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JPH0748564B2 - シリコンマイクロセンサ - Google Patents
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JPH0748564B2 - シリコンマイクロセンサ - Google Patents

シリコンマイクロセンサ

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JPH0748564B2
JPH0748564B2 JP11129088A JP11129088A JPH0748564B2 JP H0748564 B2 JPH0748564 B2 JP H0748564B2 JP 11129088 A JP11129088 A JP 11129088A JP 11129088 A JP11129088 A JP 11129088A JP H0748564 B2 JPH0748564 B2 JP H0748564B2
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thermal
aluminum oxide
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    • GPHYSICS
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    • G01L9/0041Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0042Constructional details associated with semiconductive diaphragm sensors, e.g. etching, or constructional details of non-semiconductive diaphragms

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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明はシリコンの異方性エッチングを利用したシリコ
ンマイクロセンサに関し、特に支持膜の材料と構造とに
関する。
(従来の技術) 熱収支を利用する赤外線センサ、フローセンサ、ガスセ
ンサでは、発熱部や検出部の熱容量を小さくすることに
よって高感度化、高速応答化、低消費電力化が達成でき
るので、熱容量を小さくするために発熱部や検出部を微
小化、薄膜化している。
また、圧力センサ、振動センサ、加速度センサ等の可動
部を有するセンサでは、可動部とこれを支持する支持部
とを薄膜化することによって微小化が図れるとともに、
可動部が微小な圧力等で動くため高感度化が図れる。
さらに、これら全てのセンサにおいて、センサ部を薄膜
による支持膜上に形成することによってセンサの高感度
化、微小化の他、複数センサの複合化、集積化等をも図
ることができる。
上記したような理由から、シリコンの結晶異方性とフォ
トリソグラフィ技術とを組み合わせてシリコンを微細な
形状に正確にエッチング加工するいわゆるマイクロシー
ニング技術を用いて、支持膜を薄膜で形成したシリコン
マイクロセンサの開発が近年盛んになってきている。
ところで、これらセンサの支持部にはブリッジタイプ、
カンチレバータイプ、ダイアフラムタイプ等の各種の形
状がある。第3図はブリッジタイプ、第4図はカンチレ
バータイプ、第5図はダイアフラムタイプを示してい
る。
これらのシリコンマイクロセンサは、ウエハであるシリ
コン基板101,102,103に熱酸化法による熱酸化シリコン
膜或いはCVD法による酸化シリコン膜等111,112,113を形
成した後、当該酸化シリコン膜111,112,113をパターン
化してマスクとなし、シリコン基板101,102,103の異方
性エッチングを行って形成したものである。この場合、
支持部121,122,123として残るのはマスクとして用いた
酸化シリコン膜111,112,113である。
