专利名称：静电电容式半导体物理量传感器及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种例如MEMS(微机电系统)装置的静电电容式半导体物理量传感器及其制造方法，特别涉及到关于在阳极连接中放电的对策。
背景技术：
图8示出了传统的静电电容式半导体物理量传感器的一个实例。如图8所示，在硅半导体衬底1(以下称为硅衬底)的上表面设置绝缘玻璃衬底2，其中，硅衬底1和玻璃衬底2的周边区域(连接区域)5通过阳极连接而结合。对硅衬底1进行蚀刻以形成具有压力传感部4的框架形支座3，该压力传感部4具有相对较薄的壁从而可以弯曲并且可上下移动。压力传感部4的上表面和下表面都用作可移动电极，而上述玻璃衬底2具有在其内表面形成的且朝向该可移动电极的固定电极7。这样，通过间隙6在可移动电极和固定电极之间产生静电电容。压力传感部4通过施加到其上的压力而移动，从而改变间隙6，进而在该可移动电极和该固定电极之间产生的静电电容也发生变化。间隙的变化，即压力的变化，被设计为可以通过检测静电电容的变化而获得。
信号从导电膜9a以及导电膜9b通过在玻璃衬底2中形成的通孔8a、8b输出到外部电路，其中所述的导电膜9a电连接到硅衬底1或可移动电极，而所述的导电膜9b通过固定电极7的引导部7c电连接到固定电极7并且通过绝缘膜10与硅衬底1绝缘。请注意，附图标记11表示用于将硅衬底1通过阳极连接连接到玻璃衬底2的电源。在施加用于连接的高电压时，硅衬底1和玻璃衬底2之间的阳极连接可以引起以下风险，即，可移动的压力传感部4由于静电吸引而移动，而更靠近形成在玻璃衬底2上的固定电极7，从而在压力传感部4和固定电极7之间产生放电A，这样，固定电极7通过热量被熔合，并因此被熔接到压力传感部4。这种情况的出现将导致压力传感部4不可移动以及不能检测压力的问题。
为了解决上述问题，公知地如图9和图10所示，在与上述传感器类似的传感器中的玻璃衬底2上，预先形成短接导电图形(等电位配线)70，其将玻璃衬底2的固定电极7电连接到硅衬底1的可移动电极；并且在施加高电压以用于阳极连接时，该可移动电极和该固定电极通过等电位配线70(参见例如日本特开平10-090300号专利公报)电连接。这使得在阳极连接中固定电极阳极连接与硅衬底等电位。因此，不会在阳极连接中产生放电，以便防止可移动电极和固定电极彼此接触并熔接，而且还可以获得高的连接力。然而，在保持形成有等电位配线的情况下，不能获得所需的传感器特性。
因此，公知地形成一种具有间隙的短接导电图形，其在阳极连接中通过短接导电图形使固定电极电连接到硅衬底，而在正常的物理量测量中使固定电极与硅衬底电断开(参见例如日本特开平9-196700专利公报)。然而，这种短接导电图形形成在玻璃衬底与硅衬底之间，这将引起在短接导电图形周围可能产生连接空隙(如俘获阻碍连接的气泡的情况)的问题。
还有一种方案，即在硅衬底和玻璃衬底之间、在结合部的外侧的硅衬底上设置短接导电图形，并且在阳极连接后例如使用激光来切断该短接导电图形(参见例如日本特开平6-340452专利公报)。然而，在这种情况下，将产生由于短接导电图形设置在该硅衬底和该玻璃衬底之间、结合部的外侧而导致的芯片尺寸增大的问题。
发明内容
本发明旨在解决上述问题，并且本发明的目的在于提供一种静电电容式半导体物理量传感器及其制造方法，其中，在绝缘衬底与半导体衬底阳极连接时，使得绝缘衬底的固定电极与半导体衬底的可移动电极等电位，从而防止放电的产生，并且可以获得高结合力和所需的传感器特性，而不会引起连接空隙的产生和传感器芯片尺寸增大。
