JP2017181045A - 圧力センサー、圧力センサーの製造方法、高度計、電子機器および移動体 - Google Patents
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Abstract
【課題】優れた圧力検出感度を有する圧力センサー、この圧力センサーの製造方法、この圧力センサーを備えた信頼性の高い高度計、電子機器および移動体を提供する。
【解決手段】受圧により撓み変形するダイアフラムと、前記ダイアフラムの一方の面側に配置されている単一層からなる被覆層と、を有し、前記被覆層は、シリコン、窒素および酸素を含んでいることを特徴とする圧力センサー。また、前記被覆層は、酸窒化シリコンを含んでいる。また、前記被覆層は、厚さ方向に前記窒素の濃度分布を有している。
【選択図】図1
【解決手段】受圧により撓み変形するダイアフラムと、前記ダイアフラムの一方の面側に配置されている単一層からなる被覆層と、を有し、前記被覆層は、シリコン、窒素および酸素を含んでいることを特徴とする圧力センサー。また、前記被覆層は、酸窒化シリコンを含んでいる。また、前記被覆層は、厚さ方向に前記窒素の濃度分布を有している。
【選択図】図1
Description
本発明は、圧力センサー、圧力センサーの製造方法、高度計、電子機器および移動体に関するものである。
従来から、圧力センサーとして、特許文献1に記載の構成が知られている。特許文献1の圧力センサーは、凹部が形成され当該凹部と重なる部分がダイアフラムとなっているSOI基板と、凹部の開口を塞いでSOI基板に接合されたベース基板と、を有し、受圧によるダイアフラムの撓み変形をダイアフラムに配置されたピエゾ素子によって検知することで圧力を測定するようになっている。
ここで、このような構成の圧力センサーにおいて圧力検出感度を高めるためには、ダイアフラムを薄くすることにより撓み易くして、ピエゾ素子にかかる応力変化を起こし易くすることが効果的である。しかしながら、引用文献1の圧力センサーではダイアフラム上にシリコン酸化膜とシリコン窒化膜とが積層されているため、ダイアフラムが厚くなり、撓み難くなってしまう。そのため、優れた圧力検出感度を発揮することができない。
本発明の目的は、優れた圧力検出感度を有する圧力センサー、この圧力センサーの製造方法、この圧力センサーを備えた信頼性の高い高度計、電子機器および移動体を提供することにある。
このような目的は、下記の本発明により達成される。
本発明の圧力センサーは、受圧により撓み変形するダイアフラムと、
前記ダイアフラムの一方の面側に配置されている単一層からなる被覆層と、を有し、
前記被覆層は、シリコン、窒素および酸素を含んでいることを特徴とする。
このように、被覆層を単一層とすることで、被覆層を薄くすることができる。そのため、被覆層によるダイアフラムの撓み変形の阻害を低減することができる。したがって、優れた圧力検出感度を有する圧力センサーが得られる。また、被覆層がシリコン、酸素および窒素を含むことで、この被覆層に、従来のようなシリコン酸化膜とシリコン窒化膜とを積層した膜と同等の機能を発揮させることができる。
前記ダイアフラムの一方の面側に配置されている単一層からなる被覆層と、を有し、
前記被覆層は、シリコン、窒素および酸素を含んでいることを特徴とする。
このように、被覆層を単一層とすることで、被覆層を薄くすることができる。そのため、被覆層によるダイアフラムの撓み変形の阻害を低減することができる。したがって、優れた圧力検出感度を有する圧力センサーが得られる。また、被覆層がシリコン、酸素および窒素を含むことで、この被覆層に、従来のようなシリコン酸化膜とシリコン窒化膜とを積層した膜と同等の機能を発揮させることができる。
本発明の圧力センサーでは、前記被覆層は、酸窒化シリコンを含んでいることが好ましい。
これにより、ダイアフラムの表面を効果的に保護することができる。
これにより、ダイアフラムの表面を効果的に保護することができる。
本発明の圧力センサーでは、前記被覆層は、厚さ方向に前記窒素の濃度分布を有していることが好ましい。
これにより、被覆層に異なる機能を持たせることができる。
これにより、被覆層に異なる機能を持たせることができる。
本発明の圧力センサーでは、前記被覆層は、前記被覆層の前記ダイアフラム側から前記ダイアフラムと反対側に向けて前記窒素の濃度が漸増している部分を有していることが好ましい。
これにより、比較的簡単な構成で、被覆層に異なる機能を持たせることができる。
これにより、比較的簡単な構成で、被覆層に異なる機能を持たせることができる。
本発明の圧力センサーでは、前記ダイアフラムの厚さをT1とし、前記被覆層の厚さをT2としたとき、T2≦T1/20の関係を満足していることが好ましい。
これにより、被覆層を十分に薄くすることができる。
これにより、被覆層を十分に薄くすることができる。
本発明の圧力センサーの製造方法は、基板を準備する工程と、
前記基板の一方の面側に、シリコン、窒素および酸素を含む単一層からなる被覆層を配置する工程と、
前記基板に、受圧により撓み変形するダイアフラムを形成する工程と、を有していることを特徴とする。
