DE102016203174B4 - Halbleiter-Drucksensor - Google Patents

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Abstract

Halbleiter-Drucksensor, umfassend:ein erstes Siliziumsubstrat (1) mit einem Diaphragma (8) ;einen ersten Wasserstoffpermeationsschutzfilm (11), bereitgestellt an der Seite einer Hauptoberfläche (1a) des ersten Siliziumsubstrats (1);ein zweites Siliziumsubstrat (2), wobei eine Hauptoberfläche (2a) davon mit einem Vertiefungsabschnitt (40) mit einer anderen Hauptoberfläche (1b) des ersten Siliziumsubstrats (1) über einen eingebetteten Oxidfilm (9) verbunden ist;eine Referenzdruckkammer (4), deren Raum, umgeben durch den Vertiefungsabschnitt (40) und die andere Hauptoberfläche (1b) des ersten Siliziumsubstrats (1), in einem Vakuumzustand gebracht ist; undeinen dritten Wasserstoffpermeationsschutzfilm (13), bereitgestellt zwischen der einen Hauptoberfläche (2a) des zweiten Siliziumsubstrats (2) und dem eingebetteten Oxidfilm (9), wobeiein Graben (16), der von der einen Hauptoberfläche (1a) zu der anderen Hauptoberfläche (1b) des ersten Siliziumsubstrats (1) hindurchgeht, bereitgestellt ist, um die Referenzdruckkammer (4) zu umgeben, undder erste Wasserstoffpermeationsschutzfilm (11) bereitgestellt ist, die Innenseite des Grabens (16) abzudecken, und mit dem dritten Wasserstoffpermeationsschutzfilm (13) an dem unteren Abschnitt des Grabens (16) verbunden ist.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Erfindungsgebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Halbleiter-Drucksensor, und insbesondere einen Halbleiter-Drucksensor zum Messen des Drucks eines Wasserstoffgases, das an eine Kraftstoffzelle in einem Kraftstoffzellensystem geliefert wird.
  • BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
  • Ein Kraftstoffzellenstapel bzw. Kraftstoffzellenstack, der eine Hochspannung erzeugt, wird für ein Kraftstoffzellensystem eines Kraftstoffzellenfahrzeugs verwendet, das in den vergangenen Jahren kommerziell verfügbar wurde. Der Kraftstoffzellenstapel ist derart ausgebildet, dass eine Membranelektrodeneinheit (engl. membrane electrode assembly bzw. MEA), die eine Anodenseitenelektrode, einen Elektrolytfilm und eine Kathodenseitenelektrode, sowie ein Separationsmittel enthält, in einer Kraftstoffzelle gepaart sind, und ein Kraftstoffzellenschichtstoff, in der eine große Anzahl von Kraftstoffzellen aufgeschichtet sind, wird durch Isolationsplatten, Sammlungsplatten, Endplatten und dergleichen eingeschlossen.
  • In dem Kraftstoffzellenstapel wird z.B. ein Wasserstoffgas als ein Kraftstoffgas zu der Anodenseite geliefert, während z.B. Luft als ein Oxidationsgas zu der Kathodenseite geliefert wird, wodurch eine Zellenreaktion verursacht wird, und eine elektromotorische Kraft erzeugt wird, wodurch Wasser in der Kathodenseitenelektrode erzeugt wird. Um Elektrizität effizient zu erzeugen ist es erforderlich, dass die Menge an Wasserstoffgas und Oxidationsgas, die an den Kraftstoffzellenstapel geliefert werden, mit einer hohen Genauigkeit gemessen werden, und nach einer Steuerung ohne Überschuss oder Mangel an den Kraftstoffzellenstapel geliefert werden.
  • Zum gegenwärtigen Zeitpunkt existieren jedoch viele zu verbessernde Probleme in einem Drucksensor zum Messen des Drucks eines Wasserstoffgases, das an den Kraftstoffzellenstapel geliefert wird. Ein zu messendes Wasserstoffgas, das eine sehr geringe molekulare Größe aufweist, wie z.B. einen kovalenten Radius von circa 37pm und einen van der Waals Radius von circa 120pm, weist die Eigenschaft auf, dass das Wasserstoffgas durch eine beispielhafte Rekombination, die in der Form von Gasmolekülen oder nach einer Ionisierung und einem Eindringen verbleibt, leicht unterschiedliche Materialien durchdringt, und dies macht es schwierig, den Druck zu messen. Das Wasserstoffgas weist darüber hinaus auch die Eigenschaft einer Versprödung vieler metallischer Materialien auf.
  • Weder die Spezifikationen noch die Preise von verschiedenen Arten von Teilen, die das Kraftstoffzellensystem konfigurieren, sind geeignet genug, wobei eine preisliche Reduzierung eine dringende Aufgabe in der weit verbreiteten Verwendung der Kraftstoffzellenfahrzeuge ist. Aufgrund dieser Tatsache ist es wünschenswert, einen preisgünstigen Halbleiter-Drucksensor zu verwenden, der massenproduziert werden kann. Es wird jedoch angenommen, dass ein bisher bekannter Halbleiter-Drucksensor in dem Kraftstoffzellensystem nicht verwendet wird, und keine adäquaten Maßnahmen unternommen wurden, um das Problem der Wasserstoffdurchdringung zu lösen.
  • Für einen bisher bekannten Halbleiter-Drucksensor wird angenommen, dass ein zu messendes Medium im Wesentlichen Luft ist, und zwar derart, dass ein Diaphragma aus einem einzelnen Kristallsiliziumsubstrat ausgebildet wird, und dass ein Glassubstrat als eine Basis verwendet wird, die eine Referenzdruckkammer versiegelt, und Eigenschaften wie z.B. Kostengünstigkeit, hohe Genauigkeit und hohe Zuverlässigkeit aufweist. Wenn der bisher bekannte Halbleiter-Drucksensor jedoch verwendet wird, um den Druck eines Wasserstoffgases in dem Kraftstoffzellensystem zu messen, durchdringt das Wasserstoffgas das Einzelkristallsilizium und Glas leicht, sodass keine hochgenaue Messung ausgeführt werden kann. Diese Art des Phänomens wird noch deutlicher, wenn die Temperatur und der Druck des Wasserstoffgases ansteigen.
  • Ein Halbleiter-Drucksensor (Verweis auf 19), offenbart in PTL 1, wobei eine Referenzdruckkammer 4 durch eine Verbindung eines ersten Halbleitersubstrats 1, das ein Diaphragma 8 aufweist, und ein zweites Halbleitersubstrat 2 in einem Vakuum konfiguriert ist, enthält eine Fallenkammer 18 an der Verbindungsschnittstelle des ersten Halbleitersubstrats 1 und des zweiten Halbleitersubstrats 2. Die Fallenkammer 18 ist für den Zweck eines Einfangens eines Gases, wie z.B. Wasserstoff, Sauerstoff oder Wasser bereitgestellt, das erzeugt wird, wenn das erste Halbleitersubstrat 1 und das zweite Halbleitersubstrat 2 verbunden werden.
  • PTL 1: JP 4 161 432 B2
  • Wie obenstehend beschrieben wachsen die Wasserstoffpermeationskoeffizienten vieler Materialien, die Einzelkristallsilizium enthalten, exponentiell bei einer hohen Temperatur und Druck wie in dem Kraftstoffzellensystem an, verglichen mit einer Zimmertemperatur und einem Atmosphärendruck. Da die Referenzdruckkammer ferner unter Vakuum gesetzt wird, um einen absoluten Druck zu messen, ist es für ein Wasserstoffgas leicht, aufgrund eines Druckunterschiedes von außen in die Referenzdruckkammer einzudringen. Wenn Wasserstoff in die Referenzdruckkammer eindringt, steigt der Druck an, und die Ausgabe des Sensors fluktuiert. Aufgrund dieser Tatsache ist es mit dem bisher bekannten Halbleiter-Drucksensor schwierig, den Druck eines Wasserstoffgases mit einer hohen Genauigkeit zu messen.
  • Da der Halbleiter-Drucksensor in den vergangenen Jahren sorgfältig durchkonstruiert und integriert wurde, wird das Volumen der Referenzdruckkammer ferner weiter verringert. Obwohl aufgrund dieser Tatsache eine sehr geringe Menge an Wasserstoffgas in die Referenzdruckkammer eindringt, wird ein Anstieg im Druck der Referenzdruckkammer signifikant höher, was zu einem noch ernsteren Effekt der Wasserstoffdurchdringung führt.
  • In einem Prozess der Herstellung eines Halbleiter-Drucksensors wird darüber hinaus der Schritt einer Wärmebehandlung in einer Wasserstoffatmosphäre mehrmals durchgeführt. Zum Beispiel wird eine Sinterbehandlung unter einer reduzierenden Atmosphäre durchgeführt, die ein Wasserstoffgas enthält, um die elektrischen Eigenschaften eines Metallelektrodenfilms (z.B. aus Al, Al-Si oder Al-Si-Cu) zur Herausführung eines elektrischen Signals nach außen zu stabilisieren, da jedoch die Behandlungstemperatur davon eine hohe Temperatur von ca. 450°C ist, ist der Wasserstoffdurchdringungskoeffizient von Silizium signifikant höher als bei Zimmertemperatur.
  • Darüber hinaus wird ein Schutzfilm an einer Metallverdrahtung ausgebildet, um ein Halbleiterelement gegen eine äußere schädliche Umgebung, wie z.B. Feuchtigkeit oder Staub zu schützen, es ist jedoch oft der Fall, dass dieser Schritt ebenso in einer Wasserstoffatmosphäre durchgeführt wird. Da ein Wasserstoffgas und Wasserstoffionen in jedem Behandlungsschritt erzeugt werden, der unter der Wasserstoffatmosphäre durchgeführt wird, gibt es auf diese Art und Weise ein Herstellungsproblem, was darin besteht, dass dann, wenn eine Referenzdruckkammer zu diesem Zeitpunkt ausgebildet wird, Wasserstoff in die Referenzdruckkammer eindringt, wodurch es schwierig wird, den absoluten Druck zu messen.
  • Der in PTL 1 offenbarte Halbleiter-Drucksensor enthält die Fallenkammer 18 an der Verbindungsschnittstelle des ersten Halbleitersubstrats 1 und des zweiten Halbleitersubstrats 2, wodurch verhindert wird, dass ein Wasserstoffgas, das in der Wärmebehandlung erzeugt wird, entlang der Schnittstelle der zwei Substrate in die Referenzdruckkammer 4 eindringt. Wenn jedoch der Halbleiter-Drucksensor verwendet wird, um den Druck eines Wasserstoffgases in dem Kraftstoffzellensystem zu messen, kann nicht davon ausgegangen werden, dass die Maßnahmen zur Verhinderung des Eindringens von Wasserstoff in die Referenzdruckkammer 4 ausreichend sind.
  • Der Grund besteht darin, dass der in PTL 1 offenbarte Halbleiter-Drucksensor vollständig gegenüber dem Wasserstoffdurchdringen von der vorderen Oberfläche des Diaphragmas 8 ungeschützt ist. Da die Fläche an der vorderen Oberflächenseite des Diaphragmas 8, der Wasserstoff ausgesetzt ist, am größten ist, und der Permeationsabstand von der vorderen Oberflächenseite des Diaphragmas 8 zu der Referenzdruckkammer 4 am kürzesten ist, ist es vorstellbar, dass die vordere Seitenoberfläche des Diaphragmas 8 ein größter Wasserstoffpermeationspfad ist. Es ist ebenfalls vorstellbar, dass es ein Wasserstoffdurchdringen in die Referenzdruckkammer 4 von der hinteren Oberflächenseite des zweiten Halbleitersubstrats 2 oder von der Seitenoberfläche gibt, die freigesetzt wird, wenn ein Siliziumwafer in individuelle Stücke geteilt wird, jedoch keine Maßnahmen zur Verhinderung eines Wasserstoffdurchdringens gegen diese Pfade unternommen werden. Es ist folglich vorstellbar, dass Wasserstoff, der von den Pfaden hindurchdringt, in die Referenzdruckkammer 4 eindringt.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung dient zur Lösung der oben stehend erläuterten Arten von Problemen, und hat zur Aufgabe, einen preisgünstigen Halbleiter-Drucksensor zu erhalten, bei dem es möglich ist, ein Eindringen eines Wasserstoffgases in eine Referenzdruckkammer des Halbleiter-Drucksensors mit einem Diaphragma zu verhindern, und somit das Messen des Drucks des Wasserstoffgases mit einer hohen Genauigkeit zu ermöglichen.
  • Ein Halbleiter-Drucksensor gemäß einem Aspekt der Erfindung enthält ein erstes Siliziumsubstrat mit einem Diaphragma; einen ersten Wasserstoffpermeationsschutzfilm, bereitgestellt an der Seite einer Hauptoberfläche des ersten Siliziumsubstrats; ein zweites Siliziumsubstrat, wobei eine Hauptoberfläche davon mit einem Vertiefungsabschnitt mit einer anderen Hauptoberfläche des ersten Siliziumsubstrats über einen eingebetteten Oxidfilm verbunden ist; und eine Referenzdruckkammer, deren Raum, umgeben durch den Vertiefungsabschnitt und die andere Hauptoberfläche des ersten Siliziumsubstrats, in einem Vakuumzustand gebracht ist.
  • Ein Halbleiter-Drucksensor gemäß einem Aspekt der Erfindung enthält darüber hinaus ein erstes Siliziumsubstrat mit einem Diaphragma; einen ersten Wasserstoffpermeationsschutzfilm, bereitgestellt an der Seite einer Hauptoberfläche des ersten Siliziumsubstrats; ein zweites Siliziumsubstrat, das einen Lochabschnitt aufweist, der von einer Hauptoberfläche zu einer anderen Hauptoberfläche hindurchgeht, und wobei die eine Hauptoberfläche davon mit einer anderen Hauptoberfläche des ersten Siliziumsubstrats über einen eingebetteten Oxidfilm verbunden ist; ein drittes Siliziumsubstrat, wobei eine Hauptoberfläche davon mit der anderen Hauptoberfläche des zweiten Siliziumsubstrats verbunden ist; und eine Referenzdruckkammer deren Raum, umgeben durch den Lochabschnitt, die andere Hauptoberfläche des ersten Siliziumsubstrats, und die eine Hauptoberfläche des dritten Siliziumsubstrats, in einen Vakuumzustand gebracht ist.
