JPWO2019082646A1 - センサエレメントおよびその製造方法ならびにセンサ装置 - Google Patents

Abstract

フッ化水素酸や熱リン酸溶液を使用することなく製造可能なセンサエレメントを提供する。基材１０と基材１０に接合された半導体チップ２０とを備えたセンサエレメント１００。半導体チップ２０は、半導体基板２１と、半導体基板２１の表面２１ａに設けられた支持膜２２と、半導体基板２１に凹状に設けられて支持膜２２の素子領域２２Ａに臨む空洞を形成する基板室２３と、半導体基板２１の裏面２１ｂに設けられた絶縁層２４と、絶縁層１４と基材１０との間に設けられた接合層２５とを有する。絶縁層２４は、シリコン酸窒化膜とシリコン酸化膜の少なくとも一方を含む。接合層２５は、低融点ガラスを含む。

Description

本発明は、センサエレメントおよびその製造方法ならびにセンサ装置に関する。

従来から気体の物理量を検出するため物理量検出装置に関する発明が知られている（下記特許文献１を参照）。特許文献１には、特に、内燃機関の吸気系に取り付けられ吸入空気の物理量を検出する物理量検出装置が記載されている。この物理量検出装置は、空洞部を有する半導体基板と、前記空洞部を覆うように前記半導体基板上に設けられる絶縁材料からなる支持膜と、前記支持膜上であって前記空洞部を覆う領域に設けられるゲージ抵抗体と、前記支持膜上に設けられる湿度検出素子と、を備える（同文献、請求項１等を参照）。

前記半導体基板は、単結晶シリコンで形成され、フォトリソグラフィーを利用した半導体微細加工技術、異方性エッチング技術によって前記空洞部が形成される。前記支持膜は、単層の絶縁膜または積層された複数の絶縁膜からなっている。絶縁膜としては、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）などが選定される。

このような物理量検出装置としてのセンサエレメントの製造時には、たとえば、上記フォトリソグラフィーを利用した半導体微細加工技術により、半導体基板の空洞部となる部分を除いて、半導体基板の表面にＳｉＯ膜やＳｉＮ膜のマスクを形成する。そして、マスクが形成された半導体基板に対して水酸化カリウム溶液などによる異方性エッチングを行って空洞部を形成し、前記支持膜を露出させる。

その後、マスクとして使用したＳｉＯ膜やＳｉＮ膜を、フッ化水素酸や熱リン酸溶液などによって除去し、単結晶シリコンからなる半導体基板の表面を露出させる。そして、マスクが除去された半導体基板を、たとえば陽極接合によって、ガラスなどの基材からなる台座に接合する。

特開２０１６−１１８８９号公報

前述のように、半導体基板の表面に形成されたマスクを除去するために使用されるフッ化水素酸や熱リン酸溶液は、危険性が高く、取り扱いに注意を要するだけでなく、使用後に廃液処理などの後工程が必要になる。

また、前述のように、支持膜上にゲージ抵抗体と湿度検出素子とを備える多機能型センサエレメントは、支持膜やその上に形成される保護膜として、ＳｉＯ膜やＳｉＮ膜を含む場合がある。この場合、一方の面にマスクが形成され、他方の面に支持膜や保護膜が形成された半導体基板の全体を、フッ化水素酸や熱リン酸溶液などによってエッチングしてマスクを除去しようとすると、マスクとともに支持膜や保護膜が除去されてしまう。そのため、半導体基板の一方の面のみにエッチングを行う必要があり、製造工程が複雑になる。

本発明は、フッ化水素酸や熱リン酸溶液を使用することなく製造可能なセンサエレメントおよびその製造方法ならびにセンサ装置を提供する。

本発明のセンサエレメントの一態様は、基材と該基材に接合された半導体チップとを備えたセンサエレメントであって、前記半導体チップは、半導体基板と、該半導体基板の表面に設けられた支持膜と、前記半導体基板に凹状に設けられて前記支持膜の素子領域に臨む空洞を形成する基板室と、前記半導体基板の裏面に設けられた絶縁層と、該絶縁層と前記基材との間に設けられた接合層とを有し、前記絶縁層は、シリコン酸窒化膜とシリコン酸化膜の少なくとも一方を含み、前記接合層は、低融点ガラスを含むことを特徴とする。

本発明のセンサ装置の一態様は、前記センサエレメントを備えることを特徴とする。

本発明のセンサエレメントの製造方法の一態様は、基材と該基材に接合された半導体チップとを備えたセンサエレメントの製造方法であって、半導体基板と、該半導体基板の表面に設けられた支持膜と、前記半導体基板に凹状に設けられて前記支持膜の素子領域に臨む空洞を形成する基板室と、前記半導体基板の裏面に設けられシリコン酸窒化膜とシリコン酸化膜の少なくとも一方を含む絶縁層と、を有する前記半導体チップを、前記基材の表面に、前記絶縁層を対向させた状態で低融点ガラスを含む接合剤を介して配置する配置工程と、前記接合剤を前記低融点ガラスの軟化点以上かつ前記半導体チップの耐熱温度以下の加熱温度に加熱して接合層を形成し、該接合層を介して前記半導体チップを前記基材に接合する接合工程と、を有することを特徴とする。

本発明の上記態様によれば、半導体チップの半導体基板にエッチングを施して基板室を形成するときに、半導体基板の裏面の絶縁層をマスクとして使用し、その絶縁層を除去することなく、半導体チップを基材に接合することができる。したがって、本発明の上記態様によれば、フッ化水素酸や熱リン酸溶液を使用することなく製造可能なセンサエレメントおよびその製造方法、ならびに、そのセンサエレメントを備えたセンサ装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係るセンサエレメントの断面図。 図１に示すセンサエレメントの平面図。 図１に示すセンサエレメントの変形例１を示す断面図。 図１に示すセンサエレメントの変形例２を示す断面図。 図１に示すセンサエレメントの変形例３を示す断面図。 ガラスのＤＴＡ曲線の一例を示すグラフ。 図１に示すセンサエレメントの変形例４を示す断面図。 本発明の一実施形態に係るセンサ装置の底面図。 図８Ａに示すＢ−Ｂ線に沿うセンサ装置の断面図。 図８Ｂに示すセンサ装置の取り付け状態の一例を示す断面図。 図８Ｂに示すセンサ装置の取り付け状態の別の一例を示す断面図。 本発明の一実施形態に係るセンサ装置の取り付け状態を示す断面図。 図１０ＡのＢ−Ｂ線に沿うセンサ装置の断面図。 本発明の実施例１２に係るセンサエレメント接合界面のＳＴＥＭ分析結果。 本発明の実施例１２に係るセンサエレメント接合界面のＳＴＥＭ分析結果。

以下、図面を参照して本発明に係るセンサエレメントおよびその製造方法ならびにセンサ装置の実施の形態を説明する。

（センサエレメントおよびその製造方法）
図１は、本発明の実施形態１に係るセンサエレメント１００の模式的な断面図である。図２は、図１に示すセンサエレメント１００の模式的な平面図である。本実施形態のセンサエレメント１００はたとえば、自動車の吸気管を通る空気の湿度を計測する熱式湿度計測装置や、湿度と圧力の双方を計測する多機能計測装置などのセンサ装置の構成要素として用いられる。本実施形態のセンサエレメント１００は、次の構成を備えることを最大の特徴としている。

センサエレメント１００は、基材１０と、この基材１０に接合された半導体チップ２０とを備えている。半導体チップ２０は、半導体基板２１と、この半導体基板２１の表面２１ａに設けられた支持膜２２と、半導体基板２１に凹状に設けられて支持膜２２の素子領域２２Ａに臨む空洞を形成する基板室２３と、半導体基板２１の裏面２１ｂに設けられた絶縁層２４と、この絶縁層２４と基材１０との間に設けられた接合層２５とを有している。絶縁層２４は、シリコン酸窒化膜とシリコン酸化膜の少なくとも一方を含む。接合層２５は、低融点ガラスを含む。なお、本実施形態のセンサエレメント１００において、半導体チップ２０の厚さは、たとえば１０μｍ以下である。以下、本実施形態のセンサエレメント１００の構成についてより詳細に説明する。

