JP2008196918A - 磁気式圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】高温の処理を行うことなく、磁気抵抗効果素子を有する基板と、ハード磁性層を有する基板とを確実に接合してなる磁気式圧力センサを提供すること。
【解決手段】本発明の磁気式圧力センサは、一方の主面側に設けられたＧＭＲ素子１２を有するガラス基板１１と、ガラス基板１１の一方の主面上に金−スズ共晶接合されており、ＧＭＲ素子１２と対向するようにハード磁性層２０を有するシリコン基板１６と、金−スズ共晶接合の接合領域を区画すると共に、ガラス基板１１とシリコン基板１６との間の間隔を制御するスペーサ１８と、を具備し、シリコン基板１６側の金−スズ共晶接合領域に密着性向上層１９が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁力を用いて圧力を検知する磁気式圧力センサに関する。

圧力を検知する圧力センサとして、例えば、静電容量型圧力センサがある。この静電容量型圧力センサは、可動電極であるダイヤフラムを有する基板と、固定電極を有する基板とを、ダイヤフラムと固定電極との間に所定の間隔（キャビティ）を有するように接合することにより構成されている。この静電容量型圧力センサにおいては、ダイヤフラムに圧力が加わるとダイヤフラムが変形し、これによりダイヤフラムと固定電極との間隔が変わる。この間隔の変化によりダイヤフラムと固定電極との間の静電容量が変化し、この静電容量の変化を利用して圧力の変化を検出する。

このような静電容量型圧力センサにおいては、密閉性の高い状態でキャビティを設ける必要がある。このように、密閉性の高い状態でキャビティを設ける技術として、シリコン基板とガラス基板とを陽極接合する技術がある（特許文献１）。陽極接合とは、所定の温度（例えば４００℃以下）で所定の電圧（例えば３００Ｖ〜１ｋＶ）を印加して、接触したガラス−シリコン界面で酸素を介した化学結合を形成させる、もしくは、酸素の放出による共有結合を形成させる接合をいう。
特開２０００−２８４６３号公報

一方、圧力センサとして、静電容量型圧力センサの固定電極の代わりに磁気抵抗効果素子を用い、ダイヤフラム側にハード磁性層を用いて磁石を形成した磁気式圧力センサが開発されている。この磁気式圧力センサにおいては、ダイヤフラムに圧力が加わるとダイヤフラムが変形し、これによりダイヤフラムに設けられたハード磁性層を用いて形成した磁石と磁気抵抗効果素子との間隔が変わる。この間隔の変化により磁気抵抗効果素子に印加される磁界が変化し、この磁界の変化に基づく磁気抵抗効果素子の磁気抵抗の変化を利用して圧力の変化を検出する。

上記磁気式圧力センサにおいて用いる磁気抵抗効果素子は、高温に弱い素子であり、陽極接合のように４００℃程度の温度で基板間の接合を行うと、特性を損なう恐れがある。このため、磁気式圧力センサの製造においては、陽極接合法を用いることができないという問題がある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、高温の処理を行うことなく、磁気抵抗効果素子を有する基板と、ハード磁性層を有する基板とを確実に接合してなる磁気式圧力センサを提供することを目的とする。

本発明の磁気式圧力センサは、一方の主面側に設けられた磁気抵抗効果素子を有するベース基板と、前記ベース基板の前記一方の主面上に金−スズ共晶接合されており、前記磁気抵抗効果素子と対向するようにハード磁性層を有するシリコン基板と、前記金−スズ共晶接合の接合領域を区画すると共に、前記ベース基板と前記シリコン基板との間の間隔を制御するスペーサと、を具備し、前記シリコン基板側の金−スズ共晶接合領域に密着性向上層が設けられていることを特徴とする。

この構成によれば、ベース基板とシリコン基板との間の接合に金−スズ共晶反応を用いており、磁気抵抗効果素子の特性を損なわない温度で接合が行われるので、精度良い圧力検出を行うことができる。また、金−スズ共晶接合領域のシリコン基板側には、密着性向上層が設けられているので、ベース基板とシリコン基板とを確実に接合することが可能となる。

