JP4549085B2 - 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、静電容量型圧力センサ及びその製造方法にかかり、特に、ダイナミックレンジが大きく、かつ動特性に優れたサーボ式静電容量型圧力センサ及びその製造方法に関する。

静電容量型の圧力センサは、高精度の測定が可能でかつマイクロマシン（ＭＥＭＳ）技術を用いて大量生産が可能であることから真空装置等の圧力センサとして広く用いられている。このような静電容量型圧力センサの一例を図５及び図７に示す。
図５の圧力センサは、容量電極１１及び参照電極１２を備えた第１ガラス層１、ダイヤフラム２１を備えたシリコン層２、及び通気口３１を備えた第２ガラス層３の三層構造を有し、シリコン層２には溝が形成され、第１ガラス層１と接合されて圧力基準室５が形成される。この圧力基準室５内には、例えば、ガスを吸着除去する非蒸発型ゲッタ４が配置され、内部は高真空に維持されている。

図５に示した圧力センサは、例えば図６に示す製造方法により作製される。
通常、厚さ３５０μｍ程度のシリコン基板に酸化膜２２形成し、パターニングした後、シリコン層２を例えばＥＰＷ（エチレンジアミンピロカテコール水溶液）を用いて、例えば１０μｍ程度エッチングして圧力基準室用の溝２３を形成する（Ａ）。続いて、酸化膜２２を除去してシリコン層２の表面にボロンの熱拡散を行い、例えば７μｍの高濃度ボロン拡散層２７を形成する（Ｂ）。

その後、容量電極１１及び参照電極１２，さらにはこれら電極の端子用の溝１６を形成した、厚さ１ｍｍ程度のガラス基板１と上記シリコン層２を陽極接合法により接合する（Ｃ）。酸化膜２２をパタニングした後、ＥＰＷを用いてシリコンのエッチングを行い、ダイヤフラム２１を形成する（Ｄ）。エッチングは高濃度ボロン拡散層２７で停止し、この高濃度ボロン拡散層２７がダイヤフラムの厚さとなる。
最後に、電極端子用の溝１６の底部を除去して第１ガラス層１を貫通させるとともに、酸化膜２２を除去する。続いて、シリコン層２と通気口が形成されたガラス層基板３とを陽極接合し、さらに電極端子１３〜１５を形成してセンサを完成する。

通気口３１を通して気体圧力がダイヤフラム２１に加わると、気体圧力と圧力基準室５の圧力差に応じてダイヤフラム２１は容量電極１１側に変位する。これにより容量電極端子１３とダイヤフラムの電極端子１５間の静電容量は増加し、その増加量を電圧に変換・増幅する回路（不図示）で信号処理することによって圧力が出力される。なお、参照電極１２及びその端子１４は、環境温度の変動によって圧力センサが機械的に歪み、その結果、静電容量が変化して発生する測定誤差を補正するために用いる。このような圧力センサは、圧力が所定値以上になると、ダイヤフラムが容量電極と接触してしまうため、比較的狭い圧力範囲の測定に用いられる。

一方、広範囲の圧力測定には、図７に示したサーボ式の静電容量型圧力センサが一般に用いられる。これらのセンサは、基本的に図５と同様の構造を有するが、主としてダイヤフラムの容量電極と反対側にサーボ電極を設けられている点が異なる。又、図７（Ａ）の圧力センサは、電極端子が第２ガラス層３に形成されている。
通気口３１を通して気体圧力がダイヤフラム２１に加わると、ダイヤフラム２１は容量電極１１側に変位するが、この変位を相殺するようにサーボ電極３２に電圧が印加され、サーボ電極３２とダイヤフラム２１間に静電引力が働き、ダイヤフラム２１はもとの位置まで引き戻される。即ち、圧力変動があってもダイヤフラムは常に中心位置にあるようにサーボ電極３２に電圧が印加されるため、高い圧力範囲まで測定することができ、ダイナミックレンジの大きな圧力センサを提供することが可能となる。

