JPH0467345B2 - - Google Patents

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JPH0467345B2
JPH0467345B2 JP57116140A JP11614082A JPH0467345B2 JP H0467345 B2 JPH0467345 B2 JP H0467345B2 JP 57116140 A JP57116140 A JP 57116140A JP 11614082 A JP11614082 A JP 11614082A JP H0467345 B2 JPH0467345 B2 JP H0467345B2
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pressure
diaphragm
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solder
layer
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JP57116140A
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JPS598379A (ja
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Shunji Shiromizu
Shozo Sato
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Toshiba Corp
Original Assignee
Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/84Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by variation of applied mechanical force, e.g. of pressure

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Pressure Sensors (AREA)
  • Measuring Fluid Pressure (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は低コストでかつ汎用性の高い小形半導
体圧力センサに関する。
〔発明の技術的背景〕
半導体結晶が圧力や応力によつて歪を受ける
と、その抵抗値が変化することはピエゾ効果とし
て良く知られている。このピエゾ効果現象を利用
して従来より種々の半導体圧力センサが開発さ
れ、近年では半導体IC技術を利用してその小形
化・高性能化が図られている。
第1図は高精度工業用に開発されている半導体
拡散ダイヤフラム形圧力センサの構造を示す模式
図である。このセンサは、n−Si(100)面単結晶
からなる10mm□のペレツト1の中央部に、その裏
面から約4〜5mmφ径で70μm程度の厚みに加工
した起歪ダイヤフラム2を設け、このダイヤフラ
ム2の表面に例えばボロンBを短冊状に熱拡散し
てピエゾ抵抗ゲージ3を設けた構造を有する。そ
して、このペレツト1は台座4上に固定されたの
ちパツケージ5にマウントされ、その電極リード
に金属線6によつて配線結合される。尚、台座4
の貫通孔に連通してパツケージ5に設けられたパ
イプ7は前記ダイヤフラム部へ流体圧力を導入す
るものである。
しかして、前記台座4は、外部から、特にパツ
ケージ5からの歪が前記拡散抵抗歪ゲージ3に伝
わるのを防ぐ歪遮断材として機能するものであ
り、このような外部歪を防ぐ構造によつて、同セ
ンサでは−30〜85℃なる広い温度域で0.2%FSと
いう高い性能を得ている。
ところでこのような高精度工業用圧力センサで
は、上記したような特殊なパツケージ構造を彩用
している為にそのコストが非常に高い。またパツ
ケージのみならず、その素子部も折角シリコン材
料を用いていながら量産IC的技術を活かせない
ままになつている。また近年ではマイクロコンピ
ユータの普及により半導体圧力センサを求める要
求が多いが、この場合、高性能化よりもむしろ低
価格化が望まれている。
半導体圧力センサを低価格化する第一の手法
は、通常のダイオードやトランジスタと同じよう
に一ウエハ当りの素子数を増やすことである。第
2図がその作業工程の一例で、ペレツトの接着工
程である。第1図に示す感圧ダイヤフラム1と台
座4とをシリコン拡散プロセスの一環として導入
し、量産化を可能にしたものである。第2図にお
いて17はシリコンウエハ、18も17と同径の
ウエハであるが、17に比べて板厚がはるかに厚
い。
ウエハ17にはマトリクス状に圧力センサーペ
レツトが拡散工程で形成されており、そのペレツ
ト1個がウエハ18に設けられた貫通孔16に対
応する。ウエハ17とウエハ18はあらかじめ、
いづれか一方のウエハに設けられた接着剤を介し
て接着固定された後、切断される。第3図aはそ
の切断工程の途中を示すもので、bが切離された
感圧素子の断面を示すものである。第3図bにお
いて、感圧ペレツト11は例えば4mm□,300μm
厚のシリコンで、中央部には、その裏面から2mm
□,40μm厚のダイヤフラム12が形成されてい
る。ダイヤフラム12の上には拡散抵抗歪ゲージ
(ピエゾ抵抗)13が設けられている。場合によ
つては複数個の拡散抵抗歪ゲージ13を金属配線
層で結線したもの、あるいは補償素子(例えばト
