JPS5972775A - シリコン歪ゲ−ジ式感圧装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （利用分野） 本発明（オシリコン歪ゲージ式感圧装置およびその製造
方法に係り、特に、シリコン歪ゲージチップとシリコン
基台との接着強度が大であるシリコン歪ゲージ式感圧装
置およびその製造方法を提供するにある。

（従来技術） シリコンのピエゾ効果を応用した拡散形半導体圧力セン
サー　すなわち、シリコン中ゲージ式感圧装置は、自動
車エンジンの制御用、および差圧または圧力伝送器など
の工業用などに実用さねており、その用途及び生産量と
も増加しつつある。

第１図に、このような圧力センサのシリコン歪ゲージ式
感圧装置部分の製造方法の代表例を、その工程途中の略
図で示す。

第１図中（ａ）は、シリコンウェハ１を用いて、酸化，
拡散，ホトエツチング等の、通常のシリコン半導体ウェ
ハプロセスにしたがって作った拡散抵抗２を有する歪ゲ
ージウェハを示す。

シリコンウェハ１の一主面に形成さわた拡散抵抗２（ゴ
、ＳｉＯ□などの表面不活性化膜３で稜わわ、この膜の
１部を開孔し、その両端に電極４が形成さねている。

なお、通常は、萌配主面には、拡散抵抗の外に、抵抗の
温度補償回路や増幅回路などの能動素子も形成するが、
説明の簡易化のため、本図面では省略した。

一方、こねら拡散抵抗２（および前記能＠素子）が形成
さわた主面と反対側の主面には、ダイアフラム形成用の
エツチングレジスタ膜５が形成ｃｌ＋ている。この膜と
しては、通常、前記表面不活性化膜３と同時に作ること
ができるＳｉ０２膜が用いられる。

さて、拡散抵抗２等を形成さわた第１図ｆａ）の歪ゲー
ジウェハは、ＫＯＨ水溶液や、あるいはフッ硝酸などの
シリコンエツチング液により、その裏面（反対側主面）
から前記膜５を介してエツチングさね、第１図（ｂ）の
ようにダイアフラム６が形成さわる。

その後、エツチングレジスタ膜５を除去し、ペレタイズ
すると、第１図（Ｃ）のようなφゲージチップが得らわ
る。

このチップｉ′ｉ、第１図（ｄ）に示したように、表面
にアノ−ディックボンディング用絶縁膜８を形成さわた
シリコン基台７の表面に接着さね、第１図の（ｅｌに示
したシリコン歪ゲージ式感圧装置が得らわる。この接着
を、適宜の真空中ですることにより、基準圧力室１０を
得ることができる。

このような歪ゲージチツプ七シリコン基台７との接着に
関して（オ、種々の方法が報告さｈでいる。

例えば、特許第１０５６２３５号には低融点ガラスによ
る接着法が、又、古くからはＡｕ−Ｓｉ合金またはＡｕ
−Ｇｅ合金を用いることも知らわている。

さらに、米国特許第３３９７２７８号明細書で詳しく述
べらねているアノ−ディックボンディング法は、この場
合の接着に特に有効な手段である。

この方法では、チップの基台７として｛才、パイレック
スガラスか、あるいは、シリコン表面にパイレックスガ
ラス等の絶縁物を被着したものを用いる。

前述の工程により得らねたシリコン歪ゲージ式感圧装置
は、第１図（ｆｌに示すように、端子ピン１２を有する
パッケージに、接着制１３　　により固定ざねる。さら
に、ワイヤボンテ”イング１４を施こした後、圧力導入
口　１５を有するパッケージ蓋１１をかぶせる。以上に
よって、圧力センサが完成する。

ところで、良く知られているように、第１図に示した歪
ゲージチップにおいては、ダイヤフラム６の厚ざ、およ
び拡散抵抗２に対する相対位置の正しさが、歪ゲージ式
感圧装置としての感度や精度を左右する。

そこで、一般には、面方向（Ｚｏｏ）のシリコンウェハ
１を用いて、ＫＯＨ溶液によるダイヤプラム部のエツチ
ングを実施している。

しかしながら、前記のＫＯＩ（溶液によるシリコンのエ
ツチング速度は極めて遅く、そのため、従来、この素子
の製造には、当初から０，１８〜０．２０−程度の薄い
シリコンウェハが用いられている。

