JPH09145510A - 半導体式力学量センサおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、陽極接合部分が十分な接合強度をも
つ半導体式力学量センサとその製造方法とを提供するこ
とを課題とする。 【解決手段】 受感部３１がある半導体センサ基板３
と、半導体からなるセンサ台座１と、基板３および台座
１の間に介設され基板３および台座１に接合しているガ
ラス層２とを有する半導体式力学量センサにおいて、ガ
ラス層２は、基板３および台座１の双方に陽極接合され
ているガラス薄板からなる。ガラス薄板２は２０μｍ以
上の厚みを有する。このセンサは、ガラス薄板２が台座
１に陽極接合されたのち、ガラス薄板２が研摩されて厚
みを減じ、その後、基板３に陽極接合されて製造されて
いる。ガラス薄板２が十分に厚く、十分な印加電圧で台
座１と基板３とに陽極接合されるので、接合部の信頼性
が高く歩留り率が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧力センサ、加速
度センサ、角速度センサなどを計測する半導体式力学量
センサとその製造方法とに関し、半導体センサの技術分
野に属する。

【０００２】

【従来の技術】半導体式力学量センサに関する従来技術
としては、例えば、特開平７−３３８０号公報に開示さ
れている「集積化圧力センサ」がある。これは、シリコ
ン製の台座の一面にスパッタ法によりホウ硅酸ガラスの
薄膜を形成し、この薄膜を介して台座と感圧部をもつシ
リコン基板とを陽極接合して製造される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前述の従来技術では、
ガラス薄膜を形成する手段にスパッタリングを用いてい
るが、スパッタリングによって形成し得るガラス薄膜の
厚さは、実用上、たかだか数μｍ程度である。したがっ
て、その絶縁破壊耐圧は、絶縁破壊耐圧は高くても５×
１０⁵ Ｖ／ｃｍ＝５×１０Ｖ／μｍ程度であることから
考えて、たかだか２００〜３００Ｖ程度である。

【０００４】印加された電界が材料の絶縁破壊耐圧を越
え、放電現象が起きた場合には、ガラス層やガラス層に
接合されるシリコンに破孔が生じて、そのチップは不良
品になるので歩留りが悪くなって不都合である。そこ
で、スパッタリングにより形成されたガラス薄膜の厚さ
や成分のばらつきなどを考慮し、安全余裕を見込めば、
陽極接合時に印加できる電圧はせいぜい５０Ｖ程度でし
かない。

【０００５】一般に、ガラスとシリコン基板との陽極接
合が５０Ｖ程度の低い印加電圧で行われた場合には、接
合に長い時間が掛かる上、良好な接合は望みがたい。こ
れは、低い印加電圧ではガラス面とシリコン面との界面
に作用する電位差が十分に大きくならないので、ガラス
層のＳｉＯ₂ 中からシリコン基板のＳｉ結晶中への酸素
イオンの移動が十分でないからである。それゆえ、従来
技術では、陽極接合部において気密性が不完全であった
り接合強度が不十分であったりして、製品の歩留り率が
低いという不都合があった。

【０００６】そこで、発明者らは、ガラス層（薄膜）の
厚さが薄いが故に上記不都合が発生していることに着目
し、十分に厚さのある（したがって絶縁破壊耐圧が高
い）ガラス層（薄板）を基板と台座との間に介設するこ
とを着想した。すなわち、本発明は、陽極接合部分が十
分な接合強度をもつ半導体式力学量センサと、比較的短
時間で完全な陽極接合が行われるその製造方法とを提供
することを解決すべき課題とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段およびその作用・効果】上
記課題を解決するために、発明者らは以下の手段を発明
した。 〔装置発明〕 （第１手段）本発明の第１手段は、請求項１記載の半導
体式力学量センサである。

【０００８】ここで、上記基板と上記台座とは、熱膨張
係数を同一にする目的で同一の半導体材料で形成されて
おり、さらに両者の結晶面の方位等も一致していれば理
想的であるが、これは必須要件ではない。すなわち、熱
膨張係数がほぼ一致していれば、必ずしも同一の半導体
材料で上記基板と上記台座とが形成されていなくても良
い。

【０００９】また、ここでいう力学量は、圧力、加速
度、角速度などを指す。したがって、受感部には、観測
量が圧力の場合にはダイヤフラム構造が相当し、観測量
が加速度または角速度の場合にはカンチレバー構造が相
当する。なお、上記基板、上記ガラス薄板および上記台
座は、ウエハ単位であっても、チップ単位であっても構
わない。

【００１０】本手段では、半導体センサ基板とセンサ台
座との間に介在し、両者に陽極接合しているガラス層
が、薄膜（厚さ数μｍ程度まで）ではなく、数十μｍ以
上の厚さを持つ薄板から形成されている。ガラス薄板
は、基板と台座との双方に陽極接合され、基板と台座と
を間接的に接合する目的で、両者の間に介設されるもの
である。

【００１１】厚さが数十μｍ以上のガラス薄板の絶縁破
壊耐圧は、数百Ｖあるいは千Ｖ以上に達するので、ガラ
ス薄板が台座に陽極接合される際にも、基板に陽極接合
されれる際にも、十分に高い印加電圧をかけることが可
能になる。それゆえ、陽極接合時にガラスと半導体との
界面に大きな電位差が生じ、多くの酸素イオンが移動し
てガラスと半導体（基板または台座）とを強固に接合す
る。

