JPS5928070B2

JPS5928070B2 - 半導体変位変換器

Info

Publication number: JPS5928070B2
Application number: JP8603077A
Authority: JP
Inventors: 保敏栗原; 道隆島添; 哲夫小杉
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1977-07-20
Filing date: 1977-07-20
Publication date: 1984-07-10
Also published as: JPS5422183A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は半導体変換器に関する。

特定な結晶軸方向を有する半導体単結晶はピエゾ抵抗効
果を有することが知られ、かかるピエゾ抵抗を利用した
歪ゲージは、従来の金属線型歪ゲージに比較して格段に
優れた特性を示すことは周知の通りである。

一般に、半導体型変位変換器は第１図に示す各部材から
構成されている。同図において、１は歪伝達部材、２は
歪検出体、３は接着材料そして４は歪検出体２と外部回
路を結ぶリード線である。即ち、歪伝達部材１の変位に
ともなう歪を接着材料３を介して歪検出体２に伝達し、
その伝達歪量に対応する電気出力をリード線４を通して
外部回路に取出す。この際、歪検出体２は種々の誘導雑
音から分離するため歪伝達部材１から電気的に絶縁され
るとともに、歪伝達部材１は接地される。かかる構成物
が変位変換器として有効に作動するためには、歪検出体
２を歪伝達部材１に強固に取付けるとともに、両者間を
電気的に絶縁する必要がある。このような要請から、従
来の半導体型変位変換器においては、…歪検出体と歪伝
達部材間をエポキシ樹脂やアクリレート樹脂などの有機
樹脂を用いて接着する方法、（２）半導体からなる歪検
出体内にｐｎ接合を形成し、このｐｎ接合障壁によつて
歪感応部（抵抗領域）と歪伝達部材間を分離し、歪検出
体一歪伝達部材間を導電性金属ソルダを介して接着する
方法、そして（３亜検出体と歪伝達部材間をガラス材で
接着する方法、が用いられてきた。

しかしながら、（１）の場合は接着材料そのものがかな
り厚く形成される結果、歪伝達部材の変位が正確に歪検
出体に伝達されず変位変換器の感度低下をきたし、また
有機樹脂は耐熱性が劣ることとあいまつて塑性変形を生
じやすく接着部にクリープ現象を生ずるという欠点があ
る。このように、半導体歪検出体と歪伝達部材の強固な
接着は有機樹脂を用いた方法ではあまり期待できない。
一方、（２）の方法は例えば特公昭３９−２１４４４号
公報に記載されているように、半導体歪訂を普通の合金
処理によつて歪を測知すべき部材に直接接着でき、そし
て合金層をかなりの程度まで薄くできるので、歪を半導
体歪訂に正確に伝達できる。しかし、Ｐｎ接合はこの接
合に順方向電圧が印加されるような電位に対しては絶縁
障壁として働き得ない。また、熱的なキヤリヤ発生のた
め高温雰囲気下では絶縁性低下の恐れがある。（３）の
方法は半導体歪検出体と歪伝達部材間の絶縁は完全に達
成されるが、ガラス材そのものが極めて脆いこととあい
まつて半導体と熱膨張係数の一致したガラス材を見出し
がたく、この結果両者の完全な接着が至難で、安定した
特性の変位変換器を工業的に生産することが困難であつ
た。

以上の背景から、本発明者らは既に前記（２）および（
３）の方法を発展させた変位変換器を提案している（特
願昭５１−３５９５８号）。第２図はこの方法により得
られた変位変換器の構成図である。この変位変換器は半
導体単結晶１１の一方の主表面１２側に歪感応領域１３
を形成し、前記主表面１２に対向した他方の主表面１４
側に絶縁性酸化物１５を具備した半導体歪検出体１６と
弾性金属材料からなる歪伝達部材１７とを、合金材１８
を介して一体化している。この場合、合金材１８と絶縁
性酸化物１５との接着を強固に保つ必要から両者間にク
ロム、銅またはニツケル、金を順次積層して形成した金
属層１９を介在させている。ここで、クロムは絶縁性酸
化物１５との接着強度を保持するため、銅またはニツケ
ルは合金材１８の侵蝕によつて上記クロム層が破壊され
るのを防止するため、そして金は銅またはニツケルが酸
化するのを防止するためにそれぞれ形成される。しかし
ながら、この方法では次のような障害を避けることがで
きなかつた。（１）前記金属層１９と合金材１８はマス
ク蒸着法などによつて通常形成されるが、合金材１８が
金属層１９から位置ずれして形成されその端部が金属層
１９からはみ出た場合、歪検出体１６と歪伝達部材１７
の接着熱処理によつて、そのはみ出し端部で金属層１９
中のクロムと合金材１８とが反応し、合金材によつてク
ロムが侵蝕され、この部分の接着強度を著しく低下させ
る。

