(57)【要約】【解決手段】マイクロメカニカル式の圧力センサを製造するための方法で、圧力センサが少なくとも、１つのダイヤフラム１と、このダイヤフラム１上に設けられた１つの測定エレメント４とから成り、該測定エレメント４が、膨張及び／又は圧縮によって、ダイヤフラム１にかけられる圧力ｐ５，ｐ６及び／又は、ダイヤフラムの異なる側にかけられる圧力差ｐ５，ｐ６を表す測定値を生ぜしめるようになっており、この場合、測定エレメント４が少なくとも部分的にＮｉＣｒ（Ｓｉ）層を有している形式のものにおいて、マイクロメカニカル式のセンサを製造するために、ＮｉＣｒ（Ｓｉ）層を部分的に結晶化させる。【効果】少なくとも部分的に結晶化することによって、圧力センサは環境条件に対して安定している。従って圧力センサを例えば４００℃の温度まで使用することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロメカニカル式の圧力センサを製造するための方法であって、
圧力センサが、少なくとも１つのダイヤフラム（１）と、このダイヤフラム（１）上に設けられた少なくとも１つの測定エレメント（４）とから成っており、
該測定エレメント（４）が、膨張及び／又は圧縮によって、ダイヤフラム（１）にかけられる圧力（ｐ５，ｐ６）及び／又は、ダイヤフラムの異なる側にかけられる圧力差（ｐ５，ｐ６）を表す測定値を生ぜしめるようになっており、
この場合、測定エレメント（４）が少なくとも部分的にＮｉＣｒ（Ｓｉ）層を有している形式のものにおいて、
マイクロメカニカル式のセンサを製造するために、ＮｉＣｒ（Ｓｉ）層を少なくとも部分的に結晶化させることを特徴とする、マイクロメカニカル式の圧力センサを製造するための方法。
【請求項２】
測定エレメントを鋼基板上に被着し、この場合、圧力センサの製造を次のステップを有するプロセス、つまり
絶縁層を鋼ダイヤフラム上に被着するステップ、
ＮｉＣｒ（Ｓｉ）層を被着するステップ、
ＮｉＣｒ（Ｓｉ）層をパターン形成するステップ、
熱処理ステップ
を有するプロセスで行う、請求項１記載の方法。
【請求項３】
ＮｉＣｒ（Ｓｉ）層の部分的な結晶化を熱処理ステップ中に行う、請求項１記載の方法。
【請求項４】
鋼ダイヤフラム上にＳｉＯｘ層を絶縁層として析出し、かつ／又は
ＮｉＣｒ（Ｓｉ）層の被着をスパッタプロセスによって実施し、かつ／又は
ＮｉＣｒ（Ｓｉ）層をフォトケミカル法でパターン形成し、かつ／又は
測定エレメントをエージングするための少なくとも１回の熱処理ステップを設ける、
請求項２記載の方法。
【請求項５】
測定エレメントに、少なくとも部分的に特に金属製の抵抗層を設け、この場合、
抵抗層の製作をスパッタプロセスによって行い、
抵抗層の製作後に、抵抗層の電気的なコンタクト、及び抵抗層のパッシベーションを特に窒化物層によって行い、
この場合特に、抵抗層がＮｉＣｒ（Ｓｉ）層を有するようにする、請求項１記載の方法。
【請求項６】
マイクロメカニカル式の圧力センサを製造するために、Ｔ＞３５０℃の熱処理ステップを設け、この場合特に、
３５０℃〜４５０℃の間の温度において部分結晶化を行い、かつ／又は
熱処理ステップを、ＮｉＣｒ（Ｓｉ）層のパターン形成後に、又は抵抗層のパッシベーション後に行う、請求項１，２又は６記載の方法。
【請求項７】
マイクロメカニカル式の圧力センサであって、この圧力センサが、少なくとも１つのダイヤフラム（１）と、このダイヤフラム（１）上に設けられた少なくとも１つの測定エレメント（４）とから成っており、
該測定エレメント（４）が、膨張及び／又は圧縮によって、ダイヤフラム（１）にかけられる圧力（ｐ５，ｐ６）及び／又は、ダイヤフラムの異なる側にかけられる圧力差（ｐ５，ｐ６）を表す測定値を生ぜしめるようになっており、
この場合、測定エレメント（４）が少なくとも部分的にＮｉＣｒ（Ｓｉ）層を有している形式のものにおいて、
ＮｉＣｒ（Ｓｉ）層が少なくとも部分的に結晶化されていることを特徴とする、マイクロメカニカル式の圧力センサ。
【請求項８】
測定エレメントが鋼基板上に位置しており、この場合、圧力センサが少なくとも、１つの絶縁層特にＳｉＯｘ層を鋼ダイヤフラム上に有し、かつパターン形成されたＮｉＣｒ（Ｓｉ）を有している、請求項７記載の圧力センサ。
【請求項９】
測定エレメントが少なくとも１つの抵抗層を有しており、この場合、抵抗層が、金属製の構成部材、及び／又は抵抗層の電気的なコンタクト、及び／又は特に窒化物層によるパッシベーションを有している、請求項７記載の圧力センサ。
