JPH04232433A - 薄膜センサ - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧力センサ、加速度セ
ンサ、流速センサ等、金属薄膜の歪みを利用して所定の
物理量を測定する、歪ゲージ式の薄膜センサに関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来、上記歪ゲージ式の薄膜センサは、
金属製のダイヤフラムの表面に、接着剤によって歪ゲー
ジを接着することで製造されていた。しかし、上記構成
では、接着剤層のクリープ破壊等、経時変化による劣化
が生じ易く、密着性が低下する等、耐久性に劣るという
問題がある。また、厚みや絶縁性等が一定しない接着剤
層を含んでいるため、従来の薄膜センサは、精度および
信頼性の点でも問題があった。

【０００３】そこで近時、上記接着剤層を含まない薄膜
センサが種々提案されている（例えば特開昭５９−１３
２３２７号公報、特開昭６２−２２２１３７号公報、特
開平１−１５５２２７号公報等参照）。上記薄膜センサ
は、金属製のダイヤフラムの表面に、ＳｉＯ２　、Ａｌ
２　Ｏ３　、Ｓｉ３　Ｎ４　等の無機質絶縁体からなる
、膜厚０．１〜２．０μｍ程度の絶縁膜を真空薄膜形成
法によって形成し、この絶縁膜上に、スパッタリング法
等によって、歪抵抗体となる金属薄膜を積層した後、こ
の金属薄膜を、フォトエッチングによって、歪抵抗体の
形状にパターン化することで製造される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記薄膜セ
ンサにおいては、いわゆる絶縁歩留りが著しく悪いため
、歪ゲージの出力特性が絶縁膜の影響を受け易い。また
、絶縁膜の膜強度が弱いため、クラックが見られる場合
もある。しかも、フォトエッチングによる金属薄膜のパ
ターン化は、フォトリソグラフィのための設備やエッチ
ングのための設備等、高価な設備を必要とし、しかも、
工程が複雑であるため、製造コストが高くつく等の問題
もある。

【０００５】本発明者らは、上記フォトエッチングの工
程を省略するため、所望のパターンに切り抜かれたマス
クを絶縁膜上に重ねた状態で金属薄膜の蒸着を行って、
絶縁膜の表面に、歪ゲージを直接に形成することを検討
した。しかし、従来の構成では、前記のように絶縁膜の
膜強度が弱いため、マスクと絶縁膜とがこすれ合った際
に、絶縁膜に傷が付いたり小孔が発生したりし易く、傷
や小孔ができると、絶縁歩留りがさらに悪化することが
判明した。

【０００６】本発明は、以上の事情に鑑みてなされたも
のであって、絶縁歩留りに優れると共に、膜強度に優れ
た絶縁膜を有し、低コストで製造できる上、良好な特性
を有する薄膜センサを提供することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の、本発明の薄膜センサは、金属製のダイヤフラムと、
このダイヤフラムの表面に形成された絶縁膜と、この絶
縁膜上に形成された歪ゲージとを備えた薄膜センサにお
いて、上記ダイヤフラムの表面粗度Ｒｍａｘ　が０．２
μｍ以下、ダイヤフラムを構成する金属の線膨張係数α
が６×１０−６／℃以上であると共に、絶縁膜が、プラ
ズマＣＶＤ法により形成された、膜厚２〜５μｍの窒化
硅素薄膜であることを特徴とする。

【０００８】図１は、本発明の薄膜センサの一例の層構
成を示す断面図である。

【０００９】図の薄膜センサは、金属製のダイヤフラム
１と、このダイヤフラム１の表面に形成された、絶縁膜
としての窒化硅素薄膜２と、この窒化硅素薄膜２の上に
形成された歪ゲージ３とを備えている。歪ゲージ３は、
歪抵抗体３０と、配線用電極３１とで構成されている。 ダイヤフラム１は、その表面が、表面粗度Ｒｍａｘ　＝
０．２μｍ以下の鏡面に仕上げられている必要がある。 ダイヤフラム１の表面が鏡面に仕上げられている場合に
は、ダイヤフラム１の表面に形成される窒化硅素薄膜２
の表面が平滑性に優れたものとなり、マスクを用いて、
所定形状の歪抵抗体３０および配線用電極３１を形成す
る際に、窒化硅素薄膜２の表面が、マスクとのこすれに
よるダメージを受け難いものとなる。また、上記のよう
に、表面の平滑性に優れた窒化硅素薄膜２は、埃やダス
ト等の付着物が付着し難いので、これら付着物の付着に
よって生じる絶縁不良を防止することができる。ダイヤ
フラム１の表面を鏡面に仕上げるには、バフ研磨または
ラッピング処理を行えば良い。

