JP2007225367A - 振動式トランスデューサの振動子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】振動子を製造する際に用いる２つの保護膜間の位置合わせずれ（位置ズレ）によりＨ形の振動子の左右の振動梁の長さが異なってしまうという課題を解決する。
【解決手段】シリコン単結晶で導電形式がｎ形の基板上に形成された薄肉のダイアフラムの上に犠牲層としてＰ拡散層を形成し、先のＰ拡散層内にＨ形の振動梁とこれを固定する固定端を有する振動子をＰ^＋＋拡散層で形成し、先のＰ拡散層を電解アルカリエッチングでエッチングして先の振動子を形成する振動式トランスデューサの振動子の製造方法であって、長辺が先の振動梁の方向に沿って先の振動梁の外方に配置された矩形状の開口部を有する保護膜により前記開口部にエッチング液を注入し、先のＰ拡散層をエッチングして先の振動梁を形成する構成にしたものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、振動式トランスデューサの製造方法に係り、特にシリコン基板に形成した梁状の振動子をその振動子の持つ固有振動数で振動させておき、このシリコン基板に加えられる力、圧力、或いは差圧などの物理量に対応して振動子に生ずる固有振動数の変化からこれらの物理量を検出する振動式トランスデューサの振動子の製造方法に関する。

図３に従来の振動式トランスデューサの構成を示す。図３において、振動子本体１０は、例えば伝導形式がｎ形のシリコン単結晶で出来たダイアフラム１１の上に一体に形成されたｐ形のシリコンで出来た固定端１２Ａ、１２Ｂおよび振動梁１２Ｃを有する第１振動子１２と、固定端１３Ａ、１３Ｂおよび振動梁１３Ｃを有する第２振動子１３およびこれ等の第１振動梁１２Ｃ、第２振動梁１３Ｃを中央部分で連結する第３振動子１４で構成されるＨ形の振動子などで構成されている。

ダイアフラム１１は周囲に肉厚部（図示せず）を有するｎ形のシリコン基板の下面に中央部をエッチングして薄肉として形成されており、測定圧力がこの面に印加されることによって全体として変位する。このダイアフラム１１の上面の結晶面（１００）の一部にはエッチングにより各振動子が収納されるＨ形状の凹部１５が形成されている。

第１振動子１２の固定端１２Ａ、１２Ｂの上には電極１６，１７が、さらに第２振動子１３の固定端１３Ａ、１３Ｂの上には電極１８，１９が、それぞれ形成されている。振動子本体１０の上部にはこれと平行に磁石２０が配置され、振動梁１２Ｃ、１３Ｃに直角に磁場を発生させている。

励振手段として機能する入力トランス２１の出力端子は電極１６，１７に、その入力端子２２の一端は出力端子２３に、他端はコモンラインに接続されている。

励振検出手段として機能する出力トランス２４の入力端子は電極１８、１９に接続され、その出力端子２５、２６は増幅器２７の入力端にそれぞれ接続されている。さらに増幅器２７の出力端は出力端子２３に接続されている。

なお、以上の図３においては説明の便宜上、ダイアフラム１１の上部を覆うシエルを除いて記載しているが、後述するように実際には第１振動子１２〜第３振動子１４の周囲は所定の間隔を以てエピタキシャル成長などの半導体技術でダイアフラム１１と一体に覆われ、さらにこの内部は真空に保持され振動子の振動に対して高いＱフアクタが維持されるようになっている。

以上の構成において、入力トランス２１に増幅器２７から入力された電圧により、第１振動子１２が磁石２０の磁場との相互作用により励振されて振動する。この振動により、第２振動子１３は第３振動子１４を介して振動させられ、この振動は磁石２０との相互作用により出力トランス２４の入力端に起電力ｅを発生される。

この起電力ｅは出力トランス２４を介して増幅器２７に入力され増幅されて出力端子２３に取り出される。この増幅された電圧は入力トランス２１に正帰還され、これが繰り返されて系が自励発振をする。

