JPS6050073B2 - 可変容量形圧力変換器とその製造中間品の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は可変容量形圧力変換器の製造方法に関クする。

この圧力変換器は絶対圧、ゲージ圧圧力差などを検知す
る用途に適する。最近、自動車輌への応用として周囲圧
力と大気圧以下の圧力レベルの両方を計るために圧力セ
ンサの使用が要求されている。

内燃機関では、燃料計量を微制御するためにエンジンの
吸気マニホルド内の急速に変動する圧力レベルを、それ
より少なく急速変動する周囲圧力レベルと同様に測定す
るとが求められている。これらの圧力を信頼性よくかつ
適当な応答時間て計れるセンサは入手するのが困難て非
常に高価である。多分これまで利用できる最良の圧力セ
ンサはセラミック圧力変換器型である。この可変容量形
センサは金属膜を被着フした厚いセラミック素子を有す
る。非常に薄い第２のセラミック板またはダイアフラム
もその上に被着された金属膜を有し、かつガラスフリッ
ト等で厚いセラミック素子に取付けらている。セラミッ
ク素子上のこの金属膜がコンデンサの極板を構７成する
。薄いセラミックダイアフラムは圧力変動に応答して電
気容量の小さな変化を生じそれが電子的発振器による発
振周波数を変えるのに用いられる。上記型式のセンサす
なわち変換器はその寸法がｊ大きく、一個一個個別に作
る必要があるのて高価である。

されに、こあ種のセラミック圧力変換器は関連する電子
回路との組立てを完了するまで試験てきない恐れもある
。もし欠陥があるとわかつたらそこで全組立体を捨てな
ければならない。バッチ処理技術て製造できる圧力変換
器は望ましい装置である。圧力変換器に望まれるのは寸
法が小さくかつ変換器素子によつて検出される圧力に比
例した信号を発生する装置と関連する電子回路と組立て
る前に試験できることである。この圧力変換器は従来技
術の装置に比べて使用する材料が廉価で、信頼性が高く
かつ価格が安くなければならない。さらに圧力センサは
容易に較正でき、低コストで大量生産でき、感知すべき
圧力の変動に応答して正確かつ再現可能な可変パラメー
タを与える必要がある。望ましくはこの圧力変換器は各
種の圧力範囲にわたつて使えるように製造できるべきで
ある。本発明の方法を用えれば応答時間の速い圧力変換
器の製造及び上述の所望の特性を得えることが可能とな
る。

ケースウエスタンリザーブ（ＣａｓｅＷｅｓｔｅｍＲｅ
ｓｅｒｖｅ）大学は可変容量形圧力変換器の開発に関し
本出願人との契約の下て仕事をしている。

１９７８７７−．１月にその大学のトーマス マーク
グリル（１１１０ｍａｓＭａｒｋＧｒｉ１１）は科学修
士の学位の要件を一部満す論文を提出した。

その論文の題は゜゜集積回路容量変換器の設計゛で生物
体中における生物医学的応用を意図した。その論文は“
゜変換器の心臓部は感圧コンデンサである゛と述べてい
る。このコンデンサの１つの極板はシリコン基板の中に
エッチされ上面に深さ４ミクロンの空洞をもつたダイア
フラムである。他の極板は金属化されたＰｙｒｅｘのカ
バーで、それは空洞の上をシリコン基板に静電的に封止
され、それによつて全部囲われた室を作る。感圧コンデ
ンサの値に比例したＤＣ電圧を得るため、ＦＥＴブリッ
ジが方形波によつて駆動される。この感圧コンデンサと
基準コンデンサはそこでこのブリッジを介して充放電さ
れる。本出願人との契約の下でゲースウエスタンリザー
ブ大学がなした仕事はグリルの論文の提出後で、かつ本
発明者の指示に基づくものであつた。米国特許第４０２
５９招号は低圧変換器及びその製造方法を記載している
。この変換器はＮ形シリコンのウエエハまたはスライス
上に被着ないし拡散された圧電抵抗ブリッジを含む。こ
のウェハ又はスライスは次いで陽極ボンディング法が拡
散ボンディング法を用いてガラスシートに接着される。
この複合構造は次にブリッジ回路パターンを個々の小区
画（セル）に分割するためスクライブされるかまたは切
断される。このブリッジ回路の複合セルは、スクライピ
ング前にウェハをガラスに接着するために用いたのと同
様な無機接着技術を使つて、はるかに大きなシリコンダ
イアフラムに取付けられる。米国特許第３４１７３６１
号は機械的に均質な半導体材料の一体構造として作られ
た圧力箱を含む半導体圧力変換器を記載している。

