CN113924725A - 静电型设备及静电型设备制造方法 - Google Patents

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年吉洋
本间浩章
三屋裕幸
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Abstract

振动发电元件具备：固定部；可动部；弹性支承部，其与所述可动部一体形成，弹性支承所述可动部；以及玻璃制的基座部，其将所述固定部与所述弹性支承部以相互分离的状态进行了阳极接合。

Description

静电型设备及静电型设备制造方法
技术领域
本发明涉及静电型设备以及静电型设备制造方法。
背景技术
作为静电型设备，例如已知有专利文献1所记载的静电型设备。专利文献1记载的静电型设备由SOI(Silicon On Insulator：绝缘体上硅)基板来制造。SOI(Silicon OnInsulator)基板由以下构成：硅的支承层、在支承层上形成的硅氧化物(SiO2)的BOX(Buried Oxide：埋氧化物)层、以及在BOX层上接合的硅的活性层。静电型设备的致动器部或传感器部由活性层形成，支承致动器部或传感器部的基材由支承层形成。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2016-59191号公报
发明内容
发明要解决的课题
然而，在上述静电型设备中，由于使用高价的SOI基板作为用于制造设备的基板，因此基板的成本成为阻碍静电型设备成本降低的主要原因之一。
用于解决课题的手段
根据本发明第一方式，静电型设备具备：固定部；可动部；弹性支承部，其与所述可动部一体形成，弹性支承所述可动部；玻璃制的基座部，其将所述固定部和所述弹性支承部以相互分离的状态进行了阳极接合。
根据本发明第二方式，优选在第一方式的静电型设备中，所述固定部和所述可动部由硅形成，在所述固定部和所述可动部中的至少一方形成有驻极体。
根据本发明第三方式，优选在第二方式的静电型设备中，在所述固定部形成固定电极，在所述可动部形成与所述固定电极对置的可动电极，通过所述可动部相对于所述固定部的位移，所述固定电极与所述可动电极的静电电容发生变化从而进行发电。
本发明第四方式的静电型设备制造方法用于制造第一方式至第三方式中的任意一方式的静电型设备，其中，将所述固定部、所述可动部以及所述弹性支承部以一体状态形成在基板上，将所述基座部与所述基板阳极接合来将所述固定部以及所述弹性支承部固定在所述基座部上，对所述基板进行蚀刻来使所述固定部与所述弹性支承部相互分离。
发明效果
根据本发明，能够降低静电型设备的成本。
附图说明
图1是振动发电元件的俯视图。
图2表示图1的A-A剖面和B-B剖面。
图3说明第一工序。
图4说明第二工序。
图5说明第三工序。
图6表示图5的A-A剖面、B-B剖面、C-C剖面。
图7说明第四工序。
图8说明第五工序。
图9说明第六工序。
图10说明第七工序。
图11说明第八工序。
图12说明第九工序。
图13说明第十工序。
图14表示比较例。
图15是表示比较例中的振动发电的模拟结果的曲线图，(a)表示电流，(b)表示电力。
具体实施方式
以下，参照附图对用于实施本发明的实施方式进行说明。图1表示静电型设备的一例，是静电型的振动发电元件1的俯视图。振动发电元件1具备基座部10、设置在基座部10上的固定部11、可动部12。在左右一对的固定部11分别形成了多个梳齿电极110。配置在一对固定部11之间的可动部12上也形成了多个梳齿电极120。梳齿电极120以与梳齿电极110啮合的方式对置配置。
