JP2005337956A - Physical quantity sensor and manufacturing method therefor - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、流体の圧力、流量等の物理量を検知するに好適な物理量センサとその製法に関するものである。 The present invention relates to a physical quantity sensor suitable for detecting a physical quantity such as a pressure and a flow rate of a fluid, and a manufacturing method thereof.
従来、シリコンマイクロマシニング技術を応用した物理量センサとしては、図30に示すようなダイアフラム型のものが知られている(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, as a physical quantity sensor to which silicon micromachining technology is applied, a diaphragm type sensor as shown in FIG. 30 is known (for example, see Patent Document 1).
図30において、シリコン基板1の一方の主面には、窒化シリコン膜2が形成されると共に、窒化シリコン膜2の上面には、白金等の抵抗体(ピエゾ抵抗効果を示すもの)からなる機能薄膜3が形成されている。機能薄膜3は、例えば折り返しパターンを有するように形成されたもので、その一端及び他端にはそれぞれ電極端子3a,3bが設けられている。シリコン基板1には、機能薄膜3の下方に開口部1Aが設けられている。窒化シリコン膜2の下面には、機能薄膜3の残留応力を打ち消すための補償薄膜4が設けられている。
上記した従来技術によると、窒化シリコン膜2において開口部1A内の部分に生ずる変形又は歪を機能薄膜3で電気信号に変換する構成であるため、例えば気体の圧力を検知する場合、機能薄膜3を固着した窒化シリコン膜部分に変形が生じないような小さな圧力を検知できないという問題点がある。
According to the above-described prior art, since the deformation or strain generated in the portion in the opening 1A in the
この発明の目的は、流体の圧力、流量等の物理量を高感度で検知することができる新規な物理量センサとその製法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a novel physical quantity sensor capable of detecting a physical quantity such as pressure and flow rate of a fluid with high sensitivity and a method for producing the same.
この発明に係る物理量センサは、
半導体基板と、
この半導体基板の一方の主面を覆って形成された絶縁膜と、
この絶縁膜の上に形成されたセンサ部材と
を備え、前記半導体基板及び前記絶縁膜の積層体に前記センサ部材の一部を空中に浮かせるように貫通孔を設けたものである。センサ部材としては、ピエゾ抵抗効果を示す金属又は半導体等の抵抗部材、ピエゾ電気効果を示す水晶等の絶縁部材、あるいは対向する導電体と共に静電容量を構成する変位可能な導電部材を用いることができる。
The physical quantity sensor according to the present invention is:
A semiconductor substrate;
An insulating film formed to cover one main surface of the semiconductor substrate;
A sensor member formed on the insulating film, and a through hole is provided in the laminated body of the semiconductor substrate and the insulating film so that a part of the sensor member is floated in the air. As the sensor member, a resistive member such as a metal or a semiconductor that exhibits a piezoresistance effect, an insulating member such as a crystal that exhibits a piezoelectric effect, or a displaceable conductive member that forms a capacitance with an opposing conductor is used. it can.
この発明の物理量センサによれば、貫通孔の位置でセンサ部材の一部を空中に浮かせる構成にしたので、貫通孔に流体(気体又は液体)を通すことで流体に対するセンサ部材の接触面積が増大し、流体の圧力、流量等の物理量を高感度で検知することができる。 According to the physical quantity sensor of the present invention, since a part of the sensor member is floated in the air at the position of the through hole, the contact area of the sensor member with respect to the fluid is increased by passing the fluid (gas or liquid) through the through hole. In addition, physical quantities such as fluid pressure and flow rate can be detected with high sensitivity.
この発明の物理量センサにおいて、前記センサ部材は、前記絶縁膜に設けた接続孔を介して前記半導体基板の被接続部に接続された電極部を有し、この電極部により前記センサ部材を前記絶縁膜から離間した状態で前記絶縁膜及び前記半導体基板に固定してもよい。このようにすると、センサ部材が絶縁膜から離間して電極部で支持された状態となり、流体との接触面積が一層増大するため、検知機能が向上する。 In the physical quantity sensor according to the present invention, the sensor member has an electrode portion connected to a connected portion of the semiconductor substrate through a connection hole provided in the insulating film, and the sensor member is insulated from the sensor member by the electrode portion. You may fix to the said insulating film and the said semiconductor substrate in the state spaced apart from the film | membrane. In this case, the sensor member is separated from the insulating film and supported by the electrode portion, and the contact area with the fluid is further increased, so that the detection function is improved.
この発明に係る第1の物理量センサの製法は、
半導体基板の一方の主面を覆って絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜の上にセンサ部材を形成する工程と、
前記絶縁膜の上にセンサ部材を覆って保護膜を形成する工程と、
前記保護膜で前記センサ部材及び前記絶縁膜を覆った状態において前記半導体基板の他方の主面に異方性の選択エッチング処理を施すことにより前記センサ部材の一部に対応し且つ前記絶縁膜に達する開口部を前記半導体基板に形成する工程と、
前記保護膜で前記センサ部材及び前記絶縁膜を覆った状態において前記半導体基板をマスクとして前記絶縁膜を選択的にエッチングすることにより前記半導体基板の開口部に連続して前記絶縁膜を貫通する開口部を形成する工程と、
前記保護膜を除去することにより前記センサ部材の一部を前記絶縁膜の開口部にて空中に浮かせる工程と
を含むものである。
The manufacturing method of the first physical quantity sensor according to the present invention is as follows:
Forming an insulating film covering one main surface of the semiconductor substrate;
Forming a sensor member on the insulating film;
Forming a protective film covering the sensor member on the insulating film;
In the state where the sensor member and the insulating film are covered with the protective film, an anisotropic selective etching process is performed on the other main surface of the semiconductor substrate to correspond to a part of the sensor member and to the insulating film. Forming a reaching opening in the semiconductor substrate;
An opening that penetrates the insulating film continuously to the opening of the semiconductor substrate by selectively etching the insulating film using the semiconductor substrate as a mask in a state where the sensor member and the insulating film are covered with the protective film. Forming a part;
And removing the protective film to float a part of the sensor member in the air through the opening of the insulating film.
