JP2007212199A - センサのパッケージ構造及びこれを有するフローセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】微少流量、圧力、温度、濃度、組成などを測定するセンサチップを金属部材で形成した流路（導通路）ボディに直接搭載しかつシール性を確保したセンサのパッケージ構造を提供する。
【解決手段】基板５の表面に検出部１０が形成されたセンサチップ２と、基板の検出部周りの所定位置に配置され周囲を絶縁されて表面から裏面まで貫通し、表面側に検出部のリードパターンが裏面側に外部への信号取り出し手段３１が接続される貫通電極１５〜１７と、センサチップを搭載し検出部と対向する面に流体の流路（導通路）が形成された流路ボディ３と、センサチップと流路ボディとの間に介在されて流路のシール性を確保するシール手段２１と、センサチップを裏面側から流路ボディに押し付けて固定し貫通電極の裏面側から信号取り出し手段を導出させる領域４ａが形成された押さえ板４とを備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体製造装置に使用するガス等の微少な流量、圧力、温度、濃度、組成などを測定するセンサのパッケージ構造及びこれを有するフローセンサに関する。

例えば、半導体製造装置に使用するガス等の流体の流量を検出する流量測定装置（フローセンサ）として、流体に熱を付与して所定位置における流体の温度差を測定することにより流量を測定する熱式の流量測定装置がある（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。これらの流量測定装置は、シリコン基板上に流量検出部が形成されたセンサチップと、前記流量検出部を収容すると共に前記流量検出部を流れる流体の流路（溝）が形成された流路チップとしてのガラスチップ又はシリコン基板とを接合して形成されている。
特開平５−９９７２２号公報（３−４頁、図１） 特開平２０００−１４６６５２号公報（２頁、図１）

上記構成の流量測定装置を一般的に流路ボディがステンレス部材などで形成されたマスフローメータ、マスフローコントローラ等の流量計や流量制御機器に搭載するためには流量測定装置とステンレス部材との接続が不可欠である。

しかしながら、ガラスチップとステンレス部材で形成された流路ボディとをろう付け等で接合するとこれら両者間の熱膨張係数差による歪を引き起こし、センサ特性に影響を与える。また、電極取り出しのためにシリコン基板とガラスチップとの接合部の一部を通して流路の外側へリードパターンを引き出さなければならないため、その部分の強度やシール性を保持するための対策が必要となる。更に特許文献２に記載されている構造では電極取り出しのためにガラスチップの一部がくびれたりしているため、このくびれの部分の強度が低下するという問題がある。

本発明の目的は、半導体製造装置に使用するガス等の微少な流量、圧力、温度、濃度、組成などを測定するセンサチップを金属部材などで形成した流路（導通路）ボディに直接搭載しかつシール性を確保するようにしたセンサのパッケージ構造及びこれを有するフローセンサを提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明に係るセンサのパッケージ構造は、基板と当該基板の表面に形成された検出部とからなるセンサチップと、前記基板の前記検出部周りの所定位置に配置され周囲を絶縁されて表面から裏面まで貫通し、表面側端部に前記検出部のリードパターンが接続され、裏面側端部に外部への信号取り出し手段が接続される貫通電極と、金属部材で形成され、前記センサチップを搭載しかつ前記検出部と対向する面に該検出部への流体の導通路が形成された導通路ボディと、前記センサチップと導通路ボディとの間に介在されて前記流路のシール性を確保するシール手段と、前記センサチップを裏面側から前記導通路ボディに押し付けて固定しかつ前記貫通電極の裏面側端部から前記信号取り出し手段を導出させる領域が形成された押さえ部材とを備えたことを特徴としている。

基板の表面に形成された検出部のリードパターンを当該基板に形成された貫通電極の表面側端部に接続して形成したセンサチップを、金属部材などで形成された導通路ボディにシール手段を介して搭載し、検出部と対向して形成された導通路をシールする。そして、センサチップの裏面に押さえ部材を押し付けてセンサチップを導通路ボディに固定する。センサチップが導通路ボディに押し付けられるに伴いシール手段が潰されてセンサチップと導通路ボディとに密着し、導通路のシール性が確保される。また、センサチップと導通路ボディとの間の熱膨張係数差が吸収され、熱膨張係数差に起因する歪が低減されてセンサの安定性が向上する。

外部への信号取り出し手段は、一端が貫通電極の裏面側端部に接続され、他端が押し付け板の外部信号取り出し領域から導出される。このようにして、金属部材で形成された導通路ボディにセンサチップを直接搭載する。センサチップを導通路ボディに直接搭載することで、流路チップが不要となり構造が単純となる。