为解决上述问题，本发明提供了一种制造静电电容式半导体物理量传感器的方法，其中，绝缘衬底和半导体衬底相互面对的周边区域(称为连接区域)接触以用于阳极连接，而该绝缘衬底和该半导体衬底具有在其间施加的阳极连接电压以通过阳极连接而结合为一体，并且在绝缘衬底的连接面侧的表面上形成固定电极，以及在半导体衬底的连接面侧的表面上形成可移动电极，所述方法包括第一步骤，在阳极连接之前，在连接区域内侧、绝缘衬底的连接面侧的表面上形成等电位配线，以使固定电极短接于可移动电极；第二步骤，进行阳极连接；以及第三步骤，在阳极连接之后，切断并去除等电位配线。
在第三步骤中，所述等电位配线可以通过能从绝缘衬底穿过的激光辐射而被切断。
在所述第三步骤中，在绝缘衬底中设置有用于固定电极和可移动电极的通孔，在显露于各所述通孔的底部的导电膜层之间施加电压，以在等电位配线中产生电流，并且该等电位配线通过在其上产生的热量而被切断。
而且，本发明还提供了一种制造静电电容式半导体物理量传感器的方法，其中，绝缘衬底和半导体衬底的相互面对的周边区域(指连接区域)接触以用于阳极连接，而绝缘衬底和半导体衬底具有在其间施加的阳极连接电压以通过阳极连接而结合为一体，并且在绝缘衬底的连接面侧的表面上形成固定电极，以及在半导体衬底的连接面侧的表面上形成可移动电极，所述方法包括第一步骤，在阳极连接之前，在连接区域内侧、半导体衬底的连接面侧的表面上形成等电位配线，以使固定电极短接于可移动电极；第二步骤，进行阳极连接；以及第三步骤，在阳极连接之后，切断并去除等电位配线。
在第三步骤中，可以相类似地应用上述各种方法来切断所述等电位配线。
优选地，在上述的任意一种方法中，等电位配线在其切断位置具有减小的配线宽度。这将使得当产生用于切断的电流时，电流和电压将集中于该宽度减小的部分，从而可以容易地实现等电位配线的切断。
本发明还提供了一种静电电容式半导体物理量传感器，其中，绝缘衬底和半导体衬底相互面对的周边区域(称为连接区域)接触以用于阳极连接，而该绝缘衬底和该半导体衬底具有在其间施加的阳极连接电压以通过阳极连接而结合为一体，并且在绝缘衬底的连接面侧的表面上形成固定电极，以及在半导体衬底的连接面侧的表面上形成可移动电极，其中在连接区域的内侧、绝缘衬底或半导体衬底的连接面侧的表面上形成有等电位配线，其使固定电极短接于可移动电极；并且所述等电位配线具有在阳极连接后通过对等电位配线施加激光辐射或电流而能够被切断的结构。
根据本发明，在阳极连接中，半导体衬底(可移动电极)通过等电位配线(即短接导电图形)与固定电极连接，从而该可移动电极与该固定电极等电位。这样防止了阳极连接中在可移动电极和固定电极之间放电的产生，从而确保阳极连接。在连接结束后将该等电位配线切断并去除。这样使得可移动电极与固定电极电性分离，于是可以检测出例如压力、加速度等的物理量，因此，可以获得具有所需特性的传感器。而且，由于防止了将等电位配线夹在半导体衬底和玻璃衬底之间，所以防止了连接空隙的产生。并且，由于短接导电图形形成在连接部分内侧的绝缘衬底上，所以可以减小芯片尺寸。
图1为根据本发明一实施例的静电电容式压力传感器的剖面图，其显示了通过激光束辐射来切断等电位配线；图2为该传感器的俯视图；图3为该传感器的剖面图，其显示了通过施加电压来切断等电位配线；图4为该传感器的剖面图，其显示了通过使用通孔施加电压来切断等电位配线；图5为该传感器的俯视图，其显示了减小等电位配线的配线宽度；图6为根据本发明另一实施例的静电电容式压力传感器的剖面图，其显示了通过激光束辐射来切断等电位配线；图7为该传感器的俯视图；图8为传统的不具有等电位配线的静电电容式压力传感器的剖面图；图9为传统的具有等电位配线的静电电容式压力传感器的剖面图；和图10为传统的具有等电位配线的静电电容式压力传感器的俯视图。
