(57)【要約】  高性能な半導体センサ装置およびその製造方法を提供すること  センサチップと、前記センサチップに形成された第一の薄膜と、を有し、前記センサチップが、前記第一の薄膜を介して多結晶材の台座に形成された第二の薄膜と機械的に接続されている半導体センサ装置。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサチップと、
前記センサチップに形成された第一の薄膜と、を有し、
前記センサチップが、前記第一の薄膜を介して多結晶材の台座に形成された第二の薄膜と機械的に接続されていることを特徴とする半導体センサ装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体センサ装置において、
前記台座は、圧力の変化を感知するステンレス受圧台座である半導体センサ装置。
【請求項３】
請求項２に記載の半導体センサ装置において、
前記センサチップは、物理的・機械的センサである半導体センサ装置。
【請求項４】
請求項１に記載の半導体センサ装置において、
前記第一及び第二の薄膜は、Ｗ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｆｅ、Ａｇのいずれか、あるいは、任意に数種類選択したもの、または、合金からなる薄膜である半導体センサ装置。
【請求項５】
請求項４に記載の半導体センサ装置において、
前記第一及び第二の薄膜の厚さは、０．１ｎｍ〜１μｍの厚さである半導体センサ装置。
【請求項６】
請求項１に記載の半導体センサ装置において、
前記センサチップは、前記第一の薄膜を介してステンレス台座に電気的に接続されている半導体センサ装置。
【請求項７】
センサチップに第一の薄膜を形成する工程と、
前記センサチップが接合される台座に第二の薄膜を形成する工程と、
前記第一の薄膜と前記第二の薄膜を接合する接合工程と、を有することを特徴とする半導体センサ装置の製造方法。
【請求項８】
請求項７に記載の半導体センサ装置の製造方法において、
前記接合工程は、常温接合からなる半導体センサ装置の製造方法。
【請求項９】
請求項８に記載の半導体センサ装置の製造方法において、
前記常温接合は、−６０〜３００℃の温度下で行われる半導体センサ装置の製造方法。
【請求項１０】
請求項８に記載の半導体センサ装置の製造方法において、
前記接合工程は、前記台座の母材に含まれる成分の酸化により生成した酸化膜の厚さ範囲内で前記台座表面の凸部領域を除去加工する工程と、
前記除去加工する工程の後に前記台座表面の皮膜の再生を行う皮膜再生工程と、を有することを特徴とする半導体センサ装置の製造方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の半導体センサ装置の製造方法において、
前記皮膜再生工程の後に、さらに、前記皮膜再生工程で再生した皮膜の厚さ範囲内で表面の凸部領域を除去加工する除去加工工程を行うことを特徴とする半導体センサ装置の製造方法。
【請求項１２】
請求項１０に記載の半導体センサ装置の製造方法において、
前記皮膜は、不動態膜又は加工変質層であることを特徴とする半導体センサ装置の製造方法。
【請求項１３】
請求項１０に記載の半導体センサ装置の製造方法において、
前記凸部領域の除去はイオンビームを用いることを特徴とする半導体センサ装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体センサ装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体センサチップを台座やケースに固定する方法として、例えば、特許文献１には、半導体センサチップとガラス台から成るチップクミを、チップケースの凹部にシリコーン系の接着剤によって、接着・固定することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１４９０６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記半導体センサ装置が、ステンレス台座のひずみを検知して動作する機械的・物理的センサの場合、センサチップとステンレス台座の固定部はひずみを伝達する部分であるため、ステンレス台座のひずみを正確に伝達する材料であることが好ましい。しかし、前記シリコン系接着剤、はんだ、低融点ガラスを用いてセンサチップをステンレス台座に固定する場合、それら固定材料は一般に数〜数十μｍの厚さを有するため、固定材料自体がセンサチップとステンレス台座との間でひずみを緩和する層となり、ステンレス台座のひずみをセンサチップに正確に伝達することができなくなる恐れがある。【０００５】
