JP2018521317A

JP2018521317A - Ｍｅｍｓ容量式圧力センサおよびその製造方法

Info

Publication number: JP2018521317A
Application number: JP2017566022A
Authority: JP
Inventors: エルモロフ、ウラジミール; サーリラーティ、ヤーッコ
Original assignee: テクノロジアンテュトキムスケスクスヴェーテーテーオサケユキチュア
Priority date: 2015-06-15
Filing date: 2016-06-14
Publication date: 2018-08-02
Also published as: CN107850505A; WO2016203106A1; EP3308122A1; US20180188127A1

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（ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏ−ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｙｓｔｅｍ：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２０１５０００８５４３Ａ１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。

米国特許出願第２０１５０００８５４３Ａ１号

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。

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。

本発明の少なくともいくつかの実施形態による、変形可能な電極が脚柱を含むＭＥＭＳ容量式圧力センサの概略図である。本発明の少なくともいくつかの実施形態による、固定された電極が脚柱を含むＭＥＭＳ容量式圧力センサの概略図である。本発明の少なくともいくつかの実施形態による、第１の電極または第２の電極の脚柱がそれぞれの相手の電極と機械的に接触しているＭＥＭＳ容量式圧力センサの概略図である。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断面図である。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である。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である。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である。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である。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である。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である。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である。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である。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である。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である。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である。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である。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である。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である。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である。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である。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である。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である。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である。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である。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である。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である。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である。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である。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である。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である。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である。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である。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ｄ_{ｉｎｎｅｒ}、脚柱５の外径ｄ_{ｏｕｔｅｒ}、空間４の直径ｄ_{ｃｈａｍｂｅｒ}、脚柱の高さｈ_{ｐｅｄｅｓｔａｉｌ}、空間４の高さｈ_{ｃｈａｍｂｅｒ}、および、変形可能な膜の厚さｔ_{ｍｅｍｂｒａｎｅ}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ｄ_{ｉｎｎｅｒ}、外径ｄ_{ｏｕｔｅｒ}、高さｈ_{ｐｅｄｅｓｔａｌ}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ｄ_{ｉｎｎｅｒ}、外径ｄ_{ｏｕｔｅｒ}、高さｈ_{ｐｅｄｅｓｔａｌ}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ｔ_{ｍｅｍｂｒａｎｅ}は、予定される圧力範囲に依存する。空間４の直径ｄ_{ｃｈａｍｂｅｒ}、脚柱５の内径ｄ_{ｉｎｎｅｒ}、脚柱５の外径ｄ_{ｏｕｔｅｒ}、脚柱５の高さｈ_{ｐｅｄｅｓｔａｉｌ}、空間４の高さｈ_{ｃｈａｍｂｅｒ}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−ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｙｓｔｅｍ（微小電気機械システム）ＬＯＣＯＳ：ｌｏｃａｌｏｘｉｄｉｚａｔｉｏｎｏｆｓｉｌｉｃｏｎ（シリコンの局所酸化）
ＬＰＣＶＤ：ｌｏｗｐｒｅｓｓｕｒｅｃｈｅｍｉｃａｌｖａｐｏｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（低圧化学蒸着）

１ＭＥＭＳ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
１３ＬＰＣＶＤ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
ｄ_{ｃｈａｍｂｅｒ} 空間の直径
ｄ_{ｉｎｎｎｅｒ} 脚柱の内径
ｄ_{ｏｕｔｅｒ} 脚柱の外径
Ｐ圧力
ｔ_{ｍｅｍｂｒａｎｅ} 変形可能な膜の厚さ

Claims

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ｄ_{ｉｎｎｅｒ}、前記脚柱（５）の外径ｄ_{ｏｕｔｅｒ}、前記空間（４）の直径ｄ_{ｃｈａｍｂｅｒ}、前記脚柱の高さｈ_{ｐｅｄｅｓｔａｉｌ}、前記空間（４）の高さｈ_{ｃｈａｍｂｅｒ}、および、変形可能な膜の厚さｔ_{ｍｅｍｂｒａｎｅ}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（ｈ_{ｐｅｄｅｓｔａｌ}）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（ｈ_{ｐｅｄｅｓｔａｌ}）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。