JP2012068149A - Electrostatic capacitance type pressure sensor, pressure measuring device and method for manufacturing electrostatic capacitance type pressure sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧力に応じて変形するダイアフラム部を有した静電容量型圧力センサ及びその製造方法、並びに、静電容量型圧力センサを用いた圧力測定装置に関するものである。 The present invention relates to a capacitive pressure sensor having a diaphragm portion that deforms in accordance with pressure, a method for manufacturing the same, and a pressure measuring device using the capacitive pressure sensor.
従来から、下記特許文献1に代表されるように、圧力に応じて変形するダイアフラム部を有した静電容量型圧力センサは公知となっている。なお、この特許文献1に開示されている静電容量型圧力センサは、電極部が形成されている第1の基板と、圧力に応じて変形するダイアフラム部が形成されている第2の基板とを有し、前記ダイアフラム部と前記電極部とがギャップをもって互いに対向する関係となるキャビティー部を設け、前記第1及び前記第2の基板とが接合されたセンサチップを備え、前記ダイアフラム部に加わる被測定圧力と前記キャビティー部内の圧力との圧力差に応じて前記ギャップのギャップ幅を変化させて該ギャップ幅の変化による前記ダイアフラム部と前記電極部との間の静電容量の変化によって前記圧力差を検出するようにした静電容量型圧力センサにおいて、前記キャビティー部内を密閉した密閉部材を有しているものである。
Conventionally, as represented by
上記特許文献1の静電容量型圧力センサは圧力を検出できるものであるが、近年では、温度などの他の物理量も一つのセンサで検出できるようなものが望まれている。
The capacitance-type pressure sensor disclosed in
そこで、本発明の目的は、圧力だけでなく温度をも検出できる静電容量型圧力センサを提供することである。 Therefore, an object of the present invention is to provide a capacitive pressure sensor that can detect not only pressure but also temperature.
(1) 本発明の静電容量型圧力センサは、第1の電極部が形成されている基板と、前記基板の表面に絶縁体層を介して形成されている第2の電極部と、金属間接合によって形成されたボンディング層を介して前記第2の電極部に一部が接続され、圧力に応じて変形するダイアフラム部と、前記絶縁体層の表面に形成されている少なくとも白金を含む材料からなる温度センサ部と、を備えているものである。 (1) A capacitive pressure sensor according to the present invention includes a substrate on which a first electrode portion is formed, a second electrode portion formed on the surface of the substrate via an insulator layer, a metal A material including at least platinum formed on the surface of the diaphragm portion, a diaphragm portion that is partially connected to the second electrode portion via a bonding layer formed by inter-bonding and deforms in response to pressure The temperature sensor part which consists of.
上記(1)の構成によれば、圧力だけでなく温度をも検出できる静電容量型圧力センサとすることができる。 According to the configuration of (1) above, a capacitive pressure sensor that can detect not only pressure but also temperature can be obtained.
(2) 上記(1)の静電容量型圧力センサにおいては、前記第1の電極部と前記基板との間、前記第2の電極部と前記ボンディング層との間、及び、前記ボンディング層と前記ダイアフラム部との間に、少なくとも白金を含むバリアメタル層が形成されていることが好ましい。ここで、バリアメタルとは、(1)緻密な膜形成が可能で、配線材料とシリコン基板との反応に対するバリア効果を有しているもの、(2)金属及び絶縁膜との接着性に優れるもの、(3)ドライエッチングによる微細加工が可能、(4)電気抵抗が低い、など優位な効果を有した金属などの材料のことを言う。 (2) In the capacitance type pressure sensor of (1), between the first electrode portion and the substrate, between the second electrode portion and the bonding layer, and the bonding layer, It is preferable that a barrier metal layer containing at least platinum is formed between the diaphragm portion. Here, the barrier metal is (1) capable of forming a dense film and having a barrier effect against the reaction between the wiring material and the silicon substrate, and (2) excellent adhesion to the metal and the insulating film. This refers to a material such as a metal having advantageous effects such as (3) fine processing by dry etching and (4) low electrical resistance.
