JP4683618B2 - 隔膜型圧力センサ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は隔膜型圧力センサに係り、特に、環境温度変化の影響を受けにくい、高精度・高感度の測定が可能な隔膜型圧力センサに関する。

従来の隔膜型圧力センサとして、静電容量型圧力センサを例に挙げて説明する。
静電容量型圧力センサは、例えば図６の模式的断面図に示すように、容量電極１１が形成された第１のガラス基板１０と、ダイヤフラム２１が形成されたシリコン基板２０と、通気口３１が形成された第２のガラス基板３０とが、接合された構造を有し、ダイヤフラム２１の両側に圧力基準室１と圧力測定室２とが形成されている。圧力基準室１には、例えば非蒸発型ゲッタ３が配置され、内部を真空に保持している。

この圧力センサは、例えばアダプタ４上にＯ−リング５を介して取り付けられ、押さえ板６により固定される。アダプタは真空チャンバのゲージポートに取り付けられる。真空チャンバ内の圧力は、通気口３１を通してセンサの圧力測定室２に加わり、圧力測定室２と圧力基準室１との圧力差に応じて、ダイヤフラム２１が撓むことになる。従って、ダイヤフラム２１と容量電極１１間の静電容量を端子ピン１２，１３で測定することにより、ダイヤフラムの撓み量、即ち真空チャンバの圧力を測定することができる。

このような圧力センサの製造には、マイクロマシン技術が用いられる。また、第１及び第２のガラス基板とシリコン基板との接合には、通常、陽極接合法が用いられ、３００〜４５０℃に加熱した状態で、シリコン基板とガラス基板間に数１００Ｖ〜１ｋＶ程度の電圧を印加することにより、両基板を強固に接合することができる。しかし、このように高温で接合するとシリコン基板とガラス基板の熱膨張率特性の違いから室温に戻したときにダイヤフラムに歪みが発生し、測定値が不安定になったり、又はセンサ周辺の環境温度の変動により測定値が変化しやすくなる。そこで、ダイヤフラムの歪みを最小とすべく、ガラス基板としては熱膨張率特性がシリコンに近い材質のガラス（例えば、パイレックス（登録商標）ガラス）が一般に用いられている。
特開２００１−２５５２２５ 特開平６−６６６５８

近年、半導体デバイスや電子部品の高機能化及び高密度化に伴い、製造プロセスはより一層高度な制御が必要となり、圧力センサも種々のプロセス条件に対応できる高精度・高感度の圧力センサが要求されるようになってきた。
しかし、図６に示した構造の静電容量型圧力センサでは、これらの高度の要求には十分対応しきれなくなり、特に環境温度の変動に伴う測定誤差等が顕著な問題となってきた。さらに高感度センサの場合、感度を上げるために、ダイヤフラムを大きくしたり、又は薄くする必要があり、この結果環境温度の影響が一層大きくなり、測定精度がさらに低下してしまうという問題があった。

そのため温度補償用の参照電極を設ける構造としたり、さらには予め測定しておいた温度補正データに基づいて温度補正を行う補正回路を設ける等、種々の方策が提案されているが、より高精度の測定を行うには、センサ自体の温度特性を向上させる必要があった。

そこで、本発明者らは、温度特性の優れたセンサ構造を開発すべく、種々の材質、厚さのガラス基板を用い、様々な製造条件で圧力センサを試作し、上記問題を解消する検討を行った。この中で、例えば、熱膨張率の違いによる応力を低減するために、熱膨張率特性がパイレックスガラスよりもさらにシリコンに近いガラス（例えば、旭テクノグラス株式会社ＳＷ−Ｙ等）を用いてセンサを作製したが、予想に反し、圧力測定値の精度及び環境温度依存性は特に改善されることはなかった。即ち、ガラス基板として、単に接合温度での熱膨張率特性の近い材質のものを用いるだけでは、温度特性に優れたセンサを作製することは困難であることが分かった。

その一方、温度特性に及ぼす第１のガラス基板の板厚の影響を調べる過程で、第１のガラス基板に異なる材質のガラス基板を貼り付けたところ、その材質により温度に対する測定値の変化の程度が変ることを見出した。

本発明者は以上の知見を基にさらに検討を加え、温度特性に優れ、高精度の測定が可能な新たなセンサ構造を見出し、これにより本発明の完成に至ったものである。以上、静電容量型圧力センサの温度特性に関して説明してきたが、上述した問題やその他の事情は、ダイヤフラムを利用する全ての隔膜型圧力センサについても同様に起こることである。

