JP4265083B2 - 半導体圧力センサの製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ピエゾ抵抗等の歪受感素子を形成したセンサチップと圧力導入孔を形成した台座とが接合されてなるセンサ本体を備える半導体圧力センサの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３は、エアコンや空調機等の微圧領域の圧力検知等に使用される半導体圧力センサの従来例の一例を示す断面図である。
【０００３】
図３に示す半導体圧力センサでは、圧力によって生ずるダイヤフラム（薄肉部）７の歪みを電気信号として取り出す働きを有する歪受感素子６を形成したセンサチップ１とガラス等よりなる台座２が接合されてなるセンサ本体が、金属パイプ１２を備えているパッケージ３内に固定されていて、センサチップ１の表面には保護樹脂を塗布してオーバーコート１１が形成されている。ここで、センサ本体をガラス台座２付きの構造としているのは、パッケージ３からの応力の影響を抑えて、センサチップ１の精度を高めるためである。そして、液体のオイル、水、空気等の圧力検知対象が金属パイプ１２及びガラス台座２内の圧力導入孔（貫通孔）５を経由して半導体圧力センサ内に導入され、導入された流体（検知対象）の圧力によって生じるセンサチップ１のダイヤフラム７のたわみ量の変化（歪み）を、ダイヤフラム７に形成されているピエゾ抵抗素子（歪受感素子６）が電気信号に変換することによって、この半導体圧力センサでは圧力の検知が行われる。
【０００４】
パッケージ３はＰＰＳやＰＢＴ等のプラスチックで形成され、その中心にコバール製等の金属パイプ２０が配置されていて、この金属パイプ２０と、下面にメタライズ１３が施されているガラス台座２とが、半田等（錫、錫−アンチモン合金、鉛、錫−鉛合金、金−シリコン合金、錫−銀合金等）の接合用金属４により接合される。ガラス台座２の下面のメタライズ１３層は、最下層Ｃｒ／Ｐｔ／最上層Ａｕ、最下層Ｔｉ／Ｎｉ／最上層Ａｕ、最下層Ｔｉ／Ｐｔ／最上層Ａｕなどの構成とすることが可能であり、最上層のＡｕの表面に半田が塗れるようになっている。また、図３で、符号９はリードを、符号１０はふたを示している。
【０００５】
なお、上記の半導体圧力センサに組み込む、歪受感素子６を形成したセンサチップ１とガラス等よりなる台座２が接合されてなるセンサ本体の製造方法としては、複数のセンサチップ１に分割予定の歪受感素子を形成しているシリコンウェハと、複数の台座２に分割予定の圧力導入孔を形成している台座用基板とを接合した後、この接合したものを、チップ単位にダイシングして製造するという加工プロセスで行われるのが一般的である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような半導体圧力センサの場合、圧力を検知する感度は、センサチップ１に形成するダイヤフラム７の厚みの２乗に反比例し、ダイヤフラム７の面積に比例する。そのため、より微小圧力を検知するために高感度なものとするには、センサチップ１に形成するダイヤフラム７の厚みをより薄くしなければならないが、センサチップ１を得るためのウェハ加工プロセスで次のような問題が生じるためダイヤフラム７の厚みをより薄くすることは従来困難であった。すなわち、ダイヤフラム７の厚みを薄くした場合には、ウェハ加工プロセスにおいて、真空でウェハを吸着する際に、吸着圧でダイヤフラム７の部分が破損するという問題や、ウェハを搬送する際等に、機械的衝撃でダイヤフラム７の部分が破損するという問題や、ウェハをダイシングする際に、切削水の水圧によりダイヤフラム７の部分が破損するという問題等が生じていた。
【０００７】
また、従来ダイヤフラム７は、ＫＯＨ水溶液等を用いる異方性エッチングにより、シリコンウェハ［平坦面の結晶方位が（１１０）又は（１００）のウェハを用いる。］に、チップ単位で掘り込みを行って形成しており、そのため、ダイヤフラム７の周囲にシリコンの結晶方位（１１１）面の傾斜面が形成されていた。そのため、圧力検知の感度を高めるために、ダイヤフラム７の面積を大きくしようとすると、この傾斜面の部分があるため、チップサイズが大きくなり、小型化することができないという問題が生じていた。
【０００８】
