JP2007127440A - 静電容量型圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】製品特性を維持し、高い信頼性を有する静電容量型圧力センサを得ることができる静電容量型圧力センサの製造方法を提供すること。
【解決手段】固定電極を有するガラス基板１１と可動電極を有するシリコン基板１６とを固定電極と可動電極との間にキャビティ１５を有するように接合して複数の静電容量型圧力センサを有する集合体を作製し、この集合体において静電容量型圧力センサ間に設けられたダイシングラインをガラス基板１１とシリコン基板１６との間の接合面１１ｅの位置よりも深い位置までハーフエッチングし、ハーフエッチングを行った領域において、少なくとも前記静電容量型圧力センサの側面を覆うように保護層２０を形成し、ダイシングラインに沿ってダイシングを行って静電容量型圧力センサを得る。
【選択図】図２

Description

本発明は、静電容量を用いて圧力を検知する静電容量型圧力センサに関する。

静電容量型圧力センサは、可動電極である感圧ダイヤフラムを有する基板と、固定電極を有する基板とを、感圧ダイヤフラムと固定電極との間に所定の間隔（キャビティ）を有するように接合することにより構成されている。この静電容量型圧力センサにおいては、感圧ダイヤフラムに圧力が加わると感圧ダイヤフラムが変形し、これにより感圧ダイヤフラムと固定電極との間隔が変わる。この間隔の変化により感圧ダイヤフラムと固定電極との間の静電容量が変化し、この静電容量の変化を利用して圧力の変化を検出する（例えば、特許文献１）。
特許第２７７２１１１号公報

この静電容量型圧力センサは、通常ウエハ上に複数個の素子（静電容量型圧力センサ）をダイシングラインを介して作製し、その後ダイシングラインに沿ってダイシングしてチップ化することにより製造される。

しかしながら、このような方法においては、ダイシングされる部分はダイシングカッタやダイシングに使用する研削液などに晒される。このため、ダイシングされる部分における基板間の界面などから研削液や研磨砥粒などが浸入してしまい、静電容量型圧力センサに影響を及ぼして、製品特性の劣化や信頼性低下を招く恐れがある。また、ダイシング加工の後処理の洗浄工程においては超音波下で洗浄が行われるために、研削液や研磨砥粒などの浸入が促進されてしまう。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、製品特性を維持し、高い信頼性を有する静電容量型圧力センサを得ることができる静電容量型圧力センサの製造方法を提供することを目的とする。

本発明の静電容量型圧力センサの製造方法は、固定電極を有する第１基板と可動電極を有する第２基板とを前記固定電極と前記可動電極との間に所定の間隔を有するように接合して複数の静電容量型圧力センサを有する集合体を作製する工程と、前記集合体において前記静電容量型圧力センサ間に設けられたダイシングラインを前記第１及び第２基板の接合部の位置よりも深い位置までハーフエッチングする工程と、前記ハーフエッチングを行った領域において、少なくとも前記静電容量型圧力センサの側面を覆うように保護層を形成する工程と、前記ダイシングラインに沿ってダイシングを行って静電容量型圧力センサを得る工程と、を具備することを特徴とする。

この方法によれば、後工程であるダイシング工程や洗浄工程の際に研削液や研磨砥粒などが静電容量型圧力センサに浸入していくことを防止できる。これにより、製品特性を維持し、高い信頼性を有する静電容量型圧力センサを得ることができる。

本発明の静電容量型圧力センサの製造方法においては、前記第１基板がガラス基板であり、前記第２基板がシリコン基板であり、前記第１基板と前記第２基板との間が陽極接合されていることが好ましい。この方法によれば、固定電極と可動電極とを含むキャビティの気密性を高く維持することができ、感度の高い静電容量型圧力センサを得ることができる。

本発明の静電容量型圧力センサの製造方法においては、前記複数の静電容量型圧力センサを有する集合体を作製する工程において、突出部を有するシリコン基板の前記突出部を前記ガラス基板に当接させるようにして、前記シリコン基板を前記ガラス基板に加熱下で押圧し、前記突出部が前記ガラス基板を貫通するように前記シリコン基板及び前記ガラス基板を研磨することにより、前記突出部を前記ガラス基板に埋め込んで前記固定電極とすることが好ましい。この方法によれば、固定電極と可動電極を含むキャビティ内の気密性を高め、高いセンサ感度を有する静電容量型圧力センサを得ることができる。

