JPH09283373A - シリコン酸化膜エレクトレット - Google Patents
シリコン酸化膜エレクトレットInfo
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- JPH09283373A JPH09283373A JP9282396A JP9282396A JPH09283373A JP H09283373 A JPH09283373 A JP H09283373A JP 9282396 A JP9282396 A JP 9282396A JP 9282396 A JP9282396 A JP 9282396A JP H09283373 A JPH09283373 A JP H09283373A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】寿命が長いシリコン酸化膜エレクトレットを提
供する。 【解決手段】 シリコン原子（Ｓｉ）の多くが４つの酸
素原子（Ｏ）と結合して構成されるシリコン酸化膜中
に、３つの酸素原子と結合し且つダングリングボンドを
有するシリコン原子が存在しており、このダングリング
ボンドに電荷を保持させている。
供する。 【解決手段】 シリコン原子（Ｓｉ）の多くが４つの酸
素原子（Ｏ）と結合して構成されるシリコン酸化膜中
に、３つの酸素原子と結合し且つダングリングボンドを
有するシリコン原子が存在しており、このダングリング
ボンドに電荷を保持させている。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電気的に帯電した
シリコン酸化膜よりなるシリコン酸化膜エレクトレット
に関するものである。
シリコン酸化膜よりなるシリコン酸化膜エレクトレット
に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来より、永久電荷を有する絶縁膜であ
るエレクトレットは、静電形マイクロホンや静電リレー
等に用いられている。従来のエレクトレット材料として
は有機（高分子重合体）材料が使用されているが、近年
では、ＩＣ・ＬＳＩ等の半導体の微細加工技術を利用し
てエレクトレットの薄膜化・小型化を図るために、有機
材料よりなる重合体エレクトレットに代わるものとし
て、シリコン酸化膜エレクトレットが検討されている。
るエレクトレットは、静電形マイクロホンや静電リレー
等に用いられている。従来のエレクトレット材料として
は有機（高分子重合体）材料が使用されているが、近年
では、ＩＣ・ＬＳＩ等の半導体の微細加工技術を利用し
てエレクトレットの薄膜化・小型化を図るために、有機
材料よりなる重合体エレクトレットに代わるものとし
て、シリコン酸化膜エレクトレットが検討されている。
【０００３】シリコン酸化膜エレクトレットは、重合体
エレクトレットに比べて、（１）高温でも良好な帯電安
定性を有する、（２）薄膜（例えば、厚さ１０μｍ以
下）化が容易である、（３）熱酸化法、プラズマＣＶＤ
法、ＬＰＣＶＤ法等の従来の半導体製造プロセスによっ
て基板上に（熱酸化法の場合はシリコン基板上に）容易
に形成することができる、等の利点を有する。
エレクトレットに比べて、（１）高温でも良好な帯電安
定性を有する、（２）薄膜（例えば、厚さ１０μｍ以
下）化が容易である、（３）熱酸化法、プラズマＣＶＤ
法、ＬＰＣＶＤ法等の従来の半導体製造プロセスによっ
て基板上に（熱酸化法の場合はシリコン基板上に）容易
に形成することができる、等の利点を有する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところで、従来のシリ
コン酸化膜エレクトレットの期待寿命は、数カ月程度で
あり、重合体エレクトレットの寿命よりも短いという問
題があった。そこで、シリコン酸化膜エレクトレットの
期待寿命を増大する手段として、シリコン酸化膜を電気
的に帯電させる前に、ヘキサメチルジシランザン（ＨＭ
ＤＳ）によって前記シリコン酸化膜を化学的に処理する
技術が提案されているが、この技術は制御性・再現性が
悪く、期待寿命の増大効果も少ない。
コン酸化膜エレクトレットの期待寿命は、数カ月程度で
あり、重合体エレクトレットの寿命よりも短いという問
題があった。そこで、シリコン酸化膜エレクトレットの
期待寿命を増大する手段として、シリコン酸化膜を電気
的に帯電させる前に、ヘキサメチルジシランザン（ＨＭ
ＤＳ）によって前記シリコン酸化膜を化学的に処理する
技術が提案されているが、この技術は制御性・再現性が
悪く、期待寿命の増大効果も少ない。
【０００５】このため、熱酸化法によってシリコン基板
上に形成したシリコン酸化膜を電気的に帯電させる前
に、シリコン酸化膜をアニール（予熱）するという技術
が提案されている（the 7th international symposium
on electrets (1991) 663,668)。しかしながら、予熱を
行ったことによって期待寿命（life expectancy)が著し
く増大することはなく、この予熱によって、シリコン酸
化膜エクトレットの帯電安定性を低下させてしまうこと
があるという問題があった。
上に形成したシリコン酸化膜を電気的に帯電させる前
に、シリコン酸化膜をアニール（予熱）するという技術
が提案されている（the 7th international symposium
on electrets (1991) 663,668)。しかしながら、予熱を
行ったことによって期待寿命（life expectancy)が著し
く増大することはなく、この予熱によって、シリコン酸
化膜エクトレットの帯電安定性を低下させてしまうこと
があるという問題があった。
【０００６】本発明は上記事由に鑑みて為されたもので
あり、その目的は、寿命が長いシリコン酸化膜エレクト
