JPS6286770A - 半導体圧力センサ製造方法 - Google Patents

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】 導体圧力センサ特にカテーテルの先端に実装可能な超小
型の半導体圧力センサの製造方法に関する。

用［０）　　工業計測用などの分野で急速に高まってい
る。これらに対応できる唯一のものとしてピエゾ抵抗効
果を利用したシリコン・ダイアフラム型の圧カセ／すが
注目されている。その理由は次の多（の利点または可能
性による。即ち■　大量生産可能■　低価格■　高精度
■　高信頼性■　小型軽量■　多機能化可能等である。

その中でも最近特に注目されているのが［ａ）　　医療
用として■　小型軽量を利用したカテーテル先端型血圧
センナである。これはＩＣＵ　（集中処置室）などの重
症患者の体内に挿入して心臓内や血管内の局所部位の血
圧を精密に測定しようとするものである。

第３図にカテーテル先端型血圧センサの一例を示す。（
ａ）がその断面構造図で、［１））は平面模式図である
。

このようなカテーテルは直径が１．０〜２．４　ｍｘ程
度の非常に細長いものでシリコン・ダイアフラム型の圧
力上ンサチツプ（１）がセラミック基板（２）上に固定
され感圧部たるダイアフラムＱ３）には上部から被測定
圧たる血圧が加わり、下部は空気孔（力からナイロン製
などの伝導用チューブ（３）を介して大気圧に開放され
ている。電気的にはチップ（１）上の金属パット９とボ
ンディングワイヤー（８）によりセラミック基板上の金
属配線（９）とが接線されさらにハンダ付けされたリー
ド線α〔により外部のモニタとつながっている。またボ
ンディングワイヤーなど切断等の破損が心配な部分は硬
質性樹脂（４）、例えばエポキシ樹脂によって補強され
、他の部分は適切な軟度を持たせるために軟質性樹脂（
５）例えばウレタン樹脂により形成されている。さらに
採血及び心拍出量の測定等に用いるルーメンα２と呼ば
れる穴とそれに付属するポリエチレン製などのチューブ
ａυがありセンサチップ（１）のダイアフラム部（１■
の上も含めてカテーテルの外壁（６）はウレタン系樹脂
でコーティングされている。

さて、第４図にこのようなカテーテル先端型血圧センサ
のセンサチツプ装着部の断面図を示すがこの図からも明
らかなようにカテーテルの径を小さくするにはセンサチ
ップ（１）そのもののサイズを小さくしなくてはならな
い。一般には同図（Ｃ）に示すような表裏両面に垂直な
側面を持つセンサチップを用いるが［ａ）、（ｂｌの如
く斜面と称すべき表裏両面とは垂直には交わらない側面
を持つセンサチップによりスペースを有効利用する方法
も提案されている。しかし、この方法もカテーテルの径
が２．０朋以下になってきたときには本質的な解決メと
はなり得ない。これはカテーテルの径に対して、センサ
チップの厚さが無視できなくなるからである。一般の半
導体集積回路の製造で用いる基板はそり、割れ等を防ぐ
ためにその径が大きくなればなる程厚くなっている。例
えば２インチ基板で厚さは約３００μｍ、　　３インチ
で４００μｍ　４インチで５００μｍ、５インチで６５
０μｍ等である。

研磨等により基板を薄くすると、どうしてもそり、割れ
が生じ全体としての歩留りが著しく低下する。

このため非常に小さなセンサを製造するときにはできる
だけ小さな径の基板を用いその基板厚さをそり、割れが
生じない範囲でできる限り薄くしている。例えば厚さ約
１８０μｍで２インチ径の基板を用いる。しかしこれで
は小型化には限界があり、作業効率も悪（低価格化にも
限界がある。またセンサチップ切り出し後研磨する方法
も考えられるが微小なチップを取り扱うのが困難で実用
性に乏しい。

この問題を解決するものとして第２図に示すような半導
体圧力センサの製造方法が提案されている。この方法は
径の大きい厚い基板を用いてもセンサチップを切り出す
前に同図（ｂ）に示すように任意の厚さのセンサチップ
形成領域（ＩＣＪを形成しておきこの領域に図［０）の
ように超小型の半導体圧力センサ（１）を作り込むこと
により最終的に図（ｃｌ）のような高精度な圧力センサ
が製造できるとしている。

しかし、この方法では図（ｂ）のセンサチップ形成領域
α９の形成と図ｔｃ）のダイアフラムαＪの形成と２度
も一般のプレナー加工技術にはない特有の３次元加工を
行なわなくてはならないなど複雑な加工を必要とし未だ
実用性の高い簡便な方法は提案されていない。

