JPH0982984A

JPH0982984A - 半導体力学量センサおよびその製造方法

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Publication number: JPH0982984A
Application number: JP23992795A
Authority: JP
Inventors: Koju Mizuno; 幸樹水野; Kazuhisa Ikeda; 和久池田; Hiroshi Okada; 寛岡田; Yasutoshi Suzuki; 康利鈴木
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1995-09-19
Filing date: 1995-09-19
Publication date: 1997-03-28
Anticipated expiration: 2015-09-19
Also published as: JP3551337B2

Abstract

(57)【要約】【課題】薄肉部が形成されたセンサ基板をもつ半導体
力学量センサの破壊耐圧（限界負荷）を、格段に向上せ
しめることを課題とする。【解決手段】面方位（１１０）の主面１および底面２
を持つ半導体単結晶の基板を有し、矩形の底面２は方位
＜１１０＞，＜１００＞の辺２３，２４で斜面３，４に
全周囲を囲まれていて、主面１に開口する凹部１０が形
成されている半導体力学量センサにおいて、底面２の対
向する辺２４に所定の幅の段差部５が形成されているこ
とを特徴とする。上記基板は異方性エッチングにより製
造できる。段差部５による応力集中の緩和作用で亀裂の
発生が遅れ、破壊耐圧が格段に向上する。さらに等方性
エッチングを施せば、隅部に凹曲面が形成されて応力集
中がいっそう緩和され、破壊耐圧は倍増する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧力センサ、加速
度センサ、角速度センサなどの半導体力学量センサとそ
の製造方法とに関し、半導体センサの技術分野に属す
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体圧力センサの耐圧性を向上させる
技術としては、特公昭６０−１３３１４号公報に開示さ
れたものがある。これは、面方位（１００）の半導体基
板の表面から、周辺が八角形状の斜面によって囲まれて
いる矩形の薄肉部（ダイヤフラム）を持つ単一の凹部が
形成されている半導体圧力センサである。

【０００３】しかし、上記技術では、温度変化による非
直線性のオフセット電圧が生じ、その補償が難しいとい
う問題点が残っていた。そこで、破壊耐圧をさほど落と
すことなく温度補償を容易にする目的で、特開平４−１
１９６７２号公報に開示されている従来技術が開発され
た。同従来技術による半導体圧力センサは、図９（ａ）
〜（ｄ）に示すように、面方位（１１０）の半導体単結
晶基板の表面から、エッチングにより薄肉部（ダイヤフ
ラム）が形成されているものである。この薄肉部は、＜
１００＞軸、＜１１０＞軸、＜１１１＞軸に直行する辺
を有する八角形をしており、同薄肉部の外縁付近での熱
応力の変化量（ばらつき）が極めて少ない。それゆえ、
この半導体圧力センサでは、熱誤差出力がほとんど発生
しないという効果がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術により、
半導体圧力センサの破壊耐圧はかなり向上しているが、
用途によってはさらに高い破壊耐圧が要求され、従来技
術の破壊耐圧では不十分になる場合もある。そこで、本
発明は、よりいっそう高い破壊耐圧（または負荷）を有
し許容圧力（許容負荷）が向上している半導体力学量セ
ンサと、その製造方法とを提供することを解決すべき課
題とする。

【０００５】

〔装置発明〕

（第１構成）本発明の第１構成は、主面と該主面に略平
行な多角形状の底面とを持つ半導体単結晶である基板を
有し、該底面は複数の斜面により全周囲を囲まれてい
て、該底面および全該斜面により該主面に開口する凹部
が形成されている半導体力学量センサにおいて、前記底
面を囲む周縁部の少なくとも一対の対向する辺に、所定
の幅の段差部が形成されていることを特徴とする半導体
力学量センサである。（図１参照）本構成では、多角形状の底面が全周囲を斜面によって囲
まれているので、底面と各斜面とが直角よりも浅い角度
で接合しており、面が直角に接合する接合縁よりも底面
の周縁部での応力集中が少ない。さらに、底面は少なく
とも一対の対向する辺に段差部を有し、段差部は底面と
斜面とが接合する部分で応力集中を緩和する作用があ
る。（図３参照）一方、半導体力学量センサ（例えば圧力センサ）に過大
な負荷（圧力）が掛かり、底面を形成している薄肉部の
破壊が始まる際には、通常、薄肉部の（すなわち底面
の）周縁部に応力が集中し、周縁部から亀裂が入りはじ
める。それゆえ、底面の周縁部での応力集中の緩和が、
限界負荷（破壊耐圧）を向上させる上での要諦である。

【０００６】したがって、本構成によれば、底面の全周
囲を囲む斜面と底面の周縁部の段差部とが有する応力緩
和作用により、基板の薄肉部の限界負荷（破壊耐圧）が
向上するという効果がある。これはすなわち、半導体力
学量センサの限界負荷（破壊耐圧）または許容負荷（許
容圧力）の向上を意味する。なお、半導体力学量センサ
が圧力センサである場合には、薄肉部はダイヤフラムを
形成しており、加速度センサ、角速度センサまたは微小
力センサ等である場合には、薄肉部はカンチレバーを形
成しているのが普通である。いずれのセンサの場合に
も、薄肉部（底面）の周縁部または付根部での応力緩和
による限界負荷が向上するという効果が、本構成により
得られる。

【０００７】（第２構成）本発明の第２構成は、上記第
１構成において、前記主面の面方位は略（１１０）であ
り、前記底面は、各辺の方位が略＜１００＞方位または
略＜１１０＞方位である矩形形状をしていることを特徴
とする。（図２参照）本構成では、底面が矩形であり、底面の各辺の方位は、
略＜１００＞または略＜１１０＞である。略＜１００＞
方位の辺および略＜１１０＞の辺で囲まれている矩形底
面は、面方位略（１１０）の主面に、底面と同じ辺の方
位を持つウィンドウが開いているマスクを形成して異方
性エッチングすることにより、容易に形成される。異方
性エッチングにより、矩形底面の全周囲には、複数の斜
面が自然に形成される。

