(57)【要約】【課題】圧力変換器の製造方法を提供する。【解決手段】１つまたは複数の溝を第１基板の第１面に形成エッチングする。溝は、耐エッチング性とされる。次いで、キャビティを第１基板の第２の、反対側の面に形成し、それによって、フレームによって支持され、１つまたは複数の中空ボスがメンブランに剛性を与えるダイアフラムを画定する。この方法から、剛性の大きなボス得られる。この方法によるボスは、より低コストの工程技術を使用して形成可能とされる。このボスは、剛性の等しい中実構造より軽量である。ｇ感度のより低い圧力変換器が提供される。任意の幅および剛性のボスを生産することが可能とされる。ボスの形態を所望により変える能力が与えられる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力変換器ダイアフラムの製造方法であって、
第１基板の第１面に１つまたは複数の溝をエッチングするステップと、
前記溝を耐エッチング性とするステップと、
前記第１基板の第２の、反対側の面にキャビティをエッチングするステップであって、それにより、フレームによって支持され、１つまたは複数の中空ボスがメンブランに剛性を与えるダイアフラムを画定するステップとを包含する方法。
【請求項２】
１つまたは複数の溝をエッチングするステップは、ドライエッチングまたはウェットエッチングを含む請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記１つまたは複数の溝は、傾斜側壁を有する請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記１つまたは複数の溝は、平坦な底を有する請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記溝を耐エッチング性とするステップは、前記溝のドーピング、前記溝への拡散、または前記溝に耐エッチング性材料を添加するステップを含む請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記溝に材料を添加するステップをさらに含む請求項１記載の方法。
【請求項７】
ポリシリコン層またはエピタキシャルシリコン層が前記溝で成長される請求項６記載の方法。
【請求項８】
第２の基板が前記第１基板の前記第１面に接合される請求項１記載の方法。
【請求項９】
前記第２基板は、前記第１基板の前記第１面にフュージョンボンディングにより接合される請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記キャビティをエッチングするステップは、ドライエッチングまたはウェットエッチングを含む請求項１記載の方法。
【請求項１１】
圧力変換器ダイアフラムの製造方法であって、
第１基板の第１面に１つまたは複数の溝をエッチングするステップと、
前記溝および前記第１面を耐エッチング性とするステップと、
前記第１基板の第２の、反対側の面にキャビティをエッチングするステップであって、それにより、フレームによって支持され、１つまたは複数の中空ボスがメンブランに剛性を与えるダイアフラムを画定するステップとを包含する方法。
【請求項１２】
圧力変換器ダイアフラムの製造方法であって、
第１基板の第１面に１つまたは複数の溝をエッチングするステップと、
前記溝を耐エッチング性とするステップと、
第２面を前記第１面に接合するステップと、
前記第１基板の第２の、反対側の面にキャビティをエッチングするステップであって、それにより、フレームによって支持され、１つまたは複数の中空ボスがメンブランに剛性を与えるダイアフラムを画定するステップとを包含する方法。
【請求項１３】
ダイアフラムの製造方法であって、
第１基板の第１面に１つまたは複数の溝を形成するステップと、
前記溝を耐エッチング性とするステップと、
