JP2023091648A - 振動デバイスの製造方法および振動デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】優れた形成精度を有する振動デバイスの製造方法および振動デバイスを提供すること。【解決手段】振動デバイスの製造方法は、第１、第２シリコン層の間に酸化シリコン層が介在するＳＯＩ基板を準備する工程と、第２シリコン層の主面であって固定電極が形成される固定電極形成領域と重なる部分に凹部を形成する工程と、凹部にエッチング耐性膜を形成する工程と、第２シリコン層の主面にシリコン基板を接合する工程と、第２シリコン層およびシリコン基板の積層体をエッチングによりパターニングし、積層体に支持部、可動電極および固定電極を形成する工程と、第１シリコン層をエッチングによりパターニングし、第１シリコン層に支持部および可動部を形成する工程と、エッチング耐性膜を除去する工程と、酸化シリコン層の一部を除去して、可動部を支持部に対して第１方向に変位可能な状態とする工程と、を含む。【選択図】図４

Description

本発明は、振動デバイスの製造方法および振動デバイスに関する。

例えば、特許文献１および特許文献２には、それぞれ、静電誘導型の振動発電素子が記載されている。これらは、共に、櫛歯状の固定電極を備えた固定電極部と、固定電極に噛み合う櫛歯状の可動電極を備えた可動部と、可動部に配置された錘と、を有する。

特開２０２０－０６５３２２号公報 米国特許出願公開第２００９／０１４０４４３号明細書

特許文献１の振動発電素子では、可動電極が可動部と平面的に配置されている。そのため、可動電極を大きくして固定電極との間の静電容量を高めようとすると可動部を小さくするか、素子全体を大きくする必要がある。可動部が小さくなると素子の感度が悪化して発電特性が低下するおそれがあり、素子全体が大きくなると素子の搭載性が悪化する。これに対して、特許文献２の振動発電素子では、可動電極が可動部に重ねて配置されている。そのため、可動部の小型化や素子全体の大型化を招くことなく、可動電極を大きくして固定電極との間の静電容量を高めることができる。

しかしながら、特許文献２の振動発電素子は、２つの基板を準備し、２つの基板をそれぞれフォトリソグラフィー技法およびエッチング技法を用いて所定パターンにパターニングした後、これら２つの基板を貼り合わせることにより製造されている。このように、パターニングを終えた基板同士を貼り合わせる製造方法では、個体毎に貼り合わせのばらつきが生じる。そのため、このばらつきを許容するためのマージンを確保しておく必要があり、可動電極と固定電極とのギャップを十分に小さくすることができない。そのため、発電効率を高めることが困難である。

本発明の振動デバイスの製造方法は、支持部と、
前記支持部に対して第１方向に変位する可動部と、
前記可動部に接続されている可動電極と、
前記支持部に接続され、前記可動電極と前記第１方向に直交する第２方向に並んで配置されている固定電極と、を有する振動デバイスの製造方法であって、
第１シリコン層と第２シリコン層との間に酸化シリコン層が介在するＳＯＩ基板を準備するＳＯＩ基板準備工程と、
前記第２シリコン層の主面であって前記固定電極が形成される固定電極形成領域と重なる部分に凹部を形成する凹部形成工程と、
前記凹部にエッチング耐性膜を形成するエッチング耐性膜形成工程と、
前記第２シリコン層の主面にシリコン基板を接合するシリコン基板接合工程と、
前記第２シリコン層および前記シリコン基板の積層体をエッチングによりパターニングし、前記積層体に前記支持部、前記可動電極および前記固定電極を形成する積層体パターニング工程と、
前記第１シリコン層をエッチングによりパターニングし、前記第１シリコン層に前記支持部および前記可動部を形成する第１シリコン層パターニング工程と、
前記エッチング耐性膜を除去するエッチング耐性膜除去工程と、
前記酸化シリコン層の一部を除去して、前記可動部を前記支持部に対して前記第１方向に変位可能な状態とする酸化シリコン層除去工程と、を含む。

本発明の振動デバイスは、第１シリコン層と第２シリコン層との間に酸化シリコン層が介在するＳＯＩ基板と前記第２シリコン層に接合されたシリコン基板とを有する基板からなり、
支持部と、
前記支持部に接続されているバネ部と、
前記バネ部を介して前記支持部に接続され、前記バネ部を弾性変形させつつ前記支持部に対して第１方向に変位する可動部と、
前記可動部に接続されている可動電極と、
前記支持部に接続され、前記可動電極と前記第１方向に直交する第２方向に並んで配置されている固定電極と、を有し、
前記ＳＯＩ基板と前記シリコン基板との積層体から前記支持部が形成され、
前記第１シリコン層から前記可動部および前記バネ部が形成され、
前記第２シリコン層と前記シリコン基板との積層体から前記可動電極が形成され、
前記シリコン基板から前記固定電極が形成されている。

