JPS6272178A - 半導体圧力検出装置およびその製造方法 - 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】 ［産業上の利用分野コ この発明は、例えば自動車用エンジンの電子制御用圧力
計、医療用さらに工業用の圧力測定機器として効果的に
使用される半導体圧力検出装置およびその製造方法に関
する。

［背景技術］ 上記のようにして使用される半導体圧力検出装置は、例
えば特開昭５５−１９８６４号公報、特開昭５５−２２
８３８号公報等に示されるように従来から知られている
。このような圧力検出装置にあっては、シリコンダイヤ
フラムを形成したシリコン素子を有するものであり、こ
のシリコン素子はシリコンと同−若しくは近似した線膨
脹率を有する材質によって構成された、例えばパイレッ
クスガラスの台座に対して取付は設定するようにしてい
る。そして、この台座をハーメチックシールを構成する
基盤に対して接合して圧力検出装置が構成されるもので
ある。

この場合、上記シリコン素子と台座との接合部分、およ
び台座と基盤との接合部分は、高度のシール性が要求さ
れるものであり、半田、ガラス、樹脂等を使用した接着
手段が用いられている。

しかしながら、特に高い圧力の検出手段としてこの圧力
検出装置を用いる場合、上記の接合部分はシール性のみ
ならず、大きな機械的強度が要求されるものであり、上
記のような接合手段では充分な機械的な強度を得ること
が困難である。

［発明が解決しようとする問題点］ この発明は上記のような点に鑑みなされたもので、シリ
コンダイヤフラムを形成したシリコン素子とその台座と
の接合部、さらに台座と基盤部との接合部等が充分なシ
ール性を持って接合されると共に、この接合部の機械的
な強度も充分なものとして、例えば高圧の検出動作も安
全且つ高精度に実行できるようにする半導体圧力検出装
置を提供しようとするものである。

またこの発明にあっては、上記のような半導体圧力検出
装置を例えば量産性をもって簡単且つ高精度に製造する
ことができるようにして、検出特性の安定した検出装置
が容易に量産できるようにする半導体検出装置の製造方
法を提供しようとするものである。

Ｅ問題点を解決するための手段］ すなわち、この発明に係る半導体圧力検出装置にあって
は、パイレックスガラスによって形成された台座に対し
て、シリコンダイヤフラムを形成したシリコン素子を陽
極接合によって接合して一体化すると共に、この台座に
対してＮｉ−Ｃｒ合金薄膜、Ｎｉ薄膜、およびＡｕ薄膜
の３層構造のメタライズ層を形成し、このメタライズ層
部分を高融点半田によって基盤に対して接合するように
しているものである。

また、パイレックスガラスに対して圧力検出素子部分を
分離するように複数の切り溝を形成すると共に、その各
切り溝で分割される各単位部分に対してそれぞれシリコ
ンダイヤフラムを形成したシリコン素子を陽極接合によ
って接合するものである。この場合、上記パイレックス
ガラス板の上記シリコン素子の接合される面と反対側の
面には、Ｎｉ−Ｃｒ合金薄膜、Ｎｉ薄膜、およびＡｕ薄
膜の３層構造のメタライズ層を蒸着若しくはスパッタリ
ング等によって形成するもので、このメタライズ層の形
成されたパイレックスガラス板を、上記複数の切り溝そ
れぞれに対応した位置で切断して、複数の検出素子単位
を形成するものであり、この各検出素子単位は、上記メ
タライズ層で高融点半田によって基盤に対して接合する
ようにしているものである。

［作用］ 上記のような半導体圧力検出装置にあっては、台座とシ
リコン素子とが陽極接合によって接合されているもので
あり、また台座と基盤とが、台座面に蒸着若しくはスパ
ッタリング等によって形成したメタライズ層を介して、
高融点半田によって接合されるようになっている。した
がって、上記接合部分におけるシール性は充分に良好に
なるものであるばかりか、機械的な強度も充分なものと
することができ、信頼性の高い、特に高圧力の検出動作
を信頼性の高い状態で実施できるようになるものである
。

また、上記シリコン素子および台座とのそれぞれ接合部
を設定する台座部分は、パイレックスガラス板に対して
切り溝を形成することによって複数個一体的に製造され
るものであり、このパイレックスガラス板に対して、複
数のシリコンダイヤフラムを有するシリコン素子を陽極
接合によって接合設定した後、上記溝部分からパイレッ
クスガラス板を分割することによって、複数の圧力検出
素子部分が一括的に製造されるようになる。したがって
、均一な特性の検出素子単体が量産性に富む状態で製造
されるものであり、特に高圧力検出用としての信頼性の
向上に大きな効果を発揮するものである。

