JPH05264564A - センサ装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 凹部の製造時間の短縮、凹部を任意の２次元
形状・深さ形状に容易に加工し、基板の切断時にセンサ
薄膜部の破壊を防止し、コストの削減を図る。 【構成】 基板１に溝１１を機械加工で形成し（工程
１）、溝１１に充填物１２を充填し（工程２）、絶縁膜
１３を形成し（工程３）、ワイヤボンディング用パッド
７、感温抵抗体５、６を形成し（工程４）、感温抵抗体
５、６、ワイヤボンディング用パッド７のパターンを形
成し（工程５）、絶縁膜１４を形成し（工程６）、ワイ
ヤボンディング用窓７ａを形成し、空隙９、凹部４のパ
ターンを形成し（工程７）、基板裏面に接着したシート
１５を切断しないように各チップに切断し（工程８）、
溝１１の充填物１２を除去し（工程９）、ワイヤボンデ
ィングを行う（工程１０）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば気体用微小流量
センサ等の薄膜を応用したセンサ装置の製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、薄膜を応用したセンサ装置として
は、例えば特公平３−５２０２８号に記載された気体用
微小流量センサの如く、シリコン単結晶板の〈１０
０〉，〈１１０〉，〈１１１〉等の結晶方位によるエッ
チング速度の違いを利用したものがある。このものにあ
っては、まずシリコン単結晶板の（００１）面上に、薄
膜の加熱ヒータ、感温抵抗体等を電気的絶縁膜により被
覆した状態で形成すると共に、次にこの電気的絶縁膜に
より被覆された状態の加熱ヒータ及び感温抵抗体からな
るセンサ部の下方のシリコン単結晶板に熱絶縁空間とし
ての凹部を異方性エッチングによって形成した構造とな
っている。この場合、該センサ装置の製造工程は、図６
に示すようになっている。すなわち、基板としての結晶
面（１００）の単結晶シリコンウェハを形成した後（工
程１）、該基板の結晶面（１００）に対する、絶縁膜と
しての窒化シリコン膜の生成を行い（工程２）、この窒
化シリコン膜上に加熱ヒータ及び感温抵抗体からなるセ
ンサ部・ワイヤボンド用パッドとしての金属膜の生成し
（工程３）、次にセンサ部及びワイヤボンディング用パ
ッドのパターン加工を行う（工程４）。なお、この工程
４におけるセンサ部のパターン加工は、結晶面（１０
０）のシリコン単結晶板の場合、後述する異方性エッチ
ングによる熱絶縁空間としての凹部を効率的に生成すべ
く、シリコン単結晶板の〈１１０〉方向に対して４５度
の角度でセンサ部の基本軸が配置されるように行われ
る。そして、センサ部及びワイヤボンディング用パッド
が生成されたこの窒化シリコン膜上に、再び絶縁膜とし
ての窒化シリコン膜を生成し（工程５）、この窒化シリ
コン膜にセンサ部の下方のシリコン単結晶板に熱絶縁空
間としての凹部を形成するため、及びワイヤボンディン
グ用パッドを露出させるためのパターン加工を施した後
（工程６）、この単結晶シリコンウェハを異方性エッチ
ング液に侵漬してセンサ部の下方のシリコン単結晶板に
熱絶縁空間としての凹部を形成する（工程７）。そし
て、異方性エッチングが済んだ単結晶シリコンウェハは
センサ部を備えたセンサチップに切断され（工程８）、
切断された各センサチップはそれぞれチップ実装用基板
に装着され、チップ実装用基板の入出用端子・電力供給
端子とセンサチップのそれぞれ対応するワイヤボンディ
ング用パッドとの間のワイヤボンディングが行われる
（工程９）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
た従来技術においては異方性エッチングによりセンサ部
の下方のシリコン単結晶板に熱絶縁空間としての凹部を
形成しているため、下記の問題点があった。 センサ部、及び該センサ部を保護する誘電体膜（絶
縁膜）を異方性エッチング液に浸食されない材質とする
必要がある。 センサ部の下方のシリコン単結晶板に熱絶縁空間と
しての凹部を形成する異方性エッチングを効率的に行う
ためには、結晶面（１００）のシリコン単結晶板の場
合、〈１００〉方向に対して４５度の角度でセンサ部の
基本軸をシリコン単結晶板上に配置しなければならず、
製造工程が煩雑化する。 センサ部をシリコン単結晶板の結晶面（１００）に
構成しなければならないため、製造工程も煩雑化する。 単結晶のシリコンウェハは高価である。 例えば、異方性エッチング液に水酸化カリウム液を
使用して異方性エッチングを行うと、異方性エッチング
の処理時間が増大する。 異方性エッチングが施されたシリコンウェハから各
センサチップを切断する場合、センサ部の下方のシリコ
ン単結晶板に熱絶縁空間としての凹部が既に形成され、
センサ部が該凹部に対して橋桁状の薄膜部となっている
ため、回転カッタに水を掛けながら切断すると前記橋桁
状の薄膜部となっているセンサ部が破壊される恐れがあ
る。従って、この各センサチップの切断前に予めシリコ
ンウェハにエッチングで溝を形成し、この溝に沿ってシ
リコンウェハを手で割ることにより各センサチップに切
断するか、または異方性エッチングを行う前に回転カッ
タを使って切断してチップ化しておき、このチップ化し
たものをセンサ部の下方のシリコン単結晶板に熱絶縁空
間としての凹部を形成すべく異方性エッチングしなけれ
ばならず、作業性が悪い。

