JPH03181179A - Stress conversion element and its manufacturing method - Google Patents
Stress conversion element and its manufacturing methodInfo
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- JPH03181179A JPH03181179A JP32116089A JP32116089A JPH03181179A JP H03181179 A JPH03181179 A JP H03181179A JP 32116089 A JP32116089 A JP 32116089A JP 32116089 A JP32116089 A JP 32116089A JP H03181179 A JPH03181179 A JP H03181179A
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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。(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の目的〕
(産業上の利用分野)
本発明は、応力変換素子およびその製造方法に係り、特
にその歪ゲージの構造およびその製造方法に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Object of the Invention] (Industrial Field of Application) The present invention relates to a stress conversion element and a method of manufacturing the same, and particularly to a structure of a strain gauge thereof and a method of manufacturing the same.
(従来の技術)
半導体技術の進歩に伴い、シリコンやゲルマニウム等の
半導体のもつピエゾ抵抗効果を利用した半導体センサが
近年注目されている。(Prior Art) With advances in semiconductor technology, semiconductor sensors that utilize the piezoresistance effect of semiconductors such as silicon and germanium have attracted attention in recent years.
このような半導体センサは、カンチレバーやダイヤフラ
ム等の起歪部に半導体歪ゲージを設け、起歪部に生じた
歪量を半導体歪ゲージで検知し、電気信号として出力す
るもので、圧力、加速度あるいは荷重などのl Ulに
用いられる。Such semiconductor sensors are equipped with a semiconductor strain gauge on a strain-generating part such as a cantilever or diaphragm, and detect the amount of strain generated in the strain-generating part with the semiconductor strain gauge and output it as an electrical signal. Used for loads, etc.
そして、この半導体歪ゲージの感度(すなわち歪量に対
する抵抗1直変化量の比)は、結晶性の良好なj、lj
粘品薄膜あるいは多結晶薄膜が優れており、また真性半
導体よりも不純物を含んだpu半導体あるいはn型半導
体の方が優れているとされている。従って、中結晶基板
内に所望の導電型の不純物拡散層パターンを形成して歪
ゲージを構成したものあるいは所望の導電型にドープさ
れた多結晶薄膜パターンを形成して歪ゲージを構成した
ものなどが用いられている。The sensitivity of this semiconductor strain gauge (i.e., the ratio of the linear change in resistance to the amount of strain) is determined by j, lj with good crystallinity.
It is said that viscous thin films or polycrystalline thin films are superior, and PU semiconductors or n-type semiconductors containing impurities are superior to intrinsic semiconductors. Therefore, a strain gauge is constructed by forming an impurity diffusion layer pattern of a desired conductivity type in a medium crystal substrate, or a strain gauge is constructed by forming a polycrystalline thin film pattern doped with a desired conductivity type. is used.
なかでも、低負荷を測定するセンサとしては、単結晶基
板を用いているものが多い。その代表的なものの1つと
して、肉薄部を有するダイヤフラム状に整形された単結
晶シリコン基板の表面に、不純物拡散層からなる歪ゲー
ジパターンを形成したものがある。Among these, many sensors that measure low loads use single-crystal substrates. One typical example is one in which a strain gauge pattern made of an impurity diffusion layer is formed on the surface of a single crystal silicon substrate shaped into a diaphragm having a thin wall portion.
この拡散型の圧力センサは、次のようにして形威される
。This diffusion type pressure sensor is implemented as follows.
まず、第7図(a)に示すように、厚さ350μ廁のl
j結晶シリコン基板1の表面を酸化し、酸化シリコン膜
2を形成する。First, as shown in Figure 7(a), a 350 μm thick l
j The surface of the crystalline silicon substrate 1 is oxidized to form a silicon oxide film 2.
次いで、第7図(b)に示すように、フォトリソ法によ
り、該酸化シリコン膜2内に拡散用の窓Wを形成する。Next, as shown in FIG. 7(b), a diffusion window W is formed in the silicon oxide film 2 by photolithography.
この後、第7図(c)に示すように、該拡散用の窓Wを
介して不純物拡散を行い、歪ゲージバタン3としての不
純物拡散層を形成する。Thereafter, as shown in FIG. 7(c), impurity diffusion is performed through the diffusion window W to form an impurity diffusion layer as the strain gauge button 3.
このようにして歪ゲージパターン3を形成した後、第7
図(d)に示すように、再び熱酸化法によって酸化シリ
コン膜2を形成した後、表面および裏面をレジスト被覆
し、裏面のレジストのみを選択的に除表し、これをマス
クとして基板の裏面側に形成された酸化シリコン膜2を
パターニングする。After forming the strain gauge pattern 3 in this way, the seventh
As shown in Figure (d), after forming a silicon oxide film 2 again by thermal oxidation, the front and back surfaces are coated with resist, only the resist on the back side is selectively removed, and this is used as a mask to cover the back side of the substrate. The silicon oxide film 2 thus formed is patterned.
そしてさらに、第7図(e)に示すように、シリコン基
板1を裏面側からエツチングし、薄肉部4を形成する。Further, as shown in FIG. 7(e), the silicon substrate 1 is etched from the back side to form a thin portion 4.
この後、第7図(f)に示すように、蒸着法により、ア
ルミニウム等の金属膜5を形成し、パタニングして、配
線層5を形成する。Thereafter, as shown in FIG. 7(f), a metal film 5 of aluminum or the like is formed by vapor deposition and patterned to form a wiring layer 5.
そして最後に、このようにして歪ゲージ形成のなされた
シリコン基板1を台座6に固着し、第7図(g)に示し
たような圧力センサが完成する。Finally, the silicon substrate 1 with the strain gauge formed thereon is fixed to the pedestal 6 to complete the pressure sensor as shown in FIG. 7(g).