［発明の実施例コ 以下、図面を参照しながらこの発明の一実施例を説明す
る。第１図は半導体圧力検出装置の断面構造を示すもの
で、圧力の検出はシリコンダイヤフラム１１の形成され
たシリコン素子１２によって行われる。このシリコン素
子１２は、シリコン板の一方の面に凹部を形成して肉薄
部を形成することによって構成されるもので、この肉薄
部がシリコンダイヤフラム１１となる。そして詳細は示
していないが、このシリコンダイヤフラム１１の上面に
拡散歪ゲージが取付は設定され、ダイヤフラム１１の歪
に対応して抵抗値が変化し、その抵抗値に対応した電気
的な検出信号が取り出されるようになっている。

このシリコン素子１２は、パイレックスガラス（例えば
コーニング＃７７４０）によって構成される台座１３の
面上に、陽極接合によって一体的に接合される。この場
合、上記台座１３には、上記シリコン素子１２のダイヤ
フラム１１の面に対応する圧力検出部に開口する状態で
、貫通孔１４が形成されるもので、この貫通孔１４は検
出圧力の導入部とされる。

上記台座１３のシリコン素子１２を接合した面と反対側
の面には、下地としてメタライズ層１５が形成されてい
る。このメタライズ層１５は、５００〜１０００人のＮ
ｉ−Ｃｒ合金薄膜、１ｏｏｏ〜４０００人のＮｉ薄膜、
１０００〜２０００人のＡｕ薄膜のそれぞれ真空蒸着若
しくはスパッタリングによる３層構造でなるものであり
、上記ＡＬＩ薄膜層が接着面として露出している。

そしてこの台座１３は、例えば４２７０イ、コバール等
のシリコンに類似した線膨脹率の材質でなるハーメチッ
クシールとなる基盤１６に対して、Ａｕ−３ｎ系の高融
点半田１７によって直接的に接着固定されるようにして
いる。

上記基盤１６に対しては、上記シリコン素子１２部分を
取囲む状態のキャップ１８が気密状態で取付けられるも
のであり、このキャップ１８の内部は圧力測定に際して
圧力基準室１９を形成するようになる。

また、基盤１６に対しては、上記貫通孔１４に連通ずる
圧力導入孔２０が形成されるもので、この導入孔２０に
対しては、詳細は図示していないが、測定すべき圧力室
が連通設定されるものである。

ここで、絶対圧型検出装置を構成する場合は、キャップ
１８に形成した開口を封じてその内部基準室１９を例え
ば１（１３Ｔｏｒｒ以下の高真空状態に設定し、また相
対圧力型検出装置を構成する場合は、キャップ１８に開
口を形成して大気を導入し、基準室１９内を大気圧力状
態に設定するものである。

すなわち、台座１３の中央部分に形成した貫通孔１４を
介して被Ｍ１定圧力が導入されるもので、この導入圧力
と圧力基準室１９内の圧力との差の状態に応じてシリコ
ンダイヤフラム１１が歪み、その歪み量に対応した信号
が歪ゲージから検出されるようになる。

このような構造の圧力検出装置とを構成する場合、通常
は所定の状態に切り出されたシリコン素子１２と、所定
の状態に形成された台座１３とを１個づつ重ね合せ、例
えば陽極接合によってこの両者を接合するようしている
。したがって、このような状態では非常に作業性の悪い
ものであり、量産の場合の大きな問題点となる。また、
シリコン素子１２と台座１３との相対位置関係が正確で
ないと、シール性が良好とならないものであり、また圧
力検出特性を安定して設定することができない。

第２図および第３図は上記のような半導体圧力検出装置
を製造する手段を説明するもので、１枚のシリコンウェ
ハ２１の片面に、図では示されていないが多数の拡散歪
ゲージを直列的に配置される状態で形成し、シリコンウ
ェハ２１の上記各歪ゲージの形成された部分の反対側の
面の、各歪ゲージそれぞれに対応する位置には、それぞ
れエツチングによって凹部を形成し、このエツチングに
よって形成された肉薄部によって複数の感圧ダイヤフラ
ム１１が形成されるようにする。

