JP2010197319A - 計測素子 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、半導体基板に形成された空洞部に設けられることによって半導体基板から熱的に絶縁された薄肉部にヒータとなる抵抗体が形成された計測素子において、スクリーニングを容易に行うことができ、ダイシング工程において破壊しにくい構造を提供することにある。
【解決手段】半導体基板２と、半導体基板２上に形成された電気絶縁膜３と、電気絶縁膜３上に形成されたヒータを構成する抵抗体４と、抵抗体４の本体部４ａが形成された領域に対応する半導体基板２部分を除去して形成した空洞２１とを備え、抵抗体本体部４ａが形成された領域を空洞２１により薄肉部１１とし、薄肉部１１の一部に薄肉部１１の厚さ方向に貫通した開口７を形成した計測素子において、開口７の領域を覆う膜９を形成した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ヒータとなる抵抗体を半導体基板から熱的に絶縁するためのダイアフラム部，架橋部又はカンチレバー構造部等の薄肉部或いは薄膜部を有する計測素子に関するものである。

従来、半導体薄膜形成技術およびマイクロマシニング技術により形成され、半導体基板から熱的に絶縁されたヒータとなる抵抗体を備えた計測素子が知られている。

このような計測素子の一例として、半導体基板の背面側中央部に断面が台形状をしておりかつ表面側に連通しない開口を異方性エッチングにより形成し、この開口の底部側すなわち半導体基板の表面側に薄肉状のダイアフラム部を形成し、このダイアフラム部の表面中央部に薄膜形成技術を用いて薄膜のヒータエレメント及び測温抵抗エレメントを形成したダイアフラムセンサがある（特許文献１参照）。このダイアフラムセンサでは、ダイアフラム部を形成することにより、このダイアフラム部を半導体基板から熱的に絶縁している。さらにヒータエレメントと測温抵抗エレメントとの間のダイアフラム部に、このダイアフラム部を貫通するスリット部を設け、ヒータエレメントから測温抵抗エレメントへの熱伝導を低減している。またヒータエレメント及び測温抵抗エレメントとダイアフラム周縁部、すなわち半導体基板の厚肉部との間のダイアフラム部に、このダイアフラム部を貫通する複数のスリット部を設け、ヒータエレメント及び測温抵抗エレメントから半導体基板の厚肉部への熱伝導を低減している。

また計測素子の他の一例として、空洞部が形成されたシリコン基板と、シリコン基板から空洞部を介して熱分離された薄膜と、この薄膜の表面に設けられた薄膜ヒータ及び薄膜温度センサからなる感温抵抗体とを備えたヒータデバイスがある（特許文献２参照）。このヒータデバイスでは、シリコン基板を薄膜ヒータ及び薄膜温度センサ側からシリコン基板の背面側に貫通しない程度にエッチング除去して空洞部を形成しており、薄膜ヒータ及び薄膜温度センサが形成された薄膜は空洞部を跨る架橋部を構成している。このような構造では架橋部の周囲の薄膜に空洞部が開口を形成する。また架橋部に代えてカンチレバー（cantilever）構造にしてもよいことが記載されているが、カンチレバー構造にした場合、カンチレバー構造部の周囲の薄膜に空洞部が開口を形成することになる。

特開平０４−２３０８０８号公報 特開２００５−３０８６７６号公報

ヒータとなる抵抗体を半導体基板から熱的に絶縁するためのダイアフラム部，架橋部又はカンチレバー構造部等の薄肉部又は薄膜部は、通常、電気絶縁膜で構成されている。この電気絶縁膜は、例えば二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂），窒化ケイ素（Ｓｉ_xＮ_y）などの無機の脆性材料で形成される場合が多い。脆性材料では、き裂を有する場合、予兆なく破壊する遅れ破壊が生じることがある。上記材料に限らず、薄肉部又は薄膜部は厚さが非常に薄いため、僅かな欠陥によって破壊する可能性がある。このため、製造時に欠陥が生じ、寿命に満たないダイアフラムを有するセンサを確実に排除する必要がある。欠陥が生じ、寿命に満たないダイアフラムを有するセンサを排除する工程をスクリーニングという。

