JP2001510641A - 熱ダイヤフラムセンサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、特に熱ダイヤフラムセンサのシリコン基板（１）上にダイヤフラムを製造する方法に関する。炭化シリコン又は窒化シリコンからなる薄層（４）を基板（１）の表面内に形成された多孔質シリコンからなる領域上に堆積させ、かつ引き続きドライエッチング法によりこの炭化シリコン又は窒化シリコン層（４）内に、多孔質シリコン層（２）まで達する開口（５，７）を形成させる。引き続き、リソグラフィー工程により半導体構造及び導体路構造（６）をダイヤフラム層（４）の上表面に注入しかつ次いで多孔質シリコンからなる犠牲層（２）を適当な溶剤、例えばアンモニアで除去する。それにより、ダイヤフラム層（４）の下に、センサダイヤフラムを基板（１）から熱的に減結合する中空室（８）が生じる。

Description

【発明の詳細な説明】 熱ダイヤフラムセンサ及びその製造方法 発明の背景 本発明は、請求項１の上位概念に基づくシリコン基板上の熱ダイヤフラムセン サの製造方法及びこの方法に基づき製造されたダイヤフラムセンサに関する。こ のような方法及びこのようなダイヤフラムセンサは、“ITG-Fachbericht 126:Se nsoren-Technologie und Anwendung”,p.285-289から公知である。 一般的技術の水準 シリコン基板上に堆積された薄い層、特にシリコン層であって、該層の下に間 隔を保持する自由空間が存在しかつそれに伴いダイヤフラムとして機能するもの は、工業技術において種々の目的のために使用される。このようなダイヤフラム 構成部品の使用分野は、センサにおいて、かつこの場合特に、物理的量、例えば 質量流量をダイヤフラム層内の温度変化の検出により検出可能である熱ダイヤフ ラムセンサにおいて生じる。 このような熱センサにおいては、薄いダイヤフラム層が可能な限り十分に熱的 に基板から減結合されていることである。このためには、流量センサ又は放射線 センサの製造のための慣用の技術においては、例えば センサ支持体として薄いダイヤフラムがシリコンウエーハの異方性背面エッチン グにより製造される。マスキングのために、両面リソグラフィーが使用され、こ のことは高い設備費用によってのみ可能である。更に、ウエーハ全体に亙る深い エッチング溝は機械的に弱い箇所を形成し、この箇所はウエーハの後での再加工 の際に、ウエーハ板を破損しないように細心の注意を必須要件とする。エッチン グストッパ面は傾斜して結晶内を延びているので、背面上の開口は前面上よりも 大きくなる。それにより、センサ当たりの必要なウエーハ面積が著しく増大せし められる。付加的に、金属からなる複雑な層ブロックの使用及びシリコンダイヤ フラム上のアイソレータは、例えば層相互の剥離による、層のドリフト及び長時 間安定性に関する大きな問題を惹起する。 この問題点を、上述のＩＴＧ専門レポート１２６は、多孔質シリコンの工業技 術を使用することにより回避している。この方法は、詳細には以下の工程を有す る： Ｉ 基板の主面に、ダイヤフラムを形成すべきシリコン基板上の領域を露出させ るエッチングマスクを形成する、 ＩＩ 所定の深さまで無支持の基板領域を電気化学的エッチングして、無支持の 領域内部に多孔質シリコンを形成する、 ＩＩＩ マスクを除去する、 ＩＶ 炭化シリコン又は窒化シリコンからなる薄いダイヤフラム層を堆積させる 、 Ｖ 炭化シリコン又は窒化シリコンからなるダイヤフラム層内の予め決めた領域 をダイヤフラム層の表面から開口を設ける、 ＶＩ ダイヤフラム層の上表面に回路構造を選択的に形成する、及び ＶＩＩ 犠牲層エッチングによりダイヤフラム層の下の多孔質シリコン層を除去 する。 