DE112018004540T5

DE112018004540T5 - Sensorelement und verfahren zu seiner herstellung und sensorvorrichtung

Info

Publication number: DE112018004540T5
Application number: DE112018004540.4T
Authority: DE
Inventors: Takuya Aoyagi; Ryo Ando; Kazuhiro Ohta; Kengo Suzuki; Hiroshi Onuki; Yasuo Onose; Hiroshi Nakano
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2017-10-23
Filing date: 2018-10-10
Publication date: 2020-05-28
Also published as: JPWO2019082646A1; US20210190617A1; WO2019082646A1

Abstract

Es ist ein Sensorelement vorgesehen, das ohne Verwendung von Fluorwasserstoffsäure oder einer heißen Phosphorsäurelösung hergestellt werden kann. Ein Sensorelement 100 weist ein Basismaterial 10 und einen an das Basismaterial 10 gebondeten Halbleiterchip 20 auf. Der Halbleiterchip 20 weist ein Halbleitersubstrat 21, einen Trägerfilm 22, der auf einer Fläche 21a des Halbleitersubstrats 21 bereitgestellt ist, und eine Substratkammer 23, die in einer konkaven Form auf dem Halbleitersubstrat 21 bereitgestellt ist, so dass ein Hohlraum gebildet ist, der einem Elementgebiet 22A des Trägerfilms 22 gegenübersteht, eine Isolierschicht 24, die auf der Rückseite 21b des Halbleitersubstrats 21 bereitgestellt ist, und eine Bondschicht 25, die zwischen der Isolierschicht 14 und dem Basismaterial 10 bereitgestellt ist, auf. Die Isolierschicht 24 weist wenigstens einen Siliciumoxynitridfilm und/oder Siliciumoxidfilm auf. Die Bondschicht 25 weist ein Glas mit einem niedrigen Schmelzpunkt auf.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorelement, ein Verfahren zu seiner Herstellung und eine Sensorvorrichtung.
Technischer Hintergrund
Im Stand der Technik ist eine Erfindung bekannt, die sich auf eine Vorrichtung zur Erfassung einer physikalischen Größe eines Gases bezieht (siehe nachstehende PTL 1). PTL 1 offenbart eine Vorrichtung zur Erfassung einer physikalischen Größe, die an einem Ansaugsystem eines Verbrennungsmotors angebracht ist und eine physikalische Größe von Ansaugluft erfasst. Die Vorrichtung zur Erfassung einer physikalischen Größe weist ein Halbleitersubstrat mit einem Hohlraum, einen Trägerfilm aus einem Isoliermaterial, der auf dem Halbleitersubstrat bereitgestellt ist, um den Hohlraum abzudecken, und einen Messwiderstand, der in einem Gebiet auf dem Trägerfilm bereitgestellt ist, der den Hohlraum bedeckt, und ein Feuchtigkeitserfassungselement, das auf dem Trägerfilm bereitgestellt ist, auf (siehe dasselbe Dokument, Anspruch 1 und dergleichen).
Das Halbleitersubstrat besteht aus einkristallinem Silicium, und der Hohlraum wird durch eine Halbleiter-Mikroherstellungstechnik unter Verwendung von Photolithographie und eine anisotrope Ätztechnik gebildet. Der Trägerfilm weist einen einschichtigen Isolierfilm oder mehrere gestapelte Isolierfilme auf. Als Isolierfilm wird Siliciumoxid (SiO₂), Siliciumnitrid (Si₃N₄) oder dergleichen ausgewählt.
Wenn ein Sensorelement als eine solche Vorrichtung zur Erfassung einer physikalischen Größe hergestellt wird, wird beispielsweise ein SiO-Film oder ein SiN-Film an der Oberfläche des Halbleitersubstrats durch eine Halbleiter-Mikroherstellungstechnik unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Photolithographie mit Ausnahme eines Abschnitts, der zu einem Hohlraum des Halbleitersubstrats wird, gebildet. Dann wird das Halbleitersubstrat, auf dem die Maske gebildet wurde, einem anisotropen Ätzen unter Verwendung einer Kaliumhydroxidlösung oder dergleichen zur Bildung eines Hohlraums unterzogen, wodurch der Trägerfilm freigelegt wird.
Danach werden der SiO-Film und der SiN-Film, die als Maske verwendet werden, mit Fluorwasserstoffsäure, einer heißen Phosphorsäurelösung oder dergleichen entfernt, um die Oberfläche des Halbleitersubstrats aus einkristallinem Silicium freizulegen. Dann wird das Halbleitersubstrat, von dem die Maske entfernt wurde, beispielsweise durch anodisches Bonden an einen Sockel aus einem Basismaterial in der Art von Glas gebondet.
Zitatliste
Patentliteratur
PTL 1: JP 2016-11889 A
Kurzfassung der Erfindung
Technisches Problem
Wie vorstehend beschrieben, sind die Fluorwasserstoffsäure und die heißen Phosphorsäurelösungen, die zur Entfernung der an der Oberfläche des Halbleitersubstrats gebildeten Maske verwendet werden, sehr gefährlich, erfordern eine sorgfältige Behandlung und erzeugen nach dem Gebrauch Abfallflüssigkeit. Eine Nachbehandlung in der Art einer Abfallflüssigkeitsverarbeitung ist erforderlich.
Zusätzlich kann, wie vorstehend beschrieben, ein multifunktionelles Sensorelement, das einen Messwiderstand und ein Feuchtigkeitserfassungselement auf einem Trägerfilm aufweist, einen SiO-Film oder einen SiN-Film als Trägerfilm, oder Schutzfilm, der darauf ausgebildet ist, aufweisen. In diesem Fall wird das gesamte Halbleitersubstrat mit einer auf einer Fläche gebildeten Maske und einem Trägerfilm und einem Schutzfilm, die auf der anderen Fläche ausgebildet sind, mit Fluorwasserstoffsäure oder einer heißen Phosphorsäurelösung geätzt, um die Maske zu entfernen. Dann werden der Trägerfilm und der Schutzfilm gemeinsam mit der Maske entfernt. Daher muss nur eine Fläche des Halbleitersubstrats geätzt werden, wodurch der Herstellungsprozess komplizierter wird.
Die Erfindung sieht ein Sensorelement, das ohne die Verwendung von Fluorwasserstoffsäure oder einer heißen Phosphorsäurelösung hergestellt werden kann, ein Verfahren zu seiner Herstellung und eine Sensorvorrichtung vor.
Lösung des Problems
Ein Aspekt des erfindungsgemäßen Sensorelements ist ein Sensorelement, das ein Basismaterial und einen an das Basismaterial gebondeten Halbleiterchip aufweist. Der Halbleiterchip weist ein Halbleitersubstrat, einen auf einer Fläche des Halbleitersubstrats bereitgestellten Trägerfilm, eine in einer konkaven Form auf dem Halbleitersubstrat bereitgestellte Substratkammer zur Bildung eines einem Elementgebiet des Trägerfilms gegenüberstehenden Hohlraums und eine auf der Rückseite des Halbleitersubstrats bereitgestellte Isolierschicht sowie eine zwischen der Isolierschicht und dem Basismaterial bereitgestellte Bondschicht auf. Die Isolierschicht weist wenigstens einen Siliciumoxynitridfilm und/oder Siliciumoxidfilm auf. Die Bondschicht weist ein Glas mit einem niedrigen Schmelzpunkt auf.
Ein Aspekt der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung weist das Sensorelement auf.
Ein Aspekt des Verfahrens zur Herstellung eines Sensorelements gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements, das ein Basismaterial und einen an das Basismaterial gebondeten Halbleiterchip aufweist. Das Verfahren weist Folgendes auf: einen Anordnungsschritt zur Anordnung eines Halbleiterchips auf einer Fläche des Basismaterials über ein Bondmittel, das ein Glas mit einem niedrigen Schmelzpunkt enthält, wobei die Isolierschicht der Fläche des Basismaterials gegenübersteht, wobei der Halbleiterchip ein Halbleitersubstrat, einen auf einer Fläche des Halbleitersubstrats bereitgestellten Trägerfilm, eine Substratkammer, die in einer konkaven Form im Halbleitersubstrat bereitgestellt ist, zur Bildung eines einem Elementgebiet des Trägerfilms gegenüberstehenden Hohlraums und eine auf der Rückseite des Halbleitersubstrats bereitgestellte Isolierschicht aufweist, die wenigstens einen Siliciumoxynitridfilm und/oder Siliciumoxidfilm aufweist, und einen Bondschritt zum Erwärmen des Bondmittels auf eine Heiztemperatur zwischen dem Erweichungspunkt des Glases mit einem niedrigen Schmelzpunkt und der Wärmebeständigkeitstemperatur des Halbleiterchips und zum Bonden des Halbleiterchips an das Basismaterial über die Bondschicht.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Gemäß dem vorstehenden Aspekt der Erfindung wird die Isolierschicht auf der Rückseite des Halbleitersubstrats als Maske verwendet, wenn das Halbleitersubstrat des Halbleiterchips zur Bildung der Substratkammer geätzt wird. Dann kann der Halbleiterchip an das Basismaterial gebondet werden, ohne die Isolierschicht zu entfernen. Daher können gemäß dem vorstehenden Aspekt der Erfindung ein Sensorelement, das unter Verwendung von Fluorwasserstoffsäure oder einer heißen Phosphorsäurelösung hergestellt werden kann, ein Verfahren zu seiner Herstellung und eine das Sensorelement aufweisende Sensorvorrichtung bereitgestellt werden.
Figurenliste
Es zeigen:

1 eine Schnittansicht eines Sensorelements gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
2 eine Draufsicht des in 1 dargestellten Sensorelements,
3 eine Schnittansicht einer ersten Modifikation des in 1 dargestellten Sensorelements,
4 eine Schnittansicht einer zweiten Modifikation des in 1 dargestellten Sensorelements,
5 eine Schnittansicht einer dritten Modifikation des in 1 dargestellten Sensorelements,
6 einen Graphen eines Beispiels einer DTA-Kurve von Glas,
7 eine Schnittansicht einer vierten Modifikation des in 1 dargestellten Sensorelements,
8A eine Ansicht einer Sensorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung von unten,
8B eine Schnittansicht der Sensorvorrichtung entlang der in 8A dargestellten Linie B-B,
9A eine Schnittansicht eines Beispiels eines Anbringungszustands der in 8B dargestellten Sensorvorrichtung,
9B eine Schnittansicht eines anderen Beispiels des Anbringungszustands der in 8B dargestellten Sensorvorrichtung,
10A eine Schnittansicht eines Anbringungszustands der Sensorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
10B eine Schnittansicht der Sensorvorrichtung entlang der Linie B-B aus 10A,
11 ein STEM-Analyseergebnis einer Sensorelement-Bondgrenzfläche gemäß einem zwölften Beispiel der Erfindung und
12 ein STEM-Analyseergebnis einer Sensorelement-Bondgrenzfläche gemäß dem zwölften Beispiel der Erfindung.

