JP3546151B2

JP3546151B2 - Distortion detecting element and method for manufacturing distortion detecting element

Info

Publication number: JP3546151B2
Application number: JP12252999A
Authority: JP
Inventors: 敏男本間; 直樹吉田; 靖司山本
Original assignee: Nagano Keiki Co Ltd
Current assignee: Nagano Keiki Co Ltd
Priority date: 1999-04-28
Filing date: 1999-04-28
Publication date: 2004-07-21
Anticipated expiration: 2019-04-28
Also published as: JP2000315805A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、歪み抵抗効果に基づいて歪みを検出することにより、例えば物理的変位や加えられる力又は圧力等の各種の物理量を電気信号に変換する歪み検出素子及びその製造方法の技術分野に属し、より詳細には、溶融樹脂内又は車両のエンジンシリンダ内等の高温環境下でも歪みを検出して上記各種物理量を検出することが可能な歪み検出素子及びその製造方法の技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、歪み検出素子としては、その中心材料として金属や半導体を用いたものがあり、また夫々の材料の使用形態としても、いわゆるバルクを用いたものや厚膜化して用いたもの或いは薄膜化して用いたもの等各種あり、夫々にその特徴を生かして種々の用途に対してより適したものが使用されている（歪み検出素子として具体的には、例えば、特開平１０−３８７２７号公報等参照）。
【０００３】
このとき、従来から高感度の歪み検出素子として用いられている半導体薄膜ピエゾ抵抗素子は、ゲージ率が金属を用いた歪み検出素子より大きく、更にその比抵抗も金属を用いた歪み検出素子と比較し調節可能範囲が広いという特徴を有しており、歪み検出素子としては優れたものである。
【０００４】
一方、半導体歪み検出素子として代表的な拡散型半導体歪み検出素子は、その形成方法から起歪部分との接合性に優れ信頼性が高い歪み検出素子である。
【０００５】
ここで、起歪部分としての金属ダイアフラム等の上に形成して使用されるセンサとしてこれらの半導体歪み検出素子を利用する場合、その使用される環境には種々のものがあり、具体的には、エンジンシリンダ内の内圧を検出する場合のように高温下（例えば、４００℃乃至５００℃環境下）で使用されることが頻繁にあり得る。
【０００６】
これに対し、従来から使用されている半導体（シリコン）薄膜ピエゾ抵抗素子では、その種類としては結晶性の異なるもので２乃至３種類あるが、最も高温で使用できる非晶質のものでもその使用温度としては１５０℃乃至２５０℃が上限となっており上記したような高温下では使用できないという欠点があった。
【０００７】
ここで、半導体以外の材料を用いた歪み検出素子としては上記した金属を用いた歪み検出素子があるが、この金属の歪み検出素子では、いわゆるゲージ率が低く抵抗率も半導体に比べて千分の一以下と小さく、更に薄膜化した場合の素子形状のパターンに制約が多く、特に小型化には向いていないという欠点を有している。更に、抵抗率が低いため抵抗素子としての膜厚を薄くする必要があり、表面や絶縁膜との界面の変質の影響が大きくなりその抵抗特性が変化しやすいという欠点も有している。
【０００８】
ところで、上述したように半導体として広く用いられているシリコンに対し、炭化珪素（ＳｉＣ）は、半導体としてのエネルギーギャップがシリコンに対して約２倍広く、このため半導体素子としての特性を維持したまま４００℃乃至５００℃での高温動作が可能となる材料である。従って、この炭化珪素を薄膜化して起歪部に形成すれば、高温環境下でも高感度に歪みを検出できる歪み検出素子を構成することができることとなる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、炭化珪素を薄膜ピエゾ抵抗素子として起歪部分に薄膜化して形成するために従来のＣＶＤ法を用いるとすると、一般的には薄膜形成時の基板の温度を６００℃乃至９００℃にする必要があった。
【００１０】
そして、この場合、歪み検出素子の起歪部分（基板）としての金属に起歪効果を高めるべく弾性体を使用する場合を考えると、当該金属が６００℃より高い温度に加熱されたのではその弾性特性に悪影響があり、結果として炭化珪素膜を薄膜ピエゾ抵抗素子として用いた高温下で使用可能な高感度の歪み検出素子は実現できないという問題点があった。
【００１１】
このことは、ピエゾ抵抗素子として半導体を用いると共に金属を起歪部として用いることで歪み検出素子としての用途を大きく広げる可能性のあるＭＩＳ（ＭｅｔａｌＩｎｓｕｌａｔｏｒＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）構造の歪み検出素子が実現できなくなるという問題点にも繋がるものである。
【００１２】
そこで、本発明は、上記の各問題点に鑑みて為されたもので、その課題は、高温下でも高感度に歪みを検出することにより、各種物理量を検出することが可能な歪み検出素子を提供すると共に、当該歪み検出素子を実現することが可能な歪み検出素子製造方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、起歪部としての金属ダイアフラム等の金属基板と、前記金属基板上に積層された絶縁膜と、プラズマＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により、前記絶縁膜上に非晶質状態の炭化珪素を結晶化するための結晶化温度より低い温度であって歪み検出素子として必要な前記金属基板の弾性を損なわない温度である５５０℃以上６００℃以下の温度範囲で積層されると共に、レーザアニール法により結晶化された炭化珪素膜と、を備え、前記炭化珪素膜のピエゾ抵抗効果により歪みを検出するように構成される。
【００１４】
よって、結晶化された炭化珪素膜が絶縁膜を介して金属基板上に形成され、当該炭化珪素膜のピエゾ抵抗効果により歪みを検出するので、高温下でも高感度に歪みを検出することができる。また、起歪部として必要な金属基板の弾性を損なうことなく結晶化された炭化珪素膜が形成されているので、高感度で歪みを検出することができる。
【００１７】
上記の課題を解決するために、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の歪み検出素子において、前記炭化珪素膜のゲージ率の温度変化特性が前記金属基板のヤング率の温度変化特性に対応して変化することにより当該炭化珪素膜の温度が変化しても前記歪み検出素子の出力特性が安定化されるように歪み検出素子の前記炭化珪素膜のゲージ率の温度変化特性が−１２００ｐｐｍ／℃に設定されている。
【００１８】
よって、炭化珪素膜の温度が変化しても歪み検出素子の出力特性が安定化されているので、高温下でも安定して歪みを検出することができる。
【００１９】
上記の課題を解決するために、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の歪み検出素子において、前記炭化珪素膜の結晶化は、エキシマレーザを用いたレーザアニール法により行われている。
【００２０】
よって、より高感度に歪みを検出することができる。
【００２１】
上記の課題を解決するために、請求項４に記載の発明は、起歪部としての金属ダイアフラム等の金属基板上に絶縁膜を積層する絶縁膜積層工程と、プラズマＣＶＤ法を用いて、非晶質状態の炭化珪素を結晶化するための結晶化温度より低く且つ歪み検出素子として必要な前記金属基板の弾性を損なわない温度である５５０℃以上６００℃以下の温度範囲で、ピエゾ抵抗効果により歪みを検出するための炭化珪素膜を前記積層された絶縁膜上に非晶質状態に積層する炭化珪素膜積層工程と、前記積層された炭化珪素膜をレーザアニール法により結晶化する結晶化工程と、を備える。
