JPH01281774A - シリコンマイクロセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はシリコンの異方性エツチングを利用したシリコ
ンマイクロセンサに関し、特に支持膜の材料と構造とに
関する。

（従来の技術） 熱収支を利用する赤外線センサ、フローセンサ、ガスセ
ンサでは、発熱部や検出部の熱容量を小さくすることに
よって高感度化、高速応答化、低消費電力化が達成でき
るので、熱容量を小さくするために発熱部や検出部を微
小化、薄膜化している。

また、圧力センサ、振動センサ、加速度センサ等の可動
部を有するセンサで１よ、可動部とこれを支持する支持
部とを薄膜化することによって微小化が図れるとともに
、可動部が微小な圧力等で動くため高感度化が図れる。

さらに、これら全てのセンサにおいて、センサ部を薄膜
による支持部上に形成することによってセンサの高感度
化、微小化の他、複数センサの複合化、集積化等をも図
ることができる。

上記したような理由から、シリコンの結晶異方性とフォ
トリソグラフィ技術とを組み合わせてシリコンを微細な
形状に正確にエツチング加工するいわゆるマイクロマシ
ーニング技術を用いて、支持部を薄膜で形成したシリコ
ンマイクロセンサの開発が近年盛んになってきている。

ところで、これらセンサの支持部にはブリッジタイプ、
カンチレバータイプ、ダイアフラムタイプ等の各種の形
状がある。第３図はブリッジタイプ、第４図はカンチレ
バータイプ、第５図はダイアフラムタイプを示している
。

これらのシリコンマイクロセンサは、ウェハであるシリ
コン基板１０１，１０２，１０３に熱酸化法による熱酸
化シリコン膜或いはＣＶＤ法による酸化シリコン膜等１
１１，１１２．１１３を形成した後、当該酸化シリコン
膜１１１，１１２゜１１３をパターン化してマスクとな
し、シリコン基板１０１，１０２．１０３の異方性エツ
チングを行って形成したものである。この場合、支持部
１２１．１２２．１２３として残るのはマスクとして用
いた酸化シリコン膜１１１，１１２．１１３である。

（発明が解決しようとする課題） しかし、上記した従来のシリコンマイクロセンサのよう
に、支持膜として酸化シリコン膜を用いた場合、酸化シ
リコン膜は、熱酸化法、ＣＶＤ法のいずれの方法で形成
しても、支持膜形成時の温度を６００〜１０００℃と非
常に高温にする必要がある。そのため、ウェハと酸化シ
リコン膜との熱膨張率の差によって酸化シリコン膜に歪
みが加わり、形成される支持膜にヒビ割れや破損が発生
し、酸化シリコン膜単独で支持膜を形成することは非常
に困難であった。

そこで、本発明者らは、上記問題を解決するために、ス
パッタ法によって作製した酸化シリコン膜や窒化シリコ
ン膜を支持膜として用いることをすでに提案しているが
、しかしこの場合にも、スパッタ膜中の残留応力によっ
て支持膜がわずかに湾曲する。この湾曲は、酸化シリコ
ン膜の場合には熱処理によっては除去できず、窒化シリ
コン膜の場合には８００℃以上の高温での熱処理によっ
て除去できる。しかしながら、このような高温での熱処
理は、センサの他部への影響が大であり、作製プロセス
上の問題もあった。

一方、スパッタ法によって作製した酸化アルミニウム膜
を支持膜として用いることが考えられる。

この場合もわずかに湾曲するが、酸化アルミニウム膜の
場合には、５００℃程度の低温の熱処理によってこの湾
曲を減少させることができる。この理由は、窒化シリコ
ン膜よりも酸化アルミニウム膜の方が熱膨張率が大きい
ためである。しかしながら、酸化アルミニウム膜には、
ゴミ等の異物による欠陥が多く、エツチング時にここか
ら液が浸透し、下地のシリコンウェハがエツチングされ
てエッチピントが発生するという新たな問題があった。

本発明は係る実情に鑑みてなされたもので、熱酸化によ
る熱酸化シリコン膜の上にスパッタリングによる酸化ア
ルミニウム膜を重ねた２層構造の支持膜とすることによ
って平坦でヒビ割れや破損のない支持部を形成したシリ
コンマイクロセンサを提供することを目的とする。

（課題を解決するための手段） 本発明のシリコンマイクロセンサは、シリコン基板上に
支持膜が形成され、該支持膜をマスクとして前記シリコ
ン基板の一部分がエツチングされ、このエツチング部分
に位置する支持膜上にセンサ膜が形成されたシリコンマ
イクロセンサにおいて、前記支持膜は、シリコン基板上
に熱酸化によって形成された熱酸化シリコン膜と、該熱
酸化シリコン膜上にスパッタリングによって形成された
酸化アルミニウム膜との２層からなるものである。この
２層膜の各膜厚は熱酸化シリコン膜が約１００人〜数１
０００人、スパッタリングによって形成された酸化アル
ミニウム膜が約１０００人〜数μｍの範囲で、スパッタ
膜の方を厚くするのが好ましい。

