(57)【要約】  本発明の電気ピンリード構造とろう付け技術は、半導体基板に良く接着するセンサー内のろう付けリードを提供する一方で、接合疲労または破損のない横柔軟性を容易にする。このアプローチの利点は、単一処理ステップで、ピンリードをダイアフラム（１４）にろう付けすると共に、ダイアフラムを高温ガラスでセラミックバッキングプレートにシールすることができることである。
2006529027.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非多孔性外面を有するセンサーであって、
その中を通って延びる開口部を含むバッキングプレートと、
ダイアフラムと、
前記ダイアフラムの内面上に配置された検出素子と、
少なくとも一つの開口部を通って延びると共に、前記ダイアフラム上の前記検出素子に接続された少なくとも一つの電気リードであって、高温ろう組成物で前記ダイアフラムの内面上にろう付けするのに適したコイルヘッドを有する電気リードと、
前記バッキングプレートおよび前記ダイアフラムに対してグラッシングによって結合されるのに適したガラス層であって、高い結合強度および約７００℃以上の高い溶融温度の双方を有するガラス層とを備え、前記ガラス層は前記バッキングプレートを前記ダイアフラムに結合させ、前記コイルヘッドは前記検出素子にろう付けされることを特徴とするセンサー。
【請求項２】
請求項１に記載のセンサーであって、前記少なくとも一つの電気リードは、前記ろう組成物および前記電気リードが単一の高温溶融操作を受けた後に冷却されたときに、前記ダイアフラムについての応力を低減するために、前記ダイアフラムと同様の膨張率を有することを特徴とするセンサー。
【請求項３】
請求項１に記載のセンサーであって、前記少なくとも一つの電気リードは、ニッケルおよびコバールのうちから選択されたワイヤーからコイルばねに形成されていることを特徴とするセンサー。
【請求項４】
請求項１に記載のセンサーであって、前記ろう組成物は銅、銀およびパラジウムを含有することを特徴とするセンサー。
【請求項５】
請求項１に記載のセンサーであって、
前記ガラス層と前記非多孔性ダイアフラムとの間に配置された結合パッドと、
前記ガラス層内に形成され、前記結合パッドへの接触を可能にする窓部と
を更に備え、前記電気リードは前記結合パッドにろう付けされることを特徴とするセンサー。
【請求項６】
請求項５に記載のセンサーであって、前記結合パッドはチタン層および拡散障壁を備え、前記ダイアフラムはサファイアから構成されることを特徴とするセンサー。
【請求項７】
絶縁基板上に配置された半導体素子に関連して使用されるように構成された電気リード部材であって、コイルリード部材を備え、そのリード部材の一部分は前記基板上の前記半導体素子にろう付けされるのに適していることを特徴とするリード部材。
【請求項８】
請求項７に記載のリード部材であって、前記コイル部材は電気リード部材のシャフトの端に位置し、前記半導体素子にろう付けされるのに適したコイルばね部材から構成されることを特徴とするリード部材。
【請求項９】
請求項７に記載のリード部材であって、前記コイル部材はコイルばね部材であることを特徴とするリード部材。
【請求項１０】
請求項９に記載のリード部材であって、前記コイルばね部材は複数のコイルから構成され、端に位置するコイルは中央に位置するコイルよりもその間隔が密であることを特徴とするリード部材。
【請求項１１】
電気リードを半導体装置に結合する方法であって、
コイル部材から構成された電気リードを形成するステップと、
複合ろう材を基板表面に付与するステップと、
前記コイル部材の一部を、前記ろう材の上に配置するとともに、前記リードのシャフトが前記基板の表面に対してほぼ直交するように基板の表面上に配置するステップと、
複合ろう材が溶解し、その複合ろう材が冷えたときに前記コイル部材が前記基板表面に接着するように、前記複合ろう材を十分高い温度に加熱するステップと
を備えることを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の方法であって、前記コイル部材を形成するステップは、複数のコイルから形成されたコイルヘッドを含むことを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項１１に記載の方法であって、前記基板内の応力破損を回避するために、時間をかけて前記複合ろう材を冷却するステップを更に備えることを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１１に記載の方法であって、前記コイル部材を形成するステップは前記電気リードの上にコイルヘッドを形成するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１１に記載の方法であって、前記複合ろう材を加熱する前に前記センサーの上に重りを追加するステップを更に備えることを特徴とする方法。
【請求項１６】
電気リードを半導体装置に結合する方法であって、
コイル部材から構成された電気リードを形成するステップと、
その内部を通って延びる開口部を含むバッキングプレートを供給するステップと、
その上に半導体素子を有すると共に、前記バッキングプレートに接続されるのに適した基板を供給するステップと、
前記バッキングプレートおよび前記基板にグラッシングによって結合されるのに適したガラス層であって、高い結合強度および高い溶融温度を有する材料から構成されたガラス層を供給するステップと、
前記バッキングプレートの前記開口部内に複合ろう材を付与するステップと、
前記バッキングプレート内の少なくとも一つの開口部を通って前記ろう材に隣接した前記電気リードの前記コイル部材を、前記電気リードの一部分が前記バッキングプレートから突出するように位置付けるステップと、
前記コイル部材が前記基板にろう付けされ、前記バッキングプレートおよび前記基板が一緒にグラッシングされるように、前記複合ろう材および前記ガラス層を十分高い温度に加熱するステップと
を備えることを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の方法であって、前記電気リードはコイル部材とシャフトから構成されたことを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１６に記載の方法であって、前記複合ろう材を加熱する前に前記センサーの上に重りを追加するステップを更に備えることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、出願番号09/620,007を有する2000年7 月20日に出願された「超純粋環境および高腐食環境において使用可能なセンサー(Sensor Usable in Ultra Pure and Highly Corrosive Environment)」と題された出願の部分継続出願である。
【０００２】
本発明は、概してセンサーに関し、より詳細には、高温度安定性を有し化学的攻撃に強い圧力／温度センサーに関する。
【背景技術】
【０００３】
圧力センサーは、ゲージ圧力または絶対圧力のいずれかを測定するために種々の応用において使用されてきた。これらの応用の多くは、好ましくない環境における圧力測定を含んでいる。圧力センサーは容量型またはピエゾ抵抗型のものとすることができる。例えば、アルミナセラミック容量型センサーは、厚い不柔順なセラミックシートの間に挟まれた絶縁スペーサリングを有する一般的に薄い柔順なセラミックシートを備えることができる。第１の薄いシートまたはダイアフラムは、厚みが約０．１２７〜１．２７ｍｍ（０．００５〜０．０５０インチ）であり、一般的には０．０２０インチである。厚いセラミックシートは、２．５４〜５．０８ｍｍ（０．１００〜０．２００インチ）の間の厚みを有している。ダイアフラムの厚みはダイアフラムの直径によって決まることが好ましいことは当業者にとって明らかである。スペーサは適当なガラス材料で構成することができる。セラミックディスクの並置面を金、ニッケル、またはクロムなどの金属によって金属化してコンデンサのプレートを形成する。同様な容量型圧力変換器がBell他によって特許文献１の中で述べられている。特許文献１の中で述べられたのと同様の他の容量型圧力変換器は、当業技術において可能かつ周知のものである。ピエゾ抵抗型センサーは一般的に、ホイートストーンブリッジを使って、電圧変化を測定し、電圧変化を検知圧力変化と関連づける。これらの圧力センサーのいずれかを使って、超純粋環境にある流体の圧力を測定することができるが、非汚染性の圧力センサーに対する必要性は存在する。
