JP5695741B2 - 静電容量型圧力センサ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、高さ方向に変位可能な感圧ダイヤフラムを備える静電容量型圧力センサ及びその製造方法に関する。

特許文献１には、シリコンをガラスに埋め込んだ基板と、シリコンダイヤフラムとを陽極接合した静電容量型圧力センサが開示されている。シリコンをガラスに埋め込んだ基板表面には、シリコンダイヤフラムと対向する位置に部分的に固定電極が形成される。特許文献１に示す構成では、固定電極とシリコンダイヤフラム間の高度なアライメント精度が必要とされる。

一方、特許文献２では、ダイヤフラム付きシリコン基板（可動電極）とシリコン基板（固定電極）とを絶縁層を介して接合した静電容量型センサが開示されている。特許文献２の構成では、特許文献１の構成に比べて構造を単純化でき、また特許文献１に比べてアライメントの許容範囲を広げやすい。

特許文献２に示す構成では、固定電極と可動電極間の寄生容量を抑制するために、図１６に示すように固定電極２と可動電極３間を接合する絶縁層１の幅を細くすると、絶縁層１の機械的な強度が弱くなり、優れた封止性を得ることができない問題があった。一方、寄生容量を抑制するために、図１７に示すように絶縁層１を幅広に且つ厚みを厚くすると、固定電極２と可動電極３間の高さ方向の間隔が広がることで、感度（ダイヤフラムが変位した際の静電容量変化に基づく出力変化）が低下し検出精度が劣化する問題があった。

特開２００６−４７３００号公報 特開平１１−２１１５９７号公報

そこで本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、特に、良好な封止性及び感度を得ることができるとともに、寄生容量を低く抑えることが可能な静電容量型圧力センサ及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明における静電容量型圧力センサは、シリコンからなる可動電極及び固定電極と、両電極間を接合する絶縁層と、を有して構成され、
前記可動電極は、前記固定電極との間に高さ方向への間隔を有して変位が可能な感圧ダイヤフラムと、前記感圧ダイヤフラムの周囲に位置し、前記固定電極と前記絶縁層を介して接合される周縁部と、を有し、前記感圧ダイヤフラムと前記固定電極との間の静電容量変化に基づき圧力検知が可能とされており、
前記可動電極は前記固定電極の外周側面よりも内側に形成されており、前記絶縁層は、前記周縁部と前記周縁部に前記高さ方向で対向する前記固定電極との間から前記可動電極の外側に位置する前記固定電極の表面であって、少なくとも前記可動電極の周囲全周にはみ出して形成されており、
前記周縁部の内側に位置する前記感圧ダイヤフラムと、前記感圧ダイヤフラムと前記高さ方向で対向する前記固定電極との間には前記絶縁層が形成されておらず、前記感圧ダイヤフラムと前記固定電極とが前記高さ方向で前記間隔を空けて対向している静電容量型圧力センサであって、
前記感圧ダイヤフラムは、前記周縁部よりも前記固定電極との対向面が前記固定電極から離れる方向に凹む薄肉部を有しており、前記薄肉部と前記周縁部との間の側壁面から前記周縁部と前記固定電極間にかけて前記絶縁層が形成されていることを特徴とするものである。

本発明では、絶縁層を、可動電極の周縁部と固定電極との間から固定電極の表面であって、少なくとも前記可動電極の周囲全周にはみ出して形成した。よって本発明では絶縁層の膜厚を薄くして感圧ダイヤフラムと固定電極間の高さ方向への間隔を小さくし、可動電極の周縁部と固定電極間に介在する絶縁層の幅を狭くしても、機械的な強度の高い絶縁層を固定電極と可動電極の周縁部間に介在させることができる。したがって、可動電極と固定電極間の封止性を向上させることができる。また、感圧ダイヤフラムと固定電極間の高さ方向への間隔を狭くでき、良好な感度を得ることができる。そして、可動電極の周縁部と固定電極間の絶縁層を介した対向面積を狭くでき、寄生容量を低くできる。以上により、本発明によれば、良好な封止性及び感度を得ることができるとともに、寄生容量を低く抑えることができる。

なお特許文献２には、電極パッドを形成するために絶縁層を可動電極よりも外側に広がる固定電極の表面にまで延ばした断面図が掲載されているが（例えば特許文献２の図２参照）、可動電極を固定電極の外周側面の内側に形成して可動電極の周囲全周にまで絶縁層をはみ出して形成した構成は開示されていない。また特許文献２には、本発明における従来課題については何も記載されていない。

本発明では、前記絶縁層は、前記周縁部と前記固定電極との間から、前記固定電極の外周側面と前記可動電極の周囲との間に位置する前記固定電極の延出表面の全域にかけて形成されることが好ましい。これにより、可動電極と固定電極間の封止性をより効果的に向上させることが可能である。

また本発明では、上記のように、前記感圧ダイヤフラムは、前記周縁部よりも前記固定電極との対向面が前記固定電極から離れる方向に凹む薄肉部を有しており、前記薄肉部と前記周縁部との間の側壁面から前記周縁部と前記固定電極間にかけて前記絶縁層が形成されている。

これにより、絶縁層を介した固定電極と可動電極の周縁部間の接合力を効果的に高めることができ、より効果的に封止性を高めることができる。

また本発明では、前記感圧ダイヤフラムの前記固定電極との対向面には、前記薄肉部の平面方向の内側に位置し前記固定電極に近づく方向に突出する凸部が形成されていることが好ましい。感圧ダイヤフラムと固定電極間の高さ方向の間隔をより狭めることができ感度をより効果的に向上させることができる。

