JP2023132229A - Ｍｅｍｓセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】特性への影響を抑えつつメンブレンの破壊を防止したＭＥＭＳセンサを提供する。【解決手段】所定範囲内のメンブレンの湾曲を歪ゲージで検出するＭＥＭＳセンサは、基板に設けられたキャビティと、基板を覆ってキャビティを封止するメンブレンと、メンブレンに設けられた歪ゲージとを含み、キャビティは底面から突出した島部を有し、メンブレンが可逆的に湾曲する範囲で、かつ所定範囲を超えて湾曲した場合に、メンブレンは島部に接触する。メンブレンが湾曲しない標準状態において、メンブレンと前記キャビティの底面との間の距離は、メンブレンと島部との間の距離の少なくとも５倍でも良い。【選択図】図１

Description

本発明はＭＥＭＳセンサに関し、特にＭＥＭＳ構造を用いた圧力センサに関する。

ＭＥＭＳ構造を用いた圧力センサでは、シリコン基板上に形成されたキャビティと、キャビティを覆って封止するメンブレンと、メンブレンに設けられたゲージ抵抗とを有する。そしてキャビティ内の圧力と外部の圧力との差によって生じるメンブレンの湾曲をゲージ抵抗の抵抗値の変化から検出することにより、周囲の圧力を測定する（例えば、特許文献１参照）。

特開２０２１－２５９６６号公報

ＭＥＭＳセンサの故障原因として、キャビティ周辺部におけるメンブレンの破壊があげられる。特に、ユーザ側のＭＥＭＳセンサ実装工程において、エアブロー時の気圧や洗浄時の水圧によってキャビティ上のメンブレンに過剰な圧力がかかりメンブレンがキャビティ側に湾曲した場合にメンブレンの破壊が発生しやすい。

これに対して、キャビティの深さを小さくして、メンブレンに過剰な圧力がかかってキャビティ側に湾曲した場合、メンブレンがキャビティの底に接触して一定以上の湾曲を防止する構造が考えられる。しかしながら、単にキャビティの深さを小さくした場合、キャビティの容積が小さくなり、ＭＥＭＳセンサの製造工程におけるガスの発生やリークにより、密封されたキャビティ内の圧力が影響をうけ、ＭＥＭＳセンサの特性がばらつく等の問題が発生する。

そこで、本発明は、特性への影響を抑えつつメンブレンの破壊を防止したＭＥＭＳセンサの提供を目的とする。

本開示の一の態様は、
基板に設けられたキャビティと、
基板を覆ってキャビティを封止するメンブレンと、
メンブレンに設けられた歪ゲージと、
を含み、
所定範囲内のメンブレンの湾曲を歪ゲージで検出するＭＥＭＳセンサであって、
キャビティは、底面から突出した島部を有し、
メンブレンが可逆的に湾曲する範囲で、かつ所定範囲を超えて湾曲した場合に、メンブレンが島部に接触するＭＥＭＳセンサである。

本開示の他の態様は、
基板に設けられた第１のキャビティおよび第１のキャビティより大きな開口面積を有する第２のキャビティと、
基板を覆って第１のキャビティおよび第２のキャビティをそれぞれ封止する第１のメンブレンおよび第２のメンブレンと、
第１のメンブレンおよび第２のメンブレンにそれぞれ設けられた第１の歪ゲージおよび第２の歪みゲージと、
を含み、
所定範囲内の第１のメンブレンの湾曲を第１の歪ゲージで検出するＭＥＭＳセンサであって、
第１のキャビティは、底面から突出した島部を有し、
第１のメンブレンが可逆的に湾曲する範囲内で、かつ所定範囲を超えて湾曲した場合に、第１のメンブレンが島部に接触するＭＥＭＳセンサである。