好適な実施形態に係る振動発電素子の平面図である。 図１の振動発電素子から第２シリコン層を除去した状態の平面図である。 図１中のＡ－Ａ線断面図である。 振動発電素子の製造工程を示すフローチャートである。 振動発電素子の製造方法を説明するための断面図である。 振動発電素子の製造方法を説明するための断面図である。 振動発電素子の製造方法を説明するための断面図である。 振動発電素子の製造方法を説明するための断面図である。 振動発電素子の製造方法を説明するための断面図である。 振動発電素子の製造方法を説明するための断面図である。 振動発電素子の製造方法を説明するための断面図である。 振動発電素子の製造方法を説明するための断面図である。 振動発電素子の製造方法を説明するための断面図である。 振動発電素子の製造方法を説明するための断面図である。 振動発電素子の変形例を示す断面図である。

以下、本発明の振動デバイスの製造方法および振動デバイスを添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。

図１は、好適な実施形態に係る振動発電素子の平面図である。図２は、図１の振動発電素子から第２シリコン層を除去した状態の平面図である。図３は、図１中のＡ－Ａ線断面図である。図４は、振動発電素子の製造工程を示すフローチャートである。図５ないし図１４は、それぞれ、振動発電素子の製造方法を説明するための断面図である。図１５は、振動発電素子の変形例を示す断面図である。

図４を除く各図には、互いに直交する３つの軸としてＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸が図示されている。また、Ｘ軸に沿う方向すなわちＸ軸に平行な方向を「Ｘ軸方向」、Ｙ軸に沿う方向を「Ｙ軸方向」、Ｚ軸に沿う方向を「Ｚ軸方向」とも言う。また、各軸の矢印先端側を「プラス側」とも言い、反対側を「マイナス側」とも言う。また、Ｚ軸方向プラス側を「上」とも言い、Ｚ軸方向マイナス側を「下」とも言う。

図１ないし図３に示す振動デバイスとしての振動発電素子１は、静電誘導型の振動発電素子であり、外力によって駆動して発電する。このような振動発電素子１は、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板２とシリコン基板９との積層体である基板１００を半導体プロセスによってパターニングすることにより製造されている。ＳＯＩ基板２は、下側に位置する第１シリコン層２Ａと上側に位置する第２シリコン層２Ｃとの間に酸化シリコン層２Ｂを挿入してなる基板であり、第２シリコン層２Ｃの上面にシリコン基板９が接合されている。

振動発電素子１は、支持部３と、支持部３に接続されているバネ部４と、バネ部４を介して支持部３に接続され、バネ部４を弾性変形させつつ支持部３に対して第１方向であるＸ軸方向に変位する可動部５と、可動部５に接続されている可動電極６と、支持部３に接続されている固定電極としての第１、第２固定電極７、８と、を有する。このような構成の振動発電素子１では、Ｘ軸方向の外力を受けると可動部５がバネ部４を弾性変形させつつＸ軸方向に振動し、この振動によって可動電極６と第１、第２固定電極７、８との間の容量が変化することにより発電が行われる。

≪支持部３≫
支持部３は、ＳＯＩ基板２とシリコン基板９との積層体から形成されており、Ｚ軸方向からの平面視で枠状をなしている。そして、この支持部３の内側にその他の各部が配置されている。支持部３の積層体１０は、第１固定電極７が接続された第１固定電極接続領域３１と、第２固定電極８が接続された第２固定電極接続領域３２とに分割されており、互いに絶縁されている。また、第１固定電極接続領域３１には、第１固定電極７と電気的に接続された端子Ｔ１が配置されており、第２固定電極接続領域３２には、第２固定電極８と電気的に接続された端子Ｔ２が配置されている。

≪可動部５≫
可動部５は、第１シリコン層２Ａから形成されており、Ｚ軸方向からの平面視で、振動発電素子１の中央部に位置している。

≪バネ部４≫
バネ部４は、第１シリコン層２Ａから形成されている。このように、バネ部４を可動部５と同じ第１シリコン層２Ａから形成することにより、可動部５の重心近くにバネ部４を配置することができ、可動部５の不要な変位を抑制することができる。また、バネ部４は、それぞれＸ軸方向に弾性変形する第１バネ部４１および第２バネ部４２を有する。第１バネ部４１は、可動部５のＸ軸方向プラス側に位置しており、可動部５のＸ軸方向プラス側の端部と支持部３とを接続している。一方、第２バネ部４２は、可動部５のＸ軸方向マイナス側に位置しており、可動部５のＸ軸方向マイナス側の端部と支持部３とを接続している。このように、第１、第２バネ部４１、４２で可動部５をＸ軸方向の両側から支持することにより、可動部５をＸ軸方向に安定して振動させることができる。

