JP2021025966A - Ｍｅｍｓセンサ - Google Patents

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Abstract

【課題】従来に比べてピエゾ抵抗の特性を向上できるＭＥＭＳセンサを提供する。【解決手段】ＭＥＭＳセンサ１は、第１面４およびその反対側の第２面５を有し、第１面４にキャビティ７を有するシリコン基板２と、第１面８およびその反対側の第２面９を有し、第２面９がシリコン基板２の第１面４に直接接合されたシリコンダイヤフラム３と、シリコンダイヤフラム３の第１面８に形成されたピエゾ抵抗Ｒ１〜Ｒ４とを含み、シリコン基板２の第１面４の面方位と、シリコンダイヤフラム３の第１面８の面方位とが互いに異なっている。【選択図】図２

Description

本発明は、ＭＥＭＳセンサに関する。
特許文献１は、第１のシリコン基板と第２のシリコン基板とが酸化層を挟んで積層されたＳＯＩ基板を用意して、第２のシリコン基板と酸化層を除去して第１のシリコン基板を露出させる工程と、露出する第１のシリコン基板にキャビティを形成してダイヤフラムを形成する工程と、第１のシリコン基板のキャビティが形成された面と、シリコンを有し構成されるベース基板とを酸化層を介さずに接合して、キャビティを密閉する工程とを有する製造方法によって製造された圧力センサを開示している。
特開２０１６−１７７４７号公報
本発明者は、シリコンダイヤフラムに形成されたピエゾ抵抗の特性が、シリコンの面方位によって変化することを見出した。
そこで、本発明の目的は、従来に比べてピエゾ抵抗の特性を向上させることができるＭＥＭＳセンサを提供することである。
本発明の一の局面に係るＭＥＭＳセンサは、第１面およびその反対側の第２面を有し、前記第１面にキャビティを有するシリコン基板と、第１面およびその反対側の第２面を有し、当該第２面が前記シリコン基板の前記第１面に直接接合されたシリコンダイヤフラムと、前記シリコンダイヤフラムの前記第１面に形成されたピエゾ抵抗とを含み、前記シリコン基板の前記第１面の面方位と、前記シリコンダイヤフラムの前記第１面の面方位とが互いに異なっている。
本発明の一の局面に係るＭＥＭＳセンサによれば、シリコン基板の第１面の面方位と、シリコンダイヤフラムの第１面の面方位とが互いに異なっている。これにより、シリコン基板の第１面の面方位に縛られず、シリコンダイヤフラムの第１面の面方位として、ピエゾ抵抗の特性が最適となる面方位を採用することができる。
また、キャビティが、シリコンダイヤフラムではなく、シリコンダイヤフラムよりも肉厚なシリコン基板に形成されている。そのため、キャビティを高精度で、かつ容易に形成することができる。また、ＭＥＭＳセンサが、シリコン基板とシリコンダイヤフラムのＳｉ−Ｓｉ直接接合によって形成されている。つまり、基板とダイヤフラムの線膨張係数が同じであるため、温度変化に起因して接合界面に応力が発生することを抑制することができる。これらの結果、ピエゾ抵抗の特性を安定化させることができる。
図１は、本発明の第１実施形態に係るＭＥＭＳセンサの平面図である。 図２は、本発明の第１実施形態に係るＭＥＭＳセンサの断面図であって、図１のII−II断面を示す図である。 図３Ａは、本発明の第１実施形態に係るＭＥＭＳセンサの製造工程の一部を示す図である。 図３Ｂは、図３Ａの次の工程を示す図である。 図３Ｃは、図３Ｂの次の工程を示す図である。 図３Ｄは、図３Ｃの次の工程を示す図である。 図３Ｅは、図３Ｄの次の工程を示す図である。 図３Ｆは、図３Ｅの次の工程を示す図である。 図４は、図３Ｂの工程の変形例を示す図である。 図５Ａは、（１００）面に形成されたピエゾ抵抗のピエゾ抵抗係数を説明するための図である。 図５Ｂは、（１１０）面に形成されたピエゾ抵抗のピエゾ抵抗係数を説明するための図である。 図６は、本発明の第２実施形態に係るＭＥＭＳセンサの平面図である。 図７は、本発明の第２実施形態に係るＭＥＭＳセンサの断面図である。 図８Ａは、本発明の第２実施形態に係るＭＥＭＳセンサの製造工程の一部を示す図である。 図８Ｂは、図８Ａの次の工程を示す図である。 図８Ｃは、図８Ｂの次の工程を示す図である。 図８Ｄは、図８Ｃの次の工程を示す図である。 図８Ｅは、図８Ｄの次の工程を示す図である。 図８Ｆは、図８Ｅの次の工程を示す図である。 図８Ｇは、図８Ｆの次の工程を示す図である。 図９は、本発明の第３実施形態に係るＭＥＭＳセンサの平面図である。 図１０は、本発明の第３実施形態に係るＭＥＭＳセンサの断面図であって、図９のＸ−Ｘ断面を示す図である。 図１１Ａは、本発明の第３実施形態に係るＭＥＭＳセンサの製造工程の一部を示す図である。 図１１Ｂは、図１１Ａの次の工程を示す図である。 図１１Ｃは、図１１Ｂの次の工程を示す図である。 図１１Ｄは、図１１Ｃの次の工程を示す図である。 図１１Ｅは、図１１Ｄの次の工程を示す図である。 図１１Ｆは、図１１Ｅの次の工程を示す図である。 図１１Ｇは、図１１Ｆの次の工程を示す図である。 図１２Ａ〜図１２Ｃは、それぞれ、実施例で使用したＭＥＭＳセンサの構造１〜３を示す図である。 図１３は、構造１〜３のＨｅ処理時間と気圧値変動量との関係を示す図である。
＜本発明の実施形態＞
まず、本発明の実施形態を列記して説明する。
本発明の一実施形態に係るＭＥＭＳセンサは、第１面およびその反対側の第２面を有し、前記第１面にキャビティを有するシリコン基板と、第１面およびその反対側の第２面を有し、当該第２面が前記シリコン基板の前記第１面に直接接合されたシリコンダイヤフラムと、前記シリコンダイヤフラムの前記第１面に形成されたピエゾ抵抗とを含み、前記シリコン基板の前記第１面の面方位と、前記シリコンダイヤフラムの前記第１面の面方位とが互いに異なっている。
この構成によれば、シリコン基板の第１面の面方位と、シリコンダイヤフラムの第１面の面方位とが互いに異なっている。これにより、シリコン基板の第１面の面方位に縛られず、シリコンダイヤフラムの第１面の面方位として、ピエゾ抵抗の特性が最適となる面方位を採用することができる。
また、キャビティが、シリコンダイヤフラムではなく、シリコンダイヤフラムよりも肉厚なシリコン基板に形成されている。そのため、キャビティを高精度で、かつ容易に形成することができる。また、ＭＥＭＳセンサが、シリコン基板とシリコンダイヤフラムのＳｉ−Ｓｉ直接接合によって形成されている。つまり、基板とダイヤフラムの線膨張係数が同じであるため、温度変化に起因して接合界面に応力が発生することを抑制することができる。これらの結果、ピエゾ抵抗の特性を安定化させることができる。
