JP4572686B2 - 静電容量型半導体物理量センサ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）デバイスとしての静電容量型半導体物理量センサ及びその製造方法に関し、特に、陽極接合時の放電対策に関する。

従来の静電容量型半導体物理量センサの一例を図８に示す。同図に示すように、シリコン半導体基板１（以下、シリコン基板という）の上面に絶縁性のガラス基板２を配置し、両基板１，２は、その周辺領域（接合領域）５において陽極接合法により接合されている。シリコン基板１は、エッチング加工によりフレーム状の支持枠３に対し、薄肉にして弾性を持たせ上下に変位可能とした感圧部４が形成されている。この感圧部４の上下両面が可動電極となり、この可動電極に対向させて上側のガラス基板２の内面には固定電極７が設けられている。そして、可動電極と固定電極との間には、ギャップ６に応じた静電容量が発生し、圧力が加わることにより、感圧部４が移動するためギャップ６が変化し、両電極間に発生する静電容量も変化する。その静電容量の変化を検出することにより、ギャップの変化、すなわち圧力を求めるようになっている。

外部回路への信号取り出しは、ガラス基板２に形成されたスルーホール８ａ，８ｂを介して、シリコン基板１つまり可動電極と導通した導電膜９ａと、シリコン基板１とは絶縁膜１０を介して絶縁状態で固定電極７にそのリード部７ｃを介して導通した導体膜９ｂとより行われるようになっている。なお、１１はシリコン基板１とガラス基板２を陽極接合法によって接合するときの電源を示す。このシリコン基板１とガラス基板２との陽極接合は、接合のための高電圧印加時に、変位可能な感圧部４が静電引力によりガラス基板２に形成された固定電極７と接近し、その間で放電Ａが発生し、固定電極７が熱によって合金化して感圧部４と溶着するおそれがある。かかる事態が生じると、感圧部４は変位しなくなり、圧力を検出できなくなるという問題がある。

かかる問題を解決するため、図９、図１０に示すように、前述と同等のセンサにおけるガラス基板２に、ガラス基板２の固定電極７とシリコン基板１の可動電極とを導通する短絡導電パターン（同電位配線）７０を予め設けておき、陽極接合のための高電圧印加時には、同電位配線７０を介して両電極を導通させておくことが知られている（例えば、特許文献１参照）。これにより、陽極接合の際には、固定電極とシリコン基板とが同電位になるので、陽極接合時に放電が生じることがなく、両電極が接触して融着することがなく、高い接合強度も得られる。しかしながら、同電位配線を施したままでは所望のセンサ特性が得られない。

そこで、陽極接合時には短絡導電パターンを介して固定電極とシリコン基板が導通し、通常の物理量測定時には固定電極とシリコン基板とが非導通となるギャップを有する短絡導電パターンを設けることが知られている（例えば、特許文献２参照）。ところが、この短絡導電パターンは、ガラス基板とシリコン基板の間に設けているので、短絡導電パターンの周辺に接合ボイド（接合されず、気泡をかんでいるような状態）が生じ易いという問題がある。

また、短絡導電パターンをシリコン基板とガラス基板との接合部の外側のシリコン基板上に設け、この短絡導電パターンを陽極接合後にレーザなどを用いて切断することが提案されている（例えば、特許文献３参照）。しかしながら、この場合、短絡導電パターンを両基板の接合部の外側に設けるので、チップサイズが大きくなる問題がある。
特開平１０−０９０３００号公報 特開平９−１９６７００号公報 特開平６−３４０４５２号公報

