JPS60121777A - 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々る起歪抵抗ゲージ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の熱膨張率の異なシから、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。そこで従来より
ダイヤ７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り。

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　
も、シリコン単結晶板」との接着固定に金−シリコンの
共晶や低融点ハンダガラス等の接着剤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
率が略々等しいポウケイ酸ガラスを基板３と１〜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５００Ａ以下にそれぞれ鏡面研磨し。

その研磨面を水洗、乾燥した後、これらを例えばゴミ浮
遊量２００℃以上の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こと
によって％２つのシリコン結晶体を強固に接合するよう
にした方法である。

従来、鏡面研磨されたシリコンウェハー同志ヲ水やアル
コールなどで濡れた状態で接触させると、両者が接着す
る現象はしばしば経験する所である。

１、かじながらこれは水などの液体の表面張力によるも
のであり、乾燥させたウェハーでは観察されていなかっ
た。−力戦々は鏡面研磨されたシリコンの表面を充分に
清浄にし、かつ高度にクリーンな雰囲気の下で二つの面
を接触させると強固な接合体が得られる事を見出した。

さらにこのようにして得られた接合体の接着強度を充分
と高めるには、２００℃以上の熱処理が必須である事が
わかった。この接着の現象をさらに詳しく調べた結果、
シリコンの表面に自然酸化膜が形成されている事が、接
着させるための必要表条件である事がわかった。この自
然酸化膜の存在は、たとえばエリプソメトリ−などの方
法で確められるが、よし簡便には清浄化された表面に水
滴を置き、それが広がる事で容易に判定できる。即ち表
面が撥水性から親水性に変る事が自然酸化膜の存在の証
拠になる。

この自然酸化膜はさまざまな条件下で形成されるが、不
法で述べるように高々数分の通常の水洗工程で充分であ
−った。このようにして得られた親水性かつ清浄な面を
持つウエノ・−同志は容易に接着できるのに対し、たと
えばフッ酸などに浸漬して自然酸化膜を除去し、さらに
再び自然酸化膜が形成されぬよう注意深く取扱い１表面
が撥水性を保っている面にっｂて接着を試みたが、充分
な接着体が得られない事がわかった。また充分な接着強
度を得るために２００℃以上の熱処理が必要な理由は、
この温度付近で自然酸化膜の表面に存在する活性なシラ
ノール基同志が反応し、５ｉ−０−８ｉの強固な結合を
作るためと考えられる。尚このようにして接着されたシ
リコン同志は電気的に導通状態となる事が確認された。

〔発明の効果〕

かくして本発明によれば鏡面研磨した後水洗。

乾燥した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℃以上の温度で熱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１度に上記シリコン結晶体を強固に接合することが可
能となる。これ放液着剤は全く不要となる。従って、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。

さらに本発明の方法を例えばシリコンウェハー同志の接
着に応用すれば、例えば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接合の素子を作る事ができ、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ェハーの変形の防止など
、その利点は数多いものである。

〔発明の実施例〕

次に本発明方法の実施例とその接合メカニズムについて
説明する。

従来、ガラス板の平滑な面を極めて清浄に保ち。

このような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難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５００λ以下に鏡面研磨して平滑
化し、５分間水洗した。

得られたシリコンの面は水に良く濡れ、自然酸化物の層
が形成されている事が推定された。その後メタノール置
換、フレオン乾燥を行い、このようにして得られたシリ
コン結晶体を、ゴミ浮遊量２０個／ｆｆ／の実質的にゴ
ミのないクリーンルーム中で上記接合面を相互に直接密
着させて２００℃以上の温度で熱処理したところ、両者
は極めて強固に接合した。この接合体の接着強度と熱処
理の関係を知るために、窒素雰囲気中で種々の温度で３
０分熱処理し、引きはがし試験を行なった。結果は第２
図に示した通シであり、２００℃以上で接着強度が著し
く上昇する。

以上の事から、研磨した清浄なシリコンの面は水洗だけ
で表面が親水性となシ、清浄な環境下で且つ２００℃以
上の温度下で接合すれば強固に接着体を得る４丁ができ
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ｍ個イオンでも、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（８ｉ−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利層間の
相互作用や、シラノール基の脱水重合によって５ｔ−０
−８ｉ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
性にし、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。然
し乍ら、その密着度（真空度）に関しては、上記加熱処
理はさほど重要な意味を持たない。即ち、常温で密着接
合させただけの接合体であっても、ヘリウム−リーク拳
デテクタによる検出感度（１０’Ｔｏｒｒ）以下の高い
気密性を有することが確認された。

本発明者らは、上述した方法を利用して次のような半導
体圧力変換器を製作してみた。即ち１両面研磨されｆｃ
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、これをフォトリングラフィ技微を用いてパ
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ＰＳＧ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喘、厚さ１５０μｍの肉薄ダイヤフラムを有
する１〇−角、厚さ４００μｍの感圧ベレットを製作し
た。尚、この感圧ベレットの感度は、最大圧力４　ｋｇ
　７　ｄ！に設定した。

一方、基台として、上記感圧ベレットと同じ材質のシリ
コンを直径１６＋ａ＋、厚さ３＋ｗに切出し、その中央
部に直径４ｍ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、水洗して表面を親水性とすると共
に、上記のベレットの接着面も再研磨、水洗した。しか
るのち、これらの接合面間にゴミが介入しないように注
意して接触轡密着させ加熱炉、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、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
を調べたところ、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
一３０℃〜＋１００℃の範囲で２％以内であり、真空度
１０″Ｔｏｒｒ以下でもそのリークがなく、破壊圧力１
０に９／ｄ以上であった。しかるのち常圧から１４０ｋ
ｇ／ｃｄの静水圧まで圧力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。この仁とは、前記感圧ベ
レットと基台との接合部が、ダイヤスラムに対して悪影
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、感圧ベ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１〇
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つ
九本発明の他の実施例として、１０αの面方位（１００
）を有するｎ型シリコンと、同じく１０の（１００）　
ｐ型シリコンウェハーを用意し、各々の接着すべき面を
鏡面研磨し、水洗して親水性とした。両者を乾燥彼りリ
ンルーム中で接合し、フォーミングガス雰囲気中で１１
００℃まで昇温し、放冷した。得られたシリコン接合体
のｐ側をメサ型と化学エッチして２咽角に分離し、ダイ
オード特性を調べた所、充分な整流特性が得られた。

【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（ほか１名）第１図 第２図 処処理’？ＪＬＣｌ：）−→

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）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、各研磨面を水洗により親水性とした後乾燥し、
   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
   件下で上記接合面間を直接密着させて２００℃以上の温
   度で熱処理することを特徴とするシリコン結晶体の接合
   方法。
2. （２）接合面の鏡面研磨は、その表面粗さを５００Ａ以
   下に研磨す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。
3. （３）接合面間に実質的に異物が介入しない条件下は、
   ゴミ浮遊量が２０個／ｒｒｔ以下のクリーンルームによ
   シ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。