本発明の一実施形態に係るＭＥＭＳセンサでは、前記シリコン基板の前記第１面の面方位が（１００）面であり、前記シリコンダイヤフラムの前記第１面の面方位が（１１０）面であってもよい。
本発明の一実施形態に係るＭＥＭＳセンサでは、前記ピエゾ抵抗は、＜１１１＞軸方向に延びる長手形状に形成されていてもよい。
この構成によれば、シリコンダイヤフラムの第１面の面方位が（１１０）面であり、かつピエゾ抵抗が、＜１１１＞軸方向に延びる長手形状に形成されている。これにより、ピエゾ抵抗の縦ピエゾ抵抗係数を大きくできるので、ピエゾ抵抗の感度を向上させることができる。
本発明の一実施形態に係るＭＥＭＳセンサでは、前記キャビティは、平面視四角形状に形成されており、前記ピエゾ抵抗は、平面視において、前記キャビティの各辺に配置された複数のピエゾ抵抗を含み、前記複数のピエゾ抵抗は、それぞれ、＜１１１＞軸方向に延びる長手形状に形成されていてもよい。
この構成によれば、シリコンダイヤフラムの第１面の面方位が（１１０）面であり、かつ各ピエゾ抵抗が、＜１１１＞軸方向に延びる長手形状に形成されている。これにより、ピエゾ抵抗の縦ピエゾ抵抗係数を大きくできるので、ピエゾ抵抗の感度を向上させることができる。
また、キャビティの各辺にピエゾ抵抗が配置されている。これにより、シリコンダイヤフラムが振動したときに、キャビティの互いに対向する一対の第１辺および第３辺に配置されたピエゾ抵抗は長手方向に引っ張られて抵抗が増加する。一方、キャビティの互いに対向する一対の第２辺および第４辺に配置されたピエゾ抵抗は幅方向に引っ張られて抵抗が減少する。その結果、第１辺および第３辺のピエゾ抵抗と、第２辺および第４辺のピエゾ抵抗との間に大きな抵抗値の差を形成することができる。
本発明の一実施形態に係るＭＥＭＳセンサでは、前記複数のピエゾ抵抗は、第１ピエゾ抵抗、第２ピエゾ抵抗、第３ピエゾ抵抗および第４ピエゾ抵抗を含み、前記第１〜第４ピエゾ抵抗に電気的に接続され、前記第１〜第４ピエゾ抵抗を含むブリッジ回路を形成する配線を含んでいてもよい。
本発明の一実施形態に係るＭＥＭＳセンサでは、前記シリコンダイヤフラムは、一定の厚さを有していてもよい。
本発明の一実施形態に係るＭＥＭＳセンサでは、前記シリコンダイヤフラムは、３μｍ〜３０μｍの厚さを有していてもよい。
本発明の一実施形態に係るＭＥＭＳセンサでは、前記キャビティは、前記シリコンダイヤフラムによって密閉されていてもよい。
この構成によれば、シリコン基板とシリコンダイヤフラムのＳｉ−Ｓｉ直接接合によって形成されているため、これらの間に酸化膜が形成されていない。その結果、ヘリウム（Ｈｅ）や水素（Ｈ２）等の原子半径の小さいガス環境下でＭＥＭＳセンサが使用される場合でも、酸化膜を介してキャビティにガスが侵入することを防止することができる。その結果、キャビティ内の真空度を保持することができるため、ＭＥＭＳセンサの特性変動を防止することができる。
本発明の一実施形態に係るＭＥＭＳセンサでは、前記シリコンダイヤフラムは、前記キャビティに連通する貫通孔を有していてもよい。
本発明の一実施形態に係るＭＥＭＳセンサでは、前記キャビティは、平面視四角形状に形成されており、前記シリコンダイヤフラムは、平面視において、前記キャビティの各角部に形成され、前記キャビティに連通する複数の貫通孔を有していてもよい。
本発明の一実施形態に係るＭＥＭＳセンサでは、前記シリコンダイヤフラムは、前記シリコンダイヤフラムの前記第２面に形成され、前記キャビティに対向する第２キャビティを有していてもよい。
本発明の一実施形態に係るＭＥＭＳセンサでは、前記第２キャビティは、平面視において、前記キャビティの周縁に沿って環状に形成されていてもよい。
本発明の一実施形態に係るＭＥＭＳセンサでは、前記キャビティは、前記シリコンダイヤフラムによって密閉されていてもよい。
この構成によれば、シリコン基板とシリコンダイヤフラムのＳｉ−Ｓｉ直接接合によって形成されているため、これらの間に酸化膜が形成されていない。その結果、ヘリウム（Ｈｅ）や水素（Ｈ２）等の原子半径の小さいガス環境下でＭＥＭＳセンサが使用される場合でも、酸化膜を介してキャビティにガスが侵入することを防止することができる。その結果、キャビティ内の真空度を保持することができるため、ＭＥＭＳセンサの特性変動を防止することができる。
本発明の一実施形態に係るＭＥＭＳセンサでは、平面視において、前記キャビティの周縁から前記シリコン基板の端面までの距離によって定義された前記シリコン基板と前記シリコンダイヤフラムとの接合界面の幅は、５０μｍ〜５００μｍであってもよい。
＜本発明の実施形態の詳細な説明＞
次に、本発明の実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係るＭＥＭＳセンサ１の平面図である。図２は、本発明の第１実施形態に係るＭＥＭＳセンサ１の断面図であって、図１のII−II断面を示す図である。
ＭＥＭＳセンサ１は、たとえば、気圧センサ、圧力センサ等の各種センサに適用できる。ＭＥＭＳセンサ１は、シリコン基板２と、シリコンダイヤフラム３とを含む。
シリコン基板２は、第１面４およびその反対側の第２面５を有している。シリコン基板２の第１面４および第２面５は、それぞれ、シリコン基板２の表面および裏面と称してもよい。また、シリコン基板２は、端面６を有している。この実施形態では、シリコン基板２は、平面視四角形状に形成されており、端面６は、平面視においてシリコン基板２の４辺を形成する４つの端面６を含む。シリコン基板２の端面６は、シリコン基板２の側面と称してもよいし、第３面と称してもよい。
この実施形態では、シリコン基板２の第１面４が（１００）面であり、第２面５が（１００）面であり、端面６が（１１０）面である。
また、シリコン基板２の厚さは、たとえば、１００μｍ〜７７５μｍである。シリコン基板２は、第１面４に形成されたキャビティ７を有している。キャビティ７の深さは、たとえば、５μｍ〜２０μｍである。キャビティ７は、図１に示すように、平面視略四角形状に形成されている。より具体的には、キャビティ７は、平面視において、それぞれに丸みが設けられた４つの第１角部４６Ａ、第２角部４６Ｂ、第３角部４６Ｃおよび第４角部４６Ｄを有する四角形状に形成されている。したがって、キャビティ７は、平面視において、第１辺７Ａ、第２辺７Ｂ、第３辺７Ｃおよび第４辺７Ｄを有している。
