JPH1030907A

JPH1030907A - 薄膜素子及びその製造方法

Info

Publication number: JPH1030907A
Application number: JP8187349A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Sakai; 淳阪井; Takashi Hatai; 崇幡井
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1996-07-17
Filing date: 1996-07-17
Publication date: 1998-02-03

Abstract

(57)【要約】【課題】高いゲージ率と高い抵抗率とを有し、かつ、
小型のダイヤフラム上にも容易に加工ができる薄膜素子
及びその製造方法を提供する。【解決手段】金属基板１上にプラズマＣＶＤ法により
シリコン酸化膜２を形成し、シリコン酸化膜２上に、電
子ビーム蒸着法を用いて、Ｃｒと酸素を主体とし、か
つ、酸素含有量が３２〜４５％となる薄膜歪みゲージ３
を形成し、薄膜歪みゲージ３の端末部に、アルミニウム
（Ａｌ）から成る電極配線４を形成する。そして、金属
基板１の電極配線４が形成された面側に、プラズマＣＶ
Ｄ法によりシリコン酸化膜５を形成し、電極配線４上の
シリコン酸化膜５にエッチングによりコンタクトホール
６を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、薄膜素子及びその
製造方法に関するものであり、特に金属ダイヤフラム上
に形成される薄膜歪みゲージ及びその製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】これまで開発された代表的な薄膜歪みゲ
ージとしては、シリコン（Ｓｉ）やゲルマニウム（Ｇ
ｅ）から成る半導体薄膜（特開昭６１−７０７１６号公
報等）や、クロム（Ｃｒ）合金等から成る金属薄膜（特
公平６−６６１６２号公報等）がある。半導体薄膜は、
ゲージ率は高いが、抵抗温度係数が大きいという欠点が
あり、金属薄膜は、抵抗温度係数は小さいが、ゲージ率
が低いという欠点がある。

【０００３】上述の薄膜歪みゲージの代表的な応用分野
としては、圧力センサがあり、圧力センサには、Ｓｉ微
細加工によるＳｉダイヤフラム型圧力センサと、耐腐食
性に優れ、超高圧に耐える金属ダイヤフラム型圧力セン
サがある。

【０００４】ここで、金属ダイヤフラム型圧力センサと
しては、ダイヤフラム部分に歪みゲージを接着剤で貼り
付ける方式と、金属ダイヤフラムの変位をシリコンオイ
ルを介して薄膜歪みゲージに伝える２重ダイヤフラム方
式とがある。また、上述の２つの方式に対して、より高
精度でシンプルな構造を持つタイプとして、金属ダイヤ
フラム上に絶縁膜を介して薄膜歪みゲージを形成する方
法も既に実用化されている。

【０００５】このような金属ダイヤフラム型圧力センサ
においても、更なる高信頼化，低コスト化の要望があ
り、そのためには高感度，高信頼性，製造が容易な薄膜
歪みゲージが望まれている。

【０００６】そこで、最近ではクロム（Ｃｒ）を主体と
した薄膜歪みゲージが、高いゲージ率を要する材料とし
て注目を集めている。代表的なものとして、特公平７−
５４２８１号公報には、ＣｒＭｏ合金をスパッタリング
によって成膜することによりゲージ率が１０以上の薄膜
歪みゲージを生成できることが示されており、特公平６
−６６１６２号公報には、Ｃｒ（６０〜９８原子％），
酸素（２〜３０原子％），その他の添加金属（０〜１０
原子％）から成る合金薄膜を２元スパッタリングによっ
て成膜することによりゲージ率５以上，抵抗温度係数±
１００ｐｐｍ以下の薄膜歪みゲージを生成できることが
示されている。また、特開平６−２１３６１３号公報に
は、クロム（Ｃｒ）を成膜後、４００℃以上でアニール
し、ｂｃｃクロムと三方晶Ｃｒ₂Ｏ₃から成る薄膜歪みゲ
ージとしてゲージ率２０以上のものが示されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上述のよう
なクロム（Ｃｒ）を主体とする薄膜歪みゲージにおいて
は、抵抗率が低いという問題点があった。

【０００８】一般的に、圧力センサのインピーダンスは
数ｋΩになるよう調整されており、半導体薄膜の場合、
ドーピング濃度により抵抗率を幅広く制御することが可
能であり、例えば、３ｋΩの抵抗を作る場合、抵抗率を
１０^-2Ω・cm，膜厚を０．１μｍとすると、長さ／幅の
比は３になる。

