JP2005538568A - センサ素子を備えた構成部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明によれば、基板上若しくは基板内に犠牲層が設けられ、該犠牲層上には活性層が設けられ、前記活性層上若しくは活性層内に、少なくとも１つの感応領域と電気的構造部の少なくとも一部が設けられており、その際感応領域と少なくとも１つの電気的な構造部が活性層の上若しくは内部に存在し、感応領域と少なくとも１つの電気的な構造部を備えた形成すべきセンサ素子の領域周りには環状のトレンチが形成され、該トレンチは、少なくとも１つの接続箇所によって中断され、該接続箇所は、センサ素子の領域を環状トレンチの外部にある活性層の部分と接続させている。その後センサ素子領域の下方で犠牲層の除去と、把持装置によるセンサ素子の固定、接続箇所の破断、把持装置により固定されているセンサ素子の搬送、搬送体と構成部材の接続が行われる。

Description

本発明は、請求項１の上位概念による、センサ素子を備えた構成部材、特にひずみセンサの製造のための方法に関している。

ドイツ連邦共和国特許出願DE 101 56 406.6明細書には、変形可能なダイヤフラム上にひずみゲージを個別化して取付けるための方法が開示されており、これは例えばディーゼル機関のコモンレール若しくは燃料直接噴射方式に適用される高圧センサ系に用いられる。この公知文献内に記載されている技法は、例えば応力や圧力に感応するひずみセンサの大量生産に的を絞っている。この場合ウエハ上のバッチ処理にて製造されるひずみゲージの個別化は、目標切欠き部を用いて行われており、これはまず水平方向の目標切欠き部の形態でウエハ上の多孔質の珪素からなる層の被着によって生成される。それに続いて本来のひずみゲージが作成され、これに対しては、単結晶若しくは多結晶のシリコンが多孔質層で成長され、続けて領域毎にドーピングされる。それによりひずみゲージが、ドーピング領域において生じる。その後でこのひずみゲージは、成長した層を有する目標切欠き部を用いてウエハから引き離される。最後にひずみゲージの個別化は、ダイヤフラムに取り付けられる前にカッティングによって行われる。それに投入される取付けプロセスも前記ドイツ連邦共和国特許出願DE 101 56 406.6明細書に記載がある。

本発明の課題は、ドイツ連邦共和国特許出願DE 101 56 406.6明細書の発明に代わる、センサ素子を備えた構成部材、特にひずみゲージを備えたひずみセンサの製造方法を提供することである。

発明の利点、
本発明による方法は従来技術に比べて次のような利点を有している。すなわち犠牲層としての多孔質層の作成ないし利用が省かれることであり、それによってそれに伴う比較的複雑化していた製造ステップが簡略化できることである。

さらなる利点は、本発明による方法が、センサ素子を備えた構成部材、特にひずみゲージを備えたひずみセンサの大量生産に非常に良好に採用できることである。すなわち、バッチ製法に適しており、現下の製造ラインにおいて、ないしは圧力センサとして用いられ前記ドイツ連邦共和国特許出願DE 101 56 406.6明細書からも公知のような構成部材、特に領域毎に設けられたダイヤフラムを有する鋼部材とセンサ素子との結合並びに構成部材上へのセンサ素子の取付けのための方法において統合化が可能である。その他にも本発明による方法は、温度センサ、磁気センサの製造や取付けにも適しているし、集積化された電子機器分野におけるそれらの製造方法、特にいわゆるＡＳＩＣなどの集積化された電子回路の製造や取付けに適している。

有利にはさらに、生成すべきセンサ素子の領域を感応性の領域と、電気的な構造部を囲む溝の少なくとも１つの部分と、例えばドイツ連邦共和国特許DE 42 41 045 C1に記載のトレンチ溝の異方性プラズマエッチングや犠牲層エッチングなどの表面マイクロマシニング技法の標準プロセスを用いて行うことが可能である。この種のプロセスは、表面マイクロマシニングによる構成部材、例えば加速度センサやヨーレートセンサなどの製造の際の大量生産を確立できる。