また本発明では、前記固定電極の表面には、前記可動電極とともに第１端子部及び第２端子部が設けられ、前記第１端子部は、前記可動電極の前記周縁部から前記シリコン基板により一体となって引き出された部分を備えて前記固定電極と前記絶縁層を介して形成されており、前記第２端子部は、前記可動電極から分離され前記固定電極と前記絶縁層を介して形成された前記シリコン基板からなる分離層と、前記分離層及び前記絶縁層を貫通し前記固定電極の表面に通じるコンタクトホール内に設けられ前記固定電極と電気的に接続される電極パッドとを備えて形成されることが好ましい。これにより、簡単な構造で第１端子部及び第２端子部を形成できる。

上記において、前記絶縁層は、前記可動電極を構成する側の前記シリコン基板の表面を熱酸化したものであることが好ましい。これにより、可動電極の周縁部と固定電極間の接合力を効果的に向上させることができ高く且つ安定した封止性を得ることができる。

本発明における静電容量型圧力センサは、
感圧ダイヤフラムと、前記感圧ダイヤフラムの周囲に広がる接合領域とを備える第１シリコン基板と、固定電極となる第２シリコン基板とを用意し、前記接合領域と前記接合領域に高さ方向で対向する前記固定電極との間を、前記第１シリコン基板の表面を熱酸化して形成した絶縁層を介してシリコンフュージョンボンディングにより接合するとともに、前記接合領域の内側に位置する前記感圧ダイヤフラムと、前記感圧ダイヤフラムに前記高さ方向で対向する前記固定電極との間には前記絶縁層を形成しないで、前記感圧ダイヤフラムと前記固定電極との間に前記高さ方向への間隔を空ける工程、
前記感圧ダイヤフラム及び、前記接合領域のうち前記感圧ダイヤフラムの周縁部を、前記固定電極の外周側面よりも内側に残した状態で、前記接合領域の不要部分を除去し、このとき、前記感圧ダイヤフラム及び前記周縁部からなる前記可動電極の外側に位置する前記固定電極の表面であって前記可動電極の周囲全周にまではみ出すように前記絶縁層を残す工程、
を有する静電容量型圧力センサの製造方法であって、
前記感圧ダイヤフラムに、前記第１シリコン基板の表面を除去して凹ませた薄肉部を形成する工程、
前記第１シリコン基板の表面を熱酸化した後、前記薄肉部と前記周縁部との間の側壁面に熱酸化による前記絶縁層が残るように、前記感圧ダイヤフラムの凹み表面の前記絶縁層を除去する工程、
をさらに有することを特徴とするものである。

本発明では、可動電極を備える第１シリコン基板と、第２シリコン基板（固定電極）を絶縁層を介して接合した後、第１シリコン基板の不要部分を除去する工程により、絶縁層を、可動電極の周囲全周にはみ出して残している。このため、感圧ダイヤフラムと固定電極間の高さ方向への間隔を小さくし、可動電極の周縁部と固定電極間に介在する絶縁層の幅を狭くしても、機械的な強度の高い絶縁層を固定電極と可動電極の周縁部間に介在させることができる。したがって、良好な封止性及び感度を得ることができるとともに、寄生容量を低く抑えることが可能な静電容量型圧力センサを製造することが可能である。

本発明の静電容量型圧力センサの製造方法によれば、例えば特許文献１に示す構成に比べて、アライメントの許容範囲を広げることができ、製造工程を容易化できる。また本発明では特別な設備投資等が必要でなく製造コストの上昇を抑制できる。

また本発明では、前記絶縁層を、前記固定電極の外周側面と前記可動電極の周囲との間に位置する前記固定電極の延出表面の全域に残すことが好ましい。これにより、可動電極と固定電極間の封止性をより効果的に向上させることが可能である。

また本発明では、上記のように、前記第１シリコン基板の表面を熱酸化して前記絶縁層を形成し、前記第１シリコン基板と前記第２シリコン基板とをシリコンフュージョンボンディングにより接合しているので、簡単な工程で絶縁層の形成とともに封止性を向上させることができる。可動電極を備える第１シリコン基板側を熱酸化し、両シリコン基板間をシリコンフュージョンボンディングにより接合したことで、第１シリコン基板の不要部分を除去したときに、可動電極の周縁部の幅を狭くしても周縁部と絶縁層間の接合力（結合力）を十分に高い状態にでき、一方、固定電極と絶縁層間は広い接合面積を有しているため、優れた封止性を得ることができる。

また本発明では、上記のように、前記感圧ダイヤフラムに、前記第１シリコン基板の表面を除去して凹ませた薄肉部を形成する工程、
前記第１シリコン基板の表面を熱酸化した後、前記薄肉部と前記周縁部との間の側壁面に熱酸化による前記絶縁層が残るように、前記感圧ダイヤフラムの凹み表面の前記絶縁層を除去する工程、
をさらに有する。