また、計測素子製造時のダイシング工程で、冷却水中に含まれる切り屑などの固体粒子がダイアフラム部，架橋部又はカンチレバー構造部等の薄肉部又は薄膜部を構成する電気絶縁膜に衝突すると、薄肉部又は薄膜部が破壊することがある。このため、製造時のダイシング工程において薄肉部又は薄膜部を構成する電気絶縁膜が破壊するのを防止する必要がある。さらに、ダイシング工程は、通常、スクリーニング工程の後に行われる。このため、スクリーニング工程の後にダイシング工程を行う場合には、スクリーニング工程後に薄肉部又は薄膜部を構成する電気絶縁膜が破壊するのを防止する必要がある。

本発明の目的は、半導体基板に形成された空洞部に設けられることによって半導体基板から熱的に絶縁された薄肉部にヒータとなる抵抗体が形成された計測素子において、スクリーニングを容易に行うことができ、ダイシング工程において破壊しにくい構造を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の計測素子は、半導体基板と、半導体基板上に形成された電気絶縁膜と、電気絶縁膜上に形成されたヒータを構成する抵抗体と、抵抗体の本体部が形成された領域に対応する半導体基板部分を除去して形成した空洞部とを備え、抵抗体本体部が形成された領域を空洞部により薄肉部とし、薄肉部の一部に薄肉部の厚さ方向に貫通した開口又はスリットを形成した計測素子において、開口又はスリットの領域を覆う膜を形成したものである。

このとき、電気絶縁膜は半導体基板の表面に形成し、空洞部は半導体基板の裏面から表面に向かって形成されているとよい。

開口又はスリットの領域を覆う膜は有機膜であるとよい。

有機膜はポリイミドなどの耐熱性を有する樹脂であるとよい。

開口又はスリットの領域を覆う膜を、抵抗体本体部が形成された前記薄肉部を構成する電気絶縁膜より薄い電気絶縁膜にしてもよい。

開口又はスリットの周縁が空洞部の周縁よりも空洞部の内側に位置しているとよい。

上記目的を達成するために、本発明の計測素子は、半導体基板と、半導体基板上に形成された電気絶縁膜と、電気絶縁膜上に形成されたヒータを構成する抵抗体と、抵抗体の本体部が形成された領域に対応する半導体基板部分を除去して形成した空洞部とを備え、抵抗体本体部が形成された領域を空洞部により薄肉部とし、薄肉部の一部に薄肉部の厚さ方向に貫通した開口又はスリットを形成した計測素子において、前記電気絶縁膜は半導体基板の表面に形成され、前記空洞部は半導体基板の裏面から表面に向かって形成されており、前記開口又はスリットを形成する前に前記開口又はスリットの領域を覆う膜を形成し、前記開口又はスリットを前記空洞部側から形成したものであることが好ましい。

本発明によれば、開口やスリットを膜で覆う構造であるため、抵抗体本体部が形成された領域に形成した薄肉部にウェハレベルで加圧するスクリーニング試験を行うことができ、製造欠陥を有する計測素子を排除することができる。また、本発明によれば、開口又はスリットの領域を覆う膜により、特に抵抗体本体部が形成された領域に形成した薄肉部の支持構造を強くすることができ、ダイシング工程におけるダスト衝突による薄肉部の破壊を防止できる。

本発明を適用した熱式湿度センサに設けられた測定素子の一実施形態の（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａでの拡大断面図及び粒子の動作を示す図。 本発明を適用した熱式湿度センサに設けられた測定素子の一実施形態の（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａでの拡大断面図及び粒子の動作を示す図。 本発明を適用してなる熱式湿度センサの別実施形態。 本発明を適用してなる熱式湿度センサの別実施形態。 本発明を適用してなる熱式湿度センサの別実施形態。 加圧スクリーニング装置の概要図。

