JPH0483733A

JPH0483733A - シリコン台座用ガラス、シリコン基材型センサー、及びシリコン基材型圧力センサー

Info

Publication number: JPH0483733A
Application number: JP2194254A
Authority: JP
Inventors: Hiroharu Sagara; 相楽　弘治; Jun Makino; 純牧野
Original assignee: Hoya Corp
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 1990-07-23
Filing date: 1990-07-23
Publication date: 1992-03-17
Anticipated expiration: 2012-01-29
Also published as: JP2577493B2

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）本発明は主として半導体圧力センサとしての感圧素子に
係り、肉薄ダイアフラム面に起歪抵抗ゲージが形成され
たシリコンチップを接合・固定するための台座用ガラス
として好適なシリコン台座用ガラスに関する。また、本
発明の台座用ガラスは、半導体圧力センサ以外にも、例
えば、Ｘ線リソグラフィーに於けるＸ線マスクのシリコ
ン台座等シリコン結晶と接合する素子等に巾広く利用さ
れ得る。

（従来の技術）自動車産業やＦＡ機器産業では、気体や液体の圧力や流
量を測定して、燃料流量や油圧制御等を行う自動制御シ
ステムが広く採用され、このための各種センサが開発さ
れ実用化されている。圧力センサの分野に於てはブルド
ン管、ベローズ及びダイアプラム等の弾性体を用いた機
械式から、近年セラミック基板を電極とした静電容量方
式に移り、さらに最近ではセンサに対する要求も一層厳
しくなった結果、シリコンのピエゾ抵抗効果を利用した
半導体圧力センサが開発され、信頼性が高く、また小型
化や低コスト化が可能なことから急速にその応用範囲を
広げつつある。

半導体圧力センサは、シリコン結晶板に応力が加えられ
ると歪を生じ、その比抵抗が変化するピエゾ抵抗効果を
利用して圧力変化を電圧変化又は電流変化に置き代えて
測定するものである。第１図に半導体圧力センサとして
の感圧素子の構造の１例を示す。感圧チップｌはシリコ
ン結晶板の肉薄ダイアフラム面の図に於ける上面側に起
歪抵抗ゲージが形成されたものであり、中央が穿孔され
た台座ガラス２に接合されている。感圧チップｌのシリ
コン結晶板の熱膨張係数は３４Ｘ１０−’／”Ｃである
。ステム３には、通常、熱膨張係数が４６　Ｘ　１０７
′°Ｃのコバールが使用される。前記台座ガラス２は感
圧チ・ツブｌとステム３の間に、両者の熱膨張の差を緩
和するために設けられ、重量パーセントにて５ｕｃｈ　
８１０　、Ａｌ２Ｏ５２，０、ＮａｚＯ４，０、及びＢ
Ｊｓ　１３．０から成る熱膨張係数が３１　Ｘ　１０−
’　、”Ｃの硼珪酸ガラス（以後、単に硼珪酸ガラスと
称する。

）が広く用いられている。ステム３にはリードビン５，
５がガラスによるハーメチックシールにて、またステム
３とキャップ４との間８は抵抗溶接にて封止され、この
ためステム３とキャップ４に囲まれた空間内の圧力はそ
の時の温度に対応した一定の圧力値を示す。

シリコン結晶板と台座ガラス２との間７の接合には、最
近、陽極接合が行われている。陽極接合はシリコン結晶
板を陽極、台座ガラス２を陰極として、研摩されたシリ
コン結晶板と台座ガラスとの間に圧力をかけながら、数
百度の温度で数百ボルトの直流電圧を印加することによ
り、接着剤を使用することな（、短時間のうちに機密性
よ（両者を接着することができる。この陽極接合には、
接合されるガラス中にアルカリイオンの様な可動性キャ
リアイオンが必要とされる。

この様にして造られた感圧素子に矢印Ｐの方向から、被
測定媒体の圧力が感圧チップｌの肉薄ダイアフラム面に
加えられると、キャップ４内の圧力との差に応じてダイ
アフラム面が変形しゲージ抵抗が変化する。この抵抗値
の変化は起歪抵抗ゲージを含んで構成されるフルブリッ
ジ回路等により検出され、微弱な圧力をも高感度に検出
することができる。

