JP2010105154A - 構成エレメント及び該構成エレメントを製造するための方法 - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロメカニカルなセンサエレメントを備えた複合構成エレメントの支持体におけるマイクロクラックの形成と成長を減じる手段を提供する。
【解決手段】マイクロマシニングセンサエレメントを備えた構成エレメントであって、センサエレメントがガラス支持体上にボンディングされており、ガラス支持体の上面がセンサエレメントのための結合面として機能しており、ガラス支持体の、前記上面とは反対側の背面が、構成エレメントのための組み付け面として働き、ガラス支持体が、前記上面と背面とを結合する側面を有している形式のものにおいて、ガラス支持体が、ガラス支持体の少なくとも輪郭がエンボス加工されたガラスウェハ３０のセグメントによって形成されていて、これにより、ガラス支持体の側面のこのように形成された領域と、ガラス支持体の背面とが、ほぼマイクロクラックを有さない表面を有している。
【選択図】図２

Description

本発明は、マイクロマシニングセンサエレメントを備えた構成エレメントであって、センサエレメントがガラス支持体上にボンディングされており、ガラス支持体の上面がセンサエレメントのための結合面として機能しており、ガラス支持体の、前記上面とは反対側の背面が、構成エレメントのための組み付け面として働き、ガラス支持体が、前記上面と背面とを結合する側面を有している形式のもの関する。

さらに本発明は、支持体に結合されたマイクロマシニングセンサエレメントを備えた構成エレメントを製造するための方法及び該構成エレメントを実現するための可能性に関する。

実際には例えば圧力測定のために、冒頭で述べた形式の構成エレメントが使用される。このために、センサエレメントには圧力に敏感なダイアフラムが形成されており、このダイアフラムは空洞の上に張設されている。この空洞は通常、異方性エッチングにより、センサエレメントの背面に形成され、シリコンセンサエレメントの場合、ＫＯＨエッチング又はトレンチエッチングにより形成される。構成エレメントが絶対圧測定のために働く場合、空洞はガラス支持体により気密に閉鎖されており、空洞内には所定の基準圧力、通常は真空が形成されている。測定圧力はこの場合、単に、ダイアフラムの前面にしか作用しない。これとは異なり、差圧測定のための構成エレメントには付加的に、ガラス支持体における貫通開口の形で、後ろ側の圧力接続部が設けられている。

公知の構成エレメントの構成では、ガラス支持体は、空洞を閉じるためだけではなく、機械的な応力を減じるためにも使用される。このような機械的な応力は、構成エレメントの組み付けの際に、例えばチップろう接、接着等の際に構成技術及び結合技術に基づき生じることがある。

このような形式の構成エレメントのガラスシリコン複合体が、機械的な内部応力を有していることは公知である。このような内部応力は、シリコンとガラスの、互いに正確には同調されていない熱的な膨張係数により生じる。このことは、圧力敏感性と、センサの構成及び電気的な接続後に行われる電気的な調整の際のオフセットと熱的な影響とともに考慮される。

このような調整後に生じるセンサの機械的な応力状態の変化は、センサ特性線のドリフトとして現れる。従って、機械的な内部応力状態の変化は、ダイアフラムの緊張状態に影響を与え、ひいては、ダイアフラムの撓みとダイアフラムの剛性とに影響を与える。これによりオフセットのシフト、敏感性の変化が生じる。この種のセンサ特性線のドリフトは、構成部分の全耐用期間にわたって、出力信号の正確性にとって重要である。

高温保管後、並びに、例えば８５℃で８５％の相対湿度のような高湿度及び高温で保管した後、シリコンガラス複合体から成るセンサ構成エレメントでは、大きなドリフトが生じる。これは恐らく、構成部分の機械的な内部応力状態の変化によるものである。機械的な内部応力状態のこのような変化は、ガラスにおけるクラックの成長により説明可能である。つまり、低い応力強さのもとではマイクロクラックが成長し、これは、臨界的ではないクラック成長とされる。このようなクラック成長は主に、空気湿度と、機械的な応力と、クラック長さに依存している。ここで問題となっている構成エレメントでは、露出したガラス表面、特に側壁に主として、マイクロクラックを有している。このことは、構成エレメントを個別化するための摩耗的な方法の使用に起因する。例えば研磨ラッピングのような摩耗的な方法により形成される別の表面にもマイクロクラックは生じている。

