JPH01206228A - 半導体歪ゲージ式圧力センサの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体歪ゲージ式圧力センサの製造方法に関
するものである。

〔従来の技術〕

従来より半導体歪ゲージ式圧力センサは、自動車用エン
ジンの電子制御用圧力計その他医療、工業用等の各種圧
力計器として幅広く使用されている。この種の圧力セン
サは、例えば特開昭５５−１９８６４号、特開昭６２−
７２１７８号公報等に開示されるようにセンサハウジン
グ内部に基準圧力室を形成し、この基準圧力室内部に被
測定圧力を導入するための通路と被測定圧力に感応する
ダイヤフラム（例えばシリコンダイヤフラム）を設け、
ダイヤフラムが被測定圧力に感応した時にダイヤフラム
に取付けた歪ゲージがこれを検出して圧力を測定するも
のである。

このような圧力センサは、通常、センサハウジングをキ
ャップと基盤とで構成し、基盤上に被測定圧力導入通路
を有するダイヤフラム支持台を接合配置し、更にダイヤ
フラム支持台上に歪ゲージ付感圧ダイヤフラムを前記被
測定圧力導入通路の開口に対応させて接合配置する構造
を採用する。

そして、このような構造を採用するため１例えば、感圧
ダイヤフラムとしてシリコンを用いる場合には、ダイヤ
フラム支持台もシリコンと同−若しくはシリコンと近似
した熱膨張係数を有する材料、例えばパイレックスガラ
スの支持台を使用し、シリコンダイヤフラムをダイヤフ
ラム支持台上にアノディックボンディング（陽極接合）
により接合していた。またダイヤフラム支持台と基盤と
を接合する場合には、この支持台の被接合面側にメタラ
イズ層を設け、このメタライズ層を介して高融点半田付
することにより、基盤上にダイヤフラム支持台を接合配
置していた。なお、基盤もダイヤフラム支持台同様にシ
リコンと同一或いは近似する熱膨張係数を有する材質に
よって構成される。

以上のようにダイヤフラム支持台の一面（上部）に感圧
ダイヤフラムをアノディックボンディングにより接合し
、ダイヤフラム支持台の他面（底部）をメタライズ層を
介する半田付で基盤に接合する方式は１部材間士の接合
強度を高める利点を有するが次のような改善すべき点が
あった。

〔発明が解決しようとする課題〕

すなわち、前述した各部材の接合を行なう場合には、先
ずダイヤフラム支持台の一面に感圧ダイヤフラムをアノ
ディックボンディングにより接合し、その後でダイヤフ
ラム支持台の他面をメタライズ層を介して基盤上に半田
付する。この作業工程のうちアノディックボンディング
工程は、ダイヤフラム支持台の一面に位置合せされた感
圧ダイヤフラムとダイヤフラム支持台の他面に予め形成
されたメタライズ層との面に電極をセットしてアノディ
ックボンディングを行なっていた。そのため、アノディ
ックボンディングの際に、ダイヤフラム支持台のメタラ
イズ面にアノディックボンディングによってパイレック
スガラス（ダイヤフラム支持台）中のＮａ＋が偏析して
、メタライズ面がＮａ＋によって汚染され、その結果、
ダイヤフラム支持台と基盤との半田接合時の接合強度低
下の原因となっていた。このことは、自動車などの過酷
な使用環境下に置かれた時に、ダイヤフラム支持台と基
盤との接合間のシール性及び機械的強度を得ることが困
難となり、その改善が望まれていた。

本発明は以上の点に鑑みてなされたものであり、その目
的とするところは、ダイヤフラム支持台のメタライズ面
がアノディックボンディング作業工程時にダイヤフラム
支持台から析出されるＮａ＋等の（＋）イオンに汚染さ
れることを有効に防止して、ダイヤフラム支持台と基盤
との半田付による接合強度を向上させ、ひいては圧力セ
ンサの信頼性を高めることにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、圧力導入通路を有するダイヤフラム支持台
の一面に、歪ゲージ付の感圧ダイヤフラムを前記圧力導
入通路の開口に対向させつつアノディックボンディング
により接合する工程と、前記ダイヤフラム支持台の他面
をセンサハウジングの基盤にメタライズ層を介した半田
付により接合する工程とを経て製造される半導体歪ゲー
ジ式圧力センサにおいて、前記ダイヤフラム支持台には
、前記基盤と接合すべき被接合面に前記メタライズ層を
形成する他にメタライズ層が不在の局部的な電極セット
用のスペースを設定し、前記感圧ダイヤフラムを前記ダ
イヤフラム支持台にアノディックボンディングする場合
には、ボンディング用電極の一方の電極を前記感圧ダイ
ヤフラム側にセットし、他方の電極を前記メタライズ層
に接触させない状態で前記メタライズ層不在の電極セッ
ト用スペースにセットしてアノデイツクボンデイングを
行なうことで達成される。