ランジスタ、ダイオード)が同一ペレツト内に作
られている(ここでは図示せず)。ペレツト11
は、同じシリコン材からなる台座14上に接着剤
15で固着されている。この台座には貫通孔16
が設けられており、ダイヤフラム12への流体圧
力の導入口となつている。この台座14は感圧ペ
レツト11に流体圧力以外の応力が加わることを
防止するものであり、できる限り厚くするように
されている。一般には加工技術の制約等によつて
1mm〜5mm程度の範囲が選ばれている。
このようにして製作された感圧素子19は、第
3図cに示す構造にパツケージングされて圧力セ
ンサとして完成する。
即ち、中央に圧力導入口16を備えたシリコン
台14は接着剤23を介してパツケージ盤体21
のガラス層22へ接着される。
〔背景技術の問題点〕
感圧ペレツト11と台座14の接着15ならび
に台座14とパツケージガラス22との接着23
には従来から、低融点ソルダーガラスが用いられ
ている。低融点ソルダーガラスには例えば東芝ハ
ンダガラス#509が用いられる。製法としては、
第2図で示した土台用Siウエハ18にあらかじめ
沈澱法で上記ソルダーガラスが塗布される。この
後、感圧ペレツト用ウエハ17と対向させ、一定
加重を加えて、N2中530℃の高温で溶着される。
しかる後、第3図aの工程で個々の感圧素子に切
断される。ここで切断作業は従来から用いられて
いる半導体素子用ダイヤモンドブレード法で行わ
れるが、切断時の機械的衝撃法でガラス接着層に
マイクロクラツクを生じ、真空気密性が劣化する
欠点があつた。例えば2吋サイズのウエハから
は、4mm□の感圧素子が80個〜90個得られるはず
であるが、例えば10-9atm・cc/sec以下の真空
気密のものは60個程度しか得られないのが現状で
ある。
上述した欠点を改善するために、接着剤として
各種のものが試みられてきたが、ガラス系統のも
のでは切断時のクラツクは防止できないことが判
明した。一方、切断時にもクラツクを生じない方
法としては金属溶着法が以前から試みられていた
が、以下に述べる問題で実用化が困難とされてい
た。
金属接着の場合、接着剤の熱膨張係数がSiより
1桁以上大きいのが常であるから、接着層をでき
る限り薄くしなければならない。例えばPbとSn
合金のハンダ、いわゆるPb−Sn系のハンダは、
剛性、接着強度が高く、気密性に優れるので好ま
しいが、このPb−Sn系ハンダを用い感圧ペレツ
トと台座を接着する場合は、接着面にあらかじめ
Ni等の下地金属を蒸着しておき、ハンダ箔をは
さんで、350℃フオーミングガス中で溶着する。
溶着層をできるだけ薄くするために、ある程度の
加重を加える必要があるが、溶融して内側にはみ
出した接着剤が、感圧ペレツトの内壁面を這い上
り、ダイヤフラムにまで達する場合がある。(第
3図bのロまで接着剤が這い上ること)。
この最大の理由は、シリコン面にハンダ濡れ性
を持たせるための下地Ni層によるものである。
蒸着法や一般の電気メツキ法でシリコンウエハに
Ni層を形成する限り、接着層だけでなく、ダイ
ヤフラム側壁とダイヤフラム面にもNi層が同時
に形成されてしまう。ハンダはNi下地に対して
極めて濡れが良く、上述した如く、側壁を伝つて
上面のダイヤフラムにまで到達する。
〔発明の目的〕
本発明はこのような従来の技術的困難を解決
し、前述した真空気密に対する歩留りを大巾に改
善する手法を提供することを目的とする。
〔発明の概要〕
シリコン基板自体はPb,Sn系ハンダに対する
濡れ性を全く有しない。一方、Ni表面に対する
濡れ性は極めて良いので、シリコンのハンダ接着
には下地金属にNi層を用いるのが常である。
下地Ni層の形成には一般に、シリコン面に蒸
着又は電解メツキで行う方法が採用されている。
この従来法を用いる限り、感圧ペレツトに形成さ
れたダイヤフラム面と側壁にもNi層が付着し、
ハンダの這い上りは避けられない。
本発明者らはこのNi層形成に無電界メツキ法
を採用すれば、シリコンの表面粗さによつてNi
の付着状態が制御できることを見出した。すなわ
ちシリコン表面がミラー面に近ければ近いほど無
電界メツキによつてNiが付着し難いことが判つ
た。
本発明は、半導体基板の中央部に形成された肉
薄のダイヤフラム面に集積された複数個の拡散抵
抗ならびにダイオード、トランジスタからなる補
償素子を有する感圧ペレツトと、この感圧ペレツ
トの周辺肉厚部に対向して接着固定され、その中
央部に前記ダイヤフラム部へ圧力を導くための貫
通孔を有する固定台とから構成される半導体圧力
センサの製造方法において、前記感圧ペレツトの
固定台に対向するダイヤフラム面と、固定台との
接着面からダイヤフラム部へ至る側壁面を光沢面
とし、接着面のみが粗面を有するように加工した
後、無電界メツキ法によりこの粗面部にニツケル
メツキ層を形成し、金属接着層としてPb−Sn系
ハンダを用いて前記感圧ペレツトの周辺肉厚部と
固定台とを固着することを特徴とする半導体圧力
センサの製造方法である。
なお固着にあたつては固定台の接着面もハンダ
濡れ性を改善するため、ニツケルメツキなどを施
すことが好ましい。しかしながらこの場合は必ず
しも無電界メツキ法を使用する必要はない。
〔発明の実施例〕
第4図aは第2図、第3図で示した感圧ペレツ
ト用ウエハ17とシリコン台18の接着前断面図
である。13はピエゾ抵抗層、12はダイヤフラ
ム、12′は側壁である。ウエハ17におけるダ
イヤフラム面12の形成ならびにウエハ18にお
ける圧力導入口16の形成もともにKOHの飽和
溶液を用いたアルカリエツチング法による。ウエ
