JP2020525803A - マイクロメカニカル膜センサの製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、マイクロメカニカルセンサ、特に圧力差センサを製造する方法に関し、該方法は、基板（５）に機能層（２）を作るステップ、センサ膜（２，２０）のための機能層（２）を露出させるために、基板（５）の裏側（７）から始まって、少なくとも１つの裏側のトレンチ領域（１０，１１，１２，１３，３０）を作るステップ、センサ膜（２，２０）のためのサスペンションとして、基板（５）内に少なくとも１つの支持構造（１７）、特に、好ましくはバネ構造の形式のエネルギー貯蔵構造を形成するために少なくとも１つの表側のトレンチ領域（１９）を作るステップ、および少なくとも１つの表側のトレンチ領域（１９）に少なくとも部分的にゲル（２０）を充填するステップを含む。

Description

本発明は、マイクロメカニカルセンサ、特に圧力差センサの製造方法に関する。

本発明は、マイクロメカニカルセンサにも関する。

本発明は、一般に、任意のタイプのマイクロメカニカルセンサに適用可能であるが、圧力差センサの形態のマイクロメカニカルセンサに関連して本発明を説明する。

マイクロメカニカル圧力差センサは、通常、機械−電気変換器として使用される半導体抵抗器を含む。これらの半導体抵抗器は、対応する膜への圧力の影響によって生じる機械的負荷を吸収するだけでなく、機械的干渉によって生じる負荷も吸収する。機械的負荷は、一方では、圧力差センサを結合する場合に、例えば、圧力差センサが配置される回路基板の変形によって、または層構造／パッケージの変形につながるはんだ付けによる接触によって生じることもあり、他方では、センサ自体による負荷によって生じることもある。後者は、例えば、層構造の異なる層の異なる温度挙動によって、または特に大面積のボンディングランドが塗布される場合に、金属めっきの異なる温度挙動によって引き起こされる場合もある。上述の効果は、圧力差センサの製造履歴、すなわち製造ステップの順序にも依存しており、これは、圧力差センサ供給前の比較に基づいてしか補正することができない。

したがって、このことから、例えば、実質的に全ての側で圧力センサの膜をトレンチにより露出することによって、すなわち実質的に全ての側で個々の接続部を除いて膜をエッチング除去することによって、電気供給線を膜の上方に導くことができるように圧力差センサの部分、すなわち、膜および対応するマイクロメカニカル圧力センサを圧力差センサの残りの部分から機械的に切り離すことが提案されている。圧力センサは、全面の裏側のトレンチによって露出され、裏側トレンチは、続いて、裏側キャップを有するウェーハボンドによって労力をかけて再び閉じられる。圧力アクセスホールを有する付加的な表側カバーは、露出した圧力センサを上方から保護する。

一実施形態では、本発明は、マイクロメカニカルセンサ、特に圧力差センサを作製する方法を提供し、該方法は、
基板に機能層を作るステップ、
センサ膜のための機能層を露出させるために、基板の裏側から始まって、少なくとも１つの裏側のトレンチ領域を作るステップ、
センサ膜のためのサスペンションとして、基板内に少なくとも１つの支持構造、特に、好ましくはバネ構造の形式のエネルギー貯蔵構造を形成するために少なくとも１つの表側のトレンチ領域を作るステップ、および
少なくとも１つの表側のトレンチ領域に少なくとも部分的にゲルを充填するステップ
を含む。

さらなる実施形態では、本発明は、請求項１〜１０までのいずれか1項に記載の方法により作製されたマイクロメカニカルセンサを提供し、特に、マイクロメカニカルセンサは圧力差センサとして構成され、圧力センサ膜は、機能層と、機能層に塗布したゲルとを有する。

換言すれば、本発明の実施形態は、機能層を全ての側から露出することを可能にし、部分的な露出により生じる間隙、溝、および割れ目は、表側を裏側から封止するために部分的にゲル化する。

