JP2005037309A - 振動式トランスデューサ - Google Patents

Abstract

【課題】 安価に、且つ、安定に製造できる振動式トランスデューサを提供する。
【解決手段】 シリコン単結晶の基板に設けられた振動子と、該振動子の周囲に隙間が維持されるように該振動子を囲み前記基板内に真空室を構成するシェルと、該振動子を励振する励振手段と、前記振動子の振動を検出する励振検出手段とを具備する振動式トランスデューサにおいて、前記振動子をシリコン単結晶で形成し、該振動子を囲む真空室を形成するに際しては、振動子上部の犠牲層としてシリコン酸化膜及びシリコン窒化膜を用いるとともに前記振動子およびシェルを電気的に絶縁し、振動子およびシェルを電極として静電容量により駆動させ、前記振動子に加えられた歪を共振周波数の変化として検出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、微細な真空室内に微細な梁 (振動子)を形成し、この振動子に加えられる歪を高精度に測定する振動式トランスデューサに関する。

真空室内に微細な振動子を形成し、この振動子に加えられる歪を高精度に測定する振動式トランスデューサの先行文献としては次のようなものがある。

特開平５−３３２８５２号公報 特開平７− ３０１２８号公報 特開平９−００８３３０号公報 図１６は従来より一般に使用されている振動式トランスデューサの側面断面図。図１７は、図１６のＡ−Ａ断面図である。

これらの図において、１は半導体単結晶基板であり、２は半導体基板１に設けられ、測定圧Ｐｍを受圧する測定ダイアフラムである。
３は測定ダイアフラム２内に埋込んで設けられた歪み検出センサで、振動梁（振動子）３が使用されている。

４は封止用の半導体エピタキシャル成長層からなるシェルで、振動子３を測定ダイアフラム２に封止する。振動子３の周囲の、シェル４で囲まれた部分は真空室５となっている。振動子３は、永久磁石（図示せず）による磁場と、振動子３に接続された閉ル−プ自励発振回路（図示せず）とにより、振動子３の固有振動で発振するように構成されている。

以上の構成において、測定ダイアフラム２に測定圧力Ｐｍが加わると、振動子３の軸力が変化し、固有振動数が変化するため、発振周波数の変化により測定圧力Ｐｍを測定することが出来る。

図１８〜図２３は、図１６，１７の従来例の製作工程の一例を示す説明図である。
図１８において、Ｎ型シリコン（１００）面にカットされた基板１に、シリコン酸化物あるいはシリコン窒化物の膜１０１を形成し、膜１０１の所要の箇所１０２をホトリソグラフィにより除去する。

図１９において、１０５０℃の水素（Ｈ_２）雰囲気中で、塩化水素でエッチングを行い、基板１に形成した所要箇所１０２をエッチングして膜１０１をアンダ−カットして、凹部１０３を形成する。

図２０において、１０５０℃の水素（Ｈ_２）雰囲気中で、ソ−スガスに塩化水素ガスを混入して、選択エピタキシャル成長法を行う。すなわち、
ａ） ボロンの濃度１０¹⁸ｃｍ^-3のＰ形シリコンにより、真空室５の下半分に相当する第１エピタキシャル層１０４を選択エピタキシャル成長させる。

ｂ） ボロンの濃度３×１０¹⁹ｃｍ^-3のＰ形シリコンにより、第１エピタキシャル層１０４の表面に、所要の箇所１０２を塞ぐように、振動子３に相当する第２エピタキシャル層１０５を選択エピタキシャル成長させる。
ｃ）ボロンの濃度１０¹⁸ｃｍ^-3のＰ形シリコンにより、第２エピタキシャル層１０５の表面に、真空室５の上半分に相当する第３エピタキシャル層１０６を選択エピタキシャル成長させる。
ｄ） ボロンの濃度３×１０¹⁹ｃｍ^-3のＰ形シリコンにより、第３エピタキシャル層１０６の表面に、シェル４に相当する第４エピタキシャル層１０７を選択エピタキシャル成長させる。

