JP2019082360A - Pressure sensor, pressure sensor module, electronic apparatus, and moving body - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧力センサー、圧力センサーモジュール、電子機器および移動体に関するものである。 The present invention relates to a pressure sensor, a pressure sensor module, an electronic device, and a mobile body.
従来から、圧力センサーとして、特許文献1に記載されている構成が知られている。特許文献1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を有する基板と、基板上に配置された周囲構造体と、を有し、これらの間に圧力基準室が形成されている。また、周囲構造体は、圧力基準室を囲む枠状の側壁部と、壁部の開口を封止する封止層と、を有している。
DESCRIPTION OF RELATED ART Conventionally, the structure described in
しかしながら、特許文献1に記載されている圧力センサーでは、側壁部がダイアフラムと近いため、周囲構造体の残留応力がダイアフラムに伝わり易い。そのため、検出対象である気圧以外の力によってダイアフラムが撓んでしまい、気圧の検出精度が低下するおそれがある。また、残留応力は、経時的に変化(開放)するため、その補正を行うことも困難であった。
However, in the pressure sensor described in
本発明の目的は、残留応力がダイアフラムに伝わり難く、優れた気圧検出特性を有する圧力センサー、圧力センサーモジュール、電子機器および移動体を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a pressure sensor, a pressure sensor module, an electronic device, and a movable body, which have excellent pressure detection characteristics, in which residual stress is not easily transmitted to the diaphragm.
このような目的は、下記の本発明により達成される。 Such an object is achieved by the present invention described below.
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を有する基板と、
前記基板の一方の面側に接続され、前記基板の平面視で前記ダイアフラムを囲むように配置されている第1金属部を備える側壁部と、
前記側壁部に囲まれた空間を介して前記ダイアフラムに対向して配置され、前記空間を封止する封止層と、を有し、
前記基板の平面視で、前記ダイアフラムの外縁と前記第1金属部の前記基板との接続部との離間距離が30μm以上60μm以下であることを特徴とする。
これにより、残留応力がダイアフラムに伝わり難く、優れた気圧検出特性を有する圧力センサーとなる。
The pressure sensor according to the present invention comprises a substrate having a diaphragm that deforms in a flexible manner upon receiving pressure;
A side wall portion including a first metal portion connected to one side of the substrate and disposed to surround the diaphragm in plan view of the substrate;
A sealing layer disposed opposite to the diaphragm via a space surrounded by the side wall and sealing the space;
In a plan view of the substrate, a separation distance between an outer edge of the diaphragm and a connection portion of the first metal portion to the substrate is 30 μm to 60 μm.
As a result, it is difficult for the residual stress to be transmitted to the diaphragm, and the pressure sensor has excellent pressure detection characteristics.
本発明の圧力センサーでは、前記第1金属部は、アルミニウムを含んでいることが好ましい。
これにより、第1金属部を容易に形成することができる。
In the pressure sensor of the present invention, the first metal portion preferably contains aluminum.
Thereby, the first metal portion can be easily formed.
本発明の圧力センサーでは、前記第1金属部は、前記側壁部に埋設されていることが好ましい。
これにより、第1金属部の熱膨張を抑えることができ、第1金属部の熱膨張に起因した内部応力の変化を効果的に小さくすることができる。したがって、ダイアフラムに加わる内部応力の環境温度による変化を抑制することができ、優れた圧力検出精度を発揮することができる圧力センサーとなる。
In the pressure sensor of the present invention, the first metal portion is preferably embedded in the side wall portion.
Thereby, the thermal expansion of the first metal portion can be suppressed, and the change in internal stress due to the thermal expansion of the first metal portion can be effectively reduced. Therefore, it is possible to suppress the change of the internal stress applied to the diaphragm due to the environmental temperature, and to provide a pressure sensor which can exhibit excellent pressure detection accuracy.
本発明の圧力センサーでは、前記側壁部と前記封止層との間に位置し、前記基板の平面視で前記ダイアフラムを囲むように配置されている第2金属部を有し、
前記第2金属部の内周端は、前記基板の平面視で、前記ダイアフラムの内側に位置していることが好ましい。
これにより、第2金属部によって、封止層を下方から支えることができ、封止層のダイアフラム側への撓みを効果的に抑制することができる。
In the pressure sensor according to the present invention, the pressure sensor further includes a second metal portion which is located between the side wall portion and the sealing layer and which is disposed so as to surround the diaphragm in plan view of the substrate.
It is preferable that the inner peripheral end of the second metal portion is located inside the diaphragm in a plan view of the substrate.
Thereby, the sealing layer can be supported from the lower side by the second metal portion, and bending of the sealing layer to the diaphragm side can be effectively suppressed.
本発明の圧力センサーでは、前記第2金属部は、前記第1金属部に接続されていることが好ましい。
これにより、第1金属部と第2金属部とを一体的に形成することができ、圧力センサーの構成が簡単なものとなる。
In the pressure sensor according to the present invention, preferably, the second metal portion is connected to the first metal portion.
Thus, the first metal portion and the second metal portion can be integrally formed, and the configuration of the pressure sensor can be simplified.
本発明の圧力センサーでは、前記封止層は、前記空間に臨む貫通孔を有する第1封止層と、
前記第1封止層に対して前記空間とは反対側に位置し、前記貫通孔を封止する第2封止層と、を有し、
前記第1封止層および前記第2封止層は、それぞれ、シリコンを含んでいることが好ましい。
これにより、貫通孔を介して製造途中まで空間を埋めている犠牲層を簡単に除去することができると共に、第2封止層によって、空間を簡単に気密封止することができる。また、封止層を半導体プロセスによって容易に形成することができる。
In the pressure sensor of the present invention, the sealing layer is a first sealing layer having a through hole facing the space;
And a second sealing layer located on the opposite side to the space with respect to the first sealing layer and sealing the through hole,
Each of the first sealing layer and the second sealing layer preferably contains silicon.
Thus, the sacrificial layer filling the space can be easily removed in the middle of the production through the through hole, and the space can be easily hermetically sealed by the second sealing layer. In addition, the sealing layer can be easily formed by a semiconductor process.
本発明の圧力センサーでは、前記封止層は、前記第2封止層に対して前記空間とは反対側に位置する第3封止層を有し、
前記第3封止層は、シリコンを含んでいることが好ましい。
これにより、より確実に、封止層によって空間を封止することができる。また、第3封止層を半導体プロセスによって容易に形成することができる。
In the pressure sensor of the present invention, the sealing layer has a third sealing layer located on the opposite side to the space with respect to the second sealing layer,
The third sealing layer preferably contains silicon.
Thereby, the space can be more reliably sealed by the sealing layer. In addition, the third sealing layer can be easily formed by a semiconductor process.
本発明の圧力センサーでは、前記ダイアフラムに設けられているセンサー部と、
前記基板と前記側壁部との間に配置されている絶縁層と、を有し、
前記第1金属部は、前記絶縁層を介して前記基板と接続されていることが好ましい。
これにより、比較的簡単な構成で、センサー部と第1金属部とを絶縁することができる。
In the pressure sensor of the present invention, a sensor unit provided on the diaphragm;
An insulating layer disposed between the substrate and the sidewall portion;
The first metal portion is preferably connected to the substrate through the insulating layer.
Thus, the sensor portion and the first metal portion can be insulated with a relatively simple configuration.
本発明の圧力センサーモジュールは、本発明の圧力センサーと、
前記圧力センサーを収納しているパッケージと、を有することを特徴とする。
これにより、本発明の圧力センサーの効果を享受でき、信頼性の高い圧力センサーモジュールが得られる。
The pressure sensor module of the present invention is a pressure sensor of the present invention,
And a package containing the pressure sensor.
Thereby, the effect of the pressure sensor of the present invention can be enjoyed, and a highly reliable pressure sensor module can be obtained.
本発明の電子機器は、本発明の圧力センサーを有することを特徴とする。
これにより、本発明の圧力センサーの効果を享受でき、信頼性の高い電子機器が得られる。
An electronic device of the present invention includes the pressure sensor of the present invention.
Thereby, the effect of the pressure sensor of the present invention can be enjoyed, and a highly reliable electronic device can be obtained.
本発明の移動体は、本発明の圧力センサーを有することを特徴とする。
これにより、本発明の圧力センサーの効果を享受でき、信頼性の高い移動体が得られる。
The moving body of the present invention is characterized by having the pressure sensor of the present invention.
As a result, the effect of the pressure sensor of the present invention can be enjoyed, and a highly reliable moving body can be obtained.