以下、本発明に係る実施例を説明する。

以下、本発明のダイアフラムセンサを適用してなる熱式湿度センサを例に説明する。図１（ａ），図２（ａ）は、湿度計の測定素子１の概略平面図、図１（ｂ），図２（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａでの拡大断面図である。本実施例の熱式湿度計に備えられた測定素子１は、図１，図２に示すように、半導体基板２，電気絶縁膜３，抵抗体４などで構成されている。抵抗体４は、各々複数回折り返して形成してもよい。なお抵抗体の構成は測定方式により異なり、ここではその一例を示している。

単結晶シリコンなどからなる半導体基板２の表面上に形成された電気絶縁膜３は、半導体基板２上に形成された電気絶縁性と熱絶縁性を有する膜、例えば二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）膜や窒化ケイ素（Ｓｉ_xＮ_y）膜で補強された二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）膜などであり、電気絶縁膜３上には、半導体材料、例えば多結晶シリコン，ゲルマニウム，ガリウム砒素，タンタル，モリブデン，白金などからなる抵抗体４などが形成されている。電気絶縁膜３上の抵抗体４が形成されている領域に対応する半導体基板２の部分は、半導体基板２の裏面側から異方性エッチングにより電気絶縁膜３との厚さ方向の境界面まで除去されて空洞２１となっている。本実施例において抵抗体４は発熱抵抗体すなわちヒータを構成する。このため、空洞２１は抵抗体４を熱絶縁している。尚、空洞２１は空洞部とも言う。

抵抗体４は本体部４ａと引出し線部４ｂとからなり、引出し線部４ｂの端部は、各々測定素子１の縁部に形成された端子電極２２に電気的に接続されている。端子電極２２と引出し線部４ｂは、金やアルミニウムなどの導電性材料のめっきや蒸着などにより形成されている。以下の説明において、抵抗体４は厳密には本体部４ａのことを意味している。

熱式湿度センサの抵抗体４に電圧を印加した場合、自己発熱により抵抗体４が加熱される。雰囲気中に含まれる水蒸気量と共に水蒸気の熱伝導が増大するため、抵抗体４からの熱放散が大きくなる。水蒸気の増加により抵抗体４の温度が低下することを利用して、雰囲気中の絶対湿度を測定することができる。抵抗体４の設定温度は、水蒸気による熱伝導の変化の大きい３００℃以上に設定するのがよい。熱式湿度センサに対して各種測定方法が提案されているが、いずれも水蒸気量に依存して水蒸気の熱伝導率が異なることを利用している。このため、発熱する抵抗体４から電気絶縁膜３，支持部６を介して半導体基板２への熱伝導は、絶対湿度の測定誤差となる。半導体基板２への熱伝導を極力低減するために、センサ部５の熱絶縁が必要となる。

そもそもダイアフラム１１は抵抗体４を半導体基板２から熱絶縁するために設けられたものであるが、ダイアフラム１１のセンサ部５周辺にダイアフラム１１の板厚方向に貫通した開口７（図１参照）またはスリット８（図２参照）を形成することにより、センサ部５の熱絶縁性の向上が図られている。

有機保護膜９は、電気絶縁性を有しかつ軟質な膜であり、開口７またはスリット８を覆うように形成されている。すなわち、有機保護膜９は、抵抗体４と端子電極２２が形成されている部分を除いた部分を覆うように形成されている。抵抗体４は動作中に３００℃以上の高温に保持されるため、有機保護膜９の劣化防止の点からセンサ部５上に有機保護膜を形成しないのが好ましい。また、測定素子１の各端子電極２２が形成されている縁部側の電気絶縁膜３上には、電気的接続を行うため、有機保護膜９は形成されていない。

