JP2008516252A - センサー装置 - Google Patents

Abstract

基板の開口又は凹部の上方に隔膜が設けられている上側を有する基板を具備するセンサー装置において、前記隔膜は熱的及び電気的に絶縁性であり、抵抗材料層を備える加熱素子の上面に設けられており、加熱素子との電気的接続は隔膜及び／又は基板に埋め込まれており、かつ基板の下側に電気端子を提供する、航空機の外部における風速を検出するためのセンサー装置。加熱素子は雰囲気中にさらされるが、残りの電気部品はさらされていない。
【選択図】 図１

Description

本発明は、センサー装置、及び微細加工の技術を採用するセンサー装置の製造方法に係り、特に、それのみではないが、航空機の風速のような変数を検知するための加熱された素子を用いるセンサー装置に関する。

電気的に加熱された素子を空気流にさらすことにより風速を測定するための風速測定装置が知られている。例えば、直立する端子間に架けられたワイヤーを備える装置が、風洞内に用いられている。風速が変化するとき、（抵抗の温度係数により）素子の温度変化から生ずる抵抗の変化をモニターするために、ワイヤーが電気的に駆動され、ブリッジ回路に取り付けられる。しかし、そのような装置は、壊れやすいので、航空機に用いるには適切ではない。航空機の風速を測定するために、衝撃や磨耗に耐える装置が必要とされる。

ポリイミド層上に装着された加熱素子として役立つチタン層を含む、航空機の機体に適用されたＭＥＭＳ熱膜センサーを採用することが提案されている。（Warsop, C.:米国、バージニア州、ノートフォークで開催されたAmerican Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA) Applied Aerodynamics Conferenceで提供された“AEROMEMS - An Investigation into the Viability of MEMS Technology for Boundary Layer Control"、AIAA paper No. AIAA-99-3173; June 1999、の図９参照のこと。）しかし、そのような提案は、開発の初期段階であり、更なる改良が望まれている。

本発明の目的は、素子から周囲への熱のロスを減少させる加熱センサー素子を有する、微細加工技術により作られたセンサーを提供することにある。

本発明の他の目的は、センサー素子が晒されている危険な環境で使用するための、素子への電気的接続がセンサー内部に位置するセンサー装置を提供することにある。

本発明の概念は、微細加工技術(そのような技術は一般にＭＥＭＳ技術と呼ばれている)により製造されたセンサーを提供することである。加熱素子が、危険な環境にさらされる抵抗膜叉は層として形成され、例えば、飛行機の機体の表面と面一に設けられている。加熱素子が設けられている基板を通して基板の裏面への加熱(抵抗)素子の電気的接続がなされている。素子からデバイスの隣接する部分への熱のロスを減少させ、素子の感度を維持するために、以下の手段がある。

１．基板の開口に取付けられた薄い隔膜に抵抗素子が設けられている。

２．隔膜は、ＳｉＯ_２のような耐摩耗性絶縁層により覆われた、例えば絶縁ポリマーの主負荷支持層を備える層状構造を有する。

３．導電体は、隔膜の層状構造により抵抗素子と接触する隔膜内に延びる。

４．抵抗素子と導電体との間の電気的接触は、抵抗素子からの熱の流れを制限する小さい貫通孔の列により提供される。

５．導電体の遠隔端部において、導電体から延び、その下端において電気端子を形成する孤立導電性柱を形成するために、好ましくは(深い反応性イオンエッチングのような)エッチング手段により、基板が切除される。

６．導電性柱と導電体との間の電気的接触は、小さい貫通孔の列により提供される。

第１の態様では、本発明は、基板の開口又は凹部の上方に隔膜が設けられている上側を有する基板を具備するセンサー装置において、前記隔膜は熱的及び電気的に絶縁性であり、抵抗材料層を備える加熱素子の上面に設けられており、加熱素子との電気的接続は隔膜及び／又は基板に埋め込まれており、かつ基板の下側に電気端子を提供するセンサー装置を提供する。

第２の態様では、本発明は、導電性材料からなる基板を備え、上側に形成されたセンサー素子、及び基板の下側に電気端子を有するセンサー装置において、前記電気端子は、導電体手段により前記センサー素子に接続され、前記端子は、前記基板の上部から下部基板側に延びる、少なくとも１つの導電性ピラーを提供するように、基板材料を切除することにより形成された少なくとも１つの導電性ピラーにより提供されるセンサー装置を提供する。

第３の態様では、本発明は、導電性材料からなる基板を提供し、基板の上側にセンサー素子を形成する工程、導電体手段によりセンサー素子に接続された基板の下側に電気端子を形成する工程、及び前記基板の上部から下部基板側に延びる、少なくとも１つの導電性ピラーを提供するように、基板材料を切除する工程を具備し、前記少なくとも１つの導電性ピラーは、前記端子を提供するセンサー装置の形成方法を提供する。

好ましくは、加熱素子は、タングステン叉はニッケルにより形成される。

任意に、隔膜は、ポリマー材料、低密度複合体、スピンオンナノ気孔質ガラス、及びエアロゲルの１つの層を含む。

任意に、隔膜は、最上層が二酸化珪素のような耐磨耗性材料である複数の層を含む。

通常、隔膜は複数の層を含み、前記層の間に導電体手段が配置されており、前記加熱素子から延びている。任意に、導電体手段は、スロットが形成されている。

有利なことには、加熱素子は、そこから隔膜を介して導電体手段に延びるそれぞれのビア列により、隔膜の表面の下に配置された導電体手段に連結している。任意に、導電体手段のキャップ層が、ビア上に形成されている。