また、半導体センサ装置が高温にさらされると、接着剤、はんだ等の固定材料はクリープ変形を起こし、ステンレス台座のひずみを緩和してしまうので、半導体センサ装置の特性悪化の要因となる。【０００６】
また、センサチップは一般にシリコン材料から成り、はんだや低融点ガラスによって固定される時の温度変化によって熱応力が印加されると、特性が変動する。よって、センサチップの特性変動を小さくするためには、センサチップとステンレス台座との固定は、半導体センサ装置の使用温度に近い温度で行うことが好ましい。しかし、前記シリコン系接着剤、はんだ、低融点ガラスなどで固定する場合、加熱冷却する過程を経るため、センサチップには必ず熱応力が加えられ、センサチップの特性悪化の要因となる。【０００７】
本発明は、高性能な半導体センサ装置およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決する本発明の半導体センサ装置は、  センサチップと、前記センサチップに形成された第一の薄膜と、を有し、前記センサチップが、前記第一の薄膜を介して多結晶材の台座に形成された第二の薄膜と機械的に接続されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、高性能な半導体センサ装置およびその製造方法を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る半導体センサ装置の第一の実施形態の実装構造を示す断面図。
【図２】本発明に係る半導体センサ装置の使用状態の実装構造を示す断面図。
【図３】本発明に係る鏡面研磨法の原理を示す、第一段階研磨の断面図。
【図４】本発明に係る鏡面研磨法の原理を示す、第二段階研磨の断面図。
【図５】本発明に係る鏡面研磨法にて、実際の多結晶材料を研磨する場合を示す、第一段階研磨の断面図。
【図６】本発明に係る鏡面研磨法にて、実際の多結晶材料を研磨する場合を示す、第二段階研磨の断面図。
【図７】本発明によらない鏡面研磨法にて、実際の多結晶材料を研磨する場合を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明に係る半導体センサ装置の第一の実施形態を、図面に基づき詳細に説明する。図１は本発明に係る半導体センサ装置の一実施形態の実装構造を示す断面図である。本実施形態に係る半導体センサ装置は、センサチップ１０と、センサチップに形成する第一の薄膜２０と、センサチップに形成する第二の薄膜３０と、ステンレス台座に形成する第二の薄膜４０と、ステンレス台座に形成する第二の薄膜５０と、ステンレス台座６０から成る。センサチップ１０とステンレス台座６０は、センサチップに形成する第二の薄膜３０とステンレス台座に形成する第二の薄膜４０を介して接合されている。
【００１２】
センサチップ１０は例えば物理量を測定する機能を有した半導体センサチップである。センサチップ１０の接合する側の平面を線粗さＲａ＜１ｎｍ程度、Ｒｚ＜５ｎｍ程度の粗さで鏡面研磨する。鏡面研磨後、例えばイソプロピルアルコールにより清浄化する。また、ステンレス台座６０もセンサチップ１０と同様に、接合する側の平面を線粗さＲａ＜１ｎｍ程度、Ｒｚ＜５ｎｍ程度の粗さで鏡面研磨し、鏡面研磨後、例えばイソプロピルアルコールにより清浄化する。ここでセンサチップ１０及びステンレス台座６０の接合する側の平面を鏡面研磨する理由としては、後述するセンサチップに形成する第二の薄膜３０とステンレス台座に形成する第二の薄膜４０を接触させ、接合する際、接合力が原子間力によるものだからである。原子間力は、全ての物質間で働く引力であるが、物質間の距離が約１μｍ程度と大きいと、物質間の接触が保たれるほど大きな引力は働かない。しかし、物質間を原子間距離程度（約１ｎｍ未満）まで近づければ、物質が例えば金属であれば、金属結合が発生するため、その金属のバルクが持つ強度程度の大きな接合力が得られる。
【００１３】
前記のように、物質間を原子間距離程度（約１ｎｍ未満）まで近づけるためには、接合面を鏡面化する必要がある。以下、本実施形態に係る鏡面研磨法を、図面に基づき詳細に説明する。図３は本発明に係る鏡面研磨法の原理を示す、第一段階研磨の断面図である。図３（１）において、１００は母材であり、２００は不動態皮膜である。３００は不動態皮膜の厚さであり、４００は研磨前の凹凸である。図３（２）において、除去加工厚さ５１０（５１０は、不動態皮膜の厚さ３００より小さい）まで研磨する。時間が経過すると、図３（３）のように、３１０の厚さまで不動態皮膜は再生する。この不動態皮膜の再生のときに母材の凸部の一部の厚さ６１０を消費する。また、このときの凹凸は４１０であり、４１０は４００より小さい。４００から４１０を引いた差分が、第一段階研磨の粗さ低減効果である。