シリコンダイヤフラム３は、シリコン基板２よりも薄いシリコン材料からなり、第１面８およびその反対側の第２面９を有している。シリコンダイヤフラム３の第１面８および第２面９は、それぞれ、シリコンダイヤフラム３の表面および裏面と称してもよい。この実施形態では、シリコンダイヤフラム３基板の第１面８が（１１０）面であり、第２面９が（１１０）面である。また、シリコンダイヤフラム３は、一定の厚さを有している。シリコンダイヤフラム３の厚さは、たとえば、３μｍ〜３０μｍである。また、シリコンダイヤフラム３は、膜状であることから、シリコンメンブレンと称してもよい。
シリコンダイヤフラム３は、シリコン基板２に直接接合されている。より具体的には、シリコン基板２の第１面４に、シリコンダイヤフラム３の第２面９が直接接合されている。これにより、シリコン基板２とシリコンダイヤフラム３との間には、Ｓｉ−Ｓｉ接合からなる接合界面１０が形成されている。
接合界面１０は、この実施形態では、キャビティ７を取り囲む閉環状に形成されており、これにより、キャビティ７はシリコンダイヤフラム３によって密閉されている。また、平面視において、接合界面１０の幅Ｗ１は、たとえば、５０μｍ〜５００μｍである。接合界面１０の幅Ｗ１は、キャビティ７の周縁１１（第１〜第４辺７Ａ〜７Ｄ）からシリコン基板２の端面６までの距離によって定義されていてもよい。
ＭＥＭＳセンサ１は、さらに、歪みゲージとしてのピエゾ抵抗Ｒ１〜Ｒ４と、金属端子１２〜１６と、金属配線１７〜２０とを含む。
ピエゾ抵抗Ｒ１〜Ｒ４は、シリコンダイヤフラム３にボロン（Ｂ）等の不純物を導入することによりシリコンダイヤフラム３の第１面８に形成された拡散抵抗であり、「ゲージ」と称してもよい。この実施形態では、シリコンダイヤフラム３は、キャビティ７に対向してキャビティ７の圧力変動に伴って動く可動部２１と、シリコン基板２に接合された固定部２２とを含む。
ピエゾ抵抗Ｒ１〜Ｒ４は、平面視略四角形の可動部２１の周方向に沿って略等間隔に配置されている。より具体的には、平面視において、第１ピエゾ抵抗Ｒ１はキャビティ７の第１辺７Ａに配置され、第２ピエゾ抵抗Ｒ２はキャビティ７の第２辺７Ｂに配置され、第３ピエゾ抵抗Ｒ３はキャビティ７の第３辺７Ｃに配置され、第４ピエゾ抵抗Ｒ４はキャビティ７の第４辺７Ｄに配置されている。
可動部２１の中心を挟んで対向する第１ピエゾ抵抗Ｒ１および第３ピエゾ抵抗Ｒ３は、第１ピエゾ抵抗Ｒ１および第３ピエゾ抵抗Ｒ３の対向方向（キャビティ７の第１辺７Ａおよび第３辺７Ｃを横切る方向）に延びる長手形状に形成されている。第１ピエゾ抵抗Ｒ１および第３ピエゾ抵抗Ｒ３は、平面視において、可動部２１および固定部２２に跨っている。別の言い方では、第１ピエゾ抵抗Ｒ１および第３ピエゾ抵抗Ｒ３は、平面視において、キャビティ７の内外に跨っている。
第１ピエゾ抵抗Ｒ１および第３ピエゾ抵抗Ｒ３は、この実施形態では、それぞれ４つずつ形成されている。４つの第１ピエゾ抵抗Ｒ１は、互いに間隔を空けて、可動部２１と固定部２２との境界部（キャビティ７の周縁１１）に沿って配列されている。互いに隣り合う第１ピエゾ抵抗Ｒ１の間には、第１中継配線２３が形成されている。
第１中継配線２３は、４つの第１ピエゾ抵抗Ｒ１を直列に接続している。第１中継配線２３は、各第１ピエゾ抵抗Ｒ１の長手方向一端部に接続されており、第１中継配線２３のいくつか（この実施形態では、２つ）は、シリコンダイヤフラム３の可動部２１に形成され、第１中継配線２３の残りは、シリコンダイヤフラム３の固定部２２に形成されている。第１中継配線２３は、シリコンダイヤフラム３にボロン（Ｂ）等の不純物を高濃度に導入することによりシリコンダイヤフラム３の第１面８に形成された拡散配線（ｐ＋型領域）である。
同様に、４つの第３ピエゾ抵抗Ｒ３は、互いに間隔を空けて、可動部２１と固定部２２との境界部（キャビティ７の周縁１１）に沿って配列されている。互いに隣り合う第３ピエゾ抵抗Ｒ３の間には、第３中継配線２５が形成されている。第３中継配線２５は、４つの第３ピエゾ抵抗Ｒ３を直列に接続している。
第３中継配線２５は、各第３ピエゾ抵抗Ｒ３の長手方向一端部に接続されており、第３中継配線２５のいくつか（この実施形態では、２つ）は、シリコンダイヤフラム３の可動部２１に形成され、第３中継配線２５の残りは、シリコンダイヤフラム３の固定部２２に形成されている。第３中継配線２５は、シリコンダイヤフラム３にボロン（Ｂ）等の不純物を高濃度に導入することによりシリコンダイヤフラム３の第１面８に形成された拡散配線（ｐ＋型領域）である。
一方、可動部２１の中心を挟んで対向する第２ピエゾ抵抗Ｒ２および第４ピエゾ抵抗Ｒ４は、第２ピエゾ抵抗Ｒ２および第４ピエゾ抵抗Ｒ４の対向方向に直交する方向（キャビティ７の第２辺７Ｂおよび第４辺７Ｄに沿う方向）に延びる長手形状に形成されている。第２ピエゾ抵抗Ｒ２および第４ピエゾ抵抗Ｒ４は、平面視において、可動部２１の内側に収まっている。
第２ピエゾ抵抗Ｒ２および第４ピエゾ抵抗Ｒ４は、この実施形態では、それぞれ４つずつ形成されている。４つの第２ピエゾ抵抗Ｒ２は、互いに間隔を空けて、２×２の行列状に配列されている。互いに隣り合う第２ピエゾ抵抗Ｒ２の間には、第２中継配線２４が形成されている。
第２中継配線２４は、４つの第２ピエゾ抵抗Ｒ２を直列に接続している。第２中継配線２４は、各第２ピエゾ抵抗Ｒ２の長手方向一端部に接続されており、第２中継配線２４の全て（この実施形態では、３つ）は、シリコンダイヤフラム３の可動部２１に形成されている。第２中継配線２４は、シリコンダイヤフラム３にボロン（Ｂ）等の不純物を高濃度に導入することによりシリコンダイヤフラム３の第１面８に形成された拡散配線（ｐ＋型領域）である。
同様に、４つの第４ピエゾ抵抗Ｒ４は、互いに間隔を空けて、２×２の行列状に配列されている。互いに隣り合う第４ピエゾ抵抗Ｒ４の間には、第４中継配線２６が形成されている。第４中継配線２６は、４つの第４ピエゾ抵抗Ｒ４を直列に接続している。
第４中継配線２６は、各第４ピエゾ抵抗Ｒ４の長手方向一端部に接続されており、第４中継配線２６の全て（この実施形態では、３つ）は、シリコンダイヤフラム３の可動部２１に形成されている。第４中継配線２６は、シリコンダイヤフラム３にボロン（Ｂ）等の不純物を高濃度に導入することによりシリコンダイヤフラム３の第１面８に形成された拡散配線（ｐ＋型領域）である。
４つの第１ピエゾ抵抗Ｒ１のうち外側の一対の第１ピエゾ抵抗Ｒ１の長手方向一端部には、第１コンタクト配線２７が接続されている。一対の第１コンタクト配線２７は、固定部２２において第１ピエゾ抵抗Ｒ１に接続され、可動部２１と固定部２２との境界部（キャビティ７の周縁１１）に沿って互いに逆向きに延びている。第１コンタクト配線２７は、シリコンダイヤフラム３にボロン（Ｂ）等の不純物を高濃度に導入することによりシリコンダイヤフラム３の第１面８に形成された拡散配線（ｐ＋型領域）である。