本発明は、上述した問題を解消するもので、絶縁基板と半導体基板とを陽極接合するときに絶縁基板側の固定電極と半導体基板側の可動電極とを同電位として放電が生じないようにし、接合ボイドの発生やセンサチップの大型化を招くことなく、高い接合強度と所望のセンサ特性が得られる静電容量型半導体物理量センサ及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解消するために本発明は、絶縁基板と半導体基板の互いに対向する周辺領域（接合領域という）を陽極接合のために接触させるとともに、両基板間に陽極接合電圧を印加して陽極接合させて一体化して成り、前記絶縁基板の接合面側には固定電極が設けられ、前記半導体基板の接合面側には可動電極が設けられた静電容量型半導体物理量センサの製造方法において、前記陽極接合前に前記固定電極と可動電極とを短絡する同電位配線を、前記接合領域の内側で絶縁基板の接合面側に形成しておき、前記陽極接合後に、前記同電位配線を切断し、除去することを特徴とする。

上記において、同電位配線の切断は、絶縁基板側から透過させたレーザ照射により行うことができる。

上記において、同電位配線の切断は、絶縁基板に設けられた固定電極用及び可動電極用の各スルーホール底部に露出した導電膜層間に電圧を印加することにより同電位配線に電流を流し、それに基づく発熱により溶断することにより行うことができる。

また、本発明は、絶縁基板と半導体基板の互いに対向する周辺領域（接合領域という）を陽極接合のために接触させるとともに、両基板間に陽極接合電圧を印加して陽極接合させて一体化して成り、前記絶縁基板の接合面側には固定電極が設けられ、前記半導体基板の接合面側には可動電極が設けられた静電容量型半導体物理量センサの製造方法において、前記陽極接合前に前記固定電極と可動電極とを短絡する同電位配線を、前記接合領域の内側で半導体基板の接合面側に形成しておき、前記陽極接合後に、前記同電位配線を切断し、除去することを特徴とする。

上記において、同電位配線の切断には、上述の各種方法を同様に適用することができる。

上記のいずれにおいても、好ましくは、同電位配線の切断される部位の配線幅を狭くしておく。これにより、切断のために同電位配線に電流を流したときに、その細くなった部分に電流及び電圧が集中し、同電位配線の切断を容易に達成できる。

本発明は、絶縁基板と半導体基板の互いに対向する周辺領域（接合領域という）を陽極接合のために接触させるとともに、両基板間に陽極接合電圧を印加して陽極接合させて一体化して成り、前記絶縁基板の接合面側には固定電極が設けられ、前記半導体基板の接合面側には可動電極が設けられた静電容量型半導体物理量センサにおいて、前記固定電極と可動電極とを短絡する同電位配線が、前記接合領域の内側で絶縁基板又は半導体基板の接合面側に形成されており、この同電位配線は、陽極接合後にレーザ照射又は同電位配線への通電により切断可能な構成とされているものである。

本発明によれば、陽極接合する際には、半導体基板（可動電極）と固定電極が導電短絡パターンである同電位配線により接続されており、可動電極と固定電極は同電位となっているので、陽極接合する際に、両電極間で放電することがなくなり、陽極接合が確実に成される。この同電位配線は、接合終了後に、切断し、除去する。これにより、可動電極と固定電極とを電気的に分離させ、圧力、加速度等の物理量の検出が可能となり、所望の特性のセンサが得られる。そして、導電短絡パターンを基板間に挟んでいないので、接合ボイドが発生するようなことがない。また、導電短絡パターンを接合部の内側で絶縁基板に設けているので、チップサイズを小さくすることができる。

以下、本発明の一実施形態に係る静電容量型半導体物理量センサ（以下、容量型センサと略す）について図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態による容量型センサの断面構成を示し、図２は同センサの上面構成であり、ガラス基板２は透明であり、固定電極７などが透視して表されている。図示では、１個のセンサチップ部分に対応するウエハであるシリコン基板１（半導体基板）及びガラス基板２（絶縁基板）を示しており、実際の製造工程では、大きなガラス基板の表面に上記ガラス基板２に対応する領域が割り振られる。シリコン基板１も同様である。

