JPH0821774A - 半導体圧力センサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】支持部材にダイアフラムを囲みかつこれと同心
の円環状の支持部を設け、温度，静圧特性に優れた、安
価で信頼性の高い半導体圧力センサを提供すること。 【構成】ダイアフラムの形成と同時に円環状の支持部を
設けたセンサ基板を、貫通孔を有した支持部材に陽極接
合する。 【効果】支持部材にダイアフラムを囲みかつこれと同心
の円環状の支持部を設けることで、センサの温度，静圧
影響を小さくできる。陽極接合によるので、接合面の信
頼性が高くなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体圧力センサに係
り、特にゼロ点温度特性に優れ、温度ヒステリシスが小
さく、低感度出力時にもＳ／Ｎ比の良い安定した信号が
得られるようにした半導体圧力センサ及びその製造方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】本発明に最も近い公知例として、特開平
2−54137号公報がある。

【０００３】従来から知られている半導体圧力センサ
は、その両面にかかる圧力差に応動するダイアフラムを
使用している。このダイアフラムは、その一方の表面に
配置された応力センサを持つ単結晶半導体基板からなる
センサ基板で構成される。そして、この目的に広く使用
される応力センサはピエゾ抵抗特性を示し、これによっ
て応力センサの抵抗はセンサ基板内の応力が変化する
時、センサによって経験される応力と共に変化する。ま
た、ダイアフラムを形成するために、センサ基板の他方
の表面内に円形空洞が形成される。そして、センサ基板
の他方の表面に支持部材を接合している。

【０００４】通常、円形の薄肉ダイアフラムを有する正
方形の単結晶半導体基板からなるセンサ基板が使用され
ている。これは、このような正方形のセンサ基板の多く
は、結晶ウエハの切断もしくはスライスで容易に得られ
ることによる。また、チップを支持部材に接合する場合
には、センサ基板と熱膨張係数の等しい材料を用いてい
るが、この支持部材もウエハに穴を開け、半導体（シリ
コン）ウエハと接着した後に切断して得ていることによ
る。そして、接着部分は肉厚部全体を支持部材と接合し
ている。

【０００５】しかしながら、従来の半導体圧力センサで
は、支持部材との接合領域の形状がダイアフラムの形状
と対称性を持たないことから、半導体圧力センサの雰囲
気温度が変化した際に、支持部材とセンサ基板との材料
の差によってダイアフラムに熱歪が発生する。また、応
力自身が発熱するための温度不均一が、センサ自身のオ
フセット電圧を変化させる。さらに、静圧(ダイアフラ
ムの両面で共通の圧力)が変化する際に、ゼロシフトと
いう内容の誤ったあるいは偽りの信号を発生させる。そ
して、このゼロシフト現象のために、高精度が要求され
る差圧力の測定では電気信号の補償が必要となる。特に
特開平2−54137号公報においては、このような、温度変
化時や静圧印加により発生する応力を緩和するため、セ
ンサ基板と支持部材と接合する面に、ダイアフラムを囲
みこれと同心の接合環帯を設けている。この接合環帯
は、フォトリソグラフィー技術により設けていて、接合
環帯以外の部分のシリコンを、１〜２μｍエッチングし
て接合部を高くしてある構成をとっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の技術は、セ
ンサ基板に設ける接合環帯を形成するのに、接合環帯以
外の部分を数μｍエッチングし、接続部を高くする方法
をとっている。このような方法による場合、ダイアフラ
ムの加工とは別に接合環帯を形成する加工が必要にな
り、これだけで２つの工程をとることになる。また、２
つの工程を（２回のエッチング）施す場合、必ず１回の
加工で、センサ基板に段差ができるため、２回目の加工
を行う際には、フォトリソグラフィーの作業が困難にな
る。このように、上記従来技術には作業工程が増えると
共に、作業性が悪くなるというような問題があった。