【００１０】上記ダイヤフラム１を構成する金属材料の
線膨張係数αは、６×１０−６／℃以上である必要があ
る。ダイヤフラム１を構成する金属材料の線膨張係数α
が６×１０−６／℃未満では、窒化硅素薄膜２にクラッ
クが発生し易くなるが、熱膨張係数αが６×１０−６／
℃以上であれば、窒化硅素薄膜２にクラックが発生する
のを防止することができる。線膨張係数αが６×１０−
６／℃以上である金属材料としては、鉄−ニッケル合金
のうちの４６アロイ、ステンレス鋼のうちのｓｕｓ６３
１、ｓｕｓ３０４、ばね用合金のうちのベリリウム銅（
Ｂｅ−Ｃｕ）合金等があげられる。

【００１１】ダイヤフラム１の表面の窒化硅素薄膜２は
、プラズマＣＶＤ法により形成される。プラズマＣＶＤ
法により形成された窒化硅素薄膜２は、他の薄膜形成方
法で形成された窒化硅素薄膜に比べ、緻密で絶縁性が高
いため絶縁歩留りが良く、しかも、比較的低温（４００
℃以下）で形成できるので、製造が容易であるという利
点を有する。また、プラズマＣＶＤ法で形成された窒化
硅素薄膜２は、硅素の原料であるＳｉＨ４　に起因する
水素を数％含むアモルファス状態になっているため、適
度な内部応力を有しており、このことが原因の１つとな
って、ダイヤフラム１に対する密着性が高い。

【００１２】窒化硅素薄膜２の膜厚は、２〜５μｍの範
囲内である必要がある。窒化硅素薄膜２の膜厚が２μｍ
未満では、当該窒化硅素薄膜２に絶縁不良の部分が発生
し、膜厚が５μｍを上回ると、膜の内部応力が大きくな
り過ぎて、ダイヤフラム１に対する密着性が低下し、剥
離等を生じる。窒化硅素薄膜２は、窒素と硅素とを主成
分として含み、電気絶縁性を有するものであれば良く、
窒素と硅素の組成比、膜中に取り込まれる水素の割合、
炭素、酸素等の不純物の含有量については、特に限定さ
れない。しかし、絶縁性や膜の強度等を考慮すれば、半
導体のパッシベーション膜や層間絶縁膜と同様の膜質が
望ましい。

【００１３】窒化硅素薄膜２上の歪ゲージ３のうち、歪
抵抗体３０は、Ｎｉ−Ｃｒ合金、Ｃｒ−Ｓｉ合金等から
なる薄膜により形成され、配線用電極３１は、Ｔｉ、Ｎ
ｉ、Ａｕ等の薄膜、またはこれら金属薄膜の積層体によ
り構成される。 上記歪ゲージ３は、まず、歪抵抗体３０のパターンが切
り抜かれたマスクを窒化硅素薄膜２上に重ね、前記Ｎｉ
−Ｃｒ合金等を蒸着して歪抵抗体３０を形成した後、配
線用電極３１のパターンが切り抜かれたマスクを窒化硅
素薄膜２上に重ね、前記Ｔｉ等の金属を蒸着して配線用
電極３１を形成することで作製される。歪抵抗体３０お
よび配線用電極３１の膜厚は、特に限定されず、従来の
歪ゲージにおける歪抵抗体および配線用電極と同程度で
あれば良い。

【００１４】

【作用】上記構成からなる、本発明の薄膜センサによれ
ば、ダイヤフラムの表面が鏡面に仕上げられているため
、このダイヤフラムの表面に形成される窒化硅素薄膜の
表面が平滑性に優れたものとなり、マスクとのこすれに
よるダメージを受け難く、かつ、絶縁不良の原因となる
埃やダスト等の付着物が付着し難いものとなる。また、
上記ダイヤフラムは、線膨張係数αが６×１０−６／℃
以上の金属材料で形成されており、窒化硅素薄膜にクラ
ックが発生するのを防止することができる。

【００１５】窒化硅素薄膜は、プラズマＣＶＤ法により
形成されており、緻密で絶縁性が高いため絶縁歩留りが
良く、しかも、比較的低温で形成できるので、製造が容
易である。また、上記窒化硅素薄膜は、水素を数％含む
アモルファス状態になっているため、適度な内部応力を
有しており、ダイヤフラムに対する密着性が高い。上記
窒化硅素薄膜の膜厚は、２〜５μｍの範囲内であるため
、絶縁不良の部分を生じることがなく、かつ、膜の内部
応力が大きくなり過ぎて、ダイヤフラムに対する密着性
が低下することがない。