本発明は、上記のような従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、チップサイズを大きくすることなく、微小圧力を検知ができる高感度な半導体圧力センサを製造することが可能となる半導体圧力センサの製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明の半導体圧力センサの製造方法は、歪受感素子を形成したセンサチップと圧力導入孔を形成した台座が接合されてなるセンサ本体を備える半導体圧力センサを製造する際に、複数のセンサチップに分割予定の歪受感素子を形成しているシリコンウェハと複数の台座に分割予定の圧力導入孔を形成している台座用基板とを接合する工程と、この接合されたものを、チップ単位にダイシングする工程とを有する半導体圧力センサの製造方法において、
（１）シリコンウェハに歪受感素子を形成する工程、
（２）前記歪受感素子を覆う空隙部を形成しているキャップ用基板と前記シリコンウェハとを、同一センサチップ用の歪受感素子の形成領域の周囲を接合面として接合する工程、
（３）キャップ用基板と接合したシリコンウェハの、歪受感素子を形成した面と反対側の面をエッチング又は研磨して、シリコンウェハの厚みを薄肉化する工程、
（４）前記薄肉化する工程を終えたシリコンウェハの、歪受感素子を形成した面と反対側の面に、圧力導入孔を形成した台座用基板を接合する工程、
（５）キャップ用基板及び台座用基板と接合しているシリコンウェハを、チップ単位にダイシングする工程
を備え、シリコンウェハと接合する前のキャップ用基板に、チップ単位にダイシングした際に歪受感素子を覆う空隙部と外気との通気孔となる溝を形成していることを特徴とする半導体圧力センサの製造方法。
【００１０】
請求項２に係る発明の半導体圧力センサの製造方法は、シリコンウェハの厚みを薄肉化する工程で、シリコンウェハの圧力受圧面となる部分の厚みが３〜２０μｍとなるように薄肉化することを特徴とする請求項１記載の半導体圧力センサの製造方法である。
【００１１】
請求項３に係る発明の半導体圧力センサの製造方法は、キャップ用基板がシリコン基板であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の半導体圧力センサの製造方法である。
【００１２】
請求項４に係る発明の半導体圧力センサの製造方法は、キャップ用基板がガラス基板であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の半導体圧力センサの製造方法である。
【００１４】
請求項１〜請求項４に係る発明の半導体圧力センサの製造方法では、キャップ用基板と接合していることで、キャップ用基板に支持された状態にあるシリコンウェハの、歪受感素子を形成した面と反対側の面をエッチング又は研磨して、シリコンウェハの圧力受圧面となる部分の厚みを薄肉化する。従って、歪受感素子を形成したシリコンウェハに対し、チップ単位で掘り込みを行ってダイヤフラム（薄肉部）を形成していた方法に比べ、請求項１〜請求項４に係る発明の製造方法によれば、シリコンウェハの圧力受圧面となる部分の厚みを薄肉化した際の加工時のトラブル発生が防止でき、且つ、分割後のチップ全体が薄肉化した形状に加工することが可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１６】
図１及び図２は、本発明の半導体圧力センサの製造方法に係る一実施形態を説明するための各工程毎の断面図を示している。図１及び図２に示す実施形態では、まず、シリコンウェハ２１に歪受感素子６ａ、６ｂとしてピエゾ抵抗を形成する（図１−（ａ））。なお、シリコンウェハ２１は後工程で複数のセンサチップに分割を予定していて、各センサチップ用の歪受感素子６ａ、６ｂ、…を形成している。１個のセンサチップ当たり形成する歪受感素子の個数については、特に限定はないが、通常４個程度（２〜６個程度）の歪受感素子を１個のセンサチップ当たり形成する。
【００１７】
