(57)【要約】【課題】目の粗いフィルタを使用しても測定媒体中に含まれている微小な物質がダイアフラムの起歪部に付着、堆積する量を低減することができ、静電容量式圧力センサの温度特性と圧力応答性を向上させる。【解決手段】固定電極２５が形成された第１の基板２１と、ダイアフラム２２を接合してこれら両部材間に真空の容量室３１を形成する。ダイアフラム２２の起歪部２２Ｂの内面中央には可動電極２６が固定電極２５に対応して形成され、起歪部２２Ｂの外面中央部には可動体２４の接合固定部２４Ａが接合されている。可動体２４は、ダイアフラム２２の起歪部２２Ｂの上方を覆う覆い部２４Ｂを一体に有し、この覆い部２４Ｂの外周面と第２の基板２３の内壁面４０との間に微小な隙間３３を形成し、微小な物質が第２の基板２３の内部空間３２に浸入しないようにする。【選択図】        図２
2004354105.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定圧力の変化を静電容量の変化として検出するダイアフラム構造の静電容量式圧力センサにおいて、
固定電極が設けられた基板と、接合部と起歪部とを有して前記接合部が前記基板に接合されることにより前記基板とともに容量室を形成し、前記起歪部に前記固定電極に対応して可動電極が設けられたダイアフラムと、このダイアフラムの前記起歪部を覆い被測定圧力により前記起歪部と一体に変位する可動体とを備え、
前記可動体を、前記ダイアフラムの起歪部の外面中央に接合された接合固定部と、この接合固定部に一体に形成され前記ダイアフラムの起歪部を覆う覆い部とで構成し、この覆い部と前記起歪部との間に微小な隙間を形成したことを特徴とする静電容量式圧力センサ。
【請求項２】
請求項１記載の静電容量式圧力センサにおいて、
基板、ダイアフラムおよび可動体を同一材料によってそれぞれ形成し、これらを直接接合によって一体的に接合したことを特徴とする静電容量式圧力センサ。
【請求項３】
被測定圧力の変化を静電容量の変化として検出するダイアフラム構造の静電容量式圧力センサにおいて、
固定電極が設けられた第１の基板と、接合部と起歪部とを有して前記接合部が前記基板に接合されることにより前記基板とともに容量室を形成し、前記起歪部に前記固定電極に対応して可動電極が設けられたダイアフラムと、このダイアフラムの前記接合部上に接合され前記起歪部を取り囲む第２の基板と、この第２の基板内に位置し被測定圧力により前記ダイアフラムと一体に変位する可動体とを備え、
前記可動体を、前記ダイアフラムの起歪部の外面中央に接合された接合固定部と、この接合固定部に一体に形成され前記ダイアフラムの起歪部を覆う覆い部とで構成し、この覆い部と前記第２の基板との間に微小な隙間を形成したことを特徴とする静電容量式圧力センサ。
【請求項４】
請求項３記載の静電容量式圧力センサにおいて、
微小な隙間は、第２の基板の内壁面と可動体の覆い部の外周面との間に形成され、第１の基板に接合されるダイアフラムの接合部の内側縁は、前記第２の基板の内壁面より略前記微小な隙間だけ内側に位置していることを特徴とする静電容量式圧力センサ。
【請求項５】
請求項３または４記載の静電容量式圧力センサにおいて、
第１の基板、ダイアフラム、第２の基板および可動体を同一材料によってそれぞれ形成し、これらを直接接合によって一体的に接合したことを特徴とする静電容量式圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被測定圧力の変化を静電容量の変化として検出するダイアフラム構造の静電容量式圧力センサに関し、特に半導体のエッチング工程等に用いて好適な静電容量式圧力センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、圧力計等に用いられる静電容量式圧力センサとしては種々のものが知られている（例えば、特許文献１，２，３参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平９−１２６９２９号公報
【特許文献２】
特開平１１−３５１９７８号公報
【特許文献３】
特開平６−２６５４２８号公報
なお、出願人は本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に密接に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
【０００４】
その一つに絶対圧測定用の静電容量式圧力センサ（以下、このようなセンサを絶対圧センサともいう）がある。この絶対圧センサは、被測定圧力の変化により容量値が変化するコンデンサ電極間のギャップを大気から隔絶するとともに、内部を真空にしたもので、通常図１６に示すように構成されている。これを概略説明すると、絶対圧センサ１は、積層され陽極接合（静電接合）されたシリコン基板２とガラス基板３とを備え、これら両基板間に形成した密閉空間を容量室（真空室）４としている。シリコン基板２は、厚肉の外周縁部がガラス基板３との接合部２Ａを形成し、中央部が被測定圧力Ｐ１  を受けると弾性変形する薄肉の起歪部２Ｂを形成することによりダイアフラムを構成している。前記起歪部２Ｂの外面側には可動電極５が設けられており、この可動電極５はガラス基板３の外面に設けた容量検出用ＩＣチップ６にリード線７を介して電気的に接続されている。一方、ガラス基板３のダイアフラムと対向する裏面には固定電極８が前記可動電極５と近接して対向するように設けられている。
