JP2017509860A - キャップで規定されたメンブレン(cap−defined membrane)を有する圧力センサ - Google Patents
キャップで規定されたメンブレン(cap−defined membrane)を有する圧力センサ Download PDFInfo
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Abstract
圧力センサ上のメンブレン(膜(membranes))の保護の構造および方法。1つの例は、デバイス層に形成されたメンブレンの下においてフレーム(frame)を規定する裏面空洞(backside cavity)を有する圧力センサを提供する。圧力センサは、結合層によりデバイス層に結合されたキャップ(cap)を更に含みうる。参照空洞(基準空洞(reference cavity))のためのリセス(陥凹(recess))は、キャップ、結合層およびメンブレンまたは他のデバイス層の部分のうちの1以上に形成されうる。リセスは、少なくとも第1の方向において、裏面空洞の幅よりも狭い幅を有しうる。他の例では、リセスは、それが裏面空洞の外縁の内側になる外縁を有するように成形されうる。このことは、デバイス層およびフレームの結合を強化しうる。リセスは、デバイス層および裏面空洞の接合から離間された活性メンブレン(活性膜(active membrane))を規定しうる。
Description
本発明は、キャップで規定されたメンブレンを有する圧力センサに関する。
関連出願の相互参照
本願は、それぞれ参照により援用される2014年7月29日出願の米国仮特許出願第62/030,604号と、2014年12月10日出願の米国仮特許出願第62/090,306号との優先権の利益を主張するPCT出願である。
本願は、それぞれ参照により援用される2014年7月29日出願の米国仮特許出願第62/030,604号と、2014年12月10日出願の米国仮特許出願第62/090,306号との優先権の利益を主張するPCT出願である。
背景
圧力検知デバイスは、多種の製品になった過去の数年で広く見られるものになった。自動車用、産業用、民生用および医療用製品に用いられ、圧力検知デバイスは、急成長したし、衰退の気配もない。
圧力検知デバイスは、多種の製品になった過去の数年で広く見られるものになった。自動車用、産業用、民生用および医療用製品に用いられ、圧力検知デバイスは、急成長したし、衰退の気配もない。
圧力検知デバイスは、圧力センサ及び他のコンポーネントを含みうる。圧力センサは、典型的には、ダイアフラム(diaphragm)またはメンブレン(膜(membrane))を含みうる。典型的には、このメンブレンは、シリコンウエハにホイートストンブリッジを設け、その後、該ホイートストンブリッジの下にシリコンの薄層が形成されるまで、シリコンを反対側の表面からエッチングすることにより、形成される。該薄層は、それより厚く且つエッチングされていないシリコンウエハ部であってフレーム(frame)を形成するシリコンウエハ部により取り囲まれうるメンブレンである。圧力検知デバイスにおいて圧力センサが圧力を受けたとき、メンブレンは変形により反応しうる。この変形は、該メンブレンについての電子部品の1以上の特性を変化させる。これらの特性の変化は計測され得、これらの計測から、圧力が計測されうる。
多くの場合、電子部品は、メンブレン上に位置するホイートストンブリッジとして構成された抵抗器である。圧力の元でメンブレンが変形するため、抵抗器の抵抗も変化する。この変化は、ホイートストンブリッジの出力をもたらす。この変化は、抵抗器に取り付けられたワイヤまたはリードを介して計測されうる。
従来の圧力センサは、フレームに取り付けられ且つフレームにより取り囲まれたダイアフラムまたはメンブレンから形成されうる。いくつかの圧力センサにおいて、センサは、フィルタの2つの面等、2つの異なる位置の間の圧力差を計測しうる。これらは、ゲージ圧センサ(gauge pressure sensor)として参照されうる。他のタイプのセンサでは、出力は、既知の一貫性のある圧力(known, consistent pressure)であって典型的には真空でありうる圧力と、比較されうる。このタイプのセンサは、絶対圧センサ(absolute pressure sensor)として参照されうる。絶対圧センサでは、メンブレンの第1の面は、計測のため、メディアに露出され得、これに対して、第2の面は、真空チャンバでありうる参照用のチャンバ(reference chamber)に接触しうる。メディアに露出されたメンブレンの第1の面は、高圧力を受けうる。
メンブレンへの該高圧力は、フレーム‐メンブレン接合において、高度に集中された張力(highly concentrated tensile force)をもたらしうる。この応力(stress)は、メンブレンのシリコン結晶構造にクラックまたは他の損傷を発生させうる。この損傷は、圧力の計測におけるエラーまたは圧力センサの非機能性をもたらしうる。
よって、高圧力に起因する損傷からの圧力センサ上のメンブレンの保護の構造および方法が求められる。
したがって、本発明の実施形態は、高圧力に起因する損傷からの圧力センサ上のメンブレンの保護の構造および方法を提供しうる。説明に役立つ実例は、ハンドルウエハ又は層(handle wafer or layer)とデバイスウエハ又は層(device wafer or layer)とを含む第1のウエハ部を有する圧力センサを提供し得、ここで、ハンドルウエハ又は層は裏面空洞(backside cavity)を有し、該裏面空洞はデバイスウエハ又は層におけるメンブレンを規定する。圧力センサは、更に、メンブレンの上方の結合層(bonding layer)と、該結合層の上方の又は該結合層に取り付けられたキャップ(cap)とを有しうる。結合層は、デバイスウエハ、キャップウエハ又はそれらの双方の上に形成された酸化層でありうる。本発明の多様な実施形態において、メンブレン、結合層、キャップ、又は、圧力センサにおける他の層若しくは一部のうちの1以上に、参照空洞(基準空洞(reference cavity))が形成されうる。参照空洞は、それが存在する単一又は複数の層のいずれかに関わらず、横方向又は平面の幅(lateral or planar width)であって少なくとも一方向において裏面空洞の幅より狭い幅を有しうる。他の実施形態では、参照空洞は、それが裏面空洞の外縁より内側になる外縁を有するように、成形されうる。