(57)【要約】【課題】半導体基板と支持基板との剥離、およびダイアフラムの破損を防止して、高圧の環境下でも使用可能な半導体圧力センサを提供する。【解決手段】半導体基板１１の厚み方向Ｎに沿った断面において、半導体基板１１の凹部１３の内側面１３ａ，１３ｂと、支持基板１２の一面１２ａとはそれぞれ角度θで接し、この角度θは、凹部１３の内側Ｓに向けて互いに向き合うように、鋭角を成している。例えば、本実施形態では、内側面１３ａ，１３ｂは、半導体基板１１の厚み方向Ｎに沿った方向から、支持基板１２の一面１２ａに沿った方向に向けて、角度θが漸減するようなテーパー形状を成している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板、該半導体基板の一面から他面に向けて凹部が配され、該半導体基板の一部に薄板化された領域からなるダイアフラム部、該ダイアフラム部に配された感圧素子と、該半導体基板の一面に接合され、前記凹部に向けて貫通する開口を有する支持基板と、を少なくとも備えてなる半導体圧力センサであって、
前記半導体基板は、その厚み方向に沿った断面において、前記凹部の内側面と、前記半導体基板の一面に接合される前記支持基板の一面とが成す角度θが鋭角であることを特徴とする半導体圧力センサ。
【請求項２】
前記凹部は、その中間領域で対向する内側面どうしの幅が最大になる形状を成すことを特徴とする請求項１記載の半導体圧力センサ。
【請求項３】
前記凹部の内側面と前記支持基板の一面とからなる前記半導体の端部は、その断面方向から見てテーパー形状を成すことを特徴とする請求項１に記載の半導体圧力センサ。
【請求項４】
前記支持基板はガラス系部材であることを特徴とする請求項１に記載の半導体圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体からなる基板を利用した圧力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
小型で高精度な圧力センサとして、例えば、シリコンウェハなどの半導体基板の一部を薄板化したダイヤフラムを形成し、このダイヤフラムに歪ゲージなどの感圧素子を配して、感圧素子の変化を測定することによって、ダイヤフラムに加わった圧力を検出する半導体圧力センサが知られている。
【０００３】
こうした半導体圧力センサは、ダイアフラムを有する半導体基板をガラスなどの支持基板（台座）に接合したものであるが、この半導体基板と支持基板とが剥離しやすく、使用環境によってダイアフラムに強い圧力が加わると、圧力センサが破損しやすいという課題があった。
【０００４】
こうした、過度の圧力による半導体基板と支持基板との剥離という課題に対して、例えば特許文献１に記載された発明では、半導体基板の凹部における側面とダイアフラム部を成す頂面との境界部を丸めるとともに、凹部の側面と支持基板（台座）との接合部の角度を８０°以上とした半導体圧力センサが記載されている。
【特許文献１】特開２００１−３４３２９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載された構造の半導体圧力センサでは、半導体基板と支持基板との接合部分に加わる応力の抑制効果は限定的であり、接合部分の破壊耐圧は１０ＭＰａ程度が限界であった。このため、半導体圧力センサを使用可能な環境が限定されており、一層の高圧環境下での圧力検出にも耐えうる半導体圧力センサが望まれている。
【０００６】
本発明は、上記実情に鑑みて考案されたものであり、半導体基板と支持基板との剥離、およびダイアフラム部の破損を防止して、高圧の環境下でも使用可能な半導体圧力センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の請求項１に記載の半導体圧力センサは、半導体基板の一面から他面に向けて凹部を形成して、該半導体基板の一部を薄板化したダイアフラム部と、該ダイアフラム部に配された感圧素子と、該半導体基板の一面に接合された支持基板と、該支持基板を前記凹部に向けて貫通する開口とを有する半導体圧力センサであって、