本実施例において、開口７及びスリット８はいずれもダイアフラム１１をダイアフラム１１の板厚方向に貫通している。従って、スリット８の概念は開口７の概念に含まれる。

ここで自動車などの内燃機関に用いる湿度センサでは、外気を吸入するため、流量の測定対象となる空気に砂や塩、その他の塵埃などの固体粒子が含まれている。自動車などの内燃機関などでは、吸入された外気中のこのような粒子を除去するため、通常メッシュサイズ１５μｍのエアーフィルタが備えられている。しかし、粒径がほぼ１５μｍよりも大きい粒子はエアーフィルタによって除去されるが、粒径がほぼ１５μｍ以下の粒子はエアーフィルタを通過してしまう。湿度センサは、空気の流れにより測定誤差を生じるため、空気流れを防止する防風構造が設けられている。防風構造によっては測定素子１に固体粒子が直接衝突する場合がある。したがって、脆性無機材料である二酸化ケイ素などからなる電気絶縁膜３のみでは、粒子の衝突時の運動エネルギを支持部６の変形では吸収しきれずに、衝突位置に局所的な応力が発生し、最大応力が発生する支持部６が破壊する場合がある。すなわち、粒子の運動エネルギが、電気絶縁膜３の変形エネルギ（電気絶縁膜３の吸収エネルギ）よりも大きい場合、支持部６が破壊する。

また上述のように防風構造により稼動中の固体粒子による支持部６の破壊を防止できる場合でも、製造時のダイシング工程で、冷却水中に含まれる固体粒子が支持部６に衝突して、稼動雰囲気中の固体粒子と同じく、支持部６が破壊することがある。

有機材料例えばポリイミドからなる有機保護膜９は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）膜などの電気絶縁膜３に比べて膜自体のエネルギ吸収能が大きい。このため、ポリイミドなどからなる有機保護膜９を備えた測定素子１では、最弱部である支持部６の変形だけでなく、有機保護膜９自体が粒子の衝突エネルギを吸収するため、粒子の衝突やバックファイア圧による支持部６の破壊、すなわち測定素子１の破壊を防ぐことができる。

なお有機保護膜９は、発熱抵抗体４と端子電極２２が形成されている部分を除いた部分を覆うように、開口部またはスリットを覆うように形成されている。発熱抵抗体の近傍の保護膜は３００℃以上の高温に曝されることになる。したがって保護膜は耐熱性に優れた有機材料であるポリイミド膜が適しているが、３００℃以下の定温で測定する場合などでは他の有機材料でもよい。

ダイアフラムセンサの電気絶縁膜３は、前述のように無機の脆性材料などで形成されている。電気絶縁膜３の材料でわずかな損傷（き裂）を有した場合、稼動中の負荷により予兆なく電気絶縁膜３、すなわちダイアフラムが破壊（遅れ破壊）して、計測ができなくなる。そこで、製造時の欠陥を有するダイアフラムを除去するためのスクリーニング試験を実施する必要がある。スクリーニング試験は、実稼動環境相当の負荷を与えて、想定寿命期間に破壊に至るき裂を除去する。負荷方法としては、機械的負荷または熱的負荷がある。本構造では、センサ支持部６での初期き裂を除去する目的であり、試験時間が短い機械的負荷が適当な方法といえる。機械的負荷方法としては、加圧スクリーニングまたはプローブ押込みによるスクリーニングがある。図７に示すように加圧スクリーニングは、加圧容器２３内で測定素子１を複数個形成したウェハ全面に一様に圧力２４を加えることができ、高精度のスクリーニングが短時間で実現できる。１枚のウェハに数百個の測定素子１を形成するため、プローブによるスクリーニングは長時間を要する。またプローブ押込み深さはミクロン単位であり、精度良い測定は困難である。

加圧スクリーニングは、センサの上面と下面の空洞２１を遮断しておく必要があるが、ダイアフラムに開口７やスリット８がある場合は加圧スクリーニングを適用できない。開口７やスリット８を有機保護膜９で覆った構造では、ダイアフラムの上下面を分離でき、加圧スクリーニングが可能となる。したがって開口７やスリット８を有機保護膜で覆った構造は、加圧スクリーニングにより初期き裂を有するダイアフラムセンサを除外することができるため、信頼性の高いダイアフラムセンサを提供できる効果がある。