このことは、メンブレンとフレームとの接合において補強および応力の低減を提供する。また、狭い参照空洞は、メンブレンの活性部(active portion)を、該メンブレンの活性部がデバイス層および裏面空洞の接合から離間するように、規定しうる。(ここで用いられるように、メンブレンは、裏面空洞およびフレームにより規定され得、これに対して、メンブレンの一部である活性メンブレン(活性膜(active membrane))は、参照空洞により規定されうる。また、ここで用いられるように、より一般的な用語のメンブレンは、特に差異(distinction)が決定的(critical)ではないメンブレンか活性メンブレンかのどちらかを意味する。)本発明の態様な実施形態において、デバイスウエハ又は層は、シリコンウエハ部または他の材料で形成され得、結合層は、シリコン酸化物若しくはガラス又は他の材料を備え得、これに対し、キャップまたはキャップ層は、シリコンウエハ部、シリコン酸化物若しくはガラス、又は、低温度係数若しくはシリコンの温度係数に近い温度係数の耐熱ガラスであって、コーニング インコーポレイテッド(Corning Incorporated)によりライセンスされたPyrex(登録商標)を含むホウケイ酸ガラス、その他の材料を含む耐熱ガラス等の他のガラスで形成されうる。
本発明の実施形態は、製造を簡易化するセンサを提供しうる。繰り返しになるが、センサのメンブレンは、まず、シリコンウエハにホイートストンブリッジを設け、その後、該ホイートストンブリッジを包含するシリコンの薄いメンブレンを形成するように該ホイートストンブリッジの下のシリコンをエッチングすることにより、製造されうる。デバイスの感度に影響を与える1つの要素は、活性メンブレンの縁(端、エッジ(edge))へのホイートストンブリッジの抵抗器の近接(proximity)でありうる。本発明の実施形態は、シリコンの裏から切り取られた裏面空洞よりは寧ろ参照空洞の位置によりメンブレンの活性部の縁が決定された圧力センサを提供しうる。参照空洞は、シリコンの裏面から切り取られた空洞よりも極めて薄いため、製造中において活性メンブレンの縁にホイートストンブリッジをアライメント調整する(合わせる(align))ことが容易になりうる。参照空洞が比較的薄いことは、空洞のサイズを制御する際の助けにもなりうる。更に、参照空洞およびホイートストンブリッジは、デバイスの反対側よりは寧ろ同じ側に位置し得、このことはそれらのアライメント調整を容易にする。また、参照空洞をデバイスウエハ又は該デバイスウエハ上の結合層の中に位置させることにより、結合中におけるアライメントは、参照空洞がキャップ層又はウエハ内にエッチングされるときに比べて、決定的(critical)ではなくなり得、これは、この第2の構造(配置、形態(configuration))は結合中における2つのウエハのアライメントを必要としうるからである。
本発明の実施形態は、更に、高圧からの損傷を少なくとも2通りの方法で保護する圧力センサを提供しうる。従来の圧力センサでは、メンブレンのサイズは、ウエハの裏面にエッチングされた空洞のサイズによって決定されうる。本発明の多様な実施形態では、裏面空洞のサイズにおける当該制限は取り除かれうる。重要なことに、メンブレンの活性部のサイズは、裏面空洞のサイズによってはもはや決定されず、それ故、裏面空洞のサイズは、メンブレンの活性部のサイズよりも大幅に大きくされうる。裏面空洞のサイズが増大すると、裏面空洞のコーナーで発生した引張応力(tensile stress)は低減されうる。また、活性メンブレンの縁は、最も応力が生じるが、裏の空洞のコーナーにはもはや近接しない。よって、最も高い応力が低減されうるだけでなく、該最も高い応力の地点(locus)が、活性メンブレンの上面のコーナー(top side corner)にシフトし得、この応力は、引張よりは寧ろ圧縮でありうる。シリコンは、破砕(fracturing)前の引張応力よりも高圧縮応力に耐え得、デバイスを損傷から保護する。
本発明の実施形態は、メンブレンが偏向する(撓む(deflect))ことができる量を制限することにより、裏面空洞での流体(fluid)の高圧に起因する損傷をも制限しうる。特に、メンブレンの活性部の上方の参照空洞は、メンブレンの偏向(撓み)を制限しうるように高さ又は厚さを有しうる。このことは、高い又は過度に高い圧力に起因して損傷が生じうる量より大きい偏向からメンブレンを防ぐ。本発明の特定の実施形態において、メンブレンが通常動作の間に第1の距離にわたって偏向することが望ましい。また、仮に、メンブレンが第1より大きい第2の距離にわたって偏向できる場合には、損傷が発生しうることが考えられうる。この例では、参照空洞は、第3の距離よりも大きい偏向からメンブレンが防止されるように、厚さ及び高さを有し得、該第3の距離は、所望の動作を許可するため第1の距離より大きく且つ損傷を防ぐため第2の距離より小さい。
本発明の多様は実施形態では、多様な層は、本発明の実施形態において含まれてもよいし省略されてもよい。例えば、共晶接着性の(共晶接合可能な(eutectically-bondable))メタルまたは他の材料の付随的な層は、デバイスの裏または底に配されうる。この層は、結合(接着(bonding))の目的で、デバイスの裏または底に金の薄い層として形成されうる。この層は、デバイスパッケージ、デバイス筐体(device enclosure)またはプリント若しくはフレキシブル回路基板(printed or flexible circuit board)その他の基板を第2の集積回路デバイスに結合するのを容易にする。ポリシリコン又は他の材料の付随的な層は、デバイス層又はウエハの上面に配され又は形成されうる。この付随的な層は、デバイス層の上面かつ結合又は酸化層の下に位置しうる。即ち、付随的な層は、デバイス層又はウエハと結合又は酸化層との間に位置しうる。
本発明の多様な実施形態は、ここで記載されたこれらの及び他の特徴の1以上を包含しうる。本発明の性質及び利点のより良い理解は、以下の詳細な説明および添付図面を参照することによって得られうる。
図1は、本発明の実施形態にしたがう圧力センサの側面図を示す。この図は、他の付属の図同様、例示的目的で示されたものであり、本発明の可能な実施形態や特許請求の範囲を限定するものではない。
