JPH10508090A - 誘電的に分離した共振マイクロセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 共振ひずみゲージが、シリコン基板と、両端が基板に固定されたポリシリコン撓みビームと、基板と相俟って撓みビームを密閉真空室内に封じ込めるポリシリコン剛体カバーとを備える。カバーに上部バイアス電極を形成し、撓みビームの直下の基板内のトラフの底部には下部バイアス電極を形成する。撓みビームの上面に付着させた窒化シリコン薄膜層の上に形成された励振電極と圧電抵抗素子がビームによって支持される。第２の窒化シリコン層が励振電極と圧電抵抗素子を被い、第１の窒化シリコン層と相俟って励振電極と圧電抵抗素子を誘電的に封じる。窒化シリコンはさらにビームの外側に向かって、ビームを含むポリシリコン層とカバーの間の場所まで伸び、カバーを撓みビームから分離する。上部窒化シリコン層の上にパッシベーション層としてポリシリコン膜を付着させ、ゲージの製作中に窒化シリコンを保護する。ゲージを製作する工程は、撓みビーム、電気回路素子、および真空室を規定する選択的エッチングと組み合わせて、減圧化学気相付着によって様々なポリシリコンと窒化シリコン層を加える一連のステップを含む。

Description

【発明の詳細な説明】 誘電的に分離した共振マイクロセンサ 発明の背景 本発明は共振ビームを使用して、ビームにそって誘起されたひずみに基づいて 加速度、圧力、温度およびその他の変数を測定するトランスデューサに関し、具 体的には、前記ビーム上に形成された誘電的に分離した回路素子を使用してビー ムを振動させ、共振周波数を検出することに係わる。 共振センサは、高精度の測定値を得る手段として周知である。精密加速時計や 圧力センサでは、振動トランスデューサが使用されてきた。これらのセンサは、 固有振動周波数（すなわち振動ビームの共振周波数）がビームに誘起されたひず みの関数であるという原理に基づいて動作する。ビームを伸張させる引張り力は ビームの共振周波数を増加させるが、ビームを圧縮またはその他の方法で収縮さ せる力はビームの固有周波数を減少させる。共振ゲージの周波数出力は、たとえ ば、カウンタと基準クロックを使用して、測定パラメタを反映するデジタル示度 に容易に変換することができる。したがって、このようなデバイスは単純で信頼 性があり、高い感度限界を示すと同時に、デジタル信号処理回路との間で使用さ れるインタフェースが比較的単純である。 米国特許第５０９０２５４号（グッケルら）は、基板に関係する振動のために 基板に取り付けられたポリシリコン・ビームと、ビームを囲み、基板に装着され て密閉され真空化された空洞を形成するポリシリコン・シェルを備えた共振ビー ムトランスデューサを開示している。ビームは、シェル上の電極に振動電圧を加 えることによって振動させる。 このタイプの１つの特に有効なデバイスは、ハネウェル社に譲渡されたRESONA NT GAUGE WITH MICROBEAM DRIVEN IN CONSTANT ELECTRIC FIELD という名称の米 国特許第５２７５０５５号で開示されている共振一体型マイクロビーム・センサ である。この振動トランスデューサは、両端がシリコン基板に取り付けられ、基 板と剛体ポリシリコンのカバーとによって形成された真空室内に封入された細長 いポリシリコン撓みビームである。一方が基板内に形成され、他方が剛体カバー 内に形成されている、ビームの向かい合った側にある１対のバイアス電極が相俟 って撓みビームの周囲に一定の電界を生じさせる。撓みビーム上の励振電極に選 択的に荷電してビームを振動させる。撓みビームには圧電抵抗素子も形成されて おり、ビーム位置を検出して、励振オシレータを制御するためのビーム位置信号 を発生する。したがって、ビームはビームの固有共振周波数で振動することにな る。 センサは、圧力に応答する可撓性ダイヤフラム、または加速度計のビームに沿 って撓み部材の位置決めをするように取り付けることができる。そのように位置 決めすると、ビームは、圧力差および加速度にそれぞれ応答してダイヤフラムま たはビームが振動するに従って伸張と収縮を交互に繰り返す。励振電極と圧電抵 抗素子は、硼素イオン注入によってポリシリコン撓みビーム内に形成することが できる。 このセンサは、多くの用途で有効であり正確であるが、励振電極と圧電抵抗素 子との間、およびこれらの構成要素とバイアス電極の間の寄生容量による漏れ電 流からの寄生結合の影響を受けやすい。この問題は、撓みビームの小型化と、そ れに対応して圧電抵抗素子と励振電極を物理的に分離するために使用可能な空間 が縮小されるに伴って大きくなる。寄生結合に対処する１つの手法は、前記の米 国特許第５２７５０５５号の第１０図に示されている。撓みビームの励振電極と 圧電抵抗素子の間に遮蔽電極１３６が注入される。これには当然撓みビーム上に 追加空間を必要とする。 イオン注入で圧電抵抗素子と励振電極を形成することによって、いくつかの問 題が生ずる。横方向への拡散のため、圧電抵抗素子と励振電極のサイズとインピ ーダンスを精確かつ再現可能に決定することが難しい。また、熱過渡効果によっ て、高温でのトランスデューサの有効性が制約される。