Beschreibung von Ausführungsformen
Nachstehend werden Ausführungsformen eines Sensorelements, eines Verfahrens zu seiner Herstellung und einer Sensorvorrichtung gemäß der Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
(Sensorelement und Verfahren zu seiner Herstellung)
1 ist eine schematische Schnittansicht eines Sensorelements 100 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. 2 ist eine schematische Draufsicht des in 1 dargestellten Sensorelements 100. Das Sensorelement 100 gemäß dieser Ausführungsform wird beispielsweise als Komponente einer Sensorvorrichtung in der Art einer thermischen Feuchtigkeitsmessvorrichtung, welche die Feuchtigkeit durch ein Ansaugrohr eines Kraftfahrzeugs strömender Luft misst, oder in der Art einer multifunktionellen Messvorrichtung, welche sowohl Feuchtigkeit als auch Druck misst, verwendet. Das charakteristischste Merkmal des Sensorelements 100 gemäß dieser Ausführungsform besteht darin, dass es die folgende Konfiguration aufweist.
Das Sensorelement 100 weist ein Basismaterial 10 und einen an das Basismaterial 10 gebondeten Halbleiterchip 20 auf. Der Halbleiterchip 20 weist ein Halbleitersubstrat 21, einen Trägerfilm 22, der auf einer Fläche 21a des Halbleitersubstrats 21 bereitgestellt ist, und eine Substratkammer 23, die in einer konkaven Form auf dem Halbleitersubstrat 21 bereitgestellt ist, so dass ein Hohlraum gebildet ist, der einem Elementgebiet 22A des Trägerfilms 22 gegenübersteht, eine Isolierschicht 24, die auf der Rückseite 21b des Halbleitersubstrats 21 bereitgestellt ist, und eine Bondschicht 25, die zwischen der Isolierschicht 24 und dem Basismaterial 10 bereitgestellt ist, auf. Die Isolierschicht 24 weist wenigstens einen Siliciumoxynitridfilm und/oder Siliciumoxidfilm auf. Die Bondschicht 25 weist ein Glas mit einem niedrigen Schmelzpunkt auf. Ferner beträgt die Dicke des Halbleiterchips 20 beim Sensorelement 100 gemäß dieser Ausführungsform beispielsweise 10 µm oder weniger. Nachstehend wird die Konfiguration des Sensorelements 100 gemäß dieser Ausführungsform detaillierter beschrieben.
Das Basismaterial 10 ist beispielsweise ein plattenförmiges Element, das über die Bondschicht 25 an die Rückseite des Halbleiterchips 20 gebondet ist. Das Basismaterial 10 ist beispielsweise ein Halbleiter in der Art von Silicium (Si) oder Glas. Als Glas kann beispielsweise Borosilikatglas in der Art von PYREX (eingetragenes Warenzeichen) oder Tempax Float (eingetragenes Warenzeichen) verwendet werden. Ferner ist es zur Verbesserung der Zuverlässigkeit des Bondens zwischen dem Basismaterial 10 und dem Halbleiterchip 20 bevorzugt, dass der Wert des linearen Ausdehnungskoeffizienten des Basismaterials 10 möglichst nahe bei jenem des linearen Ausdehnungskoeffizienten des Halbleitersubstrats 21 des Halbleiterchips 20 liegt.
Das Halbleitersubstrat 21 besteht beispielsweise aus einkristallinem Silicium und weist den Trägerfilm 22 auf der Fläche 21a und die Isolierschicht 24 auf der Rückseite auf. Zusätzlich weist das Halbleitersubstrat 21 die konkave Substratkammer 23 auf, die sich an der Öffnung der Isolierschicht 24 auf der Rückseite 21b öffnet.
Der Trägerfilm 22 ist beispielsweise eine Isolatorschicht oder ein Isolatorfilm auf dem Oberflächenschichtabschnitt des Halbleitersubstrats 21 oder der Fläche 21a des Halbleitersubstrats 21. Beim in 1 dargestellten Beispiel weist der Trägerfilm 22 eine Mehrschichtstruktur auf, die einen auf der äußersten Fläche des Halbleitersubstrats 21 gebildeten Schutzfilm 22a und drei vom Schutzfilm 22a bedeckte Isolierfilme 22b, 22c und 22d aufweist. Ferner sind die Isolierfilme 22b, 22c und 22d, die den Trägerfilm 22 bilden, nicht auf drei Schichten beschränkt und können beispielsweise eine einzelne Schicht, zwei Schichten oder vier oder mehr Schichten sein. Der Schutzfilm 22a und die Isolierfilme 22b, 22c und 22d, die den Trägerfilm 22 bilden, bestehen beispielsweise aus Siliciumoxid (SiOx) oder Siliciumnitrid (SiNx). Der Trägerfilm 22 weist beispielsweise den aus einem solchen Oxid oder Nitrid gebildeten Isolierfilm 22d auf der der Substratkammer 23 entgegengesetzten Fläche auf.
Beim Trägerfilm 22 ist beispielsweise wenigstens eines von einem Druckmesselement 30 und einem Feuchtigkeitsmesselement 40 im Elementgebiet 22A ausgebildet, das der einen Hohlraum im Halbleitersubstrat 21 bildenden Substratkammer 23 gegenübersteht. Das Druckmesselement 30 und das Feuchtigkeitsmesselement 40 sind beispielsweise mit einem den Trägerfilm 22 bildenden Schutzfilm 22a bedeckt. Das Elementgebiet 22A des Trägerfilms 22 bildet eine Membran oder eine Unterteilung der Substratkammer 23. Von den Isolierfilmen 22b, 22c und 22d, die den Trägerfilm 22 bilden, besteht der Isolierfilm 22d der untersten Schicht, welcher der Substratkammer 23 gegenübersteht, aus SiOx oder SiNx.
Beim in den 1 und 2 dargestellten Beispiel weist der Trägerfilm 22 zwei Elementgebiete 22A auf, ist das Druckmesselement 30 in einem Elementgebiet 22A ausgebildet und ist das Feuchtigkeitsmesselement 40 im anderen Elementgebiet 22A ausgebildet. Mit anderen Worten sind beim in den 1 und 2 dargestellten Beispiel das Druckmesselement 30 und das Feuchtigkeitsmesselement 40 auf demselben Trägerfilm 22 ausgebildet. Der Trägerfilm 22 trägt das Druckmesselement 30 und das Feuchtigkeitsmesselement 40 jeweils auf einem durch die Substratkammer 23 gebildeten Hohlraum.
Die Substratkammer 23 ist in einer konkaven Form auf der Rückseite 21b des Halbleitersubstrats 21, worauf die Isolierschicht 24 ausgebildet ist, entgegengesetzt zur Fläche 21a des Halbleitersubstrats 21, worauf der Trägerfilm 22 ausgebildet ist, bereitgestellt und bildet einen dem Elementgebiet 22A des Trägerfilms 22 gegenüberstehenden Hohlraum. Der Halbleiterchip 20 gemäß dieser Ausführungsform weist zwei Substratkammern 23 auf. Zumindest eine der Substratkammern 23 ist zwischen dem Halbleitersubstrat 21 und dem Basismaterial 10 eingeschlossen und weist einen unterhalb des Atmosphärendrucks liegenden Druck auf. Beim Halbleiterchip 20 gemäß dieser Ausführungsform ist der Raum zwischen dem Halbleitersubstrat 21 und dem Basismaterial 10 in beiden Substratkammern 23 eingeschlossen, wobei der Druck unterhalb des Atmosphärendrucks liegt. Ferner kann der Halbleiterchip 20 eine Substratkammer 23 oder drei oder mehr Substratkammern 23 aufweisen.
3 ist eine Schnittansicht einer ersten Modifikation des in 1 dargestellten Sensorelements 100. Beim in 3 dargestellten Beispiel weist das Sensorelement 100 eine Lüftungsrille 11 auf, die in einer konkaven Form auf einer Fläche 10a des Basismaterials 10 ausgebildet ist. Die Lüftungsrille 11 erstreckt sich von der dem Elementgebiet 22A des Trägerfilms 22 gegenüberstehenden Substratkammer 23, worin das Feuchtigkeitsmesselement 40 ausgebildet ist, entlang der Fläche des Basismaterials 10 bis zu dessen Ende und ist an diesem Ende offen. Dadurch kommuniziert die dem Elementgebiet 22A des Trägerfilms 22 gegenüberstehende Substratkammer 23, worin das Feuchtigkeitsmesselement 40 ausgebildet ist, durch die Lüftungsrille 11 mit dem Raum um das Sensorelement 100 und weist den gleichen Druck auf wie der umgebende Raum.
4 ist eine Schnittansicht einer zweiten Modifikation des in 1 dargestellten Sensorelements 100. Beim in 4 dargestellten Beispiel weist das Sensorelement 100 ein Durchgangsloch 12 auf, welches das Basismaterial 10 in Dickenrichtung durchdringt. Das Durchgangsloch 12 erstreckt sich in Dickenrichtung des Basismaterials 10 von der dem Elementgebiet 22A des Trägerfilms 22 gegenüberstehenden Substratkammer 23, worin das Feuchtigkeitsmesselement 40 ausgebildet ist, und öffnet sich an der unteren Fläche des Basismaterials 10. Dadurch kommuniziert die Substratkammer 23, die dem Elementgebiet 22A des Trägerfilms 22, worauf das Feuchtigkeitsmesselement 40 ausgebildet ist, gegenübersteht, durch das Durchgangsloch 12 mit dem Raum um das Sensorelement 100 und weist den gleichen Druck auf wie der umgebende Raum.
In jedem Fall ist es wünschenswert, dass sich die Substratkammer 23, die dem Elementgebiet 22A des Trägerfilms 22 gegenübersteht, worauf das Druckmesselement 30 ausgebildet ist, in einem Unterdruckzustand ist. Dies liegt daran, dass der Innendruck der Substratkammer 23 angrenzend an das Druckmesselement 30 bei einer Druckmessung durch das Druckmesselement 30 zu einem Referenzdruck wird und der Absolutdruck gemessen werden kann. Für diesen Zweck ist der Unterdruckzustand der Substratkammer 23 nicht nur ein Zustand, bei dem der Innendruck der Substratkammer 23 unterhalb des Atmosphärendrucks liegt, sondern es ist beispielsweise auch bevorzugt, dass der Innendruck der Substratkammer 23 bei einem mittleren Vakuum von 100 Pa oder darunter liegt. Bevorzugter liegt der Innendruck der Substratkammer 23 bei 20 Pa oder darunter.
Das Druckmesselement 30 weist beispielsweise einen Messwiderstand 31, der im Elementgebiet 22A des Trägerfilms 22 ausgebildet ist, einen Referenzwiderstand 32, der außerhalb des Elementgebiets 22A des Trägerfilms 22 bereitgestellt ist, und mehrere Elektroden 33, die mit dem Messwiderstand 31 und dem Referenzwiderstand 32 verbunden sind, um eine Spannung und einen Strom zu senden und zu empfangen, auf. Der Messwiderstand 31 und der Referenzwiderstand 32 bestehen aus einem Material mit einem hohen Temperaturkoeffizienten des Widerstands beispielsweise in der Art von Platin (Pt), Tantal (Ta), Molybdän (Mo) und mit Störstellen dotiertem polykristallinem Silicium (Si). Molybdän (Mo) weist eine ausgezeichnete Wärmebeständigkeit auf, der Eichfaktor eines Mo-Films ist mit 0,4 bis 1,5 jedoch verhältnismäßig klein, die Messgenauigkeit kann jedoch durch Optimieren der Form und des Aufbaus des Druckmesselements 30 verbessert werden.
Beim Druckmesselement 30 können ein einziger Messwiderstand 31 und ein einziger Referenzwiderstand 32 vorgesehen sein, es ist jedoch in Hinblick auf die Verbesserung des Eichfaktors und der Messgenauigkeit bevorzugt, mehrere von ihnen bereitzustellen. Zusätzlich ist es zur Verbesserung der Messgenauigkeit des Druckmesselements 30 bevorzugt, dass die Dicke des Trägerfilms 22 beispielsweise einige zehn µm oder weniger beträgt. Bei den in den 1, 3 und 4 dargestellten Beispielen wird ein aus einkristallinem Silicium bestehender Abschnitt des Halbleitersubstrats 21 angrenzend an das Elementgebiet 22A des Trägerfilms 22 entfernt, um eine Hohlraum-Substratkammer 23 zu bilden, und wird der Trägerfilm 22 in der Substratkammer 23 freigelegt. Daher nimmt durch die Ausbildung des Trägerfilms 22 als Dünnfilm die Auslenkung des Trägerfilms 22 infolge des auf ihn wirkenden Drucks zu, so dass die Messgenauigkeit des Druckmesselements 30 verbessert werden kann.
Das Feuchtigkeitsmesselement 40 weist beispielsweise ein erstes Heizelement 41, ein zweites Heizelement 42 und mehrere mit diesen Heizelementen 41 und 42 verbundene Elektroden 43 zum Aussenden und Empfangen von Spannung und Strom auf. Die Heizelemente 41 und 42 bestehen beispielsweise aus dem gleichen Material wie der Messwiderstand 31 des Druckmesselements 30. In Hinblick auf die Verbesserung der Messgenauigkeit des Feuchtigkeitsmesselements 40 weist das die Heizelemente 41 und 42 bildende Material vorzugsweise einen Temperaturkoeffizienten des Widerstands von 1000 [ppm/°C] oder mehr und eine Temperaturbeständigkeit von 400 [°C] oder mehr auf.
Falls für die Heizelemente 41 und 42 des Feuchtigkeitsmesselements 40 und den Messwiderstand 31 und den Referenzwiderstand 32 des Druckmesselements 30 mit Störstellen dotiertes polykristallines Silicium verwendet wird, liegt die Temperaturbeständigkeit dieser Elemente beispielsweise bei 200 [°C]. Daher ergibt sich beim Material des Feuchtigkeitsmesselements 40 ein Problem in Bezug auf die Zuverlässigkeit über einen langen Zeitraum. Der Eichfaktor polykristallinen Siliciums ist jedoch verhältnismäßig hoch und liegt beispielsweise bei etwa 3 bis 14, und die Messgenauigkeit des Druckmesselements 30 kann verbessert werden.
Daher sind bei einer Sensorvorrichtung, von der nicht angenommen wird, dass sie über einen langen Zeitraum verwendet wird, mit Störstellen dotierte Materialien für die Heizelemente 41 und 42 des Feuchtigkeitsmesselements 40 des Sensorelements 100 und den Messwiderstand 31 sowie den Referenzwiderstand 32 des Druckmesselements 30 wirksam. Beim für eine an einem Fahrzeug angebrachte Sensorvorrichtung verwendeten Sensorelement 100, das über einen langen Zeitraum verwendet werden soll, ist es jedoch wünschenswert, ein sehr wärmebeständiges Material in der Art von Molybdän für die Heizelemente 41 und 42 des Feuchtigkeitsmesselements 40 und den Messwiderstand 31 sowie den Referenzwiderstand 32 des Druckmesselements 30 zu verwenden.
Die Elektroden 33 und 43 des Druckmesselements 30 und des Feuchtigkeitsmesselements 40 sind durch einen Goldbonddraht oder einen Leiterrahmen beispielsweise mit einer Treiberschaltung (nicht dargestellt) elektrisch verbunden. Als Material der Elektroden 33 und 43 kann beispielsweise Aluminium (AI) verwendet werden.
Das Feuchtigkeitsmesselement 40 kann beispielsweise wie nachstehend beschrieben die Feuchtigkeit messen. Zuerst wird das erste Heizelement 41 beispielsweise geregelt auf eine Temperatur von etwa 400 °C bis 500 °C erwärmt.
Überdies ist das zweite Heizelement 42 ein Zusatzheizelement, das beispielsweise geregelt auf eine Temperatur von etwa 200 °C bis 300 °C erwärmt wird.
Wenn sich die Luftfeuchtigkeit ändert, ändern sich die Wärmeleitfähigkeit der Luft und die vom ersten Heizelement 41 an die Luft abgestrahlte Wärmemenge. Die absolute Luftfeuchtigkeit kann durch Erfassen der Änderung der abgegebenen Wärmemenge gemessen werden.
Das zweite Heizelement 42 ist ein Zusatzheizelement, das dazu dient, die Umgebung des ersten Heizelements 41 auf einer konstanten Temperatur zu halten. Mit dem zweiten Heizelement 42 kann die Umgebung des ersten Heizelements 41 selbst dann wenn sich die Umgebungstemperatur des Sensorelements 100 ändert, auf einer konstanten Temperatur gehalten werden und können die Temperatureigenschaften bei der Feuchtigkeitsmessung verbessert werden. Gemäß dieser Ausführungsform weist das Feuchtigkeitsmesselement 40 das zweite Heizelement 42 auf, die Feuchtigkeit kann jedoch auch ohne das zweite Heizelement 42 gemessen werden. Falls das Feuchtigkeitsmesselement 40 kein zweites Heizelement 42 aufweist, muss der Messfehler infolge einer Änderung der Lufttemperatur durch die Verwendung eines Temperatursensors oder dergleichen kompensiert werden.
Ein weiterer Faktor, der zu einem Messfehler des Feuchtigkeitsmesselements 40 führt, ist ein bei schnellen Druckschwankungen auftretender Fehler. Beim in den 3 und 4 dargestellten Beispiel kommuniziert die Substratkammer 23, die dem Elementgebiet 22A des Trägerfilms 22, worauf das Feuchtigkeitsmesselement 40 ausgebildet ist, gegenübersteht, mit dem Raum, der das Sensorelement 100 umgibt. In diesem Fall kann die Auslenkung des Trägerfilms 22 im Elementgebiet 22A, wo das Feuchtigkeitsmesselement 40 ausgebildet ist, verringert werden. Daher kann die Genauigkeit der bei schnellen Druck- und Temperaturänderungen gemessenen Feuchtigkeit verbessert werden und kann eine genaue Druckkorrektur selbst bei schnellen Druckschwankungen (transienten Bedingungen) ausgeführt werden. Zusätzlich kann eine Verringerung der Genauigkeit der Korrektur der gemessenen Feuchtigkeit infolge einer Variation bei der Herstellung unterdrückt werden.
Das Druckmesselement 30 kann den Druck beispielsweise folgendermaßen messen. Infolge des Drucks des Gases um das Sensorelement 100 biegt sich das Elementgebiet 22A des Trägerfilms 22 gegenüber dem von der Substratkammer 23 gebildeten Hohlraum und ändert sich der Wert des Messwiderstands 31. Mit anderen Worten biegt sich, weil die Substratkammer 23, die dem Elementgebiet 22A des Trägerfilms 22, der mit dem Druckmesselement 30 versehen ist, gegenübersteht, dicht geschlossen ist, das Elementgebiet 22A des Trägerfilms 22 infolge des Drucks des umgebenden Gases und ändert sich der Wert des Messwiderstands 31. Durch Messen der Änderung des Messwiderstands 31 kann der Druck des Gases um das Sensorelement 100 gemessen werden.
Zusätzlich sind beim Sensorelement 100 gemäß dieser Ausführungsform das Feuchtigkeitsmesselement 40 und das Druckmesselement 30 auf dem Trägerfilm 22 des Halbleiterchips 20 bereitgestellt. In diesem Fall können selbst dann, wenn sich die Temperatur der Umgebung um das Sensorelement 100 ändert, die Temperaturänderung des Feuchtigkeitsmesselements 40 und des Druckmesselements 30 durch die Heizelemente 41 und 42 des Feuchtigkeitsmesselements 40 unterdrückt werden. Daher kann der Einfluss auf die Messung der Feuchtigkeit und des Drucks selbst bei schnellen Temperaturänderungen unterdrückt werden.
Die auf der Rückseite des Halbleitersubstrats 21 gebildete Isolierschicht 24 besteht zumindest teilweise beispielsweise aus Siliciumoxid (SiOx) oder Siliciumnitrid (SiNx). In der Isolierschicht 24 wird beispielsweise bei einem Prozess zur Herstellung des Halbleiterchips 20 ein Muster mit einer Öffnung an einer der Substratkammer 23 entsprechenden Position durch Photolithographie gebildet. Zumindest ein Teil der Isolierschicht 24 wird als Resist verwendet, wenn die Substratkammer 23 beispielsweise durch anisotropes Ätzen von der Rückseite des Halbleitersubstrats 21 unter Verwendung von Kaliumhydroxid (KOH) im Halbleitersubstrat 21 gebildet wird. Zumindest ein Teil der als Resist wirkenden Isolierschicht 24 kann gleichzeitig mit dem Trägerfilm 22 an der Oberfläche des Halbleitersubstrats 21 gebildet werden.
