JP2012047725A

JP2012047725A - 静電容量圧力センサ

Info

Publication number: JP2012047725A
Application number: JP2011135996A
Authority: JP
Inventors: Tsuyoshi Ho; 強彭
Original assignee: Canon Anelva Corp
Current assignee: Canon Anelva Corp
Priority date: 2010-07-30
Filing date: 2011-06-20
Publication date: 2012-03-08
Also published as: US8714022B2; US20120024075A1

Abstract

【課題】配線構造によって安定した圧力測定が可能な静電容量圧力センサを提供すること。
【解決手段】
本発明の一実施形態に係る静電容量圧力センサは、第１絶縁層１ａ〜第３絶縁層１ｃを有する基板１と、基板１との間に基準チャンバ８が形成されるように、基板１と向き合うように配置されたダイアフラム２と、基板１上に設けられ、ダイアフラム２と対向した第１の電極６と、ダイアフラム２上でかつ第１の電極６と対向して設けられた第２の電極５と、第１の電極６に接続され、該第１の電極６と外部とを電気的接続するための配線４２と、第２の電極５に接続され、該第２の電極５と外部とを電気的接続するための第２の配線４２とを備える。上記配線４２は、第１絶縁層１ａを基板１の基準チャンバ８側から基板１の該基準チャンバ８と反対側に向かって貫通するとともに、各絶縁層間で屈曲されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、静電容量圧力センサに関する。

静電容量圧力センサは良く知られている技術である。温度調節型の静電容量圧力センサでは、温度に対して敏感な素子の温度を一定に維持するためにヒータが使用される。特許文献１の図７には、静電容量型圧力センサにおいて、基板内にヒータが設けられている旨が開示されている。

特許文献２には、歪みゲージ抵抗器素子を備えた、高級鋼等による膜が低温同時焼成セラミクス（ＬＴＣＣ）基板上に取り付けられている圧力センサが開示されている。特許文献２の圧力センサは静電容量圧力センサではないが、ＬＴＣＣ基板の熱膨張係数を圧力によって歪む高級鋼等による膜の熱膨張係数と一致させられ得ることが示されている。

特開２００７−８６００２号公報特表２００８−５２７３１３号公報

しかしながら、特許文献１の圧力センサは、固定電極やヒータへの配線について、具体的な記載はない。同様に特許文献２のＬＴＣＣ基板を用いた圧力センサについても、配線について具体的な記載はない。
本願発明者は、静電容量圧力センサの内部に設けられた、外部との電気的な接続が必要な導電部材（例えば、電極）への配線構造が、静電容量圧力センサの測定精度や安定性に大きく影響することを発見した。

本発明の目的は、上記課題に鑑みてなされたものであり、配線構造によって安定した圧力測定が可能な静電容量型圧力センサを提供することを目的とする。

このような目的を達成するために、本発明は、静電容量圧力センサであって、複数の絶縁層を有し、該複数の絶縁層を積層して構成された基板と、前記基板との間に空間が形成されるように、前記基板と向き合うように配置されたダイアフラムと、前記基板上に設けられ、前記ダイアフラムと対向した第１の電極と、前記ダイアフラム上でかつ前記第１の電極と対向して設けられた第２の電極と、前記第１の電極に接続され、該第１の電極と外部とを電気的に接続するための第１の配線と、前記第２の電極に接続され、該第２の電極と外部とを電気的に接続するための第２の配線とを備え、前記第１の配線および第２の配線は、前記複数の絶縁層のうち、前記空間側の少なくとも一つの層を前記基板の前記空間側から前記基板の該空間と反対側に向かって貫通するとともに、前記複数の絶縁層のある層と該ある層に積層された別の層の間で屈曲されていることを特徴とする。

本発明の静電容量圧力センサでは、静電容量圧力センサの内部に設けられた、外部との電気的な接続が必要な導電部材への配線構造を工夫することで、高精度かつ安定した圧力測定が可能となる。

本発明の一実施形態に従った静電容量センサの構造を示す断面図である。図１に示すＬＴＣＣ基板１ｂの中間層を示す上面図である。本発明の一実施形態に係る、真空チャンバ中への圧力センサを設置した状態を示す図である。本発明の一実施形態に係る静電容量圧力センサの、ダイアフラムと対向して設けられる基板の製作プロセスを示す図である。図１に示す基板１ｃ上の回路パターンを示す図である。本発明の一実施形態に係る、静電容量圧力センサが備えるダイアフラムの製作プロセスを示す図である。本発明の一実施形態に係る、ダイアフラムが高圧力を受けて基板に接したときの状態を示す断面図である。本発明の一実施形態に係る、異なるダイナミックレンジのセンサ・チップを設計するときのシミュレーション結果の曲線を示す図である。