【００２２】
よって、結晶化された炭化珪素膜を絶縁膜を介して金属基板上に形成し、当該炭化珪素膜のピエゾ抵抗効果により歪みを検出することにより、高温下でも高感度に歪みを検出することが可能な歪み検出素子を製造することができる。
【００２３】
また、起歪部として必要な金属基板の弾性を損なうことなく結晶化された炭化珪素膜を形成することができるので、より高感度で歪みを検出することが可能な歪み検出素子を製造することができる。
【００２４】
上記の課題を解決するために、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の歪み検出素子製造方法において、前記結晶化工程は、エキシマレーザを用いたレーザアニール法により行われる。
【００２５】
よって、一般的に用いられている簡易な方法により結晶化された炭化珪素膜を形成することができる。
【００２６】
上記の課題を解決するために、請求項６に記載の発明は、請求項４又は５に記載の歪み検出素子製造方法において、前記炭化珪素膜積層工程及び前記結晶化工程においては、前記金属基板のヤング率の温度変化特性に対応して、当該炭化珪素膜の温度が変化しても前記歪み検出素子の出力特性が安定化されるように前記炭化珪素膜のゲージ率の温度変化特性を−１２００ｐｐｍ／℃に設定して前記炭化珪素膜の積層及び結晶化を行うように構成する。
【００２７】
よって、温度が変化しても歪み検出素子の出力特性が安定化されるように、炭化珪素膜のゲージ率の温度変化特性が金属基板のヤング率の温度変化特性に基づいて設定されるので、高温下でも安定して歪みを検出すること可能な歪み検出素子を製造することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に好適な実施の形態について、図面に基づいて説明する。なお、以下に説明する各実施の形態は、例えばエンジンシリンダ内等の高温環境下において、その内部圧力等を測定する圧力センサに対して本発明を適用した場合の実施形態である。
（Ｉ）第１実施形態
始めに、本発明に係る第１実施形態について、図１乃至図４を用いて説明する。なお、図１乃至図３は第１実施形態に係る圧力センサの構成を示す図であり、図４は当該圧力センサの製造工程を示す工程図である。
【００２９】
先ず、第１実施形態の圧力センサの全体構成について、図１及び図２を用いて説明する。なお、図１は当該圧力センサの構成を示す平面図（図１（ａ））及び縦断面図（図１（ｂ））であり、図２はその斜視図である。
【００３０】
図１（ａ）及び図２に示すように、第１実施形態に係る圧力センサＳは、その下面から加えられる圧力により変形し歪みを生じる起歪部として機能する金属基板としての金属ダイアフラム１と、当該金属ダイアフラム１上に絶縁膜３を介して形成され金属ダイアフラム１に加わっている圧力に基づいて生じる歪みに起因する電気抵抗の変化（いわゆるピエゾ抵抗効果による電気抵抗の変化）によりその圧力値を検出するゲージ部Ｇと、により構成されている。ここで、金属ダイアフラム１の材質としては、コバルト−ニッケル合金が用いられている。
【００３１】
なお、実際の圧力センサＳにおいては、当該ゲージ部Ｇの一部には当該ゲージ部Ｇを構成する後述の歪みゲージを保護するための保護層２として窒化珪素膜が当該歪みゲージ上に形成されているが、図１（ａ）及び図２においては説明の明確化のため当該保護膜２を破線で示している。
【００３２】
次に、圧力センサＳの断面構造について、図１（ｂ）を用いて説明する。なお、図１（ｂ）は図１（ａ）におけるＡ−Ａ’部断面図である。
【００３３】
図１（ｂ）に示すように、圧力センサＳにおいては、ゲージ部Ｇが形成されている領域における金属ダイアフラム１は他の部分に比して極めて薄く形成されており（具体的には、厚さ０．３ｍｍ程度）、その上に絶縁膜３として例えば酸化珪素膜が形成され、更にその上にゲージ部Ｇが形成され当該ゲージ部Ｇが保護膜２により保護されている構造となっている。
【００３４】
そして、当該金属ダイアフラム１の薄膜化された部分が図１（ｂ）中両矢印方向に生じる圧力の変化により歪み、この歪みに対応してピエゾ抵抗効果によりゲージ部Ｇの電気抵抗が変化することで当該圧力が電気的変化として検出される。
【００３５】
次に、第１実施形態に係る圧力センサＳにおけるゲージ部Ｇの細部構成について、図３を用いて説明する。なお、図３は当該ゲージ部Ｇの構成を示す平面図（図３（ａ））及び断面図（図３（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ））である。
【００３６】
図３（ａ）に示すように、ゲージ部Ｇは、金属ダイアフラム１の薄膜化された領域に圧力が加わることにより当該薄膜化された領域に生じる歪みに対応して電気抵抗が変化する歪みゲージ５ａ乃至５ｄと、当該歪みゲージ５ａ乃至５ｄを保護するために当該歪みゲージ５ａ乃至５ｄ上に形成されている窒化珪素膜よりなる保護膜２と、当該保護膜２上に形成されると共に各歪みゲージ５ａ乃至５ｄにコンタクトホール等を介して電気的に接続され、当該歪みゲージ５ａ乃至５ｄに生じている電気抵抗の変化を電気信号の変化として外部に取り出すためのチタニウム等よりなる金属電極４ａ乃至４ｄと、により構成されている。そして、これらの歪みゲージ５ａ乃至５ｄ、保護膜２及び金属電極４ａ乃至４ｄは後述するようにいわゆるフォトリソグラフィ技術により金属ダイアフラム１上に予め形成されている絶縁膜３（厚さは１０μｍ程度である。）の表面に形成されている。
【００３７】
次に、各部の断面形状について説明する。なお、図３（ｂ）は図３（ａ）中Ｂ−Ｂ’部断面図であり、図３（ｃ）は図３（ａ）中Ｃ−Ｃ’部断面図であり、図３（ｄ）は図３（ａ）中Ｄ−Ｄ’部断面図である。
【００３８】
図３（ｂ）に示すように、図３（ａ）中Ｂ−Ｂ’部においては、金属ダイアフラム１の薄膜化された領域に形成されている絶縁膜３上に歪みゲージ５ａが形成されており、更にその上に当該歪みゲージ５ａを保護するように保護膜２が形成されている。そして、当該保護膜２の表面に金属電極４ｂ及び４ａが形成されている。このとき、金属電極４ａと歪みゲージ５ａとは、保護膜２に開口されたコンタクトホールＨを介して電気的に接続されている。
【００３９】
次に、図３（ｃ）に示すように、図３（ａ）中Ｃ−Ｃ’部においては、絶縁膜３上に歪みゲージ５ｂ及び５ｄが形成されており、更にその上に保護膜２が形成されている。
【００４０】
更に、図３（ｄ）に示すように、図３（ａ）中Ｄ−Ｄ’部においては、絶縁膜３上に歪みゲージ５ｃが形成されており、更にその上に保護膜２が形成されている。そして、当該保護膜２の表面に金属電極４ｃ及び４ｄが形成されている。
【００４１】
上述した構成を有するゲージ部Ｇにおいては、上述したように金属ダイアフラム１の薄膜化された領域に生じた歪みにより各歪みゲージ５ａ乃至５ｄにも同様に歪みが生じ、これに起因してピエゾ抵抗効果により各歪みゲージ５ａ乃至５ｄの電気抵抗の値が変化し、これを電気的に各金属電極４ａ乃至４ｄを介して検出することにより当該歪みの原因となった圧力の値が検出される。
【００４２】
なお、各歪みゲージ５ａ乃至５ｄの電気抵抗の変化を外部に取り出すための線は、各金属電極４ａ乃至４ｄにおける円形部分にいわゆるボンディング等の方法により接続される。
【００４３】
次に、上述した構成を有するゲージ部Ｇを製造する際の製造工程について、図４を用いて説明する。なお、図４に示す各工程図は、上記図３（ｂ）に断面を示した部分を例としてゲージ部Ｇの製造工程を説明するものである。
【００４４】
ゲージ部Ｇをフォトリソグラフィ技術により製造する際には、先ず、図４（ａ）に示すように、金属ダイアフラム１の薄膜化された領域上に絶縁膜３としての酸化珪素（ＳｉＯ_２）膜を厚さ１０μｍ程度形成する。この工程においては、具体的には、一般的な常圧ＣＶＤ法又は減圧ＣＶＤ法により、例えばＳｉＨ_４とＮ_２Ｏ_２等を原料ガスとして酸化珪素膜が形成される。
【００４５】
次に、絶縁膜３が形成されると、その上に、ピエゾ抵抗膜としての炭化珪素膜１０を以下の表１に示す諸元にて非晶質状態に厚さ０．６μｍだけ堆積する（図４（ｂ）参照。）。この炭化珪素膜１０の堆積は、具体的には平行平板型プラズマＣＶＤ装置を用いて行われる。
【００４６】
【表１】

