JP2015184063A - 半導体圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】製造コストを高くすることなく、より大きな応力緩和効果を得る。
【解決手段】シリコンチューブ５に、上端面（第１の端面）５ａから下端面（第２の端面）５ｂへ向かって形成された軸方向に第１の長さＬ１を有する第１の円柱部５−１と、下端面（第２の端面）５ｂから上端面（第１の端面）５ａへ向かって形成された軸方向に第２の長さＬ２を有する第２の円柱部５−２と、第１の円柱部５−１と第２の円柱部５−２との間に挟まれた軸方向に第３の長さＬ３を有する角柱部５−３とを設ける。第１の円柱部５−１の直径Ｄ１および第２の円柱部５−２の直径Ｄ２は、角柱部５−３の角形の幅（縦幅、横幅）Ｗよりも小さくする。
【選択図】 図１

Description

この発明は、半導体基板と台座と支持部材とを接合した３層構造の半導体圧力センサに関するものである。

図５は、従来の半導体圧力センサの要部を示す構成図であり、図５（ａ）は断面図、図５（ｂ）は平面図である。同図において、１はシリコンよりなる半導体基板であり、その上面中央部にセンサダイアフラム１ａが形成されている。２は半導体基板１のセンサダイアフラム１ａを取り囲む部分を厚肉の接合部１ｂとし、この厚肉の接合部１ｂにその上端面２ａが接合されたガラス台座である。３はガラス台座２の下端面２ｂにその上端面３ａが第１の端面として接合されたシリコンチューブ（支持部材）である。４はシリコンチューブ３の下端面３ｂが第２の端面として接着された金属製のパッケージ部材であり、半導体基板１とガラス台座２とシリコンチューブ３とで３層構造の半導体圧力センサ１００が構成されている。

この半導体圧力センサ１００において、ガラス台座２およびシリコンチューブ３の軸方向には、センサダイアフラム１ａの下面側の厚肉の接合部１ｂで囲まれた空間１ｃに連通する貫通孔２ｃおよび３ｃが形成されており、この貫通孔２ｃおよび３ｃを通してセンサダイアフラム１ａの下面側に圧力が加えられる。センサダイアフラム１ａの上面には、図示してはいないが、圧力検出素子として歪みゲージが設けられている。

この半導体圧力センサ１００では、熱膨張係数の違いにより発生する応力を緩和させるために、ガラス台座２とパッケージ部材４との間にシリコンチューブ３を入れている。すなわち、ガラス台座２に接合された半導体基板１をセンサとしてパッケージ部材４に直接接着したのでは、それぞれの材料が持つ熱膨張係数の違いにより応力が発生し、その応力がセンサダイアフラム１ａに加わって出力異常などの問題が生じることがある。この応力の発生を緩和させるために、ガラス台座２とパッケージ部材４との間にシリコンチューブ３を入れている。

また、半導体基板１、ガラス台座２およびシリコンチューブ３はその平面形状が角形とされており、ガラス台座２の半導体基板１との接合面（上端面２ａ）を円形とすることにより、発生する応力を円周上に分散させ、角形状の場合よりも応力集中を低減し、センサダイアフラム１ａに加わる応力を緩和させるようにしている（例えば、特許文献１参照）。

なお、半導体基板１、ガラス台座２およびシリコンチューブ３の平面形状が角形とされているのは、複数の半導体圧力センサ１００を３層のウエハの接合体から分割して得るような製造方法を採用していることによる。すなわち、半導体基板１を複数作成したウエハと、ガラス台座２を複数作成したウエハと、シリコンチューブ３を複数作成したウエハとを接合して３層のウエハの接合体とし、この３層のウエハの接合体をダイシングで切断して複数の半導体圧力センサ１００を得るようにしている。この半導体圧力センサ１００の製造過程において、３層のウエハの接合体をダイシングで網目状に切断するため、半導体基板１、ガラス台座２およびシリコンチューブ３の平面形状が角形とされる。

