(57)【要約】【課題】半導体チップとステムとの接合部分に気泡が生じるのを抑制できる圧力センサを提供すること。【解決手段】圧力センサ１０は、ステム２０と半導体チップ３０を備える。ステムは、有底筒状をなし、底部２１１に、被測定媒体の圧力によって変形するダイアフラム２２が形成された金属基材２１と、底部の外面２１１ｂに形成された酸化膜２３を有する。半導体チップは、半導体基板３１と、半導体基板においてステム側の一面とは反対の裏面側に形成された歪ゲージ３２を有する。そして、半導体基板が酸化膜に直接接合されて、半導体チップがステムに固定されている。したがって、半導体チップとステムとの接合部分に気泡が生じるのを抑制することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有底筒状をなし、底部に、被測定媒体の圧力によって変形するダイアフラム（２２）が形成された金属基材（２１）と、前記底部における筒内面とは反対の外面に形成された酸化膜（２３）と、を有するステム（２０）と、
半導体基板（３１）と、前記半導体基板において前記ステム側の一面とは反対の裏面側に形成された歪ゲージ（３２）と、を有し、前記半導体基板が前記酸化膜に直接接合された半導体チップ（３０）と、
を備える圧力センサ。
【請求項２】
前記半導体基板は、シリコン基板であり、
前記酸化膜は、シリコン酸化膜である請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項３】
前記酸化膜は、前記半導体基板の板厚方向の投影視において前記歪ゲージを内包するように、前記ダイアフラムの一部分のみに局所的に形成されている請求項１又は請求項２に記載の圧力センサ。
【請求項４】
有底筒状をなし、底部に、被測定媒体の圧力によって変形するダイアフラム（２２）が形成された金属基材（２１）と、前記底部における筒内面とは反対の外面に形成された金属膜（２４）と、を有するステム（２０）と、
半導体基板（３１）と、前記半導体基板において前記ステム側の一面とは反対の裏面側に形成された歪ゲージ（３２）と、を有し、前記金属膜に接合された半導体チップ（３０）と、
を備える圧力センサ。
【請求項５】
前記半導体基板が、前記金属膜と共晶接合されている請求項４に記載の圧力センサ。
【請求項６】
前記半導体基板は、シリコン基板であり、
前記金属膜は、Ａｕ膜である請求項５に記載の圧力センサ。
【請求項７】
前記半導体チップは、前記半導体基板の一面上に形成された薄膜（３３）をさらに有し、
前記金属膜と前記薄膜とが共晶接合、若しくは、固相拡散接合している請求項４に記載の圧力センサ。
【請求項８】
前記金属膜は、前記半導体基板の板厚方向の投影視において前記歪ゲージを内包するように、前記ダイアフラムの一部分のみに局所的に形成されている請求項４〜７いずれか１項に記載の圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この明細書における開示は、圧力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、ダイアフラムを有するステムと、歪ゲージが形成された半導体チップを備える圧力センサが開示されている。この圧力センサにおいて、半導体チップは、低融点ガラスによりステムにおけるダイアフラムの表面に固定されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−３０２２９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記した圧力センサは、ステム上に、低融点ガラスからなるタブレットを介して半導体チップを配置し、低融点ガラスを焼成することで得ることができる。
【０００５】
しかしながら、タブレットは微小孔を有している。このため、焼成後において、半導体チップとステムとを接合するガラス層内に、微小孔由来の気泡が生じる場合がある。気泡が生じると、被測定媒体によるダイアフラムの変形が半導体チップの歪ゲージに十分に伝達されず、圧力の検出感度が低下する虞がある。また、気泡の有無や生じる気泡の大きさによって熱応力のばらつきが大きくなる。これにより、圧力の検出精度が低下する虞がある。
