JPH09257618A - 静電容量型圧力センサおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 静電容量型圧力センサの零点、感度の温度依
存性を小さくする。 【構成】 単結晶シリコン基板３０の主表面に固定電極
４０を形成し、この固定電極４０上に圧力基準室２００
を設ける。そして、圧力基準室２００を覆うよう被覆形
成された絶縁性ダイヤフラム膜７０の受圧領域に導電性
膜から成る可動電極８１を形成する。絶縁性ダイヤフラ
ム膜７０は熱膨張係数が前記単結晶シリコン基板３０と
等しくなるよう、膜中のシリコン、アルミニウム、窒素
および酸素の組成が調整されており、この結果、センサ
の零点、感度の温度依存性が小さくなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体のプロセス
技術と特殊なエッチング技術を組み合わせたシリコンマ
イクロマシニング技術を利用し、基板表面にダイヤフラ
ムを形成した静電容量型圧力センサおよびその製造方法
に関するものである。

【０００２】

【従来技術】従来より、各種の圧力センサが知られてお
り、その中に半導体基板の表面にダイヤフラムを形成し
た静電容量型圧力センサがある。図９に、このような従
来の静電容量型圧力センサの断面構造を示す。

【０００３】この静電容量型圧力センサは、可動電極と
して機能するダイヤフラム１１を備えたシリコン構造体
１０と、ダイヤフラム１１と対向するように形成した固
定電極２１を備えたガラス基板２０とを陽極接合法によ
り貼合わせた構造を有している。そして、図中矢印で示
す方向から圧力Ｐが印加されると、これに応じてダイヤ
フラム１１が変形し、ダイヤフラム１１と固定電極２１
の間隙が変化し、ダイヤフラム１１と固定電極２１とで
形成されるキャパシタの静電容量が変化する。そこで、
この静電容量を検出することによって、圧力Ｐが検出さ
れる。

【０００４】ここで、シリコン構造体１０には（１０
０）面の単結晶シリコン基板が用いられ、ダイヤフラム
１１はシリコン構造体１０の一部を異方性エッチングす
ることにより形成されている。一般に、このエッチング
液として水酸化カリウム水溶液や水酸化テトラメチルア
ンモニウム水溶液などが用いられる。また、ダイヤフラ
ム１１はキャパシタの一方の可動電極として機能させる
ためにｐ型またはｎ型の不純物を高濃度に含有するよう
処理され、高伝導度特性を得るようにしている。

【０００５】また、ガラス基板２０は一般にパイレック
スガラスが用いられ、シリコン構造体１０との接合面側
にはダイヤフラム１１を覆うように所望の深さのエッチ
ング加工が施されている。一般に、このエッチング液に
はフッ化水素酸系の溶液が用いられる。また、エッチン
グ加工面２２にはダイヤフラム１１と対向するように金
属膜を蒸着し、これをフォトエッチングすることにより
キャパシタの一方の固定電極２１が形成されている。こ
の固定電極２１の金属膜には、例えばチタンを成膜した
上にアルミニウムを成膜した積層膜などが用いられてい
る。

【０００６】そして、以上のように形成されたシリコン
構造体１０とガラス基板２０の接合面を重ね合わせ、位
置合わせを行い、シリコン構造体１０を陽極、ガラス基
板２０を陰極として、例えば３００℃に加熱し、６００
Ｖの直流電圧を印加することにより、シリコン構造体１
０とガラス基板２０とを接着剤などを使用することなく
気密性よく接合（陽極接合）している。

【０００７】この圧力センサを絶対圧力測定タイプとし
て用いる場合にはシリコン基板１０とガラス基板２０の
陽極接合時において周囲雰囲気を真空状態に保ったま
ま、接合を行う。これにより、シリコン基板１０の表面
側をエッチング加工した空間部が真空の圧力基準室とな
り、印加された絶対圧力に比例してダイヤフラムがたわ
み、このたわみによって静電容量値が変化する。従っ
て、静電容量の変化を真空に対する圧力検出信号として
取り出すことができ、ダイヤフラム１１に印加される絶
対圧力を測定することができる。

【０００８】このような静電容量型センサでは、キャパ
シタを形成する一対の電極（対向電極）の間隙を狭くす
ることにより感度を高くできる。また、原理的には感度
の温度依存性はない、などの特徴を有している。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の静電容量型圧力センサにおいて、パイレック
スガラスからなるガラス基板２０の熱膨張係数は単結晶
シリコンからなるシリコン構造体１０よりわずかに小さ
い。このため、周囲温度が変化する場合には、この熱膨
張係数の差に起因して熱応力が変化し、センサの零点お
よび感度の温度特性を劣化させるという問題があった。
また、陽極接合時の加熱によりガラス基板２０が変形
し、対向電極の間隙によってはガラス基板２０に形成し
た固定電極２１がダイヤフラム１１に接触する場合があ
り、このような場合にはセンサとして機能しないという
問題があった。

【００１０】本発明はこのような従来の課題に鑑みなさ
れたものであり、その目的は零点、感度の温度依存性が
小さく、センサを組み立てるための陽極接合が不要な静
電容量型圧力センサおよびその製造方法を提供すること
にある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、基板の主表面
に形成された固定電極上に圧力基準室を設け、前記圧力
基準室を覆うよう前記基板の主表面側に被覆形成された
絶縁性ダイヤフラム膜の受圧領域に導電性膜から成る可
動電極を形成した静電容量型圧力センサにおいて、前記
絶縁性ダイヤフラム膜は少なくともシリコン、アルミニ
ウム、窒素を含む絶縁性材料で構成されていることを特
徴とする。

