JP2012163539A - 密閉型デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】一つ一つのデバイスに対する圧力測定が容易にできること。
【解決手段】基板１１上に密閉状態に形成された空間１５を有し、密閉空間内にデバイス部１２が設けられ、密閉空間内の圧力を測定する圧力測定手段１３と、圧力測定手段に通電するとともに密閉空間外部と接続する出力配線１７と、出力配線に接続された出力パッド１８とを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、一定の減圧下で密閉されている密閉型デバイスに用いて好適な技術に関する。

半導体素子（デバイス）は電気的情報を変換するために利用されている。近年、半導体製造技術を始めとする微細加工技術を利用して機械要素部品、センサ、アクチュエータ、電子回路といった構造を組み込まれたＭＥＭＳ（Micro electro mechanical system ）と呼ばれるデバイスが多く開発されている。このＭＥＭＳデバイスでは、電気以外の情報を検出、解析することが可能となるため、その応用範囲は多岐にわたる。

最も多く利用されているＭＥＭＳデバイスの一つであるピエゾ抵抗型の加速度センサでは、デバイス内に作りこまれたダイヤフラム構造の位置変化をピエゾ抵抗素子によって検出し、電気回路によって増幅、計測する。同様に、ジャイロセンサや圧力センサも機械的な変化を電気的に検出するようなデバイスであり、また電磁気力を利用して物理的に接点を切り替える、微小機械スイッチを有するＲＦスイッチもＭＥＭＳデバイスとして広く利用されている。この他にもインクジェットヘッドや生物学的な情報を解析するためのマイクロアレイもＭＥＭＳデバイスの一つである。

これらデバイスは、ウェーハ内に微細加工技術により多数のデバイスを作製する事が可能であり、高集積化する事が容易である。つまりは、機械要素部と電気要素部とを同一デバイス内に作りこむ事ができ、さらには微小な構造であるためにそのデバイスの精度（センサでは検出精度）の向上、信頼性の向上（高寿命）、そして省エネルギー化を図る事が可能となる。

一方で、上記したような機械的ならびに電気的な特性変化を利用するMEMSセンサの場合、周囲の影響を受けやすいという欠点がある。例えば、加速度センサ、ジャイロセンサ、圧力センサのように可動部（駆動部）の微小な変位量を電気的に検出するようなデバイスでは、可動部雰囲気である圧力ならびに温度に大きく影響されてしまう。また、電気的に検出するデバイスにおいては、温度変化によってその電気特性が変化してしまい、性能に影響を与える。

そこで多くのMEMSデバイスでは、一定の減圧下で密閉（パッケージ）することでこれを解決している。つまりは、デバイスの基本的な機能を担う要素部を有するデバイスウェハに加え、一定の空間を有するパッケージウェハを減圧下で接合、密閉することで、最終的なデバイス構造をなっている。また、上記したデバイスの他にも水晶振動子や弾性表面波フィルタ、ＬＳＩなどデバイスにおいても性能劣化を防止することを目的として減圧下でのパッケージが用いられている。つまり、密閉型デバイスにおいては、パッケージ内の圧力はデバイス性能を大きく左右するため、これを検知することは非常に重要である。

このような密閉型デバイスにおいて、パッケージ内の圧力を確認・検査するためによく使われている方法として、デバイスを加圧されたＨｅもしくは液体中に入れた後にデバイスを破壊してデバイス内に流入したＨｅや液体量を測定することでリークの有無を検査する方法がある。しかしこの方法ではデバイスそのものを破壊することが必要であるため、デバイス製造最終の検査工程などでは、任意に抽出した一部のデバイスしか検査できず、全数検査をおこなうことはできない。このため、不良品を見逃す可能性が高かった。

この問題に対応した非破壊検査として、Ｈｅで加圧されたチャンバにデバイスを保持し、その後に減圧したチャンバに入れた際のＨｅの漏れ量をリークディテクタで測定するボンビング法が考案され、広く用いられている（特許文献１）。

その他の非破壊検査としては、デバイス内に圧力センサとして圧電振動子を入れた構造とし、Ｈｅで加圧されたチャンバに入れリークを促進し、圧電振動子の共振周波数の変化（Ｑ値）で圧力を読み取り、リークの有無を検査する方法が考案されている（非特許文献１）。

特開２００６−０５３１０６号公報 特開２００９−２２２６９３号公報

H. W. van Zeijl (Delft University, NL), "Electrical Overlay and linewidth measurements for through wafer interconnect", 21st IEEE International Conference on Microelectronic Test Structures (ICMTS), tutorial session 2, 25-28, Mar. Edinburgh, UK (2008). Handbook of Vacuum Technology (WILEY-VCH, Verlag GmbH & Co. KgaA, Weinheim, Germany) Chapter 13, Total Pressure Vacuum Gages, pp. 555-630.

