JPH0673383B2 - 半導体圧力変換器の製造方法 - Google Patents

半導体圧力変換器の製造方法

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JPH0673383B2
JPH0673383B2 JP40481290A JP40481290A JPH0673383B2 JP H0673383 B2 JPH0673383 B2 JP H0673383B2 JP 40481290 A JP40481290 A JP 40481290A JP 40481290 A JP40481290 A JP 40481290A JP H0673383 B2 JPH0673383 B2 JP H0673383B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】[発明の目的]
【0002】
【産業上の利用分野】本発明は半導体結晶の肉薄ダイヤ
フラム面に起歪抵抗ゲージを形成した感圧ペレットを基
台に結合した構造の半導体圧力変換器の製造方法に関す
る。
【0003】
【従来の技術】流体圧力を検出する圧力変換器として、
半導体のピエゾ効果を利用したものが実用化されてい
る。この種の半導体圧力変換器は、その基本構造を図に
示すように、例えばシリコン(Si)からなる半導体単
結晶基板1の中央部に、圧力に感応する肉薄ダイヤフラ
ム面2を形成しこの肉薄ダイヤフラム面2の一方に基板
1とは逆導電型の拡散抵抗層3を形成し、これを起歪抵
抗ゲージとしている。そして、基板1の表面に設けられ
たSiO2 絶縁膜4に窓部を設け、この窓部を介して起
歪抵抗ゲージ3に対するアルミニウム等の電極配線5を
形成している。このように形成された感圧ペレットは、
基板1の周辺肉厚部を基台6に接着剤7等を用いて固定
される。基台6の中央部には圧力導入孔8が設けられて
おり、感圧ペレットはこの圧力導入孔8を介して導入さ
れた圧力Pに感応する。
【0004】すなわち起歪抵抗ゲージ3は、圧力Pによ
って歪を生じるダイヤフラムにより抵抗値変化を示し、
この抵抗値変化は起歪抵抗ゲージ3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る。これにより、例
えば微弱な圧力変化をも高感度に検出されるようになっ
ている。
【0005】このように半導体圧力変換器は、ダイヤフ
ラムに生じた歪によって微弱な圧力を高感度に検出する
ものであるから、当然、感圧ペレットに加わる残留応力
やその温度変化が問題となる。この問題を解消する為に
は基台6に固定される感圧ペレットに応力が加わらない
ように、その基台6および接着剤7についても半導体結
晶基板1との熱膨脹を整合させる必要がある。そこで従
来、基台6として感圧ペレットと同じ材料であるシリコ
ンを用いることが考えられている。然し乍ら接着剤7と
しては、例えば金・シリコンの共晶や低融点半田ガラス
を用いざるを得ないので、これらの高熱膨脹率の材料に
起因する残留応力を除去することができないと言う問題
があった。
【0006】これに対して最近では、ホウケイ酸ガラス
にて基台6を構成し、感圧ペレットと基台6の接合を接
着剤を用いず、高温加熱、或いは電圧印加により行うこ
と試みがなされている。このような手段によれば、ガラ
スの種類を適当に選ぶことで、広い温度範囲で熱膨脹の
整合を図ることが可能となる。
【0007】然し乍ら、この種の半導体圧力変換器は静
圧下で用いられることが多い。この場合シリコンとガラ
スとの接合体では、両者の圧縮率が一桁以上も異なるた
めに不均等な変形が発生し、この結果感圧ペレット部に
応力が加わる。この応力はブリッジ回路の零点変動とし
て現われ、半導体圧力変換器の使用上大きな問題とな
る。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】以上のように従来の半
導体圧力変換器では、基台と感圧ペレットの接合状態に
起因する残留応力や変形等があり、高精度の圧力測定が
できないという問題があった。
【0009】本発明はこのような事情を考慮してなされ
たもので、その目的とするところは、残留応力が小さ
く、しかも温度特性及び静圧特性の良好な半導体圧力変
換器を提供することにある。
【0010】[発明の構成]
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明は感圧ペレットを
固定する基台として感圧ペレットと同じ材料であるシリ
コンを用い、その接合面をそれぞれ鏡面研磨し、これら
の研磨接合面間に薄い酸化膜だけを介在させ、かつシラ
ノール基を形成した状態で感圧ペレットと基台とを直接
接合する。特に上記酸化膜として前記感圧ペレットや基
台と同じ材料であるシリコンの酸化膜を用いることによ
って、他の異物を介することなしに感圧ペレットと基台
とを接合して半導体圧力変換器を製造するようにしたも
のである。
【0012】
