JP2018521317A - Mems容量式圧力センサおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
本発明の態様の一例によれば、第1の電極(17)および変形可能な第2の電極(18)を備え、第1の電極(17)と第2の電極(18)の間の空間(4)によって第2の電極(18)が第1の電極(17)と絶縁されており、第1の電極(17)と第2の電極(18)のうち少なくとも1つが空間(4)へ突出した少なくとも1つの脚柱(5)を含む、MEMS容量式圧力センサ(1)が提供される。本発明の態様の別の例によれば、MEMS容量式圧力センサ(1)を製造するための方法もさらに提供される。
Description
本発明は圧力センサに関する。具体的には、本発明は、MEMS(micro electro−mechanical system:微小電気機械システム)容量式圧力センサに関する。さらに、本発明は、MEMS容量式圧力センサを製造するための方法に関する。
MEMS容量式圧力センサが知られており、それを使用して圧力を検知することができる。MEMS技術により、小型圧力センサの製造が促進される。MEMS容量式圧力センサには、ある圧力が加えられた下で相互に対して移動する2つの電極が必要である。多くの場合、この構成は、基板上に形成された固定の電極を有しながら、検知すべき圧力にさらされる変形可能な膜の中に移動可能な電極を設けることにより実現される。
例えば、米国特許出願第20150008543 A1号に、MEMS容量式圧力センサが開示されている。そのMEMS容量式圧力センサは基板を含む。そのMEMS容量式圧力センサはさらに、基板上に第1の電極層を含む。第1の電極層は、電気的な相互接続構造を通して基板内の半導体デバイスに電気接続されている。加えて、そのMEMS容量式圧力センサは、基板上に第2の電極層を含む。第1の電極層と第2の電極層の間に空間が形成されている。空間は、第1の電極層と第2の電極層を電気的に絶縁する。第1の電極層、第2の電極層、および空間が、容量性の構造を形成する。第2の電極層に圧力が加えられると、第2の電極層が変形する。第1の電極と第2の電極の間の距離が変化するので、容量性構造の静電容量が変化する。次に、この静電容量が測定されて、変形可能な第2の電極層に加えられた圧力が判断される。第2の電極層にかかる圧力は容量性構造の静電容量に対応するので、第2の電極層にかかる圧力を、容量性構造の出力信号に変換することができる。
そのような知られているMEMS容量式圧力センサの構造の幾何学形状は、予定される測定対象の圧力範囲に応じて設計される。容量性構造の感度には、一定の制限があり得る。第2の電極層の直径を小さくし、かつ、変形可能な第2の電極層の厚さ、すなわち機械的応力を大きくすると、圧力センサの感度が劣化する。一方で、高い圧力は、MEMS容量式圧力センサの過負荷につながる。第2の電極層の直径を大きくし、かつ、第2の電極層の厚さを小さくすると、測定可能な最大圧力が変化する。変形可能な第2の電極層が曲げに起因して基板上の固定された第1の電極に接触すると、センサが過負荷となる。
MEMSセンサ構造の幾何学形状および材料属性により定まる測定可能な圧力範囲には制限があるので、大気圧の測定と静水圧の測定などの異なる適用例には、通常、異なるMEMS容量式圧力センサが使用される。
上記を考慮すると、より広い動作範囲に適用可能な、単一のMEMS容量式圧力センサを提供することは有益である。
本発明は、独立請求項の特徴によって定められる。いくつかの特定の実施形態が、従属請求項に定められる。
本発明の第1の態様によれば、第1の電極および変形可能な第2の電極(導電膜)を備え、第1の電極と第2の電極の間の空間によって第2の電極が第1の電極と絶縁されており、第1の電極と第2の電極のうち少なくとも1つが、空間へ突出した少なくとも1つの脚柱を含む、MEMS容量式圧力センサが提供される。
第1の態様のさまざまな実施形態は、下記に列挙する特徴のうち少なくとも1つを含む。
・定められた圧力が加えられたときに第1の電極と第2の電極を脚柱によって機械的に接続するようにセンサが構成される。
・脚柱が、絶縁材料で作られているか、または第1の電極と第2の電極を電気的に絶縁するように構成された絶縁層を含む。
・第1の電極と第2の電極のうち少なくとも1つが、第1の電極と第2の電極を電気的に絶縁するように構成された絶縁層を含む。
・脚柱が、環状に、すなわち円環として形成される。
・脚柱の内径、脚柱の外径、空間の直径、脚柱の高さ、空間の高さ、および、変形可能な膜の厚さのうち少なくとも1つが、所定の測定可能圧力範囲に依存する。