ここで、サーボ電極３２に印加する電圧（電界）は圧力と共に増加し、場合によっては１００Ｖを超える場合もあり、センサのシステム設計上、サーボ電圧を小さくするためにダイヤフラムとサーボ電極間の距離は例えば１０μｍ以下に設計される。また、測定感度を上げるために、ダイヤフラムと容量電極間の距離も通常１０μｍ以下に設計される。この理由から、ダイヤフラム２１又はサーボ電極３２上に突起２４，３３が設けられている。
なお、これらのサーボ式の圧力センサも図５のセンサーと同様にして作製することができる。
特開平１１−３２６０９３ 特開２００１−１２４６４３ International Conference on Solid-State Sensor and Actuators, Chicago, June16-19,1997 Vol.2, p.1457-1460 J.Vac.Sci.Technol. B18(6) ,2692(2000)

上述したように、図５に示した静電容量型圧力センサの場合、所定の厚さのダイヤフラムを高精度で且つ再現性良く形成するには、エッチストップ層として、ダイヤフラムの厚さに相当する高濃度ボロン層を形成するのが不可欠である。これは、シリコンのウエットエッチング精度は通常±５％程度であるため、エッチストップ層を設けずに、時間制御でエッチングしてダイヤフラムを形成する場合、例えばシリコン基板を３００μｍ 程度の深いエッチングを行うとエッチング誤差が±１５μｍ程度になるため、特性の揃ったセンサを作製することが困難となるからである。従って、高濃度ボロン層を形成するために高温で長時間の拡散処理が必要となり、これが生産性を低下させ、センサの低価格化を妨げる一因となっていた。

逆に、熱拡散では１０μｍ以上の高濃度ボロン拡散層を形成するのは実際上不可能であるため、１０μｍより厚いダイヤフラムはエッチング時間で制御せざるを得ず、結果として、厚さ誤差が大きくなり、歩留まりが低いという問題があった。

以上の事情は、図７に示したサーボ式の静電容量型センサについても同様である。さらにまた、図７（Ａ）に示した従来のサーボ式のセンサは、ダイヤフラム２１上に突起２４が形成されているため、周辺の振動を検出し易くなり、それが圧力測定誤差になるという問題がある。また、図７（Ｂ）の場合、振動による測定誤差の問題は軽減されるものの、サーボ電極３２に電圧を印加するとサーボ電極の突起３３が台形形状をしているために電界が角部に集中しやすく、ダイヤフラム２１を平坦な形状に保ったまま引き寄せることが難しくなり、センサの動特性に誤差が生ずるという問題がある。

また、従来のセンサは、サーボ式であるか否かにかかわらず、上述したように、参照電極を設けて周辺の温度変動に起因する測定誤差の低減を図っているが、測定誤差は依然として大きく、高精度の圧力測定を行うには温度変化に伴う出力変動をより一層小さくする必要があった。

本発明者は、以上の問題を解決すべく、種々の構造のセンサを作製し、その構造とセンサ特性との関係及び生産性との関係を検討した。その中で、センサ出力の温度依存性がシリコン層の厚さによって変化し、薄いシリコン基板を用いるほど、温度変動に対する出力誤差が小さくなることを見出した。この理由の詳細は現在のところ明らかではないが、ガラス層とシリコン層の熱膨張係数の相違に起因する基板の反りが原因で、シリコン層が厚くなるほど反りが大きくなるためと考えられる。
さらに、薄いシリコン基板を用いると、ダイヤフラムの形成時のエッチング量が少なくなり、結果として、ダイヤフラム厚のバラツキが低減すること、及びサーボ式の場合はダイヤフラム又はサーボ電極上の突起を削除可能なことも確認された。