また、本発明の請求項２に記載のフローセンサは、基板と当該基板の表面に形成された流量検出部とからなるフローセンサチップと、前記基板の前記流量検出部周りの所定位置に配置され周囲を絶縁されて表面から裏面まで貫通し、表面側端部に前記流量検出部のリードパターンが接続され、裏面側端部に外部への信号取り出し手段が接続される貫通電極と、前記フローセンサチップを搭載しかつ前記流量検出部と対向する面に該流量検出部上を流れる流体の流路が形成された流路ボディと、前記フローセンサチップと流路ボディとの間に介在されて前記流路のシール性を確保するシール手段と、前記フローセンサチップを裏面側から前記流路ボディに押し付けて固定しかつ前記貫通電極の裏面側端部から前記信号取り出し手段を導出させる領域が形成された押さえ部材とを備えたことを特徴としている。

基板の表面に形成された流量検出部のリードパターンを当該基板に形成された貫通電極の表面側端部に接続して形成したフローセンサチップを、金属部材などで形成された流路ボディにシール手段を介して搭載し、検出部と対向して形成された流路をシールする。そして、フローセンサチップの裏面に押さえ部材を押し付けてフローセンサチップを流路ボディに固定する。フローセンサチップが流路ボディに押し付けられるに伴いシール手段が潰されてフローセンサチップと流路ボディとに密着し、流路のシール性が確保される。また、シール手段によりセンサチップと流路ボディとの間の熱膨張係数差が吸収され、熱膨張係数差に起因する歪が低減されてセンサの安定性が向上する。

外部への信号取り出し手段は、一端が貫通電極の裏面側端部に接続され、他端が押さえ部材の外部信号取り出し領域から導出される。このようにして、金属部材などで形成された流路ボディにフローセンサチップを直接搭載する。そして、フローセンサチップを流路ボディに直接搭載することで、流路チップが不要となりフローセンサの構造が単純となる。

本発明によると、センサチップを直接計測用の流路（導通路）ボディに搭載することによってガラスやシリコンなどで形成された流路チップを省略することができ、部品点数の低減を図ることができると共に流路チップとの接合が不要となり、コストの低減を図ることができる。

また、センサチップと流路ボディとの接続部品にシール手段を採用することにより、十分な気密性を確保することができると共に、シリコンの基板とステンレス部材等の金属部材からなる流路ボディとの熱膨張係数差を吸収することが可能であり、センサの特性が安定し、測定精度が向上する。

また、センサの信号をセンサチップの裏面から取り出すことができ、パッケージの構成が単純となり、コストの低減が図られると共に組み付け性の向上が図られる。また、流路ボディに形成される流路の高さ、幅、形状を変えることにより流量計測範囲を仕様に応じて容易に調整することができる。また、センサチップの流路ボディへの着脱が可能となり、センサチップの交換やメンテナンスが容易となる。

以下、本発明の一実施形態に係るセンサのパッケージ構造について図面に基づいて説明する。図１は、本発明に係るセンサのパッケージ構造を適用したフローセンサの平面図、図２は、図１に示したフローセンサの矢線II−IIに沿う断面図、図３は、図１に示したフローセンサの矢線III−IIIに沿う断面図を示す。図１乃至図３に示すようにフローセンサ１は、フローセンサチップ２とこのフローセンサチップ２を収容する流路ボディ３及び押さえ板４からなり、例えば半導体製造装置のマスフローメータ或いはマスフローコントローラ等の流量計或いは流量制御機器に接続される。

フローセンサチップ２は、図２に示すように例えば長方形状のシリコン基板５の表面５ａに全面に亘り形成された窒化シリコン又は二酸化シリコンの絶縁膜（薄膜）６の中央位置に流量検出部１０が形成され、更に流量検出部１０が前記窒化シリコン又は二酸化シリコンの絶縁膜（薄膜）６より被覆されている。また、シリコン基板５の裏面５ｂも前記窒化シリコン又は二酸化シリコンの絶縁膜（薄膜）６より被覆されている。

シリコン基板５の表面５ａには図２及び図３に示すように流量検出部１０と対応する位置に凹部５ｃが形成されており、絶縁膜６の凹部５ｃを覆う部位はダイアフラムとされている。これにより、流量検出部１０とシリコン基板５とが熱的に遮断されている。なお、凹部５ｃは、ここでは詳細には示さないが、前記絶縁膜の箇所に多数のスリットをフォトリソグラフィーとエッチングにより形成し、このスリットを介して異方性エッチングをシリコン基板５に施すことによって形成される。