そわ故Ｋ、従来のシリコン歪ゲージ式感圧装置の製造方
法には−１つぎのような欠点があった。

１）　シリコンウェハが薄いので、工程途中でのウェハ
欠損等の事故が多い。

２）　標準品として市場から得られるシリコンウェハの
寸法（直径）が小さい−１５０〜２００μｍ厚のウェハ
の大きざＩ′ｉ５０〜６０閣ψが限聞である　−ので、
製造効率が悪い。

３）　現在の標準的な半導体プロセスで用いられる大径
のシリコンウェハは、厚みが厚い（例えば７５簾ψのも
ので約４００μｍ、１ＯＯＷ１１ψのもので（ブ約５０
０μｍ）ので、前記した従来の工程のままでは、使用す
ることができず、従来の製造プロセスラインにのせるこ
とができない。

また、従来の方法で製造さねたシリコン歪ゲージ式感圧
装置には、歪ゲージチップとシリコン基台との間の接着
が十分強固でなく、使用中に剥離してしまうことがある
という欠点があった。

その原因について、本発明者らが種々検討したところ、
剥離（オ、主に、基準圧力室１０の内側接着部（第１図
ｅに、符号９で示す部分）で発生していることが分った
。

そして、その理由は、前記内側接着部９では、前記基準
圧力室の内壁がオーバハング状になっており、接着面積
も狭いためであると推測される。

（目　　的） そわ故に、本発明の第１の目的は、歪ゲージチップとシ
リコン基台との接着力が十分に強く、使用中に剥離した
りすることのないシリコン歪ゲージ式感圧装置を提供す
ることにある。

また、容易に了解できるように、標準的な半導体製造プ
ロセスを適用できわば、特別な製造設備も必要でなく、
また、大径のウェハが使用できるので、製造能率を上げ
ることが可能となるはすである。

そわ故に、本発明の油の目的は、曲述した製造法上の欠
点を除去し、標準的な半導体製造プロセスが適用でき、
したがって、製造能率を上げることのできるシリコン歪
ゲージ式感圧装置の製造方法を提供することにある。

（概　要） 前記の目的を達成するために、本発明において（オ、シ
リコン歪ゲージチップのダイヤプラム部を形成するため
に使用したエツチングレジスタ膜な除去することなしに
、こわを介してシリコン歪ゲージチップきシリコン基台
とを接着するようにしている。

さらに、本発明においては、その製造に際して、１）４
００〜５００μｍまたはそわ以上の厚さの（標準的な）
シリコンウェハな用い、前記ウェハの一主面に拡散抵抗
やそのリード電極などを形成した後、 ２）　反対側の主面を、所望の厚さく１８０〜２００μ
ｍ）にまで研削研摩し。

３）　前記の反対側主面にダイヤスラム部形成用のエツ
チングレジスタ膜を形成し、こわを介してエツチングす
ることによりダイヤフラム部を形成し、 ４）　その後、ペレタライズしてダイヤフラムＳを有す
る歪ゲージチップを形成し、 ５）　ざらに前記エツチングレジスタ膜を残したままで
、こわを介して歪ゲージチップをシリコン基台に接着す
る、 ようにしている。

（実施例） 以下、本発明のシリコン歪ゲージ式感圧装置の製造方法
の実施例を、第４図により説明する。

実施例１ 直径７５■、厚さ４００μｍ　で、（１００）面を有す
る標準的なｎ形Ｓｔ　　ウェハ２１の、鏡面仕上げざわ
た一主面に、拡散抵抗２．不活性化膜３．およびＭ電極
４などを、通常の半導体ウエノ）プロセスで製作する（
第４図ａ）。

なお、必要に応じて、前記抵抗の温度補償回路や増幅回
路などを、拡散抵抗の周辺部などに集積化して形成する
こともできる。

その後、前記拡散抵抗２を形成したウェハ　２１の裏側
を、ウェハ研削盤な用いて研削し、更に、鏡面研摩機に
よりその面を鏡面仕上げする。こわらにより、ウェハ２
１の厚みをおよそ２００μｍとする。

次に、高周波スパッタ法により、パイレックスガラス膜
２２を、１５μｍの厚さに堆積した後、ホトエツチング
法によりダイヤプラムエツチング窓２４をあける（第４
図ｂ）。この場合のエツチング液としては、フッ酸−フ
ッ化アンモニウム混液を用いた。