次に、シリコンウェハ２１に形成している、各センサチップ用の歪受感素子６ａ、６ｂ、…を覆う空隙部２３ａ、２３ｂ、…をエッチングにより形成しているキャップ用基板２５と前記シリコンウェハ２１とを、各センサチップ用の歪受感素子６ａ、６ｂ、…の形成領域毎の周囲を接合面として、アルミ、ポリシリコン、ガラス薄膜等を介して接合する（図１−（ｂ））。キャップ用基板２５として使用する素材については、特に限定はないが、例えばガラス基板、シリコン基板等の無機基板を用いることが、耐熱性が優れるので望ましい。そして、キャップ用基板２５としてガラス基板を用いる場合には、接合のためにシリコンウェハ２１の接合面に形成する接合層２６をアルミ又はポリシリコンとすると、キャップ用基板２５とシリコンウェハ２１を陽極接合で接合できる。この場合の陽極接合は、例えば、ガラス基板がアルカリイオン含有ガラスの場合、温度４００℃、真空中で、シリコンウェハ２１側を正極とし、キャップ用基板２５となるガラス基板側を負極として、直流電圧を約６００〜９００Ｖ印加する条件で行うことができる。なお、ガラス基板が鉛系非晶質ガラスの場合、数１００Ｖの電圧で、約１００〜３００℃の温度で接合できる。また、キャップ用基板２５としてシリコン基板を用いる場合には、接合のためにシリコンウェハ２１の接合面に形成する接合層２６をガラス薄膜とすると、キャップ用基板２５とシリコンウェハ２１を陽極接合で接合できる。キャップ用基板２５とシリコンウェハ２１の接合のために接合面に介在させる接合層２６の形成方法については、接合層２６がアルミの場合は、スパッタ又は蒸着等により形成することができ、接合層２６がポリシリコンの場合は減圧ＣＶＤ等により形成することができ、接合層２６がガラス薄膜の場合は高周波スパッタ等により形成することができる。
【００１８】
次に、キャップ用基板２５と接合したシリコンウェハ２１の、歪受感素子６ａ、６ｂ、…を形成した面と反対側の面をエッチング又は研磨して、シリコンウェハ２１の厚みを薄肉化する（図１−（ｃ））。この場合のエッチングは、ＫＯＨ水溶液やＴＭＡＨ溶液（tetra methyl ammonium hydro oxide solution）等を用いて平坦にエッチングし、また、研磨する場合は、平坦面を形成するように研磨する。なお、シリコンウェハ２１の厚みを薄肉化する場合、センサチップの圧力受圧面となる部分は平坦面であることが必要であるが、台座との接合部となる面と圧力受圧面とに段差を設けるようにしても構わない。その場合、台座との接合部となる位置のシリコンウェハ２１の厚みの方を、圧力受圧面となる部分のシリコンウェハ２１の厚みより厚くなるように形成する。また、このシリコンウェハ２１の厚みを薄肉化する工程で、シリコンウェハ２１の圧力受圧面となる部分の厚みが３〜２０μｍとなるように薄肉化することが、高感度の半導体圧力センサを得るには望ましい。
【００１９】
次に、薄肉化する工程を終えたシリコンウェハ２１の、歪受感素子６ａ、６ｂ、…を形成した面と反対側の面に、圧力導入孔５ａ、５ｂ、…を形成した台座用基板２２を接合する（図２（ａ））。台座用基板２２がガラス基板の場合には、圧力導入孔５ａ、５ｂ、…は超音波ホーン加工、サンドブラスト加工、フッ酸によるエッチング等で形成でき、台座用基板２２とシリコンウェハ２１の接合は、例えば温度４００℃、真空中で、シリコンウェハ２１側を正極とし、台座用基板２２となるガラス基板側を負極として、直流電圧を約６００〜９００Ｖ印加する条件で陽極接合する方法で行うことができる。
【００２０】
次に、キャップ用基板２５及び台座用基板２２と接合しているシリコンウェハ２１を、チップ単位にダイシングする（図２（ｂ））。切断位置は符号２７で示す位置であり、この実施形態の場合、薄肉化されたシリコンウェハ２１はキャップ用基板２５で支持しているので、薄肉化された部分が、吸着圧や、機械的衝撃等で破損するという現象は発生しにくくなる。
【００２１】
また、シリコンウェハ２１と接合する前のキャップ用基板２５に、チップ単位にダイシングした際に歪受感素子６ａ，６ｂ、…を覆う空隙部と外気との通気孔となる溝２４ａ、２４ｂ、…を形成しておくと（図１（ｂ）参照）、切断位置２７でチップ単位にダイシングすれば、この溝２４ａ、２４ｂ、…がそれぞれのセンサチップ本体において、歪受感素子６ａ，６ｂを覆う空隙部と外部との通気孔となる。このように、外部との通気孔を備えると、外部の大気圧が歪受感素子６に加わり、ゲージ圧の検出が可能となる。
【００２２】
以上のようにして、図２（ｃ）に示すような、歪受感素子６を形成したセンサチップ１と圧力導入孔５を形成した台座２が接合されてなるセンサ本体であって、歪受感素子を覆う空隙部２３を有していて、歪受感素子６の形成領域の周囲でセンサチップ１に接合されているキャップ８を備えるセンサ本体を製造することができ、このキャップ８を備えるセンサ本体を使用して、半導体圧力センサを製造する。
【００２３】