また、この結果局部的に不均一な非接着領域が存在する
ため、接着した歪ケージには均一な歪伝達がなされにく
く、歪ゲージの特性に不安定性や精度低下を誘発しやす
い。

更に接着した歪ゲージに均一な歪伝達がなされにくい結
果、歪検出体の局部に応力の集中を生じやすく、歪ゲー
ジの機械的破壊を生ずる。

以上の結果、所望の特性および信頼性を具備した変位変
換器を安定に工業生産できない。

また、本発明者等は上述のような不都合はクロムの他、
モリブデン、タングステン、亜鉛、チタン、アンチモン
等でも見られることをも見出した。

本発明は以上に記述した従来の変位変換器の欠点を改善
し、半導体歪検出体と歪伝達部材間が強固かつ安定に接
着される半導体変位変換器を提供するものである。本発
明の半導体変位変換器は、半導体単結晶の一方の主表面
側に歪感応領域を形成し、仙方の主表面上に絶縁性酸化
物を被覆してなる半導体歪検出体とこの歪検出体に変位
を伝達する歪伝達部材間に、前記絶縁性酸化物に接する
ようにクロム、モリブデン、タングステン、亜鉛、チタ
ン、アンチモンの群から選ばれた第１の層、銅、ニツケ
ルの群から選ばれた第２の層、金、白金の群から選ばれ
た第３の層をこの順序で順次積層して得られる積層金属
層と、この積層金属層表面上で積層金属層の周縁より内
側に形成され前記歪伝達部材と接する合金層とを介在さ
せ、前記歪検出体と歪伝達部材とを一体化させることを
特徴とする。

第３図は以上の特徴を有する本発明の半導体変位変換器
の一例の構造図である。この変位変換器は半導体単結晶
１１の一方の主表面１２側に歪感応領域１３、他方の主
表面１４側に絶縁性酸化物１５を具備した半導体歪検出
体１６と弾性金属材料からなる歪伝達部材１７との間に
、前記絶縁性酸化物１５に接するようにクロム、モリブ
デン、タングステン、亜鉛、チタン、アンチモンの群か
ら選ばれた第１の層、銅、ニツケルの群から選ばれた第
２の層、金、白金の群から選ばれた第３の層をこの順序
で順次積層して得られる積層金属層２１と、金属層２１
の周縁２１１より内側に形成され、前記歪伝達部材１７
と接する合金層２２とを連続的に積層状に介在させてい
る。ここで、合金層２２の周縁２２１を起点とし、金属
層２１の周縁２１１に向けてとつた距離Ｄは、金属層２
１と合金層２２の接着面積を大きくして接着強度を高め
るためには、ゼロにすることが望ましい。

しかしながら、金属層２１と合金層２２のパターンを同
一形状とした場合、前述したように蒸着マスクパターン
と歪ゲージチツプとのパターンずれの発生を完全に阻止
できない以上、合金層２２が金属層２１の形成領域から
はみ出て形成されることは避けられない。したがつて、
距離Ｄは少くとも正の値をとるようにしなければならな
いが、蒸着マスクのアライメント精度、接着強度の維持
などのかね合いから、例えば合金層２１の厚さが１μｍ
以上の場合少くとも５０μｍ以上にすることが好ましい
。また、本発明を安定に実施するために、合金層の構成
物として金−ゲルマニウム、金−シリコン、金一スズを
用いることが最も好ましいが、金、銀、銅、亜鉛、鉛、
スズ、アンチモン、インジウム、シリコン、ゲルマニウ
ム、ビスマス、アルミニウム、セレン、テルルの中から
選択された２種またはそれ以上の金属から構成される合
金でもよい。

