(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン単結晶の基板に設けられた振動梁と、該振動梁の周辺に隙間が維持されるように該振動梁を囲み前記基板と共に真空室を構成するシリコン材よりなるシェルと、前記振動梁を励振する励振手段と、前記振動梁の振動を検出する振動検出手段とを具備し、前記振動梁の共振周波数を測定することにより前記振動梁に印加された歪を測定する振動式トランスデューサにおいて、
前記真空室内に設けられ前記基板に対して引張の応力が付与され前記基板面に平行方向より垂直方向の断面厚さが長い断面形状を有するシリコン単結晶の振動梁と、
前記基板面に平行に設けられ前記振動梁に一端が接続される板状の第１の電極板と、
前記基板面に平行に前記振動梁に対向して設けられ前記振動梁と前記第１の電極板と共に前記基板面に平行な一平面状をなす板状の第２電極板と、
前記振動梁と前記第２の電極板との対向する側壁部面に設けられ相互の付着を防止する凸凹部と、
容量結合を減少できるように前記振動梁と前記第１の電極板と前記第２の電極板との周囲を隙間を置いて囲んで前記基板面に平行に設けられ前記振動梁と前記第１の電極板と前記第２の電極板と共に前記基板面に平行な一平面状をなす板状のガード電極と
を具備したことを特徴とする振動式トランスデューサ。
【請求項２】
前記凸凹部は、前記基板面に対して水平方向に連続して、あるいは垂直方向に連続して、あるいは水平方向と垂直方向とに連続して形成されて格子状に構成されたこと
を特徴とする請求項１記載の振動式トランスデューサ。
【請求項３】
前記第１の電極板が前記振動梁を励振する励振電極、前記第２の電極板が前記振動梁の振動を検出する振動検出電極、
あるいは、
前記第２の電極板が前記振動梁を励振する励振電極、前記第１の電極板が前記振動梁の振動を検出する振動検出電極として使用されたこと
を特徴とする請求項１記載の振動式トランスデューサ。
【請求項４】
前記振動梁と前記ガード電極と前記基板と前記シェルとが同電位にされたこと
を特徴とする請求項１又は請求項３の何れかに記載の振動式トランスデューサ。
【請求項５】
前記振動梁は、両端固定梁であること
を特徴とする請求項１又は請求項３又は請求項４の何れかに記載の振動式トランスデューサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動式トランスデューサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図２６〜図３５、従来より一般に使用されている従来例の要部構成説明図である。
図２６は要部組立構成説明図、図２７〜図３５は製作工程説明図である。
製作工程に従って説明する。
【０００３】
図２７において、Ｎ型シリコン単結晶基板１に、シリコン酸化膜１０ａを形成しパターニングする。
酸化膜を除去した部分をアンダ―カットして、凹部を形成しボロンの濃度１０18ｃｍ-3のＰ形シリコンにより、選択エピタキシャル成長を行ってＰ+単結晶シリコン１１を成長させる。
【０００４】
次に、ボロンの濃度３×１０19ｃｍ-3以上のＰ形シリコンにより、Ｐ+単結晶シリコン１１の表面に、凹部を塞ぎ更に上方にＰ++単結晶シリコン１２ａを成長させる。
後に、Ｐ+単結晶シリコン層が振動梁下のギャップ、Ｐ++単結晶シリコン層が振動梁となる。
【０００５】
図２８において、Ｐ++単結晶シリコン１２ａ上を含む基板表面にシリコン酸化膜１０ｂを形成しパターニングする。
酸化膜を除去した凹部Ｄで示す部分が、シェルの基板への接地部となる。
【０００６】
図２９において、凹部Ｄを含む基板表面にシリコン窒化膜１３を形成し、パターニングする。Ｐ++単結晶シリコン１２ａ（振動梁）上のシリコン酸化膜１０ｂおよびシリコン窒化膜１３が、振動梁上のギャップとなる。これらの膜厚，振動梁の面積により静電容量が決まる。従ってこれらの値を所望の静電容量が得られるように調整しておくことで、振動梁の駆動、検出のための静電容量を最適化することができる。
【０００７】
図３０において、Ｐ++ポリシリコン１４を全面に形成し、パターニングにより犠牲層エッチングのためのエッチング液導入穴Ｅを形成する。
このＰ++ポリシリコンが、後にシェル及び電極取り出しのための配線となる。
配線は、Ｐ++／Ｐ+単結晶シリコンを利用することや、選択エピタキシャル成長前にシリコン基板への不純物拡散をすることで形成することも可能である。
配線とシリコン基板との間の寄生容量が最も小さくなるよう選択するのが良い。
【０００８】
図３１において、エッチング液の導入穴Ｅから弗酸を流入させシリコン窒化膜１３、シリコン酸化膜１２ｂを除去する。
シェルの基板への接地部は、シリコン窒化膜１３のエッチング速度が遅いため、横方向では、シリコン窒化膜がエッチングストップ層となる。
【０００９】
図３２において、Ｐ+単結晶シリコン層１１を、アルカリ溶液(ヒドラジン、ＫＯＨ、ＴＭＡＨ等)により除去する。
