JPH0527055B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は半導体圧力変換器、特に基台上に低融
点ガラス層を介してシリコン歪みゲージを接着固
定してなる半導体圧力変換器の改良に関する。

［背景技術］ 従来より、半導体圧力変換器として、基台上に
シリコン歪みゲージを、例えば有機質接着剤、金
属ハンダ、金−シリコン共晶あるいは低融点ガラ
ス層等の接着材料を用いて接着固定したものが周
知であり、特にその接着材料としては周囲温度の
変化に伴う影響の比較的少なく、強固に接着でき
る低融点ガラスが多く用いられている。

そして、接着材料として低融点ガラスを用いた
半導体圧力変換器は、その製造に際し、まず、そ
の周囲温度を低融点ガラスの軟化温度以上に設定
し、該温度雰囲気中において基台上に低融点ガラ
ス層をプリメルトする。そして、このようにして
プリメルトされた低融点ガラス層を接着層とし
て、シリコン歪みゲージを基台上に接着固定して
形成される。

このように、半導体圧力変換器は、その製造時
に少なくとも低融点ガラスの軟化温度以上の高い
処理温度を必要とし、製造時におけるその雰囲気
温度の変化が極めて激しいため、このような雰囲
気温度の変化に伴う歪みを防止するため、低融点
ガラス層の熱膨脹係数とこれをサンドイツチ状に
挟んで接着固定されるシリコン歪みゲージ及び基
台の熱膨脹係数とを等しく設定することが望まし
い。

しかし、従来の半導体圧力変換器では、その製
造時の処理温度上の制約から低融点ガラス層の熱
膨脹係数を基台及びシリコン歪みゲージと等しい
ものとすることができず、その結果、周囲温度の
変化に伴う熱歪みの発生を有効に防止することが
できないという問題があつた。

すなわち、このような半導体圧力変換器の製造
に際しては、シリコン歪みゲージの特性を劣化さ
せることがないように処理温度の上限値が定めら
れている。

しかし、一般低融点ガラス層の軟化温度はその
熱膨脹係数と相反する関係を有しているため、低
融点ガラス層としてその熱膨脹係数がシリコン歪
みゲージ及び基台と等しいものを使用すると、そ
の軟化温度が前記製造時に処理温度の上限値を大
きく上回つてしまうこととなり、この結果従来の
半導体圧力変換器においては、その低融点ガラス
層としてその熱膨脹係数がシリコン歪みゲージ及
び基台の熱膨脹係数に比し極めて大きなものを使
用させざるを得ないという欠点があつた。

この結果、従来の半導体圧力変換器において
は、基台上に低融点ガラス層をプルメルトした後
あるいはシリコン歪みゲージを基台上に接着固定
した後の、周囲温度の大きな変化により、該低融
点ガラス層に大きな熱歪みをが発生し、また、こ
の熱歪みにより低融点ガラス層にクラツク等を発
生することになる。

そして、このようにクラツクが発生すると、シ
リコン歪みゲージの基準圧室から圧力漏れが発生
し、該基準室内の基準圧が経時時に変化して半導
体圧力変換器自体の特性が劣化し、安定した圧力
検出特性を得ることはできないという問題が生じ
る。

更に、半導体圧力変換器を圧力検出器として使
用する場合に、周囲温度や湿度によりその検出特
性が大きく変化し、しかもその零点や感度が経時
的に変化し正確な測定ができないという問題が生
ずる。

また、従来の半導体圧力変換器のように、低融
点ガラス層として熱膨脹係数の大きなものを用い
ると、その耐水性及び耐湿性が極めて低いものと
なり、耐久性の優れた半導体圧力変換器を得るこ
とができないという問題があつた。

［発明の目的］ 本発明は、このような従来の課題に鑑み為され
たものであり、その目的は、低融点ガラス層の熱
膨脹係数とシリコン歪みゲージ及び基台の熱膨脹
係数との差に起因する熱歪みの発生を有効に防止
しかつ耐久性に優れた半導体圧力変換器を提供す
ることにある。