以上のように、振動子本体１０は励振用の第１振動子１２と、起電力検出用の第２振動子１３とに分けられ、第３振動子１４で第１振動子１２と第２振動子１３の腹の部分を機械的に結合するようにしたので、励振電流成分が起電力ｅに重畳せず、高い励振成分の除去比（Ｓ／Ｎ比）が得られる。

図４は、図１に示す振動式トランスデューサの振動子を製造する製造方法を示す工程図である。なお、この工程図では説明を簡単にするために、振動子本体１０の代わりに第３振動子１４を結合しない状態の梁状の第１振動子１２の振動梁１２Ｃを製造するものとして説明する。

図４（ａ）は保護膜の生成とその一部を開口する工程を示している。ｎ形のシリコン単結晶の基板３０の結晶面（１００）の上にシリコン酸化物あるいはシリコン窒化物などの保護膜３１を形成し、この後で第１振動子１２の振動梁１２Ｃの形状に沿うパターンが形成されたマスクを用いて保護膜３１の一部に開口部３２を形成する。

次に、図４（ｂ）に移行するが、この工程は基板３０の中に凹部を形成する工程である。１０５０℃の水素ガスの雰囲気中で、例えば塩化水素を用いてエッチングを行って、開口部３２に対応する基板３０の凹部３３を形成する。

図４（ｃ）はエピタキシャル工程を示している。１０５０℃の水素ガスの雰囲気中でソースガスに塩化水素を混入して多層の選択エピタキシャル成長を行う。この点について以下にさらに詳細に説明する。

第１ステップとして、ボロンの濃度が１０^１８ｃｍ^−３のＰ形シリコン（Ｐ拡散層）により凹部３３の上に隙間対応部の下半分として機能する第１エピタキシャル層（第１犠牲層）３４を選択エピタキシャル成長させる。

第２ステップとして、ボロンの濃度が１０^２０ｃｍ^−３以上のＰ形シリコン（Ｐ^＋＋拡散層）により第１エピタキシャル層３４の上に開口部３２を塞ぐようにして第１振動子１２の振動梁１２Ｃに相当する第２エピタキシャル層３５を選択エピタキシャル成長させる。

第３ステップとして、ボロンの濃度が１０^１８ｃｍ^−３以上のＰ形シリコン（Ｐ拡散層）により第２エピタキシャル層３５の上に隙間対応部の上半分として機能する第３エピタキシャル層（第３犠牲層）３６を選択エピタキシャル成長させる。

第４ステップとして、ボロンの濃度が１０^２０ｃｍ^−３のＰ形シリコン（Ｐ^＋＋拡散層）により第３エピタキシャル層３６の上に後述するシエルに相当する第４エピタキシャル層３７を選択エピタキシャル成長させる。

図４（ｄ）はエッチング液を注入する注入口を形成する工程である。この工程では、保護膜３１をフッ化水素酸（ＨＦ）でエッチングして除去し、第４エピタキシャル層３７の側面にエッチング液を注入する注入口３８を設ける。

図４（ｅ）は振動子と基板などとの間に隙間を形成する選択エッチングの工程を示す。エッチング液に対してｎ形の基板３０が逆バイアスになるように電源Ｅｐから正の電圧を印加して基板３０を保護しながら注入口３８からアルカリ液を注入して第１エピタキシャル層３４と第３エピタキシャル層３６とを選択エッチングして除去する。

最後に、図４（ｆ）に示す密封工程に移行する。この工程では、１０５０℃の水素ガスの雰囲気中でｎ形シリコンのエピタキシャル成長を行い、基板３０と第４エピタキシャル層３７の外表面にエピタキシャル層３９を形成してその一部でシエル４０を構成すると共に注入口３８を閉じて密封する。この密封工程は、以上の方法以外に熱酸化法、スパッタ法、真空蒸着法、或いは絶縁物等により注入口３８を閉じるなど各種の方法がある。