この時、Ｐ++単結晶シリコン１２ａ、Ｐ++ポリシリコン１４は、高濃度に不純物導入されているため、エッチングされない。
【００１０】
また、アルカリ溶液によるエッチング中に、Ｎ型シリコン基板に１〜２Ｖの電圧を印加しておくことにより、エッチングされないよう保護することができる。
振動梁の長さ方向は、シリコン単結晶の＜１１１＞方向のエッチング速度が遅いことを利用して、エッチングストップとする。
【００１１】
図３３において、スパッタ、蒸着、ＣＶＤ、エピタキシャル成長等により、封止部材１５（例えば、スパッタにより形成したＳｉＯ２，ガラス等）を形成してエッチング液の導入穴をふさぐとともに、微細な真空室５を形成する。
この工程の前に、熱酸化等により振動梁表面及び真空室内部にシリコン酸化膜を形成する等の方法で、シェルと振動梁の電気的絶縁をより安定にすることも可能である。
この場合には、封止部材として、導電性の材料を使用することができる。
【００１２】
図３４において、Ｐ++ポリシリコン１４をパターニングし、振動梁及びシェルからの電気的配線を形成するとともにボンディングパッド用の電極を形成する。
図３５において、シリコン基板を裏面から薄肉化し、ダイアフラムを形成する。
図３６（ａ）は振動梁１２ａ及びシェル１４に接続してＰ++ポリシリコン１４をパターニングし、電気的配線２０を形成するとともにボンディング用のＡｌ電極２１を形成した状態を示す平面図である。
【００１３】
図３７（ｂ）は本発明の振動式トランスデューサの回路図を示すものである。
図においてＶｂはバイアス電圧（定電圧）、Ｖｉは駆動電圧（交流）、Ｒ１，Ｒ２は配線抵抗、Ｒ３は基板抵抗である。
Ｃ１は振動梁/シェル間の容量、Ｃ２は寄生容量、Ｃ３，Ｃ４は配線/基板間の容量である。図において、Ｒ３，Ｃ２，３，４が小さい程ノイズ電流が小さくなる。
また、これらの値は、配線の形成方法、パターン等により決まる。従って、これらの値を可能な限り小さくなるように決定する。
【００１４】
図において、振動梁／シェル間の容量Ｃ１が一定の場合、Ｖｉの周波数をωとすると、出力電流の振幅は(Ｃ１＋Ｃ２)・Ｖｉ・ωに比例する。
一方、Ｃ１が周波数ωで共振する場合、共振によるＣ１の変化分をΔＣ１とすると、近似的にΔＣ１・Ｖｂ・ωに比例した振幅の電流が加算される。この電流の増加分により、共振周波数を検出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２００５−０３７３０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
このような装置においては、以下の問題点がある。
図２６従来例では、振動梁が基板に対して垂直に振動し、振動梁，励振電極，振動検出電極が積層構造となっているため、製造プロセスにおいて多くの加工工程が必要となっていた。これは、静電気力を用いる構造では、振動梁以外に真空室内に振動梁を励振したり振動を検出するための電極を作製し、それぞれの電極間を絶縁しなければならないため、必然的に構造が複雑になる。
【００１７】
積層構造では、振動梁と対向電極は上下方向に向かい合っているため、それぞれに別の加工工程が必要になる。このため、マイクロマシン技術を用いて積層構造の振動式トランスデューサを作製すると、マスク枚数が増え、それに対応して加工工程も増えて、リードタイムが延び、コストアップになる。また、加工工程が増えると、加工精度のバラツキの蓄積によって特性が悪化し、歩留まりが落ちる要因となる。
【００１８】
更に、静電気力を用いる場合、振動梁と駆動電極、検出電極の間隔は通常サブミクロンから１μｍ程度にしなければならないが、振動式トランスデューサとして、歪に対する周波数変化率（ゲージファクタ）を大きくしようとすると、振動梁の長さｌを長く、厚さtを薄くしなければならないため、振動梁が電極に付着して動作しなくなる問題があった。
この問題は、製作時の水分による付着の他、作製後の動作時にも発生する。
【００１９】
また、図２６従来方式では、リード本数が多くハーメチックピン数が増えて、パッケージが大きくなる傾向にあった。本発明では、ピン数を抑えパーケージを小型化することができる。
【００２０】
振動梁の共振周波数と歪には、次のような関係式が成り立っている。
【００２１】
【数１】
0005621654.tif 000002
【００２２】
上記の式より、周波数２乗と歪との間には直線関係があるため、バイアス電圧Ｖb ＝０Ｖの時の周波数２乗の歪に対する変化率(２乗ゲージファクタＧf2)を求めると下記のように書ける。
【００２３】
【数２】
0005621654.tif 000003
【００２４】
この式をグラフに表したものが図３７である。ここでは振動梁の長さｌと厚さｈの比率  l/tが200の場合と140の場合について例示している。振動梁の張力が０με付近では、周波数２乗の変化率と歪の関係式はβ（ｌ2／t2)となり、図３７中ｙ切片がこの値を示している。張力が０με付近では黒丸の曲線(比率l/t＝200)は白丸の曲線(比率l/t＝140)の約２倍ほど大きな値となっている。