本発明の静電容量型圧力センサの製造方法によれば、固定電極を有する第１基板と可動電極を有する第２基板とを前記固定電極と前記可動電極との間に所定の間隔を有するように接合して複数の静電容量型圧力センサを有する集合体を作製し、前記集合体において前記静電容量型圧力センサ間に設けられたダイシングラインを前記第１及び第２基板の接合部の位置よりも深い位置までハーフエッチングし、前記ハーフエッチングを行った領域において、少なくとも前記静電容量型圧力センサの側面を覆うように保護層を形成し、前記ダイシングラインに沿ってダイシングを行って静電容量型圧力センサを得るので、製品特性を維持し、高い信頼性を有する静電容量型圧力センサを得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
本発明に係る静電容量型圧力センサの製造方法においては、固定電極を有する第１基板と可動電極を有する第２基板とを前記固定電極と前記可動電極との間に所定の間隔を有するように接合して複数の静電容量型圧力センサを有する集合体を作製し、前記集合体において前記静電容量型圧力センサ間に設けられたダイシングラインを前記第１及び第２基板の接合部の位置よりも深い位置までハーフエッチングし、前記ハーフエッチングを行った領域において、少なくとも前記静電容量型圧力センサの側面を覆うように保護層を形成し、前記ダイシングラインに沿ってダイシングを行って静電容量型圧力センサを得る。

第１基板と第２基板については、第１基板が固定電極を有し、第２基板が可動電極を有すれば、特に制限はないが、静電容量型圧力センサの特性を考慮すると、第１基板がガラス基板であり、第２基板がシリコン基板であり、第１基板と第２基板との間が陽極接合されていることが好ましい。このような構成によれば、固定電極と可動電極とを含むキャビティの気密性を高く維持することができ、感度の高い静電容量型圧力センサを得ることができる。

本発明に係る方法においては、固定電極を有する第１基板と可動電極を有する第２基板とを固定電極と可動電極との間に所定の間隔を有するように接合して複数の静電容量型圧力センサを有する集合体を作製する。個々の静電容量型圧力センサは、例えば図２（ｃ）に示す構成を有する。

図２（ｃ）中１１はガラス基板を示す。ガラス基板１１は、相互に対向する一対の主面１１ａ，１１ｂを有する。後述するキャビティ１５内のガラス基板１１には、固定電極である第１導電部材１２が埋設されている。また、ガラス基板１１のキャビティ１５以外の領域に、後述する可動電極用の接続電極である第２導電部材１３が埋設されている。第１及び第２導電部材１２，１３は、それぞれ主面１１ａ，１１ｂ側でそれぞれ露出している。第１及び第２導電部材１２，１３の主面１１ａ側は、キャビティ１５や電極１７，１８の形成領域用の凹部１１ｃ，１１ｄが形成されている。

ガラス基板１１の主面１１ｂ上には、第１導電部材１２の露出部分と電気的に接続するように引き出し電極１４ａが形成されており、第２導電部材１３の露出部分と電気的に接続するように引き出し電極１４ｂが形成されている。このように引き出し電極１４ａ，１４ｂがそれぞれ主面１１ｂ上に設けられていることにより、外部への取り出し電極を一つの面上に形成できるので、表面実装に適したデバイスとすることができる。

第１及び第２導電部材１２，１３の主面１１ａ側の露出部上には、可動電極と電気的に接続するための電極１７，１８が積層して形成されている。なお、本実施の形態においては、電極１７，１８を積層して形成しているが、本発明はこれに限定されず、電極を単層や３層以上で設けても良く、第２導電部材１３と後述するシリコン基板１６とを直接接合しても良い。

ガラス基板１１の主面１１ａの接合面１１ｄ上には、圧力センサの可動電極である感圧ダイヤフラム１６ａを有するシリコン基板１６が接合されている。このような感圧ダイヤフラム１６ａを有するシリコン基板１６をガラス基板１１の主面１１ａ上に接合することにより、上記凹部１１ｃとシリコン基板１６との間にキャビティ１５が形成される。これにより、感圧ダイヤフラム１６ａ（可動電極）と第１導電部材１２（固定電極）との間に静電容量が発生する。

なお、この凹部１１ｃの幅は、少なくとも固定電極である第１導電部材１２の幅よりも大きく設定することが望ましい。このように設定することにより、第１導電部材１２をシリコンで構成する場合に、キャビティ１５内にガラスとシリコンとの界面が存在し、他の材料間の界面が存在しないことになり、キャビティ１５内の密閉性を向上させることができる。

第１及び第２導電部材１２，１３を構成する材料としては、シリコン、金属などの導電性材料を用いることができるが、第１導電部材１２については、上記のようにガラスとの間の密閉性を考慮して、シリコンで構成することが好ましい。なお、第１及び第２導電部材１２，１３を構成する材料として、シリコン以外の導電性材料を用いても良い。

