(57)【要約】【課題】メンブレン構造を有する半導体センサにおける、メンブレン下方に形成される中空部内部の流体の、センサ使用時における膨張／収縮によるメンブレン破壊を防止する。【解決手段】基板３０と、その上面に形成されるメンブレン２０とを備え、基板３０の底面とセンサ１０を装着する装着面５０とが接着される半導体センサ１０において、使用時における前記中空部３４内外の流体の圧力差を無くす、圧力差調整手段２２ａ〜２２ｃを有することを特徴とする半導体センサ。【選択図】        図１
2004301740.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、該基板の上面に形成される薄肉部であるメンブレンとを備える半導体センサであって、
前記基板の底面と前記半導体センサを装着する装着面とを接着することにより、前記メンブレンの下方に中空部を備え、
使用時における前記中空部内外の流体の圧力差を無くす、圧力差調整手段を有することを特徴とする半導体センサ。
【請求項２】
前記圧力差調整手段は、前記中空部内の流体の膨張／収縮逃げ孔であることを特徴とする請求項１に記載の半導体センサ。
【請求項３】
前記膨張／収縮逃げ孔は、前記メンブレンに少なくとも１つ設けられることを特徴とする請求項２に記載の半導体センサ。
【請求項４】
前記膨張／収縮逃げ孔は、前記メンブレンをエッチングして設けられることを特徴とする請求項２に記載の半導体センサ。
【請求項５】
赤外線センサ、ガスセンサ、空燃比センサ、圧力センサおよび加速度センサのいずれかであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の赤外線センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、メンブレン構造を有する赤外線センサ、ガスセンサ、空燃比センサ、圧力センサ、加速度センサ等の半導体センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、半導体センサには、センサ感度を向上するためにウエハの裏面中央部をエッチングしてメンブレン（薄膜）を形成し、このメンブレン上に検出素子を設けたいわゆるメンブレン構造を有するものが多く使用されている。図５は、従来のメンブレン構造を有する半導体センサを示す図である。
【０００３】
図５（ａ）の斜視図に示すように、半導体センサ１０は、絶縁体層２０と、絶縁体層２０を支持するシリコン等の基板３０とを備える。基板３０は、図５（ｂ）の上面図および図５（ｃ）のＡ−Ａ’断面図に示すように、センサ中心部において裏面がエッチングされて、薄膜部３２を形成し、薄膜部３２と絶縁体層２０とによりメンブレンが形成される。そして、このメンブレンの上面に、センシングを行うための図示しない検出素子が積層形成される。
【０００４】
図６（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ従来のメンブレン構造を有する半導体センサの実装状態を示す斜視図、上面図、側面図およびＡ−Ａ’断面図である。図示する通り半導体センサ１０はステム５０などの実装面に接着剤４０により接着される。このようなメンブレン構造を有するセンサは、例えば、特許文献１〜３に開示されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−５８１３４号公報（段落〔００１６〕〜〔００２０〕）
【特許文献２】
特開平６−１２９８９８号公報（段落〔００２８〕〜〔００３８〕）
【特許文献３】
特開平７−１２０３０６号公報（段落〔００１０〕〜〔００２４〕）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図６に示すように基板３０の裏面全面をステム５０に接着すると、メンブレン下方の中空部３４が密閉され、内部に存在する気体等の流体の逃げ道がなくなってしまう。この流体が、温度変化により中空部３４内部で膨張／収縮すると、半導体センサ１０内外の気圧差が生じて、メンブレンに過大な応力がかかり、変形および歪みを発生させる。
【０００７】
すなわち図７（ａ）に示すように、中空部３４内の流体が膨張することにより、中空部３４内の気圧Ｐｉが中空部３４の外の気圧Ｐｏよりも高くなり、基板３０の薄膜部分３２と絶縁体層２０とからなるメンブレンが、上方に押し上げられるように変形する。反対に中空部３４内の流体が収縮することにより、中空部３４内の気圧Ｐｉが中空部３４の外の気圧Ｐｏよりも低くなり、メンブレンが下方に押し下げられるように変形する。このような変形が非常に大きく発生するとメンブレンの破壊が生じ、またある程度の大きさで変形が繰り返される場合には疲労破壊が生じる恐れがある。
【０００８】
