圧力センサおよび圧力センサの製造方法
【課題】 圧力の作用により振動する振動部の厚さを、様々な厚さに高精度に制御することのできる圧力センサおよびその製造方法を提供すること。
【解決手段】 圧力センサ１において、シリコン基板４上に、ＢＯＸ層５を介して、活性層６を積層した構造のＳＯＩ基板２を形成する。ＳＯＩ基板２には、その厚さ方向一方側から他方側へ向かう方向にシリコン基板４およびＢＯＸ層５を一括して貫通する貫通孔８を形成する。これにより、活性層６における貫通孔８との対向部分に、ダイヤフラム９を形成する。ダイヤフラム９の上層部には、ダイヤフラム９とともに振動可能な可動電極１０を形成する。一方、封止基板３に、周辺部１５の裏面よりも上面側へ一段低く形成された凹部１６を形成する。凹部１６の底面には、固定電極１７を形成する。そして、固定電極１７と可動電極１０とが対向する姿勢で、封止基板３とＳＯＩ基板２とを接合する。
【解決手段】 圧力センサ１において、シリコン基板４上に、ＢＯＸ層５を介して、活性層６を積層した構造のＳＯＩ基板２を形成する。ＳＯＩ基板２には、その厚さ方向一方側から他方側へ向かう方向にシリコン基板４およびＢＯＸ層５を一括して貫通する貫通孔８を形成する。これにより、活性層６における貫通孔８との対向部分に、ダイヤフラム９を形成する。ダイヤフラム９の上層部には、ダイヤフラム９とともに振動可能な可動電極１０を形成する。一方、封止基板３に、周辺部１５の裏面よりも上面側へ一段低く形成された凹部１６を形成する。凹部１６の底面には、固定電極１７を形成する。そして、固定電極１７と可動電極１０とが対向する姿勢で、封止基板３とＳＯＩ基板２とを接合する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力センサおよび圧力センサの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、工業機械などの圧力測定・圧力スイッチなどの用途に、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術により作製される圧力センサが用いられている。圧力センサとして、入力圧力により変化するコンデンサ容量の変化量に基づいて圧力を検出する、容量検出型の圧力センサが知られている。
図５は、従来の圧力センサの模式的な断面図である。
【０００３】
圧力センサ１０１は、シリコン基板１０２と、シリコン基板１０２を支持するための支持基板１０３と、シリコン基板１０２を封止するための封止基板１０４とを備えている。
シリコン基板１０２には、その中央部における一方側（上側）および他方側（下側）が厚さ方向にウェットエッチングされることにより、上側凹部１０５および下側凹部１０６が形成されている。上側凹部１０５および下側凹部１０６の形成により、シリコン基板１０２の中央部には、中央部を取り囲む周辺部の厚さ（シリコン基板１０２本体の厚さ）よりも小さい厚さのダイヤフラム１０７が形成されている。このダイヤフラム１０７の厚さは、ダイヤフラム１０７がシリコン基板１０２の厚さ方向に振動可能な厚さである。
【０００４】
ダイヤフラム１０７における上側凹部１０５に臨む上層部には、ダイヤフラム１０７とともに振動可能な可動電極１０８が形成されている。可動電極１０８は、不純物の拡散により導電性が付与された拡散電極であり、ダイヤフラム１０７の上層部全域に一様に形成されている。
また、シリコン基板１０２には、上側凹部１０５の側壁からシリコン基板１０２の周辺部に至る領域に、不純物の拡散により導電性が付与された可動電極用配線１０９が、可動電極１０８に連続して形成されている。可動電極用配線１０９は、可動電極１０８に電気的に接続されることとなる。
【０００５】
また、シリコン基板１０２には、上側凹部１０５の側壁からシリコン基板１０２の周辺部に至る領域に、不純物の拡散により導電性が付与された固定電極用配線１１０が形成されている。固定電極用配線１１０は、可動電極１０８および可動電極用配線１０９に対して絶縁されている。
支持基板１０３は、たとえば、パイレックス（登録商標）ガラスなどの耐熱性ガラス基板からなり、シリコン基板１０２に陽極接合されている。支持基板１０３におけるダイヤフラム１０７に対向する部分には、支持基板１０３を厚さ方向に貫通する貫通孔１１１が形成されている。
【０００６】
封止基板１０４は、たとえば、パイレックス（登録商標）ガラスなどの耐熱性ガラス基板からなり、シリコン基板１０２に陽極接合されている。これにより、上側凹部１０５の内面および封止基板１０４の下面により囲まれる空間１１２は、真空状態に保持されている。封止基板１０４の下面には、アルミニウムからなる固定電極１１３が、可動電極１０８に対向して固定されている。固定電極１１３は、図示しない位置において固定電極用配線１１０に電気的に接続されている。
【０００７】
この圧力センサ１０１において、可動電極１０８および固定電極１１３は、それらを対向電極とするコンデンサを形成している。このコンデンサ（可動電極１０８および固定電極１１３間）には、可動電極用配線１０９および固定電極用配線１１０を介して、所定の電圧が印加される。
その状態で、貫通孔１１１から、圧力（たとえば、気体圧力）が入力されると、その圧力の作用により、ダイヤフラム１０７とともに可動電極１０８が振動して、コンデンサの静電容量が変化する。そして、この静電容量の変化による可動電極１０８および固定電極１１３間の電圧変動が電気信号として出力される。
【特許文献１】特開平６−１８３４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
圧力センサ１０１の感度は、ダイヤフラム１０７の厚さを変えることにより設計される。したがって、所望の感度の圧力センサを製造するには、シリコン基板１０２に対するウェットエッチングの条件を適切に制御し、ダイヤフラム１０７の厚さを目的の厚さにしなければならない。
ところが、シリコン基板１０２のエッチングレートは、エッチャントの温度変化などにともなって変化する。そのため、エッチング条件を適切に制御しても、製造されたダイヤフラム１０７の厚さと目的の厚さとの間にずれが生じる場合がある。
【０００９】
本発明の目的は、圧力の作用により振動する振動部の厚さを、様々な厚さに高精度に制御することのできる圧力センサおよびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するための請求項１記載の発明は、一方側から他方側へ貫通する貫通孔を有する絶縁層、およびこの絶縁層上に一様な厚さに形成され、前記貫通孔に臨む部分が前記貫通孔との対向方向に振動可能な振動部とされた活性層を備える下基板と、前記振動部上に形成された下部電極と、前記活性層に対向配置され、前記振動部に対向する部分に凹部を有する上基板と、前記凹部に形成された上部電極とを含む、圧力センサである。
【００１１】
この圧力センサは、たとえば、請求項４に記載の製造方法、つまり、絶縁層およびこの絶縁層上に形成された一様な厚さを有する活性層を備える下基板を形成する工程と、前記絶縁層の側から前記絶縁層のみをエッチングすることにより、前記絶縁層にその一方側から他方側へ貫通し、他方側が活性層により覆われる貫通孔を形成する工程と、前記活性層における前記貫通孔を覆う部分上に下部電極を形成する工程と、前記下基板に接合するための上基板に凹部を形成する工程と、前記凹部に上部電極を形成する工程と、前記凹部と前記活性層における前記貫通孔を覆う部分とが対向するように、前記上基板と前記下基板とを接合する工程とを含む、圧力センサの製造方法により製造することができる。
【００１２】
この方法によれば、絶縁層およびこの絶縁層上に形成された一様な厚さを有する活性層を備える下基板が形成される。下基板には、絶縁層のみがエッチングされることにより、絶縁層にその一方側から他方側へ貫通し、他方側が活性層により覆われる貫通孔が形成される。これにより、活性層における貫通孔を覆う部分が空間上（貫通孔上）に配置されることになり、貫通孔との対向方向に振動可能な振動部が形成される。活性層における貫通孔を覆う部分（振動部）上には、下部電極が形成される。
【００１３】
一方、上基板には、凹部が形成される。この凹部には、上部電極が形成される。
そして、凹部と活性層における貫通孔を覆う部分（振動部）とが対向するように、上基板と下基板とが接合される。
絶縁層のみのエッチングにより振動部が形成されるので、活性層がエッチングされない。つまり、振動部の厚さは、活性層における他の部分と同じ厚さである。したがって、下基板の形成工程において、活性層の厚さを制御することにより振動部の厚さを決定することができる。そのため、振動部の厚さを高精度に制御することができる。その結果、所望の感度の圧力センサを簡単かつ高精度に製造することができる。
【００１４】
また、請求項２に記載の発明は、前記下基板および前記上基板は、金属接合材を用いた金属接合により接合されている、請求項１に記載の圧力センサである。
