JP6151437B2 - センサ素子およびその製造方法ならびに検出装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体やＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ、以下ＭＥＭＳと称す）技術に用いられるセンサ素子に関し、特に基板裏面からの異方性エッチングによってキャビティ構造が形成されるセンサ素子に関する。
近年のセンサ素子は半導体やＭＥＭＳ技術を応用した微細加工や手法が取り入れられ、より繊細で複雑な構造を有する傾向にある。このセンサ素子のうち基材を部分的に除去して形成されたキャビティ（薄膜中空構造体）を有するセンサ素子として、例えば圧力センサ、超音波センサ、流量センサなどがある。
例えば、流量センサは温度依存性の抵抗体がキャビティ構造の上部に形成されている。つまり、流量センサの検出部はキャビティ構造上に形成されている。具体的には、キャビティ構造の上部に発熱体と吸気温検出体とが形成されており、吸気温検出体で検出された温度よりも発熱体の温度が一定温度高くなるように制御された素子構造を用いて、発熱体が流体に放熱した熱量に相当する電圧を出力としている。
このようなセンサ素子にキャビティ構造を形成する方法としては、たとえば半導体基板においてキャビティ構造を形成する領域上に開口部を有するマスク膜を用いてウエットエッチング処理を施す方法がある。
たとえば、特開平１１−２９５１２７号公報には、基材の裏側表面と表側表面とに基材保護膜が形成されている流量検出素子が記載されている。これにより、エッチングを施す方の表面とは反対側の表面に形成されたピンホールやピットにより、キャビティ構造を有するダイアフラム部の形状の乱れを抑制可能であることが記載されている。
特開２０１３−１６０７０６号公報には、シリコンウエハの裏面に熱酸化膜に加えて裏面保護膜が形成された状態で、ＫＯＨ（水酸化カリウム）、ＴＭＡＨ（テトラ・メチル・アンモニウム・ハイドロオキサイド：以下ＴＭＡＨと称す）薬液によるウエットエッチングによって配線や回路などのウエハ表面上直下にキャビティ構造が設けられた流量検出装置が記載されている。
また、特開２０１２−９８０７２号公報には、センサ素子が配置される組み込み部と対向する面にテクスチャ状の凹凸が形成されている流量検出装置が記載されている。凹凸が形成されていることにより、センサ素子と支持体とを接着する接着剤のつきまわりを向上し、かつ、底流防止剤のしみ出しを抑止することができることが記載されている。
また、特表２０１３−５１８４２５号公報には、結晶シリコン基板に異方性エッチング処理を施した後、等方性エッチング処理を施すステップを含む光起電セルの製造方法が記載されている。
しかしながら、従来のセンサ素子では、シリコン屑などの異物により保護膜に線状の傷や圧痕が生じることがあった。この場合にはその後のウエットエッチング工程において当該傷や圧痕からエッチャントが侵入して、矩形のエッチング痕（ピット）が生じたり、基材が異常にエッチングされることにより設計寸法よりもキャビティの空洞部が拡がってキャビティの形状にばらつきが生じることがあった。この結果、センサ素子が支持体に組み付けられた際など加圧されたときに、局所的な応力集中が生じて破壊に至る場合があった。また、センサ素子が圧力センサ等である場合には、使用状態において加圧されることによりセンサ素子の信頼性が低下することがあった。
また、特開２０１２−９８０７２号公報および特表２０１３−５１８４２５号公報に記載のテクスチャ状の凹凸は、シリコンの（１００）面と（１１１）面との間でのエッチングレートの違いから、エッチングレートの遅い（１１１）面が析出することにより形成される。このような凹凸は、凸部が鋭利であるため欠けやすく、ピットが生じやすいという問題があった。
また、特表２０１３−５１８４２５号公報に記載の製造方法であっても、そのテクスチャ構造の凹凸には（１１１）面が表出している部分がある。そのため、このような凹凸を備える半導体基板は、当該凹凸に異物などが噛み込んだ状態で加圧されると（１１１）面に沿って割れやすく、このような凹凸が形成された半導体基板を備えるセンサ素子は加圧耐性が十分でないという問題があった。
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものである。本発明の主たる目的は、ピットの形成またはキャビティの形状のばらつきを抑制することができ、加圧時において高い耐性を有するセンサ素子およびその製造方法ならびに検出装置およびその製造方法を提供することにある。
本発明に係るセンサ素子は、第１の主面と、第１の主面と反対側に位置する第２の主面とを有し、第２の主面側にキャビティ構造が形成されている半導体基材と、キャビティ構造が形成されている領域において、第１の主面側に形成されている検出素子とを備え、半導体基材の第２の主面は凹凸形状部を含み、凹凸形状部の凸部先端は曲面状の形状を有している。
本発明に係るセンサ素子の製造方法は、第１の主面と、第１の主面と反対側に位置する第２の主面とを有する半導体基板を準備する工程と、半導体基板の第２の主面に凹凸形状部を形成する工程と、凹凸形状部上に保護膜を形成する工程と、保護膜に開口パターンを形成し、保護膜をマスクとして用いて開口パターン内に表出している半導体基板をエッチングすることにより、キャビティ構造を形成する工程と、キャビティ構造が形成される領域において、第１の主面側に検出素子を形成する工程とを備え、凹凸形状部を形成する工程では、凹凸形状部の凸部先端が曲面形状を有するように凹凸形状部が形成される。
本発明によれば、ピットの形成またはキャビティの形状のばらつきを抑制することができ、加圧時において高い耐性を有するセンサ素子およびその製造方法ならびに検出装置およびその製造方法を提供することができる。
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。
