JPH03181179A - 応力変換素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、応力変換素子およびその製造方法に係り、特
にその歪ゲージの構造およびその製造方法に関する。

（従来の技術） 半導体技術の進歩に伴い、シリコンやゲルマニウム等の
半導体のもつピエゾ抵抗効果を利用した半導体センサが
近年注目されている。

このような半導体センサは、カンチレバーやダイヤフラ
ム等の起歪部に半導体歪ゲージを設け、起歪部に生じた
歪量を半導体歪ゲージで検知し、電気信号として出力す
るもので、圧力、加速度あるいは荷重などのｌ　Ｕｌに
用いられる。

そして、この半導体歪ゲージの感度（すなわち歪量に対
する抵抗１直変化量の比）は、結晶性の良好なｊ、ｌｊ
粘品薄膜あるいは多結晶薄膜が優れており、また真性半
導体よりも不純物を含んだｐｕ半導体あるいはｎ型半導
体の方が優れているとされている。従って、中結晶基板
内に所望の導電型の不純物拡散層パターンを形成して歪
ゲージを構成したものあるいは所望の導電型にドープさ
れた多結晶薄膜パターンを形成して歪ゲージを構成した
ものなどが用いられている。

なかでも、低負荷を測定するセンサとしては、単結晶基
板を用いているものが多い。その代表的なものの１つと
して、肉薄部を有するダイヤフラム状に整形された単結
晶シリコン基板の表面に、不純物拡散層からなる歪ゲー
ジパターンを形成したものがある。

この拡散型の圧力センサは、次のようにして形威される
。

まず、第７図（ａ）に示すように、厚さ３５０μ廁のｌ
ｊ結晶シリコン基板１の表面を酸化し、酸化シリコン膜
２を形成する。

次いで、第７図（ｂ）に示すように、フォトリソ法によ
り、該酸化シリコン膜２内に拡散用の窓Ｗを形成する。

この後、第７図（ｃ）に示すように、該拡散用の窓Ｗを
介して不純物拡散を行い、歪ゲージバタン３としての不
純物拡散層を形成する。

このようにして歪ゲージパターン３を形成した後、第７
図（ｄ）に示すように、再び熱酸化法によって酸化シリ
コン膜２を形成した後、表面および裏面をレジスト被覆
し、裏面のレジストのみを選択的に除表し、これをマス
クとして基板の裏面側に形成された酸化シリコン膜２を
パターニングする。

そしてさらに、第７図（ｅ）に示すように、シリコン基
板１を裏面側からエツチングし、薄肉部４を形成する。

この後、第７図（ｆ）に示すように、蒸着法により、ア
ルミニウム等の金属膜５を形成し、パタニングして、配
線層５を形成する。

そして最後に、このようにして歪ゲージ形成のなされた
シリコン基板１を台座６に固着し、第７図（ｇ）に示し
たような圧力センサが完成する。

このような圧力センサは、シリコン基板１の肉薄部４が
、歪ゲージ形成面の裏面側から圧力を受けると肉薄部４
と共に歪ゲージが歪み、これによる歪ゲージ抵抗値の変
化を電気信号として取り出すようにしたものである。

そして、単結晶シリコン基板を用いているため、極めて
高感度である。

また高負荷を測定するためのセンサの代表的なものとし
ては、ステンレスなどの金属ダイヤフラム上に不純物ド
ープされた多結晶シリコン薄膜パターンからなる歪ゲー
ジを形威したものがある。

この薄膜圧力センサは、次のようにして形威される。

まず、第８図（ａ）に示すように、肉薄部を形威してな
るステンレスダイヤフラム１１上に、絶縁膜として酸化
シリコン膜１２を形成する。

次いで、第８図（ｂ）に示すように、プラズマＣＶＤ法
により、該酸化シリコン膜１２上に、ｎ型またはｐ型の
多結晶シリコン薄膜１３を堆積する。

この後、第８図（Ｃ）に示すように、前記多結晶シリコ
ン薄膜１３をパターニングし、歪ゲージパターン１４を
形成する。

そして最後に、第８図（ｄ）に示すように、蒸着法によ
り、アルミニウム等の金属膜を形威し、パターニングし
て、配線層１５を形成する。

この薄膜圧力センサでは、ステンレスダイヤフラム１１
の肉薄部が起歪部を構成し、この歪を多結晶シリコン薄
膜からなる歪ゲージパターンで検出するものである。

このような圧力センサでは、通常歪ゲージパターンいず
れも第９図に示す如く、ブリッジ回路を構成しており、
圧力に起因した歪による歪ゲージの抵抗値変化によって
生じる配線層パターンＥ２とＲ５との間の電圧変化を検
出することにより圧力を測定するようになっている。