Zusätzlich weist die Isolierschicht 24 beispielsweise wenigstens einen Siliciumoxynitridfilm und/oder Siliciumoxidfilm auf. Mit anderen Worten kann die Isolierschicht 24 einen Mehrschichtfilm aufweisen, wobei beispielsweise ein einschichtiger oder ein mehrschichtiger Siliciumoxynitridfilm, ein einschichtiger oder ein mehrschichtiger Siliciumoxidfilm oder ein Siliciumoxynitridfilm und ein Siliciumoxynitridfilm zusätzlich zum durch SiOx oder SiNx gebildeten Abschnitt laminiert sind. Der Siliciumoxynitridfilm und/oder der Siliciumoxidfilm wird beispielsweise beim Prozess der Herstellung des Sensorelements 100 erzeugt, wenn das Basismaterial 10 und das Halbleitersubstrat 21 durch die Bondschicht 25 gebondet werden, und es handelt sich dabei um einen Dünnfilm mit einer Dicke von höchstens etwa 100 nm. Ferner besteht die Isolierschicht 24 beim in 4 dargestellten Beispiel nur aus einem Siliciumoxidfilm.
5 ist eine Schnittansicht einer dritten Modifikation des in 1 dargestellten Sensorelements 100. Beim in 5 dargestellten Beispiel weist die Isolierschicht 24 eine Zweischichtstruktur mit einem aus SiNx bestehenden Isolierfilm 24a und einem aus SiOx bestehenden Isolierfilm 24b von der Bondschicht 25 zur Fläche 21a des Halbleitersubstrats 21 auf. Zusätzlich weist der Trägerfilm 22 eine vierschichtige Struktur auf, welche den Schutzfilm 22a aus SiOx auf der äußersten Fläche, den Isolierfilm 22b aus SiOx in der unteren Schicht, den Isolierfilm 22c aus SiNx in der unteren Schicht und den Isolierfilm 22d aus SiOx in der untersten Schicht aufweist.
Die Bondschicht 25 enthält Glas mit einem niedrigen Schmelzpunkt. Das die Bondschicht 25 bildende Glas mit einem niedrigen Schmelzpunkt enthält beispielsweise Vanadium. Zusätzlich weist das die Bondschicht 25 bildende Glas mit einem niedrigen Schmelzpunkt beispielsweise einen linearen Ausdehnungskoeffizienten zwischen 30 × 10^-7 [1/°C] und 70 × 10^-7 [1/°C] auf. Die Bondschicht 25 ist zwischen dem Basismaterial 10 und der auf der Rückseite 21b des den Halbleiterchip 20 bildenden Halbleitersubstrats 21 bereitgestellten Isolierschicht 24 bereitgestellt und bondet den Halbleiterchip 20 und das Basismaterial 10.
6 ist ein Graph, der ein Beispiel der Differenzielle-thermische-Analyse(DTA)-Kurve von Glas zeigt. Hierbei weist das Glas mit einem niedrigen Schmelzpunkt einen Erweichungspunkt von 600 °C oder darunter auf, wobei der zweite endotherme Peak ein Erweichungspunkt (Ts) ist, wie in 6 dargestellt ist. Das Glas mit einem niedrigen Schmelzpunkt wird beispielsweise aus jenen ausgewählt, die in der Lage sind, den Halbleiterchip 20 und das Basismaterial 10 bei oder unterhalb der Wärmebeständigkeitstemperatur des Halbleiterchips 20 zu verbinden. Beispiele des Glases mit einem niedrigen Schmelzpunkt umfassen Wismut enthaltendes Bi₂O₃, Zinn enthaltendes SnO und Vanadium enthaltendes V₂O₅.
Beim Sensorelement 100 gemäß dieser Ausführungsform wird als in der Bondschicht 25 enthaltenes Glas mit einem niedrigen Schmelzpunkt beispielsweise Vanadium enthaltendes V₂O₅ und im Wesentlichen kein Blei enthaltendes Glas verwendet. Dadurch kann das Sensorelement 100 in Übereinstimmung mit der Leitlinie des europäischen Parlaments und Rats (nachstehend als RoHS-Leitlinie bezeichnet) zur Beschränkung der Verwendung spezifischer in elektrischen und elektronischen Vorrichtungen enthaltener schädlicher Substanzen bereitgestellt werden. Ferner unterliegen von der RoHS-Leitlinie verbotene Substanzen den von der EU (Europäischen Union) am 1. Juli 2006 aufgestellten Richtlinien zu gefährlichen Substanzen, wobei diese verbotenen Substanzen innerhalb des von den Richtlinien spezifizierten Bereichs enthalten sein dürfen.
Falls sich die Substratkammer 23 des Halbleiterchips 20 in einem Unterdruckzustand befindet, ist es ferner wünschenswert, ein SnO-basiertes oder V₂O₅-basiertes Glas als das in der Bondschicht 25 enthaltene Glas mit einem niedrigen Schmelzpunkt auszuwählen. Dies liegt daran, dass die Zuverlässigkeit der Bondschicht 25 infolge der Reduktion und Ausscheidung von Bi abnimmt, falls das Bi₂O₃-basierte Glas in einem Unterdruckzustand erwärmt wird.
Zusätzlich ist das in der Bondschicht 25 enthaltene Glas mit einem niedrigen Schmelzpunkt vorzugsweise SnO- oder V₂O₅-basiertes Glas, falls die Isolierschicht 24 aus einem Nitridfilm, beispielsweise einem Siliciumnitridfilm, besteht. Wenn ein Bi₂O₃-basiertes Glas mit einem niedrigen Schmelzpunkt durch eine Reaktion in einen Siliciumoxidfilm umgewandelt wird, reagiert es mit dem Siliciumnitridfilm unter Freisetzen von Stickstoffgas und unter Erzeugung von Blasen. Andererseits hat das SnO-basierte oder V₂O₅-basierte Glas mit einem niedrigen Schmelzpunkt eine geringe Reaktivität mit dem Siliciumnitridfilm, unterdrückt die Erzeugung von Blasen und kann die Zuverlässigkeit der Bondschicht 25 verbessern. Mit anderen Worten kann durch die Verwendung der ein SnO- oder V₂O₅basiertes Glas mit einem niedrigen Schmelzpunkt enthaltenden Bondschicht 25 die Reaktion mit dem Siliciumnitridfilm unterdrückt werden und bis zum Siliciumoxynitridfilm statt bis zum Siliciumoxidfilm unterdrückt werden. Dadurch kann die Freisetzung des Stickstoffgases verringert werden und die Zuverlässigkeit der Bondschicht verbessert werden.
Die Bondschicht 25 kann einen Füllstoff oder dergleichen zur Einstellung des Wärmeausdehnungskoeffizienten zusätzlich zum Glas mit einem niedrigen Schmelzpunkt aufweisen. Beispiele des Füllstoffs können Zirkon, Zirkonoxid, Quarzglas, β-Spondumen, Cordierit, Mullit, β-Eucryptit, β-Quarz, Zirkoniumphosphat, Zirkoniumphosphatwolframat (ZWP), Zirkoniumwolframat und Festlösungen davon und dergleichen umfassen. Diese können für sich oder mit zweien oder mehr von ihnen kombiniert verwendet werden. Es ist erwünscht, dass der Gehalt des Füllstoffs in der Bondschicht 25 höchstens 50 Volumenprozent beträgt. Falls der Gehalt diesen Wert überschreitet, können die Erweichungsfluidität des Materials bei der Bildung der Bondschicht 25 und die Zuverlässigkeit des Bondens verringert werden.
Der Wärmeausdehnungskoeffizient der Bondschicht 25 liegt im Interesse der Zuverlässigkeit des Bondens vorzugsweise im Bereich von 30 × 10^-7 [1/°C] bis 70 × 10^-7 [1/°C]. Dadurch kann die Differenz des Wärmeausdehnungskoeffizienten gegenüber jenem des Basismaterials 10, das beispielsweise Silicium oder Glas ist, verringert werden und kann die Zuverlässigkeit des Bondens verbessert werden. Hier bezeichnet der Wärmeausdehnungskoeffizient einen in einem Temperaturbereich von 50 °C bis 250 °C gemessenen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten.
Das in der Bondschicht 25 enthaltene Glas mit einem niedrigen Schmelzpunkt ist vorzugsweise V₂O₅-basiertes Glas. Das V₂O₅-basierte Glas mit einem niedrigen Schmelzpunkt hat einen niedrigeren Erweichungspunkt als andere Gläser mit einem niedrigen Schmelzpunkt und einen linearen Ausdehnungskoeffizienten, der sich leichter an das Basismaterial 10 aus Silicium oder dergleichen anpassen lässt. Daher können die thermischen Spannungen beim Zusammenfügen des Halbleiterchips 20 und der Basisschicht 10 über die Bondschicht 25 verringert werden. Es ist wünschenswert, dass das V₂O₅-basierte Glas mit einem niedrigen Schmelzpunkt in Hinblick auf die Oxidation ferner wenigstens 10 Gewichtsprozent Fe₂O₃ enthält. Indem es wenigstens 10 Gewichtsprozent Fe₂O₃ enthält, lässt sich der Erweichungspunkt des Glases verringern, während der Wärmeausdehnungskoeffizient der V₂O₅ als Hauptkomponente enthaltenden Glaszusammensetzung verringert wird.
In Hinblick auf die Oxidation weist die Glaszusammensetzung, mit der eine gute Bondschicht 25 gebildet werden kann, beispielsweise 45 bis 50 Gewichtsprozent V₂O₅, 20 bis 30 Gewichtsprozent TeO₂, 10 bis 15 Gewichtsprozent Fe₂O₃, 5 bis 16 Gewichtsprozent P₂O₅ und 0 bis 10 Gewichtsprozent WO₃ auf. Die Glaszusammensetzung kristallisiert leicht, wenn wenigstens 10 Gewichtsprozent Fe₂O₃ enthalten sind, die Kristallisation kann jedoch durch Aufnahme von 0 bis 10 Gewichtsprozent WO₃ unterdrückt werden.
Zusätzlich kann das Glas mit einem niedrigen Schmelzpunkt in Hinblick auf die thermische Stabilität ein Erdalkalimetallelement enthalten, es ist jedoch wünschenswert, dass es das Element in einem Bereich von weniger als 10 Molprozent in Bezug auf das Oxid enthält. Falls der Bereich überschritten wird, nimmt der Wärmeausdehnungskoeffizient zu. Der Anteil des Alkalimetallelements im Glas mit einem niedrigen Schmelzpunkt beträgt in Bezug auf das Oxid bevorzugter höchstens 5 Molprozent und noch bevorzugter höchstens 3,4 Molprozent.
7 ist eine Schnittansicht einer vierten Modifikation des in 1 dargestellten Sensorelements 100. Das in 7 dargestellte Sensorelement 100 weist hauptsächlich den Trägerfilm 22, der durch den Isolierfilm 22b gebildet ist, wobei es sich um einen an der Oberfläche des Halbleitersubstrats 21 gebildeten Oxidfilm handelt, und einen Teil der Oberflächenseite des Halbleitersubstrats 21 auf und unterscheidet sich in der Hinsicht vom in 1 dargestellten Sensorelement 100, dass kein Feuchtigkeitsmesselement 40 aufgenommen ist.
Beim in 7 dargestellten Beispiel befindet sich das Druckmesselement 30 des Sensorelements 100 im Elementgebiet 22A des Trägerfilms 22 gegenüber der Substratkammer 23 des Halbleitersubstrats 21. Der einen Teil des Trägerfilms 22 bildende Isolierfilm 22b ist ein an der Oberfläche des Halbleitersubstrats 21 gebildeter Oxidfilm, und ein Gebiet zur Bildung des Messwiderstands 31 ist durch Photolithographie geöffnet und entfernt. Der Messwiderstand 31 ist beispielsweise durch thermische Diffusion in einem Abschnitt der Oberfläche des Halbleitersubstrats 21 ausgebildet, in dem der Isolierfilm 22b geöffnet ist. Die Elektrode 33 des Druckmesselements 30 ist beispielsweise eine Al-Elektrode, die durch einen Oxidationsprozess oder eine photographische Technik in einem im Isolierfilm 22b bereitgestellten Kontaktloch ausgebildet ist.
Auf der Rückseite 21b des Halbleitersubstrats 21 ist die Isolierschicht 24, wobei es sich um einen SiNx-Film handelt, ausgebildet. Die Isolierschicht 24 ist durch eine photolithographische Technik strukturiert und weist in einem der Substratkammer 23 entsprechenden Abschnitt eine Öffnung auf. Die Substratkammer 23 ist durch Ätzen des Halbleitersubstrats 21 beispielsweise mit KOH unter Verwendung der Isolierschicht 24 als Resist gebildet. Im Halbleiterchip 20 ist die Rückseite des Halbleitersubstrats 21, worauf die Isolierschicht 24 ausgebildet ist, über die Bondschicht 25 an das Basismaterial 10 gebondet. Die Isolierschicht 24 weist wenigstens einen Siliciumoxynitridfilm und/oder Siliciumoxidfilm auf, der gebildet wird, wenn die Isolierschicht 24 über die Bondschicht 25 an das Basismaterial 10 gebondet wird.
Nachstehend werden eine Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines Sensorelements gemäß der Erfindung und der Betrieb des Sensorelements 100 gemäß der vorstehenden Ausführungsform beschrieben.
Beim Verfahren zur Herstellung des Sensorelements 100 gemäß dieser Ausführungsform wird das Sensorelement 100 einschließlich des vorstehend beschriebenen Basismaterials 10 und des an das Basismaterial 10 gebondeten Halbleiterchips 20 hergestellt. Das Verfahren zur Herstellung des Sensorelements 100 gemäß dieser Ausführungsform weist die folgenden Schritte des Anordnens und Zusammenfügens auf.
Beim Anordnungsschritt wird der Halbleiterchip 20 durch ein Bondmittel, das ein Glas mit einem niedrigen Schmelzpunkt enthält, angeordnet, wobei die Isolierschicht 24 der Oberfläche des Basismaterials 10 gegenübersteht. Hier weist der Halbleiterchip 20 wie vorstehend beschrieben das Halbleitersubstrat 21, den an der Oberfläche des Halbleitersubstrats 21 bereitgestellten Trägerfilm 22, die Substratkammer 23, die einen Hohlraum bildet, welcher dem Elementgebiet 22A des in einer konkaven Form auf dem Halbleitersubstrat 21 bereitgestellten Trägerfilms 22 gegenübersteht, und eine Isolierschicht 24 auf, die auf der Rückseite des Halbleitersubstrats 21 bereitgestellt ist und wenigstens einen Siliciumoxynitridfilm und/oder Siliciumoxidfilm aufweist.
Der Halbleiterchip 20 kann beispielsweise durch die folgende Prozedur hergestellt werden. Zuerst wird ein Isolierfilm, der den Trägerfilm 22 und die Isolierschicht 24 bildet, beispielsweise durch thermische Oxidation oder chemische Dampfabscheidung (CVD) an der Vorder- und Rückseite des Halbleitersubstrats 21 gebildet. Zusätzlich werden das Feuchtigkeitsmesselement 40 und das Druckmesselement 30 durch ein CVD-Verfahren oder eine Photolithographietechnik auf dem Trägerfilm 22 gebildet. Zusätzlich wird die auf der Rückseite des Halbleitersubstrats 21 gebildete Isolierschicht 24 durch Photolithographie strukturiert, um den die Isolierschicht 24 bildenden Isolierfilm im Gebiet zu entfernen, in dem die Substratkammer 23 gebildet wird.
Als nächstes wird die Substratkammer 23 unter Verwendung der auf der Rückseite des Halbleitersubstrats 21 als Resist gebildeten Isolierschicht 24 durch anisotropes Ätzen von der Rückseite des Halbleitersubstrats 21 unter Verwendung von Kaliumhydroxid (KOH) im Halbleitersubstrat 21 gebildet. Selbst wenn der Halbleiterchip 20 mehrere Substratkammern 23 aufweist, können die mehreren Substratkammern 23 demgemäß gemeinsam gebildet werden. Beispielsweise wird in einem Fall, in dem das Halbleitersubstrat 21 aus Silicium (Si) besteht, das Ätzen durch die unterschiedlichen Ätzraten zwischen dem aus Si bestehenden Halbleitersubstrat 21 und dem aus SiOx bestehenden den Trägerfilm 22 bildenden Isolierfilm unterbrochen und kann die Substratkammer 23 leicht gebildet werden. Ferner kann der Isolierfilm zur Unterbrechung des Ätzens aus SiNx bestehen. Falls die Ätzrate von jener des Halbleitersubstrats 21 verschieden ist, kann ein stabiles Ätzen ausgeführt werden.
Das Bondmittel ist beispielsweise ein pastenartiges Material zur Bildung der Bondschicht 25. Das Bondmittel kann beispielsweise durch Kneten des Pulvers des Glases mit einem niedrigen Schmelzpunkt, wobei es sich um eine Haftkomponente handelt, des vorstehend erwähnten Füllmaterials, eines Lösungsmittels und eines Bindemittels präpariert werden. Als Lösungsmittel kann beispielsweise Butylcarbitolacetat, α-Terpineol oder dergleichen verwendet werden. Als Bindemittel kann beispielsweise Ethylzellulose, Nitrozellulose oder dergleichen verwendet werden.
Beispielsweise wird ein Glas mit einem niedrigen Schmelzpunkt durch Mischen verschiedener Oxide als Rohmaterialien in einem Platintiegel präpariert und unter Verwendung eines elektrischen Ofens bei einer Heizrate von etwa 5 °C/min bis 10 °C/min von 800 [°C] bis etwa 1100 [°C] erwärmt und hergestellt, wobei die Heiztemperatur mehrere Stunden aufrechterhalten wird. Es ist wünschenswert, das erwärmte und geschmolzene Material umzurühren, solange die Heiztemperatur aufrechterhalten wird, um ein gleichmäßiges Glas zu erhalten. Wenn der Tiegel aus dem elektrischen Ofen entfernt wird, ist es, um zu verhindern, dass Feuchtigkeit an der Glasoberfläche adsorbiert wird, wünschenswert, das geschmolzene Material auf eine Graphitform oder eine Edelstahlplatte, die vorab auf eine Temperatur von etwa 100 °C bis 150 °C erwärmt wurde, zu gießen.
Beim Anordnungsschritt wird zuerst ein pastenartiges Bondmittel durch ein Verfahren in der Art eines Siebdruckens auf die Oberfläche des Basismaterials 10 aufgebracht und getrocknet. Dann wird der Halbleiterchip 20 auf dem auf die Oberfläche des Basismaterials 10 aufgebrachten Bondmittel angeordnet. Zur Verringerung des Drucks in der Substratkammer 23 des Halbleiterchips 20 auf einen Druck unterhalb des Atmosphärendrucks wird ein gewünschter Unterdruckzustand eingestellt, nachdem der Halbleiterchip 20 über ein Bondmittel an der Oberfläche des Basismaterials 10 angeordnet wurde.
Beim Bondschritt wird das Bondmittel auf eine Temperatur erwärmt, die wenigstens gleich dem Erweichungspunkt des Glases mit einem niedrigen Schmelzpunkt und höchstens gleich der Wärmebeständigkeitstemperatur des Halbleiterchips 20 ist, um die Bondschicht 25 zu bilden, und wird der Halbleiterchip 20 über die Bondschicht 25 an das Basismaterial 10 gebondet. Bei diesem Bondschritt kann die Bondschicht 25 gebildet werden, indem der Prozess des Entfernens des Bindemittels und des vorläufigen Brennens auf einmal ausgeführt werden. Das Bondmittel wird vorzugsweise auf eine Temperatur von beispielsweise höchstens 400 °C erwärmt.
Das durch das einen Anordnungsschritt und einen Bondschritt aufweisende Verfahren gemäß dieser Ausführungsform hergestellte Sensorelement 100 weist die vorstehend beschriebene Konfiguration auf. Mit anderen Worten weist das Sensorelement 100 das Basismaterial 10 und den an das Basismaterial 10 gebondeten Halbleiterchip 20 auf. Der Halbleiterchip 20 weist ein Halbleitersubstrat 21, einen Trägerfilm 22, der auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats 21 bereitgestellt ist, und eine Substratkammer 23, die in einer konkaven Form auf dem Halbleitersubstrat 21 bereitgestellt ist, so dass ein Hohlraum gebildet ist, der einem Elementgebiet 22A des Trägerfilms 22 gegenübersteht, eine Isolierschicht 24, die auf der Rückseite des Halbleitersubstrats 21 bereitgestellt ist, und eine Bondschicht 25, die zwischen der Isolierschicht 24 und dem Basismaterial 10 bereitgestellt ist, auf. Die Isolierschicht 24 weist einen wenigstens eine Siliciumoxynitridfilm und/oder Siliciumoxidfilm auf. Die Bondschicht 25 weist ein Glas mit einem niedrigen Schmelzpunkt auf.
Daher wird beim Sensorelement 100 und beim Verfahren zu seiner Herstellung gemäß dieser Ausführungsform, wenn das Halbleitersubstrat 21 des Halbleiterchips 20 zur Bildung der Substratkammer 23 geätzt wird, der Isolierfilm auf der Rückseite des Halbleitersubstrats 21 als Maske verwendet. Dann kann der Halbleiterchip 20 an das Basismaterial 10 gebondet werden, ohne den Isolierfilm zu entfernen. Daher ist es gemäß dieser Ausführungsform möglich, das Sensorelement 100, das ohne Verwendung von Fluorwasserstoffsäure oder einer heißen Phosphorsäurelösung hergestellt werden kann, und ein Verfahren zu seiner Herstellung bereitzustellen.
