JPH0234973A - 半導体圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、シリコンなどの半導体結晶の持つピエゾ抵抗
効果などを利用して圧力を電気信号に変換する半導体圧
力センサに係り、特にそのダイヤスラムの形状を改良し
た半導体圧力センサに関する。

〈従来の技術〉 第３図は従来の半導体圧力センサの構成を示す構成図で
ある。

第３図（イ）は半導体圧力センサの平面図、（ロ）は半
導体圧力センサの横断面図を示す、１は例えばｎ形のシ
リコン単結晶で作られたダイヤフラムであり、四部２を
有し更に凹部２の形成により単結晶の厚さの薄くなった
起歪部３とその周辺の固定部４とを有している。

固定部４は連通孔５を有する基板６にカラス薄ｆｉ７を
介して陽極接合などにより固定されている。

起歪部３は単結晶の結晶面が（１００）面とされ、その
上にはその中心を通る結晶軸＜００１＞方向で起歪部３
と固定部４との境界付近に、例えば剪断形ゲージなどの
感圧素子８が不純物の拡散により伝導形がＰ形として矩
形状に形成されている。

この感圧素子８はその長手方向に電源端（図示せず）が
形成され、ここに電圧或いは電流が印加される。測定圧
力Ｐがダイヤフラム１に与えられると、これによって生
じな、例えば剪断応力τに対応した電圧が感圧素子８の
長手方向のほぼ中央に形成された出力端（図示せず）に
得られる。

これによって、測定圧力Ｐに対応した電圧が出力端に得
られる。

ところで、この様なダイヤフラムを製造するには各種の
方法があるが、大別すると（ａ）等方性のケミカルエツ
チングにより製造するか（ｂ）異方性のケミカルエツチ
ングにより製造するかの方法かとられる。

前者の等方性エツチングによる円形のダイヤプラムの場
合は起歪部３と固定部の境界にダレが生じ、特にこのダ
レにより測定圧力Ｐによる感圧素子８の圧力対出力電圧
の直線性のバラツキが大きくなり、また円形に加工する
必要から例えば超音波加工などをするか、この場合には
歪み、結晶格子の欠陥などの破壊原因がダイヤフラムに
発生しやすい。

そこで、エツチング速度が結晶方向に依存する後者の異
方性エツチングを用いてシャープなエツジを持つ矩形状
のダイヤフラムを持つ半導体圧力センサが採用される。

〈発明が解決しようとする課題〉 しかしながら、この様な従来の矩形状のダイヤフラムを
持つ半導体圧力センサでは、互いに直交する起歪部と固
定部との境界辺で囲まれているので測定圧力による大き
な応力が加わる領域が広く、この広い領域ではダイヤフ
ラムに内在する欠陥の存在する確率が高くなり過大圧力
によるダイヤフラムの破壊が起こり易いという、問題が
ある。

く課題を解決するための手段〉 この発明は、以上の課題を解決するために、測定圧力が
印加される薄肉の起歪部とこの周辺に形成され基板に固
定される厚肉の固定部とを有する半導体のダイヤフラム
とこの起歪部と固定部との境界付近に形成された感圧素
子とからなる半導体圧力センサにおいて、起歪部と固定
部の境界線がダイヤフラムの結晶面（１００）上に結晶
軸か〈１１０〉である、互いに直交する４個の基準辺が
形成され、内側に凸の２個の（３３１）結晶面で形成さ
れたエツチング辺を４対で基準辺に接続して１２角形状
とするようにしたものである。

く作　用〉 起歪部と固定部の境界線が内側に凸の１２角形状をなし
ているので測定圧力による応力の最大値は大きいが、そ
の分布が急峻なので結晶の格子欠陥などの内在する欠陥
部分の範囲が局限され、これにより全体として過大圧力
によるダイヤフラムの破壊が生じにくい。

〈実施例〉 以下、本発明の実施例につき図面を用いて説明する。第
１図は本発明の１実施例の要部の構成を示す構成図であ
る。第１図（イ）は平面図、（ロ）は断面図である。

１０はシリコンの革結晶で出来たダイヤフラムであり、
その外形は矩形状をなしている。この裏面には第３図の
感圧素子８に対応する感圧素子１１が形成されている。

ダイヤフラム１０の（１００）結晶面の中央部には１２
角形状の凹部１２が異方性エツチングなどにより形成さ
れ、その肉厚の薄くなった部分か起歪部１３として、そ
の周辺の肉厚部は固定部１４としてそれぞれ形成されて
いる。

ダイヤフラム１０の起歪部１３と固定部１４との境界の
うち基準辺１５〜１８はシリコンの結晶軸＜１１０＞方
向と同一方向に形成され、互いに平行な基準辺１５と１
６に対して、互いに平行な基準辺１７と１８はそれぞれ
直交して形成されている。