前記半導体基板の厚み方向に沿った断面において、前記凹部の内側面と、前記半導体基板の一面に接合される前記支持基板の一面とが接する角度は、前記凹部の内側に向けて鋭角を成すことを特徴とする。
本発明の請求項２に記載の半導体圧力センサは、請求項１において、前記凹部は、前記半導体基板の一面と、前記ダイアフラム部を成す前記凹部の頂面との間で、対面する内側面どうしの幅が最大になる形状を成すことを特徴とする。
本発明の請求項３に記載の半導体圧力センサは、請求項１において、前記凹部の内側面は、前記半導体基板の他面に近づくほど、前記支持基板の一面に対する角度が漸減することを特徴とする。
本発明の請求項４に記載の半導体圧力センサは、請求項１において、前記支持基板はガラス基板であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、半導体基板の一面における凹部の内側面は、支持基板の一面に対して互いに向き合うように鋭角を成しているので、凹部の内側面が支持基板の一面と接する部分に加わる凹部の圧力は分散され、その一部は半導体基板を支持基板に向けて押し付ける方向に作用する。よって、開口を介して凹部の内側に強い圧力が加わっても、凹部の内側面が支持基板に接する部分で半導体基板を支持基板に向けて押し付ける力が働くので、半導体基板が支持基板から剥離してしまうことを効果的に防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明に係る半導体圧力センサの一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の半導体圧力センサの一例を示す断面図である。本発明の半導体圧力センサ１０は、半導体基板１１と、支持基板１２とを有する。半導体基板１１はその一面１１ａで支持基板１２の一面１２ａと接合されている。
【００１０】
半導体基板１１には、一面１１ａから他面１１ｂに向けて凹部１３が形成される。この凹部１３の形成によって半導体基板１１が薄板化された領域はダイアフラム部１４とされる。このような半導体基板１１が薄板化されたダイアフラム部１４は、凹部１３の内側Ｓの圧力変動によって湾曲する。
【００１１】
半導体基板１１の他面１１ｂ側には、感圧素子１５が配される。この感圧素子１５は、ダイアフラム部１４の湾曲の度合いに応じて出力信号が変化し、これにより凹部１３内の圧力を検出する。
【００１２】
半導体基板１１の厚み方向Ｎに沿った断面において、半導体基板１１の凹部１３の内側面１３ａ，１３ｂと、支持基板１２の一面１２ａとはそれぞれ角度θで接し、この角度θは、凹部１３の内側Ｓに向けて互いに向き合うように、鋭角を成している。例えば、本実施形態では、内側面１３ａ，１３ｂは、半導体基板１１の厚み方向Ｎに沿った方向から、支持基板１２の一面１２ａに沿った方向に向けて、角度θが漸減するようなテーパー形状を成している。       
【００１３】
支持基板１２は、半導体基板１１の一面１２ａと接合されて、凹部１３の開放端側を塞ぐ。そして、この支持基板１２には、凹部１３に向けて、一面１２ａと他面１２ｂとの間を貫通する開口１６が形成される。この開口１６によって、凹部１３の内側Ｓは外気と繋がる。
【００１４】
このような構成の本発明の半導体圧力センサ１０によれば、支持基板１２の開口１６に繋がる外部の圧力が高まると、開口１６を介して凹部１３の内側Ｓの内圧も高まる。すると、半導体基板１１の一部が薄板化されたダイアフラム部１４は、例えば図１（ａ）中の点線Ｆのように半導体基板１１の他面１２ｂ側に湾曲する。ダイアフラム部１４が湾曲すると、ダイアフラム部１４の近傍に配された感圧素子１５の出力信号が、ダイアフラム部１４の湾曲の度合いに応じて変化する。この感圧素子１５の出力信号の変化を検出することによって、凹部１３の内側Ｓの圧力、即ち、開口１６を介して凹部１３と繋がった外部の圧力を検出することができる。
