JP2007304025A - センサ及びフローセンサ - Google Patents
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Abstract
【課題】センサチップにカバー部材を接合するセンサにおいて、センサチップに形成した検出部の信号取り出し配線とカバー部材の信号取り出し配線用の溝との間の隙間を埋めて気密性を確保すると共にセンサチップとカバー部材との接合強度を確保するようにしたセンサを提供する。
【解決手段】シリコン基板4に検出部10が形成されたセンサチップ2と、検出部に流体を流す流路11と検出部の信号取り出し配線用の溝3dが形成されたガラスからなるカバー部材3とを備え、カバー部材の溝から信号取り出し配線10aを延出させた状態でカバー部材がセンサチップに重ねて陽極接合され、カバー部材の溝と検出部の信号取り出し配線との隙間が低融点ガラス12により気密に封止されている。
【選択図】図8
【解決手段】シリコン基板4に検出部10が形成されたセンサチップ2と、検出部に流体を流す流路11と検出部の信号取り出し配線用の溝3dが形成されたガラスからなるカバー部材3とを備え、カバー部材の溝から信号取り出し配線10aを延出させた状態でカバー部材がセンサチップに重ねて陽極接合され、カバー部材の溝と検出部の信号取り出し配線との隙間が低融点ガラス12により気密に封止されている。
【選択図】図8
Description
本発明は、例えば半導体製造装置に使用するガス等の微少な流量の測定に好適なセンサ及びフローセンサに関する。
半導体素子を密封する構造として、半導体素子及びこの半導体素子の信号引き出し線が形成されたベースウェハの上面にガラスフリットを介してキャップウェハを接着して一体化し、前記引き出し線のうち、前記ガラスフリットに交差する部分の少なくとも上面に前記引き出し線及び前記ガラスフリットに密着し易い中間層を形成し、この中間層を介して前記ガラスフリットを引き出し線に密着させ、前記キャブウェハによる半導体素子の気密封止を可能にしたものが提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
上記半導体の密封構造は、ベースウェハ及びキャブウェハとしてパイレックス(登録商標)ガラス等の絶縁材が用いられ、キャブウェハの下面全面にガラスフリットをスクリーン印刷で形成し、このガラスフリットを介してベースウェハにキャブウェハを加熱、加圧して接着一体化している。
特開2000−307018号公報(3頁、第1図)
前記密封構造は、半導体素子をパッケージし、なおかつ半導体素子から信号を取り出すための引き出し線をガラスフリットを介してキャップウェハで気密封止している。しかしながら、この構造ではガラスフリットの接合強度が弱く半導体素子に耐圧構造を持たせることは難しい。また、ガラスフリットの接合温度を例えば400℃以下に低く抑えようとすると、前記パイレックス(登録商標)ガラスの熱膨張係数(3.2×10−6/℃)に合った十分な接着強度を有する低融点ガラスが存在しない。このため、半導体素子に熱的なダメージを与えることなく、なおかつベースウェハ及びキャブウェハと熱膨張係数の合った低融点ガラスを適用することが困難である。また、大きな接合強度を確保することが困難である。
本発明の目的は、センサチップにカバー部材を接合するセンサにおいて、センサチップに形成した検出部の信号取り出し配線とカバー部材の信号取り出し配線用の溝との間の隙間を埋めて気密性を確保すると共にセンサチップとカバー部材との接合強度を確保するようにしたセンサ及び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は、シリコン基板に検出部が形成されたセンサチップと、前記検出部に流体を流す流路と前記検出部の信号取り出し配線用の溝が形成されたガラスからなるカバー部材とを備え、前記カバー部材の溝から前記信号取り出し配線を延出させた状態で前記カバー部材が前記センサチップに重ねて陽極接合され、前記カバー部材の溝と前記検出部の信号取り出し配線との隙間が低融点ガラスにより気密に封止されていることを特徴としている。