もちろん、回路構造は公知の熱ダイヤフラムセンサにおいては金属原子をダイ ヤフラムの上面にスパッタリングにより堆積させており、それにより外的機械的 かつ化学的影響に対して敏感である。 発明の概要 上記の観点において、本発明の課題は、多孔質シリコンの工業技術を用いて熱 ダイヤフラムセンサを製造する方法及び該方法を用いて製造される、質量流量を 検出するためのダイヤフラムセンサを、その活性面が大きな基板間隔を有しかつ 回路素子が外的機械的及び化学的影響に対して十分に保護されように、表面マイ クロメカニックプロセスを用いて製造することができることを可能することであ る。 前記課題は、本発明により、請求の範囲に包含される特徴により解決される。 特に、該方法は、工程ＶＩにおいて回路構造をダイヤフラム層の表面に注入す ること特徴とする。 それにより、多孔質シリコンの工業技術を用いて廉価かつ急速に炭化シリコン ダイヤフラム又は窒化シリコンダイヤフラムをシリコン基板上に製造しかつ引き 続き本発明によりマスクしたドーピングにより耐熱性又は熱電センサを、その回 路構造が十分に外的機械的及び化学的作用に対して保護されるように製造する可 能性が提供される。 しかしながら、本発明による方法は、熱ダイヤフラムセンサの製造のためにだ け適当であるのではなく、あらゆる種類の、シリコン基板上に浮遊するダイヤフ ラムを使用する素子のために、例えば圧力又は負圧により偏位されるダイヤフラ ムを含むアクチュエータの製造のためにも好適である。該方法で達成可能なダイ ヤフラム厚さは数１０〜数１００ｎｍの範囲内にある。 好ましくは、フッ化水素酸電解液中での電気化学的陽極酸化プロセスによりシ リコン基板内に多孔質シリコン層を形成する。その上に堆積した、炭化シリコン 又は窒化シリコンからなる層は、好ましくは低温度ＬＰＣＶＤプロセス又は低温 度ＰＥＣＶＤプロセスにより形成する。選択的に、そのような１つの薄い層は反 応性スパッタリングプロセスによっても堆積させることができる。この場合特記 すべきことは、炭化シリコ ン層はその大きな機械的及び化学的強度もしくは抵抗性に関して傑出しているこ とである。引き続いてのリソグラフィー的構造化の際に、開口を炭化シリコン層 又は窒化シリコン層内に好ましくはドライエッチングプロセスにより、例えばプ ラズマエッチング機械で形成する。今や、さらなるリソグラフィー工程により、 耐熱性素子（ヒータ及びセンサ）のための所望の導体路を規定しかつ少なくとも １つの注入工程で製造する。導体路は、例えばアルミニウムから形成する。 このようにして、トラブルの起き易い中間層無しで耐熱性ユニットを直接ダイ ヤフラムの上表面において表面マイクロメカニックを用いて、熱センサがＣＭＯ Ｓ相溶性でありかつ外的機械的及び化学的影響に対して不感性であるように構成 することができる。 測定信号が耐熱性測定素子により発生される熱ダイヤフラムセンサに対して選 択的に、本発明による方法を用いて、大きなゼーベック効果を有する２種類の異 なった物質、例えばアンチモン／ビスマス又はシリコン／アルミニウムからなる 熱電堆をダイヤフラムの上表面に注入することにより、熱電効果を利用する熱ダ イヤフラムセンサを製造することができる。この場合には、さらなるリソグラフ ィーの後に追加的な注入を行う。 センサの機能劣化を惹起することがある汚れから付加的に保護するために、炭 化シリコン又は窒化シリコ ンからなる薄い全面保護層を被着することができる。 さらに、本発明による製造方法は、放射線センサ（ボロメータ）として使用さ れる熱ダイヤフラムセンサの製造のために使用することもできる。このためには 、例えば黒色金又は黒色シリコンからなる付加的な吸収体層を被着する。