物理量传感器的制作方法

本申请基于2017年2月28日提出申请的日本专利申请号2017-37276号，在此参照援引其记载的内容。

本公开涉及具有薄膜部的物理量传感器。

背景技术：

以往，作为具有薄膜部的物理量传感器，提案了如下述的压力传感器(例如，参照专利文献1)。具体而言，该压力传感器在第一基板接合有第二基板。第一基板使用作为脆性材料的硅基板等而构成，从与接合到第二基板的一表面相反侧的另一表面到该一表面侧形成有构成薄膜部的凹部。此外，在第一基板形成有在薄膜部根据压力而使电阻值变化的计量电阻。第二基板的与第一基板的一表面接合的一表面之中的与凹部对置的部分，形成有与第一基板之间构成基准压力室的凹陷部。

凹陷部的开口端比形成在第一基板的凹部的底面大。即，当从相对于第一基板的一表面的法线方向观察时，凹陷部形成为开口端包围形成在第一基板的凹部的底面的端部。另外，凹部的底面中的端部是指凹部的底面和该凹部的侧面的边界部分。

这样的压力传感器，当将测量介质导入凹部时，根据测量介质的压力而薄膜部发生位移，计量电阻的电阻值发生变化。因而，输出对应于电阻值的变化的传感器信号。

上述压力传感器例如如下所述进行制造。即，在第一基板形成计量电阻等。此外，在第二基板通过蚀刻等形成凹陷部。然后，通过将第一基板和第二基板粘合，并在第一基板通过蚀刻等形成构成薄膜部的凹部，从而制造上述压力传感器。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：特开2015-52588号公报

技术实现要素：

在上述半导体装置中，凹陷部的开口端被设为比形成在第一基板的凹部的底面大。因此，当在凹部内导入测量介质时，薄膜部以凹部的底面中的端部为支承部而整体向凹陷部侧位移。即，薄膜部以该薄膜部的端部作为支承部而整体向凹陷部侧位移。在这种情况下，薄膜部处产生的拉伸应力在凹部的底部中的端部最大。

然而，凹部通过蚀刻等而形成，凹部的底面中的端部是底面和侧面的边界部分，为角部，形状容易发生偏差(波动、不稳定)。因此，在上述压力传感器中，由于形状容易偏差的凹部的底面中的端部产生最大的拉伸应力，所以薄膜部处产生的最大拉伸应力容易偏差(波动、不稳定)。因此，在上述压力传感器中，由于薄膜部的破坏耐压依赖于最大拉伸应力，所以薄膜部的破坏耐压容易发生偏差(波动、不稳定)。

另外，此处以压力传感器为例进行了说明，但在具有上述的凹部、薄膜部、以及凹陷部的加速度传感器、角速度传感器中也同样。

本公开目的在于提供一种能够抑制薄膜部的破坏耐压偏差的物理量传感器。

根据本公开的一观点，物理量传感器具备：第一基板，具有一表面及与一表面相反侧的另一表面，在另一表面侧形成凹部从而在一表面侧形成薄膜部；以及第二基板，具有与第一基板的一表面接合的一表面，在一表面之中的与凹部对置的部分形成有凹陷部。并且，凹部及凹陷部形成为，将凹部中的底面的端部投影到第一基板的一表面而得的投影线被设为包围凹陷部的开口端的大小，当设在薄膜部之中的第一基板的另一表面侧的表面中、与穿过凹陷部的开口端并沿着相对于第一基板的一表面的法线方向的延长线交叉的位置为特定位置时，薄膜部向凹陷部侧变位时，薄膜部中在特定位置产生最大的拉伸应力。

此外，根据本公开的另一观点，物理量传感器具有：第一基板，具有一表面及与一表面相反侧的另一表面，另一表面侧形成凹部从而在一表面侧形成薄膜部；以及第二基板，具有与第一基板的一表面接合的一表面，在一表面之中的与凹部对置的部分形成有凹陷部。并且，凹部及凹陷部形成为，将凹部中的底面的端部投影到第一基板的一表面而得的投影线被设为包围凹陷部的开口端的大小，在薄膜部之中的第一基板的另一表面侧的表面中、设与穿过凹陷部的开口端并沿着相对于第一基板的一表面的法线方向的延长线交叉的位置为第一位置，设凹部中的底面的端部为第二位置，设第一位置与第二位置之间的距离之中的最短的距离为l[μm]、设薄膜部的厚度为d[μm]，则为l>1.28×d+0.53。

