(57)【要約】【課題】半導体圧力センサにおいて、出力ドリフトを低減しつつ、センサ表面を樹脂で被覆して保護する技術を提供する。【解決手段】基板１１と、前記基板上の所定の領域に設けられる中空部１２５と、前記中空部の周囲を囲う支持枠部１２１と、前記中空部の上部を覆い、前記支持枠部間をつなぐようにして設けられる可動部１２３と、前記可動部の変位を検出する変位検出手段１２４と、前記可動部の前記中空部側とは反対の面を含む所定の領域を被覆する保護膜１３と、を有しており、前記保護膜は、疎水性の樹脂からなる第１の保護樹脂層１３１を備える、半導体圧力センサ１０。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上の所定の領域に設けられる中空部と、
前記中空部の周囲を囲う支持枠部と、
前記中空部の上部を覆い、前記支持枠部間をつなぐようにして設けられる可動部と、
前記可動部の変位を検出する変位検出手段と、
前記可動部の前記中空部側とは反対の面を含む所定の領域を被覆する保護膜と、を有しており、
前記保護膜は、疎水性の樹脂からなる第１の保護樹脂層を備えている、半導体圧力センサ。
【請求項２】
前記第１の保護樹脂層は、前記可動部の前記中空部側とは反対の面の全域を含む領域を覆う、ことを特徴とする、請求項１に記載の半導体圧力センサ。
【請求項３】
前記保護膜は、親水性の樹脂からなる第２の保護樹脂層をさらに備えている、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体圧力センサ。
【請求項４】
前記保護膜は、前記第１の保護樹脂層をさらに第２の保護樹脂層が覆う、二層構造となっている、ことを特徴とする、請求項３に記載の半導体圧力センサ。
【請求項５】
前記第２の保護樹脂層は、少なくとも前記第１の保護樹脂層が覆う領域以外の領域を覆う、ことを特徴とする請求項３又は４に記載の半導体圧力センサ。
【請求項６】
前記第１の保護樹脂層の樹脂はフッ素系樹脂であり、前記第２の保護樹脂層の樹脂はシリコン系樹脂である、ことを特徴とする、請求項３から５のいずれか１項に記載の半導体圧力センサ。
【請求項７】
前記変位検出手段はピエゾ抵抗素子である、ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体圧力センサの保護膜に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、半導体基板上にダイアフラムを設け、ピエゾ抵抗効果や、静電容量の変化などによって、当該ダイアフラム部の歪みを検出して電気信号に変換することで、当該ダイアフラム部に加えられた圧力を計測する半導体圧力センサが知られている。
【０００３】
そして、このような半導体圧力センサにおいては、半導体圧力センサの表面を異物や水分から保護するため、センサ素子、ワイヤ（信号線）、ワイヤと接続する金属パッドなどを樹脂で被覆することが行われている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、ｎ形半導体チップの中央部にダイヤフラム（溝堀りにより薄くなった箇所）が形成され、ダイアフラム部に歪みゲージが分散して形成され、該歪みゲージが形成された面を保護するために、樹脂で被覆されることが記載されている。そして、この樹脂として、非常に軟らかく、熱ストレスでゲージ抵抗が変化する等の悪影響がでないゲル状樹脂と、耐水性があり、比較的軟らかいシリコーンコンフォーマル樹脂、エポキシ樹脂およびアクリル樹脂などのゲル状樹脂より硬い樹脂とを、例えば重量比で０．５：９．５程度の割合になるようにブレンド（混合）したものを用いることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−５１８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上記のような構成で樹脂を用いてセンサ部を被覆し、保護する場合には、用いる樹脂の性質が親水性であると、被覆樹脂とセンサ素子が設けられる可動部分（以下、ダイアフラム部ともいう）との間の分子結合が強くなるため、被覆樹脂が変形すると、ダイアフラム部がこれに引っ張られる現象が生じ、外部からの圧力が加えられていないにもかかわらず出力値が変化するドリフトが発生するという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記のような実情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、半導体圧力センサにおいて、出力ドリフトを低減しつつ、センサ表面を樹脂で被覆して保護する技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するため、本発明に係る半導体圧力センサは、基板と、前記基板上の所定の領域に設けられる中空部と、前記中空部の周囲を囲う支持枠部と、前記中空部の上部を覆い、前記支持枠部間をつなぐようにして設けられる可動部と、前記可動部の変位を検出する変位検出手段と、前記可動部の前記中空部側とは反対の面を含む所定の領域を被覆する保護膜と、を有しており、前記保護膜は、疎水性の樹脂からなる第１の保護樹脂層を備えている。
【０００９】
なお、ここで、「疎水性の樹脂」とは、例えば、フルオロアルキル基を有する樹脂である。また、化学組成にかかわらず、樹脂の液滴と半導体（シリコン）表面との接触角が所
定の角度（例えば、３０度）以上となる樹脂として定義してもよい。また、第１の保護樹脂層が形成される領域は、可動部が設けられている領域の全域のみを対象とするのではなく、可動部が設けられている領域に第１の保護樹脂層で覆われていない部分があってもよいし、第１の保護樹脂層が可動部以外の領域に及んでいてもよい。
【００１０】
このように変位検出手段が設けられる可動部のある領域を疎水性の樹脂で被覆することによって、当該領域の半導体表面と樹脂との分子結合を弱くすることができ、樹脂の変形に伴って可動部に変位が生じ、出力ドリフトが発生することを抑止できる。
【００１１】
また、前記第１の保護樹脂層は、前記可動部の前記中空部側とは反対の面の全域を含む領域覆う、ものであってもよい。このような構成であると、可動部のある領域の全体を疎水性の樹脂で被覆することができるため、出力ドリフトの発生を抑止しつつ、可動部表面を全域に亘って保護することができる。
【００１２】
また、前記保護膜は、親水性の樹脂からなる第２の保護樹脂層をさらに備えていてもよく、前記第２の保護樹脂層は、少なくとも前記第１の保護樹脂層が覆う領域以外の領域を覆うものであってもよい。また、前記保護膜は、前記第１の保護樹脂層をさらに第２の保護樹脂層が覆う二層構造となっていてもよい。
【００１３】
可動部を被覆する樹脂を疎水性のものにすると、上記のように出力ドリフトを抑制することができるが、一方で、可動部表面と被覆樹脂との接触角が大きくなり、被覆個所の端部が被覆されない（即ち保護されない）といった状態が生じてしまう。
【００１４】
このため、親水性の樹脂による第２の保護樹脂層で、可動部表面の前記第１の保護樹脂層で被覆できていない領域を被覆する。第２の保護樹脂層は親水性の樹脂で形成されるため、当該領域では樹脂と可動部表面とが強固に結合される。これにより、保護膜の端部が被覆されないといった事態を防止して、半導体センサの可動部表面を端部まで含む全体に亘って被膜し、保護することができる。
【００１５】
また、前記第１の保護樹脂層の樹脂はフッ素系樹脂であり、前記第２の保護樹脂層の樹脂はシリコン系樹脂であってもよい。一般的にフッ素系樹脂は疎水性の樹脂であり、シリコン系の樹脂は親水性であるため、このような樹脂を用いることは本発明の効果の発揮に好適である。
【００１６】
また、前記変位検出手段はピエゾ抵抗素子であってもよい。このような構成を有する半導体圧力センサであれば、可動部の変形に伴う出力ドリフトが発生し易く、本発明の適用に好適である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、半導体圧力センサにおいて、出力ドリフトを低減しつつ、センサ表面を樹脂で被覆して保護する技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、適用例に係る半導体圧力センサの概略を示す断面図である。
【図２】図２は、実施例に係る半導体圧力センサの概略を示す断面図である。
【図３】図３Ａは、実施例に係る中空部の形成過程を示す第１の説明図である。図３Ｂは、実施例に係る中空部の形成過程を示す第１の説明図である。図３Ｃは、実施例に係る中空部の形成過程を示す第１の説明図である。