【０００５】
このような構造からなる絶対圧センサ１において、ダイアフラム２の起歪部２Ｂ側に被測定圧力Ｐ１  が印加されると、起歪部２Ｂがその圧力に応じて弾性変形し、可動電極５と固定電極８との間の微小な間隙Ｇを変化させる。このため、可動電極５と固定電極８とで構成されるコンデンサの静電容量が変化し、これを電気信号として取り出して信号処理することにより、被測定圧力Ｐ１  を検出することができる。
【０００６】
このような従来の絶対圧センサ１を、例えば半導体製造装置のエッチング工程、ＣＶＤによる成膜工程等に使用して圧力測定を行う場合、測定媒体中に含まれている微小な物質、例えば反応性ガスのプラズマを生成してＳｉ，Ｓｉ３Ｎ４，Ａｌなどのエッチングを行うと、エッチングガス中にはガス化した材料や反応生成物などの微小な物質が含まれていることにより、これらの微小な物質が汚染物質としてダイアフラム２の起歪部２Ｂに付着して堆積する。このような物質の堆積が生じると、絶対圧センサ１の温度特性が変化してしまい、センサ出力の温度補償を無効化する。すなわち、起歪部２Ｂに付着し堆積した微小な物質と起歪部２Ｂの材料物性（特に熱膨張係数）が異なるため、堆積物とのいわゆるバイメタル効果により温度が変化した時に起歪部２Ｂにたわみを生じることとなる。このたわみ量は、堆積物の種類と量に依存するため、センサ使用開始時に実施された温度補償は無効となってしまう。また、起歪部２Ｂのコンプライアンス（＝容積変化／圧力変化）も減少するため、微小な圧力変化を高精度に測定することができなくなるという問題があった。
【０００７】
そこで、このような問題を解決するために、測定媒体中に含まれている微小な物質をフィルタによって捕捉することにより、起歪部に微小な物質が付着し堆積しないようにした圧力センサが従来から提案されている（例えば、特許文献４参照）。
【０００８】
【特許文献４】
米国特許第５８１１６８５号
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した米国特許第５８１１６８５号に記載された従来の圧力センサは、測定媒体中に含まれている微小な物質の付着、堆積を少なくするためにメッシュ番手の大きい（目の細かい）フィルタを使用すると、測定媒体が通過し難くなるため、圧力の変化をダイアフラムに迅速に伝達することができず、センサの圧力応答性が低下する。反対にメッシュ番手の小さい（目の粗い）フィルタを使用して圧力応答性を高めようとすると、測定媒体中に含まれている微小な物質が容易に通過して起歪部に付着、堆積する量が増加するため、センサの温度特性が変化し測定誤差が大きくなるという問題があった。このため、従来はフィルタを使用する限りにおいて、測定精度と圧力応答性の双方を同時に満足させることができるセンサを設計、製作することができなかった。
【００１０】
本発明は上記した従来の問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、目の粗いフィルタを使用しても測定媒体中に含まれている微小な物質がダイアフラムの起歪部に付着、堆積する量を低減することができ、温度特性と圧力応答性の双方を同時に向上させることができるようにした静電容量式圧力センサを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために第１の発明は、被測定圧力の変化を静電容量の変化として検出するダイアフラム構造の静電容量式圧力センサにおいて、固定電極が設けられた基板と、接合部と起歪部とを有して前記接合部が前記基板に接合されることにより前記基板とともに容量室を形成し、前記起歪部に前記固定電極に対応して可動電極が設けられたダイアフラムと、このダイアフラムの起歪部を覆い被測定圧力により前記起歪部と一体に変位する可動体とを備え、前記可動体を、前記ダイアフラムの起歪部の外面中央に接合された接合固定部と、この接合固定部に一体に形成され前記ダイアフラムの起歪部を覆う覆い部とで構成し、この覆い部と前記起歪部との間に微小な隙間を形成したものである。
【００１２】
第１の発明においては、ダイアフラムの起歪部が測定媒体の圧力によって弾性変形すると、可動体も起歪部と一体に変位し、固定電極と可動電極の電極間距離を変化させる。可動体の覆い部はダイアフラムの起歪部を微小な隙間を保って覆っているので、この隙間に測定媒体中に含まれている微小な物質が侵入して起歪部に付着、堆積するのを防止する。
ダイアフラムの圧力感度を主に決める部分は起歪部である。可動体の接合固定部を剛体とみなすと、この可動体の接合固定部が接合されている起歪部の中央部は弾性変形することができなくなり、この中央部より外側の起歪部分が弾性変形する。剛体からなる可動体の接合固定部および剛体を介して起歪部に接続されている覆い部に測定媒体中に含まれている微小な物質が仮に付着、堆積したとしても、ダイアフラムの圧力感度には殆ど影響を及ぼさないので、測定精度を長期にわたって安定した状態に維持することができる。また、本発明の実施の形態で述べるように、本構造であると圧力の過渡的変化に対する出力の応答性も良好となる。
