JP2008304463A - マイクロメカニカル真空センサ及び赤外線ボロメータ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロメカニカル素子のキャビティ内の圧力を求めるマイクロメカニカル真空センサが提供される。
【解決手段】 このセンサは、基板２と、基板に接続される少なくとも１つの導電性支持部材４と、少なくとも１つの支持部材３によって支持されると共に、支持部材によって基板から離間され、基板との間に空間を設ける熱抵抗層１とを備える。このセンサは、熱抵抗層が基板から実質的に熱絶縁されるように構成される。このセンサは、キャビティ内の圧力が、センサによって検出される温度値によって求められるように駆動するようにさらに構成される。
【選択図】図３

Description

本発明は、マイクロメカニカル真空センサ及び赤外線ボロメータ素子に関する。特に、本発明は、マイクロメカニカル素子内の真空レベルを検出するように構成される真空センサに関する。

多くのマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）素子は、可能な限り最良の機能性及び高い信頼性を得るために、信頼できる真空容量を必要とする。このようなＭＥＭＳ素子の例は、赤外線（ＩＲ）センシング用のボロメータ、共振構造体、及び絶対圧センサである。一般的に、共振構造体において高いＱ値を得るには低圧力が必要であり、また、ＩＲボロメータにおいて低雑音を得るにも低圧力が必要である。
このようなシステムの構成要素を含むキャビティを真空下で密閉することによって、通常、キャビティ内に１ｍＢａｒ〜１０ｍＢａｒの範囲の圧力がもたらされる。しかしながら、気密密閉されたキャビティ内の残留ガス圧力は、温度と、密封プロセスにおいて使用される材料とを含む様々な要因によって変わる。１ｍＢａｒを下回る、信頼できる圧力を得るために、ゲッタリング法が一般的に必要とされる。しかしながら、ＭＥＭＳ素子において、適切且つ信頼できる真空を得て、維持することは非常に難しい。

真空を必要とする大部分のマイクロシステム素子にとって、別個の真空センサを実装するという不利益は、このようなセンサが真空品質が最も重要である素子においてさえ最終製品の一部とはならない程に重要であると考えられてきた。大抵の場合、キャビティ内の実際の圧力を測定することは、厄介であり、費用がかかり、間接的であるため、圧力を容易には測れない。したがって、ＭＥＭＳ素子用の、低費用でありながらも正確な真空センサを提供することがＭＥＭＳ技術の分野において必要とされている。
真空センサをキャビティ内に実装することが試みられてきたが、これによって、適用される材料からのガス放出に起因して、真空レベルが低下する可能性がある。既知の素子は一般的に、（絶縁のために）一体化された抵抗性加熱器及びサーミスタ材料を有する或る種のダイアフラムを使用している。

大抵の場合、これらの構造体は、双方ともかなり大きく、熱絶縁があまり良好ではない。これらはまた特殊な設計を要するが、これは真空キャビティを必要とする主装置に多くの場合に適合しないか、当該主装置に対して強く影響を及ぼすか、又は当該主装置のコストを増加することにつながる。
さらに、サーミスタ材料の抵抗温度係数（ＴＣＲ）は、多くの場合最適でなく、通常−０．２％／Ｋ〜−０．３％／Ｋの範囲である。したがって、軽量、小型、且つ正確な真空センサであって、当該真空センサの実装によって、ＭＥＭＳ素子の構造、製造、及び作用に対する問題を最小化する、真空センサを低費用で提供する必要がある。

本発明によれば、マイクロメカニカル素子のキャビティ内の圧力を求めるマイクロメカニカル真空センサであって、基板と、前記基板に接続される少なくとも１つの導電性支持部材と、少なくとも１つの支持部材によって支持されると共に、前記支持部材によって前記基板から離間され、前記基板との間に空間を設ける熱抵抗層であって、前記センサが前記基板から実質的に熱絶縁されるように構成される熱抵抗層と、を備え、前記キャビティ内の前記圧力が、前記センサによって検出される温度値に応じて定められる、ように駆動される構成とされたマイクロメカニカル真空センサが提供される。

本発明は、限定はしないが、ＩＲボロメータにおける使用に特に適しており、ここでは、熱絶縁されるボロメータ構造体自身を、ボロメータセンサの製造中、又はセンサの動作寿命全体を通して、加熱器及び温度センサの双方として使用して、実際の真空レベルを測定することができる。
このようなセンサは、既存のＭＥＭＳ素子に実装するか、又はこのような素子の製造に組み込むのが容易であり、低コストであり、且つ既にＭＥＭＳ素子の一部をなしている構成要素から有利に組み立てられる。たとえば、本発明の検出構造体は、同じ材料系及び同じプロセス手順を使用することによって、ＩＲボロメータ素子と共に組み立てることができ、また、素子の構造又は設計を少し変形するのみで、抵抗性真空ゲージ構造を周囲ガス（真空）に干渉させることができる。

