JPH0467346B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 本発明は半導体ダイヤフラムの一方側を真空に
した絶対圧を測定する半導体圧力センサーに関す
る。

〔従来技術とその問題点〕

半導体プレーナー技術の応用によりシリコン等
の半導体単結晶板の一部に肉薄のダイヤフラムを
設け、このダイヤフラム上に感圧素子として拡散
抵抗層を形成して、そのピエゾ抵抗効果を利用し
た圧力センサーが実用化している。その概略構造
を示すと、第１図のようになつている。図におい
て、１は例えばｎ型のシリコン単結晶板であり、
その中央部に肉薄のダイヤフラム２を設け、この
ダイヤフラム２にｐ型の拡散抵抗層３，３₁，３₂
…を形成している。表面は絶縁層４で覆われ、そ
の上にＡ等からなる電極配線層５が配置されて
いる。電極配線層５は絶縁層４に設けたコンタク
トホールを介して拡散抵抗層３に端部で接触し、
拡散抵抗層３の内部配線や外部への電極取り出し
端子の役割を果している。従つて電極配線層５に
は、必要に応じてリード線６がボンデイングされ
ている。このような圧力変換基板１０は例えばシ
リコンからなる固定台７に接着剤９により接着固
定される。固定台７には貫通孔８が設けられてい
る。センサハウジング１１は、ステム部１１₁と
キャツプ部１１₂とで構成されていて、ステム部
１１₁とキャツプ部１１₂は気密接着されている。
ステム部１１₁は例えば金属であり、中央部に貫
通孔１２が設けられていて、このステム部１１₁
の貫通孔１２と、固定台７の貫通孔８とが一致す
るようにステム部１１₁と固定台７は接着剤１３
で接着固定されている。また、このステム部１１
_１にはリード端子１４が例えばガラス１５により
絶縁気密封止されている。ステム部１１₁とキャ
ツプ部１１₂にはそれぞれパイプ１６₁と１６₂が
設けられている。このパイプ１６₁に流入する流
体の圧力P₁、またはパイプ１６₂に流入する流体
の圧力P₂がダイヤフラム２の変形をもたらし、
拡散抵抗層３の抵抗変化をもたらす。圧力P₁と
圧力P₂は完全に分離されなければならない。

このようなセンサーは一般に流体の圧力測定に
供されるが、装置の片方側に真空のリフアレンス
を持つてくれば絶対圧を測定できる。従来は気体
や液体の圧力あるいは流量測定は工業計測などの
特殊な部門に限られていた。しかし最近はマイク
ロコンピユータの普及によつて、圧力や流量をセ
ンサーで計測し、各種の機構を制御する機器が一
般の生活にまで必要不可欠になつて来た。例えば
自動車のガソリン流量の制御や家庭用掃除機の負
圧制御にまで各種のセンサーが使われるようにな
つた。これら負圧の計測は絶対圧計で求めた値が
必要であり、上述したシリコンダイヤフラム形の
絶対圧形センサーが特性的にも好適である。

このようなシリコンダイヤフラム形の絶対圧セ
ンサーは従来、第１図における圧力導入口のいづ
れかの一方、例えば１６₂を真空排気装置に接続
し、ハウジング１１の内側を高真空に排気した
後、第２図に示す如く、封じ材３２₂で封じる。
第１図のハウジング内の圧力は真空リフアレンス
（第２図の１８′）となつて絶対圧計が完成する。
第１図において、センサーからの出力は常に圧力
P₁とP₂の差で現われるが、第２図においては、
P₁は常に真空に対する圧力出力となる。例えば
P₁が大気の場合は、現在の気圧を測定すること
になり、負圧を測定すれば、真空度を直接測定す
ることができる。

原理的には上記手法によつて、絶対圧センサー
を製作することが可能であるが、工業的に低コス
ト化、量産化にむかない方法である。その主な理
由はセンサーの排気工程にある。第１図、第２図
の方法では、従来の真空管の排気処理と同じく、
排気前のセンサーを一個づつ排気装置に装着、排
気完了後、第２図のように片側の圧力導入口を封
じ切つて完成する。第１図、第２図の圧力変換基
板１０は一般のICやトランジスタと同一の半導
体拡散工程で作られ、量産化が実現されているに
も拘らず、上述の排気工程で極端に量産化を阻ま
れている。