この構成によれば、下基板および上基板が金属接合により接合されるので、陽極接合の接合時間よりも接合時間を短縮することができる。
また、請求項３に記載の発明は、前記凹部には、前記上部電極の周囲の領域に前記上部電極に導通する上部電極用配線が形成され、前記活性層には、前記振動部の周囲の領域に前記下部電極に導通する下部電極用配線の形成されており、前記金属接合材は、その一部が前記上部電極用配線に対向し、他の一部が前記下部電極用配線に対向するように形成され、前記金属接合材における前記上部電極用配線に対向する部分と前記上部電極用配線との間には、絶縁膜が介在されている、請求項２に記載の圧力センサである。
【００１５】
この構成によれば、金属接合材における上部電極用配線に対向する部分と上部電極用配線との間に絶縁膜が介在されているので、金属接合材と上部電極用配線との短絡を防止することができる。
また、請求項５に記載の発明は、前記上基板が、ガラス基板であり、前記凹部を形成する工程が、ウェットエッチングにより前記ガラス基板をエッチングする工程である、請求項４に記載の圧力センサの製造方法である。
【００１６】
この方法によれば、凹部がガラス基板のウェットエッチングにより形成されるので、凹部の側面は、凹部の開口径がエッチング方向に次第に狭まるテーパ状に形成される。そのため、凹部の側面は、凹部の開口位置へ向かう方向（エッチング方向と反対側の方向）に臨むこととなる。そのため、上部電極などを構成する導電材料を、凹部の側面にカバレッジよく堆積させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下では、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る圧力センサの模式的な断面図である。
圧力センサ１は、工業機械などの圧力測定・圧力スイッチなど各種用途に利用されるセンサである。圧力センサ１は、四角平板状の下基板としてのＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板２と、ＳＯＩ基板２よりも小さい四角平板状をなし、ＳＯＩ基板２を封止するための上基板としての封止基板３とを備えている。
【００１８】
ＳＯＩ基板２は、シリコン基板４上に、ＳｉＯ2からなる絶縁層としてのＢＯＸ層５を介して、ＳｉからなるＮ-型の活性層６を厚さ方向に積層した構造を有している。
シリコン基板４は、たとえば、２００〜７００μｍの厚さＴ1を一様に有している。また、ＢＯＸ層５は、たとえば、０．５〜５μｍの厚さＴ2を一様に有している。また、活性層６は、たとえば、０．５〜１００μｍ、好ましくは、２０〜３０μｍの厚さＴ3を一様に有している。
【００１９】
ＳＯＩ基板２には、その中央部７に、厚さ方向一方側（シリコン基板４の裏面側）から他方側（活性層６の上面側）へ向かう方向にシリコン基板４およびＢＯＸ層５を一括して貫通し、その末端が活性層６の裏面により覆われる貫通孔８が形成されている。
これにより、活性層６は、貫通孔８（シリコン基板４およびＢＯＸ層５の存在しない空間）との対向部分に、貫通孔８との対向方向に振動可能な振動部としてのダイヤフラム９を有している。
【００２０】
ダイヤフラム９の中央部における上層部（貫通孔８に対して反対側の表層部）には、ダイヤフラム９とともに振動可能な下部電極としての可動電極１０が形成されている。可動電極１０は、Ｎ-型の活性層６へのＰ型不純物の拡散により導電性が付与された拡散電極であり、一様なＰ型不純物濃度を有している。
活性層６の上層部には、ダイヤフラム９の中央部を取り囲む周縁部からＳＯＩ基板２の中央部７を取り囲む周辺部１１（ＢＯＸ層５上の領域）に至る部分に、可動電極用配線１２が形成されている。可動電極用配線１２は、可動電極１０と同様に不純物の拡散により導電性が付与された拡散配線であり、可動電極１０と連続して形成されている。これにより、可動電極用配線１２は、可動電極１０に電気的に接続されている。
【００２１】
また、ＳＯＩ基板２における周辺部１１において、活性層６の上層部には、固定電極用配線１３が形成されている。固定電極用配線１３は、可動電極１０と同様に不純物の拡散により導電性が付与された拡散配線であり、可動電極１０および可動電極用配線１２に対して絶縁されている。
封止基板３は、たとえば、パイレックス（登録商標）ガラスなどの耐熱性ガラス基板からなる。封止基板３には、その中央部１４に、中央部１４を取り囲む周辺部１５よりも一方面（裏面）が他方側（上面側）へ一段低く形成された凹部１６が形成されている。周辺部１５における封止基板３の裏面から凹部１６の底面までの深さＤ1は、たとえば、１〜５０μｍである。
【００２２】
凹部１６の側面は、凹部１６の底面へ向かう方向（封止基板３の厚さ方向一方側から他方側へ向かう方向）に開口径が狭まるテーパ状に形成されている。
凹部１６の底面には、その中央部に、アルミニウムからなる上部電極としての固定電極１７が形成されている。凹部１６の底面の周縁部から側面を介して、封止基板３の周辺部１５の裏面に至る領域には、固定電極１７から引き回された、アルミニウムからなる引き回し配線１８が形成されている。引き回し配線１８は、固定電極１７と一体的に形成されており、固定電極１７に電気的に接続されている。
【００２３】
そして、封止基板３は、固定電極１７と可動電極１０とが対向する姿勢で、その周辺部１５とＳＯＩ基板２の周辺部１１とが陽極接合されることにより、ＳＯＩ基板２に接合されている。これにより、凹部１６の内面（側面および底面）およびダイヤフラム９の上面により囲まれる空間１９は、真空状態に保持されている。ＳＯＩ基板２の周辺部１１には、接合された封止基板３から可動電極用配線１２および固定電極用配線１３が露出している。可動電極用配線１２および固定電極用配線１３の露出した部分には、それぞれ外部からの配線が接続される。
【００２４】
この圧力センサ１において、可動電極１０および固定電極１７は、それらを対向電極とするコンデンサを形成している。このコンデンサ（可動電極１０および固定電極１７間）には、可動電極用配線１２および固定電極用配線１３を介して、所定の電圧が印加される。
その状態で、貫通孔８から、圧力（たとえば、気体圧力）が入力されると、その圧力の作用により、ダイヤフラム９とともに可動電極１０が振動して、コンデンサの静電容量が変化する。そして、この静電容量の変化による可動電極１０および固定電極１７間の電圧変動が電気信号として出力される。
【００２５】
図２は、図１に示す圧力センサの製造方法を工程順に説明するための模式的な断面図である。
図１に示す圧力センサ１を製造するには、図２（ａ）に示すように、シリコン基板４上に、ＢＯＸ層５を介して活性層６を積層した構造を有するＳＯＩ基板２が形成される。具体的には、熱酸化処理により、シリコン基板４（厚さＴ1）の表面にＢＯＸ層５（厚さＴ2）が形成される。その一方で、活性層６と同じ厚さＴ3を有するシリコン基板が用意される。そして、このシリコン基板とＢＯＸ層５とを対向させた状態でシリコン基板同士を貼り合わせることにより、ＳＯＩ基板２が形成される。
【００２６】
次いで、図２（ｂ）に示すように、互いに分離された開口を有するマスク（図示せず）を介して、活性層６の上層部に、Ｐ型不純物がイオン注入される。イオン注入後、アニール処理が行われることにより、注入されたＰ型不純物が活性化する。これにより、活性層６の上層部には、ＳＯＩ基板２の中央部７から周辺部１１に至る領域に第１不純物領域２０が形成される。また、周辺部１１における第１不純物領域２０と間隔を空けた領域に、第２不純物領域２１が形成される。
【００２７】
次いで、図２（ｃ）に示すように、ＳＯＩ基板２の中央部７における裏面（シリコン基板４の裏面）を露出させる開口を有するマスク（図示せず）を介して、シリコン基板４にエッチングガスが供給される。エッチングガスとしては、シリコンおよび酸化シリコンをエッチング可能なガスが用いられ、具体的には、ＣＦ4、ＳＦ6などのフッ素系ガスが用いられる。そして、エッチングガスの供給は、シリコン基板４およびＢＯＸ層５が除去され、活性層６の裏面が露出するまで続けられる。
【００２８】
これにより、ＳＯＩ基板２の中央部７に、貫通孔８が形成される。また、貫通孔８の形成により、活性層６における貫通孔８に対向する部分に、振動可能な状態となるダイヤフラム９が形成される。また、第１不純物領域２０の一部からなる可動電極１０がダイヤフラム９の上層部に形成されるとともに、第１不純物領域２０の他の部分からなる可動電極用配線１２が形成される。
【００２９】
一方、図２（ｄ）に示すように、耐熱性ガラスからなる封止基板３が用意される。
次いで、図２（ｅ）に示すように、封止基板３の中央部１４の裏面を露出させる開口を有するマスク（図示せず）を介して、封止基板３にエッチャントが供給される。エッチャントとしては、たとえば、ＨＦなどが用いられる。エッチャントの供給により、封止基板３がその裏面側からウェットエッチングされる。これにより、封止基板３に、テーパ状の側面を有する凹部１６が形成される。
