JP2002350262A - 半導体センサ用台座 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体センサ素子に陽極接合された半導体セ
ンサ用台座を、陽極接合時に放電が起きにくく歩留まり
の良いものとし、ひいては製品のコストダウンにつなげ
ること。 【解決手段】 本発明の半導体センサ用台座は、半導体
センサに陽極接合される前にエッチング処理されてお
り、貫通孔の内周面が平滑化されている。台座貫通孔の
内周面は、互いに隣り合う凹凸の高低差が５μｍ以下に
なるほど平滑化されているので、気体分子などをほとん
ど吸着せず、陽極接合時に希薄ガス放電が生じにくい。
その結果、陽極接合時の放電による半導体センサ素子の
損傷が稀になり、歩留まりが向上して製品のコストダウ
ンになる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧力や加速度等を計測
する半導体センサ技術において、半導体センサ素子が陽
極接合される台座と、その陽極接合面に隣接する開口部
を有する貫通孔の加工方法とに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の圧力を計測する半導体センサに
は、半導体センサ素子が陽極接合されるガラス製の台座
を備えたものがある。この台座には、陽極接合面に開口
する貫通孔が形成されて、半導体センサ素子のダイヤフ
ラムに連通している。

【０００３】従来技術としては、半導体センサ素子と同
程度の熱膨張係数をもつ材料で形成された台座を使用す
ることにより、熱応力を緩和する技術が開発されてい
る。すなわち、特開平４−８３７３３号公報および実開
平５−４７３９３に開示されているように、最近では、
シリコンの熱膨張係数により近い熱膨張係数をもつアル
ミナ・シリケート系ガラスなどで台座が形成されるよう
になった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
従来の技術による台座では、台座と半導体センサ素子と
を真空中で陽極接合する際に、台座の貫通孔内に放電現
象が起こって半導体センサ素子が破壊してしまうことが
しばしばあり、不都合であった。この不都合は、製品の
歩留り率や工数費用に影響し、半導体センサの価格に反
映されるので、是非とも解消される必要があった。

【０００５】本発明は、上記実情に鑑み、台座と半導体
センサ素子とを陽極接合する際に発生する上記のような
放電現象を防止し、歩留り率の高い半導体センサ用台座
およびその加工方法を提供することを、解決すべき課題
とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の第１構成は、貫
通孔が開口し、半導体センサ素子が陽極接合される面を
構成する少なくとも表面部がガラスで形成されている半
導体センサ用台座であって、前記貫通孔を形成する内周
面は、前記陽極接合前にエッチング処理されており、こ
のエッチング処理によって、この内周面の表面粗さは、
互いに隣り合う凸部と凹部との高低差の平均値で５μｍ
以下に平滑化されていることを特徴とする半導体センサ
用台座である。

【０００７】

【作用および発明の効果】本発明の第１構成では、貫通
孔を形成する内周面がエッチング処理により平滑化され
ており、該内周面に突起や細かいクラックが無くなって
いる。その結果、ガス等を吸着する内周面の吸着面積が
著しく小さくなっており、陽極接合の工程で真空チャン
バに入れられた状態でも、内周面からガスが放出されて
貫通孔内の真空度が劣化することがない。

【０００８】したがって、本構成によれば、半導体セン
サ素子との陽極接合時に、貫通孔内の真空度の劣化の故
に希薄ガス中の放電が起こって半導体センサ素子が破壊
されることがない。それゆえ、陽極接合時に高電圧の印
加が可能になり、製品の歩留り率の向上と生産性の向上
とが実現される。その結果、より安価に半導体センサを
提供することが可能になるという効果が生じる。

【０００９】また、貫通孔の内周面の粗さが５μｍ以下
に限定されているので、その平滑度は極めて高く、ガス
の吸着量を決める吸着面積はほぼ該内周面の面積に限定
される。

【００１０】したがって、本構成によれば、半導体セン
サ素子との陽極接合時に貫通孔内周面から放出される希
薄ガスの量は、極めて限定された量になる。その結果、
不都合な放電現象の発生が十分に高い信頼性で防止さ
れ、本構成の効果をより確実なものにすることができる
という効果がある。

【００１１】

【実施例】〔実施例１〕本発明の実施例１としての半導
体センサ用台座およびその加工方法について、図を参照
して以下に詳述する。

【００１２】（実施例１の加工方法）本実施例の半導体
センサ用台座の加工方法は、図１（ａ）に示すように、
アルミナ・シリケート系ガラスの３．０ｍｍ厚板材が切
断されて所定寸法に成形されたガラス板２”を出発素材
としている。