黒色金 は、約９８％の広帯域の強度の吸収を示しかつ低圧窒素雰囲気内での金の蒸発に より製造される。黒色シリコンは、堆積後に例えばプラズマエッチング機内で適 当なプロセス制御により製造される。 最後に、この時点まで薄いダイヤフラム層のための支持材料及びベースとして 利用された多孔質シリコンを適当な溶剤、例えばアンモニア中で除去する。それ により、センサダイヤフラムは無支持になり、ひいては基板から熱的に減結合さ れる。ここで、多孔質シリコンは出発材料に比較して極端に拡大された表面積を 有することに留意されるべきである。ナノ多孔質（nanoporoes）シリコンの表面 積のバルクシリコンの表面積に対する比は、約１０⁶である。 前述の本発明による方法は、その活性面が多孔質シリコンの使用される工業技 術に基づき極めて大きな基板間隔及びひいては基板からの十分な熱的減結合を有 する熱センサを表面マイクロメカニックでＣＭＯＳ相溶性に製造することを初め て可能にする。ダイヤフラムの支持体材料、例えば炭化シリコンは、化学的及び 機械的に極めて耐性である。 特に簡単な工程順序及び従来の構造化工程（ＫＯＨを用いた）に比較して少な いウエーハ面積消費に基づき、熱ダイヤフラムセンサの製造を極めて廉価に実施 することができる。全ての工程は、半導体製造で自由に使える。 本発明による製造方法の工程の好ましい実施例を、以下に添付図面を参照して 詳細に説明する。 図面符号１Ａ〜１Ｅは、熱ダイヤフラムセンサがその内部に形成されるウエー ハ領域の略示断面図の形での有利な実施例の個々の工程を示す。 図１Ａは工程Ｉ及びＩＩを示し、該工程によりまず適当に前処理した基板ブロ ック１の上表面にホトレジストの形のエッチングマスク３を被着し、次いでダイ ヤフラムを形成すべき領域を露光しかつ引き続き除去する（工程Ｉ）。次いで、 フッ化水素酸電解液中での電気化学的陽極酸化によりマスクした基板１を規定の 深さまで局所的に多孔性エッチングし、それにより多孔質シリコンからなる層２ を形成させる（工程ＩＩ）。 図１Ｂは、多孔質シリコンからなる層２上にマスク３の除去後に炭化シリコン 又は窒化シリコンからなる薄いダイヤフラム層４を低温度ＬＰＣＶＤプロセス又 は低温度ＰＥＶＣＤプロセス又は反応性スパッタリングにより堆積させる状態を 示す(工程ＩＩＩ及びＩＶ) 。 引き続き、図１Ｃに示すように、薄いダイヤフラム層４の上表面をリソグラフ ィーで構造化しかつダイヤフラム層４を例えばプラズマエッチング機内でドライ エッチング法により開口し、それによりダイヤフラム層４を貫通して多孔質シリ コン層２に達する開口５，７を生ぜしめる（工程Ｖ）。もちろん、ダイヤフラム の、図１Ｃで認識される層４の中央領域はブリッジによりダイヤフラム層の周辺 領域４’と繋がっている。 今や、図１Ｄに基づき、さらなるリソグラフィー工程により耐熱性素子、特に ヒータ及びセンサのための所望の半導体構造及び導体構造もしくは導体路を規定 し、注入工程でダイヤフラム層４の上表面に注入する(工程ＩＶ)。導体路の注入 のためには、特にアルミニウムが適当である。もちろん、ダイヤフラム４の上表 面において大きなゼーバック効果を有する２種類の異なった物質の注入により熱 電堆の形の耐熱性素子も注入により形成させることもできる。このような物質は 、例えばアンチモン／ビスマス及びシリコン／アルミニウムである。この場合、 さらなるリソグラフィー工程後に追加的な注入を実施する。 引き続き、必要であれば、センサの機能劣化を惹起することがある汚れ防止の ために、炭化シリコン又は窒化シリコンからなる付加的な薄い全面保護ダイヤフ ラム９を被着することもできる。 