JP2010054212A - 静電容量型半導体物理量センサ - Google Patents

Abstract

【課題】気密空間内のガスの存在によるセンサの性能低下を防止することができ、且つ、ガストラップ機能による大型化を回避すること可能な静電容量型半導体物理量センサを提供する。
【解決手段】圧力センサ領域のキャビティ１７ｃが加速度センサ領域のキャビティ１７ｂ，ｄと連通し、キャビティ１７ｃとキャビティ１７ｂ，１７ｄとでキャビティが構成される。これにより、圧力センサ単体におけるキャビティの容積に比べて非常に大きな容積のキャビティを確保し、ガラス基板とシリコン基板との間の密閉した空間内にガスが発生しても比較的大きな容積のキャビティにガスを拡散させることができるので、ガスの存在によるセンサの性能低下を防止することができる。またゲッター室などを設けていないので、ガストラップ機能による大型化を回避することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、静電容量の変化を検出することにより圧力や加速度等の物理量を検出する静電容量型半導体物理量センサの製造方法に関する。

従来より、圧力や加速度等の物理量が加わることによって変位する可動電極を有する半導体基板と、可動電極と対向する位置に固定電極が設けられた絶縁基板とを備え、可動電極の変位に伴う固定電極と可動電極間の静電容量の変化を検出することにより、可動電極に加わる物理量を検出する静電容量型半導体物理量センサが知られている。静電容量型半導体物理量センサをガラス基板とシリコン基板により形成した場合、製造工程中に発生したガスがセンサ性能に影響することが知られている。具体的には、ガラス基板とシリコン基板とを陽極接合した場合、接合部で酸素を主体とするガスが発生し、そのガスがガラス基板とシリコン基板との間の気密空間内に残留する。そして残留したガスはセンサ性能を低下させる原因となる。このような背景から、気密空間と繋がり、ゲッター材が置かれたゲッター室を気密空間とは別に設けることにより、残留ガスを吸着する技術が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００４−２４５７５３号公報

しかしながら、特許文献１記載の技術によれば、気密空間とは別にゲッター室が設けられていることから、静電容量型半導体物理量センサ全体としてのスペースを広くとる必要があり、静電容量型圧力センサが大型化する。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたものであり、その目的は気密空間内のガスの存在によるセンサの性能低下を防止することができ、且つ、ガストラップ機能による大型化を回避することが可能な静電容量型半導体物理量センサを提供することにある。

本発明に係る静電容量型半導体物理量センサは、静電容量の変化により圧力を検知する圧力センサと、静電容量の変化により加速度を検知する加速度センサとを並設してなる静電容量型力学量センサであって、相互に背向する一対の主面を有し、一方の前記主面上に形成された圧力センサ用の第１固定電極及び加速度センサ用の第２固定電極を有する第１基板と、第１固定電極と所定の間隔をおいて対向して配置された圧力センサ用の第１導電性可動部及び第２固定電極と所定の間隔をおいて対向して配置された加速度センサ用の第２導電性可動部を有する第２基板と、第２基板上に配置された第３基板とを備え、第１及び第２基板は、第１固定電極を内包する第１キャビティと第２固定電極を内包する第２キャビティが形成されるように接合され、第２及び第３基板は、第１導電性可動部及び導電性可動部を内包し、圧力センサの領域と加速度センサの領域とで連通する第３キャビティが形成され、第３キャビティが封止されるように接合され、第１基板には、第１キャビティ内に大気を導入するための貫通孔が形成されている。

本発明に係る静電容量型半導体物理量センサによれば、気密空間内のガスの存在によるセンサの性能低下を防止することができ、且つ、ガストラップ機能による大型化を回避することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態となる静電容量型半導体物理量センサについて説明する。