【００１２】したがって、本手段によれば、基板および
台座とガラス薄板との陽極接合は、速やかに、かつ、完
全に行われ得る。それゆえ、陽極接合部での接合強度は
十分強固になり、気密性も高く保たれるという効果があ
る。その結果、半導体式力学量センサを製造する上で
の、陽極接合の工程における歩留り率が向上するという
効果もある。

【００１３】あわせて、ガラス層の形成に高価なスパッ
タリング装置を必要とせず、小規模で安価な製造設備で
生産可能であるから、製品価格を比較的安価に抑えうる
という効果もある。 （第２手段）本発明の第２手段は、請求項２記載の半導
体式力学量センサである。

【００１４】本手段では、ガラス薄板の厚さが２０μｍ
以上であるので、その絶縁耐圧は１０００Ｖ程度以上で
あり、安全余裕をとっても、４００Ｖの印加電圧は容易
にかけうる。それゆえ、陽極接合時に十分な電圧を印加
して、素早く、かつ、完全な陽極接合を行うことが可能
になる。したがって、本手段によれば、第１手段の効果
に加え、ガラス層が台座に対しても基板に対しても、十
分強固に陽極接合されるので、堅牢性および気密性が向
上して製品の歩留り率も向上するという効果がある。

【００１５】（第３手段）本発明の第３手段は、請求項
３記載の半導体式力学量センサである。本手段では、ガ
ラス薄板の厚さに上限が設けられている。これは、該セ
ンサが台座に貫通して設けられている圧力導入孔を有
し、かつ、冠水して氷結の可能性がある場合に、圧力導
入孔が氷結により閉塞しても、大量の水がこの閉塞部と
センサ受感部との間に残されないようにする作用をも
つ。大量の水が残ると、その水が氷結する際に生じる体
積膨張が、半導体センサ基板の弾性限界を越え、受感部
の破裂に至るという不都合があるからである。

【００１６】たとえば、本手段の制限を外して厚い（例
えば３００μｍ）のガラス薄板を使用した場合、ガラス
材料の方が半導体材料（Ｓｉ）よりも熱伝導性が低いの
で、氷結時にはガラス薄板の付近に大量の閉塞水が残さ
れる。この閉塞水が氷結すると、その体積膨張は半導体
センサ基板の弾性限界を越え、受感部が破裂する。逆
に、本手段の制限一杯の１５０μｍの厚さのガラス薄板
が、半導体センサ基板と半導体センサ台座との間に挟持
されて両者に陽極接合されていれば、熱伝導性が低いガ
ラスの影響が少なく、受感部付近も比較的速やかに氷結
する。それゆえ、圧力導入孔の氷結後に受感部付近に残
る閉塞水は僅かであり、その氷結時に生じる体積膨張も
僅かであるのでセンサには弾性限界内の変形を生じるの
みで、受感部は破壊されない。もちろん、解凍後には本
手段のセンサはセンサ機能を回復する。

【００１７】したがって、本手段によれば、第１手段の
効果に加え、冠水し氷結する環境で使用される場合に
も、解凍後にはセンサ機能を回復する半導体力学量セン
サを提供することができるという効果がある。 （第４手段）本発明の第４手段は、請求項４記載の半導
体式力学量センサである。

【００１８】本手段では、基板および台座を形成してい
る半導体材料に対して、熱膨張係数の差が１０％以内の
ガラス薄板が陽極接合されている。それゆえ、半導体式
力学量センサの作動時等の温度の変化による接合部での
熱応力の発生は、クラックや剥離等の不具合が無い程度
に低減されている。したがって、本手段によれば、第１
手段の効果に加え、よりいっそう熱応力に強い半導体式
力学量センサを提供することができるという効果があ
る。

【００１９】〔製法発明〕 （第５手段）本発明の第５手段は、請求項５記載の半導
体式力学量センサの製造方法である。本手段では、第１
陽極接合工程および第２陽極接合工程において、ガラス
薄板は両面で基板および台座に陽極接合されて、半導体
式力学量センサが製造される。

【００２０】したがって、本手段によれば、基板および
台座に挟持されたガラス層を形成するのに高価で大がか
りなスパッタリング装置を要さず、比較的安価な設備で
半導体式力学量センサの製造が可能になるという効果が
ある。 （第６手段）本発明の第６手段は、請求項６記載の半導
体式力学量センサの製造方法である。

【００２１】本手段では、ガラス薄板は先に台座に陽極
接合され、しかるのちに基板に陽極接合される。半導体
式力学量センサが、例えば圧力計や差圧計などのように
通気孔（圧力導入孔）を有する場合には、ガラス薄板が
台座に接合されていれば、センサ基板の感圧部に連通す
る通気孔を一度に、かつ容易に開けられるので好都合で
ある。

【００２２】逆に、先にガラス薄板が基板に陽極接合さ
れていると、ガラス薄板の一部に基板による裏打ちがな
い部分が生じて取扱いが難しくなる。さらに、ガラス薄
板を台座に陽極接合する際に、基板の裏打ちが無い部分
には電荷が十分に回らず、陽極接合に不具合が生じかね
ないという不都合がある。したがって、本手段によれ
ば、第５手段の効果に加え、上記不都合が回避でき、半
導体式力学量センサの製造が容易になるという効果があ
る。

【００２３】（第７手段）本発明の第７手段は、請求項
７記載の半導体式力学量センサの製造方法である。本手
段では、第１陽極接合工程と第２陽極接合工程との間
に、ガラス薄板の厚さを減らす薄肉化工程があるので、
第１陽極接合工程では十分に厚く取扱いが容易なガラス
薄板が使用される。そして、第２陽極接合工程では、す
でに薄肉化工程でガラス薄板の厚さが十分に減らされて
いるので、半導体式力学量センサでは十分に薄いガラス
薄板により基板および台座が接合される。

