WO2023058201A1 - 積層電極、電極付き歪抵抗膜および圧力センサ - Google Patents

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WO2023058201A1
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WO
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resistance film
layer
strain resistance
laminated electrode
film
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PCT/JP2021/037202
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French (fr)
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正典 小林
将光 南風盛
健 海野
哲也 笹原
孝平 縄岡
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Tdk株式会社
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Publication date
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    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
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    • G01B7/16—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/26—Auxiliary measures taken, or devices used, in connection with the measurement of force, e.g. for preventing influence of transverse components of force, for preventing overload

Definitions

  • the present invention relates to a laminated electrode provided on a strain resistive film, a strain resistive film with electrodes, a pressure sensor having these, and the like.
  • a strain resistance film containing Cr and Al has been proposed for use in devices such as pressure sensors. Such strain-resistant films are reported to have excellent properties, especially at high temperatures.
  • an electrode layer for wiring with an external circuit is provided on such a strain resistance film.
  • Such an electrode layer preferably has good bonding properties to both the strain resistance film and the wiring material.
  • a laminated electrode in which a plurality of layers are laminated has been proposed (see Patent Document 1, etc.).
  • the inventors of the present invention have found that even if the conventional electrode layer for a strain resistance film has good bonding properties at room temperature, the adhesion to the wiring decreases when exposed to a high temperature environment. encountered the problem.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and its object is to provide good adhesion to wiring even after being exposed to a high-temperature environment in the case of using a strain resistance film containing Cr and Al. It is an object of the present invention to provide a laminated electrode or the like for a strain resistance film that exhibits
  • a laminated electrode according to the present invention is a laminated electrode provided on a strain resistance film,
  • the strain resistance film contains Cr and Al
  • the laminated electrode has a contact layer overlaid on the strain resistance film, a diffusion prevention layer overlaid on the contact layer, and a mounting layer overlaid on the diffusion prevention layer,
  • the diffusion barrier layer contains a transition element belonging to the 5th or 6th period.
  • a laminated electrode according to the present invention is formed on a strain resistance film containing Cr and Al, and has at least three layers: a contact layer, a diffusion prevention layer, and a mounting layer.
  • the diffusion prevention layer containing the transition element belonging to the 5th or 6th period prevents the elements contained in the contact layer and the strain resistance film from interdiffusion into the mounting layer.
  • a laminated electrode having such a diffusion prevention layer suppresses the reaction of interdiffused elements at the mounting layer interface, thereby improving high-temperature resistance and providing good adhesion to wiring even after being exposed to a high-temperature environment. play power.
  • the strain resistance film may contain 50 to 99 at % of Cr and 1 to 50 at % of Al.
  • Such a strain resistance film has a stable high gauge factor over a wide temperature range, and the diffusion prevention layer of the laminated electrode effectively prevents interdiffusion of Cr, which has a high content rate, into the mounting layer in the strain resistance film. In this way, a laminated electrode exhibiting good adhesion is realized.
  • the diffusion prevention layer may contain a platinum group element.
  • the diffusion prevention layer contains a chemically stable platinum group element, it is possible to effectively prevent interdiffusion between each film and between each layer in the strain resistance film and laminated electrode. In addition, it is possible to effectively suppress the reaction of interdiffused elements at the mounting layer interface.
  • the contact layer may contain at least one of Cr, Ti, Ni, and Mo. Further, for example, the contact layer may contain Ti.
  • the elements contained in such a contact layer easily form an alloy with other metal elements, they are effective in ensuring the adhesion strength between films and between layers to prevent film peeling defects.
  • Ti has the property of being relatively difficult to diffuse into the strain resistance film containing Cr and Al. is effectively prevented.
  • Ti is less likely to diffuse into a mounting layer containing Au or the like, and less likely to precipitate on the upper surface of the mounting layer. Therefore, the laminated electrode having such a contact layer can effectively prevent interdiffusion between each film and between each layer in the strain resistance film and laminated electrode.
  • the laminated electrode having such a contact layer prevents the characteristic change of the strain resistance film in a high-temperature environment, improves the high-temperature resistance, and is very good for wiring even after being exposed to a high-temperature environment. It exerts adhesion force.
  • the mounting layer may contain Au.
  • the mounting layer contains Au, the adhesion of the mounting layer to the Au wiring with good heat resistance is particularly good. Therefore, the laminated electrode having such a mounting layer has improved high-temperature resistance and good adhesion to the wiring.
  • a strain resistance film with electrodes according to the present invention includes any one of the laminated electrodes described above and the strain resistance film.
  • a pressure sensor according to the present invention includes the laminated electrode according to any one of the above, the strain resistance film; and a membrane on which the strain resistance film is provided.
  • the laminated electrode described above is provided on the strain-resistant film and used as a strain-resistant film with electrodes. Moreover, such a laminated electrode and strain resistance film are provided on a membrane or the like to constitute a pressure sensor that exhibits excellent resistance even in a high-temperature environment, for example.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a pressure sensor according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of the portion indicated by II in FIG.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing an example of pattern arrangement of a strain resistance film with electrodes included in the pressure sensor shown in FIG.
  • FIG. 4 is a graph showing the difference in diffusion state of elements depending on the presence or absence of the diffusion prevention layer.
  • FIG. 5 is a micrograph showing that the diffusion barrier layer prevents the diffusion of Cr.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a pressure sensor according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of the portion indicated by II in FIG.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing an
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a pressure sensor 10 using laminated electrodes 36 (see FIG. 2) according to one embodiment of the present invention.
  • the pressure sensor 10 has a membrane 22 that deforms in response to pressure.
  • the membrane 22 is composed of an end wall formed at one end of the hollow cylindrical stem 20 .
  • the other end of the stem 20 is an open end of a hollow portion, and the hollow portion of the stem 20 communicates with the flow path 12 b of the connecting member 12 .
  • the fluid introduced into the flow path 12 b is guided from the hollow portion of the stem 20 to the inner surface 22 a of the membrane 22 to apply fluid pressure to the membrane 22 .
  • Stem 20 is made of metal such as stainless steel.
  • a flange portion 21 is formed around the open end of the stem 20 so as to protrude outward from the axis of the stem 20 .
  • the flange portion 21 is sandwiched between the connecting member 12 and the pressing member 14 so that the channel 12b leading to the inner surface 22a of the membrane 22 is sealed.
  • connection member 12 has a screw groove 12a for fixing the pressure sensor 10.
  • the pressure sensor 10 is fixed via a thread groove 12a to a pressure chamber or the like in which a fluid to be measured is enclosed.
  • the channel 12b formed inside the connecting member 12 and the inner surface 22a of the membrane 22 of the stem 20 are airtightly communicated with the pressure chamber in which the fluid to be measured exists.
  • a circuit board 16 is attached to the upper surface of the holding member 14 .
  • the circuit board 16 has a ring shape surrounding the stem 20, but the shape of the circuit board 16 is not limited to this.
  • the circuit board 16 incorporates, for example, a circuit to which a detection signal from the strain resistance film 30 with electrodes is transmitted.
  • the outer surface 22b of the membrane 22 is provided with a strain resistance film 30 with electrodes.
  • the strain resistance film 30 with electrodes and the circuit board 16 are connected by an intermediate wiring 72 such as wire bonding.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an enlarged part of the strain resistance film 30 with electrodes included in the pressure sensor 10 shown in FIG.
  • the strain resistance film 30 with electrodes has a strain resistance film 32 and a laminated electrode for strain resistance film (hereinafter also simply referred to as “laminated electrode”) 36 .
  • the strain resistance film 32 is provided on the outer surface 22b of the membrane 22 with an underlying insulating layer 52 interposed therebetween.
  • the base insulating layer 52 is formed so as to cover substantially the entire outer surface 22b of the membrane 22, and is made of, for example, silicon oxide, silicon nitride, or silicon oxynitride.
  • the thickness of the base insulating layer 52 is preferably 10 ⁇ m or less, more preferably 1 to 5 ⁇ m.
  • the base insulating layer 52 can be formed on the outer surface 22b of the membrane 22 by vapor deposition such as CVD.
  • the strain resistance film 32 may be formed directly on the outer surface 22b of the membrane 22 without forming the base insulating layer 52.
  • membrane 22 is made of an insulating material such as alumina
  • strain resistance film 32 may be provided directly on membrane 22 .
  • FIG. 3 is a schematic plan view of the strain resistance film 30 with electrodes shown in FIGS. 1 and 2 as seen from above, and shows the pattern arrangement of the strain resistance film 30 with electrodes.
  • the strain resistance film 32 has a first resistor R1, a second resistor R2, a third resistor R3 and a fourth resistor R4 formed in a predetermined pattern.
  • the first to fourth resistors R1, R2, R3, and R4 generate strain according to the deformation of the membrane 22, and the resistance value changes according to the deformation of the membrane 22.
