JP2005221454A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 圧力検出用のダイアフラムを有する半導体基板をガラス台座に陽極接合してなる圧力センサにおいて、ガラス台座の熱膨張係数を変えることなく、半導体基板とガラス台座との熱膨張係数の差によるダイアフラムの熱歪みを抑制し温度特性の改善を図る。
【解決手段】 薄肉部としてのダイアフラム１４の周囲に厚肉部１０ａが位置する半導体基板１０と、一面側が半導体基板１０の厚肉部１０ａに陽極接合されたガラス台座２０とを備える圧力センサＳ１において、半導体基板１０とガラス台座２０との接合部３０は、半導体基板１０の厚肉部１０ａの全体ではなく一部に形成されており、接合部３０は、ダイアフラム１４の中心点１４ａに対して点対称形状である環状の平面形状をなすとともに、ダイアフラム１４の中心点１４ａから径方向に沿った幅Ｗ１が接合部３０の全周において同一のものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧力検出用のダイアフラムを有する半導体基板をガラス台座に陽極接合してなる圧力センサに関する。

従来より、この種の圧力センサとしては、薄肉部としての圧力検出用のダイアフラムおよびダイアフラムの周囲に位置する厚肉部が形成されてなる半導体基板と、一面側が半導体基板の厚肉部に接合されたガラス台座とを備えるものが提案されている（たとえば、特許文献１、特許文献２等参照）。

このような圧力センサでは、ダイアフラムには、たとえば拡散抵抗からなるピエゾ抵抗体を形成しており、たとえばシリコンからなる半導体基板とホウ珪酸ガラスなどからなるガラス台座とは、陽極接合により接合されている。

このような圧力センサにおいては、半導体基板とガラス台座との熱膨張係数の差による温度特性の悪化が課題となっている。具体的には、温度が上昇すると、当該熱膨張係数の差によるダイアフラムの熱歪みが大きくなり、本来発生すべきではない出力が出るようになってくる。

そこで、ガラス台座の熱膨張係数を、半導体基板たとえばシリコン（Ｓｉ）に合わせる工夫が数多く提案されている。

たとえば、上記特許文献１に記載されている圧力センサでは、ガラス台座をシリコンとホウ珪酸ガラスの２層とすることで温度特性の改善を図っている。また、上記特許文献２に記載されている圧力センサでは、ガラス台座におけるガラスの組成を改善することにより温度特性の改善を図っている。
特開平２−６９６３０号公報 特開平４−１１４４７８号公報

しかしながら、ガラス台座の熱膨張係数の改善は、ガラス台座の材質変更を必要とするものであり、根本的な解決法とは言い難い。

本発明は上記問題に鑑み、圧力検出用のダイアフラムを有する半導体基板をガラス台座に陽極接合してなる圧力センサにおいて、ガラス台座の熱膨張係数を変えることなく、半導体基板とガラス台座との熱膨張係数の差によるダイアフラムの熱歪みを抑制し温度特性の改善を図ることを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明者は鋭意検討した結果、半導体基板とガラス台座との熱膨張係数の差によるダイアフラムの熱歪みは、半導体基板とガラス台座とが接合されている接合部形状に原因があることを見出した。

本発明は、温度特性の改善につなげるように、半導体基板とガラス台座との接合部形状を工夫することに着目して、創出されたものである。

すなわち、請求項１に記載の発明では、薄肉部としての圧力検出用のダイアフラム（１４）およびダイアフラム（１４）の周囲に位置する厚肉部（１０ａ）が形成されてなる半導体基板（１０）と、一面側が半導体基板（１０）の厚肉部（１０ａ）に陽極接合により接合されたガラス台座（２０）とを備える圧力センサにおいて、半導体基板（１０）とガラス台座（２０）とが接合されている接合部（３０）は、半導体基板（１０）の厚肉部（１０ａ）の全体ではなく一部に形成されており、接合部（３０）は、ダイアフラム（１４）の中心点（１４ａ）に対して点対称形状である環状の平面形状をなすとともに、ダイアフラム（１４）の中心点（１４ａ）から径方向に沿った幅（Ｗ１）が全周において同一のものであることを特徴としている。

