JP2010230312A - 半導体センサの製造方法及び半導体センサ - Google Patents

Abstract

【課題】小型で且つセンサ部の熱容量が小さい半導体センサを、簡便な方法で製造することが可能な、半導体センサの製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の半導体センサの製造方法は、ＳＯＩウエハからなる第一基板２と、第一基板の一面側において、その中央部に配されたヒーター３と、ヒーターを挟み、かつ離間して各々配された第一温度センサ４と、第二基板６と、第二基板の一面側に配され、両端が解放された形状の第一凹部７と、を少なくとも備え、第一基板と第二基板とが、第一凹部と第一温度センサとが対向するように、貼り合わせられてなる半導体センサの製造方法であって、第二基板の一面側に第一凹部を形成する工程Ａと、第一凹部と第一温度センサとが対向するように、第一基板の一面側と第二基板の一面側とを貼り合わせる工程Ｂと、第一基板の他面側をエッチングにより薄板化する工程Ｃと、を少なくとも順に有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体センサの製造方法及び半導体センサに関し、詳しくは、熱式マイクロフローセンサにおいて、小型化の構造およびその製造方法に関する。

近年、携帯電話などの電子機器の高機能化、小型化に伴い、それらに使われる電子デバイス等にも更なる高機能化、小型化が要求されている。フローセンサにおいても、バイオチップや携帯型燃料電池で利用されているように、反応系の小型化への要求が高まっている。そこで、この要求を実現するため、マイクロマシニング技術等を用いた熱式マイクロフローセンサが提案されている。

例えば、一般的に熱式マイクロフローセンサでは、特許文献１に記載のように中央部にヒーター、その両脇に温度センサを配し、流体の影響による温度変化を流速に変換する方式が用いられている。また、センサの感度を高めるため、センサ素子部の熱容量を小さくする必要がある。よって、マイクロマシニング技術によりセンサ素子部の周囲をエッチングした３次元構造を形成している。

また、特許文献２や特許文献３に記載のように、予め流路を形成した基板とセンサ素子部が形成された基板とを貼り合わせることにより、フローセンサの構造を形成している。

しかしながら、特許文献４や特許文献１で提案されている構造では、センサ部の熱容量を小さくすることは可能であるが、構造が複雑であり、高さ方向にも面積的にも小型化に制限がある。また、特許文献２や特許文献５で提案されているセンサでは、センサ部の熱容量を小さくすることが難しい。

特許第４０３７７２３号公報 特許第３３２４８５５号公報 特開２００８-８２７６８号公報 特公平６-６３８００号公報 特開２００８−８２７６８号公報

本発明は、このような従来の実情に鑑みて考案されたものであり、小型で且つセンサ部の熱容量が小さい半導体センサを、簡便な方法で製造することが可能な、半導体センサの製造方法を提供することを第一の目的とする。
また、本発明では、本発明の製造方法で製造されることにより、小型で且つセンサ部の熱容量が小さい半導体センサを提供することを第二の目的とする。

本発明の請求項１に記載の半導体センサの製造方法は、ＳＯＩウエハからなる第一基板と、該第一基板の一面側において、その中央部に配されたヒーターと、前記ヒーターを挟み、かつ離間して各々配された第一温度センサと、第二基板と、該第二基板の一面側に配され、両端が解放された形状の第一凹部と、を少なくとも備え、前記第一基板と前記第二基板とが、前記第一凹部と前記第一温度センサとが対向するように、貼り合わせられてなる半導体センサの製造方法であって、前記第二基板の一面側に前記第一凹部を形成する工程Ａと、前記第一凹部と前記第一温度センサとが対向するように、前記第一基板の一面側と前記第二基板の一面側とを貼り合わせる工程Ｂと、前記第一基板の他面側をエッチングにより薄板化する工程Ｃと、を少なくとも順に有することを特徴とする。
本発明の請求項２に記載の半導体センサの製造方法は、請求項１において、前記第一基板として、周囲温度評価用の第二温度センサをさらに有するものを用いるとともに、前記工程Ａにおいて、前記第二基板の一面側に、閉じた形状の第二凹部をさらに形成し、前記工程Ｂにおいて、前記第二凹部と前記第二温度センサとが対向するように、前記第一基板と前記第二基板とを貼り合わせることを特徴とする。
本発明の請求項３に記載の半導体センサの製造方法は、請求項１又は２において、前記第二基板に貫通電極を形成する工程Ｄを、さらに備えたことを特徴とする。
本発明の請求項４に記載の半導体センサの製造方法は、請求項１乃至３のいずれかにおいて、前記第二基板として、他面側に前記第一温度センサを駆動、増幅及び補償する回路が配されているものを用いることを特徴とする。
本発明の請求項５に記載の半導体センサは、請求項１乃至請求項４に記載のいずれかの方法により製造されたことを特徴とする。

