(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
力学的物理量の感応部が設けられたシリコン基板とガラス基板とを相互接合して形成した力学的物理量変換器の製造方法であって、
珪素を含むガスおよび酸素を含むガスを雰囲気としたプラズマＣＶＤ装置内で前記ガラス基板の表面に、非晶質のシリコン酸化膜を形成し、その後、このシリコン酸化膜が形成された面に前記シリコン基板を陽極接合するものであり、
前記シリコン酸化膜には、６４％（原子数割合）以上の酸素が含まれ、
前記シリコン酸化膜中の窒素の含有量は、当該シリコン酸化膜全体の４％（原子数割合）以下であり、
珪素を含むガスとしてモノシランガスを採用し、酸素を含むガスとして亜酸化窒素を採用し、前記プラズマＣＶＤ装置に流通させる亜酸化窒素およびモノシランガスの流量比を２４以上に設定する
ことを特徴とする力学的物理量変換器の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の力学的物理量変換器の製造方法において、
前記シリコン酸化膜の屈折率を測定することにより、当該シリコン酸化膜の酸素の割合を検査する検査工程が含まれていることを特徴とする力学的物理量変換器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、力学的物理量の感応部が設けられたシリコン基板とガラス基板とを陽極接合して形成した変換器を製造するための力学的物理量変換器の製造方法に関する。
【０００２】
【背景技術】
従来より、圧力や加速度等の力学的物理量の測定には、力学的物理量を受けて電気信号に変換するダイアフラムや可動錘等の感応部を備えた変換器が利用されている。
このような変換器としては、感応部が形成されたシリコン基板に、電極パターンが形成されたガラス基板を陽極接合するものがある。
陽極接合を行うにあたり、ガラス基板およびシリコン基板には、約４００℃の高温下で約４００Ｖの直流電圧が印加される。
【０００３】
ここで、力学的物理量の正確な測定を行うためには、ガラス基板の電極パターンが所定の部位にのみ接続され、他の部位とは電気的に絶縁される必要があるが、変換器が湿度の高い環境で使用されると、電極パターンに結露が生じ、回路の一部が短絡したり、絶縁抵抗が低下する等の不具合が生じることがある。
このような不具合を防ぐために、電極パターンが水に触れないように、ガラス基板の表面を、樹脂やガラス等の絶縁膜で覆うことがある。
ここで、ガラス基板の表面に絶縁膜で覆うと、前述の陽極接合の際に、ガラス基板とシリコン基板との接合強度が十分得られないことがあるので、本出願人は、絶縁膜としてシリコン酸化膜をガラス基板のほぼ全面にを形成し、ガラス基板のシリコン酸化膜が形成された面をシリコン基板に接合し、接合強度の確保を図った変換器を提案している（特開平１０−１７０３７４号公報参照）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前述のような変換器では、シリコン基板とガラス基板との接合強度が向上し、変換器を製造する際の良品率である歩留まりを向上することができたが、他の構造の変換器等と比較すると、歩留まりの向上が充分とはいえず、歩留まりをさらに一層改善したいという要望がある。
【０００５】
本発明の目的は、接合強度がさらに向上し、充分な歩留まりが得られるようになる力学的物理量変換器の製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１発明は、力学的物理量の感応部が設けられたシリコン基板とガラス基板とを相互接合して形成した力学的物理量変換器の製造方法であって、珪素を含むガスおよび酸素を含むガスを雰囲気としたプラズマＣＶＤ装置内で前記ガラス基板の表面に、非晶質のシリコン酸化膜を形成し、その後、このシリコン酸化膜が形成された面に前記シリコン基板を陽極接合するものであり、前記シリコン酸化膜には、６４％（原子数割合）以上の酸素が含まれ、前記シリコン酸化膜中の窒素の含有量は、当該シリコン酸化膜全体の４％（原子数割合）以下であり、珪素を含むガスとしてモノシランガスを採用し、酸素を含むガスとして亜酸化窒素を採用し、前記プラズマＣＶＤ装置に流通させる亜酸化窒素およびモノシランガスの流量比を２４以上に設定することを特徴とする。
