JP3277467B2 - ダイアフラム利用センサを製造する方法及びそれを使用して構成される装置 - Google Patents
ダイアフラム利用センサを製造する方法及びそれを使用して構成される装置Info
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Description
に使用されているダイアフラムを利用したマイクロ構造
の製造に関する。ダイアフラムは、センサダイアフラム
に到達する周囲環境の影響の結合として起こるたわみ,
共振又は湾曲の変化を感知することにより使用されれば
良い。この製造方法に基づいて構成しうる特定のセンサ
を説明する。ここで説明する方法及び示される構造は、
主に、単結晶形態又は多結晶形態のシリコンに基づくも
のであるが、他の材料も使用できるであろう。
れるようになっている。1983年4月刊行のScie
ntific Americanに掲載されたAnge
l他の論文「Silicon Micromechan
ical Devices」はその構造や製造方法を概
説したものである。この論文に記載されているセンサは
本発明の図1の圧力センサに類似しており、「ピット,
穴,角錐,深い溝,半球,片持ち構造,ダイアフラム,
針及び壁」を含めて微細機械加工又は化学的エッチング
を経て構成される。ところが、特にダイアフラム構造の
製造に関してプロセスの信頼性の問題が生じることがわ
かっている。また、現在では、さらに複雑なダイアフラ
ム構造を形成することが望まれている。たとえば、一方
の側にダイアフラムを有するウェハをダイアフラムの下
方に対応する空洞を設けながら別のウェハの上に重ねる
場合、2枚のウェハを高温で接合すると、一方の側に捕
獲された気体は膨張するが、他方の側では気体は膨張し
ないために、ダイアフラムが永久的に変形してしまうこ
とになる。清浄な表面を有する2枚のウェハを単に接触
させることにより接合を得ようとする試みも良く知らさ
れている。この方法は米国特許第4,638,552号
に記載されているが、信頼性の高いセンサを製造すると
いう目的を達成するのに十分な強さをもつ接合を提供し
ない。これに対し、シリコンの高温接合で強力な接合が
得られることは以前より知られている。
その内部に、ピエゾ抵抗器又はコンデンサ素子などの電
気的センサ素子を有しており、それらの素子は、一旦製
造されると、後に続く高温処理によって損傷するおそれ
がある。従って、多重ウェハダイアフラム構造を製造す
るときに、そのような電気的センサ素子を形成した後に
いくつかのウェハを接合させなければならない場合に、
別の問題が起こる。ダイアフラムを含むマイクロ構造を
製造する工程を取上げた従来の文献の1つは、1989
年4月26日に出願されている名称「Laminate
d Semiconductor Sensor Wi
th OverpressureProtectio
n」の欧州特許出願第89304173.1号である。
ところが、そこに記載されている方法は処理中にダイア
フラムを保護しないばかりでなく、ウェハの高温融着に
先立って圧抵抗センサを追加するために、それらの抵抗
器又は他の電気的感知素子も後続する処理の間に損傷さ
れてしまう危険が生じる。これまでに知られている方法
は、いずれも、接合プロセスを通してセンサをいかに適
切に保護するかを教示していない。
ない部分を形成している非常に平坦な、すなわち、研磨
された表面を得ることが有用である又は望ましい場合に
ついても、ダイアフラムに損傷を与えずに、申し分なく
研磨する方法はこれまで知られていない。ダイアフラム
を利用するマイクロセンサを製造する別の方法として知
られているのは、(先に挙げた)欧州特許出願第893
04173.1号に示されるような融着より困難な製造
方法であるか、又は目指している結果を同じように達成
できないような方法である。Guckel及びBurn
sに対して発行された米国特許第4,744,863号
には、「蒸着」方法の1例が見られる。その研究の内容
はBustaの米国特許第4,592,238号で使用
されている。Bustaにより関連付けられているGu
ckel/Burnsは、基板層に蒸着される「ポス
ト」酸化物(コラム2,50行目〜)を採用し、このポ
スト酸化物にダイアフラム(多結晶シリコン)を蒸着し
ている。ポスト酸化物は、後に、蒸着材料により支持さ
れるダイアフラムをその縁部に沿った領域でのみ残すこ
とにより除去される。電気的感知素子のもう1つの保護
形態として、本発明は、ダイアフラム自体がそれほど損
傷を受けないと思われる状況では充填を使用せずに、そ
のような素子の形成後に低温静電接合プロセスを採用す
る。このようなダイアフラムセンサの構造と製造方法を
改善するいくつかの点も説明する。それらの特徴は、セ
ンサを導入できる用途の融通性をさらに向上させるもの
である。
に損傷を与えずにセンサを製造する方法及びその方法に
よって製造されたセンサを提供することを課題とするも
のである。
のあるダイアフラムマイクロ構造を構成する上での問題
に対応して、2つの主要な方法が開発された。それらの
方法は、共に、早期処理工程の間に酸化物で充填される
のが好ましい充填空洞を使用することに基づいている。
(従来の技術の項で述べた通り、ダイアフラムの損傷が
起こりにくい場合には、充填を伴わず、静電接合のみを
使用して同様のマイクロ構造を構成できるであろう。)
2つの充填方法では、ダイアフラムが位置することにな
る場所の下方に設けられる空洞は、ダイアフラムウェハ
を空洞を有するウェハに装着し、接合する前に、ダイア
