(57)【要約】【課題】振動子を第一層へ吸着させることなく形成して、高精度な応力の検出を可能にし、特性のバラツキの少ない振動式トランスデューサおよびその製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】シェル１４には、第一層２６と第二層２７との対向領域において、貫通孔２５の第二層２６の側の開口部に臨む部位Ｅ１と、第二層２７が第三層２８に接する部位Ｅ２とを連通させる空隙部３１が形成されている。また、第一層２６には、内部が空洞の貫通孔２５が形成される。これによって、振動子１２と第一層２６の吸着や真空室の内部に堆積するポリシリコン層による特性のバラツキやシェルの変形による測定精度の悪化を防止する。【選択図】図３
2015034713.tif 000002
【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子、該振動子の周辺に隙間が維持されるように前記振動子を囲み、前記基板と共に真空室を区画するシェル、前記振動子を励振させる励振手段、および前記振動子の振動を検出する振動検出手段、を含む振動式トランスデューサであって、
前記シェルは、前記真空室から見て、貫通孔を有する第一層、該第一層の前記貫通孔とその近傍まで重なり、周縁部を有する第二層を備えており、
前記貫通孔と前記周縁部とを連通させる空隙部と、前記周縁部において前記空隙部を封止する第三層とを有することを特徴とする振動式トランスデューサ。
【請求項２】
前記第一層、前記第二層、および前記第三層は、ポリシリコン、アモルファスシリコン、ＳｉＣ、ＳｉＧｅ、Ｇｅのうち、いずれかよりなる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】
前記貫通孔が前記振動子の直上部分にあることを特徴とする請求項１または２記載の振動式トランスデューサ。
【請求項４】
前記空隙部のギャップを保持するためのスペーサー部が、前記第二層に一体に形成されていることを特徴とする請求項１ないし３いずれか一項記載の振動式トランスデューサ。
【請求項５】
前記空隙部に連通する空間を区画する凹部を、前記第二層が前記貫通孔に臨む部位、または前記空隙部に臨む部位の少なくとも一方に形成したことを特徴とする請求項１ないし４いずれか一項記載の振動式トランスデューサ。
【請求項６】
シリコン単結晶の基板に設けられた振動子、該振動子の周辺に隙間が維持されるように前記振動子を囲み、前記基板と共に真空室を区画するシェル、前記振動子を励振させる励振手段、および前記振動子の振動を検出する振動検出手段、を含み、前記シェルは、前記真空室から見て、貫通孔を有する第一層、該第一層の前記貫通孔とその近傍まで重なり、周縁部を有する第二層を備えており、前記貫通孔と前記周縁部とを連通させる空隙部と、前記周縁部において前記空隙部を封止する第三層とを有する振動式トランスデューサの製造方法であって、
前記真空室を形成したエッチング液を、前記貫通孔から前記空隙部を介して外部に排出させる工程を含むことを特徴とする振動式トランスデューサの製造方法。
【請求項７】
前記第一層に貫通孔を形成する工程と、前記空隙部を形成する犠牲層を用いて前記貫通孔を覆う前記第二層を形成する工程と、を含むことを特徴とする請求項６記載の振動式トランスデューサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコン基板に形成した振動子に加わる応力を検出する振動式トランスデューサおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
物理的な応力を検出するセンサとして、振動式トランスデューサが知られている。振動式トランスデューサは、例えばシリコン基板（シリコンウェハ）内に、内部が真空に保たれる真空室と、この真空室内に配される微細な振動子と、この振動子の振動を検出する振動検出手段とを形成したものである（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図２５に従来の振動式トランスデューサの一例を示す。この図２５に示す振動式トランスデューサ１００は、測定ダイヤフラムを構成するシリコン基板１０１を備えている。また、このシリコン基板１０１の一面側に、真空室１０２が形成されている。真空室１０２の内部には振動子１０３が振動可能に配されている。真空室１０２の上部には、この真空室１０２を封止するシェル１０４が形成されている。
【０００４】
シェル１０４は、真空室１０２の側から順に、第一層１０５、第二層１０６、および第三層１０７と、を積層してなる。そして、第一層１０５には、貫通孔１０８が形成されている。
【０００５】
第一層１０５に形成された貫通孔１０８は、例えば、真空室１０２を形成する工程において、エッチング液を出し入れする流路となる。そして、この貫通孔１０８は、エッチング後の廃液を排出する流路として使用された後は、封止部材１０９によって隙間なく塞がれる。