≪可動電極６≫
可動電極６は、第２シリコン層２Ｃとシリコン基板９との積層体１０から形成されている。また、可動電極６は、Ｚ軸方向からの平面視で、可動部５と重なっている。可動電極６を可動部５に重ねて配置することにより、振動発電素子１の平面寸法を大きくすることなく、可動部５を大きくし、その質量を高めることができる。そのため、振動発電素子１の感度が向上し、低い周波数帯でも効率的に可動部５を振動させることができる。さらには、可動部５の大きさに関係なく可動電極６および第１、第２固定電極７、８を広範囲にわたって形成することができ、可動電極６と第１、第２固定電極７、８との間の容量を大きくすることができる。そのため、振動発電素子１の発電量を高めることができる。

また、可動電極６は、酸化シリコン層２Ｂを介して可動部５に接合された層状の基部６０と、基部６０から上側へ突出する複数の可動電極指６１と、を有する。このような構成によれば、基部６０を介して全ての可動電極指６１を電気的に接続することができる。複数の可動電極指６１は、行列状に配置され、それぞれ、Ｘ軸方向に延在している。図示の構成では、複数の可動電極指６１がＹ軸方向に沿って櫛歯状に整列してなる列が、Ｘ軸方向に３つ並んでいる。以下では、説明の便宜上、これら３つの列のうちＸ軸方向プラス側の列を可動電極指群６１Ａとも言い、中央の列を可動電極指群６１Ｂとも言い、Ｘ軸方向マイナス側の列を可動電極指群６１Ｃとも言う。ただし、可動電極指６１の数や配置は、特に限定されない。

また、可動電極６には、エレクトレット膜ＥＬが形成されている。

≪第１、第２固定電極７、８≫
第１固定電極７および第２固定電極８は、それぞれ、シリコン基板９から形成されている。また、第１固定電極７および第２固定電極８は、それぞれ、Ｚ軸方向からの平面視で、可動部５と重なっている。また、第１、第２固定電極７、８と可動電極６の基部６０との間には隙間が形成されており、これらが絶縁されている。

第１固定電極７は、Ｘ軸方向に延在し、可動電極指６１とＹ軸方向に並んで配置された複数の第１固定電極指７１を有する。具体的には、第１固定電極７は、可動電極指群６１Ａに対してＸ軸方向プラス側から噛み合う複数の第１固定電極指７１を備えた櫛歯状の第１固定電極指群７１Ａと、可動電極指群６１Ｂに対してＸ軸方向プラス側から噛み合う複数の第１固定電極指７１を備えた櫛歯状の第１固定電極指群７１Ｂと、可動電極指群６１Ｃに対してＸ軸方向プラス側から噛み合う複数の第１固定電極指７１を備えた櫛歯状の第１固定電極指群７１Ｃと、を有する。可動電極指６１と第１固定電極指７１とは、静止状態（中立状態）においてＸ軸方向に所定の噛合長をもって、かつ、Ｙ軸方向に隙間Ｇを介して配置されている。

第２固定電極８は、Ｘ軸方向に延在し、可動電極指６１とＹ軸方向に並んで配置された複数の第２固定電極指８１を有する。具体的には、第２固定電極８は、可動電極指群６１Ａに対してＸ軸方向マイナス側から噛み合う複数の第２固定電極指８１を備えた櫛歯状の第２固定電極指群８１Ａと、可動電極指群６１Ｂに対してＸ軸方向マイナス側から噛み合う複数の第２固定電極指８１を備えた櫛歯状の第２固定電極指群８１Ｂと、可動電極指群６１Ｃに対してＸ軸方向マイナス側から噛み合う複数の第２固定電極指８１を備えた櫛歯状の第２固定電極指群８１Ｃと、を有する。可動電極指６１と第２固定電極指８１とは、静止状態（中立状態）においてＸ軸方向に所定の噛合長をもって、かつ、Ｙ軸方向に隙間Ｇを介して配置されている。

以上、振動発電素子１の構成について簡単に説明した。このような構成の振動発電素子１では、Ｘ軸方向の力が加わると、第１、第２バネ部４１、４２を弾性変形させつつ可動部５がＸ軸方向に振動する。そして、可動部５の振動によって可動電極指６１と第１、第２固定電極指７１、８１との噛合長が逆相で変化して発電が行われる。なお、本実施形態では、可動電極６にエレクトレット膜ＥＬが形成されているが、これに限定されず、第１、第２固定電極７、８に形成してもよいし、可動電極６と第１、第２固定電極７、８の両方に形成してもよい。

