(57)【要約】【課題】未接合領域の発生を防止し、接合面全体にわたって十分な静電引力を発生させることができ、ガラス基台とセンサチップを強固に化学接合することができる半導体センサの側面陽極接合方法を提供する。【解決手段】複数のプラス電極１０をセンサチップ４の上面中央とシリコンチューブ３の外周面にそれぞれ接触させる。マイナス電極３３をガラス基台２を挟んで対向するように配置する。各マイナス電極３３をガラス基台２の側面でセンサチップの非接合部に対応する部分より下方の側面部分に接触させ、プラス電極１０とマイナス電極３３に通電することにより、センサチップ４とガラス基台２を陽極接合する。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面中央部に対角線に対して４５°傾斜した正方形のダイヤフラムが形成されたセンサチップの前記ダイヤフラムを取り囲む部分を厚肉の接合部とし、下面側に中空のシリコンチューブが陽極接合されたガラス基台の上面に前記接合部の下面を陽極接合し、前記センサチップと前記ガラス基台との角部間で前記接合部より外側に非接合部を形成する半導体センサの側面陽極接合方法において、
複数のプラス電極を前記センサチップの上面中央と前記シリコンチューブの外周面にそれぞれ接触させ、
少なくとも一対のマイナス電極を、前記ガラス基台を挟んで対向するように配置し、
各マイナス電極を前記ガラス基台の側面で前記センサチップの非接合部に対応する部分より下方の側面部分に接触させ、前記プラス電極と前記マイナス電極に通電することにより、前記センサチップの前記接合部を前記ガラス基台に陽極接合することを特徴とする半導体センサの側面陽極接合方法。
【請求項２】
請求項１記載の半導体センサの側面陽極接合方法において、
前記マイナス電極は二股状に分岐した一対の電極片を有し、これら一対の電極片の先端面は同一平面からなり、前記ガラス基台の当該マイナス電極と対向する側面で前記センサチップの非接合部に対応する部分より下方の側面部分に接触することを特徴とする半導体センサの側面陽極接合方法。
【請求項３】
請求項１記載の半導体センサの側面陽極接合方法において、
前記マイナス電極は、前記ガラス基台の対角線上の２つの角部を挟んで対向し、各マイナス電極は二股状に分岐した一対の電極片を有し、これらの一対の電極片の先端面は、４５°の角度で内側に傾斜する斜面からなり、前記ガラス基台の対向する角部を挟んで隣り合う２つの側面で前記センサチップの非接合部に対応する部分より下方の側面部分にそれぞれ接触することを特徴とする半導体センサの側面陽極接合方法。
【請求項４】
上面中央部に対角線に対して４５°傾斜した正方形のダイヤフラムが形成されたセンサチップの前記ダイヤフラムを取り囲む部分を厚肉の接合部とし、下面側に中空のシリコンチューブが陽極接合されたガラス基台の上面に前記接合部の下面を陽極接合し、前記センサチップと前記ガラス基台との角部間で前記接合部より外側に非接合部を形成する陽極接合装置であって、
前記センサチップの上面中央と前記シリコンチューブの周面にそれぞれ接触する複数のプラス電極と、前記ガラス基台を挟んで対向するように配設され、前記ガラス基台の側面で前記センサチップの非接合部に対応する部分より下方の側面部分にそれぞれ接触する少なくとも一対のマイナス電極と、前記プラス電極と前記マイナス電極に通電する電源とを備えたことを特徴とする陽極接合装置。
【請求項５】
請求項４記載の半導体センサ用陽極接合装置において、
前記マイナス電極は、二股状に分岐した一対の電極片を有し、これら一対の電極片の先端面は同一平面に形成されていることを特徴とする陽極接合装置。
【請求項６】
請求項４記載の陽極接合装置において、
前記マイナス電極は、二股状に分岐した一対の電極片を有し、これら一対の電極片の先端面は４５°の角度で内側に傾斜する斜面に形成されていることを特徴とする陽極接合装置。
