JP2574443B2 - 圧力センサ構造およびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、圧力センサの構造に関するものである。

この発明はまた、そのような圧力センサを製造する方
法に関するものである。

［従来の技術］ 米国特許第4,597,027号明細書および米国特許第4,60
9,966号明細書にはシリコン／ガラス構造を具備するキ
ャパシチブ圧力センサが記載されている。それにおいて
は中央区域が薄く膜状にされたシリコン素子が陽極結合
によつて第２のシリコン素子の頂面に付着されたガラス
層に取付けられ、それによつてこれら２個の部分間に狭
い密閉された空間が形成される。間隙を隔ててガラス層
上に配置された平坦な固定キャパシタ電極は第２のシリ
コン素子に電気的に接続されている。薄くされたシリコ
ン膜は圧力で偏向される他方の電極として作用する。

［発明の解決すべき課題］ このような従来の装置の欠点は次のようなものであ
る。

1.ストレーキャパシタンスが素子を接着した区域におい
てガラス層を横切って形成され、そのキャパシタンスは
測定されるセンサキャパシタンスと実効的に並列に結合
される。

2.陽極結合処理中に数百ボルトの電圧がシリコン素子間
に供給される。同じ電圧はまたシリコンウエハ上に含ま
れたセンサの全てのキャパシタについても影響を及ぼ
す。誘電体間隙の幅は数マイクロメータの程度に過ぎな
いから電気的に絶縁破壊の可能性が高い。したがつて非
常に高い清浄さおよび平滑さが処理中全ての表面に対し
て要求される。

3.容易に結合できるコンタクト区域はガラス表面上でし
か得られない。しかしながら高い詰込み密度或いはコン
タクトの保護のためにセンサの下方の表面に結合区域を
設けることが望ましい。

［発明が解決すべき課題］ この発明の目的は、前記のような従来の技術の欠点を
克服し、全く新しい圧力センサ構造およびセンサの製造
方法を得ることである。

［課題解決のための手段］ この発明は、センサキャパシタの各固定電極がこのキ
ャパシタ電極に接続されており、結合区域で囲まれてい
るコンタクト区域を設けられるようにセンサ基体として
作用するシリコンウエハが電気的に分離されたサブ区域
に分割され、コンタクト区域は陽極結合処理中に高い電
圧が与えられる結合区域から電気的に分離されている。

さらに詳しく説明すれば、この発明による圧力センサ
は、ベース部分が、固定キャパシタ電極とほぼ一致して
それに接続されたこの固定キャパシタ電極の面積に最大
で等しい面積であるコンタクト部分と、絶縁層によつて
このコンタクト部分から電気的に分離された１以上の結
合部分とに垂直の分離体によつて互いに電気的に分離さ
れており、ベース部分を薄膜キャパシタ電極のベース素
子と接合するために結合部分に陽極結合処理中に結合電
圧が供給されることを特徴とする。

また、この発明による製造方法は、一体のサブバー部
分を定める垂直に侵入する溝が最終ベース部分の下面レ
ベルよりも下まで伸びる深さでシリコンベース材料ウエ
ハ中に形成され、溝が絶縁材料で満たされ、加熱等によ
り絶縁材料が周囲のベース材料と付着する状態になるよ
うにし、ベース部分の下面が予め定められたレベルにな
るように処理されることを特徴とする。

この発明は傑出した効果を生じる。

この発明による構造は、基体のコンタクト部分が小さ
く設計できるから結合区域におけるストレーキャパシタ
ンスを避けることができる。さらに、陽極結合に必要な
高い電圧は基体の結合区域とキャパシタ区域との間の電
気的分離を行うことによつてキャパシタ誘電体間隙に結
合されなくすることができる。さらに、センサ電極への
電気的結合はセンサ構造の下側からも可能である。