（実施の形態１）
図１〜図３を参照して、実施の形態１に係るセンサ素子１について説明する。実施の形態１に係るセンサ素子１は、たとえば流量検出装置に用いられる流量検出素子である。センサ素子１は、第１の主面２Ａおよび第１の主面２Ａと反対側に位置する第２の主面２Ｂとを有する半導体基材２を備える。第１の主面２Ａは、センサ素子１の検出対象である流体の経路に面する面であり、流体と接触する面である。
図１〜図３を参照して、実施の形態１に係るセンサ素子１について説明する。実施の形態１に係るセンサ素子１は、たとえば流量検出装置に用いられる流量検出素子である。センサ素子１は、第１の主面２Ａおよび第１の主面２Ａと反対側に位置する第２の主面２Ｂとを有する半導体基材２を備える。第１の主面２Ａは、センサ素子１の検出対象である流体の経路に面する面であり、流体と接触する面である。
半導体基材２には、第２の主面２Ｂ側にキャビティ構造９，１０が形成されている。キャビティ構造９，１０は、第２の主面２Ｂから第１の主面２Ａまで達するとともに、半導体基材２がいわゆる逆テーパー状となるように設けられている。言い換えると、半導体基材２において、第１の主面２Ａは第２の主面２Ｂよりも広い領域に渡って形成されている。半導体基材２の厚みは、任意の大きさとすればよいが、たとえば０．５ｍｍである。半導体基材２を構成する材料は、任意の半導体材料とすることができるが、たとえば珪素（Ｓｉ)である。
半導体基材２の第２の主面２Ｂ上には全面に渡って凹凸形状部１２が形成されており、凹凸形状部１２の全領域上には下部保護膜３が形成されている。このとき、凹凸形状部１２が形成されていることにより第２の主面２Ｂは所定の表面粗さを有している。第２の主面２Ｂの十点平均粗さＲｚ（旧ＪＩＳ２００１）は下部保護膜３の膜厚と比べて大きくなるように、凹凸形状部１２および下部保護膜３が形成されている。なお、第１の主面２Ａの十点平均粗さＲｚは第２の主面のそれと比べて小さく、第１の主面２Ａはたとえばミラー面である。
半導体基材２の第２の主面２Ｂの十点平均粗さＲｚは、０．０５μｍ以上であり、好ましくは１．００μｍ以上である。また、第２の主面２Ｂの算術平均粗さＲａは、たとえば０．０１μｍ以上であり、好ましくは０．２５μｍ以上である。エッチピットの形成を抑制する観点では、第２の主面２Ｂの十点平均粗さＲｚは大きい方が好ましい。なお、一般に当該粗さＲｚを大きくし過ぎると、半導体基材２の強度低下を招いて割れ等の発生が懸念されることから、発生頻度の高い異物の外径よりも大きい値を当該粗さＲｚの上限値としてもよい。たとえば、外径が５．００μｍ以下程度の異物の発生頻度が多い場合には、当該粗さＲｚの上限値を５．００μｍとしてもよい。このような数値範囲内に当該粗さＲｚを制限すれば、半導体基材２の強度低下を抑制しながら、エッチピット形成を十分に抑制することができる。
凹凸形状部１２の凸部先端は丸みを帯びている。異なる観点から言えば、凹凸形状部１２の形状は錐体ではない。凹凸形状部１２は、たとえば半導体基材２において頂点から放射状に延びるように形成されている複数の面が互いに交差するように形成されている四角錐ではない。凹凸形状部１２の凸状端部は、たとえば半球状に形成されている。
下部保護膜３の膜厚は、たとえば０．２５μｍ以上１．５０μｍ以下であり、好ましくは０．５０μｍ以上１．００μｍ以下である。下部保護膜３を構成する材料は、たとえば二酸化珪素（ＳｉＯ２）である。この場合、下部保護膜３は、たとえば半導体基材２を構成する材料をＳｉとして熱酸化により形成することができる。なお、下部保護膜３は、凹凸形状部１２上に均一な膜厚を有するように形成されている必要はない。第２の主面２Ｂの十点平均粗さＲｚと下部保護膜３の膜厚とが上記関係式を満足する限りにおいて、下部保護膜３の膜厚はばらつきを有していてもよい。
センサ素子１の第１の主面２Ａ側には、第１の主面２Ａ上からキャビティ構造９，１０の開口部を覆うように、上部保護膜１３および支持膜１４が形成されている。上部保護膜１３を構成する材料は、電気絶縁性を有する任意の材料とすることができるが、たとえばＳｉＯ２である。上部保護膜１３は、たとえば下部保護膜３と同時に形成されることができる。支持膜１４を構成する材料は、電気絶縁性を有するとともに検出素子４，５を支持可能な任意の材料とすることができるが、たとえば窒化シリコン（ＳｉＮ）、ＳｉＯ２など等である。
センサ素子１において、キャビティ構造９，１０が形成されている領域の第１の主面２Ａ側には検出素子４，５が形成されている。検出素子４はたとえば吸気温度検出体４であり、検出素子５はたとえば発熱体５である。
吸気温度検出体４はキャビティ構造９が形成されている領域に形成されている上部保護膜１３上に、発熱体５はキャビティ構造１０が形成されている領域に形成されている上部保護膜１３上に、それぞれ形成されている。吸気温度検出体４と発熱体５とは、それぞれ配線パターン６，７を介して電極パッド８と電気的に接続されている。電極パッド８は複数形成されており、吸気温度検出体４と配線パターン６を介して電気的に接続されている電極パッド８と発熱体５と配線パターン７を介して電気的に接続されている電極パッド８とは互いに電気的に絶縁されている。配線パターン６，７および電極パッド８は支持膜１４上に形成されている。
吸気温度検出体４および発熱体５は、支持膜１４上を蛇行するように形成されている。これにより、吸気温度検出体４および発熱体５と検出対象である流体との接触面積を広くとることができる。
吸気温度検出体４と発熱体５との位置関係は、任意の位置関係とすることができるが、たとえばセンサ素子１を流量検出装置として構成したときに、検出対象となる流体が流れる方向Ａ（図１５参照）に対して並列に配置されていてもよい。また、吸気温度検出体４と発熱体５とは、流体の流通方向Ａに対して直列に配置されていてもよい。