同様に、４つの第３ピエゾ抵抗Ｒ３のうち外側の一対の第３ピエゾ抵抗Ｒ３の長手方向一端部には、第３コンタクト配線２９が接続されている。一対の第３コンタクト配線２９は、固定部２２において第３ピエゾ抵抗Ｒ３に接続され、可動部２１と固定部２２との境界部（キャビティ７の周縁１１）に沿って互いに逆向きに延びている。第３コンタクト配線２９は、シリコンダイヤフラム３にボロン（Ｂ）等の不純物を高濃度に導入することによりシリコンダイヤフラム３の第１面８に形成された拡散配線（ｐ＋型領域）である。
４つの第２ピエゾ抵抗Ｒ２のうち可動部２１と固定部２２との境界部（キャビティ７の周縁１１）に近い一対の第２ピエゾ抵抗Ｒ２の長手方向一端部には、第２コンタクト配線２８が接続されている。一対の第２コンタクト配線２８は、可動部２１において第２ピエゾ抵抗Ｒ２に接続され、可動部２１と固定部２２との境界部（キャビティ７の周縁１１）を横切って互いに同じ方向に延びている。第２コンタクト配線２８は、シリコンダイヤフラム３にボロン（Ｂ）等の不純物を高濃度に導入することによりシリコンダイヤフラム３の第１面８に形成された拡散配線（ｐ＋型領域）である。
４つの第４ピエゾ抵抗Ｒ４のうち可動部２１と固定部２２との境界部（キャビティ７の周縁１１）に近い一対の第４ピエゾ抵抗Ｒ４の長手方向一端部には、第４コンタクト配線３０が接続されている。一対の第４コンタクト配線３０は、可動部２１において第４ピエゾ抵抗Ｒ４に接続され、可動部２１と固定部２２との境界部（キャビティ７の周縁１１）を横切って互いに同じ方向に延びている。第４コンタクト配線３０は、シリコンダイヤフラム３にボロン（Ｂ）等の不純物を高濃度に導入することによりシリコンダイヤフラム３の第１面８に形成された拡散配線（ｐ＋型領域）である。
図２を参照して、シリコンダイヤフラム３の第１面８には、絶縁層３１が形成されている。絶縁層３１は、たとえば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）や窒化シリコン（ＳｉＮ）からなっていてもよい。絶縁層３１は、シリコンダイヤフラム３の可動部２１および固定部２２を覆っている。また、絶縁層３１の厚さは、たとえば、０．１μｍ〜２．０μｍであってもよい。
金属端子１２〜１６は、第１金属端子１２、第２金属端子１３、第３金属端子１４、第４金属端子１５および第５金属端子１６を含む。第１〜第５金属端子１２〜１６は、絶縁層３１上に形成されている。第１〜第５金属端子１２〜１６は、平面視において、シリコン基板２の一つの端面６に沿って互いに間隔を空けて配置されている。また、第１〜第５金属端子１２〜１６は、この実施形態では、アルミニウム（Ａｌ）からなる。なお、第１〜第４金属端子１２〜１５は、それぞれの接続対象に応じて、接地端子（ＧＮＤ）、負側電圧出力端子（Ｖｏｕｔ−）、電圧印加用端子（Ｖｄｄ）および正側電圧出力端子（Ｖｏｕｔ＋）と称してもよい。また、第５金属端子１６は、基板の端子で、電圧印可用端子（Ｖｄｄ）以上の電位にする。
第１〜第４金属配線１７〜２０は、ピエゾ抵抗Ｒ１〜Ｒ４をブリッジ接続して、ブリッジ回路（ホイートストンブリッジ）を形成するための配線である。
具体的には、第１金属配線１７は、第１ピエゾ抵抗Ｒ１と第２ピエゾ抵抗Ｒ２とを固定部２２で接続し、かつ第１金属端子１２に接続されている。第２金属配線１８は、第２ピエゾ抵抗Ｒ２と第３ピエゾ抵抗Ｒ３とを固定部２２で接続し、かつ第２金属端子１３に接続されている。第３金属配線１９は、第３ピエゾ抵抗Ｒ３と第４ピエゾ抵抗Ｒ４とを固定部２２で接続し、かつ第３金属端子１４に接続されている。第４金属配線２０は、第４ピエゾ抵抗Ｒ４と第１ピエゾ抵抗Ｒ１とを固定部２２で接続し、かつ第４金属端子１５に接続されている。
第１〜第４金属配線１７〜２０は、この実施形態では、アルミニウム（Ａｌ）からなり、絶縁層３１上に形成されている。第１金属配線１７は、絶縁層３１を介して第１および第２コンタクト配線２７，２８に接続され、第２金属配線１８は、絶縁層３１を介して第２および第３コンタクト配線２８，２９に接続されている（図２参照）。第３金属配線１９は、絶縁層３１を介して第３および第４コンタクト配線２９，３０に接続され（図２参照）、第４金属配線２０は、絶縁層３１を介して第４および第１コンタクト配線３０，２７に接続されている。
また、第５金属端子１６には、第５配線３２が接続されている。第５配線３２は、絶縁層３１上に形成された金属配線３３と、シリコンダイヤフラム３の第１面８に形成された拡散配線３４とを含む。図２を参照して、拡散配線３４は、平面視において、キャビティ７を取り囲む環状に形成されている。また、拡散配線３４は、第１〜第５金属端子１２〜１６の下方を通過していてもよい。つまり、拡散配線３４は、平面視において、第１〜第５金属端子１２〜１６の少なくとも１つにオーバーラップしていてもよい。
なお、図示はしないが、絶縁層３１上には、第１〜第４金属配線１７〜２０および第１〜第５金属端子１２〜１６を覆うパッシベーション膜が形成されていてもよい。
図３Ａ〜図３Ｆは、本発明の第１実施形態に係るＭＥＭＳセンサ１の製造工程の一部を示す図である。図４は、図３Ｂの工程の変形例を示す図である。
ＭＥＭＳセンサ１を製造するには、たとえば、図３Ａに示すように、シリコン基板２が準備され、シリコン基板２にキャビティ７が形成される。キャビティ７は、シリコン基板２の第１面４を選択的にドライエッチングすることによって形成されてもよい。
次に、図３Ｂに示すように、ＳＯＩ基板３５が準備される。ＳＯＩ基板３５は、シリコンからなる支持基板３６と、支持基板３６上のＢＯＸ（Buried Oxide）層３７と、ＢＯＸ層３７上のシリコンからなる活性層３８とを含む。たとえば、支持基板３６の厚さは、６２５μｍ〜７７５μｍであり、ＢＯＸ層３７の厚さは、０．５μｍ〜２．０μｍであり、活性層３８の厚さは３μｍ〜３０μｍであってもよい。
また、支持基板３６は、ＢＯＸ層３７に接する第１面３９およびその反対側の第２面４０を有している。この実施形態では、支持基板３６の第１面３９が（１００）面であり、第２面４０が（１００）面である。また、活性層３８は、ＢＯＸ層３７に接する第１面４１およびその反対側の第２面４２を有している。この実施形態では、活性層３８の第１面４１が（１１０）面であり、第２面４２が（１１０）面である。
そして、ＳＯＩ基板３５を上下反転させ、活性層３８の第２面４２がシリコン基板２の第１面４と接するように、ＳＯＩ基板３５がシリコン基板２上にボンディングされる。その後、たとえば、１０００℃〜１２００℃で３０分〜９０分間アニール処理される。これにより、ＳＯＩ基板３５がシリコン基板２に接合される。
