(57)【要約】【課題】  耐食性、耐熱性等の耐久性に優れ、構造が簡単で微細加工ができ、しかも安価に製造することができるダイアフラムチップとそれを用いた圧力センサ及びダイアフラムチップの製造方法を提供する。【解決手段】  本発明のダイアフラムチップ１５は、Ｓｉ基板１２の表面１２ａに断面矩形状の凹部１３が形成され、この凹部１３の上方かつ表面１２ａ上に、膜厚が０．０５μｍ以上かつ５０μｍ以下のＳｉＣ薄膜１４が形成され、このＳｉＣ薄膜１４の凹部１３上の領域がダイアフラム部１４ａとされたことを特徴とする。【選択図】    図１
2006105624.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板の一主面に凹部が形成され、この凹部の上方かつ前記一主面上に炭化珪素薄膜が形成され、該炭化珪素薄膜の前記凹部上の領域がダイアフラム部とされたことを特徴とするダイアフラムチップ。
【請求項２】
前記炭化珪素薄膜の膜厚が０．０５μｍ以上かつ５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載のダイアフラムチップ。
【請求項３】
請求項１または２記載のダイアフラムチップを備えてなることを特徴とする圧力センサ。
【請求項４】
化学気相成長法によるダイアフラムチップの製造方法であって、
シリコン基板の一主面に炭素を含むガスを導入し、この炭素を含むガスを前記シリコン基板の一主面と接触させて該一主面上に炭化珪素薄膜を形成するとともに前記一主面に凹部を形成し、前記炭化珪素薄膜の前記凹部上の領域をダイアフラム部とすることを特徴とするダイアフラムチップの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイアフラムチップとそれを用いた圧力センサ及びダイアフラムチップの製造方法に関し、特に、耐食性、耐熱性等の耐久性に優れ、構造が簡単で微細加工が可能であり、しかも安価に製造することが可能なダイアフラムチップとそれを用いた圧力センサ及びダイアフラムチップの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧力や応力の変化を検知するセンサとして、ピエゾ抵抗式圧力センサ（以下、圧力センサと称する）がある（例えば、非特許文献１等参照）。この圧力センサは、薄肉のダイアフラムに圧力が加わった際に生じるダイアフラムの撓みを、このダイアフラムに埋め込まれた歪ゲージの抵抗値の変化として検知し、この抵抗値の変化を電圧信号として取り出すものである。
【０００３】
図３は、従来の圧力センサの一例であるシリコン（Ｓｉ）基板を用いた半導体圧力センサの断面構造を示す斜視図であり、この半導体圧力センサ１は、単結晶Ｓｉ基板で構成された薄肉状のダイアフラム２、及び該ダイアフラム２の両端部を支持するダイアフラム支持体３と、ダイアフラム２上に形成された４個の歪ゲージ４と、歪ゲージ４各々に形成された電極５とにより構成されている。
この半導体圧力センサ１の作製方法としては、Ｓｉ基板のダイアフラム２を形成すべき領域に裏面から異方性エッチングを施して薄肉状のダイアフラム２とする方法が用いられ、このダイアフラム２の厚みは５μｍ程度となっている。
【０００４】
一方、耐熱性、高強度、高硬度、耐摩耗性に優れたセラミックスとして炭化珪素（ＳｉＣ）がある。
この炭化珪素（ＳｉＣ）は、金属や他の非酸化物セラミックスに比べて酸化等の化学的侵食に耐えるために構造材料として優れており、各種ルツボ、窯炉焼成用部品、メカニカルシール、熱交換機の伝熱管、製紙用部品、触媒担体、フィルタ等に用いられている。また、近年におけるシリコンウエハの高純度化・大型化に伴い、熱処理工程における支持部材として用いられている。また、特殊な用途として、原子炉の核燃料用被覆材があげられる。
【０００５】
この炭化珪素は、高温における耐酸化性に優れていることから、古くから発熱体として使用され、さらに、電圧−電流特性が非直線性を有することから、バリスタとしても使用されている。
また、この炭化珪素はバンドギャップが大きい半導体であるから、例えば、３００℃以上の高温での使用に耐える半導体、宇宙線等の放射線に耐える半導体としての用途が開発されつつある。
さらに、この炭化珪素は、歪ゲージとしての機能も有するので、この炭化珪素を歪ゲージとして用いた圧力センサも提案されている。
【非特許文献１】高橋清、佐々木昭夫  共編、「アドバンストセンサハンドブック」、初版、株式会社培風館、１９９４年５月２日発行、ｐ．２８６−２８９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、従来の半導体圧力センサでは、Ｓｉ基板によりダイアフラムを構成しているために、酸化等の化学的侵食に弱いという問題点があった。
