JP2001064041A

JP2001064041A - 陽極接合方法

Info

Publication number: JP2001064041A
Application number: JP24044599A
Authority: JP
Inventors: Sumio Akai; 澄夫赤井; Hiroshi Saito; 宏齊藤
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1999-08-26
Filing date: 1999-08-26
Publication date: 2001-03-13

Abstract

(57)【要約】【課題】熱膨張係数が異なるシリコンとガラスの陽極接
合の際に、反りを低減することで、接合されたシリコン
とガラスからなる半導体センサ等のオフセット電圧の変
動を小さくしデバイス特性の改善を図るための陽極接合
方法を提供する。【解決手段】ガラス台座１１とシリコン基板１を陽極接
合する際に、ガラス台座１１のシリコン基板１と重ね合
わせていない下部から下部ヒーター２０により加熱し
て、シリコン基板１側に向かって温度が低くなるように
ガラス台座１１の厚み方向に温度勾配を設け、熱膨張係
数の小さいガラス台座１１の温度をシリコン基板１の温
度より高くなるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、加速度や圧力など
の変位量を検出する半導体センサなどに用いられるシリ
コンとガラスの陽極接合方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、産業上の様々な分野において、加
速度や圧力などを検出する力学量半導体センサが多岐に
わたって用いられるようになっている。中でも、信頼
性、コスト、小型軽量化の点から車載関係や家電製品な
どにおける力学量半導体センサの使用が急増している。

【０００３】力学量半導体センサの従来例を図６に示
す。図６では、力学量半導体センサとして、ダイヤフラ
ム方式の半導体圧力センサを例として提示し、その製法
を説明する。まず、ｎ型のシリコン基板（シリコンウェ
ハ）１の両面にシリコン酸化膜２を形成し、フォトリソ
グラフィ技術及びドライエッチング技術により表面（図
中上面）を所定の形状にパターニングした後、ｐ型不純
物（例えばボロン）３をイオン注入する。（図６
（ａ））次に、シリコン基板１を酸化雰囲気で処理し、続いて窒
素雰囲気で活性化処理を行い、ゲージ抵抗４と配線抵抗
５を形成する。ここでは、配線抵抗５とゲージ抵抗４を
同時に形成しているが、シリコン酸化膜形成とフォトレ
ジストによるパターニング、エッチングの工程を繰り返
して別々に形成してもよい。そして、シリコン基板１の
両面にシリコン窒化膜６を形成し、シリコン基板１の裏
面（図中下面）側にフォトレジスト７によりパターニン
グを行い、シリコン基板１の裏面のシリコン酸化膜２と
シリコン窒化膜６をエッチングする。（図６（ｂ））その後、８０℃程度の水酸化カリウム水溶液にて異方性
エッチングを行い、ダイヤフラム８を形成する。また、
シリコン基板１の表面にスパッタリング法によりアルミ
膜を形成した後、所定の位置にフォトレジストによるパ
ターニングを行いアルミ膜をエッチングして、アルミ層
９を形成する。（図６（ｃ））図６（ｄ）はガラス台座を示しており、ガラス台座１１
は、ほう珪酸ガラス（例えば旭テクノグラス：ＳＷ−
３）や、アルミノ珪酸ガラス（例えばＨＯＹＡ：ＳＤ−
２）、またはガラスセラミックス（例えば石塚硝子：デ
ビトロン）により形成され、圧力導入孔１０が設けられ
ているとともに、シリコンと重ね合わされる接合界面は
鏡面処理が施されている。

【０００４】このガラス台座１１の圧力導入孔１０の位
置と、シリコン基板１のダイヤフラム８の位置が合うよ
うに、シリコン基板１とガラス台座１１とを重ね合わ
せ、真空中、大気中あるいは窒素中にて加熱して昇温
し、約４００℃でガラス台座１１が−極、シリコン基板
１が＋極とした状態で、例えば６００Ｖの直流電圧を印
加し陽極接合する。その後、室温まで冷却するが、この
時シリコン基板１とガラス台座１１との熱膨張係数の違
いにより、シリコン基板１とガラス台座１１には、図６
（ｅ）に示すような反りが発生する。