吸気温度検出体４の第１の主面２Ａ上における平面寸法（以下、単に平面寸法という）は、吸気温度検出体４と検出対象とする流体との接触面積が十分に得られる限りにおいて、任意の大きさとすることができるが、たとえば検出対象となる流体が流れる方向Ａに平行方向の寸法が０．３ｍｍ以上０．８ｍｍ以下であり、方向Ａに交差する方向の寸法が０．２ｍｍ以上０．６ｍｍ以下である。
発熱体５の平面寸法は、検出対象とする流体に対して十分な熱量を与えることができる限りにおいて、任意の寸法とすることができるが、たとえば検出対象となる流体が流れる方向Ａに平行方向の寸法が０．３ｍｍ以上０．８ｍｍ以下であり、方向Ａに交差する方向の寸法が０．８ｍｍ以上１．８ｍｍ以下である。吸気温度検出体４の平面寸法は、たとえば発熱体５の平面寸法と比べて小さくなるように設けられている。
キャビティ構造９の寸法は、吸気温度検出体４の第１の主面２Ａ上における平面寸法よりも大きくなるように形成されており、たとえば検出対象となる流体が流れる方向Ａに平行方向および方向Ａに交差する方向のそれぞれにおいて吸気温度検出体４よりも０．７ｍｍ以上大きく設けられている。
また、キャビティ構造１０の寸法は、発熱体５の第１の主面２Ａにおける平面寸法よりも大きくなるように形成されており、たとえば検出対象となる流体が流れる方向Ａに平行方向および方向Ａに交差する方向のそれぞれにおいて発熱体５よりも０．７ｍｍ以上大きく設けられている。
吸気温度検出体４と発熱体５とは、それぞれ任意の構成材料を用いて任意の構造として形成されていればよいが、たとえばいずれも白金（Ｐｔ）などの金属の薄膜からなる感熱抵抗体（測温抵抗体）として形成されていてもよい。吸気温度検出体４や発熱体５の膜厚は、たとえば１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。
センサ素子１において上部保護膜１３および支持膜１４上には、吸気温度検出体４、発熱体５、配線パターン６，７を覆うように表面保護膜１５が形成されている。表面保護膜１５を構成する材料は、電気的絶縁性を有する任意の材料とすることができるが、たとえばＳｉＮやＳｉＯ２とすることができる。
次に、図４〜図１２を参照して、実施の形態１に係るセンサ素子１の製造方法について説明する。センサ素子１の製造方法は、第１の主面２Ａと、第１の主面２Ａと反対側に位置する第２の主面２Ｂとを有する半導体基材２を準備する工程（Ｓ１０）と、半導体基材２の第２の主面２Ｂに凹凸形状部１２を形成する工程（Ｓ２０）と、凹凸形状部１２上に保護膜（下部保護膜３）を形成する工程（Ｓ３０）と、キャビティ構造９，１０が形成される領域において、第１の主面２Ａ側に検出素子４，５を形成する工程（Ｓ４０）と、保護膜（下部保護膜３）に開口パターンを形成し、下部保護膜３をマスクとして用いて開口パターン内に表出している半導体基材２をエッチングすることにより、キャビティ構造９，１０を形成する工程（Ｓ５０）とを備える。
まず、図５を参照して、第１の主面２Ａと、第１の主面２Ａと反対側に位置する第２の主面２Ｂとを有する半導体基材２を準備する（工程（Ｓ１０））。半導体基材２は、少なくとも第１の主面２Ａがミラー研磨されている任意の半導体材料からなる基板として準備され得るが、たとえば第１の主面２Ａおよび第２の主面２Ｂがミラー研磨されたシリコン基板とすればよい。半導体基材２は、たとえばウエハ厚が６２５μｍである。
次に、図６を参照して、半導体基材２の第２の主面２Ｂに凹凸形状部１２を形成する（工程（Ｓ２０））。第２の主面２Ｂに凹凸形状部１２を形成する方法は、凹凸形状部１２の凸状端部が丸みを帯びており、かつ第２の主面２Ｂの十点平均粗さＲｚが後の工程（Ｓ３０）において形成する下部保護膜３の膜厚と比べて大きくなるように形成することができる限りにおいて、任意の方法を採用することができる。たとえば、第２の主面２Ｂを研削して粗面化することにより、凹凸形状部１２を形成することができる。研削は、たとえば粒度が１００以上２０００以下の砥石を用いて実施することができる。この結果、凹凸形状部１２の十点平均粗さＲｚが０．０６μｍ以上５．０μｍ以下とすることができる。
次に、凹凸形状部１２上に、下部保護膜３を形成する（工程（Ｓ３０））。具体的には、図７を参照して、第２の主面２Ｂの全面上に下部保護膜３を形成する。下部保護膜３を形成する方法には、スパッタリングやＣＶＤ（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等の任意の成膜方法を採用することができるが、たとえばＳｉからなる半導体基材２を熱酸化処理することにより、熱酸化膜（ＳｉＯ２）として下部保護膜３を形成することができる。具体的には、たとえば酸素含有雰囲気中において処理温度８００℃以上１１００℃以下で所定の時間加熱処理することにより、半導体基材２の第１の主面２Ａ上および第２の主面２Ｂ上に膜厚が１μｍ以下の熱酸化膜を同時に形成することができる。このとき、第１の主面２Ａ上に形成された熱酸化膜が上部保護膜１３に該当し、第２の主面２Ｂ上に形成された熱酸化膜が下部保護膜３に該当する。つまり、上部保護膜１３と下部保護膜３とは、半導体基材２を熱酸化処理することにより同時に形成することができる。
次に、図８を参照して、キャビティ構造９，１０が形成される領域において、第１の主面２Ａ側に検出素子４，５を形成する（工程（Ｓ４０））。具体的には、第１の主面２Ａ上に形成されている上部保護膜１３上に、支持膜１４、吸気温度検出体４、発熱体５、配線パターン６，７、電極パッド８および表面保護膜１５を形成する。
