JPH07101748B2 - 振動形トランスデュサの製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、振動形トランスデュサの製造方法に関するも
のである。

更に詳述すれば、本発明は、シエルを有しシリコン単結
晶の基板上に設けられシリコン単結晶材よりなる振動梁
を有する振動形トランスデュサの製造方法に関するもの
である。

〈従来の技術〉 第10図は従来より一般に使用されている従来例の構成説
明図で、圧力センサに使用せる例を示し、第11図は第10
図におけるＸ−Ｘ断面図、第12図は一部を省略した平面
図である。

このような装置は、例えば、特願昭59-42632号公報に示
されている。

これらの図において、１は弾性を有する半導体で構成さ
れた基板で、例えば、シリコン基板が用いられている。

２はこの半導体基板１の一部を利用して構成されている
受圧ダイアフラムで、例えば、半導体基板１をエッチン
グして構成される。

３および４は受圧ダイアフラム２上に形成された両端固
定の微小な振動梁で、振動梁３は受圧ダイアフラム２の
ほぼ中央部に、振動梁４は受圧ダイアフラム２の周縁部
にそれぞれ位置している。この振動梁3,4は、例えば半
導体基板１において、振動梁に相当する箇所の周辺部
を、例えばアンダエッチングして形成されている。

５はシエルで、受圧ダイアフラム２上に形成させた振動
梁３の周囲を覆い、この内部25（振動梁３の周囲）を真
空状態に保持するようにしたものである。シエル５は、
この場合は、シリコンで構成され、受圧ダイアフラム２
に、例えば陽極接合法によって取付けられる。シエル５
は振動梁４にも設けられているが、ここでは省略する。
なお、シエル５は、第10図においては、分りやすくする
ために省略されている。

第13図は第11図における振動梁付近を拡大して示す断面
図である。ここでは、受圧ダイアフラム２としてｎ形シ
リコン基板を用いた例である。この図において、21a,21
bはP⁺層で、21a,21bとは切込み部20によって電気的に分
離している。22はｎ形エピタキシアル層、23はP⁺層、24
はSiO₂層である。エピタキシアル層22の一部は、例え
ば、アンダーエッチングによって隙間部25が形成されて
おり、振動梁３（４）は隙間部25上を跨がる両端固定の
Ｐ層とSiO₂層とによって構成されている。

第13図において振動梁３（４）を構成するＰ層23と、隙
間部25を介して対向するＰ層2a,21bは、静電容量電極を
構成しており、ここでは振動片３（４）を、P⁺層21aとP
⁺層23との間に働く静電力を利用して励振させ、また、P
⁺層21bとP⁺層23との間の静電容量変化によって、振動梁
３（４）の振動を検出するようになっている。

OSCは発振回路で、この回路は外部、あるいは、半導体
基板１を利用して構成されており、入力端はP⁺層21bが
接続され、振動梁３（４）の振動に関連した信号が印加
される。また、出力端はP⁺層21aが接続され、P⁺層21aと
P⁺層23間に出力信号を与える。これによって、発振回路
OSCと振動梁３（４）とは振動梁の固有振動数で発振す
る自励発振回路を構成する。

このように構成した圧力センサにおいて、受圧ダイアフ
フラム２に、第11図の矢印Ｐに示すように、内側から圧
力を与えるものとすれば、この圧力を受けて受圧ダイア
フラム２は撓み、中央に形成されている振動梁３には引
張力が、ダイアフラム２の周縁部に形成されている振動
梁４には圧縮力がそれぞれ加わる。これにより各振動梁
3,4の固有振動数f₁，f₂は、圧力Ｐに対して差動的に変
化する事となり、例えば、f₁−f₂の差を演算することに
よって、圧力Ｐを測定することができる。

しかして、シエル５により振動梁3,4が真空中に置かれ
る為、振動梁3,4のＱを高くすることができる。

しかしながら、この様な装置においては、受圧ダイアフ
ラム２にシェル５を取付けねばならないので、陽極接合
法等の接合技術が必要となり、接合時に振動梁に悪影響
を及ぼす恐れがある。また接合強度等問題となり、小形
化にも限度を有する。

このような問題点を解決するために、本願出願人は昭和
62年６月26日出願の特願昭62-159073「発明の名称；振
動形トランスデュサの製造方法」を出願している。