【００２５】
このことは、低い張力の領域では振動梁の長さｌが長く、厚さｔが薄いものが、２乗ゲージファクタＧf2が大きいことを示している。
一方、振動梁の張力が比較的大きく３５０με以上となると周波数２乗の変化率と歪の関係式は１／εsに漸近していき、弦振動の極限に近づく。このため２乗ゲージファクタ    Ｇf2は振動梁の形状にはほとんど関係なく張力εsの大きさで決定され、張力が大きくなるに従って小さくなる。
【００２６】
この結果から、歪感度の大きな高感度振動式トランスデューサを作る場合は、振動梁長を長く、振動梁厚さを薄く、振動梁の張力は比較的小さくすることが望ましい。
更に、振動梁を振動する駆動力に静電気力を選択する場合は、駆動電極と振動梁間の距離を１μｍ程度に狭めないと静電気力は有効に作用しない。
【００２７】
一方で、このような、長さが長く、厚さが薄く、張力が低く、対向電極間距離が狭い振動梁は、付着しやすいという宿命にある。
この説明には下記の式が役に立つ。
【００２８】
【数３】
0005621654.tif 000004
【００２９】
この式は両端支持梁の付着の判定に用いられる式で、Npはpeel numberと呼ばれており、Np＝１のとき、振動梁は付着する。
この式から容易に分かるように、張力が低い場合は、第一項のみを考えればよいのだが、長さｌが長いと、Npは小さくなる。厚さｔと電極間距離ｈが小さくなるとやはり、Npは小さくなる。
【００３０】
このように、静電駆動型振動式トランスデューサの高感度化は、付着の問題をどのように解決するかということに懸っているといっても過言ではない。
本発明の、静電駆動型振動式トランスデューサの高感度化は、付着の問題を解決するためのものである。      
【００３１】
本発明の目的は、上記の課題を解決するもので、下記のような振動式トランスデューサを提供することにある。
（１）シリコン単結晶梁の振動式トランスデューサを高精度にかつ安価に製造することができる振動式トランスデューサを提供する。
（２）振動梁の付着対策を簡便に効果的に行うことができる振動式トランスデューサを提供する。
【００３２】
（３）振動モードがもっとも少ない両端固定梁で自励発振できるため、測定範囲内でモードクロスが無く広い周波数帯域で使用することができるため、広いダイナミックレンジの圧力測定が可能である振動式トランスデューサを提供する。
（４）垂直方向に長く、水平方向に短いため、シェルの幅が狭く、圧力隔壁となるシェルが薄くても真空室の耐圧が高いため、振動梁の歪感度が向上しダイアフラムが小さくできる。また圧力耐圧も上げられる振動式トランスデューサを提供する。
（５）リード本数が少なくでき、センサ部を小型化できる振動式トランスデューサを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００３３】
このような課題を達成するために、本発明では、請求項１の振動式トランスデューサにおいては、
シリコン単結晶の基板に設けられた振動梁と、該振動梁の周辺に隙間が維持されるように該振動梁を囲み前記基板と共に真空室を構成するシリコン材よりなるシェルと、前記振動梁を励振する励振手段と、前記振動梁の振動を検出する振動検出手段とを具備し、前記振動梁の共振周波数を測定することにより前記振動梁に印加された歪を測定する振動式トランスデューサにおいて、前記真空室内に設けられ前記基板に対して引張の応力が付与され前記基板面に平行方向より垂直方向の断面厚さが長い断面形状を有するシリコン単結晶の振動梁と、前記基板面に平行に設けられ前記振動梁に一端が接続される板状の第１の電極板と、前記基板面に平行に前記振動梁に対向して設けられ前記振動梁と前記第１の電極板と共に前記基板面に平行な一平面状をなす板状の第２電極板と、前記振動梁と前記第２の電極板との対向する側壁部面に設けられ相互の付着を防止する凸凹部と、容量結合を減少できるように前記振動梁と前記第１の電極板と前記第２の電極板との周囲を隙間を置いて囲んで前記基板面に平行に設けられ前記振動梁と前記第１の電極板と前記第２の電極板と共に前記基板面に平行な一平面状をなす板状のガード電極とを具備したことを特徴とする。
【００３４】
本発明の請求項２の振動式トランスデューサにおいては、請求項１記載の振動式トランスデューサにおいて、
前記凸凹部は、前記基板面に対して水平方向に連続して、あるいは垂直方向に連続して、あるいは水平方向と垂直方向とに連続して形成されて格子状に構成されたことを特徴とする。
【００３５】
本発明の請求項３の振動式トランスデューサにおいては、請求項１記載の振動式トランスデューサにおいて、
前記第１の電極板が前記振動梁を励振する励振電極、前記第２の電極板が前記振動梁の振動を検出する振動検出電極、あるいは、前記第２の電極板が前記振動梁を励振する励振電極、前記第１の電極板が前記振動梁の振動を検出する振動検出電極として使用されたことを特徴とする。