  • FIG. These first to fourth resistors R1 to R4 are connected by electrical wiring 34 so as to form a Wheatstone bridge circuit.
  • the pressure sensor 10 shown in FIG. 1 detects the fluid pressure acting on the membrane 22 from the output of the Wheatstone bridge circuit by the first to fourth resistors R1 to R4 shown in FIG. That is, the first to fourth resistors R1 to R4 are provided at positions where the membrane 22 shown in FIGS. 1 and 2 is deformed and distorted by the fluid pressure, and the resistance value changes according to the amount of strain. It is configured as follows.
  • the strain resistance film 32 having the first to fourth resistors R1 to R4 can be produced, for example, by patterning a conductive thin film of a predetermined material.
  • the strain resistance film 32 contains Cr and Al, preferably contains 50 to 99 at% Cr and 1 to 50 at% Al, more preferably 70 to 90 at% Cr and 5 to 30 at% Al. Since the strain resistance film 32 contains Cr and Al, TCR (Temperature coefficient of resistance) and TCS (Temperature coefficient of sensitivity) in a high temperature environment are stabilized, and highly accurate pressure Detection becomes possible. Further, by setting the contents of Cr and Al within a predetermined range, it is possible to achieve both a high gauge factor and good temperature stability at a higher level.
  • the strain resistance film 32 may contain elements other than Cr and Al.
  • the strain resistance film 32 may contain O and N.
  • the O and N contained in the strain resistance film 32 may be taken into the strain resistance film 32 after being left unremoved from the reaction chamber when forming the strain resistance film 32 . Further, O and N contained in the strain resistance film 32 may be intentionally introduced into the strain resistance film 32 by being used as atmosphere gases during film formation or annealing.
  • the strain resistance film 32 may contain metal elements other than Cr and Al.
  • the strain resistance film 32 contains a small amount of metal or non-metal elements other than Cr and Al, and may be improved in gauge factor and temperature characteristics by performing heat treatment such as annealing.
  • metal and non-metal elements other than Cr and Al contained in the strain resistance film 32 include Ti, Nb, Ta, Ni, Zr, Hf, Si, Ge, C, P, Se, Te, Zn, Cu, Bi, Fe, Mo, W, As, Sn, Sb, Pb, B, Ge, In, Tl, Ru, Rh, Re, Os, Ir, Pt, Pd, Ag, Au, Co, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Mn and rare earth elements are included.
  • the strain resistance film 32 can be formed by a thin film method such as sputtering or vapor deposition.
  • the first to fourth resistors R1 to R4 can be formed, for example, by patterning a thin film into a meandering shape.
  • the thickness of the strain resistance film 32 is not particularly limited, it is preferably 10 ⁇ m or less, more preferably 0.1 to 1 ⁇ m.
  • the electric wiring 34 may be formed by patterning the strain resistance film 32, as shown in FIG. (See FIG. 7).
  • the laminated electrode 36 is provided over the strain resistance film 32 . As shown in FIG. 2, the laminated electrode 36 is formed on part of the upper surface of the strain resistance film 32 .
  • the laminated electrodes 36 are independently formed at four locations on the strain resistance film 32 .
  • Each laminated electrode 36 is electrically connected to any two of the first to fourth resistors R1 to R4 via an electric wiring 34.
  • the laminated electrode 36 is provided at a position of the strain resistance film 32 where the first to fourth resistors R1 to R4 are not formed.
  • one end of the intermediate wiring 72 shown in FIGS. 1 and 2 is connected to each laminated electrode 36 shown in FIG. That is, the output of the Wheatstone bridge circuit by the first to fourth resistors R1 to R4 is transmitted to the circuit board 16 shown in FIG. 1 via the laminated electrode 36 and the intermediate wiring 72 (see FIGS. 1 and 2). be done.
  • the laminated electrode 36 includes a contact layer 36a overlying the strain resistance film, a diffusion prevention layer 36b overlying the contact layer 36a, and a mounting layer 36c overlying the diffusion prevention layer 36b. have.
  • the laminated electrode 36 has a multi-layer structure of three or more layers made of different materials.
  • the laminated electrode 36 is not limited to the three-layered structure shown in FIG. 2, and the laminated electrode 36 may have a laminated structure of four or more layers.
  • the contact layer 36a which is the lowest layer among the stacked electrodes 36, is in direct contact with the strain resistance film 32. As shown in FIG. The contact layer 36a ensures ohmic contact with the strain resistance film 32 and improves the electrical characteristics of the strain resistance film 30 with electrodes. In addition, the contact layer 36a secures adhesion strength between the strain resistance film 32 and the laminated electrode 36, and prevents delamination defects of the films and layers.
  • the contact layer 36a can be formed by a thin film method such as sputtering or vapor deposition.
  • the thickness of the contact layer 36a is not particularly limited, but is, for example, 1 to 50 nm, preferably 5 to 20 nm.
  • the contact layer 36a preferably contains at least one of Cr, Ti, Ni, and Mo. Since these elements easily form alloys with other metals, the contact layer 36a containing such elements secures adhesion strength to the strain resistance film 32 and the diffusion prevention layer 36b, thereby preventing delamination defects between the films and the layers. can be prevented.
  • the contact layer 36a contains Ti.
  • Ti tends to be difficult to diffuse into the mounting layer 36c containing Au or the like and to be less likely to precipitate on the upper surface of the mounting layer 36c. Therefore, the laminated electrode 36 having the contact layer 36a containing Ti exhibits suitable adhesion to the intermediate wiring 72 even after the laminated electrode 36 is exposed to a high-temperature environment.
  • the contact layer 36a contains Ti.
  • the strain-resistant film 30 with an electrode having the contact layer 36a containing Ti can prevent the diffusion of elements in the laminated electrode 36 into the strain-resistant film 32 even when used in a high-temperature environment. It is possible to prevent deterioration in the performance of the strain resistance film 32 due to
  • the contact layer 36a preferably contains a plurality of elements selected from Cr, Ti, Ni, and Mo. Also, the contact layer 36a is preferably made of at least one of Cr, Ti, Ni, and Mo. Further, it is particularly preferable that the contact layer 36a is made of Ti. Also, the contact layer 36a is preferably composed of a plurality of elements selected from Cr, Ti, Ni, and Mo.
  • the contact layer 36a, the diffusion prevention layer 36b, and the mounting layer 36c are composed of one or more specified elements, it is assumed that other elements other than the specified elements are unavoidably or intentionally included in these layers. do not exclude In that case, the content of other elements is, for example, less than 10 at %, preferably less than 3 at %, more preferably less than 1 at %.
  • the diffusion prevention layer 36b is arranged between the contact layer 36a and the mounting layer 36c in the laminated electrode 36, and is vertically sandwiched between the mounting layer 36c and the contact layer 36a.
  • the anti-diffusion layer 36b is a mounting layer 36c in which elements contained in films and layers arranged below the anti-diffusion layer 36b, such as the strain resistance film 32 and the contact layer 36a, are arranged above the anti-diffusion layer 36b. diffusion to the mounting layer 36c and deposition on the upper surface of the mounting layer 36c. It is preferable that the anti-diffusion layer 36b be arranged immediately below the mounting layer 36c even when the strain resistance film 32 and the laminated electrode 36 have a multi-layer structure of four or more layers.
  • the diffusion prevention layer 36b can be formed by a thin film method such as sputtering or vapor deposition.
  • the thickness of the diffusion prevention layer 36b is not particularly limited, it is, for example, 1 to 500 nm, preferably 5 to 50 nm. If the thickness of the diffusion prevention layer 36b is too thin, it becomes difficult to form a continuous film, and the diffusion prevention function may be weakened. A problem of decreased productivity (throughput) may occur.
  • the diffusion prevention layer 36b preferably contains a transition element belonging to the 5th or 6th period from the viewpoint of preventing the elements contained in the strain resistance film 32 and the contact layer 36a from diffusing to upper layers.
  • the diffusion prevention layer 36b is composed of Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho , Er, Tm, Yb, Lu, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, and Au.
  • the diffusion prevention layer 36b contains a platinum group element.
  • the diffusion prevention layer 36b preferably contains one or more elements selected from Ru, Rh, Pd, Os, Ir, and Pt. Since platinum group elements have low reactivity and are chemically stable, the diffusion prevention layer 36b containing a platinum group element exhibits a particularly suitable diffusion prevention effect even in a high-temperature environment.
  • Pt in particular has a track record of being used in other electrode fields, and has more technological accumulation than other platinum group elements.
  • the diffusion prevention layer 36b is also preferably made of a transition element belonging to the 5th or 6th period. It is also preferable that the diffusion prevention layer 36b is made of a platinum group element.
  • the uppermost mounting layer 36c of the laminated electrodes 36 is exposed on the upper surface of the strain resistance film 30 with electrodes.
  • An intermediate wiring 72 composed of a fine wire such as Au or Al is bonded to the mounting layer 36c by wire bonding or the like.