このような圧力センサは、シリコン基板1の肉薄部4が
、歪ゲージ形成面の裏面側から圧力を受けると肉薄部4
と共に歪ゲージが歪み、これによる歪ゲージ抵抗値の変
化を電気信号として取り出すようにしたものである。In such a pressure sensor, when the thin part 4 of the silicon substrate 1 receives pressure from the back side of the strain gauge forming surface, the thin part 4
At the same time, the strain gauge is distorted, and the resulting change in the strain gauge resistance value is extracted as an electrical signal.
そして、単結晶シリコン基板を用いているため、極めて
高感度である。Furthermore, since a single crystal silicon substrate is used, the sensitivity is extremely high.
また高負荷を測定するためのセンサの代表的なものとし
ては、ステンレスなどの金属ダイヤフラム上に不純物ド
ープされた多結晶シリコン薄膜パターンからなる歪ゲー
ジを形威したものがある。A typical sensor for measuring high loads is a strain gauge made of a thin polycrystalline silicon film pattern doped with impurities on a metal diaphragm made of stainless steel or the like.
この薄膜圧力センサは、次のようにして形威される。This thin film pressure sensor is implemented as follows.
まず、第8図(a)に示すように、肉薄部を形威してな
るステンレスダイヤフラム11上に、絶縁膜として酸化
シリコン膜12を形成する。First, as shown in FIG. 8(a), a silicon oxide film 12 is formed as an insulating film on a stainless steel diaphragm 11 having a thin portion.
次いで、第8図(b)に示すように、プラズマCVD法
により、該酸化シリコン膜12上に、n型またはp型の
多結晶シリコン薄膜13を堆積する。Next, as shown in FIG. 8(b), an n-type or p-type polycrystalline silicon thin film 13 is deposited on the silicon oxide film 12 by plasma CVD.
この後、第8図(C)に示すように、前記多結晶シリコ
ン薄膜13をパターニングし、歪ゲージパターン14を
形成する。Thereafter, as shown in FIG. 8(C), the polycrystalline silicon thin film 13 is patterned to form a strain gauge pattern 14.
そして最後に、第8図(d)に示すように、蒸着法によ
り、アルミニウム等の金属膜を形威し、パターニングし
て、配線層15を形成する。Finally, as shown in FIG. 8(d), a metal film such as aluminum is shaped and patterned by vapor deposition to form a wiring layer 15.
この薄膜圧力センサでは、ステンレスダイヤフラム11
の肉薄部が起歪部を構成し、この歪を多結晶シリコン薄
膜からなる歪ゲージパターンで検出するものである。In this thin film pressure sensor, a stainless steel diaphragm 11
The thin portion of the strain-generating portion constitutes a strain-generating portion, and this strain is detected by a strain gauge pattern made of a polycrystalline silicon thin film.
このような圧力センサでは、通常歪ゲージパターンいず
れも第9図に示す如く、ブリッジ回路を構成しており、
圧力に起因した歪による歪ゲージの抵抗値変化によって
生じる配線層パターンE2とR5との間の電圧変化を検
出することにより圧力を測定するようになっている。In such a pressure sensor, each strain gauge pattern usually constitutes a bridge circuit as shown in Fig. 9.
Pressure is measured by detecting a voltage change between wiring layer patterns E2 and R5 caused by a change in the resistance value of the strain gauge due to strain caused by pressure.
すなわち、無負荷時(歪のない時)、各歪ゲジパターン
R1〜R4の抵抗値はすべて等しくRとしておく。That is, when there is no load (when there is no distortion), the resistance values of the strain gauge patterns R1 to R4 are all set to the same value R.
仮に、第10図に示す如く圧力Pがダイヤフラム1に作
用したとすると歪ゲージパターンR1とR3がダイヤフ
ラムの周辺部に、そして歪ゲージパターンR2とR4と
が中央部に配される構造となっているため、歪ゲージパ
ターンR1とR3は圧縮応力を受け、R+ΔRとなる一
方、歪ゲージパターンR2とR4は引っ張り応力を受け
てRΔRとなる。If pressure P is applied to the diaphragm 1 as shown in FIG. 10, the structure will be such that strain gauge patterns R1 and R3 are arranged at the periphery of the diaphragm, and strain gauge patterns R2 and R4 are arranged at the center. Therefore, strain gauge patterns R1 and R3 receive compressive stress and become R+ΔR, while strain gauge patterns R2 and R4 receive tensile stress and become RΔR.
電極配線パターンEl、E6間にVinを印加するもの
とすると、無負荷時には4つの歪ゲージパターンR1,
R2,R3,R4はすべて等しい故、電極配線パターン
E2.E5間の電位は等しくこれらの間の電圧はV−0
である。Assuming that Vin is applied between the electrode wiring patterns El and E6, when no load is applied, the four strain gauge patterns R1,
Since R2, R3, and R4 are all equal, the electrode wiring pattern E2. The potential between E5 is equal and the voltage between them is V-0
It is.
従って第10図に示す圧力Pの如き負荷がかかったとき
、歪ゲージパターンR1,R3はR+ΔR1歪ゲージパ
ターンR2,R4はR−ΔRとなり、電極配線パターン
E2.E5間の電圧はV−2(ΔR/R)・Vinとな
る。Therefore, when a load such as the pressure P shown in FIG. 10 is applied, strain gauge patterns R1 and R3 become R+ΔR1, strain gauge patterns R2 and R4 become R−ΔR, and electrode wiring pattern E2. The voltage between E5 is V-2 (ΔR/R)·Vin.
このようにして負荷に応した電圧が出力され、アンプ部
(図示せず)で増幅等の処理がなされ、外部回路に出力
せしめられる。In this way, a voltage corresponding to the load is output, subjected to processing such as amplification in an amplifier section (not shown), and output to an external circuit.