レットを提供することにある。
あり、その目的は、寿命が長いシリコン酸化膜エレクト
レットを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、上記
目的を達成するために、シリコン酸化膜中に、３つの酸
素原子と結合し且つダングリングボンドを有するシリコ
ン原子が存在して成ることを特徴とするものであり、ダ
ングリングボンドが存在していることによりバンドギャ
ップの略中央のフェルミエネルギ付近にギャップ中電子
状態が作られ、この電子状態の電子エネルギ準位を作っ
ているダングリングボンドに電荷が電気的に固定される
ので、その結果、耐熱性が良好で長寿命なシリコン酸化
膜エレクトレットを提供することができる。
目的を達成するために、シリコン酸化膜中に、３つの酸
素原子と結合し且つダングリングボンドを有するシリコ
ン原子が存在して成ることを特徴とするものであり、ダ
ングリングボンドが存在していることによりバンドギャ
ップの略中央のフェルミエネルギ付近にギャップ中電子
状態が作られ、この電子状態の電子エネルギ準位を作っ
ているダングリングボンドに電荷が電気的に固定される
ので、その結果、耐熱性が良好で長寿命なシリコン酸化
膜エレクトレットを提供することができる。
【０００８】請求項２の発明は、ダングリングボンド密
度が略１０13ｃｍ-3乃至略１０19ｃｍ-3なので、フェル
ミエネルギ近くにこの電子状態の電子エネルギ準位が作
られ、この電子状態の電子エネルギ準位を作っているダ
ングリングボンドに電荷が電気的に固定されて、その結
果、耐熱性が良好で長寿命なシリコン酸化膜エレクトレ
ットを提供することができる。
度が略１０13ｃｍ-3乃至略１０19ｃｍ-3なので、フェル
ミエネルギ近くにこの電子状態の電子エネルギ準位が作
られ、この電子状態の電子エネルギ準位を作っているダ
ングリングボンドに電荷が電気的に固定されて、その結
果、耐熱性が良好で長寿命なシリコン酸化膜エレクトレ
ットを提供することができる。
【０００９】請求項３の発明は、酸素原子の数が、シリ
コン原子の数の２倍未満なので、シリコンのダングリン
グボンドが形成されることによって、バンドギャップの
略中央のフェルミエネルギ付近にギャップ中電子状態が
作られて、この電子状態の電子エネルギ準位を作ってい
るダングリングボンドに電荷が電気的に固定され、その
結果、耐熱性が良好で長寿命なシリコン酸化膜エレクト
レットを提供することができる。
コン原子の数の２倍未満なので、シリコンのダングリン
グボンドが形成されることによって、バンドギャップの
略中央のフェルミエネルギ付近にギャップ中電子状態が
作られて、この電子状態の電子エネルギ準位を作ってい
るダングリングボンドに電荷が電気的に固定され、その
結果、耐熱性が良好で長寿命なシリコン酸化膜エレクト
レットを提供することができる。
【００１０】請求項４の発明は、酸素原子の数が、シリ
コン原子の数の略１．７倍なので、シリコン原子の数が
酸素原子に対して過剰となってダングリングボンドが形
成され、バンドギャップの略中央のフェルミエネルギ付
近にギャップ中電子状態が作られて、この電子状態の電
子エネルギ準位を作っているダングリングボンドに電荷
が電気的に固定される。その結果、耐熱性が良好で長寿
命なシリコン酸化膜エレクトレットを提供することがで
きる。
コン原子の数の略１．７倍なので、シリコン原子の数が
酸素原子に対して過剰となってダングリングボンドが形
成され、バンドギャップの略中央のフェルミエネルギ付
近にギャップ中電子状態が作られて、この電子状態の電
子エネルギ準位を作っているダングリングボンドに電荷
が電気的に固定される。その結果、耐熱性が良好で長寿
命なシリコン酸化膜エレクトレットを提供することがで
きる。
【００１１】請求項５の発明は、請求項１の発明におい
て、水素又は窒素を含有しているので、熱処理を行うこ
とによってダイングリングボンドを増やすことができ
る。請求項６の発明は、請求項３の発明において、水素
の不純物を略１０原子パーセント、窒素の不純物を略１
原子パーセント有しているので、ＨやＮの一部は荷電し
た形で入っており、中性条件を満たすために、シリコン
のダングリングボンドが荷電し、ダングリングボンドに
電荷が固定される。その結果、耐熱性が良好で長寿命な
シリコン酸化膜エレクトレットを提供することができ
る。
て、水素又は窒素を含有しているので、熱処理を行うこ
とによってダイングリングボンドを増やすことができ
る。請求項６の発明は、請求項３の発明において、水素
の不純物を略１０原子パーセント、窒素の不純物を略１
原子パーセント有しているので、ＨやＮの一部は荷電し
た形で入っており、中性条件を満たすために、シリコン
のダングリングボンドが荷電し、ダングリングボンドに
電荷が固定される。その結果、耐熱性が良好で長寿命な
シリコン酸化膜エレクトレットを提供することができ
る。
【００１２】
【実施の形態】図１に本実施の形態のシリコン酸化膜エ
レクトレットの結合の様子の模式図を示す。ここで、図
１中の「・」はシリコン原子（Ｓｉ）のダングリングボ
ンド（未結合手）を示している。本実施の形態のシリコ
ン酸化膜エレクトレットは、図１に示すように、シリコ
ン原子の多くが４つの酸素原子（Ｏ）と結合して構成さ
れるシリコン酸化膜中に、３つの酸素原子と結合し且つ
ダングリングボンドを有するシリコン原子（以下、ダン
グリングボンドを有するシリコン原子を「≡Ｓｉ・」又
は「・Ｓｉ≡」と記す）が存在していることにある。こ
のため、本実施の形態のシリコン酸化膜エレクトレット
は、ダングリングボンドが存在していることによりフェ
ルミエネルギ付近にギャップ中電子状態が作られるの
で、この電子状態の電子エネルギ準位に電荷が電気的に
固定され、つまり、ダングリングボンドに電荷が捕獲