【００１５】
凹部１３の内側Ｓの圧力が高まると、凹部１３のダイアフラム部１４側の内壁である頂面１３ｃに加わる圧力は、半導体基板１１と支持基板１２とを剥離させる方向に作用する。しかし、本発明の半導体圧力センサ１０では、半導体基板１１の一面１１ａ側における凹部１３の内側面１３ａ，１３ｂは、支持基板１２の一面１２ａに対して互いに向き合うように鋭角を成している。これにより、図１（ｂ）に示すように、凹部１３の内側面１３ａ，１３ｂが支持基板１２の一面１２ａと接する部分に加わる凹部１３の圧力Ｐは、ｘ方向とｙ方向の２成分に分けることができる。
【００１６】
そして、圧力Ｐのｘ方向成分は半導体基板１１と支持基板１２とを剥離させる方向には作用せず、圧力Ｐのｙ方向成分は、逆に半導体基板１１を支持基板１２に向けて押し付ける方向に作用する。よって、開口１６を介して凹部１３の内側Ｓに強い圧力が加わっても、凹部１３の内側面１３ａ，１３ｂが支持基板１２に接する部分で半導体基板１１を支持基板１２に向けて押し付ける力が働くので、半導体基板１１が支持基板１２から剥離してしまうことを効果的に防止することができる。
【００１７】
半導体基板１１は、例えばシリコンウェハなどから構成されれば良い。また、支持基板１３は、例えばガラス基板などから形成されていれば良い。こうした半導体基板１１と支持基板１３との接合は、例えば、陽極接合や接着層による接合など、各種接合方法を用いることができる。
【００１８】
感圧素子１５は、歪ゲージセンサなど、各種圧力検出素子を用いることができる。また、感圧素子１５の設置箇所は、上述した実施形態の如くダイアフラム部１４の近傍で半導体基板１１の他面１１ｂに埋設する以外にも、例えば、半導体基板１１の他面１１ｂ上に突出するように形成するなど、ダイアフラム部１４の湾曲を検出できる位置であれば、どのような位置に設置しても良い。
【００１９】
凹部１３の頂面１３ｃと内側面１３ａ，１３ｂとの交差部分は、図１に示すように、テーパー形状を成しているのが好ましい。これにより、ダイアフラム部１４に掛かる圧力を分散させることで、凹部１３の内側Ｓに強い圧力が加わっても、半導体基板１１を薄板化した強度が弱いダイアフラム部１４が破損することを防止できる。
【００２０】
凹部１３の内側Ｓは、図１に示すように、半導体基板１１の一面１１ａと、ダイアフラム部１４を成す凹部１３の頂面１３ｃとの間で、対面する内側面１３ａ，１３ｂどうしの幅ｔ１が最大になるのが好ましい。即ち、凹部１３おける一面１１ａの幅ｔ２や頂面１３ａの幅ｔ３よりも、凹部１３の中ほどの内側面１３ａ，１３ｂどうしの幅ｔ１が最大になるような形状に凹部１３を形成するとよい。これによって、凹部１３の内側面１３ａ，１３ｂが頂面１３ｃや支持基板１２の一面１２ａと交わる部分に過度の圧力が掛かることを防止し、凹部１３の耐圧性を高めることができる。
【００２１】
凹部１３の内側面１３ａ，１３ｂと、支持基板１２の一面１２ａとが成す角度θは鋭角であればよいが、好ましくは６０°〜８９°の範囲に設定されればよい。角度θが６０°以下では、半導体基板１１と支持基板１２との間の応力緩和効果はほぼ飽和してしまう。また、角度θが小さくなるほど凹部１３が広がって半導体基板１１が大型化してしまう。こうした理由から、角度θを６０°〜８９°の範囲に設定するのが好ましい。
【００２２】
本発明の半導体圧力センサにおける凹部の形状は、上述した実施形態のように、支持基板および頂面と内側面とが接する部分を、断面から見て湾曲したテーパー状に限定されない。例えば、図２に示した半導体圧力センサ２０では、半導体基板２１の凹部２３の内側面２３ａ，２３ｂを中ほどで屈折させた断面が略六角形の形状を成し、内側面２３ａ，２３ｂが支持基板２２の一面２２ａとの接する部分は、角度θが鋭角を成す傾斜面としている。