・センサが、それぞれ高さの異なる2つ以上の脚柱を含む。
・空間へ突出する複数の脚柱の高さが、半径方向に外へ向かって漸増する。
・空間内の圧力が、実質的に大気圧より低い。
・第2の電極が、少なくとも1つのアモルファス単結晶シリコン層を含む。
・第1の電極が、絶縁材料で作られた基板に固定して取り付けられている。
・第1の電極と第2の電極が基板内の半導体デバイスに電気的に接続されている。
・第1の電極と第2の電極のうち少なくとも1つがシリコンウェーハを含む。
・定められた圧力が加えられたときに第1の電極と第2の電極を脚柱によって機械的に接続するようにセンサが構成される。
・脚柱が、絶縁材料で作られているか、または第1の電極と第2の電極を電気的に絶縁するように構成された絶縁層を含む。
・第1の電極と第2の電極のうち少なくとも1つが、第1の電極と第2の電極を電気的に絶縁するように構成された絶縁層を含む。
・脚柱が、環状に、すなわち円環として形成される。
・脚柱の内径、脚柱の外径、空間の直径、脚柱の高さ、空間の高さ、および、変形可能な膜の厚さのうち少なくとも1つが、所定の測定可能圧力範囲に依存する。
・センサが、それぞれ高さの異なる2つ以上の脚柱を含む。
・空間へ突出する複数の脚柱の高さが、半径方向に外へ向かって漸増する。
・空間内の圧力が、実質的に大気圧より低い。
・第2の電極が、少なくとも1つのアモルファス単結晶シリコン層を含む。
・第1の電極が、絶縁材料で作られた基板に固定して取り付けられている。
・第1の電極と第2の電極が基板内の半導体デバイスに電気的に接続されている。
・第1の電極と第2の電極のうち少なくとも1つがシリコンウェーハを含む。
本発明の第2の態様によれば、MEMS容量式圧力センサを製造するための方法が提供され、その方法は、第1の電極を形成することと、変形可能な第2の電極であって、第1の電極と第2の電極の間の空間によって第1の電極から電気的に絶縁された第2の電極を形成することと、第1の電極と第2の電極のうち少なくとも1つから空間内へ突出した少なくとも1つの脚柱を形成することとを含む。
本発明の一定の実施形態により、相当な利点が得られる。本発明の一定の実施形態は、拡張された動作範囲に適用可能な、単一のMEMS容量式圧力センサを提供する。圧力の測定を、例えば、大気圧の測定と静水圧の測定などの異なる適用例で行うことができる。大気圧と静水圧を測定するための2つの異なる圧力センサを、例えば、単一の圧力センサに置き換えることができ、よって、構成要素の設置面積と製造費用を削減することができる。
本発明の一定の実施形態は、このMEMS容量式圧力センサを製造するための方法をさらに提供する。その方法は、簡潔に、かつ費用効率よく行うことができる。このMEMS容量式圧力センサは、工業規模での製造が可能である。
本発明の一定の実施形態は、拡張された動作可能圧力範囲に適用可能なMEMS容量式圧力センサに関する。このセンサは、第1の電極(下部電極)と変形可能な第2の電極(上部電極)のうち少なくとも1つからセンサの空間内へ突出した脚柱を備える。脚柱は、特定の圧力下で両方の電極を機械的に接続し、よってセンサの構造を補剛する。脚柱によって電極を機械的に接続した後も、測定を続行することができる。このセンサは、脚柱によって電極を機械的に接続する前は、例えば、大気圧の測定に使用されてもよい。脚柱によって電極を機械的に接続した後は、例えば、静水圧の測定が行われてもよい。このセンサにより、動作可能な圧力範囲が拡張される。さらに、本発明の一定の実施形態は、MEMS容量式圧力センサを製造するための方法に関する。
図1は、本発明の少なくともいくつかの実施形態によるMEMS容量式圧力センサ1の概略図を示し、このセンサでは、変形可能な電極18が脚柱5を含む。センサ1はさらに第1の電極17を含み、この電極は基板19に固定して取り付けられている。基板19は標準的なシリコンウェーハである。基板19は、半導体デバイス(図示せず)をさらに含んでもよい。さらに、センサ1は変形可能な第2の電極18を含み、この電極はスペーサ20によって支持されている。スペーサ20は絶縁材料で作られ、第1の電極17と第2の電極18を電気的に絶縁するように構成されている。第1の電極17と第2の電極18の間に空間4が形成されている。空間4は、第1の電極17と第2の電極18を電気的に絶縁する。加えて、第2の電極18は、第2の電極18から空間4内へ突出した脚柱5を含む。脚柱5は、単一の円環として形成されている。