［発明の構成］ 前記目的を達成するために、本発明は、接着面
側に厚さ0.1〜0.2μｍのシリコン歪みゲージを、
熱膨脹係数28〜35×10^-7／℃の基台上に、厚さ
0.05〜5μｍであり熱膨脹係数90〜130×10^-7／℃
の低融点ガラス層を介して接着固定して形成され
た半導体圧力変換器であつて、低融点ガラス層内
にシリコン酸化膜からのSiO₂が拡散されている
ことを特徴とする。

［実施例］ 次に本発明の好適な実施例を図面に基づき説明
する。

本発明に係る半導体圧力変換器は、基台上に低
融点ガラス層を介してシリコン歪みゲージを接着
固定して形成されている。

そして、この基台へのシリコン歪みゲージの接
着固定は次のようにして行われる。

まず、基台上に低融点ガラスの粉末を均一に推
積させこれを所定の温度例えば400〜700℃の温度
まで加熱し、基台上に低融点ガラス層をプルメル
トする。その後、この低融点ガラス層を接着層と
して、所定の温度、例えば300〜500℃の温度でシ
リコン歪みゲージを基台上に接着固定する。

本発明の特徴的事項は、このようにして形成さ
れる半導体圧力変換器において、低融点ガラス層
の熱膨脹係数とシリコン歪みゲージ及び基台の熱
膨脹係数との相違に起因して前記変換器製造時の
熱処理後の温度変化によつて生じる熱歪みの発生
を有効に防止し、かつ使用する低融点ガラスの耐
久性、耐湿性を優れたものとすることにある。

このため、本発明の半導体圧力変換器では、基
台として熱膨脹係数が28〜35×10^-7／℃のものを
用い、低融点ガラス層として熱膨脹係数が90〜
130×10^-7／℃のものを用いている。このような
熱膨脹係数が90〜130×10^-7／℃の低融点ガラス
層を基台とシリコン歪みゲージとの接着層として
用いた場合には、該低融点ガラス層の厚さが5μ
ｍ以上になると、該低融点ガラス層の熱膨脹係数
とシリコン歪みゲージ及び基台の熱膨脹係数との
差によつて変換器製造時に発生する熱歪みが極め
て大きなものとなり、この結果該低融点ガラス層
にクラツクが発生し、しかも長年の使用により変
換器の特性が変化することが避けられない。ま
た、この低融点ガラス層の厚さを0.05μｍ以上と
すると、該低融点ガラス層は薄くなり過ぎ基台上
に不均一な島状に被覆され、シリコン歪みゲージ
接着固定時に接着層に気泡が発生することが多
い。更に、このようにして該低融点ガラス層を
0.05μｍ以下と薄く形成した場合には、製造時に
付着するゴミや基板のそり等により基台とシリコ
ン歪みゲージとを確実に接着することができない
ことがある。

このため、本発明においては、基台上にプルメ
ルトされる低融点ガラス層の膜厚を、0.05〜5μｍ
の範囲に設定している。これにより、低融点ガラ
スの熱膨脹係数とシリコン歪みゲージ及び基台の
熱膨脹係数との差に起因して引起される熱歪みを
小さなものとし、しかもシリコン歪みゲージを基
台上に確実に接着固定することが可能となる。

なお、本発明において、この低融点ガラスの膜
厚は0.1〜3μｍの範囲で設定することが更に好ま
しくこのようにすることにより発生する熱歪みを
一層小さなものとしクラツク等の発生のない優れ
た接着層として機能させることが可能となる。

また、本発明の半導体圧力変換器においては、
低融点ガラス層の熱膨脹係数とシリコン歪みゲー
ジ及び基台の熱膨脹係数との差に起因して発生す
る熱歪みを更に小さなものとするため、シリコン
歪みゲージの接着面側の厚さ0.1〜2μｍのシリコ
ン酸化膜を形成している。

