JPS6222469B2

JPS6222469B2 -

Info

Publication number: JPS6222469B2
Application number: JP53009132A
Authority: JP
Inventors: Yasutoshi Kurihara; Komei Yatsuno
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1978-01-30
Filing date: 1978-01-30
Publication date: 1987-05-18
Also published as: JPS54102884A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は半導体変位変換器に関する。特定な結晶軸方向を有する半導体単結晶はピエ
ゾ抵抗を有することが知られている。かゝるピエ
ゾ抵抗が半導体に固有のものであり、かつ従来の
金属線型歪ゲージに比較して格段に優れた特性を
示すことも周知の通りである。一般に、半導体変
位変換器は第１図に示す各部材から構成されてい
る。同図において、１は歪伝達部材、２は歪検出
体、３は接着材料、４は歪検出体２と外部回路を
結ぶリード線で、歪伝達部材１の変位にともなう
歪を接着材料３を介して歪検出体２に伝達し、そ
の伝達歪量に対応する電気出力をリード線４を通
して外部回路に取出すものである。この際歪検出
体２は、種々の誘導雑音から分離するため歪伝達
部材１から電気的に絶縁されるとともに、歪伝達
部材１は接地される。かゝる構成物が変位変換器
として有効に作動するためには、歪検出体２を歪
伝達部材１に強固に取付けるとともに、両者間を
電気的に絶縁する必要がある。このような要請から、従来の半導体変位変換器
においては、(1)歪検出体と歪伝達部材間をエポキ
シ樹脂やアクリレート樹脂などの有機樹脂を用い
て接着する方法、(2)半導体からなる歪検出体内に
Pn接合を形成し、このPn接合障壁によつて歪感
応領域（抵抗領域）と歪伝達部材間を電気的に分
離し、歪検出体と歪伝達部材とを導電性金属ソル
ダで接着する方法、(3)歪検出体と歪伝達部材間を
ガラス材で接着する方法などが用いられてきた。
しかしながら、(1)の場合は接着材料そのものがか
なり厚く形成される結果、歪伝達部材の変位が歪
検出体へ正確に伝達されず変位変換器の感度低下
をきたし、また有機樹脂は耐熱性が劣ることとあ
いまつて塑性変形を生じやすく接着部にクリープ
現象を生ずる。即ち、半導体歪検出体と歪伝達部
材の強固な接着は樹脂本来の特質から有機樹脂を
用いた方法ではあまり期待できない。(2)の方法は
特公昭39−21444に記載されているように、半導
体歪計を普通の合金処理によつて歪を測知すべき
部材に直接接着でき、そして合金層をかなりの程
度まで薄くできるので、歪を半導体歪計に正確に
伝達できる。しかしPn接合は、これに順方向電
圧が印加されるような電位に対しては絶縁障壁と
して働き得ないばかりでなく、熱的なキヤリア発
生のため逆方向電圧が印加されるような電位に対
しても高温雰囲気における絶縁性低下はまぬがれ
得ない。また、(3)の方法は半導体歪検出体と歪伝
達部材間の絶縁は完全に達成されるが、ガラス材
そのものが大きな脆性を有することや被接着体と
の熱膨張係数の相違にもとづく接着部の破損等を
生じやすく、この結果両者間の完全な接着を実現
するにはさらに改善の余地が残されている。以上の背景から、前記(2)および(3)の欠点を除
き、長所を積極的に発展させた変位変換器が提案
されている。この変位変換器は第２図に示すよう
に半導体単結晶１１の第一主面１２側に歪感応領
域１３を形成し、前記主面１２と反対の第二主面
１４側に絶縁性酸化物１５を具備した半導体歪検
出体１６と弾性金属材料からなる歪伝達部材１７
とを、合金材からなるソルダ層１８を介して一体
化している。この場合、ソルダ層１８と絶縁性酸
化物１５との接着を強固に保つ必要から両者間に
絶縁性酸化物１５との接合力が強く、ソルダ層１
８との合金的結合を容易にする金属中間層１９を
介在させていた。このような従来構造の変位変換
器をさらに詳細に説明すると、合金ソルダ層１８
としては、400℃以下で溶融し、歪伝達部材１７
の機械的性質を損なわずに比較的低温での接着が