（トラップ）され、その結果、高い温度が加えられなけ
れば放電されず、耐熱性が良好で電荷保持力が大きく長
寿命なエレクトレット特性を有するシリコン酸化膜エレ
クトレットが得られるのである。
レクトレットの結合の様子の模式図を示す。ここで、図
１中の「・」はシリコン原子（Ｓｉ）のダングリングボ
ンド（未結合手）を示している。本実施の形態のシリコ
ン酸化膜エレクトレットは、図１に示すように、シリコ
ン原子の多くが４つの酸素原子（Ｏ）と結合して構成さ
れるシリコン酸化膜中に、３つの酸素原子と結合し且つ
ダングリングボンドを有するシリコン原子（以下、ダン
グリングボンドを有するシリコン原子を「≡Ｓｉ・」又
は「・Ｓｉ≡」と記す）が存在していることにある。こ
のため、本実施の形態のシリコン酸化膜エレクトレット
は、ダングリングボンドが存在していることによりフェ
ルミエネルギ付近にギャップ中電子状態が作られるの
で、この電子状態の電子エネルギ準位に電荷が電気的に
固定され、つまり、ダングリングボンドに電荷が捕獲
（トラップ）され、その結果、高い温度が加えられなけ
れば放電されず、耐熱性が良好で電荷保持力が大きく長
寿命なエレクトレット特性を有するシリコン酸化膜エレ
クトレットが得られるのである。
【００１３】なお、図１及び後述の図２、図３、図９で
は、模式的に２次元の正方格子状の構造にしてあるが、
実際はシリコン原子の周りを正四面体構造に４つの酸素
原子が取り囲んでいて、このような四面体が隅の酸素原
子を介してお互いに結びついている構造になっている。
ところで、シリコン原子は４本の結合手を、酸素原子は
２本の結合手をそれぞれ有しているため、純粋なシリコ
ン酸化膜（ＳｉＯ2 ）の結合は図９に示す模式図のよう
な構造になっている。これに対し、本実施の形態のシリ
コン酸化膜エレクトレットでは、シリコン原子のダング
リングボンドを有し、図３に示すように、このダングリ
ングボンドに酸化水素（ＯＨ）や酸化窒素（ＯＮ）が結
合した構造でもよいし、水素原子（Ｈ）や窒素原子
（Ｎ）が結合した構造のものでもよい。なお、ＨやＯは
原子間に存在してもよい。
は、模式的に２次元の正方格子状の構造にしてあるが、
実際はシリコン原子の周りを正四面体構造に４つの酸素
原子が取り囲んでいて、このような四面体が隅の酸素原
子を介してお互いに結びついている構造になっている。
ところで、シリコン原子は４本の結合手を、酸素原子は
２本の結合手をそれぞれ有しているため、純粋なシリコ
ン酸化膜（ＳｉＯ2 ）の結合は図９に示す模式図のよう
な構造になっている。これに対し、本実施の形態のシリ
コン酸化膜エレクトレットでは、シリコン原子のダング
リングボンドを有し、図３に示すように、このダングリ
ングボンドに酸化水素（ＯＨ）や酸化窒素（ＯＮ）が結
合した構造でもよいし、水素原子（Ｈ）や窒素原子
（Ｎ）が結合した構造のものでもよい。なお、ＨやＯは
原子間に存在してもよい。
【００１４】以下、上記シリコン酸化膜エレクトレット
の製造方法について説明する。まず、シリコン基板上又
はシリコン以外の材料からなる基板上にシリコン原子の
ダングリングボンドを有するシリコン酸化膜を形成す
る。ここで、シリコン酸化膜は、基板がシリコン基板で
ある場合には、シリコン基板を高温酸素雰囲気中に入れ
てシリコン酸化膜を成長させる所謂熱酸化法によって形
成することができる。熱酸化法としては、水分（Ｈ
2 Ｏ）を含む酸素ガス中で成長させる所謂ウェット酸化
法と、高純度の乾いた酸素ガス中で成長させる所謂ドラ
イ酸化法の何れの方法を用いてもよい。また、シリコン
以外の材料からなる基板を用いる場合には、Ｓｉを含む
原料ガス（例えば、モノシラン：ＳｉＨ4 ）と酸素を含
む原料ガス（例えば、亜酸化窒素：Ｎ2 Ｏ）とを気相に
て供給し、原料ガスそれぞれを分解して基板上にシリコ
ン酸化膜を堆積させる所謂ＣＶＤ法によって形成するこ
とができる。なお、シリコン基板上にＣＶＤ法によって
シリコン酸化膜を堆積してもよいことは勿論である。
の製造方法について説明する。まず、シリコン基板上又
はシリコン以外の材料からなる基板上にシリコン原子の
ダングリングボンドを有するシリコン酸化膜を形成す
る。ここで、シリコン酸化膜は、基板がシリコン基板で
ある場合には、シリコン基板を高温酸素雰囲気中に入れ
てシリコン酸化膜を成長させる所謂熱酸化法によって形
成することができる。熱酸化法としては、水分（Ｈ
2 Ｏ）を含む酸素ガス中で成長させる所謂ウェット酸化
法と、高純度の乾いた酸素ガス中で成長させる所謂ドラ
イ酸化法の何れの方法を用いてもよい。また、シリコン
以外の材料からなる基板を用いる場合には、Ｓｉを含む
原料ガス（例えば、モノシラン：ＳｉＨ4 ）と酸素を含
む原料ガス（例えば、亜酸化窒素：Ｎ2 Ｏ）とを気相に
て供給し、原料ガスそれぞれを分解して基板上にシリコ
ン酸化膜を堆積させる所謂ＣＶＤ法によって形成するこ
とができる。なお、シリコン基板上にＣＶＤ法によって
シリコン酸化膜を堆積してもよいことは勿論である。
【００１５】ＣＶＤ法によってシリコン酸化膜を堆積す
るには、例えば図４に示すような平行平板型のプラズマ
ＣＶＤ装置３０において、接地された下部電極３２上に
基板２を保持し、原料ガス（例えば、ＳｉＨ4 及びＮ2
Ｏ）をガス導入口３３を介して減圧状態の反応室３１内
に導入するとともに、高周波電源ＡＣから周波数が例え
ば１３．５６ＭＨｚの高周波電圧を上部電極３４に印加
することによりプラズマを発生させ、基板２上にシリコ
ン酸化膜１を堆積させる。この時の化学反応は例えば下
記のように記述される。 ＳｉＨ4 ＋２Ｎ2 Ｏ→ＳｉＯ2 ＋２Ｈ2 ＋２Ｎ2 ここで、ストイキオメトリイに合ったＳｉＯ2 膜を形成
することができるガス流量比の時に比べて、ＳｉＨ4 ガ
スをＮ2 Ｏガスに対して過剰に供給することによって、
