JPH04501303A - マイクロ弁の製法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 マイクロ弁の製法 関連出願：メツトナーほかによる１９８９年６月１９日付ドイツ出願第Ｐ３９１ ９８７６号。

関連文献： Ｓ、ティモシェンコ「プレートとシェルの理論」第３章［円形プレートの折曲げ ｊ　ｐ、５５〜６８．１９４０年マクグローヒル発行（Ｓ　、　Ｔ　ｉｍｏｓｃ ｈｅｎｋｏ　。

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背景：ドイツ特許出願第Ｐ３９１９８７６号には、多層構成で、薄層の間に弁座 の形成されたマイクロ弁が開示されている。この弁の設計上、その構造面の要求 が高く、したがって製作には高額の費用を要し、時間もかかる。

発明ニしたがって、本発明の目的は、より簡単かつ経済的なマイクロ弁の製法を 得ることにある。更に、密封空洞に残留内部圧力が得られるようにして、この圧 力を７レキシブルな空洞壁に対する復元力として利用することも、目的の一つで ある。

略述すると、このことは、実質的にストラクチュアなしか、又は均質のスリッド ステートの各被接着薄層を、すでに存在するストラクチュア上に載せ、その薄層 を接着し、次いで薄層に食刻又は成形を行なう、ストラクチェアなしのウェファ −１すなわち薄層の処理は、すてに食刻済みのウェファ−の処理より簡単である 。更に、ストラクチュアなしのウェファ−を既に存在する薄層に接着する間に特 別な整列作業を要しない。接着ステップ終了後に、はじめて最上部の薄層にスト ラクチュアが設けられる。既に存在するストラクチュアに対し、以後の処理に必 要なマスクを整列させることも、既存の薄層に対しストラクチュアを設けた薄、 　層を整列させることより、はるかに簡単である。

この製法の有利な実施例では、最も下のウェファ−が、次の薄層を接着する担体 層として役立つ。これら次の薄層を付加する前に最も下のウェファ−にはストラ クチュア、すなわち凹所又は通路が設けられる。この凹所又は通路は作動部材一 部を形成する。担体層が作動機能を引受けることにより、特にコンパクトな構成 が達成される。

本発明の製法の別の特徴によると、担体層には第２のウェファ−が接着され、次 いでこの第２のウェファ−内に第１の流れ通路が形成される。この通路の底部又 は床は、担体層の凹所のカバーの一部をなしており、材料によって可能となる程 度まで彊性的にフレキシブルである。有利には、この材料は、ヤング係数が特に 高くはないシリコンである。このウェファ−の底部は担体層と相互作用するので 、底部が担体層に対したわみ可能である。

この有利な製法においては、第２のウェファ−に第３のウェファ−が接着される 。第３のウェファ−にも通路を形成する。この通路は、第１の通路へ通じる経路 をなしている。第２ウェファ−内の第１の通路は、第３ウェファ−内の第２の通 路より広いので、第２の通路により画定される区域１９は、第１の通路により画 定される区域２１の上方に水平方向に突出している。接着の結果として、弁プレ ートの機能を有する第３薄層区域は、第２ウェファ−の区域に不動に固定される 。

この有利な製法の場合、第２と第３のウェファ−の通路は、リング又は環状通路 として形成され、担体層内の凹所は円形である。

この幾何形状により、応力の集中が低減され、したがって、疲労や破断の可能性 も低減される。

この製法の更に別の実施例及びその利点は、以下の詳説により明らかとなろう。

本発明のマイクロ弁は、まず各薄層が接着され、次いで成形されて製造され、そ の洗練された簡単な構造と経済性が特徴である。どの薄層もストラクチュアは一 方の側からのみ形成されるように設計されているＩ；め、薄層を形成するウェフ ァ−の剋理は、特に簡単である。

本発明のマイクロ弁の有利な実施例によれば、担体層として役立つ最下のウェフ ァ−が設けられており、第２のウェファ−がこれに接着され、通路により取囲ま れた突出部を有している。この特出部が弁プレートを支持し、弁プレートは、ま た第１ウェファ−に接着された第３ウェファ−の一部をなしている。

弁プレートは、第３ウェファ−に結合されたカバ一層と係合している。弁グレー トの上面は、プレートのエツジから間隔をおいた周囲のシール肩を支持している 。この肩は、カバ一層の下側と接触するようにすることができる。このシール肩 により、上面が極めて精密に定められた圧力下に置かれるので、精確な圧力補償 が可能であり、したがって、弁の最適運動が達せられる。

特に有利なマイクロ弁の場合、シール肩の高さは、弁プレートの厚さよりも可な り低くしである。食刻法で既述のストラクチュアを設けることにより、シール肩 の寸法は、食刻深さが浅いため、より厚い弁プレートの食刻の場合より精密に決 めたり、制御したりすることができる。

本発明によるマイクロ弁の構造上の細部及び利点を以下に説明する。弁プレート にとって特に望ましいのは、硬質の薄層でコートすることである。こうすること により、弁にプリテンシ層ンを与え、弁を通過する媒体による摩耗を低減するこ とができる。更に、マイクロ弁は、はとんど全部がシリコンで構成されているの で、熱膨張による応力が最小限に抑えられる。