【００１２】また、前記絶縁性ダイヤフラム膜は、シリ
コン１０〜４０ａｔｍ％、アルミニウム１０〜４０ａｔ
ｍ％、窒素３０〜５０ａｔｍ％を含むと共に、酸素の含
有量は２５ａｔｍ％以下であることを特徴とする。

【００１３】このように、本発明では、絶縁性ダイヤフ
ラム膜をシリコン、アルミニウム、窒素を含む絶縁性材
料で構成している。そして、この絶縁性ダイヤフラム膜
の組成を調整する（例えば上述のような組成比に調整す
る）ことによって、絶縁性ダイヤフラム膜の熱膨張係数
を調整することができる。このため、基板の熱膨張係数
に応じて絶縁性ダイヤフラムの組成を設定することで、
両者の熱膨張係数を等しいものにできる。そこで、熱膨
張係数の差に起因して熱応力が変化し、センサの零点お
よび感度の温度特性が劣化するという問題点を解消でき
る。

【００１４】また、本発明は、主表面に固定電極が形成
された基板と、前記基板の主表面上に形成され、受圧領
域において前記主表面から所定距離離隔し、圧力基準室
を区画形成する第１の絶縁性ダイヤフラム膜と、前記第
１の絶縁性ダイヤフラム膜の受圧領域に形成された導電
性膜から成る可動電極と、前記可動電極を覆うよう前記
基板の主表面上に被覆形成された第２の絶縁性ダイヤフ
ラム膜と、前記第２の絶縁性ダイヤフラム膜と前記第１
の絶縁性ダイヤフラム膜を貫通して前記圧力基準室に到
達するよう形成された少なくとも１個の開口と、前記少
なくとも１個の開口を封止して、前記圧力基準室を密封
する封止部材と、を含むことを特徴とする。

【００１５】さらに、本発明は、基板の主表面に固定電
極を形成する工程と、基板の主表面の受圧領域を覆う犠
牲膜を形成する工程と、前記犠牲膜を覆うように、前記
基板の主表面上に第１の絶縁性ダイヤフラム膜を形成す
る工程と、前記第１の受圧領域に導電性膜からなる可動
電極を構成する工程と、この可動電極を覆うように第２
の絶縁性ダイヤフラム膜を形成する工程と、この第２の
絶縁性ダイヤフラム膜と前記第１の絶縁性ダイヤフラム
膜を貫通して前記犠牲膜に到達するように、少なくとも
１個のエッチング液注入口を形成する工程と、前記エッ
チング液注入口を介して前記犠牲膜をエッチング除去す
ることにより圧力基準室を形成する工程と、前記圧力基
準室を所望の圧力状態の保持するように、前記エッチン
グ注入口を密封する工程と、を含むことを特徴とする。

【００１６】このようにして得られた静電容量型圧力セ
ンサによれば、センサに圧力がかかると、その圧力によ
って、絶縁性のダイヤフラム膜が変形し、可動電極と、
固定電極の距離が変化する。そして、この距離変化に応
じて、可動電極および固定電極を含むキャパシタの静電
容量が変化する。そこで、この静電容量の変化を検出す
ることで圧力を検出することができる。そして、圧力基
準室の圧力は、エッチング注入口の密封時の雰囲気の圧
力となる。従って、真空雰囲気において、エッチング注
入口を密封すれば、基準圧力は、真空状態になり、この
センサによって絶対圧力を検出することができる。

【００１７】ここで、本発明の静電容量型圧力センサに
よれば、犠牲膜上に、第１の絶縁性ダイヤフラム膜を形
成し、その後にこの犠牲膜をエッチングによって除去す
る。従って、圧力基準室を形成するために、陽極接合な
どが必要ない。そこで、従来のように、陽極接合に起因
して、ガラス基板が変形したりすることがない。

【００１８】このように、本発明では、基板の熱膨張係
数とほぼ等しい薄膜材料をダイヤフラムに使用すること
により、従来品のような熱膨張係数の異なる材料から構
成されているものに比べて零点、感度の温度依存性が小
さくなる。

【００１９】また、圧力基準室形成のための接合が不要
であり、従来品のような陽極接合時のガラス基板の変形
などの問題はなく、センサ特性が安定する。

【００２０】また、前記可動電極を包囲するよう前記第
１の絶縁性ダイヤフラム膜の受圧領域に形成された基準
電極と、前記第１の絶縁性ダイヤフラム膜と前記基板の
間の一部に形成され、前記基準電極の移動を規制するダ
イヤフラム固定部と、を含むことを特徴とする。

【００２１】このように、基準電極を設けることによっ
て、可動電極によって構成される容量の他に、基準電極
によって構成される容量を構成できる。そこで、２つの
容量の差に応じて圧力を検出することができる。２つの
電極は、ほぼ同一の場所にあり、これら容量の差をとる
ことによって、温度の影響などをほぼ完全に排除するこ
とができる。

【００２２】また、この容量差は、スイッチドキャパシ
タ回路等により、容易に検出できる。さらにスイッチド
キャパシタ回路は、通常の半導体加工プロセスより、容
易に形成できるため、同一の基板上に形成することも容
易である。従って、回路部分も同一基板上に集積形成す
ることができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明に好適な実施の形態
（以下、実施形態という）について、図面に基づいて説
明する。