これにより、絶縁層を介した固定電極と可動電極の周縁部間の接合力をより高めることができ、より効果的に封止性を高めることができる。

また本発明では、前記薄肉部を形成する際、前記薄肉部よりも平面方向の内側に前記凹み表面から突出する凸部を残すことが好ましい。

また本発明では、前記第１シリコン基板の不要部分を除去する際、前記可動電極とともに、前記固定電極の表面に、前記可動電極の前記周縁部から一体となって引き出された引き出し配線層と、前記可動電極から分離された分離層とを残し、
前記第１シリコン基板の不要部分を除去する工程の前後であって、前記第１シリコン基板と前記第２シリコン基板とを前記絶縁層を介して接合した工程以後に、前記分離層の位置に、前記分離層及び前記絶縁層を貫通して前記第２シリコン基板からなる前記固定電極の表面にまで通じるコンタクトホールを形成する工程、
前記引き出し配線層の表面及び前記コンタクトホール内に電極パッドを形成する工程、
を有することが好ましい。

これにより簡単な工程で、可動電極と同じ形成面側に、前記引き出し配線層及び電極パッドを備える第１端子部と、前記分離層及びコンタクトホール内に設けられた電極パッドを備える第２端子部とを形成できる。

本発明の静電容量型圧力センサによれば、良好な封止性及び感度を得ることができるとともに、寄生容量を低く抑えることができる。

図１は、本発明の実施形態における静電容量型圧力センサの斜視図である。 図２は、図１のＡ−Ａ線に沿って高さ方向に切断した本実施形態の静電容量型圧力センサの縦断面図である（ただし寸法比が図１と異なる）。 図３は、図２と異なる別の実施形態を示す静電容量型圧力センサの縦断面図である。 図４は、本実施形態における別の静電容量型圧力センサの部分縦断面図である。 図５は、図１，図２に示す静電容量型圧力センサの製造工程を示す縦断面図である。 図６は、図５の次の工程を示す静電容量型圧力センサの縦断面図である。 図７は、図６の次の工程を示す静電容量型圧力センサの縦断面図である。 図８は、図７の次の工程を示す静電容量型圧力センサの縦断面図である。 図９は、図８の次の工程を示す静電容量型圧力センサの縦断面図である。 図１０は、図９の次の工程を示す静電容量型圧力センサの縦断面図である。 図１１は、図１０の次の工程を示す静電容量型圧力センサの縦断面図である。 図１２は、図１１の次の工程を示す静電容量型圧力センサの縦断面図である。 図１３は、図１とは別の実施形態における静電容量型圧力センサの斜視図である。 図１４は、図１，図１３とは別の実施形態における静電容量型圧力センサの斜視図である。 図１５は、実験で使用した構造を示す静電容量型圧力センサの縦断面図である。 図１６は、従来の静電容量型圧力センサの縦断面図である。 図１７は、図１６に示す絶縁層の幅及び厚さを大きくした従来の静電容量型圧力センサの縦断面図である。

図１は、本発明の実施形態における静電容量型圧力センサの斜視図、図２は、図１のＡ−Ａ線に沿って高さ方向に切断した本実施形態の静電容量型圧力センサの縦断面図である。なお図２は図１に対して寸法比を変えて図示した。

図１，図２に示す静電容量型圧力センサ１０は、シリコン基板からなる可動電極１１及び固定電極１２と、可動電極１１と固定電極１２間を接合する絶縁層１３とを有して構成される。

図１，図２に示すように、可動電極１１は、固定電極１２と高さ方向（Ｚ）への間隔１５を有して高さ方向への変位が可能な感圧ダイヤフラム１４と、感圧ダイヤフラム１４の周囲に位置し、固定電極１２と絶縁層１３を介して接合される周縁部１６とを有して構成される（図１に示す感圧ダイヤフラム１４と周縁部１６との間の点線は両者間の境界を示し、便宜上図示したものである）。

感圧ダイヤフラム１４に高さ方向（Ｚ）から圧力が作用すると、感圧ダイヤフラム１４が高さ方向に変位する。これにより感圧ダイヤフラム１４と固定電極１２間の静電容量が変化する。したがって静電容量変化に基づいて圧力を検出することが可能である。

図２に示すように感圧ダイヤフラム１４は、周縁部１６よりも固定電極１２との対向面１４ａが、固定電極１２から離れる方向（Ｚ１）に凹む薄肉部１７を有している。また、感圧ダイヤフラム１４の中央には、対向面１４ａが薄肉部１７よりも固定電極１２に近づく方向（Ｚ２）に突出する凸部１８が形成されている。すなわち図２に示す感圧ダイヤフラム１４は略中央に凸部１８があり、その周囲に対向面１４ａが凹んだ薄肉部１７が形成された構造である。図２の構成は一例であり、例えば凸部１８を複数個、形成することも可能である。図２に示すように感圧ダイヤフラム１４に薄肉部１７を設けることで、感圧ダイヤフラム１４を高さ方向（Ｚ）に変位させやすい。また薄肉部１７よりも固定電極１２に近づく方向に突出する凸部１８を設けたことで、感圧ダイヤフラム１４と固定電極１２間の間隔１５が、前記凸部１８の位置で狭くなる。静電容量は電極間の距離に反比例するため、間隔１５を狭くすることで、感圧ダイヤフラム１４が高さ方向に変位した際の静電容量変化に基づく出力変化を大きくでき感度を上げることが可能になる。

図１に示すように感圧ダイヤフラム１４は平面形状が略円形状であり、ほぼ固定電極１２の中央に位置しているが、感圧ダイヤフラム１４及び周縁部１６を有してなる可動電極１１が固定電極１２の外周側面１２ａよりも内側に形成されれば、形状、位置、及び大きさを限定するものではない。なお可動電極１１の大きさについては、後述の実験結果によると、大きくなるほど寄生容量が増加することがわかったため、出力特性や製造効率等を考慮して可動電極１１をできる限り小さく形成することで寄生容量を低減できる。