  • Da ein Wasserstoffpermeationspfad gemäß der Erfindung von der vorderen Oberflächenseite des Diaphragmas zu der Referenzdruckkammer blockiert ist, indem der erste Wasserstoffpermeationsschutzfilm an der Seite der einen Hauptoberfläche des ersten Siliziumsubstrats bereitgestellt, dass das Diaphragma aufweist, ist es möglich, einen preisgünstigen Halbleiter-Drucksensor mit einer hohen Messgenauigkeit zu erhalten, wobei es möglich ist, das Eindringen von Wasserstoff in die Referenzdruckkammer effektiv zu verhindern.
  • Die oben stehenden anderen Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der vorliegenden Erfindung im Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen noch ersichtlicher.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
    • 1 ist eine Querschnittsansicht zur Darstellung eines Halbleiter-Drucksensorelements gemäß erster Ausführungsform der Erfindung.
    • 2 ist eine Querschnittsansicht zur Darstellung eines Halbleiter-Drucksensorelements gemäß zweiter Ausführungsform der Erfindung.
    • 3 ist eine Querschnittsansicht zur Darstellung eines Halbleiter-Drucksensorelements gemäß dritter Ausführungsform der Erfindung.
    • 4 ist eine Querschnittsansicht zur Darstellung des Halbleiter-Drucksensorelements gemäß dritter Ausführungsform der Erfindung.
    • 5 ist eine Querschnittsansicht zur Darstellung eines Halbleiter-Drucksensorelements gemäß vierter Ausführungsform der Erfindung.
    • 6 ist eine Draufsicht zur Darstellung des Halbleiter-Drucksensorelements gemäß vierter Ausführungsform der Erfindung.
    • 7 ist eine Querschnittsansicht zur Darstellung des Halbleiter-Drucksensorelements gemäß vierter Ausführungsform der Erfindung.
    • 8 ist eine Querschnittsansicht zur Darstellung eines Halbleiter-Drucksensorelements gemäß fünfter Ausführungsform der Erfindung.
    • 9 ist eine Querschnittsansicht zur Darstellung des Halbleiter-Drucksensorelements gemäß fünfter Ausführungsform der Erfindung.
    • 10 ist eine Querschnittsansicht zur Darstellung eines Halbleiter-Drucksensorelements gemäß sechster Ausführungsform der Erfindung.
    • 11 ist eine Querschnittsansicht zur Darstellung eines Halbleiter-Drucksensorelements gemäß siebenter Ausführungsform der Erfindung.
    • 12 ist eine Querschnittsansicht zur Darstellung des Halbleiter-Drucksensorelements gemäß siebenter Ausführungsform der Erfindung.
    • 13 ist eine Querschnittsansicht zur Darstellung eines Halbleiter-Drucksensorelements gemäß achter Ausführungsform der Erfindung.
    • 14 ist eine Querschnittsansicht zur Darstellung eines Halbleiter-Drucksensorelements gemäß neunter Ausführungsform der Erfindung.
    • 15 ist eine Querschnittsansicht zur Darstellung des Halbleiter-Drucksensorelements gemäß neunter Ausführungsform der Erfindung.
    • 16 ist eine Querschnittsansicht zur Darstellung eines Halbleiter-Drucksensorelements gemäß zehnter Ausführungsform der Erfindung.
    • 17 ist eine Querschnittsansicht zur Darstellung des Halbleiter-Drucksensorelements gemäß zehnter Ausführungsform der Erfindung.
    • 18 ist eine Querschnittsansicht zur Darstellung eines Halbleiter-Drucksensorelements gemäß elfter Ausführungsform der Erfindung.
    • 19 ist eine Querschnittsansicht zur Darstellung eines bisher bekannten Halbleiter-Drucksensors.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Erste Ausführungsform
  • Im Folgenden wird auf Grundlage der Zeichnungen ein Halbleiter-Drucksensor gemäß erster Ausführungsform der Erfindung erläutert. In den Zeichnungen werden die gleichen Bezugszeichen identischen oder äquivalenten Abschnitten gegeben. 1 zeigt ein Halbleiter-Drucksensorelement gemäß erster Ausführungsform. Ein Halbleiter-Drucksensorelement 100, das den Druck eines Wasserstoffgases misst, das an eine Kraftstoffzelle in einem Kraftstoffzellensystem geliefert wird, enthält ein erstes Siliziumsubstrat 1 mit einer Hauptoberfläche 1a und einer anderen Hauptoberfläche 1b, die gegenüber voneinander sind, sowie ein zweites Siliziumsubstrat 2 mit einer Hauptoberfläche 2a und einer anderen Hauptoberfläche 2b, die gegenüber voneinander sind, wie in 1 gezeigt.
  • Das Halbleiter-Drucksensorelement 100 weist ein Diaphragma 8, wobei es sich um einen Druckempfangsabschnitt handelt, in dem ersten Siliziumsubstrat 1 auf. Das Halbleiter-Drucksensorelement 100 weist, um das Diaphragma 8, Piezowiderstände 5a und 5b auf (kollektiv als Piezowiderstände 5 bezeichnet), die ein an dem Diaphragma 8 anliegenden Druck in ein elektrisches Signal wandeln. 1 zeigt zwei Piezowiderstände 5a und 5b, es gibt jedoch tatsächlich vier Piezowiderstände 5 (Verweis auf 6). Darüber hinaus sind eine Diffusionsverdrahtungsschickt 6 und ein Metallelektrodenfilm 7 bereitgestellt, und darüber hinaus wird ein erster Wasserstoffpermeationsschutzfilm 11 bereitgestellt, an der Seite der Hauptoberfläche 1a des ersten Siliziumsubstrats 1.
  • Das zweite Siliziumsubstrat 2 weist einen Vertiefungsabschnitt 40 in der Hauptoberfläche 2a auf, und die Hauptoberfläche 2a ist mit der Hauptoberfläche 1b des ersten Siliziumsubstrats 1 über einen eingebetteten Oxidfilm 9 verbunden. Eine Referenzdruckkammer 4, dessen Raum umgeben ist durch den Vertiefungsabschnitt 40 des zweiten Siliziumsubstrats 2 und der Hauptoberfläche 1b des ersten Siliziumsubstrats 1, wird in einen Vakuumzustand gebracht, und dient als eine Referenz auf Grundlage derer der absolute Druck gemessen wird. Wenn ein Druck an dem Diaphragma 8 wirkt, durch ein Wasserstoffgas, wobei es sich um ein zu messendes Gas handelt, wird das Diaphragma 8 gebogen, und der Widerstandswert der Piezowiderstände 5 ändert sich. Die Piezowiderstände 5 wandeln die Widerstandswertänderung in ein elektrisches Signal und geben das elektrische Signal aus, und das ausgegebene elektrische Signal wird von dem Metallelektrodenfilm 7 über die Diffusionsverdrahtungsschicht 6 nach außen gebracht.
  • Im Folgenden wird kurz ein Verfahren zur Herstellung des Halbleiter-Sensorelements 100 erläutert. Der Vertiefungsabschnitt 40 wird zuerst in der Hauptoberfläche 2a des zweiten Siliziumsubstrats 2 durch Ätzen ausgebildet. Es ist zu diesem Zeitpunkt möglich, die Form des Diaphragmas 8 mit einer hohen Genauigkeit auszubilden, indem ein induktiv gekoppeltes Plasma-reaktives Ionenätzen (engl. inductive coupled plasma-reactive ion etching bzw. ICP-RIE) unter Verwendung des Bosch-Prozesses verwendet wird. Ein Ätzverfahren ist jedoch nicht darauf beschränkt, und der Vertiefungsabschnitt 40 kann durch ein Nass-Anisotropie-Ätzen unter Verwendung einer Ätzflüssigkeit, wie z.B. Kaliumhydroxid (KOH) oder Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH), ausgebildet werden.
  • Die Referenzdruckkammer 4 weist bevorzugt ein großes Volumen auf, aus der Sicht, dass eine Änderung des internen Drucks aufgrund eines Eindringens von Wasserstoff niedrig gehalten wird, und für diesen Zweck ist es erforderlich, den Vertiefungsabschnitt 40 tief zu ätzen, wodurch jedoch die Verarbeitungslast ansteigt. Da das Eindringen von Wasserstoff in die Referenzdruckkammer 4 in der Erfindung durch den in 1 gezeigten Wasserstoffpermeationsschutzfilm 11 und einen zweiten Wasserstoffpermeationsschutzfilm 12 (Verweis auf 2) und einen dritten Wasserstoffpermeations-schutzfilm 13 (Verweis auf 5), die später beschrieben werden, verhindert wird, muss die Tiefe des Vertiefungsabschnitts 40 nur ca. 10 µm bis 100 µm sein.
  • Der eingebettete Oxidfilm 9 wird anschließend durch eine thermische Oxidierung an der Hauptoberfläche 2a des zweiten Siliziumsubstrats 2, in dem der Vertiefungsabschnitt 40 ausgebildet ist, ausgebildet. Der eingebettete Oxidfilm 9 ist erforderlich, um die Verbindung mit dem ersten Siliziumsubstrat 1 zu unterstützen, und die Dicke des eingebetteten Oxidfilms 9 ist geeignet ca. 0,1 µm bis 0,5 µm. Der eingebettete Oxidfilm 9 kann an der Hauptoberfläche 1b des ersten Siliziumsubstrats 1 ausgebildet werden.
  • Die Hauptoberfläche 1b des ersten Siliziumsubstrats 1 und die Hauptoberfläche 2a des zweiten Siliziumsubstrats 2 werden anschließend in einem Vakuum verbunden, wodurch die Referenzdruckkammer 4 ausgebildet wird. Es wird bevorzugt, die Verbindung in einer sauren Atmosphäre bei einer hohen Temperatur von ca. 1100°C durchzuführen, indem jedoch die Temperatur auf ca. 1200°C erhöht wird, ist es möglich, die Verbindungsstärke zu verbessern.
  • Nachdem das erste Siliziumsubstrat 1 und das zweite Siliziumsubstrat 2 verbunden sind, wird die Dicke des Diaphragmas 8 angepasst, ansprechend auf den Druck des zu messenden Gases. Das erste Siliziumsubstrat 1 wird insbesondere geschliffen und poliert, wodurch das Diaphragma 8 auf eine vorbestimmte Dicke ausgebildet wird. Ein SOI-Wafer mit der Referenzdruckkammer 4 kann durch die obigen Schritte erhalten werden.
  • Nachdem die Piezowiderstände 5 und die Diffusionsverdrahtungsschicht um das Diaphragma 8 durch eine Ionenimplantation und die abschließende Wärmebehandlung oder dergleichen ausgebildet sind, wird anschließend Al, Al-Si, Al-Si-Cu, oder dergleichen in einem Film ausgebildet, durch ein Verfahren, wie z.B. Zerstäuben (engl. sputtering), wodurch der Metallelektrodenfilm 7 ausgebildet wird. Der erste Wasserstoffpermeationsschutzfilm 11 wird ferner an der Seite der Hauptoberfläche 1a des ersten Siliziumsubstrats 1 ausgebildet, wodurch das in 1 gezeigte Halbleiter-Drucksensorelement 100 erhalten wird.
  • Als der erste Wasserstoffpermeationsschutzfilm 11 ist ein Siliziumnitridfilm (SiNX in einem Halbleiter-Waferprozess geeignet, der durch ein Filmherstellungsverfahren ausgebildet werden kann, wie z.B. ein vielseitig einsetzbares chemisches Dampfabscheidungsverfahren (engl. chemical wapor deposition bzw. CVD). Der Siliziumnitridfilm, der eine große Restzugspannung (engl. residual tensile stress) aufweist, ist bevorzugt dünn, um den Effekt an der Charakteristik und Zuverlässigkeit des Sensor unterdrücken. Eine bestimmte Größe der Dicke ist unterdessen erforderlich, um das Eindringen von Wasserstoff in die Referenzdruckkammer 4 zu verhindern. Aus diesem Grund ist die Dicke des Siliziumnitridfilms auf 0,01 µm oder mehr eingestellt, und wird bevorzugt in einem Bereich von 0,04 um bis 0,2 µm ausgewählt.
  • Ein Index x, der das Zusammensetzungsverhältnis von Siliziumatomen und Stickstoffatomen des Siliziumnitridfilms (SiNX anzeigt, kann theoretisch Werte von 0 bis 4/3 annehmen. Wenn x von diesen Werten gleich 4/3 ist, wobei es sich um den Maximalwert handelt, weist der Siliziumnitridfilm ein stöchiometrisches Zusammensetzungsverhältnis auf, und wird als Si3N4 bezeichnet. Wenn bei diesem Zusammensetzungsverhältnis alle Bindungen eine Si-N-Verbindung sind, wobei es sich um eine atomare Anordnung handelt, in der Si3N4 am dichtesten mit Siliziumatomen und Stickstoffatomen gefüllt ist, existiert kein Hohlraum, den Wasserstoffatome durchdringen, und eine Wasserstoffpermeationsschutzleistung ist am höchsten.
  • Wenn der Wert x im Gegensatz dazu kleiner als 4/3 wird, nehmen die Verbindungen von Siliziumatomen (Si-Si) zu. Wenn sich Siliziumatome der gleichen Größe verbinden, ist die atomare Anordnung keine Struktur, die am dichtesten mit Siliziumatomen und Stickstoffatomen gefüllt sind, und es werden Hohlräume erzeugt, die größer als die Größe von Wasserstoffatomen sind. Je geringer der Wert x ist, umso größer werden die Hohlräume, und die Hohlräume kommunizieren miteinander, wodurch ein Leckpfad ausgebildet wird, den Wasserstoffatome durchdringen.