基材１０は、たとえば平板状の部材であり、半導体チップ２０の裏面側に接合層２５を介して接合されている。基材１０の素材は、たとえば、シリコン（Ｓｉ）などの半導体またはガラスである。ガラスとしては、たとえば、パイレックス（登録商標）やテンパックスフロート（登録商標）などのホウケイ酸ガラスを用いることができる。なお、基材１０と半導体チップ２０との接合信頼性を向上させる観点から、基材１０の線膨張係数は、半導体チップ２０の半導体基板２１の線膨張係数に可能な限り近い値であることが好ましい。

半導体基板２１は、たとえば、単結晶シリコンを素材とする単結晶シリコン基板であり、表面２１ａに支持膜２２を有し、裏面に絶縁層２４を有している。また、半導体基板２１は、裏面２１ｂの絶縁層２４の開口において開口する凹状の基板室２３を有している。

支持膜２２は、たとえば、半導体基板２１の表層部分または半導体基板２１の表面２１ａに形成された絶縁体の層もしくは膜である。図１に示す例において、支持膜２２は、半導体基板２１の最表面に形成された保護膜２２ａと、この保護膜２２ａに覆われた三層の絶縁膜２２ｂ，２２ｃ，２２ｄとからなる多層構造を有している。なお、支持膜２２を構成する絶縁膜２２ｂ，２２ｃ，２２ｄは、三層に限定されず、たとえば、単層、二層、または四層以上であってもよい。支持膜２２を構成する保護膜２２ａおよび絶縁膜２２ｂ，２２ｃ，２２ｄは、たとえば、酸化シリコン（ＳｉＯ_Ｘ）や窒化シリコン（ＳｉＮ_Ｘ）によって構成されている。支持膜２２は、たとえば、基板室２３と反対側の表面に、このような酸化物または窒化物からなる絶縁膜２２ｄを有している。

支持膜２２は、たとえば、半導体基板２１に空洞を形成する基板室２３に臨む素子領域２２Ａに、圧力計測素子３０と湿度計測素子４０の少なくとも一方が形成されている。圧力計測素子３０と湿度計測素子４０は、たとえば、支持膜２２を構成する保護膜２２ａによって覆われている。支持膜２２の素子領域２２Ａは、基板室２３の隔膜または隔壁を構成している。支持膜２２を構成する絶縁膜２２ｂ，２２ｃ，２２ｄのうち、基板室２３に面する最下層の絶縁膜２２ｄは、ＳｉＯ_ＸまたはＳｉＮ_Ｘによって構成されている

図１および図２に示す例において、支持膜２２は、二つの素子領域２２Ａを有し、一方の素子領域２２Ａに圧力計測素子３０が形成され、他方の素子領域２２Ａに湿度計測素子４０が形成されている。すなわち、図１および図２に示す例において、圧力計測素子３０と湿度計測素子４０は、同一の支持膜２２に形成されている。支持膜２２は、圧力計測素子３０と湿度計測素子４０を、それぞれ、基板室２３によって形成された空洞上に支持している。

基板室２３は、支持膜２２が形成された半導体基板２１の表面２１ａ側とは反対側で、絶縁層２４が形成された半導体基板２１の裏面２１ｂ側に凹状に設けられ、支持膜２２の素子領域２２Ａに臨む空洞を形成している。本実施形態の半導体チップ２０は、二つの基板室２３を有している。基板室２３の少なくとも一つは、半導体基板２１と基材１０との間が封止され、大気圧よりも低い減圧状態にされている。本実施形態の半導体チップ２０は、二つの基板室２３の双方において、半導体基板２１と基材１０との間が封止され、大気圧よりも低い減圧状態にされている。なお、半導体チップ２０は、一つの基板室２３を有してもよく、三つ以上の複数の基板室２３を有してもよい。

図３は、図１に示すセンサエレメント１００の変形例１を示す断面図である。図３に示す例において、センサエレメント１００は、基材１０の表面１０ａに凹状に形成された通気溝１１を有している。通気溝１１は、湿度計測素子４０が形成された支持膜２２の素子領域２２Ａに臨む基板室２３から、基材１０の表面に沿って基材１０の側端部へ向けて延在し、基材１０の側端部において開口している。これにより、湿度計測素子４０が形成された支持膜２２の素子領域２２Ａに臨む基板室２３が、通気溝１１によってセンサエレメント１００の周囲の空間に連通し、周囲の空間の圧力と同じ圧力になっている。

図４は、図１に示すセンサエレメント１００の変形例２を示す断面図である。図４に示す例において、センサエレメント１００は、基材１０を厚さ方向に貫通する貫通孔１２を有している。貫通孔１２は、湿度計測素子４０が形成された支持膜２２の素子領域２２Ａに臨む基板室２３から基材１０の厚さ方向に延び、基材１０の底面に開口している。これにより、湿度計測素子４０が形成された支持膜２２の素子領域２２Ａに臨む基板室２３が、貫通孔１２によってセンサエレメント１００の周囲の空間に連通し、周囲の空間の圧力と同じ圧力になっている。

いずれの場合にも、圧力計測素子３０が形成された支持膜２２の素子領域２２Ａに臨む基板室２３を減圧状態にすることが望ましい。その理由は、圧力計測素子３０に隣接する基板室２３の内圧が、圧力計測素子３０による圧力計測時の基準圧力となり、絶対圧の測定が可能になるからである。そのためには、基板室２３の減圧状態は、基板室２３の内圧が大気圧よりも減圧された状態にあるだけでなく、たとえば、基板室２３の内圧が１００Ｐａ以下の中真空であることが好ましく、基板室２３の内圧が２０Ｐａ以下であることがより好ましい。

圧力計測素子３０は、たとえば、支持膜２２の素子領域２２Ａに形成されたゲージ抵抗体３１と、支持膜２２の素子領域２２Ａ外に形成された参照抵抗体３２と、これらのゲージ抵抗体３１および参照抵抗体３２に接続されて電圧、電流の授受を行うための複数の電極３３と、を有している。ゲージ抵抗体３１および参照抵抗体３２は、たとえば、白金（Ｐｔ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、不純物をドープした多結晶シリコン（Ｓｉ）等、抵抗温度係数が高い材料から作られている。モリブデン（Ｍｏ）は、耐熱性に優れる反面、Ｍｏ膜のゲージ率は約０．４から約１．５程度と比較的に小さいが、圧力計測素子３０の形状や構造を最適化することで、計測精度を向上させることが可能である。

圧力計測素子３０において、ゲージ抵抗体３１の数と参照抵抗体３２の数は、それぞれ単数であってもよいが、ゲージ率および計測精度向上の観点から、それぞれ複数であることが好ましい。また、圧力計測素子３０の計測精度を向上させる観点から、支持膜２２の厚みは、たとえば、数十μｍ以下の薄膜とすることが望ましい。図１、図３および図４に示す例において、支持膜２２の素子領域２２Ａに隣接する半導体基板２１の単結晶シリコンからなる部分が除去されて空洞状の基板室２３が形成され、支持膜２２が基板室２３に露出している。そのため、支持膜２２を上記のような薄膜とすることで、支持膜２２に作用する圧力による支持膜２２のたわみが増加し、圧力計測素子３０の計測精度を向上させることができる。