つりいて、ウェハ２１の拡散抵抗２などを形成した主面
側をプロテクトワックス（図示は省略）で覆い、７０℃
に保持した４０％−ＫＯ）Ｔ水溶液中へ、このウェハを
投入する。およそ２４０　分間のエツチングで、所望の
厚さのダイヤフラム６が形成された。

水洗、乾燥して前記プロテクトワックスな除去した後（
第４図Ｃ）、パイレックスガラス膜２２を残したま＼で
、ダイサーな用いてペレタライズし、ダイヤフラム６を
有する歪ゲージチップを得る。

別に用意した、厚さ約２鱈のシリコン基台２３（第４図
ｄ）の上に、前記歪ゲージチップを載せ、アノ−ディッ
クボンディング法で、第４図（ｅ）に示すように、両者
を接着した。

この時のボンディング榮件は、シリコン基台２３が正、
歪ゲージチップのシリコン２１が負となるような極性で
、両者間に１５０Ｖの［流電圧を印加し、また雰囲気は
Ｎ、　ｌ温度Ｃ第４２５℃、圧力は２パスカル（Ｐａａ
ｅａｌ）　　に設定した。

以下、第１図に関して説明した従来法と同様にして、パ
ッケージに組み立てた。

実施例２ 前記実施例１で述べた高周波スパッタ法によるパイレッ
クスガラス膜２２に代えて、プラズマ励起気相反応法に
より、酸化シリコン膜を１．５μｍの厚さに形成し、実
施例１と同じ工程を経て、シリコン歪ゲージ式感圧装置
を得た。

実施例３ 実施例２と同様Ｋ　プラズマ励起気相反応法により、実
施例１のパイレックスガラスの代りに、。

窒化シリコン膜を１．０μｍの厚さに形成し、上記と同
じ工程を経て、シリコン歪ゲージ式感圧装置を得た。

第５〜６図は、本発明による歪ゲージチップとシリコン
基台との接着構造が、従来例の接着構造よりも十分強い
接着強度を有することの理由を説明するための図である
。こわらの図に、１５いて、第１図および第４図と同一
の符号１才同一部分をあられしている。

第５図は、ダイヤフラム部６をエツチングした後の歪ゲ
ージチップの要部断面図である。（１００）面から、シ
リコン単結晶を異方性エツチングすると、同図に示した
ようＫ、わ寸゛か数μｍではあるが、アンダーカッ２が
生ずるときを示している。

第６図は、このアンダーカッ）Ｚの効用を示すための要
部断面図で、同図（ａｌは従来装置、（ｂｌ　ｉｆ本発
明の装置の接着部の構造を示している。

第６図（ａｌの従来例では、シリコン基台７の上面に予
め形成ざわた絶縁膜８と、シリコン歪ゲージチップの下
側主面とが接着（アノ−ディックボンディング）さね、
その接着部はＹで示さねている。

従来列の場合、前に述べたように、接着部Ｙの内周部−
すなわち５基準圧力室１０の内側接着部（符号９で示ｃ
部分）での接着強塵か弱いという欠点がある。このため
に、接着部分の引張り破壊強度は弱く５６〜９Ｋｐ／Ｃ
ｉｔ程度であった。

一方、本発明の実施例では、ダイヤフラム部６の形成の
ために、シリコンウェハ２１の研削ｇｈだ下側主面に設
けられたエツチングレジスタ緘パイレックスガラス膜、
酸化シリコン嘆、窒化シリコン膜など）２２と、シリコ
ン基台２３とが接着（アノーデイツクボンデオング）さ
ね、その接着部は、第６図（ｂ）にＸで示されている。

すなわち、本発明の場合は、接着部Ｘの内周縁部ではシ
リコンウェハ２１は存在せず、前記シリコンウェハ２１
の前記下側主面に形成ざわた、ダイヤフラム部形成用の
エツチングレジスタ膜２２のみがシリコン基台２３に接
着されることになる。

そして、前記エツチングレジスタ膜２２ハ極めて薄く、
かつ柔軟であるため、γノーディックボンディングの際
における静電り〜ロンカが十分有効に作用し、内周縁部
での接着強１を強めるものと考えらねる。