  • Wenn insbesondere der Wert x 1/2 oder geringer ist, ist das Netzwerk der Leckpfade dreidimensional konfiguriert, was zu einem vollständigen Verlust der Wasserstoffpermeationsschutzleistung führt. Aufgrund der obigen Statistik, und zwar in dem der Wert x, der das Zusammensetzungsverhältnis von Siliziumatomen und Stickstoffatomen des Siliziumnitridfilms darstellt, wobei 1 ≤ x ≤ 4/3 erfüllt wird, und durch Sicherstellen einer festen Filmdicke der oben beschriebenen Art, ist es möglich, eine effektive Wasserstoffpermeationsschutzleistung zu erhalten.
  • Der erste Wasserstoffpermeationsschutzfilm 11 ist nicht auf den Siliziumnitridfilm beschränkt, und es ist ebenso möglich, einen Aluminiumoxidfilm (AlOx zu verwenden, wobei es sich um ein Material handelt, dass eine große Affinität mit dem Halbleiter-Waferprozess aufweist. Die Dicke des ersten Wasserstoffpermeationsschutzfilms 11 ist geeignet in einem Bereich von 0,04 µm bis 0,2 µm, was gleich zu der des Siliziumnitridfilms ist. Von den Aluminiumoxidfilmen ist Al2O3 insbesondere in der Größenordnung von vier Stellen kleiner in einem Wasserstoffpermeationskoeffizienten als zumindest SUS316, obwohl dies von der Temperatur abhängt. Der Aluminiumoxidfilm kann durch Zerstäuben, CVD, oder dergleichen ausgebildet werden.
  • Da der Aluminiumoxidfilm eine gute Stufenabdeckung aufweist, ist es möglich, eine hohe Wasserstoffpermeationsschutzleistung zu erhalten, ohne einen Hohlraum zu erzeugen, selbst für den Fall einer Struktur mit Stufen. Aluminiumoxid ist jedoch derart, dass Poren, Mikrorisse oder dergleichen wahrscheinlich erzeugt werden, und dass die Handhabung der Kristallinität wichtig ist, um eine effektive Wasserstoffpermeationsschutzleistung zu erhalten.
  • Für den ersten Wasserstoffpermeationsschutzfilm 11 ist es ebenso möglich, einen Erbiumoxidfilm (Er2O3) zu verwenden, der immer noch einen geringeren Wasserstoffpermeationskoeffizienten aufweist. Erbium gehört zu den seltenen Erden, kann jedoch durch Vakuumlichtbogenablagerung, metallorganischen Abbau (engl. metal organic composition bzw. MOD), metallorganische Gasphasenabscheidung (engl. metal organic chemical vapor deposition bzw. MOCVD) oder dergleichen ausgebildet werden. Indem der Erbiumoxidfilm verwendet wird, ist es möglich, eine Wasserstoffpermeationsschutzleistung zu erhalten, die immer noch höher ist, als wenn der Aluminiumoxidfilm verwendet wird.
  • In dem Halbleiter-Drucksensorelement 100 ist die Fläche an der vorderen Oberflächenseite des Diaphragmas 8, die Wasserstoff ausgesetzt ist, am größten, und der Permeationsabstand von der hinteren Oberflächenseite des Diaphragmas 8 zu der Referenzdruckkammer 4 ist am kürzesten, wodurch die vordere Oberflächenseite des Diaphragmas 8 zu dem Permeationspfad des großen Wasserstoffflusses wird, der in 1 durch den Pfeil A gezeigt ist. In der ersten Ausführungsform ist der Wasserstoffpermeationspfad von der vorderen Oberflächenseite des Diaphragmas 8 zu der Referenzdruckkammer 4 blockiert, indem der erste Wasserstoffpermeationsschutzfilm 11 an der Seite der Hauptoberfläche 1a des ersten Siliziumsubstrats 1 bereitgestellt wird.
  • Der erste Wasserstoffpermeationsschutzfilm 11 kann ebenso durch einen bisher bekannten Halbleiter-Waferprozess ausgebildet werden. Aus diesem Grund ist es gemäß der ersten Ausführungsform durch die Bereitstellung des ersten Wasserstoffpermeationsschutzfilms 11 möglich, das Eindringen von Wasserstoff in die Referenzdruckkammer 4 von der Seite der Hauptoberfläche 1a des ersten Siliziumsubstrats 1 effektiv zu verhindern, und es ist möglich, ein Halbleiter-Drucksensorelement 100 zu erhalten, das preiswert ist und eine hohe Messgenauigkeit aufweist.
  • Zweite Ausführungsform
  • 2 zeigt ein Halbleiter-Drucksensorelement gemäß zweiter Ausführungsform der Erfindung. Ein Halbleiter-Drucksensorelement 100A gemäß der zweiten Ausführungsform enthält, zusätzlich zu den gleichen Komponenten wie jenen des Halbleiter-Drucksensorelements 100 (1) gemäß der ersten Ausführungsform, den zweiten Wasserstoffpermeationsschutzfilm 12, der an der Seite der Hauptoberfläche 2b des zweiten Siliziumsubstrats 2 bereitgestellt ist. Da die anderen Komponenten gleich zu jenen der ersten Ausführungsform sind, wird eine diesbezügliche Beschreibung nicht wiederholt.
  • Da die Fläche an der Seite der Hauptoberfläche 2b des zweiten Siliziumsubstrats 2, das Wasserstoff ausgesetzt ist, ebenso groß ist, in der gleichen Art und Weise wie an der vorderen Oberflächenseite des Diaphragmas 8, wird die Seite der Hauptoberfläche 2b des zweiten Siliziumsubstrats 2 zu dem Permeationspfad des großen Wasserstoffflusses, der in 2 durch den Pfeil B gezeigt ist. Da jedoch der Abstand von der Hauptoberfläche 2b des zweiten Siliziumsubstrats 2 zu der Referenzdruckkammer 4 zumindest ca. 500 µm ist, und die Dicke des ersten Siliziumsubstrats 1 ca. 10 µm bis 20 µm ist, dauert es 25 bis 50 mal länger als von der vorderen Oberflächenseite des Diaphragmas 8, das Wasserstoff, das von der Seite der Hauptoberfläche 2b des zweiten Siliziumsubstrats 2 eingedrungen ist, die Referenzdruckkammer 4 erreicht. Obwohl es eine Zeitverzögerung gibt, mit der Wasserstoff die Referenzdruckkammer 4 erreicht, verbleibt die Tatsache, dass der Wasserstoff immer noch eindringt.
  • Das Halbleiter-Drucksensorelement 100A ist auf einem Basismaterial, über ein Chip-Verbindungsmittel (weder das Material noch das Mittel sind gezeigt), an der Hauptoberfläche 2b des zweiten Siliziumsubstrats 2 befestigt. Aufgrund dieser Tatsache ist die Hauptoberfläche 2b mit dem Chip-Verbindungsmaterial abgedeckt, das Chip-Verbindungsmaterial weist jedoch keine Wasserstoffpermeationsschutzleistung auf. In der zweiten Ausführungsform wird daher der Wasserstoffpermeationsschutzfilm 12 an der Seite der Hauptoberfläche 2b des zweiten Siliziumsubstrats 2 bereitgestellt, wodurch der Wasserstoffpermeationspfad von der Seite der Hauptoberfläche 2b des zweiten Siliziumsubstrats 2 zu der Referenzdruckkammer 4 blockiert wird.
  • Für den zweiten Wasserstoffpermeationsschutzfilm 12 wird Siliziumnitrid (SiNx), wobei 1 ≤ x ≤ 4/3 in der gleichen Art und Weise wie in dem ersten WasserstoffpermeationsSchutzfilm 11 erfüllt ist, Aluminiumoxid (AlOx oder Erbiumoxid (Er2O3) verwendet. Indem der erste Wasserstoffpermeationsschutzfilm 11 und der zweite Wasserstoffpermeationsschutzfilm 12 in dem gleichen Film ausgebildet werden, ist es möglich, den Wasserstoffpermeations-schutzfilm mit geringen Kosten effektiv herzustellen.
  • Gemäß dem Halbleiter-Drucksensorelement 100A der zweiten Ausführungsform ist es, zusätzlich zu den gleichen vorteilhaften Effekten der ersten Ausführungsform, durch die Bereitstellung des zweiten Wasserstoffpermeationsschutzfilms 12 möglich, das Eindringen von Wasserstoff in die Referenzdruckkammer 4 an der Seite der Hauptoberfläche 2b des zweiten Siliziumsubstrats 2 zu verhindern, was zu einer Verbesserung der Messgenauigkeit führt. Da der erste Wasserstoffpermeationsschutzfilm 11 und der zweite Wasserstoffpermeationsschutzfilm 12 darüber hinaus deren verbleibende Spannungen gegenseitig aufheben, wird ein Durchbiegen (engl. warpage) des Halbleiter-Drucksensorelements 100A unterdrückt, und es ist möglich, eine Verringerung der Messgenauigkeit aufgrund der Durchbiegung zu unterdrücken.
  • Dritte Ausführungsform
  • Die 3 und 4 zeigen Halbleiter-Drucksensorelemente gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung. Halbleiter-Drucksensorelemente 100B und 100C gemäß der dritten Ausführungsform enthalten jeweils, unmittelbar unter dem Wasserstoffpermeationsschutzfilm, einen Spannungsrelaxationsfilm zum Entspannen der verbleibenden Zugspannung des Wasserstoffpermeationsschutzfilms. Da die anderen Komponenten gleich zu jenen der ersten Ausführungsform oder zweiten Ausführungsform sind, wird eine diesbezügliche Beschreibung nicht wiederholt.
  • Wenn ein Siliziumnitridfilm (SiNX als der erste Wasserstoffpermeationsschutzfilm 11 oder zweiter Wasserstoffpermeationsschutzfilm 12 verwendet wird, wächst die verbleibende Zugspannung des Siliziumnitridfilms mit einer Erhöhung des Wertes x an, um eine hohe Wasserstoffpermeationsschutzleistung zu erhalten. In Abhängigkeit von einem zu messenden Druckbereich oder der Ausgestaltung des Diaphragmas 8, wächst die Spannung des Diaphragmas 8 aufgrund der verbleibenden Zugspannung an, und die Druckdetektionsempfindlichkeit wird verringert. Es gibt darüber hinaus die Möglichkeit, dass Risse erzeugt werden, oder im schlimmsten Fall eine Beschädigung an dem Diaphragma 8 auftritt, aufgrund einer Spannungskonzentration an dem Diaphragma 8.
  • Wie in den 3 und 4 gezeigt, enthalten die Halbleiter-Drucksensorelemente 100B und 100C jeweils einen ersten Spannungsrelaxationsfilm 14, der eine Druckspannung aufweist, zwischen der Hauptoberfläche 1a des ersten Siliziumsubstrats 1 und dem ersten Wasserstoffpermeationsschutzfilm 11, um die verbleibende Zugspannung des ersten Wasserstoffpermeationsschutzfilms 11 zu entspannen. Das Halbleiter-Drucksensorelement 100C enthält darüber hinaus einen zweiten Spannungsrelaxationsfilm 15, der die verbleibende Zugspannung des zweiten Wasserstoffpermeationsschutzfilms 12 entspannt, und zwar zwischen der Hauptoberfläche 2b des zweiten Siliziumsubstrats 2 und dem zweiten Wasserstoffpermeationsschutzfilm 12.
  • Für den ersten Spannungsrelaxationsfilm 14 und den zweiten Spannungsrelaxationsfilm 15 ist ein Siliziumoxidfilm geeignet. Eine thermische Oxidierung oder CVD wird zur Ausbildung des Siliziumoxidfilms verwendet. Die Dicke des Siliziumoxidfilms, der den ersten Spannungsrelaxationsfilm 14 und den zweiten Spannungsrelaxationsfilm 15 konfiguriert, wird gemäß der Zusammensetzung, der verbleibenden Spannung und der Dicke des Siliziumnitridfilms, der den ersten Wasserstoffpermeationsschutzfilm 11 und den zweiten Wasserstoffpermeationsschutzfilm 12 ausbildet, angepasst, ist jedoch typischer Weise 0,05 µm bis 0,3 µm.
  • Gemäß den Halbleiter-Drucksensorelementen 100B und 100C der dritten Ausführungsform kann zusätzlich zu den gleichen vorteilhaften Effekten in der ersten Ausführungsform und zweiten Ausführungsform durch die Bereitstellung des ersten Spannungsrelaxationsfilms 14 und des zweiten Spannungsrelaxationsfilms 15 die Spannung angepasst werden, die an dem Diaphragma 8 anliegt, was zu einer weiteren Verbesserung der Messgenauigkeit führt, und es ist darüber hinaus möglich, die Erzeugung von Rissen oder die Beschädigung aufgrund einer Spannungskonzentration an dem Diaphragma 8 zu verhindern.
  • Vierte Ausführungsform
  • Die 5 und 6 zeigen ein Halbleiter-Drucksensorelement gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung, und 5 ist eine Querschnittsansicht des Abschnitts, der durch A-A in 6 gezeigt wird. Ein Halbleiter-Drucksensorelement 100D gemäß der vierten Ausführungsform enthält einen dritten Wasserstoffpermeationsschutzfilm 13 zwischen der Hauptoberfläche 2a des zweiten Siliziumsubstrats 2 und dem eingebetteten Oxidfilm 9. Darüber hinaus wird ein Graben 16 bereitgestellt, der von der Hauptoberfläche 1a zu der Hauptoberfläche 1b des ersten Siliziumsubstrats 1 geht, um die Referenzdruckkammer 4 zu umgeben.
  • Der erste Wasserstoffpermeationsschutzfilm 11 ist bereitgestellt, um das innere des Grabens 16 abzudecken, und ist mit dem dritten Wasserstoffpermeationsschutzfilm 13 an dem unteren Abschnitt des Grabens 16 verbunden. Da die anderen Komponenten gleich sind zu jenen der dritten Ausführungsform, wird eine diesbezügliche Beschreibung nicht wiederholt.