【０００８】したがって、本構成によれば、前述の第１
構成の効果に加えて、製造が容易であるという効果があ
る。（第３構成）本発明の第３構成は、上記第２構成におい
て、前記段差部は、前記略＜１００＞方位の対向する一
対の辺に形成されていることを特徴とする。

【０００９】本構成では、基板の製造工程においてスト
ップ・エッチング処理を行うことにより、段差部が＜１
００＞方位の対向する二辺に自然に形成される。それゆ
え、本構成によれば、段差部の形成がより容易であると
いう効果がある。さらに、本構成では、矩形の底面を形
成している薄肉部において、亀裂（クラック）の進行す
る＜１１１＞方位が、薄肉部の辺の方位（略＜１００＞
および略＜１１０＞）に対し斜めになっている。亀裂の
進行方位＜１１１＞は、段差部が形成されている略＜１
００＞方位の辺に対して約３５°、段差部がない略＜１
１０＞方位の辺に対しては約５５°の角度をもって交差
している。（図４参照）すなわち、亀裂の進行方位がより直角に近い角度（約５
５°）で接するのは、応力緩和作用をもつ段差部がある
辺であり、段差部のある辺からは亀裂が発生しにくい。
逆に、段差部のない辺には浅い角度（約３５°）で亀裂
の進行方位が交差しているので、亀裂の進行方向に沿う
断面では底面と斜面との交角はいっそう浅く、応力集中
が少ないので段差部のない辺からも亀裂は発生しにく
い。それゆえ、亀裂が底面の四辺のいずれかから発生す
ることが抑制され、薄肉部の破壊耐圧は、薄肉部そのも
のの破裂強度にまで向上する。

【００１０】したがって、本構成によれば、前述の第２
構成の効果に加えて、薄肉部の周縁部から亀裂が発生し
にくいので、基板はよりいっそう高い破壊耐圧（または
負荷）を有し、許容圧力（許容負荷）がさらに向上する
という効果がある。（第４構成）本発明の第４構成は、上記第２構成におい
て、前記底面を囲む前記斜面は、該底面の略＜１００＞
方位の対向する一対の辺にそれぞれ接している面方位
（１００）の斜面と、該底面の略＜１１０＞方位の対向
する他の一対の辺にそれぞれ接している面方位（１１
１）の斜面とであり、両該斜面は、所定の長さで互いに
角度をもって接していることを特徴とする。（図２参
照）本構成では、隣り合う斜面同士が、所定の長さで互いに
角度をもって接しているので、薄肉部が形成している底
面の四隅に、底面に対して垂直に切り立った壁面が接す
ることがない。それゆえ、底面の四隅部分に過度の応力
集中が発生することがない。

【００１１】したがって、本構成によれば、前述の第２
構成の効果に加えて、底面の四隅部分からの亀裂の発生
も防止されるので、いっそう破壊耐圧（限界負荷）が向
上するという効果がある。（第５構成）本発明の第５構成は、上記第１構成におい
て、前記段差部を含む前記底面の前記周縁部において、
複数の面が接する隅部は曲面から形成されていることを
特徴とする。

【００１２】本構成では、底面と斜面との交差部分（隅
部）、段差部の面と斜面との交差部分（隅部）、および
段差部の斜面と底面との交差部分（隅部）に、凹面であ
る曲面が形成されている。凹面である曲面では、明確な
角度をもって複数の面が交差する隅部（凹状の辺縁）よ
りも、応力集中がずっと小さく、その部分から亀裂が入
りにくい。

【００１３】したがって、本構成によれば、前述の第１
構成の効果に加えて、底面の周縁部で応力集中がより少
なくなり亀裂が入りにくくなるので、よりいっそう破壊
耐圧が向上するという効果がある。〔製法発明〕（第６構成）本発明の第６構成は、主面を持ち該主面に
沿って内部に空乏層を有する半導体単結晶からなる基板
の該主面に、所定の開口部を有するマスクを形成するマ
スキング工程と、該基板を該空乏層との境界部まで異方
性エッチングして、全周囲が斜面に囲まれており該主面
と略平行な底面をもつ凹部を形成する第１エッチング工
程と、該基板をさらに所定時間の異方性エッチングし
て、該凹部の該底面を囲む辺縁部の少なくとも一対の対
向する辺に、所定の幅の段差部を形成する第２エッチン
グ工程とを有することを特徴とする半導体力学量センサ
の製造方法である。

【００１４】本構成では、半導体単結晶の基板に、第１
エッチング工程で、底面の全周囲が斜面で囲まれた凹部
が形成され、第２エッチング工程で、底面の辺縁部の少
なくとも一部に段差部が形成される。斜面も段差部も、
ともに底面の周縁部での応力集中を防ぐ作用がある。し
たがって、本構成によれば、より大きい破壊耐圧（負
荷）に耐える半導体力学量センサ（第１構成）の製造が
可能になるという効果がある。

【００１５】（第７構成）本発明の第７構成は、上記第
６構成において、前記マスキング工程は、面方位が略
（１１０）である前記主面に、略＜１００＞方位および
略＜１１０＞方位の四辺で囲まれた矩形の前記開口部を
有するマスクを形成する工程であり、前記第１エッチン
グ工程は、前記基板を異方性エッチングして、前記底面
を略＜１００＞方位および略＜１１０＞方位の四辺で囲
まれた矩形形状に形成する工程であることを特徴とする
（図２参照）。

