(57)【要約】【課題】圧力基準室として気密性の高い密閉空間が形成された圧力センサを提供する。【解決手段】基板の厚さ方向と直交する面に凹部が形成された支持部と、前記基板の厚さ方向に直交する方向に薄いダイヤフラムであって、端部が前記凹部の側壁および底部と結合し前記凹部を二分しているダイヤフラムと、二分されている前記凹部のうち一方の凹部を前記支持部と前記ダイヤフラムとともに密閉している蓋部であって、前記支持部および前記ダイヤフラムと直接結合している蓋部と、を備える。【選択図】図１
2012141143.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の厚さ方向と直交する面に凹部が形成された支持部と、
前記基板の厚さ方向に直交する方向に薄いダイヤフラムであって、端部が前記凹部の側壁および底部と結合し前記凹部を二分しているダイヤフラムと、
二分されている前記凹部のうち一方の凹部を前記支持部と前記ダイヤフラムとともに密閉している蓋部であって、前記支持部および前記ダイヤフラムと直接結合している蓋部と、
を備える圧力センサ。
【請求項２】
基板の厚さ方向と直交する面に複数の凹部を前記基板の深掘を実現する異方性ドライエッチング法により形成する凹部形成工程と、
前記基板の前記凹部が形成されている面に減圧環境下で薄膜を形成することによって前記凹部を封止し密閉空間を形成する凹部封止工程と、
隣接する二つの前記密閉空間のうち一方の前記密閉空間上の領域における前記薄膜をエッチングにより除去する空間連通工程と、
を含む圧力センサの製造方法。
【請求項３】
基板の厚さ方向と直交する面に複数の凹部を前記基板の深掘を実現する異方性ドライエッチング法により形成する凹部形成工程と、
前記基板の前記凹部が形成されている面に薄膜を形成し高温中で酸化することによって前記凹部を酸化され体積が増加した前記薄膜によって封止し密閉空間を形成する凹部封止工程と、
隣接する二つの前記密閉空間のうち一方の前記密閉空間上の領域における前記薄膜をエッチングにより除去する空間連通工程と、
を含む圧力センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力センサおよび圧力センサの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、静電容量型や歪みゲージ型の圧力センサが知られている（例えば特許文献１，２）。圧力センサには、外部空間と連通しない密閉空間が形成されており、当該密閉空間と外部空間とを隔てるダイヤフラムが備えられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−３２２５７６号公報
【特許文献２】特開平５−１２６６６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１には、開口が形成された基板に真空中で上部基板を接着することにより、真空の圧力基準室を形成することが記載されている。しかし、接着の状態が悪いと圧力基準室が真空でなくなり、圧力センサとしての特性が得られない。特許文献２には、ウェットエッチングによって空洞を形成し、エッチング液の注入口を封止することによって圧力基準室を形成することが記載されている。しかしエッチング液の注入口が小さく、圧力基準室となる空洞を効率よくエッチングできる程度にエッチング液を注入することが困難である。また、エッチング後に空洞内を十分に洗浄できない可能性もあり、残存したエッチング液によって封止後に浸食が進行する可能性もある。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、圧力基準室として気密性の高い密閉空間が形成された圧力センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（１）上記目的を達成するための圧力センサは、基板の厚さ方向と直交する一方の面に凹部が形成された支持部と、前記基板の厚さ方向に直交する方向に薄いダイヤフラムであって、端部が前記凹部の側壁および底部と結合し前記凹部を二分しているダイヤフラムと、二分されている前記凹部のうち一方の凹部を前記支持部と前記ダイヤフラムとともに密閉している蓋部であって、前記支持部および前記ダイヤフラムと直接結合している薄膜からなる蓋部と、を備える。
【０００６】
