JPH0239575A - 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、シリコン単結晶の基板上に設けられ、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、初期張力が大で動作範囲を
大きくすることができ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。

〈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、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上に形成させた振動
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、分りやずくする
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＋層、２４はＳ
ｉＯ□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５１０
２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１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＋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土
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＋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土層２１ａか接続され、Ｐ＋層２１ａ
とＰ土層２３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ｆ、、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
６３年４月８日出順の特願昭６３−８６９４６［発明の
名称；振動形トランスデュサの製造方法ｊ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までと同゛−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、ｎｆｉシリコン＜１
００１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。ＰＩＡｌｏ
ｌ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　）　ニ示すごとく、１０５０”Ｃ（
７）水素（Ｈ２）雰囲気中で、塩化水素でエツチングを
行い、基板１に所要箇所１０２をエツチングしてＭｌｏ
ｌ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’Ｃ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℃（７）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１０”ｃｍ−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１
０４を選択エピタキシャル成長させる。

■ボロンの濃度３Ｘ１０”ａｍ’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１
０２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。

■ボロンの濃度３Ｘ１０’　”　ｃｍ″３のＰ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（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ｖｌｏｌをフッ止水＃酸（Ｈ
Ｆ）でエツチングして除去し、エツチング注入口１０８
を設ける。

（５）第８図（Ｅ）に示すごとく、第４層に対して基板
１に圧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を選択上・ｙチング
して除去する６第２工ピタキシヤル層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３Ｘ１０”ａｍ−２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−８７」日
本電気学会発行の１２３ページ　Ｆｉｇ８に示されてい
る。

（６）第８図（Ｆ）に示すごとく、１０５０’Ｃ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、第２エピタキシャル層１０５と第４エピタキシャル
層１０７と基板１の凹部１０３側の面を覆うと共に、注
入口１０８を塞ぐようにして、ｎ形シリコンからなる第
５エピタキシャル層１０９を形成し、エツチング注入口
１０８をとじる。

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）＠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、ボロン高濃度
層を用いて、アルカリ選択エツチングにより形成したシ
リコン振動子３．４にはボロンの原子半径がシリコンよ
り小さいなめに、内部応力（張力）か存在する。

振動子３，４には圧ａＯ１の動作領域が、座屈によって
制限されるという問題点が在るので、この内部応力を、
積極的に利用している。

一方、第８図（Ｆ）に示す注入口１０８の封止工程にお
いては、振動子３，４に相当する第２エピタキシャル層
１０５の表面にもｎ形の第５エピタキシャル層１１１が
成長する。

第５エピタキシャル層１１１には内部応力が生じないの
で、振動子３．４の初張力が減少してしまい、振動子３
．４の圧縮側の動作範囲が狭くなる。

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、初期張力が大で動作範囲を大きくする
ことができる振動形トランスデュサの製造方法を提供す
るにある。

く課題を解決するだめの手段〉 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
手段によって振動か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る、前記基板に
前記室の一部を構成する凹部をエツチングにより形成し
、 前記室の基板側部分が形成される部分にエツチングされ
やすい高濃度のＰ形シリコンからなる第１エピタキシャ
ル層を選択エピタキシャル成長させ、 該第１エピタキシャル層の表面の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２エピタキシャル層を選択エピタキシャ
ル成長させ、 前記室のシェル側部分が形成される部分にエツチングさ
れやすい高濃度のＰ形シリコンからなる第３エピタキシ
ャル層を選択エピタキシャル成長させ、 該第３エピタキシャル層を覆って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４エピタキシャル層を
選択エピタキシャル成長させ、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１゜第２エ
ピタキシャル層を選択エツチングにより除去し、 前記第２エピタキシャル層と前記第４エピタキシャル層
と前記基板の前記凹部側の面を覆うと共に前記注入口を
塞ぐようにしてｎ形シリコンからなる第５エピタキシャ
ル層をリンと同時に炭素をシリコン中にドーピングする
ことによりエピタキシャル成長させ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、注入口の封止工程において、振動
子に相当する第２エピタキシャル層の表面に成長する第
５エピタキシャル層をリンと同時に炭素をシリコン中に
ドーピングすることによりエピタキシャル成長させ第５
エピタキシャル層に内部応力が存在するようにしたので
、振動子の初張力が減少しない。

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断面斜視図で
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。

（１）第１図（Ａ）示すごとく、ｎ型シリコン（１００
）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２０１を形成する。膜２０１の所要
の箇所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、１０５０℃の水素（
Ｈ２）雰囲気中で、塩化水素でエツチングを行Ｃ）、基
板１に所要箇所２０２をエツチングして、膜２０１をア
ンダーカットして、凹部２０３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
性エツチングでもよい。

（３）第１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１０”ｃｍ’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２０
４を選択エピタキシャル成長させる。

■ボロンの濃度３Ｘ１０”ｃｍ−３のＰ形シリコンによ
り、第１エピタキシャル層２０４の表面に、所要の箇所
２０２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２０５を選択エピタキシャル成長させる。

■ボロンの濃度Ｉ　Ｑ　Ｉ　’ａ　ｃ　ｍ″３のＰ形シ
リコンにより、第２エピタキシャル層２０５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２
０６を選択エピタキシャル成長させる。