【００１３】ここで、アルミナ・シリケート系ガラスの
成分は、おおよそ珪酸６０％、アルミナ１５％、酸化亜
鉛１０％、酸化ホウ素・酸化マグネシウム・酸化ナトリ
ウム各数％、その他１％程度であった。各種アルミナ・
シリケート系ガラスの組成と熱膨張係数等の特性につい
ては、特開平４−８３７３３号公報「シリコン台座用ガ
ラス」に、詳細に記載されている。

【００１４】まず、図１（ａ）に示すように切断成形さ
れたガラス板２”は、図１（ｂ）に示すように、上記両
面に垂直な貫通孔２０が、超音波ホーニングにより複数
個、所定の間隔で碁盤目状に穿孔された。この加工によ
り、ガラス板２”はガラス製の有孔平板２’に変化し
た。ここで、形成された貫通孔２０の開口および断面は
円形で、有孔平板２’の円筒面状の内周面２１’により
形成されており、その直径は０．８ｍｍであった。

【００１５】次に、有孔平板２’は、図２に示すよう
に、エッチング液Ｅに浸され（ディッッピングされ）
て、エッチング処理を施された。すなわち、保持装置Ｈ
によって両面から挟持されて保持された有孔平板２’
は、耐蝕性の液槽Ｂに張られたエッチング液Ｅに浸さ
れ、適宜液面の上下に浸されたり引き上げられたりし
た。その際、エッチング液はフッ酸（フッ化水素ＨＦの
水溶液）であり、その重量濃度は３％、その温度は２５
°Ｃであった。また、貫通孔２０中にエッチング液Ｅが
十分に浸入していることは、安全窓（図示せず）から目
視確認した。

【００１６】この条件下のエッチング処理では、毎分１
μｍ程度のエッチング量が得られ、処理時間の管理をす
ることにより、任意のエッチング量を浸食された貫通孔
２０の内周面２１に与えることができた。

【００１７】こうしてエッチング処理を終えたのち、エ
ッチングされた内周面２１から形成された貫通孔２０を
もつ有孔平板２には、図１（ｃ）に示すように、表面に
鏡面仕上げされた陽極接合面２２が形成され、裏面にラ
ップ面２３が形成される。

【００１８】このラップ面２３にはさらに、後述の陽極
接合時に、金属電極または電極としてのカーボン製ステ
ージとの電気接合を良くするために、金属蒸着膜が形成
された。

【００１９】以上のようにして、貫通孔２０を形成する
内周面２１が高度に滑らかで凹凸やクラックがほとんど
無いアルミナ・シリケート系ガラス製の有孔平板２が、
製造された。ここで、有孔平板２の厚み、すなわち互い
に平行な陽極接合面２２とラップ面２３との間隔は、
２．５ｍｍであった。

【００２０】（実施例１の加工方法の変形態様）以上の
加工方法において、本発明の実施上最も重要な点は、エ
ッチング処理であるから、その他の加工手順等は必要に
応じて適宜変更してよい。

【００２１】ここで、貫通孔２０の直径、深さ（板
厚）、配列間隔および配列パターン等は設計的事項であ
って、半導体センサの設計上の必要に応じて任意に変更
するを得る。同様に、貫通孔２０の穿孔方法も、超音波
ホーニングに限定されるものではない。

【００２２】また、有孔平板２は、再び図２に示すよう
に、エッチング処理時に貫通孔２０が、エッチング液Ｅ
の液面に対して水平になるよう保持されていた。しか
し、貫通孔２０の軸線が、同液面に対して垂直または斜
めになるよう保持された状態でエッチング処理が行われ
ても構わない。

【００２３】エッチング処理の際、常に新鮮なエッチン
グ液が貫通孔２０内に十分に行き渡るために、有孔平板
２が液面を出し入れされる手段のほかに、液面下で揺動
されたり、保持装置Ｈを介して加振されたりする手段が
取られてもよい。あるいは、エッチング液Ｅの液槽Ｂ内
または液槽Ｂ壁面に、超音波加振器を装備して、エッチ
ング液Ｅが直接加振されるようにしても、良好な結果が
得られる。