ハ17の場合は、ピエゾ抵抗層形成面はワツクス
41によつて、さらに接着面側はSi3N4膜15′
によつてKOH溶液から保護される。上記溶液に
て約100分間エツチングを行うことにより、元厚
300μtのウエハから約40μtのダイヤフラム面が残
される。
土台ウエハ18も同様に両面をSi3N4保護膜
(15″,15)にて保護され、両側から約100
分間のエツチングで元厚500μtの土台ウエハに貫
通孔ができる。アルカリエツチングでは、ウエハ
17のダイヤフラム面12、側壁12′、ウエハ
18の貫通孔16などエツチング面は全て鏡面状
態に仕上る。この鏡面状態を得ることが本発明の
ポイントである。なお、この作業に先立つて、接
着面15′,15″,15面は鏡面ではなく、例
えば#1500ラツプ面仕上げのウエハを投入する。
かくして、鏡面加工されたウエハ17,18は、
3段階の作業を経てNiメツキされる。先ず、10
%の塩化スズ溶液に約30秒浸漬させ表面を活性化
する。次に15%の塩化パラジウム溶液に浸漬(30
秒)し表面を濡らす。
上記2つの作業はいづれも常温である。最後
に、30%,52℃のペルニツケル液に約15分浸漬さ
せることによつて、第4図bに示すように約1μt
のNi層42が付着形成される。この際、ダイヤ
フラム12、側壁12′、貫通孔16には前述し
たように鏡面であるから、Niは全く付着しない。
このようにして接着面にのみNiメツキされた
感圧ペレツト用ウエハと土台用ウエハは、第2図
で示す如く、両者間に例えばPb,Sn(99:1)で
50μtのハンダ箔をサンドイツチし、約100gの加
重下、350℃、フオーミングガス雰囲気中約10分
で溶着される。ハンダ箔には貫通孔用の孔をあら
かじめ設けておく必要は無い。接着層以外はハン
ダに濡れ性を示さないため、余分は貫通孔を伝つ
て下部に堆積する。この堆積ハンダは鏡面である
貫通孔には付着していないため、容易に除去する
ことができる。感圧素子の切断工程は第3図aと
全く同じ手法であるが、ソルダガラスによる接着
と異なり、切断による気密の劣化は全く無い。
なお、切り離された感圧素子を第3図cのよう
にパツケージングする場合にも、ハンダ接着が有
効である。例えばパツケージガラス22の接着面
(23に相当する面)のみを、前以て#1500程度
の粒状にサンドブラスト法で仕上げておく。この
状態のパツケージを、第4図で示したメツキ工程
を通すことによつて、接着面にのみNiメツキを
行うことができる。以後の工程は単なるハンダ付
けに過ぎず、説明するまでもない。
〔発明の効果〕 以上説明したように本発明によればダイヤフラ
ム面及びその側壁面が光沢面を有し、接着面のみ
がニツケルメツキされた粗面(例えば#3000ラツ
プ以下)を有しているので、鉛、錫、亜鉛などを
成分とする金属接着剤で接着する場合接着剤がダ
イヤフラムの壁面を這い上ることがなく、製品の
歩留りを大幅に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は高精度工業用半導体圧力センサの概略
構成を示す図、第2図は低価格汎用センサ製造工
程のうちウエハ接着の部分を示す図、第3図は第
2図の工程で作成した素子の切断作業を示す一例
と切断された感圧素子の断面と感圧素子をパツケ
ージに接着完成した圧力センサの断面を示す図、
第4図は本発明の圧力センサの感圧ペレツト用ウ
エハと土台用ウエハのNiメツキ工程を説明する
ための図である。 11,17……感圧ペレツト、14,18……
Si台座、12……ダイヤフラム、16……貫通
孔、15′,15″,15……保護膜、42……
Niメツキ層。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 半導体基板の中央部に形成された肉薄のダイ
    ヤフラム面に集積された複数個の拡散抵抗ならび
    にダイオード、トランジスタからなる補償素子を
    有する感圧ペレツトと、この感圧ペレツトの周辺
    肉厚部に対向して接着固定され、その中央部に前
    記ダイヤフラム部へ圧力を導くための貫通孔を有
    する固定台とから構成される半導体圧力センサの
    製造方法において、前記感圧ペレツトの固定台に
    対向するダイヤフラム面と、固定台との接着面か
    らダイヤフラム部へ至る側壁面を光沢面とし、接
    着面のみが粗面を有するように加工した後、無電
    解メツキ法によりこの粗面部にニツケルメツキ層
    を形成し、金属接着層としてPb−Sn系ハンダを
    用いて前記感圧ペレツトの周辺肉厚部と固定台と
    を固着することを特徴とする半導体圧力センサの
    製造方法。
JP11614082A 1982-07-06 1982-07-06 半導体圧力センサの製造方法 Granted JPS598379A (ja)

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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5365089A (en) * 1976-11-24 1978-06-10 Toshiba Corp Semiconductor pressure transducer
JPS5441395A (en) * 1977-09-06 1979-04-02 Ebios Pharma Seasoning making method

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