JP2011013178A - 圧力センサ及び製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】特性不良の発生をより効果的に抑制することができるとともに、ガラス台座と金属ベースとの接合強度を向上することができる圧力センサ及び製造方法を提供すること。
【解決手段】差圧用ダイアフラム４を備える半導体基板１０と、半導体基板１０の下側に設けられるガラス台座１８と、を備え、半導体基板１０の下面とガラス台座１８の上面とが接合され、ガラス台座１８には、ガラス台座１８の上下面に亘ってガラス台座１８を貫通するように圧力導入孔１８Ａが形成されており、圧力導入孔１８Ａは、ガラス台座の下面における圧力導入孔１８Ａの第１の孔径でガラス台座１８の下面から第１の位置まで形成されており、かつ、ガラス台座１８の上面における圧力導入孔１８Ａの第２の孔径は、第１の孔径よりも大きく、前記ガラス台座の下面には、金属薄膜層が成膜した。
【選択図】図４

Description

本発明は圧力センサ及び製造方法に関し、特にダイアフラムを有する圧力センサ及び当該圧力センサの製造方法に関する。

半導体のピエゾ抵抗効果を利用した圧力センサが、小型、軽量、高感度であることから、工業計測、医療などの分野で広く利用されている。このような圧力センサは、ダイアフラム部を備える半導体基板と、圧力導入孔が形成されたガラス台座と、金属ベース（ステム）と、を備えている。そして、半導体基板は、ガラス台座の上面と陽極接合法を用いて接合されている。また、ガラス台座の下面と金属ベースとが半田により接合されている。
半田は、ガラスとの濡れ性が良くないため、通常、ガラス台座の下面には、金属薄膜層（メタライズ層）が成膜される。金属薄膜層は、蒸着法やスパッタリング法を用いてガラス台座の下面に成膜される。ガラス台座の圧力導入孔の孔径は、ガラス台座の上下面に亘って略同一となっているため、金属薄膜層の成膜時に、当該圧力導入孔の側壁にも金属薄膜が成膜されてしまう。そのため、半田が、圧力導入孔の側壁の金属薄膜が成膜された部分にも濡れてしまう。換言すれば、半田が、圧力導入孔の側壁を這い上がってしまう。また、圧力導入孔の側壁への金属薄膜の成膜範囲を制御することは難しい。そのため、半田が圧力導入孔の側壁部分に這い上がる高さを制御することは難しい。そして、半田が半導体基板近くまで這い上がってしまう可能性がある。これにより、半田と半導体基板の熱膨張率の違いに基づく応力（熱ストレス）などの影響を半導体基板に与えてしまう可能性がある。そして、当該熱ストレスなどにより、半導体基板の特性不良を招いてしまう。

そこで、特許文献１には、テーパー状の圧力導入孔が形成されたガラス台座を用いた圧力センサが記載されている。具体的には、圧力導入孔の孔径は、ガラス台座の下面から上面に向かって徐々に大きくなっている。これにより、ガラス台座の下面に金属薄膜層を成膜する際に、金属薄膜が圧力導入孔の側壁に成膜されてしまうことを防ぐことができる。そのため、半田が圧力導入孔を這い上がってしまうことを防ぐことができる。

特開平１０−０３０９７２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の圧力センサにおいて、スパッタリング法を用いてガラス台座の下面に金属薄膜層を成膜した場合、金属薄膜が圧力導入孔の側壁には、ほとんど成膜されないこととなる。そして、半田が圧力導入孔の側壁にほとんど濡れないこととなる。そのため、ガラス台座と金属ベースとの接合の強度が不十分となってしまう可能性がある。
また、特許文献１に記載の圧力センサでは、余った半田が圧力導入孔に溜まってしまい、圧力導入孔が半田によって塞がれてしまう可能性もある。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、特性不良の発生をより効果的に抑制することができるとともに、ガラス台座と金属ベースとの接合強度を向上することができる圧力センサ及び製造方法を提供することを目的とする。

本発明にかかる第１の態様にかかる圧力センサは、ダイアフラム部を備える半導体基板と、前記半導体基板の下側に設けられるガラス台座と、を備える圧力センサである。また、前記半導体基板の下面と前記ガラス台座の上面とが接合されている。また、前記ガラス台座には、当該ガラス台座の上下面に亘って当該ガラス台座を貫通するように圧力導入孔が形成されている。そして、前記圧力導入孔は、前記ガラス台座の下面における前記圧力導入孔の第１の孔径で前記ガラス台座の下面から第１の位置まで形成されており、かつ、前記ガラス台座の上面における前記圧力導入孔の第２の孔径は、前記第１の孔径よりも大きくなっている。また、前記ガラス台座の下面には、金属薄膜層が成膜されているものである。

本発明にかかる第１の態様によれば、ガラス台座の上面における圧力導入孔の第２の孔径は、ガラス台座の下面における圧力導入孔の第１の孔径よりも大きくなっている。そのため、当該ガラス台座の下面に金属薄膜層を成膜しても、圧力導入孔の半導体基板側の側壁に金属薄膜が成膜されることを防止することができる。これにより、圧力導入孔の半導体基板側の側壁に半田が濡れることを防止することができる。そのため、半導体基板の近くに半田が濡れてしまうことによって生じる特性不良をより効果的に抑制することができる。
また、ガラス台座の下面から第１の位置までの範囲において、ガラス台座に設けられる圧力導入孔の孔径は略同一の大きさとなっている。そのため、ガラス台座の下面に金属薄膜層を成膜する場合、ガラス台座の下面から当該第１の位置までの範囲において、圧力導入孔の側壁に金属薄膜が成膜されることとなる。これにより、ガラス台座の下面から当該第１の位置までの範囲において、圧力導入孔の側壁に半田が濡れることとなる。そのため、ガラス台座が半田によって、ガラス台座の下側に設けられる金属ベースとより確実に接合されることとなる。すなわち、ガラス台座と金属ベースとの接合強度を向上することができる。

