JP2002267560A

JP2002267560A - 圧力センサの製造方法

Info

Publication number: JP2002267560A
Application number: JP2001069738A
Authority: JP
Inventors: Haruzo Miyashita; 治三宮下; Yasushi Kitamura; 恭志北村
Original assignee: Anelva Corp
Current assignee: Canon Anelva Corp
Priority date: 2001-03-13
Filing date: 2001-03-13
Publication date: 2002-09-18

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、圧力センサの導電性基板及びその
接合部を保護する耐蝕性金属薄膜を所望のパターンに精
度良く形成可能なパターニング技術を確立し、高信頼性
の圧力センサを製造可能な製造方法を提供することを目
的とする。【解決手段】いずれか一方に凹部を形成した導電性基板
と絶縁性基板とを接合し、絶縁性基板上の接合側の周辺
部をシール材を介して真空容器に取り付け、凹部の静電
容量を計測して真空容器内部の圧力を求める圧力センサ
の製造方法において、導電性基板又は絶縁性基板に凹部
を形成する工程と、絶縁性基板上のシール部に第１の金
属薄膜を形成する工程と、絶縁性基板に導電性基板を接
合する工程と、導電性基板側に第２の金属薄膜を形成す
る工程と、第１の金属薄膜を除去して、その上に形成さ
れた第２の金属薄膜をリフトオフする工程と、からなる
ことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は圧力センサの製造方
法に係り、特にダイヤフラムをフッ素系ガス等の腐食性
ガスから保護するパターン状の金属薄膜を形成した圧力
センサの製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般的な圧力センサの構造及びその取り
付け方法等を図３及び図４を参照して説明する。図３
は、一般的な静電容量型の圧力センサを示す模式的断面
図であり、圧力により撓み量が変化するダイヤフラムと
これに対向して設けられた電極とからなり、ダイヤフラ
ムと電極との間の静電容量を計測することにより圧力を
求めるセンサである。

【０００３】基板１にはパイレックスガラス（コーニン
グ社製）等の絶縁性基板、ダイヤフラム４を形成する基
板２にはボロンをドープしたシリコン等の導電性基板が
用いられ、図３（ａ）に示すように、シリコン基板２と
ガラス基板１の間には基準圧力室３となる空洞が形成さ
れる。また、空洞内のガラス基板１上には電極５が形成
され、ダイヤフラム４及び電極５は、ガラス基板１を貫
通する配線６，７に連結されている。

【０００４】この圧力センサは、図３（ｂ）に示すよう
に、Ｏリング等のシール材１４を介してケース１０に押
しつけられ、真空容器に取り付けられる。なお、配線
６，７は、ガラス基板の裏側から導線１３を介して電気
回路１１に接続され、電気回路は上カバー１２で保護さ
れる。圧力センサをこのように取り付けることにより、
真空容器内と基準圧力室３との圧力差に応じてダイヤフ
ラムの撓み量は変化し、その結果、静電容量は変化す
る。従って、この静電容量の変化量を配線６，７、導線
１３を介して電気回路１１で計測することにより、真空
容器中の圧力測定が可能となる。なお、図には示してい
ないが、基準圧力室３の内部には、通常、ダイヤフラム
の撓み量を補正するための補助電極や微少リーク、脱ガ
スによる基準圧力室の圧力上昇を抑えるためのゲッタ材
が取り付けられる。

【０００５】しかしながら、フッ素系ガスのような腐食
性ガスの圧力を測定する場合は、フッ素系ガス及びその
ラジカル等の活性種によりシリコン自体及びガラスとの
接合部が侵食されるためセンサ寿命が短くなり、また寿
命に至るまでの間においても測定精度が低下してしまう
という問題がある。これを防止する目的でシリコン及び
その接合部を覆うように耐蝕性の金属薄膜が形成されて
いる。なお、シール部に金属薄膜が存在すると真空シー
ルの信頼性が低下するため、Ｏリングとの接触部となる
ガラス基板周辺部９の金属薄膜は除去される。