【００２４】ここで補足すると、台座と基板とに挟持さ
れているガラス層は、絶縁破壊耐圧を損なわない範囲で
薄ければ薄いほど台座および基板と熱応力が生じにくい
ので望ましいのであるが、その反面、あまり薄いガラス
薄板は割れやすく取扱が難しいという不都合がある。そ
こで、比較的厚いガラス薄板が、例えば台座に接合され
ている状態で研摩されて薄肉化されれば、台座に裏打ち
されて補強されているので、取扱いが容易になる。すな
わち、取扱いの容易な比較的厚いガラス薄板を製造の始
めに用い、陽極接合で裏打ち補強された状態で薄肉化が
なされ、熱応力の低減が図られている。

【００２５】したがって、本手段によれば、第５手段の
効果に加え、割れにくく扱いの楽な比較的厚いガラス薄
板を素材として製造を容易にしながら、薄くて熱応力の
発生が少ないガラス層で基板および台座が陽極接合され
ている半導体式力学量センサを製造することができると
いう効果がある。 （第８手段）本発明の第８手段は、請求項８記載の半導
体式力学量センサの製造方法である。

【００２６】本手段では、陽極接合の際の印加電圧が４
００Ｖ以上と規定されているので、極めて強固で気密性
および信頼性の高い陽極接合面が形成される。したがっ
て、本手段によれば、第５手段の効果に加え、陽極接合
面の不具合に起因する不具合の起きる確率が非常に低
く、信頼性に富む半導体式力学量センサを製造すること
ができるという効果がある。

【００２７】（第９手段）本発明の第９手段は、請求項
９記載の半導体式力学量センサの製造方法である。本手
段では、ステム（基台）に台座をはんだ付けで接合する
際に、融点が低い（２２０°Ｃ以下）はんだを使用する
ので、接合時の熱によって生じる残留応力が少ない。そ
れゆえ、製品である半導体式力学量センサの出力電圧の
ばらつきが減り、トリニミングや出力調整が容易になる
という作用がある。その結果、品質の安定したセンサ
を、調整工程の工数を減らして製造することができる。

【００２８】したがって、本手段によれば、第５手段の
効果に加え、センサ出力電圧のばらつきがより少ない半
導体式力学量センサを、より安価に提供することができ
るという効果がある。 （第１０手段）本発明の第１０手段は、請求項１０記載
の半導体式力学量センサの製造方法である。

【００２９】本手段では、はんだの濡れ性が劣っている
半導体からなる台座の接合面がメタライズされて、はん
だの濡れ性が格段に改善されている。すなわち、半導体
台座の接合面に、下層からチタニウム（Ｔｉ）、ニッケ
ル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）の各層が蒸着により形成されて
いる。ここで、Ｔｉ蒸着膜には台座とＮｉ蒸着膜との密
着性を改善する作用があり、Ｎｉ蒸着膜にはＴｉ蒸着膜
とＡｕ蒸着膜との密着性を改善する作用がある。Ａｕ蒸
着膜には、Ｎｉ蒸着膜の酸化を防止する作用と、はんだ
濡れ性を改善する作用とがある。

【００３０】したがって、本手段によれば、第９手段の
効果に加え、低融点のはんだによるはんだ付けであって
も、台座がステムに強固に接合され、高い気密性が保た
れるという効果がある。

【００３１】

〔実施例１〕

（実施例１の半導体式力学量センサ）本発明の実施例１
としての半導体式力学量センサは、ダイシング（切り離
し）前の状態を図１に示すように、センサ台座１、ガラ
ス層２および半導体センサウエハ（基板）３が層状に接
合されて構成されている。

【００３２】センサ台座１は、厚さ２ｍｍのシリコン単
結晶の平板からなり、所定の間隔を空けて内周面が円筒
状の貫通孔１０が開けられている。センサ台座１の一方
の平面（図中上面）には、厚さ１５０μｍのホウ硅酸ガ
ラス（商品名パイレックス）の薄板からなるガラス層２
が、気密かつ強固に陽極接合されている。ガラス層２に
は、台座１の貫通孔１０に連続する貫通孔が形成されて
いる。

【００３３】半導体センサウエハ３は、台座１と同一材
質（熱膨張率も同一）のシリコン単結晶の平板からな
り、貫通孔１０と同軸に受感部３１が形成されている。
受感部３１は、圧力センサとしてのダイヤフラムであ
り、図示しない歪み計等が取り付けられてセンサとして
機能する。センサウエハ３の厚さ（肉厚部３２の厚さ）
は３００μｍであり、受感部（薄肉部）３１の厚さは１
２μｍである。受感部３１は、センサウエハ３の一方の
面（図中下面）から材料が除去されて形成されている。

【００３４】センサウエハ３は、厚肉部３２の一面（図
中下面）で、前述のガラス層２の一面（図中上面）に気
密かつ強固に陽極接合されている。つまり、ガラス薄板
２は、両面でウエハ３および台座１の双方に陽極接合さ
れている。したがって、センサウエハ３とセンサ台座１
とは、ガラス薄板からなるガラス層２を介して間接的に
互いに接合されており、ウエハ３の受感部３２の凹部
は、貫通孔１０に連通している。