湿度計測素子４０は、たとえば、第１の発熱体４１と、第２の発熱体４２と、これらの発熱体４１，４２に接続されて電圧、電流の授受を行うための複数の電極４３と、を有している。発熱体４１，４２は、たとえば、圧力計測素子３０のゲージ抵抗体３１と同様の材料から作られている。湿度計測素子４０の計測精度を向上させる観点から、発熱体４１，４２を構成する材料は、抵抗温度係数が１０００［ｐｐｍ／℃］以上で、耐熱温度が４００［℃］以上の材料であることが好ましい。

湿度計測素子４０の発熱体４１，４２ならびに圧力計測素子３０のゲージ抵抗体３１および参照抵抗体３２の素材として不純物をドープした多結晶シリコンを用いる場合、これらの素子の耐熱温度は、たとえば約２００［℃］程度になる。そのため、湿度計測素子４０の素材としては、長期間にわたる信頼性に課題がある。しかし、多結晶シリコンのゲージ率は、たとえば３から１４程度と比較的に大きく、圧力計測素子３０の計測精度を向上させることができる。

したがって、長期間にわたる使用を前提としないセンサ装置では、センサエレメント１００の湿度計測素子４０の発熱体４１，４２ならびに圧力計測素子３０のゲージ抵抗体３１および参照抵抗体３２の素材として、不純物をドープした多結晶シリコンが有効である。しかし、長期間にわたる使用を前提とする車載用のセンサ装置に用いられるセンサエレメント１００においては、湿度計測素子４０の発熱体４１，４２ならびに圧力計測素子３０のゲージ抵抗体３１および参照抵抗体３２の素材として、モリブデンなどの高耐熱材料を用いることが望ましい。

圧力計測素子３０および湿度計測素子４０の電極３３，４３は、たとえば、図示を省略する駆動回路に金線ボンディングワイヤやリードフレームを介して電気的に接続されている。電極３３，４３の素材としては、たとえばアルミニウム（Ａｌ）を用いることができる。

湿度計測素子４０は、たとえば、以下のように湿度の計測を行うことができる。まず、第１の発熱体４１が、たとえば、約４００℃から約５００℃程度の温度に加熱制御される。また、第２の発熱体４２は補助的な発熱素子であり、たとえば、約２００℃から約３００℃程度までの温度に加熱制御される。空気の湿度が変化すると、空気の熱伝導率が変化し、第１の発熱体４１から空気へ放熱される放熱量が変化する。この放熱量の変化を検出することにより、絶対湿度を測定することができる。

第２の発熱体４２は、第１の発熱体４１の周囲を一定温度に保持するための補助的な発熱体である。第２の発熱体４２により、センサエレメント１００が設置される環境温度が変化しても第１の発熱体４１の近傍を一定温度に保持することができ、湿度計測における温度特性を向上させることができる。本実施形態において、湿度計測素子４０は、第２の発熱体４２を有しているが、第２の発熱体４２を有しなくても湿度計測は可能である。湿度計測素子４０が第２の発熱体４２を有しない場合、必要に応じて温度センサなどを用いて空気の温度変化による計測誤差を補償することが必要である。

なお、湿度計測素子４０に計測誤差を生じさせる要因の一つとして、高速な圧力変動が発生した場合の誤差がある。図３および図４に示す例では、湿度計測素子４０が形成された支持膜２２の素子領域２２Ａに臨む基板室２３が、センサエレメント１００の周囲の空間に連通している。この場合、湿度計測素子４０が形成された素子領域２２Ａにおける支持膜２２のたわみを低減することができる。したがって、高速な圧力、温度変化条件下で計測された湿度の補正精度を向上させ、高速な圧力変動条件（過渡条件）においても正確な圧力補正を行うことができる。また、製造時のばらつきに起因して、計測された湿度の補正精度が低下するのを抑制することができる。

圧力計測素子３０は、たとえば、以下のように圧力の計測を行うことができる。センサエレメント１００の周囲の気体の圧力によって、基板室２３によって形成された空洞に臨む支持膜２２の素子領域２２Ａがたわみ、ゲージ抵抗体３１の抵抗が変化する。すなわち、圧力計測素子３０が設けられた支持膜２２の素子領域２２Ａに臨む基板室２３が封止されて密閉されているため、支持膜２２の素子領域２２Ａが周囲の気体の圧力によってたわみ、ゲージ抵抗体３１の抵抗が変化する。このゲージ抵抗体３１の抵抗変化を計測することで、センサエレメント１００の周囲の気体の圧力を計測することができる。

また、本実施形態のセンサエレメント１００は、半導体チップ２０の支持膜２２に湿度計測素子４０および圧力計測素子３０が設けられている。この場合、センサエレメント１００の周囲の環境の温度が変化しても、湿度計測素子４０の発熱体４１，４２によって湿度計測素子４０および圧力計測素子３０の温度変化を抑制することができる。したがって、高速に温度が変化する状況の下でも、湿度の計測と圧力の計測に対する影響を抑制することができる。

半導体基板２１の裏面に形成された絶縁層２４は、たとえば、少なくとも一部が酸化シリコン（ＳｉＯ_Ｘ）や窒化シリコン（ＳｉＮ_Ｘ）によって構成されている。絶縁層２４は、たとえば、半導体チップ２０の製造工程において、フォトリソグラフィーによって基板室２３に対応する位置に開口を有するパターンが形成されている。この絶縁層２４の少なくとも一部は、たとえば、水酸化カリウム（ＫＯＨ）を用いた半導体基板２１の裏面からの異方性エッチングによって、半導体基板２１に基板室２３を形成するときに、レジストとして使用される。このレジストとして機能する絶縁層２４の少なくとも一部は、半導体基板２１の表面の支持膜２２と同時に形成してもよい。

また、絶縁層２４は、たとえば、シリコン酸窒化膜とシリコン酸化膜の少なくとも一方を含んでいる。すなわち、絶縁層２４は、上記ＳｉＯ_ＸやＳｉＮ_Ｘによって構成された部分に加えて、たとえば、単層または多層のシリコン酸窒化膜、単層または多層のシリコン酸化膜、もしくは、シリコン酸窒化膜とシリコン酸化膜とが積層された多層膜を含むことができる。これらシリコン酸窒化膜とシリコン酸化膜の少なくとも一方は、たとえば、センサエレメント１００の製造工程において、接合層２５を介して基材１０と半導体基板２１を接合するときに生成される、おおむね１００ｎｍ以下の厚さの薄い膜である。なお、図１に示す例において、絶縁層２４は、シリコン酸化膜のみからなっている。

図５は、図１に示すセンサエレメント１００の変形例３を示す断面図である。図５に示す例において、絶縁層２４は、接合層２５から半導体基板２１の表面２１ａ側へ向けて、ＳｉＮ_Ｘからなる絶縁膜２４ａとＳｉＯ_Ｘからなる絶縁膜２４ｂとを有する二層構造になっている。また、支持膜２２は、最表面にＳｉＯ_Ｘからなる保護膜２２ａを有し、その下層にＳｉＯ_Ｘからなる絶縁膜２２ｂを有し、その下層に、ＳｉＮ_Ｘからなる絶縁膜２２ｃを有し、最下層にＳｉＯ_Ｘからなる絶縁膜２２ｄを有する四層構造になっている。

接合層２５は、低融点ガラスを含む層である。接合層２５を構成する低融点ガラスは、たとえばバナジウムを含んでいる。また、接合層２５を構成する低融点ガラスは、たとえば、線膨張係数が３０×１０^−７［１／℃］以上かつ７０×１０^−７［１／℃］以下である。接合層２５は、半導体チップ２０を構成する半導体基板２１の裏面２１ｂに設けられた絶縁層２４と、基材１０との間に設けられ、半導体チップ２０と基材１０とを接合している。

