(57)【要約】４００℃以上の温度で動作可能なセンサが開示されている。この発明のセンサは、流体を充満しなくても動作し、非多孔質で非汚染性であり、外側に露出した金属コンポーネントがない。このセンサは、超純度の環境において流体と直接接触するように配置された非多孔質で非浸透性のセンシングダイヤフラムを有している。非多孔質の表面は、バッキングプレートへガラス化された単結晶のサファイア層からなっている。この発明のセンサは、プロセス流体の圧力及び／あるいは温度を検出するための化学的に不活性な圧力トランスデューサでの使用に適しており、圧力トランスデューサモジュールの高温プラスチックハウジングの中へ直接モールドすることができる。
2004506180.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非多孔質の外側表面を有するセンサであって、
内側及び外側の表面を有するバッキングプレートと、
内側及び外側の表面を有する非多孔質ダイヤフラムと、
前記ダイヤフラムの内側表面に隣接するセンサ素子と、
ガラス化することによって前記バッキングプレートの内側表面と前記非多孔質ダイヤフラムの内側表面へ、その外側周辺の近傍で接合されているガラス層と、を有し、それによって前記バッキングプレートと前記非多孔質ダイヤフラムが接合されており、前記非多孔質ダイヤフラムの近傍における圧力及び温度の少なくとも一方が前記センサ素子によって検出可能であるセンサ。
【請求項２】
前記非多孔質ダイヤフラムが化学的に不活性な材料からなっている請求項１記載のセンサ。
【請求項３】
前記ガラスが高接合強度と高溶融温度の両方を有している請求項２記載のセンサ。
【請求項４】
前記ガラス層が厚みを有し、前記非多孔質ダイヤフラムが所望の最大撓みまで撓んだときに、ダイヤフラムの内側表面の一部がバッキングプレートの内側表面へ係合する請求項１記載のセンサ。
【請求項５】
前記バッキングプレートと非多孔質ダイヤフラムが同じような熱膨張率を有する材料から構成されている請求項１〜請求項４のいずれか１項記載のセンサ。
【請求項６】
前記センサ素子が絶対圧力を検出する請求項１もしくは請求項２記載のセンサ。
【請求項７】
ゲージ圧力を検出できるようにするために、前記バッキングプレートを貫いて延びる開口部が設けられている請求項１もしくは請求項２記載のセンサ。
【請求項８】
前記バッキングプレートとダイヤフラムとの間においてサファイアダイヤフラムの上にエピタキシャル成長されたシリコン層が設けられており、前記センサ素子がその上に形成されている請求項１記載のセンサ。
【請求項９】
前記シリコン層とバッキングプレートとの間に化学的に耐久性を有する層が配置されており、この化学的に耐久性を有する層が電気絶縁層として作用する請求項８記載のセンサ。
【請求項１０】
前記ガラス層と前記非多孔質ダイヤフラムとの間に接合パッドが設けられている請求項８記載のセンサ。
【請求項１１】
前記ガラス層に窓が形成されていて、前記接合パッドへアクセスできるようになっている請求項１０記載のセンサ。
【請求項１２】
前記非多孔質ダイヤフラムとバッキングプレートとの間にシリコン層が配置されていて、前記センサ素子がその上に形成されている請求項１記載のセンサ。
【請求項１３】
前記非多孔質ダイヤフラムとバッキングプレートとの間に金属層が設けられていて、ＥＭＩ／ＲＦＩがセンサ素子に影響しないようになっている請求項１記載のセンサ。
【請求項１４】
前記接合パッドがチタン層と拡散バリアを有する請求項１０記載のセンサ。
【請求項１５】
前記非多孔質ダイヤフラムと前記バッキングプレートの外側端部の少なくとも一部に隣接して、化学的に耐久性を有するポリマが設けられている請求項１記載のセンサ。
【請求項１６】
前記非多孔質ダイヤフラムがサファイアからなっている請求項１記載のセンサ。
【請求項１７】
前記センサ素子が容量タイプである請求項１記載のセンサ。
【請求項１８】
前記ガラス層が７００℃以上の溶融温度を有するガラスから選択される請求項１記載のセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の分野】
この発明はセンサに関する。さらに詳しくは、２００℃までの非常な安定性と７００℃までの実効的動作性を有する圧力及び／あるいは温度のセンサに関する。この発明の圧力センサは流体を充填せずに動作し、外部に露出した金属コンポーネントを有していない。この圧力センサは、超純度の環境において流体と直接接触するように配置される非多孔質で非浸透性の表面を有している。この発明の一つの実施の形態においては、非多孔質表面は化学的に冒されにくい単結晶のサファイア層からなっている。従って、薬品や汚染物質がセンサからプロセス流の中へ抽出されることはない。この発明の圧力センサは、プロセス流体中の圧力を検出するための化学的に不活性な圧力トランスデューサモジュールあるいは流量計で使用するのに適しており、その高温プラスチックハウジングの中へ直接モールドされてもよい。
【０００２】
【発明の背景】
