JP5749510B2 - 密閉型デバイス - Google Patents
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したがって、このボンビング法においてはデバイスに切り出す前のウェーハ形態での検査が目的となっている場合が多く、どのデバイスで漏れが発生しているのかを特定するのは困難であった。さらに、この方法による検査は、加圧および減圧をおこなう真空チャンバが必要なことや極めて高精度のリークディテクタが必要であり、設備コストが高くなる。
1.一定の減圧下でパッケージされたMEMSデバイスにおいて、密閉された空間の圧力をデバイス一つ一つに対して容易に測定する事ができること。
2.パッケージの密閉性での不良品を低減可能とし、歩留まりの向上を図ること。
3.デバイス動作の信頼性を向上すること。
4.デバイス製造プロセスに対して干渉しないこと。
5.製造コストの削減を図ること。
6.周囲の温度にかかわらず測定可能とすること。
本発明は、前記圧力測定部において、前記電気抵抗体が前記密閉空間内の気体と熱交換を行って、前記電気抵抗体の熱損失量から前記密閉空間内の気体の圧力測定可能とされてなることが可能である。
本発明の前記密閉空間形成部が、デバイス部と圧力測定部とを有する基板と、これらの領域を覆うように前記基板と対向する蓋部基板とからなり、前記基板が前記蓋部基板によって覆われて密閉空間が形成されてなることができる。
本発明前記圧力測定部が、前記電気抵抗体を表面に配置して基板の穴部を跨ぐように形成された浮膜と、前記浮膜を囲むように前記基板の表面に形成された周辺膜と、前記浮膜の中心を挟んで対称に配置され、前記浮膜の外周を前記周辺膜に連結する一対の連結膜と、を備え、前記電気抵抗体の両端部が、前記一対の連結膜の表面を通って、前記周辺膜の表面に形成された電極に引き出されている手段を採用することができる。
本発明の前記圧力測定部が、所定の圧力閾値に対して前記密閉空間内部における圧力状態を二値化して外部に出力可能とされていることが好ましい。
本発明は、前記電気抵抗体の周辺温度の変化を補償する温度補償体が、前記周辺膜の表面に形成され、前記電気抵抗体と前記温度補償体との間における前記周辺膜に、溝部が形成されていることができる。
同時にまた、ウェーハ状の(ダイシングしていない)複数のデバイスであっても、個別に切断されたデバイスであっても、その状態に関係なく密閉空間の圧力を測定することが可能となる。
さらに、デバイス製造工程の最終段階である検査工程のみならず、出荷後等に一定期間使用したデバイスであっても、その時期にかかわらず、デバイスの密閉空間の圧力を測定し、内部状態の検知をおこなうことが可能となる。
図1は、本実施形態における密閉型デバイスの一部を示す平面図であり、図2は、本実施形態における密閉型デバイスの一部を示すもので図1のA−A線における側断面図であり、図3は、本実施形態における密閉型デバイスの圧力測定領域を示す拡大平面図であり、図において、符号10は、密閉型デバイスである。
密閉空間15は、基板11と対向して略平行状態となる蓋部基板14の平板部分14aと、平板部分14a縁部に周設されるように基板11側に突出した側壁部14bと、基板11表面とで囲まれて形成されている。
具体的には、振動型ジャイロスコープは、一定方向に振動する物体に角速度が加わるとその物体の振動方向と回転軸のそれぞれに直交する方向にコリオリ力が働くことを利用し、そのコリオリ力を検出して角速度を測定している。振動子にはビーム型や音叉型などの種類があり、その動きを妨げないためや、温度依存性を減少させるために減圧にしている。
出力配線17は、基板11に接続された蓋部基板14の側壁部14bを貫通しており、密閉空間15内と蓋部基板14外側との間で通電可能となっている。
これら電気抵抗体16、出力配線17、出力パッド18は、圧力測定手段を構成している。
すなわち、図1〜図3に示す構成において、電気抵抗体16および出力配線17とともに、デバイス部12が、同じ密閉空間15の内部に配置されている。なお、後述する図6〜図8に示す構成においても同様に配置されている。
Q = Qg + Qw + Qr = I2R ・・・ (1)
