JP2017083187A - 半導体圧力センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】ダイヤフラムを備えた半導体圧力センサの基準圧力室への水素ガスの浸入を防止し、水素ガスの圧力測定を高精度に行え、且つ安価な半導体圧力センサを得る。【解決手段】半導体圧力センサエレメント１００Ｇにおいて、第１のシリコン基板１の主面１ａの側に第１の水素透過防止膜１１を設け、第２のシリコン基板２の主面２ｂの側に第２の水素透過防止膜１２を設けた。これらにより、図中矢印Ａ、Ｂで示す水素流束の透過経路を遮断した。また、基準圧力室４を囲むトレンチ１６を設け、トレンチ１６の底部において第１の水素透過防止膜１１と第３の水素透過防止膜１３を接合することにより、図中矢印Ｃで示す水素流束の透過経路を遮断した。さらに、水素吸蔵室１８を設け、基準圧力室４に到達する前に水素をトラップするようにした。【選択図】図９
Description
本発明は、半導体圧力センサに関し、特に、燃料電池システムにおいて燃料電池に供給される水素ガスの圧力を測定するための半導体圧力センサに関する。
近年市販が開始されている燃料電池車の燃料電池システムには、高電圧を発生する燃料電池スタックが用いられている。燃料電池スタックは、アノード側電極、電解質膜、カソード側電極を含む膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）とセパレータとを１組の燃料電池セルとし、これらを多数積層した燃料電池セル積層体を、絶縁板、集電板、エンドプレート等で挟み込んだものである。
この燃料電池スタックにおいては、アノード側に燃料ガスとして例えば水素ガスを供給し、カソード側に酸化ガスとして例えば空気を供給することにより電池反応が起こり、起電力が発生して、カソード側電極において水が生成される。発電を効率的に行うためには、燃料電池スタックに供給される水素ガス及び酸化ガスの量を高精度に測定し、過不足なく制御した上で供給する必要がある。
しかし、現時点では、燃料電池スタックに供給される水素ガスの圧力を測定するための圧力センサには、改善すべき課題が多く存在している。測定対象である水素ガスは、共有結合半径として約３７ｐｍ、ファンデルワールス半径として約１２０ｐｍと分子径が非常に小さく、ガス分子のまま、あるいは、イオン化して浸入した後に再結合する等して、容易に種々の材料を透過するという特性があり、このことが圧力測定を困難にしている。さらに、多くの金属材料を脆化させるという特性も有している。
また、燃料電池システムを構成する各種部品は、仕様、価格共に未だ適正化が十分にはなされておらず、燃料電池車の普及の上で低価格化が喫緊の課題である。このため、大量生産が可能で安価な半導体圧力センサを用いることが望ましいが、従来の半導体圧力センサは、燃料電池システムでの使用を想定しておらず、水素透過の課題について十分な対策が取られていない。
主として測定媒体が空気であることを想定した従来の半導体圧力センサは、ダイヤフラムを単結晶シリコン基板で形成し、基準圧力室を封止する台座としてガラス基板が用いられており、安価、高精度、高信頼性という特長を有している。しかし、従来の半導体圧力センサを燃料電池システムにおける水素ガスの圧力測定に用いた場合、水素ガスは単結晶シリコンやガラスを容易に透過してしまい、高精度な測定は行えない。このような現象は、水素ガスの温度、圧力が高くなれば一層顕著となる。
また、特許文献１に開示された半導体圧力センサ（図１９参照）は、ダイヤフラム８を有する第１の半導体基板１と第２の半導体基板２とを真空中で接合することによって基準圧力室４を構成しており、第１の半導体基板１と第２の半導体基板２との接合界面にトラップ室１８を備えている。このトラップ室１８は、第１の半導体基板１と第２の半導体基板２との接合時に発生する水素、酸素、水等のガスをトラップする目的で設けられている。
上述のように、単結晶シリコンを含む多くの材料の水素透過係数は、燃料電池システムのような高温高圧下においては、室温大気圧下に比べ指数関数的に増大する。さらに、基準圧力室は、絶対圧測定を行うために真空としていることから、外部との圧力差により水素ガスが浸入し易い。基準圧力室の内部に水素が浸入すると、圧力が上昇し、センサの出力が変動する。このため、従来の半導体圧力センサでは、水素ガスの圧力を高精度に測定することは困難である。
さらに、近年の半導体圧力センサの高精細化、高集積化に伴い、基準圧力室の容積も一層小型化している。このため、基準圧力室への水素ガスの浸入が極わずかな量であっても、基準圧力室の圧力上昇は著しく大きなものとなってしまい、水素透過の影響がより一層深刻となっている。
また、半導体圧力センサの製造工程においては、水素雰囲気下で熱処理する工程が複数回行われる。例えば、電気信号を外部に取り出すための金属電極膜（例えばＡｌ、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ等）の電気的特性を安定化させるため、水素ガスを含む還元性雰囲気下でシンター処理が行われるが、この時の処理温度は約４５０℃程度と高温であるため、シリコンの水素透過係数は室温下よりも著しく大きくなっている。
さらに、湿気や塵埃等の外部の有害環境から半導体素子を保護するために、金属配線の上に保護膜が形成されるが、この工程も水素雰囲気で行われることが多い。このように、水素雰囲気下で行われる各処理工程において、水素ガスおよび水素イオンが発生するため、その時点で基準圧力室が形成されている場合、基準圧力室内に水素が浸入して絶対圧の測定が困難になるという製造上の課題があった。
特許文献１に開示された半導体圧力センサは、第１の半導体基板１と第２の半導体基板２との接合界面にトラップ室１８を備えることにより、熱処理工程において発生した水素ガスが両基板の界面を伝わって基準圧力室４に浸入することを防いでいる。しかしながら、この半導体圧力センサを燃料電池システムにおける水素ガスの圧力測定に用いた場合、基準圧力室４への水素の浸入を防ぐ対策は十分とは言えない。
その理由として、特許文献１に開示された半導体圧力センサは、ダイヤフラム８表面からの水素透過に対して全く無防備である。ダイヤフラム８表面側は、水素に曝露される面積が最も大きく、且つ基準圧力室４までの透過距離が最も短いことから最大の水素透過経路であると考えられる。また、第２の半導体基板２の裏面側や、シリコンウェハがダイシングによって個片化される際に露出する側面からも、基準圧力室４への水素透過があると考えられるが、それらの経路についても水素透過を防ぐ対策がとられていない。従って、これらの経路から透過した水素が基準圧力室内４に浸入すると考えらえる。
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、ダイヤフラムを備えた半導体圧力センサの基準圧力室への水素ガスの浸入を防止し、水素ガスの圧力測定を高精度に行え、且つ安価な半導体圧力センサを得ることを目的とする。
本発明に係る半導体圧力センサは、ダイヤフラムを有する第１のシリコン基板と、第１のシリコン基板の一方の主面の側に設けられた第１の水素透過防止膜と、凹部を有する一方の主面が第１のシリコン基板の他方の主面と埋込酸化膜を介して接合された第２のシリコン基板と、凹部と第１のシリコン基板の他方の主面とで囲まれた空間を真空状態とした
基準圧力室を備えたものである。
基準圧力室を備えたものである。
また、本発明に係る半導体圧力センサは、ダイヤフラムを有する第１のシリコン基板と、第１のシリコン基板の一方の主面の側に設けられた第１の水素透過防止膜と、一方の主面から他方の主面に貫通した孔部を有し一方の主面が第１のシリコン基板の他方の主面と埋込酸化膜を介して接合された第２のシリコン基板と、一方の主面が第２のシリコン基板の他方の主面と接合された第３のシリコン基板と、孔部と第１のシリコン基板の他方の主面と第３のシリコン基板の一方の主面とで囲まれた空間を真空状態とした基準圧力室を備えたものである。
本発明によれば、ダイヤフラムを有する第１のシリコン基板の一方の主面の側に第１の水素透過防止膜を設けることにより、ダイヤフラム表面側から基準圧力室への水素透過経路を遮断したので、基準圧力室への水素の浸入を効果的に防止することができ、測定精度が高く安価な半導体圧力センサが得られる。