以下、本発明の圧力センサー、圧力センサーモジュール、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。 Hereinafter, a pressure sensor, a pressure sensor module, an electronic device, and a moving body according to the present invention will be described in detail based on embodiments shown in the attached drawings.
<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。
First Embodiment
First, a pressure sensor according to a first embodiment of the present invention will be described.
図1は、本発明の第1実施形態に係る圧力センサーを示す断面図である。図2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3は、図2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4は、図1に示す圧力センサーが有する封止層を示す拡大断面図である。図5は、図1に示す圧力センサーが有する金属層を示す平面図である。図6は、離間距離Dと残留応力P1、P2との関係を示すグラフである。図7は、図1に示す圧力センサーが有する金属層の拡大断面図である。図8は、図1に示す圧力センサーの製造工程を示すフローチャートである。図9ないし図19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ための断面図である。なお、以下の説明では、図1、図4、図7、図9ないし図19中の上側を「上」、下側を「下」とも言う。また、基板の平面視、すなわち、図1中の上下方向から見た平面視を単に「平面視」とも言う。 FIG. 1 is a cross-sectional view showing a pressure sensor according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a plan view showing a sensor unit included in the pressure sensor shown in FIG. FIG. 3 is a diagram showing a bridge circuit including the sensor unit shown in FIG. FIG. 4 is an enlarged sectional view showing a sealing layer of the pressure sensor shown in FIG. FIG. 5 is a plan view showing a metal layer which the pressure sensor shown in FIG. 1 has. FIG. 6 is a graph showing the relationship between the separation distance D and the residual stress P1, P2. FIG. 7 is an enlarged sectional view of a metal layer of the pressure sensor shown in FIG. FIG. 8 is a flow chart showing a manufacturing process of the pressure sensor shown in FIG. 9 to 19 are cross-sectional views for explaining a method of manufacturing the pressure sensor shown in FIG. In the following description, the upper side in FIGS. 1, 4, 7 and 9 to 19 is also referred to as “upper” and the lower side as “lower”. Moreover, the planar view of a board | substrate, ie, the planar view seen from the up-down direction in FIG. 1, is also only called "planar view."
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を有する基板2と、ダイアフラム25の上面側に配置された圧力基準室S(空洞部)と、基板2と共に圧力基準室Sを形成する周囲構造体4と、ダイアフラム25に配置されたセンサー部5と、を有している。
As shown in FIG. 1, the
図1に示すように、基板2は、シリコンで構成された第1層21と、第1層21の上側に配置され、シリコンで構成された第3層23と、第1層21および第3層23の間に配置され、酸化シリコンで構成された第2層22と、を有するSOI基板で構成されている。これにより、製造上取り扱い易く、優れた加工寸法精度を発揮することができる基板2となる。なお、基板2としては、SOI基板に限定されず、例えば、単層のシリコン基板を用いることもできる。また、基板2は、シリコン以外の半導体材料、例えばゲルマニウム、ヒ化ガリウム、ガリウム砒素リン、窒化ガリウム、炭化珪素等で構成された基板(半導体基板)であってもよい。
As shown in FIG. 1, the
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が形成されている。基板2には下方に開放する有底の凹部24が形成され、この凹部24によって基板2が薄くなっている部分がダイアフラム25となっている。また、ダイアフラム25は、その下面が圧力を受ける受圧面251となっている。なお、本実施形態では、ダイアフラム25の平面視形状は、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、四隅が面取りされていてもよいし、円形、三角形、正方形以外の四角形、五角形以上の多角形等であってもよい。
The
凹部24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(ボッシュプロセス)で形成されている。具体的には、基板2の下面側から等方性エッチング、保護膜成膜および異方向性エッチングという工程を繰り返して、第1層21を掘ることで凹部24を形成する。この工程を繰り返し、エッチングが第2層22まで達すると第2層22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24が得られる。このような形成方法によれば、凹部24の内壁側面が基板2の主面に対して略垂直となるため、凹部24の開口面積を小さくすることができる。そのため、基板2の機械的強度の低下を抑制することができ、また、圧力センサー1の大型化を抑制することもできる。
The
ただし、凹部24の形成方法としては、上記の方法に限定されず、例えば、上記以外のドライエッチングまたはウェットエッチングによって形成してもよい。また、本実施形態では、ダイアフラム25の下面側に第2層22が残っているが、この第2層22を除去してもよい。すなわち、ダイアフラム25を第3層23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、より撓み変形し易いダイアフラム25が得られる。また、凹部24が第1層21の途中まで形成されていてもよい。
However, the method for forming the
ダイアフラム25の幅Wとしては、特に限定されないが、例えば、100μm以上500μm以下であることが好ましく、100μm以上300μm以下であることがより好ましい。これにより、過度な大型化を抑制しつつ、十分に撓み易いダイアフラム25とすることができる。また、ダイアフラム25の厚さTとしては、特に限定されず、ダイアフラム25の幅Wによっても異なるが、前述したように、ダイアフラム25の幅Wが100μm以上500μm以下の場合には、例えば、1μm以上10μm以下であることが好ましく、1μm以上3μm以下であることがより好ましい。これにより、機械的な強度を十分に保ちつつ、十分に薄く、受圧により撓み変形し易いダイアフラム25が得られる。
The width W of the
ダイアフラム25には、ダイアフラム25に作用する圧力を検出し得るセンサー部5が設けられている。図2に示すように、センサー部5は、ダイアフラム25に設けられた4つのピエゾ抵抗素子51、52、53、54を有している。そして、ピエゾ抵抗素子51、52、53、54は、配線55を介して互いに電気的に接続され、図3に示すブリッジ回路50(ホイートストンブリッジ回路)を構成している。ブリッジ回路50には駆動電圧AVDCを供給(印加)する駆動回路が接続されている。そして、ブリッジ回路50は、ダイアフラム25の撓みに基づくピエゾ抵抗素子51、52、53、54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。
The
特に、ピエゾ抵抗素子51、52、53、54は、ダイアフラム25の外縁部に配置されている。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の中でも特にそ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51、52、53、54を配置することで、前述した検出信号を大きくすることができ、圧力検知の感度が向上する。なお、ピエゾ抵抗素子51、52、53、54の配置は、特に限定されず、例えば、ピエゾ抵抗素子51、52、53、54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し、ダイアフラム25の中央部に配置されていてもよい。
In particular, the
ピエゾ抵抗素子51、52、53、54は、例えば、基板2の第3層23にリン、ボロン、砒素等の不純物をドープ(拡散または注入)することで構成されている。また、配線55は、例えば、基板2の第3層23に、ピエゾ抵抗素子51、52、53、54よりも高濃度でリン、ボロン、砒素等の不純物をドープ(拡散または注入)することで構成されている。
The