通常、センサー素子の端子は、基板の上部から下部基板側に延びる、少なくとも１つの導電性ピラーを提供するように、基板材料を切除することにより形成された少なくとも１つの導電性ピラーにより提供される。任意に、それぞれのピラーは、ビア列により基板の上部において導電体手段に接続されている。

通常、それぞれのビアは、平面方向に延びている。装置の基板は、通常、高濃度にドープされたシリコンからなる。更に、加熱素子のアスペクト比は、１０以上であるものと考えられる。隔膜の厚さは、４〜１０ミクロン、好ましくは６ミクロンであるものと考えられる。

少なくとも好ましい実施形態では、センサーは、基板への熱の損失を減少させるために、６μｍの厚さの酸化ケイ素／ポリイミド／酸化ケイ素隔膜に支持されたタングステン膜を含む、矩形のセンサー素子である。センサーの裏面への信頼性のある電気的接続は、新規な接続システムを用いて行われる。熱損失は、配線が基板から熱的に分離されているので、更に減少される。センサー素子から走るリード線は、強靭性を改善し、対流損失を減少させるために、隔膜間に埋め込まれている。これにより、性能のかなりの改善が生ずる。感度が９５０ｍＶ／Ｐａに増加し、周波数応答が少なくとも２０ｋＨｚに増加する。寄生抵抗の実質的な減少が、デバイス当たりの電力消費量を静的条件で１０ｍＷ未満に、２４０ｍ／ｓの自由流速で３５０ｍＷ付近にした。一般的なデバイスの足跡と結合したデザインの柔軟性のあるレイアウトは、ある範囲の集積方法を、様々なセンサー素子の構造に沿って評価した。

センサー素子は、好ましくは製造が簡単なため、その全長にわたって一定の幅を有する。或いは、そのセンサーの幅は、端部よりも中央が大きくなるように変化させてもよい。この可変の幅のセンサーの目的は、センサー素子に沿って一定の温度分布を得ることである。これにより、所定の全抵抗についてセンサー素子の最大温度が減少し、必要ならばより大きい過熱比で動作する可能性を与える。３４０℃の最大局部温度（恐らく、実際の動作温度よりもかなり高い）で動作する定型的なセンサー素子では、ほぼ均一な温度分布を達成するようにセンサープラットフォーム面積を分布させることにより、約３０℃の最大局部温度の減少が生ずることを、この結果は示唆している。

センサー素子の幅は、好ましくは最大化され、即ち、周囲の空気にさらされているセンサーの表面積はできるだけ大きい。しかし、所定のセンサーの長さについて、幅を増加させることにより、アスペクト比及び装置の方向感受性が減少するであろう。加えて、約５−１０Ωの目標センサー抵抗及び金属堆積の最大／最小製造膜厚（典型的には０．０５−１μｍ）は、材料の選択（即ち、抵抗率）に応じてセンサーのアスペクト比に追加の制限を課する。

隔膜のポリイミド層は、できるだけ薄くあるべきである。それは、基板への熱の流れをある程度減少させ、センサー及びポリイミド両方からの対流損失を増加させる（隔膜に対してよりもセンサーに対してわずかに大きい比例効果で）。加えて、それは、センサーからの対流、より大きい割合で隔膜からの対流を増加させる。そのため、隔膜の幅の増加は、（増加したセンサー及び隔膜の対流を通して）装置の全体の感度を増加させるが、全体の対流のより大きい割合が熱的に‘鈍い’ポリイミド隔膜からであるので、装置の周波数応答を減少させる。

図１Ａ及び１Ｂは、本発明のセンサー装置の第１の実施例を示す。このセンサー装置は、ポリイミドの隔膜叉は薄膜４に形成された矩形のタングステン加熱素子２を備える。薄膜４は、基板への熱のロスを減少させるために、基板８の開口６上に形成される。センサー素子２の端部と電気端子１４との間に金リード線１２が接続されている。隔膜４は、第１及び第２の層４１，４２から構成される。センサー素子２からつながる金リード線１２が層４１，４２間に含まれ、そのためポリイミド層内に埋め込まれ、強靭性を改善し、リード線の対流ロスを減少させる。

リード線１２は、それぞれの端子１４において終端となり、端子１４はドーピングされたシリコンの柱により構成される。リード線１２は、隔膜４を介してコンタクトピラー１４に延びるビアズ１２１(本明細書ではビアズ１と呼ぶ)により終端となる。同様に、リード線１２は、隔膜４を介して延びるビアズ１２２(本明細書ではビアズ２と呼ぶ)によりセンサー素子２に接続される。ピラーは、深い反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）を用いて生成された周辺トレンチ１６により、残りのシリコン基板から分離される。使用するＤＲＩＥ装置の制限による最小のトレンチ幅（図１ではＧ）があり、それはトレンチ１６のアスペクト比を約１０：１に限定する。そのため、典型的な４２５ミクロンの厚さのウエハーの場合、最小トレンチ幅（Ｇ）は、約４３ミクロンであろう。隔膜４の下に形成された開口６は、トレンチ１６と同時にＤＲＩＥにより形成される。