これにより、特に圧力センサ膜を形成するために、機能層の全ての側を露出することが可能になり、機能層領域が、パッケージまたはパッケージの適用場所からの応力から分離されるという利点が達成できる。さらにウェーハレベルでゲル化を行うことができ、したがって、より経済的な組立および接続技術が可能になる。別の利点は、明確に定めたトレンチ領域、例えば、基板内の割れ目などの充填によって、応力分離を正確な方法で行うことができることである。このことは、制御が困難な大きい接着剤厚がもはや必要ではないので、異なるセンサ間のばらつきを低減する。

用語「トレンチ形成」は、最も広い意味で理解されるべきであり、特に、例えば、エッチング、特に、シリコンにおける反応性イオンエッチングによって、ベース材料から材料を除去することによって溝、孔、間隙などを作ることを意味する。

用語「実質的に」または「ほぼ」は、最も広い意味で理解されるべきであり、特に特許請求の範囲、好ましくは説明において、寸法、位置、間隔、距離、分数などに関する差異、変動、許容差などに関する。例えば、「１つの大きさは、本質的に第２の大きさに等しい」という表現は、２つの大きさが、互いに、特に１００％、好ましくは７５％、特に５０％、好ましくは少なくとも２５％、特に２０％、好ましくは１０％、特に少なくとも０．５％、好ましくは０．１％未満、特に０．００１％未満などだけ互いに異なっていてもよいことを意味する。例えば、「ほぼ等方性のトレンチ形成ステップ」という表現は、５０％を超える、特に６０％を超える、好ましくは７０％を超える、特に８０％を超える、好ましくは９０％を超える、特に９５％を超えるトレンチ形成が等方性に行われることを意味する。

用語「ゲル」は、最も広い意味で理解されるべきであり、特に、少なくとも２つの成分、特に、ポリマーネットワークおよび溶媒を含む分散系を意味する。用語「ゲル」は、特に、柔らかい集合体を意味し、ポリマーネットワークが全ての溶媒を吸収した場合にゲルが生じる。特に、用語「ゲル」は、架橋および非架橋ゲルの両方を含む。ゲルの例は、シリコーンヒドロゲル、ポリアクリルアミドまたはポリマコン（ＣＡＳ番号２５０５３−８１−０）をベースとするヒドロゲル、または例えば架橋ポリマーをベースとするヒドロゲル、例えば、ポリ（２−アクリルアミド−２−メチル−１−プロパンスルホン酸）、ポリエチレングリコールまたはポリビニルピロリドンである。

本発明のさらなる特徴、利点、およびさらなる実施形態を、以下に説明し、これにより明らかにする。

有利な実施形態によれば、少なくとも１つの裏側のトレンチ領域を作るために、複数の裏側のトレンチホールを生成する。このようにして達成できる利点の１つは、少なくとも１つの裏側のトレンチ領域を簡単に作ることが可能になることである。

さらなる有利な実施形態によれば、少なくとも１つの空洞を、裏側のトレンチホールの間に第１の接続トレンチ領域を形成するために生成する。このようにして、裏側の複数のトレンチホールを流体的に接続することができる。

さらなる有利な実施形態によれば、少なくとも１つの表側のトレンチ領域を形成するために、表側の複数のトレンチを形成する。これにより、一方では、機能層のほぼ全ての側における露出を達成することができ、他方では、センサ膜のためのサスペンションを作ることができる。

さらなる有利な実施形態によれば、基板と機能層との間にストップ層を作り、少なくとも１つの裏側のトレンチ領域をこの層まで作り、続いて、センサ膜の領域のストップ層を除去する。ストップ層によって、時間制御された作製プロセスにおいてプロセスのばらつきを低減することができる。

さらなる有利な実施形態によれば、複数の表側のトレンチ領域の間に少なくとも１つの第２の接続トレンチ領域を形成するために、少なくとも１つの空洞を生成する。したがって、２つの表側のトレンチ領域間の流体接続を簡単な方法で確立することができ、これにより、エネルギー蓄積構造は、例えば、ほぼ完全に露出したセンサ膜領域が吊り下げられる長いバネの形態で形成する。

さらなる有利な実施形態によれば、裏側のトレンチホールの直径は、第１および／または第２の接続トレンチ領域の少なくとも１つの空洞の横断面の直径よりも小さくなるように選択する。これにより、ゲルが基板の裏側を通って、例えばウェーハのホルダに流れ、ホルダを汚染することを容易に防止することができる。この場合、ゲルは水平方向にしか流れることができない。