Zusätzlich weist der Halbleiterchip 20 beim Sensorelement 100 gemäß dieser Ausführungsform mehrere Substratkammern 23 auf, wie vorstehend beschrieben. Zumindest eine der Substratkammern 23 ist zwischen dem Halbleitersubstrat 21 und dem Basismaterial 10 eingeschlossen und befindet sich bei einem unterhalb des Atmosphärendrucks liegenden Druck. Dementsprechend wird, wie vorstehend beschrieben, der Innendruck der Substratkammer 23 angrenzend an das Druckmesselement 30 bei der Druckmessung durch das Druckmesselement 30 zum Referenzdruck, in dem die Substratkammer 23, die dem Elementgebiet 22A des Trägerfilms 22, worin das Druckmesselement 30 ausgebildet ist, gegenübersteht, in den Unterdruckzustand versetzt wird, so dass der Absolutdruck gemessen werden kann.
Zusätzlich können beim Sensorelement 100 gemäß dieser Ausführungsform die RoHS-Leitlinie erfüllt werden und die Zuverlässigkeit der Bondschicht 25 verbessert werden, falls das in der Bondschicht 25 enthaltene Glas mit einem niedrigeren Schmelzpunkt wie vorstehend beschrieben Vanadium aufweist. Ferner kann die Zuverlässigkeit des Sensorelements 100 verbessert werden. Ferner ist die Zuverlässigkeit der Bondschicht 25 besonders wichtig, um den Unterdruckzustand in der Substratkammer 23 aufrechtzuerhalten, nachdem die Substratkammer 23 in den Unterdruckzustand versetzt wurde.
Zusätzlich weist der Trägerfilm 22 beim Sensorelement 100 gemäß dieser Ausführungsform an der Oberfläche der der Substratkammer 23 entgegengesetzten Seite einen Oxid- oder Nitridfilm auf. Daher kann beispielsweise beim Ätzen zur Bildung der Substratkammer 23 im Halbleitersubstrat 21 die der Substratkammer 23 gegenüberliegende Fläche des Halbleitersubstrats 21 geschützt werden.
Zusätzlich kann beim Sensorelement 100 gemäß dieser Ausführungsform die Substratkammer 23 durch Ätzen gebildet werden und kann der Isolierfilm durch thermische Oxidation gebildet werden, falls das Basismaterial 10 Silicium oder Glas ist.
Zusätzlich kann beim Sensorelement 100 gemäß dieser Ausführungsform, falls die auf der Rückseite des Halbleitersubstrats 21 gebildete Isolierschicht 24 einen Siliciumnitridfilm aufweist, dieser Siliciumnitridfilm als Resist verwendet werden, wenn das Halbleitersubstrat 21 zur Bildung der Substratkammer 23 geätzt wird. Zusätzlich kann beim Sensorelement 100 gemäß dieser Ausführungsform der Halbleiterchip 20 über die Bondschicht 25 an das Basismaterial 10 gebondet werden, ohne den Siliciumnitridfilm zu entfernen.
Zusätzlich kann beim Sensorelement 100 gemäß dieser Ausführungsform die Isolierschicht 24 wenigstens einen Siliciumoxynitridfilm und/oder Siliciumoxidfilm zwischen dem Siliciumnitridfilm und der Bondschicht 25 aufweisen, wie vorstehend beschrieben wurde. Wie vorstehend beschrieben, sind diese Filme Dünnfilme mit einer Dicke von höchstens etwa 100 nm, die erzeugt werden, wenn das Basismaterial 10 und das Halbleitersubstrat 21 über die Bondschicht 25 gebondet werden. Daher kann das Sensorelement 100 gemäß dieser Ausführungsform den Halbleiterchip 20 selbst in diesem Fall über die Bondschicht 25 an das Basismaterial 10 bonden, ohne den Siliciumnitridfilm zu entfernen.
Zusätzlich kann beim Sensorelement 100 gemäß dieser Ausführungsform, wie vorstehend beschrieben, die Isolierschicht 24 nur aus dem Siliciumoxidfilm bestehen. Selbst in diesem Fall kann dieser Siliciumoxidfilm als Resist verwendet werden, wenn das Halbleitersubstrat 21 zur Bildung der Substratkammer 23 geätzt wird. Zusätzlich kann beim Sensorelement 100 gemäß dieser Ausführungsform der Halbleiterchip 20 über die Bondschicht 25 an das Basismaterial 10 gebondet werden, ohne den Siliciumoxidfilm zu entfernen.
Zusätzlich kann die Isolierschicht 24 beim Sensorelement 100 gemäß dieser Ausführungsform wie vorstehend beschrieben einen Siliciumoxynitridfilm mit einer Dicke von 100 nm oder weniger aufweisen. Wie vorstehend beschrieben, ist dieser Siliciumoxynitridfilm ein beim Bonden des Basismaterials 10 und des Halbleitersubstrats 21 über die Bondschicht 25 gebildeter Dünnfilm. Daher kann das Sensorelement 100 gemäß dieser Ausführungsform selbst in diesem Fall den Halbleiterchip 20 über die Bondschicht 25 an das Basismaterial 10 bonden, ohne den Siliciumoxynitridfilm oder den Siliciumoxidfilm, der in der Isolierschicht 24 enthalten ist, zu entfernen.
Zusätzlich weist der Halbleiterchip 20 beim Sensorelement 100 gemäß dieser Ausführungsform eine Dicke von 10 µm oder weniger auf. Dadurch können die Größe des Sensorelements 100 und jene der das Sensorelement 100 aufweisenden Sensorvorrichtung verringert werden.
Zusätzlich hat beim Sensorelement 100 gemäß dieser Ausführungsform das in der Bondschicht 25 enthaltene Glas mit einem niedrigen Schmelzpunkt einen linearen Ausdehnungskoeffizienten zwischen 30 × 10^-7 [1/°C] und 70 × 10^-7 [1/°C]. Dementsprechend wird, wie vorstehend beschrieben, falls das Basismaterial 10 Silicium oder Glas ist, die Differenz zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Basismaterials 10 und der Bondschicht 25 verringert und kann die Zuverlässigkeit des Bondens zwischen dem Halbleiterchip 20 und dem Basismaterial 10 verbessert werden.
Zusätzlich wird beim Sensorelement 100 gemäß dieser Ausführungsform das Druckmesselement 30 und/oder das Feuchtigkeitsmesselement 40 im Elementgebiet 22A des Trägerfilms 22 gebildet. Dadurch kann das Sensorelement 100 erhalten werden, das in der Lage ist, den Druck und/oder die Feuchtigkeit zu messen. Zusätzlich kann, falls das Sensorelement 100 sowohl das Druckmesselement 30 als auch das Feuchtigkeitsmesselement 40 in den mehreren Elementgebieten 22A des Trägerfilms 22 aufweist, wie vorstehend beschrieben, der Einfluss auf die Messung der Feuchtigkeit und des Drucks selbst bei schnellen Temperaturänderungen unterdrückt werden.
Zusätzlich können beim Verfahren zur Herstellung des Sensorelements 100 gemäß dieser Ausführungsform, falls die Temperatur beim Bondschritt 400 °C oder weniger beträgt, der Halbleiterchip 20 und das Basismaterial 10 bei einer Temperatur gebondet werden, die kleiner oder gleich der Wärmebeständigkeitstemperatur des Halbleiterchips 20 ist, so dass die Zuverlässigkeit des Sensorelements 100 verbessert werden kann.
(Sensorvorrichtung)
Nachstehend wird eine Ausführungsform einer Sensorvorrichtung gemäß der Ausführungsform mit Bezug auf die 8A und 8B, die 9A und 9B und die 10A und 10B beschrieben.
8A ist eine Ansicht der Sensorvorrichtung 200 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung von unten. 8B ist eine Schnittansicht der Sensorvorrichtung entlang der in 8A dargestellten Linie B-B.
Die Sensorvorrichtung 200 gemäß dieser Ausführungsform ist eine thermische Feuchtigkeitserfassungsvorrichtung, die das vorstehend beschriebene Sensorelement 100 aufweist, das beispielsweise in den 1 bis 5 dargestellt ist. Die Sensorvorrichtung 200 weist ein das Sensorelement 100 aufnehmendes Gehäuse 210 auf. Das Gehäuse 210 weist eine Messkammer 211, worin das Sensorelement 100 angeordnet ist, ein Gaseinleitrohr 212 zur Einleitung eines Gases in die Messkammer 211 und einen Drahtverbinder 213, der mit einem Anschluss einer externen Verdrahtung verbunden ist, auf.
Eine plattenförmige Gasführung 220 ist im Gaseinleitrohr 212 des Gehäuses 210 bereitgestellt. Die Gasführung 220 befindet sich im Gaseinleitrohr 212 und erstreckt sich entlang dem Gaseinleitrohr 212. Ein Ende der Gasführung 220 steht aus einem Gaseinlass/-auslass 212a des Gaseinleitrohrs 212 vor, und das andere Ende der Gasführung 220 erreicht die Messkammer 211. Wie in 8A dargestellt ist, weist ein Ende der Gasführung 220 einen Zwischenraum zwischen der Gasführung 220 und dem Gaseinlass/-auslass 212a des Gaseinleitrohrs 212 auf.
9A ist eine Schnittansicht eines Beispiels eines Anbringungszustands der in 8B dargestellten Sensorvorrichtung 200. Beim in 9A dargestellten Beispiel ist die Sensorvorrichtung 200 beispielsweise an einem Ansaugdurchgang AI eines Kraftfahrzeugs angebracht. Ein Ende der Gasführung 220 der Sensorvorrichtung 200 steht vom Gaseinlass/-auslass 212a des Gaseinleitrohrs 212 zur Mittellinie des Ansaugdurchgangs AI vor. Wenn ein durch den Ansaugdurchgang AI strömendes Gas in der Art von Luft A auf ein Ende der Gasführung 220 trifft, wird daher eine Druckdifferenz zwischen der Stromaufwärtsseite und der Stromabwärtsseite der Gasführung 220 erzeugt und strömt das Gas durch das Gaseinleitrohr 212.
Insbesondere wird das Gas auf der Stromaufwärtsseite der Gasführung 220 vom Gaseinlass/-auslass 212a des Gaseinleitrohrs 212 in das Gaseinleitrohr 212 eingeleitet, strömt entlang der Gasführung 220 durch das Gaseinleitrohr 212 und erreicht die Messkammer 211. Das Gas, das die Messkammer 211 erreicht hat, strömt von der Messkammer 211 durch das Gaseinleitrohr 212 entlang der Gasführung 220 und erreicht den Gaseinlass/-auslass 212a und wird vom Gaseinlass/-auslass 212a zur Stromabwärtsseite der Gasführung 220 ausgestoßen. Dadurch wird das durch den Ansaugdurchgang AI strömende Gas in den Bereich um das Sensorelement 100 eingebracht und kann das Ansprechverhalten der Sensorvorrichtung 200 verbessert werden.
Wie vorstehend beschrieben, weist bei der Sensorvorrichtung 200 gemäß dieser Ausführungsform ein Ende der Gasführung 220 einen Zwischenraum zwischen dem einen Ende der Gasführung 220 und dem Gaseinlass/-auslass 212a des Gaseinleitrohrs 212 auf. Dementsprechend wird ein Gasdurchgang um den Gaseinlass/-auslass 212a und um die Gasführung 220 gewährleistet und kann das Gas unabhängig von seiner Strömungsrichtung durch die Gasführung 220 aktiv in den Gaseinlass/- auslass 212a des Gaseinleitrohrs 212 eingeleitet werden. Mit dieser Konfiguration kann das Ansprechen der Sensorvorrichtung 200 auf eine Änderung der Feuchtigkeit des Gases verbessert werden.
9B ist eine Schnittansicht eines anderen Beispiels des Anbringungszustands der in 8B dargestellten Sensorvorrichtung 200. Die in 9B dargestellte Sensorvorrichtung 200 ist beispielsweise in einem Zustand, in dem die in 9A dargestellte Sensorvorrichtung 200 um 90° gedreht ist, am Ansaugdurchgang AI eines Kraftfahrzeugs angebracht. Das andere Ende der Gasführung 220, das aus dem Gaseinlass/-auslass 212a entgegengesetzt zum einen Ende des Gaseinleitrohrs 212 vorsteht, ist über einen Träger 221, der sich in radialer Richtung des Gaseinleitrohrs 212 erstreckt, am Gaseinleitrohr 212 befestigt.
Wie vorstehend beschrieben, tritt zwischen der Stromaufwärtsseite und der Stromabwärtsseite der Gasführung 220 eine Druckdifferenz auf, wenn das im Ansaugdurchgang AI strömende Gas auf ein Ende der Gasführung 220 trifft, und strömt das Gas durch das Gaseinleitrohr 212. Hier weist bei der Sensorvorrichtung 200 gemäß dieser Ausführungsform ein Ende der Gasführung 220 einen Raum zwischen der Gasführung 220 und dem Gaseinlass/-auslass 212a des Gaseinleitrohrs 212 auf. Daher wird ähnlich der in 9A dargestellten Sensorvorrichtung 200 das Gas auf der Stromaufwärtsseite der Gasführung 220 vom Gaseinlass/-auslass 212a des Gaseinleitrohrs 212 in dieses eingeleitet und strömt das Gas durch das Gaseinleitrohr 212 entlang der Gasführung 220 und erreicht die Messkammer 211. Das Gas, das die Messkammer 211 erreicht hat, strömt von der Messkammer 211 durch das Gaseinleitrohr 212 entlang der Gasführung 220 und erreicht den Gaseinlass/-auslass 212a und wird vom Gaseinlass/- auslass 212a zur Stromabwärtsseite der Gasführung 220 ausgestoßen. Dadurch wird das durch den Ansaugdurchgang AI strömende Gas in den Bereich um das Sensorelement 100 eingebracht und kann das Ansprechverhalten der Sensorvorrichtung 200 verbessert werden.
Daher kann bei der Sensorvorrichtung 200 gemäß dieser Ausführungsform ein schnelles Ansprechen auf eine Feuchtigkeitsänderung unabhängig von der Anbringungsrichtung der Sensorvorrichtung 200 in Bezug auf die Gasströmung verwirklicht werden. Hier ist das schnelle Ansprechen beispielsweise dadurch gegeben, dass es die Ansprechzeit eines Feuchtigkeitssensors mit einem feuchtigkeitsempfindlichen Film unterschreitet. Beispielsweise folgt die Ausgabe der Sensorvorrichtung 200 einer Feuchtigkeitsänderung in Stufenform entsprechend einem zeitlichen Übergang, der innerhalb einer Sekunde stattfindet. Zusätzlich können verschiedene Layouts unterstützt werden, weil die Anbringungsrichtung der Sensorvorrichtung 200 nicht beschränkt ist.
Zusätzlich kann bei der Sensorvorrichtung 200 gemäß dieser Ausführungsform die Feuchtigkeit selbst an einer Stelle gemessen werden, an der die Strömungsrichtung des Gases nicht gleichmäßig ist, beispielsweise im Ansaugdurchgang AI eines Kraftfahrzeugs. Mit anderen Worten kann die Sensorvorrichtung 200 selbst an einer Stelle in der Art eines Ansaugkrümmers angebracht werden, wo Gas statt in einer Richtung zufällig in vielen Richtungen strömt, und kann die Feuchtigkeit in der Nähe des Motors gemessen werden, was herkömmlicherweise nicht möglich war.
Insbesondere weist der Ansaugkrümmer mehr Verunreinigungen in der Art von Feuchtigkeit und Staub auf als der Ansaugdurchgang AI. Weil das Sensorelement 100 der Sensorvorrichtung 200 auf eine hohe Temperatur erwärmt wird, kann jedoch die Verschlechterung des Sensorelements 100 über die Zeit infolge von Verunreinigungen unterdrückt werden und kann eine Messung der Feuchtigkeit im Ansaugkrümmer vorgenommen werden. Zusätzlich kann die Sensorvorrichtung 200 gemäß dieser Ausführungsform die Feuchtigkeit durch das Sensorelement 100 auch im Ansaugkrümmer messen und demgemäß die Feuchtigkeit an einer dem Motor näher liegenden Stelle messen. Daher kann die Sensorvorrichtung 200 gemäß dieser Ausführungsform zu einer genaueren Motorsteuerung beitragen.
Ferner kann, weil das Sensorelement 100 der Sensorvorrichtung 200 Wärme durch die Gasströmung verteilt, durch die Gasströmung ein Fehler bei der Messung der Feuchtigkeit auftreten. Daher kann bei einem bevorzugteren Beispiel ein Fehler bei der Feuchtigkeitserfassung durch die Gasströmung unterdrückt werden, indem das Sensorelement 100 an einer Stelle angeordnet wird, die nicht der Hauptgasströmung ausgesetzt ist. Insbesondere kann das Sensorelement 100, wie in 9A dargestellt ist, an einer vor der Öffnung des Gaseinleitrohrs 212 verborgenen Position angeordnet werden, d. h. einer Position, die radial außerhalb des Gaseinleitrohrs 212 gegenüber dem Gaseinleitrohr 212 in der Messkammer 211 des Gehäuses 210 liegt.
10A ist eine Schnittansicht eines Anbringungszustands der Sensorvorrichtung 300 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. 10B ist eine Schnittansicht entlang der Linie B-B aus 10A. Die Sensorvorrichtung 300 gemäß dieser Ausführungsform weist das vorstehend beschriebene beispielsweise in den 1 bis 5 dargestellte Sensorelement 100 auf. Die Sensorvorrichtung 300 gemäß dieser Ausführungsform ist eine multifunktionelle Messvorrichtung, in die ein Feuchtigkeitssensor, ein Luftströmungssensor und ein Drucksensor integriert sind.
Die Sensorvorrichtung 300 gemäß dieser Ausführungsform ist beispielsweise an einer Einführungsöffnung PI einer Luftdurchgangskomponente P, wodurch ein Hauptluftdurchgang AP gebildet ist, angebracht. Die Sensorvorrichtung 300 weist beispielsweise ein Gehäuse 310 und das im Gehäuse 310 untergebrachte Sensorelement 100 auf. Das Gehäuse 310 weist eine Gehäusekomponente 311, ein Basiselement 312, ein Abdeckelement 313 und ein einen Zusatzluftdurchgang bildendes Element 314 auf.
Eine elektronische Leiterplatte 320 ist im Basiselement 312 befestigt. Die Gehäusekomponente 311 weist eine flanschartige Form auf, die an der Einführungsöffnung PI der Luftdurchgangskomponente P angebracht ist, und der Raum zwischen der Gehäusekomponente 311 und der Einführungsöffnung PI ist durch ein Dichtungselement S gedichtet. Zusätzlich ist ein Teil der Gehäusekomponente 311 ein mit einem Anschluss einer externen Verdrahtung verbundener Verbinderabschnitt und ist ein Verbindungsanschluss 330 durch Spritzgießen angefügt. Der Verbindungsanschluss 330 ist durch ein Bondelement 340 mit einer Schaltung der elektronischen Leiterplatte 320 verbunden.
Die elektronische Leiterplatte 320 ist mit dem Sensorelement 100, einem Wärmeerzeugungswiderstand 350, einem Temperaturkompensationswiderstand 360 und einem Ansaugluft-Temperatursensor 370 versehen. Die Elektroden 33 und 43 des Druckmesselements 30 und des Feuchtigkeitsmesselements 40 des Sensorelements 100 sind mit der Schaltung der elektronischen Leiterplatte 320 verbunden. Der Wärmeerzeugungswiderstand 350, der Temperaturkompensationswiderstand 360 und der Ansaugluft-Temperatursensor 370 sind jeweils über das Bondelement 340 mit der Schaltung der elektronischen Leiterplatte 320 verbunden und in einem Zusatzluftdurchgang 380 angeordnet, der durch das den Zusatzluftdurchgang bildende Element 314 gebildet ist.
Der Verbindungsanschluss 330 ist mit dem Sensorelement 100, dem Wärmeerzeugungswiderstand 350, dem Temperaturkompensationswiderstand 360 und dem Ansaugluft-Temperatursensor 370 über das Bondelement 340 und die Schaltung der elektronischen Leiterplatte 320 verbunden und gibt Signale ein und aus und führt Strom zu. Der Raum um das Sensorelement 100 ist durch das Gehäuse 310 bildende Elemente definiert und kommuniziert mit dem Zusatzluftdurchgang 380. Mit dieser Konfiguration kann die Feuchtigkeit genau gemessen werden und kann das im zu messenden Gas enthaltene Sensorelement 100 gegenüber verunreinigenden Substanzen und Wassertröpfchen isoliert werden.
Die Ausführungsform der Erfindung wurde vorstehend detailliert mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Die spezifische Konfiguration ist jedoch nicht auf diese Ausführungsform beschränkt, und es können Entwurfsänderungen und dergleichen vorgenommen werden, ohne vom Grundgedanken der Erfindung abzuweichen.
[Beispiele]
Nachstehend werden Beispiele des Sensorelements gemäß der Erfindung beschrieben.

