JP2005055284A - タッチモード容量型圧力センサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 キャビティー内部の真空度を高めることにより測定開始圧力を低圧側にシフトさせるタッチモード容量型圧力センサを提供する。
【解決手段】 下部電極が設けられたガラス基板の面上に、圧力に応じて変形する上部電極が設けられたダイアフラム部を有するシリコン基板を、上部及び下部の電極が互いに対向し、且つ一定空隙を形成するように密閉接合させてキャビティー部を形成し、更に、ガラス基板を貫通し、キャビティー部まで達する貫通孔を少なくとも１つ以上開孔し、この貫通孔を介してキャビティー部内を真空引き後、この貫通孔を穴埋めすることで、接合時にキャビティー内に発生した酸素を排除することができる。その結果、キャビティー部内の真空度を高めることができるので、測定開始圧力を低圧側にシフトしたタッチモード容量型圧力センサを提供することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、タッチモード容量型圧力センサ及びその製造方法に関し、特にキャビティー内部の真空度を高めることにより測定開始圧力を低圧側にシフトさせたタッチモード容量型圧力センサ及びその製造方法に関する。

従来、静電容量型圧力センサは、圧力に応じて変形するダイアフラム（Diaphragm）が形成された基板と、導電膜が形成された基板とが、一定間隙を保持して互いに対向するように接合してなり、ダイアフラムと導電膜との間の静電容量の変化から圧力を検出するものである。

上記静電容量型圧力センサは、ダイアフラム、導電膜を形成するための基板として、それぞれシリコン、ガラスからなる基板を用いることができる。これにより基板（以下、ウエハともいう。）上に１度に大量のセンサ（ダイアフラム又は導電膜）を作製できることから、低コストで大量生産が可能であるという利点を有している。

このような静電容量型圧力センサの１つとしてタッチモード容量型圧力センサがある。特許文献１には、このタッチモード容量型圧力センサの一例が開示されている。

図３は、タッチモード容量型圧力センサ１００の構成を示す図である。図３（ａ）はタッチモード容量型圧力センサ１００の上面図であり、図３（ｂ）はＡ−Ａ断面図、図３（ｃ）はＢ−Ｂ断面図である。

このタッチモード容量型圧力センサ１００は、図３に（ｂ）（ｃ）示すように、ガラス基板１０６の面上に形成された導電膜（下部電極）１０１上に誘電体膜１０２を形成し、ダイアフラム部１０３をキャビティー部１０４を隔てて対向させた構造を有している。

ここでダイアフラム１０３が形成されているシリコン基板１０５と、導電膜１０１及び誘電体膜１０２が形成されているガラス基板１０６とは、通常、真空中で接合されるため、キャビティー部１０４の内部も真空となっている。

尚、ダイアフラム１０３とは、ｎ型シリコンに高濃度にボロンをドーピングしてなるＰ⁺層である。このためダイアフラム１０３を１つの電極と見なせば、圧力検出時には導電膜１０１、誘電体膜１０２及びダイアフラム１０３からなるコンデンサを形成していることになる。そこでダイアフラム１０３と誘電体膜１０２との接触面積の変化を両電極間の静電容量の変化として検出することで圧力測定が可能となる。

次に図４を参照して、タッチモード容量型圧力センサ１００の作用を説明する。図４は、タッチモード容量型圧力センサ１００のダイアフラムの変位図である。図４（ａ）は、ダイアフラムと誘電体膜の未接触状態を示し、図４（ｂ）は、ダイアフラムと誘電体膜の接触状態を示している。

圧力検出時は、図４（ｂ）に示すように、ダイアフラム１０３を押圧して撓わませることにより誘電体膜１０２とダイアフラム１０３を接触させる状態にする。このようにダイアフラム１０３を押圧して常に接触状態にすることで、キャビティー部１０４の静電容量を変化させ、外部電極１１３、１０８を介して圧力検出を行う。これがタッチモード容量型圧力センサ１００の１つの特徴である。