さらに有利には、本発明による方法では、目標切欠き部が接続箇所として基板表面に対して垂直方向に生成されるトレンチ溝に亘って可及的に高いアスペクト比で延在する。それに対してドイツ連邦共和国特許出願DE 101 56 406.1によれば、そこに設けられた目標切欠き部が、層構造の内部に、すなわち基板表面に対して垂直な配置構成で存在する。このことは、製造を困難にし、製造偏差をおこしやすい。その他に、ドイツ連邦共和国特許出願DE 101 56 406.6明細書によれば、形成されるセンサ素子が組付けの前に、ないしは金属構成部との結合の前に、まずカッティングによって個別化する必要がある。このようなカッティングプロセスは、本発明による方法の場合には、省くことが可能である。

総じて本発明による方法の利点は、一方では、投入されるプロセス技術の良好な掌握と、比較的低い臨時コスト、並びにドイツ連邦共和国特許出願DE 101 56 406.6による多孔質層の形成から生じる欠点の回避、形成すべきセンサ素子の幾何学的形態の完全に自由なデザイン性、形成すべき環状のトレンチ及び電気的構造部の配置構成にある。なぜならこれらは例えばフォトリソグラフィプロセスによって定められ得るからである。その上さらに本発明による方法は、個々の方法ステップの良好な掌握に基づいて、機械的な安定性ないしは目標切欠き部の得られる機械的不安定性が非常に良好にコントロールできる。

本発明の別の有利な構成例は、従属請求項に記載されている。

そのため特に有利には、形成されるひずみ抵抗ないしひずみゲージの厚さが、投入される多結晶シリコン層若しくは単結晶シリコン層の層厚さに亘って非常に正確に設定できる。この場合のひずみゲージの厚さは有利には１μｍ〜２０マイクロｍである。その他にも、目標切欠き部として形成される少なくとも１つの接続箇所がその機械的な安定性において活性層の厚さ及び/又は接続箇所の平面形態を介して非常に簡単に設定できる。

環状トレンチの形成に対しては、ドイツ連邦共和国特許DE 42 41 045号明細書に記載のような異方性プラズマエッチング手法が特に有利であることが明らかとなる。その場合活性層の表面から犠牲層の深部まで可及的に垂直なトレンチ溝が、できるだけ高いアスペクト比、すなわちトレンチ溝の高さと幅の比、有利には、１０：１以上の比で形成される。その深さが犠牲層まで達する環状の溝の形成後の犠牲層の除去は、通常の等方性エッジング技法、例えばＨＦ蒸着を用いた気相エッチングによって非常に簡単に行うことができる。このようにして犠牲層は、生成すべきセンサ素子のもとで除去され、それによってこのセンサ素子がまず犠牲層の除去によって形成される中空空間上で少なくとも１つの接続箇所によって片持支持されて保持される。

さらなるプロセスの容易化と、特に形成される層厚さとずれに関する、プロセス制御の改善のための手段は、市販のＳＯＩ（Silicon-On-Isolator）ウエハの利用のもとで得られる。すなわちここではずれの少ない単結晶の活性層を用いることも可能である。

最後に有利には、センサ素子に対応付けられる評価電子回路及び/又は駆動制御回路が少なくとも部分的に、形成されるひずみゲージないしひずみ抵抗あるいは一般的に形成される感応領域の周囲に集積される。このことはコストのさらなる節約につながる。

本発明による方法はバッチ手法の枠内で、１８００ｂａｒまでの圧力に対して用いることのできる薄鋼ダイヤフラムを有する高圧センサの低コストな製造、並びに応力センサ内に用いられるひずみゲージの製造に特に適している。

図面
本発明は、図面に基づいて以下の明細書で詳細に説明される。図１ａ〜図１ｄは、層の配置構成からのセンサ素子の抜出し構造化のもとでの様々な方法ステップを表わした図であり、図２は、図１ｄの平面図であり、図３ａ〜図３ｄは、図１ｄに基づくセンサ素子の抜出しとその搬送、及び抜き出されたセンサ素子の支持体への固定とを様々な方法ステップで表わした図であり、図４ａ〜図４ｃは、図１ｄに基づく構成部材と結合されたセンサ素子の種々の実施例を表わした平面図である。