【００１３】
第２の発明は上記第１の発明において、基板、ダイアフラムおよび可動体を同一材料によってそれぞれ形成し、これらを直接接合によって一体的に接合したものである。
【００１４】
第２の発明においては、基板とダイアフラムが直接接合されているので、所望の電極間距離をもったセンサを得ることができる。すなわち、接合材を用いて接合する方法は、接合後における接合材自体の厚みのばらつきによって電極間距離にばらつきが生じる。一方、直接接合は、接合部材の接合面を鏡面仕上げして互いに密着させるだけで接合する方法であるため、接合材を全く用いる必要がなく、そのため接合材の厚みのばらつきによる電極間距離のばらつきが生じることがなく、高精度な電極間距離を得ることができる。
直接接合に際しては、基本的には２つの接合部材の接合面を鏡面仕上げして互いに積層するだけでよいが、より確実な接合を得るためには適宜な圧力と温度（例えば、２００〜１３００°Ｃ程度）で加圧、加熱することが好ましい。
また、基板、ダイアフラムおよび可動体は同一材料で形成されているので、これら部材間に熱膨張係数の相違による応力の発生が生じない。
【００１５】
第３の発明は、被測定圧力の変化を静電容量の変化として検出するダイアフラム構造の静電容量式圧力センサにおいて、固定電極が設けられた第１の基板と、接合部と起歪部とを有して前記接合部が前記基板に接合されることにより前記基板とともに容量室を形成し、前記起歪部に前記固定電極に対応して可動電極が設けられたダイアフラムと、このダイアフラムの前記接合部上に接合され前記起歪部を取り囲む第２の基板と、この第２の基板内に位置し被測定圧力により前記ダイアフラムと一体に変位する可動体とを備え、前記可動体を、前記ダイアフラムの起歪部の外面中央に接合された接合部と、この接合部に一体に形成され前記ダイアフラムの起歪部を覆う覆い部とで構成し、この覆い部と前記第２の基板との間に微小な隙間を形成したものである。
【００１６】
第３の発明においては、微小な隙間を通って第２の基板内に侵入した測定媒体中に含まれている微小な物質の量が少なく、ダイアフラムの起歪部に付着、堆積するのを防止する。
【００１７】
第４の発明は上記第３の発明において、微小な隙間が第２の基板の内壁面と可動体の覆い部の外周面との間に形成され、第１の基板に接合されるダイアフラムの接合部の内側縁が前記第２の基板の内壁面より略前記微小な隙間だけ内側に位置しているものである。
【００１８】
第４の発明においては、第１の基板に接合されるダイアフラムの接合部の表面の一部が第２の基板の内壁面より内側に位置して微小な隙間と対向しているので、この隙間を通って第２の基板内に侵入した測定媒体中に含まれている微小な物質は主として前記接合部の前記隙間と対向する部分に付着して堆積し、起歪部には付着、堆積する量が少ない。
【００１９】
第５の発明は上記第３または第４の発明において、第１の基板、ダイアフラム、第２の基板および可動体を同一材料によってそれぞれ形成し、これらを直接接合によって一体的に接合したものである。
【００２０】
第５の発明においては、直接接合によるため所望の電極間距離をもったセンサを得ることができる。また、第１、第２の基板、ダイアフラムおよび可動体の間に熱膨張係数の相違による応力の発生が生じない。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明に係る静電容量式圧力センサの第１の実施の形態を示す外観斜視図、図２は図１のＩＩ−ＩＩ線断面図、図３は第１の基板の平面図、図４はダイアフラムの底面図である。本実施の形態は、シリコンウエハを物理的・化学的にドライエッチングする半導体製造装置の圧力測定に用いた例を示す。なお、以下に示す図は、いずれも説明の便宜上、厚み方向の寸法を極端に誇張して描いている。
【００２２】
これらの図において、全体を符号２０で示す絶対圧センサは、センサ素子Ｓと、このセンサ素子Ｓを収納するパッケージＰＫとで構成され、半導体製造装置のエッチング室内に配設されている。
【００２３】
半導体製造装置は、内部の真空度が数Ｐａ程度であり、絶対圧センサ２０の前方にはフィルタＦが配設されている。フィルタＦとしては、絶対圧センサ２０の圧力応答性に影響を与えないように比較的目の粗いものが用いられ、測定媒体（エッチングガス）３４の通過を容易にしている。
【００２４】
さらに、前記センサ素子Ｓの各構成部材等について詳述すると、このセンサ素子Ｓは、第１の基板２１、ダイアフラム２２、第２の基板２３、可動体２４、固定電極２５、可動電極２６、リファレンス電極２７，２８および４本の電極取出し用ピン２９ａ〜２９ｄ等で構成されている。第１の基板２１、ダイアフラム２２、第２の基板２３および可動体２４は、同一材料、例えばサファイア基板（Ａｌ２Ｏ３）または石英基板によって形成され、互いに中心を一致させて順次積層され、直接接合によって一体的に接合されている。
【００２５】