本発明の実施形態では、耐食性、熱的安定性および優れた精度の特性を有する静電容量圧力センサを説明する。実施形態は、材料の選択、デバイスの製作、およびデバイス設計の事項を含む。図１、２および３を参照して、本発明の一実施形態に係る本圧力センサの構造を説明する。

図１は、本発明の一実施形態に従った静電容量圧力センサの構造の断面図である。動作可能な静電容量圧力センサは、互いに向き合って離間して配置された第１及び第２の電極５、６を備える。第１の電極（容量電極）６は、固定された基板１上にあり、固定電極となる。第２の電極（可動電極）５は薄いダイアフラム２上にあり、このダイアフラム２は該ダイアフラム２の周囲の圧力変化によって撓む。これらの２つの電極５、６間のスペースは、基準チャンバ８を形成し、真空に維持されている。すなわち、電極５および電極６は、空洞部（空間）としての基準チャンバ８を介して対向して配置されている。ダイアフラム２が圧力によって撓んだとき、第１及び第２の電極５、６間の距離は変化する。その結果、初期状態として平行に配置された電極５、６間の静電容量が変化し、該静電容量の変化が圧力の変化として検出される。なお、センサ構成部品の熱膨張率の違い（環境温度変化）に起因する機械的歪みによる誤差を補正するために基準電極７が容量電極６の近傍に設けられている。

精巧な静電容量圧力センサを作るのには幾つかの課題がある。高感度を達成するために、２つの平行電極５、６は、数μｍから数百μｍの範囲の小さな間隔で配置されなければならない。さらに、ダイアフラム２の厚さもまた、そのような数μｍから数百μｍの範囲で製作されなければならない。本例のダイアフラム２は１０μｍから１０００μｍまでの厚さを有する。従来の機械加工法を使用して、この位置およびサイズの精度を保証することは困難である。さらに、基準チャンバ８を小さな寸法および高い精度で密封することは困難である。

ダイアフラム２の外表面と内表面の間に圧力差がないとき、ダイアフラム２は平らな状態のままでなければならず、どんな望ましくない変形も精度を悪くする。ダイアフラムの望ましくない変形は、通常、ダイアフラム２中への応力によって引き起こされ、この内部応力は、製造プロセス中に導入されるか、温度が変化するときにセンサ材料の異なる熱膨張によって引き起こされる。本実施形態では、低熱膨張の低温同時焼成セラミクス（以下で、ＬＴＣＣと呼ばれる）基板１と炭化珪素（ＳｉＣ）ダイアフラム２が、上記の問題を解決するために使用される。さらに、ＭＥＭＳ製造プロセスが、μｍスケールで寸法精度を制御するために使用される。

本実施形態では、ダイアフラム２の材料として単結晶ＳｉＣが選ばれるが、その理由は、ＳｉＣが高耐食性および高熱伝導率を有するからである。ＣＶＤにより形成されるＳｉＣ膜と比べて、単結晶ＳｉＣは、より優れた結晶構造を有し、このことはピン・ホールの発生を防止ないしは低減する。ダイアフラム２は、数十μｍから数百μｍの厚さで製作されることができる。ＳｉＣの熱膨張係数（ＣＴＥ）は、Ａｌ_２Ｏ_３の７ｐｐｍ／℃およびインコネル合金の１０ｐｐｍ／℃以上と比べて小さく、４．５ｐｐｍ／℃である。ＳｉＣの熱伝導率（ＴＣＥ）は、約３７０〜４９０Ｗ／ｍ／Ｋであり、これは、Ａｌ_２Ｏ_３およびインコネル合金よりも１桁以上大きい。最新の熱特性によって、優れた温度均一性および高い安定性を持ったセンサ・ダイアフラムを組み立てることが容易になる。表１は、従来の真空ゲージで使用される材料の熱伝導率を比較する。

本実施形態では、複数の絶縁層を有するＬＴＣＣ基板１が、静電容量圧力センサの基板１を組み立てるために選ばれる。ＬＴＣＣ基板１の熱膨張係数は、同時焼成材料の組成を調整することによって、ＳｉＣダイアフラム２とほとんど同じに調節することができる。このようにして、ダイアフラム２と基板１の間の熱膨張による不整合を最小限にし、ダイアフラムへの応力の発生を防止ないしは低減する。

ＬＴＣＣは、集積回路用のパッケージを形成するために一般に使用される材料である。ＬＴＣＣ基板の回路の製造プロセスは、プリント回路基板と同様である。ＬＴＣＣ基板は、ガラスおよびセラミクス材料の混合物を含む多層のセラミックグリーンシート（絶縁層）から作られる。最初に、Ａｌ_２Ｏ_３、ガラスおよびＢ_２Ｏ_３の粉末がイソプロピル・アルコール中に溶かされ、ポットミル中で混合されて、スラリを形成し、混合物粒子の粒径は５μｍ未満である。次に、スラリはキャリヤ・テープ上で平らにされて、セラミックグリーンシート（セラミック粉末と分散媒を含むセラミック・スラリによって形成された薄い平らなシート）を作り、このシートの厚さは２０μｍから３００μｍである。セラミックグリーンシート上には、設計された回路パターンおよび接続ビアが印刷法を使用して生成される。その後で、セラミックグリーンシートのいくつかの層が互いに積み重ねられて、約９００℃までの温度プログラムによって加熱されながら、２００気圧の下で薄板にされる。この条件下で、セラミック材料は、高密度化され、同時焼成されて単一ＬＴＣＣ回路基板を形成する。