第1の物理量センサの製法によれば、絶縁膜の上にセンサ部材を形成した後、保護膜でセンサ部材及び絶縁膜を覆った状態において半導体基板に開口部を形成したり、絶縁膜に開口部を形成したりするので、センサ部材の損傷を防止することができる。また、半導体基板の開口部を形成する際に絶縁膜をエッチングストッパ膜として用いるので、開口部の形状やサイズのばらつきを抑制することができる。 According to the first physical quantity sensor manufacturing method, after the sensor member is formed on the insulating film, the opening is formed in the semiconductor substrate in a state where the sensor member and the insulating film are covered with the protective film, or the insulating film is opened. Since the portion is formed, the sensor member can be prevented from being damaged. In addition, since the insulating film is used as an etching stopper film when forming the opening of the semiconductor substrate, variations in the shape and size of the opening can be suppressed.
この発明に係る第2の物理量センサの製法は、
半導体基板の一方の主面を覆って絶縁膜を形成する工程と、
前記半導体基板の他方の主面に異方性の選択エッチング処理を施して前記絶縁膜に達する開口部を前記半導体基板に形成する工程と、
前記絶縁膜を介して前記半導体基板の開口部に重なるように前記絶縁膜の上にセンサ部材を形成する工程と、
前記絶縁膜の上に前記センサ部材を覆って保護膜を形成する工程と、
前記保護膜で前記センサ部材及び前記絶縁膜を覆った状態において前記半導体基板をマスクとして前記絶縁膜を選択的にエッチングすることにより前記半導体基板の開口部に連続して前記絶縁膜を貫通する開口部を形成する工程と、
前記保護膜を除去することにより前記センサ部材の一部を前記絶縁膜の開口部にて空中に浮かせる工程と
を含むものである。
The manufacturing method of the second physical quantity sensor according to the present invention is as follows:
Forming an insulating film covering one main surface of the semiconductor substrate;
Performing an anisotropic selective etching process on the other main surface of the semiconductor substrate to form an opening reaching the insulating film in the semiconductor substrate;
Forming a sensor member on the insulating film so as to overlap the opening of the semiconductor substrate through the insulating film;
Forming a protective film covering the sensor member on the insulating film;
An opening that penetrates the insulating film continuously to the opening of the semiconductor substrate by selectively etching the insulating film using the semiconductor substrate as a mask in a state where the sensor member and the insulating film are covered with the protective film. Forming a part;
And removing the protective film to float a part of the sensor member in the air through the opening of the insulating film.
第2の物理量センサの製法によれば、半導体基板に開口部を形成した後、絶縁膜の上にセンサ部材を形成し、保護膜でセンサ部材及び絶縁膜を覆った状態において絶縁膜に開口部を形成するので、センサ部材の損傷を防止することができる。また、半導体基板の開口部を形成する際に絶縁膜をエッチングストッパ膜として用いるので、開口部の形状やサイズのばらつきを抑制することができる。 According to the second physical quantity sensor manufacturing method, after the opening is formed in the semiconductor substrate, the sensor member is formed on the insulating film, and the opening is formed in the insulating film in a state where the sensor member and the insulating film are covered with the protective film. Therefore, the sensor member can be prevented from being damaged. In addition, since the insulating film is used as an etching stopper film when forming the opening of the semiconductor substrate, variations in the shape and size of the opening can be suppressed.
第1又は第2の物理量センサの製法において、前記絶縁膜を形成する工程では、互いに材料を異にする第1及び第2の絶縁膜をこの記載の順に重ねた積層を前記絶縁膜として形成し、前記センサ部材を形成する工程では、前記半導体基板の被接続部に対応する接続孔を前記積層に形成した後、該接続孔を介して該被接続部に接続される電極部を有するように前記センサ部材を前記第2の絶縁膜の上に形成し、前記保護膜を除去する工程の後、前記第2の絶縁膜を除去して前記センサ部材の一部を前記第1の絶縁膜から離間させるようにしてもよい。このようにすると、センサ部材が第1の絶縁膜から離間して電極部で支持された構成の物理量センサを得ることができる。 In the first or second physical quantity sensor manufacturing method, in the step of forming the insulating film, a stack in which the first and second insulating films made of different materials are stacked in this order is formed as the insulating film. In the step of forming the sensor member, a connection hole corresponding to the connected portion of the semiconductor substrate is formed in the stacked layer, and then the electrode portion is connected to the connected portion through the connecting hole. After the step of forming the sensor member on the second insulating film and removing the protective film, the second insulating film is removed and a part of the sensor member is removed from the first insulating film. You may make it space apart. In this way, it is possible to obtain a physical quantity sensor having a configuration in which the sensor member is separated from the first insulating film and supported by the electrode portion.
この発明に係る第3の物理量センサの製法は、
一方の主面が絶縁膜で覆われると共に他方の主面がエッチングストッパ膜で覆われた半導体基板を用意する工程と、
前記絶縁膜の上にセンサ部材を形成する工程と、
前記センサ部材の一部に対応し且つ前記半導体基板の一部を露呈する開口部を前記絶縁膜に等方性の選択エッチング処理により形成して前記センサ部材の一部を前記絶縁膜の開口部にて空中に浮かせる工程と、
前記絶縁膜をマスクとする異方性の選択エッチング処理を前記半導体基板の一方の主面に施すことにより前記絶縁膜の開口部に連続し且つ前記エッチングストッパ膜に達する開口部を前記半導体基板に形成する工程と、
前記エッチングストッパ膜を少なくとも前記半導体基板の開口部に対応する一部分で除去して前記半導体基板の他方の主面側で前記半導体基板の開口部を露呈させる工程と
を含むものである。
The manufacturing method of the third physical quantity sensor according to the present invention is as follows:
Preparing a semiconductor substrate having one main surface covered with an insulating film and the other main surface covered with an etching stopper film;
Forming a sensor member on the insulating film;
An opening corresponding to a part of the sensor member and exposing a part of the semiconductor substrate is formed in the insulating film by an isotropic selective etching process, and a part of the sensor member is formed in the opening of the insulating film. The process of floating in the air at
An anisotropic selective etching process using the insulating film as a mask is performed on one main surface of the semiconductor substrate so that an opening continuous to the opening of the insulating film and reaching the etching stopper film is formed in the semiconductor substrate. Forming, and
Removing the etching stopper film at least in a part corresponding to the opening of the semiconductor substrate to expose the opening of the semiconductor substrate on the other main surface side of the semiconductor substrate.
