JPH0468575B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、基板を用いて形成された中空室に配
置された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歪センサに係り、特
に初期張力が加えられた振動梁を改良した振動形
歪センサに関する。

〈従来の技術〉 弦振動を用いた振動形歪センサは、例えば特開
昭54−56880号「振動線装置」に開示されている。

ここに開示されているのは、差圧をダイアフラ
ムで受けて振動線に加わる張力の変化から差圧を
検出する場合に、この振動線に初期張力を与える
ために振動線を取り囲む一対の平坦で相互接続さ
れたワツシヤ状のゼロばねを用いて振動線を引張
る構成を取り、さらに張力の温度による変化を防
ぐ為に材料の膨脹係数の差を利用している。

また、半導体を用いた振動形歪センサは、例え
ば特願昭59−42632号「圧力センサ」に開示され
ている。

この振動形歪センサについて、第５図から第７
図を用いてその概要を説明する。

第５図はこの従来の振動形歪センサのカバーを
とつた構成を示す斜視図、第６図は第５図におけ
るＸ−Ｘ断面におけるカバーをつけた断面図、第
７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
振動数で自動発振を起こす。

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６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歪センサ
は、前者の機械式の振動形歪センサでは複雑な張
力印加の構造をとりさらに張力の安定度を保持す
るために多くの要素を制御しなければならず、後
者の半導体式の振動形歪センサでは前者の機械式
の振動形歪センサに比べてその構成が簡単になつ
ているが初期張力を保持するために格別の対策は
講じられていないので、圧力に対する感度がバラ
ツクという欠点がある。また、圧縮歪みに対して
は座屈を生じる欠点がある。さらに、シリコンの
カバーを受圧ダイアフラムに陽極接合を行うため
には高温に、例えば450℃以上に保持する必要が
あり、このため熱膨張の問題が生じ安定な加工が
出来ないという問題がある。

〈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、
以下の各ステツプを踏む製造方法としたものであ
る。

シリコン単結晶基板の上に保護膜を形成し、
この後でパターンが形成されたマスクを用いて
前記保護膜の一部に開口部を設け、次にこの開
口部に対応する凹部を前記基板に形成し、 この凹部の上に前記基板の伝導形式とは反対
の伝導形式を持つ隙間対応部の下半分をエピタ
キシヤル成長により形成し、 この上にシリコン原子の結合半径より小さい
結合半径を持つ他の不純物原子を所定の濃度に
調整して注入して振動子対応部を形成し、 この振動子対応部と前記保護膜との上に前記
隙間対応部の上半分をエピタキシヤル成長によ
り形成し、 そしてこれ等の上にシエル相当部をエピタキ
シヤル成長により一体に形成し、 次に、前記保護膜をエツチングすることによ
り前記隙間対応部に達するエツチング液の注入
口を前記シエル相当部に形成し、 この後、前記隙間対応部をエツチングにより
除去して振動子を形成し、 次に、前記注入口を封じてシエルを形成す
る。

〈作用〉 先のからの各ステツプを踏むことにより、
基板にシエルとこれに覆われた振動子が一体に固
定される共に振動子に初期張力を付与し、所定の
感度を維持する。これにより、圧力特性及び温度
特性の優れた振動形歪センサが製造される。

〈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図は本発明の要部である検出部の
構成を示す断面図である。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′の断面である。

検出部D′は、ｎ形のシリコン基板８に両端が
固定されこの両端を除いてシリコン基板８と所定
の間隔を保持してＰ形の振動梁１３が固定され、
その上はシリコンのシエル２０でシリコン基板８
と一体に覆われ、これ等に囲まれて中空室２１が
形成されている。この中空室２１の内部は真空に
保持されている。

そして、シリコン基板８に測定圧力Pmが印加
されてこのシリコン基板８に両端が固定された振
動梁１３に生じる歪みに対応した振動梁１３の共
振周波数を測定することにより測定圧力Pmを知
る。

ところで、振動梁１３は測定圧力Pmがゼロの
時でも初期張力を与えておかないと、測定圧力に
より座屈を起こして測定できない状態となる。ま
た、この初期張力のバラツキを制御しておかない
と感度のバラツキを生じることになる。

以下この点について、説明する。第２図は各種
の不純物の共有結合半径Riと、シリコンの共有
結合半径Psiに対する各不純物の共有結合半径Ri
との関係を現している。第３図は不純物の濃度に
対する格子定数の変化を示している。第２図から
判るようにシリコン（Si）の共有結合半径
Rsi1.17Åに対してリン（Ｐ）は1.10Å、ホウ素
（Ｂ）は0.88Åと小さい。従つて、ホウ素或いは
リンがシリコンの中に注入されるとこの部分は引
張歪を受ける。その歪みの程度は、第３図から、
例えばホウ素が10²⁰cm^-3の濃度の場合の格子定数
の変化は２×10^-3Åであり、一方シリコンの格子
定数は5.431Åであるので約４×10^-4（＝２×
10^-3／5.431）となる。４×10^-4以上の歪みを与
えるには、例えばホウ素を２倍の２×10²⁰cm^-3だ
け注入すれば、注入量に比例して８×10^-4の初期
張力が発生する。従つて、任意の濃度のホウ素を
注入すれば任意の初期張力を与えることができ
る。

