JPH0786443B2 - 振動形トランスデュサの製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は、シエルを有しシリコン単結晶の基板状に設け
られシリコン単結晶材よりなる振動梁を有する振動トラ
ンスデュサの製造方法に関するものである。

更に詳述すれば、本発明は、転位が少なく、初期張力が
大で感度が高い等の機械的、電気的特性が良好な振動形
トランスデュサの製造方法に関するものである。

＜従来の技術＞ 第５図は従来より一般に使用されている従来例の構成説
明図で、圧力センサに使用せる例を示し、第６図は第５
図におけるＸ−Ｘ断面図、第７図は一部を省略した平面
図である。

このような装置は、例えば、特願昭59−42632号公報に
示されている。

これらの図において、 １は弾性を有する半導体で構成された基板で、例えば、
シリコン基板が用いられている。

２はこの半導体基板１の一部を利用して構成されている
受圧ダイアフラムで、例えば、半導体基板１をエッチン
グして構成される。

３および４は受圧ダイアフラム２上に形成された両端固
定の微小な振動梁である。

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の周縁部にそれぞれ位置してい
る。

この振動梁3,4は、例えば半導体基板１において、振動
梁に相当する箇所の周辺部を、例えばアンダエッチング
して形成されている。

５はシエルで、受圧ダイアフラム２上に形成された振動
梁３の周囲を覆い、この内部25（振動梁３の周囲）を真
空状態に保持するようにしたものである。

シエル５は、この場合は、シリコンで構成され、受圧ダ
イアフラム２に、例えば陽極接合法によって取付けられ
る。シエル５は振動梁４にも設けられているが、ここで
は省略する。

なお、シエル５は、第５図においては、分りやすくする
ためにい省略されている。

第８図は第６図における振動梁付近を拡大して示す断面
図である。ここでは、受圧ダイアフラム２としてｎ形シ
リコン基板を用いた例である。この図において、21a,21
bはP⁺層で、21a,21bとは切込み部20によって電気的に分
離している。

22はｎ形エピタキシアル層、23はP⁺層、24はSiO₂層であ
る。エピタキシアル層22の一部は、例えば、アンダーエ
ッチングによって隙間部25が形成されており、振動梁３
（４）は隙間部25上を跨がる両端固定のＰ層とSiO₂層と
によって構成されている。

第８図において振動梁３（４）を構成するＰ層23と、隙
間部25を介して対向するＰ層21a,21bは、静電容量電極
を構成しており、ここでは振動片３（４）を、P⁺層21a
とP⁺層23との間に働く静電力を利用して励振させ、ま
た、P⁺層21bとP⁺層23との間の静電容量変化によって、
振動梁３（４）の振動を検出するようになっている。

OSCは発振回路で、この回路は外部、あるいは、半導体
基板１を利用して構成されており、入力端はP⁺層21bが
接続され、振動梁３（４）の振動に関連した信号が印加
される。また、出力端はP⁺層21aが接続され、P⁺層21aと
P⁺層23間に出力信号を与える。これによって、発振回路
OSCと振動梁３（４）とは振動梁の固有振動数で発振す
る自励発振回路を構成する。

このように構成した圧力センサにおいて、受圧ダイアフ
ラム２に、第６図の矢印Ｐに示すように、内側から圧力
を与えるものとすれば、この圧力を受けて受圧ダイアフ
ラム２は撓み、中央に形成されている振動梁３には引張
力が、ダイアフラム２の周縁部に形成されている振動梁
４には圧縮力がそれぞれ加わる。これにより各振動梁3,
4の固有振動数f₁,f₂は、圧力Ｐに対して差動的に変化す
る事となり、例えば、f₁−f₂の差を演算することによっ
て、圧力Ｐを測定することができる。

しかして、シエル５により振動梁3,4が真空中に置かれ
る為、振動梁3,4のＱを高くすることができる。

しかしながら、この様な装置においては、受圧ダイアフ
ラム２にシェル５を取付けねばならないので、陽極接合
法等の接合技術が必要となり、接合時に振動梁に悪影響
を及ぼす恐れがある。また、接合強度等問題となり、小
形化にも限度を有する。

このような問題点を解決するために、本願出願人は昭和
62年６月26日出願の特願昭62−159073「発明の名称；振
動形トランスデュサの製造方法」を出願している。

以下、この出願について、第９図により説明する。

図において、第５図から第８図までと同一記号は同一機
能を示す。

以下、第５図から第８図までと相違部分のみ説明する。

（１）第９図（Ａ）に示すごとく、ｎ型シリコン（10
0）面にカットされた基板１に、シリコン酸化物あるい
はシリコン窒化物の膜101を形成する。膜101の所要の箇
所をホトリソグラフィにより除去する。