陽極接合においては、被接合物を構成する分子（原子）をイオン化させ、被接合物に加えた電界でイオンを接合の相手側へ移動させることにより、被接合物同士が接合されるため、イオンの数が増えれば、接合強度が向上する、と考えられる。
このため、前述の本第１発明のように、珪素を含むガスおよび酸素を含むガスから非晶質のシリコン酸化膜を形成し、その際に、酸素を含むガスの量を増やせば、シリコン酸化膜に含まれる酸素分子が増え、陽極接合の際には、移動しやすい酸素イオンの数が増え、従来よりも多い酸素イオンの移動により、接合強度がさらに向上し、変換器の歩留まりが改善される。
【０００７】
以上において、前記シリコン酸化膜には、６４％（原子数割合）以上の酸素が含まれている。
シリコン酸化膜の構成物質は、主に、珪素および酸素であるが、例えば、二酸化珪素であれば、その珪素および酸素の原子の数量比は、１：２であり、純粋な化合物の場合は、酸素の含有量は約６７％（原子数割合）となるが、シリコン酸化膜を形成する際には、他の物質も混入するので、前述のように、ガラス基板に形成された非晶質シリコン酸化膜における酸素の含有量を全体の６４％（原子数割合）以上とするので、接合に関与する酸素イオンの数が従来より増えると考えられ、接合強度がさらに向上し、変換器の歩留まりが改善されることが実験等により確認されている。
【０００８】
また、前記酸素を含むガスとして亜酸化窒素ガスを採用し、前記シリコン酸化膜中の窒素の含有量が当該シリコン酸化膜全体の４％（原子数割合）以下である。
シリコン酸化膜を形成するにあたり、モノシランガス等のシランガスを用いるのが一般的であるが、窒素酸化物のガス、例えば、亜酸化窒素ガスをシランガスに併用して用い、窒素酸化物のガスの流量を調節することで、シリコン酸化膜に含まれる酸素の量が調節できることが実験により判明した。
そして、シリコン酸化膜を形成する際に、前述のように、ガラス基板に形成されたシリコン酸化膜における窒素の含有量を全体の４％（原子数割合）以下とするので、接合に関与する酸素イオンの数が従来より増えると考えられ、接合強度がさらに向上し、変換器の歩留まりが改善されることが実験等により確認されている。
【０００９】
さらに、前記ガラス基板の表面に形成したシリコン酸化膜の屈折率を測定することにより、当該シリコン酸化膜の酸素の割合を検査する検査工程が含まれていることが望ましい。
シリコン酸化膜中の酸素および窒素の濃度は、シリコン酸化膜の屈折率と相関関係にあることから、成膜時にシリコン酸化膜の屈折率を測定すれば、シリコン酸化膜に含まれる酸素の濃度が検出でき、成膜工程において酸素の濃度が管理可能となり、シリコン酸化膜の品質管理が行えるようになる。
【００１０】
また、珪素を含むガスおよび酸素を含むガスを採用し、これらのガスを雰囲気とするプラズマＣＶＤ装置内で前記ガラス基板の表面に前記シリコン酸化膜を形成する。
このようなプラズマＣＶＤ装置でシリコン酸化膜の成膜を行うと、プラズマにより発生したイオンがガラス基板の表面をボンバードするので、ガラス基板の表面が効率よくクリーニングされるうえ、シリコン酸化膜のガラス基板への付着強度が著しく向上し、ひいては、シリコン基板とガラス基板との接合強度を高めることができる。
【００１１】
この際、珪素を含むガスとしてモノシランガスを採用し、酸素を含むガスとして亜酸化窒素を採用し、プラズマＣＶＤ装置に流通させる亜酸化窒素およびモノシランガスの流量比を２４以上に設定するので、接合に関与する酸素イオンの数が従来より増え、接合強度がさらに向上し、流量比により変換器の歩留まりの改善および管理を行うことができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施の一形態を図面に基づいて説明する。