なお、センサー部5の構成としては、ダイアフラム25が受けた圧力を検出することができれば、特に限定されない。例えば、ブリッジ回路50を構成していない少なくとも1つのピエゾ抵抗素子がダイアフラム25に配置されている構成であってもよい。また、センサー部5としては、本実施形態のようなピエゾ抵抗型の他にも、静電容量の変化に基づいて圧力を検出する静電容量型を用いてもよい。
The configuration of the
また、図1に示すように、基板2の上面には、酸化シリコン膜(SiO2膜)からなる第1絶縁膜31が成膜されている。第1絶縁膜31によって、ピエゾ抵抗素子51、52、53、54の界面準位を低減してノイズの発生を抑制することができる。
In addition, as shown in FIG. 1, a first insulating
第1絶縁膜31上には窒化シリコン膜(SiN膜)からなる第2絶縁膜32が成膜されている。第2絶縁膜32は、ダイアフラム25と重ならないよう、ダイアフラム25の周囲を囲む枠状をなしている。また、第1絶縁膜31および第2絶縁膜32上には、ポリシリコン(p−Si)からなる第3絶縁膜33が成膜されている。これら第2、第3絶縁膜32、33によって、センサー部5を水分、ガス等から保護することができる。本実施形態では、第2絶縁膜32をダイアフラム25と重ならないように配置し、第3絶縁膜33をダイアフラム25と重なるように配置している。これは、第3絶縁膜33の方が第2絶縁膜32よりも薄く成膜することができ、ダイアフラム25の実質厚み(ダイアフラム25の厚さに、ダイアフラム25上に成膜された膜の厚さを加えた厚さ)をより薄くすることができるためである。以下では、第1、第2、第3絶縁膜31、32、33の積層体を絶縁膜30とも言う。
A second insulating
なお、第1絶縁膜31、第2絶縁膜32および第3絶縁膜33の少なくとも1つは、省略してもよいし、異なる材料で構成されていてもよい。例えば、第3絶縁膜33の代わりに、導電性を有する導電膜(例えば、ポリシリコンに不純物をドープした膜)を設け、この導電膜を基準電位(グランド)としたり、導電膜にセンサー部5の駆動電圧を印加したりすることで、導電膜を外乱からセンサー部5を保護するシールド層として機能させることができる。そのため、センサー部5が外乱の影響を受け難くなり、圧力センサー1の圧力検出精度をより高めることができる。
Note that at least one of the first insulating
図1に示すように、ダイアフラム25の上側には、圧力基準室Sが設けられている。この圧力基準室Sは、基板2と周囲構造体4とに囲まれることで形成されている。圧力基準室Sは、密閉された空間であり、圧力基準室S内の圧力が、圧力センサー1が検出する圧力の基準値となる。特に、圧力基準室Sは、減圧状態、特に真空状態または真空状態により近い状態(例えば、10Pa以下)であることが好ましい。なお、圧力基準室Sは、一定の圧力に保たれていれば、真空状態でなくてもよい。
As shown in FIG. 1, a pressure reference chamber S is provided on the upper side of the
圧力基準室Sは、その横断面積が基板2側から封止層46側に向けて漸増するテーパー状をなしている。すなわち、基板2側の横断面積が封止層46側の面積よりも小さくなっている。また、圧力基準室Sは、その面積の変化率が基板2側から封止層46側へ向けて漸減している。ただし、圧力基準室Sの形状としては、特に限定されず、例えば、その横断面積が基板2側から封止層46側に向けてほぼ一定であってもよい。
The pressure reference chamber S has a tapered shape whose cross-sectional area gradually increases from the
周囲構造体4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4は、基板2上に配置された層間絶縁膜41と、層間絶縁膜41上に配置された配線層42と、配線層42および層間絶縁膜41上に配置された層間絶縁膜43と、層間絶縁膜43上に配置された配線層44と、配線層44および層間絶縁膜43上に配置された表面保護膜45と、配線層44および表面保護膜45上に配置された封止層46と、表面保護膜45上に配置された端子47とを有している。
The surrounding
層間絶縁膜41、43は、それぞれ、枠状をなし、平面視でダイアフラム25を囲むように配置されている。そして、これら層間絶縁膜41、43によって、側壁部4Aが構成されている。また、側壁部4Aの内側には空間(圧力基準室S)が形成されている。なお、層間絶縁膜41、43の構成材料としては、特に限定されず、例えば、酸化シリコン(SiO2)等を用いることができる。
Each of the interlayer insulating
配線層42は、圧力基準室Sを囲んで配置された枠状のガードリング421と、センサー部5の配線55と接続された配線部429とを有している。また、配線層44は、圧力基準室Sを囲んで配置された枠状のガードリング441と、配線55と接続された配線部449とを有している。配線層42、44の構成材料としては、特に限定されず、例えば、ニッケル、金、白金、銀、銅、マンガン、アルミニウム、マグネシウム、チタン等の各種金属、またはこれらのうちの少なくとも1種を含む合金等が挙げられる。なお、これらの中でも、配線層42、44の構成材料としては、アルミニウムであるのが好ましく、本実施形態ではアルミニウムを用いている。これにより、後述する製造方法のような半導体プロセスにおいて配線層42、44を容易に形成することができる。
The
このような配線層42、44のガードリング421、441によって、金属層48が構成されている。なお、金属層48については、後に詳細に説明する。
The
表面保護膜45は、周囲構造体4を水分、ガス、ゴミ、傷等から保護する機能を有している。表面保護膜45は、層間絶縁膜43および配線層44上に配置されている。なお、表面保護膜45の構成材料としては、特に限定されず、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン等のシリコン系材料、ポリイミド、エポキシ樹脂等の各種樹脂材料を用いることができる。
The surface
また、表面保護膜45上には配線部429、449を介してセンサー部5と電気的に接続されている複数の端子47が設けられている。なお、端子47の構成材料としては、特に限定されず、例えば、前述した配線層42、44と同様の材料を用いることができる。
Further, on the surface
封止層46は、圧力基準室Sの天井に位置し、側壁部4Aの内側に形成された圧力基準室S(空間)を介してダイアフラム25と対向して配置されている。そして、封止層46は、圧力基準室Sを封止している。
The
図1に示すように、封止層46は、下面が圧力基準室Sに臨む第1封止層461と、第1封止層461の上面に積層された第2封止層462と、第2封止層462の上面に積層された第3封止層463と、を有する3層構造をなしている。このように、封止層46を積層構造とすることで、圧力基準室Sをより確実に気密封止することができる。
As shown in FIG. 1, the
第1封止層461は、シリコン(Si)を含んでおり、特に本実施形態ではシリコン(Si)で構成されている。また、第2封止層462は、酸化シリコン(SiO2)を含んでおり、特に、本実施形態では酸化シリコン(SiO2)で構成されている。また、第3封止層463は、シリコン(Si)を含んでおり、特に本実施形態ではシリコン(Si)で構成されている。なお、後述する製造方法でも説明するように、第1封止層461、第2封止層462および第3封止層463は、それぞれ、スパッタリング法、CVD法等の各種成膜法で形成することができる。
The
このように、封止層461、462、463がそれぞれシリコン(Si)を含んでいることで、後述する製造方法でも説明するように、封止層46を半導体プロセスによって容易に形成することができる。さらには、同じ材料(シリコン)で構成された第1封止層461および第3封止層463で、これらと異なる材料(SiO2)で構成された第2封止層462を挟み込むことで、封止層46の熱膨張率をその厚さ方向で平均化することができる。そのため、封止層46の熱膨張時の面外方向への撓みを抑制することができる。
As described above, since the sealing layers 461, 462, and 463 each contain silicon (Si), the
特に、封止層46の下方への撓みを抑制することにより、封止層46とダイアフラム25との接触を抑制することができる。封止層46がダイアフラム25に接触してしまうと、受圧によるダイアフラム25の撓み変形が阻害され、圧力検出精度が低下する。そのため、前述のように、封止層46の熱膨張時の面外方向への撓みを抑制し、封止層46とダイアフラム25との接触を抑制することで、優れた圧力検出精度を有する圧力センサー1となる。
In particular, by suppressing the downward deflection of the
また、前述したように、基板2がSOI基板で構成されているため、封止層461、462、463がそれぞれシリコン(Si)を含んでいることで、圧力基準室Sを介して対向する基板2と封止層46との熱膨張率の差を小さくすることができる。そのため、ダイアフラム25に加わる熱膨張を小さく抑えることができると共に、環境温度による熱応力の変化を抑制することができる。そのため、環境温度に起因した出力ドリフトが抑制され、優れた温度特性を有する圧力センサー1となる。
Further, as described above, since the
図1に示すように、第1封止層461には複数の貫通孔461aが形成されている。複数の貫通孔461aは、後述する製造方法において説明するように、製造途中まで圧力基準室Sを埋めている犠牲層Gを除去するためのリリースエッチング用の孔として利用される。このような複数の貫通孔461aは、第1封止層461上に配置された第2封止層462によって封止されている。
As shown in FIG. 1, a plurality of through
各貫通孔461aの横断面形状は、略円形状である。ただし、各貫通孔461aの横断面形状は、特に限定されず、例えば、三角形、四角形等の多角形、楕円形、異形等であってもよい。また、図4に示すように、貫通孔461aは、横断面積(径)が圧力基準室S側から第2封止層462側に向けて漸減したテーパー状をなしている。貫通孔461aをテーパー状にすることで、貫通孔461a内の空間が十分に確保されて犠牲層Gを除去し易くなると共に、貫通孔461aの上側の開口を十分に小さくすることができ、貫通孔461aを第2封止層462によってより確実に塞ぐことができる。なお、貫通孔461aの形状としては、特に限定されず、前述したテーパー状以外の形状、例えば、ストレート状、逆テーパー状等であってもよい。