具有上述一观点的物理量传感器，当薄膜部位移至凹陷部侧时，在特定位置产生最大拉伸应力。另外，具有上述另一观点的物理量传感器，当薄膜部位移至凹陷部侧时，在第一位置产生最大拉伸应力。因此，这些物理量传感器，与在角部产生最大拉伸应力的情况相比，能够抑制最大拉伸应力发生偏差。因此，能够抑制薄膜部的破坏耐压偏差。

附图说明

图1是第一实施方式中的压力传感器的剖面图。

图2是图1所示的薄膜部附近的平面图。

图3是表示发生在薄膜部的主要的拉伸应力的示意图。

图4是表示拉伸应力与第一位置及第二位置的关系的图。

图5是用于说明薄膜向凹陷部侧位移时的拉伸应力的图。

图6是表示薄膜部的厚度、与第一位置及第二位置间的距离的关系的图。

图7a是表示图1所示的压力传感器的制造工序的剖面图。

图7b是表示图7a之后的压力传感器的制造工序的剖面图。

图7c是表示图7b之后的压力传感器的制造工序的剖面图。

图7d是表示图7c之后的压力传感器的制造工序的剖面图。

图8是其他实施方式中的薄膜部附近的剖面图。

图9是其他实施方式中的薄膜部附近的剖面图。

图10是其他实施方式中的薄膜部附近的剖面图。

图11是其他实施方式中的薄膜部附近的平面图。

具体实施方式

以下，基于附图说明本公开的实施方式。另外，在以下各实施方式中，对于相互相同或的等同的部分，赋予相同符号进行说明。

(第一实施方式)

参照附图说明第一实施方式。另外，在本实施方式中，以将物理量传感器应用于压力传感器为例进行说明。

如图1所示，本实施方式的压力传感器为具有传感器基板10和罩基板20的结构。另外，在本实施方式中，传感器基板10相当于第一基板，罩基板20相当于第二基板。

传感器基板10为具有一表面10a及另一表面10b的矩形板状，由作为脆性材料的硅基板构成。并且，在传感器基板10，通过形成于一端部侧的凹部11而构成薄膜部12。在本实施方式中，凹部11形成为截面矩形状，并且开口端呈圆形状。另外，本实施方式中的传感器基板10的一端部侧是指图1中的传感器基板10中的纸面右侧的部分。

此外，传感器基板10形成为，在薄膜部12中的一表面10a侧，由于压力而电阻值变化的4个计量电阻13构成桥接电路。另外，计量电阻13在图1中仅示出两个。

进而，在传感器基板10的一表面10a侧形成有4条布线层14。布线层14在不同于图1的其他截面与各计量电阻13的连接点电连接，并且延伸至传感器基板10的另一端部侧。另外，在图1中，仅示出了两个布线层14。此外，本实施方式中的传感器基板10的另一端部侧是指图1中的传感器基板10中的纸面左侧的部分。

罩基板20具有：具有一表面21a及另一表面21b的硅基板21；形成于一表面21a的绝缘膜22；以及形成于另一表面21b的绝缘膜23。并且，绝缘膜22与传感器基板10接合。

另外，在本实施方式中，绝缘膜22中的与硅基板21侧相反侧的表面被设为罩基板20的一表面20a，绝缘膜23中的与硅基板21侧相反侧的表面被设为罩基板20的另一表面20b。

并且，罩基板20，在与传感器基板10中的凹部11的底面对置的部分形成有凹陷部20c。由此，在传感器基板10与罩基板20之间，通过传感器基板10与凹陷部20c之间的空间构成基准压力室30。

另外，在本实施方式中凹陷部20c形成为截面矩形状，并且开口端为圆形状。此外，在本实施方式中，如后所述，传感器基板10与罩基板20在真空条件下被接合。因此，基准压力室30为真空压力。

绝缘膜22用于将传感器基板10与硅基板21绝缘，且由氧化膜等构成，形成在硅基板21的一表面21a的整面。另外，在图1中，图示了绝缘膜22未形成在构成凹陷部20c的硅基板21的表面，但也可以形成在构成凹陷部20c的硅基板21的表面。