なお、シリコン基板２に接合される基板は、図４に示すように、第２シリコン基板４３であってもよい。たとえば、第２シリコン基板４３の厚さは、６２５μｍ〜７７５μｍであってもよい。第２シリコン基板４３は、第１面４４およびその反対側の第２面４５を有している。この実施形態では、第２シリコン基板４３の第１面４４が（１１０）面であり、第２面４５が（１１０）面である。この場合、第２シリコン基板４３を上下反転させ、第２シリコン基板４３の第１面４４がシリコン基板２の第１面４と接するように、第２シリコン基板４３をシリコン基板２上にボンディングし、第２シリコン基板４３とシリコン基板２とを接合すればよい。
つまり、図３Ｂおよび図４の双方とも、活性層３８または第２シリコン基板４３の（１１０）面が上方に向くように、ＳＯＩ基板３５または第２シリコン基板４３をシリコン基板２にボンディングすればよい。
次に、図３Ｃに示すように、ＳＯＩ基板３５の支持基板３６およびＢＯＸ層３７が除去される。支持基板３６およびＢＯＸ層３７は、たとえば、研削、エッチング等によって除去することができる。その後、活性層３８が、所望の厚さ（シリコンダイヤフラム３の厚さ）になるまで加工される。活性層３８の薄化は、たとえば、研削、エッチング、研磨等によって行ってもよい。また、予め、ＳＯＩ基板３５の段階で所望の厚さで活性層３８を形成しておけば、ＢＯＸ層３７の除去後、活性層３８の薄化処理を省略することもできる。これにより、活性層３８からなるシリコンダイヤフラム３が形成される。
一方、ＳＯＩ基板３５に代えて第２シリコン基板４３を使用した場合は、第２シリコン基板４３を、研削、エッチング、研磨等によって所望の厚さまで薄化すればよい。
次に、図３Ｄに示すように、シリコンダイヤフラム３の第１面８に選択的に不純物イオン（この実施形態では、ボロン（Ｂ））が注入され、アニール処理される。これにより、シリコンダイヤフラム３に、ピエゾ抵抗Ｒ１〜Ｒ４が形成される。
次に、図３Ｅに示すように、シリコンダイヤフラム３の第１面８に選択的に不純物イオン（この実施形態では、ボロン（Ｂ））が注入され、アニール処理される。これにより、シリコンダイヤフラム３に、ピエゾ抵抗Ｒ１〜Ｒ４が形成される。第１〜第４中継配線２３〜２６、第１〜第４コンタクト配線２７〜３０、および第５配線３２の拡散配線３４が形成される。
次に、図３Ｆに示すように、たとえば、ＣＶＤ法によって、シリコンダイヤフラム３上に絶縁層３１が形成される。次に、たとえば、スパッタ法およびパターニングによって、絶縁層３１上に第１〜第４金属配線１７〜２０および第１〜第５金属端子１２〜１６が形成される。以上の工程を経て、ＭＥＭＳセンサ１が得られる。
ＭＥＭＳセンサ１では、シリコンダイヤフラム３の可動部２１が第１面８側から圧力（たとえば、気体圧力）を受けると、キャビティ７の内部と外部との間に差圧が生じることによって可動部２１がシリコンダイヤフラム３の厚さ方向に変位する。その変位により、ピエゾ抵抗Ｒ１〜Ｒ４を構成するシリコン結晶が歪んで、ピエゾ抵抗Ｒ１〜Ｒ４の抵抗値が変化する。
たとえば、電圧印加用端子（第３金属端子１４）に一定のバイアス電圧を与えておくと、ピエゾ抵抗Ｒ１〜Ｒ４の抵抗値の変化に応じて、出力端子（第２および第４金属端子１３，１５）間の電圧が変化する。したがって、その電圧変化に基づいて、ＭＥＭＳセンサ１に生じた圧力の大きさを検出することができる。
このＭＥＭＳセンサ１では、シリコン基板２とシリコンダイヤフラム３のＳｉ−Ｓｉ直接接合によって形成されているため、これらの間に酸化膜が形成されていない。その結果、ヘリウム（Ｈｅ）や水素（Ｈ２）等の原子半径の小さいガス環境下でＭＥＭＳセンサ１が使用される場合でも、酸化膜を介してキャビティ７にガスが侵入することを防止することができる。その結果、キャビティ７内の真空度を保持することができるため、ＭＥＭＳセンサ１の特性変動を防止することができる。
また、シリコン基板２の第１面４の面方位と、シリコンダイヤフラム３の第１面４の面方位とが互いに異なっている。これにより、シリコン基板２の第１面４の面方位に縛られず、シリコンダイヤフラム３の第１面４の面方位として、ピエゾ抵抗Ｒ１〜Ｒ４の特性が最適となる面方位を採用することができる。より具体的には、シリコン基板２の第１面４の面方位が（１００）面であり、シリコンダイヤフラム３の第１面４の面方位が（１１０）面である。ピエゾ抵抗Ｒ１〜Ｒ４の形成面の面方位が（１００）面よりも（１１０）面であることが好ましいことは、図５Ａと図５Ｂとの比較によって説明できる。
図５Ａは、（１００）面に形成されたピエゾ抵抗のピエゾ抵抗係数を説明するための図である。図５Ｂは、（１１０）面に形成されたピエゾ抵抗のピエゾ抵抗係数を説明するための図である。
図５Ａと図５Ｂとを比較すると、図５Ｂの横ピエゾ抵抗係数が、図５Ａの横ピエゾ抵抗係数に比べて若干小さくなっている。したがって、横ピエゾ抵抗係数に関して言えば、ピエゾ抵抗Ｒ１〜Ｒ４は、（１１０）面よりも（１００）面に形成した方が好ましい。しかしながら、図５Ａおよび図５Ｂの縦ピエゾ抵抗係数を比べると、図５Ｂの縦ピエゾ抵抗係数が、図５Ａの縦ピエゾ抵抗係数よりも遥かに大きくなっている。つまり、縦ピエゾ抵抗係数の増加量を考慮すれば、総合的には、横ピエゾ抵抗係数は若干劣るが、ピエゾ抵抗Ｒ１〜Ｒ４は、（１００）面よりも（１１０）面に形成した方が好ましい。
さらに、図５Ｂに示すように、（１１０）面では＜１１１＞軸で縦ピエゾ抵抗係数および横ピエゾ抵抗係数が大きくなるので、ピエゾ抵抗Ｒ１〜Ｒ４は、＜１１１＞軸上に配置することが好ましい。言い換えれば、図１において、ピエゾ抵抗Ｒ１〜Ｒ４は、それぞれ、＜１１１＞軸方向に延びる長手形状に形成されていることが好ましい。これにより、ピエゾ抵抗Ｒ１〜Ｒ４の縦ピエゾ抵抗係数および横ピエゾ抵抗係数を大きくできるので、ピエゾ抵抗Ｒ１〜Ｒ４の感度を向上させることができる。
また、キャビティ７の各辺７Ａ〜７Ｄにピエゾ抵抗Ｒ１〜Ｒ４が配置されている。これにより、シリコンダイヤフラム３が振動したときに、キャビティ７の互いに対向する一対の第１辺７Ａおよび第３辺７Ｃに配置されたピエゾ抵抗Ｒ１，Ｒ３は長手方向に引っ張られて抵抗が増加する。一方、キャビティ７の互いに対向する一対の第２辺７Ｂおよび第４辺７Ｄに配置されたピエゾ抵抗Ｒ２，Ｒ４は幅方向に引っ張られて抵抗が減少する。その結果、第１辺７Ａおよび第３辺７Ｃのピエゾ抵抗Ｒ１，Ｒ３と、第２辺７Ｂおよび第４辺７Ｄのピエゾ抵抗Ｒ２，Ｒ４との間に大きな抵抗値の差を形成することができる。
