JPS60208676A - 超小型弁およびその製造方法 - Google Patents

超小型弁およびその製造方法

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JPS60208676A
JPS60208676A JP60039008A JP3900885A JPS60208676A JP S60208676 A JPS60208676 A JP S60208676A JP 60039008 A JP60039008 A JP 60039008A JP 3900885 A JP3900885 A JP 3900885A JP S60208676 A JPS60208676 A JP S60208676A
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valve
substrate
inlet
boat
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ジエームズ・マイケル・オコーナー
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔利用分野〕 本発明は、空気弁に関するものであり、とくに寸法と材
料が現在の集積回路技術に適合する超小型弁に関するも
のである。
〔従来技術〕
集積回路に関連して使用する小型空気弁の必要性が、Ｉ
ＥＥＥ　）ランザクジョン−オン書エレクトロニック・
デバイセス（Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｅｌｅ
−ｃｔｒｏｎｉｃ　Ｄｅｖｉｃｅｓ　）　＋　Ｍｏｌ　
、ＥＤ　、２６　ｒ　Ｎｎｌ　２　＋Ｄｅｃｅｍｂｅｒ
　１９７９　Ｗｒ載の「シリコンΦウェハー上に形成さ
れたクロマトグラフ空気分析器（Ａ　Ｃｈｒｏ−ｍａｔ
ｇｒａｐｈｉｃ　Ａｉｒ　Ａｎａ１７ｚｅｒ　Ｆａｂｒ
ｉｃａｔｅｄ　ｏｎ　ａ　５ｉｌｉ−ｃｏｎ　Ｗａｆｅ
ｒ　）　Ｊと題するテリー（Ｔｅｒｒｙ）他の論文によ
シ例示されている。この論文において、テリー他は、ソ
レノイド・プランジャにょシ作動させられるニッケル・
ダイアフラムを有し、シリコンウェハー上に作られた超
小型弁を示している。
このテリー他の論文に示されている金属ダイアフラムと
は対照的に、米国特許第４，２９３，３７３号および第
４　、２０３　、１２８号には、シリコンウェハーから
可続性ダイアフラムを形成する方法が開示されている。
それは、シリコンウェハー表面の可撓性ダイアスラムを
形成すべき領域にホウ素を拡散することによるものであ
る。次に、ドープされなかったシリコンを選択的にエツ
チングして、ホウ素が拡散された領域に可続性ダイアフ
ラムを残す。上記米国特許第４，２０３．１２８号には
、ホウ素をドープされた可撓性ダイアスラムを用いる二
部分弁も開示されている。あるいは、前記Ｉ　ＥＥＥト
ランザクシ：ｉｉ　ｙＯＶｏｌ　、ＥＤ−２５、Ｎｈ　
１０　。
０ｃｔｏｂｅｒ　１９７８には、シリコン基板上に二酸
化シリコン層を用いて超小型片持梁装置を作る方法が開
示されている。それらの装置においては、二酸化シリコ
ン層の下側のシリコンがエツチングによシ除去されて、
エツチングされていない二酸化シリコン梁の下側に井戸
を形成する。また、二酸化シリコン梁の上面の上に付着
された金属電極を用いて片持梁を静電的に曲げる技術も
開示されている。前記テリー他の論文に示されているよ
うな膜をソレノイド・プランジャによって曲げるのとは
異なって、米国特許第３．９３６．０２９号には、動作
室と信号室の間にダイアフラムを配置する空気増幅器が
開示されている。信号室内の圧力が膜を移動させ、それ
によシ動作室を通る流体の流れが変えられる。
〔発明の概要〕
本発明は、現在のシリコンウェハー処理技術に適合し、