圧力センサはゲージ圧力もしくは絶対圧力を測定するために様々な分野において利用されてきた。こうした応用の多くでは、好ましくない環境において圧力を測定することになる。圧力センサは容量タイプかピエゾ抵抗タイプである。例えば、アルミナセラミックの容量式センサは、薄くて一般的には柔軟なセラミックシートからなっている。このセラミックシートは、それよりも厚い非柔軟性のセラミックシートの間に挟まれた絶縁用スペーサリングを有している。最初の方の薄いセラミックシートあるいはダイヤフラムは厚さが約０．００５から０．０５０インチであり、典型的な厚みは０．０２０インチである。厚い方のセラミックシートは０．１００から０．２００インチの範囲の厚みを有している。当業者は、ダイヤフラムの厚みはダイヤフラムの直径によって変えることが好ましいことがわかるであろう。スペーサは適当なポリマから構成されている。セラミックディスクの並置された面は金やニッケルあるいはクロムなどの金属によって金属化されて、コンデンサのプレートを形成している。類似の容量式圧力トランスデューサがベル（Ｂｅｌｌ）らによる米国特許第４，１７７，４９６号（‘４９６特許）に開示されている。‘４９６特許に記載されているものと類似した他の容量式圧力トランスデューサも当該分野においては周知のものであり、利用が可能である。ピエゾ抵抗式センサはホイーストンブリッジを利用していて、一般に電圧の変化を測定して、この電圧変化を、検出した圧力の変化と関係づけている。これらのタイプの圧力センサのいずれを利用しても超純度の環境において流体の圧力を測定できるが、汚染を生じないような圧力センサが必要とされている。
【０００３】
繊細な材料の超純度処理では、一般に、腐食性流体を使用する必要がある。製造プロセスのときに繊細な材料が汚染されやすいということは、製造者が直面する大きな問題である。種々の製造システムは、外来粒子やイオン汚染物質、そして製造プロセスのときに発生する蒸気による繊細な材料の汚染を低減するように設計されている。繊細な材料の処理では腐食性流体へ直接接触することがしばしばある。従って、汚染されていない状態で、また外来粒子のない状態で腐食性流体を処理サイトへ供給することが決定的に重要である。通常、処理装置の種々のコンポーネントは、発生する粒子や処理流体の中へ溶解するイオンの量を減らすように、また処理薬品を汚染から隔離するように設計されている。
【０００４】
処理装置は一般的に、腐食性薬品を供給タンクから圧送及び調整ステーションを介して、そして処理装置自身を介して運搬する液体輸送システムを有している。パイプやポンプ、チューブ、モニタ装置、検出装置、バルブ、フィッティング、及び関連の装置を有するこの液体薬品輸送システムは、普通、腐食性薬品の劣化作用に対して耐久性を有するプラスチックから形成されている。前述したモニタ装置に通常使用される金属は、長期間にわたる腐食性環境に対して耐えることができない。従って、モニタ装置や検出装置は代替材料を混ぜるか、腐食性流体から隔離しなければならない。
【０００５】
プロセスは非常にクリーンでなければならない一方で、それらは非常にアグレッシブな（ａｇｇｒｅｓｓｉｖｅ）薬品を含んでいる。それらには過激な酸やベース、溶剤などが含まれる。半導体産業は最近では、アグレッシブな研磨材料を利用したプロセスを導入してきている。プロセス装置もモニタ装置も両方ともこうした研磨材料の機械的作用に影響されないことが必要である。
【０００６】
また、プロセス装置の高信頼性は必要なものである。何らかの理由によって半導体あるいは薬剤ラインを停止すると大きなコストがかかる。これまでは、圧力トランスデューサはプロセスからセンサ自身へ圧力を伝えるのに、充満した流体を利用していた。充満流体は何らかのアイソレータダイヤフラムによってプロセスからは分離されている。このアイソレータダイヤフラムが故障して、充満流体がプロセス中へ失われると、製品の損失になるし、作業を再開するまえにシステムの洗浄が必要になる。設計からアイソレータダイヤフラムや充満流体をなくせば、利点が多い。
【０００７】
また、半導体製造に一般的に用いられる処理装置は、一つあるいは複数のモニタ装置や、バルブ装置、検出装置を有している。これらの装置は一般に閉ループのフィードバック関係で接続されており、処理装置をモニタし制御するときに使用される。また、これらのモニタ装置及び検出装置は、入り込む可能性のある汚染をなくすように設計されている。検出装置は圧力センサを有する流量計と圧力トランスデューサモジュールを有している。圧力トランスデューサあるいは流量計の圧力センサの一部は腐食性流体に直接接触していることが望ましい。従って、腐食性流体に直接接触している圧力センサの表面は非汚染性でなければならない。多孔質材料では腐食性流体がそうした材料を介して出入りすることがわかっている。例えば、セラミック材料は、よりアグレッシブな腐食性材料によって容易に冒されるガラス状材料と結合される。従って、腐食性流体と直接接触している圧力センサ部分は、非多孔質材料から形成されていることが好ましい。
【０００８】
Ｇｈｉｓｅｌｉｎらに特許された米国特許第４，７７４，８４３号には、酸化アルミニウムのベースへ取り付けられた単結晶サファイアダイヤフラムを有するストレインゲージが開示されている。Ｇｈｉｓｅｌｉｎらは、サファイアはガラスボンド材料やエポキシ、あるいはその他の接着方法によって接着されることを述べている。Ｇｈｉｓｅｌｉｎらはガラスボンド材料について、あるいはガラスボンドがどのようにサファイアや酸化アルミニウムベースへ接着するかについてはそれ以上記述していない。しかし、Ｇｈｉｓｅｌｉｎは、ガラスボンドについて、応力変形点（ｓｔｒａｉｎ ｐｏｉｎｔ）において離れてしまう低強度材料として述べている。Ｇｈｉｓｅｌｉｎは、応力変形点を下げて、それによってガラスの低強度という欠点を避けるために、幾何形状を変えることについて述べている。ヘグナ（Ｈｅｇｎｅｒ）らに特許されている米国特許第５，９５４，９００号には、酸化アルミニウムのセラミック部分へ結合するのにガラスを使用するときの問題について記述されている。ＨｅｇｎｅｒやＧｈｉｓｅｌｉｎらによって開示されている装置は、実効的な動作温度は４００℃以下に制限されると考えられる。従って、ＨｅｇｎｅｒらやＧｈｉｓｅｌｉｎらによって述べられているセンサの信頼性は温度が４００℃を越えると低下する。処理装置の腐食性流体はしばしば４００℃を越える。従って、高強度でベースへ接合された非多孔質表面を有しており、非多孔質材料とベースとの間の接合が４００℃以上の温度において安定であるような圧力センサが必要とされている。