そこで、Ｓｉ基板の替わりにＳｉＣ基板を用いてダイアフラムを構成することで、機械的特性に優れ、かつ化学的に安定なダイアフラムを得ることが試みられているが、ダイアフラムとダイアフラム支持体の全てを炭化珪素のみで構成した場合、異方性エッチング等の加工が難しいという問題点があった。
また、原料コストが高く、製造コストの多くを占める加工費が高く、焼結温度や成膜温度が高いために設備が高価になる等により、製品単価が非常に高価になるという問題点があった。
【０００７】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、耐食性、耐熱性等の耐久性に優れ、構造が簡単で微細加工ができ、しかも安価に製造することができるダイアフラムチップとそれを用いた圧力センサ及びダイアフラムチップの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者等は、鋭意検討を行った結果、化学気相成長（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）法を用いてシリコン基板の一主面に炭化珪素薄膜を形成する際に、この一主面に同時に凹部を形成することにより、シリコン基板の凹部上に炭化珪素薄膜からなるダイアフラム部を精度良くしかも容易に形成することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００９】
すなわち、本発明のダイアフラムチップは、シリコン基板の一主面に凹部が形成され、この凹部の上方かつ前記一主面上に炭化珪素薄膜が形成され、該炭化珪素薄膜の前記凹部上の領域がダイアフラム部とされたことを特徴とする。
前記炭化珪素薄膜の膜厚は０．０５μｍ以上かつ５０μｍ以下であることが好ましい。
【００１０】
本発明の圧力センサは、本発明のダイアフラムチップを備えてなることを特徴とする。
【００１１】
本発明のダイアフラムチップの製造方法は、化学気相成長法によるダイアフラムチップの製造方法であって、シリコン基板の一主面に炭素を含むガスを導入し、この炭素を含むガスを前記シリコン基板の一主面と接触させて該一主面上に炭化珪素薄膜を形成するとともに前記一主面に凹部を形成し、前記炭化珪素薄膜の前記凹部上の領域をダイアフラム部とすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のダイアフラムチップによれば、シリコン基板の一主面に凹部を形成し、この凹部の上方かつ前記一主面上に炭化珪素薄膜を形成し、該炭化珪素薄膜の前記凹部上の領域をダイアフラム部としたので、耐食性、耐熱性等の耐久性を向上させることができ、したがって、酸化雰囲気等における信頼性を向上させることができる。
【００１３】
本発明の圧力センサによれば、本発明のダイアフラムチップを備えたので、耐食性、耐熱性等の耐久性に優れ、したがって、酸化雰囲気等における信頼性に優れた圧力センサを安価に提供することができる。
【００１４】
本発明のダイアフラムチップの製造方法によれば、シリコン基板の一主面に炭素を含むガスを導入し、この炭素を含むガスを前記シリコン基板の一主面と接触させて該一主面上に炭化珪素薄膜を形成するとともに前記一主面に凹部を形成し、前記炭化珪素薄膜の前記凹部上の領域をダイアフラム部とするので、シリコン基板の一主面に炭化珪素薄膜からなるダイアフラム部を容易に形成することができる。したがって、構造が簡単で、耐食性、耐熱性等の耐久性に優れ、しかも、微細加工の精度の良いダイアフラムチップを安価に製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明のダイアフラムチップとそれを用いた圧力センサ及びダイアフラムチップの製造方法の最良の形態について説明する。
なお、この形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。
【００１６】
図１は、本実施形態の半導体圧力センサの断面構造を示す斜視図であり、この半導体圧力センサ１１は、ｎ型シリコン（Ｓｉ）基板１２の（１１１）面である表面（一主面）１２ａに断面矩形状の凹部１３が形成され、この凹部１３の上方かつ表面１２ａに化学気相成長法（ＣＶＤ法）等の薄膜プロセスにより炭化珪素（ＳｉＣ）薄膜１４が形成され、このＳｉＣ薄膜１４の凹部１３の上の領域がダイアフラム部１４ａとされたダイアフラムチップ１５上に、４個の歪ゲージ１６及び歪ゲージ４各々に形成された電極１７が形成されている。
【００１７】
Ｓｉ基板１２は、単結晶基板、多結晶基板等、特に限定されないが、ＩＣ製造プロセスにて汎用されている単結晶基板が好ましい。
単結晶基板としては、特に限定されないが、結晶面（表面）が（１１１）面、（１００）面、（１１０）面、（２１１）面等の単結晶基板を用いることができ、なかでも（１１１）面の単結晶のｎ型Ｓｉ基板が好ましい。
このＳｉ基板１２の厚みは、特に限定されるものではないが、凹部１３が形成された場合に機械的強度を十分保持できることが必要であり、１００μｍ以上かつ１０００μｍ以下が好ましい。