第１図に示す振動梁１３はこれを利用して初期
張力が与えてある。

なお、４×10^-4未満の歪みを与えるには、ｎ形
のシリコン基板８のリン濃度を上げてやるか、或
いは振動梁１３を酸化して振動梁の表面のホウ素
を酸化膜の中に偏析させ、BHFにより酸化膜を
除去することにより振動梁１３の中のホウ素濃度
を下げて歪みを４×10^-4以下に調節できる。ま
た、第３図から判るようにホウ素の濃度が10¹⁷cm
^-3の程度ではほとんど歪みが発生しないことが推
定される。

第４図は本発明の振動形歪センサの要部である
検出部の製造工程を示す工程図である。これは第
６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４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（第４図ロ）。

さらに、第４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４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４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４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の程度の濃度になるように調整された
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。

これは、シリコンの共有結合半径が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が
引張歪みを受けるのを利用して振動梁１３となる
第２エピ層１４のホウ素の濃度を調整してここに
必要な初期張力を与えるためである。

次に、第４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４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４図リは、第４図チに示す選択エピタキシヤ
ルの工程の後にSiO₂のの酸化膜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
４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４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４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４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４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４図ワに工程では水素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４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形歪セン
サをいれて、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。

なお、振動梁１３の初期張力をさらに細かく調
整するには、例えばｎ形のシリコン基板８の中の
リン濃度を調整してシリコン基板８と第２エピ層
１４との相対歪みを利用して初期張力を調整する
ようにする。

或いは、エピタキシヤルにより低濃度のｎ形シ
リコンを適当な厚みで振動梁１３に成長させるこ
とにより、見掛けの初期張力を低下させることも
出来る。また、熱酸化することによつても、熱酸
化膜の中に発生する圧縮歪みが加わつて見掛けの
初期張力を調節することができる。さらに、
CVD、スパツタ、蒸着などによつても同じよう
に初期張力を調整することができる。

いままでの実施例では、注入する原子をホウ
素、或いはリンとして説明したが、これに限定さ
れることはない。また、振動梁はシリコンに限る
こともない。

以上の振動形歪センサは、圧力測定をベースと
して説明したが、これは加速度センサ、差圧セン
サなどにも適用できる。

〈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
して所定の間隙を保持して振動梁を一体に形成す
ると共に任意の初期張力を製造ステツプで振動子
に付与することができるので、圧力特性及び温度
特性の優れた振動形歪センサの製造方法を提供す
ることができる。

さらに、従来のように高温の雰囲気下で陽極接
合などをする必要がないので、熱膨張による特性
変化の少ない製造方法が提供出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の要部の構成を示す断面図、第
２図は不純物とその共有結合半径との関係を示す
説明図、第３図は不純物濃度の注入による格子定
数の変化を説明する説明図、第４図は第１図に示
す振動形歪センサの検出部を製造する工程を示す
工程図、第５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６図は第５図のＸ−Ｘ
断面におけるカバーを付けた断面図、第７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…シエル、２１…中空室。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ シリコン単結晶基板の上に保護膜を形成し、
   この後でパターンが形成されたマスクを用いて前
   記保護膜の一部に開口部を設け、次にこの開口部
   に対応する凹部を前記基板に形成し、 ２ この凹部の上に前記基板の伝導形式とは反対
   の伝導形式を持つ隙間対応部の下半分をエピタキ
   シヤル成長により形成し、 ３ この上にシリコン原子の結合半径より小さい
   結合半径を持つ他の不純物原子を所定の濃度に調
   整して注入して振動子対応部を形成し、 ４ この振動子対応部と前記保護膜との上に前記
   隙間対応部の上半分をエピタキシヤル成長により
   形成し、 ５ そしてこれ等の上にシエル相当部をエピタキ
   シヤル成長により一体に形成し、 ６ 次に、前記保護膜をエツチングすることによ
   り前記隙間対応部に達するエツチング液の注入口
   を前記シエル相当部に形成し、 ７ この後、前記隙間対応部をエツチングにより
   除去して振動子を形成し、 ８ 次に、前記注入口を封じてシエルを形成す
   る、 各ステツプからなることを特徴とする振動形歪
   センサの製造方法。