JP2005283355A

JP2005283355A - 静電容量型圧力センサおよびその製造方法

Info

Publication number: JP2005283355A
Application number: JP2004098181A
Authority: JP
Inventors: Manabu Tamura; 学田村
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2004-03-30
Filing date: 2004-03-30
Publication date: 2005-10-13

Abstract

【課題】一定の寸法精度を保ち、かつ効率的に安定して製造が可能な圧力センサおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】圧力センサ１０は、シリコン基板１１とこのシリコン基板１１の上面の一部を覆うキャビティー枠体２０とから構成される。シリコン基板１１の上面１１ａに形成されるキャビティー枠体２０は、ダイヤフラム１４と、このダイヤフラムを周縁から支持するサイドウォール（絶縁体）１５とからなる。シリコン基板１１の上面１１ａとダイヤフラム１４およびサイドウォール１５によって一定の静電容量を持つ空間１６が区画される。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板に一定の空間を保って形成されたダイヤフラムの湾曲によって圧力変動を検出する静電容量型圧力センサおよびその製造方法に関する。

例えば、特許文献１には、シリコン基板の所定領域に溝や穴を形成してから熱処理を行って溝や穴を形成した部分に空間を形成させ、この空間を区画する壁面の一部をダイヤフラムとし、ダイヤフラムの湾曲による空間の静電容量変化によって圧力変動を検出する圧力センサが記載されている。こうした従来の圧力センサでは、製造工程での熱処理によってシリコンを流動化させ、表面に集まったシリコンをダイヤフラムとして圧力センサを形成している。
特開２００２−００５７６３号公報

しかしながら、特許文献１に示す圧力センサでは、熱処理によるシリコンを流動化によってダイヤフラムを形成しているので、ダイヤフラムの厚みや空間の寸法を均一に保って形成することが難しく、形成精度のバラつきによって一定の検出精度を保って圧力センサを製造するのが困難であるという課題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、一定の寸法精度を保ち、かつ効率的に安定して製造が可能な圧力センサおよびその製造方法を提供する。

上記の目的を達成するために、本発明によれば、シリコン基板と、このシリコン基板上に一定の空間を空けて形成された薄板状のシリコンダイヤフラムと、このシリコンダイヤフラムの外周端面と前記空間とを覆い、前記シリコンダイヤフラムを支持する絶縁体とを備えることを特徴とする静電容量型圧力センサが提供される

前記シリコンダイヤフラムは、単結晶シリコンから構成されれば良い。また、前記絶縁体は、シリコン酸化膜あるいはシリコン窒化膜から構成されればよい。そして、このような静電容量型圧力センサが前記シリコン基板上に複数個配列され、前記シリコンダイヤフラムが単一の導電膜で電気的に接続されたことを特徴とする静電容量型圧力センサユニットが提供される。

本発明によれば、シリコン基板上にＳｉＧｅ層とＳｉ層とを順に積層し、前記Ｓｉ層の一部を前記シリコン基板に対して一定の空間を保って絶縁膜によって支持されるシリコンダイヤフラムとして形成する静電容量型圧力センサの製造方法であって、前記シリコン基板上に前記ＳｉＧｅ層と前記Ｓｉ層とを連続してエピタキシャル成長させる工程と、前記シリコンダイヤフラムを成す領域の外周を囲み、ほぼ対向する位置に前記ＳｉＧｅ層と前記Ｓｉ層とをエッチングして前記シリコン基板が露出した一対の第１開口部を形成する工程と、前記第１開口部より、前記ＳｉＧｅ層の前記空間を成す領域をエッチングして除去する工程と、第１絶縁膜を前記シリコン基板の全面に形成する工程と、前記外周のうち前記第１開口部で囲まれた以外の外周領域に、前記第１絶縁膜および前記ＳｉＧｅ層と前記Ｓｉ層とをエッチングして、前記シリコン基板が露出する一対の第２開口部を形成する工程と、第２絶縁膜を前記シリコン基板の全面に形成する工程と、前記第１絶縁膜および第２絶縁膜とをエッチバックして前記外周の全縁に前記シリコンダイヤフラムを支持するサイドウォールを形成する工程とを備えることを特徴とする静電容量型圧力センサの製造方法が提供される。