（発明が解決しようとする課題）ところで、この様な半導体圧力センサの感圧素子は、上
述の様にダイアフラムに生じた歪によって微弱な圧力変
化を高感度に検出するものであり、そのためには感圧チ
ップに加わっている陽極接合に起因する残留応力や、更
にはシリコン結晶板、台座ガラスのその時々の温度に於
ける伸び率の差が問題となる。台座ガラスとしては、シ
リコン結晶板の熱膨張特性との整合性や経済性の点から
、前記した硼珪酸ガラスが使われている。

然し乍ら、台座ガラスに硼珪酸ガラスを用いた場合、シ
リコン結晶板の熱膨張特性との整合性は未だ充分ではな
く、ダイアフラムに圧力がかかっていない状態でも、温
度変化によって出力電圧が太き（変動すると云う問題が
あり、複雑な温度補償回路が必要とされるばかりでなく
、高精度化に向けての大きな障害となっている。

本発明の目的はシリコン結晶板の熱膨張特性との整合性
が優れ、かつシリコン結晶板との陽極接合が可能なガラ
ス材料を提供することにある。

（課題を解決するだめの手段）台座ガラスに用いられている硼珪酸ガラスは、その平均
熱膨張係数がシリコン結晶の熱膨張係数３４Ｘ１０−’
／”Ｃに近似した値３１〜３３Ｘ１０−’、、”Ｃを有
しているにも関わらず、前記整合性が充分でなく複雑な
温度補償回路が必要とされる原因が、第２図に示されて
いる様に、縦軸を伸び率α（αはΔＬ／Ｌ×１０−４で
表され、Ｌは室温での試料の全長、ΔＬは測定温度での
室温からの伸び量を示す。）、横軸を温度Ｔとしたとき
、比較例の硼珪酸ガラスの伸び率曲線がシリコン結晶の
伸び率曲線と２．１０°Ｃ付近で交差しており、室温〜
２４０°Ｃでは比較例の硼珪酸ガラスの方が伸び率が大
きく、２４０°Ｃ以上ではシリコン結晶の伸び率の方が
大きくなっている。換言すると、比較例の硼珪酸ガラス
とシリコン結晶との伸び率の差の符号が２４０℃で逆転
している。

本発明は、従来の問題点の原因が硼珪酸ガラスとシリコ
ン結晶との各温度に於ける伸び率の差の符号が、ある温
度にて正から負又は負から正への逆転現象にあることを
見出し、硼珪酸ガラスでなく、所望の温度域に渡って、
その伸び率曲線がシリコン結晶に近似した曲線を有し、
かつシリコン結晶との伸び率の差の符号が同一であるア
ルミノ珪酸ガラスに属するガラスの組成領域を見出して
成ったものである。以下に本発明を具体的に説明する。

（１）重量パーセントで、ＳｉＯ□　　　　　５０〜７０％、Ａｌ２０ｆｆｉ　　　　　１４〜２８ｏ６、Ｎａ２０１
〜５％、ｌＪｇｏ　　　　　　　　　　１〜１３Ｑ６であって、
前記成分の合量が少なくとも８０％であり、前記以外の
他の成分が２０％以下のガラスであって、室温から４０
０℃の温度域の各温度に於いて、前記ガラスの熱膨張に
よる伸び率α１　と、前記ガラスと接合されるシリコン
結晶の熱膨張による伸び率α２との比率α１／α２が０
．８〜１．２の範囲の値であり、かつ前記温度域の各温
度に於て、前記両伸び率の差（α１−α２）の符号が同
一であることを特徴とし、前記他の成分がＺｎＯ、Ｂ、
０．、ＬａＪｓ　、ＢａＯ、ＳｒＯ、ＣａＯ、ＰｂＯ、
Ｋ２Ｏ、ＬｉＪ、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、Ｐ２Ｏ６、Ａｓ
２Ｏ５，５ｂｘＯｓ　、及びこれ等酸化物に代えてこれ
等金属の沸化物の群から選ばれた少なくとも１以上の成
分である。