本発明者は、これらの知見を基に、さらにシリコン層の薄層化の検討を行ったが、シリコン基板が薄くなるほど取扱いが難しくなり、基板の大きさにもよるが例えば厚さが１００μｍ以下になると実際上生産は不可能であることが分かった。そこで、本発明者は、従来のシリコン基板の代わりにＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いて同様の検討を行い、以上の生産性の問題を解消したのみならず、センサ特性を改善して本発明を完成するに至ったものである。

すなわち、本発明は、種々の厚さのダイヤフラムを有する静電容量型圧力センサを、より簡略な工程で、歩留まり良く作製することが可能な静電容量型センサの製造方法を提供することを目的とする。また、振動による誤差がなく、しかも動特性に優れたサーボ式の静電容量型センサを提供することを目的とする。
さらに、周辺温度の温度変動に対する出力変動の少ない静電容量型センサを提供することを目的とする。

本発明の静電容量型圧力センサの製造方法は、容量電極を備えた第１絶縁体層と、該容量電極に対向する位置にダイヤフラムを備えたシリコン層と、該ダイヤフラムへ気体を導入する通気口を備えた第２絶縁体層と、が積層された静電容量型圧力センサの製造方法において、シリコン層、埋込酸化層及びベースシリコン層からなるＳＯＩ基板の該シリコン層に圧力基準室用の溝を形成する工程と、前記容量電極が形成された絶縁体基板と前記シリコン層とを、前記容量電極が前記溝内に収まるように接合して圧力基準室を形成する工程と、前記ベースシリコン層を全てエッチング除去する工程と、前記シリコン層をエッチングして所定の厚さの前記ダイヤフラムを形成する工程と、前記シリコン層と前記通気口又は前記通気口及び前記サーボ電極が形成された絶縁体基板とを接合する工程と、を含むことを特徴とする。

あるいは、本発明の静電容量型圧力センサの製造方法は、容量電極を備えた第１絶縁体層と、容量電極に対向する位置にダイヤフラムを備えたシリコン層と、ダイヤフラムへ気体を導入する通気口とダイヤフラムに対向する位置にサーボ電極を備えた第２絶縁体層と、が積層されたサーボ式の静電容量型圧力センサの製造方法において、シリコン層、埋込酸化層及びベースシリコン層からなるＳＯＩ基板の該シリコン層に圧力基準室用の溝を形成する工程と、容量電極が形成された絶縁体基板とシリコン層とを、容量電極が溝内に収まるように接合して圧力基準室を形成する工程と、ベースシリコン層を全てエッチング除去する工程と、シリコン層をエッチングして所定の厚さの前記ダイヤフラムを形成する工程と、シリコン層と通気口又は通気口及びサーボ電極が形成された絶縁体基板とを接合する工程と、を含むことを特徴とする。

以上述べたように、本発明は、ＳＯＩ基板を用いることにより、ダイヤフラムが形成されるシリコン層の厚さを薄くすることができ、結果として温度特性に優れた静電容量型圧力センサを実現することができる。

また、エッチストップ層としての高濃度ボロン層を形成するための高温の熱拡散処理が不要となり、生産工程を簡略化できると共に、センサの低価格化を図ることができる。さらには、種々の厚さのダイヤフラムを精度良く作製することが可能となる。

また、従来のサーボ式の静電容量型圧力センサとは異なり、サーボ電極上又はダイヤフラムの突起をなくすことが可能となり、周辺の振動の影響を受けることなく、しかも動特性に優れた高精度・高感度の圧力センサを実現することが可能となる。

以下に実施例を挙げて本発明をより詳細に説明する。

本発明の静電容量型圧力センサの一例を図１に示し、その製造方法を図３を用いて説明する。
本実施例の静電容量型圧力センサは、第１絶縁体層１、シリコン層２及び第２絶縁体層３を貼り合わせた三層構造を有し、それぞれには容量電極１１及び参照電極１２、ダイヤフラム２１、並びに通気口３１が形成されている。