このような振動発電素子１では、前述したように、第１シリコン層２Ａから可動部５が形成され、積層体１０から可動電極６および第１、第２固定電極７、８が形成されている。そのため、可動部５とこれら各電極６、７、８とをＺ軸方向に重ねて配置することができる。したがって、振動発電素子１の平面寸法を大きくすることなく、可動部５と各電極６、７、８とを共に大きく形成することができる。可動部５を大きくすることにより、振動発電素子１の感度が向上し、低い周波数帯でも効率的に可動部５を振動させることができる。さらには、各電極６、７、８を大きくすることにより、可動電極６と第１、第２固定電極７、８との間の容量を大きくすることができる。そのため、小型で優れた発電特性を有する振動発電素子１となる。

特に、振動発電素子１は、１枚の基板１００をパターニングすることにより形成されているため寸法精度に優れ、上述した特許文献２のように２枚の基板の貼り付けバラツキを考慮しなければならない方法と比べて、可動電極指６１と第１、第２固定電極指７１、８１との隙間Ｇをより小さくすることができる。そのため、可動電極６と第１、第２固定電極７、８との間の容量をより大きくすることができる。したがって、発電特性がより向上する。

次に、振動発電素子１の製造方法について説明する。振動発電素子１の製造方法は、図４に示すように、ＳＯＩ基板２を準備するＳＯＩ基板準備工程Ｓ１と、第２シリコン層２Ｃの上面に凹部２１を形成する凹部形成工程Ｓ２と、凹部にエッチング耐性膜ＥＳを形成するエッチング耐性膜形成工程Ｓ３と、第２シリコン層２Ｃの上面にシリコン基板９を接合するシリコン基板接合工程Ｓ４と、第２シリコン層２Ｃおよびシリコン基板９の積層体をエッチングによりパターニングする積層体パターニング工程Ｓ５と、第１シリコン層２Ａをエッチングによりパターニングする第１シリコン層パターニング工程Ｓ６と、エッチング耐性膜ＥＳを除去するエッチング耐性膜除去工程Ｓ７と、酸化シリコン層２Ｂの一部を除去する酸化シリコン層除去工程Ｓ８と、を含む。

≪ＳＯＩ基板準備工程Ｓ１≫
まず、図５に示すように、ＳＯＩ基板２を準備する。前述したように、ＳＯＩ基板２は、第１シリコン層２Ａと第２シリコン層２Ｃとの間に酸化シリコン層２Ｂを挿入してなる基板である。なお、各層２Ａ、２Ｂ、２Ｃの厚さとしては、それぞれ、特に限定されないが、例えば、第１シリコン層２Ａが３００μｍ程度であり、酸化シリコン層２Ｂが１０μｍ程度であり、第２シリコン層２Ｃが２０μｍ程度である。

≪凹部形成工程Ｓ２≫
次に、図６に示すように、第２シリコン層２Ｃの上面に凹部２１を形成する。凹部２１は、第１、第２固定電極７、８が形成される固定電極形成領域Ｑ７、Ｑ８と重なるように形成される。また、凹部２１は、第２シリコン層２Ｃを貫通しない有底の凹部である。なお、凹部２１の形成方法は、特に限定されないが、例えば、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用いることができる。また、凹部２１の厚さは、例えば、１０μｍ程度である。

≪エッチング耐性膜形成工程Ｓ３≫
本工程Ｓ３は、第２シリコン層２Ｃの上面にエッチング耐性膜ＥＳを成膜する成膜工程Ｓ３１と、凹部２１に充填されている部分を残してエッチング耐性膜ＥＳを除去し、第２シリコン層２Ｃの上面を露出させる除去工程Ｓ３２と、を含む。

－成膜工程Ｓ３１－
まず、図７に示すように、第２シリコン層２Ｃの上面にエッチング耐性膜ＥＳを形成する。エッチング耐性膜ＥＳとしては、後述する積層体パターニング工程Ｓ５でのエッチングに対して十分な耐性を有していれば特に限定されず、本実施形態では、酸化シリコン膜を用いている。エッチング耐性膜ＥＳ（酸化シリコン膜）の成膜方法としては、特に限定されず、例えば、熱酸化、ＣＶＤ等を用いることができる。