隔膜４は、素子２を機械的に支持し、シリコン基板からの熱的絶縁及び電気的分離を提供する。抵抗素子２との電気的接続は、隔膜サンドイッチ構造の層間をつなぐ金属トラック１２により行われる。このようにして電気的接続のルートの決定は、リード線それ自体からの対流熱損失を減少させる。素子の前部から後部への電気的接続は、シリコン基板から切り離された（ピラー１４のような）ピラーのシステムによりなされる。

ウエハー内接続のシリーズ抵抗を最小にするために、高度に導電性のドープトシリコン基板が使用される。

深い反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）の使用は、熱分離キャビティ、接続ピラー、及び個々の装置の分離を、単一の工程で行うことを可能とする。

このように、センサーへの信頼性のある電気的接続に関する問題は、導電性のドープされたシリコン基板材料を用いること、及びウエハーの裏面に電気的接続を行うことにより取り組まれた。本発明の概念は、ウエハー内配線がシリコン基板自体から作られることである。これは、深い反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）を用いて基板の各部分の周りに分離溝を形成し、隔膜のみの下側に機械的に取り付けられたこれらの部分またはピラーを残すことにより達成される。分離溝は、製造プロセスの最後の段階として形成され、得られた構造は、支持構造が配線の自由端部へのより強靭な機械的支持体を提供する、その後の実装段階でも生き残るに十分に強靭である。は、ピラーの頂部から隔膜層内のビアを介してセンサー抵抗器に導く金属トラックへの電気的接続がなされる。配線は、隔膜の層間に挟まれ、基板及び検査される流体の双方から、ある程度熱的及び電気的に分離されている。

Ａｓをドープしたシリコンの抵抗率は、１×１０^−６〜４０×１０^−６である。推定される接続ピラーの水平の幅及び長さは、ピラー全体の抵抗を最小にするために、２５０〜５００ミクロンのオーダーである。４２５ミクロンのウエハーの厚さの場合、これらの寸法は、上記ドープされたシリコンの最大抵抗率４０×１０^−６に対し、０．２７２_１及び０．０６８Ωのピラーの抵抗を与えるであろう。金のリード線の抵抗は、それぞれ０．５ミクロン及び３０ミクロンのリード線の太さ及び幅に対し、典型的には約０．５Ωである。

冷えているときの素子の抵抗目標は、５〜１０Ωである。所定の接続ピラー及び金のリード線の形状特性の場合、これは、目標となるセンサー素子の抵抗を与える。センサー（Ｌ）の長さは、現状では１ｍｍと推定される。そのとき、センサーの厚さは、それぞれの特定のセンサーのアスペクト比（Ｌ／Ｗｓ）について計算され得る。

容易に加工可能なポリイミドの最小の厚さは、約３ミクロンである。少なくとも２層のポリアミドがリード線を埋めるために適用され、そのとき最小の隔膜の厚さは、恐らく６ミクロンであろう。少なくとも１層のポリアミドの代わりに、窒化ケイ素又は酸化ケイ素を用いた別の製造法も可能である。窒化ケイ素／酸化ケイ素の層は、ポリイミド層よりもかなり薄く製造され得る。

ポリイミドの上面の保護は、磨耗と水の吸収の問題から保護する、窒化ケイ素又は酸化ケイ素の薄層により達成され得る。この層の熱特性は、素子の全体の性能にほとんど影響を与えないであろう。

多くの理由から、タングステンがセンサー素子に使用される。

・金を正確にパターン化することは困難である。ウエットエッチされた金のセンサー素子の端部は、かなり不規則になり、アンダーカットを生ずる。それは、局部的な温度のホットスポットと信頼性の減少をもたらす。

・タングステンは、ドライエッチングを用いて、都合よくパターニングすることが出来、より一層の正確性と均一な品質が得られる。

・タングステンは、金に比べ、より高い抵抗温度係数（ＴＣＲ）を有する（０．００４に対し約０．００５）。

・タングステンは、チタンのような他の物質に比べ、ほどよい抵抗率（金の約２倍）を有している。

・タングステンは、チタンに類似するＴＣＲを有するが、低抵抗、高いアスペクト比の膜を、より薄い金属層から形成されることを許容する、非常に低い抵抗を有するので、加熱抵抗素子に使用された。加えて、タングステンは、より均一な素子抵抗を与える非常に大きい寸法精度でエッチングされ得る。この素子抵抗は、大量生産及び風速計の設置を考慮するために重要なファクターである。

限定された５−１０Ωの抵抗制限のためのタングステンセンサー素子についての厚さ制限に関しては、５未満のアスペクト比の場合、センサーの厚さは、０．１ミクロンであり、最小の目標抵抗５Ωの場合、等しい値以下である。０．１ミクロンが、信頼性のある加工のために実用的な最小のセンサーの厚さを提供するものと考えられる。そのため、より低いアスペクト比がタングステンを用いて製造されたセンサー素子のために存在することがあり得る。