可动部12由4组弹性支承部13支承，当对振动发电元件1施加外力时，可动部12在图示的左右方向(x方向)上振动。各弹性支承部13具备固定在基座部10上的固定区域13a、以及将固定区域13a与可动部12连结的弹性部13b。在梳齿电极110、120中的至少一方形成有驻极体，可动部12在图示的左右方向上振动从而梳齿电极110与梳齿电极120的啮合量发生变化，由此进行发电。在固定部11形成有电极焊盘111，在弹性支承部13的固定区域13a也形成有电极焊盘131。发电得到的电力从电极焊盘111、131输出。
图2表示图1的剖面，图2中的(a)表示A-A剖面，图2中的(b)表示B-B剖面。固定部11、可动部12以及弹性支承部13由Si基板形成，在固定部11、可动部12以及弹性支承部13的表面形成有SiO2膜202，该SiO2膜202包含钾等碱金属的离子。在该SiO2膜202上形成驻极体。在由玻璃基板形成的基座部10上将固定部11与弹性支承部13的固定区域13a阳极接合。在基座部10形成有凹部101。
固定部11与固定区域13a通过分离槽g1而相互分离，固定部11与弹性支承部13以及可动部12之间电绝缘。图2的(b)所示的分离槽g2用于将左右一对的固定部11电分离。可动部12通过弹性支承部13被弹性支承在凹部101的上方。在基座部10的背面形成了金属层102。另外，将固定部11的梳齿电极110也配置为在凹部101的上方与可动部12的梳齿电极120啮合。
(振动发电元件1的制造方法)
图3～16表示振动发电元件1的制造步骤的一例。在图3所示的第一工序中，在Si基板200的表面和背面这两个面上通过LP-CVD形成SiN膜201。图4说明第二工序，图4的(a)是俯视图，图4的(b)是A-A剖面图。在第二工序中，通过干蚀刻对表面侧的SiN膜201进行蚀刻来形成图案P1、P2和图案P3、P4，其中，图案P1、P2用于形成电极焊盘111、113，图案P3、P4用于形成分离槽g1、g2。
图5、6说明第三工序，图5表示俯视图，图6的(a)表示A-A剖面图，图6的(b)表示C-C剖面图，图6的(c)表示B-B剖面图。在第三工序中，在Si基板200的表面侧形成Al(铝)掩模图案(未图示)，该Al掩模图案用于形成固定部11、可动部12和弹性支承部13，通过使用了该Al掩模图案的Deep-RIE，以贯通Si基板200和SiN膜201的方式进行蚀刻。通过该蚀刻，形成固定部11、可动部12以及弹性支承部13中的图5的图示区域D中包含的构造。具体而言，将形成梳齿电极110、210的部分的固定部11和可动部12、弹性支承部13形成。图5的区域D表示图2的凹部101的上方区域。
图7说明第四工序，图7的(a)表示A-A剖面图，图7的(b)表示C-C剖面图，图7的(c)表示B-B剖面图。在第四工序中，通过Deep-RIE进行用于形成分离槽g1、g2的蚀刻。在图案P3、P4(参照图4)的位置形成分离槽g1、g2。但是，在第四工序中，并非通过分离槽g1、g2完全分离，而是从基板背面侧蚀刻至将整个Si基板200保持为一体的程度的深度(所谓半蚀刻)。
图8说明第五工序，图8的(a)表示俯视图，图8的(b)表示A-A剖面图。在第五工序中，在Si基板200的露出面形成SiO2膜202，该SiO2膜202包含钾等碱金属的离子。
图9说明第六工序，图9的(a)表示俯视图，图9的(b)表示A-A剖面图。在第六工序中，首先，通过使用CF4气体的RIE，去除基板背面侧的SiN膜201。同样地，去除基板表面侧的SiN膜201。
图10说明第七工序，图10的(a)表示俯视图，图10的(b)表示剖面图。在第七工序中，在用于形成基座部10的玻璃基板300上形成凹部101。将凹部101的底面与框部103的端面之间的台阶尺寸H设定为进行振动的可动部12不产生干涉的尺寸(例如数十微米)。对于玻璃基板300使用适用于阳极接合的玻璃基板(例如含钠的玻璃基板)。
图11说明第八工序，图11的(a)表示俯视图，图11的(b)表示剖面图。在第八工序中，在基座部10的背面侧形成铝蒸镀膜等金属层102。背面侧的金属层102是为了使阳极接合工艺时的电场分散到玻璃基板300的整个面上而形成的。但是，即使没有金属层102也能够进行阳极接合，因此金属层102不是必须的。
