JP7319181B2 - 封止構造およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、封止構造およびその製造方法に関する。

工業用の差圧計では、小型化や耐食性などの要望により、センサチップ本体をシリコンなどの半導体やサファイアなどから構成している。例えば、半導体チップ内に、ピエゾ抵抗素子が形成された半導体膜から２つのダイアフラムを平面方向に並んで配置し、それぞれのダイアフラムの直上に形成された２つの部屋を連通路によって互いに空間的に接続した構造のセンサチップを用いたダイアフラム並列配置型の差圧計が知られている（特許文献１参照）。

この種の差圧計では、一方のダイアフラムに加えられた圧力を他方のダイアフラムに伝達させるために、２つの部屋および連通路を、オイルなどによる圧力伝達物質で満たしている。また、２つの部屋および連通路に満たしたオイルは、これらの空間に封入するため、オイルの導入口を、封止部材で封止している。

上述した封止部材による封止では、導入口の表面に金属層を形成し、この金属層に金属から構成された封止部材を溶着している。この溶着では、よく知られたはんだ接合などのろう付けの技術が用いられている。

特開２０１８－１５９５９３号公報。

ところで、上述したように、溶着により封止部材による封止構造を実現する場合、封入するオイルの沸点を超える高温に加熱することになる。このため、封止の工程において、封止部材に接している高温に晒されるオイルは、突沸し、また、変質する。このように突沸が発生すると、封止部材と金属層との正常な溶着を阻害し、封止部材と金属層との溶着が不完全になる場合が発生する。また、高温に晒されて変質したオイルが、連通路に入り込む場合も発生する。この場合、変質したオイルが、連通路より先の領域に侵入する場合もあり、この場合、ダイアフラムの正常な動作を阻害する場合も発生する。これらのように、従来は、加熱封止によりオイルが正常に封入できないという問題があった。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、加熱封止によりオイルが正常に封入できるようにすることを目的とする。

本発明に係る封止構造の製造方法は、基部の主面に凹部を形成する第１工程と、凹部の底面から基部を貫通する貫通孔を形成する第２工程と、凹部の表面に金属層を形成する第３工程と、金属層が形成された凹部の表面の、基部の主面と接する箇所から、基部の主面から貫通孔の方向にかけて、凹部の途中まで配置される溝部を形成する第４工程と、基部の裏面側に、貫通孔で基部の主面側と連通するオイル収容部を形成する第５工程と、オイル収容部および貫通孔にオイルを充填する第６工程と、金属から構成された金属部材を、金属層が形成された凹部に配置する第７工程と、凹部に配置された金属部材を加熱し、金属層に溶着した金属部材からなる封止部材で貫通孔を封止する第８工程とを備える。

上記封止構造の製造方法の一構成例において、第４工程は、凹部に金属層の未形成部を設けることで溝部を形成する。

上記封止構造の製造方法の一構成例において、第８工程は、封止部材で凹部を埋める状態にする。

また、本発明に係る封止構造は、基部と、基部の主面に形成された凹部と、基部の裏面側に形成されたオイル収容部と、凹部の底面から基部を貫通し、基部の主面側とオイル収容部とを連通する貫通孔と、凹部の表面に形成された金属層と、金属層が形成された凹部の表面の、基部の表面と接する箇所から、基部の主面から貫通孔の方向にかけて、凹部の途中まで形成された溝部と、オイル収容部および貫通孔に充填されたオイルと、金属から構成され、金属層に溶着することで貫通孔を封止する封止部材とを備える。

上記の封止構造の一構成例において、溝部は、金属層の未形成部により構成されている。

上記封止構造の一構成例において、封止部材は、凹部を埋めて形成されている。

以上説明したように、本発明によれば、凹部の表面の基部の主面と接する箇所から、基部の主面から貫通孔の方向にかけて、凹部の途中まで配置される溝部を形成するので、加熱封止によりオイルが正常に封入できる。