この圧力センサは、圧力センサの第1のウエハ部(first wafer portion)の上部に取り付けられたキャップ(cap)160を含み得、該第1のウエハ部は、更にデバイスウエハ又は層(device wafer or layer)130と、ハンドルウエハ又は層(handle wafer or layer)110とを含む。デバイスウエハ又は層130は、ハンドルウエハ又は層110により支持されうる。ハンドルウエハ又は層110は、側壁112の縁(端、エッジ(edge))を規定する裏面空洞(backside cavity)114を含みうる。裏面空洞114は、ハンドルウエハ又は層110の底面から酸化層120の底122まで延在しうる。デバイス層130は、その上面に形成された1以上の電気部品132を有しうる。電気部品132は、酸化層140により保護されうる。
キャップ160は、底面に酸化層150を含みうるが、酸化膜150は本発明の多様な実施形態において省略されてもよい。キャップ160は、酸化層140との融着酸化層(fusion bonding oxide layer)150により、デバイス層130に取り付けられうる。1以上の酸化層140又は150が省略されるとき、キャップ160は、酸化層140との融着キャップ(fusion bonding cap)160により、デバイス層130との融着酸化層150により、又は、デバイス層130との直接的な融着キャップ層(fusion bonding cap layer)160により、デバイス層130に取り付けられうる。酸化層150は、融着(fusion bonding)前にリセス(陥凹(recess))を形成するようにエッチングされ得、該リセスは参照空洞(基準空洞(reference cavity))152を形成しうる。参照空洞152は、外縁154により規定されうる。参照空洞152は酸化層150内に形成されるのに対し、本発明のこの及び他の実施形態においては、参照空洞152は、酸化層150およびキャップ層160の中、酸化層150および酸化層140の中、デバイス層130の中、又は、これらの組み合わせの中に形成されうる。
参照空洞152は、少なくとも一方向において、裏面空洞114の幅よりも狭い幅を有しうる。特に、圧力センサの中心線から参照空洞152の縁154までの距離192は、中心線から裏面空洞114の縁112までの距離194よりも短くてもよい。このようにして、縁154により規定されたメンブレン(膜(membrane))の活性部は、縁112により規定されたメンブレンより狭くてもよい。本発明の多様な実施形態において、参照空洞152の外縁は、裏面空洞114の縁よりも内側であり得、ここで、該縁は、この及び他の実施形態において垂直(vertically)であるとする。
従来の圧力センサでは、キャップ160は存在しない(absent)であろう。このようなケースでは、裏面空洞により形成されたメンブレン又はダイアフラム(diaphragm)が偏向する(撓む(deflect))ため、ダイアフラム及びフレーム間の接合点(junction point)は大きな引張力(tensile force)を受けうる。この図において、仮にキャップ160が存在しなかった場合、この力が位置124において集中しうる。この力の集中は、位置124又はその近傍においてクラックまたは他の損傷をもたらしうる。
そこで、本発明の実施形態は、参照空洞152等の参照空洞が裏面空洞114等の裏面空洞よりも狭くてもよいキャップ160等、キャップ又は他の補強構造を提供しうる。このケースにおいて、位置124は、キャップ160により補強されうる。また、高圧の位置は、位置124から位置159に移動しうる。位置159における応力は、引張よりは寧ろ、メンブレン122の下面に圧力が加わったときの圧縮である。更に、1以上のクラック又は他の損傷が位置124又はその近傍に表れたときでも、該クラックは、参照空洞152により規定された活性メンブレン領域から離れる。
また、従来の圧力センサでは、メンブレン又はダイアフラムは、圧力センサへの損傷をもたらしうる量にわたって偏向しうる。このことは、裏面空洞での流体の不測の高圧力または他の現象が表れたことに起因して生じうる。
そこで、本発明の実施形態は、活性メンブレンの最大偏向を制限する高さ又は厚さを有する参照空洞を提供しうる。本発明の多様な実施形態において、この高さ又は厚さは、活性メンブレンが所望の動作において十分に偏向できる程度であり、しかし、圧力センサへの損傷が生じない程度であればよい。特に、縁154は、圧力センサの適切な動作のために活性メンブレンが十分に偏向でき、しかし、メンブレンに損傷ないし破裂が生じない程度の高さを有しうる。代わりに、活性メンブレンは、仮に、圧力が増加し続けても、該活性メンブレンが参照空洞152の上部に達し且つそれ以上には進み得ないように偏向し、損傷の発生を防ぐ。即ち、参照空洞152の上部は、圧力センサへの損傷を防ぐ偏向止め(deflection stop)として作用しうる。本発明の多様な実施形態において、参照空洞152の上面、即ち、キャップ160の下面は、参照空洞152の高さおよび活性メンブレンの最大偏向を規定する1以上のボス(突起(boss))又は他の構造を含みうる。
本発明の多様な実施形態において、圧力センサに用いられる構造は多様なサイズおよび幅を有しうる。例えば、ハンドルウエハ又は部分は、250〜600ミクロンの厚さを有し得、該厚さは、250ミクロンより薄くてもよいし、600ミクロンより厚くてもよい。デバイスウエハ又は層130は、メンブレンを形成するため、かなり薄くてもよい。この厚さは、15〜25ミクロンであり得、該厚さは、15ミクロンより薄くてもよいし、25ミクロンより厚くてもよい。キャップウエハ又は層160および他のキャップウエハ又は層は、少なくとも約150ミクロンの厚さを有し得、該厚さは、150ミクロンより狭くてもよいし厚くてもよい。埋設され又は結合された酸化層120、140及び150は、0.1〜3ミクロンの間の厚さを有し得、該厚さは、この範囲より薄くてもよいし厚くてもよい。参照空洞136は、本発明の他の実施形態における他の参照空洞も同様であるが、100nm〜500nmの厚さ又は高さを有し得、他の実施形態では、該厚さは、50nm〜1000nmでもよい。本発明の特定の実施形態は、4000Åの高さを有する参照空洞を有しうる。
本発明のこの及び他の実施形態では、共晶接着性の(共晶接合可能な(eutectically-bondable))メタルまたは他の材料の付随的な層117は、ハンドルウエハ110の裏または底に配されうる。この層は、結合(接着(bonding))の目的で、デバイスの裏または底に金の薄い層として形成されうる。層117は、デバイスパッケージ、デバイス筐体(device enclosure)またはプリント若しくはフレキシブル回路基板(printed or flexible circuit board)その他の基板を第2の集積回路デバイスに結合するのを容易にする。付随的な層117は、明確にするため、他図からは省略されている。