本発明によると、支持部とダイヤフラムとともに、薄膜形成技術によって支持部およびダイヤフラムと直接結合するように形成された蓋部によって密閉空間が形成されているため、従来のように上部基板を開口が形成されている基板に接着することによって密閉空間が形成されている構成よりも、密閉空間の気密性を高めることができる。
なお、上記構成の圧力センサは、例えば静電容量型の圧力センサにも歪みゲージ型の圧力センサにも適用することができる。
【０００７】
（２）上記目的を達成するための圧力センサの製造方法は、基板の厚さ方向と直交する面に複数の凹部を前記基板の深掘を実現する異方性ドライエッチング法により形成する凹部形成工程と、前記凹部が形成されている面に減圧環境下で薄膜を形成することによって前記凹部を封止し密閉空間を形成する凹部封止工程と、隣接する二つの前記密閉空間のうち一方の前記密閉空間上の領域における前記薄膜をエッチングにより除去する空間連通工程と、を含む。
【０００８】
凹部形成工程によって隣接する二つの凹部の間にダイヤフラムを形成することができる。凹部封止工程によって圧力センサの圧力基準室となる密閉空間を形成することができる。空間連通工程によってダイヤフラムの一方の面を密閉空間に他方の面を外部空間に面する構成とすることができる。この製造方法によると、従来のように上部基板を開口が形成されている基板に接着することによって密閉空間を形成する構成よりも気密性の高い密閉空間を形成することができる。また、凹部形成工程においてはウェットエッチング法を採用していないため、凹部内に残存したエッチング液によって封止後に浸食が進行する等の問題は発生しない。また、凹部形成工程においては深掘を実現する異方性ドライエッチング法を用いることによって基板の厚さ方向と直交する方向に薄いダイヤフラムを形成することができ、ダイヤフラムが基板の厚さ方向に薄い構成と比較すると、圧力センサの小型化が可能である。
【０００９】
（３）上記目的を達成するための圧力センサの製造方法は、基板の厚さ方向と直交する面に複数の凹部を前記基板の深掘を実現する異方性ドライエッチング法により形成する凹部形成工程と、前記基板の前記凹部が形成されている面に薄膜を形成し高温中で酸化することによって前記凹部を酸化され体積が増加した前記薄膜によって封止し密閉空間を形成する凹部封止工程と、隣接する二つの前記密閉空間のうち一方の前記密閉空間上の領域における前記薄膜をエッチングにより除去する空間連通工程と、を含む。
【００１０】
凹部形成工程によって隣接する二つの凹部の間にダイヤフラムを形成することができる。凹部封止工程によって圧力センサの圧力基準室となる密閉空間を形成することができる。空間連通工程によってダイヤフラムの一方の面を密閉空間に他方の面を外部空間に面する構成とすることができる。この製造方法によると、従来のように上部基板を開口が形成されている基板に接着することによって密閉空間を形成する構成よりも気密性の高い密閉空間を形成することができる。また、凹部形成工程においてはウェットエッチング法を採用していないため、凹部内に残存したエッチング液によって封止後に浸食が進行する等の問題は発生しない。また、凹部形成工程においては深掘を実現する異方性ドライエッチング法を用いることによって基板の厚さ方向と直交する方向に薄いダイヤフラムを形成することができ、ダイヤフラムが基板の厚さ方向に薄い構成と比較すると、圧力センサの小型化が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】（１Ａ）は第一実施形態にかかる圧力センサの上面図、（１Ｂ）〜（１Ｅ）はその断面図。
【図２】（２Ａ）および（２Ｃ）は第一実施形態にかかる圧力センサの製造方法を示す上面図、（２Ｂ）は（２Ａ）の断面図。
【図３】（３Ａ）および（３Ｂ）は第一実施形態にかかる圧力センサの製造方法を示す断面図。
【図４】（４Ａ）および（４Ｂ）は第一実施形態にかかる圧力センサの製造方法を示す断面図。
【図５】（５Ａ）および（５Ｂ）は第一実施形態にかかる圧力センサの製造方法を示す断面図。
【図６】（６Ａ）は第一実施形態にかかる圧力センサの製造方法を示す上面図、（６Ｂ）〜（６Ｄ）はその断面図。
【図７】（７Ａ）は第一実施形態にかかる圧力センサの製造方法を示す上面図、（７Ｂ）〜（７Ｄ）はその断面図。
【図８】他の実施形態にかかる圧力センサの製造方法を示す断面図。
【図９】（９Ａ）および（９Ｂ）は他の実施形態にかかる圧力センサの製造方法を示す断面図。
【図１０】（１０Ａ）および（１０Ｂ）は他の実施形態にかかる圧力センサの製造方法を示す断面図。
