JP4253046B2 - ダイヤフラムの異常検出装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に、ダイヤフラムの異常を検出する装置に関し、特に、半導体ダイヤフラムの異常検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年のマイクロマシーニング（ｍｉｃｒｏ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ）技術の進展に伴い、半導体ダイヤフラムは様々な用途に利用されている。たとえば、半導体圧力センサ、流速センサ、加速度センサ、マイクロマシーニング・リレー、更には流体の入出流を制御するアクチュエータ等にも利用されている。また、半導体ダイヤフラムを利用するこの種の装置は、様々な産業分野に利用されうるが、医療機器の技術分野への利用も期待されている。数ミリメートル四方のわずかな領域に、極めて小さな一種のポンプ構造等を作ることができるためである。
【０００３】
図１（ａ）は、半導体ダイヤフラムを用いた従来のピエゾ抵抗型の圧力センサ（１０）の断面図。図１（ｂ）は圧力センサ（１０）の平面図を示し、Ａ−Ａ線断面図が図１（ａ）である。この圧力センサ（１０）は、ダイヤフラム（１３）と、そのダイヤフラムを支持するＮ型半導体基板（１１）と、ダイヤフラム（１３）上に設けられＰ−拡散層より成るピエゾ素子（１２）から構成され、そのピエゾ素子には電源および圧力検出端子（図示せず）に対する所定の電気配線（図示せず）が施される。
【０００４】
圧力センサ（１０）は、次のように動作する。まず、外部からの圧力が加わっていない場合、ピエゾ素子（１２−１）ないし（１２−４）には応力が作用しないので、圧力検出端子から得られる電気信号は、圧力が加わっていないことを示す。次に、外部から圧力が加わると、ダイヤフラム（１３）は矢印（１４）で示す方向にたわみを生じる。このたわみにより、ピエゾ素子（１２−１）ないし（１２−４）は、矢印（１５）または（１６）で示す向きの応力を受ける。各ピエゾ素子に作用する応力の向きが異なるのは、ピエゾ素子の配置に起因する。すなわち、ダイヤフラムの周辺部に対してピエゾ素子（１２−１）および（１２−３）は垂直に配置される一方、ピエゾ素子（１２−２）および（１２−４）は平行に配置されるためである。また、各ピエゾ素子をダイヤフラムの周辺に配置するのは、ダイヤフラムにたわみが生じた場合に周辺に生じる応力が、他の部分に生じる応力より大きいためである。矢印（１５）および（１６）で示す向きに作用する応力に依存して、ピエゾ素子（１２−１）および（１２−３）の抵抗が増加／減少し、ピエゾ素子（１２−２）および（１２−４）の抵抗が減少／増加する。その結果、圧力検出端子に生じる電位差を検出することにより、圧力を検出することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来のダイヤフラムを利用する装置には、ダイヤフラムにひび割れ、クラック、変形、損傷等の異常が生じた場合、その異常を検出する機構が設けられていなかった。本発明は、ダイヤフラムの異常を容易に検出できる装置を提供することを目的とする。
【０００６】
また、半導体ダイヤフラムを利用する装置を製造する際、ウェファ製造工程で生じた異常を、ウェファ・レベルで検出することはできなかった。ウェファ製造工程の後、装置全体の組み立てを終了した後でなければ異常を検出することができなかった。例えば、半導体圧力センサの場合、圧力センサとして組み立て、外圧を加えて出力特性を検査する等して、ダイヤフラムの良不良が判明するに過ぎなかった。本発明は、ウェファ・レベルでもダイヤフラムの異常を容易に検出できる装置を提供することを目的とする。
【０００７】
ダイヤフラムの異常は、製造工程だけでなく、ユーザが使用する際にも生じうる。ユーザの使用時において、ダイヤフラムに異常が生じているか否かを判別するのは一般に困難である。たとえば、半導体圧力センサから得られる出力データが、外圧による正規のものか、ダイヤフラムの異常によるものかを判別することは困難である。本発明は、ユーザの使用時においてもダイヤフラムの異常を容易に検出できる装置を提供することを目的とする。