すなわち、無負荷時（歪のない時）、各歪ゲジパターン
Ｒ１〜Ｒ４の抵抗値はすべて等しくＲとしておく。

仮に、第１０図に示す如く圧力Ｐがダイヤフラム１に作
用したとすると歪ゲージパターンＲ１とＲ３がダイヤフ
ラムの周辺部に、そして歪ゲージパターンＲ２とＲ４と
が中央部に配される構造となっているため、歪ゲージパ
ターンＲ１とＲ３は圧縮応力を受け、Ｒ＋ΔＲとなる一
方、歪ゲージパターンＲ２とＲ４は引っ張り応力を受け
てＲΔＲとなる。

電極配線パターンＥｌ、Ｅ６間にＶｉｎを印加するもの
とすると、無負荷時には４つの歪ゲージパターンＲ１，
Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４はすべて等しい故、電極配線パターン
Ｅ２．Ｅ５間の電位は等しくこれらの間の電圧はＶ−０
である。

従って第１０図に示す圧力Ｐの如き負荷がかかったとき
、歪ゲージパターンＲ１，Ｒ３はＲ＋ΔＲ１歪ゲージパ
ターンＲ２，Ｒ４はＲ−ΔＲとなり、電極配線パターン
Ｅ２．Ｅ５間の電圧はＶ−２（ΔＲ／Ｒ）・Ｖｉｎとな
る。

このようにして負荷に応した電圧が出力され、アンプ部
（図示せず）で増幅等の処理がなされ、外部回路に出力
せしめられる。

（発明が解決しようとする課題） 前者の拡散型圧力センサの形成に際しては、拡散工程が
１０００℃程度の高温工程を必要とするため、取扱が極
めて困難である。

また、歪ゲージの形成後、肉薄部形成のためのエツチン
グがなされるが、このエツチングの保護膜としての酸化
シリコン膜の形成に（１０００℃程度の）高温工程が必
要であるため、歪ゲージを構成する拡散層の延びを生じ
たり、再拡散を生じたりするという問題があった。

そこで、歪ゲージ形成前に、肉薄部形成のためのエツチ
ングをおこなう方法も考えられるが、エツチングによっ
てすでに肉薄部の形成された基板を拡散時の高温にさら
さねばならず、熱歪により破壊を生じるおそれもあり、
これも問題の多い方法であった。

また、後者の薄膜圧力センサては、歪ゲージを構成する
半導体薄膜を形成するに際し、基板温度を５００℃程度
にしなければならない。また、このようなセンサでは、
検出精度を高めるために、歪ゲージパターンＲ１〜Ｒ４
のもつ抵抗値は全て一定でなければならない。このため
、ノ＜ターニングに際し、フォトリソ工程等の繁雑な工
程を得なくてはならないという問題があった。

従って、起歪部の構成材料は、金属等高温や薬品に耐え
られるものである必要があり、限られたものしか使用で
きないという問題があった。また、金属等の停電性材料
で起歪部を構成した場合、表面を絶縁膜で被覆する必要
があるが、この絶縁膜も高温工程に耐え得るものでなけ
ればならず、酸化シリコン膜等の限られたものしか使用
できない。

さらに悪いことには、酸化シリコン膜を必要な膜厚とな
るまで積層するには、多大な時間を要し、コストの高騰
の原因となっていた。

本発明は、前記実情に鑑みてなされたもので、製造が容
易かつ安価で高精度の応力変換素子を提供することを目
的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） そこで本発明の応力変換素子では、金属からなる起歪部
表面に、この金属表面を改質することによって形成され
た絶縁層を介して半導体基台が配設され、さらにこの半
導体基台表面に不純物が存在する状態の下で該半導体基
台表面を選択的にレザ照射することによって歪ゲージパ
ターンを配設するようにしている。