(発明が解決しようとする課題)
前者の拡散型圧力センサの形成に際しては、拡散工程が
1000℃程度の高温工程を必要とするため、取扱が極
めて困難である。(Problems to be Solved by the Invention) When forming the former diffusion type pressure sensor, the diffusion process requires a high temperature process of about 1000° C., and therefore handling is extremely difficult.
また、歪ゲージの形成後、肉薄部形成のためのエツチン
グがなされるが、このエツチングの保護膜としての酸化
シリコン膜の形成に(1000℃程度の)高温工程が必
要であるため、歪ゲージを構成する拡散層の延びを生じ
たり、再拡散を生じたりするという問題があった。Furthermore, after forming the strain gauge, etching is performed to form the thin part, but since a high temperature process (about 1000°C) is required to form a silicon oxide film as a protective film for this etching, the strain gauge is There is a problem that the constituent diffusion layer may elongate or undergo re-diffusion.
そこで、歪ゲージ形成前に、肉薄部形成のためのエツチ
ングをおこなう方法も考えられるが、エツチングによっ
てすでに肉薄部の形成された基板を拡散時の高温にさら
さねばならず、熱歪により破壊を生じるおそれもあり、
これも問題の多い方法であった。Therefore, a method of etching to form the thin part before forming the strain gauge may be considered, but the etching process requires exposing the substrate on which the thin part has already been formed to the high temperature during diffusion, which may cause breakage due to thermal strain. There is a possibility that
This method was also problematic.
また、後者の薄膜圧力センサては、歪ゲージを構成する
半導体薄膜を形成するに際し、基板温度を500℃程度
にしなければならない。また、このようなセンサでは、
検出精度を高めるために、歪ゲージパターンR1〜R4
のもつ抵抗値は全て一定でなければならない。このため
、ノ<ターニングに際し、フォトリソ工程等の繁雑な工
程を得なくてはならないという問題があった。Furthermore, in the latter thin film pressure sensor, the substrate temperature must be about 500° C. when forming the semiconductor thin film constituting the strain gauge. In addition, with such a sensor,
To improve detection accuracy, strain gauge patterns R1 to R4
All resistance values must be constant. For this reason, there was a problem in that a complicated process such as a photolithography process had to be performed during turning.
従って、起歪部の構成材料は、金属等高温や薬品に耐え
られるものである必要があり、限られたものしか使用で
きないという問題があった。また、金属等の停電性材料
で起歪部を構成した場合、表面を絶縁膜で被覆する必要
があるが、この絶縁膜も高温工程に耐え得るものでなけ
ればならず、酸化シリコン膜等の限られたものしか使用
できない。Therefore, the material constituting the strain-generating portion must be resistant to high temperatures and chemicals, such as metal, and there is a problem in that only a limited number of materials can be used. In addition, when the strain-generating part is made of a power failure material such as metal, the surface must be covered with an insulating film, but this insulating film must also be able to withstand high-temperature processes, so silicon oxide films, etc. Only limited items can be used.
さらに悪いことには、酸化シリコン膜を必要な膜厚とな
るまで積層するには、多大な時間を要し、コストの高騰
の原因となっていた。To make matters worse, it takes a lot of time to stack the silicon oxide films to a required thickness, causing a rise in costs.
本発明は、前記実情に鑑みてなされたもので、製造が容
易かつ安価で高精度の応力変換素子を提供することを目
的とする。The present invention has been made in view of the above-mentioned circumstances, and an object of the present invention is to provide a stress converting element that is easy to manufacture, inexpensive, and highly accurate.
(課題を解決するための手段)
そこで本発明の応力変換素子では、金属からなる起歪部
表面に、この金属表面を改質することによって形成され
た絶縁層を介して半導体基台が配設され、さらにこの半
導体基台表面に不純物が存在する状態の下で該半導体基
台表面を選択的にレザ照射することによって歪ゲージパ
ターンを配設するようにしている。(Means for Solving the Problems) Therefore, in the stress conversion element of the present invention, a semiconductor base is disposed on the surface of the strain-generating part made of metal via an insulating layer formed by modifying the metal surface. Further, the strain gauge pattern is provided by selectively irradiating the semiconductor base surface with a laser under a condition where impurities are present on the semiconductor base surface.
例えばこの絶縁層は、起歪部の構成金属を酸化すること
によって得られる。For example, this insulating layer can be obtained by oxidizing the constituent metal of the strain-generating portion.
この−例として、起歪部をアルミニウムで構成し、絶縁
層をアルミニウム表面を酸化することによって得られた
アルマイト層で構成するようにしてもよい。As an example of this, the strain-generating portion may be made of aluminum, and the insulating layer may be made of an alumite layer obtained by oxidizing the surface of the aluminum.
また本発明の応力変換素子の製造方法では、金属からな
る起歪部を形成したのち、この起歪部の表面を改質して
絶縁化することによって絶縁層を形成し、さらにこの絶
縁層上に半導体基台を形成し、この半導体基台の表面に
不純物を導入して、選択的にレーザ照射し、レーザ照射
領域に不純物領域パターンからなる歪ゲージを形成する
ようにしている。In addition, in the method for manufacturing a stress conversion element of the present invention, after forming a strain-generating part made of metal, an insulating layer is formed by modifying and insulating the surface of this strain-generating part, and further, on this insulating layer. A semiconductor base is formed, impurities are introduced into the surface of the semiconductor base, and laser irradiation is selectively performed to form a strain gauge consisting of an impurity region pattern in the laser irradiation area.
