JP2000234977A

JP2000234977A - 静電容量式半導体圧力センサ及びその試験方法

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Publication number: JP2000234977A
Application number: JP11037105A
Authority: JP
Inventors: Satoru Nakao; 知中尾; Masahiro Sato; 昌啓佐藤; Hitoshi Nishimura; 仁西村; Takanao Suzuki; 孝直鈴木; Akito Kurosaka; 昭人黒坂
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 1999-02-16
Filing date: 1999-02-16
Publication date: 2000-08-29

Abstract

(57)【要約】【課題】ダイアフラム破損等を光学的に容易に検出で
きるようにした静電容量式半導体圧力センサを提供す
る。【解決手段】圧力センサ本体１は、シリコンウェハ１
０の一方の主面に浅い第１の凹部１３をエッチング加工
し、他方の主面に深い第２の凹部１４をエッチング加工
して形成されたダイアフラム１２とこれに連続する枠体
部１１を有する。圧力センサ本体１は、その凹部１３側
を下向きにしてガラス基板２０に接合される。ガラス基
板２０上にはダイアフラム１２に対向する電極として透
明電極２１が形成されている。耐圧試験後のダイアフラ
ム１２の破損等は、ガラス基板２０の裏面から透明電極
２１を通して顕微鏡観察により検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、静電容量式半導
体圧力センサに係り、特にチップ分離されていないウェ
ハ段階でのスクリーニングを行うに適した静電容量式半
導体圧力センサとその試験方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体圧力センサは、車のタイヤやエン
ジン、更にボイラーやポンプ等の気圧、水圧等を測定す
る素子として用いられている。半導体圧力センサは、シ
リコンを薄く加工したダイアフラムの内外の圧力差によ
るたわみを利用して、圧力検出を行う。静電容量式圧力
センサの場合、ダイアフラムのたわみを検出するため
に、ダイアフラムに近接して電極を配置して、ダイアフ
ラムと電極との間の容量変化を検出する。

【０００３】図９は、静電容量式半導体圧力センサの模
式的な断面構造を示している。圧力センサ本体８１は、
シリコンウェハ８２の一方の主面に浅い凹部８３をエッ
チング加工し、他方の主面に深い凹部８４をエッチング
加工して、ダイアフラム８５とこれに連続する枠体部８
６を一体形成して得られる。この圧力センサ本体８１の
凹部８３側を、電極９１が形成された基板９２に接合す
ることによって、圧力センサが構成される。ダイアフラ
ム８５は、電極９１に対して、第１の凹部８３によって
決まるギャップをもって対向し、圧力が印加された時の
ダイアフラム８５のたわみによるダイアフラム８５と電
極９１の間の静電容量変化を検出することにより、圧力
が測定される。接合によって封止される凹部８３を真空
とすることにより、絶対圧測定用圧力センサとなる。

【０００４】この様な半導体圧力センサは通常、半導体
ウェハに複数個同時に形成され最終工程で個々のセンサ
素子として切断分離される。ウェハから分離されたセン
サ素子は、その出力信号を増幅・変換する周辺回路と接
続されて、圧力測定に供される。

【０００５】半導体圧力センサは、ダイアフラムが薄い
ほど、たわみが大きく検出感度が高いものとなるが、逆
に強度は低下する。従って、微小な圧力変化を確実に検
出でき、しかも高い耐圧力を有する半導体圧力センサを
提供するためには、製造工程の最終段階で耐圧試験を行
って欠陥が生じた不良品を除き、良品のみを選別するス
クリーニングが重要となる。

【０００６】従来、半導体圧力センサのスクリーニング
は、チップ分離された半導体圧力センサを周辺回路と共
に基板等に組み立てた後に、高圧容器に入れて所定の圧
力（要求される耐圧レベル）を印加することにより行っ
ていた。高圧印加により、耐圧の低いセンサはダイアフ
ラムが破損して、圧力変化に応答しなくなる。従って耐
圧試験後、各圧力センサの出力特性を測定することによ
り、不良品を排除することができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来の半導体圧力セン
サのスクリーニング試験では、上述のように出力特性の
測定により良否判定を行うため、スクリーニング前にセ
ンサ素子を信号処理回路と共に基板に組み立てることが
必要であり、スクリーニングで不良が発生すると、出力
測定及び組み立て工程が無駄になり、周辺回路やパッケ
ージも無駄になる。このため、スクリーニング試験を行
うことで半導体圧力センサの製造コストが高いものとな
るという欠点があった。