本開示にかかるＭＥＭＳセンサでは、特性への影響を抑えつつメンブレンの破壊を防止することができる。

図１は、本発明の実施の形態１にかかるＭＥＭＳセンサの平面図である。 図２は、図１のＭＥＭＳセンサのキャビティの平面図である。 図３は、図１のＭＥＭＳセンサをＡ－Ａ方向に見た断面図である。 図４は、本発明の実施の形態１にかかるＭＥＭＳセンサの変形例を示す断面図である。 図５Ａは、本発明の実施の形態１にかかるＭＥＭＳセンサの動作原理を説明する断面図である。 図５Ｂは、本発明の実施の形態１にかかるＭＥＭＳセンサの動作の動作原理を説明する断面図である。 図５Ｃは、本発明の実施の形態１にかかるＭＥＭＳセンサの動作原理を説明する断面図である。 図６は、本発明の実施の形態１にかかるＭＥＭＳセンサの寸法を表す断面図である。 図７は、従来のＭＥＭＳセンサの寸法を表す断面図である。 図８は、本発明の実施の形態１にかかるＭＥＭＳセンサの島部の他の配置を示す平面図である。 図９は、本発明の実施の形態１にかかるＭＥＭＳセンサの島部の他の配置を示す平面図である。 図１０は、本発明の実施の形態１にかかるＭＥＭＳセンサの島部の他の配置を示す平面図である。 図１１Ａは、本発明の実施の形態２にかかるＭＥＭＳセンサの動作原理の説明する断面図である。 図１１Ｂは、本発明の実施の形態２にかかるＭＥＭＳセンサの動作原理の説明する断面図である。 図１１Ｃは、本発明の実施の形態２にかかるＭＥＭＳセンサの動作原理の説明する断面図である。 図１２Ａは、本発明の実施の形態２にかかるＭＥＭＳセンサの製造工程の断面図である。 図１２Ｂは、本発明の実施の形態２にかかるＭＥＭＳセンサの製造工程の断面図である。 図１２Ｃは、本発明の実施の形態２にかかるＭＥＭＳセンサの製造工程の断面図である。 図１２Ｄは、本発明の実施の形態２にかかるＭＥＭＳセンサの製造工程の断面図である。 図１２Ｅは、本発明の実施の形態２にかかるＭＥＭＳセンサの製造工程の断面図である。

＜実施の形態１＞
図１は、全体が１００で表される、本発明の実施の形態１にかかる圧力測定用のＭＥＭＳセンサの平面図である。ＭＥＭＳセンサ１００は、シリコン基板１０（図３参照）を含む。シリコン基板１０の厚さは、例えば１００μｍ～８００μｍである。シリコン基板１０には、キャビティ２０が設けられ、その上を覆うようにメンブレン５０が設けられている。メンブレン５０には例えばシリコンが用いられ、厚さは、測定する圧力等にも依存するが、例えば３μｍ～３０μｍである。キャビティ２０の内部は、例えば真空に保持される。キャビティ２０の深さは、例えば５μｍ～２０μｍである。

キャビティ２０の周辺の、メンブレン５０には、歪ゲージとしてゲージ抵抗６０が設けられている。ゲージ抵抗６０は、例えばキャビティ２０の４辺に設けられる。ゲージ抵抗６０は、例えばメンブレン５０中に設けられたイオン注入層からなり、圧縮応力や引張り応力がかかることにより長さや断面積が変化し、それに応じて抵抗値が変化する。

ゲージ抵抗６０は配線層７０によりパッド８０（８１～８４）に接続されている。配線層７０およびパッド８０は、例えばアルミニウムから形成される。４つのゲージ抵抗６０は、ブリッジ回路の各辺に配置されるように、配線層７０で接続されている。ブリッジ回路に対して、例えばパッド８１、８３の間にブリッジ電圧を印加すると、パッド８２、８４から出力電圧が得られる。

図２はメンブレン５０を除去した場合のキャビティ２０の平面図であり、図３は、図１をＡ－Ａ方向に見た場合の断面図である。図２、３に示すように、キャビティ２０の中央には、キャビティ２０の底面から台形状に突出した島部３０が設けられている。島部３０の高さは、キャビティ２０の深さより小さくなるように設計されている。

図２では、平面視でキャビティ２０および島部３０の隅は、曲率を有する曲面であるが、直角であってもよい。また、図４の断面図示すように、島部３０の上面の縁は、曲率を有する丸まった面（Ｒ面）となるように面取りしても良い。