【請求項７】
請求項１〜３のうちのいずれか一項に記載の側面陽極接合方法によって製造されたことを特徴とする半導体センサ。                                   
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体センサの側面陽極接合方法、陽極接合装置および半導体センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
陽極接合は、接合部材間に第３の材料を介在させない直接的な接合方法であって、半導体センサ、例えば半導体圧力センサ等においては、熱膨張係数が近いガラスとシリコンとを重ね合わせ、ガラス側をマイナス電極、シリコン側を陽極として電圧を印加すると同時に加熱することにより、ガラス側の陽イオン（例えば、Ｎａ+ 、Ｋ+ ）をマイナス電極側に強制的に拡散させ、両者間に静電引力を発生させることにより化学接合（陽極接合）させるようにしている（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００３】
陽極接合に際しては、ガラスとシリコンを２００〜４００℃に加熱し、プラス電極とマイナス電極間に３００〜７００Ｖ程度の直流電圧を加えると、ガラス中の陽イオンの動きによって両部材間に強い静電引力がはたらき、同時にガラス中の酸素がシリコン中のシリコンと結びついて化学結合することによりシリコンとガラスを強固に接合することができる。
【０００４】
図７および図８は従来の半導体センサの側面陽極接合を示す図で、図７は平面図、図８は図７のVIII−VIII線断面図である。これらの図において、半導体センサ１は、ガラス基台２の下面にシリコンチューブ３を陽極接合し、しかる後同じくシリコン製のセンサチップ４を陽極接合した三層構造のセンサを構成している。
【０００５】
前記ガラス基台２は、平面視正方形に形成されて表裏面に貫通する中心孔５を有し、上面四隅部には三角形の段差部６がそれぞれ形成されている。ガラス基台２の上面で前記段差部６以外の部分２Ａは、平面視八角形からなり、前記センサチップ４との接合部を形成している。前記シリコンチューブ３は、前記ガラス基台２に内接する外径を有する円筒体に形成され、中心に圧力導入孔７が形成されている。前記センサチップ４は、ガラス基台２と同一の大きさの平面視正方形に形成され、上面中央部が下面中央部のエッチングによってダイヤフラム４Ａを形成し、ダイヤフラム４Ａより外側部分が厚肉部４Ｂを形成している。また、この厚肉部４Ｂのうち、ガラス基台２の接合部２Ａに対応する部分が接合部４Ｃを形成し、段差部６に対応する部分が非接合部４Ｄを形成している。ダイヤフラム４Ａは、センサチップ４の対角線に対して４５°傾斜した正方形に形成されている。
【０００６】
ガラス基台２とシリコンチューブ３を陽極接合するときは、ガラス基台２をシリコンチューブ３の上に設置し、ガラス基台２とシリコンチューブ３に電圧を印加するとともに所定温度に加熱することにより陽極接合する。
【０００７】
ガラス基台２とシリコンチューブ３を陽極接合した後、引き続きガラス基台２とセンサチップ４を同様にして陽極接合する。すなわち、図８に示すようにセンサチップ４をガラス基台２の上に載置し、プラス電極１０をセンサチップ４の上面４ａ中央部とガラスチューブ３の外周面３ａにそれぞれ接続し、マイナス電極１１をガラス基台２の各側面２ａにそれぞれ接続し、電圧を印加すると同時に加熱することにより陽極接合する。なお、１２は電源、１４ａ〜１４ｄは圧力検出用のゲージ、１５ａ〜１５ｄは静圧検出用のゲージである。
【０００８】