図６は、ガラスのＤＴＡ（differential thermal analysis）曲線の一例を示すグラフである。ここで、低融点ガラスとは、図６に示すように、第二吸熱ピークを軟化点（Ｔｓ）とすると、軟化点が６００℃以下のガラスである。低融点ガラスは、たとえば、半導体チップ２０の耐熱温度以下で、半導体チップ２０と基材１０を接合可能なものから選定される。低融点ガラスとしては、たとえば、ビスマスを含有するＢｉ_２Ｏ_３系、スズを含有するＳｎＯ系、バナジウムを含有するＶ_２Ｏ_５系などが存在する。

本実施形態のセンサエレメント１００において、接合層２５に含まれる低融点ガラスとしては、たとえば、バナジウムを含有するＶ_２Ｏ_５系が用いられ、実質的に鉛を含有しないものが用いられる。これにより、電気・電子機器に含まれる特定有害物質の使用制限に関する欧州議会および理事会指令（以下、ＲｏＨＳ指令という。）に対応したセンサエレメント１００を提供することができる。なお、ＲｏＨＳ指令の禁止物質は、ＥＵ(欧州連合)が２００６年７月１日に施行した有害物質規制によるものとし、禁止物質を規制の指定値以下の範囲で含有することは容認するものとする。

なお、半導体チップ２０の基板室２３を減圧状態にする場合には、接合層２５に含まれる低融点ガラスとして、ＳｎＯ系またはＶ_２Ｏ_５系を選定することが望ましい。これは、Ｂｉ_２Ｏ_３系ガラスを減圧状態下で加熱する場合には、Ｂｉの還元、析出により接合層２５の信頼性が低下するためである。

また、絶縁層２４が、たとえば窒化シリコン膜のような窒化物である場合には、接合層２５に含まれる低融点ガラスは、ＳｎＯ系またはＶ_２Ｏ_５系であることが好ましい。Ｂｉ_２Ｏ_３系の低融点ガラスは、反応によって酸化シリコン膜に変化させると、窒化シリコン膜と反応して窒素ガスを放出し、気泡が発生する。これに対し、ＳｎＯ系またはＶ_２Ｏ_５系の低融点ガラスは、窒化シリコン膜との反応性が低く、気泡の発生が抑制され、接合層２５の信頼性を向上させることができる。すなわち、ＳｎＯ系またはＶ_２Ｏ_５系の低融点ガラスを含有する接合層２５を用いることで、窒化シリコン膜との反応を抑制し、酸化シリコン膜ではなく、酸窒化シリコン膜までで反応を抑えることができる。これにより、窒素ガスの放出を低減して、接合部層の信頼性を向上させることができる。

接合層２５は、低融点ガラス以外に、熱膨張係数を調整するフィラー等を含むことができる。フィラーとしては、例えば、ジルコン、ジルコニア、石英ガラス、β−スポンジュメン、コーディエライト、ムライト、β−ユークリプタイト、β−石英、リン酸ジルコニウム、リン酸タングステン酸ジルコニウム（ＺＷＰ）、タングステン酸ジルコニウム及びこれらの固溶体などを用いることができる。これらを１種類もしくは２種類以上を組み合わせて使用することができる。接合層２５のフィラーの含有量としては、５０体積％以下であることが望ましい。これよりも多くなると、接合層２５を形成するときの材料の軟化流動性が低下して接合の信頼性が低下するおそれがある。

接合層２５の熱膨張係数は、接合の信頼性の観点から３０×１０^−７［１／℃］以上かつ７０×１０^−７［１／℃］以下の範囲にあることが好ましい。これにより、たとえばシリコンまたはガラスである基材１０との熱膨張係数の差を低減し、接合信頼性を向上させることができる。ここで、熱膨張係数とは、５０℃以上かつ２５０℃以下の温度範囲での測定した線熱膨張係数値のことを指す。

接合層２５に含まれる低融点ガラスとしてもっとも好ましいのは、Ｖ_２Ｏ_５系の低融点ガラスである。Ｖ_２Ｏ_５系の低融点ガラスは、他の低融点ガラスよりも軟化点を低下させやすく、線膨張係数をシリコンなどからなる基材１０に合わせやすい。そのため、接合層２５を介して半導体チップ２０と基材１０を接合する時の熱応力を低減することができる。Ｖ_２Ｏ_５系の低融点ガラスの組成としては、さらに酸化換算でＦｅ_２Ｏ_３を１０重量％以上含むことが望ましい。Ｆｅ_２Ｏ_３を１０重量％以上含むことで、Ｖ_２Ｏ_５を主成分としたガラス組成の熱膨張係数を低下させつつ、ガラスの軟化点を低温化することが可能となる。

良好な接合層２５を形成することができるガラス組成の範囲としては、たとえば、酸化換算でＶ_２Ｏ_５が４５−５０重量％、ＴｅＯ_２が２０−３０重量％、Ｆｅ_２Ｏ_３が１０−１５重量％、Ｐ_２Ｏ_５が５−１６重量％、ＷＯ_３が０−１０重量％である。Ｆｅ_２Ｏ_３を１０重量％以上含むことで、ガラス組成は結晶化しやすくなるが、ＷＯ_３を０−１０重量％の範囲で含有することで、この結晶化を抑制することができる。

また、低融点ガラスは、熱安定の観点からその組成中にアルカリ土類金属元素を含有させることができるが、酸化物換算で１０モル％よりも少ない範囲で含有することが望ましい。これを超えると熱膨張係数が大きくなってしまう。低融点ガラスにおけるアルカリ金属元素の含有量として、より好ましくは、酸化物換算で５モル％以下であり、さらに好ましくは３．４モル％以下である。

図７は、図１に示すセンサエレメント１００の変形例４を示す断面図である。図７に示すセンサエレメント１００は、主に、半導体基板２１の表面に形成された酸化膜である絶縁膜２２ｂと半導体基板２１の表面側の一部とによって支持膜２２が構成され、湿度計測素子４０を有しない点で、図１に示すセンサエレメント１００と異なっている。

図７に示す例において、センサエレメント１００は、半導体基板２１の基板室２３に臨む支持膜２２の素子領域２２Ａに圧力計測素子３０を有している。支持膜２２の一部を構成する絶縁膜２２ｂは、半導体基板２１の表面に形成された酸化膜であり、フォトリソグラフィー技術によってゲージ抵抗体３１を形成するための領域が開口されて除去されている。ゲージ抵抗体３１は、たとえば熱拡散によって、半導体基板２１の表面の絶縁膜２２ｂが開口された部分に形成されている。圧力計測素子３０の電極３３は、たとえば、酸化処理やフォトグラフィー技術によって絶縁膜２２ｂに設けられたコンタクトホールに形成されたＡｌ電極である。

半導体基板２１の裏面２１ｂには、ＳｉＮ_Ｘ膜である絶縁層２４が形成されている。絶縁層２４は、フォトリソグラフィー技術によってパターニングされ、基板室２３に対応する部分に開口を有している。基板室２３は、絶縁層２４をレジストとして、半導体基板２１をたとえばＫＯＨによりエッチングすることによって形成されている。半導体チップ２０は、絶縁層２４が形成された半導体基板２１の裏面が、接合層２５を介して基材１０に接合されている。絶縁層２４は、接合層２５を介して基材１０に接合されるときに形成されたシリコン酸窒化膜とシリコン酸化膜の少なくとも一方を含んでいる。

以下、本発明に係るセンサエレメントの製造方法の一実施形態について説明するとともに、前述の実施形態に係るセンサエレメント１００の作用について説明する。

本実施形態のセンサエレメント１００の製造方法は、前述の基材１０とその基材１０に接合された半導体チップ２０とを備えたセンサエレメント１００を製造するための方法である。本実施形態のセンサエレメント１００の製造方法は、以下の配置工程と接合工程とを有している。

配置工程は、半導体チップ２０を基材１０の表面に、絶縁層２４を対向させた状態で、低融点ガラスを含む接合剤を介して配置する工程である。ここで、半導体チップ２０は、前述のように、半導体基板２１と、この半導体基板２１の表面に設けられた支持膜２２と、半導体基板２１に凹状に設けられて支持膜２２の素子領域２２Ａに臨む空洞を形成する基板室２３と、半導体基板２１の裏面に設けられシリコン酸窒化膜とシリコン酸化膜の少なくとも一方を含む絶縁層２４と、を有している。