フラムの高さまで充填される。さらに、充填した後の空
洞を通って操作できるようにするためにアクセスポート
を使用するようなセンサでは、アクセスポート(ダイア
フラムに至る)を形成する前に充填を行うのが好まし
い。充填材料はポート形成時のエッチング障壁としても
働き、高精度のダイアフラムの形成を可能にする。以下
に説明する方法を使用すると、何らかの新規な構造をも
構成する結果になる。以下の詳細な説明はそのプロセス
を規定する。
構成し且つ利用することを可能にするために提示される
もので、特定の1つの用途とその要求事項に関連して与
えられる。好ましい実施例の様々な変形は当業者には容
易に明らかになるであろう。また、ここで規定する一般
原理は本発明の趣旨から逸脱せずに他の正当に明白であ
り且つ有用である実施例や用途にも適用できる。従っ
て、本発明はここに示す実施例に限定されるのではな
く、ここに開示する原理及び特徴と矛盾しない最も広い
範囲を与えられるものとする。
を含むパイレックス(又は別のガラス,もしくはそれに
類する材料)のポートチューブ12に接合された1片の
シリコン11から構成されている。周囲空気,シリコー
ン油又は他の関連する流体などの測定流体又は試験流体
は、このポート13を通ってダイアフラム14に作用す
る。絶縁層15はダイアフラムとその電気的特性の劣化
を防止する。デルタ領域16,17はダイアフラム14
の湾曲に伴って電気的特性を変える。抵抗センサの場合
には一般にホィートストンブリッジなどの装置を採用す
る解釈回路に接続している電気リード線19にパッド1
8を介してデルタ領域16を接続することにより、その
ような特性の変化を測定できる。(解釈回路やそれに関
連する他の回路は本発明の対象ではないので、図示され
ていない。)デルタ領域16,17は、ダイアフラムの
それ以外の部分とは異なる特性をもつ電気的感知構造を
得るためにセンサの表面に不純物を添加するか、又はそ
の他の方法を利用して形成してもよい。そのような電気
的構造をパターン形成する方法や、その構造は数多くあ
り、その多くは通常の当業者には良く知られているの
で、ここではその詳細を示さない。
用して製造し、完成したセンサ201の1つの側面図で
ある。尚、ダイアフラムに上からの作用と,下からの作
用と,「軸外れ」,すなわち、側面から外れた位置から
の作用とを与える3種類のポート101b,101c及
び101dを設けることが可能である。軸上ポート,す
なわち、上であれ,下であれ,ダイアフラムの中心と一
致する位置にあるポートも可能である。この場合、ポー
ト101cは接合ワイヤ(図示せず)の接合用パッド6
1にも作用を与える。接合ワイヤはこのポート101c
を通して差込まれ、パッド61に接続されていても良
い。
(又は蒸気)が存在する環境の下で標準の研磨シリコン
ウェハ(図示せず)を加熱して、約200オングストロ
ームから1.4マイクロメートルの酸化物層を成長させ
る。(当然のことながら、シリコンウェハ以外の別の材
料を使用して作業を進める場合には、この工程で類似す
る目的のための類似する材料を使用すべきである。)必
要に応じて様々に異なるエッチング液を使用するときに
幾分かの融通性を得るために、酸化物層の上に窒化物層
を蒸着しても良い。図2ではウェハ40の上に酸化物層
41が示されており、その上に窒化物層44(図示せ
ず)があっても良いであろう。次に、酸化物で被覆され
たウェハにパターンを形成すべきである。ここで使用す
る「パターン形成」という用語は、当該技術でも一般的
に使用されている通り、酸化物被覆表面にフォトレジス
トを塗布し、そのフォトレジストを前焼付けし、ウェハ
をフォトマスクと整列させ、フォトマスクを介してウェ
ハを露光し、フォトレジストを現像し、ウェハを焼付け
し、フォトレジストにより保護されていない表面領域を
エッチングによって除去し、以降の処理を実施すること
ができるようにフォトレジストの保護領域を剥取ること
である。現在、この種のパターン形成方法は集積回路や
マイクロ構造の製造では一般的である。この明細書に記
載される発明の概念から逸脱せずに代替方法となりうる
類似の方法を開発しても良い。処理工程のこの時点で、
申し分のない充填を行うために、低温酸化物方法と、熱
酸化物方法という2つの代替方法を使用できる。(尚、
ここで酸化物というときは、それは一般に二酸化シリコ
ンであり、窒化物というときは、それは一般に窒化シリ
コンである。シリコンでない材料の層を使用する場合に
は酸化物又は窒化物は別の材料であっても良いが、窒化
シリコンと二酸化シリコンが好ましい。)
に酸化物層41が残っているパターン形成ウェハ40の
横断面図が示されている。尚、このLTO方法を使用す
る場合、シリコンウェハ自体に空洞43のパターンが形
成され、その空洞をエッチングしている。これは、パタ
ーン形成後、酸化物と,窒化物と,シリコン結晶構造と
を1工程でエッチングするエッチング液によって実施さ
れても良いが、複数のエッチング液又はドライ(プラズ
マ)エッチング剤を利用することもできるであろう。エ
ッチングによって出来た空洞43の一方の側には、溝通
路41aがある。空洞と、それに接続する溝通路はこの
特定のパターンの基本構造を形成するが、数多くの変形
も使用できるであろう。そのような溝通路を設けると、
完成した製品のダイアフラムの横軸から離れた場所から
この空洞を操作することが可能になる。溝通路41aは
図11にさらに明瞭されている。
をエッチングストッパとして作用させるために、必要に