  • the pressure sensor 10 using the intermediate wiring 72 made of thin Au or Al wire can be used in a high-temperature environment above the melting point of solder, and has good heat resistance. Further, the pressure sensor 10 using the intermediate wiring 72 made of Au thin wire can improve the heat resistance more than the pressure sensor using the intermediate wiring 72 made of Al thin wire.
  • the mounting layer 36c can be formed by a thin film method such as sputtering or vapor deposition.
  • the thickness of the mounting layer 36c is not particularly limited, it is, for example, 10 to 400 nm, preferably 100 to 300 nm. If the thickness of the mounting layer 36c is too thin, it will be difficult to form a continuous film, and there is a possibility that the adhesion with the intermediate wiring 72 will deteriorate. If the thickness of the mounting layer 36c is too thick, the problem of film peeling may arise, or the problem of reduced productivity (throughput) due to an increase in film formation time may arise.
  • the mounting layer 36 c preferably contains at least one of Au, Al, and Ni from the viewpoint of heat resistance and bondability with the intermediate wiring 72 .
  • the mounting layer 36c contain Au, which has a low resistance and a high melting point even in a high-temperature environment.
  • the material of both the intermediate wiring 72 and the mounting layer 36c is Au because the mounting layer 36c contains Au. This improves the adhesion of the junction between the intermediate wiring 72 and the mounting layer 36c.
  • the mounting layer 36c is preferably made of at least one of Au, Al, and Ni, and particularly preferably made of Au.
  • the stem 20 is prepared.
  • the material of the stem 20 is, for example, SUS316.
  • a strain resistance film 30 with electrodes is formed on the outer surface 22b of the membrane 22 of the stem 20.
  • a base insulating layer 52 is formed to a predetermined thickness by a thin film method such as CVD or sputtering on the outer surface 22b of the membrane 22 so as to cover the membrane 22 (see FIG. 2).
  • a thin film method such as CVD or sputtering on the outer surface 22b of the membrane 22 so as to cover the membrane 22 (see FIG. 2).
  • the underlying insulating layer 52 include a silicon oxide film and a silicon nitride film.
  • the strain resistance film 32 is formed on the surface of the underlying insulating layer 52. Then, as shown in FIG. The strain resistance film 32 is formed by a thin film method such as vapor deposition or sputtering. The shape of the strain resistance film 32 having the first to fourth resistors R1 to R4 and the electrical wiring 34 is formed by patterning by photolithography or the like.
  • a layered electrode 36 is formed on the strain resistance film 32 .
  • conductive thin films are formed on the strain resistance film 32 in the order of a contact layer 36a, a diffusion prevention layer 36b, and a mounting layer 36c.
  • the contact layer 36a, diffusion prevention layer 36b and mounting layer 36c of the laminated electrode 36 are formed by a thin film method such as sputtering or vapor deposition.
  • the contact layer 36a, diffusion prevention layer 36b and mounting layer 36c included in the laminated electrode 36 are formed only at predetermined positions on the strain resistance film 32, as shown in FIG. Patterning of each layer included in the laminated electrode 36 can be performed by photolithography or the like in the same manner as the strain resistance film 32, but other methods may be used.
  • the strain resistance film 30 with electrodes shown in FIG. 3 is formed.
  • heat treatment such as annealing (for example, 350 to 800° C.) may be performed after the strain-resistant film 32 and the laminated electrode 36 are formed.
  • the characteristics such as the gauge factor of the strain resistance film 32 can be enhanced. Further, by performing a heat treatment after forming the laminated electrode 36, the bondability between the strain resistance film 32 and the laminated electrode 36 and each layer inside the laminated electrode 36 can be improved.
  • the electric wiring 134 is formed on the strain resistance film 32 at the same time when the laminated electrode 36 or a part of the layers included in the laminated electrode 36 is formed. good too.
  • the electrical wiring 134 has the same material and properties as the laminated electrode 36 or part thereof. By making the electrical wiring 134 of the same material as the laminated electrode 36 or a part thereof, the electrical wiring 134 is less likely to be used than the electrical wiring 34 made of a part of the strain resistance film 32 (see FIG. 3). It is possible to prevent the problem that the resistance value is affected by distortion.
  • the electrical wiring 134 which is made of the same material and has the same structure as the laminated electrode 36, has good bonding properties with the strain resistance film 32, and can prevent detachment defects.
  • the electric wiring 134 may be formed on the underlying insulating layer 52 .
  • the circuit board 16 is fixed to the stem 20 on which the electrode-attached strain resistance film 30 is formed, and an intermediate wiring 72 connecting the circuit board 16 and the electrode-attached strain resistance film 30 is connected.
  • the pressure sensor 10 is obtained by forming
  • the intermediate wiring 72 is formed by wire bonding or the like using thin Au wires.
  • the laminated electrode 36 shown in FIG. 3 has at least three layers, a contact layer 36a, a diffusion prevention layer 36b, and a mounting layer 36c, and the diffusion prevention layer 36b contains a transition element belonging to the 5th or 6th period.
  • the laminated electrode 36 having such a diffusion prevention layer 36b prevents the elements contained in the contact layer 36a and the strain resistance film 32 from inter-diffusion into the mounting layer 36c. is suppressed, the high temperature resistance is improved.
  • the laminated electrode 36 exhibits good adhesion to the intermediate wiring 72 even after being exposed to a high-temperature environment due to the anti-diffusion action of the anti-diffusion layer 36b.
  • the laminated electrode 36 and the strain resistance film 30 with electrodes will be described in more detail with reference to examples, but the present invention is not limited only to the examples.
  • Example 1 On the strain resistance film 32 containing 70 to 95 at % of Cr and 5 to 30 at % of Al, a contact layer 36a made of Ti of 5 nm, a diffusion prevention layer 36b of Pt of 20 nm, and a mounting layer 36c of Au of 200 nm are formed. , were sequentially formed to form a laminated electrode 36 as shown in FIG. Each layer of the strain resistance film 32 and the laminated electrode 36 was formed by sputtering (see Table 1).
  • Samples 2 to 4> Each sample was the same as Sample 1, except that Sample 2 had a contact layer 36a with a thickness of 20 nm, Sample 3 had a diffusion prevention layer 36b with a thickness of 5 nm, and Sample 4 had a mounting layer 36c with a thickness of 100 nm. The same is true (see Table 1).
  • sample 5 has a contact layer 36a made of Cr
  • sample 6 has a contact layer 36a made of Ni
  • sample 7 has a diffusion prevention layer 36b made of W ( See Table 1).
  • Sample 8 is the same as sample 1 except that the layer corresponding to the diffusion prevention layer 36b is made of Ni.
  • Samples 9 to 15 differ from sample 1 in that the laminated electrode has a two-layer structure of a mounting layer 36c and a contact layer 36a and does not have a diffusion prevention layer 36b.
  • the sample 9 has a contact layer 36a made of Ti with a thickness of 5 nm
  • the sample 10 has a contact layer 36a made of Ti with a thickness of 20 nm.
  • the sample 11 has a contact layer 36a made of Cr with a thickness of 5 nm
  • the sample 12 has a contact layer 36a made of Cr with a thickness of 20 nm.
  • the sample 13 has a contact layer 36a made of Ni with a thickness of 5 nm, and the sample 14 has a contact layer 36a made of Ni with a thickness of 20 nm.
  • the sample 15 has a contact layer 36a made of Mo with a thickness of 20 nm.
  • Samples 9 to 15 all have a mounting layer 36c made of Au with a thickness of 200 nm.
  • “ ⁇ ”, “ ⁇ ”, “ ⁇ ”, “ ⁇ ”, and “ ⁇ ” in Table 1 indicate the wire bonding success rate of each sample, and “ ⁇ ” indicates the success rate in the top quarter of the total. “ ⁇ ” indicates that the success rate was less than the top one-fourth and more than one-half of the total. In addition, “ ⁇ ” indicates that the success rate was less than 1/2, 3/4 or more of the above overall, and “ ⁇ ” indicates the success rate of less than 3/4 of the total. indicates that
  • Samples 1 to 7 in Table 1 showed a good wire bonding success rate even after being heat-treated at a high temperature.
  • sample 7 having the diffusion prevention layer 36b made of W wire bonding adhesion failure due to film peeling occurred under the condition of no heat treatment (AsDepo), but other samples after high-temperature heat treatment showed a good adhesion success rate. rice field.
  • the diffusion prevention layer 36b made of W which is a transition element belonging to the 5th or 6th period but is not a platinum group element, can prevent film peeling by appropriate heat treatment, and has good adhesion of wire bonding. It can be seen that the success rate is shown.