〔静電容量型半導体物理量センサの構成〕
本発明の実施形態となる静電容量型半導体物理量センサは、図１（ａ），（ｂ）に示すように、静電容量の変化により圧力を検知する圧力センサＡと、静電容量の変化により加速度を検知する加速度センサＢとを水平方向に並設することにより形成されている。ガラス基板１１は、相互に対向する一対の主面１１ａ，１１ｂを有する。ガラス基板１１には、圧力センサＡ及び加速度センサＢが並設される。ガラス基板１１には、シリコンで構成された島状体（シリコン製部材）１２ａ〜１２ｄが埋設されている。島状体１２ａ〜１２ｄは、主面１１ａ上に形成された電極と主面１１ｂ上に形成された電極とを電気的に接続する導電部材である。島状体１２ａ，１２ｂは圧力センサＡ側の導電部材であり、島状体１２ｃ，１２ｄは加速度センサＢ側の導電部材である。島状体１２ａ〜１２ｄは、ガラス基板１１の両主面でそれぞれ露出している。ガラス基板１１には、外気が侵入する貫通孔１２ｅが設けられている。この貫通孔１２ｅを介して侵入した外気の圧力により感圧ダイヤフラム１６ａが可動する。ガラス基板１１に貫通孔１２ｅを形成する方法としては、サンドブラスト処理などを用いることができる。

ガラス基板１１の主面１１ａ上の圧力センサ領域には、島状体１２ａの一方の露出部分と電気的に接続するように電極１３ａが形成されており、島状体１２ｂの一方の露出部分と電気的に接続するように固定電極１４ａが形成されている。固定電極１４ａは、圧力センサＡ用の固定電極である。ガラス基板１１の主面１１ａ上の加速度センサ領域には、島状体１２ｃの一方の露出部分と電気的に接続するように固定電極１４ｂが形成されており、島状体１２ｄの一方の露出部分と電気的に接続するように電極１３ｂが形成されている。この固定電極１４ｂは、加速度センサＢ用の固定電極である。ガラス基板１１の主面１１ｂ上の圧力センサ領域には、島状体１２ａの他方の露出部分と電気的に接続するように電極１５ａが形成されており、島状体１２ｂの他方の露出部分と電気的に接続するように電極１５ｂが形成されている。ガラス基板１１の主面１１ｂ上の加速度センサ領域には、島状体１２ｃの他方の露出部分と電気的に接続するように電極１５ｃが形成されており、島状体１２ｄの他方の露出部分と電気的に接続するように電極１５ｄが形成されている。このように電極１５ａ〜１５ｄが同一の主面１１ｂ上に設けられていることにより、外部機器への接続が容易となる。

ガラス基板１１の主面１１ａ上には、圧力センサＡ側の導電性可動部である感圧ダイヤフラム１６ａ（可動電極）と、加速度センサＢ側の導電性可動部である揺動部材１６ｂとを有するシリコン基板１６が接合されている。このシリコン基板１６においては、圧力センサ領域に、導電性可動部として被測定圧力により可動する感圧ダイヤフラム１６ａが設けられており、加速度センサ領域に、導電性可動部として被測定加速度により揺動する揺動部材１６ｂと、揺動部材１６ｂを支持する支持部材１６ｃとが設けられている。また圧力センサ領域の端部（紙面向って左端）及び加速度センサ領域の端部（紙面向って右端）には、ガラス基板１８と接合する第１接合部１６ｄが設けられている。さらに、シリコン基板１６における圧力センサ領域と加速度センサ領域との間、並びにシリコン基板１６の圧力センサ領域の端部（紙面向って左端）及び加速度センサ領域の端部（紙面向って右端）には、ガラス基板１１の主面１１ａと接合する第２接合部１６ｅが設けられている。ガラス基板１１とシリコン基板１６とは、感圧ダイヤフラム１６ａが固定電極１４ａと所定の間隔をおいて配置され、揺動部材１６ｂが固定電極１４ｂと所定の間隔をおいて配置されるように位置合わせされた状態で第２接合部１６ｅで接合される。また、ガラス基板１１とシリコン基板１６とは、固定電極１４ａ，１４ｂ上にキャビティ１７ａ，１７ｂが形成されるように接合されている。すなわち、圧力センサ領域の固定電極１４ａ上にキャビティ１７ａが設けられ、加速度センサ領域の固定電極１４ｂ上にキャビティ１７ｂが設けられている。