このような構成の振動式トランスデューサ１００は、振動子１０３の共振周波数の変化を検出することによって、振動子に加わる応力（歪）を測定することができる。特に、圧力センサとして使用する場合には、圧力を測定ダイヤフラムの一方側または両側に印加して測定ダイヤフラムの変形によって生じる歪を測定する。この際、シェル１０４は、測定する圧力に対して十分な構造的強度を持っている必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−５８１２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した従来の構成の振動式トランスデューサは、真空室を形成したエッチング廃液を貫通孔から排出する工程や、その後の水洗工程において液体を使用する場合、図２６に示すように、これらの液体の微量の液滴Ｑが振動子１０３と貫通孔１０８を含む第一層１０５との間に残存していると、液体のメニスカス力によって振動子１０３が第一層１０５の一面側１０５ｆに引き寄せられる。その結果、振動子１０３が第一層１０５に付着し、固定化することによって、応力の検出能力を失う虞があった。
【０００８】
また、貫通孔１０８を隙間なく塞ぐ工程においては、貫通孔１０８の孔径が大きくなるに従って、真空室１０２の内部に堆積するポリシリコン層が厚くなり、振動子１０８と、この振動子１０８の両側に形成された電極１１１ａ，１１１ｂとの隙間に堆積して出力信号の大きさにバラツキが生じたり、振動子１０８の共振周波数にバラツキが生じる。更に、電極電極１１１ａ，１１１ｂ同士が真空室１０２の内部に堆積するポリシリコン層によって短絡して出力が得られなくなる虞もある。
【０００９】
更に、圧力センサとして高圧の圧力測定する場合には、以下のような課題もある。即ち、シェル１０４が高圧によって振動子１０３側に撓み、シェル１０４の振動子１０８の対向面と振動子１０８との距離が変化すると、振動子１０８の周辺の電界強度分布に影響を与える。これによって、振動子１０８に発生する静電吸引力が変化して振動子１０８の共振周波数の僅かな変化を生じさせ、歪と周波数変化との関係を示す特性に変化を生じさせる。これによって、測定誤差が増し、測定精度が低下する虞がある。
【００１０】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、残存する液体や真空室の内部に堆積するポリシリコン層やシェルの変形に起因する不具合の発生を回避可能とする構成を備えた振動式トランスデューサおよびその製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明の振動式トランスデューサは、シリコン単結晶の基板に設けられた振動子、該振動子の周辺に隙間が維持されるように前記振動子を囲み、前記基板と共に真空室を区画するシェル、前記振動子を励振させる励振手段、および前記振動子の振動を検出する振動検出手段、を含む振動式トランスデューサであって、前記シェルは、前記真空室から見て、貫通孔を有する第一層、該第一層の前記貫通孔とその近傍まで重なり、周縁部を有する第二層を備えており、前記貫通孔と前記周縁部とを連通させる空隙部と、前記周縁部において前記空隙部を封止する第三層とを有することを特徴とする。
【００１２】
前記第一層、前記第二層、および前記第三層は、ポリシリコン、アモルファスシリコン、ＳｉＣ、ＳｉＧｅ、Ｇｅのうち、いずれかよりなることを特徴とする。
【００１３】
前記貫通孔が前記振動子の直上部分にあることを特徴とする。
【００１４】
前記空隙部のギャップを保持するためのスペーサー部が、前記第二層に一体に形成されていることを特徴とする。
【００１５】
前記空隙部に連通する空間を区画する凹部を、前記第二層が前記貫通孔に臨む部位、または前記空隙部に臨む部位の少なくとも一方に形成したことを特徴とする。
【００１６】
本発明の振動式トランスデューサの製造方法は、シリコン単結晶の基板に設けられた振動子、該振動子の周辺に隙間が維持されるように前記振動子を囲み、前記基板と共に真空室を区画するシェル、前記振動子を励振させる励振手段、および前記振動子の振動を検出する振動検出手段、を含み、前記シェルは、前記真空室から見て、貫通孔を有する第一層、該第一層の前記貫通孔とその近傍まで重なり、周縁部を有する第二層を備えており、前記貫通孔と前記周縁部とを連通させる空隙部と、前記周縁部において前記空隙部を封止する第三層とを有する振動式トランスデューサの製造方法であって、前記真空室を形成したエッチング液を、前記貫通孔から前記空隙部を介して外部に排出させる工程を含むことを特徴とする。
【００１７】
前記第一層に貫通孔を形成する工程と、前記空隙部を形成する犠牲層を用いて前記貫通孔を覆う前記第二層を形成する工程と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の振動式トランスデューサによれば、第一層と第二層との間に空隙部を形成し、また、真空室とこの空隙部とを連通させる内部が空洞の貫通孔を形成した。貫通孔は振動子と対向する第一層の部分に形成されることによって、両者の接触面積を減少させる働きがある。これにより、振動子と第一層との間にある液滴が、空隙部や貫通孔を通して除去される際に、振動子と第一層との間に液滴のメニスカス力が働き接触するが、吸着して固定化してしまう不具合の発生を回避することができる。
【００１９】