また、このシリコンウェハ２１と同様の大きさに設定さ
れるパイレックスガラス板２２には、上記感圧ダイヤフ
ラム１１と同一のピッチ間隔で、複数の貫通孔１４を形
成する。また、このパイレックスガラス板２２に対して
は、上記貫通孔１４それぞれの相゛　瓦間に位置して複
数の切込み溝２３が形成されるもので、この溝２３はシ
リコン素子１２との接合面と反対側となる面の方向から
、上記貫通孔１４に平行な状態で形成される。そして、
この溝２３の幅は、例えばダイシングによる切断幅の２
〜３倍の幅に設定され、パイレックスガラス板２２の厚
さの３１５〜４１５の深さまで切込み形成されるもので
ある。

そして、さらに上記パイレックスガラス板２２の上記溝
１４を形成した面には、基盤１６との半田接着用のメタ
ライズ層１５として、真空蒸着によって下地よりＮｉ〜
Ｃｒ合金薄膜、Ｎｉ薄膜、Ａｕ薄膜を順次３層に形成す
るものである。

そして、上記パイレックスガラス板２２に対して、その
貫通孔１４の位置とダイヤフラムの位置が一致するよう
にしてシリコンウェハ２１を重ね合せ、その両面にそれ
ぞれ電極２４および２５を設定して、この電極間に電源
２６より電圧を印加する。そして、パイレックスガラス
板２２とシリコンウェハ２１との接合部分を陽極接合す
るものである。この場合、この接合雰囲気は、メタライ
ズ層１５を酸化させない雰囲気としているものである。

このようにして、台座となるパイレックスガラス板２２
に対してシリコンウェハ２１が封止接合された状態で、
上記複数の溝２３それぞれに対応する切断線に沿って、
ペースト状にダイシングカットする。このカットによっ
て、複数の圧力検出素子単体が切り出されるものである
。

ここで、所定の大きさに切断されたシリコン素子および
台座を用意し、この両者を１個づつ重ね合せて接合する
ようにして圧力検出素子単体を構成するようにしたので
は、非常に作業性が悪いものである。

これに対して、上記のような圧力検出素子単体の製造過
程にあっては、パイレックスガラス板２２に対して予め
溝２３を形成し、またメタライズ層１５を形成するよう
にしてこれを接合用電極として使用するようにしている
。したがって、このガラス板２２とシリコンウェハ２１
との接合歩留りを効果的に向上させるようにすることが
できるものであり、またシリコンウェハ２工の反り、さ
らにガラス板２２の反り等に起因する歪の発生を効果的
に低減できるものである。

第４図および第５図は前記半導体圧力検出装置の製造手
段の他の例を説明するもので、第２図で説明した場合と
同様にパイレックスガラス板２２に対して複数の貫通孔
１４を等間隔で形成する。そして、このパイレックスガ
ラス板２２の一方の面に前記したと同様のメタライズ層
１５を形成するものであり、またこのメタライズ層１５
と反対側の面がら、上記貫通孔１４の相互間に位置し、
またこの貫通孔１４に平行な状態で複数の切り溝２７を
形成する。

すなわち、上記複数の切り溝２７に挟まれる状態でそれ
ぞれ貫通孔１４を中央部に有するような台座が形成され
るようになるものであり、この台座部にそれぞれ対応し
て、上記貫通孔１４にそれぞれ感圧ダイヤフラムが対向
設定されるようにして、複数のシリコン素子１１をそれ
ぞれ重ね合せて設定する。そして、この複数のシリコン
素子１１とパイレックスガラス２２との重合体の両面に
それぞれ電極２４および２５を設定し、電源２Ｂによっ
て直流電圧を印加することによって、上記ガラス板２２
の台座部分とシリコン素子１１とのそれぞれ重なり合い
部分を陽極接合する。そして、上記切り溝２７部分それ
ぞれに対応して切断し、複数の圧力検出素子単体を形成
するものである。

第６図は上記のようにして製造された圧力検出素子単体
を使用して構成される半導体圧力検出装置の構成を示す
もので、第１図と同一構成部分は同一符号を付して、そ
の説明は省略する。

［発明の効果］ 以上のようにこの発明に係る半導体圧力検出装置にあっ
ては、シリコンダイヤフラムを有するシリコン素子とこ
れを支える台座との接合部分が充分なシール性を確保で
きる状態で構成できるものであり、またメタライズ層に
よって上記台座と基盤との間の接合状態もシール性のみ
ならず機械的強度も充分な状態で接合設定されるもので
ある。

