(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
環境力を測定するセンサであって、
末梢端（５０）と、
基部端（７５）と、
基材ウェーハ（３００）において該基材ウェーハ（３００）の上面から該基材ウェーハ（３００）の外面まで延在する通気孔空洞（３３０）であって、当該基材ウェーハ（３００）の第１の上面の前記末梢端の近傍に配置された開口と、前記基部端の近傍に配置された前記外面の出口とを接続する通路を含む通気孔空洞（３３０）とを有し、
前記通路は、前記基材ウェーハの第２の上面を形成する有底の部分と、前記有底の部分を深堀した出口部分とを含み、
底面が前記基材ウェーハ（３００）の前記第１の上面に接着された状態で、前記通路により形成された前記底面の一部と前記基材ウェーハの前記第２の上面の一部との間の空間が、前記深堀した出口部分を通じて前記外面の出口に繋がる埋設通路となっている第一のデバイス層（２１０）と、
前記第一のデバイス層（２１０）を通して前記通気孔空洞（３３０）まで延在する隔膜空洞（２３０）と、
前記隔膜空洞（２３０）を覆う隔膜（１３０）を形成するように底面が前記第一のデバイス層（２１０）の上面に接着されている第二のデバイス層（１１０）と、
前記第二のデバイス層（１１０）において、前記隔膜（１３０）の曲げを感知するように前記隔膜（１３０）の近傍に設けられている感知素子（１４０）と
を備えたセンサ。
【請求項２】
前記第二のデバイス層（１１０）に形成され、前記通気孔空洞の上部の領域から、前記隔膜から側方に離れるように延在する相互接続路（４００）であって、前記感知素子と当該センサの前記基部端とを電気的に接続する導体を取り付ける相互接続路をさらに含んでいる請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
前記第一のデバイス層（２１０）の一部を通り、前記第二のデバイス層（１１０）の一部を通って延在する相互接続路（４００）をさらに含んでいる請求項１に記載のセンサ。
【請求項４】
前記基材ウェーハ（３００）はシリコン積載絶縁体型ウェーハからのデバイス層を含んでいる、請求項１に記載のセンサ。
【請求項５】
前記環境力は差圧である、請求項１に記載のセンサ。
【請求項６】
前記通気孔空洞（３３０）は、当該センサの内部で前記隔膜空洞（２３０）から前記基材ウェーハ（３００）の側面を通って延在する中空の空洞を含んでいる、請求項１に記載のセンサ。
【請求項７】
前記通気孔空洞（３３０）は、当該センサの内部で前記隔膜空洞（２３０）から前記基材ウェーハ（３００）の側面及び前記底面の両方を通って延在する中空の空洞を含んでいる、請求項１に記載のセンサ。
【請求項８】
前記通気孔空洞（３３０）は、当該センサの内部で前記隔膜空洞（２３０）から前記基材ウェーハ（３００）の前記底面を通って延在する中空の空洞を含んでいる、請求項１に記載のセンサ。
【請求項９】
前記隔膜の上面は、当該センサの外部環境に直接曝され、前記隔膜の底面は、前記隔膜空洞および前記通気孔空洞を介して当該センサの外部環境に直接曝されている、請求項１に記載のセンサ。
【請求項１０】
環境力を測定するセンサであって、
基材ウェーハ（３００）において、当該基材ウェーハ（３００）の第１の上面の開口から、通路によって接続され、当該基材ウェーハ（３００）の外面の出口まで延在する通気孔空洞（３３０）を有し、
前記通路は、前記基材ウェーハの第２の上面を形成する有底の部分と、前記有底の部分を深堀した出口部分とを含み、
さらに、底面が前記基材ウェーハ（３００）の前記第１の上面に接着された状態で、前記通路により形成された前記底面の一部と前記基材ウェーハの前記第２の上面の一部との間の空間が、前記深堀した出口部分を通じて前記外面の出口に繋がる埋設通路となっている第一のデバイス層（２１０）と、
前記第一のデバイス層（２１０）を通して前記通気孔空洞（３３０）まで延在する隔膜空洞（２３０）と、
前記隔膜空洞（２３０）を覆う隔膜（１３０）を形成するように底面が前記第一のデバイス層（２１０）の上面に接着されている第二のデバイス層（１１０）とを有し、
前記隔膜の上面は、当該センサの外部環境に直接曝され、前記隔膜の底面は、前記隔膜空洞と前記埋設通路を含む前記通気孔空洞とを介して当該センサの外部環境に直接曝されており、
前記隔膜（１３０）の曲げを感知するように前記第二のデバイス層（１１０）において前記隔膜（１３０）の近傍に設けられている感知素子（１４０）
