JP2005331327A

JP2005331327A - 面圧センサおよびその製造方法

Info

Publication number: JP2005331327A
Application number: JP2004149089A
Authority: JP
Inventors: Manabu Tamura; 学田村; Takuo Ito; 卓雄伊藤
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2004-05-19
Filing date: 2004-05-19
Publication date: 2005-12-02

Abstract

【課題】一定の検出精度を保ち、かつ効率的に安定して製造が可能な面圧センサおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】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は、多数のダイヤフラム１４と、このダイヤフラムを周縁から支持する多数のサイドウォール１５とからなる。面圧センサ１０はこれらダイヤフラム１４と、これを支持するサイドウォール１５とをシリコン基板１１の上面１１ａに一定の間隔で多数配列したものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板面上に一定の空間を保って多数形成されたダイヤフラムの湾曲により、対面する各部の圧力、即ち面圧の分布を検出する面圧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、ＬＳＩチップ上に多数のセンサ素子群を配列形成し、このセンサ素子群の押圧による静電容量の変化を検出して、凹凸パターンなどが接触した場合の面圧分布を検出する面圧センサが記載されている。こうした、従来の面圧センサは、図１１に示すように、絶縁体の上に導電性材料からなる多数の円柱状の支持部と下部電極が形成され、その上に全ての支持部に接触して支えられる上部電極が形成された構造を成している。
特開２０００−０１８９０８号公報

しかしながら、特許文献１に示す面圧センサでは、一定の精度を保って製造することが困難であり、特に、上部電極を支持する多数の支持部の高さを均一に保つことがエッチング時のバラつき等の問題で難しいという課題があった。支持部の高さを均一に保てないと、下部電極と上部電極との距離が不均一になり、上部電極が撓んだ際にそれぞれのセンサ素子の間で検出精度が異なってしまい、正確に面圧検出ができなくなってしまう。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、一定の検出精度を保ち、かつ生産効率も高く安定して製造が可能な面圧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多数配列された薄板状のダイヤフラムと、この多数のダイヤフラムの外周端面と前記空間とを覆い、前記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面圧センサが提供される。

前記ダイヤフラムは、導電膜であればよい。また、前記シリコンダイヤフラムは、単結晶シリコンで形成されていても良い。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ていれば良い。

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多数のシリコンダイヤフラムとして形成する面圧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面圧センサの製造方法が提供される。

本発明の面圧センサは、上部電極であるダイヤフラムが、絶縁体（従来例の支持部）の上に乗るのではなく、絶縁体の側面で支持されている。この形状にしたことにより、個々の支持部を形成後、その上にダイヤフラムを載せる従来の方法とは異なり、基板上に中間支持層とダイヤフラム層を連続して積層後、中間支持層を除去する方法で製作が可能になる。上部、下部の電極間距離とダイヤフラムの厚みは、それぞれ中間支持層、ダイヤフラム層の成膜時の厚みで制御することになり、従来例よりも広い面に渡って均一に形成することができる。その結果、各部分の面圧の検出精度が均一に保たれ、正確な面圧検出ができるセンサとなる。

また、本発明の面圧センサの製造方法は、中間支持層となるＳｉＧｅ層とダイヤフラムとなるＳｉ層とを順にエピタキシャル成長で積層してから加工する方法なので、膜厚の制御が容易かつ正確であり、量産性に優れた製造方法を提供できる。

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面圧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。面圧センサ１０は、１枚のシリコン基板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程度の多数のダイヤフラム（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多数のサイドウォール（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。

図２から明らかなように、面圧センサ１０はこれらダイヤフラム１４と、これを支持するサイドウォール１５とをシリコン基板１１の上面１１ａに一定の間隔で多数配列したものである。

シリコン基板１１の上面１１ａと、それぞれのダイヤフラム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。この多数の空間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。

図１に示すように、キャビティー枠体２０を構成するそれぞれのダイヤフラム１４と、それぞれ対面するシリコン基板１１は、センサ回路１８に接続される。センサ回路１８は、それぞれのダイヤフラム１４とシリコン基板１１との距離の変化を容量の変化として検出する。

以上のような構成の面圧センサ１０は、固定電極の役割を果たすシリコン基板１１と、これに対面して多数配列された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多数形成される。そして、キャビティー枠体２０に圧力が加わると、それぞれのダイヤフラム１４はその押圧力の分布に応じて湾曲し、ダイヤフラム１４とシリコン基板１１との距離が変化する。

キャビティー枠体２０に加わる押圧力の分布に応じて、それぞれのダイヤフラム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とそれぞれのダイヤフラム１４との間の静電容量が変化する。このそれぞれのシリコン基板１１とダイヤフラム１４との距離の変化をシリコン基板１１とダイヤフラム１４に接続されたセンサ回路１８で検出することによって、キャビティー枠体２０に加わる押圧力の分布を検出することができる。

このような構成の面圧センサ１０は、例えば、指紋検出用のセンサなどに好適に用いることができる。こうした面圧センサ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面圧センサ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面圧センサの製造方法を説明する。なお、以下の説明では、シリコン基板上に多数形成されるダイヤフラムとサイドウォールの内の１つについて採り上げているが、他の多数のダイヤフラムとサイドウォールの形成も同時に行われることに留意されたい。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、多数のダイヤフラム１４を備えたキャビティー枠体２０と、シリコン基板１１とからなる面圧センサ１０が完成する（図１参照）。

このような、１枚のシリコン基板１１上に多数のダイヤフラム１４とサイドウォール１５を配列した面圧センサの製造方法によって、高感度な面圧センサを簡易な構成でローコストに製造することができる。

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面圧センサを形成しても良い。

図１は、本発明の面圧センサを示す断面図である。図２は、図１に示す面圧センサを上方から見た平面図である。図３は、本発明の面圧センサの製造方法を示す断面図である。図４は、本発明の面圧センサの製造方法を示す断面図である。図５は、本発明の面圧センサの製造方法を示す断面図である。図６は、本発明の面圧センサの製造方法を示す断面図である。図７は、本発明の面圧センサの製造方法を示す断面図である。図８は、本発明の面圧センサの製造方法を示す断面図である。図９は、本発明の面圧センサの製造方法を示す断面図である。図１０は、本発明の面圧センサの製造方法を示す断面図である。図１１は、従来の面圧センサの構成例を示す断面図である。

符号の説明

１０面圧センサ
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多数配列された薄板状のダイヤフラムと、この多数のダイヤフラムの外周端面と前記空間とを覆い、前記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面圧センサ。
前記ダイヤフラムは、導電膜からなることを特徴とする請求項１に記載の面圧センサ。
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に記載の面圧センサ。
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ないし３のいずれか１項に記載の面圧センサ。
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多数のシリコンダイヤフラムとして形成する面圧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面圧センサの製造方法。