図５Ａ～５Ｃは、本発明の実施の形態１にかかるＭＥＭＳセンサ１００の動作原理を説明する断面図である。図５Ａは、キャビティ２０内の圧力と外部の圧力とが等しい標準状態を示す。標準状態では、メンブレン５０は湾曲せず、メンブレン５０の上に設けられたゲージ抵抗（図示せず）の抵抗値も変化しない。メンブレン５０と島部３０との距離はＨとなっている。

図５Ｂは、外部の圧力が大きくなった測定状態を示す。キャビティ２０内の圧力と外部の圧力との差によってメンブレン５０はキャビティ２０側に湾曲する。ＭＥＭＳセンサ１００の仕様、即ち測定可能範囲は、メンブレン５０が湾曲しても破壊しない、即ちメンブレン５０が可逆的に変形する範囲で設定される。測定可能範囲内であれば、外部の圧力が小さくなると、メンブレン５０の湾曲も小さくなる。

図５Ｂに示すように、ＭＥＭＳセンサ１００の仕様、即ち測定可能範囲内で測定を行っている限り、メンブレン５０は島部３０に接触しない。

図５Ｃは、例えばユーザ側のＭＥＭＳセンサ実装工程において、メンブレン５０に測定可能範囲を超えた大きな圧力がかかった状態を示す。メンブレン５０はキャビティ２０側に湾曲して島部３０に接触し、それ以上湾曲しなくなる。即ち、島部３０がメンブレン５０の過剰な湾曲に対するストッパとして機能し、メンブレン５０の破壊を防止する。

このように、メンブレン５０と島部３０との距離Ｈは、ＭＥＭＳセンサ１００の測定可能範囲でのメンブレン５０のＺ軸方向の移動距離より大きく、メンブレン５０の破壊が始まる時のＺ軸方向の移動距離より小さい値となる。なお、メンブレン５０の撓みやすさ、即ちメンブレン５０が破壊されることなくＺ軸方向に移動できる距離は、メンブレン５０の膜厚、キャビティ２０のＸＹ平面のサイズ（開口面積）に依存し、一般にメンブレン５０の膜厚が薄く、キャビティ２０のＸＹ平面のサイズが大きいほど湾曲しやすくなる。

図６は、ＭＥＭＳセンサ１００のキャビティ２０の寸法を表す断面図であり、キャビティの容積はＶ１、島部３０の無い部分でのキャビティの深さはＤ１となっている。一方、図７は、ＭＥＭＳセンサ１００と同様の測定可能範囲で使用する、島部の無い従来のＭＥＭＳセンサ１５０の寸法を表す断面図であり、キャビティの容積はＶ０、キャビティの深さはＤ０となっている。

従来のＭＥＭＳセンサ１５０では、キャビティ２０の容積Ｖ０は、ＭＥＭＳセンサ１５０の製造工程（後述の製造工程５）で、キャビティ内で発生するガスの量やキャビティ内への外部からのリークの量に対して、キャビティの容量Ｖ０を十分大きくすることで、これらの影響を受けないようにしていた。

これに対して、本発明の実施の形態１にかかるＭＥＭＳセンサ１００では、キャビティ２０中に島部３０を設けるため、キャビティ２０の深さを従来構造と同様のＤ０とした場合、キャビティ２０の容量は従来構造の容量Ｖ０より小さくなり、発生するガス等のキャビティ２０の容積に対する割合が大きくなり、ＭＥＭＳセンサの特性に影響する。

そこで、ＭＥＭＳセンサ１００では、キャビティの深さＤ１を従来のＤ０より深くし、容量Ｖ１が、Ｖ０とほぼ等しくなるようにしている。これにより、発生するガス等の影響を受けず、特性の安定したＭＥＭＳセンサ１００を得ることができる。

なお、島部３０は、上述のように、メンブレン５０の過剰な湾曲に対するストッパとして機能するような高さとなっている。例えば、メンブレン５０が湾曲しない標準状態において、メンブレン５０とキャビティ２０の底面との間の距離Ｄ１は、メンブレン５０と島部との間の距離Ｈの少なくとも５倍であることが好ましい。

