JP3804371B2 - 陽極接合方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体圧力センサや半導体加速度センサ等のマイクロ加工センサ、また、マイクロアクチュエータの等の製造において、半導体（シリコン）基板とガラス基板とを接合する陽極接合に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のシリコン基板とガラス基板との陽極接合方法について図６を用いて説明する。ここでは、半導体圧力センサが形成されたシリコン基板１を例にあげる。シリコン基板１には複数の圧力センサチップが形成され、圧力センサチップ個々には、圧力により変位する肉薄構造のダイヤフラム３及び、ダイヤフラムの変位を抵抗値変化として検出するピエゾ抵抗４が形成されている。この圧力センサチップの高精度化を図るためにシリコン基板１にガラス基板（パイレックスガラス）２を陽極接合し、その後チップサイズで、個々にダイシングすることにより、ガラス台座付半導体圧力センサを製造している。尚、半導体圧力センサの場合、ガラス基板２には、外部の圧力を半導体圧力センサのダイヤフラム２に導くための圧力導入孔５が設けられている。
【０００３】
陽極接合は、ヒータ電極８と電極ピン１４により、ガラス基板２側を０Ｖ、シリコン基板１側に約４００〜約１０００Ｖの直流電圧を印加し、さらに、約３００〜約５００℃の高温とし、数百グラムの荷重を印加して行う。また、陽極接合を行うチャンバー（小室，図示せず）内は真空又は窒素雰囲気である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、陽極接合後、ガラス基板２中に含まれているアルカリ金属（ナトリウムＮａ，カリウムＫ等）が、ガラス基板２表面に偏析してくる。このアルカリ金属はヒータ電極８へ熱拡散するとともに、チャンバー内に飛散し、シリコン基板１表面に付着する。また、陽極接合したシリコン基板１を大気中に取り出すと、ガラス基板２表面偏析したアルカリ金属（特にナトリウム）が二酸化炭素及び酸素と反応し、水に可溶の白色結晶の炭酸ナトリウムや、水に不溶な黒茶色の酸化ナトリウムが析出する。ヒータ電極８に拡散したアルカリ金属は、真空中で再過熱すると、その蒸気圧が低いのでチャンバー内に飛散し、チャンバー内部を汚染する。シリコン基板１表面に付着したアルカリ金属は、半導体チップを構成しているピエゾ抵抗４等や、このピエゾ抵抗４形成部のＰＮジャンクションへ拡散し、リーク電流の増加や耐圧低下を引き起こす。また、半導体チップがＩＣ等のＭＯＳトランジスタの場合、そのしきい値変動等を引き起こす。
【０００５】
このように従来の陽極接合方法では、ガラス基板２から偏析したアルカリ金属によりシリコン基板１に形成された半導体チップの特性に悪影響を及ぼすとともに、チャンバー内部がアルカリ金属で汚染され、チャンバー内部やヒータ電極８の清掃が必要となる。この清掃作業は手間がかかり、大きな作業ロスとなる。
【０００６】
本発明は、上記事由に鑑みてなしたもので、その目的とするところは、ガラス基板から偏析するアルカリ金属による悪影響を低減することのできる陽極接合方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、シリコン基板とガラス基板とを重ね合せ、前記シリコン基板側に接続される第１電極と前記ガラス基板側に接続される第２電極との間に電圧を印加して前記シリコン基板と前記ガラス基板とを接合する陽極接合方法において、前記シリコン基板の接合面ではない主表面に前記第１電極とは別体の第１の導電体を密着させ、前記第１電極により該第１の導電体を介して正の電圧を印加し、前記第２電極により前記ガラス基板の接合面ではない主表面に負の電圧を印加した後、前記第１の導電体を前記シリコン基板から取り外すことを特徴とするものである。
【０００８】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の陽極接合方法において、前記ガラス基板の接合面ではない主表面に前記第２電極とは別体の第２の導電体を密着させ、前記第２電極により該第２の導電体を介して負の電圧を印加した後、前記第２の導電体を前記ガラス基板から取り外すことを特徴とするものである。
【０００９】
