(57)【要約】【課題】従来の異種部材を積層した構造の接合強度の測定には、引っ張り試験による破壊検査が用いられていた。そのため、同一サンプルの接合強度の経時変化を追跡調査することができなかった。【解決手段】基板と薄板との間に挟み込まれた突起とが接合された積層構造を作製する。積層構造の接合時において、突起周囲には基板と薄板とが接合されない剥離した領域が発生する。この剥離領域の寸法を計測し、薄板のヤング率等の機械的物性値と剥離領域の寸法をもとに接合強度を非破壊で評価する。【選択図】図１
2007225471.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、薄板と、前記基板と前記薄板との間に挟み込まれた突起とから構成された前記基板と前記薄板とが接合された積層構造について、接合時に押圧によって前記突起の周囲の前記薄板を前記基板側へ変位させて前記基板と前記薄板とを接合し、その後、押圧を除去して前記薄板を復元させ前記突起周囲に剥離を生じさせ、剥離の後にこの剥離した領域の寸法を計測することを特徴とする接合強度評価方法。
【請求項２】
基板と、薄板と、前記基板と前記薄板との間に挟み込まれた突起とから構成された前記基板と前記薄板とが接合された積層構造であって、接合時の押圧によって前記突起の周囲の前記薄板を前記基板側へ変位させて前記基板と前記薄板とを接合し、その後、押圧を除去して前記薄板を復元させることによって生じた前記接合部分周囲の剥離した領域を有することを特徴とする接合強度評価用試験片。
【請求項３】
基板又は薄板のいずれか一方の表面上に所定形状の突起を設ける工程と、前記基板と前記薄板の間に前記突起を挟み込んで前記基板と前記薄板とを接合する工程とを備え、接合時の押圧によって前記突起の周囲の前記薄板を前記基板側へ変位させて前記基板と前記薄板とを接合し、その後押圧を除去し前記薄板を復元させ前記接合部分に剥離を生じさせることを特徴とする接合強度評価用試験片の製造方法。
【請求項４】
請求項２に記載の接合強度評価用試験片を被測定物として、
可干渉性光源より出射した光を２分する手段と、２分した一方の光路に前記被測定物を配置して前記被測定物を反射もしくは透過した物体光と、２分したもう一方の参照光とを重ね合わせて干渉せしめ、突起の高さと干渉縞像から前記剥離した領域の寸法を計測することを特徴とする接合強度評価装置。
【請求項５】
請求項２に記載の接合強度評価用試験片を有した半導体素子。
【請求項６】
剥離した領域の寸法を計測し、
突起の高さをδ、前記突起から剥離の先端までの距離をｄ、薄板のヤング率をＥ、前記薄板の断面２次モーメントをＥ、前記薄板の厚みをｔ、前記突起の形状係数をＡとして、
2007225471.tif 000018
なる式に基づき界面の接合エネルギーγを算出することを特徴とする請求項１に記載の接合強度評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄い板を基板上に接合して積層構造とした半導体素子について、接合強度の評価方法、評価用試験片、評価用試験片の製造方法及び評価装置、並びに評価用試験片を有した半導体素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車などに使用されている半導体素子には、異種部材を積層した構造になっているものがある。例えば、圧力センサには、シリコン基板、ガラス板、炭化シリコン基板、金属板等を積層した構造が用いられることがある。このような構造の半導体素子に機械的負荷が加わると、積層材界面に剥離破壊が生じることがある。圧力センサなどシリコン基板に薄板を接合した半導体部品の場合、その薄板と基板との接合強度の評価は、その部品の信頼性を把握する上で基本的な事項である。これら各板間の接合強度が予め定量的に分かっていれば、設計の段階で製造工程後の剥離を予測することができ、センサの信頼性向上を図る事ができる。
従来、異種部材を積層した構造の接合強度の測定には、例えば、特許文献１に開示されているような、引っ張り試験による接合強度の測定が用いられていた。