を備えたセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本書の主題は一般的には、機械的応力、化学機械的応力、熱応力、及び電磁場等から発生される微小な力又は曲げを検出するのに用いられ得る半導体微小電気機械（ＭＥＭＳ）方式のセンサ構成に関する。さらに具体的には、本書に開示される主題は、ＭＥＭＳ方式の圧力センサ、及び該センサを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体微小電子センサ及びＭＥＭＳ方式センサの進歩によって、かかるセンサの寸法及び費用が大幅に縮小した。シリコン・マイクロセンサの電気的特性及び機械的特性は、従来十分に記述されている。シリコン微細加工技術及び半導体微小電子技術は成長してセンサ業界を活性化し、多数の実用的応用を生み出した。例えば、微細加工されたシリコン圧力センサ、加速センサ、流量センサ、湿度センサ、マイクロホン、機械的発振器、光学式及びＲＦ式の開閉器及び減衰器、マイクロバルブ、インク・ジェット・プリント・ヘッド、並びに原子間力顕微鏡探針等が周知であり、医療、航空宇宙、製造業及び自動車等の大型市場の様々な応用に参入している。シリコンは、強度、弾性及びレジリエンスが大きいため共振構造の理想的な基本材料となっており、例えば電子式の周波数制御構造又はセンサ構造に有用であり得る。腕時計、スキューバ・ダイビング用装備品及び掌中型タイヤ空気圧ゲージのような民生品にもシリコン微細加工センサが内蔵されている場合がある。
【０００３】
シリコン・センサの利用分野は拡大し続けており、シリコン・センサに対する需要は、特定の環境及び応用向けに最適化された新たな及び異なるシリコン・マイクロセンサの幾何学的形状及び構成に対する必要性を絶えず喚起している。残念ながら、従来のバルク・シリコン微細加工手法の欠点は、得られるシリコン微細構造体の外形及び幾何学的形状が、製造方法によって著しく限定されていることである。例えば、従来のエッチング手法によるシリコン構造のエッチングは、部分的にはシリコン基材の結晶配向によって制約されており、このため多くの望まれる構造の幾何学的形状及び小型化の試みが限定されている。
【０００４】
マイクロセンサによって圧力を測定する用途は増大し続けており、例えばキャパシタとして、また静電力を発生するために用いられる小型のシリコン・プレート構造の開発を促している。例えば、櫛形ポリシリコン・プレートのアレイを用いてキャパシタンスを測定するマイクロセンサが存在する。同様に、成層プレートのアレイを用いて静電力を発生するマイクロセンサが存在する。さらに、圧力又は加速のような力に応答するシリコン構造の曲げすなわち屈曲を測定するマイクロセンサが存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第４２７４４２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
マイクロセンサを用いた生物学的パラメータの測定は、診断目的及び患者監視目的の両方について益々普及し重要なものとなっている。幾つかの応用では、生体内カテーテル先端型圧力センサを用いて、絶対圧、又は大気圧のような所与の参照圧力に基づく差圧の何れかを測定する。例えば、差圧用カテーテル先端型圧力センサを用いて、人間の呼吸を大気圧に関する呼吸系の内部の圧力変化に基づいて測定することができる。一般的には微小電気機械デバイス、具体的にはカテーテル先端型圧力センサの利用分野は拡大し続けており、さらに小型のデバイスに対する需要を生み出している。残念ながら、小さい圧力変化にも高感度でありながら実効的に大量に製造され得るさらに小型のデバイスを製造することは困難になっている。
【０００７】
従来の製造手法を通じて製造されるセンサは、寸法及びパッケージ形状に関して限定されている。例えば、カテーテル先端型圧力センサは細長い性質であるため、電気的接続がセンサの一方の端部、典型的には挿入されない方の端部から、デバイスの感知部分まで延在している必要がある。これらの接続は、得られるデバイスの寸法及び形状に悪影響を及ぼし得る。加えて、装置の寸法が小さく、用いられる幾何学的形状が細い性質であるため、かかる微小機械デバイスを製造する従来の手法には、製造工程時の破損及び現場での信頼性の低下のリスクがある。例えば、差圧用カテーテル先端型圧力センサは参照圧力に対する圧力を測定するため、センサから外部の参照圧力への通気孔（vent）を設けなければならない。この通気孔の配設は典型的には、チップの裏面に沿って電気的接続と平行にカテーテル先端まで通る微細な毛細管を通じて行なわれる。しかしながら、この構成のため、センサのパッケージ形状が太くなったり、通気孔が測定時に狭まって詰まったりする場合がある。他の製造手法では、チップの辺の一つに位置する通気孔の口を通ってチップを出る側面通気孔構成を用いるが、鋸引き等によって通気孔の口を作製する付加的な加工ステップが必要となり、通気孔の口に破砕屑が入ったり、精度及び信頼性の両方が低下したりする場合がある。
【０００８】
寸法が小型であるばかりでなく、実効的に大量に製造され得る高感度圧力センサを製造する方法を提供すると有利である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
センサ、及びセンサを製造する方法が開示され、このセンサは一実施形態では、基材ウェーハにおいて基材ウェーハの上面から基材ウェーハの外面まで延在する通気孔空洞と、底面が基材ウェーハの上面に接着されている第一のデバイス層と、第一のデバイス層を通して通気孔空洞まで延在する隔膜（ダイヤフラム）空洞と、隔膜空洞を覆う隔膜を形成するように底面が第一のデバイス層の上面に接着されている第二のデバイス層と、隔膜の曲げを感知するように第二のデバイス層において隔膜の近傍に設けられている感知素子とを含んでいる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
