JPH0786441B2 - 振動形トランスデューサの製造方法 - 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ューサ
の製造方法に係り、特にこの振動梁を歩留まり良く形成
するように改良した振動形トランスデューサの製造方法
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公知の振動形トランス
デューサは、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ューサについて、第３図から第６
図を用いてその概要を説明する。

第３図はこの従来の圧力センサのカバーをとった構成を
示す斜視図、第４図は第３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の中央を掘って薄肉部を形
成して測定圧力P_m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をエッチングして作ら
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⁺形エピタキシャル層を形成し、
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形エピタキシャル層を形成した後、さらにP⁺形エピタ
キシャル層を形成してこの上を酸化膜S_iO₂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
ャル層をアンダーエッチングで形成する。

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＝１
μｍ、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
振動形トランスデューサの検出部Ｄを形成している。

以上の構成において、第２のP⁺形エピタキシャル層であ
る振動梁３（４）に対して第１の左右のP⁺形エピタキシ
ャ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４図に
示すように測定圧力P_m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。

したがって、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っ
て、２倍の感度で測定圧力P_mを知ることができる。

しかしながら、この様な従来の振動形トランスデューサ
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するように構成されているの
で、カバー５の接合においてダイアフラム２に歪みが生
じるなどの不都合がある。

そこでこの点を改良するために本出願人から提案された
例えば、特願昭62−166175「発明の名称：振動形トラン
スデューサの製造方法」に開示されているような製造方
法が採用される。

以下この製造方法について、第６図を用いて説明する。

第６図はこの従来の振動形トランスデューサの要部であ
る検出部の製造工程を示す工程図を示している。これは
第４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６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（S_iO₂）９を形成する（第６図（ロ））。

さらに、第６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ッチングして、溝10を形成す
る。

第６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ッ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６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）を選択エピタキシャルして第１エピ層12を形成
する。

この後、第６図（ヘ）に示すように、第１エピ層12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）を選択エピタキシャルして振動梁13
となる第２エピ層14を形成する。

振動梁13は測定圧力P_m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P_m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６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）を選択エピタキシャルとして第３エ
ピ層15を形成する。

更に、第６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）を選択エピタキシャルして第４エピ層
16を形成する。

第６図（リ）は、第６図（チ）に示す選択エピタキシャ
ルの工程の後にS_iO₂の酸化膜９を弗化水素HFでエッチン
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を除去するエッチング工程を示
している。

このエッチング工程では、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
れる結果そのエッチング速度が第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
ときにはエッ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６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６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（S_iO₂）8a、14a、およ
び16aを形成させる。

第６図（オ）はプラズマエッチングの工程を示す。この
工程では、第６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、14a、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
膜をプラズマエッチングにより除去し、次の工程での選
択エピタキシャル成長の準備をする。

第６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ャル成長をさせる。この選択
エピタキシャル成長により、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ューサの検出部が形成され
る。

この第６図（ワ）の工程では水素H₂の雰囲気中で選択エ
ピタキシャ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、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ューサを入れて、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。

しかしながら、この様な従来の振動式トランスデューサ
はシエルと振動梁とを一体に形成できる利点はあるが、
振動梁と溝11の底面およびシエル20との間に逆バイアス
をかけて選択エッチングをする方法はＰ−Ｎ接合を流れ
るリーク電流によってエッチングの安定度が左右され、
中空室を形成する工程が不安定で、歩留まりが悪いとい
う問題がある。

以上の点について、第７図を用いて説明する。

第７図は第６図に示す従来のエッチング工程で逆バイア
スを印加して第１エピ層12などを除去する場合の問題点
を説明する説明図である。

この場合には、エッチング工程（第６図（リ））で逆バ
イアスをかけた状態で第１エピ層12を除去すると、ｎ形
のシリコン基板８の上に島状に第１エピ層12の一部が残
り残留部22が形成される。この残留部22がエッチング液
であるアルカリ液との界面においてＮ形に反転してＮ形
反転部23が形成される。このため、この部分にリーク電
流i_lが流れる道ができ、島状に残ったＰ形の第１エピ層
12の表面が保護され、エッチングが不安定になるのであ
る。

＜課題を解決するための手段＞ この発明は、以上の課題を解決するために、ｎ形シリコ
ンの基板の一部を薄肉に形成してダイアフラムとしこの
ダイアフラムに印加された変位に対応して振動する振動
梁をこのダイアフラムと一体に形成する振動形トランス
デューサの製造方法において、基板の表面に保護膜を形
成した後、所定の開口を設けてエッチングにより基板に
凹部を形成し、この凹部に数μｍ以下の薄い厚みで高濃
度のＰ形の補助エピタキシャル層をエピタキシャル成長
させ、この後に最終的に中空室の一部をなす第１エピタ
キシャル層、最終的に振動梁をなす高濃度のＰ形の第２
エピタキシャル層、中空室の他の一部をなす第３エピタ
キシャル層、および最終的にシエルの一部となる第４エ
ピタキシャル層を各々順次エピタキシャル成長させ、こ
の後保護膜をエッチングにより除去して形成された開口
部からエッチング液を注入して第１および第３エピタキ
シャル層を除去して中空室を形成した後、基板と第４エ
ピタキシャル層とを一体に覆ってシェルとするようにし
たものである。

