CN109253829A - 压力传感器及其制造方法、压力传感器模块、电子设备以及移动体 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够以简单的工艺来进行制造且能够实现小型化的压力传感器、压力传感器的制造方法、压力传感器模块、电子设备以及移动体。压力传感器具有：半导体基板；绝缘层，其被配置于所述半导体基板上，并且设置有空洞部；以及半导体层，其被配置于所述绝缘层上，并且具备以覆盖所述空洞部的方式而被配置的隔膜。此外，所述隔膜具备有与所述空洞部连通的贯穿孔。

Description

压力传感器及其制造方法、压力传感器模块、电子设备以及移 动体
技术领域
本发明涉及一种压力传感器、压力传感器的制造方法、压力传感器模块、电子设备以及移动体。
背景技术
一直以来，作为对压力进行检测的压力传感器，已知有在专利文献1中所记载的结构。专利文献1的压力传感器具有：隔膜，其通过受压而挠曲变形；压力基准室，其被配置于隔膜的下方；压电电阻元件，其被配置于隔膜的上表面上。此外，该压力传感器由将第一硅基板和第二硅基板隔着氧化硅膜贴合而成的SOI基板、以及与该SOI基板相接合的玻璃基板而形成。具体而言，由第一硅基板形成了隔膜，并在第一硅基板的上表面上形成有压电电阻元件。此外，在第二硅基板上与隔膜重叠的位置处形成有贯穿孔，并通过将玻璃基板接合在第二硅基板的下表面上以对贯穿孔进行密封，从而形成了压力基准室。
然而，在专利文献1所记载的压力传感器中，必须从SOI基板的上表面侧形成压电电阻元件，且从SOI基板的下表面侧形成长宽比非常高的深孔，因而难以确保它们的位置对准精度。因此，需要确保位置对准的余量，从而难以实现装置的小型化。此外，也存在装置的制造时间和成本增大的可能。
专利文献1：日本特开2001-358345号公报
发明内容
本发明的目的在于，提供一种能够以简单的工艺来进行制造且能够实现小型化的压力传感器、压力传感器的制造方法、压力传感器模块、电子设备以及移动体。
这样的目的通过下述的本发明来达成。
本发明的压力传感器的特征在于，具有：半导体基板；绝缘层，其被配置于所述半导体基板的一个面上，并且设置有空洞部；以及半导体层，其被配置于所述绝缘层的与所述半导体基板相反的一侧，并具有以覆盖所述空洞部的方式而被配置的隔膜。
由此，成为能够以简单的工艺来进行制造且能够实现小型化的压力传感器。
在本发明的压力传感器中，优选为，所述隔膜具备与所述空洞部连通的贯穿孔，所述压力传感器具有对所述贯穿孔进行密封的密封部。
由此，能够容易地形成空洞部。
在本发明的压力传感器中，优选为，在俯视观察所述半导体基板时，所述贯穿孔沿着所述隔膜的外边缘而配置有多个。
由此，易于使隔膜的形状与预定的形状相一致。
在本发明的压力传感器中，优选为，具有压电电阻元件，所述压电电阻元件被配置于所述隔膜上。
由此，能够以简单的结构而对压力进行检测。
在本发明的压力传感器中，优选为，具有边缘部，所述边缘部被配置于所述绝缘层的面对所述空洞部的内周面上，并且在俯视观察所述半导体基板时包围所述空洞部的至少一部分。
由此，易于使隔膜的形状与预定的形状相一致。
在本发明的压力传感器中，优选为，所述半导体基板含有硅，所述绝缘层含有氧化硅，所述半导体层含有硅。
由此，例如能够由SOI基板来形成半导体基板、绝缘层以及半导体层。因此，压力传感器的结构变得更加简单。此外，能够通过半导体工艺而容易地制造压力传感器。
本发明的压力传感器的制造方法的特征在于，包含：准备SOI基板的工序，其中，所述SOI基板具有第一硅层、第二硅层、以及位于所述第一硅层与所述第二硅层之间的氧化硅层；在所述第二硅层上配置压电电阻元件的工序；在厚度方向上贯穿所述第二硅层从而形成面对所述氧化硅层的贯穿孔的工序；通过经由所述贯穿孔而去除所述氧化硅层的一部分从而形成空洞部和隔膜的工序，其中，所述空洞部位于所述第一硅层与所述第二硅层之间，所述隔膜隔着所述空洞部而与所述第一硅层对置，且包含压电电阻元件，并通过受压而挠曲变形；以及对所述贯穿孔进行密封的工序。
由此，能够以简单的工艺来制造压力传感器，并且能够实现压力传感器的小型化。
在本发明的压力传感器的制造方法中，优选为，所述进行密封的工序包括：在所述隔膜的与所述第一硅层相反的一侧的面上形成密封层的工序；以及将所述密封层薄壁薄化的工序。
由此，能够对贯穿孔进行密封，并且能够抑制隔膜的实质厚度变厚的情况。
在本发明的压力传感器的制造方法中，优选为，所述密封层通过高密度等离子体CVD(化学气相沉积)而成膜。
由此，能够更可靠地对贯穿孔进行密封。
在本发明的压力传感器的制造方法中，优选为，所述密封层含有氧化硅。
由此，能够减小密封膜与SOI基板的热膨胀率之差。因此，能够将因热膨胀而产生的内部应力抑制得较小。
本发明的压力传感器模块的特征在于，具有：本发明的压力传感器；以及封装件，其对所述压力传感器进行收纳。
由此，能够获得可享有本发明的压力传感器的效果且可靠性较高的压力传感器模块。
本发明的电子设备的特征在于，具有本发明的压力传感器。
由此，能够获得可享有本发明的压力传感器的效果且可靠性较高的电子设备。
本发明的移动体的特征在于，具有本发明的压力传感器。
由此，能够获得可享有本发明的压力传感器的效果且可靠性较高的移动体。
附图说明
图1为表示本发明的第一实施方式所涉及的压力传感器的剖视图。
图2为表示图1所示的压力传感器所具有的隔膜的俯视图。
图3为表示图2所示的隔膜的改变例的俯视图。
图4为表示包括图2所示的传感器部在内的桥接电路的图。
图5为表示图1所示的压力传感器所具有的隔膜的释放孔部的放大剖视图。
图6为表示密封部的改变例的放大剖视图。
图7为表示密封部的改变例的放大剖视图。
图8为表示图1所示的压力传感器的制造工序的流程图。
图9为用于说明图1所示的压力传感器的制造方法的剖视图。