【０００９】
電磁波干渉及び高周波干渉（それぞれＥＭＩ及びＲＦＩ）によってピエゾ抵抗式センサの性能が劣化することもわかっている。サファイアの上へシリコンをエピタキシャル成長させるため、シリコン層（その上にホイーストンブリッジが形成されている）とサファイアとの間に直接、導電性シールディング層を設けることはできない。サファイアの外側が腐食性流体へ接触するように配置されるときには、サファイアの外側へ導電性シールディング層を設けることは好ましくない。従って、圧力センサの露出していない表面の上に形成されたセンサ素子へのＥＭＩ及びＲＦＩの影響を阻止するような非汚染性の圧力センサが要求されている。この発明はこれらの要求やその他の要求を満たしており、これらはこの発明の説明を読めば明らかになろう。
【００１０】
【発明の概要】
この発明は非多孔質の外側表面を有する圧力センサを提供している。この非多孔質表面は、低拡散性と低表面吸着性が特徴である。実施の形態においては、圧力センサは、バッキングプレートと、非多孔質ダイヤフラムと、ダイヤフラムの内側表面に隣接するセンサ素子と、ガラス化（ｇｌａｓｓ）によってバッキングプレート及び非多孔質ダイヤフラムへ接合された高強度材料からなるガラス層を有している。バッキングプレートは構造に堅固さを与えている。バッキングプレートの剛性によって、ハウジング（図示されていない）からセンサダイヤフラム上のセンサ素子へ応力が伝わりにくくなる。バッキングプレートはプロセス媒体には直接接触していないが、機械的に安定していて高温プロセスに馴染むものであることが必要である。バッキングプレートの熱膨張率はセンサダイヤフラムのそれとほぼ同じでなければならない。熱の影響を補償することは可能であるが、時間がたつと二つの部材の間の接合を弱める応力を大きな不整合は製造のときに生じる。当業者は承知しているように、非多孔質ダイヤフラムは、それぞれピエゾ抵抗タイプあるいは容量タイプのセンサの一部として、その上に形成されたホイーストンブリッジあるいは導電層を有している。
【００１１】
実施の形態においては、それに限定されるわけではないが、シリコン層が非多孔質ダイヤフラムの内側表面の上に形成されており、ホイーストンブリッジなどのストレインゲージがその上に形成されている。バッキングプレートはそれを貫通する開口部を有している。この開口部はセンサ素子へつながる電気リード線を受容するようになっている。非多孔質ダイヤフラム近傍の圧力変化はセンサ素子によって検出が可能である。ダイヤフラムに対する圧力が増減するとダイヤフラムが歪み、これによってストレインゲージの抵抗値が変化する。抵抗値の変化はダイヤフラムに隣接する圧力と相関関係を有している。
【００１２】
それに限定されるわけではないが、非多孔質ダイヤフラムはサファイアなど化学的に不活性な材料からなっている。サファイアとバッキングプレートとの間のガラス層は、高接合強度のホウケイ酸ガラスか、あるいは高接合強度と、７００℃以上の、そして好ましくは１０００℃以上の溶融温度とを有する周知の構成の他のガラスから形成されていることが好ましい。ダイヤフラムの撓みの量はガラス層の厚み及び直径によって制御される。ガラス層は０．００２から０．０３０インチの範囲の、そして好ましくは０．０１０インチの厚みと、０．１００から２．０インチの、そして好ましくは０．７００インチの外径を有している。ダイヤフラムのアクティブセンシング領域は０．０５０から２．０インチの範囲であり、０．４００インチであることが好ましい。当業者は、ダイヤフラムの厚み及び直径の範囲は制限すべきではなくて、ある応用においては厚み及び直径をさらに小さくしたり大きくしたりしてもよいことがわかるであろう。このように、非多孔質ダイヤフラムが最大限まで屈曲したとき、ダイヤフラムの内側表面の一部はバッキングプレートの内側表面と係合する。当業者は、バッキングプレートと非多孔質ダイヤフラムは広い範囲の温度にわたって不必要な応力を避けるために、同じような熱膨張率を有する材料から形成されていることがわかるであろう。以下でより詳しく説明するように、圧力センサはセンサ素子が絶対圧力あるいはゲージ圧力を検出するような構造となっている。
【００１３】
この圧力センサは、シリコン層とバッキングプレートとの間に配置された窒化シリコン層と金属層あるいは導電層をさらに有している（図１１を参照のこと）。このように、窒化シリコンは電気絶縁体として作用し、金属層はＥＭＩ／ＲＦＩがセンサ素子２０に影響するのを防ぐ。圧力センサはまた、非多孔質ダイヤフラム層と、窒化シリコン層、金属層、及びバッキングプレートの外側端部の少なくとも一部に隣接してコーティングか、ガスケットあるいはシールを有している。酸に耐久性を有するエポキシか、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンフルオライド）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ウレタン、あるいはパリレンなどの耐腐食性ポリマが利用されるが、それに限定されるわけではない。ここでは、耐酸性エポキシが好ましい。
【００１４】