それによれば、半導体基板（１０）とガラス台座（２０）とが接合されている接合部（３０）は、従来のように半導体基板の厚肉部全体に形成されたものではなく、半導体基板（１０）の厚肉部（１０ａ）においては、接合部（３０）の無い部分が存在する。

そのため、従来の接合部構成に比べて、ダイアフラム（１４）に発生する熱歪みを小さくできるとともに、厚肉部（１０ａ）の変形も小さくすることができるため、ダイアフラム（１４）自体の変形を抑制することができる。

また、接合部（３０）の平面形状を、ダイアフラム（１４）の中心点（１４ａ）に対して点対称形状な環状とするとともに、ダイアフラム（１４）の中心点（１４ａ）から径方向に沿った接合部（３０）の幅（Ｗ１）を接合部（３０）の全周において同一のものとしているため、接合部（３０）からの熱応力によってダイアフラム（１４）に発生する熱歪みは、ダイアフラム（１４）全体で極力均一なものにできる。

したがって、本発明によれば、圧力検出用のダイアフラム（１４）を有する半導体基板（１０）をガラス台座（２０）に陽極接合してなる圧力センサにおいて、ガラス台座（２０）の熱膨張係数を変えることなく、半導体基板（１０）とガラス台座（２０）との熱膨張係数の差によるダイアフラム（１４）の熱歪みを抑制し温度特性の改善を図ることができる。）
ここで、請求項２、請求項３に記載の発明のように、請求項１に記載の圧力センサにおける接合部（３０）の平面形状は多角環形状であったり、円環形状であるものにすることができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各図相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。

図１（ａ）は、本発明の実施形態に係る半導体圧力センサＳ１を示す概略断面図であり、図１（ｂ）はセンサＳ１における半導体基板１０をその他面１２側から見たときの概略平面図である。

半導体圧力センサＳ１は、本発明でいう半導体基板としてのシリコン基板１０に対し、周知の半導体製造技術を施すことにより製造される。ここでは、このシリコン基板１０は、たとえば図１（ａ）中の上面である一面１１およびこの一面１１とは反対側の他面１２の面方位が（１１０）面または（１００）面である平面矩形の板状のものである。

シリコン基板１０には、他面１２から、たとえばアルカリ液を用いた異方性エッチングにより凹部１３が形成されており、この凹部１３の形成に伴い薄肉部となった凹部１３の底部は、薄肉部としての圧力検出用のダイアフラム１４して形成されている。

ダイアフラム１４の平面形状は、本例では、図１（ｂ）に示されるように、テーパ部１４ｂを持つ平面四角形であるが、これに限定されるものではなく、たとえば平面八角形となっているものであってもよい。

このダイアフラム１４には、ダイアフラム１４の歪みに伴う抵抗値変化に基づく検出信号を出力するためピエゾ抵抗体１５が形成されている。このピエゾ抵抗体１５は、イオン注入、拡散を施すことで形成される。

このピエゾ抵抗体１５は、たとえば、シリコン基板１０の面方位が（１１０）面である場合、〈１１０〉結晶軸方向に沿ってダイアフラム１４の中心寄りに配置された２個のセンターゲージと、該センターゲージよりもダイアフラム１４の周辺部に配置された２個のサイドゲージとよりなる。

そして、これらピエゾ抵抗体１５は、同じくイオン注入、拡散により形成された拡散配線層（図示しない）により、ホイートストンブリッジを構成するように結線され、電気的に接続されている。

なお、このようなホイートストンブリッジ回路においては、当該ブリッジ回路における入力端子間に直流定電圧を与えた状態で、ダイアフラム１４の歪みがピエゾ抵抗体の抵抗値変化として現れ、出力端子間から被検出圧力に応じたレベルの電圧が検出信号として出力されるようになっている。

また、シリコン基板１０においてダイアフラム１４の外周囲に位置する厚肉部１０ａにおけるシリコン基板１０の一面１１には、ピエゾ抵抗体１５と外部とを電気的に接続し、上記ブリッジ回路へ電圧を印加したり、上記ブリッジ回路からの検出信号を出力するなどのための配線層１６が形成されている。

これら配線層１６は、図１に示されるように、シリコン基板１０の一面１１上に形成されたシリコン酸化膜等よりなる絶縁膜１７の上に、アルミニウムを用いた蒸着法等により形成されている。また、絶縁膜１７に形成されたコンタクトホールを介して配線層１６とピエゾ抵抗体１５とが電気的に接続されている。