【０００９】しかし、上述のクロム（Ｃｒ）を主体とす
る薄膜歪みゲージの抵抗率は、１０ ^-6〜１０^-4Ω・cmで
あり、例えば、圧力センサのダイヤフラム上にホイート
ストンブリッジ状に抵抗体を４個形成しようとした場
合、膜厚を０．１μｍとすると、抵抗体の占める面積が
大きくなりすぎて通常の大きさのダイヤフラムでは使え
ないという問題があった。

【００１０】また、ダイヤフラム上では場所によって歪
み量，歪み方向が異なるため、抵抗体の面積が小さいほ
うがより最適な位置に抵抗体を配置することができる。

【００１１】そこで、クロム（Ｃｒ）を主体とする薄膜
歪みゲージでは、面積を抑えるため、加工寸法を１０μ
ｍ前後のレベルにしなければならず、Ｓｉプロセスなら
１０μｍルールの加工は容易だが、金属ダイヤフラムの
場合は、切削加工によるダイヤフラムにしても、大面積
ＳＵＳ基板を用いる場合であっても、装置に様々な制約
があり加工寸法を１０μｍのレベルにするのが困難であ
り、特に６ｍｍφ以下の小型のダイヤフラムには適用が
困難であった。

【００１２】また、酸化Ｃｒは、真空蒸着中の雰囲気に
酸素を導入することにより成膜する。しかし、真空蒸着
は装置構成が単純で、生産処理能率も高いという利点が
ある反面、Ｃｒ原料を加熱昇華させる時、Ｃｒ原料自身
の酸素と反応するので、酸素導入圧が変動し安定した組
成が得られないという問題があった。

【００１３】本発明は、上記の点に鑑みて成されたもの
であり、その目的とするところは、高いゲージ率と高い
抵抗率とを有し、かつ、小型のダイヤフラム上にも容易
に加工ができる薄膜素子及びその製造方法を提供するこ
とにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
Ｃｒ及び酸素を主体とする薄膜素子において、酸素含有
量が３２〜４５原子％であることを特徴とするものであ
る。

【００１５】請求項２記載の発明は、Ｃｒ及び酸素を主
体とし、電子ビーム蒸着法を用いて製造する薄膜素子の
製造方法であって、純度９９％以上のＣｒを蒸着源とし
て用い、電子ビーム発生前はチャンバ内の酸素導入圧を
８×１０^-5〜１×１０^-3Torrにし、蒸着中はチャンバ内
の酸素導入圧を６×１０^-6〜１×１０^-4Torrに制御して
成膜するようにしたことを特徴とするものである。

【００１６】請求項３記載の発明は、請求項２記載の薄
膜素子の製造方法において、成膜後、３００〜３９０℃
でアニールするようにしたことを特徴とするものであ
る。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態につい
て図面に基づき説明する。図１は、本発明の一実施形態
に係る薄膜歪みゲージを用いた圧力センサを示す略断面
図であり、図２は、本実施形態に係る薄膜歪みゲージの
形成条件を示すテーブルである。本実施形態において
は、特性評価用の金属基板１として、厚さ０．６ｍｍの
ＳＵＳ６３０基板を用いた。先ず、金属基板１上に絶縁
膜としてプラズマＣＶＤ法によりシリコン酸化膜２を約
３μｍ形成し、シリコン酸化膜２上に電子ビーム蒸着法
を用いて、酸化Ｃｒ膜から成る薄膜歪みゲージ３を約
０．１μｍ形成した後、フォトリソグラフィ技術及びエ
ッチング技術を用いて所定形状にパターニングする。な
お、薄膜歪みゲージ３は、図２に示す形成条件により形
成される。

【００１８】ここで、蒸着源として純度が低いＣｒ粒を
用いると、薄膜歪みゲージ３の特性ばらつきが大きくな
るため、本実施形態においては純度９９％以上のＣｒ粒
を用いた。

【００１９】続いて、薄膜歪みゲージ３の端末部に、ア
ルミニウム（Ａｌ）から成る電極配線４を約１μｍ形成
する。なお、電極配線４の形成方法の一例としては、タ
ーゲットにアルミニウムを用いてスパッタリングを行う
ことにより、アルミニウム層を形成し、フォトリソグラ
フィ技術及びエッチング技術を用いて所定形状にパター
ニングする方法がある。