【０００７】本発明の目的は、センサ基板に円環状の支
持部を設けるのではなく、支持部材にエッチング等の方
法により円環状の支持部を設け、センサ基板と接合する
ことで、工程の削減を図り作業性を向上させ、原価低減
を図ること、また、静圧変化時の応力，温度変化時の応
力を緩和させることができると共に、ゼロシフト量の少
ないしかも高感度で高精度な差圧力測定を行うことが可
能で、信頼性の高い半導体圧力センサを提供すること、
さらにセンサ基板と支持部材をウエハ状態で形成しエッ
チング，陽極接合という工程をとることで、大量に安価
な半導体圧力センサを提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、支持部材には、エッチング、あるいは、サンドブラ
スト等により円環状の支持部を形成し、さらに貫通孔を
形成する。これをダイアフラムを形成したセンサ基板に
陽極接合する。この時、センサ基板は、支持部材に対し
て、円環状の支持部を介して保持されるようにしてお
く。また、圧力センサを大量に形成できるよう、センサ
基板，支持部材には、それぞれ複数個の感歪ゲージ素
子，貫通孔を設けウエハ状態に形成しておくようにする
ものである。

【０００９】

【作用】本発明による半導体圧力センサにおいては、支
持部材に設ける円環状の支持部は、エッチング等により
容易に形成できるので、作業工程が削減でき作業性が向
上する。また、センサ基板は支持部材の円環状の支持部
に保持されているので、センサ基板と支持部材の接合部
分の面積の縮小化ならびに対称性により、温度や静圧の
変化に起因する応力の変化が、ダイアフラム上の応力セ
ンサへ与える影響が少なくなり、これによって温度や静
圧の変化に起因するゼロシフト信号は最小となる。

【００１０】さらに、センサ基板，支持部材をウエハ状
態に形成することで一度に大量の圧力センサが形成でき
る。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例を図に基づいて説明す
る。

【００１２】図１は本発明に係る半導体圧力センサの実
施例を示す正面図と下面図である。１は、感歪ゲージ素
子４を形成したセンサ基板、２は、後に圧力等入口とな
る貫通孔６を有した支持部材である。センサ基板１の表
面には、ダイアフラム３の周辺に感歪ゲージ素子４を４
個配設して、ダイアフラム３にかかる応力を感知するよ
うにしている。この感歪ゲージ素子４は、例えば、イオ
ン打込や熱拡散により、不純物をドーピングして形成す
る。また、この感歪ゲージ素子４はピエゾ抵抗特性を示
し、その抵抗はセンサが経験する応力によって変化す
る。さらに、感歪ゲージ素子４を配設した表面と反対側
の面内には、円形または多角形の空洞８を形成してい
る。

【００１３】一方、支持部材２は、その中央部付近に円
形の圧力導入口となる貫通孔６を有しており、感歪ゲー
ジ素子４を配設した表面の反対側の面に接続している。
また、ダイアフラム３を囲むセンサ基板１の肉厚部９の
支持部材２と対向する面である接合領域には、ダイアフ
ラム３を囲みかつこれと同心の円環状の支持部５を設け
る。この円環状の支持部５は、エッチング、あるいは、
サンドブラスト等の方法により形成されるものである。
円環状の支持部５の形成においては、上記の方法により
容易に加工できるため、作業性が向上する効果を持つ。
ここで、センサ基板１は圧力センサとしての特性を維持
するために、支持部材２によって保持される。支持部材
２には、圧力センサ自身の特性に影響を与えないよう
に、センサ基板１と同じか、または、近似した熱膨張係
数を持つ材料で、なおかつ、センサ基板１と電気的絶縁
を保つために絶縁材料を用いる。これらのセンサ基板１
と、支持部材２を所定の位置に合わせ、陽極接合を行
う。接合されたセンサ基板１と支持部材２は、機械的に
強固に接合されるので、信頼性が向上する効果を持つ。
次に、上記のように構成した、センサ基板１，支持部材
２をウエハ状態に形成した場合の実施例について図２に
より説明する。