以下、この出願について、第14図から第20図により説明
する。

図において、第10図から第13図までと同一記号は同一機
能を示す。

以下、第10図から第13図までと相違部分のみ説明する。

（１） 第14図に示すごとく、ｎ形シリコン（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を形成する。膜101の所要の箇所をホ
トリソグラフィにより除去する。

（２） 第15図に示すごとく、1050℃の水素（H₂）雰囲
気中で塩化水素でエッチングを行い基板１に所要箇所10
2をエッチングして、膜101をアンダーカットして、凹部
103を形成する。

なお、塩化水素の代りに、高温水蒸気、酸素を用いる
か、あるいは、40℃〜130℃のアルカリ液による異方性
エッチングでもよい。

（３） 第16図に示すごとく、1050℃の水素（H₂）雰囲
気中でソースガスに塩化水素（HCl）ガスを混入して選
択エピタキシヤル成長法を行う。

すなわち、 ボロンの濃度10¹⁸cm^-3のＰ形シリコンにより、隙間
部25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。

ボロンの濃度10²⁰cm^-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、振動梁3,4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。

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、隙間部25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。

リンの濃度10¹⁷cm^-3のｎ形シリコンにより、第３エ
ピタキシャル層106の表面に、シエル５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。

（４） 第17図に示すごとく、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。

（５） 第18図に示すごとく、第２層に対して基板１と
第４層に正のパルスを印加して、エッチング液の注入口
108よりアルカリ液を注入して、第１エピタキシャル層1
04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以上に
なるとエッチング作用に抑制現像が生ずることによる。

このことは、例えば、「トランスデュサーズ′87」日本
電気学会発行の123ページ Fig8に示されている。

（６） 熱酸化処理を行い各表面に酸化シリコン膜109
を生ぜしめる。なお、寸法精度がより緩かな場合には、
この工程は必要としない。

（７） 第19図に示すごとく、プラズマエッチング処理
により、基板１と第４エピタキシャル層107の外表面の
酸化シリコン膜109を除去する。なお、（６）の熱酸化
処理を行なわない場合には、この工程も必要としない。

（８） 第20図に示すごとく、1050℃の水素（H₂）中で
ｎ形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、エッチング注入口108をとじる。

なお、この工程は、 熱酸化によりエッチング注入口108をとじる。

ポリシリコンをCVD法またはスパッタ法によりエッ
チング注入口108の箇所に着膜させて、エッチング注入
口108をとじる。

真空蒸着法によるシリコンエピタキシャル法により
エッチング注入口108を埋める。

絶縁物、例えば、ガラス（SiO₂）、窒化物、アルミ
ナ等をCVD法、または、スパッタ法あるいは、蒸着法に
よりエッチング注入口108を埋めるようにしてもよい。

この結果、 （１） 基板１と振動梁3,4とシエル５とが一体形で形
成されるので、基板１とシエル５との接合を必要とせ
ず、接合に基づく不安定さの問題が無くなる。

（２） 単純な構造で、外部の流体と振動梁3,4を絶縁
でき、小形化が容易に出来る。

（３） 振動梁3,4やシエル５の位置、厚さ、形状は、
半導体プロセス技術を利用して容易に正確に出来る。し
たがって、精度の高い振動形トランスデュサが得られ
る。

〈発明が解決しようとする課題〉 しかしながら、この様な装置においては、 ｎ形反応炉とｐ形反応炉を交互に使用するため、能
率が悪い。

ｎ形反応炉とｐ形反応炉の間を移動するため、汚染
されやすい。

本発明は、この問題点を解決するものである。

本発明の目的は、エッチング注入口の封止作業を除い
て、すべてのエピタキシャル成長工程をｐ形反応炉内で
行い、歩留よく、安価で、能率の向上された振動形トラ
ンスデュサの製造方法を提供するにある。

