CN115597761A - 压力传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明的压力传感器减少沉积物对压力传感器的膜片的影响。本发明具备：可动电极(104)，其形成于膜片(102)的可动区域(102a)内；以及固定电极(105)，其以与可动电极(104)相对的方式形成。膜片(102)的受压面呈惰性状态。膜片(102)的呈惰性的受压面呈不易吸附上测定对象气体的分子的状态。能够通过规定的表面处理使膜片(102)的受压面成惰性。通过表面处理，形成使膜片(102)的受压面成惰性的层，该层的存在使得膜片(102)的受压面成惰性。

Description

压力传感器
本申请为下述申请的分案申请，
原申请的申请日：2020年6月17日，
原申请的申请号：202010553359.7，
原申请的发明名称：压力传感器。
技术领域
本发明涉及一种压力传感器。
背景技术
例如，根据受到压力的膜片的挠曲量也就是位移来输出压力值的压力传感器在以半导体设备为首的工业用途中得到了广泛使用。在半导体装置的制造中，使用有基于气相沉积的各种成膜装置、干式蚀刻装置。在这样的制造装置中，为了形成nm单位厚度的薄膜，要准确地控制处理室内的压力、工艺气体的分压等，压力的准确测量就变得重要起来。为了实现这种压力测量，使用有压力传感器。
在这种压力传感器中，要求对工艺气体等用于装置的气体的耐腐蚀性，而且对成膜等工艺中产生的副产物也要求耐性。此外，在成膜工艺中，在成膜室内壁、管道内壁、真空泵内部以及压力传感器的受压部即膜片等工艺气体所通过的部位会产生沉积而引起各种问题。
例如有原子层沉积法(ALD)，与以往常用的化学气相沉积法(CVD)相比，原子层沉积法在阶差被覆性和膜质上较为优异，近年开发出来用于栅极绝缘膜等的形成。该ALD在特性上容易在原料气体所通过的各种部位附着上原料气体，从而容易产生上述无用的沉积。当压力传感器的膜片上产生这种无用的沉积时，会像众所周知的那样导致零点偏移、压力灵敏度的变化等，从而妨碍准确的测定、对处理的结果产生较大影响。
为了防止上述在膜片上的无用的沉积，例如在成膜动作时等会将各部分加热到例如200℃左右。此外，提出有如下技术：利用挡板等使工艺气体到达膜片为止的路径变得复杂而在途中捕捉无用的沉积，由此来防止在膜片上的无用的沉积(参考专利文献1～3)。此外，还提出有如下技术：将工艺气体到达膜片的部位避开沉积的影响较大的膜片中心而设为膜片的周边部(参考专利文献1、2、4、5)。
此外，还提出有如下膜片结构：为了应对ALD，调整膜片的刚性，抑制膜片的挠曲本身(参考专利文献6)。此外，还提出有如下技术：将膜片表面设为格子状的网眼等结构化的表面，大幅降低沉积在膜片上的测定介质的材料造成的弯曲应力(参考专利文献7)。
【现有技术文献】
【专利文献】
【专利文献1】日本专利特开2001-149946号公报
【专利文献2】日本专利特表2016-526153号公报
【专利文献3】日本专利特开2015-034786号公报
【专利文献4】日本专利特开2014-126504号公报
【专利文献5】日本专利特开2014-109484号公报
【专利文献6】日本专利特开2010-236949号公报
【专利文献7】日本专利特表2009-524024号公报
发明内容
【发明要解决的问题】
然而，如今膜厚和品质的均一化在进一步发展，从而要求高精度的工艺。在这样的背景下，前文所述的相关技术会产生在膜片上的微量沉积，此外，沉积物对膜片的应力(膜应力)没有被完全消除，从而无法忽略这些问题造成的压力测定精度的降低。
本发明是为了解决以上那样的问题而成，其目的在于进一步减少沉积物对压力传感器的膜片的影响。
【解决问题的技术手段】
本发明的压力传感器具备：膜片，其能够位移并以受压面承受测定对象的压力；以及测定部，其测定所述膜片的位移，所述膜片的所述受压面通过形成有自组织单分子层而在化学上呈惰性状态。
