JP2010261766A - 抵抗型湿度センサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】洗浄後の水滴残りが生じにくく、パッケージ組立に適した抵抗型湿度センサ及びその製造方法を得る。
【解決手段】感湿伸縮膜の伸縮によって生じたＳｉカンチレバーの変形量を複数のピエゾ抵抗素子の抵抗変化で検出する抵抗型湿度センサであって、支持基板とＳｉカンチレバーとの間にＳｉＯ₂層を２μｍ以下の膜厚で介在させ、このＳｉＯ₂層により、Ｓｉカンチレバーを感湿伸縮膜の伸縮に伴って弾性変形可能にする空隙を生じさせた。
【選択図】図１

Description

本発明は、ピエゾ抵抗素子を用いた抵抗型湿度センサ及びその製造方法に関する。

抵抗型湿度センサは、吸収または放出した水分量に応じて伸縮する感湿伸縮膜と、この感湿伸縮膜の伸縮により弾性変形する弾性変形体と、この弾性変形体の変形時に受ける応力に応じて電気抵抗が変化するピエゾ抵抗素子とを備え、ピエゾ抵抗素子の抵抗変化により湿度変化を検出するようになっている。従来では、上記弾性変形体としてダイヤフラムまたはカンチレバーを用いた構造が知られている。ダイヤフラム構造では、図９に示すように、Ｓｉ基板１１０の裏面に凹部αを設けてダイヤフラム１１２を形成し、このダイヤフラム１１２の周縁部にピエゾ抵抗素子１１３を配置して、Ｓｉ基板表面にピエゾ抵抗素子１１３とダイヤフラム１１２の外周を覆う感湿伸縮膜１１４を形成してある。一方、カンチレバー構造では、図１０に示すように、Ｓｉ基板２１０の表裏面を貫通する開口部βを設け、この開口部βに延出させた自由端部が弾性変形可なカンチレバー２１２を形成し、カンチレバー２１２に設けたピエゾ抵抗素子２１３を覆う感湿伸縮膜２１４をＳｉ基板表面に形成してある。このようなカンチレバー構造は、例えば特許文献１に記載されている。

特開平３−２２６６４９号公報

しかしながら、従来のダイヤフラム構造では、上述のようにダイヤフラムの直下が空洞となっているので、ダイヤフラムは衝撃に弱く、超音波洗浄する際にダイヤフラムを破損してしまうことがあった。また、従来のカンチレバー構造では、上述のようにＳｉ基板の表裏面を貫通する開口部が形成されているので、Ｓｉ基板の裏面をパッケージに接着すると、該開口部が閉じられてカンチレバーの直下に大きな空洞部ができることから、超音波洗浄した後に空洞部に水滴が残りやすく、パッケージ組立に向かないという課題があった。

本発明は、洗浄後の水滴残りが生じにくく、パッケージ組立に適した抵抗型湿度センサ及びその製造方法を得ることを目的とする。

本発明は、支持基板の裏面に該支持基板の厚さ（２０μｍ以上）と同等の深い空洞部が存在するために上記課題が生じていることを認識し、カンチレバー構造を採用すれば超音波洗浄時の破損を防止できること、支持基板とカンチレバーの間にＳｉＯ₂層を介在させ、このＳｉＯ₂層の膜厚（２μｍ以下）に相当する深さの空隙をカンチレバーと支持基板の間に生じさせる構造とすれば、支持基板に空洞部を設けずに済むこと、及び、ＳＯＩ基板を用いればＳｉＯ₂層を介在させたＳｉ支持基板とＳｉカンチレバーを容易に形成できることに着目して完成されたものである。

すなわち、本発明は、支持基板と、この支持基板の上に形成され、支持基板中央部を露出させる開口部を画成するＳｉＯ₂層と、このＳｉＯ₂層の上に開口部側へ延出して形成され、該開口部上に位置する自由端部が弾性変形可能なＳｉカンチレバーと、このＳｉカンチレバーの表面に形成された複数のピエゾ抵抗素子と、この複数のピエゾ抵抗素子を含むＳｉカンチレバーの表面を覆い、吸収または放出した水分量に応じて伸縮する感湿伸縮膜とを備え、感湿伸縮膜の伸縮によって生じたＳｉカンチレバーの変形量を複数のピエゾ抵抗素子の抵抗変化で検出することを特徴としている。

複数のピエゾ抵抗素子は、開口部エッジの内外に跨って配置されていることが好ましい。ＳｉＯ₂層に設けた開口部のエッジ上ではＳｉカンチレバーの変形が大きくなるので、複数のピエゾ抵抗素子は、Ｓｉカンチレバーの変形量を効率よく検知できる。