さらなる有利な実施形態によれば、複数の第１の接続トレンチ領域を作り、これらの第１の接続トレンチ領域は、少なくとも１つのトレンチチャネルを介して互いに流体接続し、少なくとも１つの第１の接続トレンチ領域は、機能層を露出するために、機能層の直下に作る。このようにして、一方では、連通する空洞を生成することができ、粒子による機能層の下側の汚染をさらに低減する。

さらなる有利な実施形態によれば、少なくとも１つの表側のトレンチ領域は、少なくとも１つの裏側のトレンチ領域よりも時間的に前に作る。これにより達成される利点の１つは、表側のトレンチ領域を最初に完全に作り、次に対応する裏側のトレンチ領域を裏側から作ることであり、これにより、全体としてマイクロメカニカルセンサの作製を簡単化する。

さらなる有利な実施形態によれば、マイクロメカニカルセンサは、圧力センサ膜として構成した機能層を有する圧力差センサとして構成している。このようにして、簡単かつ安価な方法で圧力差センサを提供する。

本発明のさらなる重要な特徴および利点が、従属請求項、図面、およびその一部をなす図面に基づいた図面の説明から明らかになる。

言うまでもなく、上述した特徴および以下に説明する特徴は、それぞれの場合に示された組み合わせだけでなく、本発明の範囲から逸脱することなく、他の組み合わせで、または単独で使用することができる。

本発明の好ましい構成および実施形態を図面に示し、以下の説明においてより詳細に説明する。同じ符号は、同じまたは類似の、または機能的に同じ構成要素または要素に関係する。

本発明の第１の実施形態による方法のステップを示す図である。 本発明の第１の実施形態による方法のステップを示す図である。 本発明の第２の実施形態による方法のステップを示す図である。 本発明の第２の実施形態による方法のステップを示す図である。 本発明の第３の実施形態による方法のステップを示す図である。 本発明の第４の実施形態による方法のステップを示す図である。 本発明の一実施形態による方法により作製された圧力差センサを示す概略図である。

図１ａ〜１ｈは、膜を有するマイクロメカニカルセンサ１を作製するための本発明の第１の実施形態による方法のステップを示し、マイクロメカニカルセンサ１はそれぞれ断面図で示している。

図１ａに示す第１のステップでは、ウェーハ５の表側の領域に、ストップ層４を備え（例えばＳｏｌウェーハ）、必要に応じて拡散された圧電抵抗（図示せず）、導体路（図示せず）、ボンドパッド３があり、そして例えば５〜１００の高アスペクト比を有するトレンチホール１０をウェーハ５の裏側７に、例えばエッチングによって作製する。ストップ層４は、ウェーハ内に公知の方法で、例えば、基板に堆積させ、この堆積したストップ層４にいわゆる「センサ層または機能層２」を塗布することによって、作製することができる。ストップ層４は、公知の方法で酸化ケイ素から作製することができる。

図１ｂに示す第２のステップでは、０．１〜３のアスペクト比を有する等方性またはほぼ等方性のトレンチを設け、これにより、つながった空洞１１が生じる。２つのトレンチホール１０は、空洞１１によって流体的に接続されている。

図１ｃに示す第３のステップでは、トレンチホール１０を、表側６またはストップ層４の方向に空洞１１を越えて延ばし、０．１〜３の間のアスペクト比を有する等方性またはほぼ等方性の第２のトレンチを設け、これにより第２の空洞１３がストップ層４の下方に生じ、第１の空洞１１に流体的に連通もしくは接続する。

図１ｄに示す第４のステップでは、ストップ層４上に露出して配置された機能層２の機械的挙動に対するこの層４の影響を回避するために、ストップ層４を、第２の空洞１３の領域で除去する。

