JP3324395B2 - 電界型真空管とそれを用いた圧力センサ、加速度センサおよびそれらの製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は気体の圧力計測用の
圧力センサや、自動車用加速度計に代表されるような移
動物体に加わっている加速度計測用の加速度センサ等
の、シリコンを用い、マイクロマシニング技術を駆使し
た半導体式の小型センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】図１５（ａ）はシリコン半導体を用い、
マイクロマシニング技術を駆使した半導体式の圧力セン
サの断面図である。凹み５２を設けたシリコンのセンサ
チップ５１は、凹み５２部分が真空に保たれるように台
５３に実装されている。図中のセンサチップ５１の凹み
５２の裏側には、不純物導入による拡散抵抗層のセンサ
部５４が形成されており、キャップ５８内の気体圧力
と、凹み５２の真空との圧力差によってセンサ部５４に
力が加わり、拡散抵抗層が歪み、抵抗が変化する。セン
サチップ５１の表面に設けられた電極５５と、台５３を
貫通するリード５６との間はボンディングワイヤ５７で
結ばれており、リード５６間の抵抗変化からキャップ５
８内の圧力をセンシングできるようになっている。

【０００３】図１５（ｂ）はやはりシリコン半導体を用
いた加速度センサの断面図である。上下にストッパ６０
を接合した片持ち梁式のセンサチップ６１がセラミック
ケース６３に取りつけられている。そのセンサチップ６
１のセンサ部６４にはシリコンへの不純物導入による拡
散抵抗層が形成されており、その先の重り６９が加速度
を受けてセンサ部６４が変形すると、拡散抵抗層の抵抗
が変化する。図では一つしか示されていないが、センサ
部６４を挟んで設けられた二つの電極６５間の抵抗変化
をボンディングワイヤ６７、リード６６を通して測定し
て加速度をセンシングできるようになっている。ダンピ
ングのためセラミックケース６３内にシリコーンオイル
を充填することもある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】一般に半導体のセンサ
は次のような欠点をもっている。 半導体特性を利用するセンサは高温での使用が困難で
ある。特に、最も一般的に用いられているシリコンで
は、１５０℃以上での使用はできない。 温度による特性変化があり温度補償が必要である。

【０００５】センサ出力を絶対値で読み取る方式が一
般的であり、センサのばらつきは外部回路で修正すると
いう方法が取られているため、手間がかかる。更に、 特に圧力センサでは真空封止が必要であり、真空パッ
ケ−ジング工程など後工程が厄介である。

【０００６】という欠点もある。上記の問題に鑑みて本
発明の目的は、高温で使用でき、温度補償が不要で、個
々の素子の特性ばらつきのない、製造の容易なセンサお
よびその製造方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】

（１）一般に半導体など固体の物性を利用したセンサ
は、温度特性を無視することはできないし、使用可能な
温度にも自ずと制限があるのは必然である。従って、上
記課題を解決するためには 温度耐性に優れ、温度変化の小さい材料を見出すか、
もしくは 固体の物性を利用しない方法をとるしかないように思
われる。

【０００８】本発明では上記（１）の課題に対して、
の方法を選択した。すなわち、真空管内部の応答をセン
サとして利用することにする。真空管内部では、センサ
部が外界から完全に遮断されているという点で、温度に
限らず、耐環境性に優れることが期待できる。特に、電
界型電子放出素子でコレクタ電流が外界からの圧力や加
速度で変化する構造とすれば、真空中を走る電子の多少
がセンサ応答関数であるため、環境の影響を全く受けな
い理想的なセンサが実現できる。

【０００９】すなわち、本発明の電界型真空管は、エミ
ッタ、コレクタおよび第一、第二のゲ−トを備え、エミ
ッタ、第一ゲート間に印加した電圧によりエミッタから
電子を放出する電界型真空管で、外力が第二ゲ−トに加
わることによって、第二ゲートが変形し、エミッタ、第
二ゲ−ト、コレクタが作る電位分布が変化して、コレク
タ電流の変化を引き起こすものとする。

【００１０】特に、その真空管がシリコンおよびシリコ
ン酸化膜を微細加工して微小に形成されてなり、エミッ
タおよびコレクタが基板上の絶縁膜上に一定の間隔をお
いて平行に向かいあうように載置され、エミッタ、コレ
クタ間の空間の上下に２つのゲ−トを備えるものとす
る。具体的には図１２（ａ）、（ｂ）に示した概念的断
面図のような構成とする。図１２（ａ）は圧力センサに
応用した場合、同図（ｂ）は加速度センサに応用した場
合である。