第1の電極17、第2の電極18、および空間4が、容量性の構造を形成する。第2の電極18に圧力Pが加えられると、第2の電極18が変形する。第1の電極17と第2の電極18の間の距離が変化するので、容量性構造の静電容量が変化する。次に、この静電容量が測定されて、変形可能な第2の電極18に加えられた圧力Pが判断される。一定の実施形態によれば、第1の電極17は脚柱5に対面する側に絶縁層21を含む。絶縁層21は、第1の電極17と第2の電極18を電気的に絶縁するように構成されている。
図2は、本発明の少なくともいくつかの実施形態によるMEMS容量式圧力センサ1の概略図を示し、このセンサでは、固定された電極17が脚柱5を含む。センサ1は第1の電極17を含み、この電極は基板19に固定して取り付けられている。基板19は標準的なシリコンウェーハである。さらに、センサ1は変形可能な第2の電極18を含み、この電極はスペーサ20によって支持されている。スペーサ20は絶縁材料で作られ、第1の電極17と第2の電極18を電気的に絶縁するように構成されている。第1の電極17と第2の電極18の間に空間4が形成されている。空間4は、第1の電極17と第2の電極18を電気的に絶縁する。加えて、第1の電極17は、第1の電極17から空間4内へ突出した脚柱5を含む。脚柱5は、単一の円環として形成されている。
第1の電極17、第2の電極18、および空間4が、容量性の構造を形成する。第2の電極18に圧力Pが加えられると、第2の電極18が変形する。第1の電極17と第2の電極18の間の距離が変化するので、容量性構造の静電容量が変化する。次に、この静電容量が測定されて、変形可能な第2の電極18に加えられた圧力Pが判断される。一定の実施形態によれば、第2の電極18は脚柱5に対面する側に絶縁層21を含む。絶縁層21は、第1の電極17と第2の電極18を電気的に絶縁するように構成されている。
図3は、本発明の少なくともいくつかの実施形態によるMEMS容量式圧力センサ1の概略図を示し、ここでは、第1の電極17または第2の電極18の脚柱5がそれぞれの相手の電極17、18と機械的に接触している。センサ1は、定められた圧力が加えられたときに第1の電極17と第2の電極18を脚柱5によって機械的に接続するように構成される。第1の電極17と第2の電極18の機械的な接続は、センサ1の過負荷を避けるために、変形可能な第2の電極18を補剛する。
センサ1の変形可能な第2の電極18が定められた圧力下で一定の点まで変形すると、第1の電極17と第2の電極18が脚柱5を介して機械的に接続される。それ以降は、変形可能な第2の電極18の、脚柱環5の中の内側部分と、変形可能な第2の電極の、脚柱環5の外の外側部分は、別々の膜と考えることができる。これらの膜は、電極17、18を機械的に接続する前の膜全体に比較すると、より剛性が高い。よって、この別々の膜を使用して、より高い圧力を測定することができる。脚柱5は、絶縁材料で作られているか、または第1の電極17と第2の電極18を電気的に絶縁するように構成された絶縁層を含む。一定の実施形態によれば、第1の電極17と第2の電極18のうち少なくとも1つは脚柱5に対面する側に絶縁層を含む。絶縁層は、第1の電極17と第2の電極18を、機械的に接続されている間、電気的に絶縁するように構成されている。
第1の電極17と第2の電極18を機械的に接続した後も、圧力の測定を続行することができる。第2の電極18は、第1の電極17の脚柱環5の内側と外側で、さらに変形することができる。電極17、18を機械的に接続した後も静電容量の変化を測定することができ、よって、センサ1の動作可能な圧力範囲が拡大される。
図示されるセンサ1では、膜全体が使用されるときは、例えば大気圧などの低い圧力の測定が可能である。加えて、このセンサでは、第2の電極18が第1の電極17に機械的に接続されて、補剛された複数の膜部分が同時に使用されるときは、例えば静水圧などの高い圧力の測定が可能である。脚柱5の内径dinner、脚柱5の外径douter、空間4の直径dchamber、脚柱の高さhpedestail、空間4の高さhchamber、および、変形可能な膜の厚さtmembraneなどのセンサ1のパラメータが、測定可能な圧力範囲に影響する。
図4に、本発明の少なくともいくつかの実施形態によるMEMS容量式圧力センサ1の断面図を示す。脚柱5が、内径dinner、外径douter、高さhpedestalを有する円環として形成されている。一定の実施形態によれば、センサ1は2つ以上の脚柱5を備えてもよい。この場合、それぞれの脚柱5は異なる内径dinner、外径douter、高さhpedestalを有する。空間4へ突出するそれぞれの脚柱5の高さは、空間4の中心軸から半径方向に外へ向かって漸増する。圧力が高まると、最初に最も外側の脚柱環が第1の電極17と第2の電極18を機械的に接続する。それ以降の機械的接続は、圧力が高まっていくと、最も外側の脚柱から半径方向に中へ向かって配置された脚柱によって行われてもよい。