【０００４】本発明は前記課題を解決するもので、セン
サ部の下方のシリコン単結晶板に熱絶縁空間として形成
される凹部の製造に要する時間を短縮すると共に、この
凹部の形状を任意の２次元形状と深さ形状とに容易に加
工することを可能とし、さらに各センサチップへの切断
時に橋桁状の薄膜部としてのセンサ部の破壊を防止して
歩留りの向上をはかることにより、コストの削減を達成
したセンサ装置の製造方法の提供を目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明は、基板上に計測対象流体を加熱する加熱手
段を有する薄膜のセンサ部を形成し、該センサ部下方の
基板部には該センサ部を熱絶縁するための空間部を形成
してなるセンサ装置の製造方法において、前記基板の板
面に前記空間部としての凹部を形成する工程と、該凹部
に溶解可能または加熱により気化可能な充填用材料を充
填する工程と、該充填用材料が充填された基板面に前記
薄膜のセンサ部を形成する工程と、前記充填用材料が充
填された凹部から充填用材料を除去する工程とからなる
ことを特徴とする。

【０００６】

【作用】本発明によれば、基板に予め空間部としての凹
部を形成加工するため、凹部は機械加工またはプレス加
工等で形成可能となり、従来の如く異方性エッチングに
より凹部を形成する場合と比較し、凹部の製造工程に要
する時間を短縮することができる。また、従来の如く基
板としてシリコン単結晶板を用い、シリコン結晶面の物
理化学的性質とエッチング液の作用性質といった自然の
原理に基づき、異方性エッチングによりセンサ部の下方
のシリコン単結晶板に凹部を形成する場合と比較し、凹
部を任意の２次元形状と深さ形状とに容易に加工するこ
とができる。また、加熱手段を有する薄膜のセンサ部を
形成した段階では、センサ部下方の凹部にはまだ充填用
材料が存在し橋桁状の薄膜部となっていないため、回転
カッタ等の高速切断装置により基板を切断して各センサ
チップに分割する場合も、従来の如く回転カッタに掛け
る水の水圧によってセンサ部を破壊するといった不具合
を解消することができる。また、基板としては例えばス
テンレス等の金属、セラミックス、ガラス等の使用が可
能であるため、従来の如く高価なシリコン単結晶を使用
した場合と比較し、コストの削減を達成することができ
る。

【０００７】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図１は本実施例のセンサ装置製造方法により製造
したセンサ装置の斜視図、図２は図１のＡ−Ａ’線及び
Ｂ−Ｂ’線に沿う矢視図であり、ステンレス製の基板１
の中央部には凹部２が形成されており、該凹部２には、
計測対象流体を加熱する薄膜のヒータ４と、加熱された
計測対象流体の温度を検出する薄膜の感温抵抗体５、６
とが橋桁状に形成された薄膜センサ部３が設けられてい
る。また、前記基板１の凹部２の周囲には、複数のワイ
ヤボンディング用パッド７が形成されると共に、前記基
板１の角部には、計測補償用の薄膜の温度センサ抵抗８
等が形成されている。この場合、前記凹部２と前記橋桁
状の薄膜センサ部３の底面との間には空隙９が形成され
ており、ワイヤボンディング用パッド７には、入出力用
端子・電力供給用端子（図示略）に接続するリード金線
１０が、ワイヤボンディング用窓７ａを介して接続され
るようになっている。尚、図１・図２の矢印は流体の流
れ方向である。

