JPH06148012A - 振動式トランスデューサの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 少ない工程で振動梁を形成すると共に付着防
止に有効な突起を形成するための製造方法を提供する。 【構成】 シリコン基板(1)の表面に誘電体層(2)を形成
し，集束イオンビーム装置を用いてイオンビームにより
誘電体に溝(3)を形成する。その溝を含むシリコン基板
上にポリシリコン層(4)を形成し，張力を持たせるため
の加熱処理を行いポリシリコン層(4)を振動梁の形状に
形成する。そのポリシリコン層(4)を含む基板上に誘電
体層(5)を形成すると共にこの誘電体層の上にレジスト
を形成し,振動梁の上の誘電体層(5)を振動梁の幅よりも
僅かに大きく残して除去する。レジストを除去して基板
(1)上に誘電体層(7)を形成し,誘電体層(5)の表面に集束
イオンビーム装置を用いてイオンビームにより溝(3a)を
形成する。その溝を含む基板上にポリシリコン（8)を形
成し，誘電体層(5)の幅よりも僅かに大きく残して除去
する。誘電体層(2,5)を除去し,空洞(10)を形成する。基
板とポリシリコン(8)の表面にポリシリコン(8a)を形成
し,隙間を閉じシェル(８)を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，衝撃などの外乱や座屈
などにより振動梁が真空室の壁面に接触する事があって
も真空室の壁面に付着せず，外乱を取り除けば完全に元
に戻る振動形トランスデューサの製造方法に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来，この種の振動式トランスデューサ
としては図１１に示す構成のものが知られている。図１
２は図１１のＡ―Ａ断面図，図１３は一点鎖線で示す図
１２の拡大断面図である。これらの図において，１ａは
半導体単結晶基板で，２０は半導体基板１に設けられ測
定圧Ｐｍを受圧する測定ダイアフラムである。４ａは測
定ダイアフラム２０に埋込み設けられた歪み検出センサ
で，振動梁４ａが使用されている。

【０００３】１４は封止用の半導体エピタキシャル成長
層からなるシェルで，振動梁４ａを測定ダイアフラム２
０に封止する。振動梁４ａと，測定ダイアフラム２０お
よびシェル１４との間には真空室１５が設けられてい
る。振動梁４ａは，永久磁石（図示せず）による磁場
と，振動梁４ａに接続された閉ル―プ自励発振回路（図
示せず）とにより，振動梁４ａの固有振動で発振するよ
うに構成されている。

【０００４】以上の構成において，測定ダイアフラム２
０に測定圧力Ｐｍが加わると，振動梁４ａの軸力が変化
し，固有振動数が変化するため，発振周波数の変化によ
り測定圧力Ｐｍの測定が出来る。以下，上記従来例の製
造方法を簡単に説明する。 （１）図１４（Ａ）に示すように，ｎ型シリコン（１０
０）面にカットされた基板１ａに，シリコン酸化物ある
いはシリコン窒化物の膜２０１を形成する。膜２０１の
所要の箇所２０２をホトリソグラフィにより除去する。 （２）図１４（Ｂ）に示すように，１０５０℃の水素
（Ｈ₂）雰囲気中で，塩化水素等でエッチングを行い，
基板１ａに所要箇所２０２をエッチングして膜２０１を
アンダ―カットして，凹部２０３を形成する。

【０００５】（３）図１４（Ｃ）に示すように，水素
（Ｈ₂）雰囲気中で，ソ―スガスに塩化水素ガスを混入
して，選択エピタキシャル成長法を行う。すなわち， １０５０℃の温度下で，ボロンの濃度１０¹⁸ｃｍ^-3の
Ｐ形シリコンにより，真空室５の下半分に相当する第１
エピタキシャル層２０４を選択エピタキシャル成長させ
る。 １０５０℃の温度下で，ボロンの濃度３×１０¹⁹ｃｍ
^-3のＰ形シリコンにより，第１エピタキシャル層２０４
の表面に，所要の箇所２０２を塞ぐように，振動梁３に
相当する第２エピタキシャル層２０５を選択エピタキシ
ャル成長させる。 ９５０℃の温度下で，ボロンの濃度３×１０¹⁹ｃｍ^-3
のＰ形シリコンにより，第２エピタキシャル層２０５の
表面に，凸部１１に対応する凸部層２０５１を選択エピ
タキシャル成長させる。 ボロンの濃度１０¹⁸ｃｍ^-3のＰ形シリコンにより，凸
部層２０５１の表面に，真空室５の上半分に相当する第
３エピタキシャル層２０６を選択エピタキシャル成長さ
せる。 ボロンの濃度３×１０¹⁹ｃｍ^-3のＰ形シリコンによ
り，第３エピタキシャル層２０６の表面に，シェル４に
相当する第４エピタキシャル層２０７を選択エピタキシ
ャル成長させる。