【０００４】
感受性材料の超純粋処理は一般的に苛性流体の使用を必要とする。製造プロセスの間の感受性材料の汚染は製造業者が直面する重大問題である。種々の製造システムは、製造プロセスの間に発生する異物、イオン汚染物質、および蒸気による感受性材料の汚染を低減するように設計されている。感受性材料の処理はしばしば、苛性流体との直接接触を含むことがある。従って、非汚染状態にあって異物のない処理場所へ苛性流体を供給することは必要不可欠である。処理機器の種々の部品は一般に、生成される項目の量とプロセス流体に溶けるイオンを減らし、処理化学製品を汚染の影響から隔離するようになっている。
【０００５】
処理機器は一般に、苛性化学製品を供給タンクからポンプおよび調整装置を通り、更に処理機器それ自身を通って運ぶ液体搬送システムを含んでいる。この液状化学製品搬送システムは、パイプ、ポンプ、配管、監視装置、検出装置、バルブ、フィッティング、および関連装置を含み、しばしば汚染化学製品の劣化作用に強いプラスチックで作られている。そのような監視装置において従来使用されている金属は、腐食環境に確実に耐えることができず、長時間プロセス流体を汚染する。従って、監視および検出装置は、代用材料を含むか、苛性流体から隔離されたままでなければならない。
【０００６】
プロセスは非常にクリーンでなければならないが、非常に攻撃的な化学製品をしばしば含んでいる。この化学製品は、例えば、刺激の強い酸、塩基、および溶剤を含むことがある。半導体産業は、攻撃的研磨剤を使用する最近導入されたプロセスを有している。プロセス機器と監視計器はこれらの研磨剤の機械的作用に対して強くなくてはならない。
【０００７】
また、プロセス機器計器の高信頼性は絶対に必要なものである。いかなる理由があっても半導体または薬品のラインを停止することは損害が大きい。かつて、圧力変換器は一般に、厚い絶縁ダイアフラムによって分離された補給流体を用いて、プロセスからの圧力をセンサー自身へ送っていた。この補給流体は、ある種のアイソレータダイアフラムまたは別のものによってプロセスから分離される。このアイソレータダイアフラムの損傷とそれに続くプロセスへの補給流体の損失は、製品の損失を生じ、操作を再開する前のシステム清掃を必要とする。このアイソレーティングダイアフラムは、著しい、場合によっては許容できない測定誤差をもたらす。設計からアイソレータダイアフラムと補給流体を取り除くことは有益である。
【０００８】
また、半導体製造において一般的に使用される処理機器は、一つまたはそれ以上の監視装置、バルブ装置、および検出装置を有している。これらの装置は一般的に閉ループフィードバック関係で接続されおり、機器の監視と制御に使用される。これらの監視および検出装置はまた、もたらされるかも知れないすべての汚染を取り除くようになっていなければならない。これらの検出装置には、圧力センサーを有する圧力変換器モジュールおよび流量計が含まれる。苛性流体と直接接触する、圧力変換器または流量計の圧力センサーの一部分を有することは望ましい。従って、苛性流体と直接接触する圧力センサーの表面は汚染するものであってはならない。多孔性材料は、多孔性材料のいたるところで苛性流体を入出させる。例えば、セラミック材料は、それ自身が更に攻撃的な腐食性材料によって容易に攻撃される種々のガラスのような材料と一緒に固められる。従って、苛性流体と直接接触する圧力センサーのそれらの部分を非多孔性材料で作るのが好ましい。
【０００９】
ギゼリン(Ghiselin)らに発行された特許文献２は、酸化アルミニウムベースに接着した単一のクリスタルサファイアダイアフラムを有する歪ゲージを説明している。ギゼリンらは、サファイアが、ガラスボンディング材料、エポキシ、または他の接着方法によって接着されることを示している。ギゼリンらは、ガラスボンディング材料の更なる説明またはガラスボンドがサファイアと酸化アルミニウムのベースにどのように接着するかの説明を行っていない。しかしながら、特許文献２は、ガラスボンドを、歪点で分離する低強度材料として説明している。特許文献２は、歪点を下げることによってガラスの低強度の欠陥を避けるための幾何学的配置の変更を説明している。ヘグナー(Hegner)他に発行された特許文献３は、酸化アルミニウムセラミック部分への結合のためにガラスを使用することに伴う問題を説明している。特許文献３は、アルミナセラミックへの接合材料としてのアルミナの使用を説明している。ヘグナーらとギゼリンらによって説明された装置は、４００℃以下の有効動作温度に制限されるものと考えられている。従って、特許文献３および特許文献２によって説明されているセンサーの信頼性は、温度が４００℃を超えるに従って低下する。低い融点を有するガラスは、強度が低く機械的安定性が低い。またこれらのガラスは一般に、均質ボンドを開発するのに問題がある。すべてのこれらの特性は、最適なものよりも低い反復性とヒステリシスを有するセンサーへ導く。従って、高強度ボンドによってベースに結合される非多孔性表面を有する圧力センサーであって、非多孔性材料とベースの間の高強度ボンドが４００℃以上の温度で安定している圧力センサーに対する必要性が存在する。
【００１０】
電磁波障害（ＥＭＩ）と無線周波数障害（ＲＦＩ）がピエゾ抵抗型センサーの性能を低下させることも知られている。導電性遮蔽層をシリコン層（その上にホイートストーンブリッジが形成されている）とサファイアの間に置くことはできない。サファイアの上のシリコンのエピタキシャル構造のためである。サファイアの外側に導電性遮蔽層を置くのは、サファイアの外側が苛性流体と接触する位置にある場合は好ましくない。従って、ＥＭＩとＲＦＩが圧力センサーの非暴露表面に形成された検出素子に影響を及ぼすのを防ぐ非汚染圧力センサーに対する必要性が存在する。
【００１１】
サファイアまたはシリコンカーバイドなどの単結晶材料を、ろう付け、グラッシング、および拡散ボンディングによって、他の単結晶または多結晶セラミックに接合するには、強く、高降伏点の、安定した接合もたらすことから、高温プロセス（６００℃〜１２００℃）が望ましい。高温プロセスが用いられるところでは、単結晶またはセラミック基板（一般にはシリコンであるがガリウム砒素を含むこともできる）上の半導体装置への電気接続を行う通常の方法はもはや使用することはできない。二つの最も一般的な接続方法は、１）ワイヤーボンディングと、２）導電性エポキシ接合である。ワイヤーボンディングでは、金または好ましくはアルミニウム金属層を最初にシリコン上に蒸着しなければならない。高温の金とアルミニウムは急速にシリコン内に拡散する。いったん拡散すると、これらの材料層はワイヤーが接合するための適当な表面を形成しない。
【００１２】
高温環境に耐える金属膜は、チタンなどの粘着層から構成され、その次に拡散障壁がくる。高温プロセスのための拡散障壁は、モリブデン、イリジウム、ニオビウム、タンタル、タングステン、またはオスミウムなどの耐熱金属である。これらの金属は、時間がたてば導体とエポキシの間に抵抗酸化物を築き上げる。このことは、ピエゾ抵抗型センサーに対して安定性問題を引き起こす。エポキシを加える前に接合部を前処理するのは時間がかかるが酸化層の形成を防ぐことはない。はんだも耐熱金属に接着しない。