本発明は、環境温度変化の影響が小さく、より高精度な圧力測定が可能な隔膜型圧力センサを提供することを目的とする。

本発明の隔膜型圧力センサは、第１の絶縁性基板、ダイヤフラムを備えた導電性基板及び通気口を備えた第２の絶縁性基板からなり、前記ダイヤフラムと前記第１の絶縁性基板及び前記通気口との間にそれぞれ圧力基準室及び圧力測定室を形成し、外部から前記通気口を通して前記圧力測定室に加わる圧力に応じて変位するダイヤフラムの変位量を計測して該圧力を求める隔膜型圧力センサにおいて
、前記第１の絶縁性基板及び第２の絶縁性基板の少なくとも一方の表面に、環境温度における熱膨張率が、貼り付けられる絶縁性基板の環境温度における熱膨張率よりも小さい板材を貼り付けたことを特徴とする。
さらに、前記板材は、前記絶縁性基板と環境温度付近の温度で貼り付けたことを特徴とする。
特に、前記導電性基板にはシリコンウエハ、前記第１及び第２の絶縁性基板には通常ガラス基板が用いられ、さらにガラスの材質としては熱膨張率がシリコンに近いものが好適に用いられる。
なお、本発明において、熱膨張率とは、０℃における基準値Ｌ_０と所定温度での熱膨張量ΔＬ（＝Ｌ−Ｌ_０）との比（ΔＬ／Ｌ_０）をいう。また、圧力センサの環境温度とは、圧力センサを使用する環境の温度であり、通常の半導体製造装置の場合２０〜５０℃程度であるが、本発明はこの温度範囲に限定されないことはいうまでもない。

以上のように第１又は第２の絶縁性基板に熱膨張率の小さな板材を貼り付けることにより、温度変動により生じるダイヤフラムの変位が抑えられ、より高精度の圧力測定が可能となる。なお、板材の環境温度における熱膨張率は負であっても良いが、その絶対値が第１又は第２の絶縁性基板よりも小さい値とするのが好ましい。

本発明において、前記低膨張板材の前記環境温度における熱膨張率は、前記第１又は第２の絶縁性基板の該熱膨張率に対し、１／５以下とするのが好ましく、１／１０以下がより好ましい。あるいは、前記第１及び第２の絶縁性基板並びに前記導電性基板の環境温度における熱膨張率が２０〜１００ｐｐｍであり、前記低膨張板材の該熱膨張率は４ｐｐｍ以下とするのが好ましい
以上の範囲とすることにより、ダイヤフラムに対する環境温度の影響はさらに抑えられ、環境温度が頻繁に変動する系であっても、より高精度な圧力測定が可能となる。

本発明は、マイクロマシン技術を用いて製造する全ての隔膜型圧力センサに適用され、特に第１の絶縁性基板に設けた容量電極とダイヤフラムとの間の静電容量によりダイヤフラムの変位量を求める構成の静電容量型圧力センサ、ダイヤフラムに設けたピエゾ抵抗素子の抵抗によりダイヤフラムの変位量を求める構成の半導体センサ、及びダイヤフラムの共振周波数を利用した振動型圧力センサに好適に適用される。

本発明により、すなわち低膨張率の板材を貼り付けた構造とすることにより、環境温度の影響を受けにくくなり、高精度の隔膜型圧力センサを実現することができる。しかも、従来のセンサに低膨張率の板材を貼り付けるだけで得られるため、生産性良く高精度の圧力センサを製造することが可能となる。

また、従来用いられてきた参照電極配置構造や温度補正回路を組み込むことにより、センサの温度特性をさらに改善できる。従って、温度の影響を受けやすい高感度圧力センサであっても高い精度で安定した測定を保証することが可能となり、高精度の圧力制御が要求されるプロセス条件に対応できる高感度・高精度の隔膜型圧力センサを提供することが可能となる。

以下に、静電容量型圧力センサを例にとり本発明を詳細に説明するが、本発明が静電容量型圧力センサに限定されないことは上述した通りである。
本発明の静電容量型圧力センサの一構成例を図１の模式的断面図に示す。図に示すように、静電容量型圧力センサは、容量電極１１が形成された第１の絶縁性基板１０と、ダイヤフラム２１が形成された導電性基板２０と、通気口３１が形成された第２の絶縁性基板３０と、からなる三層構造を有し、ダイヤフラム２１の両側に圧力基準室１と圧力測定室２とが形成されている。圧力基準室１には、例えば非蒸発型ゲッタ３が配置され、内部を真空に保持している。さらに、本発明では、第１のガラス基板の表面上に、第１のガラス基板より熱膨張率の小さい板材（低膨張板材）４０がで貼り付けられている。