【００１１】図１２（ａ）において、第一ゲート１上の
絶縁膜４ａ上に置かれたエミッタ２とコレクタ３があ
り、またエミッタ２、コレクタ３上に絶縁膜４ｂを介し
て第二ゲート５が設けられている。エミッタ２、コレク
タ３の先端の置かれている空間は真空である。このエミ
ッタ２と第一ゲート１間に電圧Ｖ_G1を印加してエミッタ
２から電子を放出させる。放出された電子電流は、空間
内部の電界に従って、第一ゲート１、コレクタ３、第二
ゲート５に流れる。この第二ゲート５に外力（この場合
は圧力）がかかると、第二ゲート５が変形して、コレク
タ３に流れる電流Ｉ_CE(X) 、または第二ゲ−ト５に流れ
る電流Ｉ_G2(X) が変化する構造とすれば、逆にＩ_CE(X)
またはＩ_G2(X) の変化から、第二ゲ−トに加わった力
(X) が検知できる。

【００１２】同図（ｂ）においても、外力が第二ゲート
５’上のおもり６の質量と加速度による力になるだけ
で、第二ゲート５’の変形による電子電流の変化を利用
することは同じである。 （２）個々のセンサのばらつき問題を解消する手段とし
て、絶対測定ではなく基準値に対する差或いは比を計測
するものとした。

【００１３】エミッタからの放出電流は、基本的にはエ
ミッタの材料、エミッタの幾何学的形状、表面状態およ
びエミッタと第一ゲ−ト間の電界強度によって決定され
る。幾何学的形状はフォトプロセス等により、一定の範
囲内に収めることとするが、エミッタの表面状態により
個体差を生じる可能性がある。そこで、全電流を一定に
し、或いは全電流に対する比をとることにより、個体差
を消失させる。すなわち、 Ｉ＝Ｉ_CE(X) ＋Ｉ_G1(X) ＋Ｉ_G2(X) ＝constant 故に、 Ｉ_G2(X) ＝Ｉ−Ｉ_CE(X) −Ｉ_G1(X) ここでＩ_G1(X) は、第二ゲートに外力（この場合は圧
力）がかかったときの第一ゲート１に流れる電流であ
る。第二ゲートに外力（この場合は圧力）がかかったと
き、外力(X) で変形するのが第二ゲ−トだけとなる構造
とするので、全電流が一定ならば第一ゲートに流れる電
流Ｉ_G1(X) は変化しない。

【００１４】または、Ｉ_CE(X) ／Ｉ、Ｉ_G2(X) ／Ｉの値
を評価することによって、個々のセンサのばらつきとは
無関係に外部から加わった力の大きさをセンシングでき
る。上の理由で、第一ゲート電流を基準とすることもで
きる。具体的には図１２（ａ）のように、エミッタ２の
下方に第一ゲート１を設け、エミッタ２の上方に第二ゲ
ート５を設ける。この第二ゲート５に外力（この場合は
圧力）がかかったとき、第二ゲ−トに流れる電流Ｉ
_G2(X) が変化するが、これを全電流Ｉ、または第一ゲー
トに流れる電流Ｉ_G1に対して評価して、個体差を消失さ
せることができる。

【００１５】（３）真空パッケ−ジング工程の簡略化手
段として、インプロセスで真空封止する方法を考案し
た。すなわち、上下の２つのゲ−トのうち、一方は基板
であり、他方はエミッタ、コレクタ間の空間を真空に封
止するためのキャップ部を兼ねているものとし、エミッ
タ、コレクタ間の空間を覆うキャップに、予めその空間
と繋がる孔が設けられており、その孔に埋め込んだ金属
でエミッタおよびコレクタ間の空間を真空に保持するも
のとする。

【００１６】以下にその封止方法を説明する。図１３は
その封止機構を説明するための図であって、図１３
（ａ）および（ｂ）は、それぞれ封止前の斜視図と断面
図、図１３（ｃ）、（ｄ）は封止後の断面図である。凹
みを有するベース部８と、穴（この場合２つの穴）の開
いたキャップ部９を張り合わせる〔図１３（ｂ）〕。そ
の手段としては、例えば張り合わせＳＯＩ（シリコンオ
ンインシュレータ）ウェハのように熱処理で接着するこ
とができる。

【００１７】その状態で、キャップ部９の穴が完全に埋
まる程度に例えばＡｌなどの封止金属７を真空蒸着すれ
ば、少なくとも蒸着時の真空度の真空室１０が形成でき
る〔同図（ｃ）〕。キャップ部９の穴のアスペクト比
（穴の深さ／穴の大きさ）が高いほど、真空室１０への
封止金属７の回り込みが少なく、良好な真空封止が可能
となる。