本発明者らの実験によりば、前記各実施例における接着
部分の引張り破壊強叶は８〜１２に９／贋であり、従来
例に較べて３０チ以上の改善が認めらねた。

つぎに、本発明の実施に必要なエツチングレジスタ膜の
所要特性などについて説明する。

第２図は、数種類のエツチングレジスタ膜について、エ
ツチング温度（横軸；℃）と、そわがエツチングされる
速１１″（左側の縦軸；Ｘ／ｍ１ｎ）との関係を、本発
明者らが実測した結果を示すグラフである。

曲線Ａｆ２パイレックスガラスの場合、曲線Ｂはプラズ
マ励起気相反応により得た酸化シリコン膜の場合、また
曲線Ｃは、同じくプラズマ励起気相反応によって得た窒
化シリコン膜の場合であり、いすわも４（ＩＫＯＩ（水
溶液に対するエツチング速度の測定結果を示す。

なお、比較のために、（１００）面Ｓｔのエツチング速
度を、同図中区曲線Ｓで示した。この場合のエツチング
速度は、図の右側の縦軸（μｍ／ｍ１ｎ）で示した。

この図から分るように、例えば、エツチング温度が７０
℃で＋１、一番エッチング速度の早いパイレックスガラ
スでも、そのエツチング速度は、シリコンのそれの３６
５分の１である。このことは、厚さ１μｍのパイレック
スガラスをエツチングレジスタ膜とした場合は、およそ
３００μｍの厚さのシリコンをエツチングすることが可
能であることを意味している。

第３図は、上記したエツチングレジスタ膜を各々１μｍ
の厚さに付着させた歪ゲージ（圧力センサ）チップと、
厚ｇ　２　ｍのシリコン基台とを重ね合せ、真空中で加
熱しながら、チップ側にマイナス電位を、またシリコン
基台側にプラス電位をかけて、アノ−ディックボンディ
ングした実験結果を示すグラフである。

同図において、横軸は印加電圧（ボルト）、縦軸は接着
温膏（’Ｃ）をあられしている。図中のＯ印および―印
（オ、酸化シリコンまたは窒化シリコン膜をレジスタ膜
とした場合に、そｎぞＩ′１接着できたサンプル点と、
接着できなかったサンプル点をあられしている。

一方、△印およびム印は、パイレックスガラスをレジス
タ膜とした場合に、そわぞわ接着できたサンプル点と、
接着できなかったサンプル点をあられしている。

また、曲線りは、レジスタ膜が酸化シリコンまたは窒化
シリコンである場合の接着臨界特性を示し、一方、曲線
Ｅは、レジスタ膜がパイレックスガラスである場合の接
着臨界特性を示している。

いずわの場合も、曲線から上側の斜線を施した領域が、
アノ−ディックボンディング可能領域である。

こ右らの実験結果から、つぎのこと力Ｓ理解ざ稍るであ
ろう。

１）　アノ−ディックボンディングの際の印加醒圧は約
１００ｖ以上とする必９がある。

２）　ダイヤフラムなエツチング加工する際に用いるエ
ツチングレジスタ膜は、アノ−ディックボンディングの
際の絶縁膜としても兼用できる。

Ｆ記の各実施例１〜３では、歪ゲージチップとシリコン
基台との接着を、了ノーディックボンディング法によっ
て行なっている。しかし、ＫＯＨ溶液などによるアルカ
リエツチングの場合には、エツチングレジスタ膜として
、パイレックスガラスや酸化シリコンなどの他に、真空
蒸着法やスパッタリング法によって得られる金薄膜も用
いることができる。

もつとも、この場合は、シリコン表面上に金薄膜を直接
付着させることは困難であるので、凹部も形成する主面
に、Ｃｒ−Ａｕ膜またはＴｉ−Ａｕ膜などを形成し、ホ
トエツチング法でエツチングレジスタ膜を形成した後、
アルカリ溶ｉｔｃｗ潰してダイヤフラム部を形成する。