【００１６】本構成では、第１エッチング工程で、基板
を構成している半導体単結晶の結晶方位を利用して異方
性エッチングを施すことにより、凹部の底面を矩形形状
に形成し、その全周囲に斜面を形成することが容易にで
きる。したがって、本構成によれば、前述の第６構成の
効果に加えて、より大きい破壊耐圧（負荷）に耐える半
導体力学量センサ（第２構成）の製造が、容易になると
いう効果がある。

【００１７】（第８構成）本発明の第８構成は、上記第
７構成において、前記第２エッチング工程は、前記略＜
１００＞方位の対向する一対の辺に前記段差部を形成す
る工程であることを特徴とする（図２参照）。本構成で
は、略＜１００＞方位の辺に接する斜面は、面方位が略
（１００）であって、直交する他の辺（略＜１１０＞方
位）に接する斜面（面方位略（１１１））に比べ格段に
高いエッチング速度で異方性エッチングされる。それゆ
え、第２エッチング工程において、ストップ・エッチン
グを利用することにより、容易に段差部が形成され得る
（図３参照）。

【００１８】また、面方位（１１０）の底面に亀裂が進
行する＜１１１＞方位は、段差部が形成されて応力集中
が緩和されている略＜１００＞方位の辺に対して、垂直
に近い角度（約５５°）を成している。逆に、段差部が
形成されていない略＜１１０＞方位の辺に対しては、亀
裂の進行方位＜１１１＞はより垂直から離れた角度（約
３５°）を成している（図４参照）。それゆえ、底面の
四方のいずれの辺からも亀裂が入りにくいので、底面を
形成している薄肉部の破壊耐圧はよりいっそう向上す
る。

【００１９】したがって、本構成によれば、前述の第７
構成の効果に加えて、よりいっそう大きい破壊耐圧（負
荷）に耐える半導体力学量センサ（第３構成）の製造
が、さらに容易になるという効果がある。（第９構成）本発明の第９構成は、上記第６構成におい
て、前記第１エッチング工程および前記第２エッチング
工程のうちの少なくとも一方は、前記基板を異方性エッ
チング液に浸してエッチング処理するウェットエッチン
グ工程であることを特徴とする。

【００２０】本構成では、異方性エッチングにウェット
エッチング法を使用するので、製造設備が比較的安価か
つ比較的小規模であり、異方性エッチング処理に要する
時間も比較的短時間で済む。したがって、本構成によれ
ば、前述の第６構成の効果に加えて、破壊耐圧の高い半
導体力学量センサ（第１構成）の生産が極めて安価に行
えるという効果がある。

【００２１】（第１０構成）本発明の第１０構成は、上
記第９構成において、前記ウェットエッチング工程は、
前記異方性エッチング液に接触する電極を用い、該電極
と前記基板との間に電圧を印加して該基板を異方性エッ
チング処理する工程であることを特徴とする。

【００２２】本構成では、基板に電圧を印加しながら異
方性エッチング処理するので、空乏層の位置制御が可能
になり、精密にストップ・エッチングをして底面を所定
の位置（深さ）に形成することができる。したがって、
本構成によれば、前述の第９構成の効果に加えて、極め
て精密な位置精度で底面が形成され、品質がより安定し
た半導体力学量センサ（第１構成）の生産が可能にな
り、さらに生産能率が向上するという効果がある。

【００２３】（第１１構成）本発明の第１１構成は、上
記第１０構成において、前記第１エッチング工程および
前記第２エッチング工程は、前記ウェットエッチング工
程であり、前記第２エッチング工程で印加される第２電
圧は、前記第１エッチング工程で印加される第１電圧と
は異なる電圧であって、該第２エッチング工程では、前
記空乏層の前記境界部が、該第１エッチング工程での該
境界部の位置から前記主面に向かって所定距離移動して
おり、移動している該境界部に沿って前記段差部が形成
されることを特徴とする。

【００２４】本構成では、第１電圧と第２電圧とが異な
り電圧差があるので、第２エッチング工程では、エッチ
ング速度が極めて遅い空乏層が主面に向かって迫り出し
て来る。それゆえ、段差部の段差をより高く形成して耐
圧性をより高めることが可能になる上に、電圧差を調整
することにより、段差部の高さ（段差）を調整すること
ができる。

【００２５】したがって、本構成によれば、前述の第１
０構成の効果に加えて、さらにいっそう高い破壊耐圧を
持つ半導体力学量センサ（第１構成）を製造することが
できるという効果がある。（第１２構成）本発明の第１２構成は、上記第１１構成
において、前記第１エッチング工程および前記第２エッ
チング工程は連続的に処理され、該第２エッチング工程
は、前記第１電圧を概略初期値として、前記第２電圧を
徐々に連続的または多段階的に変化させていく工程であ
ることを特徴とする。

【００２６】本構成では、第１電圧から徐々に移行した
第２電圧が、徐々に連続的または多段階的に変化してい
くので、空乏層の境界部が主面に対して近づいてくるの
で、段差部は連続的または多段階的に形成される。それ
ゆえ、底面と斜面とが角度をもって接合する部分の表面
は、応力集中がより少ない段々形状または曲面形状に形
成される。また、第１エッチング工程から連続する第２
エッチング工程では、印加電圧を変化させるだけで済
み、特殊な操作を行わないので加工コストが増加するこ
ともない。

【００２７】したがって、本構成によれば、前述の第１
１構成の効果に加えて、製造コストをほとんど増加させ
ることなく、いっそう高い破壊耐圧を有する半導体力学
量センサを製造することが可能になるという効果があ
る。（第１３構成）本発明の第１３構成は、上記第６構成に
おいて、前記第２エッチング工程が終了した後、前記基
板を等方性エッチング液に所定時間浸して、前記底面の
前記辺縁部の複数の面が接する隅部を曲面で形成する第
３エッチング工程を有することを特徴とする。