両基板を接合する陽極接合前に、ガラス基板２の接合側表面には、蒸着又はスパッタにより所定パターン形状からなる固定電極７及びリード部７ｃを同時に形成し、この固定電極７を形成する際に、それと同時に固定電極７から引き出され、固定電極７と可動電極とを短絡する短絡導電パターンである同電位配線７０を形成しておく。同電位配線７０は、接合領域の内側、つまり、ガラス基板２側の固定電極７内に設けている。この同電位配線７０の形成には、ガラス基板２の表面に所定の金属を蒸着／スパッタするパターン形状を変更するだけでよい。シリコン基板１に対しては、エッチングにより支持枠３、感圧部４を形成しておく。シリコン基板１の感圧部４を含む接合面側は可動電極となる。

このようなシリコン基板１とガラス基板２を、その相対位置を合わせて接触させる。ここに、シリコン基板１とガラス基板２との互いに対向する周辺領域（接合領域という）５を、陽極接合のために接触させるとともに、詳細は後述するように、両基板間に陽極接合電圧を印加して陽極接合により一体化する。同電位配線７０は、陽極接合後に、配線切断個所Ｃに示すように、切断して除去する。同電位配線７０は、ガラス基板２の固定電極７とシリコン基板１側の可動電極を電気的に接続するもので、陽極接合時の放電対策用である。

ガラス基板２の所定位置には、可動電極用及び固定電極用の、上下に貫通する２つのスルーホール８ａ，８ｂが形成されており、シリコン基板１には、スルーホール８ａの底部に露出するように、可動電極と導通した導電膜９ａが形成され、また、スルーホール８ｂの底部に露出するように、固定電極７にそのリード部７ｃを介して導通した導電膜９ｂが形成されている。この導電膜９ｂは、シリコン基板１とは絶縁状態とするための絶縁膜１０の上に形成されている。センサ信号は、スルーホール８ａ，８ｂを介して導電膜９ａ，９ｂから外部回路に取り出される。各スルーホールの内壁面には導電膜が形成され、ガラス基板２の表面に相互に分離して成膜された導体薄膜にそれぞれに導通される。

この種の静電容量型圧力センサは、感圧部４に圧力がかかることにより、容量ギャップ６が変化し、このギャップ長をｄとし、固定電極７の面積をＳとしたとき、両電極間の容量Ｃは、Ｃ＝ε０Ｓ／ｄの変化を出力するものである。

次に、容量型センサのシリコン基板１とガラス基板２との陽極接合について詳細説明する。陽極接合に際しては、シリコン基板１に陽極接合用電源の陽極を接続すると共に、ガラス基板２に陽極接合用電源の負極を接続し、両極間に所定の電圧を印加する。これにより、シリコン基板１とガラス基板２との間に電流を流し、両者の接触部分、本例では周辺領域（接合領域）５を接合一体化する（陽極接合）。このとき、固定電極７と可動電極とは同電位配線７０により短絡されて同電位になっているので、両者間での電位差が発生しにくくなる。これによって、陽極接合時に電極間で放電することがなくなり、従って、放電に伴う電極同士の合金化による溶着がなくなり、確実に陽極接合が成される。

陽極接合後に、同電位配線７０は切断する。それには、レーザ光照射Ｌ（図１の矢印）を用いる。レーザ光は、ＣＯ２、ＹＡＧなどを用い、ガラス基板２側からガラスを透過させて同電位配線７０の配線切断個所Ｃに照射して、同電位配線７０を切断する。こうして、所望の特性のセンサを得ることができる。

次に、容量型センサにおける陽極接合後、同電位配線７０を除去する他の方法について説明する。図３に示すように、直流バイアス電源１２を同電位配線７０に電流が流れるように接続し、この電圧印加に基づく通電により同電位配線７０が発熱し、溶断する。電圧は、ガラス基板２に設けられた、可動電極用及び固定電極用の各スルーホール８ａ，８ｂの底部に露出した導電膜９ａ，９ｂ間に印加する。印加する電圧は、徐々に上昇させたほうが一定の部位で切断される確率が高くなる。

