絶対圧力センサ
【課題】絶対圧力センサの全体厚みを小さくし得る絶対圧力センサを提供する。
【解決手段】絶対圧力センサ１は、ダイアフラム１１の周縁に複数のピエゾ抵抗１２・１２子を形成し、該ピエゾ抵抗１２・１２の形成面とは反対側の面にキャビティ１３を形成したセンサ基板１０に、キャビティ１３を閉じるようにキャップ基板２０を接合してなる。キャビティ１３の厚みＴ２は、キャップ基板２０の厚みＴ３以上となっている。
【解決手段】絶対圧力センサ１は、ダイアフラム１１の周縁に複数のピエゾ抵抗１２・１２子を形成し、該ピエゾ抵抗１２・１２の形成面とは反対側の面にキャビティ１３を形成したセンサ基板１０に、キャビティ１３を閉じるようにキャップ基板２０を接合してなる。キャビティ１３の厚みＴ２は、キャップ基板２０の厚みＴ３以上となっている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイアフラム型の絶対圧力センサに関するものであり、特に、絶対圧力センサの全体厚みの薄型化及び長期品質安定性に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧力センサは、気体や液体の圧力を、ダイアフラムを介して感圧素子にて計測し、電気信号に変換して出力する機器である。原理的には、ダイアフラムの表面に半導体ひずみゲージを形成し、外部からの力（圧力）によってダイアフラムが変形して発生するピエゾ抵抗効果による電気抵抗の変化を電気信号に変換している。
【０００３】
上記圧力センサは、外部からの力（圧力）としてどのような圧力を使用するかによって、絶対真空を基準にして表した圧力を測定する絶対圧力センサと、大気圧等のある任意の比較する圧力（基準圧）に対して表した圧力を測定する差圧（相対圧）圧力センサとの２種類に大別される。
【０００４】
上記の絶対圧力センサに関する従来技術として、例えば、特許文献１に開示された半導体圧力センサが知られている。特許文献１において従来技術として開示された半導体圧力センサ１００は、図８（ａ）に示すように、ダイアフラム１０１の周縁に位置させて複数の圧力感応抵抗素子１０２・１０２を形成し、該圧力感応抵抗素子１０２・１０２の形成面とは反対側面にキャビティ１０３Ａを形成した半導体基板１１０Ａに、キャビティ１０３Ａを真空にして閉じるようにベース基板１２０を接合してなっており、キャビティ１０３Ａは側面壁が垂直となっている。
【０００５】
しかしながら、この側面壁が垂直となったキャビティ１０３Ａでは、半導体圧力センサ１００全体を小型化しようとする場合、ダイアフラムサイズを維持しつつチップサイズを小さくすると、半導体基板１１０Ａとベース基板１２０との接合面積が減少し、基板接合強度が弱くなってしまう。特に、半導体基板１１０Ａとベース基板１２０との接合によりキャビティ１０３Ａ内が真空状態で密閉される絶対圧センサの場合は、キャビティ１０３Ａの真空封止が不安定になり好ましくない。一方、半導体基板１１０Ａとベース基板１２０の接合面積を十分に確保してチップサイズを小さくすると、ダイアフラムサイズが小さくなり、感度が落ちてしまうという課題がある。
【０００６】
そこで、この課題を解決するために、特許文献１では、図８（ｂ）に示すように、キャビティ１０３Ｂは、ベース基板１２０側から半導体基板１１０Ｂに向かって拡大する断面逆テーパ形状に形成され、ベース基板１２０との接合面における開口幅が隣り合う圧力感応抵抗素子１０２・１０２の素子間隔よりも小さく設定したものに改良されている。
【０００７】
これにより、ダイアフラムサイズを小さくすることなく半導体基板１１０Ｂとベース基板１２０との接合面積を確保でき、センサ感度を維持しつつ小型化に有利な半導体圧力センサ１００を得ることができるものとなっている。
【０００８】
また、他の従来技術としては、例えば、特許文献２に開示されたものが知られている。特許文献２に開示された圧力センサ２００は、図９（ａ）（ｂ）に示すように、半導体基板２１０の内部における中央域αには、半導体基板表面２０１と略平行して広がるキャビティとしての第一空隙部２１１が設けられている。上記第一空隙部２１１の上側には、薄板化されたダイアフラム部２１２及び感圧素子２１３・２１３が備えられている。上記感圧素子２１３は、半導体基板表面２０１の外縁域βに設けられたバンプ２２０・２２０と電気的に接続されている。そして、この特許文献２に開示された圧力センサ２００には、半導体基板２１０の内部において外縁域βの少なくとも一部に、半導体基板表面２０１に対して閉じた第二空隙部２１４…がさらに配されている。
【０００９】
このように、半導体基板２１０の内部の外縁域βに第二空隙部２１４…を配することによって、バンプ２２０・２２０を介して伝わる被測定圧力以外の圧力変動をもたらす応力を該第二空隙部２１４…にて緩和することができるので、特性変動の小さい圧力センサを提供するものとなっている。
【００１０】
尚、被測定圧力以外の圧力変動として、例えば、（１）実装直後の残留応力によって圧力センサに生じる特性変動、（２）温度変化によって実装基板との間に生じる熱応力の影響によって圧力センサに生じる特性変動、（３）基板の変形・振動等の機械的な外部要因によって圧力センサに生じる特性変動を例示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００９−２７６１５５号公報（２００９年１１月２６日公開）
【特許文献２】特開２００９−２６４９０５号公報（２００９年１１月１２日公開）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上記従来の絶対圧力センサでは、以下の問題点を有している。
【００１３】
すなわち、上記特許文献１及び特許文献２のいずれにおいても、図１０に示すように、絶対圧力センサの基本構成として、キャビティの上側にダイアフラム及びピエゾ抵抗を有するセンサ基板とベース基板であるキャップ基板とを接合したものからなっている。そして、この構成においては、全体厚みＴ、ダイアフラム厚みＴ１、絶対圧力センサ長さＤ、及びキャビティ長さＤ１は、搭載装置のサイズ、感度、及びセンサ基板とキャップ基板との接着強度によって制約される。この制約下において、絶対圧力センサのチップサイズを小型にする場合には、ピエゾ抵抗へ外部応力が加わらないように、キャビティの下側に位置するキャップ基板の厚みＴ３をなるべく厚くしていた。
【００１４】
しかしながら、絶対圧力センサでは、ウエハプロセスにて製造することが主流であり、その際、センサ基板側はパターンニング等を行っているので、ウエハの反り及び凹凸が多い。したがって、グラインダー等を用いてウエハを薄型化する際、テープ貼り付けの平坦性が必要であり、かつ荷重に制限があるといった課題がある。この結果、絶対圧力センサの全体厚みを小さくすることができないという問題点を有している。
【００１５】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、絶対圧力センサの全体厚みを小さくし得る絶対圧力センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の絶対圧力センサは、上記課題を解決するために、ダイアフラムの周縁に複数の圧力感応抵抗素子を形成し、該圧力感応抵抗素子の形成面とは反対側の面にキャビティを形成したセンサ基板に、該キャビティを閉じるようにキャップ基板を接合してなる絶対圧力センサにおいて、上記キャビティの厚みは、キャップ基板の厚み以上となっていることを特徴としている。
【００１７】
すなわち、従来では、絶対圧力センサのチップサイズを小型にする場合、圧力感応抵抗素子へ外部応力が加わらないように、キャビティの下側に位置するキャップ基板の厚みをなるべく厚くしていた。この結果、従来では、キャビティの厚みは、キャップ基板の厚みよりも薄くなっていた。しかし、絶対圧力センサが搭載される装置においては、絶対圧力センサの全体厚みに制限が加えられることが多く、その制限に対応して感度を維持するためには、ダイアフラムを薄くする必要がある。しかし、ダイアフラムを薄くするにも限界があり、一定以上に薄くすることができないという問題があった。
【００１８】
具体的には、キャビティの厚みを薄くするときには、キャップ基板にテープを貼り付けて補強した上で、センサ基板におけるキャビティの上側を薄くすることになるが、そのときのテープを貼り付け均一性を高めることが困難であり、また、ダイアフラム厚みのバラつきも考慮する必要がある。
【００１９】
そこで、本発明では、キャビティの厚みは、キャップ基板の厚み以上となっているという構成を採用している。
【００２０】
