JP2006030068A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 部品点数を削減しつつ、腐食防止を図ることができる圧力センサを提供する。
【解決手段】 ポリイミドアミド（ＰＥＡＩ）もしくはポリイミド（ＰＩＱ）などの有機系材料で構成される保護膜１４によって、少なくともＡｕ膜１３の表面および保護膜１１における開口部近傍を覆う。これにより、保護膜１４によって、Ａｕ膜１３の表面および保護膜１１における開口部近傍からの腐食媒体の通過を防ぐことが可能となる。したがって、Ａｌ膜１０が腐食媒体に触れることを防止することができ、Ａｌ膜１０が腐食されてしまうことを防止することが可能となる。このような圧力センサでは、メタルダイヤフラムやオイル、オイルをシールするためのＯリングといった部品が必要ないため、部品点数を削減しつつ、Ａｌ膜１０の腐食防止を図ることが可能となる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、配線の腐食防止を行える圧力センサに関するものであり、特に、センサチップが腐食性の液体に直接曝されるような形態で使用される圧力センサに適用して好適である。

センサチップが腐食性の液体に直接曝されるような形態で使用される圧力センサ、例えば、ディーゼル車の排気洗浄フィルタ（ＤＰＦ）の差圧計測やエンジンルーム（ＥＧＲ）雰囲気中での圧力測定などに適用される圧力センサでは、ボンディングが為されるパッドおよびワイヤがＡｌであるため、腐食の問題が発生し得る。

従来、特許文献１において、圧力センサにおけるチップとワイヤボンド部との腐食を防止するための構造（防腐食構造）が示されている。図８は、この特許文献１に示される防腐食構造の断面模式図である。

この図に示されるように、ダイヤフラムが形成されたセンサチップＪ１の表面に、酸化膜Ｊ２が形成されている。この酸化膜Ｊ２の上にはＡｌ膜Ｊ３が形成され、酸化膜Ｊ２に形成されたコンタクトホールを通じて、ダイヤフラムに形成されたゲージ抵抗などを含む電気回路とＡｌ膜Ｊ３とが電気的に接続された状態となっている。

また、このＡｌ膜Ｊ３を覆うようにＳｉＮ膜とＳｉＯ₂膜の２層からなる保護膜Ｊ４が形成されている。この保護膜Ｊ４には、Ａｌ膜Ｊ３の所望部分を露出させるように開口部が設けられており、この開口部から露出したＡｌ膜Ｊ３の所望部分の表面に、Ｔｉ膜などの金属膜Ｊ５が形成されている。この金属膜Ｊ５に対してワイヤＪ６をボンディングすることで外部に電気的に接続されるターミナルピンＪ７とセンサチップＪ１に形成された電気回路とが電気的に接続されている。

そして、センサチップＪ１とワイヤＪ６などがオイルＪ８内に入れられ、図示しない耐食性のあるメタルダイヤフラムによって封入されている。

このような構成によれば、センサチップ、ワイヤおよびワイヤと金属膜との接続部分などがオイル内に入れられた状態となるため、腐食を防止することが可能となる。
特許３１９８７７９号公報

しかしながら、上記特許文献１に示される構造では、メタルダイヤフラムやオイル、オイルをシールするためのＯリングといった部品が必要となり、部品点数の増加という問題に加え、それらの部品を組み立てる工程が煩雑になるという問題が発生する。また、これらの部品を搭載するためのスペースが必要になるために、圧力センサの小型化が図れないという問題もある。

本発明は上記点に鑑みて、部品点数を削減しつつ、腐食防止を図ることができる圧力センサを提供することを目的とする。また、圧力センサの小型化が図れる腐食防止構造を提供することも目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、第１保護膜（１１）から露出した第２金属膜（１３）の表面および第１保護膜（１１）における開口部近傍を、有機系材料で構成された第２保護膜（１４）で覆うようにすることを特徴としている。

このように、有機系材料で構成された第２保護膜（１４）によって、第２金属膜（１３）の表面および第１保護膜（１１）における開口部近傍からの腐食媒体の通過を防ぐことが可能となる。これにより、第１金属膜（１０、３０）が腐食媒体に触れることを防止することができ、第１金属膜（１０、３０）が腐食されてしまうことを防止することが可能となる。