流量検出部１０は、図５に示すように例えば白金のパターニングでできた発熱素子としてのヒータ１１と、ヒータ１１の上流側及び下流側に等間隔で例えば白金薄膜でできた抵抗素子としての２つの測温素子１２，１３及びこれらのリードパターン１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂにより形成されている。

シリコン基板５には流量検出部周りの所定位置例えば流量検出部１０の両側方にリードパターン１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂの先端部が接続される貫通電極１５，１６，１７が形成されている。貫通電極１５は、図３に示すように電極柱１８と、この電極柱１８の周りを絶縁する絶縁部材例えばガラス１９からなり、シリコン基板５の表面５ａから裏面５ｂまで気密状態を保ちながら貫通され、端面１９ａ，１９ｂがシリコン基板５の表面５ａ、裏面５ｂと面一とされている。

貫通電極１５は、例えばシリコン基板５に穿設した孔の内壁面に熱酸化による酸化シリコン膜や、CVDによる酸化シリコン膜や窒化シリコン膜などの絶縁膜を形成し、この孔に金属を充填した金属電極、又はシリコン基板５に穿設したリング状の孔に絶縁層となるガラスを充填し、その内側の円柱状のシリコンに不純物を加えて導電体としたシリコン電極などの公知の技術により形成されている。なお、上記の不純物は、シリコン基板５がＰ型シリコンの場合はＢ（ボロン）、Ｉｎ（インジウム）、Ｓｂ（アンチモン）など、Ｎ型シリコンの場合はＰ（りん）、Ａｓ（砒素）などである。他の貫通電極１６，１７についても貫通電極１５と同様に形成されている。

そして、図３及び図５に示すように流量検出部１０のリードパターン１１ａ，１１ｂの先端部が貫通電極１５の表面側の端面１９ａに電気的に接続されている。他のリードパターン１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂの先端部も貫通電極１６，１７の表面側端面に電気的に接続されている。

流路ボディ３は、図２乃至図４に示すように直方体の形状をなし、上面３ａにフローセンサチップ２を収容する平面視長方形状の凹部３ｂ（図４参照）が形成されている。この凹部３ｂの底面には周縁部が側壁に内接する平面視楕円形（長円形）の凹溝３ｃが形成され、当該凹溝３ｃの内側に同心的に平面視楕円形（長円形）状の凹部３ｄが形成されている。

凹溝３ｃは、後述する接続部材及びシール手段としての楕円形のＯリング（以下「楕円Ｏリング」という）２１を装着するためのもので、その内側周縁部３ｅの高さは楕円Ｏリング２１の太さよりも低く設定されている。また、その幅は、楕円Ｏリング２１の太さよりも僅かに幅広く形成されており、楕円Ｏリング２１が潰れたときにも凹溝３ｃからはみ出さないようにされている。そして、凹部３ｄは、流量検出部１０の上を流れる流体の流路とされる（以下「流路３ｄ」という）。

流路ボディ３には図２及び図４に示すように流路３ｄに流体を導入、導出するための流体導入用流路２３、流体導出用の流路２４が形成されている（図２参照）。これらの流路２３，２４は、各一側開口端２３ａ，２４ａが流路ボディ３の短辺側の両側面３ｆ，３ｇに開口し、各他側開口端２３ｂ，２４ｂが流路３ｄの長軸側の両側部近傍底面に開口して形成されている。

流路２３，２４の開口端２３ａ，２４ａは、同心的に拡径されて内周面に例えばねじが刻設されており、図示しない流体通路としての管路が接続可能とされている。また、図４に示すように流路ボディ３の上面３ａの四隅にはねじ穴３ｈが形成されている。この流路ボディ３は、例えばステンレス部材により形成されている。

図１に戻り押さえ板４は、中央に外部信号取り出し領域としての穴４ａが形成されている。この穴４ａは、図１及び図３に示すように内周面４ｂがフローセンサチップ２の流量検出部１０の両側方に形成された貫通電極１５，１６，１７よりも外側に位置する大きさとされており、これらの貫通電極１５，１６，１７の裏面側端面と接触しないようになっている。

また、押さえ板４の四隅には、図２に示すように流路ボディ３の上面３ａに形成されているねじ穴３ｈと対応する位置にボルト挿通孔４ｃが形成されている。この押さえ板４は、金属部材例えば流路ボディ３と同様にステンレス部材により形成されている。

押さえ板４の穴４ａの貫通電極１５，１６，１７と対向する両縁部にプリント基板２６，２６が接着材等で固定されている（図３参照）。このプリント基板２６は、上面に貫通電極１５，１６，１７の裏面側端面と対応して電極２７，２８，２９が形成されている。

