JPS60121776A - シリコン結晶体の接合方法 - 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２つのシリコン結晶体を接着剤等を用いること
なしに強固に接合することのできる新規で実用性の高い
シリコン結晶体の接合方法に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

半導体圧力変換器は第１図に示すように、中央部に肉薄
ダイヤフラムを形成したシリコン単結晶板１の上記肉薄
ダイヤフラム部に拡散抵抗層からなる起歪抵抗ゲージ２
を形成し、その肉厚周辺部をガラス基板３上に接着剤４
を介して接着固定した構造を有し、上記ガラス基板３の
中央部に設けられた孔部５から導入される圧力Ｐによっ
て変形する前記ダイヤフラムの起歪抵抗ゲージ２の抵抗
値変化から上記圧力Ｐを検出するものとなっている。し
かして、この圧力変換器では、前記起歪抵抗ゲージ２は
前記導入圧力Ｐに対してのみ高感度に感応する。ことが
必要である。しかるに、前記シリコン単結晶板１とガラ
ス基板３の熱膨張率の異なりから、前記接着固定部に熱
膨張差が生じ、これによって発生する応力が前記肉薄ダ
イヤフラムに加わると云う不具合がある。そとで従来よ
りダイヤプラムを形成したシリコン単結晶板１と同じシ
リコン結晶を基板３として用いることによシ。

上記熱膨張率差の問題を回避することが考えられている
。

然し乍ら、このようなシリコン結晶基板３を用いると　
ども、シリコン単結晶板１との接着固定に金・シリコン
の共晶や低融点ハングガラス等の接着剤４が用いられる
ので、その接着固定部における残留応力の問題を本質的
に解決することができなかった。

一方、接着剤４を用いることなしに前記シリコン単結晶
板１を基板３に接合する方法として、シリコンと熱膨張
率が略々等しいホウケイ酸ガラスを基板３として用い、
その接合部をガラス転移温度以上に加熱したり、電界を
加え乍ら加熱して上記両者を接合することが考えられて
いる。然し、半導体圧力変換器は静水圧の下で使用され
ることが多く、この場合には圧縮率の異なりによって歪
や応力が生じると云う新たな問題が生じた。

〔発明の目的〕

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、そ
の目的とするところは、接着剤を用いることなしに２つ
のシリコン結晶体を相互に強固に接合することができ、
例えば半導体圧力変換機の製造に効果的に応用すること
のできる実用性の高いシリコン結晶体の接合方法を提供
することにある。

〔発明の概要〕

本発明は２つのシリコン結晶体の各接合面を例えば表面
粗さ５００Ｘ以下にそれぞれ鏡面研磨したのち、これら
をゴミ浮遊量２００℃以上のクリーンルーム中で、空気
中にさらす事によシ表面を親水性にし、さらに同じくク
リーンルーム中で、上記各研磨接合面間に実質的に異物
が介入しない条件下で相互に密着させて、２００℃以上
の温度で加熱する事によって強固の接合を得ようとした
ものである。

従来、ガラス板の平滑な面を極めて清浄に保ち、この上
うな２板のガラス板を直接密着させると、その間の摩擦
係数が増大して接合状態が得られることが知られている
。そして、これに逆らって上記ガラス板の面同志を滑べ
らすと、その接合面のむしり取りによるクラックが発生
することが知られている。これに対して従来、シリコン
結晶体同志の上記ガラスの如き接合法が知られていない
ことは、シリコン結晶体の接合すべき面の平滑性とその
清浄性を厳密に保つことが離かしかったことが最大の原
因であったと云える。

この点本発明は次のような処理を施すことによって、ガ
ラス同志の接合のようにシリコン結晶体同志の接合も可
能なことを見出した。即ち、２つのシリコン結晶体の接
合すべき面を表面粗さ５００Ａ以下に鏡面研磨して平滑
化し、しかるのちこれをトリクレン等によって脱脂した
。その後、フッ酸、硝酸、酢酸の混液に浸して表面変質
屑を除き。

表面を撥水性にした。これを手早く洗浄、乾燥し。

撥水性を保たせたままのシリコンを、ゴミ浮遊量２００
℃以上のクリーンな雰囲気下で１時間放置した後、同じ
くクリーン々条件下で密着させ、２００℃以上の温度で
熱処理し、要所、良好な接着体が得られた。そこで空気
中で保持する時間や温度などを変え、良好な接着体が得
られる条件を調べた結果、空気中保持によりシリコン表
面が撥水性から親水性に変り、そして親水性になった時
点で接着性が良好になる事がわかった。