〔作用〕

このような構成よりなる本発明によれば、ダイヤフラム
支持台に感圧ダイヤフラムをアノディックボンディング
により接合配置する工程では、ボンディング電極のいず
れもがメタライズ層に接触しない状態でセットされる。

そして、アノディックボンディングの際に析出されるダ
イヤフラム支持台中の（＋）イオン、例えばＮａ＋は（
−）電極のまわりに集中するので、局部的なメタライズ
層不在スペース（電極セットスペース）の面積を電極ま
わりに偏析するＮａ＋がメタライズ層に接触しない面積
にしておけば、メタライズ面にＮａ÷が付着汚染するの
を有効に防止できる。

従って、感圧ダイヤフラムをアノディックボンディング
した後に、ダイヤフラム支持台を前記メタライズ層を介
してセンサハウジングの基盤に半田付した場合でも、基
盤上にダイヤフラム支持台を強固に接合することができ
る。

なお、このようなアノディックボンディングの際に偏析
される（＋）イオンは、ダイヤフラム支持台がパイレッ
クスガラスの場合はＮａ＋イオンであるが、ダイヤフラ
ム支持台がパイレックスガラス以外の場合は、他の元素
からなる（＋）イオンが偏析される場合も考えられ、本
発明はこの場合にも適用可能である。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図から第３図により説明
する。

第１図は、本発明の適用対象となる半導体歪ゲージ式圧
力センサの一例を表わす縦断面図、第２図及び第３図は
上記半導体歪ゲージ式圧力センサの製造工程の一部を表
わす説明図である。

第１図において、１は基盤、２は基盤上に被着されるキ
ャップで、これらの要素１，２でセンサハウジングＨが
構成される。基盤１には圧力導入孔３が設けられ、基盤
１の下面に圧力導入パイプ４が圧力導入孔３に通じるよ
うにして、ろう剤（例えば銀ろう）を用いて固着されて
いる。

５はシリコンダイヤフラム（感圧ダイヤフラム）７を支
持するための台で、この支持台５はシリコンダイヤフラ
ム７と熱膨張係数が同一か又は近似する部材、例えばパ
イレックスガラスで構成される。基盤１もシリコンダイ
ヤフラム６と熱膨張係数が同一か又は近似する部材より
なる。また、ダイヤフラム支持台５には、軸心方向に圧
力導入孔６が貫設されている。

シリコンダイヤフラム７は、表面に半導体歪ゲージ（図
示せず）が配され、裏面に凹加工を施して得たダイヤフ
ラム部を有するもので、ダイヤフラム支持台５上にアノ
ディックボンディングにより接合される。この場合、シ
リコンダイヤフラム７は、ダイヤフラム支持台５の圧力
導入孔６の開口部に対向しつつシール性を保持して配設
される。

また、ダイヤフラム支持台５は、後述するメタライズ層
８を介して半田付により基盤１上に接合配置される。こ
の場合、ダイヤフラム支持台５側の圧力導入孔６と基盤
ｌ側の圧力導入孔３とが位置合せされて接合配置される
。９は基盤１に配設したリードピンで、リードピン９は
基盤１に貫通させた状態でハーメチックシールガラス１
０で封着される。このようにして、センサハウジングＨ
は気密状態とな′す、また、ハウジングＨ内に基準圧力
室（真空室）１１として設定される。

リードピン９は、一端が感圧ダイヤフラム７側の歪ゲー
ジに金属細線１２を介して接続され、他端が外部回路と
電気的に接続される。

このような構成よりなる圧力センサは、圧力導入パイプ
４．圧力導入孔３及び６を介して被測定圧力をシリコン
ダイヤフラム７側に導き、シリコンダイヤフラム７が被
測定圧力に感応すると、歪ゲージがその感応度合に応じ
た出力をリードピン９を介して外部回路に送って、圧力
の測定を行なうものである。

