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技術 半導体センサ装置およびその製造方法

出願人 日立オートモティブシステムズ株式会社
発明者 金野雄志菊地広宮嶋健太郎出川宗里
出願日 2016年8月3日 (5年0ヶ月経過) 出願番号 2017-542981
公開日 2018年4月5日 (3年4ヶ月経過) 公開番号 WO2017-056698
状態 特許登録済
技術分野 流体圧力測定 圧力センサ
主要キーワード 受圧台 台座表面 物理的センサ 多結晶材 チップケース 機械的センサ 凸部領域 半導体センサ装置
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (8)

課題・解決手段

高性能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。

概要

背景

半導体センサチップ台座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接着剤によって、接着・固定することが記載されている。

概要

高性能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。

目的

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

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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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凸部領域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。

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台座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

0003

特開2003−149068号公報

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

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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。

実施例

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。

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

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