Zuerst wird ein in einer Bondschicht enthaltenes Glas mit einem niedrigen Schmelzpunkt zum Bonden des Halbleiterchips und des Basismaterials hergestellt. Zusätzlich werden zwei Typen im Handel erhältlicher SnO-P₂O₅-basierter Gläser mit einem niedrigen Schmelzpunkt präpariert. Tabelle 1 zeigt die Zusammensetzungen und Erweichungspunkte Ts der 13 Typen hergestellter Gläser mit einem niedrigen Schmelzpunkt (Gläser G1 bis G13) und den Erweichungspunkt Ts eines im Handel erhältlichen Glases mit einem niedrigen Schmelzpunkt (Glas G14). Ferner ist in den hergestellten Gläsern G1 bis G13 mit einem niedrigen Schmelzpunkt aus Umwelt- und Sicherheitsgründen keine erhebliche Bleimenge enthalten. [Tabelle 1]

Glasnummer	Glaszusammensetzung [Gewichtsprozent]												Ts [°C]
Glasnummer	V₂O₅	TeO₂	Fe₂O₃	P₂O₅	WO₃	BaO	Nb₂O₅	K₂O	Bi₂O₃	B₂O₃	ZnO	CuO	Ts [°C]
G1	50	20	10	15	5	-	-	-	-	-	-	-	357
G2	50	25	10	15	-	-	-	-	-	-	-	-	362
G3	47	30	10	13	-	-	-	-	-	-	-	-	364
G4	47	20	10	13	10	-	-	-	-	-	-	-	367
G5	47	25	10	13	5	-	-	-	-	-	-	-	356
G6	47	20	10	15	8	-	-	-	-	-	-	-	367
G7	45	22	12	16	5	-	-	-	-	-	-	-	372
G8	45	30	15	10	-	-	-	-	-	-	-	-	377
G9	45	25	-	10	10	10	-	-	-	-	-	-	364
G10	45	29,5	5	10	5	5	0,5	-	-	-	-	-	355
G11	40	30	-	5	10	15	-	-	-	-	-	-	357
G12	47	30	7	10	5	-	-	-	-	-	1	-	353
G13	-	-	0,4	-	-	3,4	-	-	76,8	8,1	6,3	5	450
G14	kommerzielles Produkt (SnO-P₂O₅-basiert)												398
G15	kommerzielles Produkt (SnO-P₂O₅-basiert)												-