更にタッチモード容量型圧力センサ１００は、他の静電容量型圧力センサに比べて高感度で耐圧性が高く、圧力と静電容量が直線関係を持つ等の多くの優れた特性も有している。

続いてタッチモード容量型圧力センサ１００の静電容量と印加圧力の関係を説明する。図５は、静電容量と印加圧力の関係を示す特性グラフである。タッチモード容量型圧力センサ１００の特性上、ダイアフラム１０３が誘電体膜１０２に接触する前の低圧領域（未接触領域）では、感度はほとんどゼロである。しかしダイアフラム１０３が誘電体膜に接触すると、タッチモード容量型圧力センサ１００の静電圧力は一定の範囲内で圧力に対してほぼ直線的に増加（直線領域）し、更に圧力が高まると感度は次第に低下して静電容量の変化は飽和する（飽和領域）。

このようにダイアフラム１０３が誘電体膜１０２に接触する時の圧力、即ち測定開始圧力はダイアフラム１０３の厚さやキャビティー部１０４の高さ、またはキャビティー部１０４の圧力（真空度）に大きく依存している。

また、このシリコン単結晶を用いたダイアフラム１０３の形成には、ＫＯＨ（水酸化カリウム）、ＮａＯＨ（水酸化ナトリウム）等の無機系溶液やエチレンジアミン・ピロカテコール（ＥＤＰ）、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）等の有機系溶液を用い、シリコン単結晶の結晶方位によるエッチングレートの違いを利用した異方性エッチングによりなされることが多い。このエッチング溶液の中でもＫＯＨ水溶液は、他のエッチング溶液と比較してエッチングレートが大きいことや安価であることからシリコン単結晶の異方性エッチングにはよく用いられている。そこでＰ⁺層でのエッチストップ効果、即ちボロン濃度が１０¹⁹ｃｍ^-3を超えるような領域では、シリコン層と比べてエッチングレートが数十分の一から数百分の一になるという効果を利用して、通常、厚さ数μｍのダイアフラム１０３が形成する。このようにダイアフラム１０３の厚さや電極間隔の寸法を制御することにより、上述した直線領域を所望するセンサの動作領域に合わせることができ、例えばタイヤ圧検査用のセンサでは、１０ｋｇｆ／ｃｍ²程度の圧力範囲内で安定した動作を得ることもできる。
米国特許第５５２８４５２号明細書

ところで、図３（ａ）〜（ｃ）に示したタッチモード容量型圧力センサ１００は、ダイアフラム１０３が形成されたシリコン基板１０５と、誘電体膜１０２及び下部電極１０１が形成されたガラス基板１０６とを接合する技術として陽極接合を用いる。陽極接合は、シリコン基板１０５とガラス基板１０６とを貼り合せ、４００℃程度の温度でガラス基板１０６側に負の５００−１０００Ｖの電圧を印加することにより界面で大きな静電引力を発生させて接合する方法である。

陽極接合技術は、比較的低温でシリコン基板１０５とガラス基板１０６とを接合することができる優れた接合技術を有しているが、一方で接合の副産物として酸素が発生するという問題を有してる。

タッチモード容量型圧力センサ１００においては、この発生した酸素がキャビティー内１０４に取り込まれることにより、キャビティー内の真空度が低下し、測定開始圧力が大きくなるという問題が生じる。特に、乗用車用等のように低い圧力から圧力測定する必要がある場合にはこの問題が顕著となる。

本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、キャビティー内部の真空度を高めることにより、低圧領域からの測定が可能となるタッチモード容量型圧力センサ及びその製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１記載の本発明は、第１の電極が設けられた第１の基板の面上に、圧力に応じて変形する第２の電極が設けられたダイアフラム部を有する第２の基板を、第１及び第２の電極が互いに対向し、且つ、一定空隙を形成するように密閉接合させ、ダイアフラムを変形させることにより変化する空隙内の静電容量の変化に基づき圧力変化を検出するタッチモード容量型圧力センサにおいて、第１の基板を貫通し空隙に到達する貫通孔が少なくとも１つ以上開孔され、この貫通孔を介して空隙内が真空引きされた後、穴埋めされることを要旨とする。

請求項２記載の本発明は、請求項１記載のタッチモード容量型圧力センサであって、貫通孔は、第１の電極が設けられた領域外であって、且つ空隙内に開孔されることを要旨とする。