图10为用于说明图1所示的压力传感器的制造方法的剖视图。
图11为用于说明图1所示的压力传感器的制造方法的剖视图。
图12为用于说明图1所示的压力传感器的制造方法的俯视图。
图13为用于说明图1所示的压力传感器的制造方法的放大剖视图。
图14为用于说明图1所示的压力传感器的制造方法的放大剖视图。
图15为用于说明图1所示的压力传感器的制造方法的放大剖视图。
图16为用于说明图1所示的压力传感器的制造方法的放大剖视图。
图17为用于说明图1所示的压力传感器的制造方法的放大剖视图。
图18为用于说明图1所示的压力传感器的制造方法的放大剖视图。
图19为表示本发明的第二实施方式所涉及的压力传感器的俯视图。
图20为图19中的A-A线剖视图。
图21为表示图19所示的压力传感器的制造工序的流程图。
图22为用于说明图19所示的压力传感器的制造方法的放大剖视图。
图23为用于说明图19所示的压力传感器的制造方法的放大剖视图。
图24为用于说明图19所示的压力传感器的制造方法的放大剖视图。
图25为用于说明图19所示的压力传感器的制造方法的放大剖视图。
图26为表示本发明的第三实施方式所涉及的压力传感器模块的剖视图。
图27为表示作为本发明的第四实施方式所涉及的电子设备的高度计的立体图。
图28为表示作为本发明的第五实施方式所涉及的电子设备的导航系统的主视图。
图29为表示作为本发明的第六实施方式所涉及的移动体的汽车的立体图。
具体实施方式
以下，基于附图所示的实施方式来对本发明的压力传感器、压力传感器的制造方法、压力传感器模块、电子设备以及移动体进行详细说明。
第一实施方式
首先，对于本发明的第一实施方式所涉及的压力传感器进行说明。
图1为表示本发明的第一实施方式所涉及的压力传感器的剖视图。图2为表示图1所示的压力传感器所具有的隔膜的俯视图。图3为表示图2所示的隔膜的改变例的俯视图。图4为表示包括图2所示的传感器部在内的桥接电路的图。图5为表示图1所示的压力传感器具有的隔膜的释放孔部的放大剖视图。图6以及图7分别为表示密封部的改变例的放大剖视图。图8为表示图1所示的压力传感器的制造工序的流程图。图9至图11分别为用于说明图1所示的压力传感器的制造方法的剖视图。图12为用于说明图1所示的压力传感器的制造方法的俯视图。图13至图18分别为用于说明图1所示的压力传感器的制造方法的放大剖视图。
另外，在以下的说明中，也将图1、图5～图7、图9至图11、图13至图18中的上侧称为“上”，下侧称为“下”。此外，也将对SOI基板进行的俯视观察、即从图1中的上下方向对其进行观察的俯视观察简称为“俯视观察”。此外，在图2以及图9中，省略密封部6以及保护膜7的图示。
如图1所示，压力传感器1具有：基板2(半导体基板)；作为空洞部的压力基准室S，其位于基板2的上侧；框状的壁部3(绝缘层)，其对压力基准室S进行包围；基板4(半导体层)，其位于壁部3的上侧，并具有通过受压而挠曲变形的隔膜45；传感器部5，其被配置于隔膜45上；密封部，其对形成于隔膜45上的贯穿孔451进行密封；保护膜7，其被配置于基板4的上表面上；端子T，其与传感器部5电连接。此外，壁部3由对于基板2和基板4而蚀刻选择比较高的材料构成。
基板2、壁部3以及基板4由SOI(Silicon on Insulator)基板10而一体形成。更具体而言，SOI基板10为具有第一硅层10A、位于第一硅层10A的上侧的第二硅层10C、以及位于第一硅层10A与第二硅层10C之间的氧化硅层10B的基板，并且由第一硅层10A而形成了基板2，由氧化硅层10B而形成了壁部3，由第二硅层10C而形成了基板4。如此，通过利用SOI基板10，而使压力传感器1的结构变得简单，从而其制造也变得容易。但是，并不限定于此，基板2、壁部3以及基板4也可以不由SOI基板10而形成，例如，基板2、4也可以由硅以外的半导体材料、例如锗、砷化镓、砷化镓磷、氮化镓、碳化硅等构成的基板(半导体基板)而形成。
作为基板2的厚度虽然并未被特别限定，但是例如优选为200μm以上且800μm以下。由此，能够在防止压力传感器1的过度的厚壁化的同时充分地提高压力传感器1的刚性，从而能够获得可靠性较高的压力传感器1。
壁部3呈框状，并且在俯视观察时包围压力基准室S的周围。壁部3作为用于在基板2与基板4之间形成压力基准室S的隔离件而发挥功能。作为壁部3的厚度虽然并未被特别限定，但是例如优选为0.5μm以上且2μm以下。由此，能够在防止压力传感器1的过度的厚壁化的同时得到足够的厚度的压力基准室S。此外，通过将厚度设为所述下限值以上，从而能够有效地抑制隔膜45与基板2相接触，由此确保较大的压力检测范围。此外，通过将厚度设为所述上限值以下，从而在隔膜45过度地挠曲变形时，使隔膜45与基板2接触，由此能够限制隔膜45的进一步的变形，从而能够防止隔膜45的破损。
基板4以堵塞压力基准室S的上部开口的方式而被接合于壁部3的上表面上。而且，基板4的与压力基准室S重叠的部分(隔着压力基准室S而与基板2对置的部分)成为通过受压而挠曲变形的隔膜45。这样的隔膜45的上表面成为承受压力的受压面。作为基板4的厚度虽然并未被特别限定，但是例如优选为0.5μm以上且2μm以下。由此，成为在保持机械强度的同时易于充分地挠曲变形的隔膜45。
如图2所示，隔膜45的俯视观察时的形状成为各个角部被倒角了的大致正方形。如此，通过使各个角部倒角，从而能够减小隔膜45发生挠曲变形时的向各个角部的应力集中。因此，能够有效地抑制隔膜45的破损。但是，隔膜45的俯视观察时的形状并未被特别限定，例如既可以为各个角部未被倒角的形状，也可以为正方形以外的多边形(例如，三角形、五边形、六边形等)、圆形、椭圆形、异形等。
作为隔膜45的宽度Wx以及宽度Wy虽然并未被特别限定，但是例如分别优选为50μm以上且150μm以下，更优选为50μm以上且100μm以下。由此，能够实现压力传感器1的小型化。此外，宽度Wx以及宽度Wy也可以相互不同。
