JPH02103432A - 振動形トランスデュサの製造方法 - Google Patents

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】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、シェ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形ト
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４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５図は第４
図におけるＸ−Ｘ断面図、第６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をエツチン
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はシェルで、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。

シェル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。シェル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、シェル５は、第４図においては、分りやすくする
ために省略されている。

第７図は第５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
、２１ｂは２１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重層、２４はＳ
　ｉ　０２層である。エピタキシアル層２２の一部は、
例えば、アンダーエツ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５１０２層とによって構成されている。

第７図において振動梁３（４）を構成する２層２３と、
隙間部２５を介して対向する２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重層２１ａとＰ”Ｍ２３との間に働く
静電力を利用して励振させ、また、Ｐ重層２１ｂとＰ重
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。

Ｏ２０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重層２
１ｂ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重層２１ａが接続され
、Ｐ重層２１ａとＰ＋十層３間に出力信号を与える。こ
れによって、発振回路Ｏ８Ｃと振動梁３（４）とは振動
梁の固有振動数で発振する自動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
ッラム２に、第５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ｆｔ　、ｆ２は、圧力Ｐに対して差
動的に変化する事となり、例えば、ｆ、−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、シェル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　ｒ
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８図により説明する。

図において、第４図から第７図までと同一記号は同一機
能を示す。

以下、第４図から第７図までと相違部分のみ説明する。

（１）第８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。１１９１０１
の所要の箇所をホトリソグラフィにより除去する。

（２）第８図（Ｂ）に示すごとく、１０５０℃の水素（
Ｈ２）雰囲気中で、塩酸でエツチングを行い、基板１に
所要箇所１０２をエツチングして膜１０１をアンダーカ
ットして凹部１０３を形成する。

なお、塩酸の代りに、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
ツチングでもよい。

（３）第８図（Ｃ）に示すごとく、１０５０℃の水素（
Ｈ２）雰囲気中で、ソースガスにＭＣＩ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１０”ｃｍ″２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１
０４を選択エピタキシャル成長させる。

■ボロンの濃度１０”ｃｍ″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１０
２を塞ぐように、振動梁３，４に相当する第２エピタキ
シヤルｆｔｌ　１０５を選択エピタキシャル成長させる
。

■ボロンの濃度１０”ｃｍ’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−２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、シェル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８図ＣＤ）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１１９１０１をフッ化水素酸
（ＨＦ）でエツチングして除去し、エツチング液の注入
口１０８を設ける。

（５）第８図（Ｅ）に示すごとく、第２エピタキシャル
Ｍ１０５に対して、基板１と第４エピタキシャル層１０
７に正のパルスを印加して、エツチング液の注入口１０
８よりアルカリ液を注入して、第１エピタキシャル層１
０４と第３エピタキシャル層１０６を、選択エツチング
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１
０４あるいは第３エピタキシャル層１゜６との間にエツ
チング作用の差があるのは、ボロンの濃度が３Ｘ１０１
ｇｃｍ−”以上となるとエツ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ー８７」日
本電気学会発行の１２３ベージ　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８図（Ｆ）に示すごとく、プラズマエツチング
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８図（Ｇ）４：示す如く、１０５０”Ｃ（７）
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、エツチング液
の注入口１０８をとじる。

なお、この工程は、 ■熱酸化によりエツチング液の注入口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ツ
チング液の注入口１０８の箇所に着膜させて、エツチン
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
ツチング液の注入口１０８を埋める。

■絶縁物、例えば、ガラス（Ｓｉ０２）、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
法によりエツチング液の注入口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とシェル５とが一体形で形
成されるので、基板１とシェル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やシェル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、この様な装置においては、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のエツ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。

く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、ｎ形シリコン単
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
材よりなるシェ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ツチングにより取去り、前記基板に
前記振動梁が形成される位置の部分にエツチングされに
くい高濃度の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、前記膜の所用箇所の周囲の該膜をエツチ
ングにより取去り、 前記室のシェル側部分および前記シェルが形成される位
置の部分にｎ形シリコンよりなるエピタキシャル層を形
成し、 第１拡散層の熱拡散により前記基板の前記室の基板側部
分が形成される位置の部分にエツチングされやすい高濃
度のＰ形シリコンの第２拡散層を前記第１エピタキシャ
ル層の前記室のシェル側部分が形成される位置の部分に
エツチングされやすい高濃度のＰ形シリコンの第３拡散
層を形成し前記膜をエツチングにより除去しエツチング
注入口を形成し、 該注入口よりエツチング流体を注入し前記第２０第３拡
散層を選択エツチングにより除去し、前記エピタキシャ
ル層を覆うとともに前記注入口を塞ぐようにして選択エ
ピタキシャル成長により前記シェルを形成したことを特
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。

く作用〉 以上の方法において、基板に振動梁と隙間対応部分とシ
ェル相当部分とを基板と一体となるように形成した後、
隙間対応部分をエツチングで除去することによって、基
板と振動梁とシェ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３　Ｘ　
１０　’　”　／　ｃ　ｍ　２程度以上の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ので、第１
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４図から第７図と同一記号の構成は同一
機能を表わす。

以下、第４図から第７図と相違部分のみ説明する。

図において、 （１）第１図（Ａ）に示すごとく、ｎ型シリコン（８０
）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に振動梁３，
４が形成される位置の部分に３ｘ８”／ｃ　ｍ　３程度
以上のＰ形シリコンからなる第２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、箇所２０２の周囲の
膜２０１を除去して広げる。