＜作 用＞ ｎ形のシリコン基板に溝を形成してこの上に高濃度では
あるが数μｍ以下の極めて薄いＰ形の補助エピタキシャ
ル層を形成して、その後の選択エピタキシャル成長の後
のエッチング工程におけるエッチング保護のための直流
パルス電源により流れる電流を遮断して島状の残留部を
覆う保護膜が形成されないようにしてこの残留部をエッ
チングにより除去する。一方、補助エピタキシャル層は
極めて薄いため、その後に選択エピタキシャル工程など
でのオートドープなどにより薄められてアルカリ液でエ
ッチングされる程度まで濃度が低下し、綺麗にエッチン
グされて除去される。

＜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図は本発明の製造工程の要部を示す部分工程図
である。

第１図（イ）は第６図（ニ）に相当する工程の部分を示
している。これまでの工程は第６図に示す工程と同一で
ある。

第１図（ロ）は補助エピタキシャルの工程である。この
工程では溝11の周面に高濃度P⁺⁺（＝3X10¹⁹cm^-3）では
あるが数μｍ以下、例えば１μｍ以下の薄いＰ形のエピ
タキシャル成長をさせ補助エピ層22を形成する。

この上に、第６図に示す工程と同様に、選択エピタキシ
ャル工程１〜４（第１図（ハ）〜（ヘ））によりエピタ
キシャル成長をさせる。

次に、第１図（ト）のエッチング工程に移行する。この
場合には従来のように高濃度の補助エピ層22が存在して
も無電界ではなくして電解エッチングを行う。つまり、
ｎ形のシリコン基板８にＰ形の振動梁に相当する第２エ
ピ層14に対して直流パルス電源17から正電圧を印加して
シリコン基板８を保護しながら、アルカリ液によりエッ
チングをする。

このエッチングの結果は、第１図（チ）に示すように補
助エピ層22、第１エピ層12、第３エピ層15がいずれも除
去されて下地のｎ形の補助エピ層22が綺麗に露出する。

この後の工程は第６図（ヌ）〜第６図（ワ）に示す工程
と同一である。

次に、本工程により薄い補助エピ層を用いて電解エッチ
ングをしても良好な振動梁が形成できる点について第２
図を用いて説明する。

シリコン基板８の上に極めて薄いがＮ形に反転しない補
助エピ層24が形成されているので、これにより第７図に
示すリーク電流i_lを遮断し、Ｐ形の残留部22が残らない
ようにエッチングされる。一方、補助エピ層24は極めて
薄いため、その後の選択エピタキシャル工程などでのオ
ートドープなどによりうすめられ、アルカリ液でエッチ
ングされる程度まで濃度が低下し、最終的には綺麗にエ
ッチングされて除去される。

＜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
れば、基板に溝を形成した後、この部分に極めて薄いが
高濃度のＰ形の補助エピタキシャル層を形成して、エピ
タキシャル成長をさせた後に中空部を形成させるために
逆バイアスをかけた状態でエッチングするようにしたの
で、島状の残留部をなくすことができ、安定したエッチ
ングが形成でき、美しいエッチング面を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の製造工程の要部を示す工程図、第２図
は第１図に示す補助エピタキシャル工程の効果を説明す
る説明図、第３図は従来の圧力センサのカバーをとった
構成を示す斜視図、第４図は第３図におけるＸ−Ｘ断面
におけるカバーをつけた断面図、第５図は一部を省略し
た平面図、第６図は従来の振動形トランスデューサの要
部の製造工程を示す工程図、第７図は第６図に示す工程
の問題点を説明する説明図である。 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、20……シエル、21……中空
室、22……残留部、23……Ｎ形反転層、24……補助エピ
層。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小林 隆 東京都武蔵野市中町２丁目９番32号 横河 電機株式会社内 (72)発明者 渡辺 哲也 東京都武蔵野市中町２丁目９番32号 横河 電機株式会社内 (72)発明者 西川 直 東京都武蔵野市中町２丁目９番32号 横河 電機株式会社内 (72)発明者 吉田 隆司 東京都武蔵野市中町２丁目９番32号 横河 電機株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ｎ形シリコンの基板の一部を薄肉に形成し
   てダイアフラムとしこのダイアフラムに印加された変位
   に対応して振動する振動梁をこのダイアフラムと一体に
   形成する振動形トランスデューサの製造方法において、
   前記基板の表面に保護膜を形成した後、所定の開口を設
   けてエッチングにより前記基板に凹部を形成し、この凹
   部に数μｍ以下の薄い厚みで高濃度のＰ形の補助エピタ
   キシャル層をエピタキシャル成長させ、この後に最終的
   に中空室の一部をなす第１エピタキシャル層、最終的に
   振動梁をなす高濃度のＰ形の第２エピタキシャル層、前
   記中空室の他の一部をなす第３エピタキシャル層、およ
   び最終的にシエルの一部となる第４エピタキシャル層を
   各々順次エピタキシャル成長させ、この後前記保護膜を
   エッチングにより除去して形成された開口部からエッチ
   ング液を注入して前記第１および第３エピタキシャル層
   を除去して前記中空室を形成した後、前記基板と前記第
   ４エピタキシャル層とを一体に覆って前記シェルとする
   ことを特徴とする振動形トランスデューサの製造方法。