特開２００６−１７０８２３号公報 特開２０１２−１８０４９号公報 特開２００９−１３５１９０号公報

しかしながら、図５に示した従来の半導体圧力センサ１００では、ガラス台座２の上端面２ａを円形とすることにより、角形状の場合よりも応力集中を低減させて、センサダイアフラム１ａに加わる応力を緩和させるようにしてはいるが、シリコンチューブ３の上端面３ａとガラス台座２との接合部やシリコンチューブ３の下端面３ｂとパッケージ部材４との接着部に発生する応力も無視することはできず、十分な応力緩和効果が得られているとは言い難かった。

なお、特許文献１に示された構造の変形例として、図６に示すように、ガラス台座２の上端面２ａだけではなく、ガラス台座２の下端面２ｂを円形とすることが考えられるが（例えば、特許文献２参照）、このようにしたとしてもシリコンチューブ３の下端面３ｂとパッケージ部材４との接着部に発生する応力の影響は排除できない。

また、図７に示すように、シリコンチューブ３の外径を完全に円形とすることも考えられる（例えば、特許文献３参照）。なお、図７（ｂ）は図７（ａ）におけるＩ−Ｉ線断面図である。このようにすると、シリコンチューブ３の上端面３ａとガラス台座２との接合部だけではなく、シリコンチューブ３の下端面３ｂとパッケージ部材４との接着部に発生する応力の影響を排除することが可能となる。しかし、シリコンチューブ３の外径を完全に円形とすると、ウエハ形状を保ったまま１つのウエハ上に複数のシリコンチューブ３を作り込むことができないため、個々のシリコンチューブ３との接合が必要となり、製造コストが高くなるという問題が生じる。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、製造コストを高くすることなく、より大きな応力緩和効果を得ることが可能な半導体圧力センサを提供することにある。

このような目的を達成するために本発明は、上面中央部にセンサダイアフラムが形成された半導体基板と、この半導体基板のセンサダイアフラムを取り囲む部分を厚肉の接合部とし、この厚肉の接合部にその上端面が接合される台座と、この台座の下端面にその上端面が第１の端面として接合されその下端面が第２の端面としてパッケージ部材に接着される支持部材とを備え、台座および支持部材の軸方向にセンサダイアフラムの下面側の厚肉の接合部で囲まれた空間に連通する貫通孔を備える半導体圧力センサにおいて、支持部材は、第１の端面から第２の端面へ向かって形成された軸方向に第１の長さを有する第１の円柱部と、第２の端面から第１の端面へ向かって形成された軸方向に第２の長さを有する第２の円柱部と、第１の円柱部と第２の円柱部との間に挟まれた軸方向に第３の長さを有する角柱部とを備え、第１の円柱部および第２の円柱部の直径は、角柱部の角形の幅よりも小さくされていることを特徴とする。

この発明において、支持部材は、その外形が完全に円形とされているのではなく、上端面（第１の端面）から下端面（第２の端面）に向かって形成された第１の円柱部と、下端面（第２の端面）から上端面（第１の端面）に向かって形成された第２の円柱部と、第１の円柱部と第２の円柱部との間に挟まれた角柱部とを備えている。

本発明において、支持部材は、第１の円柱部の上端面（第１の端面）が台座の下端面に接合され、第２の円柱部の下端面（第２の端面）がパッケージ部材に接着される。すなわち、本発明において、支持部材の台座との接合面および支持部材のパッケージ部材との接着面は、ともに円形とされている。これにより、支持部材の台座との接合面だけではなく、支持部材のパッケージ部材との接着面でも、発生する応力が円周上に分散し、より大きな応力緩和効果が得られるものとなる。

また、本発明において、支持部材は第１の円柱部と第２の円柱部との間に角柱部を備え、この角柱部の角形の幅よりも第１の円柱部および第２の円柱部の直径が小さくされている。これにより、角柱部をウエハの未加工部分として残すようにして、ウエハ形状を保ったまま１つのウエハ上に複数の支持部材を作り込むようにすることが可能となり、３層のウエハの接合体から分割して複数の半導体圧力センサを得ることができる構造として、製造コストが高くなることを抑えることができるようになる。