【００２８】本構成では、底辺辺縁部で複数の面が接す
る隅部が、角度をもって交わる面が交差する線分として
形成されず、曲面でなだらかに形成されている。通常、
角張った凹部（隅部）には、応力が集中してその部分か
ら亀裂が発生して内部に進行するが、逆に隅部が曲面で
形成されていれば応力集中は極めて少なくなり、亀裂の
発生および成長が防止される。

【００２９】したがって、本構成によれば、前述の第６
構成の効果に加えて、破壊耐圧が極めて高い（ほぼ倍増
している）半導体力学量センサ（第５構成）を製造する
ことができるという効果がある。

【００３０】

〔実施例１〕

（実施例１の半導体力学量センサの構成）本発明の実施
例１としての半導体力学量センサは、圧力センサであっ
て、図１（ａ）〜（ｄ）に示すように、半導体（シリコ
ン）単結晶の基板を有し、該基板には、主面１の中央部
に開口している凹部１０が形成されている。

【００３１】凹部１０は、中央の矩形の底面２と、底面
２の四周に接している四面の斜面３，４と、底面２と斜
面４とが交差する辺２４に沿う段差部５とから形成され
ている。斜面３および斜面４は、四方向で互いに接して
浅い交角の隅部４３を形成するとともに、主面１に八角
形の開口周縁１１をもつて開口している。凹部１０の底
面２と上記基板の裏面６との間には、薄肉部２１が形成
されており、圧力センサのダイヤフラムとして機能す
る。底面２の一対の対向する辺２４には所定の幅の段差
部５が形成されており、底面２は、段差部５を介して斜
面４と約４５°の交角で接している。

【００３２】より詳しくは、図２に示すように、主面１
は面方位（１１０）の平面であり、凹部１０を形成して
いる各斜面は、斜面３が面方位（１１１）で主面に対す
る傾斜角約３５°、斜面４が面方位（１００）で傾斜角
約４５°の平面である。斜面３，４は、互いに浅い角度
をもって放射状の隅部４３で接するとともに、各々主面
１に所定の長さの辺縁を形成して接している。それゆ
え、垂直面４１は、底面２から離れて形成されており、
当該部分は上記基板中で十分な厚みを有する。凹部１０
の八角形の開口周縁１１の図１（ａ）中斜めの四辺に
は、小さな三角形の垂直面４１が各々形成されている。

【００３３】底面２の面方位は主面１と同じ（１１０）
方位であり、底面２の形状は０．６ｍｍ角の正方形であ
る。底面２の四辺のうち、辺２３は軸方位＜１１０＞、
辺２４は軸方位＜１００＞であり、辺２４に接して２０
μｍ程度の幅の段差部５が形成されている。辺２３で
は、底面２と斜面３とが接しており、隅部を形成してい
る。一方、辺２４では、底面２と段差部５の表面の一部
の斜面とが接しており、段差部５は底面２と背向する側
で斜面４と接している。

【００３４】各部の厚みは、図２（ｂ）に示すように、
センサ基板が３００μｍ、薄肉部２１が１０〜１５μ
ｍ、段差部５が１５〜２０μｍである。その他の寸法
は、図２（ａ）および図２（ｂ）の記載を参照された
い。（実施例１の半導体力学量センサの作用効果）前述の構
成のセンサ基板を有する本実施例の半導体力学量センサ
では、段差部５が発揮する応力集中を緩和する作用と、
底面２の面方位、形状および各辺の軸方位により生じる
亀裂の発生を防止する作用とがある。両作用の相乗効果
により、圧力センサである本実施例の半導体力学量セン
サは、極めて高い破壊耐圧を有するに至っている。

【００３５】第１に、段差部５は、図３に示すように、
底面２と斜面４とが接合する部分で応力集中を緩和する
作用がある。すなわち、斜面４の底面２に対する傾斜角
は約４５°であり、仮に、底面２と斜面４とが段差部５
を介さずに（図中破線のように）接合したとすると、傾
斜角が接合部（隅部）Ｅで急変するので大きな応力集中
が生じる。それゆえ、隅部Ｅから亀裂Ｃが入って、薄肉
部２１の破壊強度に達しない低い圧力でも、薄肉部２１
は周縁部から破裂し、低い破壊耐圧しか持ち得ない。

【００３６】そこで、本実施例のように段差部５が形成
されていれば、仮想的な隅部Ｅは段差部５の肉厚に埋没
しているので、強い応力集中が発生しない。その結果、
段差部５が形成されている底面２の周縁部の二辺２４か
らの亀裂の発生は防止され、より高い圧力に耐えること
ができる。第２に、段差部５が、傾斜角約３５°の斜面
３と接する二辺２３にではなく、傾斜角４５°の斜面４
と接する二辺２４に形成されていることも、破壊耐圧の
向上に寄与している。

【００３７】すなわち、底面２と斜面３とが接合してい
る辺２３では、傾斜角は急激に変化しているものの、そ
の絶対値は３５°程度であり、４５°には及ばない。わ
ずか１０°程度の違いではあるが、応力集中の程度に与
える影響は少なくないので、傾斜角の高い斜面４との接
合部分に段差部５が形成されて、応力集中を緩和してい
る効果は、顕著に破壊耐圧の向上に反映される。

【００３８】このことは、逆に傾斜角約３５°の斜面３
との隅部の辺２３にだけ段差部５が形成されていた場合
を仮想すると、理解が容易である。この場合には、段差
部５がない場合と変わりなく、傾斜角が４５°と深い斜
面４と接合する辺２４で先に亀裂が入るから、破壊耐圧
の向上には寄与しない。第３に、図４に示すように、底
面２の面方位（１１０）および四辺２３，２４の軸方位
＜１１０＞，＜１００＞も、破壊耐圧の向上に寄与して
いる。