ＳｉＯ₂層は、２μｍ以下であることが好ましい。この膜厚範囲であれば、Ｓｉカンチレバーの自由端部は感湿伸縮膜の伸縮に応じて弾性変形可能であり、かつ、支持基板とＳｉカンチレバーの間に生じる空隙が小さいので水滴が入り込みにくい。

支持基板は、Ｓｉ基板であることが好ましい。この場合、一対のＳｉ基板をＳｉＯ₂層で挟んで積層したＳＯＩ基板を用いて、Ｓｉ支持基板とＳｉＯ₂層とＳｉカンチレバーを容易に形成できる。

感湿伸縮膜は、イミド結合を有する高分子樹脂からなることが実際的である。

また本発明は、製造方法の態様によれば、支持基板の上に、ＳｉＯ₂層を全面的に形成する工程と、ＳｉＯ₂層の上に、活性Ｓｉ層を全面的に形成する工程と、活性Ｓｉ層の表面の特定位置に、複数のピエゾ抵抗素子を形成する工程と、複数のピエゾ抵抗素子を含む活性Ｓｉ層の表面に、吸収または放出した水分量に応じて伸縮する感湿伸縮膜を全面的に形成する工程と、感湿伸縮膜に、基板中央部に位置させて、活性Ｓｉ層を露出させる第１の開口部を形成する工程と、感湿伸縮膜をレジスト層で覆う工程と、第１の開口部に露出させた活性Ｓｉ層をドライエッチングにより除去し、該除去部分にＳｉＯ₂層を露出させる第２の開口部を形成する工程と、第２の開口部に露出させたＳｉＯ₂層をウエットエッチングにより除去し、該除去部分に活性Ｓｉ層と支持基板との間に空隙を生じさせる第３の開口部を形成することにより、この第３の開口部の上に位置する自由端部が弾性変形可能な活性Ｓｉ層をＳｉカンチレバーとする工程と、レジスト層を除去する工程と、を有することを特徴としている。

本発明によれば、支持基板とカンチレバーの間に介在させたＳｉＯ₂層により、感湿伸縮膜の伸縮に応じてカンチレバーを弾性変形可能にする空隙が生じるので、支持基板には空洞部を設けずに済み、洗浄後の水滴残りが生じにくく、パッケージ組立に適した抵抗型湿度センサ及びその製造方法が得られる。

本発明を適用した抵抗型湿度センサの主要構成を示す断面図（図２のＩ−Ｉ線に沿う断面図）である。 同抵抗型湿度センサを示す平面斜視図である。 本発明の第１実施形態による抵抗型湿度センサの製造工程の一工程を示す断面図である。 図３の次工程を示す断面図である。 図４の次工程を示す断面図である。 図５の次工程を示す断面図である。 図６の次工程を示す断面図である。 図７の次工程を示す断面図である。 従来のダイヤフラム構造の抵抗型湿度センサを示す断面図である。 従来のカンチレバー構造の抵抗型湿度センサを示す断面図である。

図１及び図２は、本発明を適用した抵抗型湿度センサの主要構成を示す断面図及び平面斜視図である。抵抗型湿度センサ１は、Ｓｉ支持基板１０上に、該基板側から順にＳｉＯ₂層１１と、Ｓｉカンチレバー１２と、複数のピエゾ抵抗素子１３と、感湿伸縮膜１４とを備えている。

Ｓｉ支持基板１０は、巨視的に凹凸のない平坦な基板であって、少なくとも２０μｍの厚さを有している。ＳｉＯ₂層１１は、Ｓｉ支持基板１０上に全面成膜された後に基板中央部を露出させる開口部１１Ａを形成してなるもので、Ｓｉ支持基板１０の周縁部に沿って存在している。別言すれば、ＳｉＯ₂層１１は、Ｓｉ支持基板１０の基板中央部を露出させる開口部１１Ａを画定している。図２に破線で開口部エッジ１１Ｂを示すように、開口部１１Ａの平面形状は矩形状をなす。開口部１１Ａの深さはＳｉＯ₂層１１の膜厚と同一で、ＳｉＯ₂層１１の膜厚は２μｍ以下、より好ましくは０．１〜２μｍ程度である。

Ｓｉカンチレバー１２は、ＳｉＯ₂層１１上に積層形成されたＰ型活性Ｓｉ基板からなり、３〜３０μｍ程度の厚さを有する。このＳｉカンチレバー１２は、ＳｉＯ₂層１１上に位置する基端部１２Ａと、この基端部１２Ａから開口部１１Ａ上に延出させた自由端部１２Ｂとを有し、自由端部１２Ｂが弾性変形可能に支持されている。図１に破線で示す基端部１２Ａと自由端部１２Ｂの境界位置は、開口部エッジ１１Ｂで規定されている。自由端部１２ＢとＳｉ支持基板１０との間に生じる空隙は、ＳｉＯ₂層１１の厚さ（開口部１１Ａの深さ）と同一である。

