JPS6313356B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は拡散形半導体ストレンゲージを応用し
た圧力センサに係り、特に絶体圧力を測定するに
好適な圧力センサに関する。 第１図に、例えば特開昭50−82987に示される
ような従来用いられていた圧力センサを示す。２
は拡散形半導体ストレンゲージで、いわゆる前方
後円形状をし、円形部分に薄肉部２１が形成さ
れ、ダイアフラムとなつている。薄肉部２１上に
拡散等によつて形成されたゲージ２２が配置され
ている。基体３は結晶化ガラス等熱膨脹係数がダ
イアフラム２の材料であるシリコンの熱膨脹係数
とほぼ同じ材料より成る板状の剛体で上下両面は
互に平行な平坦面に形成し、ダイアフラム２とは
ほぼ同一形状に成つていて後円部にはダイアフラ
ム２の円形の起歪領域２１に相当する部分に有底
孔３１が設けてある。また基体３の前方部には厚
さ方向に向けて上下両平坦面に開口せる窓部３２
を有している。半導体ストレンゲージ２と基体３
はエポキシ系接着剤２３にて密接に接合されてい
る。また基体３の有底孔３１内には開口側の平面
に半導体ストレンゲージ２を接合する際に、被測
定圧力を絶対圧で検出すべく、一定量の空気を密
封してある。端子５は外部信号処理回路にゲージ
を接続するためのものであり、起歪領域２１上に
拡散形成されたゲージ２２と端子５間はゲージと
同導伝形の拡散層又はその拡散層上にAl等の金
属２４が蒸着された接続導体で結ばれているもの
である。 さて、上記構造では、ゲージと端子５間が通常
のシリコン拡散層、シリコンエピタキシヤル層で
は、その層の部分は拡散してない他の部分と表面
の高さが異なりいわゆる段差が発生することは周
知のとおりである。したがつて、基本３と半導体
ストレンゲージ２間は接着剤なしで接着すること
は不可能であり、段差の部分は接着剤自身が変形
して、接着できる接着剤で、両者を接合させるこ
とが必須条件となる。しかるに、絶対圧を測定す
るために、具体の有底孔部３１内に一定量の空気
を密封する場合には、次の問題が生ずる。第１
に、密封した空気圧と被測定圧との間に差がある
と、長時間にわたつて使用したとき、いわゆるエ
ポキシ系接着剤では、沿面距離を大きくとらない
限り両者間の気密を十分にとることはできず、し
たがつて小形化ができなくなる。第２は、一定量
の空気を有底孔部３１に密封すると、周囲温度が
変化したとき、周知のボイルシヤールの法則にし
たがい、有底孔部３１の内圧が変化し、圧力検出
器の零点が温度影響をきわめて受けやすい。そこ
で、有底孔部３１を真空とすれば、第１の問題が
生じ大気圧中に保持するだけで気密が破れ、時間
と共に零点が変化する問題が生ずる。第３に、基
体３と半導体ストレンゲージ２をエポキシ系接着
剤で接合するときゲージと端子５を接続する拡散
層部にも、接着剤がぬられるため、いわゆるpn
接合のパツシベーシヨンが悪化し、pn接合リー
ク電流が増加し、安定した測定が困難となる。 このように多くの重大な問題が内包されている
ことがわかる。 本発明の目的は、静電接着法を有効に活用する
ことによつて上記欠点を除去し、絶対圧力を測定
し得る圧力センサを提供するにある。 本発明は、拡散面に段差のない領域をシリコン
ダイアフラムのまわりに設けて、その領域上に例
えば多結晶シリコンのような高導電層を設け、そ
の高導電層とシリコンダイアフラム部に真空室を
作るためのガラスキヤツプを静電接着法で接着
し、接着剤を使用することなく真空室を作り、絶
対圧を測定するようにしたものである。 本発明の詳細について第２図にしたがつて述べ
る。第２図は平面図で、第３図がそのAA′断面図
である。５０はシリコンダイアフラムで中央部５
１が凹形に加工形成され、周辺部の固定部に比較
して薄肉とし、実質上の起歪部となつている。５
２及び５３はピエゾ抵抗係数の極大を示す軸の一
つに平行に配置された拡散形ゲージで、５４及び
５５も同様なゲージである。これらのゲージ配置
については、INSTRUMENT SOCIETY of
AMERICA P4−１−PHYMMID−67に詳しく
述べられている。すなわち表１に示すごとく、使
用する結晶面内に表われる色々の結晶軸に配置で
きる。

【表】

【表】 例えば実施例の場合のごとく（100）面におい
ては、〔１１０〕及び〔110〕軸が含まれているの
でゲージをいずれかの軸に平行に配置すれば、
_ｌ1/2₄₄，_t−1/2₄₄なるその面で極大を示
す係数が得られる。５６，５７，５８，５９及び
６０は拡散層で、ゲージと外部信号処理回路に接
続される端子８４，８５，８６及び８７を結ぶ導
体の働きをなしている。６１，６２，６３，６４
及び６５はゲージと上記接続線の働きをなす拡散
層を接続する金属導電層である。６７，６８，６