また、本発明によれば、シリコン基板上にＳｉＯ_２層とＳｉ層とが順に積層されたＳＯＩ基板を用い、前記Ｓｉ層の一部を前記シリコン基板に対して一定の空間を保って絶縁膜によって支持されるシリコンダイヤフラムとして形成する静電容量型圧力センサの製造方法であって、前記シリコンダイヤフラムを成す領域の外周を囲み、ほぼ対向する位置に前記ＳｉＯ_２層と前記Ｓｉ層とをエッチングして前記シリコン基板が露出した一対の第１開口部を形成する工程と、前記第１開口部より、前記ＳｉＯ_２層の前記空間を成す領域をエッチングして除去する工程と、第１絶縁膜を前記シリコン基板の全面に形成する工程と、前記外周のうち前記第１開口部で囲まれた以外の外周領域に、前記第１絶縁膜および前記ＳｉＯ_２層と前記Ｓｉ層とをエッチングして、前記シリコン基板が露出する一対の第２開口部を形成する工程と、第２絶縁膜を前記シリコン基板の全面に形成する工程と、前記第１絶縁膜および第２絶縁膜とをエッチバックして前記外周の全縁に前記シリコンダイヤフラムを支持するサイドウォールを形成する工程とを備えることを特徴とする静電容量型圧力センサの製造方法が提供される。

更に、このような静電容量型圧力センサの製造方法によって前記シリコン基板上に複数のシリコンダイヤフラムを形成する工程と、前記シリコンダイヤフラムの全数を覆う導電膜を形成する工程とを更に備えることを特徴とする静電容量型圧力センサユニットの製造方法が提供される。

本発明の圧力センサによれば、従来の静電容量型圧力センサよりも比較的単純な構造であり、ダイヤフラムの厚みや空間の寸法を均一に保って形成することを容易にする。これにより、圧力の検出精度が一定に保たれ、かつ量産性に優れた静電容量型圧力センサを実現することが可能になる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を交えて説明する。図１は、本発明の一例を示す静電容量型の圧力センサの断面図であり、図２は上方から見た平面図である。圧力センサ１０は、シリコン基板１１とこのシリコン基板１１の上面の一部を覆うキャビティー枠体２０とから構成されている。

シリコン基板１１の上面１１ａに形成されるキャビティー枠体２０は、例えば厚みが０．５μｍ程度のダイヤフラム（シリコンダイヤフラム）１４と、このダイヤフラムを周縁から支持するサイドウォール（絶縁体）１５とからなる。ダイヤフラム１４は、単結晶シリコンから形成されていれば良い。また、サイドウォール１５は、シリコン酸化膜であればよい。なお、サイドウォール１５は、シリコン酸化膜の代わりにシリコン窒化膜を用いることもできる。

そして、シリコン基板１１の上面１１ａとダイヤフラム１４およびサイドウォール１５によって一定の静電容量を持つ空間１６が区画される。この空間１６内は、例えば、真空や一定圧でガスが充填されていればよい。

以上のような構成の圧力センサ１０は、固定電極の役割を果たすシリコン基板１１と、これに対面する可撓性電極の役割を果たすダイヤフラム１４と、これらの間に広がる空間１６によって、一定の静電容量を持つコンデンサが形成される。そして、ダイヤフラム１４に圧力が加わると、薄膜であるダイヤフラム１４は湾曲し、ダイヤフラム１４とシリコン基板１１との距離が変化する。

ダイヤフラム１４に加わる圧力によってダイヤフラム１４とシリコン基板１１との距離が変化すると、シリコン基板１１とダイヤフラム１４との間の静電容量が変化する。この変化量をシリコン基板１１とダイヤフラム１４に接続された検出回路（図示せず）で検出することによって、圧力センサ１０にかかる圧力変化を検出することができる。