  • In der zweiten Ausführungsform sind die Permeationspfade der großen Wasserstoffflüsse A und B von der oberen und unteren Oberfläche des Elements bis zu der Referenzdruckkammer 4 durch den ersten Wasserstoffpermeationsschutzfilm 11 und den zweiten Wasserstoffpermeationsschutzfilm 12 blockiert (Verweis auf 2). In der vierten Ausführungsform sind darüber hinaus die Permeationspfade der Wasserstoffflüsse (durch die Pfeile C und D in 5 gezeigt) zu der Referenzdruckkammer 4 von einer Seitenoberfläche des Elements blockiert, die freigelegt wird, wenn die Halbleiter-Drucksensorelemente 100D in individuelle Elemente unterteilt werden.
  • Als Maßnahmen, die für diesen Zweck getroffen werden, wird der dritte Wasserstoffpermeationsschutzfilm 13 zwischen der Hauptoberfläche 2a des zweiten Siliziumsubstrats 2 und dem eingebetteten Oxidfilm 9 bereitgestellt, während der Graben 16 in dem ersten Siliziumsubstrat 1 bereitgestellt wird, um die Referenzdruckkammer 4 zu umgeben, und der erste Wasserstoffpermeationsschutzfilm 11 und der dritte Wasserstoffpermeationsschutzfilm 13 sind an dem unteren Abschnitt des Grabens 16 verbunden. Auf diese Art und Weise wird der Wasserstoffpermeationspfad von der Elementenseitenoberfläche zu der Referenzdruckkammer 4 blockiert. Der Permeationspfad des großen Wasserstoffflusses (in 5 durch den Pfeil B gezeigt) von der Seite der Hauptoberfläche 2b des zweiten Siliziumsubstrats 2 kann ebenso durch den dritten Wasserstoffpermeationsschutzfilm 13 blockiert werden.
  • Als dritter Wasserstoffpermeationsschutzfilm 13 wird Siliziumnitrid (SiNX verwendet, das, 1 ≤ x ≤ 4/3 erfüllend, durch CVD oder dergleichen in der gleichen Art und Weise wie in dem ersten Wasserstoffpermeationsschutzfilm 11 ausgebildet wird. Der eingebettete Oxidfilm 9 zum Ausführen der Verbindung mit dem ersten Siliziumsubstrat 1 ist darüber hinaus auf dem dritten Wasserstoffpermeationsschutzfilm 13 durch CVD oder dergleichen in der gleichen Art und Weise ausgebildet. Für den dritten Wasserstoffpermeationsschutzfilm 13 kann ferner Aluminiumoxid (AlOx oder Erbiumoxid (Er2O3) verwendet werden. Durch die Ausbildung des ersten Wasserstoffpermeationsschutzfilms 11 und des dritten Wasserstoffpermeationsschutzfilms 13 in dem gleichen Film, ist es in jedem Fall möglich, den Wasserstoffpermeationsschutzfilm mit geringen Kosten effizient herzustellen.
  • Wie in einem Halbleiter-Drucksensorelement 100E, das in 7 gezeigt ist, kann ferner durch die Bereitstellung einer Verbindungsschicht 17, die durch gegenseitige Diffusion ausgebildet wird, an der Schnittstelle des ersten Wasserstoffpermeationsschutzfilms 11 und des dritten Wasserstoffpermeationsschutzfilms 13, der durch den Pfeil E in 7 gezeigte Wasserstofffluss daran gehindert werden, von der Verbindungsschnittstelle einzudringen.
  • Wenn bewirkt wird, dass der Graben 16 durch das erste Siliziumsubstrat 1, ersten Spannungsrelaxationsfilm 14 und den eingebetteten Oxidfilm 9 durch Ätzen hindurchtritt, wird eine geringe Rauigkeit an einer Oberfläche des dritten Wasserstoffpermeationsschutzfilms 13 erzeugt, der an dem unteren Abschnitt des Grabens 16 positioniert ist, aufgrund einer Herstellungsvariation, und es besteht die Möglichkeit, dass die Adhäsion des ersten Wasserstoffpermeationsschutzfilms 11 und des dritten Wasserstoffpermeationsschutzfilms 13 verringert wird, oder dass kleine Hohlräume erzeugt werden. In dieser Art von Fällen besteht die Gefahr, dass ein kleiner Leckpfad an der Schnittstelle des ersten Wasserstoffpermeationsschutzfilms 11 und des dritten Wasserstoffpermeationsschutzfilms 13 ausgebildet wird und zu dem Permeationspfad des Wasserstoffflusses wird, der durch den Pfeil E gezeigt ist.
  • Durch die Bereitstellung der in 7 gezeigten Verbindungsschicht 17 wird die Adhäsion des ersten Wasserstoffpermeationsschutzfilms 11 und des dritten Wasserstoffpermeationsschutzfilms 13 verstärkt, und es ist möglich, die Ausbildung des Leckpfades durch die miteinander kommunizierenden kleinen Hohlräume zu verhindern. Aufgrund dieser Tatsache ist es möglich, den durch den Pfeil E gezeigten Wasserstofffluss sehr effektiv daran zu hindern, durch die Verbindungsschnittstelle zu diffundieren und in die Referenzdruckkammer 4 einzudringen.
  • Wenn der erste Wasserstoffpermeationsschutzfilm 11 und der dritte Wasserstoffpermeationsschutzfilm 13 ein Siliziumnitridfilm sind, führen die Filme 11 und 13 eine gegenseitige Diffusion durch, indem diese wärmebehandelt werden, wodurch die Verbindungsschicht 17 ausgebildet wird. Der erste Wasserstoffpermeationsschutzfilm 11 und der dritte Wasserstoffpermeationsschutzfilm 13 können jedoch aus unterschiedlichen Materialien bestehen, und können darüber hinaus jeweils aus einer Vielzahl von Filmtypen konfiguriert sein. Der zweite Wasserstoffpermeationsschutzfilm 12 und der zweite Spannungsrelaxationsfilm 15 sind darüber hinaus nicht in dem in 5 gezeigten Beispiel bereitgestellt, können jedoch bereitgestellt werden.
  • Gemäß der Halbleiter-Drucksensorelemente 100D und 100E gemäß der vierten Ausführungsform ist es zusätzlich zu den gleichen vorteilhaften Effekten wie in der ersten bis dritten Ausführungsform durch ein dreidimensionales Umschließen der Referenzdruckkammer 4 mit dem ersten Wasserstoffpermeationsschutzfilm 11 und dem dritten Wasserstoffpermeationsschutzfilm 13 möglich, das Eindringen von Wasserstoff nicht nur von der oberen und unteren Oberfläche effektiv zu verhindern, sondern auch von den Seitenoberflächen des Elements, was zu einer weiteren Verbesserung in der Messgenauigkeit führt.
  • Fünfte Ausführungsform
  • Die 8 und 9 zeigen Halbleiter-Drucksensorelemente gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung. Die Halbleiter-Drucksensorelemente 100F und 100E gemäß der fünften Ausführungsform enthalten jeweils eine Wasserstoffspeicherkammer 18, die einen rahmenartigen Vertiefungsabschnitt aufweist, bereitgestellt in der Hauptoberfläche 2a des zweiten Siliziumsubstrats 2, um die Referenzdruckkammer 4 zu umgeben, und die aus einem Raum ausgebildet ist, der durch den rahmenartigen Vertiefungsabschnitt und der Hauptoberfläche 1b des ersten Siliziumsubstrats 1 eingeschlossen wird. Da die anderen Komponenten gleich sind zu jenen der vierten Ausführungsform, wird eine diesbezügliche Beschreibung nicht wiederholt.
  • In der vierten Ausführungsform wird das Eindringen von Wasserstoff von der oberen und unteren Oberfläche und der Seitenoberfläche des Elements durch einen dreidimensionalen Einschluss der Referenzdruckkammer 4 mit dem ersten Wasserstoffpermeationsschutzfilm 11 und dem dritten Wasserstoffpermeationsschutzfilm 13 (und zweiten Wasserstoffpermeationsschutzfilm 12) verhindert. Wenn Wasserstoff aus einem Grund immer noch eindringt, kann der Wasserstoff gefangen werden, bevor die Referenzdruckkammer 4 erreicht wird, in dem die Wasserstoffspeicherkammer 18 bereitgestellt wird.
  • Selbst dann, wenn der durch den Pfeil E in 8 gezeigte Wasserstofffluss die Verbindungsschnittstelle des ersten Wasserstoffpermeationsschutzfilms 11 und des dritten Wasserstoffpermeationsschutzfilms 13 durchdringt, kann z.B. der Wasserstofffluss, der durch die WasserstoffSpeicherkammer 18 gefangen wird, nicht in die Referenzdruckkammer 4 hinten eindringen.
  • Die Wasserstoffspeicherkammer 18 kann zur gleichen Zeit ausgebildet werden, wenn die Referenzdruckkammer 4 durch Ätzen des zweiten Siliziumsubstrats 2 ausgebildet wird, oder kann separat ausgebildet werden, wenn das Volumen der Wasserstoffspeicherkammer 18 erhöht wird, um die Wasserstoffmenge zu erhöhen, die eingeschlossen werden kann. Wenn jedoch die Wasserstoffspeicherkammer 18 mit einem großen Volumen bereitgestellt wird, besteht die Gefahr, dass eine Verbindungsstärke aufgrund eines Anstiegs in der Verbindungsfläche des ersten Siliziumsubstrats 1 und des zweiten Siliziumsubstrats 2 verschlechtert wird.
  • Wenn es daher beabsichtigt wird, eine Verringerung in der Verbindungsfläche des ersten Siliziumsubstrats 1 und des zweiten Siliziumsubstrats 2 zu unterdrücken, und die Wasserstoffmenge zu erhöhen, die eingeschlossen werden kann, ist es effektiv, einen Wasserstoffspeicherfilm 19 eines Wasserstoffspeichermaterials in der Wasserstoffspeicherkammer 18 bereitzustellen, wie in dem in 9 gezeigten Halbleiter-Drucksensorelement 100G.
  • Als Wasserstoffspeicherfilm kann eine Legierung verwendet werden, die im Wesentlichen aus einem Übergangsmetall besteht, wie z.B. Titan (Ti), Nickel (Ni), Iridium (Ir), Zirkonium (Zr) oder Palladium (Pd) oder eine Legierung, die im Wesentlichen aus Magnesium (Mg) besteht. Eine erste Übergangsmetall-basierte Legierung aus Titan, Nickel oder dergleichen ist preiswert, und eine zweite Übergangsmetall-basierte Legierung aus Zirkonium, Palladium oder dergleichen ist teurer als die erste Übergangsmetall-basierte Legierung, weist jedoch eine hohe Wasserstofferfassungseffizienz auf.
  • Auch eine Magnesiumlegierung kann eine große Wasserstoffgasgröße in dem Betriebstemperaturbereich eines Kraftstoffzellenstapels, der in einem Kraftstoffzellenfahrzeug verwendet wird, erfassen. In einem Automobil-Kraftstoffzellensystem wird der Kraftstoffzellenstapel gekühlt, und die Betriebstemperatur wird im Allgemeinen gesteuert, um 100°C nicht zu übersteigen. Diese Wasserstoffspeicherfilme 19 können alle durch ein vielseitig einsetzbares Filmausbildungsverfahren in einem Halbleiter-Waferprozess, wie z.B. Zerstäuben (engl. sputtering) ausgebildet werden.
  • Gemäß der Halbleiter-Drucksensorelemente 100F und 100G der fünften Ausführungsform ist es zusätzlich zu den gleichen vorteilhaften Effekten in der ersten bis vierten Ausführungsform möglich, das Eindringen von Wasserstoff in die Referenzdruckkammer 4 zuverlässig zu verhindern, da es möglich ist, den Wasserstoff einzufangen, der in das Element eingedrungen ist, in dem die Wasserstoffspeicherkammer 18 bereitgestellt wird, um die Referenzdruckkammer 4 zu umgeben, das Eindringen von Wasserstoff in die Referenzdruckkammer 4 zuverlässig zu verhindern, was zu einer weiteren Verbesserung in der Messgenauigkeit führt.
  • Sechste Ausführungsform
  • 10 zeigt ein Halbleiter-Drucksensorelement gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung. In der ersten bis fünften Ausführungsform wurde ein Beispiel eines Piezowiderstand-artigen Halbleiter-Drucksensorelements erläutert, jedoch wird in der sechsten Ausführungsform der Erfindung ein Kapazitäts-artiges Halbleiter-Drucksensorelement 100A erläutert, das eine Änderung im Druck, der an dem Diaphragma 8 anliegt, in eine Kapazitätsänderung wandelt.
  • Das erste Siliziumsubstrat 1 weist das Diaphragma 8 auf, wobei es sich um eine bewegliche Elektrode handelt, die sich in der Form ändert, indem der anliegende Druck empfangen wird. Das zweite Siliziumsubstrat 2, wobei es sich um eine feste Elektrode handelt, enthält die Referenzdruckkammer 4 gegenüber dem Diaphragma 8. Die Referenzdruckkammer 4 weist einen ersten Vertiefungsabschnitt 41 auf, der oberflächlich ausgebildet ist, sodass das erste Siliziumsubstrat 1 und das zweite Siliziumsubstrat 2 eine Kapazität ausbilden, sowie einen zweiten Vertiefungsabschnitt 42, der um den ersten Vertiefungsabschnitt 41 ausgebildet ist, um tiefer als der erste Vertiefungsabschnitt 41 zu sein.
  • Um einen Druck mit einer hohen Genauigkeit zu messen, wird bevorzugt, dass der Abstand zwischen dem Diaphragma 8, wobei es sich um die bewegliche Elektrode handelt, und dem zweiten Siliziumsubstrat 2, wobei es sich um die feste Elektrode handelt, gering ist. Wenn andererseits das Volumen der Referenzdruckkammer 4 gering ist, steigt eine interne Druckfluktuation signifikant an, wenn Wasserstoff in die Referenzdruckkammer 4 eindringt, was zu einer erhöhten Ausgabefluktuation führt. Durch die Ausbildung des zweiten Vertiefungsabschnitts 42 durch ein tiefes Ätzen von einem Abschnitt der Referenzdruckkammer 4, ist es möglich, das Volumen der Referenzdruckkammer 4 sicherzustellen, während die Kapazität beibehalten wird. Das kapazitätsartige Halbleiter-Drucksensorelement 100H ist ferner derart ausgebildet, dass aufgrund der Tatsache, dass der Abstand zwischen der beweglichen Elektrode und der festen Elektrode gering ist, es einen Stopper-Effekt gibt, der darin besteht, dass wenn ein Überschussdruck anliegt, die bewegliche Elektrode in einen Kontakt mit der festen Elektrode gelangt, wodurch eine Biegegröße des Diaphragmas 8 unterdrückt wird, und eine Beschädigung an dem Diaphragma 8 kann verhindert werden.