支持膜１４を成膜する方法には、たとえば反応性スパッタリング法やＣＶＤ法などを採用することができる。反応性スパッタリングの成膜条件は、支持膜１４の構成に応じて任意に選択することができるが、たとえばターゲット材にＳｉを用いて窒素ガス雰囲気中でスパッタリングを行うことによりＳｉＮからなる支持膜１４を形成することができる。この場合、ターゲット材にＳｉＮを用いる場合と比べて成膜速度を速めることができる。ＣＶＤ法により成膜する場合には、常圧ＣＶＤ、減圧ＣＶＤ、プラズマＣＶＤなどを用いて成膜温度を３００℃以上４００℃以下とすることにより、支持膜１４を成膜することができる。支持膜１４をたとえばＳｉＮなどの窒化膜とする場合には、原料ガスとしてたとえばモノシラン、ジシランなどの他、アンモニアガスが用いられる。また、支持膜１４をたとえばＳｉＯ２などの酸化膜とする場合には、原料ガスとしてたとえばモノシラン、ジシランなどの他、亜酸化窒素や酸素ガスなどが用いられる。ＳｉＯ２からなる支持膜１４を設ける方法としては、ＴＥＯＳ−ＣＶＤ法を採用できる。なお、ＣＶＤ法はスパッタリング法と比べて段差被覆性に優れ応力制御性も良いため、支持膜１４や表面保護膜１５の形成にＣＶＤ法を用いることにより、緻密で薄い膜を形成することができる。
吸気温度検出体４、発熱体５、配線パターン６，７および電極パッド８はそれぞれ任意の方法で形成され得る。たとえば蒸着法やスパッタリング法により成膜され、また写真製版により形成されたマスクパターンを用いてドライエッチングまたはウエットエッチング法によりパターニングされる。このようにして、センサ素子１に所定の電流路パターンが形成される。
次に、図９を参照して、下部保護膜３に対し、キャビティ構造９，１０が形成されるべき領域に開口パターンを形成する。キャビティ構造９が形成されるべき領域は吸気温度検出体４が形成されるべき領域であり、キャビティ構造１０が形成されるべき領域は発熱体５が形成されるべき領域である。下部保護膜３に開口パターンを形成する方法は、任意の方法を採ることができるが、たとえばフォトリソグラフィ法やドライエッチング法を採用することができる。具体的には、下部保護膜３上に、キャビティ構造９，１０が形成されるべき領域にフォトリソグラフィ法により開口パターンを有するマスクパターン（図示しない）を形成し、当該マスクパターンを用いて下部保護膜３をドライエッチングすることによりキャビティ構造９，１０が形成されるべき領域に開口パターンを有する下部保護膜３を形成してもよい。
次に、図１０を参照して、下部保護膜３をマスクとして用いて第２の主面２Ｂ側から半導体基材２を部分的にエッチングすることにより、キャビティ構造９，１０を形成する（工程（Ｓ５０））。先の工程（Ｓ４０）において形成された下部保護膜３はキャビティ構造９，１０が形成されるべき領域に開口パターンを有するため、これをマスクとして半導体基材２をエッチングすることにより、キャビティ構造９，１０が形成されるべき領域にそれぞれキャビティ構造９，１０を形成することができる。キャビティ構造９，１０を形成する方法は任意の方法を採用することができるが、たとえばＴＭＡＨやＫＯＨなどによるウエットエッチング法である。具体的には、ＴＭＡＨやＫＯＨなどを加温した浴槽に半導体基材２を浸漬させることにより、第２の主面２Ｂから第１の主面２Ａまで達するキャビティ構造９，１０を形成することができる。キャビティ構造９，１０の内部には上部保護膜１３が表出しており、当該上部保護膜１３上には吸気温度検出体４や発熱体５が形成されている。異なる観点から言えば、第１の主面２Ａ側において、キャビティ構造９，１０は上部保護膜１３により塞がれている。このようにして、半導体基材２には複数のセンサ素子１が形成されている。
次に、図１２を参照して、半導体基材２に形成されている複数のセンサ素子１を個片化する。センサ素子１を個片化する方法は任意の方法を採用することができるが、たとえばブレードダイシング法とすることができる。ダイシングライン１６は、たとえばキャビティ構造９，１０は形成されていない領域に設けられている。以上のようにして、実施の形態１に係るセンサ素子１を得ることができる。
次に、実施の形態１に係るセンサ素子１の作用効果について説明する。センサ素子１における半導体基材２の第２の主面２Ｂは凹凸形状部１２を含み、凹凸形状部１２の凸部先端は曲面形状を有している。これにより、図１３（ａ）および（ｂ）を参照して、凹凸形状部１２が形成されていないセンサ素子と比べて、下部保護膜３に線状に延びる傷Ｓが入ることを抑制することができる。
具体的には、センサ素子１において検出素子４，５の反対側に位置する第２の主面２Ｂは、センサ素子１の製造プロセスにおいて各種製造装置のステージなどと接触する機会が多い。このとき、図１３（ｂ）に示すような凹凸形状部１２が形成されていない従来のセンサ素子では、保護膜の膜厚以上の大きさの異物Ｆ（図３参照）が当該ステージと第２の主面２Ｂとの間に介在した状態で半導体基板が取り扱われることにより、下部保護膜３には線状の傷Ｓが形成される場合がある（図１４（ａ）参照）。このようにして工程（Ｓ５０）までに下部保護膜３に形成された線状の傷Ｓは工程（Ｓ５０）においてエッチャント侵入経路となるため、下部保護膜３に傷Ｓが形成された領域には大きなピットＰが形成される。図１４（ｂ）を参照して、特にキャビティ構造９，１０が形成されるべき領域に隣接した領域上に傷Ｓが形成された場合には、キャビティ構造９，１０の寸法はその設計寸法よりも大きくなり、キャビティ構造９，１０の形状はその設計形状２１と乖離した形状となる。たとえば、図１４（ａ）を参照して、キャビティ構造９が形成されるべき領域１７と隣接する領域に傷Ｓが形成されている場合には、傷Ｓにおいて領域１７との距離が最も長くなる位置にまでキャビティ構造９が延びるように形成され得る。これにより、たとえばキャビティ構造９が方形状であって一辺の設計寸法がＬ１であるときに、傷Ｓが当該一辺と交差する他の一辺に隣接し、かつ当該一辺が延びる方向に沿った方向において距離Ｌ２−Ｌ１だけ延びるように形成されている場合には、キャビティ構造９の当該一辺の長さはＬ１よりも距離Ｌ２-Ｌ１だけ延びてＬ２となる。この結果、凹凸形状部１２が形成されていない従来のセンサ素子は加圧に対して脆弱となり、当該従来のセンサ素子は支持体に組み付けられる際などに局所的な応力集中が起こり破損することがあった。