【００２４】ところで、有孔平板２をアルミナ・シリケ
ート系ガラス以外のガラス、または他の材料で形成する
ことも可能であり、エッチング液Ｅについても、濃度ま
たは温度の異なるフッ酸や、フッ酸以外の成分のエッチ
ング液を使用してもよい。

【００２５】なお、後述の半導体センサ素子を形成する
ウエハ３が他の素材からなる場合には、その素材の熱膨
張係数および接合性に適合したガラス系または他の材料
で、台座を形成する有孔平板２が構成されていることが
好ましい。

【００２６】（実施例１の貫通孔の内周面）前述のエッ
チング処理の成果を確認する目的で、図３（ａ）に示す
ように、貫通孔２０を一つ含む直方体上のサンプルを有
孔平板２から切り出した。そしてさらに、貫通孔２０の
軸方向の中央部付近の内周面２１の微細形状を観測する
ために、図３（ｂ）に示すように、同サンプルの板厚方
向に半分に切断した試料を作成した。比較のため、エッ
チング処理が施されていない比較試料も同様にして作成
した。

【００２７】同比較試料と本実施例の試料との内周面２
１’，２１の断面の形状を、それぞれ図４（ａ）および
図４（ｂ）に示す。両図は、それぞれの試料の試験片の
断面の顕微鏡写真からスケッチした模写図である。図４
（ａ）に示されたエッチングなしの比較試料の内周面２
１’には、微細な凹凸やクラックが一面に形成されてお
り、ガス等の吸着面積は大きいことが見て取れる。

【００２８】一方、本実施例の試料の内周面２１には、
図４（ｂ）に示すように、ごくなだらかな凹凸が形成さ
れた高度に滑らかな面が形成されており、クラック等は
観測されない。ちなみに、図４（ａ）および図４（ｂ）
中右下に表示された水平方向の白色のスケール・バーは
１０μｍの長さを示すものなので、図４（ｂ）に示され
たエッチング処理後の内周面２１の凹凸の高低差は、明
らかに５μｍ以内に収まっている。したがって、本実施
例の試料の内周面２１に形成された吸着面積は極めて小
さく、貫通孔２０にガス等を吸着保持する能力は、ほと
んど無いに等しいと考えられる。

【００２９】（実施例１の陽極接合）前述の加工方法で
製造された有孔平板２は、図５に示すように、半導体セ
ンサ素子になるシリコン・ウエハ３に陽極接合された。

【００３０】すなわち、有孔平板２は、金属蒸着膜が形
成されたラップ面２３を下にして、陰極をなすカーボン
製ステージ１の水平な上面に乗せられた。有孔平板２の
上面をなす陽極接合面２２には、半導体センサ素子にな
るウエハ３が乗せられ、ウエハ３の上にはさらに、重錘
を兼ねたステンレス鋼製の上部電極４が乗せられた。上
部電極４は、その下面をウエハ３の上面に当接させて導
通していた。

【００３１】上記のように積み重ねられたステージ１、
有孔平板２、ウエハ３および上部電極４は、真空チャン
バ（図示せず）内に挿置された。真空チャンバ内の圧力
は、５×１０^-6〔Ｔｏｒｒ〕（≒７×１０^-4〔Ｐａ〕）
まで引かれた上で、以下の陽極接合処理が行われた。な
お、貫通孔２０内の真空度が１〔Ｔｏｒｒ〕程度にまで
劣化すると、放電現象が頻発することが経験的に分かっ
ている。

【００３２】ステージ１からは、直流電源５およびスイ
ッチ６が直列に連結された上部電極４へ至る直流回路が
形成され、スイッチ６が閉じられると、ステージ１を基
準として正の高電圧が上部電極に印加された。その際の
印加電圧は、１，０００〔Ｖ〕であり、１０分間に渡っ
て印加された。

【００３３】すると、互いに当接するシリコン・ウエハ
３の下面と、アルミナ・シリケート系ガラス製の有孔平
板２の上面（陽極接合面）２２との間に大きな電位差が
生じる。その結果、有孔平板２中の酸素のマイナス・イ
オンが、ウエハ３へ移動してシリコンと結合し、両者の
当接面は陽極接合される。

