特許 6769741 半導体センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6769741

(24)【登録日】2020年9月28日

(45)【発行日】2020年10月14日

(54)【発明の名称】半導体センサ

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/12 20060101AFI20201005BHJP

   G01L 9/00 20060101ALI20201005BHJP

   G01P 15/08 20060101ALI20201005BHJP

   G01P 15/12 20060101ALI20201005BHJP

   G01L 1/20 20060101ALI20201005BHJP

   H01L 29/84 20060101ALI20201005BHJP

【ＦＩ】

   G01N27/12 B

   G01L9/00 303Q

   G01P15/08 101B

   G01P15/12 D

   G01P15/08 102D

   G01L1/20 Z

   H01L29/84 A

【請求項の数】5

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2016-101013(P2016-101013)

(22)【出願日】2016年5月20日

(65)【公開番号】特開2017-207408(P2017-207408A)

(43)【公開日】2017年11月24日

【審査請求日】2019年3月22日

(73)【特許権者】

【識別番号】000231361

【氏名又は名称】ＮＩＳＳＨＡ株式会社

(72)【発明者】

【氏名】藤本 貴大

【審査官】 北島 拓馬

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２０１３／０１６７６４０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２００４−１８４３７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−０９８７０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１９９０１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２１０３２４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｌ ７／００ −２３／３２

Ｇ０１Ｌ ２７／００ −２７／０２

Ｇ０１Ｎ ２７／１２

Ｇ０１Ｐ １５／００ −１５／１８

Ｈ０１Ｌ ２９／８４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基部と、
少なくとも１つの貫通孔が形成され一方の面が前記基部に固定された半導体基板と、
前記半導体基板の他方の面に形成され、前記貫通孔の少なくとも一部を覆うとともに、平面視で前記貫通孔の中央に対応する箇所に形成された検出部を含む薄膜部と、
前記基部に固定され、前記薄膜部と間隔を空けて前記貫通孔内に収納された筒形状の支持体とを含む、半導体センサ。

【請求項2】

基部と、
少なくとも１つの貫通孔が形成され一方の面が前記基部に固定された半導体基板と、
前記半導体基板の他方の面に形成され、前記貫通孔の少なくとも一部を覆うとともに、平面視で前記貫通孔の中央に対応する箇所に形成された検出部を含む薄膜部と、
前記基部に固定され、前記薄膜部と間隔を空けて前記貫通孔内に収納され、前記検出部を挟むようにして前記薄膜部の端部側にそれぞれ配置された、少なくとも２つの支持体とを含む、半導体センサ。

【請求項3】

前記薄膜部が、前記薄膜部の前記支持体の天面に対向する面に形成された第１電極を有し、前記支持体が前記天面に前記第１電極に対向した第２電極を有している、請求項１または２に記載の半導体センサ。

【請求項4】

前記薄膜部の少なくとも上方を覆う蓋部材を備え、前記蓋部材が、前記蓋部材の前記薄膜部の天面に対向する位置に、前記薄膜部と間隔を空けて形成された筒形状の第２支持体を有している、請求項１または２に記載の半導体センサ。

【請求項5】

前記薄膜部の少なくとも上方を覆う蓋部材を備え、前記蓋部材が、前記蓋部材の前記薄膜部の天面に対向する位置に、前記薄膜部と間隔を空けて形成された筒形状の第２支持体を有し、前記薄膜部が前記薄膜部の前記天面に形成された第３電極を有し、前記第２支持体が前記第３電極に対向した位置に第４電極を有している、請求項３に記載の半導体センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体センサに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術を用いて、圧力、温度、湿度、加速度、ガス濃度などを測定する半導体センサの研究開発が進んでいる。半導体センサは、貫通孔が形成された半導体基板と、半導体基板の一方の面に形成され貫通孔を覆うとともにセンサが形成された薄膜部とからなるものである（たとえば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００３−６５９９０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかし、従来の半導体センサにおいては、半導体センサの製造時や使用時に薄膜部が破損するという問題がある。製造時の破損は、たとえば、ディスペンサなどを用いて感ガス材を薄膜部に塗布する際に、ディスペンサ先端が薄膜部を押して薄膜部がたわむことで生じる。あるいは、ウエハ状の半導体センサをダイシングする際に、ダイシングブレードの振動が薄膜部に伝わり、薄膜部が上下に振れることで生じる。使用時の破損は、たとえば、実装された半導体センサに過剰な押圧力や振動が加えられ、それによって薄膜部がたわむことで生じる。