直接接合とは、接合材等を一切用いず接合部材どうしの物理化学的な結合力のみによって接合する方法であり、２つの接合部材の接合面を鏡面仕上げして互いに密着させることにより接合する方法である。接合に際しては、特に圧力を加える必要がなく、単に重ね合わせるだけでよいが、好ましくは２００〜１３００℃程度に加熱して接合するとより一層確実な接合が得られる。
【００２６】
第１の基板２１、ダイアフラム２２、第２の基板２３、可動体２４の接合方法としては、直接接合に限らず、これら部材の基板素材としてシリコンの単結晶基板を用いた場合は、拡散接合によって接合すればよい。また、基板素材としてシリコンとガラスを用いた場合は陽極接合すればよい。このような接合方法は、いずれも上記した直接接合と同様に、基板どうしの界面に接合材を介在させないで接合する方法である。
【００２７】
前記第１の基板２１とダイアフラム２２とによって囲まれた密閉空間は、容量室３１を形成している。また、この容量室３１は、真空排気されることにより所定の真空度からなる真空室を形成している。
【００２８】
一方、前記第２の基板２３の内部空間、言い換えればダイアフラム２２と第２の基板２３および可動体２４とによって形成された空間３２は、前記第２の基板２３と可動体２４との間に形成した環状の微小な隙間３３によって半導体製造装置の内部と連通しており、測定媒体３４がフィルタＦを通って導かれる。
【００２９】
前記第１の基板２１は、一辺の長さが９ｍｍ程度、厚さが数百μｍ程度の正方形の薄板状に形成され、ダイアフラムが接合される面（ダイアフラム接合面または接合面という）の中央には前記容量室３１を形成する凹陥部３５が形成されている。凹陥部３５は、図３に示すように第１の基板２１より若干小さい矩形の凹部からなり、底面に前記固定電極２５と一方のリファレンス電極２７が形成されている。また、凹陥部３５の底面四隅部には、前記各電極取出し用ピン２９ａ〜２９ｄが貫通するピン用孔３６ａ〜３６ｄと、保護壁３７がそれぞれ形成され、さらに一側寄りには真空排気用孔３８が形成されている。
【００３０】
前記固定電極２５は、円形のパターンで凹陥部３５の底面中央に形成されており、導電膜３９ａによって電極取出し用ピン２９ａに接続されている。リファレンス電極２７は、一箇所が開放したＣ字形パターンに形成されて前記固定電極２５の周囲を取り囲み、導電膜３９ｂによって電極取出し用ピン２９ｂに接続されている。前記保護壁３７は、前記導電膜３９ａ，３９ｂを溶射によって形成するとき、溶融状態の金属材料（白金等）が周囲に飛散するのを防止するためのもので、平面視略正三角形の突条体からなり凹陥部３５の各隅角部にそれぞれ突設されている。前記真空排気用孔３８は、前記リファレンス電極２７の開放部に位置して形成され、前記容量室３１を真空ポンプによって真空排気した後封止される。
【００３１】
前記ダイアフラム２２は、厚さが数十μｍ程度の薄膜状に形成された四角形の板からなり、外周縁部が前記第１の基板２１の接合面に直接接合されることにより接合部２２Ａを形成し、この接合部２２Ａより内側部分が被測定圧力Ｐ１  によって弾性変形する起歪部２２Ｂを形成している。起歪部２２Ｂは円形で、外面（可動体側の面）の中央部に前記可動体２４が直接接合されている。この場合、可動体２４は剛体と見なされるので、実際の製品となった後のダイアフラム２２における弾性変形可能な起歪部分は、前記可動体２４が接合されている中央部と前記接合部２２Ａとの間の環状部分である。
【００３２】
図４において、前記ダイアフラム２２の起歪部２２Ｂの前記第１の基板２１に接合される裏面側には、前記可動電極２６と他方のリファレンス電極２８が前記固定電極２５と一方のリファレンス電極２７に対応して形成されている。前記可動電極２６は、前記固定電極２５と略同径の円形パターンで、起歪部２２Ｂの裏面の中央に形成されることにより、固定電極２５と所定の電極間距離（数μｍ程度）を保って対向し、導電膜４１ａによって電極取出し用パッド４２ａに接続されている。前記リファレンス電極２８は、前記一方のリファレンス電極２７と略同一の大きさからなるＣ字状パターンに形成されて前記可動電極２６の周囲を取り囲み、導電膜４１ｂによって電極取出し用パッド４２ｂに接続されている。また、このリファレンス電極２８も前記リファレンス電極２７と所定の電極間距離（数μｍ程度）を保って対向していることはいうまでもない。なお、固定電極２５、可動電極２６，リファレンス電極２７，２８は、蒸着またはスパッタリングによって形成される。
【００３３】
前記第２の基板２３は、厚さが１ｍｍ程度、外側の形状が前記第１の基板２１、ダイアフラム２２と同一の大きさの角形で、内側の形状が円形からなる枠状体に形成され、前記ダイアフラム２２の接合部２２Ａの外面上に直接接合によって接合されることにより、前記起歪部２２Ｂと前記可動体２４の周囲を取り囲んでいる。
【００３４】
前記可動体２４は、前記ダイアフラム２２の起歪部２２Ｂの外面中央に接合される接合固定部２４Ａと、この接合固定部２４Ａの先端に一体に形成され前記起歪部２２Ｂの上方を覆う覆い部２４Ｂとで剛体を構成しており、前記第２の基板２３内に位置している。接合固定部２４Ａは、前記固定電極２５、可動電極２６と略同径の円板状に形成されている。同じく覆い部２４Ｂも前記ダイアフラム２２の起歪部２２Ｂと略同径の円板状で、外周面４３と前記第２の基板２３の内壁面４０との間に前記隙間３３が形成されている。