【００１３】
半導体基板にピンまたはリードを取り付けるための一つのアプローチは、それぞれ図１９Ａと１９Ｂに示すように、ピンを所定の場所にろう付けすることである。より詳しくは、図１９Ａは基板へのネイルヘッドピンの従来技術のろう付けの一例であり、図１９Ｂは基板へのヘッドレスピンの従来技術のろう付けの一例である。図１９Ａはその上にろう付けされたピン２１０を有する単結晶基板２００を示す。ピン２１０はピンシャフト２１２とピンヘッド２１４を含み、このピンヘッド２１４は基板２００とのボンディング表面積を大きくする。ろう２１６はピンヘッド２１４の両側に加えられる。応力破損２１８によって示されるように、薄い単結晶材料にとっては応力破損は重大問題となる。ネイルヘッドピン２１４は基板２００の平面にろう付けされるので、基板２００は溶けたろうが硬化（または凝固）し収縮するとき引張応力を生じる。この引張応力はピンヘッド２１４の周囲に集中し、基板内の破損を促進する。
【特許文献１】米国特許第４，１７７，４９６号
【特許文献２】米国特許第４，７７４，８４３号
【特許文献３】米国特許第５，９５４，９００号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
応力破損に対する一つの解決策は、基板結晶材料の熱膨張率と一致する金属を見出だすことである。残念なことに、サファイアなどの結晶は異なる方向に異なる膨張率を有している。更に深刻なことには、金属は大きな温度範囲にわたって一定の膨張率を有していない。金属は一般的には、高温においては室温におけるよりも高速で膨張する。室温において結晶の温度係数と一致する合金は、８００℃か９００℃において更に大きい膨張率を有する。
【００１５】
図１９Ｂに示すように、基板２００内の応力を最小にするためのもう一つのアプローチは、基板２００とヘッドレスピン２１０との間の接合部の断面積を最小にすることである。ヘッドレスピンは基板２００との接合部の断面積を非常に小さくするのを助けるが、新しく形成された接合部は、その後の製造段階の間、（矢印２２０によって示すような前後の）ピンの扱いによる大きい局部的な応力の影響を受け易い。この種の突合せ接合は、取り付け面積が小さく位置合わせの影響を受け易いので、信頼性のない幾何学的配置と考えられている。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、本発明の記載の査読により明らかとなるであろうこれらおよび他の必要性を満たしている。
本発明は一般にセンサーに関し、より詳しくは、２００℃まで優れた安定性を有し、７００℃まで有効に動作可能な圧力／温度センサーに関する。本発明の圧力センサーは、流体で充填することなく動作し、外部に露出した金属部品を有さない。この圧力センサーは、超純粋環境の中で流体と直接接触した位置に配置することができる非多孔性で不浸透性の表面を備える。本発明の一実施態様においては、非多孔性表面は化学攻撃に強い単一結晶サファイア層から構成されている。この方法においては、時間が経つにつれて化学製品または汚染物質がセンサーからプロセス流へ溶出することはない。これに限定されるわけではないが、本発明の圧力センサーは、プロセス流体における圧力を検出するための化学的不活性な圧力変換器モジュールまたは流量計における使用に適しており、それらの高温プラスチックハウジング内に直接成形することができる。
【００１７】
本発明は非多孔性外面を含む圧力センサーを提供する。この非多孔性表面は低い拡散率および低い表面吸着性を特徴とする。好ましい実施態様においては、圧力センサーは、バッキングプレートと、非多孔性ダイアフラムと、このダイアフラムの内面に隣接した検出素子と、バッキングプレートおよび非多孔性ダイアフラムにグラッシングによって結合された高強度材料のガラス層とを備える。バッキングプレートは構造に剛性を与える。バッキングプレートの剛性は、ハウジング（図示せず）からセンサーダイアフラム上の検出素子へ伝えられる応力に耐える。バッキングプレートは、プロセス媒体とは直接接触しないが、機械的に安定であり、高温プロセスに適用できることが要求される。バッキングプレートの熱膨張率は検出ダイアフラムの熱膨張率とほぼ同じでなければならない。熱の影響を補償することは可能であるが、大きな不一致は製造の間に応力を生じ、そのような応力は、時間が経つにつれて二つの部品の間における結合を破壊し得る。非多孔性ダイアフラムは、それぞれピエゾ抵抗型センサーまたは容量型センサーの一部としてその上に形成されたホイートストーンブリッジまたは導電層を含むことができることは当業者にとって明らかである。
【００１８】
好ましい実施態様においては、シリコン層が非多孔性ダイアフラムの内面に形成され、その上にホイートストーンブリッジなどの歪ゲージが形成されるが、これに限定されるわけではない。バッキングプレートはそれを通って延びる開口部を備え、この開口部は検出素子に接続される電気リードを受容するのに適している。非多孔性ダイアフラムの近くの圧力変化は検出素子によって検出可能である。ダイアフラムに対する圧力の増減はダイアフラムの偏位を生じ、その偏位は次いで歪ゲージの抵抗を変化させる。この抵抗変化はダイアフラムの近くの圧力と関係がある。
【００１９】
非多孔性ダイアフラムはサファイアなどの化学的不活性材料から構成されることが好ましいが、これに限定されるわけではない。サファイアとバッキングプレートとの間のガラス層は、高結合強度ホウケイ酸ガラスまたは高結合強度および７００℃以上の、好ましくは１０００℃以上の溶融温度を有する適切な既知の構造を備える他のガラスから形成されることが好ましい。ダイアフラムが収縮する量はガラス層の厚みと直径によって調節される。ガラス層は、０．０５０８〜０．７６２ｍｍ（０．００２〜０．０３０インチ）、好ましくは０．２５４ｍｍ（０．０１０インチ）の厚みと、２．５４〜５０．８ｍｍ（０．１００〜２．０インチ）、好ましくは１７．８ｍｍ（０．７００インチ）の外径を有することができる。ダイアフラムの能動検出領域は１．２７〜５０．８ｍｍ（０．０５０〜２．０インチ）までであって好ましくは１０．２ｍｍ（０．４００インチ）であり得る。このダイアフラムの厚みおよび直径の範囲は限定的と解釈されるべきではなく、ある種の応用における厚みおよび直径は所望により更に低減または増加することができることは当業
者にとって明らかである。この方法において、非多孔性ダイアフラムはバッキングプレートの内面と係合する。バッキングプレートと非多孔性ダイアフラムは、広い温度範囲にわたって不必要な応力を避けるために同じような熱膨張率を有する材料で形成されることは当業者にとって明らかである。以下に更に詳細に述べるように、圧力センサーは検出素子が絶対圧またはゲージ圧を検出できるように構成することができる。
【００２０】
圧力センサーは更に、窒化シリコン層と、シリコン層とバッキングプレートとの間にある金属化層または導電層を備えることができる（図１１参照）。この方法において、窒化シリコン層は電気絶縁体として作用し、金属化層はＥＭＩ／ＲＦＩが検出素子２０に影響を及ぼすのを防止する。圧力センサーは更に、非多孔性ダイアフラムの各層、窒化シリコン層、金属化層、およびバッキングプレートの外縁の少なくとも一部分に隣接したコーティング、ガスケット、またはシールを含むことができる。これに限定されるわけではないが、耐酸エポキシ、またはＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロチレン）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ウレタン、またはパラリン（Paralyne）保護などの耐腐食性ポリマーを使用することができ、耐酸性エポキシが好ましい。
【００２１】