－除去工程Ｓ３２－
次に、図８に示すように、凹部２１に充填されている部分を残してエッチング耐性膜ＥＳを除去し、第２シリコン層２Ｃの上面を露出させる。酸化シリコン層２Ｂの除去方法としては、特に限定されず、例えば、ＣＭＰ（化学機械研磨）を用いることができる。なお、図示の構成では、凹部２１内のエッチング耐性膜ＥＳがわずかに除去されて凹没した形状となっている。これにより、次のシリコン基板接合工程Ｓ４において、第２シリコン層２Ｃとシリコン基板９とを凹部２１内のエッチング耐性膜ＥＳに阻害されることなく、強固に接合することができる。ただし、凹部２１内のエッチング耐性膜ＥＳの形状は、特に限定されず、例えば、第２シリコン層２Ｃの上面と面一であってもよい。

以上のような工程によれば、エッチング耐性膜ＥＳを凹部２１内に容易に形成することができる。ただし、エッチング耐性膜ＥＳの形成方法としては、特に限定されない。

≪シリコン基板接合工程Ｓ４≫
次に、図９に示すように、酸化シリコン層２Ｃの上面にシリコン基板９を接合する。これにより、基板１００が得られる。接合方法としては、特に限定されず、例えば、表面活性化接合を用いることができる。なおい、シリコン基板９の厚さとしては、特に限定されないが、例えば、３００μｍ程度である。

≪積層体パターニング工程Ｓ５≫
次に、図１０に示すように、第２シリコン層２Ｃとシリコン基板９との積層体１０を上面側からエッチングし、積層体１０を貫通する貫通孔を形成することにより、積層体１０に、支持部３と、可動電極６と、第１、第２固定電極７、８とを形成する。この際、酸化シリコン層２Ｂおよびエッチング耐性膜ＥＳがエッチングストップ層として機能する。エッチングには、例えば、ドライエッチング、特にＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用いることができる。ドライエッチングを用いることにより、高アスペクト比の貫通孔を精度よく形成することができるため、隙間Ｇをより小さく設計することができる。そのため、優れた発電特性を有する振動発電素子１を製造することができる。ただし、エッチング方法は、特に限定されず、例えば、ウェットエッチングであってもよい。

≪第１シリコン層パターニング工程Ｓ６≫
次に、図１１に示すように、第１シリコン層２Ａを下面側からエッチングし、第１シリコン層２Ａを貫通する貫通孔を形成することにより、第１シリコン層２Ａに、支持部３と、バネ部４と、可動部５とを形成する（ただし、バネ部４は、図１１に不図示。）。なお、この際、酸化シリコン層２Ｂがエッチングストップ層として機能する。エッチングには、例えば、ドライエッチング、特にＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用いることができる。ドライエッチングを用いることにより、高アスペクト比の貫通孔を精度よく形成することができる。ただし、エッチング方法は、特に限定されず、例えば、ウェットエッチングであってもよい。

≪エッチング耐性膜除去工程Ｓ７≫
次に、図１２に示すように、凹部２１内のエッチング耐性膜ＥＳを除去する。これにより、第１、第２固定電極７、８の下方に隙間が形成され、第１、第２固定電極７、８と可動電極６との接触が抑制される。なお、エッチング耐性膜ＥＳの除去方法としては、特に限定さないが、例えば、フッ酸系のエッチング液を用いることができる。

≪酸化シリコン層除去工程Ｓ８≫
次に、図１３に示すように、酸化シリコン層２Ｂの一部を除去して、可動部５およびバネ部４を支持部３に対して可動可能な状態とする。可動部５およびバネ部４を支持部３に対して可動可能な状態とすることができれば、酸化シリコン層２Ｂの除去部分は、特に限定されない。

≪エレクトレット膜形成工程Ｓ９≫
次に、図１４に示すように、可動電極６にエレクトレット膜ＥＬを形成すると共に端子Ｔ１、Ｔ２を形成する（ただし、端子Ｔ１、Ｔ２は、図１４に不図示。）。なお、エレクトレット膜ＥＬの形成方法は、特に限定されず、公知の方法を用いることができる。例えば、熱酸化により積層体１０の表面に酸化シリコン膜を成膜し、次に、この酸化シリコン膜にカリウムイオン等のアルカリ金属イオンをドープし、その後、電界印加して帯電させる方法がある。

以上により、振動発電素子１が得られる。ただし、振動発電素子１の製造方法としては、特に限定されず、例えば、積層体パターニング工程Ｓ５と第１シリコン層パターニング工程Ｓ６の順序を入れ替えてもよい。つまり、第１シリコン層パターニング工程Ｓ６の後に積層体パターニング工程Ｓ５を行ってもよい。また、上面側からのエッチングと下面側からのエッチングとが同時にできる場合には、これらの工程を同時に行ってもよい。同様に、エッチング耐性膜除去工程Ｓ７と酸化シリコン層除去工程Ｓ８の順序を入れ替えてもよい。つまり、酸化シリコン層除去工程Ｓ８の後にエッチング耐性膜除去工程Ｓ７を行ってもよい。また、本実施形態のように材料が同じ等、酸化シリコン層２Ｂとエッチング耐性膜ＥＳとを同時に除去可能な場合は、これらの工程を同時に行ってもよい。