図１には、力学的物理量としての圧力を検出する変換器である静電容量式圧力変換器10が示されている。この圧力変換器10は、圧力を検出する感応部としてのダイアフラム20が設けられたシリコン基板２に、ガラス基板としての上ガラス30を陽極接合したものである。
シリコン基板２には、両面の中央部分が凹んでおり、これにより、弾性変形可能なダイアフラム20が形成されている。このダイアフラム20の周囲には、厚肉部21が設けられている。シリコン基板２の下方には、上ガラス30とは別の下ガラス40が陽極接合されている。
ダイアフラム20と上ガラス30との間、および、ダイアフラム20と下ガラス40との間には、平面視で厚肉部21よりも内側に空隙が形成されている。ダイアフラム20は、この空隙の範囲内で自由に弾性変形可能となっている。
ここで、ダイアフラム20は、例えば、約０．１ｍｍ厚のシリコンから凹みに応じた部分をエッチングすることにより形成されている。
なお、シリコン基板２の図中上方の凹みの深さ、すなわち、対向面20A と厚肉部21の上面21A との面間寸法は、例えば、２〜８μｍ程度に設定でき、図中下方の凹みの深さ、すなわち、対向面20B と下面21B 面間寸法は、例えば、８０μｍ程度に設定できる。
【００１４】
上ガラス30のダイアフラム20と対向する検出面30A には、ダイアフラム20とともに静電容量を形成する中央電極31と、この中央電極31の周囲を囲む周辺電極32とが設けられている。上ガラス30の反対側の上面30B には、外部へ信号を送出する電線が接続される信号取出部34，35が設けられている。これらの信号取出部34，35はと電極31，32とは、上ガラス30を貫通するとともに、内周に導電性膜が形成されたスルーホール36，37を介して相互に導通している。
また、上ガラス30の上面30B には、図１に示すように、陽極接合時に使用される陽極接合用電極39が設けられており、この陽極接合用電極39は、平面視でダイアフラム20の外周に沿った環状に形成され、信号取出部34，35をも囲んでいる。
【００１５】
上ガラス30の検出面30A の中央電極31および周辺電極32を含むほぼ全面には、珪素および酸素からなる絶縁膜である非晶質のシリコン酸化膜11が形成されている。このシリコン酸化膜11の膜厚は、例えば、2000Å程度である。
シリコン酸化膜11は、ダイアフラム20と接合される上ガラス30の端縁部分まで達するように成膜されている。上ガラス30は、シリコン酸化膜11をシリコン基板２に接した状態で、シリコン基板２に陽極接合されている。
【００１６】
ここで、シリコン酸化膜11は、珪素を含むガスであるモノシランガスおよび酸素を含むガスである亜酸化窒素を雰囲気としたプラズマＣＶＤ装置内で、基板温度３８０〜４００℃にて成膜されたものである。
シリコン酸化膜11の酸素の含有量は、原子数割合で全体の６４〜８０％、好ましくは、６５〜８０％の範囲となっている。
シリコン酸化膜11の窒素の含有量は、原子数割合で全体の４％以下、好ましくは、３％以下となっている。
【００１７】
シリコン基板２の図中下方の下ガラス40は、略中央位置に開口された圧力導入口41を備えている。この圧力導入口41から導入された圧力がダイアフラム20に印加されるようになっている。なお、下ガラス40は、変換器10の用途や使用形態等により、適宜省略可能である。
【００１８】
このような圧力変換器10では、圧力導入口41から導入された圧力でダイアフラム20が変形すると、ダイアフラム20には圧力に応じた変位が生じ、この変位に応じて、ダイアフラム20と上ガラス30の中央電極31および周辺電極32とが形成する静電容量が変化することから、静電容量を検出すれば、圧力測定が行える。
この際、ダイアフラム20の変位は中央近辺が大きく、周辺部が小さいため、ダイアフラム20と上ガラス30の中央電極31および周辺電極32との間の静電容量との差から、温度等により生じる誤差が補正される。
なお、この圧力変換器10は、いわゆるゲージ圧（大気圧を基準とした圧力）を測定するものであり、ダイアフラム20および上ガラス30間の空隙部分は、中央電極31、周辺電極32の各スルーホール36，37を通じて大気開放されている。