【０００５】この接合されたシリコン基板１とガラス台
座１１は、ダイシング（切断）工程にて各チップに切断
され、図６（ｆ）に示すように個々の半導体圧力センサ
のチップを得る。

【０００６】尚、図６（ａ）〜（ｄ）は、各チップに切
断される前の状態であるが、個々の部位を図示してい
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述した陽極接合は、
酸化しやすいアルミニウム又はシリコンのような半導体
と、ナトリウムのような可動のアルカリイオンを含むア
ルカリ含有ガラスを重ね合わせて加熱した後に直流電圧
を印加することで、ガラス内部のアルカリイオンの移動
により発生する静電引力を利用した接合方法である。こ
の静電引力が発生する際の電子の授受により、アルミニ
ウム又はシリコンとガラスの接合界面は共有結合により
接合され、その結合力は大変強固なものである。この陽
極接合は、ガラス中でイオンが移動できる高温で直流電
圧が印加されているときに起こる。

【０００８】しかしながら、陽極接合は高温で行われる
ため、熱膨張係数が異なる材料間では、陽極接合からそ
の後の冷却工程において熱応力が発生することになる。
この熱応力により、上述したようにシリコンとガラスに
反りやはがれが発生し、半導体圧力センサ等の半導体セ
ンサのオフセット電圧変動によるデバイス特性の劣化が
起こる。また、反りが大きいと上述したダイシング（切
断）工程が困難となる場合も考えられる。

【０００９】最近では、ガラス中にＡｌ_２Ｏ_３、Ｍｇ
Ｏ、ＣａＯ等を添加することにより、ガラスの熱膨張係
数をシリコンに合わせて陽極接合時の熱応力を低減する
試みがなされているが、陽極接合条件を最適化しないと
反りの問題は解決されず、また添加する工程とコストが
余計にかかってしまう。

【００１０】本発明は上記事由に鑑みて為されたもので
あり、その目的は熱膨張係数が異なるシリコンとガラス
の陽極接合の際に、反りを低減することで、接合された
シリコンとガラスからなる半導体センサなどのオフセッ
ト電圧の変動を小さくしデバイス特性の改善を図るため
の陽極接合方法を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１の発明は、ガラスとガラスより熱膨張係数
の大きいシリコンを重ね合わせ直流電圧を印加して陽極
接合を行うときに、ガラスの温度がシリコンの温度より
も高くなるように加熱することを特徴とする。よって、
シリコンとガラスの熱応力による変形量の差が小さくな
るため、陽極接合後のシリコンとガラスの反りが減少
し、陽極接合されたシリコンとガラスからなる半導体セ
ンサなどのオフセット電圧変動が小さくなり、デバイス
特性が改善される。

【００１２】また、請求項２の発明は、請求項１記載の
発明において、ガラスの熱膨張係数をαＧ、シリコンの
熱膨張係数をαＳｉとし、前記陽極接合を行うときに、
ガラスの温度がＴ２、シリコンの温度がＴ２−ｔとなる
ように温度差ｔをつけて加熱し、温度差ｔはｔ＝（１−
αＧ/αＳｉ）Ｔ２で表されることを特徴とする。よっ
て、シリコンとガラスの熱応力による変形量の差が小さ
くなり、請求項１と同様の効果が得られる。

【００１３】また、請求項３の発明は、請求項１又は請
求項２記載の発明において、前記陽極接合を行うとき
に、ガラスのシリコンと重ね合わせていない片側からの
ヒーターによる伝熱によって、ガラスの厚み方向に温度
差が形成される温度勾配を設け、ガラスの温度をシリコ
ンの温度より高くなるようにすることを特徴とする。よ
って、請求項１と同様の効果が得られる。