本発明のこの及び他の実施形態では、ポリシリコンまたは他の材料の付随的な層137は、デバイス層又はウエハ110の上面に配され又は形成されうる。付随的な層137は、デバイス層130の上面かつ結合又は酸化層140の下に位置しうる。即ち、付随的な層137は、デバイス層又はウエハ130と結合又は酸化層140との間に位置しうる。ポリシリコン層137は、デバイス層130の上面における抵抗器または他の部品132の電気性能を安定させるフィールドシールドを提供しうる。付随的な層137は、明確にするため、他図からは省略されている。
繰り返しになるが、参照空洞152は、少なくとも一方向において、裏面空洞114の幅よりも狭い幅を有しうる。この他の実施形態では、参照空洞152は、それが裏面空洞114の外側境界内に収まるように、寸法が合わせられ且つアライメント調整されうる。結果、デバイスのメンブレンは、裏面空洞114の代わりにキャップ160内においてリセス152により、従来同様にサイズ規定されうる。以下の図面に一例が示される。
図2は、本発明の実施形態にしたがう圧力センサの上面図を示す。繰り返しになるが、キャップ160は、ハンドルウエハ又は層110およびデバイスウエハ又は層130を含む第1のウエハ部の上に配されうる。この例では、リセス152は、裏面空洞114の縁112の内側に収まるように配された縁154を有しうる。この例では、リセス152は、圧力センサの活性メンブレンの領域を規定しうる。本発明の多様な実施形態において、活性メンブレンは態様なサイズを有しうる。例えば、それは縦240ミクロン且つ横240ミクロンのサイズでもよい。活性メンブレンの厚さは約20ミクロンでもよい。このようなメンブレンまたはダイアフラムは、20bar、120bаr又はそれ以上の圧力をサポートし及び計測することが可能である。
ここで示された多様な層は省略され得、他のものは本発明の実施形態と一致して含まれうる。以下の図面に、本発明の実施形態の製造方法の特定の例が示される。
図3は、本発明の実施形態にしたがう第1のウエハ部を示している。このウエハ部は、デバイスウエハ又は層130と、酸化膜120により結合され且つその後薄膜化されたハンドルウエハ又は層110とを含みうる。本発明の多様な実施形態において、このような構造は商業上利用可能でありうる。本発明の他の実施形態において、酸化層120は第1のウエハ110上に成長されうる。第2又はデバイスウエハ130は、酸化層120の上面に融着されうる。デバイスウエハ130は、不図示の酸化層を更に含み得、又は、酸化層120はデバイスウエハ130の底面に成長されうる。本発明の更に他の実施形態において、デバイス層130は、酸化層120上にエピタキシャル層として成長されうる。
図4では、裏面空洞114が形成されうる。裏面空洞114は、エッチングにより、例えば、ディープリアクティブイオンエッチング(DRIE)、マイクロマシニングまたは他の技術により、形成されうる。裏面空洞114は、ハンドルウエハ又は層110の底から埋設された酸化層120の底122まで延在しうる。1以上の電気部品132は、デバイスウエハ130の上面に配され得、又は、該上面に若しくは該上面の上に形成されうる。例えば、ピエゾレジスタ(圧電抵抗器(piezoelectric resistor))は、デバイスウエハ又は層130の上面に埋設され又は拡散され(implanted or diffused)うる。相互接続トレース(interconnect trace)は、デバイスウエハ又は層130の上面に形成されうる。酸化層または結合層140は、デバイス層130上にわたって成長されうる。この酸化層140は、部品132を保護しうる。
図5では、キャップ160が提供されうる。キャップ160の底面に、酸化層150が成長されうる。
図6では、160の底面の酸化層150に、開口152がエッチングされうる。結果として生じるキャップは、図4における構造に取り付けられ得、図1に示された圧力センサを製造する。
図7は、本発明の実施形態にしたがう圧力センサの一部の側面図を示す。繰り返しになるが、ハンドルウエハ110は、デバイス層ウエハ130を支持しうる。埋設された酸化層120は、ハンドルウエハ部110とデバイスウエハ部130との間に位置しうる。裏面空洞114は、ハンドルウエハ110の底面から酸化層120の底面122まで延在しうる。酸化層140は、デバイスウエハ130の頂部に成長され得、酸化層150は、キャップウエハ又は層160の底面に成長されうるが、本発明の多様な実施形態では、1以上の酸化層140又は150は省略されてもよい。酸化層140及び150は、キャップ160に結合するように、デバイスウエハ層130に融着されうる。キャップ160は、側壁又は縁154により規定されたリセス152を含みうる。縁154は、平坦であり得、又は、他の形状を有しうる。
繰り返しになるが、本発明の他の実施形態は、少なくとも一方向において裏面空洞よりも狭いリセスを有する圧力センサを提供しうる。以下の図面に一例が示される。
図8は、本発明の実施形態にしたがう圧力センサの側面図を示す。この例では、キャップ810は、デバイスウエハ層130の上面に取り付けられうる。キャップ810は、縁814を規定するリセス812を含みうる。リセス812は、第1の方向において、裏面空洞114の同方向における幅よりも狭い幅を有しうる。即ち、圧力センサの中心線からリセス812の外縁814までの距離892は、該中心線から裏面空洞114の縁112までの距離よりも短くてもよい。本発明のこの及び他の実施形態では、繰り返しになるが、天頂(鉛直な点(vertical point))からの視点において、縁814は、それが裏面空洞114の縁112の内側に収まるように配されうる。また、この例では、リセス812はキャップ810の中に形成されうるのに対して、本発明の他の実施形態では、リセス812は、キャップ810、酸化層140、デバイス層130又はこれらの組み合わせの中に形成されうる。
前述のとおり、多様な技術がこれらの圧力センサを製造するのに用いられうる。ハンドルウエハ又は層110、酸化層120、デバイス層又はウエハ130、及び、酸化層140を形成するのに、図3〜図6に示されたものと類似のステップが用いられうる。以下の図面に、キャップ810がどのように形成されうるかの例が示される。