この後、図示していないが、基板３０の底面側からエッチングによって基板３０を掘り起こしてダイアフラム１１を形成する。

図５はＨ形の振動子本体を形成する場合の工程を示す。図５（ａ）は保護膜形成とＨ形開口工程を示す。シリコンの基板３０の結晶面（１００）の上面にシリコン酸化膜或いはシリコン窒化膜などの保護膜Ａを形成した後、Ｈ形に開口部を持つマスクを用いて基板３０の表面に形成された保護膜ＡをＨ形にホトリソグラフィにより除去し保護膜ＡにＨ形の開口部４１、４２を形成する。

このＨ形の開口部４１、４２は、第１の振動子１２の振動梁１２Ｃ、第２の振動子１３の振動梁１３Ｃと第３振動梁１４の各々で形成されるＨ形の梁の方向が基板３０の結晶軸＜００１＞の方向とこれに直角の方向になるように配列する。

また、この開口部４１の両端には固定端１２Ａ、１２Ｂに各々対応する開口部４１Ａ、４１Ｂが、開口部４２の両端には固定端１３Ａ、１３Ｂに対応する開口部４２Ａ、４２Ｂがそれぞれ形成されている。

図５（ｂ）は凹部形成工程を示す。図４（ｂ）と同様にして、保護膜Ａの開口部４１、４２の下の基板３０にエッチングにより凹部４３、４４を形成する。

図５（ｃ）はエピタキシャル工程を示す。図５（ｃ−１）は平面、図５（ｃ−２）は図５（ｃ−１）のＸ１−Ｘ２断面である。図４（ｃ）と同様にして、凹部４３、４４の上に第１エピタキシャル層３４Ａ、第２エピタキシャル層３５Ａ、第３エピタキシャル層３６Ａがそれぞれ形成される。

図６（ｄ）は保護膜Ａを除去後に保護膜Ｂを形成する保護膜形成工程を示す。図５（ｃ−２）の工程に続く工程である。図６（ｄ−１）は平面、図６（ｄ−２）は図６（ｄ−１）のＸ１−Ｘ２断面である。

第２エピタキシャル層３５Ａには、第１振動子１２の振動梁１２Ｃ、固定端１２Ａ、１２Ｂに各々対応する第１振動子層４６の振動梁層４６Ｃ、固定層４６Ａ、４６Ｂが、また第２振動子１３の振動梁１３Ｃ、固定端１３Ａ、１３Ｂに対応する第２振動子層４８の振動梁層４８Ｃ、固定層４８Ａ、固定層４８Ｂが、また第３振動子１４に対応する振動子層４５がそれぞれ形成されている。

これらの上には、保護膜Ｂが形成され、この保護膜Ｂには、エッチング液を注入するための太線で示す長六角形状の開口端ＯＳ１を持つ開口部４９が形成されている。

開口端ＯＳ１の長手辺Ｌ１およびＬ２は振動梁層４６Ｃ、４８Ｃの外部に配置され、短辺Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、およびＳ４は振動梁層４６Ｃ、４８Ｃの上で基板３０の結晶面（１１１）と表面が交わる線Ｌ３に沿って配置されている。結晶面（１１１）はエッチング液によりエッチストップされる境界面を示す。

次に、図６（ｅ）のエッチング工程に移る。図４（ｅ）の選択エッチングと同様にして、第１エピタキシャル層３４Ａと第３エピタキシャル層３６Ａを除去して、振動梁１２Ｃ、固定端１２Ａ、１２Ｂと振動梁１３Ｃ、固定端１３Ａ、１３Ｂを形成する。

このようにして形成された振動梁１２Ｃ、固定端１２Ａ、１２Ｂ、および振動梁１３Ｃ、固定端１３Ａ、１３Ｂを分かり易くするために、抜き出して表示すると、図６（ｆ）のようになる。