マイナス電極１１をガラス基台２の側面２ａに接触させる理由は、ガラス基台２の下面側にマイナス電極１１を接触させると、マイナス電極１１が一回目の接合面１６に近いため、シリコンチューブ３に接続されているプラス電極１０とマイナス電極１１間に所定の電圧を印加したとき、ガラス基台２中の陽イオン（Ｎａ+ やＫ+ ）と陰イオン（Ｏ- ）が分極すると、陽イオンが１回目の接合面１６に析出し、これにより当該接合面１６にクラックが発生するのを防止するためである。以下、このようなガラス基台２の側面２ａにマイナス電極１１を接続して陽極接合する方法を、ここでは側面電極方式陽極接合という。
【０００９】
【特許文献１】特許第３８９５９３７号公報
【特許文献２】特許第３３５９４９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上述した従来の側面電極方式陽極接合方法は、２回目の陽極接合を行なったとき、マイナス電極１１をガラス基台２の各側面２ａの中央、すなわちガラス基台２の上面とセンサチップ４の下面とが密接する部分、言い換えればダイヤフラム４Ａの対角線上に位置するように接続して陽極接合しているため、前記マイナス電極１１に近い接合部に未接合領域Ａ（図７の斜線部）が発生するという問題があった。この未接合領域Ａは、ダイヤフラム４Ａの対角線の延長部分である。
【００１１】
そこで、本発明者等は未接合領域Ａの発生について検討した結果、マイナス電極１１をガラス基台２の側面中央に接触させると、陽イオンがガラス基台側の接合面のマイナス電極１１付近に移動して集中するため、ガラス基台２とセンサチップ４間の静電引力が弱くなり未接合領域Ａが発生することを見出した。そこで、マイナス電極１１の接続箇所を変更して実験を行ったところ、ガラス基台２の側面２ａで、マイナス電極１１を段差部６に対応する部分の真下部分に接続して陽極接合すると、陽イオンをガラス基台２側の接合面から遠ざけることができ、ガラス基台２とセンサチップ４との角部間に十分な静電引力が発生し、図７に示した斜線部が未接合領域にならないことを見出した。
【００１２】
本発明は、上記した従来の問題および実験による知見に基づいてなされたもので、その目的とするところは、未接合領域の発生を防止し、接合面全体にわたって十分な静電引力を発生させることができ、ガラス基台とセンサチップを強固に化学接合することができる半導体センサの側面陽極接合方法を提供することにある。
【００１３】
また、本発明は、未接合領域の発生を防止し、接合面全面にわたって十分な静電引力を発生させることができ、ガラス基台とセンサチップを強固に化学接合することができる陽極接合装置を提供することにある。
【００１４】
さらに、本発明は、上記側面陽接合方法によって製造された半導体センサを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を解決するために本発明に係る半導体センサの側面陽極接合方法は、上面中央部に対角線に対して４５°傾斜した正方形のダイヤフラムが形成されたセンサチップの前記ダイアフラムを取り囲む部分を厚肉の接合部とし、下面側に中空のシリコンチューブが陽極接合されたガラス基台の上面に前記接合部の下面を陽極接合し、前記センサチップと前記ガラス基台との角部間で前記接合部より外側に非接合部を形成する半導体センサの側面陽極接合方法において、複数のプラス電極を前記センサチップの上面中央と前記シリコンチューブの外周面にそれぞれ接触させ、少なくとも一対のマイナス電極を、前記ガラス基台を挟んで対向するように配置し、各マイナス電極を前記ガラス基台の側面で前記センサチップの非接合部に対応する部分より下方の側面部分に接触させ、前記プラス電極と前記マイナス電極に通電することにより、前記センサチップの前記接合部を前記ガラス基台に陽極接合するものである。
【００１６】
また、本発明は、上記発明において、前記マイナス電極が二股状に分岐した一対の電極片を有し、これら一対の電極片の先端面は同一平面からなり、前記ガラス基台の当該マイナス電極と対向する側面で前記センサチップの非接合部に対応する部分より下方の側面部分に接触するものである。