本発明の課題は、マイクロメカニカルなセンサエレメントを備えた複合構成エレメントの支持体におけるマイクロクラックの形成と成長を減じる手段を提供することである。

この課題を解決するために本発明の構成では、ガラス支持体が、ガラス支持体の少なくとも輪郭がエンボス加工されたガラスウェハのセグメントによって形成されていて、これにより、ガラス支持体の側面のこのように形成された領域と、ガラス支持体の背面とが、ほぼマイクロクラックを有さない表面を有しているようにした。

本発明により、マイクロメカニカルなセンサエレメントを備えた複合構成エレメントの支持体におけるマイクロクラックの形成と成長及び構成エレメントへのその作用を減じる、若しくは回避する手段が提案される。

冒頭で述べた形式の構成エレメントでは、そのために、本発明により、ガラス支持体として、ガラス支持体の少なくとも輪郭がエンボス加工されているガラスウェハのセグメントが使用される。これにより、ガラス支持体の側面のこのように形成された領域と、ガラス支持体の背面とが、ほぼマイクロクラックを有さない表面を有している。

このような形式の構成エレメントは簡単に大量生産可能である。さらに本発明によれば、複数のセンサエレメント構造体を半導体ウェハに形成する。このことに関わらず、ガラスウェハは高温エンボス加工法により予め構造化される。この場合、少なくともガラス支持体の輪郭を、半導体ウェハにおけるセンサエレメント構造体の配置及び寸法に相応してガラスウェハの背面にエンボス加工する。次いで構造化された半導体ウェハを、予め構造化されたガラスウェハの前面にボンディングする。この際、構成エレメント輪郭に合わせた正確な調整に注意しなければならない。その後初めて、構成エレメントは個別化される。

本発明は、マイクロクラックは、研磨法により加工され露出される、ガラス支持体の表面領域に、特に、個別化プロセスにより生じる側面に、主に生じるという認識を前提としている。本発明により提案されたガラスウェハの予構造化は、二通りの観点で有利である。１つには、高温エンボス加工においてほぼマイクロクラックなしに構造化されたガラス表面が形成され、その溝領域が臨界的な側面の少なくとも一部を形成していることである。また１つには、このような溝領域により、マイクロクラックの生じる可能性が高い、個別化プロセスの際に生じる破断面積若しくはソーイング（鋸切断）面積が縮小されることである。

ガラスウェハの背面にエンボス加工された輪郭は、有利には個別化プロセスのための目標破断個所若しくはソーイング経路を成す。ソーイングにより個別化が行われるならば、分離すべきガラス層が薄くなるほどこのプロセスは短縮される。このことは最終的に、製造コストの節約に貢献する。

既に冒頭で述べたように、本発明による構成エレメントは特に圧力検出のために適している。この場合、センサエレメントの前面にダイアフラムが形成され、このダイアフラムは、センサエレメントの背面における空洞の上に張設されている。ガラス支持体は、センサエレメントの背面にボンディングされていて、これによりセンサエレメントとガラス支持体との間に耐圧力性の結合が生じる。構成エレメントを絶対圧の測定のために使用するならば、ガラス支持体は空洞を気密に閉鎖しなければならない。構成エレメントが差圧測定のために規定されているならば、通常、ガラス支持体には、圧力接続部として機能する少なくとも１つの貫通開口が形成されている。このために有利には、ガラスウェハの予構造化の際に、貫通開口も形成される。このようにガラスウェハにエンボス加工された貫通開口の側壁は即ち、同様にほぼマイクロクラックを有していない。