【０００３】
【特許文献１】特開平６−１３２７６号公報（第３項、第５図、第１０図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の接合強度の測定方法は、接合された積層材を試験片として剥離強度を測定し、剥離に必要なエネルギーを算出することにより、接合界面の強度を評価する方法が一般的であった。しかしながら、実際には定量的に精度よく接合強度を評価することは困難であり、同一試料の接合強度を同一条件下で評価しても、その測定値にばらつきが生じる事も珍しくなかった。これは、接合面を破断することで接合強度を評価する破壊試験となっているため、接合界面での破断面の進展が試験毎に異なることに起因していた。破壊試験の課題は他にもあり、例えば、耐環境試験などの追跡調査をする場合は多数のサンプルを予め準備し、各段階で試験をして抜き取り評価をするしかなかった。また別の問題として、接合が強固な場合は、接合面の剥離より先に積層した板材料自体の破壊が起こり正確な接合強度の評価が難しかった。
【０００５】
本発明は、基板に薄板を積層した構造について、非破壊の接合強度評価法を提供することを目的とする。
また、本発明は、接合強度の非破壊検査ができる評価用試験片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】
この発明に係る接合強度評価方法は、基板と薄板との間に挟み込まれた突起とが接合された積層構造について、接合時に押圧によって突起の周囲の薄板を基板側へ一旦変位させて基板と薄板とを接合し、その後、押圧を除去し薄板を復元させ接合部分に剥離を生じさせ、この剥離した領域の寸法を計測することを特徴とする接合強度の評価方法である。
【０００７】
また、この発明に係る接合強度評価用試験片は、基板と薄板との間に挟み込まれた突起とが接合された積層構造について、接合時の押圧によって突起の周囲の薄板を基板側へ一旦変位させて基板と薄板とを接合し、その後、押圧を除去し薄板を復元させ接合部分に剥離を生じさせ、この剥離した領域を有することを特徴とする積層構造の接合強度評価用試験片である。
【０００８】
また、この発明に係る接合強度評価用試験片の製造方法は、基板または薄板に所定形状の突起を設け、基板と薄板の間に突起を挟み込んで基板と薄板とを接合する工程について、接合時の押圧によって突起の周囲の薄板を基板側へ変位させて基板と薄板とを接合し、その後押圧を除去し薄板を復元させ接合部分に剥離を生じさせることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
この発明に係る接合強度評価方法は、基板と薄板との間に挟み込まれた突起とが接合された積層構造について、接合時の押圧によって突起の周囲の薄板を基板側へ一旦変位させて基板と薄板とを接合し、その後、押圧を除去し薄板を復元させ接合部分に剥離を生じさせるため、かかる剥離領域の寸法は積層構造の接合強度と薄板の機械的物性値とで決まる固有の値となる。したがって、この剥離領域の寸法を計測することで接合状態を非破壊で評価することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
実施の形態１．
図１は、本実施の形態１に係る接合強度評価用試験片の構造を示す模式図である。図１中の（ａ）は、接合強度評価用試験片の平面図であり、接合面を透視したものである。図１中の（ｂ）は（ａ）中に示すＡ-Ａ断面を矢印方向から見た断面図である。図２は、接合強度評価用試験片の製造工程を説明するための模式図であり、図１中の（ｂ）に示した断面を製造工程順に従って（ａ）から（ｄ）にかけて示したものである。また、図３は、突起２近傍の断面状況を示した拡大図である。なお、図において、同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものであり、このことは明細書の全文において共通することである。また、明細書全文に表れている構成要素の形容は、あくまで例示であってこれらの記載に限定されるものではない。
【００１１】