これに対し、実施の形態１に係るセンサ素子１は、第２の主面２Ｂに凹凸形状部１２が形成されているため、上述した凹凸形状部１２が形成されていない従来のセンサ素子と比べて傷Ｓを細かく分断させることができる。この結果、各傷Ｓからエッチャントが侵入して形成されるピットＰを小型化することができ、仮にキャビティ構造９，１０が形成されるべき領域に隣接して傷Ｓが形成されている場合でも、キャビティ構造９，１０の形状の乱れを大幅に低減することができる。この結果、センサ素子１は加圧された場合にも応力集中が緩和されて破損が生じにくい。
さらに、図１３（ｃ）に示す凹凸形状部が中心を有する錐体形状として形成されている従来のセンサ素子は、上述した図１３（ｂ）に示す従来のセンサ素子と比べると傷Ｓを細かく分断させることができピットＰの大型化を抑制することができるが、製造プロセスにおいて第２の主面２Ｂが各種製造装置のステージなどと接触する際に凹凸形状部の凸部先端が欠けやすく、このように欠けた凸部先端片が新たな異物として下部保護膜３に傷Ｓを生じさせる場合がある。その結果、下部保護膜３に生じる傷Ｓを十分に低減してキャビティ構造９，１０の変形を十分に抑制することが困難であり、上述した従来のセンサ素子と同様に加圧に対して脆弱な場合があった。
これに対し、実施の形態１に係るセンサ素子１は、凹凸形状部１２の凸部先端が曲面状に形成されているため、当該凸部先端の欠けを抑制することができ、下部保護膜３に生じる傷Ｓを十分に低減することができる。その結果、センサ素子１のキャビティ構造９，１０の変形を十分に抑制することができ、加圧時にも応力集中が緩和されて破損が生じにくい。
また、図１３（ａ）に示すように、実施の形態１に係るセンサ素子１は、凹凸形状部１２の十点平均粗さＲｚは下部保護膜３の膜厚以上である。これにより、凹凸形状部１２は下部保護膜３により完全に平坦化されることがなく、下部保護膜３の下面３Ｂは凹凸形状部１２が形成されている第２の主面２Ｂの凹凸形状にある程度引き継いだ凹凸形状を有している。
そのため、製造プロセスにおいて第２の主面２Ｂと各種製造装置のステージなどとの間に下部保護膜３の膜厚と凹凸形状部１２の十点平均荒さＲｚとの和に相当する大きさ以下程度の外径Ｒ（図３参照）を有する異物Ｆが介在した場合であっても、下面３Ｂおよび第２の主面２Ｂには上記十点平均粗さＲｚに起因した凹凸が形成されているため、異物Ｆとセンサ素子１とが相対的に移動することなどにより下部保護膜３を貫通する傷Ｓが線状に延びるように生じることを抑制することができる。その結果、センサ素子１では異物Ｆにより下部保護膜３に加えられる傷Ｓが従来のセンサ素子のように広範囲に形成されることが抑制されている。
実施の形態１に係るセンサ素子１の製造方法によれば、半導体基材２の第２の主面２Ｂに凹凸形状部１２を形成する工程において、凹凸形状部１２の凸部先端が曲面形状を有するように凹凸形状部１２が形成される。このため、上述のように、下部保護膜３に線状に延びる傷Ｓが入ることを抑制することができるため、キャビティ構造９，１０の形状の乱れを大幅に低減することができる。その結果、得られたセンサ素子１は加圧された場合にも応力集中が緩和されて破損が生じにくい。
また、凹凸形状部１２を形成する工程と下部保護膜３を形成する工程とにおいて、凹凸形状部１２と下部保護膜３とは、凹凸形状部１２の十点平均粗さが前記保護膜の膜厚以上となるように形成される。このため、上述のように、センサ素子１を支持体に固定して流量検出装置を組み立てる際に、センサ素子１と支持体とを接続固定させる接着剤とセンサ素子１との接触面積を広く稼ぐことができ、かつ接着剤に対しアンカー効果を奏することができるため、センサ素子１と支持体との密着性を高めることができる。
また、凹凸形状部１２を形成する工程（Ｓ２０）では、研削により凹凸形状部１２が形成されるため、たとえば抑制したい傷のサイズに応じて研削砥石の砥粒の粒度を変えることにより、センサ素子１のキャビティ構造９，１０の変形を効果的に抑制することができる。具体的には、粒度が大きい研削砥石を用いることにより凹凸形状部１２の十点平均粗さＲｚを大きくすることができ、当該凹凸形状部１２上に形成されかつこの十点平均粗さＲｚよりも薄い膜厚を有する下部保護膜３上に傷Ｓが延びる距離を抑制することができる。
また、半導体基材２の第２の主面２Ｂを粗研磨(ラッピング)のみで所望の凹凸形状部１２を形成することができることから、テクスチャ構造化や鏡面加工工程を削減することができる。さらに、研磨剤(砥粒)の使用量を低減し、環境的負荷の高い砥粒の使用量を抑えることができる。その結果、実施の形態１に係るセンサ素子１の製造方法によれば、従来のセンサ素子の製造方法と比べて製造コストを低減することができる。
また、検出素子４，５を形成する工程（Ｓ４０）は凹凸形状部１２を形成する工程（Ｓ２０）の後に実施されるが、工程（Ｓ２０）において凹凸形状部１２の凸部先端が曲面状に形成されており、かつ工程（Ｓ２０）と工程（Ｓ４０）との間に下部保護膜３を形成する工程（Ｓ３０）を有している。そのため、キャビティ構造９，１０を形成する工程（Ｓ５０）までに凹凸形状部１２の凸部先端に欠けが生じたり、下部保護膜３に傷Ｓが生じることを十分に抑制することができる。
また、工程（Ｓ３０）において下部保護膜３と同時に上部保護膜１３を形成することにより、上部保護膜１３はセンサ素子１の支持膜の一部として構成されるため、支持膜１４の形成工程を短縮することができる。
実施の形態１に係るセンサ素子１の製造方法において、凹凸形状部１２は粒度が大きい研削砥石を用いて第２の主面２Ｂを研削して粗面化する（粗研磨する）ことにより形成されているが、これに限られるものではない。凹凸形状部１２は、たとえば当該粗研磨後にさらに粒度の小さい研削砥石を用いて粗面化された第２の主面２Ｂを研削することにより、形成されてもよい。この場合、粗研磨のみにより凹凸形状部１２を形成する場合と比べて、半導体基材２の厚みのばらつきを低減することができる。特に厚みの薄い半導体基材２を用いる場合には半導体基材２自体の抗折強度が低下するが、粒度の小さい研削砥石を用いた研削やポリッシングを行うことで半導体基材２自体の抗折強度を高めることができる。
