JP2007057243A - 半導体梁を有する構造体およびその製造方法並びにその構造体を用いたトランスデューサ - Google Patents

Abstract

【課題】 梁の長さを安定させると共に基板、梁、シェルの間で電気的な絶縁を確保した半導体梁を有する構造体およびその製造方法並びにその構造体を用いたトランスデューサを提供する。
【解決手段】 単結晶シリコンの基板と、
この基板に設けられた単結晶シリコンの梁と、
この基板に重ねられ、梁を囲んで空洞部を形成するシェルと、
梁とシェルとの間に設けられ、梁とシェルを電気的に絶縁し、梁の中間部に相当する位置に開口部を有する酸化膜と、
を備え、
基板と梁は、ＰＮ接合を形成することを特徴とする半導体梁を有する構造体。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体梁を有する構造体、その製造方法およびその構造体を用いたトランスデューサに関し、特に、半導体梁と基板間および半導体梁とシェル間の絶縁の確保と半導体梁の長さを安定させた半導体梁を有する構造体、その製造方法およびその構造体を用いたトランスデューサに関する。

半導体梁を有する構造体を用いた装置として振動式トランスデューサが知られている。この振動式トランスデューサは、真空室内に微細な梁（振動子）を形成し、この梁に加えられる歪みを高精度に測定する（例えば特許文献１参照。）。

特公平７−１０４２１７号公報

図４は、従来の振動式トランスデューサの一例を示す側面断面図である。
図４において、４１は半導体単結晶基板であり、４２は半導体基板４１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。４３は測定ダイアフラム４２内に埋め込んで設けられた歪み検出センサで、梁（振動子）が使用されている。

４４は封止用のシェルで、振動子４３を測定ダイアフラム４２に封止する。振動子４３の周囲のシェル４４で囲まれた部分は真空室４５となっている。振動子４３は、永久磁石（図示せず）による磁場と、振動子４３に接続された閉ループ自励発振回路（図示せず）とにより、振動子４３の固有振動数で発振する。

このような振動式トランスデューサに用いられる半導体梁を有する構造体について以下に説明する。

図５は、従来の半導体梁を有する構造体の一例を示す構成図である。
図５（ａ）において、５１は単結晶シリコン基板、５６はシリコン酸化膜、５２はポリシリコン層，５２ａは梁、５７はＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）などによる酸化膜、５３はポリシリコン層（シェル）である。

この構造体の製造過程の概略を以下に示す。
（Ｓ１）単結晶シリコン基板５１上にシリコン酸化膜５６を生成する。
（Ｓ２）シリコン酸化膜５６上にポリシリコン層５２を生成する。
（Ｓ３）ポリシリコン層５２に梁形状にパターニングを行い、梁５２ａを残して他のポリシリコン層をアルカリ溶液であるヒドラジン，ＫＯＨなどによりエッチングで取り除く。パターニングは、高濃度の不純物（例えばボロン）をドープすることにより行い、エッチングに耐性を持たせる。
（Ｓ４）シリコン酸化膜５６および梁５２ａの上に酸化膜５７を生成する。
（Ｓ５）酸化膜５７上にポリシリコン層５３を生成する。
（Ｓ６）ポリシリコン層５３の一部を除去して酸化膜５７に達する穴を形成し、その穴から酸性溶液であるフッ化水素水溶液を入れて、梁５２ａ周囲のシリコン酸化膜５６や酸化膜５７を除去する。

以上により、梁５２ａの周囲の酸化膜およびポリシリコンが除去され、中空部５４，５５を持つシェル内に梁５２ａを形成した構造体が製造される。

図６は、従来の半導体梁を有する構造体の他の一例を示す構成図である。
図６において、６１は単結晶シリコン基板、６２はポリシリコン層、６２ａは梁、６３はポリシリコン層（シェル）である。

この構造体の製造過程の概略は、単結晶シリコン基板６１表面に、梁形状のポリシリコン６２ａとその周りの空洞に相当する部分の酸化膜を形成後、シェルに相当するポリシリコン６３を形成する。最後に、図５と同様に、梁６２ａの周囲の酸化膜を除去して、中空部６４，６５を持つシェル内に梁６２ａを形成した構造体が製造される。