圧力センサはガラス層と非多孔質ダイヤフラムとの間においてダイヤフラムの上に形成された接合パッドを有している。接合パッドの実施の形態はチタン層と拡散バリアを有しているが、それに限定されるわけではない。ドープされたシリコンの薄いフィルムが周知の適当な方法によって接合パッド間を相互に接続していてホイーストンブリッジを形成している。ガラス層とバッキングプレートには窓が形成されており、接合パッドへアクセスできるようになっている。ガラス層とバッキングプレートに形成された窓を介して電気リード線が延びており、この電気リード線は接合パッドへ鑞付けされている。電気リード線は接合パッドへ鑞付けされており、ガラス層はダイヤフラム及びバッキングプレートへガラス化されている。
【００１５】
別の実施の形態においては、ダイヤフラムとセンサ素子はピエゾ抵抗式センサではなくてコンデンサを形成するように修正されている。圧力が加わると屈曲する薄いセンシングダイヤフラムはセンシングダイヤフラムの内側表面の上に形成された容量性プレートを有しており、別の容量性プレートがバッキングプレートの内側表面の上に形成されている。一つの電気リード線がセンシングダイヤフラムの内側表面の上に形成された容量性プレートへ接続されており、別のリード線がバッキングプレートの内側表面へ電気的に接続されている。ダイヤフラムとプレートとの間の間隔が圧力によって変化すると、プレートの容量が変化する。この容量の変化が周知の適当な構造を有する電気的に接続されたセンサ素子によって検出される。
【００１６】
この発明の利点は、請求項や添付の図面と関連させつつ以下における実施の形態の詳しい説明を読めば当業者には容易に理解できるであろう。いくつかの図面における類似の参照番号は対応する部材を表している。
【００１７】
【詳細な説明】
この発明は、広範囲に適用可能な圧力センサの改良に関する。ここで詳しく説明されている実施の形態は、この発明の改良が取り込まれている代表的なもの、あるいはその例であり、発明を制限するものではない。この発明の圧力センサはセンシングダイヤフラムを有するピエゾ抵抗式あるいは容量式のセンサとして構成されている。センシングダイヤフラムは単結晶サファイアから形成されている。これとは違って、センシングダイヤフラムは単結晶ダイヤモンドから形成されていてもよい。この発明のセンサ１０は一般にバッキングプレート１２と、センシングダイヤフラム１４と、バッキングプレート１４とダイヤフラム１６との間のシリカガラスボンドと、電気リード線１８（図１及び図２を参照のこと）を有している。センシングダイヤフラム１４を製造するときには、単結晶サファイアの大きなウェハを使用して、半導体技術の周知のプレイナプロセスを用いて多数のセンサを同時に製造することができる。
【００１８】
当業者はサファイアが電気絶縁体であることを知っているであろう。サファイアをＲ面に沿って切断すると、サファイアの上に適当な厚みのシリコンの単結晶エピタキシャル膜を成長させることが可能である。このシリコン層は、拡散やイオン注入法、あるいはその他の手段によってホウ素やリンなどの原子をドープしてこの膜に半導体特性を与えることができる。注入エネルギやドーパント濃度を変えることによって、膜の面抵抗値を調節することができる。この膜は電気抵抗を有していることの他に、歪みに応じてその抵抗が変わる。この特性はピエゾ抵抗として知られている。前述したように、センシングダイヤフラム１４の歪みによって膜が歪み、抵抗値の変化を生じる。圧力検出信号はこの抵抗値の変化から導かれる。
【００１９】
シリコンへのドープにイオン注入法を選択したときには、ドーピングに続いてアニーリング工程を行って、注入プロセスのときに生じる歪みを取り除くことが望ましい。アニーリング工程はシリコン層の中でドーパント原子をより均一に分布させる助けとなる。シリコンパターン２０はホイーストンブリッジ２２（図６及び図７を参照のこと）を形成している。当業者はいくつかの異なるパターンでホイーストンブリッジ２２を形成できることがわかろう。シリコン抵抗２０は標準的なフォトリソグラフィ法によってパターニングされる。窒化シリコンの絶縁層２４（図８及び図１０を参照のこと）を化学的気相成長によってサファイアウェハの表面全体に付ける。フォトリソグラフィのレジストを使用して、接合パッド２６の領域において窒化シリコン層２４が蒸着されないようにする。レジストをエッチングして、窓２８を上方へ、ホイーストンブリッジへの接続点あるいは接合パッド２６の各々まで開ける（図８を参照のこと）。窒化シリコン層２４は頑強な絶縁層であり、繊細なシリコン層を保護する。
【００２０】
金属の接合パッド２６は電気リード線１８をホイーストンブリッジ２２へ接続するために必要である。半導体デバイスにおいて接合パッド２６として一般的に使用される金やアルミニウムなどの金属は不安定である。なぜなら、それらはガラス化温度においてシリコンと合金化するからである。実施の形態においては、２金属接合パッドが構成されている（図１０を参照のこと）。高周波（ＲＦ）スパッタリングと呼ばれるプロセスを用いてチタン層３０をウェハ全体の上に蒸着する。チタンは非常にアクティブな金属であり、優れた接合特性を有している。しかし、チタンはそれと真鍮（ｂｒａｚｅ）材料３４との間に拡散バリア３２が必要である。真鍮合金３４は接合パッド２６をピン１８へ接合している。拡散バリア３２がないと、真鍮３４はチタン層３０及び薄いシリコン層２０の両方と合金化する。冷却すると、この合金が表面張力によって一体に引っ張られて、シリコン膜を部分的に破壊する。拡散バリア３２は、鑞付け温度（約１０００℃）において合金を形成しないような耐火性金属である必要がある。ニオブやタングステン、イリジウム、モリブデン、タンタル、プラチナ、パラジウムがこの目的に適しているが、それらに限定されるわけではない。バリア材料３２は膜全体にわたってピンホールができるだけ少ないような膜に形成可能でなければならない。酸化物は鑞付け温度では解離しなければならない。ニオブは拡散バリアとしてうまく作用することがわかっている。ニオブはチタン層３０の上でサファイアウェハ１４全体にわたってＲＦスパッタされる。次に、周知のリソグラフィ技術を使ってニオブ層をパターニングする。