【００３７】
本発明の請求項４の振動式トランスデューサにおいては、請求項１又は請求項３記載の振動式トランスデューサにおいて、
前記振動梁と前記ガード電極と前記基板と前記シェルとが同電位にされたことを特徴とする。
【００３８】
本発明の請求項５の振動式トランスデューサにおいては、請求項１又は請求項３又は請求項４記載の振動式トランスデューサにおいて、
前記振動梁は、両端固定梁であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３９】
本発明の請求項１によれば、次のような効果がある。
図２６従来例では、振動梁，励振電極，振動検出電極が積層構造であったため、製造プロセスにおいて多くの加工工程が必要であったが、振動梁，励振電極，振動検出電極が同一平面状に配置出来るので、振動梁，励振電極，振動検出電極を１工程（マスク１枚）で作ることができる振動式トランスデューサが得られる。
【００４０】
図２６従来例の積層形では、振動梁の付着対策のために振動梁や振動梁と対向する面を粗らし、付着防止するための加工を施す事が難しいが、振動梁，励振電極，振動検出電極が同一平面状に配置出来る水平振動型では、振動梁と対向する電極面とを加工する時に同一加工工程で対向する表面を粗らすことができる。このため振動梁の付着を容易、かつ確実に防止することができる振動式トランスデューサが得られる。
例えば、側面を加工する際に、用いるエッチングによって発生するスキャロップを利用したり、振動梁と電極を形成するマスクパターンに凸凹をつけることによって作製する。
【００４１】
振動梁を縦長に配置することによって、シェルの幅も図２６従来例に比べ狭くすることができるため、シェル厚さを一定にした場合には耐圧が向上出来る振動式トランスデューサが得られる。
同じ耐圧を実現するためには、圧力隔壁となるシェルの膜厚は薄くてよい。図２６従来例の積層振動型の場合、駆動電極はシェル側に作り込まねばならず、高い圧力が印加された場合、シェルが変形して電極と振動梁間距離が変化し、周波数変化特性が非線形になる恐れがある。
【００４２】
振動梁の縦横の形状は、水平振動と垂直振動の共振周波数にも影響する。圧力測定に使用する振動梁の振動モードの共振周波数が他の振動モードの共振周波数と干渉を起こすと、共振周波数同士がロックインして周波数計測にシステリシスが発生し、誤差を生じる。これを避けるためには、振動梁の測定に使用する水平振動モードが最も低い周波数(１次モード)になっていて、垂直振動が３次以上の高次の振動モードとなっていなければならない。
このような状態を実現するためには、振動梁の縦横の形状は、縦が横幅に対して少なくとも３倍以上長くならなくてはならない。このように振動梁を縦長に配置することは、測定精度の向上のためにも重要である。
【００４３】
更に、振動梁形状を２次元的に自由に加工できるため、振動梁と電極とガード電極などを１工程で加工できるため、作製時工程が容易になる。
特に２端子構造では、リード本数を最小に出来るので、ハーメチックシールなどのセンサ部の構造を小型化することも可能である。
【００４４】
本発明の請求項２によれば、次のような効果がある。
凸凹部は、基板面に対して水平方向に連続して、あるいは垂直方向に連続して、あるいは水平方向と垂直方向とに連続して形成されて格子状に構成されたので、接触時の接触面積を減らすことができ、振動梁が狭いギャップで対向する電極に付着してしまうことを防止する効果がある。振動梁の振動方向に対する厚さに対して１００倍以上に長さをもつ、歪感度の高い振動梁を形成することができる。
【００４５】
本発明の請求項３によれば、次のような効果がある。
前記第１の電極板が前記振動梁を励振する励振電極、前記第２の電極板が前記振動梁の振動を検出する振動検出電極、あるいは、前記第２の電極板が前記振動梁を励振する励振電極、前記第１の電極板が前記振動梁の振動を検出する振動検出電極として使用されたことにより２端子形の素子となるため、振動検出電極に接続され振動によって発生する電流を電圧に変換する、電流電圧変換回路が１つで済むため回路が単純となり消費電流を減らすことができる振動式トランスデューサが得られる。
【００４７】
本発明の請求項４によれば、次のような効果がある。
振動梁と前記ガード電極と前記基板と前記シェルとが同電位にされた。
従って、振動梁は、電位が付与されている第２の電極のみに静電気力によって吸引されるが、その他の電極などからは、力を受けない。また、前記ガード電極と前記基板と前記シェルを共通電位としておけば、振動梁と第２の電極は電気的にシールドされた状態の閉空間の内部に存在するため、対ノイズ性が向上する振動式トランスデューサが得られる。
【００４８】
本発明の請求項５によれば、次のような効果がある。