実施の形態１に係るセンサ素子１の製造方法において、凹凸形状部１２は第２の主面２Ｂを研削することにより形成されているが、これに限られるものではない。たとえば、凹凸形状部１２は、イオンミリングにより形成されてもよい。具体的には、たとえばアルゴン（Ａｒ）プラズマを用いて半導体基材２の第２の主面２Ｂの全面をスパッタリングすることにより、凹凸形状部１２が形成されてもよい。このようにしても、上述した実施の形態１に係るセンサ素子１の製造方法と同様の効果を奏することができる。また、環境負荷の高い研磨剤（砥粒）を使用せずに、凹凸形状部１２を形成することができる。
また、たとえばサンドブラストにより、凹凸形状部１２が形成されてもよい。このようにしても、上述した実施の形態１に係るセンサ素子１の製造方法と同様の効果を奏することができ、かつ環境負荷の高い研磨剤（砥粒）を使用せずに凹凸形状部１２を形成することができる。
なお、実施の形態１に係るセンサ素子１において、凹凸形状部１２は第２の主面２Ｂの全面にわたって形成されているが、これに限られるものではない。凹凸形状部１２は、たとえばキャビティ構造９，１０が形成されるべき領域以外の半導体基材２が残されるべき領域上に位置する第２の主面２Ｂにのみ形成されていてもよい。このようにしても、実施の形態１に係るセンサ素子の製造方法と同様の効果を奏することができる。
実施の形態１に係るセンサ素子１には凹凸形状部１２上に下部保護膜３が形成されているが、下部保護膜３はキャビティ構造９，１０を形成する工程（Ｓ５０）の後に除去してもよい。具体的には、バッファードフッ酸（ＢＨＦ）などに半導体基材２の第２の主面２Ｂ側を浸漬することにより、下部保護膜３をウエットエッチングにより除去してもよい。この結果、キャビティ構造９，１０を有するとともに凹凸形状部１２が表出しているセンサ素子１を形成することができる。
（実施の形態２）
次に、図１５および図１６を参照して、実施の形態２に係る検出装置１００について説明する。検出装置１００は、実施の形態１に係るセンサ素子１であって、下部保護膜３が除去されて凹凸形状部１２が表出しているセンサ素子１が支持体２０に固定されて構成されている。支持体２０は、センサ素子１が配置・組込まれる組込み部を有しており、当該組み込み部はセンサ素子１を収容可能に設けられている。支持体２０は、被計測流体が流通する管路上に設置されている。センサ素子１は、支持体２０の組込み部内に固定されている。センサ素子１と支持体２０とは、たとえば電極パッド８が形成されている領域の下方に位置する凹凸形状部１２と支持体２０とが接着剤１８により接着されていることにより固定されている。キャビティ構造９，１０に対して被計測流体の流通方向Ａの上流側に位置しセンサ素子１と支持体２０とが対向する領域には、底流防止剤１９が充填されている。
次に、図１５および図１６を参照して、実施の形態２に係る検出装置１００について説明する。検出装置１００は、実施の形態１に係るセンサ素子１であって、下部保護膜３が除去されて凹凸形状部１２が表出しているセンサ素子１が支持体２０に固定されて構成されている。支持体２０は、センサ素子１が配置・組込まれる組込み部を有しており、当該組み込み部はセンサ素子１を収容可能に設けられている。支持体２０は、被計測流体が流通する管路上に設置されている。センサ素子１は、支持体２０の組込み部内に固定されている。センサ素子１と支持体２０とは、たとえば電極パッド８が形成されている領域の下方に位置する凹凸形状部１２と支持体２０とが接着剤１８により接着されていることにより固定されている。キャビティ構造９，１０に対して被計測流体の流通方向Ａの上流側に位置しセンサ素子１と支持体２０とが対向する領域には、底流防止剤１９が充填されている。
接着剤１８を構成する材料はセンサ素子１と支持体２０とを接着可能な任意の接着剤とすることができるが、好ましくは熱硬化型の接着剤である。底流防止剤１９を構成する材料は、センサ素子１と支持体２０との間を充填可能な任意の材料とすることができるが、たとえば常温硬化型の接着剤である。
実施の形態２に係る検出装置１００の製造方法は、実施の形態１に係るセンサ素子の製造方法によりセンサ素子１を準備する工程（Ｓ１００）と、センサ素子１を取り付け可能に設けられている支持体２０を準備する工程（Ｓ１１０）と、凹凸形状部１２を接着面としてセンサ素子１と支持体２０とを接着する工程（Ｓ１２０）とを備える。
センサ素子１を準備する工程（Ｓ１００）では、上述した実施の形態１に係るセンサ素子の製造方法により実施の形態１に係るセンサ素子１を準備する。さらに、得られたセンサ素子１の下部保護膜３を除去し、凹凸形状部１２が表出しているセンサ素子１を準備する。続いて、支持体２０を準備する工程（Ｓ１１０）では、上述した支持体２０を任意の方法により準備すればよい。
センサ素子１と支持体２０とを接着する工程（Ｓ１２０）では、まず、接着剤１８と底流防止剤１９とをそれぞれ支持体２０の組み込み部内の所定の領域にあらかじめ塗布しておく。具体的には、支持体２０の組み込み部内において、接着剤１８はセンサ素子１を固定したときに電極パッド８の下方に位置する領域に塗布され、底流防止剤１９はセンサ素子１を固定したときにキャビティ構造９，１０に対して被計測流体の流通方向Ａの上流側に位置する領域に塗布される。このとき、底流防止剤１９の塗布量は、センサ素子１を支持体２０の組み込み部内に組み込んだときにセンサ素子１によって押圧されてセンサ素子１の第１の主面２Ａ側にはみ出すことがなく、また第２の主面２Ｂ側においてはキャビティ構造９，１０内にはみ出すことがないように調整されている。
次に、センサ素子１を支持体２０の組込み部内に組込む。このとき、センサ素子１は支持体２０に対して押圧される。このとき、支持体２０の組込み部内に予め塗布されていた接着剤１８と底流防止剤１９は、センサ素子１の凹凸形状部１２によって押圧されてセンサ素子１と支持体２０との間に位置する領域に押し拡げられる。これにより、底流防止剤１９はセンサ素子１と支持体２０との間に生じている隙間を移動し、センサ素子１の第１の主面２Ａと同じ高さまで充填される。このようにして、実施の形態２に係る検出装置１００を得ることができる。