ここで、シリコン層の厚さは、好ましくは２００μｍ以下、より好ましくは５０μｍ以下であり、このようにシリコン層を薄くすることにより、圧力センサの温度特性は向上し、周辺温度が変動しても出力変動は小さく、高精度の圧力測定が可能となる。さらに、種々の厚さのダイヤフラムをバラツキなく、しかも高精度に作製することができる。なお、シリコン層の厚さの下限は特に制限はないが、強度上及びダイヤフラムや電極を製造する上で、ダイヤフラムの厚さや圧力基準室の溝の深さを考慮し１５μｍ以上とするのが一般的である。
また、第１及び第２絶縁体層には、熱膨張係数がシリコンに近い材質のものが用いられ、例えば、パイレックス（登録商標）ガラスが好適に用いられる。

本実施例のように薄いシリコン層を有する静電容量型圧力センサの製造方法を以下に説明する。具体的には、シリコン層の厚さ３４μｍ、ダイヤフラムの厚さ７μｍ、容量電極とダイヤフラム間距離１０μｍで、測定範囲０．１〜１３３Ｐａの高感度静電容量型圧力センサを製造する方法を図３を用いて説明する。

まず、シリコン層２の厚さが３４μｍ、埋込酸化層２５の厚さが１μｍ、ベースシリコン層２６の厚さが３５０μｍのＳＯＩ基板を用意し、その表面に熱酸化膜２２を１μｍ形成した後、上面の酸化膜２２をパターニングする（Ａ）。
シリコン層２をエッチングし、圧力基準室となる深さ１７μｍの溝２３を形成する（Ｂ）。ここで、エッチング液としては、シリコンに対してはエッチング速度が速く、ガラスや酸化膜に対しては極端にエッチング速度が低いエッチング液、例えばＥＰＷ（エチレンジアミンピロカテコール水溶液）、ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）、ＫＯＨ（水酸化カリウム）などが用いられる。
酸化膜２２を除去した後に、厚さ７μｍの容量電極１１及び端子形成用の溝１６を予め形成した第１絶縁体基板１（例えば、厚さ１ｍｍのパイレックス（登録商標）ガラス基板）との間に非蒸発型ゲッタ４を配置し、真空中で陽極接合する（Ｃ）。

その後、ＳＯＩ基板のベースシリコン層２６を全てエッチングして除去する。エッチング液としては、上述したように、ＥＰＷ（エチレンジアミンピロカテコール水溶液）、ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）、ＫＯＨなどが用いられる。これにより、精密な時間管理を行うことなく、厚さ３４μｍのシリコン層２と厚さ１μｍの埋込酸化層２５だけを残したエッチングを行うことができる。次に、ダイヤフラムを形成するために埋込酸化層２５をパターニングする（Ｄ）。

その後、シリコン層２を１０μｍエッチングして、厚さ７μｍのダイヤフラム２１を形成する（Ｅ）。ここで、従来法とは異なりエッチストップ層を設けていないため、エッチング量は時間で管理する。その結果、従来例と同様に±５％程度の誤差を生じるが、エッチング量が１０μｍと小さいため、バラツキを±０．５μｍ以内に抑えることができ、最終的にセンサ特性のバラツキを大きく低減することができる。

次に、フッ酸などにより埋込酸化層２５と第１絶縁体層１の溝１６底部をエッチングして除去した後、シリコン層２と第２絶縁体基板３（例えば、厚さ１ｍｍのガラス基板）とを陽極接合し（Ｆ）、最後に、電極端子１３〜１５を形成してセンサを完成する（Ｇ）。

以上のプロセスにより、高精度なエッチング制御を行うことなく、容量電極−ダイヤフラム電極間距離１０μｍ、ダイヤフラムの厚さ７μｍの静電容量型圧力センサを製造することができる。この静電容量型圧力センサはシリコン層が３４μｍと薄いために、絶縁体層（ガラス基板）と接合しても両層の熱膨張係数の違いによる基板の反りを小さく抑えることができ、温度変動の影響を受けにくいセンサを得ることができる。しかも、エッチストップ層を形成する必要がないため、製造工程が簡略化され、生産性が向上する。