本発明の特徴が理解され得るような態様で幾つかの実施形態を参照して本発明の詳細な説明を提供することができ、実施形態の幾つかは添付図面に示される。但し、図面は本発明の幾つかの実施形態のみを示し、従って、本発明の範囲は他の同等に実効的な実施形態を包含しているため図面は発明の範囲を限定しないものと考えられたい。図面は必ずしも縮尺通りではなく、発明の幾つかの実施形態の特徴を説明することを一般に主眼とする。従って、本発明のさらに十分な理解のためには、以下の詳細な説明を図面と共に読んで参照することができる。
【図１】本発明の一実施形態での例示的な差圧センサの断面図である。
【図２】本発明の一実施形態での差圧センサを作製するのに用いられる２個の例示的なシリコン積載絶縁体型デバイス・ウェーハ、及び例示的な基材ウェーハの断面図である。
【図３】本発明の一実施形態での埋め込み型通気孔を示す差圧センサの例示的な上面図である。
【図４】本発明の一実施形態での通気孔を有する基材ウェーハを第一のデバイス層に接着し、隔膜空洞を有するこの第一のデバイス層を第二のデバイス・ウェーハに接着した状態での例示的な基材ウェーハの図である。
【図５】本発明の一実施形態でのエッチングされた側面通気孔を有する例示的な基材ウェーハの図である。
【図６】本発明の一実施形態でのエッチングされた側面及び底面通気孔を有する例示的な基材ウェーハの図である。
【図７】本発明の一実施形態でのエッチングされた底面通気孔を有する例示的な基材ウェーハの図である。
【図８】本発明の一実施形態での通気孔を有する基材ウェーハを第一のデバイス層に接着し、隔膜空洞を有するこの第一のデバイス層を相互接続路、感知素子及び相互接続を有する第二のデバイス層に接着した状態での例示的な基材ウェーハの図である。
【図９】本発明の一実施形態での差圧センサを製造する例示的な工程フローの図である。
【図１０】本発明の一実施形態での差圧センサの基部側面の例示的な断面図である。
【図１１】本発明の一実施形態での例示的な絶対圧センサの図である。
【図１２】本発明の一実施形態での絶対圧センサを製造する例示的な工程フローの図である。
【図１３】本発明の一実施形態での絶対圧センサの基部側面の例示的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
例示的な微細加工圧力センサが、シリコン構造の内部に空洞を形成し、空洞に隣接して隔膜を形成することにより作製され得る。差圧センサの実施形態では、空洞は、センサの外部からセンサの側面、底面、又は側面及び底面の組み合わせの何れかを通じて当該空洞への通気を提供する通気孔に接続される。選択された参照圧力に対して測定を行なう絶対圧センサの場合には、空洞は真空圧又は選択された内部圧力に保たれ得る。圧力センサは、隔膜の曲げを感知すること、例えば隔膜の前面に作用する圧力が隔膜を内向きに撓ませる圧力がどの程度かを感知することにより、圧力を測定する。隔膜の辺の近くに形成される１又は複数の感知素子が典型的には、隔膜の曲げ又は撓みを感知する。
【００１２】
図１は、本発明の一実施形態での底面通気孔空洞３３０を有する差圧センサ１０の例示的な断面図である。圧力センサ１０は、デバイスの圧力感知素子を収容した末梢端５０を有することができ、圧力感知素子は一実施形態では、圧力測定値を取得するために媒体、例えば患者の呼吸系に挿入自在であり得るカテーテルの先端を構成している。圧力センサ１０はまた、圧力測定値を読み取って処理する他のデバイスと電気的に結合することが可能であり得る基部端７５を有し得る。
【００１３】
圧力センサ１０は、共に加工されて接着される３個のウェーハ、例えば２個のシリコン積載絶縁体型（ＳＯＩ）半導体ウェーハ及び１個の両面研摩（ＤＳＰ）半導体ウェーハ、又は３個のＳＯＩウェーハを用いて製造され得る。図２は、本発明の一実施形態での３個の例示的な開始ウェーハを示す。デバイス・ウェーハ１００及び２００はＳＯＩウェーハであってよく、それぞれデバイス層１１０及び２１０、絶縁体層１１５及び２１５、並びにハンドル層１２０及び２２０を有する。デバイス層１１０は、一実施形態では厚みが１μｍから１０μｍでありｎ型ドーピングを有し得る単結晶シリコン基材であってよい。デバイス層２１０は、一実施形態では特定の設計仕様に合致するように選択された厚みでありｎ型ドーピング又はｐ型ドーピングを有し得る単結晶シリコン基材であってよい。ＳＯＩウェーハの様々な層の厚みは、従来のＳＯＩチップ製造手法を用いて正確に設定されることができ、各層の正確な厚みが圧力センサ１０の後の動作特性を決定するように選択され得る。このことについては後にあらためて説明する。絶縁体層１１５及び２１５は一実施形態では、二酸化ケイ素であってよく、厚みが０．０５μｍから１．０μｍにわたり得る。ハンドル層１２０及び２２０は、製造工程時にそれぞれデバイス・ウェーハ１００及び２００を把持するために用いられ、絶縁体層１１５及び２１５がそれぞれデバイス層１１０及び２１０とハンドル層１２０及び２２０との間に配置されるように位置し得る。ハンドル層１２０及び２２０は、例えば厚みが２００μｍから６００μｍのｎ型シリコン又はｐ型シリコンから成っていてよい。一実施形態では、基材ウェーハ３００は、一実施形態では厚みが３００μｍから６００μｍでありｎ型ドーピング又はｐ型ドーピングを有し得る両面研摩シリコン・ウェーハであってよい。他の実施形態では、基材ウェーハ３００は、第三のＳＯＩウェーハであってよい。合わせると、圧力センサ１０を構成する様々な層の厚みは、デバイスの全厚が一実施形態では３９０μｍ以下となり得るように選択され得る。