【００３５】上記構成のセンサでは、ガラス層２は、当
初は厚さ５００μｍのガラス薄板が台座１に陽極接合さ
れて形成されている。その後、同ガラス薄板は研摩され
て厚さを１５０μｍにまで減じ、しかるのちウエハ３に
陽極接合されている。なお、ガラス薄板２の熱膨張係数
は、ウエハ３および台座１を形成しているシリコン単結
晶の熱膨張係数とほぼ同程度であって、両者の熱膨張係
数の差は、±１０％以内におさまっている。

【００３６】（実施例１の製造方法）前述の本実施例の
半導体式力学量センサを製造する製造方法は、図２
（ａ）〜（ｅ）に示すように二回の陽極接合工程を含む
製造工程から構成されている。すなわち、先ず図２
（ａ）に示すように、直径１００ｍｍ、厚さ２ｍｍのシ
リコン単結晶からなる円盤状の半導体センサ基台１’の
一方の面１１に、同一直径で厚さ０．５ｍｍの円盤状の
ガラス薄板２’の一方の面２１を接合する。

【００３７】この第１陽極接合工程では、図２（ｂ）に
示すように、基台１’およびガラス薄板１’がカーボン
治具５，６に挟持され、所定の押圧力で互いに接合面１
１，２１が圧着された。この状態で、３５０〜４００°
Ｃに昇温され、直流電源９から４００〜１０００Ｖ程度
の電圧が所定時間印加されて、基台１’およびガラス薄
板１’は互いに強固に陽極接合された。その際、図２
（ｂ）に示すように、基台１’には相対的に正、ガラス
薄板１’には負の電圧が印加された。

【００３８】第１陽極接合工程後の基台１’およびガラ
ス薄板２’は、図２（ｃ）に示すように、一体に接合さ
れて合わせ板１２を構成している。合わせ板１２には、
貫通孔１０の穴開け加工とガラス薄板２’の薄肉化加工
とが施される。穴開け加工工程では、超音波ホーニング
により所定の間隔を空けて複数の貫通孔１０が碁盤目状
に開けられる。

【００３９】薄肉化工程では、ガラス薄板２’が二段階
に分けて研削され、その厚さを５００μｍから１５０μ
ｍに減じる。すなわち、ガラス板２’は、ラッピング加
工で一端１８０μｍの厚さに削られ、さらに研摩加工に
より１５０μｍにまで薄肉化される。薄肉化工程後のガ
ラス薄板２の厚さとその精度は、１５０μｍ±２０μｍ
である。ガラス薄板２を薄肉化することにより、徒に高
い印加電圧（後述の第２陽極接合工程で真空放電等の危
険を伴う）をかける必要がなくなると同時に、熱応力の
発生を抑制することができる。

【００４０】以上の工程で、図２（ｄ）に示すように、
薄肉化されたガラス薄板２と貫通孔１０とを有する合わ
せ板１２が形成される。合わせ板１２のガラス層２が形
成されているほうの面に、センサウエハ３が位置を合わ
せて乗せられて陽極接合される。すなわち、第２陽極接
合工程では、図２（ｅ）に示すように、センサウエハ３
の一面が合わせ板１２のガラス層２の接合面２２に圧着
されて、陽極接合される。ここで、合わせ板１２および
ウエハ３を挟持するカーボン治具７およびステンレス治
具８により押圧力と印加電圧とがかけられる。この際の
温度は３５０〜４００°Ｃに昇温されており、直流電源
９による印加電圧は４００〜１０００Ｖである。

【００４１】その際、相対的にウエハ３には正の、台座
１およびガラス薄板２からなる合わせ板１２には負の電
圧が印加された。なお、ステンレス治具８には、ウエハ
３の受感部である薄肉部３１には押圧力と印加電圧とが
かからないように、厚肉部３２のみに当接する形状に形
成されている。この第２陽極接合工程では、高電圧が印
加された場合に貫通孔１０内に放電が生じ、受感部３１
が破損する不具合が出ることがあるが、発明者らはすで
にこの不都合を回避する技術を開発済である（特願平７
−１６４１６９号）。

【００４２】以上の製造方法により、前述の半導体式力
学量センサ（図１参照）が製造され、必要に応じて、歪
み計などが付加された上で各センサユニット毎に切り出
されたりして完成する。場合によっては、一つ一つのセ
ンサユニットに切り離されず、複数の貫通孔１０および
受感部３１をもつ一次元センサアレイや二次元センサア
レイとして使用されることもある。

【００４３】（実施例１の作用効果）以上詳述したよう
に、本発明の半導体式力学量センサおよびその製造方法
においては、以下の作用効果が発揮される。第１に、第
１陽極接合工程および第２陽極接合工程においてガラス
層２’，２の厚さが十分にあるので、台座１およびウエ
ハ３との陽極接合が十分強固に行われ、製品の歩留り率
が極めて高くなるという効果がある。

【００４４】ここで、石英ガラスの単位厚さ当たりの絶
縁破壊耐圧は２０〜４０〔ｋＶ／ｍｍ〕（理科年表）で
あり、ホウ硅酸ガラスについても３×１０⁴ 〔Ｖ／ｍ
ｍ〕程度である。これに基づいて計算すると、第１陽極
接合工程では、厚さ０．５ｍｍのガラス薄板２’の絶縁
破壊耐圧は１５０００Ｖであり、第２陽極接合工程で
は、厚さ１５０μｍ＝０．１５ｍｍのガラス層２の絶縁
破壊耐圧は４５００Ｖに及ぶ。したがって、４００〜１
０００Ｖ程度の印加電圧では、絶縁破壊が起こる心配が
ないので、従来技術のスパッタリングによるガラス薄膜
（厚さ４μｍ程度）と異なり、陽極接合の際、十分に高
い印加電圧をかけて極めて強固な接合がなされる。