The cross-sectional shape of each through
貫通孔461aの下端側開口の径Rmax(幅)としては、特に限定されないが、例えば、0.6μm以上1.2μm以下であることが好ましく、0.8μm以上1.0μm以下であることがより好ましい。一方、貫通孔461aの上端側開口の径Rmin(幅)としては、特に限定されないが、例えば、100Å以上900Å以下であることが好ましく、300Å以上700Å以下であることがより好ましい。これにより、犠牲層Gを除去するのに十分な大きさであり、かつ、第2封止層462によってより確実に塞ぐことのできる貫通孔461aとなる。また、貫通孔461aが過度に大きくなってしまうことを阻止することができ、例えば、第1封止層461の機械的強度が過度に低下してしまったり、あるいは、第1封止層461の機械的強度を確保するために第1封止層461が過度に厚くなってしまったりするのを抑制することができる。
The diameter Rmax (width) of the lower end side opening of the through
また、貫通孔461aは、横断面積(径)の変化率が圧力基準室S側から第2封止層462側に向けて漸減している。すなわち、上側に向けて内周面の傾斜がきつくなっており、上端部では内周面がほぼ垂直に立った状態となっている。そのため、貫通孔461aは、漏斗状の内部空間を有しているとも言える。このような構成とすれば、貫通孔461aの径を下側から上側に向けて徐々に小さくすることができるため、径Rminを高精度に制御することができる。そのため、径Rminを目標値に合わせ込み易くなる。すなわち、径Rminが小さくなり過ぎて犠牲層Gを除去し難くなったり、反対に、径Rminが大きくなり過ぎて貫通孔461aを第2封止層462で封止することが困難となってしまったりするのを抑制することができる。なお、貫通孔461aの形状としては、特に限定されず、例えば、横断面積(径)の変化率が上側に向けて一定となっていてもよい。
Further, in the through
また、第1封止層461は、各貫通孔461aの下端側開口を囲む枠状(環状)をなし、圧力基準室S側に突出する枠状の突出部461bを有している。そのため、仮に封止層46がダイアフラム25側に撓んで、封止層46がダイアフラム25と接触したとしても、突出部461bが優先的に接触する。そのため、突出部461bがない場合と比べて、封止層46とダイアフラム25との接触面積を小さくすることができ、封止層46がダイアフラム25に接触したまま貼り付いてしまう「スティッキング」の発生を効果的に抑制することができる。ただし、突出部461bは、省略してもよい。
Further, the
また、第1封止層461の厚さT1は、第2封止層462の厚さT2および第3封止層463の厚さT3よりも大きい。第1封止層461には複数の貫通孔461aが配置されているため、他の層(第2封止層462および第3封止層463)よりも機械的強度が低下し易い。そのため、T1>T2、T3の関係を満足することで、第1封止層461に十分な機械的強度を持たせることができる。
The thickness T1 of the
具体的には、第1封止層461の厚さT1は、特に限定されないが、例えば、1μm以上10μm以下であることが好ましく、2μm以上7μm以下であることがより好ましい。これにより、第1封止層461に十分な機械的強度を持たせつつ、第1封止層461の過度な厚肉化を防止することができる。また、径Rmax、Rminが前述したような大きさとなる貫通孔461aをより容易に形成することができる。
Specifically, the thickness T1 of the
以上のような第1封止層461上には第2封止層462が積層されている。第2封止層462は、主に、第1封止層461に形成された複数の貫通孔461aを封止するための層である。このような第2封止層462の厚さT2は、特に限定されないが、例えば、1μm以上5μm以下であることが好ましく、1.5μm以上2.5μm以下であることがより好ましい。これにより、第2封止層462の過度な厚肉化を防止しつつ、第2封止層462によって貫通孔461aをより確実に封止することができる。
The
以上のような第2封止層462上には第3封止層463が積層されている。第3封止層463は、主に、材料が同じ第1封止層461との間に、異なる材料で構成された第2封止層462を挟み込むことで、封止層46の熱膨張時の面外方向への撓みを抑制するための層である。これにより、特に、封止層46の下方への撓みを抑制することができ、封止層46とダイアフラム25との接触を抑制することができる。また、第2封止層462の成膜不良等により、第2封止層462によっては貫通孔461aを塞ぐことができなかった場合には、第3封止層463によって貫通孔461aを塞ぐこともできる。これにより、圧力基準室Sをより確実に封止することができる。
The
ここで、酸化シリコンで構成された第2封止層462が外部に露出していると、第2封止層462が水分を吸着し、環境湿度によって封止層46の内部応力が変化するおそれがある。環境湿度によって封止層46の内部応力が変化してしまうと、それがダイアフラム25に伝わって、ダイアフラム25の内部応力も変化してしまう。そのため、環境湿度に起因する出力のドリフトが生じてしまい、圧力センサー1の圧力検出精度が低下するおそれがある。
Here, if the
そこで、本実施形態では、第2封止層462を第3封止層463で覆い、第2封止層462を圧力センサー1の外部から気密的に封止している。すなわち、第3封止層463で第2封止層462の外部に露出し得る面を覆い、第2封止層462の外部への露出を阻止している。これにより、第2封止層462を水分から保護することができ、環境湿度による封止層46の内部応力の変化を抑制することができる。
So, in this embodiment, the
なお、本実施形態では、第2封止層462の側面が第3封止層463によって覆われているが、これに限定されず、第1封止層461によって覆われていてもよいし、第1封止層461および第3封止層463の両方によって覆われていてもよい。また、例えば、湿度が一定である等、湿度の影響を受け難い環境で使用する場合等には、第3封止層463によって第2封止層462を封止しなくてもよく、第2封止層462が外部に露出していてもよい。
Although the side surface of the
このような第3封止層463の厚さT3は、特に限定されないが、例えば、0.1μm以上10μm以下とすることが好ましく、0.3μm以上1.0μm以下とすることがより好ましい。これにより、第1封止層461との厚さのバランスを取ることができ、封止層46の熱膨張時の面外方向への撓みをより効果的に抑制することができる。また、第3封止層463へのピンホールの発生を抑制することができ、第1封止層461との間に第2封止層462をより確実に封止することができる。そのため、より効果的に、第2封止層462を水分から保護することができる。また、第3封止層463の過度な厚肉化を防止することができる。
The thickness T3 of the
以上、封止層46について説明したが、封止層46の構成としては、特に限定されない。例えば、第1、第3封止層461、463は、それぞれ、シリコン以外の材料(例えば、製造上、不可避的に混じってしまう材料)を含んでいてもよいし、シリコンを含んでいなくてもよい。同様に、第2封止層462は、酸化シリコン以外の材料(例えば、製造上、不可避的に混じってしまう材料)を含んでいてもよいし、酸化シリコンを含んでいなくてもよい。また、例えば、第1封止層461と第2封止層462との間や第2封止層462と第3封止層463との間に別の層が介在していてもよい。すなわち、封止層46は、4層以上の積層構造となっていてもよい。また、第3封止層463を省略してもよい。また、第1封止層461が貫通孔461aを有していなくてもよく、この場合、第2封止層462および第3封止層463を省略してもよい。
The
次に、金属層48について説明する。図1に示すように、金属層48は、側壁部4Aに設けられた第1金属部481と、側壁部4Aと封止層46との間に位置し、第1金属部481と接続された第2金属部482と、を有している。図5に示すように、第1、第2金属部481、482は、それぞれ、枠状をなしている。なお、第1金属部481および第2金属部482は、それぞれ、周方向の一部が欠損した枠状となっていてもよい。すなわち、「枠状」とは、周方向に連続し、環状をなしている枠状の他にも、周方向の一部に欠損部を有する枠状を含む意味である。
Next, the
図1に示すように、第2金属部482は、側壁部4Aと封止層46との間に挟まれた外縁部482”と、圧力基準室Sに臨む内縁部482’と、を有している。また、第2金属部482の内周端482aは、基板2の平面視で、ダイアフラム25の内側に位置している(ダイアフラム25と重なっている)。これにより、第2金属部482によって、封止層46を下方から支えることができ、封止層46のダイアフラム25側への撓みを効果的に抑制することができる。また、第2金属部482は、貫通孔461aを塞がないように、貫通孔461aが形成された領域の外側に位置している。
As shown in FIG. 1, the
ただし、内周端482aの位置は、特に限定されず、例えば、基板2の平面視で、ダイアフラム25の外側に位置していてもよい。これにより、第2金属部482の体積を減らすことができる。第2金属部482のような金属部分は、周囲の部分と比べて熱膨張率が大きい。そのため、第2金属部482の体積を減らすことで、第2金属部482の熱膨張に起因した熱応力の発生を抑制することができる。その結果、ダイアフラム25に伝わる熱応力も小さくなり、優れた温度特性を発揮することができる。また、内周端482aは、基板2の平面視で、ダイアフラム25の外縁と重なっていてもよい。また、内周端482aは、ダイアフラム25の内側に位置している部分と、ダイアフラム25の外側に位置している部分と、を含んでいてもよい。
However, the position of the inner
一方、図1に示すように、第1金属部481は、その上端部において第2金属部482と接続され、下端部において基板2と接続(直接または間接的に接続)されている。本実施形態では、第1金属部481は、絶縁膜30を介して基板2に接続されている。このように、第1金属部481と基板2との間に絶縁膜30を介することで、センサー部5と第1金属部481とを簡単に絶縁することができる。このような第1金属部481は、後述する製造方法でも説明するように、製造途中まで圧力基準室Sを埋めている犠牲層Gを除去する際のエッチングストッパーとしての機能を有している。なお、「第1金属部481が基板2に接続されている」とは、第1金属部481が他の部材を介さずに直接、基板2に接続されている場合の他にも、他の部材(本実施形態では絶縁膜30)を介して間接的に基板2に接続されている場合も含む意味である。