前記第１基板の第２の、反対側の面にキャビティを形成するステップであって、それにより、フレームによって支持され、１つまたは複数の中空ボスがメンブランに剛性を与えるダイアフラムを画定するステップとを包含する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力変換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロエレクトロメカニカル圧力検出器は、一般的に、フレームによって支持されるダイアフラムまたはメンブランを含む。ダイアフラムの製造には、ボスと称される薄い領域および厚い領域を含むことが知られている。本明細書に援用する米国特許第６，１４０，１４３号を参照されたい。厚いボス領域には、ダイアフラムの撓みによって生じた応力が集中する。ボスは、曲げ応力を応力に感じるピエゾ抵抗素子または容量性要素に集中させるのに使用される。ボスはまた、至近構造を製作することによって、センシングキャパシタンスまたは静電ドライブギャップを生成させるのに使用することが可能とされる。
【０００３】
一般に、ボスは、材料を基板内の様々な深さに拡散させ、次いで基板をエッチングすることによって形成される中実構造とされる。上記に引用の米国特許第６，１４０，１４３号参照。
【特許文献１】米国特許第６，１４０，１４３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のボスは、かなりの質量があり、そのために低圧力検出器の場合には、方向感受性を生じる可能性がある。ボスの厚さは、材料を基板内に注入可能な深さにも制限される。概して、注入がより深いほど費用も時間も多く掛かる。また、拡散は基板の縦横両方向に生起するため、得られるボス構造の幅も増大する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、圧力変換器の新規な製造方法を提供する。本発明の方法によって、質量の小さいボスを得ることが可能とされる。得られるボスは、中空であることが好ましい。この方法から、剛性の大きなボス得られる。この方法によるボスは、より低コストの工程技術を使用して形成可能とされる。このボスは、剛性の等しい中実構造より軽量である。ｇ感度のより低い圧力変換器が提供される。任意の幅および剛性のボスを生産することが可能とされる。ボスの形態を所望により変える能力が与えられる。
【０００６】
本発明は、拡散およびバルクエッチングに関係する制限なく圧力変換器ダイアフラムを生産するより優れた方法には、基板に溝をエッチングすることによって質量は小さいが比較的に剛性がある中空ボスを画定することが含まれるという認識から出た結果である。
【０００７】
本発明は、しかし、他の実施形態においては、必ずしもこれらの目的をすべて達成する必要はなく、また本願の請求項はそれらの目的を達成可能な構造あるいは方法に限定されるべきではない。
【０００８】
本願の発明は、圧力変換器ダイアフラムの製造方法を特徴とする。１つまたは複数の溝が第１基板の第１面に形成（エッチング等）される。溝は次いで耐エッチング性とされる。第１基板の第２の、反対側の面にキャビティが形成（エッチング等）され、それにより、フレームによって支持され、１つまたは複数の中空ボスがメンブランに剛性を与えるダイアフラムを画定する。
【０００９】
ドライエッチングまたはウェットエッチング技術が溝の形成に使用可能とされる。一例においては、１つまたは複数の溝が傾斜側壁を有する。別の例においては、１つまたは複数の溝が平坦な底を有する。
【００１０】
溝は、溝に対しドーピング、拡散を行う、あるいは耐エッチング性材料を溝に添加することによって耐エッチング性とすることが可能とされる。また、材料は溝に添加可能とされる。例えば、ポリシリコンもしくはエピタキシャルシリコン層を溝で成長させることが可能とされる。
【００１１】
一例においては、第２基板が第１基板の第１面に接合される。第２基板は、第１基板の第１面にフュージョンボンディング可能とされる。キャビティは、ドライエッチングまたはウェットエッチング技術を使用して形成することが可能とされる。
【００１２】
一実施形態においては、圧力変換器ダイアフラムは、第１基板の第１面に１つまたは複数の溝をエッチングするステップと、溝および第１面を耐エッチング性とするステップと、第１基板の第２の、反対側の面にキャビティをエッチングするステップであって、それにより、フレームによって支持され、１つまたは複数の中空ボスがメンブランに剛性を与えるダイアフラムを画定するステップとによって製造される。
【００１３】
別の実施形態においては、圧力変換器ダイアフラムは、第１基板の第１面に１つまたは複数の溝をエッチングするステップと、溝を耐エッチング性とするステップと、第２面を第１面に接合するステップと、第１基板の第２の、反対側の面にキャビティをエッチングするステップであって、それにより、フレームによって支持され、１つまたは複数の中空ボスがメンブランに剛性を与えるダイアフラムを画定するステップとによって製造される。
