JP3945613B2

JP3945613B2 - 圧力センサの製造方法および圧力センサ

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Publication number: JP3945613B2
Application number: JP2000202754A
Authority: JP
Inventors: 利文田島; 信雄斎藤; 清武庄田; 敏行西口; 正英阿部; 正喜江刺
Original assignee: Japan Broadcasting Corp
Current assignee: Japan Broadcasting Corp
Priority date: 2000-07-04
Filing date: 2000-07-04
Publication date: 2007-07-18
Anticipated expiration: 2020-07-04
Also published as: JP2002027595A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、振動板を用いたコンデンサ型の圧力センサの製造方法および圧力センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロホン等に用いるマイクロマシン加工技術を用いて製作するコンデンサ型音響・圧力センサ装置はセンシング部分、初段増幅回路を一体製造できるため、品質安定性が高く、小型、軽量、量産に適している。
【０００３】
このコンデンサ型音響・圧力センサで重要なセンシング部分は、その周辺の支持部の絶縁物により電気的に分離され、且つ近接して配置された、薄く平坦な振動板と背面板で構成される対向電極である。このセンサでは、音波による音圧変化で生じる振動板の変位を対向電極間の容量変化として検出する。
【０００４】
従来のセンサ部分の製作手法は先ず、平坦な振動板となる側の基板と、同じく平坦な背面板となる側の基板の層間に絶縁層を形成し、次にこれを挟んで２つの基板を接着する。
【０００５】
この後に、各基板をエッチング法により薄くし、残った部分を振動板と背面板とする。さらにこの振動板および背面板の周囲に支持部を残して絶縁層を除去して空隙層を形成するというものである。
【０００６】
図２を参照して、従来の対向電極の製作手法を説明する。
【０００７】
先ず、極めて平坦な振動板となる基板２０２と同じく平坦な背面板となる基板２０１との間に絶縁層２０３，２０４を形成し（ａ）、
次にこれを挟んで平坦な基板同士を接着する（ｂ）。
【０００８】
この後に、接着した基板を、振動板側から（ｃ）、および適当なエッチングマスクを用いて背面板側から（ｄ）それぞれエッチングして極めて薄い振動板２０１Ａと背面板２０２Ａとを形成する。
【０００９】
さらにこの振動板２０１Ａおよび背面板２０２Ａの周囲に支持部２０３Ａを残して、絶縁層を除去して空隙層２０５を形成するというものであった（ｅ）。
【００１０】
ここで、絶縁層の厚さは、対向電極の間隔であり、センサの性能を決定する重要なパラメータである。
【００１１】
すなわち、
１）対向電極の間隔が小さいほどセンサの感度は高くなるが、ダイナミックレンジを大きくとるために振動板の振幅を大きくする必要がある。
２）さらにこのセンサは出力を検出するために対向電極間に５〜１０Ｖの電圧を加える。このため、音圧により振動板が振動して背面板に近接すると対向電極間の静電力が増加して両者が吸着してしまう。
【００１２】
これら１）および２）の兼ね合いから振動板、背面板ともにシリコンで形成する場合は、対向電極間（空隙層）の厚さは２〜５μｍにすることが公知である（参考文献１参照）。
【００１３】
また、上記のように対向電極形成で重要な接着基板の製作に、従来はシリコン基板に酸素をイオン注入して絶縁層を形成した基板を用いるか、もしくは、堆積技術、熱酸化技術等を用いて酸化珪素層を基板に形成し、これを介して基板を密着させ、高温度中（５００℃以上）で高電圧（数百Ｖ）を加えて２つの基板を接着する直接接合技術を用いていた。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のセンサ製作に用いられているイオン注入法で形成する絶縁層は、後に背面板になるシリコン層に酸素イオンを透過させて形成する。このとき酸素イオンが透過できる背面板になるシリコン層の厚さは最大１０μｍ程度である。しかるにセンサで必要とする背面板の厚さは、強度の点から１０μｍ以上であり、この背面板を透過した上に２〜５μｍの厚さの絶縁層を形成する必要があるが、これはイオン注入法では実現困難である。