テリー他の論文に示されている超小型弁においてニッケ
ル・ダイアフラムとソレノイド・アクチュエータを無く
した多層集積超小型弁を提供するものである。
本発明によシ、エレクトロニクス工業において一般的な
既存のシリコンウェハー処理技術に適合し、応答が速く
て、無駄なスペースが狭い単−超小型弁が得られる。こ
の超小型弁は、テリー他によシ提案され−ｆＣ種類のも
のであって、半導体基板を貫通する入口ボートおよび出
口ボートと、入口ボートを囲む盛シ上った弁座と、入口
ボートおよび出口ボートを囲むスペーサーと、このスペ
ーサーによシ弁座の上方に周縁部が支持される可続性ダ
イアフラムと、入力信号に応じてその可続性ダイアフラ
ムを曲げて大口弁座に接触させ、入口ボートと出口ボー
トの間の通路をふさぐ手段とを有し、前記半導体基板の
上に形成される前記入口および出口ボートと前記盛シ上
った弁座を有する前記半導体基板と無孔質上部層と、中
間層とを備え、この中間層は選択的にエツチングされて
前記基板と前記上部層の間に環状スペーサーを形成し、
この環状スペーサーは前記入口ボートと前記出口ボート
を囲むとともに、前記盛シ上った弁座の上方で前記上部
層の周縁部を支持し、前記上部層の支持されない中央部
は前記可続性ダイアフラムを構成するようになっている
。好適な実施例においては、上部層の上に薄い金属電極
が配置される。この電極は、加えられた電位に応じて、
上部層の中央部分を静電的に曲げさせて弁座に接触させ
る。
この超小型弁の利点は、多くの部品を精密に組合わせる
必要をなくす単一の一体構造であることである。別の利
点は、この超小型弁を既存の半導体技術を用いて作るこ
とができることである。本発明の更に別の利点は、シリ
コンウェハーの厚さ程度の低い輪郭を有することである
。最後の利点は、この弁はシリコンと二酸化シリコンだ
けを材料として作ることができるために、汚染源を無く
せることである。
〔実施例〕
以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。
本発明の超小型弁の詳細が、第４図〜第３図に示されて
いる。超小槃弁１０は、中央に配置された入口ボート１
４と、この入口ボートからずれた出口ボート１６とが貫
通するｐ形シリコン基板１２を備え、更に、この基板の
上面または内面に形成され、入口ボート１４を囲む盛シ
上った環状弁座１８を備える多相構造である。基板１２
の上面には、入口ボート１４と出口ボート１６を囲む環
状スペーサー２０が形成さ゛れる。このスペーサー２０
は、球状弁座１８の上面から短い距離をおいて、二酸化
シリコン層のような薄い無孔質層２２を支持しておシ、
基板１２と層２２の間にスペーサー２０によシ定められ
る空間２４を囲む。層２２の支持されていない中央部分
は可撓性ダイアフラムを構成する。層２２の上面に薄い
導電性金）Ａ電極２６が設けられる。
電池２８で示されている電源とスイッチ３０が、基板１
２と電極２６の間に接続される。
動作時には、第１図に示すようにスイッチ３０が開かれ
ていると、無孔質層２２がスペーサー２０によシ弁座１
８の上面の上方に支持されて、入口ボート１４と出口ボ
ート１６の閾に流体の流路を与える。しかし、スイッチ
３０を閉じると、基板１２と電極２６０間に電源２８か
ら電位が加えられて、基板１２と電極２６０間に静電界
を発生する。この静電界は、層２２の中央部分を第２図
に示すように基板へ向けて曲げる力を発生する。電源の
電位は、入口ポート１４に受ける流体の圧力によシ加え
られる逆向きの力よシも大きい静電力を層２２の上に発
生するように選択する。したがって、スイッチ３０が閉
じられると、静電力は、層２２の中央部分が球状弁座１
８に接触するｔｌど十分にその中央部分を曲げて、入口
ボート１４を閉じることによシ、入口ボート１４と出口