センサは、検出部が形成されたセンサチップに、検出部に流体を流す流路と検出部の信号取り出し配線用の溝が形成されたカバー部材を重ね、溝から信号取り出し配線を延出させた状態で陽極接合され、溝と信号取り出し配線との隙間を陽極接合の温度と略同じ温度で溶融する低融点ガラスにより気密に封止されている。低融点ガラスを局所的に用いることにより、熱膨張係数がセンサチップ及びカバー部材の熱膨張係数とある程度離れた低融点ガラスを使用しても、熱応力の影響が検出部へ及ばず、センサチップとカバー部材は、基本的に陽極接合により大きな接合強度が得られているため剥離することもない。
また、本発明の請求項2に記載のフローセンサは、シリコン基板に流量検出部が形成されたセンサチップと、前記流量検出部に流体を流す流路と前記流量検出部の信号取り出し配線用の溝が形成されたガラスからなるカバー部材とを備え、前記カバー部材の溝から前記信号取り出し配線を延出させた状態で前記カバー部材を前記センサチップに重ねて陽極接合されたフローセンサにおいて、前記カバー部材の溝と前記流量検出部の信号取り出し配線との隙間を前記陽極接合の温度と略同じ温度で溶融する低融点ガラスにより気密に封止したことを特徴としている。
フローセンサは、流量検出部が形成されたセンサチップに、流量検出部に流体を流す流路と流量検出部の信号取り出し配線用の溝が形成されたカバー部材を重ね、溝から信号取り出し配線を延出させた状態で陽極接合され、溝と信号取り出し配線との隙間を陽極接合の温度と略同じ温度で溶融する低融点ガラスにより気密に封止されている。低融点ガラスを局所的に用いることにより、熱膨張係数がセンサチップ及びカバー部材の熱膨張係数とある程度離れた低融点ガラスを使用しても、熱応力の影響が流量検出部へ及ばず、センサチップとカバー部材は、基本的に陽極接合により大きな接合強度が得られているため剥離することもない。
本発明によると、センサチップ上に形成された検出部の信号取り出し配線とカバー部材の溝の内壁面との隙間を低融点ガラスで密封充填するので、カバー部材とセンサチップとの間でシール性に優れた接合が実現できる。これにより、ガスの外部への漏れやシール剤(充填剤)からの脱ガスを防ぐことが出来、測定誤差の発生や測定流体の汚染も防ぐことができる。
また、低融点ガラスは、スクリーン印刷により溝の接着面としての内壁面にパターニングすることができ、信号取り出し用の配線部と溝との間に極めて局所的に低融点ガラスを用いることで熱膨張係数の不一致を緩和することができる。
更にセンサチップとカバー部材とを陽極接合することで大きな接合強度を得ることができ、耐圧性の向上が図られる。
以下、本発明の一実施形態に係るセンサ及びフローセンサについて図面に基づいて説明する。図1は、本発明のフローセンサの斜視図を示し、フローセンサ1は、図中左右方向に長い直方体形状をなし、センサチップ2と、下面がこのセンサチップ2の上面に接合されたカバー部材としてのガラスチップ3と、センサチップ2の上面に形成された流量検出部10等により構成されている。ガラスチップ3は、透明なガラスで形成されており内部が透けて見えている。そのため、流量検出部10も透かして描いてある。
センサチップ2は、図2に示すように例えばシリコン基板4の上面4aの中央に幅方向に全幅に亘り窒化シリコン又は二酸化シリコンの絶縁膜(薄膜)5が形成されており、この絶縁膜5の中央位置に例えば白金(Pt)薄膜でできた発熱素子としてのヒータ6と、このヒータ6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測温素子7と測温素子8とが形成されている。
ヒータ6、測温素子7,8の信号取り出し配線としてのリードパターン6a,6b,7a,7b,8a,8bは、夫々両側方に絶縁膜5の先端近傍まで延出している。これらのヒータ6、測温素子7,8及びリードパターン6a,6b,7a,7b,8a,8bは、図3に示すように帯状をなして等間隔で配列されている。そして、これらのヒータ6、測温素子7,8及びリードパターン6a,6b,7a,7b,8a,8bは、図3及び図4に示すように窒化シリコン又は二酸化シリコンの絶縁膜(薄膜)9により全体が被覆されている。
ヒータ6、測温素子7,8及びこれらのリードパターンは、図4に示すように絶縁膜5上に0.1〜0.5μm程度の厚みを有して形成され、絶縁膜9は0.5〜1.0μm程度の厚みを有して形成されており、従って、絶縁膜9は、これらの厚みに応じて上面が段差(凹部)9aをなしている。また、絶縁膜9には各リードパターンの先端近傍に図3に示すように夫々接続用の電極パッド9bが穿設されている。そして、これらのヒータ6、測温素子7,8により流量検出部10が形成されている。