次に、実施の形態に２に係る検出装置１００およびその製造方法の作用効果について説明する。検出装置１００は、流量検出素子として実施の形態１に係るセンサ素子１を用いている。センサ素子１のキャビティ構造９，１０は設計寸法に対して精度よく形成されているため、センサ素子１と支持体２０とを接着する工程（Ｓ１２０）においてセンサ素子１を支持体２０に対して加圧してもセンサ素子１は破損しない。その結果、検出装置１００は高い歩留まりを有することができる。
さらに、第２の主面２Ｂには凹凸形状部１２が形成されているため、センサ素子１を支持体２０の組み込み部内に組み込んだときに第２の主面２Ｂと支持体２０との間には所定の体積を有する空隙が形成される。このため、当該空隙に接着剤１８および底流防止剤１９が入り込むことにより、第２の主面２Ｂと接着剤１８および底流防止剤１９との接触面積が大きくなることから、アンカー効果によってセンサ素子１と支持体２０との密着性を向上することができる。また、接着剤１８や底流防止剤１９が第１の主面２Ａ上やキャビティ構造９，１０内にまではみ出すことを抑制することができる。
実施の形態２に係る検出装置１００において、実施の形態１に係るセンサ素子１の製造方法において凹凸形状部１２上に形成される下部保護膜３は除去されているが、これに限られるものではない。たとえば、下部保護膜３が形成されている状態で、支持体２０と接着されていてもよい。このようにしても、実施の形態２に係る検出装置１００と同様の効果を奏することができる。
また、実施の形態１に係るセンサ素子１は流量検出素子として形成されており、実施の形態２に係る検出装置１００は流量検出装置として形成されているが、これに限られるものではない。センサ素子１は、キャビティ構造９，１０を有する任意のセンサ素子とすることができ、たとえば圧力センサや超音波センサであってもよい。つまり、検出装置１００は、キャビティ構造９，１０を有するセンサ素子を備える任意の検出装置とすることができ、たとえば圧力検出装置や超音波検出装置であってもよい。
また、実施の形態１に係るセンサ素子の製造方法において、検出素子４，５を形成する工程（Ｓ４０）は凹凸形状部１２を形成する工程（Ｓ２０）の後に実施されるが、これに限られるものではない。図１７を参照して、検出素子４，５を形成する工程（Ｓ４０）は凹凸形状部１２を形成する工程（Ｓ２０）の前に実施されてもよい。具体的には、まず、実施の形態１に係るセンサ素子の製造方法と同様に、半導体基材２を準備する工程（Ｓ１０）を実施した後、準備した半導体基材２の第１の主面２Ａ上に検出素子４，５を形成する工程（Ｓ４０）を実施してもよい。その後、半導体基材２の第２の主面２Ｂ上に凹凸形状部１２を形成する工程（Ｓ２０）と、凹凸形状部１２上に保護膜（下部保護膜３）を形成する工程（Ｓ３０）と、保護膜（下部保護膜３）に開口パターンを形成し、下部保護膜３をマスクとして用いて開口パターン内に表出している半導体基材２をエッチングすることにより、キャビティ構造９，１０を形成する工程（Ｓ５０）とを実施してもよい。このようにしても、実施の形態１に係るセンサ素子１を製造することができる。さらに、工程（Ｓ４０）において半導体基材２の厚みが厚く割れにくいため、割れ等による不良発生率を低減することができる。また、工程（Ｓ４０）において第２の主面２Ｂ上に形成された傷を、工程（Ｓ２０）において研削の際に除去することができる。
（実施の形態３）
次に、実施の形態３に係るセンサ素子１について説明する。実施の形態１に係るセンサ素子１の製造方法の凹凸形状部１２を形成する工程（Ｓ２０）において凹凸形状部１２を研削などの方法により形成した場合には、センサ素子１の第２の主面２Ｂには図１８に示されるような破砕層３０が形成される場合がある。半導体基材２の厚みが１００μｍ超えである場合には、破砕層３０が形成されていることによっても半導体基材２において強度不足が大きな問題となる可能性は低い。しかし、半導体基材２の厚みが１００μｍ以下と薄い場合には、破砕層３０が形成されていることにより半導体基材２が強度不足となる場合がある。実施の形態３に係るセンサ素子１は、基本的には実施の形態１に係るセンサ素子１と同様の構成を備えるが、第２の主面２Ｂに破砕層３０が形成されていない点で異なる。そのため、実施の形態３に係るセンサ素子１は、実施の形態１に係るセンサ素子１と同様の効果を奏することができるとともに、半導体基材２の厚みが１００μｍ以下であっても十分な強度を有しており、高い加圧耐性を有している。
次に、実施の形態３に係るセンサ素子１について説明する。実施の形態１に係るセンサ素子１の製造方法の凹凸形状部１２を形成する工程（Ｓ２０）において凹凸形状部１２を研削などの方法により形成した場合には、センサ素子１の第２の主面２Ｂには図１８に示されるような破砕層３０が形成される場合がある。半導体基材２の厚みが１００μｍ超えである場合には、破砕層３０が形成されていることによっても半導体基材２において強度不足が大きな問題となる可能性は低い。しかし、半導体基材２の厚みが１００μｍ以下と薄い場合には、破砕層３０が形成されていることにより半導体基材２が強度不足となる場合がある。実施の形態３に係るセンサ素子１は、基本的には実施の形態１に係るセンサ素子１と同様の構成を備えるが、第２の主面２Ｂに破砕層３０が形成されていない点で異なる。そのため、実施の形態３に係るセンサ素子１は、実施の形態１に係るセンサ素子１と同様の効果を奏することができるとともに、半導体基材２の厚みが１００μｍ以下であっても十分な強度を有しており、高い加圧耐性を有している。