【００３５】
この場合、ダイアフラム２２の接合部２２Ａの内径をＲ１  ，第３の基板２３の内径をＲ２  、可動体２４の覆い部２４Ｂの外径をＲ３  とすると、Ｒ１  ≦Ｒ３  ＜Ｒ２  の条件を満たすように形成されており、図２に示すようにダイアフラム２２の接合部２２Ａの内側縁ａが第２の基板２３の内壁面４０より少なくとも前記隙間３３の幅Ｗだけ内側に位置している。隙間３３の幅Ｗは、測定媒体３４中に含まれている微小な物質が通過し難く、かつ測定媒体３４の通過が容易で絶対圧センサ２０の圧力応答性に影響を与えない範囲内で微小な幅、好ましくは長さＬと幅Ｗとの比が２０μｍ程度以上に設定されている。
【００３６】
前記各電極取出用ピン２９ａ〜２９ｄは、第１の基板２１に形成した電極用孔３６ａ〜３６ｄをそれぞれ貫通して裏面側に突出し、図示を省略したプリント基板の信号処理回路に接続されている。
【００３７】
このような絶対圧センサ２０において、測定時に測定媒体３４がフィルタＦを通って絶対圧センサ２０に導かれると、その圧力Ｐ１  によって可動体２４を押し下げ、ダイアフラム２２の起歪部２２Ｂを弾性変形させる。このため、固定電極２５と可動電極２６の電極間距離が変化し、これら両電極で構成されるコンデンサの静電容量が変化し、これを電気信号として取り出すことにより、被測定圧力Ｐ１  を検出することができる。
【００３８】
絶対圧センサ２０に導かれる測定媒体３４の圧力がＰ１  からＰ２  に変化したとき、圧力Ｐ２  の測定媒体３４がフィルタＦを通過した後微小な隙間３３を通って第２の基板２３内に入り内部空間３２内の圧力をＰ１  からＰ２  に置換には所要の時間を要するので、過渡的に内部空間３２内の圧力Ｐ１  と可動体２４の覆い部２４Ｂの外面（パッケージＰＫの外部に露呈している面）に加わる圧力Ｐ２  との間に圧力差（｜Ｐ１  −Ｐ２｜  ）が生じる。しかし、本構造において、可動電極２６部を変位させるのは、圧力Ｐ２  と前記容量室３１内の圧力の差である（内部空間内の圧力は、起歪部２２Ｂと対向する覆い部２４Ｂに、可動電極２６部が変位することを相殺するように逆方向に作用する）ため、第２の基板２３と可動体２４との間に形成された微小な隙間３３によってはセンサの圧力応答性を低下させることがない。
【００３９】
また、第２の基板２３の内壁面４０と可動体２４の覆い部２４Ｂの外周面との間の微小な隙間３３は、測定媒体３４中に含まれている微小な物質の侵入を阻止し、しかもたとえ隙間３３を通過しても上記したＲ１  ＝Ｒ３  ＜Ｒ２  の条件により主としてその真下に位置するダイアフラム２２の接合部２２Ａの表面上に落下して付着、堆積するので、起歪部２２Ｂへの付着、堆積量を少なくすることができる。したがって、温度変化による測定誤差が小さく、センサの温度特性を向上させることができる。
【００４０】
また、第１の基板２１、ダイアフラム２２、第２の基板２３および可動体２４をサファイアまたは石英からなる同一材料で形成すると、異種材料で製作した場合に比べて製作時に接合部に生じる残留応力を少なくすることができる。この残留応力の経年変化は圧力計測の誤差要因となるため、できる限り少なくすることが望ましい。また、使用時に温度変化等があっても接合部に熱応力が生じることがなく、ダイアフラム２２の弾性変形に影響を与えることがない。
【００４１】
また、第１の基板２１、ダイアフラム２２、第２の基板２３および可動体２４を直接接合によって一体的に接合しているので、高精度な電極間距離が得られる。すなわち、接合材を用いて接合する場合は、接合材の厚さのばらつきによって電極間距離にばらつきが生じるが、直接接合の場合は接合材を一切用いないため、接合材の厚さによるばらつきが生じることがなく、第１の基板２１の凹陥部３５のドライエッチング量と、固定電極２５、可動電極２６の厚さのみによって電極間距離が決定される。したがって、設計値に略等しい電極間距離を得ることが可能で、きわめて高精度で信頼性の高い圧力計測が可能な絶対圧センサが得られる。
【００４２】
また、センサ素子Ｓの各構成部材を、特にサファイア基板で形成すると、サファイアは単結晶であり、アルミナ、セラミックスのような粒界が存在しないため、高い耐食性を有し、アルカリ性や酸性の液体など腐食性の高い測定媒体であっても直接接触させて圧力を測定することができる。したがって、センサ素子Ｓの表面を封入液で覆うなどして測定媒体３４から隔離する必要がなく、センサの小型化を図ることができる。
【００４３】
さらに、サファイア基板は、半導体製造で使用されるバッチプロセスと同様な製造工程を採用することにより電極間隔などのセンサ素子間のばらつきが小さく、同一特性のセンサ素子を大量に製作することが可能であり、量産性に優れている。
【００４４】
次に、上記した絶対圧センサの製造方法を図５〜図１３に基づいて概略説明する。
上記した絶対圧センサ２０は、３枚のプレートを積層した三層構造からなる例えば厚さが１．５ｍｍ程度の４インチ角のサファイア基板に多数のセンサ素子を製作し、その後ダイシングによって個々に独立したセンサ素子に切断分離してパッケージに収納することにより製作されるものであるが、説明の便宜上その中の１つのセンサ素子を用いて製作手順について説明する。