請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２記載の陽極接合方法において、前記第１の導電体がシリコン板であることを特徴とするものである。
【００１０】
請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の陽極接合方法において、前記第１の導電体の密着面を粗面化したことを特徴とするものである。
【００１１】
請求項５記載の発明は、請求項２記載の陽極接合方法において、前記第２の導電体がシリコン板であることを特徴とするものである。
【００１２】
請求項６記載の発明は、請求項２記載の陽極接合方法において、前記第２の導電体が、一方の主表面に金属層が形成され、かつ導電性を有するガラス板であり、該ガラス板の他方の主表面を、前記ガラス基板の接合面ではない主表面に密着させ、かつ前記ガラス板の金属層側の主表面に負の電圧を印加することを特徴とするものである。
【００１３】
請求項７記載の発明は、請求項２記載の陽極接合方法において、前記第２の導電体が、カーボン板であることを特徴とするものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に係る陽極接合方法について図１乃至図５にもとづき説明する。
【００１５】
図１は本発明の第１の実施の形態の陽極接合方法を示すための、シリコン基板１とガラス基板２の断面図である。従来例と同様に、シリコン基板１に半導体圧力センサチップが形成されたものを例にあげる。シリコン基板１には複数の半導体圧力センサチップが形成され、半導体圧力センサチップ個々には、圧力により変位する肉薄構造のダイヤフラム３及び、ダイヤフラムの変位を抵抗値変化として検出するピエゾ抵抗４が形成されている。この圧力センサチップの高精度化を図るためにシリコン基板１にガラス基板（パイレックスガラス）２を陽極接合し、その後チップサイズで、個々にダイシングすることにより、ガラス台座付圧力センサを製造している。尚、半導体圧力センサの場合ガラス基板２には、外部の圧力を半導体圧力センサのダイヤフラム２に導くための圧力導入孔５が設けられている。
【００１６】
ここで、シリコン基板１において、ガラス基板２との接合面ではない主表面（図中シリコン基板１の上面）に、導電体であるシリコン板６を密着させる。このシリコン板６の厚さ及びシート抵抗は、例えば厚さは約０．３〜０．５ｍｍで、シート抵抗は０．１〜約６Ωｃｍである。また、ガラス基板２において、シリコン基板１との接合面ではない主表面（図中ガラス基板２の下面）に板状の導電体である導電板７を密着させる。そして、シリコン板６に電極ピン１４を接触させて正の電圧を印加し、導電板７にヒータ電極８を接触させて負の電圧を印加する。つまり、シリコン基板１と電極ピン１４間にシリコン板６を介在させ、そして、ガラス基板２とヒータ電極８間に導電板７を介在させて、正の電圧及び負の電圧を印加する。
【００１７】
陽極接合で電圧を電極ピン１４及びヒータ電極８で電圧を印加すると、ガラス基板２（パイレックスガラス）に含まれているアルカリ金属（イオン）は、ヒータ電極８に印加された負の電圧によりガラス基板２に密着された導電板７側に移動し、導電板７に付着する。よって、ヒータ電極８へのアルカリ金属の付着を防止することができるとともに、チャンバー内へのアルカリ金属の飛散も大部分防止することができる。また、これ以外に一部ガラス基板２から偏析したアルカリ金属は、チャンバー内に飛散するが、シリコン基板１表面にシリコン板６を密着させてカバーしているので、シリコン基板１の表面への付着を防止することができる。
【００１８】
このように、シリコン基板１の接合面ではない主表面にシリコン板６を密着させ、シリコン板６を介して正の電圧を印加し、ガラス基板２の接合面ではない主表面に導電板７を密着させ、導電板７を介して負の電圧を印加するようにしたので、ガラス基板２から偏析したアルカリ金属の大部分を導電板７に付着させてヒータ電極８への付着を防止するとともに、一部飛散したアルカリ金属のシリコン基板１表面への付着をシリコン板６で防止することができるという効果を奏する。
【００１９】
図２は本発明の第２の実施の形態の陽極接合方法を示すための、シリコン基板１とガラス基板２の断面図である。基本構成は第１の実施の形態と同様であるが、ガラス基板２に密着させる材料が、導電体であるシリコン板９である点が異なる。つまり本実施の形態では、シリコン基板１において、ガラス基板２との接合面ではない主表面（図中シリコン基板１の上面）に導電体であるシリコン板６を密着させるとともに、ガラス基板２において、シリコン基板１との接合面ではない主表面（図中ガラス基板２の下面）にシリコン板（シリコンウェハ等）９を密着させる。そして、シリコン板６に電極ピン１４を接触させて正の電圧を印加し、シリコン板９にヒータ電極８を接触させて負の電圧を印加する。