此外，在罩基板20，形成有将罩基板20在传感器基板10与罩基板20的层叠方向上贯通的多个贯通电极部24。具体而言，各贯通电极部24具有：绝缘膜24b，形成在将硅基板21及绝缘膜22贯通而使布线层14露出的贯通孔24a的壁面；以及贯通电极24c，配置在绝缘膜24b上而与布线层14电连接。此外，各贯通电极部24具有焊盘部24d，该焊盘部24d与贯通电极24c连接而配置在绝缘膜23上，经由电线等与外部电路电连接。

另外，绝缘膜24b例如由teos(tetraethylorthosilicate的简称)等构成，贯通电极24c及焊盘部24d例如由铝等构成。

以上是本实施方式中的压力传感器的基本结构。接着，说明本实施方式的凹部11与凹陷部20c的关系。如图1和图2所示，凹陷部20c形成为其开口端被将凹部11中的底面的端部投影到传感器基板10的一表面10a而得到的投影线t所包围。换而言之，形成为，当从相对于传感器基板10的一表面10a的法线方向观察时，凹陷部20c的开口端位于凹部11的底面内。在本实施方式中，凹部11及凹陷部20c形成为，当从相对于传感器基板10的一表面10a的法线方向观察时，投影线t的中心与凹陷部20c的开口端的中心一致。即，凹部11及凹陷部20c形成为，在从相对于传感器基板10的一表面10a的法线方向观察时，凹部11中的底面的端部和凹陷部20c的开口端成为同心圆。

另外，图2是薄膜部12附近的平面图，图2中的表示凹陷部20c的实线示出了凹陷部20c的开口端。此外，凹部11中的底面的端部是指凹部11的底面与侧面的边界部分。

因此，薄膜部12的一表面10a中的外缘部成为与罩基板20接合的状态。即，根据薄膜部12中的压力而能够变形的薄膜(膜片)15的端部根据凹陷部20c的开口端来规定。即，当从传感器基板10的一表面10a侧观察时，薄膜部12其被凹陷部20c所包围的部分成为作为薄膜15发挥作用的部分。另外，在本实施方式中，凹陷部20c的开口端为圆形状，因此薄膜15也为圆形状。

并且，在这样的压力传感器中，如果在凹部11内导入测量介质，则根据测量介质的压力而薄膜15变形，通过薄膜15变形从而计量电阻13的电阻值变化。由此，输出与薄膜15的变形对应的传感器信号，进行压力的检测。

此时，在薄膜部12，由于薄膜15的变形而产生拉伸应力及压缩应力。并且，薄膜部12的破坏耐压依赖于构成薄膜部12的材料的屈服应力和薄膜部12处产生的最大拉伸应力，最大拉伸应力越大破坏耐压越小。

这里，如图3所示，将薄膜15的背面的中心设为第一中心位置c1，将薄膜15的表面的中心设为第二中心位置c2。另外，设在薄膜部12的背面中，与穿过凹陷部20c的开口端且沿着相对于传感器基板10的一表面10a的法线方向的延长线k交叉的位置为第一位置d1。即，在图3中，在薄膜部12的背面中，将凹陷部20c的开口端的正下方的位置设为第一位置d1。此外，在薄膜部12的背面中，将凹部11中的底面的端部设为第二位置d2。

另外，在本实施方式中，第一位置d1相当于特定位置。此外，由于凹陷部20c的开口端为圆形状，因此第一位置d1成为以圆形状连续的分布。同样地，由于凹部11的底面的端部为圆形状，因此第二位置d2成为以圆形状连续的分布。此外，薄膜15的背面是指薄膜15中的传感器基板10的另一表面10b侧的表面，薄膜部12的背面是指薄膜部12中的传感器基板10的另一表面10b侧的表面。薄膜15的表面是指薄膜15中的传感器基板10的一表面10a侧的表面。

并且，当在凹部11内导入测量介质时，如图3中的虚线所示，薄膜15向凹陷部20c侧位移，主要发生箭头所示的拉伸应力。并且，如图4所示，在薄膜部12的背面产生的拉伸应力从第一中心位置c1朝向第一位置d1缓慢地变大，从第一位置d1朝向第二位置d2缓慢地变小。并且，该拉伸应力在第二位置d2急剧地变大。

