JP3932315B2

JP3932315B2 - 歪センサ素子及び多結晶性ダイヤモンド歪ゲージの形成方法

Info

Publication number: JP3932315B2
Application number: JP2004016746A
Authority: JP
Inventors: 隆博筒本; 晃山本
Original assignee: Hiroshima Prefecture
Current assignee: Hiroshima Prefecture
Priority date: 2004-01-26
Filing date: 2004-01-26
Publication date: 2007-06-20
Anticipated expiration: 2024-01-26
Also published as: JP2005207968A

Description

本発明は、マイクロ力学量が印加される構造部材と、該構造部材の所定位置（基板）に配置され、印加されたマイクロ力学量の作用を受ける多結晶性ダイヤモンド半導体薄膜を用いたピエゾ抵抗体（ダイヤモンド歪ゲージに同じ。）とを少なくとも備え、ピエゾ抵抗効果を利用してマイクロ力学量を検知する歪センサ素子及び多結晶性ダイヤモンド歪ゲージの形成方法に係り、詳しくは、ダイヤモンド気相合成法により成膜され、ダイヤモンド歪ゲージの膜表面近傍にボロンドーピングを局限した歪センサ素子及び多結晶性ダイヤモンド歪ゲージの形成方法に関する。以下、特にことわらない限り、本発明に関するダイヤモンド歪ゲージはボトムアップに設計された多結晶性薄膜である。

従来より、圧力センサ等の動作原理にピエゾ抵抗効果を利用した歪ゲージとして拡散型のシリコン半導体薄膜（拡散歪ゲージという。）が広く用いられている。この場合のゲージファクターは１００程度であり、使用温度範囲（温度補償範囲）は一般的に１５０℃程度までである。ここでは、ボトムアップに設計された既存の半導体製造技術により、単結晶シリコンの表面から不純物（例えば、ボロン。）を拡散浸透させてシリコン半導体（拡散歪ゲージ）を作製する。

これに対し、ボロンをドーピングしたダイヤモンドは、ｐ型半導体となり、高温度領域でも高感度でピエゾ抵抗効果を示すことが知られており、第１に拡散歪ゲージの使用温度範囲の難点を解消することができる。

しかしながら、単結晶のダイヤモンドを用いた場合、ゲージファクターは約１０００であるが、作製が容易な多結晶のダイヤモンドを用いた場合は、ゲージファクターが５〜１０と大幅に低下するという問題がある。

そこで、多結晶性のダイヤモンド半導体（ダイヤモンド歪ゲージ）のゲージファクターを改善するためには、拡散歪ゲージと同様に、不純物が表面近傍に分布した半導体構造とすることが考慮されるが、ダイヤモンドの多結晶体では、拡散型として作製することは困難である。

こうしたなかで、多結晶性ダイヤモンド歪ゲージを用いて、高いゲージファクターを有し、かつ、高温領域における動作を可能とするセンサ素子の提案（例えば、特許文献１を参照。）があった。
特開平８−２６１８５３号公報

実施例記載によると、マイクロ波プラズマＣＶＤ法により研磨基板上に多結晶のダイヤモンド薄膜（粒径２〜５μｍ；膜厚１〜２μｍ）を作製し、ゲージファクターが７００〜１０００の値を得るとしているが、析出成長方向に結晶の配向が比較的揃った多結晶体を作製するという点で装置規模も大きくなり、高コストである。

なお、本発明の周辺技術として、ダイヤモンド歪ゲージを用いて高温領域における動作を保障するためには、実装上の問題として他の接合金属との熱膨張率の差異を吸収する、すなわち雰囲気温度に影響されない接合構造が求められる。これに関しては積層金属の熱膨張率をダイヤモンド半導体側から順次大きくしてゆくとした実装技術の提案（例えば、特許文献２を参照。）があった。
特公平５−８５８５６号公報

技術解決課題は、ダイヤモンド歪ゲージを小規模装置により、研磨処理工程を不要とする簡易な合成プロセスで安価に作製し、かつ、ゲージファクターを改善する点にある。この場合、ゲージファクターは、数十〜１００程度を確保できれば十分に実用性がある。もちろん、温度補償範囲も高温度領域に維持される。

具体的には、多結晶粒の表面近傍にボロンをドーピングして拡散歪ゲージと同様に不純物（ここでは、ボロン。）が分布した半導体構造を有するようにボトムアップに設計したダイヤモンド歪ゲージを作製することである。