また、これら配線層１６および絶縁膜１７の上には、半導体圧力センサＳ１を保護するためのシリコン窒化膜等よりなる保護膜１８が、積層されている。なお、図示しないが、配線層１６の上の保護膜４０には適所に開口部が形成され、この開口部を介して、配線層１６と外部とがワイヤボンディング等により電気的に接続されるようになっている。

このような半導体圧力センサＳ１におけるシリコン基板１０は、周知の半導体製造技術を用いて製造することができる。そして、製造されたシリコン基板１０に対しては、図１（ｂ）に示されるように、シリコン基板１０の他面１２にホウ珪酸ガラスなどからなるガラス台座２０の一面が陽極接合により接合されている。ここで、凹部１３内はたとえば真空等の一定圧力にて気密に封止されることで圧力基準室として形成される。

ここにおいて、本圧力センサＳ１では、シリコン基板１０とガラス台座２０とが接合されている接合部３０は、シリコン基板１０の厚肉部１０ａの全体ではなく一部に形成されている。

ここで、図１（ｂ）において、この接合部２０は、便宜上、斜線ハッチングが施してあり、また、図１（ｂ）中、ダイアフラム１４の中心点は便宜上、黒丸１４ａにてその位置を示してある。

図１（ｂ）に示されるように、接合部３０は、ダイアフラム１４の中心点１４ａに対して点対称形状である環状の平面形状をなしている。本例では、八角形の環状となっている。それとともに、接合部３０は、ダイアフラム１４の中心点１４ａからダイアフラム１４の径方向に沿った幅Ｗ１が接合部３０の全周において同一のものである。

このような接合部３０は、図１（ａ）に示されるように、ガラス台座２０における上記一面すなわちシリコン基板１０との接合面に対して、切削やエッチングなどにより、上記接合部３０の平面形状と同様の平面形状を有する凸部２１を形成し、この凸部２１とシリコン基板１０とを陽極接合することにより、実現可能となっている。

このような半導体圧力センサＳ１においては、シリコン基板１０の一面１１側から被検出圧力が印加され、この被検出圧力は、ダイアフラム１４に受圧される。すると、ダイアフラム１４が歪み、このとき発生する応力によって、ピエゾ抵抗体１５の抵抗値が変化する。

その抵抗値変化により、上記ホイートストンブリッジ回路から上記検出信号が出力される。この検出信号は、配線層１６から、外部回路へ送られて信号処理され、最終的な出力信号となる。こうして、被検出圧力の測定がなされる。

ところで、本実施形態によれば、薄肉部としての圧力検出用のダイアフラム１４およびダイアフラム１４の周囲に位置する厚肉部１０ａが形成されてなる半導体基板としてのシリコン基板１０と、一面側がシリコン基板１０の厚肉部１０ａに陽極接合により接合されたガラス台座２０とを備える圧力センサＳ１において、シリコン基板１０とガラス台座２０とが接合されている接合部３０は、シリコン基板１０の厚肉部１０ａの全体ではなく一部に形成されており、接合部３０は、ダイアフラム１４の中心点１４ａに対して点対称形状である環状の平面形状をなすとともに、ダイアフラム１４の中心点１４ａから径方向に沿った幅Ｗ１が全周において同一のものであることを特徴とする圧力センサＳ１が提供される。

このような特徴を有する本実施形態の圧力センサＳ１の作用効果について、図２を参照して述べる。図２（ａ）は、従来のこの種の圧力センサにおける熱歪み発生の様子を示す図であり、図２（ｂ）は、本実施形態の圧力センサＳ１における熱歪み発生の様子を示す図である。

従来では、図２（ａ）に示されるように、シリコン基板１０とガラス台座２０の接合部３０が厚肉部１０ａ全体となるため、シリコン基板１０とガラス台座２０との熱膨張係数差によるシリコンへの歪みが厚肉部１０ａの全体にかかり、ダイアフラム１４に直接伝播する。そのため、ダイアフラム１４の歪みが大きくなる。

それに対して、本実施形態の圧力センサＳ１によれば、シリコン基板１０とガラス台座２０とが接合されている接合部３０は、図２（ａ）に示される従来の圧力センサのように、半導体基板１０の厚肉部１０ａ全体に形成されたものではない。つまり、本実施形態では、シリコン基板１０の厚肉部１０ａにおいて接合部３０の無い部分が存在する。