具体实施例方式
以下，将结合附图对根据本发明一实施例的静电电容式半导体物理量传感器(以下称为电容式传感器)进行描述。图1显示了根据本发明一实施例的电容型传感器的剖面结构，而图2为该传感器的俯视结构，其中，玻璃衬底2是透明的，并且固定电极7等是以看透的方式示出的。附图示出了作为相当于一个传感器芯片部的晶片的硅衬底1(半导体衬底)以及玻璃衬底2(绝缘衬底)，而在实际制造过程中，在大玻璃衬底的表面上分配出相当于玻璃衬底2的区域。对硅衬底1也采用类似地方式处理。
在进行使玻璃衬底和硅衬底连接的阳极连接之前，固定电极7和具有预定图形形状的引导部7c同时通过蒸镀或喷镀形成于玻璃衬底2的连接面侧的表面上。在形成该固定电极7时，还同时形成等电位配线70，该等电位配线从固定电极7引出并且为短接导电图形，以使固定电极7短接于可移动电极(第一步骤)。等电位配线70形成于连接区域的内侧，即在玻璃衬底2的固定电极7中。等电位配线70仅通过改变在玻璃衬底2的表面上蒸镀/喷镀给定金属的图形形状即可形成。同时，在硅衬底1上通过蚀刻形成支座3和压力传感部4。包括压力传感部4的硅衬底1的连接面侧的表面作为可移动电极。
上述硅衬底1与玻璃衬底2接触并且所述硅衬底1和玻璃衬底2的相对位置一起对准。在此，硅衬底1和玻璃衬底2的相互面对的周边区域(指连接区域)5接触以用于阳极连接，并且玻璃衬底和硅衬底具有在其间施加的阳极连接电压以使通过阳极连接而结合为一体(第二步骤)，所述的阳极连接将在后面详细地说明。在阳极连接后将等电位配线70切断并去除，如配线切断位置C所示(第三步骤)。该等电位配线70用于将玻璃衬底2的固定电极7电连接至硅衬底1的可移动电极，并且用作针对在阳极结合中的放电的对策。
在玻璃衬底2中的预定位置处形成有用于可移动电极和固定电极的两个通孔8a、8b，并且所述通孔8a、8b上下贯通玻璃衬底2。硅衬底1上形成有导电膜9a，该导电膜9a与可移动电极电连接以使得该导电膜9a显露于通孔8a的底部；并且，所述硅衬底1上还形成有导电膜9b，该导电膜9b通过固定电极7的引导部7c与固定电极7电连接以使得该导电膜9b显露于通孔8b的底部。为了与硅衬底1绝缘，所述导电膜9b形成于绝缘膜10上。通过通孔8a、8b，传感器信号从导电膜9a、9b输出到外部电路。每一个通孔的内壁表面上均形成有导电膜，而且所述通孔分别与相互独立地形成于玻璃衬底2的表面上的导电薄膜电连接。
这种类式静电电容式压力传感器利用施加到压力传感部4的压力来改变电容间隙6。假设该间隙长度为d，并且固定电极7的面积为S，那么在可移动电极和固定电极之间的电容C将根据C＝ε0S/d输出一个变量。
然后，将对在电容式传感器的硅衬底1和玻璃衬底2之间的阳极连接进行详细说明。对于阳极连接而言，用于阳极连接的电源的阳极连接到硅衬底1，并且用于阳极连接的电源的阴极连接到玻璃衬底2，从而在可移动电极和固定电极之间施加预定的电压。因此，在硅衬底1和玻璃衬底2之间产生电流，硅衬底1和玻璃衬底2的接触部分，即在本实施例中的周边区域(连接区域)5，连接并结合为一体(阳极连接)。此时，固定电极7和可移动电极通过等电位配线70短接而具有等电位，从而不可能在其间产生电位差。这就防止了阳极连接中在电极之间的放电，并且因此防止了由于放电而使得电极熔合进而熔接为一体，从而确保阳极连接。
在阳极连接后，将等电位配线70切断。为实现该目的，使用激光束辐射L(图1中的箭头)。使用CO2、YAG等的激光束可以自玻璃衬底2穿过玻璃，并且辐射到等电位配线70的配线切断位置C，从而将等电位配线70切断。这样，可以获得具有所需特性的传感器。