可能であるAu−Ge，Au−Si，Au−Sn，Au−Sb
等のAu系合金ソルダを、また金属中間層１９と
してはSiO₂などのように絶縁性酸化物との親和
性が強く、そして接着を強固になし得るCrを用
い、また前記合金ソルダ１８の中には前記金属中
間層１９との接着を強固に保ち、前述のAu系合
金ソルダとの合金的結合を容易にし、しかもAu
と金属中間層（Crなど）との反応を抑制し得る
Cu，Niなどからなる添加金属を含有させてい
た。しかしながら、このように構成された従来の変
位変換器には次のような欠点があつた。 (1) 半導体歪検出体１６と歪伝達部材１７間の合
金ソルダ１８による一体化熱処理の際、この合
金ソルダ中の主要部分であるAuが金属中間層
１９にまで拡散し、本来接着が強固になされる
絶縁性酸化物−金属中間層（Cr）間界面構成
を絶縁性酸化物−金属中間層（Auを含む）構
成に変質させ、その結果同界面における接着強
度を低下させる事故をしばしば生ずる。 (2) (1)の界面変質により、接着状態が不均一にな
る結果、歪感応領域の歪感度が相互に不均一と
なり変位変換器の精度、安定性、信頼性を損な
う。 (3) 歪伝達部材１７の変位量を歪検出体１６へ正
確に伝達するためには、変位量の吸収ないし緩
衝領域となりやすい合金ソルダ層１８および金
属中間層１９を薄くする必要がある。しかし、
これらを薄くすることにより局所的な接着、即
ち不均一な接着がなされやすく、したがつて歪
検出体内における残留歪も不均一な分布をす
る。この結果、同一歪検出体１６内に集積され
た複数個の微細な歪感応領域は互に異なる歪感
度を有することとなり、一様な特性を持たない
歪感応領域で歪検出用のブリツジ回路を構成す
ると、変位変換器の精度、安定性、信頼性を著
しく損ねる。 (4) 前記(1)〜(3)の結果、変位変換器の半導体歪検
出体−合金ソルダ間接着を熱的変化、機械的変
化に対して安定かつ強固に保つことが困難であ
り、また変位変換器特性の精度や安定性を信頼
度高く確保することが困難である。本発明は前述の欠点を改善し、半導体歪検出体
と歪伝達部材間の接着を強固かつ均一になし得る
半導体変位変換器を提供するものである。本発明の半導体変位変換器は一方の主面側に少
なくとも１つの歪感応領域を備え、また前記主面
と反対側の主面に絶縁性酸化物を具備した半導体
歪検出体と、この歪検出体に変位を伝達する歪伝
達部材とを、前記絶縁性酸化物に密着するように
設けられた金属中間層と前記金属中間層および歪
伝達部材によつてサンドウイツチ状にはさまれ、
少なくともAuを主要な構成成分とし、かつ前記
金属中間層とAuとの反応を抑制する金属を添加
された合金ソルダを介して一体化してなる半導体
変位変換器において前記金属中間層の厚さを0.03
μｍ以上にすることを特徴とする。その際前記合
金ソルダ中のAuの前記添加金属に対する原子比
は1.2から2.5までの範囲に選択されることが望ま
しい。すなわち、本発明は絶縁性酸化物−金属中
間層間界面構成を変質させずに同界面の接着強度
を強固に保つとともに均一な接着をなさしめるた
め、接着熱処理を経た後の実質的な金属中間層厚
さを0.03μｍ以上とすることを基本とするもので
ある。本発明をさらに具体的に説明する。半導体単結
晶１１の第２主面１４に設けられる絶縁性酸化物
１５としてはSiO₂，Al₂O₃，BeOなどが好適であ
り、その形成法は熱酸化法、スパツタリング法、
CVD（Chemical Vapor Deposition）法など半導
体素子製作に通常用いられる方法が適用できる。
金属中間層１９としてはCr，Ti，Mo，Ｗなどを
スパツタリング法、蒸着法などによつて形成し、
そして添加金属としてCu，Niなどをスパツタリ
ング法、蒸着法などによつて形成するが、金属中
間層１９と添加金属層とを連続的に積層構造に形
成することが作業性や品質管理上有利である。ま
た、合金ソルダ１８としてはAu−Ge，Au−Si，
Au−Sn，Au−Sb等Auを主要な構成金属として
含む合金を用い、これらは蒸着法、メツキ法など
によつて形成するかあるいはこれら合金の箔を被
接着部にサンドウイツチ状に介在させてもよい。以下本発明を実施例により詳細に説明する。実施例１この変換器は面方位（110）、比抵抗４Ωcm、導