【００２４】（基本的構成）図１には、本発明に係わる
静電容量型圧力センサの基本的構成例の構造を表す平面
図が示されており、図２には、図１のＡ−Ｂ−Ｃ線に沿
った断面説明図が示されている。また、図３、４には、
可動電極接続孔および固定電極接続孔の部分の拡大図が
示されている。

【００２５】本発明の静電容量型圧力センサの基板３０
は、例えば、単結晶シリコンからなり、この表面にはｐ
型またはｎ型の不純物を高濃度に含有するよう処理され
た固定電極４０、固定電極リード４１および固定電極接
続端子４２が形成されている。また、基板３０の表面全
域に必要に応じて耐エッチング特性を有する基板保護膜
５０が被覆形成される。

【００２６】そして、この基板保護膜５０の表面には、
受圧領域を覆うように、等方性エッチング特性を有する
犠牲膜６０が被覆形成されている。なお、この犠牲膜６
０は製造工程において除去されるものであって、製品に
はない。また、基板３０の主表面には、その全域に渡っ
て前記犠牲膜６０を覆うように第１の絶縁性ダイヤフラ
ム膜７０が被覆形成されている。

【００２７】さらに、第１の絶縁性ダイヤフラム膜７０
の受圧領域に配置された可動電極８１と、受圧領域外に
配置された可動電極リード８２および可動電極接続端子
８３とが、半導体膜８０から形成されている。例えば、
この半導体膜８０に多結晶シリコン膜を用いる場合、多
結晶シリコン膜からなる半導体膜８０はｐ型またはｎ型
の不純物を高濃度に含有するよう処理し、高伝導度特性
を得るようにする。

【００２８】ここで、本発明の特徴は、絶縁性ダイヤフ
ラム膜７０が、少なくともシリコン、アルミニウム、窒
素を含んだ材料で構成され、基板３０の熱膨張係数
（３．６８×１０^-6／℃）とほぼ等しいことにある。例
えば、基板３０に（１００）方位の単結晶シリコンを使
用した場合、絶縁性ダイヤフラム膜７０の組成を、シリ
コン３３ａｔｍ％、アルミニウム１７ａｔｍ％、窒素５
０ａｔｍ％にする。これにより、絶縁性ダイヤフラム膜
７０の熱膨張係数は（１００）方位の単結晶シリコンか
らなる基板３０とほぼ等しくなり、従来のようにセンサ
の周囲温度の変化による熱応力の発生はない。従って、
零点、感度の温度依存性が小さい静電容量型圧力センサ
を提供できる。なお、前記絶縁性ダイヤフラム膜７０は
膜中の組成を制御（成分比を変更する）することによ
り、３．５×１０^-6／℃〜４．１×１０^-6／℃の熱膨張
係数を有するものが得られる。

【００２９】また、半導体膜８０は絶縁性膜によって保
護することが好ましい。このため、前記半導体膜８０を
覆うようにして第２の絶縁性ダイヤフラム膜９０を被覆
形成する。この第２の絶縁性ダイヤフラム膜９０を貫通
して前記可動電極接続端子８３に達する可動電極接続孔
１１０が形成され、この可動電極接続孔１１０を介して
可動電極８１は可動電極出力端子１２０に接続されてい
る。なお、この部分の拡大図を図３に示す。

【００３０】さらに、図１に示すように、可動電極接続
口１１０の反対側の位置には、第１の絶縁性ダイヤフラ
ム膜７０および第２の絶縁性ダイヤフラム膜９０を貫通
して固定電極接続端子４２に達する固定電極接続孔１３
０が形成されている。そして、この固定電極接続孔１３
０を介して固定電極４０は固定電極出力端子１４０に接
続されている。なお、固定電極４０は、固定電極リード
４１を介し、固定電極接続端子４２間で伸びている。こ
の部分の拡大図を図４に示す。

【００３１】そして、この静電容量型圧力センサの受圧
領域所定位置には、第１の絶縁性ダイヤフラム膜７０お
よび第２の絶縁性ダイヤフラム膜９０を貫通して犠牲膜
６０に到達する少なくとも１個のエッチング液注入口１
００が開口形成されており、当初形成されていた犠牲膜
６０は、このエッチング液注入口１００を介して全てエ
ッチング除去される。

【００３２】すなわち、犠牲膜６０をすべて除去するこ
とにより、基板３０と前記第１の絶縁性ダイヤフラム膜
７０により囲まれた圧力基準室２００が形成されると同
時に、基板３０から分離された圧力基準室２００の上面
側に位置する第１の絶縁性ダイヤフラム膜７０、半導体
膜８０および第２の絶縁性ダイヤフラム膜９０より構成
する可動ダイヤフラム４００が形成される。

【００３３】この静電容量型圧力センサを絶対圧測定タ
イプとして用いる場合には真空雰囲気において、前記エ
ッチング液注入口１００の全てを封止キャップ３００に
より封止する。これにより、前記圧力基準室２００が真
空状態となり、印加された絶対圧力に比例して可動ダイ
ヤフラム４００がたわみ、このたわみによって、固定電
極４０と可動電極８１間の静電容量値が変化する。従っ
て、静電容量の変化を圧力検出信号として取り出すこと
により、可動ダイヤフラム４００に印加される絶対圧力
を測定することができる。