本発明はこのような事情に鑑みなされたものであって、ダイヤモンド気相合成法により成膜され、ダイヤモンド歪ゲージの膜表面近傍にボロンドーピングを局限した歪センサ素子及び多結晶性ダイヤモンド歪ゲージの形成方法を提供するものである。

課題を解決するために本発明は、マイクロ力学量が印加される構造部材の基板に堆積した絶縁物上に、ダイヤモンド気相合成法により成膜され、ダイヤモンド歪ゲージの膜表面近傍にボロンドーピングを局限した歪センサ素子であって、
膜表面から膜厚方向にボロン濃度又はドーピング深さを制御することにより、平均結晶粒径の半分以下の表面深さにボロンドープ・ダイヤモンド層を部分形成してなることを特徴とするものである。

また、歪センサ素子における多結晶性ダイヤモンド歪ゲージの形成方法であって、
マイクロ力学量が印加される構造部材の基板に堆積した絶縁物上に、ダイヤモンド気相合成法により成膜され、膜表面から膜厚方向にボロン濃度又はドーピング深さを制御することにより、ボロンドープ・ダイヤモンド層を部分形成して、膜表面近傍にボロンドーピングを局限するようにしたダイヤモンド歪ゲージの形成方法であって、
熱フィラメントＣＶＤ装置内又はマイクロ波プラズマＣＶＤ装置内で原料ガスを導入して前記絶縁物上にアンドープ・ダイヤモンド層を一次形成し、所定時間経過後ボロン含有ガスを追加導入してボロンドープ・ダイヤモンド層を二次形成し、かつ、その層厚を平均結晶粒径の半分以下に制御することを特徴とするものである。

多結晶性ダイヤモンド層（薄膜）の表面近傍に限局的にボロンをドーピングすることにより、ピエゾ抵抗効果に及ぼす粒界の悪影響を低減させることができるとともに、拡散歪ゲージと実用上等価的な高抵抗率を有し、温度補償範囲についてはより向上した安定性の高い成膜（歪ゲージ）を実現できる。

本発明の実施するための最良の形態について添付図面を参照して以下説明する。符号の対照については各図を参照されたい。

歪センサ素子Ｙは、主体であるダイヤモンド歪ゲージＸ(10;20) を、マイクロ力学量が印加される構造部材40の基板４に堆積した絶縁物30上にダイヤモンド気相合成法により成膜する際に、膜表面から膜厚方向にボロン濃度又はドーピング深さを制御することにより、ボロンドープ・ダイヤモンド層20（Ｘ）を部分形成して、膜表面近傍にボロンドーピングを局限するようにしている。

また、歪センサ素子Ｙにおけるダイヤモンド歪ゲージＸの形成方法は、マイクロ力学量が印加される構造部材40の要素として所定位置に配置したシリコン基板４に絶縁物30（二酸化珪素又は絶縁性ダイヤモンド）を堆積し、熱フィラメントＣＶＤ装置Ｚ内で原料ガスを導入して絶縁物30上にアンドープ・ダイヤモンド層10（Ｘ）を一次形成し、所定時間経過後ボロン含有ガスを追加導入してボロンドープ・ダイヤモンド層20（Ｘ）を二次形成し、かつ、その層厚を平均結晶粒径の半分以下に制御するものである。なお、絶縁物30（ダイヤモンド場合）の堆積は、熱フィラメントＣＶＤ装置Ｚ内で行うことができる〔後述の図３の形成プロセスを参照〕。

図１に熱フィラメントＣＶＤ装置の構成説明図を示す。

図示するように、６は真空チャンバーであり、ロータリーポンプ等で真空排気されている。ＣＶＤを行う際には、電極２に交流又は直流電圧を加え、フィラメント１を通電加熱する。

フィラメント１において、ガス導入口Ａ７（又はガス導入口Ｂ８）から導入された原料ガスが分解され、基板ホルダ３の上に配置された基板４（の絶縁物30）上に膜を析出させる。

ここで、原料ガスは、水素とメタンの混合ガスであり、メタンガス濃度（ＣＨ₄／Ｈ₂）は３％で総流量３００SCCMとした。なお、フィラメント温度は２５００℃、基板温度は９００℃、チャンバー圧力（反応圧力）は３０Torrとした。

所定時間経過後（合成終了前１０分以降と５分以降）、ガス導入口Ｂ８からボロン含有ガスを追加導入して、合成処理を複合的に継続する。ボロン含有ガスは、ホウ酸をメタノールに溶解し、アセトンで希釈した溶液（ボロン濃度２９０ppm ）を、水素（キャリアガス）とともに流通（輸送）するものである。（具体的には、ホウ酸０．１ｇ、メタノール３０ｇ、アセトン９０ｇ、キャリア水素ガス５７SCCMとした。）したがって、この合成プロセスでは、導入ガス（原料ガスとボロン含有ガス）の総流量は３５７SCCMである。