本発明の磁気式圧力センサにおいては、前記密着性向上層は、金とシリコンとの間の拡散を防止するバリア層を含むことが好ましい。

本発明の磁気式圧力センサにおいては、前記密着性向上層は、Ｔｉ／Ｔａ／Ｔｉの積層体であることが好ましい。

本発明の磁気式圧力センサは、一方の主面側に設けられた磁気抵抗効果素子を有するベース基板と、前記ベース基板の前記一方の主面上に金−スズ共晶接合されており、前記磁気抵抗効果素子と対向するようにハード磁性層を有するシリコン基板と、前記金−スズ共晶接合の接合領域を区画すると共に、前記ベース基板と前記シリコン基板との間の間隔を制御するスペーサと、を具備し、前記シリコン基板側の金−スズ共晶接合領域に密着性向上層が設けられているので、高温の処理を行うことなく、磁気抵抗効果素子を有する基板と、ハード磁性層を有する基板とを確実に接合してなるものである。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る磁気式圧力センサの側面図であり、図２は、図１に示す磁気式圧力センサの平面図である。

図中１１はベース基板であるガラス基板を示す。ベース基板としては、ガラス基板以外にアルミナ基板、ＬＴＣＣ基板（低温焼成セラミック基板）、ＨＴＣＣ基板（高温焼成セラミック基板などを挙げることができる。ガラス基板１１の一方の主面上の中央部には、磁気抵抗効果素子としてＧＭＲ（Giant MagnetoResistance）素子１２が形成されている。また、ガラス基板１１の一方の主面上のＧＭＲ素子１２の外側、すなわち後述するダイヤフラム領域の外側の領域には、電極パッド１３が形成されている。この電極パッド１３とＧＭＲ素子１２とは、ガラス基板１１に設けた凹部内に沿って形成された配線１４により電気的に接続されている。また、ガラス基板１１の凹部には、配線１４を埋め込むようにして絶縁層１５が形成されており、その絶縁層１５が平坦化されている。この絶縁層１５としては、アルミナなどを用いることができる。

ガラス基板１１の一方の主面上には、シリコン基板１６が金−スズ共晶接合により接合されている。ガラス基板１１とシリコン基板１６との間の接合領域は、金−スズ共晶物１７で構成されており、この金−スズ共晶物１７で構成された接合領域がスペーサ１８により区画されている。ここでは、図２に示すように、金−スズ共晶物１７で構成された接合領域がリング状であり、スペーサ１８はその接合領域の内側と外側に一対で形成されている。また、スペーサ１８は、金−スズ共晶反応の際に融解した材料の流れ止めの役割を果たす。このように、スペーサ１８を接合領域に沿ってリング状に設けることにより、融解した材料をＧＭＲ素子１２側に浸入することを防止できる。スペーサ１８の材料としては、シリコン酸化物やアルミナなどの絶縁性材料を挙げることができる。

接合領域は、上述したように金−スズ共晶物１７で構成されている。この金−スズ共晶物１７は、金とスズとの間の共晶反応により形成される。具体的には、スズ層と金層とを接触させた状態で、真空下において加熱、加圧することにより、金とスズとの間の共晶反応を起こして金−スズ共晶物１７が形成される。このときの加熱温度は約３００℃以下であり、ＧＭＲ素子の耐熱温度以下であるので、ＧＭＲ素子の特性を損なうことがない。このため、精度良く磁気式圧力センサを動作させることが可能となる。

金−スズ共晶接合領域のシリコン基板１６側には、密着性向上層１９が設けられており、密着性向上層１９によりガラス基板１１とシリコン基板１６とを確実に接合することが可能となる。この密着性向上層１９は、金とシリコンとの間の拡散を防止するバリア層を含むことが好ましい。例えば、密着性向上層１９は、図３に示すように、金−スズ共晶物１７との間の密着性を向上させるための層であるＴｉ層１９ａと、金とシリコンとの間の拡散を防止するバリア層であるＴａ層１９ｂと、Ｔａ層１９ｂとシリコン基板１６との間の密着性を向上させるためのＴｉ層１９ｃとから構成された積層体である。なお、密着性向上層１９の構成は、ベース基板１１とシリコン基板１６とを確実に接合できるものであれば特に制限はない。