複数のピエゾ抵抗素子１３は、Ｓｉカンチレバー１２の表面に埋め込み形成されていて、Ｓｉカンチレバー１２の変形によって応力が加えられたときに電気抵抗が変化する。各ピエゾ抵抗素子１３は、Ｓｉカンチレバー１２の変形量を効率よく検出できるように、Ｓｉカンチレバー１２の変形量がもっとも大きくなる位置に設けることが好ましい。具体的に本実施形態では、４個のピエゾ抵抗素子１３を、平面矩形をなす開口部エッジ１１Ｂの各辺上に対称に配置してある。より好ましくは、各ピエゾ抵抗素子１３の内側エッジ（基板中央側のエッジ）と外側エッジ（基板周縁側のエッジ）の間に、開口部エッジ１１Ｂを位置させるのがよい。図示されていないが、ピエゾ抵抗素子１３の周囲はパッシベーション膜で埋められていて、このパッシベーション膜の上に、複数のピエゾ抵抗素子１３に給電するための配線部と、該配線部を覆って腐食防止する窒化保護膜とが形成されている。

感湿伸縮膜１４は、ポリイミド（イミド結合を有する高分子樹脂材料）からなり、吸収または放出した水分量に応じて伸縮する。この感湿伸縮膜１４は、ポリイミドの前駆体であるポリアミド酸を２００℃以上加熱するか、または、触媒を用いて脱水・イミド化反応させることにより成膜できる。成膜時は最も乾いた状態であって、感湿伸縮膜１４は最も縮み、Ｓｉカンチレバー１２は図示上方向に撓んだ状態で保持される。このデフォルト状態から感湿伸縮膜１４が水分を吸湿すると、該感湿伸縮膜１４は伸びて、Ｓｉカンチレバー１２が図示下方に向かう。感湿伸縮膜１４の厚さは、１〜２０μｍ程度である。

湿度に応じて感湿伸縮膜１４が伸縮すると、この感湿伸縮膜１４の伸縮によりＳｉカンチレバー１２が図示上下方向に撓み、Ｓｉカンチレバー１２の変形量に応じて複数のピエゾ抵抗素子１３の電気抵抗が変化する。抵抗型湿度センサ１は、複数のピエゾ抵抗素子１３の抵抗変化を電圧変化に変換して出力する。

次に、図３〜図８を参照し、本発明による抵抗型湿度センサ１の製造方法について説明する。図３〜図８は、抵抗型湿度センサ１の製造工程を示す断面図である。

まず、図３に示すように、ＳｉＯ₂層１１を挟んで一対のＳｉ基板１０、１２を積層したＳＯＩ基板を用意して、一方のＳｉ基板１２の表面にＰ型不純物を注入してＰ型活性Ｓｉ基板とし、このＰ型活性Ｓｉ基板１２の表面の特定位置に複数のピエゾ抵抗素子１３を形成する。他方のＳｉ基板１０は、Ｓｉ支持基板とする。ここで、Ｓｉ支持基板１０の厚さは少なくとも２０μｍ以上、ＳｉＯ₂層１１の厚さは０．１〜２μｍ程度、Ｐ型活性Ｓｉ基板１２の厚さは３〜３０μｍ程度である。詳細には図示していないが、複数のピエゾ抵抗素子１３の周囲はパッシベーション膜で埋められており、このパッシベーション膜の上に、各ピエゾ抵抗素子１３と電気的に接続した配線部と、該配線部を覆って腐食防止を図る窒化保護膜とを形成してある。

続いて、図４に示すように、複数のピエゾ抵抗素子１３を含むＰ型活性Ｓｉ基板１２の表面に、ポリイミドからなる感湿伸縮膜１４を全面的に塗布する。続いて、図５に示すように、基板中央部分の感湿伸縮膜１４を除去し、該除去部分にＰ型活性Ｓｉ基板１２の表面を露出させる第１の開口部１４Ａを形成する。この工程により、感湿伸縮膜１４は、複数のピエゾ抵抗素子１３を覆ってＰ型活性Ｓｉ基板１２の周縁部に存在する。この感湿伸縮膜１４は、ポリイミドの前駆体であるポリアミド酸をＰ型活性Ｓｉ基板１２の表面に塗布した後に、２００℃以上で加熱するか、または、触媒を用いて脱水・イミド化反応させることにより形成できる。このように成膜時は乾燥させた状態であるので、感湿伸縮膜１４は最も縮んだ状態となっている。感湿伸縮膜１４の厚さは、１〜２０μｍ程度である。