風速計のために、ほどよい寸法精度を達成するためには、少なくとも１０：１のセンサー素子のアスペクト比が必要である。これは、１００ミクロンが１ｍｍのセンサー長さを与えたように、センサー素子の最大の平均幅を確立する。センサーの幅は、感度の改善のために最大化されるべきであり、そのため１００ミクロンがセンサーの平均幅のベースラインであろう。センサー素子は、目標の全体の素子抵抗に応じて、１００〜２００ナノメートルの厚さ（タングステンの構成の場合）であろう。これらの厚さ及びプラットフォームは、製造には適正である。

馬蹄形又はＵ字形を含む、様々なセンサー素子の形状が可能である。例えば、２、５、１０、２０、５０、及び１００の加熱素子の様々なアスペクト比が、例えば２０及び５０ミクロンの様々な隔膜の幅で使用される。センサー素子の幅は、より均一な温度分布を達成するために、センサーの長さに従って変化する。センサーの長さは、５００μｍ〜１０００である。

図３〜６は、熱膜センサー素子の最終デザインの一般的レイアウトを示す。

ここで図２を参照すると、図２は、第２の実施形態のための製造工程を示す。第２の実施形態は、ポリイミドのコアの周りにシリコン酸化物／窒化物層を用いる複合‘サンドイッチ’構造を含む隔膜を具備する。この構造は、機械的剛性又は強度を犠牲にすることなく、より薄い隔膜の製造を可能とする。両方とも、類似の又はわずかに低い熱伝導率と結合して、ポリイミドよりもより高い弾性率を有するので、サンドイッチ構造の外皮のための物質として、シリコン酸化物及び窒化物が提案される。両方の物質は、何ら適合性の問題を提供しない、わずか３００℃の温度で低圧化学蒸着法（ＬＰＣＶＤ）により堆積される。これらの物質に基づくサンドイッチ構造の剛性は、単純なポリイミド隔膜の剛性よりも非常に大きい。隔膜の厚さは、６−７μｍの近辺に減少され、その熱的質量の大きな減少を与える。加えて、多層隔膜構造は、電気配線系の製造を簡単にする。ビアがどの点でもその厚さを貫通せず、また対向する層のどの開口もからのストレスの軽減及び強化を受けるので、隔膜の弾性は、サンドイッチ構造の使用により改善される。

図２Ａ−２Ｋに示すように、第２の実施形態の製造工程が実施される。

図２Ａ：２０−２５０μｍの厚さ、０．０００１−０．００４Ωｃｍの抵抗率のシリコンウエハーが提供される。短い全厚み距離（低抵抗のための）と、ウエハーの取り扱いの容易さ（１５０μｍ未満の厚さのウエハーは非常にもろい）との妥協により、２５０μｍの厚さのウエハーが選択される。

図２Ｂ：両面に０．２μｍのシリコン酸化膜を堆積する。上部膜２２は隔膜２３のためのベース層であり、底部膜２４はマスクを提供する。

図２Ｃ：反対側の酸化物層２４をエッチングし、２６においてシリコンを露出させる。

図２Ｄ：クロムの接着層を堆積し、次いで露出したシリコン２６上に１μｍの金層を形成する。金／クロム層はエッチングされ、電気端子コンタクト２８を提供する。

図２Ｅ：反対側に６μｍのポリイミド層３０を堆積し、選択的にエッチングして、ＤＲＩＥマスク（その後の工程でウエハーの底面を保護する）を形成する。

図２Ｆ：表側に６μｍのポリイミド層３２を堆積し、素子隔膜２３の第２の層を形成する。加熱素子から酸化物層２２及びポリイミド層３２を通して導電性ピラーへの電気的接続のために、エッチングによりビア３４（ビア１）を形成する。

図２Ｇ：金属を堆積し、センサー素子配線３６を形成する。これらは、金層の上下にクロム接着層を有する１μｍの金層を含む。

図２Ｈ：上面に１．０μｍのシリコン窒化物層３８を堆積する。これは、隔膜２３の、第３の耐摩耗性上層を形成する。センサー素子と配線路３６との間を接続するために、４０において層３８がエッチングされ、ビア（ビア２）が形成される。

図２Ｉ：０．１μｍの厚さのタングステンが堆積され、エッチングされて、センサー素子４２が形成される。

図２Ｊ：ＤＲＩＥにより裏面からシリコンがエッチングされ、隔膜２３及びセンサー素子４２の下に熱絶縁キャビティ４４、及びトレンチ４６が形成され、ウエハー内配線を形成する導電性ピラー４８が定義される。このピラーは、高いウエハー当り素子数を与えるに十分にコンパクトである必要があるが、低いシリーズ抵抗を与え、必要に応じて人手でなされる接続を可能とするに十分に大きい必要がある。これらの競合するファクターの妥協として、１辺４５０μｍの矩形が選択される。これは、基板の抵抗率に応じて、０．００１２−０．０４９４Ωの推定シリーズ抵抗を与える。分離トレンチ幅は、この値が５：１のアスペクト比を示し、ＤＲＩＥ装置の能力の範囲内であるので、５０μｍに設定された。