これにより、配線パターン及び圧力感応抵抗素子のないキャップ基板を研削すればよいので、テープを貼り付け均一性及びダイアフラム厚みのバラつきを考慮することなく、容易に研削することができる。そして、結果的に、従来よりも絶対圧力センサの全体厚みを小さくすることができる。
【００２１】
したがって、絶対圧力センサの全体厚みを小さくし得る絶対圧力センサを提供することができる。
【００２２】
本発明の絶対圧力センサでは、前記センサ基板及びキャップ基板は、いずれもシリコン（Ｓｉ）からなっており、かつ上記センサ基板とキャップ基板とは、無酸化膜状態でのシリコン（Ｓｉ）−シリコン（Ｓｉ）接合にて接合されていることが好ましい。
【００２３】
すなわち、キャビティは初期には真空になっているものの、センサ基板とキャップ基板との接合界面ではヘリウム（Ｈｅ）又は水素（Ｈ２ ）等の低分子量の気体に対しては完全密閉することはできない。このため、低分子量の気体が経時的にキャビティ内へリークしたときには、絶対圧としての基準値が変動する。この結果、絶対圧力センサの測定精度が低下することになる。
【００２４】
そこで、本発明では、センサ基板とキャップ基板とを無酸化膜状態でのシリコン（Ｓｉ）−シリコン（Ｓｉ）接合とすることにより、センサ基板とキャップ基板との接合を無酸化膜状態としている。このため、センサ基板とキャップ基板との接合界面からヘリウム（Ｈｅ）又は水素（Ｈ２ ）等の低分子量の気体が侵入することがない。
【００２５】
したがって、絶対圧としての基準値が変動するがないので、絶対圧力センサの測定精度が低下することがない。この結果、長期間の品質安定性を有する絶対圧力センサを提供することができる。
【００２６】
本発明の絶対圧力センサでは、前記キャビティは、平面形状が円形であることが好ましい。
【００２７】
これにより、ウエハにて絶対圧力センサを複数個並べて製造する場合において個片化するときに、個片化し易くすることができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の絶対圧力センサは、以上のように、キャビティの厚みは、キャップ基板の厚み以上となっているものである。
【００２９】
それゆえ、絶対圧力センサの全体厚みを小さくし得る絶対圧力センサを提供するという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明における絶対圧力センサの実施の一形態を示すものであって、絶対圧力センサの構成を示す断面図である。
【図２】上記絶対圧力センサにおける製造方法を示すものであって、ピエゾ抵抗作成工程を示す断面図である。
【図３】上記絶対圧力センサにおける製造方法を示すものであって、第２シリコン基板の研削工程を示す断面図である。
【図４】上記絶対圧力センサにおける製造方法を示すものであって、キャビティ形成工程を示す断面図である。
【図５】上記絶対圧力センサにおける製造方法を示すものであって、キャップ基板接合工程を示す断面図である。
【図６】上記絶対圧力センサにおける製造方法を示すものであって、キャップ基板研削工程を示す断面図である。
【図７】上記絶対圧力センサにおけるヘリウム（Ｈｅ）雰囲気下でのキャビティ内真空度変動の経時変化を示すグラフである。
【図８】（ａ）は従来の特許文献１に記載された従来技術の絶対圧力センサの構成を示す断面図であり、（ｂ）は従来の特許文献１に記載された絶対圧力センサの構成を示す断面図である。
【図９】（ａ）は従来の他の絶対圧力センサの構成を示す断面図であり、（ｂ）はその平面図である。
【図１０】従来の絶対圧力センサの基本構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
本発明の一実施形態について図１〜図７に基づいて説明すれば、以下のとおりである。
【００３２】
本実施の形態の絶対圧力センサ１は、図１に示すように、ダイアフラム１１の周縁に複数の圧力感応抵抗素子としてのピエゾ抵抗１２・１２とを形成し、該ピエゾ抵抗１２・１２の形成面とは反対側の面にキャビティ１３を形成したセンサ基板１０と、該キャビティ１３を閉じるキャップ基板２０とを接合してなっている。
【００３３】
詳細には、上記センサ基板１０は、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２ ）１４を介して第１シリコン基板１０ａと第２シリコン基板１０ｂとを貼り合わせてなるＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）基板からなっている。すなわち、第１シリコン基板１０ａと第２シリコン基板１０ｂは、いずれもシリコン（Ｓｉ）からなっている。
【００３４】
第１シリコン基板１０ａは、複数の圧力感応抵抗素子であるピエゾ抵抗１２・１２を形成した回路形成面を有している。この回路形成面は、複数のピエゾ抵抗１２・１２の上方位置を除いて図示しないシリコン酸化膜にて覆われている。
【００３５】
このセンサ基板１０には、第２シリコン基板１０ｂとシリコン酸化膜（ＳｉＯ２ ）１４の一部とを第２シリコン基板１０ｂ側から除去することによってキャビティ１３が形成され、このキャビティ１３の上面を構成する第１シリコン基板１０ａによってダイアフラム１１が形成されている。
【００３６】
上記ダイアフラム１１は、平面形状が例えば円形に形成されており、このダイアフラム１１の円形輪郭の各辺にかかるようにして複数のピエゾ抵抗１２・１２が配置されている。ただし、ダイアフラム１１の平面形状は、圧力を受けて歪む形状であれば、矩形等の他の形状でもよい。
【００３７】
上記キャビティ１３は、上述したように、第２シリコン基板１０ｂと第１シリコン基板１０ａの一部を第２シリコン基板１０ｂ側からドライエッチング法により除去して形成されている。このキャビティ１３は、例えば、円筒形状の空間部として形成されている。
【００３８】
一方、キャップ基板２０は、シリコン基板からなり、センサ基板１０を支持し、キャビティ１３を覆う基板として機能している。このキャップ基板２０は、センサ基板１０のキャビティ１３を有する側の面、すなわち、第２シリコン基板１０ｂに接合されている。
【００３９】
ここで、本実施の形態では、センサ基板１０の第２シリコン基板１０ｂとキャップ基板２０との接合は、無酸化膜状態でのシリコン（Ｓｉ）−シリコン（Ｓｉ）接合にて接合されている。すなわち、シリコンウエハはシリコン（Ｓｉ）からなっているが、通常、大気中に放置しておくことにより、その表面が酸化されシリコン酸化膜（ＳｉＯ２ ）が形成される。しかし、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２ ）が形成された状態で、キャップ基板２０とセンサ基板１０の第２シリコン基板１０ｂとを接合した場合には、経時変化を経ることによって、キャップ基板２０とセンサ基板１０の第２シリコン基板１０ｂとの接合界面から、ヘリウム（Ｈｅ）又は水素（Ｈ２ ）等の低分子量の気体が真空状態としたキャビティ１３に侵入し、キャビティ１３内の真空状態が破られる。その結果、真の絶対圧力が測定できないことになる。そこで、本実施の形態では、これを防止するため、センサ基板１０の第２シリコン基板１０ｂとキャップ基板２０とを接合する前に、例えば、第２シリコン基板１０ｂの表面及びキャップ基板２０の表面をそれぞれプラズマ処理することにより、該キャップ基板２０の表面及び第２シリコン基板１０ｂの表面に形成されたシリコン酸化膜（ＳｉＯ２ ）を除去した後、キャップ基板２０と第２シリコン基板１０ｂとを接合している。これにより、キャップ基板２０と第２シリコン基板１０ｂとは、無酸化膜状態でのシリコン（Ｓｉ）−シリコン（Ｓｉ）接合にてなっており、接合後にキャップ基板２０と第２シリコン基板１０ｂとの接合界面からヘリウム（Ｈｅ）又は水素（Ｈ２ ）等の低分子量の気体がキャビティ１３に侵入することを防止することができる。尚、キャップ基板２０と第２シリコン基板１０ｂとは、無酸化膜状態でのシリコン（Ｓｉ）−シリコン（Ｓｉ）接合にて、充分な接合強度が得られるものとなっている。
【００４０】
上記の接合により、キャビティ１３内は長期間安定して真空状態となっている。その結果、上記構成の絶対圧力センサ１は、ダイアフラム１１が外面に付加される圧力に応じて歪むと、その歪み度合いに応じて複数のピエゾ抵抗１２・１２の抵抗値が変化し、この複数のピエゾ抵抗１２・１２にて構成されたブリッジ回路の中点電位がセンサ出力として公知の測定装置に出力される。測定装置は、図示しない各パッドを介して絶対圧力センサ１に接続され、この絶対圧力センサ１の出力（中点電位変化）に基づいて圧力が測定できるようになっている。
【００４１】
ところで、本実施の形態では、キャビティ１３の厚みＴ２を、キャップ基板２０の厚みＴ３以上としている。すなわち、
キャビティ１３の厚みＴ２≧キャップ基板２０の厚みＴ３