【００４７】
ここで、堆積の際の基板温度は、金属ダイアフラム１として用いられているコバルト−ニッケル合金の起歪部としての弾性を加熱により損なうことがない温度として設定されているものである。また、表１において、各ガス流量の単位としては、「ＳｔａｎｄａｒｄＣｕｂｉｃＣｅｎｔｉｍｅｔｅｒ／Ｍｉｎｕｔｅ」を用いている。
【００４８】
なお、このとき、非晶質状態の炭化珪素膜１０という場合には、アモルファス状態の炭化珪素膜と微結晶状態の炭化珪素膜の双方又は少なくともいずれか一方が含まれているものとする（以下、同じ。）。
【００４９】
次に、非晶質状態で堆積されている炭化珪素膜１０をレーザアニール法によりアニール処理して結晶化させ、結晶化された炭化珪素膜１０’を形成する（図４（ｃ）参照。）。
【００５０】
このときのアニール処理にはエキシマレーザアニール装置を用い、そのアニール条件としては、以下の表２に示す諸元を用いる。
【００５１】
【表２】

【００５２】
なお、上述した表１及び２には、炭化珪素膜１０の製造諸元及びそのアニール諸元を具体的に示したが、これらの諸元は、一般的には、アニールされて結晶化された後の炭化珪素膜１０’のゲージ率の温度変化特性が、当該温度変化特性が金属ダイアフラム１のヤング率の温度変化特性に対応して変化することにより、当該炭化珪素膜１０’の温度が変化してもゲージ部Ｇとしての出力特性が安定化されるように最適化されて設定されるものである。
【００５３】
また、上記した諸元によるアニール処理後の結晶化した炭化珪素膜１０’の特性は、以下の表３に示すようなものとなる。
【００５４】
【表３】

【００５５】
次に、アニール処理により結晶化した炭化珪素膜１０’上にレジスト１１を塗布すると共に、フォトリソグラフィ技術を用いて当該レジスト１１を歪みゲージ５ａ乃至５ｄを形成するためのマスクパターンにパターニングする（図４（ｄ）参照。）。
【００５６】
そして、当該パターニングしたレジスト１１を含む炭化珪素膜１１’をドライエッチング法等によりエッチングして歪みゲージ５ａ乃至５ｄを形成し、更に当該形成した歪みゲージ５ａ乃至５ｄを保護する領域に当該歪みゲージ５ａ乃至５ｄ上に積層して保護層２を形成する。この保護層２の形成はＣＶＤ法等を用いて窒化珪素膜を形成することにより行う。この時、当該形成された保護膜２内に、後述する処理により金属電極４ａ乃至４ｄと歪みゲージ５ａ乃至５ｄとを接続するためのコンタクトホールＨをやはりドライエッチング法等により形成しておく（図４（ｅ）参照。）。
【００５７】
次に、形成されているコンタクトホールＨを含めた保護層２上の領域に金属電極４ａ乃至４ｄとなるチタニウム膜１２を真空蒸着法等により形成する。このときのチタニウム膜１２の厚さは、例えば０．８μｍ程度である（図４（ｆ）参照。）。
【００５８】
そして、チタニウム膜１２が形成されると、次に、当該チタニウム膜１２上にレジスト１３を塗布すると共に、フォトリソグラフィ技術を用いて当該レジスト１３を金属電極４ａ乃至４ｄを形成するためのマスクパターンにパターニングする（図４（ｇ）参照。）
そして、当該パターニングしたレジスト１３を含むチタニウム膜１２をドライエッチング法等によりエッチングして金属電極４ａ乃至４ｄを形成し、ゲージ部Ｇが完成する（図４（ｈ）参照。）。
【００５９】
以上説明したように、第１実施形態の圧力センサＳによれば、結晶化された炭化珪素膜１０’よりなる歪みゲージ５ａ乃至５ｄが絶縁膜３を介して金属ダイアフラム１上に形成され、当該歪みゲージ５ａのピエゾ抵抗効果により歪みを検出するので、高温下でも高感度に歪みを検出することができる。
【００６０】
また、炭化珪素膜１０’が、その結晶化温度より低い温度であって金属ダイアフラム１の弾性を損なわない温度で絶縁膜３上に非晶質状態で炭化珪素膜１０が堆積された後、レーザアニール法により結晶化されて形成されているので、起歪部として必要な金属ダイアフラム１の弾性を損なうことなく歪みゲージ５ａ乃至５ｄとしての炭化珪素膜１０’が結晶化されていることとなり、高感度で歪みを検出することができる。
【００６１】
更に、歪みゲージ５ａ乃至５ｄの温度が変化してもゲージ部Ｇの出力特性が安定化されているので、高温下でも安定して歪みを検出することができる。
【００６２】
更にまた、結晶化前の炭化珪素膜１０がプラズマＣＶＤ法により絶縁膜３上に堆積されて形成されると共に、堆積された炭化珪素膜１０の結晶化がエキシマレーザを用いたレーザアニール法により行われているので、より高感度に歪みを検出することができる。
【００６３】
一方、第１実施形態の歪みゲージ５ａ乃至５ｄの製造方法によれば、ピエゾ抵抗効果により歪みを検出する結晶化された炭化珪素膜１０’を絶縁膜３を介して金属ダイアフラム１上に形成するので、高温下でも高感度に歪みを検出することが可能な歪みゲージ５ａ乃至５ｄを製造することができる。
【００６４】
また、起歪部として必要な金属ダイアフラム１の弾性を損なうことなく結晶化された炭化珪素膜１０’を形成することができるので、より高感度で歪みを検出することが可能な歪みゲージ５ａ乃至５ｄを製造することができる。
【００６５】
また、炭化珪素膜積層工程がプラズマＣＶＤ法を用いて実行されると共に、結晶化工程がエキシマレーザを用いたレーザアニール法により行われるので、一般的に用いられている簡易な方法により結晶化された炭化珪素膜１０’を形成することができる。
【００６６】
更に、温度が変化してもゲージ部Ｇの出力特性が安定化されるように、炭化珪素膜１０’のゲージ率の温度変化特性が金属ダイアフラム１のヤング率の温度変化特性に基づいて設定されるので、高温下でも安定して歪みを検出すること可能な歪みゲージ５ａ乃至５ｄを製造することができる。
（ｉｉ）第２実施形態
次に、本発明に係る他の実施形態である第２実施形態について説明する。
【００６７】
上述した第１実施形態においては、圧力センサＳ上のゲージ部Ｇを図４に示す工程により表１及び２に示した諸元を用いて製造したが、第２実施形態においては、当該ゲージ部Ｇを構成する歪みゲージ５ａ乃至５ｄとなる結晶化された炭化珪素膜１０’を以下の表４に示す堆積諸元及び表５に示すアニール諸元により製造する。
【００６８】
なお、第２実施形態の製造方法により製造されるゲージ部を備える圧力センサの構造は、第１実施形態の圧力センサＳと全く同様であり、更に、その製造工程も上記表４及び５に示した諸元以外は第１実施形態の製造方法と全く同様であるので、夫々の細部説明は省略する。
【００６９】
【表４】