図２Ｋ：裏側からポリイミドＤＲＩＥマスク３０を除去し、ピラー４８の基部にメタルコンタクト２８を露出させる。

ある程度の冗長性を与えるために、図３及び４に示すように、１０個の同一の素子１がチップ５０上に製造された。実装及び集積が単純化されるように、すべてのチップは、標準化されたピン配列で共通の実装面積で設計されるべきである。素子周辺のシリコンに機械的強度及び取り扱いの容易さを付与した後、１０個のチップの寸法は、１３５００μｍの長さ×１５００μｍの幅×２５０μｍの厚さである。一般的な素子のレイアウトでは、素子の下半分（図４）にピラー４８が並置され、素子の上半分（図３）に抵抗４２及び隔膜が配置されている。配線路３６は、抵抗の端部の下からピラーの頂部に延びている。このレイアウトは、一般の実装のための要求を満足させる変数にかかわらず、素子の基部に沿った、規則的に間隔をあけたラインで、２０個の接続ピラー４８を配置している。

接続リード３６は、デバイスの全シリーズ抵抗に３Ω以上貢献する。この数値をより許容し得るレベルに減少させるために、２つの方法が採られた。第１は、接続リードにおける金の厚さを約１μｍに増加させた。更なる厚さの増加は、望ましくないと考えられる。それは、デバイスの上面に大きな段差を生ずるからであり、そのような段差は抵抗素子の形成を妨害する可能性がある。厚い金属を用いることに加えて、接続リードは、ストレスを解消し、剥離を避けるために、図５に示すように、広い、スロットが形成されたトラック５２を提供するように設計された。これは、それらの抵抗を０．２Ω未満に減少させた。

図５を参照すると、ピラー４８への導電体３６の接続は、示された８×８アレイのように、ビアの矩形マトリクス５４として配置された、ビア３４（ビア１）による。同様に、センサー素子４２への導電体３６の接続は、示された５×９アレイのように、矩形マトリクス５６として配置された、ビア４０（ビア２）による。より大きい又はより小さいアレイが提供されてもよい。それぞれのビアのサイズ及び形状を変化させてもよい。ビアの効果は、センサー素子からの熱の流れを制限することである。抵抗素子の下のビアの小さい断面は、収縮部を形成し、熱伝導によるトラックを通しての熱の損失を減少させる。電気的接続トラックにおける収縮部は、伝導によるセンサー素子からの熱の損失を減少させる。素子４２からトラック３６への熱の伝導は、トラック及び抵抗素子を接続する隔膜の上層を通して、ビア３４,４０の使用により減少する。接続するトラック及び抵抗素子よりもかなり小さい断面積では、水平よりむしろ垂直面での収縮部が生ずる。熱解析は、隔膜の熱質量を低下させることにより、かつ伝導により基板への熱損失を減少させることにより、低熱伝導率物質が素子の動的応答を改善することを示した。

柔軟性ＰＣＢ及び市販のＰyrex（登録商標）系システムを含むキャリアの範囲により、物理的支持が提供された。‘外界’への電気的接続は、半田、ワイヤーボンディング、異方性導電性接着剤、陽極及び熱圧接を用いてなされた。この集積の柔軟性は、素子を広範囲の試験施設で動作させることを可能にした。デバイスの寄生シリーズ抵抗（即ち、センサー素子自体の抵抗に加えてデバイスの抵抗）は、最終デザインでは１Ω未満であった。デバイスの周波数応答は１５−３０ｋＨｚのオーダーであり、感度は９００ｍＶ／Ｐａまでであった。

第２の態様のデバイスの物理的試験は、接続ピラー４８の底部における金パッド２８に関する問題を明らかにした。熱膜デバイスの外部電気接続は、４５０μｍ四方のウエハー内接続ピラーの底部に堆積された４００μｍ四方の金のコンタクトの形をとる。シリコンに対する金の密着性は弱いので、通常の実施に際しては良好な密着特性を有する第２の金属（通常、クロム又はチタン）の薄層が堆積され、次いでこの層に金が堆積される。金は、シリコン中に容易に拡散することが知られており、温度により推進された拡散は、金／シリコン合金層の形成を生じた。必要なオーミックコンタクトを提供するために、タングステン接着層が導入され、より耐拡散性を有することが知られているクロムと置換される（図８Ｄ参照）。

接続トラックが抵抗素子の下を走行する場合に生ずる段差上の抵抗素子の被覆性を改善するために、かつビア内の金属の厚さを増加させて電気抵抗を減少させるために、金のビアキャップが使用された。位置合わせの小さな誤差（ある場合には１−２μｍ）と結合したアンダーカットの効果は、リード線／素子界面における劣った段差の被覆性に導く。キャップマスクは、大きなオーバーラップを与えるように設計された。このことは、素子の連続性を改善し、オーバーエッチング及びマスクの位置合わせ不良に対し、プロセスの許容性を増加させた。

長いエッチング時間（ある場合には＞２０分）及びエッチャントの攻撃性（３０％過酸化水素溶液）との結合は、レジストの一部の水からの分離に導いた。エッチングプロセス中のレジストの損失は、抵抗素子がエッチングされる期間を変化させる。このことは、タングステンの厚さの変化、従って抵抗の変化を生じさせる。この問題と戦うために、タングステンの頂部に金の薄層（１００−２００ｎｍ）が堆積される。金はタングステンのエッチャントに耐性を有するため、この金層は、所望の素子パターンにおける‘ハードマスク’を形成する。抵抗素子の形成に続き、抵抗素子を覆う金が部分的にエッチング除去され、ビアキャップが残される。