【００１４】また、請求項４の発明は、請求項１又は請
求項２記載の発明において、前記陽極接合を行うとき
に、ガラス側とシリコン側のそれぞれにヒーターを設
け、ガラス側のヒーターの温度がシリコン側のヒーター
の温度より高くなるようにして、両側より加熱すること
を特徴とする。この両側からの加熱により、片側からの
加熱に比べて加熱が十分となり、ガラスとシリコンの陽
極接合の接合強度が強くなる。

【００１５】また、請求項５の発明は、請求項１から請
求項４のいずれかの発明において、前記陽極接合を行う
ときに、熱伝導に優れた導電板をシリコンに近接配置す
ることを特徴とする。よって、シリコンの放熱を促進さ
せることで、シリコンの温度をガラスの温度より低くす
ることが可能となる。

【００１６】また、請求項６の発明は、請求項１又は請
求項２に記載の発明において、室温にてガラスとシリコ
ンを重ね合わせた後、前記陽極接合を行う温度まで加熱
して昇温する過程と、陽極接合を行う温度にて直流電圧
を印加する過程と、陽極接合を行う温度から降温する過
程の各過程において、常にシリコンの温度よりもガラス
の温度の方を高くすることを特徴とする。よって、シリ
コンとガラスの熱応力による変形量の差をより確実に抑
えることができ、それによりシリコンとガラスの反りを
減少し、陽極接合されたシリコンとガラスからなる半導
体センサなどのオフセット電圧変動が小さくなり、デバ
イス特性が改善される。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明の陽極接合方法を示すため
に、図１を用いて陽極接合を用いる半導体圧力センサの
製法について説明する。図１において従来例を示す図６
と同じものには同じ符号を付し、重複する部分の説明を
省略する。

【００１８】図１で、圧力の変位量を検出するためのダ
イヤフラム８及び拡散型のゲージ抵抗４、それらより得
られる検出信号を外部へ取り出すためのアルミ配線層、
またシリコン酸化膜２やシリコン窒化膜６などの絶縁層
を形成したシリコン基板１の裏面（図中下側）の鏡面加
工面と、圧力導入孔１０を有するガラス台座１１の鏡面
加工面（図中上側）とを重ねた後、ガラス台座１１が下
部ヒーター２０の上部に接触して配置され、ガラス台座
１１の上部に重ね合わされたシリコン基板１の上方に、
上部ヒーター２１が配置される。そして、シリコン基板
１の上部に電極ピン２２を接触して配置し、これら全体
をチャンバー３０内部で加熱し昇温する。

【００１９】このように重ね合わせたシリコン基板１と
ガラス台座１１を約４００度まで加熱した後に、ガラス
台座１１側が−極、シリコン基板１側が＋極として、電
極ピン２２、電極である下部ヒーター２０より直流電圧
を印加することで、ガラス台座１１を構成するガラス内
部のアルカリイオンの移動により発生する静電引力を利
用して、シリコン基板１とガラス台座１１を接合する。

【００２０】尚、本実施形態では、シリコン基板１とガ
ラス台座１１の陽極接合方法について説明しているが、
これはシリコン基板１を構成するシリコンとガラス台座
１１を構成するガラスの陽極接合方法に相当する。

【００２１】ガラス台座１１としてアルミノ珪酸ガラス
（例えば、ＨＯＹＡ：ＳＤ−２）を利用した場合、温度
に対する線膨張率の変化を示す図２に示されるように、
アルミノ珪酸ガラス（ＳＤ−２）の熱膨張率が広い温度
域にわたってシリコン（Ｓｉ）よりも小さくなる。シリ
コン基板１とガラス台座１１とを同じ温度で陽極接合し
た場合、熱膨張係数の大きいシリコン基板１の変形量
が、ガラス台座１１の変形量よりも大きくなることか
ら、陽極接合における熱応力により、ガラス台座１１が
凹となるような反りが発生することが考えられる。