【０００８】これに対して、ウェハ段階で耐圧試験を行
って簡単に不良検出ができれば、不良発生による損失を
抑えることができる。そのためには、出力応答特性を測
定することなく、外観から光学的に不良検出ができれば
好ましい。しかし、図８に示すダイアフラム８５を上方
から光学的に観測しても、ダイアフラムの破損や亀裂を
検出することは難しい。これは、ダイアフラム８５を形
成するための凹部８４が深いエッング加工により形成さ
れるために、ダイアフラム８５の表面にはエッチピット
や結晶方位に沿った凹凸ライン（ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏ
ｎｌｉｎｅと呼ばれる）が形成され、通常の顕微鏡観
察ではこれらと破損や亀裂と区別がつきにくいためであ
る。基板側から観測しようとしても、電極９１が通常金
属膜により形成されるため、観測は妨げられる。

【０００９】この発明は、上記事情を考慮してなされた
もので、ダイアフラム破損等を光学的に容易に検出でき
るようにした静電容量式半導体圧力センサを提供するこ
とを目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明に係る静電容量
式圧力センサは、透明基板と、この透明基板の表面にパ
ターン形成された透明電極と、半導体ウェハを加工して
形成された厚肉の枠体部とこれに連続する薄肉のダイア
フラムとを有し、前記ダイアフラムの一方の面を前記透
明電極に対向させて前記枠体部が前記透明基板に接合さ
れた半導体圧力センサ本体とを備えたことを特徴とす
る。

【００１１】この発明はまた、この様な静電容量式半導
体圧力センサの試験方法であって、半導体圧力センサに
対して耐圧試験を行った後、前記透明基板の前記ダイア
フラムと対向する面とは反対側の面側から観測してダイ
アフラム面の良否を判定することを特徴とする。

【００１２】この発明によると、圧力センサ本体が接合
される基板に透明基板を用い、ダイアフラムと対向する
電極にも透明電極を用いることにより、基板裏面からダ
イアフラムを光学的に観察可能としている。半導体ウェ
ハの透明電極側の面に形成される凹部を第１の凹部、こ
れと反対側に形成される凹部を第２の凹部とすると、第
１の凹部は浅く、第２の凹部は深くエッチング加工され
る。ダイアフラムの表面即ち第２の凹部側の面は、深い
エッチング加工の結果、凹凸ライン等が形成されて鏡面
からは程遠いものとなるが、ダイアフラムの裏面即ち透
明電極に対向する第１の凹部側の面は浅いエッチング加
工により形成されるため、鏡面に近い平滑面となる。こ
のため、基板側からダイアフラムを観測することによ
り、ダイアフラムの破損や亀裂を確実に検知することが
できる。従ってこの発明によると、圧力センサをチップ
分離する前に、ウェハ段階で耐圧試験等のスクリーニン
グを行うことができ、製造コストの低減が図られる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
の実施例を説明する。０．４mm×１．５mmの長方形ダイ
アフラムを持つ絶対圧測定用の静電容量式の半導体圧力
センサを作製した。図１（ａ），（ｂ）はその一つの圧
力センサの断面図と一部切開して示す斜視図である。圧
力センサ本体１は、シリコンウェハ１０を加工して形成
された、厚肉の枠体部１１とこれに連続する薄肉のダイ
アフラム１２を有する。ダイアフラム１２は具体的に
は、シリコンウェハ１０の一方の主面に浅い第１の凹部
１３をエッチング加工し、これに対向して他方の主面に
深い第２の凹部１４をエッチング加工することにより作
られる。第２の凹部１４は、第１の凹部１３に対して一
回り小さい領域に形成される。

【００１４】圧力センサ本体１は、その第１の凹部１３
を下向きにして枠体部１１がガラス基板２０に接合され
ている。このガラス基板２０への接合工程は真空中で行
われ、これにより、ダイアフラム１２のガラス基板２０
側に形成されている凹部１３が真空封止されて基準圧力
室となる。この様に基準圧力室を真空とした場合、大気
中では図に示すように、ダイアフラム１２は基準圧力室
側に押し込まれた状態にたわんでいる。