【００４５】陽極接合の接合強度については、引張破壊
試験により評価されている。引張破壊試験は、図３に示
すように、基台面Ｇに接合保持されている半導体式力学
量センサ１２３を、ウエハ３の面に接着剤Ａで接合固定
されている金具ＮをフックＨで引っ張り、破壊するまで
引っ張り力Ｆを増していくものである。本試験の結果、
センサ１２３の一端をなすウエハ３と他端をなす台座１
との間のどこかで、センサ１２３は破断する。基台面Ｇ
に対する破断面の垂直投影面積のうち、接合面２１，２
２の占める率は、陽極接合時の印加電圧によって異な
る。

【００４６】すなわち、図４に示すように、印加電圧が
２００Ｖでは破断面の４０％（面積比率）を接合面２
１，２２が占めるが、３００Ｖでは２％程度に激減し、
４００Ｖ以上ではゼロ％である。なお、この試験での試
料数は、各電圧値につき１０個程度である。したがっ
て、本実施例では、第１陽極接合工程および第２陽極接
合工程で４００〜１０００Ｖが印加されているので、陽
極接合部分の不具合はほぼ皆無であり、歩留り率は極め
て高いという効果が生じる。

【００４７】第２に、製造設備が小規模で安価であると
いう利点もある。これは、従来技術と異なり、大掛かり
で高価なスパッタリング装置を必要としないためであ
る。それゆえ、製品価格を安価に抑えうるという効果が
ある。第３に、製造が容易でありながら温度変化に強く
信頼性の高い半導体式力学量センサが得られるという効
果がある。

【００４８】すなわち、第１陽極接合工程以前には、ガ
ラス薄板２’単体の厚さは０．５ｍｍと比較的厚く、ガ
ラス薄板２’は割れにくいので、取扱いが楽である。ガ
ラス薄板２’は、第１陽極接合工程で台座１に接合され
裏打ちされて割れる心配がなくなったのち、薄肉化工程
で１５０μｍまで厚さを減じる。それゆえ、ガラス薄板
２とシリコン製の台座１およびセンサウエハ３との間に
大きな熱応力が生じることがないので、温度変化に強く
なって信頼性が向上するという効果がある。

【００４９】（実施例１の変形態様１）上記実施例で
は、ガラス薄板２の材料にホウ硅酸ガラスを使用してい
るが、アルミナ・シリケートガラスなどの各種ガラスを
使用しても良い。その際、ガラス薄板２と台座１および
ウエハ３との間に発生する熱応力を低く抑えるために、
ガラス薄板２を形成する材料の熱膨張係数は、台座１お
よびウエハ３を形成するシリコン単結晶材料の熱膨張係
数とできるだけ合わせるのがよい。両熱膨張係数の差
は、±１０％以内に納まっていることが望ましい。

【００５０】（実施例１の変形態様２）前述の薄肉化工
程において、その他の各種研削研摩法によりガラス薄板
２の厚さを減じてもよい。あるいは、フッ酸あるいは他
の方法によるエッチング加工をして、ガラス薄板２の厚
さを減じてもよい。薄肉化工程でのこれらの加工法につ
いては、製造コスト、信頼性などの各種評価項目を勘案
の上、最適の選択が行われることが望ましい。

【００５１】（実施例１の変形態様３）上記実施例で
は、差圧計を想定して貫通孔１０が設けられているが、
レート（角速度）センサや絶対圧力計および加速度セン
サなどでは、貫通孔１０は設けられない場合が多い。さ
らに、受感部３１は圧力測定用のダイヤフラムとしてい
るが、加速度や角速度等を測定するセンサの場合には、
受感部はカンチレバーとして形成される。

【００５２】（実施例１の変形態様４）上記実施例で
は、基板としてのウエハ３をもって半導体式力学量セン
サを形成している。しかし、すでにダイシング（切り離
し）されてチップ状になった基板を用いて、前述の製造
方法と同様の加工工程の製造方法で本発明の半導体式力
学量センサを製造することができる。すなわち、ウエハ
単位だけではなく、チップ単位での本発明の半導体式力
学量センサの製造も可能である。

【００５３】〔実施例２〕 （実施例２の圧力センサ）本発明の実施例２としての半
導体式力学量センサは、図５に示すように、ステム６’
とステム６’に接合されているセンサ本体１２３４とを
有する圧力センサである。

【００５４】ここで、ステム６’は鉄系の４２アロイか
らなり、センサ本体１２３４との接合面には金めっき
（厚さ１５００オングストローム）が施されている。ス
テム６’の中央には、センサ本体１２３４の貫通孔１０
に連通する圧力導入孔６０が貫通しており、両者１０，
６０には、シリコーンオイル９’が充填されて水分等の
浸入を防いでいる。一方、半導体センサウエハ３の中央
部には、薄肉部３１がダイヤフラムを形成している。同
ダイヤフラムに形成されているゲージ抵抗領域を有する
センサ回路（図示せず）からは、複数本のＡｌ−Ｓｉワ
イヤ８’が延びて周囲のターミナル７’にそれぞれ接続
している。ターミナル７’は、ステム６’に支持されて
いる金属棒であり、ステム６’の貫通孔（図示せず）に
嵌入された後、シール用低融点ガラス（図示せず）によ
りこの貫通孔と絶縁され、封止されている。

