JPS5816345B2 - 半導体圧力変換装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は温度ヒステリシス特性を改善した半導体圧力
変換装置に関するものである。

半導体プレーナ技術の応用により、シリコンまたはゲル
マニウム等の半導体単結晶基板の一部に肉薄の起歪ダイ
ヤフラムを設け、このダイヤフラムに感圧素子としてた
とえば拡散抵抗素子を形成した半導体圧力変換装置が実
用化されている。

第１図はこのような半導体圧力変換装置の一例の概略的
構造を示すものである。

この圧力変換装置は図示のように流体の圧力を受けるシ
リコン単結晶の圧力変換基板１と、これを接着固定する
固定台２とを備えている。

圧力変換基板１は例えばｎ形単結晶板を用い、］その中
央部に肉薄のダイヤフラム３が形成され、その一方の面
に流体の圧力Ｐを受げる。

ダイヤフラム３の他方の面に、結晶方位に合わせ感圧素
子としてＰ形の拡散抵抗層４が複数個配設されている。

また固定台２には、その中央部に流体の通路、どなる貫
通孔５が設けられ、この貫通孔５に流入する流体の圧力
が、前記拡散抵抗層４のピエゾ抵抗変化により検出され
る。

すなわち圧力Ｐによるダイヤフラム３の歪に応じ、拡散
抵抗層４における抵抗値の変化の異方性を利用して、こ
れらの拡散抵抗層４を第２図に示すようなブリッジ回路
に組むことにより検出回路を構成することができる。

第２図において４ａ。４ｂはこれらの拡散抵抗層、Ｒ１
，Ｒ２は固定抵抗（４にΩ）Ｅは電池（４ｖ）を示して
いる。

第１図において、圧力変換基板１の上面にはさらに例え
ば二酸化シリコンの絶縁膜６が形成され、その上の金属
層７は拡散抵抗層４間の内部結線や外部への電極取出し
端子の役割を果している。

したがってこの金属層７には必要に応じリード線８がボ
ンディングされている。

さて、前記圧力変換基板１と固定台２との接着には各種
の手段があるが、半導体素子としての工業性、信頼性の
観点からＡｕ −８ｉ共晶合金構造が最も望ましいとさ
れている。

その理由は、圧力変換基板１はそれ自身が否検知素子で
あるため、検知しようとする流体圧力Ｐ以外のすべての
外部応力にできるだけ感応しないようにする必要がある
からである。

流体圧力Ｐ以外で圧力変換基１に歪応力を与える要因の
うち大きなものに、前記圧力変換基板１と固定台２との
接着によって生ずる接着歪を挙げることができるこの接
着歪を少な（するためには、圧力変換基板１が例えばｎ
形単結晶シリコンである場合にこれを接着固定する固定
台２も全く同じ熱膨張係数を有するｎ形単結晶シリコン
を素材としたものにしなければならない。

しかも接着層９の熱膨張係数も前記圧力変換基板１およ
び固定台２と極めて近い値のものにする必要がある。

このような事情から、圧力変換基板１と固定台２の接着
には両者と共晶合金化して一体化するＡｕ−８ｉ接着法
を用いるのが最も効果的であるとされてきた。

Ａ１１−８ｉ共晶合金接着は第１図において、圧力変換
基板１０周辺肉厚部の端面１ａおよび固定台２の端面２
ａをあらかじめＨＦ等の強酸によって洗滌し二酸化シリ
コン膜を除去した後、１０〜５０μｍのＡｕ箔を両端面
１ａ、２ａ間に挾んでＮ２ またはＮ２ 等の還元雰囲
気中で３６０〜４００℃に加熱圧着することによって実
現できる１Ａｕ箔を挾むかわりに端面ｉａ、２ａにあら
かじめＡｕ蒸着膜を形成しておいてもよい。

Ａｕ−８ｉ共晶合金接着を行なう際の重要な点は、接着
されるシリコン材料の端面から二酸化シリコン膜を除去
しておかなければならないことである３しかし、一方圧
力変換基板１のダイヤフラム３が極めて薄くなる微圧用
の圧力変換装置においてはＡｕ−８ｉ共晶合金接着を行
なう際に、圧力変換基板の接着面から二酸化シリコン膜
を除去することによって大きな欠点を生ずることが明ら
かとなった。

すなわち第３図は圧力変換基板１の接着面から二酸化シ
リコン膜を除去したままのものをリード線８だけで宙づ
りにして拡散抵抗層４を第２図に示すようなブリッジに
組み込み、−２０℃〜＋８０℃までの熱サイクルを加え
た場合のオフセット電圧△Ｖの変化を示したものである
。

ここに示した圧力変換基板１の具体的寸法は、第３図中
に棚略図で示したように周辺肉厚部の厚さが３００μｍ
、ダイヤフラム３の径が４ｍｍで厚さは８０μｍのもの
であり、０．８ ｋｇ／ｃｒｒｉの圧力で４〜５％の抵
抗変化を得る素子を用いた。