【請求項１０】
静電的な放電に対する測定値のオフセットがほぼ安定している、請求項７記載の圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロメカニカル式の圧力センサを製造するための方法及びマイクロメカニカル式のセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
高圧センサは、多くのシステム例えば自動化技術において及び自動車分野において使用される。自動車分野では、高圧センサは、特にガソリン直噴、コモンレールディーゼル直噴、ビーグルダイナミックコントロール、電気油圧制御式のブレーキにおいて使用される。
【０００３】
圧力センサのための容量式の測定法と共に、圧電抵抗法が公知である。この圧電抵抗法においては、例えば適当に設計された鋼ダイヤフラム上に、金属抵抗がホイートストン・ブリッジとして接続されている。抵抗の膨張若しくは圧縮によって、ブリッジが変化し、この変化が、かけられた圧力を示す測定値を発生させる。この場合、例えば自動車分野において使用するためには、このような形式の高圧センサが高い感度、つまり発生した機械的な変形においてできるだけ大きい抵抗変化（高いｋファクター；k-Faktor）を有することが要求される。また、高圧センサは、自動車の種々異なる分野に使用することができるようにするために、−４０℃〜＋１４０℃の大きい温度安定性を有することが要求される。さらにまた、センサの耐用年数に亘ってできるだけ良好な安定性が得られるものでなければならない。自動車に使用するために、約１０年の時間がかかっている。特別な使用例、例えばブレーキ圧を検出する場合には、約４００℃までの温度抵抗が要求される。
【０００４】
米国特許出願第４８７６８９３号明細書によれば、圧力測定のために、ニッケル、クロム及びシリコンから成る抵抗層を有する圧力センサが既に公知である。
【０００５】
まだ公開されていないドイツ連邦共和国特許公開第１０３１４７７０号明細書によれば、圧電抵抗式の圧力センサの製造について記載されており、この場合、抵抗層の圧電特性は適当な環境条件によって改善される。
【０００６】
ＮｉＣｒ（Ｓｉ）層の部分結晶化については、“Brueckner et al., Journal of Applied Physics, Vol.87, No. 5, Seite 2219 ff ”「ブリュクナーその他、応用物理学、第８７巻、第５号、２２１９ｆｆ頁」に記載されている。
【０００７】
ＮｉＣｒ（Ｓｉ）層を有するセンサにおいては、静電的な放電（ＥＳＤ）でオフセットドリフトが確認される。このような形式のセンサにおける測定精度の注目すべき結果は、例えば「Wang et al in “Power Dissipation of Embedded Resistors”in IPC Printed Circuits Expo 2003」（ヴァングその他著、ＩＰＣプリント回路エキスポ２００３における「組み込み形抵抗器の出力損失」）に記載されているように、使用された抵抗層の内部特性を示す。
【特許文献１】米国特許出願第４８７６８９３号明細書
【特許文献２】ドイツ連邦共和国特許公開第１０３１４７７０号明細書
【非特許文献１】“Brueckner et al., Journal of Applied Physics, Vol.87, No. 5, Seite 2219 ff ”「ブリュクナーその他、応用物理学、第８７巻、第５号、２２１９ｆｆ頁」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで本発明の課題は、以上のような欠点を取り除くことである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、マイクロメカニカル式の圧力センサを製造するための方法及び、マイクロメカニカル式の圧力センサに関する。圧力センサは、少なくとも１つのダイヤフラムと、このダイヤフラム上に設けられた少なくとも１つの測定エレメントとを有している。ダイヤフラムにかけられた圧力、若しくはダイヤフラムの異なる側にかけられた圧力差によって、ダイヤフラムは曲げられる。ダイヤフラムが曲がると同時に測定エレメントは膨張及び／又は圧縮にさらされる。この膨張及び／又は圧縮によって、測定エレメント内の圧電感応式の素子において、ダイヤフラムにかけられた圧力若しくは圧力差を示す測定値を生ぜしめる。この場合、測定エレメントは少なくとも部分的にＮｉＣｒ（Ｓｉ）層を有している。本発明の核心は、このＮｉＣｒ（Ｓｉ）層が、マイクロメカニカル式の圧力センサの製造時に少なくとも部分的に結晶化させることによって、アモルファスのＮｉＣｒ（Ｓｉ）層と比較して、より有利な圧電的な特性を有している、という点にある。