【００５５】本実施例の圧力センサの主たる特徴は、以
下の三点に集約される。すなわち、第１に、ステム６’
にはんだ付けされるセンサ本体１２３４の表面（接合
面）に、三層からなる金属薄膜４が形成されている点で
ある。第２に、ステム６’との接合に使用されているは
んだ５’の融点が低く、２２０°Ｃ以下である点であ
る。第３に、半導体センサウエハ３とセンサ台座１との
間に両者に接合して介在するガラス薄板２の厚さが、１
５０μｍ以下に制限されている点である。これらの特徴
について以下、詳細に説明する。

【００５６】上記三層の金属薄膜４は、センサ台座１の
半導体センサウエハ３と背向する端面に形成されてい
る。金属薄膜４は、センサ台座１を形成しているシリコ
ンの表面上に、チタニウム、ニッケル、金の順にいずれ
も真空蒸着により形成されている。蒸着膜の厚さは、チ
タニウム層が３０００オングスロトーム、ニッケル層が
６０００オングストローム、金の層が１５００オングス
ロトームであり、合計１０５００オングストローム程度
である。

【００５７】上記各層のうち、最も厚いのはニッケル層
で、チタニウム層は台座１のシリコンとニッケル層との
馴染みをよくする作用がある。一方、最表面の金の層
は、ニッケル層の酸化を防止するとともに、はんだ濡れ
性を良好にする作用がある。したがって、上記３層が重
ねて形成されていることにより、シリコン製のセンサ台
座１との密着性が良く（容易には剥がれず）、かつ、空
気等に触れても酸化しにくいうえに、接合用のはんだ
５’の乗りがよい金属薄膜４で接合面が形成されてい
る。

【００５８】以上のように形成された台座１の接合面
と、金めっきされているステム６’の接合面とは、はん
だ濡れ性が良好であり、融点が２２０°Ｃ以下の低融点
はんだ５’によって気密かつ強固に接合されている。よ
り具体的には、はんだ５’にはＳｎ６３−Ｐｂ３７の共
晶組成のはんだが使用されており、その融点は１８３°
Ｃ程度である。

【００５９】ガラス薄板２は、実施例１と同様、厚さ１
５０μｍのホウ珪酸ガラスからなり、半導体センサウエ
ハ３およびセンサ台座１の両者にに陽極接合されてい
る。 （実施例２の製造方法）本実施例の圧力センサの製造方
法は、図６中に示すように、複数の工程を経て圧力セン
サを製造する。本製造方法の特徴は、シリコン製のセン
サ台座１の図中下面に３層からなる金属薄膜４を蒸着に
より形成する点と、低融点のはんだ５’を使用して比較
的低温で台座１をステム６’に接合する点とにある。

【００６０】本製造方法では、先ず、実施例１と同様
に、第１陽極接合工程でシリコン製のセンサ台座１とガ
ラス薄板２との陽極接合し、しかる後に貫通孔１０の穴
開けとガラスの薄肉化とを行う。以上の加工はウエハ単
位で行い、図６（ａ）に示すように、厚さ１５０μｍの
ガラス薄板２が一端面に接合しているシリコン製の台座
１を中間的に製造する。

【００６１】ここで、前述の台座１を熱処理炉に入れ、
アニーリング工程を施す。すなわち、昇温して６０分間
４５０°Ｃに炉内温度を保ったのち徐冷することによっ
て、台座１および薄板２から残留歪みによる内部応力を
低減する。次に、メタライズ工程を施す。すなわち、真
空蒸着により、台座１の他端面に厚さ３０００オングス
トロームのチタニウムの蒸着膜層、６０００オングスト
ロームのニッケルの蒸着膜層、１５００オングストロー
ムの金の蒸着膜層を一様に形成する。上記三層の真空蒸
着は、真空タンク内の圧力を途中で大気圧にもどすこと
なく、順次行われる。メタライズ工程を終えると、図６
（ｂ）に示すように、Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕの金属薄膜４が
台座１の他端面に形成されている。なお、スパッタリン
グでは、貫通孔１０の内周面などにまで金属分子などが
付着して不都合であるが、本実施例のように真空蒸着に
よればその心配はまず無い。

【００６２】しかるのち、第２陽極接合工程を施し、図
６（ｃ）に示すように、センサウエハ３と台座１のガラ
ス薄板２とを互いに接合する。そして、図６（ｄ）に示
すように、センサウエハ３から台座１の中途に至る深さ
の溝Ｈを縦横に彫るハーフカット工程を施す。ハーフカ
ットされた（隣接するセンサから歪みや応力の伝達がな
い）状態で、ウエハトリム工程を施す。すなわち、図６
（ｅ）に示すように、センサウエハ３の所定の位置にレ
ーザーを照射し、センサ回路（図示せず）の材質中の電
気抵抗を変えてセンサ特性の調整を行う。

【００６３】ウエハトリム工程の後、前述の溝Ｈに沿っ
て台座１を切り離し、図６（ｆ）に示すように、独立し
た各センサチップ１２３４を形成するダイシングカット
工程を施す。最後に、各センサチップ１２３４を低融点
はんだ５’（Ｓｎ６３−Ｐｂ３７）でステム６’に接合
するステム接合工程を施す。その際、前述のようにＴｉ
／Ｎｉ／Ａｕの金属薄膜４が台座１の接合面に形成され
ており、また、対応するステム６’の接合面には金めっ
き（厚さ１５００オングストローム）が施されている。
それゆえ、台座１の接合面およびステム６’の接合面
は、はんだの濡れ性に優れ酸化しにくい金の薄膜で覆わ
れているので、低融点はんだ５’でも極めて良好な接合
が成される。同様の理由で、台座１およびステム６’の
接合部の気密性も極めて高いものが得られる。