固定端１２Ａ、１２Ｂおよび固定端１３Ａ、１３Ｂは、正確には振動梁１２Ｃ、１３Ｃにそれぞれ若干突き出した図６（ｆ）の斜線で示す部分となる。このため、振動梁１２Ｃの長さはＬ４となり、振動梁１３Ｃの長さはＬ５になっている。

この後は、図４（ｆ）の密封工程と同様にしてシエルが形成され、振動子本体１０が形成される。

なお、特許文献１には、Ｈ形の振動子を用いた振動式トランスデューサとその製造方法が記載されている。

特公平７−１０４２１７号公報

しかし、このような振動式トランスデューサには、次のような課題があった。振動子を形成する保護膜Ａのパターンと、固定端のエッチストップに使用する保護膜Ｂが別パターンで形成されている。このため、保護膜Ａのパターンと保護膜Ｂのパターン間の位置ズレが横方向に発生した場合、振動梁１２Ｃと１３Ｃの梁の長さに差が出来てしまい、この結果、振動梁１２Ｃと振動梁１３Ｃの固有振動数が異なり、性能劣化の原因になる。

以上の点について、図７を用いて具体的に説明する。図７に示すように、太線で示す開口部４９を持つ保護膜Ｂの開口端ＯＳ１が、保護膜Ａに対して細線で示すように右にΔＸだけ位置ズレした場合、矢印のように左側の振動梁４６Ｃは２ΔＸだけ短くなり、右側の振動梁４８Ｃは２ΔＸだけ長くなる。

つまり、左側の振動梁１２Ｃは２ΔＸだけ短くなり、右側の振動梁１３Ｃは２ΔＸだけ長くなる。従って、左右の振動梁の長さの差は４ΔＸとなるという問題がある。

従って、本発明の目的は、振動梁と同一パターンで振動梁の長さを決定し、左右の振動梁の長さに差が出来ないようにした振動式トランスデューサの振動子の製造方法を提供することにある。

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、シリコン単結晶で導電形式がｎ形の基板上に形成された薄肉のダイアフラムの上に犠牲層としてＰ拡散層を形成し、先のＰ拡散層内にＨ形の振動梁とこれを固定する固定端を有する振動子をＰ^＋＋拡散層で形成し、先のＰ拡散層を電解アルカリエッチングでエッチングして先の振動子を 形成する振動式トランスデューサの振動子の製造方法であって、長辺が先の振動梁の方向に沿って先の振動梁の外方に配置された矩形状の開口部を有する保護膜により前記開口部にエッチング液を注入し、先のＰ拡散層をエッチングして先の振動梁を形成するようにしたものである。

また、請求項２記載の発明は、請求項１に記載した振動式トランスデューサの振動子の製造方法において、先の固定端は先の振動梁に結合する（１１１）結晶面に沿う楔状の斜面を有し、先の開口部の短辺を先の斜面の内側への延長上であって先の振動梁の中心線とクロスする位置に配置するようにしたものである。

以上説明したことから明らかなように、請求項１に記載した本発明によれば、長辺が先の振動梁の方向に沿って先の振動梁の外方に配置された矩形状の開口部を有する保護膜により前記開口部にエッチング液を注入し、先のＰ拡散層をエッチングして先の振動梁を形成するようにしたので、左右の振動梁の長さを揃えることができる。

また、請求項２に記載した本発明によれば、請求項１に記載した振動式トランスデューサの振動子の製造方法において、先の固定端は先の振動梁に結合する（１１１）結晶面に沿う楔状の斜面を有し、先の開口部の短辺を先の斜面の内側への延長上であって先の振動梁の中心線とクロスする位置に配置するようにしたので、より適切に左右の振動梁の長さを揃えることができる。

これらにより、左右の振動子の固有振動数が同一になり、振動式トランスデューサの性能向上に寄与することが出来るという効果がある。そして、本発明は、振動子を製造する際に用いる２つの保護膜間の位置合わせずれ（位置ズレ）によりＨ形の振動子の左右の振動梁の長さが異なってしまうという課題を解決する。