(発明が解決しようとする課題) しかし、上記した従来のシリコンマイクロセンサのよう
に、支持膜として酸化シリコン膜を用いた場合、酸化シ
リコン膜は、熱酸化法、CVD法のいずれの方法で形成し
ても、支持膜形成時の温度を600〜1000℃と非常に高温
にする必要がある。そのため、ウエハと酸化シリコン膜
との熱膨張率の差によって酸化シリコン膜に歪みが加わ
り、形成される支持膜にヒビ割れや破損が発生し、酸化
シリコン膜単独で支持膜を形成することは非常に困難で
あった。
そこで、本発明者らは、上記問題を解決するために、ス
パッタ法によって作製した酸化シリコン膜や窒化シリコ
ン膜を支持膜として用いることをすでに提案している
が、しかしこの場合にも、スパッタ膜中の残留応力によ
って支持膜がわずかに湾曲する。この湾曲は、酸化シリ
コン膜の場合には熱処理によっては除去できず、窒化シ
リコン膜の場合には800℃以上の高温での熱処理によっ
て除去できる。しかしながら、このような高温での熱処
理は、センサの他部への影響が大であり、作製プロセス
上の問題もあった。
一方、スパッタ法によって作製した酸化アルミニウム膜
を支持膜として用いることが考えられる。この場合もわ
ずかに湾曲するが、酸化アルミニウム膜の場合には、50
0℃程度の低温の熱処理によってこの湾曲を減少させる
ことができる。この理由は、窒化シリコン膜よりも酸化
アルミニウム膜の方が熱膨張率が大きいためである。し
かしながら、酸化アルミニウム膜には、ゴミ等の異物に
よる欠陥が多く、エッチング時にここから液が浸透し、
下地のシリコンウエハがエッチングされてエッチピット
が発生するという新たな問題があった。
本発明に係る実情に鑑みてなされたもので、熱酸化によ
る熱酸化シリコン膜の上にスパッタリングによる酸化ア
ルミニウム膜を重ねた2層構造の支持膜とすることによ
って平坦でヒビ割れや破損のない支持膜を形成したシリ
コンマイクロセンサを提供することを目的とする。
(課題を解決するための手段) 本発明のシリコンマイクロセンサは、シリコン基板上に
支持膜が形成されると共に、前記シリコン基板の前記支
持膜裏面に接する一部が除去されて、該シリコン基板に
空洞が形成され、この空洞部分に位置する支持膜上にセ
ンサ膜が形成されたシリコンマイクロセンサにおいて、
前記支持膜は、シリコン基板上に熱酸化によって形成さ
れた熱酸化シリコン膜と、該熱酸化シリコン膜上にスパ
ッタリングによって形成された酸化アルミニウム膜との
2層からなるものである。この2層膜の各膜厚は熱酸化
シリコン膜が約100Å〜数1000Å、スパッタリングによ
って形成された酸化アルミニウム膜が約1000Å〜数μm
の範囲で、スパッタ膜の方を厚くするのが好ましい。
(作用) シリコン基板上に、熱酸化法よって熱酸化シリコン膜を
形成する。次に、上記熱酸化シリコン膜上に、スパッタ
法によって酸化アルミニウム膜を上記熱酸化シリコン膜
より厚く形成する。このように、酸化アルミニウム膜を
熱酸化シリコン膜よりも厚く形成することによって、酸
化アルミニウム膜は熱酸化シリコン膜に残留する熱歪み
による残留応力の影響を受けにくい。しかし、この状態
で酸化アルミニウム膜には小さいけれども残留応力(圧
縮応力)が残留する。そこで、酸化アルミニウム膜の熱
処理を500℃〜800℃の温度範囲(好ましくは600℃〜700
℃の温度範囲)で行う。すると、酸化アルミニウム膜は
該酸化アルミニウム膜の熱膨張係数がシリコン基板より
も大きいために、引張応力が発生し、圧縮応力を打消
す。さらに、500℃〜800℃の温度範囲内で熱処理温度を
上げると支持膜に適度な引張り応力が残留し、酸化アル
ミニウム膜の表面が平坦化された支持膜が得られる。
次に、上記支持膜を例えばブリッジタイプにパターン形
成し、この場合には該支持膜をマスクとしてシリコン基
板をエッチングすることにより、シリコン基板の支持膜
裏面に接する一部を除去して空洞を形成する。これによ
って、上記支持膜の一部分に上記シリコン基板と接着せ
ず支持膜のみからなるブリッジタイプの支持部を形成す
る。この際、熱酸化法によってエッチピットの発生を防
止する熱酸化シリコン膜を形成し、その熱酸化シリコン
膜の上に該熱酸化シリコン膜より厚い酸化アルミニウム
膜を形成することによってエッチピットの発生を防止す