然后，将描述在电容式传感器中的阳极连接后去除等电位配线70的另一种方法。如图3所示，连接直流偏置电源12以在等电位配线70中产生电流，并且基于该直流偏置电源的电压施加产生的电流使得等电位配线70产生热量，从而使等电位配线熔化并被切断。在显露于各通孔8a、8b底部的导电膜9a、9b之间施加该电压，所述通孔8a、8b设置在玻璃衬底2中，以用于可移动电极和固定电极。所施加的电压最好是逐渐增加的，以便提高在恒定的位置切断的可能性。
在通过上述的电压施加来去除等电位配线70的方法中，如图4所示，可以使用玻璃衬底2的通孔8a、8b来作为电压施加端子。在通孔8a、8b的内壁表面上形成导电膜13a、13b，而在玻璃衬底2上形成有导电膜部14a、14b，所述导电膜部14a、14b通过导电膜13a、13b与硅衬底1上的导电膜9a、9b电连接，从而允许导电膜部14a、14b用作电压施加端子。在通孔的内壁表面上形成导电层13a、13b的步骤可以在阳极连接之前进行，也可以在阳极连接之后进行。
无论是在使用激光束辐射来切断等电位配线70的过程中，还是在使用如上所述的电压施加来切断等电位配线70的过程中，如图5所示，优选形成等电位配线70的宽度减小部分D，该宽度减小部分D位于配线切断位置附近，并且配线图形的宽度减小。由此该宽度减小部分D部分地存在于等电位配线70上，其有利于识别激光束斑的目标位置以便在使用激光进行切断处理的情况下进行切断，并且所述宽度减小部分D在使用电压施加来进行切断处理的情况下增大了配线宽度减小部分的电阻，从而可以稳定切断位置。
以上已经示出了在电容式传感器中的玻璃衬底2上形成的等电位配线70的一实施例，以下，将结合图6和图7对另一个实施例的、在硅衬底1上形成等电位配线的电容式传感器进行说明。根据该实施例的等电位配线71形成于硅衬底1上，以便将用于固定电极的导电膜9b电连接到硅衬底1的可移动电极(第一步骤)。该等电位配线71使得固定电极7与可移动电极等电位。与上述实施例相类似，这样防止了阳极连接中在电极之间放电，从而实现了可靠的阳极连接。
在阳极连接(第二步骤)后，将该等电位配线71切断。通过将激光束辐射L从玻璃衬底2穿过玻璃而施加到配线切断位置C来切断该等电位配线71(第三步骤)。
尽管未图示，等电位配线71在阳极连接后既可以通过类似于上述图3中的向用于可移动电极和固定电极的导电膜施加直流电压来切断，也可通过类似于图4中的使用玻璃衬底2的通孔来切断。而且，如上所述，优选在等电位配线71的配线切断区域周围减小配线宽度。
尽管上述已经描述了本发明的各种实施例，然而本发明不局限于上述实施例的结构而可以有各种变化，因此作为所使用的客体而提及的MEMS装置的实例可以是电容式压力传感器、电容式角速度传感器、以及诸如压电式压力/加速度/角速度传感器和MEMS机械继电器的其它装置。而且，玻璃衬底2仅仅被要求为绝缘衬底材料，因此在绝缘衬底材料中可以使用玻璃和其它的激光束能够通过的透明材料。硅和诸如砷化镓(GaAs)和锗(Ge)之类的其它材料可以被用于硅衬底1。可以用于固定电极/导电膜的材料包括Cr、Al和诸如Au、Ag、Cu、Pt以及Ti之类的其它材料。
而且，本申请基于日本专利申请2005-007784，该专利申请的内容通过参考援引并入本申请中。