実施の形態１．
以下に、本発明の実施の形態１に係る半導体圧力センサについて、図面に基づいて説明する。なお、各図において、図中、同一、相当部分には同一符号を付している。図１は、本実施の形態１に係る半導体圧力センサエレメントを示している。半導体圧力センサエレメント１００は、燃料電池システムにおいて燃料電池に供給される水素ガスの圧力を測定するものであり、図１に示すように、相対する一方の主面１ａと他方の主面１ｂを有する第１のシリコン基板１と、相対する一方の主面２ａと他方の主面２ｂを有する第２のシリコン基板２とを備えている。
以下に、本発明の実施の形態１に係る半導体圧力センサについて、図面に基づいて説明する。なお、各図において、図中、同一、相当部分には同一符号を付している。図１は、本実施の形態１に係る半導体圧力センサエレメントを示している。半導体圧力センサエレメント１００は、燃料電池システムにおいて燃料電池に供給される水素ガスの圧力を測定するものであり、図１に示すように、相対する一方の主面１ａと他方の主面１ｂを有する第１のシリコン基板１と、相対する一方の主面２ａと他方の主面２ｂを有する第２のシリコン基板２とを備えている。
半導体圧力センサエレメント１００は、第１のシリコン基板１に受圧部であるダイヤフラム８を有している。ダイヤフラム８の周辺部には、ダイヤフラム８に印加された圧力を電気信号に変換するピエゾ抵抗５ａ、５ｂ（総称してピエゾ抵抗５）を有している。図１では、２つのピエゾ抵抗５ａ、５ｂを示しているが、実際は４つのピエゾ抵抗５を有している（図６参照）。また、第１のシリコン基板１の主面１ａの側には、拡散配線層６と金属電極膜７が設けられ、さらに、第１の水素透過防止膜１１が設けられている。
第２のシリコン基板２は、主面２ａに凹部４０を有し、この主面２ａが第１のシリコン基板１の主面１ｂと埋込酸化膜９を介して接合されている。第２のシリコン基板２の凹部４０と第１のシリコン基板１の主面１ｂとで囲まれた空間を真空状態にした基準圧力室４は、絶対圧を測定する基準となる。被測定ガスである水素ガスによりダイヤフラム８に圧力が印加されると、ダイヤフラム８が歪み、ピエゾ抵抗５の抵抗値が変化する。ピエゾ抵抗５は、この抵抗値の変化を電気信号に変換して出力し、出力された電気信号は拡散配線層６を介して金属電極膜７から外部に取り出される。
半導体圧力センサエレメント１００の製造方法について簡単に説明する。まず、第２のシリコン基板２の主面２ａに、エッチングにより凹部４０を形成する。その際、ボッシュプロセスを用いた誘導結合型の反応性イオンエッチング（ＩＣＰ−ＲＩＥ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ−Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）を用いることにより、ダイヤフラム８の形状を高精度に形成することができる。ただし、エッチング方法はこれに限定されるものではなく、水酸化カリウム（ＫＯＨ）やテトラメチル水酸化アンモニウム（ＴＭＡＨ）等のエッチング液を用いたウェット異方性エッチングによって形成しても良い。
基準圧力室４は、水素の浸入による内圧の変化を小さく抑えるという観点からは容積が大きい方が好ましく、そのためには凹部４０を深くエッチングする必要があるが、加工負荷が大きくなる。本発明では、図１に示す第１の水素透過防止膜１１や、後述の第２の水素透過防止膜１２（図２参照）及び第３の水素透過防止膜１３（図５参照）によって基準圧力室４への水素の浸入を防止しているため、凹部４０の深さは１０μｍ〜１００μｍ程度で良い。
続いて、凹部４０が形成された第２のシリコン基板２の主面２ａに、熱酸化よって埋込酸化膜９を形成する。埋込酸化膜９は、第１のシリコン基板１との接合を促進するために必要であり、厚さは０．１μｍ〜０．５μｍ程度が好適である。なお、埋込酸化膜９は、第１のシリコン基板１の主面１ｂに形成しても良い。
続いて、第１のシリコン基板１の主面１ｂと第２のシリコン基板２の主面２ａとを真空中で接合し、基準圧力室４を形成する。接合は、１１００℃程度の高温下で酸雰囲気中において行うのが好ましいが、１２００℃程度まで温度を上げることにより、さらに接合強度を向上させることができる。
第１のシリコン基板１と第２のシリコン基板２を接合した後、被測定ガスの圧力に応じてダイヤフラム８の厚さを調整する。具体的には、第１のシリコン基板１を研削、研磨することにより、ダイヤフラム８を所定の厚さとする。以上の工程により基準圧力室４を有するＳＯＩウェハを得ることができる。
その後、ダイヤフラム８の周辺部に、イオン注入及びその後の熱処理等により、ピエゾ抵抗５と拡散配線層６を形成した後、スパッタリング等の方法により、Ａｌ、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ等を成膜し、金属電極膜７を形成する。さらに、第１のシリコン基板１の主面１ａの側に第１の水素透過防止膜１１を形成し、図１に示す半導体圧力センサエレメント１００を得る。
第１の水素透過防止膜１１としては、半導体ウェハプロセスでは汎用のＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等の成膜方法で形成することができる窒化シリコン膜（ＳｉＮＸ）が好適である。窒化シリコン膜は、残留引張応力が大きいため、センサの特性および信頼性に与える影響を抑えるためには薄い方が好ましい。一方、基準圧力室４への水素浸入を防止するためには、ある程度の厚さが必要である。このため、窒化シリコン膜の膜厚は０．０１μｍ以上とし、好ましくは０．０４μｍ〜０．２μｍの範囲で選択される。
なお、窒化シリコン膜（ＳｉＮＸ）のシリコン原子と窒素原子との組成比を表す指数ｘとしては、理論的には０から４／３までの値を取り得る。そのうち、ｘが最大値である４／３の場合がストイキオメトリックな組成比を有する場合であり、Ｓｉ３Ｎ４と表される。この組成比のとき、全ての結合がＳｉ−Ｎの結合となっており、シリコン原子と窒素原子とが最密充填された原子配列である。シリコン原子と窒素原子とは、原子サイズが異なるので、これらが最密充填された、Ｓｉ３Ｎ４の場合、水素原子が透過する空隙が存在せず、水素透過防止性能が最も高くなる。
これに対し、ｘの値が４／３より小さくなるにつれて、シリコン原子同士の結合（Ｓｉ−Ｓｉ）が増える。同じサイズのシリコン原子同士が結合すると、原子配列構造が最密充填されたものとはならず、水素原子サイズより大きい空隙が生じる。ｘの値が小さいほど、この空隙は大きくなり、それらの空隙が連通して水素原子が透過するリークパスが形成される。
特に、ｘの値が１／２以下になると、このリークパスのネットワークが３次元的に構成され、水素透過防止性能が完全に消失する。以上のような特性から、窒化シリコン膜のシリコン原子と窒素原子との組成比を表す指数ｘが１≦ｘ≦４／３を満たし、且つ上述のような一定の膜厚を確保することにより、有効な水素透過防止性能が得られる。
なお、第１の水素透過防止膜１１は、窒化シリコン膜に限定されるものではなく、半導体ウェハプロセスと親和性の高い材料である酸化アルミニウム膜（ＡｌＯＸ）を用いることもできる。膜厚は窒化シリコン膜と同等の０．０４μｍ〜０．２μｍの範囲が好適である。酸化アルミニウム膜の中でも、特にＡｌ２Ｏ３は、温度にもよるが、少なくともＳＵＳ３１６よりも４桁程度、水素透過係数が小さい。酸化アルミニウム膜は、スパッタリングまたはＣＶＤ等により形成することができる。
酸化アルミニウム膜はステップカバレッジ性が良いため、段差がある構造であっても空隙を生じることなく、高い水素透過防止性能が得られる。一方、酸化アルミニウムは、ピンホール、微小クラック等が発生し易く、有効な水素透過防止性能を得るためには結晶性の管理が重要である。
また、第１の水素透過防止膜１１として、さらに水素透過係数の低い酸化エルビウム膜（Ｅｒ２Ｏ３）を用いることもできる。エルビウムはレアアースに属するが、真空アーク蒸着法、有機金属分解法（ＭＯＤ）、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）等によって成膜することができる。酸化エルビウム膜を用いることにより、酸化アルミニウム膜よりもさらに高い水素透過防止性能が得られる。