続いて、図６に示すように、感湿伸縮膜１４を覆うレジスト層１５を形成する。レジスト形成後は、図７に示すように、ドライエッチングにより、レジスト層１５で覆われていない、第１の開口部１４Ａに露出させたＰ型活性Ｓｉ基板１２を除去する。このとき、Ｐ型活性Ｓｉ基板１２とＳｉＯ₂層１１のエッチングレートの違いを利用して、ＳｉＯ₂層１１をエッチングストッパとして用いる。すなわち、Ｐ型活性Ｓｉ基板１２の除去部分にＳｉＯ₂層１１が露出した時点で、ドライエッチングを終了する。Ｐ型活性Ｓｉ基板１２の除去部分には、基板中央部のＳｉＯ₂層１１を露出させる第２の開口部１２Ｃが形成される。第２の開口部１２Ｃは第１の開口部１４Ａより小さい。

続いて、図８に示すように、ウエットエッチングにより、第２の開口部１２Ｃに露出させたＳｉＯ₂層１１を除去する。このとき、ＳｉＯ₂層１１は、第２の開口部１２Ｃに露出している領域だけでなく、Ｐ型活性Ｓｉ基板１２の下方にもエッチャントが入り込んで除去される。ＳｉＯ₂層１１の除去部分には、Ｐ型活性Ｓｉ基板１２とＳｉ支持基板１０の間に空隙を生じさせる第３の開口部１１Ａが形成され、Ｓｉ支持基板１０の表面が露出する。ここで、第３の開口部１１Ａの開口部エッジ１１Ｂ（ＳｉＯ₂層１１の内周エッジ）は、各ピエゾ抵抗素子１３の下方に位置するように規定する。より具体的には、開口部エッジ１１Ｂの内外を跨いで各ピエゾ抵抗素子１３が位置するように、各ピエゾ抵抗素子１３の内側エッジ（基板中央側のエッジ）と外側エッジ（基板周縁側のエッジ）の間に開口部エッジ１１Ｂを設定する。この工程により、ＳｉＯ₂層１１はＳｉ支持基板１０の周縁部に存在することとなり、かつ、Ｐ型活性Ｓｉ層１２は、ＳｉＯ₂層１１の上に位置する基端部１２Ａと、第３の開口部１１Ａの上に延出して弾性変形可能な自由端部１２Ｂとを有するＳｉカンチレバーとなる。第３の開口部１１Ａは、第１の開口部１４Ａ及び第２の開口部１２Ａより大きい。Ｐ型活性Ｓｉ基板１２とＳｉ支持基板１０の間に生じる空隙と、第３の開口部１１Ａの深さと、ＳｉＯ₂層１１の厚さは一致し、０．１〜２μｍ程度である。

続いてレジスト層１５を除去すれば、図１及び図２に示される抵抗型湿度センサ１が得られる。上述したように感湿伸縮膜１４は最も乾燥した状態（縮んだ状態）で形成されているので、Ｓｉカンチレバー１２が図示上方向に撓んだ状態で保持され（デフォルト状態）、感湿伸縮膜１４が水分を吸収すると該感湿伸縮膜１４は伸びて、Ｓｉカンチレバー１２は図示下方に向かう。

以上の本実施形態によれば、Ｓｉ支持基板１０とＳｉカンチレバー１２の間に介在させたＳｉＯ₂層１１により、感湿伸縮膜１４の伸縮に応じてＳｉカンチレバー１２を弾性変形可能にする空隙が生じているので、Ｓｉ支持基板１０に空洞部を設けずに済む。これにより、Ｓｉ支持基板１０を巨視的に平坦な基板とすることでき、Ｓｉ支持基板１０をパッケージに組み込んでも超音波洗浄後の水滴残りが生じにくい。Ｓｉ支持基板１０とＳｉカンチレバー１２の間に生じた空隙は、ＳｉＯ₂層１１の膜厚と一致していて０．１〜２μｍ程度と狭く、水滴が入り込みにくい。

本実施形態では、ＳＯＩ基板を用いてＳｉ支持基板１０、ＳｉＯ₂層１１及びＳｉカンチレバー１２を構成しているが、支持基板は、例えばガラスエポキシ基板など、Ｓｉ基板以外を用いてもよい。ＳＯＩ基板を用いない場合には、巨視的な凹凸のない平坦な支持基板を用意し、この支持基板上にＳｉＯ₂層を全面的に形成し、このＳｉＯ₂層上にＰ型活性Ｓｉ層を形成し、このＰ型活性Ｓｉ層の表面の特定位置に複数のピエゾ抵抗素子を形成する。

