JPS58501697A - キャパシタンス式圧力トランスデューサ - 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】 シリコン−ガラス−シリコン・キャパシタンス威圧力ドランスデューサ 技術分野 本発明は、圧力によりキャパシタンスが変化するキャパシタ板を形成する対向導 電面を有し導電面への電気的接続がシリコンのバルクを通じて行われている排気 されたカプセルを形成するように一対のシリコン片が電界利用接合プロセスによ りホウケイ酸塩ガラスと接合されている形式のキャパシタンス威圧力ドランスデ ューサに係る。

背景技術 圧力ドランスデューサとしては種々の形態のものが知られている。一つの形態で は圧力により薄いダイヤフラムの振れが使用されている。キャパシタンス威圧力 ドランスデューサの場合、ダイヤフラムの振れが、可変キャパシタの板を形成す る一対の面の間の距離に変化を生じさせる。米国特許第３．６３４．７２７号明 細書には、ガラスにより互いに絶縁され且低温ガラスによりまたはガラス上に被 覆された薄い金属箔のろう付けにより互いに接合された二つのシリコンウェーハ から形成されたキャパシタが開示されている。上記特許に開示されている装置は 、単一の圧力ドランスデューサを形成するために二つのシリコンウェーへの処理 を必要とし、また二つのシリコンウェーハを接合する方法が繁雑である。単一の 対の処理されたウェーハから多数の圧力ドランスデューサを形成するようにウェ ーハを処理するためには、適当な接合技術が用いられなければならない。その一 つは電界利用接合による方法ｔであり、この場合、“スパッタされたホウケイ酸 塩ガラスを用いる低温静電シリコン対シリコンシール”という名称の１９７５年 １月のＮＡＳＡ　ＴｅｃｈＢｒｉｅｆ　Ｂ７４−１０２６３に記載されているよ うに、二つのシリコン片の間のホウケイ酸塩ガラスの層が真空中で約５００℃に 於てシリコンとホウケイ酸塩ガラスとの接合を可能とし、シリコン片はそれらの 間に印加される１００または２００ｖのオーダの電圧により確立される直流電界 により互いに全体的に吸引される。

また、前記特許による装置は、装置の周縁が＠酸の偏倚可能な部分の表面よりも 互いに近接している導電向を有するので、可変キャパシタンスと寄生固定キャパ シタンスとの比が非常に小さいという欠森を有する。

可変キャパシタンス対固定キャパシタンス比を改善するため、特に寄生固定キャ パシタンス（圧力変化に応答するダイヤフラム撓みの関数として変化しない部分 ）を小さくするためには、相対的に運動可能なキャパシタ板部分を装置の導電ボ ディの固定部分と比較して互いに近接して位置させるように、堀、ペデスタルま たはピストンを有する立体的構造に形成する必要がある。加えて、（ウェー八対 当り複数個の装置を形成するべくつＩ−への大規模東横回路処理による場合のよ うに）非常に小さな装置が作られる場合には、圧力に対して所望のＳ度を得るた めに十分なキャパシタンスが得られるように、対向キャパシタ板の小さな表面積 が僅かな間隔で向い合っている必要がある。

公知のマイクロ＠路及び薄膜技術を用いるシリコン・キャパシタンス底圧力ドラ ンスデューサの量産に当っては、特に小さな装置が望まれ且キャパシタ板面間隔 が非常に小さくなる場合には、寸法精度を非常に正確に制御し得るようなプロセ スが選択される実行される必要がある。例えば、もしペデスタルまたはピストン が高過ぎれば、短絡による不良を生じ得る。他方、もしペデスタルまたはピスト ンが短過ぎれば、圧力の関数として所望のように変化するキャパシタンスが得ら れない。

発明の開示 本発明の目的は超小型シリコン・キャパシタンス底圧力ドランスデューサを智作 するためのウェーハの処理に於ける寸法制御の改良及び超小型シリコン・キャパ シタンス底圧力ドランスデューサに於ける寄生固定キャパシタンスの減少を含ん でいる。