請求項３記載の本発明は、第１の基板の面上に第１の電極を設け、第２の基板に圧力に応じて変形する第２の電極が形成されたダイアフラム部を設け、第１及び第２の電極が互いに対向し、且つ一定空隙を形成するように密閉接合し、ダイアフラムを変形させることにより変化する空隙内の静電容量の変化に基づき圧力変化を検出するタッチモード容量型圧力センサの製造方法において、第１の基板を貫通し、空隙まで達する貫通孔を少なくとも１つ以上開孔する開孔工程と、貫通孔を介して空隙内を真空引きする真空引き工程と、真空引きされた状態で、この貫通孔を穴埋めする穴埋め工程とを有することを要旨とする。

請求項４記載の本発明は、請求項３記載のタッチモード容量型圧力センサの製造方法であって、開孔工程は、マイクロドリル、サンドブラスト、ＤＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching＝反応性イオンエッチング）又はウェットエッチングのうちいずれかの開孔方法で行うことを要旨とする。

請求項５記載の本発明は、請求項３記載のタッチモード容量型圧力センサの製造方法であって、穴埋め工程は、スパッタ、ＰＥＣＶＤ（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition＝プラズマＣＶＤ）又は真空印刷法のいずれかの１つの穴埋め方法で行うことを要旨とする。

本発明によれば、ガラス基板を貫通してキャビティー部まで達する貫通孔を少なくとも１つ以上形成し、貫通孔を介してキャビティー部内を真空引きした後、貫通孔を穴埋めする。これにより陽極接合時にキャビティー内に発生した酸素を外部に排除することができるので、低圧領域からの測定が可能な真空度の高いキャビティー部を有するタッチモード容量型圧力センサ及びその製造方法を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係るタッチモード容量型圧力センサの構成図である。図１（ａ）は、タッチモード容量型圧力センサの断面図であり、図１（ｂ）は、ガラス基板（第１の基板）を上方から見た上面図である。

図１（ａ）に示すように、タッチモード容量型圧力センサは、下部電極（第１の電極）１が設けられたガラス基板（第１の基板）６の面上に、圧力に応じて変形する上部電極（第２の電極）９が設けられたダイアフラム部３を有するシリコン基板（第２の基板）５を、下部電極１及び上部電極９が互いに対向させ、且つ、一定空隙（キャビティー部）４を形成するように密閉接合させてキャビティー部４を形成する。そしてガラス基板６を貫通してキャビティー部４まで達する貫通孔１０が少なくとも１つ以上開孔し、貫通孔１０を介してキャビティー部４内を真空引きした後、貫通孔１０を穴埋め１０ａしてなる構成を有してる。これにより陽極接合時に、キャビティー内４で発生した酸素を外部に排除することができるので、キャビティー部４内の真空度を高めることができる。その結果、タッチモード容量型圧力センサの測定開始圧力を低圧側にシフトさせることができる。

この貫通孔１０は、図１（ｂ）に示すように、ガラス基板６及びガラス膜２を貫通するように開孔されているが、このとき下部電極１を貫通しないように下部電極１の領域外に開孔する。また貫通孔１０は、下部電極１が形成された領域外であって、且つ、キャビティー部４内に開孔する。

図２は、本発明の実施の形態に係るタッチモード容量型圧力センサの製造方法を示す工程図である。ここで図２（ａ１）〜（ａ６）はガラス基板１６の工程図であり、図２（ｂ１）〜（ｂ３）はシリコン基板１５の工程図、図２（ｃ１）〜（ｃ２）はこれらの接合工程図である。

（ガラス基板１６製造工程）
先ず図２（ａ１）に示すように、ガラス基板１６を用意し、表面を洗浄する。ガラス基板１６は、パイレックス（登録商標）ガラス等の硬質ガラスが好適に用いられるが、セラミック材でもよい。

次に、図２（ａ２）に示すように、ガラス基板１６上に、スパッタリングにより金属膜１１を形成し、金属膜１１上にフォトレジストを塗布して（図示せず）、フォトリソグラフィー技術によりパターニングする。パターンニングされたレジストをマスクにして、ウェットエッチングにより下部電極領域外をエッチングし、ガラス基板１６上に残されたレジストを除去することで、下部電極１１を形成する。