図5から18に、本発明の少なくともいくつかの実施形態によるMEMS容量式圧力センサの第1の製造方法を示す。
図5に、本発明の一実施形態によるMEMS容量式圧力センサの第1の製造ステップの概略図を示す。第1の基板を使用して製造を開始する。第1の基板は通常、第1のシリコンウェーハ2である。
図6に、本発明の一実施形態によるMEMS容量式圧力センサの第2の製造ステップの概略図を示す。第1のシリコンウェーハ2の表面上に第1の酸化物層6と窒化物層7とを含むマスキング層を形成する。第1の酸化物層6は、第1のシリコンウェーハ2と窒化物層7の間に配置される。例えば、第1の酸化物層6の厚さは500nmであってもよく、窒化物層7の厚さは300nmであってもよい。次に、マスキング層のパターン形成を行う。マスキング層は、第1のシリコンウェーハ2を後の段階での局所酸化処理(LOCOS処理)に向けて準備するために必要である。
図7に、本発明の一実施形態によるMEMS容量式圧力センサの第3の製造ステップの概略図を示す。第1のシリコンウェーハ2の表面がマスキング層によって被覆されていない領域で、第1のシリコンウェーハ2の局所酸化(LOCOS)を行う。局所酸化は、例えば、約1000°Cの温度で行ってもよい。パターン形成されたマスキング層により選択された領域に、シリコン酸化物の層8が形成される。
図8に、本発明の一実施形態によるMEMS容量式圧力センサの第4の製造ステップの概略図を示す。中心部のマスキング層を除去する。言い換えれば、シリコン酸化物の層8が形成されている領域の間でのみ、酸化物層6と窒化物層7を除去する。
図9に、本発明の一実施形態によるMEMS容量式圧力センサの第5の製造ステップの概略図を示す。先に形成されたシリコン酸化物の領域の間にシリコン酸化物を生成するために、第2の局所酸化を行う。局所酸化は、例えば、約1000°Cの温度で行ってもよい。先に生成されたシリコン酸化物の層8の厚さは、後に形成されるシリコン酸化物の厚さよりも大きい。
図10に、本発明の一実施形態によるMEMS容量式圧力センサの第6の製造ステップの概略図を示す。第1のシリコンウェーハ2の表面上のマスキング層、すなわち第1の酸化物層6と窒化物層7を除去する。
図11に、本発明の一実施形態によるMEMS容量式圧力センサの第7の製造ステップの概略図を示す。シリコン酸化物の層8をウェットエッチングする。シリコン酸化物を除去することによって、第1のシリコンウェーハ2に空洞9が形成される。加えて、第1のシリコンウェーハ2から空洞9へ突出する脚柱5が円環として形成される。
図12に、本発明の一実施形態によるMEMS容量式圧力センサの第8の製造ステップの概略図を示す。第2のシリコンウェーハ3を用意して、製造を続行する。
図13に、本発明の一実施形態によるMEMS容量式圧力センサの第9の製造ステップの概略図を示す。第2のシリコンウェーハ3の表面に第2の酸化物層10を加熱堆積させる。続いて、第2の酸化物層10のパターン形成を行う。第2のシリコンウェーハ3に絶縁層21が円環として形成される。また、絶縁層21は、例えば、酸化物層であってもよい。
図14に、本発明の一実施形態によるMEMS容量式圧力センサの第10の製造ステップの概略図を示す。第1のシリコンウェーハ2と第2のシリコンウェーハ3の整合融着を行い、それによりウェーハ2と3の間に空間4を形成する。融着は、完全真空または部分真空の条件下で行う。したがって、空間4内に真空が作り出される。すなわち、空間4内の圧力が、実質的に大気圧より低くなる。脚柱5は第1の基板2から空間4へ突出する。
図15に、本発明の一実施形態によるMEMS容量式圧力センサの第11の製造ステップの概略図を示す。第1のシリコンウェーハ2の、第2のシリコンウェーハ3に対面していない表面の研削と研磨を行う。第1のシリコンウェーハ2の第2のシリコンウェーハ3に対面していない表面と空間4の間の変形可能な膜、すなわち第1のシリコンウェーハ2の空間4を覆う部分の厚さtmembraneは、予定される圧力範囲に依存する。空間4の直径dchamber、脚柱5の内径dinner、脚柱5の外径douter、脚柱5の高さhpedestail、空間4の高さhchamberなどの他のパラメータは、測定可能な圧力範囲に影響する。
図16に、本発明の一実施形態によるMEMS容量式圧力センサの第12の製造ステップの概略図を示す。第1のシリコンウェーハ2を部分的に深くエッチングし、第2の酸化物層10を部分的に除去する。
