JPH0777470A - 半導体圧力センサおよび製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、はんだの厚さの不均一に起因した、
温度変化による歪発生の防止を目的とする。 【構成】本半導体圧力センサは、第１の面に設けられた
空洞１５によりダイアフラム１６を形成する半導体基板
１１と、半導体基板１１の第１の面に一端面が接合され
空洞１５へ圧力を導入する導圧路１８が設けられた台座
管１２と、半導体基板１１の第２の面に設けられた歪み
センサと、歪みセンサの出力を取出すための信号取出部
とを備え、半導体基板１１の第１の面と台座管１２の一
端面とを接合材により接合したものであって、台座管１
２の一端面であって少なくとも前記空洞１５の外周縁に
対向する領域に、前記第１の面と前記台座管１２の一端
面との接合面から台座管１２側へ落ち込む落込み部１９
を設けたことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、薄膜シリコンダイアフ
ラムを有する半導体基板と、導圧路を有する台座管とを
接合してなる半導体圧力センサ及びその製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来より、圧力の検出を行うためのセン
サとして半導体圧力センサが知られている。半導体圧力
センサは、単結晶半導体（例えば、シリコン等）に薄膜
ダイアフラムを形成して、その薄膜ダイアフラムの優れ
た弾性を利用して当該ダイアフラムの両面にかかる圧力
差に応じた応力を検出するものである。

【０００３】一般的な半導体圧力センサの構成例を図９
（ａ）（ｂ）に示している。同図に示す半導体圧力セン
サは、単結晶半導体センサチップ１の一方の面に円形空
洞２が形成され、この円形空洞２を覆うように台座管３
が単結晶半導体センサチップ１に接合されている。台座
管３には円形空洞２へ圧力を導入するための導圧路４が
形成されている。

【０００４】単結晶半導体センサチップ１において円形
空洞２により薄くされた領域が薄膜ダイアフラム５を構
成している。この薄膜ダイアフラム５には、円形空洞形
成面に対する反対側の面に、一対の半径方向歪みセンサ
６ａ，６ｂ、及び一対の接線方向歪みセンサ７ａ，７ｂ
が作り込まれている。これらのセンサ６ａ，６ｂ，７
ａ，７ｂは、薄膜ダイアフラム５の両面にかかる差圧を
検出するための差圧センサである。

【０００５】上記差圧センサ及び静圧センサは、ピエゾ
抵抗特性を有する応力センサからなり、センサの抵抗は
チップ内の応力が変化するとき、センサにかかる応力に
よって変化する。これらの差圧センサはブリッジ回路を
構成するように相互に接続され、薄膜ダイヤフラム５に
かかる差圧を表す信号を不図示の信号取出部から出力す
る。

【０００６】また、静圧下に生じる歪みを検出するため
に複数対の静圧センサ８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂが、差圧
センサと同一基板上のダイアフラムの周囲に同様な配置
で設けられている。なお、静圧下とは、ダイアフラムの
両面に圧力が印加されている状態である。この静圧セン
サも差圧センサと同様に応力センサからなり、相互にブ
リッジ接続されている。

【０００７】以上のように構成された半導体圧力センサ
では、差圧センサが薄膜ダイアフラム５内に誘起される
歪みに感応して差圧検出信号を出力する。ところで、上
述した半導体圧力センサは、台座管３の材料によっては
両者を陽極接合できないことがあり、そのような場合に
はセンサチップ１と台座管３とをはんだを使って接合し
ている。センサチップ１と台座管３との接合面の形状に
応じた形状のプリフォームはんだを両者の間に挟み込
み、センサチップ１と台座管３とを熱を加えスクラブし
て両者を接合している。

【０００８】図１０は、プリフォームはんだを使ってセ
ンサチップ１と台座管３とを接合した半導体圧力センサ
を示している。同図に示すように、空洞２を形成するセ
ンサチップ１内壁のエッジ部分Ｐ１、センサチップ１と
台座管３との接合面の外周Ｐ２には、スクラブ時にエッ
ジで削り取られたはんだや、その後に接合面からはみ出
したはんだが盛り上がるようにして固化している。エッ
ジ部分Ｐ１，接合面の外周Ｐ２に盛り上がるようにして
固化したはんだは、当然のことながら不均一な厚さとな
っている。