基準辺１５と１７との間にはその側面が（３３１）面を
なす傾斜面をなし２個を１組として内側に凸状をなして
エツチング辺１９と２０が、基準辺１６と１７との間に
はその側面が（３３１）面をなす傾斜面をなし２個を１
組として内側に凸状をなしてエツチング辺２１と２２が
、基準辺１６と１８との間にはその側面が（３３１）面
をなす傾斜面をなし２個を１組として内側に凸状をなし
てエツチング辺２３と２４が、基準辺１５と１８との間
にはその側面が（３３１）面をなす傾斜面をなし２個を
１組として内側に凸状をなしてエツチング辺２５と２６
かそれぞれ形成されている。

そして、エツチング辺１９と２０．２１と２２．２３と
２４．２５と２６で形成される角度はいずれも１４３°
をなす。

以上のような１２角形状の起歪部と固定部との境界を持
つダイヤフラムによれば、測定圧力がこの起歪部に印加
されるとエツチング辺１９と２０．２１と２２．２３と
２４．２５と２６で形成される凸部Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｄには
測定圧力による最大の応力が作用するが、一方その分布
が急峻なので結晶の格子欠陥などのダイヤフラムに内在
する欠陥部分の範囲が局限されるので、これにより全体
とし、て過大圧力によるダイヤプラムの破壊が生じにく
い構造となる。

次に、以上のようなダイヤフラムを製造する製造方法に
ついて説明する。

第２図はこの様なダイヤフラムを製造する製造工程の概
要を示す工程図である。

第２図（イ）は第２図（ロ）に示すシリコン基板２７の
上に形成するダイヤプラムマスクの形状を示している。

このダイヤフラムマスク２８は５ｉＮ（窒化シリコン）
の膜で形成され、その中央に十字状の開口部２９が形成
されている。その辺１５−〜１８−は第１図に示す基準
辺１５〜１８に対応している。

これ等の辺１５−〜１８−はいずれもシリコン基板２７
の結晶軸＜１１０＞に一致するようにその結晶面（１０
０）上に着膜される。

このようにシリコン基板２７の上に第２図（−イ）に示
す保護膜のパターンを形成してから、アルカリ（ＫＯＨ
）溶液にイソプロピルアルコールとエチルアルコールを
加えてエツチングすると、エツチングの進行につれて第
２図（ハ）に示すように第２図（イ）の凸部Ａ−〜Ｄ−
に対応する部分がエツチングされて１９−〜２６−に示
す（３３１）面が徐々に出現する。

更に、エツチングを進めることにより１９−〜２６−に
示す（３３１）面はエツチングがより進行するが、基準
辺１５〜１８はほとんどエツチングされず、第２図〈二
）に示すように（３３１）面同志が１４３°の角度をな
すエツチング辺１９〜２６が形成され、全体として１２
角形状の境界線ができ、第１図に示すダイヤフラムとな
る。

なお、ダイヤフラム面の欠陥をより少なくし、またこの
形状の角部の応力集中を小さくするために電解エツチン
グ或いは等方性エツチングなどを併用すると過大応力に
対して更に強くなる。

〈発明の効果〉 以上、実施例と共に具体的に説明したように本発明によ
れば、起歪部と固定部の境界線が内側に凸の１２角形状
をなしているので測定圧力による応力の分布が急峻であ
り、結晶の格子欠陥などの内在する欠陥部分の範囲が局
限され、ダイヤプラムの欠陥部分に大きな応力が加わる
確率が低減し、これにより全体として過大圧力によるダ
イヤフラムの破壊強度が増す。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例の構成を示す構成図、第２図
は第１図に示す実施例を製造するための工程を示す工程
図、第３図は従来の半導体圧力センサの構成を示す構成
図である。 １・・・ダイヤフラム、３・・・起歪部、４・・・固定
部。 ８・・・感圧素子、１０・・・ダイヤフラム、１１・・
・感圧素子、１３・・・起歪部、１４・・・固定部、１
５〜１８・・・基準辺、１９〜２６・・・エツチング辺
、２７・・・シリコン基板、２８・・・ダイヤフラムマ
スク、２９・・・開口部。 第 図 イ ロ 第 図 （イ （ロ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 測定圧力が印加される薄肉の起歪部とこの周辺に形成さ
   れ基板に固定される厚肉の固定部とを有する半導体のダ
   イヤフラムとこの起歪部と固定部との境界付近に形成さ
   れた感圧素子とからなる半導体圧力センサにおいて、前
   記起歪部と前記固定部の境界線が前記ダイヤフラムの結
   晶面（１００）上に結晶軸が＜１１０＞である互いに直
   交する４個の基準辺が形成され、内側に凸の２個の（３
   ３１）結晶面で形成されたエッチング辺を４対で前記基
   準辺に接続して１２角形状とすることを特徴とする半導
   体圧力センサ。