【００３０】
次いで、図２（ｆ）に示すように、スパッタ法により、所定パターンの開口を有するマスク（図示せず）を介して、アルミニウム材料が、封止基板３の裏面側から凹部１６の内面（側面および底面）および封止基板３の周辺部１５に堆積される。これにより、固定電極１７および引き回し配線１８が一体的に形成される。
その後、図２（ｇ）に示すように、固定電極１７および可動電極１０が対向し、引き回し配線１８と第２不純物領域２１とが対向するように、ＳＯＩ基板２の周辺部１１に封止基板３の周辺部１５が当接される。そして、この状態で、たとえば、２５０〜３５０℃で、０．５〜２時間加熱される。これにより、ＳＯＩ基板２の周辺部１１と封止基板３の周辺部１５とが陽極接合される。活性層６に形成された第２不純物領域２１は、引き回し配線１８に接続されることにより固定電極用配線１３となる。
【００３１】
以上の工程を経て、図１に示す圧力センサ１が得られる。
上記の方法によれば、活性層６の裏面が露出するまでシリコン基板４およびＢＯＸ層５がエッチングされることにより、ダイヤフラム９が形成される（図２（ｃ）参照）。そのため、一様な厚さＴ3を有する活性層６がエッチングされない。つまり、ダイヤフラム９の厚さは、活性層６の他の部分（ダイヤフラム９以外の部分）の厚さＴ3と同じ厚さである。したがって、ＳＯＩ基板２の形成工程（図２（ａ）参照）において、活性層６の厚さを制御することによりダイヤフラム９の厚さを決定することができる。そのため、ダイヤフラム９の厚さを高精度に制御することができる。その結果、所望の感度の圧力センサ１を簡単かつ高精度に製造することができる。
【００３２】
また、凹部１６がウェットエッチングにより形成されるので（図２（ｅ）参照）、凹部１６の側面は、凹部１６の開口径がエッチング方向（封止基板３の裏面側から上面側へ向かう方向）に次第に狭まるテーパ状に形成される。そのため、凹部１６の側面は、封止基板３の裏面側（エッチング方向と反対側）に臨むこととなる。そのため、封止基板３の裏面側から供給される固定電極１７および引き回し配線１８の材料を、凹部の側面にカバレッジよく堆積させることができる。
【００３３】
図３は、本発明の第２の実施形態に係る圧力センサの模式的な断面図である。
圧力センサ３１は、工業機械などの圧力測定・圧力スイッチなど各種用途に利用されるセンサである。圧力センサ３１は、四角平板状の下基板としてのＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板２と、ＳＯＩ基板３２よりも小さい四角平板状をなし、ＳＯＩ基板３２を封止するための上基板としての封止基板３３とを備えている。
【００３４】
ＳＯＩ基板３２は、シリコン基板３４上に、ＳｉＯ2からなる絶縁層としてのＢＯＸ層３５を介して、ＳｉからなるＮ-型の活性層３６を厚さ方向に積層した構造を有している。
シリコン基板３４は、たとえば、２００〜７００μｍの厚さＴ4を一様に有している。また、ＢＯＸ層３５は、たとえば、０．５〜５μｍの厚さＴ5を一様に有している。また、活性層３６は、たとえば、０．５〜１００μｍ、好ましくは、２０〜３０μｍの厚さＴ6を一様に有している。
【００３５】
ＳＯＩ基板３２には、その中央部３７に、厚さ方向一方側（シリコン基板３４の裏面側）から他方側（活性層３６の上面側）へ向かう方向にシリコン基板３４およびＢＯＸ層３５を一括して貫通し、その末端が活性層３６の裏面により覆われる貫通孔３８が形成されている。
これにより、活性層３６は、貫通孔３８（シリコン基板３４およびＢＯＸ層３５の存在しない空間）との対向部分に、貫通孔３８との対向方向に振動可能な振動部としてのダイヤフラム３９を有している。
【００３６】
ダイヤフラム３９の中央部における上層部（貫通孔３８に対して反対側の表層部）には、ダイヤフラム３９とともに振動可能な下部電極としての可動電極４０が形成されている。可動電極４０は、Ｎ-型の活性層３６へのＰ型不純物の拡散により導電性が付与された拡散電極であり、一様なＰ型不純物濃度を有している。
活性層３６の上層部には、ダイヤフラム３９の中央部を取り囲む周縁部からＳＯＩ基板３２の中央部３７を取り囲む周辺部４１（ＢＯＸ層３５上の領域）に至る部分に、可動電極用配線４２が形成されている。可動電極用配線４２は、可動電極４０と同様に不純物の拡散により導電性が付与された拡散配線であり、可動電極４０と連続して形成されている。これにより、可動電極用配線４２は、可動電極４０に電気的に接続されている。
【００３７】
また、ＳＯＩ基板３２の周辺部４１において、活性層３６の上層部には、固定電極用配線４３が形成されている。固定電極用配線４３は、可動電極４０と同様に不純物の拡散により導電性が付与された拡散配線であり、可動電極４０および可動電極用配線４２に対して絶縁されている。
封止基板３３は、たとえば、パイレックス（登録商標）ガラスなどの耐熱性ガラス基板からなる。封止基板３３には、その中央部４４に、中央部４４を取り囲む周辺部４５よりも一方面（裏面）が他方面側（上面側）へ一段低く形成された凹部４６が形成されている。周辺部４５における封止基板３３の裏面から凹部４６の底面までの深さＤ2は、たとえば、１〜５０μｍである。
【００３８】
凹部４６の側面は、凹部４６の底面へ向かう方向（封止基板３３の厚さ方向一方側から他方側へ向かう方向）に開口径が狭まるテーパ状に形成されている。
凹部４６の底面には、その中央部に、アルミニウムからなる上部電極としての固定電極４７が形成されている。凹部４６の底面の周縁部から側面を介して、封止基板３の周辺部４５の裏面に至る領域には、固定電極４７から引き回された、アルミニウムからなる引き回し配線４８が形成されている。引き回し配線４８は、固定電極４７と一体的に形成されており、固定電極４７に電気的に接続されている。
【００３９】
そして、封止基板３３は、固定電極４７と可動電極４０とが対向する姿勢で、その周辺部４５とＳＯＩ基板３２の周辺部４１との間に金属接合材５２が介在されることにより、ＳＯＩ基板３２に金属接合されている。
金属接合材５２は、たとえば、Ｃｕ−Ｓｎ合金、Ａｕ−Ｓｎ合金などからなる。金属接合材５２は、ダイヤフラム３９を取り囲む平面視四角環状に形成され、その一部が引き回し配線４８に対向し、他の一部が可動電極用配線４２に対向するように配置されている。また、金属接合材５２における引き回し配線４８に対向する部分と引き回し配線４８における凹部４６の底面上の部分との間には、酸化シリコンからなる絶縁スペーサ５３が介在されている。
【００４０】
すなわち、封止基板３３は、その周辺部４５が金属接合材５２に支持され、中央部４４が金属接合材５２および絶縁スペーサ５３に支持されることにより、ＳＯＩ基板３２に金属接合されている。これにより、凹部４６の内面（側面および底面）、ダイヤフラム３９の上面、金属接合材５２および絶縁スペーサ５３により囲まれる空間４９は、真空状態に保持されている。
【００４１】
また、引き回し配線４８における周辺部４５の裏面上の部分と固定電極用配線４３との間には、金属接合材５２とほぼ同じ高さの導電スペーサ５４がこれらに接触した状態で介在されている。導電スペーサ５４は、たとえば、金属接合材５２と同様の材料からなり、引き回し配線４８および固定電極用配線４３に電気的に接続されている。
ＳＯＩ基板３２の周辺部４１には、接合された封止基板３３から可動電極用配線４２および固定電極用配線４３が露出している。可動電極用配線４２および固定電極用配線４３の露出した部分には、それぞれ外部からの配線が接続される。
【００４２】
この圧力センサ３１において、可動電極４０および固定電極４７は、それらを対向電極とするコンデンサを形成している。このコンデンサ（可動電極４０および固定電極４７間）には、可動電極用配線４２および固定電極用配線４３を介して、所定の電圧が印加される。
その状態で、貫通孔３８から、圧力（たとえば、気体圧力）が入力されると、その圧力の作用により、ダイヤフラム３９とともに可動電極４０が振動して、コンデンサの静電容量が変化する。そして、この静電容量の変化による可動電極４０および固定電極４７間の電圧変動が電気信号として出力される。
【００４３】
図４は、図３に示す圧力センサの製造方法を工程順に説明するための模式的な断面図である。
図３に示す圧力センサ３１を製造するには、図４（ａ）に示すように、シリコン基板３４上に、ＢＯＸ層３５を介して活性層３６を積層した構造を有するＳＯＩ基板３２が形成される。具体的には、熱酸化処理により、シリコン基板３４（厚さＴ4）の表面にＢＯＸ層３５（厚さＴ5）が形成される。その一方で、活性層３６と同じ厚さＴ6を有するシリコン基板が用意される。そして、このシリコン基板とＢＯＸ層３５とを対向させた状態でシリコン基板同士を貼り合わせることにより、ＳＯＩ基板３２が形成される。