ところで、シリコン結晶体の表面が親水性を呈すること
は、その表面に極く薄い酸化層が生成されていると考え
られ、この酸化層の存在が接合力の増加に貢献している
ものと推定される。また。

酸化層を除去して撥水性化し７たシリコン結晶体であっ
ても、空気中に僅かな時間放置することによって自然酸
化膜が形成されることは良く知られている。従って前述
したように一度撥水性としたシリコン結晶体であっても
、その空気中放置後には再びこの酸化膜のために親水性
を取りもどし、接着できるようになるのであろう。もち
ろんこの親水性化の過程でゴミなどの異物が表面に付着
すれはまったく接着できなくなる。従がって雰囲気の清
浄性が極めて重要である。

しかして、このよう表酸化層がその接合に大きく関連し
ていることは、次の熱処理の効果を調べることによって
よシ明らかとなる。第２図は。

１０−φ厚さ３鱈の第一のシリコン板と、中央に５ｗφ
の穴の開いた１１０Ｘ１０厚さ３ＩＩｌｌの第２のシリ
コン結晶板とを前述した方法によ沙接合して、種々の温
度で加熱処理した複数のサンプルを作り、これを油圧系
に接続して前記孔から内圧を与え、その接合体の引きは
がし強度（破壊応力）を調べたものである。第２図にお
いて２００℃以上で熱処理した試料は高い引きはがし強
度を有する事がわかる。

一方、２００℃程度の加熱温度では、シリコン原子につ
いてはもとより、最も拡散し易い一価イオンでも、シリ
コン結晶中における拡散速度は通常無視できる程度に小
さいことは公知である。またこの２００℃付近の温度で
は、酸化膜の表面に吸着された水分子が殆んど離脱し、
化学吸着により形成されたシラノール（Ｓｉ−ＯＨ）の
脱水縮合が起こシ始めることも知られている。これらの
ことを考え合せれば、前記シリコン結晶体相互の結合は
、金属同志の接合として知られている相互拡散によるも
のではなく、シリコン結晶体の表面酸化膜の水和層間の
相互作用や、シラノール基の脱水重合によって８ｆ−０
−８＋なる強固な接合構造を為しているものと考えられ
る。

そしてこのような事実は、シリコン結晶体の表面を親水
性化処理し、その密着接合後に２００℃以上の加熱処理
を施せば、高い接着強度が得られることを意味している
。

伺このようにして得られたシリコン接合体は、良好な機
械的特性を持つだけでなく、電気的接合性もきわめて良
好な事がわかった。ＳｉＯ！などの膜が接着に関与して
いるとすればこの現象は予想外であるが、恐らく膜が充
分薄いため、電気的な障害にならないためと考えられる
。

〔発明の効果〕

かくして本発明によれば、鏡面研磨し、親水性となるよ
うにクリーンな空気中にさらした２つのシリコン結晶体
をクリーンルーム中で密着させ、２００℃以上の温度で
処理するだけで、シリコン結晶体の破壊を招くことなし
にその引離しを困難とする程度に上記シリコン結晶体を
強固に接合することか可能となる。これ放液着剤は全く
不要と々る。従って１本方法を半導体圧力変換器の製造
に適用すれば、ダイヤフラムを形成したシリコン単結晶
板と、これと物理的性質を同じくするシリコン基板とを
接着剤を用いることなしに直接接合することが可能とな
り、膨張率差、圧縮率差に関する問題は勿論のこと、接
着剤を介した接合部における残留応力の問題も効果的に
解消することが可能となる。故に、導入圧力Ｐに対して
のみ効果的に感応する半導体圧力変換器を実現すること
が可能となる等の実用上絶大なる効果が奏せられる。

さらに拳法をたとえばシリコンウェハー同志の接着に応
用すれば、たとえばｎ型シリコンにｐ型シリコンを張り
合せる事で従来必須であった拡散工程を経る事なくｐｎ
接合の素子を作る牢ができ、また高不純物濃度の基板と
低不純物濃度の基板を張り合せれば、従来メサ型トラン
ジスタなどで必須であった深く高濃度のコレクタ形成用
拡散工程が省略でき、工程短縮、汚染の確率の減少、拡
散に伴う欠陥の導入やウエノ・−の変形の防止などその
利点は数多い。