図17に、本発明の一実施形態によるMEMS容量式圧力センサの第13の製造ステップの概略図を示す。導電性材料の層を第1のシリコンウェーハ2および第2のシリコンウェーハ3に堆積させ、それにより接点構造11を形成する。接点構造11は、1つか2つ、またはいくつかの材料でできた、1つか2つ、またはいくつかの層を含むことができる。接点構造11は、例えばアルミニウムで作られてもよい。接点構造11は通常、メカニカルマスクを使用して作られる。当然ながら、他の適切な方法を使用することもできる。接点構造11の厚さは、例えば約1μmであってもよい。考え得る他の材料には、例えばモリブデン、金、銅が含まれるが、これらに限定されない。
図18に、本発明の一実施形態によるMEMS容量式圧力センサの第14の製造ステップの概略図を示す。MEMS容量式圧力センサ1の最後の製造ステップで、製造された構造物のワイヤボンディングを行う。結果として、第2の電極18から空間4内へ突出した脚柱5を含むセンサ1が得られる。脚柱5を含む第1のシリコンウェーハ2は、変形可能な膜を備える変形可能な電極18を表す。第2のシリコンウェーハ3は、固定された電極17を表す。
図19から33に、本発明の少なくともいくつかの実施形態によるMEMS容量式圧力センサのさらに別の製造方法を示す。
図19に、本発明の別の実施形態によるMEMS容量式圧力センサの第1の製造ステップの概略図を示す。第1の基板を使用して、表面のマイクロメカニカル処理を開始する。第1の基板は通常、第1のシリコンウェーハ2である。
図20に、本発明の別の実施形態によるMEMS容量式圧力センサの第2の製造ステップの概略図を示す。第1のシリコンウェーハ2の表面上に、第1の酸化物層6と窒化物層7とを含む、パターン形成されたマスキング層を形成する。第1の酸化物層6は、第1のシリコンウェーハ2と窒化物層7の間に配置される。第1の酸化物層6の厚さは300nmと700nmの間の範囲内、例えば500nmであってもよく、窒化物層7の厚さは200nmと400nmの間の範囲内、例えば300nmであってもよい。マスキング層は、第1のシリコンウェーハ2を後の段階での二重の局所酸化処理(LOCOS処理)に向けて準備するために必要である。
図21に、本発明の別の実施形態によるMEMS容量式圧力センサの第3の製造ステップの概略図を示す。第1のシリコンウェーハ2の表面がマスキング層によって被覆されていない領域で、第1のシリコンウェーハ2の二重の局所酸化(LOCOS)を行う。局所酸化は、800°Cから1200°Cの間の範囲内、例えば、約1000°Cの温度で行ってもよい。パターン形成されたマスキング層により選択された領域に、シリコン酸化物の層8が形成される。
図22に、本発明の別の実施形態によるMEMS容量式圧力センサの第4の製造ステップの概略図を示す。中心部のマスキング層を除去する。言い換えれば、シリコン酸化物の層8が形成されている領域の間でのみ、酸化物層6と窒化物層7を除去する。
図23に、本発明の別の実施形態によるMEMS容量式圧力センサの第5の製造ステップの概略図を示す。先に形成されたシリコン酸化物の領域の間にシリコン酸化物を生成するために、第2の局所酸化を行う。局所酸化は、800°Cから1200°Cの間の範囲内、例えば、約1000°Cの温度で行ってもよい。先に生成されたシリコン酸化物の層8の厚さは、後に形成されるシリコン酸化物の厚さよりも大きい。
図24に、本発明の別の実施形態によるMEMS容量式圧力センサの第6の製造ステップの概略図を示す。窒化物層7を除去する。第1のシリコンウェーハ2の表面に第1の酸化物層6が残り、シリコン酸化物8と共に1つにまとまった酸化物構造を形成する。1つにまとまった酸化物構造の上に、電気的絶縁材料で作られた絶縁層(図示せず)を、さらに作成する。
図25に、本発明の別の実施形態によるMEMS容量式圧力センサの第7の製造ステップの概略図を示す。シリコン酸化物8上に、LPCVDシリコン窒化物層13または他の絶縁物が堆積される。LPCVDシリコン窒化物層13の厚さは、例えば、300nmと500nmの間の範囲内であってもよい。
図26に、本発明の別の実施形態によるMEMS容量式圧力センサの第8の製造ステップの概略図を示す。後の段階で犠牲酸化物を除去するための穴14を設けるために、LPCVDシリコン窒化物層13にパターン形成を行う。パターン形成は、通常、LPCVDシリコン窒化物層13を局所的にエッチングすることにより行う。
図27に、本発明の別の実施形態によるMEMS容量式圧力センサの第9の製造ステップの概略図を示す。穴14内に多孔質ポリシリコン15を堆積させる。多孔質ポリシリコン15の厚さは、例えば、50nmと150nmの間の範囲内であってもよい。