【００２０】次に、金属基板１の電極配線４が形成され
た面側に、プラズマＣＶＤ法によりシリコン酸化膜５を
約０．５μｍ形成し、電極配線４上のシリコン酸化膜５
にエッチングによりコンタクトホール６を形成する。そ
して、製造されたものを矩形に切り出し、コンタクトホ
ール６を介して電極配線４にワイヤボンディングを行っ
て、電気信号を取り出せるようにし、切り出した基板の
一端を固定し、他端を変位させることにより、薄膜歪み
ゲージ３に歪みを与えて特性を評価した。

【００２１】なお、本実施形態における各膜の膜厚は、
本実施形態に示す膜厚に限定されるものではない。

【００２２】以下、図２のテーブルに基づいて、薄膜歪
みゲージ３の特性について説明する。Ｎｏ．１〜３が本
願発明に係る形成条件により形成された薄膜歪みゲージ
３を示し、Ｎｏ．４〜８が比較例である。薄膜歪みゲー
ジ３の材料として、Ｃｒと酸素を主体とする薄膜は既に
知られているが、本願発明は、電子ビーム蒸着法を用い
て従来より多量の酸素を含有させることにより高いゲー
ジ率と高い抵抗率を有する薄膜歪みゲージ３を得ること
ができた。

【００２３】一般的に、電子ビーム蒸着装置は、装置コ
ストが低く、成膜処理能力も高く、最も生産性に優れて
いるが、化合物や合金薄膜を形成する場合、常に一定の
組成の薄膜を得るのが難しいという問題点がある。

【００２４】特に、本願発明のように、酸素雰囲気中で
純度９９％以上のＣｒのような活性な金属を電子ビーム
で加熱した場合、Ｃｒが酸素と反応して雰囲気中の酸素
を吸収してしまうので、蒸着前に設定した酸素導入圧が
変化してしまうという問題が発生する。

【００２５】そこで、本願発明は、電子ビーム発生前の
酸素の導入圧を設定し、蒸着中も酸素導入量を調整して
一定の酸素圧を保つ２段階の調整方法により安定した組
成の薄膜を得ることができた。

【００２６】具体的には、チャンバ内の酸素導入圧を、
電子ビーム発生前に８×１０^-5〜１×１０^-3Torrの範囲
に調整し、蒸着中は６×１０^-6〜１×１０^-4Torrの範囲
に調整することによりＣｒと酸素から成る薄膜歪みゲー
ジ３を成膜する。上述の方法により得られたＣｒと酸素
から成る薄膜歪みゲージ３では、酸素を３２〜４５％含
ませることができ、これにより高いゲージ率と高い抵抗
率とを持たせることができる。

【００２７】なお、酸素の含有率が３２％未満では抵抗
率が低く、４５％を越えると逆に抵抗率が高くなりすぎ
て扱いにくくなるという問題が生じ、また、酸素の含有
率が４５％を超えると成膜後の低温アニールの効果が得
られにくくなるという問題が生じる。

【００２８】また、電子ビーム発生前に酸素を導入せ
ず、蒸着開始と同時に酸素を所定圧導入する方法や、電
子ビーム発生前に過剰の酸素を導入し、蒸着開始時に酸
素導入圧を所定圧に減少させる方法もあるが、いずれも
特性ばらつきが大きくなるため好ましくない。本願発明
では、予め所定量の酸素を導入し、電子ビームを発生さ
せた際に減少する圧力を、その後酸素を再び導入するこ
とにより所定圧に調整する方法をとっているため、繰り
返し再現性が向上する。

【００２９】上述の方法により得られた薄膜歪みゲージ
３の結晶構造をＸ線回折法で調べたところ、酸素導入量
が少ないとＣｒのピークのみが現れ、酸素導入量を増や
すとＣｒのピークが消失し、Ｃｒ₂Ｏ₃とＣｒＯのピーク
が現れた。さらに酸素導入量を増やすとＣｒ₂Ｏ₃のピー
クも消失した。薄膜歪みゲージ３の成膜直後は、Ｃｒと
酸素はアモルファス状態で、アニールすることによって
Ｃｒ₂Ｏ₃に変化させることもできるが、成膜条件によっ
ては成膜直後にＣｒ₂Ｏ₃の結晶を形成することもでき
る。また、Ｃｒはｂｃｃ構造、Ｃｒ₂Ｏ₃は菱面体構造が
最も安定した構造であり、結晶を作れば必ずこの構造が
形成される。