■ボロンの濃度３Ｘ１０１ｇｃｍ−”のＰ形シリコンに
より、第３エピタキシャル層２０６の表面に、シェル５
に相当する第４エピタキシャル層２０７を選択エピタキ
シャル成長させる。

（４）第１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［２０１をフッ化水素酸（Ｈ
Ｆ）でエツチングして除去し、エツチング注入０２０８
を設ける。

（５）第１図（Ｅ）に示すごとく、第４層に対して基板
１に正のパルスを印加して、エツチング注入口２０８よ
りアルカリ液を注入して、第１エピタキシャル層２０４
と第３エピタキシャル層２０６を選択エツチングして除
去する。

第２エピタキシャル層２０５と第１エピタキシャル層２
０４あるいは第３エピタキシャル層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３Ｘ１０”
　ｃｍ″３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。

（６）第１図（Ｆ）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
、第２エピタキシャル層２０５と第４エピタキシャル層
２０７と基板１の凹部２０３側の面を覆うと共に、注入
口２０８を塞ぐようにして、ｎ形シリコンからなる第５
エピタキシャル層２１１をリンと同時に炭素をシリコン
中にドーピングすることによりエピタキシャル成長させ
、エツチング注入口２０８をとじる。

この場合、メタンガス（ＣＨ，！　＞等が使用される。

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　＋Ｚｓ　）ｚｓ
ニジエル５の内部インピーダンス ｅ０：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
きいため、実用上問題にならない。

以上の方法において、注入口２０８の封止工程において
、振動子３，４に相当する第２エピタキシャル層２０５
の表面に成長する第５エピタキシャル層２０９を、リン
と同時に炭素をシリコン中にドーピングすることにより
エピタキシャル成長させ、第５エピタキシャル層２０９
に内部応力が存在するようにしたので、振動子３．４の
初張力か減少しない。

この結果、振動子３．４の動作範囲が広い振動形トラン
スデュサの製造方法が得られる。

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。

図において、３は振動梁である。振動梁３は両端かダイ
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。

〈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る、前記基板に
前記室の一部を構成する四部をエツチングにより形成し
、 前記室の基板側部分が形成される部分にエツチングされ
やすい高濃度のＰ形シリコンからなる第１エピタキシャ
ル層を選択エピタキシャル成長させ、 該第１エピタキシャル層の表面の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２エピタキシャル層を選択エピタキシャ
ル成長させ、 前記室のシェル側部分が形成される部分にエツチングさ
れやすい高濃度のＰ形シリコンからなる第３エピタキシ
ャル層を選択エピタキシャル成長させ、 該第３エピタキシャル層を覆って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４エピタキシャル層を
選択エピタキシャル成長させ、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１゜第２エ
ピタキシャル層を選択エツチングにより除去し、 前記第２エピタキシャル層と前記第４エピタキシャル層
と前記基板の前記凹部側の面を覆うと共に前記注入口を
塞ぐようにしてｎ形シリコンからなる第５エピタキシャ
ル層をリンと同時に炭素をシリコン中にドーピングする
ことによりエピタキシャル成長させ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。

以上の方法において、注入口の封止工程において、振動
子に相当する第２エピタキシャル層の表面に成長する第
５エピタキシャル層を、リンと同時に炭素をシリコン中
にドーピングすることによりエピタキシャル成長させ、
第５エビタキシャル層に内部応力が存在するようにした
ので、振動子の初張力が減少しない。

この結果、振動子の動作範囲が広い振動形トランスデュ
サの製造方法が得られる。

従って、本発明によれば、初期張力が大で動作範囲を大
きくすることができる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６３−８６９４６号「発明の名称：ｆｉ＋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・・・Ｐ“層、２２・・・ｎ形エピタ
キシャル層、２４・・・５ｉｎ２．２５・・・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・・・凹部、２０
４・・・第１エピタキシャル層、２０５・・・第２エピ
タキシャル層、２０６・・・第３エピタキシャル層、２
０７・・・第４エピタキシャル層、２０８・・・エツチ
ング注入口、２０９・・・第５エピタキシャル層。 第 図 第１図 第 図 第 ＋ 図 第 図 第 ら 図 第 一図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　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る、前記基板に
   前記室の一部を構成する凹部をエッチングにより形成し
   、 前記室の基板側部分が形成される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エピタキシャ
   ル層を選択エピタキシャル成長させ、 該第１エピタキシャル層の表面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エピタキシャル層を選択エピタキシャ
   ル成長させ、 前記室のシェル側部分が形成される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３エピタキシ
   ャル層を選択エピタキシャル成長させ、 該第３エピタキシャル層を覆って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４エピタキシャル層を
   選択エピタキシャル成長させ、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１、第２エ
   ピタキシャル層を選択エッチングにより除去し、 前記第２エピタキシャル層と前記第４エピタキシャル層
   と前記基板の前記凹部側の面を覆うと共に前記注入口を
   塞ぐようにしてｎ形シリコンからなる第５エピタキシャ
   ル層をリンと同時に炭素をシリコン中にドーピングする
   ことによりエピタキシャル成長させたことを特徴とする
   振動形トランスデュサの製造方法。