【００１９】
次に、圧力変換器10の製造手順について説明する。
まず、シリコンウェーハをエッチングすることにより、複数のダイアフラム20を形成するとともに、下ガラス40となる下ガラス材に、複数の圧力導入口41を設けておく。
これと前後して、エッチングや蒸着により、上ガラスとなる上ガラス材にスルーホール36，37、中央電極31、周辺電極32、信号取出部34，35および陽極接合用電極39を形成した後、上ガラス材の検出面30A となる側のほぼ全面に、プラズマＣＶＤ装置でシリコン酸化膜11を形成する。
【００２０】
この際、プラズマＣＶＤ装置の内部に、モノシランガスおよび亜酸化窒素ガスを流通させ、亜酸化窒素ガスとモノシランガスとの流量比を調節することにより、シリコン酸化膜11に含まれる酸素の含有量を調節する。
さらに具体的に説明すると、モノシランガスに対して、亜酸化窒素ガスの流量を増やすと、図２に示されるように、シリコン酸化膜11に含まれるシリコンの量はほとんど変わらないのに対し、酸素の量が増え、窒素の量が減る。従って、亜酸化窒素ガスとモノシランガスとの流量比を２４、好ましくは３０以上に設定する。
【００２１】
上ガラス30へのシリコン酸化膜11の形成が完了したら、必要に応じて、シリコン酸化膜11の屈折率を測定することにより、シリコン酸化膜11の酸素の割合を検査する検査工程を行う。
すなわち、シリコン酸化膜11の屈折率は、図３に示されるように、酸素濃度および窒素濃度に応じて変化する。具体的には、酸素濃度が減り、窒素濃度が増えると、シリコン酸化膜11の屈折率は、大きくなる。そこで、波長８３００Åの赤外線で屈折率を測定した際、屈折率が１．４６３以下のものを合格とする。
なお、検査で屈折率が１．４６３以上のシリコン酸化膜11が多数発生した場合には、亜酸化窒素ガスとモノシランガスとの流量比を再度調節し、屈折率が１．４６３以下、好ましくは、１．４６２以下となるように管理する。
【００２２】
シリコンウェーハ、上ガラス材および下ガラス材に対して上述のような処理が完了したら、これらのシリコンウェーハ、上ガラス材および下ガラス材をよく洗浄しておく。この後、図４に示されるように、上ガラス30となる上ガラス板に形成したシリコン酸化膜11を、シリコン基板２となるシリコンウェーハに接触させた状態で、下ガラスとシリコンウェーハとを陽極接合する。
この際、シリコンウェーハ、上ガラス材および下ガラス材の温度は４００℃に設定するとともに、引加する直流電圧は４００Ｖに設定するのが好ましい。
シリコンウェーハ、上ガラス材および下ガラス材の陽極接合が完了したら、シリコンウェーハ、上ガラス材および下ガラス材が一体化された積層体を切断し、それぞれが変換器10となる複数のチップを切り出し、これらのチップの各々に必要な処理や加工を行って、変換器10を完成させる。
【００２３】
このような本実施形態によれば以下のような効果がある。
すなわち、上ガラス30の表面にシリコン酸化膜11を形成するにあたり、モノシランガスと、亜酸化窒素ガスとを用い、モノシランガスに対する亜酸化窒素ガスの量を増やし、シリコン酸化膜11に含まれる酸素分子を増やした、換言すれば、シリコン酸化膜11の酸素含有割合を６４％（原子数割合）以上としたので、接合強度に密接に関与する酸素イオンの数が増えると考えられ、従来よりも多い酸素イオンが移動するようになり、シリコン基板２と上ガラス30とを陽極接合した際の接合強度がさらに向上し、変換器10の歩留まりを従来よりも一層優れたものとできる。
【００２４】
さらに、上ガラス30の表面にシリコン酸化膜11を形成するにあたり、モノシランガスに、亜酸化窒素ガスを併用したので、亜酸化窒素ガスとモノシランガスとの流量比を調節することで、シリコン酸化膜11に含まれるシリコンの量を変化させることなく、酸素分子の量を増減できる。
ここで、シリコン酸化膜における窒素の含有量を全体の４％以下としたので、接合に関与する酸素イオンの数が確実に増え、接合強度がさらに向上し、この点からも、変換器10の製造において優れた歩留まりを確保できる。
