JPH04252077A - センサチップ及びその製造方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は圧力，力覚，触覚センサ
等に用いられるセンサチップ，及びその製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の圧力，力覚，触覚センサ等に用い
られるセンサチップを図６，及び図７の断面図によって
説明する。

【０００３】図６は異方性エッチングによりダイアフラ
ム構造を形成した従来のセンサチップを示す断面図、図
７は等方性エッチングによりダイアフラム構造を形成し
た従来のセンサチップを示す断面図である。このセンサ
チップのダイアフラム部は、通常シリコン単結晶基板（
以下単結晶基板と記す）で形成されている。

【０００４】図６において、単結晶基板３は、表面に複
数個の拡散抵抗１によりブリッジ回路が構成されており
、外周部には入出力用のパッド２が複数個形成されてい
る。台座４は、例えばパイレックスガラス等の材料で構
成され、この台座４は単結晶基板３とパッケージ（図示
せず）との熱膨張差を緩和する役目があり、緩衝層とな
っている。また台座４には、単結晶基板３のダイアフラ
ム部の中央に位置するように微小穴５が形成されている
。

【０００５】通常、この圧力センサは、測定対象や応用
形態により、絶対圧センサ，差圧センサ，ゲージ圧セン
サに分類され、図６のセンサチップは差圧センサ，ゲー
ジ圧センサ用に使用されるものであり、外部の圧力変動
に対し、ダイアフラム内部の圧力変動を防止するために
微小穴５が形成されている。この台座４と単結晶基板３
を接合して一体化し、裁断してチップ化することにより
センサチップ６が形成されている。

【０００６】ここで、電圧が印加されているセンサチッ
プに外部からの圧力等が加わると、ダイアフラムにたわ
みが生じ、このたわみ量（機械的変位）によりブリッジ
回路のゲージ抵抗が変動し、出力電圧が変化する。この
出力電圧が圧力等の測定値として出力される。

【０００７】次に、センサチップの製作作業工程を図６
を用いて説明する。まず、通常の集積回路の製造プロセ
スによって単結晶基板３の表面に拡散抵抗１及び入出力
用のパッド２を形成する。その後、裏面にダイアフラム
の形状となるパターンをそれぞれ焼付けし、エッチング
液中に投入してダイアフラム部の膜厚が２０μｍになる
まで加工する。台座４は、微小穴５が加工される面以外
をマスキングし、エッチング加工，ブラスト加工，また
は超音波加工等により加工される。その後、加工された
単結晶基板３と台座４を重ね合わせて真空雰囲気中で高
電圧を印加し、静電接合により一体化する。さらに、一
体化された単結晶基板３をスライシング装置等により切
断してチップ化し、センサチップ６を形成していた。

【０００８】その後、このセンサチップをパッケージ（
図示せず）に接合することにより、例えば圧力センサ（
図示せず）等のセンサチップを形成していた。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この圧
力センサの場合、センサチップの上面のダイアフラム部
に過大な圧力が加わった時には、ダイアフラム部のたわ
み量を制限する手段が無く、ダイアフラム部にクラック
が発生し、破損する課題があった。過大な圧力に対して
、ダイアフラム部の破損を防止する方法として、ダイア
フラム部の膜厚を厚くし、ダイアフラム部の剛性を高く
する方法がある。しかしこの場合、センサとしての出力
感度が低下し、センサ特性が悪化するという課題があっ
た。

【００１０】本発明の目的は過大な外力に対してダイア
フラム部の破壊を防止し、しかも出力感度が高く、組立
てが容易なセンサチップ及びその製造方法を提供するこ
とにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の第１のセンサチ
ップは、表面に複数個の拡散抵抗，及び入出力端子用パ
ッドを有し、かつ裏面の中心部には凹型のダイアフラム
構造を有する単結晶基板で構成されるセンサチップにお
いて、前記単結晶基板の裏面のダイアフラム部中央に先
端高さが前記ダイアフラムの外周部より低い凸型形状の
接触子を設け、かつこの接触子の周囲における前記ダイ
アフラム部に対応する位置に複数個の微小穴を有する台
座とを備えることを特徴とする。

【００１２】本発明における第１の発明のセンサチップ
の製造方法は、前記単結晶基板の裏面に、前記凸型形状
の接触子先端をエッチング加工により形成する第１の工
程と、前記ダイアフラム部及び前記接触子をエッチング
加工により形成する第２の工程と、前記ダイアフラム部
と前記台座上の対応する位置に複数個の微小穴を形成す
る第３の工程と、前記単結晶基板と前記台座を静電接合
して一体化し、チップ化する第４の工程とを含むことを
特徴とする。