本発明は、センサチップ自体の形状、寸法と比較して充
分太き（、かつ厚い半導体結晶基板を用い、該基板内に
センサチップ形成領域たる薄板部を形成する工程と、該
薄板部にセンサチップ構成要素たるダイアフラム及び拡
散抵抗等を形成する工程とセンサチップを切出す工程を
有する半導体圧力センナ製造方法において、耐アルカリ
液性に優れた層を形成する工程と、その上に半導体結晶
をエピタキシャル成長する工程を少な（とも２回繰り返
した後に、上記薄板部形成工程とダイアフラム形成工程
及びセンサチップ切出し工程に相当する工程を、アルカ
リ系のエツチング液を用いた異方性エツチングにより１
工程で実現することを特徴とし、その目的は、カテーテ
ル等の非常に狭い場所に実装して、安全にかつ安定して
高精度な測定を行うことができる超小型の半導体圧力セ
ンサを製造する具体的な方法を提供するにある。

本発明では、第２図に示すような従来技術による半導体
圧力センサの製造方法のうち図（ｂ）のセンサチップ形
成領域の形成工程図［Ｃ１のダイアフラム形成工程図［
ｄ）のセンサチップ切り出し工程の３工程を１つの工程
内に統合整理することにより製造工程の煩雑化を防ぎ非
常に実用性の高いものとしている。

即ち本発明の方法は、ダイアフラムの形成に最もよく用
いられるシリコン単結晶基板をアルカリ系の液により異
方性エツチングする加工方法を最大限に利用し基板内に
埋め込んだエツチング停止層と表裏両面に形成した保護
膜をマスクとして組み合せることによって、１度のエツ
チング工程において、センサチップ形成領域とダイアフ
ラムを形成するとともにセンサチップの切り出しを行う
方法である。

（ホ）実施例 以下本発明を具体的な実施例に基づき”説明する。

第１図は本発明の一実施例たる半導体圧力センナの製造
方法を模式的に説明する図で必要な構成要素のみを表示
しである。図は工程順に表示しであるのでこれに従って
説明する。

［ａ）図の状態までにｎ′″型の（９）面を表面とする
シリコン単結晶基板α力にセンサチップ形成用のエツチ
ング停止層Ｃυとダイアフラム形成用のエツチング停止
層（１）を埋め込んでおく。実際にはシリコン単結晶基
板にエツチング停止層としてボロン高濃度層（ボロン濃
度が７．　Ｑ　Ｘ　１０１９ｉｏｎｓ　７ｃｍ３以上の
層）を２μｍ　程度形成した上にｎ−型シリコン単結晶
層をエピタキシャル成長（以下エビ成長という）させ、
その上に再びボロン高濃度層を２μｍ程度形成し、さら
にｎ一層をエビ成長させることにより、シリコン基板α
ａは（ａ）図のような状態となる。

即ち、最初に形成したボロン高濃度層がセンサチップ形
成用のエツチング停止層Ｑυとなり、次に形成した層が
ダイアフラム形成用の停止層（イ）となる。そして最終
的に製造されるセンサチップの形状はほぼこのときに決
定される。つまり、センサチップの厚さは２度のエビ成
長の厚さとセンサチップ形成用のエツチング停止層ＣＤ
の厚さの和で決定され、ダイアフラムの厚さは２度目の
エビ成長の厚さとダイアフラム形成用のエツチング停止
層（２０の厚さの和で決定されるからである。またその
大きさはセンサチップ形成用のエツチング停止層０１）
のパターンと２度のエビ成長の厚さの比により決定され
る。

一方、それらの設計値に対する誤差要因としては、エビ
成長の制御精度、ボロン高濃度層の拡散見積りの誤差、
異方性エツチングの（１１１）面方向のエツチング深さ
見積りの誤差等しか考えられず、そしてこれらは各々非
常に小さな値であるため、全体として高精度の加工が行
なえる。

ｆｂ）図の工程において、半導体圧力センサの構成要素
を基板内に作り込む。即ちシリコン基板（＋４）の表面
に感圧素子たるピエゾ抵抗（Ｉ■を形成しこれを表面保
護膜Ｑ８）を介して形成するＡｌパット”ａ７）と、拡
散リード部α０により電気的に接続された状態にする。

このとき裏面にも保護膜（２４）を形成するが表面の保
護膜（慢と同様に熱酸化膜を一般に用いる。

ｔｃ＋図の工程において表面の保護膜α段をパターニン
グしてセンサチップ切り出し用のエツチング領域＠と、
裏面の保護膜Ｃ）４）をパターニングしてセンサチップ
形成領域用のエツチング領域（２３）を形成する。また
図には表示してないが実際にはＡｌパツビ（１ηの上は
ＣＶＤ　　（化学蒸気析出法）による５１０２膜などの
保護膜で覆っておく。

＋４１図の工程が本発明を特徴づける工程であって、ア
ルカリ系の液で裏面のエツチング領域（２３）から工ツ
チングし、センサチップ形成用エツチング停止層（２１
）が存在する面で仮想的にセンサチップ形成領域が形成
されこの停止層ｅυが存在しない部分ではさらにエツチ
ングが進行してダイアフラム形成用エツチング停止層（
２■で停止することによりダイアフラムが形成されさら
に表面のセンサチップ切り出し用のエツチング領域（２
２１かも進行してきたエツチング穴と貫通することによ
りセンサチップの切り出しが行なわれる。