【０００８】次に、上記の構成を有する本実施例のセン
サ装置の製造方法を図３の製造工程図、図４・図５の断
面図を中心に説明する。

【０００９】工程１：所定の厚さを有するステンレス製
の基板１の上面に、所定寸法（本実施例では例えば幅
０．６ｍｍ、深さ０．０８ｍｍ）の溝１１を、センサチ
ップの大きさをピッチとして機械加工またはプレス加工
で形成する（図４（ａ））。 工程２：基板１に形成した溝１１の内部に、例えばメッ
キ等により、該溝１１の深さ分より若干厚くなる状態に
充填し、充填物１２で溝１１を埋めた後、該基板１の表
面を研磨し、溝１１以外は元の基板面を再度露出状態と
する。この場合、前記充填物１２は、溶解または化学反
応により除去可能な材料、或いは加熱して気化させるこ
とにより除去可能な材料を使用する（図４（ｂ））。 工程３：基板１の表面に例えば窒化シリコンから成る薄
膜の絶縁膜１３を、プラズマＣＶＤ法あるいはスパッタ
リング等により所定の厚さ（本実施例では例えば１００
〜４００ｎｍ程度）に形成する（図４（ｃ））。 工程４：基板１の表面に更に例えばニッケル，白金等か
ら成る薄膜のワイヤボンディング用パッド７、ヒータ４
及び感温抵抗体５，６等を、スパッタリング等により所
定の厚さ（本実施例では例えば１００〜４００ｎｍ程
度）に形成する（図４（ｄ），（ｅ））。 工程５：基板１にヒータ４及び感温抵抗体５，６、ワイ
ヤボンディング用パッド７等のパターンをフォトリソグ
ラフィーによって形成し、これに基づきエッチングによ
り加工形成する（図４（ｆ））。 工程６：基板１の表面に更に例えば窒化シリコンから成
る薄膜の絶縁膜１４を、スパッタリング等により所定の
厚さ（本実施例では例えば１００〜４００ｎｍ程度）に
形成する（図５（ｇ））。 工程７：基板１の表面に絶縁膜１３を介して形成したワ
イヤボンディング用パッド７上部の絶縁膜１４の所定箇
所を、例えばバッファードフッ酸を使用してエッチング
により開け、ワイヤボンディング用窓７ａを加工形成す
る。更にこのとき、図６で示す凹部２に相当する溝１１
のうち、ヒータ４及び感温抵抗体５，６からなる薄膜セ
ンサ部３近傍の凹部２に充填された充填物１２上の窒化
シリコン膜からなる絶縁膜１４を除去し、溝１１の充填
物１２を後に除去するための窓（すなわち、空隙９（凹
部２）を作るときのパターン）を、加工形成する（図５
（ｈ））。なお、この際、エッチングしたい所以外はレ
ジストで覆っておく。 工程８：基板１の裏面にシート１５を接着した後、該シ
ート１５は切断しないように切断位置Ｓに沿って基板１
を各センサチップに切断する。この場合、基板１の裏面
にシート１５を接着することにより、各センサチップが
散逸することを防止している（図５（ｉ），（ｊ））。 工程９：基板１の溝１１に充填されている充填物１２
を、硫酸または硝酸水溶液等により除去する。この場
合、前記充填物１２を除去する際には、薄膜類が溶解し
ないような除去液、または充填物１２の溶解速度に対し
て著しく遅い溶解速度を有する除去液を使用する（図５
（ｋ））。 工程１０：基板１のワイヤボンディング用パッド７と、
信号入出力用端子・電力供給用端子（図示略）との間に
リード金線１０を接続する、ワイヤボンディングを行
う。

【００１０】上記の製造工程により、上記図１に示した
センサチップを得ることができる。本実施例のセンサ装
置は、ステンレス製の基板に対し、薄膜を形成する前に
溝を機械加工・プレス加工等により予め形成するため、
従来の如く、センサ部、及び該センサ部を保護する誘
電体膜等を異方性エッチングに侵食されない材質とする
必要がある、異方性エッチングを効率的に行うために
は、結晶面（１００）のシリコン単結晶板の場合、〈１
００〉方向に対して４５度の角度でセンサの基本軸を配
置しなければならず、製造工程が煩雑化する、センサ
部をシリコン単結晶板の結晶面（１００）に構成しなけ
ればならないため、製造工程が煩雑化する、シリコン
単結晶板は高価である、といった欠点を解消することが
できる。また、基板の溝は機械加工・プレス加工により
容易に短時間で多数加工できるため、従来の如く、例
えば水酸化カリウム液を使用して異方性エッチングを行
った際に異方性エッチングの処理時間が増大する、とい
った欠点を解消することができる。また、基板の溝の充
填物を除去する前に、基板の裏面にシートを接着し、回
転カッタに水を掛けながらシートを切断しないように切
断深さを調整して切断すれば、基板から各センサチップ
を高速で切断することができる。また、各センサチップ
の切断後に溝から充填物を除去し、各センサチップをシ
ートから取出すため、その作業性が良好となると共に、
橋桁部を破壊する不具合を防止することができる。