半導体チップ２０は、たとえば以下の手順によって製造することができる。まず、半導体基板２１の表面と裏面に、たとえば、熱酸化や化学気相成長（chemical vapor deposition：ＣＶＤ）法により、それぞれ、支持膜２２と絶縁層２４を構成する絶縁膜を形成する。また、ＣＶＤ法やフォトリソグラフィー技術により、支持膜２２に湿度計測素子４０や圧力計測素子３０を形成する。また、フォトリソグラフィー技術により、半導体基板２１の裏面に形成した絶縁層２４をパターニングして、基板室２３を形成する領域の絶縁層２４を構成する絶縁膜を除去する。

次に、半導体基板２１の裏面に形成した絶縁層２４をレジストとして使用し、水酸化カリウム（ＫＯＨ）を用いた半導体基板２１の裏面からの異方性エッチングによって、半導体基板２１に基板室２３を形成する。これにより、半導体チップ２０が複数の基板室２３を有する場合でも、複数の基板室２３を一括して形成することができる。たとえば、半導体基板２１がシリコン（Ｓｉ）からなる場合には、Ｓｉからなる半導体基板２１と、支持膜２２を構成するＳｉＯ_Ｘからなる絶縁膜とのエッチング速度の差によってエッチングを停止させ、基板室２３を容易に形成することができる。なお、エッチングを停止させる絶縁膜としては、ＳｉＮ_Ｘからなる絶縁膜であってもよく、半導体基板２１とのエッチング速度に差があれば、安定したエッチングが可能である。

接合剤は、たとえば、接合層２５を形成するためのペースト状の材料である。接合剤は、たとえば、接着成分である低融点ガラスの粉末と、前述のフィラー材と、溶剤と、バインダーと、を混練することによって調製することができる。溶剤としては、たとえば、ブチルカルビトールアセテートやα‐テルピネオールなどを用いることができる。バインダーとしては、たとえば、エチルセルロースやニトロセルロースなどを用いることができる。

低融点ガラスは、たとえば、原料となる各種の酸化物を配合および混合した材料を白金ルツボに入れ、電気炉で５［℃／分］から１０［℃／分］程度の昇温速度で８００［℃］から１１００［℃］程度まで加熱し、数時間に亘って加熱温度を保持することによって製造することができる。加熱温度を保持している間は、均一なガラスを得るために、加熱されて溶融した材料を攪拌することが望ましい。電気炉からルツボを取り出す際には、ガラス表面への水分吸着を防止するために、予め１００［℃］から１５０［℃］程度の温度に加熱しておいた黒鉛鋳型やステンレス板上に、溶融した材料を流し込むことが望ましい。

配置工程では、まず、ペースト状の接合剤をスクリーン印刷等の手法により基材１０の表面に塗布して乾燥させる。そして、基材１０の表面に塗布された接合剤の上に半導体チップ２０を配置する。半導体チップ２０の基板室２３を大気圧よりも低い減圧状態にするには、基材１０の表面に接合剤を介して半導体チップ２０を配置した状態で所望の減圧状態にする。

接合工程は、接合剤を低融点ガラスの軟化点以上かつ半導体チップ２０の耐熱温度以下の加熱温度に加熱して接合層２５を形成し、その接合層２５を介して半導体チップ２０を基材１０に接合する工程である。この接合工程により、脱バインダー処理および仮焼成を一括して行うことで、接合層２５を形成することができる。接合剤の加熱温度は、たとえば４００℃以下であることが好ましい。

以上のように、配置工程と接合工程を有する本実施形態の製造方法によって製造されたセンサエレメント１００は、前述の構成を備えている。すなわち、センサエレメント１００は、基材１０とその基材１０に接合された半導体チップ２０とを備えている。半導体チップ２０は、半導体基板２１と、その半導体基板２１の表面に設けられた支持膜２２と、半導体基板２１に凹状に設けられて支持膜２２の素子領域２２Ａに臨む空洞を形成する基板室２３と、半導体基板２１の裏面に設けられた絶縁層２４と、この絶縁層２４と基材１０との間に設けられた接合層２５とを有している。絶縁層２４は、シリコン酸窒化膜とシリコン酸化膜の少なくとも一方を含む。接合層２５は、低融点ガラスを含む。

したがって、本実施形態のセンサエレメント１００およびその製造方法によれば、半導体チップ２０の半導体基板２１にエッチングを施して基板室２３を形成するときに、半導体基板２１の裏面の絶縁膜をマスクとして使用し、その絶縁膜を除去することなく、半導体チップ２０を基材１０に接合することができる。したがって、本実施形態によれば、フッ化水素酸や熱リン酸溶液を使用することなく製造可能なセンサエレメント１００とその製造方法を提供することができる。

また、本実施形態のセンサエレメント１００において、半導体チップ２０は、前述のように複数の基板室２３を有している。そして、基板室２３の少なくとも一つは、半導体基板２１と基材１０との間が封止され、大気圧よりも低い減圧状態にされている。これにより、前述のように、圧力計測素子３０が形成された支持膜２２の素子領域２２Ａに臨む基板室２３を減圧状態にすることで、圧力計測素子３０に隣接する基板室２３の内圧が、圧力計測素子３０による圧力計測時の基準圧力となり、絶対圧の測定が可能になる。

また、本実施形態のセンサエレメント１００において、接合層２５に含まれる低融点ガラスがバナジウムを含む場合には、前述のように、ＲｏＨＳ指令に対応することができ、接合層２５の信頼性を向上させることができ、センサエレメント１００の信頼性を向上させることができる。なお、基板室２３が減圧状態である場合には、基板室２３の減圧状態を維持するために、接合層２５の信頼性が特に重要である。

また、本実施形態のセンサエレメント１００において、支持膜２２が、基板室２３と反対側の表面に酸化物または窒化物からなる膜を有することで、たとえば、半導体基板２１に基板室２３を形成するエッチングにおいて、半導体基板２１の基板室２３と反対側の表面を保護することができる。

また、本実施形態のセンサエレメント１００において、基材１０の素材がシリコンまたはガラスである場合には、エッチングによって基板室２３を形成することができ、熱酸化によって絶縁膜を形成することができる。

また、本実施形態のセンサエレメント１００において、半導体基板２１の裏面側に形成された絶縁層２４がシリコン窒化膜を含む場合には、半導体基板２１をエッチングして基板室２３を形成するときに、このシリコン窒化膜をレジストとして用いることができる。また、本実施形態のセンサエレメント１００は、シリコン窒化膜を除去することなく、接合層２５を介して半導体チップ２０を基材１０に接合することができる。

また、本実施形態のセンサエレメント１００において、絶縁層２４は、前述のように、シリコン窒化膜と接合層２５との間に、シリコン酸窒化膜とシリコン酸化膜の少なくとも一方を有する場合がある。これらの膜は、前述のように、接合層２５を介して基材１０と半導体基板２１を接合するときに生成される、おおむね１００ｎｍ以下の厚さの薄い膜である。したがって、この場合にも、本実施形態のセンサエレメント１００は、シリコン窒化膜を除去することなく、接合層２５を介して半導体チップ２０を基材１０に接合することができる。

また、本実施形態のセンサエレメント１００において、絶縁層２４は、前述のように、シリコン酸化膜のみからなっていてもよい。この場合にも、半導体基板２１をエッチングして基板室２３を形成するときに、このシリコン酸化膜をレジストとして用いることができる。また、本実施形態のセンサエレメント１００は、このシリコン酸化膜を除去することなく、接合層２５を介して半導体チップ２０を基材１０に接合することができる。