高温エンボス加工により予め構造化されたガラスウェハに対して選択的に、肉薄にされたガラスウェハ又はガラス半導体複合ウェハを、圧力検出のための構成エレメントのための支持材料として使用することもできる。肉薄にされたガラス支持体は、複合ウェハのガラス層と同様に、簡単に陽極接合（アノーディックボンディング）により耐圧力的に、背面の空洞の上にダイアフラムが形成されたマイクロメカニカルなセンサエレメントに結合される。両方の場合とも、マイクロクラックが生じ易いガラス表面は減じられる。

第３の構成では、ガラス支持体の使用が全て省かれる。このような場合、半導体ウェハが、前面及び／又は背面のための支持材料として使用され、ここにはマイクロクラックは生じない。センサエレメントと支持体との間の耐圧力性の結合は、この場合、ガラスろう接によって形成される。

先行技術による構造化された半導体ウェハとガラスウェハとから成る複合体の断面を示した図である。 本発明により予め構造化されたガラスウェハの背面の平面図を、詳細な図と共に示した図である。 圧力センサ構成エレメントを個別化する前の、構造化された半導体ウェハと複合ウェハとから成る複合体の断面を示した図である。 圧力センサエレメント構造体と、キャップウェハと、支持体として働くウェハとを有した半導体ウェハから成る複合体の断面を示した図である。

図１は、従来公知である圧力センサエレメントの製造について図示したものである。このためにシリコンウェハ１０には、センサ信号を検出し評価するための電子的な回路エレメントを備えた多数のセンサエレメント構造体が形成されている。ここに図示した実施例では、圧力検出のためのダイアフラム１１を備えたセンサエレメントである。ダイアフラム１１は、シリコンウェハ１０の背面を起点として、異方性エッチング又は等方性エッチングのステップにより、例えばＫＯＨにより、又はＴＭＡＨにより、又はトレンチエッチングにより、露出されたものである。このように形成されたシリコンウェハ１０はガラスウェハ２０上にボンディングされる。これにより、空洞１２がダイアフラム１１の下側で密閉され、空洞１２内部には基準圧力が形成される。陽極接合（アノーディックボンディング）後に、ウェハ複合体は電気的に測定され、ソーイング（鋸切断）により個別化される。このことはガラスウェハ２０におけるソーイング切断部２１により略示されている。

このように形成されたガラス支持体２２の側面は、ソーイングプロセスの結果としてマイクロクラック（超微細な亀裂）を有している。ガラスウェハ２０の表面が、研削、研磨、ラッピング法により処理されるならば、ガラスウェハ２０の前面及び背面にもマイクロクラックが生じる。しかしながらクラックの成長は通常、露出した、周囲の影響にさらされた表面でのみ起こる。このようなクラックの成長により往々にして、構成エレメント複合体の機械的な内部応力状態が変化し、結果としてセンサ信号のドリフトが生じる恐れがある。

構成エレメントを相対圧力検出のために使用する場合には、空洞１２の領域に孔２３が、ガラスウェハ２０における圧力接続開口として設けられる。このために同様に、例えば超音波穿孔、シャドーマスクを用いたサンドブラスト、マイクロ研削ピンによる穿孔といった摩耗法が行われる。このように生じた孔の壁は、同様にマイクロクラックを有した粗い表面を有している。マイクロクラックの成長は、構成エレメントの機械的な内部応力状態に影響を与えるだけではない。貫通開口の壁におけるマイクロクラックは、高い圧力負荷のもとでの破壊耐性も著しく低減させる。

従って、周囲の影響にさらされるガラス支持体の表面、特に側面及び圧力接続開口の壁は、できるだけマイクロクラックを有しているべきではなく、少なくともマイクロクラックが少ない方が良い。