振動モードがもっとも少ない両端固定梁で自励発振できるため、測定範囲内でモードクロスが無く広い周波数帯域で使用することができるため、広いダイナミックレンジの圧力測定が可能な振動式トランスデューサが得られる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の一実施例の要部組立構成説明図である。
【図２】図１の製作工程説明図である。
【図３】図１の製作工程説明図である。
【図４】図１の製作工程説明図である。
【図５】図１の製作工程説明図である。
【図６】図１の製作工程説明図である。
【図７】図１の製作工程説明図である。
【図８】図１の製作工程説明図である。
【図９】図１の製作工程説明図である。
【図１０】図１の製作工程説明図である。
【図１１】図１の製作工程説明図である。
【図１２】図１の製作工程説明図である。
【図１３】図１の製作工程説明図である。
【図１４】図１の製作工程説明図である。
【図１５】図１の製作工程説明図である。
【図１６】図１の具体的回路図である。
【図１７】図１の他の具体的回路図である。
【図１８】図１の他の具体的回路図である。
【図１９】図１の凸凹部３７の形成説明図である。
【図２０】図１の凸凹部３７の形成完成図である。
【図２１】図２０の断面図である。
【図２２】図１の凸凹部３７の実施例である。
【図２３】図１の凸凹部３７の実施例である。
【図２４】図１の凸凹部３７の実施例である。
【図２５】本発明の振動梁３２とシェル３８との関係略図の説明図である。
【図２６】従来より一般に使用されている従来例の要部構成説明図である。
【図２７】図２６の製作工程説明図である。
【図２８】図２６の製作工程説明図である。
【図２９】図２６の製作工程説明図である。
【図３０】図２６の製作工程説明図である。
【図３１】図２６の製作工程説明図である。
【図３２】図２６の製作工程説明図である。
【図３３】図２６の製作工程説明図である。
【図３４】図２６の製作工程説明図である。
【図３５】図２６の製作工程説明図である。
【図３６】図２６の回路説明図である。
【図３７】数式２を用いた計算例の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００５０】
以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。
図１〜図１５は、本発明の一実施例の要部構成説明図である。
図１は要部組立構成説明図で、（ａ）は要部平面図、（ｂ）は断面図、図２〜図１５は製作工程説明図である。
図において、図２６と同一記号の構成は同一機能を表す。
以下、図２６との相違部分のみ説明する。
【００５１】
図１において、振動梁３２は、真空室３３内に設けられ、基板３１に対して引張の応力が付与され、基板３１の面３１１に平行方向より垂直方向の断面厚さが長い断面形状を有するシリコン単結晶よりなる。
第１の電極板３４は、基板３１の面３１１に平行に設けられ、振動梁３２に一端が接続され、板状をなす。
【００５２】
第２電極板３５は、振動梁３２を挟んで、基板３１の面３１１に平行に対向して設けられ、振動梁３２と第１の電極板３４と共に、基板３１の面３１１に平行な一平面状をなし、板状をなす。
【００５３】
ガード電極３６は、容量結合を減少できるように、振動梁３２と第１の電極板３４と第２の電極板３５との周囲を隙間を置いて囲んで前記基板面に平行に設けられ、振動梁３２と第１の電極板３４と第２の電極板３５と共に、基板面３１１に平行な一平面状をなし、板状をなす。
凸凹部３７は、振動梁３２と第２電極板３５との対向する側壁部面に設けられ相互の付着を防止する。
【００５４】
この場合は、凸凹部３７は、基板３１の面３１１に対して水平方向に連続して、あるいは垂直方向に連続して、あるいは水平方向と垂直方向とに連続して形成されて格子状に構成されている。
なお、凸凹部３７に付いては、後に、詳細に説明する。
３８はシェルである。
【００５５】
次に、図１の作製工程を説明する。
図２に示す如く、SOI基板１０１を準備する。例えば、SOI基板１０１は、BOX層の酸化膜厚さは2μｍ、活性層のシリコン層の厚さは1μｍのものを用いる。
【００５６】
図３に示す如く、エピタキシャル装置中で、SOI基板１０１の活性層上に高濃度にボロンＢが含まれたシリコン層１０２をエピタキシャル成長させる。
高濃度にボロンＢが含まれたシリコン層１０２は、電気抵抗が小さく導体として、振動梁や電極やリード部分となる。
【００５７】
また、高濃度にボロンＢが含まれたシリコン層１０２は、基板部分１０１に比べ引っ張り応力を残留しているため、振動梁部分に張力を発生させる。
振動梁は張力領域で応力が印加された場合、［数１］式に示した通り応力に対して周波数の２乗が比例するように変化し、きわめて直線性の良い特性が得られる。
一方で、圧縮応力領域での動作は、非常に非線形な特性となるため、振動式トランスデューサの動作は、引っ張り応力領域で行われるべきである。