最後に、不純物またはイ オン汚染のために、励振電極と圧電抵抗素子が潜在的劣化にさらされる。 したがって、本発明の目的は、共振ビーム上の励振電極とセンス電極を互いに 誘電的に分離して、遮蔽電極を必要とせずに高温でも両者間の寄生抵抗結合が事 実上生じないようにした共振ビーム検出デバイスを提供することである。 本発明の他の目的は、ビーム上の励振回路素子と位置検出回路素子をビーム自 体から有効に分離することができる、静電励振共振マイクロビームを提供するこ とである。 他の目的は、高温で動作可能な、静電振動一体型共振マイクロビーム・センサ を提供することである。 他の目的は、一体型共振マイクロビーム・センサを、撓みビーム上に形成され た圧電抵抗素子および励振素子の選択されたインピーダンスに対する応答の精度 を向上させるようにして製造する工程を提供することである。 発明の概要 上記およびその他の目的を達成するために、ひずみ応答測定デバイスが提供さ れる。 このデバイスは、選択されたパラメタまたは測定値の変動に応答して弾力的に 変形可能な基板を備える。このデバイスの細長い撓み要素は、基板に固定されて 、撓み要素を基板の弾性変形に応答して長手方向に伸張および収縮するように配 置された第１の領域を有する。撓み要素は、基板に対して自由に固有共振周波数 で振動することができる第２の領域を備えている。この共振周波数は、撓み要素 の伸張と収縮とともに変化する。位置検出手段は、撓み要素に沿い、撓み要素と 一体になった第１の電気回路を備えている。検出手段は、撓み要素の曲がりを検 出し、基板に関するビームの位置を示す信号を発生する。第２の電気回路素子は 、撓み要素に沿い、撓み要素と一体に形成された励振電極を備える。周期的に変 化する励振信号を発生し、その励振信号を励振電極に送って撓み要素を基板に対 して周期的な機械的振動で励振させる励振手段を設ける。励振手段は位置信号を 受け取り、位置信号周波数の変化に応答して、機械的振動の周波数を固有共振周 波数と一致するように制御可能に変化する。誘電的に封じる手段が、第１と第２ の電気回路素子のうちの一方を囲み、それによって前記一方の電気回路素子を誘 電的に分離する。 誘電的に封じる手段は電気回路素子を両方とも囲んでそれらを誘電的に分離す ることが好ましい。この測定デバイスの１つの変形では、撓み要素は、基板上に ポリシリコン層を付着させた後で選択的にエッチングすることによって形成され た、微粒子低応力ポリシリコンのビームである。このビームは両端が支持され、 ビームの中間領域が「第２の領域」であって、ビームが振動すると基板に対して 直角方向に動く。 好ましい封じ手段は、ビーム層と電気回路素子の間の第１の誘電層と、第１の 誘電層の上に被せた第２の誘電層であって、２つの誘電層が相俟って各回路素子 を囲み、包むようにした手段である。誘電層の形成に使用する好ましい材料は、 窒化シリコン（Ｓｉ₃Ｎ₄）である。第１および第２の回路素子はそれぞれ圧電抵 抗素子と励振電極を備えており、それぞれドーピングしたポリシリコンで形成す ることが好ましい。他の構成では、第１の回路素子を容量性センシング電極とし て使用する。 この測定デバイスはさらに、基板についてビーム層の反対側に固定された実質 的に剛体のカバーを備えることもできる。カバーには第１のバイアス電極を固定 する。基板に第２のバイアス電極を固定し、それによって撓みビームの向かい合 った側に、ビームを横断する方向でビームからほぼ等しい間隔だけ離れた１対の バイアス電極を形成する。カバーとビーム層の間を誘電的に分離する手段によっ て、カバーと層とが互いに直接接触するのを防ぐ。両方のバイアス電極が一緒に なって、撓み要素の周囲の領域に一様で一定な電界を発生させる。この電界は、 励振電極に送られる周期的信号と相俟って、撓みビームを振動させる。 一体型共振マイクロビーム上の圧電抵抗素子と励振電極の封じまたは誘電的分 離にはいくつかの利点がある。第１に、封じによってこの２つの回路素子の寄生 結合が事実上なくなる。封じによって、圧電抵抗素子と励振電極が、汚染やイオ ン不純物による劣化から保護される。封じは、撓みビームとの独立した電気接続 も容易にする。 イオン注入によって製作された回路素子と比較すると、封じられた圧電抵抗素 子および励振電極は、サイズとインピーダンスについて格段に向上した精度と信 頼性を備えたものを製造することができる。これは、ポリシリコンのドーピング の後で選択的エッチングを行い、それによって圧電抵抗素子と励振電極の境界を 正確に規定することによる。イオン注入に付随する横方向の拡散の問題はなくな る。さらに、圧電抵抗素子と励振電極は互いにより効果的に分離されるため、サ イズとインピーダンスの点で向上させたり、その他の方法で構成してより振幅の 大きい信号の受信と生成を行うようにしたりすることができる。 本発明の他の態様によれば、ひずみ応答静電分離共振ビーム・センサを製作す る工程が提供される。この工程には以下のステップが含まれる。 （ａ）トラフとチャネルが基板のほぼ平らな面に対して開いているようにして 、半導体基板内にトラフとエッチング溝を形成する。 （ｂ）トラフとエッチング溝に犠牲材料を充填して第１の犠牲層を形成する。 （ｃ）半導体基板平面と第１の犠牲層の上に半導体を付着させて、第１の半導 体層を形成する。 （ｄ）第１の半導体層の上に誘電体を付着させて第１の誘電薄膜層を形成する 。 （ｅ）第１の誘電薄膜層の上に半導体を付着させて第２の半導体層を形成し、 第２の半導体層をドーピングして導電率を向上させる。 （ｆ）第２の半導体層に、相互に間隔を置いて離れた位置検出素子および静電 励振素子を含む複数の電気回路素子を規定し、第２の半導体層を選択的にエッチ ングすることにより、電気回路素子を形成する。 （ｇ）電気回路素子および第１の誘電薄膜層の上に誘電体を付着させて第１の 誘電薄膜層と相俟って各電気回路素子を封じる第２の誘電薄膜層を形成する。 （ｈ）第１および第２の誘電薄膜層と第１の半導体層を選択的にエッチングし て、半導体基板について両端が固定され、電気回路素子を支持する中間領域を有 する共振ビームを形成し、さらに選択的にエッチングしてエッチング溝の周囲か ら半導体を除去してビームを形成する。 （ｉ）第２の誘電薄膜層の上に犠牲材料を付着させて第２の犠牲層を形成し、 第２の犠牲層を選択的にエッチングして上部キャビティ容積を形成する。 （ｊ）第２の犠牲層および第２の誘電薄膜層の上に半導体を付着させて第３の 半導体層を形成し、第３の半導体層を選択的にエッチングしてカバーを形成する 。 （ｋ）エッチングによって第１および第２の犠牲層を除去し、エッチング溝を 封じ、それによってカバーと基板が相俟ってビームを収容する密閉された室を形 成し、ビームが半導体基板とカバーについて自由に振動するようにする。 この工程には、（上記のステップｃの前に）半導体基板の平面および第１の犠 牲層の上に誘電体を付着させて、半導体基板と第１の半導体層の間に第３の誘電 薄膜層を形成するステップを含めることもできる。第１および第２の誘電薄膜層 は、２つの薄膜層が第１の半導体層とカバーを形成する第３の半導体層との間に 確実に入るように十分な範囲にわたって第１の半導体層を被うことが好ましい。 これらの追加のステップを行えば、撓みビームが含まれる半導体層は基板とカバ ーから誘電的に分離される。これによって、分離された電気接点をビーム上に直 接形成することが容易になり、カバー上と基板上に形成されたバイアス電極を有 効に分離することができる。 （上記のステップｇの後で）第２の誘電薄膜層の上に半導体を付着させて第２ の誘電薄膜層を被うパッシベーション層を形成すると有利である。このパッシベ ーション層は、通例選択的エッチングによって犠牲層を除去する時に、下にある 誘電層を保護することによって、製造工程を改良する。 誘電薄膜層の好ましい誘電体は、窒化シリコンである。半導体層の好ましい材 料は、微粒子低応力ポリシリコンである。 したがって、本発明によれば、圧電抵抗素子と静電励振素子を搭載する一体型 共振マイクロビームを使用する検出デバイスが、選択されたパラメタを、高温ま たはその他の要求の苛酷な環境で、より長い耐用年数にわたってより高精度で測 定することができる。 図面 上記その他の特徴および利点をよりよく理解するために、以下の詳細な説明と 図面を参照されたい。 第１図は、本発明に従って構成された圧力検出デバイスの断面を示す立面図で ある。 第２図は、圧力検出デバイスの上面図である。 第３図は、圧力検出デバイスの一体型共振ひずみゲージを示す、第１図の部分 拡大図である。 第４図は、第３図の線４−４の断面図である。 第５図は、共振ゲージのマイクロビームと、マイクロビーム層に搭載されたあ る種の回路を示す、第４図の線５−５の断面図である。 第６図は、共振応力ゲージとそれに付随する、共振ビームを振動させてビーム 位置を検出する回路とを示す配線略図である。 第７図ないし第１７図は、共振応力ゲージの製作における連続ステップを示す 図である。 好ましい実施例の詳細な説明 図面を参照すると、第１図および第２図には圧力検出デバイス１６が示されて いる。このデバイスは、ほぼ剛体だが多少柔軟性のある周縁領域すなわちリム２ ０を有するシリコン基板すなわちベース１８と、そのリムによって囲まれたダイ ヤフラム２２を備えている。ダイヤフラムは、輪郭がほぼ円形で、直径が４〜１ ５０ミルであって、好ましくは２５〜１００ミルである。正方形または矩形のダ イヤフラムも使用することがてきる。ダイヤフラムは柔軟性があり、厚さは約１ ０〜１００マイクロメーターである。周縁リム２０の下部はパイレックス（商標 ）ガラスまたは、たとえばセラミックス、ムライト、ある種のプラスチックまた はシリコンなど、その他の適合する材料でできた管２４に熱電接着されている。 管２４は剛体フレームまたはその他の構造体２６内に支持されている。この支持 構造体にはカバー２８が固着されており、構造体とともに室３０を規定している 。したがって、検出デバイス１６は、室３０と管２４の内部の界面に配置される 。 検出デバイス１６の上部には、リム２０の近くのダイヤフラム２２、すなわち ダイヤフラム２２の外縁付近に沿って圧力応答共振ひずみゲージ３２が取り付け られている。ダイヤフラム２２は第２図では円として示されているが、ダイヤフ ラムは所望であれば、たとえば正方形または矩形など、異なる輪郭を有するよう に形成することもできることに留意されたい。