此外，在隔膜45上形成有于厚度方向上贯穿且与压力基准室S连通的多个贯穿孔451。如在下文记述的制造方法中所说明的那样，该多个贯穿孔451为，用于将氧化硅层10B的与隔膜45重叠的部分、即成为压力基准室S的部分蚀刻去除的释放孔。由此，能够以简单的制法而将隔膜45从基板2释放，并且在隔膜45的正下方形成压力基准室S。特别是，通过在隔膜45上形成贯穿孔451，从而能够更可靠地去除位于其正下方的氧化硅层10B，更加确切地说，能够将隔膜45从基板2释放，并且在隔膜45的正下方形成压力基准室S。
在本实施方式中，多个贯穿孔451在俯视观察时跨及隔膜45的整个区域而被配置为基本均匀地矩阵状(参照图2)。因此，能够更可靠且均匀地去除位于隔膜45的正下方的氧化硅层10B。另外，贯穿孔451在俯视观察时沿着隔膜45的外边缘45a而配置有多个。换而言之，多个贯穿孔451中的位于最外周的贯穿孔451a沿着隔膜45的外边缘45a、优选为沿着外边缘45a的整周而被配置。由此，能够沿着隔膜45的形状而去除氧化硅层10B，从而能够更可靠地形成目标形状的隔膜45。
作为各贯穿孔451的宽度W1，虽然并未被特别限定，但是例如优选为0.5μm以上且2μm以下，更优选为0.6μm以上且1.0μm以下。由此，成为对于供给蚀刻液而言足够的大小的贯穿孔451，从而能够经由贯穿孔451而更可靠地去除氧化硅层10B。此外，能够防止贯穿孔451过度变大，并且也能够抑制隔膜45的机械强度的降低。此外，宽度W1也可以针对每个贯穿孔451而有所不同。例如也可以采用如下结构，即，与位于隔膜45的中心部的贯穿孔451的宽度W1相比，位于外边缘45a附近的贯穿孔451的宽度W1较大那样的结构。
此外，作为相邻的贯穿孔451彼此的间隔间距d虽然并未被特别限定，但是例如优选为5μm以上且10μm以下左右。由此，能够以适当的密度来配置贯穿孔451。因此，能够在充分地确保隔膜45的机械强度的同时，更可靠地去除隔膜45的正下方的氧化硅层10B。
此外，虽然在本实施方式中，贯穿孔451的俯视观察时的截面形状为正方形，但是作为贯穿孔451的截面形状并不被限定于此，例如，也可以为正方形以外的矩形、三角形、五边形等多边形、圆形、椭圆形等任何形状。此外，作为贯穿孔451的配置并未被特别限定，例如，也可以采用如图3所示的配置。此外，虽然在本实施方式中，多个贯穿孔451均匀地被配置在隔膜45的整个区域上，但是并不限定于此，例如，也可以在贯穿孔451的配设密度上出现疏密。即，例如，也可以使贯穿孔461在隔膜45的外周部与中央部处的配设密度不同。此外，虽然在本实施方式中，沿着隔膜45的外边缘而配置有多个贯穿孔451，但是并不限定于此，多个贯穿孔451也可以不沿着隔膜45的外边缘而配置。
在隔膜45上设置有可以对作用于隔膜45的压力进行检测的传感器部5。如图2所示，传感器部5具有被设置于隔膜45上的四个压电电阻元件51、52、53、54。而且，压电电阻元件51、52、53、54经由配线55而相互电连接，从而构成了图4所示的桥接电路50(惠斯通桥接电路)。在桥接电路50上连接有供给(施加)驱动电压AVDC的驱动电路。而且，桥接电路50输出与基于隔膜45的挠曲的压电电阻元件51、52、53、54的电阻值变化相对应的检测信号(电压)。因此，能够基于该被输出的检测信号而对隔膜45所受到的压力进行检测。
如图2所示，压电电阻元件51、52、53、54被配置于隔膜45的外边缘部处。当隔膜45通过受压而挠曲变形时，在隔膜45之中特别是其外边缘部被施加较大的应力，因此，通过在外边缘部处配置压电电阻元件51、52、53、54，从而能够增大所述检测信号，由此提高压力检测的灵敏度。此外，压电电阻元件51、52、53、54的配置并未被特别限定，例如，压电电阻元件51、52、53、54既可以跨越隔膜45的外边缘而配置，也可以配置在隔膜45的中央部处。
压电电阻元件51、52、53、54例如通过向基板4中掺杂(扩散或者注入)磷、硼等杂质而被构成。此外，配线55例如通过向基板4中掺杂(扩散或者注入)与压电电阻元件51、52、53、54相比为更高浓度的磷、硼等杂质而被构成。
此外，作为传感器部5的结构，只要能够对隔膜45所受到的压力进行检测即可，并未被特别限定。例如，也可以采用如下结构，即，将未构成桥接电路50的至少一个压电电阻元件配置在隔膜45上的结构。
如图5所示，对隔膜45的贯穿孔451进行密封的密封部6具有第一部件61以及第二部件62。在本实施方式中，成为如下结构，即，未能通过第一部件61而将贯穿孔451密封，而通过第二部件62将形成于第一部件61上的间隙密封的结构。如此，通过除了设置第一部件61之外还设置第二部件62，能够更可靠地对贯穿孔451进行密封。例如，在贯穿孔451的宽度较大的情况下，易于成为如图5所示那样的结构。
作为第一部件61的构成材料虽然并未被特别限定，但是例如优选为包含氧化硅(SiO2)，特别是在本实施方式中，由氧化硅而构成。另一方面，作为第二部件62的构成材料虽然未被特别限定，但是例如优选为包含硅，在本实施方式中，由易于确保气密性的CVD多晶硅(CVD-Poly-Si)而构成。通过使用这样的材料，从而能够利用半导体工艺而容易地形成第一部件61以及第二部件62。
此处，第一部件61呈层状(膜状)，并且也被配置于基板4的上表面上。由此，能够降低压电电阻元件51、52、53、54的表面泄漏、界面态，由此抑制噪声的产生。
以上，对密封部6进行了说明，但是密封部6的结构只要为能够对贯穿孔451进行密封的结构即可，并未被特别限定，例如，对于贯穿孔451的全部或者一部分，既可以省略第二部件62，也可以添加其他的部件。此外，如图6所示，也可以在基板4的上表面上不设置第一部件61。即，第一部件61实质上也可以仅被配置在贯穿孔451内。由此，能够抑制隔膜45的实质厚度变厚的情况。
