WO2020246115A1 - 静電型デバイスおよび静電型デバイス製造方法 - Google Patents

Abstract

振動発電素子は、固定部と、可動部と、前記可動部と一体に形成され、前記可動部を弾性支持する弾性支持部と、前記固定部および前記弾性支持部が互いに分離状態で陽極接合されているガラス製のベース部と、を備える。

Description

静電型デバイスおよび静電型デバイス製造方法

　本発明は、静電型デバイスおよび静電型デバイス製造方法に関する。

　静電型デバイスとして、例えば、特許文献１に記載のような静電型デバイスが知られている。特許文献１に記載の静電型デバイスは、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板から製作されている。ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板は、シリコンの支持層と、支持層上に形成されたシリコン酸化物（ＳｉＯ_２）のＢＯＸ（Buried Oxide）層と、ＢＯＸ層上に接合されたシリコンの活性層とから成る。静電型デバイスのアクチュエータ部あるいはセンサ部は活性層から形成され、アクチュエータ部あるいはセンサ部を支持する基材は支持層から形成される。

日本国特開２０１６－５９１９１号公報

　しかしながら、上述の静電型デバイスでは、デバイス製作用の基板として高価なＳＯＩ基板を用いているので、基板コストが静電型デバイスのコスト低減を阻害する要因の一つとなっている。

　本発明の第１の態様によると、静電型デバイスは、固定部と、可動部と、前記可動部と一体に形成され、前記可動部を弾性支持する弾性支持部と、前記固定部および前記弾性支持部が互いに分離状態で陽極接合されているガラス製のベース部と、を備える。
　本発明の第２の態様によると、第１の態様の静電型デバイスにおいて、前記固定部および前記可動部はシリコンで形成され、前記固定部および前記可動部の少なくとも一方にエレクトレットが形成されているのが好ましい。
　本発明の第３の態様によると、第２の態様の静電型デバイスにおいて、前記固定部には固定電極が形成され、前記可動部には前記固定電極と対向する可動電極が形成され、前記固定部に対する前記可動部の変位により前記固定電極と前記可動電極との静電容量が変化して発電を行うのが好ましい。
　本発明の第４の態様による静電型デバイス製造方法は、第１の態様から第３の態様までのいずれか一の態様の静電型デバイスを製造するための静電型デバイス製造方法であって、前記固定部、前記可動部および前記弾性支持部を基板に一体状態で形成し、前記ベース部と前記基板とを陽極接合して前記固定部および前記弾性支持部を前記ベース部に固定し、前記基板をエッチングして前記固定部と前記弾性支持部とを互いに分離する。

　本発明によれば、静電型デバイスのコスト低減を図ることができる。

図１は、振動発電素子の平面図である。 図２は、図１のＡ－Ａ断面およびＢ－Ｂ断面を示す図である。 図３は、第１の工程を説明する図である。 図４は、第２の工程を説明する図である。 図５は、第３の工程を説明する図である。 図６は、図５のＡ－Ａ断面、Ｂ－Ｂ断面、Ｃ－Ｃ断面を示す図である。 図７は、第４の工程を説明する図である。 図８は、第５の工程を説明する図である。 図９は、第６の工程を説明する図である。 図１０は、第７の工程を説明する図である。 図１１は、第８の工程を説明する図である。 図１２は、第９の工程を説明する図である。 図１３は、第１０の工程を説明する図である。 図１４は、比較例を示す図である。 図１５は、比較例における振動発電のシミュレーション結果を示すグラフであり、（ａ）は電流を示し、（ｂ）は電力を示す。

　以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。図１は静電型デバイスの一例を示す図であり、静電型の振動発電素子１の平面図である。振動発電素子１は、ベース部１０と、ベース部１０上に設けられた固定部１１と、可動部１２とを備えている。左右一対の固定部１１には複数の櫛歯電極１１０がそれぞれ形成されている。一対の固定部１１間に配置された可動部１２にも、複数の櫛歯電極１２０が形成されている。櫛歯電極１２０は、櫛歯電極１１０と噛合するように対向配置されている。