シリコン基板１６上には、ガラス基板１８が配置されている。ガラス基板１８は、シリコン基板１６の第１接合部１６ｄで接合されている。圧力センサ領域におけるガラス基板１８とシリコン基板１６との間にはキャビティ１７ｃが形成されている。また加速度センサ領域におけるガラス基板１８とシリコン基板１６との間にはキャビティ１７ｄが形成されている。そしてキャビティ１７ｃとキャビティ１７ｄは、圧力センサ領域と加速度センサ領域の間にあるキャビティ１７ｅを介して連通している。加速度センサ領域においては、ガラス基板１１，１８と、シリコン基板１６とにより構成された空間部内で揺動部材１６ｂが揺動するように構成される。また、シリコン基板１６の加速度センサ領域において、揺動部材１６ｂを支持する一方の支持部材１６ｃには貫通孔１６ｈが形成されている。したがって、加速度センサ領域における揺動部材１６ｂと第２のガラス基板１８との間で構成されるキャビティ１７ｄは、貫通孔１６ｈによりキャビティ１７ｂと連通している。これにより、大きな容積のキャビティを設けることができる。なお感圧ダイヤフラム１６ａと対向するガラス基板１８表面にゲッター材を配設するようにしてもよい。このような構成によれば、ゲッター材によってキャビティ１７ｃ，１７ｄ，１７ｅ内のガスを吸着することにより、センサの性能低下をより確実に防止することができる。

シリコン基板１６における感圧ダイヤフラム１６ａ及び揺動部材１６ｂは、シリコン基板１６の両面からエッチングなどによりそれぞれ凹部を形成することにより設けられている。また、支持部材１６ｃと揺動部材１６ｂとをシリコン基板１６に形成する場合には、例えばマイクロマシニング技術を応用したエッチングにより行う。シリコン基板１６のガラス基板接合面側の凹部はそれぞれ固定電極１４ａ，１４ｂを収容できる大きさを有しており、シリコン基板１６をガラス基板１１に接合することにより、キャビティ１７ａ，１７ｂを構成する。これにより、感圧ダイヤフラム１６ａと固定電極１４ａとの間に静電容量が発生し、揺動部材１６ｂと固定電極１４ｂとの間に静電容量が発生する。ガラス基板１１と島状体１２ａ〜１２ｄとの界面は、高い密着性を有することが好ましい。後述するように、これらの界面は、加熱下において島状体１２ａ〜１２ｄをガラス基板１１に押し込むことにより形成される。このような方法により得られた界面でも高い密着性を発揮できるが、島状体１２ａ〜１２ｄをガラス基板１１に押し込んだ後に、陽極接合処理を施すことにより、密着性をより高くすることができる。

このような構成を有する静電容量型半導体物理量センサの圧力センサ領域においては、感圧ダイヤフラム１６ａとガラス基板１１上の固定電極１４ａとの間に所定の静電容量を有する。この圧力センサに圧力がかかると、感圧ダイヤフラム１６ａが圧力に応じて可動する。これにより、感圧ダイヤフラム１６ａが変位する。このとき、感圧ダイヤフラム１６ａとガラス基板１１上の固定電極１４ａとの間の静電容量が変化する。したがって、この静電容量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。一方、静電容量型半導体物理量センサの加速度センサ領域においては、ガラス基板１１，１８と、シリコン基板１６とにより構成された空間部内で、揺動部材１６ｂが被測定加速度により揺動する。揺動部材１６ｂは導電体であるので、揺動部材１６ｂが揺動することにより、固定電極１４ｂとの間の静電容量が変化する。この変化を検知することにより加速度を測定することができる。