【００１３】本発明の第２のセンサチップは、表面に複
数個の拡散抵抗，及び入出力端子用パッドを有し、かつ
裏面の中心部には凹型のダイアフラム構造を有する単結
晶基板で構成されるセンサチップにおいて、前記単結晶
基板の裏面のダイアフラム部中央に凸型形状の接触子を
設けた構造の単結晶基板と、前記接触子に対応する位置
に窪みを有し、かつ前記接触子の周囲における前記ダイ
アフラム部に対応する位置に複数個の微小穴を有する台
座とを備えることを特徴とする。

【００１４】本発明における第２の発明のセンサチップ
の製造方法は、前記単結晶基板の裏面に前記凸型形状の
接触子及び前記ダイアフラム部をエッチング加工により
形成する第１の工程と、前記接触子と前記台座上の対応
する位置に微小な窪みを形成する第２の工程と、前記ダ
イアフラム部と前記台座上の対応する位置に複数個の前
記微小穴を形成する第３の工程と、前記単結晶基板と前
記台座を静電接合して一体化し、チップ化する第４の工
程とを含むことを特徴とする。

【００１５】

【作用】圧力センサ，力覚センサ，触覚センサ等に応用
される単結晶基板を用いたダイアフラム構造のセンサチ
ップにおいて、ダイアフラムの弾性限界を越える外力が
作用した場合には、ダイアフラム部に破損が生じる課題
があった。

【００１６】そこで、第１の発明においては、ダイアフ
ラム部中央に台座側に突出する接触子を設け、しかも接
触子の先端を除去して、台座の上面部と接触子との間に
所定の隙間を設けるより、この除去による隙間がダイア
フラムのたわみ量の制限となる。従って、接触子の除去
量によりセンサチップの破損防止が可能となり、センサ
チップとしての信頼性が向上し、しかも出力感度を上昇
させて高出力で高感度のセンサチップが得られた。

【００１７】また、第２の発明においては、ダイアフラ
ム部中央に凸型形状の接触子を設け、接触子先端が接触
する台座の上面部を僅か除去することにより、接触子と
台座間に均一な隙間が生じた。この隙間によりダイアフ
ラムのたわみ量の制限ができ、センサチップの破損防止
が可能となり、センサチップとしての信頼性が向上し、
出力感度を上昇させて高出力で高感度のセンサチップが
得られた。

【００１８】

【実施例】次に、本発明について図面を参照して説明す
る。図１及び図２は本発明の一実施例を示すセンサチッ
プの部分断面斜視図及び断面図である。このセンサチッ
プは、図１に示すように、単結晶基板３は、一導電型半
導体基板表面に逆導電型の複数個の拡散抵抗１を形成し
てブリッジ回路を構成し、この基板表面の外周部には複
数個の入出力用のパッド２が設置されている。また単結
晶基板３に形成されている拡散抵抗１に対応する裏面に
は、異方性エッチングを用いて断面が凹型形状のダイア
フラム部６が加工されており、このダイアフラム部６の
膜厚は２０μｍである。さらに、このダイアフラム部６
の中心部には、台座４側に突出出する接触子７が形成さ
れている。すなわち、この接触子７の先端部は、単結晶
基板３の裏面の外周面より僅かに低い段差を有する構造
になっており、この段差寸法は、例えば、１０μｍであ
る。

【００１９】一方、台座４ａは、エッチング加工，ブラ
スト加工，超音波加工などの特殊加工により複数個の微
小穴５ａが加工されており、またこの微小穴５ａは、単
結晶基板３のダイアフラム部６に対応する位置に形成さ
れている。さらにこの台座４ａは、熱膨張係数が単結晶
基板３と同等の、例えばパイレックスガラス（３２．５
×１０−６／℃）等のガラス材料で構成されている。

【００２０】次に、第２図を参照してセンサチップの製
造方法について説明する。

【００２１】まず、単結晶基板３に通常の集積回路の製
造プロセスによって表面に拡散抵抗１及び入出力用のパ
ッド２を形成する。次に、この単結晶基板３の裏面には
、前項の製造プロセスで形成された拡散抵抗１に対比す
るように設定された接触子７の先端面となる形状のパタ
ーンを焼付けし、エッチング液中に投入して接触子７の
先端面を形成する。この接触子７の先端と単結晶基板３
の外周面の段差は、前述の通り１０μｍである。