このようにすることにより、低融点ガラス層を
介してシリコン歪みゲージと基台とを接着固定す
る際、該シリコン歪みゲージのシリコン酸化膜中
に含まれるSiO₂が低融点ガラス層内に拡散侵入
することになる。

低融点ガラス層は、一般にSiO₂の含有量が増
大するのに従いその軟化温度が上昇し、その熱膨
脹係数が低下するため、このように低融点ガラス
内にSiO₂が拡散侵入することにより該低融点ガ
ラス層の軟化温度が上昇しかつその熱膨脹係数は
低下することとなる。

従つて、本発明によれば、製造時の処理温度上
の制約から軟化温度の低いかつ熱膨脹係数の大き
な低融点ガラス層を基台上にプルメルトしても、
該低融点ガラス層はシリコン歪みゲージの接着固
定時に該シリコン歪みゲージの接着面側に形成さ
れたシリコン酸化膜から拡散侵入するSiO₂によ
りその軟化温度が上昇しかつ熱膨脹係数が基台及
び低融点ガラスに近い値まで低下することにな
る。

本発明によれば、低融点ガラス層の材料として
軟化温度が低く、高熱膨脹係数のものを利用す
る。このため、比較的低温で低融点ガラス層の材
料を軟化することができる（例えば、300〜500度
程度の低温で低融点ガラスを軟化融解することが
できる）。そこで、接着作業を行う温度を低温と
することができ、シリコン歪みゲージの特性を悪
化させずに接着作業を行うことができる。

そして本発明においては接着固定時にSiO₂が
低融点ガラス層に拡散侵入し、これによつて低融
点ガラス層の軟化温度が上昇すると共に、熱膨張
係数は小さいものに変化する。

製造時における熱歪みは、低融点ガラス層が固
化した温度から室温に戻る際に発生する。すなわ
ち、シリコン歪みゲージ、基台と低融点ガラス層
の熱膨脹係数の差に低融点ガラス層の固体化温度
から室温までの温度差を乗算したものが熱歪みの
量となる。本発明によれば、SiO₂の拡散により
固化温度が上昇するが、熱膨張係数の差が減少す
るため、乗算結果はトータルとして小さくなり、
製造時における熱歪みの発生を抑制することがで
きる。

さらに、製造後における低融点ガラス層の熱膨
脹係数もシリコン歪みゲージ及び基台の熱膨脹係
数と極めて近いものとなつているため、該半導体
圧力変換器を圧力検出装置して使用する場合にも
周囲温度の影響による熱歪みの発生を抑制するこ
とができる。

また、低融点ガラスはSiO₂の含有量が多い程
その耐水性、耐湿性が向上するため、本発明のご
とくシリコン歪みゲージのシリコン酸化膜から
SiO₂が低融点ガラス層に拡散侵入することによ
り、該低融点ガラス層の耐水性及び耐湿性を優れ
たものとすることが可能となる。この結果、本発
明の半導体圧力変換器によれば、低融点ガラス層
の経時劣化が小さく圧力計とて安定した測定特性
を発揮することが可能となる。

次に本発明の具体的な実施例を図面に基づき説
明する。

第１実施例 第１図には本発明に係る半導体圧力変換器の好
適な第１実施例が示されており、実施例におい
て、この半導体圧力変換器は次の手順により作成
される。すなわち、実施例の半導体圧力変換器は
熱膨脹係数が25〜35×10^-7／℃のガラス材料を用
いて形成された基台１０上に、遠心器を利用する
方法等により低融点ガラスの粉末を均一に堆積さ
せ、これを400〜700℃の温度で加熱し、該基台１
０上にプリメルト層として厚さ0.5〜5μｍの低融
点ガラス層１２を積層被覆する。

その後、接着面側に厚さ0.1〜2.0μｍのシリコ
ン酸化膜１４が形成されしかもその中央に基準圧
室１８が座ぐり加工して形成されたシリコン歪み
ゲージ１６を、雰囲気が2Torr以下の大気中で温
度が300〜550℃の状態の下、低融点ガラス層１２
を介して基台１０上に10〜60分かけて接着固定す
る。