【００１５】
また、直接接合の堆積法においては、品質の高い（欠陥が少ない）絶縁層を形成することが困難である。絶縁層に欠陥があると上記図２の（ｂ）の工程において、欠陥を通してリークする電流のために絶縁層に十分な電界が印加されない。このため基板の接着が達成されない。
【００１６】
熱酸化法によれば良質な絶縁層を得ることが可能である。
【００１７】
しかし熱酸化法では、
１）成膜速度が遅いために、基板の拡散条件から許される１１００度において２μｍの酸化膜を形成するのに８時間必要とするので、センサの高性能化に必要な厚い絶縁層を短時間で形成することは不可能である。
２）さらに、基板に反りが生じないように接着面の平坦性と清浄度をを極めて高くする必要がある。
【００１８】
上記２）の管理が不十分である場合には、これらが接着を阻害するために、ごく一部でのみ接着する不完全な接着が行われることになる。
【００１９】
したがって、従来の直接接合法では、高度な工程管理が必要であり、厳しい制約のなかで歩留まりよく接着を達成するのは至難の技であった。また直接接合は、接着時の基板密着部は点接触であり基本的に全面接合は困難である。
【００２０】
そこで本発明の目的は、以上のような問題を解消した圧力センサの製造方法および圧力センサを提供することにある。
【００２１】
また、本発明の他の目的は、対向電極の周囲に生じる寄生容量を低減することによって、感度低下を回避した圧力センサを提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明では、粉体酸化珪素を主成分とし硼素またはリンを高濃度に含む接着層を用いる。振動板となる側の基板または背面板となる側の基板の接着面にこの接着層を堆積し、２枚の基板を合わせて熱処理することにより、基板を面内一様に容易に接着させ、しかも所望の厚さの基板間絶縁層形成を同時に実現する。この手法では、堆積する接着層が粉体であるため、
▲１▼酸化物の充填が完全であるため酸化膜に欠陥を生じることがなく、
▲２▼接着面の平坦性、清浄度の高度な工程管理を必要とせずに接着させることが可能であり、
▲３▼基板の厚さ、絶縁層の厚さ等の設計自由度が直接接合に比べはるかに大きくできるという利点を持つ。
また粉体酸化珪素に硼素またはリンを高濃度に含ませることで接着時の絶縁層の流動性が増すため、
▲４▼基板接着の一様性が向上する。
また、従来構造の対向した電極の支持部の層間絶縁膜に生じる寄生容量を低減し感度の向上を図る課題を解決するために、本発明では、対向した電極の振動板または背面電極または双方の支持部に段差を持つ構造とし、これを接着して対向電極を作製した。これにより、支持部のみの絶縁層が厚くなり、寄生容量が低減できる。さらに、この段差を有する構造体を容易に実現し、さらに設計自由度を増すために振動板と背面電極の接合に粉体酸化珪素を主成分とし醐素またはリンを高濃度に含む接着層を用いれば、対向した電極の空間層と支持部を一体化して形成できる。
【００２３】
請求項１の発明は、所定間隔で対向する振動板および背面板から成る対向電極を形成する際に、前記振動板および前記背面板のいずれか一方の全面に、硼素またはリンを高濃度に含む粉体酸化珪素を堆積して接着層を形成し、前記接着層を形成した前記振動板および前記背面板のいずれか一方と、前記振動板および前記背面板の他方とを、合わせて前記接着層を熱処理することによって面内一様に接着して前記振動板および前記背面板間に前記熱処理後の接着層からなる絶縁層を形成し、前記対向電極の周辺部の絶縁層を残して周辺部以外の絶縁層を取り去ることによって、前記振動板および前記背面板間に所定の間隙を形成する圧力センサの製造方法を特徴とする。
【００２４】
請求項２の発明は、請求項１に記載の製造方法で製造される圧力センサであって、前記対向電極の周辺支持部で前記振動板および前記背面板を所定の間隙で対向させる絶縁層は、硼素またはリンを高濃度に含む粉体酸化珪素が熱処理された酸化珪素層であることを特徴とする。
【００２５】
請求項３の発明は、前記周辺支持部を構成する前記振動板の支持部および前記背面板の支持部の少なくとも一方に段差を有する構造を持たせたことを特徴とする。
【００２６】
請求項４の発明は、前記振動板の支持部および前記背面板の支持部の少なくとも一方に溝を設けたことを特徴とする。
【００３０】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
この発明の第１の実施の形態について図を用いて説明する。
【００３１】
図１の（ａ）および（ｂ）はマイクロホン等に用いるマイクロマシン加工技術を用いて製作するコンデンサ型音響・圧力センサの構造の平面図および断面図である。
