高感度硬さ検出センサの製作

図 5.9に高感度硬さ検出センサのプロセスフローを示す。本デバイスの製作工程は大きく 分割すると3つの工程で区分される，１つ目は，SOIウェハ活性層上に拡散層を形成し，加 重検出回路を作成する。２つ目は，SOIウェハ支持基板層をICP-RIE装置を用いることで垂 直異方性エッチングし，シリコンダイヤフラム，接触子，基準面構造をそれぞれ形成する。

最後に，紫外線硬化樹脂による構造を回路上に形成することにより，実装時のチャンバー構 造および，配線取り出し口を確保する。

(a) 荷重検出回路の形成

(b) シリコンダイヤフラムおよびシリコン接触子の形成

(c) 配線取り出し構造の形成

図 5.9 高感度硬さ検出センサの製作プロセスフロー

Silicon

抵抗・配線

Silicon

接触構造

Silicon

SU-8

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5.5.2 センサデバイスの一次試作

前節のプロセスによってセンサデバイスの一次試作を行った。プロセスを進行する際，以 下の問題が発生し，まず，ICP-RIEによるSiエッチングを行った。エッチング自体は問題な く終了したが，ICP-RIE終了後に，回路面の保護膜を硫酸過水によって除去する際，レジス トが変質し除去できない部分が現れ，その部分の電気的なコンタクトを取るのが難しい状 態となってしまった。この問題の対策としては，レジストの除去方法をリムーバーやRIEに 変更することで，改善の可能性があり，二次試作においては，より回路面へのダメージが少 ない，リムーバーでの除去を行うこととした。本来の工程では，この後中間酸化膜の除去を 行うが，BHFによるエッチング中の保護膜剥離の可能性を懸念して，省略した。

続いて，SU-8 による支持基板形成工程を行った。ここでは，スプレーコータを用いて

180µm程度のSU-8膜を形成し，電極取り出し口の形成を行うが，リソグラフィーの合わせ

工程時に，SU-8 膜の膜厚によって，基板表面と，マスク表面に同時に焦点を合わせること ができず，アライメントの成功率が減少した。この問題は，基板裏面のパターンにアライメ ントマークを設けることで，各表面に同時に焦点を合わせられるようになるため，解決が可 能となる。また，露光後の現像工程において，感度向上ため直径を1490µm以上に大きくと ったダイヤフラムを持ったデバイスは，現像時の超音波振動にダイヤフラムが共振し，半分 以上が破損する結果となった。現像時に超音波を使用しないとそもそも現像が完了しなく なるため，次回の設計に反映する必要がある。

さらに，電極取り出しパターンの現像は他のパターンに比べて現像面積が小さいため，現 像の進行が遅く，このパターンが全て現像されるまで現像を続けることを試みると，SU-8 膜自体が剥離してしまう問題が発生した，二次試作以降においては，SU-8 塗布前に O2 ア ッシングや表面のHDMS処理を行い，SU-8とシリコン基板間の密着の改善を行うこととし た。最終的な製作結果としては，歩留まりが1%であり，評価に必要なサンプル数の確保が 難しいため，上記の問題を改善して，二次試作を行った。

図 5.10 SU-8現像時にダイヤフラムが破断したセンサチップの一例

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5.5.3 二次試作

前節の一次試作においては，センサデバイスの歩留まりは1%であり，この向上を目指し て，二次試作を行った。二次試作においては，シリコンエッチング終了後の回路保護膜除去 法の変更。合わせ誤差低減および，SU-8現像時のダイヤフラム破断を防ぐための設計変更。

SU-8塗布時の密着改善プロセスの導入のそれぞれを変更し，試作を行った。

中間酸化膜の除去工程について，界面活性剤を含んだBHFで70minのエッチングを試み たが，図5-3に示すように，酸化膜にはほとんど変化が見られず，エッチングを断念するこ ととした。

シリコンエッチング終了後の回路保護膜除去に関して，リムーバーと硫酸過水を順次行 うことで，除去が可能であることが分かった。また，設計変更により，合わせ精度と SU-8 現像時におけるダイヤフラムの破断は50%から25%程度まで大きく改善された。SU-8構造 の密着は，塗布前のO2アッシング処理により改善し，パターンの現像を終えることができ た。

しかしながら，チップを切り出すためのダイシング工程において，切削水がダイヤフラム を破断させるという問題が発生し，最終的な歩留まりは，2%程度となった。

(a)初期状態 (b)BHF-Uによる70minエッチング後 図 5.11 中間酸化膜除去実験の結果

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5.5.4 三次試作

ここまでの試作では，SU-8の塗布はスプレーコータを用いて行っているが，より一般的な プロセスであるスピンコータによるSU-8構造の形成を行うため，予備実験を行った。必要 なSU-8層の膜厚は，使用する配線の直径100µmの1。5倍である150µmを目標値とする。

このSU-8厚膜を得るために行った工程の詳細を表5-1に示す。学部までで行っていた成膜 条件からの変更点は，赤で示している。

表 5.2 形成に用いた条件

スピンコータを用いた100µm以上の圧膜塗布を行う場合，ソフトベーク（プリベーク）を 行った後にもう一度と塗布を行う方法が一般的である。このとき，一層目の塗布を行う際の 前処理である，硫酸過水洗浄とO2アッシングを行うと，一層目のSU-8をエッチングして しまう。しかしながら，この処理を行わないと，ベーク後硬化しているSU-8表面が疎水性 であるために，二層目に塗布したSU-8を弾いてしまう。今回はその対策として，メーカー が推奨しているHMDS処理（プライマー）を行った。また，ソフトベーク時間については 十分に溶剤を揮発させる時間以上のベークであればいいので，多めに時間を確保した。また，

前回の試作では露光量不足によるパターン下部の痩せが確認されており，これを改善する ため露光量を200mJから500mJへと上方修正して実験を行った。さらに現像工程について は，共振によるダイヤフラム破損を想定し，超音波刺激を使用せずに，長時間かけて行った。

実験の結果，HMDS処理を行うことによって二層目と一層目のSU-8が弾きあわず，比較

SPM 5min

O2アッシング 10min SU-8 3050塗布

500rpm 15sec

2000rpm 30sec

プリベークⅠ　65℃ 5min プリベークⅡ　95℃ 3h SU-8 3050塗布

プライマー塗布

ベーク　95℃ 5min

500rpm 15sec

2000rpm 30sec

プリベークⅠ　65℃ 5min プリベークⅡ　95℃ 6h

露光 500mJ/cm^2

ポストベークⅠ　65℃ 1min ポストベークⅡ　95℃ 5min

現像 30min

リンス 20min

ハードベーク65～200℃ 60min

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的均一な面での塗布が行えた。また，露光量上昇により，パターン下部まで5µm以上の痩 せが発生することなくパターン形成に成功した。現像時間を多くとることで，両パターンの 現像が破断なくほとんど完了した。

上記3点は以前に比べ改善した。また，必要な膜圧を得る条件として，2000rpmでの塗布を 3度繰り返した場合に，約160µmの高さをもった構造を形成できた。

前節までの各実験結果をフィードバックしたプロセスで三次試作を行った結果，最終的 な歩留まりは 60%程度まで向上した。ここで，評価実験に十分必要なサンプル数が確保で きたので，試作実験を終了した。図 5.12は製作を行ったセンサチップ写真である。

図 5.12 完成した硬さ検出デバイスのセンサチップ写真

2300 µ m

2550 µ m

1mm Contact-tip

Reference Plane

Terminal

Diaphragm

Detection Circuit

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