この接着固定時に、シリコン歪みゲージ１６の
シリコン酸化膜１４からSiO₂が低融点ガラス層
１２内に拡散侵入し、低融点ガラス層１２の熱膨
脹係数をシリコン歪みゲージ１６及び基台１０熱
膨脹係数に近い値まで引下げ周囲温度の変化に伴
う残留歪みの発生を極めて小さなものとする。更
に、このSiO₂の拡散侵入により低融点ガラス層
１２の耐水性、耐湿性が優れたものとなる。

なお、本発明においても低融点ガラス層１２の
熱膨脹係数とシリコン歪みゲージ１６および基台
１０の熱膨脹係数との間に僅かな違いが残るが、
本発明においては、低融点ガラス層１２の膜厚を
0.5〜5μｍと適正な厚さに設定しているため、こ
のような熱膨脹係数の差に起因して発生する残留
熱歪みの影響を更に低減することが可能となる。

本実施例においては、このようにして形成され
た半導体圧力変換器をコバール等のマウントに固
定し、リード線を介して各種コネクタに接続する
ことにより使用される。

一般に、このようにして形成された圧力変換器
は、その基本特性としてオフセツト、感度、零点
温度特性、感度温度特性、非直線特性等が測定さ
れる。

本実施例の半導体圧力変換器では、このような
基本特性のを測定した結果、零点と感度の経時変
化が非常に少ないことが確認された。

すなわち、温度サイクル試験を−20°〜80℃の
範囲で30回往復させ、かつ温湿度試験を温度75℃
湿度95％の条件のもと168時間行つた後、本実施
例の圧力変換器の特性を測定したところ、その零
点変化は一気圧絶対圧タイプにおいて圧力換算す
ると±１ｇ／cm²の範囲内に収まり、また、その感
度変化も±１ｇ／cm²の範囲内に収まることが確認
された。

このように、本実施例の半導体圧力変換器は、
その零点と感度の経時変化が極めて小さく良好な
特性を示すものであることが理解される。

なお、前記第１実施例においては、プリメルト
層としての低融点ガラス層の作成を大気中にて行
い、シリコン歪みゲージ１６の基台１０上への接
着固定を2Torr以下の大気リークの雰囲気中で行
う場合を例にとり説明したが、本発明はこれに限
らず、該圧力変換器を他の条件の下で作成するこ
とも可能であり、例えば、窒素あるいはアルゴン
雰囲気中においても同様の特性をもつ圧力変換器
を得ることが可能である。

第２実施例 次に本発明に係る半導体圧力変換器の好適な第
２実施例を説明する。

本実施例の半導体圧力変換器は、基台１０を熱
膨脹係数28〜34×10^-7／℃のガラス材料を用いて
形成し、そして該基台１０上に、スクリーン印刷
法等を用い低融点ガラスを塗布し、これを大気中
において600℃に加熱しプリメルト層として10μ
ｍ以上の低融点ガラス層１２を形成し、該低融点
ガラス層１２を厚さ１〜3μｍまで研磨する。

その後接着面側に厚さ0.1〜2.0μｍのシリコン
酸化膜１４が形成されたシリコン歪みゲージ１６
を、約400〜500℃に加熱し低融点ガラス層１２を
介して基台１０上に接着固定している。この際の
接着固定は、基準圧室１８内を所定の基準圧とす
るよう2Torr以下の大気雰囲気中において行われ
る。

そして、このようにして形成された本実施例の
半導体圧力変換器の基本特性を測定した結果、前
記第１実施例と同様に良好な特性を発揮すること
が確認された。

第３実施例 本実施例の半導体圧力変換器は、基台１０を熱
膨脹係数28〜34×10^-7／℃のガラスなどの材料を
用いて形成し、そして、該基台１０上にスパツタ
リング法等を用いて低融点を堆積（付着）させ
る。