【００１６】

【実施例】ダイヤフラムの表面粗度の影響検討ステンレ
ス鋼（ｓｕｓ３０４）製のダイヤフラム（厚み１５０μ
ｍ、直径２６ｍｍの円板状）の表面を、図２に示す各表
面粗度Ｒｍａｘ　に仕上げ、この表面に、プラズマＣＶ
Ｄ法により、下記の成膜条件で、膜厚３μｍのアモルフ
ァス窒化硅素薄膜を形成した。なお、ダイヤフラムの表
面粗度Ｒｍａｘ　は、触針式表面粗度測定装置（東京精
密社製の商品名サーフコム２００）により、直径５μｍ
の触針を用いて測定した。

【００１７】成膜条件 高周波出力　　：１００Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）基板温
度　　　　：３００℃ 装置内真空度：０．５ｔｏｒｒ 原料ガス　　　　：ＳｉＨ４　，ＮＨ３　ガス流量　　
　　：ＳｉＨ４　／ＮＨ３　＝３０／１００（ｓｃｃｍ
） 次に、上記窒化硅素薄膜の表面に、歪抵抗体の大きさに
相当する、０．１ｍｍ×１．６２ｍｍのパターンが切り
抜かれたステンレス製のマスク（厚み５０μｍ）を重ね
合わせ、高周波スパッタリング法により、下記の成膜条
件で、歪抵抗体としての、膜厚０．５μｍのＮｉ−Ｃｒ
合金薄膜を形成した。

【００１８】成膜条件 高周波出力　　：２００Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）基板温
度　　　　：室温 装置内真空度：０．０１ｔｏｒｒ ターゲット　　：Ｎｉ−Ｃｒ合金（Ｎｉ：Ｃｒ＝８０：
２０）導入ガス　　　　：Ａｒ ガス流量　　　　：１０ｓｃｃｍ 次に、上記窒化硅素薄膜およびＮｉ−Ｃｒ合金薄膜上に
、配線用電極のパターンが切り抜かれたステンレス製の
マスク（厚み５０μｍ）を重ね合わせ、真空蒸着法によ
り、下記の成膜条件で、Ｔｉ、ＮｉおよびＡｕの薄膜（
各薄膜の膜厚は０．１μｍ）を順次積層して配線用電極
を形成し、薄膜センサを完成した。

【００１９】成膜条件 基板温度　　　　：２００℃ 装置内真空度：５×１０−５ｔｏｒｒ 以上のようにして得られた薄膜センサにおける、ダイヤ
フラムと配線用電極との間の抵抗値をテスターで測定し
て、測定値が１０ＭΩ以上のものを絶縁性良好、それ以
下のものを絶縁性不良と判定した。そして、総サンプル
数１００枚中の絶縁性良好であったサンプルの枚数から
、下記式（Ｉ）　に基づいて、窒化珪素薄膜の絶縁歩留
りを求めた。結果を図２に示す。

【００２０】

【数１】

【００２１】図２の結果より、ダイヤフラムの表面粗度
Ｒｍａｘ　が０．２μｍを上回ると、絶縁歩留りが低下
するが、上記表面粗度Ｒｍａｘ　が０．２μｍ以下では
、絶縁歩留りを１００％に維持できることが判った。 ダイヤフラムの線膨張係数の影響検討 次表１に示す線膨張係数αを有する各金属により形成さ
れた、厚み１５０μｍ、直径２６ｍｍの円板状のダイヤ
フラム（表面粗度Ｒｍａｘ　＝０．０５μｍ）の表面に
、先の表面粗度の影響検討と同じ条件で、プラズマＣＶ
Ｄ法によってアモルファス窒化硅素薄膜を形成し、クラ
ック発生の有無を観察した。結果を表１に示す。

【００２２】

【表１】

【００２３】上記表１の結果より、線膨張係数α＝６×
１０−６／℃以上の金属材料で形成されたダイヤフラム
では、窒化硅素薄膜にクラックが発生しないことが判っ
た。 窒化硅素薄膜の膜厚の影響検討 ステンレス鋼（ｓｕｓ３０４）製で、厚み１５０μｍ、
直径２６ｍｍの円板状のダイヤフラム（表面粗度Ｒｍａ
ｘ　＝０．０５μｍ）の表面に、先の表面粗度の影響検
討と同じ条件で、プラズマＣＶＤ法によって、図３に示
す膜厚のアモルファス窒化硅素薄膜を形成した。