　可動部１２は４組の弾性支持部１３により支持されており、振動発電素子１に外力が加わると、可動部１２が図示左右方向（ｘ方向）に振動する。各弾性支持部１３は、ベース部１０上に固定された固定領域１３ａ、および、固定領域１３ａと可動部１２とを連結する弾性部１３ｂを備えている。櫛歯電極１１０，１２０の少なくとも一方にはエレクトレットが形成されており、可動部１２が図示左右に振動して櫛歯電極１１０と櫛歯電極１２０との噛合量が変化することで発電が行われる。固定部１１には電極パッド１１１が形成され、弾性支持部１３の固定領域１３ａにも電極パッド１３１が形成されている。発電された電力は電極パッド１１１、１３１から出力される。

　図２は図１の断面を示す図であり、図２（ａ）はＡ－Ａ断面を、図２（ｂ）はＢ－Ｂ断面を示している。固定部１１，可動部１２および弾性支持部１３はＳｉ基板から形成され、固定部１１，可動部１２および弾性支持部１３の表面にはカリウム等のアルカリ金属のイオンを含むＳｉＯ_２膜２０２が形成されている。このＳｉＯ_２膜２０２にエレクトレットが形成される。固定部１１と弾性支持部１３の固定領域１３ａとは、ガラス基板で形成されたベース部１０上に陽極接合される。ベース部１０には凹部１０１が形成されている。

　固定部１１と固定領域１３ａとは分離溝ｇ１により互いに分離されており、固定部１１と弾性支持部１３および可動部１２とは電気的に絶縁されている。なお、図２（ｂ）に示す分離溝ｇ２は、左右一対の固定部１１を電気的に分離するためのものである。可動部１２は、弾性支持部１３によって凹部１０１の上方に弾性支持されている。ベース部１０の裏面にはメタル層１０２が形成されている。また、固定部１１の櫛歯電極１１０も、凹部１０１の上方に可動部１２の櫛歯電極１２０と噛合するように配置されている。

（振動発電素子１の製造方法）
　図３～１６は、振動発電素子１の製造手順の一例を示す図である。図３に示す第１の工程では、Ｓｉ基板２００の表裏両面にＬＰ－ＣＶＤによりＳｉＮ膜２０１を成膜する。図４は第２の工程を説明する図であり、図４（ａ）は平面図、図４（ｂ）はＡ－Ａ断面図である。第２の工程では、表面側のＳｉＮ膜２０１をドライエッチングによりエッチングして、電極パッド１１１，１１３を形成するためのパターンＰ１，Ｐ２と、分離溝ｇ１、ｇ２を形成するためのパターンＰ３，Ｐ４とを形成する。

　図５，６は第３の工程を説明する図であり、図５は平面図を示し、図６（ａ）はＡ－Ａ断面図、図６（ｂ）はＣ－Ｃ断面図、図６（ｃ）はＢ－Ｂ断面図を示す。第３の工程では、Ｓｉ基板２００の表面側に固定部１１，可動部１２および弾性支持部１３を形成するためのＡｌ（アルミ）マスクパターン(不図示)を形成し、そのＡｌマスクパターンを用いたＤｅｅｐ－ＲＩＥによりＳｉ基板２００およびＳｉＮ膜２０１を貫通するようにエッチングする。このエッチングにより、固定部１１，可動部１２および弾性支持部１３における図５の図示領域Ｄに含まれる構造を形成する。具体的には、櫛歯電極１１０、２１０が形成されている部分の固定部１１および可動部１２、弾性支持部１３を形成する。図５の領域Ｄは、図２の凹部１０１の上方領域を示している。