（作用） シリコン基板上に、熱酸化法によって熱酸化シリコン膜
を形成する。次に、上記熱酸化シリコン膜上に、スパッ
タ法によって酸化アルミニウム膜を上記熱酸化シリコン
膜より厚く形成する。このように、酸化アルミニウム膜
を熱酸化シリコン膜よりも厚く形成することによって、
酸化アルミニウム膜は熱酸化シリコン膜に残留する熱歪
みによる残留応力の影響を受けにくい。しかし、この状
態で酸化アルミニウム膜には小さいけれども残留応力（
圧縮応力）が残留する。そこで、酸化アルミニウム膜の
熱処理を５００℃〜８００℃の温度範囲（好ましくは６
００℃〜７００℃の温度範囲）で行う、すると、酸化ア
ルミニウム膜は該酸化アルミニウム膜の熱膨張係数がシ
リコン基板よりも大きいために、引張り応力が発生し、
圧縮応力を打消す。さらに、５００℃〜８００℃の温度
範囲内で熱処理温度を上げると支持膜に適度な引張り応
力が残留し、酸化アルミニウム膜の表面が平坦化された
支持膜が得られる。

次に、上記支持膜を例えばブリフジタイプにパターン形
成し、該支持膜をマスクとしてシリコン基板をエツチン
グ加工する。これによって、上記支持膜の一部分に上記
シリコン基板と接着せず支持膜のみからなるブリッジタ
イプの支持部を形成する。この際、熱酸化法によってエ
ッチピントの発生を防止する熱酸化シリコン膜を形成し
、その熱酸化シリコン膜の上に該熱酸化シリコン膜より
厚い酸化アルミニウム膜を形成することによってエッチ
ピットの発生を防止する。

こうして形成された支持部の上に、例えば赤外線センサ
材料のセンサ膜を形成してシリコンマイクロセンサを形
成する。こうして形成されたシリコンマイクロセンサは
実質的なシリコン基板のエッチピットがなく、支持部が
平坦化されたものが得られる。

（実施例） 以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

第１図（ａ）は、シリコンマイクロセンサ１の全体構成
の概略を示す平面図である。また、第１図（ｂ）に第１
図（ａ）のｎ−ｎ線断面図を示す。

第１図（ａ）及び第１図（ｂ）において、シリコンマイ
クロセンサｌは、シリコン基板２、熱酸化シリコン膜３
、酸化アルミニウム膜４、センサ膜５等で構成されてい
る。

まず、このシリコンマイクロセンサｌの製造方法につい
て説明する。

第２図（ａ）ないし第２図（ｅ）に示すように、シリコ
ンマイクロセンサ１の製造方法は熱酸化工程、スパッタ
工程、熱処理工程、エツチング工程、センサ膜形成工程
からなる。

熱酸化工程では、第２図（ａ）に示すように、シリコン
基板２の表面を熱酸化法によって酸化し、約１００人〜
数１０００人程度の熱酸化シリコン膜３をシリコン基板
２の上面及び下面に形成する。

スバッタ工程では、第２図（ｂ）に示すように、シリコ
ン基板２の上面に形成した熱酸化シリコン膜３の表面に
、スパッタ法によって約１０００人〜数μｍ程度の酸化
アルミニウム膜４を形成する。

スパッタ法は、Ａ　１　ｔ　Ｏｓ焼結ターゲットをアル
ゴンガス中で高周波マグネトロンスパッタすることによ
り行う。この時、シリコン基板２は約３００℃に加熱し
、高周波数電力は約３　Ｗ　／　ｃｄでスパッタする。

また、こうして得られた酸化アルミニウム膜４は上記熱
酸化シリコン膜３よりも厚く形成する。このようにして
、シリコン基板２の表面に上記熱酸化シリコン膜３と上
記酸化アルミニウム膜４とからなる支持膜６を形成する
。

熱処理工程では、上記熱酸化シリコン膜３及び酸化アル
ミニウム膜４を形成したシリコン基板２を５００℃〜８
００℃の範囲内で、より好ましくは７００℃で約３時間
熱処理を行って支持膜６を焼成する。