図１には、基板２１、例えばシリコンウエハが示されており、その上には、犠牲層２０、例えば酸化珪素が存在している。この犠牲層２０の上には活性層１０が被着されており、この層は例えば多結晶シリコン若しくは単結晶シリコンからなっている。図１ａによれば、シリコン−酸化珪素−シリコンの層列によるサンドイッチ構造が存在している。単結晶シリコン層が活性層１０として用いられているならば、図１ａによるサンドイッチ構造として市販のＳＯＩウエハが用いられてもよい。

図１ｂは、第２の方法ステップで活性層１０の構造化がどのように行われるかを表わしている。それに対しては、活性層１０内で、領域毎に表面上でイオン注入若しくは拡散によって感応領域１２が、例えばひずみゲージないしはひずみ抵抗の形態で生成される。同時に、特に単結晶活性層１０の場合には、既にこの段階においても評価電子回路７２が活性層１０上に集積可能である。さらにこの段階では、感応領域１２の後からの電気的なコンタクトのための金属化も、活性層１０上に被着された評価回路若しくは制御回路のための金属化が可能である。特に図１ｂには、活性層１０上の複数の感応領域１２の他に、金属性のコンタクトパッドの形態でコンタクト面１３も被着されている様子が示されている。

有利には、図１ｂによる方法ステップにおいて既に複数のひずみ抵抗ないしひずみゲージ１２と、電気的な構造部、特にコンタクト面と、図示はされていない導体路と共に、形成すべきセンサ素子１５毎に、ホイートストーン・ブリッジ回路１４または、１つまたは複数のハーフブリッジが、ホイートストーン・ブリッジ回路１４に形成される。

この主のホイートストーン・ブリッジ回路１４は、複数の感応領域１２、特に４つのひずみゲージとコンタクト面１３ないし導体路を有しており、それらは活性層１０上に若しくは活性層１０の表面領域内に被着ないしは集積化されており、さらに任意に集積評価回路も有し得る。

コンタクト面１３と、感応領域１２及び/又は場合によって既に被着されている電子評価回路ないし電子駆動回路の保護のために、図示はされていないが不動態化層がさらに活性層１０上に被着される。この不動態化層は、さらなる経過の中でコンタクト箇所１３の領域において開放され、ないしは領域１３における形成の際に既に交互に残され開放される。

図１ｃには、さらなる方法ステップにおいて、トレンチ１１が標準的なフォトリソグラフィックプロセスを用いて活性層１０内でどのようにエッチングされるかが示されている。これは犠牲層２０まで達している。これらのトレンチ１１は、できるだけ垂直に形成されたできるだけ高いアスペクト比のトレンチ溝である。同時にこの標準的フォトリソグラフィックプロセスを用いて、形成されたひずみゲージの平面図でみて最終的な幾何学的形態も確定される。

トレンチ１１の形成の際に重要なことは、トレンチ１１によって取囲まれる活性層１０の領域（これは後からセンサ素子１５として形成されるものである）が、目標切欠き部として形成された接続箇所２５を有することである。この領域は、トレンチ１１によって取囲まれている領域の外にある活性層１０の一部と接続している。有利には複数の接続箇所２５、例えば２つ若しくは４つの接続箇所２５が設けられている。

この接続箇所２５の目的は、センサ素子１５下方の犠牲層２０の除去の後で、活性層１０のトレンチ１１によって囲まれている領域をまず方持ち式に維持させることである。しかしながらそれと同時に、容易に面取りできる活性層１０の残された部分とのできるだけ弱い機械的接続が存在すべきである（目標切欠き部）。

平面図でみて接続箇所２５は、図２に示されているように有利には、三角形のデザインを有している。しかしながら個々のケースにおいてはその他の最適な静的実施形態も可能である。

前述したトレンチプロセス（これは有利には異方性プラズマエッチングによって行われる）の後では、生成されたトレンチ１１を介して活性層１０の下方のトレンチ１１によって囲まれる領域の犠牲層２０が除去される。