また、空隙部の狭いギャップは第一層と第二層との間に形成される。第二犠牲層の厚みによって正確に制御できるので、再現性良く狭い空隙部を作ることができる。一方、空隙部の隙間を１００ｎｍ程度と狭く保つことによって、空隙部を封じ切り真空室を形成する際に、真空室内部に堆積されるポリシリコン層をほとんど無くすことができる。ゆえに、真空室の内部に堆積するポリシリコン層に起因する、出力信号の大きさのバラツキや、振動子の共振周波数のバラツキや、電極同士の短絡による出力不良が回避され、その結果、高精度な応力の検出を可能にすることができる。
【００２０】
更に、空隙部に連通する空間を区画する凹部を、第二層が貫通孔に臨む部位、または空隙部に臨む部位の少なくとも一方に形成することによって、圧力センサとして高圧の圧力を測定する時には、圧力を受けるシェルが振動子との対向面を構成する第一層と空間部とを介して、機械的に分離された構造となっているため、高圧によって第一層が振動子側に撓むことが無い。従って、電界分布の変化による振動子の共振周波数変化が発生し、歪と周波数変化との関係を示す特性のリニアリティが悪化することを防止できる。
【００２１】
本発明の振動式トランスデューサの製造方法によれば、エッチング廃液や水洗工程で残留する水滴がが除去される過程において、振動子と第一層との間に液滴が残ってメニスカス力によって振動子を湾曲させても、付着して固定化することがないように、振動子に対向する第一層に貫通孔を形成し、振動子と第一層の接触面積を少なくすることによって、振動子が第一層の対向面に接触する際にも、それぞれの接触する面積を減らしてあるため、付着することを回避することができる。
【００２２】
また、第一層と第二層との対向領域に沿って形成した空隙部によって、真空室の内部に堆積するポリシリコン層に起因する出力信号の大きさのバラツキや、振動子の共振周波数のバラツキや、電極同士の短絡による出力不良を防止することができる。
【００２３】
更に、圧力センサとして高圧の圧力を測定する時には、圧力を受けるシェルが振動子との対向面を構成する第一層と空間部とを介して、機械的に分離された構造となっているため、高圧によって第一層が振動子側に撓むことが無い。従って、電界分布の変化による振動子の共振周波数変化が発生し、歪と周波数変化との関係を示す特性のリニアリティが悪化することを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第一実施形態の振動式トランスデューサを示す断面図である。
【図２】本発明の第一実施形態の振動式トランスデューサを示す平面図である。
【図３】図１の真空室近傍を示す要部拡大断面図である。
【図４】図１の貫通孔の形状を示す要部拡大斜視図である。
【図５】本発明の振動式トランスデューサの回路構成を示す回路図である。
【図６】本発明の第一実施形態の振動式トランスデューサの製造方法を示す断面図である。
【図７】本発明の第一実施形態の振動式トランスデューサの製造方法を示す断面図である。
【図８】本発明の第一実施形態の振動式トランスデューサの製造方法を示す断面図である。
【図９】本発明の第一実施形態の振動式トランスデューサの製造方法を示す断面図である。
【図１０】本発明の第一実施形態の振動式トランスデューサの製造方法を示す断面図である。
【図１１】本発明の第一実施形態の振動式トランスデューサの製造方法を示す断面図である。
【図１２】本発明の第一実施形態の振動式トランスデューサの製造方法を示す断面図である。
【図１３】本発明の第一実施形態の振動式トランスデューサの製造方法を示す断面図である。
【図１４】本発明の第一実施形態の振動式トランスデューサの製造方法を示す断面図である。
【図１５】本発明の第一実施形態の振動式トランスデューサの製造方法を示す断面図である。
【図１６】本発明の第一実施形態の振動式トランスデューサの製造方法を示す断面図である。
【図１７】本発明の第二実施形態の振動式トランスデューサを示す要部拡大斜視図である。
【図１８】本発明の第三実施形態の振動式トランスデューサを示す要部拡大斜視図である。
【図１９】本発明の第二実施形態の振動式トランスデューサの製造方法を示す断面図である。
【図２０】本発明の第二実施形態の振動式トランスデューサの製造方法を示す断面図である。
【図２１】本発明の第二実施形態の振動式トランスデューサの製造方法を示す断面図である。
【図２２】本発明の第二実施形態の振動式トランスデューサの製造方法を示す断面図である。
【図２３】本発明の第二実施形態の振動式トランスデューサの製造方法を示す断面図である。
【図２４】本発明の第二実施形態の振動式トランスデューサの製造方法を示す断面図である。
【図２５】従来の振動式トランスデューサの一例を示す要部拡大断面図である。
【図２６】従来の振動式トランスデューサの製造工程における液滴の作用を示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、図面を参照して、本発明の振動式トランスデューサおよびその製造方法について説明する。なお、本実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
【００２６】
（振動式トランスデューサ：第一実施形態）
図１は、本発明の振動式トランスデューサの厚み方向に沿った断面図である。また、図２は、本発明の振動式トランスデューサのシェルを取り除いて上から見た時の平面図である。