この際、合金層の厚さは１．５μｍ以上であれば実用上
問題はないが、最も好しくは１．５〜５μｍの範囲であ
る。以下、実施例により本発明を詳細に説明する。

実施例１本実施例ではシリコン変位変換器について説
明する。

この変換器は面方位（１１０）、比抵抗４Ω？、導電型
ｎのシリコン単結晶の一方の主表面側にｐ型拡散抵抗領
域そして前記主表面に対向する他方の主表面に二酸化シ
リコン膜を具備した歪ゲージチツプと表面に金をメツキ
したフエルニコ（鉄５５％−ニツケル３０％−コバルト
１５％の合金）カンチレバとを、前記二酸化シリコン膜
上にタロム一銅一金をこの順序で連続マスク蒸着積層し
た金属層とさらにこの金属層上にマスク蒸着して形成し
た厚さ約２μｍの金−ゲルマニウム（１２重量バーセン
ト）系合金層を介して一体化したものである。この際、
合金層はその被着面積が金属層のそれより小さくそして
前述の距離Ｄが５０〜２５０μｍとなるように形成した
。以上の構成で得られたシリコン変位変換器のカンチレ
バに変位を与えたところ、歪ゲージチツプはｐ型拡散領
域の歪量に換算して３０００Ｘ１０−６に相当する変位
を生じさせても剥離あるいは破損することはなかつた。

これは金−ゲルマニウム合金層がクロム一銅一金からな
る金属層の領域から外側にはみ出ないような構造とした
ため、上記合金層と金属層との接着部端部におけるクロ
ムと金−ゲルマニウム合金との反応を阻止できそして二
酸化シリコン−クロム界面が変質を受けなかつたことに
よる。また、この変換器の歪出力特性の非直線誤差は最
大歪量を３０００Ｘ１０−６とした場合±０．００１％
以下と極めて小さく、そして同特性のヒステリシスは０
．０５％以下と極めて小さく、精度、安定性に優れてい
ることが明らかになつた。これは歪ゲージチツプが均一
に接着されているため、カンチレバに与えられた歪が正
確に歪ゲージチツプに伝達されたことによる。実施例
２本実施例ではシリコン変位変換器について説明する。

この変換器は前記実施例１と同様の歪ゲージチツプとカ
ンチレバとを、チツプ表面の二酸化シリコン膜上に連続
してマスクスパツタリング蒸着してモリブデン一銅一金
の積層構造に形成してなる金属層とさらにこの金属層上
にマスク蒸着して形成した厚さ約３μｍの金−シリコン
合金層を介して一体化したものである。この際、合金層
の被着面積が金属層のそれより小さくそして距離Ｄが５
０〜２５０μｍとなるように形成した。以上の構成で得
られたシリコン変位変換器のカンチレバに変位を与えた
ところ、歪ゲージチツプはｐ型拡散領域の歪量に換算し
て３０００Ｘ１『６に相当する変位を生じさせても剥離
あるいは破損することはなかつた。これは金一シリコン
合金層がモリブデン一銅一金からなる金属層の領域から
外側にはみ出ないような構造としたため、接着部端部に
おけるモリブデンと金−ゲルマニウム合金との反応を阻
止でき、そして二酸化シリコン−モリブデン界面が変質
を受けなかつたことによる。また、この変換器の歪一出
力特性の非直線誤差は最大歪量を３０００×１０−６と
した場合±０．００１％以下と極めて小さくそして同特
性のヒステリシスは０．０５％以下と極めて小さく、精
度、安定性に優れていることが明らかになつた。これは
歪ゲージチツプが均一に接着されているため、カンチレ
バに与えられた歪が正確に歪ゲージチツプに伝達された
ことによる。実施例３本実施例ではシリコン変位変換器について説明する。

この変換器は前記実施例１と同様の歪ゲージチツプとカ
ンチレバとを、チツプ表面の二酸化シリコン膜上に連続
してマスクスパツタリング蒸着してチタンーニツケル一
金の積層構造に形成してなる金属層とさらにこの金属層
上にマスク蒸着して形成した厚さ約５μｍの金−スズ−
銅合金層を介して一体化したものである。この際、合金
層はその被着面積が金属層のそれより小さくそして距離
Ｄが５０〜２５０μｍとなるように形成した。以上の構
成で得られたシリコン変位変換器のカンチレバに変位を
与えたところ、歪ゲージチツプはｐ型拡散抵抗領域の歪
量に換算して３０００×１０−６に相当する変位を生じ
させても剥離あるいは破損することはなかつた。これは
金一スズ銅合金層がチタンーニツケル一金からなる金属
層の領域から外側にはみ出ないような構造としたため、
接着部端部におけるチタンと金−スズ−銅合金との反応
を阻止でき、そして二酸化シリコン−チタン界面が変質
を受けなかつたことによる。また、この変換器の歪一出
力特性の非直線誤差は最大歪量を３０００×１０−６と
した場合±０．００１％以下と極めて小さく、精度、安
定性に優れていることが明らかになつた。これは歪ゲ゛
−ジチツプが均一に接着されているため、カンチレバに
与えられた歪が正確に歪ゲージチツプに伝達されたこと
による。実施例４本実施例ではシリコン変位変換器について説明する。