【００２０】
陽極接合で電圧を電極ピン１４及びヒータ電極８で電圧を印加すると、ガラス基板２（パイレックスガラス）に含まれているアルカリ金属（イオン）は、ヒータ電極８に印加された負の電圧によりガラス基板２に密着されたシリコン板９側に移動し、シリコン板９に付着する。よって、ヒータ電極８へのアルカリ金属の付着を防止することができるとともに、チャンバー内へのアルカリ金属の飛散も大部分防止することができる。また、これ以外に一部ガラス基板２から偏析したアルカリ金属は、チャンバー内に飛散するが、シリコン基板１表面にシリコン板６を密着させてカバーしているので、シリコン基板１の表面への付着を防止することができる。
【００２１】
このように、シリコン基板１の接合面ではない主表面にシリコン板６を密着させ、シリコン板６を介して正の電圧を印加し、ガラス基板２の接合面ではない主表面にシリコン板９を密着させ、シリコン板９を介して負の電圧を印加するようにしたので、ガラス基板２から偏析したアルカリ金属の大部分をシリコン板９に付着させてヒータ電極８への付着を防止するとともに、一部飛散したアルカリ金属のシリコン基板１表面への付着をシリコン板６で防止することができるという効果を奏する。また、アルカリ金属付着防止材料をシリコン板に統一でき、さらにこのシリコン板６，９にシリコンウェハを使用することで、本発明の構成を容易に実現することができるという効果を奏する。
【００２２】
図３は本発明の第３の実施の形態の陽極接合方法を示すための、シリコン基板１とガラス基板２の断面図である。基本構成は第１及び第２の実施の形態と同様であるが、ガラス基板２に密着させる材料が、一方の主表面に金属層（バリヤメタル）１１が形成され、かつ導電性を有するガラス（パイレックスガラス）板１０である点が異なる。つまり本実施の形態では、シリコン基板１において、ガラス基板２との接合面ではない主表面（図中シリコン基板１の上面）に導電体であるシリコン板６を密着させるとともに、ガラス基板２において、シリコン基板１との接合面ではない主表面（図中ガラス基板２の下面）にガラス板１０の金属層１１を形成していない主表面を密着させる。そして、シリコン板６に電極ピン１４を接触させて正の電圧を印加し、ガラス板１０の金属層１１を形成している主表面にヒータ電極８を接触させて負の電圧を印加する。
【００２３】
陽極接合で電圧を電極ピン１４及びヒータ電極８で電圧を印加すると、ガラス基板２（パイレックスガラス）に含まれているアルカリ金属（イオン）は、ヒータ電極８に印加された負の電圧によりガラス基板２に密着されたガラス板１０側に移動し、さらにガラス板１０内に拡散し、金属層１１に移動する。ここで、金属層１１は、例えばＴｉ／Ｎｉ／Ａｕ，Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ，Ｔｉ／Ｐｔ／Ｎｉ／Ａｕ等数層以上のスパッタリングにより積層し、緻密な構成にしているため、アルカリ金属はこの金属層１１に滞留し、金属層１１表面側への偏析はほとんどない。よって、ヒータ電極８へのアルカリ金属の付着を防止することができるとともに、チャンバー内へのアルカリ金属の飛散も大部分防止することができる。また、これ以外に一部ガラス基板２から偏析したアルカリ金属は、チャンバー内に飛散するが、シリコン基板１表面にシリコン板６を密着させてカバーしているので、シリコン基板１の表面への付着を防止することができる。
【００２４】
このように、シリコン基板１の接合面ではない主表面にシリコン板６を密着させ、シリコン板６を介して正の電圧を印加し、ガラス基板２の接合面ではない主表面に、一方の主表面に金属層１１が形成され、かつ導電性を有するガラス板１０を密着させ、ガラス板１０の金属層側の主表面に負の電圧を印加するようにしたので、ガラス基板２から偏析したアルカリ金属の大部分をガラス板１０内の金属層１１に滞留させてヒータ電極８への付着をより効果的に防止するとともに、一部飛散したアルカリ金属のシリコン基板１表面への付着をシリコン板６で防止することができるという効果を奏する。
【００２５】