上記(2)の構成によれば、上述したバリアメタルの効果を享受することができる。 According to the configuration of (2) above, the effect of the barrier metal described above can be enjoyed.
(3) 上記(1)又は(2)の静電容量型圧力センサにおいては、前記ボンディング層が、金−金接合によるものであることが好ましい。 (3) In the capacitance type pressure sensor of the above (1) or (2), it is preferable that the bonding layer is formed by gold-gold bonding.
上記(3)の構成によれば、電気的な接続信頼性を向上させることができる。特に上記(2)の静電容量型圧力センサにおいて、前記ボンディング層が金−金接合によるものである場合、バリアメタル層の効果を享受することができることから、さらに高い接続信頼性を有したものとできる。 According to the configuration of (3) above, electrical connection reliability can be improved. Particularly in the capacitance type pressure sensor of the above (2), when the bonding layer is formed by gold-gold bonding, the effect of the barrier metal layer can be enjoyed, so that the connection reliability is higher. And can.
(4) 本発明の圧力測定装置は、内部に密閉空間を有し、前記ダイアフラム部が前記密閉空間の一部を形成している請求項1〜3のいずれか1項に記載した静電容量型圧力センサと、第3の電極部が形成されている基板と、前記基板の表面に絶縁体層を介して形成されている第4の電極部と、貫通孔が設けられ、金属間接合によって形成されたボンディング層を介して前記第4の電極部に一部が接続され、圧力に応じて変形する別のダイアフラム部と、前記絶縁体層の表面に形成されている少なくとも白金を含む材料からなる温度センサ部と、前記別のダイアフラム部を蓋部材として、外部と前記貫通孔を介して連通するように形成された空間と、を有し、前記静電容量型圧力センサに並列形成されている他の静電容量型圧力センサと、を備えている。また、本発明の圧力測定装置は、前記静電容量型圧力センサの静電容量変化と前記他の静電容量型圧力センサとの静電容量変化の差分から圧力値を検出するものである。
(4) The capacitance according to any one of
上記(4)の構成によれば、より精度よく且つ容易に、気圧などの圧力値を検出することができる。 With configuration (4) above, it is possible to detect a pressure value such as atmospheric pressure more accurately and easily.
(5) 本発明の製造方法は、上記(2)の静電容量型圧力センサの製造方法であって、基板上に絶縁体層を形成する工程と、前記絶縁体層を所定形状に加工する工程と、前記加工後の前記絶縁体層上に少なくとも白金を含む材料からなる層を形成する工程と、前記少なくとも白金を含む材料からなる層を所定形状に形成し、前記温度センサ部、前記第1の電極部と前記基板との間のバリアメタル層、並びに、前記第2の電極部及び前記ボンディング層と前記絶縁体層との間のバリアメタル層とを同時に形成する工程と、を有しているものである。 (5) The manufacturing method of the present invention is the manufacturing method of the capacitance-type pressure sensor according to (2), wherein a step of forming an insulator layer on a substrate and processing the insulator layer into a predetermined shape Forming a layer made of a material containing at least platinum on the insulator layer after the processing, forming the layer made of a material containing at least platinum into a predetermined shape, and forming the temperature sensor unit, the first And simultaneously forming a barrier metal layer between one electrode portion and the substrate, and a barrier metal layer between the second electrode portion and the bonding layer and the insulator layer. It is what.
上記(5)の構成によれば、絶縁体層上の温度センサ部、第1の電極部と基板との間のバリアメタル層、並びに、第2の電極部及びボンディング層と前記絶縁体層との間のバリアメタル層を同時に形成することができる。したがって、上記(2)の静電容量型圧力センサを容易に製造することが可能である。 According to the configuration of (5) above, the temperature sensor portion on the insulator layer, the barrier metal layer between the first electrode portion and the substrate, the second electrode portion and the bonding layer, and the insulator layer A barrier metal layer between them can be formed at the same time. Therefore, the capacitance type pressure sensor (2) can be easily manufactured.