【0005】

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り、製造時や使用時において薄膜部が破損しない半導体センサを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

以下に、課題を解決するための手段として複数の態様を説明する。これら態様は必要に応じて任意に組み合わせることができる。

【0007】

本発明の半導体センサは、
基部と、
少なくとも１つの貫通孔が形成され一方の面が基部に固定された半導体基板と、
半導体基板の他方の面に形成され貫通孔の少なくとも一部を覆うとともにセンサが形成された薄膜部と、
基部に固定され薄膜部と間隔を空けて貫通孔内に収納された支持体とを含むことを特徴とするものである。

【0008】

好ましくは、支持体が筒形状である。

【0009】

また、好ましくは、少なくとも２つの支持体が、それぞれ薄膜部の端部側に配置されているものである。

【0010】

さらに好ましくは、薄膜部が薄膜部の支持体と対向する面に形成された第１電極を有し、支持体が第１電極に対向した第２電極を有しているものである。

【0011】

また、好ましくは、薄膜部の少なくとも上方を覆う蓋部材をさらに有しているものである。

【0012】

さらに好ましくは、蓋部材が、蓋部材の薄膜部の天面に対向する位置に薄膜部と間隔を空けて形成された第２支持体を有しているものである。

【0013】

また、好ましくは、薄膜部が薄膜部の支持体と対向する面に形成された第１電極と薄膜部の天面に形成された第２電極を有し、支持体が第１電極に対向した第３電極を有し、蓋部材または第２支持体が第２電極に対向した第４電極を有しているものである。

【発明の効果】

【0014】

本発明の半導体センサは、基部と、少なくとも１つの貫通孔が形成され一方の面が基部に固定された半導体基板と、半導体基板の他方の面に形成され貫通孔の少なくとも一部を覆うとともにセンサが形成された薄膜部と、基部に固定され薄膜部と間隔を空けて貫通孔内に収納された支持体とを含むように構成した。

【0015】

したがって、本発明によれば、製造時や使用時において薄膜部が破損しない半導体センサを容易に得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の半導体センサの第一実施形態を示す断面図である。

【図2】薄膜部の一部を拡大した断面図である。

【図3】第一実施形態の変形例を示す断面図である。

【図4】支持体の形状の変形例を示す斜視図である。

【図5】第一実施形態の変形例を示す断面図である。

【図6】本発明の半導体センサの一例を示す平面図と断面図である。

【図7】第一実施形態の変形例を示す断面図である。

【図8】本発明の半導体センサの第二実施形態を示す断面図である。

【図9】第二実施形態における平面図である。

【図10】第二実施形態の変形例における平面図である。

【図11】第二実施形態の変形例を示す断面図である。

【図12】第二実施形態における効果を説明するための断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本発明の半導体センサについて、実施形態の一例を説明する。

【0018】

＜第一実施形態＞
本発明の半導体センサは、基部と、少なくとも１つの貫通孔が形成され一方の面が基部に固定された半導体基板と、半導体基板の他方の面に形成され貫通孔の少なくとも一部を覆うとともにセンサが形成された薄膜部と、基部に固定され薄膜部と間隔を空けて貫通孔内に収納された支持体とを含むことを特徴とするものである（図１参照）。

【0019】

基部１０の材料は、特に限定されず、たとえばシリコンやプリント基板などを用いることができる。基部１０は実装基板９上に設置する。

【0020】

半導体基板１１の材料は、たとえばシリコン単結晶基板を用いることができる。半導体基板１１の寸法は、縦幅１ｍｍ〜１０ｍｍ、横幅１ｍｍ〜１０ｍｍ、厚さ２００μｍ〜１３００μｍとすることができる。貫通孔１１１は、たとえば、シリコン単結晶基板の裏面からエッチングをすることで形成することができる。

【0021】

薄膜部１２は、本実施形態においては、半導体基板１１に形成された１つの貫通孔１１１を覆っている。薄膜部１２の厚みは１μｍ〜１０μｍとすることができる。薄膜部１２は絶縁性材料を含んでなり、たとえば、ガスセンサの場合には薄膜部１２の内部にヒータ１２１と検出電極１２２を形成し、検出電極１２２上には感ガス材１２３を塗布する（図２（ａ）参照）。ヒータ１２１と検出電極１２２からはそれぞれ配線電極が伸びる。また、圧力センサの場合には、薄膜部１２の内部にピエゾ抵抗部１２４を形成する（図２（ｂ）参照）。ピエゾ抵抗部１２４からは配線電極が伸びる。薄膜部１２の外周側には、少なくとも２つのパッド電極２を形成する。パッド電極２は配線電極と接続しており、ボンディングワイヤ３で実装基板９と接続している。したがって、たとえば、ヒータ１２１の配線電極に接続したパッド電極２に電流を流すと、ヒータ１２１を加熱することができる。また、検出電極１２２の配線電極に接続したパッド電極２は、薄膜部１２に形成されたセンサが検出したガス濃度や圧力などの電気信号を実装基板９へ送ることができる。