そのため、本実施形態では、図２（ｂ）に示されるように、従来の接合部構成に比べて、ダイアフラム１４に発生する熱歪みを小さくできるとともに、厚肉部１０ａの変形も小さくすることができるため、ダイアフラム１４自体の変形を抑制することができる。

また、接合部３０の平面形状を、ダイアフラム１４の中心点１４ａに対して点対称形状な環状とするとともに、ダイアフラム１４の中心点１４ａから径方向に沿った接合部３０の幅Ｗ１を接合部３０の全周において同一のものとしている。

つまり、ダイアフラム１４の外周囲の全周において、接合部３０の幅Ｗ１は同一のものとなっている。そのため、接合部３０からの熱応力によってダイアフラム１４に発生する熱歪みは、ダイアフラム１４全体で極力均一なものにできる。

したがって、本実施形態によれば、圧力検出用のダイアフラム１４を有する半導体基板１０をガラス台座２０に陽極接合してなる圧力センサにおいて、ガラス台座２０の熱膨張係数を変えることなく、半導体基板１０とガラス台座２０との熱膨張係数の差によるダイアフラム１４の熱歪みを抑制し温度特性の改善を図ることができる。

ここで、本実施形態の圧力センサにおける接合部３０の平面形状は上記図１に示されるような八角環形状以外にも、上記した本実施形態の接合部３０の特徴点を有するものであるならば、四角環形状、六角環形状でもよく、さらには、多角環形状でなくてもよく、たとえば、円環形状であるものにすることもできる。

図３は、接合部３０の平面形状が円環形状である場合の本実施形態の圧力センサにおける半導体基板１０をその他面１２側から見たときの概略平面図である。この図３に示される例においても、上記した本実施形態の作用効果が得られることは明らかである。

（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、ガラス台座２０によりダイアフラム１４の裏側の凹部１３は、気密に封止されて圧力基準室となっているが、本発明を適用可能な圧力センサとしては、ガラス台座に対してダイアフラム１４の裏側の凹部１３に圧力を導入するための貫通孔を形成したものであってもよい。

要するに、本発明は、薄肉部としての圧力検出用のダイアフラム１４およびダイアフラム１４の周囲に位置する厚肉部１０ａが形成されてなる半導体基板１０と、一面側が半導体基板１０の厚肉部１０ａに陽極接合により接合されたガラス台座２０とを備える圧力センサであれば、適用可能なものである。

（ａ）は、本発明の実施形態に係る半導体圧力センサを示す概略断面図であり、（ｂ）は同センサにおける半導体基板の概略平面図である。 （ａ）は、従来のこの種の圧力センサにおける熱歪み発生の様子を示す図であり、（ｂ）は、実施形態の圧力センサにおける熱歪み発生の様子を示す図である。 上記実施形態の変形例を示す概略平面図である。

符号の説明

１０…半導体基板としてのシリコン基板、１０ａ…シリコン基板の厚肉部、
１４…ダイアフラム、１４ａ…ダイアフラムの中心点、２０…ガラス台座、
３０…接合部、Ｗ１…ダイアフラムの中心点から径方向に沿った接合部の幅。

Claims (3)

1. 薄肉部としての圧力検出用のダイアフラム（１４）および前記ダイアフラム（１４）の周囲に位置する厚肉部（１０ａ）が形成されてなる半導体基板（１０）と、
   一面側が前記半導体基板（１０）の前記厚肉部（１０ａ）に陽極接合により接合されたガラス台座（２０）とを備える圧力センサにおいて、
   前記半導体基板（１０）と前記ガラス台座（２０）とが接合されている接合部（３０）は、前記半導体基板（１０）の前記厚肉部（１０ａ）の全体ではなく一部に形成されており、
   前記接合部（３０）は、前記ダイアフラム（１４）の中心点（１４ａ）に対して点対称形状である環状の平面形状をなすとともに、前記ダイアフラム（１４）の中心点（１４ａ）から径方向に沿った幅（Ｗ１）が全周において同一のものであることを特徴とする圧力センサ。
2. 前記接合部（３０）の平面形状は多角環形状であることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記接合部（３０）の平面形状は円環形状であることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
   

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