  • Samples 1 to 6 in Table 1 show good adhesion success rates for wire bonding under any heat treatment conditions, and it can be understood that Pt is particularly preferable as an element constituting the diffusion prevention layer 36b. Further, a comparison between Sample 1 and Samples 5 and 6 shows that Sample 1, in which the contact layer 36a is made of Ti, has a wire bonding success rate superior to Samples 5 and 6, in which the contact layer 36a is made of Cr or Ni. I can understand that.
  • Sample 8 in Table 1 shows a good adhesion success rate under no heat treatment (AsDepo) conditions, but it can be seen that the higher the heat treatment conditions, the worse the adhesion success rate.
  • the layer corresponding to diffusion prevention layer 36b is made of Ni which is not a transition element belonging to the 5th or 6th period, a sufficient diffusion prevention effect is obtained in the sample after heat treatment at 400° C. and 500° C. It is thought that it was not possible.
  • Samples 9 to 15 in Table 1 show a good adhesion success rate under no heat treatment (AsDepo) conditions, but it can be seen that the higher the heat treatment conditions, the worse the adhesion success rate.
  • the elements of the strain resistance film 32 and the contact layer 36a are precipitated on the surface of the mounting layer 36c by heat treatment at high temperature. It is thought that
  • a Ti thin film (thickness 5 nm) and an Au thin film (thickness 200 nm) are formed on a thin film (thickness 300 nm) containing 70 to 95 at % Cr and 5 to 30 at % Al.
  • the elements near the upper surface of the sample were analyzed by XPS (ESCA).
  • FIG. 4B shows a thin film (thickness of 300 nm) containing 70 to 95 at% of Cr and 5 to 30 at% of Al, and a thin film of Cr (thickness of 5 nm) and a thin film of Au (thickness of 200 nm).
  • a sample having a three-layer structure was prepared by forming the film, and after heat treatment at 350° C. for 2 hours, the elements near the upper surface of the sample were analyzed by XPS (ESCA). Note that the horizontal axis in FIGS. 4A and 4B is the sputtering time (Sputter time (min)), and the vertical axis is the intensity (Intensity).
  • FIG. 4A Ti in the lower layer is scarcely present on the sample surface and Au is abundant, whereas in FIG. 4B, Cr and oxygen are present in large amounts on the sample surface. , Au is small. From a comparison between FIGS. 4(a) and 4(b), it can be understood that Ti is less likely to diffuse into Au than Cr and is less likely to segregate on the surface of the Au layer after heat treatment. This is also why, in the results shown in Table 1, the sample 1 having the contact layer 36a made of Ti exhibited a better wire bonding adhesion success rate than the sample 5 having the contact layer 36a made of Cr. , are considered to correspond.
  • FIG. 5 shows a three-layer structure sample prepared by forming a thin film of Ti of 5 nm and a thin film of Au of 200 nm on a thin film of Cr, and performing heat treatment at 350° C. for 2 hours. - Elemental analysis by EDS.
  • FIG. 5(a) shows the position where Ti exists in white
  • FIG. 5(b) shows the position where Cr exists in white.
  • FIG. 6 shows the relationship between the difference in the composition of the strain-resistant film 32 and the change in gauge factor of the strain-resistant film 32 for the strain-resistant film 30 with electrodes shown in FIGS.
  • the strain-resistive film 30 with electrodes used in the evaluation was formed by forming a strain-resistive film 32 containing Cr and Al on a Si wafer with a thermal oxide film by sputtering, and then forming a contact layer 36a (Ti, 5 nm) and a diffusion prevention layer 36b.
  • strain-resistant films 30 with electrodes having different compositions of the strain-resistant film 32 were produced as follows, and the gauge factor of each sample was measured by a cantilever beam bending test. The composition of the strain resistance film 32 was adjusted by changing the Cr/Al ratio of the sputtering target.
  • the horizontal axis of FIG. 6 is the Al composition (at%), and the vertical axis is the gauge factor (K-factor).
  • K-factor the gauge factor