この犠牲層の除去は、シリコン酸化膜犠牲層のケースにおいて、有利にはＨＦ気相エッチングによって行われる。

この方法ステップの後では、図１ｄによる構造が得られる。すなわち生成すべきセンサ素子１５が、対応付けられた感応領域１２と共に接続箇所２５のみを介して、犠牲層２０の除去により形成された中空空間２７上に支持される。

接続箇所２５の機械的安定性は、この場合犠牲層２０上に被着される単結晶ないしは多結晶の層１０の厚さ、並びに平面図でみた接続箇所２５の形態によって簡単に設定できる。

図２は、図１ｄを平面図で表わしたものである。その場合、トレンチ１１がそれぞれ４つの接続箇所２５によって中断されているのがわかる。この場合これらのトレンチ１１は、それぞれ１つのセンサ素子１５を取囲み、これは接続箇所２５を介して活性層１０と接続され、中空空間２７上に方持ち式に支持される。さらに図２にからは、センサ素子１５の各々が４つのコンタクト面１３を有し、該コンタクト面１３を介してそれぞれ４つ設けられている感応領域１２が電気的に制御可能若しくは読出し可能であることがわかる。それらはひずみゲージの形態で形成され、センサ素子１５内でそれぞれホイートストン・ブリッジ回路のために相互接続されている。

総じて図２によれば、多数のセンサ素子１５が１つの共通の基板２１上に形成され、それらは引き続き個別化される。

図３ａには、図１ｄによる層構造が、接続箇所２５を介して方持ち式に支持されるセンサ素子１５と共にまず固定用ツール装置４０（例えば静電チャック）上にどのように支持されるかが示されている。その他に図３ｂによれば、センサ素子１５の１つがどのようにして把持部５０、例えば真空グリッパによって設定されたパワーで固定されて持ち上げられるかが示されている。これにより接続箇所２５は、固定用ツール装置４０による基板の同時固定との相乗効果で破断されるものとなる。それによりセンサ素子１５は、基板２１ないしは活性層１０との結合から開放され、このことが図３ｃに示されている。

引き続き把持部５０によって固定されているセンサ素子１５は、搬送体７０の上で搬送される。この搬送体は当該実施例では、表面に設けられたダイヤフラム層７１と共にスチール製キャリヤまたは基板として構成されている。それによりこの搬送体７０と結合されるセンサ素子１５は、ひずみセンサとして用いられる。図３ｄにはこれとの関連でさらに、複数の搬送体７０が１つのベルト上に配置され、相前後してそれぞれセンサ素子１５を備えていることが示されている。その限りでは、図３ａ〜図３ｄによる方法は、ピックアンドプレース方式であり、これは有利には流れ作業として実施される。

投入された搬送装置６０上の搬送体７０に対して相対的な把持部５０を用いたセンサ素子１５の調整は、有利には前述したドイツ連邦共和国特許出願DE 101 56 406.6号明細書に記載されているように行われてもよい。

センサ素子１５は例えば接着剤によって搬送体７０上に支持され、この搬送体７０上へのセンサ素子１５の取付け後は、当該接着剤の硬化が例えば炉を用いて行われる。

図３ｃによる経過方法に対して代替的に、投入される搬送装置６０を、搬送体７０がセンサ素子１５の調整と取り付けの際にツールキャリヤに支持される取付け方法に用いてもよい。

その他にも把持部５０の代わりに他の種類の把持装置を用いて、センサ素子を把持し、接続箇所を破断し、搬送体７０上のセンサ素子１５の取付けと調整を行ってもよい。

前述した本発明による方法の大きな利点は、センサ素子１５の製造され得る幾何学的形状が多く存在することであり、それに故にそのつどの適用ケースに最適に合わせることができることである。その他にも感応領域１２ないしはひずみゲージが必要に応じて異なる方式で搬送体７０上に若しくはダイヤフラム領域７１と総体的に配置可能である。

図４ａには、センサ素子１５を有する構成部材５が平面図で示されている。これは図３ｄによる処理に相応してダイヤフラム領域７１を有する搬送体７０上に取付けられ固定されている。この場合のセンサ素子１５のデザインは、図２から出発したデザインに相応している。特に図４ａによれば、４つの感応領域１２がひずみ抵抗の形態でダイヤフラム７１のアップセット領域内に配置され、図示されていない導体線路を介してホイートストン・ブリッジ１４に相互接続され、コンタクト面１３を介して電気的にコンタクト可能である。