【００３９】すなわち、底面２に生じる亀裂が走り易い
方位は、軸方位＜１１１＞であり、亀裂の入る線を仮想
的に底面２上に描くと、亀裂線（仮称）Ｂ１，Ｂ２の二
通りの場合がある。亀裂線Ｂ１のように、亀裂線の両端
が辺２４で段差部５に接している場合には、亀裂線の両
端部が段差部の応力集中緩和作用で亀裂が入りにくくな
っているので、容易に亀裂が発生することがない。それ
ゆえ、薄肉部２の破壊耐圧は向上する。

【００４０】また、亀裂線Ｂ２のように、亀裂線の一端
は辺２４で段差部５に接しており、他端は辺２３に接し
ている場合もある。この場合にも、上記一端では段差部
５の応力集中緩和作用で亀裂が入りにくい。一方、上記
他端では、斜面３に接する辺２３に段差部は形成されて
いないが、辺２３に対する亀裂線Ｂ２の入射角が約３５
°と浅い。それゆえ、亀裂線Ｂ２に沿う斜面３の傾斜角
は、３５．３°×ｓｉｎ（３５．３°）＝２０．４°
と、約２０°にしかならないので、亀裂線Ｂ２に沿う辺
２３付近での応力集中による亀裂の発生は、抑制されて
いる。

【００４１】したがって、本実施例の半導体圧力センサ
では、センサ基板の底面２の周辺からの亀裂が発生しに
くいので、薄肉部２１の破壊耐圧が向上するという効果
がある。（実施例１の半導体力学量センサの製造方法）前述の本
実施例の半導体力学量センサに使用するセンサ基板は、
以下のマスキング工程、第１エッチング工程および第２
エッチング工程を順に実施する製造方法により、製造す
ることができる。

【００４２】（マスキング工程）上記基板の出発材料
は、シリコン半導体の単結晶からなる厚さ３００μｍの
ウエハであり、該ウエハの主面１および裏面６は、面方
位（１１０）の平面である。該ウエハは、図５に示すよ
うに、主面１側のＰ型半導体層Ｐと裏面側のＮ型半導体
層Ｎとから構成されている。Ｎ型半導体層Ｎは厚さ１０
μｍ程度のエピタキシャル層であり、ＰＮ接合面ＰＮを
挟んで空乏層Ｄが主面１に沿って該ウエハ内部に形成さ
れている。

【００４３】マスキング工程では、窒化シリコン膜（Ｓ
ｉＮ）からなるマスクを主面１上に形成する。該マスク
は、縦（＜１００＞方位）１．４２ｍｍ×横（＜１１０
＞方位）０．７４ｍｍの矩形の開口部を複数個有する。
該開口部は縦横に配列されており、一つのウエハから開
口部の数だけ凹部１０が形成されるようになっている。

【００４４】なお、該ウエハの裏面６には金属膜（図示
せず）が形成されており、裏面６に均一に電圧を印加で
きるようになっている。（第１エッチング工程）第１エッチング工程では、前述
のようにマスクが主面１に形成された基板を、エッチン
グ容器（図示せず）に満たした異方性エッチング液（図
示せず）に浸して異方性ウェット・エッチング処理を行
い、前述のマスク開口部から凹部を形成する上記容器
は、上記エッチング液、純水および窒素ガスを注入・排
出できるようになっており、精密なエッチング液の温度
管理と攪拌を行うことができる。上記エッチング液とし
ては、アルカリ異方性エッチング液であるＫＯＨ水溶液
（３３ｗｔ％）を使用し、本工程中、液温は１１０°Ｃ
に保たれる。

【００４５】本工程では、図５に示すように、直流電源
９により所定電圧（１０Ｖ）を印加しながら、異方性エ
ッチング処理が行われる。上記電圧は、エッチング液中
に浸した白金電極８とウエハ裏面６の上記金属膜（図示
せず）との間に、印加される。印加電圧の向きは、Ｎ型
半導体層Ｎ側に正、Ｐ型半導体層Ｐ側に負であって、Ｐ
Ｎ接合面ＰＮには逆バイアス電界がかかっている。その
結果、空乏層Ｄは厚みを増し、空乏層Ｄの境界部（境界
面）Ｆは、電圧無印加時よりも主面１側へ迫り出してき
ている。

【００４６】したがって、本工程では、該ウエハを空乏
層Ｄとの境界部Ｆまで異方性エッチングして、全周囲が
斜面に囲まれており主面１および裏面６と平行な底面
２’をもつ凹部を形成する。境界部Ｆまで異方性エッチ
ングが進むと、底面に平行なエッチング面２’はエッチ
ング速度が極端に落ち、ストップ・エッチング状態にな
る。この状態に至るまで（すなわち第１エッチング工
程）の処理時間は、３５分間程度である。

【００４７】この段階で、底面２に平行なエッチング面
２’と斜面４に平行なエッチング面４’とが形成されて
おり、エッチング面２’の四方の辺には、周囲の斜面
（４’等）が接合する隅部Ｅが形成されている。なお、
この段階での凹部の底面にあたるエッチング面２’は、
上記マスク開口部の四辺に平行に、略＜１００＞方位お
よび略＜１１０＞方位の四辺で囲まれた矩形形状に形成
されている。

【００４８】（第２エッチング工程）第２エッチング工
程では、前述の第１エッチング工程に連続して、同じ条
件でエッチング処理が続けられる。すなわち、本工程で
は、上記ウエハをさらに所定時間（３分間程度）、異方
性エッチングする。すると、図５に示すように、面方位
（１１０）の底面２に向かうエッチング速度Ｓ２は極め
て遅く、エッチング面はあまり進まずに底面２が形成さ
れる。

【００４９】一方、面方位（１００）の斜面４に向かう
エッチング速度Ｓ４はあまり低下しないので、エッチン
グ面は比較的深くまで進行して斜面４が形成される。た
だし、エッチング面が空乏層Ｄにかかると途端にエッチ
ング速度が低下するので、凹部１０の空間に対してゆる
やかな凸の曲面を表面５１に有する段差部５が、底面２
と斜面４との接合部に形成される。こうして、凹部１０
の底面２を囲む辺縁部の一対の対向する辺２４（軸方位
＜１００＞）に隣接して、所定の幅（２０μｍ程度）の
段差部５が形成される。