【図４】図４Ａは、保護膜の変形例を示す第１の説明図である。図４Ｂは、保護膜の変形例を示す第２の説明図である。図４Ｃは、保護膜の変形例を示す第３の説明図である。
【図５】図５は、半導体圧力センサの他の構成例の概略を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態の一例について説明する。
【００２０】
＜適用例＞
図１は本適用例に係る、半導体圧力センサ９０のセンサ部近傍の概略を示す説明図である。本適用例に係る半導体圧力センサ９０は、基板９１、中空部９２、可動部９３、ストレインゲージ９４、金属パッド９５、ボンディングワイヤ９６、保護膜９７及び図示しない他の半導体回路を有するデバイスであり、単独で用いる事もできるし、複数の圧力センサを組み合わせて用いることもできる。
【００２１】
基板９１は、シリコン等の半導体で形成された矩形の板状部材である。また、中空部９２上に設けられる可動部９３はいわゆるダイアフラムとして機能する。金属パッド９５は例えばアルミニウム、金、銅などの素材で形成されており、ボンディングワイヤ９６は、金属パッド９５に接続されている。
【００２２】
可動部９３が形成されている面（基板とは反対側の面）から圧力が加えられると、可動部９３が変形して（中空部９２側に撓んで）、変位検出手段たるストレインゲージ９４の抵抗値が変化し、この抵抗値の変化を図示しない集積回路が電気信号に変換して出力することで、圧力値が測定される。ストレインゲージ９４は、例えば、半導体ひずみゲージが用いられるが、金属ひずみゲージであってもよい。
【００２３】
ここで、可動部９３の表面（中空部９２とは反対側の面）は保護膜９７によって被覆されており、これによって異物（埃、ゴミなど）、水分などから可動部９３の表面が保護される。保護膜９７のうち、可動部９３の中空部９２を覆う領域は、例えば疎水性のフッ素系樹脂からなる疎水性保護樹脂層９７ａによって被覆されており、その他の領域（可動部９３を平面視した場合の周辺端部）については、例えば親水性のシリコン系樹脂からなる親水性保護樹脂層９７ｂによって被覆されている。
【００２４】
なお、本適用例においては、疎水性の樹脂であるか否かは、樹脂の液滴と平面との接触角によって定まるものとし、例えば当該接触角が３０度以上であれば、疎水性であるとする。ここで、接触角は例えばθ／２法によって求めるものとし、下記式（１）に樹脂の液滴の半径ｒと高さｈを代入して算出する。
【数１】
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【００２５】
このように、可動部９３のストレインゲージ９４が配置された領域を疎水性の樹脂で被覆することによって、当該領域の可動部９３表面と疎水性保護樹脂層９７ａとの分子結合を弱くすることができ、疎水性保護樹脂層９７ａの変形に伴って可動部９３が外部からの圧力によらずに変形してしまうことを抑止することができる。さらに、親水性の樹脂でそれ以外の領域に親水性保護樹脂層９７ｂを形成することで、可動部９３が存在しない領域においては、分子結合を強固にでき、樹脂の被覆による保護を強固なものにできる。
【００２６】
これによって、出力ドリフトを無くしつつ、高い耐環境性能を得る事が可能な半導体圧力センサを提供することができる。
【００２７】
＜実施例＞
以下に、この発明を実施するための形態の一例を、さらに詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【００２８】
図２は本実施例に係る、圧力センサ１０のセンサ部近傍の概略構造を示す断面図である。本実施例に係る圧力センサ１０は、概略、基板１１、センサ部１２、保護膜１３、及び図示しない他の半導体回路を有する、いわゆるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）デバイスである。即ち、図示していないが、基板１１上には半導体回路が作り込まれており、この半導体回路は、必要に応じて形成される集積回路等の能動素子、コンデンサ、インダクタ、抵抗、ダイオード、配線（センサ素子に接続されている配線を含む）等の回路要素を備えている。
【００２９】
基板１１は、単結晶シリコン等の半導体で形成された板状部材であり、例えば略正方形または略長方形等の矩形状に形成される。なお、形状は矩形に限らず円形とすることもできる。