【０００６】
本開示はこのような課題に鑑みてなされたものであり、半導体チップとステムとの接合部分に気泡が生じるのを抑制できる圧力センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示は、上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。なお、括弧内の符号は、ひとつの態様として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って、技術的範囲を限定するものではない。
【０００８】
本開示のひとつである圧力センサは、
有底筒状をなし、底部に、被測定媒体の圧力によって変形するダイアフラム（２２）が形成された金属基材（２１）と、底部における筒内面とは反対の外面に形成された酸化膜（２３）と、を有するステム（２０）と、
半導体基板（３１）と、半導体基板においてステム側の一面とは反対の裏面側に形成された歪ゲージ（３２）と、を有し、半導体基板が酸化膜に直接接合された半導体チップ（３０）と、
を備える。
【０００９】
この圧力センサによれば、ステムの金属基材上に酸化膜を設け、この酸化膜に半導体チップの半導体基板が直接接合されている。したがって、半導体チップとステムとの接合部分に気泡が生じるのを抑制することができる。
【００１０】
本開示の他のひとつである圧力センサは、
有底筒状をなし、底部に、被測定媒体の圧力によって変形するダイアフラム（２２）が形成された金属基材（２１）と、底部における筒内面とは反対の外面に形成された金属膜（２４）と、を有するステム（２０）と、
半導体基板（３１）と、半導体基板においてステム側の一面とは反対の裏面側に形成された歪ゲージ（３２）と、を有し、金属膜に接合された半導体チップ（３０）と、
を備える。
【００１１】
この圧力センサによれば、ステムに金属膜を設け、この金属膜に半導体チップが接合されている。したがって、半導体チップとステムとの接合部分に気泡が生じるのを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１実施形態に係る圧力センサを示す断面図である。
【図２】図１に示す圧力センサの平面図である。
【図３】圧力センサの製造方法を示す図である。
【図４】焼成前の比較例を示す断面図である。
【図５】焼成後の比較例を示す断面図である。
【図６】第２実施形態に係る圧力センサを示す断面図である。
【図７】圧力センサの製造方法を示す図である。
【図８】第３実施形態に係る圧力センサを示す断面図である。
【図９】第４実施形態に係る圧力センサを示す断面図である。
【図１０】図９に示す圧力センサの平面図である。
【図１１】第１変形例を示す断面図である。
【図１２】第２変形例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図面を参照しながら、複数の実施形態を説明する。複数の実施形態において、機能的に及び／又は構造的に対応する部分には同一の参照符号を付与する。以下において、半導体基板の板厚方向をＺ方向と示す。また、Ｚ方向に直交する一方向をＸ方向、Ｚ方向及びＸ方向の両方向に直交する方向をＹ方向と示す。特に断りのない限り、ＸＹ平面に沿う形状を平面形状とする。
【００１４】
（第１実施形態）
先ず、図１及び図２に基づき、本実施形態に係る圧力センサの概略構成について説明する。この圧力センサは、たとえば自動車の燃料噴射系に取り付けられ、被測定媒体である燃料の圧力検出に用いられる。
【００１５】
図１及び図２に示すように、本実施形態の圧力センサ１０は、ステム２０と半導体チップ３０を備えている。
【００１６】
ステム２０は、金属基材２１を有している。金属基材２１は有底筒状をなしており、筒部２１０及び底部２１１を有している。金属基材２１における底部２１１と反対の端部は開口端とされている。本実施形態では、金属基材２１が略円筒形状をなしている。金属基材２１は、４２アロイ、コバール、ＳＵＳなどの金属材料を用いて形成されている。