ボート１６の間の流体の流れを阻止する。基板１２と電
極２２の間の電位が除去されると静電力がなくなるから
、層２２の中央部分が元の位置（第１図）へ戻って、入
口ボートと出口ボートの間の流体連結を開く。静電界が
なくなって弁１０が開かれることは、入口ボート１４に
加えられる流体の圧力によっても助けられて、弁の応答
時間を短くする。
次に、第４図〜第８図を参照してこの超小型弁の装造方
法について説明する。まず第４図を参照して、フォトリ
トグラフィと、ＨＦ−ＨＮＯ３のような等方性シリコン
・エツチング剤を用いて（１００）の結晶方向のｐ形シ
リコン基板３２の上面に環状弁座１８を形成する。次に
、シリコンウェハーの上面にｎ士シリコンの厚い層３４
を付着すなわち成長させる（第５図）。そのｎ＋シリコ
ン層３４は、ｐ形シリコン基板３２または二酸化シリコ
ン層２２を侵さない化学物質によシエッチングできなけ
ればならない。ｎ＋シリコン層３４は、半導体の分野で
知られている任意の技術を用いて基板３２０表面上に成
長させられるポリシリコン層とするのが好ましい。その
層の厚さは、盛シ上った弁座１８の高さと、この弁の他
の動作パラメータとにより決定されるが、なるべく１０
〜２０ミクロンとする。
次に、ｎ＋シリコン層の上面を研磨して表面を平滑にす
る。それから、被覆された基板の両側に約１０ミクロン
厚の二酸化シリコン層３６．３８を付着させる（第６図
）。二酸化シリコン層３６は完成された弁の可撓性ダイ
アフラムとなり、二酸化シリコン層３８はパターン化さ
れ、入口ポート１４と出口ボート１６を形成するための
マスクとして使用される。
それから、入口ポート１４と出口ボート１６を、ＫＯＨ
−イングロボノルー水（ＫＯＨ−ｉａｏｐｒｏｐｏｎｏ
ｌ−ｗａｔｅｒ　）のような第１のエツチング剤を用い
て、ｐ形シリコン基板３２全通して異方性エツチングを
行なって、入口ポート１４と出口ボート１６を形成する
。そのエツチングは、上部の二酸化シリコン層３６でス
トップする（第７図）。それから二酸化シリコンＮ３８
を除去する。最後にＨＦ　−ＨＮ０３ＣＨ３ＣＯＯＨ溶
液のような第２のエツチング液を入口ボート１４から入
れることにより、ｎ十形ポリシリコン層３４を選択エツ
チングして、弁の内部容積２４を形成する。第２のエツ
チング液は、シリコン基板３２と二酸化シリコン層３６
の間からｎ十形ポリシリコン層３４を選択エンチングし
て二酸化シリコン可撓性ダイアフラムと、スペーサー２
０と、内部容積２４とを形成する（第８図）。この弁は
、二酸化シリコン層３６の上に導電性金属電極２６を付
加することによシ完成される（第１図）。無孔質層２２
としては、二酸化シリコンが好適な拐料であるが、エツ
チングでき、かつｐ形シリコンから層２２を形成できる
材料であれば、他の酸化物も使用できることがわかるで
あろう。
超小型弁の別の圧力作動構造がＭ９図に示されている。
この場合には、入口ボート１４と、出口ボート１６と、
スペーサー２０と、可続性ダイアフラム２２とを含む基
板１２を第４図〜第８図を参照して説明したようにして
作る。無孔質層２２の上に信号入力ボート４４を有する
コツプ形ハウジング４０をと９つける。このノ）ウジン
グ４０は、層２２の中央部分により一方の側が囲まれる
内部室４２を形成する。コツプ形ハウジング４０は、こ
の分野で知られている技術のいずれかを用いて、層２２
または基板１２の上部に接合できる。
この超小型弁の圧力によシ作動させられる部分の動作は
簡単である。この弁の開閉は、信号入力ボートにおける
圧力Ｐ２によ多制御される。圧力Ｐ２が、入口ポート１
４に受けた流体の圧力Ｐ１よシ低い時は、層２２の中央
部が上方へ曲って弁座１８から離れ、入口ポート１４と
出口ポート１６の間に流体の流路を形成する。しかし、
信号入力部に加えられた圧力Ｐ２が、入口ボート１４に