図１ｅに示す第５のステップでは、等方性またはほぼ等方性の第３のトレンチを設け、これに加えて、互いに連通しない空洞１５、１６、または互いに連通する空洞を作製し、後者は図１ｅには示していない。この場合、第２および第３のステップで作製した裏側のトレンチホール１０、空洞１１および１３、ならびに接続チャネル１２を、例えばこれらが第５のステップでエッチングする場合に損傷されることを回避するために、例えばドライレジストによって覆うことができる。

図１ｆに示す第６のステップでは、トレンチ１９によって表側６から、バネ構造１７、および機能層２、特に圧力センサ膜領域を、側方に露出させ、図１ｆでは左側で露出する。この場合、応力分離を保証するが、表側と裏側６、７は依然として流体接続しており、センサ１の表側と裏側との間の差圧を測定することはできない。

図１ｇに示す第７のステップでは、表側６から裏側７への流体接続は、液体またはゲル状の材料２０を空間１９、１８、１５に充填し、機能層２に塗布することによって中断する。したがって、圧力センサ膜は、露出した機能層２と、この層２に塗布したゲル２０とによって形成される。好ましくは、ゲル２０は、最初は実質的に液状の材料であり、硬化もしくは架橋ステップの後にゲル状に、すなわち柔らかくなり、塑性変形可能ではなくなる。ゲル２０が柔らかく構成されるほど、パッケージからの圧力センサ膜領域の応力分離が良好になる。まだ架橋されていないゲルは、例えば、スクリーン印刷プロセスを用いて、例えばボンドパッド領域３が汚染されることなく、ウェーハ５の表面に塗布することができる。適切な圧力で、ゲル２０は、特に、空間１５、１８、１９に流れ込み、空気は、裏側のトレンチへのアクセスホール１０、１４、１６を通って逃げることができる。アクセスホール１０、１４、１６の直径が空洞１１、１５、１８の横断面よりも小さい場合には、ゲル２０は、裏側７を通る代わりに第１の空洞１１の方向に、すなわちトレンチホール１０、１４、１６に入り、これらのトレンチホールを通過して水平方向に流れ、ゲル２０は、例えばウェーハ５のホルダを汚染する恐れがある。表側のトレンチ１８の下部領域から第１の空洞１１までの適切な水平方向流路長さにより、ゲル充填ステップのプロセス信頼性がもたらされる。第１の空洞１１の一部には、センサ性能に著しい影響を及ぼすことなしにゲル２０を充填することさえできる。しかしながら、第２の空洞１３がこのように閉じられ、もはや裏方から膜２に圧力を加えることができないので、第１の空洞１１を充填することを回避することが望ましい。

図１ｈに示す第８のステップにおいて、マイクロメカニカルセンサ１を、表側印刷と裏側印刷とを接続することができるように、組立および結合技術において接着する。

図２ａ〜図２ｆは、本発明の第２の実施形態による方法のステップを示す。

図２は、０．１〜３のアスペクト比のただ１つの等方性またはほぼ等方性のトレンチを有し、圧力センサ膜の下方に格子構造を有さない差圧センサを製造するための本発明の第２の実施形態を示す。

図２ａに示す第１のステップでは、図１ａのステップ１と同様に、例えば、５〜１００の高アスペクト比を有する複数の裏側のトレンチホール１０、１６を形成する。

図２ｂに示す第２のステップでは、次に、等方性またはほぼ等方性のトレンチによってウェーハ５の裏側７から空洞１１、１８を形成し、いずれか１つの空洞１１が多数のトレンチホール１０を流体的に接続する。

図２ｃに示す第３のステップでは、キャビティ３０を、例えばストップ層４、例えばＳＯＩウェーハの酸化シリコンまで、例えば異方性エッチングにより生成し、これにより圧力センサ膜２を定める、すなわち、実質的に圧力センサ膜２を下方で露出する。この場合、空洞１１へのアクセスホールもしくは裏側のトレンチホール１０は、例えばドライレジストによってマスクすることができる。ストップ層４に対するキャビティ３０は空洞１１と重なり合い、露出した圧力センサ膜領域が後に生じる。

図２ｄに示す第４のステップでは、後の圧力センサ膜の機械的挙動に対するストップ層４の影響を回避するために、機能層２の下のストップ層４を除去する。

図２ｅに示す第５のステップでは、圧力センサ膜領域は、表側のトレンチ１９によって露出させ、これにより空洞１８を表側のトレンチ１９と流体的に接続し、同様に空洞１１、１８の間の流体接続も確立される。