【００１７】
金属基材２１の底部２１１のうち、筒部２１０が連なっていない部分、すなわち金属基材２１の内部空間２１Ｓの底の部分が、薄肉のダイアフラム２２とされている。このように、底部２１１にダイアフラム２２が形成されている。ダイアフラム２２は、内部空間２１Ｓに導入される被測定媒体（たとえば燃料）の圧力に応じて変形する。
【００１８】
金属基材２１の底部２１１における内面２１１ａと反対の外面２１１ｂには、酸化膜２３が形成されている。内面２１１ａが、筒内面に相当する。酸化膜２３は、半導体チップ３０の後述する半導体基板３１と直接接合が可能な材料を用いて形成されている。酸化膜２３は金属基材２１に密着固定されている。
【００１９】
本実施形態では、酸化膜２３としてシリコン酸化膜（Ｓｉ０２膜）が形成されている。この酸化膜２３は、スパッタ、ＣＶＤ、ＬＰＤなどの周知の方法により、金属基材２１上に成膜されている。酸化膜２３の膜厚は、たとえば数μｍ程度とされている。酸化膜２３は、底部２１１における外面２１１ｂのほぼ全面に形成されている。以上のように、ステム２０は、ダイアフラム２２の形成された金属基材２１と酸化膜２３を有している。
【００２０】
半導体チップ３０は、ステム２０の内部空間２１Ｓに導入された被測定媒体の圧力によってダイアフラム２２が変形したときに生じる歪を検出する。半導体チップ３０は、半導体基板３１と歪ゲージ３２を有している。半導体基板３１は、平面略矩形状（略正方形）をなしている。半導体基板３１は、少なくとも一部がダイアフラム２２上に配置される。
【００２１】
本実施形態では、図２に示すように、ＸＹ平面において、半導体基板３１の中心がダイアフラム２２の中心と略一致している。すなわち、ダイアフラム２２の中心に半導体チップ３０が配置されている。また、半導体基板３１としてシリコン（Ｓｉ）基板を採用している。半導体基板３１は、ステム２０の底部２１１上に配置されている。半導体基板３１は、ステム２０側の面である一面３１ａ及び一面３１ａと反対の裏面３１ｂを有している。
【００２２】
歪ゲージ３２は、半導体基板３１において裏面３１ｂ側に形成されている。歪ゲージ３２は、歪ゲージとも称される。歪ゲージ３２は、たとえば半導体基板３１にイオン注入することにより形成されている。歪ゲージ３２は、ダイアフラム２２の歪を電気信号に変換する。本実施形態では、半導体基板３１に４つの歪ゲージ３２が形成され、これによりブリッジ回路が構成されている。
【００２３】
半導体基板３１は、一面３１ａを接合面としてステム２０の酸化膜２３に直接接合されている。本実施形態では、Ｓｉからなる半導体基板３１とＳｉ０２からなる酸化膜２３とが貼り合わせられている。
【００２４】
次に、図３に基づき、上記した圧力センサ１０の製造方法について説明する。
【００２５】
図３に示すように、先ず半導体基板３１に歪ゲージ３２が形成されてなる半導体チップ３０を準備する。また、有底筒状の金属基材２１を準備する。
【００２６】
次いで、金属基材２１の底部２１１の外面２１１ｂに、Ｓｉ０２からなる酸化膜２３を成膜する。これにより、ステム２０が準備される。
【００２７】
次いで、一面３１ａが対向するように、ステム２０の酸化膜２３上に半導体チップ３０を載置（マウント）する。そして、加圧・加熱により、Ｓｉからなる半導体基板３１とＳｉ０２からなる酸化膜２３とを貼り合わせる。このように、半導体基板３１を酸化膜２３に直接接合することで、半導体チップ３０をステム２０に固定する。以上により、図１に示した圧力センサ１０を得ることができる。
【００２８】
次に、上記した圧力センサ１０の効果について説明する。図４及び図５は、比較例の圧力センサの製造方法を示す断面図である。比較例では、本実施形態の要素と同一又は関連する要素について、本実施形態の符号の末尾にｒを付け加えて示している。
【００２９】