（４）第１図（Ｄ）に示すごとく、８５０℃の水素（Ｈ
２）雰囲気中でソースガスに塩化水素（ＨＣｌ）ガスを
混入して、リンの濃度８Ｉ７ｃｍ−２のｎ形シリコンに
より、隙間部２５の上半分とシェル５に相当するエピタ
キシャル層２０４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、熱処理を行い第１拡
散層２０３の熱拡散により、基板１に第２拡散層２０５
、エピタキシャル層２０４に第３拡散Ｎ２０６を形成す
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をフッ化水素酸（Ｈ
Ｆ）でエツチングして除去し、エツチング液の注入口２
０７を設ける。

（７）第１図＜ａ＞に示すごとく、第１拡散ｌ付２０３
に対して基板ｌとエピタキシャル層２０４とに、正のパ
ルスを印加して、エツチング液の注入口２０７よりアル
カリ液を注入して、第２拡散層２０５と第３拡散層２０
６を選択エツチングして除去する。

第１拡散層２０３と第２拡散層２０５あるいは第３拡散
屑２０６との間にエツチング作用の差があるのは、ボロ
ンの濃度が３Ｘ８”ａｍ’以上となるとエツチング作用
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。

プラズマエツチング処理により、基板１とエピタキシャ
ル層２０４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（１）に示すごとく、８５０℃の水素（Ｈ
２）中でｎ形シリコンのエピタキシャル成長を行い、基
板１とエピタキシャル層２０４の外表面に、エピタキシ
ャル成長層２０９を形成し、エツチング液の注入口２０
７をとじる。

なお、振動梁３．４とシェル５との絶縁が取れないため
に、振動検出信号ｅは、第２図に示すごとく、 ｅ＝　（Ｚｓ−ｅｏ　）／　（Ｚｖ　十Ｚｓ　）Ｚｓ　
、シェル５の内部インピーダンスｅｏ：振動梁３，４の
起電力 Ｚｖ；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
きいなめ、実用上問題にならない。

以上の方法において、基板１に振動梁３，４と隙間２５
対応部分とシェル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対応部分をエツチングで除去
することによって、基板１と振動梁３．４とシェル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
３Ｘ８”／ｃｍ’程度以上の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したので、第１拡散層
２０３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。

し１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カドラン
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。

入カドランス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、出カドランス５１、増幅器５２が用いられ
ている。

出カドランス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、分岐して入カドランス４１
の一次側に接続され、全体として、正帰還自動発振回路
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、ｎ形シリコン単結晶の
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
なるシェ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ツチングにより取去り、前記基板に
前記振動梁が形成される位置の部分にエツチングされに
くい高濃度の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、前記膜の所用箇所の周囲の該膜をエツチ
ングにより取去り、 前記室のシェル側部分および前記シェルが形成される位
置の部分にｎ形シリコンよりなるエピタキシャル層を形
成し、 第１拡散層の熱拡散により前記基板の前記室の基板側部
分が形成される位置の部分にエツチングされやすい高濃
度のＰ形シリコンの第２拡散層を前記第１エピタキシャ
ル層の前記室のシェル側部分が形成される位置の部分に
エツチングされやすい高濃度のＰ形シリコンの第３拡散
層を形成し前記膜をエツチングにより除去しエツチング
注入口を形成し、 該注入口よりエツチング流体を注入し前記第２０第３拡
散層を選択エツチングにより除去し、前記エピタキシャ
ル層を覆うとともに前記注入口を塞ぐようにして選択エ
ピタキシャル成長により前記シェルを形成したことを特
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図は使用説明図、第４図から第７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８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、２１
ａ、２１ｂ、２３・・・２１層、２２・・・ｎ形エピタ
キシャル層、２４・・・５１０２．２５・・・隙間部、
３１・・・第一振動子、３２・・・第二振動子、４０・
・・励振手段、４１・・・入カドランス、４２・・・入
力端子、５０・・・振動検出手段、５１・・・出カドラ
ンス、５２・・・増幅器、５３・・・出力端子、２０１
・・・膜、２０２・・・箇所、２０３・・・第１拡散層
、２０４・・・エピタキシャル層、２０５・・・第２拡
散層、２０６・・・第３拡散層、２０７・・・エツチン
グ液の注入口、２０８・・・酸化シリコン膜、２０９・
・・エピタキシャル層。 第 図 第１図 第 図 ０ＳＣ 第 図 第 牛 図 エタイテ １８抜 第 図 ２フラム

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ｎ形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ェ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１拡散層を熱拡散
   により形成し、 前記膜の所用箇所の周囲の該膜をエッチングにより取去
   り、 前記室のシェル側部分および前記シェルが形成される位
   置の部分にｎ形シリコンよりなるエピタキシャル層を形
   成し、 第１拡散層の熱拡散により前記基板の前記室の基板側部
   分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形シリコンの第２拡散層を前記第１エピタキシャ
   ル層の前記室のシェル側部分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形シリコンの第３拡散
   層を形成し前記膜をエッチングにより除去しエッチング
   注入口を形成し、 該注入口よりエッチング流体を注入し前記第２０第３拡
   散層を選択エッチングにより除去し、前記エピタキシャ
   ル層を覆うとともに前記、注入口を塞ぐようにして選択
   エピタキシャル成長により前記シェルを形成したことを
   特徴とする振動形トランスデュサの製造方法。