ＳｉＣ薄膜１４の膜厚は、特に限定されるものではないが、０．０５μｍ以上かつ５０μｍ以下が好ましく、より好ましくは０．０５μｍ以上かつ２０μｍ以下、さらに好ましくは２μｍ以上かつ２０μｍ以下である。
【００１８】
ここで、ＳｉＣ薄膜１４の膜厚が０．０５μｍ未満であると、ＳｉＣ薄膜１４が自立膜として形状を保有し得るだけの機械的特性を有することができなくなるからであり、一方、５０μｍを越えると、圧力センサの感度が低下し、製造コストも上昇するので好ましくないからである。
【００１９】
歪ゲージ１６は、ＳｉＣ薄膜１４の所定位置にｎ型またはｐ型の不純物元素を熱拡散またはイオン注入することにより形成されたものであり、ｎ型の不純物元素としては、窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）等が好ましく、ｐ型の不純物元素としては、ホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）等が好ましい。
電極１７は、特に限定されるものではないが、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銀−パラジウム（Ａｇ−Ｐｄ）合金、銅（Ｃｕ）、等が好適に用いられる。
【００２０】
この半導体圧力センサ１１は、薄膜状のダイアフラム部１４ａのみがＳｉＣ薄膜であり、ダイアフラム部１４ａの支持体は安価なＳｉ基板で形成されているので、受圧部の機械的特性、化学的安定性が向上するにもかかわらず、コストアップにならない。
また、ＳｉＣ薄膜１４は、ＣＶＤ法を用いて作製することができるので、微細な構造を形成することができる。さらに量産性にも優れている。  また、ＳｉＣ薄膜１４は、熱拡散またはイオン注入によって所定の位置にひずみゲージを形成することができるので、量産性、均一性、低コストを達成することができる。
【００２１】
次に、本実施形態のダイアフラムチップの製造方法について説明する。
このダイアフラムチップの製造方法は、ＣＶＤ法によるダイアフラムチップの製造方法であり、Ｓｉ基板１２の（１１１）面である表面（一主面）１２ａに炭素を含むガスを導入し、この炭素を含むガスをＳｉ基板１２の表面１２ａと接触させて表面１２ａ上にＳｉＣ薄膜１４を形成するとともに表面１２ａに凹部１３を形成し、ＳｉＣ薄膜１４の凹部１３上の領域をダイアフラム部１４aとする製造方法である。
【００２２】
Ｓｉ基板１２は、単結晶、多結晶等特に限定されないが、ＩＣ製造プロセスにて汎用されている単結晶Ｓｉウェハを用いることが好ましい。
ここで、材料作製プロセスとしてのＣＶＤ法の特徴は、合成材料種や形状に対する多様性があること、高純度材料の合成が可能であること、組成や結晶構造の高度な制御が可能であること等である。また、励起方法としては、熱、プラズマ、光を利用することができ、常圧、減圧のいずれの圧力下でも処理が可能である。  また、装置構成は、縦型、横型、バレル型等があり、必要に応じて形式を選択することができる。
【００２３】
この製造方法では、Ｓｉ基板１２の表面１２ａに炭素を含むガスを導入し、この炭素を含むガスを反応環境下にてＳｉ基板１２の表面１２ａと接触させると、Ｓｉ原子が表面へ拡散し、炭素を含むガスと反応してＳｉＣ薄膜１４を形成する。そして、反応条件を制御することにより、ＳｉＣ薄膜１４の下方のＳｉ基板１２の表面１２ａに凹部１３を形成することにより、ＳｉＣ薄膜１４の下方に空洞を形成することができる。
【００２４】
この凹部１３は、Ｓｉ原子が反応条件下で炭素を含むガス雰囲気に晒された際に、炭素を含むガスとの反応物を形成するために、表面１２ａから外方へ拡散することにより形成される。
この凹部１３は、反応条件を制御することにより、形状を様々に制御することができる。また、その幅、深さ等も数百ｎｍ〜数μｍの範囲で制御することができる。
この凹部１３の上方にＳｉＣ薄膜１４が自立して形成されるため、このようにして得られる微細構造は、ダイアフラムとして利用するのに適している。
【００２５】
この炭素を含むガスは、特に限定されないが、例えば、炭化水素、ハロゲン化アルキル、有機シラン等を用いることができ、炭化水素が好ましい。また、炭化水素としては、例えば、メタン（ＣＨ４）、エタン（Ｃ２Ｈ６）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）、ブタン（Ｃ４Ｈ１０）等の飽和炭化水素、エチレン（Ｃ２Ｈ４）、プロピレン（Ｃ３Ｈ６）、アセチレン（Ｃ２Ｈ２）等の不飽和炭化水素等を用いることができ、なかでもメタン（ＣＨ４）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）、アセチレン（Ｃ２Ｈ２）が好ましい。
【００２６】
ここで用いられるＣＶＤ法としては、熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、光ＣＶＤ法等が好ましく、特に熱ＣＶＤ法が好ましい。また、圧力は、減圧、常圧のいずれでも構わない。