第3の物理量センサの製法によれば、センサ部材を形成する前に半導体基板の他方の主面をエッチングストッパ膜で覆っておくので、エッチングストッパ膜で覆う処理をセンサ部材の形成後に行なう場合に比べてセンサ部材の損傷を抑制することができる。また、半導体基板に開口部を形成する際にエッチングストッパ膜を用いることで開口部の形状やサイズのばらつきを抑制することができる。 According to the third physical quantity sensor manufacturing method, since the other main surface of the semiconductor substrate is covered with the etching stopper film before the sensor member is formed, the process of covering with the etching stopper film is performed after the sensor member is formed. In comparison, damage to the sensor member can be suppressed. Further, by using the etching stopper film when forming the opening in the semiconductor substrate, variation in the shape and size of the opening can be suppressed.
第3の物理量センサの製法において、前記半導体基板を用意する工程では、前記絶縁膜が互いに材料を異にする第1及び第2の絶縁膜をこの記載の順に重ねた積層からなっており、前記センサ部材を形成する工程では、前記半導体基板の被接続部に対応する接続孔を前記積層に形成した後、該接続孔を介して該被接続部に接続される電極部を有するように前記センサ部材を前記第2の絶縁膜の上に形成し、前記エッチングストッパ膜の一部分を除去する工程の後、前記第2の絶縁膜を除去して前記センサ部材の一部を前記第1の絶縁膜から離間させるようにしてもよい。このようにすると、センサ部材が第1の絶縁膜から離間して電極部で支持された構成の物理量センサを得ることができる。 In the third physical quantity sensor manufacturing method, in the step of preparing the semiconductor substrate, the insulating film is formed by stacking first and second insulating films made of different materials from each other in this order, In the step of forming the sensor member, after forming a connection hole corresponding to the connected portion of the semiconductor substrate in the stacked layer, the sensor has an electrode portion connected to the connected portion through the connection hole. After the step of forming a member on the second insulating film and removing a part of the etching stopper film, the second insulating film is removed and a part of the sensor member is replaced with the first insulating film. You may make it leave | separate from. In this way, it is possible to obtain a physical quantity sensor having a configuration in which the sensor member is separated from the first insulating film and supported by the electrode portion.
この発明によれば、流体の圧力、流量等の物理量を高感度で検知可能な物理量センサを実現できると共に、かような物理量センサを歩留り良く製作できる効果が得られる。 According to the present invention, it is possible to realize a physical quantity sensor that can detect a physical quantity such as a pressure and a flow rate of a fluid with high sensitivity, and to obtain an effect of manufacturing such a physical quantity sensor with a high yield.
図1は、この発明の一実施形態に係る物理量センサを示すものである。例えば単結晶シリコンからなるシリコン基板(半導体基板)10の一方の主面には、酸化シリコン膜(絶縁膜)12が形成されており、基板10の他方の主面には、酸化シリコン膜14を介して窒化シリコン膜16が形成されている。酸化シリコン膜12の上には、所定の折り返しパターンに従って抵抗部材(センサ部材)18が形成されており、抵抗部材18の一端及び他端には、電極部18a及び18bがそれぞれ設けられている。抵抗部材18は、電極部18aから所定長の部分と、電極部18bから所定長の部分と、各折り返し個所とが酸化シリコン膜12に固定されている。
FIG. 1 shows a physical quantity sensor according to an embodiment of the present invention. For example, a silicon oxide film (insulating film) 12 is formed on one main surface of a silicon substrate (semiconductor substrate) 10 made of single crystal silicon, and a
基板10、酸化シリコン膜12,14及び窒化シリコン膜16の積層体には、抵抗部材18の下方に位置するように貫通孔20が設けられている。貫通孔20は、一例として長方形状であるが、正方形状、円形状、楕円形状等であってもよい。抵抗部材18は、電極部18aから折り返し個所に至る直線部分と、順次の折り返し個所毎の直線部分と、電極部18bから折り返し個所に至る直線部分とが貫通孔20にて空中に浮いた状態になっている。
A through-
なお、貫通孔20のサイズは、抵抗部材18の各折り返し個所より内側に小さい例を示したが、抵抗部材18の各折り返し個所より外側に大きくしてもよい。このようにすると、抵抗部材18は、電極部18a及びその近傍部分と、電極部18b及びその近傍部分との2箇所でのみ酸化シリコン膜12に固定されることになる。
In addition, although the example in which the size of the through
抵抗部材18の材料としては、ピエゾ抵抗効果を示す金属又は半導体等を用いることができ、例えばポリシリコン又はポリサイド(ポリシリコンにW,Mo,Ti等の高融点金属のシリサイドを重ねた積層)等を用いることができる。また、センサ部材としては、抵抗部材18の代りに、ピエゾ電気効果を示す水晶等の絶縁部材を用いてもよい。
As the material of the
図1に示す物理量センサは、一例として圧電マイクロホンとして用いることができる。すなわち、矢印A方向に貫通孔20に音波(空気の振動)を供給すると、音波の振幅(圧力)や振動数(ピッチ)に応じて抵抗部材18が歪み、抵抗変化を生ずるので、抵抗変化に応じた電気信号(音声信号)を得ることができる。他の例としては、貫通孔20に供給される流体(例えば呼吸気)の圧力、流量等を検知可能である。