第１図、第２図の圧力変換基板１０、固定台７
および両者の接着に関する限り、量産化の方法が
確立されている。その製法の一例を示したのが第
３図ａ，ｂ，ｃである。第１図、第２図に示す圧
力変換基板１と固定台７とをシリコン拡散プロセ
スを導入して量産可能にしたものである。第３図
ａにおいて圧力変換基板を多数マトリクス状に配
列形成したウエハー１７は、この圧力変換基板と
対応して、中央部に貫通孔１６を有する土台ウエ
ハー１８と対向して、接着される圧力変換基板は
例えば４mm□で形成され、２吋径のシリコンウエ
ハーを用いるとすれば、１枚のウエハーから約80
個の圧力変換基板が得られることになる。土台用
のウエハーは圧力変換基板に流体圧力以外の力が
加わることを防ぐためのものであるから、できる
だけ厚い方が好ましい。しかし、加工技術の制約
と必要最小限の要求から500μt〜１mmｔが用いら
れている。ウエハー１７，１８の接着には従来か
ら低融点ソルダガラスが用いられている。例えば
東芝ソルダガラス＃509をエチルアルコールに対
し、重量比で５％とし、表面から５cmの位置にウ
エハー１８を浸積、約10分間沈澱させる。ウエハ
ー１８の表面には約50μmのソルダガラス粉末の
沈澱層が形成される。このウエハー１８と圧力変
換基板用ウエハー１７とを対向させ、約５ｇ／cm²
の加重下、N₂ガス雰囲気中にて、約530℃の温度
で溶着される。接着後のウエハーは第３図ｂの過
程を経て、一個一個の素子に切断される。ｂ図に
おける１５はガラス接着層である。第３図ｃは切
断後の素子の断面図である。

第３図に示した量産化の方法で真空リフアレン
スを持つ素子が形成できれば、絶対圧センサーの
低コスト化、量産化が可能である。例えば、第３
図において、土台用ウエハー１６に貫通孔の無い
ウエハーを用いて、真空装置内でガラス接着する
という考えは否定される。低融点ソルダーガラス
には必ずPbO，Ａ₂O₃，TiO₂，Fe₂O₃，ZnOな
どの金属の酸化物が含まれているため、真空中又
は還元雰囲気中で溶着すると金属が折出し、接着
力を失つてしまうためである。

真空内でシリコンウエハーを接着する手法とし
て、Pb，Sn，Znなどの合金ハンダが考えられ
る。この場合、ハンダだけではシリコン素地への
濡れ性を示さないため、シリコンの表面にNiの
下地金属層が必要になる。Niの下地層はダイヤ
フラム形成後の圧力変換基板および土台（貫通孔
なし）表面に蒸着又は電解メツキ法によつて形成
される。Ni層は容易に形成され得るが、ダイヤ
フラムの内面、および側壁（第３図ｃ）にも同時
に形成されてしまう。一端、Ni下地層が形成さ
れると、ハンダの濡れ性は極度に向上し、ハンダ
接着時に余分の溶融ハンダがダイヤフラムの側壁
を這い上り、ダイヤフラムに到達して、圧力特性
を劣化させてしまう欠点がある。ハンダの這い上
りを防ぐ手法は種々検討されてきたが、いまだに
決め手となる解決策が無く、真空内でのハンダ接
着による方法は極めて困難とされていた。

〔発明の目的〕

本発明は上記の従来技術の有する種々の問題を
解決し、ハンダ接着時にハンダのダイヤフラムへ
の這い上りがなくかつ量産化、低コスト化が可能
なシリコン圧力センサーを提供することを目的と
する。

〔発明の概要〕

発明者等の実験により従来の電解法によるNi
メツキに替つて、以下に述べる無電解メツキ法を
用いると、シリコンの下地の表面粗さによつて、
メツキの付着を制御できることが判つた。すなわ
ち鏡面状態ではNi層が付着せず、約＃2000ラツ
プ以下の粗面では極めて良好にNi層が付着する
ことが確認された。

本発明は、半導体単結晶板の中央部に外界の圧
力を受けて変形する肉薄のダイヤフラムを設け、
このダイヤフラムないしは同一面上に拡散抵抗層
およびその出力特性を調整する半導体素子が形成
されてなる圧力変換基板と、この圧力変換基板の
ダイヤフラム周辺肉厚部と対向接着せしめ内部に
真空気密室を形成するための固定台とから構成さ
れる絶対圧形半導体圧力センサーの製造方法にお
いて、前記圧力変換基板の固定台に対向するダイ
ヤフラム面と、これに連なる周辺側壁面を鏡面と
し、固定台との対向接着面のみを＃2000ラツプ以
下の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Niの中間層を形成し、
この中間層を介してハンダにより前記圧力変換基
板の周辺肉厚部と固定台とを固着することを特徴
とする絶対圧形半導体圧力センサーの製造方法で
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。