しかし、特許文献１に提案されているボンビング法では、少なくとも２つの圧力の異なるチャンバにデバイスを出し入れする必要がある。そのため、全数のデバイスを個々に検査するためには、サイズの小さいデバイスを扱う上では操作性に問題があると同時に、検査に時間がかかってしまう。さらに、デバイスの密閉されている空間は微少容積であるため、単一デバイスでの浸入したＨｅの漏れ量を検出するためには、高精度の検出方法が求められる。
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。

そこで、ウェーハ全体での検査ではなく個々のデバイスにおいてパッケージ性能を検査するために、特許文献２、非特許文献１のような方法が提案されている。これら文献に記載の方法は、デバイス内に圧電振動子を組込み、Ｈｅで加圧されたチャンバに入れることでリークを促進した際の圧力変化を圧電振動子の共振周波数（Ｑ値）の変化から読み取ることで、パッケージ性能を検査する方法である。

しかしながら、この方法で用いられている圧電素子を用いた真空度の計測では、計測可能な圧力領域は１０００Ｐａ以上であり（非特許文献２参照）、それ以下の圧力でパッケージされて性能が保証されるようなデバイスでは用いることはできない。また、圧電振動子の共振周波数は温度に対して非常に敏感であり、その周波数変化を補償するために様々な工夫が必要である。さらに、デバイスのパッケージ内部に圧電振動子を作り込むには、複雑な構造が必要であり、適応可能なデバイス構造が限定されてしまうという問題が生じる。

このように、一定の減圧下で密閉されているデバイスの検査工程において不良品を確実に検出することでデバイス製造における歩留まりを向上するために、デバイスのサイズを保ったまま、デバイスの全数に対して圧力測定を必要な感度で簡易におこなうことを低コストで実現することが必要とされている。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、以下の目的を達成しようとするものである。
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。

本発明の密閉型デバイスは、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ことを特徴とすることにより上記課題を解決した。
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。

本発明によれば、デバイスの密閉される密閉空間内にピラニセンサのフィラメント部分のみを入れ、内部の圧力を測定する構造としたことにより、圧力を制御してリークさせるため制御の複雑な複数の密閉系を用いることなく、微少なリークが存在することを検知することが可能となる。これにより、多くは減圧状態となっているデバイスの密閉空間のリークが存在する、すなわち、デバイスの動作不良を精度良く判別することができる。
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。

本発明は、具体的には、減圧下にパッケージされたデバイス密閉空間内に位置する基板上に金属フィラメントを作り込み、この金属フィラメントの抵抗値の変化によってパッケージ内の密閉性検査する方法を提供する。原理としては、真空系として多く用いられているピラニセンサと同様の測定形式を用いることができる。

本発明によれば、ウェーハ内に作られたデバイス全数に対して低コストで簡易に真空度が測定できるため不良品が低減でき、メンテナンス時いつでも測定できる上、デバイス内における真空度の経時変化も測定できるとともに、リークのみならずデバイス構造体からの放出ガスによる圧力上昇も測定できるという効果を奏することができる。

本発明に係る密閉型デバイスの第１実施形態における基板上を示す平面図。 図１のＡ−Ａ線における側断面図。 図１の圧力測定領域を示す拡大平面図。 圧力測定用のブロック回路を示す回路図。 本発明に係る密閉型デバイスの第１実施形態における実験例を示すグラフ。 本発明に係る密閉型デバイスの第２実施形態における基板上を示す平面図。 図６のＢ−Ｂ線における側断面図。 図６の圧力測定領域を示す拡大平面図。 図８のＢ−Ｂ線における側断面図。 本発明に係る密閉型デバイスの第２実施形態における製造工程を示す図。 本発明に係る密閉型デバイスの第２実施形態における実験例を示すグラフ。