【００７０】
【表５】

【００７１】
ここで、表４に示す諸元における基板温度は、金属ダイアフラム１の材質としてＪＩＳ規格ＳＵＳ６３０ステンレス鋼を用いる場合の温度であり、第１実施形態の場合（上述したように、金属ダイアフラム１の材質としてコバルト−ニッケル合金を用いている。）に比して低い値となっている。この温度は、第１実施形態の場合と同様に、起歪部としての金属ダイアフラム１に用いられるＳＵＳ６３０ステンレス鋼の弾性を損なうことがない温度として設定されているものである。
【００７２】
なお、第２実施形態の製造方法においては、非晶質状態の炭化珪素膜１０の堆積は第１実施形態の場合と同様のプラズマＣＶＤ装置を用いて表３に示す諸元により行うのであり、更に堆積された炭化珪素膜１０の結晶化も、第１実施形態の場合と同様のエキシマレーザアニール装置を用いて表４に示す諸元により行う。
【００７３】
更に、上述した表３及び４に示される各諸元は、第１実施形態の場合と同様に、アニールされて結晶化された後の炭化珪素膜１０’のゲージ率の温度変化特性が、金属ダイアフラム１のヤング率の温度変化特性に基づき当該炭化珪素膜１０’の温度が変化してもゲージ部Ｇの出力特性が安定化されるように最適化されて設定されているものである。
【００７４】
以上説明した第２実施形態の製造方法によっても、第１実施形態の場合と同様の効果を奏するゲージ部Ｇが得られる。
【００７５】
なお、上述した各実施形態においては、本発明を圧力センサＳにおけるゲージ部Ｇに対して適用した場合について説明したが、これ以外に、例えば、ピエゾ抵抗効果を用いた変位計における歪みゲージとして本発明の製造方法により製造された炭化珪素膜を用いることも可能であるし、更に、電気抵抗の温度変化を利用した温度計における測温部として本発明の製造方法により製造された炭化珪素膜を用いることも可能である。
【００７６】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載の発明によれば、結晶化された炭化珪素膜が絶縁膜を介して金属基板上に形成され、当該炭化珪素膜のピエゾ抵抗効果により歪みを検出するので、高温下でも高感度に歪みを検出することができる。
【００７７】
従って、起歪効果の高い金属基板を用いて高温下でも高感度に歪みを検出し、これにより種々の物理量を高温下で高感度に検出することができる。
【００７８】
また、プラズマＣＶＤ法により、炭化珪素膜がその結晶化温度より低い温度であって歪み検出素子として必要な金属基板の弾性を損なわない温度である５５０℃以上６００℃以下の温度範囲で絶縁膜上に非晶質状態で堆積された後、レーザアニール法により結晶化されて形成されているので、起歪部として必要な金属基板の弾性を損なうことなく炭化珪素膜が結晶化されていることとなり、高感度で歪みを検出することができる。
【００７９】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加えて、炭化珪素膜の温度が変化しても歪み検出素子の出力特性が安定化されているので、高温下でも安定して歪みを検出することができる。
【００８０】
請求項３に記載の発明によれば、請求項１又は２に記載の発明の効果に加えて、炭化珪素膜の結晶化がエキシマレーザを用いたレーザアニール法により行われているので、より高感度に歪みを検出することができる。
【００８１】
請求項４に記載の発明によれば、プラズマＣＶＤ法を用いてピエゾ抵抗効果により歪みを検出する結晶化された炭化珪素膜を絶縁膜を介して金属基板上に形成するので、高温下でも高感度に歪みを検出することが可能な歪み検出素子を製造することができる。
【００８２】
従って、起歪効果の高い金属基板を用いて高温下でも高感度に歪みを検出し、これにより種々の物理量を高温下で高感度に検出することが可能な歪み検出素子を製造することができる。
【００８３】
また、起歪部として必要な金属基板の弾性を損なうことなく結晶化された炭化珪素膜を形成することができるので、より高感度で歪みを検出することが可能な歪み検出素子を製造することができる。
【００８４】
請求項５に記載の発明によれば、請求項４に記載の発明の効果に加えて、結晶化工程がエキシマレーザを用いたレーザアニール法により行われるので、一般的に用いられている簡易な方法により結晶化された炭化珪素膜を形成することができる。
【００８５】
請求項６に記載の発明によれば、請求項４又は５に記載の発明の効果に加えて、温度が変化しても歪み検出素子の出力特性が安定化されるように、炭化珪素膜のゲージ率の温度変化特性が金属基板のヤング率の温度変化特性に基づいて−１２００ｐｐｍ／℃に設定されるので、高温下でも安定して歪みを検出することが可能な歪み検出素子を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係る圧力センサの構成を示す図であり、（ａ）はその平面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ’部縦断面図である。
【図２】第１実施形態に係る圧力センサの構成を示す斜視図である。
【図３】第１実施形態のゲージ部の構成を示す図であり、（ａ）はその平面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ’部断面図であり、（ｃ）は（ａ）におけるＣ−Ｃ’部断面図であり、（ｄ）は（ａ）におけるＤ−Ｄ’部断面図である。
【図４】第１実施形態のゲージ部の製造工程を示す断面工程図であり、（ａ）は第１工程を示す断面工程図であり、（ｂ）は第２工程を示す断面工程図であり、（ｃ）は第３工程を示す断面工程図であり、（ｄ）は第４工程を示す断面工程図であり、（ｅ）は第５工程を示す断面工程図であり、（ｆ）は第６工程を示す断面工程図であり、（ｇ）は第７工程を示す断面工程図であり、（ｈ）は第８工程を示す断面工程図である。
【符号の説明】
１…金属ダイアフラム
２…保護膜
３…絶縁膜
４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ…金属電極
５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ…歪みゲージ
１０、１０’…炭化珪素膜
１１、１３…レジスト
１２…チタニウム膜
Ｇ…ゲージ部
Ｈ…コンタクトホール
Ｓ…圧力センサ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention belongs to the technical field of a strain detecting element that converts various physical quantities such as physical displacement and applied force or pressure into an electric signal by detecting strain based on a strain resistance effect, and a method of manufacturing the same. More specifically, the present invention belongs to the technical field of a strain detecting element capable of detecting strain and detecting the above various physical quantities even in a high temperature environment such as in a molten resin or in an engine cylinder of a vehicle, and a method of manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
In general, as a strain detecting element, there is an element using a metal or a semiconductor as its central material, and as a usage form of each material, an element using a so-called bulk, an element using a thick film, or a thin film is used. There are various types such as those used, and those that are more suitable for various applications by utilizing the characteristics of each are used. (Specifically, as a distortion detecting element, see, for example, JP-A-10-38727, etc. ).
[0003]
At this time, the semiconductor thin-film piezoresistive element, which has been conventionally used as a high-sensitivity strain detecting element, has a gauge factor larger than that of a metal-based strain detecting element, and has a higher specific resistance than a metal-based strain detecting element. It has a feature that the adjustable range is wide, and is excellent as a distortion detecting element.
[0004]
On the other hand, a diffusion-type semiconductor strain detecting element, which is a typical semiconductor strain detecting element, is a highly reliable strain detecting element having excellent bonding properties to a strain-induced portion due to its forming method.
[0005]
Here, when these semiconductor strain detecting elements are used as sensors formed and used on a metal diaphragm or the like as a strain generating portion, there are various environments in which the semiconductor strain detecting elements are used. It is often used at high temperatures (for example, under a 400 ° C. to 500 ° C. environment) such as when detecting the internal pressure in an engine cylinder.
[0006]
On the other hand, conventional semiconductor (silicon) thin film piezoresistanceThere are two or three types of devices having different crystallinity as the types. However, even the amorphous type which can be used at the highest temperature has an upper limit of 150 ° C. to 250 ° C. as described above. There is a disadvantage that it cannot be used at extremely high temperatures.
[0007]
Here, as the strain detecting element using a material other than a semiconductor, there is a strain detecting element using the above-described metal. However, this metal strain detecting element has a low so-called gauge factor and a resistivity that is one thousandth of that of a semiconductor. It has a drawback that it is not suitable for miniaturization, because there are many restrictions on the pattern of the element shape when the element is made thinner. Furthermore, since the resistivity is low, it is necessary to reduce the film thickness of the resistance element, and there is a disadvantage that the influence of the deterioration of the surface and the interface with the insulating film becomes large, and the resistance characteristic is easily changed.
[0008]
By the way, as described above, silicon carbide (SiC) has an energy gap as a semiconductor that is about twice as wide as silicon as silicon, which is widely used as a semiconductor, and thus maintains characteristics as a semiconductor element. It is a material that can operate at a high temperature of 400 ° C. to 500 ° C. Therefore, if the silicon carbide is thinned and formed in the strain-generating portion, a strain detecting element that can detect strain with high sensitivity even in a high-temperature environment can be configured.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, if a conventional CVD method is used to form silicon carbide as a thin-film piezoresistive element in a thinned portion at a strained portion, it is generally necessary to set the substrate temperature to 600 ° C. to 900 ° C. when forming the thin film. was there.
[0010]
In this case, considering the case where an elastic body is used to enhance the strain-generating effect on the metal as the strain-generating portion (substrate) of the strain detection element, if the metal is heated to a temperature higher than 600 ° C. There is a problem that the elastic characteristics are adversely affected, and as a result, a high-sensitivity strain detecting element using a silicon carbide film as a thin-film piezoresistor and usable at high temperatures cannot be realized.
[0011]
This means that the use of a semiconductor as the piezoresistive element and the use of metal as the strain generating portion makes it impossible to realize a strain detecting element having an MIS (Metal Insulator Semiconductor) structure, which can greatly expand the use as a strain detecting element. It also leads to problems.
[0012]
Therefore, the present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a distortion detecting element capable of detecting various physical quantities by detecting distortion with high sensitivity even at a high temperature. It is another object of the present invention to provide a strain detecting element manufacturing method capable of realizing the strain detecting element.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to claim 1 includes a metal substrate such as a metal diaphragm as a strain generating portion, an insulating film laminated on the metal substrate,By a plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) method,A temperature lower than a crystallization temperature for crystallizing amorphous silicon carbide on the insulating film;Necessary as a strain detection elementTemperature that does not impair the elasticity of the metal substrate550 ° C or higher and 600 ° C or lower temperature rangeAnd a silicon carbide film crystallized by a laser annealing method, and configured to detect distortion by a piezoresistance effect of the silicon carbide film.
[0014]