权利要求书(按照条约第19条的修改)1、一种制造静电电容式半导体物理量传感器的方法，其中，绝缘衬底和半导体衬底相互面对的周边区域(称为连接区域)接触以用于阳极连接，而该绝缘衬底和该半导体衬底具有在其间施加的阳极连接电压以通过阳极连接而结合为一体，并且在该绝缘衬底的连接面侧的表面上形成固定电极，以及在该半导体衬底的连接面侧的表面上形成可移动电极，所述方法包括第一步骤，即在阳极连接之前，在该连接区域的内侧、该绝缘衬底的连接面侧的表面上形成等电位配线，以使该固定电极短接于该可移动电极，并且防止该等电位配线被直接夹在该绝缘衬底和该半导体衬底之间；第二步骤，即进行阳极连接；以及第三步骤，即在阳极连接之后，切断并去除该等电位配线。
2、如权利要求1所述的制造静电电容式半导体物理量传感器的方法，其中，在所述第三步骤中，通过可以从该绝缘衬底穿过的激光辐射切断该等电位配线。
3、如权利要求1所述的制造静电电容式半导体物理量传感器的方法，其中，在所述第三步骤中，在该绝缘衬底中设置有用于该固定电极和该可移动电极的通孔，在显露于各所述通孔的底部的导电膜层之间施加电压，从而在该等电位配线中产生电流，并且该等电位配线通过在其上产生的热量而被切断。
4、如权利要求2或3所述的制造静电电容式半导体物理量传感器的方法，其中，在所述第一步骤中，该等电位配线在其切断位置具有减小的配线宽度。
5、一种制造静电电容式半导体物理量传感器的方法，其中，绝缘衬底和半导体衬底相互面对的周边区域(称为连接区域)接触以用于阳极连接，而该绝缘衬底和该半导体衬底具有在其间施加的阳极连接电压以通过阳极连接而结合为一体，并且在该绝缘衬底的连接面侧的表面上形成固定电极，以及在该半导体衬底的连接面侧的表面上形成可移动电极，所述方法包括
第一步骤，即在阳极连接之前，在该连接区域的内侧、该半导体衬底的连接面侧的表面上形成等电位配线，以使该固定电极短接于该可移动电极，并且防止该等电位配线被直接夹在该绝缘衬底和该半导体衬底之间；第二步骤，即进行阳极连接；以及第三步骤，即在阳极连接之后，切断并去除该等电位配线。
6、如权利要求5所述的制造静电电容式半导体物理量传感器的方法，其中，在所述第三步骤中，通过可以从该绝缘衬底穿过的激光辐射切断该等电位配线。
7、如权利要求5所述的制造静电电容式半导体物理量传感器的方法，其中，在所述第三步骤中，在该绝缘衬底中设置有用于该固定电极和该可移动电极的通孔，在显露于各所述通孔的底部的导电膜层之间施加电压，从而在该等电位配线中产生电流，并且该等电位配线通过在其上产生的热量而被切断。
8、如权利要求6或7所述的制造静电电容式半导体物理量传感器的方法，其中，在所述第一步骤中，该等电位配线在其切断位置具有减小的配线宽度。
9、一种静电电容式半导体物理量传感器，其中，绝缘衬底和半导体衬底相互面对的周边区域(称为连接区域)接触以用于阳极连接，而该绝缘衬底和该半导体衬底具有在其间施加的阳极连接电压以通过阳极连接而结合为一体，并且在该绝缘衬底的连接面侧的表面上形成固定电极，以及在该半导体衬底的连接面侧的表面上形成可移动电极，其中在该连接区域的内侧、该绝缘衬底或该半导体衬底的连接面侧的表面上形成使该固定电极短接于该可移动电极的等电位配线，从而防止该等电位配线被直接夹在该绝缘衬底和该半导体衬底之间；以及该等电位配线具有在阳极连接之后通过对该等电位配线施加激光辐射或电流而能够被切断的结构。
权利要求
1.一种制造静电电容式半导体物理量传感器的方法，其中，绝缘衬底和半导体衬底相互面对的周边区域(称为连接区域)接触以用于阳极连接，而该绝缘衬底和该半导体衬底具有在其间施加的阳极连接电压以通过阳极连接而结合为一体，并且在该绝缘衬底的连接面侧的表面上形成固定电极，以及在该半导体衬底的连接面侧的表面上形成可移动电极，所述方法包括第一步骤，即在阳极连接之前，在该连接区域的内侧、该绝缘衬底的连接面侧的表面上形成等电位配线，以使该固定电极短接于该可移动电极；第二步骤，即进行阳极连接；以及第三步骤，即在阳极连接之后，切断并去除该等电位配线。