図８、９、１０は、本発明の実施の形態１にかかるＭＥＭＳセンサ１００のキャビティ２０中の、島部３０の他の配置を示す平面図である。図８に示すように、キャビティ２０内に複数の島部３０を等間隔に設けてもよい。また、図９に示すように、複数の島部３０をキャビティ２０の側壁に沿って等間隔に設けてもよい。島部３０の数は、図８、９の数に限られない。さらに、図１０に示すように、キャビティ２０の側壁に沿って設けられた環状の島部３０としてもよい。

このように、キャビティ２０の容積に占める島部３０の体積を少なくすることにより、図６で説明したキャビティ２０の深さＤ１を小さくすることができる。なお、いずれの場合も、島部３０の高さは、メンブレン５０の過剰な湾曲に対するストッパとして機能するような高さであることはいうまでもない。また、図８～１０に示す島部３０の上面の縁を、図４に示すような曲率を有する丸まった面（Ｒ面）となるように面取りしても良い。

＜実施の形態２＞
図１１Ａ～１１Ｂは、本発明の実施の形態２にかかる、圧力測定用のＭＥＭＳセンサ２００の動作原理を説明する断面図である。図中、実施の形態１のＭＥＭＳセンサ１００と同一符号は、同一または相当箇所を示す。

本発明の実施の形態２にかかるＭＥＭＳセンサ２００では、低圧力用センサＩと高圧力用センサＩＩとが同一シリコン基板１０の上に形成されている。低圧力用センサＩと高圧力用センサＩＩでは、メンブレン５０の膜厚は同じで、キャビティのサイズ（ＸＹ平面の開口面積）が異なっている、即ち、低圧力用センサＩの方が高圧力用センサＩＩよりサイズが大きい。例えば、低圧力用センサＩの測定可能範囲は３００～１３００ヘクトパスカル（ｈＰａ）であり、高圧力用センサＩＩの測定可能範囲は５０００～２００００ヘクトパスカル（ｈＰａ）である。

図１１Ａは、キャビティ２０、２５内の圧力と外部の圧力とが等しい標準状態を示す。標準状態では、メンブレン５０は湾曲せず、メンブレン５０の上に設けられたゲージ抵抗（図示せず）の抵抗値も変化しない。

図１１Ｂは、低圧力用センサＩの測定可能範囲内で、外部の圧力が変化した場合を示す。キャビティ２０内の圧力と外部の圧力との差によってメンブレン５０はキャビティ２０側に湾曲し、これに伴ってゲージ抵抗（図示せず）の抵抗値が変化し、圧力を測定する。この場合、高圧力用センサＩＩのメンブレン５０の湾曲量は、低圧力用センサＩのメンブレン５０の湾曲量より小さい。図１１Ｂに示すように、低圧力用センサＩの測定可能範囲内では、低圧力用センサＩのメンブレン５０は島部３０に接触しない。

図１１Ｃは、高圧力用センサＩＩの測定可能範囲内で、外部の圧力が変化した場合を示す。低圧力用センサＩのメンブレン５０には測定可能範囲を超えた圧力がかかるため、メンブレン５０は湾曲して島部３０に接触する。これにより、低圧力用センサＩのメンブレン５０の破壊を防止しつつ、高圧力用センサＩＩで圧力測定が可能となる。

なお、ＭＥＭＳセンサ２００では、高圧力用センサＩＩのキャビティ２５には島部を設けていないが、設けても構わない。また、島部３０は、実施の形態１の図８～１０に示すような形状としてもよく、島部３０の上面の縁を、曲率を有する丸まった面（Ｒ面）となるように面取りしても良い。

また、中圧力用センサのような測定可能範囲の異なるセンサを同一基板上にさらに作製しても構わない。

このように、本発明の実施の形態２にかかるＭＥＭＳセンサ２００では、低圧力用センサＩと高圧力用センサＩＩとが同一基板１０の上に形成することで、１つのＭＥＭＳセンサ２００センサで複数の圧力範囲の測定が可能となる。

次に、図１２Ａ～１２Ｅを用いて、本発明の実施の形態２にかかるＭＥＭＳセンサ２００の製造方法について説明する。図１２Ａ～１２Ｅは、ＭＥＭＳセンサ２００の製造工程の断面図である。ＭＥＭＳセンサ２００の製造方法は以下の工程１～５を含む。