【００２１】
好ましい実施の形態においては、蒸着やスパッタリングなどの当業者に周知の方法を用いて接合パッド２６用の金属を付けてパターニングするが、これらの方法に限定されるわけではない。接合パッド２６のパターニングは、金属がシリコン層２０の一部の上には重なる（図８を参照のこと）が、大部分はサファイアダイヤフラム１４と直接接触するような形で行われる。その理由は、金属層が小さいピンホールを有しているかもしれないからである。真鍮３４が拡散バリア３２を貫通すれば、それがシリコンと合金化し、その結果、膜が壊れることがわかっている。ガラス化及び鑞付けのときに、シリカガラス１６は、真鍮３４が、ピンから、接合パッド２６の金属がシリコンパターン２０と重なっている領域へ流れないようにする。真鍮３４はシリコンパターン２０と重なっている必要はない。
【００２２】
サファイアダイヤフラム１４をパターニングしたら、周知のダイシング方法を用いてサファイアウェハを切断して、サファイアウェハから複数のサファイアダイヤフラムを分離する。結晶面に沿って刻みを付けて割ったり、超音波加工したり、あるいはレーザ切断するなどいくつかの方法を使用できるが、それらに限定されるわけではない。周知の方法を用いることによって、圧力センサの製造に望ましい丸いダイヤフラム１４を切断することができる。
【００２３】
電気リード線１８を接合パッド２６へ鑞付けし、バッキングプレート１２をダイヤフラム１４へガラス化する（ｇｌａｓｓ）。厚いバッキングプレート１２あるいはウェハは、穴あるいはビア３６（図２を参照のこと）を有するセラミックから構成されている。ビア３６は接合パッド２６と位置を揃えてバッキングプレート１２の中に形成されており、センサダイヤフラム１４から、圧力情報を利用する電子回路まで電気リード線１８を通すようになっている。ゲージ圧力を検出したいときには、バッキングプレート１２を貫くベント穴３８を設ける。一般的に金属酸化物の粉体からなるセラミックスを、結合剤として作用する少量のガラスを用いて、一般に高温で一体に焼結する。一般的なセラミックは、単結晶のサファイアと多くの類似した特性を有するアルミナである。アルミナセラミックのガラス含有量を数パーセント以下に維持する限り、これら二つの材料の熱膨張特性はほとんど変わらない。
【００２４】
サファイアとアルミナセラミックの両方とよく結合するガラス１６は、類似した熱膨張特性を有している必要がある。ホウケイ酸ガラスはこの目的によく適合することがわかっている。これらのガラスは、材料を一体にフリット（ｆｒｉｔ）結合するために使用されるものよりもずっと高い溶融温度を有している。バルクのシリコンから製造されるセンサは、ドーパント原子が、隣接する領域へ非常に拡散することがわかっている。従って、バルクシリコンのセンサは一般的に４５０℃以下の、従って短い工程（ｂｒｉｅｆ ｅｘｃｕｒｓｉｏｎ）のみに対する処理温度に限定される。米国特許第４，７７４，８４３号においてＧｈｉｓｅｌｉｎらによって指摘されているように、サファイアダイヤフラムをセラミックのバッキングプレートへ信頼性よく接合することは大きな問題であった。提案されているガラス化に使用される高接合強度のホウケイ酸ガラスは、低温の低強度ソルダ（ｓｏｌｄｅｒ）ガラスあるいはガラスフリットとは異なる。ソルダガラスは約４５０℃の溶融温度を有しており、強度が低い。
【００２５】
鑞付けではなくて“ガラス化”によってサファイアをアルミナセラミックに接合するためには、シリカガラス１６をバッキングプレート１２の表面上へプリフォームするか、スクリーン（ｓｃｒｅｅｎ）する。どちらにしても、シリカガラスがそれを始めたところから遠くへ流れないことが重要である。ガラスパターンの内径が著しく変化すると、センサ１０の圧力特性が著しく変化する。また、ガラス化プロセスのときに、真鍮３４が接合パッド２６の上で溶融するまえにガラス１６が金属の接合パッド２６の上に流れると、ピン１８が接合パッド２６に鑞付けされない。不安定性やガラスの割れにつながる応力をガラス接合に残さないためには、ガラスの焼き（ｆｉｒｉｎｇ）を一定温度で行う必要がある。また、シリカガラス１６は電気ピン１８のための開口部あるいは窓を有していなければならない。さらに、ダイヤフラム１４とバッキングプレート１２との間のシリカガラスボンド１６の厚みを制御することによって、過圧状態のときにセンシングダイヤフラム１４がバッキングプレート１２の底から外へ出る（図４を参照のこと）。従って、この過圧状態を止めると、１００以上の係数でセンサ１０の過圧性能が増大する。
【００２６】