以下、本発明に係る第１実施形態を、図面に基づいて説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。
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。

本実施形態の密閉型デバイスは、基板（密閉空間形成部）１１表面にはデバイス領域（デバイス部）１２と、圧力測定領域（圧力測定部）１３とが設けられ、これらを囲むように蓋部基板（密閉空間形成部）１４によって覆われている。デバイス領域１２と圧力測定領域１３とは、基板１１上で隣接するように配置され、基板１１と蓋部基板１４との間に形成された密閉空間１５の内部に位置されている。
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。

デバイス領域１２には、ジャイロセンサやＲＦスイッチなど可動構造を有して機械的な変化の検出および駆動を利用しているデバイスの可動部が設けられている。
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。

圧力測定領域１３の表面には、電気絶縁膜１３Ａが形成され、この電気絶縁膜１３ＡはＳｉＯ_ｘやＳｉＮ_ｘ、ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ、ＡｌＯ_ｘ等からなるものとすることができる。

圧力測定領域１３の電気絶縁膜１３Ａ表面には、圧力測定手段としてのピラニセンサのうち、フィラメントに相当する電気抵抗体１６が形成され、この電気抵抗体１６が密閉空間１５内の気体と熱交換を行って電気抵抗体１６の熱損失量から密閉空間１５内の気体圧力を測定可能とされてなる。電気抵抗体１６は、Ｐｔからなるフィラメントとされるが、プラチナに限らず、Ａｕ，Ａｌ等からなるフィラメントとし、これらを形成する下地となる密着層としてＣｒ，Ｔｉ，Ｎｉ，Ｔａおよびこれら金属の酸化物、具体的にはＴｉＯ_ｘ，ＴａＯ_ｘ，ＮｉＯ_ｘとの積層体としてもよい。

電気抵抗体１６は、上述した金属材料からなる細線を、蛇腹状等にパターニングして形成されている。蛇腹状とすることにより細線の長さが増加するので、電気抵抗体１６の抵抗値を調整することが可能になり、また被測定ガスとの熱交換を行う表面積を確保することが可能になる。

電気絶縁膜１３Ａは、厚さ５〜１０ｎｍ程度、電気抵抗体１６は、厚さ１６０〜１７０ｎｍ程度とし、電気抵抗体１６の長さを２〜３ｍｍとして１００〜２００Ω程度の抵抗体とすることができる。なお、図１および図２においては電気絶縁膜１３Ａは省略してある。

圧力測定領域１３の周辺には、電気抵抗体１６に通電する一対の出力配線１７が接続され、この出力配線１７は密閉空間１５の外側となる外部位置に設けられた出力パッド１８にそれぞれ接続されている。出力配線１７および出力パッド１８は基板１１面上に設けられている。
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。

電気抵抗体１６の抵抗値Ｒに電流Ｉを流した際に発生する熱量Ｑは、電気抵抗体１６に被測定ガスが接触し熱交換によって奪う熱量Ｑｇ、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の和に相当し、次式が成り立つ。
Ｑ ＝ Ｑｇ ＋ Ｑｗ ＋ Ｑｒ ＝ Ｉ^２Ｒ ・・・ （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。

Ｑｇ ＝ Ｋｃ（Ｔｆ−Ｔｗ ）Ｐ ・・・ （２）
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。

数式（１）において、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、構造に依存した熱流出量である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は一定となる。つまり、（Ｔｆ―Ｔｗ）が一定の状態では、数式（２）に示したように圧力Ｐは電気抵抗体１６における気体分子との熱交換によって奪われる熱量Ｑｇと比例関係にあり、圧力Ｐを算出することができる。

実際の圧力測定においては、電気抵抗体１６の温度Ｔｆとその雰囲気温度（室温）Ｔｗの差（Ｔｆ―Ｔｗ）を一定にするように電流Ｉを調整して、その際の出力電圧値から圧力換算する。具体的には、図４に示すブリッジ回路内のＲ_ｆ にデバイス１０の密閉空間１５内に作製された電気抵抗体１６を組み込むことで計測される。