本発明の目的は、薄膜技術を使用して小さなキャビティ内に真空センサを組み入れること、及びキャビティ内の他の部分を加熱することなく、抵抗加熱によって加熱することができる、熱絶縁される構造体とそのシールリングとを組み入れることである。同じ絶縁される抵抗性構造体を温度センサとして使用し、残留ガスに起因する実際の熱移動を測定することができる。特に、ＳｉＧｅ量子井戸の組成物のようなボロメータ材料が、＋３％／Ｋレベルの抵抗温度係数（ＴＣＲ）を有するものとして既知である。

次に、本発明の例を添付の図面を参照して詳細に説明する。
本発明は、真空レベル及び／又は真空レベルの変化を測定する真空計を作製するために、従来の熱伝導性抵抗温度計又はサーミスタ（半導体材料から形成される場合）技術を使用する。
ガスの圧力が十分に低くなる場合、分子の平均自由行程は装置の対応する寸法と比べて長い。この結果、圧力と熱伝導率との間に比例関係がもたらされる。熱伝導率測定器にとって、対応する寸法とは、高温面（加熱される構造体）と低温面（素子の壁、真空キャビティの壁）との間の間隔である。合理的なマイクロ素子設計にとって、適用可能な範囲は通常、１×１０^−３ｍＢａｒ〜１０ｍＢａｒであろう。

大部分の熱伝導率測定器は、一定のエネルギー入力を有する加熱要素を使用する。この要素は、伝導及び放射による受熱及び放熱が平衡するとき平衡温度をとる。この温度が圧力の測定値になり、当該測定器によって求められる。
既知の熱伝導率測定器の最も一般的なタイプは、熱電対又は抵抗温度計（ピラニ）である。抵抗温度計の抵抗要素が半導体材料から成る場合、測定器は、サーミスタタイプと呼ばれる。抵抗温度計において、加熱及び温度測定の機能は、単一要素に組み合わせられる。２つ又は４つの基準要素をそれぞれ組み合わせて半分の又は完全なホイートストーンブリッジ構成とすることができる。実際には、測定器は、温度測定を通じて圧力変化を測定することができ、この場合、絶対測定は、何らかの較正に依存することになる。

図１〜図３は、本発明による、薄膜熱抵抗（又は、サーミスタ）層を有する真空センサの第１のタイプを示す。この構造体は、シリコン基板２の表面から立ち上げられるか、又は離間され、導電性支持脚部３上に懸架される。
サーミスタ層１の好適な設計は、構造体の安定性、必要とされるサーミスタ材料の量、製造方法等の多数の要因に従属する。図１は、曲がりくねった、うねった又は蛇行したサーミスタ設計の平面図を示しており、ここでは、小型素子における比較的短い距離にわたってサーミスタ材料の最も長くするために、サーミスタ層１を複数回屈曲させている。１つ又は複数回の屈曲はまた、上記の要因に応じてジグザグであってもよく、又は湾曲していてもよい。図２は、サーミスタ材料の直線部分が、しっかりした直進するサーミスタ層１により実現されているヒューズタイプ設計の平面図を示す。

サーミスタ材料は、抵抗温度係数がかなり高い、様々な種類の薄膜材料のうちのいずれかから形成される。当該薄膜材料は、たとえば、クロム、シリコン、モリブデン、ニッケル、チタン、タンタル、タングステン、若しくは導電合金、混合半導体材料、又はＳｉＧｅ単一結晶のサーミスタ材料のような量子井戸材料である。抵抗性材料はまた、白金（Ｐｔ）、又は代替的にチタン（Ｔｉ）であってもよい。
基板２は、シリコン、ガラス、及びセラミックのうちの１つから形成されることが好ましい。

導電性脚部３を、基板上で十分に立ち上げるために、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、又は適切に鍍金可能な他の材料から形成することができる。これらは通常、たとえばフォトレジストマスク、及び薄いシード層を使用することによって、選択的なめっき（ニッケル、銅、又は金）によって作製されるより厚い導電性膜から形成される。従来の薄膜プロセス及び標準的なフォトリソグラフィー法を使用することもできる。導電性脚部３は、最適な低い熱伝導のために、比較的長く、薄く、且つ全体的に比較的小さな体積に作製されることが好ましい。脚部３は、図３に示すように、同様の材料から成るより広いベースポストを備え、安定性を保証して効率的な電気接続を可能にすることが好ましい。２つの別個の電気接続を有する単一の脚部を設けても良いことは当然である。