以下本発明について図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に係る製造工程の要部の１実施例を示す構成図である。なお、図３〜図７に示す従来技術と同一の機能を有する部分には同一の符号を付して適宜にその説明を省略する。

図１（ａ）（ｂ）は、図５（ａ）に示す保護膜Ａを除去後に保護膜Ｃを形成する保護膜形成工程を示す。図１（ａ）は平面、図１（ｂ）は図１（ａ）に記載されたＡ−Ａ断面である。

第２エピタキシャル層３５Ａには、振動梁１２Ｃ、固定端１２Ａ、１２Ｂに各々対応する第１振動子層５０の振動梁層５０Ｃ、固定層５０Ａ、５０Ｂが、また振動梁１３Ｃ、固定端１３Ａ、１３Ｂに対応する第２振動子層５１の振動梁層５１Ｃ、固定層５１Ａ、固定層５１Ｂが、また第３振動子１４に対応する振動子層４５がそれぞれ形成されている。

固定層５０Ａ、５０Ｂ、固定層５１Ａ、５１Ｂの振動梁５０Ｃ、および５１Ｃ側は、楔状の斜面Ｓ５０Ａ、Ｓ５０Ｂ、およびＳ５１Ａ、Ｓ５１Ｂを介して、振動梁５０Ｃ、および５１Ｃに接続している。そして、斜面Ｓ５０Ａ、Ｓ５０Ｂ、Ｓ５１Ａ、Ｓ５１Ｂは、基板３０の結晶面（１１１）と表面が交わる斜線Ｌ８と同じ傾斜である。

そして、これらの上には、保護膜Ｃが形成され、この保護膜Ｃには、エッチング液を注入するための太線で示す長方形状の開口端ＯＳ２持つ開口部５２が形成されている。

開口端ＯＳ２の長手辺Ｌ６およびＬ７は振動梁層５０Ｃ、５１Ｃの外部に配置され、短辺Ｓ５、Ｓ６は振動梁層５０Ｃ、５１Ｃの中心線Ｙ１−Ｙ２と斜線Ｌ８と交わる交点をクロスする点に配置される。

なお、結晶面（１１１）は、図２に示すように、内部が開口された任意のマスクパターン５３に外接する長方形５４の斜線で示した面５５で形成され、基板３０の結晶面（１１１）と表面が交わる線Ｌ８は長方形５４に対応する。このマスクパターン５３の開口部にエッチング液を注入することによって内部をエッチングするが、このエッチングは結晶面（１１１）でエッチストップされる性質を持つ。

図１（ｃ）は、エッチング工程を示す。このエッチングは図２に示した結晶面（１１１）でエッチングがエッチストップされる性質を利用して行う。図６（ｅ）に示す選択エッチングと同様にして、第１エピタキシャル層３４Ａと第３エピタキシャル層３６Ａを除去して、振動梁１２Ｃ、固定端１２Ａ、１２Ｂと振動梁１３Ｃ、固定端１３Ａ、１３Ｂに対応する部分を形成する。

図１（ｄ）は、このようにして形成されたこれらに対応する振動子の構成を示す。図１（ｄ）において、従来の第１振動子１２の振動梁１２Ｃ、固定端１２Ａ、１２Ｂおよび第２振動子１３の振動梁１３Ｃ、固定端１３Ａ、１３Ｂに対応する構成は、第１振動子５６の振動梁５６Ｃ、固定端５６Ａ、５６Ｂおよび第２振動子５７の振動梁５７Ｃ、固定端５７Ａ、５７Ｂとなる。

そして、固定層５０Ａ、５０Ｂ、固定層５１Ａ、５１Ｂの振動梁５０Ｃ、５１Ｃ側の楔状の斜面Ｓ５０Ａ、Ｓ５０Ｂ、Ｓ５１Ａ、Ｓ５１Ｂに対応する構成は、第１振動子５６、第２振動子５７の斜面Ｓ５６Ａ、Ｓ５６Ｂ、Ｓ５７Ａ、Ｓ５７Ｂとなる。