図２ｆに示す第６のステップでは、図１ｈに示す第８のステップと同様に、空間にゲル２０を充填するか、もしくはゲル２０を機能層２に塗布し、ゲル２０は続いて硬化または架橋する。したがって、圧力センサ膜は、露出した機能層２と、この機能層２に塗布したゲル２０とによって再び形成される。

図３ａ〜図３ｄは、本発明の第３の実施形態による方法のステップを示す。

図３は、等方性またはほぼ等方性のトレンチステップなしに、圧力センサ膜の下方の格子構造なしに、そしてゲル２０のための受止め領域なしに、差圧センサを製造するためのプロセスフロー図を示す。

図３ａに示す第１のステップは、実質的に図１ａに示す第１のステップに対応する。図１ａに示す第１のステップとは異なり、図３ａに示す第１のステップでは、裏側にトレンチホール１０を生成しないが、その代わりにストップ層４までトレンチを形成し、このようにして圧力センサ膜を定める。

図３ｂに示す第２のステップでは、ストップ層４を除去する。

図３ｃに示す第３のステップでは、ウェーハ５全体を、表側６からトレンチを形成し、間隙１９を形成し、その間にストップ層４を除去する。

図３ｄに示す第４のステップでは、再び、間隙１９をゲル２０により充填し、ゲル２０を、図１ｇに示す第７のステップと実質的に同様に、機能層２の表側に塗布する。したがって、圧力センサ膜２、２０は、機能層２の露出した領域と、機能層２に塗布したゲル２０とによって再び形成される。

図４ａ〜図４ｄは、本発明の第４の実施形態による方法のステップを示す。

図４は、等方性またはほぼ等方性のトレンチステップなしに、圧力センサ膜の下方の格子構造なしに、そしてゲル受止め領域なしに、本発明の第４の実施形態により圧力差センサを製造するためのプロセスフロー図を示す。

図４ａに示す第１のステップでは、圧力センサ膜領域をストップ層４まで露出させるために、トレンチ１０とトレンチ３０の両方を裏側に設ける。

図４ｂに示す第２のステップでは、裏側の２つのトレンチ１０およびトレンチ３０においてストップ層４をそれぞれ除去する。

図４ｃに示す第３のステップでは、裏側の２つのトレンチ１０を対応して開け、もはやストップ層４を除去する必要はない。

図４ｄに示す第４のステップでは、次に、ゲル２０が裏側のトレンチ１０内へ部分的にのみ流れ込むように、トレンチ１０の充填を行う。換言すれば、図４の実施形態では、バネ構造１７を露出させるための分離空間の一部を、トレンチ３０によって圧力センサ膜を定めるステップで設ける。このことは、特にエッチング時間が短縮されるという利点を有する。なぜならば、表側６から裏側７への局所的な開放後には拡散経路がより大きく、エッチング時間のばらつきがより少なくなることに基づいて、機能層２の表側６から裏側７へのエッチング作用が低減するからである。

図５は、本発明の一実施形態による方法により製造した圧力差センサの概略図を示す。

図５は、図１によるステップａ）〜ｆ）を実施した後の圧力差センサを示す。図１は、基板５の左側から圧力センサ膜の中心までの断面を示す。この場合、機能層２のみを示しており、ゲル充填は示していない。裏側のトレンチホール１４と、機能層２の下方の露出した領域もしくは空洞１３を見ることができる。図５では、露出したバネ状構造１７の下方に裏側のトレンチホール１６は示していない。この場合、バネ状構造１７は、基板５の４つのうちの２つの縁部から始まって、実質的にＳ字形に構成している。

全ての実施形態において、梁バネ１７として示す構造は、メアンダ状のバネ、角を有するバネ、または任意の曲線形状を有するバネとして構成もしくは分離することもできる。この場合、圧力センサ膜の領域に接触させるために任意の数のバネを形成することができる。バネは、結合および／または分割することができ、圧力センサ膜の領域にセンサを懸吊し、必要に応じて接触させる役割を果たすことができる。