以上述べた実施形態では、キャップ用基板とシリコンウェハとを接合して、キャップ用基板に支持された状態にあるシリコンウェハの、歪受感素子を形成した面と反対側の面をエッチング又は研磨して、シリコンウェハの厚みを薄肉化する。従って、歪受感素子を形成したシリコンウェハに対し、チップ単位で掘り込みを行ってダイヤフラム（薄肉部）を形成していた方法に比べ、この実施形態の製造方法によれば、シリコンウェハの厚みを薄肉化した際の加工時のトラブル発生が防止でき、且つ、分割後のチップ全体が薄肉化した形状に加工することが可能となり、チップサイズを大きくすることなく、圧力受圧面の面積を大きくとることが可能となる。
【００２４】
【発明の効果】
請求項１〜請求項４に係る発明の半導体圧力センサの製造方法では、キャップ用基板と接合していることで、キャップ用基板に支持された状態にあるシリコンウェハの、歪受感素子を形成した面と反対側の面をエッチング又は研磨して、シリコンウェハの圧力受圧面となる部分の厚みを薄肉化する。従って、歪受感素子を形成したシリコンウェハに対し、チップ単位で掘り込みを行ってダイヤフラム（薄肉部）を形成していた方法に比べ、請求項１〜請求項４に係る発明の製造方法によれば、シリコンウェハの圧力受圧面となる部分の厚みを薄肉化した際の加工時の破損等のトラブル発生が防止でき、且つ、分割後のチップ全体が薄肉化した形状に加工することが可能となり、従って、チップサイズを大きくすることなく、微小圧力を検知ができる高感度な半導体圧力センサを製造することが可能となる。
【００２５】
また、シリコンウェハと接合する前のキャップ用基板に、チップ単位にダイシングした際に歪受感素子を覆う空隙部と外気との通気孔となる溝を形成しているので、センサチップ本体を、歪受感素子を覆う空隙部と外部との通気孔を備えるキャップ付きの構造とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態における工程を説明する図であり、（ａ）〜（ｃ）は各工程における部分断面図である。
【図２】本発明の実施形態における図１以降の工程を説明する図であり、（ａ）〜（ｃ）は各工程における部分断面図である。
【図３】従来の半導体圧力センサの構造を説明するための断面図である。
【符号の説明】
１ センサチップ
２ 台座
３ パッケージ
４ 接合用金属
５、５ａ、５ｂ 圧力導入孔
６、６ａ、６ｂ 歪受感素子
７ ダイヤフラム
８ キャップ
９ リード
１０ ふた
１１ オーバーコート
１２ 金属パイプ
１３ メタライズ
２１ シリコンウェハ
２２ 台座用基板
２３、２３ａ、２３ｂ 空隙
２４、２４ａ、２４ｂ、２４ｃ 溝
２５ キャップ用基板
２６ 接合層
２７ 切断位置

Claims (4)

1. 歪受感素子を形成したセンサチップと圧力導入孔を形成した台座が接合されてなるセンサ本体を備える半導体圧力センサを製造する際に、複数のセンサチップに分割予定の歪受感素子を形成しているシリコンウェハと複数の台座に分割予定の圧力導入孔を形成している台座用基板とを接合する工程と、この接合されたものを、センサチップ単位にダイシングする工程とを有する半導体圧力センサの製造方法において、
   （１）シリコンウェハに歪受感素子を形成する工程、
   （２）前記歪受感素子を覆う空隙部を形成しているキャップ用基板と前記シリコンウェハとを、同一センサチップ用の歪受感素子の形成領域の周囲を接合面として接合する工程、
   （３）キャップ用基板と接合したシリコンウェハの、歪受感素子を形成した面と反対側の面をエッチング又は研磨して、シリコンウェハの厚みを薄肉化する工程、
   （４）前記薄肉化する工程を終えたシリコンウェハの、歪受感素子を形成した面と反対側の面に、圧力導入孔を形成した台座用基板を接合する工程、
   （５）キャップ用基板及び台座用基板と接合しているシリコンウェハを、チップ単位にダイシングする工程
   を備え、シリコンウェハと接合する前のキャップ用基板に、チップ単位にダイシングした際に歪受感素子を覆う空隙部と外気との通気孔となる溝を形成していることを特徴とする半導体圧力センサの製造方法。
2. 前記シリコンウェハの厚みを薄肉化する工程で、シリコンウェハの圧力受圧面となる部分の厚みが３〜２０μｍとなるように薄肉化することを特徴とする請求項１記載の半導体圧力センサの製造方法。
3. 前記キャップ用基板がシリコン基板であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の半導体圧力センサの製造方法。
4. 前記キャップ用基板がガラス基板であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の半導体圧力センサの製造方法。

Images