【００２４】そして、窒化珪素薄膜の絶縁歩留りを、前
記式（Ｉ）　に基づいて算出した。結果を図３に示す。 図３の結果より、窒化硅素薄膜の膜厚が２μｍを下回る
か、または５μｍを上回ると、絶縁歩留りが低下するが
、膜厚が２〜５μｍの範囲内では、絶縁歩留りを１００
％に維持できることが判った。また、窒化硅素薄膜の膜
厚が５μｍを上回るものではクラックが観察されたが、
膜厚が５μｍ以下のものでは、クラックは観察されなか
った。

【００２５】絶縁膜の製法並びに材料の検討Ｉステンレ
ス鋼（ｓｕｓ３０４）製で、厚み１５０μｍ、直径２６
ｍｍの円板状のダイヤフラム（表面粗度Ｒｍａｘ　＝０
．０５μｍ）の表面に、プラズマＣＶＤ法により、下記
の成膜条件で、膜厚３μｍのアモルファス炭化硅素薄膜
を形成した。 成膜条件 高周波出力　　：４００Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）基板温
度　　　　：３００℃ 装置内真空度：０．５ｔｏｒｒ 原料ガス　　　　：ＳｉＨ４　，ＣＨ４　ガス流量　　
　　：ＳｉＨ４　／ＣＨ４　＝１０／２００（ｓｃｃｍ
） 上記炭化硅素薄膜の絶縁歩留りを、前記式（Ｉ）　に基
づいて算出したところ、９０％であった。

【００２６】絶縁膜の製法並びに材料の検討ＩＩステン
レス鋼（ｓｕｓ３０４）製で、厚み１５０μｍ、直径２
６ｍｍの円板状のダイヤフラム（表面粗度Ｒｍａｘ　＝
０．０５μｍ）の表面に、高周波スパッタリング法によ
り、下記の成膜条件で、膜厚３μｍのアモルファス窒化
硅素薄膜を形成した。

【００２７】成膜条件 高周波出力　　：４００Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）基板温
度　　　　：２５０℃ 装置内真空度：０．０１ｔｏｒｒ ターゲット　　：Ｓｉ 導入ガス　　　　：Ａｒ，Ｎ２　 ガス流量　　　　：Ａｒ／Ｎ２　＝１０／１０（ｓｃｃ
ｍ）上記窒化硅素薄膜の絶縁歩留りを、前記式（Ｉ）　
に基づいて算出したところ、８０％であった。

【００２８】絶縁膜の製法並びに材料の検討ＩＩＩ　ス
テンレス鋼（ｓｕｓ３０４）製で、厚み１５０μｍ、直
径２６ｍｍの円板状のダイヤフラム（表面粗度Ｒｍａｘ
　＝０．０５μｍ）の表面に、高周波スパッタリング法
により、下記の成膜条件で、膜厚３μｍのアモルファス
酸化硅素薄膜を形成した。

【００２９】成膜条件 高周波出力　　：３００Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）基板温
度　　　　：２００℃ 装置内真空度：０．０１ｔｏｒｒ ターゲット　　：Ｓｉ 導入ガス　　　　：Ａｒ，Ｏ２　 ガス流量　　　　：Ａｒ／Ｏ２　＝１０／１０（ｓｃｃ
ｍ）上記酸化硅素薄膜の絶縁歩留りを、前記式（Ｉ）　
に基づいて算出したところ、８５％であった。

【００３０】

【発明の効果】本発明の薄膜センサは、以上のように構
成されており、絶縁膜の絶縁歩留りが良く、歪ゲージの
出力特性が絶縁膜の影響を受けることがないので、良好
な特性を有するものである。また、上記絶縁膜は膜強度
が強く、歪ゲージ形成のためのマスクがこすれても、上
記絶縁歩留りが低下することがないので、本発明の薄膜
センサは、製造コストが高くつくフォトエッチングの工
程を省略することができて低コストで製造できるもので
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の薄膜センサの層構成の一例を示す断面
図である。

【図２】ダイヤフラムの表面粗度と、窒化硅素薄膜の絶
縁歩留りとの関係を示すグラフである。

【図３】窒化硅素薄膜の膜厚と、当該窒化硅素薄膜の絶
縁歩留りとの関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１　　ダイヤフラム ２　　窒化硅素薄膜 ３　　歪ゲージ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】金属製のダイヤフラムと、このダイヤフラ
   ムの表面に形成された絶縁膜と、この絶縁膜上に形成さ
   れた歪ゲージとを備えた薄膜センサにおいて、上記ダイ
   ヤフラムの表面粗度Ｒｍａｘ　が０．２μｍ以下、ダイ
   ヤフラムを構成する金属の線膨張係数αが６×１０−６
   ／℃以上であると共に、絶縁膜が、プラズマＣＶＤ法に
   より形成された、膜厚２〜５μｍの窒化硅素薄膜である
   ことを特徴とする薄膜センサ。