本発明では、ＳＯＩウエハからなり、センサ素子部が形成された第一基板と、第一凹部が形成された第二基板を貼り合わせ、第一基板の裏面側を研削している。これにより本発明では、小型で且つセンサ部の熱容量が小さい半導体センサを、簡便な方法で製造することが可能な、半導体センサの製造方法を提供することができる。
また、本発明では、本発明の製造方法で製造されることにより、小型で且つセンサ部の熱容量が小さい半導体センサを提供することができる。

本発明に係る半導体センサの一構成例を示す図。 図１の半導体センサの製造方法を工程順に示す断面図。 ＳＯＩウエハの構成を示す断面図。 本発明に係る半導体センサの他の構成例を示す図。 図４の半導体センサの製造方法を工程順に示す断面図。

以下、本発明に係る半導体センサの製造方法及び半導体センサの実施形態を図面に基づいて説明する。

＜第一実施形態＞
図１は、本実施形態の半導体センサ１Ａ（１）の一構成例を示す図であり、（ａ）は半導体センサ１Ａ（１）の第一基板２の他面２ｂ側から見た上面図を、（ｂ）はＡ_１−Ａ_２線における断面図を、それぞれ表している。
なお、以下では、図１の構成例について詳細に説明するが、前述した本発明の作用・効果は、流路の上下を逆転させた構成例（すなわち、図１において下側から上側へ進む方向の流れをもち（Ｆ_１とＦ_２の矢印が逆向き）、７ｂが上流側流路、７ａが下流側流路をそれぞれなす構成例）においても有効である。

この半導体センサ１Ａ（１）は、熱式マイクロフローセンサであり、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウエハからなる第一基板２と、該第一基板２の一面２ａ側において、その中央部に配されたヒーター３と、前記ヒーター３を挟み、かつ離間して各々配された第一温度センサ４と、第二基板６と、該第二基板６の一面６ａ側に配され、両端が解放された形状の第一凹部７（流路）と、を少なくとも備え、前記第一基板２と前記第二基板６とが、前記第一凹部７と前記第一温度センサ４とが対向するように、貼り合わせられてなる。
このような本発明の半導体センサ１Ａ（１）は、後述する製造方法により製造される。これにより、この半導体センサ１Ａ（１）は、小型で且つセンサ部の熱容量が小さいものとなる。

第一基板２はＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウエハからなる。ＳＯＩウエハとは図２
に示すように、２枚のシリコン（Ｓｉ）ウエハ２０，２１をＳｉ酸化膜２２（ＳｉＯ_２ ）を介して貼り合わせたものであり、例えば、一方のＳｉウエハの表面にＳｉ酸化膜（ＳｉＯ_２ ）を形成して熱による貼り合わせ接着を行い、その後、一方のＳｉウエハを適当な厚さまで研磨することで所望のＳＯＩ構造を実現するものである。そして、異なる結晶面方位を持つウエハ同士を貼り合わせることが可能なため、精密性、多機能化が要求されるマイクロマシン技術を用いたデバイスの製造に適している。
第一基板２にＳＯＩウエハを用いることにより、基板の厚さを任意に選択することが可能である。また、この第一基板２の厚さを薄くすることにより、センサ素子部の熱容量を小さくするとともに、デバイスの低背化が可能となる。

ヒーター３は、第一基板２の一面２ａ側において、その中央部に配される。
ヒーター３は、例えば金属配線やＳｉ基板中に形成した抵抗体等から構成される。
第一温度センサ４ａ，４ｂは、第一基板２の一面２ａ側において、前記ヒーター３を挟み、かつ離間して各々配される。ここでは、第一温度センサ４ａが上流側温度センサであり、第一温度センサ４ｂが下流側温度センサとなる。
これらヒーター３及び第一温度センサ４ａ，４ｂは、第二凹部８（チャンバ）内に配される。

