JPH0548119A - センサ組立体の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】複数個のセンサ１１，中間部材２１，結合部材
３１を持つ、ウエハ１，中間部材の集合体２，結合部材
の集合体３を一括して陽極接合法により接合する。これ
をダイシングして多数のセンサ組立体１０を形成する。
ウエハ１にはシリコン，中間部材の集合体２には硼珪塩
酸ガラス、結合部材の集合体にはＦｅ系の合金を用い
る。 【効果】均一な接合が可能であるので、センサの特性が
均一なものが形成できる。そのため、歩留まりが向上
し、信頼性も高くなる。また、多数のセンサ組立体が一
度に形成できるので生産性が良くなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体技術を利用した
センサ組立体の構成及び製作方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のセンサ組立体は、図２に示すよう
にセンサ１１と中間部材２１を接合してから結合部材３
１を接合する単品処理をする構成をとっていた。また特
開平2−54137 号においては、ウエハとパイレックスガ
ラスウエハを陽極接合してダイシングしている。一般
に、半導体ウエハについては、いわゆるバッチ処理する
ことが、その作業性からもコストの面からも大変有利で
あって、半導体を利用したセンサの製造においても、前
述した単品処理をする方法よりも、特開平2−54137号の
ようなバッチ処理のプロセス、すなわち、ウエハとパイ
レックスガラスウエハをウエハ状態で接合して、その後
個々のセンサとして切断分離させるプロセスを採用する
事が望ましい。さらに、特開平3−2535 号においては、
第一のウエハ基板と第二のウエハ基板と第三のウエハ基
板とをそれぞれ接合し、その後、個々に切り出してセン
サを製作する方法をとっている。この第三のウエハ基板
は、切断分離した後にパッケージと接合される部材の集
合体であり、特開平3−2535 号におけるウエハ基板の接
合方法としては、まず、第一の基板を第二の基板に接合
し、その後に、第三の基板を接合する２つの工程をとっ
ている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の技術は、図
２に示すような単品処理のプロセスや特開平2−54137号
に示すバッチ処理のプロセスにおいても、センサ組立体
を得るために、センサと中間部材を接合して、あるい
は、センサ集合体のウエハと中間部材の集合体のウエハ
を接合してから個々にダイシングして、その後結合部材
に個々に接続している。この結合部材は、良好な特性の
センサを得るために必要不可欠な部品であり、これはセ
ンサと中間部材の２層の構成でハウジングに接合するな
らば、その接合部からのセンサへの影響が大きく現れて
しまうからである。このため、センサヘのハウジングと
の接合部からの影響を低減するには、接合部材を接続す
るプロセスが必要となる。故に、これらバッチ処理のプ
ロセスであっても、結局単品処理のプロセスを使用する
ことになるため、工程数が多く、量産性，作業性が悪い
という欠点があった。

【０００４】特開平3−2535 号においても、基板を接合
する工程は、第一の基板を第二の基板に接合する第一の
工程と、それらを第三の基板に接合する第二の工程の２
つの工程が必要であり、作業性が悪く、コストが高いと
いう欠点があった。

【０００５】本発明の目的は、センサ組立体の製造にお
いて工程数を削減し、信頼性が高く、特性の均一なセン
サを作るのに最適な製造方法を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、ウエハ，中間部材の集合体と結合部材の集合体を三
層一括して陽極接合法により接合し、その後、一括して
センサ組立体として切り出すように構成したものであ
る。さらに、センサの特性を維持するためにセンサと熱
膨張係数が近似した材料を中間部材の集合体と結合部材
の集合体に使用して形成したものである。

【０００７】上記他の目的を達成するために、ダイシン
グが可能な程度の細い梁で連結したウエハ状の結合部材
をパンチプレスあるいは精密鋳造により形成したもので
ある。

【０００８】

【作用】本発明によるセンサ組立体では、陽極接合法に
より三層一括して接合するので、接合による工程を一工
程にすることができ、陽極接合法によるため均一でかつ
気密性が良く信頼性の高い接合部を得ることができる。
また、三層一括してダイシングするので、一度に大量の
センサ組立体が形成できる。さらに、中間部材の集合体
と結合部材の集合体にセンサと熱膨張係数が近似した材
料を使用することにより、測定環境中の温度変化に対し
ての温度影響を低減することができる。

【０００９】また、ウエハ状の結合部材を一度に形成で
きるので、結合部材の低コスト化を図ることができる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図に基づいて説明す
る。