The physical quantity sensor shown in FIG. 1 can be used as a piezoelectric microphone as an example. That is, when a sound wave (air vibration) is supplied to the through-
図2は、図1の物理量センサに関してセンサ部材の変形例を示すもので、図1と同様の部分には同様の符号を付して詳細な説明を省略する。また、図2において、膜12の下の基板10及び膜14,16を含む積層構成は、図1と同様であるので、図示を省略した。
FIG. 2 shows a modification of the sensor member with respect to the physical quantity sensor of FIG. 1, and the same parts as those in FIG. In FIG. 2, the laminated structure including the
図2の例の特徴は、酸化シリコン膜12の上に、抵抗部材18の代りに、互いに平行に延長して静電容量を構成する導電部材22,24を設けたことである。導電部材22,24は、いずれも金属又は半導体等の導電材からなっている。酸化シリコン膜12には、貫通孔20(図1)を構成する開口部12Aが設けられている。
A feature of the example of FIG. 2 is that
導電部材22の一端には、電極部22aが設けられている。導電部材22は、電極部22aから所定長の部分が酸化シリコン膜12に固定されており、この固定部より先の部分が開口部12Aの上方を延長し、延長端が自由端となっている。このため、導電部材22において、開口部12A上を延長する部分は、開口部12Aを通る流体の圧力等に応じて変位可能である。
An
導電部材24の一端には、電極部24aが設けられている。導電部材24は、電極部24aから所定長の部分が酸化シリコン膜12に固定されており、この固定部より先の部分が開口部12Aの上方を延長し、延長端が酸化シリコン膜12に固定されている。このため、導電部材24において開口部12A上を延長する部分は、開口部12Aを通る流体の圧力等に応じて実質的に変位不能とすることができる。従って、導電部材22,24間の静電容量は、開口部12Aを通る流体の圧力等に応じて変化することとなり、静電容量の変化を検出することで圧力等を検知可能となる。
An
なお、導電部材24は、例えば開口部12Aの一辺12aに沿って一端から他端まで全体的に酸化シリコン膜12に固定されるように形成してもよい。このようにすると、導電部材24の変位を一層確実に抑制することができる。
The
図3〜10は、図1の物理量センサの第1の製法を示すものである。図3の工程では、一方の主面を覆って酸化シリコン膜12が形成されると共に他方の主面を覆って酸化シリコン膜14及び窒化シリコン膜16がこの記載の順に形成された単結晶シリコンからなるシリコン基板10を用意する。酸化シリコン膜12は、図4に示す抵抗部材18の下地膜として役立つものであり、酸化シリコン膜14及び窒化シリコン膜16の積層は、基板10に開口部を選択エッチング処理によって形成する際にエッチングマスクとして用いるものである。
3 to 10 show a first manufacturing method of the physical quantity sensor of FIG. In the process of FIG. 3, the
酸化シリコン膜14及び窒化シリコン膜16の積層を形成する際には、例えば熱酸化法により酸化シリコン膜14を形成した後、酸化シリコン膜14の上に減圧CVD(ケミカル・ベーパー・デポジション)法により窒化シリコン膜16を形成する。酸化シリコン膜14を形成するための熱酸化処理において、処理条件は、一例として、
ガス流量:N2/O2=18/10[l/min]
基板温度:1025[℃]
とすることができる。また、窒化シリコン膜16を形成するための減圧CVD処理において、処理条件は、一例として、
ガス流量:SiH2Cl2/NH3(又はNH3+N2)=0.05〜6/
0.5〜6[l/min]
反応室内圧力:60[Pa]
基板温度:700〜800[℃]
とすることができる。
When the
Gas flow rate: N 2 / O 2 = 18/10 [l / min]
Substrate temperature: 1025 [° C.]
It can be. In the low-pressure CVD process for forming the
Gas flow rate: SiH 2 Cl 2 / NH 3 ( or NH 3 + N 2) = 0.05~6 /
0.5-6 [l / min]
Reaction chamber pressure: 60 [Pa]
Substrate temperature: 700 to 800 [° C.]
It can be.
酸化シリコン膜12は、酸化シリコン膜14及び窒化シリコン膜16の積層を形成した後、熱酸化法又はCVD法により形成することができる。一例として、酸化シリコン膜12、酸化シリコン膜14及び窒化シリコン膜16の厚さは、それぞれ100nm、300nm、200nm程度とすることができる。
The
図4の工程では、酸化シリコン膜12の上に抵抗部材18を形成する。このためには、部材18を構成する抵抗材料をスパッタ法等により酸化シリコン膜12の表面に被着した後、その被着層をホトリソグラフィ及びドライエッチング処理により図1に示したような折り返しパターンに従ってパターニングすればよい。
In the process of FIG. 4, the
図5の工程では、酸化シリコン膜12の上に抵抗部材18を覆ってポリイミド樹脂等の保護膜30を形成する。保護膜30は、この後の種々の処理から抵抗部材を保護すると共に酸化シリコン膜12のエッチング時にはエッチングストッパとして役立つものである。
In the process of FIG. 5, a
図6の工程では、図5のシリコン基板10を裏返した状態にする。そして、レジスト層32をマスクとする選択的ドライエッチング処理により窒化シリコン膜16の一部に応力緩和溝16Aを形成する。
In the process of FIG. 6, the
応力緩和溝16Aは、酸化シリコン膜14及び窒化シリコン膜16の積層をエッチングマスクとして使用する際にマスク開口部の角部に膜応力が集中することによりマスク形状が変化したり、窒化シリコン膜16に亀裂が生じたりするのを防止するために設けられるものである。図11には、応力緩和溝16Aの平面パターンの一例を示す。この例では、図7に示すマスク開口部36Aを取囲むような枠状パターンに従って応力緩和溝16Aを形成する。図6は、図11のA−A’線断面に対応する。
The
図12〜14は、応力緩和溝の第1〜第3の変形例を示すものである。これらの図において、図6,11と同様の部分には同様の符号を付して詳細な説明を省略する。 12 to 14 show first to third modifications of the stress relaxation groove. In these drawings, the same parts as those in FIGS. 6 and 11 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
図12の例は、スクライブ領域26に取囲まれた矩形状のシリコン領域においてマスク開口部36Aを取囲むように且つマスク開口部36Aと4辺が非平行となるように矩形状の応力緩和溝16Aを窒化シリコン膜16に形成したものである。溝16Aの幅Wは、10[μm]以上とし、マスク開口部36Aの1つの角部と溝16Aの一辺との間の間隔Dは、100[μm]以上とすることができる。
The example of FIG. 12 shows a rectangular stress relaxation groove that surrounds the