【００１４】
図１に戻り、圧力センサ１０は、デバイス層１１０、デバイス層２１０及び基材ウェーハ３００で構成され得る。１又は複数の感知素子１４０、例えばｐ型ピエゾ抵抗感知素子が、シリコン構造の曲げを感知するために最大の効果が得られるようにデバイス層１１０の内部に打ち込まれ又は拡散され得る。圧力センサ１０はまた、例えば二酸化ケイ素層、窒化ケイ素層、又は両者の組み合わせから成っていてよい不動態化層１７０及び４７０を含み得る。不動態化層１７０及び４７０は、製造時及び動作時の圧力センサ１０に対する絶縁及び保護を提供し得る。デバイス層１１０の上に形成された１又は複数の相互接続（インタコネクト）１５０が、１又は複数の感知素子１４０を圧力センサ１０の外部に電気的に結合し得る一方、１又は複数の金属化層１６０が相互接続１５０と圧力センサ１０の基部端７５との間の電気的接続を提供することができ、圧力センサが、例えば鉛接着を通じて他のデバイス又は接続に電気的に結合され得るようにしている。
【００１５】
図１及び図３を参照して、本発明の一実施形態での例示的な差圧センサ１０及び該センサ１０の動作について説明する。図３は、差圧センサ１０の例示的な上面図であって、本発明の一実施形態での埋め込み型通気孔空洞３３０を示す。図３の点線は、圧力センサ１０の内部で通気孔３３０を形成する例示的な埋め込み構造を示し、図３の破線は、圧力センサ１０の内部に埋め込まれた例示的な隔膜空洞２３０を示す。圧力センサ１０は、基材ウェーハ３００とデバイス・ウェーハ１１０との間に接着されているデバイス層２１０に形成された隔膜空洞２３０を覆ってデバイス層１１０に形成された薄く加工された構造又は隔膜１３０の曲げを測定することにより動作する。隔膜は、圧力センサ１０の曲げ構造となる。通気孔空洞３３０は、隔膜空洞２３０に接続された通気孔陥凹３３２から開始して基材ウェーハ３００を通り外部に開放した通気孔出口３３５まで延在する中空の通気孔通路３３３を通じて隔膜空洞２３０を圧力センサ１０の外部に接続する。隔膜１３０に上から加わる圧力が変化するのに伴って、隔膜１３０は通気孔出口３３５の圧力に対して隔膜空洞２３０に接近したり隔膜空洞２３０から遠ざかったりするように撓む。圧力センサ１０の構造は細長いので、圧力センサ１０は、隔膜１３０を構成する圧力センサ１０の部分が媒体、例えば患者の呼吸系又は血流に挿入され得るようなカテーテル先端型圧力センサとして作用することが可能になり、通気孔出口３３５は外部の圧力勾配、例えば大気圧に露出されたままであるため、これにより差圧測定を提供する。
【００１６】
隔膜１３０は隔膜空洞２３０に対して、隔膜１３０に加わる圧力から予測可能な方法で撓む。隔膜１３０の曲げは、デバイス層１１０において隔膜１３０の辺に又は辺の近くに形成されている１又は複数の感知素子１４０によって検出され得る。ピエゾ抵抗感知素子を用いる一実施形態では、ホイートストン・ブリッジ回路等のような回路を介して感知素子１４０の抵抗を決定することができ、かかる回路は、１又は複数の相互接続１５０を用いて、相互接続１５０からデバイス層１１０又はデバイス層１１０及び２１０の両方に形成された相互接続路４００を通って圧力センサ１０の基部端７５まで延在し得る１又は複数の金属化層１６０に取り付けられて相互接続される。電気的インタフェイス又は他のかかるデバイスを金属化層１６０の辺に取り付けて、圧力センサ１０を他のデバイスと電気的に連絡するようにすることができる。ピエゾ抵抗感知素子の抵抗は隔膜１３０の曲げと共に変化する。このようにして、感知素子１４０のピエゾ抵抗の抵抗測定値を用いて隔膜１３０の曲げの量を決定することができ、これによりセンサに加わる圧力を決定することができる。
【００１７】
図１に示すもののようなシリコン・センサを製造する例示的な工程を、図１から図１０までを参照して説明する。図９は、本発明の一実施形態での差圧センサ１０を製造する例示的な工程フローである。図９のステップ５０１では、圧力センサ１０の通気孔空洞３３０を共に形成し得る通気孔陥凹３３２、通気孔通路３３３及び通気孔出口３３５を、深堀り反応性イオン・エッチング（ＤＲＩＥ）を用いた乾式エッチング、又は水酸化カリウム（ＫＯＨ）か水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）若しくは他のシリコン・エッチング液等による湿式エッチングのような標準的な半導体エッチング手法を用いて、基材ウェーハ３００の基材上面３１０に形成することができる。一実施形態では、第一のエッチングを行なって通気孔陥凹３３２及び通気孔通路３３３を形成し、続いて第二のエッチングを行なって通気孔出口３３５を形成する。