本発明の一実施形態である振動式トランスデューサ１０は、シリコン単結晶からなる基板１１に、周辺に隙間が維持されるように形成された振動子１２を備えている。また、この基板１１と共に振動子１２を囲んで真空室２１を区画するシェル１４を備えている。
【００２７】
基板１１の一面１１ａには、所定の形状に区画された真空室２１が配され、この真空室２１の内部に、振動子１２、第一電極１５、第二電極１６、および第三電極１７が配されている。また、真空室２１の外側には、この真空室２１の側壁を構成するエピタキシャル層１８が広がっている。このエピタキシャル層１８と、振動子１２、第一電極１５、第二電極１６、および第三電極１７とは、同一の材料、例えば、ボロンをドープさせた低抵抗のＰ型半導体から構成される。
【００２８】
振動子１２は、第一電極１５と一体の部材を成し、第一電極１５に対して電気的に接続されている。振動式トランスデューサ１０をシェル１４側から平面視した時に、振動子１２は、狭い幅で細長く延び、エピタキシャル層１８の厚み方向に広がる略板状を成している。振動子１２の厚み方向の長さは、基板１１の面広がり方向に沿った幅よりも長くなるように形成されている。また、こうした略板状の振動子１２は、基板１１に対して所定の引張応力が付与されている。そして、この略板状の振動子１２の一端側に、第一電極１５が一体に接続されている。
【００２９】
第二電極１６および第三電極１７は、振動子１２の長手方向の両側から挟むように、かつ振動子１２に対して所定のギャップを保って配置された略直方体形状の部材である。
これら第一電極１５、第二電極１６、および第三電極１７には、それぞれ、外部の電気回路と接続される接片１５ａ，１６ａ，１７ａが形成されている。これら接片１５ａ，１６ａ，１７ａは、例えば導電性の金属から形成されていればよい。
【００３０】
第一電極１５、第二電極１６、および第三電極１７と、シェル１４との間のうち、真空室２１を除いた部分には、絶縁層２２が形成されている。また、第一電極１５、第二電極１６、および第三電極１７と、基板１１の一面１１ａとの間のうち、真空室２１を除いた部分には、絶縁層２３が形成されている。この絶縁層２３は、振動式トランスデューサの製造工程において、基板１１としてＳＯＩ基板を用いることによって形成される。なお、振動式トランスデューサの製造方法は、後ほど詳述する。
【００３１】
真空室２１は、その内部が所定の真空度に保たれている。振動子１２、第一電極１５、第二電極１６、および第三電極１７は、真空室２１を区画している部材、即ち基板１１、エピタキシャル層１８、およびシェル１４に対して、所定の間隔を保って配置されている。
【００３２】
図３は、図１における振動子とシェルとの対向部分を示す要部拡大断面図である。
シェル１４は、真空室２１の側から順に、第一層２６と、この第一層２６に重ねて配される第二層２７と、第一層２６及び第二層２７を覆う第三層２８と、から構成されている。これら第一層２６、第二層２７、および第三層２７は、例えば、ポリシリコン、アモルファスシリコン、ＳｉＣ、ＳｉＧｅ、Ｇｅのうち、いずれかより形成されている。
【００３３】
第一層２６は、真空室２１、および絶縁層２２に接するように形成されている。この第一層２６が真空室２１に重なる部分には、貫通孔２５が形成されている。例えば、貫通孔２５は、振動子１２の直上部分に形成される。貫通孔２５は、第一層２６の厚み方向に沿って延設されている。なお、以下の説明において、貫通孔２５における真空室２１側の開口部を第一開口部２５ａ、第二層２７側の開口部を第二開口部（開口部）２５ｂと称することがある。
【００３４】
図４に示すように、本実施形態においては、貫通孔２５の第一開口部２５ａや第二開口部２５ｂは、第三層側から見た時に、振動子１２の長手方向に沿って、所定の幅で延びる長方形を成している。即ち、貫通孔２５は、振動子１２の長手方向に沿って延びる細長い直方体の空間を構成している。
【００３５】
再び図３を参照して、第二層２７は、貫通孔２５の第二開口部２５ｂの近傍かつその周囲を覆うように配されている。具体的には、貫通孔２５の第二開口部２５ｂ側を覆うとともに、第二開口部２５ｂの周囲を貫通孔２５の長手方向に沿って所定の幅で延びるように形成されている。
【００３６】
第三層２８は、第一層２６と第二層２７とを覆うように形成されている。具体的には、第二層２７の形成領域においては、この第二層２７に接するように形成され、第二層２７の形成領域よりも外側領域においては、第一層２６と直接接するように形成されている。
【００３７】
このような積層構造をもつシェル１４には、第一層２６と第二層２７との対向領域において、貫通孔２５の第二層２６の側の第二開口部（開口部）２５ｂに臨む部位Ｅ１と、第二層２７が第三層２８に接する部位（周縁部）Ｅ２と、を連通させる空隙部３１が形成されている。
【００３８】
さらに、第二層２７は、第一層２６と対向する面２７ｆから第三層２８に向けて空隙部３１の一部を広げた凹状の空間からなる空間部（凹部）２９を備えている。
【００３９】
具体的には、空隙部３１の形状は、図１に示す断面図においては、第一層と２６と第二層２７との対向領域に沿った幅の狭い空間であり、空間部（凹部）２９は、空隙部３１の一部が大きく広げられるように、第二層２７に形成された凹状の空間である。
【００４０】
空隙部３１のギャップ、即ち、対向する第一層２６と第二層２７との隙間の幅は、例えば、真空室２１を形成する際に用いるエッチング液が流入、流出可能な程度であればよい。