【００４４】
次いで、図４（ｂ）に示すように、互いに分離された開口を有するマスク（図示せず）を介して、活性層３６の上層部に、Ｐ型不純物がイオン注入される。イオン注入後、アニール処理が行われることにより、注入されたＰ型不純物が活性化する。これにより、活性層３６の上層部には、ＳＯＩ基板２の中央部３７から周辺部４１に至る領域に第１不純物領域５０が形成される。また、周辺部４１における第１不純物領域５０と間隔を空けた領域に、第２不純物領域５１が形成される。
【００４５】
次いで、図４（ｃ）に示すように、金属接合材５２および導電スペーサ５４の材料が活性層３６の上面に堆積される。そして、公知のフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術により、堆積材料の不要部分（金属接合材５２および導電スペーサ５４以外の部分）が除去されて、金属接合材５２および導電スペーサ５４が形成される。
次いで、図４（ｄ）に示すように、ＳＯＩ基板３２の中央部３７における裏面（シリコン基板３４の裏面）を露出させる開口を有するマスク（図示せず）を介して、シリコン基板３４にエッチングガスが供給される。エッチングガスとしては、シリコンおよび酸化シリコンをエッチング可能なガスが用いられ、具体的には、ＣＦ4、ＳＦ6などのフッ素系ガスが用いられる。そして、エッチングガスの供給は、シリコン基板３４およびＢＯＸ層３５が除去され、活性層３６の裏面が露出するまで続けられる。
【００４６】
これにより、ＳＯＩ基板３２の中央部３７に、貫通孔３８が形成される。また、貫通孔３８の形成により、活性層３６における貫通孔３８に対向する部分に、振動可能な状態となるダイヤフラム３９が形成される。また、第１不純物領域５０の一部からなる可動電極４０がダイヤフラム３９の上層部に形成されるとともに、第１不純物領域５０の他の部分からなる可動電極用配線４２が形成される。
【００４７】
一方、図４（ｅ）に示すように、耐熱性ガラスからなる封止基板３３が用意される。
次いで、図４（ｆ）に示すように、封止基板３３の中央部４４の裏面を露出させる開口を有するマスク（図示せず）を介して、封止基板３３にエッチャントが供給される。エッチャントとしては、たとえば、ＨＦなどが用いられる。エッチャントの供給により、封止基板３３がその裏面側からウェットエッチングされる。これにより、封止基板３３に、テーパ状の側面を有する凹部４６が形成される。
【００４８】
次いで、図４（ｇ）に示すように、スパッタ法により、所定パターンの開口を有するマスク（図示せず）を介して、アルミニウム材料が、封止基板３３の裏面側から凹部４６の内面（側面および底面）および封止基板３３の周辺部４５に堆積される。これにより、固定電極４７および引き回し配線４８が一体的に形成される。次いで、図４（ｇ）に示すように、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により、凹部４６の内面および封止基板３の裏面に、酸化シリコンが堆積される。そして、公知のフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術により、堆積酸化シリコンの不要部分（絶縁スペーサ５３以外の部分）が除去されて、絶縁スペーサ５３が形成される。
【００４９】
その後、図４（ｈ）に示すように、固定電極４７および可動電極４０が対向し、引き回し配線４８と導電スペーサ５４とが対向するように、金属接合材５２に絶縁スペーサ５３および封止基板３３の周辺部４５が当接される。そして、この状態で、たとえば、３００〜３５０℃で、５〜１０秒間加熱される。これにより、ＳＯＩ基板３２の周辺部４１と封止基板３３の周辺部４５とが金属接合される。活性層３６に形成された第２不純物領域５１は、導電スペーサ５４を介して引き回し配線４８に接続されることにより固定電極用配線４３となる。
【００５０】
以上の工程を経て、図３に示す圧力センサ３１が得られる。
上記の方法によれば、活性層３６の裏面が露出するまでシリコン基板３４およびＢＯＸ層３５がエッチングされることにより、ダイヤフラム３９が形成される（図４（ｄ）参照）。そのため、一様な厚さＴ6を有する活性層３６がエッチングされない。つまり、ダイヤフラム３９の厚さは、活性層３６の他の部分（ダイヤフラム３９以外の部分）の厚さＴ6と同じ厚さである。したがって、ＳＯＩ基板３２の形成工程（図４（ａ）参照）において、活性層３６の厚さを制御することによりダイヤフラム３９の厚さを決定することができる。そのため、ダイヤフラム３９の厚さを高精度に制御することができる。その結果、所望の感度の圧力センサ３１を簡単かつ高精度に製造することができる。
【００５１】
また、凹部４６がウェットエッチングにより形成されるので（図４（ｆ）参照）、凹部４６の側面は、凹部４６の開口径がエッチング方向（封止基板３３の裏面側から上面側へ向かう方向）に次第に狭まるテーパ状に形成される。そのため、凹部４６の側面は、封止基板３３の裏面側（エッチング方向と反対側）に臨むこととなる。そのため、封止基板３３の裏面側から供給される固定電極４７および引き回し配線４８の材料を、凹部の側面にカバレッジよく堆積させることができる。
【００５２】
また、ＳＯＩ基板３２および封止基板３３が金属接合材５２を介した金属接合により接合されるので、陽極接合の接合時間よりも接合時間を短縮することができる。
さらに、金属接合材５２における引き回し配線４８に対向する部分と引き回し配線４８との間には、酸化シリコンからなる絶縁スペーサ５３が介在されている。そのため、金属接合材５２と引き回し配線４８との短絡を防止することができる。
【００５３】
以上、本発明の複数の実施形態を説明したが、本発明は、他の形態で実施することもできる。
たとえば、封止基板３，３３は、シリコン基板であってもよい。
また、凹部１６，４６は、封止基板３，３３をドライエッチングすることにより形成されていてもよい。
【００５４】
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る圧力センサの模式的な断面図である。
【図２】図１に示す圧力センサの製造方法を工程順に説明するための模式的な断面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る圧力センサの模式的な断面図である。
【図４】図３に示す圧力センサの製造方法を工程順に説明するための模式的な断面図である。
【図５】従来の圧力センサの模式的な断面図である。
【符号の説明】
【００５６】
１ 圧力センサ
２ ＳＯＩ基板（下基板）
３ 封止基板（上基板）
５ ＢＯＸ層（絶縁層）
６ 活性層
８ 貫通孔
９ ダイヤフラム（振動部）
１０ 可動電極（下部電極）
１６ 凹部
１７ 固定電極（上部電極）
３１ 圧力センサ
３２ ＳＯＩ基板（下基板）
３３ 封止基板（上基板）
３５ ＢＯＸ層（絶縁層）
３６ 活性層
３８ 貫通孔
３９ ダイヤフラム（振動部）
４０ 可動電極（下部電極）
４２ 可動電極用配線（下部電極用配線）
４６ 凹部
４７ 固定電極（上部電極）
４８ 引き回し配線（上部電極用配線）
５２ 金属接合材
５３ 絶縁スペーサ（絶縁膜）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力センサおよび圧力センサの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、工業機械などの圧力測定・圧力スイッチなどの用途に、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術により作製される圧力センサが用いられている。圧力センサとして、入力圧力により変化するコンデンサ容量の変化量に基づいて圧力を検出する、容量検出型の圧力センサが知られている。
図５は、従来の圧力センサの模式的な断面図である。
【０００３】
圧力センサ１０１は、シリコン基板１０２と、シリコン基板１０２を支持するための支持基板１０３と、シリコン基板１０２を封止するための封止基板１０４とを備えている。
シリコン基板１０２には、その中央部における一方側（上側）および他方側（下側）が厚さ方向にウェットエッチングされることにより、上側凹部１０５および下側凹部１０６が形成されている。上側凹部１０５および下側凹部１０６の形成により、シリコン基板１０２の中央部には、中央部を取り囲む周辺部の厚さ（シリコン基板１０２本体の厚さ）よりも小さい厚さのダイヤフラム１０７が形成されている。このダイヤフラム１０７の厚さは、ダイヤフラム１０７がシリコン基板１０２の厚さ方向に振動可能な厚さである。
【０００４】
ダイヤフラム１０７における上側凹部１０５に臨む上層部には、ダイヤフラム１０７とともに振動可能な可動電極１０８が形成されている。可動電極１０８は、不純物の拡散により導電性が付与された拡散電極であり、ダイヤフラム１０７の上層部全域に一様に形成されている。
