JP2007019063A - 陽極接合の検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シリコン基板にガラスを陽極接合した加速度センサ等の構造体の検査方法において、陽極接合後の接合部、ガラス表面の清浄度を簡単に評価できるようにする。
【解決手段】シリコン基板１と、シリコン基板１の上下に陽極接合されるガラス３、ガラス２と、シリコン基板１内に形成された片持梁構造のカンチレバー１ａと、シリコン基板１の表面に形成されたピエゾ抵抗４とを備えた加速度センサ１０のシリコン基板１上に、上部ガラス３の陽極接合のためのアルミ電極として、検査電極を兼ねるよう離間して設けた二つのアルミ電極６ａ、６ｂに予め検査用測定端子６ｃ、６ｄを設け、このアルミ電極６ｃ、６ｄ間にプローグ９を接続して絶縁抵抗計１１により絶縁抵抗を測定する。測定した絶縁抵抗から、陽極接合後のガラス表面の清浄度を容易に評価することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、シリコン基板にガラスを陽極接合した構造体を有する加速度センサなどのＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ）デバイスの検査方法に関するものである。

陽極接合によって、半導体基板とガラス基板とを接着して形成する半導体圧力センサや加速度センサ、それを応用した構造体等のＭＥＭＳデバイスがいくつか提案されている。これらのＭＥＭＳデバイスのセンサでは、１枚の基板だけでは実現できない複雑な構造を、微細加工した後の基板を接合することによって形成している。この接合には、接合度の良い陽極接合が一般に用いられる。しかし、上記センサは、微小な物理的変化を検知するために、その製造においては、高精度の加工技術とともに、加工後の検査が重要となっている。従って、陽極接合においても、陽極接合後の接合界面の状態や清浄度が良好であるか否かの評価等、陽極接合を用いるデバイスの信頼性を確保するための各種検査が行われる。

ここで検査される陽極接合を用いた構造体の例として、図４に、ＭＥＭＳデバイスの加速度センサ（以下、センサと略す）を示す。センサ１００は、シリコン基板１０１と、シリコン基板１０１の上下に陽極接合されるガラス１０２、１０３と、シリコン基板１０１内に形成された片持梁構造のカンチレバー１０１ａと、シリコン基板１０１の表面に形成されたピエゾ抵抗１０４とを備える。シリコン基板１０１の表面には、保護膜及び内部応力コントロールのためにシリコン酸化膜１０７及びシリコン窒化膜１０８が形成されている。

そして、ピエゾ抵抗１０４は、４つ形成され、これらを用いてホイートストンブリッジ回路が構成され、加速度検出が行われる。このピエゾ抵抗１０４上には、ピエゾ抵抗１０４と電気的に接続されるアルミ電極１０５が形成され、シリコン基板１０１上には、上部ガラス１０３との接合のためにアルミ電極１０６が設けられ、上部ガラス１０３は、アルミ電極１０６を介してシリコン基板１０１に陽極接合される。また、シリコン基板１０１と下部ガラス１０２との接合は、アルミ電極１０６を介せず直接陽極接合される。

ところで、アルミとガラスとの陽極接合の接合は、通常、次のようなプロセスからなる。まず、鏡面研磨したガラスとアルミとを重ね合わせ、例えば４００℃真空雰囲気に放置すると、ガラス中に添加されたアルカリ金属（例えばナトリウム）の酸化物がアルカリ金属イオンと酸素イオンとに分解を始める。その状態で、例えばアルミに対してガラスに６００Ｖ程度の直流電圧を与えると、分解したアルカリ金属イオン（例えば、ナトリウムＮａ＋）が負極側に移動する。この時、アルミ／ガラス界面ではアルカリ金属イオンの空乏層が形成され、静電引力が発生する。この静電引力により、アルミとガラス間で共有結合が形成され、陽極接合が完了する。このとき、ナトリウムイオンＮａ＋は、負電極側に移動してガラスとアルミとの接合部とは反対側の表面に近づく。