<第1実施形態>
以下、図を参照しながら、本発明の第1実施形態に係る静電容量型圧力センサについて説明する。
<First Embodiment>
Hereinafter, the capacitive pressure sensor according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1(a),(b)に示すように、静電容量型圧力センサ100は、基板1と、絶縁体層2と、バリアメタル層3と、第1の電極部4と、バリアメタル層5と、バリアメタル層6と、第2の電極部7と、ボンディング層8と、バリアメタル層9と、ダイアフラム部10と、温度センサ用電極部20,21と、温度センサ部22と、を備えているものである。
As shown in FIGS. 1A and 1B, a
基板1は、ケイ素などの半導体からなるものであり、略中央部に円形状の凹部1aを有したものである。
The
絶縁体層2は、二酸化ケイ素などの絶縁体からなる層であり、基板1上に形成されているものである。また、絶縁体層2は、基板1の凹部1aに合わせて略中央部に形成された円形状の貫通部2aと、図1(a)に示したような略四角形状の貫通部2bとを有しているものである。
The
バリアメタル層3は、少なくとも白金を含む材料(白金、白金/チタン、など)からなるものであり、基板1上であって貫通部2b内部に形成されているものである。
The
第1の電極部4は、金、銀又は銅などの金属材料からなり、バリアメタル層3上に形成されているものである。
The
バリアメタル層5、6は、少なくとも白金を含む材料(白金、白金/チタン、など)からなるものである。また、バリアメタル層5は、絶縁体層2上において、貫通部2aの形状に合わせた内環部を有したリング状となるように形成されているものである。なお、バリアメタル層6は、バリアメタル層5とバリアメタル層6とを接続している配線とともに、バリアメタル層5と一体形成されているものである。
The
第2の電極部7は、金、銀又は銅などの金属材料からなり、バリアメタル層6上に形成されているものである。
The
ボンディング層8は、金、銀、又は銅などの金属材料からなる金属層8aと金属層8bとを接合して形成したものである。金属層8aは、バリアメタル層5上において、貫通部2aの形状に合わせた内環部を有したリング状となるように形成されているものである。同様に、金属層8bは、金属層8a上において、貫通部2aの形状に合わせた内環部を有したリング状となるように形成されているものである。ここで、金属層8aは、金属層8aと第2の電極部7とを接続している配線12とともに、第2の電極部7と一体形成されているものである。
The
バリアメタル層9は、少なくとも白金を含む材料(白金、白金/チタン、など)からなるものであり、金属層8b上において、貫通部2aの形状に合わせた内環部を有したリング状となるように形成されているものである。
The
ダイアフラム部10は、ケイ素などの半導体材料からなり、圧力に応じて変形可能なものである。また、ダイアフラム部10は、ボンディング層8の一端部を塞ぐ円形状の蓋部材であって、基板1、絶縁体層2、バリアメタル層5、ボンディング層8、バリアメタル層9とともに、密閉空間11を形成している。
The
温度センサ用電極部20,21は、絶縁体層2上において、ダイアフラム部10などを間に挟むように対向して設けられ、温度センサ部22に配線を介して接続されているものである。
The temperature
温度センサ部22は、少なくとも白金を含む材料(白金、白金/チタン、など)からなるものであり、絶縁体層2上において、バリアメタル層5の外縁に沿って半円状に形成されているものである。ここで、変形例として、温度センサ部22の形状は半円状でなくともよく、絶縁体層2上に形成できるのであれば、どのような形状のものであってもよい。
The
次に、静電容量型圧力センサ100の製造方法の一例について、図2を用いて説明する。なお、図2各図における右端部分(図1(b)での右端部分に対応する部分)は一部省略して示しているため、図1(b)と対応していない部分があることを断っておく。以下、静電容量型圧力センサ100の製造方法の一例について説明していく。
Next, an example of a method for manufacturing the
まず、ケイ素からなる板状材料(例えば、シリコンウェハー)の表面を熱酸化し、基板1の両面に二酸化ケイ素からなる絶縁体層13、14を形成する(図2(a)参照)。次に、絶縁体層13をエッチングし、貫通部2a,2bを有した絶縁体層2を形成する(図2(b)参照)。
First, the surface of a plate-like material made of silicon (for example, a silicon wafer) is thermally oxidized to form insulator layers 13 and 14 made of silicon dioxide on both surfaces of the substrate 1 (see FIG. 2A). Next, the insulator layer 13 is etched to form the
続いて、絶縁体層2側から、スパッタリングによって、バリアメタル層3、5、6及び温度センサ部22の前駆体層15と、第1の電極部4、金属層8a、及び第2の電極部7の前駆体層16とを、前駆体層15、16の順に積層形成する(図2(c)参照)。その後、前駆体層16の所定部分をエッチングして、第1の電極部4、金属層8a、及び第2の電極部7を形成する(図2(d)参照)。
Subsequently, the