実施の形態１における接合強度評価用試験片の構成について説明する。
図１において、接合強度評価用試験片は、基板１の上に配置された突起２を薄板３で挟み込んだ積層構造になっている。突起２の周囲には、基板１と薄板３との接合が剥がれた部分を含む領域（以下、剥離領域５と呼ぶ）が存在する。また、剥離領域５の外側の基板１と薄板３とが接合している領域を接合領域６と称することにする。基板１は、例えば単結晶シリコン基板であり、薄板３はガラス板である。また、突起２はシリコン窒化膜を所定の直方体形状に成形したものである。これらを接合して積層したものが実施の形態１における接合強度評価用試験片である。なお、薄板３の厚みは、接合時の押圧によって突起２の周辺部分が撓んで変形する程度の薄い厚みである。突起２の強度は、接合時の押圧によって潰れないことが必要である。
【００１２】
上述の接合強度評価用試験片の製造方法をつぎに説明する。
まず、図２中の（ａ）に示すように、基板１として単結晶シリコン基板を用意する。この基板１に微小な突起２を設けると、図２中の（ｂ）に示すような状態となる。突起２の形成方法としては、例えば真空蒸着やスパッタリング法によりシリコン窒化膜を約２μｍ成膜した後に、フォトリソグラフィー技術によってシリコン窒化膜の上に所定形状のレジスト領域を設けマスクとし、突起２以外の部分をエッチング除去し、所定形状の突起２を形成する。エッチングする手段は、燐酸あるいはＣＦ４と酸素混合ガスを用いたプラズマエッチングにより行う。
【００１３】
つぎに、突起２を挟み込む形で基板１と薄板３とを接合する。実施の形態１では、薄板３としてガラス板を用いる。接合方法は、評価の対象とする接合方法によって接合する。ここでは、陽極接合を例に、図２中の（ｃ）を用いて説明する。陽極接合においては、基板１と薄板３を高真空中で３００℃から４００℃程度に加熱し、薄板３と基板１との間に薄板３を陰極側にした状態で電圧を印加する。電圧の大きさは約８００Ｖから１０００Ｖ程度が望ましい。印加電圧による電界により、薄板３は押圧８を受けて基板１へ押され、突起２の周囲を除いて基板１と薄板３と密着し接合される。なお、基板１の反りを矯正する為に、電界による静電引力に加え、さらに加圧を加えて基板１を押して接合をおこなうのが望ましい。加圧は基板の厚みに依存するが１３０００Ｐａから１３００００Ｐａの範囲が適当である。
【００１４】
図２中の（ｃ）の状態では、印加電圧等の押圧により突起２の周囲の薄板３は、基板１側へ撓み、突起２から離れた地点では薄板３と基板１とは密着し接合している。そのため、薄板３には薄板３自身の剛性により復元しようとする曲げモーメントが発生し、押圧８に対して反発する力が働くこととなる。しかしながら、押圧８を受けて基板１へ押されているため、静止状態となっている。
【００１５】
最後に、電圧の印加、加圧を除去し工程を終了する。係る状態が図２中の（ｄ）に示す状態である。図２中の（ｄ）において、剥離領域５と接合している領域との境界７は、図中（ｃ）の位置と比較して、突起２より離れた位置へ移動する。すなわち、図２中の（ｃ）の状態では、印加電圧等の押圧により突起２周囲の薄板３は基板１と密着し接合していたが、押圧８の除去により薄板３は薄板３自身の剛性により復元し、薄板３と基板１とが接合していた接合面が剥離して剥離領域５が広がるからである。剥離領域５の広がりは、薄板３自身の剛性による反発力と接合強度とが釣り合うところまで広がる。そのため、剥離領域５の広がりは、接合強度と薄板３の厚み、ヤング率等の機械的物性値で決まることになる。
【００１６】
この発明に係る接合強度評価用試験片は、上述の特徴を有する剥離領域を有する積層構造であるので、接合状態を非破壊で確認できる試験片を提供することができる。
【００１７】
また、この発明に係る接合強度評価用試験片の製造方法によって作られる試験片は、接合強度と薄板の機械的物性値で決まる剥離領域を形成することができるため、接合状態を非破壊で評価することが可能な試験片を製造することが可能となる。
【００１８】
次に、接合強度の評価方法について説明する。