【０００８】
さらに、ダイヤフラムの損傷が、初めのうちは小さかったがその後徐々に大きくなる場合もある。本発明は、ダイヤフラムの異常を早期に発見できる装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述した目的は、ダイヤフラムと、ダイヤフラムを支持する基板と、前記ダイヤフラムの少なくとも一方の面内に形成される線状抵抗から構成されるダイヤフラムの異常検出装置により達成される。その線状抵抗の一端は異常検出端子に結合される。一実施例にあっては、線状抵抗は、ダイヤフラムの周辺部および中央部に形成され、線状抵抗は複数の線要素から構成され、１つの線要素から隣の線要素までの距離が実質的に一定である。また、少なくとも２つの線要素のレイアウト・パターンが、互いに相似形である。
【００１０】
【作用】
本発明による異常検出装置は、ダイヤフラム上に形成された線状抵抗を有し、その線状抵抗の一端は、異常検出端子に結合される。ダイヤフラムに異常があると、線状抵抗全体の抵抗値は、異常がない場合とは異なる値になる。異常検出端子を用いて線状抵抗の抵抗値を測定し、正常時の値と比較すれば、ダイヤフラムの異常を検出することができる。
【００１１】
【実施例】
（１）第１実施例
図２は、本発明の第１実施例である半導体圧力センサ（２０）を示す。図２（ｂ）は圧力センサ（２０）の平面図を示し、Ａ−Ａ線断面図が図２（ａ）である。この圧力センサ（２０）は、図１に示す従来の圧力センサと同様に、ダイヤフラム（２３）と、そのダイヤフラムを支持するＮ型半導体基板（２１）と、ダイヤフラム（２３）上に設けられＰ−拡散層より成るピエゾ素子（２２）から構成され、そのピエゾ素子には、電源および圧力検出端子に対する所定の電気配線（図示せず）が施される。
【００１２】
本実施例は、従来の圧力センサ（１０）とは異なり、ダイヤフラム（２３）上に図示のように線状抵抗（ｒ）が配置されている。ピエゾ素子（２２）を形成し、ピエゾ素子（２２）の電気配線を施す際に、イオン注入でＰ＋拡散層を形成することにより、線状抵抗（ｒ）が配置される。線状抵抗（ｒ）を形成するプロセスは、電源および圧力検出端子に対するピエゾ素子の配線を形成するプロセスと同様であるため、ピエゾ素子を配線する段階で形成することが望ましいが、これに限定されない。Ｐ＋拡散層のドーパント濃度は、好適には１Ｅ＋１９ないし１Ｅ＋２０ ａｔｏｍ／ｃｍ３であるが、用途に応じて他の値もとりうる。後述するように、ダイヤフラムの変形による抵抗変化を検出できる程度に線状抵抗の抵抗値が小さければよいためである。ちなみに、この種の圧力センサに用いられるピエゾ素子のドーパント濃度は、一般に１Ｅ＋１５ないし１Ｅ＋１７ａｔｏｍ／ｃｍ３である。線状抵抗（ｒ）の一端は異常検出端子Ｓ１に結合され、他端は異常検出端子Ｓ２に結合される。ダイヤフラム（２３）において、ピエゾ素子（２２）が設けられる領域以外の領域は、線状抵抗（ｒ）により実質的に全体が覆われる。線状抵抗（ｒ）および異常検出端子Ｓ１，Ｓ２の関係は、図２（ｃ）の等価回路で示される。
【００１３】
次に、本実施例におけるダイヤフラムの異常を検出する方法について説明する。ダイヤフラムのひび割れ、クラック等の異常は、異常検出端子Ｓ１，Ｓ２に電圧または電流を印加して線状抵抗（ｒ）の抵抗値を測定することにより行なわれる。たとえば、ダイヤフラム内の領域Ｂ（図２（ｂ））において、ひび割れが生じている場合、このひび割れにより線状抵抗（ｒ）全体の抵抗値は、ひび割れが生じていない場合の抵抗値と異なる。特に、ダイヤフラムのひび割れによって領域Ｂにおける線状抵抗（ｒ）が断線している場合、線状抵抗（ｒ）全体の抵抗値は極端に大きくなる。こうして生じた抵抗値の変化を検出することにより、ダイヤフラムの異常を検出することができる。
【００１４】
