JPS5856476A

JPS5856476A - 半導体圧力変換器

Info

Publication number: JPS5856476A
Application number: JP56155112A
Authority: JP
Inventors: Shunji Shiromizu; 白水　俊次; Shozo Sato; 佐藤　正三
Original assignee: Toshiba Corp; Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1981-09-30
Filing date: 1981-09-30
Publication date: 1983-04-04

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】半導体単結晶が圧力が応力によって歪を受けるとその抵
抗値が変化することは良く知られている。この物理現象
を効果的に利用し、且つ半導体ＩＣ技術と結合して、近
年では小形で高性能な半導体圧力変換装置（圧力センサ
）が開発されている。

第１図は高精度工業用に開発されずいる半導体拡散ダイ
ヤフラム膨圧カセンサの構造を示す模式図である。この
センサは、ｎ−８ｉ　（１００）簡単結晶からなる１Ｑ
ｓｓ’のペレット１の中央部に、その裏面から約４〜５
ｓφ径で７０μｍ程度の厚みに加工した起歪ダイヤフラ
ム２を設け、このダイヤフラム２の表面に例えばボロン
（Ｂｌを短冊状に熱拡散してピエゾ抵抗ゲージ３を設け
た構造を有する。そして、このペレット１は台座４上に
固定されたのちパッケージ５にマウントされ、その電極
リードに金属＠６によって配線結合される。尚、台座４
の貫通孔に連通して設けられたパイプ７は前記ダイヤフ
ラム部へ流体圧力を導入するものである。

しかして、前記台座４は、外部から、特にパッケージ５
からの歪が前記拡散抵抗歪ゲージ３に伝わるのを防ぐ歪
遮断材として機能するものであり、このような外部歪を
防ぐ構造によって、同センサでは一３０〜８５Ｃなる広
い温度域で０、２　’ｌ　Ｆ　Ｓと云う高い性能を得て
いる。

ところでこのような高精度工業用圧力センサでは、上記
したような特殊なパッケージ構造を採用している為にそ
のコストが非常に高い。またパッケージのみならず、そ
の素子部も折角シリコン材料を用いていながら量産ＩＣ
的技術を活かせないままになっている。また近年ではマ
イクロコンピュータの普及により半導体圧力センサを求
める要求が多いが、この場合、高性能化よりもむしろ低
価格化が望まれている。

そこで、最近では、第２図（ａ）〜（ｂ）に示す構造の
低コスト型の半導体圧力センサが開発されている。この
センサは、第１図に示す感圧ダイヤフラム１部と台座４
部とを、シリコン拡散プロセスを導入して量産可能にし
たものである。第２図（ａ）に詔いて、４ｍｏ、３ＱＯ
μｍ厚のシリコンペレット１１の中央部には、その裏面
から２Ｗｔｌ１１４ｏｐｍ厚のダイヤフラム１２が形成
され、このダイヤフラムＪ２部表面に拡散抵抗歪ゲージ
１３が設けられている。これらは、第１図に示すものと
同様に形成され、上記例では２１ｊｆ／ＤＩＩＩの流体
圧力に感応するようになっている。しかしてペレット１
１は、シリコンを材料とする台座１４上にガラス１５に
より接着されており、この台座１４に設けられた貫通孔
１６より前記ダイヤフラム１２へ流体圧力が導入される
ようになっている。この台座１４は、先の台座４と同様
にペレット１１上に形成された歪ゲージ１３に流体圧力
以外の応力等が加わることを防止するものであり、でき
る限り厚くするようにしている。同、一般的には貫通孔
１６の加工技術の制約等によって１ｍｔ〜５　ｓｅ　を
程度の台座１４が用いられている。このような構造の圧
力センサは、第２図（ｂｌ　、　（ｃｌに示すように、
シリコンウェハ１７上にマトリックス状に４ｍｓ口のペ
レット１１を形成し、このシリコンウェハ１７に対して
貫通孔１６を設けたウニ／Ｘ鰭の土台１８をガラス接着
層１５を介して接合したのち、同図（Ｃ１中矢印で示す
位置ｉこて個々のペレットに切断して製造される。この
場合、ペレットの拡散工程は従来のバイポーラＩＣとほ
ぼ同一の半導体工程に、Ｉ−、′？て達せられ、またダ
イヤプラムの形＃もアルカリ性薬品によるエツチング技
術によってなし得る。これによって、圧力センナの製作
工程は大幅に改善されその量変化への大きな前進が図ら
れる。