また、前記金属薄膜層は、前記ガラス台座の下面から、前記圧力導入孔の側壁であって、前記ガラス台座の下面から第１の位置までの範囲の側壁の少なくとも一部に亘って成膜されていることがより好ましい。
これにより、さらに確実に、ガラス台座と金属ベースとの接合強度を向上することができる。

また、前記圧力導入孔は、前記第２の孔径で前記ガラス台座の上面から第２の位置まで形成されていることが好ましい。
これにより、ガラス台座の上面から当該第２の位置までの範囲において、圧力導入孔の孔径が、ガラス台座の下面における圧力導入孔の孔径よりも大きくなる。そのため、半導体基板に近い圧力導入孔の側壁に金属薄膜が成膜されてしまうことをより確実に防ぐことができる。換言すれば、半導体基板に近い圧力導入孔の側壁に半田が濡れてしまうことをより確実に防ぐことができる。したがって、圧力センサの特性不良をさらに効果的に抑制することができる。

さらに、前記ガラス台座の下面と前記金属薄膜層を介して半田により上面が接合される金属ベースを備える。また、前記金属ベースには、当該金属ベースの上下面に亘って当該金属ベースを貫通するように、且つ、前記ガラス台座の前記圧力導入孔と連通するように、貫通穴部が形成されている。そして、前記貫通穴部の孔径は、前記圧力導入孔の前記第１の孔径よりも大きいことが好ましい。
ガラス台座と金属ベースとを半田により接合する際に、余った半田は、重力によって貫通穴部の側壁を伝って流れることとなる。このとき、貫通穴部の孔径が圧力導入孔の第１の孔径よりも大きくなっているため、貫通穴部が半田により塞がれてしまうことを防ぐことができる。
さらに、ガラス台座の下面に成膜された金属薄膜層には、圧力導入孔の第１の孔径と略同じ大きさの孔径の貫通孔が形成される。そして、ガラス台座と金属ベースとを半田により接合する際に余った半田は、金属薄膜層の当該貫通孔と金属ベースの貫通穴部との間の段差部分にフィレットを形成する。そのため、金属ベースの上面とガラス台座の下面との接合強度をさらに向上することができる。

本発明にかかる第２の態様にかかる圧力センサの製造方法は、ダイアフラム部を備える半導体基板と、前記半導体基板の下側に設けられるガラス台座と、を備える圧力センサの製造方法である。また、圧力導入孔形成処理、金属薄膜成膜処理、ガラス台座接合処理を備える。圧力導入孔形成処理においては、前記ガラス台座に、当該ガラス台座の上下面に亘って当該ガラス台座を貫通するように圧力導入孔を形成する。金属薄膜層成膜処理においては、前記圧力導入孔が形成された前記ガラス台座の下面に金属薄膜層を成膜する。ガラス台座接合処理においては、前記半導体基板の下面と前記ガラス台座の上面とを接合する。そして、前記圧力導入孔形成処理において、前記ガラス台座の下面における前記圧力導入孔の第１の孔径で前記ガラス台座の下面から第１の位置まで前記圧力導入孔を形成し、かつ、前記ガラス台座の上面における前記圧力導入孔の第２の孔径が前記第１の孔径よりも大きくなるように前記圧力導入孔を形成するものである。

本発明にかかる第２の態様によれば、ガラス台座の上面における圧力導入孔の第２の孔径は、ガラス台座の下面における圧力導入孔の第１の孔径よりも大きくなるように圧力導入孔が形成される。そのため、当該ガラス台座の下面に金属薄膜層を成膜しても、圧力導入孔の半導体基板側の側壁に金属薄膜が成膜されることを防止することができる。これにより、圧力導入孔の半導体基板側の側壁に半田が濡れることを防止することができる。そのため、半導体基板の近くに半田が濡れてしまうことによって生じる特性不良をより効果的に抑制することができる。
また、ガラス台座の下面から第１の位置までの範囲において、ガラス台座に設けられる圧力導入孔の孔径は略同一の大きさとなるように圧力導入孔が形成される。そのため、ガラス台座の下面に金属薄膜層を成膜する場合、ガラス台座の下面から当該第１の位置までの範囲において、圧力導入孔の側壁に金属薄膜が成膜されることとなる。これにより、ガラス台座の下面から当該第１の位置までの範囲において、圧力導入孔の側壁に半田が濡れることとなる。そのため、ガラス台座が半田によって、ガラス台座の下側に設けられる金属ベースとより確実に接合されることとなる。すなわち、ガラス台座と金属ベースとの接合強度を向上することができる。

また、前記金属薄膜成膜処理において、前記金属薄膜は、前記ガラス台座の下面から、前記圧力導入孔の側壁であって、前記ガラス台座の下面から第１の位置までの範囲の側壁の少なくとも一部に亘って成膜されることがより好ましい。
これにより、さらに確実に、ガラス台座と金属ベースとの接合強度を向上することができる。

また、前記圧力導入孔形成処理において、前記圧力導入孔を、前記第２の孔径で前記ガラス台座の上面から第２の位置まで形成することが好ましい。
これにより、ガラス台座の上面から当該第２の位置までの範囲において、圧力導入孔の孔径が、ガラス台座の下面における圧力導入孔の孔径よりも大きくなる。そのため、半導体基板に近い圧力導入孔の側壁に金属薄膜が成膜されてしまうことをより確実に防ぐことができる。換言すれば、半導体基板に近い圧力導入孔の側壁に半田が濡れてしまうことをより確実に防ぐことができる。したがって、圧力センサの特性不良をさらに効果的に抑制することができる。