本発明によれば、外部圧力変化に応答しての振れの結果として間隔、従ってまた その閣のキャパシタンスが変化する対向キャパシタ板への電気的接続がシリコン を紅で行われるシリコン・キャパシタンス底圧力ドランスデューサに於て、装置 の変化不能部分の寄生固定キャパシタンスが、その導電部分にホウケイ酸塩ガラ スをおくことにより有意義に減ぜられる 本発明によれば、シリコン・キャパシタンス底圧力ドランスデューサを形成する べく処理される一つまたはそれ以上のウェーハの立体的構造の寸法の制御が、主 要寸法決定過程として、時開的に制御されるシリコンまたは他の材料のエツチン グの深さの代りに、スパッタされるホウケイ酸塩ガラスの深さを用いることによ り達成される。

本発明の第一の特徴によれば、外部圧力と共に間隔が変化するキャパシタの対向 面が僅かなａｌｉで載せられる二つのシリコン片が、ホウケイ酸塩ガラスにより 周縁固定キャパシタンス部分で隔てられている。更に、本発明によれば、シリコ ンまたは他の材料のエツチングと比較して比較的正確な寸法ｍｉ制御を可能とす るようにホウケイ酸塩ガラスの被覆及びエツチングの過程で二つのシリコン片の 間の主要寸法制御が行われる。

本発明は、寄生キャパシタンスを小さくし且処理中の正確な寸法制御を可能にす るため、キャパシタ板を形成するホウケイ酸塩ガラスまたはシリコンの金属被覆 ありまたはなしの様々の形式のシリコン圧力ドランスデューサで実施され得る。

本発明は、以下の開示に基いて、当業者に良く知られているマイクロ回路及びＳ 膜技術を用いて実施され得る。

本発明の上記及び他の目的、特徴及び利点は、以下にその県型的な実施例を図面 により詳細に説明する中で一部明らかになろう。

図面の簡単な説明。

第１図乃至第９図は本発明に従って典型的なシリコン・キャパシタンス底圧力ド ランスデューサを形成するべく処理されている一つまたはそれ以上のシリコンウ ェーへの簡単化された側断面図である。

第１０図及び第１１図は本発明を用いるシリコン圧力ドランスデューサの代替的 な実施例の簡単化された側面図である。

発明を実施するための最良の形態 さて第１図を参照すると、ドープされたシリコンのウェーハ１４はその上に被覆 されたホウケイ酸塩ガラスの１１１６を有する。シリコンは、導電率を１０・ｃ ｍ以下にするように少くとも１０　不純物／−を有するＮ型もしくはＰ型のシリ コンであって良い。ホウケイ酸塩ガラス１６は、例えば、コーニング７０７０ガ ラスまたは“パイレックス″のような他のホウケイ酸塩ガラスであって良い。ガ ラス１６は、２．５μｍのＡ−ダの高さを達成するように、周知の技術を用いて ＲＦスパッタされて良い。第２図では、シリコンウェーハ１４の露出面の複数個 の円形かイト２０（その各々に後記のように圧力ドランスデューサが形成される ）を郭定するガラスのマトリックス１８を形成するようにガラス１１１６のエツ チングを行うのに周知のフォトレジスト及びエツチング技術が用いられている。

第３図に示されているように、次の過程は、追加的なホウケイ酸塩ガラスを６μ ｍのオーダの厚みの層２２に被覆する過程である。次いで、第４！！Ｉに示され ているように、中央に開０２８を有する環状塩２４及び円形ペデスタル２６を郭 定する厚みのあるマトリックス１８を形成するように■２２のエツチングを行う のに通常のフォトレジスト及びエツチング技術が用いられる。開口２８及びｉｉ ！２４はシリコンウェーハ１４の上面を露出させる。ガラス層１６及びガラス＠ ２２の被覆深さは、後でｍ−完全に説明されるように、本発明の一つの特徴に従 って、マトリックス１Ｂ、２１　（第４図）及び円形ペデスタル２６の厚みへの 寸法制御を可能にする。

第５図では後記のようにシリコンのその後のエツチングのためのマスクを形成し 且キャパシタ板を形成するように、５０００Ａのオーダの厚みにアルミニウムの −が電気ビームまたは抵抗法を用いてＲＦスパッタまたは蒸暑される。