上記のように、可動電極１１は、固定電極１２の外周側面１２ａよりも内側に形成されるため、可動電極１１の周囲に固定電極１２の延出表面２０が広がっている。

図１，図２に示す絶縁層１３はほぼ一定の膜厚により形成される。特に後述するように絶縁層１３を熱酸化で形成するため、絶縁層１３を一定厚で形成しやすい。絶縁層１３の膜厚は、０．５〜２．０μｍ程度である。

図２に示すように、絶縁層１３は、感圧ダイヤフラム１４と固定電極１２との間には形成されていない。図２に示すように絶縁層１３は、可動電極１１の周縁部１６と固定電極１２間に介在し、可動電極１１と固定電極１２間を接合している。

さらに図１，図２に示すように、本実施形態の絶縁層１３は、固定電極１２の延出表面２０の全域に形成されている。

本実施形態では、これにより、絶縁層１３の膜厚を薄くして感圧ダイヤフラム１４と固定電極１２間の高さ方向（ｚ）への間隔１５を小さくし、可動電極１１の周縁部１６と固定電極１２間に介在する絶縁層１３の幅（図２のＴ１）を狭くしても、絶縁層１３を固定電極１２の延出表面２０の全域にまで形成したため、機械的な強度の高い絶縁層１３を固定電極１２と可動電極１１の周縁部１６との間に介在させることが可能である。したがって、可動電極１１と固定電極１２間の封止性を向上させることができる。また、感圧ダイヤフラム１４と固定電極１２間の高さ方向（Ｚ）への間隔１５を狭くでき、良好な感度を得ることができる。そして、可動電極１１の周縁部１６と固定電極１２間の絶縁層１３を介した対向面積を狭くでき、寄生容量を低くできる。以上により、本実施形態によれば、良好な封止性及び感度を得ることができるとともに、寄生容量を低く抑えることができる。

絶縁層１３の幅寸法Ｔ１は、薄肉部１７の幅寸法Ｔ６より小さいことが好ましい。薄肉部１７の幅寸法Ｔ６も寄生容量に寄与し、幅寸法Ｔ６が小さいほど寄生容量を小さくできる。薄肉部１７の幅寸法Ｔ６は、寄生容量や出力特性等を考慮して決められる。一方、絶縁層１３の幅寸法Ｔ１も小さいほど寄生容量を小さくできる。このとき、絶縁層１３の幅寸法Ｔ１を固定値にして、薄肉部１７の幅寸法Ｔ６を変化させた場合と、薄肉部１７の幅寸法Ｔ６（最小幅寸法で規定）を固定値して、絶縁層１３の幅寸法Ｔ１を変化させた場合とでは、後者のほうが前者よりも寄生容量の変動が大きい。すなわち、絶縁層１３の幅寸法Ｔ１をより小さくしたほうが、寄生容量を効果的に小さくできる。

図２に示すように、絶縁層１３は、薄肉部１７と周縁部１６との間に位置する側壁面１７ａから周縁部１６と固定電極１２との間にかけて形成されることが好ましい。このように絶縁層１３が感圧ダイヤフラム１４の内側までやや入り込むことで、絶縁層１３を介した固定電極１２と可動電極１１の周縁部１６間の接合力を効果的に高めることができ、より効果的に封止性を高めることができる。また側壁面１７ａは図２のように傾斜していてもあるいは、垂直面であってもよい。

図１，図２に示すように、可動電極１１と同じ形成面側であって延出表面２０には第１端子部２２及び第２端子部２３が形成されている。第１端子部２２は、可動電極１１の周縁部１６からシリコン基板により一体になって引き出された引き出し配線層２４と、引き出し配線層２４の先端部２４ａの表面２４ｂに形成された第１電極パッド２５とを有して構成される。また、第２端子部２３は、可動電極１１から分離し絶縁層１３の表面に形成された分離層２６と、分離層２６及び絶縁層１３を貫通し固定電極１２の表面に通じるコンタクトホール２７内に設けられ固定電極１２と電気的に接続される第２電極パッド２８とを有して形成される。電極パッド２５，２８は、Ａｌ、Ａｕ等の金属層を蒸着、スパッタ、めっき等で形成したものである。

各端子部２２，２３を固定電極１２の裏面側から出すことも可能であるが、その場合には新たに固定電極１２の裏面に絶縁層が必要になるため、固定電極１２の延出表面２０の全域に広がって形成された絶縁層１３を利用して各端子部２２，２３を形成することで、簡単な構造で、各端子部２２，２３を形成することが出来る。

本実施形態では、後述する静電容量型圧力センサ１０の製造方法で説明するように、固定電極１２の延出表面２０の全域に形成された絶縁層１３は、可動電極１１の周囲にシリコン基板の不要部分が絶縁層１３を介して固定電極１２と接合された状態から前記不要部分を除去して露出したものである。かかる場合、絶縁層１３は可動電極１１を構成する側のシリコン基板の前記固定電極１２との対向面を熱酸化したものであることが好適である。後述するように本実施形態では、一方のシリコン基板の表面を熱酸化した状態で、二つのシリコン基板間をシリコンフュージョンボンディングにより接合している。このような構成により、絶縁層１３の形成が容易化し、さらに可動電極１１の周縁部１６の固定電極１２との対向面に形成された絶縁層１３は前記対向面を熱酸化したものであるから、絶縁層１３の幅寸法Ｔ１（図２参照）が狭くなっても絶縁層１３と周縁部１６との接合力（結合力）は強く、一方、シリコンフュージョンボンディングにより接合された絶縁層１３と固定電極１２との間は、接合面積が広いため十分な接合力を得ることができる。したがって、固定電極１２と可動電極１１の周縁部１６間の接合力を十分に高めることが可能であり、より効果的に封止性を高めることが可能である。

