CN101819175A - 测量元件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种测量元件，用于提供通过在形成于半导体基板的空洞部设置，在与半导体基板热绝缘的薄壁部形成了成为加热器的电阻体的测量元件中，能容易地进行筛除，且在切割工序中难以被破坏的构造。具备：半导体基板(2)、形成在半导体基板(2)上的电绝缘膜(3)、形成在电绝缘膜(3)上的构成加热器的电阻体(4)、和将与形成了电阻体(4)的主体部(4a)的区域对应的半导体基板(2)部分除去而形成的空洞(21)，形成有电阻体主体部(4a)的区域因空洞部(21)而成为薄壁部(11)，在薄壁部(11)的一部分形成了沿薄壁部(11)的厚度方向贯通的开口(7)，并形成了覆盖开口(7)的区域的膜(9)。

Description

测量元件
技术领域
本发明涉及一种具有用于使成为加热器的电阻体与半导体基板热绝缘的隔膜(diaphragm)部、架桥部或悬臂构造部等的薄壁部或者薄膜部的测量元件。
背景技术
以往，公知有一种通过半导体薄膜形成技术及微细加工技术形成、具备与半导体基板热绝缘的作为加热器的电阻体的测量元件。
作为这样的测量元件的一例，有一种如下所述的隔膜传感器(diaphragm sensor)：通过各向异性蚀刻在半导体基板的背面侧中央部形成剖面呈梯形状且不与表面侧连通的开口，在该开口的底部侧、即半导体基板的表面侧形成薄壁状的隔膜部，并使用薄膜形成技术在该隔膜部的表面中央部形成薄膜加热元件及测温电阻元件(参照专利文献1)。在该隔膜传感器中，通过形成隔膜部，将该隔膜部与半导体基板热绝缘。并且，在加热元件与测温电阻元件之间的隔膜部设置了贯通该隔膜部的狭缝部，降低了从加热元件向测温电阻元件的热传导。而且，在加热元件及测温电阻元件与隔膜周缘部、即半导体基板的厚壁部之间的隔膜部，设置了贯通该隔膜部的多个狭缝部，降低了从加热元件及测温电阻元件向半导体基板的厚壁部的热传导。
另外，作为测量元件的其他一个例子，有一种下述的加热器件，其具备：形成有空洞部的硅基板、隔着空洞部与硅基板热分离的薄膜、和由设置在该薄膜表面的薄膜加热器及薄膜温度传感器构成的感温电阻体(参照专利文献2)。在该加热器件中，将硅基板从薄膜加热器及薄膜温度传感器侧蚀刻除去到不贯通到硅基板的背面侧的程度而形成空洞部，形成有薄膜加热器及薄膜温度传感器的薄膜构成了跨过空洞部的架桥部。在这样的构造中，空洞部在架桥部的周围的薄膜形成开口。另外，还记载了取代架桥部而设为悬臂(cantilever)构造的方案，但在设为悬臂构造的情况下，空洞部在悬臂构造部的周围的薄膜形成开口。
专利文献1：特开平04-230808号公报
专利文献2：特开2005-308676号公报
用于使成为加热器的电阻体与半导体基板热绝缘的隔膜部、架桥部或悬臂构造部等薄壁部或薄膜部，通常由电绝缘膜构成。该电绝缘膜例如大多由二氧化硅(SiO2)、氮化硅(SixNy)等无机的脆性材料形成。在脆性材料具有裂缝的情况下，会无征兆地发生延迟破坏。不限于上述材料，由于薄壁部或薄膜部的厚度非常薄，所以，因细微的缺陷便有发生破坏的可能。因此，需要可靠地排除在制造时发生缺陷、具有不满足寿命要求的隔膜的传感器。将对发生缺陷、具有不满足寿命要求的隔膜的传感器进行排除的工序称为筛除(screening)。
另外，在测量元件制造时的切割工序中，当冷却水中含有的切屑等固体粒子对隔膜部、架桥部或悬臂构造部等构成薄壁部或薄膜部的电绝缘膜造成冲击，则薄壁部或薄膜部会被破坏。因此，在制造时的切割工序中，需要防止构成薄壁部或薄膜部的电绝缘膜被破坏。并且，切割工序通常在筛除工序之后进行。因此，在筛除工序之后进行切割工序的情况下，需要防止在筛除工序之后构成薄壁部或薄膜部的电绝缘膜被破坏。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种通过在形成于半导体基板的空洞部中设置，在与半导体基板热绝缘的薄壁部形成了成为加热器的电阻体的测量元件中，能容易地进行筛除，且在切割工序中难以被破坏的构造。