【０００６】図３（ａ）に示した圧力センサは、例え
ば、図４に示す工程により作製される。配線６，７用の
貫通孔２０，２１が形成されたガラス基板１を用意し、
この上に所定の形状のボロンドープシリコン電極５を形
成し、続いて基板外周部のＯリング接触部９に後工程の
リフトオフに用いるレジスト２２を形成する（ａ）。一
方、シリコン基板２は、表面の酸化膜２３のパターニン
グを行った後（ｂ）、水酸化テトラメチルアンモニウム
（ＴＭＡＨ）に浸漬しシリコンを１０〜１５μｍエッチ
ングして、基準圧力室となる凹部３を形成する（ｃ）。

【０００７】酸化膜２３を除去し、再び基板全面に酸化
膜を形成した後、ボロン拡散用酸化膜２４のパターニン
グを行う（ｄ）。熱拡散によりボロン拡散層２５を形成
し（ｅ）、続いて、裏面側酸化膜のパターニングを行っ
てダイヤフラム形成及び素子分離のための酸化膜２６を
形成する（ｆ）。この段階で、真空中でガラス基板１と
シリコン２とを重ね合わせ、加熱しながら両基板間に電
圧を印加して陽極接合する（ｇ）。エチレンジアミンピ
ロカテコール水溶液（ＥＰＷ）によりシリコンの異方性
エッチングを行い、ダイヤフラム４を形成するとともに
各素子を連結するシリコンを取り除く（ｈ）。続いて、
スパッタ等により金属薄膜８を全面に形成した後
（ｉ）、レジストのリムーバ液に浸漬し、ガラス基板周
辺部のレジスト２２を除去するとともに、その上に形成
された金属薄膜をリフトオフする（ｊ）。ガラス基板上
に金属薄膜を形成しパターニングして配線６，７を形成
し、最後に、ダイシングソー等により各素子を切断して
センサを完成する（ｋ）。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】以上の製造方法は、以
下に述べるように、歩留まりが低く、またセンサとして
の信頼性に欠けるという問題がある。例えば、シリコン
基板２をガラス基板１に接合する際、レジスト２２が基
板上に形成されているため、あまり高温には加熱できな
い。従って、強固な接合が得られにくく、接合部でリー
クが生じたり、場合によっては衝撃等により接合がはず
れてしまうことがあり、信頼性に乏しいという問題があ
った。また、加熱によりレジストが変質してしまい、レ
ジスト除去後もガラス基板上にレジスト残渣が残った
り、あるいは金属薄膜８を形成する前にレジスト２２が
剥がれてしまい、本来の役割を果たすことができず、そ
の結果、Ｏリングとの接触部がリークの原因となるとい
う問題があった。

【０００９】一方、この問題を避けるために、レジスト
パターン形成の前に、シリコンとガラス基板の接合工程
を先に行う方法もあるが、この時点でシリコンが４００
μｍ程度の突起構造となってしまうため均一なレジスト
塗布が行えず、また、突起構造の高さはパターン形成部
のレジスト層よりも遙かに厚いため、実際上露光を行っ
て所望の形状のレジストパターンを形成することは困難
である。また、フォトレジスト噴霧器と呼ばれる特殊な
フォトレジスト塗布装置を用いてレジストを均一に塗布
したとしても、マスクと基板の間には突起構造の高さ以
上の間隙が存在するために、精度良くパターンを形成す
ることは困難という問題がある。

【００１０】また、耐蝕性の高い金属薄膜を形成するに
は形成時に基板を加熱して、密着性に優れ且つ緻密な金
属薄膜を形成する必要があるが、この場合も、レジスト
からの脱ガスが薄膜の密着性、緻密性を低下させてしま
うとともに、上述したようにレジストの変質という問題
もある。さらには、異方性エッチングの際にレジストが
剥離する場合もある。以上のように、突起構造を保護す
る金属薄膜パターンの形成には多くの問題があり、これ
らが圧力センサの信頼性及び歩留まりを低下させる主な
原因となっている。