弁は、双安定モードのいずれのモード、すなわち開モードと閉モードで操作する のが有利である。釣合のとれた制御弁が望ましければ、弁は動的にオン又はオフ に操作できる。釣合いのとれた制御は、弁をオン又はオフに切換えるレートを変 化させることで達せられる。

図面：次に本発明を図面に即して説明する。

図１は、非動作位置での弁の断面図、 図２は、動作位置での弁の断面図、 図３は、本発明の弁の部材を部分的に断面して示した展開斜視図、 図４は、別の実施例、すなわち既述の薄層が酸化物により分離されている３端子 装置の暗示図、図５は、弁の製作の順序を示した図、 図６は、有利な実施例の弁の寸法を示した図である詳細な説明二図１の断面図は 、弁の個々の薄層の配置を示しｔ；ものである。しかし、分かり易くするために 、個々の薄層の厚さは誇張して描いである。

マイクロ弁ｌは、担体層として役立つ第１のウェファ−３、ウェファ−３に接着 される第２の上張りの薄層５、第２の薄層５に接着される第３の薄層７を有して いる。最も上の薄層７の上にはカバ一層９が、たとえば接着で結合されるか、カ バ一層９を含む特別な材料に適した何らかの他の方法で結合される。最も下の薄 層３には凹所ｔｉが設けられている。上張りの第２薄層５は、第１の通路１３が 形成され、その底部１５が凹所１１のカバーの一部を形成するように構成されて いる。最上部の薄層７には第２の通路１７が形成されており、その底部１５は、 第１の通路１３に開いている。第２通路１７、弁プレート１９を形成する区域を 取囲んでいる。弁プレート１９は第２の薄層５の区域２１と結合されている。こ の区域２１は、第１の通路Ｉ３によって取囲まれている。

第１と第２の通路の寸法は、弁プレート１９が第１の通路１３により取囲まれた 区域２１から突出するように選定されている。このことは、また、第２の通路１ ７の内側寸法が第１通路１３の内側寸法より小さいことを意味している。第２通 路１７の外側寸法は第１通路１３のそれと等しいか、又はそれより大である。

第１のウェファ−１すなわち薄層３は、第１の通路１３の底部１５の区域と、通 路１３により取囲まれた区域２１の底面とにより画定されている。区域２１は、 第１通路１３の底部１５より可なり厚い。底部１５は、一定の弾性を有し、図１ に示したように、凹所１１の方向へたわんでいる。

第３の薄層、すなわちウェファ−７に付加されたカバ一層９は、図１に示したよ うに、実質的に垂直の開口２３．２５を有している。これらの開口は、カバ一層 が第３の薄層７に結合されたのちに形成される。図３から最もよく分かるように 、第２の開口２５は、下の複数の接着されたウェファ−の幾何的形状のほぼ中央 に位置している。外側開口２３は、接着された第３の薄層内の第２通路１７内に 開いており、したがってまた接着された第２薄層５内の第１通路１７と接続され ている。外側開口２３は、カバ一層９内で非連続的で中断部分を有している。あ るいは又、適当なパッケージングを用いれば、カバ一層９内に連続的な環状スペ ースを設けることができるので、このスペースは、第２通路１７と第１通路１３ の双方と接続されることになる。

カバ一層９内の第２開口２５は、弁プレート１９の上方に位置している。弁プレ ート１９は、開口２５を第２通路１７及び外側の第１開口２３から遮断する。

弁プレート１９の上面には周方向にシール肩２７が形成されており、このシール 肩が、弁プレート１９の上方周縁から僅かに内側へ間隔をおいて設けられている 。シール肩２７の高さは、プレート弁１９の厚さより可なり小さい。

硬質の層２９は、弁プレート１９の上面に、したがってシール肩２７の上面に付 加され、シール肩の上面をカバ一層９の下面との間に間隔を生じさせている。

弁プレート１９は、図１に示した非動作位置では、いくぶん下方へ押下げられて いるので、第１通路１３の底部又は床１５は、いくぶんくぼんだ状態となってい る。硬質層２９は、有利には実質的に窒化珪素から成っている。この硬質層２９ は、弁の閉鎖に先立って、弁を通過する媒体流からシール肩を保護する。マイク ロ弁により影響される媒体流のコースは、図１に矢印で示しである。媒体は、カ バ一層９の開口２３から入り、第３ウニ７アー７の第２通路１７へ進む。弁プレ ート１９の非動作位置では、媒体は、シール肩２７により第２開口２５への通過 が肪止される。

担体層として役立つ第１のウェファ−３の上面とその下面とは、それぞれ、接触 抵抗を最小限にするＩこめのドープ処理を施された層３１を有してしする。第１ つ工７アー３の上面は、第２ウェファ−５に隣接し、有利には実質的に酸化珪素 製の絶縁層３３を有してし）る第２ウニ７アー５の下側も、同じく有利（こｔま 実質的に酸化珪素から成る絶縁層３５を有してし＼る。この種の絶縁層３７は、 第２ウェファ−５と第３ウェファ−７との間にも設けておくことができる力；、 この有利な実施例には示されていない。

弁の動作は、圧電式、磁気式、油圧式、空気式の１１ずれか、又はこれらの何ら かの組合せにより行なう。

担体層、すなわち第１のウニ７アー３と第２のウニ７アー５とは、電圧源３９に 接続されており、この電源電圧は有利には可変にしておく。ドープ処理層３１は 、この電圧源との接触を改善するのに役立つ。