半導体圧力センサエレメント１００において、ダイヤフラム８の表面側は、水素に曝露される面積が最も大きく、且つ基準圧力室４までの透過距離が最も短いことから、図１中、矢印Ａで示す大きな水素流束の透過経路となる。本実施の形態１では、第１のシリコン基板１の主面１ａの側に第１の水素透過防止膜１１を設けることにより、ダイヤフラム８の表面側から基準圧力室４への水素透過経路を遮断している。
また、第１の水素透過防止膜１１は、従来の半導体ウェハプロセスで形成することができる。これらのことから、本実施の形態１によれば、第１の水素透過防止膜１１を備えることにより、第１のシリコン基板１の主面１ａ側から基準圧力室４への水素の浸入を効果的に防止することができ、測定精度が高く安価な半導体圧力センサエレメント１００が得られる。
実施の形態２．
図２は、本発明の実施の形態２に係る半導体圧力センサエレメントを示している。本実施の形態２に係る半導体圧力センサエレメント１００Ａは、上記実施の形態１に係る半導体圧力センサエレメント１００（図１）と同様の構成に加え、第２のシリコン基板２の主面２ｂの側に設けられた第２の水素透過防止膜１２を備えたものである。その他の構成については、上記実施の形態１と同様であるので説明を省略する。
図２は、本発明の実施の形態２に係る半導体圧力センサエレメントを示している。本実施の形態２に係る半導体圧力センサエレメント１００Ａは、上記実施の形態１に係る半導体圧力センサエレメント１００（図１）と同様の構成に加え、第２のシリコン基板２の主面２ｂの側に設けられた第２の水素透過防止膜１２を備えたものである。その他の構成については、上記実施の形態１と同様であるので説明を省略する。
第２のシリコン基板２の主面２ｂ側も、ダイヤフラム８の表面側と同様に、水素に曝露される面積が大きいため、図２中、矢印Ｂで示す大きな水素流束の透過経路となる。ただし、第２のシリコン基板２の主面２ｂから基準圧力室４までの距離は、少なくとも５００μｍ程度あり、第１のシリコン基板１の厚さは約１０μｍ〜２０μｍ程度であることから、第２のシリコン基板２の主面２ｂ側から透過した水素が基準圧力室４に到達するには、ダイヤフラム８の表面側からに比べて２５〜５０倍の時間がかかる。しかし、到達時間が遅くても、透過することに変わりはない。
半導体圧力センサエレメント１００Ａは、第２のシリコン基板２の主面２ｂにおいて、ダイボンド剤を介して基材（いずれも図示省略）に取り付けられる。このため、主面２ｂはダイボンド剤に覆われているが、ダイボンド剤は水素透過防止性能を有していない。そこで、本実施の形態２では、第２のシリコン基板２の主面２ｂの側に第２の水素透過防止膜１２を設けることにより、第２のシリコン基板２の主面２ｂ側から基準圧力室４への水素透過経路を遮断している。
第２の水素透過防止膜１２としては、第１の水素透過防止膜１１と同様に、１≦ｘ≦４／３の窒化シリコン（ＳｉＮＸ）、または酸化アルミニウム（ＡｌＯＸ）、または酸化エルビウム（Ｅｒ２Ｏ３）が用いられる。なお、第１の水素透過防止膜１１と第２の水素透過防止膜１２を同じ膜で形成することにより、低コストで効率的に製造することができる。
本実施の形態２に係る半導体圧力センサエレメント１００Ａによれば、上記実施の形態１と同様の効果に加え、第２の水素透過防止膜１２を備えることにより、第２のシリコン基板２の主面２ｂ側から基準圧力室４への水素の浸入を防止することができ、測定精度がさらに向上する。また、第１の水素透過防止膜１１と第２の水素透過防止膜１２が互いの残留応力を打ち消し合うため、半導体圧力センサエレメント１００Ａの反りが抑えられ、反りによる測定精度の低下を抑制することが可能である。
実施の形態３．
図３及び図４は、本発明の実施の形態３に係る半導体圧力センサエレメントを示している。本実施の形態３に係る半導体圧力センサエレメント１００Ｂ、１００Ｃは、水素透過防止膜の引張性残留応力を緩和するための応力緩和膜を、水素透過防止膜の直下に備えたものである。その他の構成については、上記実施の形態１または上記実施の形態２と同様であるので、説明を省略する。
図３及び図４は、本発明の実施の形態３に係る半導体圧力センサエレメントを示している。本実施の形態３に係る半導体圧力センサエレメント１００Ｂ、１００Ｃは、水素透過防止膜の引張性残留応力を緩和するための応力緩和膜を、水素透過防止膜の直下に備えたものである。その他の構成については、上記実施の形態１または上記実施の形態２と同様であるので、説明を省略する。
第１の水素透過防止膜１１または第２の水素透過防止膜１２として窒化シリコン膜（ＳｉＮＸ）を用いる場合、高い水素透過防止性能を得るためにｘの値を大きくするほど、窒化シリコン膜の引張性残留応力は大きくなる。測定する圧力帯域やダイヤフラム８のデザインによっては、引張性残留応力によってダイヤフラム８の張力が大きくなり、圧力検出感度が低下する。また、ダイヤフラム８への応力集中によりクラックが発生したり、最悪の場合にはダイヤフラム８の破損が生じたりする可能性がある。
図３及び図４に示すように、半導体圧力センサエレメント１００Ｂ、１００Ｃは、第１の水素透過防止膜１１の引張性残留応力を緩和するために、第１のシリコン基板１の主面１ａと第１の水素透過防止膜１１との間に、圧縮性応力を有する第１の応力緩和膜１４を備えている。さらに、半導体圧力センサエレメント１００Ｃは、第２のシリコン基板２の主面２ｂと第２の水素透過防止膜１２との間に、第２の水素透過防止膜１２の引張性残留応力を緩和する第２の応力緩和膜１５を備えている。
第１の応力緩和膜１４及び第２の応力緩和膜１５としては、酸化シリコン膜が好適である。酸化シリコン膜の成膜には、熱酸化またはＣＶＤが用いられる。第１の応力緩和膜１４及び第２の応力緩和膜１５を構成する酸化シリコン膜の厚さは、第１の水素透過防止膜１１及び第２の水素透過防止膜１２を構成する窒化シリコン膜の組成、残応力及び厚さにより調整されるが、典型的には０．０５μｍ〜０．３μｍが好適である。
本実施の形態３に係る半導体圧力センサエレメント１００Ｂ、１００Ｃによれば、上記実施の形態１及び実施の形態２と同様の効果に加え、第１の応力緩和膜１４及び第２の応力緩和膜１５を備えることにより、ダイヤフラム８にかかる応力を調整することができるため、測定精度がさらに向上し、ダイヤフラム８への応力集中によるクラックの発生や破損を防止することができる。
実施の形態４．
図５及び図６は、本発明の実施の形態４に係る半導体圧力センサエレメントを示し、図５は、図６中Ａ−Ａで示す部分の断面図である。本実施の形態４に係る半導体圧力センサエレメント１００Ｄは、第２のシリコン基板２の主面２ａと埋込酸化膜９との間に、第３の水素透過防止膜１３を備えている。また、第１のシリコン基板１の主面１ａから主面１ｂに貫通するトレンチ１６が、基準圧力室４を囲むように設けられている。
図５及び図６は、本発明の実施の形態４に係る半導体圧力センサエレメントを示し、図５は、図６中Ａ−Ａで示す部分の断面図である。本実施の形態４に係る半導体圧力センサエレメント１００Ｄは、第２のシリコン基板２の主面２ａと埋込酸化膜９との間に、第３の水素透過防止膜１３を備えている。また、第１のシリコン基板１の主面１ａから主面１ｂに貫通するトレンチ１６が、基準圧力室４を囲むように設けられている。
第１の水素透過防止膜１１は、トレンチ１６の内部を覆うように設けられ、トレンチ１６の底部において第３の水素透過防止膜１３と接合されている。その他の構成については、上記実施の形態３と同様であるので説明を省略する。
上記実施の形態２では、第１の水素透過防止膜１１と第２の水素透過防止膜１２により、エレメントの上下面からの基準圧力室４への大きな水素流束Ａ、Ｂの透過経路を遮断した（図２参照）。本実施の形態４ではさらに、ダイシングにより半導体圧力センサエレメント１００Ｄを個片化する際に露出するエレメント側面から基準圧力室４への水素流束（図５中、矢印Ｃ、Ｄで示す）の透過経路を遮断する。