【００３０】
さらに基板１１上には、支持枠部１２１によって周囲を囲われた中空部１２５と、中空部１２５を覆うようにして形成されるダイアフラム部１２３と、ダイアフラム部１２３に設けられるセンサ素子１２４と、を有する、センサ部１２が設けられる。
【００３１】
センサ部１２は、いわゆるＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板によって形成されており、絶縁膜１２２が中空部１２５の上端に位置する部分に配置される。図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃの各図は中空部１２５の形成過程を表している。図３に示すように、本実施例においては、中空部１２５は、ＳＯＩ基板をエッチングすることによって凹部を形成し（図３Ａ、Ｂ参照）、該凹部が形成されたＳＯＩ基板と基板１１とを接合することによって形成される（図３Ｃ参照）。
【００３２】
ダイアフラム部１２３は中空部１２５上に設けられるので、周囲よりも厚みが小さくなっており、図２中の矢印Ｐ方向からの加圧によって変形する（中空部１２５側へ撓む）構造となっている。また、ダイアフラム部１２３の端部近傍には、配線の接続端子である金属スポット１４１が設けられており、ボンディングワイヤ１４２がこれに接続されている。ダイアフラム部の平面視形状は例えば正方形である。
【００３３】
センサ素子１２４は、ダイアフラム部１２３に設けられている複数（例えば４つ）のピエゾ抵抗素子で構成されている。これらのピエゾ抵抗素子は自然状態における抵抗値が互いに等しくなるように構成されている。そして、これらのピエゾ抵抗素子は、互いに電気的に接続されて、いわゆるホイートストンブリッジ回路を構成しており、当該回路はピエゾ抵抗素子の抵抗値に応じた信号（電圧）を出力する。
【００３４】
具体的には、ダイアフラム部１２３が受ける圧力に応じて、ダイアフラム部１２３が変形し、これによりピエゾ抵抗素子が歪み、ピエゾ抵抗素子の抵抗値が変化する。そして、これに伴って、ピエゾ抵抗素子が構成するブリッジ回路の出力が変化し、その出力に基づいて、受けた圧力の大きさを求めることができる。
【００３５】
なお、本実施例では、中空部１２５が真空状態となっている。中空部１２５を真空状態とすることによって、圧力センサ１０を、真空状態を基準として圧力を検出する「絶対圧センサ」として用いることができ、その利便性が向上する。ただし、中空部１２５は必ずしも真空状態でなくてもよく、大気圧であってもよい。また、大気圧よりも気圧が低い減
圧状態であってもよいし、大気圧よりも気圧が高い加圧状態であってもよい。また、中空部には、窒素ガス、ヘリウム等の不活性ガスが封入されていてもよい。
【００３６】
保護膜１３は、例えばトリフルオロプロピル基を有するフロロシリコン、などのフッ素系樹脂からなる第１の保護樹脂層１３１と、例えば、ジメチルシリコン、フェニルシリコン、などのシリコン系樹脂からなる第２の保護樹脂層１３２を備えている。なお、第１の保護樹脂層に用いられる樹脂は上記のものに限らず、他のフロロシリコンであってもよい。また、第２の樹脂層に用いられる樹脂も上記のものに限らず、フロロシリコン以外のシリコン系樹脂など、親水性の高い樹脂であればよい。
第１の保護樹脂層１３１はダイアフラム部１２３の中空部１２５の上部に位置する領域に設けられており、第２の保護樹脂層１３２は第１の保護樹脂層１３１をさらに上から覆う形でセンサ部１２の上面全体を覆うように設けられている。この保護膜１３によって、圧力センサ１０は異物、水分などから保護されるため、高い耐環境性を得る事ができる。
【００３７】
上記の様な構成によると、ダイアフラム部１２３の中空部１２５の上部に位置する領域を疎水性の樹脂であるフッ素系樹脂で被覆しているため、当該領域を樹脂で被覆しつつ、当該領域の表面と、被覆する樹脂との分子結合を弱くすることができる。このため、樹脂の変形に伴ってダイアフラム部１２３に変位が生じることを原因とする出力ドリフトの発生を抑制することができる。
【００３８】
また、図２に示すように、親水性の樹脂であるシリコン系樹脂からなる第２の保護樹脂層１３２で、第１の保護樹脂層１３１の周囲を覆っているため、当該箇所はセンサ部１２の表面と保護樹脂とが強固に結合され、センサ部１２表面の全体を保護することができる。