ここで、導電性基板と第１及び第２の絶縁性基板とは熱膨張率が近い材質のものが用いられ、低膨張板材は、環境温度において第１の絶縁性基板より熱膨張率が小さな材質のものが選択される。例えば、導電性基板としてシリコンウエハを用いる場合、第１及び第２の絶縁性基板としては、熱膨張率特性がシリコンの値に近い材質のガラス基板その他の絶縁性基板が用いられ、例えば図２Ａ及び図２Ｂに示した特性を有するコーニング社製パイレックスガラス、旭テクノグラス株式会社製ＳＷ−Ｙガラス及びＳＷ−ＹＹガラスが好適に用いられる。また、この他にもＨＯＹＡ株式会社のＳＤ−１，ＳＤ−２ガラス等も用いることができる。なお、ＳＷ−Ｙ、ＳＷ−ＹＹガラスは、パイレックスガラスよりも接合温度及び環境温度での熱膨張率がシリコンにより近い材質のガラスであるが、圧力センサの温度特性としては大きな相違点は見られず、価格の観点からパイレックスガラスが好ましい。なお、第１の絶縁性基板と第２の絶縁性基板は同じ材質に限ることはない。

また、低膨張板材としては、環境温度（例えば２０〜５０℃）での熱膨張率特性がシリコンや第１の絶縁性基板に比べ１／５以下、さらには１／１０以下のものが好適に用いられる。ここで、第１及び第２の絶縁性基板としては環境温度での熱膨張率が２０〜１００ｐｐｍのものが好適に用いられる。以上の低膨張板材として、株式会社オハラのガラスセラミック基板であるクリアセラムＺ及びクリアセラムＺＨＳ、岡本硝子株式会社の低膨張結晶化ガラスＴＣＭ、コーニング社製ＵＬＥガラス、ショット社製ゼロデュアなどが挙げられる。これらの熱膨張率特性の一例を図３に示す。図が示すように、例えばクリアセラムＺの熱膨張率は４０℃でも４ｐｐｍ以下でありパイレックスガラスやシリコンの１／５以下であり、５０℃では１／１０以下である。

図１に示した圧力センサの場合、第１の絶縁性基板と低膨張板材との貼り合わせには、好適には接着剤が用いられる。接着剤は、塗布量を極力薄くするのが好ましい。また、接着は、実際に圧力センサを使用する環境温度付近で接着するのが望ましい。これにより、圧力センサの温度特性がさらに向上する。

なお、低膨張板材の形状としては、第１の絶縁性基板全面の大きさとするのが好ましい。従って、第１の絶縁性基板表面に端子ピンが突出している構造の場合は、端子ピンをよけるように穴を開けた板材を用いる。なお、板材に穴を開けずに、端子ピンをよける形状としてもよいが、この場合もできるだけ大きな面積とするのが好ましい。

図１に示した圧力センサは、シリコン基板を用いて例えば次のようにして作製する。容量電極１１を形成した第１のガラス基板１０と、圧力基準室用の凹部を形成したシリコン基板２０と、を重ね合わせ、真空中で、３００〜４５０℃程度に加熱した状態で、数１００Ｖ〜１ｋＶの電圧を印加して、両者を接合する。これにより圧力基準室１が形成される。続いて、シリコン基板の圧力基準室１と反対側からエッチングしてダイヤフラム２１を形成した後、通気口３１を形成した第２のガラス基板３０と重ね合わせ、同様に陽極接合法により接合する。最後に、端子ピン１２，１３を取り付ける。その後に、端子ピンに対応する位置に穴を開けておいた低膨張基板を接着剤で貼り付け、圧力センサを完成する。

なお、図１の例では、低膨張板材を第１の絶縁性基板上に貼り付けたが、第２の絶縁性基板上（下面）に貼り付けても良く、さらには、第１及び第２の絶縁性基板のいずれの面に貼り付けても良い。さらに、板材はガラス、セラミックスのような絶縁性基板に限ることはなく、金属（合金）や半導体であっても良い。

