JP3613562B2 - 有孔平板 - Google Patents

Description

【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１μｍ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２１’，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２１’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。
【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２Ｓ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２．０ｍｍ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 ２Ｓ：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 (1)

1. ダイヤフラムが形成された半導体ウェハに真空中で陽極接合されるべき面を構成する少なくとも表面部がガラスで形成されており、貫通孔が開口している半導体センサ台座用の有孔平板であって、
   前記貫通孔を形成する内周面は、前記陽極接合に備えて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、
   有孔平板。

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