ＳｉＯ2 を所謂シリコンリッチ（Ｓｉ−ｒｉｃｈ）の状
態にして（つまり、酸素原子が不足している状態にし
て）シリコン原子のダングリングボンドを形成してい
る。この時、シリコン酸化膜１中の酸素原子の数はシリ
コン原子の数の２倍未満である。ところで、上記シリコ
ン酸化膜１は、堆積時に酸素原子が不足しているため、
シリコン原子のダングリングボンドが発生し、このダン
グリングボンドにＳｉＨ4 ガスのＨやＮ2 ＯガスのＮ等
が不純物として混入しやすくなり（オートドーピングさ
れやすくなり）、Ｓｉ−ＯＨ，Ｓｉ−Ｈ，Ｓｉ−ＯＮ，
Ｓｉ−Ｎ等の結合や、ＨやＮ等の格子間原子を含んでい
る。
るには、例えば図４に示すような平行平板型のプラズマ
ＣＶＤ装置３０において、接地された下部電極３２上に
基板２を保持し、原料ガス（例えば、ＳｉＨ4 及びＮ2
Ｏ）をガス導入口３３を介して減圧状態の反応室３１内
に導入するとともに、高周波電源ＡＣから周波数が例え
ば１３．５６ＭＨｚの高周波電圧を上部電極３４に印加
することによりプラズマを発生させ、基板２上にシリコ
ン酸化膜１を堆積させる。この時の化学反応は例えば下
記のように記述される。 ＳｉＨ4 ＋２Ｎ2 Ｏ→ＳｉＯ2 ＋２Ｈ2 ＋２Ｎ2 ここで、ストイキオメトリイに合ったＳｉＯ2 膜を形成
することができるガス流量比の時に比べて、ＳｉＨ4 ガ
スをＮ2 Ｏガスに対して過剰に供給することによって、
ＳｉＯ2 を所謂シリコンリッチ（Ｓｉ−ｒｉｃｈ）の状
態にして（つまり、酸素原子が不足している状態にし
て）シリコン原子のダングリングボンドを形成してい
る。この時、シリコン酸化膜１中の酸素原子の数はシリ
コン原子の数の２倍未満である。ところで、上記シリコ
ン酸化膜１は、堆積時に酸素原子が不足しているため、
シリコン原子のダングリングボンドが発生し、このダン
グリングボンドにＳｉＨ4 ガスのＨやＮ2 ＯガスのＮ等
が不純物として混入しやすくなり（オートドーピングさ
れやすくなり）、Ｓｉ−ＯＨ，Ｓｉ−Ｈ，Ｓｉ−ＯＮ，
Ｓｉ−Ｎ等の結合や、ＨやＮ等の格子間原子を含んでい
る。
【００１６】なお、ＣＶＤ法でのシリコン酸化膜の形成
はプラズマＣＶＤ法に限定するものではなく、例えば、
原料ガスを減圧状態で熱分解して基板上に堆積させるＬ
ＰＣＶＤ法等によって形成してもよい。基板２上にシリ
コン酸化膜１を形成した後は、例えば図５に示すような
熱処理装置４０において、清浄空気、Ｈ2 ガス、Ａｒガ
ス、Ｎ2 ガス等の何れかをガス導入口４３を介して熱処
理室４１に導入しヒータ内蔵の基板支持台４２上にシリ
コン酸化膜１が形成された基板２を載せ、この基板２を
所定時間（例えば、１時間）だけ加熱（１００℃以上）
してその後室温まで冷却する熱処理を行う。ここで、熱
処理前のシリコン酸化膜中に水素に関する不純物が多く
含まれる場合、このシリコン酸化膜を例えば清浄空気中
にて熱処理することにより、例えば、 ≡Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ≡＋２Ｈ→≡Ｓｉ・＋・Ｓｉ≡＋Ｈ2
Ｏ のような反応が生じ、シリコンのダングリングボンドが
新たに形成される。また、≡Ｓｉ−Ｓｉ≡のようなＳｉ
−Ｓｉ結合においても、熱処理することによってＳｉ−
Ｓｉ結合が切れて、 ≡Ｓｉ−Ｓｉ≡→≡Ｓｉ・＋・Ｓｉ≡ のようにシリコン原子のダングリングボンドが形成され
る。つまり、本実施の形態の製造方法では熱処理を行う
ことによって、ダングリングボンドの数を熱的に安定化
しているのである。
はプラズマＣＶＤ法に限定するものではなく、例えば、
原料ガスを減圧状態で熱分解して基板上に堆積させるＬ
ＰＣＶＤ法等によって形成してもよい。基板２上にシリ
コン酸化膜１を形成した後は、例えば図５に示すような
熱処理装置４０において、清浄空気、Ｈ2 ガス、Ａｒガ
ス、Ｎ2 ガス等の何れかをガス導入口４３を介して熱処
理室４１に導入しヒータ内蔵の基板支持台４２上にシリ
コン酸化膜１が形成された基板２を載せ、この基板２を
所定時間（例えば、１時間）だけ加熱（１００℃以上）
してその後室温まで冷却する熱処理を行う。ここで、熱
処理前のシリコン酸化膜中に水素に関する不純物が多く
含まれる場合、このシリコン酸化膜を例えば清浄空気中
にて熱処理することにより、例えば、 ≡Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ≡＋２Ｈ→≡Ｓｉ・＋・Ｓｉ≡＋Ｈ2
Ｏ のような反応が生じ、シリコンのダングリングボンドが
新たに形成される。また、≡Ｓｉ−Ｓｉ≡のようなＳｉ
−Ｓｉ結合においても、熱処理することによってＳｉ−
Ｓｉ結合が切れて、 ≡Ｓｉ−Ｓｉ≡→≡Ｓｉ・＋・Ｓｉ≡ のようにシリコン原子のダングリングボンドが形成され
る。つまり、本実施の形態の製造方法では熱処理を行う
ことによって、ダングリングボンドの数を熱的に安定化
しているのである。
【００１７】なお、熱処理装置は図５の構成に限定する
ものではなく、加熱処理が行える装置であればよい。熱
処理工程が終了した後は、シリコン酸化膜１を電気的に
帯電させることによってシリコン酸化膜エレクトレット
を形成する。具体的な帯電方法としては、例えば図６に
示すように電子銃から電子ビームをシリコン酸化膜へ向
けて照射して電子をシリコン酸化膜に導入することによ
って帯電させる。また、別の帯電方法として、例えば図
７に示すような伝導性ワイヤ１３と、伝導性ワイヤ１３
のカバー１４と、グリッド１６と、伝導性支持部材１５
とからなる帯電装置において、電圧Ｖの伝導性ワイヤ１
３よりコロナ放電にて発生した電荷をグリッド１６の電
圧Ｖ0 により電荷量を調節して伝導性支持部材１５上方
のシリコン酸化膜１に導入することによって帯電させ
る。ここで、伝導性ワイヤ１３に印加する電圧Ｖ及びグ