また、本実施形態のセンサエレメント１００において、絶縁層２４は、前述のように、厚さが１００ｎｍ以下のシリコン酸窒化膜を有する場合がある。このシリコン酸窒化膜は、前述のように、接合層２５を介して基材１０と半導体基板２１を接合するときに生成される薄い膜である。したがって、この場合にも、本実施形態のセンサエレメント１００は、絶縁層２４に含まれるシリコン酸窒化膜やシリコン酸化膜を除去することなく、接合層２５を介して半導体チップ２０を基材１０に接合することができる。

また、本実施形態のセンサエレメント１００において、半導体チップ２０は、厚さが１０μｍ以下である。これにより、センサエレメント１００を小型化することができ、センサエレメント１００を備えるセンサ装置を小型化することができる。

また、本実施形態のセンサエレメント１００において、接合層２５に含まれる低融点ガラスは、線膨張係数が３０×１０^−７［１／℃］以上かつ７０×１０^−７［１／℃］以下である。これにより、前述のように、基材１０がシリコンまたはガラスである場合に、基材１０と接合層２５との間の熱膨張係数の差を低減し、半導体チップ２０と基材１０の接合信頼性を向上させることができる。

また、本実施形態のセンサエレメント１００は、支持膜２２の素子領域２２Ａに圧力計測素子３０と湿度計測素子４０の少なくとも一方が形成されている。これにより、圧力と湿度の少なくとも一方を計測可能なセンサエレメント１００を得ることができる。また、センサエレメント１００が、支持膜２２の複数の素子領域２２Ａに圧力計測素子３０と湿度計測素子４０の双方を備える場合には、前述のように、高速に温度が変化する状況の下でも、湿度の計測と圧力の計測に対する影響を抑制することができる。

また、本実施形態のセンサエレメント１００の製造方法において、接合工程の加熱温度が４００℃以下である場合には、半導体チップ２０の耐熱温度以下の温度で半導体チップ２０と基材１０を接合することができ、センサエレメント１００の信頼性を向上させることができる。

（センサ装置）
以下、図８Ａおよび図８Ｂ、図９Ａおよび図９Ｂ、ならびに図１０Ａおよび図１０Ｂを参照して、本発明に係るセンサ装置の実施形態について説明する。

図８Ａは、本発明の一実施形態に係るセンサ装置２００の底面図である。図８Ｂは、図８Ａに示すＢ−Ｂ線に沿うセンサ装置の断面図である。

本実施形態のセンサ装置２００は、たとえば図１から図５に示す前述のセンサエレメント１００を備えた熱式湿度検出装置である。センサ装置２００は、センサエレメント１００を収容する筐体２１０を備えている。筐体２１０は、センサエレメント１００が配置された計測室２１１と、この計測室２１１に気体を導入する気体導入管２１２と、外部配線の端子に接続される配線コネクタ２１３とを有している。

筐体２１０の気体導入管２１２には、板状の気体ガイド２２０が設けられている。気体ガイド２２０は、気体導入管２１２内に配置され、気体導入管２１２に沿って延在している。気体ガイド２２０の一端は、気体導入管２１２の気体入出口２１２ａから突出し、気体ガイド２２０の他端は計測室２１１に達している。図８Ａに示すように、気体ガイド２２０の一端は、気体導入管２１２の気体入出口２１２ａとの間に空隙を有している。

図９Ａは、図８Ｂに示すセンサ装置２００の取り付け状態の一例を示す断面図である。図９Ａに示す例において、センサ装置２００は、たとえば自動車の吸気通路ＡＩに取り付けられている。センサ装置２００の気体ガイド２２０の一端は、気体導入管２１２の気体入出口２１２ａよりも吸気通路ＡＩの中心線に向けて突出している。そのため、吸気通路ＡＩを流れる空気Ａなどの気体が気体ガイド２２０に一端に当たると、気体ガイド２２０の上流側と下流側に差圧が生じ、気体導入管２１２を通る気体の流れが生じる。

より具体的には、気体ガイド２２０の上流側の気体は、気体導入管２１２の気体入出口２１２ａから気体導入管２１２内に導入され、気体ガイド２２０に沿って気体導入管２１２内を流れて計測室２１１に到達する。計測室２１１に到達した気体は、計測室２１１から気体ガイド２２０に沿って気体導入管２１２内を流れて気体入出口２１２ａに到達し、気体入出口２１２ａから気体ガイド２２０の下流側に放出される。これにより、吸気通路ＡＩを流れる気体がセンサエレメント１００の周囲に導入され、センサ装置２００の応答性を向上させることができる。

前述のように、本実施形態のセンサ装置２００において、気体ガイド２２０の一端は、気体導入管２１２の気体入出口２１２ａとの間に空隙を有している。これにより、気体ガイド２２０の周囲には、気体入出口２１２ａの全周にわたって気体の通路が確保され、気体の流れの方向によらず、気体ガイド２２０によって気体導入管２１２の気体入出口２１２ａに気体を積極的に導入することが可能になる。この構成により、気体の湿度変化に対するセンサ装置２００の応答性を向上させることができる。

図９Ｂは、図８Ｂに示すセンサ装置２００の取り付け状態の別の一例を示す断面図である。図９Ｂに示すセンサ装置２００は、図９Ａに示すセンサ装置２００を９０°回転させた状態で、図９Ａに示すセンサ装置２００と同様に、たとえば自動車の吸気通路ＡＩに取り付けられている。気体導入管２１２の気体入出口２１２ａから突出した気体ガイド２２０の一端と反対の他端は、気体導入管２１２の径方向に延びる支持部２２１を介して気体導入管２１２に固定されている。

前述のように、吸気通路ＡＩに流れる気体が気体ガイド２２０に一端に当たると、気体ガイド２２０の上流側と下流側に差圧が生じ、気体導入管２１２を通る気体の流れが生じる。ここで、本実施形態のセンサ装置２００において、気体ガイド２２０の一端は、気体導入管２１２の気体入出口２１２ａとの間に空隙を有している。そのため、図９Ａに示すセンサ装置２００と同様に、気体ガイド２２０の上流側の気体は、気体導入管２１２の気体入出口２１２ａから気体導入管２１２内に導入され、気体ガイド２２０に沿って気体導入管２１２内を流れて計測室２１１に到達する。計測室２１１に到達した気体は、計測室２１１から気体ガイド２２０に沿って気体導入管２１２内を流れて気体入出口２１２ａに到達し、気体入出口２１２ａから気体ガイド２２０の下流側に放出される。これにより、吸気通路ＡＩを流れる気体がセンサエレメント１００の周囲に導入され、センサ装置２００の応答性を向上させることができる。

したがって、本実施形態のセンサ装置２００によれば、気体の流れに対するセンサ装置２００の取り付け方向によらず、湿度変化に対する高速な応答を実現できる。ここで、高速な応答とは、たとえば、感湿膜式湿度センサの応答時間よりも短時間の応答であり、たとえば、時間の経過に伴うステップ状の湿度の変化に対し、センサ装置２００の出力が１秒以内に追従することをいう。また、センサ装置２００は、取り付け方向が制限されないため、様々なレイアウトに対応できる。

また、本実施形態のセンサ装置２００によれば、自動車の吸気通路ＡＩのように、気体の流れる方向が一様でない箇所においても、湿度の計測を行うことができる。すなわち、気体が一方向でなく多方向にランダムに流れるインテークマニホールドのような場所にもセンサ装置２００を搭載することが可能となり、従来では不可能であったエンジン近傍における湿度の計測を可能にすることができる。

特に、インテークマニホールドは、水分やダストなどの汚損物が吸気通路ＡＩよりも多い。しかし、センサ装置２００のセンサエレメント１００が高温に熱せられるため、センサエレメント１００の汚損物による経時的な劣化を抑制することが可能となり、インテークマニホールドにおける湿度の計測を可能にすることができる。また、本実施形態のセンサ装置２００は、センサエレメント１００による湿度の計測を、インテークマニホールドにおいても行うことができるため、よりエンジンに近い箇所の湿度を計測できる。よって、本実施形態のセンサ装置２００は、より高精度のエンジン制御に寄与することができる。