そのための方策として、第２のシリコン基板２の主面２ａと埋込酸化膜９との間に、第３の水素透過防止膜１３を設けると共に、第１のシリコン基板１に基準圧力室４を囲むようにトレンチ１６を設け、トレンチ１６の底部において第１の水素透過防止膜１１と第３の水素透過防止膜１３を接合した。これにより、エレメント側面から基準圧力室４への水素透過経路が遮断される。また、第３の水素透過防止膜１３により、第２のシリコン基板２の主面２ｂ側からの大きな水素流束（図５中、矢印Ｂで示す）の透過経路も遮断することができる。
第３の水素透過防止膜１３としては、第１の水素透過防止膜１１と同様に、ＣＶＤ等で形成される１≦ｘ≦４／３の窒化シリコン（ＳｉＮＸ）が用いられる。さらに、第３の水素透過防止膜１３の上には、第１のシリコン基板１との接合を行うための埋込酸化膜９が同じくＣＶＤ等によって形成される。なお、第３の水素透過防止膜１３として、酸化アルミニウム（ＡｌＯＸ）または酸化エルビウム（Ｅｒ２Ｏ３）を用いることもできる。いずれの場合も、第１の水素透過防止膜１１と第３の水素透過防止膜１３を同じ膜で形成することにより、低コストで効率的に製造することができる。
さらに、図７に示す半導体圧力センサエレメント１００Ｅのように、トレンチ１６の底部において、第１の水素透過防止膜１１と第３の水素透過防止膜１３の界面に、相互拡散による接合層１７を設けることにより、図７中、矢印Ｅで示す水素流束が接合界面から浸入するのを確実に防止することができる。
第１のシリコン基板１、第１の応力緩和膜１４及び埋込酸化膜９をエッチングにより貫通させる際、製造ばらつきによってトレンチ１６の底部に位置する第３の水素透過防止膜１３の表面に微小な粗さが生じ、第１の水素透過防止膜１１と第３の水素透過防止膜１３の密着性が低下したり、微小な空隙ができたりする可能性がある。そのような場合、第１の水素透過防止膜１１と第３の水素透過防止膜１３の界面に微小なリークパスが形成され、矢印Ｅで示す水素流束の透過経路となる恐れがある。
図７に示す接合層１７を設けることにより、第１の水素透過防止膜１１と第３の水素透過防止膜１３の密着性が強化され、微小な空隙が連通することによるリークパスの形成を防止することができる。これにより、矢印Ｅで示す水素流束が接合界面を拡散して基準圧力室４へ浸入することを、極めて効果的に防止することができる。
第１の水素透過防止膜１１と第３の水素透過防止膜１３が窒化シリコン膜の場合、熱処理を加えることで相互に拡散して接合層１７が形成される。ただし、第１の水素透過防止膜１１と第３の水素透過防止膜１３は、異なる材料であっても良く、さらに、それぞれ複数種類の膜から構成されていても良い。また、図５に示す例では、第２の水素透過防止膜１２及び第２の応力緩和膜１５を設けていないが、設けても良い。
本実施の形態４に係る半導体圧力センサエレメント１００Ｄ、１００Ｅによれば、上記実施の形態１〜実施の形態３と同様の効果に加え、基準圧力室４を第１の水素透過防止膜１１と第３の水素透過防止膜１３により三次元的に包囲することにより、エレメントの上下面のみならず側面からの水素の浸入を効果的に防止することができ、測定精度がさらに向上する。
実施の形態５．
図８及び図９は、本発明の実施の形態５に係る半導体圧力センサエレメントを示している。本実施の形態５に係る半導体圧力センサエレメント１００Ｆ、１００Ｇは、第２のシリコン基板２の主面２ａに基準圧力室４を囲むように枠状凹部が設けられ、この枠状凹部と第１のシリコン基板１の主面１ｂとで囲まれた空間からなる水素吸蔵室１８を備えたものである。その他の構成については、上記実施の形態４と同様であるので、説明を省略する。
図８及び図９は、本発明の実施の形態５に係る半導体圧力センサエレメントを示している。本実施の形態５に係る半導体圧力センサエレメント１００Ｆ、１００Ｇは、第２のシリコン基板２の主面２ａに基準圧力室４を囲むように枠状凹部が設けられ、この枠状凹部と第１のシリコン基板１の主面１ｂとで囲まれた空間からなる水素吸蔵室１８を備えたものである。その他の構成については、上記実施の形態４と同様であるので、説明を省略する。
上記実施の形態４では、基準圧力室４を第１の水素透過防止膜１１と第３の水素透過防止膜１３（及び第２の水素透過防止膜１２）により三次元的に包囲することにより、エレメントの上下面及び側面からの水素の浸入を防止している。それでも何らかの原因で水素が浸入した場合、水素吸蔵室１８を備えておくことにより、基準圧力室４に到達する前に水素をトラップすることができる。
例えば、図８中、矢印Ｅで示す水素流束が、第１の水素透過防止膜１１と第３の水素透過防止膜１３との接合界面を透過した場合でも、水素吸蔵室１８によりトラップされるため、奥の基準圧力室４へ浸入することはできない。
水素吸蔵室１８は、第２のシリコン基板２をエッチングして基準圧力室４を形成する際に同時に形成しても良いし、容積を大きくしトラップできる水素量を多くする場合には、別途形成しても良い。ただし、容積の大きい水素吸蔵室１８を設けた場合、第１のシリコン基板１と第２のシリコン基板２の接合面積の減少により接合強度が低下する恐れがある。
そこで、第１のシリコン基板１と第２のシリコン基板２の接合面積の減少を抑え、且つトラップできる水素量を多くしたい場合、図９に示す半導体圧力センサエレメント１００Ｇのように、水素吸蔵室１８の内部に水素吸蔵材料である水素吸蔵膜１９を設けることが効果的である。
水素吸蔵膜１９としては、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、Ｉｒ（イリジウム）、ジルコニウム（Ｚｒ）、またはパラジウム（Ｐｄ）等の遷移金属を主成分とする合金、またはマグネシウム（Ｍｇ）を主成分とする合金を用いることができる。チタン、ニッケル等の第一遷移金属ベース合金は安価であり、ジルコニウム、パラジウム等の第二遷移金属ベース合金は、第一遷移金属ベース合金よりも高価であるが、水素捕捉効率が高い。
また、マグネシウム合金は、燃料電池車で使用される燃料電池スタックの動作温度帯域において、多量の水素ガスを捕捉することができる。自動車用燃料電池システムにおいては、燃料電池スタックは冷却されており、一般に動作温度として１００℃を超えないように制御されている。これらの水素吸蔵膜１９はいずれも、スパッタリング等の半導体ウェハプロセスで汎用の成膜方法によって形成することができる。
本実施の形態５に係る半導体圧力センサエレメント１００Ｆ、１００Ｇによれば、上記実施の形態１〜実施の形態４と同様の効果に加え、基準圧力室４を囲むように水素吸蔵室１８を設けることにより、エレメント内部に浸入した水素をトラップすることができるため、基準圧力室４への水素の浸入を確実に防止することができ、測定精度がさらに向上する。
実施の形態６．
図１０は、本発明の実施の形態６に係る半導体圧力センサエレメントを示している。上記実施の形態１〜実施の形態５では、ピエゾ抵抗式の半導体圧力センサエレメントを例に挙げて説明したが、本発明の実施の形態６では、ダイヤフラム８に印加された圧力の変化を静電容量変化に変換する静電容量式の半導体圧力センサエレメント１００Ｈについて説明する。
図１０は、本発明の実施の形態６に係る半導体圧力センサエレメントを示している。上記実施の形態１〜実施の形態５では、ピエゾ抵抗式の半導体圧力センサエレメントを例に挙げて説明したが、本発明の実施の形態６では、ダイヤフラム８に印加された圧力の変化を静電容量変化に変換する静電容量式の半導体圧力センサエレメント１００Ｈについて説明する。
第１のシリコン基板１は、印加された圧力を受けて変形する可動電極であるダイヤフラム８を有している。固定電極である第２のシリコン基板２は、ダイヤフラム８と対向する基準圧力室４を備えている。基準圧力室４は、第１のシリコン基板１と第２のシリコン基板２とが静電容量を形成するために浅く形成された第１の凹部４１と、第１の凹部４１の周囲に第１の凹部４１よりも深く形成された第２の凹部４２とを有している。
高精度の圧力測定を行うためには、可動電極であるダイヤフラム８と、固定電極である第２のシリコン基板２との距離が小さい方が良い。一方、基準圧力室４の容積が小さいと、基準圧力室４の内部に水素が浸入した場合に内圧変動が著しく大きくなり、出力変動が大きくなる。そこで、基準圧力室４の一部を深くエッチングして第２の凹部４２を形成することにより、静電容量を維持しつつ基準圧力室４の容積を確保することができる。また、静電容量式の半導体圧力センサエレメント１００Ｈは、可動電極と固定電極の距離が小さいため、過大な圧力が印加された場合に可動電極が固定電極に接触してダイヤフラム８の撓み量を抑制するストッパー効果があり、ダイヤフラム８の破損を防止することができる。