リッド１６に印加する電圧Ｖ0 は、例えば、それぞれ−
７０００ボルト及び−２００ボルト程度である。ところ
で、帯電を行うシリコン酸化膜１はシリコン原子のダン
グリングボンドを有するので、正の帯電を行う場合、例
えば、 ≡Ｓｉ・ → ≡Ｓｉ+ のように、ダングリングボンドに正の電荷がトラップさ
れる。つまり、ダングリングボンドが存在していること
によりフェルミエネルギ付近にギャップ中電子状態が作
られ、この電子状態の電子エネルギ準位に電荷が電気的
に固定され、つまり、ダングリングボンドに電荷がトラ
ップされ、その結果、高い温度が加えられなければ放電
されず、耐熱性が良好で電荷保持力が大きく長寿命なエ
レクトレット特性を有するシリコン酸化膜エレクトレッ
トが得られるのである。
ものではなく、加熱処理が行える装置であればよい。熱
処理工程が終了した後は、シリコン酸化膜１を電気的に
帯電させることによってシリコン酸化膜エレクトレット
を形成する。具体的な帯電方法としては、例えば図６に
示すように電子銃から電子ビームをシリコン酸化膜へ向
けて照射して電子をシリコン酸化膜に導入することによ
って帯電させる。また、別の帯電方法として、例えば図
７に示すような伝導性ワイヤ１３と、伝導性ワイヤ１３
のカバー１４と、グリッド１６と、伝導性支持部材１５
とからなる帯電装置において、電圧Ｖの伝導性ワイヤ１
３よりコロナ放電にて発生した電荷をグリッド１６の電
圧Ｖ0 により電荷量を調節して伝導性支持部材１５上方
のシリコン酸化膜１に導入することによって帯電させ
る。ここで、伝導性ワイヤ１３に印加する電圧Ｖ及びグ
リッド１６に印加する電圧Ｖ0 は、例えば、それぞれ−
７０００ボルト及び−２００ボルト程度である。ところ
で、帯電を行うシリコン酸化膜１はシリコン原子のダン
グリングボンドを有するので、正の帯電を行う場合、例
えば、 ≡Ｓｉ・ → ≡Ｓｉ+ のように、ダングリングボンドに正の電荷がトラップさ
れる。つまり、ダングリングボンドが存在していること
によりフェルミエネルギ付近にギャップ中電子状態が作
られ、この電子状態の電子エネルギ準位に電荷が電気的
に固定され、つまり、ダングリングボンドに電荷がトラ
ップされ、その結果、高い温度が加えられなければ放電
されず、耐熱性が良好で電荷保持力が大きく長寿命なエ
レクトレット特性を有するシリコン酸化膜エレクトレッ
トが得られるのである。
【００１８】ところで、上述の製造方法によって形成し
た長期安定性に優れた（数カ年のオーダの寿命を有す
る）シリコン酸化膜エレクトレットでは、酸素原子の数
がシリコン原子の数の略１．７倍であり、３つの酸素と
結合し且つダングリングボンドを有するシリコン原子の
ダングリングボンド密度は例えば略１．４×１０18ｃｍ
-3であった。ダングリングボンド密度は略１０13ｃｍ-3
乃至略１０19ｃｍ-3であることが望ましい。ここで、酸
素原子の数及びシリコン原子の数はＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏ
ｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏ
ｐｙ）法により求めた値を用い、ダングリングボンド密
度はＥＳＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ ＳｐｉｎＲｅｓｏｎａ
ｎｓｅ）法によって求めた値を用いている。また、この
シリコン酸化膜エレクトレットは水素の不純物を略１０
原子パーセント、窒素の不純物を略１原子パーセント有
していることをＳＩＭＳ法により確認している。なお、
ＨやＮの一部は荷電した形で入っており、中性条件を満
たすために、シリコンのダングリングボンドが荷電し、
ダングリングボンドに電荷が固定されるものと考えられ
る。
た長期安定性に優れた（数カ年のオーダの寿命を有す
る）シリコン酸化膜エレクトレットでは、酸素原子の数
がシリコン原子の数の略１．７倍であり、３つの酸素と
結合し且つダングリングボンドを有するシリコン原子の
ダングリングボンド密度は例えば略１．４×１０18ｃｍ
-3であった。ダングリングボンド密度は略１０13ｃｍ-3
乃至略１０19ｃｍ-3であることが望ましい。ここで、酸
素原子の数及びシリコン原子の数はＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏ
ｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏ
ｐｙ）法により求めた値を用い、ダングリングボンド密
度はＥＳＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ ＳｐｉｎＲｅｓｏｎａ
ｎｓｅ）法によって求めた値を用いている。また、この
シリコン酸化膜エレクトレットは水素の不純物を略１０
原子パーセント、窒素の不純物を略１原子パーセント有
していることをＳＩＭＳ法により確認している。なお、
ＨやＮの一部は荷電した形で入っており、中性条件を満
たすために、シリコンのダングリングボンドが荷電し、
ダングリングボンドに電荷が固定されるものと考えられ
る。
【００１９】図８に、上記構成のシリコン酸化膜エレク
トレットを用いて構成したマイクロホン又はイヤホン等
の音響装置の側断面図を示す。この音響装置は、断面形
状が略Ｃ字状の金属ケース１７と、金属ケース１７の中
に収納される断面形状が略Ｕ字状で絶縁材料からなる部
材１８と、部材１８の両端に固定される金属板からなる
固定電極１９と、絶縁材料からなるワッシャーリング２
０を挟んで固定電極１９と対向して平行に配置される金
属箔からなり音圧によって振動する振動板電極５と、振
動板電極５の固定電極１９と対向する側の表面に形成さ
れているシリコン酸化膜エレクトレット１’とを備え、