【００１１】図１は本発明に係るセンサ組立体の一実施
例を示しており、センサ組立体の接合前の状態を表した
図、図２はセンサ組立体の断面図である。１はセンサ部
材であるウエハ、２はウエハ１を固定するための中間部
材の集合体、３はウエハ１を支持する中間部材の集合体
２をさらに別の部材に結合するための結合部材の集合体
である。ウエハ１，中間部材の集合体２，結合部材の集
合体３の形状は丸形である。図１で示すように、ウエハ
１はセンサ構造体がそれぞれ形成された複数個のセンサ
１１を持ち、中間部材の集合体２は後にセンサ１１を支
持する中間部材２１となる領域を持つ。また、結合部材
の集合体３は後に中間部材２１を支持する部分となる結
合部材３１を持つ。

【００１２】被測定量を検出するセンサ１１は、センサ
１１自身の特性を維持するために、中間部材２１によっ
て保持される。中間部材２１には、センサ１１自身の特
性に影響を与えないように、センサ１１と同じか、また
は、近似した熱膨張係数を持つ材料で、なおかつ、セン
サ１１と電気的絶縁を保つために絶縁材料を用いる。ま
た、結合部材３１は、センサ１１と中間部材２１を、セ
ンサ１１からの電気信号を外部に取り出すための端子を
持つ図４に示すようなベース材４に、機械的に取り付け
るための構造体となる。

【００１３】これらの、複数個のセンサ１１を持つウエ
ハ１，中間部材の集合体２，結合部材の集合体３をウエ
ハの状態で一括して接着し、それを最後に一括してダイ
サーやワイヤソー等でさいの目状に切り出すことで、容
易に多数のセンサ組立体１０を得ることができる。さら
に、切り出したセンサ組立体１０をそのままベース材４
に取り付けることが可能となり生産性が向上する効果を
持つ。

【００１４】より詳細に説明すると、ウエハ１の材料
は、半導体プロセスを利用できるシリコンを用いる。シ
リコンは、エッチング等の手法により多数の微細な構造
物を形成できるので、センサ１１を作り込むことは難し
くない。中間部材の集合体２の材料には、シリコンと近
似した熱膨張係数を持つ硼珪塩酸ガラスを用いる。ま
た、結合部材の集合体３には、さらにセンサ１１の特性
に影響を与えないようにシリコンと近似した熱膨張係数
を持つＦｅ−Ｎｉ合金またはＦｅ系の合金を用いる。こ
れらの接合には、陽極接合法を用いる。接合は、ウエハ
１，中間部材の集合体２，結合部材の集合体３を一度に
接合することが生産プロセス上最も望ましい。陽極接合
法による場合、ウエハ１と中間部材の集合体２と結合部
材の集合体３を重ね合わせてセッティングし、ウエハ１
と結合部材の集合体３を直流高電圧の正極、中間部材の
集合体２を同負極にそれぞれ接続する。これを高温雰囲
気中、例えば、２５０℃〜４００℃で、高電圧、例え
ば、５００Ｖ〜１５００Ｖの電圧を印加すると、中間部
材の集合体２の材料である硼珪塩酸ガラス中の酸化ナト
リウム（Ｎａ₂Ｏ）が、２Ｎａ+，Ｏ₂-に電離し、各々陽
極，陰極に移動する。陽極側に移動したＯ₂-は、ウエハ
１の材料であるシリコン（Ｓｉ）、又は、結合部材の集
合体３の材料である（Ｆｅ）と結合し、シリコン酸化
膜、又は、酸化鉄を生成し、ウエハ１と中間部材の集合
体２と結合部材の集合体３を強固に結合する。陰極側に
は、Ｎａが析出される。

【００１５】最後に、上記のようにして接合したウエハ
１と中間部材の集合体２と結合部材の集合体３を、三層
一括して個々のセンサ組立体１０としてダイシングす
る。

【００１６】以上の如く構成したセンサ組立体１０にお
いては、中間部材２１，結合部材３１にセンサ１１と熱
膨張係数が近似した材料を用いるので、センサ１１に対
して、測定環境中の特に温度の影響が低減でき、また、
接合時には、前述した接合法により熱歪の発生を防止で
きる。さらに、陽極接合法によれば、接合部は均一にし
かも気密に接合できるので歩留まりも良くなる。一度に
ウエハ１，中間部材の集合体２，結合部材の集合体３を
接合すれば、組立工程を簡素化することができる。以上
のような工程は、半導体プロセスの利点を活かしたもの
で、ウエハ状態で一度に接合して、一括して切り出す方
法によれば、特性の良好な複数のセンサ組立体１０を容
易に製作できるので、信頼性の向上，低コスト化に寄与
できる。

【００１７】次に、図４，図５，図７により前述したセ
ンサ組立体１０を圧力センサとした場合の一実施例につ
いて説明する。図４には、センサ組立体１０をベース材
４に取り付けたときの断面図を示し、図５には、圧力セ
ンサの正面図と断面図を示す。図７には、圧力センサを
製作するときに用いる中間部材の集合体２の一例を示
す。図４，図５において、１２はダイアフラム、１３は
ピエゾ抵抗素子、１４は抵抗素子１３からの信号を外部
に出力するための電極端子、１５は凹所、４１はハーメ
チックシ−ル端子、４２はハーメチックシール部、５は
結合部材３１とベース材４との接合部である。図７にお
いて、２２はセンサ１１に圧力を導入するための貫通孔
である。