続いて、図２（ａ３）に示すように、下部電極１１が形成されたガラス基板１６上に、スパッタリングにより誘電体膜として機能するガラス膜１２を積層させる。

次いで、図２（ａ４）に示すように、ガラス膜１２上にフォトレジストを塗布して、フォトリソグラフィー技術によりパターニングし、ホールを開孔する（図示せず）。次いで、このレジストをレジストマスクにして、ウェットエッチングにより下部電極１１まで貫通するコンタクトホール１７を開孔する。ガラス基板１６上のレジストを除去することで、下部電極１１上にコンタクトホール１７が開孔される。

続いて、図２（ａ５）に示すように、コンタクトホール１７が開孔されたガラス膜１２上にスパッタリングによりアルミニウム等の金属膜を均一に蒸着させコンタクトホール１７を埋めると共に、ガラス膜１２上にアルミニウム等の金属を蒸着させる。そしてアルミニウム膜上にフォトレジストを塗布して（図示せず）、フォトリソグラフィー技術によりパターニングし、下部電極１１から引き出された後に外部電極となる領域外のレジストを除去し、このレジストをレジストマスクにしてウェットエッチングによりアルミニウム膜を除去する。そして外部電極領域上のレジストを除去することで、コンタクト並びに外部電極１８が形成される。

次いで、図２（ａ６）に示すように、ガラス基板１６にマイクロドリル、ＤＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching＝反応性イオンエッチング）、サンドブラスト、又はウェットエッチング等の開孔工法により貫通孔２０を開孔する。（このとき貫通孔２０は、図１（ｂ）に示すように、下部電極１１の領域外であって、キャビティー部４の内部に位置する部分に開孔する。またここで貫通孔２０の開孔径は２０〜１００μｍとする。）
尚、ここでマイクロドリルとは、数μｍ〜数百μｍの直径を有するドリルを備える穴あけ加工機である。またサンドブラストとは、金剛砂などをコンプレッサーから圧縮された圧搾空気と共に小さなノズルから対象面に対して吹き出し、マスクで保護されていない部分を掘削する穴あけ方法である。

（シリコン基板１５製造工程）
次に、シリコン基板１５の製造工程を説明する。

先ず図２（ｂ１）に示すように、シリコン単結晶からなるｎ型シリコン基板１５を用意し、表面を洗浄する。

次に、図２（ｂ２）に示すように、シリコン基板１５上にフォトレジストを塗布し（図示せず）、これをフォトリソグラフィー技術によりパターニングして上部電極領域を開孔する。次いで、開孔されたレジストをレジストマスクにして異方性エッチングによりシリコン基板１５上にギャップ（凹部）を形成する。そして、シリコン基板１５上の余分なレジストを除去し洗浄することで、ギャップを有するシリコン基板１５を形成する。

続いて、図２（ｂ３）に示すように、ギャップが形成されている面にボロンを高濃度に拡散し、ｎ型シリコンにＰ⁺層を形成する。このＰ⁺層が上部電極１９となる。

（陽極接合工程）
続いて、陽極接合工程を説明する。

図２（ｃ１）に示すように、上部電極１９が形成されているシリコン基板１５と、下部電極１１及びガラス膜１２が形成されているガラス基板１６を用意し、下部電極１及び上部電極９が互いに対向するようにシリコン基板１５とガラス基板１６とを貼り合せ、これを真空容器に収容し、容器内を４００℃程度の温度に設定して、ガラス基板１６側に負の５００−１０００Ｖの電圧を印加することにより、ガラス基板１６の界面で発生する大きな静電引力で接合する。ここで電圧印加によりキャビティー部４内に酸素が発生するので、貫通孔２０を介して従来よりも長く３０分間以上の真空引きを行う。これによりキャビティー部４内の真空度は１０^-3〜１０^-4程度になる。

次いで、図２（ｃ２）に示すように、上記真空引きを行っている状態で、貫通孔２０を、スパッタ、ＰＥＣＶＤ（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition＝プラズマＣＶＤ）、又は真空印刷法等のいずれかの真空プロセスにより穴埋めする。