振動板電極５は導電材料からなるリング２３を介してケ
ース１７に電気的に接続されている。金属ケース１７、
固定電極１９はそれぞれピン２１、２２に電気的に接続
されており、ピン２１、２２を介して外部の電気回路に
接続することができる。ここで、シリコン酸化膜エレク
トレット１’と固定電極１９との間には空気層ができ
る。このため、この音響装置を例えばマイクロホンとし
て用い、ピン２１、２２を介して電源電圧が供給されて
いる時、音圧によって振動板電極５が振動して電極間隔
（振動板電極５と固定電極１９との距離）が変わるとと
もに静電容量が変化し、このとき生じる電圧がピン２
１、２２を介して音声信号として取り出されるのであ
る。また、シリコン酸化膜エレクトレット１’を設ける
ことによって各電極間のクーロン力を強めているので、
マイクロホンとして使う場合は感度を高めることができ
る。
トレットを用いて構成したマイクロホン又はイヤホン等
の音響装置の側断面図を示す。この音響装置は、断面形
状が略Ｃ字状の金属ケース１７と、金属ケース１７の中
に収納される断面形状が略Ｕ字状で絶縁材料からなる部
材１８と、部材１８の両端に固定される金属板からなる
固定電極１９と、絶縁材料からなるワッシャーリング２
０を挟んで固定電極１９と対向して平行に配置される金
属箔からなり音圧によって振動する振動板電極５と、振
動板電極５の固定電極１９と対向する側の表面に形成さ
れているシリコン酸化膜エレクトレット１’とを備え、
振動板電極５は導電材料からなるリング２３を介してケ
ース１７に電気的に接続されている。金属ケース１７、
固定電極１９はそれぞれピン２１、２２に電気的に接続
されており、ピン２１、２２を介して外部の電気回路に
接続することができる。ここで、シリコン酸化膜エレク
トレット１’と固定電極１９との間には空気層ができ
る。このため、この音響装置を例えばマイクロホンとし
て用い、ピン２１、２２を介して電源電圧が供給されて
いる時、音圧によって振動板電極５が振動して電極間隔
（振動板電極５と固定電極１９との距離）が変わるとと
もに静電容量が変化し、このとき生じる電圧がピン２
１、２２を介して音声信号として取り出されるのであ
る。また、シリコン酸化膜エレクトレット１’を設ける
ことによって各電極間のクーロン力を強めているので、
マイクロホンとして使う場合は感度を高めることができ
る。
【００２０】ところで、上記音響装置は、シリコン酸化
膜エレクトレット１’の厚さは０．５μｍ〜３μｍ程度
の薄膜に形成してあるので、電極間隔を小さくすること
ができ、振動板電極５の振動による静電容量の変化を大
きくすることができる。なお、シリコン酸化膜エレクト
レット１’は、振動板電極５に形成することを限定する
ものではなく、固定電極１９の振動板電極５と対向する
側の表面に形成してもよく、この場合は、固定板電極１
９として高濃度の不純物が添加されたシリコン基板を用
いてもよい。
膜エレクトレット１’の厚さは０．５μｍ〜３μｍ程度
の薄膜に形成してあるので、電極間隔を小さくすること
ができ、振動板電極５の振動による静電容量の変化を大
きくすることができる。なお、シリコン酸化膜エレクト
レット１’は、振動板電極５に形成することを限定する
ものではなく、固定電極１９の振動板電極５と対向する
側の表面に形成してもよく、この場合は、固定板電極１
９として高濃度の不純物が添加されたシリコン基板を用
いてもよい。
【００２１】
【発明の効果】請求項１の発明は、上記目的を達成する
ために、シリコン酸化膜中に、３つの酸素原子と結合し
且つダングリングボンドを有するシリコン原子が存在し
ているので、ダングリングボンドが存在していることに
よりバンドギャップの略中央のフェルミエネルギ付近に
ギャップ中電子状態が作られ、この電子状態の電子エネ
ルギ準位を作っているダングリングボンドに電荷が電気
的に固定されるので、その結果、耐熱性が良好で長寿命
なシリコン酸化膜エレクトレットを提供することができ
るという効果がある。
ために、シリコン酸化膜中に、３つの酸素原子と結合し
且つダングリングボンドを有するシリコン原子が存在し
ているので、ダングリングボンドが存在していることに
よりバンドギャップの略中央のフェルミエネルギ付近に
ギャップ中電子状態が作られ、この電子状態の電子エネ
ルギ準位を作っているダングリングボンドに電荷が電気
的に固定されるので、その結果、耐熱性が良好で長寿命
なシリコン酸化膜エレクトレットを提供することができ
るという効果がある。
【００２２】請求項２の発明は、ダングリングボンド密
度が略１０13ｃｍ-3乃至略１０19ｃｍ-3なので、フェル
ミエネルギ近くにこの電子状態の電子エネルギ準位が作
られ、この電子状態の電子エネルギ準位を作っているダ
ングリングボンドに電荷が電気的に固定されて、その結
果、耐熱性が良好で長寿命なシリコン酸化膜エレクトレ
ットを提供することができるという効果がある。
度が略１０13ｃｍ-3乃至略１０19ｃｍ-3なので、フェル
ミエネルギ近くにこの電子状態の電子エネルギ準位が作
られ、この電子状態の電子エネルギ準位を作っているダ
ングリングボンドに電荷が電気的に固定されて、その結
果、耐熱性が良好で長寿命なシリコン酸化膜エレクトレ
ットを提供することができるという効果がある。
【００２３】請求項３の発明は、酸素原子の数が、シリ
コン原子の数の２倍未満なので、シリコンのダングリン
グボンドが形成されることによって、バンドギャップの
略中央のフェルミエネルギ付近にギャップ中電子状態が
作られて、この電子状態の電子エネルギ準位を作ってい
るダングリングボンドに電荷が電気的に固定され、その
結果、耐熱性が良好で長寿命なシリコン酸化膜エレクト
レットを提供することができるという効果がある。
コン原子の数の２倍未満なので、シリコンのダングリン
