JP2006200924A - 圧力センサの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 Ａｕ膜とＡｌ膜との密着力を高めることで、これらの界面から腐食媒体がパッド側に浸入することを防止でき、パッドが腐食されることを防止できる圧力センサの製造方法を提供する。
【解決手段】 Ａｕ膜２４の下地となるＡｌ膜２３や保護膜２５の密着力を変える処理を行う。これにより、Ａｌ膜２３や保護膜２５とＡｕ膜２４との密着力を高くすることが可能となる。このため、Ａｕ膜２４と保護膜２５との界面を通じて腐食媒体がパッド側に浸入することを防止でき、パッドが腐食されることを防止することが可能となる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、半導体で構成されたセンシング部を構成するセンサ素子およびこのセンサ素子に備えられたパッドと電気的な接続が行われるボンディング部分の腐食を防止できる構造の圧力センサの製造方法に関するものである。

従来より、半導体で構成されたをセンサ素子およびこのセンサ素子に備えられたパッドと電気的な接続が行われるボンディング部分をメタルダイヤフラムで覆い、このメタルダイヤフラム内にオイルを充填した構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

このような構造の圧力センサでは、圧力センサに備えられた圧力導入孔を通じて圧力媒体となる流体が導入されると、その流体の圧力がメタルダイアフラムおよびオイルを介して、センサ素子に印加されることになる。このため、センサ素子に備えられたダイヤフラムが歪み、ダイヤフラム内に形成されたゲージ抵抗が圧縮応力もしくは引張応力によって変形し、これにより、センサ素子から流体の圧力に応じた検出信号が出力されるようになっている。

このような構成の圧力センサの場合、メタルダイヤフラムが必要とされることから部品点数の増加になっており、また、メタルダイヤフラムによるオイルの密封構造が必要となることから、圧力センサの構造の複雑化を招くという問題がある。

これに対し、メタルダイヤフラムを無くす構造とすることも考えられるが、そのような構造とした場合、半導体で構成されたセンサ素子が腐食性の液体に曝されるような状況、例えばディーゼル車の排気清浄フィルタであるＤＰＦの差圧計測やエンジンルーム内の雰囲気中での圧力測定を行うようなものに圧力センサが適用された場合、ボンディング用のパッドの材質がＡｌであるために腐食が発生するという問題が発生する。

このような腐食を防止するには、Ａｌで構成されたボンディング用のパッドの表面にＡｕを塗布するという手法をとれば良いと考えられ、そのＡｕの塗布方法として、パッドにのみ有機溶剤に分散させたＡｕの粒子を吹き付けたのち熱処理によって焼結させる手法を採用することができる。
特開平７−２４３９２６号公報

しかし、有機溶剤に分散させたＡｕの粒子を吹き付けたのち熱処理によって焼結させる手法の場合、ＡｌとＡｕとの密着力が弱く、Ａｕ膜が剥がれる等により、それらの界面から腐食媒体がパッド側に浸入し、侵食されることが新たに確認された。

本発明は上記点に鑑みて、Ａｕ膜とＡｌ膜との密着力を高めることで、これらの界面から腐食媒体がパッド側に浸入することを防止でき、パッドが腐食されることを防止できる圧力センサの製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、圧力センサの製造方法において、第１金属膜（２３）におけるパッドとなる領域および保護膜（２５）のうちパッドの周囲に位置する部分の上に金属粒子を分散させた有機溶剤を吹き付けたのち熱処理によって焼結させることで第２金属膜（２４）を形成するようになっており、さらに、この第２金属膜（２４）を形成する工程の前に、第１金属膜（２３）におけるパッドとなる領域および保護膜（２５）のうちパッドの周囲に位置する部分の表面に対して、第２金属膜（２４）との密着力を高める処理を行うことを特徴としている。

このように、第２金属膜（２４）の下地となる第１金属膜（２３）や保護膜（２５）の密着力を高める処理を行っている。このため、第２金属膜（２４）と保護膜（２５）との界面を通じて腐食媒体がパッド側に浸入することを防止でき、パッドが腐食されることを防止することが可能となる。