図１Ａは、本発明の実施の形態１に係る封止構造の製造方法を説明するための途中工程の封止構造の構成を示す断面図である。 図１Ｂは、本発明の実施の形態１に係る封止構造の製造方法を説明するための途中工程の封止構造の構成を示す断面図である。 図１Ｃは、本発明の実施の形態１に係る封止構造の製造方法を説明するための途中工程の封止構造の構成を示す断面図である。 図１Ｄは、本発明の実施の形態１に係る封止構造の製造方法を説明するための途中工程の封止構造の構成を示す平面図である。 図１Ｅは、本発明の実施の形態１に係る封止構造の製造方法を説明するための途中工程の封止構造の構成を示す断面図である。 図１Ｆは、本発明の実施の形態１に係る封止構造の製造方法を説明するための途中工程の封止構造の構成を示す断面図である。 図１Ｇは、本発明の実施の形態１に係る封止構造の製造方法を説明するための途中工程の封止構造の構成を示す平面図である。 図１Ｈは、本発明の実施の形態１に係る封止構造の製造方法を説明するための途中工程の封止構造の構成を示す断面図である。 図１Ｉは、本発明の実施の形態１に係る封止構造の製造方法を説明するための途中工程の封止構造の構成を示す断面図である。 図１Ｊは、本発明の実施の形態１に係る封止構造の製造方法を説明するための途中工程の封止構造の構成を示す断面図である。 図１Ｋは、本発明の実施の形態１に係る封止構造の製造方法を説明するための途中工程の封止構造の構成を示す断面図である。 図１Ｌは、本発明の実施の形態１に係る封止構造の製造方法を説明するための途中工程の封止構造の構成を示す断面図である。 図１Ｍは、本発明の実施の形態１に係る封止構造の製造方法を説明するための途中工程の封止構造の構成を示す平面図である。 図２Ａは、本発明の実施の形態２に係る封止構造の製造方法を説明するための途中工程の封止構造の構成を示す断面図である。 図２Ｂは、本発明の実施の形態２に係る封止構造の製造方法を説明するための途中工程の封止構造の構成を示す断面図である。 図２Ｃは、本発明の実施の形態２に係る封止構造の製造方法を説明するための途中工程の封止構造の構成を示す平面図である。 図２Ｄは、本発明の実施の形態２に係る封止構造の製造方法を説明するための途中工程の封止構造の構成を示す断面図である。 図２Ｅは、本発明の実施の形態２に係る封止構造の製造方法を説明するための途中工程の封止構造の構成を示す断面図である。 図２Ｆは、本発明の実施の形態２に係る封止構造の製造方法を説明するための途中工程の封止構造の構成を示す断面図である。 図２Ｇは、本発明の実施の形態２に係る封止構造の製造方法を説明するための途中工程の封止構造の構成を示す平面図である。

以下、本発明の実施の形態に係る封止構造およびその製造方法について説明する。

［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１に係る封止構造の製造方法について、図１Ａ～図１Ｍを参照して説明する。

まず、図１Ａに示すように、基部１０１の主面に、オイル供給口となる凹部１０２を形成する（第１工程）。基部１０１は、例えば、単結晶シリコンから構成することができる。また、基部１０１は、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＳｉＣなどの他の半導体から構成することもできる。また、基部１０１は、例えば、サファイアなどの金属酸化物から構成することもできる。例えば、公知のフォトリソグラフィー技術、およびエッチング技術を用いることで、基部１０１の主面に凹部１０２を形成することができる。

次に、図１Ｂに示すように、凹部１０２の底面から基部１０１を貫通する貫通孔１０３を形成する（第２工程）。例えば、公知のフォトリソグラフィー技術、および反応性イオンエッチング技術を用いることで、貫通孔１０３を形成することができる。

次に、図１Ｃ，図１Ｄに示すように、基部１０１の凹部１０２を含む主面に、マスクパターン１２１を形成する。マスクパターン１２１は、凹部１０２を含み、平面視で凹部１０２より所定の範囲の広い開口１２１ａを備える。また、マスクパターン１２１は、開口１２１ａの周縁部から、貫通孔１０３の方向に向かって、凹部１０２の途中まで延在する延在部１２１ｂを備える。延在部１２１ｂの貫通孔１０３側の先端は、貫通孔１０３から所定の距離離間している。実施の形態１において、延在部１２１ｂは、平面視の形状が短冊状とされている。また、実施の形態１において、４個の延在部１２１ｂが形成されている。例えば、公知のフォトリソグラフィー技術により、フォトレジストからなるマスクパターン１２１を形成することができる。

次に、図１Ｅに示すように、開口１２１ａに露出する基部１０１の主面および凹部１０２の上を含め、マスクパターン１２１の上に金属膜１２２を形成する。例えば、基部１０１の側より、Ｔｉ膜、Ｐｔ膜、Ａｕ膜の順に積層した金属膜１２２を形成する。Ｔｉ膜は、基部１０１，凹部１０２の表面との高い密着性を得るための密着層として機能する。例えば、真空蒸着法やスパッタ法などにより、金属膜１２２が形成できる。