(作用)
上記構成によれば、起歪部を金属で構成し、この金属表
面を改質することによって絶縁層を形成するようにして
いるため、極めて容易に絶縁層を形成することが可能で
ある。(Function) According to the above configuration, the strain-generating portion is made of metal, and the insulating layer is formed by modifying the metal surface, so it is possible to form the insulating layer extremely easily. be.
また、上記構成におけるレーザ照射による歪ゲジの形成
過程は次に示すとおりである。Further, the process of forming strain gauges by laser irradiation in the above configuration is as follows.
まず、半導体基体表面にレーザを照射すると、照射領域
はレーザ波長と半導体基体材料の吸収係数に応じて表面
から光を吸収する。First, when the surface of a semiconductor substrate is irradiated with a laser, the irradiated region absorbs light from the surface according to the laser wavelength and the absorption coefficient of the semiconductor substrate material.
この光によるエネルギーが半導体基体に与えられると、
熱に変換され温度上昇がおこる。そしてこの温度上昇に
よって半導体基体が融点以上に熱せられると、溶融する
。(この溶解深さは、照射エネルギーおよび時間に比例
する。)
このとき、半導体基体表面に不純物が存在していれば、
この不純物を取り込んで溶融するため高濃度のドーピン
グが可能となる。When energy from this light is applied to the semiconductor substrate,
It is converted into heat and the temperature rises. When the semiconductor substrate is heated above its melting point due to this temperature increase, it melts. (This dissolution depth is proportional to the irradiation energy and time.) At this time, if impurities are present on the surface of the semiconductor substrate,
Since this impurity is taken in and melted, high concentration doping becomes possible.
そして、レーザ照射を中止すると、冷却し始め、溶融領
域は高濃度にドープされた状態で再固化する。Then, when the laser irradiation is stopped, cooling begins, and the molten region resolidifies in a highly doped state.
このとき、半導体基体が単結晶半導体である場合は、不
純物を取り込んだ状態で再び結晶成長し、基体とは異な
る結晶状態の高濃度にドープされた不純物拡散領域から
なる歪ゲージが形成される。At this time, if the semiconductor substrate is a single-crystal semiconductor, the crystal grows again with impurities taken in, and a strain gauge consisting of a highly doped impurity diffusion region in a crystal state different from that of the substrate is formed.
また、このとき半導体基体が多結晶半導体である場合は
、不純物を取り込んだ状態で再び結晶成長し、結晶粒径
が大きく (単結晶となることもある)、基体とは異な
る結晶状態高濃度にドープされた不純物拡散領域からな
る歪ゲージが形成される。In addition, if the semiconductor substrate is a polycrystalline semiconductor at this time, the crystals will grow again with impurities incorporated, the crystal grain size will be large (sometimes it will become a single crystal), and the crystal state will be in a high concentration that is different from that of the substrate. A strain gauge is formed consisting of a doped impurity diffusion region.
さらにまた、このとき半導体基体がアモルファス半導体
である場合は、不純物を取り込んだ状態で再び結晶成長
し、多結晶となり、高濃度にドープされた不純物拡散領
域からなる歪ゲージが形成される。Furthermore, if the semiconductor substrate is an amorphous semiconductor at this time, the crystal grows again with impurities incorporated therein, becomes polycrystalline, and a strain gauge consisting of a heavily doped impurity diffusion region is formed.
ところで、この不純物導入工程としては、例えば、次に
示す3つの方法がある。By the way, as this impurity introduction step, there are, for example, the following three methods.
その第1は、半導体基体表面に不純物を吸着させる方法
であり、例えばレーザ照射を不純物含有雰囲気中でおこ
ない不純物拡散パターン(歪ゲージ)を形成する。The first method is to adsorb impurities onto the surface of a semiconductor substrate, and for example, laser irradiation is performed in an impurity-containing atmosphere to form an impurity diffusion pattern (strain gauge).
第2は、半導体基体表面に不純物を含有した膜を形成す
るもので、この膜を拡散源として不純物拡散パターン(
歪ゲージ)を形成する。The second method is to form a film containing impurities on the surface of the semiconductor substrate, and use this film as a diffusion source to form an impurity diffusion pattern (
strain gauge).
第3は、半導体基体形成時に半導体基体中に不純物を含
有させるもので、最初からいずれかの導電形にドープさ
れた半導体基体を形成しておき、この半導体基体に選択
的にレーザ照射することによって低抵抗の不純物拡散パ
ターン(歪ゲージ)を形成する。例えば、半導体基体が
多結晶半導体やアモルファス半導体であれば、上述した
ようにこの領域のみ結晶径が大きくなり、低抵抗となる
。The third method is to incorporate impurities into the semiconductor substrate at the time of forming the semiconductor substrate, by forming a semiconductor substrate doped with one of the conductivity types from the beginning and selectively irradiating the semiconductor substrate with a laser. Form a low resistance impurity diffusion pattern (strain gauge). For example, if the semiconductor substrate is a polycrystalline semiconductor or an amorphous semiconductor, only this region has a large crystal diameter and low resistance, as described above.
いずれの場合も、歪ゲージパターンの形成がフォトリソ
工程を経ることなく、低温下でなされ得、製造が容易で
ある。In either case, the strain gauge pattern can be formed at low temperature without going through a photolithography process, and manufacturing is easy.
また、表面を絶縁化された起歪部の表面に半導体基体を
形成し、この半導体基体上に歪ゲージパターンを形成す
る場合は特に、歪ゲージパターンの形成がフォトリソ工
程を経ることなく、低温下でなされ得、耐熱性あるいは
耐薬品性を要しないため起歪部をいかなる金属材料で形
成してもよく、価格の低減をはかることができる。In addition, especially when a semiconductor substrate is formed on the surface of a strain-generating part whose surface is insulated and a strain gauge pattern is formed on this semiconductor substrate, the strain gauge pattern can be formed at low temperature without going through a photolithography process. Since heat resistance or chemical resistance is not required, the strain-generating portion may be formed of any metal material, and the cost can be reduced.