ところが、このような製作を容易ならしめるるための最
重要線題は、感圧素子を設けたシリコンウェハと、貫通
孔のあるウェハ状土台との接着を、上記シリコンウェア
に設けた感圧素子の特性を損わずに行えるか否かにある
。

第２図（ｂ）における感圧素子用ウェハ１１と貫通孔１
８を有するＳｉ土台１８とを対向させて接着するための
手段として、一般にガラス接着と金属の溶融接着とが考
えられる。

シリコン単結晶を金属の溶融接着するためには、下地の
シリコンをメタライズする必要があるため、ウェハの処
理工程が複雑化する。また接着剤としての溶融金属は一
般にシリコン単結晶の熱膨張係数（３１Ｘ１０’）に比
べて、−桁近く大きく、シリコン感圧素子に大きな接着
歪を与える。一方、前者のガラス接着では、シリコンウ
ェハに対してメタライズ等の前処理が不要である。また
、熱膨張率が金属よりも小さいハンダガラスを選べるな
どの理由から、圧力センサ、の接着にはハンダガラスが
用いられている。

この場合、第２図に示すようなウェハ秋の感圧素子とシ
リコン土台とを接着するためにノ１ンダガラスをこ要求
される２大条件がある。

その一つはガラスを溶融する化学温度が、感圧素子の金
属配線層（一般にはアルミ配線Ｓ）を劣化させないため
に５５０Ｃ以下、望ましくは５ｏｏｃ以下であること、また接着硬化したガラス層の熱膨張係数ができるだけシ
リコンの熱膨張係数に近いことの２点である。

一般に市販されている、または開発されているハンダガ
ラスで上記条件を完全に満たすものは無い。ハンダガラ
スの特質上、一般にシリコンの熱膨張係数（３１ｘｌＯ
’）よりも大きく、これに近いほうほど作業温度は高い
。まず作業温度の５５０Ｃより低いところ条件で、市販
されているハンダガラスの作業温度と熱膨張率とを列挙
してみると、第１表に示すようになる。

第１表ここに列挙したハンダガラスをチットする場合に、まず
第２図（ａ）　、　（ｂ）に示されるようにハンダガラ
スの接着層を作る方法が重要である。感圧素子となるウ
ェハ１７および、３１台１６とを接着することから、接
着層１６はできるだけ薄い方が望ましい。実験によれば
試料番号”１，２゜３で示されるガラスは全て沈澱法に
よって薄い層を形成し得た、例えば１００ＣＣのエチル
アルコールにＩＰのハンダガラスを溶解させ、水面下的
ＩＣＩＩの位置基こＳｉ土台を設置し、約１時間沈澱さ
せる。か（して約３０μｍ厚のガラス接着層が形成され
る。このようにして形成したガラス接着層を用い、前記
試料番号１，２．３のガラスについては検討した結果、
第２表に示す結果が得られた。

第　　２　　表作業温度が５００Ｃ以下のガラス２．３ではｈｌ配線は
劣化しないが、ガラスにクラックが多く、気密保持の保
証限界１０−’　ａｔｍ　６　ＣＣ／　ｍｉｎに達しな
いものが３０〜４０％も出てしまう。ガラス層の熱膨張
率とシリコンのそれとの違いを逃れるためにガラス層を
できるだけ薄くする方が望ましいと言われている。沈澱
法を種々検討し、ガラス層を薄くすることを検討したが
、２０μｍを下まわると、つ、エバの全面接着（例えば
２時ウェハ）が困難になってくる。

一方、ガラス層のクラックは依然として観察され、接着
したサンプルのリーク不良は５０％に達してしまうこと
がわかった。つまり、膨張係数が異っている場合、接着
層を薄くすることによってはリークの問題は解消できな
い。リークの点だけなら、接着層がある厚さを有してい
る方が歩留りが良いことになる。

一方、試料番号４．５のガラスのうち４に示されるもの
は作業温度が低く、その熱膨張係数は試料番号１，２．
３のどれよりも小さい。またこのガラスを使いこなすべ
く努力したが、３０、ａｍ程度の沈澱層を作っても接着
力のあるガラス質とならないことが判明した。しかし、
１００２ｍ以上ではガラス質化し、接着力も大きくなる
こと、しかもシリコンの上に７０声ｍ以上も被覆された
ガラス層にクランクが全く無いことが判明した。これは
ハンダガラスにフィラーが多く含まれ、接着層がフィラ
ー粒子の大きさに近くなると、フィラー粒子間にハンダ
ガラスが充満しなくなるためで、接着層がフィラー粒子
に比べて充分大きくならないとガラス質化しないことに
よっている。