ウニ７アー３及びウェファ−５、すなわちコンデンサ・プレートは、互いに絶縁 層３３．３５＋こより分離されている。これらのコンデンサ・プレートの関に電 圧が加えられると、プレートは互＋ｒ％ｌこ引付（す合う。第１通路１３の底部 １５の弾性により、第１ウェファ−３内の凹所１１を覆う第２ウニ７アー５の区 域力を可動である。このため、電圧により、コンデンサのプレートが互いに引付 は合うと、第１通路１３を取囲む区域２１は、引付は力により凹所１１の底部の １王うへ沈下し、第１通路１３の底部１５をｔこわませる。区域２１の沈下は、 また弁プレート１９を下方へ沈下させるので、シール肩２７が、カッ（一層９の 下側力）ら離れる。

これにより、第１開口２３から第２開口１７を通り第２開口２５へ至る流路が開 通する。

コンデンサ・プレートの間、すなわちウニ７アー３とウェファ−５との間の電圧 が止められると、プレート間の引付は力が消え、第１通路１３の底部１５の弾性 により弁プレート１９が当初の位置へ戻され、この結果、シール肩２７が第１開 口２３と第２開口２５との間を分離する。

あるいは又、図４に示されてし隻るように、弁（マ、静電圧が加えられる３端子 装置として構成しておくことができる。電圧が、カッ（一層９と薄層５＋７とし て、酸化物を通して加えられると、弁（ま、より速く閉じられる。

図２は、図１のマイクロ弁より更に簡略イヒした断面間である。図１と同じ部材 には同じ参照番号力（付しである。

この図にも、電圧を加えた場合の凹所１１のカッ（−のたわみが、はっきり示さ れてしする。凹所１１の底面から区域２１の下面までの間隔（よ、図１の場合よ り可なり小さい。いこがって、弁プレート１９・（ヨ、カッ（一層９の下側から 離れており、第１の開口２３と第２の・　開口２５とが連通せしめられる。第１ 開口２３へ流入する媒体は、この開口２３と１３ウェファ−７内の第２通路１７ とを通過し、第２開口２５へ至り、そこからカバ一層９を出る。

弁プレートの運動は、図には著しく誇張して示しである。図示の実施例の弁プレ ートの行程は、実際には約５マイクロメータの長さである。担体層の厚さは、第 ２、第３の薄層と一緒にして約０．６ｉ＋ｍ程度である。有利には、凹所１１、 第１通路１３、第２通路１７、シール肩２７、弁プレート１９は、実質的に円形 である。第２開口２５の形状は、弁の機能にとって決定的に重要である。この開 口２５の直径は、シール肩２７の内径より小さくする必要があるだけである。シ ール肩２７は、カバ一層９の下側とシール接触できなければならない。図示の実 施例では、シール肩の内径は、有利には約３．６ｍｍであり、第１開口２３の外 側角縁と第２通路１７の外径とは、それぞれ約１０ｍ胃である。

図１と図２とに示した弁の場合、弁は、より大きい構造物の一部をなしている。

しかし、また、図３の展開図に示しｔ；ように、弁を分離することも可能である 。図３には、個別の薄層の構成を再度示しである。この場合も、同じ部分には同 じ参照番号を付しである。

担体層として役立つ第１のウェファ−３は、中央に円形のトラフ又は凹所１１を 有するほぼ円筒形のプレートとして構成されている。第１のウェファ−に、スト ラクチュアのない形状で付加される第２のウェファ−は、環状の通路を有してい るので、外方の周１！４１と中央の円筒形区域２１とが残っているのみである。

この区域２１の底面１５の一部は、凹所１１をカバーするのに役立っている。

第１のウェア７−３の上面には絶縁層３３が付加されている。図３では、第２ウ ニ７アー５の下側の絶縁層３５は無くてもよい。

絶縁層３３又は３５のうち一方だけでも、第１と第２のウェファ−３，５により 形成される２ｆｍのコンデンサ・プレートの電気的分離は可能である。また、通 路１３の底面１５のたわみが著しい場合、凹所１１と底面が接触しても害は生じ ない。

第２通路１７の形成後、第３ウェファ−７は、リング４３と、周囲を通路１７に より画定された弁プレート１９とから構成されることになる。

シール肩２７は、弁プレート１９の上面に形成されている。分かり易くするため 、図１と図２に示した硬質層２９は、図３には省略しである。

最後に、最上部の第３のウェファ−ないし薄層７はカバ一層９を有している。カ バ一層９は、第１開口２３を形成する環状通路と円形の第２開口２５とを有して いる。開口２５の直形は、シール肩２７の内径より小さいので、シール肩２７は カバ一層９の下側とシール接触する。

以上、マイクロ弁ｌを製造するさいのステップを説明したが、この説明から、本 発明の製法の簡単な点が既に明らかであろう： すなわち、マイクロ弁の製造中、個別のウェファ−が、順次互いに接着される。

接着前にウェファ−の表面は研摩されるので、表面は滑らかになる。薄層表面の ストラクチュアの付与又は成形の前に、表面は既に、次の薄層表面と接着する用 意がなされ、研摩される。接着されるウェファ−のための表面の準備は、選択し た特定の接着法に相応するものでなければならない。たとえば、シリコン対シリ コンの直接接着の場合は、表面の水和化が必要である。