さらに、金属ベース接合処理を備える。金属ベース接合処理においては、前記ガラス台座の下面と金属ベースの上面とを前記金属薄膜層を介して半田により接合する。また、前記金属ベースには、当該金属ベースの上下面に亘って当該金属ベースを貫通するように、且つ、前記ガラス台座の前記圧力導入孔と連通するように貫通穴部が形成されている。そして、前記貫通穴部の孔径は、前記圧力導入孔の前記第１の孔径よりも大きいことが好ましい。
ガラス台座と金属ベースとを半田により接合する際に、余った半田は、重力によって貫通穴部の側壁を伝って流れることとなる。このとき、貫通穴部の孔径が圧力導入孔の第１の孔径よりも大きくなっているため、貫通穴部が半田により塞がれてしまうことを防ぐことができる。
さらに、ガラス台座の下面に成膜された金属薄膜層には、圧力導入孔の第１の孔径と略同じ大きさの孔径の貫通孔が形成される。そして、ガラス台座と金属ベースとを半田により接合する際に余った半田は、金属薄膜層の当該貫通孔と金属ベースの貫通穴部との間の段差部分にフィレットを形成する。そのため、金属ベースの上面とガラス台座の下面との接合強度をさらに向上することができる。

本発明によれば、特性不良の発生をより効果的に抑制することができるとともに、ガラス台座と金属ベースとの接合強度を向上することができる。

本発明の実施の形態１にかかるセンサチップの構成を示す上面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ断面図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる圧力センサの構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態１にかかるセンサチップの製造工程を示す図である。 本発明の実施の形態１にかかるセンサチップの製造工程を示す工程断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる圧力センサの製造工程を示す工程断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる圧力センサの製造工程を示す工程断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる圧力センサの製造工程を示す工程断面図である。 本発明の実施の形態２にかかる圧力センサの構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態３にかかる圧力センサの構成を示す断面図である。

実施の形態１．
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
以下では、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本実施の形態にかかる圧力センサ１００に用いられているセンサチップ１０（半導体基板）の構成を示す上面図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ断面図であり、図３は、ＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。本実施の形態にかかる圧力センサ１００は、半導体のピエゾ抵抗効果を利用した半導体圧力センサである。

圧力センサ１００は、半導体基板からなるセンサチップ１０を有している。センサチップ１０は、正方形状になっている。図1に示すように、正方形状のセンサチップ１０の各頂点をＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄとする。図１に示すように、左上の角を角Ａ、右下の角を角Ｂ、右上の角を角Ｃ、左下の角を角Ｄとする。角Ａと角Ｂとを結ぶ対角線を対角線ＡＢとする。角Ｃと角Ｄとを結ぶ対角線を対角線ＣＤとする。センサチップ１０は、正方形であるため、対角線ＡＢと対角線ＣＤは直交する。

図２に示すように、センサチップ１０は、基台となる第１半導体層１、絶縁層２、及び第２半導体層３の３層構造になっている。例えば、センサチップ１０として、第１半導体層１と、０．５μｍ程度の厚さの絶縁層２、及び第２半導体層３からなるＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いることができる。第１半導体層１及び第２半導体層３は、例えば、ｎ型単結晶シリコン層から構成されている。絶縁層２は、例えば、ＳｉＯ_２層から構成されている。第１半導体層１の上に、絶縁層２が形成されている。また、絶縁層２の上に、第２半導体層３が形成されている。従って、第１半導体層１と第２半導体層３の間に、絶縁層２が配設されている。絶縁層２は、第１半導体層１をエッチングする際に、エッチングストッパとして機能する。第２半導体層３は、差圧用ダイアフラム４（ダイアフラム部）を構成している。図２に示すように、差圧用ダイアフラム４はチップの中央部分に配設されている。

センサチップ１０の中央部には、差圧を検出するための差圧用ダイアフラム４が設けられている。図２に示すように、第１半導体層１が除去されることで、差圧用ダイアフラム４が形成される。すなわち、差圧用ダイアフラム４では、センサチップ１０が薄くなっている。ここでは、図１に示すように、差圧用ダイアフラム４は、正方形状に形成されている。また、差圧用ダイアフラム４の中心と、センサチップ１０の中心は一致している。すなわち、センサチップ１０の中心点は、対角線ＡＢと対角線ＣＤの交点上にある。そして、差圧用ダイアフラム４は、正方形状のセンサチップ１０に対して、４５°傾いて配置されている。従って、対角線ＡＢは、差圧用ダイアフラム４の対向する２辺の中心を垂直に通る。また、対角線ＣＤは、差圧用ダイアフラム４の対向する他の２辺の中心を垂直に通る。

差圧用ダイアフラム４の表面には、差圧用ゲージ５Ａ〜５Ｄが設けられている。これらの４つの差圧用ゲージ５Ａ〜５Ｄをまとめて差圧用ゲージ５と称する。差圧用ゲージ５が、差圧用ダイアフラム４の端部に設けられている。すなわち、差圧用ゲージ５は差圧用ダイアフラム４の周縁部上に形成されている。ここで、正方形の差圧用ダイアフラム４の各辺に、１つずつ差圧用ゲージ５が設けられている。差圧用ゲージ５は、差圧用ダイアフラム４の各辺の中央に設けられている。従って、差圧用ダイアフラム４の中心と角Ａの間には、差圧用ゲージ５Ａが配置されている。差圧用ダイアフラム４の中心と角Ｂの間には、差圧用ゲージ５Ｂが配置され、差圧用ダイアフラム４の中心と角Ｃの間には、差圧用ゲージ５Ｃが配置され、差圧用ダイアフラム４の中心と角Ｄの間には、差圧用ゲージ５Ｄが配置されている。差圧用ゲージ５Ａと差圧用ゲージ５Ｂは、センサチップ１０の中心を挟んで対向する。差圧用ゲージ５Ｃと差圧用ゲージ５Ｄは、センサチップ１０の中心を挟んで対向する。