加えられた圧力ＰＩ　よりも、層２２の中央部が弁座１
８に接触するほど下方へ曲げるのに十分な値だけ高い時
は、入口ボート１４と出口ボートの間の流体の流路は無
孔質層２２によシふさがれて弁を閉じる。
当業者であればわかるように、本発明の超小型弁は、図
示の構造、または材料、方法に限定されるものではない
。入口ボートおよび弁座は内部容積２４の中心からずら
すことができ、出口ボートにも弁座１８に対応する弁座
を設けることができ、また、基板１２と、スペーサー２
０と、可続性ダイアフラム２２とはこの明細書で説明し
た材料以外の材料を用いて構成できることがわかるであ
ろう。
【図面の簡単な説明】
第１図は開放状態にある超小型弁の横断面図、第２図は
閉じた状態にある超小型弁の横断面図、１ｇ３図は超小
型弁の断面上面図、第４図〜第８図は超小型弁を作る方
法を説明するための超小型弁の横断面図、第９図は圧力
信号によシ作動させられる超小型弁の別の実施例の横断
面図である。 １２・・・・基板、１４・・・・入口ボート、１６・・
・・出口ボート、１８・・・・弁座、２０・・Ｏ・スペ
ーサー、２２・Φ・・ダイアフラム、２６・・・・金属
電極、３４・・・・中間層、３６・・・・無孔質上部層
。 特許出願人　アライド・コーポレーション代理人　山川
政樹（ほか２名）

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 （１）半導体基板（１２）を貫通する入口ボートおよび
    出口ボー）　（１４，１ｓ）と、入口ボー）　（１４）
    を囲む盛シ上った弁座（１８）と、入口ボートおよび出
    口ボートを囲むスペーサー（２のと、このスペーサ＝（
    ２０）により弁座（１８）の上方に周縁部が支持される
    可撓性ダイアフラム（２２）と、入力信号に応じてその
    可撓性ダイアフラム（２２）を曲げて大口弁座に接触さ
    せ、入口ポートと出口ボー）　（１４，１６）の間の通
    路をふさぐ手段とを有し、前記半導体基板（１２）の上
    に形成される超小型弁において、前記入口および出口ボ
    ート（１４，１６）および前記盛夛上った弁座（１８）
    を有する前記半導体基板（１２）と、無孔質上部層（３
    ６）と、中間層（３４）とを備え、この中間Ｎｒｆｉ選
    択的にエツチングされて、前記基板（１２）と前記上部
    層（３６）の間に環状スペ一サー（２０）’！ｆ−形成
    し、この環状スペーサーは前記入口ポートおよび前記出
    口ボ−）　（１４，１６）を囲むとともに、前記盛シ上
    った弁座（１８）の上方で前記上部層（３６）の周縁部
    を支持し、前記上部層の支持されない中央部は前記可撓
    性ダイア７シム（２２）を構成することを特徴とする一
    体多層構造である超小型弁。 （２、特許請求の範囲の第１項に記載の超小型弁であっ
    て、前記上部層（３６）は厚さが約１０ミクロンの酸化
    物層であることを特徴とする超小型弁。 （３）特許請求の範囲の第１項に記載の超、Ｊ−型弁で
    あって、前記半導体基板（１２）はｐ形シリコン基板で
    ｓｂ、前記中間層（３４）は前記ｐ形シリコン基板の上
    面に配置されるｎ十形シリコン層であシ、前記上部層（
    ３６）は前記中間層（３４）の上に配置される約１０ミ
    クロン厚の二酸化シリコン層であることを％徴とする超
    小型弁。 （４）特許請求の範囲の第１項に記載の超小型弁であっ
    て、前記曲げ手段は、前記上部Ｎ　（３６）の土面に配
    置される導電性金属電極であり、この導電性金属電極は
    、この金属電極（２６）と前記半導体基板（１２）の中
    に加えられた所定の電位に応じて静電力を発生し、この
    静電力は前記上部層（３６）を押して前記弁座に接触さ