ここで、Iは電気抵抗体16を流れる電流、Rは電気抵抗体16の抵抗値である。電気抵抗体16において気体分子との熱交換によって奪われる熱量Qgは、次式で表される。
ここで、Kcは被測定ガスにより輸送される熱量の熱伝導係数、Tfは電気抵抗体16の温度、Twは雰囲気温度(室温)、Pは圧力である。
すなわち、図1〜図3に示した電気抵抗体16は図4のブリッジ回路を構成する4つの抵抗体の1つであり、電気抵抗体16とこれに通電する出力配線17が、少なくとも密閉空間15の内部に配置されている。つまり、この構成例においては、電気抵抗体16を除く3つの抵抗体R C 、R 1 、R 2 は、図2に示した密閉空間15の外部に配置されている。
次に、本実施形態に係る密閉型デバイス10のピラニセンサ部分の製造方法について説明する。
まず基板11表面に電気絶縁膜13Aを形成する。具体的な電気絶縁膜13Aの材質としては、SiOxやSiNx、SiOxNy、AlOx 等が挙げられ、CVD,スパッタリング,真空蒸着法といった方法でなどで成膜することができる。また基材11がSiからなる基体であれば熱酸化で形成されるSiOxや熱窒化で形成されるSiNx とすることもできる。また、基板11がガラス,石英,サファイア,マイカなどの絶縁物の場合はこの絶縁膜形成工程は省略することができる。
電気絶縁膜13A上に電気抵抗体16としてのフィラメント他の配線であるPt薄膜細線をリフトオフ法やエッチング法によって形成する。
最後に、レジストをアセトン、NMP(N−メチル−2−ピロリドン)およびアルコール系等の有機溶媒によって剥離することで、レジスト上に成膜されたPtおよび密着層も剥離され、レジストのパターンと反転したPt配線パターンが得られる。
所定の密閉空間15および気体流路構造を形成可能とするために、レジストパターニングとウェットおよびドライプラズマエッチング、もしくはブラスト処理によって図2に示すような蓋部基板14を作成する加工を行う。具体的には、基板11と対向して略平行状態となる平板部分14aと、平板部分14a縁部に周設されるように基板11側に突出した側壁部14bとが形成されるようにする。
電気抵抗体16等の形成された基板11および蓋部基板14を減圧下でアライメントを取って貼り合わせる。または、減圧下で封止する。この貼り合わせの方法としては、従来からMEMSデバイス製造工程で多く用いられる陽極接合を適用することができる。
陽極接合の場合、基板11にはガラスを用いる。さらに、接合前には蓋部基板14との接合領域において電気絶縁膜(酸化膜)13Aを除去することが好ましい。この方法においては、基板11および蓋部基板14を約300℃〜500℃で加熱し、基板11側、蓋部基板14側に約1kV程度の電圧をかけ接合する。
さらに、基板11および蓋部基板14としてSiを用いて、あらかじめ接合領域としてSiを露出させた後に、Si−Siの直接接合を利用する、あるいは、Si上の接合領域に熱酸化膜、CVDおよびスパッタリングといった方法を用いて設けたSiO2 を成膜し、これらのSiO2 −SiO2 によるSi基板どうしの接合を行うことも可能である。また、ポリイミドを始めとする樹脂を接合面に設けて接合する技術も用いることができる。
これにより、製造最終工程において、非破壊検査として、作業時間を短縮し、ハンドリング性を良好とし、不良品の検品率を向上し、デバイス製造工程を低減することが可能となる密閉型デバイスを提供することができる。
図6は、本実施形態における密閉型デバイスの一部を示す平面図であり、図7は、本実施形態における密閉型デバイスの一部を示すもので図6のB−B線における側断面図であり、図8は、本実施形態における密閉型デバイスの圧力測定領域を示す拡大平面図であり、図9は、本実施形態における密閉型デバイスの圧力測定領域を示すもので図8のC−C線における側断面図であり、図において、符号20は、密閉型デバイスである。
様、密閉空間15の内部でデバイス領域12に隣接して設けられ、電気抵抗体16を有す
る圧力測定領域23の近傍には密閉空間15の内部に温度変化を補償するための抵抗体で
ある温度補償体29が設けられる。圧力測定領域23および温度補償体29は基板11表
面位置に設けられる。