図28に、本発明の別の実施形態によるMEMS容量式圧力センサの第10の製造ステップの概略図を示す。HF気相エッチングによって犠牲シリコン酸化物の除去を部分的に行い、これにより、LPCVDシリコン窒化物層13と第1のシリコンウェーハ2の間に空洞9が形成される。さらに、脚柱5が単一の円環として形成されている。脚柱5は第1のシリコンウェーハ2から空洞9へ突出する。空洞9内の圧力は、実質的に大気圧より低い。LPCVDシリコン窒化物層13を機械的接触の間、脚柱5から電気的に絶縁するために、絶縁層(図示せず)がLPCVDシリコン窒化物層13に面している。
図29に、本発明の別の実施形態によるMEMS容量式圧力センサの第11の製造ステップの概略図を示す。LPCVDシリコン窒化物層13上にアモルファスポリシリコン層16を堆積する。アモルファスポリシリコン層16の厚さは、例えば、300nmと500nmの間の範囲内であってもよい。第1のウェーハ2、LPCVDシリコン窒化物層13、およびポリシリコン層16の間に、密閉された真空の空間4を設けるために、堆積は部分真空または完全真空の中で行う。空間4内の圧力は、実質的に大気圧より低い。
図30に、本発明の別の実施形態によるMEMS容量式圧力センサの第12の製造ステップの概略図を示す。LPCVDシリコン窒化物層13とポリシリコン層16にパターン形成を行う。
図31に、本発明の別の実施形態によるMEMS容量式圧力センサの第13の製造ステップの概略図を示す。シリコンウェーハ2の表面上に配置された酸化物にパターン形成を行う。
図32に、本発明の別の実施形態によるMEMS容量式圧力センサの第14の製造ステップの概略図を示す。シリコンウェーハ2の表面に配置された酸化物のパターン内およびポリシリコン層16の上に導電性材料を堆積し、それにより接点構造11を形成する。接点構造11は、1つか2つ、またはいくつかの材料でできた、1つか2つ、またはいくつかの層を含むことができる。接点構造11は、例えばアルミニウムで作られてもよい。接点構造11の厚さは、例えば約1μmであってもよい。考え得る他の材料には、例えばモリブデン、金、銅が含まれるが、これらに限定されない。
図33に、本発明の別の実施形態によるMEMS容量式圧力センサの第15の製造ステップの概略図を示す。MEMS容量式圧力センサ1の最後の製造ステップで、製造された構造物のワイヤボンディングを行う。結果として、第1の電極18から空間4内へ突出した脚柱5を含むセンサ1が得られる。脚柱5を含む第1のシリコンウェーハ2は、固定された電極17を表す。LPCVDシリコン窒化物層13とポリシリコン層16は、変形可能な膜を備える変形可能な電極18を表す。LPCVDシリコン窒化物層13を機械的接触の間、脚柱5から電気的に絶縁するために、絶縁層(図示せず)がLPCVDシリコン窒化物層13に面している。
関連技術分野の当業者によって認識されるであろうとおり、本開示の発明の実施形態が、本明細書に開示される特定の構造、処理ステップ、または材料に限定されず、それらの等価物に拡張されることが理解される。さらに、本明細書で採用される用語が特定の実施形態の記述のみを目的として使用されるものであり、制限を意図するものではないことが理解される。
本明細書を通して、一実施形態または、ある実施形態への参照は、その実施形態に関して記載される特定の特徴、構造、または特性が、本発明の少なくとも1つの実施形態に含まれることを意味する。よって、本明細書全体の中のさまざまな所に出現する「一実施形態において」または「ある実施形態において」という句は、必ずしもすべてが同一の実施形態を参照するものではない。数値への参照が、例えば、「約」や「実質的に」などの用語を使用して行われている所では、正確な数値もまた開示されている。
本明細書で使用するとき、複数の項目、構造要素、構成要素、および/または材料が便宜上、共通のリストに表されることがある。ただし、これらのリストは、そのリストの各メンバーが別々で独自のメンバーとして個別に識別されるものと解釈されるべきである。よって、別段の指示がない限り、そのようなリストの個別のメンバーはいずれも、同じリスト内の他のいずれかのメンバーと事実上の等価物であると、共通のグループ内でのそれらのメンバーの表現にのみ基づいて解釈されてはならない。加えて、本発明のさまざまな実施形態および例が、本明細書内で、それらのさまざまな構成要素の代替物と共に参照されてもよい。そのような実施形態、例、および代替物が互いに事実上の等価物とは解釈されず、本発明の別々で自立的な表現であると見なされることが理解される。