このとき用いるエツチング液としては、ＫＯｆ（ヒドラ
ジン（Ｎｆ（２、ＮＨ２）　　等を主成分とする液も有
力であるがエツチング停止層として用いるボロン高濃度
層（２０，２１）　　との選択性等からエチレンジアミ
７　（Ｈ２Ｎ、・ＣＨ２，・ＣＨ２、’　ＮＨ２）とピ
ロカテコール（０６Ｈ４（ＯＨ）　２）及び水（Ｈ２Ｏ
）の混合液に触媒としてピラジン（０４Ｈ４Ｎ２）を少
量混入させた液が最適である。

またセンサチップ切り出し後にＡＪパッドαη上の保護
膜を除去しなくてはならないがチップの状態でフォト処
理を行なうのは大変困難なので予めアルカリ系の液に耐
える別の膜をパターニングして形成しておきこの膜をマ
スクとして保護膜をエツチングにより除去する。

本発明により、最外径が１．０〜１．５龍程度のカテー
テルに装着可能な超小型の半導体圧力センサの製造が初
めて量産に対応可能な形で可能となった。

工程的には一般の半導体圧カセンサＱ製造方法と比較し
て付属的に必要となる工程は若干あるが基本的にはボロ
／高濃度層形成工程とエピタキシャル成長工程が各々１
工程づつ増えるだけで本発明による製造方法が実現でき
るので製造コスト的には少額の増加に押えられる。

チップの大きさとしては、従来は２インチ基板を用いて
厚さ約１８０μｍのセンサチップを製造するのが限界で
あったのに対し、５０μｍあるいはそれ以下の厚さのセ
ンサチップの製造が可能となりセンサチップの加工能力
そのものよりもその実装技術の側にチップ小型化のため
の限界が移りている。

また量産という意味でも径の小さな基板を用い°る必要
がなくなり、５インチ程度の径の基板を用いて生産性の
向上を図ることが可能となった。

以上から、多目的に応用できる超小型の圧力センナが低
価格で大量に生産できるようになったので例えばカテー
テル先端型の血圧センサとして応用した場合にはこのセ
／すの使い捨て化を実現し利用範囲を飛躍的に拡大する
ものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例たる半導体圧力センサの製造
方法を模式的に説明する図である。 第２図は従来技術による半導体圧力センナの製造方法を
説明する図である。 第３図はカテーテル先端型血圧センナの構造を示す図で
（ａＪは断面図、［ｂｌは平面模式図である。 第４図は第３図のカテーテル先端型血圧センナのセンサ
チップ装着部の断面図である。 １　半導体圧力センサ　　　１５　ピエゾ抵抗２　セラ
ミック基板　　　　１６　拡散ソー１部３　大気圧伝達
用チューブ　　１７１Ｊ　　パッド４　硬質性樹脂　　
　　　　１８　表面保護膜５　軟質性樹脂　　　　　　
１９　センサチップ形６　カテーテル外壁　　　　　　
　　成領域７　空気孔　　　　　　　　２０　グイアフ
ラム形成８　ポンディングワイヤー　　　　　　用エツ
チング停止９　金属配線　　　　　　　　　　層 １０　　　リード線　　　　　　　　　２１　センサチ
ッズ杉成用１１　ルーメン用チューブ　　　　　　　エ
ツチング亭止層１２　ルーメン　　　　　　　　２２　
表面エツチング領域１３　ダイアフラム　　　　　２３
　裏面エツチング領域１４　シリコン単結晶基板　　２
４　裏面保護膜特許出願人　住友電気工業株式会社 （外５名）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）センサチツプ自体の形状・寸法と比較して充分大
   きくかつ厚い半導体結晶基板を用い、該基板内にセンサ
   チツプ形成領域たる薄板部を形成する工程と、該薄板部
   にセンサチツプ構成要素たるダイアフラム及び拡散抵抗
   等を形成する工程と、センサチツプを切り出す工程を有
   する半導体圧力センサ製造方法において、耐アルカリ液
   性に優れた層を形成する工程と、その上に半導体結晶を
   エピタキシヤル成長する工程を少なくとも２回繰り返し
   た後に、上記薄板部形成工程とダイアフラム形成工程及
   びセンサチツプ切り出し工程に相当する工程をアルカリ
   系のエツチング液を用いた異方性エツチングにより１工
   程で実現することを特徴とする半導体圧力センサ製造方
   法。
2. （２）上記半導体結晶板がシリコン単結晶の（１００）
   面を表画とする基板である、特許請求の範囲第１項記載
   の半導体圧力センサ製造方法。
3. （３）上記アルカリ系の液がエチレンジアミン、ピロカ
   テコール及び水の混合液もしくは、この混合液に若干の
   触媒を加えたものである、特許請求の範囲第１項及び第
   ２項のいずれかに記載の半導体圧力センサ製造方法。