以下に上記構成のフローセンサユニット１の組付手順を説明する。図２及び図３に示すように流路ボディ３の楕円形状の凹溝３ｃに接続部材及びシール手段としての楕円Ｏリング２１を装着する。そして、流路ボディ３の凹部３ｂにフローセンサチップ２を挿入し、楕円Ｏリング２１上に載置する。

次いで、フローセンサチップ２の裏面に押さえ板４を載置し、ボルト挿入孔４ｃにボルト３０を挿入して流路ボディ３のねじ穴３ｈに螺合して締め付け固定する。楕円Ｏリング２１は、ボルト３０の締め付けに伴い潰れてフローセンサチップ２の表面即ち、シリコン基板５の表面５ａに密着する。これにより、流路３ｄが十分な気密性を有して密封される。このようにして、フローセンサチップ２が流路ボディ３に搭載固定される。

この状態において図２及び図３に示すようにシリコン基板５の表面５ａと流路ボディ３の内側周縁部３ｅの上端面との間に僅かな隙間が形成されており、シリコン基板５が内側周縁部３ｅの上端面即ち、流路ボディ３に押し付けられることが防止されている。

貫通電極１５，１６，１７が穴４ａの内方にかつ各裏面側端面が穴４ａの内周面４ｂから離隔していることにより（貫通電極１５のみを示す図３参照）、貫通電極１５，１６，１７が押さえ板４と電気的に完全に絶縁されている。

次いで、押さえ板４の穴４ａを通して貫通電極１５，１６，１７の裏面側端面とプリント基板２６の対応する各電極２７，２８，２９を夫々外部への信号取り出し手段としてのワイヤボンド３１で接続する。このようにして、流路ボディ３にフローセンサチップ２が直接搭載される（図３参照）。そして、プリント基板２６の各電極２７，２８，２９は、図示しない信号取り出し線が接続されて図示しない制御回路に接続される。また、流路ボディ３の流路２３，２４の各一端２３ａ，２４ａは、図示しない流体の流路に接続される。

フローセンサチップ２と流路ボディ３との間の接続部品に楕円Ｏリング２１を採用することで、流路３ｄの十分な気密性を確保することができると共に、シリコン基板５とステンレス部材で形成された流路ボディ３との熱膨張係数差を吸収することが可能となり、フローセンサチップ２の熱膨張係数差に起因する歪みが防止され、センサの特性が安定して測定精度の向上が図られる。

また、流路ボディに形成される流路３ｄの高さ（流体の流れる方向と直交する方向の断面積）を変えることにより流量計測範囲を仕様に応じて容易に調整することができる。また、フローセンサチップ２の流路ボディ３への着脱が可能であり、フローセンサチップ２の交換やメンテナンスが容易である。

次にフローセンサ２の作用を説明する。図２に示すように流路ボディ３の流体導入用流路２３から例えばガス等の流体を流路３ｄに導入し、流体導出用流路２４から導出させて流量検出部１０に矢印で示すように前記ガスを流し、ヒータ１１に通電する。ヒータ１１は、ヒータ制御回路によりシリコン基板５に設けられた図示しない周囲温度センサで測定された流体温度よりもある一定温度高く加熱され、流量検出部１０及び流路３ｄを流れるガスを加熱する。

ガスの流れがないときは、ヒータ１１の上流側／下流側に均一の温度分布が形成されており、上流側の測温素子１２と下流側の測温素子１３は、略等しい温度に対応する抵抗値を示す。一方、ガスの流れがあるときは、ヒータ１１の上流側／下流側の均一な温度分布がくずれ、上流側の温度が低くなり、下流側の温度が高くなる。

そして、ここでは詳細には説明しないが上流側の測温素子１２と下流側の測温素子１３により構成されるホイーストンブリッジ回路により上流側の測温素子１２と下流側の測温素子１３の抵抗値差つまり温度差を検出し、流路３ｄ内を流れるガスの流量を測定する。

なお、上記実施形態においてはフローセンサチップ２の基板としてシリコンを使用したが、これに限るものではなく、セラミックスやサファイアや金属を使用しても良い。また、流路ボディ３や押さえ板４は、金属部材ではなくセラミックスや樹脂でもかまわない。

押さえ板４には必ずしも穴が開いている必要は無く、その板厚方向に貫通した、例えばピンの周りをハーメチックシールガラスで封止したような電極取り出し手段を備えていても良く、その電極と貫通電極１５，１６，１７の裏面側端面を半田や導電性樹脂で直接電気的に接続しても良い。また、接続部材及びシール手段として楕円Ｏリング２１の代わりに、流路３ｄ形状よりも少し大きめの穴があいたシート状パッキンを使用しても良い。