矩形または正方形のダイヤフラム を形成するには異方性エッチングを使用するが、円形のダイヤフラムを形成する には等方性エッチングを使用する。 第３図に示すように、共振ゲージ３２は、好ましくは微粒子低引張りひずみポ リシリコン（多結晶シリコン）で形成された、細長い共振ビーム３４を備えてい る。ビーム３４は、長さが約５０〜１０００マイクロメーター、好ましくは約２ ００マイクロメーターであり、厚さは約０．５〜３マイクロメーター（好ましく は２マイクロメーター）、幅は約２０〜１００マイクロメーター（好ましくは４ ０マイクロメーター）である。ビーム３４は長手方向（たとえば第３図の左右方 向）に細長く、両端３６および３８が基板、好ましくはダイヤフラム２２に対し て固定されている。ビーム３４には弾力性があるため、ビームは振動させること ができ、それによってビームの中間領域４０がダイヤフラムに対して横切る方向 （第３図の垂直方向）に往復運動するが、両端３６および３８はダイヤフラムと 結合されたままである。中間領域４０の直下のダイヤフラム２２内にはくぼみす なわちトラフ４２が形成されており、ビームが振動できるようになっている。 ポリシリコンで形成されたほぼ剛体の外殻すなわちカバー４４が、ダイヤフラ ムに対して固定され、ビームの真上に配置されている。カバーと基板は相俟って 室４６を形成している。ビーム３４は、減圧脱気して真空にした室の中で振動す る。カバー４４の表面部にイオン注入によって上部バイアス電極４８が形成され ている。ダイヤフラム２２の表面にはトラフ４２の底部に沿って、同様に下部バ イアス電極５０が形成されている。バイアス電極４８および５０は相俟ってビー ム３４の周囲の領域に一定で一様な電界を発生させるために使用される。ビーム ３４と一体になったその他の電気回路素子を使用して、ビームを振動させ、かつ 基板およびカバーに対するビームの位置を検出する。 ビーム３４はより大きなポリシリコン薄膜、すなわちビーム層５２（第４図） の一部として形成される。ビーム層５２は、基板１８およびカバー４４と結合さ れているが、いずれとも接触していない。好ましく窒化シリコン（Ｓｉ₃Ｎ₄）で 形成された、いくつかの誘電層が、ビーム層５２を基板とカバーから分離してい る。具体的には、基板１８とビーム層５２の間には誘電薄膜層５４があり、ビー ム層５２の上面には誘電薄膜層５６が形成されている。誘電層５４および５６の 厚さは約８００（または４００〜４０００）オングストロームである。 ビーム３４の形状は、ビーム層５２を介して間隔を置いた１対の細長いギャッ プ５８および６０とそれに隣接する誘電層によって決められる。ビーム３４は、 ビームが振動するときにビームの振動とビーム位置の検出に使用される電気回路 を支持している。このような回路としては、励振電極６２と圧電抵抗素子６４が あり、両方とも誘電層５６の上面に沿って形成される。励振電極と圧電抵抗素子 とは同一平面であるが、互いに間隔を置いて分離されている。励振電極６２と圧 電抵抗素子６４は、物理的に分離し、それぞれが誘電層５６とその上に被せられ たもう１つの誘電体層６６とによって誘電層封じされているために、互いに電気 的に分離されている。第３図で最もよくわかるように、誘電層５６と６６とが相 俟って回路素子を完全に封じている。励振電極と圧電抵抗素子に関連してのみ封 じを示したが、これらの素子への必要な導電経路も層５６および６６によって同 様に封じられる。 この手法は、誘電層封じのためだけでなく、ビーム３４の上側にあるこれらの 素子の位置によっても、励振電極および圧電抵抗素子の従来の製造方法から離れ ている。それに対して、これらの素子に相当する従来の素子は、硼素イオン注入 によって形成されており、従ってビーム内に埋め込まれていた。 これらの回路素子を注入ではなく封じることにはいくつかの利点がある。第１ に、ドーパントの横方向への拡散がなく、その結果、サイズとインピーダンスの 点で精確で一貫した回路素子が形成される。抵抗値をより精密に一致させること ができる。第２に、回路素子はビーム３４から誘電的に分離されており、ビーム 上に直接作り込まれた独立した電極の使用が容易になる。圧電抵抗素子と励振電 極が互いにより有効に分離され、両者の間の漏れは事実上まったくなくなる。封 じさらた素子の製造により、インピーダンスと信号処理容量を向上させて性能を 向上させることができる。最後に、封じられた素子は、ゲージの製造中と動作中 に、より高い温度に耐えることができる。 誘電体層６６の上にポリシリコン・パッシベーション層６８を、好ましくは約 １６００オングストロームの厚さに形成する。パッシベーション層はひずみゲー ジの動作に不可欠のものではないが、層６８は製造中、具体的には犠牲層を決め る室を選択的エッチングによって除去するときに、下の窒化シリコン層を保護す る。 共振ひずみゲージ３２の製作に必要な層の厚さは、ゲージの予想使用状況と環 境に応じて異なる。しかし、１つの好ましい実施例では、（犠牲層を含む）様々 な層を以下のミクロン単位の厚さで付着させた。 カバー４４ ２．０ パッシベーション層６８ ０．１６ 誘電層６６ ０．０８ 励振電極６２ ０．