このような圧力センサでは、メタルダイヤフラムやオイル、オイルをシールするためのＯリングといった部品が必要ないため、部品点数を削減しつつ、第１金属膜（１０）の腐食防止を図ることが可能となる。また、このような部品が必要とされないため、これらの部品を組み立てる工程も必要なくなるし、これらの部品を搭載するためのスペースも必要なくなり、圧力センサの小型化を図ることが可能となる。

例えば、第２保護膜（１４）としては、請求項２に示されるようにポリイミドアミド（ＰＥＡＩ）もしくはポリイミド（ＰＩＱ）を用いることが可能である。

請求項３に記載の発明では、第２金属膜（１３）は、第１金属膜（１０、３０）の表面全面に形成されており、第１保護膜（１１）は、第２金属膜（１３）も覆うように形成されていることを特徴としている。

このように、第２金属膜（１３）が第１金属膜（１０、３０）の表面全面に形成されるような形態のものに対しても、請求項１に記載の発明を適用することが可能である。このような形態の場合、第１金属膜（１０）の露出面積がより少なくなるため、より第１金属膜（１０）に腐食媒体が接することを防止することができる。

なお、請求項４に示されるように、第１金属膜としてＡｌ膜（１０）を適用でき、第２金属膜としてＡｕ膜（１３）を適用することができる。この場合、Ａｕ膜（１３）は例えばＴｉ膜（１２）を介してＡｌ膜（１０）の上に形成されることになる。また、請求項５に示されるように、第１金属膜としてＣｕ膜（３０）を適用することもできる。この場合、第２金属膜として用いられるＡｕ膜（１３）Ａｕ膜（１３）をＣｕ膜（３０）の表面に直接形成することが可能である。

請求項６に記載の発明では、第２保護膜（１４）は、第１保護膜（１１）の表面を全面覆っていることを特徴としている。

このように、第２保護膜（１４）を第１保護膜（１１）の表面全面を覆うように形成すれば、第１保護膜（１１）にホールがあったとしても、そのホールを通じて腐食媒体が第１金属膜（１０、３０）に接することを防止することができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
本発明の一実施形態を適用した圧力センサについて説明する。図１は、本実施形態の圧力センサ１の断面構造を示したものである。また、図１に示す圧力センサ１におけるワイヤボンド部近傍の拡大図を図２に示す。以下、これら図１、図２を参照して、本実施形態における圧力センサ１について説明する。

図１に示されるように、圧力センサ１は、センサチップ２、ガラス製台座３、上部ケース４、下部ケース５、ターミナル６およびＡｕワイヤ７とを有して構成されている。

センサチップ２は、ゲージ抵抗を含む電気回路およびダイヤフラムが形成された半導体基板８と、半導体基板８の表面に形成された酸化膜９と、酸化膜９に形成されたコンタクトホールを通じて電気回路に電気的に接続された配線となるＡｌ膜１０と、Ａｌ膜１０を覆うように形成されたＳｉＮ膜とＳｉＯ₂膜の２層からなる保護膜１１と、保護膜１１の開口部から露出したＡｌ膜１０の所望部分の表面に順にメッキされたＴｉ膜１２およびパッドとなるＡｕ膜１３とを備えた構成となっている。

このように、Ｎｉ膜１２の表面に耐食性の強いＡｕ膜１３をさらに形成した構成とすることで、腐食媒体となる溶液もしくはガスによって腐食されやすい被腐食材料となるＡｌ膜１０が腐食媒体と接触する可能性が少なくなるようにしている。

このようなセンサチップ２におけるＡｕ膜１３に、図２に示されるように、Ａｕワイヤ７がボンディングされている。そして、このボンディングされた部位を含め、少なくともＡｕ膜１３の表面および保護膜１１における開口部近傍がポリイミドアミド（ＰＥＡＩ）もしくはポリイミド（ＰＩＱ）などの有機系材料からなる保護膜１４で覆われている。

このセンサチップ２は、半導体基板８のうちダイヤフラムを構成する凹部側をガラス製台座３に接合したのち、接着剤１５によって下部ケース５に接着することで、固定されている。

また、下部ケース５は上部ケース４によって蓋閉めされるようになっている。そして、上部ケース４に形成された圧力導入孔４ａを通じて、上部ケース４および下部ケース５との間に形成される空間内に圧力検出対象となる流体が導入されるようになっている。