る。
こうして形成された支持部の上に、例えば赤外線センサ
材料のセンサ膜を形成してシリコンマイクロセンサを形
成する。こして形成されたシリコンマイクロセンサは実
質的なシリコン基板のエッチピットがなく、支持部が平
坦化されたものが得られる。
(実施例) 以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。
第1図(a)は、シリコンマイクロセンサ1の全体構成
の概略を示す平面図である。また、第1図(b)に第1
図(a)のII−II線断面図を示す。
第1図(a)及び第1図(b)において、シリコンマイ
クロセンサ1は、シリコン基板2、熱酸化シリコン膜
3、酸化アルミニウム膜4、センサ膜5等で構成されて
いる。
まず、このシリコンマイクロセンサ1の製造方法につい
て説明する。
第2図(a)ないし第2図(e)に示すように、シリコ
ンマイクロセンサ1の製造方法は熱酸化工程、スパッタ
工程、熱処理工程、エッチング工程、センサ膜形成工程
からなる。
熱酸化工程では、第2図(a)に示すように、シリコン
基板2の表面を熱酸化法によって酸化し、約100Å〜数1
000Å程度の熱酸化シリコン膜3をシリコン基板2の上
面及び下面に形成する。
スパッタ工程では、第2図(b)に示すように、シリコ
ン基板2の上面に形成した熱酸化シリコン膜3の表面
に、スパッタ法によって約1000Å〜数μm程度の酸化ア
ルミニウム膜4を形成する。スパッタ法は、Al2O3焼結
ターゲットをアルゴンガス中で高周波マグネトロンスパ
ッタすることにより行う。この時、シリコン基板2は約
300℃に加熱し、高周波数電力は約3W/cm2でスパッタす
る。また、こうして得られた酸化アルミニウム膜4は上
記熱酸化シリコン膜3よりも厚く形成する。このように
して、シリコン基板2の表面に上記熱酸化シリコン膜3
と上記酸化アルミニウム膜4とからなる支持膜6を形成
する。
熱処理工程では、上記熱酸化シリコン膜3及び酸化アル
ミニウム膜4を形成したシリコン基板2を500℃〜800℃
の範囲内で、より好ましくは700℃で約3時間熱処理を
行って支持膜6を焼成する。
エッチング工程では、まず第2図(c)に示すように、
フォトレジスト7で、酸化アルミニウム膜4上に、例え
ばブリッジタイプのパターンを形成し、下面の熱酸化シ
リコン膜3の全体をコーティングした後、リン酸で酸化
アルミニウム膜4をエッチングする。次に、第2図
(d)に示すように、フッ酸緩衝液で熱酸化シリコン膜
3をエッチングした後、フォトレジスト7の剥離を行
う。そして、第2図(e)に示すように、パターン化さ
れた酸化アルミニウム膜4及び熱酸化シリコン膜3をマ
スクとして、沸点近くまで昇温したEPW液(エチレンジ
アミンヒロカテコール及び水の混合液)でシリコン基板
2をエッチングする。これによって、シリコン基板2の
支持膜裏面(すなわち、熱酸化シリコン膜3の裏面)に
接する一部を除去することにより、空洞を形成して酸化
アルミニウム膜4と熱酸化シリコン膜3とからなる支持
部8を形成する。
センサ膜形成工程では、第1図(a)及び第1図(b)
に示すように、上記支持部8にセンサ材料となるセンサ
膜5及び電極9を形成してシリコンマイクロセンサ1が
完成する。
次に、このようにして製造されたシリコンマイクロセン
サ1について説明する。
シリコンマイクロセンサ1はシリコン基板2上に、熱酸
化シリコン膜3と該酸化アルミニウム膜4とからなる支
持膜6を形成している。この場合、酸化アルミニウム膜
4の熱膨張係数がシリコン基板2よりも大きいため、熱
処理工程によって酸化アルミニウム4に引張り応力が発
生する。この引張り応力によって支持膜6の表面は平坦
化されている。
この支持膜6は、例えばブリッジタイプにパターン形成
され、そのブリッジ裏面に接するシリコン基板2の一部
をエッチングして空洞化することによって支持部8を形
成している。この支持部8の上面は、酸化アルミニウム
膜4に上述したような引張り応力が発生するため平坦な
面となっている。また、スパッタ法による酸化アルミニ
ウム膜4は、エッチング時にエッチピットを発生しやす
いという問題があったが、酸化アルミニウム膜4とシリ
コン基板2との間に熱酸化法によって熱酸化シリコン膜