【００５８】
高濃度にボロンＢが含まれたシリコン層の成長条件は次の通り。
成長温度1030℃、Ｈ2ガス中で、シリコン原料ガスとしてジクロロシラン(SiH2Cl2)、不純物であるボロンの原料ガスとしてジボラン(B2H6)を用い、一定時間エピタキシャル成長を行うことによって高濃度にボロンＢが含まれたシリコン層１０２を9μｍ成長し、活性層との合計が10μｍとなるようにする。
【００５９】
図４に示す如く、高濃度にボロンＢが含まれたシリコン層１０２の表面にレジストを塗布し、ステッパ装置を用いてパターニングを行う。
ステッパ装置は、0.3μｍ程度の分解能を持ちサブミクロンのライン＆スペースの露光が可能である。
このステッパ装置で振動梁１０３の輪郭と第１の電極板１０４ａと第２の電極板１０４ｂとガード電極板１０４ｃとのパターンを形成する。
【００６０】
図３で形成したシリコン層１０２の10μｍは、DRYエッチング装置を用いてトレンチ状にエッチングされる。
この際、BOSCHプロセスというシリコンSiのエッチング工程とCFポリマーのデポジション工程を繰り返し行うことによって、エッチングされるトレンチの側壁面に襞状の凸凹部１０５が形成される。
【００６１】
エッチング時間とデポジション時間を調整することによって、0.1μm程度またはそれ以上の凸凹でピッチが0.1μｍから1μｍ程度の水平方向の縞ができる。
エッチングはSOIウェハー１０１のBOX層に突き当たり、振動梁１０３と第１の電極板１０４ａと第２の電極板１０４ｂとガード電極板１０４ｃが構造的に分離されるまで行う。
【００６２】
図５に示す如く、CFポリマーを除去し、レジストを剥離した後、図４で形成した溝構造部分を絶縁膜１０６で埋め込む。
埋め込みには、テトラエトキシシラン(TEOS)を用いたLP-CVD酸化膜やプラズマCVDなどで成膜した絶縁膜１０６によってトレンチの開口部分を封鎖する。
【００６３】
LP-CVD酸化膜は温度700℃、圧力50Paの真空中で、TEOSタンクをバブリングして含んだ窒素N2ガスおよび、酸素ガスを導入してTEOSが熱分解することによってシリコン基板上に酸化ケイ素皮膜１０６を形成する。
【００６４】
プラズマCVD膜は、真空中でTEOSと酸素ガスを導入しプラズマを発生させ、400℃に加熱されたステージ上に置かれたシリコン基板上に、酸化ケイ素皮膜１０６を形成する。
プラズマCVD装置はステップカバレッジがよくないため、埋め込み酸化膜１０６がトレンチの最深部に成膜しにくく中に空間(ボイド)１０７が形成される。
【００６５】
図６に示す如く、トレンチの上部を封鎖した酸化膜１０６上に数μｍの厚さのポリシリコン１０８膜を形成する。
このポリシリコン１０８は、振動梁１０３を真空中に保ち、圧力を伝達するシリコンオイルから隔離するための真空室３３の一部を形成する。
【００６６】
図７に示す如く、図６で形成したポリシリコン１０８の一部をDRYエッチングよって開口１０９する
【００６７】
図８に示す如く、100nm程度の酸化ケイ素皮膜１１１をLP-CVDにて形成し、開口部１０９付近のみをパターニングし、バッファードフッ酸にて除去する。
後に、この酸化膜１１１は、振動梁１０３の周辺の犠牲層エッチング層を除去する際に、エッチング液またはエッチングガスの導入口となる。
【００６８】
図９に示す如く、さらにポリシリコン１１２を成膜して、開口部分１０９をポリシリコン層１１２で埋め戻す。
図１０に示す如く、振動梁１０３の上部に相当する部分で、図８で酸化膜１１１を残した部分の一部に穴またはスリット１１３をあけ、酸化膜１１１をストッパとする。
【００６９】
図１１に示す如く、HFガスエッチングまたは、希HF液を用いて犠牲層エッチング層１１４を除去する。
【００７０】
図１２に示す如く、スキャロップは、900℃以上のH2中あるいは真空中に曝されると消失してしまうので、900℃以下の低温にて真空封止を行う。
ここではLP-CVDポリシリコン膜１１５によって真空封止を行う。
製膜条件は、例えば、温度590℃で圧力85Paの真空中でSiH4ガスを用いて行う。
【００７１】
製膜されたポリシリコン膜１１５が引っ張り歪となるか、あるいは残留圧縮歪がほとんどなくなる条件で行う。
シリコン原料ガスには、SiH4または、SiH4と水素の混合物を用いる。
【００７２】
図１３に示す如く、真空室を形成しているポリシリコン膜の一部を、反応性イオンエッチング(RIE)によって下地の酸化膜１０６をストッパとして第１の電極板１０４ａと第２の電極板１０４ｂとガード電極板１０４ｃを掘り出すために穴１１６を空ける。
【００７３】
図１４に示す如く、酸化膜１０６に穴を空け、電極にコンタクトするためのコンタクトホール１１７とする。
【００７４】
図１５に示す如く、アルミAlを蒸着またはスパッタによって製膜し、パターニングし、電極パッド１１８を形成する。電極パッド１１８は、金線を用いてボンディングされ外部のドライバ回路に接続される。