図13の例は、マスク開口部36Aを取囲むように円環状の応力緩和溝16Aを形成したものである。また、図14の例は、マスク開口部36Aを取囲むように且つマスク開口部36Aの4つの角部にそれぞれ対応して4つの応力緩和溝16A〜16Dを形成したものである。
In the example of FIG. 13, an annular
図12〜14の例においては、マスク開口部36Aの周囲に1又は複数の応力緩和溝を設けたので、マスク開口部36Aの4つの角部の近傍には応力緩和溝が存在することになる。従って、角部への膜応力の集中を抑制することができ、マスクの形状異常や亀裂異常を防止することができる。
In the example of FIGS. 12 to 14, since one or a plurality of stress relaxation grooves are provided around the
16A等の応力緩和溝を形成するためのドライエッチング処理において、平行平板型プラズマエッチング方式を用いた場合、処理条件は、一例として、
使用ガス:SF6/He
反応室内圧力:0.50[Torr]付近
とすることができる。また、ダウンフロー方式を用いた場合には、処理条件は、一例として、
使用ガス:SF6/He
反応室内圧力:0.20[Torr]付近
とすることができる。ドライエッチング処理の後は、レジスト層32を周知の方法により除去する。
In the dry etching process for forming the stress relaxation grooves such as 16A, when the parallel plate type plasma etching method is used, the processing conditions are, for example,
Gas used: SF 6 / He
The pressure in the reaction chamber can be around 0.50 [Torr]. In addition, when the downflow method is used, the processing conditions are as an example,
Gas used: SF 6 / He
The pressure in the reaction chamber may be around 0.20 [Torr]. After the dry etching process, the resist
図7の工程では、所望のマスク開口部36Aに対応する孔を有するレジスト34を窒化シリコン膜16の上に応力緩和溝16Aを覆ってホトリソグラフィ処理により形成する。そして、レジスト層34をマスクとする選択的ドライエッチング処理により酸化シリコン膜14及び窒化シリコン膜16の積層の一部に図11に示したような長方形状の平面パターンでマスク開口部36Aを形成し、膜14,16の積層の残存部をエッチングマスク36として残す。
In the step of FIG. 7, a resist 34 having a hole corresponding to a desired
マスク開口部36Aを形成するためのドライエッチング処理において、平行平板型プラズマエッチング方式を用いた場合、処理条件は、一例として、
使用ガス:CF4/O2
反応室内圧力:1.0[Torr]付近
とすることができる。また、マグネトロン型RIE(反応性イオンエッチング)方式を用いた場合、処理条件は、一例として、
使用ガス:CF4/CHF3/N2
反応室内圧力:0.25[Torr]付近
とすることができる。さらに、狭電極RIE方式を用いた場合、処理条件は、一例として、
使用ガス:CF4/CHF3/He
反応室内圧力:0.15[Torr]付近
とすることができる。ドライエッチング処理の後は、周知の方法によりレジスト層34を除去する。なお、図7の選択的ドライエッチング処理は、図6の選択的ドライエッチング処理の前に行なうようにしてもよい。
In the dry etching process for forming the
Gas used: CF 4 / O 2
The pressure in the reaction chamber can be around 1.0 [Torr]. In addition, when the magnetron type RIE (reactive ion etching) method is used, the processing conditions are, for example,
Gas used: CF 4 / CHF 3 / N 2
The pressure in the reaction chamber may be around 0.25 [Torr]. Furthermore, when the narrow electrode RIE method is used, the processing conditions are, for example,
Gas used: CF 4 / CHF 3 / He
The pressure in the reaction chamber may be around 0.15 [Torr]. After the dry etching process, the resist
図8の工程では、エッチングマスク36を用い且つアルカリエッチング液を用いてシリコン基板10を選択的に且つ異方的にエッチングして基板開口部10Aを形成する。基板開口部10Aは、酸化シリコン膜12に達するように形成する。
In the process of FIG. 8, the
アルカリエッチング液としては、TMAH又はKOH(水酸化カリウム)を用いることができ、いずれも濃度は25[%]前後、液温は90[℃]前後とすることができる。濃度が高くなると、シリコンのエッチング面の荒れが大きくなるので、濃度は若干薄い方が好ましい。しかし、濃度が薄くなるすぎると、エッチングレートが低下し、処理時間が長くなる。 As the alkaline etching solution, TMAH or KOH (potassium hydroxide) can be used, and the concentration can be about 25 [%] and the temperature of the solution can be about 90 [° C.]. Since the roughness of the etched surface of silicon increases as the concentration increases, it is preferable that the concentration be slightly lower. However, if the concentration is too low, the etching rate is lowered and the processing time is lengthened.
図8のウェットエッチング工程においては、図7の工程でエッチングマスク36に応力緩和溝16Aを設けたので、マスクの形状異常や亀裂異常が発生せず、マスク開口部36Aに対応した長方形状の基板開口部10Aが得られる。また、このときのウェットエッチング処理では、抵抗部材18及び酸化シリコン膜12が保護膜30で覆われているため、損傷を免れることができる。
In the wet etching process of FIG. 8, since the
図9の工程では、例えばエッチャントとして希フッ酸+バッファードフッ酸を用い且つ基板10及び窒化シリコン膜16をマスクとする等方性のウェットエッチング処理により基板開口部10Aに対応する開口部12Aを酸化シリコン膜12に形成する。このとき、保護膜30は、エッチングストッパとして役立つ。また、酸化シリコン膜14の露出部(応力緩和溝16Aに対応する部分など)が若干エッチングされる。エッチング処理としては、ドライエッチング処理又は異方性エッチング処理を用いてもよい。
In the process of FIG. 9, for example, an
図10の工程では、図9のシリコン基板10を抵抗部材18が上になるように反転させる。そして、保護膜30を薬液処理等により除去する。この結果、抵抗部材18の一部が、酸化シリコン膜12に設けた開口部12A(図9)にて空中に浮いた状態となる。図1に示した貫通孔20は、エッチングマスク36に設けたマスク開口部36A(図7)と、基板10に設けた基板開口部10A(図8)と、酸化シリコン膜12に設けた開口部12A(図9)とにより構成される。酸化シリコン膜14及び窒化シリコン膜16の積層を残しておくと、基板10の反り防止や強度増強に役立つ。