【００３４】シリコン・ウエハ３には、すでに半導体セ
ンサ素子となる凹部３０および同凹部中央に形成された
ダイヤフラム３１が、有孔平板２の各貫通孔２０と同軸
に形成されている。したがって、陽極接合されたウエハ
３および有孔平板２とを、各貫通孔２０を中心としたブ
ロックに切り離せば、半導体センサ素子と台座とが陽極
接合されたセンサ・ユニットが構成される。（切り離さ
ずに、センサ素子が平面上に分布した二次元センサ板、
または複数のセンサの統合ユニットとしての使用も可能
である。）このようにして、フッ酸によるエッチング処
理が内周面２１に施されて平滑化されている貫通孔２０
が開口し、半導体センサ素子のウエハ３が陽極接合され
たアルミナ・シリケート系ガラス製の半導体センサ用台
座が製造された。

【００３５】さて、上記陽極接合に際して、図６に示す
ように、エッチング処理の有無およびエッチング量の多
寡により、放電回数には顕著な差異が観測された。

【００３６】すなわち、エッチング処理なしの従来技術
による比較例（エッチング量ゼロ）では、おおよそ１０
回前後の放電が一度の陽極接合毎に観測され、これに相
当する個数のシリコン・ウエハ３のダイヤフラム３１等
が破壊した。一方、有孔平板２の貫通孔２０の内周面２
１にエッチング処理が施されている本実施例の場合に
は、陽極接合時の放電回数が激減し、１０μｍ以上のエ
ッチング量では、放電現象はほとんど観測されていな
い。具体的には、エッチング量が７〜８μｍ程度である
場合には、まだ数回の放電が観測されるが、エッチング
量が１５μｍおよび３０μｍの場合においては、放電現
象はまったく観測されなかった。

【００３７】これは、前述のように貫通孔２０の内周面
２１がエッチング処理されて平滑になり吸着面積が激減
したので、陽極接合の電圧印加時に貫通孔２０内の真空
度が高く保たれ、その結果、放電現象が起きにくくなっ
ているものと推察される。

【００３８】（実施例１の効果）前述のように、アルミ
ナ・シリケート系ガラス製の有孔平板２にフッ酸による
エッチング処理を施すことにより、高電圧での陽極接合
時にも放電の発生による不良率を低く押さえることがで
きることが実証された。特に、超音波ホーニングにより
形成された貫通孔２０の内周面にエッチング処理が施さ
れ、エッチング量が１０μｍ以上に及ぶ場合には、ほと
んど完全に放電現象は抑制された。

【００３９】その結果、本発明の実施によって、より高
い生産性と低廉な生産コストとが実現されるという効果
があることが分かった。

【００４０】また、本実施例では、アルミナ・シリケー
ト系ガラスから台座を形成する有孔平板２が構成されて
いるので、台座は、半導体センサ素子を形成するシリコ
ン・ウエハ３の材料の熱膨張係数と近い熱膨張係数をも
つ。

【００４１】したがって、本実施例によれば、台座とこ
れに陽極接合される半導体センサ素子との間に発生する
熱応力が小さく、接合面付近に過大な応力がかかること
がない。その結果、製品の歩留り率が向上して製品価格
をさらに低廉にすることができるという効果もある。

【００４２】〔実施例２〕本実施例の半導体センサ用台
座およびその加工方法では、台座の材料板としての有孔
平板は、図７に示すように、二層構造をしている。すな
わち、同有孔平板は、薄いガラス層２Ｇと、その一面に
別途陽極接合されたシリコン層２Ｓとからなる、二層構
造の有孔平板２Ｄで形成されている。

【００４３】ガラス層２Ｇは、板厚０．１５ｍｍのアル
ミナ・シリケート系ガラス製の板であり、シリコン層２
Ｓに背向する面は、鏡面仕上げされて陽極接合面２２を
形成している。一方、シリコン層２Ｓは、板厚２．０ｍ
ｍのシリコン単結晶から成るウエハである。したがっ
て、有孔平板２Ｄの板厚は、二層合わせて２．１５ｍｍ
である。

【００４４】有孔平板２Ｄには、実施例１と同様に、超
音波ホーニングにより形成された貫通孔２０が、碁盤目
状に複数個配列されている。有孔平板２Ｄの貫通孔２０
に、実施例１と同様のエッチング処理を施すと、ガラス
層２Ｇに形成された内周面２１Ｇには、エッチングによ
る表面の除去により、平滑化された面が形成される。一
方、シリコン層２Ｓに形成された内周面２１Ｓには、も
ともとシリコン層２Ｓはシリコン単結晶であるので、微
細な凹凸やクラックが少なく、平滑な面が形成されてい
る。