また、センサチップ２内の電気回路に電気的に接続されたＡｕワイヤ７が下部ケース５から外部に露出されるターミナル６に接続されている。これにより、ターミナル６を通じて外部との電気的接続が図れるようになっている。

このように構成される圧力センサ１では、上部ケース４の圧力導入孔４ａを通じて圧力検出対象となる流体が導入されると、その流体の圧力がセンサチップ２に印加される。これにより、ダイヤフラムが歪み、その歪に応じて半導体基板８に形成されたゲージ抵抗の抵抗値が変化する。この抵抗値変化が電気回路、Ａｌ膜１０、Ｔｉ膜１２、Ａｕ膜１３、Ａｕワイヤ７およびターミナル６を通じて外部に出力されることで、圧力検出を行うことが可能となる。

続いて、本実施形態の圧力センサ１の製造方法について、図３、図４、図５に示す圧力センサ１の製造工程図を参照して説明する。ただし、本実施形態の圧力センサ１のうち、センサチップ２に関する部分以外に関しては、従来と同様であるため、ここではセンサチップ２に関する部分についてのみ説明する。

まず、図３（ａ）に示す工程では、半導体基板８として、Ｐ型シリコン基板２０上にＮ＋型エピタキシャル（以下、エピと略す）層２１が形成されているものを用意する。そして、Ｐ型不純物をイオン注入すると共に、それを活性化してＰ型素子分離層２２を形成することによって、Ｎ＋型エピ層２１のアイソレーションを行う。

続く、図３（ｂ）に示す工程では、熱酸化により、半導体基板８の表面に酸化膜２３を形成する。そして、図３（ｃ）に示す工程では、フォトエッチングにより、Ｎ＋型エピ層２１の表面の所定部位において、酸化膜２３を除去する。そして、図３（ｄ）に示す工程では、酸化膜２３をマスクとしたＰ型不純物、例えばボロンのイオン注入を行ったのち、それを活性化させることでゲージ抵抗２４を形成する。

続いて、図４（ａ）に示す工程では、酸化膜２３を一旦除去したのち、必要に応じて犠牲酸化などを行い、その後、半導体基板８の表面に酸化膜９を形成する。そして、フォトエッチングによって酸化膜９の所望部分に開口部を形成したのち、酸化膜９の表面にＡｌ膜１０を形成し、フォトエッチングによってＡｌ膜１０をパターニングする。

図４（ｂ）に示す工程では、Ａｌ膜１０および酸化膜９の表面に保護膜１１を形成したのち、保護膜１１の所望部分をエッチングすることで、Ａｌ膜１０の所望位置を露出させる。

次に、図４（ｃ）に示す工程では、半導体基板８の裏面側からエッチングを行うことで、半導体基板８に凹部を形成し、ダイアフラムを構成する。そして、図４（ｄ）に示す工程において、半導体基板８のうち凹部が形成された側の面にガラス製台座３を接合する。

図５（ａ）に示す工程では、保護膜１１から露出したＡｌ膜１０の表面にＮｉ無電解メッキを施すことにより、Ｎｉ膜１２を形成する。また、図５（ｂ）に示す工程では、Ｎｉ膜１２の表面にＡｕ無電解メッキを施すことにより、Ａｕ膜１３を形成する。

続いて、図示しないが、ガラス製台座３と共にセンサチップ２を下部ケース５に搭載したのち、図５（ｃ）に示す工程において、Ａｕワイヤ７をボンディングすることにより、Ａｕ膜１３とＡｕワイヤ７とを接合する。そして、図５（ｄ）に示す工程において、ポリイミドアミド（ＰＥＡＩ）もしくはポリイミド（ＰＩＱ）などの有機系材料を塗布することによって保護膜１４を形成し、保護膜１４によって、少なくともＡｕ膜１３の表面および保護膜１１における開口部近傍が覆われる。本実施形態の場合、Ａｕワイヤ７、Ａｕ膜１３、Ａｕ膜１３と保護膜１１との境界部、および保護膜１１をすべて保護膜１４によって覆うようにしている。

