JPH0546086B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ 本発明は、半導体基板の接合方法に関し、例え
ば半導体結晶の肉薄ダイヤフラム面に起歪抵抗ゲ
ージを形成した感圧ペレツトを基台に強固に結合
した構造の半導体圧力変換器を実現する方法に用
いられる。

［発明の技術的背景とその問題点］ 流体圧力を検出する圧力変換器として、半導体
のピエゾ効果を利用したものが実用化されてい
る。この種の半導体圧力変換器は、その基本構造
を図に示すように、例えばシリコン（Si）からな
る半導体単結晶板１の中央部に、圧力に感応する
肉薄ダイヤフラム面２を形成しこの肉薄ダイヤフ
ラム面２の一方に基板（半導体単結晶板）１とは
逆導電性の拡散抵抗層３を形成し、これを起歪抵
抗ゲージとしている。そして、前記基板１の表面
に設けられたSiO₂絶縁膜４に窓部を設け、この
窓部を介して前記起歪抵抗ゲージ３に対するアル
ミニウム等の電極配線５を形成している。しかし
て、このように形成された感圧ペレツトは、前記
基板１の周辺肉厚部を基台６に接着剤７等を用い
て固定され、上記基台６の中央部に設けられた圧
力導入孔８を介して導入された圧力Ｐに感応する
ものとなつている。

しかして、前記起歪抵抗ゲージ３は、前記圧力
Ｐによつて歪を生じるダイヤフラムにより抵抗値
変化を示し、この抵抗値変化は前記起歪抵抗ゲー
ジを含んで構成されるフルブリツジ回路等により
検出される。これにより、例えば微弱な圧力変化
をも高感度に検出されるようになつている。

ところで、このような半導体圧力変換器は上述
したようにダイヤフラムに生じた歪によつて微弱
な圧力を高感度に検出するものであるから、当
然、感圧ペレツトに加わる残留応力やその温度変
化が問題となる。この為には基台６に固定される
感圧ペレツトに応力が加わらないように、その基
台６および接着剤７についても半導体結晶板１で
あるシリコンとの熱膨脹を整合させる必要があ
る。そこで従来、前記基台６として感圧ペレツト
と同じ材料であるシリコンを用いることが考えら
れている。然し乍ら接着剤７としては、例えば
金・シリコンの共晶や低融点半田ガラスを用いざ
るを得ないので、これらの高膨脹率の材料に起因
する残留応力を除去することができないと言う問
題があつた。

これに対して最近では、ホウケイ酸ガラスにて
前記基台６を構成し、感圧プレツトとの接合を高
温加熱、或いは電圧印加することで前記接着剤７
を用いることなく行うことが試みられている。こ
のような手段によれば、上記ガラスの種類を適当
に選ぶことで、広い温度範囲で前記熱膨脹の整合
を図ることが可能となる。然し乍ら、この種の半
導体圧力変換器は静圧下で用いられることが多
く、この場合前記シリコンとガラスとの接合体で
は、両者の圧縮率が一桁以上を異なるために不均
等な変形が発生し、この結果前記感圧ペレツト部
に応力が加わる。この応力は前記ブリツジ回路の
零点変動として現われ、半導体圧力変換器の使用
上大きな問題となる。

［発明の目的］ 本発明はこのような事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、２つの半導体基
板を相互に接合することができ、例えば残留応力
が小さく、しかも温度特性及び静圧特性の良好な
半導体圧力変換器の製造に応用することができる
接合方法を提供することにある。

［発明の概要］ 本発明は、２つのシリコン基板の各接合面をそ
れぞれ鏡面研磨し、この鏡面研磨された少なくと
も一方の接合面に鏡面状態の酸化膜を形成した
後、前記接合面にOH基を形成し、前記接合面間
に実質的に異物が介在することなく相互に接触さ
せて接合した後、外力による加圧を行なうことな
く、200℃以上かつ1200℃未満の条件で加熱処理
してなる半導体基板の接合方法である。例えば、
感圧ペレツトを固定する基台として上記感圧ペレ
ツトと同じ材料であるシリコンを用い、その接合
面をそれぞれ鏡面研磨し、これらの研磨接合面間
に薄い酸化膜だけを介在させて上記感圧ペレツト
と基台とを直接接合したものである。