図9では、キャップ810の底面にシリコンナイトライド(窒化シリコン)の層910が堆積されうる。シリコンナイトライド層910には開口912が形成されうる。それから、酸化層が成長されうる。この酸化層は、シリコンナイトライド910上において成長が制限されうるが、開口912により保護されず且つ露出されたシリコンを消耗(consume)しうる。この酸化は、リセス812を形成するため、図10において除去されうる。シリコンナイトライド層910もまた除去され得、そして、結果として生じるキャップ810は、デバイスウエハ層130の上部の酸化層140に融着され得、図8に示される圧力センサを形成する。本発明の他の実施形態では、酸化層140は省略され得、また、キャップ810はデバイス層130に結合されうる。
図11は、本発明の実施形態にしたがう圧力センサの一部の側面図を示す。前述のとおり、ハンドルウエハ又は層110は、デバイスウエハ又は層130を支持するように用いられうる。ハンドルウエハ110は、ハンドルウエハ又は層110の底から酸化層120の底面まで延在する裏面空洞114を有しうる。酸化層140は、デバイスウエハ130の頂部に成長されうる。キャップ810は、酸化層140に融着されうる。特に、キャップ810の底面上のシリコンは、デバイスウエハ又は層130上に成長され得た酸化層140に融着されうる。繰り返しになるが、リセス812は、縁814により規定されうる。縁814は、図示されるように平坦であり得、又は、他の形状を有しうる。
繰り返しになるが、空洞812の縁814は、他の形状を有しうる。以下の図面に一例が示される。
図12は、空洞812の縁814がカーブし(曲がり(curve))うる例を示している。このカーブは、酸化層がキャップ810の底面に成長されうるときのキャップ810におけるシリコンの単一指向性の消耗(unidirectional consumption)に起因しうる。
図13は、本発明の実施形態にしたがう他の圧力センサの側面図を示す。前述のとおり、この圧力センサは、デバイスウエハ又は層130とハンドルウエハ又は層110とを含む第1のウエハ部の頂部に取り付けられたキャップ160を含みうる。デバイスウエハ又は層130は、ハンドルウエハ又は層110により支持されうる。ハンドルウエハ又は層110は、側壁112の縁を規定する裏面空洞114を含みうる。裏面空洞114は、ハンドルウエハ又は層110の底面から酸化層120の底112まで延在しうる。デバイス層130は、その上面に形成された1以上の電気部品132を有しうる。電気部品132は、酸化層140により保護されうる。
キャップ160は、底面に酸化層150を含みうるが、本発明のこの及び他の実施形態では、酸化層150は省略されてもよい。キャップ160は、酸化層140との融着酸化層150により、デバイス層130に取り付けられうる。酸化層150が用いられないとき、キャップ160は、酸化層140に直接的に融着されうる。酸化層140は、参照空洞142であるリセスを形成するため、融着の前にエッチングされうる。酸化層140又は他の酸化層のエッチングは、酸化物エッチングが伝統的に非常によく制御されたプロセス工程であるという点で有利である。また、参照空洞の厚さは、熱酸化層140の厚さにより正確に制御され得、このこともまた、非常によく制御されたプロセスである。参照空洞142は、外縁144により規定されうる。この例では参照空洞は酸化層140を通って延在するように示されるのに対して、本発明の多様な実施形態では、参照空洞142は、酸化層140の一部のみを通って延在しうる。キャップ160に参照空洞を形成することと比べると(図1に示されるように)、酸化層140に参照空洞を形成することは、メンブレンに対するキャップ160のアライメント調整を容易にしうる。このことは、キャップ160が参照空洞を覆うためだけに用いられ且つそれ自身が参照空洞又は活性メンブレンを規定しない、ということに少なくとも部分的に起因しうる。また、参照空洞142が酸化層140の中に形成されうるのに対して、本発明の他の実施形態では、参照空洞142は、酸化層140、酸化層150、酸化層140、キャップ160又はこれらの組み合わせの中に形成されうる。
参照空洞142は、少なくとも一方向において、裏面空洞114の幅よりも狭い幅を有しうる。特に、圧力センサの中心線から参照空洞142の縁144までの距離192は、中心線から裏面空洞114の縁112までの距離194よりも短くてもよい。このようにして、縁144により規定されたメンブレンの活性部は、縁112により規定された活性メンブレンよりも狭くてもよい。
従来の圧力センサでは、キャップ160は存在しないであろうし、又は、キャップ160は、対応する裏面空洞よりも広い開口を形成するリセスを有しうる。このようなケースでは、裏面空洞により形成されたメンブレン又はダイアフラムが偏向するため、ダイアフラム及びフレーム間の接合点は大きな引張力を受けうる。この図において、仮にキャップ160が存在しなかった場合、この力が位置124において集中しうる。この力の集中は、位置124又はその近傍においてクラックまたは他の損傷をもたらしうる。
そこで、上述のとおり、本発明の実施形態は、参照空洞142等の参照空洞が裏面空洞114等の裏面空洞よりも狭くてもよいキャップ160等、キャップ又は他の補強構造を提供しうる。このケースにおいて、位置124は、キャップ160により補強されうる。また、高圧の位置は、位置124から位置149に移動しうる。位置149における応力は、引張よりは寧ろ、メンブレン122の下面に圧力が加わったときの圧縮である。更に、1以上のクラック又は他の損傷が位置124又はその近傍に表れたときでも、該クラックは、参照空洞142により規定された活性メンブレン領域から離れる。
また、従来の圧力センサでは、メンブレン又はダイアフラムは、圧力センサへの損傷をもたらしうる量にわたって偏向しうる。このことは、裏面空洞における流体からの不測の高圧力または他の現象が表れたことに起因して生じうる。
そこで、本発明の実施形態は、メンブレンの最大偏向を制限する高さ又は厚さを有する参照空洞を提供しうる。本発明の多様な実施形態において、この高さ又は厚さは、メンブレンが所望の動作において十分に偏向できる程度であり、しかし、圧力センサへの損傷が生じない程度であればよい。特に、縁144は、圧力センサの適切な動作のためにメンブレンが十分に偏向でき、しかし、メンブレンに損傷ないし破裂が生じない程度の高さを有しうる。代わりに、メンブレンは、該メンブレンが参照空洞142の上部に達し、損傷が発生する前に、それ以上には進み得ないように偏向する。即ち、参照空洞142の上部は、圧力センサへの損傷を防ぐ偏向止めとして作用しうる。本発明のこの及び他の実施形態において、参照空洞142の上面等の1以上の表面は、活性メンブレンが偏向しうる量について阻止または制限するものとして作用しうる1以上のボス(突起(boss))又は他の構造を含みうる。