  • the strain resistance film 30 with electrodes has a high gauge factor in the region where the Al content is lower than the Cr content. Therefore, from the viewpoint of increasing the gauge factor, the strain resistance film 32 preferably contains 50 to 99 at% Cr and 1 to 50 at% Al, and preferably contains 70 to 95 at% Cr and 5 to 30 at% Al. It can be understood that it is more preferable to include
  • the pressure sensor 10 is not limited to the one having the stem 20 as shown in FIG. 1, and may be one in which a strain resistance film 30 with electrodes is formed on a flat substrate.
  • Materials for the substrate include, for example, Si and alumina (Al 2 O 3 ).

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Abstract

【課題】歪抵抗膜としてＣｒとＡｌとを含むものを用いる場合いおいて、高温環境に暴露された後でも、配線に対する良好な密着力を奏する歪抵抗膜用積層電極等を提供する。 【解決手段】歪抵抗膜の上に設けられる積層電極であって、前記歪抵抗膜は、ＣｒとＡｌとを含み、前記積層電極は、前記歪抵抗膜の上に重なるコンタクト層と、前記コンタクト層の上に重なる拡散防止層と、前記拡散防止層の上に重なる実装層と、を有し、前記拡散防止層は、第５および６周期に属する遷移元素を含む積層電極。

Description

積層電極、電極付き歪抵抗膜および圧力センサ
　本発明は、歪抵抗膜の上に設けられる積層電極、電極付き歪抵抗膜およびこれらを有する圧力センサ等に関する。
　圧力センサなどのデバイスに用いられる歪抵抗膜として、ＣｒとＡｌとを含むものが提案されている。このような歪抵抗膜は、特に高温で優れた特性を有することが報告されている。
　また、このような歪抵抗膜の上には、外部回路との配線のための電極層が設けられる。このような電極層は、歪抵抗膜と配線材料の双方に対する接合性が良好であることが好ましく、たとえば、複数の層を積層した積層電極が提案されている（特許文献１等参照）。
特開２０１８－９１８４８号公報
　しかしながら、本発明の発明者らは、従来の歪抵抗膜用電極層は、たとえ常温での接合性が良好であったとしても、高温環境に暴露されると、配線との密着力が低下するという課題に遭遇した。
　本発明は、このような実状に鑑みてなされ、その目的は、歪抵抗膜としてＣｒとＡｌとを含むものを用いる場合いおいて、高温環境に暴露された後でも、配線に対する良好な密着力を奏する歪抵抗膜用積層電極等を提供することである。
　本発明に係る積層電極は、歪抵抗膜の上に設けられる積層電極であって、
　前記歪抵抗膜は、ＣｒとＡｌとを含み、
　前記積層電極は、前記歪抵抗膜の上に重なるコンタクト層と、前記コンタクト層の上に重なる拡散防止層と、前記拡散防止層の上に重なる実装層と、を有し、
　前記拡散防止層は、第５または６周期に属する遷移元素を含む。
　本発明に係る積層電極は、ＣｒとＡｌとを含む歪抵抗膜の上に形成され、コンタクト層と、拡散防止層と、実装層の少なくとも３層を有する。第５または６周期に属する遷移元素を含む拡散防止層は、コンタクト層および歪抵抗膜に含まれる元素が、実装層へ相互拡散することを防止する。このような拡散防止層を有する積層電極は、相互拡散した元素の実装層界面での反応が抑制されることにより、高温耐性が向上するとともに、高温環境に暴露された後でも配線に対する良好な密着力を奏する。
　また、たとえば、前記歪抵抗膜は、５０～９９ａｔ％のＣｒと、１～５０ａｔ％のＡｌとを含んでいてもよい。
　このような歪抵抗膜は、広い温度範囲で安定した高いゲージ率を有するとともに、積層電極の拡散防止層が、歪抵抗膜において含有率の高いＣｒの実装層への相互拡散を効果的に防止し、良好な密着力を奏する積層電極を実現する。
　また、たとえば、前記拡散防止層は、白金族元素を含むものであってもよい。
　拡散防止層が化学的に安定な白金族元素を含むものであることにより、歪抵抗膜および積層電極における各膜間および各層間の相互拡散を効果的に防止できる。また、相互拡散した元素の実装層界面での反応についても、効果的に抑制できる。
　また、たとえば、前記コンタクト層は、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｍｏのうち少なくともいずれか１つを含むものであってもよい。
　また、たとえば、前記コンタクト層は、Ｔｉを含むものであってもよい。
　このようなコンタクト層に含まれる元素は、他の金属元素と合金を形成しやすいため、膜間および層間の密着強度を確保して膜の剥離不良を防ぐのに効果的である。また、特にＴｉは、ＣｒとＡｌとを含む歪抵抗膜に対して比較的拡散しにくい性質を有するとともに、第５または６周期に属する遷移元素を含む拡散防止層により、実装層への相互拡散が効果的に防止される。さらに、Ｔｉは、Ａｕなどを含む実装層へも拡散しづらく、実装層上面への析出を生じにくい。したがって、このようなコンタクト層を有する積層電極は、歪抵抗膜および積層電極における各膜間および各層間の相互拡散を効果的に防止できる。また、このようなコンタクト層を有する積層電極は、高温環境下における歪抵抗膜の特性変化を防止するとともに、高温耐性が向上し、かつ、高温環境に暴露された後でも配線に対する非常に良好な密着力を奏する。
　また、たとえば、前記実装層は、Ａｕを含むものであってもよい。
　実装層がＡｕを含むものであることにより、耐熱性の良好なＡｕ配線に対する実装層の密着性が特に良好となる。したがって、このような実装層を有する積層電極は、高温耐性が向上するとともに、配線に対する良好な密着力を奏する。
　また、本発明に係る電極付き歪抵抗膜は、上記いずれかに記載の積層電極と、前記歪抵抗膜と、を有する。
　また、本発明に係る圧力センサは、上記いずれかに記載の積層電極と、
　前記歪抵抗膜と、
　前記歪抵抗膜が設けられるメンブレンと、を有する。
　上記の積層電極は、歪抵抗膜の上に設けられて、電極付き歪抵抗膜として用いられる。また、このような積層電極および歪抵抗膜は、メンブレンなどに設けられて、たとえば、高温環境でも優れた耐性を奏する圧力センサを構成する。
図１は、本発明の一実施形態に係る圧力センサの概略断面図である。 図２は、図１のIIで示す部分の拡大断面図である。 図３は、図１に示す圧力センサに含まれる電極付き歪抵抗膜のパターン配列の一例を示す概略図である。 図４は、拡散防止層の有無による元素の拡散状態の違いを示すグラフである。 図５は、拡散防止層によりＣｒの拡散が防止されていることを示す顕微鏡写真である。 図６は、歪抵抗膜の組成変化によるゲージ率の変化を表すグラフである。 図７は、図１に示す圧力センサに含まれる電極付き歪抵抗膜のパターン配列の他の一例を示す概略図である。
　以下、本発明を、図面に示す実施形態に基づき説明する。
　図１は、本発明の一実施形態に係る積層電極３６（図２参照）を用いる圧力センサ１０の概略断面図である。図１に示すように、圧力センサ１０は、圧力に応じた変形を生じるメンブレン２２を有する。メンブレン２２は、本実施形態では、中空筒状のステム２０の一端に形成してある端壁で構成してある。ステム２０の他端は中空部の開放端となっており、ステム２０の中空部は、接続部材１２の流路１２ｂに連通してある。
　圧力センサ１０では、流路１２ｂに導入される流体が、ステム２０の中空部からメンブレン２２の内面２２ａに導かれて、流体圧をメンブレン２２に作用するようになっている。ステム２０は、たとえばステンレスなどの金属で構成される。
　ステム２０の開放端の周囲には、フランジ部２１がステム２０の軸芯から外方に突出するように形成してある。フランジ部２１は、接続部材１２と抑え部材１４との間に挟まれ、メンブレン２２の内面２２ａへと至る流路１２ｂが密封されるようになっている。
　接続部材１２は、圧力センサ１０を固定するためのねじ溝１２ａを有する。圧力センサ１０は、測定対象となる流体が封入してある圧力室などに対して、ねじ溝１２ａを介して固定されている。これにより、接続部材１２の内部に形成されている流路１２ｂおよびステム２０におけるメンブレン２２の内面２２ａは、測定対象となる流体が内部に存在する圧力室に対して、気密に連通する。
　抑え部材１４の上面には、回路基板１６が取り付けてある。回路基板１６は、ステム２０の周囲を囲むリング状の形状を有しているが、回路基板１６の形状としてはこれに限定されない。回路基板１６には、たとえば、電極付き歪抵抗膜３０からの検出信号が伝えられる回路などが内蔵してある。
　図１に示すように、メンブレン２２の外面２２ｂには、電極付き歪抵抗膜３０が設けられている。電極付き歪抵抗膜３０と回路基板１６とは、ワイヤボンディングなどによる中間配線７２により接続してある。
　図２は、図１に示す圧力センサ１０に含まれる電極付き歪抵抗膜３０の一部を拡大して表示した模式断面図である。図２に示すように、電極付き歪抵抗膜３０は、歪抵抗膜３２と、歪抵抗膜用積層電極（以下、単に「積層電極」とも言う。）３６と、を有する。
　図２に示すように、歪抵抗膜３２は、メンブレン２２の外面２２ｂに、下地絶縁層５２を介して設けられている。