［発明の効果］ かくして本発明によれば、鏡面研磨し、OH基
を形成した半導体基板を単に密着させるだけで半
導体基板の破壊を招くことなしにその引離しを困
難とする程度に上記半導体基板を強固に接合する
ことができる。従つて、本発明を半導体圧力変換
器の製造に適用すれば、例えばシリコン酸化膜が
感圧ペレツトと基台との接着層として有効に作用
して前記感圧ペレツトと基台とを強固に接合す
る。即ち、鏡面研磨された前記感圧ペレツトと基
台の各接合面をそれぞれ清浄化し、その面に薄い
酸化を形成し、これらの間にゴミ等の異物を介在
させることなしに上記両者を接触させて接合する
ので、接着剤に起因する問題のない、特性の良好
な半導体圧力変換器を得ることができる。また、
上記酸化膜の厚みを1μｍ程度と十分に薄くする
ことによつて半導体圧力変換器の静圧特性や温度
特性等を十分に高いものとすることができる。従
つて各種用途に用いられる半導体圧力変換器とし
て実用上多大な効果が奏せられる。

［発明の実施例］ 以下、本発明の実施例につき説明する。

本発明は感圧ペレツトや基台と同じ構成材料で
ある酸化で上記感圧ペレツトと基台とを接合した
ものであるが、このようにして酸化膜を介在させ
るだけでシリコン同士が接合する原因の詳細は不
明である。然し乍ら、ガラスとガラスとを接触さ
せたとき、そのガラス面が十分に清浄であれば摩
擦係数が非常に大きくなり、上記ガラスの破壊な
しには両者を引離すことができない程度に強く結
合することは良く知られている。また、シリコン
酸化膜もガラスの一種であり、シリコンの清浄面
には短時間で自然酸化膜の層が形成されることも
知られている。従つてこのような酸化膜を介在さ
せたシリコン同士の接合にあつても、上記ガラス
同士の接合と同様な現象が生じるものと考えられ
る。然し乍ら、このシリコン同士の接合の場合、
実際に極く僅かな油分等のよごれがその表面に存
在するだけに上記接合ができなくなり、また接合
面が平滑でなかつたり、接合面間に僅かなゴミ等
が存在するだけで接合ができなくなる。

このように上記酸化膜はシリコン間の接合に必
須の要素であり、この酸化膜は例えば熱酸化法化
学蒸着法、スパツタリング法等の物理蒸着法によ
つて形成することができる。しかし、前記シリコ
ン間の接合を為すには酸化膜形成後の接合面表面
が鏡面であることが必要であり、鏡面研磨後のシ
リコン基板に熱酸化膜を形成した場合は鏡面状態
が維持されるが、必要に応じ酸化膜形成後に研磨
処理を施す必要がある。例えば不適切に条件設定
された化学蒸着法で酸化膜を形成した結果、その
酸化膜に0.2μｍ程度のクラスタが存在するだけで
上記シリコン間の接合が困難になる。

このようにして酸化膜を介在させて接合した感
圧ペレツトと基台との接合体はそのままでも高い
気密性を示し、かなり強い接着強度を示すが、更
にこれを200℃以上の温度で加熱処理することに
よつて、上記接合強度を大幅に増大させることが
可能となる。即ち、本発明者等の実験によれば、
前記接合体の接合面に５Kg／cm²程度の圧力を加え
るだけで上記接合体は剥離するが、上記接合体を
200℃で約１時間加熱処理したのちには、15Kg／
cm²以上の圧力を加えても前記接合体の剥離が生じ
ることがなく、その反面、接合面以外の部位で素
子の破壊が生じることが見出された。このこと
は、一般にガラスまたは酸化膜の表面に形成され
るシラノール基（Si−OH）は200℃で脱水縮合
することが知られており、このことを考慮すれ
ば、上記結合度の増大は酸化膜または自然酸化膜
の表面のシラノール基の脱水縮合により（Si−
OSi）の結合が形成されて結合強度が増加するも
のと考えられる。

次に具体的な本発明に係る半導体圧力変換器に
ついて説明する。感圧ペレツトは従来公知の技術
をそのまま利用して製作することができる。例え
ば両面研磨したｎ型の［111］シリコン基板を用
意し、ｐ型の抵抗層を拡散法によつて形成する。
しかるのち、この基板に蒸着したアルミニウムを
フオトリソグラフイ技術を用いてパターニング
し、上記ｐ型抵抗層を起歪抵抗ゲージとするブリ
ツジ回路を形成する。そして、PSGの保護膜を
形成したのち、肉薄ダイヤフラム面をエツチング
法により形成する。これによつて、直径８mm、厚
さ150μｍの肉薄ダイヤフラム面を有する10×10
mm、厚さ400μｍの感圧ペレツトを作成する。尚、
この感圧ペレツトの感度は、最大圧力４Kg／cm²に
設定されている。またその接合面に設ける酸化膜
は例えばそのウエハーに予め熱酸化等により形成
しておけば、製造工程上都合がよい。