電型ｎのSi単結晶の一方の主面に２本のストライ
プ状ｐ型拡散抵抗領域を、またこれと反対側の主
面および側面に厚さ1.5μｍのSiO₂膜を具備した
歪ゲージチツプを、表面にAuメツキしたフアニ
コカンチレバの両主面上の対称位置に、前記
SiO₂膜上に連続してマスク蒸着形成したCr（金
属中間層）−Cu（添加金属層）の積層金属層また
はCr（金属中間層）−Ni（添加金属層）の積層金
属層、およびさらにその上にマスク蒸着形成した
Au−Ge合金（12wt％Ge）ソルダを介して一体化
し、各ｐ型拡散抵抗が抵抗ブリツジ回路を構成す
るように電気配線したものである。第３図は実施例１で得られたシリコン変位変換
器の接着強度歩留のCr層厚さ依存性の実測例で
ある。同図において、実線Ａは添加金属層がCu
の場合、点線ＢはNiの場合であり、またCr層の
厚さは接着熱処理後に残留した単体Cr層の厚さ
である。添加金属層がCuの場合接着強度歩留は
Cr層厚さが0.03μｍ以上のとき80％以上と高率を
示すがこれより薄い領域では低率を示す。この接
着強度歩留はCr層厚さが0.3μｍまでは、第３図
に示すように80％以上の高率を示すことが確認さ
れた。添加金属層がNiの場合もほゞ同様の傾向
を示している。なお、この際の接着強度は前記カ
ンチレバに変位を与えて歪ゲージチツプに歪量
2500×10^-6を印加したとき歪ゲージチツプがカン
チレバから剥離しない場合、即ち抵抗ブリツジ出
力が印加歪量に対して直線性を示す場合に合格と
した。このように、金属中間層としてのCrが接
着熱処理を経た後に少なくとも0.03μｍ残つてい
れば接着強度歩留を高率に保つことが可能である
が、これはSiO₂−Cr界面がAu−Geソルダによる
侵蝕、汚染、変質を受けずに清浄な界面構成が保
たれるためである。実施例２この変換器は面方位（110）、比抵抗４Ωcm、導
電型ｎのSi単結晶の一方の主面に２本のストライ
プ状ｐ型拡散抵抗領域を、またこれと反対側の主
面および側面に厚さ1.5μｍのSiO₂膜を具備した
歪ゲージチツプを、表面にAuをメツキしたフア
ニコカンチレバの両主面上の対称位置に、前記
SiO₂膜上に連結してマスク蒸着形成したCr（金
属中間層）−Cu（添加金属層）積層金属層、およ
びさらにその上にマスク蒸着形成した厚さ1.5〜
７μｍのAu−Ge合金（12wt％Ge）ソルダを介し
て一体化し、各ｐ型拡散抵抗が抵抗ブリツジ回路
を構成するように電気配線を施したものである。
この際、金属中間層としてのCrは一体化後に厚
さ0.15μｍになるようにし、また添加金属層とし
てのCuの厚さは0.75μｍにした。この実施例での接着歩留とCr層厚さとの関係
は第３図と同様であつた。またこの実施例のブリ
ツジ内抵抗値偏差は、印加歪量がゼロのときの各
拡散抵抗領域の抵抗値のブリツジ内平均抵抗値に
対する偏差が１％以下である場合を合格と判定す
ると、98％の高率が得られた。またこの実施例の
変位変換器にさらに大きな変位を与え、最大歪量
3500×10^-6を印加したが、カンチレバの両面に接
着した２つの歪ゲージチツプはいずれも剥離を生
ずることなく、そして印加歪範囲０〜3500×10^-6
の間では歪−抵抗ブリツジ出力特性の非直線誤差
は0.001％と極めて小さく、さらに同特性のヒス
テリシスも±0.03％を極めて小さく、変位変換器
として実用するに足る精度や安定性を有すること
が確認された。実施例３この変位変換器は前記実施例２と同様のシリコ
ン歪ゲージチツプとフアニコカンチレバとを、
SiO₂膜上に連続してマスク蒸着形成したCr（金
属中間層）−Cu（添加金属層）積層金属層および
さらにこの積層金属層上にマスク蒸着形成した３
μｍのAu−Ge合金（12wt％Ge）ソルダを介して
一体化し、各ｐ型拡散抵抗がブリツジ回路を構成
するように電気配線を施したものである。この
際、金属中間層としてのCrは一体化した後に厚
さ0.05μｍとなるようにし、そして添加金属層と
してのCuは蒸着厚さ0.75μｍにした。実施例３によるシリコン変位変換器の接着強度
歩留とブリツジ内抵抗値偏差歩留はそれぞれ98％
（150試料中合格数148）および98％（150試料中合
格数148）と極めて高率を示した。この際、接着
強度歩留および抵抗値偏差歩留とも前記実施例１
および２と同じ合格判定基準に従つている。この