このような製造方法では、第１シリコン層２Ａから可動部５を形成し、積層体１０から可動電極６および第１、第２固定電極７、８を形成する。そのため、可動部５と各電極６、７、８とをＺ軸方向に重ねて配置することができる。したがって、振動発電素子１の平面寸法を大きくすることなく、可動部５と各電極６、７、８とを共に大きく形成することができる。可動部５を大きくすることにより、振動発電素子１の感度が向上し、低い周波数帯でも効率的に可動部５を振動させることができる。さらには、各電極６、７、８を大きくすることにより、可動電極６と第１、第２固定電極７、８との間の容量を大きくすることができる。そのため、小型で優れた発電特性を有する振動発電素子１を製造することができる。

特に、振動発電素子１は、ＳＯＩ基板２とシリコン基板９とを接合してなる１枚の基板１００をパターニングすることにより形成されているため寸法精度に優れ、上述した特許文献２のように２枚の基板の貼り付けバラツキを考慮しなければならない方法と比べて、可動電極指６１と第１、第２固定電極指７１、８１との隙間Ｇをより小さくすることができる。そのため、可動電極６と第１、第２固定電極７、８との間の容量をより大きくすることができる。したがって、より優れた発電特性を有する振動発電素子１を製造することができる。

以上、振動発電素子１および振動発電素子１の製造方法について説明した。振動発電素子１の製造方法は、支持部３と、支持部３に対して第１方向であるＸ軸方向に変位する可動部５と、可動部５に接続されている可動電極６と、支持部３に接続され、可動電極６とＸ軸方向に直交する第２方向であるＹ軸方向に並んで配置されている固定電極としての第１、第２固定電極７、８と、を有する振動デバイスとしての振動発電素子１の製造方法であって、第１シリコン層２Ａと第２シリコン層２Ｃとの間に酸化シリコン層２Ｂが介在するＳＯＩ基板２を準備するＳＯＩ基板準備工程Ｓ１と、第２シリコン層２Ｃの主面である上面であって第１、第２固定電極７、８が形成される固定電極形成領域Ｑ７、Ｑ８と重なる部分に凹部２１を形成する凹部形成工程Ｓ２と、凹部２１にエッチング耐性膜ＥＳを形成するエッチング耐性膜形成工程Ｓ３と、第２シリコン層２Ｃの上面にシリコン基板９を接合するシリコン基板接合工程Ｓ４と、第２シリコン層２Ｃおよびシリコン基板９の積層体１０をエッチングによりパターニングし、積層体１０に支持部３、可動電極６および第１、第２固定電極７、８を形成する積層体パターニング工程Ｓ５と、第１シリコン層２Ａをエッチングによりパターニングし、第１シリコン層２Ａに支持部３および可動部５を形成する第１シリコン層パターニング工程Ｓ６と、エッチング耐性膜ＥＳを除去するエッチング耐性膜除去工程Ｓ７と、酸化シリコン層２Ｂの一部を除去して、可動部５を支持部３に対してＸ軸方向に変位可能な状態とする酸化シリコン層除去工程Ｓ８と、を含む。

このような製造方法では、第１シリコン層２Ａから可動部５を形成し、その上側に位置する積層体１０から可動電極６および第１、第２固定電極７、８を形成する。そのため、可動部５と各電極６、７、８とをＺ軸方向に重ねて配置することができる。したがって、振動発電素子１の平面寸法を大きくすることなく、可動部５と各電極６、７、８とを共に大きく形成することができる。その結果、小型で優れた発電特性を有する振動発電素子１を製造することができる。

特に、振動発電素子１は、ＳＯＩ基板２とシリコン基板９とを接合してなる１枚の基板１００をパターニングすることにより形成されているため寸法精度に優れ、上述した特許文献２のように２枚の基板の貼り付けバラツキを考慮しなければならない方法と比べて、可動電極指６１と第１、第２固定電極指７１、８１との隙間Ｇをより小さくすることができる。そのため、可動電極６と第１、第２固定電極７、８との間の容量をより大きくすることができる。したがって、より優れた発電特性を有する振動発電素子１を製造することができる。