【００１４】
他の目的、特徴および長所は、好適な実施形態に関する以下の説明および添付の図面から、当業者には明らかになろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に開示される好ましい実施形態に限らず、本発明は他の実施形態もあり得るし、かつ各種各様に実施することが可能とされる。したがって、本発明はその応用を以下に説明しまたは図面に示す構造の詳細および構成要素の配置に限定されないことを了解されたい。仮に、本書で説明する実施形態が１つのみとしても、本願の請求項はその実施形態に限定されるものではない。さらにまた、一定の除外、制約、あるいは権利放棄を示す明解かつ説得力のある証左のない限り、本願の請求項は制限的に読解されるべきでない。
【００１６】
図１、２は、本発明による圧力変換器ダイアフラムまたはメンブラン１０の例を示す。ダイアフラム１０はフレーム１２によって支持され、中空のボスまたはメサ１４を含む。さらに別のボスがダイアフラム１０を横断する場合もある。一般には、いくつかのボスがあるが、ここでは分かりやすくするために１つのみ図示する。ダイアフラム１０は、１つの具体例では、２．４ｍｍ角、厚さ５ミクロンとされる。図３では、ボス１４は壁厚５ミクロンの傾斜した側壁１６ａおよび１６ｂを有する。しかし、ボス１４は様々な形状に形成可能とされ、図４ではボス１４’はより小さく、図５ではボス１４”は平坦面２０ならびに２つの傾斜側壁２２ａおよび２２ｂを有する。
【００１７】
いずれの形態においても、中空のボスは中実のボスより質量が小さく、しかも高い剛性を与える。その結果、１つの例においては、ｇ感度の少ない圧力変換器が得られる。
【００１８】
図６Ａ〜６Ｇに示すように、図６Ａの基板５０（一般的にはシリコンウェハ）は図６Ｂの５２で示すようにマスキングが施され、図６Ｃのように溝５４がエッチングされる。ドライエッチングまたはウェットエッチング技術の使用が可能とされる。溝５４および基板５０の表面６３は、次いで、一般的には図６Ｄの５６で示すようにリンの注入によって耐エッチング性とされる。注入されたリンによって形成された接合部は、電気化学的エッチストップと共に、注入領域のエッチングを防止する。これに関しては、引用して本明細書に援用する米国特許第６，１４０，１４３号を参照されたい。ウェハは次いで図６Ｅのように反転され、５８で示すようにマスキングを施される。次いで、ウェハのこの表面はエッチングされて、キャビティ６０と、フレーム１２に支持されるメンブラン１０と、中空のボス１４とが生成される。
【００１９】
別の例においては、図７Ａのウェハ７０は図７Ｂの７２に示すようにマスキングを施され、溝７４がドライエッチングまたはウェットエッチング技術を使用してエッチングされる。溝７４は、図示のように傾斜側壁を有する。溝７４は、次いで、同溝のドーピング（ボロン等による）、あるいは溝へのｎ型拡散の使用および上述の電気化学的エッチストップの使用、あるいは溝に対し耐エッチング性誘電体または金属等の耐エッチング性材料を添加して耐エッチング側壁を生成することにより、耐エッチング性とされる。その結果得られるボスの側壁の厚さを増すことが必要な場合には、ポリシリコンまたはエピタキシャルシリコン層を耐エッチング性層上に成長させることが可能とされる。図７Ｄのウェハ７２（同じく一般的にシリコンウェハ）は、次いで、当分野で知られているように、フュージョンボンディング技術により、あるいは中間層を使用することによって、溝７４の上から基板７０に接合される。この構造は、次いで反転され、図７Ｅのマスキング７６が塗布され、キャビティ７８がウェットエッチングまたはドライエッチングによりエッチングされ、その結果、メンブラン１０がボス１４およびフレーム１２と共に得られる。
【００２０】
一例においては、ダイアフラムは、図８のＭＥＭＳ圧力変換器８０の構成要素とされる。図では、ダイアフラム１０（ｎ型）の２つのボス１４が示され、同ダイアフラムは拡散によるピエゾ抵抗素子８２も含む。フレーム１２はＰ型とされ、ポート８６を有するパイレックス（商標）サポート８４上にある。しかし、本発明の方法は、特定の圧力変換器デザインには限定されない。
【００２１】