【００６４】以上で主たる工程は終わり、センサ回路
（図示せず）とターミナル７’とのワイヤボンディング
と、圧力導入孔６０から貫通孔１０等の内部空間にシリ
コーンオイル９’とを充填すれば、前述の本実施例の圧
力センサ（図５参照）が製造される。なお、シリコーン
オイル９’は要否に応じて充填するか否かを決める。 （実施例２の作用効果）本実施例の半導体式力学量セン
サとしての圧力センサは、前述の構成をしており、以上
の製造方法で製造されるので、実施例１の効果に加え、
以下に示す優れた効果を発揮する。

【００６５】第１に、ガラス薄板２の厚さを１５０μｍ
に制限したので、シリコーンオイル９’なしでも、圧力
導入孔６０内の内部空間へ浸入した水分の氷結に耐え、
解氷後の機能回復ができるという効果がある。これは、
以下に示す圧力センサの熱解析（数値シミュレーショ
ン）の結果を総合して判明したものである。

【００６６】先ず、台座１がシリコンでなくガラスで出
来ている場合には、ガラス台座の熱伝導率がステム６’
を形成している合金の熱伝導率よりずっと低いので、圧
力導入孔６０がまず氷結で閉塞し、多量の水が貫通孔１
０等の内部空間に残される。その後、この水が氷結する
際の体積膨張でセンサウエハ３の薄肉部（ダイヤフラ
ム）３１が破裂してしまう。その結果、センサ部分が破
壊してしまうので、圧力センサとしての機能は失われ回
復することはない。

【００６７】次に、シリコン台座１に接合しているガラ
ス薄板２の厚さが１５０μｍを越えている（例えば３０
０μｍ）場合には、ガラス薄板２の方がシリコン台座１
よりも熱伝導率が低い。それゆえ、貫通孔１０が氷結し
て閉塞する際に、ガラス薄板２の厚さに相当する分、余
計にセンサウエハ３の内部空間に未だ凍らない水が所定
量以上残される。その後、この水が氷結する際の体積膨
張でセンサウエハ３の薄肉部（ダイヤフラム）３１が破
裂してしまう。その結果、センサ部分が破壊してしま
い、前述のガラス台座の場合と同様、圧力センサとして
の機能は失われて回復することはない。

【００６８】一方、本実施例のように、ガラス薄板２の
厚さが１５０μｍ以下である場合には、熱伝導率の低い
ガラス薄板２が十分に薄いので、貫通孔１０が氷結して
閉塞する際に、上記内部空間にはほとんど水が残されな
い。したがって、この水が氷結する際の体積膨張はセン
サウエハ３の薄肉部（ダイヤフラム）３１の弾性変形等
で吸収され、センサ部分が破壊されることがない。その
結果、本実施例の圧力センサは、氷結に耐えて解氷後に
機能を回復することができるのである。

【００６９】第２に、アニーリング工程により、温度に
よる出力電圧の変動を低減することができるという効果
がある。すなわち、第１陽極接合工程で接合された台座
１およびガラス薄板２が内包している残留応力がアニー
リングにより除去されるので、第１陽極接合時に生じる
残留応力によって、センサ出力電圧の変動やばらつきが
低減する。

【００７０】第３に、Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕの金属薄膜４が
Ｓｉ製のセンサ台座１の接合面に形成されているので、
低融点はんだ５’によるステム６’との接合がより強固
になっている。それゆえ、台座１とステム６’との接合
強度ばかりではなく、接合部での気密性も向上するとい
う効果がある。第４に、ステム接合工程で低融点はんだ
５’を使用するので、台座１およびステム６’を高温に
昇温することなく接合することができる。それゆえ、低
融点はんだ５’の使用により、はんだ付けによるセンサ
出力電圧の変動量（ばらつき）が少なくなるという効果
がある。

【００７１】この効果は、ステム接合工程でのはんだ付
け時の炉内温度の設定を１８３°Ｃ〜３１０°Ｃの範囲
で変え、圧力センサを製造する実験の結果から判明し
た。すなわち、図７に示すように、２３０°Ｃ以上の場
合に比べ、２２０°Ｃ以下の低温ではんだ付けが成され
る場合には、出力電圧の変動幅（±３σ）ΔＶが劇的に
小さくなる。これは、はんだ付け時の熱応力が冷却後に
残留するが、その量が２２０〜２３０°Ｃを境に劇的に
変化しているものと推定される。

【００７２】なお、同図左端に「非加熱」の温度表示が
あるが、接着剤を用いればこの非加熱接合も可能であ
る。しかし、接着剤は気密性の他、長期間の安定性や信
頼性に不安があり、必ずしも最適の接合手段ではない。
また、低融点はんだ５’により比較的低温（２２０°Ｃ
以下）でステム接合工程が行われる本実施例の製造方法
の有利さについて、図８を参照して説明する。同図中で
比較されるのは、従来技術としてのガラス台座（通常の
はんだ付け）を有する圧力センサ（左）と、実施例１に
相当するシリコン製のセンサ台座１（通常のはんだ付
け）を有する圧力センサ（中）と、同はんだを実施例２
の低融点はんだ５’に変えたもの（右）である。通常の
はんだでステム６’に接合されたシリコン台座１をもつ
圧力センサは、従来のガラス台座に比べてばらつきがや
や大きく、この観点ではむしろ一歩譲っているとさえ言
える。一方、本実施例の低融点はんだ５’を使用してい
る圧力センサは、従来のガラス台座に比べても十分にば
らつきが少なく、優れた特性を発揮している。