圧力センサーは、ガラス層と非多孔性ダイアフラムとの間のダイアフラム上に形成された結合パッドを含む。これに限定されるわけではないが、結合パッドの好ましい実施態様はチタン層と拡散障壁から構成される。ドープシリコン薄膜は既知の適当な方法で結合パッドを連結してホイートストーンブリッジを形成する。窓部がガラス層およびバッキングプレートの中に形成されるので結合パッドへのアクセスが可能である。電気リードはガラス層とバッキングプレートの中に形成された窓部を通って延び、結合パッドにろう付けされる。電気リードは結合パッドにろう付けされ、ガラス層はダイアフラムおよびバッキングプレートにグラッシングされる。
【００２２】
代替実施態様においては、ダイアフラムと検出素子は、ピエゾ抵抗型センサーよりもむしろ容量型センサーを形成するように変更される。圧力が加えられたときに収縮する薄い検出ダイアフラムは、検出ダイアフラムの内面に形成された容量性プレートを有し、もう一つの容量性プレートはバッキングプレートの内面に形成される。一つの電気リードは検出ダイアフラムの内面に形成された容量性プレートに接続され、もう一つのリードはバッキングプレートの内面に電気的に接続される。前記ダイアフラムと前記プレートとの間の間隔が圧力によって変化すると、前記プレートの静電容量が変化する。この静電容量の変化は、電気的に接続された既知の適当な構成の検出素子によって検出される。
【００２３】
本発明の利点は、以下の好ましい実施態様の詳細な説明の査読から、特に、特許請求の範囲および添付図面を共に検討したときに、当業者にとって容易に明らかとなる。添付図面において、種々の図面において同一の数字は対応する部分を示している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明は圧力センサーの広く適用可能な改良である。ここに詳細に述べられた実施態様は、本発明の改良を含むことができるそれらの代表例または典型例として実施されるものであり、限定的なものではない。本発明の圧力センサーは、検出ダイアフラムを有するピエゾ抵抗型または容量型センサーとして構成することができる。検出ダイアフラムは一つの単結晶サファイアで作られる。あるいは、検出ダイアフラムは単結晶ダイアモンドで構成することができる。本発明のセンサー１０は一般に、バッキングプレート１２、検出ダイアフラム１４、バッキングプレート１２とダイアフラム１４の間の石英ガラスボンド１６、および電気リード１８を備えている（図１と図２を参照）。検出ダイアフラム１４の製造の間、単結晶サファイアの大きなウエハーを用いるので、多くのセンサーを半導体技術のよく知られているプレーナプロセスを用いて同時に製造することができる。
【００２５】
サファイアは電気絶縁体であることは当業者にとって明らかである。サファイアをＲ面に沿って切断した場合、サファイアの上に適当な厚みのシリコンの単結晶エピタキシャル膜を成長させることが可能である。そのシリコン膜には、拡散、イオン注入、または他の手段によって、ホウ素または燐などの原子種をドーピングして、膜半導体特性を与えることができる。注入エネルギーおよびドーパント濃度を変化させることによって、膜の面積抵抗値を調節することができる。この膜は、電気抵抗を有するのに加えて、歪に応じてその抵抗を変化させる。この特性はピエゾ抵抗として知られている。前に述べたように、検出ダイアフラム１４の偏位は膜を歪ませ、抵抗変化を生じる。圧力検出信号はこの抵抗変化から得られる。
【００２６】
シリコンをドーピングするためにイオン注入を選んだ場合、注入プロセスの間に膜の中に増大する応力を除去するためにはドーピングに続くアニール工程が望ましい。アニール工程はまた、ドーパント原子をシリコン層のすみずみまで一様に分散させるのに役立つ。シリコンパターン２０はホイートストーンブリッジ(Wheatstone bridge) ２２を形成する（図６と図７を参照）。種々の異なるパターンがホイートストーンブリッジ２２を生成できることは当業者にとって明らかである。シリコン抵抗器２０を標準的なフォトリソグラフィー技術によってパターン化することができる。窒化シリコン絶縁層２４（図８と図１０を参照）は化学蒸着によってサファイアウエハーの全面に施される。ウエハー全体にフォトリソグラフィーレジストを施す。レジスト中に窓部がパターン化され、化学的に除去される。酸エッチング液はレジストの中の窓部によって露出された下に位置する窒化物を除去する。レジストがエッチング除去されると、ホイートストーンブリッジへの接続点、すなわち結合パッド２６のそれぞれの上方に隣接して窓部２８が空けられる（図８参照）。窒化シリコン層２４は丈夫な絶縁層であり、傷つきやすいシリコン層をさらに保護する。
【００２７】
金属の結合パッド２６は、ホイートストーンブリッジ２２に電気リード１８を接続するために必要である。金およびアルミニウムなどの半導体装置における結合パッドとして一般的に使用される金属は、グラッシング温度でシリコンと合金になるため不適当である。好ましい実施態様においては、二金属層結合パッドが構成される（図１０参照）。無線周波数（ＲＦ）スパッタリングと呼ばれるプロセスを使って、チタン層３０が全ウエハー上に被着される。チタンは非常に活性な金属であり、優れたボンディング特性を有している。しかしながら、チタンは、チタンとろう材３４との間に拡散障壁３２を必要とする。ろう合金３４は結合パッド２６をピン１８に接合する。拡散障壁３２がなければ、ろう３４はチタン層３０と薄いシリコン層２０の双方と合金になる。冷却時、この合金は表面張力によって一緒に引っ張られ、シリコン膜を局部的に破壊する。拡散障壁３２は、ろう付け温度（約１０００℃）で合金を形成しない耐熱金属である必要がある。ニオビウム、タングステン、イリジウム、モリブデン、タンタル、プラチナ、およびパラジウムがこの目的のために適切であるが、これらに限定されるわけではない。障壁材料３２は、それを通って延びる最小量のピンホールを有する膜にすることができる。あらゆる酸化物はろう付け温度で解離しなければならない。ニオビウムは拡散障壁として十分機能することが知られている。ニオビウムはチタン層３０の上で全サファイアウエハー１４にわたってＲＦスパッターされる。その後、ニオビウム層は既知のリソグラフィー技術を用いてパターン化される。
【００２８】
好ましい実施態様においては、結合パッド２６のための金属は、蒸着およびスパッタリングを含むがこれらに限定されない当業者にとって既知の方法で被着され、パターン化される。結合パッド２６は、前記金属がシリコン層２０の一部分の上に重なる（図８参照）が、主としてサファイアダイアフラム１４に直接接触するようにパターン化される。この理由は、金属化層が小さなピンホールを有し得るためである。ろう３４が拡散障壁３２を
通り抜けられると、ろう３４はシリコンと合金となり、その結果、膜の破壊を生じることが知られている。グラッシングおよびろう付けの間、石英ガラス１６は、ピンから結合パッド２６金属がシリコンパターン２０に重なっている領域へのろう３４の流れを抑制するのに役立つことができる。ろう３４はシリコンパターン２０に重なってはならない。
【００２９】
サファイアダイアフラム１４がパターン化されると、サファイアウエハーを既知のダイシング方法を用いてダイシングして、サファイアウエハーから複数のサファイアダイアフラムを分離する。結晶面に沿っての罫書きと破断、超音波加工、またはレーザー切断を含むが、これらに限定されない種々の方法を使用することができる。既知の方法の使用は、圧力センサー製造のために望ましい丸ダイアフラム１４を切り取ることを考慮している。
【００３０】