応じて空洞43と溝通路41aに大量のホウ素を不純物
として添加しても良い。熱成長させたSiO2 ,LT
O,LPCVD(低圧化学蒸着)窒化シリコン又はスパ
ッタリングした窒化シリコンを含めて、他のエッチング
ストッパ材料を使用すると作業はさらに容易になるであ
ろうが、これらの材料を使用するときにはパターン形成
が必要である。図12に関して説明した処理を実施した
後、凹部を有するウェハの表面に低温酸化物(LTO)
を蒸着する。図13には、酸化物層41と、窒化物層4
4とを有する基板ウェハ40が示されている。窒化物層
44の上に低温酸化物45が蒸着される。この蒸着は気
体反応又はスパッタリングを経て起こすことができる。
尚、典型的な10000オングストロームの厚さの場
合、LTOの厚さには約10パーセントから12パーセ
ントの変動があるのが普通である。これは、表面が非常
に平坦でなめらかであり、厚さの変動が1%未満である
高温酸化プロセスとは異なっている。尚、この低温酸化
物46の上面はシリコンウェハ40にエッチングした空
洞の深さを越えていても良い。
LTOの一部分を保護するために、フォトレジストのパ
ターンを塗布しても良い。図14には、フォトレジスト
47が低温酸化物45の一部を覆っている状態が示され
ている。凹部領域の場所がフォトレジストが露出した状
態で残っているところで、緩衝酸化物エッチングを採用
して、保護されている酸化物充填部49のみを残し、図
15及び図16に示す通り、保護されていないLTOを
除去する。パターン形成されたフォトレジストにより保
護されている部分を除いて、低温酸化物のほぼ全てを除
去する。
択ドライエッチング剤によってエッチングする。次に、
「フィールド」酸化物(ウェハ40の全面を被覆するた
めに当初成長させた酸化物)を除去する。その後、フォ
トレジストを剥取るべきである。ウェハ40,40a
(図10)の表面の高さを残っている低温酸化物49,
49aの表面と同じか又はそれを越える高さにすること
が重要であるという点に注意すべきである。そのような
高さならしを行う方法はいくつかある。好ましい実施例
で適切な高さが得られるまで、短期間にわたって、酸化
物をエッチングするがシリコンをエッチングしないウェ
ットエッチング剤を使用することができるが、機械的摩
耗又は研磨を使用しても良い。
熱酸化方法である。まず、図17を参照すると、先に説
明したような初期処理工程に従うことがわかるが、酸化
物層41(及び窒化物層44があればその層)のパター
ン除去の後、シリコン基板40の中へのエッチングはな
い。その代わりに、酸素又は水蒸気(蒸気)が存在する
環境の中でシリコンウェハ40を加熱することにより、
酸化物70が形成され、その酸化物は直ちにシリコンウ
ェハの表面40aの高さの上と下へ拡張してゆく。窒化
物層44を塗布してあれば、新たに成長する酸化物70
は(空洞に近い縁部を除いて)窒化物層の下方に位置す
る酸化物の厚さを増すことなく形成されるであろう。L
TOプロセスの場合と同様に、必要に応じて溝通路をパ
ターン形成し、それにホウ素を添加しても良い。酸化さ
れた空洞の縁部に***、すなわち、「バーズビーク」9
3(図18)が形成されることに注意すべきである。そ
のような***93を除去しないと、平坦な又はその他の
点で申し分のないダイアフラムを得る変化がそこなわれ
てしまう。高温酸化プロセスについては、窒化物層がは
るかに好ましい。窒化物層は適切な空洞の深さ、すなわ
ち、充填層の高さを確定する際に追加の調整機能をもつ
ことになる。
ている。図20に示すように、ウェハ40の上には酸化
物70と、フィールド酸化物41とが既に成長してい
る。ここに示す通り、フォトレジスト71を塗布する前
に窒化シリコン層44,74を使用し、残すこともでき
るであろうし、あるいは、図の反対側にあるようにフォ
トレジストの部分73の下方でそれを剥取ることができ
るであろう。それは、発明を利用する人の希望によって
決まり、窒化物を除去するための選択ドライエッチング
を最初に適用すべきであるか、又は酸化物と窒化物の双
方を同時に剥取るエッチングを使用するかによる。従っ
て、この図のフォトレジストの部分73の下方には窒化
物は示されていない。また、酸化物の成長によって形成
される空洞領域を取囲む「バーズビーク」***93をこ
のプロセスで除去できることにも注意すべきである。隆
起があるところに溝を形成するためのパターン形成とエ
ッチングは、最も満足できる方法であることがわかって
いる。
び71もこの熱酸化プロセスでは塗布されるが、LTO
プロセスでは不要である。(当然のことながら、それら
の追加フォトレジスト要素にかかるコストはさほどのも
のではない。)図20に示す構造に酸化物エッチングを
適用するときには、シリコンウェハ40にある壁(図2
1の側壁75)のエッチングを容易にするエッチングを
使用すれば良い。フォトレジストの部分71及び73を
塗布すると、それらの部分71及び73の内側縁部に隣
接する酸化物層41の部分を除去するために、エッチン
グ液を導入できる。側壁75は上方に鋭角(張出し)を
有するか、あるいは垂直又は内方へ丸くなっているのが
好ましい(図25及び図26を参照。角度94及び95
は好ましい角度を示している)。尚、図17〜図21の
一連の図には、溝通路41aの場所と存在を示す構造は
示されていない。これは、図面を簡明にすることにより
プロセスの理解を助けるためのものであり、熱酸化プロ
セスを使用すると溝通路を構成できないことを指示する
ためのものではない。そのような溝通路の構成を切取り