ガラス基板１１とシリコン基板１６との間の界面（接合面１１ｅ）は、高い密着性を有することが好ましい。ガラス基板１１にシリコン基板１６を接合する場合には、ガラス基板１１の接合面１１ｅ上にシリコン基板１６を搭載し、陽極接合処理を施すことにより、両基板１１，１６の密着性を高くすることができる。このようにガラス基板１１とシリコン基板１６との界面で高い密着性を発揮することにより、シリコン基板１６とガラス基板１１の凹部１１ｃとの間で構成するキャビティ１５内の気密性を高く保つことができる。

ここで、陽極接合処理とは、所定の温度（例えば４００℃以下）で所定の電圧（例えば３００Ｖ〜１ｋＶ）を印加することにより、シリコンとガラスとの間に大きな静電引力が発生して、接触したガラス−シリコン界面で酸素を介した化学結合を形成される、もしくは、酸素の放出による共有結合を形成させる処理をいう。この界面での共有結合は、シリコンのＳｉ原子とガラスに含まれるＳｉ原子との間のＳｉ−Ｓｉ結合又はＳｉ−Ｏ結合である。したがって、このＳｉ−Ｓｉ結合又はＳｉ−Ｏ結合により、シリコンとガラスとが強固に接合して、両者間の界面で非常に高い密着性を発揮する。このような陽極接合を効率良く行うために、ガラス基板１１のガラス材料としては、ナトリウムなどのアルカリ金属を含むガラス材料（例えばパイレックス（登録商標）ガラス）であることが好ましい。

第１及び／又は第２導電部材１２，１３がシリコンで構成されている場合には、ガラス基板１１と第１及び／又は第２導電部材１２，１３との間の界面も陽極接合されていることが好ましい。後述するように、これらの界面は、加熱下において第１及び／又は第２導電部材１２，１３をガラス基板１１に押し込むことにより形成される。このような方法により得られた界面でも高い密着性を発揮できるが、第１及び／又は第２導電部材１２，１３をガラス基板１１に押し込んだ後に、陽極接合処理を施すことにより、密着性をより高くすることができる。

このような構成を有する静電容量型圧力センサにおいては、感圧ダイヤフラム１６ａとガラス基板１１内の固定電極である第１導電部材１２との間に所定の静電容量を有する。この圧力センサに圧力が加わると、感圧ダイヤフラム１６ａが圧力に応じて可動する。これにより、感圧ダイヤフラム１６ａが変位する。このとき、感圧ダイヤフラム１６ａとガラス基板１１内の固定電極との間の静電容量が変化する。したがって、この静電容量をパラメータとして、その変化を圧力変化とすることができる。

第１及び第２基板の接合部の位置よりも深い位置までハーフエッチングし、このハーフエッチングを行った領域において、少なくとも静電容量型圧力センサの側面を覆うように保護層を形成する。このように、少なくとも静電容量型圧力センサの側面を覆うように保護層を形成することにより、後工程であるダイシング工程や洗浄工程の際に研削液や研磨砥粒などが静電容量型圧力センサ側面の各界面を浸食し、浸入していくことを防止できる。これにより、製品特性を維持し、高い信頼性を有する静電容量型圧力センサを得ることができる。なお、保護層を設ける領域は、静電容量型圧力センサの側面に限定されず、静電容量型圧力センサ内に研削液や研磨砥粒などが浸入し得る領域に設けることが好ましい。なお、ハーフエッチングの方法としては、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）などを用いることができる。

保護層を形成する方法としては、印刷などの厚膜形成できる方法が好ましい。保護層を構成する材料としては、耐熱性などを考慮すると、ポリイミドなどの樹脂材料やガラスなどの無機材料を挙げることができる。これらの材料は、印刷工程など、簡易で低コストな工程により保護層を形成することができるので好ましい。

本発明に係る方法においては、複数の静電容量型圧力センサを有する集合体を作製する工程において、突出部を有するシリコン基板の突出部をガラス基板に当接させるようにして、シリコン基板をガラス基板に加熱下で押圧し、突出部がガラス基板を貫通するようにシリコン基板及びガラス基板を研磨することにより、突出部をガラス基板に埋め込んで固定電極とすることが好ましい。この方法によれば、固定電極と可動電極を含むキャビティ内の気密性を高め、高いセンサ感度を有する静電容量型圧力センサを得ることができる。

図１（ａ）〜（ｅ）及び図２（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態に係る静電容量型圧力センサの製造方法を説明するための断面図である。