【００１１】かかる状況に鑑み、本発明は、圧力センサ
の導電性基板及び接合部を保護する耐蝕性金属薄膜を所
望のパターンに精度良く形成可能なパターニング技術を
確立し、その結果として高信頼性の圧力センサを高い歩
留まりで製造できる圧力センサの製造方法を提供するこ
とを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の圧力センサの製
造方法は、いずれか一方に凹部を形成した導電性基板と
絶縁性基板とを該凹部を内側にして接合し、前記絶縁性
基板上の接合側の周辺部をシール材を介して真空容器に
取り付け、前記凹部の静電容量を計測して真空容器内部
の圧力を測定する圧力センサの製造方法において、前記
導電性基板又は前記絶縁性基板に凹部を形成する工程
と、前記絶縁性基板上のシール部に第１の金属薄膜を形
成する工程と、前記絶縁性基板の前記シール部の内側に
前記導電性基板を接合する工程と、前記導電性基板側に
第２の金属薄膜を形成する工程と、前記第１の金属薄膜
のエッチング液により前記第１の金属薄膜を除去して、
その上に形成された第２の金属薄膜をリフトオフする工
程と、からなることを特徴とする。

【００１３】このように、保護膜となる第２の金属薄膜
をリフトオフによりパターニングする際の下地膜とし
て、耐熱性のある第１の金属薄膜を用いることにより、
導電性基板と絶縁性基板との接合を高温で行うことが可
能となる。従って、接合部でリークのない強固な接合を
行うことが可能となるとともに、この第１の金属薄膜は
高温でも変質しないことからリフトオフ工程で完全に除
去され、シール部に残渣が残ってリークの原因となるこ
とはない。この結果、信頼性の高い圧力センサを歩留ま
り良く生産することが可能となる。また、第２の金属薄
膜を所望の成膜条件で形成できるため、緻密且つ密着性
に優れた膜を形成することが可能となり、センサの寿命
及び信頼性を向上させることができる。

【００１４】ここで、導電性基板としてはシリコン基板
が好適に用いられ、異方性エッチングを採用することに
より、所望の形状及び内部構造の圧力センサを高精度か
つ高歩留まりで製造することが可能となる。なお、前記
接合工程の後、前記導電性基板の前記凹部分の反対面を
エッチングして、該部分の肉厚を薄くするのが好まし
い。ダイヤフラム部をより薄くすることにより、より高
感度の圧力センサが可能となる。また、接合工程の後
に、この薄層化工程を行うことにより、接合時の基板破
損等の事故を低減でき、基板の取り扱い性が向上する。
また、前記第１及び第２の金属薄膜は、ぞれぞれＣｒ及
びＣｕとするのが好ましく、リフトオフ時のＣｒのエッ
チングに例えば、希塩酸、希硫酸等のエッチング液を用
いることにより、Ｃｕ膜のパターニングを高精度に行う
ことができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、添付図を参照して本発明の
実施の形態について説明するが、構造及び構成について
は本発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎ
ず、また形状や材質については例示に過ぎない。したが
って、本発明は以下の実施の形態に限定されず、特許請
求の範囲の記載に基づいて様々の形態に変更可能であ
る。図１は本発明の圧力センサの製造方法の一例を説明
する模式的断面図であるが、図３及び４で説明した実質
的に同一の要素には同一の符号を記し、説明を省略す
る。

【００１６】絶縁性基板にパイレックスガラスを用い、
導電性基板に（１００）シリコン基板を用いた場合の圧
力センサ製造方法を図１及び図２に基づいて説明する。
まず、ガラス基板上に電極５を形成する方法を図２を用
いて説明する。配線用貫通孔２０，２１が形成されたガ
ラス基板１上に外周部のＯリング接触部９を残してレジ
スト２７を形成した後、Ｃｒ薄膜を全面に形成する
（ａ）。これを、レジストリムーバ液に浸漬し、リフト
オフによるＣｒ膜のパターニングを行う（ｂ）。このよ
うにして、基板外周部のＯリング接触部９にＣｒ膜１５
が形成される。電極５となるシリコン基板３０は、両面
に酸化膜３１を形成した後、ボロン拡散用の窓３２をあ
ける（ｃ）。熱拡散により６〜７μｍのボロン拡散層３
３を形成した後（ｄ）、酸化膜３１を除去し（ｅ）、続
いてＥＰＷによりシリコンのエッチングを行う（ｆ）。
ガラス基板１とシリコン基板３０とを陽極接合法により
接合させた後（ｇ）、再びＥＰＷに浸漬し、ボロン拡散
層以外のシリコンを除去して電極５を形成する（ｈ）。
このようにして、ガラス基板１の準備を終了する。