【００７３】（実施例２の変形態様）前述の低融点はん
だ５’としては、融点が２２０°Ｃ以下であれば、Ｓｎ
−Ｐｂ系（例えば共晶組成のＰｂ３７，Ｓｎ６３％は融
点が１８３°Ｃ）だけでなく、Ｓｎ−Ｉｎ系やＳｎ−Ａ
ｇ−Ｉｎ−Ｂｉ系などを使用することもできる。その他
の変形態様については、実施例１の各変形態様に相当す
る変形態様の実施が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施例１の半導体式力学量センサ（半製品状
態）の側断面図

【図２】 実施例１の半導体式力学量センサの製造方法
を示す組図 （ａ）接合前のガラス薄板およびセンサ台座を示す側断
面図 （ｂ）第１陽極接合工程を模式的に示す側断面図 （ｃ）陽極接合後のガラス薄板および台座を示す側断面
図 （ｄ）薄肉化工程後のガラス薄板および台座を示す側断
面図 （ｅ）第２陽極接合工程を模式的に示す側断面図

【図３】 半導体式力学量センサの引張破壊試験の方法
を示す模式図

【図４】 陽極接合時の印加電圧と接合不良率との関係
を示すグラフ

【図５】 実施例２の圧力センサの構成を示す側断面図

【図６】 実施例２の圧力センサの製造方法を示す組図 （ａ）第１陽極接合工程後の状態を示す端面図 （ｂ）メタライズ工程後の状態を示す端面図 （ｃ）第２陽極接合工程後の状態を示す端面図 （ｄ）ハーフカット工程後の状態を示す端面図 （ｅ）ウエハトリム工程を示す端面図 （ｆ）ダイシングカット工程後の状態を示す端面図 （ｇ）低融点はんだによるステム接合工程後の状態を示
す端面図

【図７】 ステム接合工程における温度と出力変動との
関係を示すグラフ

【図８】 低融点はんだの効果を示すグラフ

【符号の説明】

１，１’：センサ台座（通気孔の形成後／形成前の状
態） ２，２’：ガラス薄板、ガラス層（薄肉化工程以後／薄
肉化工程以前の状態） １０：貫通孔 ２１，２２：陽極接合面 ３：半導体センサウエハ（基板） ３１：受感部（薄
肉部） ３２：肉厚部 ５，６，７：カーボン治具 ８：ステンレス治具
９：直流電源 ４’：金属薄膜（Ｔｉ，Ｎｉ，Ａｕの３層蒸着膜）
５’：低融点はんだ ６’：ステム ７’：ターミナル ８’：ワイヤ
（Ａｌ−Ｓｉ線） ９’：シリコーンオイル ６０：圧力導入孔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 康利 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 日本電 装株式会社内 (72)発明者 彼末 将和 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 日本電 装株式会社内

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】少なくとも一つの受感部が形成されている
   半導体センサ基板と、 半導体材料からなるセンサ台座と、 該基板および該台座の間に介設されて該基板および該台
   座に接合しているガラス層とを有する半導体式力学量セ
   ンサにおいて、 前記ガラス層は、前記基板および前記台座の双方に陽極
   接合されているガラス薄板からなることを特徴とする半
   導体式力学量センサ。
2. 【請求項２】前記ガラス薄板は、２０μｍ以上の厚さを
   有する請求項１記載の半導体式力学量センサ。
3. 【請求項３】前記ガラス薄板は、１５０μｍ以下の厚さ
   である請求項１記載の半導体式力学量センサ。
4. 【請求項４】前記ガラス薄板の熱膨張係数は、前記基板
   および前記台座を形成している半導体材料の熱膨張係数
   を基準として±１０％以内である請求項１記載の半導体
   式力学量センサ。
5. 【請求項５】少なくとも一つの受感部が形成されている
   半導体センサ基板の接合面と、半導体材料からなるセン
   サ台座の接合面との一方に、ガラス薄板を陽極接合する
   第１陽極接合工程と、 両該接合面の他方に、該ガラス薄板を陽極接合する第２
   陽極接合工程とを有することを特徴とする半導体式力学
   量センサの製造方法。
6. 【請求項６】前記第１陽極接合工程は、前記台座と前記
   ガラス薄板とを接合する工程からなり、 前記第２陽極接合工程は、前記基板と前記ガラス薄板と
   を接合する工程からなる請求項５記載の半導体式力学量
   センサの製造方法。
7. 【請求項７】前記第１陽極接合工程と前記第２陽極接合
   工程との間に、研削、研摩またはエッチングによりガラ
   ス薄板の厚さを減じる薄肉化工程を実施する請求項５記
   載の半導体式力学量センサの製造方法。
8. 【請求項８】前記第１陽極接合工程および前記第２陽極
   接合工程の際に印加される電圧は、４００Ｖ以上である
   請求項５記載の半導体式力学量センサの製造方法。
9. 【請求項９】前記第２陽極接合工程の後に、 前記台座をステムにはんだ付けにより接合するステム接
   合工程を有し、 該ステム接合工程において使用されるはんだの融点は、
   ２２０°Ｃ以下である請求項５記載の半導体式力学量セ
   ンサの製造方法。
10. 【請求項１０】前記ステム接合工程以前に、 前記ステムに接合される前記台座の面に、下層からチタ
    ニウム、ニッケル、金の順に層をなしている金属の薄膜
    を、蒸着により形成するメタライズ工程を有する請求項
    ９記載の半導体式力学量センサの製造方法。