この変換器の応力感知素子は単一結晶円形ダイアフラム
てあり、そのダイアフラムは整流接合によつてダイアフ
ラム本体から電気的に絶縁された拡散表面層を有する。
米国特許第３８５８０９７号は縁で支持された対向する
隔たつた壁を有する中空本体を含む容量形圧力変換器を
記述している。

壁の可撓部上の導電性手段が感圧コンデンサの極板を形
成する。この中空本体はガラスや水晶のような誘電体材
料でできている。米国特許第３９９３９３？は厚膜金属
被覆をもつた基板に取付けられた圧力応答ダイアフラム
を記述している。

この被覆は絶縁ガラスで覆われ、ダイアフラムと厚膜被
覆が圧力可変コンデンサを構成するようになつている。
圧力の変化がダイアフラムをガラスに対して波動させそ
れによつて接触面積及び電気容量が変わる。米国特許第
３３２８６５３号は非常に薄い可撓性の誘電体材料の上
層と誘電体材料の剛性の基層の間に挟まれた固定電極を
含む薄膜圧力変換器を記述している。

この上層は固定電極に対向した金属薄膜を有する。米国
特許第３３９７２７８号は無機絶縁素子を金属素子に接
合するのに適した陽極ボンディング法を記載している。

特に、ホウケイ酸ガラスとシリコンのような半導体のボ
ンディング（接着）が効果的に達成される。米国特許第
３６９７９１７号には圧力センサとしてシリコンひずみ
計ダイアフラムを利用した圧力変換器が記載してある。

このダイアフラムは陽極ボンディング処理によつて管状
ガラス支持体に接合されている。本発明の方法は可変容
量形圧力変換器を提供する。

この方法の実施において半導体ウェハは半導体材料の表
面に複数のくぼみを作るために半導体材料の一部を除去
した表面を有する。この半導体材料は次に少くともくぼ
みの領域にくぼみ領域の導電度を高めるためドープされ
る。誘電体材料の表面に導電性材料の間隔をおいた領域
が形成される。間隔をおいたくぼんだ領域をもつ半導体
材料・の表面は次に、半導体材料の表面のくぼみが誘電
体材料上の導電性材料の領域と近接し、間隔をおきかつ
ほぼ平行に整列されるように誘電体材料の表面に付けら
れる。これにより複数の電気コンデンサが形成される。
各コンデンサにはその板状の・一方にドープされた半導
体材料を有し、他方の極板に少くとも導電性領域の１つ
を含む。コンデンサの容量はこの電気コンデンサの極板
に働く１つまたはそれ以上の流体圧の変化の関数として
変化する。ノ 上記の製造工程の使用によつて作られる
複数の感圧コンデンサユニットを含む組立体（以下複数
組立体とよぶ）は半導体材料ウェハに付けられた誘電体
材料を含み、これらの材料は合体して複数の容量性素子
すなわちコンデンサユニットを形成し、各ユニットは一
方の極板としてドープされた半導体材料と他方の極板と
して誘電体材料の上に被着された金属または他の導電性
材料を含む。

複数のコンデンサユニットは個々の容量形圧力変換器を
形成するため切断又はスクライピングによつて分割する
ことができる。以下本発明の実施例を図面を参照して詳
細に説明する。

図において同じ番号は同じ部分を表わす。第１図には本
発明の方法によつて作られる圧力変換器用複数組立体の
分解図が示され、全体が数字１０で示されている。複数
組立体１０は半導体シリコンウェハ１２及び誘電体材料
１４を含む。半導体材料１２として結晶方位置００の面
をもつ単結晶シリコン半導体材料が好ましく、誘電体材
料１４としてはコーニングガラス社（ＣＯｒｎｊｎｇＧ
ｌａｓｓＷＯｒｋｓ）から゜“ＰＹｒｅｘ゛の商標で販
売されている型番が７７４０のホウケイ酸ガラスが好ま
しい。半導体材料は対向する表面１６と表面１７を有す
る。表面１６と１７間の距離すなわち半導体材料１２の
厚さは圧力変換器の用途による要求に応じて減らすよう
に選ばれてもよいが、約１３５ミクロンの厚さがちよう
どよいことがわかつてる。他方、ガラス誘電体材料１４
は約１３５０ＴＷＬの厚さがあつてもよい。誘電体材料
１４は半導体材料の厚さよりはるかに厚く、材料の厚さ
は図示できる程度に図面ては変えてある。半導体材料１
２は表面１６上の間隔をおいた複数領域から半導体材料
の一部を除去することによつて作られた複数のくぼみ１
８を有する。