【０００９】ところが、センサチップ１及び台座管３の
材料であるシリコンとはんだとの熱膨張率が相違してい
るため、温度変化があると両者の間に歪みが生じ、その
歪みがダイアフラム５に伝わることから、差圧センサ，
静圧センサの信号直線性が悪化し、また熱ヒステリシス
等を生じる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来の半
導体圧力センサは、センサチップ１内壁のエッジ部分Ｐ
１や、センサチップ１と台座管３との接合面の外周部Ｐ
２に不均一に盛り上がったはんだが固化しているため、
差圧センサ，静圧センサの信号直線性が悪化し、又熱ヒ
ステリシスを生じて、測定精度の低下を招くという問題
があった。

【００１１】本発明は以上のような実情に鑑みてなされ
たもので、半導体基板と台座管とを接合するはんだを薄
く均一な厚さとすることができ、温度変化による歪みの
発生を無くし測定精度の向上を図り得る半導体圧力セン
サ及びその製造方法を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の半導体圧力センサは、第１及び第２の面を
有し前記第１の面に設けられた空洞によりダイアフラム
を形成する半導体基板と、前記半導体基板の第１の面に
一端面が接合され前記空洞へ圧力を導入する導圧路が設
けられた台座管と、前記半導体基板の第２の面に設けら
れた歪みセンサと、前記歪みセンサの出力を取出すため
の信号取出部とを備え、前記半導体基板の第１の面と前
記台座管の一端面とを接合部材により接合したものにお
いて、前記台座管の一端面であって少なくとも前記空洞
の外周縁に対向する領域に、前記第１の面と前記台座管
の一端面との接合面から台座管側へ落ち込む落込み部を
設けた。

【００１３】本発明の半導体圧力センサの製造方法は、
第１及び第２の面を有し前記第１の面に設けられた空洞
によりダイアフラムを形成する半導体基板と、前記半導
体基板の第１の面に一端面が接合され前記空洞へ圧力を
導入する導圧路が設けられた台座管とを有する半導体圧
力センサを製造する方法であって、前記半導体基板が作
り込まれ基板母材の前記空洞を囲む領域、又は前記台座
管が作り込まれた台座管母材の前記空洞を囲む領域に対
応する領域の、少なくとも一方に溝を形成し、前記基板
母材と前記台座管母材とを接合材を介して接合し、その
基板母材と台座管母材との接合体を前記溝に沿って切断
することを特徴とする。

【００１４】

【作用】本発明の半導体圧力センサでは、半導体基板と
台座管との間にはんだを挟んでスクラブすることにより
はんだが溜まる部分に、その溜まったはんだを台座管側
へ落とし込む落込み部が台座管の一端面に形成されてい
る。従って、半導体基板の空洞部のエッジ等で盛り上が
るようにして溜まるはんだは台座管の落込み部に溶出
し、接合材が接合面に薄く均一に広げられる。その結
果、温度変化による歪みの発生が無くなり、高精度な測
定が実現されるものとなる。

【００１５】本発明の半導体圧力センサの製造方法で
は、基板母材と台座管母材とが接合材を介して接合され
る。そして基板母材における空洞を囲む領域、又は台座
管母材における空洞を囲む領域に対応する領域の少なく
とも一方に形成された溝、すなわち最終的に接合面の外
周となる領域にある接合材の一部が、その領域に形成さ
れた溝に入り込む。従って、しかる後、基板母材と台座
管母材との接合体を溝に沿って切断したときには、既に
溝に接合材の一部が溶出しているので，さらに接合部外
周に押し出されて出てくる溶出圧力は他の部分よりも低
くなっている。よって、作製された半導体圧力センサ
は、半導体基板と台座管との接合面外周から接合部材が
盛り上がるようにして固化することがなくなる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。図
１，図２には本発明の一実施例に係る半導体圧力センサ
の構成が示されており、図１には断面構造が、同図２に
は分解斜視図がそれぞれ示されている。

【００１７】本実施例の半導体圧力センサは、半導体基
板１１と、この半導体基板１１に一端面が接合せしめら
れる台座管１２と、差圧センサ及び静圧センサ（不図
示）と、差圧センサ及び静圧センサの出力を取出すため
の信号取出部（不図示）とを備えている。

【００１８】半導体基板１１は、シリコン等の単結晶半
導体材料からなり全体が方形をなしている。この半導体
基板１１は、互いに対向する第１の面１３及び第２の面
１４を有しており、第１の面１３の中央部に上底を第２
の面１４側に向けて台形状の空洞１５が形成されてい
る。この空洞１５によって半導体基板１１が薄くなって
いる部分で薄膜シリコンダイアフラム１６を形成してい
る。また半導体基板１１の第２の面１４には、上記した
差圧センサ及び静圧センサが作り込まれている。差圧セ
ンサ及び静圧センサは、前述した図９に示すセンサ配置
と同様な配置となっており、夫々ブリッジ接続されてい
る。また、半導体基板１１の第１の面１３には、空洞１
５の外周を囲む領域となる半導体基板１１の外周に沿っ
てＶ溝１７が形成されている。