【００１５】ガラス基板２０には、予め、ダイアフラム
１２に対向する透明電極２１、及びこの電極２１を覆う
絶縁膜２２が形成されている。透明電極２１は、ダイア
フラム１２に対向する領域のみに形成することにより、
浮遊容量を最小限に抑え、圧力変化を効率よく測定でき
るようにしている。即ち、透明電極２１とダイアフラム
１２とがコンデンサを構成し、圧力に応じたギャップの
変化による容量変化を検出することで、圧力測定が行わ
れる。但し、この実施例の場合、大気圧においては、ダ
イアフラム１２は図１に示すように透明電極２１を覆う
絶縁膜２２に接触した状態となり、その接触面積が圧力
に応じて変化する、タッチモード動作を行うようにして
いる。

【００１６】図１では、一つの圧力センサを示している
が、実際の製造工程では、シリコンウェハ１０に複数個
の圧力センサが同時に形成される。具体的にその製造工
程を、一つの圧力センサに着目して、図２〜図７を参照
して説明する。図２〜図７において、（ａ）は平面図で
あり、（ｂ）はそのＡ−Ａ′断面図である。

【００１７】まず、図２に示すように、鏡面研磨された
ガラス基板２０に、透明電極２１として酸化インジウム
錫（ＩＴＯ）膜をパターン形成する。ＩＴＯ膜は、ＩＴ
Ｏターゲットを用い、２０％酸素を含むアルゴン雰囲気
中でＲＦスパッタにより成膜し、その後塩素を含むエッ
チャントでパターン形成する。透明電極２１の大きさ
は、後に接合されるセンサ本体のダイアフラムより一回
り大きいものとする。

【００１８】次いで、図３に示すように、Ａｌ等の導体
膜の成膜とエッチングにより、透明電極２１に接続され
た引き出し電極２３を形成する。続いて図４に示すよう
に、透明電極２１を覆う絶縁膜２２として、基板と同じ
材質のガラス膜をスパツタにより形成する。絶縁膜２２
には、引き出し電極２３を露出させる開口をパターン形
成する。更に絶縁膜２２上には、図５に示すように、後
に接合される圧力センサ本体１側の引き出し電極２４を
Ａｌ等の金属膜によりパターン形成する。

【００１９】その後、図６に示すようにガラス基板２０
に、予め第１の凹部１３がエッチング加工されたシリコ
ンウェハ１０を接合する。この接合は、陽極接合法、即
ち真空中で加熱しながら、重ねた２枚の基板の表裏面か
ら厚み方向の高電圧を印加する方法により行われる。な
お、第１の凹部１３は、深さ数μｍであり、そのエッチ
ング加工面は加工前と変わらない平滑性が保持される。
この第１の凹部１３の深さは、圧力測定の範囲に応じて
決定されるもので、１〜１０μｍの範囲で選択される。

【００２０】最後に、図７に示すように、シリコンウェ
ハ１０をエッチングして、引き出し電極２３，２４を露
出させる。またシリコンウェハ１０の表面に、第１の凹
部１３に対向するように、第１の凹部１３より一回り小
さい第２の凹部１４をエッチング加工する。このエッチ
ングにより残される薄いシリコン部分がダイアフラム１
２であって、その厚みが３〜１０μｍ程度となるよう
に、凹部１４は深くエッチングされる。

【００２１】以上説明したウェハ加工が終了した後、圧
力センサは個々のチップに切断分割される。通常はチッ
プ分割後に、測定及び耐圧試験を行うのであるが、この
実施例ではウェハ段階で耐圧試験を行った。具体的にこ
の実施例の圧力センサを車のタイヤ空気圧測定に適用す
る場合、常用圧力は３〜７気圧であるが、センサチップ
はタイヤゴム内に封入して使用される。このため、タイ
ヤゴム成形のための圧力３０気圧に耐えることが要求さ
れる。この様な用途を想定して次のような耐圧試験を行
った。即ち、圧力センサチップが１０００個形成されて
いる４インチシリコンウェハをステンレス容器に入れ、
窒素ボンベからの高圧窒素ガスを圧力調整器を通して３
０気圧に減圧してこのステンレス容器に導入し、１時間
保持する。