【図１１】他の実施形態にかかる圧力センサの上面図。
【図１２】（１２Ａ）は他の実施形態にかかる圧力センサの製造方法を示す上面図、（１２Ｂ）は他の実施形態にかかる圧力センサの上面図、（１２Ｃ）および（１２Ｄ）は他の実施形態にかかる圧力センサの断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら説明する。尚、各図において対応する構成要素には同一の符号が付され、重複する説明は省略される。
【００１３】
１．第一実施形態
（構成）
図１は本発明の一実施形態にかかる圧力センサを示す図である。図１Ａは圧力センサの上面図、図１Ｂは図１Ａの１Ｂ−１Ｂ線における断面図、図１Ｃは図１Ａの１Ｃ−１Ｃ線における断面図、図１Ｄは図１Ａの１Ｄ−１Ｄ線における断面図、図１Ｅは図１Ａの１Ｅ−１Ｅ線における断面図である。各図においては、説明の便宜のために互いに直交するｘｙｚ軸を規定する。基板の厚さ方向がｚ軸に平行な方向に相当する。ダイヤフラムの厚さ方向がｙ軸と平行な方向に相当する。
【００１４】
圧力センサはＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）製造プロセスを用いて製造される積層構造体である。圧力センサを構成する積層構造体は、主に次に述べる複数の層が積層されてなる。ベース層１０は、ボロン（Ｂ）等の不純物が１×１０２０個／ｃｍ３の濃度で導入されたシリコン（Ｓｉ）からなる。ベース層１０の厚さは２００μｍである。第一絶縁層１１は厚さ１μｍの二酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる。第二絶縁層１２は厚さ２μｍの窒化シリコン（ＳｉｘＮｙ）からなる。配線層１３は厚さ３μｍのアルミニウム（Ａｌ）からなる。
【００１５】
圧力センサは、支持部ＳとダイヤフラムＤと蓋部Ａを備えている。支持部Ｓは、ｘｙ平面と平行な一方の面にｚ軸と側壁が平行である凹部が形成された形態を有している。当該凹部の内部空間はｙ軸方向に薄いダイヤフラムＤによって二分されている。すなわち、ダイヤフラムＤのｘ軸方向の両端部およびｚ軸方向の一方の端部は支持部Ｓに形成された凹部の側壁および底部と結合しており、支持部Ｓに形成されている凹部はダイヤフラムＤによって二つの凹部に隔てられている。そのうちの一方の凹部Ｈ２は外部空間と連通している。他方の凹部はダイヤフラムＤと支持部Ｓと蓋部Ａとによって密閉され密閉空間Ｃを構成している。蓋部Ａは後述する薄膜形成技術によってダイヤフラムＤと支持部Ｓと直接結合するように形成されており、密閉空間Ｃは気密性の高い減圧空間として構成されている。支持部Ｓは、第一絶縁層１１ｃとベース層１０と第一絶縁層１１ｂと第一絶縁層１１ａと第二絶縁層１２とからなる。ダイヤフラムＤはベース層１０と第一絶縁層１１ａと第二絶縁層１２とからなる。蓋部Ａは第二絶縁層１２からなる。配線部１３ａは、支持部ＳとダイヤフラムＤのｘｙ平面と平行な表面に形成されている。配線部１３ａは配線層１３からなる。なお本実施形態においては、第一絶縁層１１ｃとベース層１０と第一絶縁層１１ｂと第一絶縁層１１ａとから構成される積層構造体が「基板」に相当する。
【００１６】
ダイヤフラムＤを挟み込んでダイヤフラムＤと対向する壁部Ｓ１，Ｓ２（支持部Ｓの一部）と、ダイヤフラムＤと、によって二つのコンデンサが形成される。ダイヤフラムＤが可動電極、壁部Ｓ１，Ｓ２が固定電極である。外部空間の流体の圧力と密閉空間Ｃ内の圧力との差に応じてダイヤフラムＤがｙ軸と平行な方向に撓み、コンデンサの容量が変化する。本実施形態の圧力センサは、外部空間と密閉空間Ｃとの圧力差を二つのコンデンサの容量差として検出することができる。
【００１７】
（製造方法）
本実施形態における圧力センサの製造方法を図２〜図７および図１を用いて説明する。はじめに図２〜図５に示すように基板に凹部Ｈ２を形成する（凹部形成工程）。具体的にはまず図２に示すように、フォトレジストからなる保護層Ｒ１をマスクに用いてベース層１０をエッチングし、貫通孔Ｈ１を形成する。Ｓｉからなるベース層１０のＤｅｅｐ−ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）は、パッシベーション（Ｃ４Ｆ８プラズマ）とエッチング（ＳＦ６プラズマ）のステップを短く交互に繰り返す、所謂ボッシュプロセスを用いる。例えば貫通孔の深さＴは２００μｍ、幅Ｗ１は５μｍ、長さＬ１は５０μｍである。図２Ａおよび図２Ｂは図２Ｃに示すウエハにおいてスクライブラインで囲まれた１つの領域を示す拡大図である。貫通孔Ｈ１を形成した後、保護層Ｒ１を除去する。