なお、センサ装置２００のセンサエレメント１００は、気体の流れによって放熱するため、気体の流れによる湿度の計測誤差が生じることがある。そこで、さらなる好例として、センサエレメント１００は気体の主流れに晒されない場所に配置することで、気体の流れによる湿度の検出の誤差を抑制することができる。具体的には、図９Ａに示すように気体導入管１２１の開口からみて隠れた位置、すなわち筐体２１０の計測室２１１において気体導入管２１２よりも気体導入管２１２の径方向外側の位置に、センサエレメント１００を配置するとよい。

図１０Ａは、本発明の一実施形態に係るセンサ装置３００の取り付け状態を示す断面図である。図１０Ｂは、図１０ＡのＢ−Ｂ線に沿う断面図である。本実施形態のセンサ装置３００は、たとえば図１から図５に示す前述のセンサエレメント１００を備えている。本実施形態のセンサ装置３００は、湿度センサ、エアフローセンサ、および圧力センサを一体化した多機能計測装置である。

本実施形態のセンサ装置３００は、たとえば、主空気通路ＡＰを形成する空気通路構成部材Ｐの挿入口ＰＩに取り付けられている。センサ装置３００は、たとえば、筐体３１０と、筐体３１０の内部に収容されたセンサエレメント１００とを備えている。筐体３１０は、ハウジング構成部材３１１と、ベース部材３１２と、カバー部材３１３と、副空気通路構成部材３１４とによって構成されている。

ベース部材３１２の内側には、電子回路基板３２０が固定されている。ハウジング構成部材３１１は、空気通路構成部材Ｐの挿入口ＰＩに取り付けられるフランジ状の形状を有し、挿入口ＰＩとの間がシール部材Ｓによって封止されている。また、ハウジング構成部材３１１の一部は、外部配線の端子に接続されるコネクタ部であり、コネクタ端子３３０がインサート成形されている。コネクタ端子３３０は、ボンディング部材３４０を介して電子回路基板３２０の回路に接続されている。

電子回路基板３２０には、センサエレメント１００と、発熱抵抗体３５０と、温度補償用抵抗体３６０と、吸入空気温度センサ３７０と、が設けられている。センサエレメント１００の圧力計測素子３０と湿度計測素子４０の電極３３，４３は、電子回路基板３２０の回路に接続されている。発熱抵抗体３５０と、温度補償用抵抗体３６０と、吸入空気温度センサ３７０は、それぞれ、ボンディング部材３４０を介して電子回路基板３２０の回路に接続され、副空気通路構成部材３１４によって形成された副空気通路３８０に配置されている。

コネクタ端子３３０は、ボンディング部材３４０および電子回路基板３２０の回路を介してセンサエレメント１００、発熱抵抗体３５０、温度補償用抵抗体３６０、および吸入空気温度センサ３７０に接続され、信号の入出力や電力供給を行う。センサエレメント１００の周囲の空間は、筐体３１０を構成する部材によって区画され、副空気通路３８０に連通している。この構成により、精度よく湿度を計測することができ、計測対象の気体に含まれるセンサエレメント１００を汚損物質や水滴から隔離することが可能となる。

以上、図面を用いて本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

［実施例］
以下、本発明に係るセンサエレメントの実施例について説明する。

まず、半導体チップと基材を接合する接合層に含まれる低融点ガラスを製造した。また、市販のＳｎＯ−Ｐ_２Ｏ_５系の２種類の低融点ガラスを用意した。製造した１３種類の低融点ガラス（ガラスＮｏ．Ｇ１からＧ１３）の組成および軟化点Ｔｓと、市販の低融点ガラス（ガラスＮｏ．Ｇ１４）の軟化点Ｔｓを以下の表１に示す。なお、製造したガラスＮｏ．Ｇ１からＧ１３の低融点ガラスには、環境および安全に配慮して、実質的に鉛を含有させなかった。

低融点ガラスの製造は、以下の手順によって行った。まず、表１に示す組成となるように、原料化合物を配合して混合した。原料化合物としては、五酸化バナジウム、酸化テルル、酸化第二鉄、五酸化リン、酸化タングステン、酸化バリウム、酸化ニオブ、酸化カリウム、酸化ビスマス、酸化ホウ素、酸化亜鉛、酸化銅を用いた。

次に、混合された１ｋｇの原料化合物を白金ルツボに入れ、電気炉により５〜１０［℃／ｍｉｎ］の昇温速度で１０００℃の加熱温度まで加熱して２時間にわたって加熱温度を保持した。加熱温度を保持している間は、均一なガラスを得るために溶融した原料化合物を攪拌した。次に、白金ルツボを電気炉から取り出し、予め１００℃に加熱しておいたステンレス板上に流し込み、低融点ガラスを得た。

得られたガラスＮｏ．Ｇ１からＧ１３の低融点ガラスと、市販のガラスＮｏ．Ｇ１４の低融点ガラスを、平均粒子径(Ｄ５０)が２０μｍ未満になるまで粉砕し、５℃／分の昇温速度で示差熱分析（ＤＴＡ）を行うことによって、軟化点Ｔｓを測定した。なお、標準サンプルとしてアルミナ粉末を用いた。ＤＴＡカーブにおいて、軟化点は第二吸熱ピークの温度とした。

次に、半導体チップと基材を接合する接合層を形成するためのペースト状の接合剤を調製した。具体的には、まず、Ｎｏ．Ｇ１からＧ１５の低融点ガラスを平均粒径（Ｄ５０）が約３μｍになるまでジェットミルを用いて粉砕した。また、平均粒径（Ｄ５０）が約３μｍ程度のフィラーとして、Ｚｒ_２（ＷＯ_４）（ＰＯ_４）_２（以下、ＺＷＰという。）をガラスに対して所定量加えた。この混合物に対し、バインダー樹脂としてエチルセルロースを、溶剤としてブチルカルビトールアセテートを加えて混錬し、ペースト状の接合剤を調製した。

次に、シリコンからなる半導体基板を用意し、熱酸化、ＣＶＤ、フォトリソグラフィー技術を用いたエッチングなどにより、前述の実施形態において説明した図５に示す構成の半導体チップ２０を製造した。なお、支持膜２２を構成する保護膜２２ａおよび絶縁膜２２ｂ，２２ｄと、絶縁層２４を構成する絶縁膜２４ａ，２４ｂはシリコン酸化膜（ＳｉＯ_Ｘ膜）とし、支持膜２２を構成する絶縁膜２２ｃをシリコン窒化膜（ＳｉＮ_Ｘ膜）とした。圧力計測素子３０のゲージ抵抗体３１および参照抵抗体３２としてモリブデン（Ｍｏ）を用い、電極３３としてアルミニウム（Ａｌ）を用いた。

次に、基材としてパイレックス（登録商標）を用い、基材上に調整されたペースト状の接合剤をスクリーン印刷によって塗布し、１５０℃の温度で数分間乾燥させた。その後、接合剤に含まれる低融点ガラスの軟化点Ｔｓよりも３０℃から５０℃高い温度範囲で仮焼成を行った。その後、基材上に仮焼成された接合剤を介して半導体チップを配置し、これらの周囲の雰囲気を２０Ｐａ以下の減圧状態にした。その状態で、所定の加熱温度で１０分間にわたって接合剤を加熱して接合層を形成し、接合層を介して半導体チップと基材を接合した。

以上の手順によって、実施例１から実施例１６のセンサエレメントを製造した。また、接合剤を使用せず、半導体チップと基材とを、４００［℃］の温度で、５００［Ｖ］の電圧を加えて陽極接合することによって、比較例１のセンサエレメントを製造した。各実施例のセンサエレメントに使用した接合剤の構成、接合層の熱膨張係数、接合条件、および接合雰囲気を、以下の表２に示す。