【００３４】（製造方法）次に、本発明にかかる静電容
量型圧力センサの製造方法の一例を具体的に説明する。

【００３５】まず、単結晶シリコンからなる基板３０表
面にイオン注入あるいは熱拡散によりｐ型またはｎ型の
不純物を高濃度に含有する固定電極４０、固定電極リー
ド４１および固定電極接続端子４２を形成する。次に、
基板３０の表面全域に耐エッチング特性を有する基板保
護膜５０を被覆形成し、この基板保護膜５０の表面に等
方性エッチング特性を有する犠牲膜６０を被覆形成す
る。次に、この犠牲膜６０の受圧領域の周辺部をエッチ
ング除去する。

【００３６】次に、基板３０の主表面の全域に渡って前
記犠牲膜６０を覆うよう第１の絶縁性ダイヤフラム膜７
０を被覆形成する。例えば、前記基板３０に（１００）
方位の単結晶シリコンを使用した場合、前記絶縁性ダイ
ヤフラム膜７０の組成は、シリコン３３ａｔｍ％、アル
ミニウム１７ａｔｍ％、窒素５０ａｔｍ％にする。これ
により、前記絶縁性ダイヤフラム膜７０の熱膨張係数は
（１００）方位の単結晶シリコンからなる基板３０とほ
ぼ等しくなる。

【００３７】次に、前記第１の絶縁性ダイヤフラム膜７
０の表面に半導体膜８０を被覆形成する。例えば、この
半導体膜８０に多結晶シリコン膜を用いる場合、イオン
注入あるいは熱拡散によりｐ型またはｎ型の不純物を高
濃度に含有し、高伝導度特性得るように処理する。

【００３８】次に、受圧領域に形成する可動電極８１
と、受圧領域外に形成する可動電極リード８２、可動電
極接続端子８３の周辺部の半導体膜８０をエッチング除
去する。次に、基板３０の主表面の全域に渡って前記半
導体膜８０を覆うよう第２の絶縁性ダイヤフラム膜９０
を被覆形成する。

【００３９】次に、受圧領域所定位置にて、前記第１の
絶縁性ダイヤフラム膜７０、第２の絶縁性ダイヤフラム
膜９０を貫通して前記犠牲膜６０に到達するよう少なく
とも１個のエッチング液注入口１００を形成する。

【００４０】そして、このエッチング液注入口１００を
介してエッチング液を注入することにより、犠牲膜６０
を全てエッチング除去し、前記基板３０と前記第１の絶
縁性ダイヤフラム膜７０との間に、犠牲膜６０の形状寸
法に従った大きさの圧力基準室２００を形成する。例え
ば、犠牲膜６０に多結晶シリコンを用いた場合、犠牲膜
６０のエッチング除去のために用いるエッチング液はエ
チレンジアミンピロカテコール（ＥＰＷ）溶液を使用す
る。圧力基準室２００の上面側に位置する第１、第２の
絶縁性ダイヤフラム膜７０、９０は、ＥＰＷ溶液に対し
て耐エッチング性を有することからエッチング除去され
ることがない。この結果、圧力基準室２００の上面側に
位置する第１の絶縁性ダイヤフラム膜７０、半導体膜８
０および第２の絶縁性ダイヤフラム膜９０との積層膜
は、可動ダイヤフラム４００として機能することにな
る。

【００４１】次に、第２の絶縁性ダイヤフラム膜９０を
貫通して可動電極接続端子８２に達する可動電極接続孔
１１０と、第２の絶縁性ダイヤフラム膜９０、第１の絶
縁性ダイヤフラム膜７０および基板保護膜５０を貫通し
て固定電極接続端子４２に達する固定電極接続孔１３０
を形成する。

【００４２】次に、基板３０の表面全域にアルミニウム
を被覆形成し、第１の配線１５０および第２の配線１６
０領域の周辺部のアルミニウムをエッチング除去する。
これにより、可動電極８１は可動電極接続孔１１０、第
１の配線１５０を介して可動電極出力端子１２０に接続
され、固定電極４０は固定電極接続孔１３０、第２の配
線１６０を介して固定電極出力端子１４０に接続され
る。

【００４３】次に、この静電容量型圧力センサを絶対圧
測定タイプとして用いる場合には真空雰囲気において、
基板３０の表面全域にエッチング液注入口１００が密封
封止できる程度の厚さの絶縁物からなる封止材料を被覆
形成する。最後に、フォトエッチングで不要部分を除去
して封止キャップ３００を形成すると同時に、可動電極
出力端子１２０、固定電極出力端子１４０を開口するこ
とにより絶対圧力測定タイプの静電容量型圧力センサが
得られる。

【００４４】（第１実施形態）次に、第１実施形態の静
電容量型圧力センサについて、上述した基本的構成例の
説明において使用した図１〜４に基づいて説明する。

【００４５】本実施形態の静電容量型圧力センサにおい
て、基板３０としては、ｎ型の（１００）方位の単結晶
シリコン基板を用いる。

【００４６】まず、単結晶シリコン基板３０の主表面に
不純物としてボロンをイオン注入法を用いて高濃度に含
有するよう添加、拡散し、ｐ型半導体に処理された深さ
３μｍの固定電極４０、固定電極リード４１および固定
電極接続端子４２を形成する。次に、単結晶シリコン基
板３０の表面全域に、耐エッチング特性を有する基板保
護膜５０として、熱酸化膜を１００ｎｍに被覆形成す
る。