【００１７】次に、ダイヤフラム部を形成するシリコン
の加工方法及びガラス基板との接合を経て圧力センサを
完成するまでの手順を図１を用いて説明する。（１０
０）シリコン基板２は、酸化膜２３のパターニングを行
った後（ａ）、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭ
ＡＨ）に浸漬し、シリコンを１０〜１５μｍエッチング
して基準圧力室となる凹部３を形成する（ｂ）。酸化膜
２３を除去し、再び基板全面に酸化膜を形成した後、ボ
ロン拡散用酸化膜２４のパターニングを行う（ｃ）。６
〜７μｍ程度のボロン拡散層２５を形成した後（ｄ）、
裏面側の酸化膜をパターニングして、ダイヤフラム形成
及び素子分離のための酸化膜２６を形成する（ｅ）。

【００１８】ここで、電極５、Ｃｒ膜１５を形成したガ
ラス基板１とシリコン基板２とを重ね合わせ、真空中で
３００〜４００℃程度に加熱しながら両基板間に３００
〜１０００Ｖの電圧を印加して陽極接合する（ｆ）。こ
の条件で接合することにより、両基板は強固に結合し基
準圧力室３は真空で封止され気密性良く外部と遮断され
る。続いて、ＥＰＷによりシリコンの異方性エッチング
を行い、ダイヤフラム４を形成するとともに各素子間の
シリコンを分離する（ｇ）。Ｃｒ薄膜は、上述の接合温
度やこのようなエッチング液に対しても安定であり変質
することはなく、後述するリフトオフ時には完全に除去
される。

【００１９】その後、基板を２００℃程度に加熱しなが
ら、スパッタ等によりＣｕ薄膜８を全面に形成する
（ｈ）。このように基板を加熱することにより、緻密な
Ｃｕ膜を密着性良く形成することができ、フッ素ラジカ
ル等の活性種からダイヤフラム等を確実に保護すること
ができる。次に、例えば、希塩酸溶液のようにＣｒを溶
解し、Ｃｕとは反応しない溶液に基板を浸漬し、ガラス
基板周辺部のＣｒ膜を除去するとともに、その上に形成
されたＣｕ薄膜をリフトオフする（ｉ）。ガラス基板１
の反対側にＡｌ等の金属薄膜を形成しパターニングして
配線６，７を形成し、最後に、ダイシングソー等により
各素子を切断してセンサを完成する（ｊ）。以上の工程
により、最小線幅１５０μｍで外寸１１ｍｍの圧力セン
サを高い歩留まりで製造できることが確認されている
が、本発明の製造方法は、条件を適正化することによ
り、より一層小型の圧力センサに適用できることは言う
でもない。また、以上のようにして作製した圧力センサ
は、Ｃｕ保護膜の耐蝕性及び基準圧力室の気密性に優れ
ているため、腐食性雰囲気内でも長期にわたり安定した
圧力測定が可能となる。

【００２０】上記実施の形態では、絶縁性基板としてガ
ラスを用いたが、本発明においては、ＳｉＯ_２、Ｓｉ_３
Ｎ_４、Ａｌ_２Ｏ_３やこれらを金属、半導体等の表面に形
成したものも用いることができる。また、導電性基板と
してボロンをドープしたシリコンを用い、異方性エッチ
ングにより基準圧力室、ダイヤフラム等を形成したが、
本発明はこれに限ることはない。即ち、Ｐ、Ａｓ等他の
不純物をドープしたシリコンを用いても良いし、他の材
質であっても良い。また、エッチング方法も異方性エッ
チングに限らず、等方的なエッチングの他、ドライエッ
チングも用いることができる。