各ウェファ−の上には、更に、ウェファ−が接着されるが、このウェファ−は表 面にストラクチュアを有していても、有していなくともよい。たとえば、第１の ウェファ−１すなわち担体層３に腐食もしくは他の仕方で設けられた凹所１１を 形成したのち、別のウェファ−１すなわち第２のウェファ−５を担体層の上に接 着する。この時点ではウェファ−５はストラクチュアを有していない。したがっ て、担体層３に対し第２のウェファ−５を整列させるさいに何ら問題は生じない 。取囲む通路３１により画定される突出する区域２１は、力を最適配分するため 、第１ウニ７アー３の凹所１１の上方中央に来るようにする。通路３１は第２ウ ニ７アー５の接着後に形成されるので、双方のウェファ−の整列に問題は生じな い。

第２ウェファ−５の上には、連続的な薄層、すなわち第３のウニ７アー７が接着 される。この接着のあとで、第３ウニ７アー７内に第２通路１７が腐食される。

こうすることにより特別の利点が得られることは明らかである。なぜなら、図３ の第３ウェファ−７に通路１７を設けたあとには、２つの部分、すなわちリング ４３と弁プレート１９が残るのみだからである。これら２つの部分の整列は、ウ ェファ−７が接着される以前に、これらの部分を画定するとすれば、著しく難し くなるだろう。しかしながら、各薄層の腐食は、いずれも各薄層が接着される前 に行なわれてもよく、その場合には、各薄層の対応する腐食部分は、接着工程の 間に整列させる必要がある。

同じ利点は、カバ一層９の取付けにも適用できる。

このカバ一層９は、しかしながら、基本的にはストラクチュアを付けた形式のも のを結合する。

カバ一層９は、パイレックス・ガラス又は他の適当に硬化させた材料で造る。下 の薄層との結合は、有利には、陽極処理による接着で行なうが、カバ一層の組成 に応じた他の適当な結合処理を用いてもよい。このカバ一層も他の薄層同様にシ リコン製にすることもできる。その場合は、２個のシリコン薄層を接着させるた めの従来の手段を用いることができる。

完成した弁の接着済みシリコン薄層の堅牢度は単結晶の堅牢度に相応する。した がって、高度の機械的安定性が達成される。

すべての薄層が同じ材料、すなわちシリコンなので、熱応力が弁の操作中に生じ ることがない。カバ一層９にパイレックス・ガラスを用いる場合も、事実上、熱 応力又は熱張力は生じない。なぜなら、この材料の熱特性は、シリコンのそれに 極めて近いからである。

ここで説明するストラクチュアのすべては、従来の腐食法により薄層内に形成で きる。

第２ウェフフ−５の通路１３の底部の形式で第１ウェファ−３の凹所１１のカバ ーを設ける場合、底部の厚さは、腐食時間を適宜に選択することによって調節す ることができる。また、第２ウェファ−５の材料には、薄層４５、たとえば十分 にドープ処理した層（図１）を設けることができる。このドープ九理層により、 第２ウェファ−５に通路１３を腐食処理する間に、ウェファ−５の材料と区域４ ５の材料上の間に腐食の選択性が得られる。選択的な腐食層４５が含まれている 場合、通路１３を設ける腐食工程は、腐食層４５に達したところで終了する。し たがって、通路底部の厚さ、可とう性、弁の機械的特性を加減することができる 。このことはまた、電気化学的腐食止め技術を用いて行なうこともできる。

第３ウェファ−７の第２通路１７が腐食されている間に、通路の深さのみでなく 幅も変えられる。エッチャントが、その深さ浸食している間に、通路の側壁も浸 食される。したがって、弁プレート１９の外方角縁の寸法は、精確には画定され ない。このため、弁グレートの上面には、有利′には別の作業によってシール肩 ２７が設けられる。このシール肩は、シール肩肉の円形区域とこれを取囲む環状 区域を腐食することで形成される。シール肩の水平寸法は、極めて精確に調節で きる。この場合、腐食深さはシール肩２７の高さに相当するからである。シール 肩の寸法は、したがって、弁プレー）１９の外方角縁の寸法より精確に指定でき る。

シール肩の半径は、弁プレートにかかる圧力を均一にする場合、すなわち、上方 から弁プレート１９に作用する力が、下方から作用する力に相応する場合、特に 重要である。

弁が閉じられると、第１開口２３から流入する媒体により、弁プレートの周囲の 環状スペース内と弁プレートの下とに、第１通路１３と第２通路１７とを介して 圧力が形成される。この圧力は、主として第１通路１３の底部１５の区域に及ぼ される。この底部は、同時に凹所１１のカバーをなしている。

図２は、底部１５のこの環状区域が、通路１３により取囲まれた区域２１の半径 ｒＱと凹所１１の外側半径Ｒとの間にほぼ形成されることを示している。開口２ ３かも流入する媒体によるこの圧力は、底部１５のこの環状区域を下方へたわま せようとする、言いかえると、弁プレートをカバ一層から引離そうとする。同時 に、この圧力は、シール肩２７の外側半径ｒ２と、弁プレート１９が載る区域２ １の半径ｒＯとの間に画定される面に上向ぎの圧力が作用する。半径ｒＯとｒ２ とにより形成される弁プレート１９のこの環状下方面は、半径ｒＱとＲとにより 画定される環状面、すなわち第１通路１３の底部１５の環状面の圧力補償面とし て役立つ。