On the other hand, as shown in FIG. 1, the
また、第1金属部481は、側壁部4Aに埋設されている。すなわち、第1金属部481の外周側および内周側(すなわち圧力基準室Sとの間)のそれぞれに側壁部4Aが設けられている。このように、第1金属部481を側壁部4Aで囲むことで、第1金属部481の熱膨張を抑制することができる。そのため、第1金属部481の熱膨張に起因した熱応力の変化を効果的に小さくすることができる。したがって、ダイアフラム25に加わる熱応力の環境温度による変化を抑制することができ、優れた温度特性を有する圧力センサー1となる。ただし、例えば、第1金属部481の内周側の側壁部4Aを省略し、第1金属部481の内周が圧力基準室Sに臨んでいてもよい。
In addition, the
また、図1に示すように、第1金属部481の基板2との接続部、具体的には第1金属部481の下端の内周端481aと、ダイアフラム25の外縁25aと、の平面視における離間距離Dは、30μm以上60μm以下である。これにより、金属層48の残留応力がダイアフラム25に伝わり難くなる。そのため、圧力センサー1は、優れた圧力検出精度を発揮することができる。特に、前記残留応力は、環境温度によって変化する。そのため、このような残留応力がダイアフラム25に伝わり難くなることで、優れた温度特性を有する圧力センサー1となる。また、前記残留応力は、経時的にも変化する(一般的には経時的に開放して小さくなる)。そのため、残留応力がダイアフラム25に伝わり難くなることで、経時的に安定して圧力を検出することができる圧力センサー1となる。なお、離間距離Dは、第1金属部481の全周で上記範囲を満たしていることが好ましいが、周方向の一部だけが上記範囲を満たしていてもよい。この場合では、周方向の50%以上で上記範囲を満たしていることが好ましく、70%以上で上記範囲を満たしていることがより好ましく、90%以上で上記範囲を満たしていることがさらに好ましい。
In addition, as shown in FIG. 1, a plan view of the connection portion of the
次に、上述した効果をシミュレーション結果に基づいて詳しく説明する。図6に、離間距離Dを変更したときの、ダイアフラム25の中央部に加わる残留応力P1およびダイアフラム25の外縁部に加わる残留応力P2をプロットしたグラフを示す。このグラフから明らかなように、離間距離Dが30μm以上60μm以下の範囲で、残留応力P1、P2が共に低く抑えられている。この結果から、離間距離Dを30μm以上60μm以下とすることで、第1金属部481の残留応力がダイアフラム25に伝わり難くなり、優れた圧力検出特性を有する圧力センサー1となることが分かる。なお、このシミュレーションでは、圧力センサー1の温度を−200℃変化させたとき(例えば、225℃から25℃としたとき)の残留応力を計測している。また、このシミュレーションでは、貫通孔461aと第2金属部482の内周端482aとの離間距離D1やダイアフラム25の幅Wと言った離間距離D以外の条件は等しくなっている。また、シミュレーションで用いた圧力センサーの離間距離D1は5μmであり、幅Wは200μmである。ただし、離間距離D1、幅Wを変化させても、シミュレーション結果(残留応力が変化する傾向)に大きな相違がないことを発明者らは確認している。
Next, the above-described effects will be described in detail based on simulation results. FIG. 6 is a graph plotting the residual stress P1 applied to the center of the
なお、離間距離Dが30μm未満であると、金属層48とダイアフラム25との距離が近くなり過ぎてしまい、金属層48の残留応力がダイアフラム25に伝わり易くなることで残留応力P1、P2が共に大きくなってしまうと考えられる。一方、離間距離Dが60μmを超えると、金属層48をダイアフラム25から遠ざけることができるため、金属層48の残留応力がダイアフラムに25に伝わり難くなるものの、第2金属部482の体積が大きくなり過ぎてしまい、金属層48の残留応力自体が大きくなってしまう。そして、ダイアフラム25への残留応力の伝わり難さよりも残留応力の増大が勝ってしまい、結果として残留応力P1、P2が大きくなってしまうと考えられる。このように、離間距離Dは、近過ぎても遠過ぎても好ましくなく、前記のような適切な距離に設定する必要がある。
If the separation distance D is less than 30 μm, the distance between the
なお、離間距離Dは、30μm以上60μm以下の範囲内であればよいが、この中でも、35μm以上50μm以下であることが好ましく、40μm以上45μm以下であることがより好ましい。これにより、図6からも明らかなように、特に残留応力P2がより小さくなり、上述した効果がより顕著なものとなる。 The separation distance D may be in the range of 30 μm to 60 μm. Among them, the distance D is preferably 35 μm to 50 μm, and more preferably 40 μm to 45 μm. As a result, as is also apparent from FIG. 6, in particular, the residual stress P2 becomes smaller, and the above-described effect becomes more remarkable.
次に、金属層48の構成について詳細に説明する。前述したように、金属層48は、配線層42が有するガードリング421と、配線層44が有するガードリング441と、を有している。図7に示すように、ガードリング421は、層間絶縁膜41を貫通して設けられ、第3絶縁膜33と接続された凹状のコンタクト部421aと、層間絶縁膜41上に設けられ、コンタクト部421aの周囲に配置されたフランジ部421bと、を有している。また、フランジ部421bは、コンタクト部421aに対して圧力基準室S側に位置する内側部421b’と、反対側に位置する外側部421b”と、を有している。また、ガードリング441は、層間絶縁膜43を貫通して設けられ、ガードリング421のコンタクト部421aと接続された凹状のコンタクト部441aと、層間絶縁膜43上に設けられ、コンタクト部441aの周囲に配置されたフランジ部441bと、を有している。また、フランジ部441bは、コンタクト部441aよりも圧力基準室S側に位置する内側部441b’と、反対側に位置する外側部441b”と、を有している。このような構成の金属層48では、ガードリング421によって第1金属部481が構成され、ガードリング441によって第2金属部482が構成されているとも言える。
Next, the configuration of the
以上、周囲構造体4について説明したが、周囲構造体4の構成としては、特に限定されない。例えば、本実施形態では、層間絶縁膜および配線層をそれぞれ2層有する構成であったが、これらの数は、特に限定されない。
The
以上、圧力センサー1について説明した。このような圧力センサー1は、前述したように、受圧により撓み変形するダイアフラム25を有する基板2と、基板2の上面(一方の面)側に接続され、基板2の平面視でダイアフラム25を囲むように配置されている第1金属部481を備える側壁部4Aと、側壁部4Aに囲まれた圧力基準室S(空間)を介してダイアフラム25に対向して配置され、圧力基準室Sを封止する封止層46と、を有している。そして、基板2の平面視で、ダイアフラム25の外縁25aと第1金属部481の基板2との接続部の内周端481aとの離間距離Dが30μm以上60μm以下である。これにより、第1金属部481の残留応力がダイアフラム25に伝わり難くなる。そのため、圧力センサー1は、優れた圧力検出精度を発揮することができる。特に、残留応力は、環境温度によって変化する。そのため、残留応力がダイアフラム25に伝わり難くなることで、優れた温度特性を有する圧力センサー1となる。また、残留応力は、経時的に変化する(一般的には経時的に開放して小さくなる)。そのため、このような残留応力がダイアフラム25に伝わり難くなることで、経時的に安定して圧力を検出することができる圧力センサー1となる。
The
また、前述したように、第1金属部481は、アルミニウムを含んでいる。これにより、第1金属部481を容易に形成することができる。
In addition, as described above, the
また、前述したように、第1金属部481は、側壁部4Aに埋設されている。これにより、第1金属部481の熱膨張を抑えることができ、第1金属部481の熱膨張に起因した熱応力の変化を効果的に小さくすることができる。したがって、ダイアフラム25に加わる熱応力の環境温度による変化を抑制することができ、優れた圧力検出精度を発揮することができる圧力センサー1となる。
Further, as described above, the
また、前述したように、圧力センサー1は、側壁部4Aと封止層46との間に位置し、基板2の平面視でダイアフラム25を囲むように配置されている第2金属部482を有している。そして、第2金属部482の内周端482aは、基板2の平面視で、ダイアフラム25の内側に位置している。これにより、第2金属部482によって、封止層46を下方から支えることができ、封止層46のダイアフラム25側への撓みを効果的に抑制することができる。
Further, as described above, the
また、前述したように、第2金属部482は、第1金属部481に接続されている。これにより、第1金属部481と第2金属部482とを一体的に形成することができ、圧力センサー1の構成が簡単なものとなる。
Further, as described above, the
また、前述したように、封止層46は、圧力基準室Sに臨む貫通孔461aを有する第1封止層461と、第1封止層461に対して圧力基準室Sとは反対側に位置し、貫通孔461aを封止する第2封止層462と、を有している。また、第1封止層461および第2封止層462は、それぞれ、シリコン(Si)を含んでいる。これにより、貫通孔461aを介して製造途中まで圧力基準室Sを埋めている犠牲層Gを簡単に除去することができると共に、第2封止層462によって、圧力基準室Sを簡単に気密封止することができる。また、封止層46を半導体プロセスによって容易に形成することができる。また、前述したように、基板2がSOI基板等のシリコン材料で構成されている場合、圧力基準室Sを介して対向する基板2と封止層46との熱膨張率の差を小さくすることができる。そのため、熱膨張により発生する熱応力を小さく抑えることができる。