Die Herstellung des Glases mit einem niedrigen Schmelzpunkt erfolgt nach der folgenden Prozedur. Zuerst werden die Rohmaterialverbindungen vermengt und gemischt, um die in Tabelle 1 dargestellte Zusammensetzung zu erhalten. Als Rohmaterialverbindungen werden Vanadiumpentoxid, Telluriumoxid, Eisenoxid, Phosphorpentoxid, Wolframoxid, Bariumoxid, Nioboxid, Kaliumoxid, Wismutoxid, Boroxid, Zinkoxid und Kupferoxid verwendet.
Als nächstes wird 1 kg der gemischten Rohmaterialverbindungen in einen Platintiegel gegeben und durch einen elektrischen Ofen bei einer Heizrate von 5 bis 10 [°C/min] auf 1000 °C erwärmt und wird die Temperatur 2 Stunden lang beibehalten. Während die Temperatur beibehalten wird, wird die geschmolzene Rohmaterialverbindung umgerührt, um ein gleichmäßiges Glas zu erhalten. Als nächstes wird der Platintiegel aus dem elektrischen Ofen entnommen und sein Inhalt auf eine Edelstahlplatte gegossen, die vorab auf 100 °C erwärmt wurde, um ein Glas mit einem niedrigen Schmelzpunkt zu erhalten.
Die erhaltenen Gläser G1 bis G13 mit einem niedrigen Schmelzpunkt und das im Handel erhältliche Glas G14 mit einem niedrigen Schmelzpunkt werden pulverisiert, bis der durchschnittliche Teilchendurchmesser (D50) kleiner als 20 µm wird, und der Erweichungspunkt Ts wird durch Ausführen einer differenziellen thermischen Analyse (DTA) bei einer Heizrate von 5 °C/min gemessen. Ferner wird Aluminiumoxidpulver als Standardprobe verwendet. Bei der DTA-Kurve ist der Erweichungspunkt die Temperatur des zweiten endothermen Peaks.
Als nächstes wird ein pastenartiges Bondmittel zur Bildung der Bondschicht für das Bonden des Halbleiterchips und des Basismaterials präpariert. Insbesondere werden die Gläser G1 bis G15 mit einem niedrigen Schmelzpunkt zuerst unter Verwendung einer Strahlmühle pulverisiert, bis der durchschnittliche Teilchendurchmesser (D50) etwa 3 µm beträgt. Zusätzlich wird eine vorgegebene Menge Zr₂ (WO₄) (PO₄)₂ (nachstehend als ZWP bezeichnet) als Füllstoff mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser (D50) von etwa 3 µm zum Glas hinzugefügt. Ethylzellulose als Bindeharz und Butylcarbitolacetat als Lösungsmittel werden zur Mischung hinzugefügt und geknetet, um ein pastenartiges Bondmittel zu präparieren.
Als nächstes wird ein Halbleitersubstrat aus Silicium präpariert und wird der Halbleiterchip 20 mit der in 5 dargestellten Konfiguration, wie in der vorstehenden Ausführungsform beschrieben, durch thermische Oxidation, CVD, Ätzen unter Verwendung von Photolithographie oder dergleichen hergestellt. Ferner sind der Schutzfilm 22a und die Isolierfilme 22b und 22d, die den Trägerfilm 22 bilden, und die Isolierfilme 24a und 24b, welche die Isolierschicht 24 bilden, Siliciumoxidfilme (SiOx-Filme) und ist der den Trägerfilm 22 bildende Isolierfilm 22c ein Siliciumnitridfilm (SiNx-Film). Molybdän (Mo) wird für den Messwiderstand 31 und den Referenzwiderstand 32 des Druckmesselements 30 verwendet und Aluminium (AI) wird für die Elektrode 33 verwendet.
Als nächstes wird unter Verwendung von Pyrex (eingetragenes Warenzeichen) als Basismaterial ein auf dem Substrat präpariertes pastenartiges Bondmittel durch Siebdruck aufgebracht und mehrere Minuten lang bei einer Temperatur von 150 °C getrocknet. Anschließend wird eine Kalzinierung in einem Temperaturbereich ausgeführt, der 30 °C bis 50 °C oberhalb des Erweichungspunkts Ts des im Bondmittel enthaltenen Glases mit einem niedrigen Schmelzpunkt liegt. Danach wird ein Halbleiterchip über das vorübergehend ausgeheizte Bondmittel auf dem Basismaterial angeordnet und wird die umgebende Atmosphäre auf einen Unterdruckzustand von 20 Pa oder darunter reduziert. In diesem Zustand wird das Bondmittel bei einer vorgegebenen Heiztemperatur 10 Minuten lang erwärmt, um eine Bondschicht zu bilden, und werden der Halbleiterchip und das Basismaterial durch die Bondschicht gebondet.
Durch die vorstehende Prozedur werden die Sensorelemente der Beispiele 1 bis 16 hergestellt. Zusätzlich wird ein Sensorelement eines ersten Vergleichsbeispiels durch Anlegen einer Anodenspannung von 500 [V] bei einer Temperatur von 400 [°C] und Anlegen einer Spannung von 500 [V] hergestellt, um den Halbleiterchip und das Basismaterial ohne Verwendung eines Bondmittels anodisch zu bonden. Die nachstehende Tabelle 2 zeigt die Konfiguration des Bondmittels, des Wärmeausdehnungskoeffizienten der Bondschicht, die Bondbedingungen und die Bondatmosphäre, die beim Sensorelement des jeweiligen Beispiels verwendet werden.