上記電圧印加による同電位配線７０の除去方法において、図４に示すように、電圧印加端子としてガラス基板２のスルーホール８ａ，８ｂを利用してもよい。スルーホール８ａ，８ｂの内壁面に導電膜１３ａ，１３ｂを形成し、ガラス基板２上に導電膜１３ａ，１３ｂを介してシリコン基板１上の導電膜９ａ，９ｂと導通状態にある導電膜部１４ａ，１４ｂを形成し、この導電膜部１４ａ，１４ｂを電圧印加端子とする。スルーホール内壁面の導電膜１３ａ，１３ｂの形成工程は、陽極接合の前後どちらであってもよい。

上述したレーザ光照射による同電位配線７０の切断方法においても、電圧印加による同電位配線７０の切断方法においても、図５に示すように、同電位配線７０の配線切断個所付近の配線パターン幅を狭くした細幅部Ｄを設けることが好ましい。このように同電位配線７０に部分的に細幅部Ｄが有ることで、レーザ切断法においては、レーザビームスポットの切断目標位置が分かり易くなり、また、電圧印加切断法においては、配線幅が狭くなった部分での電気抵抗を高くして切断箇所を安定させることができる。

以上は、容量型センサにおける同電位配線７０をガラス基板２側に設けた実施形態を示したが、シリコン基板１側に設けた他の実施形態の容量型センサについて、図６、図７を参照して以下に説明する。この実施形態による同電位配線７１は、シリコン基板１側に、固定電極用の導電膜９ｂとシリコン基板１の可動電極とを電気的に接続するように設ける。この同電位配線７１により、固定電極７と可動電極は同電位となる。このため、陽極接合時に、上記実施形態と同様、電極間で放電することがなくなり、確実な陽極接合が成される。

陽極接合後、この同電位配線７１は切断する。同電位配線７１の切断は、ガラス基板２側よりガラスを透過して配線切断個所Ｃにレーザ光照射Ｌすることにより行う。

陽極接合後の同電位配線７１の切断は、図示しないが、上述の図３と同様に、可動電極用と固定電極用の導電膜に直流電圧を印加して行ってもよく、また、図４と同様に、ガラス基板２のスルーホールを利用して行ってもよい。また、上記と同様に、同電位配線７１の配線切断個所付近の配線幅を狭くすることが好ましい。

以上、本発明の各種実施形態を説明したが、上記実施形態の構成に限られることなく、種々の変形が可能であり、適用対象のＭＥＭＳデバイスとしても、静電容量型圧力センサの他に、静電容量型角速度センサ、その他ピエゾ式圧力・加速度・角速度センサ、ＭＥＭＳメカニカルリレーなどが揚げられる。また、ガラス基板２としては、絶縁基板材料であればよく、ガラス、その他透明でレーザ光を透過するものを使用できる。シリコン基板１としては、シリコンの他、ＧａＡｓ、Ｇｅなどを使用できる。固定電極・導電膜の材料としては、Ｃｒ、Ａｌ、その他、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｔｉなどを使用できる。

本発明の一実施形態に係る静電容量型圧力センサにおいてレーザ光照射により同電位配線を切断することを示す断面図。 同センサの上面図。 同センサにおいて電圧印加により同電位配線を切断することを示す断面図。 同センサにおいてスルーホールを用いて電圧印加により同電位配線を切断することを示す断面図。 同センサにおいて同電位配線の配線幅を狭くすることを示す上面図。 本発明の他の実施形態に係る静電容量型圧力センサにおいてレーザ光照射により同電位配線を切断することを示す断面図。 同センサの上面図。 同電位配線のない従来の静電容量型圧力センサの断面図。 同電位配線された従来の静電容量型圧力センサの断面図。 同電位配線された従来の静電容量型圧力センサの上面図。