【００３２】
１０１は振動板であり、１０２がその支持基板である。１０３は背面板で、その支持部１０５を挟んで振動板１０１とともに対向電極を形成する。１０４は空隙層である。対向電極に生じる容量の変化は電極端子１０６，１０７で検出する。センシング部分（振動板１０１，背面板１０３，空隙層１０４）および電極端子１０６，１０７から取り出した圧力変化に応答した信号を増幅する初段増幅回路１３１を一体製造できるため、品質安定性が高く、小型、軽量であり、量産に適している。
【００３３】
次に、図３の（ａ）〜（ｄ）を用いてコンデンサ型音響・圧力センサの製作例を示す。
（ａ）：振動板となる側の基板１１０または背面板となる側の基板１０８にＣＶＤ技術等での粉体酸化珪素を主成分とし硼素またはリンを高濃度に含む接着層１０９を所望の厚さにに堆積する。
（ｂ）：堆積させた接着層１０９を介して振動板となる側の基板１１０と背面板となる側の基板１０８を合わせ、熱処理をおこない、基板の接着をおこなう。その後に背面板基板１０８を研磨して背面板の所望の厚さを得る。次にこの基板の両面に酸化膜を熱処理等で成長させる。
（ｃ）：振動板となる側の基板１１０と背面板となる側の基板１０８の両面に成長させた酸化膜をホトリソグラフィ技術で加工してエッチングマスク１１２を形成し、このエッチングマスク用いてアルカリエッチング液で処理して振動板１０１と背面板１０３を形成する。この背面板１０３は、振動板の振動によって空隙層に生じる空気の圧力を逃がす目的で、支持部を除き網目構造にしている。
（ｄ）：最後に背面板１０３をエッチングマスクにして、この背面板の網目構造から絶縁層１１１をフッ化水素酸でエッチングすることにより、絶縁層１１１の、振動板１０１および背面板１０３の周辺部の支持部１０５に相当する部分を残して空隙層１０４を得る。その後に背面板側から金属膜を蒸着して電極端子１０６，１０７を形成し、一体構造のセンサをを完成させる。
【００３４】
このような対向電極構造をＣＶＤ技術等で粉体酸化珪素を主成分とし硼素またはリンを高濃度に含む接着層を接着面に堆積し、後の熱処理で基板を接着する手法を用いることで、
１）基板の平坦性を厳密に管理しなくても面内一様の接着が短時間で行える。
２）さらに接着面の極端に高度な清浄度の管理も必要とせずに厚い基板間絶縁層の形成と基板の接着を同時、且つ容易に実現できる。これらにより音響・圧力センサに必要な対向電極を形成することができる。
３）さらにこの手法では基板の厚さ、不純物濃度分布、酸化珪素層厚さ等の設計自由度は従来の直接接合に比べはるかに大きくできる。
【００３５】
（第２の実施の形態）
平坦な基板同士を接着して作製したセンサは、振動板と背面板よりなる対向電極の周囲に形成した支持部に生じる寄生容量が、有効容量と同程度となってしまう。このため、音圧による容量変化を検出する際の、感度低下の原因となっていた。この寄生容量の低減法として、これまでは、支持部の面積を背面電極の面積に比べて小さくすることが行われてきた。しかし、この方法では構造強度が低下してしまうため、寄生容量の低減には限界があり、そのため感度の向上にも限界があった。
【００３６】
そこで、第２の実施の形態では、このような問題を解消した。
【００３７】
図４の（ａ）および（ｂ）は、振動板支持部に段差を持つコンデンサ型音響・圧力センサの構造の平面図および断面図である。１０１は振動板であり、１０２がその支持部で、基板１１０をエッチングして形成する。１０３は背面板で、その支持部１０５を挟んで振動板１０１とともに対向電極を形成する。１０４は空隙層である。対向電極の容量変化は電極端子１０６，１０７から検出する。
【００３８】
図５は、振動板支持部および背面板支持部にともに段差を持つコンデンサ型音響・圧力センサの構造説明の断面図である。
【００３９】
図６は本発明によるコンデンサ型音響・圧力センサの作製工程例である。
（ａ）先ず、振動板基板１１０の表面に成長させた酸化膜をホトリソグラフィ技術で加工して、エッチングマスクを形成し、エッチング処理して振動板領域が残るかたちの段差を作る（振動板領域は上に凸）。その上にＴＥＯＳＣＶＤ技術等で酸化珪素層１０９を形成し、振動板上に所望の厚さの酸化珪素層を残しＣＭＰ技術等で平坦化する。このような振動板基板１１０と背面板基板１０８を接着して対向した電極基板を形成する。
（ｂ）次に背面板基板１０８を研磨して所望の厚さの背面板を得る。
（ｃ）次に接合基板の両面に熱処理等で酸化膜を成長させ振動板基板１１０と背面板基板１０８の両面にホトリソグラフィ技術で酸化膜のエッチングマスクを形成し、これをアルカリエッチング液で処理して振動板１０１と背面板１０３を形成する。この背面板１０３は、振動板の振動によって空隙層に生じる空気の圧力を逃がす目的で、支持部を除き網目構造にしている。