【００２２】そこで、この熱応力を低減させるために、
シリコン基板１やガラス台座１１に対する加熱方法とし
て、下部ヒーター２０による片側から加熱する方法か、
下部ヒーター２０の温度が上部ヒーター２１の温度より
も高くなるように両側から加熱する方法により、ガラス
台座１１の温度をシリコン基板１の温度よりも高くなる
ようにし、かつ、ガラス台座１１の厚さ方向の温度勾配
が大きくなるようにする。

【００２３】つまり、ガラス台座１１のシリコン基板１
と重ね合わせていない片側、すなわちガラス台座１１下
部から下部ヒーター２０により加熱し、伝熱によりシリ
コン基板１に向かって温度が低くなるようにガラス台座
１１のガラスの厚み方向に温度差が形成される温度勾配
を設け、ガラス台座１１の温度がシリコン基板１の温度
より高くなるようにする。

【００２４】この片側からの加熱の場合、図３に示すよ
うに、シリコン基板１の上部にダミーのシリコンウェハ
やカーボン板などの熱伝導に優れた導電板である電極板
２５を近接配置することで、シリコン基板１の放熱を促
進させて、ガラス台座１１の温度勾配を大きくする。ガ
ラスが薄い場合は特に有効である。この電極板２５は、
電極ピン２２の下部に接触して配置される。

【００２５】また、ガラス台座１１が厚い場合は、片側
からの加熱で温度勾配を形成することができるが、加熱
が十分でないと台座ガラス１１中の可動イオンの移動が
小さくなり、それにより陽極接合時の電流値が小さくな
り、接合部分の強度を低下させかねない。このような場
合には、シリコン基板１上方の上部ヒーター２１からも
同時に加熱する必要がある。これにより、ガラス台座１
１とシリコン基板１は下部ヒーター２０からの伝熱効果
と上部ヒーター２１からの輻射効果により加熱が十分と
なり、接合強度を保つことができる。このとき、上部ヒ
ーター２１の設定温度を下部ヒーター２０の設定温度よ
りも低くして、シリコン基板１の温度がガラス台座１１
の温度より低くなるようにする必要がある。

【００２６】この陽極接合の接合条件は、例として、真
空度が１×１０^−４Ｔｏｒｒ以下、印加する直流電圧
（バイアス）が６００Ｖ、直流電圧印加時間が５分と
し、電極ピン２２を−極、電極である下部ヒーター２０
を＋極とする。

【００２７】次に、ガラス台座１１に設定する温度勾配
について説明する。図４は、温度と熱膨張係数の関係を
示したものであって、４００度付近での関係を示したも
のである。図４において、ガラスは上記したＳＤ−２で
ある。

【００２８】ガラス台座１１を構成するガラス（ＳＤ−
２）の熱膨張係数をαＧ、シリコン基板１を構成するシ
リコンの熱膨張係数をαＳｉとする。陽極接合を行う温
度、すなわち、ガラス台座１１の温度をＴ２、ガラス台
座１１とシリコン基板１の温度差をｔとすると、ガラス
台座１１の変形量はαＧ×Ｔ２、シリコン基板１の熱応
力による変形量はαＳｉ×（Ｔ２−ｔ）の式で概算され
る。

【００２９】ここで、ガラス台座１１とシリコン基板１
に反りがない（小さい）場合を考えて、ガラス台座１１
の変形量とシリコン基板１の変形量を同じとすると、α
Ｇ×Ｔ２＝αＳｉ×（Ｔ２−ｔ）となる。よって、ｔ＝
（１−αＧ/αＳｉ）Ｔ２となる。

【００３０】次に、ガラス台座１１の厚み方向に温度差
をつける場合の温度プロファイルについて図５（ａ）を
用いて説明する。図５（ａ）は、下部ヒーター２０によ
り片側から加熱した場合、又は下部ヒーター２０と上部
ヒーター２１により両側から加熱した場合のガラス台座
１１を構成するガラスとシリコン基板１を構成するシリ
コンの温度プロファイルを示している。