【００４１】
第二層２７が空隙部３１に面する部分には、この空隙部３１のギャップを保持するためのスペーサー部３２が、第二層２７と一体に形成されている。スペーサー部３２は、第二層２７から突出し、その頂面が第一層２６に接することによって、空隙部３１のギャップが応力等の印加によって狭められないように、空隙部３１を所定の幅に維持する。こうしたスペーサー部３２の高さは、空隙部３１のギャップと同じになるように形成されていればよい。
【００４２】
図４に示すように、スペーサー部３２は、空隙部３１の形成領域において、貫通孔２５の長手方向に沿った両側に、間欠的に複数形成されていればよい。空隙部３１（図３参照）を流れる液体、例えばエッチング液は、こうしたスペーサー部３２どうしの間を通る。このため、スペーサー部３２は、液体の流通を妨げず、かつ空隙部３１のギャップを維持できる程度の密度で形成されていればよい。個々のスペーサー部３２の形状は、本実施形態では長楕円柱状に形成されている。
【００４３】
図５は、振動式トランスデューサの回路の概要を示す回路図である。
振動式トランスデューサ１０は、振動子１２を励振させる励振手段４１と、振動子１２の振動を検出する振動検出手段４２とを有している。励振手段４１は、前述した第一電極１５、第二電極１６、および第三電極１７とから構成されている。
振動検出手段４２は、駆動電源４３、バイアス電源４４、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３、および演算増幅器（オペアンプ）ＯＰ１，ＯＰ２などから構成されている。
【００４４】
駆動電源４３からは、所定の駆動電圧Ｖｉの交流電圧が印加される。また、バイアス電源４４からは、所定のバイアス電圧Ｖｂの直流電圧が印加される。第一電極１５には、バイアス電源４４から定電圧のバイアス電圧Ｖｂが加えられる。また、第二電極１６には、駆動電源４３から交流の駆動電圧Ｖｉが加えられる。また、第三電極１７から振動子１２の振動周波数に応じた検出信号が取り出される。
【００４５】
以上のような構成の振動式トランスデューサの動作を説明する。
第一電極１５に定電圧のバイアス電圧Ｖｂが印加され、また、第二電極１６に交流の駆動電圧Ｖｉが印加されると、第一電極１５に繋がる振動子３２と第二電極１６との間に静電吸引力が発生し、振動子１２が一定の振動周波数で振動（共振）する。
【００４６】
一方、第一電極１５に繋がる振動子１２と、第三電極１７との間には、第一電極１５に印加されたバイアス電圧Ｖｂによって電荷が貯められ、振動子１２が振動して振動子１２と第三電極１７との間の静電容量が変化すると、それに対応した交流電流である検出信号が発生する。こうした検出信号を演算増幅器ＯＰ１，ＯＰ２で増幅し、電圧変化としてカウンターで読み込むことによって、振動子１２の振動周波数が測定される。
【００４７】
そして、振動子１２に応力が加わって歪が生じると、この歪の量に応じて振動子１２の振動周波数が変動する。こうした振動子１２の振動周波数の変動量と、振動子１２の歪の量との関係を参照することによって、振動子１２の歪の量、即ち、振動子１２に加わる応力を測定することができる。
【００４８】
このような構成では、励起電極となる第二電極１６と、検出電極となる第三電極１７とを離すことができるため、第二電極１６と第三電極１７との間の寄生容量が減少する。その結果、駆動電圧Ｖｉが検出回路側に回り込むクロストークが抑えられ、ＳＮ比を向上させることができる。
【００４９】
（振動式トランスデューサの製造方法：第一実施形態）
以上のような構成の振動式トランスデューサの製造方法、および振動式トランスデューサの作用を説明する。
【００５０】
図６〜図１６は、本発明の振動式トランスデューサの製造方法を段階的に説明した要部拡大断面図である。なお、これら図６〜図１５は、図２におけるＡ−Ａ’線に沿った部分の断面を示している。
まず、図６に示すように、Ｓｉからなる基板１１に酸化層５２、表面シリコン層５３が形成されたＳＯＩ基板５１を準備する。例えば、ＳＯＩ基板５１は、酸化層５２の厚みが２μｍ程度、活性層である表面シリコン層５３の厚みが１μｍ程度のものを用いればよい。
【００５１】
次に、図７に示すように、この活性層である表面シリコン層５３に、高濃度にホウ素が含まれたエピタキシャルシリコン層５４をエピタキシャル成長によって形成する。こうした高濃度にホウ素がが含まれたエピタキシャルシリコン層５４は、電気抵抗が小さく導体として作用し、後工程において振動子１２や第一電極１５、第二電極１６、および第三電極１７（図２参照）が形成される。
【００５２】
また、高濃度にホウ素が含まれたエピタキシャルシリコン層５４は、基板１１に比べて引っ張り応力を残留しているため、後工程で形成する振動子１２に張力を発生させる。振動子１２は張力領域で応力が印加された場合、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１０の動作は、引っ張り応力領域で行われるようにする。
【００５３】
高濃度にホウ素を含んだエピタキシャルシリコン層５４の成長条件としては、成長温度１０３０℃、Ｈ２ガス中で、Ｓｉ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ホウ素が含まれたエピタキシャルシリコン層５４を例えば９μｍ程度成長させ、活性層である表面シリコン層５３との合計厚みが１０μｍ程度となるようにする。