拉伸应力在第一位置d1处比第一中心位置c1处更大的原因是由于第一位置d1成为将能够根据压力而变形的薄膜15支承的部分。此外，从第一中心位置c1朝向第一位置d1而拉伸应力缓慢变大的原因是由于第一位置d1附近的部分是平面，因而拉伸应力容易分散。另一方面，第二位置d2是凹部11中的底面的端部，是底面与侧面的边界部分。即，第二位置d2为角部。因此，在第二位置d2处，拉伸应力难以分散，拉伸应力急剧地变大。

此外，第二位置d2处的拉伸应力主要是伴随着薄膜15的变形的应力。因此，如图4所示，第二位置d2的拉伸应力随着与第一位置d1之间的距离而变化。

例如，在以使第一位置d1与第二位置d2之间的距离为l1或l2的方式形成凹部11及凹陷部20c的情况下，第一位置d1的拉伸应力比第二位置d2的拉伸应力小。此外，在以使第一位置d1与第二位置d2之间的距离为l3的方式形成凹部11及凹陷部20c的情况下，第一位置d1的拉伸应力与第二位置d2的拉伸应力变得等同。并且，在以使第一位置d1与第二位置d2之间的距离为l4的方式形成凹部11及凹陷部20c的情况下，第一位置d1的拉伸应力比第二位置d2的拉伸应力大。

这是由于第一位置d1与第二位置d2之间的距离变长，从而在第一位置d1与第二位置d2之间的部分中伴随薄膜15的变形的拉伸应力减缓。

另外，在本实施方式中，凹部11及凹陷部20c形成为投影线t的中心与凹陷部20c的开口端的中心一致。因此，第一位置d1与第二位置d2之间的距离在周方向上均匀。

接下来，说明在薄膜部12的表面产生的拉伸应力与在薄膜部12的背面产生的拉伸应力之间的大小关系。当从薄膜15的背面施加压力时，薄膜15以端部为固定端的状态进行变位。此时，在薄膜部12的表面所产生的拉伸应力在第二中心位置c2处为最大。这里，由于压力大致均匀地施加在薄膜15的背面，所以如图5所示，设施加到薄膜15的压力为均匀分布载荷w，设薄膜部12的长度为l。这种情况下，在第二中心位置c2处产生的弯矩mc2用下式来表示。

mc2＝(w×l²)/24(式1)

并且，设薄膜部12的截面系数为z1，则在第二中心位置c2处产生的拉伸应力σc2使用下式来表示。

σc2＝mc2/z1(式2)

此外，当设从截面中心c到薄膜15的表面的距离为+e、设截面二次矩为i时，则截面系数z1表示为i/(+e)。因此，拉伸应力σc2表示为下式。

σc2＝{(w×l²)/24}×{(+e)/i}(式3)

另一方面，在第一位置d1处产生的弯矩md1以下式表示。

md1＝(－w×l²)/12(式4)

并且，当设薄膜部12的截面系数为z2时，在第一位置d1处产生的拉伸应力σd1使用下式表示。

σd1＝md1/z2(式5)

此外，当设从截面中心c到薄膜15的背面的距离为-e、设截面二次矩为i时，断面系数z2表示为i/(-e)。因此，拉伸应力σd1使用下式表示。

σd1＝{(－w×l²)/12}×{(－e)/i}(式6)

因此，第一位置d1处所产生的拉伸应力必定比第二中心位置c2处所产生的拉伸应力大。即，在如上所述的压力传感器中，薄膜部12的破坏耐压依赖于第一位置d1处所产生的拉伸应力或第二位置d2处所产生的拉伸应力。

并且，如上所述，作为角部的第二位置d2的形状通过蚀刻等形成，因此与作为平面的第一位置d1的形状相比，其形状容易发生偏差。因此，对于薄膜部12处产生的拉伸应力中的第二位置d2处为最大的压力传感器而言，薄膜部12的破坏耐压发生偏差。因此，在本实施方式中，以使薄膜部12向凹陷部20c侧位移时、第一位置d1处所产生的拉伸应力比第二位置d2处所产生的拉伸应力大的方式形成凹部11及凹陷部20c。即，在本实施方式中，以使得在薄膜部12位移时、薄膜部12的第一位置d1处产生最大的拉伸应力的方式形成凹部11及凹陷部20c。