また、キャビティ７が、シリコンダイヤフラム３ではなく、シリコンダイヤフラム３よりも肉厚なシリコン基板２に形成されている。そのため、キャビティ７を高精度で、かつ容易に形成することができる。また、ＭＥＭＳセンサ１が、シリコン基板２とシリコンダイヤフラム３のＳｉ−Ｓｉ直接接合によって形成されている。つまり、基板とダイヤフラムの線膨張係数が同じであるため、温度変化に起因して接合界面１０に応力が発生することを抑制することができる。これらの結果、ピエゾ抵抗Ｒ１〜Ｒ４の特性を安定化させることができる。
図６は、本発明の第２実施形態に係るＭＥＭＳセンサ５１の平面図である。図７は、本発明の第２実施形態に係るＭＥＭＳセンサ５１の断面図である。なお、図７は、便宜上、ＭＥＭＳセンサ５１の特徴部分を主に示すものであり、図６の特定位置における断面を示しているわけではない。また、第２実施形態では、第１実施形態と主に異なる部分のみを説明し、今まで説明した部材と同じ部材には同じ参照符号を付して、その説明を省略する。
ＭＥＭＳセンサ５１では、シリコンダイヤフラム３に複数の貫通孔５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃ，５２Ｄが形成されている。図６を参照して、平面視において、複数の貫通孔５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃ，５２Ｄは、それぞれ、キャビティ７の第１角部４６Ａ、第２角部４６Ｂ、第３角部４６Ｃおよび第４角部４６Ｄに形成されている。これにより、キャビティ７の内部と外部とが、貫通孔５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃ，５２Ｄを介して、互いに連通している。したがって、ＭＥＭＳセンサ５１は、ＭＥＭＳセンサ１と異なり、キャビティ７がシリコンダイヤフラム３で密閉されていない。
各貫通孔５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃ，５２Ｄの形状は、たとえば、図６に示すように平面視四角形状であってもよいし、平面視円形状、平面視三角形状であってもよい。
このＭＥＭＳセンサ５１においても、シリコン基板２の第１面４の面方位と、シリコンダイヤフラム３の第１面４の面方位とが互いに異なっている。これにより、シリコン基板２の第１面４の面方位に縛られず、シリコンダイヤフラム３の第１面４の面方位として、ピエゾ抵抗Ｒ１〜Ｒ４の特性が最適となる面方位を採用することができる。その結果、ピエゾ抵抗Ｒ１〜Ｒ４の特性を安定化させることができる。
また、貫通孔５２Ａ〜５２Ｄが形成されているので、外気圧の影響を受けなくすることができる。
図８Ａ〜図８Ｇは、本発明の第２実施形態に係るＭＥＭＳセンサ５１の製造工程の一部を示す図である。
ＭＥＭＳセンサ５１を製造するには、たとえば、図８Ａに示すように、シリコン基板２が準備され、シリコン基板２にキャビティ７が形成される。キャビティ７は、シリコン基板２の第１面４を選択的にドライエッチングすることによって形成されてもよい。
一方、図８Ｂに示すように、ＳＯＩ基板３５が準備され、ＳＯＩ基板３５の活性層３８に複数の貫通孔５２Ａ〜５２Ｄが形成される。複数の貫通孔５２Ａ〜５２Ｄは、たとえば、活性層３８の第２面４２からＢＯＸ層３７に達するまで、活性層３８を選択的にドライエッチングすることによって形成されてもよい。ＳＯＩ基板３５を用いて複数の貫通孔５２Ａ〜５２Ｄを形成するやり方では、複数の貫通孔５２Ａ〜５２Ｄの深さを活性層３８の厚さに基づいて簡単に調整することができる。
次に、図８Ｃに示すように、ＳＯＩ基板３５を上下反転させ、活性層３８の第２面４２がシリコン基板２の第１面４と接するように、ＳＯＩ基板３５がシリコン基板２上にボンディングされる。その後、たとえば、１０００℃〜１２００℃で３０分〜９０分間アニール処理される。これにより、ＳＯＩ基板３５がシリコン基板２に接合される。
なお、シリコン基板２に接合される基板は、図４に示すように、第２シリコン基板４３であってもよい。この場合、第２シリコン基板４３に、複数の貫通孔５２Ａ〜５２Ｄに対応する凹部を形成しておけばよい。この凹部は、第２シリコン基板４３の薄化時に、第２シリコン基板４３の第２面４５が凹部の底部まで達することによって、複数の貫通孔５２Ａ〜５２Ｄとなる。
次に、図８Ｄに示すように、ＳＯＩ基板３５の支持基板３６およびＢＯＸ層３７が除去される。支持基板３６およびＢＯＸ層３７は、たとえば、研削、エッチング等によって除去することができる。その後、活性層３８が、所望の厚さ（シリコンダイヤフラム３の厚さ）になるまで加工される。活性層３８の薄化は、たとえば、研削、エッチング、研磨等によって行ってもよい。また、予め、ＳＯＩ基板３５の段階で所望の厚さで活性層３８を形成しておけば、ＢＯＸ層３７の除去後、活性層３８の薄化処理を省略することもできる。これにより、活性層３８からなるシリコンダイヤフラム３が形成される。
次に、図８Ｅに示すように、シリコンダイヤフラム３の第１面８に選択的に不純物イオン（この実施形態では、ボロン（Ｂ））が注入され、アニール処理される。これにより、シリコンダイヤフラム３に、ピエゾ抵抗Ｒ１〜Ｒ４が形成される。
次に、図８Ｆに示すように、シリコンダイヤフラム３の第１面８に選択的に不純物イオン（この実施形態では、ボロン（Ｂ））が注入され、アニール処理される。これにより、シリコンダイヤフラム３に、ピエゾ抵抗Ｒ１〜Ｒ４が形成される。第１〜第４中継配線２３〜２６、第１〜第４コンタクト配線２７〜３０、および第５配線３２の拡散配線３４が形成される。
次に、図８Ｇに示すように、たとえば、ＣＶＤ法によって、シリコンダイヤフラム３上に絶縁層３１が形成される。次に、たとえば、スパッタ法およびパターニングによって、絶縁層３１上に第１〜第４金属配線１７〜２０および第１〜第５金属端子１２〜１６が形成される。以上の工程を経て、ＭＥＭＳセンサ５１が得られる。
図９は、本発明の第３実施形態に係るＭＥＭＳセンサ６１の平面図である。図１０は、本発明の第３実施形態に係るＭＥＭＳセンサ６１の断面図であって、図９のＸ−Ｘ断面を示す図である。なお、第３実施形態では、第１実施形態と主に異なる部分のみを説明し、今まで説明した部材と同じ部材には同じ参照符号を付して、その説明を省略する。
ＭＥＭＳセンサ６１では、シリコンダイヤフラム３に、第２キャビティ６２が形成されている。第２キャビティ６２は、シリコンダイヤフラム３の第２面９に形成されており、キャビティ７に対向している。