熱ダイヤフラムセンサを放射線センサ（ボロメータ）として使用する場合には 、例えば黒色金からなる付加的な（図示されていない）吸収体層を被着すること ができる。引き続き、図１Ｅに基づき、最後の工程ＶＩＩにより多孔質シリコン からなる犠牲層２を適当な溶剤、例えばアンモニアを用いて除去する。それによ りセンサダイヤフラム４はフリーになり、かつその下に生じる中空室により基体 １からのダイヤフラム及び耐熱性素子６の熱的減結合が達成される。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．以下の工程： Ｉ 基板の主面に、ダイヤフラムを形成すべきシリコン基板（１）上の領域を露 出させるエッチングマスクを形成する、 ＩＩ 所定の深さまで無支持の基板領域を電気化学的エッチングして、無支持の 領域内部に多孔質シリコン（２）を形成する、 ＩＩＩ マスクを除去する、 ＩＶ 炭化シリコン又は窒化シリコンからなる薄いダイヤフラム層（４）を堆積 させる、 Ｖ 炭化シリコン又は窒化シリコンからなる薄いダイヤフラム層（４）内の予め 決めた領域（５，７）を薄いダイヤフラム層の表面から開口を設ける、 ＶＩ ダイヤフラム層（４）の上表面に回路構造（６）を形成する、及び ＶＩＩ 犠牲層エッチングによりダイヤフラム層（４）の下の多孔質シリコン層 （２）を除去する を含む、特に熱ダイヤフラムセンサのための、シリコン基板（１）上に薄い無支 持のダイヤフラムを製造する方法において、工程ＶＩにおいて回路構造をダイヤ フラム層の上表面に注入すること特徴とする、シリコン基板上に無支持の薄ダイ ヤフラムを製造する方法。 ２．多孔質シリコン層（２）を形成するためのエッ チング工程ＩＩがフッ化水素酸電解液中での電気化学的陽極酸化プロセスを有す る、請求項１記載の方法。 ３．堆積工程ＩＶが低温ＬＰＣＶＤ−又は−ＰＥＣＶＤプロセスを有する、請 求項１又は２記載の方法。 ４．薄い炭化シリコン又は窒化シリコンのダイヤフラム層（４）を工程ＩＶに おいて反応性スパッタリングにより堆積させる、請求項１又は２記載の方法。 ５．炭化シリコンダイヤフラム層又は窒化シリコンダイヤフラム層内の開口（ ５，７）を工程Ｖにおいてドライエッチングプロセスで形成する、請求項１から ４までのいずれか１項記載の方法。 ６．工程Ｖにおけるドライエッチングプロセスをプラズマエッチングにより行 う、請求項５記載の方法。 ７．工程ＶＩにおいて形成した回路構造（６）がアルミニウムからなる導体路 を含む、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。 ８．工程ＶＩにおいて形成した回路構造（６）が半導体素子を含む、請求項１ から７までのいずれか１項記載の方法。 ９．工程ＶＩＩにおける犠牲層エッチングを例えばアンモニア、ＫＯＨ又は水 酸化テトラメチルアンモニウムを用いて実施する、請求項１から８までのいずれ か１項記載の方法。 １０．付加的工程において、ダイヤフラム（４）の上表面に薄い全面保護層（ ９）を被着する、請求項１ から９までのいずれか１項記載の方法。 １１．ダイヤフラム（４）の上表面上の薄い全面保護層（９）が炭化シリコン 又は窒化シリコンを有する、請求項１０記載の方法。 １２．請求項１から１１までのいずれか１項記載の方法に基づき製造された熱 ダイヤフラムセンサ。 １３．ダイヤフラムの上表面に注入された回路構造が大きなシーベック効果を 有する２種類の異なる物質からなる熱電堆を有する、請求項１２記載の熱ダイヤ フラムセンサ。 １４．放射線センサとして構成されかつ薄い全面保護層（９）上に形成された 追加的な吸収層を有する、請求項１２記載の熱ダイヤフラムセンサ。 １５．追加的吸収層が例えば黒色金又は黒色シリコンからなる、請求項１４記 載の熱ダイヤフラムセンサ。