【発明の効果】
【００１０】
少なくとも部分的に結晶化することによって、圧力センサは環境条件に対して安定している。従って圧力センサを例えば４００℃の温度まで使用することができる。
【００１１】
本発明の別の実施態様によれば、測定エレメントを鋼基板上に被着し、この場合特に鋼基板が圧力センサのダイヤフラムを有している。さらにまた、測定エレメント内の圧電感応式の素子を導電性の鋼ダイヤフラムに対して絶縁するために、鋼上に絶縁層が被着される。次いで特にアモルファスのＮｉＣｒ（Ｓｉ）層が被着される。後で圧電式の抵抗層として使用するために、ＮｉＣｒ（Ｓｉ）層は相応にパターン形成（構造化）される。さらにまた、マイクロメカニカル式の圧力センサの製造時に少なくとも１回のアニールステップ若しくは熱処理ステップ（Temperschritt）を行う。この熱処理ステップは、例えば抵抗層の人工的なエージングのための又はパターン形成と関連して行われる。
【００１２】
ＮｉＣｒ（Ｓｉ）層の結晶化は有利には熱処理ステップ中に行われる。この場合、ＮｉＣｒ（Ｓｉ）層の完全な結晶化が行われてもよいし、部分的結晶化だけが行われてもよい。この場合、結晶化の程度の制御は、例えば熱処理温度又は熱処理時間によって行われる。付加的な熱処理ステップの代わりに、結晶化のための熱処理ステップを、エージング若しくはパターン形成中の熱処理ステップと連絡して行ってもよい。
【００１３】
本発明の実施態様によれば、鋼ダイヤフラム上にＳｉＯｘ層が絶縁層として析出される。また、ＮｉＣｒ（Ｓｉ）層がスパッタプロセスによって被着される。パターン形成のための一般に行われている方法として、有利な形式でフォトケミカル（光化学）法が用いられる。このフォトケミカル法では、フォト層によってＮｉＣｒ（Ｓｉ）層のマスキングが行われる。同様に、測定エレメント若しくはマイクロメカニカル式の圧力センサ全体のエージングが有利であることが分かった。
【００１４】
この場合、例えば測定エレメントは少なくとも１回の熱処理ステップで、人工的にエージングシュミレートされる熱処理にさらされる。
【００１５】
有利には、測定エレメントは少なくとも部分的に抵抗層より成っている。この場合、単数又は複数の特に金属製の抵抗層が、スパッタプロセスによってダイヤフラムに若しくは絶縁層に被着される。抵抗線ひずみゲージとして構成された抵抗層のコンタクトは、特別な接点層若しくは相応の層システム（例えばＮｉＣｒ／Ｐｄ／Ａｕ又はＮｉ）を介して行われる。しかしながら、それに加えて、抵抗層の所定の箇所に局所的に制限された、検出された測定値を電気的にさらに伝達するための接点を取り付けてもよい。パッシベーション層例えばＳｉｘＮｙ層によって、抵抗層若しくは層システム全体は、外部の影響に対して保護される。抵抗層における測定ブリッジの高い感度に基づいて、センサエレメントをエラーなしに駆動するために、パッシベーションによってほぼ完全に覆われている。
【００１６】
本発明の有利な実施態様によれば、圧力センサ、抵抗層及び／又はＮｉＣｒ（Ｓｉ）層に、３５０℃を越える温度で熱処理ステップが行われる。この場合特に、３５０℃〜４５０℃の間の温度においてＮｉＣｒ（Ｓｉ）層の部分結晶化が行われるようになっている。部分結晶化のために必要な３５０℃を越える熱処理ステップは、マイクロメカニカル式の圧力センサの製造中に種々異なる時点で行われる。例えば、必要な熱処理ステップをＮｉＣｒ（Ｓｉ）層のパターン形成後に既に第１のエージングステップで実施することが考えられる。しかしながら、本発明の選択的な実施態様によれば、結晶化を、薄膜層プロセスの最後に第２のエージングステップで行うことも可能である。この場合、熱処理ステップによって層システム全体の安定化が得られる。さらにまた、層システム全体を高い温度で熱処理することによって形成された圧力センサは、有利には、極端な温度条件下で使用するために適している。従って例えば、このようにして安定化されたマイクロメカニカル式の圧力センサは自動車の燃焼室圧のために使用することが考えられる。
【００１７】