またこの静電容量型半導体物理量センサにおいては、圧力センサ領域のキャビティ１７ｃが加速度センサ領域のキャビティ１７ｂ，ｄと連通しているので、キャビティ１７ｃとキャビティ１７ｂ，１７ｄとでキャビティを構成することになる。したがって、この静電容量型半導体物理量センサにおいては、圧力センサ単体におけるキャビティの容積に比べて非常に大きな容積のキャビティを確保することができる。その結果、ガラス基板とシリコン基板との間の密閉した空間内にガスが発生しても比較的大きな容積のキャビティにガスを拡散させることができる。これにより、ガスの存在によるセンサの性能低下を防止することができる。また、この静電容量型力学量センサによれば、ゲッター室などを設けていないので、ガストラップ機能による大型化を回避することが可能である。

さらにこの静電容量型半導体物理量センサにおいては、固定電極１４ａを有するガラス基板１１側に貫通孔１２ｅが形成されている。このような構成によれば、図２（ａ）に示すように低圧時は感圧ダイヤフラム１６ａが大きく変位しないことから、固定電極１４ａと感圧ダイヤフラム１６ａの対向面積が大きくなり、結果として感度が大きくなる。一方、図２（ｂ）に示すように高圧時は感圧ダイヤフラム１６ｂが大きく変位することから、固定電極１４ａと感圧ダイヤフラム１６ａの対向面積が小さくなり、結果として感度が小さくなる。したがって、このような構成によれば、低圧時における圧力センサの感度を向上させることができる。

〔静電容量型半導体物理量センサの製造方法〕
次に、上記静電容量型半導体物理量センサの製造方法について説明する。

静電容量型半導体物理量センサを製造する際は、始めに、不純物をドーピングして低抵抗化したシリコン基板１６を準備する。次に、シリコン基板１６の一方の主面をエッチングして、図３（ａ）に示すように、感圧ダイヤフラム１６ａと固定電極１４ａとの間の間隔を制御するキャビティ１７ａ用の凹部１６ｇと揺動部材１６ｂと固定電極１４ｂとの間の間隔を制御するキャビティ１７ｂ用の凹部１６ｈを形成する。次に、シリコン基板１６の他方の主面をエッチングして、図３（ｂ）に示すように、感圧ダイヤフラム１６ａ及び揺動部材１６ｂを形成する。またキャビティ１７ｅを形成するために感圧ダイヤフラム１６ａと揺動部材１６ｂ間のシリコン基板１６の他方の主面をエッチングする。また感圧ダイヤフラム１６ａ及び揺動部材１６ｂを形成する際に、シリコン基板１６の一方の主面側、すなわちキャビティ１７ｂ側からもエッチングを施すことにより貫通部１６ｈを形成する。次に、図４（ａ）に示すように、島状体１２ａ〜１２ｄを埋め込んだガラス基板１１を作製した後、ガラス基板１１にサンドブラスト処理を行って孔１２ｅを形成する。次に、図４（ｂ）に示すように、ガラス基板１１の主面１１ｂ上に、島状体１２ａ〜１２ｄとそれぞれ電気的に接続するように電極１５ａ〜１５ｄを形成する。次に、図４（ｃ）に示すように、ガラス基板１１の主面１１ａ上に、島状体１２ａ，１２ｄとそれぞれ電気的に接続するように電極１３ａ，１３ｂを形成し、島状体１２ｂ，１２ｃとそれぞれ電気的に接続するように固定電極１４ａ，１４ｂを形成する。