図３は、本発明による真空センサの側面断面図を示し、図１又は図２のうちのいずれのセンサの側面断面図をも表わし得る。というのは、安定性を増すために、且つ製造を容易にするために、真空センサは、図３のように見たとき水平面において実質的に平坦であることが好ましいからである。
薄膜導電性層４がシリコン基板上に形成され導電性脚部３に導電路を設ける。各導電性（通常は金属の）層又は経路４は、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、若しくは銅（Ｃｕ）から形成可能であり、あるいはたとえばチタン（Ｔｉ）により機械的支持脚部３と一体形成可能である。
図３に示すように、導電性脚部３と導電性層４との間に拡散バリア材料層５が設けられる。さらに、導電性層４と基板２との間に不活性化層が形成される。
基板２とサーミスタ層１との間に空間が形成され、当該空間は、この構造体の熱絶縁に貢献する。

図４及び図５は、本発明による、薄膜サーミスタ層１を有する真空センサ第２のタイプを示す。このセンサは、図１〜図３の構造と類似の構造を有する。しかしながら、図４の平面図及び図５の側面断面図に示すように、サーミスタ層１は、サーミスタ層１の下に設けられる薄膜電気絶縁層７（支持プラットフォーム）によって支持される。このような電気絶縁層７により離間されるサーミスタ層１の安定性が増す。プラットフォームは、好ましくは、窒化ケイ素（ＳｉＮ）から形成される。

図６及び図７は、本発明による真空センサの第３のタイプを示す。このセンサは、図１〜図５の構造と同様の構造を有する。しかしながら、この場合、電気接続手段８が、導電性脚部３上に設けられると共に、サーミスタ層１と接するように電気絶縁層７にわたって延在する。図６の平面図に示すように、電気接続のためにコンタクトホール９が設けられる。この実施形態では、サーミスタ層１と導電性脚部３との間の電気接続は、使用されるサーミスタ材料の容積、サーミスタ層１の形状、電気絶縁層７上のサーミスタ材料の位置、又は導電性脚部３の位置、及び当該導電性脚部３間の距離に関係なく達成される。たとえば、図６は、電気絶縁層７上に配される単一の矩形のサーミスタ材料を示しており、当該サーミスタ材料は、次いで、サーミスタ層１と導電性脚部３との間に電気接続手段８を続いて設けることによって、導電性脚部３と電気的接触状態に置かれる。この構成は、センサの効率を損なうことなく製造プロセスを簡易化する。
センサが用いられるマイクロメカニカル素子は、たとえばゲッター材料の使用によって、当該構造体の製造中又は製造後に真空が理想的に生成される、密閉キャビティを有する。

図８及び図９は、本発明による真空センサの第４のタイプを示す。このセンサは、図１〜図７の構造と同様の構造を有する。しかしながら、図８の平面図、及び図９の側面断面図に示すように、薄膜ゲッター層１０が設けられ、サーミスタ層１は絶縁プラットフォーム内に埋設される。
ゲッター材料は、たとえば、チタン、チタン含有合金、又は残留ガスに反応してその表面上に安定酸化物を形成する任意の他の薄膜材料であってよい。
加熱及び検出用のボロメータサーミスタ材料層１を使用することによって、且つ電気絶縁材料（窒化ケイ素及び／又は二酸化ケイ素等）から成る層７を設け、脚部３に機械的剛性を付与することによって、熱抵抗性構造体をボロメータ製造工程中に組み立てることができる。たとえば、図９で、上層は窒化ケイ素（ＳｉＮ）から形成してもよく、下層は二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）から形成してもよい。追加の熱絶縁層が、たとえばアルミニウム（図示せず）から成る下層と、サーミスタ材料１から成る層との間にあってもよい。この概念のさらなる例は図５に示されており、ここでは、窒化ケイ素の層７が脚部３にわたって延在しサーミスタ材料１から成る層を支持する。