第一温度センサ４ａ，４ｂは、例えば金属配線やＳｉ基板中に形成した抵抗体等から構成され、温度に応じて抵抗値が変化することを利用して、第一温度センサ４ａ，４ｂの抵抗値の違いを電圧値の違いで検出し、流速や流量の検出を行う。

さらに、第一基板２の一面２ａ側には、リファレンスとして、周囲温度評価用の第二温度センサ５が配されている。この第二温度センサ５は、第二凹部８（チャンバ）内に配される。

第二基板６は、例えばシリコン（Ｓｉ）基板等からなる。
第一凹部７は、第二基板６の一面６ａ側に配され、両端が解放された形状をなす。この第一凹部７は、被測定物である流体の流路となる。ここでは、第一凹部７ａが上流側流路であり、第一凹部７ｂが下流側流路となる。また、この第一凹部７内にヒーター３と第一温度センサ４ａ，４ｂが配されている。なお、図１では、第一凹部７の形状が略コの字状をなす場合を一例として挙げているが、これに限定されるものではなく、曲線や分岐構造等、任意に選択可能である。

第二凹部８は、第二基板６の一面６ａ側に配され、閉じた形状をなす。この第二凹部８は、第二温度センサ５が配されるチャンバとなる。第二凹部８の形状としては、特に限定されるものではなく、任意に選択可能である。

このような半導体センサ１Ａ（１）（フローセンサ）では、流路（第一凹部７）内を流れる流体に対して、所定の温度分布をヒーター３で発生させ、その流体の流れに応じて変化する温度分布を温度センサで検出し、その出力から流体の流速を計測する。
すなわち、この半導体センサ１Ａ（１）の動作原理は、第二温度センサ５で計測された流体温度より一定温度だけ高くなるようにヒーター３で流体を熱して所定の温度分布を発生させ、その温度分布を上流側の第一温度センサ４ａ及び下流側の第一温度センサ４ｂで計測することにより、流体流量を計測するものである。

流体が静止している場合、第一温度センサ４ａ及び第一温度センサ４ｂで得られる温度分布は対称となるが、流体が流れている場合、その対称性が崩れ、上流側の第一温度センサ４ａに比べて下流側の第一温度センサ４ｂで得られる温度が高くなる。この温度差を検出することにより、流体の熱伝導率などの物性値に基づき流体流速が得られる。

次に、このような半導体センサ１Ａ（１）の製造方法について説明する。
図３は、本発明の半導体センサの製造方法を、工程順に示す断面図である。
本発明の半導体センサの製造方法は、前記第二基板６の一面６ａ側に第一凹部７（流路）を形成する工程Ａと、前記第一凹部７と前記第一温度センサ４とが対向するように、前記第一基板２の一面２ａ側と前記第二基板６の一面６ａ側とを貼り合わせる工程Ｂと、前記第一基板２の他面２ｂ側をエッチングにより薄板化する工程Ｃと、を少なくとも順に有することを特徴とする。

本発明の半導体センサの製造方法では、ＳＯＩウエハからなり、センサ素子部が形成された第一基板２と、第一凹部７が形成された第二基板６を貼り合わせ、第一基板２の裏面側を研削している。これにより本発明では、小型で且つセンサ部の熱容量が小さい半導体センサを、簡便な方法で製造することが可能である。
以下、各工程を順に詳述する。

（１ａ）まず、図３（ａ）（ｂ）に示すように、第二基板６の一面６ａ側に第一凹部７を形成する。また、第二基板６の一面６ａ側に第二凹部８をさらに形成する（工程Ａ）。
第二基板６に対して、流路となる第一凹部７及びチャンバとなる第二凹部８を形成する。
第一凹部７及び第二凹部８は、例えば、反応性ガスを用いたイオンエッチング法（ＲＩＥ法）や（ＣＦ_４−Ｏ_２）ガスを用いたプラズマエッチング法などのいわゆるドライエッチング法、あるいはＫＯＨなどのエッチング液を用いたウェットエッチング法により形成することができる。
第一凹部７及び第二凹部８の形状は特に限定されるものではなく、例えば第一凹部７の形状としては、略コの字状に限らず、曲線や分岐構造等、任意の形状が考えられる。