本実施の形態６においても、第１のシリコン基板１の主面１ａの側に第１の水素透過防止膜１１を設けることにより、図中矢印Ａで示す水素流束の透過経路を遮断している。また、第２のシリコン基板２の主面２ｂの側に第２の水素透過防止膜１２を設けることにより、図中矢印Ｂで示す水素流束の透過経路を遮断している。さらに、基準圧力室４を囲むように第１のシリコン基板１にトレンチ１６を設け、このトレンチ１６の底部において第１の水素透過防止膜１１と第３の水素透過防止膜１３を接合することにより、図中矢印Ｃで示す水素流束の透過経路を遮断している。
さらに、基準圧力室４を囲むように水素吸蔵室１８を設けることにより、何らかの原因で水素が浸入した場合にも、基準圧力室４に到達する前に水素をトラップすることができる。また、第１の応力緩和膜１４及び第２の応力緩和膜１５を備えることにより、ダイヤフラム８にかかる応力を調整することができる。このように、本実施の形態６に係る静電容量式の半導体圧力センサエレメント１００Ｈにおいても、上記実施の形態１〜実施の形態５と同様の効果が得られる。
実施の形態７．
図１１及び図１２は、本発明の実施の形態７に係る半導体圧力センサエレメントを示している。本実施の形態７に係る半導体圧力センサエレメント２００、２００Ａは、燃料電池システムにおいて燃料電池に供給される水素ガスの圧力を測定するものであり、図１１に示すように、相対する一方の主面１ａと他方の主面１ｂを有する第１のシリコン基板１と、相対する一方の主面２ａと他方の主面２ｂを有する第２のシリコン基板２と、相対する一方の主面３ａと他方の主面３ｂを有する第３のシリコン基板３とを備えている。
図１１及び図１２は、本発明の実施の形態７に係る半導体圧力センサエレメントを示している。本実施の形態７に係る半導体圧力センサエレメント２００、２００Ａは、燃料電池システムにおいて燃料電池に供給される水素ガスの圧力を測定するものであり、図１１に示すように、相対する一方の主面１ａと他方の主面１ｂを有する第１のシリコン基板１と、相対する一方の主面２ａと他方の主面２ｂを有する第２のシリコン基板２と、相対する一方の主面３ａと他方の主面３ｂを有する第３のシリコン基板３とを備えている。
半導体圧力センサエレメント２００は、第１のシリコン基板１に受圧部であるダイヤフラム８を有している。ダイヤフラム８の周辺部には、ダイヤフラム８に印加された圧力を電気信号に変換するピエゾ抵抗５ａ、５ｂ（総称してピエゾ抵抗５）を有している。図１１では、２つのピエゾ抵抗５ａ、５ｂを示しているが、実際は４つのピエゾ抵抗５を有している。また、第１のシリコン基板１の主面１ａの側には、拡散配線層６と金属電極膜７が設けられ、さらに、第１の水素透過防止膜１１が設けられている。
第２のシリコン基板２は、主面２ａから主面２ｂに貫通した孔部４３を有し、その主面２ａが第１のシリコン基板１の主面１ｂと埋込酸化膜９を介して接合されている。また、第３のシリコン基板３の主面３ａは、第２のシリコン基板２の主面２ｂと接合されている。第２のシリコン基板２の孔部４３と、第１のシリコン基板１の主面１ｂと、第３のシリコン基板３の主面３ａとで囲まれた空間を真空状態とした基準圧力室４は、絶対圧を測定する基準となる。
被測定ガスである水素ガスによりダイヤフラム８に圧力が印加されると、ダイヤフラム８が歪み、ピエゾ抵抗５の抵抗値が変化する。ピエゾ抵抗５は、この抵抗値の変化を電気信号に変換して出力し、出力された電気信号は拡散配線層６を介して金属電極膜７から外部に取り出される。
半導体圧力センサエレメント２００の製造方法について簡単に説明する。まず、第１のシリコン基板１と第２のシリコン基板２が埋込酸化膜９を介して接合されたＳＯＩウェハを作成する。ＳＯＩウェハの製造方法はいくつかあるが、活性層となる第１のシリコン基板１の厚さ及び抵抗率の制御性、結晶欠陥の少なさ等から、第１のシリコン基板１と第２のシリコン基板２を埋込酸化膜９で接合する貼り合わせ式のＳＯＩウェハを用いることが好ましい。
次いで、第２のシリコン基板２の主面２ａの側から第２のシリコン基板２を貫通して埋込酸化膜９に達するエッチングを行い、ダイヤフラム８を形成する。その際、ボッシュプロセスを用いた誘導結合型の反応性イオンエッチングを用いることにより、埋込酸化膜９がエッチングストッパーとして機能するため、圧力の測定精度に影響するダイヤフラム８の形状及び厚さを高精度に制御することができる。ただし、エッチング方法はこれに限定されるものではなく、水酸化カリウム（ＫＯＨ）やテトラメチル水酸化アンモニウム（ＴＭＡＨ）等のエッチング液を用いたウェット異方性エッチングによって形成しても良い。
続いて、第２のシリコン基板２の主面２ｂと第３のシリコン基板３の主面３ａとを真空中で接合し、基準圧力室４を形成する。接合方法としては、例えば第２のシリコン基板２と第３のシリコン基板３との接合面にイオンビームや中性原子ビームを照射して活性化させた上で一定の荷重を加える表面活性化接合法等が好適である。この方法によれば、接合時の温度を上げる必要がなく、室温下で実施することができる。
その後、ダイヤフラム８の周辺部に、イオン注入及びその後の熱処理等により、ピエゾ抵抗５と拡散配線層６を形成した後、スパッタリング等の方法により、Ａｌ、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ等を成膜し、金属電極膜７を形成する。さらに、第１のシリコン基板１の主面１ａの側に第１の水素透過防止膜１１を形成し、図１１に示す半導体圧力センサエレメント２００を得る。
第１の水素透過防止膜１１としては、半導体ウェハプロセスでは汎用のＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等の成膜方法で形成することができる窒化シリコン膜（ＳｉＮＸ）が好適である。窒化シリコン膜は、残留引張応力が大きいため、センサの特性および信頼性に与える影響を抑えるためには薄い方が好ましい。一方、基準圧力室４への水素浸入を防止するためには、ある程度の厚さが必要である。このため、窒化シリコン膜の膜厚は０．０１μｍ以上とし、好ましくは０．０４μｍ〜０．２μｍの範囲で選択される。
なお、窒化シリコン膜（ＳｉＮＸ）のシリコン原子と窒素原子との組成比を表す指数ｘとしては、理論的には０から４／３までの値を取り得る。そのうち、ｘが最大値である４／３の場合がストイキオメトリックな組成比を有する場合であり、Ｓｉ３Ｎ４と表される。この組成比のとき、全ての結合がＳｉ−Ｎの結合となっており、シリコン原子と窒素原子とが最密充填された原子配列である。シリコン原子と窒素原子とは、原子サイズが異なるので、これらが最密充填された、Ｓｉ３Ｎ４の場合、水素原子が透過する空隙が存在せず、水素透過防止性能が最も高くなる。
これに対し、ｘの値が４／３より小さくなるにつれて、シリコン原子同士の結合（Ｓｉ−Ｓｉ）が増える。同じサイズのシリコン原子同士が結合すると、原子配列構造が最密充填されたものとはならず、水素原子サイズより大きい空隙が生じる。ｘの値が小さいほど、この空隙は大きくなり、それらの空隙が連通して水素原子が透過するリークパスが形成される。
特に、ｘの値が１／２以下になると、このリークパスのネットワークが３次元的に構成され、水素透過防止性能が完全に消失する。以上のような特性から、窒化シリコン膜のシリコン原子と窒素原子との組成比を表す指数ｘが１≦ｘ≦４／３を満たし、且つ上述のような一定の膜厚を確保することにより、有効な水素透過防止性能が得られる。
なお、第１の水素透過防止膜１１は、窒化シリコン膜に限定されるものではなく、半導体ウェハプロセスと親和性の高い材料である酸化アルミニウム膜（ＡｌＯＸ）を用いることもできる。膜厚は窒化シリコン膜と同等の０．０４μｍ〜０．２μｍの範囲が好適である。酸化アルミニウム膜の中でも、特にＡｌ２Ｏ３は、温度にもよるが、少なくともＳＵＳ３１６よりも４桁程度、水素透過係数が小さい。酸化アルミニウム膜は、スパッタリングまたはＣＶＤ等により形成することができる。