【００２２】接触子７の先端面が形成された単結晶基板
３の裏面には、前項の製造プロセスで加工された接触子
７の先端面をガイドとし、再度、接触子７及びダイアフ
ラム部６の構造となる部分のパターン形状を焼付けする
。さらに、この単結晶基板３を再びエッチング液中に投
入してダイアフラム部６及び接触子７を形成することに
より、センサチップとしての単結晶基板３の加工が完成
する。台座４ａは、単結晶基板３のダイアフラム部６に
対応する位置に微小穴５ａを加工するため、単結晶基板
３の穴部以外をマスキングし、ブラスト加工，エッチン
グ加工，超音波加工等により加工する。

【００２３】その後、加工された単結晶基板３と台座４
ａをそれぞれ重ね合わせ、真空雰囲気中で高電圧を印加
し、静電接合技術を用いて一体化する。さらに、この一
体化された単結晶基板をスライシング加工等により適切
な形状に分割してチップ化することによりセンサチップ
の製作プロセスが完了する。

【００２４】このセンサチップを各種センサの素子とす
る場合には、このセンサチップをパッケージ（図示せず
）に接合し、入出力端子用のパッドとパッケージの入出
力用の端子（図示せず）をワイヤ等によるボンディング
法を用いて結線することにより、圧力センサ（図示せず
）や力覚センサ（図示せず）等を構成するセンサ素子部
となり、各種センサが構成できる。

【００２５】図３及び図４は本発明の他の実施例を示す
センサチップの部分断面斜視図及び断面図である。この
センサチップは、図３及び図４に示すように、ダイアフ
ラム部６の中央部より突出する接触子７ａの突出量を単
結晶基板３の裏面と同一にし、台座４ｂによる窪む座面
８を形成したことである。すなわち、前述の実施例にお
ける接触子の突出量を大きくし、その代りに台座４ｂを
堀り下げ、例えば１０μｍ深さの座面８を形成したこと
である。それ以外は前述の実施例と同じである。

【００２６】次に図４を参照して、このセンサチップの
製造方法について説明する。

【００２７】まず、拡散抵抗１及び入出力用のパッド２
を形成する。次に、この単結晶基板３の裏面には前述の
製造プロセスで形成された拡散抵抗１に対比するように
台座４ｂとの接合面，及び接触子７ａの先端面となる形
状のパターンを焼付けする。その後、この単結晶基板３
をエッチング液中に投入することにより、接触子７ａと
ダイアフラム部６が同時に形成され、センサチップとし
ての単結晶基板３の作成が完了する。尚、このダイアフ
ラム部６の膜厚は２０μｍである。

【００２８】台座４ｂは、まず単結晶基板３のダイアフ
ラム部６に相当する位置に微小穴５ａを前述の実施例と
同様に加工する。次に、微小穴５ａが加工された台座４
ｂを再度、単結晶基板３のダイアフラム部６及び接触子
７ａに対応する位置に座面８を形成するために、単結晶
基板３との接合面をマスキングし、ブラスト加工，エッ
チング加工，超音波加工等のいずれかの加工方法あを用
いて二次加工することにより、台座４ｂの加工は完成す
る。尚、この台座４ｂの微小穴５ａと座面８の加工方法
は、まず座面８を加工し、反転後に裏面から微小穴５ａ
を加工するという上記の製造プロセスと異なる場合でも
同様の加工結果が得られる。

【００２９】その後、加工された単結晶基板３と台座４
ｂをそれぞれ重ね合わせ、一体化し、この一体化された
単結晶基板をスライシング加工等により適切な形状に分
割してチップ化することによりセンサチップの製作プロ
セスは完了する。この実施例の場合は、接触子７ａが接
合面と同一面になるので、ダイアフラム部を形成する際
に、容易に出来るので、前述の実施例に比べ、製作上有
利である。

【００３０】図５は本発明によるセンサチップの動作を
説明するための部分拡大断面図である。まず、センサチ
ップ上面に外力が加わった場合のセンサチップの部分的
な動作を説明する。このセンサチップは、パッケージ（
図示せず）と接合され、しかもパッケージの入出力用端
子（図示せず）と単結晶基板３のパッド２がボンディン
グ用のワイヤにより結線されている。センサチップの上
面に示す矢印２５は、それぞれのセンサにセンサチップ
を実装した場合の外力をモデル化したものである。この
矢印は、圧力センサの場合には等分布な圧力が加わる形
式を、力覚センサや触覚センサの場合には一箇所または
数箇所に力や荷重が集中する形式となることを示してい
る。ここでは一例として、本発明のセンサチップを圧力
センサに応用した場合を考える。まず、単結晶基板３の
接触子７の先端と台座４の上面は、通常、接触子７のス
トロークとなる１０μｍの隙間を有しており、単結晶基
板３のパッド２に定電圧を供給した場合、拡散抵抗１の
ブリッジ回路は平衡が保たれている。しかし、単結晶基
板３の上面に矢印のような外部からの圧力が加わると、
単結晶基板３のダイアフラム部にはたわみが生じ、拡散
抵抗１の平衡が崩れ数出力電圧が変化する。さらに外部
からの圧力が増加すると、単結晶基板３のダイアフラム
部のたわみ量も増加し、ついには接触子７の先端が台座
４の上面に接触してたわみ量が最大になると同時に、接
触子７の移動量も最大となり、しかも最大の出力電圧が
得られる。

