JPS598379A - 半導体圧力センサの製造方法 - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は低コストでかつ汎用性の高い小形半導体圧力セ
ンサに関する。

〔発明の技術的背景〕

半導体結晶が圧力や応力によって歪を受けると、その抵
抗値が変化することはピエゾ効果として良く知られてい
る。このピエゾ効果現象を利用して従来より種々の半導
体圧力センサが開発され、近年では半導体ＩＣ技術を利
用してその小形化・高性能化が図られている。

第１図は高精度工業用に開発されている半導体拡散ダイ
ヤプラム形圧力センナの構造を示す模式図である。この
センサは、ｎ−８４（１００）面単結晶からなる１０闘
口のペレット（１）の中央部に、その裏面から約４〜５
罷φ径で７０μｍ程度の厚みに加工した起歪ダイヤプラ
ム（２）を設け、このダイヤフラム（２）の表面に例え
はボロン（Ｂ）を短冊状に熱拡散してピエゾ抵抗ゲージ
（３）を設けた構造を有する。そして、このペレット（
１）は台座（４１％に固定されたのちパッケージ（５）
にマウントされ、その電極リードに金属線（６）によっ
て配線結合される。尚、台座（４）の貫通孔に連通して
パッケージ（５）に設けられたパイプ（力は前記ダイヤ
フラム部へ流体圧力を導入するものである。

しかして、前記台座（４）Ｆｉ、、外部から、特にパッ
ケージ（５）からの虫が前記拡散抵抗歪ゲージ（３）に
伝わるのを防ぐ歪遮断拐として機能するものであシ、こ
のような外部歪を防ぐ構造によって、同センサでは一３
０〜８５°Ｃなる広い温度域で０．２％ＦＳという高い
性能を得ている。

ところでこのような高精度工業用圧力センサでは、上記
したような特殊なパッケージ構造を彩用している為にそ
のコストが非常に高い。！！たパッケージのみならず、
その素子部も折角シリコン材料を用いていながら量産Ｉ
Ｃ的技術を活かせないままになっている。また近年では
マイクロコンピュータの普及により半導体圧力・センサ
を求める要求が多いが、この場合、高性能化よりもむし
ろ低価格化が望まれている。

半導体圧力センサを低価格化する第一の手法は、通常の
ダイオードやトランジスタと同じよりに一つェハ当りの
素子数を増やすことである。第２図がその作業工程の一
例で、ベレットの接着工程である。第１図に示す感圧ダ
イヤフラム（１）と台座（４）とをシリコン拡散プロセ
スの一環として導入し、量産化を可能にしたものである
。第２図においてα７）はシリコンウェハ、（１１もα
Ｄと同径のウェハであるが、〔ηに比べて板厚がはるか
に厚い。

ウェハα力にはマトリクス状に圧力センサーベレットが
拡散工程で形成されておシ、そのペレット１個がウェハ
（１樽に設けられた貫通孔ｕｅに対応する。

ウェハ（１７）とウニへ賭はあらかじめ、いづれか一方
のウェハに設けられた接着剤を介して接着固定された後
、切断される。第３図（ａ）はその切断工程の途中を示
すもので、（ｂ）が切離された感圧素子の断面を示すも
のである。第３図（ｂ）において、感圧ベレット住υは
例えば４關口、３００μｍ厚のシリコンで、中央部には
、その裏面から２龍口、４０μｍ厚のダイヤフラム０２
が形成されている。ダイヤフラムαりの上には拡散抵抗
歪ゲージ（ピエゾ抵抗）０四が設けられている。場合に
よっては複数個の拡散抵抗歪ゲージ（１国を金属配線＼
層で結線したもの、あるいは補償素子（例えばトランジ
スタ、ダイオード）が同一ベレット内に作られている（
ここでは図示せず）。ペレッ）＜ｌυは、同じシリコン
材からなる台座Ｑ４）上に接着剤α９で固着されている
。この台座には貫通孔（Ｉｔｉｌが設けられでおυ、ダ
イヤフラムα力への流体圧力の導入口となっている。こ
の台座α滲は感圧ペレッ）　（１１）に流体圧力以外の
応力が加わることを防止するものであり、できる限シ厚
くするようにされている。一般には加工技術の制約等に
よってｌ關〜５闘程度の範囲が選ばれている。