符号の説明

１ シリコン基板（半導体基板）
２ ガラス基板（絶縁基板）
４ シリコン基板の感圧部（可動電極）
５ 周辺領域（接合領域）
７ 固定電極
７０ ガラス基板側に設けた同電位配線
７１ シリコン基板側に設けた同電位配線
８ａ，８ｂ スルーホール
９ａ，９ｂ 導電膜
１０ 絶縁膜
１２ 直流バイアス電源
Ｃ 配線切断個所
Ｄ 細幅部
Ｌ レーザ光照射

Claims (9)

1. 絶縁基板と半導体基板の互いに対向する周辺領域（接合領域という）を陽極接合のために接触させるとともに、両基板間に陽極接合電圧を印加して陽極接合させて一体化して成り、前記絶縁基板の接合面側には固定電極が設けられ、前記半導体基板の接合面側には可動電極が設けられた静電容量型半導体物理量センサの製造方法において、
   前記陽極接合前に前記固定電極と可動電極とを短絡する同電位配線を、前記接合領域の内側で絶縁基板の接合面側に形成しておき、
   前記陽極接合後に、前記同電位配線を切断し、除去することを特徴とする静電容量型半導体物理量センサの製造方法。
2. 絶縁基板側から透過させたレーザ照射により前記同電位配線を切断することを特徴とする請求項１記載の静電容量型半導体物理量センサの製造方法。
3. 絶縁基板に設けられた固定電極用及び可動電極用の各スルーホール底部に露出した導電膜層間に電圧を印加することにより、同電位配線に電流を流し、それに基づく発熱により同電位配線を切断することを特徴とする請求項１記載の静電容量型半導体物理量センサの製造方法。
4. 同電位配線の切断される部位の配線幅を狭くしたことを特徴とする請求項２又は請求項３記載の静電容量型半導体物理量センサの製造方法。
5. 絶縁基板と半導体基板の互いに対向する周辺領域（接合領域という）を陽極接合のために接触させるとともに、両基板間に陽極接合電圧を印加して陽極接合させて一体化して成り、前記絶縁基板の接合面側には固定電極が設けられ、前記半導体基板の接合面側には可動電極が設けられた静電容量型半導体物理量センサの製造方法において、
   前記陽極接合前に前記固定電極と可動電極とを短絡する同電位配線を、前記接合領域の内側で半導体基板の接合面側に形成しておき、
   前記陽極接合後に、前記同電位配線を切断し、除去することを特徴とする静電容量型半導体物理量センサの製造方法。
6. 絶縁基板側から透過させたレーザ照射により前記同電位配線を切断することを特徴とする請求項５記載の静電容量型半導体物理量センサの製造方法。
7. 絶縁基板に設けられた固定電極用及び可動電極用の各スルーホール底部に露出した導電膜層間に電圧を印加することにより、同電位配線に電流を流し、それに基づく発熱により同電位配線を切断することを特徴とする請求項５記載の静電容量型半導体物理量センサの製造方法。
8. 同電位配線の切断される部位の配線幅を狭くしたことを特徴とする請求項６又は請求項７記載の静電容量型半導体物理量センサの製造方法。
9. 絶縁基板と半導体基板の互いに対向する周辺領域（接合領域という）を陽極接合のために接触させるとともに、両基板間に陽極接合電圧を印加して陽極接合させて一体化して成り、前記絶縁基板の接合面側には固定電極が設けられ、前記半導体基板の接合面側には可動電極が設けられた静電容量型半導体物理量センサにおいて、
   前記固定電極と可動電極とを短絡する同電位配線が、前記接合領域の内側で絶縁基板又は半導体基板の接合面側に形成されており、
   この同電位配線は、陽極接合後にレーザ照射又は同電位配線への通電により切断可能な構成とされていることを特徴とする静電容量型半導体物理量センサ。

Images