进而更详细而言，第一位置d1处产生的拉伸应力及第二位置d2处产生的拉伸应力如图6所示，也依赖于薄膜部12的厚度。另外，图6的第一位置d1与第二位置d2之间的距离中的第二位置d2是产生与第一位置d1处产生的拉伸应力等同的拉伸应力的位置。也就是说，图6的第一位置d1与第二位置d2之间的距离中的第二位置d2是图4中从第一位置d1相隔距离l3处的位置。此外，图6是将通过第二中心位置c2的薄膜15的最大长度设为100～1000μm的模拟结果。另外，通过第二中心位置c2的薄膜15的最大长度，例如如果薄膜15为圆形状则该长度为直径，如果薄膜15是正方形状则该长度为对角线。并且，在本实施方式中，因为薄膜15为圆形状，所以在图6中最大长度表示为φ。

如图6所示，被确认为，为了使第一位置d1的拉伸应力大于第二位置d2的拉伸应力，设第一位置d1与第二位置d2之间的距离为l[μm]，设薄膜部12的厚度为d[μm]，则满足下式即可。

l＞1.28×d+0.53(式7)

因此，在本实施方式中，以满足上述式7的方式形成有凹部11、薄膜部12及凹陷部20c。

以上是本实施方式中的压力传感器的构成。接着，参照图7简单地说明上述压力传感器的制造方法。

首先，如图7a所示，准备传感器基板10，在传感器基板10形成计量电阻13和布线层14。

此外，如图7b所示，准备构成罩基板20的硅基板21，在硅基板21的一表面21a通过热氧化法等形成绝缘膜22。之后，通过干蚀刻等形成凹陷部20c。并且，将传感器基板10与形成有绝缘膜22的硅基板21粘合。没有特别限定，传感器基板10与绝缘膜22的粘合通过直接接合来进行。

在将传感器基板10与绝缘膜22通过直接接合来粘合的情况下，例如，首先，将传感器基板10和形成有绝缘膜22的硅基板21配置在真空装置内。然后，对传感器基板10及绝缘膜22照射n2等离子体、o2等离子体或ar离子束，激活传感器基板10及绝缘膜22的各表面。

接着，在真空装置内，使用在传感器基板10及硅基板21适当地设置的对准记号，通过红外显微镜等进行对准，以室温～550℃将传感器基板10与绝缘膜22粘合。由此，在传感器基板10和凹陷部20c之间，构成为真空压力的基准压力室30。

接着，如图7c所示，在罩基板20形成多个贯通电极部24。具体而言，在硅基板21的另一表面21b形成未图示的掩膜并进行干蚀刻等，形成到达布线层14的多个贯通孔24a。接着，在各贯通孔24a的壁面成膜teos等绝缘膜24b。此时，在硅基板21的另一表面21b侧形成的绝缘膜构成绝缘膜23。即，在相同工序中形成绝缘膜23及绝缘膜24b。

然后，通过去除形成在各通孔24a的底部的绝缘膜24b，使布线层14从各通孔24a露出。并且，通过在各通孔24a利用喷溅法、蒸镀法等形成金属膜，从而形成与布线层14电连接的贯通电极24c。此外，将形成在绝缘膜23上的金属膜适当地进行图案形成，从而形成焊盘部24d。这样，在罩基板20上形成多个贯通电极部24。

接着，如图7d所示，在传感器基板10的另一表面10b形成未图示的掩膜并进行干蚀刻等，以使凹陷部20c及薄膜部12的关系满足上述式7的方式形成凹部11。如上所述，制造图1所示的压力传感器。

另外，在上述中，说明了一个压力传感器的制造方法，但也可以是，准备晶片状的传感器基板10和硅基板21，在晶片状的状态下进行上述工序后进行切割，分割成芯片单位。

如上所述，在本实施方式中，凹部11及凹陷部20c形成为，在向凹部11导入测量介质时，第一位置d1处产生的拉伸应力比第二位置d2处产生的拉伸应力大。进一步详细而言，凹部11、薄膜部12及凹陷部20c以满足上述式7的方式形成。因此，薄膜部12的破坏耐压依赖于第一位置d1处所产生的拉伸应力。并且，第一位置d1因为周围是平面，所以与作为角部的第二位置d2相比，加工偏差小。因此，能够抑制薄膜部12的破坏耐压偏差。