【作用】本発明によれば、シリコン酸化膜が感圧ペレッ
トと基台との接着層として有効に作用して、感圧ペレッ
トと基台とを強固に接合する。即ち、鏡面研磨された前
記感圧ペレットと基台の各接合面をそれぞれ清浄化し、
その面に薄い酸化膜を形成し、かつシラノール基を形成
して、これらの間にゴミ等の異物を介在させることなし
に両者を接触させて接合するので、接着剤に起因する残
留応力等の問題のない、特性の良好な半導体圧力変換器
を得ることができる。また、酸化膜の厚みを1μm 程度
と十分に薄くすることによって半導体圧力変換器の静圧
特性や温度特性等を十分に高いものとすることができ
る。従って各種用途に用いられる半導体圧力変換器とし
て実用上多大な効果が奏せられる。
【0013】
【実施例】以下、本発明の実施例につき説明する。
【0014】本発明は感圧ペレットや基台と同じ構成材
料であるシリコンの酸化膜で感圧ペレットと基台とを接
合するものであるが、このようにして酸化膜を介在させ
るだけでシリコン同士が接合する理由の詳細は不明であ
る。然し乍ら、ガラスとガラスとを接触させたとき、そ
のガラス面が十分に清浄であれば摩擦係数が非常に大き
くなり、ガラスの破壊なしには両者を引離すことができ
ない程度に強く結合することは良く知られている。ま
た、シリコン酸化膜もガラスの一種であり、シリコンの
清浄面には短時間で自然酸化膜の層が形成されることも
知られている。従ってこのような酸化膜を介在させたシ
リコン同士の接合にあっても、ガラス同士の接合と同様
な現象が生じるものと考えられる。然し乍ら、このシリ
コン同士の接合の場合、実際に極く僅かな油分等のよご
れがその表面に存在するだけで接合ができなくなり、ま
た接合面が平滑でなかったり、接合面間に僅かなゴミ等
が存在するだけで接合ができなくなる。
【0015】このように酸化膜はシリコン間の接合に必
須の要素であり、この酸化膜は例えば熱酸化法、化学蒸
着法、スパッタリング法等の物理蒸着法によって形成す
ることができる。しかし、シリコン間の接合を為すには
酸化膜形成後の接合面表面が鏡面であることが必要であ
り、例えば不適切に条件設定された化学蒸着法で酸化膜
を形成した結果、その酸化膜に0.2 μm 程度のクラスタ
が存在するだけでシリコン間の接合が困難になる。ちな
みにこのようにして積極的に酸化膜を形成することなし
にシリコンをクリーンルーム等の清浄な空気中に放置
し、或いは王水のような酸化性の液体中で煮沸する等し
て自然酸化膜を形成するだけでも、接合を為することが
できる。尚、酸化膜としては例えば化学蒸着法等によ
り、その酸化膜中にP2 5 やB2 3 等をドープした
ものを用いるようにしてもよい。
【0016】このようにして酸化膜を介在させて接合し
た感圧ペレットと基台との接合体はそのままでも高い気
密性を示し、かなり強い接着強度を示すが、更にこれを
200℃以上の温度で加熱処理することによって、接合
強度を大幅に増大させることが可能となる。即ち、本発
明者等の実験によれば、接合体の接合面に5kg/cm2
度の圧力を加えるだけで接合体は剥離するが、接合体を
200℃で約1時間加熱処理した後には、15kg/cm2
以上の圧力を加えても剥離が生じることがなく、接合面
以外の部位で素子の破壊が生じることが見出された。一
般にガラスまたは酸化膜の表面に形成されるシラノール
基(Si−OH)は200℃で脱水縮合することは知ら
れている。このことを考慮すれば、上記結合度の増大は
酸化膜または自然酸化膜の表面のシラノール基の脱水縮
合により、(Si−OSi)の結合が形成される結果で
あると考えられる。
【0017】次に具体的な本発明に係る半導体圧力変換
器について説明する。感圧ペレットは従来公知の技術を
そのまま利用して製作することができる。例えば両面研
磨したn型の[111]シリコン基板を用意し、p型の
抵抗層を拡散法によって形成する。しかるのち、この基
板に蒸着したアルミニウムをフォトリソグラフィ技術を
用いてパターニングし、上記p型抵抗層を起歪抵抗ゲー
ジとするブリッジ回路を形成する。そして、PSG保護
膜を形成したのち、肉薄ダイヤフラム面をエッチング法
により形成する。これによって、直径8mm、厚さ150
μm の肉薄ダイヤフラム面を有する10mm×10mm、厚
さ400μm の感圧ペレットを作成する。この感圧ペレ
ットの感度は、最大圧力4kg/cm2 に設定されている。
またその接合面に設ける酸化膜は例えばそのウェハーに
予め熱酸化等により形成しておけば、製造工程上都合が
よい。
【0018】一方、基台としては、外径14mmφ、内径
4mmφ、厚さ3mmのシリコン円板を機械加工して作成
し、その接着すべき面を鏡面研磨する。この円板を酸素
雰囲気中で1200℃で加熱し、0.50μm の酸化膜を表
面に形成する。このようにして得られた感圧ペレットと
基台とをトリクレン煮沸、アセトン超音波洗浄後、水
洗、アセトン置換、フレオン乾燥の工程で清浄化し、酸
化膜表面にはシラノール基が形成された状態を得る。つ