例えばこの絶縁層は、起歪部の構成金属を酸化すること
によって得られる。

この−例として、起歪部をアルミニウムで構成し、絶縁
層をアルミニウム表面を酸化することによって得られた
アルマイト層で構成するようにしてもよい。

また本発明の応力変換素子の製造方法では、金属からな
る起歪部を形成したのち、この起歪部の表面を改質して
絶縁化することによって絶縁層を形成し、さらにこの絶
縁層上に半導体基台を形成し、この半導体基台の表面に
不純物を導入して、選択的にレーザ照射し、レーザ照射
領域に不純物領域パターンからなる歪ゲージを形成する
ようにしている。

（作用） 上記構成によれば、起歪部を金属で構成し、この金属表
面を改質することによって絶縁層を形成するようにして
いるため、極めて容易に絶縁層を形成することが可能で
ある。

また、上記構成におけるレーザ照射による歪ゲジの形成
過程は次に示すとおりである。

まず、半導体基体表面にレーザを照射すると、照射領域
はレーザ波長と半導体基体材料の吸収係数に応じて表面
から光を吸収する。

この光によるエネルギーが半導体基体に与えられると、
熱に変換され温度上昇がおこる。そしてこの温度上昇に
よって半導体基体が融点以上に熱せられると、溶融する
。（この溶解深さは、照射エネルギーおよび時間に比例
する。） このとき、半導体基体表面に不純物が存在していれば、
この不純物を取り込んで溶融するため高濃度のドーピン
グが可能となる。

そして、レーザ照射を中止すると、冷却し始め、溶融領
域は高濃度にドープされた状態で再固化する。

このとき、半導体基体が単結晶半導体である場合は、不
純物を取り込んだ状態で再び結晶成長し、基体とは異な
る結晶状態の高濃度にドープされた不純物拡散領域から
なる歪ゲージが形成される。

また、このとき半導体基体が多結晶半導体である場合は
、不純物を取り込んだ状態で再び結晶成長し、結晶粒径
が大きく　（単結晶となることもある）、基体とは異な
る結晶状態高濃度にドープされた不純物拡散領域からな
る歪ゲージが形成される。

さらにまた、このとき半導体基体がアモルファス半導体
である場合は、不純物を取り込んだ状態で再び結晶成長
し、多結晶となり、高濃度にドープされた不純物拡散領
域からなる歪ゲージが形成される。

ところで、この不純物導入工程としては、例えば、次に
示す３つの方法がある。

その第１は、半導体基体表面に不純物を吸着させる方法
であり、例えばレーザ照射を不純物含有雰囲気中でおこ
ない不純物拡散パターン（歪ゲージ）を形成する。

第２は、半導体基体表面に不純物を含有した膜を形成す
るもので、この膜を拡散源として不純物拡散パターン（
歪ゲージ）を形成する。

第３は、半導体基体形成時に半導体基体中に不純物を含
有させるもので、最初からいずれかの導電形にドープさ
れた半導体基体を形成しておき、この半導体基体に選択
的にレーザ照射することによって低抵抗の不純物拡散パ
ターン（歪ゲージ）を形成する。例えば、半導体基体が
多結晶半導体やアモルファス半導体であれば、上述した
ようにこの領域のみ結晶径が大きくなり、低抵抗となる
。

いずれの場合も、歪ゲージパターンの形成がフォトリソ
工程を経ることなく、低温下でなされ得、製造が容易で
ある。

また、表面を絶縁化された起歪部の表面に半導体基体を
形成し、この半導体基体上に歪ゲージパターンを形成す
る場合は特に、歪ゲージパターンの形成がフォトリソ工
程を経ることなく、低温下でなされ得、耐熱性あるいは
耐薬品性を要しないため起歪部をいかなる金属材料で形
成してもよく、価格の低減をはかることができる。

（実施例） 以下、本発明の実施例について図面を参照しつつ詳細に
説明する。

本発明実施例の圧力センサは、第１図（ａ）乃至第１図
（ｄ）にその製造工程図を示すように、精密ダイキャス
トで成形したＡｌ１−５ｉ−Ｃｕ系の合金からなるダイ
ヤプラム１００表面に表面酸化によって形成したアルマ
イト層１０１を介して、不純物を含有する半導体薄膜か
らなる半導体基体にレーザ照射を行うことによって歪ゲ
ージパターンを形成したことを特徴とするものである。