酸化アルミニウム膜はステップカバレッジ性が良いため、段差がある構造であっても空隙を生じることなく、高い水素透過防止性能が得られる。一方、酸化アルミニウムは、ピンホール、微小クラック等が発生し易く、有効な水素透過防止性能を得るためには結晶性の管理が重要である。
また、第１の水素透過防止膜１１として、さらに水素透過係数の低い酸化エルビウム膜（Ｅｒ２Ｏ３）を用いることもできる。エルビウムはレアアースに属するが、真空アーク蒸着法、有機金属分解法（ＭＯＤ）、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）等によって成膜することができる。酸化エルビウム膜を用いることにより、酸化アルミニウム膜よりもさらに高い水素透過防止性能が得られる。
また、図１２に示す半導体圧力センサエレメント２００Ａは、第１の水素透過防止膜１１の引張性残留応力を緩和するために、第１のシリコン基板１の主面１ａと第１の水素透過防止膜１１との間に、圧縮性応力を有する第１の応力緩和膜１４を備えている。第１の応力緩和膜１４としては、酸化シリコン膜が好適である。酸化シリコン膜の成膜には、熱酸化またはＣＶＤが用いられる。第１の応力緩和膜１４を構成する酸化シリコン膜の厚さは、第１の水素透過防止膜１１を構成する窒化シリコン膜の組成、残応力及び厚さにより調整されるが、典型的には０．０５μｍ〜０．３μｍが好適である。
本実施の形態７に係る半導体圧力センサエレメント２００において、ダイヤフラム８の表面側は、水素に曝露される面積が最も大きく、且つ基準圧力室４までの透過距離が最も短いことから、図１１中、矢印Ａで示す大きな水素流束の透過経路となると考えられる。本実施の形態７では、第１のシリコン基板１の主面１ａの側に第１の水素透過防止膜１１を設けることにより、ダイヤフラム８の表面側から基準圧力室４への水素透過経路を遮断している。
また、第１の水素透過防止膜１１は、従来の半導体ウェハプロセスで形成することができる。さらに、図１２に示す半導体圧力センサエレメント２００Ａのように、第１の水素透過防止膜１１の直下に第１の応力緩和膜１４を備えることにより、ダイヤフラム８にかかる応力を調整することができるため、測定精度がさらに向上し、ダイヤフラム８への応力集中によるクラックの発生や破損を防止することができる。
これらのことから、本実施の形態７によれば、第１の水素透過防止膜１１を備えることにより、第１のシリコン基板１の主面１ａ側から基準圧力室４への水素の浸入を効果的に防止することができ、測定精度が高く安価な半導体圧力センサエレメント２００、２００Ａが得られる。
また、基準圧力室４が第２のシリコン基板２を貫通しているので、上記実施の形態１に係る半導体圧力センサエレメント１００よりも基準圧力室４の容積を大きくとることができる。従って、仮に基準圧力室４へ水素が浸入した場合でも、基準圧力室４の圧力上昇を小さく抑えることが可能であり、特性変動の小さい半導体圧力センサエレメント２００が得られる。
実施の形態８．
図１３は、本発明の実施の形態８に係る半導体圧力センサエレメントを示している。本実施の形態８に係る半導体圧力センサエレメント２００Ｂは、上記実施の形態７に係る半導体圧力センサエレメント２００Ａ（図１２）と同様の構成に加え、第２のシリコン基板２の主面２ｂと第３のシリコン基板３の主面３ａとの間に設けられた第２の水素透過防止膜１２を備えたものである。その他の構成については、上記実施の形態７と同様であるので説明を省略する。
図１３は、本発明の実施の形態８に係る半導体圧力センサエレメントを示している。本実施の形態８に係る半導体圧力センサエレメント２００Ｂは、上記実施の形態７に係る半導体圧力センサエレメント２００Ａ（図１２）と同様の構成に加え、第２のシリコン基板２の主面２ｂと第３のシリコン基板３の主面３ａとの間に設けられた第２の水素透過防止膜１２を備えたものである。その他の構成については、上記実施の形態７と同様であるので説明を省略する。
第３のシリコン基板３の主面３ｂ側も、水素に曝露される面積はダイヤフラム８の表面側と同等であるため、図１３中、矢印Ｂで示す大きな水素流束の透過経路となると考えられる。ただし、第３のシリコン基板３の主面３ｂから基準圧力室４までの距離は、少なくとも６００μｍ程度あり、第１のシリコン基板１の厚さは約１０μｍ〜２０μｍ程度であることから、第３のシリコン基板３の主面３ｂ側から透過した水素が基準圧力室４に到達するには、ダイヤフラム８の表面側からに比べて３０〜６０倍の時間がかかる。しかし、到達時間が遅くても、透過することに変わりはない。
半導体圧力センサエレメント２００Ｂは、第３のシリコン基板３の主面３ｂにおいて、ダイボンド剤を介して基材（いずれも図示省略）に取り付けられる。このため、主面３ｂはダイボンド剤に覆われているが、ダイボンド剤は水素透過防止性能を有していない。そこで、本実施の形態８では、第２のシリコン基板２と第３のシリコン基板３とを接合する前に、第３のシリコン基板３の主面３ａに第２の水素透過防止膜１２を設けることにより、第３のシリコン基板３の主面３ｂ側から基準圧力室４への水素透過経路を遮断している。
第２の水素透過防止膜１２としては、第１の水素透過防止膜１１と同様に、１≦ｘ≦４／３の窒化シリコン（ＳｉＮＸ）、または酸化アルミニウム（ＡｌＯＸ）、または酸化エルビウム（Ｅｒ２Ｏ３）が用いられる。なお、第１の水素透過防止膜１１と第２の水素透過防止膜１２を同じ膜で形成することにより、低コストで効率的に製造することができる。なお、第２の水素透過防止膜１２として窒化シリコン膜を用いた場合、第２のシリコン基板２と第３のシリコン基板３とを接合する際に十分な接合強度が得られない場合があるため、ＣＶＤ等によって酸化シリコン膜２０を形成しておくことが好ましい。
本実施の形態８に係る半導体圧力センサエレメント２００Ｂによれば、上記実施の形態７と同様の効果に加え、第２の水素透過防止膜１２を備えることにより、第３のシリコン基板３の主面３ｂ側から基準圧力室４への水素の浸入を防止することができ、測定精度がさらに向上する。
実施の形態９．
図１４及び図１５は、本発明の実施の形態９に係る半導体圧力センサエレメントを示している。本実施の形態９に係る半導体圧力センサエレメント２００Ｃ、２００Ｄは、第２のシリコン基板２の主面２ａと埋込酸化膜９との間に、第３の水素透過防止膜１３を備えている。また、第１のシリコン基板１の主面１ａから主面１ｂに貫通するトレンチ１６が、基準圧力室４を囲むように設けられている。
図１４及び図１５は、本発明の実施の形態９に係る半導体圧力センサエレメントを示している。本実施の形態９に係る半導体圧力センサエレメント２００Ｃ、２００Ｄは、第２のシリコン基板２の主面２ａと埋込酸化膜９との間に、第３の水素透過防止膜１３を備えている。また、第１のシリコン基板１の主面１ａから主面１ｂに貫通するトレンチ１６が、基準圧力室４を囲むように設けられている。
第１の水素透過防止膜１１は、トレンチ１６の内部を覆うように設けられ、トレンチ１６の底部において第３の水素透過防止膜１３と接合されている。その他の構成については、上記実施の形態８と同様であるので説明を省略する。
上記実施の形態８では、第１の水素透過防止膜１１と第２の水素透過防止膜１２により、エレメントの上下面からの基準圧力室４への大きな水素流束Ａ、Ｂの透過経路を遮断した（図１３参照）。本実施の形態９ではさらに、ダイシングにより半導体圧力センサエレメント２００Ｃを個片化する際に露出するエレメント側面から基準圧力室４への水素流束（図１４中、矢印Ｃで示す）の透過経路を遮断する。
そのための方策として、第２のシリコン基板２の主面２ａと埋込酸化膜９との間に、第３の水素透過防止膜１３を設けると共に、第１のシリコン基板１に基準圧力室４を囲むようにトレンチ１６を設け、トレンチ１６の底部において第１の水素透過防止膜１１と第３の水素透過防止膜１３を接合した。これにより、エレメント側面から基準圧力室４への水素透過経路が遮断される。
第３の水素透過防止膜１３としては、第１の水素透過防止膜１１と同様に、ＣＶＤ等で形成される１≦ｘ≦４／３の窒化シリコン（ＳｉＮＸ）が用いられる。さらに、第３の水素透過防止膜１３の上には、第１のシリコン基板１との接合を行うための埋込酸化膜９が同じくＣＶＤ等によって形成される。