本発明において、第１の円柱部および第２の円柱部は、その長さと直径との比率をセンサダイアフラムに加わる応力を最小とする比率とすることが望ましい。すなわち、第１の円柱部および第２の円柱部の直径をＤ１およびＤ２、第１の円柱部および第２の円柱部の長さをＬ１およびＬ２とした場合、第１の円柱部の長さＬ１と直径Ｄ１との比Ｌ１／Ｄ１および第２の円柱部の長さＬ２と直径Ｄ２との比Ｌ２／Ｄ２を、センサダイアフラムに加わる応力を最小とする比率（例えば、０．５）とすることが望ましい。

本発明によれば、支持部材に第１の円柱部と第２の円柱部とを形成し、第１の円柱部の上端面（第１の端面）を台座の下端面に接合し、第２の円柱部の下端面（第２の端面）をパッケージ部材に接着するようにしたので、支持部材の台座との接合面および支持部材のパッケージ部材との接着面がともに円形とされ、支持部材の台座との接合面だけではなく、支持部材のパッケージ部材との接着面でも、発生する応力が円周上に分散し、より大きな応力緩和効果を得ることが可能となる。
また、本発明によれば、支持部材に第１の円柱部と第２の円柱部との間に挟まれた角柱部を形成し、この角柱部の角形の幅よりも第１の円柱部および第２の円柱部の直径を小さくするようにしたので、角柱部をウエハの未加工部分として残すようにして、ウエハ形状を保ったまま１つのウエハ上に複数の支持部材を作り込むようにすることができ、３層のウエハの接合体から分割して複数の半導体圧力センサを得ることができる構造として、製造コストが高くなることを抑えることが可能となる。

本発明に係る半導体圧力センサの一実施の形態の要部を示す構成図である。 この半導体圧力センサにおけるシリコンチューブの側面図および平面図である。 コア抜き深さｙとチューブ直径ｘとの比率ｙ／ｘとセンサ部に加わる応力σとの関係を示す図である。 この半導体圧力センサの製造方法の概略を説明する図である。 従来の半導体圧力センサの要部を示す構成図である。 ガラス台座の上端面だけではなく下端面も円形とした例を示す図である。 シリコンチューブの外径を完全に円形とした例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る半導体圧力センサの一実施の形態の要部を示す構成図であり、図１（ａ）は断面図、図１（ｂ）は平面図である。同図において、図５と同一符号は図５を参照して説明した構成要素と同一或いは同等の構成要素を示し、その説明は省略する。

図５に示した従来の半導体圧力センサ１００と本実施の形態の半導体圧力センサ１０１との異なる点はガラス台座２とパッケージ部材４との間に入れるシリコンチューブの構造にある。以下、従来の半導体圧力センサ１００におけるシリコンチューブ３と区別するために、本実施の形態の半導体圧力センサ１０１におけるシリコンチューブを符号５で示す。

本実施の形態の半導体圧力センサ１０１において、シリコンチューブ５は、上端面（第１の端面）５ａから下端面（第２の端面）５ｂへ向かって形成された軸方向に第１の長さＬ１を有する第１の円柱部５−１と、下端面（第２の端面）５ｂから上端面（第１の端面）５ａへ向かって形成された軸方向に第２の長さＬ２を有する第２の円柱部５−２と、第１の円柱部５−１と第２の円柱部５−２との間に挟まれた軸方向に第３の長さＬ３を有する角柱部５−３とを備えている。

このシリコンチューブ５において、第１の円柱部５−１の直径Ｄ１および第２の円柱部５−２の直径Ｄ２は、第１の円柱部５−１と第２の円柱部５−２との間に挟まれた角柱部５−３の角形の幅（縦幅、横幅）Ｗよりも小さくされている。

また、このシリコンチューブ５において、第１の円柱部５−１の直径Ｄ１と第２の円柱部５−２の直径Ｄ２とは等しくされており、第１の円柱部５−１の長さＬ１と第２の円柱部５−２の長さＬ２も等しくされている。

図２（ａ）にシリコンチューブ５の側面図を、図２（ｂ）にシリコンチューブ５の平面図を示す。この例において、半導体基板１、ガラス台座２および角柱部５−３の平面形状は正方形とされている。