９，７０，７１，７２及び７３は、ゲージ側のコ
ンタクト窓を示し、７４，７５，７６，７７，７
８，７９，８０，８１，８２及び８３は前記拡散
層のコンタクト窓を示す。９０はゲージ拡散側面
に形成された酸化膜で、９１はダイアフラム５１
の固定部にリング状に形成されたポリシリコンで
ある。このポリシリコン９１とシリコンダイアフ
ラム５０の基体はコンタクト窓８９を通して電気
的に接続されている。１００はシリコンとほぼ同
じ線膨脹係数をもつほうけい酸ガラス等でできた
有底孔をもつキヤツプである。ポリシリコン９１
とガラスキヤツプ１００は接着剤なしで９２を界
面として静電接着されている。静電接着時、例え
ば真空状態のごとく基準圧力下で接着を実施すれ
ば有底孔９３内は基準圧力となり、絶対圧を測定
することができる。 次に上記圧力センサの製作方法を第４図にした
がつて説明する。第４図は、説明をわかりやすく
するために、ウエハ内の１チツプについてのみ図
示し、かつ第２図の断面AA′について図示した。
１チツプの図ではあるけれども、ウエハ単位で作
業をするため以後２００をウエハと呼ぶ。第４図
ｂはウエハ２００の両面に酸化膜２０１及び２０
２を形成する。ｃでは片面の酸化膜上にホトレジ
ストを塗布した後ホトエツチングでレジスト膜を
必要なところだけ除去する。ｄで残されたレジス
ト膜２０３をマスクとして、イオン打込み法によ
りゲージ抵抗層５２及び５３並びにガラスキヤツ
プの下を接続するための拡散層５６を形成する。
イオン打込法による拡散層の形成の特徴は、レジ
スト膜をマスクとして酸化膜上から打ち込み可能
であるため、いわゆる熱拡散のごとく、酸化膜を
マスクとしないので、ウエハ表面に段差が生じな
い。本発明のごとく、拡散面にガラスキヤツプを
接合するセンサ構造においては、この段差が生じ
ないゲージ抵抗形成の手段は極めて有効である。
ｅ酸化膜２０１の一部８９をエツチングしてコン
タクト窓とし、ポリシリコン２０５を全面に形成
し、将来ダイアフラムが形成される中央部をホト
エツチングで除去し、リング状のポリシリコン層
２０５を残す。このとき、コンタクト窓８９を通
して、ポリシリコン２０５とウエハ２００は導通
状態にされる。この導通のためのコンタクト窓
は、第３図はポリシリコン９１とガラスキヤツプ
１００の静電接着の仕方で各チツプごとに設けな
ければならないかあるいはウエハに１個設ければ
よいかの２種類がある。これについては静電接着
のところで述べる。 ｆでゲージ５２及び５３及びポリシリコン２０
５下の導電層５６のコンタクト窓６６，６９，７
４及び７５ホトエツチングする。 ｇで全面にAl等電極材料２０６を蒸着する。
ｈでその金属層２０６をホトエツチングしてそれ
ぞれの電極を形成する。ｉで裏面を酸化膜２０２
をマスクとしてアルカリエツチングでダイアフラ
ム部５１を形成する。ただしこのダイアフラム形
成の方法はアルカリエツチングに限らず、酸エツ
チング又は機械加工等によつて形成可能である。 以上の例では、ゲージ形成にイオン打ち込み法
で説明したが、ポリシリコン２０５表面に段付を
なくする方法はイオン打ち込み法に限らず種々の
方法が考えられる。 第１は、熱拡散法を用いる場合には、不純物を
熱拡散した後、表面酸化膜を全部除去して新しく
CVD等で酸化膜をつけなおすことによつて、拡
散時の段差をなくすことができる。第２は、熱拡
散を用い段差のある拡散後ポリシリコンを厚めに
形成せしめた後、ポリシリコン層の機械的ポリツ
シングをすることによつて、ポリシリコン層表面
の平坦度が得られる方法もある。 次にポリシリコンとガラスキヤツプの静電接着
方法には大別して２種類の方法がある。すなわち
第１の方法は第５図に示したごとく、ウエハ状態
でガラスキヤツプと静電接着し、その後チツプ化
する方法である。第５図において、５０はシリコ
ンダイアフラム５１が複数個形成されたウエハ、
１００は有底孔９３が、シリコンダイアフラム５
１に対応して設けられたガラスキヤツプで、シリ
コンダイアフラムとほぼ同じ線膨脹係数を有した
ガラスである。２０１はウエハ面上に形成された
酸化膜で第３図２０１に対応した物である。２０
５はウエハ面上ダイアフラム上及び電極部を除い
てほぼ連続に形成されたポリシリコンで、ウエハ
面で少なくとも１個所８９でシリコンダイアフラ
ムの基体とポリシリコンが接続されている。米国
特許第3397278号明細書で詳しく述べられている
ごとく、ウエハ５０及びガラスキヤツプ１００を
約300℃に加熱した状態でポリシリコン側を正電
位となるように、ポリシリコンとガラスキヤツプ
の間に約700V程度の電圧を約10分間印加すると
静電力の働きで両者が均一に接着される。このと
き基準圧力下で接着作業の実施すれば、有底孔９
３内は基準圧力に保持される。ここでポリシリコ