例えば、請求項２に示されるように、第１金属膜（２３）をＡｌ膜によって形成し、金属粒子としてＡｕ粒子が含まれた有機溶剤を用いて、第２金属膜（２４）をＡｕ膜（２４）が含まれる膜によって形成することができる。

請求項３に記載の発明では、密着力を変える処理を行う工程として、アルゴン（Ａｅ）又は窒素（Ｎ₂）とフロロカーボン（ＣＦ₄）を含むガス雰囲気中においてプラズマ処理を行うことを特徴としている。

このように、アルゴン（Ａｅ）又は窒素（Ｎ₂）とフロロカーボン（ＣＦ₄）を含むガス雰囲気中においてプラズマ処理を行うことで、第１金属膜（２３）におけるパッドとなる領域および保護膜（２５）のうちパッドの周囲に位置する部分の表面に対して、第２金属膜（２４、２７〜２９）との密着力を変えることができる。

請求項４に記載の発明では、密着力を変える処理を行う工程を行ったのち、第２金属膜（２４）を形成する工程の前に、半導体基板（２１）を加熱して水の沸点以上まで加熱する工程を行うことを特徴としている。

このように半導体基板（２１）を加熱しておくことにより、第２金属膜（２４）の下地となる第１金属膜（２３）や保護膜（２５）の密着力をより高めることが可能となる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
以下、本発明の一実施形態が適用された圧力センサについて説明する。図１に、本実施形態における圧力センサＳ１の断面図を示し、この図に基づいて説明する。なお、この圧力センサＳ１は、例えば、ディーゼル車の排気清浄フィルタであるＤＰＦの差圧計測等に適用される。

図１に示されるように、第１のケースとしてのコネクタケース１０は、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）やＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）等の樹脂を型成形することにより作られ、本実施形態では略円柱状をなしている。この樹脂ケースとしてのコネクタケース１０の一端部（図１中、下方側の端部）には、凹部１１が形成されている。

この凹部１１の底面には、圧力検出用のセンサ素子２０が配設されている。

センサ素子２０は、その表面に受圧面としてのダイアフラムを有し、このダイアフラムの表面に形成されたゲージ抵抗により、ダイアフラムが受けた圧力を電気信号に変換し、この電気信号をセンサ信号として出力する半導体ダイアフラム式のものである。

そして、センサ素子２０は、ガラス等よりなる台座２０ａに陽極接合等により一体化されており、この台座２０ａを凹部１１の底面に接着することで、センサ素子２０はコネクタケース１０に搭載されている。

また、コネクタケース１０には、センサ素子２０と外部の回路等とを電気的に接続するための複数個の金属製棒状のターミナル１２が貫通している。

本実施形態では、ターミナル１２は黄銅（真鍮）にメッキ処理（例えばＮｉメッキ）を施した材料よりなり、インサートモールドによりコネクタケース１０と一体に成形されることによってコネクタケース１０内にて保持されている。

各ターミナル１２の一端側（図１中、下方端側）の端部は、センサ素子２０の搭載領域の周囲において凹部１１の底面から突出して配置されている。一方、各ターミナル１２の他端側（図１中、上方端側）の端部は、コネクタケース１０の他端側の開口部１５内に露出している。

この凹部１１内に突出する各ターミナル１２の一端部とセンサ素子２０とは、金やアルミニウム等のボンディングワイヤ１３により結線され電気的に接続されている。なお、ここで説明したセンサ素子２０とボンディングワイヤ１３との電気的な接続構造が本発明の特徴となる部分であり、この接続構造の詳細については後で説明を行うことにする。

また、凹部１１内にはシリコン系樹脂等からなるシール剤１４が設けられており、このシール剤１４によって、凹部１１に突出するターミナル１２の根元部とコネクタケース１０との隙間が封止されている。