第２の態様の考察は、隔膜の上面を形成するために使用された窒化ケイ素層３８が、堆積に引き続く処理工程中に、クラック及び微細な亀裂を生じさせることを示した。これも（プラズマ化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）により）３００℃で堆積され、それと置換された窒化ケイ素と類似の熱伝導率を有するので、その代わりに酸化ケイ素膜が隔膜の上面に使用された。ＰＥＣＶＤにより成長した酸化ケイ素膜は、窒化ケイ素よりも非常に低い固有ストレスを有する。

ピラーの上のポリイミド及び酸化ケイ素層におけるビアの側壁に堆積した金属による劣った被覆性は、高抵抗接続の第２の潜在的原因として確認された。第２の態様のプロセスでは、ポリイミド及び酸化ケイ素層における抵抗素子でのビア（ビア１）は、同じマスクを用いて形成された。ポリイミドに比べて酸化層はオーバーエッチングされ、このことにより、ポリイミドは酸化物にオーバーハングする。その後、接続金属が堆積されて、図７ａ―ｄに示すように、高抵抗又は開回路接続を与えるとき、ビアの側壁は、次いで、劣った被覆性となるであろう。

図７ａでは、同じマスクを用いてビア１が形成される。両方の層が完全にエッチングされるならば、良好な接続を得ることができる。

図７ｂでは、酸化物がオーバーエッチングされる。オーバーハングするポリイミドがそこに堆積する金属のための側壁を残さないので、劣ったコンタクトとなる。

図７ｃでは、第２のビア１のマスクが段差構造７０を与え、アンダーカットを除去する。

図７ｄでは、キャップ層７２がビア１の金属を厚くし、段差の被覆性を改善し、抵抗を低くする。

ビア１のマスクは、酸化層により小さいビアが形成されるように設計された。これにより、図７ｃ−ｄに示すような段差構造が得られた。ビアの段差面への金属のその後の堆積は、被覆性を改善し、下地のタングステンパッドへのより信頼性のあるコンタクトが得られる。ビア上の金属を厚くし、更に段差の被覆性を改善するために、この段階でキャップ層が導入される。これらの修正を一緒に行うことにより、頂部側のオーミックコンタクト及びビア１からの追加のシリーズ抵抗が０．０５−０．１Ω近辺に減少し、それらが信頼性よく形成される。

ビア２は、頂部側接続トラック及び抵抗センサー素子自体の間の電気的接続を形成する。ビア２のためのマスクは、多数の小さいビアを与えるように設計されている。これにより、接続部の周辺のトータルの長さが増加し、ウエハー表面に垂直な有効断面積が減少し、シリーズ抵抗が減少する。

以上の改良は、以下に説明する第３の実施形態に組み込まれる。

第３の実施形態に係るデバイスの製造
上述の事項に照らし、製造工程が修正され、以下に示すように、第３の実施形態が図８に示されている。図２の類似の部分には同一の参照符号が付されている。

図８Ａでは、２５０μｍの厚さを有し、Ａｓが高濃度にドープされた、抵抗率０．０００１−０．００４オームｃｍのシリコンウエハー２０が提供される。

図８Ｂでは、裏面のみに０．３μｍのシリコン酸化膜２４が堆積される。

図８Ｃでは、シリコン酸化膜２４がエッチングされ、２６においてシリコン基板が露出する。

図８Ｄでは、０．３μｍのタングステンの密着／拡散バリア層８０を堆積し、次いで、露出したシリコン基板２６上に０．５μｍの金層８１を形成する。エッチングして、裏面コンタクト２８を形成する。

図８Ｅでは、０．１μｍのタングステンを堆積し、エッチングして頂部オーミックコンタクト８２を形成した。導電性を改善するために、この面に他の処理を施す前に、即ち、何らかの汚染物質が導入される前に、ウエハーの頂部側にタングステン層を堆積した。タングステン層がパターニングされ、裏面側接続パッドとマッチングする接続ピラーの頂部に、４００μｍ四方のコンタクトパッドが形成された。タングステンパッドの形成に続く工程は、ポリイミド層の付加であった。このプロセスは、窒素中３６０℃で５０分間行われるので、タングステン−シリコン接合を同時にシンターさせ、信頼し得るオーミックコンタクトを形成するのに役立った。このタングステンは、その後にトラックが堆積された時に金属−金属コンタクトを提供し、このタイプの接合は、一般に、汚染されにくい。このタングステンオーミックコンタクトパッドの付加は、良好な均一性を与え、このプロセスが標準の製造工程に導入された場合のピラーの形成前に、パッド間の抵抗は、一般に０．５Ωのオーダーであった。

図８Ｆでは、６μｍのポリイミド層が堆積され、エッチングによりＤＲＩＥマスク（その後の工程でのウエハーの裏面を防御する）が形成される。

図８Ｇでは、ＰＥＣＶＤプロセスにより３００℃で０．６μｍのシリコン酸化膜２２が堆積され、隔膜２３のベース層が形成される。内部接続の遠い端部において、ビア１の第１のステージがエッチングされる。

図８Ｈでは、スピンオンプロセスにより６μｍのポリイミド層３２が堆積され、３６０℃で酸化され、ステージ８４よりも広い、ビア１の第２のステージ８６がエッチングされて、段差のある構造が得られる。