差圧用ゲージ５はピエゾ抵抗効果を有する歪ゲージである。従って、センサチップ１０が歪むと、各差圧用ゲージ５Ａ〜５Ｄの抵抗が変化する。なお、センサチップの上面には、各差圧用ゲージ５Ａ〜５Ｄと接続される配線（不図示）が形成される。例えば、各差圧用ゲージ５Ａ〜５Ｄの両端に配線が接続されている。この配線によって、４つの差圧用ゲージ５がブリッジ回路に結線されている。差圧用ダイアフラム４によって隔てられた空間の圧力差によって、差圧用ダイアフラム４が変形する。差圧用ゲージ５は、差圧用ダイアフラム４の変形量に応じて抵抗が変化する。この抵抗変化を検出することで、圧力を測定することができる。差圧用ゲージ５は、図２、及び図３に示すように、センサチップ１０の表面に形成されている。

４つの差圧用ゲージ５Ａ〜５Ｄは、互いに平行に配置されている。すなわち、４つの差圧用ゲージ５Ａ〜５Ｄの長手方向は対角線ＡＢに沿って設けられている。そして差圧用ゲージ５Ａ〜５Ｄの長手方向の両端に、配線（不図示）が接続される。差圧用ゲージ５は、センサチップ１０の結晶面方位（１００）において、ピエゾ抵抗係数が最大となる＜１１０＞の結晶軸方向と平行に形成される。

次に、本実施の形態にかかる圧力センサ１００について図４を参照しながら説明する。図４の圧力センサ１００の断面図を示す。圧力センサ１００は、図４に示すように、センサチップ１０、ガラス台座１８、金属ベース２１などを備えている。

ガラス台座１８は、センサチップ１０の下面とガラス台座１８の上面とが接合されている。また、ガラス台座１８は、パイレックスガラス（登録商標）やセラミックなどで形成されている。そして、ガラス台座１８は、例えば、陽極接合法を用いて、センサチップ１０と接合されている。
また、ガラス台座１８には、ガラス台座１８の上下面に亘ってガラス台座１８を貫通するように圧力導入孔１８Ａが形成されている。また、圧力導入孔１８Ａは、センサチップ１０の差圧用ダイアフラム４に相当する位置に形成されている。そして、圧力導入孔１８Ａは、センサチップ１０の差圧用ダイアフラム４に相当する位置に形成されている凹部と連通している。

ここで、ガラス台座１８の下面における圧力導入孔１８Ａの孔径を第１の孔径とする。また、ガラス台座１８の上面における圧力導入孔１８Ａの孔径を第２の孔径とする。このとき、圧力導入孔１８Ａの第２の孔径は、第１の孔径より大きくなっている。具体的には、圧力導入孔１８Ａは、ガラス台座１８の下面から第１の位置まで、第１の孔径で形成されている。また、圧力導入孔１８Ａは、ガラス台座１８の上面から第２の位置まで、第２の孔径で形成されている。そして、図４に示すように、本実施の形態では、ガラス台座１８の当該第１の位置と、ガラス台座１８の当該第２の位置とが一致している。換言すれば、圧力導入孔１８Ａは、互いに連通する第１の孔部１８Ｂと、第２の孔部１８Ｃとから形成されている。そして、第１の孔部１８Ｂは、ガラス台座１８の下面から第１の位置まで、第１の孔径で形成されている。また、第２の孔部１８Ｃは、ガラス台座１８の上面から第２の位置まで、第２の孔径で形成されている。

また、ガラス台座１８の下面には、金属薄膜層１９が成膜されている。金属薄膜層１９は、蒸着法やスパッタリング法を用いて、ガラス台座１８の下面に成膜する。本実施の形態では、金属粒子の直進性に優れるスパッタリング法を用いて金属薄膜層１９をガラス台座１８の下面に成膜する。スパッタリング法は金属粒子の直進性に優れるが、ガラス台座１８の下面に金属薄膜層１９を成膜する際、圧力導入孔１８Ａの側壁に金属薄膜が若干成膜されることとなる。しかし、本実施の形態にかかる圧力センサ１００では、圧力導入孔１８Ａは、ガラス台座１８の下側においては、第１の孔径を有する第１の孔部１８Ｂにより形成され、ガラス台座１８の上側においては、第１の孔径より大きい第２の孔径を有する第２の孔部１８Ｃにより形成されている。そのため、ガラス台座１８の下面に金属薄膜層１９を成膜する場合、第１の孔部１８Ｂの側壁には、金属薄膜が若干成膜されることとなるが、第２の孔部１８Ｃの側壁には、金属薄膜が成膜されることはほとんどない。
また、金属薄膜層１９には、ガラス台座１８の圧力導入孔１８Ａに相当する位置に、圧力導入孔１８Ａの第１の孔径と略同じ大きさの孔径を有する貫通孔が形成されている。

金属ベース２１は、ガラス台座１８の下側に設けられている。また、金属ベース２１の上面は、ガラス台座１８の下面と、金属薄膜層１９を介して、半田により接合されている。換言すれば、ガラス台座１８の下面と金属ベース２１の上面との間には、金属薄膜層１９と半田層２０が形成されている。
また、金属ベース２１には、金属ベース２１の上下面に亘って金属ベース２１を貫通するように貫通穴部２１Ａが形成されている。また、貫通穴部２１Ａは、ガラス台座１８の圧力導入孔１８Ａに相当する位置に形成されている。そして、貫通穴部２１Ａは、ガラス台座１８の圧力導入孔１８Ａと連通している。
また、貫通穴部２１Ａの孔径は、圧力導入孔１８Ａの第１の孔径よりも大きくなっている。