つまり、固定端５６Ａ、５６Ｂおよび固定端５７Ａ、５７Ｂは、それぞれ振動梁５６Ｃ、振動梁５７Ｃ側に突出せず、固定端５６Ａ、５６Ｂおよび固定端５７Ａ、５７Ｂは振動梁５６Ｃ、振動梁５７Ｃを含まない構成となっている。その結果、振動梁５６Ｃ、振動梁５７Ｃの長さＬ９、Ｌ１０は、等しい長さになっている。

これは、図１に示す第２エピタキシャル層３４で形成される振動梁層５０Ｃ、５１Ｃ、固定層５０Ａ，５０Ｂ、５１Ａ，５１Ｂの形状をそのまま生かした形で、エッチングにより振動梁５６Ｃ、５７Ｃと固定端５６Ａ，５６Ｂ、５７Ａ，５７Ｂを形成したためである。

この後は、図４（ｆ）の従来の密封工程と同様にしてシエルが形成される。

本発明の１実施例を示す製造工程図である。 図１に示すエッチングのエッチストップを説明する説明図である。 従来の振動式トランスデューサの全体構成を示す構成図である。 図３に示す振動子の製造工程を示す工程図である。 図４に示す製造工程の一部を改良してＨ形振動子を製造する製造工程を示す工程図である。 図５に続く製造工程を示す工程図である。 図３に示す従来の振動式トランスデューサの問題点を説明する説明図である。

符号の説明

１０、３０ 基板
１２、５６ 第１振動子
１３、５７、 第２振動子
１４ 第３振動子
１５ 凹部
２１ 入力トランス
２４ 出力トランス
２７ 増幅器
３１ 保護膜
３２ 開口部
３３、４３、４４ 凹部
３４ 第１エピタキシャル層
３５ 第２エピタキシャル層
３６ 第３エピタキシャル層
３７ 第４エピタキシャル層
３８ 注入口
４１、４２、４９、５２ 開口部
４５ 振動子層
４６、５０ 第１振動子層
４６Ｃ、５０Ｃ 振動梁層
４６Ａ、４６Ｂ、５０Ａ、５０Ｂ 固定層
４８、５１ 第２振動子層
４８Ｃ、５１Ｃ 振動梁層
４８Ａ、４８Ｂ、５１Ａ、５１Ｂ 固定層
Ｓ５０Ａ、Ｓ５０Ｂ、Ｓ５１Ａ、Ｓ５１Ｂ 斜面
Ｓ５６Ａ、Ｓ５６Ｂ、Ｓ５７Ａ、Ｓ５７Ｂ 斜面
５６Ａ、５６Ｂ、５７Ａ、５７Ｂ 固定端
Ａ、Ｂ、Ｃ 保護膜
Ｌ８ 斜線
ＯＳ１、ＯＳ２ 開口端

Claims (2)

1. シリコン単結晶で導電形式がｎ形の基板上に形成された薄肉のダイアフラムの上に犠牲層としてＰ拡散層を形成し、前記Ｐ拡散層内にＨ形の振動梁とこれを固定する固定端を有する振動子をＰ^＋＋拡散層で形成し、前記Ｐ拡散層を電解アルカリエッチングでエッチングして前記振動子を形成する振動式トランスデューサの振動子の製造方法であって、
   長辺が前記振動梁の方向に沿って前記振動梁の外方に配置された矩形状の開口部を有する保護膜により前記開口部にエッチング液を注入し、前記Ｐ拡散層をエッチングして前記振動梁を形成すること特徴とする振動式トランスデューサの振動子の製造方法。
2. 前記固定端は前記振動梁に結合する（１１１）結晶面に沿う楔状の斜面を有し、前記開口部の短辺を前記斜面の内側への延長上であって前記振動梁の中心線とクロスする位置に配置することを特徴とする請求項１に記載の振動式トランスデューサの振動子の製造方法。
   
   

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