JP5495363B2 - エレクトレットコンデンサの製造方法及びその製造装置 - Google Patents
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Description
まず、本発明に係る半導体ECMが備えるエレクトレットコンデンサを製造する製造装置の第1実施形態における構成について説明する。
半導体ECM110は、半導体製造技術によって形成される。この技術は公知であるので説明を省略するが、背面板113の面上に、200nm程度の厚さのシリコン窒化膜116と、1000nm程度の厚さのシリコン酸化膜115とを形成する。
筐体内において、半導体ECM110を保持装置(図示省略)に取り付けて固定し、電極118と119との間に直流電源102を接続する。直流電圧Vbの極性(正か負)及び大きさは、所望のエレクトレットの電位に応じて設定できる。本実施形態では、シリコン酸化膜115を負に帯電させるため、電極118に負電圧、電極119にアース電位を印加するよう直流電源102を接続する。なお、直流電圧Vbは、振動膜112と背面板113とが静電引力により吸着する電圧以下に設定する必要がある。また、電極118にアース電位、電極119に正電圧を印加するよう直流電源102を接続してもよい。
直流電源102により振動膜112と背面板113との間に直流電圧Vbを印加して両電極間の空隙121に電界122を発生させる。この状態で、電離放射線照射装置101により軟X線(例えばエネルギー3keV〜9.5keV)を振動膜112側から照射する。軟X線が空気中に照射されると空気中の各成分(酸素、窒素、二酸化炭素等)が電離し、正イオン及び負イオンが生成される。空隙121では、振動膜112を透過した軟X線により生成されたイオンのうち負イオンが電界122の作用により背面板113側に付着し、シリコン酸化膜115に負電荷が注入される。シリコン酸化膜115が負に帯電するにつれて電界122が弱まり、最終的にシリコン酸化膜115は、直流電圧Vb以下のある電位(最大で直流電圧Vbに等しい電位)を有するエレクトレットとなる。
前述の第1実施形態では、1つの半導体ECM110に対してエレクトレットを製造する例を挙げた。以下、第1実施形態の他の態様として、シリコン基板上に一括して形成した複数の半導体ECM110に対してエレクトレットを製造する例を示す。
振動膜112と背面板113との間に直流電圧Vbを印加して各半導体ECM110の空隙121に電界122を発生させる。この状態で、電離放射線照射装置101により軟X線を振動膜112側から照射する。軟X線が空気中に照射されると空気中の各成分が電離し、正イオン及び負イオンが生成される。空隙121では、振動膜112を透過した軟X線により生成されたイオンのうち負イオンが電界122により背面板113側に付着し、シリコン酸化膜115に負電荷が注入される。その結果、負に帯電したエレクトレットが得られる。
電荷を注入した後に、各半導体ECM110を区切る領域でシリコンウエハ130を分割し、個々の半導体ECM110を得る。ここでシリコンウエハ130を分割する方法としては、レーザーを用いたダイシング法など、水を用いない分割方法が、エレクトレットの電荷を放電させないために好ましい。また、エレクトレットはコンデンサの内側にあるため、ダイシング工程中のハンドリングで、この電荷が放電する問題はない。
次に、本発明に係る半導体ECMのエレクトレットを製造する製造方法の第2実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態における誘電体帯電工程の時間短縮化に関する。
この実験1は、グリッド電極23の電位を−50Vとして、サンプル10に軟X線を照射する実験である。具体的には、軟X線をサンプル10に30秒間照射し、アルゴンガスと空気との混合割合が、サンプル10の表面電位にどの程度影響を及ぼすかについて調べた実験である。その結果を図9に示す。
この実験2は、グリッド電極23の電位を+50Vとして、実験1と同様に、サンプル10に軟X線を照射する実験である。
まず、シリコン酸化膜115が帯電していない半導体ECM110を、台座204の段差部にセットする。その際、台座204の上下に設けた電極205及び206に、それぞれ、電極118及び119を電気的に接続する。
続いて、筐体の上部室201にヘリウムガスを図示しない注入口から注入する。また、筐体の下部室202に、アルゴンガスを空気に添加した混合ガスを図示しない注入口から注入する。
次に、電離放射線照射装置101から半導体ECM110に向けて軟X線を照射する。照射した軟X線は、電極118を含む振動膜112を透過する。ここで、シリコン製の振動膜112の膜厚を2000nmとすると、例えばエネルギーが6.5keVの軟X線の透過率は、およそ95%である。振動膜112を透過した軟X線は、振動膜112と背面板113との間の混合ガスをイオン化する。
前述の説明では、誘電体としてのシリコン酸化膜115を負に帯電させる場合について説明した。以下、第2実施形態の他の態様として、シリコン酸化膜115を正に帯電させる場合について説明する。この態様では、下部室202の雰囲気が前述の構成と異なっており、その他の構成は同様である。したがって、前述の説明と重複する説明は省略する。
まず、本態様のエレクトレットの製造装置における下部室202に、空気にアルゴンを50%以上、好ましくは99%以上添加した混合ガスを満たす。なお、下部室202をアルゴンガス100%とする構成であってもよい。