これにより、ダイアフラムを薄くすることができ、優れた圧力検出感度を有する圧力センサーを製造することができる。
前記基板の一方の面側に、シリコン、窒素および酸素を含む単一層からなる被覆層を配置する工程と、
前記基板に、受圧により撓み変形するダイアフラムを形成する工程と、を有していることを特徴とする。
これにより、ダイアフラムを薄くすることができ、優れた圧力検出感度を有する圧力センサーを製造することができる。
本発明の圧力センサーの製造方法では、前記基板は、シリコンを含み、
前記被覆層を配置する工程では、前記基板の前記一方の面を、窒素および酸素を含有する雰囲気下で加熱することが好ましい。
これにより、比較的簡単に、被覆層を形成することができる。
前記被覆層を配置する工程では、前記基板の前記一方の面を、窒素および酸素を含有する雰囲気下で加熱することが好ましい。
これにより、比較的簡単に、被覆層を形成することができる。
本発明の圧力センサーの製造方法では、前記基板は、シリコンを含み、
前記被覆層を配置する工程では、前記基板の前記一方の面を、酸素を含有する雰囲気下で加熱した後、窒素雰囲気下で加熱することが好ましい。
これにより、比較的簡単に、厚さ方向に窒素の濃度分布を有する被覆層を形成することができる。
前記被覆層を配置する工程では、前記基板の前記一方の面を、酸素を含有する雰囲気下で加熱した後、窒素雰囲気下で加熱することが好ましい。
これにより、比較的簡単に、厚さ方向に窒素の濃度分布を有する被覆層を形成することができる。
本発明の高度計は、本発明の圧力センサーを有していることを特徴とする。
これにより、信頼性の高い高度計が得られる。
これにより、信頼性の高い高度計が得られる。
本発明の電子機器は、本発明の圧力センサーを有していることを特徴とする。
これにより、信頼性の高い電子機器が得られる。
これにより、信頼性の高い電子機器が得られる。
本発明の移動体は、本発明の圧力センサーを有していることを特徴とする。
これにより、信頼性の高い移動体が得られる。
これにより、信頼性の高い移動体が得られる。
以下、本発明の圧力センサー、圧力センサーの製造方法、高度計、電子機器および移動体を添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
<第1実施形態>
まず、本発明の第1実施形態に係る圧力センサーについて説明する。
まず、本発明の第1実施形態に係る圧力センサーについて説明する。
図1は、本発明の第1実施形態に係る圧力センサーの断面図である。図2は、図1に示す圧力センサーが有するダイアフラムの拡大断面図である。図3は、図1に示す圧力センサーの変形例を示す断面図である。図4は、図1に示す圧力センサーが有するセンサー部を示す平面図である。図5は、図4に示すセンサー部を含むブリッジ回路を示す図である。図6は、図1に示す圧力センサーの製造方法を示すフローチャートである。図7ないし図11は、それぞれ、図1に示す圧力センサーの製造方法を説明する断面図である。なお、以下の説明では、図1中の上側を「上」、下側を「下」とも言う。また、基板2の平面視(図1中の上側から見た平面視)を単に「平面視」とも言う。
図1に示すように、圧力センサー1は、受圧により撓み変形するダイアフラム25と、ダイアフラム25の一方の面側に配置されている単一層からなる被覆層5と、を有し、被覆層5は、シリコン(Si)、窒素(N)および酸素(O)を含んでいる。このように、被覆層5を単一層とすることで、被覆層5を薄くすることができる。そのため、被覆層5によるダイアフラム25の撓み変形の阻害を低減することができる。したがって、優れた圧力検出感度を有する圧力センサー1(言い換えると、圧力検出感度の低下が抑制された圧力センサー1)が得られる。また、被覆層5がシリコン(Si)、酸素(O)および窒素(Ni)を含むことで、この被覆層5に、従来の圧力センサーのようなシリコン酸化膜とシリコン窒化膜とを積層してなる積層膜と同等の機能を発揮させることができる。以下、このような圧力センサー1について、詳細に説明する。
このような圧力センサー1は、図1に示すように、基板2と、基板2に配置されているセンサー部3と、基板2の上面に配置されている被覆層5と、基板2の下面に接合されているベース基板4と、基板2とベース基板4との間に形成されている圧力基準室S(空洞部)と、を有している。
[基板]
図1に示すように、基板2は、SOI基板21(すなわち、第1シリコン層211、酸化シリコン層212および第2シリコン層213がこの順で積層されている基板)で構成されている。なお、基板2としては、SOI基板に限定されず、例えば、シリコン基板を用いてもよい。
図1に示すように、基板2は、SOI基板21(すなわち、第1シリコン層211、酸化シリコン層212および第2シリコン層213がこの順で積層されている基板)で構成されている。なお、基板2としては、SOI基板に限定されず、例えば、シリコン基板を用いてもよい。
また、図1に示すように、基板2には、周囲の部分よりも薄肉であり、受圧によって撓み変形するダイアフラム25が設けられている。SOI基板21には、その下面に開放する有底の凹部26が形成されており、この凹部26の底部にダイアフラム25が形成されている。なお、本実施形態では、ダイアフラム25の平面視形状が略正方形であるが、ダイアフラム25の平面視形状としては、特に限定されず、例えば、円形であってもよい。