【００１７】
また、本発明は、上記発明において、前記マイナス電極が前記ガラス基台の対角線上の２つの角部を挟んで対向し、各マイナス電極は二股状に分岐した一対の電極片を有し、これらの一対の電極片の先端面は、４５°の角度で内側に傾斜する斜面からなり、前記ガラス基台の対向する角部を挟んで隣り合う２つの側面で前記センサチップの非接合部に対応する部分より下方の側面部分にそれぞれ接触するものである。
【００１８】
また、本発明に係る陽極接合装置は、上面中央部に対角線に対して４５°傾斜した正方形のダイヤフラムが形成されたセンサチップの前記ダイアフラムを取り囲む部分を厚肉の接合部とし、下面側に中空のシリコンチューブが陽極接合されたガラス基台の上面に前記接合部の下面を陽極接合し、前記センサチップと前記ガラス基台との角部間で前記接合部より外側に非接合部を形成する陽極接合装置であって、前記センサチップの上面中央と前記シリコンチューブの周面にそれぞれ接触する複数のプラス電極と、前記ガラス基台を挟んで対向するように配設され、前記ガラス基台の側面で前記センサチップの非接合部に対応する部分より下方の側面部にそれぞれ接触する少なくとも一対のマイナス電極と、前記プラス電極と前記マイナス電極に通電する電源とを備えたものでる。
ことを特徴とする陽極接合装置。
【００１９】
また、本発明に係る陽極接合装置は、上記発明において、前記マイナス電極が二股状に分岐した一対の電極片を有し、これら一対の電極片の先端面は同一平面に形成されているものである。
【００２０】
また、本発明に係る陽極接合装置は、上記発明において、前記マイナス電極が二股状に分岐した一対の電極片を有し、これら一対の電極片の先端面は４５°の角度で内側に傾斜する斜面に形成されているものである。
【００２１】
さらに、本発明に係る半導体センサは、上記側面陽極接合方法によって製造されているものである。
【発明の効果】
【００２２】
本発明においては、マイナス電極をガラス基台の側面で、かつセンサチップに形成されているダイヤフラムの対角線上の部位を避け、ガラス基台とセンサチップとの角部間に形成されている非接合部に対応する部分より下方の側面部に接触させるようにしたので、陽イオンをガラス基台側の接合面から遠ざけることができる。このため、ガラス基台とセンサチップとの角部間に十分な静電引力が発生し、接合部に未接合領域が発生するのを  防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明を図面に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。図１は本発明によって製造された半導体センサの一実施の形態を示す平面図、図２は正面図、図３は図１のIII −III 線断面図である。本実施の形態は、半導体センサとして、差圧・圧力センサに適用した例を示す。また、従来技術の欄で示した構成部材、部分と同一のものについては同一符号をもって示し、その説明を適宜省略する。これらの図において、全体を符号３０で示す差圧・圧力センサは、平面視正方形のガラス基台２と、円筒状のシリコンチューブ３と、同じく平面視正方形のセンサチップ４とを備えている。
【００２４】
前記ガラス基台２は、図７および図８に示した従来のガラス基台２と同一で、シリコンチューブ３およびセンサチップ４の線膨張係数（４．２×１０-6）と略等しい線膨張係数（５〜７×１０-6）のパイレックス（登録商標）ガラス、セラミックス等によって平面視正方形の角柱体に形成され、上面で各角部に平面視三角形の段差部６がそれぞれ形成されており、この段差部６によってセンサチップ４の角部がガラス基台２に接合される非接合部４Ｄを形成している。ただし、この段差部６はガラス基台２側に形成されるものに限らず、センサチップ４の厚肉部４Ｂの角部下面側に形成され、台座２の角部を非接合部にしてもよい。
【００２５】