接合強度評価用試験片の薄板３はガラス板なので、剥離領域５をガラス板側から観察し、剥離領域５と接合領域の境界７の位置を測定することができる。いま、接合強度が弱まれば、その接合強度に釣り合う位置まで境界７は移動する。接合強度の劣化に応じて境界７は移動することとなるので、境界７の移動量によって劣化の程度を推定することができる。
【００１９】
例えば、接合強度評価用試験片に対して環境試験を行い、その環境試験の前後で剥離領域５が広がり境界７の位置が移動すれば、接合強度が劣化したと判定することができる。
【００２０】
上述では、基板１上に突起２を設ける例を示したが、薄板３上に突起２を設けても良い。また、突起２を形成する方法として、大きさのわかっているシリカの微粒子を噴霧して基板１に付着させ固定化する方法によってもよい。また、接合領域の境界７の位置を測定する場合において、光の干渉縞を観測するようにすれば、接合領域の大きさを観測しやすく位置の測定精度の向上が期待できる。さらに、シリコンのような可視光を透過しない材料を薄板３に用いた場合には、シリコンを透過する光（例えばシリコンの場合は赤外光）で干渉縞が観察可能である。また、薄板３の表面の形状をレーザ走査顕微鏡などで測定することでも剥離領域５と接合領域の境界７の特定は可能である。薄板３の材質は、光を透過する材質に限られず、ガラス板、セラミック板またはプラスチック板等であってもよい。さらに、基板１は、単結晶シリコン基板以外に、ポリシリコンであってもかまわないし、ガラス基板、またはセラミック基板も使用可能である。
【００２１】
また、剥離領域５の広がりを測定する場合においては、上記説明では境界７の位置を測定したが、境界７の位置の特定は、基板１と薄板３の組合せによっては難しい場合があり、別の方法として図４に示すように、基板１と薄板３との隙間ｈと突起２からの距離Ｄを用いて評価してもよい。干渉縞を利用した観察による場合は、縞は測定光の波長の整数倍の位置に出現するため、所定の隙間ｈとなる位置を基準点として距離Ｄを計測することができるからである。
【００２２】
上述したように、本実施の形態１における接合強度評価用試験片は、突起３周囲の剥離領域５の広がりを、接合強度と薄板３の機械的物性値で決まるように作製しているため、積層構造の接合強度を非破壊で測定することができる。
【００２３】
また、同一試験片の接合強度を非破壊で測定できるため、強度の変化を追跡調査することが可能となり、様々な環境下で接合強度が変動するか否かの安定性を評価することが可能となる。
【００２４】
また、積層構造の半導体素子を作製する製造工程においても上述の接合強度評価方法を利用することができる。すなわち、積層構造の製造工程において、微小異物等を接合面に誤って挟み込み、微小な剥離が発生することがある。かかる剥離に対してそれを看過してよいかどうかが問題となる。このような場合に、前もって種々の形状の異物を突起２として試験片を作製し長期信頼性の評価をしておけば、実際の半導体素子作製工程において発生した剥離を看過してよい程度のものかどうかを判定することが可能となる。
【００２５】
実施の形態２．
上述の実施の形態１では、接合強度の定性的な評価方法について説明したが、本実施の形態２では、定量的な評価方法について説明する。
【００２６】
図１に示すように、突起２の長さをＷ、突起２の高さをδ、突起２から剥離領域５と接合領域との境界７までの距離をｄとし、薄板３の厚みをｔとする。なお、図３は、接合強度評価方法の原理を説明するための断面模式図であり、図１中の（ａ）に示す剥離領域５付近の部分的な図である。また、基板１は薄板３に対して十分厚いか、十分大きいヤング率を有する材料であるとする。すなわち、接合によって基板１の変形は薄板３の変形に比して無視できる程度に小さいことを条件とする。また、接合する際の押圧は積層構造の接合強度より大きいとする。また、剥離の進展は、図３中のＸ方向について進展し、Ｘ方向に直交する方向の進展は無視できる程度に小さい場合とする。突起２の形状が十分細長い場合は、Ｘ方向についてのみ剥離の進展を考慮すれば十分な状態となる。
【００２７】