エツチング工程では、まず第２図（Ｃ）に示すように、
フォトレジスト７で、酸化アルミニウム膜４上に、例え
ばブリッジタイプのパターンを形成し、下面の熱酸化シ
リコン膜３の全体をコーティングした後、リン酸で酸化
アルミニウム膜４をエツチングする０次に、第２図（ｄ
＋に示すように、フッ酸緩衝液で熱酸化シリコン膜３を
エツチングした後、フォトレジスト７の剥離を行う。そ
して、第２図（ｅ）に示すように、パターン化された酸
化アルミニウム膜４及び熱酸化シリコン膜３をマスクと
して、沸点近くまで昇温したＥＰＷ液（エチレンジアミ
ンヒロカテコール及び水の混合液）でシリコン基板２を
エツチングする。これによって、シリコン基板２に空洞
を形成して酸化アルミニウム膜４と熱酸化シリコン膜３
とからなる支持部８を形成する。

センサ膜形成工程では、第１図（ａ）及び第１図（ｂｌ
に示すように、上記支持部８にセンサ材料となるセンサ
膜５及び電極９を形成してシリコンマイクロセンサ１が
完成する。

次に、このようにして製造されたシリコンマイクロセン
サ１について説明する。

シリコンマイクロセンサ１はシリコン基板２上に、熱酸
化シリコン膜３と酸化アルミニウム膜４とからなる支持
膜６を形成している。この場合、酸化アルミニウム膜４
の熱膨張係数がシリコン基板２よりも大きいため、熱処
理工程によって酸化アルミニウム４に引張り応力が発生
する。この引張り応力によって支持膜６の表面は平坦化
されている。

この支持膜６は、例えばブリフジタイプにパターン形成
され、そのブリフジ下部に当たるシリコン基板２をエツ
チングして空洞化することによって支持部８を形成して
いる。この支持部８の上面は、酸化アルミニウム膜４に
上述したような引張り応力が発生するため平坦な面とな
っている。また、スパッタ法による酸化アルミニウム膜
４は、エツチング時にエッチピットを発生しやすいとい
う問題があったが、酸化アルミニウム膜４とシリコン基
板２との間に熱酸化法によって熱酸化シリコン膜３を形
成することによって、シリコン基板２の実質的なエッチ
ピットの発生を防止している。

そして、上記支持部８にセンサ材料となるセンサ膜５及
び電極９を形成している。このように、本発明のシリコ
ンマイクロセンサ１は、支持部８の薄膜化とともに平坦
化を図り、かつシリコン基板２に実質的なエッチピット
がなく安定しているので、従来のシリコンマイクロセン
サに比べて、その性能をさらに向上させるとともに、製
品としての信軌性をも高めることができる。

なお、センサ膜５としては、赤外線センサ材料、惑ガス
材料、感湿材料、圧カセンサ材料等種々のものが利用さ
れる。

また、本実施例では、マイクロプリンシタイブの例を示
したが、カンチレバータイプ、ダイアフラムタイプにつ
いても同様に作製可能である。さらに、本発明のシリコ
ンマイクロセンサによれば、膜形成時に使用するガスが
無害なアルゴンガス等であるため、ＣＶＤ法に比べて設
備費が安価に提供できるという利点もある。さらにまた
、熱処理温度が従来のものに比べて低いので、センサ他
部への影響や作製プロセス上の問題も少なくなる。

（発明の効果） 上述したように、本発明によれば、支持部が平坦でかつ
シリコン基板に実質的なエッチピットのない精度の高い
シリコンマイクロセンサを得ることができる。また、従
来のシリコンマイクロセンサに比べてその性能をさらに
向上させるとともに、製品としての信幀性をも高めるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明の図面を示し、第１図（ａ）
はシリコンマイクロセンサの平面図、第１図（ｂ）は第
１図（ａ）のｎ−ｎ線における断面図、第２図（ａｌ〜
（ｅ）はシリコンマイクロセンサの製造工程を示す工程
図、第３図ないし第５図は従来のシリコンマイクロセン
サの図面を示し、第３図（ａ）、　（ｂ）はブリッジタ
イプの平面図及び中央縦断面図、第４図（ａｌ、　（ｂ
）はカンチレバータイプの平面図及び中央縦断面図、第
５図（ａ）、　（ｔ）ｌはダイアフラムタイプの平面図
及び中央縦断面図である。 １・・・シリコンマイクロセンサ ２・・・シリコン基板　　　　　３・・・酸化シリコン
膜４・・・酸化アルミニウム膜　　５・・・センサ膜６
・・・支持膜　　　　　　　　８・・・支持部第７図（
ａ〕 ノ 第２図（ａ〕 第２図（ｂ） 第２図（ｃ） 第２図（ｄ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）シリコン基板上に支持膜が形成され、該支持膜をマ
   スクとして前記シリコン基板の一部分がエッチングされ
   、このエッチング部分に位置する支持膜上にセンサ膜が
   形成されたシリコンマイクロセンサにおいて、 前記支持膜は、シリコン基板上に熱酸化に よって形成された熱酸化シリコン膜と、該熱酸化シリコ
   ン膜上にスパッタリングによって形成された酸化アルミ
   ニウム膜との２層からなることを特徴とするシリコンマ
   イクロセンサ。