グボンドが形成されることによって、バンドギャップの
略中央のフェルミエネルギ付近にギャップ中電子状態が
作られて、この電子状態の電子エネルギ準位を作ってい
るダングリングボンドに電荷が電気的に固定され、その
結果、耐熱性が良好で長寿命なシリコン酸化膜エレクト
レットを提供することができるという効果がある。
【００２４】請求項４の発明は、酸素原子の数が、シリ
コン原子の数の略１．７倍なので、シリコン原子の数が
酸素原子に対して過剰となってダングリングボンドが形
成され、バンドギャップの略中央のフェルミエネルギ付
近にギャップ中電子状態が作られて、この電子状態の電
子エネルギ準位を作っているダングリングボンドに電荷
が電気的に固定される。その結果、耐熱性が良好で長寿
命なシリコン酸化膜エレクトレットを提供することがで
きるという効果がある。
コン原子の数の略１．７倍なので、シリコン原子の数が
酸素原子に対して過剰となってダングリングボンドが形
成され、バンドギャップの略中央のフェルミエネルギ付
近にギャップ中電子状態が作られて、この電子状態の電
子エネルギ準位を作っているダングリングボンドに電荷
が電気的に固定される。その結果、耐熱性が良好で長寿
命なシリコン酸化膜エレクトレットを提供することがで
きるという効果がある。
【００２５】請求項５の発明は、請求項１の発明におい
て、水素又は窒素を含有しているので、熱処理を行うこ
とによってダイングリングボンドを増やすことができ
る。請求項６の発明は、請求項３の発明において、水素
の不純物を略１０原子パーセント、窒素の不純物を略１
原子パーセント有しているので、ＨやＮの一部は荷電し
た形で入っており、中性条件を満たすために、シリコン
のダングリングボンドが荷電し、ダングリングボンドに
電荷が固定される。その結果、耐熱性が良好で長寿命な
シリコン酸化膜エレクトレットを提供することができる
という効果がある。
て、水素又は窒素を含有しているので、熱処理を行うこ
とによってダイングリングボンドを増やすことができ
る。請求項６の発明は、請求項３の発明において、水素
の不純物を略１０原子パーセント、窒素の不純物を略１
原子パーセント有しているので、ＨやＮの一部は荷電し
た形で入っており、中性条件を満たすために、シリコン
のダングリングボンドが荷電し、ダングリングボンドに
電荷が固定される。その結果、耐熱性が良好で長寿命な
シリコン酸化膜エレクトレットを提供することができる
という効果がある。
【図１】実施の形態のシリコン酸化膜エレクトレットの
結合の様子を示す模式図である。
結合の様子を示す模式図である。
【図２】実施の形態のシリコン酸化膜エレクトレットの
別の結合の様子を示す模式図である。
別の結合の様子を示す模式図である。
【図３】実施の形態のシリコン酸化膜エレクトレットの
また別の結合の様子を示す模式図である。
また別の結合の様子を示す模式図である。
【図４】シリコン酸化膜の形成に用いる装置の概略構成
図である。
図である。
【図５】シリコン酸化膜の熱処理に用いる装置の概略構
成図である。
成図である。
【図６】電子銃による帯電方法の説明図である。
【図７】コロナ放電による帯電方法の説明図である。
【図８】実施の形態のシリコン酸化膜エレクトレットを
備えた音響装置の概略断面図である。
備えた音響装置の概略断面図である。
【図９】純粋なシリコン酸化膜の結合の様子を示す模式
図である。
図である。
Ｓｉ シリコン原子 Ｏ 酸素原子 ・ ダングリングボンド −，｜ ボンド
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 友成 恵昭 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株 式会社内 (72)発明者 ジャッキー レヴィナー フランス国 92210 サン−クルー アベ ニュー ド シュレヌ ７
Claims (6)
- 【請求項１】 シリコン酸化膜中に、３つの酸素原子と
結合し且つダングリングボンドを有するシリコン原子が
存在して成ることを特徴とするシリコン酸化膜エレクト
レット。 - 【請求項２】 ダングリングボンド密度が略１０13ｃｍ
-3乃至略１０19ｃｍ -3であることを特徴とする請求項１
記載のシリコン酸化膜エレクトレット。 - 【請求項３】 酸素原子の数が、シリコン原子の数の２
倍未満であることを特徴とする請求項１記載のシリコン
酸化膜エレクトレット。 - 【請求項４】 酸素原子の数が、シリコン原子の数の略
１．７倍であることを特徴とする請求項３記載のシリコ
ン酸化膜エレクトレット。 - 【請求項５】 水素又は窒素を含有して成ることを特徴
とする請求項１記載のシリコン酸化膜エレクトレット。 - 【請求項６】 水素の不純物を略１０原子パーセント、
窒素の不純物を略１原子パーセント有していることを特
徴とする請求項３記載のシリコン酸化膜エレクトレッ
ト。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9282396A JPH09283373A (ja) | 1996-04-15 | 1996-04-15 | シリコン酸化膜エレクトレット |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9282396A JPH09283373A (ja) | 1996-04-15 | 1996-04-15 | シリコン酸化膜エレクトレット |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09283373A true JPH09283373A (ja) | 1997-10-31 |
Family
ID=14065163