なお、他の寸法のセンサを製造する場合は、必要なシリコン層厚のＳＯＩ基板を用いて製造すれば良い。例えば、０．１〜１３３Ｐａの圧力範囲の測定用センサの場合、ダイヤフラム厚が５〜８μｍであるが、１００〜１．３３ｘ１０^５Ｐａのセンサではダイヤフラムの厚さは４０〜７０μｍとするのが一般的である。従って、このような厚さのエッチストップ層（高濃度ボロン拡散層）を形成することは不可能であり、従来バラツキの大きなセンサしか得られなかったが、本発明により例えばシリコン層が７０〜１００μｍのＳＯＩ基板を用い、以上の実施例と同様にして、バラツキの小さな圧力センサを作製することができる。

次に、本発明のサーボ式静電容量型圧力センサの一例を図２に示す。
図１に示した静電容量型圧力センサと基本的構造は同じであるが、第２絶縁体層３上にダイヤフラム２１に対向してサーボ電極３２が形成され、これに連結する端子１８が第１絶縁体層１に形成されている点が異なっている。また、従来のサーボ式静電容量型圧力センサはダイヤフラムやサーボ電極に台形の突起構造が形成されていたが、本実施例では台形構造を設けずに、容量電極１１とダイヤフラム２１間距離及びサーボ電極３２とダイヤフラム２１間距離を例えば１０μｍ以下とすることも可能である。

図４は、図２のサーボ式静電容量型圧力センサの製造プロセスを説明するための模式図である。ここでは容量電極とダイヤフラム間距離１０μｍ、サーボ電極とダイヤフラム間距離１０μｍ、ダイヤフラムの厚さ７μｍとしたサーボ式静電容量型圧力センサの製造方法を説明する。

まず、シリコン層２の厚さが３４μｍ、埋込酸化層２５の厚さが１μｍ、ベースシリコン層２６の厚さが３５０μｍのＳＯＩ基板を用意し、その表面に熱酸化膜２２を１μｍ形成し、その上面の酸化膜２２をパターニングする（Ａ）。シリコンのエッチング液を用いて、埋込酸化層２５が露出するまでシリコン層２をエッチングする。次に、上面の酸化膜２２をパターニングし（Ｂ），シリコン層２を１７μｍエッチングして溝２３を形成する（Ｃ）。続いて、酸化膜２２を除去した後、シリコン層２と厚さ７μｍの容量電極１１及び参照電極１２を形成した第１絶縁体基板１との間に非蒸発型ゲッタ４を配置し、真空中で両者を陽極接合する（Ｄ）。

その後、ＥＰＷ等のエッチング液を用いて、ＳＯＩ基板のベースシリコン層２６を全てエッチング除去する（Ｅ）。その後、基板下面の埋込酸化層２５をパターニングし、シリコン層２を１０μｍエッチングすると厚さ７μｍのダイヤフラムが形成される（Ｆ）。
次に、フッ酸などを用いて、埋込酸化層２５と第１絶縁体層１の溝１６底部をエッチング除去し（Ｇ）、サーボ電極３２を形成した第２絶縁体基板３と陽極接合する（Ｈ）。ここで、サーボ電極３２は、例えば、厚さ数１００ｎｍの金属膜を蒸着又はスパッタ法により成膜した後、パターニングして形成することができる。最後に、電極端子１３〜１５を形成してサーボ式静電容量型圧力センサを完成する（Ｉ）。

以上のようにして、本実施例により、サーボ電極及びダイヤフラムのいずれも突起のない平坦構造をとりながら、容量電極とダイヤフラム間距離、及びサーボ電極とダイヤフラム間距離のいずれも１０μｍ又はそれ以下の小さい値とすることが可能となり、高感度のサーボ式静電容型圧力センサを実現できるとともに、小さなサーボ電圧で制御可能となるため、より一層ダイナミックレンジの大きな圧力センサを実現することが可能となる。また、サーボ電極に金属膜を用いることができることから、その製造工程が大幅に簡略化される。

