JPH0468574B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、シリコンの単結晶を用いて形成され
た中空室に配置されたシリコンの振動梁の測定圧
力に対応した歪みを周波数信号として検出する振
動形トランスデユーサの製造方法に係り、特にこ
の中空室の中を真空にして良好な共振状態を作る
ための真空状態の形成方法を改良した振動形トラ
ンスデユーサの製造方法に関する。

〈従来の技術〉 シリコンの受圧ダイアフラムの上に形成されて
両端が固定され励振手段で励振された振動梁の共
振周波数の変化から測定圧力が検出される形式の
この発明の改良のベースとなる振動形トランスデ
ユーサは、例えば特願昭59−42632号「圧力セン
サ」に開示されている。

この振動形トランスデユーサについて、第４図
から第６図を用いてその概要を説明する。

第４図はこの従来の圧力センサのカバーをとつ
た構成を示す斜視図、第５図は第４図におけるＸ
−Ｘ断面におけるカバーをつけた断面図、第６図
は一部を省略した平面図である。

これ等の図において、１は円筒状のシリコン基
板であり、２はこのシリコン基板１の中央を掘つ
て薄肉部を形成して測定圧力Pmを受ける受圧部
とした受圧ダイアフラムであり、例えばシリコン
基板１をエツチングして作られる。

３，４は受圧ダイアフラム２の上に形成され、
両端がシリコン基板１に固定された振動梁であ
り、振動梁３は受圧ダイアフラム２のほぼ中央部
に、振動梁４は受圧ダイアフラム２の周辺部にそ
れぞれ位置している。

これ等の振動梁３，４は、具体的には例えばｎ
形シリコン基板１の上に第１のP⁺形エピタキシ
ヤル層を形成し、その中央部を切込んで電気的に
左右を分離し、この上にｎ形エピタキシヤル層を
形成した後、さらにP⁺形エピタキシヤル層を形
成してこの上を酸化膜SiO₂で保護する。そして
振動梁３の下部の空洞部５はこのｎ形エピタキシ
ヤル層をアンダーエツチングで形成する。

このようにして形成された振動梁３は、例えば
長さをｌ、厚さをｈ、幅をｄとすれば、ｌ＝
100μm、ｈ＝1μm、ｄ＝5μmの程度の大きさであ
る。

受圧ダイアフラム２の上に形成された振動梁３
の周囲は、例えばシリコンのカバー６を受圧ダイ
アフラム２に陽極接合などで接合して覆い、この
内部空間７を真空状態に保持する。なお、図示し
ていないが振動梁４側も同じ様に形成する。

この振動梁３、カバー６、空洞部５、内部空間
７などで振動形トランスデユーサの検出部Ｄを形
成している。

以上の構成において、第２のP⁺形エピタキシ
ヤル層である振動梁３，４に対して第１の左右の
P⁺形エピタキシヤル層の間に発振回路を接続し
て発振を起こさせると、振動梁３，４はその固有
振動数で自励発振を起こす。

この場合、カバー６の内部空間７が真空状態に
され振動梁３が真空の中に保持されるので、共振
の鋭さを示すＱ値が大きくなり、共振周波数の検
出が容易となる。

この自励発振の周波数は振動梁に印加される引
張或いは圧縮応力に対応して互いに逆方向に変化
する。第５図に示すように測定圧力Pmが受圧ダ
イアフラム２に印加されると振動梁３は引張応
力、振動梁４は圧縮応力を受ける。

したがつて、振動梁３と４の固有振動数は測定
圧力に対して差動的に変化し、これ等の差を演算
することによつて、２倍の感度で測定圧力Pmを
知ることができる。

〈発明が解決しようとする問題点〉 しかしながら、この様な従来の振動形トランス
デユーサの製造方法では、薄肉の受圧ダイアフラ
ム２の上に形成された振動梁３の上部に別に作ら
れたシリコンのカバー５を陽極接合などで接合
し、カバー５と受圧ダイアフラム２とで形成され
た内部の空間を真空に引かなければなければなら
ないので、振動形トランスデユーサの圧力特性或
いは温度特性が悪くなり精度低下の原因をなすと
いう問題がある。

〈問題点を解決するための手段〉 この発明は、以上の問題点を解決するために、
測定圧力が印加されるシリコン基板に印加される
電流によつて振動する振動梁とこれを覆うシエル
とこれ等の両端部を除いて所定の間隔を保つて一
部の開口部を残して中空室を形成した後、この開
口部をガス雰囲気中で封じてから、周囲を真空に
してから温度対解離圧力特性の関係に基づく温度
に保持することにより前記中空室を真空状態にし
て振動形トランスデユーサを製造するようにした
ものである。