電気リード線１８を接合パッド２６へ接合するために使用される真鍮合金３４はシリカガラス１６の溶融温度よりも若干低い溶融温度で溶融しなければならない。また、真鍮は金属層２６から酸化物を除去するためにはその溶融温度において十分にアグレッシブでなければならない。相応しい周知の構成を有するいくつかの銅真鍮合金はこうした要件を満足することができるが、それらに限定されるわけではない。ガラス１６が流れ始めるまえに真鍮３４が溶融するときは、シリカガラス１６が接合パッド２６の上へ流れると、それが真鍮３４及び接合パッド２６の上へ流れて、接合パッド領域に著しい応力緩和を与える。モーガン・アドバンスト・セラミックス・インコーポレーテッド（Ｍｏｒｇａｎ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｃｅｒａｍｉｃｓ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ）の部門（Ｄｉｖｉｓｉｏｎ）であるカリフォルニア州サン・カルロス（Ｓａｎ Ｃａｒｌｏｓ，Ｃａｌｉｆｏｒｍｉａ）のウェスゴ・メタルズ（Ｗｅｓｇｏ Ｍｅｔａｌｓ）によって販売されているＰａｋｕｓｉｌ−１５などの真鍮合金が許容可能な鑞付けをすることがわかっているが、それに限定されるわけではない。
【００２７】
電気リード線あるいはピン１８は断面積が小さくて、延性を有する金属から形成されている必要がある。セラミック１２に設けられた穴３６の中に収容されたこうしたピン１８は良好な歪み緩和特性を有しており、ピン１８からセンサ素子へ応力を伝えることはない。ピン１８は、ニッケルや金などの良好な鑞付けと妥当な半田付け性能を有する材料がメッキされている。
【００２８】
センサ１０を構成するすべての材料が高温性能を有するために、こうしたセンサ１０を非常に高い温度（４００℃以上）で長時間にわたって使用でき、かつ／あるいは。このセンサ１０はＴＥＦＬＯＮ（登録商標）（“ＴＥＦＬＯＮ”はイー・アイ・デュポン・デヌマス・アンド・カンパニ（Ｅ．Ｉ． ＤｕＰｏｎｔ ＤｅＮｅｍｏｕｒｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐａｎｙ）の登録商標である）などの高性能プラスチックハウジングの中へ直接モールドすることができる（図１４を参照のこと）。そうしたモールドされた圧力センサによれば、センサ１０とプラスチックハウジングとの間に極めて信頼性の高いシールを形成することができる。
【００２９】
再び図３及び図４を参照して、ダイヤフラム１４の撓みを説明する。参照番号４０で表された第１の点線はダイヤフラム１４の撓みを非常に誇張して示している。参照番号４２によって表された第２の点線は過圧によるダイヤフラムの撓みを示している（過圧のときにバッキングプレート１２がダイヤフラムの撓みに与える停止作用を無視する）。こうした急激な撓みによってダイヤフラム１４が割れたり破壊したりする可能性がある。図５はダイヤフラムの中央部分がダイヤフラムの外側部分よりも厚みが薄くなっている修正されたダイヤフラム１４を示している。一般的に、最大限の感度を得るためには、ダイヤフラムの直径を小さくするにつれて、ダイヤフラムの厚みを小さくしなければならない。ダイヤフラム１４とバッキングプレート１２との間のギャップはガラスボンド１６の厚みによって制御される。ダイヤフラムの一般的な撓みは０．０１から０．０００１インチの間であり、隙間はダイヤフラムの厚み及び直径に応じて０．０２から０．０００２インチの間であるが、これに限定されるわけではない。ギャップの大きさはダイヤフラム１４の厚みの２倍のオーダであることが好ましい。ダイヤフラムのアクティブセンシング領域は、０．００２から０．０５０インチの厚みを有するダイヤフラムに対しては、０．０７５から２インチの範囲である。実際的な制約によって、ウェハを製造するときの単結晶サファイアの厚みが制限される。しかし、単結晶シリコンとは違って、この薄いサファイアダイヤフラムを化学プロセスによって形成する容易な方法はない。より薄いサファイアウェハからダイヤフラムをある点まではうまく製造することができるけれども、センサ形成プロセスのときに起きる高熱応力によって、自己破壊的な内部応力が発生する。また、ダイヤフラムのセンシング領域の直径を大きくすると圧力デバイスの感度が向上する。しかし、ダイヤフラムの直径が大きくなるとコストも上がる。
【００３０】
図５に示されている変形されたダイヤフラム１４は、厚いサファイアウェハから製造されるときにセンシング領域の近傍においてダイヤフラムの厚みを薄くされる。薄膜プロセスを完了したあとにダイヤフラムを薄くすることによって、より柔軟なダイヤフラム圧力センシングダイヤフラムができる。各デバイスのまわりに残された材料の縁は、例えばセンシングダイヤフラムが圧力センサハウジングと直接接触するときに要求される強度を与えてくれる。薄い中央部分４６は必要な感度を提供する。サファイアダイヤフラム１４は、当業者には周知の研磨加工や超音波加工などの一般的な機械的手段によって薄くすることができる。別の場合には、ダイヤフラム１４の外側センシング表面上に環状の溝８０が形成されている（図１７を参照のこと）。当業者は、溝の形状は重要ではないけれども丸いエッジや溝が好ましいことがわかろう。溝は環状になっているけれども、ガラスボンド１６に隣接する領域における撓み応力を緩和するには他の形状でもよい。
【００３０】
ここで図１１を参照する。ここにはこの発明の圧力センサに対する別の実施の形態が示されている。この圧力センサはバッキングプレート１２と窒化シリコン層２４との間に導電層が挟まれている。図では導電層４８は電気的に接地されている。このようにして、電磁波干渉や高周波干渉（ＥＭＩ及びＲＦＩ）が遮断されている。ＥＭＩやＲＦＩはピエゾ抵抗センサの性能を劣化させることが知られている。サファイアの上にシリコンをエピタキシャル形成するため、またシリコンをサファイアの上へ直接接合したいことから、シリコンとサファイアとの間に導電層を設置することは望ましくない。また、サファイアダイヤフラムの外側に導電層を設置すると、サファイアダイヤフラムの非多孔質で化学的に不活性な特性を奪ってしまうことになる。導電層あるいは金属層４８はニオブやタングステン、イリジウム、モリブデン、タンタル、プラチナ、パラジウム、あるいはＥＭＩやＲＦＩをシールドすることが知られているその他の材料からなる層でよいが、これらに限定されるわけではない。このように、金属層４８は、導電層より上方から生じるＥＭＩやＲＦＩからセンサ素子をシールドする。