(実施例)
以下、本発明の実施例について図面を参照しつつ詳細に
説明する。(Example) Hereinafter, an example of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
本発明実施例の圧力センサは、第1図(a)乃至第1図
(d)にその製造工程図を示すように、精密ダイキャス
トで成形したAl1−5i−Cu系の合金からなるダイ
ヤプラム100表面に表面酸化によって形成したアルマ
イト層101を介して、不純物を含有する半導体薄膜か
らなる半導体基体にレーザ照射を行うことによって歪ゲ
ージパターンを形成したことを特徴とするものである。The pressure sensor according to the embodiment of the present invention has a diaphragm made of an Al1-5i-Cu alloy molded by precision die casting, as shown in the manufacturing process diagrams in FIGS. 1(a) to 1(d). A strain gauge pattern is formed by irradiating a semiconductor substrate made of a semiconductor thin film containing impurities with a laser through an alumite layer 101 formed on the surface of 100 by surface oxidation.
すなわち、まず、第1図(a)に示すごと<、Al−3
i−Cu系の合金を精密ダイキャストによって成形し、
ダイヤフラム100を形成し、洗浄した後、硫酸を用い
た陽極酸化法によって、絶縁膜として膜厚的10μmの
アルマイト層を形成する。That is, first, as shown in FIG. 1(a), <, Al-3
Forming i-Cu alloy by precision die casting,
After forming and cleaning the diaphragm 100, an alumite layer having a thickness of 10 μm is formed as an insulating film by anodizing using sulfuric acid.
この後第1図(b)に示すごとく、表面酸化によって形
成したアルマイト層101の表面に、Bを含有してなる
シリコンをターゲットとしてスパッタリング法により、
膜厚6000Aのボロンドブされたアモルファスシリコ
ン薄膜102を堆積する。なお、このときの堆積条件は
、ターゲットとして0.1%のBを含有してなる焼結多
結晶シリコンを用い、RFパワー300Wで1時間スパ
ッタリングを行うものとする。After that, as shown in FIG. 1(b), sputtering is performed on the surface of the alumite layer 101 formed by surface oxidation using silicon containing B as a target.
A boron-bubbled amorphous silicon thin film 102 having a thickness of 6000 Å is deposited. Note that the deposition conditions at this time are that sintered polycrystalline silicon containing 0.1% B is used as a target, and sputtering is performed at an RF power of 300 W for 1 hour.
次いで、第1図(C)に示すように、このボロンドープ
されたアモルファスシリコン薄膜101の形成されたダ
イヤフラム100をレーザ照射室に設置し、排気後、照
射室本体201内を50 Toorの不活性ガス雰囲気
とし、歪ゲージ形成領域に、波長308nmのキセノン
クロライドエキシマレーザによるレーザ光103を10
シヨツト照射して、ボロンドープされたアモルファスシ
リコン薄膜102の一部に、ボロンドープされたアモル
ファスシリコンからなる低抵抗の歪ゲージ104を形成
する。このときの歪ゲージ104の深さすなわち拡散深
さは0.4〜0.8μ園シート抵抗は数にΩ/ cd、
抵抗率は10−■Ω印であった。このレーザ光照射室は
、第2図に示すように、照71.を基本体201と、こ
の照射室内にガスを導入したり排気したりするための配
管202と、レーザ光導入用の石英窓203と、レーザ
発振器204とからなり、!!((射室内に設置された
試料205の表面に選択的にレーザ光照射を行うもので
ある。すなわち、レーザ光または試料205を移動させ
ることにより、微細な照射パターンを描画することがで
きる。Next, as shown in FIG. 1C, the diaphragm 100 on which the boron-doped amorphous silicon thin film 101 has been formed is installed in a laser irradiation chamber, and after exhausting, the inside of the irradiation chamber main body 201 is filled with 50 Torr of inert gas. A laser beam 103 from a xenon chloride excimer laser with a wavelength of 308 nm is applied to the strain gauge forming area for 10 minutes.
A low-resistance strain gauge 104 made of boron-doped amorphous silicon is formed on a portion of the boron-doped amorphous silicon thin film 102 by shot irradiation. At this time, the depth of the strain gauge 104, that is, the diffusion depth is 0.4 to 0.8μ, and the sheet resistance is expressed as Ω/cd.
The resistivity was 10-■Ω mark. As shown in FIG. 2, this laser beam irradiation chamber includes a beam 71. It consists of a basic body 201, a pipe 202 for introducing and exhausting gas into the irradiation chamber, a quartz window 203 for introducing laser light, and a laser oscillator 204! ! (This is to selectively irradiate the surface of the sample 205 installed in the irradiation chamber with laser light. That is, by moving the laser light or the sample 205, a fine irradiation pattern can be drawn.
そして最後に、第1図(d)に示すように、蒸着法によ
りアルミニウム層からなる配線パターン105を形成す
る。Finally, as shown in FIG. 1(d), a wiring pattern 105 made of an aluminum layer is formed by vapor deposition.
この方法では、半導体基体堆積時に、同時に不純物を含
有させるようにしているため、工数が低減され、容易に
信頼性の高い応ツノ変換素子を得ることができる。In this method, since impurities are added at the same time as the semiconductor substrate is deposited, the number of steps is reduced and a highly reliable horn conversion element can be easily obtained.
また、従来アモルファスシリコン薄膜等のアモルファス
半導体は、結晶性が悪いため、熱処理をしないと歪ゲー
ジに用いることはできなかったのにχ・■し、この方法
によれば、レーザ照射によって不純物拡散と同■、′?