第６図では、周知のフォトレジスト及びエツチング技術を用いて、アルミニウム 層３０が堀２４の各々の底に於てエツチングにより除去される。次いで、シリコ ン内へ延びる円形の堀２４ａを形成するようにウェーハのサイトの各々に於て堀 を深くするため、シリコンウェーハ１４がプラズマ・エツチングを施される。第 ７図に示されているシリコンのエツチングは円形ペデスタル２６の高さとマトリ ックス１８．２１の＾さとの閤の寸法差を変化させない。従つて、エツチングの 深さは、所望の構造的強度を得るため且（または）後記のように所望の肚カー撓 み特性を得るため、堀２４ａとシリコンウェーハ１４の下面との間に十分な材料 を残すような深さであれば良い。第８図に示されているように、ホウケイ酸塩ガ ラスの円形ペデスタル２６の頂に導電性表面を形成するように、第５図に示され ている過程で被覆されたアルミニウムマスクの一部分のみを除去するのに通常の フォトレジスト及びエツチング技術が用いられる。この過程で、マトリックス１ ８．２１内のガラスと環状塩２４ａの底に於けるシリコンとがエツチングを停止 させるので、望ましくないアルミニウムの除去の帰結として　、の寸法変化は生 じない。第８図には、キャパシタンス底圧力ドランスデューサが形成される複数 個のサイトを形成するように二つのウェーハの一つの処理の完了が示されている 。次の過程は、第８図の処理されたウェーハの上に、第９図に示されているよう に２５０μｍのオーダの厚みの導電性シリコンのウェーハ３２を重ね、且これら のウェーハを互いに接合する過程である。７５〜１２５ｖのオーダの電圧の正極 をウェーハ３２にまたその負極をウェーハ１４に印加して、約５００℃で約１０ 　Ｔｏｒｒの真空内で電界利用接合が行われ得る。それにより、ガラス１８ａが ウェーハ３２に接合するにつれて、シリコンウェーハは互いに吸引される。こう して、処理されたウェーハ１４のサイトの各々に於てＥカに対して密なシールが 保証される。次いで、複数個の個々の圧力ドランスデューサ３４を形成するよう に、例えばソーインクにより第９図中に鎖線３６により示されているように、ウ ェーハが近似的にダイスされ得る。

第９図を参照すると、装置の周縁のガラス部分２１はペデスタル２６と同一の被 覆（第３図中のガラス１１２２の被覆）の間に形成されるので、１１２２がどの ような厚みで形成されるかにかかわりなく、ペデスタル２６の頂は、層１６（第 １図）の厚みにより定められるガラス部分１８の厚みによりウェーハ３２の底か ら隔てられることになる。こうして、シリコンペデスタル２６とシリコンウェー ハ３２の下面との間の所定の間隔を得るための寸法制御が層１６の被覆の正しい 制御により簡単に行われる。勿論、金属層３０の厚みにより定められる板と板と の闇のｆｉｌは小さい。

他方、シリコンウェーハ１４とシリコンウェーハ３２との間の間隔は層２２（第 ３図）従ってまたガラス部分２１及びペデスタル２６の厚みにより独立にｌｌｌ ｌＩＤ可能である。ガラスのスパッタリングは、大醋生産の場合にも、所望の厚 みの±５％の厚みに制御される。これは、（厚いウェーハから堀２４及びペデス タル２６を形成する）シリコンのエツチングに於てエツチングの厚みが（金属１ ツチング停止を用いない場合には）所望の深さの±１５％にしか制御され得ない のと対照的である。この寸法制御は本発明の一つの特徴である。しかし、使用さ れるガラスのＩｔ（特に層２２の厚み）は無分別には増され得ない。何故ならば 、ホウケイ酸塩ガラスの熱膨張係数と導電性単結晶シリコンの熱膨張係数との差 が使用中の装置の温度変化の結果としてひび割れを惹起し得るからである。しか し、寄生キャパシタンスを最小にするため、ガラス壁構造１８．２１は板３０と ３２との闇のｌｌ隔の少くとも四倍の厚みでなければならない。