以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
本実施例では図１に示した構造を有する静電容量型圧力センサ（１３３Ｐａセンサ）を作製し、温度特性を従来の圧力センサと比較した。
本実施例では、第１及び第２のガラス基板には、それぞれ１１×１１×０．７ｍｍ及び２０×２０×２ｍｍのパイレックスガラスを用いた。シリコン基板の厚さは０．４ｍｍであり、第１のガラス基板と同じ大きさである。なお、ダイヤフラムは４．２ｍｍ角で厚さを７μｍとした。上述した方法により、まず従来構造の圧力センサを３つ作製した（試料１）。このうち、２つについては第１のガラス基板上にＳＹ−Ｗガラス（試料２）及びクリアセラムＺ（試料３）を貼り付けた。これらの板材は端子ピンをさけて貼り付けるためそれぞれ約８×８ｍｍ及び約７×７ｍｍの大きさとし、厚さはそれぞれ２ｍｍ及び１．５ｍｍとした。
なお、低膨張板材と第１のガラス基板との接着は、表面改質剤で表面処理した後に接着剤を用いて貼り付けた。表面改質剤及び接着剤には、東亜合成株式会社製ガラスプライマー及びアロンアルファ＃２０１を用いた。センサは接着後１日放置した。

作製したそれぞれの圧力センサを真空チャンバーに取り付け、所定の温度に加熱又は冷却しながら、真空チャンバーにセンサの測定範囲（０〜１３３Ｐａ）のＡｒガスを導入して容量電極とダイヤフラム間の静電容量Ｃを測定した。なお、圧力は、別途真空チャンバに取り付けたＭＫＳ社製温調型バラトロン真空計で測定した。測定結果を図４に示す。

図４Ａは低膨張板材のない従来のセンサ（試料１）、図４ＢはＳＹ−Ｗガラスを貼り付けたセンサ（試料２）、図４ＣはクリアセラムＺを貼り付けたセンサ（試料３）である。図において、相対静電容量（縦軸）は、をそれぞれの試料に対して３０℃における静電容量−圧力（０〜１３３Ｐａ）特性を基準にし、センサ温度を変化させたときの静電容量−圧力特性を相対的に示した値である。３０℃、圧力０Ｐａのときの相対静電容量を０ｐＦとして基準とした。
図４Ａが示すように、温度が上昇すると相対静電容量の測定値は変化し、０Ｐａでの値は増加するのに対し１３３Ｐａでは減少することが分かる。また、図４Ｂ及び図４Ｃから、相対静電容量の変化量は第１のガラス基板に低膨張板材を貼り付けると減少し、板材の熱膨張率が小さいほど変化量が抑えられることが分かる。即ち、試料１の場合、１３３Ｐａでの相対静電容量は３０℃の温度変動に対し２．２ｐＦ変化するのに対し、試料２では１．７ｐＦ、試料３では０．１４ｐＦしか変化しないことが分かる。

次に、図４の測定データから、１３３Ｐａスパン温度ドリフト及びゼロ圧力温度ドリフトの値を求め、これを表１にまとめた。スパン温度ドリフト及びゼロ圧力温度ドリフトは温度に対する測定誤差を示す目安であり、「％ＦＳ／℃」の単位で表される。ＦＳはフルスケールの意味であり、３０℃における１３３Ｐａスパンをいう。従って、１３３Ｐａスパン温度ドリフトとは、単位温度変化に対するスパンに対応する静電容量幅の変化をフルスケールに対して百分率で表した値である。また、ゼロ圧力温度ドリフトは、単位温度変化に対する０Ｐａでの静電容量の変化をフルスケールに対して百分率で表した値である。

表１から明らかなように、第１のガラス基板上に熱膨張率の小さな板材を貼り付けることにより、ゼロ点及び１３３Ｐａスパンのいずれの温度ドリフトも減少し、環境温度の変動に対して測定値の誤差が小さくなることが分かる。また、熱膨張率が４ｐｐｍ以下と極めて小さい板材を用いることにより、スパン温度ドリフトを大きく減少させることができる。
また、クリアセラムを２枚重ねて貼り付けた試料も同様にして作製し、温度特性を調べたところ、スパン温度ドリフトがさらに改善される傾向にあることが確認された。

実施例１と同様にして従来構造の圧力センサを２つ作製し（試料４）、その１つに低膨張板材としてクリアセラムＺ−ＨＳを貼り付けた（試料５）。これらを真空チャンバに取り付け同様にして静電容量の温度特性を測定した。試料５の測定結果を図５に示し、得られる温度ドリフトを表２に示した。