そして、ボロン・ドーピング時間（１０分と５分）を含む合成時間６０分で、膜厚及び粒径をそれぞれ２μｍに成長させたダイヤモンド薄膜（アンドープ／ボロンドープ・ダイヤモンド層からなるダイヤモンド歪ゲージＸ）を得た。

上記処理操作により、表面近傍にボロンが導入されたダイヤモンド薄膜（Ｘ）が合成される。得られたダイヤモンド歪ゲージＸのゲージファクターはそれぞれ５０（１０分間）及び４３（５分間）に達し、膜の抵抗率はそれぞれ2.65Ωcm（１０分間）及び2.94Ωcm（５分間）であった。なお、膜の抵抗率はカーボン濃度により変動する。

図２にダイヤモンド歪ゲージＸ（歪センサ素子Ｙ）の形成プロセスの一例を示す。図中に、各プロセスの処理操作の内容を略記している。ここでは、絶縁物30に二酸化珪素を用いている。

図３にダイヤモンド歪ゲージＸ（歪センサ素子Ｙ）の形成プロセスの他例を示す。図中に、各プロセスの処理操作の内容を略記している。ここでは、絶縁物30にダイヤモンドを用いている。

表１に獲得材料の対比を示すように、従来手法により連続的にボロンを導入して合成したダイヤモンド歪ゲージ（試料番号３）では、ゲージファクターが１０であるのに対し、本発明手法によりダイヤモンド合成の最終段階でのみボロン含有ガスを導入して合成したダイヤモンド歪ゲージ（試料番号１、２）ではゲージファクターが４０〜５０に向上している。ここで、合成条件（アンドープ）欄の原料ガス（ＣＨ₄／Ｈ₂）３％は、合成条件（ボロンドープ）欄のＢ含有ガス１０分間（及び５分間）を含む全合成時間である。

本発明はダイヤモンド歪ゲージの用途を拡大する手法であり、圧力、加速度、振動その他のマイクロ力学量を検知する歪センサ素子として広く利用できる。しかも、熱フィラメントＣＶＤ（又はマイクロ波プラズマＣＶＤ）装置内で、かつ簡易なプロセスで所望の成膜が可能であり、製造コストを低減できるので、産業上の実用価値が高い。

熱フィラメントＣＶＤ装置の構成説明図である。ダイヤモンド歪ゲージ（歪センサ素子）の形成方法の一例を示すプロセスチャートである。ダイヤモンド歪ゲージ（歪センサ素子）の形成方法の他例を示すプロセスチャートである。

符号の説明

１フィラメント
２電極
３基板ホルダー
４基板
５交流電源
６真空チャンバー
７ガス導入口Ａ
８ガス導入口Ｂ
10 アンドープ・ダイヤモンド層
20 ボロンドープ・ダイヤモンド層
30 絶縁物
40 構造部材（基板及び電極を含む）
Ｘダイヤモンド歪ゲージ
Ｙ歪センサ素子
Ｚ熱フィラメントＣＶＤ装置

Claims

マイクロ力学量が印加される構造部材と、該構造部材の所定位置（基板）に配置され、印加されたマイクロ力学量の作用を受ける多結晶性ダイヤモンド半導体薄膜を用いたピエゾ抵抗体（ダイヤモンド歪ゲージに同じ。）とを少なくとも備え、ピエゾ抵抗効果を利用して前記マイクロ力学量を検知する歪センサ素子において、
前記構造部材の基板に堆積した絶縁物上に、ダイヤモンド気相合成法により成膜され、膜表面から膜厚方向にボロン濃度又はドーピング深さを制御することにより、結晶成長粒内にボロンドープ・ダイヤモンド層を部分形成したダイヤモンド歪ゲージを有する歪センサ素子であって、
前記ダイヤモンド歪ゲージが、熱フィラメントＣＶＤ装置内又はマイクロ波プラズマＣＶＤ装置内で原料ガスを導入して前記絶縁物上にアンドープ・ダイヤモンド層を一次形成した後、ボロン含有ガスを追加導入してボロンドープ・ダイヤモンド層を二次形成し、かつ、平均結晶粒径の半分以下の表面深さに層厚を制御してなるものであり、膜表面近傍にボロンドーピングを局限したことを特徴とする歪センサ素子。