【００１４】
図４は、本実施形態に係る鏡面研磨法の原理を示す、第二段階研磨の断面図である。図４（１）は、図３（３）と同様の図である。図４（２）において、除去加工厚さ５２０（５２０は、不動態皮膜の厚さ３１０より小さい）まで研磨する。時間が経過すると、図４（３）のように、３２０の厚さまで不動態皮膜は再生する。この不動態皮膜の再生のときに母材の凸部の一部の厚さ６２０を消費する。また、このときの凹凸は４２０であり、４２０は４１０より小さい。４１０から４２０を引いた差分が、第一段階研磨の粗さ低減効果である。
【００１５】
図５は、本実施形態に係る鏡面研磨法にて、実際の多結晶材料を研磨する場合を示す、第一段階研磨の断面図である。図５（１）において、７０１及び８０１は母材の結晶粒を表しており、７０１と８０１は結晶方位が異なる。結晶粒７０１は結晶粒８０１に比べて研磨加工されにくい、すなわちすべりにくい面方位の結晶粒である。２０１は不動態皮膜である。３０１は不動態皮膜の厚さであり、４０１は研磨前の凹凸である。図５（２）において、除去加工厚さ５１１（５１１は、不動態皮膜の厚さ３０１より小さい）まで研磨する。このとき、結晶粒７０１は結晶粒８０１より研磨加工されにくいので、結晶粒７０１と結晶粒８０１との間には段差９１１が発生する。時間が経過すると、図５（３）のように、３１１の厚さまで不動態皮膜は再生する。この不動態皮膜の再生のときに母材の凸部の一部の厚さ６１１を消費する。また、このときの凹凸は４１１であり、４１１は４０１より小さい。４０１から４１１を引いた差分が、第一段階研磨の粗さ低減効果である。
【００１６】
図６は、本実施形態に係る鏡面研磨法にて、実際の多結晶材料を研磨する場合を示す、第二段階研磨の断面図である。図６（１）は、図５（３）と同様の図である。図６（２）において、除去加工厚さ５２１（５２１は、不動態皮膜の厚さ３１１より小さい）まで研磨する。時間が経過すると、図６（３）のように、３２１の厚さまで不動態皮膜は再生する。この不動態皮膜の再生のときに母材の凸部の一部の厚さ６２１を消費する。また、このときの凹凸は４２１であり、４２１は４１１より小さい。４１１から４２１を引いた差分が、第一段階研磨の粗さ低減効果である。
【００１７】
図７は、本実施形態によらない鏡面研磨法にて、実際の多結晶材料を研磨する場合を示す断面図である。図７（１）において、７０２及び８０２は母材の結晶粒を表しており、７０２と８０２は結晶方位が異なる。結晶粒７０２は結晶粒８０２に比べて研磨加工されにくい、すなわちすべりにくい面方位の結晶粒である。２０２は不動態皮膜である。３０２は不動態皮膜の厚さであり、４０２は研磨前の凹凸である。図７（２）において、除去加工厚さ５１２（５１２は、不動態皮膜の厚さ３０２より小さい）まで研磨する。このとき、結晶粒７０２は結晶粒８０２より研磨加工されにくいので、結晶粒７０２と結晶粒８０２との間には段差９１２が発生する。不動態皮膜の厚さ３０２を超えてさらに研磨を続けると、結晶粒７０２と結晶粒８０２との間には段差はさらに大きくなり、段差９２２となる。時間が経過すると、図７（４）のように、不動態皮膜は再生するが、結晶粒７０１と結晶粒８０１の間には段差９３２が残ったままとなる。
【００１８】
前記した鏡面化後、清浄化されたセンサチップ１０の接合する側の面に、真空チャンバ内で、例えばマグネトロンスパッタにより、センサチップ１０に形成する第一の薄膜２０を０．１ｎｍ〜１μｍ形成する。センサチップ１０に形成する第一の薄膜２０は、ステンレス台座６０の材質により、Ｗ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｆｅ、Ａｇやその他の元素から選択する。また、合金の薄膜とすることもあり得る。ステンレス台座６０の接合する側にも同様に、ステンレス台座６０に形成する第一の薄膜５０を０．１ｎｍ〜１μｍ形成する。ステンレス台座に形成する第一の薄膜５０は、ステンレス台座６０の材質により、Ｗ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｆｅ、Ａｇやその他の元素から選択する。また、合金の薄膜とすることもあり得る。