3を形成することによって、シリコン基板2の実質的な
エッチピットの発生を防止している。そして、上記支持
部8にセンサ材料となるセンサ膜5及び電極9を形成し
ている。このように、本発明のシリコンマイクロセンサ
1は、支持部8の薄膜化とともに平坦化を図り、かつシ
リコン基板2に実質的なエッチピットがなく安定してい
るので、従来のシリコンマイクロセンサに比べて、その
性能をさらに向上させるとともに、製品としての信頼性
をも高めることができる。
なお、センサ膜5としては、赤外線センサ材料、感ガス
材料、感湿材料、圧力センサ材料等種々のものが利用さ
れる。
また、本実施例では、マイクロブリッジタイプの例を示
したが、カンチレバータイプについても同様に作成可能
である。また、ダイアフラムタイプについては、シリコ
ン基板の下面側から該シリコン基板をエッチングするこ
とにより、上面側に形成された支持膜の裏面に接するシ
リコン基板の一部を除去することが可能である。さら
に、本発明のシリコンマイクロセンサによれば、膜形成
時に使用するガスが無害なアルゴンガス等であるため、
CVD法に比べて設備費が安価に提供できるという利点も
ある。さらにまた、熱処理温度が従来のものに比べて低
いので、センサ他部への影響や作製プロセス上の問題も
少なくなる。
(発明の効果) 上述したように、本発明によれば、支持膜が平坦でかつ
シリコン基板に実質的なエッチピットのない精度の高い
シリコンマイクロセンサを得ることができる。また、従
来のシリコンマイクロセンサに比べてその性能をさらに
向上させるとともに、製品としての信頼性をも高めるこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
第1図及び第2図は本発明の図面を示し、第1図(a)
はシリコンマイクロセンサの平面図、第1図(b)は第
1図(a)のII−II線における断面図、第2図(a)〜
(e)はシリコンマイクロセンサの製造工程を示す工程
図、第3図ないし第5図は従来のシリコンマイクロセン
サの図面を示し、第3(a),(b)はブリッジタイプ
の平面図及び中央縦断面図、第4図(a),(b)はカ
ンチレバータイプの平面図及び中央縦断面図、第5図
(a),(b)はダイアフラムタイプの平面図及び中央
縦断面図である。 1……シリコンマイクロセンサ 2……シリコン基板、3……酸化シリコン膜 4……酸化アルミニウム膜、5……センサ膜 6……支持膜、8……支持部

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】シリコン基板上に支持膜が形成されると共
    に、前記シリコン基板の前記支持膜裏面に接する一部が
    除去されて、該シリコン基板に空洞が形成され、この空
    洞部分に位置する支持膜上にセンサ膜が形成されたシリ
    コンマイクロセンサにおいて、 前記支持膜は、シリコン基板上に熱酸化によって形成さ
    れた熱酸化シリコン膜と、該熱酸化シリコン膜上にスパ
    ッタリングによって形成された酸化アルミニウム膜との
    2層からなることを特徴とするシリコンマイクロセン
    サ。
JP11129088A 1988-05-07 1988-05-07 シリコンマイクロセンサ Expired - Lifetime JPH0748564B2 (ja)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
JP11129088A JPH0748564B2 (ja) 1988-05-07 1988-05-07 シリコンマイクロセンサ
DE1989607643 DE68907643T2 (de) 1988-05-07 1989-05-08 Silizium-Mikro-Wandler und Herstellungsverfahren dazu.
EP19890304648 EP0341964B1 (en) 1988-05-07 1989-05-08 Silicon micro sensor and manufacturing method therefor
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