  • Auch in der sechsten Ausführungsform wird der Permeationspfad des Wasserstoffflusses, der in der 10 durch den Pfeil A gezeigt ist, durch die Bereitstellung des ersten Wasserstoffpermeationsschutzfilms 11 an der Seite der Hauptoberfläche 1a des ersten Siliziumsubstrats 1 blockiert. Der Permeationspfad des in 10 durch den Pfeil B gezeigten Wasserstoffflusses wird ebenso blockiert, durch die Bereitstellung des zweiten Wasserstoffpermeationsschutzfilms 12 an der Seite der Hauptoberfläche 2b des zweiten Siliziumsubstrats 2. Der Permeationspfad des Wasserstoffflusses, der in 10 durch den Pfeil C gezeigt ist, wird ferner durch die Bereitstellung des Grabens 16 in dem ersten Siliziumsubstrat 1, sodass die Referenzdruckkammer 4 umgeben wird, und Verbinden des ersten Wasserstoffpermeationsschutzfilms 11 und des dritten Wasserstoffpermeationsschutzfilms 13 an dem unteren Abschnitt des Grabens 16 blockiert.
  • Durch die Bereitstellung der Wasserstoffspeicher 18, um die Referenzdruckkammer 4 zu umgeben, ist es ferner möglich, Wasserstoff einzufangen, bevor der Wasserstoff die Referenzdruckkammer 4 erreicht, wenn der Wasserstoff aus irgendeinem Grund eindringt. Durch die Bereitstellung des ersten Spannungsrelaxationsfilms 14 und des zweiten Spannungsrelaxationsfilms 15 ist es ferner möglich, die an dem Diaphragma 8 anliegende Spannung anzupassen. Auf diese Art und Weise ist es auch in dem Kapazitäts-artigen Halbleiter-Drucksensorelement 100H gemäß der sechsten Ausführungsform möglich, die gleichen vorteilhaften Effekte wie in der ersten bis fünften Ausführungsform zu erhalten.
  • Siebente Ausführungsform
  • Die 11 und 12 zeigen Halbleiter-Drucksensorelemente gemäß einer siebenten Ausführungsform der Erfindung. Halbleiter-Drucksensorelemente 200 und 200A gemäß der siebenten Ausführungsform, die den Druck eines Wasserstoffgases messen, das an einer Kraftstoffzelle in einem Kraftstoffzellensystem geliefert wird, enthalten jeweils das erste Siliziumsubstrat 1 mit einer Hauptoberfläche 1a und der anderen Hauptoberfläche 1b, die gegenüber voneinander sind, sowie das zweite Siliziumsubstrat 2 mit einer Hauptoberfläche 2a und der anderen Hauptoberfläche 2b, die gegenüber voneinander sind, sowie ein drittes Siliziumsubstrat 3 mit einer Hauptoberfläche 3a und einer anderen Hauptoberfläche 3b, die gegenüber voneinander sind, wie in 11 gezeigt.
  • Das Halbleiter-Drucksensorelement 200 weist das Diaphragma 8, wobei es sich um einen Druckempfangsabschnitt handelt, in dem ersten Siliziumsubstrat 1 auf. Der Halbleiter-Drucksensor 200 weist, um das Diaphragma 8, die Piezowiderstände 5a und 5b auf (kollektiv als Piezowiderstände 5 bezeichnet), die einen an dem Diaphragma 8 anliegenden Druck in ein elektrisches Signal wandeln. 11 zeigt zwei Piezowiderstände 5a und 5b, tatsächlich gibt es jedoch 4 Piezowiderstände 5. Darüber hinaus sind die Diffusionsverdrahtungsschicht 6 und der Metallelektrodenfilm 7 bereitgestellt, und darüber hinaus wird der erste Wasserstoffpermeationsschutzfilm 11 bereitgestellt, an der Seite der Hauptoberfläche 1a des ersten Siliziumsubstrats 1.
  • Das zweite Siliziumsubstrat 2 weist einen Lochabschnitt 43 auf, der von der Hauptoberfläche 2a zu der Hauptoberfläche 2b hindurchtritt, und die Hauptoberfläche 2a ist mit der Hauptoberfläche 1b des ersten Siliziumsubstrats 1 über den eingebetteten Oxidfilm 9 verbunden. Die Hauptoberfläche 3a des dritten Siliziumsubstrats 3 ist ferner mit der Hauptoberfläche 2b des zweiten Siliziumsubstrats 2 verbunden. Die Referenzdruckkammer 4, deren Bereich, eingeschlossen durch den Lochabschnitt 43 des zweiten Siliziumsubstrats 2, der Hauptoberfläche 1b des ersten Siliziumsubstrats 1 und der Hauptoberfläche 3a des dritten Siliziumsubstrats 3, wird in einen Vakuumzustand gebracht, und dient als Referenz, auf dessen Grundlage ein absoluter Druck gemessen wird.
  • Wenn durch ein Wasserstoffgas, wobei es sich um ein zu messendes Gas handelt, Druck an dem Diaphragma 8 anliegt, wird das Diaphragma 8 anliegt, wird das Diaphragma 8 gebogen, und der Widerstandswert der Piezowiderstände 5 ändert sich. Die Piezowiderstände 5 wandeln die Widerstandsänderung in ein elektrisches Signal, und geben das elektrische Signal aus, und das ausgegebene elektrische Signal wird von dem Metallelektrodenfilm 7 über die Diffusionsverdrahtungsschicht 6 nach außen gebracht.
  • Es erfolgt eine kurze Beschreibung eines ,Verfahrens zum Herstellen des Halbleiter-Drucksensorelements 200. Zuerst wird ein SOI-Wafer hergestellt, wobei das erste Siliziumsubstrat 1 und das zweite Siliziumsubstrat 2 über den eingebetteten Oxidfilm 9 verbunden werden. Es gibt einige SOI-Wafer-Herstellungsverfahren, aber aufgrund der steuerbaren Dicke und Widerstandsfähigkeit, geringerer Kristalldefekte oder dergleichen des ersten Siliziumsubstrats 1, das eine aktive Schicht ausbildet, wird die Verwendung eines SOI-Verbundwafers bevorzugt, bei dem das erste Siliziumsubstrat 1 und das zweite Siliziumsubstrat 2 mit dem eingebetteten Oxidfilm 9 verbunden sind.
  • Als nächstes wird ein Ätzen von der Seite der Hauptoberfläche 2a des zweiten Siliziumsubstrats 2 ausgeführt, das durch das zweite Siliziumsubstrat 2 zu dem eingebetteten Oxidfilm 9 hindurchdringt, wodurch das Diaphragma 8 ausgebildet wird. Da der eingebettete Oxidfilm 9 als ein Ätzstopper dient, indem ein induktiv gekoppeltes Plasma-reaktives Ionenätzen unter Verwendung des Boschprozesses verwendet wird, ist die Steuerung der Form und Dicke des Diaphragmas 8, die Einflüsse auf eine Druckmessgenauigkeit aufweisen, mit einer hohen Genauigkeit möglich. Ein Ätzverfahren ist jedoch nicht darauf beschränkt, und das Diaphragma 8 kann durch ein anisotropisches Nassätzen unter Verwendung einer Ätzflüssigkeit, wie z.B. Kaliumhydroxid (KOH) oder Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) ausgebildet werden.
  • Die Hauptoberfläche 2b des zweiten Siliziumsubstrats 2 und die Hauptoberfläche 3a des dritten Siliziumsubstrats 3 werden anschließend in einem Vakuum verbunden, wodurch die Referenzdruckkammer 4 ausgebildet wird. Als ein Verbindungsverfahren ist z.B. ein Oberflächenaktivierungs-Verbindungsverfahren geeignet, bei dem eine konstante Belastung an der Verbindungsoberfläche angewendet wird nachdem die Verbindungsoberfläche des zweiten Siliziumsubstrats 2 und des dritten Siliziumsubstrats 3 mit einem Ionenstrahl oder einem neutralen Atomstrahl bestrahlt und aktiviert wird. Entsprechend dem Verfahren kann das Verbinden bei einer Zimmertemperatur implementiert werden, ohne dass die Temperatur beim Verbinden erhöht werden muss.
  • Nachdem die Piezowiderstände 5 und die Diffusionsverdrahtungsschicht 6 um das Diaphragma 8 durch eine Ionenimplantation und der anschließenden Wärmebehandlung oder dergleichen ausgebildet sind, wird anschließend Al, Al-Si, Al-Si-Cu oder dergleichen in einem Film ausgebildet, durch ein Verfahren, wie z.B. Zerstäuben (engl. sputtering), wodurch der Metallelektrodenfilm 7 ausgebildet wird. Der erste Wasserstoffpermeationsschutzfilm 11 wird ferner an der Seite der Hauptoberfläche 1a des ersten Siliziumsubstrats 1 ausgebildet, wodurch das in 11 gezeigte Halbleitersensorelement 200 erhalten wird.
  • Als erster Wasserstoffpermeationsschutzfilm 11 ist ein Siliziumnitridfilm (SiNx), der durch ein Filmausbildungsverfahren ausgebildet werden kann, wie z.B. einer vielseitig einsetzbaren chemischen Gasphasenabscheidung (engl. chemical vapor deposition bzw. CVD), in einem Halbleiter-Waferprozess geeignet. Der Siliziumnitridfilm ist, da dieser eine große verbleibende Zugspannung aufweist, bevorzugt dünn, um den Effekt an der Charakteristik und Zuverlässigkeit des Sensors zu unterdrücken. Eine bestimmte Dickengröße ist unterdessen erforderlich, um das Eindringen von Wasserstoff in die Referenzdruckkammer 4 zu verhindern. Aufgrund dieser Tatsache wird die Dicke des Siliziumnitridfilms auf 0,01 µm oder mehr eingestellt, und wird bevorzugt in einem Bereich von 0,04 µm bis 0,2 µm ausgewählt.
  • Ein Index x, der das Zusammensetzungsverhältnis von Siliziumatomen und Stickstoffatomen des Siliziumnitridfilms (SiNX angibt, kann theoretisch Werte von 0 bis 4/3 annehmen. Wenn x von den Werten 4/3 ist, wobei es sich um den Maximalwert handelt, weist der Siliziumnitridfilm ein stöchiometrisches Zusammensetzungsverhältnis auf, und wird als Si3N4 angegeben. Wenn bei diesem Zusammensetzungsverhältnis alle Verbindungen eine Si-N-Verbindung sind, wobei es sich um eine atomare Anordnung handelt, bei der Si3N4 am dichtesten mit Siliziumatomen und Stickstoffatomen gefüllt ist. Da sich Siliziumatome und Stickstoffatome in einer atomaren Größe unterscheiden, existieren für den Fall von Si3N4, was am dichtesten gefüllt mit Siliziumatomen und Stickstoffatomen ist, keine Hohlräume, die Wasserstoffatome durchdringen, und eine Wasserstoffpermeationsschutzleistung ist am höchsten.
  • Wenn der Wert x im Gegensatz dazu kleiner als 4/3 wird, werden die Verbindungen von Siliziumatomen (Si-Si) erhöht. Wenn sich Siliziumatome der gleichen Größe verbinden ist die atomare Anordnung nicht von einer Struktur, die am dichtesten mit Siliziumatomen und Stickstoffatomen gefüllt ist, wodurch Hohlräume größer als die Größe von Wasserstoffatomen erzeugt werden. Je kleiner der Wert von x ist, umso größer sind die Hohlräume, und die Hohlräume kommunizieren miteinander, wodurch ein Leckpfad ausgebildet wird, den Wasserstoffatome durchdringen.
  • Wenn insbesondere der Wert von x 1/2 oder geringer ist, ist das Netzwerk der Leckpfade dreidimensional konfiguriert, was zu einem vollständigen Verlust der Wasserstoffpermeationsschutzfunktion führt. Aufgrund der obigen Art der Charakteristik, durch den Wert x, der das Zusammensetzungsverhältnis von Siliziumatomen und Stickstoffatomen des Siliziumnitridfilms angibt und 1 ≤ x ≤ 4/3 erfüllt, und durch ein Sicherstellen einer festen Filmdicke der oben erläuterten Art, ist es möglich, eine effektive Wasserstoffpermeationsschutzleistung zu erhalten.
  • Der erste Wasserstoffpermeationsschutzfilm 11 ist nicht auf den Siliziumnitridfilm beschränkt, und es ist ebenso möglich, einen Aluminiumoxidfilm (AlOx zu verwenden, wobei es sich um ein Material handelt, das eine hohe Affinität mit dem Halbleiter-Waferprozess aufweist. Die Dicke des ersten Wasserstoffpermeationsschutzfilms 11 ist geeignet in einem Bereich von 0,04 µm bis 0,2 µm, der gleich zu jenem des Siliziumnitridfilms ist. Insbesondere ist Al2O3 von den Aluminiumoxidfilmen in der Größenordnung von vier Stellen geringer in einem Wasserstoffpermeationskoeffizienten als zumindest SUS316, obwohl dies von der Temperatur abhängt. Der Aluminiumoxidfilm kann durch Zerstäuben, CVD oder dergleichen ausgebildet werden.
  • Da der Aluminiumoxidfilm eine gute Stufenbedeckung aufweist, ist es möglich, eine hohe Wasserstoffpermeationsschutzleistung zu erhalten, ohne einen Hohlraum selbst für den Fall einer Struktur mit Stufen zu erzeugen. Aluminiumoxid ist von der Art, dass Poren, Mikrorisse oder dergleichen wahrscheinlich erzeugt werden, und dass die Verwaltung der Kristallinität wichtig ist, um eine effektive Wasserstoffpermeationsschutzleistung zu erhalten.