図２１において、シリコン酸化物、あるいは、シリコン窒化物の膜１０１をフッ化水素酸（ＨＦ）でエッチングして除去し、エッチング注入口１０８を設ける。
図２２において、第４エピタキシャル層１０７に対して基板１に正のパルスあるいは正の電圧を印加して、エッチング注入口１０８よりアルカリ液を注入して、第１エピタキシャル層１０４と第３エピタキシャル層１０６を選択エッチングして除去する。

第２エピタキシャル層１０５と第１エピタキシャル層１０４あるいは第３エピタキシャル層１０６との間にエッチング作用の差があるのは、ボロンの濃度が３×１０¹⁹ｃｍ^-3以上となるとエッチング作用に抑制現象が生ずることによる。

図２３において、１０５０℃の水素（Ｈ_２）中でＮ型シリコンのエピタキシャル成長を行い、基板１と第４エピタキシャル層１０７の外表面に、エピタキシャル成長層１１１を形成し、例えば熱酸化によりエッチング注入口１０８を閉じる。

単結晶シリコンで作製された振動子を有する振動式トランスデューサは、多結晶材料やアモルファス材料と比較して、残留歪のばらつきが小さく、制御も容易である。振動子を単結晶シリコンで構成する場合、上述のようにエピタキシャル成長や不純物拡散によって不純物の種類や濃度を変え、選択的なエッチングにより振動子を形成する。

このため、振動子下部の犠牲層を酸化膜で構成したり、振動子中や振動子下部の基板部分に電気素子(ピエゾ抵抗や静電容量を構成する電極)をもつような構造は実現が困難であるか、実現のために複雑な製造工程が必要になり製造コストが上昇する。という問題がある。

振動式トランスデューサでは、振動子の構成材料にかかわらず、振動子の機械的Q値を高くするために、振動子を微細な真空室内に形成する必要がある。ＭＥＭＳ(Ｍicro・Ｅｌｅｃｔｒｏ・Ｍｅｃａｎｉｃａｌ・Ｓｉｓｔｅｍｓ)技術により振動式トランスデューサを実現する場合、その構造には自ずと限界があり、駆動方法、検出方法は、可能な限りシンプルな構造が望ましい。

電磁駆動/検出の場合、外部に永久磁石を設置すれば、振動子に電流を通電するだけで駆動でき、誘起された電流を測定するだけで検出できる。しかし、永久磁石を必要とすることや、磁石と振動子の位置合わせを精度良く行わなければならない等の問題があり、製造コストを上昇させる要因になっている。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、
ａ）振動子を単結晶により構成して、残留歪の制御を容易にし、
ｂ）基板、振動子、真空室を、半導体プロセスにより、モノリシックに形成し、
ｃ）静電容量により振動子の駆動、検出を行い、振動子の駆動、検出機構を簡便化することにより、安価に、且つ、安定に製造できる振動式トランスデューサを提供することを目的としている。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
シリコン単結晶の基板に設けられた振動子と、該振動子の周囲に隙間が維持されるように該振動子を囲み前記基板内に真空室を構成するシェルと、該振動子を励振する励振手段と、前記振動子の振動を検出する励振検出手段とを具備する振動式トランスデューサにおいて、前記振動子をシリコン単結晶で形成し、該振動子を囲む真空室を形成するに際しては、振動子上部の犠牲層としてシリコン酸化膜及びシリコン窒化膜を用いるとともに前記振動子およびシェルを電気的に絶縁し、振動子およびシェルを電極として静電容量により駆動させ、前記振動子に加えられた歪を共振周波数の変化として検出することを特徴とする。