【００１８】
図５から図７に示すように、様々なエッチング形状を用いて、基材ウェーハ３００の基材上面３１０に陥凹を形成し、様々な通気孔空洞構成を達成することができる。図５に示す一実施形態では、通気孔空洞３３０は、通気孔出口３３５が基材ウェーハ３３０の側面に開口を形成しているような側面通気孔構成であり得る。底面通気孔空洞３３０構成又は側面／底面を組み合わせた通気孔空洞３３０構成を有する他の実施形態では、後の製造ステップが、基材ウェーハ３００を薄く加工して通気孔出口３３５を差圧センサ１０の外部に露出させることを含み得る。例えば、底面通気孔及び側面／底面通気孔の実施形態では、基材ウェーハ３００の基材底面３２０を図６及び図７に示す厚み示線３５０まで除去することができる。図６に示す実施形態では、基材ウェーハ３００の基材底面３２０を厚み示線３５０まで薄く加工すると、開口を基材ウェーハ３３０の側面及び底面の両方に設けた側面／底面通気孔空洞３３０が形成される。図７に示すもう一つの実施形態では、基材ウェーハ３００の基材底面３２０を厚み示線３５０まで薄く加工すると、開口を基材ウェーハ３００の基材底面３２０に設けた底面通気孔が形成される。
【００１９】
図４は、本発明の一実施形態での通気孔空洞３３０を有する基材ウェーハ３００を第一のデバイス層２１０に接着し、隔膜空洞２３０を有するこの第一のデバイス層２１０を第二のデバイス・ウェーハ１００に接着した状態での例示的な基材ウェーハ３００である。図４及び図９を参照して述べると、製造工程のステップ５０２は、従来のシリコン溶融接着手法を用いて基材ウェーハ３００の基材上面３１０にデバイス・ウェーハ２００のデバイス層２１０を接着することであり得る。一つの例示的な溶融接着手法では、向かい合った表面を親水性にすることができる。すなわち、各表面を強い酸化剤で処理して表面に水を付着させることができる。次いで、２個のウェーハを、接着の品質によって要求される時間にわたり高温環境に置くことができる。このシリコン溶融接着手法は、単結晶シリコン・ウェーハと異なる熱膨張率を有し得る介在する接着材を利用しないで基材ウェーハ３００とデバイス・ウェーハ２００とを共に接着する。また、各ウェーハの一方又は両方の接着面に酸化物層を形成する溶融接着を行なってもよい。
【００２０】
ステップ５０３では、基材ウェーハ３００の基材上面３１０とデバイス層２１０とを接着した後に、絶縁体層２１５に達すると停止するＫＯＨ又はＴＭＡＨのような湿式エッチング液を用いてデバイス・ウェーハ２００のハンドル層２２０を除去することができる。加えて、絶縁体層２１５を、湿式又は乾式何れかのエッチング手法を用いて除去して、接着したデバイス層２１０のみを残してこの段階で露出させることができる。
【００２１】
ステップ５０４では、デバイス層２１０を貫通して延在し得る孔である隔膜空洞２３０を、ＤＲＩＥ、又はＫＯＨかＴＭＡＨ若しくは他のシリコン・エッチング液による湿式エッチング等を用いてデバイス層２１０にエッチングすることができる。隔膜空洞２３０は、様々な幾何学的形状、例えば方形、矩形又は円形を有していてよく、特定の応用及びデバイス層２１０の選択された厚みに依存して、例えば５ミクロン未満から１００ミクロンを超えるまでの任意の所要の深さを有し得る。隔膜空洞２３０の表面及び通気孔空洞３３０の表面は、露出したシリコン、酸化したシリコン、ドープされたシリコンの何れであってもよいし、後のウェーハ接着及び加工温度に耐えることが可能な他の任意の薄膜で被覆されていてもよい。
【００２２】
ステップ５０５では、従来のシリコン溶融接着手法を用いて、デバイス・ウェーハ１００のデバイス層１１０をデバイス・ウェーハ２００のデバイス層２１０に接着して、デバイス対４５０を形成することができる。一つの例示的な溶融接着手法では、向かい合った表面を親水性にすることができる。すなわち、各表面を強い酸化剤で処理して表面に水を付着させることができる。次いで、２個のウェーハを、接着の品質によって要求される時間にわたり高温環境に置くことができる。このシリコン溶融接着手法は、単結晶シリコン・ウェーハと異なる熱膨張率を有し得る介在する接着材を利用しないでデバイス・ウェーハ１００とデバイス・ウェーハ２００とを共に接着する。また、各ウェーハの一方又は両方の接着面に酸化物層を形成する溶融接着を行なってもよい。
【００２３】
ステップ５０６では、デバイス層２１０及びデバイス１１０の向かい合った表面が接着した後に、絶縁体層１１５に達すると停止するＫＯＨ又はＴＭＡＨのような湿式エッチング液を用いてデバイス・ウェーハ１００のハンドル層１２０を除去することができる。加えて、湿式又は乾式何れかのエッチング手法を用いて絶縁体層１１５を除去して、接着していないデバイス層１１０を露出させて残すことができる。
【００２４】