【００５０】なお、面方位（１１１）の斜面３に向かう
エッチング速度は、面方位（１１０）の底面２に向かう
エッチング速度Ｓ２と同様に極めて遅い。それゆえ、底
面２と斜面３との間には段差部はほとんど形成されず、
底面２と斜面３とは辺２３で直接接合する（図１参
照）。（その後の工程）以上の処理を経て所定形状の凹部１０
が形成されたウエハは、純水で洗浄されたのち、マスク
の除去処理、台座との接合、およびダイシングなどが施
される。これらの公知の工程を経て、前述の半導体力学
量センサ（圧力センサ）が完成する。

【００５１】（実施例１の製造方法の作用効果）以上詳
述したように、本実施例の半導体力学量センサの製造方
法によれば、ストップ・エッチングを利用した異方性エ
ッチングを施すことにより、破壊耐圧が飛躍的に向上し
ている半導体圧力センサを容易に製造することが可能に
なる。また、本実施例の製造方法の応用で、加速度セン
サや角速度センサ等の（ダイヤフラムの代わりに）カン
チレバー状の薄肉部を有する半導体力学量センサを製造
することができる。その際、段差部は、上記カンチレバ
ーの根元部分に形成されていることが望ましい。

【００５２】（実施例１の製造方法の変形態様１）変形
態様１の製造方法においては、第１エッチング工程まで
は、前述の実施例１と同様であり、図６に示すように、
エッチング面２’，４’が形成される。この際の印加電
圧（第１電圧）Ｖ１も、実施例１の第１エッチング工程
での印加電圧と同じである。

【００５３】第２エッチング工程で印加される第２電圧
は、同工程の始めのうちは第１電圧と同じであり、空乏
層Ｄの境界面Ｆの位置でのストップ・エッチングによ
り、エッチング面２１，４１’が形成される。この時点
で第２電圧はより高い電圧Ｖ２１に切り替わり、空乏層
Ｄの境界面はＦ１の位置に上昇（主面１へ向かって移
動）して、新たな段差部５”を伴うエッチング面２２，
４２が形成される。同様に、この時点で第２電圧はさら
に高い電圧Ｖ２２に切り替わり、空乏層Ｄの境界面はＦ
２の位置に上昇して、新たな段差部５２を伴うエッチン
グ面２，４が形成される。

【００５４】こうして、第２エッチング工程で多段階に
印加電圧を増加させることにより、多段の段差部５’，
５”，５２が形成される。段差部が多段階に形成される
ことにより、当該部分での応力集中はよりいっそう緩和
されるので、基板の破壊耐圧はよりいっそう向上する。
したがって、本変形態様の製造方法によれば、よりいっ
そう破壊耐圧が向上している半導体力学量センサを製造
することが可能になるという効果がある。

【００５５】なお、第２エッチング工程で、印加電圧を
第１電圧Ｖ１からより高い第２電圧Ｖ２に一度変更する
だけでも、破壊耐圧の向上効果は得られる。（実施例１の製造方法の変形態様２）変形態様２の製造
方法も、第１エッチング工程までは実施例１と同様であ
り、第２エッチング工程のみが異なる。

【００５６】すなわち、第２エッチング工程で印加され
る第２電圧Ｖ２は、第１電圧Ｖ１を初期値Ｖ２ｉとして
徐々に連続的に増加するように制御される。第２エッチ
ング工程の全ての時間にわたって、第２電圧は連続的に
上昇し、最終的には相当程度高い終端値Ｖ２ｆにまで達
して本工程を終了する。第２電圧の増加に伴い、図７に
示すように、空乏層Ｄの境界面Ｆも連続的にＦ’の位置
にまで上昇する。

【００５７】それゆえ、ストップ・エッチングにより形
成される段差部５１’も、ほとんど無段階に連続して形
成される。したがって、本変形態様の製造方法によれ
ば、さらに高い破壊耐圧を有する基板、ひいては半導体
力学量センサの製造が可能になるという効果がある。（実施例１の製造方法の変形態様３）変形態様３は、第
１エッチング工程では電圧印加せずに異方性エッチング
を基板に施し、第２エッチング工程で印加電圧（第２電
圧）Ｖ２を与えて段差部５の形成を行う製造方法であ
る。本変形態様は、前述の変形態様１および変形態様２
において、第１電圧Ｖ１をゼロとした特殊な場合として
実施することができるので、変形態様１，２と同様のエ
ッチング装置で実施することが可能である。

【００５８】本変形態様の製造方法によっても、前述の
変形態様１，２と同様の効果を上げることができる。（実施例１の製造方法のその他の変形態様）本実施例の
本質に係わらない多数の変形態様があり得る。まず、異
方性エッチング液として、アルカリ異方性エッチング液
である水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液（ＴＭＡ
Ｈ：（ＣＨ₃）₄ＮＯＨ）やエチレンジアミンなど、他
の異方性エッチングを使用してもよい。

【００５９】次に、半導体としてはシリコンのみに限定
されるものではなく、異方性エッチングが可能であれば
他の半導体を使用してもよい。また、Ｐ型半導体層Ｐと
Ｎ型半導体層Ｎとが、実施例１と逆転している基板の構
成でもよい。この場合、ＰＮ逆転に伴い、印加電圧も逆
にする。なお、段差部５が形成されるメカニズムとし
て、底面２に向かうエッチング面２’に陽極酸化皮膜が
形成されて、エッチング速度が落ちるせいであるとする
考察もあることを付記しておく。