【００７５】
以上の構成において、基本的には、振動梁３２の駆動方式は、振動梁３２と第２の電極板３５間にバイアス電圧Ｖｂと駆動電圧Ｖｉを加え、静電吸引力Ｆを発生させて振動梁３２を駆動する。
【００７６】
検出方式は、振動梁３２と他方の第２の電極板３５間で構成されるコンデンサに直流バイアスを加えることで電荷Ｑ＝ＣＶを各電極に貯めておき、振動梁３２が振動して容量Ｃが変化すると、Ｑが変化して、それに対応した交流電圧が流れる。
これを差動アンプ等で増幅して電圧変化にしてカウンターで読み込むことによって、振動梁の振動周波数を測定することが出来る。
【００７７】
図１６は本発明の振動式トランスデューサの具体的回路図を示すものである。
図において、Ｖｂはバイアス電圧（定電圧）、Ｖｉは駆動電圧（交流）、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３は抵抗、ＯＰ１，ＯＰ２は演算増幅器である。
【００７８】
第１の電極板３４には、駆動電圧Ｖｉが印加され、第２の電極板３５より振動梁３２の振動周波数の信号が取り出される。バイアス電圧Ｖｂは、演算増幅器ＯＰ１に加えられている。
即ち、この場合は、第１の電極板３４は励振電極、第２の電極板３５は検出電極として使用される。
【００７９】
図１７は本発明の振動式トランスデューサの他の具体的回路図を示すものである。
図においてＶｂはバイアス電圧（定電圧）、Ｖｉは駆動電圧（交流）、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３は抵抗、ＯＰ１，ＯＰ２は演算増幅器である。
第２の電極板３５に駆動電圧Ｖｉ、演算増幅器ＯＰ１にバイアス電圧Ｖｂが印加されると共に、第１の電極板３４より振動梁３２の振動周波数の信号が取り出される。
【００８０】
この結果、電極数が少なく、構造はシンプルで、安価な振動式トランスデューサが得られる。
但し、励起信号が検出回路側に回り込むクロストークが起きやすく、このクロストークを抑えるために、振動梁３２と電極間の容量が最小となるように、配線間の距離を広げ、その間にガードを入れるなどの工夫が必要である。
【００８１】
図１８は、本発明の振動式トランスデューサの他の具体的回路図の要部構成説明図である。
図において、Ｖｂ１はバイアス電圧（定電圧）、Ｖｉは駆動電圧（交流）、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３は抵抗、ＯＰ１，ＯＰ２は演算増幅器である。
【００８２】
第１の電極板３４には、駆動電圧Ｖｉが印加され、第２の電極３５より振動梁３２の振動周波数の信号が取り出される。
３６はガード電極である。
【００８３】
この結果、電極数が少なく、シンプルであるが、励起信号が検出回路側に回り込むクロストークを抑えるため、振動梁と電極間の容量が最小となるように、配線間の距離を広げ、その間にガード電極３６が設けられた。
【００８４】
次に、凸凹部３７の形成について詳述する。
凸凹部３７は、図４に示す如く、振動梁３２と電極３４，３５，３６の側面を加工する際に、用いるエッチングによって発生するスキャロップを利用する場合、あるいはエッチング時に微小な突起をつけたマスクパターンを使用して形成する場合がある。
【００８５】
スキャップを作製するためには、例えば、Boschプロセスを利用する。
ボッシュプロセス (Bosch process) は、エッチングと側壁保護を繰り返しながら行うエッチング手法で、アスペクト比の高いエッチングが可能である。
【００８６】
図１９に示す如く、プロセスは以下の２つの処理を繰り返す。
４１はシリコン基板、４２はレジストパターンである。
エッチングステップ
図１９（ｂ）、図１９（ｄ）に示す如く、主に六フッ化硫黄 (SF6) を用いて等方エッチングを行う。
エッチング穴底面に保護膜が付いている場合があるので、底面の保護膜を除去する働きもある。
【００８７】
（２）保護ステップ
図１９（ｃ）、図１９（ｅ）に示す如く、フロン系のガス（C4F8など）を用いて側壁にCF系皮膜をデポし、側壁を保護することで横方向のエッチングを抑制する。
【００８８】
エッチングステップと保護ステップを繰り返すことで、スキャロップという細かいヒダ状の凸凹が形成される。
エッチングステップと保護ステップの時間を調整することでこの凸凹の度合いが制御できる。
図２０はエッチングの途中経過を示した図で、図２１は図２０の完成図である。
【００８９】
図２２から図２４は、スキャロップと平面状のマスクパターンで微小な突起をつけたものを組み合わせることによって形成された凸凹部３７の実施例を示す。
図２２（ｂ）は、図２２（ａ）に示す如きマスクパターン５１を使用して、シリコン基板５２にスキャロップを形成した例を示す。
【００９０】
図２３（ｂ）は、図２３（ａ）に示す如きマスクパターン５３を使用して、シリコン基板５４に通常の異方性エッチングした例を示す。