在上述压力传感器的一构成例中，所述自组织单分子层由取向性一致的多个分子链和封端于所述多个分子链各方上的封端原子构成。
根据技术方案1或2所述的压力传感器，也就是上述压力传感器的一构成例中，所述自组织单分子层由取向性一致的取向纳米管构成。
在上述压力传感器的一构成例中，所述自组织单分子层由硫醇系、硅烷系、或乙酸系中的任一种构成。
在上述压力传感器的一构成例中，所述自组织单分子层以暴露于测定对象气体中的受压面为对象。
在上述压力传感器的一构成例中，所述自组织单分子层能够在制作压力传感器之后通过表面处理而形成。
在上述压力传感器的一构成例中，所述自组织单分子层能够通过对已经使用的压力传感器进行表面处理而形成。
【发明的效果】
通过以上说明过的内容，根据本发明，能够进一步减少沉积物对压力传感器的膜片的影响。
附图说明
图1为表示本发明的实施方式的压力传感器的构成的截面图。
图2为说明物质的表面的原子排列的状态的说明图。
图3为表示在物质的表面形成有层状物质205的状态的构成图。
图4为表示在物质的表面形成有自组织单分子层206的状态的构成图。
图5为表示本发明的实施方式的另一压力传感器的构成的截面图。
图6为表示本发明的实施方式的另一压力传感器的部分构成的俯视图。
图7为表示本发明的实施方式的另一压力传感器的部分构成的截面图。
具体实施方式
下面，参考图1，对本发明的实施方式的压力传感器进行说明。该压力传感器具备：膜片102，其能够位移并以受压面承受测定对象气体的压力；以及测定部，其构成为测定膜片的位移。该压力传感器的测定部具备：可动电极104，其形成于膜片102的可动区域102a内；以及固定电极105，其以与可动电极104相对的方式形成。该压力传感器是所谓的静电电容式压力传感器。
膜片102由支承部101a支承在由绝缘体构成的基台101上，在可动区域102a内与基台101隔开配置。膜片102在可动区域102a外侧的接合区域102b内接合于支承部101a的上表面。此外，膜片102能够在可动区域102a内朝基台101的方向位移，承受来自测定对象的压力。
在可动区域102a内的膜片102与基台101之间形成有气密室103，在气密室103内部配置有可动电极104及固定电极105。众所周知，静电电容式压力传感器根据可动电极104与固定电极105之间所形成的电容的变化来测定膜片102的受压区域内承受的压力。可动电极104与固定电极105之间所形成的电容的变化在测定器111中使用设定好的传感器灵敏度转换为压力值而输出。
再者，压力传感器也可以设为具有第1电极对和第2电极对的构成，所述第1电极对具有：可动电极，其形成于膜片的可动区域内；以及第1固定电极，其以与可动电极相对的方式形成；所述第2电极对具有：非可动电极，其形成于膜片的非可动区域；以及第2固定电极，其以与非可动电极相对的方式形成。该压力传感器测量基于第1电极对的电容与第2电极对的电容的差分的值。
在该压力传感器中，膜片102的受压面在化学上呈惰性状态。膜片102的受压面为不易吸附上测定对象气体的分子以及因工艺而产生的残渣或废气等气体的状态。可以通过规定的表面处理使膜片102的受压面成为惰性状态。通过表面处理，形成使膜片102的受压面成为惰性状态的层，该层的存在使得膜片102的受压面成惰性。
此外，通过表面处理，利用表面封端分子将膜片102的受压面(的悬空键)加以封端，由此，能使膜片102的受压面成为惰性状态。在该情况下，成为在膜片102的呈惰性的受压面上形成有表面封端分子的状态。
众所周知，在物质的表面，原子排列是中断的。例如，像图2的(a)展示的那样，在由原子201构成的物质的表面，原子排列中断，存在有表面原子202和悬空键203。悬空键203的部分没有原本键结的原子，因此，与内部原子201相比，表面原子202在来自近接的原子或离子的作用方面是不均匀的。此外，物质的表面有时也会存在表面原子缺陷。由于这些原因，表面原子202的能势与内部原子201不一样，表面原子202自身的能量(表面自由能)较高，成为不稳定的(活性)状态。