Further, as described above, the
また、前述したように、封止層46は、第2封止層462に対して圧力基準室Sとは反対側に位置する第3封止層463を有している。そして、第3封止層463は、シリコンを含んでいる。これにより、より確実に、封止層46によって圧力基準室Sを気密封止することができる。また、第3封止層463を半導体プロセスによって容易に形成することができる。
In addition, as described above, the
また、前述したように、圧力センサー1は、ダイアフラム25に設けられているセンサー部5と、基板2と側壁部4Aとの間に配置されている絶縁膜30(絶縁層)と、を有している。そして、第1金属部481は、絶縁膜30を介して基板2と接続されている。これにより、比較的簡単な構成で、センサー部5と第1金属部481とを絶縁することができる。
In addition, as described above, the
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8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5を配置するセンサー部配置工程と、基板2の上面側に、犠牲層Gおよび犠牲層Gの周囲に位置する側壁部4Aを配置する犠牲層配置工程と、犠牲層Gを介して基板2と対向し、犠牲層Gに臨む貫通孔445を有する金属層480を配置する金属層配置工程と、貫通孔445を介して犠牲層Gを除去する犠牲層除去工程と、金属層480の上側に、貫通孔461aを有する第1封止層461を配置する第1封止層配置工程と、貫通孔461aを介して金属層480の一部を除去する金属層除去工程と、第1封止層461の上側に第2封止層462を配置する第2封止層配置工程と、第2封止層462の上側に第3封止層463を配置する第3封止層配置工程と、基板2にダイアフラム25を形成するダイアフラム形成工程と、を含んでいる。
Next, a method of manufacturing the
[準備工程]
まず、図9に示すように、第1層21、第2層22および第3層23が積層したSOI基板からなる基板2を準備する。なお、この段階では、基板2のダイアフラム形成領域250にはダイアフラム25が形成されていない。次に、例えば、第3層23の表面を熱酸化することで、基板2の上面に酸化シリコン膜からなる第1絶縁膜31を成膜する。
[Preparation process]
First, as shown in FIG. 9, a
[センサー部配置工程]
次に、図10に示すように、基板2の上面に、リン、ボロン等の不純物を注入することで、センサー部5を形成する。次に、第1絶縁膜31の上面に第2絶縁膜32および第3絶縁膜33をスパッタリング法、CVD法等を用いて成膜する。
[Sensor part placement process]
Next, as shown in FIG. 10, the
[犠牲層配置工程、金属層配置工程]
次に、図11に示すように、基板2上に、層間絶縁膜41、配線層42、層間絶縁膜43および配線層44、表面保護膜45および端子47をスパッタリング法、CVD法等を用いて順に所定のパターンで形成する。これにより、基板2の平面視でダイアフラム形成領域250と重なり、層間絶縁膜41、43で構成された犠牲層Gと、犠牲層Gの周囲に位置し、犠牲層Gを囲む枠状の側壁部4Aと、金属層480と、が得られる。また、金属層480は、配線層42から形成されたガードリング421および配線層44から形成されたガードリング441で構成された金属層48と、配線層44から形成され、犠牲層Gを介して基板2と対向する被覆層444と、を有している。また、被覆層444は、ガードリング441と一体的に形成されており、犠牲層Gに臨む複数の貫通孔445を有している。また、金属層48によって側壁部4Aと犠牲層Gとが空間的に隔てられている。なお、本実施形態では、層間絶縁膜41、43を酸化シリコンで構成し、配線層42、44をアルミニウムで構成している。
[Sacrificial layer placement process, metal layer placement process]
Next, as shown in FIG. 11, the
[犠牲層除去工程]
次に、基板2をバッファードフッ酸等のエッチング液に晒す。これにより、図12に示すように、貫通孔445を介して犠牲層Gがエッチング除去される。この際、金属層48がエッチングストッパーとして機能し、金属層48の外側にある側壁部4Aの不本意な除去が抑制される。なお、本実施形態では、犠牲層Gの一部が除去されずに、側壁部4Aとして残存している。これにより、金属層48の第1金属部481が側壁部4Aに埋設された状態となる。ここで、本工程におけるウェットエッチングは、等方性エッチングであるため、犠牲層Gは、被覆層444側の方が基板2側よりもより多く除去される。そのため、形成された空間は、基板2側から被覆層444側へ面積が漸増するテーパー状となる。なお、本工程では、犠牲層Gの全てを除去してもよい。
[Sacrificial layer removal process]
Next, the
[第1封止層配置工程]
次に、図13に示すように、金属層480および表面保護膜45の上面に、貫通孔461aを有する第1封止層461を成膜する。第1封止層461の成膜方法としては、特に限定されず、例えば、スパッタリング法、CVD法等の各種成膜方法(気相成長法)を用いることができる。
[First sealing layer placement step]
Next, as shown in FIG. 13, a
ここで、本工程について詳しく説明すると、金属層480上に第1封止層461を成長させていくと、初めのうちは急峻に貫通孔445を塞いでいくが、第1封止層461が厚くなると共にその勢いが低下し、第1封止層461がある厚みを超えたあたりから貫通孔445がほとんど塞がらなくなる。そのため、容易かつより確実に、貫通孔461aを形成することができる。また、第1封止層461の一部が貫通孔445内に入り込むことで、枠状の突出部461bが形成される。このようなことから、被覆層444は、第1封止層461に貫通孔461aおよび突出部461bを形成するための下地層としての機能を有しているとも言える。
Here, to describe this process in detail, when the
[金属層除去工程]
次に、基板2を例えばリン酸、酢酸および硝酸の混酸等のエッチング液に晒し、貫通孔461aを介して金属層480に含まれる被覆層444を除去する。これにより、図14に示すように、圧力基準室Sが形成されると共に、金属層480の残りの部分から金属層48が得られる。なお、被覆層444は、貫通孔461aの近傍に位置しているため、金属層480の他の部分(ガードリング421、441)よりも優先的にエッチング除去される。そのため、本工程において、金属層48(ガードリング421、441)を残したまま、被覆層444を除去することができる。
[Metal layer removal process]
Next, the
[第2封止層配置工程]
次に、貫通孔461aを介して圧力基準室Sを真空状態とした状態で、図15に示すように、第1封止層461の上面に第2封止層462を成膜し、貫通孔461aを封止する。第2封止層462の成膜方法としては、特に限定されず、例えば、スパッタリング法、CVD法等の各種成膜方法(気相成長法)を用いることができる。
[Second sealing layer placement step]
Next, with the pressure reference chamber S in a vacuum state through the through
次に、図16に示すように、フォトリソグラフィー技法およびエッチング技法を用いて、第2封止層462をパターニングし、第2封止層462の外縁を第1封止層461の外縁の内側に位置させる。なお、第2封止層462のパターニング方法として、バッファードフッ酸等のエッチング液を用いたウェットエッチングを利用することが好ましい。これにより、第2封止層462と第1封止層461とのエッチング選択比を大きく確保することができ、実質的に第2封止層462のみをパターニングすることができる。
Next, as shown in FIG. 16, the
[第3封止層配置工程]
次に、図17に示すように、第1封止層461および第2封止層462の上面に第3封止層463を成膜する。これにより、第1封止層461および第3封止層463によって第2封止層462が封止される。第3封止層463の成膜方法としては、特に限定されず、例えば、スパッタリング法、CVD法等の各種成膜方法(気相成長法)を用いることができる。
[Third sealing layer placement step]
Next, as illustrated in FIG. 17, the
次に、図18に示すように、フォトリソグラフィー技法およびエッチング技法を用いて、第1封止層461および第3封止層463を同時にパターニングする。これにより、封止層46が得られる。なお、第1封止層461および第3封止層463を互いに同じ材料で構成することで、これらを同時にパターニングすることができる。そのため、圧力センサー1の製造工程を削減することができ、圧力センサー1の製造がより容易となる。
Next, as shown in FIG. 18, the
[ダイアフラム形成工程]
次に、図19に示すように、例えば、ドライエッチング(特に、シリコンディープエッチング)法を用いて第1層21をエッチングし、ダイアフラム形成領域250に、下面に開放する凹部24を形成してダイアフラム25を得る。以上により、圧力センサー1が得られる。なお、ダイアフラム形成工程の順番は、特に限定されず、例えば、センサー部配置工程に先立って行ってもよいし、センサー部配置工程から第3封止層配置工程までの間に行ってもよい。
[Diaphragm formation process]
Next, as shown in FIG. 19, the
<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。
Second Embodiment
Next, a pressure sensor according to a second embodiment of the present invention will be described.