このブリッジ回路において、図１〜図３に示した引き出し電極の出力パッド１８が電極ＴＣおよび電極ＴＤに相当する。本実施形態の場合、抵抗体Ｒ_ｃ は図１〜図３に図示していないが、白金線の抵抗体とされて、密閉型デバイス１０の外に設け計測を行う。具体的には、出力パッド１８に接触させる測定用のプローブに接続するように設けることが可能である。

つまりは、図４の回路内における電極ＴＣと電極ＴＤとの間における電位差Ｖが０（ゼロ）となるように動作させることで、（Ｔｆ―Ｔｗ）が一定となるように電気抵抗体１６を流れる電流Ｉを調整でき、その際の出力電圧値から真空度が求められる。なお、図４の抵抗体Ｒ_ｃ の抵抗値は、電気抵抗体１６より充分大きいものが好ましい。これは、抵抗体Ｒ_ｃ に流れる電流が微小となり、回路を動作させた際の自己発熱量を抑えることができるからである。

（製造方法）
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。

ここでは、素子の数μｍレベルの微細化に有利な電気機械システム（Micro Electro Mechanical System；ＭＥＭＳ）技術を用いて、マイクロピラニセンサを形成する。 ＭＥＭＳ技術とは、金属の蒸着やスパッタリング法などを用いる成膜技術や、基板上に数μｍレベルのパターンを作製することができるリソグラフィ技術、さらには金属や半導体、酸化物などの膜を酸性やアルカリ性のエッチング溶液や、気体の放電現象により発生するイオンの化学反応を用いて、部分的に取り除くエッチング技術などを用いて、３次元構造の素子を基板上に多数作製するものである。

以下には、ジャイロセンサやＲＦスイッチなど稼動部を持つＭＥＭＳデバイスで、減圧下でパッケージ（真空パッケージ）するデバイス内に気体が衝突することによって持っていく熱量を測定することで真空度を測定するためのフィラメント（電気抵抗体）１６を有する圧力測定領域１３部分を形成する方法のみを記載する。したがって、デバイス領域１２に形成されるデバイスの作製工程にあわせて次の各工程を組み合わせればよい。

＜Ｓ０１．基板準備および絶縁膜形成工程＞
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、ＳｉＯ_ｘやＳｉＮ_ｘ、ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ、ＡｌＯ_ｘ 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ＳｉＯ_ｘや熱窒化で形成されるＳｉＮ_ｘ 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。

＜Ｓ０２．配線形成工程＞
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。

リフトオフ法で作製する場合は、あらかじめ基板１１の上にフォトレジストのパターニングを行う。フォトレジストは、液状の場合スピンコート、スプレーコートおよびディップコート等の手段によって塗布を行う。フィルム状レジストの場合は基板１１にラミネートしベークすることで基板１１にコートする。レジストコート基板は露光工程および現像工程によってパターニングをおこなう。また、レジストによっては特に化学増幅系のレジストにおいてはＰＥＢと呼ばれる露光後の過熱が必要となる。またパターニング後に、レジストの密着性を向上させるための加熱も必要に応じておこなう。

これによって、フィラメント（電気抵抗体）１６や電極引き出し用の出力配線１７および出力パッド１８等の金属配置部位を除く領域にレジストが設けられる。この上から真空蒸着法、スパッタリング法といった成膜手段によって１０ｎｍのＴａおよび１６０ｎｍのＰｔの成膜をおこなう。
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。

エッチングを用いた方法ではではあらかじめ密着層であるＴａとＰｔを所定の膜厚で成膜、その上にレジストのパターニングを行う。その後、Ａｒ、Ｃｌ系（Ｃｌ_２ 、ＢＣｌ_３ 、ＣＣｌ_４ ）、ＣＦ系（ＣＦ_４ 、Ｃ_３Ｆ_８、Ｃ_４Ｆ_８、ＣＨＦ_３、Ｃ_２Ｆ_６）、Ｆ系（ＳＦ_６、ＳｉＦ_４ ）のガスおよびこれらの混合ガスなどを用いたプラズマエッチングを行うことで、レジストの備わっていない領域のＴａおよびＰｔ膜を選択的に除去し、所定のパターンを有する形状を得ることができる。