【００４５】
図５および図６は第２の基板と可動体の形成工程を説明するための平面図および断面図である。
先ず、正方形のサファイア基板からなるプレート素材１００を用意する。このプレート素材１００は、第２の基板２３と同一の大きさおよび厚さで、ダイアフラム２２との接合面が研磨加工によって鏡面仕上げされている。また、鏡面仕上げした後は、１５００℃程度に加熱し、歪みが取り除かれている（サファイアの融点：１８００℃程度）。
【００４６】
次に、鏡面仕上げされたプレート素材１００のダイアフラム接合面の外周寄りに、溝幅Ｗの第１の溝１０１を超音波加工、レーザー加工、ブラスト加工等によって形成する（図５）。この第１の溝１０１は、第２の基板２３と可動体２４の覆い部２４Ｂとの間に形成される微小な隙間３３の一部となる溝で、外径が第２の基板２３の内径Ｒ２  と等しく、内径が前記可動体２４の覆い部２４Ｂの外径Ｒ３  と等しく設定されている。
【００４７】
次に、プレート素材１００のダイアフラム接合面の所定箇所をマスク１０２によってマスキングし、第２の溝１０３をドライエッチング、ブラスト加工等によって形成する（図６）。プレート素材１００のダイアフラム接合面のうちマスク１０２によって覆われる部分は、前記第１の溝１０１より外側で可動体２４の接合固定部２４Ａとなる部分と、接合固定部２４Ａとなる中央部分と、保護壁３７となる部分である。第２の溝１０３は、前記第１の溝１０１と外径が等しく、内径が十分に小さく、第２の基板２３の内部空間３２となる部分である。所定深さの第２の溝１０３を形成すると、第１の溝１０１はそのまま掘り下げられて第２の溝１０３より下方に位置する。この結果、プレート素材１００の内部中央には異径の円板部１０４ａ，１０４ｂが２段に形成されたことになり、上方側の小径円板部１０４ａが非エッチング部であって可動体２４の接合固定部２４Ａとなる部分である。一方、下方側の大径円板部１０４ｂは、エッチングの残り部分であって可動体２４の覆い部２４Ｂとなる部分である。また、プレート素材１００の前記第１、第２の溝１０１，１０３より外側の枠壁部分１０５は、第２の基板２３となる部分である。なお、第２の溝１０３の加工を行った後、マスク１０２はプレート素材１００から除去される。
【００４８】
図７（ａ）、（ｂ）はプレート素材とダイアフラムの接合工程を説明するための平面図および断面図である。
サファイア基板を所定の薄膜状に形成してその表裏面を研磨加工によって鏡面仕上げすることにより、厚さが均一なダイアフラム２２を製作する。次に、このダイアフラム２２をプレート素材１００のダイアフラム接合面に位置決めして載置し、裏面中央部と裏面外周縁部を前記小径円板部１０４ａと枠壁部分１０５の表面にそれぞれ直接接合する。ダイアフラム２２とプレート素材１００を直接接合する場合は、１０００℃程度に加熱して行うことが望ましい。
【００４９】
図８（ａ）、（ｂ）はダイアフラムに電極を形成する工程を説明するための平面図および断面図である。
ダイアフラム２２の表面中央部と外周寄りではあるがプレート素材１００の枠壁部分１０５より内側部分に導電性薄膜を成膜し、写刻技術によりパターンニングすることにより、所定形状の可動電極２６とリファレンス電極２８を形成する。導電性薄膜の成膜は、通常半導体プロセスで用いられているドライ成膜であるＣＶＤ、真空蒸着、スパッタリング法などにより形成することができる。また、導電膜４１ａ，４１ｂとパッド４２ａ〜４２ｄｂを同時に形成する。
【００５０】
図９（ａ）、（ｂ）は第１の基板にピン用孔と真空排気用孔を形成する工程を説明するための平面図および断面図である。
先ず、正方形のサファイア基板からなる第１の基板２１を用意する。この第１の基板２１のダイアフラム２２との接合面である表面を研磨加工によって鏡面仕上げし、さらにその後１５００℃程度に加熱して歪みを取り除く。次に、第１の基板２１の所定箇所にピン用孔３６ａ〜３６ｄと真空排気用孔３８をレーザー加工によってそれぞれ形成する。ピン用孔３６ａ〜３６ｄは、図８に示した前記パッド４２ａ〜４２ｄと対向するように形成される。
【００５１】
図１０（ａ）、（ｂ）は第１の基板に容量室となる凹陥部を形成する工程を説明するための平面図および断面図である。
第１の基板２１の表面所定箇所をマスク１１０で覆ってドライエッチングまたはブラスト加工により所定深さの凹陥部３５を形成する。この凹陥部３５は後工程でダイアフラム２２の接合によって密閉空間となり、さらに真空排気されることにより容量室３１となる部分である。凹陥部３５を形成した後は、マスク１１０を取り除く。
【００５２】
図１１（ａ）、（ｂ）は第１の基板に電極を形成する工程を説明するための平面図および断面図である。
第１の基板２１の凹陥部３５の底面に導電性薄膜を成膜し、写刻技術によりパターンニングすることにより、所定形状の固定電極２５とリファレンス電極２７を形成する。導電性薄膜の成膜は、上記した可動電極２６、リファレンス電極２８と同様に通常半導体プロセスで用いられているドライ成膜であるＣＶＤ、真空蒸着、スパッタリング法などにより形成することができる。この後、導電膜３９ａ，３９ｂを溶射等によって形成する。