この変換器は前記実施例１と同様の歪ゲージチツプとカ
ンチレバとを、二酸化シリコン膜上に連続してマスクス
パツタリング蒸着してタングステンーニツケル一白金の
積層構造に形成してなる金属層とさらにこの金属層の上
にマスク蒸着して形成した厚さ約３．５μｍの鉛一スズ
ーアンチモン系合金層を介して一体化したものである。
この際合金層はその被着面積が金属層のそれより小さく
、そして距離Ｄが５０〜２５０ｔｔｍとなるように形成
した。以上の構成で得られたシリコン変位変換器のカン
チレバに変位を与えたところ、歪ゲージチツプはｐ型拡
散領域の歪量に換算して３０００刈０−６に相当する変
位を生じさせても剥離あるいは破損することはなかつた
。

これは鉛一スズーアンチモン合金層がタングステンーニ
ツケル一白金の積層金属層の領域から外側にはみ出ない
ような構造としたため、接着部端部におけるタングステ
ンと鉛−スズ−アンチモン合金との反応を阻止でき、そ
して二酸化シリコン−タングステン界面が変質を受けな
かつたことによる。また、この変換器の歪−出力特性の
非直線誤差は最大歪量を３０００×１０−６とした場合
±０．００１（ｆ）と極めて小さくそして同特性のヒス
テリシスは０．０５％以下と極めて小さく、精度、安定
性に優れていることが明らかになつた。これは歪ゲージ
チツプが均一に接着されているため、カンチレバに与え
られた歪が正確に歪ゲージチツプに伝達されたことによ
る。実施例５本実施例ではシリコン変位変換器につい
て説明する。

この変換器は第４図に示すように前記実施例１と同様の
シリコン歪ゲージチツプにおいてチツプ側面３１にも二
酸化シリコン膜３２を形成した歪ゲージチツプとカンチ
レバ１７をチツプ主表面上の二酸化シリコン膜上に連続
してクロム一（またはクロム一銅）一銅一金の積層構造
に形成してなる金属層２１とさらにこの金属層２１の上
にマスク蒸着して形成した厚さ約３μｍの金−ゲルマニ
ウム合金層２２を介して一体化したものである。この際
、合金層２２の被着面積が金属層２１のそれより小さく
そして距離Ｄが５０〜２５０μｍとなるように形成した
。以上の構成で得られたシリコン変位変換器のカンチレ
バ１７に変位を与えたところ、歪ゲージチツプはｐ型拡
散領域の歪量に換算して３０００×１０−６に相当する
変位を生じさせても剥離あるいは破損することはなかつ
た。

これは金−ゲルマニウム合金層がクロム一（またはクロ
ム一銅）一銅金からなる金属層の領域から外側にはみ出
ないような構造としたため、接着部端部におけるクロム
と金−ゲルマニウム合金との反応を阻止できそして二酸
化シリコン−クロム界面が変質を受けなかつたことによ
る。また、この変換器の歪一出力特性の非直線誤差は最
大歪量を３０００＞＜１０−６とした場合±０．００１
（ｆ）と極めて小さくそして同特性のヒステリシスは±
０．０５％以下と極めて小さく、精度、安定性に優れて
いることが明らかになつた。これは歪ゲージチツプが均
一に接着されているため、カンチレバに与えられた歪が
正確に歪ゲージチツプに伝達されたことによる。本実施
例によれば半導体チツプの側面３１にも二酸化シリコン
膜３２が形成されているので、金属層２１のマスクパタ
ーンが万一ずれた場合でも、チツプと金属層が接触し、
電気的に短絡する事態を防ぐことができる。