に結晶性を向上させ感度を向上させることができ、高温
工程やパターニングのためのフォトリソ工程を経ること
なく、製造が容易で信頼性の高い応力変換素子を得るこ
とができる。In addition, conventional amorphous semiconductors such as amorphous silicon thin films could not be used as strain gauges without heat treatment due to their poor crystallinity; Same■,′?
It is possible to improve crystallinity and improve sensitivity, and it is possible to obtain a stress conversion element that is easy to manufacture and has high reliability without going through a high temperature process or a photolithography process for patterning.
また、金属材料は起歪部と台座とを一体成形で得ること
ができるが、起歪部の肉厚を薄くするのに加工限界があ
り、低負荷の計測に限界があったのに対し、ダイヤフラ
ムとして例えばステンレスに比ベヤフグ率が約1/3と
小さいアルミニウムまたはアルミニウム合金を用いるこ
とにより、起歪部の肉厚が約3倍あっても同じ圧力に対
し、同等の歪量が発生するため、低負荷の計測が可能で
ある。In addition, with metal materials, the strain-generating part and the pedestal can be integrally molded, but there are processing limitations in reducing the thickness of the strain-generating part, and there are limits to low-load measurements. For example, by using aluminum or aluminum alloy as the diaphragm, which has a lower deflection ratio of about 1/3 compared to stainless steel, the same amount of strain will be generated for the same pressure even if the wall thickness of the strain-generating part is about three times as large. , low load measurement is possible.
さらに、ダイヤフラムとしてアルミニウムまたはアルミ
ニウム合金を用いることにより、絶縁層の形成が陽極酸
化によって極めて容易に短時間で行われるため、ステン
レスダイヤプラムの場合のように多大な工数を必要とす
る酸化シリコン膜の形成に比べ、工数が大幅に低減され
る。Furthermore, by using aluminum or aluminum alloy for the diaphragm, the insulating layer can be formed extremely easily and in a short time by anodic oxidation. Compared to forming, the number of man-hours is significantly reduced.
また、基板は、加熱を必要とすることなく室温程度でよ
いため、熱による歪を生じるようなこともない。Further, since the substrate does not require heating and can be kept at about room temperature, distortion due to heat does not occur.
このようにして形成された圧力センサのボロン濃度に対
するゲージ抵抗の関係を測定した結果を第3図に示す。FIG. 3 shows the results of measuring the relationship between the gauge resistance and the boron concentration of the pressure sensor thus formed.
また、ボロン濃度に対するVスパンの関係を測定した結
果を第4図に示す。ここでVスパンとは、ダイヤフラム
]−の各歪ゲージの抵抗をR1−R4、印加電圧をV1
印加圧力をPO,Plとしたとき、R2(P l)
R3(P +)Vspan(llV)−Vx
()
R1(PI)+R2(Pi) R3(Pi)+R4
(PI)R2(PO) R3(PO)−Vx
()
R1(PO)+R2(PO) R3(PO)+R4
(Po)で表されるものとする。なお、ここでは、V−
5000mV、印加圧力をPO−Okg/crl、P1
=IQkg/c#として計、1111 した。Further, FIG. 4 shows the results of measuring the relationship between the V span and the boron concentration. Here, V span means that the resistance of each strain gauge on the diaphragm is R1-R4, and the applied voltage is V1.
When the applied pressure is PO, Pl, R2 (P l)
R3(P+)Vspan(llV)-Vx
() R1 (PI) + R2 (Pi) R3 (Pi) + R4
(PI)R2(PO) R3(PO)-Vx
() R1 (PO) + R2 (PO) R3 (PO) + R4
(Po). In addition, here, V-
5000mV, applied pressure PO-Okg/crl, P1
= IQkg/c#, total 1111.
この第3図および第4図の結果から、この圧力センサは
ボロン濃度によって抵抗値の再現性が極めて良好である
ことが分かる。From the results shown in FIGS. 3 and 4, it can be seen that this pressure sensor has extremely good reproducibility of the resistance value depending on the boron concentration.
さらに、この圧力センサの歪ゲージの抵抗変化率と圧縮
量との関係を測定した結果を第5図に示す。第5図から
この圧力センサの歪ゲージは、圧縮に対しても引っ張り
に対しても印加圧力に対して直線性を持つことがわかる
。Furthermore, FIG. 5 shows the results of measuring the relationship between the rate of change in resistance of the strain gauge of this pressure sensor and the amount of compression. It can be seen from FIG. 5 that the strain gauge of this pressure sensor has linearity with respect to applied pressure both in compression and tension.
さらにまた、この圧力センサの重疲労特性を測定した結
果を第6図に示す。第6図からもあきらかなように、圧
力印加を106回繰り返しても抵抗変化率の変化はみら
れなかった。Furthermore, the results of measuring the heavy fatigue characteristics of this pressure sensor are shown in FIG. As is clear from FIG. 6, no change in the rate of change in resistance was observed even after the pressure application was repeated 106 times.
以上の結果からも、本発明実施例の圧力センサは、極め
て製造が容易で低コストであってかっ、従来の圧力セン
サの緒特性と同程度の特性を有するものであることがわ
〜かる。From the above results, it can be seen that the pressure sensor according to the embodiment of the present invention is extremely easy to manufacture and inexpensive, and has characteristics comparable to those of conventional pressure sensors.
なお、前記実施例では、硫酸アルマイト処理によってア
ルマイト層を形成したが、この他、臭酸やリン酸等を用
いたアルマイト処理によってもよい。In the above embodiment, the alumite layer was formed by sulfuric acid alumite treatment, but in addition to this, alumite treatment using hydrochloric acid, phosphoric acid, or the like may be used.