（２）第９図（Ｂ）に示すごとく、1050℃の水素（H₂）
雰囲気中で、塩化水素でエッチングを行い、基板１に所
要箇所102をエッチングして膜101をアンダーカットして
凹部103を形成する。

なお、塩化水素の代りに、高温水蒸気、酸素を用いる
か、あるいは、40℃〜130℃のアルカリ液による異方性
エッチングでもよい。

（３）第９図（Ｃ）に示すごとく、1050℃の水素（H₂）
雰囲気中で、ソースガスに、塩化水素（HCl）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、 ボロンの濃度の10¹⁸cm^-3のＰ形シリコンにより、隙間
部25の下半分に相当する第１エピタキシャル層104を選
択エピタキシャル成長させる。

ボロンの濃度10²⁰cm^-3のＰ形シリコンにより、第１エ
ピタキシャル層104の表面に、所要の箇所102を塞ぐよう
に、振動梁3,4に相当する第２エピタキシャル層105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、第２エ
ピタキシャル層105の表面に、隙間部25の上半分に相当
する第３エピタキシャル層106を選択エピタキシャル成
長させる。

リンの濃度10¹⁷cm^-3のｎ形シリコンにより、第３エピ
タキシャル層106の表面に、シエル５に相当する第４エ
ピタキシャル層107を選択エピタキシャル成長させる。

（４）第９図（Ｄ）に示すごとく、シリコン酸化物、あ
るいは、シリコン窒化物の膜101をフッ化水素酸（HF）
でエッチングして除去し、エッチング液の注入口108を
設ける。

（５）第９図（Ｅ）に示すごとく、第２エピタキシャル
層105に対して、基板１と第４エピタキシャル層107に正
のパルスを印加して、エッチング液の注入口108よりア
ルカリ液を注入して、第１エピタキシャル層104と第３
エピタキシャル層106を、選択エッチングして除去す
る。

第２エピタキシャル層105と第１エピタキシャル層104あ
るいは第３エピタキシャル層106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。

このことは、例えば、「トランスデュサーズ'87」日本
電気学会発行の123ページ Fig8に示されている。

（６）熱酸化処理を行い各表面に酸化シリコン膜109を
生ぜしめる。

なお、寸法精度がより緩かな場合には、この工程は必要
としない。

（７）第９図（Ｆ）に示すごとく、プラズマエッチング
処理により、基板１と第４エピタキシャル層107の外表
面の酸化シリコン膜109を除去する。なお、（７）の熱
酸化処理を行なわない場合には、この工程も必要としな
い。

（８）第９図（Ｇ）に示す如く、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107の外表面にエピタキシャル
成長層111を形成し、エッチング液の注入口108をとじ
る。

なお、この工程は、 熱酸化によりエッチング液の注入口108をとじる。

ポリシリコンをCVD法またはスパッタ法によりエッチ
ング液の注入口108の箇所に着膜させて、エッチング液
の注入口108をとじる。

真空蒸着法によるシリコンエピタキシャル法によりエ
ッチング液の注入口108を埋める。

絶縁物、例えば、ガラス（SiO₂）、窒化物、アルミナ
等をCVD法、または、スパッタ法あるいは、蒸着法によ
りエッチング液の注入口108を埋めるようにしてもよ
い。

この結果、 （１）基板１と振動梁3,4とシエル５とが一体形で形成
されるので、基板１とシエル５との接合を必要とせず、
接合に基づく不安定さの問題が無くなる。

（２）単純な構造で、外部の流体と振動梁3,4を絶縁で
き、小形化が容易に出来る。

（３）振動梁3,4やシエル５の位置、厚さ、形状は、半
導体プロセス技術を利用して容易に正確に出来る。した
がって、精度の高い振動形トランスデュサが得られる。

＜発明が解決しようとする課題＞ しかしながら、この様の装置においては、第２エピタキ
シャル層105のエピタキシャル成長時において、酸化シ
リコン等からなる膜101のエッジ部分を結晶が成長して
通過するときに転位が発生しゃすい。