そして、ハウジング１０の一面１０ａ側において、センサ素子２０やボンディングワイヤ１３およびターミナル１２の根元部等を覆うようにゲル保護層１５が備えられている。

一方、図１において、コネクタケース１０の他端部（図１中、上方側の端部）側は開口部１６となっており、この開口部１６は、ターミナル１２の他端側を例えばワイヤハーネス等の外部配線部材（図示せず）を介して上記外部回路（車両のＥＣＵ等）に電気的に接続するためのコネクタ部となっている。

つまり、開口部１６内に露出する各ターミナル１２の他端側は、このコネクタ部によって外部と電気的に接続が可能となっている。こうして、センサ素子２０と外部との間の信号の伝達は、ボンディングワイヤ１３およびターミナル１２を介して行われるようになっている。

また、図１に示されるように、コネクタケース１０の一端部には、第２のケースとしてのハウジング３０が組み付けられている。具体的には、ハウジング３０には収容凹部３０ａが形成されており、この収容凹部３０ａ内にコネクタケース１０の一端側が挿入されることで、コネクタケース１０にハウジング３０が組みつけられた構成となっている。

これにより、第１のケースとしてのコネクタケース１０と第２のケースとしてのハウジング３０とが一体に組み付けられてなるケーシング１００が構成されており、このケーシング１００内にセンサ素子２０が設けられた形となっている。

このハウジング３０は、例えばアルミニウム（Ａｌ）を主成分とする金属材料よりなるものであり、測定対象物からの測定圧力が導入される圧力導入孔３１と、圧力センサＳ１を測定対象物に固定するためのネジ部３２とを有する。上述したように、測定対象物としては、例えばディーゼル車の排気清浄フィルタであるＤＰＦであり、測定圧力は、そのＤＰＦの差圧などである。

さらに、ハウジング３０における収容凹部３０ａには、コネクタケース１０の先端面１０ａと対向する一面３０ｂが備えられている。この一面３０ｂにコネクタケース１０が接触することで、コネクタケース１０の位置決めが為されるようになっている。

また、コネクタケース１０の先端面１０ａには、圧力導入孔３１の外縁を囲むように、環状の溝（Ｏリング溝）１７が形成され、この溝１７内には、Ｏリング１８が配設されており、コネクタケース１０の先端面１０ａとハウジング３０の一面３０ｂとの界面から導入された測定対象物となる流体が洩れないようにされている。

そして、図１に示されるように、ハウジング３０のうち収容凹部３０ａ側の端部がコネクタケース１０の一端部にかしめられることで、かしめ部３６が形成され、それによって、ハウジング３０とコネクタケース１０とが固定され一体化されている。

こうしてコネクタケース１０とハウジング３０とが組み合わされることで構成された圧力センサＳ１では、圧力導入孔３１を通じて測定対象物となる流体が導入されると、その流体の圧力は、ゲル保護層１５を介して、センサ素子２０、ボンディングワイヤ１３、ターミナル１２に印加されることになる。

次に、上記のように構成された圧力センサＳ１におけるセンサ素子２０とボンディングワイヤ１３との電気的な接続構造について説明する。図２は、センサ素子２０とボンディングワイヤ１３との電気的な接続部分の断面構造を示した図である。

図２に示されるように、センサ素子２０が作り込まれた半導体チップ２１の表面にはＳｉＮ等で構成された絶縁膜２２が形成されている。この絶縁膜２２の表面にはＡｌ膜２３が形成されている。このＡｌ膜２３は、本発明における第１金属膜に相当するもので、絶縁膜２２に形成された図示しないコンタクトホールを通じてセンサ素子２０の所望部位と電気的に接続された構造となっている。

また、Ａｌ膜２３の表面には、耐腐食性を有するＡｕ膜２４が形成されている。このＡｕ膜２４は、本発明における第２金属膜に相当するもので、絶縁膜２２およびＡｌ膜２３の表面に形成された保護膜２５の露出箇所、つまりＡｌ膜２３のパッドとなる領域の表面および保護膜２５のうちのパッドの周囲に形成されている。