＜Ｓ０３．蓋部基板作成工程＞
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。

＜Ｓ０４．貼り合わせ工程＞
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。

この他にも、基板１１および蓋部基板１４が互いに接触する接合部分において、Ａｕ−Ａｕなどの金属接合、Ａｕ−Ｓｎなどの共晶接合も利用することができる。この場合、基板１１および蓋部基板１４が互いに接触する接合部分に、あらかじめ金属膜をスパッタリングや蒸着法およびメッキ方法にて形成を行い接合することになる。この場合、出力配線１７上もしくはその部分と接合される蓋側にＳｉＯ_２ 等の絶縁膜を形成しておく。
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ＳｉＯ_２ を成膜し、これらのＳｉＯ_２ −ＳｉＯ_２ 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。

本実施形態においては、従来からある密閉型デバイスの基板１１表面に、電気抵抗体１６、出力配線１７、出力パッド１８等の金属配線を追加することだけで、簡便に密閉型デバイス１０内部の圧力状態を測定し、内部状態を判別することが可能となる。
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。

以下、本発明に係る第２実施形態を、図面に基づいて説明する。
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。

本実施形態の密閉型デバイス２０が、図１〜図３に示した第１実施形態と異なるのは、圧力測定手段である圧力測定領域２３、温度補償体２９、および、これに対応した出力配線２７、出力パッド２８にかかる部分であり、これ以外の同等の構成要素に関しては第１実施形態と同一の符号を付してその説明を省略する。

本実施形態において圧力測定領域２３は、図６〜図９に示すように、第１実施形態と同様、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。
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。

電気抵抗体１６は、出力配線２７Ａを介して密閉空間１５の外側に接続されており、出力配線２７Ａには密閉空間１５外に位置する出力パッド２８Ａ、出力パッド２８Ｂが接続されている。出力パッド２８Ｂには、出力配線２７Ａとは別に出力配線２７Ｂが接続され、この出力配線２７Ｂは密閉空間１５内側の温度補償体２９の一端に接続されている。温度補償体２９の他端には、もう一つの出力配線２７Ｂを介して密閉空間１５外側の出力パッド２８Ｃに接続されている。

圧力測定領域２３には、基板１１表面にキャビティとなるキャビティ凹部２３Ａが設けられ、このキャビティ凹部２３Ａの一部を含んで基板１１表面に電気絶縁膜２３Ｂが設けられている。電気絶縁膜２３Ｂの構成材料として、酸化シリコンや窒化シリコン等の熱伝導率が低い材料を採用することが望ましい。
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。

図８、図９に示すように、浮膜２３Ｃは、キャビティ凹部２３Ａと相似の長方形状に形成され、キャビティ凹部２３Ａの中央部に配置されている。浮膜２３Ｃの大きさは、例えば短辺が３００μｍ以下、長辺が１５５０μｍ以下、短辺と長辺との比率が１：５程度に形成されている。その浮膜２３Ｃの外周を周辺膜２３Ｄに連結するため、スリット２３Ｅを横断するように電気絶縁膜が配置されて、連結膜２３Ｆ，２３Ｇが形成されている。具体的には、浮膜２３Ｃの中心を挟んで一対の角部に、一対の第１連結膜２３Ｆが形成されている。第１連結膜２３Ｆの大きさは、例えば幅１００μｍ程度、長さ５００μｍ程度に形成されている。また、浮膜２３Ｃの中心を挟残りの一対の角部に、一対の第２連結膜２３Ｇが形成されている。第１連結膜２３Ｆおよび第２連結膜２３Ｇはいずれも、浮膜２３Ｃの４辺のいずれかと平行な方向に延在するように配置されている。

浮膜２３Ｃの表面には、電気抵抗体１６が形成されている。電気抵抗体１６は、通電によりジュール熱を発生する金属材料により、細線状に形成されている。特に、電気抵抗体１６の構成材料として、ＰｔやＮｉ、Ｃｒ、Ｗ等の温度係数（単位温度あたりの電気抵抗値の変化量）の高い材料を採用すれば、ピラニセンサの測定精度を向上させることができる。
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。

電気抵抗体１６は、上述した金属材料からなる細線を、蛇腹状にパターニングして形成されている。蛇腹状とすることにより細線の長さが増加するので、電気抵抗体１６の抵抗値を調整することが可能になり、また被測定ガスとの熱交換を行う表面積を確保することが可能になる。なお蛇腹状とする代わりに、後述する温度補償体２９と同様のつづら折り状としてもよい。電気抵抗体１６は、蛇腹の延在方向を浮膜２３Ｃの一辺と平行な方向に略一致させて配置されている。また電気抵抗体１６の外形（輪郭）と同等の大きさに浮膜２３Ｃが形成され、電気抵抗体１６と物理的に接触している領域が最小限に抑えられていると同時に安定な構造を形成している。