流量検出部10は、リードパターン6a,7a,8a及び6b,7b,8bの先端部が夫々各電極パッド9bを通してワイヤボンディングにより図示しない外部の測定回路等に接続される。なお、図3に示すように流量検出部10の両側に延出されたリードパターン6a,7a,8a及び6b,7b,8bの部分を信号取り出し配線部10aと称することとする。
シリコン基板4の上面4aには流量検出部10の下方位置に図2乃至図4に点線で示すように凹部4bが形成されており、絶縁膜5の凹部4b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4とが熱的に遮断されている。なお、凹部4bは、絶縁膜5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4に施すことによって形成される。
ガラスチップ3は、シリコン基板4と略同じ大きさの透明なガラス例えば硼珪酸ガラスで形成され、図1、図5及び図6に示すように下面3bの中央に長手方向に沿ってセンサチップ2に形成された流量検出部10上にガス等の流体を流すための流路(溝)11が形成されている。流路11は、両端部11a,11bがガラスチップ3の上面3aに開口しており、センサチップ2に形成されている流量検出部10上を例えば測温素子7側から測温素子8側に向かって流体を流すようになっている。従って、ガラスチップ3は、前記ガス等の流体を流すための流路形成部材としての機能を有している。
流路11は、加工面即ち、内壁面が平滑な面となるような工法例えば、溶融成型やフッ酸エッチング等により加工しても良く、或いはエンドミルやサンドブラスト等により流路11を形成した後にドライ又はウェットエッチングを併用して内壁面が滑らかになるように処理しても良い。このように流路11の内壁面を平滑な面とすることでガラスチップ3の外側から流量検出部10や流路11を観察することが容易となる。なお、ガラスチップ3の外側から流量検出部10や流路11を観察する必要が無い場合は、エンドミルやサンドブラスト等による加工のままでも良い。
ガラスチップ3は、図1及び図5に示すように両側壁の中央部が略長半円形状に欠かれて切欠部3cが形成されており、これら切欠部3cの中央部に流路11と直交する方向、即ち流量検出部10の信号取り出し配線部10aの延出方向に沿って端面視略矩形状の溝3dが形成されている。溝3dは、流量検出部10の信号取り出し配線部10aをガラスチップ3の両側方に取り出すための挿通部で、図6に示すように流路11よりも浅く、かつ図8に示すように信号取り出し配線部10aよりも僅かに大きく形成されている。なお、溝3dは、溶融成型やフッ酸エッチング等により加工しても良く、或いはエンドミルやサンドブラスト等により形成しても良い。
また、ガラスチップ3は、図5に示すように両側壁の中央部が切り欠かれて切欠部3cとされていることで、溝3dの長さ、即ち溝3dの流路11側開口端から切欠部3c側開口端までの距離が短くなり、流量検出部10の信号取り出し配線部10aと溝3dの内壁面との接合面積を小さくすることができる。
因みに、センサチップ2のサイズは、1.5mm×6.0mm〜6.0mm×12.0mm/厚さ0.5mm〜1.0mm程度であり、ガラスチップ3のサイズは、1.5mm×6.0mm〜6.0mm×12.0mm/厚さ0.5mm〜2.0mm程度である。ガラスチップ3の流路(溝)11のサイズは、幅0.2mm〜2.0mm/深さ0.2mm〜1.0mm程度である。
また、流量検出部10の信号取り出し配線部10aのサイズは、幅0.7mm〜1.5mm/厚さ1μm〜2μm/長さ0.5mm〜2.5mm(流路11の端からセンサチップ2の端までの距離)程度であり、溝3dのサイズは、幅0.7mm〜1.5mm/深さ20μm〜50μm/長さ0.2mm〜1.5mm程度である。
ガラスチップ3に使用するガラスとしては、陽極接合を行なうためにイオン伝導性を持っていることが必要であり、また、センサチップ2の基板(シリコン)と熱膨張係数が近いものが好ましく、例えば、硼珪酸ガラスなどが適している。硼珪酸ガラスとして例えばパイレックス(登録商標)ガラス或いはテンパックスガラスと称するガラスなどがあり、本実施例ではガラスチップ3は、パイレックス(登録商標)ガラスを使用している。センサチップ2の基板としてシリコンを使用した場合、シリコンの熱膨張係数(2.3×10−6/℃)とパイレックス(登録商標)ガラスの熱膨張係数(3.2×10−6/℃)が近似しているため、これらの接合部の熱応力に起因する歪みを少なくすることができる。なお、パイレックス(登録商標)とテンパックスは、熱膨張係数などを含むほとんどの特性がほぼ同じであるので、どちらを使用してもかまわない。