図２には、図１に示したガラスウェハ２０に対して選択的に使用すべきである本発明による予め構造化されたガラスウェハ３０の背面が示されている。ガラスウェハ３０の背面には格子３１がエンボス加工されており、その格子３１のメッシュ形状、メッシュサイズ、メッシュ配置は、シリコンウェハ１０上のセンサエレメント構造体の配置及び設計に合わせられている。相応に、この格子３１の各メッシュは、構成エレメントのガラス支持体の輪郭を成す。ガラスウェハ３０の構造化は、真空深絞り技術における高温エンボス加工法において行われる。この場合、マイクロクラックを有さないガラス表面が形成される。さらに、このような技術により、エンボス加工ステップにおいて、ガラス表面に形成される格子３１のような凹部も、貫通開口３２も形成することができる。

それ以外は、ガラスウェハ３０は、図１に示したガラスウェハ２０と同様に製作される。従ってガラスウェハ３０の構造化されていない前面は、陽極接合のために適した表面品質を得るために、エンボス加工ステップ後に、研削、研磨、又はラッピング法により処理される。個別化プロセス時に、高温エンボス加工されたガラスウェハ３０が、格子３１の肉薄領域において分離されるので、この肉薄領域の側面でのみマイクロクラックが生じる恐れがある。主として個別化はソーイングにより行われる。この場合、格子３１の凹部はソーイング経路として利用される。図１に示した例と比較して、このようなソーイングプロセスは時間がかからない。何故ならば、分離すべきガラス層がより薄いので、ソーイング幅も減じることができるからである。ガラスウェハ３０の構造体された背面には、高温エンボス加工後に摩耗的な処理を行わないのでマイクロクラックは生じていない。

図２につき記載した予め構造化されたガラスウェハ３０に対して選択的に、全体として肉薄にされたガラスウェハを支持体として使用することもできる。この場合、個別化プロセスで生じる側面は同様に比較的小さい。ここに記載した圧力センサ構成エレメントの使用目的若しくは使用個所によっては、支持体材料として、肉薄にされたガラス層を備えたガラス半導体複合ウェハの使用が有利である。この実施例は図３に示されている。複合ウェハ４０はこの場合、シリコンウェハ４２に陽極接合されたガラスウェハ４１から成っている。その後、ガラス層４１は公知の方法、例えば研削、研磨、ラッピングにより、極めて僅かな層厚さとなるまで肉薄にされる。この場合、ガラス表面は、構造化されたシリコンウェハ１０の陽極接合のために準備される。この準備及び構成エレメントの個別化は、上述したプロセスに沿って行われる。

ここに記載した圧力センサ構成エレメントでは、支持体は、センサ構造体の構成部分である。この場合、支持体は、ダイアフラムの下側の空洞を気密に閉鎖しており、絶対圧測定のための基準容積を形成している。シリコンセンサエレメントとの組み合わせで、ガラス支持体の使用が特に有利である。何故ならばこの場合、簡単に、陽極接合により、センサエレメントと支持体との間の圧力密な結合が形成されるからである。このような結合は選択的に、ガラスろう接層によっても形成することができる。この場合、例えばシリコンウェハのような別の支持材料を使用することもでき、このことは図４に示されている。このような構成は、センサエレメント構造体と電子的な回路エレメントとを有した構造化されたシリコンウェハ１０を有している。構造化されたシリコンウェハ１０は、支持体として働くシリコンウェハ５０と、キャップウェハとして働き、相応に構造化されたシリコンウェハ６０との間にサンドイッチ状に配置されている。それぞれ隣接している表面の間の結合は、それぞれガラスろう接層７０を介して形成される。センサダイアフラム１１の圧力負荷は、この場合、使用例に応じて、支持体５０及び／又はキャップウェハ６０に設けられた圧力接続開口５１，６１を介して行われる。

１０ シリコンウェハ、 １１ ダイアフラム、 １２ 空洞、 ２０ ガラスウェハ、 ２１ ソーイング切断部、 ２２ ガラス支持体、 ２３ 孔、 ３０ ガラスウェハ、 ３１ 格子、 ３２、４０ 複合ウェハ、 ４１ ガラス層、 ４２ シリコンウェハ、 ５０ シリコンウェハ（支持体）、 ６０ シリコンウェハ（キャップウェハ）、 ５１，６１ 圧力接続開口、 ７０ ガラスろう接層