本実施形態では、凹部26は、シリコンディープエッチング装置を用いたドライエッチングで形成されている。具体的には、SOI基板21の下面側から等方性エッチング、保護膜成膜およびに異方向性エッチングという工程を繰り返して、第1シリコン層211を掘ることで凹部26を形成する。この工程を繰り返し、エッチングが酸化シリコン層212まで達すると酸化シリコン層212がエッチングストッパーとなってエッチングが終了し、凹部26が得られる。前述した工程の繰り返しによって、図2に示すように、凹部26の内壁側面には掘り方向に周期的な凹凸が形成される。
なお、ダイアフラム25の形成方法としては、上記の方法に限定されず、例えば、ウェットエッチングによって形成してもよい。また、図3に示すように、ダイアフラム25の下面から酸化シリコン層212を除去してもよい。すなわち、ダイアフラム25を第2シリコン層213の単層で構成してもよい。これにより、ダイアフラム25をより薄くすることができる。
例えば、一辺の大きさが125μmの正方形のダイアフラムの場合、ダイアフラム25の厚さ(平均厚さ)としては、特に限定されないが、1μm以上、10μm以下であることが好ましく、1μm以上、5μm以下であることがより好ましく、1μm以上、3μm以下であることがさらに好ましい。このような範囲を満足することで、ダイアフラム25の機械的強度を確保しつつ、十分に薄く、受圧により容易に撓み変形し、センサー部3(後述するピエゾ抵抗素子31、32、33、34)にかかる応力変化を起こし易いダイアフラム25が得られる。そのため、圧力センサー1の圧力検出感度を高めることができる。
[センサー部]
センサー部3は、図4に示すように、ダイアフラム25に設けられている4つのピエゾ抵抗素子31、32、33、34を有している(なお、図中の斜線で示す部分がピエゾ抵抗部である)。また、4つのピエゾ抵抗素子31、32、33、34は、配線35等を介して、互いに電気的に接続され、図5に示すブリッジ回路30(ホイートストンブリッジ回路)を形成している。ブリッジ回路30には駆動電圧AVDCを供給する駆動回路(図示せず)が接続される。そして、ブリッジ回路30は、ダイアフラム25の撓みに基づくピエゾ抵抗素子31、32、33、34の抵抗値変化に応じた検出信号(電圧)を出力する。そのため、この出力された検出信号に基づいてダイアフラム25が受けた圧力を検出することができる。このように、ブリッジ回路30からの出力に基づくことで、精度よく圧力を検出することができる。なお、ブリッジ回路30は、圧力センサー1内で形成されていてもよいし、IC等の外部装置と接続することで形成されるようになっていてもよい。
センサー部3は、図4に示すように、ダイアフラム25に設けられている4つのピエゾ抵抗素子31、32、33、34を有している(なお、図中の斜線で示す部分がピエゾ抵抗部である)。また、4つのピエゾ抵抗素子31、32、33、34は、配線35等を介して、互いに電気的に接続され、図5に示すブリッジ回路30(ホイートストンブリッジ回路)を形成している。ブリッジ回路30には駆動電圧AVDCを供給する駆動回路(図示せず)が接続される。そして、ブリッジ回路30は、ダイアフラム25の撓みに基づくピエゾ抵抗素子31、32、33、34の抵抗値変化に応じた検出信号(電圧)を出力する。そのため、この出力された検出信号に基づいてダイアフラム25が受けた圧力を検出することができる。このように、ブリッジ回路30からの出力に基づくことで、精度よく圧力を検出することができる。なお、ブリッジ回路30は、圧力センサー1内で形成されていてもよいし、IC等の外部装置と接続することで形成されるようになっていてもよい。
特に、ピエゾ抵抗素子31、32、33、34は、ダイアフラム25の外縁に沿って配置されている。受圧によりダイアフラム25が撓み変形すると、ダイアフラム25の外縁部に大きな応力が加わるため、外縁部にピエゾ抵抗素子31、32、33、34を配置することで、検出信号が大きくなり、圧力検出感度が向上する。なお、ピエゾ抵抗素子31、32、33、34の配置としては、特に限定されず、例えば、ピエゾ抵抗素子31、32、33、34がダイアフラム25の外縁を跨いで配置されていてもよい。
ピエゾ抵抗素子31、32、33、34は、それぞれ、例えば、SOI基板21の第2シリコン層213に、リン、ボロン等の不純物をドープ(拡散または注入)することで構成することができる。また、配線35は、例えば、SOI基板21の第2シリコン層213に、ピエゾ抵抗素子31、32、33、34よりも高濃度でリン、ボロン等の不純物をドープ(拡散または注入)することで構成することができる。
[被覆層5]