図３に示す静電容量型圧力センサでは、図２と異なって、感圧ダイヤフラム１４の全体が図２での薄肉部１７であり、図２に示す凸部１８が形成されていない。また、図３に示す静電容量型圧力センサでは、図２と異なって、薄肉部１７と周縁部１６との間の側壁面１７ａに絶縁層１３が形成されていない。図３に示す静電容量型圧力センサも本発明の一形態であるが、図２のほうが、感圧ダイヤフラム１４に凸部１８があることでより効果的に間隔１５を狭くでき、感度を向上させることができ、また絶縁層１３が側壁面１７ａまで延びることで、絶縁層１３と周縁部１６間の接合力（あるいは結合力）が増し、封止性を向上させることが可能である。

また、感圧ダイヤフラム１４が高さ方向に変位し、且つ感圧ダイヤフラム１４と固定電極１２間の間隔１５が感圧ダイヤフラム１４の最大変位量以上あれば、図４のように、感圧ダイヤフラム１４と周縁部１６とを一定厚で形成することも可能である。

図３、図４の各実施形態においても図２と同様に、固定電極１２と可動電極１１の周縁部１６との間を接合する絶縁層１３が固定電極１２の延出表面２０の全域にまで形成されている。

固定電極１２の表面１２ｂ（可動電極１１との対向面；図２参照）であって感圧ダイヤフラム１４と対向する位置に凹部を設けることも可能であるが、かかる場合、可動電極１１と固定電極１２間のアライメントの許容範囲が小さくなるため、固定電極１２の表面２０ａは平坦面であることが好ましい。

また、本実施形態では、絶縁層１３が固定電極１２の延出表面２０の全域に形成されたことを特徴点とし、ここで「全域」とは、延出表面２０の全ての領域、すなわち平面視にて固定電極１２が見えない状態であることが望ましいが、絶縁層１３が可動電極１１の全外周から外方にはみ出しており、このとき、多少、延出表面２０の例えば角付近に絶縁層１３の無い部分があったり、あるいは図１３に示すように、固定電極１２の外周に沿って絶縁層１３が形成されておらず、絶縁層１３の外周が前記固定電極１２の外周より一回り小さい形態であっても、「全域」と定義する。また、延出表面２０の９０％以上の領域が絶縁層１３で覆われていれば全域と判断する。絶縁層１３を固定電極１２の外周に沿ってから削除すると、プロセスは増加するが、後でダイシングする際に絶縁層１３のチッピング等を防止することができる。このような問題が無ければ、絶縁層１３が固定電極１２の延出表面２０の表面全体に設けた方がプロセスもその分少なくなるため、好ましい。

また形態によっては、固定電極１２の外周に低い段差を設けるなどして、もともと絶縁層１３の形成が成されない領域があれば、その領域は「延出表面２０」に含まれない。

また図１４に示すように、絶縁層１３が可動電極１２の周囲全周に沿ってはみ出しており、固定電極１２の延出表面２０の全域を覆っていない状態であってもよい。図１４では、絶縁層１３は、各端子部２２，２３の周囲全周にもはみ出している。

図１４に示す実施形態であっても、固定電極１２と可動電極１１間の封止性を従来に比べて向上させることができる。なお、固定電極１２の延出表面２０の全域に絶縁層１３を設けたほうが、より効果的に封止性を向上させることができるし、また製造プロセスも楽である。

図５ないし図１２を用いて図１，図２に示す本実施形態の静電容量型圧力センサの製造方法について説明する。

図５に示す工程では、第１シリコン基板３０の表面３０ａにレジスト層３１をパターン形成し、レジスト層３１に覆われていない表面３０ａを、ＲＩＥなどのイオンエッチング手段により一定厚だけ削り込む。これにより表面３０ａに凹部３２を形成できる。第１シリコン基板３０は後に可動電極１１となる側の基板であり、表面２０ａは固定電極１２との対向面側である。そして凹部３２を形成した部分は将来、感圧ダイヤフラム１４の薄肉部１７となる部分である。図５では、凹部３２をリング状で形成し、凹部３２の中心部分３０ｂを削らずに残したが、この中心部分３０ｂが、感圧ダイヤフラム１４の凸部１８となる。

図６に示す工程では、図５のレジスト層３１を除去した後、第１シリコン基板３０の表面を熱酸化する。これにより、第１シリコン基板３０の表面３０ａ及び裏面３０ｃ側も熱酸化による絶縁層（ＳｉＯ₂）３３，３４が形成される。第１シリコン基板３０の表面３０ａに形成される絶縁層３３は、表面３０ａの凹凸に倣ってほぼ一定厚で形成できる。なお図６では図示を省略したが、実際には第１シリコン基板３０の側面も熱酸化され、最終的に前記側面は除去される。