【００３０】なお、Ｃｒ，Ｃｒ₂Ｏ₃のどちらかがアモル
ファス状態であっても実用に十分な特性を示し、特に結
晶構造にこだわる必要はない。

【００３１】また、Ｃｒを主体とする薄膜歪みゲージを
アニールすることにより、抵抗の安定化，ゲージ率の向
上を図ることができるが、金属ダイヤフラムを備える圧
力センサへの応用を考えた場合、できるだけ低温でアニ
ールすることが好ましく、高温だと金属ダイヤフラムに
構造や膨張率に起因する熱歪みを与える。更に、金属基
板上に薄膜歪みゲージ３を形成する場合、金属基板を直
接アニールすると、熱によって金属基板に反りが発生し
たり、高温でアニールした場合に、金属基板上に形成さ
れた膜の熱膨張率の差によって膜の剥がれが生じる。そ
こで、アニール温度としては、金属基板の反りや膜の剥
がれが生じない温度である４００度以下であることが好
ましい。

【００３２】本願発明のように、Ｃｒと酸素を主体とす
る薄膜歪みゲージ３では、４００℃以下の低温アニール
の効果が酸素含有量と関係があり、酸素含有量が４５％
を越える場合には低温アニールをしてもゲージ率の向上
が見られない。また、ゲージ率向上の効果を得るために
は、アニール温度とアニール時間との間に関連があり、
アニール温度が３９０℃では数時間でゲージ率向上の効
果が得られるが、３５０℃であれば１０時間以上、３０
０℃未満では相当の時間アニールしてもゲージ率向上の
効果が得られず、実用的でない。そこで、本願発明にお
いては、アニール温度を３００〜３９０℃に設定した。

【００３３】但し、抵抗安定化は２００〜３００℃でも
なされ、これでもゲージ率７〜１２が得られるので、実
用的には十分である。

【００３４】なお、本実施形態においては、電子ビーム
蒸着法によりクロム及び酸素を主体とする薄膜素子を形
成したが、これに限定される必要はなく、スパッタリン
グにより形成するようにしても良い。

【００３５】

【発明の効果】請求項１記載の発明は、Ｃｒ及び酸素を
主体とする薄膜素子において、酸素含有量が３２〜４５
原子％としたことにより、高いゲージ率と高い抵抗率と
を有し、かつ、小型のダイヤフラム上にも容易に加工が
できる薄膜素子を提供することができた。

【００３６】請求項２記載の発明は、Ｃｒ及び酸素を主
体とし、電子ビーム蒸着法を用いて製造する薄膜素子の
製造方法であって、純度９９％以上のＣｒを蒸着源とし
て用い、電子ビーム発生前はチャンバ内の酸素導入圧を
８×１０^-5〜１×１０^-3Torrにし、蒸着中はチャンバ内
の酸素導入圧を６×１０^-6〜１×１０^-4Torrに制御して
成膜するようにしたことにより、高いゲージ率と高い抵
抗率とを有し、かつ、小型のダイヤフラム上にも容易に
加工ができる薄膜素子の製造方法を提供することができ
た。

【００３７】請求項３記載の発明は、請求項２記載の薄
膜素子の製造方法によって製造された薄膜素子を、３０
０〜３９０℃でアニールすることにより、ゲージ率を向
上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る薄膜歪みゲージ素子
を示す略断面図である。

【図２】本実施形態に係る薄膜歪みゲージの形成条件を
示すテーブルである。

【符号の説明】

１金属基板２シリコン酸化膜３薄膜歪みゲージ４電極配線５シリコン酸化膜６コンタクトホール

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 29/78 ６２７Ｆ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｃｒ及び酸素を主体とする薄膜素子にお
いて、酸素含有量が３２〜４５原子％であることを特徴
とする薄膜素子。
【請求項２】Ｃｒ及び酸素を主体とし、電子ビーム蒸
着法を用いて製造する薄膜素子の製造方法であって、純
度９９％以上のＣｒを蒸着源として用い、電子ビーム発
生前はチャンバ内の酸素導入圧を８×１０^-5〜１×１０
^-3Torrにし、蒸着中はチャンバ内の酸素導入圧を６×１
０^-6〜１×１０^-4Torrに制御して成膜するようにしたこ
とを特徴とする薄膜素子の製造方法。
【請求項３】前記成膜後、３００〜３９０℃でアニー
ルするようにしたことを特徴とする薄膜素子の製造方
法。