４４ 圧電抵抗素子６４ ０．４４ 誘電層５６ ０．０８ ビーム層５２ ２．０ 誘電層５４ ０．０８ 下部バイアス電極５０ ２．０ 第４図で最もよくわかるように、励振電極６２はほぼ矩形であるが、この形状 は重要ではない。導線７０によって励振電極をビーム励振接触パッド７２と電気 的に結合する。圧電抵抗素子６４は、拡大部７４と、拡大部に結合された２本の 比較的細い脚７６および７８を備えている。導電経路８０および８２が、脚７６ および７８をそれぞれのセンサ・バイアス接触パッド８４および８６に電気的に 結合している。脚７６および７８の電気インピーダンスは、拡大部７４のインピ ーダンスよりもかなり大きい。したがって、バイアス・パッド８４と８６の間の 電圧差のほとんど全部が脚で生ずる。これによって、拡大部７４を所望の電圧レ ベル、好ましくは接地電圧に維持することができる。 図のその他の回路には、上部バイアス電極４４（または、カバー全体が電極と して機能する場合はカバー４４）を上部バイアス接触パッド９２に結合する導電 経路９０が含まれる。導電経路９４によって、接触パッド９６が下部バイアス電 極５０に結合される。ビーム層接触パッド９８がビーム・ポリ５２を介してビー ム３４に電気的に結合されている。 圧力検出デバイス１６は、ビーム３４の振動周波数に基づいて圧力差、すなわ ちダイヤフラム２２の相対する側の圧力Ｐ₁とＰ₂の間の差を測定する。具体的に は、ダイヤフラム２２が圧力差に応答して撓曲すると、ダイヤフラムはビーム３ ４上に軸すなわち長手方向の応力を生じさせ、ビームのひずみを変化させる。ダ イヤフラムが下方に撓むとビーム３４が伸張してビームの固有周波数が増大す る。逆に、ダイヤフラムが上方に撓むと、ビームが収縮すなわち圧縮され、した がってビームの固有共振周波数が減少する。 ビームの振動を維持するために、励振電極６２に周期的振動電圧レベルを供給 すると同時に、ビームの周囲の領域にほぼ一様な一定の電界を維持する。ビーム 振動の詳細な説明については、参照により本明細書に組み込まれる前記の米国特 許第５２７５０５５を参照されたい。圧電抵抗素子６４は、ビームの位置ととも に変化してビームが振動しているときの周期的信号となる検出電圧を発生するこ とによって、基板およびカバーに対するビーム３４の瞬間的位置を検出する手段 として機能する。 検出電圧は、発振回路１００（第６図）に入力信号として送られる。発信回路 １００の出力は周期的励振電圧信号である。この励振信号は励振電極６２に送ら れて、ビーム３４をビームの固有共振周波数で安定した状態の振動に維持する。 ビーム３４のようなポリシリコン・ビームの場合、固有共振周波数は２００〜５ ００ｋＨｚとなる。発振回路は、励振信号周波数を固有共振周波数と一致するよ うに絶えず調整する閉じたループを作る。 ビーム３４が機械的に振動すると、圧電抵抗素子６４が発振回路の増幅器１０ ２に入力信号として検出信号を送る。検出信号は、ビーム振動周波数と同じ周波 数で振動する電圧である。自動利得制御回路１０４が増幅器１０２にフィードバ ックを送り、振動周波数のひずみを防ぐ。励振信号は増幅器１０２の出力信号に 基づく。 増幅器１０２の出力信号は、出力バッファ増幅器１０６に送られる。バッファ 増幅器の出力信号は、クロック発振器１１０によって制御されるデジタル・カウ ンタ１０８に送られる。カウンタの出力信号は、振動ビームの共振周波数に影響 を与える、ひずみ、圧力、加速度またはその他のパラメタの直接のリアルタイム 読みを示すためのデジタル回路（図示せず）に送られる。 ひずみの変化によってビームが異なる周波数で振動する場合、周波数の変化が 圧電抵抗素子６４で検出され、変化した周波数で増幅器１０２に検出信号が送ら れる。増幅器１０２の出力信号も同様に変えられ、励振電圧信号周波数を変化さ せる。したがって、励振信号周波数はビームの固有共振周波数と一致するように 絶えず制御可能に調整される。ひずみがわずかに変化しても共振周波数がかなり の変化を受けるため、ひずみのわずかな変化に対しても高度の精度と感度が実現 される。発振回路の詳細な図および説明については、前記米国特許第５２７５０ ５５号を参照されたい。 デバイス１６のような圧力センサは、第８図ないし第１７図に示す低化学気相 蒸着（ＬＰＣＶＤ）工程に従って、半導体技術分野で既知の利用可能な装置を使 用して製造することができる。この工程は、複数の検出デバイスを製作するシリ コン・ウエハ１１２から始まる。ウエハは、厚さが典型的には１０〜１００ミク ロンの、Ｎ型エピ層を有するＰ型シリコンであることが好ましい。 最初のステップ（第８図）では、硼素の局所イオン注入によって、Ｎ型エピ内 にＰ型下部電極１１６を形成する。または、Ｐ型材料へのＮ型イオン注入を用い ることもできる。局所酸化によって基板内に下部犠牲酸化層１１８を形成する。 薄い酸化物と薄い窒化物から成るパターン層を使用して、局所酸化を行う。酸化 層と窒化層のパターン形成とエッチングを行って、エッチング溝と誘電層１２０ を形成する。 次に、誘電層１２０の上にポリシリコンを付着させて共振ビーム層１２２を形 成する。ビーム層の厚さは約２ミクロンである。 次に、ビーム層に窒化シリコンを約８００オングストロームの厚さに付着させ て、誘電層１２６を形成する。