［実施例］ 以下添附図面を参照に実施例で詳細に説明する。

第1a図および第1b図はこの発明のセンサ構造の１実施
例を示す。この構造は、管状のガラス分離体３によつて
二つの部分、すなわち結合部分１と円筒状のコンタクト
部分２とに分けられたシリコンベース部分を備えてい
る。部分1,2の頂面はガラス層４によつて被覆されてい
る。コンタクト部分２はガラス層４上に付着された平坦
なキャパシタ固定電極９とシリコンの突起部10によつて
接続されている。陽極結合はガラス層４が結合部分１と
接触するガラス層４に対して行われる。センサキャパシ
タンスはコンタクト部分２とシリコンベース素子５との
間で測定される。結合部分１は接地電位に接続され、そ
れによつて適当な測定形態の使用がガラス層４を横切つ
て形成されたストレーキャパシタンスの効果を消去す
る。センサ製造における陽極結合処理に必要な電圧は結
合部分１とシリコンベース素子５との間に与えられ、し
たがつてキャパシタ電極６と９との間の誘電体間隙には
効果的に結合されないようにされる。ハーメチックシー
ルされた室25がキャパシタ電極６と９との間に形成され
る。

部分１および２を分離しているガラス３のパターンは
第２図に示されたような互いに直交したストリップの形
態或いはその他の形態にすることができる。第２図に示
された例ではコンタクト部分２は平行６面体の形状であ
る。絶縁体パターンの選択は主として使用される製造方
法によつて決定される。被覆されないシリコンのコンタ
クト部分２の区域の変形もまた適当にできる。

この発明のセンサ構造の第３の実施例が第3a図乃至第
3c図に詳細に示されている。第3c図に示すように、コン
タクト部分２として作用するシリコン区域は柱体であ
り、それは細長い垂直ガラス層３によつて囲まれ、平坦
な固定キャパシタ電極９と連結されている。ガラス層３
はさらに８個の他のシリコン区域1,16,16′と接してい
る。シリコン区域16′はセンサの下面に設けられた金属
薄膜導体13を介してコンタクト部分２と接続されてい
る。他のシリコン区域は金属導体パターン12によつて互
いに接続されている。電気コンタクトはシリコン突起部
26によつてガラス層４を通ってセンサの上面に導かれて
いる。金属部分11は接地され、センサキャパシタンスは
金属区域17（電極６と接続されている）と18との間で測
定される。

第4a図および第4b図に示されたセンサ構造では、コン
タクト部分２はセンサの下面に導かれている。第4b図は
裏返した状態の第4a図の線Ｃ−Ｃに沿った断面図であ
る。コンタクト部分２に加えて、シリコン区域20も示さ
れており、それはガラス層４を通ってシリコン突起部21
を介してシリコン素子５と、したがつて第２のキャパシ
タ電極として設けられたシリコン薄膜６と電気的に接続
されている。センサの下面には金属薄膜区域22,23,24が
設けられ、そこに導体がはんだ、溶接、その他類似の方
法によつて結合される。区域22はコンタクト部分２に接
続され、区域23はシリコン区域20に接続され、区域24は
残りのシリコン区域に接続される。区域24が測定形態に
おいて接地電位に接続されたとき、センサキャパシタン
スは区域22と23の間で測定できる。

ガラス層３の厚さは10〜500μｍでよく、150μｍが好
ましい。ガラス層４の厚さは１〜150μｍでよく、30μ
ｍが好ましい。

例として示された構造は第５図にしたがつて製造する
ことができる。

シリコン表面がエッチングその他の処理を受けシリコ
ン突起部10が形成され、それはガラス層を貫通すること
が必要である。

シリコンウエハはシリコン区域をほとんど互いに分離
する深さの深い狭い溝３を形成される。シリコン区域は
シリコンウエハの底部区域19によつて互いに連結されて
いる。区域および溝の形状および寸法は溝３を形成する
ために使用される処理方法によつて決定される。適用で
きる方法は、例えば中空ドリルによるドリル加工、エッ
チング、レーザ加工、スパーク腐蝕加工、鋸加工等であ
る。これらの方法の中で特に後の３つが有効である。鋸
加工は困難なく狭い溝を生成する。しかしながら不必要
に多数のチップにウエハを分割して終うおそれがある。
他方レーザ加工は正確な深さの制御が要求される。