図５に示した構造体は、横方向（梁の長手方向）のエッチング終点が一定に制御できないため除去するシリコン酸化膜５６や酸化膜５７の寸法が安定せず、梁の長さが安定に形成できないという問題がある。

また、図６に示した構造体は、梁の長さは安定に形成できるが、単結晶シリコン基板と梁（ポリシリコン）間、梁（ポリシリコン）とシェル（ポリシリコン）間の電気的な絶縁が不十分となるという問題がある。

従って、このような構造体を用いた振動式トランスデューサでは、高精度に測定を行えないという問題があった。

本発明は、このような従来の半導体梁を有する構造体およびこれを用いたトランスデューサが有していた問題を解決しようとするものであり、梁の長さを安定させると共に基板、梁、シェルの間で電気的な絶縁を確保した半導体梁を有する構造体およびその製造方法並びにその構造体を用いたトランスデューサを提供することを目的とする。

本発明は次の通りの構成になった半導体梁を有する構造体およびその製造方法並びにその構造体を用いたトランスデューサである。

（１）単結晶シリコンの基板と、
この基板に設けられた単結晶シリコンの梁と、
この基板に重ねられ、梁を囲んで空洞部を形成するシェルと、
梁とシェルとの間に設けられ、梁とシェルを電気的に絶縁し、梁の中間部に相当する位置に開口部を有する酸化膜と、
を備え、
基板と梁は、ＰＮ接合を形成することを特徴とする半導体梁を有する構造体。

（２）前記梁の設けられる基板面は＜１００＞面またはそれと等価な結晶格子面であって、前記酸化膜の開口部のエッジは＜１１０＞面またはそれと等価な結晶格子面方向の直線であることを特徴とする請求項１に記載の半導体梁を有する構造体。

（３）Ｎ型シリコンの基板表面の梁に相当する部分にＰ型の不純物を導入する工程と、
前記基板の上に梁の長さを決める位置に開口部を有する絶縁膜を形成する工程と、
前記開口部に酸化膜を形成し、絶縁膜および酸化膜の上にシェルとなるポリシリコン層を形成する工程と、
前記シェルの一部から、梁上部の中空部となる酸化膜を露出させ、酸性溶液でエッチングして、梁上部の中空部を形成する工程と、
この中空部を通して、アルカリ溶液で梁の横や下側のシリコンをエッチングして中空部を形成する工程と、
から構成されることを特徴とする半導体梁を有する構造体の製造方法。

（４）前記梁の設けられる基板面は＜１００＞面またはそれと等価な結晶格子面であって、前記酸化膜の開口部のエッジは＜１１０＞面またはそれと等価な結晶格子面方向の直線であることを特徴とする請求項３に記載の半導体梁を有する構造体の製造方法。

（５）請求項１または請求項２に記載の半導体梁を有する構造体と、
前記梁に磁界を印加する磁界発生手段と、
前記梁の固有振動数で自励発振を起こし、前記梁に加えられた歪みを共振周波数の変化として検出する検出回路と、
から構成されるトランスデューサ。

本発明によれば、以下のような効果がある。

請求項１から請求項４に記載の発明によれば、梁の長さを安定させると共に基板、梁、シェルの間で電気的な絶縁を確保した半導体梁を有する構造体を実現できる。

請求項５に記載の発明によれば、梁の長さを安定させると共に基板、梁、シェルの間で電気的な絶縁を確保したことにより、圧力測定などを効率よく高精度に測定を行えるトランスデューサを実現できる。

以下、図面を用いて本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明の半導体梁を有する構造体に係る一実施例を示す構成図である。
図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’における断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ’における断面図である。

図１において、１は単結晶シリコン基板、２は単結晶シリコンで形成した梁、３はポリシリコンで形成したシェル、４は絶縁膜である。
図１の半導体梁を有する構造体は、例えば以下のような概略工程で製造する。