为了实现上述目的，本发明的测量元件具备：半导体基板、形成在半导体基板上的电绝缘膜、形成在电绝缘膜上的构成加热器的电阻体、和将与形成了电阻体的主体部的区域对应的半导体基板部分除去而形成的空洞部，形成有电阻体主体部的区域因空洞部而成为薄壁部，在薄壁部的一部分形成了沿薄壁部的厚度方向贯通的开口或狭缝，其中，形成有覆盖开口或狭缝的区域的膜。
此时，电绝缘膜形成在半导体基板的表面，空洞部为半导体基板的背面朝向表面形成。
覆盖开口或狭缝的区域的膜是有机膜。
有机膜是聚酰亚胺等具有耐热性的树脂。
使覆盖开口或狭缝的区域的膜，成为比构成形成了电阻体主体部的上述薄壁部的电绝缘膜薄的电绝缘膜。
开口或狭缝的周缘与空洞部的周缘相比，位于空洞部的内侧。
为了实现上述目的，本发明的测量元件具备：半导体基板、形成在半导体基板上的电绝缘膜、形成在电绝缘膜上的构成加热器的电阻体、和将与形成了电阻体的主体部的区域对应的半导体基板部分除去而形成的空洞部，形成有电阻体主体部的区域因空洞部而成为薄壁部，在薄壁部的一部分形成了沿薄壁部的厚度方向贯通的开口或狭缝，其中，上述电绝缘膜形成在半导体基板的表面，上述空洞部从半导体基板的背面朝向表面形成，在形成上述开口或狭缝之前，形成覆盖上述开口或狭缝的区域的膜，从上述空洞部侧形成了上述开口或狭缝。
根据本发明，由于是通过膜覆盖开口、狭缝的构造，所以，能够进行对在形成了电阻体主体部的区域形成的薄壁部，以晶片等级加压的筛除实验，从而可以排除具有制造缺陷的测量元件。而且，根据本发明，能够通过覆盖开口或狭缝的区域的膜，加强尤其在形成了电阻体主体部的区域形成的薄壁部的支承构造，从而可以防止因切割工序中的灰尘冲击对薄壁部造成的破坏。
附图说明
图1是应用了本发明的热式湿度传感器中设置的测定元件的一个实施方式，(a)是概略俯视图，(b)是表示(a)的A-A处的放大剖面图及粒子的动作的图。
图2是应用了本发明的热式湿度传感器中设置的测定元件的一个实施方式，(a)是概略俯视图，(b)是表示(a)的A-A处的放大剖面图及粒子的动作的图。
图3是应用本发明而构成的热式湿度传感器的其他实施方式。
图4是应用本发明而构成的热式湿度传感器的其他实施方式。
图5是应用本发明而构成的热式湿度传感器的其他实施方式。
图6是加压筛除装置的概要图。
图中：1-测定元件，2-半导体基板，3-电绝缘膜，4-电阻体，5-传感部，6-支承部，6a-支承部的根基部，7-开口，8-狭缝，9-有机保护膜，10-无机保护膜，21-空洞，22-端子电极，23-加压容器，24-压力。
具体实施方式
下面，对本发明涉及的实施例进行说明。
(实施例1)
下面，以应用了本发明的隔膜传感器而构成的热式湿度传感器为例进行说明。图1(a)、图2(a)是湿度计的测定元件1的概略俯视图，图1(b)、图2(b)是(a)的A-A处的放大剖面图。本实施例的热式湿度计中具备的测定元件1如图1、图2所示，由半导体基板2、电绝缘膜3和电阻体4等构成。电阻体4可以分别折返多次而形成。其中，电阻体的构成因测定方式而不同，这里表示了其一个例子。
形成在由单晶硅等构成的半导体基板2的表面上的电绝缘膜3，是形成在半导体基板2上的具有电绝缘性和热绝缘性的膜，例如是二氧化硅(SiO2)膜、或通过氮化硅(SixNy)膜加强的二氧化硅(SiO2)膜等，在电绝缘膜3上形成有由半导体材料、例如多晶硅、锗、砷化镓、钽、钼、铂等构成的电阻体4等。与电绝缘膜3上的形成有电阻体4的区域对应的半导体基板2的部分，从半导体基板2的背面侧通过各向异性蚀刻被除去到与电绝缘膜3的厚度方向的交界面，成为空洞21。在本实施例中，电阻体4构成发热电阻体、即加热器。因此，空洞21使电阻体4热绝缘。另外，空洞21也被称为空洞部。