【００１８】センサ１１の中央部付近には、凹所１５が
エッチングまたは機械加工により形成され、これにより
上面部分に円形もしくは多角形のダイアフラム１２が形
成される。ダイアフラム１２は、その表裏面が受圧面と
なっており、表裏の受圧面に加わる２つの圧力Ｐ＋Δ
Ｐ，Ｐとの圧力差を検出するためのものである。中間部
材２１は、前述したように、センサ１１と電気的絶縁を
保つためおよび熱膨張係数の相違による熱歪の影響を低
減するために、シリコンと熱膨張係数が近似した硼珪塩
酸ガラスから形成される。結合部材３１も前述したよう
に、熱膨張係数の相違による熱歪の影響を低減するため
に、シリコンと熱膨張係数が近似したＦｅ−Ｎｉ合金ま
たはＦｅ系の合金から形成される。中間部材２１の中央
部付近すなわちセンサ１１のダイアフラム１２の位置に
対応した位置に貫通孔２２が形成される。この貫通孔２
２を介して圧力Ｐがダイアフラム１２の凹所１５に導入
される。結合部材３１にもパイプ状の結合部３２を形成
し凹所１５に圧力Ｐが導入される構成をとる。

【００１９】センサ１１の表面には、イオン打込みまた
は熱拡散により不純物をド−ピングしてピエゾ抵抗素子
１３が形成される。これらのピエゾ抵抗素子１３は、２
つの圧力Ｐ＋ΔＰ，Ｐによってダイアフラム１２に生じ
る圧力差ΔＰに感応する素子である。圧力差ΔＰにより
ピエゾ抵抗素子１３の抵抗値が変化する。これを電気信
号として電極端子１４，ワイヤボンディング６，ハーメ
チックシール端子４１を介して外部に出力する。

【００２０】このような機能を持った圧力センサは、本
発明においては、前述したようにウエハの状態で一度に
接合してダイシングするので、気密性が高く、センサの
特性が均一な圧力センサが同時に大量に生産できる。こ
れにより生産性が向上し、歩留まりの高い圧力センサが
形成できる。また、中間部材の集合体２には、センサ１
１のダイアフラム１２の位置に対応した位置に貫通孔２
２を形成しておけば、貫通孔２２が圧力導入口としての
役割を果たすので、簡単に圧力センサを形成できる。

【００２１】なお、本発明は、上記ピエゾ抵抗式の圧力
センサの実施例に限定されるものではなく、例えば、静
電容量式の圧力センサや加速度センサ等にも応用するこ
とが可能である。

【００２２】次に結合部材の集合体３についての実施例
について図６により説明する。図６（ａ）は結合部材３
１の正面図、（ｂ）は結合部材３１の一実施例の断面
図、（ｃ）は結合部材３１の他の実施例の断面図、
（ｄ）はエッチングを用いて開口部３５を形成した場合
の実施例を示す正面図である。図６において、３２は結
合部材３１を連結するための梁であり、３３はベース材
４に接合するための結合部である。３４は凸所を設けた
梁である。

【００２３】結合部材３１において、梁３２、凸所を設
けた梁３４は、ダイシングで切断可能な程度に細く形成
されている。中間部材２１との接合面は、陽極接合法に
より接合されるため研磨等の方法により鏡面あるいはそ
れに近い状態の面に仕上げられている。この場合、仕上
げる面を少なくするためまた梁３２は接合する必要がな
いため梁に凸所を形成したのが、凸所を設けた梁３４で
ある。また、結合部材３１は、パンチプレスや精密鋳造
等の方法により結合部材の集合体３として一括して形成
される。プレス成形する場合、一度に（ａ）のような形
状にする方法もあるが、（ｄ）のように開口部３５をエ
ッチングを用いて形成し、その後にプレス成形し（ａ）
のような形状にする方法もある。パンチプレスや精密鋳
造等の方法により結合部３３がパイプ状に形成される。
結合部３３はセンサ組立体をベース材４にはんだ付や溶
接等の方法により強固に接合するための重要な役割を果
たしている。また、結合部材３１をＦｅ−Ｎｉ合金また
はＦｅの合金で形成すればセンサ１１に対しての熱歪の
影響を低減できる。