また、シリコン基板１０２には、上側凹部１０５の側壁からシリコン基板１０２の周辺部に至る領域に、不純物の拡散により導電性が付与された可動電極用配線１０９が、可動電極１０８に連続して形成されている。可動電極用配線１０９は、可動電極１０８に電気的に接続されることとなる。
【０００５】
また、シリコン基板１０２には、上側凹部１０５の側壁からシリコン基板１０２の周辺部に至る領域に、不純物の拡散により導電性が付与された固定電極用配線１１０が形成されている。固定電極用配線１１０は、可動電極１０８および可動電極用配線１０９に対して絶縁されている。
支持基板１０３は、たとえば、パイレックス（登録商標）ガラスなどの耐熱性ガラス基板からなり、シリコン基板１０２に陽極接合されている。支持基板１０３におけるダイヤフラム１０７に対向する部分には、支持基板１０３を厚さ方向に貫通する貫通孔１１１が形成されている。
【０００６】
封止基板１０４は、たとえば、パイレックス（登録商標）ガラスなどの耐熱性ガラス基板からなり、シリコン基板１０２に陽極接合されている。これにより、上側凹部１０５の内面および封止基板１０４の下面により囲まれる空間１１２は、真空状態に保持されている。封止基板１０４の下面には、アルミニウムからなる固定電極１１３が、可動電極１０８に対向して固定されている。固定電極１１３は、図示しない位置において固定電極用配線１１０に電気的に接続されている。
【０００７】
この圧力センサ１０１において、可動電極１０８および固定電極１１３は、それらを対向電極とするコンデンサを形成している。このコンデンサ（可動電極１０８および固定電極１１３間）には、可動電極用配線１０９および固定電極用配線１１０を介して、所定の電圧が印加される。
その状態で、貫通孔１１１から、圧力（たとえば、気体圧力）が入力されると、その圧力の作用により、ダイヤフラム１０７とともに可動電極１０８が振動して、コンデンサの静電容量が変化する。そして、この静電容量の変化による可動電極１０８および固定電極１１３間の電圧変動が電気信号として出力される。
【特許文献１】特開平６−１８３４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
圧力センサ１０１の感度は、ダイヤフラム１０７の厚さを変えることにより設計される。したがって、所望の感度の圧力センサを製造するには、シリコン基板１０２に対するウェットエッチングの条件を適切に制御し、ダイヤフラム１０７の厚さを目的の厚さにしなければならない。
ところが、シリコン基板１０２のエッチングレートは、エッチャントの温度変化などにともなって変化する。そのため、エッチング条件を適切に制御しても、製造されたダイヤフラム１０７の厚さと目的の厚さとの間にずれが生じる場合がある。
【０００９】
本発明の目的は、圧力の作用により振動する振動部の厚さを、様々な厚さに高精度に制御することのできる圧力センサおよびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するための請求項１記載の発明は、一方側から他方側へ貫通する貫通孔を有する絶縁層、およびこの絶縁層上に一様な厚さに形成され、前記貫通孔に臨む部分が前記貫通孔との対向方向に振動可能な振動部とされた活性層を備える下基板と、前記振動部上に形成された下部電極と、前記活性層に対向配置され、前記振動部に対向する部分に凹部を有する上基板と、前記凹部に形成された上部電極とを含む、圧力センサである。
【００１１】
この圧力センサは、たとえば、請求項４に記載の製造方法、つまり、絶縁層およびこの絶縁層上に形成された一様な厚さを有する活性層を備える下基板を形成する工程と、前記絶縁層の側から前記絶縁層のみをエッチングすることにより、前記絶縁層にその一方側から他方側へ貫通し、他方側が活性層により覆われる貫通孔を形成する工程と、前記活性層における前記貫通孔を覆う部分上に下部電極を形成する工程と、前記下基板に接合するための上基板に凹部を形成する工程と、前記凹部に上部電極を形成する工程と、前記凹部と前記活性層における前記貫通孔を覆う部分とが対向するように、前記上基板と前記下基板とを接合する工程とを含む、圧力センサの製造方法により製造することができる。
【００１２】
この方法によれば、絶縁層およびこの絶縁層上に形成された一様な厚さを有する活性層を備える下基板が形成される。下基板には、絶縁層のみがエッチングされることにより、絶縁層にその一方側から他方側へ貫通し、他方側が活性層により覆われる貫通孔が形成される。これにより、活性層における貫通孔を覆う部分が空間上（貫通孔上）に配置されることになり、貫通孔との対向方向に振動可能な振動部が形成される。活性層における貫通孔を覆う部分（振動部）上には、下部電極が形成される。
【００１３】
一方、上基板には、凹部が形成される。この凹部には、上部電極が形成される。
そして、凹部と活性層における貫通孔を覆う部分（振動部）とが対向するように、上基板と下基板とが接合される。
絶縁層のみのエッチングにより振動部が形成されるので、活性層がエッチングされない。つまり、振動部の厚さは、活性層における他の部分と同じ厚さである。したがって、下基板の形成工程において、活性層の厚さを制御することにより振動部の厚さを決定することができる。そのため、振動部の厚さを高精度に制御することができる。その結果、所望の感度の圧力センサを簡単かつ高精度に製造することができる。
【００１４】
また、請求項２に記載の発明は、前記下基板および前記上基板は、金属接合材を用いた金属接合により接合されている、請求項１に記載の圧力センサである。
この構成によれば、下基板および上基板が金属接合により接合されるので、陽極接合の接合時間よりも接合時間を短縮することができる。
また、請求項３に記載の発明は、前記凹部には、前記上部電極の周囲の領域に前記上部電極に導通する上部電極用配線が形成され、前記活性層には、前記振動部の周囲の領域に前記下部電極に導通する下部電極用配線の形成されており、前記金属接合材は、その一部が前記上部電極用配線に対向し、他の一部が前記下部電極用配線に対向するように形成され、前記金属接合材における前記上部電極用配線に対向する部分と前記上部電極用配線との間には、絶縁膜が介在されている、請求項２に記載の圧力センサである。
【００１５】
この構成によれば、金属接合材における上部電極用配線に対向する部分と上部電極用配線との間に絶縁膜が介在されているので、金属接合材と上部電極用配線との短絡を防止することができる。
また、請求項５に記載の発明は、前記上基板が、ガラス基板であり、前記凹部を形成する工程が、ウェットエッチングにより前記ガラス基板をエッチングする工程である、請求項４に記載の圧力センサの製造方法である。
【００１６】
この方法によれば、凹部がガラス基板のウェットエッチングにより形成されるので、凹部の側面は、凹部の開口径がエッチング方向に次第に狭まるテーパ状に形成される。そのため、凹部の側面は、凹部の開口位置へ向かう方向（エッチング方向と反対側の方向）に臨むこととなる。そのため、上部電極などを構成する導電材料を、凹部の側面にカバレッジよく堆積させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下では、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る圧力センサの模式的な断面図である。
圧力センサ１は、工業機械などの圧力測定・圧力スイッチなど各種用途に利用されるセンサである。圧力センサ１は、四角平板状の下基板としてのＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板２と、ＳＯＩ基板２よりも小さい四角平板状をなし、ＳＯＩ基板２を封止するための上基板としての封止基板３とを備えている。
【００１８】
ＳＯＩ基板２は、シリコン基板４上に、ＳｉＯ2からなる絶縁層としてのＢＯＸ層５を介して、ＳｉからなるＮ-型の活性層６を厚さ方向に積層した構造を有している。
シリコン基板４は、たとえば、２００〜７００μｍの厚さＴ1を一様に有している。また、ＢＯＸ層５は、たとえば、０．５〜５μｍの厚さＴ2を一様に有している。また、活性層６は、たとえば、０．５〜１００μｍ、好ましくは、２０〜３０μｍの厚さＴ3を一様に有している。
【００１９】
ＳＯＩ基板２には、その中央部７に、厚さ方向一方側（シリコン基板４の裏面側）から他方側（活性層６の上面側）へ向かう方向にシリコン基板４およびＢＯＸ層５を一括して貫通し、その末端が活性層６の裏面により覆われる貫通孔８が形成されている。
これにより、活性層６は、貫通孔８（シリコン基板４およびＢＯＸ層５の存在しない空間）との対向部分に、貫通孔８との対向方向に振動可能な振動部としてのダイヤフラム９を有している。
【００２０】