従来、接着層の熱膨張率と被接着物との熱膨張率が異な
る場合、その差の影響を逃れるためには接着層を出来る
だけ薄くすることが望ましいと考えられて来た。しかし
、フィラーが多く含まれて、その結果として熱膨張を小
さくした場合には、接着層をある程度以上にするとむし
ろ歪を吸収する効果のあることがわかった。

本発明はこのような逆説的者えに立脚してなされたもの
で、その目的とするところは、接着強度を十分に確保し
た実用性の高い半導体圧力変換器を提供するものである
。

以下、本発明の実施例につき説明する。例えば第２図に
おいて、感圧素子ウェハ１１を接着するＢｉ台１８に、
例えば沈澱法で８電ガラスＬＳ−０１１０を１５０μｍ
の厚さに形成する。前述した沈澱法において、１００Ｃ
Ｈのエチルアルコールに上記ハンダガラスを５９溶解さ
せ、水面下１ｃｍの位置にサンプルを置いて約１時間沈
降させる。被接着用”感圧ウェハ１１をＳｉ台１８と対
向させ、約１０Ｐ／−の重量の錘（２時ウェハでは約２
ｏｏＰ）をのせ、４７０ｔ：’近傍の炉中で接着せしめ
る０第２図（Ｃ）の如く、接着後のウェハは矢印の位置
で縦横に切断し、同図（ａ）の如きペレットを得ること
ができる。かくして、接着せしめられたペレットは、前
述した試料番号１　、２　、３のいづれのパンダガラス
よりもリーク歩留りが向上し、例えば１００ペレツト試
作中１０−’　ａｔｍ　−ＣＣ／　ｍｉｎ以上のリーク
を持つものは４ケに過ぎなかった。つまり歩留りは９６
チであった。また他の特性（電気め特性、温度−性）の
面でも統計的に見て試料番号１，２゜３のハンダガラス
より優れていることもわかつた。かくして形成されたペ
レットは圧力を印加させるためのケラケージ部材に改め
て接着されるが、その際の接着はハンダガラスでもエポ
キシ接着でも、コストと用法に応じて選別することが可
能である。パッケージとの接着は第２図（ａ）のＢｉ土
台Ｊ４の裏面Ｊ　４’で行なわれるが、パッケージとの
接着で生ずる歪はＢＬ土台１４がバッファーになるため
、感圧素子１３への影響は無い。とのことは、厚みを７
０声ｍ以下としたものでは、その効果が失われることが
確認されたＯこのように本発明に係る半導体圧力変換器は、感圧ペレ
ットとその土台とを熱膨張率が４０〜７０ｘｌＯ’で、
且つ厚みが７０ｐｍ以上のハンダガラスからなる接着層
を介して接合した構造を有するもので、この接着層によ
る感圧ペレットへの歪を軽減し、またその完全気密性を
十分に確保することができる。そして、その接着作業性
も容易であり、実用的利点が多大である等め効果を奏す
る。

尚、＃夢発明は、この種の半導体圧力変換器のみならず
、その技術思想をペレットサイズの大きいＣＯＤやＬＳ
　Ｉ、さらには液晶駆動用９１素子等にも適用すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は高精度工業用牛導体圧カセンサの構成図、第２
図（ａ）〜（Ｃ１は個用形圧カセンサの素子部の構造と
その製造工程を示す図である。１・・・ペレット、２・・・起歪ダイヤフラム、３・・
・ピエゾ抵抗ゲージ、４・・・９１土台、５・・・パッ
ケージ、６・・・ボンディングワイヤ、７・・・圧力導
入パイプ、１１・・・ペレット、１２・・・ダイヤフラ
ム、１３・・・ピエゾ抵抗ゲージ、１４・・・Ｓｉ土台
、１５・・・ガラス接着層、１６・・・開口部、１１・
・・感圧々レットウェハ、１８・・・Ｂ＋土台りエバ。出願人代理人　弁理士　鈴　法式　彦第１図（ａ）

Claims

【特許請求の範囲】

半導体基板の中央部に形成された肉薄ダイヤフラム面に
拡散抵抗層を形成してなる感圧ペレットと、この感圧ペ
レットの周辺肉厚部に対向して配置されその中央部に圧
力導入用の開口部を設けてなり、前記感圧ペレットの歪
を遮断する半導体材料で形成された土台と、この土台と
前記半導体ペレットとを接着してなる熱膨張率が４０〜
７０ｘｌＯで且つ厚み７０μｍ以上のハンダガラスから
なる接着層とを具備したことを特徴とする半導体圧力変
換装置。