図４ａによる配置構成のもとでは、活性層１０を単結晶シリコンから形成するケースにおいて特に、単結晶シリコンの縦方向ｋ係数と横方向ｋ係数が異なる前置符号を有することが有効利用される。

図４ｂには、センサ素子１５のデザインと、ダイヤフラム領域７１を備えた搬送体７０上のその配置構成のに対する代替的実施形態が表わされている。これはほぼ同じ機能性のもとで所要スペースの低減が図られる利点を伴っている。

有利には、電子回路７２が、評価系エレクトロニクス若しくは制御系エレクトロニクスの形態で、既に図４ａ又は図４ｂによるセンサ素子１５に集積化される。但しこの場合は、電子回路７２の機械的緊張に対するできるだけ良好な緩和に注意を払わなければならない。なぜなら、トランジスタや抵抗のような構成素子は、このような機械的緊張に非常に敏感だからである。

代替的に電子回路７２は、構成部材５のひずみ領域外に、すなわちダイヤフラム領域７１外に設けることも可能である。これに対しては図４ｃに１つの配置構成が示されており、この場合は、図４ｂによる配置構成から出発して、電子回路７２が、評価系エレクトロニクスないしは駆動系エレクトロニクスとしてダイヤフラム領域７１外、すなわち被着されたセンサ素子１５と共に構成部材５によって形成されるひずみセンサのひずみ領域外に設けられている。この電子回路は、図示されていない導体線路を介してセンサ素子１５と接続される。有利にはこのケースでは、電子回路７２が別個のチップの形態で構成されている。

基本的に、前述した配置構成に対しては、ホイートストン・ブリッジ１４と、コンタクト面１３が概略的にしか示していない。さらなる方法の詳細に関しては、さらに前記ドイツ連邦共和国特許出願DE 101 56 406.6号明細書が参照される。

ａ〜ｄは、層の配置構成からのセンサ素子の抜出し構造化のもとでの様々な方法ステップを表わした図 図１ｄの平面図 ａ〜ｄは、図１ｄに基づくセンサ素子の抜出しとその搬送、及び抜き出されたセンサ素子の支持体への固定とを様々な方法ステップで表わした図 ａ〜ｃは、図１ｄに基づく構成部材と結合されたセンサ素子の種々の実施例を表わした平面図

Claims (14)