〔発明の効果〕

本発明によれば絶対圧センサーの信頼性向上と
量産化、低コスト化が可能となる。

〔発明の実施例〕

以下、第４図を用いて本発明の一実施例を説明
する。第４図ａにおいて、１７は圧力変換基板用
のウエハーであり、１３が拡散抵抗層である。ダ
イヤフラム１２はあらかじめオートリソグラフ法
で必要個所のみ設けられたSi₃N₄膜１５′を保護
膜として、KOH溶液によりアルカリエツチング
法で形成される。この際、シリコン基板をエツチ
ングされて出来上つた面１２及び側壁１２′は鏡
面に仕上る。一方、１８は土台用のウエハーであ
るが、第３図で示した場合と異なり、ダイヤフラ
ムに対応して貫通孔を必要としない。特徴は接着
表面１８′，１８″に＃2000ラツプ以下の粗面をと
することである。同じく、接着面１５′も粗面と
する。なお、２１は次の工程において素子を保護
するためのワツクス膜である。用意した２種類の
ウエハーは以下の３段階を経て、ｂ図のように約
1μmtのNiメツキが形成される。

10％塩化スズ溶液で約30秒表面を活性化。

30％塩化パラジウム溶液に約30秒浸積、表面
に加速剤として被膜を形成。

20％ペルニツケル溶液（52℃）に約15分浸
積、表面にNiメツキ層を形成。

本発明で提示した手法を用いると、第３図ｂに
おいて示すように、１５′，１８′，１８″面のみ
Niメツキ層が形成されて、１２′，１２面には全
く形成されない。つまり、上記無電解メツキ法を
用いると、粗面にはNi層が形成されるが、鏡面
のシリコンには形成されない特徴が出せることで
ある。

第４図ｃにおいて層２２は接着用のハンダ層で
ある。この層を形成する方法には例えばスクリー
ン印刷が用いられる。例えば粉末のPb，Sn（99：
１）をペースト例えば酢酸ブチルとイソプロピル
アルコールの５：95混合液に溶解させたものであ
る。ハンダ層形成後にｄ図の如く、ウエハー１７
と１８を対向させ、真空装置内に設定する。真空
度が約10^-6torr程度の状態で、350℃に加熱する
ことによつて、両者は真空気密２３を保持したま
ま気密接着される。上述したように、ダイヤフラ
ム面１２、側壁１２′にはNi層が無く、鏡面のシ
リコン下地が露出しているため、ハンダ２２が這
い上る欠点はない。接着完了後のウエハーは、第
３図ｂの切断工程を経て、真空リフアレンスを持
つ感圧素子に仕上げられる。これらの感圧素子は
第１図で示した如きパツケージにマウントされ
て、絶対圧センサーが完成する。

以上詳述したように、本発明に係る手法を用い
れば、真空室を持つ絶対圧センサーの量産化と低
コスト化が可能である。しかし、ここで提示した
接着法は、特に真空リフアレンスを持つ絶対圧セ
ンサーに限らず、従来形の圧力又は差圧センサー
作製に際しても適用できることは明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の半導体圧力センサーの概略の構
造を示す断面図、第２図は第１図で示した圧力変
換装置の片側の入力面から真空排気処理を施し
て、内部に真空リフアレンスを設けた従来の絶対
圧形圧力センサーの概略断面図、第３図は半導体
圧力センサーの圧力変換基板を量産化、低コスト
化するための従来の手法を示す工程図、第４図は
本発明に係る絶対圧形センサーの圧力変換基板部
分を作成する場合の工程図である。 １２……ダイヤフラム、１３……拡散抵抗層、
１５′……Si₃N₄膜、１７……基板用ウエハー、
１８……土台用ウエハー、１８′，１８″……接着
表面、２１……ワツクス膜、２２……ハンダ層。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 半導体単結晶板の中央部に外界の圧力を受け
   て変形する肉薄のダイヤフラムを設け、このダイ
   ヤフラムないしは同一面上に拡散抵抗層およびそ
   の出力特性を調整する半導体素子が形成されてな
   る圧力変換基板と、この圧力変換基板のダイヤフ
   ラム周辺肉厚部と対向接着せしめ内部に真空気密
   室を形成するための固定台とから構成される絶対
   圧形半導体圧力センサーの製造方法において、前
   記圧力変換基板の固定台に対向するダイヤフラム
   面と、これに連なる周辺側壁面を鏡面とし、固定
   台との対向接着面のみを＃2000ラツプ以下の粗面
   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Niの中間層を形成し、この中間
   層を介してハンダにより前記圧力変換基板の周辺
   肉厚部と固定台とを固着することを特徴とする絶
   対圧形半導体圧力センサーの製造方法。