ように接着強度歩留が高率を示したのは一体化後
のCr層を0.05μｍとした結果Au−Geソルダ中の
Auが拡散ないしは侵蝕することによるCr層の変
質、汚染、換言すればSiO₂−Cr間界面の変質な
いしは汚染を防止できたためである。また、この
ことにより接着が全面にわたつて均一になされ歪
ゲージチツプに局部的な残留歪が残らないため、
各抵抗体の抵抗値を近接させることができ、その
結果抵抗値偏差を小さく保つことができた。また、実施例３の代表的な変位変換器にさらに
大きな変位を与え、最大歪量3500×10^-6を印加し
たところカンチレバの両面に接着した２つの歪ゲ
ージチツプはいずれも剥離を生ずることなく、そ
して印加歪範囲０〜3500×10^-6の間では歪−抵抗
ブリツジ出力特性の非直線誤差は0.001％と極め
て小さく、さらに同特性のヒステリシスも±0.03
％と極めて小さく、変位変換器として実用するに
足る十分な精度や安定性を有することが確認され
た。実施例４この変位変換器は前記実施例２と同様のシリコ
ン歪ゲージチツプとフアニコカンチレバとを、第
１表に示した組合せでSiO₂膜上にマスク蒸着ま
たはスパツタリング蒸着形成した金属中間層
（Cr，Mo，Ti，Ｗのいずれか１種）と添加金属
層（CuまたはNi）からなる積層金属層、および
さらにその上にマスク蒸着形成したAu−Sb
（24wt％Sb）またはAu−Ge（12wt％Ge）ソルダ
を介して一体化し、各ｐ型拡散抵抗がブリツジ回
路を構成するように電気配線を施したものであ
る。いずれの例でも金属中間層は一体化後0.03μ
ｍ以上となるように選ばれている。以上の構成で得られたシリコン変位変換器の接
着強度歩留とブリツジ内抵抗値偏差歩留はいずれ
も90％以上と高率であつた。また第１表の各例に
おける変位変変換器に最大歪量3500×10^-6を印加
しても歪ゲージチツプは剥離することなく、そし
て印加歪範囲０〜3500×10^-6の間では歪−抵抗ブ
リツジ出力特性の非直線誤差は0.01％以下、また
同特性のヒステリシスも±0.1％以下と小さく、
いずれも変位変換器として実用するに足る精度や
安定性を有することが確認された。

【表】

【表】実施例５この変換器は面方位（110）、比抵抗２Ωcm、導
電型ｎのGe単結晶の一方の主面に２本のストラ
イプ状ｐ型拡散抵抗領域を設け、これと反対側の
主面および側面に厚さ1.5μｍのSiO₂膜を具備し
た歪ゲージチツプを、表面にAuメツキを施した
フアニコカンチレバ上に前記実施例１と同様にし
て一体化し、各ｐ型拡散抵抗がブリツジ回路を構
成するように電気配線を施したものである。この
際、金属中間層としてのCrは一体化後厚さ0.15μ
ｍになるように、また添加金属層としてのCuは
0.75μｍの厚さにした。以上の構成で得られたゲルマニウム変位変換器
の接着強度歩留およびブリツジ内抵抗値偏差歩留
はいずれも90％以上を示した。また、このゲルマ
ニウム変位変換器の印加歪範囲０〜1500×10^-6の
間における歪−抵抗ブリツジ出力特性の非直線誤
差は0.01％以下、そして同特性のヒステリシスは
±0.1％以下といずれも小さく、変位変換器とし
て実用するに足る精度や安定性を有することが確
認された。比較例１この変位変換器は前記実施例２と同様のシリコ
ン歪ゲージチツプとフアニコカンチレバとを、
SiO₂膜上に連続してマスク蒸着形成したCr（金
属中間層）−Cu（添加金属層）積層金属層および
さらにこの積層金属層上にマスク蒸着形成した３
μｍのAu−Ge合金（12wt％Ge）ソルダを介して
一体化し、各ｐ型拡散抵抗がブリツジ回路を構成
するように電気配線を施したものである。この
際、金属中間層としてのCrは一体化した後に厚
さ0.025μｍとなるようにし、そして添加金属層
としてのCuは蒸着厚さ0.42μｍにした。本比較例１によるシリコン変位変換器の接着強
度歩留とブリツジ内抵抗値偏差歩留はそれぞれ19
％（150試料中合格数28）および26％（150試料中
合格数39）と低率であつた。なお、接着強度歩留
および抵抗値偏差歩留とも前記実施例１および２
と同じ合格判定基準に従つている。このように接
着強度歩留が低率を示したのは一体化後のCr層
を0.025と薄くした結果、Au−Geソルダ中のAu
が拡散ないしは侵蝕することによつてCr層が変