此外，如图7所示，也可以采用如下结构，即，通过第一部件61而密封贯穿孔451，并通过第二部件62而更可靠地密封贯穿孔451的结构。具体而言，虽然通过第一部件61而使贯穿孔451被堵塞，但是在贯穿孔451内，第一部件61的中央部的厚度与边缘部的厚度相比而变薄。因此，第一部件61的中央部容易崩坏，从而仅通过第一部件61可能无法维持压力基准室S的气密性。因此，在第一部件61上配置第二部件62，更具体而言，在被形成于第一部件61的上表面上的凹部611内填充第二部件62，而利用第二部件62来加固第一部件61的中央部，从而能够增加密封部6的机械强度，由此能够更可靠地维持压力基准室S的气密性。此外，也可以设为，如图5所示那样的通过第一部件61而未被密封的贯穿孔451和如图7所示那样的通过第一部件61而被密封的贯穿孔451同时存在。
压力基准室S为被基板2、壁部3以及基板4包围且密闭的空间。而且，压力基准室S内的压力成为压力传感器1所检测出的压力的基准值。特别是，压力基准室S优选为真空状态(例如，10Pa以下)。由此，压力传感器1能够作为以真空为基准而对压力进行检测的绝对压传感器而被使用，从而成为便利性较高的压力传感器1。但是，压力基准室S只要被保持在固定的压力即可，也可以不为真空状态，此外也可以成为减压状态(真空除外)、加压状态。
此外，如图1所示，压力基准室S呈其横截面积从基板2侧朝向基板4侧而逐渐增大的锥状。此外，压力基准室S的横截面积的变化率从基板2侧朝向基板4侧而逐渐减小。但是，作为压力基准室S的形状，并未被特别限定，例如，也可以是其横截面积从基板2侧朝向基板4侧而大致固定。
在第一部件61的上表面上设置有保护膜7。保护膜7具有保护传感器部5免受尘埃、水分、气体等的影响的功能。作为这样的保护膜7的构成材料虽然并未被特别限定，但是在本实施方式中使用氮化硅(SiN)。由此，能够更可靠地保护传感器部5免受尘埃、水分、气体等的影响。
另外，如图1所示，在保护膜7的上表面上设置有端子T。端子T贯穿保护膜7而与配线55电连接。由此，能够经由端子T而容易地实施与传感器部5的电连接。
以上，对压力传感器1进行了说明。如上文所述，该压力传感器1具有：基板2(半导体基板)；壁部3(绝缘层)，其被配置于基板2的一个面上，并设置有压力基准室S(空洞部)；基板4(半导体层)，其被配置于壁部3的与基板2相反的一侧，并具备以覆盖压力基准室S的方式而被配置的隔膜45。根据这样的结构，首先，可获得小型且高检测精度的压力传感器1。而且，如在下文记述的制造方法中所说明的那样，能够仅利用从SOI基板10的上表面侧的加工而制造压力传感器1。因此，与现有技术那样需要从两面侧对SOI基板进行加工的结构相比，能够削减制造工序、制造时间、以及制造成本。此外，由于无需进行如现有技术那样的从SOI基板的上表面侧的加工和从下表面侧的加工的位置对准，因此也不需要确保位置对准的余量，从而能够相应地实现装置的小型化。此外，由于能够充分地确保基板2的厚度，从而能够提高刚性，由此能够获得具有较高的可靠性的压力传感器1。
此外，如上文所述，在压力传感器1中，隔膜45具备与压力基准室S连通的贯穿孔451，并且压力传感器1具有对贯穿孔451进行密封的密封部6。由此，也如在下文记述的制造方法中所说明的那样，能够容易地形成压力基准室S。
此外，如上文所述，在压力传感器1中，在俯视观察基板2时，贯穿孔451沿着隔膜45的外边缘45a而配置有多个。由此，也如在下文记述的制造方法中所说明的那样，变得易于使隔膜45的形状与预定的形状相一致。此外，也变得易于去除位于隔膜45的下侧的氧化硅层10B。
此外，如上文所述，压力传感器1具有被配置于隔膜45上的压电电阻元件51、52、53、54。由此，能够以简单的结构而对隔膜45所受到的压力进行检测。
如此，也可以说，压力传感器1具备：基板2；作为空洞部的压力基准室S，其位于基板2的上表面(一个面)侧；框状的壁部3，其在俯视观察基板2时，以包围压力基准室S的方式而被设置；贯穿孔451，其相对于压力基准室S而位于与基板2相反的一侧，并与压力基准室S连通，并且具有：隔膜45，其通过受压而挠曲变形；密封部6，其对贯穿孔451进行密封；压电电阻元件51、52、53、54，其被配置于隔膜45上。
此外，如上文所述，在压力传感器1中，基板2含有硅(Si)，壁部3含有氧化硅(SiO2)，隔膜45含有硅(Si)。由此，能够由SOI基板而形成基板2、壁部3以及隔膜45。因此，压力传感器1的结构成为更简单的结构。此外，能够通过半导体工艺而容易地制造压力传感器1。
接下来，对压力传感器1的制造方法进行说明。如图8所示，压力传感器1的制造方法包括SOI基板准备工序、传感器部形成工序、贯穿孔形成工序、释放蚀刻工序、密封工序、以及保护膜形成工序。
SOI基板准备工序
首先，如图9所示，准备SOI基板10。SOI基板10为具有第一硅层10A、位于第一硅层10A的上侧的第二硅层10C、以及位于第一硅层10A与第二硅层10C之间的氧化硅层10B的基板。
传感器部形成工序
接下来，如图10所示，在SOI基板10的上表面(第二硅层10C的上表面)上形成氧化硅膜M1。作为氧化硅膜M1的成膜方法并未被特别限定，例如，能够使用对SOI基板10的上表面进行热氧化的方法。接着，通过向第二硅层10C的上表面中注入磷、硼等杂质，从而形成传感器部5(压电电阻元件51、52、53、54以及配线55)。
贯穿孔形成工序
接下来，如图11所示，利用光刻技法以及蚀刻技法而对氧化硅膜M1进行图案形成，并形成与多个贯穿孔451对应的开口M11。接下来，通过经由氧化硅膜M1而对第二硅层10C进行各向异性干蚀刻，从而形成多个贯穿孔451。当然，为了抑制隔膜45的黏连等，可以实施通过氟化氢蒸气(HF蒸汽)而实现的气相蚀刻。在此，多个贯穿孔451被形成于后来成为隔膜45的隔膜形成区域450中。此外，如图12所示，多个贯穿孔451大致均匀地被配置在隔膜形成区域450的整个区域内。此外，多个贯穿孔451中的位于最外周的贯穿孔451a沿着隔膜形成区域450的外边缘450a而被配置。