【００１８】キャップ部に封止孔とつながる溝が設けら
れていれば、真空室１０と溝がつながっていればよいの
で、キャップ部の位置合わせが容易になる。特に、エミ
ッタ・コレクタ間の空間を真空に保持するために孔に埋
めこむ金属の少なくとも一部が残留ガスをゲッタするも
の、とするのがよい。その様な残留ガスをゲッタするゲ
ッタ金属７ａを用いれば、残留ガス、放出ガスをゲッタ
するので、真空室１０内の真空度が劣化することがなく
高真空が保たれ、真空管の信頼性が向上し、また寿命が
のびる〔同図（ｄ）〕。

【００１９】残留ガスをゲッタするゲッタ金属として
は、例えば７〜３０重量％のアルミニウムを含むジルコ
ニウム−アルミニウム合金、ジルコニウム−鉄合金が知
られている。上記構造のような真空管は、第二ゲートと
なるキャップ部に加えられる外力が、圧力であれば圧力
センサとなり、キャップの上のおもりにかかる加速度に
よるものであれば、加速度センサとなる。

【００２０】

【発明の実施の形態】上記の手段を講じる方策として
は、エミッタ・コレクタを結ぶ線の下方に第一ゲート、
上方に第二ゲートを設け、第二ゲートに加えられる外力
によって、第二ゲートが変形し、エミッタ、第二ゲ−
ト、コレクタが作る電位分布が変化して、コレクタ電流
の変化を引き起こすものとする。

【００２１】特に、シリコンおよびシリコン酸化膜を微
細加工して微小に形成されてなり、第一ゲートがシリコ
ン基板、エミッタ・コレクタが、シリコン基板上に酸化
膜を介して形成されたシリコン薄膜、第二ゲートが別の
シリコン薄膜からなるものとする。以下、図面を参照し
ながら、本発明の実施例について説明する。

【００２２】

【実施例】図１は本発明第一の実施例の圧力センサのチ
ップの斜視断面図である。シリコン基板１１上に、一部
を欠いた酸化膜１４を介してシリコン薄膜からなり先端
が櫛歯状のエミッタ１２と、それに対向してやはりシリ
コン薄膜からなるコレクタ１３とが設けられている。エ
ミッタ１２とコレクタ１３との上には酸化膜１６を挟ん
でシリコン薄膜からなる第二ゲート１５があり、その上
を酸化膜１８が覆っている。最上の酸化膜１８は開口さ
れていて、その開口を通じてＡｌ合金からなる上部ゲー
ト電極２５が第二ゲート１５と接触している。酸化膜１
８、第二ゲート１５および酸化膜１６にも接続孔が設け
られ、その孔を通じてＡｌ合金からなるエミッタ電極２
２がエミッタ１２と、コレクタ電極２３がコレクタ１３
とそれぞれ接触している。接続孔の側壁は酸化膜で覆わ
れていて、第二ゲート１５とは絶縁されている。最上の
酸化膜１８上には、エミッタ１２とコレクタ１３との間
の空間すなわち真空室２７と通じる孔を封止したＡｌ合
金からなる真空封止パッド２６も見られる。エミッタ１
２、コレクタ１３と第二ゲート１５との間の酸化膜１６
は一部が除かれていて、第二ゲート１５が真空室２７に
面している。シリコン基板１１は第一ゲートでもあり、
その裏面にＴｉ／Ｎｉ／Ａｕの三層膜が形成されて、下
部ゲート電極２１となつている。エミッタ１２とコレク
タ１３との間の真空室２７は４×１０^-4Ｐａの真空に保
たれている。

【００２３】図２〜図１１は図１の本発明の実施例の圧
力センサの製造方法を説明するための、各部分の工程順
断面図であって、便宜上３つのブロック、即ちエミッタ
−コレクタ部の形成されたベース部の形成プロセス〔図
２（ａ）〜（ｅ）、図３（ａ）〜（ｆ）、図４（ａ）〜
（ｃ）〕、キャップ部の溝形成プロセス〔図５（ａ）〜
（ｅ）〕、真空封止プロセス〔図６〜図１１〕に分けて
以下に説明する。

【００２４】図２（ａ）〜（ｄ）は、ベース部のスクラ
イブライン用の溝形成工程の主な製造工程における断面
図を示したものである。シリコン基板１１（ρ =10Ω-c
m ，ｎ型，4 inchφウェハ）／酸化膜１４（厚さｔ=1μ
ｍ）／シリコン薄膜１７（ρ= 10Ω-cm,ｔ=2μｍ）から
なるＳＯＩウェハを用いる〔図２（ａ）〕。本発明では
シリコンウェハと熱酸化したシリコンウェハを重ねて熱
処理することにより接合し、片方の面を所望の厚さまで
ラップした、いわゆる貼り合わせＳＯＩウェハを用いた
が、シリコンウェハに酸素をイオン注入し、熱処理する
ことによってＳＯＩ層を形成したいわゆるＳＩＭＯＸウ
ェハを用いてもよい。