上述の設定条件に基づき、接合エネルギーを求め、積層構造の接合強度を評価する方法を以下説明する。
【００２８】
まず、積層構造の接合が終了した後に、距離ｄを計測によって求める。計測する手段としては干渉縞が観察できる場合は単一波長の光を照射した際の干渉縞によって境界の位置を特定し、干渉縞が観察できない場合は基板表面形状をレーザ変位計や原子間力顕微鏡で測定する。突起２の高さ等は、設計値であるので既知の値であり、同様にして薄板３の厚み等も設計値であるので既知の値である。
【００２９】
次に、接合エネルギーの導出について説明する。
図３において、元々平板であった薄板３は、突起２から距離ｄだけ離れた地点で基板１と接合している。そのため、薄板３には薄板３自身の剛性により復元しようとする曲げモーメントが発生し歪んでいる状態になっている。すなわち、薄板３には歪みエネルギーＵｅが蓄積されていることになる。一方、接合エネルギーは図３中の突起２から距離ｄだけ離れた地点と地点lとの間の接合部分に蓄積され、また、接合エネルギーは剥離によって開放されるとする。
【００３０】
したがって、薄板３自身の剛性による反発力と接合強度とが釣り合う地点（突起２から距離ｄだけ離れた地点）で均衡を保っているので、薄板３の歪みエネルギーＵｅと剥離によって開放される接合エネルギーＵｓの総和が最小になるのがこの地点（突起２から距離ｄだけ離れた地点）ということになる。
【００３１】
薄板３の歪みエネルギーＵｅについて、
図３において、まず基板１と薄板３が接合していない剥離領域５（０＜Ｘ＜ｄの範囲）においては外力がなく、接合している領域Ｘ>ｄで一様な接合力が作用している場合、突起の高さをδ、突起２から剥離の先端までの距離をｄ、薄板のヤング率をＥ、前記薄板の断面２次モーメントをＩ、前記薄板の厚みをｔ、突起２の形状係数をＫとして、
撓みの基礎式より、
2007225471.tif 000003
が成立する。
なお、（１）式の右辺は曲げモーメントＭである。また、ｕは薄板３の変形量である。
境界条件として
2007225471.tif 000004
ここで（１）式を上記の境界条件（２）式に従って解くと以下の（３）式が得られる。
2007225471.tif 000005
また、０<Ｘ<ｄの範囲で薄板３の変形により蓄積されている歪みエネルギーＵｅは、
2007225471.tif 000006
である。
また、たわみの基礎式より
2007225471.tif 000007
が得られ、（３）（４）（５）式を使うと以下の（６）式が得られる。
2007225471.tif 000008
【００３２】
接合しているｄ<Ｘ<lの範囲における接合エネルギーＵｓについて、
2007225471.tif 000009
ここでγは単位面積あたりの接合エネルギーである。
【００３３】
よって、系全体でのエネルギーの総和Ｕtotalは、
2007225471.tif 000010
となる。Ｕtotalが極小値のときに系は安定するので、
2007225471.tif 000011
が成立する。
よって、そのときのｄは
2007225471.tif 000012
となる。
また、長方形の断面二次モーメントは
2007225471.tif 000013
の形で表すことができるので、よって(１０)式は以下の(１２)式に変形できる。
2007225471.tif 000014
よって、（１２）式を単位面積あたりの接合エネルギーγについて変形すると、
一般的には（１３）式のように表すことができる。
2007225471.tif 000015
なお、（１３）式中の係数Ｋは、突起２の形状により決まる係数であり、図１に示した直方体の場合は、１である。
【００３４】
上述の説明は、突起２の形状が直方体の場合であり幅に比して十分に長い直方体の場合であったが、突起２の形状を円筒とすることもできる。図５は、突起２の形状が円筒の場合で、図１中の（ａ）に相当する接合強度評価用試験片の平面図であり、接合面を透視したものである。図５において、剥離領域５と接合している領域の境界７は円状となるが、接合エネルギーＵｓについては同心円状の領域について解析的に求めることができ、また、薄板３の歪みエネルギーＵｅについては円盤状として求めることができる。解析的な導出については省略するが、突起２の形状が円筒には、薄板３のポアソン比をνとして係数Ｋは以下の（１４）式になる。