続いて、前駆体層15の所定部分をエッチングして、バリアメタル層3、5、6及び温度センサ部22を形成する(図2(e)参照)。その後、基板1の上面側からRIE(Reactive Ion Etching)によって、凹部1aを形成する(図2(f)参照)。
Subsequently, a predetermined portion of the
次に、上述の基板1とは異なる、絶縁体層20を有したSOIウェハーからなる基板24を用いて、スパッタリングによって、絶縁体層20上に、ダイアフラム部10の前駆体層19、バリアメタル層9の前駆体層18、金属層8bの前駆体層17を順に積層形成する。(図2(g)参照)。
Next, the
続いて、前駆体層17、18を所定形状となるようにエッチングし、バリアメタル層9及び金属層8bを形成する(図2(h)参照)。その後、前駆体層19をエッチングし、ダイアフラム部10を形成する(図2(i)参照)。
Subsequently, the precursor layers 17 and 18 are etched so as to have a predetermined shape, thereby forming the
続いて、図2(i)に示した素子を反転させ、図2(f)に示した素子と合体させ、図2(i)に示した素子における金属層8bと、図2(f)に示した素子における金属層8aとを接合する。ここで、一変形例として、図2(f)に示した素子を反転させ、図2(i)に示した素子と合体させ、図2(i)に示した素子における金属層8bと、図2(f)に示した素子における金属層8aとを接合することとしてもよい。
Subsequently, the element shown in FIG. 2 (i) is inverted and merged with the element shown in FIG. 2 (f), and the
続いて、基板24をエッチングして除去し(図2(k)参照)、最後に、絶縁体層20及び絶縁体層14をエッチングして除去することにより、静電容量型圧力センサ100を得る(図2(l)参照)。
Subsequently, the
次に、静電容量型圧力センサ100の動作について説明する。静電容量型圧力センサ100のダイアフラム部10側から気圧による圧力が印加された場合、ダイアフラム部10は、該圧力に応じて変形する。該変形によって生じた、ダイアフラム部10と第1の電極部4及び第2の電極部7との間の静電容量変化を検出し、圧力の測定を行う。同時に、温度センサ部22によって気温を測定する。
Next, the operation of the
上記構成によれば、圧力だけでなく温度をも検出できる静電容量型圧力センサ100とすることができる。
According to the above configuration, the
また、バリアメタル層が設けられているので、(1)緻密な膜形成が可能で、配線材料とシリコン基板との反応に対するバリア効果を有しているもの、(2)金属及び絶縁膜との接着性に優れるもの、(3)ドライエッチングによる微細加工が可能、(4)電気抵抗が低い、などのバリアメタル層の有利な効果を備えた静電容量型圧力センサ100とすることができる。
In addition, since the barrier metal layer is provided, (1) a dense film can be formed and has a barrier effect against the reaction between the wiring material and the silicon substrate, and (2) the metal and the insulating film. The
また、例えば、ボンディング層8が金−金接合によるものである場合には、電気的な接続信頼性を向上させることができる。特に、ボンディング層8が金−金接合によるものである場合には、上述のバリアメタル層の効果を享受することができることから、さらに高い接続信頼性を有したものとできる。
Further, for example, when the
また、絶縁体層2上の温度センサ部22、第1の電極部4と基板1との間のバリアメタル層3、並びに、第2の電極部7及びボンディング層8と絶縁体層2との間のバリアメタル層5、6を同時に形成することができる。したがって、静電容量型圧力センサ100を容易に製造することが可能である。
Further, the
<第2実施形態>
次に、図3を用いて、本発明の第2実施形態に係る圧力測定装置について説明する。なお、第1実施形態の部位1〜12と、本実施形態の部位201〜212(図示していない部位がある)とは、順に同様のものであるので、説明を省略することがある。同様に、第1実施形態の部位1〜9、12と、本実施形態の部位301〜309、312とは、順に同様のものであるので、説明を省略することがある。
Second Embodiment
Next, a pressure measuring device according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In addition, since the site | parts 1-12 of 1st Embodiment and the site | parts 201-212 (there are some parts which are not illustrated) of this embodiment are the same in order, description may be abbreviate | omitted. Similarly, since the
本実施形態に係る圧力測定装置1000は、第1実施形態と同様の静電容量型圧力センサ200と、静電容量型圧力センサ200と並列形成され、第1実施形態とダイアフラム部310のみが異なっている静電容量型圧力センサ300とを備えているものである。