シリコン基板１６のダイヤフラム１６ａの領域には、ＧＭＲ素子１２と対向するように、ハード磁性層２０が形成されている。このようにＧＭＲ素子１２とハード磁性層２０とが対面することによりＧＭＲ素子１２に磁界が印加できるようになっている。なお、ハード磁性層２０を構成する材料としては、ＣｏＰｔ合金、ＣｏＣｒＰｔ合金などを挙げることができる。

ＧＭＲ素子１２は、図４に示すように、ガラス基板１１上に下から順に、ＩｒＭｎやＰｔＭｎなどで形成された反強磁性層１２１、ＮｉＦｅやＣｏＦｅなどの強磁性材料で形成された固定磁性層１２２、Ｃｕなどで形成された非磁性材料層１２３及びＮｉＦｅやＣｏＦｅなどの強磁性材料で形成されたフリー磁性層１２４の積層構造を有する。図４に示す形態においては、反強磁性層１２１の下に結晶配向を整えるためにＮｉＦｅＣｒあるいはＣｒで形成されたシード層１２５が設けられているが、シード層１２５は必須ではない。

また、フリー磁性層１２４の上には、Ｔａなどで形成された保護層１２６が形成されている。ＧＭＲ素子１２では、反強磁性層１２１と固定磁性層１２２とが接して形成されているため、磁場中で熱処理を施すことにより反強磁性層１２１と固定磁性層１２２との間の界面に交換結合磁界（Ｈｅｘ）が生じ、固定磁性層１２２の磁化方向１２２ａは一方向に固定される。図４では、磁化方向１２２ａは図示Ｘ１方向に固定される。

一方、フリー磁性層１２４の磁化方向１２４ａは、例えば、図４の形態では、固定磁性層１２２の磁化方向１２２ａと反平行に揃えられている。すなわち、磁化方向１２４ａは図示Ｘ２方向に向けられる。フリー磁性層１２４は、固定磁性層１２２のように磁化固定されておらず外部磁場により磁化方向は変動する。

ハード磁性層２０から発せられる外部磁場のうち、磁気抵抗効果素子を構成する各層の膜面と平行な方向に向く水平磁場Ｈが図４に示すように図示Ｘ１方向に作用すると、フリー磁性層１２４の磁化方向１２４ａが変動し、固定磁性層１２２の磁化方向１２２ａとフリー磁性層１２４の磁化方向１２４ａの関係で電気抵抗が変化する。これはスピンバルブ型の巨大磁気抵抗（Giant MagnetoResistance : GMR）効果と呼ばれ、巨大磁気抵抗効果を発現させるには、上記のような反強磁性層１２１、固定磁性層１２２、非磁性材料層１２３及びフリー磁性層１２４の４層基本構造が必要となる。また、磁気抵抗効果素子として、ＧＭＲ素子１２でなく、トンネル磁気抵抗効果を有するトンネル磁気抵抗（Tunnel MagnetoResistance : TMR）素子を用いても良い。ＴＭＲ素子の場合には、非磁性材料層１２３がトンネル障壁の材料である酸化アルミニウムや酸化マグネシウムなどの非磁性絶縁材料に置き換えられる。

ＧＭＲ素子１２の積層構造は、ガラス基板１１とシリコン基板１６との間の接合に高温の温度を使用すると、積層各層間で原子の界面拡散現象により各層の本来の機能が損なわれル恐れがある。例えば、フリー磁性層１２４の外部磁場応答性が劣化したり、反強磁性層１２１と固定磁性層１２２との間で生じている交換結合磁界が弱まって固定磁性層１２２の磁化が揺らぐ現象が発生し、ＧＭＲ素子１２の特性を損なう恐れがある。