１ 抵抗型湿度センサ
１０ Ｓｉ支持基板
１１ ＳｉＯ₂層
１１Ａ 開口部（第３の開口部）
１１Ｂ 開口部エッジ
１２ Ｓｉカンチレバー
１２Ａ 基端部
１２Ｂ 自由端部
１２Ｃ 第２の開口部
１３ ピエゾ抵抗素子
１４ 感湿伸縮膜
１４Ａ 第１の開口部
１５ レジスト層

Claims (10)

1. 支持基板と、
   この支持基板の上に形成され、支持基板中央部を露出させる開口部を画成するＳｉＯ₂層と、
   このＳｉＯ₂層の上に前記開口部側へ延出して形成され、該開口部上に位置する自由端部が弾性変形可能なＳｉカンチレバーと、
   このＳｉカンチレバーの表面に形成された複数のピエゾ抵抗素子と、
   この複数のピエゾ抵抗素子を含む前記Ｓｉカンチレバーの表面を覆い、吸収または放出した水分量に応じて伸縮する感湿伸縮膜とを備え、
   前記感湿伸縮膜の伸縮によって生じた前記Ｓｉカンチレバーの変形量を前記複数のピエゾ抵抗素子の抵抗変化で検出することを特徴とする抵抗型湿度センサ。
2. 請求項１記載の抵抗型湿度センサにおいて、前記複数のピエゾ抵抗素子は、前記開口部のエッジの内外に跨って配置されている抵抗型湿度センサ。
3. 請求項１または２記載の抵抗型湿度センサにおいて、前記ＳｉＯ₂層は２μｍ以下である抵抗型湿度センサ。
4. 請求項１ないし３のいずれか一項に記載の抵抗型湿度センサにおいて、前記支持基板はＳｉ基板である抵抗型湿度センサ。
5. 請求項１ないし４のいずれか一項に記載の抵抗型湿度センサにおいて、前記感湿伸縮膜は、イミド結合を有する高分子樹脂からなる抵抗型湿度センサ。
6. 支持基板の上に、ＳｉＯ₂層を全面的に形成する工程と、
   前記ＳｉＯ₂層の上に、活性Ｓｉ層を全面的に形成する工程と、
   前記活性Ｓｉ層の表面の特定位置に、複数のピエゾ抵抗素子を形成する工程と、
   前記複数のピエゾ抵抗素子を含む活性Ｓｉ層の表面に、吸収または放出した水分量に応じて伸縮する感湿伸縮膜を全面的に形成する工程と、
   前記感湿伸縮膜に、基板中央部に位置させて、前記活性Ｓｉ層を露出させる第１の開口部を形成する工程と、
   前記感湿伸縮膜をレジスト層で覆う工程と、
   前記第１の開口部に露出させた前記活性Ｓｉ層をドライエッチングにより除去し、該除去部分に前記ＳｉＯ₂層を露出させる第２の開口部を形成する工程と、
   前記第２の開口部に露出させたＳｉＯ₂層をウエットエッチングにより除去し、該除去部分に前記活性Ｓｉ層と前記支持基板との間に空隙を生じさせる第３の開口部を形成することにより、この第３の開口部の上に位置する自由端部が弾性変形可能な前記活性Ｓｉ層をＳｉカンチレバーとする工程と、
   前記レジスト層を除去する工程と、
   を有することを特徴とする抵抗型湿度センサの製造方法。
7. 請求項６記載の抵抗型湿度センサの製造方法において、前記第３の開口部のエッジ位置を、前記複数のピエゾ抵抗素子の下方に定めた抵抗型湿度センサの製造方法。
8. 請求項６または７記載の抵抗型湿度センサの製造方法において、前記ＳｉＯ₂層は、２μｍ以下の膜厚で形成する抵抗型湿度センサの製造方法。
9. 請求項６ないし８のいずれか一項に記載の抵抗型湿度センサの製造方法において、前記支持基板、前記ＳｉＯ₂層及び前記活性Ｓｉ層として、ＳｉＯ₂層を挟んで一対のＳｉ基板を積層したＳＯＩ基板を用いる抵抗型湿度センサの製造方法。
10. 請求項６ないし９のいずれか一項に記載の抵抗型湿度センサの製造方法において、前記感湿伸縮膜は、イミド結合を有する高分子樹脂により形成する抵抗型湿度センサの製造方法。

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