請求項２記載の発明は、
１）シリコン単結晶基板に、シリコン酸化膜を形成する工程。
２）シリコン酸化膜を部分的に除去し、除去した個所をアンダ―カットして、凹部Ｄを形成し、この凹部中にＰ^＋単結晶シリコンおよびＰ^＋＋単結晶シリコンを選択エピタキシャル成長により順次成長させる工程。
３）Ｐ^＋＋単結晶シリコン上にシリコン酸化膜を形成する工程。
４）基板表面にシリコン窒化膜を形成する工程。
５）基板表面にＰ^＋＋ポリシリコンを形成し、このＰ^＋＋ポリシリコンにエッチング液導入穴を形成する工程。
６）シリコン窒化膜およびシリコン酸化膜を除去する工程。
７）Ｐ^＋単結晶シリコン層を除去する工程。
８）エッチング液の導入穴をふさぎ真空室を形成する工程。
９）Ｐ^＋＋ポリシリコンをパターニングし、振動子及びシェルからの電気的配線を形成しボンディングパッド用の電極を形成する工程。
１０） シリコン基板を裏面から薄肉化しダイアフラムを形成する工程。を含むことを特徴とする。

以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
１）振動子を単結晶シリコンで構成しているため、残留歪の制御が容易である。
２）振動子を囲む真空室を形成するに際して、振動子上部の犠牲層としてシリコン酸化膜及びシリコン窒化膜を用いているのでエッチング液としてＨＦを用いて非常に狭いギャップのエッチングが可能となる。ＨＦは０．１μｍ以下の非常に狭いギャップ内も、容易にエッチングすることが可能である。これにより、１μｍ以下のギャップを形成することが可能となり、所望の振動子／シェル間の容量を得ることが可能となる。
３）また、振動子およびシェルを電気的に絶縁し、振動子／シェル間の静電容量により駆動/検出を行うため、振動子より基板側に電気素子を形成する必要がなく、構造が簡便で、安価に、安定に製造できる。
４）電磁駆動／検出方式で必要となる外部に設置する永久磁石が必要なく、安価に、安定に製造できる。

図１〜図１０は、本発明の実施形態の一例を示す要部構成説明図である。
図において、図１６〜図２３に示す従来例と同一機能のものは同一記号を付している。
図１は完成図、図２〜図１０は概略製作工程図である。製作工程に従って説明する。

図２において、Ｎ型シリコン単結晶基板１に、シリコン酸化膜１０ａを形成しパターニングする。
酸化膜を除去した部分をアンダ―カットして、凹部を形成しボロンの濃度１０¹⁸ｃｍ^-3のＰ形シリコンにより、選択エピタキシャル成長を行ってＰ^＋単結晶シリコン１１を成長させる。次に、ボロンの濃度３×１０¹⁹ｃｍ^-3のＰ形シリコンにより、Ｐ^＋単結晶シリコン１１の表面に、凹部を塞ぎ更に上方にＰ^＋＋単結晶シリコン１２を成長させる。後に、Ｐ^＋単結晶シリコン層が振動子下のギャップ、Ｐ^＋＋単結晶シリコン層が振動子となる。

図３において、Ｐ^＋＋単結晶シリコン１２上を含む基板表面にシリコン酸化膜１０ｂを形成しパターニングする。酸化膜を除去した凹部Ｄで示す部分が、シェルの基板への接地部となる。

図４において、凹部Ｄを含む基板表面にシリコン窒化膜１３を形成し、パターニングする。Ｐ^＋＋単結晶シリコン１２ａ（振動子）上のシリコン酸化膜１０ｂおよびシリコン窒化膜１３が、振動子上のギャップとなる。これらの膜厚，振動子の面積により静電容量が決まる。従ってこれらの値を所望の静電容量が得られるように調整しておくことで、振動子の駆動、検出のための静電容量を最適化することができる。