なお、第３の水素透過防止膜１３として、酸化アルミニウム（ＡｌＯＸ）または酸化エルビウム（Ｅｒ２Ｏ３）を用いることもできる。いずれの場合も、第１の水素透過防止膜１１と第３の水素透過防止膜１３を同じ膜で形成することにより、低コストで効率的に製造することができる。
さらに、図１５に示す半導体圧力センサエレメント２００Ｄのように、トレンチ１６の底部において、第１の水素透過防止膜１１と第３の水素透過防止膜１３の界面に、相互拡散による接合層１７を設けることにより、図中、矢印Ｅで示す接合界面からの水素流束の浸入を確実に防止することができる。
第１のシリコン基板１、第１の応力緩和膜１４及び埋込酸化膜９をエッチングにより貫通させる際、製造ばらつきによってトレンチ１６の底部に位置する第３の水素透過防止膜１３の表面に微小な粗さが生じ、第１の水素透過防止膜１１と第３の水素透過防止膜１３の密着性が低下したり、微小な空隙ができたりする可能性がある。そのような場合、第１の水素透過防止膜１１と第３の水素透過防止膜１３の界面に微小なリークパスが形成され、矢印Ｅで示す水素流束の透過経路となる恐れがある。
図１５に示す接合層１７を設けることにより、第１の水素透過防止膜１１と第３の水素透過防止膜１３の密着性が強化され、微小な空隙が連通することによるリークパスの形成を防止することができる。これにより、矢印Ｅで示す水素流束が接合界面を拡散して基準圧力室４へ浸入することを極めて効果的に防止することができる。
第１の水素透過防止膜１１と第３の水素透過防止膜１３が窒化シリコン膜の場合、熱処理を加えることで相互に拡散して接合層１７が形成される。ただし、第１の水素透過防止膜１１と第３の水素透過防止膜１３は、異なる材料であっても良く、さらに、それぞれ複数種類の膜から構成されていても良い。
本実施の形態９に係る半導体圧力センサエレメント２００Ｃ、２００Ｄによれば、上記実施の形態７及び実施の形態８と同様の効果に加え、第３の水素透過防止膜１３をトレンチ１６の底部において第１の水素透過防止膜１１と接合することにより、エレメント側面からの水素の浸入を防止することができ、測定精度がさらに向上する。
実施の形態１０．
図１６及び図１７は、本発明の実施の形態１０に係る半導体圧力センサエレメントを示している。本実施の形態１０に係る半導体圧力センサエレメント２００Ｅ、２００Ｆは、第２のシリコン基板２の主面２ａから主面２ｂに貫通した枠状孔部が基準圧力室４を囲むように設けられ、枠状孔部と、第１のシリコン基板１の主面１ｂと、第３のシリコン基板３の主面３ａとで囲まれた空間からなる水素吸蔵室１８を備えたものである。その他の構成については、上記実施の形態９と同様であるので、説明を省略する。
図１６及び図１７は、本発明の実施の形態１０に係る半導体圧力センサエレメントを示している。本実施の形態１０に係る半導体圧力センサエレメント２００Ｅ、２００Ｆは、第２のシリコン基板２の主面２ａから主面２ｂに貫通した枠状孔部が基準圧力室４を囲むように設けられ、枠状孔部と、第１のシリコン基板１の主面１ｂと、第３のシリコン基板３の主面３ａとで囲まれた空間からなる水素吸蔵室１８を備えたものである。その他の構成については、上記実施の形態９と同様であるので、説明を省略する。
上記実施の形態９では、第１の水素透過防止膜１１、第２の水素透過防止膜１２、及び第３の水素透過防止膜１３によりエレメントの上下面及び側面からの水素の浸入を防止している。それでも何らかの原因で水素が浸入した場合、水素吸蔵室１８を備えておくことにより、基準圧力室４に到達する前に水素をトラップすることができる。
水素吸蔵室１８は、第２のシリコン基板２を主面２ｂ側からエッチングすることにより、基準圧力室４と同時に形成することができる。また、第２のシリコン基板２と第３のシリコン基板３を接合する前に、水素吸蔵室１８の内部に第３の水素透過防止膜１３を形成することにより、図１６中矢印Ｄで示されるようなエレメント側面からの水素流束が基準圧力室４へ浸入するのを効果的に防止することができる。
さらに、図１７に示す半導体圧力センサエレメント２００Ｆのように、水素吸蔵室１８の内部に水素吸蔵材料である水素吸蔵膜１９を設けることが効果的である。例えば、図１７中、矢印Ｅで示す水素流束が、第２のシリコン基板２と第３のシリコン基板３の接合界面を透過した場合でも、水素吸蔵室１８によりトラップされ水素吸蔵膜１９に吸蔵されるため、奥の基準圧力室４へ浸入することはできない。
水素吸蔵膜１９としては、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、Ｉｒ（イリジウム）、ジルコニウム（Ｚｒ）、またはパラジウム（Ｐｄ）等の遷移金属を主成分とする合金、またはマグネシウム（Ｍｇ）を主成分とする合金を用いることができる。チタン、ニッケル等の第一遷移金属ベース合金は安価であり、ジルコニウム、パラジウム等の第二遷移金属ベース合金は、第一遷移金属ベース合金よりも高価であるが、水素捕捉効率が高い。
また、マグネシウム合金は、燃料電池車で使用される燃料電池スタックの動作温度帯域において、多量の水素ガスを捕捉することができる。自動車用燃料電池システムにおいては、燃料電池スタックは冷却されており、一般に動作温度として１００℃を超えないように制御されている。これらの水素吸蔵膜１９はいずれも、スパッタリング等の半導体ウェハプロセスで汎用の成膜方法によって形成することができる。
本実施の形態１０に係る半導体圧力センサエレメント２００Ｅ、２００Ｆによれば、上記実施の形態７〜実施の形態９と同様の効果に加え、基準圧力室４を囲むように水素吸蔵室１８を設けることにより、エレメント内部に浸入した水素をトラップすることができるため、基準圧力室４への水素の浸入を確実に防止することができ、測定精度がさらに向上する。
実施の形態１１．
図１８は、上記実施の形態１から実施の形態１０に係る半導体圧力センサエレメントを搭載した半導体圧力センサの構成例を示している。なお、図１８では、上記実施の形態１に係る半導体圧力センサエレメント１００を搭載した例を示している。半導体圧力センサエレメント１００のダイヤフラムに被測定ガスを導く導圧管５１は、燃料電池スタックの圧力測定部位に対して導入され、水素耐性を有するＯリング５２によって気密封止される。
図１８は、上記実施の形態１から実施の形態１０に係る半導体圧力センサエレメントを搭載した半導体圧力センサの構成例を示している。なお、図１８では、上記実施の形態１に係る半導体圧力センサエレメント１００を搭載した例を示している。半導体圧力センサエレメント１００のダイヤフラムに被測定ガスを導く導圧管５１は、燃料電池スタックの圧力測定部位に対して導入され、水素耐性を有するＯリング５２によって気密封止される。
半導体圧力センサエレメント１００は、水素ガスが導入される導圧孔５３の奥に設置され、その外部電極は金ワイヤ５６を介してリードフレーム５５に接続される。リードフレーム５５は、コネクタ５８のターミナル５７に接続され、ターミナル５７を介して半導体圧力センサエレメント１００からの出力信号が外部機器に取り出される。
圧力センサの筐体材料としては、燃料電池スタック直前の１０気圧以下の帯域であれば、ポリブチレンテフタレート（ＰＢＴ）等の樹脂材料を用いることにより低コスト化が可能である。ただし、温度や湿度等の使用環境によっては、導圧管５１そのものを水素ガスが透過してしまい、測定精度が低下する可能性があるため、導圧管５１の内壁に水素透過防止膜５４を設けることが望ましい。水素透過防止膜５４の材料としては、エチレン−ビニルアルコール共重合体（ＥＶＯＨ）等の熱可塑性樹脂が好適である。
本実施の形態１１によれば、上記実施の形態１から実施の形態１０に係る半導体圧力センサエレメントを搭載した半導体圧力センサにおいて、導圧管５１の内壁に水素透過防止膜５４を設けることにより、水素が導圧管５１を透過することを防止したので、測定精度がさらに向上する。なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
本発明は、燃料電池システムにおいて燃料電池に供給される水素ガスの圧力を測定するための半導体圧力センサとして利用することができる。
１ 第１のシリコン基板、２ 第２のシリコン基板、３ 第３のシリコン基板、