ダイアフラムに開口７またはスリット８がある場合、開口７またはスリット８から塵埃が侵入する危険性がある。ダストが侵入してセンサ部裏面に堆積し続けた場合、塵埃を介して熱絶縁性が低下することが考えられる。有機薄膜で覆った構造では、ダストが裏面に侵入することがないため、長期的に特性が変動し難い構造といえる。

なお、ダイアフラムに開口７を形成した場合（図１）、有機膜は絶縁膜に比べて剛性が一桁以上小さいため、稼動中の圧力に伴い有機膜が大きく凹型に変形する。有機膜の凹部に塵埃が停留して、塵埃により熱絶縁性が低下する危険性がある。一方ダイアフラムにスリット８を形成した場合（図２）、開口７と同等の熱絶縁特性を有し、さらに稼動中の圧力変動に対しても有機膜が大きく変形することはない。塵埃により熱絶縁性が低下することはない。

本実施例を整理すると、計測素子は以下のように構成されている。

半導体基板２と、半導体基板２上に形成された電気絶縁膜３と、電気絶縁膜３上に形成されたヒータを構成する抵抗体４と、抵抗体４の本体部４ａが形成された領域に対応する半導体基板２部分を除去して形成した空洞２１（空洞部）とを備え、抵抗体本体部４ａが形成された領域を空洞２１により薄肉部（ダイアフラム）とし、薄肉部の一部に薄肉部の厚さ方向に貫通した開口７又はスリット８を形成した計測素子において、空洞２１を形成する前に、電気絶縁膜３を半導体基板２の表面側に形成し、電気絶縁膜３の上側に有機保護膜９を形成し、電気絶縁膜３及び有機保護膜９を形成した後で、半導体基板２の裏面側から表面側に向かって空洞２１を形成し、薄肉部を構成する電気絶縁膜３に有機保護膜９を残すようにして空洞２１側から開口７又はスリット８を形成した。

ヒータを構成する抵抗体４を配置する薄肉部又は薄膜部として、本実施例ではダイアフラム１１を採用しているが、そのほかに架橋構造やカンチレバー構造を適用しても良く、薄肉部又は薄膜部はダイアフラム構造，架橋構造及びカンチレバー構造を含む。

以下の実施例では、開口７の場合を説明しているが、開口７に代えてスリット８にしても良いことは言うまでもない。また上記構成に以下で説明する各実施例の構成を組み合わせても良いことは勿論である。

尚、図１の例では、開口７の周縁７ａの一部が空洞２１の周縁２１ａ（すなわち、ダイアフラム１１の周縁１１ａ）と重なっている。

本発明の別の実施例を図３に示す。空洞２１の周縁２１ａと開口７の周縁７ａが一致していない構造である。すなわち、支持部６の根本部６ａが空洞２１の周縁２１ａから内側に移動した構造である。空洞２１の周縁２１ａと開口７の周縁７ａが一致している場合、支持部６の根本部６ａは、変形が拘束されるためダスト衝突のような集中荷重に対して最弱部（最大応力部）となる。そこで開口７を周辺２１ａから内側に離した構造では、集中荷重が負荷された場合、図中Ｂ部が変形するため、支持部６の根本部６ａでの応力が低減される効果がある。

尚、本実施例において、開口７はスリット状の開口を含む。

本発明の別の実施例を図４に示す。有機保護膜９に代えて、電気絶縁膜３と同材質の無機保護膜１０を形成したものである。電気絶縁膜３は、半導体基板２上に形成された電気絶縁性と熱絶縁性を有する膜、例えば二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）膜や窒化ケイ素（Ｓｉ_xＮ_y）膜で補強された二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）膜などである。ここで無機保護膜１０はセンサ部の電気絶縁膜３と同材質であるため、熱絶縁性を向上させるために無機保護膜１０の厚さｔ₁₀を電気絶縁膜３の厚さｔ₃に比べて薄くする。上述のように無機絶縁膜３はダスト衝突により破壊する危険性を有している。防風構造などの空気流による測定誤差を除去するための構造がある場合、ダスト衝突を考慮する必要がないため本構造を適用できる。