    せることを特徴とする超小型弁。 （５）特許請求の範囲の第３項に記載の超小型弁であっ
    て、前記曲げ手段は、前記二酸化シリコン層（３６）の
    上面にと夛つけられる導電性電極で１、この導電性−：
    極は、前記シリコン基板（１２）と前記金属電極（２４
    ）の間に加えられた所定の電位に応じて静電力を発生し
    、この静電力は前記二酸化シリコン層（３６）を押して
    弁座（１８）に接触させることを特徴とする超小型弁。 （６）特許請求の範囲の第１項に記載の超小型弁であっ
    て、前記曲げ手段（２６）は前記上部層（３６）の上面
    にとシつけられたコツプ形ハウジング（４０）であり、
    このハウジングは一方の側が前記上部層（３６）の中央
    部分によシふさがれた圧力室を形成し、前記ハウジング
    は、前記入口ボー）　（１４）に受けた流体によシ加え
    られる力に抗して前記上部層（３６）を押して曲げ、前
    記弁座（１８）に接触させる力を発生できる空気信号を
    受けるための信号入カポ−）　（４４）を有することを
    特徴とする超小型弁。 （７）特許請求の範囲の第３項に記載の超小型弁であっ
    て、前記曲げ手段は、前記上部層（３６）の上面にと９
    つけられたコツプ形ノーウジング（４）であシ、このハ
    ウジングは一方の側が前記上部層（３６）の中央部分に
    よシふさがれた圧力室を形成し、前記ハウジング（４０
    ）は、前記入口ボー）　（１４）に受けた流体の力に抗
    して前記二酸化シリコン層（３６）を押して曲げ、前記
    弁座に接触させることができる空気信号を受ける信号入
    力ボート（４４）を有することを特徴とする超小型弁。 （８）結晶の向きが（１００）であるｐ形シリコン基板
    （１２）の一方の表面上に盛り上った環状の弁座（１８
    ）を形成するためにその基板をエツチングする工程と、 前記基板（１２）の前記一方の表面上に前記盛シ上った
    環状弁座（１８）の高さよシ厚いｎ十形シリコン層（３
    ４）を形成する工程と、 前記基板の上面のうち、少なくとも前記ｎ＋シリコン層
    （３４）の上方にあたる部分の上に二酸化シリコンの無
    孔質層（３６）を付着する工程と、前記環状弁座（１８
    ）と同心状の入口ボー）　（１４）の場所と、この人口
    ボー）　（１４）からずれた出口ボー）　（１６）の場
    所とを定めるマスクを前記基板（１２）の底面（３８）
    の上に形成する工程と、 前記基板（１２）を完全に貫通する前記入口ボートおよ
    び前記出口ボー）　（１４，１６）を形成するために、
    前記ｐ形シリコン基板を前記マスクを通じて第１のエツ
    チング剤で異方性的にエツチングする工程と、 前記ｎ＋シリコンを選択的にエツチングする第２のエツ
    チング剤を少くとも前記入口ボー）　（１４）を通じて
    入れることによシ、前記入口ボートおよび前記出口ボー
    ト（１４，１６）の間でそれらのボートを囲む領域内の
    前記ｎ＋シリコン層（３４）を異方性的にエツチングし
    て除去する工程と を備えることを特徴とする超小型弁の製造方法。 （９）％許請求の範囲の第８項に記載の方法であって、
    前記第１のエツチング剤はＫＯ）Ｉ−イングロボノルー
    水溶液でｉｂ、前記第２のエツチング剤はＨＦ−ＨＮＯ
    ３ＣＨｓＣＯＯＨ溶液であることを特徴とする方法。 （ＩＱ特許請求の範囲の第８項に記載の方法であって、
    前記二酸化シリコン層（３６）の上面に導電性金属電極
    （２６）を付着する工程を含むことを特徴とする方法。
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