本実施形態においては、ＬＴＣＣ基板１は、第１絶縁層１ａ、第２絶縁層１ｂ、第３絶縁層１ｃを積層して構成されている。
第３絶縁層１ｃは、応力の影響を少なくするため、第２絶縁層１ｂより厚く構成され、２ｍｍ以上であることが望ましい。第３絶縁層１ｃは、耐食性の高い材質が好適であり、たとえば、ＡｌＮ、セラミック、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）が挙げられる。一方、第２絶縁層１ｂは、ヒータ３の熱を伝達するため、熱伝導性が高い材質が好適であり、たとえば、ＡｌＮ、Ｓｉ、ＳｉＣが挙げられる。第１絶縁層１ａには、複数の貫通孔が設けられ、この貫通孔を通じて、第１の電極６を外部接続するための第１の配線としての配線４２，及び第３の電極７を外部接続するための第２の配線としての配線４２が設けられている。同様に、第２絶縁層１ｂ、第３絶縁層１ｃにおいても、第１絶縁層１ａの貫通孔とはずらして、複数の貫通孔が設けられ、電極６，７と外部接続するための配線４２が設けられている。このようにずらして設けられた、第１絶縁層１ａの貫通孔を通る配線４２と第２絶縁層１ｂの貫通孔を通る配線４２とは、第１絶縁層１ａと第２絶縁層１ｂとの層間において配線４２により接続されている。
なお、本明細書では、上記第１の電極６に接続される第１の配線および第２の電極５に接続される第２の配線を共に、配線（電極への電気接続配線）４２と称する。

さらに、第１絶縁層１ａと第２絶縁層１ｂとの間には、複数のヒータ３が設けられている。第２絶縁層１ｂには、複数の貫通孔が設けられ、この貫通孔を通じて、複数のヒータ３と外部接続するための第３の配線としての配線（ヒータへの電気接続配線）４１が設けられている。同様に、第３絶縁層１ｃにおいても、第２絶縁層１ｂの貫通孔とはずらして、複数の貫通孔が設けられ、複数のヒータ３と外部接続するための配線４１が設けられている。このようにずらして設けられた、第２絶縁層１ｂの貫通孔を通る配線４１と第３絶縁層１ｃの貫通孔を通る配線４１とは、第１絶縁層１ａと第２絶縁層１ｂとの層間において配線４１により接続されている。

このように、貫通孔や配線４１、４２を基板１の一方面（電極６が設けられた面、すなわち空間側）から該一方面に対向する他方面（該空間と反対側）に向かって屈曲（ぎざぎざ）して設けることで、配線４１、４２が設けられる貫通孔を通して外部から基準チャンバ８内へのガスの流入を低減することができる。

なお、本実施形態では、ヒータや電極への配線をすべて第３絶縁層１ｃの表面から、外部へ接続するようにしたが、これに限定されず、第１絶縁層１ａと第２絶縁層１ｂとの層間や第２絶縁層１ｂと第３絶縁層１ｃの層間から基板の側面側から外部へ配線してもよい。例えば、配線４２の配線構造について、第1絶縁層１ａと第２絶縁層１ｂその層間から基板１の側面側に配線する場合、配線４２は、第１絶縁層１ａ中では上記基板１の一方面から他方面に向かう方向に沿って延び、第１絶縁層１ａと第２絶縁層１ｂとの界面において、該界面に沿って基板１の側面側に屈曲する。

ダイアフラム上の電極（第２の電極）５を外部接続する配線４２は、第１絶縁層１ａを貫通し、第１絶縁層１ａと第２絶縁層１ｂとの層間で、屈曲して設けられている。これにより、配線と貫通孔との隙間からチャンバ８へのガス混入を防止ないしは低減することができる。

本実施形態では、静電容量圧力センサの内部に設けられた電極５〜７と外部とを電気的に接続するための配線４２を、基板１の内部において、基板上の電極６、７が形成された一方面から屈曲するように設けて基板１の外部に引き出している。従って、配線４２を設けるための貫通孔と配線４２との間に隙間がある場合、該隙間を通過するガスにとってはラビリンス構造を経験することになる。よって、電極５〜７を外部と電気的に接続するための配線４２を形成するための貫通孔と該配線４２との間を通して、外部から基準チャンバ８へのガスの流入を低減することができる。よって、基準チャンバ８内に意図しないガスの流入が低減されるので、高精度かつ安定した圧力測定を行うことができる。