図８Ｉでは、５層が堆積されて、加熱抵抗配線８８及びビア１のキャップ９０が形成される。これらの層は、０．１μｍのＣｒ、１μｍのＡｕ、０．２μｍのＣｒ、０．５μｍのＡｕ、０．１μｍのＣｒである。

図８Ｊでは、上面に１．０μｍの酸化ケイ素９０が堆積され、エッチングされて、加熱センサー抵抗素子の近い端部にビア２（９２）が形成される。酸化ケイ素は隔膜の第３の層を形成し、柔軟なポリイミド層に使用に必要なレベルの剛性を与える。酸化ケイ素は、耐磨耗層を提供し、追加の熱的及び電気的絶縁を与える。

図８Ｋでは、タングステンの抵抗加熱素子４２及びビア２のキャップ４が堆積され、これは、所望のサイズにエッチングされる。ビア２上のタングステンストリップの端部は、追加の防御のため、金ストリップ６で被覆される。

図８Ｌでは、導電性シリコンピラー４８を形成するために、裏面からシリコンをエッチングして、熱分離キャビティ４４を形成する。

図８Ｍでは、ポリイミドＤＲＩＥマスク３０が除去される。

第３の実施形態は、典型的な寄生抵抗をすべてのデバイスにおいて１．５Ω未満に減少させた。

変形例
この薄い隔膜は、その低い熱質量のため高性能を示すが、比較的壊れ易くもある。このファクターは、デザインが製造／飛行の価値ある状態に向かって移動するに従って、ますます重要になるであろう。そのような状態では、ある程度の機械的負荷（例えば、衝撃、振動、湾曲、及び大きな動圧差）に晒されることが許容される。その低い熱伝導性を犠牲にすることなく、隔膜を強化する方法が必要とされる。低い熱伝導性材料でキャビティを埋めることが可能である。そのような材料としては、低密度成分（例えば、ポリマーマトリクス中のガラス小球）、スピンオンナノ気孔ガラス（例えば、Honeywell NANOGLASS、登録商標 E）、例えば疎水性シリカエアロゲルがある。或いは、より厚い、低熱伝導性のコア材料をサンドイッチ構造隔膜に用いることができるであろう。結局、センサー素子を非常に低い熱伝導性の絶縁層に直接一緒に製造することにより、キャビティの必要性を除去することが可能であり、エアロゲル及びスピンオングラスがここでも可能な解決手段を提供するであろう。

大きな過熱比でのセンサーの動作は、より高い感度を与えるので望ましい。より高い過熱比が使用されることを許容するように不動体化被覆層を用いるよりもむしろ、センサー抵抗素子のための他の材料を用いることが可能である。ニッケルは高温で良好な耐酸化性を示し、そのため、大きな過熱で実施するとき、劣化する傾向にはない。加えて、ニッケルは、タングステンより高いＴＣＲ（０．４６％／℃に対し０．６６％／℃）を有する。ニッケルの抵抗率は、タングステンの抵抗率と同様であり（Ｎｉ６．２×１０^−８Ωｍ、Ｗ７×１０^−８Ωｍ）、従って、同様の厚さを用いることができる。

以上の実施形態との関係で記載された特徴は、それ単独で、又は他の実施形態若しくは他の実施形態の任意の組合せに記載された１つ又はそれ以上の特徴との組合せで、用いることができる。

更に、以上において記載されていない均等例及び変形例もまた、特許請求の範囲で限定された本発明の範囲を逸脱することなく採用することができる。

本発明の第１の例示的実施形態に係るセンサー素子を示す部分平面図及び断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る製造工程を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る製造工程を示す図である。 本発明の第２及び第３の実施形態に係るセンサー装置の一般的レイアウトを示す図である。 本発明の第２及び第３の実施形態に係るセンサー装置の一般的レイアウトを示す図である。 本発明の第２及び第３の実施形態に係るセンサー装置の一般的レイアウトを示す図である。 本発明の第２及び第３の実施形態に係るセンサー装置の一般的レイアウトを示す図である。 接続トラックと、導電性ピラーにより形成された電気端子との間のビア列である、ビア１の形成工程を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る製造工程を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る製造工程を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る製造工程を示す図である。

Claims (37)