要約すると、少なくとも１つの実施形態は、以下の利点のうちの少なくとも１つを有するか、またはこれらの利点のうちの１つを可能にする。
パッケージからの応力の回避
パッケージの保管場所からの応力の回避
安価な組立および接続技術
例えば、スクリーン印刷によって、ウェーハレベルでゲル化することが可能
明確に定めたトレンチ／ホールを介した充填の制御。

本発明を好ましい実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、多様に変更することが可能である。

Claims (11)

1. マイクロメカニカルセンサ、特に圧力差センサを作製する方法であって、
   基板（５）に機能層（２）を作るステップ、
   センサ膜（２，２０）のための機能層（２）を露出させるために、基板（５）の裏側（７）から始まって、少なくとも１つの裏側のトレンチ領域（１０，１１，１２，１３，３０）を作るステップ、
   センサ膜（２，２０）のためのサスペンションとして、基板（５）内に少なくとも１つの支持構造（１７）、特に、好ましくはバネ構造の形式のエネルギー貯蔵構造を形成するために少なくとも１つの表側のトレンチ領域（１９）を作るステップ、および
   少なくとも１つの表側のトレンチ領域（１９）に少なくとも部分的にゲル（２０）を充填するステップ
   を含む方法。
2. 請求項１に記載の方法において、
   少なくとも１つの前記裏側のトレンチ領域（１０，１１，１２，１３，３０）を作るために、複数の裏側のトレンチホールを生成する、方法。
3. 請求項２に記載の方法において、
   前記裏側のトレンチホール（１０）の間に第１の接続トレンチ領域を形成するために少なくとも１つの空洞（１１、１３、１５）を生成する、方法。
4. 請求項１から３までのいずれか１項に記載の方法において、
   少なくとも１つの前記表側のトレンチ領域（１９）を形成するために、表側の複数のトレンチを形成する、方法。
5. 請求項１から４までのいずれか１項に記載の方法であって、
   前記基板（５）と前記機能層（２）との間にストップ層（４）を作り、
   少なくとも１つの前記裏側のトレンチ領域（１０、１１、１２、１３、３０）をストップ層（４）まで作り、
   続いて、前記センサ膜（２、２０）の領域のストップ層（４）を除去する
   方法。
6. 請求項１から５までのいずれか１項に記載方法において、
   複数の前記表側のトレンチ領域（１９）の間に少なくとも１つの第２の接続トレンチ領域（１８）を形成するために、少なくとも１つの空洞を生成する、方法。
7. 請求項２に記載の方法において、
   前記裏側のトレンチホール（１０）の直径を、第１の接続トレンチ領域（１１、１３、１５）および／または第２の接続トレンチ領域（１８）の少なくとも１つの空洞（１１、１３、１５）の横断面の直径よりも小さくなるように選択する、方法。
8. 請求項３に記載の方法において、
   複数の第１の接続トレンチ領域（１１、１３）を作り、該第１の接続トレンチ領域を少なくとも１つのトレンチチャネル（１２）を介して互いに流体接続し、少なくとも１つの第１の接続トレンチ領域（１３）を、前記機能層（２）を露出するために該機能層の直下に作る、方法。
9. 請求項１から８までのいずれか１項に記載の方法において、
   少なくとも１つの前記表側のトレンチ領域（１９）を、少なくとも１つの前記裏側のトレンチ領域（１０、１１、１２、１３、３０）よりも時間的に前に作る、方法。
10. 請求項１から９までのいずれか１項に記載の方法において、
    前記機能層（２）の露出時に前記第１および／または第２の接続トレンチ領域（１１、１３、１５、１８）への１つまたは複数のアクセスチャネル（１０、１２、１４、１６）をマスクする、方法。
11. 請求項１〜１０までのいずれか1項に記載の方法により作製されたマイクロメカニカルセンサであって、
    該マイクロメカニカルセンサが圧力差センサとして構成され、圧力センサ膜が、機能層（２）と、該機能層（２）に塗布したゲル（２０）とを有する、マイクロメカニカルセンサ。

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