比較例の圧力センサは、図４に示すように、先ずステム２０ｒの金属基材２１ｒにおける底部２１１ｒの外面２１１ｂｒに、低融点ガラスからなるタブレット４０ｒを配置する。焼成前のタブレット４０ｒは、微小孔４１ｒを有している。そして、タブレット４０ｒ上に、歪ゲージ３２ｒを有する半導体チップ３０ｒを配置する。
【００３０】
次いで、ステム２０ｒ、タブレット４０ｒ、及び半導体チップ３０ｒの積層体を焼成炉内に配置してタブレット４０ｒを構成する低融点ガラスを焼成し、図５に示すガラス層４２ｒを形成するとともに、ガラス層４２ｒを介して半導体チップ３０ｒをステム２０ｒに接合させる。以上により、比較例（従来構成）の圧力センサ１０ｒを得ることができる。
【００３１】
しかしながら、図５に示すように、焼成後において、半導体チップ３０ｒとステム２０ｒとを接合するガラス層４２ｒ内に、微小孔由来の気泡４３ｒが生じる場合がある。気泡４３ｒが生じると、被測定媒体によるダイアフラム２２ｒの変形が半導体チップ３０ｒの歪ゲージ３２ｒに十分に伝達されず、圧力の検出感度が低下する虞がある。また、気泡４３ｒの有無や生じる気泡４３ｒの大きさによって熱応力のばらつきが大きくなる。これにより、圧力の検出精度が低下する虞がある。
【００３２】
これに対し、本実施形態では、ステム２０の金属基材２１における底部２１１の外面２１１ｂに、Ｓｉ０２からなる酸化膜２３を設けることで、半導体チップ３０を構成するＳｉからなる半導体基板３１を、酸化膜２３、ひいてはステム２０に直接接合している。したがって、従来のような微小孔由来の気泡が生じるのを抑制することができる。これにより、圧力の検出感度の低下や圧力の検出精度の低下などを抑制することができる。
【００３３】
また、半導体チップ３０と金属基材２１とを接合する接合部分である酸化膜２３の厚みを薄くできるため、これによっても、感度低下を抑制することができる。また、熱応力を低減することもできる。
【００３４】
なお、半導体基板３１の構成材料と酸化膜２３の構成材料の組み合わせは、Ｓｉ／Ｓｉ０２に限定されない。直接接合（貼り合わせ）が可能な組み合わせであれば採用することができる。
【００３５】
（第２実施形態）
本実施形態は、先行実施形態を参照できる。このため、先行実施形態に示した圧力センサ１０と共通する部分についての説明は省略する。
【００３６】
図６に示すように、本実施形態の圧力センサ１０は、ステム２０が、先行実施形態の酸化膜２３に代えて、金属膜２４を有している。それ以外の点は、先行実施形態に示した圧力センサ１０と同じ構成となっている。
【００３７】
金属膜２４は、ステム２０の金属基材２１における底部２１１の外面２１１ｂに形成されている。金属膜２４は、半導体チップ３０を構成する半導体基板３１と共晶接合が可能な材料を用いて形成されている。成膜方法は特に限定されない。材料に応じてめっき、スパッタ、ＣＶＤ、蒸着などを適宜採用することができる。金属膜２４は金属基材２１に密着固定されている。
【００３８】
本実施形態では、金属膜２４として金めっき膜（Ａｕ薄膜）が形成されている。金属膜２４の膜厚は、たとえば０．１μｍ〜数μｍ程度とされている。金属膜２４は、底部２１１における外面２１１ｂのほぼ全面に形成されている。以上により、本実施形態のステム２０は、ダイアフラム２２の形成された金属基材２１と金属膜２４を有している。
【００３９】
次に、図７に基づき、上記した圧力センサ１０の製造方法について説明する。
【００４０】
図７に示すように、先ず半導体基板３１に歪ゲージ３２が形成されてなる半導体チップ３０を準備する。また、有底筒状の金属基材２１を準備する。
【００４１】
次いで、Ａｕめっきにより、金属基材２１の底部２１１の外面２１１ｂに金属膜２４を成膜する。これにより、ステム２０が準備される。
【００４２】
次いで、一面３１ａが対向するように、ステム２０の金属膜２４上に半導体チップ３０を載置（マウント）する。そして、加圧・加熱により、半導体基板３１のＳｉと金属膜２４のＡｕとの共晶を形成する。すなわち、半導体チップ３０を、ステム２０に接合する。以上により、図６に示した圧力センサ１０を得ることができる。
【００４３】