【００２５】このウェハを熱酸化して 1μｍ厚の酸化膜
１６を形成した〔同図（ｂ）〕後、図４（ａ）に示すフ
ォトマスクを用いてフォトレジストのパタ−ニングを行
い、スクライブライン用と真空封止用の溝形成部の酸化
膜１６とその下のシリコン薄膜１７とを、バッファー弗
酸液（以下ＢＨＦと記す）浸漬及び反応性イオンエッチ
ングによりエッチアウトし、その下の酸化膜１４に達す
る溝を形成する〔同図（ｃ）〕。

【００２６】その後、熱酸化して溝側面に露出している
シリコン薄膜１７を酸化し厚さ 1μｍ程度の酸化膜１
６’を形成した〔同図（ｄ）〕。以上でベース部の真空
封止用およびスクライブライン用の溝３７の形成工程は
完了する。図２（ｅ）は、この工程が完了したものの斜
視図である。この真空封止用およびスクライブライン用
の溝形成工程が完了したベース部は次のエミッタ−コレ
クタ部の形成プロセスに移行する。

【００２７】図３（ａ）〜（ｄ）は、図２（ｄ）に続く
エミッタ−コレクタ部の形成工程の主な製造工程におけ
る断面図を示したものである。図２（ｄ）までの溝形成
プロセスが完了したベース部に、図４（ｂ）示すマスク
を用いてレジストパタ−ニングを行いＢＨＦに浸漬し
て、真空室形成部を露出し、同時に酸化膜１６にエミッ
タ電極接続孔２８、コレクタ電極接続孔２９を開口する
〔図３（ａ）〕。

【００２８】続いて、フォトレジスト１９ａを塗布し、
図４（ｃ）に示すマスクを用いレジストパタ−ニングを
行い、反応性イオンエッチングによりシリコン薄膜１７
を、先端を櫛歯状に加工したエミッタ１２およびコレク
タ１３に加工する〔図３（ｂ）〕。次に、ＢＨＦ液に浸
漬してエミッタ１２及びコレクタ１３の下の酸化膜１４
をエッチングして、エミッタ１２、コレクタ１３より１
μｍ程度後退させた〔同図（ｃ）〕後、フォトレジスト
を除去してエミッタ−コレクタ部の形成プロセスは完了
する〔同図（ｄ）〕。この間に、水酸化カリウム溶液に
浸して、櫛歯状のエミッタ１２の先端を尖鋭化するとよ
い。

【００２９】図３（ｅ）はこのエミッタ−コレクタ部が
形成された後のエミッタ−コレクタ部の拡大斜視図であ
り、エミッタ１２とコレクタ１３とが対向している様子
が良くわかる。酸化膜１６の四角い孔は、エミッタ電極
接続孔２８’、コレクタ電極接続孔２９’である。図５
（ａ）〜（ｄ）は、キャップ部となる溝付ＳＯＩウェハ
を形成するための工程を断面で示したものである。

【００３０】別のＳｉ基板３１（ρ =10Ω-cm,ｎ型，3.
5 inchφウェハ）／ＳｉＯ₂ １８（t=1 μｍ）／シリコ
ン薄膜３２（ρ= 10Ω-cm,ｔ= 30μｍ）からなるＳＯＩ
ウェハのシリコン薄膜３２を酸化し、厚さ１μｍの酸化
膜３４を形成する〔図５（ａ）〕。次に溝形成部の酸化
膜３４を通常のフォトプロセスで選択的に除去し、更に
この酸化膜３４をマスクとしてプラズマエッチングによ
りシリコン薄膜３２をエッチングして所望の溝を形成す
る〔同図（ｂ）〕。

【００３１】その後、このウェハを全面酸化し、溝側面
に厚さ１μｍの酸化膜３４’を形成する〔同図
（ｃ）〕。最後に、シリコン薄膜３２の溝部以外の酸化
膜３４の除去とシリコン薄膜３２の薄層化のため、機械
化学的にポリッシングを行い、シリコン薄膜３２を、貼
り合わせ接着が行える程度に平坦に仕上げる〔同図
（ｄ）〕。

【００３２】図５（ｅ）は、このキャップ部となる溝付
ＳＯＩウェハの形成プロセスが完了した後の斜視図であ
る。側面を酸化膜で覆われた溝が形成されている。四角
い孔は、エミッタ電極接続孔２８、コレクタ電極接続孔
２９である。ただし、これらの接続孔は、この段階では
酸化膜１８で止まっている。次に、図３（ｄ）のエミッ
タ−コレクタ部の形成プロセスが完了したベース部に対
して、図５（ｄ）のキャップ部の溝付ＳＯＩウェハを、
溝部を有する面を接合面として張り合わせる。