一方、基台としては、外径14mmφ、内径４mm
φ、厚さ３mmのシリコン円板を機械加工して作成
し、その接着すべき面を鏡面研磨する。この円板
を酸素雰囲気中で1200℃で加熱し、0.50μｍの酸
化膜を表面に形成する。このようにして得られた
前記感圧ペレツトと基台とをトリクレン煮沸、ア
セトン超音波洗浄後、水洗することで熱酸化膜表
面にOH基を導入し、アセトン置換、フレオン乾
燥の工程で鏡面表面を清浄化した。クリーンルー
ム中でそれらの接合面を相互に接触させ、軽く圧
迫して接合させた。この接合は強固なものであ
り、OH基同士による水素結合によるものと思わ
れる。このようにOH基を導入することで、加圧
を要せず、接着層を溶融するような高温加熱を要
しないで良好な接合を実現できる。しかる後、こ
の接合体をオーブンに入れて200℃で約30分加熱
した。尚、この加熱中にいくつかの試料には５Kg
の加重を加えたが、この加盾の有無による接合力
等の本質的な差異は検出できなかつた。この加熱
により前述の水素結合は、Si−Ｏ−Si結合に変わ
り、接合がより強固になる。なおこの加熱処理は
残留応力の発生を抑える。熱酸化膜の成温度以
下、例えば1200℃未満にする必要がある。これを
越えてしまうと残留応力の発生の原因となり、ま
た接着層が溶融してしまい、本発明の接合機構が
実現されなくなる。

このようにして得られた半導体圧力変換器の圧
力零における残留抵抗の温度変化、真空リークの
有無、および素子破壊圧力を調べたところ、いず
れも目的とする仕様を満足していることが確認さ
れた。即ち、残留抵抗の温度変化は−30℃〜＋
100℃の範囲で２％以内であり、真空度10^-9Torr
以下であつてもリークがなく、破壊圧力が10Kg／
cm²以上であることが確認された。また上記半導体
圧力変換器を油圧容器に入れ、140Kg／cm²の静圧
を印加し、常圧の場合との抵抗ブリツジの平衡点
の差異を調べたが、0.01％程度であつて事実上問
題とならなかつた。

一方、自然酸化膜を介在させた接合の例として
上記したものと同じ感圧ペレツトを用い、基台と
して上記したものと同様に機械加工、研磨したシ
リコン基板を王水中で１時間煮沸し、その後水
洗、乾燥し、その表面が水によくぬれて自然酸化
膜が形成されたと判断されるもの形成し、これら
を清浄な環境下で接触させた。この場合にも、か
なり強固な接合体を得ることができた。また、こ
の接合体を電気炉内で400℃、10分間加熱し、そ
の接合強度を増大させた。このようにして得られ
た半導体圧力変換器も、ブリツジ平衡点の温度変
化、静圧変化等が極めて僅かであり、圧力センサ
として十分な特性を示すことが確認された。

尚、本発明は上記実施例に限定されるものでは
ない。即ち、酸化膜の形成法は従来周知の技術を
適宜用いることができ、その膜厚も仕様に応じて
定めればよい。また上記膜厚は5μｍ以下とすれ
ばよく、実用上0.6μｍ程度が好ましい。要するに
本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形し
て実施することができる。

【図面の簡単な説明】

図は半導体圧力変換器の基本構成を示す図であ
る。 １……半導体結晶板、２……肉薄ダイヤフラム
面、３……起歪抵抗ゲージ、５……電極配線、６
……基台。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ２つのシリコン基板の各接合面をそれぞれ鏡
   面研磨し、この鏡面研磨された少なくとも一方の
   接合面に鏡面状態の酸化膜を形成した後、前記接
   合面にOH基を形成し、前記接合面間に実質的に
   異物が介在することなく相互に接触させて接合し
   た後、外力による加圧を行なうことなく、200℃
   以上かつ1200℃未満の条件で加熱処理してなるこ
   とを特徴とする半導体基板の接合方法。 ２ 前記酸化膜の膜厚が5μｍ以下であることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の半導体基
   板の接合方法。