第３図から明らかなように、接着端面から二酸化シリコ
ン膜を取り去った圧力変換基板１の場合には温度変化に
対するオフセット電圧のヒステリシス特性が甚しく温度
２０℃において−０，２８〜＋０．１７７ＬＶの相違が
ある。

このような大きなヒステリシス特性が現われるのを気圧
力変換装置を構成する場合圧力変換基板１の表面に必ず
必要とする例えば二酸化シリコンの絶縁膜６と圧力変換
基板１自身この熱膨張係数の差によって生ずる内部歪に
起因するものと考えられる。

このように肉薄の起歪ダイヤフラムに拡散抵抗素子を形
成した構造の半導体圧力変換装置は、圧力変換基板と固
定台間の接合を確実にするためには接着端面の二酸化シ
リコン膜を除去する必要があり、一方二酸化シリコン膜
を除去すると抵抗変化の温度ヒステリシス特性が顕著に
現われるという技術上の難点がある。

この発明はこのような事情を解決するためのもので、圧
力変換基板の接着端面に例えば酸化シリコン膜を残した
ままの状態でこの上に酸化シリコン並びにシリコンと密
着性の高いアルミニウム、ニッケル等の金属層を形成し
た後Ａｕ−３ｉ共晶合金接合を行なうことにより、固定
台との接着が確実でしかも温度ヒステリシス特性の少な
い半導体圧力変換装置を提供しようとするものである。

以下図面を参照してこの発明の一実施例を説明する。

第４図において１１は例えばｎ形のシリコン単結晶より
なる圧力変換基板であり、１２はこれを接着固定するた
めの固定台である。

圧力変換基板１１の中央部に肉薄のダイヤフラム１３を
形成し、その固定台１２側の面を流体の圧力Ｐを受げる
受圧面とし、これに対向する他方の面に結晶方位に合せ
感圧素子としてプレーナ状をなしたＰ形の拡散抵抗層１
４を複数個配設する。

一方、固定台１２の中央部には流体の通路となる貫通孔
１５を形成しておく。

圧力変換基板１１の図示上面に、前記拡散抵抗層１４を
保護しかつ他の部分との電気的絶縁をはかるための例え
ば二酸化シリコンの絶縁膜１６を形成し、さらにその上
部に拡散抵抗層１４間の内部結線や外部への電極取り出
し端子となる複数個の金属層１７を設けて、必要に応じ
これらの金属層１７よりボンデングによりリード線１８
を導出する。

第４図ａに示すように、圧力変換基板１１の周辺肉厚部
１９の端面１１ａには約７０００人の例えば二酸化シリ
コン膜２０があるがこの圧力変換装置は固定台２との接
着のために二酸化シリコン膜２０を除去することをせず
そのままとする。

コ（７）シリコン膜２０の上にこれと密着性の高い例え
ばアルミニウムの蒸着による金属層２１を約０．５〜２
μｍを設け、圧力変換基板１１全体をＮ２ ガス等の不
活性雰囲気中でシンク（５ｉｎｔｅｒ 、’を行なう。

この作業は圧力変換基板１１の他の面に設ける配線用の
金属層１７にアルミニウムを用いこのシンクを同時に行
なうこともできる。

さらに前記金属層２１の上に約２〜３μｍのニッケルよ
りなる金属層２２をメッキあるいは蒸着法によって形成
する。

接着用の端面１１ａにこのようにして金属層２１．２２
を形成した圧力変換基板１１を、第４図すに示すように
固定台１２と対向させ、両者の間に１０〜５０μｍのＡ
ｕ箔２３を挾み、Ｎ２またはＮ２等の不活性雰囲気中に
おいて３６０°〜４００℃で加熱圧着することにより両
者のＡｕ−８ｉ共晶合金接着を行なう。

゛この際、この圧力変換装置において＆転圧力変換基板
の密着端面に酸化シリコン膜並びにシリコン密着性の高
い金属層をシンクにより形成して、予め浸透させである
のでＡｕはこの部分を通じて接合面に垂直な方向のみで
なく接合面の方向にも容易に拡がり、例えば二酸化シリ
コン膜があるにもかかわらず接着を確実かつ強固なもの
とすることができる。

しかも拡散抵抗層の変化の温度ヒステリシス特性は第５
図に示すように驚異的に改善される。

すなわち第５図においてＩは第１図および第３図に構造
並びに温度ヒステリシス特性を示したような例えば二酸
化シリコン膜全部を接着端面より除去した従来の圧力変
換装置の温度ヒステリシス特性を示し、基板単体の場合
よりも一層温度ヒステリシスが増大していることがわか
る。