さらに、熱抵抗性構造体を（キャビティ内の温度測定及び赤外線による圧力測定を介して）真空センサとして使用することによって、ゲッタリングの監視、及びサーミスタ材料の抵抗加熱を通じたキャビティ内圧力に応じた制御が可能になる。
図４〜図９の支持層７は、窒化ケイ素が比較的頑強であると同時に、低い熱伝導率を有するため有利である。したがって、サーミスタ構造体への電気接続を比較的薄くかつ長くすることができ、これにより、比較的長くて薄い熱伝導路を有する導電システムを実現することができる。

図１０及び図１１は、シールリング１１及びカバー又は蓋１２を有する図８及び図９の真空センサの平面図及び断面側面図をそれぞれ示す。真空センサを、密閉キャビティ又はマイクロキャビティ１３内に組み入れるために、シールリングは、蓋１２を気密密閉するように配置される。
キャビティの形成を利用し、且つ本発明が有利であり得る装置の一つは、ボロメータである。図１２及び図１３は、ＩＲ検出画素領域１５を形成するように配置される複数の赤外線（ＩＲ）ボロメータ検出画素１４と共に真空センサが配置される本発明の一実施態様を示す。図１２の平面図及び図１３の側面断面図に示すように、統合された抵抗性サーミスタ構造体及びボロメータ画素１４をマイクロキャビティ１３内で密閉することができる。ＩＲ検出画素は、図１３に示すように、不活性化層６に配置されるインターコネクタ１７によって、集積回路領域１６に接続される。ＩＲコーティング１８が、カバー又は蓋１２に塗付される。蓋は、好ましくはシリコンから形成され、当該蓋は、必要に応じてキャビティの形状を規定するようにエッチングされる。

本発明は、ウエハレベル上の実装に限定されるものではないこと、並びに図１２及び図１３の例は、本発明を実現する多くの方法のうちの１つであることは当然である。
本発明は、その上に実装される基板から熱絶縁される熱抵抗性構造体を提供する。熱抵抗性構造体を非常に小さく作製することも可能である。したがって、素子内の他の部分を加熱することなく、当該構造体を加熱することができる。センサはまた、当該構造体が装置内の他の部分から追加的に加熱されない形での検出を可能にする。真空センサの応答時間並びに感度及び雑音レベルは、本発明の小サイズ及び高いＴＣＲによって最適化することができる。

熱絶縁される薄膜熱抵抗性構造体は、不活性化されたシリコン表面、セラミック表面、又はガラス上に直接配することができる。
ボロメータ素子と同様の他の素子にとって、ボロメータ素子に関して同じ（サーミスタ）構造及び材料を使用するこの解決策は、低費用化と、真空測定及び真空制御を任意のこのような素子に実装することに関する実用的な方法とを提供する。
２つの代替的な方法を製造にあたり使用することができる：
（ａ）薄膜技術と犠牲層エッチングとの組合せ。
（ｂ）薄膜技術、ウエハ移載技術、及び犠牲層エッチングの組合せ。

これらの公知の技術を使用することによって、熱抵抗性構造体を、ＣＭＯＳの真上を含め、小さな真空キャビティを有する様々な種類の素子上に構築することができる。
汎用素子は通常、抵抗層、１つ又は複数の絶縁層（複数可）、及び基板上で構造体を立ち上げる脚部の一部又は全体のうちの一方を形成する導電性層から成る。
１つの例は、白金から成る薄層を抵抗層として使用するというものであるが、他の薄膜導電材料又は半導体材料を使用してもよい。
より詳細には、当該構造体は、同じ材料系及び同じプロセス手順を使用し、かつ、抵抗性真空計構造体（複数可）が周囲ガス（真空）に干渉することができるように素子の構造又はレイアウトにわずかに修正を加えることによって、ＩＲボロメータ素子と共に組み立てることができる。

本発明は、マイクロメカニカル真空センサ及び赤外線ボロメータ素子に関する。

本発明にかかる薄膜熱抵抗層を有する真空センサの第１の実施形態の第１のタイプの平面図を示す。 本発明にかかる真空センサの第１の実施形態の第２のタイプの平面図を示す。 真空センサの第１の実施形態の側面断面図を示す。 本発明にかかる電気絶縁支持プラットフォームによって支持される薄膜熱抵抗層を有する、真空センサの第２の実施形態の平面図を示す。 図４の真空センサの側面断面図を示す。 本発明にかかるセンサの熱抵抗層と導電性脚部との間に電気接続手段を有する、真空センサの第３の実施形態の平面図を示す。 図６の真空センサの側面断面図を示す。 本発明にかかる薄膜ゲッターを有し、熱抵抗層が電気絶縁支持プラットフォーム内に内蔵される真空センサの第４の実施形態の平面図を示す。 図８の真空センサの側面断面図を示す。 密閉されるキャビティを規定するシールリング及びカバーを有する図８及び図９の真空センサの平面図を示す。 図１０の真空センサの側面断面図を示す。 マイクロキャビティ内で複数の赤外線ボロメータ検出画素と共にセンサが密閉される本発明による真空センサの平面図を示す。 図１２の真空センサの側面断面図を示す。