なお、陽極接合は一般的に、金属(電気伝導性を持つ材質)とガラス(イオン伝導性を持つ材料)の間で可能であるので、センサチップ2の基板としてはシリコンに限らず金属などでも良い。
以下に上記構成のセンサチップ2とガラスチップ3、及びガラスチップ3の溝3dと流量検出部10の信号取り出し配線部10aとの各接合構造及び手順について説明する。
先ず、図7(a)に示すようにガラスチップ3の溝3dを上方に向けて開口させ、この溝3dの内壁面に同図(b)に示すように低融点ガラス12を塗布し、仮焼成(溶剤などを揮発させて硬化)する。低融点ガラス12の塗布は、例えばスクリーン印刷やディスペンサ等によって溝3dの接着面としての内壁面にパターニングすることにより行うことができる。なお、溝3dに低融点ガラスを適量施して仮焼成しても良い。低融点ガラスとしては例えばフリットガラスと称するものがあり、本実施例では低融点ガラス12としてこのフリットガラスを使用している。本実施例で使用するフリットガラスは、熱膨張係数が7.0(〜16.0)×10−6/℃、融点が350℃〜450℃程度のものである。
次いで、このガラスチップ3を、図1及び図9に示すようにシリコン基板4上に流路11が流量検出部10の上方かつ測温素子7、ヒータ6、測温素子8の配列方向(図3参照)に沿うように配置し、かつ溝3dの低融点ガラス12の下側から信号取り出し配線部10aを切欠部3cの側方に延出させ、下面3bをシリコン基板4の上面4aに当接する。
次いで、図8乃至図10に示すようにガラスチップ3の下面3bとシリコン基板4の上面4aとを陽極接合によって接合すると同時に、この陽極接合の際にかける熱(約350℃〜420℃)により低融点ガラス12を溶融させてペースト状にし、ガラスチップ3の溝3dと信号取り出し配線部10aとの隙間を埋めて確実に密着させる。なお、図8において陽極接合部13を太線で示し、図9において陽極接合領域をA、低融点ガラス12の接着領域をBで示した。
低融点ガラス12は、ペースト状に溶融することで図7(c)及び図8に示すようにシリコン基板4上に存在する絶縁膜9の段差(凹部)9aに追従して密着するので、溝3dと流量検出部10の信号取り出し配線部10aとの気密性が確保される。なお、図7(c)において陽極接合部13を太線で示してある。このようにして、フローセンサ1が形成されている。
低融点ガラス12の材料としてその熱膨張係数がこれに貼り合わせるシリコン基板4とパイレックス(登録商標)ガラスで形成したガラスチップ3の熱膨張係数に近いものを適用することが好ましいが、本実施例のように流量検出部10の信号取り出し配線部10aと溝3dとの間に局所的かつ極めて小さい接着面積に使用するものであれば、ある程度熱膨張係数が離れたフリットガラスのような材料を使用してもその影響は極めて小さく、熱膨張係数の不一致を緩和することができる。
このように、流量検出部10の信号取り出し配線部10aと溝3dとの間の微小な隙間を低融点ガラス12により接着することで気密性を確保することができ、それ以外の接合即ち図9の接合領域Aで示すシリコン基板4の上面とガラスチップ3の下面との接合を陽極接合により接合することでフローセンサ全体の接合強度を確保することができる。
また、低融点ガラス12を、ガラスチップ3の溝3dの内壁面と流量検出部10の信号取り出し配線部10aとを接着する接着剤として用いれば、硬化後はガラスとなるので、接着剤からの脱ガスによる測定誤差の発生や、測定流体の汚染を防ぐことができる。
フローセンサ1は、図1及び図9に示すガラスチップ3の流路11に例えば端部11aから端部11bに向けて流量検出部10上に例えばガス等の流体を流し、流量検出部10のヒータ6に通電する。ヒータ6は、ヒータ制御回路によりシリコン基板4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および流路11を流れるガスを加熱する。流れがないときは、ヒータ6の上流側/下流側に均一な温度分布が形成されており、上流側の測温素子7と下流側の測温素子8は、略等しい温度に対応する抵抗値を示す。一方、流れがあるときは、ヒータ6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7と下流側の測温素子8により構成されるホイートストンブリッジ回路により上流側の測温素子7と下流側の測温素子8との抵抗値差つまり温度差を検出し、流路11内を流れるガスの流量を測定する。