（Ｓ１）Ｎ型シリコン基板１の表面の梁２に相当する部分にＰ型の不純物（ボロン）が１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３程度以上導入されている。

（Ｓ２）梁２とシェル３が接触する界面および梁２の長さを決める位置にエッチング液に耐性のある絶縁膜４（例えば窒化膜）を形成する。
この時、マスクにより、絶縁膜４に方形の開口部７を、図１（ａ）のＸＹ平面において４５°回転させた方向に設ける。つまり、Ｎ型シリコン基板１の面方位が＜１００＞（またはそれと等価な結晶格子面）の場合、絶縁膜４の開口部７のエッジを面方位＜１１０＞（またはそれと等価な結晶格子面）方向の直線にする（図１（ａ））。

（Ｓ３）梁２の上部の中空部５となる部分（絶縁膜４の開口部７）には、ＣＶＤ酸化膜を形成し、絶縁膜４およびＣＶＤ酸化膜の上にシェル３となるポリシリコン層を形成する。

（Ｓ４）シェル３の一部から、梁２上部の中空部５となるＣＶＤ酸化膜を露出（例えば穴を開ける）させ、フッ化水素水溶液でエッチングして、梁上部の中空部５を形成する。

（Ｓ５）この中空部５を通して（マスクとして使用して）、ヒドラジン，ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム），ＫＯＨ（水酸化カリウム）などのアルカリ溶液で梁２の横や下側のシリコンをエッチングして中空部６を形成する。
この時、梁２となる部分は、高濃度Ｐ型不純物（ボロン）を導入しているため、アルカリ溶液に耐性をもつ。また、中空部６の側壁は面方向＜１１１＞となる。
シェル３となるポリシリコンはＰ型でもＮ型でも良いが、高濃度Ｐ型不純物（ボロン）を導入するか、ブラスの電圧を印加（陽極酸化）してアルカリ溶液に対する耐性を確保する。

以上により、本発明の半導体梁を有する構造体が製造できる。なお、エッチングに際してのパターニングには、例えばフォトリソグラフィーを用いる。

この構成によれば、梁とシェルが絶縁膜で絶縁され、梁とシリコン基板の界面が単結晶シリコンのＰＮ接合で形成されているので、基板電位を適切に設定することで、梁に流す電流をシェルや基板に流すことなく、効率的に梁に流すことができる。

梁の長さに関しては、マスクパターン変換誤差の小さい単結晶シリコン梁を作成することができる。例えば、シリコン基板の面方位が＜１００＞で、単結晶シリコン梁下側の中空部分の深さを１０ｕｍとすると、＜１１１＞面のエッチレートは＜１００＞面の１／１００程度なので、サイドエッチ量は、梁の片側の固定端で０．１ｕｍ程度である。従って、梁の長さはマスクパターン寸法＋０．２ｕｍ程度に制御可能である。

図２は、本発明に係る半導体梁を有する構造体を用いた振動式トランスデューサの一実施例を示す構成図である。図１と同様の構成要素には同様の符号を付し、その部分の説明は省略する。

図２において、単結晶シリコン基板１表面に、単結晶シリコン梁２を形成するところまでは図１の実施例と同様である。

図２において、シェル３に形成した中空部５，６をエッチングするための穴（図示せず）を、高真空中でポリシリコンや絶縁膜８で塞ぎ、シェル３内中空部分を真空封止した後、梁２の延長部（リード部）を露出させ電極を形成する（図示せず）。

さらに、前出の図４のようにシリコン基板を裏面から加工してダイアフラムを形成し、図２の構造がダイアフラム上に位置するようにする。

図２においてＸＺ面に直交する（Ｙ方向）磁界中で、単結晶シリコン梁２の振動子に交流電流を流すと、梁（振動子）２が固有の周波数で振動する。ダイアフラムが圧力を受けて歪むと、振動子の張力が変化し、振動子の共振周波数も変化する。

図３は、共振周波数検出の構成の一例を示す説明図である。
図３において、３１は、梁（振動子）２の略中央上部に梁２に直行して非接触の状態で設けられた磁石である。３２ａ，３２ｂは、梁２を延長したリード部にＡｌなどの金属を蒸着してパターニングした電極である。