かかる問題を回避する方法として、図８および９のように、半導体センサ１０底面の接着箇所を部分的に限定する方法がある（例えば特許文献１）。図８は、半導体センサ１０底面の対向する１組の辺のみを、接着剤４０ａおよび４０ｂによって接着する様子を示す。図８（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ斜視図、上面図、Ｘ方向から見た側面図、Ａ−Ａ’断面図である。また、図９は、半導体センサ１０底面の対角部分のみを、接着剤４０ａ〜４０ｄによって接着する様子を示す。図９（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ斜視図、上面図、Ｘ方向から見た側面図、Ａ−Ａ’断面図、Ｂ−Ｂ’断面図である。
【０００９】
このように接着箇所を部分的に限定することにより、図８（ｃ）および（ｄ）、ならびに図９（ｄ）および（ｅ）に示すように、メンブレン下方の中空部３４と半導体センサ１０の外部とが、非接着部分の間隙によって連絡されて、半導体センサ１０内外の気圧差をなくすことができる。
【００１０】
しかしこの方法によると、半導体センサ１０をステム５０に実装する際の接着剤４０の塗布量の制御が難しくなり、実装工程が煩雑になるという問題がある。すなわち、接着剤４０の塗布量が少なすぎると接着強度が落ち、逆に多すぎると接着剤が回り込んで基板３０下面の全周が接着されて中空部３４が密閉されることになるため、塗布量を微妙にコントロールする必要がある。
【００１１】
または、特許文献２および３に開示される赤外線センサのように、センサ１０をパッケージングして、パッケージ内部空間および中空部３４を真空または減圧状態とする方法がある。図１０は、従来のパッケージされた赤外線センサを示す図である。
【００１２】
図１０に示すように、赤外線センサ１０は、薄膜部分３２と絶縁体層２０とからなるメンブレン上に赤外線検出部８０が形成される。基板３０の底面は接着剤４０によってステム５０に接着されており、フィルタ７２を設けた窓部を有するキャップ７０は、ステム５０に密着状態で固定されて（シール溶接されて）、赤外線センサ１０がパッケージングされている。そして、キャップ７０内部および中空部３４に囲まれる空間を真空状態または減圧状態とする。このように半導体センサ１０の中空部とこれを除くキャップ７０内部空間とを、真空状態または減圧状態とすることにより、温度変化による気圧差の変化を無くしまたは大幅に減じることができる。
【００１３】
しかしかかる方法によると、パッケージングを真空排気系を備えた気密性容器内で行わなければならず、センサ組み立て工程が複雑でコストのかかるものとなる。
【００１４】
上記事情に鑑み、本発明は、メンブレン構造を有する半導体センサにおいて、メンブレン下方に形成される中空部内部の流体の、センサ使用時における膨張／収縮によるメンブレン破壊を防止しうる半導体センサを提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明にかかる半導体センサは、メンブレン構造が形成される基板に、使用時におけるメンブレン下方に形成される中空部内外の流体の圧力差を無くす圧力差調整手段を備えることとする。圧力差調整手段を備えることにより、温度変化による中空部内外の流体の圧力差を解消することが可能となり、圧力差により生じるメンブレンの変形のために起こるメンブレンの破壊を防止することができる。
【００１６】
圧力差調整手段は、メンブレンに少なくとも１つ設けられた中空部内の流体の膨張／収縮逃げ孔により実現することができる。かかる逃げ孔を介して、中空部内部の空間と外部空間とが連絡するため、基板底面全周をステム等に全面接着しても、中空部内外の圧力差がなくなりメンブレンに過大な応力、歪みを生じさせることがなくなる。またこれにより、特許文献１に示すような接着剤の塗布量の複雑な制御が不要となり実装工程が複雑となることを避けられる。
【００１７】
また、半導体センサを収納するパッケージ内部空間を真空または減圧状態とする必要がないことにより、特許文献２および３に示すような複雑なセンサ組み立て工程を不要とすることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、添付する図面を参照して本発明に係る半導体センサの実施例を説明する。
【００１９】
図１（ａ）から（ｃ）は、それぞれ本発明の実施例に係る半導体センサの斜視図、上面図およびＡ−Ａ’断面図である。半導体センサ１０は、シリコン酸化膜およびシリコン窒化膜等からなる絶縁体層２０と、絶縁体層２０を支持するシリコン等の基板３０とを備え、ステム５０に接着剤４０により接着されて実装される。基板３０は、図１（ｂ）の上面図および図１（ｃ）のＡ−Ａ’断面図に示すように、センサ中心部において裏面がエッチングされて、薄膜部分３２が設けられ、この薄膜部分３２と絶縁体層２０とによりメンブレンが形成される。そして、このメンブレンの上面に、センシングを行うための検出素子（図示せず）が積層形成される。
【００２０】