図２３（ｃ）は、図２３（ａ）に示す如きマスクパターン５３を使用して、シリコン基板５５にBoschプロセスにてエッチングし、スキャロップを形成した例を示す。
【００９１】
図２４（ｂ）は、図２４（ａ）に示す如きマスクパターン５６を使用して、シリコン基板５７に通常の異方性エッチングした例を示す。
図２４（ｃ）は、図２４（ａ）に示す如きマスクパターン５６を使用して、シリコン基板５８にBoschプロセスにてエッチングし、スキャロップを形成した例を示す。
【００９２】
次に、本発明の振動梁３２とシェル３８との関係について説明する。
図２５（ａ）は、本発明の振動梁３２とシェル３８との関係略図を示し、図２５（ｂ）に図２６従来例の振動梁３とシェル４との関係略図を示す。
【００９３】
振動梁３２を、基板３１の面に平行方向より垂直方向の断面厚さが長い断面形状を有する、即ち、縦長に配置することによって、シェル３８の幅Ｌ１も、図２６従来例の幅Ｌ２に比べ例えば４分の１ほどに狭くすることができるため、シェル厚さを一定にした場合、耐圧が４倍ほどに向上出来る。
同じ耐圧を実現するためには、シェル３８の膜厚は４分の１ほどに薄くてよい。
Ｐは圧力を示す。
【００９４】
図２６従来例の垂直振動型の場合、駆動電極はシェル４側に作り込まねばならず、高い圧力が印加された場合、シェル４が変形して電極と振動梁間距離が変化すると振動梁に働く静電吸引力に影響し、周波数変化特性が非線形になる。
【００９５】
磁石が無くなることによって、圧力センサ以外の用途としてストレインゲージとしても使用できるようになる。
また、同一の作製工程でマスクパターンを変えるだけでさまざまな振動梁形状が作れるため、高感度な加速度計や振動ジャイロなど作製プロセスとしても応用できる。
【００９６】
なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。
したがって本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形をも含むものである。
【符号の説明】
【００９７】
１        シリコン基板
２        測定ダイアフラム
３        振動梁
４        シェル
５        真空室
３１      基板
３１１    基板３１の面
３２      振動梁
３３      真空室
３４      第１の電極板
３５      第２の電極板
３６      ガード電極板
３７      凸凹部
３８      シェル
１０１    SOI基板
１０２    シリコン層
１０３    振動梁
１０４    電極
１０４ａ  第１の電極板
１０４ｂ  第２の電極板
１０４ｃ  ガード電極板
１０５    凸凹部
１０６    絶縁膜
１０７    空間(ボイド)
１０８    ポリシリコン膜
１０９    開口部
１１１    酸化ケイ素皮膜
１１２    ポリシリコン層
１１３    穴またはスリット
１１４    犠牲層エッチング層
１１５    ポリシリコン膜
１１６    穴
１１７    コンタクトホール
１１８    電極パッド
Ｖｂ      バイアス電圧
Ｖｂ１    バイアス電圧
Ｖｉ      駆動電圧
Ｒ１      抵抗
Ｒ２      抵抗
Ｒ３      抵抗
ＯＰ１    演算増幅器
ＯＰ２    演算増幅器
４１      シリコン基板
４２      レジストパターン
５１      マスクパターン
５２      シリコン基板
５３      マスクパターン
５４      シリコン基板
５５      シリコン基板
５６      マスクパターン
５７      シリコン基板
５８      シリコン基板
Ｐ        圧力
【図１】
0005621654.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
0005621654.tif 000023
【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
0005621654.tif 000029
【図２６】
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【図２７】
0005621654.tif 000031
【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
0005621654.tif 000035
【図３２】
0005621654.tif 000036
【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
0005621654.tif 000039
【図３６】
0005621654.tif 000040
【図３７】
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