释放蚀刻工序
接下来，将SOI基板10放置在氢氟酸缓冲液等蚀刻液中。由此，如图13所示，经由多个贯穿孔451而将位于氧化硅层10B的隔膜形成区域450的下方的部分蚀刻去除。由此，在隔膜形成区域450的下方形成有压力基准室S，并且在其周围形成有框状的壁部3。此外，隔膜形成区域450通过压力基准室S的而从氧化硅层10B被释放，从而与压力基准室S重叠的部分成为隔膜45。
在此，如上文所述，多个贯穿孔451大致均匀地被配置在隔膜形成区域450的整个区域中。因此，能够更可靠且在更短的时间内将位于隔膜形成区域450的下方的氧化硅层10B去除。此外，如上文所述，多个贯穿孔451中的若干个(451a)沿着隔膜形成区域450的外边缘450a而被配置。由此，由于按照隔膜形成区域450的形状而将氧化硅层10B去除，因此能够更可靠地获得所需的形状(或者，接近所需的形状)的隔膜45。
密封工序
接下来，如图14所示，在第二硅层10C的上表面上形成第一密封膜610，并通过第一密封膜610而对各贯穿孔451进行密封。此外，在本实施方式中，未能通过第一密封膜610而使贯穿孔451完全地被密封，而在第一密封膜610上形成有与压力基准室S连通的间隙。作为第一密封膜610的构成材料虽然并未被特别限定，但是在本实施方式中，优选为使用氧化硅(SiO2)。如此，通过作为第一密封膜610的材料而使用硅(Si)类的材料，从而能够减小第一密封膜610与SOI基板10的热膨胀率之差。因此，能够将施加于隔膜45等上的热应力抑制得较小。即，能够抑制压力传感器1的温度灵敏度，从而能够实现高精度的压力检测。
此外，作为第一密封膜610的成膜方法，并未被特别限定，例如，能够使用溅射法、CVD(化学气相沉积)法等各种成膜方法(气相沉积法)。其中，特别是，作为第一密封膜610的成膜方法而优选为使用非共形的成膜方法。由此，与利用了共形的成膜方法的情况相比较，在贯穿孔451内，第一密封膜610易于朝向贯穿孔451的中心生长。因此，能够更可靠地通过第一密封膜610来对贯穿孔451进行密封。此外，作为非共形的成膜方法虽然并未被特别限定，但是例如优选为使用高密度等离子体CVD(HDP-CVD)法。由此，通过适当地设定各种条件，从而能够简单地实现非共形的成膜方法。
接下来，如图15所示，对第一密封膜610进行薄壁化(蚀刻)。由此，获得第一部件61。另外，通过将第一密封膜610薄壁化，从而能够对隔膜45的实质厚度变厚的情况进行抑制。此外，通过使第一密封膜610较薄地残留在第二硅层10C的上表面上，从而能够降低压电电阻元件51、52、53、54的表面泄漏、界面态，由此抑制噪声的产生。此外，作为第一密封膜610的薄壁化的方法并未被特别限定，例如，能够使用等离子蚀刻。
接下来，如图16所示，在第一部件61的上表面上形成第二密封膜620。如上文所述，也存在无法将第一部件61的中央部设得足够厚的情况，或者无法仅通过第一部件61而对贯穿孔451进行密封的情况。特别是，在本实施方式中，未能通过第一部件61而对贯穿孔451进行密封。因此，通过在第一部件61上进一步形成第二密封膜620，从而能够通过第一部件61和第二密封膜620而更可靠地对贯穿孔451进行密封。
接下来，如图17所示，对第二密封膜620进行薄壁化(蚀刻)，并使第一部件61的上表面露出，从而实质上将与贯穿孔451重叠的部分(被填充于凹部611内的部分且用于对贯穿孔451进行密封的部位)以外的部分去除。由此，获得第二部件62，从而形成有由第一部件61和第二部件62构成的密封部6。此外，通过将第二密封膜620薄壁化，从而能够对隔膜45的实质厚度变厚的情况进行抑制。
保护膜形成工序
接下来，如图18所示，在密封部6上形成保护膜7。另外，作为保护膜7的构成材料虽然并未被特别限定，但是在本实施方式中，优选为使用氮化硅(SiN)。由此，通过保护膜7，从而能够有效地保护压力传感器1免受尘埃、水分等的影响。此外，作为保护膜7的成膜方法并未被特别限定，例如，能够使用溅射法、CVD法等各种成膜方法(气相沉积法)。
接着，贯穿保护膜7以及密封部6而形成与配线55电连接的端子T。通过以上内容，从而获得压力传感器1。
以上，对压力传感器1的制造方法进行了说明。如上文所述，这样的压力传感器1的制造方法包括：准备SOI基板10的工序，其中，所述SIO基板具有第一硅层10A、第二硅层10C、以及位于第一硅层10A与第二硅层10C之间的氧化硅层10B；在第二硅层10C上配置压电电阻元件51、52、53、54的工序；在厚度方向上贯穿第二硅层10C从而形成面对氧化硅层10B的贯穿孔451的工序；通过经由贯穿孔451而去除氧化硅层10B的一部分从而形成作为空洞部的压力基准室和隔膜45的工序，其中，所述压力基准室S位于第一硅层10A与第二硅层10C之间，所述隔膜45隔着压力基准室S而与第一硅层10A对置，且并包含压电电阻元件51、52、53、54，并通过受压而挠曲变形；对贯穿孔451进行密封的工序。根据这样的制造方法，能够仅利用从SOI基板10的上表面侧的加工而制造压力传感器1。因此，与现有技术那样需要从两面侧对SOI基板进行加工的结构相比，能够削减制造工序、制造时间、以及制造成本。此外，由于无需进行现有技术那样的从SOI基板的上表面侧的加工和从下表面侧的加工的位置对准，因此也不需要确保位置对准的余量，从而能够相应地实现压力传感器1的小型化。此外，由于能够充分地确保基板2的厚度，从而能够提高刚性，由此能够获得具有较高的可靠性的压力传感器1。