としている。その理由について、図１に基づいて詳述する。尚、以下の解析では、キャビティ１３が円形であるとしている。
【００４２】
すなわち、図１に示すように、ダイアフラム１１は圧力変化により撓む必要がある。一方、キャップ基板２０は、絶対圧力センサ１を支持するものであるので、撓みが少ない方がよい。ここで、絶対圧力センサ１について、ダイアフラム１１を梁と考えて、この梁であるダイアフラム１１に等分布荷重ｐが作用して撓むことを考えると、ダイアフラム１１の中心にかかる応力σは、
σ＝±３ｐａ２／４（Ｔ１）２
となる。尚、ａは、ダイアフラム１１の外周から中心までの半径である。
【００４３】
すなわち、撓みにより生じる応力は、ダイアフラム１１の厚みＴ１の２乗に反比例することが判る。
【００４４】
この結果、例えば、従来の説明図である図１０に示すように、
キャップ基板の厚みＴ３＞ダイアフラムの厚みＴ１
とする際に、
キャップ基板の厚みＴ３＞１０×ダイアフラムの厚みＴ１
とした場合には、キャップ基板及びダイアフラムにかかる応力は、
キャップ基板の厚みＴ３の応力＞１００×ダイアフラムの厚みＴ１の応力
となる。
【００４５】
すなわち、キャップ基板の厚みＴ３＞１０×ダイアフラムの厚みＴ１とすれば、応力に対しては、キャップ基板が１００倍程度撓み難くなるので、応力による影響を抑制する効果が生じると考えられており、従来では、この考え方に基づいて、
キャップ基板の厚みＴ３＞ダイアフラムの厚みＴ１
としていた。
【００４６】
ところで、絶対圧力センサにおいては、図１０に示すように、絶対圧力センサの全体厚みＴは、絶対圧力センサが搭載される装置の厚さによって高さ制限を受ける。また、絶対圧力センサ長さＤは、絶対圧力センサが搭載される装置の面積によって制限を受け、キャビティ長さＤ１は、センサ基板とキャップ基板との接着強度の影響による制限を受ける。さらに、ダイアフラムの厚みＴ１は、感度に影響する。
【００４７】
そこで、従来では、絶対圧力センサの全体厚みＴに制限が課せられた場合には、キャップ基板の厚みＴ３を大きくすることができないので、必然的に、ダイアフラムの厚みＴ１を薄くしていた。
【００４８】
しかしながら、ダイアフラムの厚みＴ１を薄くする場合には、キャップ基板のウエハにおける裏面にテープを貼り付けた後、センサ基板の表面を研削してウエハを薄くする。その場合、ダイアフラムの厚みＴ１は、ダイアフラム厚みバラツキとテープ貼り付け均一性とウエハ厚みバラツキとを考慮して決定する必要がある。したがって、ダイアフラムの厚みＴ１を薄くすることについては、限界があった。
【００４９】
そこで、本実施の形態では、この問題を解決するために、図１に示すように、キャビティの厚みＴ２は、キャップ基板の厚みＴ３以上となっている。この結果、本実施の形態では、キャップ基板２０の厚みＴ３を薄くするので、ダイアフラム１１の厚みＴ１のバラツキを考慮する必要がなくなる。そのため、本実施の形態においては、ダイアフラムの厚みＴ１は、テープ貼り付け均一性とウエハ厚みバラツキとの２つを考慮して決定すればそれで足りる。また、ダイアフラム１１の厚みＴ１のバラツキを考慮する必要がなくなるので、テープ貼り付け均一性が低くてもよい。
【００５０】
すなわち、キャップ基板２０の厚みＴ３を薄くするよりも、テープ貼り付け均一性を上げる方が高める方が難しい。この結果、本実施の形態の絶対圧力センサ１では、従来のものよりも絶対圧力センサ１の全体厚みＴを容易に薄くできものとなっている。
【００５１】
具体的には、従来品では、センサ基板の厚み（Ｔ１＋Ｔ２）が２５μｍであり、かつキャップ基板の厚みＴ３が１７５μｍであり、その結果、絶対圧力センサの全体厚みＴが２００μｍとなっていた。これに対して、本実施の形態の絶対圧力センサ１では、センサ基板１０の厚み（Ｔ１＋Ｔ２）が４００μｍであり、かつキャップ基板２０の厚みＴ３が２００μｍであり、その結果、絶対圧力センサ１の全体厚みＴを６００μｍとすることができるものとなっている。尚、実用品として、例えば携帯電話に内蔵させるために、センサ基板１０の厚み（Ｔ１＋Ｔ２）を３００μｍとし、かつキャップ基板２０の厚みＴ３を２００μｍとし、その結果、絶対圧力センサ１の全体厚みＴを５００μｍとすることが可能である。さらに、例えばＨＤＤ（Hard disk drive）に内蔵させるために、センサ基板１０の厚み（Ｔ１＋Ｔ２）を１００μｍとし、かつキャップ基板２０の厚みＴ３を１００μｍとし、その結果、絶対圧力センサ１の全体厚みＴを２００μｍとすることが好ましい。
【００５２】
次に、上記構成の絶対圧力センサ１の製造方法について、図２〜図６に基づいて説明する。図２はピエゾ抵抗作成工程を示す断面図であり、図３は第２シリコン基板の研削工程を示す断面図であり、図４はキャビティ形成工程を示す断面図であり、図５はキャップ基板接合工程を示す断面図であり、図６はキャップ基板研削工程を示す断面図である。
【００５３】
まず、図２に示すように、第１シリコン基板１０ａと第２シリコン基板１０ｂとを貼り合わせてなるＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）基板であるセンサ基板１０上に、ピエゾ抵抗１２・１２を作製する。このとき、本実施の形態では、ダイアフラムの厚みＴ１の厚さとなる第１シリコン基板１０ａの厚さは約５μｍとなっている。また、第１シリコン基板１０ａと第２シリコン基板１０ｂとの合計厚みは例えば約７００μｍとなっている。
【００５４】
次に、図３に示すように、センサ基板１０における第２シリコン基板１０ｂの研削工程を行う。研削工程においては、ＢＳＧ（バックサイドグラインディング）にて、第２シリコン基板１０ｂの裏面を研削する。この場合、ピエゾ抵抗１２・１２を形成した面に両面テープを張り、図示しないステージに接着した状態で、センサ基板１０におけるピエゾ抵抗１２・１２の形成面とは反対側の面を研削する。このとき、第１シリコン基板１０ａと第２シリコン基板１０ｂとの合計厚みが例えば約１００μｍ程度になるまで研削する。その後、ＣＭＰ（ケミカルメカニカルポリッシング）工程にて、研削した面を鏡面仕上げする。ＣＭＰ（ケミカルメカニカルポリッシング）工程では、アルミナの砥粒が混入された研磨液を使って、研削面を磨く。
【００５５】
次いで、図４に示すように、センサ基板１０における第２シリコン基板１０ｂとシリコン酸化膜（ＳｉＯ２ ）１４とをエッチングし、キャビティ１３となる凹部を形成することにより、その上側にダイアフラム１１を形成する。具体的には、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）プロセスで使用されるＤｅｅｐ−ＲＩＥと称されるドライエッチングにより、第２シリコン基板１０ｂをエッチングする。このように、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥ（Reactive Ion Etching：反応性イオンエッチング）と称される手法を利用することによって、第２シリコン基板１０ｂの表面に対して垂直に、第２シリコン基板１０ｂをエッチングすることができる。尚、キャビティ１３の形状は、例えば約４００μｍ程度の円柱形としている。したがって、キャビティ１３の形状は、水平断面が円形となる。ただし、必ずしもこれに限らず、キャビティ１３の水平断面の形状は、正方形又は六角形等の多角形でもよい。
【００５６】
次に、図５に示すように、常温接合と称される手法を用いて、センサ基板１０とキャップ基板２０を接合し、真空のキャビティ１３を形成する。常温接合においては、まず、図示しない接合装置内の高真空チャンバ内において、接合装置のピストンにセンサ基板１０を設置すると共に、接合装置のステージにキャップ基板２０を設置する。そして、互いの接合面が対向した状態で保持する。続いて、センサ基板１０とキャップ基板２０とを１０ｃｍ程度離した状態で保持し、空間内にアルゴン（Ａｒ）イオンビームを照射し、センサ基板１０及びキャップ基板２０の各対向面上の自然酸化膜を除去する。アルゴン（Ａｒ）イオンビームを照射した後、ピストンを降下して接合面を密着させた状態で、２ｔ程度の荷重を加えることにより、センサ基板１０とキャップ基板２０とを接合する。これにより、センサ基板１０とキャップ基板２０とは、無酸化膜状態にてシリコン（Ｓｉ）−シリコン（Ｓｉ）接合される。
【００５７】
次に、図６に示すように、キャップ基板２０の裏面の研削を行う。キャップ基板２０の裏面の研削工程においては、前記図３に示すセンサ基板１０における第２シリコン基板１０ｂの研削工程と同様にして、ＢＳＧ（バックサイドグラインディング）にて、キャップ基板２０の裏面を研削する。このとき、センサ基板１０のピエゾ抵抗１２・１２側の面に両面テープを張り、図示しないステージに接着した状態で、ピエゾ抵抗１２・１２の形成面とは反対側の面を研削する。ここでは、例えば、キャップ基板２０の厚みＴ３が例えば１００μｍ程度になるまで研削する。