ンから電極が出せる場合にはコンタクト８９は必
要ないが、ウエハとガラスキヤツプ間に電圧をか
けて接着する場合においては８９なるコンタタク
トが必要である。このように、ウエハの状態でガ
ラスキヤツプと接着した後、ワイヤソ又はスライ
サーでチツプ化すれば圧力センサが得られる。 第２の方法は、第３図に示したごとく、各シリ
コンダイアフラムごとに静電接着を実施する方法
である。第１の方法と同様の手順で静電接着でき
る。シリコンダイアフラム５０に正電位を印加す
る場合には第２図ａのごとくポリシリコンとコン
タクト８９が必要である。 以上述べた構造及び製法によつて、ガラスキヤ
ツプを接合する部分を無段付化することができる
ため、いわゆる静電接着が可能となり、有機接着
剤を必要とせず、理想的な接着が可能となるため
長期安定な真空基準圧室を設けることができる。
有機接着剤を使用しないために、拡散ゲージのパ
ツシベーシヨンに悪影響をおよぼさないため長期
安定な圧力センサが得られる。静電接着の第１の
方法を用いれば、ガラスキヤツプが透明なため位
置あわせが簡単で、ウエハ状態での作業であるた
め量産的であり非常に小形化が可能である。 ダイアフラム面上のポリシリコンを除去するこ
とにより、ダイアフラムの強度を低下させること
なく、又ポリシリコンの厚みのバラツキによる特
性のばらつきをなくすことができる。 以上のごとく優れた種々の効果があるが、発明
者らの実験では、ポリシリコンはガラスに対して
十分導体と考えられれば、静電接着可能で、Al
膜等金属膜でもポリシリコンと同様な接着が可能
であることを確認した。したがつてポリシリコン
のかわりに金属膜を蒸着等で形成しても同様の結
果が得られる。また、シリコンダイアフラムを例
に説明したが、ピエゾ抵抗結果を示す半導体であ
れば、シリコンに限定されることのないことは明
らかである。 本発明の他の実施例を第６図及び第７図に示
す。第７図は第６図の断面AA′図である。５００
はシリコンダイアフラム５０１〜５０４は拡散形
半導体ゲージ、５０５〜５０９はゲージから外部
端子へのリード線に相当し、段差の生じない拡散
層で、ゲージ抵抗に対して十分小さい抵抗値とな
るように十分高い不純物濃度とされた層で、第４
図のところで述べた方法によつて形成可能であ
る。５１０〜５１４はリード線と外部端子５１５
〜５１９のコンタクト窓である。５２０はポリシ
リコン５２２とシリコンダイアフラム５００のコ
ンタクト窓明であり、５２１は酸化膜である。こ
こで、リング状ポリシリコンの内側形状をダイア
フラム形状にあわせる。製法等は前述の場合とほ
とんど同様であるので省略する。 このような構造とすれば、金属と半導体のコン
タクトが少なくなるため、いわゆるオーミツクコ
ンタクトがとれやすく、ゲージの安定性が増す。
リード線部をゲージの不純物濃度と独立にするこ
とが可能であり、リード線の不純物濃度を高くす
ることにより、ポリシリコン下部のMOS効果を
減少できる等の効果がある。リング状ポリシリコ
ンの内側形状をダイアフラム形状にあわせること
により、ダイアフラム上面にも固定部が形成され
ダイアフラム変形方向による非直線誤差の差がな
くなる効果がある。 本発明によれば、有機接着剤を使用することな
く、シリコンダイアフラム面上にガラスキヤツプ
を接合でき、長期安定な真空を基準圧とした圧力
センサが得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の圧力センサの断面図、第２図及
び第３図は本発明の実施例を示し、第２図は平面
図、第３図は第２図のAA′断面図、第４図ａ〜ｉ
は製法を説明する図、第５図は静電接合を説明す
る図、第６図及び第７図は本発明の変形例であ
る。 ５０……シリコンダイアフラム、５２〜５５…
…ゲージ、５６〜６０……接続拡散層、９１……
ポリシリコン、１００……ガラスキヤツプ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 外力により弾性歪を生ずるとともに、ピエゾ
   抵抗効果に基づく歪を電気信号に変換する拡散抵
   抗を配置した薄肉の起歪領域をその一部に有し、
   その起歪領域周辺を固定すべき厚肉の固定領域を
   有するシリコンより形成される圧力センサの製造
   方法において、前記抵抗と同じ面上に酸化膜によ
   る絶縁層を形成し、前記抵抗と同じ面の前記固定
   領域上に上記絶縁層を介してその表面に段差のな
   いようにシリコン層から成る導電層を設け、前記
   抵抗を配置した起歪領域を含むように基準圧室を
   作るべく有底孔を有するシリコンとほぼ同じ熱膨
   張係数を有するほうけい酸ガラスより成るキヤツ
   プ部材を上記導電層に静電接着することを特徴と
   する圧力センサの製造方法。