〈課題を解決するための手段〉 この目的を達成するために、本発明は、シリコン単結晶
の基板上に設けられ、励振手段により励振され励振検出
手段によって振動が検出されたシリコン単結晶材よりな
る振動梁を形成し、該振動梁を囲み前記基板と室を構成
し該振動梁の周囲に隙間が維持されるようにシリコン材
よりなるシエルを形成する振動形トランスデュサの製造
方法において、 前記シリコン単結晶の基板上にシリコン酸化物あるいは
窒化物の膜を形成し、 該膜の所要箇所をエッチングにより取去る、 前記基板に前記室の一部を構成する凹部をエッチングに
より形成し、 前記室の基板側部分が形成される部分にエッチングされ
やすい高濃度のＰ形シリコンからなる第１エピタキシャ
ル層を選択エピタキシャル成長させ、 該第１エピタキシャル層の表面の前記振動梁が形成され
る位置の部分にエッチングされにくい高濃度のＰ形シリ
コンからなる第２エピタキシャル層を選択エピタキシャ
ル成長させ、 前記室のシエル側部分が形成される部分にエッチングさ
れやすい高濃度のＰ形シリコンからなる第３エピタキシ
ャル層を選択エピタキシャル成長させ、 該第３エピタキシャル層を覆ってエッチングされにくい
高濃度のＰ形シリコンからなる第４エピタキシャル層を
選択エピタキシャル成長させ、 前記膜をエッチングにより除去しエッチング注入口を形
成し、 該注入口よりエッチング流体を注入し前記第1,第３エピ
タキシャル層を選択エッチングにより除去し、 前記第４エピタキシャル層を覆うとともに前記注入口を
塞ぐようにして選択エピタキシャル成長により前記シエ
ルを形成したことを特徴とする振動形トランスデュサの
製造方法を採用したものである。

〈作用〉 以上の方法において、基板に振動梁と隙間対応部分とシ
エル相当部分とを基板と一体となるように形成した後、
隙間対応部分をエッチングえ除去することによって、基
板と振動梁とシエル一体形の振動形トランスデュサを得
ることができる。

また、エッチング注入口の封止作業を除いて、すべての
エピタキシァル成長工程をｐ形反応炉内で行うことが出
来る。

以下、実施例に基づき詳細に説明する。

〈実施例〉 第１図は本発明の一実施例の要部製作工程断面斜視図で
ある。

図において、第10図から第13図と同一記号の構成は同一
機能を表わす。

以下、第10図から第13図と相違部分のみ説明する。

（１） 第１図に示すごとく、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201を形成する。膜201の所要の箇所をホ
トリソグラフィにより除去する。

（２） 第２図に示すごとく、1050℃の水素（H₂）雰囲
気中で、塩化水素でエッチングを行い、基板１に所要箇
所202をエッチングして膜201をアンダーカットして、凹
部203を形成する。

なお、塩化水素の代りに、高温水蒸気、酸素を用いる
か、あるいは、40℃〜130℃のアルカリ液による異方性
エッチングでもよい。

（３） 第３図に示すごとく、1050℃の水素（H₂）雰囲
気中でソースガスにHCl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、 ボロンの濃度10¹⁸cm^-3のＰ形シリコンにより、隙間
部25の下半分に相当する第１エピタキシャル層204を選
択エピタキシャル成長させる。

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204の表面に、所要の箇所202を塞
ぐように、振動梁3,4に相当する第２エピタキシャル層2
05を選択エピタキシャル成長させる。

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205の表面に、隙間部25の上半分に相
当する第３エピタキシャル層206を選択エピタキシャル
成長させる。

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206の表面に、シエル５に相当す
る第４エピタキシャル層207を選択エピタキシャル成長
させる。

（４） 第４図に示すごとく、シリコン酸化物、あるい
は、シリコン窒化物の膜201をフッ化水素（HF）でエッ
チングして除去し、エッチング注入口208を設ける。

（５） 第５図に示すごとく、第４層に対して基板１に
正のパルスを印加して、エッチング注入口208よりアル
カリ液を注入して、第１エピタキシャル層204と第３エ
ピタキシャル層206を選択エッチングして除去する。

第２エピタキシャル層205と第１エピタキシャル層204あ
るいは第３エピタキシャル層206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。

（６） 熱酸化処理を行い各表面に酸化シリコン膜209
を生ぜしめる。なお、寸法精度がより緩かな場合には、
この工程は必要としない。

（７） 第６図に示すごとく、プラズマエッチング処理
により、基板１と第４エピタキシャル層207の外表面の
酸化シリコン膜209を除去する。なお、（６）の熱酸化
処理を行なわない場合には、この工程も必要としない。

（８） 第７図に示すごとく、1050℃の水素（H₂）中で
ｎ形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207の外表面に、エピタキシャル成
長層211を形成し、エッチング注入口208をとじる。