【００３３】具体的には図６に示すように、ウェハに始
めから設けられているオリエンテーションフラット（但
し、オリエンテーションフラットの長さは何れのウェハ
でも同じ長さにしておく）同志を揃えて重ね合わせて熱
処理する。キャップ部の溝付きＳＯＩウェハの直径を少
し小さくしてあるのは、貼り合わせ時に、ベース部のＳ
ＯＩウェハの外周近傍に設けられたアライメントマ−カ
−を上から見て、アライメントできるようにするためで
ある。

【００３４】図７（ａ）〜（ｄ）および図８（ａ）〜
（ｄ）は、溝付きのキャップ部ＳＯＩウェハと、エミッ
タ・コレクタの形成されたベース部のＳＯＩウェハとを
接合した後の真空封止プロセスを、図１のＤ─Ｄ’線に
沿った部分断面図で示したもの、図９（ａ）〜（ｄ）お
よび図１０（ａ）〜（ｄ）は、図１に示すＥ─Ｅ’線に
沿った部分断面図で示したものである。

【００３５】エミッタ−コレクタ部が形成されたベース
部のＳＯＩウェハとキャップ部のＳＯＩウェハとを、ベ
ース部のＳＯＩウェハの酸化膜１６とキャップ部のＳＯ
Ｉウェハのシリコン薄膜３２とを合わせて貼り合わせる
〔図７（ａ）〕。この断面図においてキャップ部のＳＯ
Ｉウェハのシリコン薄膜３２のない部分は、エミッタ電
極接続孔２８、コレクタ電極用接続孔２９であり、ベー
ス部のＳＯＩウェハの酸化膜１６のエミッタ電極接続孔
２８’、コレクタ電極接続孔２９’とそれぞれ合わされ
ている。

【００３６】キャップ部のＳＯＩウェハのＳｉ基板３１
をエッチング除去し、酸化膜１８を露出させる〔同図
（ｂ）〕。次に露出した酸化膜１８上にフォトレジスト
１９ｂを塗布し、パタ−ニングを行う〔同図（ｃ）〕。
エミッタ電極接続孔２８、コレクタ電極接続孔２９、上
部ゲ−ト電極接続孔の上部および真空封止孔３０形成部
の酸化膜１８をドライエッチングで除去する〔同図
（ｄ）〕。エミッタ電極接続孔２８、コレクタ電極接続
孔２９、上部ゲ−ト電極接続孔が貫通している。

【００３７】図９（ａ）〜（ｄ）は、図７（ａ）〜
（ｄ）にそれぞれ対応する段階での別断面での断面図で
ある。エミッタ−コレクタ部が形成されたベース部のＳ
ＯＩウェハとキャップ部のＳＯＩウェハとを貼り合わせ
る〔図９（ａ）〕。この断面図においては、ベース部の
ＳＯＩウェハの酸化膜１６およびシリコン薄膜１７はな
く、キャップ部のＳＯＩウェハのシリコン薄膜３２と接
合されない。キャップ部のＳＯＩウェハのシリコン薄膜
３２のない部分は、形成された溝である。この断面から
外れた部分にあるエミッタ１２を点線で示してある。

【００３８】キャップ部のＳＯＩウェハのＳｉ基板３１
をエッチング除去し、酸化膜１８を露出させる〔同図
（ｂ）〕。次に露出した酸化膜１８上にフォトレジスト
１９ｂを塗布し、パタ−ニングを行う〔同図（ｃ）〕。
真空封止孔形成部の酸化膜１８をドライエッチングで除
去する〔同図（ｄ）〕。封止孔３０は、エミッタ１２の
ある真空室２７と連通する。

【００３９】フォトレジスト１９ｂを灰化して除去した
後、電子ビ−ム蒸着装置の真空蒸着チャンバ−内にセッ
トし、３００℃の基板加熱で４時間、真空排気した。到
達真空度は７×１０^-6Ｐａであった。その後、基板温度
２００℃にし、Ｚｒ−１５％Ａｌ合金をアルゴンスパッ
タ蒸着する。スパツタ条件は０．２７Ｐａ、ＤＣ３ｋＷ
である。真空封止用の溝に到達する封止孔３０の底部に
Ｚｒ−１５％Ａｌ合金のゲッタ膜２０が堆積する〔図１
０（ａ）〕。このときエミッタ電極接続孔２８、コレク
タ電極接続孔２９および上部ゲ−ト電極接続孔の底部に
もゲッタ膜２０が堆積し、またＳ０Ｉウェハ上にも堆積
する〔図８（ａ）〕。