In the process of FIG. 10, the
上記した第1の製法によれば、抵抗部材18を保護膜30で保護するようにしたので、エッチング等の処理時に抵抗部材18の損傷を防止できる。また、エッチングマスク36に応力緩和溝16Aを設けたので、マスク36の形状異常や亀裂異常を防止できる。さらに、酸化シリコン膜12をエッチングストッパ膜として用いるので、基板開口部10Aの形状やサイズのばらつきを抑制できる。従って、図1の物理量センサを歩留り良く製作することができる。
According to the first manufacturing method described above, since the
図15〜17は、図1の物理量センサの第2の製法を示すもので、図3〜10と同様の部分には同様の符号を付して詳細な説明を省略する。第2の製法が前述した第1の製法と異なる点は、抵抗部材18の形成に先立って基板開口部10Aの形成を行なうことである。
FIGS. 15 to 17 show a second manufacturing method of the physical quantity sensor of FIG. 1, and the same parts as those in FIGS. The second manufacturing method is different from the first manufacturing method described above in that the
図15の工程では、図3に関して前述したと同様のシリコン基板10を用意した後、図6〜8に関して前述したと同様にして酸化シリコン膜14及び窒化シリコン膜16の積層からなり且つ応力緩和溝16A及びマスク開口部36Aを有するエッチングマスク36を用いる異方性の選択的ウェットエッチング処理によりシリコン基板10に基板開口部10Aを形成する。基板開口部10Aは、酸化シリコン膜12に達するように形成する。
In the step of FIG. 15, after preparing the
図16の工程では、図4に関して前述と同様にして酸化シリコン膜12の上に抵抗部材18を形成する。図17の工程では、図5に関して前述したと同様にして酸化シリコン膜12の上に抵抗部材18を覆って保護膜38を形成する。そして、図9,10に関して前述したと同様にして酸化シリコン膜12に開口部12Aを形成した後、保護膜38を除去する。
In the step of FIG. 16, the
上記した第2の製法によれば、第1の製法に関して前述したと同様に図1の物理量センサを歩留り良く製作することができる。なお、上記した第1又は第2の製法においては、抵抗部材18の代りに他のセンサ部材を形成してもよい。また、センサ部材として図2の導電部材22,24を形成する際には、導電部材22,24に適合した材料やパターンを選定すればよい。
According to the second manufacturing method described above, the physical quantity sensor of FIG. 1 can be manufactured with a high yield in the same manner as described above with respect to the first manufacturing method. In the first or second manufacturing method described above, another sensor member may be formed instead of the
図18は、この発明の他の実施形態に係る物理量センサを示すもので、図1と同様の部分には同様の符号を付して詳細な説明を省略する。図18の物理量センサが図1の物理量センサと異なる点は、抵抗部材18を窒化シリコン膜16の上に形成したことである。抵抗部材18の窒化シリコン膜16に対する固定状態は、図1において酸化シリコン膜12に関して前述したものと同様である。
FIG. 18 shows a physical quantity sensor according to another embodiment of the present invention. The same parts as those in FIG. The physical quantity sensor in FIG. 18 is different from the physical quantity sensor in FIG. 1 in that the
図18の物理量センサにおいては、図1の物理量センサと同様に音声−電気変換や流体の圧力、流量等の検知が可能である。抵抗部材18の代りに、他のセンサ部材を用いることもできる。
The physical quantity sensor shown in FIG. 18 can detect voice-electrical conversion, fluid pressure, flow rate, and the like in the same manner as the physical quantity sensor shown in FIG. Instead of the
図19は、図18の物理量センサに関してセンサ部材の変形例を示すもので、図18と同様の部分には同様の符号を付して詳細な説明を省略する。また、図19において、膜16の下の膜14、基板10及び膜12を含む積層構成は、図18と同様であるので、図示を省略した。
FIG. 19 shows a modification of the sensor member with respect to the physical quantity sensor of FIG. 18, and the same parts as those in FIG. In FIG. 19, the laminated structure including the
図19の例の特徴は、図2に関して前述したと同様に静電容量を構成する導電部材22,24を窒化シリコン膜16の上に形成したことである。導電部材22,24の窒化シリコン膜16に対する固定状態は、図2において酸化シリコン膜12に関して前述したものと同様である。導電部材22が圧力等に応じて変位可能に配置されると共に導電部材24が圧力等に応じて実質的に変位不能に配置されているので、導電部材22,24間の静電容量の変化を検出することで圧力等を検知可能である。
The feature of the example of FIG. 19 is that the
図20〜24は、図18の物理量センサの製法を示すものである。図20の工程では、図3に関して前述したと同様のシリコン基板10を用意した後、図4に関して前述したと同様にして抵抗部材18を窒化シリコン膜16の上に形成する。酸化シリコン膜12は、図23の工程で基板開口部10Aを形成する際にエッチングストッパ膜として役立つものである。
20 to 24 show a method of manufacturing the physical quantity sensor of FIG. In the process of FIG. 20, after preparing the
図21の工程では、図6に関して前述したと同様にしてレジスト層40をマスクとする選択的ドライエッチング処理により窒化シリコン膜16に応力緩和溝16Aを形成する。この後、レジスト層40を除去する。
In the process of FIG. 21, the
図22の工程では、所望のマスク開口部36Aに対応する孔を有するレジスト層42を窒化シリコン膜16の上に応力緩和溝16A及び抵抗部材18を覆ってホトリソグラフィ処理により形成する。そして、レジスト層42をマスクとする等方性の選択的ウェット(又はドライ)エッチング処理により酸化シリコン膜14及び窒化シリコン膜16の積層の一部にマスク開口部36Aを形成し、膜14,16の積層の残存部をエッチングマスク36として残す。このとき、抵抗部材18の一部は、マスク開口部36Aにて空中に浮いた状態となる。この後、レジスト層42を除去する。なお、抵抗部材18の材料とエッチャント(又はエッチングガス)との組合せとしては、抵抗部材18がエッチングされないものを選定する。このことは、図23,24のエッチング工程についても同様である。