【００４７】そして、この基板保護膜５０の表面には、
受圧領域を覆うように犠牲膜６０を形成する。なお、こ
の犠牲膜６０は、後工程で除去される。本実施形態にお
いて、この犠牲膜６０は減圧ＣＶＤ法により成膜された
厚さ２００ｎｍの多結晶シリコンを用いている。次に、
単結晶シリコン基板３０の主表面には、その全域に渡っ
て犠牲膜６０を覆うよう第１の絶縁性ダイヤフラム膜７
０としてシリコン、アルミニウム、窒素から構成された
薄膜材料を膜厚６５０ｎｍに被覆形成する。

【００４８】この第１の絶縁性ダイヤフラム膜７０の表
面上に、半導体膜８０として、多結晶シリコンを膜厚２
００ｎｍに成膜する。さらに、この半導体膜８０には、
フォトエッチングにより可動電極８１、可動電極リード
８２および可動電極接続端子８３を形成する。本実施形
態において、この半導体膜８０として用いられる多結晶
シリコン膜は、ボロンをイオン注入法を用いて高濃度に
含有するよう添加、拡散したｐ型半導体に処理されてい
る。

【００４９】さらに、単結晶シリコン基板３０の主表面
の全域に渡ってこの半導体膜８０を覆うよう第２の絶縁
性ダイヤフラム膜９０としてシリコン、アルミニウム、
窒素から構成された薄膜材料を膜厚６５０ｎｍに被覆形
成する。本実施形態において、第１の絶縁性ダイヤフラ
ム膜７０、第２の絶縁性ダイヤフラム膜９０は、シリコ
ン３３ａｔｍ％、アルミニウム１７ａｔｍ％、窒素５０
ａｔｍ％組成の薄膜材料が用いられている。

【００５０】そして、受圧領域所定位置にて、第１の絶
縁性ダイヤフラム膜７０、第２の絶縁性ダイヤフラム膜
９０を貫通して犠牲膜６０に到達する直径５μｍのエッ
チング液注入口１００をフォトエッチングにより開口形
成する。形成されたエッチング液注入口１００を介して
エッチング液を注入することにより、当初形成されてい
た犠牲膜６０は全てエッチング除去され、圧力基準室２
００となる空洞が形成される。

【００５１】本実施形態においては、前記エッチング液
はエチレンジアミンピロカテコール（ＥＰＷ）溶液が用
いられている。このとき、圧力基準室２００の下面側に
位置する基板保護膜５０、上面側に位置する第１、第２
の絶縁性ダイヤフラム膜７０、９０は、ＥＰＷ溶液に対
して耐エッチング性を有することからエッチング除去さ
れることがない。従って、圧力基準室２００の上面側に
位置する第１の絶縁性ダイヤフラム膜７０、半導体膜８
０および第２の絶縁性ダイヤフラム膜９０との積層膜
は、可動ダイヤフラム４００として機能することにな
る。

【００５２】次に、第２の絶縁性ダイヤフラム膜９０を
貫通して可動電極接続端子８３に達する可動電極接続孔
１１０と、第２の絶縁性ダイヤフラム膜９０、第１の絶
縁性ダイヤフラム膜７０および基板保護膜５０を貫通し
て固定電極接続端子４２に達する固定電極接続孔１３０
をフォトエッチングにより開口形成する。

【００５３】さらに、単結晶シリコン基板３０の第２の
絶縁性ダイヤフラム膜９０上の所定部分には、第１の配
線１５０および第２の配線１６０を形成する。これら配
線は、単結晶シリコン基板３０の表面全域に真空蒸着あ
るいはスパッタリングにより、アルミニウムが１μｍの
膜厚で被覆形成し、不要部分のアルミニウムをフォトエ
ッチングにより除去して形成する。このとき、可動電極
８１は可動電極接続孔１１０、第１の配線１５０を介し
て可動電極出力端子１２０に接続され、固定電極４０は
固定電極接続孔１３０、第２の配線１６０を介して固定
電極出力端子１４０に接続される（図３、４参照）。

【００５４】さらに、単結晶シリコン基板３０の所定に
部分には、エッチング液注入口１００を封止キャップを
含む封止部材を形成する。この封止部材を形成する場合
には、まずほぼ真空状態でのプラズマＣＶＤ法により、
窒化シリコン膜からなる封止材料を単結晶シリコン基板
３０の表面全域にエッチング液注入口１００が密封封止
できる程度の厚さに堆積する。そして、フォトエッチン
グで不要部分を除去して封止キャップ３００を形成する
と同時に、可動電極出力端子１２０、固定電極出力端子
１４０の一部を開口形成する。このようにすることによ
り、圧力基準室２００はその内部が真空状態に保たれた
まま密封封止されることになり、可動ダイヤフラム４０
０に印加される絶対圧力を測定することができる。

【００５５】本実施形態においては、可動ダイヤフラム
４００の直径および膜厚は、それぞれ１００μｍ、１．
５μｍと小さく、精度よく形成されている。このセンサ
は、１００ｋＰａの絶対圧力に対して、静電容量変化は
１×１０^-14 Ｆ（ファラド）以上、非直線性は±２％
Ｆ．Ｓ．以下であり、しかも、−３０〜１００℃の温度
範囲において、零点、感度の温度係数は±０．０２％／
℃以下と優れた温度特性を有することが実験により確認
された。