４ 基準圧力室、５、５ａ、５ｂ ピエゾ抵抗、６ 拡散配線層、７ 金属電極膜、
８ ダイヤフラム、９ 埋込酸化膜、１１ 第１の水素透過防止膜、
１２ 第２の水素透過防止膜、１３ 第３の水素透過防止膜、１４ 第１の応力緩和膜、１５ 第２の応力緩和膜、１６ トレンチ、１７ 接合層、１８ 水素吸蔵室、
１９ 水素吸蔵膜、２０ 酸化シリコン膜、２１ 絶縁膜、２２ ストッパー部、
４０ 凹部、４１ 第１の凹部、４２ 第２の凹部、４３ 孔部、
５１ 導圧管、５２ Ｏリング、５３ 導圧孔、５４ 水素透過防止膜、
５５ リードフレーム、５６ 金ワイヤ、５７ ターミナル、５８ コネクタ
４ 基準圧力室、５、５ａ、５ｂ ピエゾ抵抗、６ 拡散配線層、７ 金属電極膜、
８ ダイヤフラム、９ 埋込酸化膜、１１ 第１の水素透過防止膜、
１２ 第２の水素透過防止膜、１３ 第３の水素透過防止膜、１４ 第１の応力緩和膜、１５ 第２の応力緩和膜、１６ トレンチ、１７ 接合層、１８ 水素吸蔵室、
１９ 水素吸蔵膜、２０ 酸化シリコン膜、２１ 絶縁膜、２２ ストッパー部、
４０ 凹部、４１ 第１の凹部、４２ 第２の凹部、４３ 孔部、
５１ 導圧管、５２ Ｏリング、５３ 導圧孔、５４ 水素透過防止膜、
５５ リードフレーム、５６ 金ワイヤ、５７ ターミナル、５８ コネクタ
本発明に係る半導体圧力センサは、ダイヤフラムを有する第１のシリコン基板と、第１のシリコン基板の一方の主面の側に設けられた第１の水素透過防止膜と、凹部を有する一方の主面が第１のシリコン基板の他方の主面と埋込酸化膜を介して接合された第２のシリコン基板と、凹部と第１のシリコン基板の他方の主面とで囲まれた空間を真空状態とした基準圧力室を備え、第１の水素透過防止膜は、１≦ｘ＜４／３の窒化シリコン（ＳｉＮｘ）、または、酸化エルビウム（Ｅｒ ２ Ｏ ３ ）である。
また、本発明に係る半導体圧力センサは、ダイヤフラムを有する第１のシリコン基板と、第１のシリコン基板の一方の主面の側に設けられた第１の水素透過防止膜と、一方の主面から他方の主面に貫通した孔部を有し一方の主面が第１のシリコン基板の他方の主面と埋込酸化膜を介して接合された第２のシリコン基板と、一方の主面が第２のシリコン基板の他方の主面と接合された第３のシリコン基板と、孔部と第１のシリコン基板の他方の主面と第３のシリコン基板の一方の主面とで囲まれた空間を真空状態とした基準圧力室を備え、第１の水素透過防止膜は、１≦ｘ＜４／３の窒化シリコン（ＳｉＮｘ）、または、酸化エルビウム（Ｅｒ ２ Ｏ ３ ）である。
Claims (22)
- ダイヤフラムを有する第１のシリコン基板、
前記第１のシリコン基板の一方の主面の側に設けられた第１の水素透過防止膜、
凹部を有する一方の主面が前記第１のシリコン基板の他方の主面と埋込酸化膜を介して接合された第２のシリコン基板、
前記凹部と前記第１のシリコン基板の前記他方の主面とで囲まれた空間を真空状態とした基準圧力室を備えたことを特徴とする半導体圧力センサ。 - 前記第２のシリコン基板の他方の主面の側に設けられた第２の水素透過防止膜を備えたことを特徴とする請求項１項記載の半導体圧力センサ。
- 前記第２のシリコン基板の前記一方の主面と前記埋込酸化膜との間に設けられた第３の水素透過防止膜を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の半導体圧力センサ。
- 前記第２のシリコン基板の前記他方の主面と前記第２の水素透過防止膜との間に設けられた応力緩和膜を備えたことを特徴とする請求項２記載の半導体圧力センサ。
- 前記第２のシリコン基板の前記一方の主面に前記基準圧力室を囲むように枠状凹部が設けられ、前記枠状凹部と前記第１のシリコン基板の前記他方の主面とで囲まれた空間からなる水素吸蔵室を備えたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の半導体圧力センサ。
- 前記基準圧力室は、前記第１のシリコン基板と前記第２のシリコン基板とが静電容量を形成するための第１の凹部と、前記第１の凹部の周囲に前記第１の凹部よりも深く形成された第２の凹部とを有することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の半導体圧力センサ。
- ダイヤフラムを有する第１のシリコン基板、
前記第１のシリコン基板の一方の主面の側に設けられた第１の水素透過防止膜、
一方の主面から他方の主面に貫通した孔部を有し、前記一方の主面が前記第１のシリコン基板の他方の主面と埋込酸化膜を介して接合された第２のシリコン基板、
一方の主面が前記第２のシリコン基板の前記他方の主面と接合された第３のシリコン基板、
前記孔部と、前記第１のシリコン基板の前記他方の主面と、前記第３のシリコン基板の前記一方の主面とで囲まれた空間を真空状態とした基準圧力室を備えたことを特徴とする半導体圧力センサ。 - 前記第２のシリコン基板の前記他方の主面と前記第３のシリコン基板の前記一方の主面との間に設けられた第２の水素透過防止膜を備えたことを特徴とする請求項７記載の半導体圧力センサ。
- 前記第２のシリコン基板の前記一方の主面と前記埋込酸化膜との間に設けられた第３の水素透過防止膜を備えたことを特徴とする請求項７または請求項８記載の半導体圧力センサ。
- 前記第２のシリコン基板の前記一方の主面から前記他方の主面に貫通した枠状孔部が前記基準圧力室を囲むように設けられ、前記枠状孔部と、前記第１のシリコン基板の前記他方の主面と、前記第３のシリコン基板の前記一方の主面とで囲まれた空間からなる水素吸蔵室を備えたことを特徴とする請求項７から請求項９のいずれか一項に記載の半導体圧力センサ。
- 前記水素吸蔵室は、その内部に水素吸蔵材料を備えたことを特徴とする請求項５または請求項１０記載の半導体圧力センサ。
- 前記水素吸蔵材料は、チタン（Ｔｉ）またはニッケル（Ｎｉ）を主成分とする合金であることを特徴とする請求項１１記載の半導体圧力センサ。
- 前記水素吸蔵材料は、ジルコニウム（Ｚｒ）またはパラジウム（Ｐｄ）を主成分とする合金であることを特徴とする請求項１１記載の半導体圧力センサ。
- 前記水素吸蔵材料は、マグネシウム（Ｍｇ）を主成分とする合金であることを特徴とする請求項１１記載の半導体圧力センサ。
- 前記第１のシリコン基板の前記一方の主面から前記他方の主面に貫通するトレンチが、前記基準圧力室を囲むように設けられ、
前記第１の水素透過防止膜は、前記トレンチの内部を覆うように設けられ、前記トレンチの底部において前記第３の水素透過防止膜と接合されていることを特徴とする請求項３または請求項９記載の半導体圧力センサ。 - 前記トレンチの前記底部において、前記第１の水素透過防止膜と前記第３の水素透過防止膜の界面に、相互拡散による接合層を備えたことを特徴とする請求項１５記載の半導体圧力センサ。
- 前記第１のシリコン基板の前記一方の主面と前記第１の水素透過防止膜との間に、応力緩和膜を設けたことを特徴とする請求項１から請求項１６のいずれか一項に記載の半導体圧力センサ。
- 前記応力緩和膜は、酸化シリコン膜であることを特徴とする請求項４または請求項１７記載の半導体圧力センサ。
- 前記ダイヤフラムに被測定ガスを導く導圧管を備え、前記導圧管の内壁に、熱可塑性樹脂を材料とする水素透過防止膜を備えたことを特徴とする請求項１から請求項１８のいずれか一項に記載の半導体圧力センサ。
- 前記第１の水素透過防止膜は、１≦ｘ≦４／３の窒化シリコン（ＳｉＮＸ）、または酸化アルミニウム（ＡｌＯＸ）、または酸化エルビウム（Ｅｒ２Ｏ３）であることを特徴とする請求項１から請求項１９のいずれか一項に記載の半導体圧力センサ。
- 前記第２の水素透過防止膜は、１≦ｘ≦４／３の窒化シリコン（ＳｉＮＸ）、または酸化アルミニウム（ＡｌＯＸ）、または酸化エルビウム（Ｅｒ２Ｏ３）であることを特徴とする請求項２または請求項８記載の半導体圧力センサ。
- 前記第３の水素透過防止膜は、１≦ｘ≦４／３の窒化シリコン（ＳｉＮＸ）、または酸化アルミニウム（ＡｌＯＸ）、または酸化エルビウム（Ｅｒ２Ｏ３）であることを特徴とする請求項３または請求項９記載の半導体圧力センサ。
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