電気リード１８は結合パッド２６にろう付けされ、バッキングプレート１２はダイアフラム１４にグラッシングされる。厚いバッキングプレート１２またはウエハーは、穴すなわちビア３６（図２参照）を有するセラミックから構成される。ビア３６は結合パッド２６に並ぶと共に、センサーダイアフラム１４から圧力情報を利用する電子回路への電気リードの通路となるようにバッキングプレート１２の中に形成される。ゲージ圧検出が所望される場合、通気孔３８がバッキングプレート１２を通って設けられる。一般に、セラミックは、代表的には結合剤として作用する少量のガラスを用いて高温で焼結された金属酸化物粉末からなる。一般的なセラミックはアルミナであり、アルミナは単結晶サファイアと類似した多くの特性を有している。アルミナセラミックのガラス含有量が数パーセント以下に保たれる限りは、二つの材料の熱膨張率はほとんど差がない。
【００３１】
サファイアおよびアルミナの双方と良好に結合するガラスは同等の熱膨張特性を有する必要がある。ホウケイ酸ガラスはこの目的によく適していることが知られている。このガラスは、一緒にフリットボンディング材料のために使用されるガラスよりも遥かに高い溶融温度を有している。バルクシリコンから形成され６００℃以上の高温に曝されるセンサーは、隣接領域へのドーパント原子の過度の拡散を経験することが知られている。従って、このバルクシリコンセンサーは、一般的に、４５０℃未満の処理温度に制限され、しかも大まかな偏位用である。米国特許No.4,774,843の中でギゼリンらによって示されたように、セラミックバッキングプレートへのサファイアダイアフラムの確実なボンディングは重大問題であった。グラッシングにおいて使用される提案された高結合強度ホウケイ酸ガラスは、低温低強度ソルダーガラスまたはガラスフリットとは明らかに異なっている。ソルダーガラスは約４５０℃の溶融温度を有し、低強度である。
【００３２】
ろう付けではなく、「グラッシング（glassing：ガラス状に固化すること）」によって、サファイアをアルミナセラミックに結合させるために、石英ガラス１６は、バッキングプレート１２の表面に予め形成されるか、または同表面を被覆することができる。いずれの場合においても、石英ガラスが、それを形成し始めた所から遠くへ流れないことが重要である。ガラスパターンの内径が著しく変化した場合、センサー１０の圧力特性が大幅に変化することがあり得る。また、グラッシングプロセスの間、金属結合パッド２６の上のろう３４が溶ける前に、ガラス１６が結合パッド２６からあふれ出た場合には、ピン１８は結合パッド２６にろう付けされない。ガラスの加熱は、不安定性またはガラスの破損を生じ得るガラスボンド内の残留応力を避けるために一定温度においてされなければならない。また、石英ガラス１６は電気ピン１８のための開口部または窓部を有さなければならない。更に、ダイアフラム１４とバッキングプレート１２との間の石英ガラスボンド１６の厚みを制御することによって、検出ダイアフラム１４は、過剰圧力の間、バッキングプレート１２の上で最低になる（図４参照）。従って、この過剰圧力停止は、センサー１０の過剰圧力容量を１００倍以上に増やす。
【００３３】
ＰＮ接合を用いて、任意のダイオードまたはトランジスタを形成するとともに、シリコ
ンウエハー上にある任意のフィーチャを隔離する。シリコン基板上のホイートストーンブリッジを容易に形成するめに、ブリッジを基板半導体から隔離するためのＰＮ接合を必要とする。ＰＮ接合は大変有用であるけれども、４００℃以上ですぐに劣化する。ほとんどのプロセスに対して、装置を３０分以上４５０℃で放置することは可能ではなく、そうでなければそれは破壊される。高い安定性のボンドを形成するために、９００〜１１００℃のような高温で２〜６時間にわたって継続するプロセスを有することは不可能であることは明らかである。本発明のホイートストーンブリッジはサファイアダイアフラムの上に直接形成されるので、それらの間には高溶融温度（４００℃以上）による不良を生じるＰＮ接合はない。更に、ＰＮ接合はダイアフラムおよびバックプレートのガラスボンドの破壊を生じる可能性がある。抵抗表面が必要とされないところではシリコンは完全にエッチング除去される。
【００３４】
電気リード１８を結合パッド２６に結合するために使用されるろう合金３４は、石英ガラス１６の温度よりも少し低い温度で溶融しなければならない。また、ろう３４は、溶融温度において、金属層２６からすべての酸化物を除去するのに十分なほど活性でなければならない。これに限定されるわけではないが、適切な既知の構成のいくつかの銅ろう合金はこれらの要求を満たすことができることが知られている。ガラス１６が流動し始める前にろう３４が溶解する場合、石英ガラス１６が結合パッド２６の上に流れ出すと、その石英ガラス１６はろう３４および結合パッド２６の上に流れ出すので、結合パッド領域に与えられる応力を著しく軽減する。これに限定されるわけではないが、モルガン  アドバンスド  セラミックス  インコーポレイテッド（Morgan Advanced Ceramics Incorporated ）の一事業部である、カリフォルニア州、サンカルロス所在のウェスゴ  メタルズ（Wesgo Metals）によって販売されているPakusil-15（パラジウム、銅、および銀から構成される）などのろう合金は、満足できる程度にろう付けすることが知られている。
【００３５】
電気リード、すなわちピン１８は、小断面積のものであるべきであり、延性金属製のものが好ましい。セラミックバッキングプレート１２の中の穴３６の幾何学的配置によって制限されるこのようなピン１８構造は、良好な歪軽減特性を有しており、応力をピン１８から検出素子へ伝えない。ピン１８は、ニッケルまたは金などの良好なろう付け性能および適当なはんだ付け性能を有する金属でメッキされていることが必要である。
【００３６】
ピンまたはリードを半導体基板にろう付けする改善されたアプローチは、接合部の幾何学的配置を変更すること、ピン構造の形状を変更すること、および金属ピンを強化することである。図２０は、本発明の教示に従ってシリコン基板にろう付けされた本発明のコイルピンの実施態様の部分側面図である。コイルピン２５０は、コイルピンヘッド２５４において基板２５１にろう付けされる。この特定の実施態様においては、ピン２５０の足元にはピンのヘッドとして機能するように形成された単一円コイル２５４を備える。関連実施態様においては、シャフトの端にばねが形成されており、そのばね部分が基板の上に取り付けられる。もう一つの関連実施態様においては、製造が容易であるのと、基板と９０度に位置合わせするのが容易であるために、多重コイルばねがリードとして使用される。ろう付けプロセスの冷却段階の間、コイルピン２５９は図１９Ａに示す堅いヘッドピンよりも柔軟である。コバールまたはインバールなどの材料を用いて、熱膨張率をできるだけ厳密に一致させることによって、応力を１０倍以上低減することが可能である。
【００３７】
一実施態様においては、ピンは、約８．１３ｍｍ（０．３２０インチ）の長さと、１．０２ｍｍ（０．０４０インチ）のコイル外径と、約０．２０３ｍｍ（０．００８インチ）のワイヤー直径を有している。ピンの構造に関する一つの重要な事項はワイヤー直径である。ワイヤー直径寸法の好ましい範囲は、約０．０２５４〜０．０５０８ｍｍ（０．００１インチから約０．０２０インチ）である。ワイヤーの構造に対するもう一つの重要な設計事項は、ワイヤーの剛性が直径の４乗で増加することである。ニッケルはリードのため
の好ましい材料であるが、コバールも同様に作用する。
【００３８】
もう一つの重要な設計事項は、ピンを基板にろう付けするのに使用されるろう材の厚みおよび組成である。好ましいろう組成物は、６５％の銀と、２０％の銅と、１５％のパラジウムとから構成される。ホウケイ酸ガラスの溶融温度（〜９００℃）に近い溶融温度を得るために種々の銅および銀の組合せが用いられるが、使用されるパラジウムの量はろうの溶融温度に影響を及ぼす。この組成物においてパラジウムを多く使用するほど、ろう材の溶融温度は高くなる。パラジウムはまた、ろうの溶融溜りの粘度を制御することに関して、ろう組成物中において重要な役割を担う。溶融温度における銀および銅の粘度は双方とも非常に低いということが知られている。これらの材料は双方とも薄膜誘電体を通って水平方向および垂直方向に隣接領域へと容易に移動する。この作用は、電気的短絡を生じたり、プロセスの歩留まりを低下させたりすることがある。パラジウムはろうの粘度を著しく増大させ、銀および銅の移動作用を低減する。この実施態様においては、ろう材は約０．０２５４〜０．０５０８ｍｍ（０．０００１インチから約０．０００２インチ）の厚みを有する。