図1に示すように、被覆層5は、基板2の上面に配置され、センサー部3を覆っている。このような被覆層5は、前述したように、シリコン(Si)、窒素(N)および酸素(O)を含んでいる。より具体的には、被覆層5は、酸窒化シリコン(SiON)を含んでおり、特に、本実施形態では、酸窒化シリコンで構成されている。このように、被覆層5が酸窒化シリコンを含んでいることで、ダイアフラム25の表面にあるセンサー部3を効果的に保護することができる。より具体的には、被覆層5によれば、ピエゾ抵抗素子31、32、33、34の界面準位を低減し、ノイズの発生を抑制することができると共に、センサー部3を水分の侵入や埃から保護することができる。このように、本実施形態によれば、従来ではシリコン酸化膜とシリコン窒化膜の積層体で発揮していた効果を単一の層で発揮することができるため、同じ効果を発揮させつつ、被覆層5をより薄くすることができる。
図1に示すように、被覆層5は、基板2の上面に配置され、センサー部3を覆っている。このような被覆層5は、前述したように、シリコン(Si)、窒素(N)および酸素(O)を含んでいる。より具体的には、被覆層5は、酸窒化シリコン(SiON)を含んでおり、特に、本実施形態では、酸窒化シリコンで構成されている。このように、被覆層5が酸窒化シリコンを含んでいることで、ダイアフラム25の表面にあるセンサー部3を効果的に保護することができる。より具体的には、被覆層5によれば、ピエゾ抵抗素子31、32、33、34の界面準位を低減し、ノイズの発生を抑制することができると共に、センサー部3を水分の侵入や埃から保護することができる。このように、本実施形態によれば、従来ではシリコン酸化膜とシリコン窒化膜の積層体で発揮していた効果を単一の層で発揮することができるため、同じ効果を発揮させつつ、被覆層5をより薄くすることができる。
なお、被覆層5の厚さとしては、その機能を発揮することができる限り、薄い方が好ましい。また、被覆層5の厚さとしては、特に限定されないが、ダイアフラムの厚さをT1とし、被覆層5の厚さをT2としたとき、T2≦T1/20の関係を満足することが好ましく、T2≦T1/50の関係を満足することがより好ましく、T2≦T1/100の関係を満足することがさらに好ましい。このような範囲を満足することで、十分に薄い被覆層5となり、被覆層5がダイアフラム25の撓み変形をより阻害し難くなる。なお、被覆層5の厚さの下限値としては特に限定されず、被覆層5の形成方法によっても異なるが、例えば、0.005μmであることが好ましい。
[ベース基板]
図1に示すように、ベース基板4は、凹部26の開口を塞いで基板2の下面(第1シリコン層211の表面)に接合されている。このように、ベース基板4で凹部26を気密的に封止することで、圧力基準室Sが形成される。圧力基準室Sは、真空(例えば、10Pa以下)であることが好ましい。これにより、圧力センサー1を、真空を基準として圧力を検出する所謂「絶対圧センサー」として用いることができる。そのため、利便性の高い圧力センサー1となる。ただし、圧力基準室Sの圧力は、特に限定されない。
図1に示すように、ベース基板4は、凹部26の開口を塞いで基板2の下面(第1シリコン層211の表面)に接合されている。このように、ベース基板4で凹部26を気密的に封止することで、圧力基準室Sが形成される。圧力基準室Sは、真空(例えば、10Pa以下)であることが好ましい。これにより、圧力センサー1を、真空を基準として圧力を検出する所謂「絶対圧センサー」として用いることができる。そのため、利便性の高い圧力センサー1となる。ただし、圧力基準室Sの圧力は、特に限定されない。
このようなベース基板4としては、例えば、シリコン基板、ガラス基板、セラミックス基板等を用いることができる。また、ベース基板4は、圧力基準室Sを介してダイアフラム25と対向している部分が差圧(圧力基準室Sの圧力と環境圧力の差)で変形しないように、ダイアフラム25に対して十分に厚くなっている。
次に、圧力センサー1の製造方法について説明する。圧力センサー1の製造方法は、図6に示すように、基板2を準備する準備工程と、基板2にセンサー部3を形成するセンサー部形成工程と、基板2の一方の面側に、シリコン、窒素および酸素を含む単一層からなる被覆層5を配置する被覆層配置工程と、基板2に、受圧により撓み変形するダイアフラム25を形成するダイアフラム形成工程と、基板2にベース基板4を接合して圧力基準室Sを形成する圧力基準室形成工程と、を有している。
[準備工程]
まず、図7に示すように、基板2として、第1シリコン層211、酸化シリコン層212および第2シリコン層213が積層してなるSOI基板21を準備する。
まず、図7に示すように、基板2として、第1シリコン層211、酸化シリコン層212および第2シリコン層213が積層してなるSOI基板21を準備する。
[センサー部形成工程]
次に、図8に示すように、基板2の上面(第2シリコン層213の表面)に、リン、ボロン等の不純物を注入することで、センサー部3(ピエゾ抵抗素子31、32、33、34および配線35)を形成する。
次に、図8に示すように、基板2の上面(第2シリコン層213の表面)に、リン、ボロン等の不純物を注入することで、センサー部3(ピエゾ抵抗素子31、32、33、34および配線35)を形成する。
[被覆層配置工程]