1. 基板の開口又は凹部の上方に隔膜が設けられている上側を有する基板を具備するセンサー装置において、前記隔膜は熱的及び電気的に絶縁性であり、抵抗材料層を備える加熱素子の上面に設けられており、加熱素子との電気的接続は、隔膜及び／又は基板に埋め込まれており、かつ基板の下側に電気端子を提供するセンサー装置。
2. 前記加熱素子はタングステン又はニッケルにより形成されている請求項１に記載の装置。
3. 前記隔膜は、ポリマー材料、低密度複合体、スピンオンナノ気孔質ガラス、及びエアロゲルの１つの層を含む請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記隔膜は、最上層が二酸化珪素のような耐磨耗性材料である複数の層を含む請求項１〜３のいずれかに記載の装置。
5. 前記隔膜は複数の層を含み、前記層の間に導電体手段が配置されており、前記加熱素子から延びている請求項１〜４のいずれかに記載の装置。
6. 前記導電体手段は、前記加熱素子から間隔を隔てた領域に広げられている請求項５に記載の装置。
7. 前記加熱素子は、そこから隔膜を介して導電体手段に延びるそれぞれのビア列により、隔膜の表面の下に配置された導電体手段に連結している請求項１〜６のいずれかに記載の装置。
8. 前記隔膜は複数の層を含み、前記導電体手段は前記層の間に配置されている請求項７に記載の装置。
9. 前記ビア上に形成された導電体手段のキャップ層を具備する請求項７又は８に記載の装置。
10. 前記基板の上部から下部基板側に延びる、少なくとも１つの導電性ピラーを提供するように、基板材料を切除することにより形成された少なくとも１つの導電性ピラーにより、前記端子が提供される請求項１〜９のいずれかに記載の装置。
11. それぞれのピラーは、ビア列により基板の上部において導電体手段に接続されている請求項１０に記載の装置。
12. 前記膜膜は複数のピラーを含み、前記ビアは、段差構造において複数の層中を延びている請求項１１に記載の装置。
13. それぞれのビアは、平面方向に延びている請求項１１又は１２に記載の装置。
14. 前記基板は、高濃度にドープされたシリコンからなる請求項１〜１３のいずれかに記載の装置。
15. 導電性材料からなる基板を備え、上側に形成されたセンサー素子、及び基板の下側に電気端子を有するセンサー装置において、前記電気端子は、導電体手段により前記センサー素子に接続され、前記端子は、前記基板の上部から下部基板側に延びる、少なくとも１つの導電性ピラーを提供するように、基板材料を切除することにより形成された少なくとも１つの導電性ピラーにより提供されるセンサー装置。
16. 請求項１〜１４の特徴のいずれかを含む、請求項１３に記載のセンサー装置。
17. 導電性材料からなる基板を提供し、基板の上側にセンサー素子を形成する工程、導電体手段によりセンサー素子に接続された基板の下側に電気端子を形成する工程、及び前記基板の上部から下部基板側に延びる、少なくとも１つの導電性ピラーを提供するように、基板材料を切除する工程を具備し、前記少なくとも１つの導電性ピラーは、前記端子を提供するセンサー装置の形成方法。
18. 前記切除は、エッチング技術により行われる請求項１７に記載の方法。
19. 前記エッチング技術は、ディープ反応性イオンエッチングである請求項１８に記載の方法。
20. タングステンの内層と金の外層を含む前記電気端子の基部に導電性パッドを提供する工程を具備する請求項１７〜１９のいずれかに記載の方法。
21. それぞれの導電性ピラーの頂部にタングステンコンタクトパッドを形成する工程を具備する、 前記導電性手段を前記基板の上側に形成する工程を具備する請求項１７〜２０のいずれかに記載の方法。
22. 前記複数の層からなる隔膜を前記基板の上側に形成する工程及び及び前記導電性手段のそれぞれの前記ピラーへの接続のための前記複数の層を通して第１のビアを形成する工程を具備する請求項１７〜２１のいずれかに記載の方法。
23. それぞれのビアは、段差のついたビア構造を提供するために、下部の隔膜層におけるよりも上部の隔膜層において広い、請求項２２に記載の方法。
24. 前記下部の隔膜層は、酸化ケイ素叉は窒化ケイ素叉はポリイミドを含む請求項２２叉は２３に記載の方法。
25. 上部隔膜層は、ポリマー材料、低密度複合体、スピンオン気孔質ガラス及びエアロゲルの１つを含む請求項２２〜２４のいずれかに記載の方法。
26. 酸化ケイ素叉は窒化ケイ素の第３の最上層隔膜を含む請求項２２〜２５のいずれかに記載の方法。
27. 隔膜層の間及び第１のビア内に一層叉はそれ以上の導電性層を配置することにより、前記導電性手段を形成する工程を具備する請求項２２〜２６のいずれかに記載の方法。
28. 前記導電性手段の上方の隔膜層中に、前記センサー素子への電気的接続のための１つ叉はそれ以上のビアを形成する工程を具備する請求項２７に記載の方法。
29. 前記隔膜の頂部及び前記第２のビア内に前記センサー素子を含む抵抗材料層を形成する工程を具備する請求項２７に記載の方法。
30. 前記抵抗材料は、タングステン叉はニッケルであり、前記第２のビア上に金のキャッピング層を形成する工程を具備する請求項２８に記載の方法。
31. 前記第１のビアは、前記それぞれの導電性ピラー上に、それぞれのビア列として配置されている請求項２２〜３０のいずれかに記載の方法。
32. 前記第２のビアは、前記センサー素子のそれぞれの端部に接続されたそれぞれのビア列として配置されている請求項２８〜３０のいずれかに記載の方法。
33. 前記導電性手段は、前記センサー素子と電気端子手段の間に拡張した領域を有する請求項１７〜３２のいずれかに記載の方法。
34. 前記拡張した領域は、ストレスの解消のためにスロットが形成されている請求項３２に記載の方法。
35. 前記基板は、高濃度にドープされたシリコンを含む請求項１７〜３４のいずれかに記載の方法。
36. 前記基板上に形成された隔膜上にセンサー素子を形成する工程、及び開口叉は凹部上に提供するように、前記隔膜の下の基板材料を切除する工程を具備する請求項１７〜３５のいずれかに記載の方法。
37. 前記基板の切除された領域は、低密度複合体、スピンオンナノ気孔質ガラス、及びエアロゲルの１つの層を含む請求項１７〜３５のいずれかに記載の方法。

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