センサチップ１０に形成する第一の薄膜２０、ステンレス台座に形成する第一の薄膜５０を形成する理由は、センサチップ１０とセンサチップに形成する第二の薄膜３０との間に結晶系の違いがあったり、格子定数の違いが大きいと、センサチップ１０とセンサチップに形成する第二の薄膜３０との密着性が低くなるためである。センサチップ１０に形成する第一の薄膜２０は、センサチップ１０とセンサチップに形成する第二の薄膜３０の間の結晶系の違いや格子定数の違いを緩和する緩衝膜の役割を果たす。これと同様に、ステンレス台座６０とステンレス台座６０に形成する第二の薄膜４０の結晶系の違いや格子定数の違いを緩和するために、ステンレス台座に形成する第一の薄膜５０を形成する。センサチップ１０に形成する第一の薄膜２０及びステンレス台座６０に形成する第一の薄膜５０の膜厚としては、センサチップ１０の線粗さにより決定するのが好ましい。例えば、センサチップ１０の線粗さがＲｚ＝５ｎｍであれば、Ｒｚ＝５ｎｍを完全に覆うために、５ｎｍ以上の厚さがあるのが好ましい。しかし一方で、センサチップ１０に形成する第一の薄膜２０の厚さが過多になると、線粗さが大きくなっていくので、後述する接合に不適になる恐れがある。そのため、適切な膜厚を選択する必要がある。
【００１９】
センサチップ１０、ステンレス台座６０にそれぞれセンサチップに形成する第一の薄膜２０、ステンレス台座に形成する第一の薄膜５０を形成した後、例えばマグネトロンスパッタにより、センサチップに形成する第二の薄膜３０をセンサチップに形成する第一の薄膜２０上に０．１ｎｍ〜１μｍ形成する。センサチップに形成する第二の薄膜３０は、例えばＡｕ、Ａｇ、Ｃｕやその他の元素から選択する。ステンレス台座６０の接合する側にも同様に、ステンレス台座６０に形成する第二の薄膜４０をステンレス台座に形成する第一の薄膜５０上に０．１ｎｍ〜１μｍ形成する。ステンレス台座に形成する第二の薄膜４０は、例えばＡｕ、Ａｇ、Ｃｕやその他の元素から選択する。センサチップに形成する第二の薄膜３０とステンレス台座６０に形成する第二の薄膜４０は、同じ元素であることが好ましい。センサチップに形成する第二の薄膜３０及びステンレス台座６０に形成する第二の薄膜４０を同じ元素にする理由としては、後述する接合において、接合界面は同じ元素種である方が結晶系の違い、格子定数の違いが発生しないため接合力が大きくなるからである。センサチップに形成する第二の薄膜３０及びステンレス台座６０に形成する第二の薄膜４０の膜厚としては、後述する接合が大気圧中の場合、接合面の酸化を防止するため、原子約１層分である０．３ｎｍ以上が好ましい。また、接合面に付着した異物に対する許容性を確保する場合、５０ｎｍもしくはそれ以上の膜厚にすることが好ましい。しかし一方で、センサチップに形成する第二の薄膜３０及びステンレス台座６０に形成する第二の薄膜４０の厚さが過多になると、線粗さが大きくなっていくので、後述する接合に不適になる恐れがある。そのため、適切な膜厚を選択する必要がある。
【００２０】
センサチップ１０にセンサチップに形成する第一の薄膜２０、センサチップに形成する第二の薄膜３０及びステンレス台座６０にステンレス台座に形成する第一の薄膜５０、ステンレス台座に形成する第二の薄膜４０を形成した後、真空チャンバ内もしくは大気圧中で、センサチップに形成する第二の薄膜３０とステンレス台座に形成する第二の薄膜４０を接触させ、接合する。このとき、センサチップ１０及びステンレス台座６０の接合する側の鏡面研磨状態を考慮し、適切な荷重を印加して接合する。なお、この接合は、センサチップに与える熱応力を低減するため、半導体センサ装置が使用される温度で行われることが好ましい。例えば、センサの使用温度範囲が−５０〜１５０℃の場合、約０〜１００℃の温度で接合することが好ましい。
【００２１】
以下、本実施形態に係る半導体センサ装置の使用状態を、図面に基づき詳細に説明する。使用状態は、本実施形態の半導体センサ装置が、自動車の燃料や、各種オイルなどの液体の圧力を検知するセンサとして使用される場合について述べる。図２に示されるように本実施形態に係る半導体センサ装置は、センサチップ１０と、センサチップに形成する第一の薄膜２０と、センサチップに形成する第二の薄膜３０と、ステンレス受圧台座に形成する第二の薄膜４０と、ステンレス受圧台座に形成する第二の薄膜５０と、ダイヤフラム部６７を持つステンレス受圧台座６５と、ボンディングワイヤ７０と、回路基板８０と、カバー９０と、コネクタ９５から成る。センサチップ１０とステンレス受圧台座６５は、センサチップに形成する第二の薄膜３０とステンレス受圧台座に形成する第二の薄膜４０を介して接合されている。また、センサチップ１０と、回路基板８０は、ボンディングワイヤ７０を用いて電気的に接続されている。回路基板８０には外部と通電するためのコネクタ９５が接続されている。また、センサチップ、回路基板等を外気から保護するため、カバー９０で覆われている。