ガラス台座１８と金属ベース２１とを半田により接合する場合、余った半田が金属薄膜層１９の貫通孔、ガラス台座１８の圧力導入孔１８Ａ、金属ベース２１の貫通穴部２１Ａに濡れることとなる。
ここで、半田とガラスとは濡れ性が悪いため、圧力導入孔１８Ａの第１の孔部１８Ｂの側壁の金属薄膜が成膜されている部分に濡れることとなる。一方、圧力導入孔１８Ａの第２の孔部１８Ｃには、金属薄膜がほとんど成膜されていないので、半田が濡れることはない。なお、第２の孔径は、第１の孔径より少しでも大きければ、圧力導入孔１８Ａの第２の孔部１８Ｃに金属薄膜が成膜されることを防ぐことができる。また、ガラス台座１８の下面から第１の位置までの長さ（すなわち、第１の孔部１８Ｂの長さ）は、ガラス台座１８の下面に形成される金属薄膜層１９の膜厚などに基づいて最適な長さとなっている。
また、ガラス台座１８と金属ベース２１とを半田により接合する際に余った半田は、重力に従って、金属ベース２１の貫通穴部２１Ａに濡れる。このとき、金属薄膜層１９の貫通孔の孔径は圧力導入孔１８Ａの第１の孔径と略同じ大きさである。そのため、金属薄膜層１９の貫通孔の孔径は金属ベース２１の貫通穴部２１Ａの孔径より小さい。したがって、金属薄膜層１９と金属ベース２１との間には段差が形成されている。そのため、ガラス台座１８と金属ベース２１とを半田により接合する際に余った半田は、重力に従って流れるとともに、当該段差部分にフィレットを形成する。

次に、センサチップ１０の製造方法について、図５、及び図６を用いて説明する。図５は、センサチップ１０の製造方法を示す図であり、センサチップ１０を上から見た構成を示している。図６は、センサチップ１０の製造方法を示す工程断面図であり、図５のＶＩ−ＶＩ断面の構成を示している。

まず、第１半導体層１と、０．５μｍ程度の厚さの絶縁層２、及び第２半導体層３からなるＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウエハを用意する。このＳＯＩウエハを作製するには、Ｓｉ基板中に酸素を注入してＳｉＯ₂ 層を形成するＳＩＭＯＸ（Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｂｙ ＩＭｐｌａｎｔｅｄ ＯＸｙｇｅｎ）技術を用いてもよいし、２枚のＳｉ基板を貼り合わせるＳＤＢ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｏｎｄｉｎｇ）技術を用いてもよいし、その他の方法を用いてもよい。なお、第２半導体層３を、平坦化及び薄膜化してもよい。例えば、ＣＣＰ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）と呼ばれる研磨法等により、所定の厚さまで、第２半導体層３を研磨する。

第２半導体層３の上面に、不純物拡散あるいはイオン打ち込み法によってｐ型Ｓｉからなる差圧用ゲージ５Ａ〜５Ｄを形成する。これにより、図５（ａ）、及び図６（ａ）に示す構成となる。各ゲージは、図１等で示したように、各ダイアフラムとなる箇所の所定の位置に形成されている。なお、差圧用ゲージ５Ａ〜５Ｄを、下記に示すダイアフラムの形成工程の後に形成してもよい。

このようにして形成されたＳＯＩウエハの下面にレジスト９を形成する。レジスト９のパターンは、公知のフォトリソグラフィー工程によって、第１半導体層１上に形成される。すなわち、感光性樹脂膜を塗布し、露光、現像することで、レジスト９のパターンが形成される。レジスト９は、感圧領域（ダイアフラムが形成される領域）に相当する部分に開口部を有している。すなわち、ダイアフラムを形成する部分では、第１半導体層１が露出している。これにより、図６（ｂ）に示す構成となる。

そして、レジスト９をマスクとして、第１半導体層１をエッチングする。これにより、図５（ｂ）、及び図６（ｃ）に示す構成となる。例えば、公知のＩＣＰエッチングなどのドライエッチングを用いて、第１半導体層１をエッチングすることができる。もちろん、ＫＯＨやＴＭＡＨ等の溶液を用いたウェットエッチングにより、第１半導体層１をエッチングしてもよい。第１半導体層１をエッチングすると、差圧用ダイアフラム４が形成される。ここで、絶縁層２がエッチングストッパとして機能している。従って、レジスト９の開口部からは、絶縁層２が露出している。

そして、レジスト９及びダイアフラム部４の絶縁層２を除去すると、図６（ｄ）に示す構成となる。差圧用ゲージ５と電気的接続を得るための配線（不図示）を蒸着する。これにより、センサチップ１０が完成する。なお、配線を形成する工程は、図６（ｄ）よりも前に行われてもよい。例えば、図６（ａ）の前に、配線を作成してもよく、図６（ａ）〜図６（ｃ）の間に、配線を作成してもよい。また、上記のように、差圧用ゲージ５の形成を図６（ｄ）の後に行ってもよく、図６（ａ）〜図６（ｄ）の間に行ってもよい。すなわち、配線の形成工程と、歪ゲージの形成工程の順番は特に限定されるものではない。

次に、圧力センサ１００の製造方法について、図７乃至図９を用いて説明する。図７乃至図９は、圧力センサ１００の製造方法を示す工程断面図である。
まず、図７（ａ）に示すように、ガラス台座１８となる基板を用意する。基板としては、パイレックスガラス（登録商標）やセラミックなどの平坦な基板が用いられる。そして、ガラス台座１８に圧力導入孔１８Ａを形成する（圧力導入孔形成処理）。すなわち、ガラス台座１８の中央に、ガラス台座１８を貫通する円形の圧力導入孔１８Ａを形成する。これにより、図７（ｂ）に示す構成となる。圧力導入孔１８Ａは、例えば、ドリル穴加工により形成されてもよいし、両面サンドブラスト加工により形成してもよい。