【００３１】図５（ａ）に示すように、ガラス台座１１
とシリコン基板１を陽極接合温度まで加熱する昇温過程
と、約４００度に加熱された状態で直流電圧を印加し陽
極接合する過程と、陽極接合温度より降温する冷却過程
の各過程において、常にガラスの温度がシリコンの温度
より高くなるようにしている。ここでは、ガラス台座１
１を下部ヒーター２０の上部に配置する例で示したが、
図５（ａ）に示す温度プロファイルを実現するものであ
れば、その配置は特に限定されない。

【００３２】図５（ｂ）に示す温度プロファイルでは、
陽極接合温度より降温する過程において、ガラスの温度
よりシリコンの温度が高くなるように逆転しており、熱
応力の影響により、降温後（冷却後）にガラス台座１１
とシリコン基板１に反りが残ることになり、ガラス台座
１１とシリコン基板１からなる半導体センサのデバイス
特性を劣化させることになる。

【００３３】また、ガラスとシリコンの熱伝導率を比較
した場合、シリコンの熱伝導率の方がかなり大きい（ガ
ラスの冷却速度が小さい）ことから、導電性があり熱伝
導率の大きい材料を放熱用に使用して冷却方法の最適化
を図ることも可能である。

【００３４】本実施形態によれば、ガラス台座１１の温
度をシリコン基板１の温度よりも高く設定することによ
り、シリコン基板１とガラス台座１１の熱応力による変
形量の差が小さくなることから、シリコン基板１とガラ
ス台座１１の反りが減少し、それらを陽極接合したもの
からなる半導体圧力センサなどの半導体センサのオフセ
ット電圧変動が小さくなり、デバイス特性を改善でき
る。

【００３５】また、反りが減少することにより、図６
（ｅ）に示すシリコン基板１とガラス台座１１を陽極接
合したものを、図６（ｆ）に示す個々のチップに切断す
るダイシング工程での不良も減るため、歩留りの向上が
期待できる。

【００３６】

【発明の効果】上記したように、請求項１の発明は、ガ
ラスとガラスより熱膨張係数の大きいシリコンを重ね合
わせ直流電圧を印加して陽極接合を行うときに、ガラス
の温度がシリコンの温度よりも高くなるように加熱する
ため、シリコンとガラスの熱応力による変形量の差が小
さくなるので、陽極接合後のシリコンとガラスの反りが
減少し、陽極接合されたシリコンとガラスからなる半導
体センサなどのオフセット電圧変動が小さくなり、デバ
イス特性が改善される。

【００３７】また、請求項２の発明は、請求項１記載の
発明において、ガラスの熱膨張係数をαＧ、シリコンの
熱膨張係数をαＳｉとし、前記陽極接合を行うときに、
ガラスの温度がＴ２、シリコンの温度がＴ２−ｔとなる
ように温度差ｔをつけて加熱し、温度差ｔはｔ＝（１−
αＧ/αＳｉ）Ｔ２で表されるため、シリコンとガラス
の熱応力による変形量の差が小さくなり、請求項１と同
様の効果が得られる。

【００３８】また、請求項３の発明は、請求項１又は請
求項２記載の発明において、前記陽極接合を行うとき
に、ガラスのシリコンと重ね合わせていない片側からの
ヒーターによる伝熱によって、ガラスの厚み方向に温度
差が形成される温度勾配を設け、ガラスの温度をシリコ
ンの温度より高くなるようにするため、請求項１と同様
の効果が得られる。

【００３９】また、請求項４の発明は、請求項１又は請
求項２記載の発明において、前記陽極接合を行うとき
に、ガラス側とシリコン側のそれぞれにヒーターを設
け、ガラス側のヒーターの温度がシリコン側のヒーター
の温度より高くなるようにして、両側より加熱するた
め、片側からの加熱に比べて加熱が十分となり、ガラス
とシリコンの陽極接合の接合強度が強くなる。

【００４０】また、請求項５の発明は、請求項１から請
求項４のいずれかの発明において、前記陽極接合を行う
ときに、熱伝導に優れた導電板をシリコンに近接配置す
るため、シリコンの放熱を促進させることで、シリコン
の温度をガラスの温度より低くすることが可能となる。