図によって図示しても、ただ、混乱を招くだけであろ
う。同様に、図2〜図11の一連の図には、溝通路をよ
り見やすくするために溝通路の充填を全く示していない
が、溝通路をも同じように充填することが好ましい。そ
の詳細については、図24に関する説明を参照のこと。
アフラム材料を配置することになる。これは、一般に、
「n」型又は「p」型の材料である第2のウェハ50を
使用して行われ、そのウェハの上に「n」型材料のエピ
タキシャル成長層を成長させる。図3の点線51は、ウ
ェハ50の「p」型材料と後に成長させた「n」型材料
との境界を指示する。図では、「p」型材料から成るウ
ェハ40の全面に(線52で)ウェハ50がかぶさるよ
うに示してある。この図には、充填材料80は明瞭に示
されている。ここで、この構造の構成要素がどのような
相対サイズを有しているかを示唆しておくと有用であろ
う。図2の場合、長さ「d」は約60ミクロンから20
00ミクロン,「f」は400オングストロームから1
4000オングストローム程度、「e」は0.5ミクロ
ンから5ミクロン程度である。エピタキシャル成長層
(「n」)は約5ミクロンから80ミクロンである。
び40を共に約1時間にわたり約1100度まで加熱す
る。ほぼ平坦な表面を有する2枚のシリコンウェハに高
い熱を加えると、それらのウェハの間に接合が生じるこ
とは良く知られている。米国特許第4,638,552
号に示唆されるように2枚のウェハを接触させるだけで
は、ウェハの表面が研磨されている場合でも、十分な接
合は得られない。熱が高くなり、圧力が大きくなるに従
って接合強さが大きく増すことは以前からわかっている
が、シリコンは摂氏1400°で溶解し始め、1400
°に達する前に変形も起こってしまうであろう。構造に
充填材料80を追加しておくと、後に続く高温処理サイ
クルの間に著しく大きな保護機能を果たすことになるの
である。好ましい接合方法は、接合すべき表面を親水性
にするためにそれらの表面を処理し(たとえば、ウェハ
処理技術では一般に知られている「RCA Clea
n」などの酸を含有する洗浄液を使用する工程を採用す
るが、同様にNH4 OHやH2O2の水溶液も使用できる
であろう)、2枚のウェハを接触し、それらのウェハを
摂氏600°から1200°の温度で熱処理する。そこ
で、ウェハ40に接合されたウェハ50の「p」材料を
剥取ると、図4に示すように、「p」材料の層に融着し
た「n」材料の層が残る。しばしば見られる通り、この
層50aは研磨を必要とするのであるが、充填材料80
がないと、研磨工程によってダイアフラムは損傷するか
又はゆがむおそれがある。
料を使用するところを逆にしても良く、また、ウェハを
エピタキシャル層まで薄くしてゆくために選択エッチン
グ液を使用するのであれば、全てを「n」又は「p」に
することもできるであろう。ここで、特定の電気的特性
をもつ材料を使用しているのは、単に、好ましい一実施
例を例示するためにすぎない。また、ウェハ全体に不純
物を添加し、それを必要な大きさまで縮小することも可
能である。その後、ウェハを薄くするために同様に研磨
を利用しても良い。次に、表面の層50aに酸化物53
(図5)を塗布する。次に、酸化物層53にパターンを
規定してエッチングを行うと、除去領域54が形成され
る。この領域54を通して、層50aの領域55にホウ
素材料を注入又は拡散しても良い。再びパターン形成と
エッチングを行い、酸化物層53から領域57を除去す
ると、図6の領域56に指示するようにさらに不純物を
添加することができる。不純物添加領域57及び55は
ピエゾ抵抗センサ領域と、それらのセンサ領域に至る電
気的導通通路の双方を形成し、その中に完成前ダイアフ
ラム58が入っていることになる。領域55は領域57
より厚いものとして示されているが、それは単に領域5
5により大量の不純物が添加されていることを意味する
だけであり、仮に領域55のほうが厚いとしても領域5
5が厚いことを示してはいない。
い層を成長させた後、窒化シリコン又はリンを添加した
ガラス層などのパッシベーション層59(図5)をn層
50aの上に蒸着する。この方法について、完成前ダイ
アフラムの上に電気的構造を構成するために使用できる
ような他の工程やデバイスは数多くあるが、ここで説明
する方法は、保護層を追加することを含めて、申し分な
く、そのような方法を実施するための最良の態様である
ことがわかっている。本発明の特許請求の範囲は、ここ
で説明する電気的特徴又は説明するそれらの特徴を発生
させる方法に限定されるべきではない。たとえば、容量
性ダイアフラムセンサを構成することを望む場合には、
ここで説明する充填方法を採用すると、ダイアフラムを
保護するのに有用であることは自明であろう。
うかということを説明するために、図29を参照する
と、図29には、3枚のウェハが圧力管に接合されてい
る構成の容量性センサデバイス4が示されている。ウェ
ハ1はその上面にメタライズ層6を有し、好ましくは薄
膜パイレックスボンド,ガラスフリット,エポキシ樹脂
又は共晶金などの接合膜7によって誘電体層8に接合さ
れて、それにより、ダイアフラム層9の上面を形成す
る。ダイアフラム層の下方には別の熱酸化物層201が
あり、その層はウェハ202に融着接合されるのが好ま
しい。ウェハ202と圧力管5との間には、別のメタラ
イズ層203がある。この構成について中心から外れた
圧力ポート204(アクセス通路41bを通って空洞2
10に至る)を設けるのが好ましいが、アクセス圧力ポ
ート206に至る中心上圧力ポート205も許容される