【００５４】
次に、図８に示すように、高濃度にホウ素が含まれたエピタキシャルシリコン層５４のパターニングを行い、エピタキシャルシリコン層５４の一部に振動子１２、第一電極１５（図２参照）、第二電極１６、および第三電極１７の輪郭となるトレンチＴを形成する。エピタキシャルシリコン層５４のパターニングは、例えば、エピタキシャルシリコン層５４にレジスト材を塗布し、ステッパ装置を用いて行う。
【００５５】
ステッパ装置は、例えば、０．３μｍ程度の分解能を持ち、サブミクロンのラインおよびスペースの露光が可能である。こうしたステッパ装置によって、振動子１２、第一電極１５、第二電極１６、および第三電極１７の輪郭パターンを形成する。
【００５６】
そして、ステッパ装置によって形成したレジストを層をマスクとして、エピタキシャルシリコン層５４をエッチングし、振動子１２、第一電極１５、第二電極１６、および第三電極１７の輪郭を象ったトレンチＴを形成する。エピタキシャルシリコン層５４のエッチングは、例えば、ドライエッチングによって行う。また、ドライエッチングはＳＯＩ基板５１を構成する酸化層５２に突き当たり、振動子１２と第一電極１５、第二電極１６、および第三電極１７とが電気的に分離されるまで行う。
【００５７】
こうしたドライエッチングによるトレンチの形成時に、例えば、シリコン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を形成することも好ましい。例えば、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〜１μｍ程度の水平方向の縞を形成することができる。
【００５８】
次に、図９に示すように、エピタキシャルシリコン層５４において振動子１２、第一電極１５、第二電極１６、および第三電極１７の輪郭を象ったトレンチＴを埋め、さらにエピタキシャルシリコン層５４の一面に所定の厚みで堆積するように、絶縁層５６を形成する。絶縁層５６は、例えば、酸化ケイ素から構成されている。トレンチＴを埋める絶縁層５６の形成には、例えば、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酸化膜によってトレンチＴの開口部分を封鎖する。
【００５９】
ＬＰ−ＣＶＤ酸化膜は、例えば、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ガスおよび、酸素ガスを導入して、ＴＥＯＳを熱分解させることによって、トレンチＴを埋める酸化ケイ素を形成する。
【００６０】
プラズマＣＶＤ酸化膜は、真空中でＴＥＯＳと酸素ガスとを導入して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基板上で、トレンチＴを埋める酸化ケイ素を形成する。なお、プラズマＣＶＤ装置はステップカバレッジがよくないため、絶縁層５６がトレンチＴの最深部まで稠密に成膜されにくく、一部に空間(ボイド)Ｖが形成される。
【００６１】
次に、図１０に示すように、エピタキシャルシリコン層５４の一面を覆う絶縁層５６に重ねて、例えば数μｍの厚みの第一層２６を形成する。この第一層２６は、後工程で形成される真空室２１を区画するシェル１４の一部を構成している。第一層２６は、例えば、ポリシリコン、アモルファスシリコン、ＳｉＣ、ＳｉＧｅ、Ｇｅのうち、いずれかより形成される。
【００６２】
次に、図１１に示すように、第一層２６の一部に貫通孔２５を形成する。貫通孔２５は、例えば、振動子１２と重なる位置、即ち、振動子１２の直上部分に形成される。貫通孔２５の形成は、例えば、第一層２６に貫通孔２５の輪郭を象ったレジスト層を形成した後、ドライエッチングによって第一層２６を厚み方向に貫通する貫通孔２５を形成すればよい。貫通孔２５は、例えば、振動子１２の長手方向に沿って延びる細長い直方体の空間を成すように形成される（図４参照）。
【００６３】
次に、図１２に示すように、第一層２６の貫通孔２５の内部、および貫通孔２５の第二開口部２５ｂとその周囲に酸化物層（第一犠牲層）５５を形成する。こうした酸化物層５５は、例えば、ＬＰ−ＣＶＤ装置を用いて酸化ケイ素膜を、貫通孔２５とその周囲のみレジスト材でカバーし、窪み５８の部分のみの領域をバッファードフッ酸にて除去すればよい。
【００６４】
次に、図１３に示すように、酸化物層（第一犠牲層）５５および第一層２６を覆う酸化被膜（第二犠牲層）５７を形成する。こうした酸化被膜５７の一部、具体的には、貫通孔２５の第二開口部２５ｂの周囲には、後工程で形成する第二層２７のスペーサー部３２（図３参照）の外形形状を象った窪み５８が形成される。
【００６５】
こうした窪み５８を有する酸化被膜５７は、例えば、ＬＰ−ＣＶＤ装置を用いて、厚みが１００ｎｍ程度の酸化ケイ素膜を、窪み５８以外の部分をレジスト材でカバーし、窪み５８の部分のみの領域をバッファードフッ酸にて除去すればよい。
【００６６】
次に、図１４に示すように、酸化物層（第一犠牲層）５５と、これに重ねて形成された酸化被膜（第二犠牲層）５７の一部（酸化物層５５と接している部分）とを覆うように第二層２７を形成する。第二層２７は、例えば、ポリシリコン、アモルファスシリコン、ＳｉＣ、ＳｉＧｅ、Ｇｅのうち、いずれかより形成される。これにより、第二層２７には、酸化被膜５７に形成された窪み５８を象ったスペーサー部３２が一体に形成される。