３５０℃を越える温度で初めて開始される結晶化若しくは部分結晶化によって、本発明によれば、ＮｉＣｒ（Ｓｉ）層を含有する抵抗層の特別な抵抗は約１０％だけ低下せしめられる。さらにまた、ｋファクター（k-Faktor）に関連した感度が約３５％高められたことが確認された。従って、感度が高いことによって、評価エレクトロニクスに課せられる要求は小さい。また、かけられた圧力を示す測定値を生ぜしめるために、変形体つまりダイヤフラムの機械的な負荷は小さくて済む。これによって特に、直線性及びヒステリシスに関する設計の最適化が可能となる。ｋファクターが高められたことによって、アウトプット信号は変わらずにダイヤフラムの厚さを大きくすることができる。この場合、製造公差が一定であることによって、ダイヤフラム製造時におけるセンサ感度の変動幅は小さい。
【００１８】
温度＞３５０℃でセンサを熱処理することによって、センサの可能な運転温度は著しく拡大される。従って４００℃をぎりぎり下回るまでの温度において安定した特性が考えられる。それと同時に、マイクロメカニカル式の圧力センサの本発明による製造法は、安価に実現することができる。何故ならば前記高温の熱処理ステップは、薄膜プロセスにおいて存在する温度ステップの拡大として実現することができるからである。従って大量生産プロセスに使用することも可能である。
【００１９】
ＮｉＣｒ（Ｓｉ）層を有するセンサの静電的な負荷（ＥＳＤ放電）において、ＮｉＣｒＳｉ内の局所的な位相変化に起因するオフセットドリフトが確認される。位相変化は、高すぎる電流密度が発生した時の熱的な影響に起因する。本発明の方法によって得られたのではないアモルファスのＮｉＣｒＳｉ機能層を使用した場合、ＥＳＤ放電の際に局所的に誘導された位相変化が発生し、ひいては部分結晶化された３５０℃の位相が形成される。本発明によって、位相変化は先行して行われ、ひいては静電的な放電（ＥＳＤ）に対するセンサの高い安定性が得られる。何故ならば、相応の負荷は組み付けフレーム内で発生するからである。この電圧が発生する典型的な値は２ｋＶである。従って構成部材のＥＳＤ放電時に先行して行われた位相変化によって、部分結晶化された位相が局所的に形成されることはない。これによって、ＥＳＤ負荷時に構成部材の高い安定した特性が得られる。従って例えば２ｋＶまでのブリッジオフセットの、ＥＳＤ誘導された変化が、２ｋＶの範囲内でほぼ２等級だけ減少される。
【００２０】
本発明のその他の利点は、図示の実施例若しくは従属請求項に記載されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
次に図面に示した実施例を用いて本発明を具体的に説明する。
【００２２】
図１には、本発明による圧力センサの構造が概略的に示されている。この場合、ダイヤフラム１はフレーム３内に嵌め込まれていて、圧力ｐ５を有するガス容積５が、圧力ｐ６を有するガス容積６から分離されている。この場合、ダイヤフラム１はフレームと同じ材料より成っていてもよいし、或いはフレートとまったく違う材料より製作されていてもよい。しかしながら圧力センサの機能のために重要なことは、ガス容積５とガス容積６との間の圧力補償がダイヤフラム１によって行われない、という点にある。ダイヤフラム１上には、半導体材料又は導体材料より成る抵抗層４が配置されている。抵抗層４によって検出される測定値を評価するために、抵抗層にはコンタクト２が取り付けられており、このコンタクト２によって、評価するために測定値をさらに伝達することができる。
【００２３】
抵抗層４による図示の圧力センサの機能形式について次に簡単に説明する。
【００２４】
ダイヤフラム１の一方側、例えば容積５内の圧力変化によって、ダイヤフラム１湾曲する。それと同時に、抵抗層４がダイヤフラム１の湾曲に追従して、抵抗層４の膨張又は圧縮が発生する。抵抗層４を形成する材料を適当に選択することによって、抵抗層の膨張又は圧縮に基づいて抵抗層４内の抵抗変化が発生するので、この抵抗変化を測定することによって、ダイヤフラム１の湾曲及びひいては圧力変化を推論することができる。前記形式の圧力センサによって、容積５内の絶対圧力変化（ガス容積６が不変である場合）も、容積５及び６内に相対圧力変化も検出することができる。
【００２５】
ダイヤフラム１に抵抗層４を被着することは、既に多くの刊行物に記載されているので（例えば冒頭に述べた米国特許出願第４８７６８９３号明細書）、製造プロセス全体の詳細についての説明は省略する。従って以下では、本発明の基礎を成すところのプロセスステップだけについて説明する。