【００４５】したがって、貫通孔２０を形成する内周面
２１Ｇおよび内周面２１Ｓには、吸着面積がわずかしか
存在せず、貫通孔２０でのガスの吸着および放出は少な
い。それゆえ、実施例１と同様に、半導体センサ素子を
形成するシリコン・ウエハ３（図５参照）と陽極接合さ
れる際に、貫通孔２０内の真空度が劣化して放電現象を
生じることがない。

【００４６】本実施例では前述の実施例１同様の効果に
加えて、次のような本実施例に特有な作用効果を生じ
る。

【００４７】すなわち、本実施例では、台座を形成する
有孔平板２Ｄは、ガラス層２Ｇおよびこれに陽極接合さ
れたシリコン層２Ｓからなる複数層構造をしている。ガ
ラス層２Ｇは、半導体センサ素子と陽極接合されるため
の接合材として作用するので、陽極接合できるだけの厚
みがあれば十分であり、極めて薄いガラス板で形成され
うる。

【００４８】したがって、本実施例によれば、半導体セ
ンサ素子を形成するシリコン・ウエハ３と同じ熱膨張係
数をもつシリコン層２Ｓが、極めて薄いガラス層２Ｇを
介してシリコン・ウエハ３に陽極接合される。その際、
薄いガラス層２Ｇとその両面にそれぞれ陽極接合された
シリコン層２Ｓおよびシリコン・ウエハ３との間に発生
する熱応力は、極めて小さい。その結果、熱応力による
不具合が発生しにくく、製品の歩留り率がさらに向上す
るという効果がある。

【００４９】なお、本実施例でも、半導体センサ素子は
シリコン系であることを前提において説明されている。
しかし、半導体センサ素子が他の素材（例えばゲルマニ
ウム等）からなる場合には、上記シリコン層に代えて半
導体センサ素子と同じ素材が使用されるものとする。も
しくは、半導体センサ素子の素材の熱膨張係数および接
合性に適合した材料で、複数層で形成された台座のうち
厚い一層が形成されていることが望ましい。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施例１の有孔平板を形成する加工工程を示
す組図 （ａ）台座の素材となるガラス板の形状を示す断面図 （ｂ）ホーニング後の有孔平板の形状を示す断面図 （ｃ）片面鏡面仕上げ後の有孔平板の形状を示す断面図

【図２】 エッチング処理の方法を示す模式図

【図３】 貫通孔の内周面の状態を調べる試料の作成方
法を示す組図 （ａ）有孔平板から切り出された試験片を示す斜視図 （ｂ）貫通孔の軸長方向に半分に切断された試験片を示
す斜視図

【図４】 エッチング処理の貫通孔の内周面に及ぼす影
響を示す組図 （ａ）エッチング処理なしの内周面の断面図 （ｂ）エッチング処理後の内周面の断面図

【図５】 シリコン・ウエハと有孔平板との陽極接合方
法を示す模式図

【図６】 エッチング処理の効果を示すグラフ

【図７】 実施例２の二層構造の有孔平板の構成を示す
断面図

【符号の説明】

２，２’：有孔平板（台座の素材） ２”：ガラス板（アルミナ・シリケート系） ２Ｄ：二層構造のガラス板 ２Ｇ：ガラス層 ２
Ｓ：シリコン層 ２０：貫通孔 ２１：内周面（エッチング処理済） ２１’：内周面
（エッチングなし） ２２：陽極接合面 ３：シリコン・ウエハ（半導体センサ素子の素材）
３１：ダイヤフラム Ｅ：エッチング液（フッ酸）

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 株式会 社デンソー内 (72)発明者 佐藤 孝宗 千葉県船橋市行田一丁目50番地１号 旭テ クノグラス株式会社内 (72)発明者 川島 宏昭 千葉県船橋市行田一丁目50番地１号 旭テ クノグラス株式会社内 Ｆターム(参考） 2F055 AA40 BB20 CC02 DD05 EE40 FF49 GG12 4M112 AA00 BA00 CA01 DA18 DA20 FA09 GA01

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】貫通孔が開口し、半導体センサ素子が陽極
   接合される面を構成する少なくとも表面部がガラスで形
   成されている半導体センサ用台座であって、 前記貫通孔を形成する内周面は、前記陽極接合前にエッ
   チング処理されており、このエッチング処理によって、
   この内周面の表面粗さは、互いに隣り合う凸部と凹部と
   の高低差の平均値で５μｍ以下に平滑化されていること
   を特徴とする、 半導体センサ用台座。