【００３１】
導電層４８は接地電位にあることから、ＥＭＩ及びＲＦＩは導電層４８でゼロ電位にある定在波を形成する。この定在波の電磁波が、接地面と抵抗コンポーネントとの間の距離のオーダである波長を有する周波数成分を有していると、結果として著しい干渉が生じる。他方において、接地面から抵抗コンポーネントまでの距離が短いと、定在波はピエゾ抵抗素子の場所における振幅が無視でき、干渉は生じないであろう。ＥＭＩ干渉及びＲＦＩ干渉は１ＭＨｚから１，０００ＭＨｚの範囲で生じるため、この周波数範囲に対する最小波長は０．３メートルである。また、接地面とピエゾ抵抗素子あるいはシリコンパターン２０との間の距離は窒化シリコン層の厚みに等しく、５００オングストロームあるいは０．０００００００５メートルのオーダである。従って、期待されるＥＭＩあるいはＲＦＩのシールド効果は約６，０００，０００：１である。
【００３２】
ここで図１２を参照する。図にはこの発明のセンサ１０に対する別の実施の形態が示されている。非多孔質で化学的に不活性な圧力センサは、非常に腐食性の環境において圧力を検出するのに有利に使用することができる。単結晶サファイアで構成されたセンシングダイヤフラムを有するセンサは化学的な攻撃に対して優れた保護性能を有する。センサ１０は、主要シール５２及び補助シール５４を有する圧力トランスデューサハウジング５０（図１３を参照のこと）の内部に配置されている。主要シールがサファイアダイヤフラムの外側表面へ係合すると、プロセス流体で濡れるのはシールとサファイアだけである。周知の適当な構造のシールはプロセス流体に浸透性を有するため、プロセス流体のいくらかは主要シールを越えてしまう。第１の主要シールを越えて浸透するフッ化水素酸などの非常にアグレッシブなプロセス流体はサファイアダイヤフラム１４とセラミックのバッキングプレート１２との間のジョイントを冒す。ジョイントの腐食によって生じる汚染物質はプロセス流体の中へ浸透によって戻る。この発明は、ジョイントの周囲を囲むセンサ１０のエッジへ付けられる耐酸性エポキシなどの化学的に耐久性を有するポリマを有している。耐酸性エポキシとしては、それに限定するわけではないが例えばニュージャージー州ハッケンサック（Ｈａｃｋｅｎｓａｃｋ，Ｎ．Ｊ．）のマスター・ボンド・インコーポレーテッド（Ｍａｓｔｅｒ Ｂｏｎｄ，Ｉｎｃ．）から入手可能な耐酸性エポキシＥＰ２１ＡＲなどがある。別の場合では、限定するわけではないが例えばＴＥＦＬＯＮ（登録商標）から形成されたガスケットタイプのシールや、限定するわけではないが例えばＫＡＬＲＥＺから形成されたエラストマタイプのシール８４を図１８に示されているようにセンサのジョイントへ押しつける。シール８４はＬ字形状の断面を有しており、センサ１０の側部のまわりと、ダイヤフラム１４のセンシング外側表面の上を覆っている。当業者は、ガスケットシール８４はハウジング５０の一部として形成されていることがわかろう。また、電気的シールド性能を向上させるに、カーボン粉末を混ぜることによって材料に導電性を持たせる。導電性エポキシはアースへ接続された導電性インク５８によって電気アースへ接続することができる。
【００３３】
図１３を参照する。図ではセンサ１０は流体ポート６０を有する圧力トランスデューサハウジング５０の内部に配置されている。サファイアダイヤフラムは、主要シール５２及び補助シール５４に対するシールを形成している。ベントあるいはドレイン６２が圧力トランスデューサハウジングの外側から、主要シールと補助シールとの間のハウジング内へ延びている。ベント６２はシールの間の圧力を緩和し、かつ／あるいは流体が主要シールを通って圧力トランスデューサハウジング５０の外へ透過するための通路を提供している。サファイアダイヤフラム１４を有するこの発明のセンサ１０は、腐食及び溶剤に対して耐久性があり、計測できるような温度あるいは圧力のヒスレリシスなく所望の屈曲性を有しており、４００℃を越えるようなプロセス流体温度に耐えることができる圧力センサを提供している。図１４を参照するとわかるように、この圧力センサは高温に耐えることが可能なため、この圧力センサをプラスチックの射出成形プロセスのときにインサートとして圧力トランシデューサのプラスチックハウジング５０の中へモールドして、主要シールあるいは補助シールを不要にすることもできる。ハウジング自身がセンサ１０に対するシールとして作用する。こうしたモールドされた圧力センサ及びモジュールでは、製造コストを低減し、構造を簡単にし、圧力トランスデューサモジュール全体のサイズを小さくすることが期待される。
【００３４】
図１５を参照する。この図にはこの発明のセンサ１０に対する別の実施の形態が示されている。センサ１０はダイヤフラム１４に隣接する流体の圧力と温度の両方を検出することができる。センサ１０はサファイアダイヤフラム１４の上にパターニングされた抵抗７０を有している。接合パッド７２が接合パッド２６と同じようにして、それと同時に形成される。抵抗７０はガラスボンド１６とダイヤフラム１４との間に形成されている。抵抗を圧力の応力領域の外側に配置することによって、抵抗７０の抵抗値に影響を与える、圧力によって誘起される応力が生じないようになっている。単結晶シリコン抵抗７０の抵抗値は、決まった温度依存性を有している。高ドーピング濃度（１０１９原子／ｃｃ以上のｐ形ドーピング）に対しては、温度と抵抗との間の関係はほぼ直線関係で近似できる。従って、抵抗が変化すると、温度変化は容易に決定できる。