図４本発明の第４実施の形態の陽極接合方法を示すための、シリコン基板１とガラス基板２の断面図である。基本構成は第１の実施の形態と同様であるが、ガラス基板２に密着させる材料が、導電体であるカーボン板１２である点が異なる。つまり本実施の形態では、シリコン基板１において、ガラス基板２との接合面ではない主表面（図中シリコン基板１の上面）に導電体であるシリコン板６を密着させるとともに、ガラス基板２において、シリコン基板１との接合面ではない主表面（図中ガラス基板２の下面）にカーボン板１２を密着させる。そして、シリコン板６に電極ピン１４を接触させて正の電圧を印加し、カーボン板１２にヒータ電極８を接触させて負の電圧を印加する。ここで、カーボン板１２の抵抗は約０．１〜約０．８Ωｃｍ位がよい
陽極接合で電圧を電極ピン１４及びヒータ電極８で電圧を印加すると、ガラス基板２（パイレックスガラス）に含まれているアルカリ金属（イオン）は、ヒータ電極８に印加された負の電圧によりガラス基板２に密着されたカーボン板１２側に移動し、カーボン板１２に付着する。よって、ヒータ電極８へのアルカリ金属の付着を防止することができるとともに、チャンバー内へのアルカリ金属の飛散も大部分防止することができる。また、これ以外に一部ガラス基板２から偏析したアルカリ金属は、チャンバー内に飛散するが、シリコン基板１表面にシリコン板６を密着させてカバーしているので、シリコン基板１の表面への付着を防止することができる。
【００２６】
このように、シリコン基板１の接合面ではない主表面にシリコン板６を密着させ、シリコン板６を介して正の電圧を印加し、ガラス基板２の接合面ではない主表面にカーボン板１２を密着させ、カーボン板１２を介して負の電圧を印加するようにしたので、ガラス基板２から偏析したアルカリ金属の大部分をカーボン板１２に付着させてヒータ電極８への付着を防止するとともに、一部飛散したアルカリ金属のシリコン基板１表面への付着をシリコン板６で防止することができるという効果を奏する。
【００２７】
図５は本発明の第５の実施の形態の陽極接合方法を示すための、シリコン基板１とガラス基板２の断面図である。基本構成は第１の実施の形態と同様であるが、シリコン基板１に密着させるシリコン板６の密着面を粗面化している。それ以外の構成及びアルカリ金属に対する作用は第１の実施の形態と同様であるので、粗面化の作用について述べる。
【００２８】
シリコン基板１の表面には、半導体チップとして、ピエゾ抵抗４等の素子が形成されるが、素子間の配線は一般にアルミ等で形成される。特に、シリコン基板１へのアルカリ金属付着防止のために密着させた導電体がシリコン板６で、その密着面の表面が境面であれば、陽極接合時にアルミ配線（図示せず）がシリコン板６に貼付く恐れがある。ここで、シリコン板６のシリコン基板１への密着面を粗面化することによりアルミ配線の付着を防止することができる。この面粗度は＃８００〜１５００位がよい。
【００２９】
このように、シリコン基板１の接合面ではない主表面に密着させたシリコン板６の密着面を粗面化したことにより、第１の実施の形態の効果に加え、シリコン基板１に形成されたアルミ配線等のシリコン板６への貼付きを防止することができるという効果を奏する。
【００３０】
以上、本発明の実施の形態を示した。アルカリ金属付着防止に使用したシリコン板６，９やガラス板１０やカーボン板１２は、陽極接合の都度、純水等で洗浄すれば良く、チャンバー内部の清掃は従来より汚染レベルが低いため、例えば、数十〜百バッチ毎に行う頻度でよく、管理が容易である。
【００３１】
尚、シリコン基板に半導体圧力センサチップが形成されたものを例にあげたが、これに限定されるものではない。
【００３２】
【発明の効果】
上述の如く、本発明の請求項１記載の発明によれば、シリコン基板とガラス基板とを重ね合せ、前記シリコン基板側に接続される第１電極と前記ガラス基板側に接続される第２電極との間に電圧を印加して前記シリコン基板と前記ガラス基板とを接合する陽極接合方法において、前記シリコン基板の接合面ではない主表面に前記第１電極とは別体の第１の導電体を密着させ、前記第１電極により該第１の導電体を介して正の電圧を印加し、前記第２電極により前記ガラス基板の接合面ではない主表面に負の電圧を印加した後、前記第１の導電体を前記シリコン基板から取り外すので、ガラス基板から偏析するアルカリ金属のシリコン基板表面への付着を防止し、アルカリ金属による悪影響を低減することのできる陽極接合方法を提供することができた。