【００５３】
図１２（ａ）、（ｂ）は第１の基板とダイアフラムを接合する工程を説明するための平面図および断面図である。
第１の基板２１の表面にダイアフラム２２を位置決めして載置し、可動電極２６とリファレンス電極２８を固定電極２５とリファレンス電極２７に対してそれぞれ対向させる。そして、第１の基板２１とダイアフラム２２を直接接合する。第１の基板２１とダイアフラム２２の直接接合も、１０００℃程度に加熱して行うことが望ましい。
【００５４】
図１３（ａ）、（ｂ）はプレート素材を外側と内側に切断分離し第２の基板と可動体を形成する工程を説明するための平面図および断面図である。
プレート素材１００のダイアフラム接合面とは反対側の面の外周部にリング状の第３の溝１１２をレーザー加工、ドライエッチング等によって形成し、第１の溝１０１と連通させる。第３の溝１１２は、第１の溝１０１と同一の大きさと溝幅を有している。これによって、プレート素材１００は、第１の溝１０１と第３の溝１１２より外側部分と内側部分とに完全に切断分離され、外側部分が図１に示した枠状体からなる第２の基板２３を形成し、内側部分が可動体２４を形成し、第１の溝１０１と第３の溝１１２が溝幅Ｗの微小な隙間３３を形成する。
【００５５】
次に、第１の基板２１の各ピン用孔３６ａ〜３６ｄを通して、ダイアフラム２２上のパッド４２ａ〜４２ｄ上に導電材料の溶射により半田ストッパ層を形成する。その後、各ピン用孔３６ａ〜３６ｄに溶融半田を流し込んで電気的に接続することにより、第１の基板２１、ダイアフラム２２、第２の基板２３、可動体２４等からなるセンサ素子Ｓが完成し、このセンサ素子ＳをパッケージＰＫ（図２）に収納する。この際、センサ素子Ｓは、可動体２４の覆い部２４Ｂの外面および内部空間３２側と、容量室３１側を分離するように、パッケージＰＫに封止接合される。
【００５６】
しかる後、真空排気用孔３８を図示しない真空ポンプに接続し、この真空ポンプによって第１の基板２１とダイアフラム２２とによって囲まれた容量室３１内の空気を排気することにより、所定の真空度の真空室とする。しかる後、パッケージＰＫの真空真空排気用孔３８を封止することにより、図１〜図４に示した絶対圧センサ２０の製造を終了する。
【００５７】
このようにして製作される絶対圧センサ２０にあっては、半導体プロセスと同様にサファイアからなる基板内に多数のセンサ素子Ｓを同時に製作することができるので、同じ品質のセンサ素子Ｓを大量生産することが可能となり、製造コストの低減にもつながる。
【００５８】
図１４は本発明の第２の実施の形態を示す断面図である。
この実施の形態は、第１の基板２１、ダイアフラム２２、第２の基板２３および可動体２４でセンサ素子Ｓを構成し、可動体２４の覆い部２４Ｂによってダイアフラム２２の起歪部２２Ｂと第２の基板２３の上方を覆い、この第２の基板２３の表面（上面）と覆い部２４Ｂの内面との間に微小な隙間１２０を形成したものである。隙間１２０は微小な物質が通過し難く、測定媒体の通過が容易でセンサの圧力応答性に影響を与えない範囲内の隙間、例えば数μｍ程度とする。また、可動体２４の覆い部２４Ｂの外周面とパッケージＰＫの内周面との間には十分な隙間１２１が設定されている。その他の構造は上記した第１の実施の形態と略同様である。また、製造方法も略同様である。
【００５９】
このような構造においても、第２の基板２３の表面と可動体２４の覆い部２４Ｂの内面外周部との間に微小な隙間１２０を形成しているので、上記した実施の形態と同様に第２の基板２３の内部空間３２に測定媒体中に含まれている微小な物質が侵入しダイアフラム２２の起歪部２２Ｂに付着し堆積するのを防止することができる。
【００６０】
また、絶対圧センサ２０に導かれる測定媒体３４の圧力がＰ１  からＰ２  に変化したとき、圧力Ｐ２  の測定媒体３４がフィルタＦを通過した後微小な隙間１２１を通って第２の基板２３内に入り内部空間３２内の圧力をＰ１  からＰ２  に置換するには所要の時間を要するので、過渡的に内部空間３２内の圧力Ｐ１  と可動体２４の覆い部２４Ｂの外面（パッケージＰＫの外部に露呈している面）に加わる圧力Ｐ２  との間に圧力差（｜Ｐ１  −Ｐ２  ｜）が生じる。しかし、本構造においては、上記圧力差による影響を受ける部分を、可動体２４の覆い部２４Ｂの第２の基板２３を覆っている部分に限定出来るため、応答性の悪化はほとんどない。
【００６１】
図１５は本発明の第３の実施の形態を示す断面図である。
この実施の形態は、請求項１に記載の発明に対応するもので、基板２１、ダイアフラム２２および可動体２４の３部材でセンサ素子Ｓを構成し、このセンサ素子ＳをパッケージＰＫに収納して絶対圧センサ１３０としたものである。すなわち、本実施の形態は、上記した第２の基板２３を省略したものである。
【００６２】
前記可動体２４は、微小な高さの接合固定部２４Ａと、ダイアフラム２２の外面全体を覆う覆い部２４Ｂとで構成され、覆い部２４Ｂの内面とダイアフラム２２の起歪部２２Ｂ外面との間に微小な隙間１２２を形成している。また、製造方法は上記実施例と略同様である。隙間１２２としては、微小な物質が通過し隙間、例えば数μｍ程度に設定されている。
【００６３】