図２は、中間層としての、ＬＴＣＣ基板１の第２絶縁層１ｂの下面図である。ヒータ膜のパターンは、均一な温度分布を実現するために熱伝達を釣り合わせるように設計することができる。第２絶縁層１ｂ上に、３つの接続ビア４１の付いた２つの部分ヒータ膜３１、３２が設けられている。第２絶縁層１ｂ上の異なる領域は、異なるヒータ膜３１、３２を使用して別々に加熱することができる。２つの部分ヒータ膜３１、３２に異なる電力を加えることによって、第２絶縁層１ｂ上の均一性温度分布を改善することができる。なお、ヒータ膜の数は、２以上であってもよく、それぞれのヒータ膜が個別に温度調整可能（加熱電力が調節可能）であることが望ましい。

図３は、図１に示す静電容量圧力センサの設置状態を示す図である。静電容量圧力センサは、ヒートシンク９に取り付けられて、不図示の真空チャンバ中へ直接設置することができる。ヒートシンク９の機能は、温度制御システムに対する応答速度を改善するように周囲と静電容量圧力センサとの間の安定な熱伝導を確保することにある。ヒートシンク９を取り付けていない場合は、容器５０内が真空排気されると、センサと容器５０間の熱伝導はほとんど配線５１の熱伝導によって行われる。配線５１は細く熱伝導が小さいため、真空チャンバの排気開始時に生じる断熱膨張による温度低下から基の温度に戻るのに長時間を要するため、センサ温度と相関するセンサのゼロ点がドリフトし続け、元の値に戻るのに長時間を要する。本発明の一実施形態では、耐食性及び熱伝導性が高いＡｌＮからなるヒートシンク９が、静電容量圧力センサの応答を改善する。さらに、ヒートシンク９は、内蔵ヒータ３により発生した熱を安定して静電容量圧力センサの外部に逃がすことができる。そのような構造は、正確な温度制御を可能にし、安定性および精度を改善する。

なお、図３に示す容器５０内では、静電容量型圧力センサの図中上方部分は、室温部分（大気側）と隣接し、ヒータ３の熱が放熱するため、相対的に温度が低く、逆に静電容量型圧力センサの図中下方部分は、相対的に温度が高い。そのため、前述したように静電容量型圧力センサの基板内に複数のヒータ３を備え、各ヒータ３を個別に温度調整が可能にすることで、容器内の温度を均一に保つことができる。

図４Ａおよび図５を参照して本発明の一実施形態に係る圧力センサの製造プロセスを説明する。
ＬＴＣＣ基板１の回路パターンおよびビア４は、センサ電極５、６、７の外部接続を実現する。混合物粉末の組成を調整することによって、ＬＴＣＣの熱膨張係数（ＣＴＥ）は約４．５ｐｐｍ／℃に調節され、この値はＳｉＣのＣＴＥにほとんど等しい。その後で、ＬＴＣＣ基板１とＳｉＣダイアフラム２とは陽極接合される。陽極接合法は、いかなる接着材料も使用することなしに気密封止を実現し、このことで、接合部品の位置精度が保証される。接合されたＬＴＣＣ基板１とＳｉＣダイアフラム２は、わずか４．５ｐｐｍ／℃の同様な熱膨張係数を有し、このことで、センサ・チップ中の応力が最小限になる。したがって、ダイアフラムの望ましくない変形は抑制できる。基板の材料とダイアフラムの材料の間のＣＴＥ差は、１ｐｐｍ／℃以下である。

図４Ａは、本発明の一実施形態に従ったＬＴＣＣ基板の製造プロセスを示す図である。図４Ａでは、３つの第１〜第３絶縁層（以降、“セラミック層”と呼ぶこともある）１ａ、１ｂ、１ｃの断面図が示されている。図４Ｂは、第３絶縁層（後部層）１ｃ上の電気回路パターンであり、ヒータ膜パターンの一例が図２に示されている。

工程４１では、ＬＴＣＣ基板１の構成部材である、３つのセラミック層１ａ、１ｂ、１ｃを用意する。後部層である第３絶縁層１ｃは、複数のセラミックグリーンシートを有する厚い板であり、最終的に、約８００μｍまで焼結され高密度化（同時焼成）される。これによって、第３絶縁層１ｃは他の層の剛体支持体となる。