【００３５】
2007225471.tif 000016
【００３６】
なお、以上の説明は、突起２の形状が直方体の場合または円筒状の場合について説明したが、他の形状の突起２についても、係数Ｋを適宜導出し設定すれば接合エネルギーを求めることが可能である。
【００３７】
上述したように、突起２の形状、薄板３の機械的物性値に基づき、剥離領域５の寸法すなわち距離ｄを測定すれば接合エネルギーを求めることができるので、例えば、ある製造条件下で作成した積層構造の接合強度を定量評価することができる。また、同一試験片について、様々な環境下で接合強度がどの程度変動するか否かの安定性を定量評価することが可能となる。
【００３８】
実施の形態３．
上述の実施の形態２においては、接合エネルギーを解析的に算出する方法を説明したが、突起２から剥離の先端までの距離ｄは測定値であり、また薄板３の厚みｔは設定値であるので実際の厚みとは若干の誤差を持つ。そこで、薄板３の厚み又は突起２の高さの異なる何種類かの接合強度評価用試験片を用意し、測定誤差等を排除し測定精度を向上させる評価法について以下説明する。
【００３９】
まず（１３）式を変形して以下の（１５）式を得る。
2007225471.tif 000017
ここで、右辺第２項の値を変数として、すなわちtとδの測定値とから求められる右辺第２項の値と、距離ｄについての１次関数として（１５）式を見ると、接合エネルギーγを含む右辺第１項の値は、１次関数の傾きとなる。
【００４０】
実施の形態１で示した方法により薄板３の厚みｔの異なる強度評価用試験片を種々作製し、また、接合領域の境界７の位置を特定して距離ｄを測定した。図６は、横軸に（１５）式右辺第２項の値をとり、縦軸に距離ｄとったときの一測定例である。図６中の点は、上述のようにして取得した実験値をプロットしたものであり、図６中の直線は、近似直線である。この近似直線の傾きは約６６μm−1/4となり、ヤング率を１５０ＧＰａ、ポアソン比を０．２とすると（１４）および（１５）式から、接合エネルギー約１００ｍＪ・ｍ−２が得られる。
以上説明したように何点かの測定値により接合エネルギーを求めることができるので、測定誤差等を排除し測定精度を向上させる評価法が可能である。
【００４１】
実施の形態４．
実施の形態４における接合強度評価装置について説明する。
図７は、実施の形態４の接合強度評価装置の構成図を示したものである。図７において、接合強度評価装置は、可干渉性光源であるレーザ２０、レーザ光を均一光とするための発散レンズ２２及びコリメーターレンズ２４、レーザ２０より出射した光を２分する参照面２５、測定サンプル２６である接合強度評価用試験片、ビームスプリッタ２１、干渉縞像を観測するための撮像素子２３とから構成されている。
【００４２】
図７で示す接合強度評価装置は、フィゾー干渉計であり参照面２５と測定サンプル２６の表面で反射するそれぞれの光の位相差を干渉縞として撮像素子２３にて観察する光学系である。参照面２５がほぼ理想的に平坦であれば干渉縞から測定サンプル２６の凹凸を計測できる。さらに、フリンジスキャン法により、干渉縞画像から表面の凹凸形状を算出することが可能であるので突起２から剥離の先端までの距離をｄを算出することができる。
【００４３】
また、測定サンプル２６の薄板がガラスのように可視光を透過する光であれば、可視光を当てて観察されるニュートンリングを観察することによって実施の形態１で説明したｄまたはＤ、およびｈを算出することが可能である。
【００４４】
次に、実施の形態４における接合強度評価装置を用いて測定する方法について説明する。測定サンプル２６を所定の位置にセットし、参照面２５と測定サンプル２６の表面で反射するそれぞれの光の位相差を干渉縞として観察し、実施の形態１で説明したようにｄおよびｈを算出する。
【００４５】