【００５８】
以上の工程により、図１に示す絶対圧力センサ１が完成する。
【００５９】
このように、本実施の形態の絶対圧力センサ１では、ダイアフラム１１の周縁に複数のピエゾ抵抗１２・１２を形成し、該ピエゾ抵抗１２・１２の形成面とは反対側の面にキャビティ１３を形成したセンサ基板１０に、該キャビティ１３を閉じるようにキャップ基板２０を接合してなっている。そして、キャビティ１３の厚みＴ２は、キャップ基板２０の厚みＴ３以上となっている。
【００６０】
これにより、配線パターン及びピエゾ抵抗１２・１２のないキャップ基板２０を研削すればよいので、テープを貼り付け均一性及びダイアフラム１１の厚みのバラつきを考慮することなく、容易に研削することができる。そして、結果的に、従来よりも絶対圧力センサ１の全体厚みＴを小さくすることができる。
【００６１】
したがって、絶対圧力センサ１の全体厚みＴを小さくし得る絶対圧力センサ１を提供することができる。
【００６２】
また、本実施の形態では、キャビティ１３の厚みＴ２がキャップ基板２０の厚みＴ３以上となっていることによって、キャビティ１３の厚みＴ２を従来品のキャビティの厚みＴ２よりも大きくすることができる。このことは、キャビティ１３の容積を従来品のキャビティの容積よりも大きくすることができることを意味する。この結果、この結果、仮に、センサ基板１０とキャップ基板２０との接合が間に酸化膜を介した場合に、接合界面ではヘリウム（Ｈｅ）又は水素（Ｈ２ ）等の低分子量の気体がキャビティ１３に侵入することになる。しかし、本実施の形態では、キャビティ１３の容積が従来品のキャビティの容積よりも大きい。このため、低分子量の気体がキャビティ１３に侵入してもキャビティ１３の圧力が大きく変動しないというメリットがある。
【００６３】
すなわち、気体の状態方程式である
ＰＶ＝ｎＲＴ
の関係から、ＰとＶとは反比例する。尚、Ｐは圧力、Ｖは体積、ｎは気体のモル数、Ｒはガス定数、Ｔは温度である。
【００６４】
したがって、この気体の状態方程式により、Ｖが大きければ、低分子量の気体がキャビティ１３に侵入してもキャビティ１３の圧力Ｐは大きくは変動しないことが判る。
【００６５】
また、本実施の形態の絶対圧力センサ１では、センサ基板１０及びキャップ基板２０は、いずれもシリコン（Ｓｉ）からなっており、かつセンサ基板１０とキャップ基板２０とは、無酸化膜状態でのシリコン（Ｓｉ）−シリコン（Ｓｉ）接合にて接合されている。
【００６６】
すなわち、キャビティ１３は初期には真空になっているものの、センサ基板１０とキャップ基板２０との接合界面ではヘリウム（Ｈｅ）又は水素（Ｈ２ ）等の低分子量の気体に対しては完全密閉することはできない。このため、低分子量の気体が経時的にキャビティ１３内へリークしたときには、絶対圧としての基準値が変動する。この結果、絶対圧力センサ１の測定精度が低下することになる。
【００６７】
そこで、本実施の形態では、センサ基板１０とキャップ基板２０とを無酸化膜状態でのシリコン（Ｓｉ）−シリコン（Ｓｉ）接合とすることにより、センサ基板１０とキャップ基板２０との接合を無酸化膜状態としている。このため、センサ基板１０とキャップ基板２０との接合界面からヘリウム（Ｈｅ）又は水素（Ｈ２ ）等の低分子量の気体が侵入することがない。
【００６８】
したがって、絶対圧としての基準値が変動するがないので、絶対圧力センサ１の測定精度が低下することがない。この結果、長期間の品質安定性を有する絶対圧力センサ１を提供することができる。
【００６９】
また、本実施の形態の絶対圧力センサ１では、キャビティ１３は、平面形状が円形となっている。これにより、ウエハにて絶対圧力センサ１を複数個並べて製造する場合において個片化するときに、個片化し易くすることができる。
【００７０】
尚、本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、本実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【実施例】
【００７１】
〔実施例１〕
本実施の形態の絶対圧力センサ１について、キャビティ１３の厚みＴ２を、キャップ基板２０の厚みＴ３以上としたことの効果を確認すべく、従来品との比較実験を行った。
【００７２】
実験では、２気圧のヘリウム（Ｈｅ）の雰囲気下に絶対圧力センサ１を置き、キャビティ１３内の真空度の経時変化を求めた。このときのキャビティ１３は、平面形状が円形であり、キャビティ１３のサイズを半径０．４ｍｍとした。また、キャビティ１３の厚みＴ２を０．４ｍｍとした。一方、従来品は、キャビティの形状として、動揺に、平面形状円形とし、キャビティサイズを半径０．４ｍｍとした。また、キャビティ１３の厚みＴ２を０．２ｍｍとした。尚、両方とも、センサ基板１０とキャップ基板２０との接合は、酸化膜を介したシリコン（Ｓｉ）−酸化膜（ＳｉＯ２ ）−シリコン（Ｓｉ）接合とした。
【００７３】
その結果、図７に示すように、両者とも放置日数により略直線的に圧力変動することが判った。具体的には、放置日数１０日において、キャビティの厚みＴ２がキャップ基板の厚みＴ３よりも小さい従来品の絶対圧力センサでは、圧力変動量が３３２１（Ｐａ）であったのに対して、キャビティ１３の厚みＴ２をキャップ基板２０の厚みＴ３以上とした本実施の形態の絶対圧力センサ１では、圧力変動量が１６６０（Ｐａ）であった。したがって、本実施の形態の絶対圧力センサ１では、経時的なキャビティ内真空度の変動量が従来品の１／２以下であることが確認できた。
【００７４】
すなわち、本実施の形態では、従来品に対して経時的なキャビティ１３内真空度の変動量が小さくなる。したがって、低分子気体の経時的なリークに対し、オフセット変動の影響を受け難くなることが把握できた。
【００７５】
〔実施例２〕
次に、センサ基板１０とキャップ基板２０とを無酸化膜状態でのシリコン（Ｓｉ）−シリコン（Ｓｉ）接合としたときのキャビティ１３内におけるヘリウム（Ｈｅ）のリークレートを確認した。また、比較として、センサ基板１０とキャップ基板２０とを酸化膜を介したシリコン（Ｓｉ）−酸化膜（ＳｉＯ２ ）−シリコン（Ｓｉ）接合の絶対圧力センサについても同様にしてヘリウム（Ｈｅ）のリークレートを確認した。
【００７６】
その結果を、表１に示す。
【００７７】
【表１】
【００７８】
すなわち、表１に示すように、センサ基板１０とキャップ基板２０とを酸化膜を介したシリコン（Ｓｉ）−酸化膜（ＳｉＯ２ ）−シリコン（Ｓｉ）接合とすることにより、ヘリウム（Ｈｅ）のリークレートは、６．８×１０Ｅ−１１Ｐａ・ｍ３ ／ｓ以下であった。これに対して、無酸化膜状態でのシリコン（Ｓｉ）−シリコン（Ｓｉ）接合では、ヘリウム（Ｈｅ）のリークレートは、１×１０Ｅ−１１Ｐａ・ｍ３ ／ｓ以下である。この結果、無酸化膜状態でのシリコン（Ｓｉ）−シリコン（Ｓｉ）接合では、ヘリウム（Ｈｅ）のリークレートが小さいことが判った。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明は、気圧計、水圧計、高度計等の絶対圧力センサに適用できる。また、本発明の絶対圧力センサを用いた気圧計、水圧計、高度計は、例えばタイヤの空気圧のモニタリング、水中撮影用等の気圧計内蔵のデジタルカメラ、山登りにおいて標高を知る高度計内蔵の歩数計、カーナビゲーション、腕時計等に適用可能である。
【符号の説明】
【００８０】
１ 絶対圧力センサ
１０ センサ基板
１０ａ 第１シリコン基板
１０ｂ 第２シリコン基板
１１ ダイアフラム
１２ ピエゾ抵抗（圧力感応抵抗素子）
１３ キャビティ
１４ シリコン酸化膜（ＳｉＯ２ ）
２０ キャップ基板
Ｔ 絶対圧力センサの全体厚み
Ｔ１ ダイアフラムの厚み
Ｔ２ キャビティの厚み
Ｔ３ キャップ基板の厚み
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイアフラム型の絶対圧力センサに関するものであり、特に、絶対圧力センサの全体厚みの薄型化及び長期品質安定性に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧力センサは、気体や液体の圧力を、ダイアフラムを介して感圧素子にて計測し、電気信号に変換して出力する機器である。原理的には、ダイアフラムの表面に半導体ひずみゲージを形成し、外部からの力（圧力）によってダイアフラムが変形して発生するピエゾ抵抗効果による電気抵抗の変化を電気信号に変換している。
【０００３】
上記圧力センサは、外部からの力（圧力）としてどのような圧力を使用するかによって、絶対真空を基準にして表した圧力を測定する絶対圧力センサと、大気圧等のある任意の比較する圧力（基準圧）に対して表した圧力を測定する差圧（相対圧）圧力センサとの２種類に大別される。