なお、この工程は、 熱酸化によりエッチング注入口208をとじる。

ポリシリコンをCVD法またはスパッタ法によりエッ
チング注入口208の箇所に着膜させて、エッチング注入
口208をとじる。

真空蒸着法によるシリコンエピタキシャル法により
エッチング注入口208を埋める。

絶縁物、例えば、ガラス（SiO₂）、窒化物、アルミ
ナ等をCVD法、または、スパッタ法あるいは、蒸着法に
よりエッチング注入口208を埋めるようにしてもよい。

なお、振動梁3,4とシエル５との絶縁が取れないため
に、振動検出信号ｅは、第８図に示すごとく、 ｅ＝（Zs・e_o）／（Zv＋Zs） Zs;シエル５の内部インピーダンス e_o；振動梁3,4の起電力 Zv;振動梁3,4の内部インピーダンスとなって、減少する
が、振動梁3,4のＱ（共振の尖鋭度）が充分大きいた
め、実用上問題にならない。

この結果、 （１） 基板１と振動梁3,4とシエル５とが一体形で形
成されるので、基板１とシエル５との接合を必要とせ
ず、接合に基づく不安定さの問題が無くなる。

（２） 単純な構造で、外部の流体と振動梁3,4を絶縁
でき、小形化が容易に出来る。

（３） 振動梁3,4やシエル５の位置、厚さ、形状は、
半導体プロセス技術を利用して容易に正確に出来る。し
たがって、精度の高い振動形トランスデュサが得られ
る。

（４） エッチング注入口208の封止作業を除いて、す
べてのエピタキシァル成長工程をｐ形反応炉内で行える
ので、汚染されにくく、歩留よく、安価で、能率が向上
された振動形トランスデュサが得られる。

なお、前述の実施例においては、圧力センサに適用せる
例を説明したが、これに限ることはなく、例えば、温度
センサ、加速度センサに適用しても良いことは勿論であ
る。

また、前述の製造方法は、両端固定の振動梁3,4のみで
なく、片持梁、あるいは複数固定梁であっても適用出来
る。

第９図は本発明の装置により製造した振動梁の使用例の
要部構成説明図である。

図において、３は振動梁である。振動梁３は両端がダイ
アフラム２に固定され互いに平行に配置された二個の第
１振動子31と第一振動子31の振動の腹の部分を相互に機
械的に結合する第二振動子32とを備える。

40は振動梁３に直交する直流磁界を磁石13により加え一
方の第一振動子31の両端に交流電流を入力トランス41に
より流して磁気誘導作用により振動梁３を磁界と電流に
直交する方向に励振する励振手段である。

入力トランス41は、二次側が一方の第一振動子31の両端
に接続されている。

50は他方の第一振動子31の両端に発生する起電力を検出
する振動検出手段である。この場合は、出力トランス5
1、増幅器52が用いられている。出力トランス51の一次
側は、他方の第一振動子31の両端に接続され、二次側は
増幅器52を介して出力端子53に接続されるとともに、分
岐して入力トランス41の一次側に接続され、全体とし
て、正帰還自励発振回路を構成する。振動梁３の振動
は、振動検出手段50により検出され出力信号として取出
される。

〈発明の効果〉 以上説明したように、本発明は、シリコン単結晶の基板
上に設けられ、励振手段により励振され励振検出手段に
よって振動が検出されシリコン単結晶材よりなる振動梁
を形成し、該振動梁を囲み前記基板と室を構成し該振動
梁の周囲に隙間が維持されるようにシリコン材よりなる
シエルを形成する起動形トランスデュサの製造方法にお
いて、 前記シリコン単結晶の基板上にシリコン酸化物あるいは
窒化物の膜を形成し、 該膜の所要箇所をエッチングにより取去る、 前記基板に前記室の一部を構成する凹部をエッチングに
より形成し、 前記室の基板側部分が形成される部分にエッチングされ
やすい高濃度のＰ形シリコンからなる第１エピタキシャ
ル層を選択エピタキシャル成長させ、 該第１エピタキシャル層の表面の前記振動梁が形成され
る位置の部分にエッチングされにくい高濃度のＰ形シリ
コンからなる第２エピタキシャル層を選択エピタキシャ
ル成長させ、 前記室のシエル側部分が形成される部分にエッチングさ
れやすい高濃度のＰ形シリコンからなる第３エピタキシ
ャル層を選択エピタキシャル成長させ、 該第３エピタキシャル層を覆ってエッチングされにくい
高濃度のＰ形シリコンからなる第４エピタキシャル層を
選択エピタキシャル成長させ、 前記膜をエッチングにより除去したエッチング注入口を
形成し、 該注入口よりエッチング流体を注入し前記第1,第３エピ
タキシャル層を選択エッチングにより除去し、 前記第４エピタキシャル層を覆うとともに前記注入口を
塞ぐようにして選択エピタキシャル成長により前記シエ
ルを形成したことを特徴とする振動形トランスデュサの
製造方法を採用した。