【００１９】台座管１２は、シリコンからなり断面が半
導体基板１１と同一形状の四角柱状をなしている。台座
管１２の中心部には、円柱状の導圧路１８が形成されて
いる。この導圧路１８の中心と半導体基板１１の空洞１
５の中心とを一致させて、台座管１２の一端面を半導体
基板１１の第１の面１３に接合させている。

【００２０】台座管１２の一端面には、導圧路１８の中
心軸を中心として、空洞１５と開口形状が同一形状をな
す凹部１９が形成されている。半導体基板１１と台座管
１２とは、凹部１９の開口外周と空洞１５の開口外周と
の接合位置を一致させて、接合されている。凹部１９は
下底（短辺側）を下側に向けた台形状をなしており、開
口部（接合面）から底に掛けて導圧路１８の中心軸に向
けて傾斜している。また、台座管１２の一端面には、上
記半導体基板１１に形成したＶ溝１７と対向する領域
に、Ｖ溝２１が形成されている。

【００２１】なお、図１に示す断面構造は、基板母材と
台座母材とを接合した、半導体圧力センサの製造工程途
中のものである。後述するが、製造工程の最終段階で上
記各Ｖ溝１７，２１位置を切断するため、製品完成時に
は上記各Ｖ溝１７，２１は存在しなくなる。

【００２２】次に、以上のように構成された半導体圧力
センサの製造方法について、図３〜〜図６を参照して説
明する。図３は、半導体基板１１の母材となるウエハ２
２の平面図である。ウエハ２２には、方形の空洞１５が
マトリクス状に多数形成されており、１つの半導体基板
１１となる１チップを区画するように多数のＶ溝１７が
縦横に同間隔ｄで形成されている。縦横のＶ溝１７によ
り囲まれた正方形の１区画には、上記差圧センサ，静圧
センサ及び信号取出部を構成する回路がそれぞれ作り込
まれている。図３に示すウエハ２２の断面を図４（ａ）
に示し、１チップ当たりの拡大図を同図（ｂ）に示して
いる。

【００２３】図５は、台座管１２の母材となるシリコン
基板２３の平面図を示している。このシリコン基板２３
の一端面には、上記凹部１９がマトリクス状に多数形成
され、各凹部１９の中心に導圧路１８となる孔が形成さ
れている。また台座管１２の１区画を仕切るよう多数の
Ｖ溝２１が縦横に同間隔ｄで形成されている。図６は１
区画当たりの平面図を示している。

【００２４】この様に構成されたウエハ２２とシリコン
基板２３とを、その両者の間にプリフォームはんだを介
在させてスクラブし、ウエハ２２及びシリコン基板２３
の溝１７，２１を一致させた状態でプリフォームはんだ
により接合する。しかる後、ウエハ２２とシリコン基板
２３との接合体を、縦横の溝１７，２１の位置で、すな
わち図１に示すＡ位置をダイシングで分離する。これに
より、同一構造の半導体圧力センサが同時に多数作り出
される。

【００２５】本実施例では、ウエハ２２とシリコン基板
２３とのスクラブにより空洞１５内壁のエッジに溜まっ
たプリフォームはんだが、空洞１５の内壁エッジ部分に
近接して設けられた台座管１２の凹部１９に流れ落ち
る。そのため、空洞１５の内壁エッジ部分にはんだが盛
り上がった状態で固化することがなくなる。

【００２６】また、半導体基板１１と台座管１２との接
合面の外周部では、その近傍にあるプリフォームはんだ
の一部がＶ溝１７及びＶ溝２１に溶出する。上述したよ
うに、Ｖ溝１７，２１の部分が切断されることとなる
が、半導体基板１１と台座管１２との接合面の外周部で
は、既にプリフォームはんだの一部が溶出しているた
め、溶出圧力が他の部分よりも低くなっており、はんだ
の一部が接合部から外部に押し出されてくる可能性が低
いものとなる。

【００２７】このように本実施例によれば、空洞１５の
内壁エッジ部分に溜まるはんだを落し込むための凹部１
９を、半導体基板１１に接合する台座管１２の一端面に
設けたので、空洞１５の内壁エッジ部分でのはんだの盛
り上がりを防止することができる。また半導体基板１１
の空洞１５の周囲を囲む領域にＶ溝１７を形成し，台座
管１２の上記Ｖ溝１７に対応する領域にＶ溝２１を形成
し、半導体基板１１と台座管１２を貼り合わせて上記Ｖ
溝の中心で切断するようにしたので、接合面の外周部か
らはんだが押し出されて、そこに固化するのを防止でき
る。