　図７は第４の工程を説明する図であり、図７（ａ）はＡ－Ａ断面図を、図７（ｂ）はＣ－Ｃ断面図を、図７（ｃ）はＢ－Ｂ断面図を示す。第４の工程では、分離溝ｇ１，ｇ２を形成するためのエッチングをＤｅｅｐ－ＲＩＥにより行う。分離溝ｇ１，ｇ２は、パターンＰ３，Ｐ４（図４参照）の位置に形成される。ただし、第４の工程では分離溝ｇ１，ｇ２で完全に分離させず、基板裏面側からＳｉ基板２００全体が一体に保たれる程度の深さまでエッチング（いわゆる、ハーフエッチング）する。

　図８は第５の工程を説明する図であり、図８（ａ）は平面図を、図８（ｂ）はＡ－Ａ断面図を示す。第５の工程では、Ｓｉ基板２００の露出面にカリウム等のアルカリ金属のイオンを含むＳｉＯ_２膜２０２を形成する。

　図９は第６の工程を説明する図であり、図９（ａ）は平面図を、図９（ｂ）はＡ－Ａ断面図を示す。第６の工程では、まず、ＣＦ_４ガスを用いたＲＩＥにより、基板裏面側のＳｉＮ膜２０１を除去する。同様に、基板表面側のＳｉＮ膜２０１を除去する。

　図１０は第７の工程を説明する図であり、図１０（ａ）は平面図を、図１０（ｂ）は断面図を示す。第７の工程では、ベース部１０を形成するためのガラス基板３００に凹部１０１を形成する。凹部１０１の底面と枠部１０３の端面との段差寸法Ｈは、振動する可動部１２が干渉しない寸法（例えば、数十μｍ）に設定される。ガラス基板３００には、陽極接合に用いられるガラス基板（例えば、ナトリウム含有のガラス基板）が用いられる。

　図１１は第８の工程を説明する図であり、図１１（ａ）は平面図を、図１１（ｂ）は断面図を示す。第８の工程では、ベース部１０の裏面側にアルミ蒸着膜等のメタル層１０２を形成する。なお、裏面側のメタル層１０２は、陽極接合プロセス時の電界をガラス基板３００全面に分散させるために形成したものである。しかし、メタル層１０２が無くても陽極接合は可能なため、メタル層１０２は必須ではない。

　図１２に示す第９の工程では、固定部１１、可動部１２および弾性支持部１３が形成されたＳｉ基板２００（図９参照）の裏面側に、図１１に示したガラス基板から成るベース部１０を陽極接合する。ヒータ４０上にベース部１０を載置し、そのベース部１０の上に固定部１１、可動部１２および弾性支持部１３が形成されたＳｉ基板２００を積層する。ヒータ４０の温度は、ガラス基板中におけるナトリウムイオンの熱拡散が十分活発になる温度（例えば、５００℃以上）に設定される。ヒータ４０を基準とするＳｉ基板２００の電圧Ｖ１は、例えば、４００Ｖ以上に設定される。

　シリコン基板（Ｓｉ基板２００）とガラス基板（ベース部１０）とを陽極接合する場合には、シリコン基板とガラス基板との積層体を加熱しつつ、シリコン基板側を陽極として積層体に数百Ｖ程度の直流電圧を印加する。ガラス基板内のナトリウムイオンがマイナス電位側へ移動し、ガラス基板とシリコン基板との接合面のガラス基板側にＳｉＯ^－の空間電荷層（ナトリウムイオンが欠乏した層）が形成される。その結果、静電引力によりガラス基板とシリコン基板とが接合される。

　図１３は第１０の工程を説明する図であり、図１３（ａ）はＡ－Ａ断面図を、図１３（ｂ）はＣ－Ｃ断面図を、図１３（ｃ）はＢ-Ｂ断面図を示す。第１０の工程では、ベース部１０に陽極接合されたＳｉ基板２００をＤｅｅｐ－ＲＩＥにより途中までエッチングすることにより、図７に示す非貫通の分離溝ｇ１、ｇ２をＳｉ基板２００の表裏に貫通した状態とする。これにより、固定部１１と可動部１２を弾性支持する弾性支持部１３とが完全に分離される。なお、このエッチングにより、分離溝ｇ１、ｇ２が貫通状態となるだけではなく、穴形状の電極パッド１１１、１３１も形成される。