次に、基板2の上面(一方の面)を、窒素および酸素を含む雰囲気下で加熱する。加熱温度としては、特に限定されないが、800℃以上、1000℃以下であることが好ましい。これにより、基板2の上面(第2シリコン層213)がシリコンを含んでいるため、基板2の上面が直接熱酸窒化(酸化および窒化)され、図9に示すように、基板2の上面に酸窒化シリコンからなる被覆層5が形成される。なお、雰囲気中の窒素としては、例えば、NO、N2O、NO2およびNH3の少なくとも1つを用いることができ、酸素としては、例えば、O2やO2とH2Oを用いることができる。このような方法によれば、比較的簡単に、酸窒化シリコンからなる被覆層5を形成することができる。また、このような方法によれば、均質な被覆層5を形成することができる。また、スパッタリング、CVDと比較して被覆層5を薄く形成することが容易である。なお、上記の方法では、加熱温度が800℃以上、1000℃以下程度であったが、例えば、酸素プラズマを利用することで、加熱温度を400℃程度に抑えることもできる。これにより、熱履歴を低減することができる。
次に、基板2の上面(一方の面)を、窒素および酸素を含む雰囲気下で加熱する。加熱温度としては、特に限定されないが、800℃以上、1000℃以下であることが好ましい。これにより、基板2の上面(第2シリコン層213)がシリコンを含んでいるため、基板2の上面が直接熱酸窒化(酸化および窒化)され、図9に示すように、基板2の上面に酸窒化シリコンからなる被覆層5が形成される。なお、雰囲気中の窒素としては、例えば、NO、N2O、NO2およびNH3の少なくとも1つを用いることができ、酸素としては、例えば、O2やO2とH2Oを用いることができる。このような方法によれば、比較的簡単に、酸窒化シリコンからなる被覆層5を形成することができる。また、このような方法によれば、均質な被覆層5を形成することができる。また、スパッタリング、CVDと比較して被覆層5を薄く形成することが容易である。なお、上記の方法では、加熱温度が800℃以上、1000℃以下程度であったが、例えば、酸素プラズマを利用することで、加熱温度を400℃程度に抑えることもできる。これにより、熱履歴を低減することができる。
[ダイアフラム形成工程]
次に、図10に示すように、シリコンディープエッチング装置を用いたドライエッチングにより、基板2の下面に開放する凹部26を形成する。これにより、凹部26の底部にダイアフラム25が得られる。なお、凹部26の形成方法としては、特に限定されず、ウェットエッチングで形成してもよい。
次に、図10に示すように、シリコンディープエッチング装置を用いたドライエッチングにより、基板2の下面に開放する凹部26を形成する。これにより、凹部26の底部にダイアフラム25が得られる。なお、凹部26の形成方法としては、特に限定されず、ウェットエッチングで形成してもよい。
[圧力基準室形成工程]
次に、ベース基板4を準備し、図11に示すように、真空環境下で、ベース基板4を基板2の下面に接合する。これにより、ベース基板4と基板2との間に、真空の圧力基準室Sが形成される。
次に、ベース基板4を準備し、図11に示すように、真空環境下で、ベース基板4を基板2の下面に接合する。これにより、ベース基板4と基板2との間に、真空の圧力基準室Sが形成される。
以上により、圧力センサー1が得られる。このような製造方法によれば、ダイアフラム25を薄くすることができ、優れた圧力検出感度を有する圧力センサー1を製造することができる。なお、前述した製造方法では、ダイアフラム形成工程が被覆層配置工程の後に行われているが、ダイアフラム形成工程の順番としてはこれに限定されず、被覆層配置工程に先立って(例えば、準備工程とセンサー部形成工程との間、または、センサー部形成工程と被覆層配置工程との間)行われてもよい。
<第2実施形態>
次に、本発明の第2実施形態に係る圧力センサーについて説明する。
次に、本発明の第2実施形態に係る圧力センサーについて説明する。
図12は、本発明の第2実施形態に係る圧力センサーが有する被覆層の窒素および酸素の濃度分布を示す図である。図13および図14は、それぞれ、図12に示す被覆層の製造方法を示す断面図である。
以下、第2実施形態の圧力センサーについて、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
第2実施形態の圧力センサーは、被覆層の構成が異なること以外は、前述した第1実施形態と同様である。なお、前述した実施形態と同様の構成には同一符号を付してある。
本実施形態の被覆層5は、その厚さ方向に窒素(N)の濃度分布を有していると共に、その厚さ方向に酸素(O)の濃度分布も有している。すなわち、被覆層5は、その厚さ方向に窒素の濃度(含有量)が異なる部分を有していると共に、その厚さ方向に酸素の濃度(含有量)が異なる部分を有している。このように、被覆層5内に窒素と酸素の濃度分布を有することで、被覆層5の機能を、その厚さ方向で異ならせることができる。