このように、本実施形態では、ステム２０の金属基材２１における底部２１１の外面２１１ｂに、Ａｕからなる金属膜２４を設けることで、半導体チップ３０を構成するＳｉからなる半導体基板３１を、金属膜２４、ひいてはステム２０に接合している。したがって、従来のような微小孔由来の気泡が生じるのを抑制することができる。これにより、圧力の検出感度の低下や圧力の検出精度の低下などを抑制することができる。
【００４４】
また、半導体チップ３０と金属基材２１とを接合する接合部分である金属膜２４の厚みを薄くできるため、これによっても、感度低下を抑制することができる。また、熱応力を低減することもできる。
【００４５】
なお、半導体基板３１の構成材料と金属膜２４の構成材料の組み合わせは、Ｓｉ／Ａｕに限定されない。共晶接合が可能な組み合わせであれば採用することができる。
【００４６】
（第３実施形態）
本実施形態は、先行実施形態を参照できる。このため、先行実施形態に示した圧力センサ１０と共通する部分についての説明は省略する。
【００４７】
図８に示すように、本実施形態の圧力センサ１０は、半導体チップ３０が金属膜２４に接合する薄膜３３を有している。それ以外の点は、第２実施形態に示した圧力センサ１０と同じ構成となっている。
【００４８】
薄膜３３は、半導体基板３１における一面３１ａ上に形成されている。薄膜３３の膜厚は、たとえば０．１μｍ〜数μｍ程度とされている。薄膜３３は、ステム２０の金属膜２４との共晶接合、若しくは、固相拡散接合が可能な材料を用いて形成されている。成膜方法は特に限定されない。材料に応じてめっき、スパッタ、ＣＶＤ、蒸着などを適宜採用することができる。薄膜３３は半導体基板３１に密着固定されている。
【００４９】
本実施形態では、金属膜２４としてＡＬ薄膜が形成され、薄膜３３としてＡＬ薄膜が形成されている。金属膜２４は、底部２１１における外面２１１ｂのほぼ全面に形成されている。薄膜３３は、半導体基板３１における一面３１ａのほぼ全面に形成されている。そして、半導体チップ３０の薄膜３３のＡＬと金属膜２４のＡＬとの固相拡散により、半導体チップ３０がステム２０に接合されている。
【００５０】
このように、本実施形態では、ステム２０の金属基材２１における底部２１１の外面２１１ｂにＡＬからなる金属膜２４を設け、半導体基板３１の一面３１ａにＡＬからなる薄膜３３を設けることで、半導体チップ３０をステム２０に接合している。したがって、従来のような微小孔由来の気泡が生じるのを抑制することができる。これにより、圧力の検出感度の低下や圧力の検出精度の低下などを抑制することができる。
【００５１】
また、半導体チップ３０と金属基材２１とを接合する接合部分である金属膜２４及び薄膜３３の厚みを薄くできるため、これによっても、感度低下を抑制することができる。また、熱応力を低減することもできる。
【００５２】
なお、金属膜２４の構成材料と薄膜３３の構成材料の組み合わせは、ＡＬ／ＡＬに限定されない。共晶接合若しくは固相拡散接合が可能な組み合わせであれば採用することができる。たとえば、Ａｕ／Ａｕ、Ｃｕ／Ｃｕ、Ａｕ／Ｓｎ、ＡＬ／Ｇｅを採用することもできる。
【００５３】
（第４実施形態）
本実施形態は、先行実施形態を参照できる。このため、先行実施形態に示した圧力センサ１０と共通する部分についての説明は省略する。
【００５４】
図９及び図１０に示すように、本実施形態の圧力センサ１０は、酸化膜２３が底部２１１の外面２１１ｂのほぼ全面ではなく、ダイアフラム２２の一部分のみに局所的に設けられている。それ以外の点は、第１実施形態に示した圧力センサ１０と同じ構成となっている。
【００５５】
酸化膜２３は、Ｚ方向の投影視においてすべての歪ゲージ３２を内包し、且つ、ダイアフラム２２の一部分のみに局所的に設けられている。すなわち、酸化膜２３は、半導体基板３１の一面３１ａのほぼ全面ではなく、一部分のみに局所的に設けられている。よって、一面３１ａと外面２１１ｂとの対向領域のうち、一部のみに酸化膜２３が介在し、残りの部分には酸化膜２３が介在していない。
【００５６】