図示のＬＴＣＣ基板１は３つのセラミック層を含むが、この基板に限定されない。ＬＴＣＣ基板１の内部を少なくとも一回屈曲するような配線を設けるために、ＬＴＣＣ基板は少なくとも２つのセラミック層を含むことが好ましい。なお、基板はＬＴＣＣ基板に限定されるものではなく、ＨＴＣＣ（High Temperature Co-fired Ceramic）基板を用いてもよい。すなわち、本発明の一実施形態では、電極６，７が設けられる基体としての基板は、例えばＬＴＣＣ基板やＨＴＣＣ基板といった少なくとも２つの絶縁層を有するものである。本実施形態において、該基体として少なくとも２つの絶縁層を設ける理由は、該基体の、電極６，７が形成される一方面から、該基体の、該一方面と対向する他方面に向かって、少なくとも一回屈曲した配線を、上記基体の内部に設けるためである。本実施形態のように、ガスに対するラビリンス構造を形成するために上記基体の内部において上記一方面から他方面に向かって屈曲する配線であって、該配線の一方端が記一方面に位置する場合、少なくとも２つの絶縁層を積層させることにより、該２つの絶縁層の界面において、配線の屈曲構造を容易に形成することができる。

セラミック層１ａ、１ｂの中間には、ヒータ３（図２のヒータ膜３１および３２）が形成されている。ヒータ３の温度は、４５℃から２５０℃の範囲内の実質的一定値に維持される。一定温度を維持することによって、基板１とダイアフラム２の間の熱膨張係数の差による歪みは抑制される。セラミック層によって挟まれたヒータ３は外部環境にさらされないので、ヒータ３は、腐食から保護され、また高い熱効率を有する。すなわち、ヒータ３を基板１の内部に設けることによって、ヒータ３を外部に晒すことなく保護することができ、ヒータの耐久性を向上することができる。

前部層（セラミック層）１ａには、電極５、６、７のための貫通接続用接続ビア４２があり、ＬＴＣＣ前部層１ａの厚さは、ほんの５０μｍであり、ヒータ３からＳｉＣダイアフラム２までの熱伝導の効率を高めることができる。中間層（セラミック層）１ｂは、内蔵ヒータ３の担体（キャリヤ）として機能し、約２００μｍの厚さを有する。後部層（セラミック層）１ｃはヒータ１ｂおよびダイアフラム２の剛体支持体を形成し、８００μｍ以上の厚さを有し、また厚ければ厚いほどよい。後部層１ｃの表面には、電気パッド１１が形成され、センサ・チップを設置するための外部接続として作用する（図４Ｂ）。内部電気ビア４はＡｇを含み、表面回路パターン１２は耐食性に関する限りではＮｉ／Ａｕを含む。

さて、工程４２では、図２に示されるように、内蔵ヒータ３（ヒータ膜３１および３２）を、中間層としての第２絶縁層１ｂの第１絶縁層１ａと接する面上に製作する。ヒータ３として、印刷法を使用してＡｕ／Ｐｔ膜を形成する。というのは、Ｐｔは高いＴＣＲ（抵抗の温度係数）を有するからである。ヒータ膜３１、３２は、また、内部温度センサとしても使用される。ヒータ膜３１、３２のパターンは、均一な温度分布を達成するために注意深く設計される。

また、工程４２では、ガラス粉末とセラミックス粉末とを含むセラミックグリーンシートである第１絶縁層１ａの所望の位置に配線４２用貫通孔を形成し、該配線４２用貫通孔の中に配線用ペースト（例えばＡｕの粉末とバインダー）を埋め込む。同様に、第２絶縁層１ｂ、第３絶縁層１ｃにそれぞれ配線４２用貫通孔を形成し、これら配線４２用貫通孔の中に配線用ペーストを埋め込む。この場合、図１に示すように、第１絶縁層１ａに形成された配線４２用貫通孔、第２絶縁層１ｂに形成された配線４２用貫通孔、および第３絶縁層１ｃに形成された配線４２用貫通孔は、互いにずらして配置する。

上述のように、第２絶縁層１ｂの一面には図２に示すようなヒータ膜３１、３２が形成されている。そこで、第２絶縁層１ｂの、配線４２用貫通孔とは異なる位置であって、ヒータ膜３１、３２の一部と重なるように配線４１用貫通孔を形成し、該配線４１用貫通孔の中に配線用ペーストを埋め込む。同様に、第３絶縁層１ｃの配線４２用貫通孔とは異なる位置に配線４１用貫通孔を形成し、該配線４１用貫通孔の中に配線用ペーストを埋め込む。この場合、図１に示すように、第２絶縁層１ｂに形成された配線４１用貫通孔、および第３絶縁層１ｃに形成された配線４１用貫通孔は、互いにずらして配置する。

次に、第３絶縁層１ｃの第２絶縁層と接する面において、配線４２の一部であって該配線４２の屈曲部となる配線パターン４２１が、上記配線４２用貫通孔に埋め込まれた配線用ペーストと接するように形成される。同様に、第２絶縁層１ｂの第１絶縁層と接する面において、配線４２の一部であって該配線４２の屈曲部となる配線パターン４２２が、上記配線４２用貫通孔に埋め込まれた配線用ペーストと接するように形成される。
また、第３絶縁層１ｃの第２絶縁層と接する面において、配線４１の一部であって該配線４１の屈曲部となる配線パターン４１１が、上記配線４１用貫通孔に埋め込まれた配線用ペーストと接するように形成される。