（ｄ）最後に背面板１０３をエッチングマスクにしてこの背面板の網目構造から絶縁層１１１をフッ化水素酸でエッチングして空隙層１０４と、その周辺で背面板１０３を支持する、酸化珪素層１０９からなる支持部１０５を得る。その後に背面板側から金属膜（１０６，１０７）を蒸着し一体構造の対向電極を完成させる。
【００４０】
また、図６の（ａ）の工程における、酸化珪素層形成段階で、粉体酸化珪素を主成分とし硼素またはリンを高濃度に含む接着層を用いた基板接着技術を適用することで、振動板もしくは背面板の段差構造の設計白由度がはるかに向上し電極構造体を容易に形成できる。さらにまた、図７のように振動板基板１１０の支持部に溝を形成することで、酸化珪素層との接触面積が増し、基板接合の安定性が一層向上する。
【００４１】
本実施の形態のように、対向電極の支持部に段差のある構造を用いることで対向電極間隔よりも大きな間隔を持つ支持部を形成し、支持部の寄生容量の低減を実現しセンサ感度の向上に寄与する。
【００４２】
センサ寸法の一例を図４の（ｂ）および図５に示した（単位はμｍ）。センサの感度は振動板と背面板間の有効容量Ｃｄと支持部の寄生容量Ｃｓとの比Ｃｄ／Ｃｓに比例する。支持部の寄生容量は、段差のない構造では、電極間の有効容量とほぼ同等の値になっている。ここで背面電極支持部のスペーサ（図６の１０５）の比誘電率は空気に比べてはるかに大きく、一般的に使われている酸化珪素では４〜４.５である。
【００４３】
これに本発明を適用すれば容易にスペーサの厚さを１．５倍以上の値に採ることができ、寄生容量を２／３以下に低減できる。これにより、感度を３／２倍以上に向上させることができ、大きな改善効果が得られる。
【００４４】
（参考文献１）：Ａｓｉｌｉｃｏｎｃｏｎｄｅｎｓｅｒｍｉｃｒｏｐｈｏｎｅｕｓｉｎｇｂｏｎｄａｎｄｅｔｃｈ−ｂａｃｋｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｊ．Ｂｅｒｇｑｖｉｓｔ，ＳｅｎｓｏｒｓａｎｄＡｃｔｕａｔｏｒｓＡ４５（９４）１１５−１２４
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、簡単な工程で、迅速に且つ安定して圧力センサを製造することができる。また、本発明によれば、寄生容量を低減して感度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の第１の実施形態の平面図、（ｂ）は同断面図である。
【図２】従来のコンデンサ型音響・圧力センサの製作工程の例を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施形態の圧力センサの製作工程の例を示す図である。
【図４】（ａ）は本発明の第２の実施形態の平面図、（ｂ）は同断面図である。
【図５】本発明のさらに他の実施形態の断面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態の圧力センサの製作工程の例を示す図である。
【図７】支持部にＶ字状の溝を形成した構造の模式図である。
【符号の説明】
１０１振動板
１０２振動板支持部
１０３背面板
１０４空隙層
１０５支持部
１０６振動板電極
１０７背面板電極
１０８背面板基板
１０９接着層
１１０振動板基板
１１１犠牲層

Claims

所定間隔で対向する振動板および背面板から成る対向電極を形成する際に、前記振動板および前記背面板のいずれか一方の全面に、硼素またはリンを高濃度に含む粉体酸化珪素を堆積して接着層を形成し、前記接着層を形成した前記振動板および前記背面板のいずれか一方と、前記振動板および前記背面板の他方とを、合わせて前記接着層を熱処理することによって面内一様に接着して前記振動板および前記背面板間に前記熱処理後の接着層からなる絶縁層を形成し、前記対向電極の周辺部の絶縁層を残して周辺部以外の絶縁層を取り去ることによって、前記振動板および前記背面板間に所定の間隙を形成することを特徴とする圧力センサの製造方法。
請求項１に記載の製造方法で製造される圧力センサであって、
前記対向電極の周辺支持部で前記振動板および前記背面板を所定の間隙で対向させる絶縁層は、硼素またはリンを高濃度に含む粉体酸化珪素が熱処理された酸化珪素層である圧力センサ。
前記周辺支持部を構成する前記振動板の支持部および前記背面板の支持部の少なくとも一方に段差を有する構造を持たせた請求項２に記載の圧力センサ。
前記振動板の支持部および前記背面板の支持部の少なくとも一方に溝を設けた請求項３に記載の圧力センサ。