次に、図８（ａ）に示すように、ガラス台座１８の下面に金属薄膜層１９を成膜する（金属薄膜層成膜処理）。金属薄膜層１９は、蒸着法やスパッタリング法を用いて、成膜することができる。本実施の形態では、スパッタリング法を用いて、金属薄膜層１９をガラス台座１８の下面に成膜する。

次に、図８（ｂ）に示すように、センサチップ１０とガラス台座１８とを接合する（ガラス台座接合処理）。例えば、陽極接合によってガラス台座１８がセンサチップ１０の第１半導体層１に接合される。ガラス台座１８の中心には、差圧用ダイアフラム４に相当する位置に形成されている凹部と連通する圧力導入孔１８Ａが形成されている。

次に、図９に示すように、ガラス台座１８の下面と金属ベース２１の上面とを半田により接合する（金属ベース接合処理）。これにより、ガラス台座１８の下面には、金属薄膜層１９が形成され、金属薄膜層１９と金属ベース２１の上面との間には半田層２０が形成される。こうして圧力センサ１００の製造が終了する。このように作成された圧力センサは、小型で高性能のものとなる。

本発明の実施の形態１にかかる圧力センサ１００においては、ガラス台座１８の上面における圧力導入孔１８Ａの第２の孔径は、ガラス台座１８の下面における圧力導入孔１８Ａの第１の孔径よりも大きくなっている。そのため、当該ガラス台座１８の下面に金属薄膜層１９を成膜しても、圧力導入孔１８Ａのセンサチップ１０側の側壁に金属薄膜が成膜されることを防止することができる。これにより、圧力導入孔１８Ａのセンサチップ１０側の側壁に半田が濡れることを防止することができる。そのため、センサチップ１０の近くに半田が濡れてしまうことによって生じる特性不良をより効果的に抑制することができる。
また、ガラス台座１８の下面から第１の位置までの範囲において、ガラス台座に設けられる圧力導入孔１８Ａの孔径は略同一の大きさとなっている。そのため、ガラス台座１８の下面に金属薄膜層１９を成膜する場合、ガラス台座１８の下面から当該第１の位置までの範囲において、圧力導入孔１８Ａの側壁に金属薄膜が成膜されることとなる。これにより、ガラス台座１８の下面から当該第１の位置までの範囲において、圧力導入孔１８Ａの側壁に半田が濡れることとなる。そのため、ガラス台座１８が半田によって、ガラス台座１８の下側に設けられる金属ベース２１とより確実に接合されることとなる。すなわち、ガラス台座１８と金属ベース２１との接合強度を向上することができる。

また、圧力導入孔１８Ａは、第２の孔径でガラス台座１８の上面から第２の位置まで形成されている。
これにより、ガラス台座１８の上面から当該第２の位置までの範囲において、圧力導入孔１８Ａの孔径が、ガラス台座１８の下面における圧力導入孔１８Ａの孔径よりも大きくなる。そのため、センサチップ１０に近い圧力導入孔１８Ａの側壁に金属薄膜が成膜されてしまうことをより確実に防ぐことができる。換言すれば、センサチップ１０に近い圧力導入孔１８Ａの側壁に半田が濡れてしまうことをより確実に防ぐことができる。したがって、圧力センサ１００の特性不良をさらに効果的に抑制することができる。

さらに、ガラス台座１８の下面と金属薄膜層１９を介して半田により上面が接合される金属ベース２１を備える。また、金属ベース２１には、金属ベース２１の上下面に亘って金属ベース２１を貫通するように、且つ、ガラス台座１８の圧力導入孔１８Ａと連通するように、貫通穴部２１Ａが形成されている。そして、貫通穴部２１Ａの孔径は、圧力導入孔１８Ａの第１の孔径よりも大きい。
ガラス台座１８と金属ベース２１とを半田により接合する際に、余った半田は、重力によって貫通穴部２１Ａの側壁を伝って流れることとなる。このとき、貫通穴部２１Ａの孔径が圧力導入孔１８Ａの第１の孔径よりも大きくなっているため、貫通穴部２１Ａが半田により塞がれてしまうことを防ぐことができる。
さらに、ガラス台座１８の下面に成膜された金属薄膜層１９には、圧力導入孔１８Ａの第１の孔径と略同じ大きさの孔径の貫通孔が形成される。そして、ガラス台座１８と金属ベース２１とを半田により接合する際に余った半田は、金属薄膜層１９の当該貫通孔と金属ベース２１の貫通穴部２１Ａとの間の段差部分にフィレットを形成する。そのため、金属ベース２１の上面とガラス台座１８の下面との接合強度をさらに向上することができる。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２にかかる圧力センサ２００について、図１０を参照しながら説明する。図１０は、圧力センサ２００の構成を示す断面図である。図１０に示すように、実施の形態２にかかる圧力センサ２００は、ガラス台座２２の構成のみが実施の形態１にかかる圧力センサ１００と異なるので、同様の構成については同一の符号を付すとともに、その説明を省略する。

ガラス台座２２は、センサチップ１０の下面とガラス台座２２の上面とが接合されている。また、ガラス台座２２は、パイレックスガラス（登録商標）やセラミックなどで形成されている。そして、ガラス台座２２は、例えば、陽極接合法を用いて、センサチップ１０と接合されている。
また、ガラス台座２２には、ガラス台座２２の上下面に亘ってガラス台座２２を貫通するように圧力導入孔２２Ａが形成されている。また、圧力導入孔２２Ａは、センサチップ１０の差圧用ダイアフラム４に相当する位置に形成されている。そして、圧力導入孔２２Ａは、センサチップ１０の差圧用ダイアフラム４に相当する位置に形成されている凹部と連通している。