【００３５】
図１６はセンサ１０に対する別の実施の形態を示している。ここではホイーストンブリッジ２２の抵抗を利用して、圧力及び温度の両方を決定している。センサ１０の外側周辺は、点線で表されている。ここでも、ホイーストンブリッジからなる単結晶シリコン抵抗の抵抗値は決まった温度依存性を有している。図１６において“Ｒｔ”で表されている抵抗７６はホイーストンブリッジ２２へ電気的に接続されているが、プロセス流体の温度が変化することによる温度の影響からは隔離されている。例えば、抵抗７６は圧力トランスデューサの検出電子回路といっしょに配置されており、ダイヤフラム１４からは離れている。抵抗７６の値はホイーストンブリッジ２２の抵抗値の約半分であることが好ましい。温度の決定精度に対する圧力の影響は、当業者には周知のデータフィッティングを行う多項式を用いて温度を決めるときには無視できる。ホイーストンブリッジ２２の抵抗値が温度とともに変化すると、電圧Ｖｔも変化する。ブリッジ全体を、電圧分割回路における一つの抵抗として利用する。このとき、電圧Ｖｔをアナログあるいはデジタルの補正に対する温度信号として使用することができる。
【００３６】
特にシリコン抵抗に対して多量にドーピングされているときには、電圧Ｖｔはホイーストンブリッジ２２の温度にほぼ完全に依存する。シリコン抵抗のドーピングが少ないとき、あるいはユーザが温度測定における不確かさを下げたいときには、温度は行列の特性化（ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ）によって求められる。以下の多項式を利用する。ここで温度Ｔは出力ＶｔとＶｐの両方の関数として表されている。
【００３７】
Ｔ ＝ ａ００ ＋ ａ０１ＶＴ ＋ ａ０２ＶＴ２ ＋ … ＋ ａ１０ＶＰ ＋ ａ１１ＶＰＶＴ ＋ ａ１２ＶＰＶＴ２ ＋ … ＋ ａ２０ＶＰ２ ＋ …
【００３８】
ここで係数ａｘｘは当業者には周知の最小自乗フィッティングによって得られる。データフィッティングとともに上述の特性化を利用することによって、歪みの影響に対して温度出力が校正されたセンサが得られる。従って、一つのセンサで、圧力と温度の同時測定が短い応答時間で達成できる。これとは違って、温度出力のみが必要な場合には、抵抗の足を、歪みに感度を有しない軸方向に配置することによって圧力の特性化を行わないようにすることが可能である。例えば、抵抗素子を射影されたＣ軸に対して４５°の方向に配置することによって、サファイア上に設けられたＲ面シリコンで最大歪み感度が達成できる。ここで、Ｒ面とＣ軸は結晶構造のミラー指数によって定義されるものである。射影Ｃ軸に平行あるいは直角に配置された抵抗素子に対しては、ピエゾ抵抗はゼロである。抵抗の軸を回転して圧力感度をなくすことができる。このようにして、センサ１０は圧力感度をなくすように、従ってセンサ１０近傍の温度のみを測定するように形成することができる。
【００３９】
特許法に従って、またここでの新しい原理を適用するとともに必要に応じて特別なコンポーネントを構成し使用するのに必要な情報を当業者に提供するために、この発明についてかなり詳しく説明してきた。しかし、この発明は様々な装置やデバイスによって実行することができること、またこの発明の範囲から逸脱することなく装置と動作手順の両方に関して種々な変形を実現することができることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】
この発明の圧力センサの斜視図である。
【図２】
この発明の圧力センサに対する実施の形態の部分側断面図である。
【図３】
この発明の圧力センサに対する実施の形態の部分側断面図である。
【図４】
この発明の圧力センサに対する実施の形態の部分側断面図である。
【図５】
この発明の圧力センサに対する実施の形態の部分側断面図である。
【図６】
この発明のダイヤフラムの平面図であり、その上にホイーストンブリッジが形成されている。
【図７】
この発明のダイヤフラムに対する実施の形態を一部断面で示した平面図である。
【図８】
この発明の接合パッドに対する実施の形態を一部断面で示した平面図である。
【図９】
この発明の接合パッドに対する実施の形態の部分側断面図である。
【図１０】
この発明の接合パッドに対する実施の形態の部分側断面図である。
【図１１】
この発明の圧力センサに対する実施の形態の部分側断面図である。
【図１２】
この発明の圧力センサに対する実施の形態の部分側断面図である。
【図１３】
圧力トランスデューサハウジングの中に設置されたところが示されているこの発明の圧力センサに対する実施の形態の部分側断面図である。
【図１４】
圧力トランスデューサハウジングの中にモールドされたところが示されているこの発明の圧力センサに対する実施の形態の部分側断面図である。
【図１５】
この発明のダイヤフラムに対する実施の形態を一部断面で示した平面図である。
【図１６】
この発明のダイヤフラムに対する実施の形態の部分平面図である。
【図１７】
この発明の圧力センサに対する実施の形態の部分側断面図である。
【図１８】
センサの端に隣接したシールあるいはガスケットを有するこの発明の圧力センサに対する実施の形態の部分側断面図である。
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
2004506180.tif 000027