[Tabelle 2]

	Konfiguration des Bondmittels				Wärmeausdehnungskoeffizient [x10^-7/°C]	Bondbedingung	Bondatmosphäre
	Glasnummer	Gehalt [Volumenprozent]	Füllstoff	Gehalt [Volumenprozent]	Wärmeausdehnungskoeffizient [x10^-7/°C]	Bondbedingung	Bondatmosphäre
erstes Beispiel	G1	70	ZWP	30	50	400 °C - 10 min	Vakuum
zweites Beispiel	G2	70	ZWP	30	58	400°C - 10 min	Vakuum
drittes Beispiel	G3	70	ZWP	30	60	400°C - 10 min	Vakuum
viertes Beispiel	G4	70	ZWP	30	44	400°C - 10 min	Vakuum
fünftes Beispiel	G5	70	ZWP	30	52	390°C - 10 min	Vakuum
sechstes Beispiel	G6	70	ZWP	30	49	400°C - 10 min	Vakuum
siebtes Beispiel	G7	70	ZWP	30	47	400°C - 10 min	Vakuum
achtes Beispiel	G8	70	ZWP	30	54	400°C - 10 min	Vakuum
neuntes Beispiel	G9	70	ZWP	30	76	400°C - 10 min	Vakuum
zehntes Beispiel	G10	70	ZWP	30	62	390°C - 10 min	Vakuum
elftes Beispiel	G11	70	ZWP	30	86	400°C - 10 min	Vakuum
zwölftes Beispiel	G12	60	ZWP	40	37	400°C - 10 min	Vakuum
dreizehntes Beispiel	G13	70	ZWP	30	66	500°C - 10 min	Vakuum
vierzehntes Beispiel	G4	60	ZWP	40	32	400°C - 10 min	Vakuum
fünfzehntes Beispiel	kommerzielles Produkt (SnO-P₂O₅-basiert)				70	430°C - 10 min	Vakuum
sechzehntes Beispiel	kommerzielles Produkt (SnO-P₂O₅-basiert)				52	430°C - 10 min	Vakuum
erstes Vergleichsbeispiel	anodisches Bonden				-	400 °C - 500 V	Vakuum

In Bezug auf die hergestellten Sensorelemente der Beispiele 1 bis 16 und des ersten Vergleichsbeispiels wurden der Bondzustand des Halbleiterchips und des Basismaterials, das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von Metallteilchen, die Erzeugung von Blasen und der Betrieb bestätigt und beurteilt.
In Bezug auf den Bondzustand des Halbleiterchips und des Basismaterials sei bemerkt, dass der Halbleiterchip und das Basismaterial integral gebondet sind, dass die Substratkammer in einem Unterdruckzustand ist und dass der Trägerfilm konkav eingesenkt ist, was als „gut“ bestimmt wird. Falls das Bonden nicht ausgeführt werden kann, wird dies als „unmöglich“ bestimmt. Wenn mehrere Sensorelemente hergestellt werden, sind zusätzlich die meisten Bondzustände „gut“, jene, bei denen „unmöglich“ vorhanden ist, werden jedoch als „möglich“ bestimmt.
Das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von Metallteilchen und die Erzeugung von Blasen werden durch Betrachten des Querschnitts des Sensorelements durch SEM beurteilt. Der Zustand wird dann als „gut“ bestimmt, wenn die Anzahl der 10 µm oder mehr aufweisenden Blasen im die Bondschicht aufweisenden Bondabschnitt höchstens 20 beträgt, als „möglich“ bestimmt, falls die Anzahl zwischen 20 und 100 liegt, und als „unmöglich“ bestimmt, falls die Anzahl 100 oder größer ist.
In Bezug auf den Betrieb des Sensorelements sei bemerkt, dass die Elektroden des Druckmesselements und des Feuchtigkeitsmesselements an die Leiterplatte drahtgebondet sind und festgestellt wird, ob der Ausgangsspannungswert innerhalb eines normalen Wertebereichs liegt. Falls alle normal waren, wurden sie als „gut“ bestimmt. Falls mehrere Sensorelemente hergestellt wurden und nicht alle normal waren, sondern einige abnormale Werte ausgaben oder einen Kommunikationsfehler hervorgerufen haben, wurden sie als „möglich“ bestimmt, und andere wurden als „unmöglich“ bestimmt. Die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle 3 dargestellt.