【００３９】
＜変形例１＞
なお、保護膜１３の構成については、上記実施例のものに限られず、他の態様とすることも可能である。図４Ａ〜Ｃは、圧力センサ１０の概略断面図をさらに簡略化した図に基づいて、保護膜１３のバリエーションを説明する図である。図４Ａに示すように、保護膜１３はフッ素系樹脂からなる第１の保護樹脂層１３１のみを備える態様であってもよい。第１の保護樹脂層１３１のみであっても、当該領域のセンサ部１２表面を樹脂で被覆しつつ、保護膜とセンサ部１２表面との分子結合を弱くすることができるため、出力ドリフトが発生することを抑止できる。
【００４０】
また、図４Ｂに示すように、保護膜１３は、センサ部１２上面の全面に亘って第１の保護樹脂層１３１を形成したうえで、さらに補強的に、当該第１の保護樹脂層１３１とセンサ部１２表面との隙間部分を含むようにして第２の保護樹脂層１３２で覆う態様としてもよい。このような態様であれば、疎水性の樹脂を用いることによって生じてしまう、第１の保護樹脂層１３１とセンサ部１２表面の隙間を、親水性の樹脂で補強することができる。
【００４１】
また、図４Ｃに示すように、保護膜１３は、第２の保護樹脂層１３２が、第１の保護樹脂層１３１を覆わず、その周囲のみに形成される態様であってもよい。このような態様でも、第１の保護樹脂層１３１の周囲を親水性の第２の保護樹脂層１３２が囲うようにしているため、センサ部１２表面全体を隙間無く保護することができる。
【００４２】
＜変形例２＞
また、保護膜１３の構成に限らず、圧力センサ１０の構成を他の態様とすることも可能である。図５は、圧力センサ１０の他の構成例を示す概略図であり、圧力センサ１０のセンサ部近傍の概略構造を表している。この例で示す構成では、基板１１の一方の面に絶縁
膜１１２が形成されており、センサ部１２を形成する基板はＳＯＩ基板ではないシリコン基板となっている。その他の構成は実施例１と同様である。
【００４３】
＜変形例３＞
また、上記実施例１では、センサ部１２が設けられる基板１１上に、半導体回路が形成され、集積回路なども当該回路上に形成される構成（即ち、ＭＥＭＳデバイスと集積回路が一体的に形成される構成）であったが、センサ部１２を形成するＭＥＭＳデバイスと、これと接続される集積回路とが別体となる構成であってもよい。
【００４４】
＜その他＞
上記の実施例の説明は、本発明を例示的に説明するものに過ぎず、本発明は上記の具体的な形態には限定されない。本発明は、その技術的思想の範囲内で種々の変形が可能である。例えば上記実施例では、ストレインゲージによって圧力を計測する圧力センサについて記載しているが、静電容量の変化によって圧力を検出する方式の圧力センサにも本発明は適用可能である。また、ＭＥＭＳなどの微少なデバイスに限らず、サイズの大きな圧力センサを対象としてもよい。
【００４５】
本発明の一の態様は、基板（１１）と、前記基板上の所定の領域に設けられる中空部（１２２）と、前記中空部の周囲を囲う支持枠部（１２１）と、前記中空部の上部を覆い、前記支持枠部間をつなぐようにして設けられる可動部（１２３）と、前記可動部の変位を検出する変位検出手段（１２４）と、前記可動部の前記中空部側とは反対の面を含む所定の領域を被覆する保護膜（１３）と、を有しており、前記保護膜は、疎水性の樹脂からなる第１の保護樹脂層（１３１）を備えている、半導体圧力センサ（１０）である。
【符号の説明】
【００４６】
１０、９０・・・半導体圧力センサ
１１、９１・・・基板
１２１・・・支持枠部
１２２、９２・・・中空部
１２３・・・ダイアフラム部
１２４・・・センサ素子
１３１、９７・・・第１の保護樹脂層
１３２、９８・・・第２の保護樹脂層
１４１、９５・・・金属スポット
１４２、９６・・・ボンディングワイヤ
【図１】
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【図２】
2019152550.tif 000005
【図３】
2019152550.tif 000006
【図４】
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【図５】
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