此外，如上文所述，在压力传感器1的制造方法中，密封工序包括在隔膜45的上表面(与第一硅层10A相反的一侧的面)上形成作为密封层的第一密封膜610的工序、和将第一密封膜610薄壁化的工序。由此，能够对贯穿孔451进行密封，并且能够抑制隔膜45的实质厚度变厚的情况。
此外，如上文所述，在压力传感器1的制造方法中，第一密封膜610通过高密度等离子体CVD而成膜。因此，能够更可靠地通过第一密封膜610而对贯穿孔451进行密封。
此外，如上文所述，在压力传感器1的制造方法中，第一密封膜610含有氧化硅(SiO2)。由此，能够减小第一密封膜610与SOI基板的热膨胀率之差。因此，能够将因热膨胀而产生的内部应力抑制得较小，从而能够有效地抑制在密封部6产生裂纹或者在密封部6与贯穿孔451的边界处形成有间隙的情况，由此能够更有效地维持压力基准室S的气密性。另外，能够对施加于隔膜45上的内部应力的根据环境温度而产生的变化进行抑制，从而也能够减小输出的漂移。
第二实施方式
接下来，对本发明的第二实施方式所涉及的压力传感器进行说明。
图19为表示本发明的第二实施方式所涉及的压力传感器的俯视图。图20为图19中的A-A线剖视图。图21为表示图19所示的压力传感器的制造工序的流程图。图22至图25分别为用于说明图19所示的压力传感器的制造方法的放大剖视图。此外，在图19中，省略密封部6以及保护膜7的图示。
本实施方式所涉及的压力传感器1除了具有被配置于壁部3的内壁的边缘部9以外，与所述第一实施方式的压力传感器1基本相同。
以下，对于第二实施方式的压力传感器1以与上述第一实施方式的不同点为中心来进行说明，而对于相同的事项则省略其说明。此外，对与上述实施方式相同的结构标注相同的符号。
如图19以及图20所示，本实施方式的压力传感器1具有被配置于壁部3的内周面的边缘部9。边缘部9以在俯视观察基板2时避开传感器部5而包围压力基准室S的至少一部分的方式被配置。特别是，在本实施方式中，边缘部9至少被配置在壁部3的内周面的各个角部处。这种边缘部9在释放蚀刻工序中，作为去除氧化硅层10B而形成压力基准室S时的蚀刻终止层而发挥功能。因此，例如，与不具有蚀刻终止层的上述第一实施方式相比，易于将压力基准室S以及隔膜45形成为所需的形状。此外，作为边缘部9的配置虽然并未被特别限定，但是优选为以避开传感器部5其尽可能地跨及较大的范围的方式而配置。由此，能够更有效地发挥了上述的效果。
在此，在本实施方式中，边缘部9以贯穿第二硅层10C的方式而被配置。因此，在释放蚀刻工序中，蚀刻液不易渗出至与边缘部9相比靠外侧的位置。因此，能够更可靠地将压力基准室S以及隔膜45形成为所需的形状。而且，由于以此方式而使边缘部9贯穿第二硅层10C而配置，因此边缘部9以避开传感器部5的方式而被配置。由此，不会妨碍传感器部5的配置。
作为边缘部9的结构材料虽然并未被特别限定，但是，在本实施方式中使用CVD多晶硅(CVD-Poly-Si)。如此，通过作为边缘部9的材料而使用硅(Si)类的材料，从而能够减小边缘部9与SOI基板10的热膨胀率之差。因此，能够将施加于隔膜45等的热应力抑制得较小。即，能够抑制压力传感器1的温度灵敏度，从而能够实现高精度的压力检测。
如此，本实施方式的压力传感器1被配置于壁部3的内周面上，并具有在俯视观察基板2时包围压力基准室S的至少一部分的边缘部9。由此，例如，与不具有边缘部9的上述第一实施方式相比，变得易于将压力基准室S以及隔膜45形成为所需的形状。
接下来，对本实施方式的压力传感器1的制造方法进行说明。如图21所示，本实施方式的压力传感器1的制造方法包括SOI基板准备工序、传感器部形成工序、边缘部形成工序、贯穿孔形成工序、释放蚀刻工序、密封工序、以及保护膜形成工序。
SOI基板准备工序、传感器部形成工序
SOI基板准备工序以及传感器部形成工序与在上述第一实施方式中所说明的制造方法相同。因此，省略这些工序的说明。
边缘部形成工序
首先，如图22所示，沿着隔膜形成区域450的外边缘而形成贯穿氧化硅膜M1、第二硅层10C以及氧化硅层10B的贯穿孔H。接着，如图23所示，从氧化硅膜M1侧形成边缘部形成层90，并利用边缘部形成层90而填埋贯穿孔H。接着，如图24所示，通过蚀刻而将边缘部形成层90的层压于氧化硅膜M1的上表面上的部分去除。由此，只有边缘部形成层90的被填充于贯穿孔H内的部分实质地残留，并通过该部分而形成边缘部9。
此外，作为边缘部形成层90的成膜方法并未被特别限定，例如能够使用溅射法、CVD法等各种成膜方法(气相沉积法)。此外，作为边缘部形成层90的构成材料，虽然并未被特别限定，但是在本实施方式中使用多晶硅(Poly-Si)。如此，通过作为边缘部形成层90的材料而使用硅(Si)类的材料，从而能够减小边缘部9与SOI基板10的热膨胀率之差。因此，能够将施加在隔膜45等的热应力抑制得较小。即，能够抑制压力传感器1的温度灵敏度，从而能够实现高精度的压力检测。
贯穿孔形成工序
贯穿孔形成工序与在上述第一实施方式中所说明的制造方法相同。因此，省略该工序的说明。
释放蚀刻工序
接下来，将SOI基板10放置在氢氟酸缓冲液等蚀刻液中。由此，如图25所示，经由多个贯穿孔451而将氧化硅层10B的位于隔膜形成区域450的下方的部分去除。由此，在隔膜形成区域450的下方形成有压力基准室S，且在其周围形成有框状的壁部3。此外，通过压力基准室S而使隔膜形成区域450从氧化硅层10B中被释放，从而与压力基准室S重叠的部分成为隔膜45。
在此，在本工序中，边缘部9作为蚀刻终止层而发挥功能。因此，能够更可靠地只去除氧化硅层10B所需的部分。因此，易于将压力基准室S以及隔膜45形成为所需的形状。
密封工序、保护膜形成工序
密封工序以及保护膜形成工序与在上述第一实施方式中说明的制造方法相同。因此，省略这些工序的说明。
根据以上所述的第二实施方式，也能够发挥与上述第一实施方式相同的效果。
第三实施方式
接下来，对于本发明的第三实施方式所涉及的压力传感器模块进行说明。