また、フォトリソグラフィー等の技術を用いて基板に規則正しい微細加工を施したり、処理温度、炉内圧力、反応時間等の処理条件を制御することにより、凹部１３の形状、幅、深さ等を制御することができる。
【００２７】
この製造方法で用いられる反応装置は、一例として、縦型の減圧ＣＶＤ装置を用い、反応管は水冷ジャケット付き石英管を用いている。
Ｓｉ基板１２を載置するサセプタとしては、グラファイト・サセプタが好適に用いられ、高周波により誘導加熱を行うものを用いることができる。
【００２８】
本実施形態の製造方法によれば、ＣＶＤ法を用いて作製することができるので、微細な構造を形成することができる。さらに、量産性にも優れている。また、Ｓｉ基板１２上に、十分な強度及びＳｉ基板１２との密着性を有するＳｉＣ薄膜１４を直接形成することができるので、別途形成したシリコン膜を基板上に接合、接着する場合のように接合、接着剤等を必要としない。また、従来の様に、Ｓｉ基板の裏面を異方性エッチング等することによりダイアフラム部を形成する方法と異なるので、量産性に優れる。
【実施例】
【００２９】
以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこの実施例によって限定されるものではない。
本実施例では、縦型の減圧ＣＶＤ装置を用い、反応管は水冷ジャケット付き石英管を用いた。また、サセプタとしては、表面をＳｉＣによりコーティングしたグラファイト・サセプタを用いた。
【００３０】
まず、Ｓｉ基板をグラファイト・サセプタ上に載置し、高周波により誘導加熱した。反応時の処理温度は、Ｓｉ基板の温度とサセプタの温度がほぼ同一とみなし、サセプタの温度を放射温度計により測定し、このサセプタ温度を処理温度とした。
ここでは、Ｓｉ基板として、（１１１）面を有するｎ型の単結晶Ｓｉウエハを用いた。また、原料ガスとしてはプロパン（Ｃ３Ｈ８）（純度：９９．９９９５％）を用い、キャリアガスとしては水素（Ｈ２）（純度７Ｎ：９９．９９９９９％）を用いた。
【００３１】
真空排気はターボ分子ポンプで行い、Ｈ２ガス導入前の反応管内の真空度は１０−３Ｐａ台であった。反応ガスの排気はメカニカルブースターポンプを用いた。
次に、処理過程を示す。
Ｓｉ基板をセッティングした反応管をＨ２ガスで充填させて反応管内の圧力を８．５ｋＰａとし、次に、Ｃ３Ｈ８ガスを室温から導入した。その後、昇温速度：２４０℃／毎分でサセプタ温度を１１００℃まで昇温させ、１１００℃で２分間保持することにより、Ｓｉ基板の表面にＳｉＣ薄膜を形成した。
【００３２】
Ｈ２の反応管内への導入流量は０．６ｓｌｍ（Standard liter per minute、標準状態における１分当たりの流量）、Ｃ３Ｈ８の反応管内への導入流量は２ｓｃｃｍ（Standard cubic centimeter per minute、標準状態における１分当たりの流量）で行った。
【００３３】
図２は、この様にして得られたダイアフラムチップの断面構造を示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像である。
このＳＥＭ像によれば、Ｓｉ基板とＳｉＣ薄膜の間に、幅２μｍ、深さ０.２μｍの凹部が形成されていることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明のダイアフラムチップ１５は、Ｓｉ基板１２の表面１２ａに断面矩形状の凹部１３を形成し、この凹部１３の上方かつ表面１２ａにＳｉＣ薄膜１４を形成し、このＳｉＣ薄膜１４の凹部１３の上の領域をダイアフラム部１４ａとしたものであり、微細な構造を形成することができ、量産性にも優れたものであるから、ダイアフラムチップはもちろんのこと、マイクロマシン、集積化センサ等の分野においても、大いに期待されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施形態の半導体圧力センサの断面構造を示す斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態のダイアフラムチップの断面構造を示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像である。
【図３】従来の半導体圧力センサの断面構造を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３６】
１１  半導体圧力センサ
１２  Ｓｉ基板
１２ａ  表面
１３  凹部
１４  ＳｉＣ薄膜
１４ａ  ダイアフラム部
１５  ダイアフラムチップ
１６  歪ゲージ
１７  電極
【図１】
2006105624.tif 000003
【図２】
2006105624.tif 000004
【図３】
2006105624.tif 000005