質、汚染され、換言すればSiO₂−Cr間界面の変
質や汚染がなされたためである。また、このこと
により接着が全面にわたつて均一になされず、歪
ゲージチツプに局所的な残留歪が残つたため、各
抵抗体の抵抗値を接近させられず抵抗値偏差歩留
も低下した。比較例２この変位変換器は前記実施例２と同様のシリコ
ン歪ゲージチツプとフアニコカンチレバとを、
SiO₂膜上に連続してマスク蒸着形成したCr（金
属中間層）−Cu（添加金属層）積層金属層および
さらにこの積層金属層上にマスク蒸着形成した３
μｍのAu−Ge合金（12wt％Ge）ソルダを介して
一体化し、各ｐ型拡散抵抗がブリツジ回路を構成
するように電気配線を施したものである。この
際、金属中間層としてのCrは一体化した後に厚
さ1.1μｍとなるようにし、そして添加金属層と
してのCuは蒸着厚さ0.75μｍにした。比較例２によるシリコン変位変換器の接着強度
歩留とブリツジ内抵抗値偏差歩留はそれぞれ62％
（150試料中合格数93）および58％（150試料中合
格数87）と低率であつた。接着強度歩留および抵
抗値偏差歩留とも前記実施例１および２と同じ合
格判定基準に従つている。このように接着強度歩
留が低率を示したのは一体化後のCr層を1.1μｍ
と厚くした結果、Au−Geソルダ中のAuが拡散な
いしは侵蝕することによつてCr層が化学的に汚
染、変質されること、即ち換言すればSiO₂−Cr
間界面の化学的変質や汚染は防止できているもの
の、SiO₂とCrの熱膨張係数差や格子間隔の相違
に基づく界面歪の増大などによつて主としてCr
層の割れや剥離が助長されたためである。また、
このことにより接着が全面にわたつて均一になさ
れず、歪ゲージチツプに局所的な残留歪が残つた
ため、各抵抗体の抵抗値を近接させられず抵抗値
偏差歩留も低下した。以上実施例を用いて本発明を説明たが、本発明
はこれのみに限定されるものではなく、例えば次
のような場合でも本発明の効果ないし利点を亨受
できることは明らかである。 (1) 半導体単結晶の主面面方位が（100），（111）
の場合。 (2) 半導体母体材料の導電型がｐ型、したがつて
抵抗領域の導電型がｎの場合。 (3) 歪伝達部材として、Fe，Ni，Co，Mo，Ｗ，
Tiなどの単体金属またはこれらの金属を含む
合金材を用いる場合。 (4) 合金ソルダ中にあらかじめ添加金属を含有さ
せておく場合。以上までに説明したように、本発明によれば次
のような利点ないし効果を奏することができる。 (1) 金属中間層または絶縁性酸化物−金属中間層
の界面変質を防止できるため、絶縁性酸化物−
金属中間層間の接着を強固に保つことができ
る。 (2) 絶縁性酸化物−金属中間層間の密着性が強
固、かつ均一であるため、ゲージ抵抗の抵抗値
偏差を小さくできる。 (3) (1)，(2)により、歪−出力特性の直線性に優れ
る半導体変位変換器を歩留よく得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１および第２図は半導体変位変換器の構造概
略図、第３図は本発明における金属中間層厚さと
接着強度歩留の関係を示す図である。１１……半導体単結晶、１３……歪感応領域、
１５……絶縁性酸化物、１６……半導体歪検出
体、１７……歪伝達部材、１８……ソルダ層、１
９……金属中間層。

Claims

【特許請求の範囲】１一方の主面側に少なくとも１つの歪感応領域
を有し、かつ少なくとも前記主面と反対側の主面
に絶縁性酸化物層を有する半導体歪検出体と、こ
の歪検出体に変位を伝達する歪伝達部材とを、前
記絶縁性酸化物に密着するように設けられた金属
中間層と、この金属中間層および前記歪伝達部材
によつてサンドウイツチ状にはさまれ、少なくと
もAuを主要な構成成分とし、かつ前記金属中間
層とAuとの反応を抑制する添加金属を含む合金
ソルダを介して一体化してなる半導体変位変換器
において、前記金属中間層の厚さが少なくとも
0.03μｍであることを特徴とする半導体変位変換
器。２特許請求の範囲第１項において、金属中間層
がCr，Mo，Ti，Ｗよりなる群の中から選択され
た単体金属であることを特徴とする半導体変位変
換器。３特許請求の範囲第１または第２項において、
添加金属がCuおよびNiの少なくとも何れか一方
よりなることを特徴とする半導体変位変換器。