【００１４】１１は感歪ゲージ素子４を複数個形成した
ウエハ、２２は貫通孔６と円環状の支持部５を複数個形
成したウエハである。同様にしてこれらも、エッチン
グ，陽極接合という工程をとる。センサ基板１がウエハ
状態になることで、センサ基板１のウエハ１１のエッチ
ングにより、一度に多数のダイアフラム３が容易に加工
できるので、さらに作業性が向上する。これを支持部材
２のウエハ２２と陽極接合すれば、均一な特性を持った
半導体圧力センサができる。後にダイサーやワイヤソー
などでさいの目状に切り出すことで、大量に複数個の圧
力センサを歩留りが高く安価に製作することができる。

【００１５】より詳細に説明すると、センサ基板１のウ
エハ１１の材料は、半導体プロセスを利用できるシリコ
ンを用いる。半導体プロセスの利点を生かし、センサ基
板１のウエハ１１の表面には、複数個の感歪ゲージ素子
４を設ける。その反対側の面には、ダイアフラム３を形
成するためのエッチングマスクを設ける。エッチングマ
スクはＳｉＯ₂ 膜や、ＳｉＮ膜などであらかじめ設けて
おく。この面の露出したＳｉをエッチングにより加工す
る。エッチング加工による場合、例えば、異方性エッチ
ングによれば、深い加工を高速にかつ高精度に実施でき
るので、ダイアフラム３の厚さのばらつきを押さえるこ
とが可能となり、歩留りの向上が図れる。また、等方性
エッチングによればダイアフラム３のコーナ部に丸みが
できるので、センサ耐圧向上を図れる効果を持つ。支持
部材２のウエハ２２の材料には、シリコンと近似した熱
膨張係数を持つ硼珪酸ガラスを用いる。これらの接合に
は陽極接合を用いる。陽極接合による場合、センサ基板
１のウエハ１１と支持部材２のウエハ２２を重ね合わせ
てセッティングし、センサ基板１のウエハ１１を直流高
電圧の正極、支持部材２のウエハ２２を同負極にそれぞ
れ接合する。これを高温雰囲気中、例えば、２５０〜４
００℃で、高電圧、例えば、５００〜1500Ｖの電圧を印
加すると、支持部材２のウエハ２２の材料である硼珪酸
ガラス中の酸化ナトリウム(Ｎａ₂Ｏ）が、２Ｎａ+，Ｏ₂
^-に電離し、各々陰極，陽極に移動する。陽極側に移動し
たＯ₂ ^-は、センサ基板１のウエハ１１の材料であるシリ
コン（Ｓｉ）と結合してシリコン酸化膜を生成し、セン
サ基板１のウエハ１１と支持部材２のウエハ２２を強固
に結合する。陰極側には、Ｎａが析出される。陽極接合
による場合、接合部は均一にしかも気密に接合できるの
で、信頼性の高い圧力センサを歩留り良く製作できる。

【００１６】以上の如く構成した半導体圧力センサにお
いては、センサ基板１のダイアフラム３と支持部材２の
円環状の支持部５との接合領域が同心円で対称性が保た
れているため、温度や静圧の変化に起因する応力の変化
が、ダイアフラム３上の感歪ゲージ素子４へ与える影響
が少なくなり、これによって温度や静圧の変化に起因す
るゼロシフト信号を最小とすることができる。また、セ
ンサ基板１のダイアフラム３と支持部材２との接合面積
を、支持部材２側のパターニングで最適な面積にするこ
とができる。さらに、センサ基板１のダイアフラム３と
支持部材２との接合方法として、陽極接合という極めて
接着強度の強い方法を用いているため、僅かな接合面積
でもセンサ基板１を確実に固定することができる。さら
にまた、陽極接合がウエハ間で行われているため、個々
の半導体圧力センサの接合部は均一に接合され、ダイシ
ング後の個々の半導体圧力センサの接合部は全体に渡っ
て均一とすることができ、しかも気密封止の歩留りも良
くなる。