低融点ガラス層の堆積厚さは0.05〜5μｍがよ
い。

その後、接着面側に厚さ0.1〜2.0μｍのシリコ
酸化膜１４が形成されたシリコン歪みゲージ１６
を約400〜500℃に加熱し、低融点ガラス層１２を
介して基台１０上に接着固定している。この際の
接着固定は、基準圧室１８内を所定の基準圧とす
るよう2Torr以下の雰囲気中において行われる。

また、このようにして形成された本実施例の半
導体圧力変換器の基本特性を測定した結果、前記
第１、第２実施例と同様に良好な特性を発揮する
ことが確認された。

スパツタリング法の他には真空蒸着法、電子ビ
ーム蒸着法、イオンプレーテイング法、さらに、
CVD法、有機化合物の熱分解法などによつても
行うことができる。

スパツタリング法などの薄膜作製法によれば、
低融点ガラスの薄い膜が均一に作製でき、第１、
第２実施例のようにプリメルトの工程を行わなく
てもよい。また、第２実施例のように研磨の必要
もない。

なお、特に、低融点ガラス層の厚さが1μｍ以
下と薄い場合は、それに接着するシリコン歪みゲ
ージの裏面の仕上げに注意が必要であり、いわゆ
る“ミラー仕上げ”されたシリコン歪みゲージを
用いるのがよい。これにより、確実な接着固定が
行え、良好な気密性が得られる。

第４実施例 第２図には本発明の半導体圧力変換器に係る好
適な第４実施例が示されており、実施例の半導体
圧力変換器は、基台１０が熱膨脹係数25〜35×
10^-7／℃の材料を用いて形成されており、基台１
０の中央には圧力導入口１８が設けられている。

そして、該基台１０上に、前記第１実施例と同
様の方法によりプリメルト層として低融点ガラス
層１２を形成する。

その後、シリコン歪みゲージの基準圧室１８と
基台１０の圧力導入口２０とが一致するよう該シ
リコン歪みゲージ１６を基台１０上に低融点ガラ
ス層１２を介して接着固定する。

このように、本実施例においては、基台１０に
シリコン歪みゲージ１６の基準圧室１８と連通す
る圧力導入口２０を設けているため、シリコン歪
みゲージ１６を基台１０上に接着固定する際基準
圧室１８を真空にする必要がなく、従つて該接着
固定を大気雰囲気中で行うことが可能となる。

また、このようにして形成された本実施例の半
導体圧力変換器の基本特性を測定した結果、前記
第１実施例と同様に優れた性能を有することが確
認された。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、低融点
ガラス層の熱膨脹係数とシリコン歪みゲージ及び
基台の熱膨脹係数との差によつて引起こされる熱
歪みの発生を有効に抑制し圧力の検出を優れた特
性で長年にわたり行うことが可能となり、しかも
低融点ガラス層の耐水性及び耐久性を改善し、優
れた耐久性を有する半導体圧力変換器を提供する
ことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る半導体圧力変換器の好適
な実施例を示す説明図、第２図は本発明の他の実
施例を示す説明図である。 １０……基台、１２……低融点ガラス層、１４
……シリコン酸化膜、１６……シリコン歪みゲー
ジ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 接着面側に厚さ0.1〜0.2μｍのシリコン酸化
   膜が形成されたシリコン歪みゲージを、熱膨脹係
   数28〜35×10^-7／℃の基台上に、厚さ0.05〜5μｍ
   であり熱膨張係数90〜130×10^-7／℃の低融点ガ
   ラス層を介して接着固定して形成された半導体圧
   力変換器であつて、 低融点ガラス層内にシリコン酸化膜からの
   SiO₂が拡散されていることを特徴とする半導体
   圧力変換器。 ２ 特許請求の範囲１記載の半導体圧力変換器に
   おいて、低融点ガラス層は厚さ0.1〜3μｍの範囲
   に設定されたことを特徴とする半導体圧力変換
   器。