次に誘電層１２６にポリシリコンを付着させて、 約４４００オングストロームの厚さの半導体層１２８を形成する。半導体層１２ ８に硼素または燐をドーピングして導電率を大幅に高める。これらの工程ステッ プの結果を第１２図に示す。 次に、半導体層１２８に励振電極、圧電抵抗素子、およびそれらに付随する導 電経路をパターン形成する。次にこの層を選択的にエッチングして、前記回路要 素を除くドーピングされたポリシリコンをすべて除去する。窒化シリコンをさら に８００オングストロームの厚さで付着させ、誘電層１３０を形成する。誘電層 １２６と１３０は相俟って回路素子を誘電層封じする。圧電抵抗素子、励振電極 、およびそれに付随する導電経路が注入ではなくエッチングによって形成される ため、よりはっきりと決められ、より正確に制御される。最後に、誘電層１３０ の 上にさらに（ドーピングされていない）ポリシリコンを付着させ、約４００〜２ ０００オングストロームの厚さのパッシベーション層１３２を形成する。このパ ッシベーション層は、犠牲層を除去するために後でエッチングするときに下にあ る窒化シリコン層を保護する。 ビームのパターニング（すなわちパターン形成）と、共振ビーム１３４の大き さと形状を決める必要がある場合は基板および犠牲層１１８より上のすべての層 の選択的エッチングとを含む、次の各ステップの結果を第１５図に図示する。 次に、低温酸化物を犠牲層１３６として付着させ、パターン形成して上部キャ ビティを決め、エッチングして上部キャビティ容積を形成する。その結果を第１ ６図に示す。 上部キャビティを形成した後、第２の犠牲層と上部誘電層にポリシリコンを付 着させてカバー層１３８を形成し、注入とアニールを行って上部バイアス電極を 形成する。カバー層を選択的にエッチングしてカバーを形成する。第１７図に示 すように、カバーは誘電層によってビーム層１２２から完全に分離されている。 カバーを製作した後、犠牲層１１８および１３６をＨＦエッチング工程によっ て室１４０から除去する。 次に、露出面を軽く酸化し、ＬＰＣＶＤポリシリコン層で封止することによっ て、室１４０内に真空を形成する。その結果の二酸化シリコンの成長によって、 エッチング溝を封止する。室１４０内には残留シラン・ガスの一部が閉じこめら れたままになっており、このシランが涸渇するまでポリシリコンの成長が続く。 最後に、接触領域を決め、それらの領域から酸化膜をエッチングする。たとえ ばアルミニウムなどのメタライゼーション層の付着、パターン作成、および選択 的エッチングを行い、金属接触パッド１４２を形成する。その後、合金ステップ を行う。 図示されていない最後のステップで、シリコン・ウエハの反対側を選択的エッ チングして、各ひずみゲージに対応するダイヤフラムを形成し、ダイヤフラム２ ２およびひずみゲージ３２について第１図および第２図に示すように各ひずみゲ ージをそれに対応するダイヤフラムの周縁部付近に配置する。 以上、本発明の共振ひずみゲージについて圧力検出デバイスに関連して説明し たが、このひずみゲージは測定量によって誘電ひずみを制御することができる構 成ならどのような構成においても使用することができるものと理解されたい。た とえば、前記の米国特許第５２７５０５５号の第１１図に示すように、加速度計 の剛性取付け部と剛性保証質量の間の可撓性ネックに共振ひずみゲージを取り付 けることができる。この応用例にかかわらず、誘電薄膜層を使用して撓みビーム が分離され、撓みビームに搭載された圧電抵抗素子と励振電極が誘電層封じされ 、カバーに取り付けられたバイアス電極がより有効に分離される。封じされた回 路素子は、イオン注入ではなくエッチングによって形成されるため、インピーダ ンスと物理寸法についてきわめて高い許容差を満たすように製作することができ る。圧電抵抗素子は、誘電的分離の向上により、より高いインピーダンスを有し て、より振幅の大きい位置信号を発生するように製作することができる。封入さ れた素子は、ゲージの製作中および動作中に、より高い温度に耐えることができ る。したがって、本発明に従って製作された共振ゲージは、要求の過酷な環境、 特に高温を伴う環境においてパフォーマンスの向上を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．選択されたパラメタの変動に応答して弾性的に変形可能な基板と、 基板の弾性変形に応じて長手方向に伸張および収縮するように基板に対して固 定される第１の領域を有し、前記伸張および収縮とともに変動する固有共振周波 数で基板に対して自由に振動することができる第２の領域をさらに有する細長い 撓み要素と、 基板に対する撓み要素の位置を検出して前記位置を示す位置信号を発生する、 撓み要素に沿って撓み要素と結合された第１の電気回路素子を備える位置検出手 段と、 第１の回路素子から間隔を置いて離れ、電気的に分離された励振電極を備える 第２の電気回路素子と、 前記第１および第２の電気回路素子のうちの一方を囲み、それによって前記一 方の電気回路素子を誘電的に分離する誘電層封じ手段と を備えるひずみ応答測定デバイス。 ２．