此外，使得第一位置d1处所产生的拉伸应力大于第二位置d2所产生的拉伸应力。因此，例如，与图4中的第一位置d1与第二位置d2之间的距离为l1或l2的情况相比，能够实现薄膜部12处所产生的最大拉伸应力的大小自身的降低。即，也能够实现薄膜部12的破坏耐压的提高。

此外，在本实施方式中，凹部11及凹陷部20c的开口端为圆形状，截面为矩形状。因此，第一位置d1及第二位置d2成为以圆形状连续的位置，能够抑制一部分相对于其他部分而拉伸应力急剧地变大。因此，能够实现薄膜部12的破坏耐压设计的简单化。

(其他实施方式)

本公开依据上述实施方式进行了记述，但应理解的是本公开并不限定于该实施方式及构造。本公开也包含各种变形例及等同范围内的变形。除此以外，各种组合及形态、进而在它们中仅包含一要素、其以上或其以下的其他的组合或形态也包含在本公开的范畴或思想范围中。

例如，如图8所示，也可以是计量电阻13从硅基板21中的凹陷部20c的内侧延伸设置到外侧。

此外，如图9所示，也可以是，传感器基板10为具有硅基板41、和形成在硅基板41的绝缘膜42的结构，罩基板20为具有硅基板21和绝缘膜23的结构。并且，也可以是，压力传感器通过传感器基板10的绝缘膜42与罩基板20的硅基板21接合而构成。另外，在该结构的情况下，计量电阻13及布线层14被形成在硅基板41。此外，薄膜部12为具有硅基板41和绝缘膜42的结构。并且，传感器基板10的一表面10a由绝缘膜42构成，罩基板20的一表面20a由硅基板21构成。

进而，如图10所示，也可以是，传感器基板10使用依次层叠有支承基板51、绝缘膜52、半导体层53的soi(silicononinsulator的简称)基板54来构成。在这种情况下，例如，在支承基板51形成到达绝缘膜52的凹部11，从而在绝缘膜52和半导体层53构成薄膜部12。另外，也可以是，凹部11形成为到达半导体层53。在该情况下，在半导体层53构成薄膜部12。

此外，如图11所示，也可以是，投影线t的中心与凹陷部20c的开口端的中心不同。在这种结构的情况下，第一位置d1与第二位置d2之间的距离不均匀。因此，在这样的结构的情况下，只要是以第一位置d1和第二位置d2之间的距离成为最短的部分的距离满足上述式7的方式来形成凹部11、凹陷部20c以及薄膜部12即可。即，只要是以图11中所示的第一位置d1与第二位置d2之间的距离满足上述式7的方式形成凹部11、凹陷部20c以及薄膜部12即可。另外，换而言之，第一位置d1与第二位置d2之间的距离成为最短的部分中的第二位置d2，是第二位置d2中的产生最大拉伸应力的位置。

此外，能够适当地变更凹部11的开口端的形状。例如，凹部11的开口端可以是四角形状，也可以是八角形状。同样，凹陷部20c的开口端可以是四角形状，也可以是八角形状。另外，凹部11的开口端和凹陷部20c的开口端的形状也可以不同，例如，凹部11的开口端为四角形状，凹陷部20c的开口端为八角形状。在这种构成的情况下，如图11所示，第一位置d1与第二位置d2之间的距离不均匀。因此，在为这样的结构的情况下，只要以第一位置d1和第二位置d2之间的距离中的成为最短的部分满足上述式7的方式形成凹部11、凹陷部20c以及薄膜部12即可。

此外，凹部11也可以不是截面矩形状，而是例如从开口端侧朝向底面变细的截面锥形状。同样，凹陷部20c也可以不是截面矩形状，而是例如从开口端侧朝向底面变细的截面锥形状。

进而，传感器基板10与罩基板20的接合也可以不是直接接合。例如，传感器基板10和罩基板20也可以配置适当的金属构件等，通过金属接合、共晶接合等进行接合。此外，传感器基板10和罩基板20也可以经由玻璃等进行接合。

并且，在上述第1实施方式中，也可以将凹部11、薄膜部12及凹陷部20c的关系应用于加速度传感器、角速度传感器等其他物理量传感器。