【0022】

支持体１３の材料は、薄膜部１２の材料と同じ硬さのものであってよく、異なる硬さのものであってもよい。材料としては、たとえば、Ｓｉ（シリコン）、ＳｉＣ（炭化ケイ素）、ＳｉＯ_２（二酸化ケイ素）、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化ケイ素）、ＳｉＯＮ（酸窒化シリコン）、ポリプロピレン樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリスチレン樹脂、ＡＢＳ樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーンゴム、天然ゴム、ニトリルゴム、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化ケイ素）、ＳｉＣ（炭化ケイ素）、３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２（ムライト）、２ＭｇＯ・２Ａｌ_２Ｏ_３・５ＳｉＯ_２（コーディエライト）、コバールなどを用いることができる。

【0023】

ただし、ガスセンサの場合は、使用時にヒータ１２１が加熱され２００℃以上の高温となるため、支持体１３の材料は耐熱性を有するものが好ましい。このような材料としては、たとえば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などフッ素系樹脂が挙げられる。支持体１３は基部１０上に固定され、貫通孔１１１内に収納されている。支持体１３の天面と、それに対向する薄膜部１２の面との間隔は、２０μｍ〜５０μｍとすることができる。支持体１３は、図４に示すように、種々の形状とすることができる。

【0024】

図３は、おもり部１１２を有する加速度センサを示している。おもり部１１２は、半導体基板１１に少なくとも２つの貫通孔を所定の間隔を空けて形成し、半導体基板１１の裏面のうちおもり部１１２となる部分を所定量だけ削ることで得られる。加速度センサ、ガスセンサ、圧力センサなどの各種センサにおいて、支持体１３の形状は筒形状であることが好ましい。これらのセンサは薄膜部１２の中央に検出部を有している。検出部は、加速度センサの場合はおもり部１１２であり、ガスセンサの場合はヒータ１２１・検出電極１２２・感ガス材１２３であり、圧力センサの場合はピエゾ抵抗部１２４である。これら検出部は薄膜部１２の中央に形成されているが、図３のように支持体１３が筒形状であると、外力などによって薄膜部１２がたわんでも、薄膜部１２に形成された検出部が支持体１３と接触することがない。つまり、検出部の損傷を防ぐことができる。

【0025】

上記では支持体１３の数は１つの場合を説明したが、支持体１３の数は２つ以上であってもよい（図５参照）。それぞれの支持体１３Ａ、１３Ｂは薄膜部１２の端部１２ｅ側に配置することが好ましい。端部１２ｅ側とは、支持体１３Ａ、１３Ｂの天面と、それに対向する薄膜部１２の面との間隔が２０μｍ〜５０μｍの範囲内に収まる箇所であり、貫通孔１１１が形成された半導体基板１１の内周面に最も近い箇所である。また、支持体１３Ａ、１３Ｂは、薄膜部１２に形成された検出部の近傍を支持できる程度の厚みを有することが好ましい。このようにすると、薄膜部１２の中央に形成された検出部の損傷を防ぎ、かつ、薄膜部１２のたわみを最小限に抑えることができる。なお、半導体基板１１の内周面とそれに対向する支持体１３Ａ、１３Ｂの側面は間隔が空いていてもよく、密着していてもよい。

【0026】

なお、上記では、半導体基板１１に形成された１つの貫通孔１１１を薄膜部１２ですべて覆う形態を説明したが、これに限定されるものではない。たとえば、半導体基板１１に形成された１つの貫通孔１１１を複数の梁部１２ａを有する薄膜部１２で覆う形態とすることができる（図６参照）。この形態では、貫通孔１１１の一部が薄膜部１２で覆われる。また、この形態における支持体の形状としては図４に示す各種形状を用いることができる。図４の（ａ）、（ｄ）、（ｇ）は円柱状または角柱状である。図４の（ｂ）、（ｅ）は円筒状、（ｃ）、（ｆ）、（ｈ）、（ｉ）は中空の角柱状である。（ｂ）、（ｃ）、（ｈ）のように、平面視した際に外周面がなす形状と内周面がなす形状は同じであってもよく、（ｅ）、（ｆ）、（ｉ）のように異なっていてもよい。特に図４（ｉ）のような支持体であれば、薄膜部１２がたわんだ際に、梁部１２ａのたわみを支持体の受部１３ａで抑えることができ、支持体と検出部が接触することを避けることができる。