〔発明の実施例〕

両面研磨されたｎ型の［１１１：］シリコン基板を用意
し、これにｐ型拡散抵抗層を形成した。しかるのちこの
基板にアルミニウムを蒸着し、これをフォトリソグラフ
ィ技術を用いてノくターニングして前記ｐ型拡散抵抗層
を起歪抵抗ゲージとするブリッジ回路を形成し、その表
面をＰ８Ｇ保護膜にて保護した。その後、ダイヤフラム
面をエツチング形成し、直径８網、厚さ１５０μｍの肉
薄ダイヤフラムを有する１０ｍ＋角、厚さ４００μｍの
感圧ペレットを製作した。岡、この感圧ペレットの感度
は。

虻大圧力４　Ｈ／ａＡに設定した。

一方、基台として、上記感圧ペレットと同じ材質のシリ
コンを直径１６鰭、厚さ３鰭に切出し、その中央部に直
径４−の圧力導入孔を設けた。その後、この基台の一面
を鏡面研磨し、前記感圧ペレットと共に洗浄後濃フッ酸
中と３０秒浸し、表面を撥水性にした後乾燥し、実質的
にゴミのないタリフペンチ中で１時間保持した。これら
のシリコン表面が再び親水性となった事を確認した後。

接合面間にゴミが介入し力いように注意して接触・密着
させた。これらの一連の処理は勿論クリーンルームで行
われる。この後この接合体を炉、或いはオープンに入れ
、２００℃で１時間加熱処理した。

このようにして得られた半導体圧力変換器について、先
ずアルミニウム電極配線を調べたところ、その変質等の
異常は極められなかった。次に圧力零の条件下で残留抵
抗の温度変化、真空漏れの有無、素子破壊圧力等を２礪
べたところ、いずれもその目的とする仕様を満足してい
ることが確認された。即ち、残留抵抗の温度変化は一３
０℃〜＋１００℃の範囲で２％以内であり、真空ｖ１．
ｏ　’１．’ｏｒｒ以下でもそのリークがなく、破壊圧
力はｉ　ＱＡ”／Ｃｊ以上であった。しかるのち常圧か
ら１４０Ａ９／ｃｎの静水圧壕で圧力Ｐを変化させて、
前記起歪抵抗ゲージを含むブリッジ回路の平衡点変動に
ついて調べたが、事実上変化しなかった。このことは、
前記感圧ペレットと基台との接合部が、ダイヤフラムに
対して悪影響を与えていないことを裏付けている。

このような効果の比較として、ホウケイ酸ガラスを基台
とする同じ仕様の半導体圧力変換器を製作した。この場
合、感圧ペレットと基台との接合は、上述したシリコン
を基台としたものと同様に強固であることが確認された
が、静圧テストにおいてブリッジ回路の平衡点が１０チ
以上も変動した。つまり、接合部がダイヤフラムに悪影
響を及ぼしており、本発明の如き効果は得られなかった
。

本発明の他の実施例として、１Ω傭のｎ型シリコン（１
００）と１０Ωｄのｎ型シリコン（１１１）のウエノ・
−（２０側φ）を用意し、接着すべき面を鏡面研巧し、
水洗後沸酸−硝酸−酢酸＝１：３：２のエツチング液で
表面をエツチングし清浄化すると共に撥水性とした。手
早く水洗、乾燥した後。

クリーンベンチ中で３０分放置し、表面が親水性となっ
た事を確認後、両面をクリーンルーム中で接合し、得ら
れた接合体を窒素中で５００℃まで加熱した。得られた
接着体の導通を調べた所良好なオーミック特性を示し、
障壁のない事が確認された。

ｆｆ１本発明は上述した実施例にのみ限定されるもので
は々い。その要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は半導体圧力変換器の構成を示す図、第２図は本
発明方法によるシリコン結晶接合体の熱処理温度に対す
る破壊応力の関係を示す図である。 １・・・シリコン単結晶板、２・・・起歪抵抗ゲージ。 ３・・・基板、４・・・接着剤、５・・・孔。 代理人　弁理士　則　近　憲　佑（ｆ牙か１名）＠１図 第２図 剥明璧Ｃｃ）−＋−

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （す２つのシリコン結晶体の各接合面をそれぞれ鏡面研
   磨し、各研磨面を実質的に異物が介入してない空気中に
   晒して親水性にし、その後これらの接合面間に実質的に
   異物が介入しない条件下で上記接合面を直接密着させて
   、２００℃以上の温度で熱処理する事を特徴とするシリ
   コン結晶体の接合方法。 （２）実質的に異物が介入しない条件下は、ゴミ浮遊量
   が２０個／−以下のクリーンルームにより実現されるも
   のである特許請求の範囲第１項記載のシリコン結晶体の
   接合方法。