次いで、工程４３では、第１絶縁層１ａ、第２絶縁層１ｂ、および第３絶縁層１ｃが接合され、焼結プロセスを経て、単一セラミック基板としての基板１を形成するように溶融される。
この結果、第３絶縁層の配線４２用貫通孔の中に形成された導電体（配線用ペースト）と、第３絶縁層１ｃと第２絶縁層１ｂとの間に形成された配線パターン４２１と、第２絶縁層の配線４２用貫通孔の中に形成された導電体とが、第３絶縁層１ｃおよび第２絶縁層１ｂ間で屈曲して電気的に接続される。同様に、第２絶縁層の配線４２用貫通孔の中に形成された導電体と、第２絶縁層１ｂと第１絶縁層１ａとの間に形成された配線パターン４２２と、第１絶縁層の配線４２用貫通孔の中に形成された導電体とが、第２絶縁層１ｂおよび第１絶縁層１ａ間で屈曲して電気的に接続される。このようにして、基板１内において屈曲した配線４２が形成される。
配線４１についても配線４２と同様に、第３絶縁層の配線４１用貫通孔の中に形成された導電体と、第３絶縁層１ｃと第２絶縁層１ｂとの間に形成された配線パターン４１１と、第２絶縁層の配線４１用貫通孔の中に形成された導電体とが、第３絶縁層１ｃおよび第２絶縁層１ｂ間で屈曲して電気的に接続される。このようにして、基板１内において屈曲した配線４１が形成される。

なお、上記屈曲した配線４１、４２の形成方法は、上記形態に限定されないことは言うまでもない。例えば、第３絶縁層の第２絶縁層と接する面において、上記配線パターン４２１に相当する溝を形成し、該溝の一部を含むようにして、該溝が形成された面から、該面と対向する面に向かって貫通孔を形成する。次いで、該貫通孔および溝の中に導電体を埋め込む。そして、第２絶縁層にも貫通孔を形成し、該貫通孔内に導電体を埋め込む。次いで、第２絶縁層の貫通孔に埋め込まれた導電体と、第３絶縁層に埋め込まれた導電体であって、第３絶縁層の貫通孔と重ならない部分とを接続するように、第２絶縁層と第３絶縁層とを接合する。これにより、第２絶縁層と第３絶縁層との界面において屈曲部を有する配線を、基板１内に設けることができる。

上述のように、セラミック層１ａ、１ｂ、１ｃの各々は、互いに接合され（工程４３）、焼結プロセスで１つの単一セラミック基板を形成するように溶融される。各層の電気回路パターンおよびビアは、パターン設計に従って位置合せされ接続されることができるので、各層のビア４は焼結プロセスで接続されて、内部電気回路を形成する。製造物４００に示されるように、第１絶縁層１ａ、第２絶縁層１ｂおよび第３絶縁層１ｃの電気ビア４は、層間をぎざぎざに接続される。つまり、第１絶縁層１ａの貫通孔、第２絶縁層１ｂの貫通孔、および第３絶縁層１ｃの貫通孔は、それぞれずらして設けられ、層間を沿って、配線が接続されている。このような屈曲した配線構造により、センサ・チップ外から基準チャンバ８への気体の漏れを最小限にすることができる。漏れ気体の経路は、ぎざぎざのパターンになっており、直線的に層を貫通して形成された接続の経路よりも遥かに長いからである。

工程４３、陽極接合を行うために、前部層１ａの表面１３は、Ｒａ＜０．１μｍに研磨される。その後で、工程４４において、研磨された表面上に、パターニングされたＡｕ／Ｃｒ電極６、７およびゲッタ材１０が堆積される。

上で述べたように、静電容量圧力センサの精度および感度は、主に、ＳｉＣダイアフラム２に依存している。ダイアフラム２の厚さ、ダイアフラム２と基板１の間のギャップは、静電容量圧力センサにとって非常に重要である。特に、０．１Ｔｏｒｒ台のような圧力センサでは、ダイアフラム２と基板１の間のギャップは、１０μｍ未満が好ましい。従来、ダイアフラムは機械的加工によって製造され、ギャップは、封止プロセス中にある種のストッパを使用して形成され、このストッパがダイアフラム２と基板１との間の距離を保っている。そのようなプロセスは非常に注意深く行われなければならず、実際には、μｍスケールではあまり正確でない。本発明の一実施形態では、ＭＥＭＳ製作プロセスが、ＳｉＣダイアフラム２および基準チャンバ８を作るために使用される。ＭＥＭＳ技術は、小型化センサを製作するために一般に使用されて、ナノメートルからマイクロメートルの寸法精度を実現する。