このようにして製作された感圧素子１は、第３図（Ｃ）
に示す構造にパッケージングされて圧力センサとして完
成する。

即ち、中央に圧力導入口ｏＱを備えたシリコン台Ｑ４）
は接着剤（２〜を介してパッケージ盤体（２υのガラス
層（２望へ接着される。

〔背景技術の問題点〕

感圧ペレット０υと台座（１荀の接着ａ９ならびに台座
Ｉとパッケージガラス（２功との接着（ハ）には従来が
ら、低融点ソルダーガラスが用いられている。低融点ソ
ルダーガラスには例えば東芝ハンダガラス＃５ｏ９が用
いられる。製法としては、第２図で示した土台用Ｓｉウ
ェハ（ｉｓにあらかじめ沈澱法で上記ソルダーガラスが
塗布される。この後、感圧ペレット用つェハ蝶θと対向
させ、一定加重を加えて、Ｎ、中５３０℃の高温で溶着
される。しかる後、第３図（ａ）の工程で個々の感圧素
子に切断される。ここで切断作業は従来から用いられて
いる半導体素子用ダイヤモンドブレード法で行われるが
、切断時の機絨的衝撃法でガラス接着層にマイクロクラ
ックを生じ、真空気密性が劣化する欠点があった。例え
ば２吋サイズのウェハからは、４關口の感圧素子が８０
個〜９０個得られるはずであるが、例えば１０−　’ａ
ｔｍ−ｃｃ／ｓｅｃ以下の真空気密のものは６０個程度
しか得られないのが現状である。

上述した欠点を改善するために、接着剤として各種のも
のが試みられてきたが、ガラス系統のものでは切断時の
クラックは防止できないことが判明した。一方、切断時
にもクラックを生じない方法としては金属溶着法か以前
から試みられていたが、以下に述べる問題で実用化が困
難とされてぃた。

金属接着の場合、接着剤の熱膨張係数がｓｉよ９１桁以
上大きいのが常であるから、接着層をできる限り薄くし
なければならない。例えばＰｂとＳｎ’合金のハンダで
感圧ペレットと台座を接着する場合は、接着面にあらか
じめＮｆ等の下地金属を蒸着シテオキ、ハンダ箔をはさ
んで、３５０’０フオーミングガス中で溶着する。溶着
Ｊ−をできるだけ薄くするだめに、ある程度の加重を加
える必要があるが、溶融して内側にはみ出した接着剤が
、感圧ペレットの内壁面を這い上シ、ダイヤフラムにま
で達する場合がある（第３図（ｂ）の（ロ）−！、で接
着剤が這い上ること）。

この最大の理由は、シリコン面にハンダ濡れ性を持たせ
るだめの下地Ｎｉ層によるものである。蒸着法や一般の
電気メツキ法でシリコンウェハにＮ１層を形成する限り
、接着層だけでなく、ダイヤフラム側壁とダイヤフラム
面にもＮｉ層が同時に形成されてしまう。ハンダはＮｉ
下地に対して極めて濡れが良く、上述した如く、側壁を
伝って上面のダイヤフラムにまで到達する。

〔発明の目的〕

本発明はこのような従来の技術的困難を解決し、前述し
た真空気密に対する歩留りを大巾に改善する手法を提供
することを目的とする。

〔発明の概要〕

シリコン基板自体はＰｂ、Ｓｎ系ハンダに対する濡れ性
を全く有しない。一方、Ｎ１表面に対する濡れ性は極め
て良いので、シリコンのノ・ンダ接着には下地金属に８
１層を用いるのが常である。

下地Ｎ１層の形成には一般に、シリコン面に蒸着又は電
界メッキで行う方法が採用されている。この従来法を用
いる限り、感圧ペレットに形成されたダイヤフラム面と
側壁にもＮ１層が付着し、ノ・ンダの這い上りは避けら
れない。

本発明者らはこのＮｉ層形成に無電界メッキ法を採用す
れは、シリコンの表面粗さによってＮｉの付着状態が制
御できることを見出した。すなわちシ　　　゛リコン表
面がミラー面＼に近ければ近いほど無電界メッキによっ
てＮｉが付着し難いことが判った。

本発明は、接着面のみを粗面とし、他の部分は鏡面とす
ることによって、Ｎｌを粗面のみに付着させることによ
シ、ハンダの這い上シを防止したことを特徴とする。

〔発明の実施例〕

第４図（ａ）は第２図、第３図で示した感圧ペレット用
ウェハ０７）とシリコン台０樟の接着剤断面図である。

α国はピエゾ抵抗層、α４はダイヤフラム、０４は側壁
である。ウェハ（１７）におけるダイヤフラム面α２の
形成ならびにクエへＧ印における圧力導入口（ＩＱの形
成本ともにＫＯＨの飽和溶液を用いたアルカリエツチン
グ法による１、ウェハｕ７）の場合は、ピエゾ抵抗層形
成面はワックス（４υによって、さらに接着面側はＳｉ
、Ｎ４膜０５１によってＫＯＨｍｉから保護される。