具体的には、図12に示すように、被覆層5は、下面側(ダイアフラム25側)から上面側(ダイアフラム25と反対側)に向けて窒素の濃度(atm%)が漸増している部分を有していると共に、下面側から上面側に向けて酸素の濃度(atm%)が漸減している部分を有している。すなわち、被覆層5は、その厚さ方向の中央部に位置し、酸窒化シリコンが酸化シリコンや窒化シリコンよりも多く含有されている中央領域52(酸窒化シリコン高含有領域)と、中央領域52より下側に位置し、酸化シリコンが酸窒化シリコンや窒化シリコンよりも多く含有されている下部領域51(酸化シリコン高含有領域)と、中央領域52よりも上側に位置し、窒化シリコンが酸窒化シリコンや酸化シリコンよりも多く含有されている上部領域53(窒化シリコン高含有領域)と、を有している。このような構成によれば、比較的簡単な構成で、被覆層5に異なる機能を持たせることができる。具体的には、下部領域51では主に、ピエゾ抵抗素子31、32、33、34の界面準位を低減してノイズの発生を抑制する機能が発揮され、上部領域53では主に、センサー部3を水分の侵入や埃から保護する機能が発揮され、中央領域52では、これら2つの機能が発揮される。
特に、本実施形態では、下部領域51内の下側の部分(すなわち、被覆層5の下面およびその付近)は、酸化シリコンで構成されており、上部領域53内の上側の部分(すなわち、被覆層5の上面およびその付近)は、窒化シリコンで構成されている。このような構成とすることで、下部領域51および上部領域53のそれぞれの機能がより向上する。すなわち、単一層構造とは本実施形態のように連続して酸素ないし窒素の濃度が変わる層の一例であり、酸素濃度ないし窒素濃度が不連続に変わる層が積層されている場合が積層構造の一例であってもよい。
次に、この圧力センサー1の製造方法について説明する。圧力センサー1の製造方法は、前述した第1実施形態と同様に、準備工程と、センサー部形成工程と、被覆層配置工程と、ダイアフラム形成工程と、圧力基準室形成工程と、を有している。なお、被覆層配置工程以外の工程については、前述した第1実施形態と同様であるため、その説明を省略する。
[被覆層配置工程]
本工程では、基板2の上面(一方の面)を、酸素を含有する雰囲気下で加熱した後、窒素雰囲気下で加熱(直接熱酸化)する。具体的には、まず、基板2の上面(一方の面)を、例えば、酸素の原料として、O2(さらにH2Oを含んでいてもよい)を含有する雰囲気下で800℃以上、1000℃以下程度で加熱する。基板2の上面(第2シリコン層213)がシリコンを含んでいるため、この加熱によって、図13に示すように、基板2の上面に酸化シリコン層5Aが形成される。次に、基板2の上面(すなわち、酸化シリコン層5Aの表面)を、例えば、窒素の原料としてのNO、N2O、NO2およびNH3の少なくとも1つを含む雰囲気下で800℃以上、1000℃以下で加熱(直接熱窒化)する。これにより、酸化シリコン層5Aの上面側の部分が窒化されて、図14に示すように、シリコン、酸素および窒素を含有する被覆層5が形成される。このような被覆層5では、上面側は窒化され易く、下面側は窒化され難いため、前述したような、酸化シリコンを多く含有する下部領域51と、酸窒化シリコンを多く含有する中央領域52と、窒化シリコンを多く含有する上部領域53と、が形成される。このような方法によれば、比較的簡単に、厚さ方向に窒素の濃度分布を有する被覆層5を形成することができる。
本工程では、基板2の上面(一方の面)を、酸素を含有する雰囲気下で加熱した後、窒素雰囲気下で加熱(直接熱酸化)する。具体的には、まず、基板2の上面(一方の面)を、例えば、酸素の原料として、O2(さらにH2Oを含んでいてもよい)を含有する雰囲気下で800℃以上、1000℃以下程度で加熱する。基板2の上面(第2シリコン層213)がシリコンを含んでいるため、この加熱によって、図13に示すように、基板2の上面に酸化シリコン層5Aが形成される。次に、基板2の上面(すなわち、酸化シリコン層5Aの表面)を、例えば、窒素の原料としてのNO、N2O、NO2およびNH3の少なくとも1つを含む雰囲気下で800℃以上、1000℃以下で加熱(直接熱窒化)する。これにより、酸化シリコン層5Aの上面側の部分が窒化されて、図14に示すように、シリコン、酸素および窒素を含有する被覆層5が形成される。このような被覆層5では、上面側は窒化され易く、下面側は窒化され難いため、前述したような、酸化シリコンを多く含有する下部領域51と、酸窒化シリコンを多く含有する中央領域52と、窒化シリコンを多く含有する上部領域53と、が形成される。このような方法によれば、比較的簡単に、厚さ方向に窒素の濃度分布を有する被覆層5を形成することができる。
なお、上述の酸化工程や窒化工程では、加熱温度を800℃以上、1000℃以下としているが、例えば、酸素プラズマや窒化プラズマを利用することで、加熱温度を400℃程度に抑えることができる。そのため、熱履歴を低減することができる。
このような第2実施形態によっても、前述した第1実施形態と同様の効果を発揮することができる。
<第3実施形態>
次に、本発明の第3実施形態に係る圧力センサーについて説明する。
図15は、本発明の第3実施形態に係る圧力センサーの断面図である。
次に、本発明の第3実施形態に係る圧力センサーについて説明する。
図15は、本発明の第3実施形態に係る圧力センサーの断面図である。
以下、第3実施形態の圧力センサーについて、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