【００２５】
また、上ガラス30の表面に形成したシリコン酸化膜11の屈折率を測定し、シリコン酸化膜11の酸素の割合を検査するようにしたので、陽極接合前に、シリコン酸化膜11の検査および評価が行え、シリコン酸化膜11の不合格品を陽極接合を行う前に排除できるので、変換器10の歩留まり向上に寄与できる。
しかも、屈折率測定によるシリコン酸化膜11の検査結果を、成膜工程にフィードバックし、亜酸化窒素ガスとモノシランガスとの流量比を再調節することが可能となり、シリコン酸化膜の品質管理が行えるとともに、良好なシリコン酸化膜11が形成されるように、成膜工程を管理することができ、この点からも、変換器10の歩留まり向上に寄与できる。
【００２６】
さらに、上ガラス30の表面にシリコン酸化膜11を形成するにあたり、プラズマＣＶＤ装置を採用したので、プラズマにより発生したイオンが上ガラス30の表面をボンバードするので、ガラス基板の表面が効率よくクリーニングされるうえ、シリコン酸化膜11の上ガラス30への付着強度が著しく向上し、ひいては、シリコン基板２と上ガラス30との接合強度を高めることができる。
【００２７】
【実施例】
次に、本発明の効果を具体的な実施例に基づいて説明する。
［実施例１］
本実施例１は、本発明に基づいて変換器を製造する実験である。すなわち、前記実施形態において、上ガラス30として、亜酸化窒素ガスとモノシランガスとの流量比を５３に設定してシリコン酸化膜11を形成したものを採用し、この上ガラス30をシリコン基板２に接合して変換器10を製造するものである。
【００２８】
［比較例１］
本比較例１は、本発明の効果を確認するために、亜酸化窒素ガスとモノシランガスとの流量比を、前記実施例１よりも著しく小さくして変換器を製造する実験である。具体的には、前記実施形態において、上ガラス30として、亜酸化窒素ガスとモノシランガスとの流量比を２１に設定してシリコン酸化膜11を形成したものを採用し、この上ガラス30をシリコン基板２に接合して変換器を製造するものである。
【００２９】
［結果］
実施例１では、図５に示されるように、シリコン酸化膜11に含まれる酸素の割合が深さ方向のほぼ全域で６０％を超え、シリコン基板２との接合面の付近でも、酸素の割合が多くなっている。
このことから、実施例１では、接合強度に密接に関与する酸素イオンの数が確実に増え、シリコン基板２と上ガラス30とを陽極接合した際の接合強度がさらに向上し、変換器10の歩留まりを従来よりもさらに向上できることが判る。
一方、比較例１では、図６に示されるように、シリコン酸化膜11に含まれる酸素の割合が深さ方向のほぼ全域で６０％以下となっている。
これでは、接合強度に密接に関与する酸素イオンの数が不足し、シリコン基板２と上ガラス30とを陽極接合した際の接合強度が向上せず、変換器10の歩留まりの向上が望めないことが判る。
【００３０】
［実施例２］
本実施例２は、前記実施形態におけるシリコン酸化膜11に含まれる酸素の割合を変化させた際に、酸素の割合と歩留まりとの関係を調査する実験である。具体的には、亜酸化窒素ガスとモノシランガスとの流量比が異なる４種類のシリコン酸化膜11が形成された上ガラス板で、四種類の変換器10を製造し、それぞれの変換器10について、その歩留まりである良品率を調べた。
［結果］
実施例２により、酸素の割合が異なる４種類のシリコン酸化膜11が得られ、各シリコン酸化膜11の酸素含有量は、それぞれ６６％、６５％、６４％および６３％となった。また、各シリコン酸化膜11の窒素含有量は、２％、３％、４％および５％となった。
各シリコン酸化膜11を備えた上ガラス30で形成した変換器の良品率は、図７に示されている。例えば、酸素含有量が６５％、窒素含有量が３％の変換器10では、良品率が９８％に達し、酸素含有量が６３％、窒素含有量が５％の変換器10では、良品率が１５％となる。