次に図７に示す工程では、第１シリコン基板３０の表面３０ａに形成された絶縁層３３上にレジスト層３５を形成し、レジスト層３５に覆われていない絶縁層３３をイオンエッチング等の既存方法で除去する。図７に示す点線部分の絶縁層３３が除去される。レジスト層３５を、後に感圧ダイヤフラム１４となる表面に形成しない。また、図７に示すように、凹部３２の外周に位置する側壁面３２ａ、後に、感圧ダイヤフラム１４の薄肉部１７と周縁部１６との間の側壁面１７ａとなる部分に一部、絶縁層３３が残るように、レジスト層３５の形状やエッチング条件を規制する。例えばレジスト層３５の内側側面３５ａを、凹部３２の側壁面３２ａと高さ方向でやや重なるか、あるいは側壁面３２ａの上端部３２ａ１と高さ方向で一致するように調整することで、レジスト層３５の内側側面３５ａが壁になってその近辺の絶縁層３３は削られにくく、側壁面３２ａ上に絶縁層３３を残すことができる。

絶縁層３３が残された部分が、次工程で第２シリコン基板４０（固定電極）と接合される接合領域である。

なお図８以降、残された絶縁層３３を図２で使用した絶縁層１３として説明する。
図８の工程では、図７のレジスト層３５を除去した後、図７の第１シリコン基板３０をひっくり返し、第１シリコン基板３０の凹部３２及び絶縁層１３が形成された側を固定電極１２となる第２シリコン基板４０上に当接させる。そして両シリコン基板３０，４０間をシリコンフュージョンボンディングにより接合する。シリコンフュージョンボンディングはシリコン直接接合の一種であり、例えば熱酸化による絶縁層１３を備える第１シリコン基板３０と、シリコン基板４０とを水素結合により貼り合わせた後、加熱処理してＳｉ−Ｏ−Ｓｉにより接合する技術である。熱処理温度としては、７００〜１１００℃程度で、熱処理時間は、１時間以上とする。

次に図９の工程では、第１シリコン基板３０及び第２シリコン基板４０の双方を所定厚にまで切削加工等により削り込む。点線部分が削り込まれたシリコン基板を示す。これにより所定厚の固定電極１２が完成する。以降、第２シリコン基板４０を固定電極１２として説明する。

図１０に示す工程では、第１シリコン基板３０の表面にレジスト層４１を形成し、レジスト層４１に覆われていない、第１シリコン基板３０及び絶縁層１３をディープＲＩＥ等のイオンエッチング技術を用いて削り込み、固定電極１２の表面にまで通じるコンタクトホール２７を形成する。

ここでコンタクトホール２７の形成位置は、後に図１，図２に示す分離層２６となる部分である。

そして前記レジスト層４１を除去して新たなレジスト層（図示しない）を設けたり、あるいはレジスト層４１をそのまま利用して、コンタクトホール２７内にＡｌ等の金属層からなる第２電極パッド２８をスパッタ、蒸着、あるいはめっき等の既存方法により形成する。またこのとき、図１に示す第１電極パッド２５も引き出し配線層２４の先端部２４ａとなる表面に形成する。

次に図１２に示す工程では、第１シリコン基板３０の表面にレジスト層４２を形成し、レジスト層４２に覆われていない第１シリコン基板３０をＲＩＥ等のイオンエッチング技術を用いて除去する。レジスト層４２の平面パターンは、図１に示す可動電極１１、引き出し配線層２４及び分離層２６の平面形状である。第１シリコン基板３０を削り込むとき、絶縁層１３まで除去されないように選択的なエッチング処理を行うことが必要である。

また図１２の工程では、可動電極１１が、固定電極１２の外周側面１２ａよりも内側に形成されるように、第１シリコン基板３０を削り込む。

これにより可動電極１１の周囲に広がる固定電極１２の延出表面２０の全域に絶縁層１３を残すことが出来る。

可動電極１１は、高さ方向に変位可能な感圧ダイヤフラム１４とその周囲の周縁部１６とを有し、周縁部１６と固定電極１２との間が絶縁層１３により接合されている。

図１２の工程で、できる限り（可能な範囲で）可動電極１１の幅Ｔ２を狭めることで寄生容量を低減でき、一方、絶縁層１３は、固定電極１２の延出表面２０の全域に残されるので、絶縁層１３の機械的な強度を十分に保つことができ、可動電極１１と固定電極１２間の封止性を効果的に高めることができる。

また図６工程に示したように本実施形態では可動電極１１を形成する第１シリコン基板３０の表面を熱酸化して絶縁層３３を形成し、図７工程で、感圧ダイヤフラム１４の部分の絶縁層３３を除去した後、図８工程で、第１シリコン基板３０と第２シリコン基板４０とをシリコンフュージョンボンディングにより接合している。これにより図１２の工程で、第１シリコン基板３０の不要部分を除去したときに、可動電極１１の周縁部１６の幅が狭くなっても、周縁部１６と絶縁層１３との接合力（結合力）は十分に高く、一方、固定電極１２と絶縁層１３間は広い接合面積を有しているため、絶縁層１３を介した可動電極１１と固定電極１２間の接合力を効果的に高めることができ、封止性を向上させることが可能である。

特に図７で説明したように、絶縁層３３を側壁面３２ａ、後に、感圧ダイヤフラム１４の薄肉部１７と周縁部１６との間の側壁面１７ａとなる部分に一部、残すことで、図１２の状態で、固定電極１２と可動電極１１間の絶縁層１３を介した接合力をより高めることができ、より効果的に封止性を向上させることが可能になる。