【００３９】
本発明に関連して使用される数多くのろう付けプロセスがある。グラッシングとろう付けを一つのプロセスで行うベルト加熱炉プロセスを使用するのが好ましい。このアプローチは費用の節約になるが、ろう付け接合の機能にとって必要不可欠ではない。
【００４０】
代替実施態様においては、ピンまたはリードの材料としてニッケルが用いられ、ニッケルは前記膨張係数と厳密に一致しないが、非常に低い降伏強度を有している。膨張率が高くなることがある一方で、基板結晶構造とろう材の強度が小断面ワイヤーコイルの強度を圧倒することがある。これを補うために、ろう付けする端部だけでなく、もう一方の端部にもコイル部分が連結され、回路基板、ワイヤー、またはフレックス回路に取り付けられる。このため容易にはんだ付けできる材料が望ましい。金、プラチナ、およびニッケルはすべてこの要求を満たしており、ニッケルは最も低コストである。
【００４１】
センサー１０のすべての構成材料の高温性能は、長時間の非常に高温（４００℃以上）でのそのようなセンサー１０の使用を可能にし、かつ／または、そのようなセンサー１．０をPFA （一般名）TEFLON（Ｒ）（「Teflon」はイー．アイ．デュポン・ド・ヌムール  アンド  カンパニー（E.I. Dupont DeNemours and Company ）の登録商標である）などの高性能プラスチックハウジング内に直接成形することができる（図１４参照）。圧力センサーにおけるそのようなモールドは、センサー１０とプラスチックハウジングとの間をきわめて確実にシールする。
【００４２】
再び図３と図４において、ダイアフラム１４の撓みについて議論する。４０によって示された第１の点線は、ダイアフラム１４の大きく誇張された撓みを表している。４２によって示された第２の点線は、過剰圧力によるダイアフラムの撓みを表している（過剰圧力の間のダイアフラムの撓みについてのバッキングプレート１２が有する停止作用を無視）。そのような大きな撓みはおそらくダイアフラム１４を破壊または破損するであろう。図５は、中央部分が外側部分よりも薄い改良ダイアフラム１４を示す。一般的に、ダイアフラムの直径を縮小するほど、最大の感度を得るためには、ダイアフラムの厚みを低減しなければならない。ダイアフラム１４とバッキングプレート１２との間の隙間は、ガラスボンド１６の厚みによって調整することができる。一つの実施態様においては、ガラス厚みを最小にして構造の剛性を改善する。浅い窪み（２〜５ミル）をモールド時にセラミック１２内に作る。過剰圧力条件下で、サファイアはセラミック１２の内面上で最低となるので、サファイアダイアフラム１４についての撓み応力は制限される。
【００４３】
これに限定されるわけではないが、ダイアフラムの一般的な撓みは０．２５４〜０．０
０２５４ｍｍ（０．０１から０．０００１インチ）の間にあり、間隔はダイアフラム１４の厚みにより５．０８〜０．００５０８ｍｍ（０．２から０．０００２インチ）の間とすることができる。隙間の大きさの程度はダイアフラム１４の厚みの２倍であるのが好ましい。ダイアフラムの能動検知領域は、０．０５０８〜１．２７ｍｍ（０．００２から０．０５０インチ）の範囲の厚みを有するダイアフラムに対して１．９１〜５０．８ｍｍ（０．０７５から２インチ）の範囲にあることができる。実際的な制約が、ウエハー製造の間、単結晶サファイアウエハーの厚みを制限する。しかしながら、単結晶シリコンとは異なり、化学プロセスによって薄いサファイアダイアフラムを形成する簡単な方法はない。薄いサファイアウエハーからのダイアフラムの製造は徐々に点に達するが、センサー形成プロセスの間に誘導される高い熱応力は自壊内部応力を生じる。あるいは、ダイアフラムの検出領域の直径を増やせば、圧力装置の感度が増える。しかしながら、ダイアフラムの直径が増大するにつれコストも増大する。
【００４４】
図５に示す改良ダイアフラム４は、厚いサファイアウエハーから製造されるが、検出領域に近接したダイアフラムの厚みは低減されている。薄膜処理が完了した後でダイアフラムを薄くすることは、より従順な圧力検出ダイアフラムを可能にしている。各装置の周囲に残された材料の縁は、例えば、検出ダイアフラムが圧力検出ハウジングと直接接触する場合に必要な強度を提供する。薄い中央領域４６は必要な感度を提供する。サファイアダイアフラム１４は、当業者にとって既知の研磨加工または超音波加工などの従来の機械的手段によって薄くすることができる。あるいは、環状溝８０をダイアフラム１４の外側検出面に形成することができる（図１７参照）。溝の形状は重要ではないが、丸い縁および溝が好ましいことは当業者にとって明らかである。また、前記溝は環状であるが、他の幾何学的形状が、ガラスボンド１６に隣接した領域内の撓み圧力を軽減するのに十分である場合もある。
【００４５】
図１１に、本発明の圧力センサーの代替実施態様が示されており、バッキングプレート１２と窒化シリコン層２４の間に挟まれた導電層を有している。導電層４８は電気的に接地されている。この方法においては、電磁波障害（ＥＭＩ）および無線周波数障害（ＲＦＩ）が阻止される。ＥＭＩおよびＲＦＩはピエゾ抵抗型センサーの性能を低下させることが知られている。サファイア上のシリコンのエピタキシャル構成と、シリコンをサファイアへ直接結合したいという望みのため、シリコンとサファイアの間に導電層を配置することは可能ではない。また、サファイアダイアフラムの外側に導電層を配置することは、サファイアダイアフラムの非多孔性で化学的不活性であるという属性を無効にする。これに限定されるわけではないが、導電または金属化層４８は、ニオビウム、タングステン、イリジウム、モリブデン、タンタル、プラチナ、およびパラジウム、またはＥＭＩとＲＦＩを遮蔽すると知られている他の材料の層で構成することができる。従って、金属層４８は、該導電層の上方からのＥＭＩおよびＲＦＩから検出素子を保護する。
【００４６】
導電層４８は地電位にあるので、ＥＭＩおよびＲＦＩは導電層４８においてゼロ電位の定在波を引き起こす。定在波の放射線が、波長が接地面と抵抗要素の間の距離にほぼ等しい周波数成分を有する場合、著しい障害が生じることが知られている。一方、接地面から抵抗要素までの距離が小さい場合には、定在波はピエゾ抵抗型素子のところで無視できる程度の振幅しか有さず、障害は生じない。ＥＭＩ障害およびＲＦＩ障害は１ＭＨｚから１０００ＭＨｚの範囲で生じるので、この周波数範囲に対する最小波長は０．３メートルである。また、接地面とピエゾ抵抗型素子またはシリコンパターン２０との間の距離は、約５００オングストロームまたは０．０００００００５メートルである窒化シリコン層の厚みに等しい。従って、ＥＭＩとＲＦＩ遮蔽の予想される効果は約６，０００，０００対１である。
【００４７】
図１２は、本発明のセンサー１０のもう一つの代替実施態様を示す。高腐食性環境にお