繰り返しになるが、本発明の多様な実施形態において、圧力センサに用いられる構造は多様なサイズおよび幅を有しうる。例えば、ハンドルウエハ又は部分は、250〜600ミクロンの厚さを有し得、該厚さは、250ミクロンより薄くてもよいし、600ミクロンより厚くてもよい。デバイスウエハ又は層130は、メンブレンを形成するため、かなり薄くてもよい。この厚さは、15〜25ミクロンであり得、該厚さは、15ミクロンより薄くてもよいし、25ミクロンより厚くてもよい。キャップウエハ又は層160および他のキャップウエハ又は層は、少なくとも約150ミクロンの厚さを有し得、該厚さは、150ミクロンより狭くてもよいし厚くてもよい。埋設され又は結合された酸化層120、140及び150は、0.1〜3ミクロンの間の厚さを有し得、該厚さは、この範囲より薄くてもよいし厚くてもよい。参照空洞142は、本発明の他の実施形態における他の参照空洞も同様であるが、100nm〜500nmの厚さ又は高さを有し得、他の実施形態では、該厚さは、50nm〜1000nmでもよい。本発明の特定の実施形態は、4000Åの高さを有する参照空洞を有しうる。
繰り返しになるが、参照空洞142は、少なくとも一方向において、裏面空洞114の幅よりも狭い幅を有しうる。この他の実施形態では、参照空洞142は、それが裏面空洞114内に収まるように、寸法が合わせられ且つアライメント調整されうる。結果、デバイスのメンブレンは、裏面空洞114の代わりに酸化層140内においてリセス142により、従来同様にサイズ規定されうる。以下の図面に一例が示される。
図14は、本発明の実施形態にしたがう圧力センサの上面図を示す。繰り返しになるが、キャップ160は、ハンドルウエハ又は層110およびデバイスウエハ又は層130を含む第1のウエハ部の上に配されうる。この例では、参照空洞142は、裏面空洞114の縁112の内側に収まるように配された縁144を有しうる。この例では、参照空洞142は、圧力センサの活性メンブレンの領域を規定しうる。本発明の多様な実施形態において、活性メンブレンは態様なサイズを有しうる。例えば、それは縦240ミクロン且つ横240ミクロンのサイズでもよい。メンブレンの厚さは約20ミクロンでもよい。このようなメンブレンまたはダイアフラムは、20bar、120bаr又はそれ以上の圧力をサポートし及び計測することが可能である。
ここで示された多様な層は省略され得、他のものは本発明の実施形態と一致して含まれうる。以下の図面に、本発明の実施形態の製造方法の特定の例が示される。
図15は、製造中の圧力センサの一部を示している。この部分は、図4に示された部分同様または類似の手順で形成されうる。加えて、参照空洞142を形成しうる層140にリセスが形成されうる。繰り返しになるが、参照空洞142は酸化層140を通って延在するように示されるのに対して、本発明の他の実施形態では、参照空洞142は、酸化層140を部分的にのみ通って延在しうる。キャップ160は、酸化層150を伴って又は伴わずに、参照空洞142の上方にわたって配され得、図13の圧力センサを形成する。
図16は、本発明の実施形態にしたがう他の圧力センサの側面図を示す。前述のとおり、この圧力センサは、デバイスウエハ又は層130とハンドルウエハ又は層110とを含む第1のウエハ部の頂部に取り付けられたキャップ160を含みうる。デバイスウエハ又は層130は、ハンドルウエハ又は層110により支持されうる。ハンドルウエハ又は層110は、側壁112の縁を規定する裏面空洞114を含みうる。裏面空洞114は、ハンドルウエハ又は層110の底面から酸化層120の底122まで延在しうる。デバイス層130は、その上面に形成された1以上の電気部品132を有しうる。電気部品132は、酸化層140により保護されうる。
キャップ160は、底面に酸化層150を含みうるが、本発明のこの及び他の実施形態では、酸化層150は省略されてもよい。キャップ160は、酸化層140との融着酸化層150により、デバイス層130に取り付けられうる。酸化層150が用いられないとき、キャップ160は、酸化層140に直接的に融着され得、又は、キャップ160は、デバイス層130に直接的に結合されうる。酸化層140は、参照空洞142であるリセスの上部を形成するため、融着の前にエッチングされうる。デバイス層130も、参照空洞134の底部を形成するためにエッチングされうる。参照空洞134は、外縁144及び136により規定されうる。キャップ160に参照空洞を形成することと比べると(図1に示されるように)、酸化層140及びデバイス層130に参照空洞を形成することは、メンブレンに対するキャップ160のアライメント調整を容易にしうる。このことは、キャップ160が参照空洞を覆うためだけに用いられ且つそれ自身が参照空洞を規定しない、ということに少なくとも部分的に起因しうる。また、参照空洞134が酸化層140及びデバイス層130の中に形成されうるのに対して、本発明の他の実施形態では、酸化層140は省略され得、かつ、参照空洞134は酸化層130の中に形成されうる。
参照空洞136は、少なくとも一方向において、裏面空洞114の幅よりも狭い幅を有しうる。特に、圧力センサの中心線から参照空洞134の縁144及び136までの距離192は、中心線から裏面空洞114の縁112までの距離194よりも短くてもよい。このようにして、縁144及び136により規定されたメンブレンの活性部は、縁112により規定されたメンブレンよりも狭くてもよい。
また、従来の圧力センサでは、メンブレン又はダイアフラムは、圧力センサへの損傷をもたらしうる量にわたって偏向しうる。このことは、裏面空洞における流体からの不測の高圧力または他の現象が表れたことに起因して生じうる。