工程１：図１２Ａに示すように、シリコン基板１０を準備する。続いて、例えば熱酸化によりシリコン基板１０の表面にシリコン酸化膜２を形成する。

工程２：図１２Ｂに示すように、フォトリソグラフィ技術を用いて、シリコン酸化膜２の上にフォトレジストマスク４を形成する。続いて、フォトレジストマスク４をエッチングマスクに用いたドライエッチングでシリコン酸化膜２をパターニングする。エッチングガスには、例えば、ＣＦ_４、ＣＨＦ_３等が用いられる。

工程３：図１２Ｃに示すように、フォトレジストマスク４を、例えばドライアッシングを用いて除去した後、フォトリソグラフィ技術を用いて、フォトレジストマスク６を形成する。フォトレジストマスク６は、シリコン酸化膜２の上に加えて、シリコン基板１０の上にも部分的に形成される。続いて、フォトレジストマスク６をエッチングマスクに用いたドライエッチングでシリコン基板１０をパターニングする。エッチングには、例えばＳＦ_６ガスを用いたエッチングモードと、Ｃ_４Ｆ_８ガスを用いたパッシベーションモードとを交互に繰り返すＢＯＳＣＨ法が用いられる。

工程４：図１２Ｄに示すように、例えばドライアッツシングを用いてフォトレジストマスク６を除去する。この工程で、シリコン基板１０に、島部３０を有するキャビティ２０と、島部のないキャビティ２５が形成される。

工程５：図１２Ｅに示すように、シリコン基板１０の上に、キャビティ２０、２５を覆うように他のシリコン基板を重ねる。この工程は真空中で行なわれる。真空中から大気に出す工程でシリコンウエハ外周部からキャビティ内部に空気等が侵入する場合がある。続いて、大気中で、例えば１１００℃に加熱してシリコン基板１０と他のシリコン基板とを接合を強固にする。この工程５において、シリコン基板と他のシリコン基板の接合面でガスが発生することや、外部からキャビティ内に少量のリークが発生することもある。

続いて、他のシリコン基板をＣＭＰで薄膜化してメンブレン５０を形成する。最後に、メンブレン５０の上に、イオン注入法を用いてゲージ抵抗６０を形成し、さらに蒸着法を用いて配線層７０およびパッド８０を形成する。

以上の工程１～５でＭＥＭＳセンサ２００が完成する。なお、ＭＥＭＳセンサ２００の低圧力用センサＩの製造工程は、実施の形態１のＭＥＭＳセンサ１００の製造工程と同様である。

なお、実施の形態１、２では圧力測定用のＭＥＭＳセンサを例に説明したが、本開示は湿度センサ等のＭＥＭＳセンサにも適用可能である。

＜付記＞
本開示は、
基板に設けられたキャビティと、
基板を覆ってキャビティを封止するメンブレンと、
メンブレンに設けられた歪ゲージと、
を含み、
所定範囲内のメンブレンの湾曲を歪ゲージで検出するＭＥＭＳセンサであって、
キャビティは、底面から突出した島部を有し、
メンブレンが可逆的に湾曲する範囲で、かつ所定範囲を超えて湾曲した場合に、メンブレンが島部に接触するＭＥＭＳセンサである。かかる構成により、特性への影響を抑えつつメンブレンの破壊を防止することができる。

本開示は、メンブレンが湾曲しない標準状態において、メンブレンとキャビティの底面との間の距離は、メンブレンと島部との間の距離の少なくとも５倍であるＭＥＭＳセンサでも良い。かかる構成により、発生するガス等の影響を受けず、特性の安定したＭＥＭＳセンサを得ることができる。