本発明の他の実施例が第１０図に示されている。これは、堀３１ａが下側ウェー ハ１４ａのガラス２ｉａ内ではなく上側ウェーハ３２ａに形成されていることを 除けば、第９図に示されている実施例と実質的に同一である。第１図乃至第９図 に示した過程を変形した過程が第１０図の装置を形成するのに用いられ得る。も つとも大きな相違点は、金属板面及び接触部３０ａを形成するためにアルミニウ ムのエツチング・バックを行う過程であり、同様なアルミニウム・マスクがウェ ーハ３２ａ＆：溝３１ａを形成する過程に用いられる。第１０図の実施例は、＾ い感度を得るためにピストン２６ａが高い移動可能性を有することが望ましい場 合に有利であり得る。

第１１図に示されているように本発明の一つの特徴を用いる他の実施例では、ガ ラス材料２１ｂウエーハ１４′Ｄとウェーハ３２ｂとの間の＠陽を郭定するのに 用いられているが、ペデスタル２６ｂの上面とウェーハ３２ｂの下面との閣の間 隔は、ガラス２１１１が被覆され且逆エツチングが行われた後に堀３１ｂとなる シリコンのエツチングの深さに完全に依存する。従って、第１１図の実施例では 、キャパシタ板の間隔の正確な寸法１ｉ１１１１１は行われないが、二つのウェ ーハがガラス部分２１ｂにより有意義に隔てられ、それにより＠１の周縁に於け る寄生固定キャパシタンスを減するという本発明の特徴が実現されている。

第９図及び第１０＠の実施例では、キャパシタの板の一つは金属被８１３０．３ ０ａにより形成されており、第１１図の実施例ではキャパシタの双方の板がシリ コン片１４ｂ１３２ｂの表向により形成されている。第１０図及び第１１図の実 施例では、ペデスタル２６ａ　、２６ｂはシリコンのみにより形成されており、 第９図の実施例ではペデスタル２６は少くとも部分的にガラスにより形成されて いる。しかし、これらの三つの実施例の全てに於て、シリコン片は互いに接合さ れており、ｎ：つのキャパシタ板の間の間隔よりも実質的に大きい二つのシリコ ン片間の寸法（図面で見て垂直）を有するガラスにより隔てられている。実際、 二つのシリコン片の間に形成される排気チャンバに対して側壁を形成するガラス ！構造はキャパシタ板のｔｔｕｉよりも少くとも四倍大きいシリコン片−の−隔 （図面で垂直）を有するべきであることが見出されてる。これは周縁に於ける板 の閤の変化不能な寄生キャパシタンスの実質的な減少を可能とし、他方板の間の 狭い間隔は圧力の関数としてのダイナミックレンジ（全キャパシタンスの変化可 能なキャパシタンス部分）の増大を可能にする。

本発明は、・二重堀または単−堀を有する運動可能若しくは比較的剛固なピスト ンを用いて、また他の特徴及び種々の形状及び寸法を用いて、広範囲な形態で実 施される得る。

しかし、電界利用接合過程で最良の結果を得るためには、接合中に形成されるシ ールがシリコ−ｌ／ガラスシールであるように、ガラスが一つのウェーハ上に被 覆されるべきである。同様に、本発明をその典型的な実施例について図示し説明 してきたが、本発明の範囲内で上記及び他の種々の変形、省略及び追加が行われ 得ることは当業者により理解されよう。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 シリコン・キャパシタンス威圧力ドランスデューサに於て、 導電性表面を有するペデスタルの上に配置された第一の導電性シリコン片と、 導電性シリコンを有する第二の導電性シリコン片と、前記第一のシリコン片を前 記第二のシリコン片と接合するガラスの壁とを含んでおり、前記第−及び第二の シリコン片と前記壁との間にチャンバが形成されており、前記ぺ′　デスタルの 導電性表面が前記第二のシリコン片の導電性表面から小さなＩｌ隔をおかれてお り、キャパシタの板を形成しており、前記間隔、従ってまた前記キャパシタのキ ャパシタンスが前記圧力ドランスデューサに外部から与えられる流体圧力の変化 に応答して変化し、また前記シリコン片の間の前記壁の長さが前記キャパシタ板 の間のｌｌｗＡの少（とも四倍の大きさであることを特徴とするシリコン・キャ パシタンス威圧力ドランスデューサ