悬空键203的反应性极高，对于晶体生长等现象的作用较强，因此，认为存在于物质表面的悬空键203对于靠近的异类分子也会促进吸附。此外，如图2的(b)所示，通过由构成气体的异类分子204等吸附至悬空键203，物质表面得以再构成，大多会变为稳定的状态。但是，在物质表面所暴露的环境为真空状态等负压或者温度上升的情况下，已吸附的分子脱附、物质表面再次出现悬空键203而成为活性的表面的可能性较高。
此处，认为其他原子是否会吸附至表面原子202并不仅仅取决于悬空键203的数量，还受物质的晶体结构、分子的极性等的影响。其中，通常认为物质的表面是否为活性(表面势能的大小)会影响其他原子、分子在物质表面的吸附。因而，若表面为惰性状态，则可以防止异物在物质表面上的吸附。
此外，使用由降低活化能量的氟、氟化合物等加以封端的分子链沿与物质表面的面方向垂直的方向相连的分子层，可以实现物质的表面的惰性化。借助各分子链(表面封端分子)，能将悬空键加以封端。
例如，通过像图4所示那样在由原子201构成、存在有表面原子202和悬空键203的物质的表面设置自组织单分子层206，能够实现表面的惰性化。自组织单分子层206由取向性一致的多个分子链207和封端于这些分子链207各方上的封端原子208构成。此外，也可以利用取向纳米管来构成分子链207。这种层厚度极薄，为几nm以下，表面处理自身也可以在制作压力传感器之后实施。
作为自组织单分子层，有硫醇系、硅烷系、乙酸系等。这些自组织单分子层例如可以通过使反应活性分子的溶液或蒸气接触处理对象的表面来形成。借助溶液处理、气相处理，可以通过利用酸碱反应、硅烷偶合反应等化学反应在表面形成自组织单分子层。
此外，作为取向纳米管，有碳纳米管(氟官能基化取向碳纳米管)。
另外，上述那样的用于实现惰性化的表面处理的对象是暴露于测定对象气体中的膜片102的受压面，可以在制作压力传感器之后实施。此外，该表面处理对于压力传感器的电性输出部分没有影响。因而，也可以将已经在实际使用的压力传感器卸下而对该压力传感器实施表面处理。
此外，压力传感器也可为具备以光学方式测量膜片的位移的测定部的压力传感器。参考图5，对该压力传感器进行说明。该压力传感器具备基台121和支承在基台121的支承部121a上的膜片122。膜片122能够位移并以受压面承受测定对象气体的压力。此外，膜片122在可动区域122a外侧的接合区域122b内接合于支承部121a的上表面，在可动区域122a内与基台121隔开配置。此外，基台121由具有透光性的材料构成。
该压力传感器的测定部具备形成于膜片122的可动区域122a内的反射膜124和以与反射膜124相对的方式形成的半反射膜125。此外，具备出射第1信号光及第2信号光的光源(未图示)、干涉测定部(未图示)。在可动区域122a内的膜片122与基台121之间形成有气密室123，在气密室123内部配置有反射膜124及半反射膜125。从光源出射的信号光例如可以通过光纤引导至作为对象的部位。
在该压力传感器中，膜片122的受压面呈惰性状态。膜片122的受压面为不易吸附上测定对象气体的分子的状态。可以通过规定的表面处理使膜片122的受压面成为惰性状态。通过表面处理，形成使膜片122的受压面成惰性的层，该层的存在使得膜片122的受压面成为惰性状态。这些构成与前文所述的实施方式相同。
该压力传感器使从光源出射的第1信号光透过基台121及半反射膜125而在反射膜124上反射，获得第1反射光。此外，使从光源出射的第2信号光透过基台121而在半反射膜125上反射，获得第2反射光。通过利用干涉测定部得到以如此方式获得的第1反射光与第2反射光的干涉，能够测量设置有反射膜124的膜片的位移。
接着，参考图6、图7，对本发明的另一压力传感器进行说明。再者，图7展示的是图6的xx'线处的截面。该压力传感器具备形成于半导体层151上的膜片159和测定膜片159的应力(形变)的压电元件(测定部)150。通过利用压电元件150测量膜片159的形变，能够测定施加至膜片159的压力。