図15に示す圧力センサー1Aは、基板2と、センサー部3と、被覆層5と、周囲構造体6と、圧力基準室S(空洞部)と、を有している。基板2、センサー部3、被覆層5および圧力基準室Sの構成は、それぞれ、前述した第1実施形態と同様であるため、以下では、主に、周囲構造体6について説明する。
[周囲構造体]
周囲構造体6は、基板2との間に圧力基準室Sを形成している。このような周囲構造体6は、基板2上に配置されている層間絶縁膜61と、層間絶縁膜61上に配置されている配線層62と、配線層62および層間絶縁膜61上に配置されている層間絶縁膜63と、層間絶縁膜63上に配置されている配線層64と、配線層64および層間絶縁膜63上に配置されている表面保護膜65と、配線層64および表面保護膜65上に配置されている封止層66と、を有している。
周囲構造体6は、基板2との間に圧力基準室Sを形成している。このような周囲構造体6は、基板2上に配置されている層間絶縁膜61と、層間絶縁膜61上に配置されている配線層62と、配線層62および層間絶縁膜61上に配置されている層間絶縁膜63と、層間絶縁膜63上に配置されている配線層64と、配線層64および層間絶縁膜63上に配置されている表面保護膜65と、配線層64および表面保護膜65上に配置されている封止層66と、を有している。
配線層62は、圧力基準室Sを囲んで配置されている枠状の配線部621と、センサー部3と電気的に接続されている配線部629と、を有している。同様に、配線層64は、圧力基準室Sを囲んで配置されている枠状の配線部641と、センサー部3と電気的に接続されている配線部649と、を有している。そして、センサー部3は、配線部629、649によって周囲構造体6の上面に引き出されている。
また、配線層64は、圧力基準室Sの天井に位置する被覆層644を有している。また、被覆層644には圧力基準室Sの内外を連通する複数の貫通孔645が配置されている。このような被覆層644は、配線部641と一体形成されており、圧力基準室Sを挟んでダイアフラム25と対向配置されている。なお、複数の貫通孔645は、製造途中まで圧力基準室Sを埋めている犠牲層を除去する際のリリースエッチング用の孔である。また、被覆層644上には封止層66が配置されており、この封止層66によって貫通孔645が封止されている。
表面保護膜65は、周囲構造体6を水分、ゴミ、傷などから保護する機能を有している。このような表面保護膜65は、被覆層644の貫通孔645を塞がないように、層間絶縁膜63および配線層64上に配置されている。
このような周囲構造体6のうち、層間絶縁膜61、63としては、例えば、シリコン酸化膜(SiO2膜)等の絶縁膜を用いることができる。また、配線層62、64としては、例えば、アルミニウム膜等の金属膜を用いることができる。また、封止層66としては、例えば、Al、Cu、W、Ti、TiN等の金属膜、シリコン酸化膜等を用いることができる。また、表面保護膜65としては、例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、ポリイミド膜、エポキシ樹脂膜などを用いることができる。
このような第3実施形態によっても、前述した第1実施形態と同様の効果を発揮することができる。
<第4実施形態>
次に、本発明の第4実施形態に係る高度計について説明する。
図16は、本発明の高度計の一例を示す斜視図である。
次に、本発明の第4実施形態に係る高度計について説明する。
図16は、本発明の高度計の一例を示す斜視図である。
図16に示す高度計200は、腕時計のように手首に装着することができる。また、高度計200の内部には圧力センサー1が搭載されており、表示部201に現在地の海抜からの高度、現在地の気圧等を表示することができる。なお、この表示部201には、他にも現在時刻、使用者の心拍数、天候等、様々な情報を表示することができる。このような高度計200は、検出精度に優れる圧力センサー1を有しているため、高い信頼性を発揮することができる。なお、高度計200は、圧力センサー1の替りに圧力センサー1Aを備えていてもよい。
なお、このような高度計200は、防水性を備えていれば、例えば、ダイビング、フリーダイビング用の水深計としても利用可能となる。
<第5実施形態>
次に、本発明の第5実施形態に係る電子機器について説明する。
図17は、本発明の電子機器の一例を示す正面図である。
次に、本発明の第5実施形態に係る電子機器について説明する。
図17は、本発明の電子機器の一例を示す正面図である。
図17に示す電子機器は、圧力センサー1を備えたナビゲーションシステム300である。ナビゲーションシステム300は、図示しない地図情報と、GPS(全地球測位システム:Global Positioning System)からの位置情報取得手段と、ジャイロセンサーおよび加速度センサーと車速データとによる自立航法手段と、圧力センサー1と、所定の位置情報または進路情報を表示する表示部301と、を備えている。