本実施例では、ウェファ製造工程で生じた異常を、ウェファ・レベルで検出することもできる。また、本実施例では、ダイヤフラムが変形すると線状抵抗（ｒ）の抵抗値が変化するので、ダイヤフラムの変形による異常も検出することができる。本実施例によれば、ダイヤフラムにひび割れ、クラック、変形、損傷等の異常が生じたことを検出することができる。
【００１５】
ところで、ダイヤフラムの不具合が生じている領域Ｂが、線状抵抗から離れて位置する場合、ダイヤフラムの異常を検出することはできない。ダイヤフラムの異常が線状抵抗の抵抗値を変化させないためである。したがって、ダイヤフラム上の任意の場所における異常を検出するには、線状抵抗（ｒ）をダイヤフラムの全面にわたって設ける必要がある。また、抵抗（ｒ）が線状ではなく抵抗層のような面状である場合、ダイヤフラムの異常を良好に検出することはできない。ダイヤフラムの異常による抵抗値の変化が、線状である場合に比べて小さくなり、その抵抗値の変化を検出することが困難になるためである。したがって、ダイヤフラムの任意の場所における異常を良好に検出するには、ピエゾ素子等が配置される領域以外の領域全体を実質的に覆うように線状抵抗を配置し、かつ、その線状抵抗は細くて長い線状の抵抗であることが望ましい。ところが、抵抗体を細くすると、一般に、単位長さ当たりの抵抗値が増加するので、線状抵抗（ｒ）の抵抗値の変化が検出しにくくなってしまう。そこで、正常時における線状抵抗（ｒ）の抵抗値を小さくするため、たとえば線状抵抗のドーパント濃度を十分に高くする必要がある。
（２）第２実施例
本発明による線状抵抗（ｒ）に対する異常検出端子の結線パターンは、図２（ｂ）に示すものに限定されない。図３は、他の結線パターンを用いた場合の実施例を示す。図３（ａ）は圧力センサの平面図を示し、図３（ｂ）は異常検出回路の部分等価回路を示す。線状抵抗以外の素子および構造は、図２の場合と同様である。
【００１６】
本実施例では、４つの線状抵抗（ｒ１）〜（ｒ４）がダイヤフラム上に設けられている。各線状抵抗の一端は異常検出端子Ｓ１またはＳ２に結合され、他端は高電位電源Ｖｄｄまたは低電位電源ＶＳＳに結合され、図３（ｂ）に示すように全体としてブリッジ回路を構成する。４つの線状抵抗（ｒ１）〜（ｒ４）は、それぞれ同一の長さおよび抵抗値を有する。
【００１７】
次に、本実施例におけるダイヤフラムの異常を検出する方法について説明する。ダイヤフラムの異常に起因する線状抵抗の抵抗値変化を利用する点で、図２の場合と同様である。まず、ダイヤフラムが正常である場合、４つの線状抵抗（ｒ１）〜（ｒ４）はすべてほぼ同一の抵抗値を有するので、異常検出端子Ｓ１およびＳ２間に実質的に電位差は生じない。しかし、ダイヤフラムに異常が生じた場合、たとえば領域Ｂにひび割れが生じた場合、線状抵抗（ｒ１）の抵抗値が変化して、異常検出端子Ｓ１およびＳ２間に電位差が生じ、ダイヤフラムの異常を検出することができる。本実施例では、各線状抵抗が、それぞれダイヤフラムの１／４の領域を被覆するので、たとえば、どの線状抵抗の抵抗値が変化したかを判別することにより、いずれの領域でダイヤフラムの不具合が生じたかを知ることができ、圧力センサまたはその製造工程における不良解析等に役立つ。
【００１８】
次に、本実施例における圧力センサの圧力検出と、ダイヤフラムの異常検出との関係について説明する。本実施例では、４個のピエゾ素子（３３−１）ないし（３３−４）は、それぞれダイヤフラムの４つの周辺部に配置されるが、４個がすべて同じ位置関係で配置されてはいない。この点、従来の圧力センサ（１０）および第１実施例による圧力センサ（２０）と同様である。一方、各線状抵抗（ｒ１）〜（ｒ４）は、それぞれダイヤフラムの１／４の領域を各々均等に覆うように配置され、かつ、ダイヤフラムの周辺部に対して同じ位置関係で配置される。したがって、圧力センサに外圧が加わってダイヤフラムにたわみが生じた場合、各線状抵抗（ｒ１）ないし（ｒ４）はすべて同程度の抵抗値変化を示す。その結果、ダイヤフラムに異常が生じていれば異常検出端子Ｓ１およびＳ２間に電位差が生じるが、異常がなければ電位差は生じない。一方、ピエゾ素子（３３−１）ないし（３３−４）に対しては、図１で説明したのと同じ理由でピエゾ抵抗の変化に起因する電位差が検出され、圧力が検出される。したがって、本実施例では、圧力の検出とダイヤフラムの異常検出とは独立に行なわれる。すなわち、外部圧力によるダイヤフラムの正常な変形とダイヤフラムの異常とを明確に区別できるので、圧力センサの使用時においてもダイヤフラムの異常を検出することができる。