電気抵抗体１６の両端部には、連結配線１６ａが形成されている。連結配線１６ａは、一対の第１連結膜２３Ｆの表面を通って、周辺膜２３Ｄの表面に形成された出力配線２７Ａに引き出されている。この出力配線２７Ａを介して、出力パッド２８Ａ、２８Ｂから電気抵抗体１６に通電しうるようになっている。

電気抵抗体４０に被測定ガスが接触すると、熱交換が行われる。被測定ガスが電気抵抗体１６から奪う熱量Ｑｇは、上述した式（２）で表される。
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））。

圧力の測定下限は、数式（１）中のＱｗならびにＱｒで示される圧力に依存しない熱流量に大きく影響される。本実施形態では、電気抵抗体１６において発生した熱のうち浮膜２３等の構造部分を介した熱伝導量Ｑｗは、浮膜２３Ｃ、連結膜２３Ｆ，２３Ｇのみから電導するものであり、また微小な領域に電気抵抗体１６を設けていること、および、輻射によって奪われる熱量Ｑｒを大きく抑えていることから、圧力測定下限が向上する。

ところで、式（２）において電気抵抗体の周辺温度Ｔｗが変化すると、電気抵抗体１６の抵抗値が変化してしまい、圧力を正確に計測することが困難になる。そこで、電気抵抗体１６の雰囲気温度Ｔｗの変化を補償するため、電気抵抗体１６の抵抗値に比べ十分大きな抵抗値を有する温度補償体２９を設ける。

図６に示すように、温度補償体２９は、電気抵抗体１６に隣接して周辺膜２３Ｄの表面に形成されている。温度補償体２９は、電気抵抗体１６と同じ材料により細線状に形成され、電気抵抗体１６より十分高い抵抗値になるよう、細線の長さを長くするつづら折り状に形成されている。

実際の測定では、上述したように図４で示したブリッジ回路を用いて、出力される電圧値から圧力Ｐを計測する。電気抵抗体１６は抵抗Ｒ_ｆ 、温度補償体２９が抵抗Ｒ_ｃ として示されるように並列接続されている。そして、それぞれの出力パッド２８Ａ、２８Ｃが点ＴＣ、ＴＢで示されるように、これらの電極間の電位差Ｖが０（ゼロ）となるように、電気抵抗体１６を流れる電流Ｉを制御する。

抵抗Ｒ_ｃ で表される温度補償体２９の抵抗値は電気抵抗体１６（Ｒ_ｆ ）より非常に高く設定されているので、温度補償体（Ｒ_ｃ ）を流れる電流は微小になり、回路動作による温度補償体２９の温度および抵抗値にほとんど変化はない。しかし、雰囲気温度Ｔｗが変化すると、温度補償体２９（Ｒ_ｃ ）の抵抗値が変化し、並列に配置されている電気抵抗体１６（Ｒ_ｆ ）に流れる電流Ｉが温度に依存して変化し、結果として（Ｔｆ−Ｔｗ）が一定という条件が補償され、圧力Ｐを高精度に測定することが可能となる。

本実施形態の密閉型デバイス２０は、上記した第１実施形態のものに比べ、真空度の測定下限の向上、雰囲気温度の変化による影響をキャンセル（補償）するという点において優位なセンサを提供できる。

数式（１）で示したとおり、電気抵抗体１６の発生する熱量は、圧力Ｐに依存する気体分子との熱交換によって奪われる熱量Ｑｇに加え、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が測定下限に大きく寄与を与える。第１実施形態では、電気抵抗体１６が基板上に形成されるため、前記ＱｗならびにＱｒが大きくなる可能性がある。これに対し、本実施形態では、電気抵抗体１６が構造上安定かつ最小面積を有する浮膜２３上に設けられ、圧力Ｐに依存しない熱流量（ＱｗならびにＱｒ）を最小限に抑えることで、圧力測定下限を向上することができる。