【００２２】
ステンレス受圧台座６５は、鍛造や切削によって薄肉化されたダイヤフラム部６７を持つ。センサチップ１０がステンレス受圧台座６５に接合される手順は、第一の実施形態に示した手順と同様である。センサチップ１０が、ステンレス受圧台座６５に接合された後、センサチップ１０と回路基板８０は、ボンディングワイヤを用いて接続される。ステンレス受圧台座６５を、圧力を計測したい液体の流路など、液体の圧力がかかる部分にねじなどで固定する。ダイヤフラム部６７は薄いため、液体の圧力が変化すると、容易に変形し、ひずみが発生する。そのステンレス受圧台座６５のダイヤフラム部６７のひずみを、薄膜を介して接続されたセンサチップ１０が検知することで、圧力の変化を検知できるものである。センサチップ１０で検知したひずみは、電気信号に変換され、ボンディングワイヤ７０を介して回路基板８０に伝達される。回路基板８０は、センサチップ１０からの電気信号を演算処理するものである。
【００２３】
以上、説明したように、本実施形態によれば、数〜数十μｍの厚さを有する固定材料を持たないため、ステンレス台座で発生したひずみを正確にセンサチップに伝達できる。よって、高性能な半導体センサ装置が得られる。
【００２４】
また、数〜数十μｍの厚さを有する固定材料を持たないので、半導体センサ装置を高温下で使用した場合でも、固定材料のクリープ変形が極めて小さい。よって、ステンレス台座のひずみは緩和されず、高性能な半導体センサ装置が得られる。
【００２５】
また、センサチップに熱応力を与えずにステンレス台座に固定できるため、センサの特性を悪化させることがない。
【００２６】
そのため、高性能な半導体センサ装置を提供することが可能となる。
【００２７】
これまで、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、前記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００２８】
１０    センサチップ
２０    センサチップに形成する第一の薄膜
３０    センサチップに形成する第二の薄膜
４０    ステンレス台座に形成する第二の薄膜
５０    ステンレス台座に形成する第一の薄膜
６０    ステンレス台座
６５    ステンレス受圧台座
６７    ダイヤフラム部
７０    ボンディングワイヤ
８０    回路基板
９０    カバー
９５    コネクタ
１００  母材
２００  不動態皮膜
２０１  実際の多結晶の不動態皮膜
２０２  本発明を用いない場合の不動態皮膜
３００  不動態皮膜の厚さ
３０１  実際の多結晶の不動態皮膜の厚さ
３０２  本発明を用いない場合の不動態皮膜の厚さ
３１０  研磨１後の不動態皮膜の厚さ
３１１  実際の多結晶の研磨１後の不動態皮膜の厚さ
３２０  研磨２後の不動態皮膜の厚さ
３２１  実際の多結晶の研磨２後の不動態皮膜の厚さ
４００  研磨前の凹凸
４０１  実際の多結晶の研磨前の凹凸
４０２  本発明を用いない場合の研磨前の凹凸
４１０  研磨１後の凹凸
４１１  実際の多結晶の研磨１後の凹凸
４２０  研磨２後の凹凸
４２１  実際の多結晶の研磨２後の凹凸
５１０  研磨１での除去加工厚さ
５１１  実際の多結晶の研磨１での除去加工厚さ
５１２  本発明を用いない場合の研磨１での除去加工厚さ
５２０  研磨２での除去加工厚さ
５２１  実際の多結晶の研磨２での除去加工厚さ
６１０  不動態皮膜の再生に使われた厚さ１
６１１  実際の多結晶の不動態皮膜の再生に使われた厚さ１
６２０  不動態皮膜の再生に使われた厚さ２
６２１  実際の多結晶の不動態皮膜の再生に使われた厚さ２
７０１  実際の多結晶の研磨加工されにくい結晶粒
７０２  本発明を用いない場合の多結晶の研磨加工されにくい結晶粒
８０２  本発明を用いない場合の多結晶の研磨加工されやすい結晶粒
８０１  実際の多結晶の研磨加工されやすい結晶粒
９１１  実際の多結晶の結晶粒ごとの段差１
９１２  本発明を用いない場合の結晶粒ごとの段差１
９２２  本発明を用いない場合の結晶粒ごとの段差２
９３２  本発明を用いない場合の結晶粒ごとの段差３
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
2017056698.tif 000010
2017056698.tif 000011