本発明の中空ボス技法により、圧力検出器において一般的に使用される薄膜に中空シェル型の特徴部が製造され、それによって可撓性のメンブランに局部的剛性の領域が与えられる。中空ボス構造の壁は、一般的にメンブラン自体に同じ寸法とされるが、中空波形の手段があり一層著しい剛性が得られる。シリコンウェハの前方側を成形（エッチング等）し、エッチングされた溝の底にエッチストップを生成することにより、メンブラン構造が生成されるときにウェハの裏側をエッチングするときには、ボスはエッチングされない。溝のエッチストップは、高濃度ドーピングによるＰ＋拡散、低濃度ドーピングによるｎ型拡散（電気化学的エッチストップ用）、または二酸化珪素等の耐エッチング層とすることが可能とされる。いくつかの例においては、図７Ｄに示すようなシリコン層をさらに溝の上に接合して、構造の剛性をさらに強化するのが有利であろう。この技術には、平坦なウェハ面が再生されて、さらにウェハ加工が可能となる長所もある。追加のシリコン層は、静電接合用のガラス等の中間層か、またはシリコンフュージョンボンディング（シリコンダイレクトボンディングとしても知られる）によって接合可能とされる。ウェットエッチングは、ウェハ面に対して約５４．７度で側壁を生成可能とすることが長所とされる。このようにして、ウェハ厚さの約１．４倍の最小ボス幅を生成することが可能とされる。一般的なセンサウェハは厚さ３８０μｍとされるので、それによって５３２μｍのボス幅が生成される。ドライエッチングは、垂直方向側壁エッチングに有利である。狭い、または任意のボス形状も生成可能とされる。その結果得られるボスは、中実のボスより浅いか、または質量がより小さく、しかも中実のボスと同じ剛性とすることが可能とされる。
【００２２】
これにより、ボスの質量による方向感受性に影響されない低圧力検出器が得られる。ボスの剛性は、従来技術に関係する約３０μｍの拡散深度によって限定されない。本発明の中空ボスは、同等な表面形状および面域の中実のボスを形成するのに等しい量の材料より著しく高い剛性を有する。剛性のある狭いボスが、所望の場合には、従来の低コストな加工技術で、より高価なＤＲＩＥ技術を回避して、形成可能とされる。最終のメンブラン構造のキャビティを形成する裏側のエッチングは、ウェットエッチング等、フレーム構造を形成しかつ最終メンブランまでエッチング可能ないずれの技術によってもよいが、ＤＲＩＥエッチングも酸化物を塗布した側壁に使用できよう。一般には、本発明の技術は、他の方法より小さな剛性ボス構造をより安価に生産し、その結果、より軽量かつｇ感度のより低いボス構造が得られる。一実施例では、このボス構造の壁厚は１５μｍ、底幅は２０μｍ乃至１３０μｍであった。
【００２３】
本発明の具体的特徴はいくつかの図に示し、他には示していないが、それは便宜上にすぎず、それぞれの特徴は、本発明によるいずれの特徴もしくは他のすべての特徴と組み合わせることが可能とされる。本明細書で使用した言葉「含む」、「包含する」、「有する」、および「伴う」等は、広義にかつ包括的に解釈されるべきであり、いずれかの物理的相互結合に限定されない。さらに、本願で開示のいずれの実施形態も唯一あり得る実施形態と解されるべきではない。当業者は他の実施形態に想到するであろうが、それらは添付の特許請求の範囲内に属する。例えば、本発明の方法は、圧力変換器以外の装置のダイアフラムの形成に有用であることを左証するであろう。
【００２４】
さらに、本件特許出願の遂行中に提示される補正は、出願時に提示された請求範囲の構成要素を放棄するものではなく、当業者は、あり得るすべての均等物を完全に包含するような請求範囲を起草するとは合理的に見て考えられず、多くの均等物は補正の時点には予測不能でありかつ権利放棄されるべきものは（仮にあったとして）何かを公平に理解することはできず、補正の基礎とする根拠は多くの均等物とはほとんど関係なく、かつ／または、他に多くの理由があり、出願人が請求範囲の補正された構成要素について実体のない代替を記載するとは考えられない。また、図面の符号に対応する特許請求の範囲中の符号は、単に本願発明の理解をより容易にするために用いられているものであり、本願発明の範囲を狭める意図で用いられたものではない。そして、本願の特許請求の範囲に記載した事項は、明細書に組み込まれ、明細書の記載事項の一部となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明による圧力変換器ダイアフラムの例を模式的に示す平面図である。