ここで、ガラス台座２２の下面における圧力導入孔２２Ａの孔径を第１の孔径とする。また、ガラス台座２２の上面における圧力導入孔２２Ａの孔径を第２の孔径とする。このとき、圧力導入孔２２Ａの第２の孔径は、第１の孔径より大きくなっている。具体的には、圧力導入孔２２Ａは、ガラス台座２２の下面から第１の位置まで、第１の孔径で形成されている。また、圧力導入孔２２Ａは、ガラス台座２２の上面から第２の位置まで、圧力導入孔２２Ａの孔径が第２の孔径から徐々に小さくなって第１の孔径となるように形成されている。そして、図１０に示すように、本実施の形態では、ガラス台座２２の当該第１の位置と、ガラス台座２２の当該第２の位置とが一致している。換言すれば、圧力導入孔２２Ａは、互いに連通する第１の孔部２２Ｂと、第２の孔部２２Ｃとから形成されている。そして、第１の孔部２２Ｂは、ガラス台座２２の下面から第１の位置まで、第１の孔径で形成されている。また、第２の孔部２２Ｃは、ガラス台座１８の上面から第２の位置まで、圧力導入孔２２Ａの孔径が第２の孔径から徐々に小さくなって第１の孔径となるように形成されている。

また、ガラス台座２２の下面には、金属薄膜層１９が成膜されている。金属薄膜層１９は、蒸着法やスパッタリング法を用いて、ガラス台座２２の下面に成膜する。本実施の形態では、金属粒子の直進性に優れるスパッタリング法を用いて金属薄膜層１９をガラス台座２２の下面に成膜する。スパッタリング法は金属粒子の直進性に優れるが、ガラス台座２２の下面に金属薄膜層２２を成膜する際、圧力導入孔２２Ａの側壁に金属薄膜が若干成膜されることとなる。しかし、本実施の形態にかかる圧力センサ２００では、圧力導入孔２２Ａは、ガラス台座２２の下側においては、第１の孔径を有する第１の孔部２２Ｂにより形成され、ガラス台座２２の上側においては、第１の孔径より大きい孔径を有する第２の孔部２２Ｃにより形成されている。そのため、ガラス台座２２の下面に金属薄膜層１９を成膜する場合、第１の孔部２２Ｂの側壁には、金属薄膜が若干成膜されることとなるが、第２の孔部２２Ｃの側壁には、金属薄膜が成膜されることはほとんどない。なお、第２の孔径は、第１の孔径より少しでも大きければ、圧力導入孔２２Ａの第２の孔部２２Ｃに金属薄膜が成膜されることを防ぐことができる。また、ガラス台座２２の下面から第１の位置までの長さ（すなわち、第１の孔部２２Ｂの長さ）は、ガラス台座２２の下面に形成される金属薄膜層１９の膜厚などに基づいて最適な長さとなっている。
実施の形態２にかかる圧力センサ２００は、ガラス台座２２の圧力導入孔２２Ａをこのような構成とすることにより、実施の形態１にかかる圧力センサ１００と同様の効果を得ることができる。

実施の形態３．
本発明の実施の形態３にかかる圧力センサ３００について、図１１を参照しながら説明する。図１１は、圧力センサ３００の構成を示す断面図である。図１１に示すように、実施の形態３にかかる圧力センサ３００は、ガラス台座２３の構成のみが実施の形態１にかかる圧力センサ１００と異なるので、同様の構成については同一の符号を付すとともに、その説明を省略する。

ガラス台座２３は、センサチップ１０の下面とガラス台座２３の上面とが接合されている。また、ガラス台座２３は、パイレックスガラス（登録商標）やセラミックなどで形成されている。そして、ガラス台座２３は、例えば、陽極接合法を用いて、センサチップ１０と接合されている。
また、ガラス台座２３には、ガラス台座２３の上下面に亘ってガラス台座２３を貫通するように圧力導入孔２３Ａが形成されている。また、圧力導入孔２３Ａは、センサチップ１０の差圧用ダイアフラム４に相当する位置に形成されている。そして、圧力導入孔２３Ａは、センサチップ１０の差圧用ダイアフラム４に相当する位置に形成されている凹部と連通している。

ここで、ガラス台座２３の下面における圧力導入孔２３Ａの孔径を第１の孔径とする。また、ガラス台座２３の上面における圧力導入孔２３Ａの孔径を第２の孔径とする。このとき、圧力導入孔２３Ａの第２の孔径は、第１の孔径より大きくなっている。具体的には、圧力導入孔２３Ａは、ガラス台座２３の下面から第１の位置まで、第１の孔径で形成されている。また、圧力導入孔２３Ａは、ガラス台座２３の上面から第２の位置まで、第２の孔径で形成されている。また、圧力導入孔２３Ａは、第１の位置から第２の位置まで、第１の孔径と第２の孔径との間の大きさの孔径で形成されている。換言すれば、圧力導入孔２３Ａは、互いに連通する第１の孔部２３Ｂと、第２の孔部２３Ｃと、第３の孔部２３Ｄとから形成されている。そして、第１の孔部２３Ｂは、ガラス台座２３の下面から第１の位置まで、第１の孔径で形成されている。また、第２の孔部２３Ｃは、第１の位置から第２の位置まで、第１の孔径と第２の孔径の間の大きさの孔径で形成されている。また、第３の孔部２３Ｄは、ガラス台座２３の上面から第２の位置まで、第２の孔径で形成されている。