従って、加速度センサ１００では、陽極接合後に清浄度が良くないと、アルミ電極１０６と上部ガラス１０３を陽極接合した接合部及びガラス表面に、微量析出するＮａ＋残渣が存在する可能性がある。このＮａ＋残渣は、導電性を持つので、上部ガラス１０３の表面に存在すると、絶縁材料である上部ガラス１０３の絶縁性が劣化する。このため、上部ガラス１０３上に離間して設けられた二つアルミ電極１０６の間に表面リーク電流が発生し、センサ１００の性能を劣化する虞があった。従って、陽極接合後に清浄度を評価することは、センサ１００の高品質、高信頼性確保のため重要な検査となる。しかし、従来のセンサ１００におけるシリコン基板とガラス基板の陽極接合、特に、センサ特性上重要なシリコン基板１０１と上部ガラス１０３との陽極接合の検査方法については、通常、シェア強度試験などの抜き取り破壊検査、もしくは、外観検査などが主流であり、非破壊で検査を行うことが困難であるため、製造工数の増加と生産効率の低下を招いていた。

なお、陽極接合を評価する方法として、例えば、特許文献１に示されるように、レーザ光を陽極接合された半導体基板とガラス基台に照射して、接合界面に間隙が存在する場合に発生する干渉縞となったスペクトルを分光光度計でもって測定し、干渉縞情報を定量的な数値として算出する方法で評価する方法が知られている。また、特許文献２に示されているように、ガラス基板と陽極接合される半導体基板の接合界面に、予めＰＮ接合を用いたフォトダイオードを形成しておいて、光を照射して未接合部がある場合と無い場合との発生する光起電流の度合いによって検出する方法が知られている。

しかしながら、これらの方法は、光学系や電流測定回路を備えた測定装置が高額であり、安価に製造することはできず、また鏡面加工やフォトダイオードの形成等といった手間がかかる前処理、加工が必要であった。さらに、これらは、主として、接合界面に未接合部分（ボイド、ギャップ）の存在を検査することを対象としており、例えば、陽極接合後の洗浄が不十分な場合の、Ｎａ＋残渣による接合部及びガラス表面の清浄度の劣化等を検査することには不適であった。
特開平９−２８９２３８号公報 特開平１０−２２３５４号公報

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、シリコン基板上に形成されたパターンとガラスを接触させ、その接触面でそれらを陽極接合した構造体の検査方法において、シリコン基板上に離間する二つの陽極接合パターン間の電気抵抗を測定することより、陽極接合後のガラス表面の清浄度を非破壊的検査で評価することを可能とする陽極接合した構造体の検査方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、シリコン基板上に形成されたパターンを備えて、該パターンとガラスを接触させ、その接触面でそれらを陽極接合した構造体の検査方法において、前記シリコン基板上に離間する二つの陽極接合パターンを備え、これらのパターン間の電気抵抗を計測し、この測定された電気抵抗の大きさに基いて陽極接合後のガラス表面の清浄度を評価可能とするものである。

請求項２の発明は、請求項１に記載の陽極接合の検査方法において、前記構造体を熱処理し、陽極接合後の電気抵抗の変化を大きくして前記測定を行うものである。

請求項１の発明によれば、シリコン基板上に離間する二つの陽極接合パターン間の絶縁性を定量的に検出できるので、計測された電気抵抗の大小により、陽極接合後の接合部およびガラス表面の洗浄度の良否を判定できる。これにより、非破壊的検査による陽極接合の検査方法が可能となる。

請求項２の発明によれば、陽極接合後の電気抵抗の変化を大きくできるので、清浄度の検出感度を高めることができる。

以下、本発明の一実施形態に係る陽極接合の検査方法について、図１及び図２を参照して説明する。図１は、被測定デバイスの加速度センサ（以降、センサと略す）１０の陽極接合の検査方法の構成を示し、この検査構成は、被測定デバイスの加速度センサ（以降、センサと略す）１０と、センサ１０を形成するシリコン基板上に備えられた離間する二つの陽極接合パターン６ａ、６ｂ間の電気抵抗を計測する絶縁抵抗計１１とを備える。図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、センサ１０のＡ１―Ａ２線断面、Ｂ１―Ｂ２線断面、及びＣ１―Ｃ２線断面をそれぞれ示す。

これらの図において、センサ１０は、シリコン基板１と、シリコン基板１の下部及び上部に陽極接合されるガラス２、３と、シリコン基板１内に形成された片持梁構造のカンチレバー１ａと、シリコン基板１の表面に形成されたピエゾ抵抗４とを備え、シリコン基板１の表面には、保護膜及び内部応力コントロールのためにシリコン酸化膜７及びシリコン窒化膜８が形成されている。これらは、シリコンプレーナープロセス技術や異方性エッチング技術を適用することにより形成されている。