【０００６】（４）図１４（Ｄ）に示すように，シリコ
ン酸化物，或は，シリコン窒化物の膜２０１をフッ化水
素酸（ＨＦ）でエッチングして除去し，エッチング注入
口２０８を設ける。 （５）図１５（Ｅ）に示すように，第４層に対して基板
１に正のパルスあるいは正の電圧を印加して，エッチン
グ注入口２０８よりアルカリ液を注入して，第１エピタ
キシャル層２０４と第３エピタキシャル層２０６を選択
エッチングして除去する。

【０００７】第２エピタキシャル層２０５と第１エピタ
キシャル層２０４あるいは第３エピタキシャル層２０６
との間にエッチング作用の差があるのは，ボロンの濃度
が３×１０¹⁹ｃｍ^-3以上となるとエッチング作用に抑制
現象が生ずることによる。また，第２エピタキシャル成
長層２０５と凸部層２０５１との間にエッチング作用の
差があるのは，温度条件の差に基くからである。その結
果，凸部層２０５１は異方性エッチング特性を有するた
め凸形状となる。 （６）図１５（Ｆ）に示すように，１０５０℃の水素
（Ｈ₂）中でｎ形シリコンのエピタキシャル成長を行
い，基板１と第４エピタキシャル層２０７の外表面に，
エピタキシャル成長層２０９を形成し，エッチング注入
口２０８を閉じる。

【０００８】この結果，真空室５の壁面が鏡面の場合
は，面粗さが小さく活性なため，衝撃などの外乱や大き
な圧縮力による座屈などにより，振動梁３が真空室５の
壁面に接触すると，そのまま真空室５の壁面に付着して
しまう恐れがあるが，振動梁３が真空室５の壁面に付着
しないように，真空室５のシェル４側の壁面に対向し
て，振動梁３の長手側面に沿って設けられた角状の凸部
が設けられたので，振動梁３が真空室５のシェル４側の
壁面に付着してしまう事がない。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで，上記のよう
な振動梁は例えばダイアフラムの大きさが５ｍｍ角，厚
さ５μｍ程度であり，このダイアフラム上に振動梁の大
きさが長さ１ｍｍ，幅５０μｍ，厚さ５μｍ，突起の高
さが１〜２μｍ程度，振動梁と真空室の壁面までの距離
が５μｍ程度である。そしてこの程度の大きさのもので
あれば突起も含めて製作可能である。しかしながら，上
記従来例の製造方法はダイアフラムに凹部を形成し，こ
の凹部とこの上に第１〜第４のエピタキシャル層を形成
する工程を要するので，工程が複雑になりコスト高にな
るという問題があり，また，上記のダイアフラムの耐圧
を上げるために，例えばダイアフラムの大きさを０．７
ｍｍ角，厚さ１μｍ程度とし，このダイアフラム上に振
動梁の大きさを長さ２００μｍ，幅１０μｍ，厚さ０．
５μｍ，振動梁と真空室の壁面までの距離を０．５μｍ
程度とする場合，突起の高さは０．１μｍ程度とする必
要がある。

【００１０】その場合，上記のエッチングによる製造方
法で０．１μｍ程度の（付着防止に有効な）突起を形成
するのは難しいという問題があった。本発明は上記従来
技術の問題点を解決するためになされたもので，少ない
工程で振動梁を形成すると共に付着防止に有効な突起を
形成するための製造方法を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する為に
本発明は，シリコン単結晶の基板に設けられた振動梁
と，該振動梁の周囲に隙間が維持されるように該振動梁
を囲み前記基板と真空室を構成するシリコン材よりなる
シェルと，該振動梁を励振する励振手段と，前記振動梁
の振動を検出する励振検出手段とを具備する振動形トラ
ンスデューサにおいて，前記振動梁は下記の工程を含ん
で形成する。

【００１２】１） シリコン基板(1)の表面に誘電体層
(2)を形成し，集束イオンビーム装置を用いてイオンビ
ームにより前記誘電体に溝(3)を形成する。 ２） 前記溝を含むシリコン基板上にポリシリコン層
(4)を形成し，前記ポリシリコン層(4)に張力を持たせる
ための加熱処理を行い，前記ポリシリコン層(4)を振動
梁の形状に形成する。

【００１３】３） 前記ポリシリコン層(4)を含む基板
上に誘電体層(5)を形成すると共にこの誘電体層(5)の上
にレジスト(６)を形成し,振動梁(4)の上の前記誘電体層
(2)及び誘電体層(5)を振動梁の幅よりも僅かに大きく残
して除去する。 ４） レジスト(6)をマスクとして基板(1)上に誘電体層
(7)を形成し,レジスト(6)を除去し,誘電体層(5)を露出
させる。 ５） 露出した誘電体層(5)の表面に集束イオンビーム装
置を用いてイオンビームにより溝(3ａ)を形成する。