図８は、本発明の一実施形態での通気孔空洞３３０を有する基材ウェーハ３００を第一のデバイス層２１０に接着し、隔膜空洞２３０を有するこの第一のデバイス層２１０を、相互接続路４００、感知素子１４０及び相互接続１５０を有する第二のデバイス層１１０に接着した状態での本発明の一実施形態での例示的な基材ウェーハ３００である。図８及び図９を参照して述べると、ステップ５０７では、例えば二酸化ケイ素層、窒化ケイ素層、又は両者の組み合わせを用いて不動態化層１７０をデバイス層１１０の接着していない方の面に堆積させて、製造工程時及び動作時の両方でデバイス・ウェーハ１１０を適正に絶縁して保護することができる。ステップ５０８では、１又は複数の感知素子１４０を、一好適実施形態ではピエゾ抵抗感知素子を用いて、デバイス層１１０の一部として形成され得る隔膜１３０の辺の近くでのドープされたｎ型デバイス層１１０への低ドープされたｐ型材料の拡散又はイオン打ち込みによって加えることができる。例えば、高温でのホウ素打ち込み及び拡散によって、デバイス層１１０の内部に１又は複数のピエゾ抵抗感知素子を形成することができる。ピエゾ抵抗感知素子は、隔膜１３０の曲げを感知するように配置され得る。尚、任意の数のピエゾ抵抗感知素子を用いてよく、また隔膜１３０に対するピエゾ抵抗感知素子の正確な配置は、特定の応用、期待される圧力、及び感度要件等に依存して異なっていてよいことを特記しておく。加えて、感知素子１４０に電気伝導を提供し得る１又は複数の相互接続１５０を、ドープされたｎ型デバイス層１１０への高ドープされたｐ型材料の拡散又はイオン打ち込みによって感知素子１４０に重ねて加えることができる。感知素子１４０及び相互接続１５０の拡散又は打ち込みは、個別のステップにおいて実行されてもよいし、単一のステップにおいて実行されてもよい。
【００２５】
ステップ５０９では、導体のために圧力センサ１０に沿った通路を提供する１又は複数の相互接続路４００を、一実施形態ではデバイス層１１０及び２１０にエッチングすることができる。図８に示すように、相互接続路４００の位置を圧力センサ１０の基部端７５に画定するように、乾式又は湿式何れかのエッチング手法を用いて不動態化層１７０をエッチングすることができる。一旦、不動態化層１７０が除去されたら、１又は複数の相互接続路４００を、例えばＫＯＨ又はＴＭＡＨを用いた湿式エッチング手法を通じてデバイス層１１０にエッチングすることができ、また選択随意でデバイス層２１０にエッチングすることができる。一実施形態では、相互接続路４００は、図１０に示す圧力センサ１０の基部端７５の例示的な断面として示すように、一連の隔設されたＶ字溝を形成するようにエッチングされる。相互接続路４００は、カテーテル先端型圧力センサのような幾つかの応用について要求される小型で細長いパッケージ形状を保ちつつ、圧力センサ１０の基部端７５への１又は複数の導体の後の取り付けを容易にすることができる。
【００２６】
図９及び図１０を参照して述べると、ステップ５１０では、不動態化層４７０を、例えば二酸化ケイ素層、窒化ケイ素層、又は両者の組み合わせを用いて、相互接続路４００の表面に堆積させて、製造工程時及び動作時の両方に相互接続路４００を適正に絶縁すると共に保護することができる。加えて、相互接続１５０に接触し得るように、乾式又は湿式何れかのエッチング手法を用いて不動態化層１７０をエッチングすることができる。ステップ５１１では、金属化層１６０を加えて、圧力センサ１０の基部端７５から相互接続１５０を通って感知素子１４０までの電気伝導を提供することができる。金属化層１６０は、例えば金又はアルミニウムで形成されて、デバイス設計の必要に適合するのに望ましい厚みに作製され得る。
【００２７】
基材ウェーハ３００がＳＯＩウェーハであるような実施形態では、絶縁体層に達すると停止するＫＯＨ又はＴＭＡＨのような湿式エッチング液を用いて基材ウェーハ３００のハンドル層を除去することができる。加えて、湿式又は乾式何れかのエッチング手法を用いて絶縁体層を除去し、デバイス層２１０に接着された通気孔３００を含むＳＯＩウェーハのデバイス層のみを残すことができる。
【００２８】
最後に、圧力センサ１０が底面通気孔の実施形態又は側面／底面通気孔の実施形態である場合には、ステップ５１２において、乾式エッチング手法、又は例えばＫＯＨ若しくはＴＭＡＨを用いた湿式エッチング手法を用いて、基材ウェーハ３００を薄く加工して、通気孔出口３３５を圧力センサ１０の外部に露出させることができる。
【００２９】
図１１は、真空若しくは他の選択された圧力が隔膜空洞２３０の内部に形成されて当該圧力センサ１０が絶対圧センサとなるようにして圧力センサ１０を製造し得る例示的な一実施形態を示す。本実施形態では、圧力測定値はセンサの外圧に対して取得される訳ではないので、センサの内部での通気孔の製造は不要である。図１２は、本発明の一実施形態での絶対圧センサ１０を製造するために実行され得るステップを示す例示的な工程フローである。用いられる手法は差圧センサを製造する場合の手法と同様であるが、この実施形態は通気孔を必要としないので、圧力センサ１０は２個のウェーハのみを用いて製造されることができ、従って、幾つかの製造ステップを省くことができる。一実施形態では、絶対圧センサ１０は、ＳＯＩデバイス・ウェーハ１００及びＤＳＰ基材ウェーハ３００を含み得る。もう一つの実施形態では、絶対圧センサ１０は第一のＳＯＩデバイス・ウェーハ１００を含み、基材ウェーハ３００は第二のＳＯＩデバイス・ウェーハを含み得る。