　下地絶縁層５２は、メンブレン２２の外面２２ｂのほぼ全体を覆うように形成してあり、たとえばシリコン酸化物、シリコン窒化物、シリコン酸窒化物などで構成される。下地絶縁層５２の厚みは、好ましくは１０μｍ以下、さらに好ましくは１～５μｍである。下地絶縁層５２は、たとえばＣＶＤなどの蒸着法によりメンブレン２２の外面２２ｂに形成することができる。
　なお、メンブレン２２の外面２２ｂが絶縁性を有する場合には、下地絶縁層５２は、形成することなく、メンブレン２２の外面２２ｂに直接に歪抵抗膜３２を成膜してもよい。たとえば、メンブレン２２がアルミナなどの絶縁材料からなる場合には、歪抵抗膜３２がメンブレン２２に直接設けられてもよい。
　図２に示すように、電極付き歪抵抗膜３０において、積層電極３６は、歪抵抗膜３２の上に設けられる。図３は、図１および図２に示す電極付き歪抵抗膜３０を上方から見た模式平面図であり、電極付き歪抵抗膜３０のパターン配列を示している。
　図３に示すように、歪抵抗膜３２には、第１抵抗体Ｒ１、第２抵抗体Ｒ２、第３抵抗体Ｒ３および第４抵抗体Ｒ４が、所定パターンで形成されている。第１～第４抵抗体Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４は、メンブレン２２の変形に応じた歪を生じ、メンブレン２２の変形に応じて抵抗値が変化する。これらの第１～第４抵抗体Ｒ１～Ｒ４は、電気配線３４によりホイートストーンブリッジ回路を構成するように接続されている。
　図１に示す圧力センサ１０は、図３に示す第１～第４抵抗体Ｒ１～Ｒ４によるホイートストーンブリッジ回路の出力から、メンブレン２２に作用する流体圧を検出する。すなわち、第１～第４抵抗体Ｒ１～Ｒ４は、図１および図２に示すメンブレン２２が、流体圧により変形して歪む位置に設けられており、その歪み量に応じて抵抗値が変化するように構成してある。
　第１～第４抵抗体Ｒ１～Ｒ４を有する歪抵抗膜３２は、たとえば、所定の材料の導電性の薄膜を、パターニングすることにより作製することができる。歪抵抗膜３２は、ＣｒとＡｌとを含み、好ましくは、５０～９９ａｔ％のＣｒと、１～５０ａｔ％のＡｌとを含み、さらに好ましくは７０～９０ａｔ％のＣｒと、５～３０ａｔ％のＡｌとを含む。歪抵抗膜３２がＣｒとＡｌとを含むことにより、高温環境下におけるＴＣＲ（Temperature coefficient of Resistance、抵抗値温度係数）やＴＣＳ（Temperature coefficient of sensitivity、抵抗温度係数）が安定し、精度の高い圧力検出が可能となる。また、ＣｒとＡｌの含有量を所定の範囲とすることにより、高いゲージ率と良好な温度安定性を、より高いレベルで両立できる。
　歪抵抗膜３２は、ＣｒおよびＡｌ以外の元素を含んでいてもよく、たとえば、歪抵抗膜３２は、ОやＮを含んでいてもよい。歪抵抗膜３２に含まれるＯやＮは、歪抵抗膜３２を成膜する際に反応室から除去しきれずに残留したものが、歪抵抗膜３２に取り込まれたものであってもよい。また、歪抵抗膜３２に含まれるＯやＮは、成膜時またはアニール時に雰囲気ガスとして使用されるなどして、意図的に歪抵抗膜３２に導入されたものであってもよい。
　また、歪抵抗膜３２は、ＣｒおよびＡｌ以外の金属元素を含んでいてもよい。歪抵抗膜３２は、ＣｒおよびＡｌ以外の金属や非金属元素を微量に含み、アニールなどの熱処理が行われることにより、ゲージ率や温度特性が向上する場合がある。歪抵抗膜３２に含まれるＣｒおよびＡｌ以外の金属および非金属元素としては、たとえば、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｃ、Ｐ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｂｉ、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｐｂ、Ｂ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｔｌ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｏ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｍｎおよび希土類元素が挙げられる。
　歪抵抗膜３２は、スパッタリングや蒸着などの薄膜法により形成することができる。第１～第４抵抗体Ｒ１～Ｒ４は、たとえば薄膜をミアンダ形状にパターニングすることで形成することができる。歪抵抗膜３２の厚みは、特に限定されないが、好ましくは１０μｍ以下、さらに好ましくは０．１～１μｍである。なお、電気配線３４は、図３に示すように、歪抵抗膜３２をパターニングすることにより形成されたものであってもよく、歪抵抗膜３２とは異なる導電性の膜または層によって形成されたものであってもよい（図７参照）。
　図２に示すように、積層電極３６は、歪抵抗膜３２の上に重ねて設けられる。図２に示すように、積層電極３６は、歪抵抗膜３２の上表面の一部に形成されている。
　図３に示すように、積層電極３６は、歪抵抗膜３２上の４か所に、それぞれ独立して形成してある。各積層電極３６は、電気配線３４を介して、第１～第４抵抗体Ｒ１～Ｒ４のいずれか２つに、電気的に接続されている。積層電極３６は、歪抵抗膜３２のうち、第１～第４抵抗体Ｒ１～Ｒ４が形成されていない位置に設けられている。
　図３では図示されていないが、図１および図２に示す中間配線７２の一方の端部が、図３に示すそれぞれの積層電極３６に接続してある。すなわち、第１～第４抵抗体Ｒ１～Ｒ４によるホイートストーンブリッジ回路の出力は、積層電極３６および中間配線７２（図１および図２参照）を介して、図１に示す回路基板１６へ伝えられる。
　図２に示すように、積層電極３６は、歪抵抗膜の上に重なるコンタクト層３６ａと、コンタクト層３６ａの上に重なる拡散防止層３６ｂと、拡散防止層３６ｂの上に重なる実装層３６ｃとを有する。積層電極３６は、異なる材料で形成される３層以上の多層膜構造を有する。ただし、積層電極３６としては、図２に示すような３層構造のもののみには限定されず、積層電極３６は、４層以上の積層構造を有していてもよい。
　図２に示すように、積層電極３６のうち最も下層にあるコンタクト層３６ａは、歪抵抗膜３２に直接接触する。コンタクト層３６ａは、歪抵抗膜３２とのオーミック接続を確保して、電極付き歪抵抗膜３０の電気的特性を向上させる。また、コンタクト層３６ａは、歪抵抗膜３２と積層電極３６との密着強度を確保して、膜および層の剥離不良を防止する。
　コンタクト層３６ａは、スパッタリングや蒸着などの薄膜法により形成することができる。コンタクト層３６ａの厚みは、特に限定されないが、たとえば１～５０ｎｍであり、好ましくは５～２０ｎｍである。コンタクト層３６ａは、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｍｏのうち少なくともいずれか１つを含むことが好ましい。これらの元素は、他金属と合金を作り易いため、このような元素を含むコンタクト層３６ａは、歪抵抗膜３２および拡散防止層３６ｂとの密着強度を確保して、膜および層間の剥離不良を防止できる。
　また、コンタクト層３６ａは、Ｔｉを含むことが、特に好ましい。Ｔｉは、Ａｕなどを含む実装層３６ｃに拡散しづらく、実装層３６ｃの上表面への析出を生じにくい傾向がある。そのため、Ｔｉを含むコンタクト層３６ａを有する積層電極３６は、積層電極３６が高温環境に曝された後も、中間配線７２に対して好適な密着性を奏する。また、コンタクト層３６ａは、Ｔｉを含むことが、特に好ましい。
　さらに、ＴｉはＣｒ中へも拡散しづらいため、コンタクト層３６ａを構成するＴｉは、高温環境下においても、ＣｒおよびＡｌを含む歪抵抗膜３２中へ拡散しづらい特性を有する。したがって、Ｔｉを含むコンタクト層３６ａを有する電極付き歪抵抗膜３０は、高温環境下における使用においても、積層電極３６中の元素の歪抵抗膜３２中への拡散を防止することができ、組成変化による歪抵抗膜３２の性能低下を防止することができる。
　また、コンタクト層３６ａは、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｍｏのうち複数の元素を含むことも好ましい。また、コンタクト層３６ａは、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｍｏのうち少なくともいずれか１つからなることも好ましい。さらに、コンタクト層３６ａは、Ｔｉからなることも、特に好ましい。また、コンタクト層３６ａは、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｍｏのうち複数の元素からなることも好ましい。
　なお、コンタクト層３６ａ、拡散防止層３６ｂおよび実装層３６ｃが、１または複数の指定する元素からなるという場合、指定する元素以外の他元素が、不可避的または意図的にこれらの層に含まれることを排除しない。その場合、他元素の含有率は、たとえば１０ａｔ％未満、好ましくは３ａｔ％未満、さらに好ましくは１ａｔ％未満である。
　図２に示すように、拡散防止層３６ｂは、積層電極３６において、コンタクト層３６ａと実装層３６ｃの間に配置してあり、上下方向を実装層３６ｃとコンタクト層３６ａによって挟まれている。拡散防止層３６ｂは、歪抵抗膜３２やコンタクト層３６ａなど、拡散防止層３６ｂより下に配置されている膜および層に含まれる元素が、拡散防止層３６ｂより上に配置されている実装層３６ｃへ拡散することを防止し、また、実装層３６ｃの上表面へ析出することを防止する。なお、拡散防止層３６ｂは、歪抵抗膜３２や積層電極３６が４層以上の多層構造である場合にも、実装層３６ｃの直下に配置されることが好ましい。
