JP5426437B2 - 圧力センサおよび圧力センサの製造方法 - Google Patents
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Description
このような圧力センサは、たとえば、シリコンウエハを部分的に薄く加工して形成されたダイヤフラムを受圧部として備え、ダイヤフラムが外部から圧力を受けて変形するときに発生する応力・変位を検出する。そのような圧力センサには、ダイヤフラムが受ける圧力を基準圧力に対する相対的な大きさとして検出するために、基準圧力を発生させるための空洞が設けられている。
さらに、空洞の形成にあたっては、シリコン基板をエッチングしてダイヤフラムを形成した後、このダイヤフラム上の凹空間を密閉して空洞を形成するために、ガラス基板をシリコン基板に対して精密に位置合わせして陽極接合する必要がある。そのため、センサの製造工程が煩雑になる。
また、本発明の別の目的は、基準圧室としての空洞が基板の内部に設けられた、低コストかつ小型な圧力センサを簡単に製造することができる圧力センサの製造方法を提供することである。
また、基板におけるその表面と基準圧室との間の部分(受圧部)が受ける圧力を、基板内に形成された歪みゲージにおいて検出するようにしている。したがって、センサを小型にすることができる。
また、基板がシリコンからなる場合、歪みゲージは、基板の表層部に不純物を選択的に添加することにより形成されたピエゾ抵抗を含むことが好ましい。これにより、歪みゲージ(ピエゾ抵抗)を、基板の表面よりも外側に張り出させることなく、基板内部に不純物が拡散した拡散抵抗として形成することができる。その結果、圧力センサの構造を簡素にすることができ、より小型化することができる。
また、前記閉塞体は、アルミニウムからなることが好ましい。アルミニウムは、特に高価な材料ではなく、また、スパッタ法やCVD法などの単純な手法によって基板に簡単に被着させることができる。したがって、閉塞体がアルミニウムであれば、圧力センサの材料コストの上昇を抑制でき、さらに、製造工程を単純化して製造効率を向上させることができる。
また、前記貫通孔の側面と前記閉塞体との間には、保護膜が介在されていてもよく、その保護膜は、酸化シリコンからなっていてもよい。
また、本発明の圧力センサの製造方法は、シリコンからなる基板の表層部に不純物を選択的に添加することにより、ピエゾ抵抗を形成する工程と、前記ピエゾ抵抗が形成された領域を含む所定の領域に、前記基板の表面から厚さ方向の途中部まで掘り下げた複数の凹部を形成する工程と、前記複数の凹部のそれぞれの内面に酸化シリコンからなる保護膜を形成する工程と、前記複数の凹部のそれぞれの底面上から前記保護膜を選択的に除去する工程と、異方性エッチングにより前記複数の凹部のそれぞれを掘り下げた後、等方性エッチングにより前記複数の凹部の下方部を互いに連続させて基準圧室を形成する工程と、前記複数の凹部において前記基板の表面と前記基準圧室との間に閉塞体を埋め込み、前記基準圧室を密閉する工程とを含む。
前記閉塞体の埋め込みは、真空中で行われることが好ましい。閉塞体の埋め込みが真空中で行われれば、閉塞体の形成時におけるシリコンの酸化を防止することができる。
図1は、本発明の一実施形態に係る圧力センサの概略平面図である。図2は、図1に示す圧力センサの拡大平面図である。図3は、図2に示す圧力センサの要部断面図であって、図2の切断線III−IIIでの断面図である。図4は、金属配線およびピエゾ抵抗により構成されるブリッジ回路の回路図である。
個々の圧力センサ1は、P型シリコン基板2を含んでいる。シリコン基板2の表面21は、酸化シリコン(SiO2)からなる表面絶縁膜3で被覆されている。一方、シリコン基板2の裏面22は、露出面である。
ピエゾ抵抗R1〜R4は、シリコン基板2にN型不純物を導入することにより形成された拡散抵抗であり、シリコン基板2の表層部において、平面視でダイヤフラム5の内外に跨るように形成されている。ピエゾ抵抗R1〜R4は、この実施形態では、平面視長方形状に形成されており、ダイヤフラム5の各辺の中央位置に1つずつ合計4つ設けられている。