　その後、周知のエレクトレット形成方法、例えば、日本国特開２０１３－１３２５６号公報に記載のBias-Temperature法により、櫛歯電極１１０，１２０の少なくとも一方にエレクトレットを形成することで、図１の振動発電素子１が完成する。

　本実施の形態の振動発電素子１では、固定部１１、可動部１２および弾性支持部１３をシリコン基板により形成し、固定部１１および弾性支持部１３をガラス基板により形成されたベース部１０に固定する構成とした。そのため、特許文献１に記載の静電型デバイスのように高価なＳＯＩ基板を用いていないので、コスト低減を図ることができる。

（比較例）
　図１４は比較例を示すである。比較例の振動発電素子５０は、ＳＯＩ基板を用いて形成される。振動発電素子５０の固定部５１、可動部５２および不図示の弾性支持部１３はＳＯＩ基板の上部シリコン層である活性層６１に形成され、ベース部５３は下部シリコン層である支持層６３に形成される。可動部５２の櫛歯電極にはエレクトレット５２０が形成されている。活性層６１と支持層６３とはＳｉＯ_２から成るＢＯＸ層６２を介して設けられているので、活性層６１と支持層６３との間に生じる寄生容量Ｃs1，Ｃs2が、振動発電素子５０の発電電力に悪影響を与えることになる。

　固定部５１に対して可動部５２が図示左右方向に振動すると、固定部５１および可動部５２の櫛歯電極間の静電容量Ｃ１，Ｃ２が変化し、静電容量Ｃ１，Ｃ２の変化による交流電流が端子電流Ｉ１として出力される。出力された端子電流Ｉ１は、一部の電流Ｉ３が寄生容量Ｃs1，Ｃs2を流れ、残りの電流Ｉ２が振動発電素子５０に接続された負荷抵抗Ｒを流れる。

　図１５は振動発電素子５０による発電のシミュレーション結果を示したものであり、図１５（ａ）は電流Ｉ２，Ｉ３を示し、図１５（ｂ）は負荷抵抗Ｒで消費される電力Ｗ２および寄生容量Ｃs1に出入りする電力Ｗ３を示す。寄生容量Ｃs1の電流は端子電圧に対して位相が９０度進んでいる。寄生容量Ｃs1に出入りする電力Ｗ３は外部に取り出されない無効電力である。寄生容量Ｃs2に出入りする電力についても同様である。寄生容量Ｃs1，Ｃs2の増加により無効電力Ｗ３は増加し、負荷抵抗Ｒで消費される電力である有効電力Ｗ２は減少する。

　一方、本実施の形態の振動発電素子１では、シリコンで形成された固定部１１および可動部１２はガラス基板で形成したベース部１０に接合されているので、寄生容量の発生を防止することができる。その結果、寄生容量に起因する無効電力の発生を防止することができ、発電された電力を無駄なく負荷抵抗Ｒにより消費することができる。

　なお、ＳＯＩ基板から振動発電素子５０を形成した場合であっても、ＢＯＸ層の厚さを従来よりも厚くして寄生容量を小さくすることにより、ガラス基板のベース部１０を採用する場合と同様に無効電力の低減を図ることができる。

　上述した実施の形態の作用効果をまとめると以下のようになる。
（１）静電型デバイスである振動発電素子１は、図１に示すように、固定部１１と、可動部１２と、可動部１２と一体に形成され、可動部１２を弾性支持する弾性支持部１３と、固定部１１および弾性支持部１３が互いに分離状態で陽極接合されているガラス製のベース部１０と、を備える。そのため、ＳＯＩ基板を用いて製作される振動発電素子５０に比べてコスト低減を図ることができる。