これに．より半導体の厚さの薄くなつた部分を形成しか
つくぼみ１８の容積を定める面領域１９を作る。くほみ
１８は半導体の表面１６を各くぼみ１８の深さが約４ミ
クロンまでエッチすることによつて作られるのが好まし
い。エッチされたとき半導体材ｊ料の中にくぼみ１８を
形成する間隔をおいた複数の面領域１９を形成するエッ
チングには標準写真法やその他の技術を用いることがで
きる。各くぼみ１８の面積は約２０．２５Ｔｉｕｉ位で
よい。ヒドラジン８を消イオン化水２の割合で混ぜたも
のから成る・溶液でエッチしてもよい。上記の結晶方位
置００の面をもつシリコン半導体材料に適用したとき、
エッチされた面積は一辺が４．５ｍｆｔて約２０．２５
ｉの面積を与える正方形になろう。エッチング液使用の
代りに、半導体材料１２の表面１６上の間隔をおいた複
数領域に粒子をボンバードするエッチング法を用いて所
要のくぼみ１８を形成することができる。半導体材料１
２にはその導電度を高めるためＰ形またはＮ形材料を高
濃度にドープするのが好ましい。

好ましいのは半導体材料のＰ形導電形を与えるほう素ド
ーパントである。半導体材料は少くとも半導体材料の中
にくぼみ１８を形成する隔置ノさた面領域１９の部分に
ドープされ、それによつて面領域１９の下にある半導体
材料を導電性にする。面領域１９の中及び周りの導電度
を高めるため半導体材料のドープする工程はくぼみ１８
を作るため半導体材料１２をエッチする工程の前後い・
ずれでもよいが、エッチング工程後にドープ工程を行う
のが好ましい。ガラス誘電体材料１４は表面２０及び２
１を有する。

表面２０には隔置された領域に導電性材料２２が被着さ
れている。これらの方形領域は半導・体材料のくぼみ１
８より面積ていくらか小さく、半導体材料１２を誘電体
材料１４に接着するとき半導体材料に接触することなく
半導体材料のくほみ１８の中心に整列されるようすなわ
ち心合わせされるよう意図され、ガラスの表面２０上に
アルミまたは他の導電性材料の蒸着により形成される。
導電性材料の薄膜をつける他の既知の方法を用いてガラ
ス誘電体材料の表面２０に導電性領域２２の膜を作つて
もよい。ガラス誘電体材料１４には複数の穴が明られて
いる。

半導体ウェハ１２と誘電体材料１４の両方及び誘電体材
料１４の１つの面上て互に離れた複数の容量形圧力変換
器の各々に関連した電極リード用の２つの穴２６及び２
８がある。この穴２６及ひ２８は既知の超音波、研削ま
たはレーザ穴明け技術を使つて誘電体材料に作られるの
が好ましい。明けられた穴２６はガラス誘電体材料１４
及びその上の穴２６が関連する間隔をおいた導電性領域
２２の厚さを貫通する。同様に穴２８はガラス誘電体材
料を貫通するように明けられるが、それが半導体材料の
表面１６に関して穴２８に被着した誘電性材料を半導体
材料表面１６と電気的に接触するよにさせる位置にある
ように導電性材料２２から離れた位置に配置される。導
電性面領域２２と電気的接触をするように明けられた穴
２６の中に導電性材料が置かれる。穴２６と２８は誘電
体材料１４に隔置された導電性領域２２を被着した後で
かつ半導体材料１２が誘電体材料１４に取付けられる前
に明けるのが好ましい。これらの材料の組立体は集積回
路が半導体材料のウェハか．ら普通に切断される方法で
くぼみ１８とくぼみ１８との間の領域に沿つて切断され
ることを意図している。これによつて複数の個別の容量
変圧力変換器を作り、各圧力変換器はくほみの１つと、
誘電体材料上の導電性領域２２の１つと、それぞれ−の
くほみ１８と導電性領域２２を囲む半導体材料と誘電体
材料の一部とを含む。穴２８の中の導電性材料は半導体
材料の高濃度にドープされた事実上は完全な導電面１６
と接触する。穴２６の中の導電性材料は導電領域２２と
電気的接触がてきるようにしてある。穴２６及び２８の
中に形成される導電性材料は商品名ハノビア（ＨａｎＯ
ｖｊａ）ブライトプラチナの被着によつて設けてもよい
。