【００５６】以上説明したように、本実施形態の静電容
量型圧力センサによれば、小型であり、かつ零点、感度
の温度依存性が小さい静電容量型圧力センサを実現可能
であることが理解される。なお、この実施形態において
は、基板３０としてｎ型の（１００）方位の単結晶シリ
コン基板を用い、第１、第２の絶縁性ダイヤフラム膜７
０、９０としてシリコン３３ａｔｍ％、アルミニウム１
７ａｔｍ％、窒素５０ａｔｍ％組成の薄膜材料を用いた
組み合わせを使用した。しかし、シリコン、アルミニウ
ム、窒素および酸素で構成される薄膜材料は膜中のそれ
らの組成を変化させることにより、熱膨張係数の制御が
可能である。

【００５７】表１には、シリコン、アルミニウム、窒素
および酸素の組成を変えた薄膜材料の熱膨張係数の測定
結果を示す。

【００５８】

【表１】 ここで、試料Ｎｏ．１〜８の薄膜材料の組成は、Ｘ線光
電子分光法により定量した。また、熱膨張係数は単結晶
シリコン基板上に試料Ｎｏ．１〜８の薄膜材料を形成
し、温度変化による単結晶シリコン基板の反り量に基づ
いて求めた。

【００５９】表１に示されるように、シリコン、アルミ
ニウム、窒素および酸素で構成される薄膜材料の熱膨張
係数は３．５×１０^-6／℃〜４．１×１０^-6／℃の範囲
で制御できることがわかる。このことから、３．５×１
０^-6／℃〜４．１×１０^-6／℃の範囲の熱膨張係数を有
する基板であれば、第１、第２の絶縁性ダイヤフラム膜
７０、９０の組成を変化させることにより、零点、感度
の温度依存性が小さい静電容量型圧力センサを実現可能
であることがわかる。

【００６０】（第２実施形態）次に、本発明の好適な第
２実施形態を説明する。なお、前記第１実施形態と対応
する部材には同一符号を付し、その説明は省略する。

【００６１】図５は本発明に係わる静電容量型圧力セン
サの好適な第２実施形態を示した平面図であり、図６
は、図５のＤ−Ｅ線に沿った断面図である。

【００６２】まず、単結晶シリコン基板３０の主表面
に、固定電極４０、固定電極リード４１および固定電極
接続端子４２を形成する。また、この単結晶シリコン基
板３０の表面全域に厚さ１００ｎｍの熱酸化膜からなる
基板保護膜５０を被覆形成する。そして、この基板保護
膜５０上の受圧領域を覆うように厚さ２００ｎｍの多結
晶シリコンからなる犠牲膜６０を形成し、次にこの犠牲
膜６０のダイヤフラム固定部１７０に相当する領域に、
不純物としてボロンを熱拡散あるいはイオン注入法を用
いて添加、拡散し、不純物濃度が１×１０²⁰／ｃｍ³ 以
上のｐ型半導体領域を形成する。これにより、ダイヤフ
ラム固定部１７０に相当する領域は耐エッチング特性を
有し、不純物を添加、拡散しない領域の犠牲膜６０は、
等方性エッチング特性を有する。なお、犠牲膜６０は後
で除去する。

【００６３】次に、第１実施形態と同様に第１の絶縁性
ダイヤフラム膜７０と半導体膜８０を成膜する。本実施
形態において、この半導体膜８０をフォトエッチングす
ることにより、可動電極８１、可動電極リード８２、可
動電極接続端子８３、基準電極１８０、基準電極リード
１８１および基準電極接続端子１８２が形成される。可
動電極８１は、受圧領域の前記ダイヤフラム固定部１７
０の内側に形成されており、前記基準電極１８０は受圧
領域の前記ダイヤフラム固定部１７０の外側に形成され
ている。なお、この可動電極８１と基準電極１８０は同
一面積になるよう形成されている。

【００６４】次に、単結晶シリコン基板３０の主表面の
全域に渡ってこの半導体膜８０を覆うよう第２の絶縁性
ダイヤフラム膜９０が被覆形成し、エッチング液注入口
１００を開口する。このエッチング液注入口１００を介
してエチレンジアミンピロカテコール（ＥＰＷ）エッチ
ング液を注入することにより、耐エッチング特性を有す
るよう処理しなかった領域の犠牲膜６０がエッチング除
去され、ダイヤフラム固定部１７０と圧力基準室２００
となる空洞が形成される。これにより、受圧領域内にお
けるダイヤフラム固定部１７０の外側領域は剛性が高く
なり、被測定圧力に対してたわみにくい領域となる。こ
の領域に基準電極１８０が形成されている。

【００６５】次に、第２の絶縁性ダイヤフラム膜９０を
貫通して可動電極接続端子８３に達する可動電極接続孔
１１０と、基準電極接続端子１８２に達する基準電極接
続孔１８５と、第２の絶縁性ダイヤフラム膜９０、第１
の絶縁性ダイヤフラム膜７０および基板保護膜５０を貫
通して固定電極接続端子４２に達する固定電極接続孔１
３０をフォトエッチングにより開口形成する。次に、単
結晶シリコン基板３０の表面全域に厚さ１μｍのアルミ
ニウムを被覆形成し、フォトエッチングにより、第１の
配線１５０、第２の配線１６０および第３の配線１９０
を形成する。その後、前記第１実施形態と同様に、封止
キャップ３００を形成し、可動電極出力端子１２０、固
定電極出力端子１４０および基準電極出力端子１８３の
一部を開口形成する。