（２）重量パーセントで、５１０２　　　　　５６〜６４％、ＡＩ　２０．　　　　１８〜２４％、Ｎａ２Ｏ２〜３％、Ｍｇ０　　　　　　２〜６％、。

ＺｎＯ２〜１１％であって、前記成分の含量が少なくとも８５％であり、
前記以外の他の成分が１５％以下のガラスであって、室
温から４００℃の温度域の各温度に於て、前記ガラスの
熱膨張による伸び率α１　と、前記ガラスと接合される
シリコン結晶の熱膨張による伸び率α２との比率α１　
・α２が０．８〜１．２の範囲の値であり、かつ前記温
度域の各温度に於て、前記両伸び率の差（α１−α、）
の符号が同一であることを特徴とし、前記他の成分が、
Ｂ２Ｏ３、Ｌａ２０１、ＢａＯ、ＳｒＯ、ＣａＯ、Ｐｂ
Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｌｉ２Ｏ、ＺｒＯ，、ＴｉＯ２、Ｐ２Ｏ６
、ＡＳ２０３．５ｂ２０ｓ　、及びこれ等酸化物に代え
てこれ等金属の沸化物の群から選ばれた少な（とも１以
上の成分である。

次に各成分の限定理由を述べる。

ＳｉＬはガラスの基本成分であり、５０％未満では膨張
係数が太き（なり過ぎるばかりでなく化学的耐久性が劣
化し、７０％を超えると粘性が高くなり過ぎて熔融が困
難となるので５０〜７０％に限定され、最適な範囲は５
６〜６４％である。Ａｌ２Ｏ，はシリコン結晶と近似し
た伸び率曲線を得るのに必須な成分であるが、１４％未
満では分相傾向が増大するとともに高温域の粘性が増大
するので１４％以上必要であり、２８％を超えると耐失
透性が悪化する。最適な範囲は１８〜２４ｏ６である。

Ｎａ２Ｏは陽極接合するのに必須な成分で、添加量が多
いほど電気伝導度が大きくなり低温での接合が可能にな
るが、５Ｑ６を超えると膨張係数が大きくなり過ぎるの
で５”６以下に限定される。また１％未満では電気伝導
度が小さくなって陽極接合が困難になり、かつ膨張係数
が小さくなり過ぎるとともに溶融が困難になる。

最適な範囲は２〜３％である。ＭｇＯ及びＺｎＯは安定
なガラスを得るのに有効な成分であり、陽極接合の際の
キャリアイオンとなるＮａ２Ｏを最大限に導入すること
を可能ならしめる。ｌＪｇＯは１％未満では耐失透性が
悪化するとともに分相傾向が増大し、１３％を超えると
膨張係数が太き（なり過ぎる。最適な範囲は２〜６％で
ある。また）ＪｇＯは粘性を下げ溶融性を良くする効果
も有する。ＺｎＯは必須成分ではないが、膨張係数を小
さくする効果がＭｇ０よりも大きく、化学的耐久性も良
くするので好ましい成分であるが、１４Ｃｋ６を超える
と分相傾向が大きくなるとともに粘性が大きくなり過ぎ
る。なお、最適な範囲は２〜１１Ｑ６である。Ｂ２０．
は必ずしも必要としないが溶融性を良くするので有効で
あるが、添加量の増大とともに化学的耐久性を悪化する
ので１５％を限度とする。好ましくは２％未満である。

Ｌａ、Ｏｓは粘性を下げ、化学的耐久性を良くする効果
があるが、比較的高価なので５％を超えて添加するのは
得策でない。また、これ等の成分以外にも特性を悪化さ
せない範囲でＢａＯ１ＳｒＯ１ＣａＯ１ＰｂＯ、ＫｚＯ
、ＬｉｔＯｌＺｒＯｚ、Ｔｉ０ｚ、Ｐ２Ｏ５、及びこれ
等酸化物に代えてこれ等金属の沸化物等を所望量添加す
ることができる。更に、溶融の際の脱泡剤としてＡｓ２
Ｏ５、Ｓｂ、Ｏｓ　、及び塩化物等を適宜加えることも
できる。