【００１７】すなわち、より詳細に説明すると、センサ
基板１と支持部材２の接合面積が小さいので、温度及び
静圧が変化した際に熱歪みが円形または多角形のダイア
フラム３にほとんど影響しないため、ゼロシフト量が減
少する。また、熱応力の発生も少なく、かつ、センサ基
板１と支持部材２の材料の差による静圧変化での応力発
生も接合部で緩和されるので、ゼロシフト特性も改善す
ることができる。さらに、過大圧による接着部の強度
は、ダイアフラム３が破壊するまで持つように面積を決
めておけば、ごく少ない接合面積、すなわちごく少ない
面積の円環状の支持部５を設けることができる。さらに
また、ウエハ間接合が可能であるので、アセンブリ工程
を簡略化することができる。以上のような工程は半導体
プロセス工程の利点を生かしたもので、信頼性の向上，
低価格化に寄与することができる。上述したように、本
実施例の半導体圧力センサでは、円形または多角形のダ
イアフラム３を囲むセンサ基板１の肉厚部９と対向する
面の支持部材２に、円環状の支持部５を形成し、センサ
基板１と支持部材２との接合部を少なくし、陽極接合に
よる接合をウエハ間で行うようにしているので、静圧変
化時の応力，温度変化時の応力を緩和させることがで
き、低コストでゼロシフト量の少ないかつ均一な特性を
持たせることが可能となる。さらに、従来難しい電気信
号の補償回路を必要としたゼロシフト特性が改善できる
ので、より高感度で高精度な差圧力測定を行うことが可
能となる。

【００１８】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
よれば次の効果がある。

【００１９】支持部材に、センサ基板のダイアフラムを
囲む肉厚部と接合する面に、ダイアフラムを囲みかつこ
れと同心の円環状の支持部を設けるようにしたので、静
圧変化時の応力，温度変化時の応力を緩和させることが
できると共に、ゼロシフト量の少ないしかも高感度で高
精度な差圧力測定を行うことが可能で安価な極めて信頼
性の高い半導体圧力センサが提供できる。

【００２０】さらに、接合部は陽極接合によるので、接
合面は均一で気密な接合面になるため信頼性の高い圧力
センサが得られる。これら、センサ基板と支持部材をウ
エハ状態に形成しておけば、歩留り，信頼性の高い安価
な圧力センサが大量に製造できる。また、センサ基板と
支持部材の材質を熱膨張係数の近い材質を用いること
で、センサへの温度影響がさらに低減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す図である。

【図２】本発明の他の実施例を示す図である。

【符号の説明】

１…センサ基板、２…支持部材、３…ダイアフラム、４
…感歪ゲーシ素子、５…円環状の支持部、６…貫通孔、
７…ダイシングライン、８…空洞、９…肉厚部、１１，
２２…ウエハ。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】差圧や圧力を検出する感歪ゲージ素子をダ
   イアフラム薄肉部に形成した四角形のセンサ基板と、貫
   通孔を有し、前記センサ基板を支持する支持部材とから
   なる半導体圧力センサにおいて、前記支持部材に、前記
   センサ基板との接合面に接合される円環状の支持部を設
   けたことを特徴とする半導体圧力センサ。
2. 【請求項２】請求項１記載の半導体圧力センサにおい
   て、前記センサ基板として、感歪ゲージ素子を複数個形
   成したウエハ，前記支持部材として、貫通孔と円環状の
   支持部を複数個形成したウエハを用い一括して陽極接
   合、その後に一括して切断して複数個の圧力センサを得
   ることを特徴とする半導体圧力センサの製造方法。
3. 【請求項３】請求項１において、前記センサ基板の材質
   としてシリコン，前記支持部材の材質として硼珪酸ガラ
   スを使用することを特徴とする半導体圧力センサ。