このような図７に示したグラフによれば、シリコン酸化膜11の酸素含有量を６４％以上、窒素含有量を３％以下にすれば、変換器10の良品率を４０％以上にすることができる。この際、シリコン酸化膜11の酸素含有量が６４％、窒素含有量が３％を達成する、亜酸化窒素ガスとモノシランガスとの流量比は、２４であるので、亜酸化窒素ガスとモノシランガスとの流量比を２４以上にすれば、良品率が４０％以上となり、これにより歩留まりを改善できる。
【００３２】
なお、本発明は、前記実施形態および前記実施例に限定されるものではなく、次に示すような変形などをも含むものである。
変換器としては、上ガラス30のみに中央電極31および周辺電極32が設けられたものに限らず、下ガラス40にも同様な固定電極が設けられたものでもよい。この場合、下ガラス40のダイアフラム20と対向する検出面（固定電極が設けられた側の面）に絶縁膜を形成し、この絶縁膜を介してダイアフラム20と下ガラス40とを陽極接合するのが好ましい。
【００３３】
さらに、ガラス基板に設けられる測定用の電極としては、中央電極31および周辺電極32のように二つに分割されたものに限らず、中央電極に相当する電極や周辺電極に相当する電極がさらに分割されていてもよく、あるいは、中央電極のみから構成されるものでもよい。
【００３４】
また、ダイアフラムとしては、それ自身が測定用の電極となったものに限らず、絶縁材料から形成され、その表面に導電性の薄膜が測定用の電極として形成されたものでもよい。
さらに、シリコン基板としては、薄肉のダイアフラムと、その周辺の厚肉部とを備えたものに限らず、厚さが一様に形成された薄肉のものでもよい。この際、上ガラスや下ガラス側に凹部を形成すれば、ダイアフラムの変形が何ら阻害されない。
【００３５】
また、変換器としては、静電容量の変化で力学的物理量を検出する静電容量式のものに限らず、図８に示されるように、ダイアフラム22に歪みゲージ23が設けられ、ダイアフラム22の変位を歪みゲージ23の抵抗変化で検出する歪みゲージ式の変換器10A でもよい。このような変換器10A においても、ガラス基板30は、ダイアフラム22が形成されたシリコン基板２が接合される面にシリコン酸化膜11が形成されている。
【００３６】
さらに、非晶質シリコン酸化膜としては、組成物質の割合がほぼ一様な一層の絶縁膜に限らず、組成物質の割合が異なる複数層の絶縁膜を備えたもの、例えば、図９に示されるように、酸素含有量が６４％未満、窒素含有量が３％より多いシリコン酸化膜12の上に、酸素含有量が６４％以上、窒素含有量が３％以下となったシリコン酸化膜13を積層したシリコン酸化膜11A でもよい。
また、力学的物理量としては、圧力に限らず、加速度や荷重等の他の力学的物理量でもよい。加速度を測定するにあたり、弾性変形が容易な薄肉部と、この薄肉部を変形させるための錘部とをシリコン基板に設け、加速により錘部に作用する慣性力で薄肉部を変位させ、薄肉部の変位を検出すれば、加速度の検出が行える。
【００３７】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明によれば、接合強度がさらに向上し、充分な歩留まりを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る変換器を示す断面図である。
【図２】前記実施形態におけるガス流量比と組成物割合の関係を示すグラフである。
【図３】前記実施形態における組成物割合と屈折率の関係を示すグラフである。
【図４】前記実施形態における陽極接合を説明するための概略図である。
【図５】本発明の実施例１における深さと組成物割合の関係を示すグラフである。
【図６】比較例１における図５に相当するグラフである。
【図７】本発明の実施例２における組成物割合と良品率の関係を示すグラフである。
【図８】本発明の変形例を示す断面図である。
【図９】本発明の異なる変形例を示す拡大した断面図である。
【符号の説明】
２  シリコン基板
10,10A  変換器
11  シリコン酸化膜
30  ガラス基板としての上ガラス
【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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