ガラス粉末７がシリコン表面に供給され溝３を満た
し、溶融される。

ガラス表面はシリコン突起部を露出し、しかも他の区
域上に所要の厚さのガラス層４を残すように例えばレベ
ルＤとして示されるようなレベルまで研磨される。

シリコンはウエハの下側でもレベルＥで示されたよう
なレベルまで研磨されて底部区域19が除去され、シリコ
ンチップは互いに分離される。

最後にガラス表面は研磨される。

以上説明した構造および方法は容易にいくつかの変形
に発展することができる。方法では、ベース材料の単一
のウエハが互いに分離される複数の部分を含むウエハに
処理されることができる。その製造方法はウエハ上のチ
ップを互いにほとんど完全に分離し、続いてガラスを溶
融し、最後にウエハからチップを分離することによつて
特徴付けられる。この方法はベース材料ウエハの平坦な
形状と素子の寸法の正確さを維持する。その代わりの方
法として、第６図にしたがつてベース材料ウエハを別の
支持ウエハ27にしつかりと取付け、溝がベース材料ウエ
ハを完全に突抜けるように加工するようにすることもで
きる。ガラスの溶融および研磨工程後、支持ウエハは取
外される。

完成した圧力センサ構造において、センサチップの相
互に分離された素子は各種のフィードスルー素子として
使用することができる。第3a図乃至第3c図に示されたセ
ンサ構造はこの可能性の一例である。

【図面の簡単な説明】

第1a図は、この発明の１実施例のセンサ構造の断面図で
あり、第1b図は、第1a図の平面Ａ−Ａに沿った断面図で
ある。 第２図は、第２の実施例の底面図である。 第3a図は、第３の実施例の部分的に断面を示した上面図
である。 第3b図は、第3a図のセンサ構造の底面図である。 第3c図は、第3a図のセンサ構造の平面Ｂ−Ｂに沿った断
面図である。 第4a図は、第４の実施例の底面図である。 第4b図は、第4a図のセンサ構造の平面Ｃ−Ｃに沿った断
面図である。 第５図および第６図は、この発明によるセンサ構造の製
造段階の２例を示す。 １…結合部分、２…コンタクト部分、３…ガラス分離
体、４…ガラス層、５…シリコンベース素子、6,9…電
極。

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】平坦な導電性シリコン層およびその上に恒
   久的に付着された前記シリコン層よりも本質的に薄い絶
   縁材料の平坦な中間層とを具備するベース部分と、 このベース部分上に設けられた平坦な固定キャパシタ電
   極と、 シリコンから形成されそれを囲む厚いベース素子と本質
   的に一体の偏向薄膜キャパシタ電極とを具備し、この薄
   膜電極は固定電極と薄膜電極との間に密閉された室が形
   成されるように固定キャパシタ電極から間隔を隔てられ
   て少なくともほぼ整列しているキャパシチブ圧力センサ
   構造において、 前記ベース部分は、固定キャパシタ電極とほぼ一致して
   それに接続されたこの固定キャパシタ電極の面積に最大
   で等しい面積であるコンタクト部分と、絶縁層によつて
   このコンタクト部分から電気的に分離された１以上の結
   合部分とに垂直の分離体によつて互いに電気的に分離さ
   れ、ベース部分を薄膜キャパシタ電極のベース素子と接
   合するために前記結合部分に陽極結合処理中に結合電圧
   が供給されることを特徴とするキャパシチブ圧力センサ
   構造。
2. 【請求項２】コンタクト部分が円筒として形成されてい
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の圧力セ
   ンサ。
3. 【請求項３】コンタクト部分が平行６面体として形成さ
   れていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   圧力センサ。
4. 【請求項４】キャパシチブ圧力センサの製造に使用され
   る導電性シリコンウエハを電気的に分離されたサブバー
   部分に分割するための方法において、 一体のサブバー部分を定める垂直に侵入する溝が最終ベ
   ース部分の下面レベルよりも下まで伸びる深さでシリコ
   ンベース材料ウエハ中に形成され、 溝が絶縁材料で満たされ、 加熱等により絶縁材料が周囲のベース材料と付着する状
   態になるようにし、 ベース部分の下面が予め定められたレベルになるように
   処理されることを特徴とする導電性シリコンウエハを電
   気的に分離されたサブバー部分に分割するための方法。
5. 【請求項５】溝が中空ドリルにより穿孔されることによ
   つて形成されることを特徴とする特許請求の範囲第４項
   記載の方法。
6. 【請求項６】溝がレーザ加工によつて形成されることを
   特徴とする特許請求の範囲第４項記載の方法。
7. 【請求項７】溝が鋸加工によつて形成されることを特徴
   とする特許請求の範囲第４項記載の方法。
8. 【請求項８】溝の加工に先立つて、基体ウエハが分離さ
   れた支持ウエハ上に取付けられることを特徴とする特許
   請求の範囲第４項乃至第７項のいずれか１項記載の方
   法。