【００１４】６） 前記溝(3ａ)を含む基板(1)上にポリ
シリコン（8)を形成し，工程(3)で残した誘電体層(5)の
幅よりも僅かに大きく残して除去する。 ７） 前記誘電体層(7)，(2)，(5)を除去し,空洞(10)を
形成する。 ８） 前記基板(1)とポリシリコン(8)の表面にポリシリ
コン(8a)を形成し,隙間１０ａを閉じる。

【００１５】

【作用】集束イオンビーム装置を用いれば微細な溝（突
起）加工が可能である。ポリシリコンと誘電体のみで振
動梁及びシェルを形成しているので製造プロセスが簡単
である。

【００１６】

【実施例】以下図面を用いて本発明を説明する。図１は
本発明の製造方法により作製した振動式トランスデュー
サの要部を示し従来例の図１１で示すものと同様のＡ−
Ａ’断面図である。図中１はシリコン単結晶基板，４は
突起９ａを有するポリシリコンからなる振動梁，８ｂは
同じくポリシリコン８，８ａからなるシェルであり，振
動梁に対向して突起９を有している。以下，本発明の振
動式トランスデューサの製造方法について工程に従って
説明する。

【００１７】工程１（図２参照） シリコン基板(1)の表面に０．５μｍ程度の厚さのＳｉ
Ｏ₂層(2)を形成し，集束イオンビーム装置を用いてイオ
ンビームにより前記ＳｉＯ₂に例えば長さ１００μｍ，
深さ０．１μｍ程度の溝(3)を形成する。なお，この溝
は必ずしも連続したものでなくとも例えば点線状に形成
してもよい。溝の加工に際してはＦＥＩ（フィールドエ
レクトロン＆イオンテクノロジー）社の装置を用い，次
の条件で行った。加速電圧２５ｋＶ，ビーム電流６４ｐ
Ａ，イオンビーム径６４０オングストローム，固定時間
（Ｄｗｅｌｌｔｉｍｅ）１μｓ，オーバラップ５０％，

【００１８】工程２（図３参照） 前記溝（３）を含むシリコン基板上にＣＶＤ装置を用い
てポリシリコン層(4)を０．５μｍ程度の厚さに形成
し，このポリシリコン層(4)に張力を持たせるために１
０００℃程度に加熱して熱処理を行う。その後ポリシリ
コン層(4)をフォトリソグラフィとエッチングの技術を
用いて振動梁の形状（例えば長さ２００μｍ，幅１０μ
ｍ程度に形成する。この場合,溝(3)は振動梁(4)の略中
央に位置した方が望ましい。

【００１９】工程３(図４参照） ポリシリコン層(4)を含む基板上にＳｉＯ₂層(5)を０．
５μｍ程度の厚さに形成すると共にこのＳｉＯ₂層(5)の
上に１μｍ程度の厚さのレジスト(６)を形成し,これを
マスクとして振動梁(4)の上のＳｉＯ₂層(2)及びＳｉＯ₂
層(5)を振動梁の幅よりも僅かに大きな形状（例えば１
２μｍ程度）で残し,振動梁の側面部分のＳｉＯ₂層(2)
及びＳｉＯ₂層(5)を除去する（振動梁の支持部分は残
す）。

【００２０】工程４（図５参照） レジスト(6)を除去した後基板上に０．１μｍ程度の厚
さのＳｉＯ₂層(7)を形成する。 工程５（図６参照） 露出したＳｉＯ₂層(5)の表面に集束イオンビーム装置を
用いて工程１と同様の条件でイオンビームにより０．１
μｍ程度の深さに溝(3ａ)を形成する。

【００２１】工程６（図７参照） 溝(3ａ)を含む基板上に厚さ０．５μｍ程度の厚さのポ
リシリコン（8)を形成し，工程(3)で残したＳｉＯ₂層
(5)の幅よりわずかに大きな形状（例えば１４μｍ程
度）に前記ポリシリコン（8)を残して側面部分のポリシ
リコン（8)を除去する（振動梁の支持部分は残す）。 工程７（図８参照） ＳｉＯ₂層(7)を除去して隙間１０ａを形成し_,続いてこ
の隙間からＳｉＯ₂層，(2)，(5)を除去し,空洞(10)を形
成する。この工程によりＳｉＯ₂が除去された後の振動梁
(4)とポリシリコン(8)の振動梁と対向する側に突起９，
９ａが形成される。