さらに、温度補償体２９である抵抗体を同一デバイス平面内に形成することで、デバイス雰囲気温度の変化をキャンセルし、高精度に真空度を測定する事が可能となる。第１実施形態では、図４のブリッジ回路図中のＲ_ｃ で示される抵抗体をデバイス外に設け測定する。デバイス内の雰囲気温度が変化した場合、電気抵抗体１６（図４中のＲ_ｆ ）の抵抗値も変化する。これに対し本実施形態では、温度補償体２９を図４のブリッジ回路図中のＲ_ｃ として使用することで、デバイス雰囲気内の温度変化の影響をキャンセルして測定することができる。恒温槽等の温度変化の少ない環境を用意することなく、高精度に圧力を計測することができる。

＜製造方法＞
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。

以下には、ジャイロセンサやＲＦスイッチなど稼動部を持つＭＥＭＳデバイスで、減圧下でパッケージ（真空パッケージ）するデバイス内に、気体が衝突することによって持っていく熱量を測定することで真空度を測定するためのフィラメント（電気抵抗体）１６を有する圧力測定領域２３部分を形成する方法のみを記載する。したがって、デバイス領域１２に形成されるデバイスの作製工程にあわせて次の各工程を組み合わせればよい。

＜Ｓ１１．基板準備および絶縁膜形成工程＞
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ＳｉＯ_ｘ 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。

＜Ｓ１２．配線形成工程＞
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／ＴａＯ_ｘ 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／ＴａＯ_ｘ 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ＢＣｌ_３ 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。

＜Ｓ１３．保護膜形成工程＞
続いて、図１０（ｃ）に示すように、ＳｉＨ_４ を用いたＣＶＤ（化学気相成膜法）によりＳｉＯ_ｘ からなる保護膜３１を成膜した。このＳｉＯ_ｘ 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。

＜Ｓ１４．パターニング工程＞
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ＣＦ_４ およびＣ_３Ｆ_８の混合ガスを用いたＳｉＯ_ｘ 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。

＜Ｓ１５．キャビティ形成工程＞
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ＳｉＯ_ｘ 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。

＜Ｓ１６．キャビティ形成工程＞
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ＳｉＯ_ｘ 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。

このようにして作製した基板１１に蓋部基板１４を接合することで密閉型デバイス２０を得る。具体的には第１実施形態記載の方法と同等の手段を用いればよい。

なお、フォトリソグラフィーの条件、エッチング条件等は、上記のものに限定されることはなく、適宜、変更することができる。

本実施形態においては、密閉型デバイスの基板１１表面において、熱伝導率が低い酸化シリコンまたは窒化シリコンからなる浮膜２３Ｃの表面に電気抵抗体１６を形成したので、電気抵抗体１６から浮膜２３Ｃへの熱流出を抑制することが可能になる。また基板１１に直接接触しない浮膜２３Ｃの表面に電気抵抗体１６を配置したので、電気抵抗体１６から基板１１への熱流出を抑制することが可能になる。また浮膜２３Ｃをスリット２３Ｅで囲み、浮膜２３Ｃの外周を連結膜２３Ｆ，２３Ｇにより周辺膜２３Ｄに連結することで、電気抵抗体１６から周辺膜２３Ｄへの熱流出を抑制することが可能になる。これにより、式（１）記載の圧力に依存しない流出熱量Ｑｃ，Ｑｒによる影響を抑制することが可能になり、測定可能な圧力範囲の下限を引き下げることができる。具体的には、従来１０^−１ Ｐａ程度であった測定範囲の下限を、本実施形態では１０^−２ Ｐａ程度に引き下げることができる。さらに、電気抵抗体１６と同一平面状に温度補償体抵抗体２９を設けることによってデバイスの雰囲気温度による影響を受けず、上述したＭＥＭＳ技術を用いることにより、精密測定可能な圧力範囲の広い密閉型デバイス２０得ることができる。

＜実験例１＞
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５×１０^１ 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〜１×１０^５ 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。

次いで、これらの密閉型デバイス１０および出力パッド１８に接続した温度補償体Ｒ_Ｃを２５℃の高温槽に入れ、図４に示した回路における出力電圧値（Ｏｕｔｐｕｔ／Ｖ）を測定した。
その結果を図５に示す。