次に本実施例の要旨となるシリコンダイヤフラム７とダ
イヤフラム支持台５との接合、及びダイヤフラム支持台
５と基盤１との接合について説明する。

先ず、接合前のダイヤフラム支持台５を第２図（ａ）、
（ｂ）に基づき説明する。同図に示すように、支持台５
のシリコンダイヤフラム７と接合すべき面５ａに対して
、その反対側の面（支持台底部）５ｂには、下地として
メタライズ層８が形成されている。このメタライズ層８
は、第１層が支持台５の材質と良好に接合できる５００
人〜１５００人のＴｉもしくはＣｒ、Ｎｉ−Ｃｒなどの
接着層、第２層が多層構造材料の層間拡散を防止する１
０００人〜４０００人のＮｉもしくはＷ、Ｍｏなどの拡
散防止層、第３層が表面の酸化を保護する１０００人〜
１５００人のＡｕもしくはｐｔなどの表面酸化保護層と
なる３層で構成される。また、第１層がＴｉ、第２層が
ｐｔ、第３層がＡｕの場合には、Ｔｉは１０００〜１５
００人、ｐｔは２０ｏＯ〜３０００人、Ａｕは２０００
〜５０００人が好ましい。本実施例では、メタライズ層
８の中央部を局部的に抜いて、メタライズ層８を環状と
し、支持台５の底部中央にメタライズ層８不在の局部的
な電極セットスペース１２を形成する。このスペース１
２は圧力導入孔６の口径より大きくて、このスペース１
２の存在で支持台５の底部５ｂの一部が露出する。また
、スペース１２は、後述するアノディックボンディング
用電極の（−）電極（第３図の符号１５で示す部分）を
メタライズ層８に接触させないで配することのできる面
積で、更には、アノディックボンディングの際に電極１
５周りに偏析するＮａ＋がメタライズ層８に接触しない
面積に設定されている。

しかして、圧力センサの製造工程では、最初に感圧ダイ
ヤフラム７とダイヤフラム支持台５とを接合し、その後
でダイヤフラム支持台５と基盤１との接合を行なう。

第３図は、ダイヤフラム７と支持台５との接合工程を示
すもので、同図に示す様に、支持台５上にシリコンダイ
ヤフラム７を位置合せをし、シリコンダイヤフラム７上
に（＋）電極１４をのせ、スペース１２にメタライズ層
８に十分に触れないような大きさの（＋）電極１５を支
持台底部５ｂに接触させて、アノディックボンディング
を行う。

このようなアノディックボンディングによれば、アノデ
ィックボンディングの際にダイヤフラム支持台５から析
出されるＮａ＋は電極１５周りに集中し、且つスペース
１２の面積は電極１５周りに偏析したＮａ＋が触れない
面積を確保しであるので、支持台底部５ｂに設けたメタ
ライズ面８にＮａ＋の汚染が無く、第２図（ａ）に示す
ような圧力変換部が得られる。

次いで、支持台５の底部側が基盤１上に次のようにして
接合される。すなわち、支持台５は、基盤１とＡ　ｕ　
−Ｓ　ｎ系の高融点半田によってＮｚ（９０％）、Ｈｚ
（１０％）の混合気体中でメタライズ層８を介して接着
固定される０次いでシリコンダイヤフラム７とリードピ
ン９とを金線細線５（φ３０）で接続後基準圧に設定さ
れた雰囲気中でキャップ２を基盤１に溶接することで、
基準圧室（真空室１１）を有した半導体歪ゲージ式圧力
センサが得られる。なお、支持台５と基盤１とのはんだ
接合は、Ａ　ｕ　−Ｓ　ｉ又はＡｕ　　Ｇｅの共晶合金
を用い、この共晶合金を水素雰囲気において。

共晶温度４００〜４５０℃の間で溶融させて接合しても
よい。

第４図はダイヤフラム支持台５の底部５ｂのメタライズ
層を形成する場合の中間過程を示すもので、メタライズ
層の形成に際しては、予め電極セットスペース形成用の
マスク１７ａを有するピン１７を支持台５の圧力導入孔
６に挿通させて、マスク１７ａをスペース形成予定位置
にセットする。