そして、ピエゾ抵抗４は、４つ形成され、これらを用いてホイートストンブリッジ回路（図示なし）が構成され、加速度が検出が行われる。このピエゾ抵抗４上には、ピエゾ抵抗４と電気的に接続されるアルミ電極５が形成され、シリコン基板１上には、上部ガラス３との陽極接合のためにアルミ電極６ａ、６ｂが、シリコン基板上で離間して設けられる。上部ガラス３は、アルミ電極６ａ、６ｂを介してシリコン基板１に陽極接合される。また、このアルミ電極６ａ、６ｂは、検査用電極も兼ねており、チップ表面に引き出しされた測定端子６ｃ、６ｄを有し、その両端はプローブ９を介し絶縁抵抗計１１に接続される。一方、シリコン基板１と下部ガラス２との接合は、アルミ電極を介さず直接陽極接合される。

このようなセンサ１０に加速度が印加されると、カンチレバー１ａが撓み、表面に応力が発生し、表面に形成されたピエゾ抵抗４のピエゾ効果により応力に伴った抵抗値の変化が生じる。その結果、ホイートストンブリッジ回路には加速度に比例した電位差が出力され、この電位差出力を検出することにより加速度を検出するという仕組みとなっている。また、シリコン基板１の上下に陽極接合されたガラス３、２は、カンチレバー１ａが動作の際に限界以上に撓むことのないように、ストッパーとしての役割を担っている。

上記構成の陽極接合の検査方法においては、上記の検査用電極として設けた２つのアルミ電極６ａ、６ｂの上部ガラス３の外側に測定端子６ｃ、６ｄを設け、それらにプローブ９を接続し、同プローブ９の先に絶縁抵抗計１１を接続することにより、両アルミ電極６ａ、６ｂ間の絶縁抵抗が計測される。両アルミ電極６ａ、６ｂ間の電気抵抗は、本来、両者が離間されて別パターンとして存在するため、通常は、両者間の絶縁抵抗は、極めて大きい抵抗値となる。すなわち、両アルミ電極６ａ、６ｂ間の抵抗は、両者を物理的に接続する絶縁体の上部ガラス３の絶縁抵抗、及び保護膜、又は絶縁膜であるシリコン酸化膜７及びシリコン窒化膜８と下部ガラス２を介して結ばれる絶縁抵抗が考えられるが、前者の上部ガラス３の絶縁抵抗の方が、絶縁膜等が介在しないため絶縁抵抗は小さいと見なせる。従って、絶縁抵抗計で測定される絶縁抵抗は殆ど、アルミ電極６ａ、６ｂ間の陽極接合される上部ガラス３による絶縁抵抗と考えて差し支えない。

従って、アルミ電極６ａ、６ｂ間の電気抵抗の測定は、上部ガラス３の絶縁抵抗を測定することとほぼ同じである。この上部ガラス３の絶縁抵抗は、本来、絶縁体として、極めて絶縁抵抗は高いので、その表面にわずかな導電物が付着しても絶縁抵抗は大きく下がって変化する。これにより、アルミ電極６ａ、６ｂ間の絶縁抵抗を計測することにより、上部ガラス３の表面状態の変化を検出することができる。従って、前述のように、センサ１０で、陽極接合後に清浄度が良くないと、アルミ電極６ａ、６ｂと上部ガラス３を陽極接合した接合部及びガラス表面に、微量析出するＮａ＋残渣が存在するので、この影響により、アルミ電極６ａ、６ｂ間の絶縁抵抗の変化を敏感に検出することができる。すなわち、陽極接合後のデバイスの表面の清浄が不十分な場合、Ｎａ＋残渣の量に応じて絶縁抵抗が小さくなるため、上記アルミ電極６ａ、６ｂ間の絶縁抵抗を測定することにより、陽極接合後のガラス表面の清浄度の良否を検査することができる。

次に、本発明の第２の実施形態に係る加速度センサ１０（以下、センサと略す）の陽極接合の検査方法について、図３を参照して説明する。図３は、本実施形態の被測定デバイスの加速度センサ１０の陽極接合の検査方法の構成を示し、この検査構成は、センサ１０とセンサ１０を加熱する加熱装置のホットチャック１２と、絶縁抵抗計１１とを備える。本実施形態は、基本構成は前記実施形態と同じであり、絶縁抵抗の測定をセンサ１０を熱処理して計測する点で前記実施形態と異なる。