であろう。容量性センサ4の場合、関連する層に対する
少なくとも3つの電気的接点が必要である。図29に示
すように、それらの接点は上部メタライズ層6に通じる
207と,エピタキシャル層9に通じる208と,メタ
ライズ層203に通じる209である。充填酸化物材料
を除去すると、層9とウェハ202との間の絶縁層が除
去されることになるので、この容量性センサの用途によ
っては、空洞210又は層9の下面を酸化物エッチング
液に反応しない誘電体材料によって被覆することが必要
になるであろう。(従って、単に充填を行わないか,又
は充填材料を除去するために選択エッチング方法を使用
するか,あるいは、必要に応じて層201に使用した酸
化物とは異なる酸化物を使用することが可能であろ
う。)
エッチングにより除去されている。次に、表面を酸化物
又は他の誘電体の層49で覆い、再び、窒化物又はリン
を添加した酸化物の層59で覆う(図7)。図8は、通
路41aに至るアクセスポートを設けることが可能な場
所、すなわち、通路66及び66aを示している。たと
えば、点線66bにより示すポートのような軸上のポー
トを使用することもできるであろう。図8に示すパッド
61のような接合パッドを形成するときに使用できる好
ましい金属はいくつかある。使用するのに妥当であると
思われる金属は銅,アルミニウム,シリコン合金,ある
いは、ケイ化プラチナにTiW/Au/TiW又はTi
/Pd/Auの積層構造を重ねたものであるが、そのよ
うな金属にフォトレジストでパターンを形成し、輪郭を
規定する(当業者には知られている一連の金属エッチン
グによりエッチングする)ことになる。上記の金属と製
造工程は許容しうると思われるが、本発明の範囲を越え
ずに他の金属や製造工程を選択しても良い。それらの材
料又はそれに類似する材料からパッドを形成するときに
は、当業者には良く知られている様々な方法を使用して
良い。この段階で、用途によっては、装置は完成したと
考えても良い。
む構造は、それ以降、最小限の処理を行えば使用可能で
あろう。線66により指示する領域で裏側をエッチング
し、酸化物エッチングによって充填材料を除去すること
により、1つのアクセスポートを有する単純なダイアフ
ラム構造が得られるであろう。しかしながら、充填材料
がダイアフラム58を支持している状態でさらに処理を
続けても良い。そこで、図9を参照すると、ウェハ40
の上面にはダイアフラム層50a(完成前ダイアフラム
58を含む)が接合しており、その層58の上にはパイ
レックスガラス層81がスパッタリングされている。と
ころが、3つ以上のウェハ構成でダイアフラム58の上
方に接合されるウェハ(図9には示さず)においてこの
工程を実施することが可能であるという点に注意すべき
である。その目的は、使用中のダイアフラムとセンサの
正常な変形を可能にすると共に、ダイアフラムから分離
し且つダイアフラム層を次のウェハに接合することであ
る。下方の層の代わりに、上方のウェハにパイレックス
をスパッタリングすることも同様に好ましいであろう。
また、パイレックスガラスは不可欠の材料ではなく、た
とえば、ホウリンケイ酸ガラス,ガラスフリット又は共
晶金などの、同様の特性をもつ他の材料でも良いであろ
う。(パイレックスはCorning Glass C
ompanyの商標である。)
層81に対して整列し、層81に熱電接合する前に、1
01a及び101cなどのポートを形成するために、第
3のウェハ(64,図11)を前処理しておくのが好ま
しい。ポートをエッチングするときの通常の方法は異方
性エッチングである。パイレックス(又は同様の適切な
材料)の層をどちらのウェハ(上のウェハ64又は下の
ウェハ40,50a)に配置するかにかかわらず、好ま
しい接合方法は熱電方式である。すなわち、ウェハを整
列して、接触させ、次に、おだやかに加熱しながら界面
に電流を流すのである。ウェハ製造技術の分野の当業者
であれば、電流、時間又は加えられる熱のレベルを上げ
ることによって、満足しうる接合強さを得るために他の
ファクターを考慮に入れる必要は少なくなるということ
は認められるであろう。同様に、材料を変えれば、接合
方法の変更が必要になる。たとえば、より厚いパイレッ
クス又は同様の材料の層を使用する場合、時間を延長す
るか、電流又は熱のレベルを上げることも必要になる。
この種の接合に関しては、仙台の東北大学のエガシ他の
論文「Low−TemperatureSilicon
−to−Silicon Bonding with
Intermediate Low Melting
Point Glass」の中の「Sensors a
nd Actuators」A21〜A23(1990
年),931〜934ページを参照すると良い。実質的
に摂氏600°未満に加熱する場合、許容しうる接合を
得るために使用する電圧レベルは、現時点では、広範囲
にわたると思われる(15〜400ボルト.主に、層8
1のパイレックス又は他の材料の厚さによって決ま
る)。この接合を真空中で実施するのが好ましいが、そ
れは不可欠ではない。
添加してあるならば、まず、ウェハ64を層81に接合
することが可能であろう。シリコンを除去し、ウェハ6
4の大量のホウ素が添加してある層(図示せず)で2ミ
クロン程度の厚さでエッチングを停止するために、水酸
化カリウムなどの異方性エッチング液を使用しても良
い。酸化物充填部分を除去するために、等方性エッチン
グを使用しても良い。使用するのであれば、ホウ素を添
加した層(必要に応じてウェハ40にあっても良い)を
プラズマエッチングによって除去し、次に、フッ化水素