【００３３】
請求項２記載の発明においては、前記ガラス基板の接合面ではない主表面に前記第２電極とは別体の第２の導電体を密着させ、前記第２電極により該第２の導電体を介して負の電圧を印加した後、前記第２の導電体を前記ガラス基板から取り外すようにしたので、ガラス基板から偏析したアルカリ金属の大部分を第２の導電体に付着させて、周囲への付着を防止するとともに、一部飛散したアルカリ金属のシリコン基板表面への付着を第１の導体板で防止して、ガラス基板から偏析するアルカリ金属による悪影響を低減することができるという効果を奏する。
【００３４】
請求項３記載の発明においては、前記第１の導電体をシリコン板としたので、容易にアルカリ金属のシリコン基板への付着を防止することができるいう効果を奏する。
【００３５】
請求項４記載の発明においては、前記第１の導電体の密着面を粗面化したので、シリコン基板に形成された配線等が、前記第１の導電体への貼付くことを防止することができるいう効果を奏する。
【００３６】
請求項５記載の発明においては、前記第２の導電体をシリコン板としたので、容易にアルカリ金属の周囲への付着を防止することができるいう効果を奏する。
【００３７】
請求項６記載の発明においては、前記第２の導電体が、一方の主表面に金属層が形成され、かつ導電性を有するガラス板であり、該ガラス板の他方の主表面を、前記ガラス基板の接合面ではない主表面に密着させ、かつ前記ガラス板の金属層側の主表面に負の電圧を印加するようにしたので、ガラス基板から偏析したアルカリ金属の大部分をガラス板内の金属層に滞留させて、周囲への付着をさらに低減させることができるという効果を奏する。
【００３８】
請求項７記載の発明においては、前記第２の導電体をカーボン板としたので、容易かつ安価にアルカリ金属の周囲への付着を防止することができるいう効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態を示す図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態を示す図である。
【図４】本発明の第４の実施の形態を示す図である。
【図５】本発明の第５の実施の形態を示す図である。
【図６】従来例を示す図である。
【符号の説明】
１ シリコン基板
２ ガラス基板
６ シリコン板
７ 導電板
８ ヒータ電極
９ シリコン板
１０ ガラス板
１１ 金属層
１２ カーボン板
１３ 粗面
１４ 電極ピン

Claims (7)

1. シリコン基板とガラス基板とを重ね合せ、前記シリコン基板側に接続される第１電極と前記ガラス基板側に接続される第２電極との間に電圧を印加して前記シリコン基板と前記ガラス基板とを接合する陽極接合方法において、前記シリコン基板の接合面ではない主表面に前記第１電極とは別体の第１の導電体を密着させ、前記第１電極により該第１の導電体を介して正の電圧を印加し、前記第２電極により前記ガラス基板の接合面ではない主表面に負の電圧を印加した後、前記第１の導電体を前記シリコン基板から取り外すことを特徴とする陽極接合方法。
2. 前記ガラス基板の接合面ではない主表面に前記第２電極とは別体の第２の導電体を密着させ、前記第２電極により該第２の導電体を介して負の電圧を印加した後、前記第２の導電体を前記ガラス基板から取り外すことを特徴とする請求項１記載の陽極接合方法。
3. 前記第１の導電体がシリコン板であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の陽極接合方法。
4. 前記第１の導電体の密着面を粗面化したことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の陽極接合方法。
5. 前記第２の導電体がシリコン板であることを特徴とする請求項２記載の陽極接合方法。
6. 前記第２の導電体が、一方の主表面に金属層が形成され、かつ導電性を有するガラス板であり、該ガラス板の他方の主表面を、前記ガラス基板の接合面ではない主表面に密着させ、かつ前記ガラス板の金属層側の主表面に負の電圧を印加することを特徴とする請求項２記載の陽極接合方法。
7. 前記第２の導電体が、カーボン板であることを特徴とする請求項２記載の陽極接合方法。

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