以上説明した本実施形態の圧力センサ１では、Ｎｉ膜１２およびＡｕ膜１３をＡｌ膜１０の表面に形成することにより、Ａｌ膜１０が腐食媒体となる圧力検出対象と接触する確率を低下させている。しかしながら、Ａｕ膜１３と保護膜１１を構成するＳｉＮ膜との密着性は、腐食媒体の通過を防ぐのに十分ではない。また、配線となるＡｌ膜１０を覆う保護膜１１自体にホールが発生している場合がある。このため、配線となるＡｌ膜１０やパッドとなるＡｕ膜１３に対して、ボンディング後にゲルを塗布することが一般的であるが、本実施形態では、さらに、ポリイミドアミド（ＰＥＡＩ）もしくはポリイミド（ＰＩＱ）などの有機系材料で構成される保護膜１４によって、少なくともＡｕ膜１３の表面および保護膜１１における開口部近傍を覆うようにしている。

このため、有機系材料で構成された保護膜１４によって、Ａｕ膜１３の表面および保護膜１１における開口部近傍からの腐食媒体の通過を防ぐことが可能となる。これにより、Ａｌ膜１０が腐食媒体に触れることを防止することができ、Ａｌ膜１０が腐食されてしまうことを防止することが可能となる。

このような本実施形態の圧力センサでは、上記特許文献１に示されるように、メタルダイヤフラムやオイル、オイルをシールするためのＯリングといった部品が必要ないため、部品点数を削減しつつ、Ａｌ膜１０の腐食防止を図ることが可能となる。また、このような部品が必要とされないため、これらの部品を組み立てる工程も必要なくなるし、これらの部品を搭載するためのスペースも必要なくなり、圧力センサ１の小型化を図ることが可能となる。

さらに、本実施形態では、保護膜１４によって保護膜１１の表面も覆うようにしている。これにより、保護膜１１自体にホールが発生していたとしても、そのホールを通じてＡｌ膜１０が腐食媒体に曝されることを防止することが可能となる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、上記第１実施形態に対して、Ｔｉ膜１２およびＡｕ膜１３の形成方法を変更したものである。図６に、本実施形態の圧力センサ１におけるセンサチップ２の拡大断面図を示す。

この図に示されるように、Ａｌ膜１０の表面全面にＴｉ膜１２およびＡｕ膜１３が形成され、Ｔｉ膜１２およびＡｕ膜１３もＡｌ膜１０と共に、保護膜１１によって覆われた構成となっている。そして、ポリイミドアミド（ＰＥＡＩ）もしくはポリイミド（ＰＩＱ）などの有機系材料で構成される保護膜１４によって、少なくともＡｕ膜１３の表面および保護膜１１における開口部近傍を覆うようにしている。

このように、Ｔｉ膜１２およびＡｕ膜１３をＡｌ膜１０の表面全面に形成するような形態とされていても、第１実施形態と同様の効果を得ることが可能となる。そして、本実施形態のように、Ｔｉ膜１２およびＡｕ膜１３をＡｌ膜１０の表面全面に形成する場合、Ａｌ膜１０の露出面積がより少なくなるため、よりＡｌ膜１０に腐食媒体が接することを防止することができる。

なお、本実施形態に示した圧力センサ１のセンサチップ２は、第１実施形態に対して、保護膜１１の形成工程と、Ｔｉ膜１２およびＡｕ膜１３の形成工程を入れ替えるだけで製造可能である。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態は、上記第２実施形態に対して、Ａｌ膜１０をＣｕ膜に変更したものである。図７に、本実施形態の圧力センサ１におけるセンサチップ２の拡大断面図を示す。

この図に示されるように、第２実施形態のＡｌ膜１０（図６参照）に代えてＣｕ膜３０が配置されている。そして、Ｃｕ膜３０の表面に直接Ａｕ膜１３が形成された構成となっている。このように、Ａｌ膜１０に代えてＣｕ膜３０を用いる場合、Ｃｕ膜３０の上に直接Ａｕメッキを施すことができることから、第１実施形態で示したＴｉ膜１３（図６参照）は必要なくなる。

そして、本実施形態の圧力センサ１に関しても、ポリイミドアミド（ＰＥＡＩ）もしくはポリイミド（ＰＩＱ）などの有機系材料で構成される保護膜１４によって、少なくともＡｕ膜１３の表面および保護膜１１における開口部近傍を覆うようにしている。