【００４１】また、請求項６の発明は、請求項１又は請
求項２に記載の発明において、室温にてガラスとシリコ
ンを重ね合わせた後、前記陽極接合を行う温度まで加熱
して昇温する過程と、陽極接合を行う温度にて直流電圧
を印加する過程と、陽極接合を行う温度から降温する過
程の各過程において、常にシリコンの温度よりもガラス
の温度の方を高くするため、シリコンとガラスの熱応力
による変形量の差をより確実に抑えることができ、それ
によりシリコンとガラスの反りを減少し、陽極接合され
たシリコンとガラスからなる半導体センサなどのオフセ
ット電圧変動が小さくなり、デバイス特性が改善され
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に対応するガラスとシリコン
の陽極接合方法を説明する断面図である。

【図２】同上のシリコンとガラスの温度に対する線膨張
率の変化を示す関係図である。

【図３】同上のガラスとシリコンの他の陽極接合方法を
説明する断面図である。

【図４】同上のシリコンとガラスの温度に対する熱膨張
係数の変化を示す関係図である。

【図５】シリコンとガラスの各過程における温度変化を
示す図であって、（ａ）は本発明の実施形態に対応する
関係図、（ｂ）は本発明の実施形態と比較される例を示
した関係図である。

【図６】従来の半導体圧力センサの製法を示す図であっ
て、（ａ）から（ｆ）はいずれも断面図である。

【符号の説明】

１シリコン基板２シリコン酸化膜４ゲージ抵抗５配線抵抗６シリコン窒化膜８ダイヤフラム９アルミ層１０圧力導入孔１１ガラス台座２０下部ヒーター２１上部ヒーター２２電極ピン３０チャンバー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2F055 AA40 BB20 CC02 DD05 DD07 EE13 FF23 FF43 GG01 GG14 4G061 BA02 BA10 CA01 CC01 CD01 DA32 4M112 AA01 BA01 CA15 DA18 FA09

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ガラスとガラスより熱膨張係数の大きい
シリコンを重ね合わせ直流電圧を印加して陽極接合を行
うときに、ガラスの温度がシリコンの温度よりも高くな
るように加熱することを特徴とする陽極接合方法。
【請求項２】ガラスの熱膨張係数をαＧ、シリコンの
熱膨張係数をαＳｉとし、前記陽極接合を行うときに、
ガラスの温度がＴ２、シリコンの温度がＴ２−ｔとなる
ように温度差ｔをつけて加熱し、温度差ｔはｔ＝（１−
αＧ/αＳｉ）Ｔ２で表されることを特徴とする請求項
１記載の陽極接合方法。
【請求項３】前記陽極接合を行うときに、ガラスのシ
リコンと重ね合わせていない片側からのヒーターによる
伝熱によって、ガラスの厚み方向に温度差が形成される
温度勾配を設け、ガラスの温度をシリコンの温度より高
くなるようにすることを特徴とする請求項１又は請求項
２に記載の陽極接合方法。
【請求項４】前記陽極接合を行うときに、ガラス側と
シリコン側のそれぞれにヒーターを設け、ガラス側のヒ
ーターの温度がシリコン側のヒーターの温度より高くな
るようにして、両側より加熱することを特徴とする請求
項１又は請求項２に記載の陽極接合方法。
【請求項５】前記陽極接合を行うときに、熱伝導に優
れた導電板をシリコンに近接配置することを特徴とする
請求項１から請求項４のいずれかに記載の陽極接合方
法。
【請求項６】室温にてガラスとシリコンを重ね合わせ
た後、前記陽極接合を行う温度まで加熱して昇温する過
程と、陽極接合を行う温度にて直流電圧を印加する過程
と、陽極接合を行う温度から降温する過程の各過程にお
いて、常にシリコンの温度よりもガラスの温度の方を高
くすることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれ
かに記載の陽極接合方法。