前記シリコンチューブ３は、図７および図８に示した従来のシリコンチューブ３と同一で、シリコンセンサ４より以前にガラス基台２下面に陽極接合されている。
【００２６】
前記センサチップ４は、図７および図８に示した従来のシリコンチューブ３と同一で、結晶面方位が（１００）面のｐ型単結晶Ｓｉからなる平面視正方形のチップからなり、下面中央部にエッチングによって凹部３１を形成することにより上面中央部が薄肉部、すなわちダイヤフラム４Ａを形成し、このダイヤフラム４Ａより外側部分が厚肉部４Ｂを形成している。
【００２７】
前記ダイヤフラム４Ａは、図７および図８に示したダイヤフラム４Ａと同一の四角形で、対角線ａ、ａがセンサチップ４の対角線ｂ、ｂと直交するようにセンサチップ４に対して４５°傾いた状態で形成され、上面の周縁部付近にはピエゾ領域として作用し差圧または圧力を検出する４つの差圧または圧力検出用のゲージ１４ａ〜１４ｄがセンサチップ４の対角線ｂ、ｂ上に位置するように形成されている。また、これらのゲージ１４ａ〜１４ｄは、センサチップ４の結晶面方位（１００）においてピエゾ抵抗係数が最大となる＜１１０＞の結晶軸方向に形成されている。
【００２８】
また、センサチップ４の厚肉部４Ｂのうちガラス基台２の上面に接合される部分が八角形の接合部４Ｃを形成し、それ以外の部分がガラス基台２の段差部６に対し、非接合部４Ｄを形成している。
【００２９】
前記センサチップ４とガラス基台２の接合面は、ダイヤフラム４Ａの変形に関係し、正方形のセンサチップ４に対し正方形のダイヤフラム４Ａを互いに対角線が直交するように４５°傾けて形成した場合、センサチップ４の接合面のうち対角線ｂ方向の接合面の長さが長く、そのため厚肉部４Ｂの下面全体を接合するとダイヤフラム４Ａの辺に垂直な応力σｒがダイヤフラム４Ａの辺に平行な応力σθより大きくなる。そこで、非接合部４Ｄを設け、その長さＡと接合部４Ｃの長さＢとの比Ａ／Ｂを最適化することにより、応力σｒと応力σθを略等しくしている。
【００３０】
さらに、前記センサチップ４の上面で前記非接合部４Ｄに対応する厚肉部４Ｂの上面には、静圧を検出しその検出信号によって前記差圧または圧力検出用ゲージ１４ａ〜１４ｄの検出信号を補正する４つの静圧検出用のゲージ１５ａ〜１５ｄが設けられている。これらの静圧検出用ゲージ１５ａ〜１５ｄは、センサチップ４の対角線ｂ，ｂ上で各角部に位置するように設けられている。また、センサチップ４の結晶面方位（１００）においてピエゾ抵抗係数が最大となる＜１１０＞の結晶軸方向に長く形成されている。このような静圧検出用ゲージ１５ａ〜１５ｄは、差圧または圧力検出用ゲージ１４ａ〜１４ｄと同様に拡散またはイオン打ち込み法によって形成され、図示しないリードによってホイールストーンブリッジに結線されており、静圧による非接合部４Ｄの変形に伴い比抵抗が変化することにより静圧を検出し、その検出信号によって差圧または圧力検出用センサ１４ａ〜１４ｄの検出信号を補正する。
【００３１】
このようなセンサチップ４をガラス基台２の上面に陽極接合するときは、図４および図５に示すように側面電極方式による陽極接合によって接合される。
【００３２】
陽極接合に用いられるマイナス電極３３は、図７および図８に示したマイナス電極１１と形状が異なり、平面視コ字状に形成されることにより二股状に分岐した一対の電極片３３Ａ、３３Ｂを有し、これら一対の電極片３３Ａ、３３Ｂの先端面３４は同一平面を形成している。そして、このマイナス電極３３は、一対の電極片３３Ａ、３３Ｂの先端面３４がガラス基台２の側面２ａでかつ前記センサチップ４と非接合部４Ｄに対応する部分より下方の側面部分、言い換えれば段差部６の下方側面部分に接触するようにガラス基台２の各側面２ａに取付けられており、この点で上記従来の陽極接合方法と異なっている。プラス電極１０は、図７および図８に示したマイナス電極１０と同様にシリコンチューブ３の外周面３ａとセンサチップ４の上面中央に接続されている。