上述したように、金属膜１２２を形成した後、マスクパターン１２１を除去（リフトオフ）する。例えば、マスクパターン１２１を構成するレジストが溶解する溶液（有機溶媒など）を用いることで、マスクパターン１２１が溶解除去できる。このようにして、マスクパターン１２１を除去することで、延在部１２１ｂを含むマスクパターン１２１の上に形成されていた金属膜１２２も除去され、開口１２１ａの基部１０１の主面および凹部１０２の上の金属膜１２２が残る。

この結果、図１Ｆ，図１Ｇに示すように、凹部１０２の表面に金属層１０４が形成され（第３工程）、また、溝部１０５が形成される（第４工程）。溝部１０５は、金属層１０４が形成された凹部１０２の表面の、基部１０１の主面と接する箇所から、基部１０１の主面から貫通孔１０３の方向にかけて、凹部１０２の途中まで配置される。

溝部１０５の貫通孔１０３側の先端は、貫通孔１０３から所定の距離離間している。言い換えると、貫通孔１０３の周辺部の金属層１０４は、貫通孔１０３の周囲を囲って連続する環状の部分を備える。このように、実施の形態１では、凹部１０２に金属層１０４の未形成部を設けることで、溝部１０５を形成する。なお、溝部１０５は、平面視で直線上に延在させているが、これに限るものではなく、曲線状に延在させることもできる。

次に、図１Ｈに示すように、基部１０１の裏面に、部品１０６を接合する。部品１０６は、連通路１０７およびダイアフラム室１０８ａ，ダイアフラム室１０８ｂが形成されている。連通路１０７は、凹部１０２とダイアフラム室１０８ａ，ダイアフラム室１０８ｂとを連通する。部品１０６は、例えば、単結晶シリコンから構成することができる。後述するように、連通路１０７およびダイアフラム室１０８ａ，ダイアフラム室１０８ｂが、基部１０１の裏面側に設けられるオイル収容部となる（第５工程）。

次に、図１Ｉに示すように、部品１０６に、ダイアフラム層１０９，部品１１０を接合する。部品１１０には、ダイアフラム層１０９を挾んでダイアフラム室１０８ａ，ダイアフラム室１０８ｂに重なって配置される圧力導入孔１１０ａ，圧力導入孔１１０ｂが形成されている。ダイアフラム層１０９の、ダイアフラム室１０８ａ，ダイアフラム室１０８ｂと圧力導入孔１１０ａ，圧力導入孔１１０ｂとに挾まれている領域が、ダイアフラム１０９ａ，ダイアフラム１０９ｂとなる。また、部品１０６の周囲のダイアフラム層１０９の上には、電極１１１ａ，電極１１１ｂが形成されている。

なお、図示していないが、ダイアフラム１０９ａ，ダイアフラム１０９ｂの各々には、圧力が加わることで変形したダイアフラム１０９ａ，ダイアフラム１０９ｂの歪みを計測するための歪みゲージが形成されている。歪みゲージは、例えば、複数のピエゾ抵抗素子から構成され、複数のピエゾ抵抗素子は、ブリッジ回路を構成している。このブリッジ回路は、一定の電流が流れている状態においてダイアフラム１０９ａ，ダイアフラム１０９ｂに応力が発生したとき、発生した応力による各ピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化を電圧の変化として出力する差圧検出部として機能する。このブリッジ回路の各ノードは、ダイアフラム層１０９の図示しない領域の面に形成された配線パターンを介し、電極１１１ａ，電極１１１ｂに接続されている。

次に、凹部１０２より、圧力伝達物質となるオイルを供給し、図１Ｊに示すように、貫通孔１０３、連通路１０７、ダイアフラム室１０８ａ，ダイアフラム室１０８ｂをオイル１１２で充填する（第６工程）。この結果、貫通孔１０３、および 基部１０１の裏面側に形成されたオイル収容部（連通路１０７、ダイアフラム室１０８ａ，ダイアフラム室１０８ｂ）が、オイル１１２で充填された状態となる。オイル１１２は、例えば、シリコーンオイルやフッ素オイルとすることができる。

次に、図１Ｋに示すように、金属から構成された金属部材１１３を、金属層１０４が形成された凹部１０２に配置する（第７工程）。金属部材１１３は、例えば、ＡｕＳｎ合金から構成されたソルダボール（ボールはんだ）から構成することができる。