【００２２】耐圧試験後、ステンレス容器内を１気圧に
戻し、容器からウェハを取り出して、ガラス基板２０側
から倍率５０倍の顕微鏡でダイアフラムを観察した。ガ
ラス基板２０と透明電極２１を通してダイアフラム面を
明瞭に観察でき、ダイアフラムエッジに発生した破損を
確実に特定することができた。図８は、この実施例の圧
力センサを基板側から顕微鏡観察したときの模式的な透
視図を示している。透明電極２１を通して、破線で示す
ダイアフラムエッジのなかの破損部３１を明瞭に観察す
ることができた。なお圧力センサの電気的特性について
は、ダイアフラムに対向する電極としてＣｒ，Ａｌ，Ｐ
ｔ，Ａｕ等の金属膜を用いた従来のものと同等であるこ
とも確認された。これは、この発明の圧力センサが静電
容量式であるため、電極のインピーダンスが多少高くて
も、容量測定には殆ど影響がないためである。

【００２３】この発明は、上記実施例に限られない。例
えば実施例ではガラス基板を用いたが、透明樹脂等、他
の各種透明材料の基板を用いることができる。また透明
基板に形成する透明電極は、ＩＴＯ膜の他、酸化錫膜、
酸化亜鉛膜その他の透明導電膜を用いることができる。

【００２４】

【発明の効果】以上述べたようにこの発明によれば、静
電容量式の圧力センサ本体を保持する基板に透明基板を
用い、且つダイアフラムに対向する電極に透明電極を用
いることにより、基板裏面からの光学的観察によりダイ
アフラム破損等を検出することが可能になる。これによ
り、圧力センサをチップ分離する前に耐圧試験を行い、
簡単にスクリーニングを行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例に用いられた圧力センサの
構造を示す図である。

【図２】同実施例の圧力センサの製造工程を示す図で
ある。

【図３】同実施例の圧力センサの製造工程を示す図で
ある。

【図４】同実施例の圧力センサの製造工程を示す図で
ある。

【図５】同実施例の圧力センサの製造工程を示す図で
ある。

【図６】同実施例の圧力センサの製造工程を示す図で
ある。

【図７】同実施例の圧力センサの製造工程を示す図で
ある。

【図８】同実施例の圧力センサの基板裏面からの顕微
鏡観察による透視図である。

【図９】従来の静電容量式圧力センサの断面構造を示
す図である。

【符号の説明】

１…圧力センサ本体、１０…シリコンウェハ、１１…枠
体部、１２…ダイアフラム、１３…第１の凹部、１４…
第２の凹部、２０…ガラス基板、２１…透明電極、２２
…絶縁膜、２３，２４…引き出し電極。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者西村仁東京都江東区木場１丁目５番１号株式会社フジクラ内 (72)発明者鈴木孝直東京都江東区木場１丁目５番１号株式会社フジクラ内 (72)発明者黒坂昭人東京都江東区木場１丁目５番１号株式会社フジクラ内Ｆターム(参考） 2F055 AA12 AA21 AA39 BB01 CC02 DD05 EE25 FF49 GG01 GG12 GG49 HH01 4M112 AA01 BA07 CA02 DA02 DA17 DA18 EA02 EA13 FA11

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】透明基板と、この透明基板の表面にパターン形成された透明電極と、半導体ウェハを加工して形成された厚肉の枠体部とこれ
に連続する薄肉のダイアフラムとを有し、前記ダイアフ
ラムの一方の面を前記透明電極に対向させて前記枠体部
が前記透明基板に接合された半導体圧力センサ本体とを
備えたことを特徴とする静電容量式半導体圧力センサ。
【請求項２】請求項１に記載の静電容量式半導体圧力
センサの試験方法であって、前記半導体圧力センサに対
して耐圧試験を行った後、前記透明基板の前記ダイアフ
ラムと対向する面とは反対側の面側から観測してダイア
フラム面の良否を判定することを特徴とする静電容量式
半導体圧力センサの試験方法。