（２ａ）次に、図３（ｃ）に示すように、前記第一凹部７と前記第一温度センサ４とが対向するように、前記第一基板２の一面２ａ側と前記第二基板６の一面６ａ側とを貼り合わせる（工程Ｂ）。
第一基板２は、ＳＯＩウエハからなり、その一面６ａ側に第一温度センサ４ａ，４ｂ及びヒーター５が予め形成されている。
第二基板６の第一凹部７が形成された面と、第一基板２のセンサ素子部が形成された面とを接合する。このとき、前記第一凹部７と前記第一温度センサ４とが対向するように、かつ、前記第二凹部８と前記第二温度センサ５とが対向するように、前記第一基板２と前記第二基板６とを貼り合わせる。
第一基板２と第二基板６との接合方法としては、特に限定されるものではないが、例えばＳｉ−Ｓｉの常温接合等が挙げられる。

（３ａ）次に、図３（ｄ）に示すように、前記第一基板２の他面２ｂ側をエッチングにより薄板化する（工程Ｃ）。
第一基板２の温度センサが形成された面とは反対側の面をエッチングする。エッチングとしては、最初、バックグラインドにより大部分をエッチングした後、ドライエッチングにより薄化する方法が考えられる。ＳＯＩウエハ中のＳｉＯ_２ 膜はエッチストップとして利用することができる。その後、ＳｉＯ_２ 膜をエッチングすることにより、目的の構造を得る。このように、バックグラインド（研磨）だけで無く、ドライエッチングも用いた複合処理を採用することにより、研磨の押し圧から基板が凹部内に逃げ込み、凹部の薄膜がフィールド（凹部以外）に比べて厚くなるという現象を回避できる。その結果、薄膜の面内バラツキを低減できるので、任意の厚さに高精度に制御することが可能となり、ひいては、高品質の「熱容量が小さい半導体センサ」を安定して製造することが可能となる。
なお、ＳｉＯ_２をエッチングせずに、保護膜としても利用することができる。

（４ａ）そして、図３（ｅ）に示すように、素子ごとにダイシングする。
これにより、図１に示したような半導体センサＡ（１）が得られる。このようにして製造された半導体センサＡ（１）は、小型で且つセンサ部の熱容量が小さいものとなる。

＜第二実施形態＞
以下、本発明の第二実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図４は、本実施形態の半導体センサ１Ｂ（１）の一構成例を示す図であり、（ａ）は半導体センサ１Ｂ（１）の第一基板２の他面２ｂ側から見た上面図を、（ｂ）はＢ_１−Ｂ_２線における断面図を、それぞれ表している。
なお、以下の説明では前述した実施形態と異なる部分について主に説明し、前述した実施形態と同様の部分については、その説明を省略する。

この半導体センサ１Ｂ（１）では、第二基板６の一面６ａ側と他面６ｂ側を貫通する貫通電極１０を有している。貫通電極１０は、第一温度センサ４及び第二温度センサ５と第二基板６の外部との電気的接続をとっている。

第一基板２の他面２ａ側には、温度センサ等のセンサ素子部と貫通電極１０を電気的に接続する配線部１１が配されている。なお、配線部１１は任意の形状にすることが可能であるが、流体からの影響を避けるため、流路となる第一凹部７上には配しないことが好ましい。なお、ここでは、第一凹部７は、クランク状に折れ曲がった形状をしている。

また、半導体センサ１Ｂ（１）では、第二基板６の他面６ｂ側において、第一温度センサ４を駆動、増幅及び補償するＩＣ回路１２が配されている。このＩＣ回路１２は、貫通電極１０と電気的に接続されている。このように第二基板６の他面６ｂ側にＩＣ回路１２を配することにより、センサの高機能化を図ることができる。