In the step of FIG. 22, a resist
図23の工程では、図8に関して前述したと同様にしてエッチングマスク36を用いる異方性の選択的ウェットエッチング処理によりシリコン基板10に基板開口部10Aを形成する。基板開口部10Aは,酸化シリコン膜12に達するように形成する。
23, the
図24の工程では、酸化シリコン膜12を覆ってポリイミド樹脂等から保護膜44を形成する。そして、図9,10に関して前述したと同様にして酸化シリコン膜12に開口部12Aを形成した後、保護膜44を除去する。
In the step of FIG. 24, the
図20〜24に関して上記した製法によれば、抵抗部材18を形成する前にエッチングストッパ用の酸化シリコン膜12を形成しておくので、抵抗部材18の形成後に酸化シリコン膜12を形成する場合に比べて抵抗部材18の損傷を抑制できる。また、エッチングマスク36に応力緩和溝16Aを設けたので、マスク36の形状異常や亀裂異常を防止できる。さらに、酸化シリコン膜12をエッチングストッパ膜として用いるので、基板開口部10Aの形状やサイズのばらつきを抑制できる。従って、図18の物理量センサを歩留り良く製作することができる。
20 to 24, since the
図25〜27は、この発明の更に他の実施形態に係る物理量センサの製法を示すもので、図18〜24と同様の部分には同様の符号を付して詳細な説明を省略する。また、図25〜27において、基板10の下の膜12の被着構成は、図18〜24と同様であるので、図示を省略した。
25 to 27 show a method of manufacturing a physical quantity sensor according to still another embodiment of the present invention, and the same parts as those in FIGS. 25 to 27, the deposition configuration of the
図25の工程では、一例としてP型の半導体基板10の主面にN+型の不純物ドープ領域からなる被接続部48を形成する。被接続部48は、基板10の他の部分に形成されたセンサ回路(図示せず)に接続される。次に、被接続部48を覆って酸化シリコン膜14及び窒化シリコン膜16を基板10の主面に順次に形成する。そして、ホトリソグラフィ及びドライエッチング処理により酸化シリコン膜14及び窒化シリコン膜16に被接続部48に達する接続孔36aを形成する。
In the process of FIG. 25, as an example, the connected
この後、窒化シリコン膜16の上に接続孔36aを覆って例えばポリシリコン層をCVD法等に堆積する。ポリシリコン層は、堆積中又は堆積後に導電型決定不純物をドープして低抵抗化する。ホトリソグラフィ及びドライエッチング処理によりポリシリコン層を所定のパターンに従ってパターニングすることによりポリシリコン層の残存部からなる抵抗部材18を形成する。抵抗部材18は、接続孔36aを介して被接続部48に接続される電極部18aを有するように形成する。
Thereafter, a polysilicon layer, for example, is deposited on the
図26の工程では、図21,22に関して前述したと同様にして酸化シリコン膜14及び窒化シリコン膜16の積層の一部に選択エッチング処理によりマスク開口部36Aを形成し、膜14,16の積層の残存部をエッチングマスク36として残す。この結果、抵抗部材18の一部は、マスク開口部36Aにて空中に浮いた状態となる。この後、図23に関して前述したと同様にしてエッチングマスク36を用いる異方性の選択的ウェットエッチング処理により基板開口部10Aを形成する。
In the step of FIG. 26, a
図27の工程では、図24に関して前述したと同様にして基板10の下面の酸化シリコン膜12に基板開口部10Aに連続する開口部12Aを形成し、開口部12A,10A,36Aからなる貫通孔20を得る。そして、エッチング処理に窒化シリコン膜16(図26)を除去して抵抗部材18の一部を酸化シリコン膜14から離間させる。抵抗部材18の他方の電極部18b(図18)も、上記した電極部18aと同様にして形成される。
In the step of FIG. 27, the
図27に示した物理量センサは、貫通孔20を通る流体との接触面積が増大するため、検知機能が向上する利点がある。
The physical quantity sensor shown in FIG. 27 has an advantage that the detection function is improved because the contact area with the fluid passing through the through
図28は、図27の物理量センサに関して抵抗部材構成の変形例を示すもので、図27と同様の部分には同様の符号を付して詳細な説明を省略する。 FIG. 28 shows a modification of the resistance member configuration with respect to the physical quantity sensor of FIG. 27, and the same parts as those of FIG.
図28の物理量センサにおいて、抵抗部材18は、図27に関して前述したと同様にドープトポリシリコン等からなるものであるが、電極部18aの構成が図27のものと異なる。すなわち、図25に対応する工程では、ポリシリコン層を堆積する前に接続孔36aの内部を覆ってスパッタ法等によりTi(チタン)膜(抵抗低減膜)にTiN膜(密着膜)を重ねたTiN/Ti積層を形成した後、ブランケットCVD法等によりTiN/Ti積層の上に接続孔36aを埋めるようにW(タングステン)層を堆積する。そして、W層及びTiN/Ti積層を窒化シリコン膜16が露呈されるまでエッチバックすることにより接続孔36a内にTiN/Ti積層18A及びWプラグ層18Bを残存させる。
In the physical quantity sensor of FIG. 28, the
次に、接続孔36a内のTiN/Ti積層18A及びWプラグ層18Bを覆って窒化シリコン膜16の上に新たなTiN/Ti積層18Cをスパッタ法等により形成してから、TiN/Ti積層18Cの上に前述したと同様にドープトポリシリコン層を形成する。そして、TiN/Ti積層18C及びドープトポリシリコン層の積層体に図25に関して前述したと同様にパターニング処理を施して底面にTiN/Ti積層18Cを有する抵抗部材18を形成する。この後、開口部36A,10A,12Aの形成処理及び窒化シリコン膜16の除去処理を図26,27に関して前述したと同様に行なうと、図28に示したセンサ構成が得られる。
Next, a new TiN /
なお、W層及びTiN/Ti積層のエッチバックをTiN/Ti積層が露呈された段階で停止し、新たなTiN/Ti積層18Cの形成を省略してもよい。この場合、エッチバックで露呈されたTiN/Ti積層をTiN/Ti積層18Cの代りに用いることができる。
The etch back of the W layer and the TiN / Ti stack may be stopped when the TiN / Ti stack is exposed, and the formation of a new TiN /
図29は、図27の物理量センサに関してセンサ部材配置の変形例を示すもので、図27と同様の部分には同様の符号を付して詳細な説明を省略する。 FIG. 29 shows a modified example of the sensor member arrangement with respect to the physical quantity sensor of FIG. 27, and the same parts as those of FIG.