次に、被測定圧力により変位する感圧ダイヤフラム１６ａ及び被測定加速度により揺動する揺動部材１６ｂを有するシリコン基板１６を、感圧ダイヤフラム１６ａが固定電極１４ａと所定の間隔をおいて位置するように、また、揺動部材１６ｂが固定電極１４ｂと所定の間隔をおいて位置するように、ガラス基板１１の主面１１ａ上に接合する。すなわち、ガラス基板１１の主面１１ａとシリコン基板１６の第２接合部１６ｅとが接合される。このとき、シリコン基板１６及びガラス基板１１に対して、約４００℃以下の加熱下で約５００Ｖ程度の電圧を印加することにより陽極接合処理を行う。これによりシリコン基板１６とガラス基板１１との間の界面での密着性がより高くなる。このガラス基板１８をシリコン基板１６に接合する。すなわち、ガラス基板１８とシリコン基板１６の第１接合部１６ｄとが接合される。このとき、シリコン基板１６及び第ガラス基板１８に対して、約４００℃以下の加熱下で約５００Ｖ程度の電圧を印加することにより陽極接合処理を行う。これによりシリコン基板１６とガラス基板１８との間の界面での密着性がより高くなり、キャビティ１７ｃ，１７ｄ，１７ｅの気密性を向上させることができる。このようにして得られた静電容量型半導体物理量センサは、圧力センサ側において、固定電極１４ａが島状体１２ｂを介して電極１５ｂと電気的に接続され、電極１３ａが島状体１２ａを介して電極１５ａと電気的に接続されている。従って、感圧ダイヤフラム１６ａと固定電極１４ａとの間で検知された静電容量の変化の信号は、島状体１２ａ，１２ｂを介して電極１５ａ，１５ｂから取得することができる。この信号に基づいて測定圧力を算出することができる。また、加速度センサ側においては、固定電極１４ｂが島状体１２ｃを介して電極１５ｃと電気的に接続され、電極１３ｂが島状体１２ｄを介して電極１５ｄと電気的に接続されている。従って、揺動部材１６ｂと固定電極１４ｂとの間で検知された静電容量の変化の信号は、島状体１２ｃ，１２ｄを介して電極１５ｃ，１５ｄから取得することができる。この信号に基づいて測定加速度を算出することができる。

以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。

本発明の実施形態となる静電容量型半導体物理量センサの概略構成を示す概略図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は断面図である。 本発明の実施形態となる静電容量型半導体物理量センサの技術的効果を説明するための模式図である。 図１に示す静電容量型半導体物理量センサの製造方法を説明するための断面工程図である。 図１に示す静電容量型半導体物理量センサの製造方法を説明するための断面工程図である。

符号の説明

１１，１８：ガラス基板
１１ａ，１１ｂ：主面
１６：シリコン基板
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ：島状体
１２ｅ：貫通孔
１３ａ，１３ｂ，１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ：電極
１４ａ，１４ｂ：固定電極
１６ａ：感圧ダイヤフラム
１６ｂ：揺動部材
１６ｃ：支持部材
１６ｄ，１６ｅ：接合部
Ａ：圧力センサ
Ｂ：加速度センサ

Claims (2)

1. 静電容量の変化により圧力を検知する圧力センサと、静電容量の変化により加速度を検知する加速度センサとを並設してなる静電容量型力学量センサであって、
   相互に背向する一対の主面を有し、一方の前記主面上に形成された前記圧力センサ用の第１固定電極及び前記加速度センサ用の第２固定電極を有する第１基板と、
   前記第１固定電極と所定の間隔をおいて対向して配置された前記圧力センサ用の第１導電性可動部及び前記第２固定電極と所定の間隔をおいて対向して配置された前記加速度センサ用の第２導電性可動部を有する第２基板と、
   前記第２基板上に配置された第３基板とを備え、
   前記第１及び第２基板は、前記第１固定電極を内包する第１キャビティと前記第２固定電極を内包する第２キャビティが形成されるように接合され、前記第２及び第３基板は、前記第１導電性可動部及び第２導電性可動部を内包し、前記圧力センサの領域と前記加速度センサの領域とで連通する第３キャビティが形成され、当該第３キャビティが封止されるように接合され、前記第１基板には、前記第１キャビティ内に大気を導入するための貫通孔が形成されていること
   を特徴とする静電容量型半導体物理量センサ。
2. 請求項１に記載の静電容量型半導体物理量センサにおいて、
   前記第１導電性可動部と対向する前記第３基板表面に設けられたゲッター材を備えることを特徴とする静電容量型半導体物理量センサ。

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