Therefore, the crystallized silicon carbide film is formed on the metal substrate via the insulating film, and the strain is detected by the piezoresistance effect of the silicon carbide film. Therefore, the strain can be detected with high sensitivity even at a high temperature. .In addition, since the crystallized silicon carbide film is formed without impairing the elasticity of the metal substrate required as a strain-generating portion, strain can be detected with high sensitivity.
[0017]
According to a second aspect of the present invention, there is provided the strain detecting element according to the first aspect, wherein a temperature change characteristic of a gauge factor of the silicon carbide film is a temperature change characteristic of a Young's modulus of the metal substrate. Even when the temperature of the silicon carbide film changes by changing in response to the characteristic, the temperature change characteristic of the gauge factor of the silicon carbide film of the strain detection element is set so that the output characteristic of the strain detection element is stabilized.-1200 ppm / ° CIs set.
[0018]
Therefore, even if the temperature of the silicon carbide film changes, the output characteristics of the strain detecting element are stabilized, so that the strain can be stably detected even at a high temperature.
[0019]
According to a third aspect of the present invention, there is provided a distortion detecting element according to the first or second aspect.BeforeThe crystallization of the silicon carbide film is performed by a laser annealing method using an excimer laser.
[0020]
Therefore, distortion can be detected with higher sensitivity.
[0021]
In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to claim 4 is an insulating film laminating step of laminating an insulating film on a metal substrate such as a metal diaphragm as a strain generating portion,Using the plasma CVD method,Lower than the crystallization temperature for crystallizing amorphous silicon carbide andNecessary as a strain detection elementTemperature that does not impair the elasticity of the metal substrate550 ° C or higher and 600 ° C or lower temperature rangeA silicon carbide film laminating step of laminating a silicon carbide film for detecting strain by a piezoresistance effect on the laminated insulating film in an amorphous state, and the laminated silicon carbide film is subjected to a laser annealing method. A crystallization step of crystallization.
[0022]
Therefore, by forming a crystallized silicon carbide film over a metal substrate with an insulating film interposed therebetween and detecting the strain by the piezoresistance effect of the silicon carbide film, the strain can be detected with high sensitivity even at a high temperature. A possible strain detection element can be manufactured.
[0023]
In addition, since a crystallized silicon carbide film can be formed without impairing the elasticity of a metal substrate required as a strain-generating portion, a strain detecting element capable of detecting strain with higher sensitivity can be manufactured. Can be.
[0024]
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a strain detecting element according to the fourth aspect.BeforeThe crystallization step is performed by a laser annealing method using an excimer laser.
[0025]
Therefore, a crystallized silicon carbide film can be formed by a generally used simple method.
[0026]
According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a strain detecting element manufacturing method according to the fourth or fifth aspect, wherein the metal substrate is formed in the silicon carbide film laminating step and the crystallization step. In response to the temperature change characteristic of the Young's modulus, the temperature change characteristic of the gauge factor of the silicon carbide film is adjusted so that the output characteristic of the strain detection element is stabilized even when the temperature of the silicon carbide film changes.-1200 ppm / ° CThe silicon carbide film is laminated and crystallized by setting.
[0027]
Therefore, the temperature change characteristic of the gauge factor of the silicon carbide film is set based on the temperature change characteristic of the Young's modulus of the metal substrate so that the output characteristics of the strain detection element are stabilized even when the temperature changes. It is possible to manufacture a strain detecting element capable of detecting a strain stably even at a high temperature.
[0028]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Next, a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Each embodiment described below is an embodiment in which the present invention is applied to a pressure sensor that measures an internal pressure or the like in a high-temperature environment such as an engine cylinder.
(I)First embodiment
First, a first embodiment according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 3 are views showing the configuration of the pressure sensor according to the first embodiment, and FIG. 4 is a process diagram showing a manufacturing process of the pressure sensor.
[0029]
First, the overall configuration of the pressure sensor according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a plan view (FIG. 1A) and a longitudinal sectional view (FIG. 1B) showing the configuration of the pressure sensor, and FIG. 2 is a perspective view thereof.
[0030]
As shown in FIGS. 1A and 2, the pressure sensor S according to the first embodiment includes a metal diaphragm 1 serving as a metal substrate that functions as a strain-generating portion that is deformed by a pressure applied from the lower surface and generates strain. The change in electric resistance (change in electric resistance due to the so-called piezoresistive effect) caused by the strain generated on the metal diaphragm 1 via the insulating film 3 due to the pressure applied to the metal diaphragm 1 causes the pressure value to change. And a gauge section G for detecting Here, as a material of the metal diaphragm 1, a cobalt-nickel alloy is used.
[0031]
In the actual pressure sensor S, a silicon nitride film is formed on a part of the gauge part G as a protective layer 2 for protecting a later-described strain gauge constituting the gauge part G on the strain gauge. However, in FIG. 1A and FIG. 2, the protective film 2 is shown by a broken line for clarity of explanation.
[0032]
Next, a cross-sectional structure of the pressure sensor S will be described with reference to FIG. FIG. 1B is a cross-sectional view taken along the line A-A ′ in FIG.
[0033]
As shown in FIG. 1B, in the pressure sensor S, the metal diaphragm 1 in a region where the gauge portion G is formed is formed to be extremely thin as compared with other portions (specifically, the thickness is increased). A thickness of about 0.3 mm), a silicon oxide film, for example, is formed thereon as an insulating film 3, a gauge portion G is further formed thereon, and the gauge portion G is protected by the protective film 2. .
[0034]
Then, the thinned portion of the metal diaphragm 1 is distorted due to a change in pressure generated in the direction of the double arrow in FIG. 1B, and the electric resistance of the gauge portion G is changed by the piezoresistance effect in response to the distortion. , The pressure is detected as an electrical change.
[0035]
Next, a detailed configuration of the gauge G in the pressure sensor S according to the first embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a plan view (FIG. 3A) and a cross-sectional view (FIGS. 3B, 3C, and 3D) showing the configuration of the gauge portion G.
[0036]
As shown in FIG. 3A, the gauge portion G is a strain gauge whose electric resistance changes in response to strain generated in the thinned region of the metal diaphragm 1 when pressure is applied to the thinned region. 5a to 5d, a protective film 2 made of a silicon nitride film formed on the strain gauges 5a to 5d to protect the strain gauges 5a to 5d, Metal electrodes 4a to 4d, which are electrically connected to the gauges 5a to 5d through contact holes and the like, and are made of titanium or the like for taking out a change in electric resistance generated in the strain gauges 5a to 5d to the outside as a change in electric signal. 4d. The strain gauges 5a to 5d, the protective film 2, and the metal electrodes 4a to 4d are made of an insulating film 3 (having a thickness of about 10 μm) formed on the metal diaphragm 1 by a so-called photolithography technique as described later. ) Is formed on the surface.
[0037]
Next, the cross-sectional shape of each part will be described. 3B is a cross-sectional view taken along the line BB ′ in FIG. 3A, FIG. 3C is a cross-sectional view taken along the line CC ′ in FIG. 3A, and FIG. 3) is a sectional view taken along the line DD ′ in FIG.
[0038]
As shown in FIG. 3B, in a portion BB ′ in FIG. 3A, a strain gauge 5a is formed on the insulating film 3 formed in the thinned region of the metal diaphragm 1. Further, a protective film 2 is further formed thereon to protect the strain gauge 5a. The