在图12所示的第九工序中，在形成有固定部11、可动部12以及弹性支承部13的Si基板200(参照图9)的背面侧阳极接合图11所示的由玻璃基板构成的基座部10。在加热器40上放置基座部10，在该基座部10上层叠形成有固定部11、可动部12以及弹性支承部13的Si基板200。将加热器40的温度设定为玻璃基板中的钠离子的热扩散充分活跃的温度(例如，500℃以上)。例如，将以加热器40为基准的Si基板200的电压V1设定为400V以上。
在将硅基板(Si基板200)与玻璃基板(基座部10)进行阳极接合时，一边对硅基板与玻璃基板的层叠体进行加热，一边以硅基板侧为阳极对层叠体施加数百伏左右的直流电压。玻璃基板内的钠离子向负电位侧移动，在玻璃基板与硅基板的接合面的玻璃基板侧形成SiO-的空间电荷层(缺乏钠离子的层)。结果，利用静电引力将玻璃基板与硅基板接合。
图13说明第十工序，图13的(a)表示A-A剖面图，图13的(b)表示C-C剖面图，图13的(c)表示B-B剖面图。在第十工序中，通过Deep-RIE将与基座部10阳极接合的Si基板200蚀刻至中途，由此使图7所示的非贯通的分离槽g1、g2成为贯通Si基板200表背面的状态。由此，将固定部11与弹性支承可动部12的弹性支承部13完全分离。通过该蚀刻，不仅分离槽g1、g2成为贯通状态，还形成孔形状的电极焊盘111、131。
之后，通过公知的驻极体形成方法，例如日本特开2013-13256号公报中记载的Bias-Temperature法，在梳齿电极110、120中的至少一方形成驻极体，从而完成图1的振动发电元件1。
在本实施方式的振动发电元件1中，构成为通过硅基板形成固定部11、可动部12以及弹性支承部13，将固定部11以及弹性支承部13固定在通过玻璃基板形成的基座部10上。因此，由于不像专利文献1所记载的静电型设备那样使用高价的SOI基板，所以能够实现成本的降低。
(比较例)
图14表示比较例。比较例的振动发电元件50使用SOI基板来形成。振动发电元件50的固定部51、可动部52以及未图示的弹性支承部13形成在SOI基板的上部硅层即活性层61，基座部53形成在下部硅层即支承层63。在可动部52的梳齿电极形成了驻极体520。隔着由SiO2构成的BOX层62来设置活性层61和支承层63，因此在活性层61与支承层63之间产生的寄生电容Cs1、Cs2会对振动发电元件50的发电电力造成不良影响。
当可动部52相对于固定部51在图示的左右方向上振动时，固定部51与可动部52的梳齿电极之间的静电电容C1、C2发生变化，通过静电电容C1、C2的变化而产生的交流电流作为端子电流I1流出。关于输出的端子电流I1，一部分电流I3流过寄生电容Cs1、Cs2，剩余的电流I2流过与振动发电元件50连接的负载电阻R。
图15表示振动发电元件50的发电的模拟结果，图15的(a)表示电流I2、I3，图15的(b)表示由负载电阻R消耗的电力W2以及出入寄生电容Cs1的电力W3。寄生电容Cs1的电流相对于端子电压相位超前90度。出入寄生电容Cs1的电力W3是不会取出到外部的无效电力。对于出入寄生电容Cs2的电力也是同样的。由于寄生电容Cs1、Cs2的增加，无效电力W3增加，由负载电阻R消耗的电力即有效电力W2减少。
另一方面，在本实施方式的振动发电元件1中，将由硅形成的固定部11和可动部12与由玻璃基板形成的基底部10接合，因此能够防止寄生电容的产生。结果，能够防止由寄生电容引起的无效电力的产生，能够不浪费地由负载电阻R消耗发电产生的电力。
此外，即使在由SOI基板形成了振动发电元件50的情况下，通过使BOX层的厚度比以往厚来减小寄生电容，也能够与采用玻璃基板的基座部10的情况同样地实现无效电力的降低。
如下那样总结上述实施方式的作用效果。