　拡散防止層３６ｂは、スパッタリングや蒸着などの薄膜法により形成することができる。拡散防止層３６ｂの厚みは、特に限定されないが、たとえば１～５００ｎｍであり、好ましくは５～５０ｎｍである。拡散防止層３６ｂの厚みが薄すぎると連続膜を形成することが難しくなり、拡散防止機能が弱められる場合があり、厚みが厚すぎると、膜剥がれの問題が生じたり、成膜時間の増加による生産性（スループット）低下の問題が生じたりする場合がある。
　拡散防止層３６ｂは、第５または６周期に属する遷移元素を含むことが、歪抵抗膜３２やコンタクト層３６ａなどに含まれる元素の上層への拡散を防止する観点から好ましい。具体的には、拡散防止層３６ｂは、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕから選ばれる１または複数の元素を含むことが好ましい。
　また、拡散防止層３６ｂは、白金族元素を含むことがさらに好ましい。具体的には、拡散防止層３６ｂは、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔから選ばれる１または複数の元素を含むことが好ましい。白金族元素は、反応性が小さく化学的に安定であるため、白金族元素を含む拡散防止層３６ｂは、高温環境においても、特に好適な拡散防止効果を奏する。なお、白金族元素の中でも特にＰｔは、他の電極分野でも使用されている実績があり、他の白金族元素より技術的蓄積がある。
　拡散防止層３６ｂは、第５または６周期に属する遷移元素からなることも好ましい。また、拡散防止層３６ｂは、白金族元素からなることも好ましい。
　図２に示すように、積層電極３６のうち最も上層にある実装層３６ｃは、電極付き歪抵抗膜３０の上表面に露出する。実装層３６ｃには、ＡｕやＡｌなどの細線で構成される中間配線７２が、ワイヤボンディングなどにより接合される。なお、ＡｕやＡｌの細線による中間配線７２を用いる圧力センサ１０は、はんだの融点以上となる高温環境でも使用可能であり、耐熱性が良好である。また、Ａｕの細線による中間配線７２を用いる圧力センサ１０は、Ａｌの細線による中間配線７２を用いる圧力センサより耐熱性を向上させることができる。
　実装層３６ｃは、スパッタリングや蒸着などの薄膜法により形成することができる。実装層３６ｃの厚みは、特に限定されないが、たとえば１０～４００ｎｍであり、好ましくは１００～３００ｎｍである。実装層３６ｃの厚みが薄すぎると連続膜を形成することが難しくなり、中間配線７２との密着性が低下するおそれがある。実装層３６ｃの厚みが厚すぎると、膜剥がれの問題が生じたり、成膜時間の増加による生産性（スループット）低下の問題が生じたりする場合がある。
　実装層３６ｃは、Ａｕ、Ａｌ、Ｎｉのすくなくともいずれかを含むことが、耐熱性および中間配線７２との接合性の観点から好ましい。また、耐熱性を高めてさらに高温環境への対応性を高める観点から、実装層３６ｃは、高温環境においても低抵抗かつ融点の高いＡｕを含むことがさらに好ましい。また、中間配線７２の材料としてＡｕの細線を用いる場合、実装層３６ｃがＡｕを含むことにより、中間配線７２と実装層３６ｃの材料が、いずれもＡｕとなる。これにより、中間配線７２と実装層３６ｃとの接合部分の密着性が向上する。
　また、実装層３６ｃは、Ａｕ、Ａｌ、Ｎｉのすくなくともいずれかからなることも好ましく、Ａｕからなることも、特に好ましい。
　次に、図１に示す圧力センサ１０の製造方法について説明する。圧力センサ１０では、まず、ステム２０を準備する。ステム２０の材質は、たとえばＳＵＳ３１６などである。次に、図２に示すように、ステム２０のメンブレン２２の外面２２ｂに、電極付き歪抵抗膜３０を形成する。
　電極付き歪抵抗膜３０を形成するために、まず、メンブレン２２の外面２２ｂに、メンブレン２２を覆うように、下地絶縁層５２を所定厚みでＣＶＤまたはスパッタリングなどの薄膜法により形成する（図２参照）。下地絶縁層５２としては、シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜などが例示される。
　次に、図２に示すように、下地絶縁層５２の表面に、歪抵抗膜３２を形成する。歪抵抗膜３２は、たとえば蒸着またはスパッタリングなどの薄膜法により成膜される。第１～第４抵抗体Ｒ１～Ｒ４および電気配線３４などを有する歪抵抗膜３２の形状は、フォトリソグラフィなどによりパターニングを行い形成する。
　次に、図２に示すように、歪抵抗膜３２の上に、積層電極３６を形成する。積層電極３６を形成する場合、歪抵抗膜３２の上に、コンタクト層３６ａ、拡散防止層３６ｂ、実装層３６ｃの順に、導電性の薄膜を形成する。積層電極３６のコンタクト層３６ａ、拡散防止層３６ｂおよび実装層３６ｃは、スパッタリングや蒸着などの薄膜法により形成する。
　積層電極３６に含まれるコンタクト層３６ａ、拡散防止層３６ｂおよび実装層３６ｃは、図３に示すように、歪抵抗膜３２上の所定の位置にのみ形成される。積層電極３６に含まれる各層のパターニングは、歪抵抗膜３２と同様にフォトリソグラフィなどにより行うことができるが、他の方法を用いてもよい。
　このように、メンブレン２２の外面２２ｂに形成された下地絶縁層５２の上に、歪抵抗膜３２および積層電極３６を薄膜形成することにより、図３に示す電極付き歪抵抗膜３０を形成する。電極付き歪抵抗膜３０の製造においては、歪抵抗膜３２および積層電極３６の形成後において、アニールなどの熱処理（たとえば３５０～８００℃）を施してもよい。
　歪抵抗膜３２および積層電極３６の形成後において適切な温度で熱処理することにより、歪抵抗膜３２のゲージ率などの特性を高めることができる。また、積層電極３６の形成後に熱処理することにより、歪抵抗膜３２と積層電極３６および積層電極３６内部の各層の接合性を高めることができる。
　なお、図７に示す電極付き歪抵抗膜１３０のように、電気配線１３４は、積層電極３６または積層電極３６に含まれる一部の層の形成と同時に、歪抵抗膜３２の上に作製してもよい。この場合、電気配線１３４は、積層電極３６またはその一部と同じ材質および性質を有する。電気配線１３４を積層電極３６またはその一部と同様の材質とすることにより、歪抵抗膜３２の一部が電気配線３４を構成しているものに比べて（図３参照）、電気配線１３４の抵抗値が歪の影響を受ける問題を防止できる。また、積層電極３６と同じ材質および構造の電気配線１３４は、歪抵抗膜３２に対する結合性が良好であり、剥離不良などを防止することができる。ただし、電気配線１３４は、下地絶縁層５２上に形成されていてもよい。
　最後に、図１に示すように、回路基板１６を、電極付き歪抵抗膜３０が形成されたステム２０に対して固定し、回路基板１６と電極付き歪抵抗膜３０とを接続する中間配線７２を形成することにより、圧力センサ１０を得る。中間配線７２は、Ａｕの細線を用いたワイヤボンディングなどにより形成する。
　図３に示す積層電極３６は、コンタクト層３６ａと、拡散防止層３６ｂと、実装層３６ｃの少なくとも３層を有し、拡散防止層３６ｂは、第５または６周期に属する遷移元素を含む。このような拡散防止層３６ｂを有する積層電極３６は、コンタクト層３６ａおよび歪抵抗膜３２に含まれる元素が、実装層３６ｃへ相互拡散することを防止し、相互拡散した元素の実装層３６ｃ界面での反応が抑制されることにより、高温耐性が向上する。また、積層電極３６は、拡散防止層３６ｂの拡散防止作用により、高温環境に暴露された後でも、中間配線７２に対する良好な密着力を奏する。
　以下、実施例を示しつつ、上述した積層電極３６および電極付き歪抵抗膜３０をさらに詳細に説明するが、本発明は実施例のみには限定されない。
　＜試料１＞
　７０～９５ａｔ％のＣｒと５～３０ａｔ％のＡｌを含む歪抵抗膜３２の上に、Ｔｉからなるコンタクト層３６ａを５ｎｍ、Ｐｔからなる拡散防止層３６ｂを２０ｎｍ、Ａｕからなる実装層３６ｃを２００ｎｍ、それぞれ図２に示すように順次形成して積層電極３６を形成し、試料１を作製した。歪抵抗膜３２、および積層電極３６の各層は、スパッタリングにより形成した（表１参照）。
　＜試料２～試料４＞
　試料２は、コンタクト層３６ａの厚みを２０ｎｍとし、試料３は、拡散防止層３６ｂの厚みを５ｎｍとし、試料４は、実装層３６ｃの厚みを１００ｎｍとしたことを除き、各試料は試料１と同様である（表１参照）。
　＜試料５～試料７＞
　試料５は、コンタクト層３６ａがＣｒからなり、試料６は、コンタクト層３６ａがＮｉからなり、試料７は、拡散防止層３６ｂがＷからなることを除き、各試料は試料１と同様である（表１参照）。
　＜試料８＞
　試料８は、拡散防止層３６ｂに相当する層がＮｉからなることを除き、試料１と同様である。
　＜試料９～試料１５＞
　試料９～試料１５は、積層電極が実装層３６ｃとコンタクト層３６ａの２層構造であり、拡散防止層３６ｂを有しない点で、試料１と異なる。試料９は、厚さ５ｎｍのＴｉからなるコンタクト層３６ａを有し、試料１０は、厚さ２０ｎｍのＴｉからなるコンタクト層３６ａを有する。試料１１は、厚さ５ｎｍのＣｒからなるコンタクト層３６ａを有し、試料１２は、厚さ２０ｎｍのＣｒからなるコンタクト層３６ａを有する。試料１３は、厚さ５ｎｍのＮｉからなるコンタクト層３６ａを有し、試料１４は、厚さ２０ｎｍのＮｉからなるコンタクト層３６ａを有する。試料１５は、厚さ２０ｎｍのＭｏからなるコンタクト層３６ａを有する。試料９～試料１５は、いずれも２００ｎｍのＡｕからなる実装層３６ｃを有する。
　＜試料１～試料１５の評価＞
　各試料を１００サンプルずつ準備し、Ａｕ細線によるワイヤボンディングの付着成功率を評価した。評価では、２５サンプルずつ４つのグループに分け、グループ毎に、積層電極３６形成後であってワイヤボンディング実施前に行われる熱処理条件を異ならせた。第１のグループは熱処理なし、第２のグループは３５０度２ｈの熱処理を行い、第３のグループは４００度２ｈの熱処理を行い、第４のグループは５００度２ｈの熱処理を行った。各試料の条件と、評価結果を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１の「◎」、「〇」、「△」、「×」は、各試料のワイヤボンディングの付着成功率を表しており、「◎」は全体の上位４分の１の成功率であったことを示しており、「〇」は全体の上位４分の１未満かつ２分の１以上の成功率であったことを示している。また、「△」は、全体の上記２分の１未満、４分の３以上の成功率であったことを示しており、「×」は全体の上位４分の３未満の成功率であったことを示している。