metal electrodes

4b and 4a are formed on the surface of the protective film 2. At this time, the metal electrode 4a and the strain gauge 5a are electrically connected via a contact hole H opened in the protective film 2.
[0039]
Next, as shown in FIG. 3 (c), in a portion CC ′ in FIG. 3 (a),

strain gauges

5b and 5d are formed on the insulating film 3, and further thereon the protective film 2 is formed. Is formed.
[0040]
Further, as shown in FIG. 3D, in a section DD ′ in FIG. 3A, a strain gauge 5c is formed on the insulating film 3 and a protective film 2 is further formed thereon. ing. Then,

metal electrodes

4c and 4d are formed on the surface of the protective film 2.
[0041]
In the gauge section G having the above-described configuration, as described above, the strain generated in the thinned region of the metal diaphragm 1 similarly causes strain in each of the strain gauges 5a to 5d. Due to the effect, the value of the electric resistance of each of the strain gauges 5a to 5d changes, and by detecting this electrically through each of the metal electrodes 4a to 4d, the value of the pressure causing the strain is detected.
[0042]
Note that a line for taking out a change in the electric resistance of each of the strain gauges 5a to 5d to the outside is connected to a circular portion of each of the metal electrodes 4a to 4d by a method such as bonding.
[0043]
Next, a manufacturing process for manufacturing the gauge portion G having the above-described configuration will be described with reference to FIG. Note that each process diagram shown in FIG. 4 describes a manufacturing process of the gauge portion G by taking, as an example, a portion whose cross section is shown in FIG.
[0044]
When the gauge portion G is manufactured by the photolithography technique, first, as shown in FIG. 4A, a silicon oxide (SiO 2) as an insulating film 3 is formed on a thinned region of the metal diaphragm 1.₂) A film having a thickness of about 10 μm is formed. In this step, specifically, for example, SiH₄And N₂O₂A silicon oxide film is formed using the above as a source gas.
[0045]
Next, when the insulating film 3 is formed, a silicon carbide film 10 as a piezoresistive film is deposited thereon in an amorphous state with a thickness of 0.6 μm according to the specifications shown in Table 1 below (see FIG. 1). (See FIG. 4B.) The deposition of the silicon carbide film 10 is specifically performed using a parallel plate type plasma CVD apparatus.
[0046]
[Table 1]

[0047]
Here, the substrate temperature at the time of deposition is set as a temperature at which the elasticity of the cobalt-nickel alloy used as the metal diaphragm 1 as the strain generating portion is not impaired by heating. In Table 1, “Standard Cubic Centimeter / Minute” is used as a unit of each gas flow rate.
[0048]
At this time, in the case of the amorphous silicon carbide film 10, it is assumed that both or at least one of the amorphous silicon carbide film and the microcrystalline silicon carbide film are included (hereinafter, referred to as the amorphous silicon carbide film). ,the same.).
[0049]
Next, the silicon carbide film 10 deposited in an amorphous state is annealed by a laser annealing method to be crystallized to form a crystallized silicon carbide film 10 '(see FIG. 4C). .
[0050]
An excimer laser annealing apparatus is used for the annealing process at this time, and the specifications shown in Table 2 below are used as the annealing conditions.
[0051]
[Table 2]