【００２１】また、保護膜として用いる第２の金属とし
ては、Ｃｕが安価で好適に用いられるが、Ｎｉ、Ａｕ、
Ｐｔ等の金属、合金を用いても良い。第１の金属も、耐
熱性を有するものであればＣｒに限ることはない。さら
に、リフトオフ用のエッチング液も、第１の金属と第２
の金属との溶解性にある程度の違いがあるものであれ
ば、希塩酸、希硫酸に限ることはない。さらに、図１の
圧力センサには、図示しなかったが、個々の圧力センサ
の測定誤差（主に周辺温度の変化に起因する誤差）を補
正するために電極５の周辺に補正電極が設けられるが、
これは、電極５の形成時に同時に形成すればよい。

【００２２】

【発明の効果】本発明は、金属保護膜のパターニングに
リフトオフ法を用い、かつ下地膜にＣｒ等の金属薄膜を
用いたため、導電性基板と絶縁性基板とを強固に接合す
ることが可能となり、その結果、基準圧力室のシールが
確実となって信頼性の高い圧力センサを高歩留まりで作
製することが可能となる。また、保護膜の成膜プロセス
条件を自由に選択することができ、密着性、緻密性に優
れた耐食性の高い保護膜を形成することが可能となる。
これにより、種々のセンサの構造や性能の改善などに対
応することが可能となり、より小型で高性能センサを実
現できるとともに、高い歩留まりでこれらのセンサを製
造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧力センサの製造方法の一例を説明す
る模式図である。

【図２】本発明の圧力センサの製造方法の一例を説明す
る模式図である。

【図３】圧力センサの構造及びその取り付け方法を示す
模式図である。

【図４】従来の圧力センサの製造方法を説明する模式図
である。

【符号の説明】

１絶縁性基板（ガラス）、２導電性基板（シリコン）、３基準圧力室（凹部）、４ダイヤフラム、５電極、６，７配線、８第２の金属薄膜（Ｃｕ）、９Ｏリング接触部、１０ケース、１１電気回路、１２上カバー、１３導線、１４シール材、１５第１の金属薄膜（Ｃｒ）、２０，２１貫通孔、２２、２７レジスト、２３，２４、３１酸化膜、２５、３３ボロン拡散層、２６ダイヤフラム形成用酸化膜、２８Ｃｒ膜、３０シリコン基板、３２ボロン拡散用の窓。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2F055 AA31 BB01 BB08 CC02 DD01 DD05 DD07 EE25 FF38 FF43 GG01 GG12 4M112 DA03 DA04 5F043 AA02 AA22 AA27 BB02 BB15 DD18 GG10

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】いずれか一方に凹部を形成した導電性基
板と絶縁性基板とを該凹部を内側にして接合し、前記絶
縁性基板上の接合側の周辺部をシール材を介して真空容
器に取り付け、前記凹部の静電容量を計測して真空容器
内部の圧力を測定する圧力センサの製造方法において、前記導電性基板又は前記絶縁性基板に凹部を形成する工
程と、前記絶縁性基板上のシール部に第１の金属薄膜を形成す
る工程と、前記絶縁性基板の前記シール部の内側に前記導電性基板
を接合する工程と、前記導電性基板側に第２の金属薄膜を形成する工程と、前記第１の金属薄膜のエッチング液により前記第１の金
属薄膜を除去して、その上に形成された第２の金属薄膜
をリフトオフする工程と、からなることを特徴とする圧
力センサの製造方法。
【請求項２】前記接合工程の後、前記導電性基板の前
記凹部分の反対面をエッチングして、該部分の肉厚を薄
くすることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサの
製造方法。
【請求項３】前記導電性基板はシリコンであり、異方
性エッチングにより前記部分を薄くすることを特徴とす
る請求項２に記載の圧力センサの製造方法。
【請求項４】前記第１及び第２の金属薄膜は、それぞ
れＣｒ及びＣｕであることを特徴とする請求項１〜３の
いずれか１項に記載の圧力センサの製造方法。