【００４０】続いて、Ａｌを５μｍ電子ビ−ム蒸着す
る。真空封止用の溝に到達する封止孔３０が、Ａｌで充
填されるため、真空室（即ち、エミッタ−コレクタが配
設された空間）２７は真空封止される〔図１０
（ｂ）〕。同時にエミッタ電極接続孔２８、コレクタ電
極接続孔２９および上部ゲ−ト電極接続孔にＡｌが充填
される〔図８（ｂ）〕。Ｓ０Ｉウェハ上のゲッタ膜２０
上にもＡｌ膜２４が堆積する。

【００４１】引き続きフォトレジストのパタ−ニングを
行い、Ａｌ膜２４およびゲッタ膜２０をエッチングする
ことにより、エミッタ電極２２、コレクタ電極２３、上
部ゲ−ト電極２５および真空封止パッド２６を形成する
〔図８（ｃ）、図１０（ｃ）〕。最後に、裏面にＴｉ／
Ｎｉ／Ａｕを蒸着し、これを下部ゲ−ト電極２１として
プロセスを完了する〔図８（ｄ）、図１０（ｄ）〕。Ａ
ｌ蒸着時の真空度は４×１０^-4Ｐａであったため真空室
２７の真空度は当初それと同程度と推定されるが、冷却
およびゲッタ膜２０によるゲッタリングにより真空度は
向上し、しかも長期間保たれる。

【００４２】図１１は図３（ｄ）のエミッタ−コレクタ
部を形成したベース部３５のＳＯＩウェハに、図５
（ｄ）のキャップ部３６のＳＯＩウェハを溝形成面で張
り合わせた様子の透視平面図で、図中の実線はベース部
３５のＳＯＩウェハの加工パターン、点線はキャップ部
３６のＳＯＩウェハの加工パターンを示す。真空室２７
内に、櫛歯状のエミッタ１２とコレクタ１３が見られ
る。２８はエミッタ電極用接続孔、２９はコレクタ電極
用接続孔である。真空室２７の横方のキャップ部３６の
溝上に真空封止孔３０が見られる。

【００４３】図１のセンサチップを用いた圧力測定の様
子を図１４（ａ）に示す。チップを通気孔をもった容器
４０にいれ、エミッタ電極２２、コレクタ電極２３、下
部ゲート電極２１および上部ゲート電極２５をそれぞれ
Ｅ、Ｃ、Ｇ₁ 、Ｇ₂ 端子と接続する。ＥＣ間に電圧
Ｖ_CE、ＥＧ₁ 間に電圧Ｖ_G1、ＥＧ₂ 間に電圧Ｖ_G2を印加
し、それぞれの電流Ｉ_CE、Ｉ_G1、Ｉ_G2を測定する。

【００４４】Ｉ_CEの実測結果を図１４（ｂ）に示す。図
中の横軸はエミッタ−コレクタ間電圧（Ｖ_CE）、縦軸は
エミッタ−コレクタ間を流れる電流（Ｉ_CE）である。Ｖ
_CEの増大とともにＩ_CEも増大している。また、１×１０
⁵Pa （大気圧）から１Paまで外部圧力を減じてゆくに従
って、Ｉ_CEがある一定の割合で増加してゆくのが観測さ
れた。

【００４５】下部ゲ−ト電極及び上部ゲ−ト電極にそれ
ぞれ２０Ｖの電圧を印加し、それぞれのゲ−ト電極に流
れる電流をＩ_G1，Ｉ_G2として計測する。このセンサ全体
を流れる電流をＩとすると、

【００４６】

【数１】Ｉ[V_CE=70V, P=P(X)] ＝ I_CE[V_CE=70V, P=P
(X)] ＋ I_G1[V_CE=70V, P=P(X)]＋ I_G2[V_CE=70V, P=P
(X)] ここで、第一のゲート電極に流れ込む電流 I_G1は圧力変
化を受けないため、

【００４７】

【数２】I_G1[V_CE=70V, P=P(X)] ＝ I_G1[V_CE=70V, P=P₀]
＝ I_G1[V_CE=70V] 評価関数としてＩ_CEの変化分、ΔＩ_CE／Ｉをとれば

【００４８】

【数３】 となり、圧力とＩ_CEの変化を規格化できてセンサの個体
差をキャンセルできる。表１に、上記演算回路を組み込
み評価した結果を示す。

【００４９】

【表１】 ここで、 V_CE=70V、 V_G1＝ V_G2＝20V 、 P₀＝ 1×10^-3
Pa である。すなわち、全電流または第一ゲート電極の
電流をリファレンスとすることによって、素子ばらつき
のない圧力センサが得られる。しかもこの圧力センサ
は、半導体特性を使用していないので、温度補償の必要
がなく、１５０℃以上の高温環境でも使用できる。