【００２６】
有利な実施例では、アモルファスのＮｉＣｒ（Ｓｉ）層がスパッタープロセスでダイヤフラムに被着される。例えば光化学（フォトケミカル）法によるパターン形成（構造化）プロセスにおいて、パターン形成されたフォトレジスト層がＮｉＣｒ（Ｓｉ）層に被着され、次いで露光される。露光されたフォトレジスト層を選択的にエッチングすることによって、ＮｉＣｒ（Ｓｉ）層のパターン形成が得られる。このようにして得られたパターン形成は、第１の安定化ステップ若しくはエージングステップにおいて、残りのフォトレジストが剥離してから熱処理される。この場合、典型的な形式では３００℃の温度が使用される。３００℃では、ＮｉＣｒ（Ｓｉ）層はまだ著しく結晶化しない。温度が３５０℃〜４５０℃に上昇することによって、所望の結晶化を得ることができる。第１の熱処理ステップ後に、発生したピエゾ抵抗式の抵抗層の接触が、特別な接点層によって、つまり相応の層システム例えばＮｉＣｒ／Ｐｄ／Ａｕ若しくはＮｉによって、又は抵抗層における局所的な接触箇所によって行われる。またこれによって圧電抵抗式の抵抗層が調節される。この場合、抵抗層を形成する薄膜に対する材料削除又は材料追加によって、所定の範囲内の圧電特性の変化が可能である。このようにして形成された層システムを、外部からの影響特に環境条件に対して保護するために、次いでパッシベーション層が被着される。測定エレメント若しくはセンサエレメント（ダイヤフラム及び絶縁若しくはパッシベーション層を含む測定エレメント）をエラーなしで駆動するために、場合によっては接触面を切り欠いて抵抗層を完全に覆う必要がある。典型的な場合、パッシベーション層として窒化物層、例えばＳｉｘＮｙ層が被着される。次いで、薄膜層プロセスの最後に第２のエージングステップが実施される。この層は、完全な層システムを安定化させるために用いられる。従って、ＮｉＣｒ（Ｓｉ）層の結晶化を第１のエージングステップ中に実施する代わりに、結晶化を第２のエージングステップ中に実施してもよい。これは、完全な層システムが高い温度にさらされ、それによって外部の影響に対して良好に安定化せしめられる、という利点を有している。
【００２７】
ドイツ連邦共和国特許公開第１０３１４７７０号明細書により公知であるように、層析出中の環境条件は付加的に、被着された層の層特性に影響を与える。従って層特性を最適化するために、アモルファスのＮｉＣｒ（Ｓｉ）層が、結晶化によって、約０．２８６６ｍｍの格子定数を有するｂｃｃ位相（体心立方構造）に変換される。これは文献“Brueckner et al., Journal of Applied Physics, Vol.87, No. 5, Seite 2219 ff ”「ブリュクナーその他、応用物理学、第８７巻、第５号、２２１９ｆｆ頁」にαｓｓ（Ｃｒ）として記載されている。
【００２８】
別の実施例では、抵抗層の電気的な特性を変えるために、少なくとも１回の熱処理ステップ時の温度若しくは蒸着プロセス／スパッタプロセス中の温度の他に、大気の構成に影響を与えることもできる。この場合、適当な環境条件を考慮する可能性については、ドイツ連邦共和国特許公開第１０３１４７７０号明細書を参照されたい。この公知の明細書においては、ＮｉＣｒ（Ｓｉ）層のスパッタプロセス中に所定の空気の吹出し（正確には所定の酸素−窒素比）が実施されている。
【００２９】
本発明の製造方法によるマイクロメカニカル式の圧力センサの使用分野として、温度又は圧力に関連した極端な条件を有する使用分野が提供される。何故ならば圧力センサは極端な条件において高い熱処理温度によって安定化せしめられるからである。
【００３０】
３５０℃を越える温度における層システムの熱的なコンデショニングを用いた前記層変換によって、特に、静電的な放電（ＥＳＤ負荷）におけるオフセットに関連した安定した特性を有するセンサが形成される。これは、ＮｉＣｒ（Ｓｉ）層における層変換が静電的な放電によっていわば前もって行われるからである。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明による圧力センサの概略的な断面図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  ダイヤフラム、  ２  コンタクト、  ３  フレーム、  ４  抵抗層、  ５，６  ガス容積
【図１】
2005233953.tif 000003