JPS599976A - 絶対圧形半導体圧力センサーの製造方法 - 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】 〔発明の属する技術分野〕 本発明は半導体ダイヤフラムの一方側を真空にした絶対
圧を測定する半導体圧力センサーに関する。

〔従来技術とその問題点〕

半導体プレーナー技術の応°用によりシリコン等の半導
体単結晶板の一部に肉薄のダイヤフラムな設け、このダ
イヤフラム上に感圧素子として拡散抵抗層を形成して、
そのピエゾ抵抗効果を利用した圧力センサーが実用化し
ている。その概略構造を示すと、第１図のようになって
いる。図において、１は例えばｎ型のシリコン単結晶板
であシ、その中央部に肉薄のダイヤフラム２を設け、こ
のダイヤフラム２にＰｍの拡散抵抗層３（３，，３２・
・・）を形成している。表面は絶縁層４で覆われ、その
上に届等からなる電極配線層５が配置されている。電極
配線層５は絶縁層４に設けたコンタクトホールを介して
拡散抵抗層３に端部で接触し、拡散抵抗層３の内部配線
や外部への電極取り出し端子の役割を果している。従っ
て電極配線層５には、必要に応じてリード線６がボンデ
ィングされている。このような圧力変換基板１０は例え
ばシリコンからなる固定台７に接着剤９により接着固定
される。固定台７には貫通孔８が設けられている。

センサハウジング１１は、ステム部１１□とキャップ部
１１．とで構成されていて、ステム部１１．とキャップ
ｉｌｌ、は気密接着されている。ステム部１１１は例え
ば金属であり、中央部に貫通孔１２が設けられていて、
このステム部１１．の貫通孔１２と、固定台７の貫通孔
８とが一致するようにステム部１１１と固定台７は接着
剤１３で接着固定されている。また、このステム部１１
１にはリード端子１４が例えばガラス１５により絶縁気
密封止されている。ステム部１１．とキャップ部１１．
にはそれぞれパイプ１６１と１６．が設けられている。

このパイプ１６．に流入する流体の圧力Ｐ１、またはパ
イプ１６．に流入する流体の圧力Ｐ２がダイヤフラム２
の変形をもたらし、拡散抵抗層３の抵抗変化をもたらす
。圧力Ｐ１　と圧力Ｐ、は完全に分離されなければなら
ない。

このようなセンサーは一般に流体の圧力測定に供される
が、装置の片方側に真空のリファレンスを持ってくれば
絶対圧を測定できる。従来は気体や液体の圧力あるいは
流量測定は工業計測などの特殊な部門に限られていた。

しかし最近はマイクロコンピュータの普及によって、圧
力や流量をセンサーで計測し、各種の機構を制御する機
器が一般の生活にまで必要不可欠になって来た。例えば
自動車のガソリン流量の制御や家庭用掃除機の負圧制御
にまで各種のセンサーが使われるようになった。これら
負圧の計測は絶対圧計で求めた値が必要であり、上述し
たシリコンダイヤフラム形の絶対圧形センサーが特性的
にも好適である。

このようなシリコンダイヤフラム形の絶対圧センサーは
従来、第１図における圧力導入口のいづれかの一方、例
えば１６．を真空排気装置に接続し、ハウジング１１の
内側を高真空に排気した後、第２図に示す如く、封じ材
３２．で封じる。第１図のハウジング内の圧力は真空リ
ファレンス（第２図の１８′）となって絶対圧計が完成
するっ第１図において、センサーからの出力は常に圧力
Ｐ、とＰ。

の差で現われるが、第２図においては、ＰＩは常に真空
に対する圧力出力となる。例えばＰ、が大気の場合は、
現在の気圧を測定することになり、負圧を測定すれば、
真空度を直接測定することができる。

原理的には上記手法によって、絶対圧センサーを製作す
ることが可能であるが、工業的に低コスト化、ｉ炭化に
むかない方法である。その主な理由はセンサーの排気工
程にある。第１図、第２図の方法では、従来の真空管の
排気処理と同じく、排気前のセンサーを一個づつ排気装
置に装着、排気完了後、第２図のように片側の圧力導入
口を封じ切って完成する。第１図、第２図の圧力変換基
板１０は一般のＩＣやトランジスタと同一の半導体拡散
工程で作られ、量産化が実現されているにも拘らず、上
述の排気工程で極端に量産化を阻まれている。