次に、直流電源207によって、電極118及び119に電圧を印加する。ここで、シリコン酸化膜115を正に帯電させる場合、電極119(背面板113側電極)が電極118(振動膜112側電極)に対して負の電位になるよう、直流電源207の極性を設定する。この状態で電離放射線の照射を行うと、振動膜112と背面板113との間で、空気中の酸素等が電離してイオンが生成されるだけでなく、アルゴンが電離放射線を吸収して正イオン化し、その際に放出された電子が、空気中の酸素等に作用してイオン数が増加する。この際、負イオンは振動膜112側に、アルゴンイオンを含む正イオンは背面板113側に引き寄せられ、背面板113に設けたシリコン酸化膜115は正に帯電される。
次に、本発明に係るエレクトレットの製造装置の第3実施形態について図12に基づき説明する。なお、第1実施形態と同様な構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
容器本体311内部に設けたれたプローブ314に、半導体ECM110の電極119を押し当てた状態で、絶縁体313を介して容器本体311に蓋312を取り付ける。また、容器本体311と蓋312との間に直流電源301を接続する。本実施形態では、シリコン酸化膜115を負に帯電させるため、蓋312に負電圧を印加するよう直流電源301の極性を設定する。
静電容量測定器302により、半導体ECM110の電極118と119との間の初期値の静電容量C0を測定する。この静電容量C0は、直流電圧の印加はなく、軟X線の照射もない状態でのものである。測定で得た静電容量C0のデータは、静電容量測定器302のメモリに記憶される。
直流電源301により、振動膜112と背面板113との間に直流電圧を印加し、半導体ECM110の空隙121に電界122を発生させる。
以上の説明では、1つの半導体ECM110に対してエレクトレットを製造する例を挙げた。以下、第3実施形態の他の態様として、シリコン基板上に一括して形成した複数の半導体ECM110に対してエレクトレットを製造する例を示す。
次に、本発明に係るエレクトレットの製造装置の第4実施形態について図16に基づき説明する。なお、第1実施形態と同様な構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
はじめに、直流電圧を印加せず、軟X線も照射しない状態で、バルブ404を開き、排気ポンプ403により、密閉容器310内の空気を排気する。このとき、密閉容器310内が減圧されるため、振動膜112が背面板113に密着することがあるが問題はない。
次に、ガスボンベ401からガス圧調整器402を介して、密閉容器310内に所望の圧力で例えばアルゴンガスを満たす。その結果、背面板113に吸着されていた振動膜112は背面板113から離れる。アルゴンガスは、音孔117や空隙121の側面から空隙121内に入り、振動膜112と背面板113との間はアルゴンガスで満たされる。その後、バルブ404を閉じることで密閉容器310内の初期の圧力が定まる。
その後、第3実施形態で説明したようにシリコン酸化膜115に電荷を注入することにより、エレクトレットを製造する。
次に、本発明に係るエレクトレットの製造装置の第5実施形態について図17に基づき説明する。なお、第1実施形態と同様な構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
半導体ECM110の電極118と119との間に、直流電源102の直流電圧V0と交流電源501の交流電圧vとを重畳した電圧を印加する。この重畳した電圧により、空隙121に電界122が発生する。この状態で、電離放射線照射装置101により軟X線を振動膜112側から照射する。軟X線が空気中に照射されると空気中の各成分が電離し、正イオン及び負イオンが生成される。空隙121では、振動膜112を透過した軟X線により生成されたイオンのうち負イオンが電界122により背面板113側に付着し、シリコン酸化膜115に負電荷が注入される。シリコン酸化膜115が負に帯電するにつれて電界122が弱まり、最終的にシリコン酸化膜115は負に帯電したエレクトレットとなる。
次に、本発明に係るエレクトレットの製造装置の第6実施形態について図23に基づき説明する。なお、第1実施形態と同様な構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
エレクトレットコンデンサの製造装置600内において、電離放射線照射装置101からの軟X線が照射される位置にECM150を配置し、電極154を接地する。また、直流電源601の正極を振動膜151の金属膜に接続し、直流電源601の負極を接地する。
振動膜151と背面板152との間に直流電圧Vbを印加し、両者間の空隙に電界を発生させる。この状態で、電離放射線照射装置101により軟X線を振動膜151側から照射する。軟X線が空気中に照射されると空気中の各成分が電離し、正イオン及び負イオンが生成される。振動膜151と背面板152との間の空隙では、振動膜151を透過した軟X線により生成されたイオンのうち負イオンが電界により振動膜151側に付着し、振動膜151の誘電体に負電荷が注入される。振動膜151の誘電体が負に帯電するにつれて電界が弱まり、最終的に振動膜151の誘電体は負に帯電したエレクトレットとなる。