ダイヤフラム９の中央部における上層部（貫通孔８に対して反対側の表層部）には、ダイヤフラム９とともに振動可能な下部電極としての可動電極１０が形成されている。可動電極１０は、Ｎ-型の活性層６へのＰ型不純物の拡散により導電性が付与された拡散電極であり、一様なＰ型不純物濃度を有している。
活性層６の上層部には、ダイヤフラム９の中央部を取り囲む周縁部からＳＯＩ基板２の中央部７を取り囲む周辺部１１（ＢＯＸ層５上の領域）に至る部分に、可動電極用配線１２が形成されている。可動電極用配線１２は、可動電極１０と同様に不純物の拡散により導電性が付与された拡散配線であり、可動電極１０と連続して形成されている。これにより、可動電極用配線１２は、可動電極１０に電気的に接続されている。
【００２１】
また、ＳＯＩ基板２における周辺部１１において、活性層６の上層部には、固定電極用配線１３が形成されている。固定電極用配線１３は、可動電極１０と同様に不純物の拡散により導電性が付与された拡散配線であり、可動電極１０および可動電極用配線１２に対して絶縁されている。
封止基板３は、たとえば、パイレックス（登録商標）ガラスなどの耐熱性ガラス基板からなる。封止基板３には、その中央部１４に、中央部１４を取り囲む周辺部１５よりも一方面（裏面）が他方側（上面側）へ一段低く形成された凹部１６が形成されている。周辺部１５における封止基板３の裏面から凹部１６の底面までの深さＤ1は、たとえば、１〜５０μｍである。
【００２２】
凹部１６の側面は、凹部１６の底面へ向かう方向（封止基板３の厚さ方向一方側から他方側へ向かう方向）に開口径が狭まるテーパ状に形成されている。
凹部１６の底面には、その中央部に、アルミニウムからなる上部電極としての固定電極１７が形成されている。凹部１６の底面の周縁部から側面を介して、封止基板３の周辺部１５の裏面に至る領域には、固定電極１７から引き回された、アルミニウムからなる引き回し配線１８が形成されている。引き回し配線１８は、固定電極１７と一体的に形成されており、固定電極１７に電気的に接続されている。
【００２３】
そして、封止基板３は、固定電極１７と可動電極１０とが対向する姿勢で、その周辺部１５とＳＯＩ基板２の周辺部１１とが陽極接合されることにより、ＳＯＩ基板２に接合されている。これにより、凹部１６の内面（側面および底面）およびダイヤフラム９の上面により囲まれる空間１９は、真空状態に保持されている。ＳＯＩ基板２の周辺部１１には、接合された封止基板３から可動電極用配線１２および固定電極用配線１３が露出している。可動電極用配線１２および固定電極用配線１３の露出した部分には、それぞれ外部からの配線が接続される。
【００２４】
この圧力センサ１において、可動電極１０および固定電極１７は、それらを対向電極とするコンデンサを形成している。このコンデンサ（可動電極１０および固定電極１７間）には、可動電極用配線１２および固定電極用配線１３を介して、所定の電圧が印加される。
その状態で、貫通孔８から、圧力（たとえば、気体圧力）が入力されると、その圧力の作用により、ダイヤフラム９とともに可動電極１０が振動して、コンデンサの静電容量が変化する。そして、この静電容量の変化による可動電極１０および固定電極１７間の電圧変動が電気信号として出力される。
【００２５】
図２は、図１に示す圧力センサの製造方法を工程順に説明するための模式的な断面図である。
図１に示す圧力センサ１を製造するには、図２（ａ）に示すように、シリコン基板４上に、ＢＯＸ層５を介して活性層６を積層した構造を有するＳＯＩ基板２が形成される。具体的には、熱酸化処理により、シリコン基板４（厚さＴ1）の表面にＢＯＸ層５（厚さＴ2）が形成される。その一方で、活性層６と同じ厚さＴ3を有するシリコン基板が用意される。そして、このシリコン基板とＢＯＸ層５とを対向させた状態でシリコン基板同士を貼り合わせることにより、ＳＯＩ基板２が形成される。
【００２６】
次いで、図２（ｂ）に示すように、互いに分離された開口を有するマスク（図示せず）を介して、活性層６の上層部に、Ｐ型不純物がイオン注入される。イオン注入後、アニール処理が行われることにより、注入されたＰ型不純物が活性化する。これにより、活性層６の上層部には、ＳＯＩ基板２の中央部７から周辺部１１に至る領域に第１不純物領域２０が形成される。また、周辺部１１における第１不純物領域２０と間隔を空けた領域に、第２不純物領域２１が形成される。
【００２７】
次いで、図２（ｃ）に示すように、ＳＯＩ基板２の中央部７における裏面（シリコン基板４の裏面）を露出させる開口を有するマスク（図示せず）を介して、シリコン基板４にエッチングガスが供給される。エッチングガスとしては、シリコンおよび酸化シリコンをエッチング可能なガスが用いられ、具体的には、ＣＦ4、ＳＦ6などのフッ素系ガスが用いられる。そして、エッチングガスの供給は、シリコン基板４およびＢＯＸ層５が除去され、活性層６の裏面が露出するまで続けられる。
【００２８】
これにより、ＳＯＩ基板２の中央部７に、貫通孔８が形成される。また、貫通孔８の形成により、活性層６における貫通孔８に対向する部分に、振動可能な状態となるダイヤフラム９が形成される。また、第１不純物領域２０の一部からなる可動電極１０がダイヤフラム９の上層部に形成されるとともに、第１不純物領域２０の他の部分からなる可動電極用配線１２が形成される。
【００２９】
一方、図２（ｄ）に示すように、耐熱性ガラスからなる封止基板３が用意される。
次いで、図２（ｅ）に示すように、封止基板３の中央部１４の裏面を露出させる開口を有するマスク（図示せず）を介して、封止基板３にエッチャントが供給される。エッチャントとしては、たとえば、ＨＦなどが用いられる。エッチャントの供給により、封止基板３がその裏面側からウェットエッチングされる。これにより、封止基板３に、テーパ状の側面を有する凹部１６が形成される。
【００３０】
次いで、図２（ｆ）に示すように、スパッタ法により、所定パターンの開口を有するマスク（図示せず）を介して、アルミニウム材料が、封止基板３の裏面側から凹部１６の内面（側面および底面）および封止基板３の周辺部１５に堆積される。これにより、固定電極１７および引き回し配線１８が一体的に形成される。
その後、図２（ｇ）に示すように、固定電極１７および可動電極１０が対向し、引き回し配線１８と第２不純物領域２１とが対向するように、ＳＯＩ基板２の周辺部１１に封止基板３の周辺部１５が当接される。そして、この状態で、たとえば、２５０〜３５０℃で、０．５〜２時間加熱される。これにより、ＳＯＩ基板２の周辺部１１と封止基板３の周辺部１５とが陽極接合される。活性層６に形成された第２不純物領域２１は、引き回し配線１８に接続されることにより固定電極用配線１３となる。
【００３１】
以上の工程を経て、図１に示す圧力センサ１が得られる。
上記の方法によれば、活性層６の裏面が露出するまでシリコン基板４およびＢＯＸ層５がエッチングされることにより、ダイヤフラム９が形成される（図２（ｃ）参照）。そのため、一様な厚さＴ3を有する活性層６がエッチングされない。つまり、ダイヤフラム９の厚さは、活性層６の他の部分（ダイヤフラム９以外の部分）の厚さＴ3と同じ厚さである。したがって、ＳＯＩ基板２の形成工程（図２（ａ）参照）において、活性層６の厚さを制御することによりダイヤフラム９の厚さを決定することができる。そのため、ダイヤフラム９の厚さを高精度に制御することができる。その結果、所望の感度の圧力センサ１を簡単かつ高精度に製造することができる。
【００３２】
また、凹部１６がウェットエッチングにより形成されるので（図２（ｅ）参照）、凹部１６の側面は、凹部１６の開口径がエッチング方向（封止基板３の裏面側から上面側へ向かう方向）に次第に狭まるテーパ状に形成される。そのため、凹部１６の側面は、封止基板３の裏面側（エッチング方向と反対側）に臨むこととなる。そのため、封止基板３の裏面側から供給される固定電極１７および引き回し配線１８の材料を、凹部の側面にカバレッジよく堆積させることができる。
【００３３】
図３は、本発明の第２の実施形態に係る圧力センサの模式的な断面図である。
圧力センサ３１は、工業機械などの圧力測定・圧力スイッチなど各種用途に利用されるセンサである。圧力センサ３１は、四角平板状の下基板としてのＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板２と、ＳＯＩ基板３２よりも小さい四角平板状をなし、ＳＯＩ基板３２を封止するための上基板としての封止基板３３とを備えている。
【００３４】
ＳＯＩ基板３２は、シリコン基板３４上に、ＳｉＯ2からなる絶縁層としてのＢＯＸ層３５を介して、ＳｉからなるＮ-型の活性層３６を厚さ方向に積層した構造を有している。
シリコン基板３４は、たとえば、２００〜７００μｍの厚さＴ4を一様に有している。また、ＢＯＸ層３５は、たとえば、０．５〜５μｍの厚さＴ5を一様に有している。また、活性層３６は、たとえば、０．５〜１００μｍ、好ましくは、２０〜３０μｍの厚さＴ6を一様に有している。
【００３５】