电阻体4由主体部4a和引出线部4b构成，引出线部4b的端部分别与形成在测定元件1的缘部的端子电极22电连接。端子电极22和引出线部4b通过金或铝等导电性材料的镀覆、蒸镀等形成。在以下的说明中，严密而言，电阻体4意味着主体部4a。
在对热式湿度传感器的电阻体4施加了电压的情况下，电阻体4基于自身发热而被加热。由于水蒸气的热传导与环境中含有的水蒸气量一同增大，所以，来自电阻体4的热释放变大。利用电阻体4的温度因水蒸气的增加而降低，可以测定环境中的绝对湿度。可将电阻体4的设定温度设定为基于水蒸气的热传导的变化大的300℃以上。针对热式湿度传感器提出了各种测定方法，但全都是利用了依存于水蒸气量而水蒸气的热传导率不同。因此，从发热的电阻体4经由电解质膜3、支承部6向半导体基板2传导的热，成为绝对湿度的测定误差。为了极力降低向半导体基板2的热传导，需要使传感部5热绝缘。
本来，隔膜11是为了使电阻体4与半导体基板2热绝缘而设置的部件，但通过在隔膜11的传感部5周边形成沿隔膜11的板厚方向贯通的开口7(参照图1)或狭缝8(参照图2)，实现了传感部5的热绝缘性的提高。
有机保护膜9是具有电绝缘性且质软的膜，形成为覆盖开口7或狭缝8。即，有机保护膜9形成为覆盖除了形成有电阻体4和端子电极22的部分以外的部分。由于电阻体4在工作中保持300℃以上的高温，所以，从防止有机保护层9的劣化的方面出发，优选在传感部5上不形成有机保护膜。另外，为了进行电连接，在测定元件1的形成有各端子电极22的缘部侧的电绝缘膜3上，不形成有机保护膜9。
在本实施例中，开口7及狭缝8都沿隔膜11的板厚方向贯通隔膜11。因此，狭缝8的概念包含在开口7的概念中。
这里，在汽车等的内燃机等所使用的湿度传感器中，由于吸收外部气体，所以，成为流量的测定对象的空气中含有沙子、盐和其他的灰尘等固体粒子。为了在汽车等的内燃机等中除去被吸入的外部气体中的这种粒子，通常设置了网目尺寸为15μm的空气过滤器。但是，虽然粒径稍微大于15μm的粒子能够被空气过滤器除去，但粒径大致为15μm以下的粒子会通过空气过滤器。湿度传感器由于会因空气的流动而产生测定误差，所以，设置有防止空气流动的防风构造。有时因为防风构造，固体粒子会直接撞击到测定元件1上。因此，仅通过由脆性无机材料的二氧化硅等构成的电绝缘膜3，有时无法基于支承部6的变形完全吸收粒子冲击时的动能，会在冲击位置产生局部的应力，使得发生最大应力的支承部6被破坏。即，在粒子的动能比电绝缘膜3的变形能(电绝缘膜3的吸收能量)大的情况下，支承部6被破坏。
另外，即使在如上述那样通过防风构造可以防止支承部6因动作中的固体粒子而被破坏的情况下，在制造时的切割工序中，冷却水中含有的固体粒子也会冲击支承部6，与工作环境中的固体粒子相同，对支承部6造成破坏。
由有机材料、例如聚酰亚胺构成的有机保护膜9，与二氧化硅(SiO2)膜等的电绝缘膜3相比，膜自身的能量吸收能力较大。因此，在具备由聚酰亚胺等构成的有机保护膜9的测定元件1中，由于除了最弱部分、即支承部6的变形之外，有机保护膜9自身还吸收粒子的冲击能量，所以，可以防止粒子的冲击、回火压对支承部6造成的破坏，即对测定元件1造成的破坏。
其中，有机保护膜9按照覆盖除了形成有发热电阻体4和端子电极22的部分之外的部分的方式，形成为覆盖开口部或狭缝。发热电阻体附近的保护膜被曝于300℃以上的高温下。因此，保护膜适合采用耐热性出色的作为有机材料的聚酰亚胺膜，但在以300℃以下的恒温进行测定等情况下，也可以采用其他的有机材料。