この結果、 不純物濃度差による張力が緩和する。

結晶性が悪くなるので、リーク電流が多くなる。

結晶性が悪いので、破断応力が低い。

本発明は、この問題点を解決するものである。

本発明の目的は、転位が少なく、初期張力が大で感度が
高い等の機械的、電気的特性が良好な振動形トランスデ
ュサの製造方法を提供するにある。

＜課題を解決するための手段＞ この目的を達成するために、本発明は、シリコン単結晶
の基板上に設けられ、励振手段により励振され励振検出
手段によって振動が検出されシリコン単結晶材よりなる
振動梁を形成し、該振動梁を囲み前記基板と室を構成し
該振動梁の周囲に隙間が維持されるようにシリコン材よ
りなるシエルを形成する振動形トランスデュサの製造方
法において、 前記シリコン単結晶の基板上にシリコン酸化物あるいは
窒化物の膜を形成し、 該膜の所要箇所をエッチングにより取去り、 前記基板に前記室の基板側部分および前記振動梁が形成
される位置の部分にエッチングされやすい高濃度のＰ形
シリコンからなる第１拡散層を熱拡散により形成した後
該第１拡散層の前記振動梁が形成される位置の部分にエ
ッチングされにくい高濃度のＰ形シリコンからなる第２
拡散層を熱拡散により形成したことを特徴とする振動形
トランスデュサの製造方法を採用したものである。

＜作用＞ 以上の方法において、基板に振動梁と隙間対応部分とシ
エル相当部分とを基板と一体となるように形成した後、
隙間対応部分をエッチングで除去することによって、基
板と振動梁とシエル一体形の振動形トランスデュサを得
ることができる。

また、基板に振動梁が形成される位置の部分にエッチン
グされにくい高濃度のＰ形シリコンからなる第２拡散層
を熱拡散により形成したので、第２拡散層に転位を生ず
る恐れがない。

以下、実施例に基づき詳細に説明する。

＜実施例＞ 第１図は本発明の一実施例の要部製作工程説明図であ
る。

図において、第５図から第８図と同一記号の構成は同一
機能を表わす。

以下、第５図から第８図と相違部分のみ説明する。

（１）第１図（Ａ）に示すごとく、ｎ型シリコン（10
0）面の基板１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）第１図（Ｂ）に示すごとく、基板１に隙間部25の
基板側部分および振動梁3,4が形成される位置の部分に
３×10¹⁹/cm³程度未満のＰ形シリコンからなる第１拡散
層203を熱拡散により形成する。

（３）第１図（Ｃ）に示すごとく、第１拡散層203の振
動梁3,4が形成される位置の部分に３×10¹⁹/cm³程度以
上のＰ形シリコンからなる第２拡散層204を熱拡散によ
り形成する （４）第１図（Ｄ）に示すごとく、1050℃の水素（H₂）
雰囲気中でソースガスにHClガスを混入して、ボロンの
濃度10¹⁹cm^-3未満のＰ形シリコンにより、隙間部25の上
半分に相当する第１エピタキシャル層206を選択エピタ
キシャル成長させる。

（５）第１図（Ｅ）に示すごとく、1050℃の水素（H₂）
雰囲気中でソースガスにHClガスを混入して、ボロンの
濃度３×10¹⁹cm^-3以上のＰ形シリコンにより、第１エピ
タキシャル層205の表面に、シエル５に相当する第２エ
ピタキシャル層206を選択エピタキシャル成長させる。

（６）第１図（Ｆ）に示すごとく、シリコン酸化物、あ
るいは、シリコン窒化物の膜201のフッ化水素酸（HF）
でエッチングして除去し、エッチング液の注入口207を
設ける。

（７）第１図（Ｇ）に示すごとく、第２拡散層204に対
して基板１と第２エピタキシャル層206に、正のパルス
を印加して、エッチング液の注入口207よりアルカリ液
を注入して、第１拡散層203と第１エピタキシャル層205
を選択エッチングして除去する。

第２拡散層204と第１拡散層203あるいは第１エピタキシ
ャル層205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。

（８）第１図（Ｈ）に示すごとく、熱酸化処理を行い各
表面に酸化シリコン膜208を生ぜしめる。

なお、寸法精度がより緩かな場合には、この工程は必要
としない。

プラズマエッチング処理により、基板１と第２エピタキ
シャル層206の外表面の、酸化シリコン膜208を除去す
る。

なお、（８）の熱酸化処理を行なわない場合には、この
工程も必要としない。

（９）第１図（Ｉ）に示すごとく、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２エピタキシャル層206の外表面に、エピタキシャ
ル成長層209を形成し、エッチング液の注入口207をとじ
る。

なお、この工程は、 熱酸化によりエッチング液の注入口207をとじる。

ポリシリコンをCVD法またはスパッタ法によりエッチ
ング液の注入口207の箇所に着膜させて、エッチング液
の注入口207をとじる。

真空蒸着法によるシリコンエピタキシャル法によりエ
ッチング液の注入口207を埋める。

絶縁物、例えば、ガラス（SiO₂）、窒化物、アルミナ
等をCVD法、または、スパッタ法あるいは、蒸着法によ
りエッチング液の注入口207を埋めるようにしてもよ
い。