この結果、 （１） 基板と振動梁とシエルとが一体形で形成される
ので、基板とシエルとの接合を必要とせず、接合に基づ
く不安定さの問題が無くなる。

（２） 単純な構造で、外部の流体と振動梁を絶縁で
き、小形化が容易に出来る。

（３） 振動梁やシエルの位置、厚さ、形状は、半導体
プロセス技術を利用して容易に正確に出来る。

したがって、精度の高い振動形トランジスデュサが得ら
れる。

（４） エッチング注入口の封止作業を除いて、すべて
のエピタキシャル成長工程をｐ形反応炉内で行えるの
で、汚染されにくく、歩留よく、能率が向上された振動
形トランスデュサが得られる。

従って、本発明によれば、エッチング注入口の封止作業
を除いて、すべてのエピタキシャル成長工程をｐ形反応
炉内で行い、歩留よく、安価で、能率の向上された振動
形トランスデュサの製造方法を実現することが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図から第７図までは本発明の一実施例の工程説明
図、第８図は動作説明図、第９時は使用説明図、第10図
から第13図は従来より一般に使用されている従来例の構
成説明図、第14図から第20図は特願昭62-159073号「発
明の名称：振動形トランスデュサの製造方法」の製作工
程説明図である。 １……基板、13……磁石、２……受圧ダイアフラム、3,
4……振動梁、20……切込み部、21a,21b,23……P⁺層、2
2……ｎ形エピタキシャル層、24……SiO₂、25……隙間
部、31……第一振動子、32……第二振動子、40……励振
手段、41……入力トランス、42……入力端子、50……振
動検出手段、51……出力トランス、52……増幅器、53…
…出力端子、201……膜、202……箇所、203……凹部、2
04……第１エピタキシャル層、205……第２エピタキシ
ャル層、206……第３エピタキシャル層、207……第４エ
ピタキシャル層、208……エッチング注入口、209……酸
化シリコン膜、211……エピタキシャル層。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小林 隆 東京都武蔵野市中町２丁目９番32号 横河 電機株式会社内 (72)発明者 渡辺 哲也 東京都武蔵野市中町２丁目９番32号 横河 電機株式会社内 (72)発明者 西川 直 東京都武蔵野市中町２丁目９番32号 横河 電機株式会社内 (72)発明者 吉田 隆司 東京都武蔵野市中町２丁目９番32号 横河 電機株式会社内 (56)参考文献 特開 昭60−186725（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−204978（ＪＰ，Ａ) 特公 平６−28320（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】シリコン単結晶の基板上に設けられ、励振
   手段により励振され励振検出手段によって振動が検出さ
   れたシリコン単結晶材よりなる振動梁を形成し、該振動
   梁を囲み前記基板と室を構成し該振動梁の周囲に隙間が
   維持されるようにシリコン材よりなるシエルを形成する
   振動形トランスデュサの製造方法において、 前記シリコン単結晶の基板上にシリコン酸化物あるいは
   窒化物の膜を形成し、 該膜の所要箇所をエッチングにより取去る、 前記基板に前記室の一部を構成する凹部をエッチングに
   より形成し、 前記室の基板側部分が形成される部分にエッチングされ
   やすい高濃度のＰ形シリコンからなる第１エピタキシャ
   ル層を選択エピタキシャル成長させ、 該第１エピタキシャル層の表面の前記振動梁が形成され
   る位置の部分にエッチングされにくい高濃度のＰ形シリ
   コンからなる第２エピタキシャル層を選択エピタキシャ
   ル成長させ、 前記室のシエル側部分が形成される部分にエッチングさ
   れやすい高濃度のＰ形シリコンからなる第３エピタキシ
   ャル層を選択エピタキシャル成長させ、 該第３エピタキシャル層を覆ってエッチングされにくい
   高濃度のＰ形シリコンからなる第４エピタキシャル層を
   選択エピタキシャル成長させ、 前記膜のエッチングにより除去しエッチング注入口を形
   成し、 該注入口よりエッチング流体を注入し前記第1,第３エピ
   タキシャル層を選択エッチングにより除去し、 前記第４エピタキシャル層を覆うとともに前記注入口を
   塞ぐようにして選択エピタキシャル成長により前記シエ
   ルを形成したことを特徴とする振動形トランスデュサの
   製造方法。