【００３３】
プラス電極１０とマイナス電極３３を電源１２に接続してこれら電極間に所定の電圧をかけると同時にガラス基台２およびセンサチップ４を加熱すると、ガラス基台２中の陽イオンが強制的に拡散されて移動し、これによりガラス基台２とセンサチップ４との接合部間に静電引力が発生し、これら両部材を陽極接合する。
【００３４】
ここで、本発明においては、マイナス電極３３の各電極片３３Ａ、３３Ｂを、ガラス基台２の側面２ａではあるが、ダイヤフラム４Ａの対角線の延長線ａ（図１）上に位置する中央でガラス基台２とリコンチップ４との接合面より下方に接触させる代わりに、側面の両側、すなわち段差部６に対応する部分の真下部分に接続しているため、ガラス基台２中の陽イオンをガラス基台２側の接合面から基台内部側に遠ざけることができる。このため、ガラス基台２とセンサチップ４との接合面間に十分な静電引力が発生し、接合面全体を良好に陽極接合することができ、ガラス基台２とセンサチップ４の接合面間に未接合領域が発生せず、良好に接合することができたことを確認した。
【００３５】
図６は本発明の他の実施の形態を示す平面図である。この実施の形態は、一対のマイナス電極５０と複数個のプラス電極１０を用いて、ガラス基台２とセンサチップ４を側面電極方式によって陽極接合するようにしたものである。
【００３６】
マイナス電極５０は、二股状に分岐した一対の電極片５０Ａ、５０Ｂを有し、これらの電極片５０Ａ、５０Ｂの先端面５１は、４５°の角度で内側に傾斜する斜面からなり、ガラス基台２の角部を挟んで隣り合う２つの側面にそれぞれ接触している。その他の構成は上記した実施の形態と全く同一である。
【００３７】
このような構成においても、各マイナス電極５０をガラス基台２の対向する２つの角部に配置すると、電極片５０Ａ、５０Ｂをガラス基台２の隣り合う２つの側面２ａでセンサチップ４の非接合部４Ｄに対応する部分より下方の側面部分に接触させることができるため、上記した実施の形態と同様に、ガラス基台２とセンサチップ４との接合面間に十分な静電引力が発生し、接合面全体を良好に陽極接合することができ、ガラス基台２とセンサチップ４の接合面間に未接合領域が発生しないことを確認した。また、センサ自体が小型の場合は、一対のマイナス電極５０を用いても十分に陽極接合し得ることを確認した。
【００３８】
なお、上記した実施の形態は、いずれも半導体センサとして差圧・圧力センサに適用した例を示したが、本発明はこれに何ら特定されるものではなく、加速度センサ、圧力センサ等にも適用することができ、また抵抗式の代わりに容量式のセンサにも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明によって製造された半導体センサの一実施の形態を示す平面図である。
【図２】正面図である。
【図３】図１のIII −III 線断面図である。
【図４】側面電極方式による陽極接合を示す平面図である。
【図５】同陽極接合を示す正面図である。
【図６】本発明の他の実施の形態を示す平面図である。
【図７】従来の陽極接合を示す平面図である。
【図８】図７のVIII−VIII線断面図である。
【符号の説明】
【００４０】
２…ガラス基台、３…シリコンチューブ、４…センサチップ、４Ａ…ダイヤフラム、４Ｂ…厚肉部、４Ｃ…接合部、４Ｄ…非接合部、６…段差部、１０…プラス電極、１１、３３…マイナス電極、３３Ａ、３３Ｂ…電極片、５０…マイナス電極、５１Ａ、５１Ｂ…電極片。
【図１】
2009135190.tif 000003
【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】
2009135190.tif 000009
【図８】
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