Claims (9)

1. マイクロマシニングセンサエレメントを備えた構成エレメントであって、センサエレメントがガラス支持体上にボンディングされており、ガラス支持体の上面がセンサエレメントのための結合面として機能しており、ガラス支持体の、前記上面とは反対側の背面が、構成エレメントのための組み付け面として働き、ガラス支持体が、前記上面と背面とを結合する側面を有している形式のものにおいて、
   ガラス支持体が、ガラス支持体の少なくとも輪郭がエンボス加工されたガラスウェハ（３０）のセグメントによって形成されていて、これにより、ガラス支持体の側面のこのように形成された領域と、ガラス支持体の背面とが、ほぼマイクロクラックを有さない表面を有していることを特徴とする構成エレメント。
2. センサエレメントの前面にダイアフラム（１１）が形成されており、該ダイアフラムは、センサエレメントの背面における空洞（１２）を覆っており、センサエレメントとガラス支持体との間に耐圧性の結合が形成されている、請求項１記載の圧力検出のための構成エレメント。
3. ガラス支持体に、圧力接続部として機能する少なくとも１つの貫通開口（３２）が形成されていて、該貫通開口は、ガラス支持体の輪郭（３１）と一緒に、ガラスウェハ（３０）にエンボス加工されており、これにより貫通開口（３２）の側壁が、ほぼマイクロクラックを有さない表面を有している、請求項２記載の構成エレメント。
4. 請求項１から３までのいずれか１項記載の構成エレメントを製造するための方法であって、
   半導体ウェハ（１０）において複数のセンサエレメント構造体を形成し、
   このように構造化された半導体ウェハ（１０）をガラスウェハ（３０）上にボンディングし、
   その後、構成エレメントを個別化する形式のものにおいて、
   ガラスウェハ（３０）を高温エンボス加工法において予め構造化し、その際に、少なくともガラス支持体の輪郭（３１）を、半導体ウェハ（１０）のセンサエレメント構造体の配置及び寸法に相応して、ガラスウェハ（３０）の背面にエンボス加工することを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載の構成エレメントを製造するための方法。
5. ガラスウェハ（３０）の背面にエンボス加工された輪郭（３１）が、構成エレメントの個別化の際に、ソーイング経路又は目標破断個所を成す、請求項４記載の方法。
6. ガラスウェハ（３０）の予構造化において、圧力接続開口としての貫通開口（３２）を形成する、請求項４又は５記載の方法。
7. センサエレメントの前面に、圧力検出のためのダイアフラムが形成されていて、
   ダイアフラムが、センサエレメントの背面において空洞を覆っており、
   センサエレメントの背面が、陽極接合により、耐圧的に支持体に結合されていることを特徴とする、マイクロマシニングセンサエレメントを備えた構成エレメントのための支持体材料としての、肉薄にされたガラスウェハの使用。
8. センサエレメントの前面に、圧力検出のためのダイアフラム（１１）が形成されており、
   該ダイアフラム（１１）が、センサエレメントの背面において空洞（１２）を覆っており、
   センサエレメントの背面が、陽極接合により、耐圧的に、支持体（４０）のガラス表面に結合されていることを特徴とする、マイクロマシニングセンサエレメントを備えた構成エレメントのための支持体材料としての、肉薄にされたガラス層（４１）を有したガラス・半導体複合ウェハの使用。
9. センサエレメントの前面に、圧力検出のためのダイアフラム（１１）が形成されており、
   該ダイアフラム（１１）が、センサエレメントの背面において空洞（１２）を覆っており、
   センサエレメントの背面が、ガラスろう接部（７０）により、耐圧的に、支持体（５０）に結合されていることを特徴とする、マイクロマシニングセンサエレメントを備えた構成エレメントのための支持体材料としての、半導体ウェハ（５０）の使用。

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