【０００４】
上記の絶対圧力センサに関する従来技術として、例えば、特許文献１に開示された半導体圧力センサが知られている。特許文献１において従来技術として開示された半導体圧力センサ１００は、図８（ａ）に示すように、ダイアフラム１０１の周縁に位置させて複数の圧力感応抵抗素子１０２・１０２を形成し、該圧力感応抵抗素子１０２・１０２の形成面とは反対側面にキャビティ１０３Ａを形成した半導体基板１１０Ａに、キャビティ１０３Ａを真空にして閉じるようにベース基板１２０を接合してなっており、キャビティ１０３Ａは側面壁が垂直となっている。
【０００５】
しかしながら、この側面壁が垂直となったキャビティ１０３Ａでは、半導体圧力センサ１００全体を小型化しようとする場合、ダイアフラムサイズを維持しつつチップサイズを小さくすると、半導体基板１１０Ａとベース基板１２０との接合面積が減少し、基板接合強度が弱くなってしまう。特に、半導体基板１１０Ａとベース基板１２０との接合によりキャビティ１０３Ａ内が真空状態で密閉される絶対圧センサの場合は、キャビティ１０３Ａの真空封止が不安定になり好ましくない。一方、半導体基板１１０Ａとベース基板１２０の接合面積を十分に確保してチップサイズを小さくすると、ダイアフラムサイズが小さくなり、感度が落ちてしまうという課題がある。
【０００６】
そこで、この課題を解決するために、特許文献１では、図８（ｂ）に示すように、キャビティ１０３Ｂは、ベース基板１２０側から半導体基板１１０Ｂに向かって拡大する断面逆テーパ形状に形成され、ベース基板１２０との接合面における開口幅が隣り合う圧力感応抵抗素子１０２・１０２の素子間隔よりも小さく設定したものに改良されている。
【０００７】
これにより、ダイアフラムサイズを小さくすることなく半導体基板１１０Ｂとベース基板１２０との接合面積を確保でき、センサ感度を維持しつつ小型化に有利な半導体圧力センサ１００を得ることができるものとなっている。
【０００８】
また、他の従来技術としては、例えば、特許文献２に開示されたものが知られている。特許文献２に開示された圧力センサ２００は、図９（ａ）（ｂ）に示すように、半導体基板２１０の内部における中央域αには、半導体基板表面２０１と略平行して広がるキャビティとしての第一空隙部２１１が設けられている。上記第一空隙部２１１の上側には、薄板化されたダイアフラム部２１２及び感圧素子２１３・２１３が備えられている。上記感圧素子２１３は、半導体基板表面２０１の外縁域βに設けられたバンプ２２０・２２０と電気的に接続されている。そして、この特許文献２に開示された圧力センサ２００には、半導体基板２１０の内部において外縁域βの少なくとも一部に、半導体基板表面２０１に対して閉じた第二空隙部２１４…がさらに配されている。
【０００９】
このように、半導体基板２１０の内部の外縁域βに第二空隙部２１４…を配することによって、バンプ２２０・２２０を介して伝わる被測定圧力以外の圧力変動をもたらす応力を該第二空隙部２１４…にて緩和することができるので、特性変動の小さい圧力センサを提供するものとなっている。
【００１０】
尚、被測定圧力以外の圧力変動として、例えば、（１）実装直後の残留応力によって圧力センサに生じる特性変動、（２）温度変化によって実装基板との間に生じる熱応力の影響によって圧力センサに生じる特性変動、（３）基板の変形・振動等の機械的な外部要因によって圧力センサに生じる特性変動を例示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００９−２７６１５５号公報（２００９年１１月２６日公開）
【特許文献２】特開２００９−２６４９０５号公報（２００９年１１月１２日公開）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上記従来の絶対圧力センサでは、以下の問題点を有している。
【００１３】
すなわち、上記特許文献１及び特許文献２のいずれにおいても、図１０に示すように、絶対圧力センサの基本構成として、キャビティの上側にダイアフラム及びピエゾ抵抗を有するセンサ基板とベース基板であるキャップ基板とを接合したものからなっている。そして、この構成においては、全体厚みＴ、ダイアフラム厚みＴ１、絶対圧力センサ長さＤ、及びキャビティ長さＤ１は、搭載装置のサイズ、感度、及びセンサ基板とキャップ基板との接着強度によって制約される。この制約下において、絶対圧力センサのチップサイズを小型にする場合には、ピエゾ抵抗へ外部応力が加わらないように、キャビティの下側に位置するキャップ基板の厚みＴ３をなるべく厚くしていた。
【００１４】
しかしながら、絶対圧力センサでは、ウエハプロセスにて製造することが主流であり、その際、センサ基板側はパターンニング等を行っているので、ウエハの反り及び凹凸が多い。したがって、グラインダー等を用いてウエハを薄型化する際、テープ貼り付けの平坦性が必要であり、かつ荷重に制限があるといった課題がある。この結果、絶対圧力センサの全体厚みを小さくすることができないという問題点を有している。
【００１５】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、絶対圧力センサの全体厚みを小さくし得る絶対圧力センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の絶対圧力センサは、上記課題を解決するために、ダイアフラムの周縁に複数の圧力感応抵抗素子を形成し、該圧力感応抵抗素子の形成面とは反対側の面にキャビティを形成したセンサ基板に、該キャビティを閉じるようにキャップ基板を接合してなる絶対圧力センサにおいて、上記キャビティの厚みは、キャップ基板の厚み以上となっていることを特徴としている。
【００１７】
すなわち、従来では、絶対圧力センサのチップサイズを小型にする場合、圧力感応抵抗素子へ外部応力が加わらないように、キャビティの下側に位置するキャップ基板の厚みをなるべく厚くしていた。この結果、従来では、キャビティの厚みは、キャップ基板の厚みよりも薄くなっていた。しかし、絶対圧力センサが搭載される装置においては、絶対圧力センサの全体厚みに制限が加えられることが多く、その制限に対応して感度を維持するためには、ダイアフラムを薄くする必要がある。しかし、ダイアフラムを薄くするにも限界があり、一定以上に薄くすることができないという問題があった。
【００１８】
具体的には、キャビティの厚みを薄くするときには、キャップ基板にテープを貼り付けて補強した上で、センサ基板におけるキャビティの上側を薄くすることになるが、そのときのテープを貼り付け均一性を高めることが困難であり、また、ダイアフラム厚みのバラつきも考慮する必要がある。
【００１９】
そこで、本発明では、キャビティの厚みは、キャップ基板の厚み以上となっているという構成を採用している。
【００２０】
これにより、配線パターン及び圧力感応抵抗素子のないキャップ基板を研削すればよいので、テープを貼り付け均一性及びダイアフラム厚みのバラつきを考慮することなく、容易に研削することができる。そして、結果的に、従来よりも絶対圧力センサの全体厚みを小さくすることができる。
【００２１】
したがって、絶対圧力センサの全体厚みを小さくし得る絶対圧力センサを提供することができる。
【００２２】
本発明の絶対圧力センサでは、前記センサ基板及びキャップ基板は、いずれもシリコン（Ｓｉ）からなっており、かつ上記センサ基板とキャップ基板とは、無酸化膜状態でのシリコン（Ｓｉ）−シリコン（Ｓｉ）接合にて接合されていることが好ましい。
【００２３】
すなわち、キャビティは初期には真空になっているものの、センサ基板とキャップ基板との接合界面ではヘリウム（Ｈｅ）又は水素（Ｈ２ ）等の低分子量の気体に対しては完全密閉することはできない。このため、低分子量の気体が経時的にキャビティ内へリークしたときには、絶対圧としての基準値が変動する。この結果、絶対圧力センサの測定精度が低下することになる。
【００２４】
そこで、本発明では、センサ基板とキャップ基板とを無酸化膜状態でのシリコン（Ｓｉ）−シリコン（Ｓｉ）接合とすることにより、センサ基板とキャップ基板との接合を無酸化膜状態としている。このため、センサ基板とキャップ基板との接合界面からヘリウム（Ｈｅ）又は水素（Ｈ２ ）等の低分子量の気体が侵入することがない。
【００２５】
したがって、絶対圧としての基準値が変動するがないので、絶対圧力センサの測定精度が低下することがない。この結果、長期間の品質安定性を有する絶対圧力センサを提供することができる。
【００２６】
本発明の絶対圧力センサでは、前記キャビティは、平面形状が円形であることが好ましい。
【００２７】