図29の物理量センサにおいて、抵抗部材18は、図27に関して前述したと同様にドープトポリシリコンからなるものであるが、抵抗部材18を基板10の酸化シリコン膜12側の主面に設けた点が異なる。すなわち、図3に対応する工程では、酸化シリコン膜12を形成した後、選択的イオン注入法等により基板10の主面に被接続部48を形成する(被接続部48の形成は、酸化シリコン膜12の形成前に行なってもよい)。そして、酸化シリコン膜12を覆って窒化シリコン膜17を形成した後、図25に関して前述したと同様にして酸化シリコン膜12及び窒素シリコン膜17の積層に被接続部48に達する接続孔36aを形成する。
In the physical quantity sensor of FIG. 29, the
次に、図25に関して前述したと同様にしてドープトポリシリコン層を形成し、パターニングすることにより接続孔36aを介して被接続部48に接続された電極層18aを有する抵抗部材18を形成する。この後、保護膜30の形成処理、開口部36A,10A,12Aの形成処理及び保護膜30の除去処理を図5〜10に関して前述したと同様に行なう。そして、窒化シリコン膜17を除去すると、図29のセンサ構成が得られる。なお、図29のセンサ構成は、図15〜17の製法を準用して製作することも可能である。
Next, a doped polysilicon layer is formed in the same manner as described above with reference to FIG. 25, and the
図25〜29に関して上記したセンサ構成にあっては、抵抗部材18の代りに他のセンサ部材を用いてもよく、例えば図2又は図19に示したような静電容量型のセンサ部材を用いてもよい。
In the sensor configuration described above with reference to FIGS. 25 to 29, another sensor member may be used instead of the
10:シリコン基板、12,14:酸化シリコン膜、16,17:窒化シリコン膜、16A〜16D:応力緩和溝、18:抵抗部材、18a,18b,22a,24a:電極部、20:貫通孔、22,24:導電部材、30,38,44:保護膜、32,34,40,42:レジスト層、36:エッチングマスク、48:被接続部。 10: silicon substrate, 12, 14: silicon oxide film, 16, 17: silicon nitride film, 16A to 16D: stress relaxation groove, 18: resistance member, 18a, 18b, 22a, 24a: electrode portion, 20: through hole, 22, 24: conductive member, 30, 38, 44: protective film, 32, 34, 40, 42: resist layer, 36: etching mask, 48: connected portion.
Claims (7)
この半導体基板の一方の主面を覆って形成された絶縁膜と、
この絶縁膜の上に形成されたセンサ部材と
を備え、前記半導体基板及び前記絶縁膜の積層体に前記センサ部材の一部を空中に浮かせるように貫通孔を設けた物理量センサ。 A semiconductor substrate;
An insulating film formed to cover one main surface of the semiconductor substrate;
A physical quantity sensor comprising a sensor member formed on the insulating film, wherein a through hole is provided in the laminated body of the semiconductor substrate and the insulating film so that a part of the sensor member floats in the air.
前記絶縁膜の上にセンサ部材を形成する工程と、
前記絶縁膜の上にセンサ部材を覆って保護膜を形成する工程と、
前記保護膜で前記センサ部材及び前記絶縁膜を覆った状態において前記半導体基板の他方の主面に異方性の選択エッチング処理を施すことにより前記センサ部材の一部に対応し且つ前記絶縁膜に達する開口部を前記半導体基板に形成する工程と、
前記保護膜で前記センサ部材及び前記絶縁膜を覆った状態において前記半導体基板をマスクとして前記絶縁膜を選択的にエッチングすることにより前記半導体基板の開口部に連続して前記絶縁膜を貫通する開口部を形成する工程と、
前記保護膜を除去することにより前記センサ部材の一部を前記絶縁膜の開口部にて空中に浮かせる工程と
を含む物理量センサの製法。 Forming an insulating film covering one main surface of the semiconductor substrate;
Forming a sensor member on the insulating film;
Forming a protective film covering the sensor member on the insulating film;
In the state where the sensor member and the insulating film are covered with the protective film, an anisotropic selective etching process is performed on the other main surface of the semiconductor substrate to correspond to a part of the sensor member and to the insulating film. Forming a reaching opening in the semiconductor substrate;
An opening that penetrates the insulating film continuously to the opening of the semiconductor substrate by selectively etching the insulating film using the semiconductor substrate as a mask in a state where the sensor member and the insulating film are covered with the protective film. Forming a part;
And a step of floating a part of the sensor member in the air through the opening of the insulating film by removing the protective film.
前記半導体基板の他方の主面に異方性の選択エッチング処理を施して前記絶縁膜に達する開口部を前記半導体基板に形成する工程と、
前記絶縁膜を介して前記半導体基板の開口部に重なるように前記絶縁膜の上にセンサ部材を形成する工程と、
前記絶縁膜の上に前記センサ部材を覆って保護膜を形成する工程と、
前記保護膜で前記センサ部材及び前記絶縁膜を覆った状態において前記半導体基板をマスクとして前記絶縁膜を選択的にエッチングすることにより前記半導体基板の開口部に連続して前記絶縁膜を貫通する開口部を形成する工程と、
前記保護膜を除去することにより前記センサ部材の一部を前記絶縁膜の開口部にて空中に浮かせる工程と
を含む物理センサの製法。 Forming an insulating film covering one main surface of the semiconductor substrate;
Performing an anisotropic selective etching process on the other main surface of the semiconductor substrate to form an opening reaching the insulating film in the semiconductor substrate;
Forming a sensor member on the insulating film so as to overlap the opening of the semiconductor substrate through the insulating film;
Forming a protective film covering the sensor member on the insulating film;
An opening that penetrates the insulating film continuously to the opening of the semiconductor substrate by selectively etching the insulating film using the semiconductor substrate as a mask in a state where the sensor member and the insulating film are covered with the protective film. Forming a part;
A method of manufacturing a physical sensor, comprising: removing the protective film to float a part of the sensor member in the air through the opening of the insulating film.
前記絶縁膜の上にセンサ部材を形成する工程と、
前記センサ部材の一部に対応し且つ前記半導体基板の一部を露呈する開口部を前記絶縁膜に等方性の選択エッチング処理により形成して前記センサ部材の一部を前記絶縁膜の開口部にて空中に浮かせる工程と、
前記絶縁膜をマスクとする異方性の選択エッチング処理を前記半導体基板の一方の主面に施すことにより前記絶縁膜の開口部に連続し且つ前記エッチングストッパ膜に達する開口部を前記半導体基板に形成する工程と、
前記エッチングストッパ膜を少なくとも前記半導体基板の開口部に対応する一部分で除去して前記半導体基板の他方の主面側で前記半導体基板の開口部を露呈させる工程と
を含む物理量センサの製法。 Preparing a semiconductor substrate having one main surface covered with an insulating film and the other main surface covered with an etching stopper film;
Forming a sensor member on the insulating film;
An opening corresponding to a part of the sensor member and exposing a part of the semiconductor substrate is formed in the insulating film by an isotropic selective etching process, and a part of the sensor member is formed in the opening of the insulating film. The process of floating in the air at
An anisotropic selective etching process using the insulating film as a mask is performed on one main surface of the semiconductor substrate so that an opening continuous to the opening of the insulating film and reaching the etching stopper film is formed in the semiconductor substrate. Forming, and
Removing the etching stopper film at least at a part corresponding to the opening of the semiconductor substrate to expose the opening of the semiconductor substrate on the other main surface side of the semiconductor substrate.
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