さらに、記載される特徴、構造、または特性は、1つまたは複数の実施形態において任意の適切な様式で組み合わせられてもよい。本発明の実施形態の完全な理解が得られるように、下記の記載に、長さ、幅、形状等の例などの数値的な特定の詳細を提供する。しかしながら、当業者には、特定の詳細のうち1つまたは複数がなくても、または、他の方法、構成要素、材料などを使用して、本発明を実施できることが認識される。他の事例では、本発明の態様があいまいにならないように、よく知られた構造、材料、または操作は、詳細には図示または説明しない。
前述の例は、1つまたは複数の適用例での本発明の原理の説明であるが、発明能力を行使することなく、かつ本発明の原理および趣旨を逸脱することなく、実装の形、使用法、および詳細に数値的な変更を加えることが可能であることは当業者には明白である。したがって、下記に定める特許請求の範囲を除き、本発明を限定することは意図されていない。
本明細書では「備える」および「含む」という語は制限がないことを示すために使用され、記載されていない特徴を除外することも、それらの特徴の存在を要求することもない。従属請求項に記載される特徴は、別段の明示的な指示がない限り、相互に自由に組み合わせることができる。さらに、本明細書全体で、単数形の使用が複数形を除外しないことが理解される。
本発明の少なくともいくつかの実施形態には、腕時計の生産において産業上の利用可能性がある。例えば、大気圧と静水圧の測定のための2つの異なる圧力センサを単一の圧力センサに置き換えることが可能である。
頭字語のリスト
MEMS:micro−electro−mechanical system (微小電気機械システム)LOCOS:local oxidization of silicon (シリコンの局所酸化)
LPCVD:low pressure chemical vapor deposition (低圧化学蒸着)
MEMS:micro−electro−mechanical system (微小電気機械システム)LOCOS:local oxidization of silicon (シリコンの局所酸化)
LPCVD:low pressure chemical vapor deposition (低圧化学蒸着)
1 MEMS容量式圧力センサ
2 第1のシリコンウェーハ
3 第2のシリコンウェーハ
4 空間
5 脚柱
6 第1の酸化物層
7 窒化物層
8 シリコン窒化物層
9 空洞
10 第2の酸化物層
11 接点構造
12 ワイヤ
13 LPCVDシリコン窒化物層
14 穴
15 多孔質シリコン
16 ポリシリコン層
17 第1の電極(下部電極)
18 第2の電極(上部電極)
19 基板
20 スペーサ
21 絶縁層
dchamber 空間の直径
dinnner 脚柱の内径
douter 脚柱の外径
P 圧力
tmembrane 変形可能な膜の厚さ
2 第1のシリコンウェーハ
3 第2のシリコンウェーハ
4 空間
5 脚柱
6 第1の酸化物層
7 窒化物層
8 シリコン窒化物層
9 空洞
10 第2の酸化物層
11 接点構造
12 ワイヤ
13 LPCVDシリコン窒化物層
14 穴
15 多孔質シリコン
16 ポリシリコン層
17 第1の電極(下部電極)
18 第2の電極(上部電極)
19 基板
20 スペーサ
21 絶縁層
dchamber 空間の直径
dinnner 脚柱の内径
douter 脚柱の外径
P 圧力
tmembrane 変形可能な膜の厚さ
Claims (21)
- MEMS容量式圧力センサ(1)であって、
第1の電極(17)と、
変形可能な第2の電極(18)であって、前記第1の電極(17)と前記第2の電極(18)の間の空間(4)によって前記第1の電極(17)と絶縁されている第2の電極(18)とを備え、
前記第1の電極(17)と前記第2の電極(18)のうち少なくとも1つが前記空間(4)へ突出した少なくとも1つの脚柱(5)を含む、MEMS容量式圧力センサ(1)。 - 定められた圧力が加えられたときに前記MEMS容量式センサ(1)が前記第1の電極(17)と前記第2の電極(18)を前記脚柱(5)によって機械的に接続するように構成される、請求項1に記載のMEMS容量式圧力センサ(1)。
- 前記脚柱(5)が、絶縁材料で作られているか、または前記第1の電極(17)と前記第2の電極(18)を電気的に絶縁するように構成された絶縁層(21)を含む、請求項1または2に記載のMEMS容量式圧力センサ(1)。
- 前記第1の電極(17)と前記第2の電極(18)のうち少なくとも1つが、前記第1の電極(17)と前記第2の電極(18)を電気的に絶縁するように構成された絶縁層(21)を含む、請求項1または2に記載のMEMS容量式圧力センサ(1)。
- 前記脚柱(5)が、環状に、すなわち円環として形成される、請求項1から4のいずれか1項に記載のMEMS容量式圧力センサ(1)。
