JPS6050970A - 半導体圧力変換器 - 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〕 本発明は半導体結晶の肉薄ダイヤフラム面に起歪抵抗ゲ
ージを形成した感圧ペレットを基台に強固に結合した構
造の半導体圧力変換器に関する。

（発明の技術的背景とその問題点） 流体圧力を検出する圧力変換器として、半導体のピエゾ
効果を利用したものが実用化されている。

この種の半導体圧力変換器は、その基本構成を図に示す
ように、例えばシリコン（Ｓｔ）からなる半導体単結晶
板１の中央部に、圧力に感応する肉薄ダイヤフラム面２
を形成しこの肉薄ダイヤフラム而２の一方に基板（半導
体単結晶板）１とは逆導電性の拡散抵抗層３を形成し、
これを起歪抵抗ゲージとしている。そして、前記基板１
０表面に設けられたＳｉＯ２絶縁膜４に窓部を設け、こ
の窓部を介して前記起歪抵抗ゲージ３に対するアルミニ
ウム等の電極配線５を形成している。しかして、このよ
うに形成された感圧ベレツ１〜は、前記基板１の周辺肉
厚部を基台６に接着剤７等を用いて固定され、上記基台
６の中央部に設けられた圧力導入孔８を介して導入され
た圧力Ｐに感応するものとなっている。

しかして、前記起歪抵抗ゲージ３は、前記圧力Ｐによっ
て歪を生じるダイヤフラムにより抵抗値変化を示し、こ
の抵抗値変化は前記起歪抵抗ゲージを含んで構成される
フルブリッジ回路等により検出される。これにより、例
えば微弱な圧力変化をも高感度に検出されるようになっ
ている。

ところで、このような半導体圧力変換器は上述したよう
にダイヤフラムに生じた歪によって微弱な圧力を高感度
に検出するものであるから、当然、感圧ペレットに加わ
る残留応力やその温度変化が問題となる。この為には基
台６に固定される感圧ペレットに応力が加わらないよう
に、その基台６および接着剤７についても半導体結晶板
１であるシリコンとの熱膨張を整合さける必要がある。

そこで従来、前記基台６として感圧ペレットと同じ材料
であるシリコンを用いることが考えられている。然し乍
ら接着剤７としては、例えば金・シリコンの共晶や低融
点半田ガラスを用いざるを１９ないので、これらの高膨
張率の材料に起因する残留応力を除去することができな
いと言う問題があった。

これに対して最近では、小つグイ酸ガラスにて前記基台
６を構成し、感圧ペレットとの接合を高温加熱、或いは
電圧印加することで前記接着剤７を用いることなく行う
ことが試みられている。このような手段によれば、上記
ガラスの種類を適当に選ぶことで、広い温度範囲で前記
熱膨張の整合を図ることが可能となる。然し乍ら、この
種の半導体圧力変換器は静圧下で用いられることが多く
、この場合前記シリコンとガラスとの接合体では、両者
の圧縮率が一桁以上も異なるノこめに不均等な変形が発
生し、この結果前記感圧ベレツ１へ部に応力が加わる。

この応力は前記ブリッジ回路の零点変動として現われ、
半導体圧力変換器の使用上大きな問題となる。

〔発明の目的） 本発明はこのような事情を考應してなされたもので、そ
の目的とするところは、残留応力が小さく、しかも温度
特性及び静圧特性の良好な半導体圧力変換器を提供する
ことにある。

〔発明の概要〕

本発明は感圧ベレッ１へを固定する基台どして上記感圧
ペレットと同じ材料であるシリコンを用い、その接合面
をそれぞれ鏡面研磨し、これらの研磨接合面間に薄い酸
化膜だけを介在させて上記感圧ペレットと基台とを直接
接合したものである。特に上記酸化膜として前記感圧ペ
レットや基台と同じ材料であるシリコンの絶縁物を用い
ることによって、他の異物を介することなしに前記感圧
ペレットと基台とを接合して半導体圧力変換器を構成し
たものである。