〈作用〉 中空室を封じた後、高温の真空状態でシリコン
基板などの結晶格子の間を介して中空室の内部の
ガスを脱気してこの中空室を真空にして、中空室
の内部に配置された振動梁のＱ値を高く維持す
る。

〈実施例〉 以下、本発明の実施例について図面に基づいて
説明する。第１図は本発明の振動形トランスデユ
ーサの要部である検出部の製造工程を示す工程図
である。これは第５図における検出部Ｄに対応す
る振動梁の軸方向の断面で示した検出部D′の工
程を示している。

第１図イは検出部D′を作るためのベースとな
るｎ形のシリコン基板８を示す。

次に、このシリコン基板８を熱酸化してその表
面に酸化膜（SiO₂）９を形成する（第１図ロ）。

さらに、第１図ハの工程でこの酸化膜９の中央
部を紙面に垂直方向にフオトエツチングして、溝
１０を形成する。

第１図ニの工程では、1050℃の温度で水素ガス
H₂に塩酸HClを混合した雰囲気でエツチングを
することによりシリコン基板８に溝１０を介して
溝１１を形成する。

次に、第１図ホに示すように、溝１１の中に
1050℃の温度で水素ガスH₂の雰囲気中で10¹⁸cm^-3
の濃度のホウ素（Ｐ形）を選択エピタキシヤルし
て第１エピ層１２を形成する。

この後、第１図ヘに示すように、第１エピ層１
２の上に1050℃の温度で水素ガスH₂の雰囲気中
で10²⁰cm^-3の濃度のホウ素（Ｐ形）を選択エピタ
キシヤルして振動梁１３となる第２エピ層１４を
形成する。

振動梁１３は測定圧力Pmがゼロの状態でも初
期張力を与えておかないと測定圧力Pmの印加に
より座屈を起こして測定できない状態となる。ま
た、シリコンの共有結合半径は1.17Åであり、ホ
ウ素のそれは0.88Åであるので、ホウ素が部分的
にシリコンの中に注入されるとその部分は引張歪
みを受ける そこで、この現象を利用して例えば第２エピ層
１４のホウ素の濃度を調整することによりここに
初期張力を与えるか、或いはｎ形のシリコン基板
８の中のリン（共有結合半径は1.10Å）濃度を調
整してシリコン基板８と第２エピ層１４との相対
歪みを考慮して初期張力を与えるようにする。

次に、第１図トに示すように、第２エピ層１４
の上に1050℃の温度で水素ガスH₂の雰囲気中で、
10¹⁸cm^-3の濃度のホウ素（Ｐ形）を選択エピタキ
シヤルして第３エピ層１５を形成する。

更に、第１図チに示すように、第３エピ層１５
の上に1050℃の温度で水素ガスH₂の雰囲気中で、
10¹⁷cm^-3の濃度のリン（ｎ形）を選択エピタキシ
ヤルして第４エピ層１６を形成する。

第１図リは、第１図チに示す選択エピタキシヤ
ルの工程の後にSiO₂の酸化膜９を弗化水素HFで
エツチングして除去（工程は図示せず）した状態
において、第１エピ層１２と第３エピ層１５を除
去するエツチング工程を示している。

このエツチング工程では、図示していないが、
アルカリの液中に全体が浸積されており、ｎ形の
シリコン基板８と第４エピ層１６がｐ形の第２エ
ピ層１４に対してプラスの電位となるように直流
パルス電源１７からピーク値が5Vで繰返し周期
が0.04Hz程度の正のパルス電圧が印加されてい
る。この電圧印加によりｎ形のシリコン基板８と
第４エピ層１６はその表面に不溶性膜が形成され
て不働態化される結果そのエツチング速度が第１
エピ層１２と第３エピ層１５に対して大幅に遅く
なるので、これを利用して第１エピ層１２と第３
エピ層１５を除去する。さらに、第２エピ層１４
はドープされたホウ素の濃度が４×10¹⁹より大き
いときにはエツチング速度がドープされないシリ
コンの場合の通常の速度から大幅に遅れる現象を
利用して、第２エピ層１４を残して全体として第
１図ヌに示すように一部に開口部１８をもち、さ
らにシリコン基板８と第２エピ層１４との間に間
隙を持つように形成される。

第１図ルは、熱酸化の工程を示す。この工程で
は、シリコン基板８、第２エピ層１４、および第
４エピ層１６の内外の全表面にそれぞれ酸化膜
（SiO₂）８ａ，１４ａ、および１６ａを形成させ
る。

第１図オはプラズマエツチングの工程を示す。
この工程では、第１図ルの工程でシリコン基板
８、第２エピ層１４、および第４エピ層１６の内
外の全表面にそれぞれ形成された酸化膜８ａ，１
４ａ、および１６ａのうち、シリコン基板８と第
４エピ層１６の外面の部分に形成された酸化膜を
プラズマエツチングにより除去し、次の工程での
選択エピタキシヤル成長の準備をする。