  • Als erster Wasserstoffpermeationsschutzfilm 11 ist es darüber hinaus ebenso möglich, einen Erbiumoxidfilm (Er2O3) zu verwenden, der immer noch einen geringeren Wasserstoffpermeationskoeffizienten aufweist. Erbium gehört zu den seltenen Erden, kann jedoch in einem Film durch Vakuumlichtbogenablagerung, metallorganische Abbau (MOD), metallorganische chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD) oder dergleichen ausgebildet werden. Durch die Verwendung des Erbiumoxidfilms ist es möglich, eine Wasserstoffpermeationsschutzleistung zu erhalten, die immer noch höher ist als dann, wenn der Aluminiumoxidfilm verwendet wird.
  • Das Halbleiter-Drucksensorelement 200A, das in 12 gezeigt ist, enthält ferner den ersten Spannungsrelaxationsfilm 14, der eine Druckspannung aufweist, zwischen der Hauptoberfläche 1a des ersten Siliziumsubstrats 1 und dem ersten Wasserstoffpermeationsschutzfilm 11, um die verbleibende Zugspannung des ersten Wasserstoffpermeationsschutzfilms 11 zu entspannen. Als erster Spannungsrelaxationsfilm 14 ist ein Siliziumoxidfilm geeignet. Eine thermische Oxidierung oder CVD wird verwendet, um den Siliziumoxidfilm auszubilden. Die Dicke des Siliziumoxidfilms, der den ersten Spannungsrelaxationsfilm 14 konfiguriert, wird gemäß der Zusammensetzung, verbleibenden Spannung und Dicke des Siliziumnitridfilms, der den ersten Wasserstoffpermeationsschutzfilm 11 ausbildet, angepasst, ist jedoch typischer Weise geeignet 0,05 µm bis 0,3 µm.
  • Da in dem Halbleiter-Drucksensorelement 200 gemäß der siebenten Ausführungsform die Fläche an der vorderen Oberflächenseite des Diaphragmas 8, die Wasserstoff ausgesetzt ist, am größten ist, und der Permeationsabstand von der vorderen Oberflächenseite des Diaphragmas 8 zu der Referenzdruckkammer 4 am kürzesten ist, ist es vorstellbar, dass die vordere Oberflächenseite des Diaphragmas 8 zu dem Permeationspfad des starken Wasserstoffflusses wird, der in 11 durch den Pfeil A gezeigt wird. In der siebenten Ausführungsform ist der Wasserstoffpermeationspfad von der vorderen Oberflächenseite des Diaphragmas 8 zu der Referenzdruckkammer 4 durch die Bereitstellung des ersten Wasserstoffpermeationsschutzfilms 11 an der Seite der Hauptoberfläche 1a des ersten Siliziumsubstrats 1 blockier.
  • Der erste Wasserstoffpermeationsschutzfilm 11 kann ebenso durch einen bisher bekannten Halbleiter-Waferprozess ausgebildet werden. Durch die Bereitstellung des ersten Spannungsrelaxationsfilms 14 unmittelbar unterhalb des ersten Wasserstoffpermeationsschutzfilms 11, wie in dem in 12 gezeigten Halbleiter-Drucksensorelement 200A, ist es ferner möglich, die an dem Diaphragma 8 anliegende Spannung anzupassen, was zu einer weiteren Verbesserung in der Messgenauigkeit führt, und es ist möglich, die Erzeugung von Rissen oder die Beschädigung aufgrund einer Spannungskonzentration an dem Diaphragma 8 zu verhindern.
  • Durch die Bereitstellung des ersten Wasserstoffpermeationsschutzfilms 11 gemäß der siebenten Ausführungsform ist es aus diesen Gründen möglich, das Eindringen von Wasserstoff in die Referenzdruckkammer 4 von der Seite der Hauptoberfläche 1a des ersten Siliziumsubstrats 1 zu verhindern, und es ist möglich, Halbleiter-Drucksensorelemente 200 und 200A zu halten, die preisgünstig sind und eine hohe Messgenauigkeit aufweisen.
  • Da die Referenzdruckkammer 4 durch das zweite Siliziumsubstrat 2 geht, ist es ferner möglich, das Volumen der Referenzdruckkammer 4 verglichen mit dem Halbleiter-Drucksensorelement 100 gemäß der ersten Ausführungsform zu erhöhen. Folglich ist es möglich, ein Halbleiter-Drucksensorelement 200 zu erhalten, das einen Anstieg in dem Druck der Referenzdruckkammer 4 selbst für den Fall niedrig halten kann, dass Wasserstoff in die Referenzdruckkammer 4 eindringt und das somit geringe charakteristische Fluktuationen aufweist.
  • Achte Ausführungsform
  • 13 zeigt ein Halbleiter-Drucksensorelement gemäß einer achten Ausführungsform der Erfindung. Ein Halbleiter-Drucksensorelement 200B gemäß der achten Ausführungsform enthält, zusätzlich zu den gleichen Komponenten wie jene des Halbleiter-Drucksensorelements 200A (12) gemäß der siebenten Ausführungsform, den zweiten Wasserstoffpermeationsschutzfilm 12, der bereitgestellt ist zwischen der Hauptoberfläche 2b des zweiten Siliziumsubstrats 2 und der Hauptoberfläche 3a des dritten Siliziumsubstrats 3. Da die anderen Komponenten gleich sind zu jenen der siebenten Ausführungsform, wird eine diesbezügliche Beschreibung nicht wiederholt.
  • Da die Fläche an der Seite der Hauptoberfläche 3b des dritten Siliziumsubstrats 3, die Wasserstoff ausgesetzt ist, ebenso gleich zu der an der vorderen Oberflächenseite des Diaphragmas 8 ist, ist es vorstellbar, dass die Seite der Hauptoberfläche 3b des dritten Siliziumsubstrats 3 zu dem Permeationspfad des starken Wasserstoffflusses wird, der in 13 durch den Pfeil B gezeigt ist. Da der Abstand von der Hauptoberfläche 3b des dritten Siliziumsubstrats 3 zu der Referenzdruckkammer 4 jedoch zumindest 600 µm ist, und die Dicke des ersten Siliziumsubstrats 1 ca. 10 µm bis 20 µm ist, ist eine 30 bis 60 mal längere Zeit als von der vorderen Oberflächenseite des Diaphragmas 8 erforderlich, damit Wasserstoff, der von der Seite der Hauptoberfläche 3b des dritten Siliziumsubstrats 3 eingedrungen ist, die Referenzdruckkammer 4 erreicht. Obwohl es eine Zeitverzögerung gibt, mit der der Wasserstoff die Referenzdruckkammer 4 erreicht, verbleibt jedoch die Tatsache, dass der Wasserstoff immer noch hindurchdringt.
  • Das Halbleiter-Drucksensorelement 200B ist über ein Chip-Verbindungsmittel (weder das Material noch das Mittel sind gezeigt) an einem Basismaterial an der Hauptoberfläche 3b des dritten Siliziumsubstrats 3 befestigt. Aufgrund dieser Tatsache ist die Hauptoberfläche 3b mit dem Chip-Verbindungsmittel abgedeckt, wobei das Chip-Verbindungsmittel jedoch keine Wasserstoffpermeationsschutzfunktion aufweist. Daher wird in der achten Ausführungsform vor einer Verbindung des zweiten Siliziumsubstrats 2 und des dritten Siliziumsubstrats 3 der zweite Wasserstoffpermeationsschutzfilm 12 an der Hauptoberfläche 3a des dritten Siliziumsubstrats 3 bereitgestellt, wodurch der Wasserstoffpermeationspfad von der Seite der Hauptoberfläche 3b des dritten Siliziumsubstrats 3 zu der Referenzdruckkammer 4 blockiert wird.
  • Für den zweiten Wasserstoffpermeationsschutzfilm 12 wird Siliziumnitrid (SiNx), das 1 ≤ x ≤ 4/3 in der gleichen Art und Weise erfüllt, wie in dem ersten Wasserstoffpermeationsschutzfilm 11, Aluminiumoxid (AlOx oder Erbiumoxid (Er2O3) verwendet. Durch die Ausbildung des ersten Wasserstoffpermeationsschutzfilms 11 und des zweiten Wasserstoffpermeationsschutzfilms 12 in dem gleichen Film, ist es möglich, den Wasserstoffpermeationsschutzfilm mit geringen Kosten effizient herzustellen. Wenn ein Siliziumnitridfilm als zweiter Wasserstoffpermeationsschutzfilm 12 verwendet wird, gibt es einen Fall, bei dem keine ausreichende Verbindungsstärke erhalten werden kann, wenn das zweite Siliziumsubstrat 2 und das dritte Siliziumsubstrats 3 verbunden werden, was bedeutet, dass es bevorzugt wird, einen Siliziumoxidfilm 20 unter Verwendung von CVD oder dergleichen auszubilden.
  • Gemäß dem Halbleiter-Drucksensorelement 200B der achten Ausführungsform kann zusätzlich zu den gleichen vorteilhaften Effekten wie in der siebenten Ausführungsform durch die Bereitstellung des zweiten Wasserstoffpermeationsschutzfilms 12 das Eindringen von Wasserstoff in die Referenzdruckkammer 4 von der Seite der Hauptoberfläche 3b des dritten Siliziumsubstrats 3 verändert werden, was zu einer weiteren Verbesserung der Messgenauigkeit führt.
  • Neunte Ausführungsform
  • Die 14 und 15 zeigen ein Halbleiter-Drucksensorelement gemäß einer neunten Ausführungsform der Erfindung. Die Halbleiter-Drucksensorelemente 200C und 200D gemäß der neunten Ausführungsform enthalten jeweils den Wasserstoffpermeationsschutzfilm 13 zwischen der Hauptoberfläche 2a des zweiten Siliziumsubstrats 2 und dem eingebetteten Oxidfilm 9. Darüber hinaus wird ein Graben 16 bereitgestellt, der von der Hauptoberfläche 1a zu der Hauptoberfläche 1b des ersten Siliziumsubstrats 1 hindurchgeht, um die Referenzdruckkammer 4 zu umgeben.
  • Der erste Wasserstoffpermeationsschutzfilm 11 wird bereitgestellt, um die Innenseite des Grabens 16 abzudecken, und ist mit dem dritten Wasserstoffpermeationsschutzfilm 13 an dem unteren Abschnitt des Grabens 16 verbunden. Da die anderen Komponenten gleich sind zu jenen der achten Ausführungsform wird eine diesbezügliche Beschreibung nicht wiederholt.
  • In der achten Ausführungsform sind die Permeationspfade der großen Wasserstoffflüsse A und B von der oberen und unteren Oberfläche des Elements zu der Referenzdruckkammer 4 durch den ersten Wasserstoffpermeationsschutzfilm 11 und den zweiten Wasserstoffpermeationsschutzfilm 12 geblockt (Verweis auf 13). In der neunten Ausführungsform ist darüber hinaus der Permeationspfad des Wasserstoffflusses (in 14 durch den Pfeil C gezeigt) zu der Referenzdruckkammer 4 von einer Seitenoberfläche des Elements geblockt, die freigelegt wird, wenn das Halbleiter-Drucksensorelement 200C in individuelle Elemente unterteilt wird.
  • Als Maßnahmen für diesen Zweck wird der dritte Wasserstoffpermeationsschutzfilm 13 zwischen der Hauptoberfläche 2a des zweiten Siliziumsubstrats 2 und dem eingebetteten Oxidfilm bereitgestellt, während der Graben 16 in dem ersten Siliziumsubstrat 1 bereitgestellt wird, um die Referenzdruckkammer 4 zu umgeben, und der erste Wasserstoffpermeationsschutzfilm 11 und der dritte Wasserstoffpermeationsschutzfilm 13 sind an dem unteren Abschnitt des Grabens verbunden. Der Wasserstoffpermeationspfad von der Elementseitenoberfläche zu der Referenzdruckkammer 4 wird auf diese Art und Weise blockiert.
  • Für den dritten Wasserstoffpermeationsschutzfilm 13 wird Siliziumnitrid (SiNX verwendet, dass, 1 ≤ x ≤ 4/3 erfüllend, durch CVD oder dergleichen in der gleichen Art und Weise wie in dem ersten Wasserstoffpermeationsschutzfilm 11 ausgebildet wird. Der eingebettete Oxidfilm 9 zum Ausführen der Verbindung mit dem ersten Siliziumsubstrat 1 ist darüber hinaus an dem dritten Wasserstoffpermeationsschutzfilm 13 durch CVD oder dergleichen in der gleichen Art und Weise ausgebildet.
  • Für den dritten Wasserstoffpermeationsschutzfilm 13 kann ebenso Aluminiumoxid (AlOx oder Erbiumoxid (Er2O3) verwendet werden. Durch die Ausbildung des ersten Wasserstoffpermeationsschutzfilms 11 und des dritten Wasserstoffpermeationsschutzfilms 13 in dem gleichen Film, ist es in jedem Fall möglich, den Wasserstoffpermeationsschutzfilm bei geringen Kosten effektiv herzustellen.
  • Durch die Bereitstellung der Verbindungsschicht 17, die durch eine gegenseitige Diffusion ausgebildet wird, an der Schnittstelle des ersten Wasserstoffpermeationsschutzfilms 11 und des dritten Wasserstoffpermeationsschutzfilms 13, an dem unteren Abschnitt des Grabens 16, wie in dem in 15 gezeigten Halbleiter-Drucksensorelements 100D ist es möglich, zuverlässig zu verhindern, dass der in 15 durch den Pfeil E gezeigte Wasserstofffluss von der Verbindungsschnittstelle eindringt.
  • Wenn bewirkt wird, dass der Graben 16 durch das erste Siliziumsubstrat 1, den ersten Spannungsrelaxationsfilm 14 und den eingebetteten Oxidfilm 9 durch ein Ätzen hindurchgeht, wird eine geringe Rauigkeit an einer Oberfläche des dritten Wasserstoffpermeationsschutzfilms 13, der an dem unteren Abschnitt des Grabens 16 positioniert ist, aufgrund einer Herstellungsvariation erzeugt, und es besteht die Möglichkeit, dass die Adhäsion des ersten Wasserstoffpermationsschutzfilms 11 und des dritten Wasserstoffpermeationsschutzfilms 13 abnimmt, oder das kleine Hohlräume erzeugt werden. In dieser Art von Fällen gibt es die Gefahr, dass ein kleiner Leckpfad an der Schnittstelle des ersten Wasserstoffpermeationsschutzfilms 11 und des dritten Wasserstoffpermeationsschutzfilms 13 ausgebildet wird und zu dem Permeationspfad des durch den Pfeil E gezeigten Wasserstoffflusses wird.