【００５０】また、製造方法として、上記のように二枚
のＳＯＩウェハを使用する方法を取れば、製造が容易で
ある。そして、小さな直径の封止孔を蒸着金属で埋める
真空封止方法を取れば、真空プロセス中にできるので、
特別な真空封止プロセスが不要である。特に封止金属と
して、ゲッタ作用のある金属膜を用いることにより、高
真空度の実現、維持が容易になり信頼性が向上した。

【００５１】［実施例２］加速度センサとして用いる場
合には図８（ｃ）の工程後 フォトレジストパタ−ニン
グを行い、Ｐｄなどの金属を蒸着した後リフトオフによ
り第二ゲート上に重りとなるべき金属を選択的に形成す
ることで容易に実現できることは自明である。

【００５２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、ゲ
−トを二つ設け、その二つのゲ−ト間の真空領域をエミ
ッタから放出された電子電流が、第二のゲ−トに加わる
外力の変化に応じて変化する真空管、外力が圧力である
圧力センサ、または第二のゲ−トに加わる力である加速
度センサとすることによって、下記する効果を奏する。

【００５３】基本的には真空管構造のため固体中を流れ
るキャリアのように周囲温度の影響を受けにくいなど、
耐環境に優れたセンサを具現化できるという効果があ
る。また、高感度のセンサが得られるとともに、規格化
した方法でセンシングするため、従来のセンサでは問題
となっていた個体差の問題を回避できる。更に、その製
造方法において、ＳＯＩ構造のウェハを用いて製造する
ため、工程の大幅な簡略化が図れ、インプロセスでの真
空封止を実現したため、パッケ−ジング工程の簡素化な
ど量産的に優れるなどの効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明第一の実施例の圧力センサの斜視断面図

【図２】（ａ）ないし（ｄ）は図１の圧力センサの主な
製造工程ごとの断面図、（ｅ）はその斜視断面図

【図３】（ａ）ないし（ｅ）は図２（ｄ）に続く図１の
圧力センサの電子放出部の主な製造工程ごとの断面図

【図４】（ａ）ないし（ｃ）は図２、図３の製造工程で
使用するフォトマスクの図

【図５】（ａ）ないし（ｄ）は図１の圧力センサのキャ
ップ部の主な製造工程ごとの断面図、（ｅ）はその斜視
断面図

【図６】図１の圧力センサの貼り合わせ工程の状況を示
す図

【図７】（ａ）ないし（ｄ）は図１の圧力センサの貼り
合わせ工程の主な製造工程ごとの断面図

【図８】（ａ）ないし（ｄ）は図７（ｄ）に続く図１の
圧力センサの貼り合わせ工程の主な製造工程ごとの断面
図

【図９】（ａ）ないし（ｄ）は図１の圧力センサの貼り
合わせ工程の主な製造工程ごとの別の断面における断面
図

【図１０】（ａ）ないし（ｄ）は図９（ｄ）に続く図１
の圧力センサの貼り合わせ工程の主な製造工程ごとの断
面図

【図１１】図１の圧力センサの貼り合わせ状況を示す透
視図

【図１２】（ａ）は図１の圧力センサの動作原理の説明
図、（ｂ）は加速度センサの動作原理の説明図

【図１３】（ａ）は図１の圧力センサの真空封止前の斜
視図、（ｂ）はそのＡ−Ａ’線における断面図、（ｃ）
は真空封止後の断面図、（ｄ）は別の真空封止方法後の
断面図

【図１４】（ａ）は図１の圧力センサの動作原理の説明
図、（ｂ）は圧力センサの特性図

【図１５】（ａ）は従来の圧力センサの断面図、（ｂ）
は従来の加速度センサの断面図

【符号の説明】

１ 第一ゲート ２ エミッタ ３ コレクタ ４ａ、４ｂ 絶縁膜 ５ 第二ゲート ６ おもり ７ 封止金属 ７ａ ゲッタ金属 ８ ベース部 ９ キャップ部 １０ 真空領域 １１ シリコン基板 １２ エミッタ １３ コレクタ １４ 酸化膜 １５ 第一ゲート １６、１６’ 酸化膜 １７ シリコン薄膜 １８ 酸化膜 １９ａ、１９ｂフォトレジスト ２０ ゲッタ金属 ２１ 下部ゲート電極 ２２ エミッタ電極 ２３ コレクタ電極 ２４ Ａｌ膜 ２５ 上部ゲート電極 ２６ 真空封止パッド ２７ 真空室 ２８、２８’ エミッタ電極接続孔 ２９、２９’ コレクタ電極接続孔 ３０ 真空封止孔 ３１ シリコン基板 ３２ シリコン薄膜 ３４、３４’ 酸化膜 ３５ ベース部 ３６ キャップ部 ３７ ベース部溝 ３８ キャップ部溝 ３９ スクライブライン ４０ 容器 ５１、６１ センサチップ ５２ 凹み ５３ 台 ５４ センサ部 ５５、６５ 電極 ５６、６６ リード ５７、６７ ボンディングワイヤ ５８ キャップ ６０ ストッパ ６３ セラミックケース ６９ おもり