図５において、Ｐ^＋＋ポリシリコン１４を全面に形成し、パターニングにより犠牲層エッチングのためのエッチング液導入穴Ｅを形成する。このＰ^＋＋ポリシリコンが、後にシェル及び電極取り出しのための配線となる。配線は、Ｐ^＋＋／Ｐ^＋単結晶シリコンを利用することや、選択エピタキシャル成長前にシリコン基板への不純物拡散をすることで形成することも可能である。配線とシリコン基板との間の寄生容量が最も小さくなるよう選択するのが良い。

図６において、エッチング液の導入穴Ｅから弗酸を流入させシリコン窒化膜１４、シリコン酸化膜１２ｂを除去する。シェルの基板への接地部は、シリコン窒化膜１４のエッチング速度が遅いため、横方向では、シリコン窒化膜がエッチングストップ層となる。

図７において、Ｐ^＋単結晶シリコン層１１を、アルカリ溶液(ヒドラジン、ＫＯＨ、ＴＭＡＨ等)により除去する。この時、Ｐ^＋＋単結晶シリコン１２ａ、Ｐ^＋＋ポリシリコン１４は、高濃度に不純物導入されているため、エッチングされない。また、アルカリ溶液によるエッチング中に、Ｎ型シリコン基板に１〜２Ｖの電圧を印加しておくことにより、エッチングされないよう保護することができる。振動子の長さ方向は、シリコン単結晶の＜１１１＞方向のエッチング速度が遅いことを利用して、エッチングストップとする。

図８において、スパッタ、蒸着、ＣＶＤ、エピタキシャル成長等により、封止部材１５（例えば、スパッタにより形成したＳｉＯ_２，ガラス等）を形成してエッチング液の導入穴をふさぐとともに、微細な真空室５を形成する。この工程の前に、熱酸化等により振動子表面及び真空室内部にシリコン酸化膜を形成する等の方法で、シェルと振動子の電気的絶縁をより安定にすることも可能である。この場合には、封止部材として、導電性の材料を使用することができる。

図９において、Ｐ^＋＋ポリシリコン１４をパターニングし、振動子及びシェルからの電気的配線を形成するとともにボンディングパッド用の電極を形成する。
図１０において、シリコン基板を裏面から薄肉化し、ダイアフラムを形成する。
図１１（ａ）は振動子１２ａ及びシェル１４に接続してＰ^＋＋ポリシリコン１４をパターニングし、電気的配線２０を形成するとともにボンディング用のＡl電極２１を形成した状態を示す平面図である。

図１１（ｂ）は本発明の振動式トランスデューサの回路図を示すものである。
図においてＶｂはバイアス電圧（定電圧）、Ｖｉは駆動電圧（交流）、Ｒ１，Ｒ２は配線抵抗、Ｒ３は基板抵抗である。
Ｃ１は振動子/シェル間の容量、Ｃ２は寄生容量、Ｃ３，Ｃ４は配線/基板間の容量である。図において、Ｒ３，Ｃ２，３，４が小さい程ノイズ電流が小さくなる。また、これらの値は、配線の形成方法、パターン等により決まる。従って、これらの値を可能な限り小さくなるように決定する。

図において、振動子／シェル間の容量Ｃ１が一定の場合、Ｖｉの周波数をωとすると、出力電流の振幅は(Ｃ１＋Ｃ２)・Ｖi・ωに比例する。一方、Ｃ１が周波数ωで共振する場合、共振によるＣ１の変化分をΔＣ１とすると、近似的にΔＣ１・Ｖｂ・ωに比例した振幅の電流が加算される。この電流の増加分により、共振周波数を検出する。

図１２は、振動子をＨ型として形成し、駆動用の静電容量と検出用の静電容量に分けたものである。ただし、この場合、２つのシェル(上部電極)を電気的に絶縁するために、前述の作製方法より複雑な作製方法が必要となる。図（ａ）は振動子の平面図、図（ｂ）は図（ａ）のＡ−Ａ断面図で測定ダイアフラム２やシェル１４を含んだ状態を示している。