すなわち、図6〜図9に示した電気抵抗体16は図4のブリッジ回路を構成する4つの抵抗体の1つであり、電気抵抗体16とこれに通電する出力配線27Aが、少なくとも密閉空間15の内部に配置されている。また、後述するように、温度補償体29をブリッジ回路を構成する抵抗体R C として用いる。つまり、この構成例においては、電気抵抗体16とこれに通電する出力配線27Aとともに、温度補償体29とこれに通電する出力配線27Bが、密閉空間15の内部に配置され、電気抵抗体16および温度補償体29を除く2つの抵抗体R 1 、R 2 は、図7に示した密閉空間15の外部に配置されている。
温度補償体29は、電気抵抗体16と同様に平面状に蛇腹形に折りたたまれて設置面積
を小さくし、かつ抵抗値を高くするように配置されている。
電気絶縁膜23Bの厚さは、例えば1〜2μm程度に形成されている。基板11のキャビティ凹部23Aの開口部分を跨ぐように電気絶縁膜23Bが配置されて、浮膜(メンブレン)23Cが形成されている。その浮膜23Cを囲むように、基板11の表面に電気絶縁膜23Bが配置されて、周辺膜23Dが形成されている。浮膜23Cと周辺膜23Dとの間には、基板11のキャビティ凹部23Aに連通するスリット23Eが設けられている。
電気抵抗体16は、例えば膜厚が200〜400nm、線幅が10〜20μm、抵抗値が100〜150Ωに形成されている。なお電気抵抗体16と浮膜23Cとの密着性を確保するため、両者間に密着層を形成することが望ましい。密着層は、Ta、Cr、Ti等の金属材料で構成することが可能である。
圧力測定の原理は、第1実施形態で示したとおりである。電気抵抗体16の温度Tfと雰囲気温度(室温)Twの差(Tf―Tw)が一定に保たれている場合、フィラメントから構造を介した熱伝導量Qwならびに輻射によって奪われる熱量Qrは構造に依存した熱流出量であるため一定となる。よって、電気抵抗体16に被測定ガスが接触し、熱交換によって奪われる熱量Qgと圧力Pとは比例関係が成り立ち、圧力Pを計測する事ができる(数式(2))。
次に、本実施形態に係る密閉型デバイス20のピラニセンサ部分の製造方法について説明する。
まず基板11表面に電気絶縁膜23Bを形成する。ここでは、図10(a)に示すように、Si基板11に、熱酸化によって厚さ1μmの酸化膜SiOx を電気絶縁膜23Bとして形成した。なお、酸化膜は基板11の裏面にも形成される。
次いで、図10(b)に示すように、電気絶縁膜23B上に、抵抗体であるPt/TaOx の電気抵抗体(フィラメント)16を形成する。基板11全面にPt/TaOx を成膜後、フォトレジストでパターニング、これをマスクとしてBCl3 とArの混合ガスを用いたドライプラズマエッチングにより抵抗体の形成を行った。なお、同時に、温度補償体29、出力配線27A、27B、出力パッド28A、28B、28C他、金属配線も同様の手段で形成することができる。
続いて、図10(c)に示すように、SiH4 を用いたCVD(化学気相成膜法)によりSiOx からなる保護膜31を成膜した。このSiOx からなる保護膜31は、次のTMAHによるSiのウェットエッチングにおいて、電気抵抗体(フィラメント)16ならびに電気絶縁膜23Bを保護するために用いられる。
次いで、図10(d)に示すように、保護膜31上にフォトレジスト32のパターニングを行い、これをマスクとしてCF4 およびC3F8の混合ガスを用いたSiOx からなる保護膜31および電気絶縁膜23Bのドライエッチングをおこなった。これにより、電気絶縁膜23Bには、スリット23Eを有する電気絶縁膜23Bに第1連結膜23Fおよび第2連結膜23G、浮膜23C、および、周辺膜23Dを形成する。
次いで、図10(e)に示すように、基板11をTMAH(テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド)によってSiのウェットエッチングをおこなった。このウェットエッチングではパターニングされたSiOx からなる保護膜31および電気絶縁膜23Bがマスクとなり、キャビティ凹部23Aとなる空間が形成され、浮膜23Cの下側が空間となる。
最後に、図10(f)に示すように、電気抵抗体(フィラメント)16上のSiOx からなる保護膜31をドライエッチングによって除去することで、所望の構造を有する圧力測定領域23を形成する。