金属端子11〜14および金属配線15〜18は、窒化シリコン(SiN)からなるパッシベーション膜19により被覆されている。パッシベーション膜19には、金属端子をそれぞれパッドとして露出させる開口23〜26(図3では、負側電圧出力端子12を露出させる開口24)が形成されている。
圧力センサ1を製造するには、たとえば、まず、図5Aに示すように、シリコン基板2(ウエハ)が準備される。次いで、図5Bに示すように、シリコン基板2の表層部に、所定パターンのマスク(図示せず)を介して、N型不純物(たとえば、P(リン))がインプランテーション(注入)される。続いて、ドライブイン拡散処理が行われる。このドライブイン拡散処理により、シリコン基板2に注入されたN型不純物のイオンが拡散して、シリコン基板2にピエゾ抵抗R1〜R4が形成される(図5B〜図5Uでは、ピエゾ抵抗R2のみ表している。)。
次いで、図5Dに示すように、フォトリソグラフィにより、表面絶縁膜3上に、レジストパターン27が形成される。レジストパターン27は、複数の貫通孔6に対応した複数の開口を有している。この開口が形成される領域は、ピエゾ抵抗R1〜R4の各形成領域と部分的に重なり合っている。
次いで、図5Fに示すように、レジストパターン27をマスクとする異方性のディープRIE(Reactive Ion Etching:反応性イオンエッチング)により、具体的にはボッシュプロセスにより、シリコン基板2が掘り下げられる。これにより、シリコン基板2に平面視正方行列状に多数配列された円柱凹部28が形成される。ボッシュプロセスでは、SF6(六フッ化硫黄)を使用してシリコン基板2をエッチングする工程と、C4F8(パーフルオロシクロブタン)を使用してエッチング面に保護膜を形成する工程とが交互に繰り返される。これにより、高いアスペクト比でシリコン基板2をエッチングすることができるが、エッチング面(円柱凹部28の内周面)にスキャロップと呼ばれる波状の凹凸が形成される。円柱凹部28の形成後、図5Gに示すように、レジストパターン27が剥離される。
次いで、図5Iに示すように、エッチバックにより、保護薄膜7における円柱凹部28の底面上の部分が除去される。これにより、円柱凹部28の底面が露出した状態となる。
次いで、図5Nに示すように、表面絶縁膜3上のアルミニウム被着膜30の全領域にフォトレジスト31が塗布される。
次いで、図5Pに示すように、フォトリソグラフィにより、表面絶縁膜3上に、レジストパターン32が形成される。
次いで、図5Rに示すように、スパッタ法により、表面絶縁膜3上に、アルミニウムが堆積される。このように表面絶縁膜3上に形成されたアルミニウム堆積膜33は、表面絶縁膜3を介してピエゾ抵抗R1〜R4に接続されることとなる。
次いで、図5Tに示すように、レジストパターン34をマスクとするプラズマエッチングにより、アルミニウム堆積膜33が選択的に除去される。これにより、金属端子11〜14および金属配線15〜18が同時に形成される。その後、レジストパターン34が剥離される。
そして、この方法により製造される圧力センサ1は、1枚のシリコン基板2の内部に基準圧室を有するため、別の基板(たとえば、ガラス基板)の使用に起因するコスト上昇を防止できる。加えて、基準圧室およびピエゾ抵抗R1〜R4が1枚のシリコン基板2に集約されるため、小型である。したがって、この実施形態では、低コストかつ小型な圧力センサ1を簡単に製造することができる。しかも、使用される基板がシリコン基板2といった安価な材料であるため、基板に要するコストを一層低減することができる。また、扁平空間4を密閉するためのアルミニウムも特に高価な材料ではないので、圧力センサ1の材料コストの上昇をさらに抑制できる。
また、アルミニウム被着膜30を熱膨張させるためのリフローが、真空中で行われるため、リフロー時におけるシリコンの酸化を防止することができる。つまり、扁平空間4を画成するシリコン基板2の内壁における酸化膜の形成を抑制することができる。そして、このようにして形成される基準圧室(扁平空間4)内が真空に保持されるため、外部環境の温度変化による扁平空間4内の圧力変化を防止することができる。その結果、圧力センサ1の圧力検出精度を向上させることができる。