隔膜传感器的电绝缘膜3如上所述，由无机的脆性材料等形成。在电绝缘膜3的材料具有微小的损伤(裂缝)的情况下，电绝缘膜3、即隔膜会因工作中的负载无预兆地破损(延迟破损)，导致无法进行测量。鉴于此，需要实施用于将具有制造时的缺陷的隔膜除去的筛除实验。筛除实验通过赋予与实际工作环境相当的负载，除去在设想的寿命期间内达到破坏的裂缝。作为负载的方法，有机械方式的负载或热方式的负载。在本构造中，由于目的在于除去传感器支承部6的初始裂缝，所以，优选采用试验时间短的机械方式的负载。作为机械方式负载的方法，有基于加压筛除或探针按压的筛除。如图7所示，加压筛除可以在加压容器23内对形成了多个测定元件1的晶片整个面均匀地施加压力24，由此能够在短时间内实现高精度的筛除。由于1枚晶片上形成有几百个测定元件1，所以，基于探针的筛除需要执行很长时间。另外，探针按压深度以微米为单位，难以实现精度良好的测定。
加压筛除需要预先遮断传感器的上面和下面的空洞21，但在隔膜上具有开口7、狭缝8的情况下，无法应用加压筛除。在由有机保护膜9覆盖了开口7、狭缝8的构造中，可以分离隔膜的上下面，能够进行加压筛除。因此，由于利用有机保护膜覆盖了开口7、狭缝8的构造可以通过加压筛除将具有初始裂缝的隔膜传感器排除，所以，具有可以提供可靠性高的隔膜传感器的效果。
在隔膜上具有开口7、狭缝8的情况下，存在从开口7或狭缝8侵入灰尘的危险性。在灰尘侵入、持续堆积到传感部背面的情况下，可认为热绝缘性因灰尘而降低。在利用有机薄膜进行覆盖的构造中，由于灰尘不会侵入到背面，所以，实现了特性长期难以变动的构造。
另外，由于在隔膜上形成了开口7的情况(图1)下，有机膜与绝缘膜相比刚性小一个位数以上，所以，伴随着工作中的压力，有机膜大幅变形为凹形。存在着灰尘停留在有机膜的凹部，因灰尘导致绝缘型降低的危险性。另一方面，在隔膜上形成了狭缝8的情况下(图2)，具有与开口7等同的热绝缘特性，并且，即使针对工作中的压力变动，有机膜也不会大幅变形。热绝缘性不会因灰尘而降低。
若对本实施例进行整理，则测量元件可构成如下。
一种测量元件，具备：半导体基板2、形成在半导体基板2上的电绝缘膜3、形成在电绝缘膜3上的构成加热器的电阻体4、和将与形成了电阻体4的主体部4a的区域对应的半导体基板2的部分除去而形成的空洞21(空洞部)，形成有电阻体主体部4a的区域因空洞部21而成为薄壁部(隔膜)，在薄壁部的一部分形成了沿薄壁部的厚度方向贯通的开口7或狭缝8，其中，在形成空洞21之前，在半导体基板2的表面侧形成电绝缘膜3，在电绝缘膜3的上侧形成有机保护膜9，在形成了电绝缘膜3及有机保护膜9之后，从半导体基板2的背面侧朝向表面侧形成空洞21，按照在构成薄壁部的电绝缘膜3处残存有机保护膜9的方式，从空洞21侧形成了开口7或狭缝8。
作为配置构成加热器的电阻体4的薄壁部或薄膜部，本实施例中采用了隔膜11，但除此之外，也可以应用架桥构造或悬臂构造，薄壁部或薄膜部包括隔膜构造、架桥构造及悬臂构造。
在以上的实施例中，对开口7的情况进行了说明，但当然也可以替代开口7而使用狭缝8。而且，当然可以在上述构成中组合以下说明的各实施例的构成。
另外，在图1的实例中，开口7的周缘7a的一部分与空洞21的周缘21a(即隔膜11的周缘11a)重合。
(实施例2)
图3表示了本发明的其他实施例。是空洞21的周缘21a与开口7的周缘7a不一致的构造。即，是支承部6的根基部6a从空洞部21的周缘21a向内侧移动了的构造。在空洞21的周缘21a与开口7的周缘7a一致的情况下，支承部6的根基部6a由于变形被束缚，所以，相对于灰尘冲击那样的集中负载，成为最弱部(最大应力部)。因此，在开口7从周边21a向内侧离开的构造中，当被附加集中负载时，由于图中的B部变形，所以，具有支承部6的根基部6a处的应力被降低的效果。