前記誘電層封じ手段が第１および第２の電気回路素子のうちの他方をさらに 囲み、それらを誘電的に分離することを特徴とする請求項１に記載のデバイス。 ３．前記第１の領域が撓み素子の対向する両端部を含み、前記第２の領域が両端 部の間の撓み要素の中間領域であることを特徴とする請求項２に記載のデバイス 。 ４．撓み要素が、基板上に付着させ、ビームを形成するようにエッチングされた ポリシリコン・ビーム層の部分を備える微粒子低応力ポリシリコンで形成された ビームを備えることを特徴とする請求項３に記載のデバイス。 ５．封入手段が、ビーム層と第１および第２の電気回路素子との間の第１の誘電 薄膜層と、第１の誘電層と相俟って第１および第２電気回路素子のそれぞれを取 り囲む第２の誘電薄膜層を備えることを特徴とする請求項４に記載のデバイス。 ６．ビームから横方向に間隔を置いて離れて撓み要素の基板とは反対の側に配置 されたカバー表面部と、カバーとビーム層の間の誘電的に分離する手段とを有し 、基板に対して固定されたほぼ剛体のカバーをさらに備える請求項５に記載のデ バイス。 ７．ビームから間隔を置いて離れたカバー表面部に固定された第１のバイアス電 極と、ビームから間隔を置いて離れており、ビームの第１のバイアス電極とは反 対の側に配置された基板表面部に固定された第２のバイアス電極とを備える、ビ ームの周囲の領域にほぼ一定の電界を生じさせる手段をさらに備える請求項６に 記載のデバイス。 ８．ビーム層と基板の間に第３の誘電薄膜層を備える請求項５に記載のデバイス 。 ９．前記第１、第２、および第３の誘電層が窒化シリコンで形成されていること を特徴とする請求項８に記載のデバイス。 １０．第２の誘電層の両側にある電気回路素子と第２の誘電層を被うパッシベー ション層をさらに備える請求項５に記載のデバイス。 １１．第１の電気回路素子が圧電抵抗素子を備えることを特徴とする請求項１に 記載のデバイス。 １２．基板と、その基板の基板表面部に固定された第１のバイアス電極と、 基板に固定された第１の領域と共振周波数で自由に振動することができる第２ の領域を有し、前記共振周波数が作用する外力によるひずみの変化とともに変動 し、前記第１のバイアス電極から間隔を置いて離れている長手方向に細長い撓み 要素と、 前記撓み要素から間隔を置いて離れ、撓み要素の基板表面部とは反対の側に配 置されたカバー表面部と、そのカバー表面部に固定された第２のバイアス電極と を有し、基板について固定されたほぼ剛体のカバーと、 第１のバイアス電極と第２のバイアス電極にそれぞれ異なる電圧レベルでバイ アスをかけて撓み要素の周囲の領域にほぼ一定の電界を生じさせるバイアス手段 と、 基板に対する撓み要素の位置を検出し、前記位置を示す位置信号を発生する、 撓み要素に沿って撓み要素と結合された第１の電気回路素子を備える位置検出手 段と、 撓み要素に沿って撓み要素と結合された励振電極を備える第２の電気回路素子 と、 周期的に変化する励振信号を発生し、励振信号を励振電極、第１のバイアス電 極、および第２のバイアス電極のうちの１つに送って撓み要素を基板に対して周 期的な機械振動で励振し、位置信号を受信し、位置信号周波数の変化に応答して 前記機械振動の周波数を固有共振周波数と一致するように制御可能に変更する励 振手段と、 カバーとビームを含む半導体ビーム層との間に形成されて、カバーをビームと 基板とから誘電的に分離する誘電的に分離する手段と を備えるひずみの変動を検出する装置。 １３．前記第１および第２の電気回路素子のうちの一方を囲む誘電層封じ手段を さらに備える請求項１２に記載の装置。 １４．前記誘電層封じ手段が前記第１および第２の電気回路素子の他方をさらに 囲み、それによって両方の回路素子を誘電的に分離することを特徴とする請求項 １３に記載の装置。 １５．前記第１の領域が撓み要素の対向する両端部を含み、前記第２の領域が両 端部の間の撓み要素の中間領域であることを特徴とする請求項１４に記載の装置 。 １６．撓み要素が、基板上に付着され、ビームを形成するようにエッチングされ たポリシリコン・ビーム層の部分を備える微粒子低応力ポリシリコンで形成され たビームを備えることを特徴とする請求項１５に記載の装置。 １７．封入手段が、ビーム層と電気回路素子との間の第１の誘電薄膜層と、第１ の誘電層と相俟って電気回路素子のそれぞれを取り囲む第２の誘電薄膜層を備え ることを特徴とする請求項１６に記載の装置。 １８．前記第１および第２の誘電層のうちの少なくとも１つがカバーと半導体ビ ーム層の間にさらに配置され、それによって前記誘電的に分離する手段を備える ことを特徴とする請求項１７に記載の装置。 １９．半導体ビーム層と基板の間に第３の誘電薄膜層をさらに備える請求項１７ に記載の装置。 ２０．前記第１、第２、および第３の誘電層が窒化シリコンで形成されているこ とを特徴とする請求項１９に記載の装置。 ２１．第２の誘電層を被うパッシベーション層を備え、パッシベーション層と電 気素子とが第２の誘電層に対して相反する側にあることを特徴とする請求項１７ に記載の装置。 ２２．第１の電気回路素子が圧電抵抗素子を含むことを特徴とする請求項１２に 記載の装置。 ２３．