図20は、本発明の第2実施形態に係る圧力センサーを示す断面図である。 FIG. 20 is a cross-sectional view showing a pressure sensor according to a second embodiment of the present invention.
本実施形態に係る圧力センサー1は、金属層48の構成が異なること以外は、前述した第1実施形態の圧力センサー1とほぼ同様である。
The
以下、第2実施形態の圧力センサー1について、前述した第1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。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。
Hereinafter, the
図20は、前述した第1実施形態の図7に対応する断面図であり、金属層48の断面を示している。同図に示すように、本実施形態では、ガードリング441は、層間絶縁膜43を貫通して設けられ、ガードリング421と接続された凹状の2つのコンタクト部441aと、層間絶縁膜43上に設けられ、コンタクト部441aの周囲に配置されたフランジ部441bと、を有している。また、2つのコンタクト部441aは、基板2の平面視で、圧力基準室Sを囲む枠状をなし、同心的に配置されている。また、内側に位置するコンタクト部441aを「コンタクト部441a’」とし、外側に位置するコンタクト部441aを「コンタクト部441a”」としたとき、コンタクト部441a’は、フランジ部421bの内側部421b’と接続され、コンタクト部441a”は、フランジ部421bの外側部421b”と接続されている。
FIG. 20 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 7 of the first embodiment described above, and shows a cross section of the
例えば、前述した第1実施形態のように、コンタクト部441aをコンタクト部421aに接続しようとすると、層間絶縁膜41、43の厚み等によっては、コンタクト部441aがその後の成膜に支障を来たす程度に深くなってしまう場合がある。そのため、コンタクト部441a上に成膜される封止層46のステップカバレッジ(段差被覆性)が悪化し、例えば、周囲構造体4の機械的強度や圧力基準室Sの気密性が低下するおそれがある。これに対して、本実施形態では、コンタクト部441aをフランジ部421bに接続しているため、第1実施形態と比較して、封止層46のステップカバレッジが良好となり、周囲構造体4の機械的強度や圧力基準室Sの気密性の低下をより確実に抑制することができる。
For example, as in the first embodiment described above, when the
以上のような第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。 According to the second embodiment as described above, the same effect as that of the first embodiment described above can be exhibited.
<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モジュールについて説明する。
Third Embodiment
Next, a pressure sensor module according to a third embodiment of the present invention will be described.
図21は、本発明の第3実施形態に係る圧力センサーモジュールを示す断面図である。図22は、図21に示す圧力センサーモジュールが有する支持基板の平面図である。 FIG. 21 is a cross-sectional view showing a pressure sensor module according to a third embodiment of the present invention. FIG. 22 is a plan view of a support substrate of the pressure sensor module shown in FIG.
以下、第3実施形態の圧力センサーモジュールについて、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。 Hereinafter, the pressure sensor module of the third embodiment will be described focusing on differences from the above-described embodiment, and the description of the same matters will be omitted.
図21に示すように、圧力センサーモジュール100は、内部空間S1を有するパッケージ110と、内部空間S1内からパッケージ110の外側に引き出されて配置された支持基板120と、内部空間S1内で支持基板120に支持されている回路素子130および圧力センサー1と、内部空間S1に後述するような充填材を充填することにより形成されている充填部140と、を有している。このような圧力センサーモジュール100によれば、パッケージ110および充填部140によって圧力センサー1を保護することができる。なお、圧力センサー1としては、例えば、前述した実施形態のものを用いることができる。
As shown in FIG. 21, the
パッケージ110は、ベース111およびハウジング112を有し、ベース111およびハウジング112が支持基板120を挟み込むようにして互いに接着層を介して接合されている。このようにして形成されているパッケージ110は、その上端部に形成された開口110aと、開口110aに連通する内部空間S1と、を有している。
The
これらベース111およびハウジング112の構成材料としては、特に限定されず、例えば、アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア等の酸化物セラミックス、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化チタン等の窒化物セラミックスのような各種セラミックスや、ポリエチレン、ポリアミド、ポリイミド、ポリカーボネート、アクリル系樹脂、ABS樹脂、エポキシ樹脂のような各種樹脂材料等の絶縁性材料が挙げられ、これらのうちの1種または2種以上を組み合わせて用いることができる。これらの中でも、各種セラミックスを用いることが特に好ましい。
The constituent materials of the base 111 and the
以上、パッケージ110について説明したが、パッケージ110の構成としては、その機能を発揮することができれば特に限定されない。
The
支持基板120は、ベース111およびハウジング112の間に挟まれており、内部空間S1内からパッケージ110の外側に引き出されて配置されている。また、支持基板120は、回路素子130および圧力センサー1を支持すると共に、回路素子130および圧力センサー1を電気的に接続している。このような支持基板120は、図22に示すように、可撓性を有する基材121と、基材121に配置された複数の配線129と、を有している。
The
基材121は、開口122aを有する枠状の基部122と、基部122から延出する帯状の帯体123と、を有している。そして、基部122の外縁部においてベース111とハウジング112とに挟まれ、帯体123がパッケージ110の外側に延出している。このような基材121としては、例えば、一般的に用いられているフレキシブルプリント基板を用いることができる。なお、本実施形態では基材121が可撓性を有しているが、基材121の全部または一部は、硬質であってもよい。
The
基材121の平面視で、回路素子130および圧力センサー1は、開口122aの内側に位置し、並んで配置されている。また、回路素子130および圧力センサー1は、それぞれ、ボンディングワイヤーBWを介して基材121に吊られ、支持基板120から浮遊した状態で支持基板120に支持されている。また、回路素子130および圧力センサー1は、それぞれ、ボンディングワイヤーBWおよび配線129を介して電気的に接続されている。このように、回路素子130および圧力センサー1を支持基板120に対して浮遊した状態で支持することで、支持基板120から回路素子130および圧力センサー1に応力が伝わり難くなり、圧力センサー1の圧力検出精度が向上する。
In a plan view of the
回路素子130は、ブリッジ回路50に電圧を供給するための駆動回路、ブリッジ回路50からの出力を温度補償するための温度補償回路、温度補償回路からの出力から、受けた圧力を求める圧力検出回路、圧力検出回路からの出力を所定の出力形式(CMOS、LV−PECL、LVDS等)に変換して出力する出力回路等を有している。
充填部140は、回路素子130および圧力センサー1を覆うように内部空間S1に配置されている。このような充填部140により、回路素子130および圧力センサー1を保護(防塵および防水)すると共に、圧力センサー1に作用した外部応力(例えば、落下衝撃)が回路素子130および圧力センサー1に伝わり難くなる。
The filling
また、充填部140は、液状またはゲル状の充填材で構成することができ、回路素子130および圧力センサー1の過剰な変位を抑制することができる点で、特にゲル状の充填材で構成するのが好ましい。このような充填部140によれば、回路素子130および圧力センサー1を水分から効果的に保護することができると共に、圧力を効率的に圧力センサー1へ伝達することができる。このような充填部140を構成する充填材としては、特に限定されず、例えば、シリコーンオイル、フッ素系オイル、シリコーンゲル等を用いることができる。
Moreover, the filling
以上、圧力センサーモジュール100について説明した。このような圧力センサーモジュール100は、圧力センサー1と、圧力センサー1を収納しているパッケージ110と、を有している。そのため、パッケージ110によって、圧力センサー1を保護することができる。また、前述した圧力センサー1の効果を享受でき、高い信頼性を発揮することができる。
The
なお、圧力センサーモジュール100の構成としては、前述の構成に限定されず、例えば、充填部140は、省略してもよい。また、本実施形態では、圧力センサー1および回路素子130が、ボンディングワイヤーBWによって、支持基板120に吊られた状態で支持されているが、例えば、圧力センサー1および回路素子130が、直接、支持基板120上に配置されていてもよい。また、本実施形態では、圧力センサー1および回路素子130が横に並んで配置されているが、例えば、圧力センサー1および回路素子130が高さ方向に並んで配置されていてもよい。
In addition, as a structure of the
<第4実施形態>
次に、本発明の第4実施形態に係る電子機器について説明する。
Fourth Embodiment
Next, an electronic device according to a fourth embodiment of the present invention will be described.