すなわち、まず、第１図（ａ）に示すごと＜、Ａｌ−３
ｉ−Ｃｕ系の合金を精密ダイキャストによって成形し、
ダイヤフラム１００を形成し、洗浄した後、硫酸を用い
た陽極酸化法によって、絶縁膜として膜厚的１０μｍの
アルマイト層を形成する。

この後第１図（ｂ）に示すごとく、表面酸化によって形
成したアルマイト層１０１の表面に、Ｂを含有してなる
シリコンをターゲットとしてスパッタリング法により、
膜厚６０００Ａのボロンドブされたアモルファスシリコ
ン薄膜１０２を堆積する。なお、このときの堆積条件は
、ターゲットとして０．１％のＢを含有してなる焼結多
結晶シリコンを用い、ＲＦパワー３００Ｗで１時間スパ
ッタリングを行うものとする。

次いで、第１図（Ｃ）に示すように、このボロンドープ
されたアモルファスシリコン薄膜１０１の形成されたダ
イヤフラム１００をレーザ照射室に設置し、排気後、照
射室本体２０１内を５０　Ｔｏｏｒの不活性ガス雰囲気
とし、歪ゲージ形成領域に、波長３０８ｎｍのキセノン
クロライドエキシマレーザによるレーザ光１０３を１０
シヨツト照射して、ボロンドープされたアモルファスシ
リコン薄膜１０２の一部に、ボロンドープされたアモル
ファスシリコンからなる低抵抗の歪ゲージ１０４を形成
する。このときの歪ゲージ１０４の深さすなわち拡散深
さは０．４〜０．８μ園シート抵抗は数にΩ／　ｃｄ、
抵抗率は１０−■Ω印であった。このレーザ光照射室は
、第２図に示すように、照７１．を基本体２０１と、こ
の照射室内にガスを導入したり排気したりするための配
管２０２と、レーザ光導入用の石英窓２０３と、レーザ
発振器２０４とからなり、！！（（射室内に設置された
試料２０５の表面に選択的にレーザ光照射を行うもので
ある。すなわち、レーザ光または試料２０５を移動させ
ることにより、微細な照射パターンを描画することがで
きる。

そして最後に、第１図（ｄ）に示すように、蒸着法によ
りアルミニウム層からなる配線パターン１０５を形成す
る。

この方法では、半導体基体堆積時に、同時に不純物を含
有させるようにしているため、工数が低減され、容易に
信頼性の高い応ツノ変換素子を得ることができる。

また、従来アモルファスシリコン薄膜等のアモルファス
半導体は、結晶性が悪いため、熱処理をしないと歪ゲー
ジに用いることはできなかったのにχ・■し、この方法
によれば、レーザ照射によって不純物拡散と同■、′？
に結晶性を向上させ感度を向上させることができ、高温
工程やパターニングのためのフォトリソ工程を経ること
なく、製造が容易で信頼性の高い応力変換素子を得るこ
とができる。

また、金属材料は起歪部と台座とを一体成形で得ること
ができるが、起歪部の肉厚を薄くするのに加工限界があ
り、低負荷の計測に限界があったのに対し、ダイヤフラ
ムとして例えばステンレスに比ベヤフグ率が約１／３と
小さいアルミニウムまたはアルミニウム合金を用いるこ
とにより、起歪部の肉厚が約３倍あっても同じ圧力に対
し、同等の歪量が発生するため、低負荷の計測が可能で
ある。

さらに、ダイヤフラムとしてアルミニウムまたはアルミ
ニウム合金を用いることにより、絶縁層の形成が陽極酸
化によって極めて容易に短時間で行われるため、ステン
レスダイヤプラムの場合のように多大な工数を必要とす
る酸化シリコン膜の形成に比べ、工数が大幅に低減され
る。