第２キャビティ６２は、この実施形態では、平面視において、キャビティ７の周縁１１に沿って環状に形成されている。これにより、シリコンダイヤフラム３の第２面９には、第２キャビティ６２に取り囲まれた凸部６３が形成されている。なお、第２キャビティ６２は、環状である必要はなく、たとえば、シリコンダイヤフラム３の可動部２１の全体が凹んだ構成であってもよい。また、第２キャビティ６２の深さは、たとえば、０．１μｍ〜２５μｍである。
第２キャビティ６２によって、ＭＥＭＳセンサ１には、キャビティ７と第２キャビティ６２とが合わさって形成されたキャビティ６４が形成されている。
キャビティ６４は、シリコン基板２の厚さ方向において、第１の寸法Ｔ１を有する第１部分６５と、第１の寸法Ｔ１よりも大きな第２の寸法Ｔ２を有する第２部分６６とを一体的に含む。第１部分６５は、キャビティ７の底面と凸部６３の頂部とに挟まれた部分である。第２部分６６は、キャビティ７の底面と第２キャビティ６２の底面とに挟まれた部分である。
また、この実施形態では、図１０に示すように、キャビティ７の側面と第２キャビティ６２の側面とが面一になっているが、これらの側面は互いにずれていてもよい。たとえば、第２キャビティ６２の側面が、キャビティ７の側面よりも外側に位置していてもよい。
このＭＥＭＳセンサ６１においても、シリコン基板２の第１面４の面方位と、シリコンダイヤフラム３の第１面４の面方位とが互いに異なっている。これにより、シリコン基板２の第１面４の面方位に縛られず、シリコンダイヤフラム３の第１面４の面方位として、ピエゾ抵抗Ｒ１〜Ｒ４の特性が最適となる面方位を採用することができる。その結果、ピエゾ抵抗Ｒ１〜Ｒ４の特性を安定化させることができる。
また、第２キャビティ６２が形成されているので、感度を上げることが可能で、Ｔ１の寸法を、外圧が高くなりシリコンダイヤフラム３が凹んで破壊するまで、キャビティ７の底部に接触する寸法にすることで破壊することを予防することができる。
図１１Ａ〜図１１Ｇは、本発明の第３実施形態に係るＭＥＭＳセンサ６１の製造工程の一部を示す図である。
ＭＥＭＳセンサ６１を製造するには、たとえば、図１１Ａに示すように、シリコン基板２が準備され、シリコン基板２にキャビティ７が形成される。キャビティ７は、シリコン基板２の第１面４を選択的にドライエッチングすることによって形成されてもよい。
一方、図１１Ｂに示すように、ＳＯＩ基板３５が準備され、ＳＯＩ基板３５の活性層３８に第２キャビティ６２が形成される。第２キャビティ６２は、たとえば、活性層３８の第２面４２から活性層３８の厚さ方向途中まで、活性層３８を選択的にドライエッチングすることによって形成されてもよい。
次に、図１１Ｃに示すように、ＳＯＩ基板３５を上下反転させ、活性層３８の第２面４２がシリコン基板２の第１面４と接するように、ＳＯＩ基板３５がシリコン基板２上にボンディングされる。その後、たとえば、１０００℃〜１２００℃で３０分〜９０分間アニール処理される。これにより、ＳＯＩ基板３５がシリコン基板２に接合される。
なお、シリコン基板２に接合される基板は、図４に示すように、第２シリコン基板４３であってもよい。この場合、第２シリコン基板４３の第１面４４に第２キャビティ６２を形成しておけばよい。
次に、図１１Ｄに示すように、ＳＯＩ基板３５の支持基板３６およびＢＯＸ層３７が除去される。支持基板３６およびＢＯＸ層３７は、たとえば、研削、エッチング等によって除去することができる。その後、活性層３８が、所望の厚さ（シリコンダイヤフラム３の厚さ）になるまで加工される。活性層３８の薄化は、たとえば、研削、エッチング、研磨等によって行ってもよい。また、予め、ＳＯＩ基板３５の段階で所望の厚さで活性層３８を形成しておけば、ＢＯＸ層３７の除去後、活性層３８の薄化処理を省略することもできる。これにより、活性層３８からなるシリコンダイヤフラム３が形成される。
次に、図１１Ｅに示すように、シリコンダイヤフラム３の第１面８に選択的に不純物イオン（この実施形態では、ボロン（Ｂ））が注入され、アニール処理される。これにより、シリコンダイヤフラム３に、ピエゾ抵抗Ｒ１〜Ｒ４が形成される。
次に、図１１Ｆに示すように、シリコンダイヤフラム３の第１面８に選択的に不純物イオン（この実施形態では、ボロン（Ｂ））が注入され、アニール処理される。これにより、シリコンダイヤフラム３に、ピエゾ抵抗Ｒ１〜Ｒ４が形成される。第１〜第４中継配線２３〜２６、第１〜第４コンタクト配線２７〜３０、および第５配線３２の拡散配線３４が形成される。
次に、図１１Ｇに示すように、たとえば、ＣＶＤ法によって、シリコンダイヤフラム３上に絶縁層３１が形成される。次に、たとえば、スパッタ法およびパターニングによって、絶縁層３１上に第１〜第４金属配線１７〜２０および第１〜第５金属端子１２〜１６が形成される。以上の工程を経て、ＭＥＭＳセンサ６１が得られる。
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は、他の形態で実施することもできる。
たとえば、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
次に、本発明を実施例に基づいて説明するが、本発明は下記の実施例によって限定されるものではない。
この実施例では、シリコン基板２とシリコンダイヤフラム３のＳｉ−Ｓｉ直接接合によって、原子半径の小さいガスのキャビティ７内への侵入がどの程度防げるかどうかを検証した。具体的には、図１２Ａ〜図１２Ｃに示す構造１〜構造３のＭＥＭＳセンサを用いて検証した。
構造１は、貫通孔７２を有するシリコン基板７１と、ガラス基板７３と、シリコンメンブレン７４とを含む。ガラス基板７３は、シリコン基板７１の裏面に接合されている。シリコンメンブレン７４は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜７５を介して、シリコン基板７１の表面に接合されている。これにより、シリコン基板７１の貫通孔７２は、ガラス基板７３とシリコンメンブレン７４によって密閉されている。
構造２は、キャビティ７７を有するシリコン基板７６と、シリコンメンブレン７８とを含む。キャビティ７７は、シリコン基板７６の表面側に形成され、シリコン基板７６の厚さ方向途中部に底部を有している。シリコンメンブレン７８は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜７９を介して、シリコン基板７６の表面に接合されている。これにより、シリコン基板７６のキャビティ７７は、シリコンメンブレン７８によって密閉されている。