  • Durch die Bereitstellung der in 15 gezeigten Verbindungsschicht 17 wird die Adhäsion des ersten Wasserstoffpermeationsschutzfilms 11 und des dritten Wasserstoff-Schutzfilms 13 verstärkt, und die Ausbildung eines Leckpfades durch kleine Hohlräume, die miteinander kommunizieren, kann verhindert werden. Aufgrund dieser Tatsache ist es möglich, sehr effektiv zu verhindern, dass der durch den Pfeil E gezeigte Wasserstofffluss durch die Verbindungsschnittstelle diffundiert und in die Referenzdruckkammer 4 eindringt.
  • Wenn der erste Wasserstoffpermeationsschutzfilm 11 und der dritte Wasserstoffpermeationsschutzfilm 13 ein Siliziumnitridfilm sind, diffundieren die Filme 11 und 13 gegenseitig, indem diese wärmebehandelt werden, wodurch die Verbindungsschicht 17 ausgebildet wird. Der erste Wasserstoffpermeationsschutzfilm 11 und der dritte Wasserstoffpermeationsschutzfilm 13 können jedoch aus unterschiedlichen Materialien bestehen, und können ferner aus einer Vielzahl von Arten von Filmen konfiguriert sein.
  • Gemäß der Halbleiter-Drucksensorelemente 200C und 200D der neunten Ausführungsform kann zusätzlich zu den gleichen vorteilhaften Effekten wie in der siebenten und achten Ausführungsform durch eine Verbindung des dritten Wasserstoffpermeationsschutzfilms 13 mit dem ersten Wasserstoffpermeationsschutzfilm 11 an dem unteren Abschnitt des Grabens 16 das Eindringen von Wasserstoff von der Elementseitenoberfläche verhindert werden, was zu einer weiteren Verbesserung in der Messgenauigkeit führt.
  • Zehnte Ausführungsform
  • Die 16 und 17 zeigen Halbleiter-Drucksensorelemente gemäß einer zehnten Ausführungsform der Erfindung. Die Halbleiter-Drucksensorelemente 200E und 200F gemäß der zehnten Ausführungsform enthalten jeweils einen Rahmen-artigen Lochabschnitt, der von der Hauptoberfläche 2a zu der Hauptoberfläche 2b des zweiten Siliziumsubstrats 2 hindurchgeht, um die Referenzdruckkammer 4 zu umgeben, und eine Wasserstoffspeicherkammer 18, die aus einem Raum ausgebildet ist, der umschlossen wird durch den Rahmenartigen Lochabschnitt, die Hauptoberfläche 1b des ersten Siliziumsubstrats 1 und die Hauptoberfläche 3a des dritten Siliziumsubstrats 3. Da die anderen Komponenten die gleichen sind wie jene der neunten Ausführungsform, wird eine diesbezügliche Beschreibung nicht wiederholt.
  • In der neunten Ausführungsform wird das Eindringen von Wasserstoff von der oberen und unteren Oberfläche und der Seitenoberfläche des Elements durch den ersten Wasserstoffpermeationsschutzfilm 11, zweiten Wasserstoffpermeationsschutzfilm 12 und dritten Wasserstoffpermeationsschutzfilm 13 verhindert. Wenn Wasserstoff noch immer aus einem Grund eindringt, kann der Wasserstoff vor einem Erreichen der Referenzdruckkammer 4 eingefangen werden, indem die Wasserstoffspeicherkammer 18 bereitgestellt wird.
  • Durch ein Ätzen des zweiten Siliziumsubstrats 2 von der Seite der Hauptoberfläche 2b kann die Wasserstoffspeicherkammer 18 zur gleichen Zeit wie die Referenzdruckkammer 4 ausgebildet werden. Durch die Ausbildung des dritten Wasserstoffpermeationsschutzfilms 13 innerhalb der Wasserstoffspeicherkammer 18 vor einer Verbindung des zweiten Siliziumsubstrats 2 und des dritten Siliziumsubstrats 3, ist es darüber hinaus möglich, die Art eines Wasserstoffflusses von der Elementseitenoberfläche, wie durch den Pfeil D in 16 gezeigt, von einem Eindringen in die Referenzdruckkammer 4 effektiv zu verhindern.
  • Darüber hinaus ist es effektiv, den Wasserstoffspeicherfilm 19, wobei es sich um ein Wasserstoffspeichermaterial handelt, innerhalb der Wasserstoffspeicherkammer 18 bereitzustellen, wie in dem in 17 gezeigten Halbleiter-Drucksensorelement 200F. Selbst dann, wenn der in 17 durch den Pfeil E gezeigte Wasserstofffluss die Verbindungsschnittstelle des zweiten Siliziumsubstrats 2 und des dritten Siliziumsubstrats 3 durchdringt, wird der Wasserstofffluss durch die Wasserstoffspeicherkammer 18 eingefangen und in dem Wasserstoffspeicherfilm 19 gespeichert, was bedeutet, dass der Wasserstofffluss nicht in der Referenzdruckkammer 4 dahinter eindringen kann.
  • Für den Wasserstoffspeicherfilm 19 kann eine Legierung verwendet werden, die im Wesentlichen aus einem Übergangsmetall besteht, sie z.B. Titan (Ti), Nickel (Ni), Iridium (Ir), Zirkonium (Zr) oder Palladium (Pd), oder eine Legierung, die im Wesentlichen aus Magnesium (Mg) besteht. Eine erste Übergangsmetall-basierte Legierung aus Titan, Nickel oder dergleichen ist preiswert, und eine zweite Übergangsmetall-basierte Legierung aus Zirkonium, Palladium oder dergleichen ist teurer als die erste Übergangsmetall-basierte Legierung, weist jedoch eine hohe WasserstoffErfassungseffizienz auf.
  • Eine Magnesiumlegierung kann ebenfalls eine große Menge an Wasserstoffgas in dem Betriebstemperaturbereich eines Kraftstoffzellenstapels einfangen, der in einem Kraftstoffzellenfahrzeug verwendet wird. In einem Automobil-Kraftstoffzellensystem wird der Kraftstoffzellenstapel gekühlt, und die Betriebstemperatur wird im Allgemeinen gesteuert, um 100°C nicht zu übersteigen. Diese Wasserstoffspeicherfilme 19 können alle durch ein vielseitig anwendbares Filmausbildungsverfahren in einem Halbleiter-Waferprozess, wie z.B. Zerstäuben (engl. sputtering) ausgebildet werden.
  • Gemäß der Halbleiter-Drucksensorelemente 200E und 200F der zehnten Ausführungsform kann zusätzlich zu den vorteilhaften Effekten wie in der siebenten bis neunten Ausführungsform durch die Möglichkeit des Einfangens von Wasserstoff, der in das Element eingedrungen ist, durch die Bereitstellung der Wasserstoffspeicherkammer 18 in der Umgebung der Referenzdruckkammer 4 das Eindringen von Wasserstoff in die Referenzdruckkammer 4 zuverlässig verhindert werden, was zu einer weiteren Verbesserung in der Messgenauigkeit führt.
  • Elfte Ausführungsform
  • 18 zeigt ein Konfigurationsbeispiel eines Halbleiter-Drucksensors, an dem das Halbleiter-Drucksensorelement gemäß einer der ersten bis zehnten Ausführungsform angebracht ist. 18 zeigt ein Beispiel, wobei das Halbleiter-Drucksensorelement 100 gemäß der ersten Ausführungsform angebracht ist. Eine Druckführungsleitung 51, die ein zu messendes Gas zu dem Diaphragma des Halbleiter-Drucksensorelements 100 führt, ist in einem Druckmessabschnitt eines Kraftstoffzellenstapels installiert und durch einen O-Ring 52, der einen Wasserstoffwiderstand aufweist, hermetisch versiegelt.
  • Das Halbleiter-Drucksensorelement 100 ist rückseitig eines Druckführungsloches 53 installiert, durch das ein Wasserstoffgas eingeführt wird, und die externe Elektrode des Halbleiter-Drucksensorelements 100 ist über einen Golddraht 56 mit einem Führungsrahmen 55 verbunden. Der Führungsrahmen 55 ist mit einem Anschluss 57 eines Verbindungselements 58 verbunden, und ein Ausgabesignal von dem Halbleiter-Drucksensorelement 100 wird über den Anschluss 57 an eine externe Vorrichtung nach außen gebracht.
  • Als Material eines Gehäuses des Drucksensors wird ein Harzmaterial, wie z.B. Polybutylenteraphthalat (PBT) verwendet, solang der Luftdruck in einem Bereich von 10atm oder geringer unmittelbar vor dem Kraftstoffzellenstapel ist, wodurch eine Reduzierung der Kosten ermöglicht wird. Da es jedoch die Möglichkeit gibt, dass das Wasserstoffgas durch die Druckführungsleitung 51 selbst hindurchdringt, was zu einer Verringerung in der Messgenauigkeit führt, ist es in Abhängigkeit von einer Verwendungsumgebung, wie z.B. Temperatur und Luftfeuchtigkeit, wünschenswert, einen Wasserstoffpermeationsschutzfilm 54 an der inneren Wand der Druckführungsleitung 51 bereitzustellen. Als Material des Wasserstoffpermeationsschutzfilms 54 ist ein thermoplastisches Harz, wie z.B. ein Ethylen-Vinyl-Alkohol-Copolymer (EVOH) geeignet.
  • Gemäß der elften Ausführungsform wird in dem Halbleiterdrucksensor, an dem das Halbleiter-Drucksensorelement gemäß einer der ersten bis zehnten Ausführungsform angebracht ist, Wasserstoff daran gehindert, die Druckführungsleitung 51 zu durchdringen, indem der Wasserstoffpermeationsschutzfilm 54 an der inneren Wand der Druckführungsleitung 51 bereitgestellt wird, was zu einer weiteren Verbesserung der Messgenauigkeit führt. Die Erfindung besteht darin, dass es möglich wird, die individuellen Ausführungsformen frei zu kombinieren, und eine beliebige der individuellen Ausführungsformen geeignet zu modifizieren oder wegzulassen, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.
  • Verschiedene Modifikationen und Änderungen dieser Erfindung werden dem Fachmann ersichtlich, ohne vom Umfang dieser Erfindung abzuweichen, und es wird verstanden, dass diese nicht auf die hier dargestellten beispielhaften Ausführungsformen beschränkt ist.

Claims (19)

  1. Halbleiter-Drucksensor, umfassend: ein erstes Siliziumsubstrat (1) mit einem Diaphragma (8) ; einen ersten Wasserstoffpermeationsschutzfilm (11), bereitgestellt an der Seite einer Hauptoberfläche (1a) des ersten Siliziumsubstrats (1); ein zweites Siliziumsubstrat (2), wobei eine Hauptoberfläche (2a) davon mit einem Vertiefungsabschnitt (40) mit einer anderen Hauptoberfläche (1b) des ersten Siliziumsubstrats (1) über einen eingebetteten Oxidfilm (9) verbunden ist; eine Referenzdruckkammer (4), deren Raum, umgeben durch den Vertiefungsabschnitt (40) und die andere Hauptoberfläche (1b) des ersten Siliziumsubstrats (1), in einem Vakuumzustand gebracht ist; und einen dritten Wasserstoffpermeationsschutzfilm (13), bereitgestellt zwischen der einen Hauptoberfläche (2a) des zweiten Siliziumsubstrats (2) und dem eingebetteten Oxidfilm (9), wobei ein Graben (16), der von der einen Hauptoberfläche (1a) zu der anderen Hauptoberfläche (1b) des ersten Siliziumsubstrats (1) hindurchgeht, bereitgestellt ist, um die Referenzdruckkammer (4) zu umgeben, und der erste Wasserstoffpermeationsschutzfilm (11) bereitgestellt ist, die Innenseite des Grabens (16) abzudecken, und mit dem dritten Wasserstoffpermeationsschutzfilm (13) an dem unteren Abschnitt des Grabens (16) verbunden ist.
  2. Halbleiter-Drucksensor nach Anspruch 1, umfassend: einen zweiten Wasserstoffpermeationsschutzfilm (12), bereitgestellt an der Seite der anderen Hauptoberfläche (2b) des zweiten Siliziumsubstrats (2).
  3. Halbleiter-Drucksensor nach Anspruch 2, umfassend: einen Spannungsrelaxationsfilm (15), bereitgestellt zwischen der anderen Hauptoberfläche (2b) des zweiten Siliziumsubstrats (2) und dem zweiten Wasserstoffpermeationsschutzfilm (12).
  4. Halbleiter-Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend: eine Wasserstoffspeicherkammer (18), die einen rahmenartigen Vertiefungsabschnitt aufweist, bereitgestellt in der einen Hauptoberfläche (2a) des zweiten Siliziumsubstrats (2), um die Referenzdruckkammer (4) zu umgeben und die aus einem Raum ausgebildet ist, der durch den rahmenartigen Vertiefungsabschnitt und die andere Hauptoberfläche (1b) des ersten Siliziumsubstrats (1) umgeben wird.
  5. Halbleiter-Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Referenzdruckkammer (4) einen ersten Vertiefungsabschnitt (41) aufweist, in dem das erste Siliziumsubstrat (1) und das zweite Siliziumsubstrat (2) eine Kapazität ausbilden, und einen zweiten Vertiefungsabschnitt (42), der um den ersten Vertiefungsabschnitt (41) ausgebildet ist, um tiefer als der erste Vertiefungsabschnitt (41) zu sein.