其中，在本实施例中，开口7包括狭缝状的开口。
(实施例3)
图4表示了本发明的又一个实施例。是取代了有机保护膜9，而形成了材质与电绝缘膜3相同的无机保护膜10的实施例。电绝缘膜3是形成在半导体基板2上的具有电绝缘性和热绝缘性的膜，例如是二氧化硅(SiO2)膜或通过氧化硅(SixNy)膜被增强的二氧化硅(SiO2)膜等。这里，由于无机保护膜10与传感部的电绝缘膜3材质相同，所以，为了提高热绝缘性，使无机保护膜10的厚度t10比电绝缘膜3的厚度t3薄。如上所述，无机绝缘膜3具有被灰尘冲击而引起破坏的危险性。在具有防风构造等用于除去因空气流引起的测定误差的构造的情况下，由于不需要考虑灰尘冲击，所以可以应用本构造。
(实施例4)
图5表示了本发明的另一个实施例。是空洞21的周缘21a与开口7的周缘7a不一致的构造。即，是支承部6的根基部6a从空洞21的周缘21a向内侧移动了的构造。在空洞21的周缘21a与开口7的周缘7a一致的情况下，支承部6的根基部6a由于变形被束缚，所以，相对于灰尘冲击那样的集中负载，成为最弱部(最大应力部)。因此，在开口7从周边21a向内侧离开的构造中，当被附加集中负载时，由于图中的B部变形，所以，具有支承部6的根基部6a处的应力被降低的效果。而且，由于如图3所示那样，在隔膜端的周缘部处，绝缘膜的厚度较厚，所以，可以降低隔膜端部处的应力值。
在上述各实施例中，只记载了一种电阻体4，但除了成为加热器的发热电阻体之外，还可以在隔膜部或隔膜部的周围构成对温度进行测定的测温电阻体等。这样，上述各实施例不限定于湿度传感器，通过在与半导体基板热绝缘的薄壁部配置加热器，并在薄壁部或薄壁部的周围对应被测量的对象配置各种电阻体、感应部件，可以构成各种测量元件。
另外，作为配置加热器的薄壁部或薄膜部，在上述实施例中说明了隔膜构造，但也可以应用架桥构造或悬臂构造，薄壁部或薄膜部包括隔膜构造、架桥构造及悬臂构造。

Claims (7)

1.一种测量元件，其特征在于，具备：半导体基板、形成在半导体基板上的电绝缘膜、形成在电绝缘膜上的构成加热器的电阻体、和将与形成了电阻体的主体部的区域对应的半导体基板部分除去而形成的空洞部，形成有电阻体主体部的区域因空洞部而成为薄壁部，在薄壁部的一部分形成了沿薄壁部的厚度方向贯通的开口或狭缝，
形成有覆盖开口或狭缝的区域的膜。
2.根据权利要求1所述的测量元件，其特征在于，
电绝缘膜形成在半导体基板的表面，空洞部从半导体基板的背面朝向表面形成。
3.根据权利要求1所述的测量元件，其特征在于，
覆盖开口或狭缝的区域的膜是有机膜。
4.根据权利要求3所述的测量元件，其特征在于，
所述有机膜是聚酰亚胺。
5.根据权利要求1所述的测量元件，其特征在于，
使覆盖开口或狭缝的区域的膜，成为比构成形成有电阻体主体部的所述薄壁部的电绝缘膜薄的电绝缘膜。
6.根据权利要求1～5中任意一项所述的测量元件，其特征在于，
开口或狭缝的周缘与空洞部的周缘相比，位于空洞部的内侧。
7.一种测量元件，其特征在于，具备：半导体基板、形成在半导体基板上的电绝缘膜、形成在电绝缘膜上的构成加热器的电阻体、和将与形成了电阻体的主体部的区域对应的半导体基板部分除去而形成的空洞部，形成有电阻体主体部的区域因空洞部而成为薄壁部，在薄壁部的一部分形成了沿薄壁部的厚度方向贯通的开口或狭缝，
在形成所述空洞部之前，将所述电绝缘膜形成在半导体基板的表面侧，在所述电绝缘膜的上侧形成有机膜，
在形成了所述电绝缘膜及所述有机膜之后，从半导体基板的背面朝向表面形成所述空洞部，按照在构成所述薄壁部的所述电绝缘膜处残留所述有机膜的方式，从所述空洞部侧形成了所述开口或狭缝。
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