次に、図１９を参照して、実施の形態３に係るセンサ素子１の製造方法について説明する。実施の形態３に係るセンサ素子１の製造方法は、基本的には図４に示される実施の形態１に係るセンサ素子１の製造方法と同様の構成を備えるが、凹凸形状部１２を形成する工程（Ｓ２０）において第２の主面２Ｂに形成された破砕層３０を除去する工程（Ｓ６０）を備える点で異なる。
破砕層３０を除去する工程（Ｓ６０）は、凹凸形状部１２を形成する工程（Ｓ２０）の後であって保護膜を形成する工程（Ｓ３０）の前に実施される。本工程（Ｓ６０）では、半導体基材２の第２の主面２Ｂに対してウエットエッチングが施される。エッチング液は、たとえばＴＭＡＨまたはＫＯＨなどの水溶液である。このようなエッチング液が加温されている浴槽に半導体基材２の第２の主面２Ｂを浸漬させる。このようにすれば、第２の主面２Ｂに形成されている破砕層３０を除去することができる。つまり、実施の形態３に係るセンサ素子の製造方法によれば、実施の形態１に係るセンサ素子１の製造方法と同様の効果を奏することができるとともに、破砕層３０を容易に除去することができ、加圧時において高い耐性を有しているセンサ素子１を製造することができる。
なお、図２０を参照して、実施の形態３に係るセンサ素子１の製造方法は、基本的には図１７に示される実施の形態１に係るセンサ素子１の製造方法の変形例と同様の構成を備えており、凹凸形状部１２を形成する工程（Ｓ２０）において第２の主面２Ｂに形成される破砕層３０を除去する工程（Ｓ６０）を備える点で該変形例と異なっていてもよい。具体的には、半導体基材２の第１の主面２Ａ上に検出素子４，５を形成する工程（Ｓ４０）の後に半導体基材２の第２の主面２Ｂ上に凹凸形状部１２を形成する工程（Ｓ２０）および凹凸形状部１２上に保護膜（下部保護膜３）を形成する工程（Ｓ３０）が実施されるセンサ素子１の製造方法においては、上記工程（Ｓ２０）の後であって上記工程（Ｓ３０）の前に破砕層３０を除去する工程（Ｓ６０）が実施される。このようにしても、実施の形態３に係るセンサ素子１の製造方法と同様の効果を奏することができる。
以上のように本発明の実施の形態について説明を行ったが、上述の実施の形態を様々に変形することも可能である。また、本発明の範囲は上述の実施の形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むことが意図される。
本発明は、キャビティ構造を有するセンサ素子に特に有利に適用される。
１ センサ素子、２ 半導体基材、２Ａ 第１の主面、２Ｂ 第２の主面、３ 下部保護膜、３Ｂ 下面、４ 吸気温度検出体（検出素子）、５ 発熱体（検出素子）、６，７ 配線パターン、８ 電極パッド、９，１０ キャビティ構造、１２ 凹凸形状部、１３ 上部保護膜、１４ 支持膜、１５ 表面保護膜、１６ ダイシングライン、１８ 接着剤、１９ 底流防止剤、２０ 支持体、１００ 検出装置。
Claims (13)
- 第１の主面と、前記第１の主面と反対側に位置する第２の主面とを有し、前記第２の主面側にキャビティ構造が形成されている半導体基材と、
前記キャビティ構造が形成されている領域において、前記第１の主面側に形成されている検出素子とを備え、
前記半導体基材の前記第２の主面は凹凸形状部を含み、
前記凹凸形状部の凸部先端は曲面形状を有している、センサ素子。 - 前記凹凸形状部上に形成された保護膜をさらに備え、
前記凹凸形状部の十点平均粗さは前記保護膜の膜厚以上である、請求項１に記載のセンサ素子。 - 請求項１または請求項２に記載のセンサ素子を備えた、検出装置。
- 第１の主面と、前記第１の主面と反対側に位置する第２の主面とを有する半導体基板を準備する工程と、
前記半導体基板の前記第２の主面に凹凸形状部を形成する工程と、
前記凹凸形状部上に保護膜を形成する工程と、
前記保護膜に対して開口パターンを形成し、前記保護膜をマスクとして用いて前記開口パターン内に表出している前記半導体基板をエッチングすることにより、キャビティ構造を形成する工程と、
前記キャビティ構造が形成される領域において、前記第１の主面側に検出素子を形成する工程とを備え、
前記凹凸形状部を形成する工程では、前記凹凸形状部の凸部先端が曲面形状を有するように前記凹凸形状部が形成される、センサ素子の製造方法。 - 前記凹凸形状部を形成する工程と前記保護膜を形成する工程とにおいて、前記凹凸形状部と前記保護膜とは、前記凹凸形状部の十点平均粗さが前記保護膜の膜厚以上となるように形成される、請求項４に記載のセンサ素子の製造方法。
- 前記凹凸形状部を形成する工程では、研削により前記凹凸形状部が形成される、請求項４または請求項５に記載のセンサ素子の製造方法。
- 前記凹凸形状部を形成する工程では、イオンミリングにより前記凹凸形状部が形成される、請求項４または請求項５に記載のセンサ素子の製造方法。
- 前記凹凸形状部を形成する工程では、サンドブラストにより前記凹凸形状部が形成される、請求項４または請求項５に記載のセンサ素子の製造方法。
- 前記保護膜を形成する工程では、前記第２の主面を熱酸化することにより前記保護膜が形成される、請求項４〜請求項８のいずれか１項に記載のセンサ素子の製造方法。
- 前記検出素子を形成する工程は、前記凹凸形状部を形成する工程の前に実施される、請求項４〜請求項９のいずれか１項に記載のセンサ素子の製造方法。
- 前記検出素子を形成する工程は、前記凹凸形状部を形成する工程の後に実施される、請求項４〜請求項９のいずれか１項に記載のセンサ素子の製造方法。
- 前記凹凸形状部を形成する工程において前記第２の主面には破砕層が形成され、
前記破砕層を除去する工程を備える、請求項４〜請求項１１のいずれか１項に記載のセンサ素子の製造方法。 - 請求項４〜請求項１２のいずれか１項に記載のセンサ素子の製造方法により前記センサ素子を準備する工程と、
前記センサ素子を取り付け可能に設けられている支持体を準備する工程と、
前記凹凸形状部を接着面として前記センサ素子と前記支持体とを接着する工程とを備える、検出装置の製造方法。
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