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、前述の実施形態では、1枚のシリコン基板2(シリコンウエハ2)に圧力センサ1を作製する例をとりあげたが、圧力センサ1を作製するためのベースになる基板は、たとえば、SOI(Silicon On Insulator)基板などであってもよい。この場合、圧力センサ1は、SOI基板の活性層に形成することができる。
また、扁平空間4を密閉するために貫通孔6に充填される充填体は、アルミニウム充填体8に限らず、たとえば、タングステン(W)充填体、酸化シリコン(SiO2)充填体であってもよい。
また、前述の実施形態では、アルミニウム充填体8は、スパッタ法により、保護薄膜7の表面全域を覆うアルミニウム被着膜30を形成した後(図5L参照)、リフローにより、そのアルミニウム被着膜30を熱膨張させることにより形成したが(図5M参照)、たとえば、CVD法により、貫通孔6内にアルミニウムを充填することによって形成することもできる。その場合、CVD法による充填工程一工程によって扁平空間4を密閉できるので、圧力センサ1の製造工程をより簡単にでき、製造効率を向上することができる。
2 シリコン基板
4 扁平空間
5 ダイヤフラム
6 貫通孔
7 保護薄膜
8 アルミニウム充填体
21 (シリコン基板の)表面
28 円柱凹部
R1 ピエゾ抵抗
R2 ピエゾ抵抗
R3 ピエゾ抵抗
R4 ピエゾ抵抗
Claims (15)
- 内部に基準圧室が形成された基板と、
前記基板の表面と前記基準圧室との間を貫通するように前記基板に形成された貫通孔に埋め込まれ、前記基準圧室を密閉する閉塞体と、
前記基板の表面と前記基準圧室との間において前記基板内に設けられ、前記基板の歪み変形に応じて電気抵抗が変化する歪みゲージとを含む、圧力センサ。 - 前記基板は、シリコンからなる、請求項1に記載の圧力センサ。
- 前記歪みゲージは、前記基板の表層部に不純物を選択的に添加することにより形成されたピエゾ抵抗を含む、請求項2に記載の圧力センサ。
- 前記基準圧室内は、真空である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の圧力センサ。
- 前記閉塞体は、アルミニウムからなる、請求項1〜4のいずれか一項に記載の圧力センサ。
- 前記貫通孔が、0.2μm〜0.5μmの径を有する、請求項1〜5のいずれか一項に記載の圧力センサ。
- 前記貫通孔の側面と前記閉塞体との間には、保護膜が介在されている、請求項1〜6のいずれか一項に記載の圧力センサ。
- 前記保護膜が、酸化シリコンからなる、請求項7に記載の圧力センサ。
- 前記貫通孔が、複数形成されている、請求項1〜8のいずれか一項に記載の圧力センサ。
- 複数の前記貫通孔が、互いに同じ大きさの平面視円形に形成されており、平面視において均等に分布するように配列されている、請求項9に記載の圧力センサ。
- 平面視において、前記貫通孔が占める領域の総面積よりも前記基準圧室の面積の方が大きい、請求項1〜10のいずれか一項に記載の圧力センサ。
- シリコンからなる基板の表層部に不純物を選択的に添加することにより、ピエゾ抵抗を形成する工程と、
前記ピエゾ抵抗が形成された領域を含む所定の領域に、前記基板の表面から厚さ方向の途中部まで掘り下げた複数の凹部を形成する工程と、
前記複数の凹部のそれぞれの内面に酸化シリコンからなる保護膜を形成する工程と、
前記複数の凹部のそれぞれの底面上から前記保護膜を選択的に除去する工程と、
異方性エッチングにより前記複数の凹部のそれぞれを掘り下げた後、等方性エッチングにより前記複数の凹部の下方部を互いに連続させて基準圧室を形成する工程と、
前記複数の凹部において前記基板の表面と前記基準圧室との間に閉塞体を埋め込み、前記基準圧室を密閉する工程とを含む、圧力センサの製造方法。 - 前記閉塞体の埋め込みは、真空中で行われる、請求項12に記載の圧力センサの製造方法。
- 前記閉塞体は、スパッタ法により前記凹部の内面にアルミニウムを被着させた後、リフローを行うことにより形成される、請求項12または13に記載の圧力センサの製造方法。
- 前記閉塞体は、CVD法により前記凹部の内面にアルミニウムを充填することにより形成される、請求項12または13に記載の圧力センサの製造方法。
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