このような構成の圧力センサ１０は、従来の圧力センサよりも比較的単純な構造であり、ダイヤフラムの厚みや空間の寸法を均一に保って形成することを容易にする。これにより、圧力の検出精度が一定に保たれ、かつ量産性に優れた圧力センサ１０を実現することが可能になる。

次に、上述したような本発明の圧力センサ（静電容量型圧力センサ）の製造方法を説明する。まず、図３に示すように、シリコン基板１１上にＳｉＧｅ層３１とＳｉ層３２とを連続的にエピタキシャル成長させる。続いて、このＳｉＧｅ層３１とＳｉ層３２との一部をエッチングにより除去し、シリコン基板１１の一部を露出させて、第１開口部３５を形成する。図４は、このエッチング後の状態の側面断面図であり、図５は上面から見た平面図である。

次に、図６に示すように、ＳｉＧｅ層３１を横方向からエッチングして、空間１６を形成する。続いて、図７に示すように、これらシリコン基板１１とＳｉ層３２とを覆うように、第１絶縁膜３３を全面に形成する。この第１絶縁膜３３は、例えばシリコン酸化膜で形成されれば良い。

そして、第１絶縁膜３３およびＳｉＧｅ層３１とＳｉ層３２の一部をエッチングし、第２開口部３６を形成する。図８は、このエッチング後に上面から見た平面図である。

更に、第２絶縁膜３７を全面に形成する。この第２絶縁膜３７は、例えばシリコン酸化膜で形成されれば良い。図９は、この第２絶縁膜３７形成後の側面断面図であり、図１０は上面から見た平面図である。

この後、第１絶縁膜３３および第２絶縁膜３７の一部をエッチバックすることによって、第１絶縁膜３３および第２絶縁膜３７から構成されるサイドウォール１５によって支えられたダイヤフラム１４を備えたキャビティー枠体２０と、シリコン基板１１とからなる圧力センサ１０が完成する（図１参照）。

なお、別な実施形態として、上述したようなシリコン基板１１上にＳｉＧｅ層３１とＳｉ層３２とを連続的にエピタキシャル成長させた基板を用いる代わりに、ＳｉＯ_２層とＳｉ層とが順に積層されたＳＯＩ基板を用いて、上述したような手順で圧力センサを形成しても良い。

このような圧力センサ１０を１つの基板に多数形成することによって、静電容量型圧力センサユニットとしてもよい。図１１、図１２に示すように、本発明の静電容量型圧力センサユニット５０は、１枚のシリコン基板５１に、ダイヤフラム５４およびサイドウォール５５によって一定の空間５６を持つ多数のキャビティー枠体５７が形成されている。さらに、この多数配列されたキャビティー枠体５７は、１枚の導電膜５９で覆われている。

このような、１枚のシリコン基板５１上に多数のキャビティー枠体５７を配列して、これを１枚の導電膜５９で覆った静電容量型圧力センサユニット５０は、圧力変化に対する容積変化を大きくすることで、高感度な圧力センサユニットを簡易な構成でローコストに製造することができる。

図１は、本発明の圧力センサの一例である静電容量型圧力センサを示す断面図である。図２は、図１に示す圧力センサを上方から見た平面図である。図３は、本発明の圧力センサの製造方法を示す断面図である。図４は、本発明の圧力センサの製造方法を示す断面図である。図５は、本発明の圧力センサの製造方法を示す断面図である。図６は、本発明の圧力センサの製造方法を示す断面図である。図７は、本発明の圧力センサの製造方法を示す断面図である。図８は、本発明の圧力センサの製造方法を示す断面図である。図９は、本発明の圧力センサの製造方法を示す断面図である。図１０は、本発明の圧力センサの製造方法を示す断面図である。図１１は、本発明の圧力センサユニットを示す断面図である。図１２は、本発明の圧力センサユニットを示す平面図である。