このシリコンチューブ５は、図５に示した角柱状のシリコンチューブ３を基本とし、この角柱状のシリコンチューブ３の上端面３ａおよび下端面３ｂの両方からコア抜き加工（外周を円形に削る加工）を施して、その両端に第１の円柱部５−１および第２の円柱部５−２を形成し、中央に未加工部分の角柱部５−３を残した構造とされている。

なお、この半導体圧力センサ１０１においても、ガラス台座２およびシリコンチューブ５の軸方向に、センサダイアフラム１ａの下面側の厚肉の接合部１ｂで囲まれた空間１ｃに連通する貫通孔２ｃおよび５ｃが形成されており、この貫通孔２ｃおよび５ｃを通してセンサダイアフラム１ａの下面側に圧力が加えられる。また、センサダイアフラム１ａの上面には、図示してはいないが、圧力検出素子として歪みゲージが設けられている。

本実施の形態の半導体圧力センサ１０１では、シリコンチューブ５の第１の円柱部５−１の上端面５ａがガラス台座２の下端面２ｂに接合され、シリコンチューブ５の第２の円柱部５−２の下端面５ｂがパッケージ部材４に接着される。すなわち、この半導体圧力センサ１０１では、シリコンチューブ５のガラス台座２との接合面およびシリコンチューブ５のパッケージ部材４との接着面が、ともに円形とされている。これにより、この半導体圧力センサ１０１では、シリコンチューブ５のガラス台座２との接合面だけではなく、シリコンチューブ５のパッケージ部材４との接着面でも、発生する応力が円周上に分散し、より大きな応力緩和効果が得られるものとなる。

発明者らは、シリコンチューブのセンサ面との接合面を円形状にするだけではなく、円形状のコア抜き加工をある一定深さまで行うことで更なる応力緩和効果が得られることを見出した。図３にその解析結果を示す。図３において、横軸はコア抜き深さｙとチューブ直径ｘとの比率ｙ／ｘを示し、縦軸はセンサ部に加わる応力σを示している。比率ｙ／ｘが０．５までは応力σが下がり続け、それ以上になると横ばいになることを示している。

この解析結果から、本実施の形態では、シリコンチューブ５の第１の円柱部５−１の長さＬ１と直径Ｄ１との比Ｌ１／Ｄ１および第２の円柱部５−２の長さＬ２と直径Ｄ２との比Ｌ２／Ｄ２を０．５とし、センサダイアフラム１ａに加わる応力σを最小とするようにしている。これにより、シリコンチューブ５のガラス台座２との接合面とパッケージ４との接着面との両方をコア抜き加工して円形とすることと相俟って、更に大きな応力緩和効果が得られるものとなる。

また、この半導体圧力センサ１０１では、シリコンチューブ５の両端に第１の円柱部５−１と第２の円柱部５−２とを形成し、この第１の円柱部５−１と第２の円柱部５−２との間に角柱部５−３を挾む構造としているので、角柱部５−３をウエハの未加工部分として残すようにして、ウエハ形状を保ったまま１つのウエハ上に複数のシリコンチューブ５を作り込むことができる。これにより、３層のウエハ接合体から分割して複数の半導体圧力センサ１０１を得ることができる構造として、製造コストが高くなることを抑えることが可能となる。

図４に本実施の形態の半導体圧力センサ１０１の製造方法の概略を示す。図４において、１０はシリコンチューブ５が複数作成されたシリコンチューブウエハ、２０はガラス台座２が複数作成されたガラス台座ウエハ、３０は半導体基板１が複数作成されたセンサチップウエハである。

本実施の形態の半導体圧力センサ１０１では、シリコンチューブ５が第１の円柱部５−１と第２の円柱部５−２との間に角柱部５−３を挾む構造とされているので、角柱部５−３をウエハの未加工部分として残すようにして、ウエハ形状を保ったまま１つのウエハ１０上に複数のシリコンチューブ５を作り込むことができている。