前述の実施形態において、振動膜151にエレクトレットを形成する例を挙げて説明したが、背面板152にエレクトレットを形成することもできる。その構成例を図24に示す。
振動膜161と背面板162との間に直流電圧Vbを印加し、両者の空隙に電界を発生させる。この状態で、電離放射線照射装置101により軟X線を振動膜161側から照射する。軟X線が空気中に照射されると空気中の各成分が電離し、正イオン及び負イオンが生成される。振動膜161と背面板162との間の空隙では、振動膜161を透過した軟X線により生成されたイオンのうち負イオンが電界により背面板162側に付着し、背面板162に形成した誘電体に負電荷が注入される。背面板162に形成した誘電体が負に帯電するにつれて電界が弱まり、最終的に背面板162に形成した誘電体は負に帯電したエレクトレットとなる。
101 電離放射線照射装置
102、207、301、601 直流電源
103 金属板
110 半導体ECM
111 シリコン基板
112、151、161 振動膜
113、152、162 背面板
114 スペーサ
115 シリコン酸化膜
116 シリコン窒化膜
117、153、163 音孔
118、119、154、164、205、206 電極
121 空隙
122 電界
130、140 シリコンウエハ
150、160 ECM
155、165 電極保持部
156、166 固定部
201 上部室
202 下部室
203 仕切板
204 台座
302 静電容量測定器
310 密閉容器
311 容器本体
312 蓋
313 絶縁体
314 プローブ
315 バネ
316 ガイド
320 圧力調整手段
321 シリンダ
322 ピストン
323 モータ
324 結合機構
325 モータ制御回路
401 ガスボンベ
402 ガス圧調整器
403 排気ポンプ
404 バルブ
501 交流電源
Claims (9)
- 互いに対向する対向電極として振動膜電極及び固定電極を備え、前記対向電極のいずれか一方の対向面側に誘電体を有するエレクトレットコンデンサの製造方法であって、
前記対向電極間に直流電圧を印加した状態で、前記振動膜電極を透過する電離放射線を発生して前記対向電極間に照射することによって前記対向電極間に発生する正イオン及び負イオンのうちのいずれか一方により前記誘電体を前記直流電圧以下の所望の電位に帯電させる誘電体帯電工程を含むことを特徴とするエレクトレットコンデンサの製造方法。 - 前記誘電体帯電工程において、前記電離放射線の予め定めたエネルギー範囲において空気よりも前記電離放射線の透過率が低いガスを含む雰囲気に前記対向電極間を設定した状態で前記誘電体を帯電させることを特徴とする請求項1に記載のエレクトレットコンデンサの製造方法。
- 前記誘電体帯電工程において、前記対向電極間の静電容量が一定となるように前記振動膜電極に加える圧力を制御して前記誘電体を帯電させることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のエレクトレットコンデンサの製造方法。
- 前記誘電体帯電工程において、前記振動膜電極の機械的共振周波数以上の周波数を有する交流電圧を前記直流電圧に重畳させて前記対向電極間に印加することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のエレクトレットコンデンサの製造方法。
- 前記誘電体帯電工程の前に、前記振動膜電極と前記固定電極とを対向配置させた対向配置体の前記固定電極側に電子部品が実装された基板を装着する基板装着工程を含み、
前記誘電体帯電工程において、前記基板が装着された前記対向配置体の前記振動膜電極側から前記電離放射線を照射して前記誘電体を帯電させることを特徴とする請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載のエレクトレットコンデンサの製造方法。 - 請求項1から請求項5までのいずれか1項に記載のエレクトレットコンデンサの製造方法において、前記誘電体を帯電させてエレクトレットコンデンサを製造する製造装置であって、
前記振動膜電極を透過する電離放射線を発生して前記対向電極間に照射する電離放射線照射装置と、直流電圧を前記対向電極間に印加する直流電源とを備えたことを特徴とするエレクトレットコンデンサの製造装置。 - 前記電離放射線の予め定めたエネルギー範囲において空気よりも前記電離放射線の透過率が低いガスを発生するガス発生手段を備え、
前記直流電源は、前記対向電極間が前記ガスを含む雰囲気にある状態で前記電離放射線によって前記対向電極間に発生する正イオン及び負イオンのうちのいずれか一方により前記誘電体を帯電させるものであることを特徴とする請求項6に記載のエレクトレットコンデンサの製造装置。 - 前記対向電極間の静電容量を検出する静電容量検出装置と、前記静電容量に基づいて前記対向電極間の距離を一定に保つ電極間距離調整装置とを備えたことを特徴とする請求項6又は請求項7に記載のエレクトレットコンデンサの製造装置。
- 前記振動膜電極の機械的共振周波数以上の周波数を有する交流電圧と前記直流電圧とを重畳させて前記対向電極間に印加する重畳電圧印加手段を備えたことを特徴とする請求項6又は請求項7に記載のエレクトレットコンデンサの製造装置。
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