次に、凹部１０２に配置された金属部材１１３を加熱して溶融させ、図１Ｌに示すように、封止部材１１４で貫通孔１０３を封止する（第８工程）。封止部材１１４は、溶融することで変形して金属層１０４に溶着した金属部材１１３から構成されたものである。金属層１０４の貫通孔１０３の周辺部の金属層１０４は、貫通孔１０３の周囲を囲って連続する環状の部分を備えるので、この環状の部分と封止部材１１４とが溶着した環状の領域で、この内側の領域が封止される。これらのことにより、差圧計のセンサチップが完成する（特許文献１参照）。

上述した実施の形態１における封止構造は、基部１０１と、基部１０１の主面に形成された凹部１０２と、基部１０１の裏面側に形成されたオイル収容部と、凹部１０２の底面から基部１０１を貫通し、基部１０１の主面側とオイル収容部とを連通する貫通孔１０３と、凹部１０２の表面に形成された金属層１０４と、金属層１０４が形成された凹部１０２の表面の、基部１０１の表面と接する箇所から、基部１０１の主面から貫通孔１０３の方向にかけて、凹部１０２の途中まで形成された溝部１０５と、オイル収容部および貫通孔１０３に充填されたオイル１１２と、金属から構成され、金属層１０４に溶着することで貫通孔１０３を封止する封止部材１１４とを備えるものとなる。

なお、実施の形態１において、溝部１０５は、金属層１０４の未形成部により構成されたものとなる。また、封止部材は、凹部１０２を埋めて形成されている。

ここで、上述した封止部材１１４を形成する封止の工程において、加熱された金属部材１１３（封止部材１１４）に接しているオイル１１２は、沸点以上の高温に加熱され、突沸が発生する状態となる。しかしながら、実施の形態１によれば、金属層１０４の未形成部による溝部１０５が逃げ通路となり、突沸したオイル１１２は、外部に放出されるものとなる。

この結果、実施の形態１によれば、上述した封止工程の加熱によりオイル１１２に突沸が発生しても、封止部材１１４と金属層１０４との正常な溶着を阻害することが無い。また、オイル１１２の高温に晒されることで変質した部分は、逃げ通路となる溝部１０５から外部に放出されるので、連通路１０７より先の領域に侵入することもなく、ダイアフラム１０９ａ，ダイアフラム１０９ｂの正常な動作を阻害することもない。このように、実施の形態１によれば、加熱封止によるオイルの封入が、正常に実施できるようになる。

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２に係る封止構造の製造方法について、図２Ａ～図２Ｇを参照して説明する。

まず、図２Ａに示すように、基部１０１の主面に、オイル供給口となる凹部１０２を形成する（第１工程）。基部１０１は、例えば、単結晶シリコンから構成することができる。例えば、公知のフォトリソグラフィー技術、およびエッチング技術を用いることで、基部１０１の主面に凹部１０２を形成することができる。

次に、図２Ｂ，図２Ｃに示すように、基部１０１の凹部１０２を含む主面に、マスクパターン１３１を形成する。マスクパターン１３１は、平面視で凹部１０２の中央部から、凹部１０２の外側に向かって、所定の箇所まで延在する短冊状の開口部１３１ａを備える。実施の形態１において、４個の開口部１３１ａが形成され、平面視で「＋」の形状とされている。例えば、公知のフォトリソグラフィー技術により、フォトレジストからなるマスクパターン１３１を形成することができる。

次に、例えば、反応性イオンエッチング技術を用いることで、マスクパターン１３１をマスクとして基部１０１の主面、および凹部１０２の表面を、所定の量（深さ）エッチングし、開口部１３１ａの平面視の形状を基部１０１の主面、および凹部１０２の表面に転写する。この後、マスクパターン１３１を除去し、図２Ｄに示すように、溝部２０５を形成する（第４工程）。溝部２０５は、凹部１０２の表面の中央部から、凹部１０２の外側に向かって、所定の箇所まで延在する。実施の形態２では、凹部１０２の表面を加工することで、溝部２０５を形成する。なお、溝部２０５は、平面視で直線上に延在させているが、これに限るものではなく、曲線状に延在させることもできる。

次に、図２Ｅに示すように、凹部１０２の底面から基部１０１を貫通する貫通孔１０３を形成する（第２工程）。例えば、公知のフォトリソグラフィー技術、および反応性イオンエッチング技術を用いることで、貫通孔１０３を形成することができる。

次に、図２Ｆ，図２Ｇに示すように、凹部１０２の表面、および凹部１０２の周囲の所定領域の基部１０１の主面に、金属層２０４を形成する。例えば、金属層２０４を形成したい領域に開口を有するレジストパターンを形成し、この上に、真空蒸着法やスパッタ法などにより、金属膜を形成する。例えば、金属膜は、基部１０１の側より、Ｔｉ膜、Ｐｔ膜、Ａｕ膜の順に積層した積層膜とする。この後、レジストパターンを除去（リフトオフ）すれば、Ｔｉ層、Ｐｔ層、筋層の積層構造による金属層２０４が形成できる。