更に、室温から４００°°Ｃの温度域の各温度に於いて
、台座ガラスの熱膨張による伸び率α、と、このガラス
と接合されるシリコン結晶の熱膨張による伸び率α、と
の比率α１／α２を０．８〜１．２の範囲の値に限定し
た理由は、この範囲を逸れると、熱膨張特性に於けるシ
リコン結晶との整合性が悪くなり、精度の高い感圧素子
が得られなくなるからである。

本発明のガラスに使用される原料は通常使用されている
珪石粉、アルミナ、水酸化アルミニウム、炭酸ソーダ、
硝酸ソーダ、炭酸マグネシウム、亜鉛華、酸化ランタン
、硼酸、及び硼砂等を適宜選択して用いることが出来る
。これ等の原料を所定量秤量し混合して得られた頂金バ
ッチを、白金製坩堝等の耐熱性容器中に投入し、１５０
０〜１６００℃に加熱・溶融し、攪拌して均質化及び脱
泡を行った後、適当な温度に予熱した金型に鋳込み、徐
冷することにより本発明のガラスを得ることが出来る。

（実施例）以下、本発明の実施例について説明する。

第１表に成分比を変えて行った本発明の実施例のガラス
の組成例を示す。これ等の実施例のうち、特にＮｏ、　
１及びＮｏ、　２について以下に詳述する。

最終的に得られるガラス組成が第１表に示される組成と
なる様に、前記原料を適宜選択して、酸化物に換算した
ときの重量が１２ｋｇとなる様に原料を秤量し、ミキサ
ーで混合した後、容量５１の白金製坩堝を用い、カンタ
ルスーパー炉（電気炉）で１６００℃、１６時間溶融し
、均質化及び脱泡を行った後、鋳鉄製の金型に鋳込み、
徐冷してガラスブロックを得た。

（以下余白）この様にして得られた試料ガラスＮｏ、　１及びＮｏ、
　２の熱膨張による伸び率を室温から５００°Ｃに渡っ
て測定し、得られた伸び率曲線を第２図に示した。

試料ガラスＮｏ、　１の伸び率曲線はシリコン結晶の伸
び率曲線とほぼ一致しており、試料ガラスＮｏ、　２の
伸び率曲線はシリコン結晶の伸び率曲線と少しずれては
いるものの、その曲線形状はシリコン結晶の曲線と近似
しており、何れの試料ガラスの曲線もシリコン結晶の曲
線と交差していない。測定温度域の各温度に於いて試料
ガラスＮｏ、１．　Ｎｏ、２の伸び率α１“、α１“と
シリコン結晶の伸び率α２との比率それぞれα　１／α
１．α１゛／α２は何れも０．８〜１．２の範囲内にあ
り、更に、シリコン結晶との伸び率の差（α１−α２）
、（α１“−α、）の符号は何れも測定温度全域に渡っ
て負である。

本発明のガラスの化学的耐久性は第１表に示されている
様に何れも良好であった。尚、第１表中の膨張係数は３
０℃〜４００℃の平均線膨張係数（×１０−’／”Ｃ）
であり、耐水性は粉末ガラス（粒径４２０〜５９０μｍ
）を１００℃の純水中にて２０時間処理したときの重量
減少率である。

前記得られたガラスを所定形状に切り出し、穴あけ加工
を施して台座ガラスを得た。この台座ガラスと前記感圧
チップとの位置合せを行い重ね合せて、４００℃、８０
０ボルトで陽極接合した。得られた素子を組み込んで第
１図に示す感圧素子を作成し、半導体圧力センサとした
。圧力零の状態での温度変化による出力電圧変動を測定
した。その結果を第３図に示す。縦軸はオフセット変動
量（ｍＶ）　、横軸は温度（”Ｃ）である。第２図に於
ける伸び率曲線がシリコンの曲線とほぼ一致している試
料ガラスＮｏ、　１よりも試料ガラスＮｏ、　２の方が
出力電圧変動が極めて小さい。しかし、何れの試料ガラ
スも比較例の硼珪酸ガラスよりその変動が小さく、かつ
温度に対する変化が直線的であり、温度補償が容易であ
る。試料ガラスＮｏ、１．　Ｎｏ、２の何れもシリコン
台座硝子として用いたとき、精度の高い感圧素子が得ら
れた。