また、前記実施例では、アルミニウム合金からなるダイ
ヤフラムを用いたが、マグネシウム、チタン等、他の金
属を用いても良い。例えば、マグネシウムの場合は酸化
マグネシウム、チタンの場合は酸化チタンを表面の絶縁
膜として用いる。Further, in the above embodiment, a diaphragm made of an aluminum alloy was used, but other metals such as magnesium and titanium may also be used. For example, in the case of magnesium, magnesium oxide is used as the surface insulating film, and in the case of titanium, titanium oxide is used as the surface insulating film.
さらにまた、表面の絶縁層についてもアルマイト層等の
酸化膜に限定されることなく、窒化膜等でも良い。Furthermore, the insulating layer on the surface is not limited to an oxide film such as an alumite layer, but may be a nitride film or the like.
また、不純物を含む半導体薄膜の形成は、スパッタリン
グ法に限定されることなく、真空蒸着法、プラズマCV
D法等を用いても良い。ここで、真空蒸着法を用いる場
合は、BやP等の不純物を含有するターゲットを用いる
。また、プラズマCVD法を用いる場合は、B2 H6
ガスあるいはPH3ガスをSiH4や5i2H6に混合
し分解成膜するという方法をとる。Furthermore, the formation of a semiconductor thin film containing impurities is not limited to the sputtering method, but also includes vacuum evaporation method, plasma CVD method, etc.
D method etc. may also be used. Here, when using the vacuum evaporation method, a target containing impurities such as B and P is used. In addition, when using the plasma CVD method, B2 H6
A method is used in which gas or PH3 gas is mixed with SiH4 or 5i2H6 and decomposed to form a film.
また、゛1先導体基体となる半導体薄膜としても、アモ
ルファスシリコンに限定されることなく、単結晶シリコ
ン層、多結晶シリコン層等、他の半導体層でちよい。Furthermore, the semiconductor thin film serving as the substrate for the conductor (1) is not limited to amorphous silicon, and may be other semiconductor layers such as a single crystal silicon layer or a polycrystalline silicon layer.
さらにまた、不純物を含む半導体薄膜に限定されること
なく、真性の半導体薄膜を堆積し、この半導体薄膜の表
面にB2 H6ガス等の不純物雰囲気中でレーザ光を!
!代射することによって不純物拡散パターンからなる歪
ゲージを形成するようにしても良い。Furthermore, without being limited to semiconductor thin films containing impurities, we can deposit an intrinsic semiconductor thin film and irradiate the surface of this semiconductor thin film with laser light in an atmosphere containing impurities such as B2 H6 gas!
! A strain gauge made of an impurity diffusion pattern may be formed by direct radiation.
また、半導体基体表面に拡散源薄膜を形成し、レーザ光
!!<(INによってこの拡散源薄膜から半導体基体表
面に不純物拡散を行い、不純物拡散バタンからなる歪ゲ
ージを形成するようにしても良い。In addition, by forming a diffusion source thin film on the surface of the semiconductor substrate, laser light! ! <(IN may be used to diffuse impurities from this diffusion source thin film to the surface of the semiconductor substrate to form a strain gauge made of an impurity diffusion button.
この拡散源薄膜の形成方法としては、この他スピンコー
ド法を用いることも可能である。すなわちこの方法は、
リン等のn形不純物あるいはボロン笠のp形不純物と5
i02等のガラス質形成剤とをアルコール系等の有機溶
剤に溶かした被膜形成用塗布液を半導体基体表面に供給
してスピナーにかけ均一に塗布する方法であり、塗布液
の濃度やスピナーの回転数を変化させることにより、膜
厚を容易に制御できる。従って、この拡散源不純物の膜
厚制御により歪ゲージの不純物濃度を容易に制御するこ
とができる。As a method for forming this diffusion source thin film, it is also possible to use a spin code method. In other words, this method is
N-type impurities such as phosphorus or p-type impurities such as boron caps and 5
This is a method in which a film-forming coating solution in which a glassy forming agent such as i02 is dissolved in an organic solvent such as alcohol is supplied to the surface of a semiconductor substrate and coated uniformly with a spinner, depending on the concentration of the coating solution and the rotation speed of the spinner. By changing , the film thickness can be easily controlled. Therefore, by controlling the film thickness of the diffusion source impurity, the impurity concentration of the strain gauge can be easily controlled.
また、この不純物導入工程には、前述したように、
(1)半導体基体表面に不純物を吸着させる方法と、
(2)半導体基体表面に不純物を含有した膜(拡散源膜
)を形成する方法と
(3)半導体基体形成時に半導体基体中に不純物を含有
させる方法とがあり、起歪部の構成材料や歪ゲージの構
成材料に応じて適宜選択すればよい。In addition, as mentioned above, this impurity introduction step includes (1) a method of adsorbing impurities on the surface of the semiconductor substrate, and (2) a method of forming a film containing impurities (diffusion source film) on the surface of the semiconductor substrate. (3) There is a method of incorporating impurities into the semiconductor substrate at the time of forming the semiconductor substrate, and this method may be selected as appropriate depending on the constituent material of the strain generating portion and the constituent material of the strain gauge.
加えて、実施例では、ダイヤフラム状の起歪部ヲ持つも
のについて説明したが、カンチレバー等信の形状でもよ
いことはいうまでもない。In addition, in the embodiments, a structure having a diaphragm-shaped strain-generating portion has been described, but it goes without saying that a shape such as a cantilever or the like may also be used.
