JP2009085973A - センサ及びフローセンサ - Google Patents

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

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。

本発明は、貼り合わせる部材の熱膨張係数に近い接着剤を適用することが好ましいが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接着剤を使用してもその影響は小さい（原出願の００３２段落の記載）、という着想に基づくものである。
上述した課題を解決するために、本発明に係るセンサは、次の構成を有する。
（１）センサの外観は、直方体形状をなす。
（２）センサは、センサチップと、このセンサチップに接着剤を介して接合されたカバー部材とを有する。
（３）センサチップは、検出部と、この検出部から両側へ延びる信号取り出し配線部とを有する。
（４）カバー部材は、その両側壁にそれぞれ設けられた切欠部と、検出部に流体を流すための流路とを有する。
（５）信号取り出し配線部の先端は、それぞれの切欠部に位置している。

また、シリコン製のセンサチップと、ガラス製のカバー部材と、低融点ガラス製の接着剤を有するセンサである。さらに、検出部が発熱素子を有する流量検出部であるフローセンサである。

カバー部材の両側壁の中央部が切り欠かれて切欠部とされていることで、接合面積を小さくすることができる（原出願の００２２段落の記載）。

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１
１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。

本発明のフローセンサの一実施形態に係る斜視図である。 図１に示したフローセンサのセンサチップの平面図を示し、シリコン基板の上面に絶縁膜と流量検出部を形成した状態の平面図である。 図２に示した絶縁膜及び流量検出部の上に絶縁膜を形成して被覆した状態を示す平面図である。 図３に示したセンサチップの矢線IV-IVに沿う断面図である。 図１に示したフローセンサのガラスチップの下面図である。 図５に示したガラスチップの矢線VI-VIに沿う断面図である。 図１に示したフローセンサのセンサチップとガラスチップとの接合工程、及びガラスチップの溝と流量検出部の信号取り出し配線部との接着工程の説明図である。 図１に示したフローセンサの矢線VIII-VIIIに沿う断面図である。 図８に示したフローセンサの矢線IX-IXに沿う断面図である。 図１に示したフローセンサの矢線X-Xに沿う断面図である。 本発明に係るフローセンサの変形例を示し、センサチップとガラスチップとの接合部、及び流量検出部の信号取り出し配線部とガラスチップの溝との接着部を示す説明図である。

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

Claims (3)

1. 次の（１）〜（５）の構成を有するセンサ。
   （１）センサの外観は直方体形状をなす。
   （２）センサは、センサチップと、このセンサチップに接着剤を介して接合されたカバー部材とを有する。
   （３）センサチップは、検出部と、この検出部から両側へ延びる信号取り出し配線部とを有する。
   （４）カバー部材は、その両側壁にそれぞれ設けられた切欠部と、検出部に流体を流すための流路とを有する。
   （５）信号取り出し配線部の先端は、それぞれの切欠部に位置している。
2. 請求項１において、シリコン製のセンサチップと、ガラス製のカバー部材と、低融点ガラス製の接着剤を有するセンサ。
3. 請求項１または２において、検出部が発熱素子を有する流量検出部であるフローセンサ。