このＡｕ膜２４は、Ａｌ膜２３やＳｉＮ等で構成される保護膜２５に対して後述するように密着力を高めるための処理を行うことにより、高い密着力を持ったものとなっている。

そして、このＡｕ膜２４の表面にボンディングワイヤ１３が接合され、Ａｕ膜２４およびＡｌ膜２３を介して、ボンディングワイヤ１３が半導体チップ２１に形成されたセンサ素子２０と電気的に接合された構造となっている。

続いて、本実施形態における圧力センサＳ１の製造方法について説明する。ただし、圧力センサＳ１の基本的な製造方法に関しては従来と同様であるため、ここでは、本発明の特徴部分となるセンサ素子２０とボンディングワイヤ１３との電気的な接続部分における製造方法に関して説明することとする。

図３は、図２に示したセンサ素子２０とボンディングワイヤ１３との電気的な接続部分の製造工程を示したものである。

まず、従来から周知となっている手法によって半導体チップ２１に対してゲージ抵抗などのセンサ素子２０を作り込み、その後、電気化学エッチング等の手法によりダイアフラムを形成する。そして、図３（ａ）に示されるように、絶縁膜２２を形成したのち、図３（ｂ）に示されるように、第１金属膜となるＡｌ膜２３をデポジション等によって形成したのち、パターニングして所望位置に残す。

続いて、図３（ｃ）に示されるように、Ａｌ膜２３および絶縁膜２２の表面に窒化珪素膜や酸化珪素膜に窒化珪素膜を積層した膜等で構成された保護膜２５を成膜したのち、フォトエッチング等を行うことで、保護膜２５のうちＡｌ膜２３のパッドとなる領域の上部に形成された部分を除去する。これにより、Ａｌ膜２３のパッドとなる領域が露出した状態となる。

次に、図示しないが並行平板のプラズマ処理装置のチャンバ内において、アルゴン（Ａｒ）又は窒素（Ｎ₂）とフロロカーボン（ＣＦ₄）からなるガス雰囲気とした状態でプラズマ処理を行う。これにより、図３（ｄ）に示されるように、後で形成されるＡｕ膜２４の下地となるＡｌ膜２３や保護膜２５の密着力が変えられる。

具体的には、Ａｌ膜２３や保護膜２５に関して、Ａｕ膜２４との密着力が高められる。このような密着力の変更のメカニズムについては、明らかになってはいないが、Ａｌ膜２３やＳｉＮ等で構成された保護膜２５の表面に自然に形成される酸化膜が蒸気処理によって除去されると共に、その除去された部分にフッ素が残り、Ａｕ膜２４が形成されたときにフッ素が密着力を高めるように作用していると考えられる。特に、残されたフッ素の作用により、Ａｕ膜２４が形成されたときにＡｕがＡｌ中に移動して金属−金属結合となって、密着力が高められると考えられる。

なお、ここでのプラズマ処理装置を本工程のみでなく、本工程よりも前の工程から連続して用いるようにし、各工程をプラズマ処理装置内で連続して行うようにすれば、半導体チップ２１の大気暴露を防ぐことができるため、大気中に含まれる粒子等の半導体チップ２１の表面への付着も防止できる。

続いて、Ａｌ膜２３のうちパッドとなる領域および保護膜２５のうちパッドの周囲に位置する部分の表面に、Ａｕ粒子を分散させた有機溶媒を吹き付けたのち熱処理によって焼結させることでＡｕ膜２４を形成する。このとき、Ａｕ粒子を分散させた有機溶媒を吹き付ける前に、予め半導体チップ２１を通常の気圧下もしくは減圧下で加熱し、水の沸点異常の温度としておくことで、よりＡｕ膜２４とＡｌ膜２３および保護膜２５との密着力を高めることも可能である。

この後、超音波ボンディングなどによってボンディングワイヤ１３をＡｕ膜２５の表面に接合することで、図２に示した電気的な接続構造が完成する。

以上説明した本実施形態の圧力センサＳ１の製造方法によれば、Ａｕ膜２４の下地となるＡｌ膜２３や保護膜２５の密着力を変える処理を行っている。このため、Ａｌ膜２３や保護膜２５とＡｕ膜２４との密着力を高くすることが可能となる。