なお、振動梁3,4とシエル５との絶縁が取れないため
に、振動検出信号ｅは、第３図に示すごとく、 ｅ＝（Z_S・e₀）／（Z_V＋Z_S） Z_S;シエル５の内部インピーダンス e₀;振動梁3,4の起電力 Z_V;振動梁3,4の内部インピーダンス となって、減少するが、振動梁3,4のＱ（共振の尖鋭
度）が充分大きいため、実用上問題にならない。

また、第１エピタキシャル層205はｎ形シリコンであっ
てもよい。

以上の方法において、基板１に振動梁3,4と隙間25対応
部分とシエル５相当部分とを基板１と一体となるように
形成した後、隙間25対応部分をエッチングで除去するこ
とによって、基板１と振動梁3,4とシエル５一体形の振
動形トランスデュサを得ることができる。

また、基板１に振動梁3,4が形成される位置の部分に３
×10¹⁹/cm³程度以上のＰ形シリコンからなる第２拡散層
204を熱拡散により形成したので、第２拡散層204に生ず
る転位が少ない。

この結果、 不純物濃度差による振動梁3,4の残留歪み（張力）を
大きく保てる。

結晶性が良くなるので、振動梁3,4のリーク電流が少
なくなる。

結晶性が良いので、振動梁3,4の破断応力が高い。

第３図は本発明の他の実施例の要部製作工程説明図であ
る。

図において、 （１）第３図（Ａ）に示すごとく、ｎ型シリコン（10
0）面の基板１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）第３図（Ｂ）に示すごとく、基板１に隙間部25の
基板側部分および振動梁3,4が形成される位置の部分に
３×10¹⁹/cm³程度未満のＰ形シリコンからなる第１拡散
層203を熱拡散により形成する。

（３）第３図（Ｃ）に示すごとく、第１拡散層203の振
動梁3,4が形成される位置の部分に３×10¹⁹/cm³程度以
上のＰ形シリコンからなる第２拡散層204を熱拡散によ
り形成する （４）第３図（Ｄ）に示すごとく、1050℃の水素（H₂）
雰囲気中でソースガスに塩化水素（HCl）とシラン（SiH
₄）ガスを混入して、リンの濃度10¹⁷cm^-3のｎ形シリコ
ンにより、隙間部25の上半分とシエル５に相当する第５
エピタキシャル層211を選択エピタキシャル成長させ
る。

この場合、第２拡散層204の表面は塩化水素によるエッ
チングと結晶成長とが同時に進行するために、ボロンが
出てくる（アウト ディフュージョン Out Diffusio
n）。

（５）第３図（Ｅ）に示すごとく、成長するシリコン中
のリンの濃度（10¹⁷cm^-3）より、ボロンの濃度が高い所
まで、Ｐ形の層2111が成長する。

（６）第３図（Ｆ）に示すごとく、ボロン濃度が低下す
ると、ｎ形の層2112が成長する。

（７）第３図（Ｇ）に示すごとく、シリコン酸化物、あ
るいは、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、エッチング液の注入口207を
設ける。

（７）第３図（Ｈ）に示すごとく、第２拡散層204に対
して基板１と第２エピタキシャル層206に、正のパルス
を印加して、エッチング液の注入口207よりアルカリ液
を注入して、第１拡散層203とＰ形の層2111を選択エッ
チングして除去する。

第２拡散層204と第１拡散層203あるいはＰ形の層2111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。

（８）第３図（Ｉ）に示すごとく、熱酸化処理を行い各
表面に酸化シリコン膜208を生ぜしめる。

なお、寸法精度がより緩かな場合には、この工程は必要
としない。

プラズマエッチング処理により、基板１とｎ形の層2112
の外表面の、酸化シリコン膜208を除去する。

なお、（８）の熱酸化処理を行なわない場合には、この
工程も必要としない。

（９）第３図（Ｊ）に示すごとく、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ｎ形の層2112の外表面に、エピタキシャル成長層212
を形成し、エッチング液の注入口207をとじる。

第４図は本発明の装置により製造した振動梁の使用例の
要部構成説明図である。

図において、３は振動梁である。振動梁３は両端がダイ
アフラム２に固定され互いに平行に配置された二個の第
１振動子31と第一振動子31の振動の腹の部分を相互に機
械的に結合する第二振動子32とを備える。