そこで、本発明の実施形態は、メンブレンの最大偏向を制限する高さ又は厚さを有する参照空洞を提供しうる。本発明の多様な実施形態において、この高さ又は厚さは、メンブレンが所望の動作において十分に偏向できる程度であり、しかし、圧力センサへの損傷が生じない程度であればよい。特に、縁136及び144は、圧力センサの適切な動作のためにメンブレンが十分に偏向でき、しかし、メンブレンに損傷ないし破裂が生じない程度の高さを有しうる。代わりに、メンブレンは、該メンブレンが参照空洞134の上部に達し、損傷が発生する前に、それ以上には進み得ないように偏向する。即ち、参照空洞134の上部は、圧力センサへの損傷を防ぐ偏向止めとして作用しうる。本発明のこの及び他の実施形態において、参照空洞134の上面等の1以上の表面は、活性メンブレンが偏向しうる量について阻止または制限するものとして作用しうる1以上のボス又は他の構造を含みうる。
繰り返しになるが、本発明の多様な実施形態において、圧力センサに用いられる構造は多様なサイズおよび幅を有しうる。例えば、ハンドルウエハ又は部分は、250〜600ミクロンの厚さを有し得、該厚さは、250ミクロンより薄くてもよいし、600ミクロンより厚くてもよい。デバイスウエハ又は層130は、メンブレンを形成するため、かなり薄くてもよい。この厚さは、15〜25ミクロンであり得、該厚さは、15ミクロンより薄くてもよいし、25ミクロンより厚くてもよい。キャップウエハ又は層160および他のキャップウエハ又は層は、少なくとも約150ミクロンの厚さを有し得、該厚さは、150ミクロンより狭くてもよいし厚くてもよい。埋設され又は結合された酸化層120、140及び150は、0.1〜3ミクロンの間の厚さを有し得、該厚さは、この範囲より薄くてもよいし厚くてもよい。参照空洞134は、本発明の他の実施形態における他の参照空洞も同様であるが、100nm〜500nmの厚さ又は高さを有し得、他の実施形態では、該厚さは、50nm〜1000nmでもよい。本発明の特定の実施形態は、4000Åの高さを有する参照空洞を有しうる。
繰り返しになるが、参照空洞134は、少なくとも一方向において、裏面空洞114の幅よりも狭い幅を有しうる。この他の実施形態では、参照空洞134は、それが裏面空洞114内に収まるように、寸法が合わせられ且つアライメント調整されうる。結果、デバイスの活性メンブレンは、裏面空洞114の代わりに酸化層140及びデバイス層130内において参照空洞により、従来同様にサイズ規定されうる。以下の図面に一例が示される。
図17は、本発明の実施形態にしたがう圧力センサの上面図を示す。繰り返しになるが、キャップ160は、ハンドルウエハ又は層110およびデバイス層130を含む第1のウエハ部の上に配されうる。この例では、参照空洞142は、裏面空洞114の縁112の内側に収まるように配された縁144を有しうる。この例では、参照空洞142は、圧力センサの活性メンブレンの領域を規定しうる。本発明の多様な実施形態において、活性メンブレンは多様なサイズを有しうる。例えば、それは縦240ミクロン且つ横240ミクロンのサイズでもよい。メンブレンの厚さは約20ミクロンでもよい。このようなメンブレンまたはダイアフラムは、20bar、120bаr又はそれ以上の圧力をサポートし及び計測することが可能である。
ここで示された多様な層は省略され得、他のものは本発明の実施形態と一致して含まれうる。以下の図面に、本発明の実施形態の製造方法の特定の例が示される。
図18における圧力センサ部は、図3に示された部分同様または類似の手順で形成されうる。加えて、参照空洞134の底部を形成するようにデバイス層130の上部にリセスがエッチングされうる。図19において、酸化層140はデバイス層130の上にわたって形成されうる。この酸化層は、デバイス132を保護するように所定位置に維持され得、または、酸化層140は、図20に示されるように側面(側(side))144及び136により規定された参照空洞134を形成するようにエッチングされうる。
本発明の他の実施形態では、図20の圧力センサ部は、デバイス層130上にわたって酸化層140を成長させ、その後、酸化層140を介してデバイス層130の上部にエッチングし、側面144及び136により規定された参照空洞134を形成することによって形成されうる。
本発明の他の実施形態では、メンブレンは、ボス(boss)、レーストラック(racetrack)および他の構造を含みうる。いくつかの例は、参照により援用される米国特許第8,381,596号において見られうる。以下の図面に一例が示される。
図21は、本発明の実施形態にしたがう他の圧力センサの側面図を示す。前述のとおり、この圧力センサは、デバイスウエハ又は層130とハンドルウエハ又は層110とを含む第1のウエハ部の上部に取り付けられたキャップ160を含みうる。デバイスウエハ又は層130は、ハンドルウエハ又は層110により支持されうる。ハンドルウエハ又は層110は、側壁112の縁を規定する裏面空洞114を含みうる。裏面空洞114は、ハンドルウエハ又は層110の底面から酸化層120の底112まで延在しうる。デバイス層130は、ボス138に形成された1以上の電気部品132を含み得、ここで、ボス138は、デバイス層130に形成された例示的構造である。電気部品132は、ここでは明確に図示されていないが、酸化層140により保護されうる。
キャップ160は、底面に酸化層150を含みうるが、本発明のこの及び他の実施形態では、酸化層150は省略されてもよい。キャップ160は、酸化層140との融着酸化層150により、デバイス層130に取り付けられうる。酸化層150が用いられないとき、キャップ160は、酸化層140に直接的に融着されうる。酸化層140は、参照空洞142であるリセスの上部を形成するため、融着の前にエッチングされうる。デバイス層130も、参照空洞134の一部を形成しうるレーストラック、ボスまたは他の構造を形成するためにエッチングされうる。これらの構造は、裏面空洞114での高圧力または他の現象が表れたことに起因するデバイスへの損傷を防ぐように、活性メンブレンの最大偏向を制限しうる。参照空洞134は、外縁144及び136により規定されうる。キャップ160に参照空洞を形成することと比べると(図1に示されるように)、酸化層140及びデバイス層130に参照空洞を形成することは、メンブレンに対するキャップ160のアライメント調整を容易にしうる。このことは、キャップ160が参照空洞を覆うためだけに用いられ且つそれ自身が参照空洞を規定しない、ということに少なくとも部分的に起因しうる。
参照空洞136は、少なくとも一方向において、裏面空洞114の幅よりも狭い幅を有しうる。特に、圧力センサの中心線から参照空洞134の縁144及び136までの距離192は、中心線から裏面空洞114の縁112までの距離194よりも短くてもよい。このようにして、縁144及び136により規定されたメンブレンの活性部は、縁112により規定されたメンブレンよりも狭くてもよい。