また本実施形態では、図８工程における両シリコン基板３０，４０の貼り合わせの際にアライメントが必要であるものの、第２シリコン基板４０の全体が固定電極１２であるから、例えば特許文献１に示す構造に比べて、両シリコン基板３０，４０間のアライメントの許容範囲を広げることができ、製造工程を容易化できる。また本実施形態では、特別な設備投資等が必要でなく製造コストの上昇を抑制することができる。

図１５に示す静電容量型圧力センサを作製した。符号５０が感圧ダイヤフラム５０であり、符号５０ａがリング状の薄肉部であり、符号５０ｂ薄肉部５０ａの中心に位置する凸部５０ｂである。符号５１が感圧ダイヤフラム５０の周囲に位置する周縁部である。符号５２が固定電極である。符号５３が絶縁層である。絶縁層５３は、周縁部５１に熱酸化により形成されたものであり、膜厚は約０．８μｍであった。そして可動電極と固定電極とをシリコンフュージョンボンディングにより接合した。

実験では、凸部５０ｂの幅寸法（直径）Ｔ３を３５０μｍ、４００μｍ、５００μｍ、及び６００μｍと変化させ、薄肉部５０ａの幅寸法Ｔ４、及び絶縁層５３（周縁部５１の幅は絶縁層５３よりも５μｍ大きい）の幅寸法Ｔ５を夫々、１０μｍ、３０μｍ、５０μｍ、７０μｍと変化させ、寄生容量（ｐＦ）を測定した。
その実験結果を下記の表１に示す。

薄肉部５０ａの幅寸法Ｔ４及び、及び絶縁層５３の幅寸法Ｔ５を一定として、凸部５０ｂの幅寸法（直径）Ｔ３を小さくしていくと、寄生容量は小さくなることがわかった。

また、凸部５０ｂの幅寸法（直径）Ｔ３及び薄肉部５０ａの幅寸法Ｔ４を一定として、絶縁層５３の幅寸法Ｔ５を小さくしていくと、寄生容量は小さくなることがわかった。

また、凸部５０ｂの幅寸法（直径）Ｔ３及び絶縁層５３の幅寸法Ｔ５を一定として、薄肉部５０ａの幅寸法Ｔ４を小さくしていくと、寄生容量は小さくなることがわかった。

ただし、絶縁層５３の幅寸法Ｔ５を小さくしたほうが、薄肉部５０ａの幅寸法Ｔ４を同じように小さくするよりも効果的に、寄生容量を小さくできることがわかった。

実験結果を踏まえて、凸部５０ｂの幅寸法（直径）Ｔ３及び薄肉部５０ａの幅寸法Ｔ４を、出力特性等を考慮して限界まで小さく形成し、可能な限り絶縁層５３の幅寸法Ｔ５を、薄肉部５０ａの幅寸法Ｔ４以下に小さく形成することで、効果的に寄生容量を低減でき、さらに、本実施形態では、可動電極の周囲に広がる固定電極の延出表面に絶縁層を残すことで封止性を向上させた。

１０ 静電容量型圧力センサ
１１ 可動電極
１２ 固定電極
１３、３３、５３ 絶縁層
１４、５０ 感圧ダイヤフラム
１５ 間隔
１６ 周縁部
１７、５０ａ 薄肉部
１７ａ 側壁面
１８、５０ｂ 凸部
２０ 延出表面
２２、２３ 端子部
２４ 引き出し配線層
２５、２８ 電極パッド
２６ 分離層
２７ コンタクトホール
３０ 第１シリコン基板
３１、３５、４１、４２ レジスト層
３２ 凹部
４０ 第２シリコン基板

Claims (10)