ＳＯＩ基板３２には、その中央部３７に、厚さ方向一方側（シリコン基板３４の裏面側）から他方側（活性層３６の上面側）へ向かう方向にシリコン基板３４およびＢＯＸ層３５を一括して貫通し、その末端が活性層３６の裏面により覆われる貫通孔３８が形成されている。
これにより、活性層３６は、貫通孔３８（シリコン基板３４およびＢＯＸ層３５の存在しない空間）との対向部分に、貫通孔３８との対向方向に振動可能な振動部としてのダイヤフラム３９を有している。
【００３６】
ダイヤフラム３９の中央部における上層部（貫通孔３８に対して反対側の表層部）には、ダイヤフラム３９とともに振動可能な下部電極としての可動電極４０が形成されている。可動電極４０は、Ｎ-型の活性層３６へのＰ型不純物の拡散により導電性が付与された拡散電極であり、一様なＰ型不純物濃度を有している。
活性層３６の上層部には、ダイヤフラム３９の中央部を取り囲む周縁部からＳＯＩ基板３２の中央部３７を取り囲む周辺部４１（ＢＯＸ層３５上の領域）に至る部分に、可動電極用配線４２が形成されている。可動電極用配線４２は、可動電極４０と同様に不純物の拡散により導電性が付与された拡散配線であり、可動電極４０と連続して形成されている。これにより、可動電極用配線４２は、可動電極４０に電気的に接続されている。
【００３７】
また、ＳＯＩ基板３２の周辺部４１において、活性層３６の上層部には、固定電極用配線４３が形成されている。固定電極用配線４３は、可動電極４０と同様に不純物の拡散により導電性が付与された拡散配線であり、可動電極４０および可動電極用配線４２に対して絶縁されている。
封止基板３３は、たとえば、パイレックス（登録商標）ガラスなどの耐熱性ガラス基板からなる。封止基板３３には、その中央部４４に、中央部４４を取り囲む周辺部４５よりも一方面（裏面）が他方面側（上面側）へ一段低く形成された凹部４６が形成されている。周辺部４５における封止基板３３の裏面から凹部４６の底面までの深さＤ2は、たとえば、１〜５０μｍである。
【００３８】
凹部４６の側面は、凹部４６の底面へ向かう方向（封止基板３３の厚さ方向一方側から他方側へ向かう方向）に開口径が狭まるテーパ状に形成されている。
凹部４６の底面には、その中央部に、アルミニウムからなる上部電極としての固定電極４７が形成されている。凹部４６の底面の周縁部から側面を介して、封止基板３の周辺部４５の裏面に至る領域には、固定電極４７から引き回された、アルミニウムからなる引き回し配線４８が形成されている。引き回し配線４８は、固定電極４７と一体的に形成されており、固定電極４７に電気的に接続されている。
【００３９】
そして、封止基板３３は、固定電極４７と可動電極４０とが対向する姿勢で、その周辺部４５とＳＯＩ基板３２の周辺部４１との間に金属接合材５２が介在されることにより、ＳＯＩ基板３２に金属接合されている。
金属接合材５２は、たとえば、Ｃｕ−Ｓｎ合金、Ａｕ−Ｓｎ合金などからなる。金属接合材５２は、ダイヤフラム３９を取り囲む平面視四角環状に形成され、その一部が引き回し配線４８に対向し、他の一部が可動電極用配線４２に対向するように配置されている。また、金属接合材５２における引き回し配線４８に対向する部分と引き回し配線４８における凹部４６の底面上の部分との間には、酸化シリコンからなる絶縁スペーサ５３が介在されている。
【００４０】
すなわち、封止基板３３は、その周辺部４５が金属接合材５２に支持され、中央部４４が金属接合材５２および絶縁スペーサ５３に支持されることにより、ＳＯＩ基板３２に金属接合されている。これにより、凹部４６の内面（側面および底面）、ダイヤフラム３９の上面、金属接合材５２および絶縁スペーサ５３により囲まれる空間４９は、真空状態に保持されている。
【００４１】
また、引き回し配線４８における周辺部４５の裏面上の部分と固定電極用配線４３との間には、金属接合材５２とほぼ同じ高さの導電スペーサ５４がこれらに接触した状態で介在されている。導電スペーサ５４は、たとえば、金属接合材５２と同様の材料からなり、引き回し配線４８および固定電極用配線４３に電気的に接続されている。
ＳＯＩ基板３２の周辺部４１には、接合された封止基板３３から可動電極用配線４２および固定電極用配線４３が露出している。可動電極用配線４２および固定電極用配線４３の露出した部分には、それぞれ外部からの配線が接続される。
【００４２】
この圧力センサ３１において、可動電極４０および固定電極４７は、それらを対向電極とするコンデンサを形成している。このコンデンサ（可動電極４０および固定電極４７間）には、可動電極用配線４２および固定電極用配線４３を介して、所定の電圧が印加される。
その状態で、貫通孔３８から、圧力（たとえば、気体圧力）が入力されると、その圧力の作用により、ダイヤフラム３９とともに可動電極４０が振動して、コンデンサの静電容量が変化する。そして、この静電容量の変化による可動電極４０および固定電極４７間の電圧変動が電気信号として出力される。
【００４３】
図４は、図３に示す圧力センサの製造方法を工程順に説明するための模式的な断面図である。
図３に示す圧力センサ３１を製造するには、図４（ａ）に示すように、シリコン基板３４上に、ＢＯＸ層３５を介して活性層３６を積層した構造を有するＳＯＩ基板３２が形成される。具体的には、熱酸化処理により、シリコン基板３４（厚さＴ4）の表面にＢＯＸ層３５（厚さＴ5）が形成される。その一方で、活性層３６と同じ厚さＴ6を有するシリコン基板が用意される。そして、このシリコン基板とＢＯＸ層３５とを対向させた状態でシリコン基板同士を貼り合わせることにより、ＳＯＩ基板３２が形成される。
【００４４】
次いで、図４（ｂ）に示すように、互いに分離された開口を有するマスク（図示せず）を介して、活性層３６の上層部に、Ｐ型不純物がイオン注入される。イオン注入後、アニール処理が行われることにより、注入されたＰ型不純物が活性化する。これにより、活性層３６の上層部には、ＳＯＩ基板２の中央部３７から周辺部４１に至る領域に第１不純物領域５０が形成される。また、周辺部４１における第１不純物領域５０と間隔を空けた領域に、第２不純物領域５１が形成される。
【００４５】
次いで、図４（ｃ）に示すように、金属接合材５２および導電スペーサ５４の材料が活性層３６の上面に堆積される。そして、公知のフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術により、堆積材料の不要部分（金属接合材５２および導電スペーサ５４以外の部分）が除去されて、金属接合材５２および導電スペーサ５４が形成される。
次いで、図４（ｄ）に示すように、ＳＯＩ基板３２の中央部３７における裏面（シリコン基板３４の裏面）を露出させる開口を有するマスク（図示せず）を介して、シリコン基板３４にエッチングガスが供給される。エッチングガスとしては、シリコンおよび酸化シリコンをエッチング可能なガスが用いられ、具体的には、ＣＦ4、ＳＦ6などのフッ素系ガスが用いられる。そして、エッチングガスの供給は、シリコン基板３４およびＢＯＸ層３５が除去され、活性層３６の裏面が露出するまで続けられる。
【００４６】
これにより、ＳＯＩ基板３２の中央部３７に、貫通孔３８が形成される。また、貫通孔３８の形成により、活性層３６における貫通孔３８に対向する部分に、振動可能な状態となるダイヤフラム３９が形成される。また、第１不純物領域５０の一部からなる可動電極４０がダイヤフラム３９の上層部に形成されるとともに、第１不純物領域５０の他の部分からなる可動電極用配線４２が形成される。
【００４７】
一方、図４（ｅ）に示すように、耐熱性ガラスからなる封止基板３３が用意される。
次いで、図４（ｆ）に示すように、封止基板３３の中央部４４の裏面を露出させる開口を有するマスク（図示せず）を介して、封止基板３３にエッチャントが供給される。エッチャントとしては、たとえば、ＨＦなどが用いられる。エッチャントの供給により、封止基板３３がその裏面側からウェットエッチングされる。これにより、封止基板３３に、テーパ状の側面を有する凹部４６が形成される。
【００４８】
次いで、図４（ｇ）に示すように、スパッタ法により、所定パターンの開口を有するマスク（図示せず）を介して、アルミニウム材料が、封止基板３３の裏面側から凹部４６の内面（側面および底面）および封止基板３３の周辺部４５に堆積される。これにより、固定電極４７および引き回し配線４８が一体的に形成される。次いで、図４（ｇ）に示すように、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により、凹部４６の内面および封止基板３の裏面に、酸化シリコンが堆積される。そして、公知のフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術により、堆積酸化シリコンの不要部分（絶縁スペーサ５３以外の部分）が除去されて、絶縁スペーサ５３が形成される。
【００４９】