このような構成を有する磁気式圧力センサにおいては、ハード磁性層２０によりＧＭＲ素子１２に磁界が印加されている。ダイヤフラム１６ａに圧力が加わると、ダイヤフラム１６ａが圧力に応じて可動する。これにより、ダイヤフラム１６ａが変位して、ハード磁性層２０とＧＭＲ素子１２との間隔が変わる。このとき、ＧＭＲ素子１２に印加される磁界が変化する。したがって、この磁界の変化に基づくＧＭＲ素子１２の磁気抵抗の変化をパラメータとして、その変化を圧力変化とすることができる。

この磁気式圧力センサにおいては、ガラス基板１１とシリコン基板１６との間の接合に金−スズ共晶反応を用いており、ＧＭＲ素子１２の特性を損なわない温度で接合が行われるので、精度良い圧力検出を行うことができる。また、金−スズ共晶接合領域のシリコン基板１６側には、密着性向上層１９が設けられているので、ガラス基板１１とシリコン基板１６とを確実に接合することが可能となる。

次に、本実施の形態の磁気式圧力センサの製造方法について説明する。図５（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態に係る磁気式圧力センサの製造方法を説明するための図である。

図５（ａ）に示すように、ガラス基板１１の一方の主面の接合領域形成予定領域を含む部分に凹部を形成し、その凹部に沿って配線１４を形成する。配線１４は、凹部を有するガラス基板１１に配線材料をスパッタリング法などにより被着し、フォトリソグラフィ及びエッチングを行うことにより形成する。その後、配線１４を埋め込むようにして凹部に絶縁層１５を形成する。この絶縁層１５は、例えばアルミナをスパッタリング法などにより被着することで形成する。さらに、絶縁層１５が平坦になるようにガラス基板１１の主面に平坦化処理を行う。

次いで、図５（ｂ）に示すように、ガラス基板１１の主面上の中央部に、配線１４と電気的に接続するようにＧＭＲ素子１２を形成する。ＧＭＲ素子１２は、例えば、スパッタリング、リフトオフにより形成する。また、図５（ｂ）に示すように、ガラス基板１１の主面上に、配線１４と電気的に接続するように電極パッド１３を形成する。電極パッド１３は、ガラス基板１１の主面上に電極材料を被着し、フォトリソグラフィ及びエッチングを行うことにより形成する。

次いで、図５（ｃ）に示すように、ガラス基板１１の絶縁層１５上に環状のスペーサ１８を形成する。このとき、スペーサ１８を、図２に示すように、平面視において接合領域に沿って両側に延在するように形成する。この場合、スペーサ１８は、ガラス基板１１の主面上にスペーサ材料を被着し、フォトリソグラフィ及びエッチングを行うことにより形成する。

次いで、図５（ｃ）に示すように、一対のスペーサ１８の内側に、接合部材用のスズ製柱２１を形成する。このスズ製柱２１は、まず、全面にスパッタリングにより薄いスズ層を形成し、その後に、レジスト膜を形成し、接合領域に開口部を有するようにレジスト膜をパターニングし、このパターンを用いてスズメッキを施し、最後に、ミリングにより不要なスズ層を除去する。

スズ製柱２１の高さや幅は、シリコン基板１６との間に隙間が生じず、金−スズ共晶結合により十分な接合強度が得られるように設定する。したがって、シリコン基板１６に形成した金層とスズ製柱２１とが確実に当接した状態で金−スズの共晶反応を起こさせるように、スズ製柱２１の高さは、スペーサ１８の厚さよりも高く設定することが好ましい。また、スズ製柱２１は共晶反応の際に融解するので、融解物が所望しない領域に浸入しないように、スズ製柱２１の周りに所定の流れ込みスペースを確保することが好ましい。例えば、スズ製柱２１は、接合領域の幅の約２倍の高さで、接合領域の約半分の面積で設けることが好ましい。なお、スズ製柱２１の材料は、スズ単体でも良く、ＡｕＳｎ合金などのスズ合金でも良い。