　表１の試料１～試料７は、高温で熱処理したのちのサンプルでも、良好なワイヤボンディングの付着成功率を示した。なお、Ｗからなる拡散防止層３６ｂを有する試料７では、熱処理しない（ＡｓＤｅｐｏ）条件において膜剥離によるワイヤボンディング付着不良が発生したが、他の高温熱処理後のサンプルでは、良好な付着成功率を示した。この結果から、第５または６周期に属する遷移元素であるが白金族元素ではないＷからなる拡散防止層３６ｂは、適切な熱処理により膜剥離を防ぐことができ、かつ、良好なワイヤボンディングの付着成功率を示すことがわかる。
　表１の試料１～試料６は、いずれの熱処理条件でも、良好なワイヤボンディングの付着成功率を示しており、拡散防止層３６ｂを構成する元素としてＰｔが特に好ましいことが理解できる。また、試料１と、試料５、６との比較により、コンタクト層３６ａがＴｉからなる試料１が、コンタクト層３６ａがＣｒまたはＮｉからなる試料５、６より優れたワイヤボンディングの付着成功率を示すことが理解できる。
　表１の試料８は、熱処理しない（ＡｓＤｅｐｏ）条件では、良好な付着成功率を示すが、熱処理条件が高温になるほど付着成功率が悪化することがわかる。特に、４００℃および５００℃の熱処理を施したのちのサンプルでは、ワイヤボンディングが積層電極３６表面に密着しない不良が多数生じた。拡散防止層３６ｂに相当する層が、第５または６周期に属する遷移元素ではないＮｉからなる試料８では、４００℃および５００℃の熱処理を施したのちのサンプルにおいて、十分な拡散防止効果が得られなかったと考えられる。
　表１の試料９～試料１５は、熱処理しない（ＡｓＤｅｐｏ）条件では、良好な付着成功率を示すが、熱処理条件が高温になるほど付着成功率が悪化することがわかる。拡散防止層３６ｂがないこれらのサンプルでは、歪抵抗膜３２やコンタクト層３６ａの元素が、高温での熱処理により実装層３６ｃ表面に析出し、ワイヤボンディングの細線が積層電極表面に密着しない不良を多発したと考えられる。
　＜試料１と試料５の結果の違いについて＞
　図４（ａ）は、７０～９５ａｔ％のＣｒと５～３０ａｔ％のＡｌを含む薄膜（厚み３００ｎｍ）上に、Ｔｉの薄膜（厚み５ｎｍ）と、Ａｕの薄膜（厚み２００ｎｍ）とを形成して３層構造のサンプルを作製し、３５０℃２ｈの熱処理施した後、サンプルの再上面近傍の元素を、ＸＰＳ（ＥＳＣＡ）により分析したものである。
　また、図４（ｂ）は、７０～９５ａｔ％のＣｒと５～３０ａｔ％のＡｌを含む薄膜（厚み３００ｎｍ）上に、Ｃｒの薄膜（厚み５ｎｍ）と、Ａｕの薄膜（厚み２００ｎｍ）とを形成して３層構造のサンプルを作製し、３５０℃２ｈの熱処理施した後、サンプルの再上面近傍の元素を、ＸＰＳ（ＥＳＣＡ）により分析したものである。なお、図４（ａ）および図４（ｂ）における横軸はスパッタ時間（Sputter time (min))であり、縦軸は強度（Intensity)である。
　ここで、図４（ａ）では、下層のＴｉが、サンプル表面にほとんど存在せず、Ａｕが多く存在するのに対して、図４（ｂ）では、サンプル表面にＣｒや酸素が多く存在し、Ａｕが少ないことが理解できる。図４（ａ）と図４（ｂ）との比較から、Ｔｉは、Ｃｒに比べてＡｕ中に拡散しづらく、熱処理後にＡｕ層の表面に偏析する問題が生じにくいことが理解できる。また、このことが、表１に示す結果において、コンタクト層３６ａがＴｉからなる試料１が、コンタクト層３６ａがＣｒからなる試料５に比べて、より良好なワイヤボンディング付着成功率を示したことと、対応していると考えられる。
＜コンタクト層３６ａとしてＴｉが好ましい他の理由＞
　図５は、Ｃｒからなる薄膜の上に、Ｔｉからなる薄膜を５ｎｍ、Ａｕからなる薄膜を２００ｎｍ形成して３層構造のサンプルを作製し、３５０℃２ｈの熱処理施した後、サンプル断面をＳＥＭ－ＥＤＳにより元素分析したものである。図５（ａ）は、Ｔｉの存在位置を白色で示しており、図５（ｂ）はＣｒの存在位置を白色で示している。
　図５（ａ）からは、サンプルの上下方向中央に多く存在するＴｉが、上層のＡｕ側に若干広がって混在領域を形成しているのに対して、下層のＣｒ中にはほとんど広がっておらず、シャープな境界を形成していることが理解できる。また、図５（ａ）と図５（ｂ）との比較から、Ｔｉが多く存在するサンプルの上下方向中央には、Ｃｒがほとんど存在しないことが理解できる。
　図５からは、ＴｉとＣｒは相互拡散しづらいことが理解でき、Ｔｉをコンタクト層３６ａの材料として用いることにより、高温環境での歪抵抗膜３２の組成変化を防止できると考えられる。
＜歪抵抗膜のＣｒとＡｌの好ましい含有率について＞
　図６は、図２および図３に示す電極付き歪抵抗膜３０について、歪抵抗膜３２の組成の違いと、歪抵抗膜３２のゲージ率の変化との関係を表したものである。評価に用いた電極付き歪抵抗膜３０は、熱酸化膜付きＳｉウエハ上に、スパッタリングによりＣｒおよびＡｌを含む歪抵抗膜３２を形成した後、コンタクト層３６ａ（Ｔｉ、５ｎｍ）、拡散防止層３６ｂ（Ｐｔ、２０ｎｍ）、実装層３６ｃ（Ａｕ、２００ｎｍ）を電子線蒸着で形成して積層電極３６を形成した。以下のように、歪抵抗膜３２の組成が異なる６サンプルの電極付き歪抵抗膜３０を作製し、それぞれのサンプルについて、片持ち梁の曲げ試験にてゲージ率を測定した。なお、歪抵抗膜３２の組成は、スパッタターゲットのＣｒ／Ａｌ比を変えて調整した。
＜サンプル１＞Ａｌ：５ａｔ％、Ｃｒ：９５ａｔ％
＜サンプル２＞Ａｌ：１５ａｔ％、Ｃｒ：８５ａｔ％
＜サンプル３＞Ａｌ：３０ａｔ％、Ｃｒ：７０ａｔ％
＜サンプル４＞Ａｌ：４５ａｔ％、Ｃｒ：５５ａｔ％
＜サンプル５＞Ａｌ：６０ａｔ％、Ｃｒ：４０ａｔ％
＜サンプル６＞Ａｌ：８０ａｔ％、Ｃｒ：２０ａｔ％
　図６の横軸はＡｌ含有率（Al composition (at%))であり、縦軸はゲージ率（K-factor)である。図６に示すように、電極付き歪抵抗膜３０は、Ａｌの含有率がＣｒの含有率より少ない領域において、ゲージ率が高くなることが理解できる。したがって、ゲージ率を高める観点から、歪抵抗膜３２は、５０～９９ａｔ％のＣｒと、１～５０ａｔ％のＡｌとを含むことが好ましく、７０～９５ａｔ％のＣｒと、５～３０ａｔ％のＡｌとを含むことがさらに好ましいことが理解できる。
　以上、実施形態および実施例を挙げて本発明に係る積層電極３６、電極付き歪抵抗膜３０および圧力センサ１０を説明したが、本発明はこれらの実施形態や実施例のみに限定されるものではない。本発明は、上述した実施形態および実施例のほかに、他の実施形態および変形例を多く含むことは言うまでもない。たとえば、圧力センサ１０としては、図１のようなステム２０を有するもののみには限定されず、平板状の基板に電極付き歪抵抗膜３０を形成したものであってもよい。基板の材質としては、たとえばＳｉやアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）などが挙げられる。
　１０…圧力センサ
　１２…接続部材
　１２ａ…ねじ溝
　１２ｂ…流路
　１４…抑え部材
　１６…回路基板
　２０…ステム
　２１…フランジ部
　２２…メンブレン
　２２ａ…内面
　２２ｂ…外面
　３０…電極付き歪抵抗膜
　３２…歪抵抗膜
　Ｒ１…第１抵抗体
　Ｒ２…第２抵抗体
　Ｒ３…第３抵抗体
　Ｒ４…第４抵抗体
　３４…電気配線
　３６…歪抵抗膜用積層電極（積層電極）
　３６ａ…コンタクト層
　３６ｂ…拡散防止層
　３６ｃ…実装層
　５２…下地絶縁層
　７２…中間配線

Claims (8)

  1. 　歪抵抗膜の上に設けられる積層電極であって、
    　前記歪抵抗膜は、ＣｒとＡｌとを含み、
    　前記積層電極は、前記歪抵抗膜の上に重なるコンタクト層と、前記コンタクト層の上に重なる拡散防止層と、前記拡散防止層の上に重なる実装層と、を有し、
    　前記拡散防止層は、第５または６周期に属する遷移元素を含む積層電極。
  2. 　前記歪抵抗膜は、５０～９９ａｔ％のＣｒと、１～５０ａｔ％のＡｌとを含むことを特徴とする請求項１に記載の積層電極。
  3. 　前記拡散防止層は、白金族元素を含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の積層電極。
  4. 　前記コンタクト層は、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｍｏのうち少なくともいずれか１つを含むことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれかに記載の積層電極。
  5. 　前記コンタクト層は、Ｔiを含むことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれかに記載の積層電極。
  6. 　前記実装層は、Ａｕを含むことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれかに記載の積層電極。
  7. 　請求項１から請求項６までのいずれかに記載の積層電極と、
    前記歪抵抗膜と、を有する電極付き歪抵抗膜。
  8. 　前記請求項１から請求項６までのいずれかに記載の積層電極と、
    　前記歪抵抗膜と、
    　前記歪抵抗膜が設けられるメンブレンと、を有する圧力センサ。
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