【００３０】
図１１及び図１２を参照して述べると、ステップ６０１では、隔膜空洞２３０を、ＤＲＩＥ、又はＫＯＨかＴＭＡＨ若しくは他のシリコン・エッチング液による湿式エッチング等を用いて基材ウェーハ３００に直接エッチングすることができる。隔膜空洞２３０は、様々な幾何学的形状、例えば方形、矩形又は円形を有していてよく、特定の応用及び基材ウェーハ３００の選択された厚みに依存して、例えば５ミクロン未満から１００ミクロンを超えるまでの任意の所要の深さを有し得る。隔膜空洞２３０の表面は、露出したシリコン、酸化したシリコン、ドープされたシリコンの何れであってもよいし、後のウェーハ接着及び加工温度に耐えることが可能な他の任意の薄膜で被覆されていてもよい。
【００３１】
ステップ６０２では、従来のシリコン溶融接着手法を用いて、デバイス・ウェーハ１００のデバイス層１１０を基材ウェーハ３００の表面に接着して、デバイス対４５０を形成する。一つの例示的な溶融接着手法では、向かい合った表面を親水性にすることができる。すなわち、各表面を強い酸化剤で処理して表面に水を付着させることができる水。次いで、２個のウェーハを、接着の品質によって要求される時間にわたり高温環境に置くことができる。上述のシリコン溶融接着手法は、単結晶シリコン・ウェーハと異なる熱膨張率を有し得る介在する接着材を利用しないで基材ウェーハ３００とデバイス・ウェーハ１００とを共に接着する。また、ウェーハの一方又は両方の接着面に酸化物層を形成する溶融接着を行なってもよい。
【００３２】
ステップ６０３では、基材ウェーハ３００及びデバイス層１１０の向かい合った表面を接着した後に、絶縁体層１１５に達すると停止するＫＯＨ又はＴＭＡＨのような湿式エッチング液を用いてデバイス・ウェーハ１００のハンドル層１２０を除去することができる。加えて、湿式又は乾式何れかのエッチング手法を用いて絶縁体層１１５を除去することができ、接着したデバイス層１１０を残し、接着していない上面はこのとき露出する。加えて、ステップ６０４では、例えば、二酸化ケイ素層、窒化ケイ素層、又は両者の組み合わせを用いて不動態化層１７０をデバイス層１１０の接着していない上面に堆積させて、製造工程時及び動作時の両方でデバイス・ウェーハ１１０を適正に絶縁して保護することができる。
【００３３】
図１２のステップ６０５を参照して述べると、１又は複数の感知素子１４０を、一好適実施形態ではピエゾ抵抗感知素子を用いて、デバイス層１１０の一部として形成され得る隔膜１３０の辺の近くでのドープされたｎ型デバイス層１１０への低ドープされたｐ型材料の拡散又はイオン打ち込みによって加えることができる。例えば、高温でのホウ素打ち込み及び拡散によって、デバイス層１１０の内部にピエゾ抵抗感知素子１４０を形成することができる。感知素子１４０は、隔膜１３０の曲げを感知するように配置され得る。尚、任意の数の感知素子１４０を用いてよく、また隔膜１３０に対する感知素子１４０の正確な配置は特定の応用、期待される圧力、及び感度要件等に依存して異なっていてよいことを特記しておく。加えて、感知素子１４０に電気伝導を提供し得る１又は複数の相互接続１５０を、ドープされたｎ型デバイス層１１０への高ドープされたｐ型材料の拡散又はイオン打ち込みによって感知素子１４０に重ねて加えることができる。
【００３４】
ステップ６０６では、様々な導体のために圧力センサ１０に沿った通路を提供する１又は複数の相互接続路４００を、一実施形態ではデバイス層１１０及び２１０にエッチングすることができる。先ず、図１１に示すように、相互接続路４００の位置を、隔膜を含む端部に対して反対側の圧力センサの基部端に画定するように、乾式又は湿式何れかのエッチング手法を用いて不動態化層１７０をエッチングする。一旦、不動態化層１７０が除去されたら、例えばＫＯＨ又はＴＭＡＨを用いた湿式エッチング手法を通じて１又は複数の相互接続路４００をデバイス層１１０に、及び選択随意でデバイス層２１０にエッチングすることができる。一実施形態では、相互接続路４００をエッチングして、図１３に示す圧力センサ１０の基部端７５の例示的な断面に示すような一連の隔設されたＶ字溝を形成する。相互接続路４００は、カテーテル先端型圧力センサのような幾つかの応用に要求される小型で細長いパッケージ形状を保ちつつ、圧力センサ１０の基部端７５への１又は複数の導体の後の接続を可能にする。
【００３５】
図１１及び図１２に戻り、ステップ６０７では、例えば二酸化ケイ素層、窒化ケイ素層、又は両者の組み合わせを用いて不動態化層４７０を相互接続路４００の表面に堆積させて、製造工程時及び動作時の両方で相互接続路４００を適正に絶縁して保護することができる。加えて、乾式又は湿式何れかのエッチング手法を用いて、相互接続１５０を露出させるように不動態化層１７０をエッチングすることができる。ステップ６０８では、金属化層１６０を加えて、圧力センサ１０の基部端７５から相互接続１５０を通って感知素子１４０までの電気伝導を提供することができる。金属化層１６０は、例えば金又はアルミニウムで形成されて、デバイス設計の必要に適合するのに望ましい厚みに作製され得る。
【００３６】