このため、本実施形態のように、Ｃｕ膜３０を用いる形態としても、第１実施形態と同様の効果を得ることが可能となる。

なお、本実施形態に示した圧力センサ１のセンサチップ２は、第２実施形態で示した圧力センサ１のＡｌ膜１０の形成工程をＣｕ膜３０の形成工程として行い、Ｔｉ膜１３の形成工程を省略してＡｕ膜１３の形成工程を行うだけで製造可能である。ただし、本実施形態の場合、Ａｕ膜１３の形成工程は例えばスパッタによって行われ、Ｃｕ膜３０およびＡｕ膜１３を共にスパッタによって形成したのち、これらを共にエッチングによってパターニングすることで、図７に示される構造となる。

（他の実施形態）
上記各実施形態では、圧力検出対象が腐食媒体となる溶液やガスである場合を例に挙げたが、もちろん、圧力検出対象が腐食媒体になり難い溶液やガスとなるものに適用される圧力センサに対しても、本発明を適用しても構わない。

第３実施形態では、第２実施形態の圧力センサ１におけるＡｌ膜１０をＣｕ膜３０に変更する例を挙げて説明したが、もちろん、第１実施形態の圧力センサ１におけるＡｌ膜１０をＣｕ膜３０に変更しても同様の効果を得ることが可能である。

本発明の第１実施形態にかかる圧力センサの断面構成を示す図である。 図１に示す圧力センサにおけるワイヤボンド部近傍の拡大図である。 図１に示す圧力センサの製造工程を示す図である。 図３に続く圧力センサの製造工程を示す図である。 図４に示す圧力センサの製造工程を示す図である。 本発明の第２実施形態にかかる圧力センサにおけるワイヤボンド部近傍の拡大図である。 本発明の第２実施形態にかかる圧力センサにおけるワイヤボンド部近傍の拡大図である。 従来の圧力センサにおける防腐食構造の断面模式図である。

符号の説明

１…圧力センサ、２…センサチップ、３…ガラス製台座、４…上部ケース、５…下部ケース、６…ターミナル、７…ワイヤ、８…半導体基板、９…酸化膜、１０…Ａｌ膜、１１…保護膜、１２…Ｔｉ膜、１３…Ａｕ膜、１４…保護膜、３０…Ｃｕ膜。

Claims (6)

1. ダイヤフラムが形成されていると共に、前記ダイヤフラムにゲージ抵抗を含む電気回路が形成された半導体基板（８）と、
   前記半導体基板（８）の表面に形成され、前記電気回路の所望部分を露出させるコンタクトホールが形成されてなる絶縁膜（９）と、
   前記絶縁膜（９）の上に形成され、前記絶縁膜（９）に形成されたコンタクトホールを通じて前記電気回路と電気的に接続されてなる第１金属膜（１０、３０）と、
   前記第１金属膜（１０、３０）の上に形成された耐腐食性の第２金属膜（１３）と、
   前記第１金属膜（１０、３０）を覆いつつ、前記第２金属膜（１３）の所望部分を露出させる開口部が形成されてなる第１保護膜（１１）と、
   前記第２金属膜（１３）のうち、前記第１保護膜（１１）から露出している部分にボンディングされたワイヤ（７）と、
   前記第１保護膜（１１）から露出した前記第２金属膜（１３）の表面および前記第１保護膜（１１）における開口部近傍を覆う有機系材料で構成された第２保護膜（１４）とを備えていることを特徴とする圧力センサ。
2. 前記第２保護膜（１４）は、ポリイミドアミド（ＰＥＡＩ）もしくはポリイミド（ＰＩＱ）で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記第２金属膜（１３）は、前記第１金属膜（１０、３０）の表面全面に形成されており、
   前記第１保護膜（１１）は、前記第２金属膜（１３）も覆うように形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の圧力センサ。
4. 前記第１金属膜はＡｌ膜（１０）であり、
   前記第２金属膜はＡｕ膜（１３）であり、該Ａｕ膜（１３）はＴｉ膜（１２）を介して前記Ａｌ膜（１０）の上に形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の圧力センサ。
5. 前記第１金属膜はＣｕ膜（３０）であり、
   前記第２金属膜はＡｕ膜（１３）であり、該Ａｕ膜（１３）は前記Ｃｕ膜（３０）の表面に直接形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の圧力センサ。
6. 前記第２保護膜（１４）は、前記第１保護膜（１１）の表面を全面覆っていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の圧力センサ。

Images