上記溶液にて約１００分間エツチングを行うことにより
、元厚３００μｔのウェハから約４ｏμｔのダイヤフラ
ム面が残される。

土台ウェハ賭も同様に両面をＳｉ、Ｎ４保護膜（１５，
１，５）にて促成され、両側から約１００分間のエツチ
ングで元厚５００μｔの土台ウェハに貫通孔ができる。

アルカリエツチングでは、ウェハ（１７）のダイヤフラ
ム面ａり、側壁１１々、ウェハα枠の貫通孔（１０など
エツチング面は全て鏡面状態に仕上る。この鏡面状態を
得ることが本発明のポイントである。なお、この作く、
例えば＄１５００ラップ面仕上げのウェハを投入する。

かくして、鏡面加工されたウェハαカ、０槌は、３段階
の作業を経てＮｉメッキされる。先ず、１０％の塩化ス
ズ溶液に約３０秒浸漬させ表面を活性化する。次に１５
％の塩化パラジウム溶液にＶ漬（３０秒）し表面を滴ら
す。

上記２つの作業はいづれも常温である。最後に、３０％
、、　５２’０１７）　ヘルニッケル液に約１５分浸漬
させることによって、第４図（ｂ）に示すように約１μ
ｔのＮｉ層０ｚが付層形成される。この際、ダイヤフ）
ムｕ’Ａ。

側壁（１の１貫通孔顛には前述したように鏡面であるか
ら、ＮＩは全く付着しない。

このようにして接着面にのみＮ１メッキされた感圧ベレ
ット用ウェハと世台用ウェハは、第２図で示す如く、両
者間に例えばＰｂ、５ｎ（９９：１）で５０ハのハンダ
箔をサンドイッチし、約１００ｇの加重下、３５０℃、
フォーミングガス雰囲気中約１０分で溶着される。Ａン
ダ箔には貫通孔用の孔をあらかじめ設けておく必要は無
い。接着層以外はハンダに□濡れ性を示さないため、余
分は貫通孔を伝って下部に堆積する。この堆積ハンダは
鏡面である貫通孔には付着していないため、容易に除去
することができる。感圧素子の切断工程は第３図（ａ）
と全く同じ手法であるが、ソルダガラスによる接着と異
なυ、切断による気密の劣化は全く無い。

なお、切シ離された感圧素子を第３図（Ｃ）のようにパ
ッケージングする場合にも、ハンダ接着が有効である。

例えばパッケージガラス０４の接着面（（ハ）に相当す
る面）のみを、前身て＃１５００程度の粒状にサンドブ
ラスト法で仕上げておく。この状態のパッケージを、第
４図で示したメッキ工程を通すことによって、接着面に
のみＮｉメッキを行うことができる。以後の工程は単な
るハンダ付けに過ぎず、説明するまでもない。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれはダイヤフラム面及び
その側壁面が光沢面を１１シ、接着面のみがニッケルメ
ッキされた粗面（例えば＋　３０００ラツプ以下）を有
しているので、鉛、錫、亜鉛などを成分とする金属接着
剤で接着する場合接着剤がダイヤフラムの壁面を這い上
ることがなく、製品の歩留りを大幅に向上させることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は高精度工業用半導体圧力センサの概略構成を示
す図、第２図は低価格汎用センナ製造工程のうちウェハ
接着の部分を示す図、第３図は第２図の工程で作成した
素子の切断作業を示す一例と切断された感圧素子の断面
と感圧素子をパッケージに接着完成した圧力センサの断
面を示す図、第４図は本発明の圧力センサの感圧ペレッ
ト用ウェハと土台用ウニへのＮ五メッキ工程を説明する
ための図である。 １１．１７・・・感圧ベレット、　　　１４．１８・・
・Ｓｉ台座、１２・・・ダイヤフラム５、　　１６・・
・・・貫通孔、１５、１５．１５・・・・・保饅膜、４
２・・・・・Ｎｌメッキ層。 第１図 第２図 ７ 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 半導体基板の中央部に形成された肉薄のダイヤフラム面
   に集積された複数個の拡散抵抗ならびにダイオード、ト
   ランジスタからなる補償素子を有する感圧ペレットと、
   この感圧ペレットの周辺肉厚部に対向して接着固定され
   、その中央部に前記ダイヤフラム部へ圧力を導ひくだめ
   の貫通孔を有する固定台とから構成される半導体圧力セ
   ンサにおいて、前記ダイヤフラム面および接着面からダ
   イヤフラムへ到る側壁面内周が光沢面で、接着面のみが
   ニツケルメッヤされた粗面を有し、この粗面部が金属接
   着層によって前記感圧ペレットの周辺肉厚部に固着され
   てなることを特徴とする半導体圧力センサ。