2.如权利要求1所述的制造静电电容式半导体物理量传感器的方法，其中，在所述第三步骤中，通过可以从该绝缘衬底穿过的激光辐射切断该等电位配线。
3.如权利要求1所述的制造静电电容式半导体物理量传感器的方法，其中，在所述第三步骤中，在该绝缘衬底中设置有用于该固定电极和该可移动电极的通孔，在显露于各所述通孔的底部的导电膜层之间施加电压，从而在该等电位配线中产生电流，并且该等电位配线通过在其上产生的热量而被切断。
4.如权利要求2或3所述的制造静电电容式半导体物理量传感器的方法，其中，在所述第一步骤中，该等电位配线在其切断位置具有减小的配线宽度。
5.一种制造静电电容式半导体物理量传感器的方法，其中，绝缘衬底和半导体衬底相互面对的周边区域(称为连接区域)接触以用于阳极连接，而该绝缘衬底和该半导体衬底具有在其间施加的阳极连接电压以通过阳极连接而结合为一体，并且在该绝缘衬底的连接面侧的表面上形成固定电极，以及在该半导体衬底的连接面侧的表面上形成可移动电极，所述方法包括第一步骤，即在阳极连接之前，在该连接区域的内侧、该半导体衬底的连接面侧的表面上形成等电位配线，以使该固定电极短接于该可移动电极；第二步骤，即进行阳极连接；以及第三步骤，即在阳极连接之后，切断并去除该等电位配线。
6.如权利要求5所述的制造静电电容式半导体物理量传感器的方法，其中，在所述第三步骤中，通过可以从该绝缘衬底穿过的激光辐射切断该等电位配线。
7.如权利要求5所述的制造静电电容式半导体物理量传感器的方法，其中，在所述第三步骤中，在该绝缘衬底中设置有用于该固定电极和该可移动电极的通孔，在显露于各所述通孔的底部的导电膜层之间施加电压，从而在该等电位配线中产生电流，并且该等电位配线通过在其上产生的热量而被切断。
8.如权利要求6或7所述的制造静电电容式半导体物理量传感器的方法，其中，在所述第一步骤中，该等电位配线在其切断位置具有减小的配线宽度。
9.一种静电电容式半导体物理量传感器，其中，绝缘衬底和半导体衬底相互面对的周边区域(称为连接区域)接触以用于阳极连接，而该绝缘衬底和该半导体衬底具有在其间施加的阳极连接电压以通过阳极连接而结合为一体，并且在该绝缘衬底的连接面侧的表面上形成固定电极，以及在该半导体衬底的连接面侧的表面上形成可移动电极，其中在该连接区域的内侧、该绝缘衬底或该半导体衬底的连接面侧的表面上形成使该固定电极短接于该可移动电极的等电位配线；以及该等电位配线具有在阳极连接之后通过对该等电位配线施加激光辐射或电流而能够被切断的结构。
全文摘要
在静电电容式半导体物理量传感器中，玻璃衬底和硅衬底相互面对的周边区域(连接区域)接触以用于阳极连接，而同时该玻璃衬底和该硅衬底具有在其间施加的阳极连接电压以结合为一体。在硅衬底的连接面侧的表面上形成固定电极，而在半导体衬底的连接面侧的表面上形成可移动电极。在阳极连接之前，在该连接区域内侧的玻璃衬底的连接面侧的表面上形成有等电位配线，其使固定电极短接于可移动电极，以作为针对阳极连接中放电的对策。在阳极连接之后，该等电位配线被切断并去除。通过以这种方式制造传感器，在绝缘衬底与半导体衬底阳极连接时，使绝缘衬底的固定电极与半导体衬底的可移动电极等电位，从而防止了放电的产生。因此，可以获得高连接力和所需的传感器特性，而不会引起连接空隙的产生和传感器芯片尺寸的增大。
文档编号H01L29/84GK1942746SQ20058001100
公开日2007年4月4日 申请日期2005年12月12日 优先权日2005年1月14日
发明者饭井良介, 境浩司, 石上敦史, 古久保英一 申请人:松下电工株式会社