- 前記脚柱(5)の内径dinner、前記脚柱(5)の外径douter、前記空間(4)の直径dchamber、前記脚柱の高さhpedestail、前記空間(4)の高さhchamber、および、変形可能な膜の厚さtmembraneのうち少なくとも1つが所定の測定可能圧力範囲に依存する、
請求項5に記載のMEMS容量式圧力センサ(1)。 - 前記センサ(1)が、それぞれ高さ(hpedestal)の異なる2つ以上の前記脚柱(5)を含む、請求項1から6のいずれかに記載のMEMS容量式圧力センサ(1)。
- 前記空間(4)へ突出する前記脚柱(5)の高さ(hpedestal)が、半径方向に外へ向かって漸増する、請求項7に記載のMEMS容量式圧力センサ(1)。
- 前記空間(4)内の圧力が実質的に大気圧より低い、請求項1から8のいずれかに記載のMEMS容量式圧力センサ(1)。
- 前記第2の電極(18)が、少なくとも1つのアモルファス単結晶シリコン層(16)を含む、請求項1から9のいずれかに記載のMEMS容量式圧力センサ(1)。
- 前記第1の電極(17)が、絶縁材料で作られた基板に固定して取り付けられている、請求項1から10のいずれかに記載のMEMS容量式圧力センサ(1)。
- 前記第1の電極(17)と前記第2の電極(18)が基板内の半導体デバイスに電気的に接続されている、請求項11に記載のMEMS容量式圧力センサ(1)。
- 前記第1の電極(17)と前記第2の電極(18)のうち少なくとも1つがシリコンウェーハ(2、3)を含む、請求項1から12のいずれかに記載のMEMS容量式圧力センサ(1)。
- MEMS容量式圧力センサ(1)を製造するための方法であって、
第1の電極(17)を形成することと、
変形可能な第2の電極(18)であって、前記第1の電極(17)と前記第2の電極(18)の間の空間(4)によって前記第1の電極(17)から電気的に絶縁されている第2の電極(18)を形成することと、
前記第1の電極(17)と前記第2の電極(18)のうち少なくとも1つから前記空間(4)内へ突出した少なくとも1つの脚柱(5)を形成することとを含む、
方法。 - 前記変形可能な第2の電極(18)が、
第1のシリコンウェーハ(2)の表面上に、パターン形成されたマスキング層を形成することと、
前記シリコンウェーハ(2)の第1の選択された領域で第1の局所酸化を行うことと、
前記マスキング層を部分的に除去することと、
前記シリコンウェーハ(2)の第2の選択された領域で第2の局所酸化を行うことと、
前記マスキング層を完全に除去することと、
シリコン酸化物をエッチングすることとによって形成される、
請求項14に記載の方法。 - 前記脚柱の反対側の前記シリコンウェーハの表面を研削することと、
前記脚柱の反対側の前記シリコンウェーハの表面を研磨することとをさらに含む、請求項15に記載の方法。 - 第1の電極を設けるために、第2のシリコンウェーハ(3)の表面上にパターン形成された酸化物層を配置することと、
前記第1の電極(17)と前記変形可能な第2の電極(18)を整合させて融着することとをさらに含む、
請求項14または15に記載の方法。 - 前記第1の電極(17)と前記変形可能な第2の電極(18)を融着することが部分真空または完全真空の中で行われる、請求項17に記載の方法。
- シリコンウェーハ(2)の表面上に、パターン形成されたマスキング層を設けることと、
前記シリコンウェーハ(2)の第1の選択された領域で第1の局所酸化を行うことと、
前記マスキング層を部分的に除去することと、
前記シリコンウェーハ(2)の第2の選択された領域で第2の局所酸化を行うことと、
前記マスキング層の窒化物層(7)を除去することと、
LPCVDシリコン窒化物層(13)または絶縁層を設けることと、
前記LPCVDシリコン窒化物層(13)内に少なくとも1つの穴(14)を設けることと、
前記穴(14)内に多孔質ポリシリコン(15)を堆積することと、
前記空間(4)から少なくとも部分的にシリコン酸化物(8)を除去することと、
前記LPCVDシリコン窒化物層(13)または絶縁層上にポリシリコン層(16)を設けることとの各ステップを含む、
請求項14に記載の方法。 - 前記ポリシリコン層(16)を堆積することが、部分真空または完全真空の中で行われる、請求項19に記載の方法。
- 前記第1の電極(17)に電気的に接続された接点構造を作成することと、
前記変形可能な第2の電極(18)に電気的に接続された接点構造を作成することとをさらに含む、
請求項14から20のいずれか1項に記載の方法。
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