（３）他の実施例
上述した実施例では、線状抵抗はダイヤフラムの一方の面内に設けられていたが、ダイヤフラムの両面に設けることも可能である。この場合、ダイヤフラムのいずれの面に異常が生じても検出することができる。したがって、ダイヤフラムの一方の面側に生じた微細なひび割れが、徐々に大きくなって他の面側に及ぶような場合でも、微細なひび割れが生じた段階で異常を検出することができ、ダイヤフラムの異常を早期に発見できる。
【００１９】
また、上述した実施例では、図４に示すように線状抵抗は、複数の折れ線線要素（ｒ１，ｒ２，．．．）および複数の折返部（ｖ１，ｖ２，．．．）から構成され、ある線要素（ｒ１）から隣の線要素（ｒ２）までの距離ｄは実質的に一定となるようなレイアウト・パターンであったが、他のパターンを採用することもできる。たとえば、折れ線線要素ではなく単なる直線や曲線で線要素を構成することもできる。また、１つの線要素をジグザグな線で構成することも可能である。各線要素のパターンを複雑にすると、単なる直線で構成した場合に比べて高精度にダイヤフラムの異常を検出することができる。たとえば、図４に示すパターンを採用している場合、線要素（ｒ１）と（ｒ２）との間で、それらの線要素に沿う方向に小さなひび割れが生じた場合、ダイヤフラムの異常を検出することは困難になる。しかし、各線要素を構成する線のパターンを複雑にすると、そのような場合でも検出できる。要するに、どのようなパターンであっても、ダイヤフラムの任意の場所における異常を良好に検出するには、ダイヤフラム全体を実質的に覆うように線状抵抗を配置し、ダイヤフラムに生じるひび割れ等の異常が生じた場合に、線状抵抗の抵抗値を変化させることができればよいのである。
（４）更なる実施例
以上本発明をピエゾ抵抗型の圧力センサに適用した場合について説明してきたが、本発明はこれに限定されない。容量型の圧力センサに適用できるのはもちろんのこと、半導体ダイヤフラムを利用する流速センサ、加速度センサ、マイクロマシーニング・リレー、更には流体の入出流を制御するアクチュエータ等にも利用することができる。
【００２０】
図５は、本発明を容量型の圧力センサ（５０）に適用した場合の例を示す。ダイヤフラム（５３）に線状抵抗（ｒ）が設けられている。外圧が加わると、ダイヤフラム（５３）は矢印（５５）で示す方向にたわみ、コンデンサ（５３，５４）の容量が変化して圧力を検出する。
【００２１】
図６は、本発明をマイクロマシーニング・リレーに適用した場合の例を示す。両ダイヤフラム（６３）に線状抵抗（ｒ）が設けられている。静電気力等を利用して質量部（６２）を矢印（６７）で示す方向に動かすことにより、電極（６４）および（６５）が電気的に導通または非導通となる。
【００２２】
図７は、流体の入出流を制御するアクチュエータに適用した場合の例を示す。ダイヤフラム（７３）に線状抵抗（ｒ）が設けられている。ヒータ（７８）により流体（７５）が膨張し又は収縮して質量部（７２）を矢印（７７）で示す方向に動かすことにより、内部領域（８０）と外部領域（９０）とを隔離し又は結合する。これにより、内部領域（８０）と外部領域（９０）との間で流体（７６）の流入および流出を制御することができる。
【００２３】
図５ないし図７の例の場合も、ダイヤフラムに異常が生じると線状抵抗の抵抗値が変化して、その異常が検出される。これらの実施例の場合は、ダイヤフラム上にピエゾ素子を設ける必要はないので、線状抵抗（ｒ）のレイアウト・パターンに対する制約（たとえばピエゾ素子の領域を避けて線状抵抗を配置する等）が緩和される。
【００２４】