以上述べてきたように、本発明は、ダイヤフラムをエッチングにより形成する際、前もってエッチストップ層として高濃度のボロン拡散層を形成することなく、ダイヤフラム厚及び電極間距離を高精度に制御することが可能となる。しかしながら、本発明はエッチストップ層を排除するものではなく、必要に応じてエッチストップ層を形成しても良いことは言うまでもない。

本発明の静電容量型圧力センサの一例を示す模式的断面図である。 本発明のサーボ式静電容量型圧力センサの一例を示す模式的断面図である。 図１に示した静電容量型圧力センサの製造方法を示す模式的断面図である。 図２に示したサーボ式静電容量型圧力センサの製造方法を示す模式的断面図である。 従来の静電容量型センサの一例を示す模式的断面図である。 図５に示した静電容量型圧力センサの製造方法を示す模式的断面図である。 従来のサーボ式静電容量型センサの一例を示す模式的断面図である。

符号の説明

１ 第１絶縁体層（基板）、
２ シリコン層、
３ 第２絶縁体層（基板）、
４ 非蒸発型ゲッタ、
５ 圧力基準室、
１１ 容量電極、
１２ 参照電極、
１３ 容量電極端子、
１４ 参照電極端子、
１５ ダイヤフラムの電極端子、
１６ 電極端子用溝、
１８ サーボ電極端子、
２１ ダイヤフラム、
２２ 酸化膜、
２３ 圧力基準室用溝、
２４，３３ 突起、
２５ 埋込酸化層、
２６ ベースシリコン層、
２７ 高濃度ボロン拡散層、
３１ 通気口、
３２ サーボ電極。

Claims (4)

1. 容量電極を備えた第１絶縁体層と、該容量電極に対向する位置にダイヤフラムを備えたシリコン層と、該ダイヤフラムへ気体を導入する通気口を備えた第２絶縁体層と、が積層された静電容量型圧力センサの製造方法において、
   シリコン層、埋込酸化層及びベースシリコン層からなるＳＯＩ基板の該シリコン層に圧力基準室用の溝を形成する工程と、
   前記容量電極が形成された絶縁体基板と前記シリコン層とを、前記容量電極が前記溝内に収まるように接合して圧力基準室を形成する工程と、
   前記ベースシリコン層を全てエッチング除去する工程と、
   前記シリコン層をエッチングして所定の厚さの前記ダイヤフラムを形成する工程と、
   前記シリコン層と前記通気口が形成された絶縁体基板とを接合する工程と、
   を含むことを特徴とする静電容量型圧力センサの製造方法。
2. 容量電極を備えた第１絶縁体層と、該容量電極に対向する位置にダイヤフラムを備えたシリコン層と、該ダイヤフラムへ気体を導入する通気口と前記ダイヤフラムに対向する位置にサーボ電極を備えた第２絶縁体層と、が積層されたサーボ式の静電容量型圧力センサの製造方法において、
   シリコン層、埋込酸化層及びベースシリコン層からなるＳＯＩ基板の該シリコン層に圧力基準室用の溝を形成する工程と、
   前記容量電極が形成された絶縁体基板と前記シリコン層とを、前記容量電極が前記溝内に収まるように接合して圧力基準室を形成する工程と、
   前記ベースシリコン層を全てエッチング除去する工程と、
   前記シリコン層をエッチングして所定の厚さの前記ダイヤフラムを形成する工程と、
   前記シリコン層と前記通気口及び前記サーボ電極が形成された絶縁体基板とを接合する工程と、を含むことを特徴とする静電容量型圧力センサの製造方法。
3. 前記シリコン層に、前記ダイヤフラムを形成する際のエッチストップ層となるボロン拡散層は形成しないことを特徴とする請求項１又は２に記載の静電容量型圧力センサの製造方法。
4. 前記シリコン層の厚さは１５〜２００μｍであることを特徴とする請求項１〜３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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