【0027】

次に、第一実施形態の変形例の一つを説明する。変形例の形態は、薄膜部１２が、支持体１３の天面に対向する面に形成された第１電極１２６を有し、支持体１３が第１電極１２６に対向した第２電極１３１を有しているものである（図７（ａ）参照）。第１電極１２６は薄膜部１２の内部に形成されていてもよく、支持体１３の天面に対向する面上に形成されていてもよい。第１電極１２６を薄膜部１２の内部に形成する時は、第１電極１２６の少なくとも一部を第２電極１３１側に露出させる。第２電極１３１は支持体１３の天面上に形成されていてもよく、支持体１３の内部に形成されていてもよい。第２電極１３１を支持体１３の内部に形成する時は、第２電極１３１の少なくとも一部を第１電極１２６側に露出させる。このような形態にすると、たとえば、許容範囲以上の外力が薄膜部１２に加わってたわんだ際に、第１電極１２６と第２電極１３１とが接触して通電し、その電気信号を外部に取り出すことによって、半導体センサ１が実装された機器の使用者に異常な力が加わったことを知らせることができる（図７（ｂ）参照）。また、外力によって薄膜部１２がたわみ続けている場合には、第１電極１２６と第２電極１３１とが通電し続けるため、使用者に異常状態を知らせることができる。

【0028】

＜第二実施形態＞
次に、本発明の第二実施形態について説明するが、第一実施形態と共通する点については、詳細な説明を省略する。

【0029】

第二実施形態の半導体センサは、第一実施形態に対して、薄膜部１２の少なくとも上方を覆う蓋部材１４をさらに有している（図８参照）。蓋部材１４は薄膜部１２の天面に対向する位置に薄膜部１２と間隔を空けて形成された第２支持体１４１を有し、第２支持体１４１は筒形状である。

【0030】

蓋部材１４と第２支持体１４１の材料は支持体１３と同じであってもよく、異なっていてもよい。蓋部材１４と第２支持体１４１は異なる材料であってもよく、同じ材料で一体的に形成してもよい。薄膜部１２の天面と、それに対向する第２支持体１４１の面との間隔は、２０μｍ〜５０μｍとすることができる。第二実施形態では、蓋部材１４は薄膜部１２の上方を覆う。つまり、基部１０、半導体基板１１、薄膜部１２、支持体１３の側方は蓋部材１４で覆われていない。ただし、これらの側方を蓋部材１４で覆う形態でもよい。

【0031】

筒形状の第２支持体１４１は、薄膜部１２に形成された検出部の近傍を支持できる程度の厚みを有することが好ましい。このようにすると、外力によって薄膜部１２が図の上方へたわんだ際に、薄膜部１２の中央に形成された検出部の損傷を防ぎ、かつ、薄膜部１２のたわみを最小限に抑えることができる。

【0032】

薄膜部１２が複数の梁部１２ａを有し、貫通孔１１１の一部を覆う形態の場合（図９（ａ）、図１０（ａ）参照）、第２支持体１４１の形状は、たとえば、図９（ｂ）や図１０（ｂ）のような形状とすることができる。いずれの形状も、梁部１２ａを含む薄膜部１２が上方へたわんだ際に、検出部の損傷を防ぎつつ、検出部の近傍つまり梁部１２ａが形成された箇所を支持することができる。なお、図９（ｂ）に示す形状は図４（ｃ）に示す形状であり、図１０（ｂ）に示す形状は図４（ｉ）に示す形状である。