【００６０】〔実施例２〕（実施例２の半導体力学量センサの構成）本発明の実施
例２としての半導体力学量センサは、図８に示すよう
に、段差部５０が底面２”と斜面４”との境界に形成さ
れているセンサ基板を有する。本実施例の基板は、前述
の実施例１の基板と結晶方位は同一であり、形状寸法も
ほぼ同一である。本実施例が実施例１と最も異なる点
は、段差部５０を含む底面２”周縁部など、およそ凹部
１０”（実施例１の凹部１０より各面が１〜２μｍ拡
大）を形成している複数の面が接する隅部は、すべて曲
面から形成されていることである。すなわち、正方形の
底面２”の四方の辺２３”（図示せず），２４”は曲面
で形成されている。段差部５０の付近においても、図８
に示すように、二つの面が角度をもって接している隅部
ｅ１，ｅ２は、曲率半径Ｒが１〜２μｍの凹曲面で形成
されている。凹部１０”内の他の全ての隅部でも、同程
度の曲率で凹曲面が形成されている。

【００６１】（実施例２の半導体力学量センサの作用効
果）本実施例の基板の構成では、底面２”の四辺２
３”，２４”を含めて、凹部１０”に角張った凹部（隅
部）が無く、いずれの隅部でも応力集中がいっそう緩和
されている。したがって、本実施例ではセンサ基板の薄
肉部２１”の四方から亀裂の入る破壊耐圧がいっそう高
くなり、ほとんど薄肉部２１”本体の破裂強度に近づく
までになっている。それゆえ、本実施例の半導体力学量
センサによれば、実施例１に優って飛躍的に破壊耐圧を
向上させることができるという効果がある。

【００６２】（実施例２の半導体力学量センサの製造方
法）本実施例の基板（図８参照）は、実施例１で製造し
た基板を出発材料とする。すなわち、前述の実施例１で
第２エッチング工程が終了した後、本実施例では、さら
に第３エッチング工程で、基板を等方性エッチング液に
約２０秒だけ浸して１〜２μｍ程度エッチングする。そ
の際、エッチング液はＨＮＯ₃（７０％）：ＨＦ（４９
％）：ＣＨＣＯＯＨ（９９．５％）の各水溶液を、４
５：２：３の割合で混合したものが使用され、エッチン
グ液の温度は２２°である。

【００６３】前述の第３エッチング工程により、基板の
凹部１０は１〜２μｍ程度等方性エッチングされ、全て
の隅部に曲率Ｒ＝１〜２μｍの凹曲面が形成される。そ
の結果、前述の飛躍的に高い破壊耐圧を持つ基板が製造
される。したがって、本実施例の製造方法によれば、前
述のように飛躍的に高い破壊耐圧を持つ半導体力学量セ
ンサを製造することが可能になるという効果がある。

【００６４】〔実施例１および実施例２の評価〕前述の
実施例１および実施例２のセンサ基板の破壊耐圧を評価
する目的で、静水圧による破壊試験を行った。その際、
比較対象として従来技術（特開平４−１１９６７２号）
によるセンサ基板をも複数個製造し、同試験に供した。
従来技術のセンサ基板は、図９に示すように、八角形の
薄肉部２０をもつ。同図そのまま（等方性エッチングな
し）の基板を「従来１」、これに本発明の実施例２の第
３エッチング工程と同様の等方性エッチング処理を施し
た基板を「従来２」と名付けて試験データをとった。

【００６５】その結果、図１０に示すように、本発明の
実施例１および実施例２には、破壊耐圧の向上において
顕著な効果が認められた。同図中で、一点は一試験デー
タに対応しており、従来１，２の試料数は各１０点、実
施例１の試料数は２０点、実施例２の試料数は２３点で
ある。すなわち、従来１の試料の破壊耐圧は１５〜２０
〔ｋｇｆ／ｃｍ²〕程度しかなく、等方性エッチングさ
れた従来２の試料の破壊耐圧でも４０〜４５〔ｋｇｆ／
ｃｍ²〕程度である。しかし、実施例１の試料の破壊耐
圧は、５０〜８０〔ｋｇｆ／ｃｍ²〕程度に向上してお
り、実施例２の試料の破壊耐圧に至っては、１４０〜１
９５〔ｋｇｆ／ｃｍ²〕程度にまで飛躍的に向上してい
る。

【００６６】以上の試験結果から、本発明の半導体力学
量センサおよびその製造方法による効果は明らかであ
り、従来にない極めて高い破壊耐圧（破壊負荷）をもつ
半導体力学量センサを提供することができるようになっ
た。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１のセンサ基板の形状を示す組図（ａ）主面から見た平面図（ｂ）横端面図（ｃ）縦端面図（ｄ）斜端面図