本開示は、複数の島部を備えたＭＥＭＳセンサでも良い。かかる構成によりメンブレンの破壊を効果的に防止できる。

島部は、キャビティの側壁に沿って形成された環状の島部であるＭＥＭＳセンサでも良い。かかる構成により、メンブレンの破壊を効果的に防止できる。

本開示は、基板に設けられた第１のキャビティおよび第１のキャビティより小さな開口面積を有する第２のキャビティと、
基板を覆って第１のキャビティおよび第２のキャビティをそれぞれ封止する第１のメンブレンおよび第２のメンブレンと、
第１のメンブレンおよび第２のメンブレンにそれぞれ設けられた第１の歪ゲージおよび第２の歪みゲージと、
を含み、
所定範囲内の第１のメンブレンの湾曲を第１の歪ゲージで検出するＭＥＭＳセンサであって、
第１のキャビティは、底面から突出した島部を有し、
第１のメンブレンが可逆的に湾曲する範囲内で、かつ所定範囲を超えて湾曲した場合に、第１のメンブレンが島部に接触するＭＥＭＳセンサである。かかる構成により、特性への影響を抑えつつメンブレンの破壊を防止することができる。

本開示は、第１のメンブレンが湾曲しない標準状態において、第１のメンブレンと第１のキャビティの底面との間の距離は、第１のメンブレンと島部との間の距離の少なくとも５倍であるＭＥＭＳセンサでも良い。かかる構成により、発生するガス等の影響を受けず、特性の安定したＭＥＭＳセンサを得ることができる。

本開示は、所定の範囲内とは異なる範囲内における第２のメンブレンの湾曲を、第２の歪ゲージで検出するＭＥＭＳセンサでも良い。かかる構成により、１つのＭＥＭＳセンサで複数の測定範囲の検出が可能となる。

本発明にかかるキャビティ構造を備えたＭＥＭＳセンサは、圧力センサ、湿度センサ等に適用可能である。

２ シリコン酸化膜
４、６ フォトレジストマスク
１０ シリコン基板
２０、２５ キャビティ
３０ 島部
５０ メンブレン
６０ ゲージ抵抗
７０ 配線層
８０ パッド
１００、２００ ＭＥＭＳセンサ

Claims (7)

1. 基板に設けられたキャビティと、
   前記基板を覆って前記キャビティを封止するメンブレンと、
   前記メンブレンに設けられた歪ゲージと、
   を含み、
   所定範囲内の前記メンブレンの湾曲を前記歪ゲージで検出するＭＥＭＳセンサであって、
   前記キャビティは、底面から突出した島部を有し、
   前記メンブレンが可逆的に湾曲する範囲で、かつ前記所定範囲を超えて湾曲した場合に、前記メンブレンが前記島部に接触するＭＥＭＳセンサ。
2. 前記メンブレンが湾曲しない標準状態において、前記メンブレンと前記キャビティの底面との間の距離は、前記メンブレンと前記島部との間の距離の少なくとも５倍である請求項１に記載のＭＥＭＳセンサ。
3. 複数の前記島部を備えた請求項１に記載のＭＥＭＳセンサ。
4. 前記島部は、前記キャビティの側壁に沿って形成された環状の島部である請求項１に記載のＭＥＭＳセンサ。
5. 基板に設けられた第１のキャビティおよび前記第１のキャビティより小さな開口面積を有する前記第２のキャビティと、
   前記基板を覆って前記第１のキャビティおよび前記第２のキャビティをそれぞれ封止する第１のメンブレンおよび第２のメンブレンと、
   前記第１のメンブレンおよび前記第２のメンブレンにそれぞれ設けられた第１の歪ゲージおよび第２の歪みゲージと、
   を含み、
   所定範囲内の前記第１のメンブレンの湾曲を前記第１の歪ゲージで検出するＭＥＭＳセンサであって、
   前記第１のキャビティは、底面から突出した島部を有し、
   前記第１のメンブレンが可逆的に湾曲する範囲内で、かつ前記所定範囲を超えて湾曲した場合に、前記第１のメンブレンが前記島部に接触するＭＥＭＳセンサ。
6. 前記第１のメンブレンが湾曲しない標準状態において、前記第１のメンブレンと前記第１のキャビティの底面との間の距離は、前記第１のメンブレンと前記島部との間の距離の少なくとも５倍である請求項５に記載のＭＥＭＳセンサ。
7. 前記所定の範囲内とは異なる範囲内における前記第２のメンブレンの湾曲を、前記第２の歪ゲージで検出する請求項５に記載のＭＥＭＳセンサ。

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