その後、こ稍らのエツチングレジスタ膜とシリコン基台
とを加熱圧着すわば、同様のシリコン歪ゲージ式感圧装
置が得られる。

（効　果） 以上に詳述したところから明らかなように、本発明によ
りば、つぎのようなすぐねた効果が達成される。

１）　ダイヤフラム部を形成する際のエツチングレジス
タ膜な除去することなしに、前記レジスタ膜を介して、
歪ゲージチップとシリコン基台とを接着するので、レジ
スタ膜除去工程が省略できるばかりでなく、接着部分の
内周縁−すなわち、基準圧力室の内側接着部における接
着強度が強くなり、接着部分の引張り破壊強度が改善さ
れる。

２）　シリコンウェハの研削研摩工程を取入わたので、
所望の厚みよりも是かに厚い、標準的仕様のウェハ（例
えば７５謔φ以上で、３００〜４００μｍ厚以上のもの
）を用いることができるようになり、その結果、工程途
中での欠損事故も減らすことができる。

３）　標準的仕様のウェハの使用により、特別な製造ラ
インが不要となり、他の標準的半導体プロセスラインを
共用するこ々ができる。

４）　標準的仕様のウェハは、従来のものに較べて大径
、大面積であるので、製造効率および歩留りが向上し、
製品の均質化が達成２！ねる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来方法によるシリコン歪ゲージ式感圧装置
の製造方法を示す工程略図、第２図は、エツチングレジ
スタ月相の４０％−ＫＯＨ水溶液に対するエツチング速
ｒｌｆの測定結果を示すグラフ、第３図（ま、エツチン
グレジスタ材料をパラメータとして、アノ−ディックボ
ンディングの際の印加電圧と接着温庁との関係を示す実
験データ例のグラフ、第４図は、本発明のシリコン歪ゲ
ージ式感圧装置の製造方法の工程略図、第５図は本発明
の一実施例におけるシリコンダイヤフラム部の概略断面
図、第６図（ま従来例および本発明の一実施例における
アノ−ディックボンディング後の接着部の構市な示す概
略断面図である。 １．２１・・・シリコンウェハ、２・・拡散抵抗、３・
・表面不活性化膜、４・・・を極、５，２２・・・エツ
チングレジスタ膜、６・・・ダイヤフラム部、７゜２３
・・・ンリコン基台、９・・・内側接裔部（基準圧力室
の）、１０・・基準圧力室、１１・・・パッケージＬ、
、２４・・・ダイヤフラムエツチング窓代理人弁理士　
平　木　道　人 ２３− −３６ロー １６図 （ＣＩ）　　　　　　　　　（ｂ）

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）　　一方の主面に少なくとも拡散抵抗が形成さね
   、反対側の主面から、エツチングレジスタ膜を介してエ
   ツチングすることにより、前記拡散抵抗を含む、ダイヤ
   フラム部が形成されてなるシリコン歪ゲージチップが、
   シリコン基台に対して、前記エツチングレジスタ膜を介
   して接着されたことを特徴とするシリコン歪ゲージ式感
   圧装置。
2. （２）　　エツチングレジスタ膜が、パイレツ　クスガ
   ラス膜、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、クローム・
   金膜およびチタン・金膜のいずねかであることを特徴と
   する特許 範囲第１項記載のシリコン歪ゲージ式感圧装置。
3. （３）　　シリコン半導体基板の一方の主面に、少なく
   とも拡散抵抗を形成する工程と、前記シリコン半導体基
   板の反対側の主面を、所望の厚さにまで研削する工程と
   、前記反対側の主面にエツチングレジスタ膜を形成し、
   こわを介してエツチングすることにより、前記拡散抵抗
   を含むダイヤフラム部を有するシリコン歪ゲージチップ
   を形成する工程と、前記シリコン歪ゲージチップを、そ
   の反対側主面のエツチングレジスタ膜を介して、別に準
   備したシリコン基台の表面に接着する工程とを有するこ
   とを特徴とするシリコン歪ゲージ式感圧装置の製造方法
   。
4. （４）　　エツチングレジスタ膜が、パイレックスガラ
   ス膜、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜のいずわかであ
   り、接着がアノ−ディックボンディング法によって行な
   わわることを特徴とする前記特許請求の範囲第３項記載
   のシリコン歪ゲージ式感圧装置の１シ造方法。
5. （５）　　エツチングレジスタ膜か、クローム・金膜お
   よびチタン・金膜のいすわかであり、接着が熱圧着法に
   よって行ｆｊ−わわることを特徴とする特許許請求の範
   囲第３項記載のシリコン歪ゲージ式感圧装置の製造方法
   。