第１図、第２図の圧力変換基板１０．固定台７および両
者の接着に関する限り、量産化の方法が確立されている
。その製法の一例を示したのが第３図（ａ）　、　（ｂ
）　、　（Ｃ）である。第１図、第２図に示す圧力変換
基板１と固定台７とをシリコン拡散プロセスを導入して
量産可能にしたものである。第３図（ａ）において圧力
変換基板を多数マトリクス状に配列形成したウェハー１
７は、この圧力変換基板と対応して、中央部に貫通孔１
６を有する土台ウェハー１８と対向して、接着される圧
力変換基板は例えば４順　で形成され、２吋径のシリコ
ンウェハーを用いるとすれば、１枚のウェハーから約８
０個の圧力変換基板が得られることになる。土台用のウ
ェハーは圧力変換基板に流体圧力以外の力が加わること
を防ぐだめのものであるから、できるだけ厚い方が好ま
しい。しかし、加工技術の制約と必要最小限の要求から
５００μｔ〜ｌ　ｔｍ　ｔが用いられでいる。ウェハー
１７．１８の接着には従来がら低融点ソルダガラスが用
いられている。例えば東北ソルダガラス＃５０９をエチ
ルアルコールに対し、重量比で５チとし、表面から５ｍ
の位置にウェハー１８を浸種、約１０分間沈澱させる。

ウェハー１８の表面には約５０μｍのソルダガラス粉末
の沈澱層が形成される。このウェハー１８と圧力変換基
板用ウェハー１７とを対向させ、約５ｇＡの加重下、Ｎ
２ガス雰囲気中にて、約５３０Ｇの温度で溶着される。

接着層のウェハーは第３図（ｂ）の過程を経て、−個一
個の素子に切断される。（ｂ）図における１５けガラス
接着層である。第３図（Ｃ）は切断後の素子の断面図で
ある。

第３図に示した量産化の方法で真空リファレンスを持つ
素子が形成できれば、絶対圧センサーの低コスト化、量
産化が可能である。例えば、第３図において、土台用ウ
ェハー１６に貫通孔の無いウェハーを用いて、真空装置
内でガラス接着するという考えは否定される。低融点ソ
ルダーガラスには必ずＰｂＯ，、す２０ｇ　、　Ｔ　ｉ
ｏｎ　、　Ｆｅ２０３　、　ＺｎＯなどの釜属の酸化物
が含まれているため、真空中又は壌元雰朋気中で溶着す
ると金属が析出し、接着力を失ってしまうためである。

真空内でシリコンウェハーを接着する手法として、Ｐ　
ｂ＋　Ｓ　ｎ、　Ｚｎなどの合金ハンダが考えられる。

この場合、ハンダだけではシリコン素地への濡れ性を示
さないため、シリコンの表面にＮ１の下地金属層が必要
になる。Ｎｌの下地層はダイヤフラム形成後の圧力変換
基板および土台（貫通孔なし）表面に蒸着又は電解メッ
キ法によって形成される。

Ｎ１層は容易に形成され得るが、ダイヤフラムの内面、
および側壁（第３図（Ｃ））にも同時に形成されてしま
う。一端、Ｎｉ下地層が形成されると、ノ１ンダの濡れ
性は極度に向上し、ノ・ンダ接着時に余分の溶融ハンダ
がダイヤフラムの側壁を這い上り、ダイヤフラムに到達
して、圧力特性を劣化させてしまう欠点がある。ノ・／
ダの這い上りを防ぐ手法は種々検討されてきたが、い咬
だに決め手となる解決策が無く、真空内でのノ・ンダ接
着による方法は極めて困難とされていた。

〔発明の目的〕

本発明は上記の従来技術の有する棟々の問題を解決し、
ハンダ接着時にハンダのダイヤフラムへの這い上りがな
くかつ量産化、低コスト化が可能なシリコン圧力センサ
ーを提供することを目的とする。

〔発明の概要〕

発明者等の実験により従来の電解法によるＮｉメッキに
替って、以下に述べる無電解メッキ法を用いると、シリ
コンの下地の表面粗さによって、メッキの付着を制御で
きることが判った。すなわち鏡面状態ではＮＩＪ鱒が付
着せず、約＋　２０００ラツプ以下の粗面では極めて良
好にＮ１層が付着することが確認された。

これに基づき本発明の圧力センサーは圧力変換基板のダ
イヤフラム面とこれに連なる周辺側壁面を鏡面とし、か
つ固定台との対向接着面のみを＋　２０００ラツプ以下
の粗面として、さらにＮ１の中間層を介して接着固定す
ることを特徴とする。