いて圧力を検出するために、非多孔性の化学的不活性圧力センサーを有利に使用することができる。単結晶サファイアから構成された検出ダイアフラムを有するセンサーは、化学的攻撃からの優れた防御を行う。センサー１０は、一次シール５２と二次シール５４を有する圧力変換器ハウジング５０（図１３参照）内に置くことができる。一次シールがサファイアダイアフラムの外面に係合している場合には、プロセス流体はそのシールとサファイアのみを濡らす。既知の適当な構成のシールはプロセス流体に対して浸透性があるので、一次シールを越えるプロセス流体もある。最初の一次シールを過ぎて浸透するフッ化水素酸などの非常に攻撃的なプロセス流体は、サファイアダイアフラム１４とセラミックバッキングプレート１２との間の接合部を攻撃することがあり得る。接合部の腐食による汚染物質は、そのときプロセス流体へ逆浸透することがあり得る。本発明は、接合部を囲むセンサー１０の縁に適用される、耐酸エポキシ、例えば、これに限定されるわけではないが、Hackensack, N.J.のMaster Bond, Inc. から入手可能な耐酸エポキシEP21ARなどの化学的に耐性のあるポリマーを含むことができる。あるいは、例えば、これに限定されるわけではないが、TEFLON（登録商標）製のガスケット型シール、または、例えば、これに限定されるわけではないが、KALREZ（登録商標）製のエラストマー型シール８４を、図１８に示すようにセンサーの接合部に対して押し付けることができる。シール８４はＬ型断面を有し、センサー１０の側面の周囲およびダイアフラム１４検出外面を覆い得る。ガスケットシール８４はハウジング５０の一部として形成することができることは当業者にとって明らかである。また、電気的遮蔽を強化するために、炭素粉末を混ぜ合わせることによって材料を導電性にすることができる。導電性エポキシを、電気グラウンドに接続された導電性インク５８によって電気グランドに接続することができる。もう一つの実施態様においては、センサーが使用中のときに、サファイアからの化学的溶出とプロセス流体への化学的溶出を制限するように、（サファイア表面を含む）センサーにパラリン（Paralyne）を塗布することができる。別の実施態様においては、サファイアダイアフラムからの化学的溶出をも制限するようにセンサーにPFA を塗布することもできる。
【００４８】
図１３は、流体ポート６０を有する圧力変換器ハウジング５０内に置かれたセンサー１０を示す。サファイアダイアフラムは一次シール５２と二次シール５４をシールする。通気孔すなわちドレイン６２は、圧力変換器ハウジングの外側から一次シールと二次シールの間のハウジング内へ達することができる。通気孔６２は、シール間の圧力を軽減し、かつ／または、一次シールに浸透する流体が圧力変換器ハウジング５０から出て行くための通路となる。サファイアダイアフラム１４を有する本発明のセンサー１０は、耐腐食性かつ耐溶剤性の圧力センサーを提供し、測定可能な温度または圧力のヒステリシスのない望ましい撓みを有し、４００℃を超えるプロセス流体温度に耐えることができる。図１４において、この圧力センサーは高温に耐えることができるので、上記の代わりに、この圧力センサーを、プラスチック注入成形プロセスの間、インサートとして圧力変換器のプラスチックハウジング５０内に成形することができ、そのことによって、一次シールまたは二次シールの必要性を取り除くことができる。ハウジングそれ自身はセンサー１０に対するシールとして作用する。そのような所定位置に成形される圧力センサーおよびモジュールは、生産コストを下げ、構成を簡単にし、圧力変換器モジュールの全体サイズを小さくするものと予想される。
【００４９】
図１５は、本発明のセンサー１０のもう一つの代替実施態様を示す。このセンサー１０は、ダイアフラム１４に隣接した流体の圧力と温度の双方を検出することができる。接合パッド７２は、接合パッド２６と同様な方法で、それと同時にセンサー上に形成される。抵抗器７０は、ガラスボンド１６とダイアフラム１４の間に形成される。抵抗器を圧力応力ゾーンの外側に置くことによって、抵抗器７０の抵抗に影響を及ぼし得る圧力誘導応力を避けることができる。単結晶シリコン抵抗器７０の抵抗は、明確な温度依存性を有している。高ドーピング濃度（１０１９原子／cc以上のｐドーピング）に対して、温度と抵抗の間の関数はほぼ一次関数に等しい。従って、抵抗が変化するとき温度変化を容易に測定
することができる。
【００５０】
図１６は、センサー１０の別の実施態様を示し、ここでは、ホイートストーンブリッジ２２の抵抗器が圧力および温度の双方を決定するために使用される。センサー１０の外縁が点線で示されている。また、ホイートストーンブリッジを構成する単結晶シリコン抵抗器の抵抗は、明確な温度依存性を有している。図１６の中で「Ｒｔ」として示されている抵抗器７６は、ホイートストーンブリッジ２２に電気的に接続されているが、ゼロ温度係数のものである。金属膜抵抗器はこの要求を満たしている。例えば、これに限定されるわけではないが、抵抗器７６は、圧力変換器の検出電子回路と共に配置され、ダイアフラム１４からは遠隔に位置し得る。抵抗器７６の値は、ホイートストーンブリッジ２２抵抗の値の約半分であるのが好ましい。温度決定精度についての圧力の影響は、当業者にとって既知のデータフィッティング手順と共に多項式を用いて温度を決定するとき、無視することができる。ホイートストーンブリッジ２２抵抗が温度と共に変化するとき、電圧Ｖｔも変化する。ブリッジ全体を分圧回路の中の一つの抵抗器として使用することができる。電圧Ｖｔはそのとき、アナログまたはディジタル補正スキームのための温度信号として使用することができる。
【００５１】
電圧Ｖｔは、ホイートストーンブリッジ２２の温度によってほとんど決まり、特にシリコン抵抗器が高密度でドープされている場合はそうである。シリコン抵抗器が低密度でドープされているか、ユーザーが温度測定における不確実性を低減したい場合には、温度をマトリックス記述によって得ることができる。以下の多項式を使用することができ、温度Ｔは出力ＶｔとＶｐの関数として表される。
【００５２】
T = a00 + a01VT + a02VT2 +  … + a10VP + a11VPVT + a12VPVT2 + … + a20VP2 + …
ここで、係数axx は、当業者にとって既知の最小二乗フィッティング手順によって得られる。データフィッティング手順と共に上記記述を使用することにより、歪効果に対して校正された校正温度出力を有するセンサーが得られる。従って、単一センサーによる圧力と温度の同時測定が、速い応答時間で達成される。あるいは、温度出力だけが望まれる場合は、抵抗器の足を、歪を感知しない軸線に向けることによって圧力記述を避けることができる。例えば、サファイア上のＲ面シリコンの最大歪感度は、抵抗素子を投影Ｃ軸に対して４５度に向けることによって達成される。ここで、Ｒ面とＣ軸は結晶幾何学的配置のミラー指数によって決定される。投影Ｃ軸に平行または垂直に並んだ抵抗素子に対し、ピエゾ抵抗はゼロである。抵抗器の軸を回転して圧力感度を除去することができる。この方法において、センサー１０は、圧力感度を除去し、従ってセンサー１０に近接した温度だけを測定するように作ることができる。
【００５３】
高温ガラスシール（７００℃以上）は、低温ボンディング方法（一般的には４００℃ガラス）よりも硬く、少ないヒステリスを有している。しかしながら、高温シーリングプロセスは、従来のワイヤーボンディングに必要な任意の構造（結合パッド）も破壊する。ワイヤーボンディングに対する従来の代案は、導電性エポキシであるが、導電性エポキシは酸化しやすい性質があり、時間がたてば抵抗が増加する。この抵抗増加はセンサーの出力変化を生じる。ろう付けプロセスと本発明の電気リード構成は、この問題の有効な解決策を提供する。
【００５４】
銀および銅は、ろう付け材料として使用される場合には有効ではない。これは、それらはシリコンまたはシリコン基板へ急速に拡散する性質があり、それらが溶解した場所から遠く離れて配置された電気／電子構造に損傷を与えるためである。本発明においては、加熱の間に、ろう溜りの流体の粘度を増加させるためにパラジウムを使用して、銀および銅の移動を制御するように作用する。
【００５５】
図２１と図２２は、関連センサー実施態様である、検出ダイアフラム１４Ａを有するピエゾ抵抗型または容量型センサーとして構成可能な本発明のセンサー１０（圧力か温度かまたはその双方）を示す。検出ダイアフラム１４は一つの単結晶サファイアから形成されている。あるいは、検出ダイアフラムは単結晶ダイアモンドで構成することもできる。本発明のセンサー１０Ａは一般に、バッキングプレート１２Ａ，検出ダイアフラム１４Ａ，バッキングプレート１２とダイアフラム１４の間のガラスボンドを形成するために使用される石英ガラスプリフォームプレート１６Ａ（好ましくは、高温（７００℃以上）高強度のホウケイ酸ガラス）、およびコイルばね電気リード１８Ａを備えている。この例においては、バッキングプレートは、そこを通って伸びて、リードを収納する開口部３６Ａを有しており、少なくとも一つのオフセットベントホール３８Ａを含んでいる。