このような構造においては、可動体２４の外周を取り囲む第２の基板２３を必要としないので、センサ素子Ｓの簡素化と製造コストの低減を図ることができる。
【００６４】
なお、上記した実施の形態においては、いずれも絶対圧センサの形状を正方形とした場合について説明したが、本発明はこれに何ら特定されるものではなく、多角形、円形あるいは楕円形などの各種の形状のものであってもよい。
また、固定電極２５と可動電極２６の面積を大きくするために容量室３１とダイアフラム２２の起歪部２２Ｂを円形に形成した例を示したが、これに限らず角形に形成したものであってもよい。
【００６５】
また、可動電極２６を可動体２４の接合固定部２４Ａに対応するダイアフラム２２の裏面中央部にのみ形成してもよい。また、可動体２４の覆い部２４Ｂの表面に適宜個数の窪み部を設けておくと、可動体２４の軽量化を実現でき、振動等の誤差影響を軽減することができる。
【００６６】
また、上記した実施の形態では、いずれも第１の基板２１、ダイアフラム２２、第２の基板２３および可動体２４の素材としてサファイア基板または石英基板を用いた例を示したが、これに限らずシリコン基板やガラスを用いることも可能である。
【００６７】
さらに、上記した実施の形態はいずれも絶対圧センサに適用した例を示したが、本発明はこれに何ら限定されるものではなく、大気圧を基準圧としたセンサにも適用することが可能である。
【００６８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係る静電容量式圧力センサは、ダイアフラムに接合されこれと一体に変位する可動体を備え、この可動体をダイアフラムの起歪部に接合された接合部と、ダイアフラムの起歪部上方を覆う覆い部とで構成し、この覆い部と起歪部との間に微小な隙間を形成したので、この隙間に微小な物質が侵入して起歪部に付着し堆積するのを防止することができる。したがって、フィルタを用いた場合、その目が必要以上に細かいものを用いる必要がなく、センサの応答性を向上させることができる。
【００６９】
また、ダイアフラムの起歪部に微小な物質が付着、堆積しなければ、センサの温度特性も変化せず、長期間にわたって安定した性能を維持することができる。
【００７０】
また、本発明はダイアフラムの起歪部と可動体を取り囲む第２の基板を備え、この基板の内壁面と可動体の覆い部との間に微小な隙間を設けるとともに、ダイアフラムの接合部の内側縁を第２の基板の内壁面より略前記隙間分だけ内側に位置させたので、微小な物質が前記隙間を通って第２の基板内に侵入したとしてもその殆どが隙間の真下に位置するダイアフラムの接合部に付着、堆積して起歪部に付着、堆積する量が少なく、圧力応答性、温度特性に優れた静電容量式圧力センサを提供することができる。
【００７１】
さらに、第１の基板、ダイアフラム、第２の基板および可動体を同一材料で製作しているので、温度変化によって接合部に熱応力が生じず、ダイアフラムの弾性変形に影響を与えず、測定精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る静電容量式圧力センサの第１の実施の形態を示す外観斜視図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】第１の基板の平面図である。
【図４】ダイアフラムの底面図である。
【図５】（ａ）、（ｂ）は第２の基板と可動体の形成工程を説明するための平面図および断面図である。
【図６】（ａ）、（ｂ）は第２の基板と可動体の形成工程を説明するための平面図および断面図である。
【図７】（ａ）、（ｂ）はプレート素材とダイアフラムの接合工程を説明するための平面図および断面図である。
【図８】（ａ）、（ｂ）はダイアフラムに電極を形成する工程を説明するための平面図および断面図である。
【図９】（ａ）、（ｂ）は第１の基板にピン用孔と真空排気用孔を形成する工程を説明するための平面図および断面図である。
【図１０】（ａ）、（ｂ）は第１の基板に容量室を形成する工程を説明するための平面図および断面図である。
【図１１】（ａ）、（ｂ）は第１の基板に電極を形成する工程を説明するための平面図および断面図である。
【図１２】（ａ）、（ｂ）は第１の基板とダイアフラムを接合する工程を説明するための平面図および断面図である。
【図１３】（ａ）、（ｂ）はプレート素材を切断分離して第２の基板と可を形成する工程を説明するための平面図および断面図である。
【図１４】本発明の第２の実施の形態を示す断面図である。
【図１５】本発明の第３の実施の形態を示す断面図である。
【図１６】従来の静電容量式圧力センサの断面図である。
【符号の説明】
２０…絶対圧センサ、２１…第１の基板、２２…ダイアフラム、２２Ａ…接合部、２２Ｂ…起歪部、２３…第２の基板、２４…可動体、２４Ａ…接合部、２４Ｂ…覆い部、２５…固定電極、２６…可動電極、２７，２８…リファレンス電極、３１…容量室、３２…内部空間、３３…微小な隙間、Ｆ…フィルタ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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