また、基板は、加熱を必要とすることなく室温程度でよ
いため、熱による歪を生じるようなこともない。

このようにして形成された圧力センサのボロン濃度に対
するゲージ抵抗の関係を測定した結果を第３図に示す。

また、ボロン濃度に対するＶスパンの関係を測定した結
果を第４図に示す。ここでＶスパンとは、ダイヤフラム
］−の各歪ゲージの抵抗をＲ１−Ｒ４、印加電圧をＶ１
印加圧力をＰＯ，Ｐｌとしたとき、Ｒ２（Ｐ　ｌ）　　
　　　　Ｒ３（Ｐ　＋）Ｖｓｐａｎ（ｌｌＶ）−Ｖｘ　
（） Ｒ１（ＰＩ）＋Ｒ２（Ｐｉ）　　　Ｒ３（Ｐｉ）＋Ｒ４
（ＰＩ）Ｒ２（ＰＯ）　　　　　　Ｒ３（ＰＯ）−Ｖｘ
　（） Ｒ１（ＰＯ）＋Ｒ２（ＰＯ）　　　Ｒ３（ＰＯ）＋Ｒ４
（Ｐｏ）で表されるものとする。なお、ここでは、Ｖ−
５０００ｍＶ、印加圧力をＰＯ−Ｏｋｇ／ｃｒｌ、Ｐ１
＝ＩＱｋｇ／ｃ＃として計、１１１１　した。

この第３図および第４図の結果から、この圧力センサは
ボロン濃度によって抵抗値の再現性が極めて良好である
ことが分かる。

さらに、この圧力センサの歪ゲージの抵抗変化率と圧縮
量との関係を測定した結果を第５図に示す。第５図から
この圧力センサの歪ゲージは、圧縮に対しても引っ張り
に対しても印加圧力に対して直線性を持つことがわかる
。

さらにまた、この圧力センサの重疲労特性を測定した結
果を第６図に示す。第６図からもあきらかなように、圧
力印加を１０６回繰り返しても抵抗変化率の変化はみら
れなかった。

以上の結果からも、本発明実施例の圧力センサは、極め
て製造が容易で低コストであってかっ、従来の圧力セン
サの緒特性と同程度の特性を有するものであることがわ
〜かる。

なお、前記実施例では、硫酸アルマイト処理によってア
ルマイト層を形成したが、この他、臭酸やリン酸等を用
いたアルマイト処理によってもよい。

また、前記実施例では、アルミニウム合金からなるダイ
ヤフラムを用いたが、マグネシウム、チタン等、他の金
属を用いても良い。例えば、マグネシウムの場合は酸化
マグネシウム、チタンの場合は酸化チタンを表面の絶縁
膜として用いる。

さらにまた、表面の絶縁層についてもアルマイト層等の
酸化膜に限定されることなく、窒化膜等でも良い。

また、不純物を含む半導体薄膜の形成は、スパッタリン
グ法に限定されることなく、真空蒸着法、プラズマＣＶ
Ｄ法等を用いても良い。ここで、真空蒸着法を用いる場
合は、ＢやＰ等の不純物を含有するターゲットを用いる
。また、プラズマＣＶＤ法を用いる場合は、Ｂ２　Ｈ６
ガスあるいはＰＨ３ガスをＳｉＨ４や５ｉ２Ｈ６に混合
し分解成膜するという方法をとる。

また、゛１先導体基体となる半導体薄膜としても、アモ
ルファスシリコンに限定されることなく、単結晶シリコ
ン層、多結晶シリコン層等、他の半導体層でちよい。

さらにまた、不純物を含む半導体薄膜に限定されること
なく、真性の半導体薄膜を堆積し、この半導体薄膜の表
面にＢ２　Ｈ６ガス等の不純物雰囲気中でレーザ光を！
！代射することによって不純物拡散パターンからなる歪
ゲージを形成するようにしても良い。

また、半導体基体表面に拡散源薄膜を形成し、レーザ光
！！＜（ＩＮによってこの拡散源薄膜から半導体基体表
面に不純物拡散を行い、不純物拡散バタンからなる歪ゲ
ージを形成するようにしても良い。