これにより、ウエハにて絶対圧力センサを複数個並べて製造する場合において個片化するときに、個片化し易くすることができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の絶対圧力センサは、以上のように、キャビティの厚みは、キャップ基板の厚み以上となっているものである。
【００２９】
それゆえ、絶対圧力センサの全体厚みを小さくし得る絶対圧力センサを提供するという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明における絶対圧力センサの実施の一形態を示すものであって、絶対圧力センサの構成を示す断面図である。
【図２】上記絶対圧力センサにおける製造方法を示すものであって、ピエゾ抵抗作成工程を示す断面図である。
【図３】上記絶対圧力センサにおける製造方法を示すものであって、第２シリコン基板の研削工程を示す断面図である。
【図４】上記絶対圧力センサにおける製造方法を示すものであって、キャビティ形成工程を示す断面図である。
【図５】上記絶対圧力センサにおける製造方法を示すものであって、キャップ基板接合工程を示す断面図である。
【図６】上記絶対圧力センサにおける製造方法を示すものであって、キャップ基板研削工程を示す断面図である。
【図７】上記絶対圧力センサにおけるヘリウム（Ｈｅ）雰囲気下でのキャビティ内真空度変動の経時変化を示すグラフである。
【図８】（ａ）は従来の特許文献１に記載された従来技術の絶対圧力センサの構成を示す断面図であり、（ｂ）は従来の特許文献１に記載された絶対圧力センサの構成を示す断面図である。
【図９】（ａ）は従来の他の絶対圧力センサの構成を示す断面図であり、（ｂ）はその平面図である。
【図１０】従来の絶対圧力センサの基本構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
本発明の一実施形態について図１〜図７に基づいて説明すれば、以下のとおりである。
【００３２】
本実施の形態の絶対圧力センサ１は、図１に示すように、ダイアフラム１１の周縁に複数の圧力感応抵抗素子としてのピエゾ抵抗１２・１２とを形成し、該ピエゾ抵抗１２・１２の形成面とは反対側の面にキャビティ１３を形成したセンサ基板１０と、該キャビティ１３を閉じるキャップ基板２０とを接合してなっている。
【００３３】
詳細には、上記センサ基板１０は、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２ ）１４を介して第１シリコン基板１０ａと第２シリコン基板１０ｂとを貼り合わせてなるＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）基板からなっている。すなわち、第１シリコン基板１０ａと第２シリコン基板１０ｂは、いずれもシリコン（Ｓｉ）からなっている。
【００３４】
第１シリコン基板１０ａは、複数の圧力感応抵抗素子であるピエゾ抵抗１２・１２を形成した回路形成面を有している。この回路形成面は、複数のピエゾ抵抗１２・１２の上方位置を除いて図示しないシリコン酸化膜にて覆われている。
【００３５】
このセンサ基板１０には、第２シリコン基板１０ｂとシリコン酸化膜（ＳｉＯ２ ）１４の一部とを第２シリコン基板１０ｂ側から除去することによってキャビティ１３が形成され、このキャビティ１３の上面を構成する第１シリコン基板１０ａによってダイアフラム１１が形成されている。
【００３６】
上記ダイアフラム１１は、平面形状が例えば円形に形成されており、このダイアフラム１１の円形輪郭の各辺にかかるようにして複数のピエゾ抵抗１２・１２が配置されている。ただし、ダイアフラム１１の平面形状は、圧力を受けて歪む形状であれば、矩形等の他の形状でもよい。
【００３７】
上記キャビティ１３は、上述したように、第２シリコン基板１０ｂと第１シリコン基板１０ａの一部を第２シリコン基板１０ｂ側からドライエッチング法により除去して形成されている。このキャビティ１３は、例えば、円筒形状の空間部として形成されている。
【００３８】
一方、キャップ基板２０は、シリコン基板からなり、センサ基板１０を支持し、キャビティ１３を覆う基板として機能している。このキャップ基板２０は、センサ基板１０のキャビティ１３を有する側の面、すなわち、第２シリコン基板１０ｂに接合されている。
【００３９】
ここで、本実施の形態では、センサ基板１０の第２シリコン基板１０ｂとキャップ基板２０との接合は、無酸化膜状態でのシリコン（Ｓｉ）−シリコン（Ｓｉ）接合にて接合されている。すなわち、シリコンウエハはシリコン（Ｓｉ）からなっているが、通常、大気中に放置しておくことにより、その表面が酸化されシリコン酸化膜（ＳｉＯ２ ）が形成される。しかし、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２ ）が形成された状態で、キャップ基板２０とセンサ基板１０の第２シリコン基板１０ｂとを接合した場合には、経時変化を経ることによって、キャップ基板２０とセンサ基板１０の第２シリコン基板１０ｂとの接合界面から、ヘリウム（Ｈｅ）又は水素（Ｈ２ ）等の低分子量の気体が真空状態としたキャビティ１３に侵入し、キャビティ１３内の真空状態が破られる。その結果、真の絶対圧力が測定できないことになる。そこで、本実施の形態では、これを防止するため、センサ基板１０の第２シリコン基板１０ｂとキャップ基板２０とを接合する前に、例えば、第２シリコン基板１０ｂの表面及びキャップ基板２０の表面をそれぞれプラズマ処理することにより、該キャップ基板２０の表面及び第２シリコン基板１０ｂの表面に形成されたシリコン酸化膜（ＳｉＯ２ ）を除去した後、キャップ基板２０と第２シリコン基板１０ｂとを接合している。これにより、キャップ基板２０と第２シリコン基板１０ｂとは、無酸化膜状態でのシリコン（Ｓｉ）−シリコン（Ｓｉ）接合にてなっており、接合後にキャップ基板２０と第２シリコン基板１０ｂとの接合界面からヘリウム（Ｈｅ）又は水素（Ｈ２ ）等の低分子量の気体がキャビティ１３に侵入することを防止することができる。尚、キャップ基板２０と第２シリコン基板１０ｂとは、無酸化膜状態でのシリコン（Ｓｉ）−シリコン（Ｓｉ）接合にて、充分な接合強度が得られるものとなっている。
【００４０】
上記の接合により、キャビティ１３内は長期間安定して真空状態となっている。その結果、上記構成の絶対圧力センサ１は、ダイアフラム１１が外面に付加される圧力に応じて歪むと、その歪み度合いに応じて複数のピエゾ抵抗１２・１２の抵抗値が変化し、この複数のピエゾ抵抗１２・１２にて構成されたブリッジ回路の中点電位がセンサ出力として公知の測定装置に出力される。測定装置は、図示しない各パッドを介して絶対圧力センサ１に接続され、この絶対圧力センサ１の出力（中点電位変化）に基づいて圧力が測定できるようになっている。
【００４１】
ところで、本実施の形態では、キャビティ１３の厚みＴ２を、キャップ基板２０の厚みＴ３以上としている。すなわち、
キャビティ１３の厚みＴ２≧キャップ基板２０の厚みＴ３
としている。その理由について、図１に基づいて詳述する。尚、以下の解析では、キャビティ１３が円形であるとしている。
【００４２】
すなわち、図１に示すように、ダイアフラム１１は圧力変化により撓む必要がある。一方、キャップ基板２０は、絶対圧力センサ１を支持するものであるので、撓みが少ない方がよい。ここで、絶対圧力センサ１について、ダイアフラム１１を梁と考えて、この梁であるダイアフラム１１に等分布荷重ｐが作用して撓むことを考えると、ダイアフラム１１の中心にかかる応力σは、
σ＝±３ｐａ２／４（Ｔ１）２
となる。尚、ａは、ダイアフラム１１の外周から中心までの半径である。
【００４３】
すなわち、撓みにより生じる応力は、ダイアフラム１１の厚みＴ１の２乗に反比例することが判る。
【００４４】
この結果、例えば、従来の説明図である図１０に示すように、
キャップ基板の厚みＴ３＞ダイアフラムの厚みＴ１
とする際に、
キャップ基板の厚みＴ３＞１０×ダイアフラムの厚みＴ１
とした場合には、キャップ基板及びダイアフラムにかかる応力は、
キャップ基板の厚みＴ３の応力＞１００×ダイアフラムの厚みＴ１の応力
となる。
【００４５】
すなわち、キャップ基板の厚みＴ３＞１０×ダイアフラムの厚みＴ１とすれば、応力に対しては、キャップ基板が１００倍程度撓み難くなるので、応力による影響を抑制する効果が生じると考えられており、従来では、この考え方に基づいて、
キャップ基板の厚みＴ３＞ダイアフラムの厚みＴ１
としていた。
【００４６】
ところで、絶対圧力センサにおいては、図１０に示すように、絶対圧力センサの全体厚みＴは、絶対圧力センサが搭載される装置の厚さによって高さ制限を受ける。また、絶対圧力センサ長さＤは、絶対圧力センサが搭載される装置の面積によって制限を受け、キャビティ長さＤ１は、センサ基板とキャップ基板との接着強度の影響による制限を受ける。さらに、ダイアフラムの厚みＴ１は、感度に影響する。