第３図において、被測定物であるセンサ１０は、シリコン基板１と、シリコン基板１の上下に陽極接合されるガラス３、２と、シリコン基板１内に形成された片持梁構造のカンチレバー１ａと、シリコン基板１の表面に形成されたピエゾ抵抗４（図２参照）とを備え、シリコン基板１の表面には、保護膜及び内部応力コントロールのためにシリコン酸化膜７及びシリコン窒化膜８が形成されている。これらは、シリコンプレーナープロセス技術や異方性エッチング技術を適用することにより形成されている。

ピエゾ抵抗４は、４つ形成され、これらを用いてホイートストンブリッジ回路（図示なし）が構成され、加速度検出が行われる。このピエゾ抵抗４上には、ピエゾ抵抗４と電気的に接続されるアルミ電極５（図１参照）が形成され、シリコン基板１上には、上部ガラス３との接合のためにアルミ電極６ａ、６ｂが設けられ、上部ガラス３は、アルミ電極６ａ、６ｂを介してシリコン基板１に陽極接合される。また、チップ表面に引き出された測定端子６ｃ、６ｄを有し、その両端はプローブ９を介し絶縁抵抗計１１に接続される。一方、シリコン基板１と下部ガラス２との接合は、アルミ電極を介さず直接陽極接合される。

本実施形態の検査方法は、構造体を熱処理して行うものであり、センサ１０を加熱装置のホットチャック１２に挿入し、チップまたはウェハ状態で加熱しながらアルミ電極６ａ、６ｂ間の絶縁抵抗を計測する。このときの加熱温度は約２００℃前後が適当である。このように、２つのアルミ電極６ａ、６ｂ間の絶縁抵抗の計測を、約２００℃という高温下で行うことで、ガラス３の表面の残渣するＮａ＋の移動がより活性化され、常温時での計測に比べ、絶縁抵抗の低下が顕著に現れる。このため、Ｎａ＋の検出感度を一層高めることができる。

以上述べたように、本実施形態に係るセンサ１０の陽極接合の検査方法によれば、センサ１０のシリコン基板１上に、検査用に予め２つの独立したアルミ電極６ａ、６ｂを設け、その間の絶縁抵抗を測定することにより、比較的簡便な電気的計測により、陽極接合後の接合部及びガラス表面の洗浄度の良否を定量的に評価できる。これにより、非破壊的検査による陽極接合の検査方法が可能となる。従って、陽極接合の検査において、従来のシェア強度試験などの抜き取りによる破壊検査、又は、外観検査など手間と時間の掛かる方法でなく、非破壊的検査による陽極接合の検査方法が可能となり、製造工数の低減と生産効率を向上することができる。

さらに、絶縁抵抗の測定を高温下で行うことにより、陽極接合後の電気抵抗の変化を大きくでき、清浄度の検出感度を高めることができ、測定精度も向上できる。

本発明の第１の実施形態に係る加速度センサにおける陽極接合の検査方法を示す図。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ図１のＡ１−Ａ２線断面図、Ｂ１−Ｂ２線断面図、Ｃ１−Ｃ２線断面図。 本発明の第２の実施形態に係る加速度センサにおける陽極接合の検査方法を示す図。 （ａ）は従来の加速度センサの平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ３−Ａ４線断面図、（ｃ）はＢ３−Ｂ４線断面図。

符号の説明

１ シリコン基板
２ 下部ガラス（ガラス）
３ 上部ガラス（ガラス）
５ アルミ電極
６ａ、６ｂ アルミ電極（パターン）
１０ 加速度センサ（構造体）
１１ 絶縁抵抗計
１２ ホットチャック（熱処理）

Claims (2)

1. シリコン基板上に形成されたパターンを備えて、該パターンとガラスを接触させ、その接触面でそれらを陽極接合した構造体の検査方法において、
   前記シリコン基板上に離間する二つの陽極接合パターンを備え、これらのパターン間の電気抵抗を計測し、この測定された電気抵抗の大きさに基いて陽極接合後のガラス表面の清浄度を評価可能とすることを特徴とする構造体の検査方法。
2. 前記構造体を熱処理し、陽極接合後の電気抵抗の変化を大きくして前記測定を行うことを特徴とする請求項１に記載の陽極接合の検査方法。

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