图26为表示本发明的第三实施方式所涉及的压力传感器模块的剖视图。
以下，对于第三实施方式的压力传感器模块，以与上述实施方式的不同点为中心来进行说明，而对于相同的事项则省略其说明。
图26所示的压力传感器模块100具有：封装件190，其由配线基板110以及被配置于配线基板110的上表面上的框状的壁部120构成；压力传感器1以及电路元件130，其收纳于封装件190中；填充件140，其以覆盖压力传感器1以及电路元件130的方式而被填充于封装件190内；柔性配线基板150，其与配线基板110电连接；密封件160，其对配线基板110与柔性配线基板150的连接部进行覆盖。此外，作为压力传感器1，例如能够使用上述的各实施方式的压力传感器。
作为配线基板110，例如能够使用在以聚酰胺树脂等各种树脂材料为主要材料的基板111上配置有配线112的公知的刚性配线基板。而且，在配线基板110中，配线112以跨越壁部120的内外的方式而被配置在基板111的上表面上。在这样的配线基板110上配置有框状的壁部120，并且由它们所形成的有底的凹部191成为对压力传感器1以及电路元件130进行收纳的收纳空间S1。此外，作为壁部120的构成材料并未被特别限定，例如能够使用各种树脂材料。
压力传感器1以及电路元件130并排地配置在这样的配线基板110的上表面上。由此，能够实现压力传感器模块100的低背化。
电路元件130具有用于向桥接电路50供给电压的驱动电路、用于对来自桥接电路50的输出进行温度补偿的温度补偿电路、根据来自温度补偿电路的输出而求出所受到的压力的压力检测电路、将来自压力检测电路的输出转换为预定的输出形式(CMOS、LV-PECL、LVDS等)而进行输出的输出电路等。这样的电路元件130经由接合引线BW1与压力传感器1电连接，经由接合引线BW2与配线112电连接。
填充件140以覆盖电路元件130以及压力传感器1的方式而被填充于收纳空间S1内。通过这种填充件140，从而能够对电路元件130以及压力传感器1进行保护(防尘以及防水)。此外，填充件140呈液状或者胶状。由此，能够有效地保护电路元件130以及压力传感器1免受水分的影响，并且能够经由填充件140而有效地向压力传感器传递压力。作为这种填充件140并未被特别限定，例如，能够使用硅油、氟油、硅胶等。
柔性配线基板150在收纳空间S1的外侧与配线112电连接。通过具有这样的柔性配线基板150，从而能够容易地实施与外部装置的电连接。此外，柔性配线基板150与配线112的连接部被密封件160覆盖。由此，能够对该连接部进行保护。此外，作为密封件160的构成材料虽然并未被特别限定，但是优选为低弹性的材料，例如能够利用环氧树脂类、聚酰亚胺树脂类、酚醛树脂类、以及有机硅树脂类等各种树脂材料。
以上，对压力传感器模块100进行了说明。这样的压力传感器模块100具有压力传感器1和对压力传感器1进行收纳的封装件190。因此，能够通过封装件190而对压力传感器1进行保护。另外，能够享有所述压力传感器1的效果，并能够发挥低成本且较高的可靠性。此外，作为压力传感器模块100的结构并不限定于上述的结构，例如，也可以省略填充件140。
第四实施方式
接下来，对本发明的第四实施方式所涉及的电子设备进行说明。
图27为表示作为本发明的第四实施方式所涉及的电子设备的高度计的立体图。
如图27所示，作为电子设备的高度计200能够像腕表那样佩戴在手腕上。此外，在高度计200的内部搭载有压力传感器1，并且能够在显示部201上显示当前位置的海拔高度或当前位置的气压等。另外，在该显示部20上能够显示当前时刻、使用者的心率、天气等各种各样的信息。此外，作为压力传感器1，例如能够使用上述各实施方式的压力传感器。
作为这样的电子设备的一个示例的高度计200具有压力传感器1。因此，高度计200能够享有所述压力传感器1的效果，并能够发挥低成本且较高的可靠性。
第五实施方式
接下来，对本发明的第五实施方式所涉及的电子设备进行说明。
图28为表示作为本发明的第五实施方式所涉及的电子设备的导航系统的主视图。
如图28所示，作为电子设备的导航系统300具备未图示的地图信息、来自GPS(全球定位系统：Global Positioning System)的位置信息取得单元、由陀螺传感器以及加速度传感器和车速数据所实现的自主导航单元、压力传感器1、以及显示预定的位置信息或者行进道路信息的显示部301。此外，作为压力传感器1，例如能够使用上述各实施方式的压力传感器。
根据该导航系统300，除了所取得的位置信息以外，还能够取得高度信息。例如，当行驶于在位置信息上表示与一般道路基本相同位置的高架道路上时，在不具有高度信息的情况下，在导航系统中将无法判断出是行驶在一般道路上还是行驶在高架道路上，并且将一般道路的信息作为优先信息而提供给使用者。因此，通过在导航系统300中搭载压力传感器1，并利用压力传感器1来取得高度信息，从而能够对由从一般道路进入高架道路所产生的高度变化进行检测，进而能够将高架道路的行驶状态下的导航信息提供给使用者。
作为该电子设备的一个示例的导航系统300具有压力传感器1。因此，导航系统300能够享有所述压力传感器1的效果，并能够发挥低成本且较高的可靠性。
此外，本发明的电子设备并不限定于前文所述的高度计以及导航系统，例如能够应用于个人计算机、数码照相机、移动电话、智能手机、平板电脑终端、钟表(包含智能手表)、无人机、医疗设备(例如，电子体温计、血压计、血糖仪、心电图检测装置、超声波诊断装置、以及电子内窥镜)、各种测量设备、计量仪器类(例如，车辆、航空器、船舶的计量仪器类)、以及飞行模拟器等。
第六实施方式
接下来，对本发明的第六实施方式所涉及的移动体进行说明。
图29为表示作为本发明的第六实施方式所涉及的移动体的汽车的立体图。