この状態で、支持台底部５ｂにメタライズを施し、その
後ピン１７を取り去れば、第２図（ａ）。

（ｂ）に示す如き局部的なメタライズ不在スペース１２
を保つメタライズ層８が形成される。

第５図及び第６図は本発明の第２実施例を示すもので、
これらの図は、複数の感圧部材を製造する場合の具体例
を示すものである。

本実施例は、シリコンウェハ７′の一面に複数個の有底
穴をエツチングして、複数個の感圧ダイヤフラムを形成
する工程と、厚板をもつ柱状要素が一連に形成された柱
状部材５′に複数個の貫通穴（圧力導入孔）６′をエツ
チングして複数個の支持台要素を１まとめに形成する工
程と、柱状部材５′の他面（底面）にメタライズ層８を
形成する工程を有する。メタライズ層８は、少なくとも
柱状部材５′との結合力の強い５００人〜１５００人の
第１層（例えば、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ−Ｃｒなど）、多層
構造材料の層間拡散を防止する１０００人〜４０００人
の第２層（例えばＮｉ、Ｗ、Ｍｏ、など）、表面の酸化
を保護し半田との親和力のある１０００人−１５００人
の第３層（例えば、Ａｕ。

ｐｔなど）よりなる。このメタライズ層８形成の際に、
柱状部材５′の中心に位置する貫通孔６に第４図に示す
ようなマスク付ピン１７を予めセットしてメタライズ形
成を行なうものである。このメタライズ形成工程により
柱状部材５′の底面中央にメタライズ層不在の電極セッ
トスペース１２が局部的に形成される。そして、これら
の工程を経た後で、シリコンウェハ７′の有底穴（ダイ
ヤフラム部）の設けられている側を柱状部材５′の貫通
穴６に一致するようにして、シリコンウェハ７′を柱状
部材５′上にセットし、更にシリコンウェハ７′上に電
極１４をのせ、スペース１２に電極１５をメタライズ層
８に十分触れないように接触させ、アノディックボンデ
ィングを行なう。

そして、前記各工程により形成された複数個の圧力セン
サ部組を切断分離する工程（第６図の符号Ｃで示す線が
切断線である）と、この工程で分離された圧力センサ部
組を用いて圧力センサを組立てる工程によって、接着部
に信頼性が高く、耐久性に優れた半導体歪ゲージ式圧力
センサが得られる。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、ダイヤフラム支持台のメ
タライズ面がアノディックボンディング作業工程時にダ
イヤフラム支持台から析出される（＋）イオンに汚染さ
れることを有効に防止して、ダイヤフラム支持台と基盤
とのメタライズ層を介しての半田付は接合強度を向上さ
せ、接合部のシール性２機械的強度を高めて圧力センサ
の信頼性を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の適用対象となる半導体歪ゲージ式圧力
センサの縦断面図、第２図（ａ）、（ｂ）。 第３図、第４図は本発明の一実施例たる圧力センサの製
造工程を説明するための縦断面図及び底面図、第５図及
び第６図は本発明の他の実施例たる圧力センサ製造工程
例を示す説明図である。 １・・・基盤、５・・・ダイヤフラム支持台、６・・・
圧力導入通路、７・・・感圧ダイヤフラム、８・・・メ
タライズ層、１２・・・電極セットスペース、１４．１
５・・・電極。 ｑつ せ ｔ［ｍ　ｔｌ、Ｉｔ ｕ）　　　　　　％Ｊノ　　　　　　　　　　　　υす
（Ｏ 口α 「　　ψ　　　　Ｃ０

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、圧力導入通路を有するダイヤフラム支持台の一面に
   、歪ゲージ付の感圧ダイヤフラムを前記圧力導入通路の
   開口に対向させつつアノデイツクボンデイングにより接
   合する工程と、前記ダイヤフラム支持台の他面をセンサ
   ハウジングの基盤にメタライズ層を介した半田付により
   接合する工程とを経て製造される半導体歪ゲージ式圧力
   センサにおいて、前記ダイヤフラム支持台には、前記基
   盤と接合すべき被接合面に前記メタライズ層を形成する
   他にメタライズ層が不在の局部的な電極セット用のスペ
   ースを設定し、前記感圧ダイヤフラムを前記ダイヤフラ
   ム支持台にアノデイツクボンデイングする場合には、ボ
   ンディング用電極の一方の電極を前記感圧ダイヤフラム
   側にセット、他方の電極を前記メタライズ層に接触させ
   ない状態で前記メタライズ層不在の電極セット用スペー
   スにセットしてアノデイツクボンデイングを行なうこと
   を特徴とする半導体歪ゲージ式圧力センサの製造方法。 ２、第１請求項の記載において、前記感圧ダイヤフラム
   はシリコンダイヤフラムで、前記ダイヤフラム支持台及
   び基盤は、前記シリコンダイヤフラムと熱膨張係数が同
   一或いは近似する部材で構成される半導体歪ゲージ式圧
   力センサの製造方法。