本発明の別の実施例を図５に示す。空洞２１の周縁２１ａと開口７の周縁７ａが一致していない構造である。すなわち、支持部６の根本部６ａが空洞２１の周縁２１ａから内側に移動した構造である。空洞２１の周縁２１ａと開口７の周縁７ａが一致している場合、支持部６の根本部６ａは、変形が拘束されるためダスト衝突のような集中荷重に対して最弱部（最大応力部）となる。そこで開口７を周辺２１ａから内側に離した構造では、集中荷重が負荷された場合、図中Ｂ部が変形するため、支持部６の根本部６ａでの応力が低減される効果がある。また図３に示すようにダイアフラム端の周縁部では絶縁膜の厚さが厚いため、ダイアフラム端部での応力値を低減できる。

上述の各実施例において、抵抗体４は一種類しか記載していないが、ヒータとなる発熱抵抗体のほかに、温度を測定する側温抵抗体他をダイアフラム部やダイアフラム部の周囲に構成してもよい。このように、上記各実施例は湿度センサに止まらず、半導体基板から熱的に絶縁された薄肉部にヒータを配置し、薄肉部や薄肉部の周囲に計測する対象に応じて種々の抵抗体や感応部材を配置することにより、種々の計測素子を構成できる。

また、ヒータを配置する薄肉部又は薄膜部としては、上記実施例ではダイアフラム構造を説明したが、架橋構造やカンチレバー構造を適用しても良く、薄肉部又は薄膜部はダイアフラム構造，架橋構造及びカンチレバー構造を含むものである。

１ 測定素子
２ 半導体基板
３ 電気絶縁膜
４ 抵抗体
５ センサ部
６ 支持部
６ａ 支持部の根本部
７ 開口
８ スリット
９ 有機保護膜
１０ 無機保護膜
２１ 空洞
２２ 端子電極
２３ 加圧容器
２４ 圧力

Claims (7)

1. 半導体基板と、半導体基板上に形成された電気絶縁膜と、電気絶縁膜上に形成されたヒータを構成する抵抗体と、抵抗体の本体部が形成された領域に対応する半導体基板部分を除去して形成した空洞部とを備え、抵抗体本体部が形成された領域を空洞部により薄肉部とし、薄肉部の一部に薄肉部の厚さ方向に貫通した開口又はスリットを形成した計測素子において、
   開口又はスリットの領域を覆う膜を形成したことを特徴とするダイアフラムセンサ。
2. 請求項１に記載の計測素子において、電気絶縁膜は半導体基板の表面に形成され、空洞部は半導体基板の裏面から表面に向かって形成されていることを特徴とする計測素子。
3. 請求項１に記載の計測素子において、開口又はスリットの領域を覆う膜は有機膜であることを特徴とする計測素子。
4. 請求項３に記載の計測素子において、前記有機膜はポリイミドであることを特徴とするダイアフラムセンサ。
5. 請求項１に記載の計測素子において、開口又はスリットの領域を覆う膜を、抵抗体本体部が形成された前記薄肉部を構成する電気絶縁膜より薄い電気絶縁膜としたことを特徴とする計測素子。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の計測素子において、開口又はスリットの周縁が空洞部の周縁よりも空洞部の内側に位置していることを特徴とする計測素子。
7. 半導体基板と、半導体基板上に形成された電気絶縁膜と、電気絶縁膜上に形成されたヒータを構成する抵抗体と、抵抗体の本体部が形成された領域に対応する半導体基板部分を除去して形成した空洞部とを備え、抵抗体本体部が形成された領域を空洞部により薄肉部とし、薄肉部の一部に薄肉部の厚さ方向に貫通した開口又はスリットを形成した計測素子において、
   前記空洞部を形成する前に、前記電気絶縁膜を半導体基板の表面側に形成し、前記電気絶縁膜の上側に有機膜を形成し、
   前記電気絶縁膜及び前記有機膜を形成した後で、半導体基板の裏面から表面に向かって前記空洞部を形成し、前記薄肉部を構成する前記電気絶縁膜に前記有機膜を残すようにして前記空洞部側から前記開口又はスリットを形成したことを特徴とする計測素子。

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