The
ダイアフラム部310は、内部空間311の内部と外部とを連通させる貫通孔310aを有しているものである。ダイアフラム部310は、静電容量型圧力センサ200におけるダイアフラム部210とともに、第1実施形態のダイアフラム部10と同様のエッチングによって形成することが可能である。なお、貫通孔310aは、該エッチングの際、所定箇所に貫通孔を有したマスクを用いることによって形成することが可能である。
The
次に、圧力測定装置1000の動作について説明する。静電容量型圧力センサ200のダイアフラム部210側から気圧による圧力が印加された場合、ダイアフラム部210は、該圧力に応じて変形する。該変形によって生じた、ダイアフラム部210と第1の電極部204及び第2の電極部207との間の静電容量変化を検出する。このとき、静電容量型圧力センサ300におけるダイアフラム部310は、貫通孔310aを有しているので、上記気圧による圧力によっては変形しない。したがって、ダイアフラム部310と第1の電極部304及び第2の電極部307との間の静電容量変化はない。このようにして検出した静電容量型圧力センサ200の静電容量変化と静電容量型圧力センサ300の静電容量変化(ゼロ)との差分を取得し、該差分から圧力値を検出する。なお、該差分を取得することにより、静電容量型圧力センサ200の寄生容量を静電容量型圧力センサ300の寄生容量によって相殺することができるので、より正確に圧力値を検出することができる。また、これらの動作と同時に、温度センサ部222、322によって気温を測定する。
Next, the operation of the
本実施形態の圧力測定装置1000によれば、より精度よく且つ容易に、気圧などの圧力値を検出することができる。
According to the
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。例えば、第2実施形態において、静電容量型圧力センサ200、300における基板に、一体化したものを用いてもよい。
In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various deformation | transformation is possible based on the meaning of this invention, and these are not excluded from the scope of the present invention. For example, in the second embodiment, integrated substrates may be used for the
また、第2実施形態において、静電容量型圧力センサ200、300における絶縁体層、バリアメタル層、金属層(基板側)、第1の電極部、及び、第2の電極部のそれぞれについて、各製造工程で各前駆体層を積層してから所定形状にエッチングして、形成することとしてもよい。これにより、第2実施形態における各部位と同様の部位を同時に形成することができることから、より容易に圧力測定装置1000を製造することができる。
In the second embodiment, each of the insulator layer, the barrier metal layer, the metal layer (substrate side), the first electrode unit, and the second electrode unit in the
1a、301a 凹部
1、24、301 基板
2、13、14、20、202、302 絶縁体層
2a、2b、202b、302a、302b 貫通部
3、5、6、9、303、305、306、309 バリアメタル層
4、204、304 第1の電極部
7、207、307 第2の電極部
8、308 ボンディング層
8a、8b、308a、308b 金属層
10、210、310 ダイアフラム部
11 密閉空間
12、212、312 配線
15、16、17、18、19 前駆体層
20、21 温度センサ用電極部
22、222、322 温度センサ部
100、200、300 静電容量型圧力センサ
310a 貫通孔
311 内部空間
1000 圧力測定装置
1a, 301a Recesses 1, 24, 301
Claims (5)
前記基板の表面に絶縁体層を介して形成されている第2の電極部と、
金属間接合によって形成されたボンディング層を介して前記第2の電極部に一部が接続され、圧力に応じて変形するダイアフラム部と、
前記絶縁体層の表面に形成されている少なくとも白金を含む材料からなる温度センサ部と、を備えていることを特徴とする静電容量型圧力センサ。 A substrate on which a first electrode portion is formed;
A second electrode portion formed on the surface of the substrate via an insulator layer;
A diaphragm part that is partially connected to the second electrode part via a bonding layer formed by metal-to-metal bonding and deforms according to pressure,
And a temperature sensor portion made of a material containing at least platinum and formed on the surface of the insulator layer.