【００３１】このことから、本発明のセンサチップの構
造では、ダイアフラム部のたわみ量と接触子の移動量が
等しくなる。従って、本発明の構造では、接触子の先端
と台座の上面のすきま量を一定にすることにより、ダイ
アフラム部のたわみ量と接触子の移動量を制限すること
が可能となり、ダイアフラム部の破損防止が可能となる
。

【００３２】本発明は、以上説明した構造や製造プロセ
スに限定されるものではなく、例えば、単結晶基板の加
工方法を異方性エッチングから等方性エッチングに変更
しても、また台座の加工順序を変更しても本発明に示す
ような効果が得られる。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、単
結晶基板のダイアフラム部の下部に台座側に突出する接
触子を設置することにより、この接触子の先端部と台座
の上面部がダイアフラム部のたわみ量を制限するための
阻止手段になるので、ダイアフラム部の破損が防止でき
、センサチップとしての信頼性や出力感度が向上する。 また、本発明のセンサチップを各種センサに実装すれば
、センサとしての構造がシンプルになり、組立て性が容
易でしかも小型化が可能である。さらにダイアフラム部
の膜厚を変化させ、接触子先端と台座の上面の隙間をコ
ントロールすることにより、任意の用途に応用可能なセ
ンサチップを得ることができるなどの効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すセンサチップの部分断
面斜視図である。

【図２】図１のセンサチップの断面図である。

【図３】本発明の他の実施例を示すセンサチップの部分
断面斜視図である。

【図４】図３のセンサチップの断面図である。

【図５】本発明によるセンサチップの動作を説明するた
めの部分拡大断面図である。

【図６】従来の一例を示すセンサチップの部分断面斜視
図である。

【符号の説明】

１　　　　換算抵抗 ２　　　　パッド ３　　　　単結晶基板 ４，４ａ，４ｂ　　　　台座 ５，５ａ　　　　微小穴 ６　　　　ダイアフラム ７，７ａ　　　　接触子 ８　　　　座面

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　表面に複数個の拡散抵抗，及び入出力
   端子用パッドを有し、かつ裏面の中心部には凹型のダイ
   アフラム構造を有する単結晶基板で構成されるセンサチ
   ップにおいて、前記単結晶基板の裏面のダイアフラム部
   中央に先端高さが前記ダイアフラムの外周部より低い凸
   型形状の接触子を設け、かつこの接触子の周囲における
   前記ダイアフラム部に対応する位置に複数個の微小穴を
   有する台座とを備えることを特徴とするセンサチップ。
2. 【請求項２】　　前記単結晶基板の裏面に、前記凸型形
   状の接触子先端をエッチング加工により形成する第１の
   工程と、前記ダイアフラム部及び前記接触子をエッチン
   グ加工により形成する第２の工程と、前記ダイアフラム
   部と前記台座上の対応する位置に複数個の微小穴を形成
   する第３の工程と、前記単結晶基板と前記台座を静電接
   合して一体化し、チップ化する第４の工程とを含むこと
   を特徴とする請求項１記載のセンサチップの製造方法。
3. 【請求項３】　　表面に複数個の拡散抵抗，及び入出力
   端子用パッドを有し、かつ裏面の中心部には凹型のダイ
   アフラム構造を有する単結晶基板で構成されるセンサチ
   ップにおいて、前記単結晶基板の裏面のダイアフラム部
   中央に凸型形状の接触子を設けた構造の単結晶基板と、
   前記接触子に対応する位置に窪みを有し、かつ前記接触
   子の周囲における前記ダイアフラム部に対応する位置に
   複数個の微小穴を有する台座とを備えることを特徴とす
   るセンサチップ。
4. 【請求項４】　　前記単結晶基板の裏面に前記凸型形状
   の接触子及び前記ダイアフラム部をエッチング加工によ
   り形成する第１の工程と、前記接触子と前記台座上の対
   応する位置に微小な窪みを形成する第２の工程と、前記
   ダイアフラム部と前記台座上の対応する位置に複数個の
   前記微小穴を形成する第３の工程と、前記単結晶基板と
   前記台座を静電接合して一体化し、チップ化する第４の
   工程とを含むことを特徴とする請求項３記載のセンサチ
   ップの製造方法。