電極３２ａは、比較抵抗Ｒｏの一端と増幅器３３の入力端に接続され、電極３２ｂは、トランス３４のコイルＬ２の一端に接続され、比較抵抗Ｒｏの他端はコイルＬ２の他端に接続される。コイルＬ２の中点は、共通電位点に接続される。

一方、増幅器３３の出力端はトランス３４のコイルＬ１の一端に接続され、コイルＬ１の他端は共通電位点に接続される。この系は、梁２の固有振動数で自励発振を起こし、圧力を振動子の共振周波数に変換して検出することができる。

以上説明したように、絶縁膜４により電流が梁２からポリシリコンシェル３にもれないので、梁２を効率よく駆動し、効率よく出力信号を検出することができるので測定精度が向上する。

また、絶縁膜４をマスクに梁２下部の中空部６をエッチングすることにより、マスクパターン変換差の少ない形状の梁を作成することができるため、個体差の小さい梁が作成可能である。

さらに、梁とシェルが絶縁されているため、梁とシェルで形成される容量の変化を検出する容量式の圧力センサや、梁に重りを形成して、梁とシェルで形成される容量の変化を検出する加速度センサとしての応用も可能である。

本発明の半導体梁を有する構造体に係る一実施例を示す構成図である。 本発明に係る半導体梁を有する構造体を用いた振動式トランスデューサの一実施例を示す構成図である。 共振周波数検出の構成の一例を示す説明図である。 従来の振動式トランスデューサの一例を示す側面断面図である。 従来の半導体梁を有する構造体の一例を示す構成図である。 従来の半導体梁を有する構造体の他の一例を示す構成図である。

符号の説明

１ 単結晶シリコン基板
２ 梁（振動子）
３ シェル
４ 絶縁膜
５、６ 中空部
７ 開口部
８ 絶縁膜
３１ 磁石
３２ａ，３２ｂ 電極
３３ 増幅器
３４ トランス

Claims (5)

1. 単結晶シリコンの基板と、
   この基板に設けられた単結晶シリコンの梁と、
   この基板に重ねられ、梁を囲んで空洞部を形成するシェルと、
   梁とシェルとの間に設けられ、梁とシェルを電気的に絶縁し、梁の中間部に相当する位置に開口部を有する酸化膜と、
   を備え、
   基板と梁は、ＰＮ接合を形成することを特徴とする半導体梁を有する構造体。
2. 前記梁の設けられる基板面は＜１００＞面またはそれと等価な結晶格子面であって、前記酸化膜の開口部のエッジは＜１１０＞面またはそれと等価な結晶格子面方向の直線であることを特徴とする請求項１に記載の半導体梁を有する構造体。
3. Ｎ型シリコンの基板表面の梁に相当する部分にＰ型の不純物を導入する工程と、
   前記基板の上に梁の長さを決める位置に開口部を有する絶縁膜を形成する工程と、
   前記開口部に酸化膜を形成し、絶縁膜および酸化膜の上にシェルとなるポリシリコン層を形成する工程と、
   前記シェルの一部から、梁上部の中空部となる酸化膜を露出させ、酸性溶液でエッチングして、梁上部の中空部を形成する工程と、
   この中空部を通して、アルカリ溶液で梁の横や下側のシリコンをエッチングして中空部を形成する工程と、
   から構成されることを特徴とする半導体梁を有する構造体の製造方法。
4. 前記梁の設けられる基板面は＜１００＞面またはそれと等価な結晶格子面であって、前記酸化膜の開口部のエッジは＜１１０＞面またはそれと等価な結晶格子面方向の直線であることを特徴とする請求項３に記載の半導体梁を有する構造体の製造方法。
5. 請求項１または請求項２に記載の半導体梁を有する構造体と、
   前記梁に磁界を印加する磁界発生手段と、
   前記梁の固有振動数で自励発振を起こし、前記梁に加えられた歪みを共振周波数の変化として検出する検出回路と、
   から構成されるトランスデューサ。
   

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