【００２８】その結果として、半導体基板１１と台座管
１２とを接合するはんだを薄く均一な厚さとすることが
でき、温度変化による歪みの発生を無くし測定精度の向
上を実現できる。

【００２９】また、本実施例によれば、空洞１５の開口
形状と凹部１９の開口形状を同一にし、かつ、双方の開
口の重ね合わせを一致させているので、半導体基板１１
の耐圧力強度を高くすることができる。

【００３０】なお、上記実施例では、凹部１９の開口形
状を空洞１５の開口形状と同一形状としたが、台座管１
２の一端面における空洞外周に対向する領域にＶ溝３１
を形成しても良い。このＶ溝３１によっても上述した凹
部１９と同様の作用効果を得ることができる。

【００３１】また、半導体基板１１に加えられる圧力に
問題がなければ、図８に示すように、凹部１９′の形成
領域を空洞１５の開口領域よりも広い範囲まで広げた構
成とすることもできる。

【００３２】さらに、上述の実施例及び変形例では、半
導体基板１１及び台座管１２の双方にＶ溝１７，２１を
形成しているが、一方にのみ形成するようにしても良
い。また、上記実施例では、半導体基板１１の形状を方
形とし、台座管１２の外形を四角柱状としたが、上記形
状に限定されるものではない。

【００３３】

【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、半
導体基板と台座管とを接合するはんだを薄く均一な厚さ
とすることができ、温度変化による歪みの発生を無くし
測定精度の向上を図り得る半導体圧力センサ及びその製
造方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る半導体圧力センサの断
面図である。

【図２】上記実施例の半導体圧力センサの分解斜視図で
ある。

【図３】上記実施例の半導体圧力センサの半導体基板が
作り込まれたウエハの平面図である。

【図４】図３に示すウエハの断面図、及び１チップ部分
の拡大図である。

【図５】上記実施例の半導体圧力センサの台座管が作り
込まれたシリコン基板の平面図である。

【図６】図５に示すシリコン基板に作り込まれた台座管
の平面図である。

【図７】上記実施例の変形例を示す図である。

【図８】上記実施例の他の変形例を示す図である。

【図９】従来の半導体圧力センサの平面及び断面をそれ
ぞれ示す図である。

【図１０】半導体圧力センサの各部におけるはんだの盛
り上がり状態を示す図である。

【符号の説明】

１１…半導体基板、１２…台座管、１３…第１の面、１
４…第２の面、１５…空洞、１６…薄膜シリコンダイア
フラム、１７，２１…Ｖ溝、１８…導圧路、９…凹部、
２２…ウエハ、２３…シリコン基板。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 米本 郷 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東芝 府中工場内 (72)発明者 大畠 覚 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東芝 府中工場内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１及び第２の面を有し前記第１の面に
   設けられた空洞によりダイアフラムを形成する半導体基
   板と、前記半導体基板の第１の面に一端面が接合され前
   記空洞へ圧力を導入する導圧路が設けられた台座管と、
   前記半導体基板の第２の面に設けられた歪みセンサと、
   前記歪みセンサの出力を取出すための信号取出部とを備
   え、前記半導体基板の第１の面と前記台座管の一端面と
   を接合材により接合した半導体圧力センサにおいて、 前記台座管の一端面であって少なくとも前記空洞の外周
   縁に対向する領域に、前記第１の面と前記台座管の一端
   面との接合面から台座管側へ落ち込む落込み部を設けた
   ことを特徴とする半導体圧力センサ。
2. 【請求項２】 第１及び第２の面を有し前記第１の面に
   設けられた空洞によりダイアフラムを形成する半導体基
   板と、前記半導体基板の第１の面に一端面が接合され前
   記空洞へ圧力を導入する導圧路が設けられた台座管とを
   有する半導体圧力センサを製造する方法において、 前記半導体基板が作り込まれ基板母材の前記空洞を囲む
   領域、又は前記台座管が作り込まれた台座管母材の前記
   空洞を囲む領域に対応する領域の、少なくとも一方に溝
   を形成し、前記基板母材と前記台座管母材とを接合材を
   介して接合し、その基板母材と台座管母材との接合体を
   前記溝に沿って切断することを特徴とする半導体圧力セ
   ンサの製造方法。