まず、 図1〜図3に示す密閉型デバイス10を製造した。この際、基板11上に密着層13Aとしての7nmのTa上に、165nmのPtとされる電気抵抗体16を、幅10μm、長さが2.1mmで、約140Ωの抵抗を有するフィラメントとして設けた。その後基板11と蓋部基板14とを5×101 Paの減圧下で接合して密閉空間15を形成した。
同様に基板11と蓋部基板14とを5×10−1Pa〜1×105 Paとなるように圧力状態を変化させて封止し密閉空間15を形成したものも作成した。
その結果を図5に示す。
この結果を表1に示す。
次いで、図6〜図9に示す密閉型デバイス20を製造した。この際、基板11上に1μmの厚みを有するSiOx からなる電気絶縁膜23Bを形成して浮膜23C他とし、電気絶縁膜23B上に、圧力計測用の電気抵抗体16を幅5μm、長さ2.1mmとして形成するとともに、温度補償体29を幅5μm、長さ315mmとして形成した。電気抵抗体16の材料は、10nmのTaOx を密着層として、これに200nmの厚さのPtを積層し、Pt/TaOx の積層体でフィラメントを作製した。これにより、圧力計測用の電気抵抗体16は120Ω、温度補償体29は18kΩの抵抗値を有するものとした。
次いで、実験例1と同様に、基板11と蓋部基板14とを接合して密閉空間15を形成し密閉型デバイス20とした。
その結果を図11に示す。
この結果を表1に示す。
このように、本発明で示したように、減圧下でパッケージングされることで性能が満たされるセンサを作成する際に、密閉空間内に圧力測定用の抵抗体を設けることで、パッケージ内の圧力をチップ毎に検査することが容易に可能となり、デバイスの歩留まりを向上させることが可能となる。
Claims (6)
- 内部に密閉空間を形成する密閉空間形成部と、前記密閉空間内位置に設けられて所定の機能を有するデバイス部と、前記密閉空間内に設けられて該密閉空間内の圧力を測定するための電気抵抗体を有する圧力測定部と、前記電気抵抗体に通電するとともに前記密閉空間外部と接続する出力配線と、該出力配線に接続された出力パッドとを有する密閉型デバイスであって、
前記電気抵抗体はブリッジ回路を構成する4つの抵抗体の1つであり、該電気抵抗体を除く3つの抵抗体が前記密閉空間の外部に配置されており、かつ、前記電気抵抗体および前記出力配線とともに、前記デバイス部が、同じ密閉空間の内部に配置されていることを特徴とする密閉型デバイス。 - 前記圧力測定部において、前記電気抵抗体が前記密閉空間内の気体と熱交換を行って、前記電気抵抗体の熱損失量から前記密閉空間内の気体の圧力測定可能とされてなることを特徴とする請求項1記載の密閉型デバイス。
- 前記密閉空間形成部が、デバイス部と圧力測定部とを有する基板と、これらの領域を覆うように前記基板と対向する蓋部基板とからなり、前記基板が前記蓋部基板によって覆われて密閉空間が形成されてなることを特徴とする請求項1または2記載の密閉型デバイス。
- 前記圧力測定部が、前記電気抵抗体を表面に配置して基板の穴部を跨ぐように形成された浮膜と、
前記浮膜を囲むように前記基板の表面に形成された周辺膜と、
前記浮膜の中心を挟んで対称に配置され、前記浮膜の外周を前記周辺膜に連結する一対の連結膜と、を備え、
前記電気抵抗体の両端部が、前記一対の連結膜の表面を通って、前記周辺膜の表面に形成された電極に引き出されていることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項記載の密閉型デバイス。 - 前記圧力測定部が、所定の圧力閾値に対して前記密閉空間内部における圧力状態を二値化して外部に出力可能とされていることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項記載の密閉型デバイス。
- 前記電気抵抗体の周辺温度の変化を補償する温度補償体が、前記周辺膜の表面に形成され、
前記電気抵抗体と前記温度補償体との間における前記周辺膜に、溝部が形成されていることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項記載の密閉型デバイス。
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