〔発明の効果〕
以上説明してきたように、本発明の応力変換素子によれ
ば、ダイヤフラムを表面改質によって絶縁化した金属で
構成すると共に歪ゲージパターンが起歪部を構成する半
導体基台表面を不純物の存在下で選択的にレーザ照射す
ることによって形成された不純物拡散領域から構成され
ているため、低コストでかつ製造が容易で信頼性の高い
ものとなる。[Effects of the Invention] As explained above, according to the stress converting element of the present invention, the diaphragm is made of a metal insulated by surface modification, and the strain gauge pattern is formed on the surface of the semiconductor base forming the strain-generating portion. Since it is composed of an impurity diffusion region formed by selective laser irradiation in the presence of impurities, it is low cost, easy to manufacture, and highly reliable.
第1図(a)乃至第1図(d)は本発明の実施例の圧力
Vセンサの製造工程を示す図、第2図は本発明実施例て
用いられるレーザ照射室を示す図、第3図は、同圧力セ
ンサのボロン濃度に対するゲージ抵抗の関係を1TFJ
定した結果を示す図、第4図はボロン濃度に対するVス
パンの関係を測定した結果を示す図、第5図は圧力セン
サの印加圧力に対する抵抗変化率の関係を示す図、第6
図は同圧力センサの重疲労特性を示す図、第7図及び第
8図は従来例の圧力センサを示す図、第9図は、圧力セ
ンサの等価回路図、第10図は&lIJ定例の説明図で
ある。
1・・・11結晶シリコン基板、2・・・酸化シリコン
膜W・・・窓、3・・・歪ゲージパターン、4・・・薄
肉部、5・・・配線層、100・・・アルミニウムダイ
ヤフラム、101・・・アルマイト層、102・・・ボ
ロンドープされたアモルファスシリコン薄M、103・
・・レーザ光、104・・・歪ゲージ、105・・・配
線パターン201・・・r!((射室本体、202・・
・配管、203・・・石英窓、204・・・レーザ発振
器、205・・・試料、wl・・・窓。
第
図
第
図
圧77 CkQ/Cm’)
第5図
第
図
第10図1(a) to 1(d) are diagrams showing the manufacturing process of a pressure V sensor according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a diagram showing a laser irradiation chamber used in an embodiment of the present invention, and FIG. The figure shows the relationship between gauge resistance and boron concentration for the same pressure sensor at 1TFJ.
Figure 4 is a diagram showing the results of measuring the relationship between V span and boron concentration. Figure 5 is a diagram showing the relationship between the rate of change in resistance and the applied pressure of the pressure sensor.
The figure shows the heavy fatigue characteristics of the same pressure sensor, Figures 7 and 8 show conventional pressure sensors, Figure 9 is an equivalent circuit diagram of the pressure sensor, and Figure 10 is an explanation of &lIJ regular. It is a diagram. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... 11 Crystal silicon substrate, 2... Silicon oxide film W... Window, 3... Strain gauge pattern, 4... Thin wall part, 5... Wiring layer, 100... Aluminum diaphragm , 101... Alumite layer, 102... Boron-doped amorphous silicon thin M, 103...
...Laser light, 104...Strain gauge, 105...Wiring pattern 201...r! ((shooting chamber body, 202...
- Piping, 203...quartz window, 204...laser oscillator, 205...sample, wl...window. Figure Figure pressure 77 CkQ/Cm') Figure 5 Figure 10
Claims (4)
物が存在する状態の下で該半導 体基台表面を選択的にレーザ照射することによって形成
された歪ゲージパターンとを備えたことを特徴とする応
力変換素子。(1) A strain-generating portion made of metal; an insulating layer formed on the surface of the strain-generating portion by modifying the metal surface; a semiconductor base disposed on the surface of the insulating layer; and a strain gauge pattern formed by selectively irradiating the surface of the semiconductor base with a laser in the presence of impurities.
得られた酸化金属膜であることを特徴とする請求項(1
)記載の応力変換素子。(2) Claim (1) characterized in that the insulating layer is a metal oxide film obtained by oxidizing the metal.
) described stress conversion element.
ーンとを備えた応力変換素子の製造方法において、 金属からなる起歪部を形成する起歪部形成 工程と、 前記起歪部の表面を改質して絶縁化するこ とによって絶縁層を形成する絶縁化工程と、前記絶縁層
上に半導体基台を形成する半導 体基台形成工程と、 前記半導体基台の表面に不純物を導入する 不純物導入工程と、 不純物導入のなされた前記半導体基台にレ ーザ照射し、不純物領域パターンからなる歪ゲージを形
成するレーザ照射工程とを含むようにしたことを特徴と
する応力変換素子の製造方法。(4) A method for manufacturing a stress converting element including a strain generating part and a strain gauge pattern disposed on the surface of the strain generating part, comprising: a strain generating part forming step of forming a strain generating part made of metal; an insulating step of forming an insulating layer by modifying and insulating the surface of the strained portion; a semiconductor base forming step of forming a semiconductor base on the insulating layer; and an impurity-containing step on the surface of the semiconductor base. and a laser irradiation step of irradiating the impurity-introduced semiconductor base with a laser to form a strain gauge consisting of an impurity region pattern. Production method.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32116089A JPH03181179A (en) | 1989-12-11 | 1989-12-11 | Stress conversion element and its manufacturing method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32116089A JPH03181179A (en) | 1989-12-11 | 1989-12-11 | Stress conversion element and its manufacturing method |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03181179A true JPH03181179A (en) | 1991-08-07 |
Family
ID=18129476
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP32116089A Pending JPH03181179A (en) | 1989-12-11 | 1989-12-11 | Stress conversion element and its manufacturing method |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH03181179A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009294122A (en) * | 2008-06-06 | 2009-12-17 | Hitachi Engineering & Services Co Ltd | Fastening tool with distortion amount measuring function |
-
1989
- 1989-12-11 JP JP32116089A patent/JPH03181179A/en active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009294122A (en) * | 2008-06-06 | 2009-12-17 | Hitachi Engineering & Services Co Ltd | Fastening tool with distortion amount measuring function |
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