底部１５の環状面と弁プレート１９の環状面とは、圧力がほぼ釣合うか、補償さ れるように互いに寸法づけされている。

環状のシール肩２７の厚さは、図２に示した半径ｒ１とｒ２との差により決定さ れる。弁プレート１９の半径は、図２の符号ｒ、で示されている。

圧力の釣合は、また、一方では第２の開口２５内の逆圧と、他方では凹所１１内 に支配する圧力とにより影響される。逆圧は、シール肩２７により囲まれた弁プ レート１９の上面に作用する。この逆圧は、シール肩１７の内径ｒ１により制御 される。弁プレート１９に下から作用する圧力は、凹所１１の半径Ｒにより規定 される。

弁プレート１９に下から作用する圧力を出来るだけ精確に釣合わせるには、凹所 １１の深さが浅いので、その半径Ｒを極めて精確に設定できることが重要である 。

図２に示しｔ；種々の半径の選択により、可能な圧力バランスが得られるのみで なく、弁の機械的、動的な特性が調節できる。

作用： 以上、図示し、かつ説明して来ｔ；実施例は、弁プレー）１９の下に、コンデン サ・プレートの一部である第１通路１３の底部１５の弾性的な区域を設けること により作動せしめられるａＩ＆本的には、弁プレート１９の反対側、すなわち上 面に別の作動手段を機械的なカップリングを介して設けておくことも可能である 。

弁プレートが両側から作動せしめられることにより、２つの安定位置の間を往復 動することができる。

コンデンサの代りに、別の作動手段を設けておくこともできる。たとえば、凹所 １１内の過圧を利用して弁グレート１９を非動作の開位置から閉位置へ上昇させ ることができよう。過圧は、たとえば、凹所１１内に囲い込まれＩ；媒体を加熱 するか、もしくは別の空気力を用いるかして発生させることができよう。

図示の実施例の場合、制御された媒体の供給が第１開口２３を介して行なわれる 。この開口２３は、マイクロ弁の出口開口２５と同じ側に形成されている。しか しながら、また、媒体を第３ウニ７アー７の通路、第２ウェファ−５の通路、第 １ウニ７アー３の開口の゛　いずれかを介して供給することもできる。

本発明のマイクロ弁には、液体又は気体の媒体を用いることができる。とりわけ 燃料噴射弁として、又はサーボ弁のパイロット制御段階として用いるのに適して いる。

深いストラクチュアの食刻のさいには、角縁区域も浸食される傾向があるため、 角縁部又は壁部区域の所定寸法を精確に実現できない。とはいえ、本発明の弁プ レートのストラクチュアは、液圧有効面を、また、したがって可動弁に作用する カを制御かつ補償することができる。特に、シール肩２７の高さを、弁プレート １９の厚さより可なり低くすることで達せられる。

このためシール肩を腐食するとき、その半径は精確に所定値を実現できる。これ らの半径を狭い公差範囲内に維持可能であることにより、弁は高い操作圧力をも 制御可能である。そうでなければ、制御不能の大きな力が生じることになろう。

本発明による弁は、このように高い油圧すらにも影響を与えることができる。

例： この弁のコンセプトを実現する工程には、３つのウェファ−接着ステップが利用 される。この工程では未だシールリングは用いられない。弁の製作順序（図５） は、ｎ型又はｐ型の第１ウェファ−から始まる。この第１ウェファ−はｎ型＜ｔ ｏｏ＞０．５〜２．０オーＡｃｍ　、直径約１０．１６ｃｍ（４インチ）のシリ コン製ウェファ−である。このウェファ−は、燐拡散炉内に入れ、９２５℃で１ 時間半加熱し、表面にドープ処理を施す。このステップを行なう目的は、弁を作 動させるＩ；めに良好な電気接触を得ることにある。次いで、１時間９５０℃で 加熱したのち、ウェファ−は燐ドープ処理されたガラスが剥取られ、１０００オ ングストローム厚の熱酸化物が増殖せしめられる。マスキング酸化物がパターン 処理されたのち、ウェファ−は２０％のＫＯＨ（水酸化カリウム溶液）内に浸し 、５６℃でほぼ２２分間放置することにより、５マイクロメータ深さ及び３．６ ■直径の円形のくぼんだ電極又は空洞が腐食される。あるいは又、使用するウェ ット・エッチャントは、別の異方性エッチャント又は等方性エッチャントでもよ く、あるいは又、空洞をプラズマ（熱ガス）で腐食することもできる。次いでマ スキング酸化物が剥取られ、熱酸化物を約１．６マイクロメータ厚だけウェファ −上に増殖させる。この厚さの二酸化珪素層が、静電動作の間に不伝導性の絶縁 層として作用し、また、以後のシリコン腐食ステップ時にウェファ−を保護する 。