更に流量検出部１０の構造は、上記実施形態のように絶縁膜６がシリコン基板５の凹部５ｃを覆うようなダイアフラム構造でも良く、或いは絶縁膜６がシリコン基板５の凹部５ｃの少なくとも一部を覆うようなブリッジ構造でも良い。

また、上記実施形態においてはフローセンサチップ２を流路ボディ３に収容したパッケージ構造について記述したが、これに限るものではなくフローセンサに代えて圧力検出部を形成した圧力センサチップを同様の流路ボディに収容してパッケージ構造とする場合にも適用し得ることは勿論である。なお、圧力検出部の場合流路は、流体の圧力を圧力検出部に伝達するための伝達路（導通路）としての役割となり、一方の流路２３のみを形成すれば良い。同様に、流体の温度、濃度、組成などの検出部を形成したセンサにも用いることができる。

なお、上記実施形態においては１つのヒータ（発熱素子）と、このヒータの両側に配置した２つの測温素子とにより傍熱型の流量検出部を構成した場合について記述したが、これに限るものではなく、発熱素子兼測温素子が１つ、即ち１つのヒータで自己発熱型の流量検出部を構成しても良く、或いは、発熱素子兼測温素子が２つ、即ち２つのヒータで自己発熱型の流量検出部を構成しても良い。

本発明の一実施形態に係るセンサのパッケージ構造を適用したフローセンサの平面図である。 図１に示したフローセンサの矢線II−IIに沿う断面図である。 図１に示したフローセンサの矢線III−IIIに沿う断面図である。 図２に示した流路ボディの平面図である。 図２に示したフローセンサチップの平面図である。

符号の説明

１ フローセンサ
２ フローセンサチップ
３ 流路ボディ
３ａ 上面
３ｂ 凹部
３ｃ 凹溝
３ｄ 流路（凹部）
３ｅ 内側周縁部
３ｆ，３ｇ 側面
３ｈ ねじ穴
４ 押さえ板
４ａ 穴（外部信号取り出し領域）
４ｂ 内周面
４ｃ ボルト挿通孔
５ シリコン基板
５ａ 表面
５ｂ 裏面
５ｃ 凹部
６ 絶縁膜（薄膜）
１０ 流量検出部
１１ ヒータ
１１ａ，１１ｂ リードパターン
１２ 測温素子
１２ａ，１２ｂ リードパターン
１３ 測温素子
１３ａ，１３ｂ リードパターン
１５，１６，１７ 貫通電極
１８ 電極柱
１９ ガラス（絶縁部材）
１９ａ，１９ｂ 端面
２１ 楕円Ｏリング
２３ 流路
２３ａ，２３ｂ 開口端
２４ 流路
２４ａ，２４ｂ 開口端
２６ プリント基板
２７，２８，２９ 電極
３０ ボルト
３１ ワイヤボンド（外部への信号取り出し手段）

Claims (2)

1. 基板と当該基板の表面に形成された検出部とからなるセンサチップと、
   前記基板の前記検出部周りの所定位置に配置され周囲を絶縁されて表面から裏面まで貫通し、表面側端部に前記検出部のリードパターンが接続され、裏面側端部に外部への信号取り出し手段が接続される貫通電極と、
   前記センサチップを搭載しかつ前記検出部と対向する面に該検出部への流体の導通路が形成された導通路ボディと、
   前記センサチップと導通路ボディとの間に介在されて前記導通路のシール性を確保するシール手段と、
   前記センサチップを裏面側から前記導通路ボディに押し付けて固定しかつ前記貫通電極の裏面側端部から前記信号取り出し手段を導出させる領域が形成された押さえ部材とを備えたことを特徴とするセンサのパッケージ構造。
2. 基板と当該基板の表面に形成された流量検出部とからなるフローセンサチップと、
   前記基板の前記流量検出部周りの所定位置に配置され周囲を絶縁されて表面から裏面まで貫通し、表面側端部に前記流量検出部のリードパターンが接続され、裏面側端部に外部への信号取り出し手段が接続される貫通電極と、
   前記フローセンサチップを搭載しかつ前記流量検出部と対向する面に該流量検出部上を流れる流体の流路が形成された流路ボディと、
   前記フローセンサチップと流路ボディとの間に介在されて前記流路のシール性を確保するシール手段と、
   前記フローセンサチップを裏面側から前記流路ボディに押し付けて固定しかつ前記貫通電極の裏面側端部から前記信号取り出し手段を導出させる領域が形成された押さえ部材とを備えたセンサのパッケージ構造を有するフローセンサ。

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