この拡散源薄膜の形成方法としては、この他スピンコー
ド法を用いることも可能である。すなわちこの方法は、
リン等のｎ形不純物あるいはボロン笠のｐ形不純物と５
ｉ０２等のガラス質形成剤とをアルコール系等の有機溶
剤に溶かした被膜形成用塗布液を半導体基体表面に供給
してスピナーにかけ均一に塗布する方法であり、塗布液
の濃度やスピナーの回転数を変化させることにより、膜
厚を容易に制御できる。従って、この拡散源不純物の膜
厚制御により歪ゲージの不純物濃度を容易に制御するこ
とができる。

また、この不純物導入工程には、前述したように、 （１）半導体基体表面に不純物を吸着させる方法と、 （２）半導体基体表面に不純物を含有した膜（拡散源膜
）を形成する方法と （３）半導体基体形成時に半導体基体中に不純物を含有
させる方法とがあり、起歪部の構成材料や歪ゲージの構
成材料に応じて適宜選択すればよい。

加えて、実施例では、ダイヤフラム状の起歪部ヲ持つも
のについて説明したが、カンチレバー等信の形状でもよ
いことはいうまでもない。

〔発明の効果〕 以上説明してきたように、本発明の応力変換素子によれ
ば、ダイヤフラムを表面改質によって絶縁化した金属で
構成すると共に歪ゲージパターンが起歪部を構成する半
導体基台表面を不純物の存在下で選択的にレーザ照射す
ることによって形成された不純物拡散領域から構成され
ているため、低コストでかつ製造が容易で信頼性の高い
ものとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）乃至第１図（ｄ）は本発明の実施例の圧力
Ｖセンサの製造工程を示す図、第２図は本発明実施例て
用いられるレーザ照射室を示す図、第３図は、同圧力セ
ンサのボロン濃度に対するゲージ抵抗の関係を１ＴＦＪ
定した結果を示す図、第４図はボロン濃度に対するＶス
パンの関係を測定した結果を示す図、第５図は圧力セン
サの印加圧力に対する抵抗変化率の関係を示す図、第６
図は同圧力センサの重疲労特性を示す図、第７図及び第
８図は従来例の圧力センサを示す図、第９図は、圧力セ
ンサの等価回路図、第１０図は＆ｌＩＪ定例の説明図で
ある。 １・・・１１結晶シリコン基板、２・・・酸化シリコン
膜Ｗ・・・窓、３・・・歪ゲージパターン、４・・・薄
肉部、５・・・配線層、１００・・・アルミニウムダイ
ヤフラム、１０１・・・アルマイト層、１０２・・・ボ
ロンドープされたアモルファスシリコン薄Ｍ、１０３・
・・レーザ光、１０４・・・歪ゲージ、１０５・・・配
線パターン２０１・・・ｒ！（（射室本体、２０２・・
・配管、２０３・・・石英窓、２０４・・・レーザ発振
器、２０５・・・試料、ｗｌ・・・窓。 第 図 第 図 圧７７　　ＣｋＱ／Ｃｍ’） 第５図 第 図 第１０図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）金属からなる起歪部と、 前記起歪部表面に、前記金属表面を改質す ることによって形成された絶縁層と、 前記絶縁層表面に配設された半導体基台と、表面に不純
   物が存在する状態の下で該半導 体基台表面を選択的にレーザ照射することによって形成
   された歪ゲージパターンとを備えたことを特徴とする応
   力変換素子。
2. （２）前記絶縁層は、前記金属を酸化することによって
   得られた酸化金属膜であることを特徴とする請求項（１
   ）記載の応力変換素子。
3. （３）前記金属はアルミニウムであり、 前記絶縁層は、アルマイト層であることを 特徴とする請求項（１）記載の応力変換素子。
4. （４）起歪部と起歪部の表面に配設された歪ゲージパタ
   ーンとを備えた応力変換素子の製造方法において、 金属からなる起歪部を形成する起歪部形成 工程と、 前記起歪部の表面を改質して絶縁化するこ とによって絶縁層を形成する絶縁化工程と、前記絶縁層
   上に半導体基台を形成する半導 体基台形成工程と、 前記半導体基台の表面に不純物を導入する 不純物導入工程と、 不純物導入のなされた前記半導体基台にレ ーザ照射し、不純物領域パターンからなる歪ゲージを形
   成するレーザ照射工程とを含むようにしたことを特徴と
   する応力変換素子の製造方法。