図示する通り、半導体センサ１０は、メンブレンの対角部付近において、薄膜部分３２と絶縁体層２０とを貫通して半導体センサ１０の内空部３４と半導体センサ１０の周囲とを連絡する中空部内の流体の膨張／収縮逃げ孔２２ａ〜２２ｄが設けられる。
【００２１】
逃げ孔２２ａ〜２２ｄは、使用時における中空部３４内外の流体の圧力差を無くす圧力差調整手段の役割を果たし、図示するように基板３０の裏面全面をステム５０に接着しても、中空部３４に存在する流体の逃げ道を確保し、半導体センサ１０内外の気圧差を解消することができる。これにより温度変化により、中空部３４内の流体が膨張／収縮しても、メンブレンが変形されることを防止する。
【００２２】
この逃げ孔２２ａ〜２２ｄは、必ずしも図１に示すようにメンブレンの対角に４カ所空ける必要はなく、メンブレン上の少なくとも１カ所あればよい。図２は、図１の逃げ孔２２ａ〜２２ｄに代えて、メンブレン中央部に逃げ孔２２を１つ備えた半導体センサの斜視図、上面図およびＡ−Ａ’断面図である。
【００２３】
半導体センサ１０に、中空部内の流体の膨張／収縮逃げ孔２２および２２ａ〜２２ｄを設ける工程を、図３および図４を参照して説明する。図３は、本発明の実施例に係る半導体センサの製造方法を示す工程図であり、図４は、本発明の実施例に係る半導体センサの製造方法のフローチャートである。
【００２４】
図３（ａ）は、メンブレンおよび逃げ孔２２形成前におけるシリコン基板３０を示す。このシリコン基板３０上に、絶縁体膜２０となるシリコン窒化膜およびシリコン酸化膜を、ＣＶＤ法等により成膜して形成する（Ｓ１０１、図３（ｂ））。次に各種のセンサの検出対象に応じた検出素子層８２、および中間絶縁層および保護絶縁層などの絶縁層２４を、ＣＶＤ法等により成膜し、フォトリソグラフ法等によりパターニングして積層する（Ｓ１０３、図３（ｃ））。
【００２５】
その後、シリコン窒化膜などのエッチングマスク６１を基板３０底面に成膜し、ウエットエッチングを施して基板薄膜部分３２を形成し、メンブレンを形成する（Ｓ１０５、図３（ｄ））。そして、ＲＩＥ法等により絶縁体膜２０および中間絶縁層および保護絶縁層からなる絶縁層２４をドライエッチングして、中空部内の流体の膨張／収縮逃げ孔２２を設ける場所に開口部２６を設ける（Ｓ１０７、図３（ｅ））。そして、シリコン酸化膜およびシリコン窒化膜である絶縁体膜２０および絶縁層２４をマスクとして、シリコンの基板薄膜部分３２のドライエッチングを行い、中空部３４内の流体の膨張／収縮逃げ孔２２を設ける（Ｓ１０９、図３（ｆ））。
【００２６】
以上により半導体センサ１０に、中空部内の流体の膨張／収縮逃げ孔２２を設けることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の実施例に係る半導体センサ（その１）の斜視図であり、（ｂ）はその上面図であり、（ｃ）は（ａ）におけるＡ−Ａ’断面図である。
【図２】（ａ）は本発明の実施例に係る半導体センサ（その２）の斜視図であり、（ｂ）はその上面図であり、（ｃ）は（ａ）におけるＡ−Ａ’断面図である。
【図３】本発明の実施例に係る半導体センサの製造方法を示す工程図である。
【図４】本発明の実施例に係る半導体センサの製造方法のフローチャートである。
【図５】（ａ）は従来の半導体センサ（その１）の斜視図であり、（ｂ）はその上面図であり、（ｃ）は（ａ）におけるＡ−Ａ’断面図である。
【図６】（ａ）は図５の半導体センサ（その１）の実装状態の斜視図であり、（ｂ）はその上面図であり、（ｃ）はその側面図であり、（ｄ）は（ａ）におけるＡ−Ａ’断面図である。
【図７】メンブレン下の中空部の流体の膨張／収縮によるメンブレンの変形を説明する図である。
【図８】（ａ）は従来の半導体センサ（その２）の斜視図であり、（ｂ）はその上面図であり、（ｃ）はその側面図であり、（ｄ）は（ａ）におけるＡ−Ａ’断面図である。
【図９】（ａ）は従来の半導体センサ（その３）の斜視図であり、（ｂ）はその上面図であり、（ｃ）はその側面図であり、（ｄ）は（ａ）におけるＡ−Ａ’断面図であり、（ｅ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ’断面図である。
【図１０】従来の半導体センサ（その３）の概略構成図である。
【符号の説明】
１０…半導体センサ
２０…絶縁体層
２２、２２ａ〜２２ｄ…中空部内の流体の膨張／収縮逃げ孔
３０…基板
３２…基板薄膜部分３２
３４…中空部
４０…接着剤
５０…ステム
【図１】
2004301740.tif 000003
【図２】
2004301740.tif 000004
【図３】
2004301740.tif 000005
【図４】
2004301740.tif 000006
【図５】
2004301740.tif 000007
【図６】
2004301740.tif 000008
【図７】
2004301740.tif 000009
【図８】
2004301740.tif 000010
【図９】
2004301740.tif 000011
【図１０】
2004301740.tif 000012