また、ガラス台座２３の下面には、金属薄膜層１９が成膜されている。金属薄膜層１９は、蒸着法やスパッタリング法を用いて、ガラス台座２３の下面に成膜する。本実施の形態では、金属粒子の直進性に優れるスパッタリング法を用いて金属薄膜層１９をガラス台座２３の下面に成膜する。スパッタリング法は金属粒子の直進性に優れるが、ガラス台座２３の下面に金属薄膜層１９を成膜する際、圧力導入孔２３Ａの側壁に金属薄膜が若干成膜されることとなる。しかし、本実施の形態にかかる圧力センサ３００では、圧力導入孔２３Ａは、ガラス台座２３の下側においては、第１の孔径を有する第１の孔部２３Ｂにより形成され、ガラス台座２３の上側においては、第１の孔径より大きい第２の孔径を有する第３の孔部２３Ｄにより形成されている。そのため、ガラス台座２３の下面に金属薄膜層１９を成膜する場合、第１の孔部２３Ｂの側壁には、金属薄膜が若干成膜されることとなるが、第３の孔部２３Ｄの側壁には、金属薄膜が成膜されることはほとんどない。なお、第２の孔径は、第１の孔径より少しでも大きければ、圧力導入孔２３Ａの第３の孔部２３Ｄに金属薄膜が成膜されることを防ぐことができる。また、ガラス台座２３の下面から第１の位置までの長さ（すなわち、第１の孔部２３Ｂの長さ）は、ガラス台座２３の下面に形成される金属薄膜層１９の膜厚などに基づいて最適な長さとなっている。
実施の形態３にかかる圧力センサ３００は、ガラス台座２３の圧力導入孔２３Ａをこのような構成とすることにより、実施の形態１にかかる圧力センサ１００と同様の効果を得ることができる。

なお、本発明は、静圧用のピエゾ抵抗効果を有する歪ゲージを有する圧力センサにも適用可能である。

４ 差圧用ダイアフラム（ダイアフラム部）
１０ センサチップ（半導体基板）
１８、２２、２３ ガラス台座
１８Ａ、２２Ａ、２３Ａ 圧力導入孔
１９ 金属薄膜層
２１ 金属ベース
２１Ａ 貫通穴部
１００、２００、３００ 圧力センサ

Claims (8)

1. ダイアフラム部を備える半導体基板と、
   前記半導体基板の下側に設けられるガラス台座と、
   を備える圧力センサであって、
   前記半導体基板の下面と前記ガラス台座の上面とが接合され、
   前記ガラス台座には、当該ガラス台座の上下面に亘って当該ガラス台座を貫通するように圧力導入孔が形成されており、
   前記圧力導入孔は、前記ガラス台座の下面における前記圧力導入孔の第１の孔径で前記ガラス台座の下面から第１の位置まで形成されており、かつ、前記ガラス台座の上面における前記圧力導入孔の第２の孔径は、前記第１の孔径よりも大きく、
   前記ガラス台座の下面には、金属薄膜層が成膜されている圧力センサ。
2. 前記金属薄膜層は、前記ガラス台座の下面から、前記圧力導入孔の側壁であって、前記ガラス台座の下面から第１の位置までの範囲の側壁の少なくとも一部に亘って成膜されている請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記圧力導入孔は、前記第２の孔径で前記ガラス台座の上面から第２の位置まで形成されている請求項１又は２に記載の圧力センサ。
4. 前記ガラス台座の下面と前記金属薄膜層を介して半田により上面が接合される金属ベースを備え、
   前記金属ベースには、当該金属ベースの上下面に亘って当該金属ベースを貫通するように、且つ、前記ガラス台座の前記圧力導入孔と連通するように、貫通穴部が形成されており、
   前記貫通穴部の孔径は、前記圧力導入孔の前記第１の孔径よりも大きい請求項１乃至３の何れか一項に記載の圧力センサ。
5. ダイアフラム部を備える半導体基板と、前記半導体基板の下側に設けられるガラス台座と、を備える圧力センサの製造方法であって、
   前記ガラス台座に、当該ガラス台座の上下面に亘って当該ガラス台座を貫通するように圧力導入孔を形成する圧力導入孔形成処理と、
   前記圧力導入孔が形成された前記ガラス台座の下面に金属薄膜層を成膜する金属薄膜層成膜処理と、
   前記半導体基板の下面と前記ガラス台座の上面とを接合するガラス台座接合処理と、
   を備え、
   前記圧力導入孔形成処理において、前記ガラス台座の下面における前記圧力導入孔の第１の孔径で前記ガラス台座の下面から第１の位置まで前記圧力導入孔を形成し、かつ、前記ガラス台座の上面における前記圧力導入孔の第２の孔径が前記第１の孔径よりも大きくなるように前記圧力導入孔を形成する圧力センサの製造方法。
6. 前記金属薄膜成膜処理において、前記金属薄膜は、前記ガラス台座の下面から、前記圧力導入孔の側壁であって、前記ガラス台座の下面から第１の位置までの範囲の側壁の少なくとも一部に亘って成膜される請求項５に記載の圧力センサの製造方法。
7. 前記圧力導入孔形成処理において、前記圧力導入孔を、前記第２の孔径で前記ガラス台座の上面から第２の位置まで形成する請求項５又は６に記載の圧力センサの製造方法。
8. 前記ガラス台座の下面と前記金属薄膜層を介して半田により金属ベースの上面とを接合する金属ベース接合処理を備え、
   前記金属ベースには、当該金属ベースの上下面に亘って当該金属ベースを貫通するように、且つ、前記ガラス台座の前記圧力導入孔と連通するように貫通穴部が形成されており、
   前記貫通穴部の孔径は、前記圧力導入孔の前記第１の孔径よりも大きい請求項５乃至７の何れか一項に記載の圧力センサの製造方法。

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