【００４７】
そこで、従来では、絶対圧力センサの全体厚みＴに制限が課せられた場合には、キャップ基板の厚みＴ３を大きくすることができないので、必然的に、ダイアフラムの厚みＴ１を薄くしていた。
【００４８】
しかしながら、ダイアフラムの厚みＴ１を薄くする場合には、キャップ基板のウエハにおける裏面にテープを貼り付けた後、センサ基板の表面を研削してウエハを薄くする。その場合、ダイアフラムの厚みＴ１は、ダイアフラム厚みバラツキとテープ貼り付け均一性とウエハ厚みバラツキとを考慮して決定する必要がある。したがって、ダイアフラムの厚みＴ１を薄くすることについては、限界があった。
【００４９】
そこで、本実施の形態では、この問題を解決するために、図１に示すように、キャビティの厚みＴ２は、キャップ基板の厚みＴ３以上となっている。この結果、本実施の形態では、キャップ基板２０の厚みＴ３を薄くするので、ダイアフラム１１の厚みＴ１のバラツキを考慮する必要がなくなる。そのため、本実施の形態においては、ダイアフラムの厚みＴ１は、テープ貼り付け均一性とウエハ厚みバラツキとの２つを考慮して決定すればそれで足りる。また、ダイアフラム１１の厚みＴ１のバラツキを考慮する必要がなくなるので、テープ貼り付け均一性が低くてもよい。
【００５０】
すなわち、キャップ基板２０の厚みＴ３を薄くするよりも、テープ貼り付け均一性を上げる方が高める方が難しい。この結果、本実施の形態の絶対圧力センサ１では、従来のものよりも絶対圧力センサ１の全体厚みＴを容易に薄くできものとなっている。
【００５１】
具体的には、従来品では、センサ基板の厚み（Ｔ１＋Ｔ２）が２５μｍであり、かつキャップ基板の厚みＴ３が１７５μｍであり、その結果、絶対圧力センサの全体厚みＴが２００μｍとなっていた。これに対して、本実施の形態の絶対圧力センサ１では、センサ基板１０の厚み（Ｔ１＋Ｔ２）が４００μｍであり、かつキャップ基板２０の厚みＴ３が２００μｍであり、その結果、絶対圧力センサ１の全体厚みＴを６００μｍとすることができるものとなっている。尚、実用品として、例えば携帯電話に内蔵させるために、センサ基板１０の厚み（Ｔ１＋Ｔ２）を３００μｍとし、かつキャップ基板２０の厚みＴ３を２００μｍとし、その結果、絶対圧力センサ１の全体厚みＴを５００μｍとすることが可能である。さらに、例えばＨＤＤ（Hard disk drive）に内蔵させるために、センサ基板１０の厚み（Ｔ１＋Ｔ２）を１００μｍとし、かつキャップ基板２０の厚みＴ３を１００μｍとし、その結果、絶対圧力センサ１の全体厚みＴを２００μｍとすることが好ましい。
【００５２】
次に、上記構成の絶対圧力センサ１の製造方法について、図２〜図６に基づいて説明する。図２はピエゾ抵抗作成工程を示す断面図であり、図３は第２シリコン基板の研削工程を示す断面図であり、図４はキャビティ形成工程を示す断面図であり、図５はキャップ基板接合工程を示す断面図であり、図６はキャップ基板研削工程を示す断面図である。
【００５３】
まず、図２に示すように、第１シリコン基板１０ａと第２シリコン基板１０ｂとを貼り合わせてなるＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）基板であるセンサ基板１０上に、ピエゾ抵抗１２・１２を作製する。このとき、本実施の形態では、ダイアフラムの厚みＴ１の厚さとなる第１シリコン基板１０ａの厚さは約５μｍとなっている。また、第１シリコン基板１０ａと第２シリコン基板１０ｂとの合計厚みは例えば約７００μｍとなっている。
【００５４】
次に、図３に示すように、センサ基板１０における第２シリコン基板１０ｂの研削工程を行う。研削工程においては、ＢＳＧ（バックサイドグラインディング）にて、第２シリコン基板１０ｂの裏面を研削する。この場合、ピエゾ抵抗１２・１２を形成した面に両面テープを張り、図示しないステージに接着した状態で、センサ基板１０におけるピエゾ抵抗１２・１２の形成面とは反対側の面を研削する。このとき、第１シリコン基板１０ａと第２シリコン基板１０ｂとの合計厚みが例えば約１００μｍ程度になるまで研削する。その後、ＣＭＰ（ケミカルメカニカルポリッシング）工程にて、研削した面を鏡面仕上げする。ＣＭＰ（ケミカルメカニカルポリッシング）工程では、アルミナの砥粒が混入された研磨液を使って、研削面を磨く。
【００５５】
次いで、図４に示すように、センサ基板１０における第２シリコン基板１０ｂとシリコン酸化膜（ＳｉＯ２ ）１４とをエッチングし、キャビティ１３となる凹部を形成することにより、その上側にダイアフラム１１を形成する。具体的には、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）プロセスで使用されるＤｅｅｐ−ＲＩＥと称されるドライエッチングにより、第２シリコン基板１０ｂをエッチングする。このように、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥ（Reactive Ion Etching：反応性イオンエッチング）と称される手法を利用することによって、第２シリコン基板１０ｂの表面に対して垂直に、第２シリコン基板１０ｂをエッチングすることができる。尚、キャビティ１３の形状は、例えば約４００μｍ程度の円柱形としている。したがって、キャビティ１３の形状は、水平断面が円形となる。ただし、必ずしもこれに限らず、キャビティ１３の水平断面の形状は、正方形又は六角形等の多角形でもよい。
【００５６】
次に、図５に示すように、常温接合と称される手法を用いて、センサ基板１０とキャップ基板２０を接合し、真空のキャビティ１３を形成する。常温接合においては、まず、図示しない接合装置内の高真空チャンバ内において、接合装置のピストンにセンサ基板１０を設置すると共に、接合装置のステージにキャップ基板２０を設置する。そして、互いの接合面が対向した状態で保持する。続いて、センサ基板１０とキャップ基板２０とを１０ｃｍ程度離した状態で保持し、空間内にアルゴン（Ａｒ）イオンビームを照射し、センサ基板１０及びキャップ基板２０の各対向面上の自然酸化膜を除去する。アルゴン（Ａｒ）イオンビームを照射した後、ピストンを降下して接合面を密着させた状態で、２ｔ程度の荷重を加えることにより、センサ基板１０とキャップ基板２０とを接合する。これにより、センサ基板１０とキャップ基板２０とは、無酸化膜状態にてシリコン（Ｓｉ）−シリコン（Ｓｉ）接合される。
【００５７】
次に、図６に示すように、キャップ基板２０の裏面の研削を行う。キャップ基板２０の裏面の研削工程においては、前記図３に示すセンサ基板１０における第２シリコン基板１０ｂの研削工程と同様にして、ＢＳＧ（バックサイドグラインディング）にて、キャップ基板２０の裏面を研削する。このとき、センサ基板１０のピエゾ抵抗１２・１２側の面に両面テープを張り、図示しないステージに接着した状態で、ピエゾ抵抗１２・１２の形成面とは反対側の面を研削する。ここでは、例えば、キャップ基板２０の厚みＴ３が例えば１００μｍ程度になるまで研削する。
【００５８】
以上の工程により、図１に示す絶対圧力センサ１が完成する。
【００５９】
このように、本実施の形態の絶対圧力センサ１では、ダイアフラム１１の周縁に複数のピエゾ抵抗１２・１２を形成し、該ピエゾ抵抗１２・１２の形成面とは反対側の面にキャビティ１３を形成したセンサ基板１０に、該キャビティ１３を閉じるようにキャップ基板２０を接合してなっている。そして、キャビティ１３の厚みＴ２は、キャップ基板２０の厚みＴ３以上となっている。
【００６０】
これにより、配線パターン及びピエゾ抵抗１２・１２のないキャップ基板２０を研削すればよいので、テープを貼り付け均一性及びダイアフラム１１の厚みのバラつきを考慮することなく、容易に研削することができる。そして、結果的に、従来よりも絶対圧力センサ１の全体厚みＴを小さくすることができる。
【００６１】
したがって、絶対圧力センサ１の全体厚みＴを小さくし得る絶対圧力センサ１を提供することができる。
【００６２】
また、本実施の形態では、キャビティ１３の厚みＴ２がキャップ基板２０の厚みＴ３以上となっていることによって、キャビティ１３の厚みＴ２を従来品のキャビティの厚みＴ２よりも大きくすることができる。このことは、キャビティ１３の容積を従来品のキャビティの容積よりも大きくすることができることを意味する。この結果、この結果、仮に、センサ基板１０とキャップ基板２０との接合が間に酸化膜を介した場合に、接合界面ではヘリウム（Ｈｅ）又は水素（Ｈ２ ）等の低分子量の気体がキャビティ１３に侵入することになる。しかし、本実施の形態では、キャビティ１３の容積が従来品のキャビティの容積よりも大きい。このため、低分子量の気体がキャビティ１３に侵入してもキャビティ１３の圧力が大きく変動しないというメリットがある。