　なお、上述した実施の形態では、静電型デバイスである振動発電素子１を例に説明したが、振動発電素子１に限らず、特許文献１に記載のようなアクチュエータやセンサ等にも適用することができる。すなわち、アクチュエータやセンサをシリコン基板から製作し、それらをガラス製のベース部で支持するような構成とする。そうすることで、コスト低減に加えて寄生容量の抑制も図ることができる。なお、電気伝導性を有しガラス基板との線膨張係数が十分に一致すれば、シリコン基板に限らずその他のガラス基板やシリコン薄膜を成膜したガラス基板などを用いてアクチュエータやセンサ等を形成しても良い。

（２）さらに、固定部１１および可動部１２をシリコンで形成し、固定部１１および可動部１２の少なくとも一方にエレクトレットを形成するようにしても良い。

（３）図１に示す静電型デバイスである振動発電素子１は、固定部１１には固定電極である櫛歯電極１１０が形成され、可動部１２は櫛歯電極１１０と対向する可動電極である櫛歯電極１２０が形成され、さらに固定部１１および可動部１２の少なくとも一方にエレクトレットが形成され、固定部１１に対する可動部１２の変位により櫛歯電極１１０と櫛歯電極１２０との静電容量が変化して発電を行う。ベース部１０がガラス製であるため、上述したコスト低減に加えて、図１４に示すＳＯＩ基板を用いた振動発電素子５０における寄生容量Ｃs1，Ｃs2の発生を防止でき、寄生容量に起因する無効電力Ｗ３の発生を防止することができる。

（４）上述した静電型デバイスの製造方法では、固定部１１、可動部１２および弾性支持部１３を基板、例えばＳｉ基板２００、に一体状態で形成し、ガラス製のベース部１０とＳｉ基板２００とを陽極接合して固定部１１および弾性支持部１３をガラス製のベース部１０に固定し、Ｓｉ基板２００をエッチングして固定部１１と弾性支持部１３とを互いに分離して、固定部１１と可動部１２とを電気的に分離する。

　このように固定部１１と弾性支持部１３とを分離する前に、固定部１１，可動部１２および弾性支持部１３が一体状態となったＳｉ基板２００をベース部１０に陽極接合し、陽極接合後に分離するようにしているので、ウエハレベルの固定部１１、可動部１２および弾性支持部１３の位置関係を維持した状態で、それらをベース部１０に接合することができる。

　本発明は上述した実施の形態の内容に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

　次の優先権基礎出願および公開公報の開示内容は引用文としてここに組み込まれる。
　日本国特願２０１９－１０６２３０号（２０１９年６月６日出願）
　日本国特開２０１３－１３２５６号公報

　１，５０…振動発電素子、１０，５３…ベース部、１１，５１…固定部、１２，５２…可動部、１３…弾性支持部、１３ａ…固定領域、１３ｂ…弾性部、４０…ヒータ、１１０，１２０…櫛歯電極、２００…Ｓｉ基板、３００…ガラス基板、Ｃs1，Ｃs2…寄生容量

Claims (4)

1. 　固定部と、
   　可動部と、
   　前記可動部と一体に形成され、前記可動部を弾性支持する弾性支持部と、
   　前記固定部および前記弾性支持部が互いに分離状態で陽極接合されているガラス製のベース部と、を備える静電型デバイス。
2. 　請求項１に記載の静電型デバイスにおいて、
   　前記固定部および前記可動部はシリコンで形成され、
   　前記固定部および前記可動部の少なくとも一方にエレクトレットが形成されている、静電型デバイス。
3. 　請求項２に記載の静電型デバイスにおいて、
   　前記固定部には固定電極が形成され、
   　前記可動部には前記固定電極と対向する可動電極が形成され、
   　前記固定部に対する前記可動部の変位により前記固定電極と前記可動電極との静電容量が変化して発電を行う、静電型デバイス。
4. 　請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の静電型デバイスを製造するための静電型デバイス製造方法であって、
   　前記固定部、前記可動部および前記弾性支持部を基板に一体状態で形成し、
   　前記ベース部と前記基板とを陽極接合して前記固定部および前記弾性支持部を前記ベース部に固定し、
   　前記基板をエッチングして前記固定部と前記弾性支持部とを互いに分離する、静電型デバイス製造方法。

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