また、前述したように、積層体パターニング工程Ｓ５および第１シリコン層パターニング工程Ｓ６では、それぞれ、エッチングとしてドライエッチングを用いる。そのため、積層体１０および第１シリコン層２Ａを高精度にパターニングすることができる。また、高アスペクト比の孔を形成することができるため、隙間Ｇをより小さくすることができ、より優れた発電特性を有する振動発電素子１を製造することができる。

また、前述したように、振動発電素子１の製造方法は、酸化シリコン層除去工程Ｓ８の後に行われ、可動電極６および第１、第２固定電極７、８の少なくとも一方にエレクトレット膜ＥＬを形成するエレクトレット膜形成工程Ｓ９を含む。これにより、可動部５のＸ軸方向への振動により発電が行われる振動発電素子１となる。

また、前述したように、エッチング耐性膜形成工程Ｓ３は、第２シリコン層２Ｃの上面にエッチング耐性膜ＥＳを成膜する成膜工程Ｓ３１と、凹部２１に充填されている部分を残してエッチング耐性膜ＥＳを除去し、第２シリコン層２Ｃの上面を露出させる除去工程Ｓ３２と、を含む。このような方法によれば、エッチング耐性膜ＥＳを容易に形成することができる。

また、前述したように、振動発電素子１は、Ｘ軸方向に弾性変形し、支持部３と可動部５とを接続しているバネ部４を有する。また、バネ部４は、第１シリコン層パターニング工程Ｓ６において、支持部３および可動部５と共に第１シリコン層２Ａに形成される。このように、第１シリコン層２Ａからバネ部４を形成することにより、可動部５の重心近くにバネ部４を配置することができ、可動部５の不要な変位を抑制することができる。

また、前述したように、振動発電素子１は、第１シリコン層２Ａと第２シリコン層２Ｃとの間に酸化シリコン層２Ｂが介在するＳＯＩ基板２と第２シリコン層２Ｃに接合されたシリコン基板９とを有する基板１００からなり、支持部３と、支持部３に接続されているバネ部４と、バネ部４を介して支持部３に接続され、バネ部４を弾性変形させつつ支持部３に対して第１方向であるＸ軸方向に変位する可動部５と、可動部５に接続されている可動電極６と、支持部３に接続され、可動電極６とＸ軸方向に直交する第２方向であるＹ軸方向に並んで配置されている固定電極としての第１、第２固定電極７、８と、を有する。そして、ＳＯＩ基板２とシリコン基板９との積層体から支持部３が形成され、第１シリコン層２Ａから可動部５およびバネ部４が形成され、第２シリコン層２Ｃとシリコン基板９との積層体１０から可動電極６が形成され、シリコン基板９から第１、第２固定電極７、８が形成されている。

このような構成では、第１シリコン層２Ａから可動部５が形成され、その上側に位置する積層体１０から可動電極６および第１、第２固定電極７、８が形成されている。そのため、可動部５と各電極６、７、８とをＺ軸方向に重ねて配置することができる。したがって、振動発電素子１の平面寸法を大きくすることなく、可動部５と各電極６、７、８とを共に大きく形成することができる。その結果、小型で優れた発電特性を有する振動発電素子１となる。

特に、振動発電素子１は、１枚の基板１００をパターニングすることにより形成されているため寸法精度に優れ、上述した特許文献２のように２枚の基板の貼り付けバラツキを考慮しなければならない方法と比べて、可動電極指６１と第１、第２固定電極指７１、８１との隙間Ｇをより小さくすることができる。そのため、可動電極６と第１、第２固定電極７、８との間の容量をより大きくすることができる。したがって、発電特性がより向上する。

以上、本発明の振動デバイスの製造方法および振動デバイスを図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、前述した実施形態では、振動デバイスを発電振動素子に応用した例を説明したが、振動デバイスとしては、これに限定されない。例えば、可動電極６と第１、第２固定電極７、８との容量変化に基づいて加速度や角速度を検出する慣性センサーに適用してもよい。

また、例えば、図１５に示すように、可動部５の下面に錘Ｍを配置してもよい。これにより、可動部５の質量がさらに増大し、振動発電素子１の感度がより向上する。特に、振動発電素子１によれば、可動部５の面積を大きく確保することができるため、その分、より大きな錘Ｍを配置することができる。そのため、上述の効果がより向上する。