【図２】実施例１のセンサ基板の寸法および結晶方位
を示す組図（ａ）主面から見た平面図（ｂ）横端面図

【図３】実施例１の基板の段差部の応力集中緩和作用
を示す部分端面図

【図４】実施例１の基板の底面での亀裂発生防止作用
を示す部分平面図

【図５】実施例１のセンサ基板の製造方法を示す部分
端面模式図

【図６】変形態様１のセンサ基板の製造方法を示す部
分端面模式図

【図７】変形態様２のセンサ基板の製造方法を示す部
分端面模式図

【図８】実施例２のセンサ基板の製造方法を示す部分
端面模式図

【図９】従来技術のセンサ基板の寸法形状および結晶
方位を示す組図（ａ）主面から見た平面図（ｂ）横端面図（ｃ）縦端面図（ｄ）斜端面図

【図１０】実施例１，２のセンサ基板の破壊耐圧の向上
を示すグラフ

【符号の説明】

１：主面１０：凹部１０１１：開口周縁２：矩形の底面２１：薄肉部（ダイヤフラム）２３：辺（略＜１１０＞方位、隅部でもある）２４：辺（略＜１１０＞方位、隅部でもある）３：斜面（面方位は略（１１１）、主面との交角約３５
°）４：斜面（面方位は略（１００）、主面との交角約４５
°）４１：垂直面４３：隅部５，５’，５”，５２：段差部５１：段差部表面６：裏面８：白金電極９：直流電源Ｂ１，Ｂ２：亀裂進行方位＜１１１＞Ｅ：隅部（交
角）Ｃ：亀裂Ｄ：空乏層Ｆ：空乏層の境界部（境界面）Ｒ：
曲率半径Ｐ：Ｐ型半導体層Ｎ：Ｎ型半導体層ＰＮ：ＰＮ
接合面Ｓ２，Ｓ４：エッチング速度Ｖ１，Ｖ２：第１電圧
および第２電圧２’，４’：第１エッチング工程終了時の底面および斜
面（変形態様１）２１，２２，４１’，４２：第２エッチ
ング工程途中の底面および斜面Ｖ２１，Ｖ２２：第２電圧Ｆ１，Ｆ２：空乏層の境
界部（第２電圧対応）（変形態様２）５１’：段差部曲面Ｆ’：第２エッ
チング工程終了時の空乏層の境界部Ｖ２ｉ，Ｖ２ｆ：第２電圧の初期値および終端値（実施例２）２”，４”，５１”：第３エッチング工程
終了時の底面、斜面、段差部表面１０’：凹部２１”：薄肉部２４”：辺５
０：段差部Ｓ：等方性エッチング速度Ｒ：曲率半径ｅ１，
ｅ２：隅部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者鈴木康利愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地日本電装株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】主面と該主面に略平行な多角形状の底面と
を持つ半導体単結晶である基板を有し、該底面は複数の
斜面により全周囲を囲まれていて、該底面および全該斜
面により該主面に開口する凹部が形成されている半導体
力学量センサにおいて、前記底面を囲む周縁部の少なくとも一対の対向する辺
に、所定の幅の段差部が形成されていることを特徴とす
る半導体力学量センサ。
【請求項２】前記主面の面方位は略（１１０）であり、前記底面は、各辺の方位が略＜１００＞方位または略＜
１１０＞方位である矩形形状をしている請求項１記載の
半導体力学量センサ。
【請求項３】前記段差部は、前記略＜１００＞方位の対
向する一対の辺に形成されている請求項２記載の半導体
力学量センサ。
【請求項４】前記底面を囲む前記斜面は、該底面の略＜１００＞方位の対向する一対の辺にそれぞ
れ接している面方位（１００）の斜面と、該底面の略＜１１０＞方位の対向する他の一対の辺にそ
れぞれ接している面方位（１１１）の斜面とであり、両該斜面は、所定の長さで互いに角度をもって接してい
る請求項２記載の半導体センサ。
【請求項５】前記段差部を含む前記底面の前記周縁部に
おいて、複数の面が接する隅部は曲面から形成されてい
る請求項１記載の半導体力学量センサ。
【請求項６】主面を持ち該主面に沿って内部に空乏層を
有する半導体単結晶からなる基板の該主面に、所定の開
口部を有するマスクを形成するマスキング工程と、該基板を該空乏層との境界部まで異方性エッチングし
て、全周囲が斜面に囲まれており該主面と略平行な底面
をもつ凹部を形成する第１エッチング工程と、該基板をさらに所定時間の異方性エッチングして、該凹
部の該底面を囲む辺縁部の少なくとも一対の対向する辺
に、所定の幅の段差部を形成する第２エッチング工程と
を有することを特徴とする半導体力学量センサの製造方
法。
【請求項７】前記マスキング工程は、面方位が略（１１
０）である前記主面に、略＜１００＞方位および略＜１
１０＞方位の四辺で囲まれた矩形の前記開口部を有する
マスクを形成する工程であり、前記第１エッチング工程は、前記基板を異方性エッチン
グして、前記底面を略＜１００＞方位および略＜１１０
＞方位の四辺で囲まれた矩形形状に形成する工程である
請求項６記載の半導体力学量センサの製造方法。
【請求項８】前記第２エッチング工程は、前記略＜１０
０＞方位の対向する一対の辺に前記段差部を形成する工
程である請求項７記載の半導体力学量センサの製造方
法。
【請求項９】前記第１エッチング工程および前記第２エ
ッチング工程のうち少なくとも一方は、前記基板を異方
性エッチング液に浸してエッチング処理するウェットエ
ッチング工程である請求項６記載の半導体力学量センサ
の製造方法。
【請求項１０】前記ウェットエッチング工程は、前記異
方性エッチング液に接触する電極を用い、該電極と前記
基板との間に電圧を印加して該基板を異方性エッチング
処理する工程である請求項９記載の半導体力学量センサ
の製造方法。
【請求項１１】前記第１エッチング工程および前記第２
エッチング工程は、前記ウェットエッチング工程であ
り、前記第２エッチング工程で印加される第２電圧は、前記
第１エッチング工程で印加される第１電圧とは異なる電
圧であって、該第２エッチング工程では、前記空乏層の前記境界部
が、該第１エッチング工程での該境界部の位置から前記
主面に向かって所定距離移動しており、移動している該
境界部に沿って前記段差部が形成される請求項１０記載
の半導体力学量センサの製造方法。
【請求項１２】前記第１エッチング工程および前記第２
エッチング工程は連続的に処理され、該第２エッチング
工程は、前記第１電圧を概略初期値として、前記第２電
圧を徐々に連続的または多段階的に変化させていく工程
である請求項１１記載の半導体力学量センサの製造方
法。
【請求項１３】前記第２エッチング工程が終了した後、前記基板を等方性エッチング液に所定時間浸して、前記
底面の前記辺縁部の複数の面が接する隅部を曲面で形成
する第３エッチング工程を有する請求項６記載の半導体
力学量センサの製造方法。