ひずみ応答静電振動共振ビーム・センサを製作する工程であって、 半導体基板を局所酸化によって処理して半導体基板内に犠牲材料のトラフとエ ッチング溝を、トラフとチャネルが基板のほぼ平らな面に対して開いているよう にして形成するステップと、 半導体基板および第１の犠牲層の上に半導体材料を付着させて第１の半導体層 を形成するステップと、 第１の半導体層の上に誘電体材料を付着させて第１の誘電薄膜層を形成するス テップと、 第１の誘電薄膜層の上に半導体材料を付着させて第２の半導体層を形成し、第 ２の半導体層をドーピングして導電率を向上させるステップと、 第２の半導体層を選択的にエッチングすることによって第２の半導体層に少な くとも１つの電気回路素子を形成するステップと、 電気回路素子および第１の誘電薄膜層の上に誘電体材料を付着させて、第１の 誘電薄膜層と相俟って少なくとも１つの電気回路素子を誘電的に封じる第２の誘 電薄膜層を形成するステップと、 第１および第２の誘電薄膜層と第１の半導体層を選択的にエッチングして、少 なくとも一端が半導体基板に固定され、少なくとも１つの電気回路素子を支持す る領域を有する共振ビームを形成し、前記選択的エッチングによってさらに半導 体材料をエッチング溝の周囲から除去して共振撓みビームを形成するステップと 、 第２の誘電薄膜層の上に犠牲材料を付着させて第２の犠牲層を形成し、第２の 犠牲層を選択的にエッチングして上部キャビティ容積を形成するステップと、 第２の犠牲層の上に半導体材料を付着させて第３の半導体層を形成し、第３の 半導体層を選択的にエッチングしてカバーを形成するステップと、 エッチングによって第１および第２の犠牲層を除去し、エッチング溝を封止し 、それによってカバーと基板が相俟って、半導体基板とカバーに対して自由に振 動することができるビームを収容する密閉された室を形成するようにするステッ プ とを含む工程。 ２４．第１の半導体層を形成するステップの前に半導体基板の平らな面と第１の 犠牲層の上に誘電体材料を付着させて基板と第１の半導体層の間に第３の誘電薄 膜層を形成するステップをさらに含む請求項２３に記載の工程。 ２５．第１の半導体層と第３の半導体層の間に第１および第２の誘電層のうちの 少なくとも一方を付着させて、カバーを第１の半導体層から分離するステップを 含む請求項２４に記載の工程。 ２６．第２の誘電薄膜層を付着させるステップの後に、第２の誘電薄膜層の上に 半導体材料を付着させて第２の誘電薄膜層の上にパッシベーション層を形成する ステップをさらに含む請求項２３に記載の工程。 ２７．パッシベーション層が４００〜２０００オングストロームの厚さに形成さ れることを特徴とする請求項２６に記載の工程。 ２８．トラフとエッチング溝を形成するステップの後、トラフとエッチング溝に 犠牲材料を充填するステップの前に、トラフ内に第１のバイアス電極を形成し、 イオン注入によって第１のバイアス電極を形成するステップをさらに含む請求項 ２３に記載の工程。 ２９．第３の半導体層をエッチングしてカバーを形成するステップの後に、カバ ー内に第２のバイアス電極を形成し、イオン注入によって第２のバイアス電極を 形成するステップをさらに含む請求項２８に記載の工程。 ３０．第１および第２の誘電薄膜層が約８００オングストロームの厚さにエッチ ング形成され、第２の半導体層が約４４００オングストロームの厚さに形成され ることを特徴とする請求項２３に記載の工程。 ３１．第１および第２の誘電薄膜層が約４００オングストロームの厚さにエッチ ング形成され、第２の半導体層が約４４００オングストロームの厚さに形成され ることを特徴とする請求項２３に記載の工程。 ３２．基板と、基板に固定される第１の領域を有するとともに、固有共振周波数 で基板に対して自由に振動することができる第２の領域を有する細長い振動要素 と、 基板に対する振動要素の位置を検出して前記位置を示す位置信号を発生するた めに使用される、振動要素に沿って配置され振動要素に結合された位置検出電気 回路素子を備える位置検出手段と、 位置検出電気回路素子を誘電的に分離するように位置検出電気回路素子と振動 要素の間に設けた封入手段の部分を含み、位置検出電気回路素子をほぼ囲む誘電 層封じ材料とを備える測定デバイス。 ３３．前記第１の領域が振動要素の対向する両端部を含み、前記第２の領域が両 端部の間の振動要素の中間領域であることを特徴とする請求項３２に記載の測定 デバイス。 ３４．振動要素が、ビームを規定するようにエッチングされたポリシリコン・ビ ーム層の部分を含む微粒子低応力ポリシリコンで形成されたビームを備え、前記 封入手段がビーム層と位置検出電気回路素子の間の第１の誘電薄膜層と、位置検 出電気回路素子および第１の誘電層の上に付着し、第１の誘電層と相俟って位置 検出電気回路素子をほぼ囲む第２の誘電薄膜層を含むことを特徴とする請求項３ ３に記載の測定デバイス。 ３５．ビーム層と基板の間に第３の誘電薄膜層をさらに備える請求項３４に記載 の測定デバイス。 ３６．第２誘電層の一方側に位置検出電気回路素子があり、その第２の誘電層の 反対側に第２誘電層をを被うように設けられたパッシベーション層をさらに含む 請求項３４に記載の測定デバイス。 ３７．位置検出電気回路素子が圧電抵抗素子を備えることを特徴とする請求項３ ２に記載の測定デバイス。