【００６７】
次に、図１５に示すように、希ＨＦ溶液を用いて、酸化物層（第一犠牲層）５５、酸化被膜（第二犠牲層）５７、振動子１２の周囲の絶縁層５６、および酸化層５２（図１４参照）を全てエッチングして除去する（真空室を形成したエッチング液を、空隙部から外部に排出させる工程）。これによって、振動子１２の周囲には後工程で真空室２１となる空間が形成され、振動子１２の周辺に隙間が維持された形態にされる。
【００６８】
一方、第一層２６と第二層２７との間に形成されていた酸化物層（第一犠牲層）５５、酸化被膜（第二犠牲層）５７が除去されることによって、貫通孔２５はその内部が空洞となる。また、第一層２６と第二層２７との対向領域において、貫通孔２５の第二層２６の側の第二開口部２５ｂに臨む部位Ｅ１と、第二層２７が第三層２８に接する部位（周縁部）Ｅ２とを連通させる空隙部３１が形成される。さらに、第二層２７には、第一層２６と対向する面２７ｆから第三層に向けて空隙部３１の一部を広げた凹状の空間からなる空間部２９が形成される。
【００６９】
このような空隙部３１や空間部２９、および内部が空洞の貫通孔２５をを介して、振動子１２の周囲の絶縁層５６や酸化層５２まで希ＨＦ溶液が到達する。
【００７０】
振動子１２の周囲の絶縁層５６、酸化層５２をエッチングして真空室２１を形成した希ＨＦ溶液の廃液は、真空室２１内から貫通孔２５、空間部２９および空隙部３１を介して外部に排出される。
【００７１】
エッチング廃液や、水洗工程で残留する液滴が排除される過程において振動子１２と第一層２６との間に液滴が残ってメニスカス力によって振動子１２を湾曲させても、付着して固定化することがないように、振動子１２に対向する第一層２６に貫通孔２５を形成し、振動子１２と第一層２６との接触面積を少なくすることによって、振動子１２が第一層２６の対向面に接触する際にも、それぞれの接触する面積を減らしてあるため、付着する虞がない。
【００７２】
次に、図１６に示すように、第一層２６と第二層２７とを覆うように、第三層２８を形成して真空封止を行う。第三層２７は、例えば、ポリシリコン、アモルファスシリコン、ＳｉＣ、ＳｉＧｅ、Ｇｅのうち、いずれかより形成される。第三層２８による真空封止は、製膜された第三層２８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。例えば、減圧エピタキシャル装置を用いて、９００℃の温度で２００Ｔｏｒｒなどに減圧して行えばよい。原料ガスには、ＳｉＨ４と水素を用いて第三層２８を形成して真空室２１の真空封止を行う。その後、窒素ガス中で１０００℃のアニールを行うことで、真空室２１内に残留する水素ガスを拡散させ、真空度を上げることができる。
【００７３】
この後、図１、図２に示す接片１５ａ，１６ａ，１７ｃ（図１参照）を露出させる穴を、第一層２６と第三層２８とが接した部分に形成して、振動式トランスデューサ１０のセンサー部分を得ることができる。
【００７４】
以上のように、本発明の振動式トランスデューサや、その製造方法によれば、エッチング廃液や水洗工程で残留する水滴がが除去される過程において、振動子１２と第一層２６との間に液滴が残ってメニスカス力によって振動子１２を湾曲させて第一層２６の真空室２１側の面に吸着される際にも、付着して固定化することがないように、振動子１２に対向する第一層２６に貫通孔２５を形成し、振動子１２と第一層２６の接触面積を少なくすることによって、振動子１２が第一層２６の対向面に接触する際にも、それぞれの接触する面積を減らしてあるため、付着によって固着して変形してしまうことを確実に防止できる。
【００７５】
また、第一層２６と第二層２７との対向領域に沿って形成した空隙部３１によって、真空室２１の内部に堆積するポリシリコン層に起因する出力信号の大きさのバラツキや、振動子の共振周波数のバラツキや、電極同士の短絡による出力不良を防止することができる。
【００７６】
更に、圧力センサとして高圧の圧力を測定する時には、圧力を受けるシェル１４が振動子１２との対向面を構成する第一層２６と空間部２９とを介して、機械的に分離された構造となっているため、高圧によって第一層２６が振動子１２側に撓むことが無い。従って、電界分布の変化による振動子１２の共振周波数変化が発生し、歪と周波数変化との関係を示す特性のリニアリティが悪化することを防止できる。
【００７７】
以下、振動式トランスデューサの別な実施形態を列記する。なお、それぞれの実施形態において、第一実施形態と同一の構成には同一の番号を付し、その説明を省略する。
【００７８】
（振動式トランスデューサ：第二実施形態）
第一実施形態においては、第一層２６に形成される貫通孔２５の形状は、振動子１２の長手方向に沿って、所定の幅で延びる一連の細長い直方体の空間を成している。しかし、貫通孔の形状やこれを覆う第二層の形状はこれらに限定されるものではない。
【００７９】