まず、不純物をドーピングして低抵抗化したシリコン基板１７を準備する。不純物としては、ｎ型不純物でも良く、ｐ型不純物でも良い。抵抗率としては、例えば０．０１Ω・ｃｍ程度とする。そして、図１（ａ）に示すように、このシリコン基板１７の一方の主面をエッチングして、固定電極になる第１導電部材１２用の突出部１７ａ及び第２導電部材１３用の突出部１７ｂを形成する。この場合、シリコン基板１７上にレジスト膜を形成し、突出部１７ａ，１７ｂ形成領域にレジスト膜が残るように、そのレジスト膜をパターニング（フォトリソグラフィー）し、そのレジスト膜をマスクとしてシリコンをエッチングし、その後残存したレジスト膜を除去する。このようにして突出部１７ａ，１７ｂを設ける。

次いで、突出部１７ａ，１７ｂを形成したシリコン基板１７上に、突出部１７ａ，１７ｂがガラス基板１１と当接するようにしてガラス基板１１を置く。さらに、真空下で、このシリコン基板１７及びガラス基板１１を加熱し、シリコン基板１７をガラス基板１１に押圧して突出部１７ａ，１７ｂをガラス基板１１の主面１１ｂに押し込んで、図１（ａ）に示すように、シリコン基板１７とガラス基板１１とを接合する。このときの温度は、シリコンの融点以下であって、ガラスが変形可能である温度（例えば、ガラスの軟化点温度以下）が好ましい。例えば加熱温度は約８００℃である。

さらに、シリコン基板１７の突出部１７ａ，１７ｂとガラス基板１１との界面での密着性をより高めるために、陽極接合処理をすることが好ましい。この場合、シリコン基板１７及びガラス基板１１にそれぞれ電極をつけて、約４００℃以下の加熱下で約３００Ｖ〜１ｋＶの電圧を印加することにより行う。これにより両者の界面での密着性がより高くなり、静電容量型圧力センサのキャビティ１５の気密性を向上させることができる。

次いで、図１（ｂ）に示すように、ガラス基板１１の主面１１ａ側を研磨処理して、シリコン基板１７の突出部１７ａ，１７ｂを露出させる。次いで、図１（ｃ）に示すように、シリコン基板１７の裏面（ガラス基板側と反対側）を研磨処理して突出部１７ａ，１７ｂを露出させて第１及び第２導電部材１２，１３をガラス基板１１に埋め込む。そして、ガラス基板１１及び突出部１７ａ，１７ｂを、例えばミリング加工して、キャビティ１５用の凹部１１ｃ及び電極１７，１８用の凹部１１ｄを形成する。

次いで、図１（ｄ）に示すように、凹部１１ｄ内で露出した第２導電部材１３上に、可動電極用の電極１７，１８を積層して形成する。この場合、まず、図１（ｃ）に示す構造体上に電極材料を被着し、その上にレジスト膜を形成し、電極形成領域にレジスト膜が残るように、そのレジスト膜をパターニング（フォトリソグラフィー）し、そのレジスト膜をマスクとして電極材料をエッチングし、その後残存したレジスト膜を除去する。この処理を２回行って電極１７，１８を積層する。また、第１導電部材１２の裏面側（電極１７，１８と反対側）に固定電極用の引き出し電極１４ａ及び可動電極用の引き出し電極１４ｂを形成する。この場合、まず、図１（ｃ）に示す構造体の裏面に電極材料を被着し、その上にレジスト膜を形成し、引き出し電極形成領域にレジスト膜が残るように、そのレジスト膜をパターニング（フォトリソグラフィー）し、そのレジスト膜をマスクとして電極材料をエッチングし、その後残存したレジスト膜を除去する。

次いで、図１（ｅ）に示すように、あらかじめエッチングなどにより数十μｍ程度の所定の厚さに形成したシリコン基板１６を、感圧ダイヤフラム１６ａが固定電極である第１導電部材１２と所定の間隔をおいて位置するようにして、ガラス基板１１の接合面１１ｅ上に接合する。このとき、シリコン基板１６及びガラス基板１１に対して、約４００℃以下の加熱下で約５００Ｖ程度の電圧を印加することにより陽極接合処理を行う。これによりシリコン基板１６とガラス基板１１との間の界面での密着性がより高くなり、キャビティ１５の気密性を向上させることができる。

次いで、図２（ａ）に示すように、ダイシングラインをシリコン基板１６とガラス基板１１との間の接合面１１ｅの位置よりも深い位置までＲＩＥなどによりハーフエッチングして凹部１９を形成する。このハーフエッチングは、後述する保護層を形成する界面が露出する深さまで行う。ここでは、シリコン基板１６と電極１８との間の界面、電極１７と電極１８との間の界面、電極１７とガラス基板１１との間の界面である。このような界面においては、ダイシング工程で研削液などの浸入が想定されるので、保護層を設ける必要があると考えられる。したがって、このような界面を露出するようにハーフエッチングを行う。なお、ハーフエッチングで露出させる界面については静電容量型圧力センサの構造により適宜変更することができる。