符号の説明

１０圧力センサ
１１シリコン基板
１４ダイヤフラム（シリコンダイヤフラム）
１５サイドウォール（絶縁体）
１６空間
３１ＳｉＧｅ層
３２Ｓｉ層
３３第１絶縁膜
３５第１開口部
３６第２開口部
３７第２絶縁膜

Claims

シリコン基板と、このシリコン基板上に一定の空間を空けて形成された薄板状のシリコンダイヤフラムと、このシリコンダイヤフラムの外周端面と前記空間とを覆い、前記シリコンダイヤフラムを支持する絶縁体とを備えることを特徴とする静電容量型圧力センサ。
前記シリコンダイヤフラムは、単結晶シリコンからなることを特徴とする請求項１に記載の静電容量型圧力センサ。
前記絶縁体は、シリコン酸化膜あるいはシリコン窒化膜から構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の静電容量型圧力センサ。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の静電容量型圧力センサが前記シリコン基板上に複数個配列され、前記シリコンダイヤフラムが単一の導電膜で電気的に接続されたことを特徴とする静電容量型圧力センサユニット。
シリコン基板上にＳｉＧｅ層とＳｉ層とを順に積層し、前記Ｓｉ層の一部を前記シリコン基板に対して一定の空間を保って絶縁膜によって支持されるシリコンダイヤフラムとして形成する静電容量型圧力センサの製造方法であって、
前記シリコン基板上に前記ＳｉＧｅ層と前記Ｓｉ層とを連続してエピタキシャル成長させる工程と、前記シリコンダイヤフラムを成す領域の外周を囲み、ほぼ対向する位置に前記ＳｉＧｅ層と前記Ｓｉ層とをエッチングして前記シリコン基板が露出した一対の第１開口部を形成する工程と、前記第１開口部より、前記ＳｉＧｅ層の前記空間を成す領域をエッチングして除去する工程と、第１絶縁膜を前記シリコン基板の全面に形成する工程と、前記外周のうち前記第１開口部で囲まれた以外の外周領域に、前記第１絶縁膜および前記ＳｉＧｅ層と前記Ｓｉ層とをエッチングして、前記シリコン基板が露出する一対の第２開口部を形成する工程と、第２絶縁膜を前記シリコン基板の全面に形成する工程と、前記第１絶縁膜および第２絶縁膜とをエッチバックして前記外周の全縁に前記シリコンダイヤフラムを支持するサイドウォールを形成する工程とを備えることを特徴とする静電容量型圧力センサの製造方法。
シリコン基板上にＳｉＯ_２層とＳｉ層とが順に積層されたＳＯＩ基板を用い、前記Ｓｉ層の一部を前記シリコン基板に対して一定の空間を保って絶縁膜によって支持されるシリコンダイヤフラムとして形成する静電容量型圧力センサの製造方法であって、
前記シリコンダイヤフラムを成す領域の外周を囲み、ほぼ対向する位置に前記ＳｉＯ_２層と前記Ｓｉ層とをエッチングして前記シリコン基板が露出した一対の第１開口部を形成する工程と、前記第１開口部より、前記ＳｉＯ_２層の前記空間を成す領域をエッチングして除去する工程と、第１絶縁膜を前記シリコン基板の全面に形成する工程と、前記外周のうち前記第１開口部で囲まれた以外の外周領域に、前記第１絶縁膜および前記ＳｉＯ_２層と前記Ｓｉ層とをエッチングして、前記シリコン基板が露出する一対の第２開口部を形成する工程と、第２絶縁膜を前記シリコン基板の全面に形成する工程と、前記第１絶縁膜および第２絶縁膜とをエッチバックして前記外周の全縁に前記シリコンダイヤフラムを支持するサイドウォールを形成する工程とを備えることを特徴とする静電容量型圧力センサの製造方法。
請求項５または請求項６に記載の静電容量型圧力センサの製造方法によって前記シリコン基板上に複数のシリコンダイヤフラムを形成する工程と、前記シリコンダイヤフラムの全数を覆う導電膜を形成する工程とを更に備えることを特徴とする静電容量型圧力センサユニットの製造方法。