【００２２】工程８（図９参照） 減圧エピタキシャルタキシャル装置を用いて水素雰囲気
中で基板とポリシリコン(8)の表面に０．５μｍ程度の
厚さにポリシリコン(8a)を形成し,隙間１０ａを閉じ
る。この工程により振動梁はポリシリコン(8)と(8a)か
らなるシェルで封じられる。シェル内の空洞(10)には水
素ガスが閉じ込められるが基板を１０００℃以上に加熱
すると水素が抜けて真空室となる。

【００２３】図９は振動梁４が外乱を受けて上方（シェ
ルの天井）に接触した状態，図１０は測定ダイアフラム
側に接触した状態を示している。これらの図に示すよう
に突起が線状に接するのでお互いに付着することがな
く、外乱を取り除けば完全に元に戻ることができる。な
お，上記実施例においては具体的数値をあげて説明した
が，これらの数値に限るものではない。また，誘電体層
としてはＳｉＯ₂に限ることなく窒化膜（Ｓｉ₃Ｎ₄）で
もよく，これらを組み合わせて形成してもよい。

【００２４】

【発明の効果】以上実施例とともに具体的に説明したよ
うに本発明によれば，溝の形成手段として集束イオンビ
ーム装置を用いているので従来のエッチングによる形成
に比較して微細な溝（突起）加工が可能であり，小型化
が可能となるので耐圧の高いトランスデューサを実現す
ることができる。また，ポリシリコンとＳｉＯ₂のみで
振動梁及びシェルを形成しているので，第１〜第４のエ
ピタキシャル層を形成し濃度差エッチングを利用して突
起を形成する従来例に比較して製造プロセスが簡単であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す振動式トランスデュー
サの要部構成図である。

【図２】本発明の製造工程１を示す断面図である。

【図３】本発明の製造工程２を示す断面図である。

【図４】本発明の製造工程３を示す断面図である。

【図５】本発明の製造工程４を示す断面図である。

【図６】本発明の製造工程５を示す断面図である。

【図７】本発明の製造工程６を示す断面図である。

【図８】本発明の製造工程７を示す断面図である。

【図９】本発明により作製した振動梁が外乱を受けて上
方（シェルの天井）に接触した状態を示す図である。

【図１０】本発明により作製した振動梁が外乱を受けて
測定ダイアフラム側に接触した状態を示す図である。

【図１１】従来例を示す断面図である。

【図１２】図１１のＡ―Ａ断面図である。

【図１３】一点鎖線で示す図１２の拡大断面図である。

【図１４】従来例の製作説明図である。

【図１５】従来例の製作説明図である。

【符号の説明】

１ 基板 ２，５，７ ＳｉＯ₂層 ３ 溝 ４ 振動梁（ポリシリコン層） ６ レジスト ８，８ａ ポリシリコン層 ８ｂ シェル ９，９ａ 突起 １０ 空洞 ２０ 測定ダイアフラム

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリコン単結晶の基板に設けられた振動
   梁と，該振動梁の周囲に隙間が維持されるように該振動
   梁を囲み前記基板と真空室を構成するシリコン材よりな
   るシェルと，該振動梁を励振する励振手段と，前記振動
   梁の振動を検出する励振検出手段とを具備する振動形ト
   ランスデューサにおいて，前記振動梁は下記の工程を含
   んで形成されたことを特徴とする振動形トランスデュー
   サの製造方法。 １） シリコン基板(1)の表面に誘電体層(2)を形成し，
   集束イオンビーム装置を用いてイオンビームにより前記
   誘電体に溝(3)を形成する工程。 ２） 前記溝を含むシリコン基板上にポリシリコン層
   (4)を形成し，該ポリシリコン層(4)を振動梁の形状に形
   成する工程。 ３） 前記ポリシリコン層(4)を含む基板上に誘電体層
   (5)を形成し，前記誘電体層(2)及び誘電体層(5)を振動
   梁の幅よりも僅かに大きく残して除去する工程。 ４） 前記基板(1)上に誘電体層(7)を形成する工程。 ５） 前記露出した誘電体層(5)の表面に集束イオンビー
   ム装置を用いてイオンビームにより溝(3ａ)を形成する
   工程。 ６） 前記溝(3ａ)を含む基板(1)上にポリシリコン（8)
   を形成し，工程(3)で残した誘電体層(5)の幅よりわずか
   に大きく残して前記ポリシリコン（8)を除去する工程。 ７） 前記誘電体層(7)，(2)，(5)を除去し,空洞(10)を
   形成する工程。 ８） 前記基板(1)とポリシリコン(8)の表面にポリシリ
   コン(8a)を形成し,隙間１０ａを閉じる工程。