基材ウェーハ３００は、圧力センサ１０の所与の設計仕様及び厚み要件を確保するように従来のエッチング手法を用いて薄く加工され得る。加えて、基材ウェーハ３００がＳＯＩウェーハである実施形態では、絶縁体層に達すると停止するＫＯＨ又はＴＭＡＨのような湿式エッチング液を用いて基材ウェーハ３００のハンドル層を除去することができる。加えて、絶縁体層を、湿式又は乾式何れかのエッチング手法を用いて除去して、デバイス層１１０に接着された通気孔３００を含むＳＯＩウェーハのデバイス層のみを残すことができる。
【００３７】
本書に記載される差圧センサの実施形態及び絶対圧センサの実施形態の両方を参照して述べると、圧力センサ１０の形成時に作製される各々のエッチング産物は、特定の応用に依存して任意の選択された幾何学的形状を有し、また任意の所要の深さを有し得る。加えて、エッチング産物は必ずしも単一の一様な深さを有しなくてもよく、得られるエッチング産物は等方性であっても異方性であってもよい。各々のエッチング産物の選択される深さ及び幾何学的形状は、得られる圧力センサ１０の設計特性を変化させるように選択され得る。例えば、隔膜空洞２３０によって支配されるデバイス層１１０の厚み、並びに隔膜１３０の寸法及び形状を、得られる圧力センサ１０の感度を決定するように選択することができる。デバイス層１１０の選択される厚みは、ＳＯＩウェーハを製造するときに任意に選択されて正確に制御されることができ、この厚みによって、隔膜１３０の可撓性に対する改善された制御、従って、得られる圧力センサ１０の性能特性に対する改善された制御を行なうことができる。加えて、製造目的のためにはプレーナ型の製造工程が理想的であり、製造歩留まりを高めるのみならず、得られるデバイスの全体的な信頼性及び長期性能を高め得る。従って、圧力センサ１０の性能特性に対する一様な制御を達成することができる。
【００３８】
以上の詳細な説明は実施形態の例を説明するために掲げられており、制限のためのものではない。センサを製造する方法を、圧力を測定する実施形態に関して図示して記載したが、同様の手法を用いて他のパラメータを測定することが可能なセンサを製造し得ることは当業者には明らかであろう。例えば、本書に開示されるセンサ及び関連する製造方法の様々な実施形態の例は様々なカテーテル先端型医療応用に関して記載されているが、これらの装置及び製造方法は、本書に明記されていない広範な他の応用において有用であることを認められたい。また、本発明の範囲内の多くの改変及び変形が可能であることは当業者には明らかであろう。さらに、当業者によって認められるように、多数の他の材料及び工程を所載の例示的な方法及び構造の範囲内で用いることができる。例えば、本書に記載されるｐ型材料及びｎ型材料を代替的な態様で用いることができ、例えばｎ型材料の代わりにｐ型材料を置き換えたり、反対に置き換えたりすることにより用い得ることを認められたい。加えて、当業者には、様々な実施形態の例において指定されて記載されたステップの系列は必ずしも所載の順序で生じなくてもよく、他の実施形態では様々なステップを組み合わせて異なる順序で又は並列に実行して、しかも依然として同じ結果を達成することが明らかであろう。
【００３９】
この書面の記載は、最適な態様を含めて発明を開示し、また任意の装置又はシステムを製造して利用すること及び任意の組み込まれた方法を実行することを含めてあらゆる当業者が本発明を実施することを可能にするように実例を用いている。特許付与可能な発明の範囲は特許請求の範囲によって画定されており、当業者に想到される他の実例を含み得る。かかる他の実例は、特許請求の範囲の書字言語に相違しない構造要素を有する場合、又は特許請求の範囲の書字言語と非実質的な相違を有する等価な構造要素を含む場合には、特許請求の範囲内にあるものとする。
【符号の説明】
【００４０】
１０：圧力センサ
５０：末梢端
７５：基部端
１００：デバイス・ウェーハ
１１０：デバイス層
１１５：絶縁体層
１２０：ハンドル層
１３０：隔膜
１４０：感知素子
１５０：相互接続
１６０：金属化層
１７０：不動態化層
２００：デバイス・ウェーハ
２１０：デバイス層
２１５：絶縁体層
２２０：ハンドル層
２３０：隔膜空洞
３００：基材ウェーハ
３１０：基材上面
３２０：基材底面
３３０：通気孔空洞
３３２：通気孔陥凹
３３３：通気孔通路
３３５：通気孔出口
３５０：厚み示線
４００：相互接続路
４５０：デバイス対
４７０：不動態化層
【図１】
0005850650.tif 000002
【図２】
0005850650.tif 000003
【図３】
0005850650.tif 000004
【図４】
0005850650.tif 000005
【図５】
0005850650.tif 000006
【図６】
0005850650.tif 000007
【図７】
0005850650.tif 000008
【図８】
0005850650.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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