したがって、充分な高圧の検出動作も信頼性をもって実
行されるようになる。

また、このような圧力検出装置を製造するに際しても、
特に台座とシリコン素子との接合部分が、歪み等を発生
することなく量産性に富む状態とすることができるもの
であり、圧力検出特性の安定して設定される圧力検出装
置が容易且つ確実に量産できるようになるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に係る半導体圧力検出装置
を説明する断面構成図、第２図は上記検出装置を製造す
る過程を説明する図、第３図は第２図の一部を取出し拡
大して示す図、第４図は圧力検出装置の製造方法の他の
例を説明する図、第５図は第４図の一部を取出し拡大し
て示す図、第６図は上記製造方法によって製造される半
導体圧力検出装置を示す図である。 １１・・・シリコンダイヤフラム、１２・・・シリコン
素子、１３・・・台座、１４・・・貫通孔、１５・・・
メタライズ層、１Ｂ・・・基盤、１７・・・高融点半田
、２１・・・シリコンウェハ、２２・・・パイレックス
ガラス、２３．２７・・・溝、２４．２５・・・電極。 出願人代理人　弁理士　鈴　江　武　彦第２図 第３図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）圧力を検知するシリコンダイヤフラムを形成した
   シリコン素子と、 検出する圧力を導入する貫通孔を備え、この貫通孔が上
   記シリコンダイヤフラムの圧力検知面に開口するように
   して、上記シリコン素子に陽極接合によって結合された
   パイレックスガラスからなる台座と、 この台座の上記シリコン素子と反対側の面に形成された
   Ｎｉ−Ｃｒ合金薄膜、Ｎｉ薄膜、およびＡｕ薄膜の３層
   構造でなるメタライズ層と、このメタライズ層を介して
   高融点半田によって上記台座を取付け支持する、シリコ
   ンと類似した線膨脹率を有する材質によって構成された
   基盤とを具備し、 上記基盤部を介して上記台座の貫通孔に、測定すべき圧
   力が導入され、上記シリコンダイヤフラムに作用させら
   れるようにしたことを特徴とする半導体圧力検出装置。
2. （２）シリコン基材に対して複数のシリコンダイヤフラ
   ムを直線状に配列して形成する手段と、パイレックスガ
   ラス板に対して、上記シリコンダイヤフラムと等しい間
   隔で複数の貫通孔を形成する手段と、 上記貫通孔の相互間にそれぞれ上記貫通孔と平行な状態
   で上記パイレックスガラスに対して複数の溝を形成する
   手段と、 上記パレックスガラスの上記溝を有する面にＮｉ−Ｃｒ
   合金薄膜、Ｎｉ薄膜、およびＡｕ薄膜の３層構造でなる
   メタライズ層を形成する手段と、上記パイレックスガラ
   ス板の上記複数の溝が形成された面と反対側の面に、上
   記シリコン素子基材を陽極接合で相互に一体に接合する
   手段と、上記パイレックスガラス板の上記複数の溝それ
   ぞれに対応して、このガラス板と共に上記シリコン素子
   基材を複数に切断する手段とを具備し、この切断手段に
   よって形成された複数の圧力検出素子部分を上記メタラ
   イズ層で、シリコンと類似した線膨脹率の基盤に対して
   それぞれ高融点半田で取付け接合するようにしたことを
   特徴とする半導体圧力検出装置の製造方法。
3. （３）パイレックスガラス板に対して等間隔で複数の貫
   通孔を形成する手段と、 上記パイレックスガラス板の上記貫通孔の相互間で、上
   記貫通孔にそれぞれ平行な状態でその一方の面から複数
   の切り溝を形成する手段と、上記パイレックスガラスの
   上記切り溝の開口されない面にＮｉ−Ｃｒ合金薄膜、Ｎ
   ｉ薄膜、およびＡｕ薄膜の３層構造でなるメタライズ層
   を形成する手段と、 上記パイレックスガラスの上記切り溝の開口部の相互間
   に、それぞれシリコンダイヤフラムを形成した複数のシ
   リコン素子を、このシリコン素子のダイヤフラム部が上
   記貫通孔それぞれに対向する状態で陽極接合する手段と
   、 上記複数の切り溝それぞれに対応して上記パイレックス
   ガラスを切断する手段とを具備し、この切断されたシリ
   コン素子それぞれと一体にされたパイレックスガラスの
   単体を、それぞれシリコンと類似した線膨脹率の基盤に
   対して上記メタライズ層と高融点半田によって接合する
   ようにしたことを特徴とする半導体圧力検出装置の製造
   方法。