図５は、本発明の一実施形態に係る、ＳｉＣダイアフラム２が１００μｍよりも薄い場合の製造プロセスを示す図である。市販の単結晶ＳｉＣウェーハの厚さは、製品シリーズに依存して２４０μｍから５５０μｍである。製造プロセス中でＳｉＣ膜を取り扱いかつ保護するために、工程５１にて用意されたＳｉＣウェーハ２１を、工程５２において、ガラス製のキャリヤ・ウェーハ２２に一時的に接合する。次に、工程５３において、ウェーハ２１とウェーハ２２の接合構造は、従来のラップ盤を使用して、定められた厚さにより薄くラップ仕上げされる。ラップ仕上げプロセスの後で、ＳｉＣウェーハ２１は、１００μｍ未満に薄くされる。すなわち、工程５３において、ＳｉＣ２１の表面２１１を、Ｒａ＜０．１μｍの表面粗さに研磨し、この表面粗さは良好な陽極接合のために重要である。

工程５４では、エッチング・プロセスにおいて、パターニングされたＮｉマスク２３をＳｉＣウェーハ２１の表面に形成して、エッチングされるべき円形領域を露出させる。次に、工程５５では、ＳｉＣウェーハ２１をドライリアクティブイオンエッチング（ＤＲＩＥ）法でエッチングして、約１０μｍの深さの空洞２４を形成する。次いで、工程５６では、エッチング・プロセスの後で、Ｎｉマスク２３を、酸溶液ウェット・エッチングを使用して除去する。次に、工程５７において、フォトレジスト・マスク２５をＳｉＣ表面に形成し、その後にスパッタ・プロセスが続く。次いで、工程５８および５９において、スパッタ・プロセスによって、電気伝導性薄膜５を、電極として、エッチングされた空洞２４の底表面に堆積し、さらにフォトレジスト・マスク２５を除去する。

封止プロセスとしての工程６０において、ウェーハ２１、２２の構造と、図４Ａに示す方法で形成されたＬＴＣＣ基板１とは、真空中で、１０^−２Ｐａ未満の圧力下で陽極接合される。ＳｉＣダイアフラム２になるウェーハ２１とＬＴＣＣ基板１の間に、高真空基準チャンバ８が形成される。接合プロセス中に、温度は約４００℃に高められ、そのとき、ＬＴＣＣ基板１上のゲッタ材１０が活性化される。ゲッタ材１０は、ガス分子を効果的に吸収できる活性金属合金であり、長期の動作にわたって基準チャンバ８の真空条件を維持する。接合プロセスの後で、工程６１において、仮接合ガラス２２を除去することによって、ＳｉＣダイアフラム２が解放される。

ダイアフラム２の厚さが１００μｍよりも厚い場合には、ガラス・キャリヤ・ウェーハ２２が必要でないので、製造プロセスは簡略化される。単結晶ＳｉＣウェーハ２１は、ラップ仕上げされ、定められた厚さに研磨され、その後直ぐに、次のエッチング、スパッタおよび接合プロセスが続く。

図４Ａおよび図５に示されるように、最終的に製作された静電容量圧力センサは、ＳｉＣダイアフラム２およびＬＴＣＣ基板１を含む。これらの２つの部品は、互いに接合されて真空基準チャンバ８を形成する。ＳｉＣダイアフラムおよびＬＴＣＣ基板の内表面に金属薄膜が堆積されて、ＳｉＣダイアフラム２上の接地電極５およびＬＴＣＣ基板１上の検出電極６および基準電極７を形成する。これらの電極は、ＬＴＣＣ基板１のビア４および電気配線回路パターン１２（図４Ｂを参照されたし）を通って外部電気パッドに接続される。センサ・チップが真空チャンバ中に設置されたとき、ＳｉＣダイアフラム２は、このチャンバ内気圧（外部圧力）のために撓む。検出電極６と接地電極５の間、または基準電極７と接地電極５の間の静電容量は、ダイアフラム２の撓みによって変化する。したがって、検出される圧力は電気信号に変換され、この電気信号が外部回路で測定される。

図６および７を参照して本発明の一実施形態に係る圧力センサの設計事項を説明する。センサ・チップの設計に関して多くのパラメータがある。センサ・チップのダイアフラム２が外部圧力で撓むとき、ダイアフラム２の撓みは、外部圧力の増加によって大きくなる。図６に示されるように、ダイアフラム２の中心が基板１に接したとき、出力信号は飽和する。通常、センサ・チップのダイナミックレンジは、飽和点から３桁下までである（すなわち、１０００：１）。