その後、図４（ｈ）に示すように、固定電極４７および可動電極４０が対向し、引き回し配線４８と導電スペーサ５４とが対向するように、金属接合材５２に絶縁スペーサ５３および封止基板３３の周辺部４５が当接される。そして、この状態で、たとえば、３００〜３５０℃で、５〜１０秒間加熱される。これにより、ＳＯＩ基板３２の周辺部４１と封止基板３３の周辺部４５とが金属接合される。活性層３６に形成された第２不純物領域５１は、導電スペーサ５４を介して引き回し配線４８に接続されることにより固定電極用配線４３となる。
【００５０】
以上の工程を経て、図３に示す圧力センサ３１が得られる。
上記の方法によれば、活性層３６の裏面が露出するまでシリコン基板３４およびＢＯＸ層３５がエッチングされることにより、ダイヤフラム３９が形成される（図４（ｄ）参照）。そのため、一様な厚さＴ6を有する活性層３６がエッチングされない。つまり、ダイヤフラム３９の厚さは、活性層３６の他の部分（ダイヤフラム３９以外の部分）の厚さＴ6と同じ厚さである。したがって、ＳＯＩ基板３２の形成工程（図４（ａ）参照）において、活性層３６の厚さを制御することによりダイヤフラム３９の厚さを決定することができる。そのため、ダイヤフラム３９の厚さを高精度に制御することができる。その結果、所望の感度の圧力センサ３１を簡単かつ高精度に製造することができる。
【００５１】
また、凹部４６がウェットエッチングにより形成されるので（図４（ｆ）参照）、凹部４６の側面は、凹部４６の開口径がエッチング方向（封止基板３３の裏面側から上面側へ向かう方向）に次第に狭まるテーパ状に形成される。そのため、凹部４６の側面は、封止基板３３の裏面側（エッチング方向と反対側）に臨むこととなる。そのため、封止基板３３の裏面側から供給される固定電極４７および引き回し配線４８の材料を、凹部の側面にカバレッジよく堆積させることができる。
【００５２】
また、ＳＯＩ基板３２および封止基板３３が金属接合材５２を介した金属接合により接合されるので、陽極接合の接合時間よりも接合時間を短縮することができる。
さらに、金属接合材５２における引き回し配線４８に対向する部分と引き回し配線４８との間には、酸化シリコンからなる絶縁スペーサ５３が介在されている。そのため、金属接合材５２と引き回し配線４８との短絡を防止することができる。
【００５３】
以上、本発明の複数の実施形態を説明したが、本発明は、他の形態で実施することもできる。
たとえば、封止基板３，３３は、シリコン基板であってもよい。
また、凹部１６，４６は、封止基板３，３３をドライエッチングすることにより形成されていてもよい。
【００５４】
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る圧力センサの模式的な断面図である。
【図２】図１に示す圧力センサの製造方法を工程順に説明するための模式的な断面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る圧力センサの模式的な断面図である。
【図４】図３に示す圧力センサの製造方法を工程順に説明するための模式的な断面図である。
【図５】従来の圧力センサの模式的な断面図である。
【符号の説明】
【００５６】
１ 圧力センサ
２ ＳＯＩ基板（下基板）
３ 封止基板（上基板）
５ ＢＯＸ層（絶縁層）
６ 活性層
８ 貫通孔
９ ダイヤフラム（振動部）
１０ 可動電極（下部電極）
１６ 凹部
１７ 固定電極（上部電極）
３１ 圧力センサ
３２ ＳＯＩ基板（下基板）
３３ 封止基板（上基板）
３５ ＢＯＸ層（絶縁層）
３６ 活性層
３８ 貫通孔
３９ ダイヤフラム（振動部）
４０ 可動電極（下部電極）
４２ 可動電極用配線（下部電極用配線）
４６ 凹部
４７ 固定電極（上部電極）
４８ 引き回し配線（上部電極用配線）
５２ 金属接合材
５３ 絶縁スペーサ（絶縁膜）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方側から他方側へ貫通する貫通孔を有する絶縁層、およびこの絶縁層上に一様な厚さに形成され、前記貫通孔に臨む部分が前記貫通孔との対向方向に振動可能な振動部とされた活性層を備える下基板と、
前記振動部上に形成された下部電極と、
前記活性層に対向配置され、前記振動部に対向する部分に凹部を有する上基板と、
前記凹部に形成された上部電極とを含む、圧力センサ。
【請求項２】
前記下基板および前記上基板は、金属接合材を用いた金属接合により接合されている、請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項３】
前記凹部には、前記上部電極の周囲の領域に前記上部電極に導通する上部電極用配線が形成され、
前記活性層には、前記振動部の周囲の領域に前記下部電極に導通する下部電極用配線の形成されており、
前記金属接合材は、その一部が前記上部電極用配線に対向し、他の一部が前記下部電極用配線に対向するように形成され、
前記金属接合材における前記上部電極用配線に対向する部分と前記上部電極用配線との間には、絶縁膜が介在されている、請求項２に記載の圧力センサ。
【請求項４】
絶縁層およびこの絶縁層上に形成された一様な厚さを有する活性層を備える下基板を形成する工程と、
前記絶縁層の側から前記絶縁層のみをエッチングすることにより、前記絶縁層にその一方側から他方側へ貫通し、他方側が活性層により覆われる貫通孔を形成する工程と、
前記活性層における前記貫通孔を覆う部分上に下部電極を形成する工程と、
前記下基板に接合するための上基板に凹部を形成する工程と、
前記凹部に上部電極を形成する工程と、
前記凹部と前記活性層における前記貫通孔を覆う部分とが対向するように、前記上基板と前記下基板とを接合する工程とを含む、圧力センサの製造方法。
【請求項５】
前記上基板が、ガラス基板であり、
前記凹部を形成する工程が、ウェットエッチングにより前記ガラス基板をエッチングする工程である、請求項４に記載の圧力センサの製造方法。
【請求項１】
一方側から他方側へ貫通する貫通孔を有する絶縁層、およびこの絶縁層上に一様な厚さに形成され、前記貫通孔に臨む部分が前記貫通孔との対向方向に振動可能な振動部とされた活性層を備える下基板と、
前記振動部上に形成された下部電極と、
前記活性層に対向配置され、前記振動部に対向する部分に凹部を有する上基板と、
前記凹部に形成された上部電極とを含む、圧力センサ。
【請求項２】
前記下基板および前記上基板は、金属接合材を用いた金属接合により接合されている、請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項３】
前記凹部には、前記上部電極の周囲の領域に前記上部電極に導通する上部電極用配線が形成され、
前記活性層には、前記振動部の周囲の領域に前記下部電極に導通する下部電極用配線の形成されており、
前記金属接合材は、その一部が前記上部電極用配線に対向し、他の一部が前記下部電極用配線に対向するように形成され、
前記金属接合材における前記上部電極用配線に対向する部分と前記上部電極用配線との間には、絶縁膜が介在されている、請求項２に記載の圧力センサ。
【請求項４】
絶縁層およびこの絶縁層上に形成された一様な厚さを有する活性層を備える下基板を形成する工程と、
前記絶縁層の側から前記絶縁層のみをエッチングすることにより、前記絶縁層にその一方側から他方側へ貫通し、他方側が活性層により覆われる貫通孔を形成する工程と、
前記活性層における前記貫通孔を覆う部分上に下部電極を形成する工程と、
前記下基板に接合するための上基板に凹部を形成する工程と、
前記凹部に上部電極を形成する工程と、
前記凹部と前記活性層における前記貫通孔を覆う部分とが対向するように、前記上基板と前記下基板とを接合する工程とを含む、圧力センサの製造方法。
【請求項５】
前記上基板が、ガラス基板であり、
前記凹部を形成する工程が、ウェットエッチングにより前記ガラス基板をエッチングする工程である、請求項４に記載の圧力センサの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−９１４６７（Ｐ２０１０−９１４６７Ａ）
【公開日】平成２２年４月２２日（２０１０．４．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２６２９０６（Ｐ２００８−２６２９０６）
【出願日】平成２０年１０月９日（２００８．１０．９）
【出願人】（０００１１６０２４）ローム株式会社 (3,539)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月２２日（２０１０．４．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月９日（２００８．１０．９）
【出願人】（０００１１６０２４）ローム株式会社 (3,539)
【Ｆターム（参考）】
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