次いで、図５（ｃ）に示すように、あらかじめエッチングなどにより数十μｍ程度の所定の厚さに形成したシリコン基板１６のダイヤフラム１６ａにハード磁性層で形成した磁石（ハード磁性層）２０を形成する。ハード磁性層２０は、シリコン基板１６上にハードバイアス材料を被着し、フォトリソグラフィ及びエッチングを行うことにより形成する。また、シリコン基板１６におけるスズ製柱２１と当接する位置に、密着性向上層１９を形成する。ここでは、密着性向上層１９は、Ｔｉ／Ｔａ／Ｔｉの積層体である。また、密着性向上層１９上には、スズ製柱２１との間で金−スズ共晶反応を起こさせるための金層を形成する。すなわち、シリコン基板１６上に、スパッタリング法によりＴｉ層１９ｃ、Ｔａ層１９ｂ、Ｔｉ層１９ａ及び金層をその順で形成する。なお、Ｔｉ層１９ａ，１９ｃの厚さは約１０ｎｍであり、Ｔａ層１９ｂの厚さは約２０ｎｍであり、金層の厚さは約４０ｎｍ〜約１００ｎｍである。

次いで、ハード磁性層２０がＧＭＲ素子１２と所定の間隔をおいて位置するようにして、ガラス基板１１の主面側にシリコン基板１６を載置してスズ製柱２１とシリコン基板１６に形成した金層との間で共晶接合する。すなわち、スズ製柱２１の上面と金層とを当接させ、真空下において、所定の圧力をシリコン基板１６に加えながら、約２８０℃で加熱する。これにより、金とスズとの間で共晶反応が起こり、スズ製柱２１が金−スズ共晶物１７に変わる。このようにして、金−スズ共晶物１７とシリコン基板１６との間で強固な接合がなされる。このとき、スズ製柱２１は融解して流れ出すが、スペーサ１８が設けられているので、ＧＭＲ素子１２側への浸入が防止される。

このように、本実施の形態に係る磁気式圧力センサにおいては、ガラス基板１１とシリコン基板１６との間の接合に金−スズ共晶反応を用いており、ＧＭＲ素子１２の特性を損なわない温度で接合が行われるので、精度良い圧力検出を行うことができる。また、金−スズ共晶接合領域のシリコン基板１６側には、密着性向上層１９が設けられているので、シリコンと金との間の拡散を防止しつつ、金−スズ共晶物１７とシリコン基板１６との間の密着性を向上させて、ガラス基板１１とシリコン基板１６とを確実に接合することが可能となる。

本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。例えば、上記実施の形態で説明した数値や材質については特に制限はない。また、上記実施の形態で説明したプロセスについてはこれに限定されず、工程間の適宜順序を変えて実施しても良い。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更することが可能である。

本発明の実施の形態に係る磁気式圧力センサを示す側面図である。 図１に示す磁気式圧力センサを示す平面図である。 図１に示す磁気式圧力センサの接合領域を示す拡大図である。 ＧＭＲ素子を説明するための図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態に係る磁気式圧力センサの製造方法を説明するための図である。

符号の説明

１１ ガラス基板
１２ ＧＭＲ素子
１３ 電極パッド
１４ 配線
１５ 絶縁層
１６ シリコン基板
１６ａ ダイヤフラム
１７ 金−スズ共晶物
１８ スペーサ
１９ 密着性向上層
１９ａ，１９ｃ Ｔｉ層
１９ｂ Ｔａ層
２０ ハード磁性層で形成した磁石
２１ スズ製柱

Claims (3)

1. 一方の主面側に設けられた磁気抵抗効果素子を有するベース基板と、前記ベース基板の前記一方の主面上に金−スズ共晶接合されており、前記磁気抵抗効果素子と対向するようにハード磁性層を有するシリコン基板と、前記金−スズ共晶接合の接合領域を区画すると共に、前記ベース基板と前記シリコン基板との間の間隔を制御するスペーサと、を具備し、前記シリコン基板側の金−スズ共晶接合領域に密着性向上層が設けられていることを特徴とする磁気式圧力センサ。
2. 前記密着性向上層は、金とシリコンとの間の拡散を防止するバリア層を含むことを特徴とする請求項１記載の磁気式圧力センサ。
3. 前記密着性向上層は、Ｔｉ／Ｔａ／Ｔｉの積層体であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の磁気式圧力センサ。

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