第２のウニ７アーは、薄層化に化学的又は機械的手段が用いられる場合は、ｎ型 又はｐＷ！であるが、エッチパックに電気機械式手段を用いる場合は、ｎ型拡散 を有するｐ型ウェファ−を優先使用する。既述の第１ウェファ−がｎ型の場合は 、第２ウェファ−は１０゜１６ｃｍ直径で、＜１００＞ｐｆｆｉｌＯ−２０オ一 ムｃｍシリコンウェファーで、第１ウニ７アーの前側に熱接着される。接着に先 立って２つのウェファ−は、標準前酸化クリーン（たとえば“ＲＣＡクリーン″ ）を用いて浄化したのち、３：ｌの硫酸二過酸化水素溶液に浸漬することにより 水和させる。これらのウェファ−は、ＤＩ水内で、水の抵抗率が少なくとも１５ Ｍオームｃａｍに達するまですすぐ。乾燥後、ウェファ−の研摩された双方の表 面は、物理的に密接せしめられる。赤外線検査システムを用いて、ウェファ−に 隙間がないか検査する。隙間なく接着されていることが確認されれば、２個のウ ェファ−の組合せ構成物を、乾式酸化炉に入れ、１時間加熱し、接着を完全にす る。炉の初期温度は、有利には６００℃であり、これを徐々に１００９℃に上昇 させる。この工程の間に、管内には純粋窒素が流れる。１０００℃に達したのち 、ガスは純粋酸素に換えられ、酸素内でウニ７アーを１時間１０００°Ｃで焼き なます。次いで、取出した接着ウェファ−を赤外線システムでもう一度検査する 。

次いで、接着ウェファ−を２０％ＫＯＨ溶液内に浸し、５６°Ｃで約２３．５　 時間放置し、第２ウェファ−を約７５マイクロメータの厚さに腐食する。この第 ２ウェファ−の表面は、機械式に研摩し、鏡面様に滑らかに仕上げる。この結果 、第２ウェファ−の厚さは約５０マイクロメータとなる。約５０００オングスト ローム厚のマスキング酸化物（ＬＴＯ）が、研摩したばかりの表面を被覆し、引 続きパターン処理される。このウェファ−は、次いで２０％ＫＯＨ溶液を用いて 約１時間半５６℃で腐食し、弁のベースが形成される。

マスキング酸化物を剥取ったのち、直径　１０．１６ｃｍの第３の＜１００＞シ リコン製ウェファ−１ｐ塁１０〜２０オームｃｍが、第２ウェファ−の研摩済み 表面に熱接着される。接着は、先述の仕方と全く同じ仕方で行なう。接着後、複 合ウェファ−を赤外線検査システムで検査する。この検査により、第３ウェファ −に接着されたプランジャ・ベースが、はっきり示されるこの第３ウェファ−は 、２０％ＫＯＨ溶液を用い、５６℃にて約７５マイクロメータの厚さにされる。

５０００オングストローム厚の酸化物層が、ＬＴＯ又はＡＣＶＤ酸化物を用いる ことにより第３ウェファ−の表面に被覆せしめられる。引続き、ウェファ−はパ ターン処理され、２０％ＫＯＨ溶液を用い、５６℃で腐食し、最上部のカバ一層 が形成され、弁が出来あがる。完成したウェファ−は個々の弁にカットされ、次 いで入口と出口とを有するキャップ状のガラス板を用いて包まれる。

本発明によれば、シールリングなしで弁を製作するのに成功した。一方のウェフ ァ−に腐食空洞を設け、第２のウニ７アーを比較的薄く形成して、２個のウェ゛ ファーを接着し、最後にこの複合構成体を高温の環境に置くと、シリコンは塑性 変形することが分かった。

これは、空洞内のガスが、温度上昇のために膨張するが、高温でのシリコンの降 伏点は可なり低いがらである。また、シリコンの塑性変形が開始する境界は８゜ ０℃から８５０℃であった。し！二がって、マスキング材料として用いられる材 料は、いずれも８００”０以下の温度で被覆又は増殖するものでなければならな い。

第２ウェファ−のマスキングには、低温化学蒸着酸化物を用い、第３ウェファ− のマスキングには、大気蒸着酸化物を用いた。これらの薄膜は４．００”Ｏで蒸 着された。

完成したマイクロ弁のプロトタイプは、シールリングなしで、３５０ボルト以下 で空気中で作動することに成功した。

前述の製法は、また、残留ガス圧の残る密封空洞を造るのに有用である。

密封空洞内の残留圧力 別のシリコン製ウェファ−に、空洞を有するシリコン製ウェファ−を接着するこ とにより、密封空洞内にはガスが閉込められる。閉込められたこのガスの残留圧 力を決定することは、弁の挙動のモデルを造るのに重要である。ｐ型＜１００＞ のシリコン製ウェファ−を用いて、ウェファ−内に燐を拡散し、電気化学式の腐 食止めとして働くようにした。これらのウェファ−を、次いで、３０〜５０マイ クロメータの範囲の種々の深さを有する円形空洞を備えた他のシリコン製ウェフ ァ−に接着する。燐でドープ処理したウェファ−の裏側から酸化物を選択的に除 去しｌ；のち、ウェファ−はＫＯＨ内で腐食して、５０マイクロメータの厚さを 生じるようにする。ウェファ−は、次いで電気化学式にＫＯＨ内で腐食され、密 封空洞上に滑らかな８．０±０．２　マイクロメータ厚のキャップ状の層が生ぜ しめられる。この層の厚さは、ＳＥＭ（走査電子顕微鏡）を用いて確認する。腐 食後、直ちに、キャップ状薄層が空洞内へたわんでいるのが認められるが、これ は、残留圧力が大気圧以下であることを示している。このたわみの度合は、較正 された顕微鏡で測定される。円形プレートの大きなたわみの理論を用いて、プレ ート横断方向での圧力差に対する円形プレートの最大たわみの関係を表わす式は 、次の通りである：Ｗ−，６６２ａ３　（ｑａ／Ｅｔ）１’３この式において、 Ｅはシリコンのヤング係数、ａは円形空洞の半径、ｔはキャップ状薄層の厚さで ある。この方程式においては、シリコン薄層内の残留応力は無視できる程度の値 である。