40は振動梁３に直交する直流磁界を磁石13により加え一
方の第一振動子31の両端に交流電流を入力トランス41に
より流して磁気誘導作用により振動梁３を磁界と電流に
直交する方向に励振する励振手段である。

入力トランス41は、二次側が一方の第一振動子31の両端
に接続されている。

50は他方の第一振動子31の両端に発生する起電力を検出
する振動検出手段である。

この場合は、出力トランス51、増幅器52が用いられてい
る。

出力トランス51の一次側は、他方の第一振動子31の両端
に接続され、二次側は増幅器52を介して出力端子53に接
続されるとともに、分岐して入力トランス41の一次側に
接続され、全体として、正帰還自励発振回路を構成す
る。

振動梁３の振動は、振動検出手段50により検出され出力
信号として取出される。

なお、前述の実施例においては、圧力センサに適用せる
例を説明したが、これに限ることはなく、例えば、温度
センサ、加速度センサに適用しても良いことは勿論であ
る。

また、前述の製造方法は、両端固定の振動梁3,4のみで
なく、片持梁、あるいは複数固定梁であっても適用出来
る。

＜発明の効果＞ 以上説明したように、本発明は、シリコン単結晶の基板
上に設けられ、励振手段により励振され励振検出手段に
よって振動が検出されシリコン単結晶材よりなる振動梁
を形成し、該振動梁を囲み前記基板と室を構成し該振動
梁の周囲に隙間が維持されるようにシリコン材よりなる
シエルを形成する振動形トランスデュサの製造方法にお
いて、 前記シリコン単結晶の基板上にシリコン酸化物あるいは
窒化物の膜を形成し、 該膜の所要箇所をエッチングにより取去り、 前記基板に前記室の基板側部分および前記振動梁が形成
される位置の部分にエッチングされやすい高濃度のＰ形
シリコンからなる第１拡散層を熱拡散により形成した後
該第１拡散層の前記振動梁が形成される位置の部分にエ
ッチングされにくい高濃度のＰ形シリコンからなる第２
拡散層を熱拡散により形成したことを特徴とする振動形
トランスデュサの製造方法を採用した。

この結果、 不純物濃度差による振動梁の残留歪み（張力）を大き
く保てる。

結晶性が良くなるので、振動梁のリーク電流が少なく
なる。

結晶性が良いので、振動梁の破断応力が高い。

従って、本発明によれば、転位が少なく、初期張力が大
で感度が高い等の機械的、電気的特性が良好な振動形ト
ランスデュサの製造方法を実現することが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の工程説明図、第２図は動作
説明図、第３図は本発明の他の実施例の工程説明図、第
４図は使用説明図、第５図から第８図は従来より一般に
使用されている従来例の構成説明図、第９図は特願昭62
−159073号「発明の名称：振動形トランスデュサの製造
方法」の製作工程説明図である。 １……基板、13……磁石、２……受圧ダイアフラム、3,
4……振動梁、20……切込み部、21a,21b,23……P⁺層、2
2……ｎ形エピタキシャル層、24……SiO₂、25……隙間
部、31……第一振動子、32……第二振動子、40……励振
手段、41……入力トランス、42……入力端子、50……振
動検出手段、51……出力トランス、52……増幅器、53…
…出力端子、201……膜、202……箇所、203……第１拡
散層、204……第２拡散層、205……第１エピタキシャル
層、206……第２エピタキシャル層、207……エッチング
液の注入口、208……酸化シリコン膜、209……エピタキ
シャル層、211……第５エピタキャル層、2111……Ｐ型
の層、2112……ｎ型の層、212……エピタキャル層。

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 (72)発明者 鈴木 広志 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 (56)参考文献 特開 昭62−63828（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−114139（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−297738（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】シリコン単結晶の基板上に設けられ、励振
   手段により励振され励振検出手段によって振動が検出さ
   れシリコン単結晶材よりなる振動梁を形成し、該振動梁
   を囲み前記基板と室を構成し該振動梁の周囲に隙間が維
   持されるようにシリコン材よりなるシエルを形成する振
   動形トランスデュサの製造方法において、 前記シリコン単結晶の基板上にシリコン酸化物あるいは
   窒化物の膜を形成し、 該膜の所要箇所をエッチングにより取去り、 前記基板に前記室の基板側部分および前記振動梁が形成
   される位置の部分にエッチングされやすい高濃度のＰ形
   シリコンからなる第１拡散層を熱拡散により形成した後
   該第１拡散層の前記振動梁が形成される位置の部分にエ
   ッチングされにくい高濃度のＰ形シリコンからなる第２
   拡散層を熱拡散により形成したことを特徴とする振動形
   トランスデュサの製造方法。