このため、Ａｕ膜２４と保護膜２５との界面を通じて腐食媒体がパッド側に浸入することを防止でき、パッドが腐食されることを防止することが可能となる。

（第２実施形態）
上記第１実施形態では、Ａｕ膜２４の下地となるＡｌ膜２３や保護膜２５の密着力を変える処理をプラズマ処理によって行っているが、これらの場所にＵＶ照射を行うことによっても同様の効果を得ることができる。

（他の実施形態）
上記実施形態では、Ａｌ膜２３の表面にＡｕ膜２４を形成する電気的な接続構造を採用する場合について説明した。しかしながら、このような構造は単なる一例を示したものであり、他の構造としても構わない。

例えば、Ａｌ膜２３の表面にＡｌ膜、Ｔｉ膜およびＮｉ膜を配置してＡｕ膜２４を配置するような構成とし、第２金属膜が多種類の金属の積層膜で構成されたものとしても構わない。また、単にＴｉ膜のみがＡｌ膜２３とＡｕ膜２４との間に挟み込まれたような構造であっても構わない。

本発明の第１実施形態における圧力センサの断面構成を示す図である。 図１に示す圧力センサにおけるセンサ素子とボンディングワイヤとの接合部分における電気的な接続構造の断面図である。 図１に示す圧力センサにおけるセンサ素子とボンディングワイヤとの接合部分における電気的な接続構造の製造工程を示した図である。

符号の説明

Ｓ１…圧力センサ、１０…コネクタケース、１３…ボンディングワイヤ、２０…センサ素子、２１…半導体チップ（半導体基板）、２２…絶縁膜、２３…Ａｌ膜、２４…Ａｕ膜、２５…保護膜、３０…ハウジング。

Claims (4)

1. センサ素子（２０）が形成された半導体基板（２１）を用意する工程と、
   前記半導体基板（２１）の表面に、前記センサ素子（２０）の所望場所に繋がるコンタクトホールが形成されてなる絶縁膜（２２）を形成する工程と、
   前記絶縁膜（２２）の上の所定領域に、前記コンタクトホールを通じて前記センサ素子（２０）と電気的に接続される第１金属膜（２３）を形成する工程と、
   前記第１金属膜（２３）におけるパッドとなる領域が露出するように、前記第１金属膜（２３）および前記絶縁膜（２２）の上に保護膜（２５）を形成する工程と、
   前記第１金属膜（２３）におけるパッドとなる領域および前記保護膜（２５）のうち前記パッドの周囲に位置する部分の上に金属粒子を分散させた有機溶剤を吹き付けたのち熱処理によって焼結させることで第２金属膜（２４）を形成する工程とを有し、
   前記半導体基板（２１）に形成された前記センサ素子（２０）により、圧力導入孔（３１）から導入された圧力測定対象の圧力に応じた検出信号を発生させるように構成される圧力センサの製造方法において、
   前記第２金属膜（２４）を形成する工程の前に、前記第１金属膜（２３）におけるパッドとなる領域および前記保護膜（２５）のうち前記パッドの周囲に位置する部分の表面に対して、前記第２金属膜（２４）との密着力を高める処理を行う工程を行うことを特徴とする圧力センサの製造方法。
2. 前記第１金属膜（２３）を形成する工程では、前記第１金属膜（２３）をＡｌ膜によって形成し、
   前記第２金属膜（２４）を形成する工程では、前記金属粒子としてＡｕ粒子が含まれた有機溶剤を用い、前記第２金属膜（２４）をＡｕ膜（２４）が含まれる膜によって形成することを特徴とする請求項１に記載の圧力センサの製造方法。
3. 前記密着力を変える処理を行う工程では、アルゴン（Ａｅ）又は窒素（Ｎ₂）とフロロカーボン（ＣＦ₄）を含むガス雰囲気中においてプラズマ処理を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の圧力センサの製造方法。
4. 前記密着力を変える処理を行う工程を行ったのち、前記第２金属膜（２４）を形成する工程の前に、前記半導体基板（２１）を加熱して水の沸点以上まで加熱する工程を有していることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の圧力センサの製造方法。
   

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