〔発明の効果〕

かくして本発明によれば、シリコン酸化膜が感圧ペレッ
トと基台との接＠層として有効に作用して前記感圧ペレ
ットと基台とを強固に接合する。

即ち、鏡面研磨された前記感圧ペレットと基台の各接合
面をそれぞれ清浄化し、その面に薄い絶縁膜を形成し、
これらの間にゴミ等の異物を介在させることなしに上記
両者を接触させて接合するので、接着剤に起因する問題
のない、特性の良好な半導体圧力変換器を得ることがで
きる。また、上記絶縁膜の厚みを１μｍ程度と十分に薄
くすることによって半導体圧ノｊ変換器の静圧特性や温
度特性等を十分に高いものとすることができる。従って
各種用途に用いられる半導体圧力変換器として実用上多
大な効果が奏せられる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例につき説明する。

本発明は感圧ペレツ１へや基台と同じ構成材料であるシ
リコンの薄い絶縁膜で上記感圧ペレットと基台とを接合
したものであるが、このようにして酸化膜を介在させる
だけでシリコン同士が接合覆る原因の詳細は不明である
。然し乍ら、カラスとガラスとを接触させたとき、その
カラス面が十分に清浄であれは摩擦係数が非常に大きく
なり、上記ガラスの破壊なしには両者を引離すことがで
きない程度に強く結合づることは良く知られている。

また、シリコン酸化膜もガラスの一種であり、シリコン
の清浄面には短時間で自然酸化膜の層が形成されること
も知られている。従ってこのような酸化膜を介在させた
シリコン同士の接合にあっても、上記ガラス同士の接合
と同様な現象が生じるものと考えられる。然し乍ら、こ
のシリコン同士の接合の場合、実際に掻く僅かな油分等
のよごれがその表面に存在するだけで上記接合ができな
くなり、また接合面が平滑でなかったり、接合面間に僅
かなゴミ等が存在するだ【プで接合ができなくなる。

このように上記酸化膜はシリコン間の接合に必須の要素
であり、この酸化膜は例えば熱酸化法、化学蒸着法、ス
パッタリング法等の物理蒸着法によって形成することが
できる。しかし、前記シリコン間の接合を為すには酸化
膜形成後の接合面表面が鏡面であることが必要であり、
例えば不適切に条件設定された化学蒸着法で酸化膜を形
成した結果、その酸化膜に０．２μ汎程度のクラスタが
存在するだけで上記シリコン間の接合が困難になる。ち
なみにこのようにして積慟的に酸化膜を形成することな
しにシリコンをクリーンルーム等の清浄な空気中に放置
し、或いは王水のような酸化性の液体中で煮沸する等し
て自然酸化膜を形成するだけでも上記接合を為すことが
できる。尚、酸化膜としては例えば化学蒸着法等により
、その酸化膜中にＰ２０５やＢ２０３等をドープしたも
のを用いるようにしてもよい。

このようにして酸化膜を介在させて接合した感圧ペレッ
トと基台との接合体はそのままでも高い気密性を示し、
かなり強い接着強度を示すが、更にこれを２００℃以上
の温度で加熱処理することによって、上記接合強度を大
幅に増大させることが可能となる。即ち、本発明者等の
実験によれば、前記接合体の接合面に５　Ｋ９　／　ｃ
ｒｌ程度の圧力を加えるだけで上記接合体は剥離するが
、上記接合体を２００℃で約１時間加熱処理したのらに
は、１５に’ｊ　／　ｃＭ以上の圧力を加えても前記接
合体の剥離が生しることがなく、その反面、接合面以外
の部位で素子の破壊が生じることが見出された。このこ
とは、一般にガラスまたは酸化膜の表面に形成されるシ
ラノール基（Ｓ　＋−０）−１＞は２００℃で脱水縮合
することが知られており、このことを考慮すれば、上記
結合度の増大は酸化膜または自然酸化膜の表面のシラノ
ール基の脱水縮合により（Ｓｉ　−Ｏ８ｉ　）の結合が
形成されて結合強度が増加するものと考えられる。

次に具体的な本発明に係る半導体圧力変換器について説
明する。感圧ペレットは従来公知の技術をそのまま利用
して製作することができる。例えば両面研磨したｎ型の
（１１１）シリコン基板を用意し、ｎ型の抵抗層を拡散
法によって形成する。