【００２３】
また、例えば、図３に示した半導体圧力センサ３０では、半導体基板３１の凹部３３の内側面３３ａ，３３ｂを中ほどに向けて湾曲させた断面が樽状を成し、内側面３３ａ，３３ｂが支持基板３２の一面３２ａとの接する部分は、角度θが漸減するテーパーを成している。こうした構成によっても、凹部３３の耐圧性を高めるとともに、半導体基板３１と支持基板３２とを剥離させる方向に働く圧力を分散させることが可能となる。
【００２４】
次に、こうした半導体圧力センサを構成する半導体基板に凹部を形成する方法を例示する。図４（ａ）に示すように、まず、シリコンウェハなどの半導体基板５１の他面５１ｂに、感圧素子５２を形成する。次に、図４（ｂ）に示すように、半導体基板５１の一面５１ａから、ＳＦ６ ガスによるプラズマエッチングと、Ｃ４Ｆ８ガスによる保護膜形成を交互に行うことでダイアフラム部の形成を行う。この際、ＳＦ６ ガスによるプラズマエッチング時間に対し、Ｃ４Ｆ８ガスによる保護膜形成時間を段階的に短くすることによって、半導体基板５１の一面５１ａから他面５１ｂ方向に向けて、エッチング穴５３の幅Ｗを広げていく。
【００２５】
そして、半導体基板５１のエッチングが半導体基板の厚み方向Ｎの中ほどまで達したら、今度はＳＦ６ ガスによるプラズマエッチング時間に対し、Ｃ４Ｆ８ガスによるに保護膜形成時間を段階的に長くすることによって、図４（ｃ）に示すように、エッチング穴５３の幅Ｗが半導体基板５１の他面５１ｂ方向に向けて狭めていく。このように、ＳＦ６ ガスプラズマによるエッチングと、Ｃ４Ｆ８ガスプラズマによる保護膜形成を交互に行う際に、それぞれの処理時間を段階的に変化させることによって、互いに対面する内側面５４ａ，５４ｂどうしの幅Ｗが半導体基板の厚み方向Ｎで変化した内面形状の凹部５４を得ることができる。
【００２６】
また、この凹部５４の形成によって、半導体基板５１を薄板化したダイアフラム部５６が形成される。この後、予め開口部を形成した支持基板を半導体基板５１の一面５１ａに接合することによって、内側面５４ａ，５４ｂと支持基板の一面とが凹部５４の内側に向けて互いに向き合うように鋭角を成した凹部５４を形成することができる。
【００２７】
こうした凹部の形成は、上述した実施形態以外にも、例えば、ダイアフラムエッチング時のマスク材として数十μｍ程度の厚みの厚膜レジストを用意し、ＳＦ６＋Ｏ２ガスなどを用いて意図的に中膨らみ形状にすることによって、例えば図３に示すような形状の凹部を形成する非ボッシュプロセスによるエッチングや、半導体基板の厚み方向の任意の深さまでドーピングを行うことによって、半導体基板の幅方向のエッチングレートを途中で変化させるなどの方法を用いればよい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明に係る半導体圧力センサの一例を示す断面図である。
【図２】本発明に係る半導体圧力センサの他の一例を示す断面図である。
【図３】本発明に係る半導体圧力センサの他の一例を示す断面図である。
【図４】本発明に係る半導体圧力センサの製造方法の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２９】
１０  半導体圧力センサ、１１  半導体基板、１２  支持基板、１３  凹部、１３ａ，１３ｂ  内側面（凹部）、１４  ダイアフラム部、１５  感圧素子、１６  開口。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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