如图29所示，作为移动体的汽车400具有车身401和四个车轮402(轮胎)，并且被构成为，通过被设置在车身401上的未图示的动力源(发动机)而使车轮402旋转。此外，汽车400具有被搭载于车身401上的电子控制单元(ECU：electronic control unit)403，并且在该电子控制单元403中内置有压力传感器1。电子控制单元403通过由压力传感器1对车身401的加速度、倾斜等进行检测，从而能够掌握移动状态、姿态等，进而准确地实施车轮402等的控制。由此，汽车400能够实施安全且稳定的移动。此外，作为压力传感器1，例如能够使用上述各实施方式的压力传感器。另外，压力传感器1也可以被搭载于汽车400所具备的导航系统等中。
作为这样的移动体的示例的汽车400具有压力传感器1。因此，汽车400能够享有所述压力传感器1的效果，并能够发挥较高的可靠性。
以上，虽然基于图示的各个实施方式而对本发明的压力传感器、压力传感器的制造方法、压力传感器模块、电子设备以及移动体进行了说明，但是本发明并不限定于此，各部的结构能够置换为具有相同的功能的任意的结构。此外，也可以附加有其他的任意的结构物或工序。另外，也可以对各实施方式进行适当组合。
此外，例如，通过将第一实施方式的压力传感器1配置为矩阵状，从而能够作为触觉传感器来使用。在该情况下，通过针对每个压力传感器而对由按压而受到的压力进行检测，从而能够对接触到的位置以及接触的强度进行确定，并且通过对它们进行汇总计算，从而能够生成按压分布。
符号说明
1…压力传感器；10…SOI基板；10A…第一硅层；10B…氧化硅层；10C…第二硅层；2…基板；3…壁部；4…基板；45…隔膜；45a…外边缘；450…隔膜形成区域；450a…外边缘；451…贯穿孔；451a…贯穿孔；5…传感器部；50…桥接电路；51、52、53、54…压电电阻元件；55…配线；6…密封部；61…第一部件；610…第一密封膜；611…凹部；62…第二部件；620…第二密封膜；7…保护膜；9…边缘部；90…边缘部形成层；100…压力传感器模块；110…配线基板；111…基板；112…配线；120…壁部；130…电路元件；140…填充件；150…柔性配线基板；160…密封件；190…封装件；200…高度计；201…显示部；300…导航系统；301…显示部；400…汽车；401…车身；402…车轮；403…电子控制单元；BW…接合引线；H…贯穿孔；M1…氧化硅膜；M11…开口；S…压力基准室；S1…内部空间；T…端子；d…间隔间距；W、W1…宽度。

Claims (13)

1.一种压力传感器，其特征在于，具有：
半导体基板；
绝缘层，其被配置于所述半导体基板的一个面上，并且设置有空洞部；以及
半导体层，其被配置于所述绝缘层的与所述半导体基板相反的一侧，并具有以覆盖所述空洞部的方式而被配置的隔膜。
2.如权利要求1所述的压力传感器，其中，
所述隔膜具备与所述空洞部相连通的贯穿孔，
所述压力传感器具有对所述贯穿孔进行密封的密封部。
3.如权利要求2所述的压力传感器，其中，
在俯视观察所述半导体基板时，所述贯穿孔沿着所述隔膜的外缘而配置有多个。
4.如权利要求1至3中任一项所述的压力传感器，其中，
具有压电电阻元件，所述压力电阻元件被配置于所述隔膜上。
5.如权利要求1至4中任一项所述的压力传感器，其中，
具有边缘部，所述边缘部被配置于所述绝缘层的面对所述空洞部的内周面上，并且在俯视观察所述半导体基板时包围所述空洞部的至少一部分。
6.如权利要求1至3中任一项所述的压力传感器，其中，
所述半导体基板含有硅，
所述绝缘层含有氧化硅，
所述半导体层含有硅。
7.一种压力传感器的制造方法，其特征在于，包含：
准备SOI基板的工序，其中，所述SOI基板具有第一硅层、第二硅层以及位于所述第一硅层与所述第二硅层之间的氧化硅层；
在所述第二硅层上配置压电电阻元件的工序；
在厚度方向上贯穿所述第二硅层从而形成面对所述氧化硅层的贯穿孔的工序；
通过经由所述贯穿孔而去除所述氧化硅层的一部分从而形成空洞部和隔膜的工序，其中，所述空洞部位于所述第一硅层与所述第二硅层之间，所述隔膜隔着所述空洞部而与所述第一硅层对置，且包含压电电阻元件，并通过受压而挠曲变形；以及
对所述贯穿孔进行密封的工序。
8.如权利要求7所述的压力传感器的制造方法，其中，
所述进行密封的工序包括：
在所述隔膜的与所述第一硅层相反的一侧的面上形成密封层的工序；以及
将所述密封层薄壁化的工序。
9.如权利要求8所述的压力传感器的制造方法，其中，
所述密封层通过高密度等离子体化学气相沉积而成膜。
10.如权利要求9所述的压力传感器的制造方法，其中，
所述密封层含有氧化硅。
11.一种压力传感器模块，其特征在于，具有：
权利要求1至6中任一项所述的压力传感器；以及
封装件，其对所述压力传感器进行收纳。
12.一种电子设备，其特征在于，具有：
权利要求1至6中任一项所述的压力传感器。
13.一种移动体，其特征在于，具有：
权利要求1至6中任一项所述的压力传感器。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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RU197682U1 (ru) * 2019-12-27 2020-05-21 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ, НИ ТГУ) Полупроводниковый датчик давления
CN112393838A (zh) * 2021-01-19 2021-02-23 南京高华科技股份有限公司 具有晶圆级自密封真空腔结构的压力传感器及其制备方法
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