【００６６】ここで、本実施形態においては、直径１５
０μｍの受圧領域内にダイヤフラム固定部１７０の支持
による直径１００μｍ、膜厚１．５μｍの可動ダイヤフ
ラム４００が形成されている。そして、可動電極８１と
固定電極４０とで圧力検出キャパシタＣｘを形成し、基
準電極１８０と固定電極４０とで基準キャパシタＣｒを
形成している。従って、圧力検出キャパシタＣｘと基準
キャパシタＣｒは同一材料で構成され、しかも近接して
形成されているため、温度特性はほぼ等しくなる。

【００６７】容量変化を検出する方法の１つに容量を電
圧に変換する充放電タイプのスイッチドキャパシタ回路
がある。図７にスイッチドキャパシタ型容量検出回路を
示す。

【００６８】この回路では、４つのスイッチＳＷ１〜Ｓ
Ｗ４を有しており、この４つのスイッチＳＷ１〜ＳＷ４
が、所定以上の周波数のクロック信号によって、切り換
えられる。ＳＷ１とＳＷ２は、圧力検出キャパシタＣｘ
と基準キャパシタＣｒの一端をアースまたは電源Ｖｐに
交互に接続する。すなわち、いずれか一方のキャパシタ
ＣｘまたはＣｒをアースに接続し、他方を電源Ｖｐに接
続する。

【００６９】圧力検出キャパシタＣｘおよび基準キャパ
シタＣｒの他端は、オペアンプの負入力端に接続されて
いる。なお、正入力端は、アースに接続されている。ま
た、このオペアンプの出力端と負入力端の間には、フィ
ードバックキャパシタＣｆとスイッチＳＷ３とが並列し
て接続されている。そして、オペアンプの出力がスイッ
チＳＷ４を介し出力端に接続されている。なお、出力端
には、他端がアースに接続された平滑用のコンデンサＣ
０が接続されている。なお、図示の例では、スイッチＳ
Ｗ１が電源Ｖｐに接続されているときには、ＳＷ２がア
ースに接続され、ＳＷ３がオン、ＳＷ４がオフとなり、
スイッチＳＷ２が電源Ｖｐに接続されているときには、
ＳＷ１がアースに接続され、ＳＷ３がオフ、ＳＷ４がオ
ンになる。

【００７０】スイッチドキャパシタ回路では、スイッチ
ングにより、Ｃｘ，Ｃｒ，Ｃｆは、実質的に抵抗とし、
オペアンプの増幅率は、入力側の容量（２つの容量Ｃ
ｘ，Ｃｒが交互に接続されるため、この差）と、帰還側
の容量の比で決定される。そこで、このスイッチドキャ
パシタ回路の出力電圧をＥ０とすると、このＥ０は、Ｅ
０＝Ｖｐ（Ｃｘ−Ｃｒ）／Ｃｆで表わされ、出力電圧Ｅ
０は２つのキャパシタＣｘ，Ｃｒの容量差に比例する。
従って、出力電圧Ｅ０を検出することで、２つのキャパ
シタＣｘ、Ｃｒの容量差を検出することができ、これに
よって印加された圧力を検出できる。

【００７１】従って、本実施形態のセンサをこのスイッ
チドキャパシタ型容量検出回路に接続してセンサ特性を
評価した結果、出力特性は１００ｋＰａの絶対圧力に対
して、出力電圧は２０ｍＶ以上、非直線性は−２％Ｆ．
Ｓ．以下であり、温度特性は−３０〜１００℃の温度範
囲において、零点、感度の温度係数は±０．０１％／℃
以下と、優れた温度特性を有することが実験により確認
された。

【００７２】このように、本実施形態では、受圧領域
に、可動電極８１を取り囲む形で基準電極１８０を形成
し、両者の境目にダイヤフラム固定部１７０を設ける。
これによって、可動電極８１により圧力検出キャパシタ
Ｃｘが形成され、基準電極１８０によって、基準キャパ
シタＣｒが形成される。そして、２つのキャパシタＣ
ｘ、Ｃｒの容量差を検出することで、圧力変化を検出で
きる。特に、隣接する２つのキャパシタは、ほぼ同一の
温度になるため、圧力検出値に対する温度の影響をほぼ
完全に排除することができる。また、ダイヤフラム固定
部１７０を設けることによって、基準電極１８０の圧力
による変形を防止することができ、２つのキャパシタに
おける容量差を十分なものに維持できる。

【００７３】（第３実施形態）図８には、本発明の第３
実施形態に係わる静電容量型圧力センサの平面図が示さ
れている。

【００７４】本実施形態の特徴的事項は、静電容量型圧
力センサと、集積化した容量検出回路とを一体化したこ
とにある。

【００７５】実施形態においては、単結晶シリコン基板
３０の所定位置に、第２実施形態で説明した静電容量型
圧力センサ５００が形成されている。更に、この単結晶
シリコン基板３０上には半導体製造技術を用いて回路部
６００が形成されている。この回路部６００は、上述の
容量変化を電圧に変換するスイッチドキャパシタ型容量
検出回路から構成されている。

【００７６】静電容量型圧力センサ５００の固定電極４
０、可動電極８１および基準電極１８０は、それぞれ固
定電極出力端子１４０、可動電極出力端子１２０および
基準電極出力端子１８３を介して回路部６００に接続さ
れている。

【００７７】このように、回路部分も同一基板上に集積
することで、１つの半導体加工プロセスによって、電気
的出力が得られる静電容量型圧力センサを製造すること
ができ、集積回路と一体化した、いわゆる集積化センサ
を得ることができる。