酸などの選択エッチング液により充填材料80を除去す
る。このエッチングは下方のポート101bを経て行わ
れ、ダイアフラム58の下面に至る溝通路41a(図1
1)が残る。(便宜上、酸化物充填部分80はこの通路
には示されていないが、エッチングプロセスの間に充填
材料は通路から除去される。)図24に示す平面図で
は、充填酸化物領域は、図中符号58,41a及び41
bにより指示される領域で点線により輪郭を規定される
領域であり、41bの領域は、(充填部分をエッチング
するのに先立って101bがエッチングされるとき)ポ
ート101bに関するエッチングストッパを形成する。
このプロセスについて数多くの変形が可能である。たと
えば、図20の充填部分除去構造から始めて、下方のポ
ートを密封するか、あるいは、充填部分を伴わない構造
を形成するというわずかな変更によって、絶対圧力セン
サを容易に製造できる。従って、圧力基準はダイアフラ
ムのすぐ下方の下方凹部に存在する。あるいは、充填を
利用せず、圧力ポート101aの形成のみを省略した上
で、図11の構造に至る全ての処理工程を採用しても、
絶対圧力センサは得られ、その場合、圧力媒体流体はダ
イアフラムの上面ではなく、その下面に加えられる。
トはダイアフラムの上又は下に直接に開くことになる
(図29のポート205)ので、41aのような圧力溝
通路を設ける必要がなくなるというのも、代替方法とし
て自明であろう。共通の平面に位置する複数のポートを
有する差圧変換器では、ダイアフラム層50aの図8で
点線66aにより指示されるのと同じような領域に低圧
アクセスポートを形成するために、上述のプロセスシー
ケンスにもう1つのパターン形成・エッチング工程を追
加することが必要である(指示されている領域の上で保
護層58及び59を先にパターン規定し、エッチングす
ることは自明である)。尚、ダイアフラム58に望まし
くない影響を与えないためにポートがダイアフラム58
から十分に遠く位置しているように、溝通路66bの長
さが図示されているより長くなるであろうということも
明らかであるべきであろう。圧力ポート、すなわち、ア
クセスポートをダイアフラム58のすぐ上又は下に位置
することが望ましい場合には、それを可能にするために
工程を変更する。これを実現するときには、溝通路66
b又は41aのような構造をシリコンウェハ40の中へ
エッチングする必要はなく、アクセスポートの、ダイア
フラムの場所に関する位置を動かすだけで良い。ウェハ
間で整列する機能しか利用できない(たとえば、手動操
作でウェハを整列するとき)場合には、圧力ポートを溝
通路41a(図11)のような非常に細い溝通路と整列
させるのは不可能であると思われるので、軸上圧力ポー
トの整列又はそれに近い何かが必要であろう。ところ
が、赤外線アライナと共に、前処理し且つ微細に機械加
工したカバーウェハを使用すると、他の構成も可能にな
り、開発には好都合である。たとえば、整列,接合及び
戻りエッチングの工程の前の接合工程に先立って、中心
のウェハ(ダイアフラム層50a)に事前製造ピェゾ抵
抗器を形成しても良い。
な処理能力を伴う本発明によって、圧力基準を内蔵する
絶対圧力センサと、有効な過剰圧力保護ストッパを有す
るセンサを形成しても良い。一般的に、ダイアフラムの
変形を許容する深さではあるが、空洞の底部に対して大
きな圧力が加わって無理が生じたときにダイアフラムが
伸びたり,破損したりするほどには深くないように空洞
を形成することにより、過剰圧力保護が得られる。従っ
て、厚さが約5ミクロンから80ミクロンのダイアフラ
ムの場合、図2に関連して説明したような空洞が望まし
いであろう。片側又は両側に過剰圧力保護を伴う差圧装
置を製造するのは容易である。軸外れのアクセスポート
を設けると、複数のゲージ変換器,差圧変換器及び静圧
変換器を共に製造することができる。これを使用して、
より高い組合わせ機能性をもつ冗長性に富む構成、たと
えば、故障許容差を複数の冗長構造によって製造するこ
とができる。他の機能には、自己検査,範囲拡張,自己
校正,必要に応じた1つの装置内での低速動的応答と高
速動的応答,基準内蔵変換器がある。先に説明したプロ
セスを使用すると、0.1psi,すなわち、500P
a未満を感知する装置と、3000psi(200MP
a)を越える圧力を感知する装置とを同一のダイアフラ
ム又は同じウェハ上の隣接するセルに同時に構成するこ
とが可能である。軸外れのポートはパッケージングにさ
らに融通性を与え、同一のダイアフラム又は複数のダイ
アフラムに対して作用を与える対向する圧力ポートと、
共平面圧力ポートの双方を利用可能にする。さらに、圧
力ポートを電気的リード線から完全に分離して、圧力伝
達媒体や、センサ装置全体を収納する電子回路ハウジン
グに課される制約を緩和することができる。ピエゾ抵抗
感知に代わるものとして、わずかな変形によって容量性
感知を利用しても良い(たとえば、図29とそれに関す
る説明を参照)。基準圧力センサを使用する又は使用し
ない自己検査又は自己校正のために、ダイアフラム板要
素の静電励振(圧力に従属する共振を板に励起させる)
を追加することができる。
ム層50aと,分離層50cと,基板ウェハ層40と,
上部構造ウェハ層64とを有する装置200が示されて
いる。基板ウェハ層40はパイレックス管75に取付け
られているが、同様の何らかの構造も使用できるであろ
う。アクセスポート101bはダイアフラム58の軸の
上に中心を有し、関連流体をダイアフラム58の下面に
対して出入りさせる。ワイヤWは場所101cでパッド