図５は、封止した圧力と、ブリッジ回路の出力電圧値との関係を示すものであり、本実験例で作成したデバイスの場合、５×１０^１ Ｐａ程度の圧力以上から出力値が増加した。すなわち、出力パッド１８に温度補償体Ｒ_ｃ を接続したプローブを接触させることで、密閉空間１５の圧力が５×１０^１ Ｐａから大気圧までの圧力値を具体的に測定することが可能であることがわかった。

さらに、図１〜図３に示す密閉型デバイス１０のデバイス領域１２に、２×１０^３ Ｐａ以下の圧力状態で正常動作する加速度センサを設けるとともに封止圧力を変化させた。またこのデバイスにおいて、密閉型デバイス１０および出力パッド１８に接続した温度補償体Ｒ_ｃ を２５℃の高温槽に入れ、図４に示した回路における出力電圧値（Ｏｕｔｐｕｔ／Ｖ）を測定するとともに、加速度センサの動作確認をおこなった。
この結果を表１に示す。

この結果から、チップ１および２に関しては、出力電圧値が０．１０Ｖ以下で、２×１０^３ Ｐａ以下の圧力が保持されていることがわかるとともに、動作確認した加速度センサの性能も正常動作していることがわかる。これに対し、出力電圧が０．１７Ｖであるチップ３では、保持されている圧力が高く加速度センサとしての性能も満たされていないことがわかる。したがって、出力電圧値が一定値以上となったデバイスを再検査要として、検品工程ではじくことが可能となる。この場合は出力電圧値の閾値を０．１Ｖに設定して、この値より高いか低いかで、検査結果を二値化することができる。

＜実験例２＞
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ＳｉＯ_ｘ 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ＴａＯ_ｘ を密着層として、これに２００ｎｍの厚さのＰｔを積層し、Ｐｔ／ＴａＯ_ｘ 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。

次いで、これらの密閉型デバイス２０を２５℃の高温槽に入れ、図４に示した回路における出力電圧値（Ｏｕｔｐｕｔ／Ｖ）を測定した。
その結果を図１１に示す。

図１１は、封止した圧力と、ブリッジ回路の出力電圧値との関係を示すものであり、本実験例で作成した密閉型デバイス２０の場合、８×１０^０ Ｐａ程度の圧力以上から出力値が増加する。すなわち密閉空間１５において、８×１０^０ Ｐａから大気圧までの圧力値を具体的に測定することが可能であるということがわかった。

さらに、図６〜図９に示す密閉型デバイス２０のデバイス領域１２に、５×１０^−２Ｐａ以下の圧力状態で正常動作する加速度センサを設けるとともに５×１０^−３Ｐａの雰囲気で封止を行って、密閉型デバイス２０を２５℃の高温槽に入れ、図４に示した回路における出力電圧値（Ｏｕｔｐｕｔ／Ｖ）を測定するとともに、加速度センサの動作確認を行った。
この結果を表１に示す。

この結果から、チップ４に関しては、出力電圧値が０．０００１３Ｖで、２×１０^−２Ｐａ以下の圧力が保持されていることがわかるとともに、動作確認した加速度センサの性能も正常動作していることがわかる。同様に、チップ５に関しては、出力電圧値が０．００００２Ｖで、１×１０^−２Ｐａ以下の圧力が保持されていることがわかるとともに、動作確認した加速度センサの性能も正常動作していることがわかる。これに対し、出力電圧が０．０００５７Ｖであるチップ６では、保持されている圧力が５．６×１０^−２Ｐａと高く加速度センサとしての性能も満たされていないことがわかる。したがって、出力電圧値が一定値以上となったデバイスを再検査要として、検品工程ではじくことが可能となる。この場合は出力電圧値の閾値を０．０００２０Ｖに設定して、この値より高いか低いかで、検査結果を二値化することができる。
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。

１０，２０…密閉型デバイス、１１…基板、１２…デバイス領域（デバイス部）、１３，２３…圧力測定領域、１４…蓋部基板、１５…密閉空間、１６…電気抵抗体、１７，２７Ａ，２７Ｂ…出力配線、１８，２８Ａ，２８Ｂ，２８Ｃ…出力パッド、２９…温度補償体。

Claims (6)

1. 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ことを特徴とすることを特徴とする密閉型デバイス。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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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