この材料はエンゲルハード工業社（Ｅｎ？Ｅｈａｒｄｌ
ｎｄｕｓｔｒｊｅｓ，．Ｉｎｃ．）か−ら販売されてい
る有機金属溶液である。その溶液は穴２６及び２８の中
に堆積され乾燥させられる。これは穴の面上好ましくは
、穴２８及び２６が貫通している誘電体材料及ひ導電性
領域２２の面上の直接領域に金属塩の残留物を残す。穴
に堆積した塩を次いて加熱すると堆積塩は導電性の金属
膜に分解する。上記の分解を起させるために穴２６及び
２８内の塩を加熱する前に半導体ウェハ１２を誘電体材
料１４に接着して複数組立体１０をつくる。

このボンディング工程は例えば前述の米国特許第３６９
７９１７号、米国特許第３３９７２７８号、ないしは米
国特許第４０２５９牝号に記述の陽極ボンディング法を
使つて達成できる。これらの特許に記述の陽極ボンディ
ング法や拡散ボンディング法は本実施例で提案している
種類のガラスにシリコン半導体材料を接着するのに特に
適しているが、当業者に周知の他の方法を用いて半導体
材料１２の表面１６をガラス誘電体材料１４の表面２０
に接着してもよい。第２図には複数組立体１０が部分拡
大断面図で示されている。

複数組立体１０がそれを支持する支持棚４４を有するベ
ルジヤー４０内に収められている状態を示す。複数組立
体１０はベルジヤー４０に収容される前に個別の容量形
圧力変換器組立体を作るため分割されたもよいが、その
分割は処理効率のためにこの後に行われるのが好ましい
。ベルジヤー４０の中では穴２６及び２８の中の誘電体
材料が加熱されその分解を生じそれによつて穴の内面に
導電性膜または被覆をつくる。所望に応じて穴のどちら
か一方または両方が封止される。この封止を達成するた
め、はんだのリング３０及び３２若しくははんだまたは
他の封止材料の相当する堆積を穴の開口部の近くの誘電
体材料１４の表面２１への入口に置く。加熱れるとはん
だリング３０及び３２は溶け、毛細管引力により各々の
穴２６及び２８に流れ込みその中で封止を形成する。ベ
ルジヤー４０の中で誘電体材料１４面と、その上の導電
性材料２２と、予め半導体材料の中にエッチされたその
面１９とによつて定められるくぼみ１８の中に所定の圧
力を確立することができる。第３図ははんだヘッドまた
はバンプ３４及び３６を作るために溶融はんだリング３
０及び３２で穴２６及び２８が封止された後の複数組立
体１０を示し、それらのはんだバンプはフリップチップ
法でこの容量形圧力変換器を厚膜支持体に接着するため
に用いることができる。

くぼみ１８の区域中に確立された所定の圧力レベルがこ
の容量形圧力変換器の圧力応答範囲を決める。

もし変換器が絶対圧の変化に応じて容量変動を生ずるよ
うに使われることになつているならば穴を封止するはん
だリング３０を加熱する前に〔穴２６を通してくぼみ１
８の区域を真空にすることが望ましい。この真空化は複
数組立体１０またはこれから分割された個々の圧力変換
器が入られるベルジヤー等の中で行われてもよい。いず
れの場合もこの容量形圧力変換器の各電気容量はこのｊ
電気コンデンサの各極板に働く１つまたはそれ以上の流
体圧の変化の関数として変化する。これらの極板の１つ
は区域１９によつて定められる半導体材料を含む。第１
の極板から離れた他の極板はガラス誘電体材料１４上の
導電性領域２２の１つフを含む。くぼみ区域すなわち容
積１８内の圧力は半導体材料の面１７に作用する力に対
抗し、その力はの面がさらされている流体圧の関数であ
る。ガラス誘電体材料の表面２１に作用する圧力は半導
体材料１２の区域１９のたわみに比べてそのたわみは非
常に少ししか生じない。