円形プレート横断方向での圧力差は、空洞内へのキャップ状薄層のたわみの関数 であり、次式で与えられる： Ｑ＝ＰＡｔＭ　（Ｐｉ　Ｖｌ　／ＶＩ　Ａ’／）この式においてＰ　ＡＴＶは大 気圧、Ｐｌとｖｌは、それぞれ空洞の初期圧力と初期体積、ΔＶは空洞体積の変 化を表わす。キャップ状薄層のたわみは、球形モード形状を有すると推定される 。測定された空洞内の残留圧力の計算値は、表Ｉに示しである。この表には、残 留圧力平均値が０．７９　気圧であることが示されている。

表　Ｉ　密封空洞内の残留圧力 ウエファ−空洞の平　キャップ状　空洞内の＃　均深さ　薄層の平均　残留圧力 たわみ度　（ＡＴＶ） ＋　５３　２０．１　．７７８ ２　５３　１９゜５　．７８７ ３　３２　１２．８　．７９５ ４　３１　１３．１　．７８２ 軽度にドープ処理したシリコンの塑性変形密封空洞を有する接着ウニ７アーの高 温熱処理により、空洞内のガスが膨張し、その結果、キャップ状薄層は、その降 伏点以上に荷重を付加されることになる。ウェファ−を炉から取出し、冷却した あとで観察されたのは、キャップ状薄層内に残留ひずみが存在することである。

これは、１９９０年６月Ｉ　ＥＥＥプリゼンテーションの図７に示されているＳ ＥＭ（走査電子顕微鏡）による実地検証で明らかなことである。軽度にドープ処 理したシリコンと十分にドープ処理したシリコンとの塑性変形度については、別 のところで報告済みである。軽度にドープ処理したシリコンの塑性変形開始温度 を決定することに、われわれは関心をもっていた。このため、空洞を有する接着 ウェファ−見本を用意し、それらのウェファ−を、異なる温度で炉内に入れた。

６００℃で１時間にわたり窒素内で焼きなましだあと、取出した。空洞のキャッ プ状薄層のたわみ度の変化は、較正済みの顕微鏡で観察した。ウェファ−は、次 いで炉に戻され、今度は６５０℃の温度で熱し、１時間後に取出して再び測定し た。この一連の工程を反復し、その度に温度を５０℃ずつ高くして、１０００℃ に達するまで反復する。こうして、塑性変形の開始が８００〜８５０℃の範囲で あることが分かった。塑性変形の開始は、シリコン内の酸化物の量に著しく左右 されるので、開始温度は著しくウェファ−と工程とに左右される。

この実験の結論は、ウェファ−の高温処理は、接着済みウニ７アー内側に密封空 洞がある場合には避けね゛　ばならないということであった。したがって、接着 したシリコン薄層２と３のパターン処理に用いられたマスキング酸化物は、低温 蒸着酸化物であった。また、は、高温の焼なましが必要とされることも注意を要 する。しかし、その場合、弁の圧力を釣合わせることにより、弁の永久変形を防 止することができる。

ＦＩＧ、’ｆ 巳ユ定旦」１　弁の製作順序 １０．０ｍｍ −トーーー３．６　ｍｍ　−一一− 三−見囮ｊ−弁の寸法 宝庭臘杏餠失 国際調査報告 ＥＰ　９００１２９７ Ｓ＾　３９３１６