第１表の試料ガラスＮ００３〜Ｎｏ、１２についても同
様の効果が得られ、精度の高い感圧素子を造ることがで
きた。

（発明の効果）本発明のシリコン台座用ガラスは、熱膨張による伸び率
曲線が、シリコン結晶の曲線と近似しており、各温度に
於ける本発明のガラスとシリコン結晶との伸び率の差の
符号は室温〜５００°Ｃに渡って同一であり、従ってシ
リコン結晶の熱膨張特性との整合性に優れ、かつ陽極接
合が可能なガラスである。

以上のように本発明のガラスはシリコン台座用ガラスと
して使用することにより、半導体圧力センサの高精度化
が可能となり、その関連産業に及ぼす利点は大きい。

【図面の簡単な説明】

ｔＪ１図は半導体圧力センサとしての感圧素子の構造を
示す縦断面図、第２図は熱膨張による伸び率を示すグラ
フ、第３図は圧力零状態時の温度変化による感圧素子の
出力電圧の変動を示すグラフである。

Claims

【特許請求の範囲】１）重量パーセントで、ＳｉＯ＿２５０〜７０％、Ａｌ＿２Ｏ＿３１４〜２８％、Ｎａ＿２Ｏ１〜５％、ＭｇＯ１〜１３％であって、前記成分の合量が少なくとも８０％であり、
前記以外の他の成分が２０％以下のガラスであって、室
温から４００℃の温度域の各温度に於いて、前記ガラス
の熱膨張による伸び率α＿１と、前記ガラスと接合され
るシリコン結晶の熱膨張による伸び率α＿２との比率α
＿１／α＿２が０．８〜１．２の範囲の値であり、かつ
前記温度域の各温度に於て、前記両伸び率の差（α＿１
−α＿２）の符号が同一であることを特徴とするシリコ
ン台座用ガラス。２）前記他の成分が、ＺｎＯ、Ｂ＿２Ｏ＿３、Ｌａ＿２
Ｏ＿３、ＢａＯ、ＳｒＯ、ＣａＯ、ＰｂＯ、Ｋ＿２Ｏ、
Ｌｉ＿２Ｏ、ＺｒＯ＿２、ＴｉＯ＿２、Ｐ＿２Ｏ＿５、
Ａｓ＿２Ｏ＿３、Ｓｂ＿２Ｏ＿３、及びこれ等酸化物に
代えてこれ等金属の沸化物の群から選ばれた少なくとも
１以上の成分であることを特徴とする請求項１記載のシ
リコン台座用ガラス。３）重量パーセントで、ＳｉＯ＿２５６〜６４％、Ａｌ＿２Ｏ＿３１８〜２４％、Ｎａ＿２Ｏ２〜３％、ＭｇＯ２〜６％、ＺｎＯ２〜１１％であって、前記成分の合量が少なくとも８５％であり、
前記以外の他の成分が１５％以下のガラスであって、室
温から４００℃の温度域の各温度に於て、前記ガラスの
熱膨張による伸び率α＿１と、前記ガラスと接合される
シリコン結晶の熱膨張による伸び率α＿２との比率α＿
１／α＿２が０．８〜１．２の範囲の値であり、かつ前
記温度域の各温度に於て、前記両伸び率の差（α＿１−
α＿２）の符号が同一であることを特徴とするシリコン
台座用ガラス。４）前記他の成分が、Ｂ＿２Ｏ＿３、Ｌａ＿２Ｏ＿３、
ＢａＯ、ＳｒＯ、ＣａＯ、ＰｂＯ、Ｋ＿２Ｏ、Ｌｉ＿２
Ｏ、ＺｒＯ＿２、ＴｉＯ＿２、Ｐ＿２Ｏ＿５、Ａｓ＿２
Ｏ＿３、Ｓｂ＿２Ｏ＿３、及びこれ等酸化物に代えてこ
れ等金属の沸化物の群から選ばれた少なくとも１以上の
成分であることを特徴とする請求項３記載のシリコン台
座用ガラス。