符号の説明

１ サーミスタ層
２ 基板
３ 導電性脚部
４ 導電性層
５ 拡散バリア材料層
６ 不活性化層
７ 電気絶縁層（支持プラットフォーム）
８ 電気接続手段
９ コンタクトホール
１０ ゲッター層
１１ シールリング
１２ 蓋
１３ マイクロキャビティ
１４ ＩＲ検出画素
１５ ＩＲ検出画素領域１５
１６ 集積回路領域
１７ インターコネクタ
１８ ＩＲコーティング

Claims (14)

1. マイクロメカニカル素子のキャビティ内の圧力を求めるマイクロメカニカル真空センサであって、
   基板と、
   前記基板に接続される少なくとも１つの導電性支持部材と、
   前記少なくとも１つの支持部材によって支持されると共に、前記支持部材によって前記基板から離間され、前記基板との間に空間を設ける熱抵抗層であって、前記センサが前記基板から実質的に熱絶縁されるように構成される熱抵抗層と、を備え、
   前記キャビティ内の前記圧力が、前記センサによって検出される温度値に応じて定められる、ように駆動される構成とされたことを特徴とするマイクロメカニカル真空センサ。
2. 請求項１に記載のマイクロメカニカル真空センサにおいて、前記熱抵抗層は、抵抗加熱によって加熱される、マイクロメカニカル真空センサ。
3. 請求項１又は請求項２に記載のマイクロメカニカル真空センサにおいて、前記熱抵抗層は、白金（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）、又はＳｉＧｅ単結晶のサーミスタ材料から形成されることを特徴とするマイクロメカニカル真空センサ。
4. 請求項１〜請求項３のいずれかに記載のマイクロメカニカル真空センサにおいて、前記少なくとも１つの導電性支持部材を前記基板に電気接続するように構成される導電性構成要素をさらに備える、マイクロメカニカル真空センサ。
5. 請求項１〜請求項４のいずれかに記載のマイクロメカニカル真空センサにおいて、前記熱抵抗層は、少なくとも１つの電気絶縁層によって支持されることを特徴とするマイクロメカニカル真空センサ。
6. 請求項５に記載のマイクロメカニカル真空センサにおいて、前記少なくとも１つの電気絶縁層は、窒化ケイ素（ＳｉＮ）又は二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）から形成されることを特徴とするマイクロメカニカル真空センサ。
7. 請求項５又は請求項６に記載のマイクロメカニカル真空センサにおいて、前記熱抵抗層は、前記少なくとも１つの電気絶縁層に埋設されることを特徴とするマイクロメカニカル真空センサ。
8. 請求項１〜請求項７のいずれかに記載のマイクロメカニカル真空センサにおいて、前記素子は、前記熱抵抗層を前記少なくとも１つの導電性支持部材に接続するように配置される電気接続手段をさらに備えることを特徴とするマイクロメカニカル真空センサ。
9. 請求項１〜請求項８のいずれかに記載のマイクロメカニカル真空センサにおいて、ゲッター材料をさらに備えることを特徴とするマイクロメカニカル真空センサ。
10. 請求項９に記載のマイクロメカニカル真空センサにおいて、前記ゲッター材料は、チタン（Ｔｉ）を含むことを特徴とするマイクロメカニカル真空センサ。
11. 請求項１〜請求項１０のいずれかに記載のマイクロメカニカル真空センサにおいて、前記基板は、シリコン、セラミック、又はガラスのうちの１つを含むことを特徴とするマイクロメカニカル真空センサ。
12. 請求項１〜請求項１１のいずれかに記載のマイクロメカニカル真空センサにおいて、前記熱抵抗層が前記キャビティ内で密閉されるように、前記基板に接続されるシールリングと、カバーとをさらに備えることを特徴とするマイクロメカニカル真空センサ。
13. 請求項１〜請求項１２のいずれかに記載のマイクロメカニカル真空センサを備えることを特徴とする赤外線ボロメータ素子。
14. 請求項１３に記載の赤外線ボロメータ素子において、複数の赤外線ボロメータ検出画素をさらに備えることを特徴とする赤外線ボロメータ素子。

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