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．上下にそれぞれ大きな平を有する複数の薄層を一緒に接着することによるマ イクロ弁の製法において、担体層として役立つ第１ウェファー（３）が備えられ 、順次ウェファー（５，７，９）の上にそれぞれの下面が接着され、各ウェファ ーの上面が成形され、ストラクチュアが得られることを特徴とする、マイクロ弁 の製法。 ２．順次に接着された各ウェファーが、当初はストラクチュア無しであり、前記 ストラクチュアが、前記ウェファーの接着後、次のウェファーの接着の前に形成 され、それにより、次のウェファーを接着する前に次のウェファーのストラクチ ュアを整列させる必要がないことを特徴とする請求項１記載の製法。 ３．前記第１のウェファーに次のウェファーを接着する前に、弁作動手段（３， ５，１５，２１，３９）の一部として用いるために、前記第１ウェファー（３） 内に凹所（１１）を形成することを特徴とする、請求項２記載の製法。 ４．前記形成ステップが、円形凹所（１１）を成形する作業を含むことを特徴と する請求項３記載の製法。 ５．更に第２ウェファー（５）を前記第１ウェファー（３）の上に接着する作業 が含まれ、前記第２ウェファー（５）内に第１連略（１３）を形成し、この第２ ウェファーが部分的に前記凹所（１１）に重なることにより、前記凹所（１１） を覆うフレキシプルで弾性的なカバー（１５）を形成していることを特徴とする 請求項３記載の製法。 ６．前記の通路形成ステップが、環状の通路（１３）を前記凹所（１１）と同心 的に形成するステップが含まれることを特徴とする請求項５記載の製法。 ７．更に、前記第２ウェファー（５）に第３ウェファー（７）を接着する作業と 、前記第３ウェファー（５）内に第２の通路（１７）を形成する作業とが含まれ 、この第２通路（１７）が前記第１通路（１３）と連通していることを特徴とす る、請求項５記載の製法。 ８．前記第１と第２の通路を形成する前記ステップが、前記第２通路（１７）を 前記第１通路（１３）の内のり幅より小さい内のり幅を有する環の形式に形成す る作業と、前記第１通路（１３）の直径と少なくとも等しい大きさの直径を有す るように前記第２通路（１７）を形成する作業とを含むことを特徴とする、請求 項７記載の製法。 ９．前記第１と第２の通路を形成する前記ステップが、前記第２通路（１７）を 前記第１通路（１３）と同心的に形成する作業を含むことを特徴とする、請求項 ８記載の製法。 １０．前記第１と第２の通路を形成する前記ステップが、前記第２通路（１７） 内に、上方へ突出する環状のシール肩（２７）を、第２通路（１７）により取囲 まれた、第３ウェファーの区域（１９）に形成する作業を含むことを特徴とする 、請求項７記載の製法。 １１．前記の取囲まれた区域（１９）に硬質の表面（２９）を設ける作業を含む ことを特徴とする、請求項１０記載の製法。 １２．前記第３ウェファー（７）にストラクチュア無しのカバー層（９）を接着 する作業と前記カバー層内に第１の開口（２３）を形成する作業とを含み、この 第１の開口（２３）が、前記第２通路（１７）と、前記第１開口から間隔をおい て形成され、かつ前記第２通路（１７）内に形成された前記区域（１９２１）と 整列された第２開口（２５）と連通することを特徴とする、請求項７記載の製法 。 １３．前記開口形成ステップが、前記第２開口（２５）を、前記シール肩（２７ ）の内側半径（ｒ１）より小さい半径を有するように形成する作業を含むことを 特徴とする、請求項１２記載の製法。 １４．前記成形ステップに、隣接のウェファーに接着されるウェファー面と反対 側の面を腐食する作業が含まれることを特徴とする、請求項１記載の製法。 １５．各薄層（３，５，７，９）が、その一方の側からだけ形成された開口（１ １，１３，１７，２３，２５）を有していることを特徴とする、複数薄層を接着 して成るマイクロ弁。 １６．前記複数薄層が、担体層として役立つ第１ウェファー（３）と、この第１ ウェファー（３）に接着され、第１通路（１３）により取囲まれた突出中央区域 （２１）を有するように形成された第２ウェファー（５）と、前記第２ウェフア ー（５）に接着され、前記中央区域（２１）に固定された弁プレート（１９）を 有する第３ウェフアー（７）と、この第３ウェファー（７）に接着され、前記弁 プレート（１９）と接触するようにされた下面を有するカバー層（９）とを有す ることを特徴とする、請求項１５記載のマイクロ弁。 １７．前記弁プレート（１９）の上面に設けられたシール肩（２７）を有し、こ のシール肩が、弁プレートの周囲の角縁部から間隔をおいて設けられ、前記カバ ー層（９）の前記下面に接触するようにされていることを特徴とする、請求項１ ６記載のマイクロ弁１８．前記シール肩（２７）が、前記弁プレート（１９）の 厚さより可なり小さい高さを有することを特徴とする、請求項１７記載のマイク ロ弁。 １９．前記カバー層（９）の前記下面に隣接する、前記弁プレート（１９）の面 に硬質の層（２９）がコートされていることを特徴とする、請求項１６記載のマ イクロ弁。 ２０．前記硬質の層（２９）が、実質的に窒化珪素から成ることを特徴とする、 請求項１９記載のマイクロ弁。 ２１．前記カバー層（９）が、実質的にパイレックス・ガラスから成り、すべて の他の薄層（３，５，７）が、実質的にシリコンから成ることを特徴とする、請 求項１６記載のマイクロ弁。 ２２．前記薄層（３，５，７，９）のすべてが、実質的にシリコンから成ること を特徴とする、請求項１６記載のマイクロ弁。 ２３．前記第２の薄層に隣接する前記第１の薄層（３）の表面と、前記第１の薄 層（３）に隣接する前記第２の薄層（５）の表面のうちの少なくとも一方に、絶 縁層（３３，３５）が設けられていることを特徴とする、請求項１６記載のマイ クロ弁。 ２４．絶縁層（３３，３５）が、前記第３の薄層（７）に隣接する前記第２薄層 （５）の表面と、前記第２薄層（５）に隣接する前記第３薄層（７）の表面のう ちの少なくとも一方に設けられていることを特徴とする、請求項１６記載のマイ クロ弁。 ２５．前記第１の薄層（３）の少なくとも一方の大きな表面が、ドープ処理した 層（３１）を有していることを特徴とする、請求項１６記載のマイクロ弁。 ２６．前記第２の薄層（５）の下面が、ドープ処理された層（４５）を有するこ とを特徴とする、請求項１６記載のマイクロ弁。 ２７．半導体ウェファー内に、浅留ガス圧を有する密封空洞を設ける方法におい て、ウェファーを一緒に接着し、１個のウェファーの表面を薄くし、加熱するス テップを含むことを特徴とする方法。