センサ・チップのダイナミックレンジは、ダイアフラム材料の機械的特性、ダイアフラムの直径および厚さ、および２つの平行電極間のギャップ距離などのいくつかの要素によって決定される。異なる範囲の圧力を測定するために、様々な寸法を持つ一連のセンサ・チップが設計されなければならない。様々なダイナミックレンジのために、センサ・チップの寸法が、炭化珪素の特性に基づいて詳細にシミュレートされる。例えば、ダイアフラム２の直径は１インチ（２５．４ｍｍ）に固定され、ギャップの距離は１０μｍ（エッチング深さによって形成される）に固定されると想定する。要求されるダイナミックレンジが０．０００１Ｔｏｒｒ〜０．１Ｔｏｒｒの場合には、ダイアフラム２の厚さは約３５μｍとする。（図７の曲線Ａ）。要求されるダイナミックレンジが０．０１Ｔｏｒｒ〜１０Ｔｏｒｒの場合には（図７の曲線Ｂ）、ダイアフラム２の厚さは約１３０μｍとする。要求されるダイナミックレンジが１Ｔｏｒｒ〜１０００Ｔｏｒｒの場合には（図７の曲線Ｃ）、ダイアフラムの厚さは約５５０μｍとする。図７は、様々なダイナミックレンジを有するセンサのシミュレートされた応答曲線を示す図である。シミュレートされた結果は、比較のために０ｐＦ〜８ｐＦ範囲に規格化されている。

センサの設計では、製造プロセスの寸法公差が守られなければならない。ダイアフラムの直径は約１インチであり、これは製造プロセス中で容易に制御することができる。ダイアフラム２の厚さおよびダイアフラム２と基板１の間のギャップの距離はμｍ台であり、これは制御するのが困難である。この場合、ダイアフラムおよびギャップを製作するための寸法公差が必要である。ＳｉＣウェーハ２２は、ダイアフラム２の定められた厚さにラップ仕上げされ、さらにラップ仕上げプロセスは、約±２μｍの精度を容易に制御することができる。エッチング・プロセスでは、ダイアフラムの厚さは、（ダイアフラム厚さ）＋（空洞深さ）＝（ウェーハ厚さ）の関係として、空洞のエッチング深さによって決定される。感度に対するダイアフラム厚さと空洞深さの影響は逆である。空洞深さの増加はセンサの感度を減少させ、そして一方でダイアフラムの厚さが減少し、このダイアフラム厚さの減少はセンサの感度を高める。ギャップ距離とダイアフラム厚さの効果が等しくなるときに、センサの感度の歩留まりが安定する釣合い点がある。０．０００１Ｔｏｒｒ〜０．１Ｔｏｒｒのセンサ（図７の曲線Ａ）についてのシミュレーション結果の一例として、釣合い点は１０μｍと２０μｍの間にある。

留意すべきことは、ギャップの距離が１０μｍから２０μｍまで変化するとき、センサの感度は少し変化するだけである。この結果は、より望ましい寸法公差を持つセンサ・チップを設計するのに役立つことができる。シミュレーション・データから、また、０〜５μｍおよび３０〜４０μｍなどの、非常に感度の高い点がいくつかある。したがって、パラメータは、異なる要求事項に従って決定されることができる。高感度がより重要である場合には、高感度に関するパラメータが使用される。寸法公差が必要とされる場合には、安定性に関するパラメータが選ばれる。寸法精度は、通常、製造プロセス中に制御することが困難である。安定パラメータを使用してセンサ・チップを設計することは、製造プロセスの困難さを軽減するのに役立ち、このことは、ときには歩留りを高めコストを下げることができる。

１基板
１ａ第１絶縁層
１ｂ第２絶縁層
１ｃ第３絶縁層
２ダイアフラム
３ヒータ
４電気ビア
５第２の電極（可動電極）
６第１の電極（容量電極）
８基準チャンバ
４１ヒータ膜の電気接続配線
４２電極への電気接続配線

Claims

複数の絶縁層を有し、該複数の絶縁層を積層して構成された基板と、
前記基板との間に空間が形成されるように、前記基板と向き合うように配置されたダイアフラムと、
前記基板上に設けられ、前記ダイアフラムと対向した第１の電極と、
前記ダイアフラム上でかつ前記第１の電極と対向して設けられた第２の電極と、
前記第１の電極に接続され、該第１の電極と外部とを電気的に接続するための第１の配線と、
前記第２の電極に接続され、該第２の電極と外部とを電気的に接続するための第２の配線とを備え、
前記第１の配線および第２の配線は、前記複数の絶縁層のうち、前記空間側の少なくとも一つの層を前記基板の前記空間側から前記基板の該空間と反対側に向かって貫通するとともに、前記複数の絶縁層のある層と該ある層に積層された別の層の間で屈曲されていることを特徴とする静電容量圧力センサ。
前記複数の絶縁層のうち、少なくとも一つの層間に設けられたヒータをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の静電容量圧力センサ。
前記ヒータが、少なくとも２つの部分を有し、各部分の加熱電力が調節可能であることを特徴とする請求項２に記載の静電容量圧力センサ。
前記基板は、ＬＴＣＣ基板又はＨＴＣＣ基板であることを特徴とする請求項１に記載の静電容量圧力センサ。