【００２４】上記の如く結合部材の集合体３を構成する
ことで、ウエハ状態に結合部材３１を形成できるので、
ウエハ１，中間部材の集合体２を容易に一括して接合し
やすくできる。さらに一括してパンチプレスや精密鋳造
等の方法により形成できるので結合部材の低コスト化が
可能となる。梁３２に凸所を設けることで結合部材３１
の製造が容易になり作業性が向上する。また、エッチン
グにより開口部３５を形成してプレス成形する方法によ
れば精度が高い結合部材３１を形成できる。このように
精度が高く、安価な結合部材の集合体３を使用すること
により、より生産性が向上し、安価なセンサ組立体１０
を提供することができる。

【００２５】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように本発明によ
れば、つぎの効果を奏する。

【００２６】多数のセンサ組立体を製作するために、ウ
エハ，中間部材の集合体，結合部材の集合体を三層一括
して接着することで、接合の工程を一工程とすることが
できる。

【００２７】さらに、この各部材を同時に陽極接合法で
接合しているため、接合時に中間部材の上下面の両方に
電離層ができ、この結果接合されたウエハ全体の歪みが
少なく気密性の高い、特性の均一なセンサを多量に製作
することができる。

【００２８】また、センサと近似した熱膨張係数を有し
た材料を中間部材の集合体と結合部材の集合体に使用す
ることで、センサへの温度影響を低減できる。

【００２９】各部材の集合体においても、特に結合部材
の集合体をパンチプレスや精密鋳造等の方法により製造
することで、多数の集合体を一度に製作でき結合部材の
低コスト化が可能となる。さらに、この結合部材の集合
体を使用することで、センサの製作工程が容易となり、
歩留まりが向上し、信頼性，経済性に富む。

【００３０】以上述べたように、三層一括して接合し三
層一括してダイジングすることで、作業性も良くなり信
頼性の高いセンサ組立体を大量に安価で製作することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す図。

【図２】本発明によるセンサ組立体の断面図。

【図３】従来例の製造工程。

【図４】センサ組立体をベース材に取付けた時の断面
図。

【図５】圧力センサの正面図と断面図。

【図６】結合部材の集合体の一例。

【図７】中間部材の集合体の一例。

【符号の説明】

１…ウエハ、２…中間部材の集合体、３…結合部材の集
合体、１０…センサ組立体、１１…センサ、２１…中間
部材、３１…結合部材、３２…梁、３３…結合部。

フロントページの続き (72)発明者 飛田 朋之 茨城県勝田市市毛882番地 株式会社日立 製作所那珂工場内 (72)発明者 嶋田 智 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (72)発明者 鵜飼 征一 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被測定量を検出するためのセンサ、該セン
   サを支持する中間部材、該中間部材と前記センサの結合
   体をベース材に取り付けるための結合部材とからなるセ
   ンサ組立体の製造において、前記センサが複数個形成さ
   れたウエハ、前記結合部材が複数個形成されたウエハ、
   及び前記中間部材が複数個形成されたウエハを一括して
   陽極接合し、その後切断して形成することを特徴とした
   センサ組立体の製造方法。
2. 【請求項２】請求項１記載のセンサ組立体の製造方法に
   おいて、前記中間部材、前記結合部材に前記センサと熱
   膨張係数の近似した部材を用いたことを特徴とするセン
   サ組立体の製造方法。
3. 【請求項３】請求項２記載のセンサ組立体の製造方法に
   おいて、前記センサのウエハ材質としてシリコン、前記
   中間部材のウエハ材質として硼珪塩酸ガラス、前記結合
   部材のウエハ材質としてＦｅ系の合金を使用したことを
   特徴とするセンサ組立体の製造方法。
4. 【請求項４】請求項１記載のセンサ組立体の製造方法に
   おいて、前記センサのウエハとしてダイアフラムが複数
   個形成されたウエハを用いたことを特徴とするセンサ組
   立体の製造方法。
5. 【請求項５】請求項４記載のセンサ組立体の製造方法に
   おいて、前記中間部材および前記結合部材のウエハとし
   て、前記ダイアフラムの接合面の反対側に印加される圧
   力とは異なる圧力を、前記ダイアフラムの接合面側に導
   入する経路を持つ中間部材および前記結合部材が複数個
   形成されたウエハを用いたことを特徴とするセンサ組立
   体の製造方法。
6. 【請求項６】ウエハの上下面に他の部材を接合するウエ
   ハ接合方法において、前記ウエハと上面に接合する部
   材、及び前記ウエハと下面に接合する部材の間に電流を
   対向する向きに流して一括して接合するウエハ接合方
   法。
7. 【請求項７】被測定量を検出するためのセンサ、該セン
   サを支持する中間部材、該中間部材と前記センサの結合
   体をベース材に取り付けるための結合部材からなるセン
   サ組立体の製造に使用される前記結合部材が複数個形成
   されたウエハにおいて、前記結合部材同士をつなぐ梁に
   前記中間部材のウエハと接合しない部分を持たせたこと
   を特徴とする結合部材が複数個形成されたウエハ接合方
   法。