また、フローセンサ1は、ガラスチップ3が透明なガラスにより形成され、かつ流路11の内壁面が平滑な面とされていることで、ガラスチップ3の外側から流量検出部10の観察が容易となり、例えば100μm程度の微小な塵埃等がガスに混じって流路11内に浸入して流量検出部10に付着した場合でも外部から直接観察することが可能となる。これにより、フローセンサ1の異常を迅速に検知することが可能となる。
続いて上述した実施形態の変形例について説明する。図11は、本発明に係るフローセンサの変形例を示し、フローセンサ1は、ガラスチップ3の溝3dと流量検出部10の信号取り出し配線部10aとを接着する低融点ガラス12の長さを溝3dの長さよりも短くして接着面積を少なくしたものである。これにより、低融点ガラス12による接着領域Cを図10に示す接着領域Bに比べて小さくすることができ、これに伴いガラスチップ3、シリコン基板4と低融点ガラス12との熱膨張係数の不一致を更に緩和することができる。
なお、上記実施形態においては1つのヒータ(発熱素子)6と、このヒータ6の両側に配置した2つの測温素子7,8とにより傍熱型の流量検出部10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。
また、流量検出部10の構造は、上記実施形態のように絶縁膜5,9がシリコン基板4の凹部4bを覆うようなダイアフラム構造でもよく、或いは絶縁膜5,9がシリコン基板4の凹部4bの少なくとも一部を覆うようなブリッジ構造でも良い。
更に上記実施形態においてはセンサの接合構造をガス等の流体の流量を測定するフローセンサに適用した場合について記述したが、これに限るものではなく、センサチップとカバー部材との接合部に大きな接合強度を得ることができることで、他のセンサ例えば圧力センサ、流体の濃度・組成センサ等にも適用することができることは勿論である。
1 フローセンサ
2 センサチップ
3 ガラスチップ(カバー部材)
3a 上面
3b 下面
3c 切欠部
3d 溝
4 シリコン基板
4a 上面
4b 凹部
5 絶縁膜
6 ヒータ(発熱素子)
7,8 測温素子
6a,6b,7a,7b,8a,8b リードパターン
9 絶縁膜
9a 段差
9b 電極パッド
10 流量検出部
10a 信号取り出し配線部
11 流路
11a,11b 端部
12 低融点ガラス
13 陽極接合部
A 陽極接合領域
B,C 低融点ガラス接着領域
2 センサチップ
3 ガラスチップ(カバー部材)
3a 上面
3b 下面
3c 切欠部
3d 溝
4 シリコン基板
4a 上面
4b 凹部
5 絶縁膜
6 ヒータ(発熱素子)
7,8 測温素子
6a,6b,7a,7b,8a,8b リードパターン
9 絶縁膜
9a 段差
9b 電極パッド
10 流量検出部
10a 信号取り出し配線部
11 流路
11a,11b 端部
12 低融点ガラス
13 陽極接合部
A 陽極接合領域
B,C 低融点ガラス接着領域
Claims (2)
- シリコン基板に検出部が形成されたセンサチップと、前記検出部に流体を流す流路と前記検出部の信号取り出し配線用の溝が形成されたガラスからなるカバー部材とを備え、前記カバー部材の溝から前記信号取り出し配線を延出させた状態で前記カバー部材が前記センサチップに重ねて陽極接合され、
前記カバー部材の溝と前記検出部の信号取り出し配線との隙間が低融点ガラスにより気密に封止されていることを特徴とするセンサ。 - シリコン基板に流量検出部が形成されたセンサチップと、前記流量検出部に流体を流す流路と前記流量検出部の信号取り出し配線用の溝が形成されたガラスからなるカバー部材とを備え、前記カバー部材の溝から前記信号取り出し配線を延出させた状態で前記カバー部材が前記センサチップに重ねて陽極接合され、
前記カバー部材の溝と前記流量検出部の信号取り出し配線との隙間が低融点ガラスにより気密に封止されていることを特徴とするフローセンサ。
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