  6. Halbleiter-Drucksensor, umfassend: ein erstes Siliziumsubstrat (1) mit einem Diaphragma (8) ; einen ersten Wasserstoffpermeationsschutzfilm (11), bereitgestellt an der Seite einer Hauptoberfläche (1a) des ersten Siliziumsubstrats (1); ein zweites Siliziumsubstrat (2), das einen Lochabschnitt (43) aufweist, der von einer Hauptoberfläche (2a) zu einer anderen Hauptoberfläche (2b) hindurchgeht, und wobei die eine Hauptoberfläche (2a) mit einer anderen Hauptoberfläche (1b) des ersten Siliziumsubstrats (1) über einen eingebetteten Oxidfilm (9) verbunden ist; ein drittes Siliziumsubstrat (3), wobei eine Hauptoberfläche (3a) davon mit der anderen Hauptoberfläche (2b) des zweiten Siliziumsubstrats (2) verbunden ist; eine Referenzdruckkammer (4), deren Raum, umgeben durch den Lochabschnitt (43), die andere Hauptoberfläche (2b) des ersten Siliziumsubstrats (1) und der einen Hauptoberfläche (3a) des dritten Siliziumsubstrats (3), in einen Vakuumzustand gebracht ist; und einen dritten Wasserstoffpermeationsschutzfilm (13), bereitgestellt zwischen der einen Hauptoberfläche (2a) des zweiten Siliziumsubstrats (2) und dem eingebetteten Oxidfilm (9), wobei ein Graben (16), der von der einen Hauptoberfläche (1a) zu der anderen Hauptoberfläche (1b) des ersten Siliziumsubstrats (1) hindurchgeht, bereitgestellt ist, um die Referenzdruckkammer (4) zu umgeben, und der erste Wasserstoffpermeationsschutzfilm (11) bereitgestellt ist, die Innenseite des Grabens (16) abzudecken, und mit dem dritten Wasserstoffpermeationsschutzfilm (13) an dem unteren Abschnitt des Grabens (16) verbunden ist.
  7. Halbleiter-Drucksensor nach Anspruch 6, umfassend: einen zweiten Wasserstoffpermeationsschutzfilm (12), bereitgestellt zwischen der anderen Hauptoberfläche (2b) des zweiten Siliziumsubstrats (2) und der einen Hauptoberfläche (3a) des dritten Siliziumsubstrats (3).
  8. Halbleiter-Drucksensor nach Anspruch 6 oder 7, umfassend: eine Wasserstoffspeicherkammer (18), die einen rahmenartigen Lochabschnitt aufweist, der von der einen Hauptoberfläche (2a) zu der anderen Hauptoberfläche (2b) des zweiten Siliziumsubstrats (2) hindurchgeht, derart bereitgestellt, die Referenzdruckkammer (4) zu umgeben, und die ausgebildet ist aus einem Raum, der umgeben wird durch den rahmenartigen Lochabschnitt, die andere Hauptoberfläche (1b) des ersten Siliziumsubstrats (1) und der einen Hauptoberfläche (3a) des dritten Siliziumsubstrats (3).
  9. Halbleiter-Drucksensor nach Anspruch 4 oder 8, wobei die Wasserstoffspeicherkammer (18) ein Wasserstoffspeichermaterial (19) darin enthält.
  10. Halbleiter-Drucksensor nach Anspruch 9, wobei der Wasserstoffspeichermaterial (19) eine Legierung ist, die im Wesentlichen aus Titan (Ti) oder Nickel (Ni) besteht.
  11. Halbleiter-Drucksensor nach Anspruch 9, wobei das Wasserstoffspeichermaterial (19) eine Legierung ist, die im Wesentlichen aus Zirkonium (Zr) oder Palladium (Pd) besteht.
  12. Halbleiter-Drucksensor nach Anspruch 9, wobei das Wasserstoffspeichermaterial (19) eine Legierung ist, die im Wesentlichen aus Magnesium (Mg) besteht.
  13. Halbleiter-Drucksensor nach Anspruch 1 oder 6, umfassend: eine Verbindungsschicht (17), die durch eine gegenseitige Diffusion ausgebildet ist, an der Schnittstelle des ersten Wasserstoffpermeationsschutzfilms (11) und des dritten Wasserstoffpermeationsschutzfilms (13) an dem unteren Abschnitt des Grabens (16) .
  14. Halbleiter-Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei ein Spannungsrelaxationsfilm (14) bereitgestellt ist zwischen der einen Hauptoberfläche (1a) des ersten Siliziumsubstrats (1) und dem ersten Wasserstoffpermeationsschutzfilm (11).
  15. Halbleiter-Drucksensor nach Anspruch 3 oder 14, wobei der Spannungsrelaxationsfilm (14, 15) ein Siliziumoxidfilm ist.
  16. Halbleiter-Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 15, umfassend: eine Druckführungsleitung (51), die ein zu messendes Gas an das Diaphragma (8) zuführt, wobei ein Wasserstoffpermeationsschutzfilm (54) mit einem thermoplastischen Harz als ein Material an der inneren Wand der Druckführungsleitung (51) bereitgestellt ist.
  17. Halbleiter-Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei der erste Wasserstoffpermeationsschutzfilm (11) Siliziumnitrid (SiNx) , 1 ≤ x ≤ 4/3 erfüllend, Aluminiumoxid (Al2O3) oder Erbiumoxid (Er2O3) ist.
  18. Halbleiter-Drucksensor nach Anspruch 2 oder 7, wobei der zweite Wasserstoffpermeationsschutzfilm (12) Siliziumnitrid (SiNx), 1 ≤ x ≤ 4/3 erfüllend, Aluminiumoxid (Al2O3) oder Erbiumoxid (Er2O3) ist.
  19. Halbleiter-Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei der dritte Wasserstoffpermeationsschutzfilm (13) Siliziumnitrid (SiNx), 1 ≤ x ≤ 4/3 erfüllend, Aluminiumoxid (Al2O3) oder Erbiumoxid (Er2O3) ist.
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Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10800650B1 (en) * 2017-02-02 2020-10-13 Sitime Corporation MEMS with small-molecule barricade
JP6425794B1 (ja) * 2017-12-13 2018-11-21 三菱電機株式会社 半導体圧力センサ
US11371899B2 (en) * 2018-05-17 2022-06-28 Rosemount Inc. Measuring element with an extended permeation resistant layer
CN110440960A (zh) * 2019-08-14 2019-11-12 苏州知芯传感技术有限公司 一种压力传感器及其制造方法
FR3101414B1 (fr) * 2019-09-30 2021-09-03 Commissariat Energie Atomique procede de fabrication d’un dispositif de detection de rayonnement electromagnétique comportant un materiau getter
JP7080372B1 (ja) * 2021-03-30 2022-06-03 三菱電機株式会社 半導体圧力センサ及び圧力センサ装置
JP7486457B2 (ja) 2021-04-01 2024-05-17 三菱電機株式会社 半導体圧力センサ及び半導体圧力センサの製造方法
JP7337218B1 (ja) 2022-04-25 2023-09-01 三菱電機株式会社 半導体圧力センサ
CN115165984B (zh) * 2022-07-15 2023-06-06 中国科学院海洋研究所 工作面为平面的海洋环境氢渗透监测传感器及监测方法

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5873166A (ja) 1981-10-13 1983-05-02 ユナイテツド・テクノロジ−ズ・コ−ポレイシヨン 容量性圧力トランスジューサの製造方法
JPH04348243A (ja) 1990-10-05 1992-12-03 Fuji Electric Co Ltd 圧力測定装置
JPH098326A (ja) 1995-06-15 1997-01-10 Matsushita Electric Works Ltd 半導体圧力センサ
JP4161432B2 (ja) 1998-10-28 2008-10-08 株式会社デンソー 半導体圧力センサおよびその製造方法
JP2009276155A (ja) 2008-05-14 2009-11-26 Alps Electric Co Ltd 半導体圧力センサ及びその製造方法
JP2011137818A (ja) 2009-12-28 2011-07-14 General Electric Co <Ge> センサ製造方法
JP2011164057A (ja) 2010-02-15 2011-08-25 Mitsubishi Electric Corp 半導体圧力センサおよびその製造方法
US20130036827A1 (en) 2011-08-11 2013-02-14 Nxp B.V. Multilayered nonon membrane in a mems sensor
US20150107364A1 (en) 2013-10-18 2015-04-23 Hitachi, Ltd. Pressure Transmitter

Family Cites Families (33)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0635323B2 (ja) * 1982-06-25 1994-05-11 株式会社日立製作所 表面処理方法
JPH0748564B2 (ja) * 1988-05-07 1995-05-24 シャープ株式会社 シリコンマイクロセンサ
US5310610A (en) * 1988-05-07 1994-05-10 Sharp Kabushiki Kaisha Silicon micro sensor and manufacturing method therefor
JPH0548118A (ja) * 1991-08-12 1993-02-26 Mitsubishi Electric Corp 半導体圧力センサ
JPH06216121A (ja) * 1993-01-14 1994-08-05 Nippondenso Co Ltd 装置保護膜
US6440878B1 (en) * 2000-04-03 2002-08-27 Sharp Laboratories Of America, Inc. Method to enhance the adhesion of silicon nitride to low-k fluorinated amorphous carbon using a silicon carbide adhesion promoter layer
US6630413B2 (en) * 2000-04-28 2003-10-07 Asm Japan K.K. CVD syntheses of silicon nitride materials
DE10041685C2 (de) * 2000-08-24 2002-06-27 Infineon Technologies Ag Verfahren zur Herstellung eines mikroelektronischen Bauelements
JP3696119B2 (ja) * 2001-04-26 2005-09-14 株式会社日立製作所 半導体装置、及び半導体装置の製造方法
JP2004303799A (ja) * 2003-03-28 2004-10-28 Matsushita Electric Ind Co Ltd 半導体装置および半導体装置の製造方法
JP2004327844A (ja) * 2003-04-25 2004-11-18 Toppan Printing Co Ltd 窒化シリコン膜、およびその製造方法、ならびに機能デバイス
JP4371092B2 (ja) * 2004-12-14 2009-11-25 セイコーエプソン株式会社 静電アクチュエータ、液滴吐出ヘッド及びその製造方法、液滴吐出装置並びにデバイス
US7598576B2 (en) 2005-06-29 2009-10-06 Cree, Inc. Environmentally robust passivation structures for high-voltage silicon carbide semiconductor devices
US7525122B2 (en) * 2005-06-29 2009-04-28 Cree, Inc. Passivation of wide band-gap based semiconductor devices with hydrogen-free sputtered nitrides
US7855401B2 (en) 2005-06-29 2010-12-21 Cree, Inc. Passivation of wide band-gap based semiconductor devices with hydrogen-free sputtered nitrides
JP5127210B2 (ja) * 2006-11-30 2013-01-23 株式会社日立製作所 Ｍｅｍｓセンサが混載された半導体装置
US20080190207A1 (en) * 2007-02-08 2008-08-14 Yang James Y Ring oscillating digital pressure sensor manufactured by micro-electromechanical system (MEMS) processes
JP5647392B2 (ja) * 2008-07-30 2014-12-24 横浜ゴム株式会社 水素充填用ホース
JP5276964B2 (ja) * 2008-12-08 2013-08-28 日立オートモティブシステムズ株式会社 熱式流体流量センサおよびその製造方法
JP2011002393A (ja) * 2009-06-22 2011-01-06 Toyota Motor Corp 圧力センサおよびその製造方法
JP2011077323A (ja) * 2009-09-30 2011-04-14 Tokyo Electron Ltd 窒化珪素膜の成膜方法および半導体メモリ装置の製造方法
CN102741979B (zh) * 2010-01-11 2015-07-29 艾尔默斯半导体股份公司 微机电半导体器件传感器
JP5471640B2 (ja) * 2010-03-12 2014-04-16 富士通株式会社 Ｍｅｍｓデバイスの製造方法および基板
JP2012189460A (ja) * 2011-03-10 2012-10-04 Omron Corp 絶対圧力センサ
JP5831065B2 (ja) * 2011-09-13 2015-12-09 横河電機株式会社 差圧・圧力計
JP5639985B2 (ja) * 2011-10-28 2014-12-10 三菱電機株式会社 半導体圧力センサおよび半導体圧力センサの製造方法
JP2013219198A (ja) * 2012-04-09 2013-10-24 Nissin Electric Co Ltd 薄膜製造方法
JP2013257225A (ja) * 2012-06-13 2013-12-26 Yokogawa Electric Corp 圧力伝送器
US8994073B2 (en) * 2012-10-04 2015-03-31 Cree, Inc. Hydrogen mitigation schemes in the passivation of advanced devices
KR101701257B1 (ko) * 2013-03-14 2017-02-01 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드 박막 캡슐화 ― ｏｌｅｄ 어플리케이션을 위한 얇은 초고 배리어 층
GB2524678B (en) * 2013-04-30 2016-04-20 Kidde Tech Inc Method of manufacturing a pressure sensor
CN104944360B (zh) * 2014-03-25 2017-05-17 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 Mems器件及其形成方法
US9574961B2 (en) * 2014-04-09 2017-02-21 Continental Automotive Systems, Inc. Humidity resistant sensors and methods of making same

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5873166A (ja) 1981-10-13 1983-05-02 ユナイテツド・テクノロジ−ズ・コ−ポレイシヨン 容量性圧力トランスジューサの製造方法
JPH04348243A (ja) 1990-10-05 1992-12-03 Fuji Electric Co Ltd 圧力測定装置
JPH098326A (ja) 1995-06-15 1997-01-10 Matsushita Electric Works Ltd 半導体圧力センサ
JP4161432B2 (ja) 1998-10-28 2008-10-08 株式会社デンソー 半導体圧力センサおよびその製造方法
JP2009276155A (ja) 2008-05-14 2009-11-26 Alps Electric Co Ltd 半導体圧力センサ及びその製造方法
JP2011137818A (ja) 2009-12-28 2011-07-14 General Electric Co <Ge> センサ製造方法
JP2011164057A (ja) 2010-02-15 2011-08-25 Mitsubishi Electric Corp 半導体圧力センサおよびその製造方法
US20130036827A1 (en) 2011-08-11 2013-02-14 Nxp B.V. Multilayered nonon membrane in a mems sensor
US20150107364A1 (en) 2013-10-18 2015-04-23 Hitachi, Ltd. Pressure Transmitter

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