1. シリコンからなる可動電極及び固定電極と、両電極間を接合する絶縁層と、を有して構成され、
   前記可動電極は、前記固定電極との間に高さ方向への間隔を有して変位が可能な感圧ダイヤフラムと、前記感圧ダイヤフラムの周囲に位置し、前記固定電極と前記絶縁層を介して接合される周縁部と、を有し、前記感圧ダイヤフラムと前記固定電極との間の静電容量変化に基づき圧力検知が可能とされており、
   前記可動電極は前記固定電極の外周側面よりも内側に形成されており、前記絶縁層は、前記周縁部と前記周縁部に前記高さ方向で対向する前記固定電極との間から前記可動電極の外側に位置する前記固定電極の表面であって、少なくとも前記可動電極の周囲全周にはみ出して形成されており、
   前記周縁部の内側に位置する前記感圧ダイヤフラムと、前記感圧ダイヤフラムと前記高さ方向で対向する前記固定電極との間には前記絶縁層が形成されておらず、前記感圧ダイヤフラムと前記固定電極とが前記高さ方向で前記間隔を空けて対向している静電容量型圧力センサであって、
   前記感圧ダイヤフラムは、前記周縁部よりも前記固定電極との対向面が前記固定電極から離れる方向に凹む薄肉部を有しており、前記薄肉部と前記周縁部との間の側壁面から前記周縁部と前記固定電極間にかけて前記絶縁層が形成されていることを特徴とする静電容量型圧力センサ。
2. 前記絶縁層は、前記周縁部と前記固定電極との間から、前記固定電極の外周側面と前記可動電極の周囲との間に位置する前記固定電極の延出表面の全域にかけて形成される請求項１記載の静電容量型圧力センサ。
3. 前記感圧ダイヤフラムの前記固定電極との対向面には、前記薄肉部の平面方向の内側に位置し前記固定電極に近づく方向に突出する凸部が形成されている請求項１又は２に記載の静電容量型圧力センサ。
4. 前記固定電極の表面には、前記可動電極とともに第１端子部及び第２端子部が設けられ、前記第１端子部は、前記可動電極の前記周縁部から一体に引き出されたシリコンからなる部分を備えて前記固定電極と前記絶縁層を介して形成されており、前記第２端子部は、前記可動電極から分離され前記固定電極と前記絶縁層を介して形成されたシリコンからなる分離層と、前記分離層及び前記絶縁層を貫通し前記固定電極の表面に通じるコンタクトホール内に設けられ前記固定電極と電気的に接続される電極パッドとを備えて形成される請求項１ないし３のいずれか１項に記載の静電容量型圧力センサ。
5. 前記絶縁層は、前記可動電極を構成するシリコンの表面を熱酸化したものである請求項１ないし４のいずれか１項に記載の静電容量型圧力センサ。
6. シリコンからなる可動電極及び固定電極と、両電極間を接合する絶縁層と、を有して構成され、
   前記可動電極は、前記固定電極との間に高さ方向への間隔を有して変位が可能な感圧ダイヤフラムと、前記感圧ダイヤフラムの周囲に位置し、前記固定電極と前記絶縁層を介して接合される周縁部と、を有し、前記感圧ダイヤフラムと前記固定電極との間の静電容量変化に基づき圧力検知が可能とされており、
   前記可動電極は前記固定電極の外周側面よりも内側に形成されており、前記絶縁層は、前記周縁部と前記周縁部に前記高さ方向で対向する前記固定電極との間から前記可動電極の外側に位置する前記固定電極の表面であって、少なくとも前記可動電極の周囲全周にはみ出して形成されており、
   前記周縁部の内側に位置する前記感圧ダイヤフラムと、前記感圧ダイヤフラムと前記高さ方向で対向する前記固定電極との間には前記絶縁層が形成されておらず、前記感圧ダイヤフラムと前記固定電極とが前記高さ方向で前記間隔を空けて対向している静電容量型圧力センサであって、
   前記固定電極の表面には、前記可動電極とともに第１端子部及び第２端子部が設けられ、前記第１端子部は、前記可動電極の前記周縁部から一体に引き出されたシリコンからなる部分を備えて前記固定電極と前記絶縁層を介して形成されており、前記第２端子部は、前記可動電極から分離され前記固定電極と前記絶縁層を介して形成されたシリコンからなる分離層と、前記分離層及び前記絶縁層を貫通し前記固定電極の表面に通じるコンタクトホール内に設けられ前記固定電極と電気的に接続される電極パッドとを備えて形成されることを特徴とする静電容量型圧力センサ。
7. 感圧ダイヤフラムと、前記感圧ダイヤフラムの周囲に広がる接合領域とを備える第１シリコン基板と、固定電極となる第２シリコン基板とを用意し、前記接合領域と前記接合領域に高さ方向で対向する前記固定電極との間を、前記第１シリコン基板の表面を熱酸化して形成した絶縁層を介してシリコンフュージョンボンディングにより接合するとともに、前記接合領域の内側に位置する前記感圧ダイヤフラムと、前記感圧ダイヤフラムに前記高さ方向で対向する前記固定電極との間には前記絶縁層を形成しないで、前記感圧ダイヤフラムと前記固定電極との間に前記高さ方向への間隔を空ける工程、
   前記感圧ダイヤフラム及び、前記接合領域のうち前記感圧ダイヤフラムの周縁部を、前記固定電極の外周側面よりも内側に残した状態で、前記接合領域の不要部分を除去し、このとき、前記感圧ダイヤフラム及び前記周縁部からなる前記可動電極の外側に位置する前記固定電極の表面であって前記可動電極の周囲全周にまではみ出すように前記絶縁層を残す工程、
   を有する静電容量型圧力センサの製造方法であって、
   前記感圧ダイヤフラムに、前記第１シリコン基板の表面を除去して凹ませた薄肉部を形成する工程、
   前記第１シリコン基板の表面を熱酸化した後、前記薄肉部と前記周縁部との間の側壁面に熱酸化による前記絶縁層が残るように、前記感圧ダイヤフラムの凹み表面の前記絶縁層を除去する工程、
   をさらに有することを特徴とする静電容量型圧力センサの製造方法。
8. 前記絶縁層を、前記固定電極の外周側面と前記可動電極の周囲との間に位置する前記固定電極の延出表面の全域に残す請求項７記載の静電容量型圧力センサの製造方法。
9. 前記薄肉部を形成する際、前記薄肉部よりも平面方向の内側に前記凹み表面から突出する凸部を残す請求項７又は８記載の静電容量型圧力センサの製造方法。
10. 前記第１シリコン基板の不要部分を除去する際、前記可動電極とともに、前記固定電極の表面に、前記可動電極の前記周縁部から一体となって引き出された引き出し配線層と、前記可動電極から分離された分離層とを残し、
    前記第１シリコン基板の不要部分を除去する工程の前後であって、前記第１シリコン基板と前記第２シリコン基板とを前記絶縁層を介して接合した工程以後に、前記分離層の位置に、前記分離層及び前記絶縁層を貫通して前記第２シリコン基板からなる前記固定電極の表面にまで通じるコンタクトホールを形成する工程、
    前記引き出し配線層の表面及び前記コンタクトホール内に電極パッドを形成する工程、
    を有する請求項７ないし９のいずれか１項に記載の静電容量型圧力センサの製造方法。

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