【図面の簡単な説明】

第１図は半導体材料のウェハ及びその表面の１つの上に
隔置された導電性領域をもつた誘電体材料を含む本発明
の製造方法に係る圧力変換器用複数組立体の拡大分解図
てある。 第２図は半導体材料の表面のくぼんだ区域及ひ誘電体材
料の表面との間に形成された限定された容積の各々の中
に所定の圧力が確立されるようにしたおく容器の中に置
かれた複数組立体の更に拡大した部分断面図である。第
３図は本発明の製造方法で作られた可変容量形圧力変換
器素子の１つの一部の拡大断面図である。１２・・・・
・・半導体材料、１４・・・・・誘電体材料、１６・・
・・・・半導体材料表面、１８・・・・・・くぼみ、２
０・・・・・誘電体材料表面、２２・・・・・導電性材
料、２６・・・・・穴、３０，３２・・・・・・はんだ
リング、３４，３６・・・・はんだバンプ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 可変容量形圧力変換器の製造方法であつて、（ａ）
   半導体材料のウェハーの一部を除去してウェハの表面上
   の間隔をおいた領域に複数のくぼみをつくる工程、（ｂ
   ）少くとも前記くぼみの領域に、そのような領域上のそ
   の導電度を高めるため、半導体材料をドープする工程、
   （ｃ）材料の表面に、間隔をおいた導電性材料の領域を
   形成する工程、（ｄ）前記半導体材料の表面のくぼみが
   前記誘電体材料上の導電性材料の領域と隣接し、間隔を
   おき、かつほぼ平行に整列されるように半導体材料の表
   面を誘電体材料の表面に接着して複数のコンデンサを構
   成し、それによつて各コンデンサが、コンデンサの両極
   板のうち少くとも１つの導電性材料領域を含む他の極板
   から間隔をおいた１つの極板としてドープされた半導体
   材料を有し、コンデンサの極板に働く１つまたはそれ以
   上の流体圧の変化の関数としてコンデンサの容量値が変
   化するようなコンデンサを形成する工程、及び（ｅ）前
   記ウェハを接着した前記誘電体材料を前記くぼみとくぼ
   みとの間の位置で切断し、個別のコンデンサに分離する
   工程を含むことを特徴とする製造方法。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の製造法において、前記
   間隔をおいた領域の半導体材料の除去をエッチングで行
   うことを特徴とする方法。 ３ 特許請求の範囲第２項記載の方法において、前記エ
   ッチングが前記間隔をおいた領域の半導体材料に対する
   粒子によるボンバードによつてなされることを特徴とす
   る方法。 ４ 特許請求の範囲第２項記載の製造方法において、前
   記半導体材料がシリコンであり、前記誘電体材料がガラ
   スであり、かつ前記半導体材料の間隔をおいた領域のエ
   ッチングがヒドラジンで行われ、前記導電性材料の間隔
   をおいた領域がガラス誘電体材料の表面に金属薄膜をつ
   けることによつて形成されることを特徴とする方法。 ５ 特許請求の範囲第１項、第２項、第３項又は第４項
   記載の方法において、前記間隔をおいた領域内の導電性
   材料に対する位置に前記誘電体材料を貫通する穴をあけ
   、このように誘電体材料を貫通してあけられた穴の中に
   電気的導体を形成し、この製造工程が完了すると穴の中
   の電気的導体が誘電体表面上の導電性材料に電気的接触
   を与えることを特徴とする方法。 ６ 特許請求の範囲第５項記載の製造方法において、前
   記穴の中の電気的導体が、その穴に金属化合物の溶液を
   つけ、穴を形成する表面に金属化合物の堆積を残すため
   にその溶液を乾燥し、かつ金属化合物を分解させるため
   それを加熱することによつて形成され、それによつて穴
   の中の金属と誘電体上料面材の導電性領域を相互接続す
   る持続的な電気的導体を形成することを特徴とする方法
   。 ７ 特許請求の範囲第５項記載の製造方法において、前
   記誘電体材料の穴を封止することを特徴とする方法。 ８ 特許請求の範囲第５項記載の製造方法において、前
   記ウェハと前記誘電体材料を切断する前に前記誘電体材
   料の穴を封止することを特徴とする方法。 ９ 特許請求の範囲第７項記載の製造方法において、前
   記誘電体材料の穴を封止する前にコンデンサの各々の極
   板間に所定の圧力を確立することを特徴とする方法。 １０ 特許請求の範囲第７項記載の製造方法において、
   前記誘電体材料の穴を封止する前にコンデンサを真空の
   環境に置き、それによつてコンデンサの極板間の圧力を
   減ずることを特徴とする方法。 １１ 特許請求の範囲第９項記載の製造方法において、
   前記誘電体材料が所定の圧力を受けている間に導電性封
   止剤を前記穴の各々に近接して置くこと、その導電性封
   止剤を流動化し近接する穴に流れ込ませるためにそれを
   加熱すること、及び穴に関連したコンデンサの極板間が
   そのような穴の封止が完了するまで所定の圧力に維持さ
   れている間にその導電性封止剤を穴の中で封止を作るた
   めに固化することによつて誘電体材料の穴を封止すこと
   を特徴とする方法。