しかるのち、この基板に蒸着したアルミニウムをフＡト
リソグラフィ技術を用いてパターニングし、上記ｎ型抵
抗層を起歪抵抗ゲージとするブリッジ回路を形成する。

そして、ＰＳＧの保護膜を形成したのち、肉薄タイヤフ
ラム面をエツチング法により形成する。これによって、
直径８ｒＮｎ、厚さ１５０μ肌の肉薄ダイヤフラム面を
有する１０×１０＃、厚さ４００μｍの感圧ペレットを
作成する。

尚、この感圧ベレン１への感度は、最大圧力４Ｋｙ／ｄ
に設定されている。またその接合面に設置プる酸化膜は
例えばそのウェハーに予め熱酸化等により形成しておけ
ば、製造工程上都合がよい。

一方、基台としては、外径１４ｍｍΦ、内径４論Φ、厚
さ３＃のシリコン円板を機械加工して作成し、その接着
すべき面を鏡面研磨する。この円板を酸素雰囲気中で１
２００℃で加熱し、０．５０μｍの酸化膜を表面に形成
する。このようにして得られた前記感圧ペレットと基台
とを１−リクレン煮沸、アセトン超音波洗浄後、水洗、
アセ１ヘン置換、フレオン乾燥の工程で清浄化し、クリ
ーンルーム中でそれらの接合面を相互に接触させ、軽く
圧迫して接合させた。しかる後、この接合体をオーブン
に入れて２００℃で約３０分カロ熱した。尚、この加熱
中にいくつかの試料には５１（９の加重を加えたが、こ
の加重の有無による接合力等の本質的な差異は検出でき
なかった。

このようにして得られた半導体圧力変換器の圧力零にお
ける残留抵抗の温度変化、真空リークの有無、および素
子破壊圧力を調へたところ、いずれも目的とする仕様を
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′Ｃ〜＋１００℃の範囲で２％以内であり
、真空度１０Ｔ　ｏｒｒ以下であってもリークがなく、
破壊圧力が１０Ｋｇ／ｃＩＩ１以上であることが確認さ
れた。また上記半導体圧力変換器を油圧容器に入れ、１
４０Ｋｇ／　ｃｒ！の静圧を印加し、常圧の場合との抵
抗ブリッジの平衡点の差異を調べたが、０．０１％程度
であって事実上問題とならなかった。

一方、自然酸化膜を介在させた接合の例として上記した
ものと同じ感圧ペレットを用い、基台として上記したも
のと同様に機械加工、研磨したシリコン基板を王水中で
１時間煮沸し、その後水洗、乾燥し、その表面が水によ
くぬれて自然酸化膜が形成されたと判断されるもの形成
し、これらを清浄な環境下で接触させた。この場合にも
、かなり強固な接合体を得ることができた。また、この
接合体を電気炉内で４００℃、１０分間加熱し、その接
合強度を増大させた。このようにして得られた半導体圧
力変換器も、ブリッジ平衡点の温度変化、静圧変化等が
極めて僅かであり、圧力センサとして十分な特性を示す
ことが確認された。

尚、本発明は上記実施例に限定されるものではない。即
ち、酸化膜の形成法は従来周知の技術を適宜用いること
ができ、その膜厚も仕様に応じて定めればよい。また上
記膜厚は５μｒｎ以下とすればよく、実用上０．６μｍ
程度が好ましい。要するに本発明はその要旨を逸脱しな
い範囲で種々変形して実ｆＩＩ！することができる。

【図面の簡単な説明】

図は半導体圧力変換器の基本構成を示す図である。 １・・・・・・半導体結晶板 ２・・・・・・肉薄ダイヤフラム面 ３・・・・・・起歪抵抗ゲージ ５・・・・・・電極配線 ６・・・・・・基台 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　肉薄ダイヤフラム面に起歪抵抗ゲージを形成し
   た感圧ペレットと、この感圧ペレットと同じ材料で形成
   され、中央部に上記感圧ペレットの肉薄ダイヤフラム面
   に圧力を導入する圧力導入孔を設けた基台とからなり、
   この基台と前記感圧ペレッ１へのそれぞれ鏡面処理され
   た接合面間に酸化膜のみを介在させて前記感圧ペレット
   と前記基台との上記接合面間を接合してなることを特徴
   とする半導体圧力変換器。
2. （２）酸化膜は、感圧ペレツ１へ及び基台と同し材料の
   酸化物からなる特許請求の範囲第１項記載の半導体圧力
   変換器。