[0052]
In addition, in Tables 1 and 2 described above, the manufacturing parameters of the silicon carbide film 10 and the annealing parameters thereof are specifically shown. However, these parameters are generally annealed and crystallized. The temperature change characteristic of the gauge factor of the silicon carbide film 10 ′ later changes according to the temperature change characteristic of the Young's modulus of the metal diaphragm 1, so that the temperature of the silicon carbide film 10 ′ changes. Even so, the output characteristics of the gauge section G are optimized and set so as to be stabilized.
[0053]
Further, the characteristics of the crystallized silicon carbide film 10 ′ after the annealing treatment according to the above-described specifications are as shown in Table 3 below.
[0054]
[Table 3]

[0055]
Next, a resist 11 is applied on the silicon carbide film 10 ′ crystallized by the annealing process, and the resist 11 is patterned into a mask pattern for forming the strain gauges 5a to 5d by using a photolithography technique (FIG. 4 (d)).
[0056]
Then, the silicon carbide film 11 ′ including the patterned resist 11 is etched by a dry etching method or the like to form the strain gauges 5 a to 5 d, and further, the strain gauges 5 a to 5 d are formed in the regions for protecting the formed strain gauges 5 a to 5 d. The protective layer 2 is formed by stacking on the layers 5 to 5d. The protection layer 2 is formed by forming a silicon nitride film using a CVD method or the like. At this time, contact holes H for connecting the metal electrodes 4a to 4d and the strain gauges 5a to 5d are also formed in the formed protective film 2 by a dry etching method or the like by a process described later (FIG. 4 (e)).
[0057]
Next, a titanium film 12 to be the metal electrodes 4a to 4d is formed in a region on the protective layer 2 including the formed contact hole H by a vacuum deposition method or the like. At this time, the thickness of the titanium film 12 is, for example, about 0.8 μm (see FIG. 4F).
[0058]
Then, when the titanium film 12 is formed, next, a resist 13 is applied on the titanium film 12, and the resist 13 is formed into a mask pattern for forming the metal electrodes 4a to 4d by using a photolithography technique. Patterning (see FIG. 4 (g))
Then, the titanium film 12 including the patterned resist 13 is etched by a dry etching method or the like to form the metal electrodes 4a to 4d, and the gauge portion G is completed (see FIG. 4H).
[0059]
As described above, according to the pressure sensor S of the first embodiment, the strain gauges 5a to 5d made of the crystallized silicon carbide film 10 ′ are formed on the metal diaphragm 1 via the insulating film 3. Since the strain is detected by the piezoresistance effect of the strain gauge 5a, the strain can be detected with high sensitivity even at a high temperature.
[0060]
After the silicon carbide film 10 ′ is deposited in an amorphous state on the insulating film 3 at a temperature lower than its crystallization temperature and at a temperature that does not impair the elasticity of the metal diaphragm 1, the laser Since it is formed by crystallization by the annealing method, the silicon carbide film 10 ′ as the strain gauges 5 a to 5 d is crystallized without impairing the elasticity of the metal diaphragm 1 required as a strain-generating portion. Distortion can be detected with sensitivity.
[0061]
Furthermore, even if the temperature of the strain gauges 5a to 5d changes, the output characteristics of the gauge portion G are stabilized, so that the strain can be detected stably even at high temperatures.
[0062]
Furthermore, the silicon carbide film 10 before crystallization is deposited and formed on the insulating film 3 by a plasma CVD method, and the deposited silicon carbide film 10 is crystallized by a laser annealing method using an excimer laser. As a result, distortion can be detected with higher sensitivity.
[0063]
On the other hand, according to the method for manufacturing the strain gauges 5a to 5d of the first embodiment, the crystallized silicon carbide film 10 'for detecting the strain by the piezoresistance effect is formed on the metal diaphragm 1 via the insulating film 3. Therefore, strain gauges 5a to 5d capable of detecting strain with high sensitivity even at high temperatures can be manufactured.
[0064]
In addition, since the crystallized silicon carbide film 10 'can be formed without impairing the elasticity of the metal diaphragm 1 required as a strain-generating portion, the strain gauges 5a to 5c can detect strain with higher sensitivity. 5d can be manufactured.
[0065]
In addition, since the silicon carbide film laminating step is performed using a plasma CVD method and the crystallization step is performed by a laser annealing method using an excimer laser, crystallization is performed by a generally used simple method. Silicon carbide film 10 'can be formed.
[0066]
Furthermore, the temperature change characteristic of the gauge factor of silicon carbide film 10 'is set based on the temperature change characteristic of the Young's modulus of metal diaphragm 1 so that the output characteristics of gauge portion G are stabilized even when the temperature changes. Therefore, it is possible to manufacture the strain gauges 5a to 5d capable of detecting the strain stably even at a high temperature.
(Ii)Second embodiment
Next, a second embodiment which is another embodiment according to the present invention will be described.
[0067]
In the above-described first embodiment, the gauge portion G on the pressure sensor S is manufactured by the process shown in FIG. 4 using the specifications shown in Tables 1 and 2. In the second embodiment, the gauge portion G is used. A crystallized silicon carbide film 10 'serving as the strain gauges 5a to 5d constituting G is manufactured according to the deposition parameters shown in Table 4 below and the annealing parameters shown in Table 5.
[0068]
The structure of the pressure sensor including the gauge section manufactured by the manufacturing method of the second embodiment is exactly the same as that of the pressure sensor S of the first embodiment, and the manufacturing steps are also shown in Tables 4 and 5 above. Except for the specifications described above, the manufacturing method is exactly the same as the manufacturing method of the first embodiment, and a detailed description thereof will be omitted.
[0069]
[Table 4]

[0070]
[Table 5]

