錘のストッパ構造が構成されている。そのため、重錘3の変位量が所定の範囲を超えると、当接部3dが傾斜面13…に当接して重錘3の変位量が規制される。 The
なお、上記例では、連結面15は、平面形状を有しているが、図7(A)に示すように、連結面35を曲面により形成してもよいし、図7(B)に示すように、連結面45を複数の平面を組み合わせて形成してもよい。 In the above example, the connecting
また、上記例は、4つの傾斜面13…が組み合わされてセンサ本体の内周面が構成される半導体加速度センサに本発明を適用した例を示したが、少なくとも4つの傾斜面が組み合わされてセンサ本体の内周面が構成される半導体加速度センサに本発明は適用できる。例えば、8つの傾斜面が組み合わされる半導体加速度センサにも本発明が適用できるのは勿論である。 Moreover, although the said example showed the example which applied this invention to the semiconductor acceleration sensor with which the four
また、上記例は、本発明を半導体加速度センサに適用した例を示したが、圧力センサ等の他の半導体センサに本発明を適用できるのは勿論である。 Moreover, although the said example showed the example which applied this invention to the semiconductor acceleration sensor, of course, this invention is applicable to other semiconductor sensors, such as a pressure sensor.
本発明によれば、連結面を形成するので、ダイヤフラム部の外形形状の角部が大きくなり、ダイヤフラム部の角部に加わる力を和らげることができる。そのため、ダイヤフラム部の損傷を防ぐことができる。 According to the present invention, since the connecting surface is formed, the corner portion of the outer shape of the diaphragm portion is increased, and the force applied to the corner portion of the diaphragm portion can be reduced. Therefore, damage to the diaphragm portion can be prevented.
特に、本発明では、連結面を形成するものの、基本的には、環状に組み合わされる傾斜面の数(ダイヤフラム部の外形形状の正多角形の角の数)は変わらないため、ダイヤフラム部の正多角形を多角化する(角の数を増やす)場合に比べて、簡単にダイヤフラム部を形成できる。 In particular, in the present invention, although the connection surface is formed, the number of inclined surfaces combined in an annular shape (the number of regular polygon corners of the outer shape of the diaphragm portion) does not change. The diaphragm portion can be easily formed as compared with the case where the polygon is diversified (increasing the number of corners).
Claims (9)
前記支持部の反対側に位置する前記ダイヤフラム部の表面上に形成された拡散抵抗からなる複数のセンサ素子とを具備し、
前記支持部の内周面が、切頭角錐形の内部空間を囲むように、実質的に同形状の少なくとも4つの傾斜面が環状に組み合わされて構成されている半導体センサであって、
前記少なくとも4つの傾斜面の隣接する2つの傾斜面の間に両傾斜面の境界部を延びて前記両傾斜面を連結する細長い連結面がそれぞれ形成されており、
前記ダイヤフラム部には、前記連結面の端部の近傍において前記ダイヤフラム部の裏面から突出する厚肉部が形成されており、
前記厚肉部は、連結面の端部からダイヤフラム部の中心部に向かって徐々に厚み寸法が小さくなるように延びている半導体センサ。A semiconductor having a weight fixing portion at the center, a cylindrical support portion at the outer peripheral portion, and a diaphragm portion having a smaller thickness than the weight fixing portion and the support portion between the weight fixing portion and the supporting portion. A sensor body made of a crystal substrate;
A plurality of sensor elements comprising diffusion resistors formed on the surface of the diaphragm portion located on the opposite side of the support portion;
A semiconductor sensor configured by annularly combining at least four inclined surfaces having substantially the same shape so that an inner peripheral surface of the support portion surrounds a truncated pyramid-shaped internal space;
An elongated connecting surface that extends between the two inclined surfaces and connects the inclined surfaces is formed between two adjacent inclined surfaces of the at least four inclined surfaces ,
The diaphragm portion is formed with a thick portion that protrudes from the back surface of the diaphragm portion in the vicinity of the end portion of the coupling surface,
The thick-walled portion is a semiconductor sensor that extends so that the thickness dimension gradually decreases from the end of the connecting surface toward the center of the diaphragm .
前記支持部の反対側に位置する前記ダイヤフラム部の表面上に形成された拡散抵抗からなる複数のセンサ素子とを具備し、
前記支持部の内周面が、切頭角錐形の内部空間を囲むように、実質的に同形状の少なくとも4つの傾斜面が環状に組み合わされて構成されている半導体センサであって、
前記マスクパターンは、前記エッチングの進行を補正する補正パターンを含んでおり、
前記補正パターンは、前記エッチングにおいて前記ダイヤフラム部の形成が完了するときに、前記少なくとも4つの傾斜面の隣接する2つの傾斜面の間に両傾斜面の境界部を延びて前記両傾斜面を連結する細長い連結面をそれぞれ形成する寸法及び形状を有しており、
前記補正パターンは、前記エッチングにおいて前記ダイヤフラム部の形成が完了するときに、前記連結面の端部の近傍において前記ダイヤフラム部の裏面から突出する厚肉部を更に形成する寸法及び形状を有しており、
前記厚肉部は、連結面の端部からダイヤフラム部の中心部に向かって徐々に厚み寸法が小さくなるように延びている半導体センサ。Etching is performed on the semiconductor crystal substrate on which the mask pattern is formed, the weight fixing portion at the center, the cylindrical support portion at the outer peripheral portion, and the weight fixing between the weight fixing portion and the support portion A sensor body in which a diaphragm part having a smaller thickness than the support part and the support part is formed;
A plurality of sensor elements comprising diffusion resistors formed on the surface of the diaphragm portion located on the opposite side of the support portion;
A semiconductor sensor configured by annularly combining at least four inclined surfaces having substantially the same shape so that an inner peripheral surface of the support portion surrounds a truncated pyramid-shaped internal space;
The mask pattern includes a correction pattern for correcting the progress of the etching,
In the correction pattern, when the formation of the diaphragm portion is completed in the etching, a boundary portion between the two inclined surfaces extends between two adjacent inclined surfaces of the at least four inclined surfaces to connect the two inclined surfaces. Each having a size and shape that form an elongated connecting surface ,
The correction pattern has a size and shape that further forms a thick portion protruding from the back surface of the diaphragm portion in the vicinity of the end portion of the connecting surface when the formation of the diaphragm portion is completed in the etching. And
The thick-walled portion is a semiconductor sensor that extends so that the thickness dimension gradually decreases from the end of the connecting surface toward the center of the diaphragm .
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