このナビゲーションシステム300によれば、取得した位置情報に加えて、圧力センサー1によって高度情報を取得することができる。そのため、一般道路から高架道路へ進入する(またはこの逆)ことによる高度変化を検出することで、一般道路を走行しているのか高架道路を走行しているのかを判断でき、実際の走行状態におけるナビゲーション情報を使用者に提供することができる。このようなナビゲーションシステム300は、検出精度に優れる圧力センサー1を有しているため、高い信頼性を発揮することができる。なお、ナビゲーションシステム300は、圧力センサー1の替りに圧力センサー1Aを備えていてもよい。
なお、本発明の圧力センサーを備える電子機器は、上記のナビゲーションシステムに限定されず、例えば、パーソナルコンピューター、携帯電話、スマートフォン、タブレット端末、HMD(ヘッドマウントディスプレイ)等のウェアラブル端末、時計(スマートウォッチを含む)、医療機器(例えば電子体温計、血圧計、血糖計、心電図計測装置、超音波診断装置、電子内視鏡)、各種測定機器、計器類(例えば、車両、航空機、船舶の計器類)、フライトシミュレーター等に適用することができる。
<第6実施形態>
次に、本発明の第6実施形態に係る移動体について説明する。
図18は、本発明の移動体の一例を示す斜視図である。
次に、本発明の第6実施形態に係る移動体について説明する。
図18は、本発明の移動体の一例を示す斜視図である。
図18に示す移動体は、圧力センサー1を備えた自動車400である。自動車400は、車体401と、4つの車輪402とを有しており、車体401に設けられた図示しない動力源(エンジン)によって車輪402を回転させるように構成されている。このような自動車400は、検出精度に優れる圧力センサー1を有しているため、高い信頼性を発揮することができる。なお、自動車400は、圧力センサー1の替りに圧力センサー1Aを備えていてもよい。
以上、本発明の圧力センサー、圧力センサーの製造方法、高度計、電子機器および移動体を図示の各実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、他の任意の構成物や、工程が付加されていてもよい。また、各実施形態を適宜組み合わせてもよい。
また、前述した実施形態では、センサー部としてピエゾ抵抗素子を用いたものについて説明したが、圧力センサーとしては、これに限定されず、例えば、フラップ型の振動子を用いた構成や、櫛歯電極等の他のMEMS振動子や、水晶振動子等の振動素子を用いることもできる。
1、1A…圧力センサー、2…基板、21…SOI基板、211…第1シリコン層、212…酸化シリコン層、213…第2シリコン層、25…ダイアフラム、26…凹部、3…センサー部、30…ブリッジ回路、31、32、33、34…ピエゾ抵抗素子、35…配線、4…ベース基板、5…被覆層、5A…酸化シリコン層、51…下部領域、52…中央領域、53…上部領域、6…周囲構造体、61…層間絶縁膜、62…配線層、621…配線部、629…配線部、63…層間絶縁膜、64…配線層、641…配線部、644…被覆層、645…貫通孔、649…配線部、65…表面保護膜、66…封止層、200…高度計、201…表示部、300…ナビゲーションシステム、301…表示部、400…自動車、401…車体、402…車輪、S…圧力基準室
Claims (11)
- 受圧により撓み変形するダイアフラムと、
前記ダイアフラムの一方の面側に配置されている単一層からなる被覆層と、を有し、
前記被覆層は、シリコン、窒素および酸素を含んでいることを特徴とする圧力センサー。 - 前記被覆層は、酸窒化シリコンを含んでいる請求項1に記載の圧力センサー。
- 前記被覆層は、厚さ方向に前記窒素の濃度分布を有している請求項1または2に記載の圧力センサー。
- 前記被覆層は、前記被覆層の前記ダイアフラム側から前記ダイアフラムと反対側に向けて前記窒素の濃度が漸増している部分を有している請求項3に記載の圧力センサー。
- 前記ダイアフラムの厚さをT1とし、前記被覆層の厚さをT2としたとき、T2≦T1/20の関係を満足している請求項1ないし4のいずれか1項に記載の圧力センサー。
- 基板を準備する工程と、
前記基板の一方の面側に、シリコン、窒素および酸素を含む単一層からなる被覆層を配置する工程と、
前記基板に、受圧により撓み変形するダイアフラムを形成する工程と、を有していることを特徴とする圧力センサーの製造方法。 - 前記基板は、シリコンを含み、
前記被覆層を配置する工程では、前記基板の前記一方の面を、窒素および酸素を含有する雰囲気下で加熱する請求項6に記載の圧力センサーの製造方法。 - 前記基板は、シリコンを含み、
前記被覆層を配置する工程では、前記基板の前記一方の面を、酸素を含有する雰囲気下で加熱した後、窒素雰囲気下で加熱する請求項6に記載の圧力センサーの製造方法。 - 請求項1ないし5のいずれか1項に記載の圧力センサーを有していることを特徴とする高度計。
- 請求項1ないし5のいずれか1項に記載の圧力センサーを有していることを特徴とする電子機器。
- 請求項1ないし5のいずれか1項に記載の圧力センサーを有していることを特徴とする移動体。
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