此外，膜片159的受压面与前文所述的膜片102一样呈惰性状态。膜片159的受压面不易吸附上测定对象气体的分子。膜片159形成得比周围的半导体层151薄，此外，呈俯视矩形，该表面(受压面)呈惰性状态。
压电元件150配置在膜片159的4条边各方上。压电元件150具备压阻区域152、保护区域153、接触区域154a、154b、电极155a、155b。电极155a、155b隔着绝缘层156形成于半导体层151上，并贯通绝缘层156与半导体层151的接触区域154a、154b欧姆接触。
该压力传感器为压阻型压力传感器。将4个压电元件150的4个压阻区域桥接，以桥式输出的形式获得伴随受到压力的膜片159的变形而来的4个压阻区域的电阻值的变化，由此，能够测定压力。
压阻区域152是形成于半导体层151上的导入有p型杂质的区域。半导体层151例如由硅构成。半导体层151例如为硅基板的表面侧的部分。此外，半导体层151也可为人们熟知的SOI(Silicon on Insulator)的表面硅层。压阻区域152是在由硅构成的半导体层151上导入作为p型杂质的硼(B)而成的p型区域。
此外，保护区域153是以覆盖形成有压阻区域152的区域的上部的方式形成于半导体层151上的导入有n型杂质的区域。压阻区域152是在由硅构成的半导体层151上导入作为n型杂质的磷(p)而成的n型区域。再者，压阻区域152的杂质浓度＜保护区域153的杂质浓度＜接触区域154a、154b的杂质浓度。
此外，保护区域153在俯视下覆盖整个压阻区域152。保护区域153在俯视下设为压阻区域152以上的面积。再者，在半导体层151的厚度方向上，保护区域153相较于压阻区域152而言形成于半导体层151的表面侧。保护区域153无须以接触压阻区域152的方式形成。
此外，接触区域154a、154b连接至压阻区域152，是在形成有保护区域的区域以外以到达半导体层151的表面的方式形成的导入有p型杂质的区域。电极155a、155b在半导体层151的表面侧与接触区域154a、154b各方欧姆接触。电极155a、155b例如由Au、Cu、Al等金属构成。
像以上说明过的那样，根据本发明，使膜片的受压面成为了惰性状态，因此能进一步减少沉积物对压力传感器的膜片的影响。
再者，本发明不限定于以上说明过的实施方式，显然，可以由本领域内具有常识的人在本发明的技术思想内实施大量的变形及组合。
符号说明
101基台
101a支承部
102膜片
102a可动区域
103气密室
104可动电极
105固定电极
111测定器。

Claims (7)

1.一种压力传感器，其特征在于，具备：
膜片，其能够位移并以受压面承受测定对象的压力；以及
测定部，其测定所述膜片的位移，
所述膜片的所述受压面通过形成有自组织单分子层而在化学上呈惰性状态。
2.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，
所述自组织单分子层由取向性一致的多个分子链和封端于所述多个分子链各方上的封端原子构成。
3.根据权利要求1或2所述的压力传感器，其特征在于，
所述自组织单分子层由取向性一致的取向纳米管构成。
4.根据权利要求1或2所述的压力传感器，其特征在于，
所述自组织单分子层由硫醇系、硅烷系、或乙酸系中的任一种构成。
5.根据权利要求1或2所述的压力传感器，其特征在于，
所述自组织单分子层以暴露于测定对象气体中的受压面为对象。
6.根据权利要求1或2所述的压力传感器，其特征在于，
所述自组织单分子层能够在制作压力传感器之后通过表面处理而形成。
7.根据权利要求1或2所述的压力传感器，其特征在于，
所述自组织单分子层能够通过对已经使用的压力传感器进行表面处理而形成。
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