また、一方の薄板３がガラスのように可視光を透過する光であれば、可視光を当てて観察されるニュートンリングを観察することができる。かかる場合には、図５に示した基板１と薄板３との隙間ｈと突起２からの距離Ｄを用いて評価してもよい。
【００４６】
上述したように、本実施の形態４における接合強度評価装置は、突起３周囲の剥離領域５の広がりを測定することができるため、積層構造の接合強度を非破壊で測定することができる。
【００４７】
また、同一試験片の接合強度の変化を追跡調査することが可能であるため、様々な環境下で接合強度が変動するか否かの安定性を評価することが可能となる。
【００４８】
実施の形態５．
本実施の形態５では、接合強度評価用試験片を半導体素子に適用した例として、圧力センサに配置した場合を以下に説明する。
図８中の（ａ）は、実施の形態５の圧力センサの平面図であり、接合面を透視したものである。図８中の（ｂ）は（ａ）中に示すＢ-Ｂ断面を矢印方向から見た断面図である。図９は、製造工程を説明するための模式図であり、図８中の（ｂ）に示した断面を製造工程従って順に（ａ）から（ｄ）にかけて示したものである。
【００４９】
図８に基づいて実施の形態５の圧力センサを説明する。図８に示すように、単結晶シリコン基板１７には異方性エッチングにより起歪部となる円形のダイヤフラム１１が形成され、そのダイヤフラム１１を構成する部分のＮ型単結晶シリコン基板１３の上面にＰ型の不純物が拡散によってドープされ、半導体歪みゲージとなる拡散抵抗層１４が形成されている。また、拡散抵抗層１４はアルミ配線１５と結線されており、アルミ配線１５の端部は外部との接続のためのパッドになっている。さらに、アルミ配線１５等の上層には、保護膜としてシリコン酸化膜１６が積層されている。また、パッド上部のシリコン酸化膜１６は、電気的接続のために開口されている。これら拡散抵抗層１４等は、圧力検知部１２を構成し、拡散抵抗層１４はホイートストーンブリッジ接続される抵抗の一つとして用いられ、半導体歪みゲージを使用した圧力センサとして機能する。
【００５０】
また、図８に示すように、圧力検知部１２の近傍に接合強度評価用試験片が配置されている。接合強度評価用試験片の主要な構成は、実施の形態１で説明した構造と同様であるが、実施の形態１の薄板２に相当するものは、本実施の形態５の場合は、Ｎ型単結晶シリコン基板１３とシリコン酸化膜１６の積層構造である。また、基板１に相当するものは単結晶シリコン基板１７である。また、突起２は、直方体状のシリコン窒化膜である。
【００５１】
次に、実施の形態５における接合強度評価用試験片を有した圧力センサの製造方法を説明する。図９において、最初に、図９中の（ａ）に示すように、Ｎ型単結晶シリコン基板１３の主面上に圧力検知部１２が形成されたものを用意する。圧力検知部１２の作製方法は、例えば、単結晶シリコン基板１３に、熱酸化によりシリコン酸化膜１０を形成し、このシリコン酸化膜の拡散層抵抗層形成箇所を窓明けした後に、このシリコン酸化膜をマスクにしてボロン等の不純物を拡散させ抵抗層を形成する。さらに、所定形状のアルミ配線層１５を形成し、最後にシリコン酸化膜１６を積層する。
【００５２】
次に、図９中の（ｂ）に示すように、単結晶シリコン基板１３の裏面を研磨して薄くし、薄板とする。薄板全体の厚みは、１０μｍから４０μｍ程度であり、必要とされる圧力検出レンジ等により選択する。次に、別に用意した単結晶シリコン基板１７の主面上に微小な突起２を設ける。突起２の形成方法は、実施の形態１で説明した方法と同様である。さらに、突起２を挟み込む形で単結晶シリコン基板１７と薄板化した単結晶シリコン基板１３等からなる積層構造を接合する。接合方法は、実施の形態１で説明した接合方法である。
【００５３】
最後に凹部１８の加工を行う。単結晶シリコン基板１７の裏面に、例えばシリコン窒化膜を形成し、シリコン窒化膜を窓明けしてダイヤフラム形成のためのエッチングマスクを
形成する。次に、裏面からのエッチングを行うのであるが、その際ＫＯＨ等のエッチング液でシリコン異方性エッチングをＮ型単結晶シリコン基板１３に到達するまで行い、ダイヤフラムを形成する。以上で接合強度評価用試験片を有した圧力センサが完成する。