【００７８】

【発明の効果】以上の説明より明らかなように、本発明
の静電容量型圧力センサは基板の熱膨張係数とほぼ等し
い薄膜材料をダイヤフラムに使用しているため、零点、
感度の温度依存性が小さい。また、半導体プロセスの薄
膜形成技術や犠牲膜のエッチング技術を用いて、可動ダ
イヤフラムが高い精度で形成でき、キャパシタを構成す
る対向電極の狭い間隙の形成が容易になり、静電容量型
圧力センサの小型化が可能となる。しかも、全て基板の
片面の加工処理により製作できるため、集積回路とを一
体化した、いわゆる集積化センサの製造に極めて好適な
ものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係わる静電容量型圧力センサの第１
実施形態を示す平面図である。

【図２】 図１に示す静電容量型圧力センサの断面図で
ある。

【図３】 図２に示す静電容量型圧力センサの可動電極
部分の断面図である。

【図４】 図２に示す静電容量型圧力センサの固定電極
電極部分の断面図である。

【図５】 本発明に係わる静電容量型圧力センサの第２
実施形態を示す平面図である。

【図６】 図５に示す静電容量型圧力センサの断面図で
ある。

【図７】 容量検出回路の構成を示した回路図である。

【図８】 本発明に係わる静電容量型圧力センサの第３
実施形態を示す平面図である。

【図９】 従来の静電容量型圧力センサの断面図であ
る。

【符号の説明】

３０ 基板、４０ 固定電極、６０ 犠牲膜、７０ 絶
縁性ダイヤフラム膜、８１ 可動電極、２００ 圧力基
準室、３００ 封止キャップ、４００ 可動ダイヤフラ
ム。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板の主表面に形成された固定電極上に
   圧力基準室を設け、前記圧力基準室を覆うよう前記基板
   の主表面側に被覆形成された絶縁性ダイヤフラム膜の受
   圧領域に導電性膜から成る可動電極を形成した静電容量
   型圧力センサにおいて、 前記絶縁性ダイヤフラム膜は少なくともシリコン、アル
   ミニウム、窒素を含む絶縁性材料で構成されていること
   を特徴とする静電容量型圧力センサ。
2. 【請求項２】 前記絶縁性ダイヤフラム膜は、シリコン
   １０〜４０ａｔｍ％、アルミニウム１０〜４０ａｔｍ
   ％、窒素３０〜５０ａｔｍ％を含むと共に、酸素の含有
   量は２５ａｔｍ％以下であることを特徴とする請求項１
   に記載の静電容量型圧力センサ。
3. 【請求項３】 主表面に固定電極が形成された基板と、 前記基板の主表面上に形成され、受圧領域において前記
   主表面から所定距離離隔し、圧力基準室を区画形成する
   第１の絶縁性ダイヤフラム膜と、 前記第１の絶縁性ダイヤフラム膜の受圧領域に形成され
   た導電性膜から成る可動電極と、 前記可動電極を覆うよう前記基板の主表面上に被覆形成
   された第２の絶縁性ダイヤフラム膜と、 前記第２の絶縁性ダイヤフラム膜と前記第１の絶縁性ダ
   イヤフラム膜を貫通して前記圧力基準室に到達するよう
   形成された少なくとも１個の開口と、 前記少なくとも１個の開口を封止して、前記圧力基準室
   を密封する封止部材と、 を含むことを特徴とする静電容量型圧力センサ。
4. 【請求項４】 前記第１および第２の絶縁性ダイヤフラ
   ム膜は、少なくともシリコン、アルミニウム、窒素を含
   む材料で構成されていることを特徴とする請求項３に記
   載の静電容量型圧力センサ。
5. 【請求項５】 前記第１と第２の絶縁性ダイヤフラム膜
   は、シリコン１０〜４０ａｔｍ％、アルミニウム１０〜
   ４０ａｔｍ％、窒素３０〜５０ａｔｍ％を含むと共に、
   酸素の含有量は２５ａｔｍ％以下であることを特徴とす
   る請求項４に記載の静電容量型圧力センサ。
6. 【請求項６】 前記可動電極を包囲するよう前記第１の
   絶縁性ダイヤフラム膜の受圧領域に形成された基準電極
   と、前記第１の絶縁性ダイヤフラム膜と前記基板の間の
   一部に形成されたダイヤフラム固定部と、を含むことを
   特徴とする請求項３〜５のいずれか１つに記載の静電容
   量型圧力センサ。
7. 【請求項７】 基板の主表面に固定電極を形成する工程
   と、 基板の主表面の受圧領域を覆う犠牲膜を形成する工程
   と、 前記犠牲膜を覆うように、前記基板の主表面上に第１の
   絶縁性ダイヤフラム膜を形成する工程と、 前記第１の受圧領域に導電性膜からなる可動電極を構成
   する工程と、 この可動電極を覆うように第２の絶縁性ダイヤフラム膜
   を形成する工程と、 この第２の絶縁性ダイヤフラム膜と前記第１の絶縁性ダ
   イヤフラム膜を貫通して前記犠牲膜に到達するように、
   少なくとも１個のエッチング液注入口を形成する工程
   と、 前記エッチング液注入口を介して前記犠牲膜をエッチン
   グ除去することにより圧力基準室を形成する工程と、 前記圧力基準室を所望の圧力状態を保持するように、前
   記エッチング注入口を密封する工程と、 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。