(1)如图1所示，作为静电型设备的振动发电元件1具备：固定部11；可动部12；弹性支承部13，其与可动部12一体形成，弹性支承可动部12；玻璃制基座部10，其将固定部11与弹性支承部13在相互分离的状态下阳极接合。因此，与使用SOI基板制造的振动发电元件50相比，能够实现成本的降低。
在上述实施方式中，以作为静电型设备的振动发电元件1为例进行了说明，但并不限于振动发电元件1，也能够应用于专利文献1所记载的致动器、传感器等。即，构成为由硅基板制作致动器、传感器，用玻璃制的基座部支承致动器、传感器等。由此，除了降低成本之外，还能够抑制寄生电容。如果具有导电性且与玻璃基板的线膨胀系数充分一致，则不限于硅基板，可以使用其他玻璃基板、形成了硅薄膜的玻璃基板等来形成致动器、传感器等。
并且，可以由硅形成固定部11和可动部12，在固定部11和可动部12中的至少一方形成驻极体。
(3)图1所示的作为静电型设备的振动发电元件1在固定部11形成有作为固定电极的梳齿电极110，可动部12形成有与梳齿电极110对置的作为可动电极的梳齿电极120，并且在固定部11以及可动部12中的至少一方形成有驻极体，通过可动部12相对于固定部11的位移，梳齿电极110与梳齿电极120之间的静电电容发生变化从而进行发电。由于基座部10为玻璃制，因此除了降低成本之外，还能够防止在图14所示的使用了SOI基板的振动发电元件50中产生寄生电容Cs1、Cs2，能够防止由寄生电容引起的无效电力W3的产生。
(4)在上述静电型设备的制造方法中，将固定部11、可动部12以及弹性支承部13以一体状态形成在基板，例如Si基板200上，将玻璃制的基座部10与Si基板200阳极接合从而将固定部11以及弹性支承部13固定在玻璃制的基座部10上，对Si基板200进行蚀刻来使固定部11与弹性支承部13相互分离，从而将固定部11与可动部12电分离。
这样，在将固定部11与弹性支承部13分离之前，将固定部11、可动部12以及弹性支承部13成为一体状态的Si基板200与基座部10阳极接合，在阳极接合后进行分离，因此能够在维持晶圆级别的固定部11、可动部12以及弹性支承部13的位置关系的状态下将它们与基座部10接合。
本发明并不限于上述实施方式的内容，在本发明的技术思想的范围内想到的其他方式也包含在本发明的范围内。
将以下优先权基础申请和公开文本的公开内容作为引用内容并入本说明书中。
日本特愿2019-106230号(2019年6月6日申请)
日本特开2013-13256号公报
附图标记说明
1，50…振动发电元件，10，53…基座部，11，51…固定部，12，52…可动部，13…弹性支承部，13a…固定区域，13b…弹性部，40…加热器，110，120…梳齿电极，200…Si基板，300…玻璃基板，Cs1，Cs2…寄生电容。

Claims (4)

1.一种静电型设备，其特征在于，具备：
固定部；
可动部；
弹性支承部，其与所述可动部一体形成，弹性支承所述可动部；
玻璃制的基座部，其将所述固定部与所述弹性支承部以相互分离的状态进行了阳极接合。
2.根据权利要求1所述的静电型设备，其特征在于，
所述固定部和所述可动部由硅形成，
在所述固定部和所述可动部中的至少一方形成了驻极体。
3.根据权利要求2所述的静电型设备，其特征在于，
在所述固定部形成固定电极，
在所述可动部形成与所述固定电极对置的可动电极，
通过所述可动部相对于所述固定部的位移，所述固定电极与所述可动电极之间的静电电容发生变化从而进行发电。
4.一种静电型设备制造方法，其用于制造权利要求1至3中的任意一项所述的静电型设备，其特征在于，
将所述固定部、所述可动部以及所述弹性支承部以一体状态形成在基板上，
将所述基座部与所述基板阳极接合来将所述固定部以及所述弹性支承部固定在所述基座部上，
对所述基板进行蚀刻来将所述固定部与所述弹性支承部相互分离。
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