【００１８】
続いて図３に示すようにベース層１０の表面に第一絶縁層１１（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ）を形成する。例えば、ベース層１０を熱酸化して貫通孔Ｈ１をＳｉＯ２からなる第一絶縁層１１ｂで充填する。同時にベース層１０の表裏両方の主面にもそれぞれ第一絶縁層１１ａ，１１ｃを形成される。熱酸化の代わりに、オゾン（Ｏ３）とテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）を用いたＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）でＳｉＯ２からなる第一絶縁層１１を形成してもよい。また、熱酸化とＣＶＤを組み合わせて行っても良い。
【００１９】
続いて図４に示すように、フォトレジストからなる保護層Ｒ２を用いて第一絶縁層１１ａをエッチングしベース層１０の表面を露出させる。例えばＳｉＯ２からなる第一絶縁層１１ａは、ＣＨＦ３ガスを用いた反応性イオンエッチングによって除去することができる。ベース層１０の表面を露出させる領域の長さＬ２は例えば３μｍ、幅Ｗ２は４００μｍである。
続いて図５に示すように、保護層Ｒ２と第一絶縁層１１ａをマスクとしてベース層１０をエッチングし、凹部Ｈ２を形成する。凹部Ｈ２が形成されることにより第一絶縁層１１ｂと第一絶縁層１１ｃとベース層１０とが露出する。また凹部Ｈ２が形成されることによってダイヤフラムＤと壁部Ｓ１，Ｓ２が形成される。ベース層１０のＤｅｅｐ−ＲＩＥはボッシュプロセスで行う。その後、保護層Ｒ２を除去する。
【００２０】
続いて図６に示すように、第一絶縁層１１ａ，１１ｂ，１１ｃの表面上に第二絶縁層１２を成膜して凹部Ｈ２を封止し、ダイヤフラムＤと支持部Ｓと第二絶縁層１２（薄膜）からなる蓋部Ａとによって密閉された密閉空間Ｃを形成する（凹部封止工程）。例えば、プラズマＣＶＤ（Ｐｌ−ＣＶＤ）法を用いてＳｉｘＮｙを２μｍ成膜する。密閉空間Ｃを覆う領域の第二絶縁層１２を蓋部Ａと呼ぶ。Ｐｌ−ＣＶＤ法の代わりにスパッタ法を用いても良い。Ｐｌ−ＣＶＤ法やスパッタ法を用いて第二絶縁層１２を成膜した場合、密閉空間Ｃは減圧で封止される。なお、第二絶縁層１２を１０μｍ以上の厚さで成膜した後、８μｍエッチバック（あるいはＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing））によってｘｙ平面と平行な表面に厚さ２μｍの第二絶縁層１２が残存するようにしてもよい。
【００２１】
続いて図７に示すように配線部１３ａを形成する。具体的には、フォトレジストからなる図示しない保護層を用いて第一絶縁層１１ａと第二絶縁層１２をエッチングし、コンタクトホールＨ３を形成する。例えば、ＳｉＯ２からなる第一絶縁層１１ａと第二絶縁層１２は、ＣＨＦ３ガスを用いて反応性イオンエッチングを行ってベース層１０の表面を露出させる。ベース層１０が低抵抗ではない場合（例えばＢ等の不純物濃度が１×１０１９個／ｃｍ３以下の場合）には、コンタクトホールＨ３にて露出しているベース層１０の表面に１×１０２０個／ｃｍ３の不純物イオンを注入し注入後にアニール処理を行ってコンタクト抵抗低減部を形成してもよい。続いて、配線層１３を第二絶縁層１２およびベース層１０の表面上に成膜する。例えばスパッタ法により厚さ３μｍのＡｌ層を成膜する。Ａｌの代わりにＡｌＳｉ等の合金や、Ｗ，Ｍｏ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｎｉ等の高融点金属や、ＷＳｉ２，ＭｏＳｉ２，ＴｉＳｉ２，ＴａＳｉ２，ＣｒＳｉ２，ＮｉＳｉ２等の高融点シリサイドや、不純物をドープした多結晶シリコンを用いても良い。続いてフォトレジストからなる図示しない保護層を用いて配線層１３をエッチングして配線部１３ａを形成する。例えばＡｌからなる配線層１３は、Ｃｌ２ガスを用いた反応性イオンエッチングによりエッチングすることができる。配線層１３が除去された部分には第二絶縁層１２が露出する。
【００２２】