【００５６】
この実施態様においては、サファイアダイアフラムは約１７．７ｍｍ（０．６９５インチ）の直径を有しており、石英プレート１６よりも僅かに直径が小さいのが好ましい。プリフォーム石英プレート１６は、約１８ｍｍ（０．７１０インチ）の外径と約９．６５ｍｍ（０．３８０インチ）の内径を有し、厚みは約０．２５４ｍｍ（０．０１０インチ）である。リードを収納する開口部１７Ａは、約１．２７ｍｍ（０．０５０インチ）の直径を有し、約１３．８ｍｍ（０．５４５インチ）の直径を有する架空内輪の上に配置されている（図２２参照）。プリフォームろう合金３４Ａは、パラジウム、銅、および銀（Ａｇ６５％、Ｃｕ２０％、Ｐｄ１５％）から形成された複合材料であることが好ましく、約１．１９±０．０５０８（０．０４７±０．００２インチ）の直径と約０．０５０８±０．０２５４（０．００２±０．００１インチ）の厚みを有している。ろう材がリード上で溶解すると、その引張強度は最低２ポンドとなるはずである。
【００５７】
バッキングプレート１４Ａは、９６％アルミナであり、約１８±０．１２７ｍｍ（０．７１０±０．００５インチ）の直径と約６．１±０．１２７ｍｍ（０．２４０±０．００５インチ）の厚みを有している。開口部３６Ａは約１．２７ｍｍ（０．０５０インチ）の直径を有しているが、ベントホール３８Ａは（この実施態様においては）１．２７から０．８１３ｍｍ（０．０５０インチから０．０３２インチまで）までのテーパをなす直径を有している。先細になった端部はダイアフラムの付近に配置される。
【００５８】
図２２に示すセンサー１０Ａの側面図は、リード１８Ａの約２０％がバッキングプレート１２Ａの上に突出していることを示す。図２３に示すように、コイルばねリード１８Ａは、０．８１３ｍｍ（０．３２インチ）の長さを有するのが好ましく、二つのデッドコイル部分１９Ａと伸張中央コイル部分１９Ｂから構成されることが好ましいが、これに限定される必要はない。図２２において、デッドコイル部分１９Ａは、その長さの約２０％をバッキングプレート１２Ａから突出している。このコイルは約０．９１４〜１．０７ｍｍ（０．０３６インチから約０．０４２インチ）の直径を有することが好ましい。コイルばねリードを形成するためにコバールを用いることもできるが、それはその剛性の故に加工しにくい材料である。
【００５９】
関連実施態様においては、上記および図２３に示されたコイルばねリード構成は、リードの柔軟性が好ましく、下にある基板を破損する心配がある他の電子応用において使用することもできる。
【００６０】
センサーの製造の間、バッキングプレートとダイアフラムとの間に良好なガラスボンドが確実に形成されるように、センサー１０Ａの部品のアセンブリの上に重りが置かれる。この実施態様においては、使用される重りはステンレス鋼製であり、重さはシーリング面の１平方インチ当たり約１００グラムである。ステンレス鋼はプロセスにおける他の材料に反応しないので好ましいが、重りを他の非反応材料から形成することができる。重りは
、リード１８Ａがそこから突出するバッキングプレートの側面に置くことが好ましい。この実施態様においては、アセンブリ全体をベルト加熱炉にかけるような単一加熱／溶融操作によって、ガラスボンドが形成され、リードがろう付けされる。関連実施態様においては、最初にバッキングプレートとダイアフラムとが一緒にガラス結合される。次に、ろう材がリードと共に開口部内に置かれ、アセンブリが約９２５℃のろう付け温度にさらされた後、基板破損を避けるために徐々に冷却（毎分約７〜１０℃）され、この操作全体は約２時間続く。処理時間は製造されるセンサーの熱質量に応じて変化する（例えば、センサーが大きければ大きいほど冷却時間は長くなる）。
【００６１】
センサーの処理におけるもう一つのステップは、ガラスボンドを好ましく形成することと、非酸化環境におけるろう付けである。ろう付けプロセスの間、存在する酸素は半導体表面を酸化させるので、ろう付けされたリードとダイアフラム上の検出素子との間に形成されるべき機械的導電性接合を損なう。一つのアプローチは、センサーが形成されるチャンバー内の酸素を置換するためにアルゴンまたは窒素ガスを使用することである。もう一つのアプローチは、装置表面の酸化を避けるために高温（１０５０℃以上）での真空ろう付けを使用することである。
【００６２】
本発明について、特許法規に従うために、そして、当業者に、新規な原理を適用するために必要な情報と、要求されるような特別な構成要素を組み立て使用するために必要な情報を提供するために、本書において相当詳しく説明してきた。しかしながら、明らかに異なる機器および装置によって本発明を実施できることと、本発明自身の範囲から逸脱することなしに機器と操作手順の双方に関して種々の変更を達成できることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の圧力センサーの斜視図。
【図２】本発明の圧力センサーの一実施態様の部分断面側面図。
【図３】本発明の圧力センサーの一実施態様の部分断面側面図。
【図４】本発明の圧力センサーの一実施態様の部分断面側面図。
【図５】本発明の圧力センサーの一実施態様の部分断面側面図。
【図６】本発明のその上に形成されたホイートストーンブリッジを有するダイアフラムの上面図。
【図７】本発明のダイアフラムの一実施態様の部分断面上面図。
【図８】本発明の結合パッドの一実施態様の部分断面上面図。
【図９】本発明の結合パッドの一実施態様の部分断面側面図。
【図１０】本発明の結合パッドの一実施態様の部分断面側面図。
【図１１】本発明の圧力センサーの一実施態様の部分断面側面図。
【図１２】本発明の圧力センサーの一実施態様の部分断面側面図。
【図１３】圧力変換器ハウジングの中に置かれた本発明の圧力センサーの一実施態様の部分断面側面図。
【図１４】圧力変換器ハウジングの中にモールドされた本発明の圧力センサーの一実施態様の部分断面側面図。
【図１５】本発明のダイアフラムの一実施態様の部分断面上面図。
【図１６】本発明のダイアフラムの一実施態様の電気回路図。
【図１７】本発明の圧力センサーの一実施態様の部分断面側面図。
【図１８】センサーの縁に隣接したシールまたはガスケットを有する本発明の圧力センサーの一実施態様の部分断面側面図。
【図１９Ａ】基板へのネイルヘッドの従来技術のろう付けの一例を示す図。
【図１９Ｂ】基板へのヘッドレスピンの従来技術のろう付けの一例を示す図。
【図２０】本発明の教えに従って基板にろう付けされた本発明のコイルピン実施態様の部分側面図。
【図２１】本発明の教えに従ってダイアフラムにろう付けされたコイルばねリードを有するセンサーの分解組立図。
【図２２Ａ】図２１の組立センサーを示す図。
【図２２Ｂ】図２１の組立センサーを示す図。
【図２２Ｃ】図２１の組立センサーを示す図。
【図２３】本発明のコイルばねリードの拡大図。
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
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【図２２Ｃ】
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【図２３】
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【国際調査報告】
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