この半導体圧力センサ１０１の製造に際しては、先ず、図４（ａ）に示すように、シリコンチューブウエハ１０とガラス台座ウエハ２０とを重ね合わせて、シリコンチューブウエハ１０をプラス電極側、ガラス台座ウエハ２０をマイナス電極側として電圧を印加すると同時に加熱する。これにより、シリコンチューブウエハ１０とガラス台座ウエハ２０とが陽極接合され、２層のウエハの接合体（ガラス台座・シリコンチューブ接合体）４０が得られる。

次に、図４（ｂ）に示すように、図４（ａ）で得られたガラス台座・シリコンチューブ接合体４０とセンサチップウエハ３０とを重ね合わせて、ガラス台座ウエハ２０をマイナス電極側、センサチップウエハ３０をプラス電極側として電圧を印加すると同時に加熱する。これにより、ガラス台座ウエハ２０とセンサチップウエハ３０とが陽極接合され、３層のウエハ接合体（センサチップ・ガラス台座・シリコンチューブ接合体）５０が得られる。

そして、図４（ｃ）に示すように、図４（ｂ）で得られたセンサチップ・ガラス台座・シリコンチューブ接合体５０をダイシングで網目状に切断して、複数の半導体圧力センサ１０１を得る。

なお、上述した実施の形態では、シリコンチューブ５において、第１の円柱部５−１の長さＬ１と第２の円柱部５−２の長さＬ２とを等しくしたが、また第１の円柱部５−１の直径Ｄ１と第２の円柱部５−２の直径Ｄ２とを等しくしたが、必ずしも長さＬ１とＬ２や直径Ｄ１とＤ２は等しくしなくてもよい。すなわち、センサダイアフラム１ａに加わる応力を小さくすることができればよく、ガラス台座２やバッケージ４の材質などで長さＬ１，Ｌ２や直径Ｄ１，Ｄ２を変える等してもよい。

〔実施の形態の拡張〕
以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

１…半導体基板、１ａ…センサダイアフラム、１ｂ…厚肉の接合部、１ｃ…空間、２…ガラス台座、２ａ…上端面、２ｂ…下端面、２ｃ…貫通孔、４…パッケージ部材、５…シリコンチューブ、５−１…第１の円柱部、５−２…第２の円柱部、５−３…角柱部、５ａ…上端面（第１の端面）、５ｂ…下端面（第２の端面）、５ｃ…貫通孔、１０…シリコンチューブウエハ、２０…ガラス台座ウエハ、３０…センサチップウエハ、４０…２層のウエハの接合体（ガラス台座・シリコンチューブ接合体）、５０…３層のウエハ接合体（センサチップ・ガラス台座・シリコンチューブ接合体）、１０１…半導体圧力センサ。

Claims (2)

1. 上面中央部にセンサダイアフラムが形成された半導体基板と、この半導体基板の前記センサダイアフラムを取り囲む部分を厚肉の接合部とし、この厚肉の接合部にその上端面が接合される台座と、この台座の下端面にその上端面が第１の端面として接合されその下端面が第２の端面としてパッケージ部材に接着される支持部材とを備え、前記台座および前記支持部材の軸方向に前記センサダイアフラムの下面側の前記厚肉の接合部で囲まれた空間に連通する貫通孔を備える半導体圧力センサにおいて、
   前記支持部材は、
   前記第１の端面から前記第２の端面へ向かって形成された軸方向に第１の長さを有する第１の円柱部と、
   前記第２の端面から前記第１の端面へ向かって形成された軸方向に第２の長さを有する第２の円柱部と、
   前記第１の円柱部と前記第２の円柱部との間に挟まれた軸方向に第３の長さを有する角柱部とを備え、
   前記第１の円柱部および第２の円柱部の直径は、前記角柱部の角形の幅よりも小さく
   されていることを特徴とする半導体圧力センサ。
2. 請求項１に記載された半導体圧力センサにおいて、
   前記第１の円柱部および第２の円柱部は、その長さと直径との比率が前記センサダイアフラムに加わる応力を最小とする比率とされている
   ことを特徴とする半導体圧力センサ。