続いて図１に示すように、フォトレジストからなる図示しない保護層を用いて隣り合う密閉空間Ｃのうち一方の密閉空間Ｃを覆う第二絶縁層１２をエッチングにより除去し外部空間と連通させる（空間連通工程）。外部空間と連通した一方の密閉空間Ｃを再び凹部Ｈ２と呼ぶ。例えば８５℃に加熱したリン酸を用いてＳｉｘＮｙからなる第二絶縁層１２をエッチングする。その後、ダイシングして、パッケージに実装する。以上の工程により、図１に示す圧力センサを製造することができる。なお、配線部１３ａが形成されている方の主面の裏面にあたる面から、密閉空間Ｃに重なる領域の第一絶縁層１１ｃを除去することにより一方の密閉空間Ｃを外部空間と連通させてもよい。
【００２３】
以上の製造方法によると、従来のように上部基板を開口が形成されている基板に接着することによって密閉空間を形成する構成よりも気密性の高い密閉空間を形成することができる。また、凹部形成工程においてはウェットエッチング法を採用していないため、凹部内に残存したエッチング液によって封止後に浸食が進行する等の問題は発生しない。また、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥ法を用いることによって基板の厚さ方向と直交する方向に薄いダイヤフラムＤを形成することができ、ダイヤフラムが基板の厚さ方向に薄い構成と比較すると、圧力センサの小型化が可能である。
【００２４】
２．他の実施形態
尚、本発明の技術的範囲は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、上記実施形態で示した材質や形状や寸法や成膜方法やパターン転写方法はあくまで例示であるし、当業者であれば自明である工程の追加や削除や工程順序の入れ替えについては説明が省略されている。
【００２５】
例えば図５に示す工程の後、ＳｉｘＮｙからなる第二絶縁層１２は、図８に示すように斜めスパッタ法により成膜してもよい。
また例えば図５に示す工程の後、図９Ａに示すように斜めスパッタ法によってポリシリコン（アモルファスシリコンやアルミニウムでも可）からなる薄膜１２０を成膜してもよい。斜めスパッタ法により凹部Ｈ２の開口部の幅を狭くすることができる。そして１０５０℃で酸化することによって図９Ｂに示すように薄膜１２０の体積を約２．２倍にし凹部Ｈ２を減圧で封止して密閉空間Ｃを形成するようにしてもよい。なお、乾燥酸化から水蒸気酸化にすることにより酸化時間を１／５〜１／１０に短縮できる。
【００２６】
また例えば、図４で説明した工程の後、図１０Ａに示すようにＳｉからなるベース層１０をＤｅｅｐ−ＲＩＥ法を用いてテーパーエッチングし、図１０Ｂに示すようにＣＶＤ法によってＳｉＯ２からなる薄膜１１０を成膜することによって凹部Ｈ２を封止するようにしてもよい。
なお、図１１に示すように、密閉空間Ｃの両側にのみ（壁部Ｓ１とダイヤフラムＤとにのみ）配線部１３ａを形成するようにしてもよい。
【００２７】
また、図２に示す工程において、図１２Ａに示すようにｙ軸方向に延びる２つの凹部の一方の端部とｘ軸方向に延びる凹部とがつながった例えばコの字型（全ての角が直角であるＵ字型）の貫通孔Ｈ１を形成し、図３に示す工程と同様に貫通孔Ｈ１を第一絶縁層１１で充填するようにしてもよい。その後、図４〜図７，図１に示す工程と同様の工程を行うことによって、図１２Ｂ・図１２Ｃ・図１２Ｄに示すように壁部Ｓ１の固定電極Ｓ１０はベース層１０と絶縁される。そのため、寄生容量を低減することができる。
【００２８】
なお、上記実施形態では、静電容量型の圧力センサを例に説明したが本発明は歪みゲージ型の圧力センサにも適用可能である。例えば、支持部Ｓのｘｙ平面と平行な面と、ダイヤフラムＤのｘｙ平面と平行な面とにぞれぞれ２つずつピエゾ抵抗素子等の歪み検出素子を配置し、それらを結線しブリッジ回路を構成してダイヤフラムの歪み量を検出し、当該歪み量から圧力を検出するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００２９】
１０：ベース層、１１（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）：第一絶縁層、１２：第二絶縁層、１３：配線層、１３ａ：配線部、１１０：薄膜、１２０：薄膜、Ａ：蓋部、Ｃ：密閉空間、Ｄ：ダイヤフラム、Ｈ１：貫通孔、Ｈ２：凹部、Ｈ３：コンタクトホール、Ｓ：支持部、Ｓ１：壁部、Ｓ２：壁部、Ｓ１０：固定電極
【図１】
2012141143.tif 000003
【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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