図１３〜１５は真空室５の下部と振動子３を構成するための他の実施例を示すもので、図１３はＮ型シリコン単結晶基板１の表面にＰ^＋拡散層１１ａを形成し、この拡散層中にＰ^＋＋拡散層１２ｂを形成したもの。

図１４はＮ型シリコン単結晶基板１の表面にＰ^＋エピタキシャル層１１ｂを形成し、このエピタキシャル層１１ｂ上にＰ^＋＋エピタキシャル層１２ｃを形成し、それぞれをパターニングしたもの。

図１５はＮ型シリコン単結晶基板１の表面にＰ^＋拡散層１１ａを形成し、この拡散層１１ａ上にＰ^＋＋エピタキシャル層１２ｄを形成し、パターニングしたものである。

本発明の実施形態の一例を示すトランスデューサの要部構成説明図である。 図１の製作工程図である。 図１の製作工程図である。 図１の製作工程図である。 図１の製作工程図である。 図１の製作工程図である。 図１の製作工程図である。 図１の製作工程図である。 図１の製作工程図である。 図１の製作工程図である。 図１の配線図及び回路図である。 本発明の他の実施例を示す図である。 他の製作例を示す図である。 他の製作例を示す図である。 他の製作例を示す図である。 一般に使用されている従来例の構成説明図である。 図１６のＡ―Ａ断面図である。 図１６の製作工程図である。 図１６の製作工程図である。 図１６の製作工程図である。 図１６の製作工程図である。 図１６の製作工程図である。 図１６の製作工程図である。

符号の説明

１ 基板
２ 測定ダイアフラム
３ 振動子
４ シェル
５ 真空室
１０ シリコン酸化膜
１１ Ｐ^＋単結晶シリコン
１２ Ｐ^＋＋単結晶シリコン
１３ シリコン窒化膜
１４ Ｐ^＋＋ポリシリコン
１５ 封止部材
２０ 配線
２１ Ａｌパッド

Claims (2)

1. シリコン単結晶の基板に設けられた振動子と、該振動子の周囲に隙間が維持されるように該振動子を囲み前記基板内に真空室を構成するシェルと、該振動子を励振する励振手段と、前記振動子の振動を検出する励振検出手段とを具備する振動式トランスデューサにおいて、前記振動子をシリコン単結晶で形成し、該振動子を囲む真空室を形成するに際しては、振動子上部の犠牲層としてシリコン酸化膜及びシリコン窒化膜を用いるとともに前記振動子およびシェルを電気的に絶縁し、振動子およびシェルを電極として静電容量により駆動させ、前記振動子に加えられた歪を共振周波数の変化として検出することを特徴とする振動式トランスデューサ。
2. １）シリコン単結晶基板に、シリコン酸化膜を形成する工程。
   ２）シリコン酸化膜を部分的に除去し、除去した個所をアンダ―カットして、凹部Ｄを形成し、この凹部中にＰ^＋単結晶シリコンおよびＰ^＋＋単結晶シリコンを選択エピタキシャル成長により順次成長させる工程。
   ３）Ｐ^＋＋単結晶シリコン上にシリコン酸化膜を形成する工程。
   ４）基板表面にシリコン窒化膜を形成する工程。
   ５）基板表面にＰ^＋＋ポリシリコンを形成し、このＰ^＋＋ポリシリコンにエッチング液導入穴を形成する工程。
   ６）シリコン窒化膜およびシリコン酸化膜を除去する工程。
   ７）Ｐ^＋単結晶シリコン層を除去する工程。
   ８）エッチング液の導入穴をふさぎ真空室を形成する工程。
   ９）Ｐ^＋＋ポリシリコンをパターニングし、振動子及びシェルからの電気的配線を形成しボンディングパッド用の電極を形成する工程。
   １０）シリコン基板を裏面から薄肉化しダイアフラムを形成する工程。を含むことを特徴とする振動式トランスデューサの製造方法。
   

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