図23は、本発明の第4実施形態に係る電子機器としての高度計を示す斜視図である。 FIG. 23 is a perspective view showing an altimeter as an electronic device according to a fourth embodiment of the present invention.
図23に示すように、電子機器としての高度計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、または、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、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。
As shown in FIG. 23, the
このような電子機器の一例である高度計200は、圧力センサー1を有している。そのため、高度計200は、前述した圧力センサー1の効果を享受でき、高い信頼性を発揮することができる。
The
<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。
Fifth Embodiment
Next, an electronic device according to a fifth embodiment of the present invention will be described.
図24は、本発明の第5実施形態に係る電子機器としてのナビゲーションシステムを示す正面図である。 FIG. 24 is a front view showing a navigation system as an electronic device according to a fifth embodiment of the present invention.
図24に示すように、電子機器としての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。
As shown in FIG. 24, the
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高度情報を取得することができる。例えば、一般道路と位置情報上は略同一の位置を示す高架道路を走行する場合、高度情報を持たない場合には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ナビゲーションシステムでは判断できず、優先情報として一般道路の情報を使用者に提供してしまっていた。そこで、ナビゲーションシステム300に圧力センサー1を搭載し、高度情報を圧力センサー1によって取得することで、一般道路から高架道路へ進入することによる高度変化を検出することができ、高架道路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。
According to the
このような電子機器の一例としてのナビゲーションシステム300は、圧力センサー1を有している。そのため、ナビゲーションシステム300は、前述した圧力センサー1の効果を享受でき、高い信頼性を発揮することができる。
A
なお、本発明の電子機器は、前述の高度計および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、デジタルスチールカメラ、携帯電話、スマートフォン、タブレット端末、時計(スマートウォッチを含む)、ドローン、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。 The electronic device of the present invention is not limited to the altimeter and navigation system described above, and, for example, personal computers, digital still cameras, mobile phones, smartphones, tablet terminals, watches (including smart watches), drone, medical devices ( For example, it applies to an electronic thermometer, a blood pressure meter, a blood glucose meter, an electrocardiogram measuring device, an ultrasonic diagnostic device, an electronic endoscope), various measuring devices, instruments (for example, instruments of vehicles, aircraft, ships), flight simulators, etc. be able to.
<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。
Sixth Embodiment
Next, a mobile unit according to a sixth embodiment of the present invention will be described.
図25は、本発明の第6実施形態に係る移動体としての自動車を示す斜視図である。 FIG. 25 is a perspective view showing a car as a mobile unit according to a sixth embodiment of the present invention.
図25に示すように、移動体としての自動車400は、車体401と、4つの車輪402(タイヤ)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。また、自動車400は、車体401に搭載されている電子制御ユニット(ECU:electronic control unit)403を有しており、この電子制御ユニット403に圧力センサー1が内蔵されている。電子制御ユニット403は、圧力センサー1が車体401の加速度や傾斜等を検出することにより、移動状態や姿勢等を把握し、車輪402等の制御を的確に行うことができる。これにより、自動車400は、安全で安定した移動をすることができる。なお、圧力センサー1は、自動車400に備えられているナビゲーションシステム等に搭載されていてもよい。
As shown in FIG. 25, an
このような移動体の一例としての自動車400は、圧力センサー1を有している。そのため、自動車400は、前述した圧力センサー1の効果を享受でき、高い信頼性を発揮することができる。
An
以上、本発明の圧力センサー、圧力センサーモジュール、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。 The pressure sensor, the pressure sensor module, the electronic device, and the moving body according to the present invention have been described above based on the illustrated embodiments, but the present invention is not limited to these embodiments. Can be replaced by any configuration having In addition, any other components or steps may be added. Also, the embodiments may be combined as appropriate.
1…圧力センサー、2…基板、21…第1層、22…第2層、23…第3層、24…凹部、25…ダイアフラム、25a…外縁、250…ダイアフラム形成領域、251…受圧面、30…絶縁膜、31…第1絶縁膜、32…第2絶縁膜、33…第3絶縁膜、4…周囲構造体、4A…側壁部、41…層間絶縁膜、42…配線層、421…ガードリング、421a…コンタクト部、421b…フランジ部、421b’…内側部、421b”…外側部、429…配線部、43…層間絶縁膜、44…配線層、441…ガードリング、441a、441a’、441a”…コンタクト部、441b…フランジ部、441b’…内側部、441b”…外側部、444…被覆層、445…貫通孔、449…配線部、45…表面保護膜、46…封止層、461…第1封止層、461a…貫通孔、461b…突出部、462…第2封止層、463…第3封止層、47…端子、48…金属層、480…金属層、481…第1金属部、481a…内周端、482…第2金属部、482’…外縁部、482”…内縁部、482a…内周端、5…センサー部、50…ブリッジ回路、51、52、53、54…ピエゾ抵抗素子、55…配線、100…圧力センサーモジュール、110…パッケージ、110a…開口、111…ベース、112…ハウジング、120…支持基板、121…基材、122…基部、122a…開口、123…帯体、129…配線、130…回路素子、140…充填部、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、403…電子制御ユニット、AVDC…駆動電圧、BW…ボンディングワイヤー、D、D1…離間距離、G…犠牲層、Rmax、Rmin…径、S…圧力基準室、S1…内部空間、T、T1、T2、T3…厚さ、W…幅
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記基板の一方の面側に接続され、前記基板の平面視で前記ダイアフラムを囲むように配置されている第1金属部を備える側壁部と、
前記側壁部に囲まれた空間を介して前記ダイアフラムに対向して配置され、前記空間を封止する封止層と、を有し、
前記基板の平面視で、前記ダイアフラムの外縁と前記第1金属部の前記基板との接続部との離間距離が30μm以上60μm以下であることを特徴とする圧力センサー。 A substrate having a diaphragm which is deformed by pressure reception;
A side wall portion including a first metal portion connected to one side of the substrate and disposed to surround the diaphragm in plan view of the substrate;
A sealing layer disposed opposite to the diaphragm via a space surrounded by the side wall and sealing the space;
A pressure sensor, wherein a distance between an outer edge of the diaphragm and a connection portion of the first metal portion with the substrate is 30 μm or more and 60 μm or less in plan view of the substrate.
前記第2金属部の内周端は、前記基板の平面視で、前記ダイアフラムの内側に位置している請求項1ないし3のいずれか1項に記載の圧力センサー。 And a second metal portion disposed between the side wall portion and the sealing layer and disposed to surround the diaphragm in a plan view of the substrate.
The pressure sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein an inner peripheral end of the second metal portion is located inside the diaphragm in a plan view of the substrate.
前記第1封止層に対して前記空間とは反対側に位置し、前記貫通孔を封止する第2封止層と、を有し、
前記第1封止層および前記第2封止層は、それぞれ、シリコンを含んでいる請求項1ないし5のいずれか1項に記載の圧力センサー。 The sealing layer is a first sealing layer having a through hole facing the space;
And a second sealing layer located on the opposite side to the space with respect to the first sealing layer and sealing the through hole,
The pressure sensor according to any one of claims 1 to 5, wherein the first sealing layer and the second sealing layer each contain silicon.
前記第3封止層は、シリコンを含んでいる請求項6に記載の圧力センサー。 The sealing layer has a third sealing layer opposite to the space with respect to the second sealing layer,
The pressure sensor according to claim 6, wherein the third sealing layer contains silicon.
前記基板と前記側壁部との間に配置されている絶縁層と、を有し、
前記第1金属部は、前記絶縁層を介して前記基板と接続されている請求項1ないし7のいずれか1項に記載の圧力センサー。 A sensor unit provided on the diaphragm;
An insulating layer disposed between the substrate and the sidewall portion;
The pressure sensor according to any one of claims 1 to 7, wherein the first metal portion is connected to the substrate via the insulating layer.
前記圧力センサーを収納しているパッケージと、を有することを特徴とする圧力センサーモジュール。 A pressure sensor according to any one of claims 1 to 8;
And a package containing the pressure sensor.
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