第3の電極部が形成されている基板と、前記基板の表面に絶縁体層を介して形成されている第4の電極部と、貫通孔が設けられ、金属間接合によって形成されたボンディング層を介して前記第4の電極部に一部が接続され、圧力に応じて変形する別のダイアフラム部と、前記絶縁体層の表面に形成されている少なくとも白金を含む材料からなる温度センサ部と、前記別のダイアフラム部を蓋部材として、外部と前記貫通孔を介して連通するように形成された空間と、を有し、前記静電容量型圧力センサに並列形成されている他の静電容量型圧力センサと、を備えており、
前記静電容量型圧力センサの静電容量変化と前記他の静電容量型圧力センサとの静電容量変化の差分から圧力値を検出するものであることを特徴とする圧力測定装置。 The capacitive pressure sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the capacitive pressure sensor has a sealed space inside, and the diaphragm portion forms a part of the sealed space;
A substrate on which a third electrode portion is formed, a fourth electrode portion formed on the surface of the substrate via an insulator layer, and a bonding layer provided with a through hole and formed by intermetal bonding Another diaphragm part that is partly connected to the fourth electrode part via the pipe and deforms according to pressure, and a temperature sensor part that is formed on the surface of the insulator layer and is made of a material containing at least platinum. The other diaphragm portion as a lid member, and a space formed so as to communicate with the outside via the through hole, and another electrostatic capacitance formed in parallel with the capacitive pressure sensor A capacitive pressure sensor, and
A pressure measuring device that detects a pressure value from a difference between a capacitance change of the capacitance type pressure sensor and a capacitance change of the other capacitance type pressure sensor.
基板上に絶縁体層を形成する工程と、
前記絶縁体層を所定形状に加工する工程と、
前記加工後の前記絶縁体層上に少なくとも白金を含む材料からなる層を形成する工程と、
前記少なくとも白金を含む材料からなる層を所定形状に形成し、前記温度センサ部、前記第1の電極部と前記基板との間のバリアメタル層、前記第2の電極部と前記絶縁体層との間のバリアメタル層、及び、前記ボンディング層と前記絶縁体層との間のバリアメタル層を同時に形成する工程と、を有していることを特徴とする静電容量型圧力センサの製造方法。
It is a manufacturing method of the capacitance type pressure sensor according to claim 2,
Forming an insulator layer on the substrate;
Processing the insulator layer into a predetermined shape;
Forming a layer made of a material containing at least platinum on the insulator layer after the processing;
The layer made of a material containing at least platinum is formed in a predetermined shape, and the temperature sensor part, a barrier metal layer between the first electrode part and the substrate, the second electrode part and the insulator layer, And a step of simultaneously forming a barrier metal layer between the bonding layer and the insulator layer, and a method of manufacturing a capacitive pressure sensor, comprising: .
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