第１図ワの工程では、全体を1050℃の温度で水
素H₂の雰囲気中でシリコン基板８と第４エピ層
１６の外面の部分にｎ形の選択エピタキシヤル成
長をさせる。この選択エピタキシヤル成長によ
り、シリコン基板８と第４エピ層１６との間に形
成された開口部１８が埋められてシエル２０が形
成され内部に棒状の第４エピ層で形成された振動
梁１３をもつ振動式トランスデユーサの検出部が
形成される。

この第１図ワの工程では水素H₂の雰囲気中で
選択エピタキシヤル成長をさせたので、シリコン
の単結晶で出来たシリコン基板８とシエル２０と
の間に形成された中空室２１の中には水素H₂が
封入されている。

そこで、第１図カに示すように900℃で真空と
した雰囲気の中にこの検出部を持つ振動式トラン
スデユーサを入れて、シリコンの結晶格子の間を
通してこの水素H₂を脱気して真空とする。この
ようにして得られた真空度は１×10^-3Torr以下
となる。

次に、第２図を用いてこの脱気について説明す
る。第２図において、横軸は温度で縦軸は解離圧
力を示している。原点から斜めに引かれた直線は
シリコン基板８のシリコン中に水素が吸収される
領域とシリコンより外部に脱気される領域とが分
離される境界を示している。

この図によれば、T₁例えば1200〓の真空中で
充分長い時間の間放置すれば、シエル２０の内部
の水素はシエル２０とシリコン基板８のシリコン
の中に吸収されてこれ等のシリコンの中に拡散さ
れ、その表面に達した水素は周囲の圧力がP₁例
えば10^-3Torr以下であれば解離して放出される。

これによつて、中空室２１の中を例えば
10^-3Torrの真空度にすることができる。

以上の点は、前記のプロセスにより実験した結
果、シエル２０の内部の中空室２２をおよそ
10^-3Torrに相当する振動梁１３のＱ値である３
×10⁴以上の値が得られていることからわかる。

第３図は第１図に示す工程の一部を変更した工
程図である。

第１図イ〜ヌまでの工程は同一であり、この後
に第３図イの工程に移る。

第３図イの工程は第１図ヌの工程で、エツチン
グにより開口部１８を形成したが、この開口部１
８を封じる他の工程である。この工程では、第２
エピ層１４に対して振動梁１３となる第４エピ層
１６とシリコン基板８とで形成される間隙に酸素
を置換した後、アモルフアスシリコンをスパツタ
して開口部１８を封じ、シエル２２を形成する。

この後、第３図ロの工程に移り、脱気する。こ
の工程では、検出部を含む振動形トランスジユー
サを900℃以上の温度の真空中に置き第３図イの
工程で中空室２１に封じられた酸素で中空室２１
の内壁のシリコンを酸化することにより、或いは
シリコン中の酸素の拡散によりその一部分がシリ
コンの表面から放出されることにより真空度を上
げる。

〈発明の効果〉 以上、実施例と共に具体的に説明したように本
発明による製造方法によれば、シリコン基板に対
して所定の間隙を持つて振動梁を一体に形成した
後、格別の加工をすることなく所定の工程で真空
にしたので、圧力特性及び温度特性の優れた振動
形トランスジユーサを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の要部の製造工程を示す工程
図、第２図は第１図における工程の１部を説明す
る説明図、第３図は第１図の工程の一部を変更し
た製造工程を示す工程図、第４図は従来の圧力セ
ンサのカバーをとつた構成を示す斜視図、第５図
は第４図におけるＸ−Ｘ断面におけるカバーをつ
けた断面図、第６図は一部を省略した平面図であ
る。 １…シリコン基板、２…受圧ダイアフラム、
３，４…振動梁、５…空洞部、６…カバー、７…
内部空間、８…シリコン基板、１２…第１エピ
層、１３…振動梁、１４…第２エピ層、１５…第
３エピ層、１６…第４エピ層、１８…開口部、２
０，２２…シエル、２１…中空室。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 測定圧力が印加されるシリコン基板に印加さ
   れる電流によつて振動する振動梁とこれを覆うシ
   エルとこれ等の両端部を除いて所定の間隔を保つ
   て一部の開口部を残して中空室を形成した後、こ
   の開口部をガス雰囲気中で封じてから、周囲を真
   空にしてから温度対解離圧力特性の関係に基づく
   温度に保持することにより前記中空室を真空状態
   にしたことを特徴とする振動形トランスデユーサ
   の製造方法。 ２ 前記ガス雰囲気として水素ガスを用いたこと
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の振動形
   トランスデユーサの製造方法。 ３ 前記ガス雰囲気として酸素ガスを用いたこと
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の振動形
   トランスデユーサの製造方法。