製造された実施例１から実施例１６および比較例１のセンサエレメントについて、半導体チップと基材の接合状態、金属粒子の析出の有無、気泡の発生状態、および動作について確認および評価した。

半導体チップと基材の接合状態については、半導体チップと基材が一体に接合され、基板室が減圧状態となって支持膜が凹状にへこんでいるものを「良」と判定し、接合できなかったものを「不可」とした。また、複数のセンサエレメントを製造したときに、ほとんどの接合状態が「良」であるが、「不可」が存在するものを「可」と判定した。

金属粒子の析出の有無および気泡の発生状態については、センサエレメントの断面をＳＥＭで観察して評価した。そして、接合層を含む接合部に１０μｍ以上の気泡が２０個以下の場合には「良」、２０個以上１００個未満の場合には「可」、１００個以上の場合には「不可」と判定した。

センサエレメントの動作については、圧力計測素子および湿度計測素子の電極を回路基板にワイヤボンディングし、出力電圧値が正常値の範囲内であるか否かを確認した。いずれも正常であった場合には「良」、複数のセンサエレメントを製造したときに、正常なものだけでなく、異常値を出力したり通信不良が発生したりしたものが存在した場合には「可」、それ以外を「不可」と判定した。結果を以下の表３に示す。

以上の結果から、実施例１から実施例１６のセンサエレメントは、接合層が低融点ガラスを含むことで、半導体基板の裏面に絶縁層を有する場合でも、この絶縁層を除去するエッチング工程を経ることなく、半導体チップを基材に良好に接合できた。一方、陽極接合を行った比較例１のセンサエレメントでは、半導体基板の裏面に絶縁層を有する半導体チップと基材とを接合することができなかった。

また、半導体チップの基板室を大気圧よりも低い減圧状態にすることで、センサエレメントの圧力計測素子によって絶対圧を計測可能であることが分かった。このとき、接合層の熱膨張係数として望ましい範囲は７０×１０^−７／℃以下の領域であった。また、金属粒子の析出および気泡の観点から、接合層に含まれる低融点ガラスとして望ましいのは、Ｖ_２Ｏ_５系およびＳｎＯ系の低融点ガラスであった。さらに、センサエレメントの動作まで考慮すると、最も望ましいのはＶ_２Ｏ_５系の低融点ガラスが好適であった。これは、半導体チップと基材の接合温度を４００℃以下にすることができたためである。

また、図１１および図１２に実施例１２のセンサエレメントの絶縁層２４と接合層２５との接合界面をＳＴＥＭ分析した結果を示す。これにより、絶縁層２４と接合層２５との接合界面部には低融点ガラスと窒化シリコン膜が反応して、２ｎｍ程度のシリコン酸窒化膜が形成されていることが分かった。実施例１２のセンサエレメントにおいて絶縁層２４と接合層２５との接合部界面に気泡が少なかったのは、低融点ガラスと窒化シリコン膜との反応性が低かったためと推察される。

次に、絶縁層２４を単層のシリコン酸化膜とした以外は、前述の実施例１から実施例１６と同様に、実施例１７から実施例１９のセンサエレメントを製造した。実施例１７、実施例１８および実施例１９のセンサエレメントの接合層に含まれる低融点ガラスは、それぞれ実施例１２、実施例１３および実施例１５で使用したものを使用した。各実施例のセンサエレメントに使用した接合剤の構成、接合層の熱膨張係数、接合条件、および接合雰囲気を、以下の表４に示す。

また、実施例１７から実施例１９のセンサエレメントの評価を、実施例１から実施例１６と同様に実施した。実施例１７から実施例１９のセンサエレメントの評価結果を、前述の比較例１のセンサエレメントの評価結果とともに、以下の表５に示す。

以上の結果から、半導体チップの裏面に形成された絶縁層がシリコン酸化膜である実施例１７から実施例１９のセンサエレメントにおいても、実施例１から実施例１６のセンサエレメント同様の結果が得られることが確認できた。

１０ 基材
２０ 半導体チップ
２１ 半導体基板
２１ａ 表面
２１ｂ 裏面
２２ 支持膜
２２Ａ 素子領域
２３ 基板室
２４ 絶縁層
２５ 接合層
３０ 圧力計測素子
４０ 湿度計測素子
１００ センサエレメント
２００ センサ装置
３００ センサ装置

Claims (15)

1. 基材と該基材に接合された半導体チップとを備えたセンサエレメントであって、
   前記半導体チップは、半導体基板と、該半導体基板の表面に設けられた支持膜と、前記半導体基板に凹状に設けられて前記支持膜の素子領域に臨む空洞を形成する基板室と、前記半導体基板の裏面に設けられた絶縁層と、該絶縁層と前記基材との間に設けられた接合層とを有し、
   前記絶縁層は、シリコン酸窒化膜とシリコン酸化膜の少なくとも一方を含み、
   前記接合層は、低融点ガラスを含むことを特徴とするセンサエレメント。
2. 前記半導体チップは、複数の前記基板室を有し、
   前記基板室の少なくとも一つは、前記半導体基板と前記基材との間が封止され、大気圧よりも低い減圧状態にされていることを特徴とする請求項１に記載のセンサエレメント。
3. 前記低融点ガラスは、バナジウムを含むことを特徴とする請求項１に記載のセンサエレメント。
4. 前記支持膜は、前記基板室と反対側の表面に酸化物または窒化物からなる膜を有することを特徴とする請求項１に記載のセンサエレメント。
5. 前記基材の素材は、シリコンまたはガラスであることを特徴とする請求項１に記載のセンサエレメント。
6. 前記絶縁層は、シリコン窒化膜を含むことを特徴とする請求項１に記載のセンサエレメント。
7. 前記絶縁層は、前記シリコン窒化膜と前記接合層との間に前記シリコン酸窒化膜と前記シリコン酸化膜の少なくとも一方を有することを特徴とする請求項６に記載のセンサエレメント。
8. 前記絶縁層は、前記シリコン酸化膜のみからなることを特徴とする請求項１に記載のセンサエレメント。
9. 前記絶縁層は、前記シリコン酸窒化膜を有し、
   前記シリコン酸窒化膜は、厚さが１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のセンサエレメント。
10. 前記半導体チップは、厚さが１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のセンサエレメント。
11. 前記低融点ガラスは、線膨張係数が３０×１０^−７［１／℃］以上かつ７０×１０^−７［１／℃］以下であることを特徴とする請求項１に記載のセンサエレメント。
12. 前記支持膜の前記素子領域に圧力計測素子と湿度計測素子の少なくとも一方が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサエレメント。
13. 請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載のセンサエレメントを備えることを特徴とするセンサ装置。
14. 基材と該基材に接合された半導体チップとを備えたセンサエレメントの製造方法であって、
    半導体基板と、該半導体基板の表面に設けられた支持膜と、前記半導体基板に凹状に設けられて前記支持膜の素子領域に臨む空洞を形成する基板室と、前記半導体基板の裏面に設けられシリコン酸窒化膜とシリコン酸化膜の少なくとも一方を含む絶縁層と、を有する前記半導体チップを、前記基材の表面に、前記絶縁層を対向させた状態で低融点ガラスを含む接合剤を介して配置する配置工程と、
    前記接合剤を前記低融点ガラスの軟化点以上かつ前記半導体チップの耐熱温度以下の加熱温度に加熱して接合層を形成し、該接合層を介して前記半導体チップを前記基材に接合する接合工程と、を有することを特徴とするセンサエレメントの製造方法。
15. 前記接合工程において、前記加熱温度は、４００℃以下であることを特徴とする請求項１４に記載のセンサエレメントの製造方法。

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