さらに、図７における質量部（７２）と外壁基板（７１）との間に異物が混入していることを検出することができる。すなわち、異物が混入していない場合、質量部（７２）を外壁基板（７１）に密着させようとすると、左右のダイヤフラム（７３）は同じように変形し、その変形による線状抵抗の抵抗値も同じように変化する。しかし、質量部（７２）と外壁基板（７１）との間の領域Ｂに異物が混入している場合、混入した異物により質量部（７２）を外壁基板（７１）に密着させることができなくなる。質量部（７２）を密着させようとすると、左右のダイヤフラム（７３）の変形の度合いは異なるので、線状抵抗の抵抗値も異なる値を有する。したがって、左右のダイヤフラムにおける線状抵抗の抵抗値の異同を評価することにより、異物の混入を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、半導体ダイヤフラムを用いた従来の圧力センサ断面図および平面図を示す。
【図２】図２は、本発明の一実施例であるピエゾ抵抗型の圧力センサの断面図および平面図を示す。
【図３】図３は、本発明他の実施例であるピエゾ抵抗型の圧力センサの他の断面図および平面図を示す。
【図４】図４は、本発明の実施例である線状抵抗の部分拡大平面図である。
【図５】図５は、本発明を用いた容量型の圧力センサの断面図を示す。
【図６】図６は、本発明を用いたマイクロマシーニング・リレーの断面図を示す。
【図７】図７は、本発明を用いた流体の入出流を制御するアクチュエータの断面図を示す。
【符号の説明】
１０，２０ ピエゾ抵抗型の圧力センサ
１１，２１，６１ 基板
１２，２２ ピエゾ抵抗素子
１３，２３，５３，６３，７３ 半導体ダイヤフラム
５１ ガラス基板
５２，６８，７４ 支持基板
５４ 金属層
６２，７２ 質量部
６４，６５，６６ 電極
７１ 外壁基板
７５，７６ 流体
７８ ヒータ
８０ 内部領域
９０ 外部領域
ｒ，ｒ１，ｒ２，ｒ３，ｒ４ 線状抵抗
Ｓ１，Ｓ２ 異常検出端子
Ｖｄｄ 高電位電源
Ｖｓｓ 低電位電源
ｒ１，ｒ２ 線状抵抗を構成する線要素
ｖ１，ｖ２ 線状抵抗を構成する折返部
ｄ 区間と区間との間の距離

Claims (7)

1. ダイヤフラムの異常検出装置であって、
   前記ダイヤフラムと、
   前記ダイヤフラムを支持する基板と、
   前記ダイヤフラムの少なくとも一方の面を複数の領域に分割し、前記複数の領域をそれぞれ覆う複数の線状抵抗であって、各線状抵抗の一端が異常検出端子に接続され、他端が電源端子に接続され、全体としてブリッジ回路を構成するように接続された複数の線状抵抗と、を備え、
   各線状抵抗の抵抗値の変化を検出することにより、前記複数の領域のどの領域でダイヤフラムの異常が発生しているかを判定することを特徴とするダイヤフラムの異常検出装置。
2. 前記各線状抵抗は複数の線要素から構成され、１つの線要素と隣の線要素との間の距離が実質的に一定であることを特徴とする請求項１記載のダイヤフラムの異常検出装置。
3. 前記各線状抵抗は複数の線要素から構成され、該複数の線要素のうち少なくとも２つの線要素のレイアウト・パターンが、互いに相似形であることを特徴とする請求項１記載のダイヤフラムの異常検出装置。
4. 前記各線状抵抗は複数の線要素から構成され、各線要素の少なくとも一端が前記ダイヤフラムの周辺部に配置されることを特徴とする請求項１記載のダイヤフラムの異常検出装置。
5. 前記各線状抵抗は、前記ダイヤフラム上で各々均等に配置されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項記載のダイヤフラムの異常検出装置。
6. 前記ダイヤフラムおよび前記基板はシリコンから構成され、前記各線状抵抗はＰ＋拡散層から構成されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項記載のダイヤフラムの異常検出装置。
7. 前記各線状抵抗を構成するＰ＋拡散層のドーパント濃度が１Ｅ＋１９ないし１Ｅ＋２０ａｔｏｍ／ｃｍ ^３ であることを特徴とする請求項６記載のダイヤフラムの異常検出装置。

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