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9282396A Withdrawn JPH09283373A (ja) | 1996-04-15 | 1996-04-15 | シリコン酸化膜エレクトレット |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH09283373A (ja) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2006013940A1 (ja) * | 2004-08-06 | 2006-02-09 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | 耐熱型エレクトレットコンデンサマイクロホン |
| US7620192B2 (en) * | 2003-11-20 | 2009-11-17 | Panasonic Corporation | Electret covered with an insulated film and an electret condenser having the electret |
| US7706554B2 (en) | 2004-03-03 | 2010-04-27 | Panasonic Corporation | Electret condenser |
| US7853027B2 (en) | 2004-03-05 | 2010-12-14 | Panasonic Corporation | Electret condenser |
| US7956497B2 (en) | 2006-09-29 | 2011-06-07 | Sanyo Electric Co., Ltd. | Electret device and electrostatic induction conversion apparatus comprising the same |
| JP2015138930A (ja) * | 2014-01-24 | 2015-07-30 | 学校法人 関西大学 | エレクトレットとその製造方法、並びに、これを用いた発電装置 |
| US10833607B2 (en) | 2015-02-13 | 2020-11-10 | The University Of Tokyo | Electret element, electromechanical converter and method for manufacturing electret element |
| WO2023082301A1 (zh) * | 2021-11-11 | 2023-05-19 | 常州晶麒新材料科技有限公司 | 一种无机微晶驻极体材料及其制备方法 |
-
1996
- 1996-04-15 JP JP9282396A patent/JPH09283373A/ja not_active Withdrawn
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7620192B2 (en) * | 2003-11-20 | 2009-11-17 | Panasonic Corporation | Electret covered with an insulated film and an electret condenser having the electret |
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| US7853027B2 (en) | 2004-03-05 | 2010-12-14 | Panasonic Corporation | Electret condenser |
| US8320589B2 (en) | 2004-03-05 | 2012-11-27 | Panasonic Corporation | Electret condenser |
| WO2006013940A1 (ja) * | 2004-08-06 | 2006-02-09 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | 耐熱型エレクトレットコンデンサマイクロホン |
| US7590252B2 (en) | 2004-08-06 | 2009-09-15 | Panasonic Corporation | Heat-resistant electret condenser microphone |
| US7956497B2 (en) | 2006-09-29 | 2011-06-07 | Sanyo Electric Co., Ltd. | Electret device and electrostatic induction conversion apparatus comprising the same |
| JP2015138930A (ja) * | 2014-01-24 | 2015-07-30 | 学校法人 関西大学 | エレクトレットとその製造方法、並びに、これを用いた発電装置 |
| US10833607B2 (en) | 2015-02-13 | 2020-11-10 | The University Of Tokyo | Electret element, electromechanical converter and method for manufacturing electret element |
| WO2023082301A1 (zh) * | 2021-11-11 | 2023-05-19 | 常州晶麒新材料科技有限公司 | 一种无机微晶驻极体材料及其制备方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20030701 |