構造３は、前述の第１実施形態に倣って構成された構造である。つまり、構造３は、キャビティ８１を有するシリコン基板８０と、シリコンメンブレン８２とを含む。キャビティ８１は、シリコン基板８０の表面側に形成され、シリコン基板８０の厚さ方向途中部に底部を有している。シリコンメンブレン８２は、シリコン基板８０の表面に直接接合されている。したがって、シリコン基板８０とシリコンメンブレン８２との間には、Ｓｉ−Ｓｉ接合からなる接合界面が形成されている。また、シリコン基板８０の表面（シリコンメンブレン８２との接合面）は（１００）面であり、シリコンメンブレン８２の表面（シリコン基板８０との接合面の反対側の面）は（１１０）面である。
なお、構造１〜３のいずれにおいても、ＭＥＭＳセンサのキャビティ７７，８１（貫通孔７２）内は、初期状態において真空に保持されている。
図１３は、約２．５気圧のＨｅ雰囲気中に構造１〜３のＭＥＭＳセンサを保存し、０ｈ（初期値）、２４ｈおよび７２ｈ経過したときの、ＭＥＭＳセンサのキャビティ７７，８１（貫通孔７２）内の圧力の変動量を測定した結果を示している。
構造１および２では、シリコン基板７１，７６とシリコンメンブレン７４，７８との間に酸化シリコン膜７５，７９が介在している。そのため、図１３に示すように、ＭＥＭＳセンサがＨｅ雰囲気中に保存される時間が長くなればなるほど、Ｈｅが酸化シリコン膜７５，７９を透過してキャビティ７７（貫通孔７２）内に侵入し、キャビティ７７（貫通孔７２）内の圧力が変動している。その結果、キャビティ７７（貫通孔７２）の真空度が低下し、シリコンメンブレン７４，７８の凹み量が変化して、ＭＥＭＳセンサの特性変動を引き起こすおそれがある。
これに対し、構造３では、シリコン基板８０とシリコンメンブレン８２との間がＳｉ−Ｓｉ直接接合である。そのため、図１３に示すように、Ｈｅ雰囲気中にＭＥＭＳセンサが長時間保存された後においても、キャビティ８１内の圧力変動はほとんど生じなかった。したがって、構造１のＭＥＭＳセンサは、ヘリウム（Ｈｅ）や水素（Ｈ２）等の原子半径の小さいガス環境下で使用される場合でも、酸化膜を介してキャビティにガスが侵入することを防止することができることが分かった。さらに、構造３に基づき、このような効果は、シリコン基板８０の表面（前述の第１面４）の面方位と、シリコンメンブレン８２の表面（前述の第１面８）の面方位とが互いに異なっていても、達成できることが示された。
１ ＭＥＭＳセンサ
２ シリコン基板
３ シリコンダイヤフラム
４ （シリコン基板）第１面
５ （シリコン基板）第２面
６ （シリコン基板）端面
７ キャビティ
７Ａ （キャビティ）第１辺
７Ｂ （キャビティ）第２辺
７Ｃ （キャビティ）第３辺
７Ｄ （キャビティ）第４辺
８ （シリコンダイヤフラム）第１面
９ （シリコンダイヤフラム）第２面
１０ 接合界面
１１ （キャビティ）周縁
１７ 第１金属配線
１８ 第２金属配線
１９ 第３金属配線
２０ 第４金属配線
４６Ａ （キャビティ）第１角部
４６Ｂ （キャビティ）第２角部
４６Ｃ （キャビティ）第３角部
４６Ｄ （キャビティ）第４角部
５１ ＭＥＭＳセンサ
５２Ａ 貫通孔
５２Ｂ 貫通孔
５２Ｃ 貫通孔
５２Ｄ 貫通孔
６１ ＭＥＭＳセンサ
６２ 第２キャビティ
Ｒ１ 第１ピエゾ抵抗
Ｒ２ 第２ピエゾ抵抗
Ｒ３ 第３ピエゾ抵抗
Ｒ４ 第４ピエゾ抵抗

Claims (14)

  1. 第１面およびその反対側の第２面を有し、前記第１面にキャビティを有するシリコン基板と、
    第１面およびその反対側の第２面を有し、当該第２面が前記シリコン基板の前記第１面に直接接合されたシリコンダイヤフラムと、
    前記シリコンダイヤフラムの前記第１面に形成されたピエゾ抵抗とを含み、
    前記シリコン基板の前記第１面の面方位と、前記シリコンダイヤフラムの前記第１面の面方位とが互いに異なっている、ＭＥＭＳセンサ。
  2. 前記シリコン基板の前記第１面の面方位が（１００）面であり、前記シリコンダイヤフラムの前記第１面の面方位が（１１０）面である、請求項１に記載のＭＥＭＳセンサ。
  3. 前記ピエゾ抵抗は、＜１１１＞軸方向に延びる長手形状に形成されている、請求項２に記載のＭＥＭＳセンサ。
  4. 前記キャビティは、平面視四角形状に形成されており、
    前記ピエゾ抵抗は、平面視において、前記キャビティの各辺に配置された複数のピエゾ抵抗を含み、
    前記複数のピエゾ抵抗は、それぞれ、＜１１１＞軸方向に延びる長手形状に形成されている、請求項２に記載のＭＥＭＳセンサ。
  5. 前記複数のピエゾ抵抗は、第１ピエゾ抵抗、第２ピエゾ抵抗、第３ピエゾ抵抗および第４ピエゾ抵抗を含み、
    前記第１〜第４ピエゾ抵抗に電気的に接続され、前記第１〜第４ピエゾ抵抗を含むブリッジ回路を形成する配線を含む、請求項４に記載のＭＥＭＳセンサ。
  6. 前記シリコンダイヤフラムは、一定の厚さを有している、請求項１〜５のいずれか一項に記載のＭＥＭＳセンサ。
  7. 前記シリコンダイヤフラムは、３μｍ〜３０μｍの厚さを有している、請求項６に記載のＭＥＭＳセンサ。
  8. 前記キャビティは、前記シリコンダイヤフラムによって密閉されている、請求項６または７に記載のＭＥＭＳセンサ。
  9. 前記シリコンダイヤフラムは、前記キャビティに連通する貫通孔を有している、請求項１〜７のいずれか一項に記載のＭＥＭＳセンサ。
  10. 前記キャビティは、平面視四角形状に形成されており、
    前記シリコンダイヤフラムは、平面視において、前記キャビティの各角部に形成され、前記キャビティに連通する複数の貫通孔を有している、請求項１〜３のいずれか一項に記載のＭＥＭＳセンサ。
  11. 前記シリコンダイヤフラムは、前記シリコンダイヤフラムの前記第２面に形成され、前記キャビティに対向する第２キャビティを有している、請求項１〜５のいずれか一項に記載のＭＥＭＳセンサ。
  12. 前記第２キャビティは、平面視において、前記キャビティの周縁に沿って環状に形成されている、請求項１１に記載のＭＥＭＳセンサ。
  13. 前記キャビティは、前記シリコンダイヤフラムによって密閉されている、請求項１１または１２に記載のＭＥＭＳセンサ。
  14. 平面視において、前記キャビティの周縁から前記シリコン基板の端面までの距離によって定義された前記シリコン基板と前記シリコンダイヤフラムとの接合界面の幅は、５０μｍ〜５００μｍである、請求項１〜１３のいずれか一項に記載のＭＥＭＳセンサ。
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