たとえば３０℃においてブリッジオフセット電圧は−０
，２１Ｖ〜＋〇、３６Ｖの変化がありその差は０．５７
Ｖである。

これに対してこの発明による圧力変換装置の場合には、
曲線■で示すようにヒステリシス特性は著しく改善され
、ブリッジオフセット電圧は３０℃において、僅かに−
０，０４５〜＋〇、０３５Ｖの変化で、その差はｏ、ｏ
ｓｖであるにすぎない。

このように温度ヒステリシス特性が改善されるのは従来
の装置において例えば二酸化シリコンの絶縁膜と圧力変
換基板との間の熱膨張係数Ｑ差によって生ずる内部歪を
、裏面にも二酸化シリコン膜を全面にわたり残すことに
よって相殺することができるためと考えられる。

したがってこの発明に係る半導体圧力変換装置Ｑ′！、
圧力変換基板と固定台との接着が確実であることと、温
度ヒステリシス特性の改善の二つの要請をともに満すこ
とができる。

第５図の実施例では例えば酸化シリコンおよびシリコン
と密着性の性のよい金属としてアルミニウムおよびニッ
ケルを用いているが、このような性質を有するものとし
ては他に例えばチタン、タンタル、クローム、タングス
テン、銅、白金等を挙げることができる。

したがってこれらの金属を適宜選択して用いることがで
きる。

また第５図の実施例はこれらを２種類用いているがこの
発明は必ずしもこれにこだわるものではなく状況に応じ
１種でもよくさらに２種類を越えて用いるようにしても
よい。

なお、固定台１２にシリコンよりなるものを用いた場合
には通常その表面が酸化されて酸化シリコン層が形成さ
れているので、圧力変換基板側との接着を良好にするた
め第６図に示すようにその表面に予め酸化シリコン層並
びにシリコン層に対して密着性の高い金属層２１を形成
しいわゆるメタライズを施しておくのが普通である。

さらに上記実施例では感圧素子として拡散抵抗層を形成
した場合を示したが、この発明はこれに限るものではな
く、ダイオード、トランジスタ等の異なるプレーナ状の
感圧素子を用いることができる。

なお、これらの場合には圧力の変換出力が異なる単位と
なる場合のあることはいうまでもない。

以上述べたようにこの発明によれｋｆ、圧力変換基板の
接着端面に例えば酸化シリコン膜を残したままの状態で
この上に酸化シリコンおよびシリコンと密着性の高いア
ルミニウム、ニッケル等の金属層を形成した後Ａｕ−８
ｉ共晶合金接合を行なうことにより、固定台との接着が
確実でしかも温度ヒステリシス特性の少ない半導体圧力
変換装置を提供することができる。

なお、この発明は上記各実施例に限定されるものではな
く要旨を変更しない範囲において種々変形して実施する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の半導体圧力変換装置の一例の構成を示す
縦断面図、第２図は拡散抵抗層をブリッジに組み込んで
ブリッジオフセット電圧を測定する場合の回路構成図、
第３図は従来の半導体圧力変換基板を用いた場合のブリ
ッジオフセット電圧の温度ヒステリシス特性を示す特性
図、第４図はこの発明の一実施例の構成を示す縦断面図
、第５図は第４図の実施例のブリッジオフセット電圧の
温度ヒステリシス特性を従来の圧力変換装置の場合と比
較して示す特性図、第６図はこの発明の固定台にシリコ
ンを用いた場合にその正面の状況を説明するための縦断
部分図である。 １・・・・・・圧力変換基板、２・・・・・・固定台、
３・・・・・・ダイヤフラム、４・・・・・・拡散抵抗
層、５・・・・・・貫通孔、６・・・・・・絶縁膜、７
・・・・・・金属層、８・・・・・・リード線、９・・
・・・・接着層、ｌａ 、２ａ・・・・・・端面、１１
・・・・・・圧力変換基板、１２・・・・・・固定台、
１３・・・・・・ダイヤフラム、１４・・・・・・拡散
抵抗層、１５・・・・・・貫通子ヒ１６・・・・・・絶
縁膜、１Ｔ・・・・・・金属層、１Ｂ・・・・・・リー
ド線、１９・・・・・・周辺肉厚部、２０・・・・・・
二酸化シリコン膜、２１，２２・・・・・・金属層、１
１ａ、１２ａ・・・・・・端面、２３・・・・・・Ａｕ
箔。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 流体の圧力により変形するダイヤフラムを有しシリ
   コン単結晶よりなる圧力変換基板と、前記ダイヤフラム
   の面に設けられたプレーナ状の感圧素子と、この素子を
   保護しかつ他の部分との電気的絶縁をはかるための酸化
   シリコンの絶縁膜と、流体を受は入れるための貫通孔を
   有するシリコン単結晶板の固定台とを備え、前記基板と
   この固定台とが金を媒体として接着されこの接着層が前
   記基板側から酸化シリコン層、この酸化シリコン層並び
   にシリコン層に対して密着性の高い金属層、および金属
   の順で積層された多層構造よりなることを特徴とする半
   導体圧力変換装置。