【００１１】尚、上記実施例には下記の変形例がある。 上記実施例では基板をステンレス製、充填物をメッ
キによる金属等の組合せとする構成としたが、基板とし
てセラミックス、ガラス、シリコン単結晶等を使用し、
充填物として非金属材料の粒子、樹脂等を使用すること
も可能である。 基板としてシリコン単結晶を使用した場合は、所定
形状の窪みまたは溝等の凹部を異方性エッチングまたは
等方性エッチングにより形成し、また該シリコン単結晶
ウェハを母型として前記凹部をプレス加工することも可
能である。 凹部を基板表面上に形成された有底の窪みとして実
施例では説明したが、凹部を基板表面側から裏面側へ貫
通する穴状の形状としてもよい。 上記実施例では凹部の深さを０．１ｍｍ近い寸法
（０．０８ｍｍ）に形成したが、例えば熱式流量センサ
では凹部としては薄い空気層があれば充分であり、前記
凹部の深さは、必要に応じて薄く形成することも、また
は深く形成することも可能である。

【００１２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、基
板上に計測対象流体を加熱する加熱手段を有する薄膜の
センサ部を形成し、該センサ部下方の基板部には該セン
サ部を熱絶縁するための空間部を形成してなるセンサ装
置の製造方法において、前記基板の板面に前記空間部と
しての凹部を形成する工程と、該凹部に溶解可能または
加熱により気化可能な充填用材料を充填する工程と、該
充填用材料が充填された基板面に前記薄膜のセンサ部を
形成する工程と、前記充填用材料が充填された凹部から
充填用材料を除去する工程とからなるものであるから、
下記各項の効果を奏することができる。 基板に凹部を予め形成加工するため、凹部は機械加工
またはプレス加工等で形成することができ、この結果、
従来の如く異方性エッチングにより凹部を形成する場合
と比較し、凹部の製造工程に要する時間を短縮すること
ができる。 上記により、従来の如くシリコン結晶面の物理化学的
性質とエッチング液の作用性質といった自然の原理に基
づき、異方性エッチングによりシリコン単結晶に凹部を
形成する場合と比較し、凹部を任意の２次元形状と任意
の深さ形状とに容易に加工することが可能となる。 基板の凹部に橋桁状または片持梁状に形成した感温手
段、加熱手段等の下方には充填用材料が存在するため、
回転カッタ等の高速切断装置により基板を切断して複数
のセンサチップに分割する場合、従来の如く回転カッタ
に水を掛けながら切断する際に橋桁状のセンサ薄膜部を
破壊するといった不具合を解消することができる。 基板としては例えばステンレス等の金属、セラミック
ス、ガラス等の使用が可能であるため、従来の如く高価
なシリコン単結晶を使用した場合と比較し、コストの削
減を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例のセンサ装置の斜視図である。

【図２】本実施例の図１のＡ−Ａ’線及びＢ−Ｂ’線に
沿う矢視図である。

【図３】本実施例のセンサ装置の製造工程の概略図であ
る。

【図４】図４（ａ）〜（ｆ）は本実施例のセンサ装置の
製造工程を説明する断面図である。

【図５】図５（ｇ）〜（ｋ）は本実施例のセンサ装置の
製造工程を説明する断面図出ある。

【図６】図６（ａ）は本実施例のセンサ装置の平面図、
（ｂ）は本実施例のセンサ装置の断面図である。

【図７】従来例のセンサ装置の製造工程の概略図であ
る。

【符号の説明】

１ 基板 ２ 凹部 ３ 薄膜センサ部 ４ ヒータ（加熱手段） ５、６ 感温抵抗体（感温手段） ７ ワイヤボンディング用パッド １１ 溝 １２ 充填物（充填用材料） １３、１４ 絶縁膜（絶縁部材） １５ シート

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に計測対象流体を加熱する加熱手
   段を有する薄膜のセンサ部を形成し、該センサ部下方の
   基板部には該センサ部を熱絶縁するための空間部を形成
   してなるセンサ装置の製造方法おいて、 前記基板の板面に前記空間部としての凹部を形成する工
   程と、該凹部に溶解可能または加熱により気化可能な充
   填用材料を充填する工程と、該充填用材料が充填された
   基板面に前記薄膜のセンサ部を形成する工程と、前記充
   填用材料が充填された凹部から充填用材料を除去する工
   程とからなることを特徴とするセンサ装置の製造方法。