いでクリーンルーム中でそれらの接合すべき面を相互に
接触させ、軽く圧迫して接合させた。しかる後、この接
合体をオーブンに入れて200℃で約30分加熱した。
尚、この加熱中にいくつかの試料には5kgの加重を加え
たが、この加重の有無による接合力等の本質的な差異は
検出できなかった。
【0019】このようにして得られた半導体圧力変換器
の圧力零における残留抵抗の温度変化、真空リークの有
無、および素子破壊圧力を調べたところ、いずれも目的
とする仕様を満足していることが確認された。即ち、残
留抵抗の温度変化は−30℃〜+100℃の範囲で2%
以内であり、真空度10-9Torr以下であってもリークが
なく、破壊圧力が10kg /cm2 以上であることが確認さ
れた。またこの半導体圧力変換器を油圧容器に入れ、1
40kg /cm2 の静圧を印加し、常圧の場合との抵抗ブリ
ッジの平衡点の差異を調べたが、0.01%程度であって事
実上問題とならなかった。
【0020】一方、自然酸化膜を介在させた接合の例と
して上記したものと同じ感圧ペレットを用い、基台とし
て上記したものと同様に機械加工、研磨したシリコン基
板を王水中で1時間煮沸し、その後水洗、乾燥し、その
表面が水によくぬれて自然酸化膜が形成されたと判断さ
れるもの形成し、これらを清浄な環境下で接触させた。
この場合にも、かなり強固な接合体を得ることができ
た。また、この接合体を電気炉内で400℃、10分間
加熱し、その接合強度を増大させた。このようにして得
られた半導体圧力変換器も、ブリッジ平衡点の温度変
化、静圧変化等が極めて僅かであり、圧力センサとして
十分な特性を示すことが確認された。
【0021】尚、本発明は上記実施例に限定されるもの
ではない。例えば酸化膜の形成法は従来周知の技術を適
宜用いることができ、その膜厚も仕様に応じて定めれば
よい。また酸化膜厚は5μm 以下とすればよく、実用上
0.6 μm 程度が好ましい。要するに本発明はその要旨を
逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【0022】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、シ
リコン酸化膜が感圧ペレットと基台との接着層として有
効に作用して、感圧ペレットと基台とを強固に接合する
ことができ、接着剤に起因する残留応力等の問題のな
い、特性の良好な半導体圧力変換器を得ることができ
る。また、酸化膜の厚みを1μm 程度と十分に薄くする
ことによって半導体圧力変換器の静圧特性や温度特性等
を十分に高いものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】半導体圧力変換器の基本構成を示す図である。
【符号の説明】 1…半導体結晶基板、2…肉薄ダイヤフラム面、3…起
歪抵抗ゲージ、5…電極配線、6…基台。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 白水 俊次 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝総合研究所内 (56)参考文献 特開 昭57−10980(JP,A)

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】肉薄ダイヤフラム面に起歪抵抗ゲージを形
    成した感圧ペレットを、中央部に前記感圧ペレットの肉
    薄ダイヤフラム面に圧力を導入する圧力導入孔を設けた
    基台と接合して半導体圧力変換器を製造する方法であっ
    て、 前記基台を前記感圧ペレットと同じ材料で形成して、こ
    れら基台と感圧ペレットの接合すべき面をそれぞれ鏡面
    研磨する工程と、 前記基台と感圧ペレットの接合すべき面の少くとも一方
    に酸化膜を形成する工程と、 前記酸化膜の表面にシラノール基を形成する工程と、 前記基台と感圧ペレットを異物を介することなく直接接
    触させて接合する工程と、 を備えたことを特徴とする半導体圧力変換器の製造方
    法。
  2. 【請求項2】前記シラノール基は水洗処理により形成す
    ることを特徴とする請求項1記載の半導体圧力変換器の
    製造方法。
  3. 【請求項3】前記酸化膜は、感圧ペレットおよび基台と
    同じ材料の酸化物であることを特徴とする請求項1記載
    の半導体圧力変換器の製造方法。
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US8026594B2 (en) 2005-11-25 2011-09-27 Panasonic Electric Works Co., Ltd. Sensor device and production method therefor

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