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｊ 1/30 Ｇ０１Ｐ 15/08 19/70 Ｈ０１Ｊ 1/30 Ｚ (72)発明者 了戒 洋一 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 (72)発明者 西澤 正人 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 (72)発明者 天野 彰 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 (56)参考文献 特開 平６−288843（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−235733（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−66663（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−2937（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 21/10 G01L 9/00 G01P 15/08 H01J 1/30 - 1/304 H01J 19/70 H01J 9/02

Claims (14)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】エミッタ、コレクタおよび第一、第二のゲ
   −トを備え、エミッタ、第一ゲート間に印加した電圧に
   よりエミッタから電子を放出する電界型真空管におい
   て、外力が第二ゲ−トに加わることによって、第二ゲー
   トが変形し、エミッタ、第二ゲ−ト、コレクタが作る電
   位分布が変化して、コレクタ電流の変化を引き起こすこ
   とを特徴とする電界型真空管。
2. 【請求項２】シリコンおよびシリコン酸化膜を微細加工
   して微小に形成されてなることを特徴とする請求項１に
   記載の電界型真空管。
3. 【請求項３】エミッタおよびコレクタが基板上の絶縁膜
   上に一定の間隔をおいて平行に向かいあうように載置さ
   れ、エミッタ、コレクタ間の空間の上下に２つのゲ−ト
   を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の電
   界型真空管。
4. 【請求項４】第一ゲートがシリコン基板であり、第二ゲ
   ートがエミッタ、コレクタ間の空間を真空に封止するた
   めのキャップ部を兼ねていることを特徴とする請求項３
   に記載の電界型真空管。
5. 【請求項５】第一ゲートに流れる電流を基準として第二
   ゲートに流れる電流を評価することを特徴とする請求項
   ４に記載の電界型真空管。
6. 【請求項６】エミッタ、コレクタ間の空間を覆うキャッ
   プ部に、予めその空間と繋がる封止孔が設けられてお
   り、その封止孔に埋め込んだ金属でエミッタ・コレクタ
   間の空間を真空に保持することを特徴とする請求項５に
   記載の電界型真空管。
7. 【請求項７】キャップ部に封止孔とつながる溝が設けら
   れていることを特徴とする請求項６に記載の電界型真空
   管。
8. 【請求項８】エミッタ・コレクタ間の空間を真空に保持
   するために封止孔に埋めこむ金属の少なくとも一部が残
   留ガスをゲッタするものであることを特徴とする請求項
   ７に記載の電界型真空管。
9. 【請求項９】残留ガスをゲッタする金属が７〜３０重量
   ％のアルミニウムを含むアルミニウム・ジルコニウム合
   金であることを特徴とする請求項８に記載の電界型真空
   管。
10. 【請求項１０】前記キャップ部に圧力が加わることによ
    って、上下２つのゲ−ト電極間距離が変動する構造とな
    っていることを特徴とする請求項５ないし９のいずれか
    に記載の電界型真空管を用いた圧力センサ。
11. 【請求項１１】前記キャップ部の上には重りが形成され
    ており、その重りに加速度が加わることによって、キャ
    ップ部に力が加わり、上下２つのゲ−ト電極間距離が変
    動する構造となっていることを特徴とする請求項５ない
    し９のいずれかに記載の電界型真空管を用いた加速度セ
    ンサ。
12. 【請求項１２】２枚のＳＯＩ（シリコンオンインシュレ
    ータ）ウェハを加工し、貼り合わせることを特徴とする
    請求項１ないし１１のいずれかに記載の電界型真空管、
    圧力センサまたは加速度センサの製造方法。
13. 【請求項１３】エミッタ、コレクタ間の空間を覆うキャ
    ップに、予めその空間と繋がる封止孔が設けられてお
    り、エミッタおよびコレクタ上に該キャップを接合した
    後、前記封止孔を真空中で蒸着した金属で埋め込むこと
    によってその空間を真空に保持することを特徴とする請
    求項１２に記載の電界型真空管、圧力センサまたは加速
    度センサの製造方法。
14. 【請求項１４】ゲッタ作用のある金属を蒸着後、アルミ
    ニウム合金を蒸着して封止孔を埋め込むことを特徴とす
    る請求項１３に記載の電界型真空管、圧力センサまたは
    加速度センサの製造方法。