図１７に示す振動式トランスデューサ６０では、第一層２６に円柱形の貫通孔６１，６１…を振動子１２の長手方向に沿って、複数配列している。また、第一層２６における個々の貫通孔６１の第二開口部６１ｂの周囲に接するように、第二層２７にスペーサ部材６３が一体に形成されている。例えば、図１７に示す振動式トランスデューサ６０では、スペーサ部材６３は、個々の貫通孔６１の第二開口部６１ｂを取り巻く位置で接するように、複数形成されている。
【００８０】
（振動式トランスデューサ：第三実施形態）
図１８に示す振動式トランスデューサ６５では、第一層２６に直方体の貫通孔６６，６６…を振動子１２の長手方向に沿って、複数配列している。また、第一層２６における個々の貫通孔６６の第二開口部６６ｂの周囲に接するように、第二層２７にスペーサ部材６８が一体に形成されている。例えば、図１８に示す振動式トランスデューサ６５では、スペーサ部材６８は、個々の貫通孔６６の第二開口部６６ｂの長手方向に沿った両側で接するように、複数形成されている。
【００８１】
なお、第一層２６と第二層２７との対向領域に形成される空隙部３１（図３参照）のギャップを維持するスペーサ部材は、上述した第一実施形態や第二実施形態のような形状以外にも、例えば、第一層２６と第二層２７との対向領域における、第一層２６または第二層２７のいずれか一方、または両方を不規則な凹凸形状にするなど空隙部を形成し、流体の通過を許容するような構成であってもよい。この場合、第一層２６や第二層２７の一部に粗面を形成することによって実現できる。
【００８２】
（振動式トランスデューサの製造方法：第二実施形態）
図１９〜図２４は、第二実施形態の振動式トランスデューサの製造方法を段階的に示した要部拡大断面図である。
図１９は、第一実施形態の振動式トランスデューサの製造方法における図１２に相当する工程である。図１９に示すように、第一層８１の一部形成された貫通孔８３と、の内部、および貫通孔８３の第二開口部８３ｂとその周囲に酸化物層（第一犠牲層）８９を形成する。
【００８３】
次に、図２０に示すように、第一層８１の第二開口部８３ｂ側の面８１ｅを平坦化する。この平坦化工程によって、酸化物層（第一犠牲層）８９のうち、貫通孔８３の第二開口部８３ｂよりも外側、即ち第一層８１の面８１ｅから突出している部分が除去される。これによって、酸化物層（第一犠牲層）８９は、貫通孔８３の内部を埋める部分だけに形成された状態となる。
【００８４】
次に、図２１に示すように、第一層８１の面８１ｅを覆う酸化被膜（第二犠牲層）５７を形成する。こうした酸化被膜５７の一部、具体的には、貫通孔８３の第二開口部８３ｂの周囲には、後工程で形成する第二層８７のスペーサー部３２（図３参照）の外形形状を象った窪み５８が形成される。
【００８５】
次に、図２２に示すように、貫通孔８３の近傍かつその周囲を覆うように、第二層８７を形成する。第二層８７には、窪み５８の形状を象ったスペーサー部３２が一体に形成される。
【００８６】
次に、図２３に示すように、希ＨＦ溶液を用いて、酸化物層（第一犠牲層）５５、酸化被膜（第二犠牲層）５７、振動子１２の周囲の絶縁層５６、および酸化層５２をエッチングして除去する。これによって、振動子１２の周囲には真空室２１が形成され、振動子１２は、この真空室２１によって周辺に隙間が維持された形態にされる。
【００８７】
一方、貫通孔８３の内部を埋める酸化物層（第一犠牲層）５５が除去されることによって、貫通孔８３の内部が空洞になる。また、第一層８１と第二層８７との間に形成されていた酸化被膜（第二犠牲層）５７とが除去されることによって、第一層８１と第二層８７との対向領域において、貫通孔８３の第二層８７の側の第二開口部（開口部）８３ｂに臨む部位Ｅ１と、第二層８７が第三層８８に接する部位（周縁部）Ｅ２とを連通させる空隙部３１が形成される。なお、この実施形態では、第二層８７の第一層８１と対向する面８７ｆは、窪み５８を除いた部分が平坦面とされ、凹状の空間部は形成されない。
【００８８】
次に、図２４に示すように、第一層８１と第二層８７とを覆うように、第三層８８を形成して真空封止を行う。第三層８８による真空封止は、製膜された第三層８８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。
【００８９】
このような構成の振動式トランスデューサの製造方法によれば、液滴が振動子１２と貫通孔８３の第一開口部８３ａとの間付近にあっても、内部が空洞の貫通孔８３にこの液滴が流入するので、液滴のメニスカス力によって振動子１２が第一層８１側に大きく湾曲して変形してしまうことを確実に防止することが可能になる。
【符号の説明】
【００９０】
１０…振動式トランスデューサ、１１…基板、１２…振動子、１４…シェル、２１…真空室、２５…貫通孔、２６…第一層、２７…第二層、２８…第三層、２９…空間部、３１…空隙部。
【図１】
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【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】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
2015034713.tif 000024
【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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