以上のようにすることで溝部２０５、金属層２０４を形成した後、図１Ｈ～図１Ｌを用いて説明した工程と同様にすることで、最終的に、金属層２０４に溶着した封止部材１１４で、貫通孔１０３を封止してオイルを封入する。

ここで、上述した封止部材１１４を形成する封止の工程において、加熱された金属部材（封止部材１１４）に接しているオイルは、沸点以上の高温に加熱され、突沸が発生する状態となる。しかしながら、実施の形態２によれば、溝部２０５が逃げ通路となり、突沸したオイルは、外部に放出されるものとなる。

この結果、実施の形態２おいても、上述した封止工程の加熱によりオイルに突沸が発生しても、封止部材１１４と金属層１０４との正常な溶着を阻害することが無い。また、オイルの高温に晒されることで変質した部分は、逃げ通路となる溝部２０５から外部に放出されるので、連通路より先の領域に侵入することもなく、ダイアフラムの正常な動作を阻害することもない。このように、実施の形態２においても、加熱封止によるオイルの封入が、正常に実施できるようになる。

以上に説明したように、本発明によれば、凹部の表面の基部の主面と接する箇所から、基部の主面から貫通孔の方向にかけて、凹部の途中まで配置される溝部を形成するので、加熱封止によりオイルが正常に封入できるようになる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

１０１…基部、１０２…凹部、１０３…貫通孔、１０４…金属層、１０５…溝部、１０６…部品、１０７…連通路、１０８ａ…ダイアフラム室、１０８ｂ…ダイアフラム室、１０９…ダイアフラム層、１０９ａ…ダイアフラム、１０９ｂ…ダイアフラム、１１０…部品、１１０ａ…圧力導入孔、１１０ｂ…圧力導入孔、１１１ａ…電極、１１１ｂ…電極、１１２…オイル、１１３…金属部材、１１４…封止部材、１２１…マスクパターン、１２１ａ…開口、１２１ｂ…延在部、１２２…金属膜。

Claims (6)

1. 基部の主面に凹部を形成する第１工程と、
   前記凹部の底面から前記基部を貫通する貫通孔を形成する第２工程と、
   前記凹部の表面に金属層を形成する第３工程と、
   前記金属層が形成された前記凹部の表面の、前記基部の主面と接する箇所から、前記基部の主面から前記貫通孔の方向にかけて、前記凹部の途中まで配置される溝部を形成する第４工程と、
   前記基部の裏面側に、前記貫通孔で前記基部の主面側と連通するオイル収容部を形成する第５工程と、
   前記オイル収容部および前記貫通孔にオイルを充填する第６工程と、
   金属から構成された金属部材を、前記金属層が形成された前記凹部に配置する第７工程と、
   前記凹部に配置された前記金属部材を加熱し、前記金属層に溶着した前記金属部材からなる封止部材で前記貫通孔を封止する第８工程と
   を備える封止構造の製造方法。
2. 請求項１記載の封止構造の製造方法において、
   前記第４工程は、前記凹部に前記金属層の未形成部を設けることで前記溝部を形成することを特徴とする封止構造の製造方法。
3. 請求項１または２記載の封止構造の製造方法において、
   前記第８工程は、前記封止部材で前記凹部を埋める状態にすることを特徴とする封止構造の製造方法。
4. 基部と、
   前記基部の主面に形成された凹部と、
   前記基部の裏面側に形成されたオイル収容部と、
   前記凹部の底面から前記基部を貫通し、前記基部の主面側と前記オイル収容部とを連通する貫通孔と、
   前記凹部の表面に形成された金属層と、
   前記金属層が形成された前記凹部の表面の、前記基部の表面と接する箇所から、前記基部の主面から前記貫通孔の方向にかけて、前記凹部の途中まで形成された溝部と、
   前記オイル収容部および前記貫通孔に充填されたオイルと、
   金属から構成され、前記金属層に溶着することで前記貫通孔を封止する封止部材と
   を備える封止構造。
5. 請求項４記載の封止構造において、
   前記溝部は、前記金属層の未形成部により構成されていることを特徴とする封止構造。
6. 請求項４または５記載の封止構造において、
   前記封止部材は、前記凹部を埋めて形成されていることを特徴とする封止構造。

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