【0033】

次に、第二実施形態の変形例の一つについて説明する。変形例の形態は、薄膜部１２が支持体１３と対向する面に形成された第１電極１２６と薄膜部１２の天面に形成された第３電極１２７を有し、支持体１３が第１電極１２６に対向した第２電極１３１を有し、第２支持体１４１が第３電極１２７に対向した第４電極１４２を有しているものである（図１１参照）。第１電極１２６と第２電極１３１については、第一実施形態と同様にして形成することができる。第３電極１２７は、第１電極１２６と同様に、薄膜部１２の内部に形成されていてもよく、薄膜部１２の天面上に形成されていてもよい。第３電極１２７を薄膜部１２の内部に形成する時は、第３電極１２７の少なくとも一部を第４電極１４２側に露出させる。第４電極１４２は、薄膜部１２の天面に対向する第２支持体１４１の面上に形成されていてもよく、第２支持体１４１の内部に形成されていてもよい。第４電極１４２を第２支持体１４１の内部に形成する時は、第４電極１４２の少なくとも一部を第３電極１２７側に露出させる。このような形態にすると、たとえば、許容範囲以上の外力が薄膜部１２に加わってたわんだ際に、第１電極１２６と第２電極１３１とが接触して通電し、その電気信号を外部に取り出すことによって、半導体センサ１が実装された機器の使用者に異常な力が加わったことを知らせることができる（図１２（ａ）参照）。また、外力によって薄膜部１２がたわみ続けている場合には、第１電極１２６と第２電極１３１とが通電し続けるため、使用者に異常状態を知らせることができる。また、たとえば、遠心力、加速度、上下に繰り返す振動などが薄膜部１２に加わり薄膜部１２が図の上方へたわむような使用環境において、薄膜部１２に許容範囲以上の力が加わった時は、第３電極１２７と第４電極１４２とが接触して通電し、その電気信号を外部に取り出すことによって、半導体センサ１が実装された機器の使用者に異常な力が加わったことを知らせることができる（図１２（ｂ）参照）。また、外力によって薄膜部１２がたわみ続けている場合には、第３電極１２７と第４電極１４２とが通電し続けるため、使用者に異常状態を知らせることができる。

【0034】

次に、本発明の半導体センサの製造方法について一例を説明する（図１、図２参照）。

【0035】

まず、ウエハ状の半導体基板１１を用意する。半導体基板１１の両面に酸化膜を形成し、一方の面には酸化膜上に検出電極や配線電極、ガスセンサの場合はヒータを形成する。酸化膜の形成方法としては、スパッタ法など公知の方法を用いることができる。電極やヒータの形成方法としては、フォトリソ法など公知の方法を用いることができる。電極が複数層必要な場合や、電極とヒータを別の層として形成する場合などは、電極層と電極層の間、電極層とヒータ層の間に絶縁層を形成する。電極層やヒータ層を含む絶縁層が薄膜部１２となる。次に、パッド電極２を形成する箇所の絶縁層を除去し、除去した部分にパッド電極２を形成する。次に、半導体基板１１の他方の面からエッチングすることで、半導体基板１１に貫通孔１１１を形成する。ガスセンサの場合は、貫通孔の形成後に感ガス材を塗布する。

【0036】

ウエハ状の基部１０上に複数の支持体１３を所定の間隔を空けて固定した後、薄膜部１２と貫通孔１１１が形成されたウエハ状の半導体基板１１を、貫通孔１１１内に少なくとも１つの支持体１３を収納するようにして基部１０上に固定する。固定方法としては、たとえば、接着剤を使用する方法、陽極接合法、直接接合法などを用いることができる。接着剤は、加熱硬化型、冷却硬化型、常温硬化型などのものを用いることができる。銀などの導電性粒子を含む接着剤を用いてもよい。導電性粒子を含む場合、半導体基板１１の裏面から導通を取ることができ、またはアースを取って電気的に安定化することができる。なお、基部１０と支持体１３は、同じ材料で一体的に形成してもよい。

【0037】

最後に、基部１０をダイシングテープ上に固定し、ダイシングブレードを用いて切断する。この製造方法によれば、支持体１３によってダイシング時の振動による薄膜部１２のたわみを抑制することができる。

【0038】

以上のようにして、本発明の半導体センサを得ることができる。

【符号の説明】

【0039】

１ ：半導体センサ
１０ ：基部
１１ ：半導体基板
１１１：貫通孔
１１２：おもり部
１２ ：薄膜部
１２ａ：梁部
１２ｅ：端部
１２１：ヒータ
１２２：検出電極
１２３：感ガス材
１２４：ピエゾ抵抗部
１２５：配線電極
１２６：第１電極
１２７：第３電極
１３ ：支持体
１３１：第２電極
１４ ：蓋部材
１４１：第２支持体
１４２：第４電極
２ ：パッド電極
３ ：ボンディングワイヤ
９ ：実装基板

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】