[Tabelle 3]

	Bondzustand	Ausscheidung von Metallteilchen	Blasen	Betrieb
erstes Beispiel	gut	keine	gut	gut
zweites Beispiel	gut	keine	gut	gut
drittes Beispiel	gut	keine	gut	gut
viertes Beispiel	gut	keine	gut	gut
fünftes Beispiel	gut	keine	gut	gut
sechstes Beispiel	gut	keine	gut	gut
siebtes Beispiel	gut	keine	gut	gut
achtes Beispiel	gut	keine	gut	gut
neuntes Beispiel	möglich	keine	gut	gut
zehntes Beispiel	gut	keine	gut	gut
elftes Beispiel	möglich	keine	gut	gut
zwölftes Beispiel	gut	keine	gut	gut
dreizehntes Beispiel	gut	vorhanden	möglich	möglich
vierzehntes Beispiel	gut	keine	gut	gut
fünfzehntes Beispiel	gut	keine	gut	möglich
sechzehntes Beispiel	gut	keine	gut	möglich
erstes Vergleichsbeispiel	unmöglich	-	-	-

Anhand der vorstehenden Ergebnisse ließ sich folgern, dass die Halbleiterchips der Sensorelemente der Beispiele 1 bis 16 erfolgreich an das Basismaterial gebondet wurden, ohne einem Ätzschritt zur Entfernung der Isolierschicht unterzogen zu werden, selbst wenn die Sensorschicht eine Isolierschicht auf der Rückseite des Halbleitersubstrats aufweist, weil die Bondschicht ein Glas mit einem niedrigen Schmelzpunkt enthält. Andererseits können beim Sensorelement aus dem ersten Vergleichsbeispiel, wobei ein anodisches Bonden erfolgt, der Halbleiterchip, der auf der Rückseite des Halbleitersubstrats eine Isolierschicht aufweist, und das Basismaterial nicht gebondet werden.
Zusätzlich wurde herausgefunden, dass der Absolutdruck durch das Druckmesselement des Sensorelements gemessen werden kann, indem die Substratkammer des Halbleiterchips auf einen unterhalb des Atmosphärendrucks liegenden Unterdruckzustand versetzt wird. Dabei liegt der wünschenswerte Bereich für den Wärmeausdehnungskoeffizienten der Bondschicht bei 70 × 10^-7/°C oder darunter. Zusätzlich sind in Hinblick auf die Ausscheidung von Metallteilchen und Blasen ein V₂O₅-basiertes Glas mit einem niedrigen Schmelzpunkt und ein SnO-basiertes Glas mit einem niedrigen Schmelzpunkt als Bestandteile der Bondschicht wünschenswert. Ferner ist in Hinblick auf den Betrieb des Sensorelements das V₂O₅-basierte Glas mit einem niedrigen Schmelzpunkt bevorzugt. Dies liegt daran, dass die Temperatur des Bondens zwischen dem Halbleiterchip und dem Basismaterial auf 400 °C oder darunter verringert werden kann.
Zusätzlich zeigen die 11 und 12 die Ergebnisse der STEM-Analyse der Bondgrenzfläche zwischen der Isolierschicht 24 und der Bondschicht 25 des Sensorelements aus dem zwölften Beispiel. Dadurch wurde herausgefunden, dass das Glas mit einem niedrigen Schmelzpunkt und der Siliciumnitridfilm an der Bondgrenzfläche zwischen der Isolierschicht 24 und der Bondschicht 25 unter Bildung eines etwa 2 nm messenden Siliciumoxynitridfilms reagiert haben. Beim Sensorelement aus dem zwölften Beispiel ist die Anzahl der Blasen an der Grenzfläche zwischen der Isolierschicht 24 und der Bondschicht 25 gering, vermutlich weil die Reaktivität zwischen dem Glas mit einem niedrigen Schmelzpunkt und dem Siliciumnitridfilm gering ist.
Als nächstes wurden die Sensorelemente aus den Beispielen 17 bis 19 ebenso wie bei den Beispielen 1 bis 16 hergestellt, abgesehen davon, dass die Isolierschicht 24 ein einschichtiger Siliciumoxidfilm ist. Als in den Bondschichten der Sensorelemente des siebzehnten, achtzehnten und neunzehnten Beispiels enthaltene Gläser mit einem niedrigen Schmelzpunkt wurden jene aus dem zwölften, dreizehnten bzw. fünfzehnten Beispiel verwendet. Tabelle 4 zeigt nachstehend die Konfiguration des beim Sensorelement jedes Beispiels verwendeten Bondmittels, den Wärmeausdehnungskoeffizienten der Bondschicht, die Bondbedingungen und die Bondatmosphäre.

[Tabelle 4]

	Konfiguration der die Bondschicht bildenden Paste				Wärmeausdehnungskoeffizient [x10^-7/°C]	Bondbedingung	Bondatmosphäre
	Glasnummer	Gehalt [Volumenprozent]	Füllstoff	Gehalt [Volumenprozent]	Wärmeausdehnungskoeffizient [x10^-7/°C]	Bondbedingung	Bondatmosphäre
siebzehntes Beispiel	G12	60	ZWP	40	37	400 °C - 10 min	Vakuum
achtzehntes Beispiel	G13	70	ZWP	30	66	500 °C - 10 min	Vakuum
neunzehntes Beispiel	kommerzielles Produkt (SnO-P₂O₅-basiert)				70	430 °C - 10 min	Vakuum
erstes Vergleichsbeispiel	anodisches Bonden				-	400 °C - 500 V	Vakuum

Zusätzlich wurde die Beurteilung der Sensorelemente der Beispiele 17 bis 19 ebenso wie beim ersten bis sechzehnten Beispiel ausgeführt. Die nachstehende Tabelle 5 zeigt die Beurteilungsergebnisse der Sensorelemente der Beispiele 17 bis 19 zusammen mit den Beurteilungsergebnissen des Sensorelements des ersten Vergleichsbeispiels, wie vorstehend beschrieben. [Tabelle 5]

	Bondatmosphäre	Bondmöglichkeit	Ausscheidung von Metallteilchen	Blasen	Betrieb
siebzehntes Beispiel	Vakuum	gut	keine	gut	gut
achtzehntes Beispiel	Vakuum	gut	vorhanden	gut	möglich
Beispiel 19	Vakuum	gut	keine	gut	möglich
Vergleichsbeispiel 1	Vakuum	unmöglich	-	-	-

Anhand der vorstehenden Ergebnisse wurde bestätigt, dass bei den Sensorelementen der Beispiele 17 bis 19, wobei die auf der Rückseite des Halbleiterchips gebildete Isolierschicht ein Siliciumoxidfilm ist, die gleichen Ergebnisse wie bei den Sensorelementen der Beispiele 1 bis 16 erhalten wurden.
Bezugszeichenliste

10: Basismaterial
20: Halbleiterchip
21: Halbleitersubstrat
21a: Oberfläche
21b: Rückseite
22: Trägerfilm
22A: Elementgebiet
23: Substratkammer
24: Isolierschicht
25: Bondschicht
30: Druckmesselement
40: Feuchtigkeitsmesselement
100: Sensorelement
200: Sensorvorrichtung
300: Sensorvorrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2016011889 A [0006]

Claims

Sensorelement, das ein Basismaterial und einen an das Basismaterial gebondeten Halbleiterchip aufweist, wobei der Halbleiterchip ein Halbleitersubstrat, einen auf einer Fläche des Halbleitersubstrats bereitgestellten Trägerfilm, eine in einer konkaven Form auf dem Halbleitersubstrat bereitgestellte Substratkammer zur Bildung eines einem Elementgebiet des Trägerfilms gegenüberstehenden Hohlraums und eine auf der Rückseite des Halbleitersubstrats bereitgestellte Isolierschicht sowie eine zwischen der Isolierschicht und dem Basismaterial bereitgestellte Bondschicht aufweist, wobei die Isolierschicht wenigstens einen Siliciumoxynitridfilm und/oder Siliciumoxidfilm aufweist und wobei die Bondschicht ein Glas mit einem niedrigen Schmelzpunkt aufweist.
Sensorelement nach Anspruch 1, wobei der Halbleiterchip mehrere Substratkammern aufweist und wobei wenigstens eine der Substratkammern zwischen dem Halbleitersubstrat und dem Basismaterial eingeschlossen ist und sich in einem unterhalb des Atmosphärendrucks liegenden Unterdruckzustand befindet.
Sensorelement nach Anspruch 1, wobei das Glas mit einem niedrigen Schmelzpunkt Vanadium enthält.
Sensorelement nach Anspruch 1, wobei der Trägerfilm einen aus einem Oxid oder einem Nitrid bestehenden Film auf einer der Substratkammer entgegengesetzten Fläche aufweist.
Sensorelement nach Anspruch 1, wobei das Basismaterial Silicium oder Glas ist.
Sensorelement nach Anspruch 1, wobei die Isolierschicht einen Siliciumnitridfilm aufweist.
Sensorelement nach Anspruch 6, wobei die Isolierschicht wenigstens einen Siliciumoxynitridfilm und/oder Siliciumoxidfilm zwischen dem Siliciumnitridfilm und der Bondschicht aufweist.
Sensorelement nach Anspruch 1, wobei die Isolierschicht nur aus dem Siliciumoxidfilm besteht.
Sensorelement nach Anspruch 1, wobei die Isolierschicht den Siliciumoxynitridfilm aufweist und wobei der Siliciumoxynitridfilm eine Dicke von höchstens 100 nm aufweist.
Sensorelement nach Anspruch 1, wobei der Halbleiterchip eine Dicke von höchstens 10 µm aufweist.
Anspruch 1, wobei das Glas mit einem niedrigen Schmelzpunkt einen linearen Ausdehnungskoeffizienten zwischen 30 × 10^-7 [1/°C] und 70 × 10^-7 [1/°C] aufweist.
Sensorelement nach Anspruch 1, wobei wenigstens ein Druckmesselement und/oder Feuchtigkeitsmesselement im Elementgebiet des Trägerfilms ausgebildet ist.
Sensorvorrichtung, welche das Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12 aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements, das ein Basismaterial und einen an das Basismaterial gebondeten Halbleiterchip aufweist, welches Folgendes aufweist: einen Anordnungsschritt zur Anordnung eines Halbleiterchips auf einer Fläche des Basismaterials über ein Bondmittel, das ein Glas mit einem niedrigen Schmelzpunkt enthält, wobei die Isolierschicht der Fläche des Basismaterials gegenübersteht, wobei der Halbleiterchip ein Halbleitersubstrat, einen auf einer Fläche des Halbleitersubstrats bereitgestellten Trägerfilm, eine Substratkammer, die in einer konkaven Form im Halbleitersubstrat bereitgestellt ist, zur Bildung eines einem Elementgebiet des Trägerfilms gegenüberstehenden Hohlraums und eine auf der Rückseite des Halbleitersubstrats bereitgestellte Isolierschicht aufweist, die wenigstens einen Siliciumoxynitridfilm und/oder Siliciumoxidfilm aufweist, und einen Bondschritt zum Erwärmen des Bondmittels auf eine Heiztemperatur zwischen dem Erweichungspunkt des Glases mit einem niedrigen Schmelzpunkt und der Wärmebeständigkeitstemperatur des Halbleiterchips und zum Bonden des Halbleiterchips an das Basismaterial über die Bondschicht.
Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements nach Anspruch 14, wobei die Heiztemperatur beim Bondschritt höchstens 400 °C beträgt.