またシリコン基板１５をＫＯＨ、ＴＭＡＨ等を用いた異方性エッチングを用いることにより厚さが数μｍとなるようにダイアフラム１３を加工する。尚ここでＰ⁺層でのエッチストップ効果を利用することでダイアフラムが数μｍで形成することが可能である。

従って上記構成によれば、陽極接合時にキャビティー内部１４に酸素が発生しても、ガラス基板１６に開孔した貫通孔２０を介して真空引きを行うことができるのでキャビティー内部１４の真空度を高めることができる。

また、真空引きしている状態で貫通孔２０の穴埋め２０ａを行うことにより真空度を保持した状態でキャビティー内部１４を密閉することができるので、通常、２００〜３００ｋＰａ程度であった測定開始圧力を、１００ｋＰａ（大気圧）から測定可能とすることができる。

以上により本発明によれば、測定開始圧力を低圧側にシフトさせるタッチモード容量型圧力センサを提供することができる。

本発明の実施の形態に係るタッチモード容量型圧力センサの構成図である。 本発明の実施の形態に係るタッチモード容量型圧力センサの製造方法を示す工程図である。 従来のタッチモード容量型圧力センサの構成図である。 従来のタッチモード容量型圧力センサの作用を示す図である。 従来のタッチモード容量型圧力センサの静電容量−圧力印加関係を示す特性グラフである。

符号の説明

１，１１…下部電極（金属膜）
２，１２…ガラス膜
３，１３…ダイアフラム部
４，１４…キャビティー部
５，１５…シリコン基板
６，１６…ガラス基板
１７…コンタクトホール
８，１８…外部電極
９，１９…上部電極
１０，２０…貫通孔
１００…タッチモード容量型圧力センサ
１０１，１２１…下部電極（第１の電極，導電膜，金属膜））
１０２…誘電体膜
１０３…ダイアフラム（第２の電極）
１０４，１２５…キャビティー部
１０５，１３０…シリコン基板（第１の基板）
１０６，１２０…ガラス基板（第２の基板）
１２２…ガラス膜
１２３…コンタクトホール
１２４…外部電極
１３１…上部電極

Claims (5)

1. 第１の電極が設けられた第１の基板の面上に、圧力に応じて変形する第２の電極が設けられたダイアフラム部を有する第２の基板を、前記第１及び第２の電極が互いに対向し、且つ、一定空隙を形成するように密閉接合させ、前記ダイアフラムを変形させることにより変化する前記空隙内の静電容量の変化に基づき圧力変化を検出するタッチモード容量型圧力センサにおいて、
   前記第１の基板を貫通し前記空隙に到達する貫通孔が少なくとも１つ以上開孔され、該貫通孔を介して前記空隙内が真空引きされた後、穴埋めされることを特徴とするタッチモード容量型圧力センサ。
2. 前記貫通孔は、
   前記第１の電極が設けられた領域外であり、且つ、前記空隙内に開孔されることを特徴とする請求項１記載のタッチモード容量型圧力センサ。
3. 第１の基板の面上に第１の電極を形成し、第２の基板に圧力に応じて変形する第２の電極が形成されたダイアフラム部を形成し、前記第１及び第２の電極が互いに対向し、且つ、一定空隙を形成するように密閉接合して、前記ダイアフラムの変形により変化する前記空隙内の静電容量の変化に基づき圧力変化を検出するタッチモード容量型圧力センサの製造方法において、
   前記第１の基板を貫通し、前記空隙まで到達する貫通孔を少なくとも１つ以上開孔する開孔工程と、
   前記貫通孔を介して前記空隙内を真空引きする真空引き工程と、
   真空状態で、該貫通孔を穴埋めする穴埋め工程と
   を有することを特徴とするタッチモード容量型圧力センサの製造方法。
4. 前記開孔工程は、
   マイクロドリル、サンドブラスト、ＤＲＩＥ又はウェットエッチングのいずれかの開孔方法で行うことを特徴とする請求項３記載のタッチモード容量型圧力センサの製造方法。
5. 前記穴埋め工程は、
   スパッタ法、ＰＥＣＶＤ法又は真空印刷法のいずれかの封止方法で行うことを特徴とする請求項３記載のタッチモード容量型圧力センサの製造方法。

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