61に接合されており、層50aの中の電気的構造に対
して電気的接触を成立させる。層50aの中の電気的構
造は、少なくとも、ダイアフラム58と、ダイアフラム
71のそれぞれの上方にあるピエゾ抵抗器55と、抵抗
器55aのようなピエゾ抵抗器とを含む。ダイアフラム
層50aには、十分に活動するホイートストンブリッジ
を得るために、複数のピエゾ抵抗器を形成するのが普通
である。パイレックス層50c自体は図22の横断面図
には50c1,50c2及び50c3として表わされており、
それらの層は、それぞれ、空洞76及び77(又は上方
の凹部)を規定する分離構造の一部を形成している。従
って、装置200は、(複数のピエゾ抵抗器に接続して
いる複数の接合パッドに接続する複数本のワイヤがある
と仮定すれば(そのような接続は図示されていない))
絶対基準を有する圧力センサとして機能することができ
る。そして、ダイアフラム58は、パイレックス管75
の内面領域に沿ったポート101bを経て、ポート10
1c及び形成されている圧力溝通路62を通って加えら
れる圧力にさらされて、空洞76及び78の圧力差に応
答して湾曲する。ダイアフラム71は、上方の圧力溝通
路50cを経て上方の凹部77に加えられる圧力、又は
下方の圧力溝通路(別の構造をとって設けられていても
良いであろう)を経て凹部79に加えられる圧力によっ
て変形する。
ほぼ似通った性質の材料)の層50c1,50c2及び50
c3を使用することのもう1つの有利な特徴は、この実施
例と、図23に示す実施例を参照することによってわか
る。図23の場合、図示されている2つのアクセスポー
ト101b及び101dは管75と、通路85及び86
とを通して関連流体をダイアフラム58の両側へ導く。
ごくわずかな変形を加えて、アクセス通路85が点線の
領域89を経て空洞79に入るか、又は通路85を経て
空洞77に入る構成にすることもできる。このように、
このプロセスを使用して利用できる融通性と変形が適切
に示されているのである。パイレックス管75の位置を
ダイアフラム58から離すことによって、パイレックス
管75の熱膨張係数とダイアフラム58の熱膨張係数と
の差がダイアフラム58の損傷や、ダイアフラム58か
らの読み誤りを生じさせることはなくなるであろう。厚
い上部シリコンウェハ64の使用によって、この特徴は
さらに強いものとなる。ダイアフラムは同じ側にあるポ
ートからアクセスされても良いが、両側のポートからア
クセスされても良く、一方の側の1つのポートからのみ
アクセスされても良いが、両側から関連流体を受取って
も良い。同様に、基準ダイアフラム71は一箇所又は複
数箇所から基準流体のアクセスを受けても良く、同じ流
体は測定用ダイアフラム58によって受取られる。図2
3に示した構成の概要を示すために、その平面図を図2
4に示す。
後に空洞を熱酸化により酸化させるという第3の充填方
法を採用しても良いことに注意すべきである。このプロ
セスでは、まず、基板に空洞を形成し、次に、その空洞
を覆うように第2のウェハを第1のウェハに接合するこ
とになるであろう。次に、空洞へのアクセスが得られる
ようにウェハの一方にアクセス通路、すなわち、ポート
をエッチングする。酸素が存在する中でこの構造を熱に
さらすと、酸化物が形成される。空洞を酸化物でほぼ充
填するためには、構造を約1時間にわたり摂氏1100
°に加熱するのが好ましいであろう。その後、第2のウ
ェハの厚さを減らしてダイアフラムを形成することがで
き、次に、先に説明したような通常の処理が行われるで
あろう。図27は、第1のウェハ1と、第2のウェハ2
とを有し、エピタキシャル成長層nが空洞cの上方に接
合されているそのような構造を示す。点線84a及び8
4bにより示すように、ポートをウェハ1又は2のいず
れかを通してエッチングすることができるであろう。熱
酸化の後、p層を除去すると、図2〜図11の一連の図
の構造に類似する構造が残ると考えられる。
構造も利用することができる。この別の方法では、ダイ
アフラム層自体を使用して完成前ダイアフラム58の一
方の側で空洞cを受入れる。空洞を充填した後、上述の
プロセスのいずれかを利用して(さらには、空洞cを充
填材料80によって充填する前又はその後にウェハ1に
接合して)、基板材料50bを除去すると、充填空洞を
有し、その上方にダイアフラムを有するダイアフラム層
50aが残る。充填材料は軸上アクセス及び軸外れアク
セスのためのアクセスポート84b又は84cを経て除
去されても良いが、別の例としてポート84aを経て除
去されても良い。後に層52に接合される上部ウェハに
空洞dが含まれていても良く、そのような空洞dを、た
とえば、図9の層81のような層に形成しても良い。先
により明確に説明した他の変形プロセスを使用して、空
洞構造を含むこのダイアフラム層を製造しても良い。様
々な図において同一の図中符号は同様の構造を指示す
る。先に示した構造並びに先に説明したプロセスの数多
くの変形はこの分野の等業者には明白であろう。しかし
ながら、本発明の範囲は特許請求の範囲によってのみ限
定される。
するホウケイ酸ガラスをスパッタリングするのが好まし
いと考えられる。スパッタリングする層を厚くするとコ
スト高になるので、できる限り薄い層をスパッタリング
するのが好ましい。現時点では、1ミクロンの厚さが好
ましい。この厚さでは、ダイアフラムによっては、上方
に接合すべきウェハの下面と接触するようになる前にダ
イアフラムが偏向しうる余地が依然として残されること