本実施例の試料５も、従来の試料４にくらべ、ゼロ圧力及び１３３Ｐａスパンの温度ドリフトのいずれも大きく減少した。

本実施例では、高感度の３３Ｐａセンサを作製した（試料６，７）。ダイヤフラムの大きさを６．６ｍｍ角とした以外は、実施例１と同様である。なお、低膨張板材としては、クリアセラムＺＨＳを用いた（試料７）。

表が示すように、低圧力域で、より高感度のセンサの場合も、低膨張板材を貼り付けることにより、温度ドリフトを大きく低減させることができた。

本発明の隔膜型圧力センサの一例を示す模式的断面図である。 ０〜５０℃におけるシリコン及び第１又は第２の絶縁性基板の熱膨張率特性を示すグラフである。 ３００〜４５０℃におけるシリコン及び第１又は第２の絶縁性基板の熱膨張率特性を示すグラフである。 低膨張板材の熱膨張率特性を示すグラフである。 試料１の１３３Ｐａセンサについて、種々の温度における静電容量と圧力との関係を表すグラフである。 試料２の１３３Ｐａセンサについて、種々の温度における静電容量と圧力との関係を表すグラフである。 試料３の１３３Ｐａセンサについて、種々の温度における静電容量と圧力との関係を表すグラフである。 試料５の１３３Ｐａセンサについて、種々の温度における静電容量と圧力との関係を表すグラフである。 従来の静電容量型圧力センサを示す模式的断面図である。

符号の説明

１ 基準圧力室、
２ 圧力測定室、
３ 非蒸発型ゲッタ、
４ アダプタ、
５ Ｏ−リング、
６ 押さえ板、
１０ 第１のガラス基板、
１１ 容量電極、
１２，１３ 端子ピン
２０ シリコン基板、
２１ ダイヤフラム、
３０ 第２のガラス基板、
３１ 通気口、
４０ 低膨張板材。

Claims (5)

1. 第１のガラス基板、ダイヤフラムを備えたシリコン基板及び通気口を備えた第２のガラス基板からなり、前記ダイヤフラムと前記第１のガラス基板及び前記通気口との間にそれぞれ圧力基準室及び圧力測定室を形成し、外部から前記通気口を通して前記圧力測定室に加わる圧力に応じて変位するダイヤフラムの変位量を計測して該圧力を求める隔膜型圧力センサにおいて、
   前記第１のガラス基板及び第２のガラス基板の少なくとも一方の表面に、環境温度における熱膨張率が、貼り付けられるガラス基板及びシリコン基板の環境温度における熱膨張率よりも小さい板材を接着剤で貼り付けたことを特徴とする隔膜型圧力センサ。
2. 前記板材は、前記ガラス基板と環境温度付近の温度で貼り付けたことを特徴とする請求項１に記載の隔膜型圧力センサ。
3. 前記板材の前記環境温度における熱膨張率は、前記第１又は第２のガラス基板の該熱膨張率に対し１／５以下としたことを特徴とする請求項１又は２に記載の隔膜型圧力センサ。
4. 前記第１及び第２のガラス基板並びに前記シリコン基板の前記環境温度における熱膨張率が２０〜１００ｐｐｍであり、前記板材の該熱膨張率は４ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の隔膜型圧力センサ。
5. 容量電極を備えた第１のガラス基板、ダイヤフラムを備えたシリコン基板及び通気口を備えた第２のガラス基板からなり、前記ダイヤフラムと前記第１のガラス基板及び前記通気口との間にそれぞれ圧力基準室及び圧力測定室を形成し、外部から前記通気口を通して前記圧力測定室に加わる圧力に応じて変位するダイヤフラムの変位量を計測して該圧力を求める隔膜型圧力センサの製造方法において、
   容量電極を形成した第１のガラス基板と圧力基準室用の凹部を形成したシリコン基板とを、前記凹部内に前記容量電極が収まるように重ね合わせて、陽極接合して、圧力基準室を形成する工程と、
   前記シリコン基板を前記圧力基準室とは反対側からエッチングしてダイヤフラムを形成する工程と、
   通気口を形成した第２のガラス基板と前記シリコン基板とを陽極接合して、圧力測定室を形成する工程と、
   前記第１又は第２のガラス基板の少なくとも一方の表面に、環境温度における熱膨張率が、貼り付けられるガラス基板及びシリコン基板の環境温度における熱膨張率よりも小さい板材を接着剤で貼り付ける工程と、
   を備えたことを特徴とする隔膜型圧力センサの製造方法。

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