次に、このような半導体センサ１Ｂ（１）の製造方法について説明する。
図５は、本実施形態の半導体センサの製造方法を、工程順に示す断面図である。
（２ｂ）まず、図５（ａ）（ｂ）に示すように、第二基板６の一面６ａ側に第一凹部７を形成する（工程Ａ）。また、第二基板６に貫通電極１０を形成する（工程Ｄ）。
第二基板６として、他面６ｂ側に前記第一温度センサ４を駆動、増幅及び補償するＩＣ回路１２が配されているものを用いる。この第二基板６に対して、一面６ａ側に第一凹部７を形成する。

また、同時に、第二基板６に貫通電極１０を形成する。貫通電極１０の形成方法としては、特に限定されるものではないが、例えばＤＲＩＥによるドライエッチングにより貫通孔を形成した後、該貫通孔の内部に、めっき等により金属を充填する方法が挙げられる。

なお、図４に示す例では第一基板２の他面２ｂ上に温度センサの回路が形成されている。また、第一基板２の他面２ｂ上に、後に貼り合わせる第二基板６の貫通電極１０との電気的接続がとれるように、配線部１１を形成する。

（２ｂ）次に、図５（ｃ）に示すように、前記第一凹部７と前記第一温度センサ４とが対向するように、前記第一基板２の一面２ａ側と前記第二基板６の一面６ａ側とを貼り合わせる（工程Ｂ）。
前記第一凹部７と前記第一温度センサ４とが対向するように、第二基板６の第一凹部７が形成された面と、第一基板２のセンサ素子回路が形成された面とを接合する。
また、この際に、配線部１１を介して、温度センサの回路と貫通電極１０との電気的接続をとる。

（３ｂ）次に、図５（ｄ）に示すように、前記第一基板２の他面２ｂ側をエッチングにより薄板化する（工程Ｃ）。
（４ｂ）そして、図５（ｅ）に示すように、素子ごとにダイシングする。
これにより、図４に示したような半導体センサ１Ｂ（１）が得られる。このようにして製造された半導体センサ１Ｂ（１）は、小型で且つセンサ部の熱容量が小さく、さらに高機能を有するものとなる。

以上、本発明の半導体センサの製造方法及び半導体センサについて説明してきたが、本発明はこれに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変更が可能である。

本発明は、熱式マイクロフローセンサである半導体センサの製造方法及び半導体センサに広く適用可能である。

１Ａ，１Ｂ（１）半導体センサ、２ 第一基板、３ ヒーター、４ａ、４ｂ（４） 第一温度センサ、５ 第二温度センサ、６ 第二基板、７ 第一凹部、８ 第二凹部、１０ 貫通電極、１１ 配線部、１２ ＩＣ回路。

Claims (5)

1. ＳＯＩウエハからなる第一基板と、該第一基板の一面側において、その中央部に配されたヒーターと、前記ヒーターを挟み、かつ離間して各々配された第一温度センサと、
   第二基板と、該第二基板の一面側に配され、両端が解放された形状の第一凹部と、を少なくとも備え、
   前記第一基板と前記第二基板とが、前記第一凹部と前記第一温度センサとが対向するように、貼り合わせられてなる半導体センサの製造方法であって、
   前記第二基板の一面側に前記第一凹部を形成する工程Ａと、
   前記第一凹部と前記第一温度センサとが対向するように、前記第一基板の一面側と前記第二基板の一面側とを貼り合わせる工程Ｂと、
   前記第一基板の他面側をエッチングにより薄板化する工程Ｃと、を少なくとも順に有することを特徴とする半導体センサの製造方法。
2. 前記第一基板として、周囲温度評価用の第二温度センサをさらに有するものを用いるとともに、
   前記工程Ａにおいて、前記第二基板の一面側に、閉じた形状の第二凹部をさらに形成し、
   前記工程Ｂにおいて、前記第二凹部と前記第二温度センサとが対向するように、前記第一基板と前記第二基板とを貼り合わせることを特徴とする請求項１に記載の半導体センサの製造方法。
3. 前記第二基板に貫通電極を形成する工程Ｄを、さらに備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体センサの製造方法。
4. 前記第二基板として、他面側に前記第一温度センサを駆動、増幅及び補償する回路が配されているものを用いることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体センサの製造方法。
5. 請求項１乃至請求項４に記載のいずれかの方法により製造されたことを特徴とする半導体センサ。

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