〔発明の効呆〕

本発明によれば絶対圧センサーの信頼性向上と量産化、
低コスト化が可能となる。

し発明の実施例〕 以干、第４図を用いて本発明の一実施例を説明する。第
４図（ａ）において、１７は圧力変換基板用のウェハー
であり、１３が拡散抵抗層であるみダイヤフラム１２は
あらかじめオートリングラフ、法で必要個所のみ設けら
れた８１．ＩＮ、膜１５′を保饅膜として、ＫＯＨ溶液
によりアルカリエツチング法で形成される。この際、シ
リコン基板をエツチングされて出来上った面１２及び側
壁１２′は鏡面に仕上る。一方、１８は土台用のウェハ
ーであるが、第３図で示した場合と異なり、ダイヤプラ
ムに対応して貫通孔を必要としない。特徴は接着表面１
８ζ１８“に＃２０００２ツブ以下の粗面をとすること
である。同じく、接着面１５′も粗面とする。なお、２
１は次の工程において素子を保膿するためのワックス膜
である。用意した２種類のウエノ・−は以下の３段階を
経て、（ｂ）図のように約１μｍｔのＮｌメッキが形成
される。

■　１０チ塩化スズ溶液で約３０秒表面を活性化。

■　３０悌塩化パラジウム溶液に約３０秒表面、表面に
加速剤として被膜を形成。

■　２０チベルニツケル溶液（５２Ｃ）に約１５分授精
、表面にＮｌメッキ層を形成。

本発明で提示した手法を用いると、第３図（ｂ）におい
て示すように、１５’、１ｓ’、１ｓ“面のみＮｌメッ
キ層が形成されて、１２’、Ｎ２面には全く形成されな
い。

つまり、上記無電解メッキ法を用いると、粗面にはＮｉ
層が形成されるが、鏡面のシリコンには形成されない特
徴が出せることである。

第４図（ｃ）において層２２α接着用のハンダ層である
。この層を形成する方法には例えばスフ１フーン印刷が
用いられる。例えば粉末のＰｂ＋　Ｓ　ｎ　（９９：１
　）をペースト例えば酢酸ブチルとイソプロピルアルコ
ールの５＝９５混合液に溶解式せたものである。

ハンダ層形成後に（ｄ）図の如く、ウェハー１７と１８
を対向させ、真空装置内に設定する。真空度が約１０−
’ｔｏｒｒ程度の状態で、３５０Ｃに加熱することによ
って、両者は真空気密２３を保持したまま気密接着され
る。上述したように、ダイヤフラム面１２．側壁１２′
にはＮ１層が無く、鏡面のシリコン下地が露出している
ため、ハンダ２２が這い上る欠点はない。接着完了後の
ウェハーは、第３図（ｂ）の切断工程を経て、真空リフ
ァレンスを持つ感圧素子に仕上げられる。これらの感圧
素子は第１図で示した如きパッケージにマウントされて
、絶対圧センサーが完成する。

以上詳述したように、本発明に係る手法を用いれば、真
空室を持つ絶対圧センサーの量産化と低コスト化が可能
である。しかし、ここで提示した接着法は、特に真空リ
ファレンスを持つ絶対圧センサーに限らず、従来形の圧
力又は差圧センサー作製に際しても適用できることは明
らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の半導体圧力センサーの概略の構造を示す
断面図、第２図は第１図で示した圧力変換装置の片側の
入力面から真空排気処理を施して、内部に真空リファレ
ンスを設けた従来の絶対圧形圧カセンサーの概略断面図
、第３図は半導体圧力センサーの圧力変換基板を量産化
、低コスト化するための従来の手法を示す工程図、第４
図は本発明に係る絶対圧形センサーの圧力変換基板部分
を作成する場合の工程図である。 １２・・・ダイヤフラム、１３・・・拡散抵抗層、１５
’・・・８１．Ｎ、膜、１７・・・基板用ウェハー、１
８・・・土台用ウェハー、１８１１８“・・・接着表面
、２１・・・ワックス膜、２２・・・ハンダ層。 第　　１　図 ！ 第２図 第３図 ７ ｌｔｔ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 半導体単結晶板の中央部に外界の圧力を受けて変形する
   肉薄のダイヤフラムを設け、このダイヤフラムないしは
   同一面上に拡散抵抗層およびその出力特性を調整する半
   導体素子が形成されてなる圧力変換基板と、この圧力変
   換基板のダイヤプラム周辺肉厚部と対向接着せしめ内部
   に真空気密室を形成するだめの固定台とから構成され、
   前記圧力変換基板のダイヤスラム面とこれに連なる周辺
   側壁面が鏡面であり、前記固定台との対向接着面のみが
   ＃２０００ラップ以下の粗面でかつＮｉの中間層を介し
   て接着固定されたことを特徴とする絶対圧形半導体圧力
   センサー。