【００５４】
次に、実施の形態５における接合強度評価用試験片を有した圧力センサの試験片部分の測定方法を説明する。測定は、実施の形態４で説明した接合強度評価装置を利用して突起２周囲の形状を測定し、接合強度を評価することが可能である。実施の形態５における圧力センサの一部を構成する薄板は、シリコン基板等から構成されているので、例えば、フリンジスキャン法を用い形状を測定する。
【００５５】
圧力センサは、センサの使用中は圧力を受けてダイヤフラム部分が変形するが、ダイヤフラム部の周囲は、ダイヤフラム部分の変形を拘束しているため高い応力状態になっている。積層構造の半導体素子の場合は、その接合部の強度が高くないと、高い応力状態に抗しきれず破壊に至る。実施の形態５における接合強度評価用試験片を有した圧力センサにおいては、ダイヤフラム部分の近傍において接合部の強度評価用が可能となるため、実使用条件下での圧力センサの信頼性評価試験が可能となる。例えば、自動車用途のセンサの場合は、―４０℃から１００℃の範囲で耐環境試験が行われ、そのセンサが実使用条件下で信頼性があるか否かが試験されるが、このような場合においても、同一試験片の接合強度の変化を追跡調査することが可能であるため、様々な環境下で接合強度が変動するか否かの安定性を評価することが可能となる。このような評価は、従来の引っ張り試験による破壊的な接合強度の測定ではできなかったが、実施の形態５で説明した接合強度評価用試験片を有した圧力センサでは可能となる。
【００５６】
上述の説明は、圧力センサの例で説明したが、例えばエアフローセンサ、加速度センサ等の接合によって製造された積層構造を有した半導体素子ならばいずれにも適用が可能である。
【００５７】
また、上述のような圧力センサは、半導体製造技術を流用して一旦ウエハ上に作成された後に、圧力センサ毎にダイシンングされて個別の圧力センサに分離されることが多い。  このような場合は、圧力センサの接合工程において、基板と薄板の接合の良否を判定することが、製造ライン管理上の理由で必要な場合がある。一方、接合面の強度測定は、ダイヤフラム１１の近傍に接合強度評価用試験片を配置しなくとも接合面の強度は測定可能である。そこで、接合強度評価用試験片をダイシングライン上に配置して強度測定する。接合強度評価用試験片をダイシンングライン上に配置する場合は、接合強度評価用試験片が占有する領域が圧力センサ上にないので、圧力センサ自身をより小型化できる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の実施の形態１の接合強度評価用試験片の構成を示した図で、(ａ)は平面図、(ｂ)は断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１の接合強度評価用試験片の製造方法を説明する断面図である。
【図３】本発明の実施の形態２の接合強度評価用試験片の部分断面図である。
【図４】本発明の実施の形態２の接合強度評価用試験片の部分断面図である。
【図５】本発明の実施の形態２の接合強度評価用試験片の平面図である。
【図６】本発明の実施の形態３の接合強度評価試験の測定値を図示したものである。
【図７】本発明の実施の形態４の接合強度評価試験装置の模式図である。
【図８】本発明の実施の形態５の接合強度評価用試験片の構成を示した図で、(ａ)は平面図、(ｂ)は断面図である。
【図９】本発明の実施の形態５の接合強度評価用試験片の製造方法を説明する断面図である。
【符号の説明】
【００５９】
１：基板    ２：突起    ３：薄板    ４：積層構造    ５：剥離領域
６：接合領域    ７：剥離領域と接合領域の境界    ８：加圧  
２０：レーザ    ２１：ビームスプリッタ    ２５：参照面    ２６：測定サンプル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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