[0071]
Here, the substrate temperature in the specifications shown in Table 4 is a temperature when JIS standard SUS630 stainless steel is used as the material of the metal diaphragm 1, and is the case of the first embodiment (as described above, the material of the metal diaphragm 1). Is a low value as compared with the case of using a cobalt-nickel alloy. This temperature is set as a temperature that does not impair the elasticity of SUS630 stainless steel used for the metal diaphragm 1 as the strain generating portion, as in the case of the first embodiment.
[0072]
Note that, in the manufacturing method of the second embodiment, the deposition of the amorphous silicon carbide film 10 is performed using the same plasma CVD apparatus as in the first embodiment according to the specifications shown in Table 3. Further, the crystallization of the deposited silicon carbide film 10 is also performed using the same excimer laser annealing apparatus as in the first embodiment according to the specifications shown in Table 4.
[0073]
Further, each of the specifications shown in Tables 3 and 4 above indicates that, as in the case of the first embodiment, the temperature change characteristic of the gauge factor of the silicon carbide film 10 ′ after being annealed and crystallized is a metal. Based on the temperature change characteristic of the Young's modulus of diaphragm 1, it is optimized and set so that the output characteristic of gauge portion G is stabilized even if the temperature of silicon carbide film 10 'changes.
[0074]
According to the manufacturing method of the second embodiment described above, a gauge portion G having the same effect as that of the first embodiment can be obtained.
[0075]
In each of the above-described embodiments, the case where the present invention is applied to the gauge portion G in the pressure sensor S has been described. It is also possible to use a silicon carbide film manufactured by the manufacturing method of the present invention, and further, a silicon carbide film manufactured by the manufacturing method of the present invention as a temperature measuring unit in a thermometer using a temperature change of electric resistance. It is also possible to use.
[0076]
【The invention's effect】
As described above, according to the first aspect of the invention, the crystallized silicon carbide film is formed on the metal substrate via the insulating film, and the strain is detected by the piezoresistance effect of the silicon carbide film. Therefore, distortion can be detected with high sensitivity even at high temperatures.
[0077]
Therefore, distortion can be detected with high sensitivity even at high temperatures using a metal substrate having a high strain-inducing effect, whereby various physical quantities can be detected with high sensitivity at high temperatures.
[0078]
Also,By plasma CVD method,The silicon carbide film is at a temperature lower than its crystallization temperature,Necessary as a strain detection elementTemperature that does not impair the elasticity of the metal substrate550 ° C or higher and 600 ° C or lower temperature rangeIs deposited on the insulating film in an amorphous state, and then crystallized by a laser annealing method, so that the silicon carbide film can be crystallized without impairing the elasticity of the metal substrate required as a strain generating portion. Therefore, distortion can be detected with high sensitivity.
[0079]
Claim2According to the invention described in the above,Claim 1In addition to the effects of the invention described in above, the output characteristics of the strain detecting element are stabilized even when the temperature of the silicon carbide film changes, so that the strain can be detected stably even at a high temperature.
[0080]
According to the third aspect of the invention, in addition to the effects of the first or second aspect of the invention,And charcoalSince the crystallization of the silicon nitride film is performed by a laser annealing method using an excimer laser, strain can be detected with higher sensitivity.
[0081]
According to the invention described in claim 4,Using plasma CVDSince a crystallized silicon carbide film that detects strain by the piezoresistive effect is formed on a metal substrate via an insulating film, it is necessary to manufacture a strain detecting element that can detect strain with high sensitivity even at high temperatures. Can be.
[0082]
Therefore, it is possible to manufacture a strain detecting element capable of detecting strain with high sensitivity even at high temperatures using a metal substrate having a high strain-inducing effect, and thereby detecting various physical quantities with high sensitivity at high temperatures. .
[0083]
In addition, since a crystallized silicon carbide film can be formed without impairing the elasticity of a metal substrate required as a strain-generating portion, a strain detecting element capable of detecting strain with higher sensitivity can be manufactured. Can be.
[0084]
According to the invention described in claim 5, the claim4In addition to the effects of the invention described inTiSince the crystallization step is performed by a laser annealing method using an excimer laser, a crystallized silicon carbide film can be formed by a generally used simple method.
[0085]
According to the invention set forth in claim 6, in addition to the effect of the invention set forth in claim 4 or 5, the silicon carbide film is formed such that the output characteristics of the strain detecting element are stabilized even when the temperature changes. Gauge modulus temperature change characteristic is based on temperature change characteristic of Young's modulus of metal substrate-1200 ppm / ° CSince the setting is made, it is possible to manufacture a strain detecting element capable of detecting a strain stably even at a high temperature.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A and 1B are diagrams showing a configuration of a pressure sensor according to a first embodiment, wherein FIG. 1A is a plan view thereof, and FIG. 1B is a longitudinal sectional view taken along the line A-A ′ in FIG.
FIG. 2 is a perspective view illustrating a configuration of a pressure sensor according to the first embodiment.
3A and 3B are diagrams illustrating a configuration of a gauge unit according to the first embodiment, in which FIG. 3A is a plan view, FIG. 3B is a cross-sectional view taken along the line BB ′ in FIG. 5A is a cross-sectional view taken along the line CC ′ in FIG. 5A, and FIG. 5D is a cross-sectional view taken along the line DD ′ in FIG.
4A and 4B are cross-sectional process diagrams illustrating a manufacturing process of the gauge section according to the first embodiment, in which FIG. 4A is a cross-sectional process diagram illustrating a first process, and FIG. 4B is a cross-sectional process diagram illustrating a second process. (C) is a sectional process diagram showing a third process, (d) is a sectional process diagram showing a fourth process, (e) is a sectional process diagram showing a fifth process, (f). It is sectional process drawing which shows a 6th process, (g) is sectional process drawing which shows a 7th process, (h) is sectional process drawing which shows an 8th process.
[Explanation of symbols]
1: Metal diaphragm
2 ... Protective film
3 ... Insulating film
4a, 4b, 4c, 4d: Metal electrode
5a, 5b, 5c, 5d ... Strain gauge
10, 10 '... silicon carbide film
11, 13 ... resist
12 ... titanium film
G: Gauge section
H… Contact hole
S: Pressure sensor

Claims

A metal substrate as a strain generating section,
An insulating film laminated on the metal substrate,
By a plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) method , a temperature lower than a crystallization temperature for crystallizing amorphous silicon carbide on the insulating film, and the elasticity of the metal substrate required as a strain detecting element is determined. A silicon carbide film that is laminated in a temperature range of 550 ° C. or more and 600 ° C. or less, which is a temperature that does not impair , and is crystallized by a laser annealing method.
A strain detecting element for detecting a strain by a piezoresistance effect of the silicon carbide film.

The distortion detecting element according to claim 1,
The output characteristics of the strain detecting element are stable even when the temperature of the silicon carbide film changes due to the temperature change characteristics of the gauge factor of the silicon carbide film corresponding to the temperature change characteristics of the Young's modulus of the metal substrate. Wherein the temperature change characteristic of the gauge factor of the silicon carbide film of the strain detecting element is set to -1200 ppm / ° C.

Te strain detecting elements odor according to claim 1 or 2,
Crystallization of the previous SL silicon carbide film, distortion detection device characterized by being performed by a laser annealing method using an excimer laser.

An insulating film laminating step of laminating an insulating film on a metal substrate as a strain generating portion,
Using a plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) method, 550 ° C., which is lower than the crystallization temperature for crystallizing amorphous silicon carbide and does not impair the elasticity of the metal substrate required as a strain detecting element. A silicon carbide film laminating step of laminating a silicon carbide film for detecting strain by a piezoresistance effect in an amorphous state on the laminated insulating film in a temperature range of not less than 600 ° C. and
A crystallization step of crystallizing the laminated silicon carbide film by a laser annealing method,
A method for manufacturing a strain detecting element, comprising:

Te strain detecting elements production method smell of claim 4,
Before SL crystallization step, the strain detecting element manufacturing method characterized in that it is performed by a laser annealing method using an excimer laser.

The method for manufacturing a strain detecting element according to claim 4 or 5,
In the silicon carbide film laminating step and the crystallization step, the output characteristics of the strain detecting element are stabilized even when the temperature of the silicon carbide film changes, corresponding to the temperature change characteristics of the Young's modulus of the metal substrate. A method of manufacturing a strain detecting element, comprising: setting a gauge factor temperature change characteristic of the silicon carbide film to -1200 ppm / ° C. so as to stack and crystallize the silicon carbide film.