1. 延び/縮みに感応する少なくとも１つの感応領域（１２）を有するセンサ素子（１５）と、それと電気的に接続を形成する電気的構造部（１３，１４，７２）とを有している、構成部材（５）、特にひずみセンサの製造のための方法であって、
   前記感応領域（１２）は、活性層（１０）の上若しくはその内部に設けられる形式の方法において、
   基板（２１）上若しくは基板（２１）内に犠牲層（２０）が設けられ、該犠牲層（２０）上には活性層（１０）が設けられ、
   前記活性層（１０）上若しくは活性層内に、少なくとも１つの感応領域（１２）と電気的構造部（１３，１４，７２）の少なくとも一部が設けられており、
   少なくとも１つの感応領域（１２）と電気的な構造部（１３，１４，７２）の少なくとも一部を備えた形成すべきセンサ素子（１５）の領域周りに、環状のトレンチ（１１）が形成され、
   前記トレンチ（１１）は、少なくとも１つの接続箇所（２５）によって中断されており、該接続箇所は、センサ素子（１５）の領域を環状トレンチ（１１）の外部にある活性層（１０）の部分と接続させ、
   センサ素子（１５）領域の下方で犠牲層（１０）の除去が行われ、
   センサ素子（１５）の領域は、保持装置（５０）によって固定され、接続箇所（２５）は破断され、
   前記保持装置（５０）によって固定されているセンサ素子（１５）の搬送と、搬送体（７０）との接続が行われるようにしたことを特徴とする方法。
2. 前記犠牲層（２０）として、酸化珪素からなる層、特に基板上のシリコンが用いられ、前記活性層（１０）として単結晶シリコン若しくは多結晶シリコンからなる層が用いられる、請求項１記載の方法。
3. 前記感応領域（１２）は、特に１μｍ〜２０μｍの厚さを有するひずみ抵抗若しくはひずみゲージとして、活性層（１０）の表面領域に形成されるか、活性層（１０）の表面、特にその上側若しくは下側の領域内ないしは領域上に形成される、請求項１または２記載の方法。
4. 前記感応領域（１２）は、活性層（１０）の領域毎のドーピングによって、特にイオン打込み又は不純物の拡散を用いて形成される、請求項１から３いずれか１項記載の方法。
5. 前記感応領域（１２）の周囲に少なくとも１つのコンタクト面（１３）が、特に表面金属化の形態で形成され、それを介して当該感応領域（１２）が電気的にコンタクト可能である、請求項１から４いずれか１項記載の方法。
6. 少なくとも１つの接続箇所（２５）は、目標切欠き部として構成され、目標切欠き部として用いられる当該接続箇所（２５）の機械的安定性が活性層（１０）の厚さを介して、及び/又は前記接続箇所（２５）の平面図でみた形態を介して設定調整される、請求項１から５いずれか１項記載の方法。
7. 前記環状のトレンチ（１１）は、トレンチプロセス、特に異方性プラズマエッチング処理手法において、活性層（１０）の表面から深さ方向で、犠牲層（２０）に到達するまで形成される、請求項１から６いずれか１項記載の方法。
8. 前記犠牲層（２０）は、環状のトレンチ（１１）のエッチング、特にＨＦ蒸気を用いた気相エッチング処理によって、センサ素子（１５）の下方で次のように除去され、すなわち当該犠牲層が方持ち式で、少なくとも１つの接続箇所（２５）によって中空空間（２７）上で保持される、請求項１から７いずれか１項記載の方法。
9. 前記感応領域（１２）は複数のひずみ抵抗ないしひずみゲージを伴って設けられており、それらは電気的構造部（１３，１４，７２）を用いてホイートストン・ブリッジ回路（１４）若しくはホイートストン・ブリッジ回路のハーフブリッジに接続される、請求項１から８いずれか１項記載の方法。
10. 電気的構造部（１３，１４，７２）の少なくとも一部が、特に評価系エレクトロニクス（７２）又は駆動系エレクトロニクスの形態で、及び/又はコンタクト面（１３）の形態で、及び/又はブリッジ回路（１４）の形態で、感応領域（１２）上に設けられるか、あるいは電気的構造部（１３，１４，７２）の少なくとも一部が、特に評価系エレクトロニクス（７２）又は駆動系エレクトロニクスの形態で、及び/又はコンタクト面（１３）の形態で、及び/又はブリッジ回路（１４）の形態で、活性層（１０）上若しくは活性層（１０）内に設けられる、請求項１から９いずれか１項記載の方法。
11. 接続箇所（２５）の破断が、把持部、特に真空グリッパ（５０）を用いて行われ、前記把持部（５０）は、取り外すべきセンサ素子（１５）を把持し、その破断の際には基板（２１）が保持装置、特に電子的固定用ツール装置（４０）によって固定される、請求項１から１０いずれか１項記載の方法。
12. 前記センサ素子（１５）は、少なくとも部分的にダイヤフラム領域（７１）若しくは搬送体（７０）のひずみ領域を介して、搬送体（７０）と、特にスチール基板と接続、特に接着される、請求項１から１１いずれか１項記載の方法。
13. 複数のセンサ素子（１５）が、同時に基板（２１）上に形成され、それらのセンサ素子（１５）は、特に個別に相前後して把持部（５０）により固定され、少なくとも１つの接続箇所（２５）の破断の後で、当該センサ素子（１５）に割当てられている搬送体（７０）と接続される、請求項１から１２いずれか１項記載の方法。
14. 前記破断され取出されたセンサ素子（１５）は、流れ作業工程の中で当該のそれぞれ割当てられている搬送体（７０）と相対的に調整され、その上に取付けられる、請求項１から１３いずれか１項記載の方法。

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