実施例６本実施例ではゲルマニウム変位変換器について説明する
。

この変換器は面方位（１１０）、比抵抗２Ω・？、導電
型ｎのゲルマニウム単結晶の一方の主表面側にｐ型拡散
抵抗領域を、前記主表面に対向する他方の主表面側にア
ルミナ膜を具備した歪ゲージチツプと表面に金をメツキ
形成したフエルニコカンチレバとを、前記アルミナ膜上
に連結してマスク蒸着して亜鉛一銅一金の積層構造に形
成してなる金属層とさらにこの金属層上にマスク蒸着し
て形成した厚さ約４μｍのアルミニウム−シリコン−ビ
スマス合金層を介して一体化したものである。この際、
合金層はその被着面積が金属層のそれより小さくそして
前述の距離Ｄが５０〜２５０μｍとなるように形成した
。以上の構成で得られたゲルマニウム変位変換器のカン
チレバに変位を与えたところ、歪ゲージチツプはｐ型拡
散領域の歪量に換算して２５００×１０−６に相当する
変位を生じさせても剥離あるいは破損することはなかつ
た。

これはアルミニウムシリコン−ビスマス合金層が亜鉛一
銅一金からなる金属層の領域から外側にはみ出ないよう
な構造としたため、接着部端部における亜鉛とアルミニ
ウム−シリコン−ビスマス合金との反応を阻止できそし
てアルミナ一亜鉛界面が変質を受けなかつたことによる
。また、この変換器の歪一出力特性の非直線誤差は最大
歪量を３０００刈０−６とした場合±０．００５％以下
と極めて小さくそして同特性のヒステリシスは０．０５
％以下と極めて小さく、精度、安定性に優れていること
が明らかになつた。これは歪ゲージチツプが均一に接着
されているため、カンチレバに与えられた歪が正確に歪
ゲージチツプに伝達されたことによる。以上実施例によ
り本発明を詳細に説明したが、本発明はこれらのみに限
定されるものではなく、例えば次のような場合も本発明
が適用できる。

（１）歪一電気変換機能領域を形成する半導体の母体材
料としてｐ型（したがつてｎ型歪一電気変換領域）半導
体単結晶を用いた場合。（２）絶縁性酸化物として酸化
クロム、酸化鉄、二酸化ゲルマニウム、酸化マンガン、
酸化モリブデンなどを用いた場合。

以上説明したように、本発明によれば次のような効果を
奏することができる。

（１）合金層が金属層からはみ出ないように形成される
ため、接着熱処理によつて金属層とくに絶縁性酸化物と
の親和性を保つべき金属と合金材との反応を生じないの
で、絶縁性酸化物一金属層間には接着が強固に保たれる
界面構成が保存される。

（２）その結果、均一な接着領域が形成されるため、接
着した歪ゲージに均一な歪伝達がなされ、歪ゲージの特
性が安定でかつ精度が向上する。

（３）均一な接着領域が形成されるため、歪ゲージの歪
検出体に局部的応力の集中が生じにくく、歪ゲージの機
能的破壊を生じにくい。（４）所望の特性および信頼性
を具備した変位変換器を安定的に工業生産できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の半導体型変位変換器を示す図、第２図は
本発明者等にとつては従来の半導体変位変換器を示す図
、第３図および第４図は本発明の実施例を示す図である
。１１・・・半導体単結晶、１２・・・一方の主表面、１
３・・・歪感応領域、１４・・・他方の主表面、１５，
３２・・・絶縁性酸化物、１７・・・歪伝達部材、２１
・・・積層金属層、２２・・・金属層。

Claims

【特許請求の範囲】１半導体単結晶基体の一方の主表面側に歪感応領域を
形成し、少くとも他方の主表面側に絶縁性酸化膜を被覆
してなる半導体歪検出体と、前記歪検出体に変位を伝達
する歪伝達部材と、上記歪検出体の上記絶縁性酸化物に
接し、クロム、モリブデン、タングステン、亜鉛、チタ
ンおよびアンチモンの群から選択された第１の金属、銅
およびニッケルの群から選択された第２の金属、金およ
び白金の群から選択された第３の金属を順次積層して形
成した金属層と、この積層金属層上にその周縁より内側
に形成され、かつ前記歪伝達部材と接するように形成さ
れた金、銀、銅、亜鉛、スズ、アンチモン、インジウム
、シリコン、ゲルマニウム、ビスマス、アルミニウム、
セレンおよびテルルの群から選択された少なくとも２種
金属から構成される合金層とを少なくとも具備すること
を特徴とする半導体変位変換器。２特許請求範囲第１項において、半導体単結晶基体と
してシリコン、絶縁性酸化膜として二酸化シリコン、第
１の金属としてクロム、第２の金属として銅、第３の金
属として金、合金層として金およびゲルマニウムからな
る合金そして歪伝達部材として鉄−ニッケル−コバルト
合金を用いたことを特徴とする半導体変位変換器。