になるであろう。当然のことながら、必要に応じて、ダ
イアフラムとは反対の側の面の空洞を使用することによ
り、深さをさらに減らしても良い。先の方法は、これま
で得ていた厚さの少なくとも3倍の厚さをもって申し分
のない接合を説明していた。それに最も近い明白な従来
の例は、ノルウェイのオスロにあるCenter fo
r Industrial Researchの第12
回北欧半導体議会会報に掲載されたHannenbor
g及びOhlckersのレポート「Anodic B
ondingof Silicon Chips Us
ing Sputter−Deposited Pyr
ex 7740 Thin Films」に見られる。
このレポートの中には、1ミクロンのパイレックスの陽
極ボンディングの実施が記載されている。ところが、そ
の中にはこの接合を再現性をもってどのように実施すべ
きかということは記載されておらず、1ミクロンはでき
る限りの薄さであるように思われる。本発明のプロセス
は1000オングストロームの厚さの接合を行うことが
でき、ウェハの間に7000オングストロームの厚さの
パイレックスを挟んでウェハを接合することは既に可能
になっており、また、5ミクロンの厚さで良好な結果を
得ている。
グした後、好ましいプロセスは窒素の中で約60分にわ
たりウェハを摂氏650°で熱処理する。600°〜7
00°の範囲はおそらく許容しうる範囲であり、窒素の
代わりに蒸気を使用する場合には、温度範囲を拡張でき
るであろう。本発明による陽極ボンディングプロセスの
きわめて重要であると見られる部分は、パイレックス
(又は同様の材料)の膜をスパッタリングされたウェハ
を次のような溶液の中に浸漬するところである。まず、
緩衝酸化物エッチングを約15秒間行い、消イオン水の
中ですすぎ、次に、水酸化カリウム及びH2O2の水溶液
(好ましい組成はKOH:H2O2:H2 O(40グラ
ム:350ミリリットル:350ミリリットル)に近
い)の中に30秒間浸漬し、最後に消イオン水の中です
すぐ。このプロセスは、良好な熱電接合の歩留まりを大
きく向上させる。一方のウェハの表面がメタライズされ
ている場合、そのウェハを浸漬プロセスにさらしてはな
らない。浸漬するのがウェハの一方であれ、双方のウェ
ハであれ、このプロセスは歩留まりを向上させる。ここ
で使用する緩衝酸化物エッチング液は10%のHF緩衝
溶液であったが、他のエッチング液も使用できるであろ
う。そこで考慮すべき点は、エッチング液がエッチング
すべき表面の感度の高い構造を損傷するほど強力すぎて
はならないが、疎水性の表面を形成するのに十分な強さ
を有し且つ十分な長さにわたって浸漬されるようにする
ということである。推奨されている15秒の時間は、こ
の条件を満たすための許容最小限の時間である。
ニウムなどの他の水酸化物を使用しても良い。ここで推
奨されている30秒という時間も、疎水性表面を形成す
るのに要求される最短の時間である。次に、ウェハを整
列させ、接合する。接合前にウェハの間に真空状態を発
生させるのが好ましい。1ミクロンのパイレックスを形
成するのに好ましい温度は摂氏400°〜450°であ
るが、その他の温度も許容される。ピーク温度では15
〜20ボルトの電圧を印加すべきであり、室温まで冷却
してゆく間にその電圧を約100ボルトまで上げるべき
である。高温では電圧を高くしてはならない。高温で5
分間というのが良い時間であるが、その他の時間も許容
される。温度、電圧及び装置がそれらの作用を受けなけ
ればならない時間は様々に変わる。時間が長く且つ電圧
と温度が高くなれば、通常、接合状態は良好になるが、
ピエゾ抵抗センサ及び他の電気的構造を損傷する危険も
生じる。推奨値より実質的に20%低い値を使用する
と、良好な接合を得る確率は下がるであろう。
す図。
るウェハ製造工程を示す一連の側面図。
るウェハ製造工程を示す一連の側面図。
るウェハ製造工程を示す一連の側面図。
るウェハ製造工程を示す一連の側面図。
るウェハ製造工程を示す一連の側面図。
るウェハ製造工程を示す一連の側面図。
るウェハ製造工程を示す一連の側面図。
るウェハ製造工程を示す一連の側面図。
するウェハ製造工程を示す一連の側面図。
するウェハ製造工程を示す一連の側面図。
ェハの側面図。
ェハの側面図。
ェハの側面図。
ェハの側面図。
ェハの側面図。
ハの側面図。
ハの側面図。
ハの側面図。
ハの側面図。
ハの側面図。
2つのダイアフラムを含むセンサの切取り側面図。
を交互に有する2つのダイアフラムを含むセンサの、図
24の6−6に沿った側断面図。
が成す角度の部分側面図。
が成す角度の部分側面図。
含める別の実施例の側面図。
側面図。
Claims (1)
- 【請求項1】 ダイアフラムを有したマイクロ構造の製
造方法において、 a.第1のシリコンウェハの第1の表面に空洞を形成す
る工程と; b.前記第1のシリコンウェハの第1の表面に第2のシ
リコンウェハを接合する工程と; c.前記第1のシリコンウェハを通して前記空洞に至る
アクセス通路を形成する工程と; d.酸素が存在する中で約1時間にわたって摂氏約11
00℃で二酸化シリコンを成長させて前記空洞をほぼ十
分に充填する工程と; e.前記第2のシリコンウェハの厚さを減らすことによ
り、前記充填された空洞の上に変形自在のダイアフラム
領域を形成する工程と; f.前記アクセス通路を介してエッチング手段により前
記空洞から二酸化シリコン充填材料を除去する工程とか
ら成る方法。
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