JP3319912B2 - 半導体センサ用台座およびその加工方法 - Google Patents
半導体センサ用台座およびその加工方法Info
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Description
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。
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。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。
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。
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。
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、エッチング処理により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。
て、前記内周面の表面粗さは、互いに隣合う凸部および
凹部の高低差の平均値が5μm以下であることを特徴と
する。本発明の第3構成は、上記第1構成において、前
記ガラスは、アルミナ・シリケート系ガラスであること
を特徴とする。
しては、半導体センサ素子の熱膨張係数と近い(±20
%以内)熱膨張率を有するものが望ましい。特に、半導
体センサ素子の使用される温度範囲で、センサ特性へ悪
影響を与える熱応力を生じない熱膨張係数を有すること
が肝要である。本発明の第4構成は、上記第1構成にお
いて、前記台座は、前記表面部を形成しているガラス層
と、該ガラス層の前記表面と背向する裏面に陽極接合さ
れたシリコン層とを有する複層構造で形成されているこ
とを特徴とする。
発明であり、以下は、その物を生産する方法としての半
導体センサ用台座の加工方法である。本発明の第5構成
は、半導体センサ素子が陽極接合される表面を形成する
ガラス製の表面部を有し、該表面に開口している一端を
もつ貫通孔が形成されている半導体センサ用台座の加工
方法であって、半導体センサ用台座を形成する部材に貫
通孔が形成されたのち、該貫通孔を形成する内周面のう
ち少なくともガラス製の部分をエッチング処理するエッ
チング工程を有することを特徴とする半導体センサ用台
座の加工方法である。
て、前記エッチング工程では、前記台座の少なくとも一
部はフッ酸のエッチング液に浸されることを特徴とす
る。本発明の第7構成は、上記第5構成において、前記
エッチング処理により除去される前記内周面のエッチン
グ量は、10μm以上であることを特徴とする。ここ
で、エッチング量とは、エッチング処理以前の凸部から
エッチング処理後の凸部までの、エッチング処理される
面の除去される厚みを指す。
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。
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。
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。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、上記第1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。
ート系ガラスから台座が構成されているので、台座は、
半導体センサ素子の材料の熱膨張係数と近い熱膨張係数
をもつ。したがって、本構成によれば、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、接合面付近にセンサ特性へ悪影響を与える応
力がかかることがない。その結果、熱応力に起因する誤
差分が減少し、測定精度が向上するという効果がある。
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、台座が形成されていることが好まし
い。本発明の第4構成では、台座は、ガラス層およびこ
れに陽極接合されたシリコン層からなる複数層構造をし
ている。ガラス層は、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、陽極接合に十分な
厚みがあれば十分であり、極めて薄いガラス板で構成さ
れうる。
サ素子と同じ熱膨張係数をもつシリコン層が、極めて薄
いガラス板を介して半導体センサ素子に陽極接合され
る。その際、薄いガラス板が両側のシリコンに与える熱
応力は、極めて小さく限定されたものになる。その結
果、半導体センサ素子とシリコン層との間には、ほとん
ど熱応力が働かないので、熱応力による測定誤差が発生
しにくいという効果がある。
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)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。あるい
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。
内周面のうち少なくともガラス製の部分がエッチング処
理されるので、内周面に存在する凹凸や細かいクラック
が浸食されて除去される。その結果、エッチング処理と
いう簡便な加工工程を付加するだけで、ミクロ的にも極
めて滑らかな内周面を有する貫通孔が、台座(または台
座を形成する有孔平板等の部材)に形成される。
成する内周面のガラス部分で、ガスを吸着する吸着面積
を著しく減少させることができる。その結果、後の陽極
接合工程では、貫通孔の内周面からのガスの放出が激減
し、貫通孔内は高い真空度に保たれる。それゆえ、高電
圧をかけた場合にも希薄気体中に起こる放電現象の発生
が防止され、放電による半導体センサ素子の破壊が起こ
らなくなる。
発生率は大幅に減少するとともに、高電圧で陽極接合が
行われうるので、陽極接合に要する加工時間が減少し、
生産性の向上とコストダウンとが同時に達成されるとい
う効果を有する。本発明の第6構成では、比較的安価な
フッ酸がエッチング液として使用されるので、貫通孔内
周面のガラス部分を効率よくエッチングすることができ
る。
処理の加工効率を上げることができるとともに、コスト
ダウンにもつながるという効果がある。本発明の第7構
成では、エッチング量が10μm以上であるから、貫通
孔内周面に形成されていた微細な凹凸やクラックは、ほ
とんど全て除去される。その結果、高度に滑らかな内周
面が形成され、ガスの分子等を吸着する吸着面積は内周
面の面積と同程度にまで減少する。
に貫通孔内周面からのガスの放出がほとんど無く、貫通
孔内はより高い真空度に保たれたまま陽極接合が行われ
る。それゆえ、高い印加電圧をかけても放電現象が発生
する率がよりいっそう少なくなり、低い不良品率の陽極
接合がより能率良く行われ得る。その結果、より高度な
生産性の向上とコストダウンとが達成されるという効果
がある。
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。 (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。
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。
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。
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。
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。
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。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、2.5
mmであった。
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。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。
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。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。
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。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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。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。
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。
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。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21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。
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。 (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。
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。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。
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。 〔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。
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。
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。
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。
加えて、次のような本実施例に特有な作用効果を生じ
る。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2
G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。
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。
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。
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
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
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
法を示す模式図
断面図
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)
Claims (3)
- 【請求項1】 半導体センサ素子が陽極接合される表面
を形成するガラス製の表面部を有し、該表面に開口して
いる一端をもつ貫通孔が形成されている半導体センサ用
台座の加工方法であって、 第一に、半導体センサ用台座を形成する部材に貫通孔が
形成される貫通孔形成工程と、 第二に、該貫通孔を形成する内周面のうち少なくともガ
ラス製の部分をエッチング処理するエッチング工程と、 を順に有する半導体センサ用台座の加工方法であること
を特徴とし、 前記エッチング工程の後に、前記半導体センサ素子が前
記表面部に陽極接合される陽極接合工程がなされるべき
ことを特徴とする、 半導体センサ用台座の加工方法。 - 【請求項2】 前記エッチング工程では、前記台座の少
なくとも一部はフッ酸のエッチング液に浸される請求項
1記載の半導体センサ用台座の加工方法。 - 【請求項3】 前記エッチング処理により除去される前
記内周面のエッチング量は、10μm以上である請求項
1記載の半導体センサ用台座の加工方法。
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