１…振動発電素子、１０…積層体、１００…基板、２…ＳＯＩ基板、２Ａ…第１シリコン層、２Ｂ…酸化シリコン層、２Ｃ…第２シリコン層、２１…凹部、３…支持部、３１…第１固定電極接続領域、３２…第２固定電極接続領域、４…バネ部、４１…第１バネ部、４２…第２バネ部、５…可動部、６…可動電極、６０…基部、６１…可動電極指、６１Ａ…可動電極指群、６１Ｂ…可動電極指群、６１Ｃ…可動電極指群、７…第１固定電極、７１…第１固定電極指、７１Ａ…第１固定電極指群、７１Ｂ…第１固定電極指群、７１Ｃ…第１固定電極指群、８…第２固定電極、８１…第２固定電極指、８１Ａ…第２固定電極指群、８１Ｂ…第２固定電極指群、８１Ｃ…第２固定電極指群、９…シリコン基板、ＥＬ…エレクトレット膜、ＥＳ…エッチング耐性膜、Ｇ…隙間、Ｍ…錘、Ｑ７…固定電極形成領域、Ｑ８…固定電極形成領域、Ｓ１…ＳＯＩ基板準備工程、Ｓ２…凹部形成工程、Ｓ３…エッチング耐性膜形成工程、Ｓ３１…成膜工程、Ｓ３２…除去工程、Ｓ４…シリコン基板接合工程、Ｓ５…積層体パターニング工程、Ｓ６…第１シリコン層パターニング工程、Ｓ７…エッチング耐性膜除去工程、Ｓ８…酸化シリコン層除去工程、Ｓ９…エレクトレット膜形成工程、Ｔ１…端子、Ｔ２…端子

Claims (6)

1. 支持部と、
   前記支持部に対して第１方向に変位する可動部と、
   前記可動部に接続されている可動電極と、
   前記支持部に接続され、前記可動電極と前記第１方向に直交する第２方向に並んで配置されている固定電極と、を有する振動デバイスの製造方法であって、
   第１シリコン層と第２シリコン層との間に酸化シリコン層が介在するＳＯＩ基板を準備するＳＯＩ基板準備工程と、
   前記第２シリコン層の主面であって前記固定電極が形成される固定電極形成領域と重なる部分に凹部を形成する凹部形成工程と、
   前記凹部にエッチング耐性膜を形成するエッチング耐性膜形成工程と、
   前記第２シリコン層の主面にシリコン基板を接合するシリコン基板接合工程と、
   前記第２シリコン層および前記シリコン基板の積層体をエッチングによりパターニングし、前記積層体に前記支持部、前記可動電極および前記固定電極を形成する積層体パターニング工程と、
   前記第１シリコン層をエッチングによりパターニングし、前記第１シリコン層に前記支持部および前記可動部を形成する第１シリコン層パターニング工程と、
   前記エッチング耐性膜を除去するエッチング耐性膜除去工程と、
   前記酸化シリコン層の一部を除去して、前記可動部を前記支持部に対して前記第１方向に変位可能な状態とする酸化シリコン層除去工程と、を含むことを特徴とする振動デバイスの製造方法。
2. 前記積層体パターニング工程および前記第１シリコン層パターニング工程では、それぞれ、前記エッチングとしてドライエッチングを用いる請求項１に記載の振動デバイスの製造方法。
3. 前記酸化シリコン層除去工程の後に行われ、前記可動電極および前記固定電極の少なくとも一方にエレクトレット膜を形成するエレクトレット膜形成工程を含む請求項１または２に記載の振動デバイスの製造方法。
4. 前記エッチング耐性膜形成工程は、前記第２シリコン層の前記主面に前記エッチング耐性膜を成膜する成膜工程と、
   前記凹部に充填されている部分を残して前記エッチング耐性膜を除去し、前記主面を露出させる除去工程と、を含む請求項１ないし３のいずれか１項に記載の振動デバイスの製造方法。
5. 前記振動デバイスは、前記第１方向に弾性変形し、前記支持部と前記可動部とを接続しているバネ部を有し、
   前記バネ部は、第１シリコン層パターニング工程において、前記支持部および前記可動部と共に前記第１シリコン層に形成される請求項１ないし４のいずれか１項に記載の振動デバイスの製造方法。
6. 第１シリコン層と第２シリコン層との間に酸化シリコン層が介在するＳＯＩ基板と前記第２シリコン層に接合されたシリコン基板とを有する基板からなり、
   支持部と、
   前記支持部に接続されているバネ部と、
   前記バネ部を介して前記支持部に接続され、前記バネ部を弾性変形させつつ前記支持部に対して第１方向に変位する可動部と、
   前記可動部に接続されている可動電極と、
   前記支持部に接続され、前記可動電極と前記第１方向に直交する第２方向に並んで配置されている固定電極と、を有し、
   前記ＳＯＩ基板と前記シリコン基板との積層体から前記支持部が形成され、
   前記第１シリコン層から前記可動部および前記バネ部が形成され、
   前記第２シリコン層と前記シリコン基板との積層体から前記可動電極が形成され、
   前記シリコン基板から前記固定電極が形成されていることを特徴とする振動デバイス。

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