【図２】図１に示す圧力変換器ダイアフラムの模式的な三次元等角図である。
【図３】図２に示す圧力変換器の一部の図２の３−３線断面の模式図である。
【図４】本発明による圧力変換器ダイアフラムの別の例の一部を模式的に示す部分断面図である。
【図５】本発明による圧力変換器ダイアフラムのさらに別の例を模式的に示す部分断面図である。
【図６Ａ】本発明の一実施形態による圧力変換器ダイアフラムの製造に関係する主な段階をきわめて模式的に示す断面図である。
【図６Ｂ】本発明の一実施形態による圧力変換器ダイアフラムの製造に関係する主な段階をきわめて模式的に示す断面図である。
【図６Ｃ】本発明の一実施形態による圧力変換器ダイアフラムの製造に関係する主な段階をきわめて模式的に示す断面図である。
【図６Ｄ】本発明の一実施形態による圧力変換器ダイアフラムの製造に関係する主な段階をきわめて模式的に示す断面図である。
【図６Ｅ】本発明の一実施形態による圧力変換器ダイアフラムの製造に関係する主な段階をきわめて模式的に示す断面図である。
【図６Ｆ】本発明の一実施形態による圧力変換器ダイアフラムの製造に関係する主な段階をきわめて模式的に示す断面図である。
【図６Ｇ】本発明の一実施形態による圧力変換器ダイアフラムの製造に関係する主な段階をきわめて模式的に示す断面図である。
【図７Ａ】本発明による圧力変換器ダイアフラムを製造する別の方法に関係する主な段階をきわめて模式的に示す断面図である。
【図７Ｂ】本発明による圧力変換器ダイアフラムを製造する別の方法に関係する主な段階をきわめて模式的に示す断面図である。
【図７Ｃ】本発明による圧力変換器ダイアフラムを製造する別の方法に関係する主な段階をきわめて模式的に示す断面図である。
【図７Ｄ】本発明による圧力変換器ダイアフラムを製造する別の方法に関係する主な段階をきわめて模式的に示す断面図である。
【図７Ｅ】本発明による圧力変換器ダイアフラムを製造する別の方法に関係する主な段階をきわめて模式的に示す断面図である。
【図７Ｆ】本発明による圧力変換器ダイアフラムを製造する別の方法に関係する主な段階をきわめて模式的に示す断面図である。
【図８】本発明による完全なＭＥＭＳ圧力変換器の例を模式的に示す三次元断面図である。
【符号の説明】
【００２６】
１０  ダイアフラム
１２  フレーム
１４、１４’、１４”  ボス
１６ａ、１６ｂ  側壁
２０  平坦面
２２ａ、２２ｂ  傾斜側壁
５０  基板
５２  マスキング
５４  溝
５６  リン
５８  マスキング
６０  キャビティ
６３  表面
７０  ウェハ
７２  マスキング
７８  キャビティ
８０  ＭＥＭＳ圧力変換器
８２  ピエゾ抵抗素子
８４  パイレックス（商標）サポート
８６  ポート
【図１】
2008164606.tif 000003
【図２】
2008164606.tif 000004
【図３】
2008164606.tif 000005
【図４】
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【図５】
2008164606.tif 000007
【図６Ａ】
2008164606.tif 000008
【図６Ｂ】
2008164606.tif 000009
【図６Ｃ】
2008164606.tif 000010
【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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【図６Ｆ】
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【図６Ｇ】
2008164606.tif 000014
【図７Ａ】
2008164606.tif 000015
【図７Ｂ】
2008164606.tif 000016
【図７Ｃ】
2008164606.tif 000017
【図７Ｄ】
2008164606.tif 000018
【図７Ｅ】
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【図７Ｆ】
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【図８】
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