次いで、図２（ｂ）に示すように、ハーフエッチングを行った領域、すなわち凹部１９において、少なくとも静電容量型圧力センサの側面を覆うように保護層２０を形成する。保護層２０の材料としては、ポリイミドなどの樹脂材料を用い、印刷法などにより形成する。このような方法によれば、簡易に凹部１９の段差を被覆することができ、厚膜で保護層を形成することができる。なお、保護層２０を形成する領域は、ダイシング工程で研削液などの浸入が想定される領域であり、少なくとも静電容量型圧力センサの側面を含む。ここには、図２におけるシリコン基板１６と電極１８との間の界面、電極１７と電極１８との間の界面、電極１７とガラス基板１１との間の界面を含む。なお、保護層２０を形成する領域は、ハーフエッチングで露出させる界面と同様に、静電容量型圧力センサの構造により適宜変更することができる。

次いで、図２（ｃ）に示すように、ダイシングラインに沿ってダイシングを行い、静電容量型圧力センサをチップ化する。その後、洗浄工程を経て静電容量型圧力センサが得られる。ダイシングについては、通常行われる条件や研削液などを用いて行われる。

このようにして得られた静電容量型圧力センサは、固定電極である第１導電部材１２が引き出し電極１４ａと電気的に接続され、感圧ダイヤフラム１６ａが電極１７，１８及び第２導電部材１３を介して引き出し電極１４ｂと電気的に接続されている。したがって、感圧ダイヤフラム１６ａと固定電極との間で検知された静電容量の変化の信号は、両引き出し電極１４ａ，１４ｂから取得することができる。この信号に基づいて測定圧力を算出することができる。この方法により得られた静電容量型圧力センサは、ダイシング工程や洗浄工程の際に研削液や研磨砥粒などの浸入が防止されているので、製品特性を維持し、高い信頼性を有するものである。

本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。例えば、上記実施の形態で説明した数値や材質については特に制限はない。また、上記実施の形態で説明したプロセスについてはこれに限定されず、工程間の適宜順序を変えて実施しても良い。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更することが可能である。

本発明は、例えば大気圧をモニタリングする気圧計やガス圧をモニタリングする静電容量型圧力センサに適用することができる。

（ａ）〜（ｅ）は、本発明の実施の形態に係る静電容量型圧力センサの製造方法を説明するための断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態に係る静電容量型圧力センサの製造方法を説明するための断面図である。

符号の説明

１１ ガラス基板
１１ａ，１１ｂ 主面
１１ｃ，１１ｄ，１９ 凹部
１１ｅ 接合面
１２，１３ 導電部材
１４ａ，１４ｂ 引き出し電極
１５ キャビティ
１６，１７ シリコン基板
１６ａ 感圧ダイヤフラム
１７，１８ 電極
１７ａ，１７ｂ 突出部
２０ 保護層

Claims (3)

1. 固定電極を有する第１基板と可動電極を有する第２基板とを前記固定電極と前記可動電極との間に所定の間隔を有するように接合して複数の静電容量型圧力センサを有する集合体を作製する工程と、前記集合体において前記静電容量型圧力センサ間に設けられたダイシングラインを前記第１及び第２基板の接合部の位置よりも深い位置までハーフエッチングする工程と、前記ハーフエッチングを行った領域において、少なくとも前記静電容量型圧力センサの側面を覆うように保護層を形成する工程と、前記ダイシングラインに沿ってダイシングを行って静電容量型圧力センサを得る工程と、を具備することを特徴とする静電容量型圧力センサの製造方法。
2. 前記第１基板がガラス基板であり、前記第２基板がシリコン基板であり、前記第１基板と前記第２基板との間が陽極接合されていることを特徴とする請求項１記載の静電容量型圧力センサの製造方法。
3. 前記複数の静電容量型圧力センサを有する集合体を作製する工程において、突出部を有するシリコン基板の前記突出部を前記ガラス基板に当接させるようにして、前記シリコン基板を前記ガラス基板に加熱下で押圧し、前記突出部が前記ガラス基板を貫通するように前記シリコン基板及び前記ガラス基板を研磨することにより、前記突出部を前記ガラス基板に埋め込んで前記固定電極とすることを特徴とする請求項２記載の静電容量型圧力センサ。

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