【００６３】
すなわち、気体の状態方程式である
ＰＶ＝ｎＲＴ
の関係から、ＰとＶとは反比例する。尚、Ｐは圧力、Ｖは体積、ｎは気体のモル数、Ｒはガス定数、Ｔは温度である。
【００６４】
したがって、この気体の状態方程式により、Ｖが大きければ、低分子量の気体がキャビティ１３に侵入してもキャビティ１３の圧力Ｐは大きくは変動しないことが判る。
【００６５】
また、本実施の形態の絶対圧力センサ１では、センサ基板１０及びキャップ基板２０は、いずれもシリコン（Ｓｉ）からなっており、かつセンサ基板１０とキャップ基板２０とは、無酸化膜状態でのシリコン（Ｓｉ）−シリコン（Ｓｉ）接合にて接合されている。
【００６６】
すなわち、キャビティ１３は初期には真空になっているものの、センサ基板１０とキャップ基板２０との接合界面ではヘリウム（Ｈｅ）又は水素（Ｈ２ ）等の低分子量の気体に対しては完全密閉することはできない。このため、低分子量の気体が経時的にキャビティ１３内へリークしたときには、絶対圧としての基準値が変動する。この結果、絶対圧力センサ１の測定精度が低下することになる。
【００６７】
そこで、本実施の形態では、センサ基板１０とキャップ基板２０とを無酸化膜状態でのシリコン（Ｓｉ）−シリコン（Ｓｉ）接合とすることにより、センサ基板１０とキャップ基板２０との接合を無酸化膜状態としている。このため、センサ基板１０とキャップ基板２０との接合界面からヘリウム（Ｈｅ）又は水素（Ｈ２ ）等の低分子量の気体が侵入することがない。
【００６８】
したがって、絶対圧としての基準値が変動するがないので、絶対圧力センサ１の測定精度が低下することがない。この結果、長期間の品質安定性を有する絶対圧力センサ１を提供することができる。
【００６９】
また、本実施の形態の絶対圧力センサ１では、キャビティ１３は、平面形状が円形となっている。これにより、ウエハにて絶対圧力センサ１を複数個並べて製造する場合において個片化するときに、個片化し易くすることができる。
【００７０】
尚、本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、本実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【実施例】
【００７１】
〔実施例１〕
本実施の形態の絶対圧力センサ１について、キャビティ１３の厚みＴ２を、キャップ基板２０の厚みＴ３以上としたことの効果を確認すべく、従来品との比較実験を行った。
【００７２】
実験では、２気圧のヘリウム（Ｈｅ）の雰囲気下に絶対圧力センサ１を置き、キャビティ１３内の真空度の経時変化を求めた。このときのキャビティ１３は、平面形状が円形であり、キャビティ１３のサイズを半径０．４ｍｍとした。また、キャビティ１３の厚みＴ２を０．４ｍｍとした。一方、従来品は、キャビティの形状として、動揺に、平面形状円形とし、キャビティサイズを半径０．４ｍｍとした。また、キャビティ１３の厚みＴ２を０．２ｍｍとした。尚、両方とも、センサ基板１０とキャップ基板２０との接合は、酸化膜を介したシリコン（Ｓｉ）−酸化膜（ＳｉＯ２ ）−シリコン（Ｓｉ）接合とした。
【００７３】
その結果、図７に示すように、両者とも放置日数により略直線的に圧力変動することが判った。具体的には、放置日数１０日において、キャビティの厚みＴ２がキャップ基板の厚みＴ３よりも小さい従来品の絶対圧力センサでは、圧力変動量が３３２１（Ｐａ）であったのに対して、キャビティ１３の厚みＴ２をキャップ基板２０の厚みＴ３以上とした本実施の形態の絶対圧力センサ１では、圧力変動量が１６６０（Ｐａ）であった。したがって、本実施の形態の絶対圧力センサ１では、経時的なキャビティ内真空度の変動量が従来品の１／２以下であることが確認できた。
【００７４】
すなわち、本実施の形態では、従来品に対して経時的なキャビティ１３内真空度の変動量が小さくなる。したがって、低分子気体の経時的なリークに対し、オフセット変動の影響を受け難くなることが把握できた。
【００７５】
〔実施例２〕
次に、センサ基板１０とキャップ基板２０とを無酸化膜状態でのシリコン（Ｓｉ）−シリコン（Ｓｉ）接合としたときのキャビティ１３内におけるヘリウム（Ｈｅ）のリークレートを確認した。また、比較として、センサ基板１０とキャップ基板２０とを酸化膜を介したシリコン（Ｓｉ）−酸化膜（ＳｉＯ２ ）−シリコン（Ｓｉ）接合の絶対圧力センサについても同様にしてヘリウム（Ｈｅ）のリークレートを確認した。
【００７６】
その結果を、表１に示す。
【００７７】
【表１】
【００７８】
すなわち、表１に示すように、センサ基板１０とキャップ基板２０とを酸化膜を介したシリコン（Ｓｉ）−酸化膜（ＳｉＯ２ ）−シリコン（Ｓｉ）接合とすることにより、ヘリウム（Ｈｅ）のリークレートは、６．８×１０Ｅ−１１Ｐａ・ｍ３ ／ｓ以下であった。これに対して、無酸化膜状態でのシリコン（Ｓｉ）−シリコン（Ｓｉ）接合では、ヘリウム（Ｈｅ）のリークレートは、１×１０Ｅ−１１Ｐａ・ｍ３ ／ｓ以下である。この結果、無酸化膜状態でのシリコン（Ｓｉ）−シリコン（Ｓｉ）接合では、ヘリウム（Ｈｅ）のリークレートが小さいことが判った。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明は、気圧計、水圧計、高度計等の絶対圧力センサに適用できる。また、本発明の絶対圧力センサを用いた気圧計、水圧計、高度計は、例えばタイヤの空気圧のモニタリング、水中撮影用等の気圧計内蔵のデジタルカメラ、山登りにおいて標高を知る高度計内蔵の歩数計、カーナビゲーション、腕時計等に適用可能である。
【符号の説明】
【００８０】
１ 絶対圧力センサ
１０ センサ基板
１０ａ 第１シリコン基板
１０ｂ 第２シリコン基板
１１ ダイアフラム
１２ ピエゾ抵抗（圧力感応抵抗素子）
１３ キャビティ
１４ シリコン酸化膜（ＳｉＯ２ ）
２０ キャップ基板
Ｔ 絶対圧力センサの全体厚み
Ｔ１ ダイアフラムの厚み
Ｔ２ キャビティの厚み
Ｔ３ キャップ基板の厚み
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイアフラムの周縁に複数の圧力感応抵抗素子を形成し、該圧力感応抵抗素子の形成面とは反対側の面にキャビティを形成したセンサ基板に、該キャビティを閉じるようにキャップ基板を接合してなる絶対圧力センサにおいて、
上記キャビティの厚みは、キャップ基板の厚み以上となっていることを特徴とする絶対圧力センサ。
【請求項２】
前記センサ基板及びキャップ基板は、いずれもシリコン（Ｓｉ）からなっており、かつ上記センサ基板とキャップ基板とは、無酸化膜状態でのシリコン（Ｓｉ）−シリコン（Ｓｉ）接合にて接合されていることを特徴とする請求項１記載の絶対圧力センサ。
【請求項３】
前記キャビティは、平面形状が円形であることを特徴とする請求項１又は２記載の絶対圧力センサ。
【請求項１】
ダイアフラムの周縁に複数の圧力感応抵抗素子を形成し、該圧力感応抵抗素子の形成面とは反対側の面にキャビティを形成したセンサ基板に、該キャビティを閉じるようにキャップ基板を接合してなる絶対圧力センサにおいて、
上記キャビティの厚みは、キャップ基板の厚み以上となっていることを特徴とする絶対圧力センサ。
【請求項２】
前記センサ基板及びキャップ基板は、いずれもシリコン（Ｓｉ）からなっており、かつ上記センサ基板とキャップ基板とは、無酸化膜状態でのシリコン（Ｓｉ）−シリコン（Ｓｉ）接合にて接合されていることを特徴とする請求項１記載の絶対圧力センサ。
【請求項３】
前記キャビティは、平面形状が円形であることを特徴とする請求項１又は２記載の絶対圧力センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−１８９４６０（Ｐ２０１２−１８９４６０Ａ）
【公開日】平成２４年１０月４日（２０１２．１０．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５３６２０（Ｐ２０１１−５３６２０）
【出願日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【出願人】（０００００２９４５）オムロン株式会社 (3,542)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月４日（２０１２．１０．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【出願人】（０００００２９４５）オムロン株式会社 (3,542)
【Ｆターム（参考）】
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