このような圧力センサ１０は、先行実施形態に示した製造方法によって形成することができる。ただし、酸化膜２３を形成する際に、マスク等によってパターニングすることで、酸化膜２３をダイアフラム２２の一部分のみに局所的に設ける。
【００５７】
このように、本実施形態では、酸化膜２３が、ＸＹ平面において歪ゲージ３２を内包し、且つ、ダイアフラム２２の一部分のみに局所的に設けられている。これにより、外面２１１ｂのほぼ全面に酸化膜２３が形成される構成や半導体基板３１の一面３１ａのほぼ全面と対向するように形成される構成に較べて、半導体チップ３０とダイアフラム２２との間の応力伝達領域が狭くなっている。したがって、第１実施形態に示した効果に加えて、さらに熱応力のばらつきを小さくすることができる。
【００５８】
また、酸化膜２３が、半導体基板３１の一面３１ａのほぼ全面に対向しつつ、ダイアフラム２２の一部分のみに局所的に設けられた構成としてもよい。これによれば、歪ゲージ３２の直下のみに酸化膜２３を設ける構成よりは効果が弱まるものの、外面２１１ｂのほぼ全面に酸化膜２３が形成され構成に較べて、熱応力のばらつきを小さくすることができる。
【００５９】
なお、金属膜２４を有する構成にも適用できる。金属膜２４が、Ｚ方向の投影視においてすべての歪ゲージ３２を内包し、且つ、ダイアフラム２２の一部分のみに局所的に設けられることで、応力のばらつきを小さくすることができる。
【００６０】
この明細書の開示は、例示された実施形態に制限されない。開示は、例示された実施形態と、それらに基づく当業者による変形態様を包含する。たとえば、開示は、実施形態において示された要素の組み合わせに限定されない。開示は、多様な組み合わせによって実施可能である。開示される技術的範囲は、実施形態の記載に限定されない。開示されるいくつかの技術的範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものと解されるべきである。
【００６１】
圧力センサ１０がステム２０及び半導体チップ３０に加えて、ハウジング等をさらに備えてもよい。たとえば筒状のハウジング内に、ステム２０及び半導体チップ３０が収容される構成としてもよい。
【００６２】
半導体チップ３０の中心とダイアフラム２２の中心が略一致するように、半導体チップ３０が配置される例を示したがこれに限定されない。ダイアフラム２２の中心からずれた位置に半導体チップ３０を配置してもよい。
【００６３】
たとえば図１１に示す第１変形例では、筒部２１０の内周面と半導体チップ３０の中心とが略一致するように、半導体チップ３０が配置されている。
【００６４】
図１２に示す第２変形例のように、酸化膜２３に、半導体チップ３０をマウントする際の位置基準となる凹部２５を設けてもよい。凹部２５は、ＸＹ平面において半導体チップ３０の位置が決まるようなパターンで形成されている。少なくとも隣り合う２辺の位置を決めるようなパターンであればよい。図１２では、平面略コの字状をなす凹部２５を２つ設けている。
【００６５】
凹部２５を設けると、別部材によって位置基準を設けなくても、半導体チップ３０をステム２０の所定位置にマウントすることができる。簡素な構成で、半導体チップ３０の位置ばらつきを低減することができる。
【００６６】
なお、図１２では、凹部２５を貫通孔としているが、未貫通の孔を採用することもできる。さらには、酸化膜２３に原手されず、金属膜２４において凹部２５を設けることもできる。
【符号の説明】
【００６７】
１０…圧力センサ
２０…ステム、２１…金属基材、２１Ｓ…内部空間、２１０…筒部、２１１…底部、２１１ａ…内面、２１１ｂ…外面、２２…ダイアフラム、２３…酸化膜、２４…金属膜、２５…凹部
３０…半導体チップ、３１…半導体基板、３１ａ…一面、３１ｂ…裏面、３２…歪ゲージ、３３…薄膜
４０ｒ…タブレット、４１ｒ…微小孔、４２ｒ…ガラス層、４３ｒ…気泡
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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