以上の例および本発明の他の実施形態では、参照空洞は、キャップ層810又は160、酸化層150及び140、並びに、デバイス層130のうちの1以上のいずれにも形成されうる。例えば酸化層150等、これらの層の1以上は省略されてもよい。また、不図示の1以上の他の層が含まれてもよい。
発明の実施形態の以上の記載は、例示および説明の目的で示されたものである。本発明は徹底的または記載された厳密なものに限定されるものではなく、上述の示唆に照らして多くの変更および変化が可能である。実施形態は、当業者が、発明を、考えられる特定用途に適合するように多様な実施形態で且つ多様な変更を伴って、最も良く利用可能になるよう、発明の原理およびその実用的応用を最も良く説明するために選択され且つ記載された。よって、発明が、以下の請求項の趣旨の範囲内で、全ての変更および均等物を包含するものであることが理解されよう。
Claims (28)
- 第1のウエハ部であって、該第1のウエハ部の底面から該第1のウエハ部の中へ延在する裏面空洞を有し、前記裏面空洞はフレームの内側表面を規定し、前記内側表面はメンブレンを規定する、第1のウエハ部と、
前記第1のウエハ部の上方の結合層であって、該結合層には参照空洞が形成されており、前記参照空洞は前記メンブレンの活性部を規定する、結合層と、
前記第1のウエハ部の上方のキャップであって前記参照空洞を覆うキャップと、を備え、
前記参照空洞は、前記裏面空洞から前記メンブレンの反対側にあり、前記参照空洞は、少なくとも第1の次元において、該第1の次元における前記裏面空洞の幅よりも狭い幅を有する
ことを特徴とする圧力センサ。 - 前記キャップは、前記参照空洞の上方において平坦な底面を有する
ことを特徴とする請求項1記載の圧力センサ。 - 前記参照空洞は、前記結合層の一部をエッチングすることにより形成された
ことを特徴とする請求項1記載の圧力センサ。 - 前記メンブレンは、上面において、前記参照空洞の一部を形成するリセスを有する
ことを特徴とする請求項1記載の圧力センサ。 - 前記参照空洞は、前記第1のウエハ部、前記結合層および前記キャップのうちの1つ以上の中にある
ことを特徴とする請求項1記載の圧力センサ。 - 前記参照空洞は、前記参照空洞の垂直な縁が、前記裏面空洞の垂直な縁の内側になるように位置する
ことを特徴とする請求項1記載の圧力センサ。 - 前記参照空洞は、損傷を防ぐように、前記メンブレンの偏向を制限する高さを有する
ことを特徴とする請求項1記載の圧力センサ。 - 前記キャップは、シリコンでできている
ことを特徴とする請求項1記載の圧力センサ。 - 前記キャップは、ホウケイ酸ガラスでできている
ことを特徴とする請求項1記載の圧力センサ。 - 前記結合層は酸化層である
ことを特徴とする請求項8記載の圧力センサ。 - 前記第1のウエハ部と前記結合層との間にポリシリコン層をさらに備える
ことを特徴とする請求項1記載の圧力センサ。 - ハンドルウエハ部であって、該ハンドルウエハ部の底面から該ハンドルウエハ部の上面まで延在する裏面空洞を有し、前記裏面空洞はフレームの内側表面を規定する、ハンドルウエハ部と、
前記ハンドルウエハ部の上方のデバイスウエハ部であって、前記裏面空洞の前記内側表面により規定されたメンブレンを有するデバイスウエハ部と、
前記デバイスウエハ部の上面の上の結合層であって、該結合層には参照空洞が形成されており、前記参照空洞は前記メンブレンの活性部を規定する、結合層と、
前記結合層の上方のキャップであって前記参照空洞を覆うキャップと、を備え、
前記参照空洞は、前記キャップの下方にあり、前記参照空洞は、少なくとも第1の次元において、該第1の次元における前記裏面空洞の幅よりも狭い幅を有する
ことを特徴とする圧力センサ。 - 前記参照空洞は、前記結合層の中にある
ことを特徴とする請求項12記載の圧力センサ。 - 前記参照空洞は、前記結合層および前記デバイスウエハ部の中にある
ことを特徴とする請求項12記載の圧力センサ。 - 前記参照空洞は、前記結合層および前記デバイスウエハ部の少なくとも一方の中にある
ことを特徴とする請求項12記載の圧力センサ。 - 前記参照空洞は、前記参照空洞の垂直な縁が、前記裏面空洞の垂直な縁の内側になるように位置する
ことを特徴とする請求項15記載の圧力センサ。 - 前記参照空洞は、損傷を防ぐように、前記メンブレンの偏向を制限する高さを有する
ことを特徴とする請求項12記載の圧力センサ。 - 前記デバイスウエハ部と前記結合層との間にポリシリコン層をさらに備える
ことを特徴とする請求項12記載の圧力センサ。 - ハンドルウエハと、
第1の結合層により前記ハンドルウエハに結合されたデバイスウエハであって、該ハンドルウエハの底面から該ハンドルウエハの上面まで延在する裏面空洞を有し、前記裏面空洞は前記デバイスウエハにおけるメンブレンを規定する、デバイスウエハと、
第2の結合層により前記デバイスウエハの上面に結合されたキャップと、を備え、
参照空洞が前記キャップの下方にあり、前記参照空洞は前記メンブレンの活性部を規定しており、前記参照空洞は、前記裏面空洞の外縁の内側に収まる外縁を有する
ことを特徴とする圧力センサ。 - 前記第2の結合層は、前記デバイスウエハの上面の上の酸化層である
ことを特徴とする請求項19記載の圧力センサ。 - 前記参照空洞は、前記第2の結合層の中にある
ことを特徴とする請求項19記載の圧力センサ。 - 前記参照空洞は、前記第2の結合層および前記デバイスウエハの中にある
ことを特徴とする請求項19記載の圧力センサ。 - 前記参照空洞は、前記第2の結合層および前記デバイスウエハのうちの少なくとも一方の中にある
ことを特徴とする請求項19記載の圧力センサ。 - 前記参照空洞は、損傷を防ぐように、前記メンブレンの偏向を制限する高さを有する
ことを特徴とする請求項19記載の圧力センサ。 - 前記デバイスウエハと前記結合層との間にポリシリコン層をさらに備える
ことを特徴とする請求項19記載の圧力センサ。 - 前記第1のウエハ部は、デバイスウエハ部に結合されたハンドルウエハ部を備える
ことを特徴とする請求項1記載の圧力センサ。 - 前記参照空洞は、前記裏面空洞の外縁の内側に収まる外縁を有する
ことを特徴とする請求項26記載の圧力センサ。 - 前記参照空洞は、前記裏面空洞の外縁の内側に収まる外縁を有する
ことを特徴とする請求項12記載の圧力センサ。
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