(57)【要約】  本発明は、ファブリーペローセンサ及びその製造方法に関する。ファブリーペローセンサは、ベース部と、前記ベース部と感圧ダイヤフラムとの間に形成され、ベース部と感圧ダイヤフラムとにより密閉されるキャビティと、前記ベース部に固定され、１つ又は複数の局所領域を有する前記感圧ダイヤフラムであって、各局所領域が感圧ダイヤフラムのベース材料にドーピングされて応力を発生させるドーピング物質を有し、且ついずれの局所領域も感圧ダイヤフラムの厚さ方向の全体を貫通せず、前記応力の作用により波状構造となる前記感圧ダイヤフラムと、光信号を伝導することに用いられ、一端部がベース部の光ファイバー装着部に固定され、前記光ファイバー装着部がベース部の前記キャビティと対向する端部に位置する光ファイバーと、を備える。
2021505913.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ファブリーペローセンサであって、
ベース部と、
前記ベース部と感圧ダイヤフラムとの間に形成され、ベース部及び感圧ダイヤフラムにより密閉されたキャビティと、
前記ベース部に固定され、１つ又は複数の局所領域を有する前記感圧ダイヤフラムであって、それぞれの前記局所領域が感圧ダイヤフラムのベース材料にドーピングされて応力を発生させるドーピング物質を有し、且ついずれの前記局所領域も感圧ダイヤフラムの厚さ方向の全体を貫通せず、前記応力の作用により波状形状を有する構造となる前記感圧ダイヤフラムと、
光信号を伝導することに用いられ、一端部がベース部の光ファイバー装着部に固定され、前記光ファイバー装着部がベース部の前記キャビティと対向する端部に位置する光ファイバーと、を備えるファブリーペローセンサ。
【請求項２】
前記感圧ダイヤフラムは、一体の単層構造である、請求項１に記載のファブリーペローセンサ。
【請求項３】
前記感圧ダイヤフラムの厚さが１μｍ〜５μｍである、請求項１に記載のファブリーペローセンサ。
【請求項４】
前記ベース部の厚さが２００μｍ〜５００μｍである、請求項１に記載のファブリーペローセンサ。
【請求項５】
前記キャビティの直径が８０μｍ〜３００μｍである、請求項１に記載のファブリーペローセンサ。
【請求項６】
前記応力は引張応力である、請求項１に記載のファブリーペローセンサ。
【請求項７】
前記応力は圧縮応力である、請求項１に記載のファブリーペローセンサ。
【請求項８】
前記１つ又は複数の局所領域は、感圧ダイヤフラムの中央位置にある略円状領域を含む、請求項１に記載のファブリーペローセンサ。
【請求項９】
前記１つ又は複数の局所領域は、感圧ダイヤフラムの中央位置を囲んでいる略環状領域を含む、請求項１に記載のファブリーペローセンサ。
【請求項１０】
前記局所領域は、感圧ダイヤフラムのキャビティに近い部分の厚さ内にある、請求項１に記載のファブリーペローセンサ。
【請求項１１】
前記局所領域は、感圧ダイヤフラムのキャビティから離れる部分の厚さ内にある、請求項１に記載のファブリーペローセンサ。
【請求項１２】
異なる局所領域には、異なるドーピング物質がドーピングされている、請求項１に記載のファブリーペローセンサ。
【請求項１３】
同一の局所領域には、異なるドーピング物質がドーピングされている、請求項１に記載のファブリーペローセンサ。
【請求項１４】
前記感圧ダイヤフラムの前記ベース材料は、シリコンである、請求項１に記載のファブリーペローセンサ。
【請求項１５】
前記ドーピング物質は、Ｐ、Ｂ、Ａｓ、Ａｌ、Ｇａ、Ｓｂ、Ｇｅ、Ｏ、Ａｕ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｍｇから１つ又は複数選択される、請求項１に記載のファブリーペローセンサ。
【請求項１６】
前記光ファイバーは、ＵＶ接着剤で光ファイバー受け部に固定される、請求項１に記載のファブリーペローセンサ。
【請求項１７】
第１反射膜及び第２反射膜をさらに備え、前記第１反射膜は感圧ダイヤフラムの一方側に位置し、第２反射膜は前記キャビティの底部に位置する、請求項１に記載のファブリーペローセンサ。
【請求項１８】
前記第１反射膜は、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｕ、Ａｇ、ＴａＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５から少なくとも一つ選択され、第２反射膜を形成する材料はＣｒ、Ｔｉ、Ａｕ、Ａｇ、ＴａＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５から少なくとも一つ選択される、請求項１７に記載のファブリーペローセンサ。
【請求項１９】
前記ベース部を形成する材料は、ガラス、単結晶シリコン、炭化ケイ素、サファイアから少なくとも一つ選択される、請求項１に記載のファブリーペローセンサ。
【請求項２０】
前記キャビティは、真空キャビティである、請求項１に記載のファブリーペローセンサ。
【請求項２１】
ファブリーペローセンサの製造方法であって、
感圧ダイヤフラムを製造する感圧ダイヤフラム基材を提供するステップ１と、
１種又は複数種のドーピング物質を感圧ダイヤフラム基材の１つ又は複数の局所領域にドーピングして、いずれも感圧ダイヤフラムの厚さ方向の全体を貫通しない前記局所領域で応力を発生させるステップ２と、を含む感圧ダイヤフラムを製造するステップと、
キャビティを有するベース部を製造するステップと、
前記キャビティが感圧ダイヤフラム及びベース部により密閉されるように、感圧ダイヤフラムとベース部とを結合するステップと、を含むファブリーペローセンサの製造方法。
【請求項２２】
物質がドーピングされた感圧ダイヤフラムは、一体の単層構造である、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記感圧ダイヤフラムの厚さが１μｍ〜５μｍ、前記ベース部の厚さが２００μｍ〜５００μｍである、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記応力は引張応力である、請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
前記応力は圧縮応力である、請求項２１に記載の方法。
【請求項２６】
ステップ２では、前記ドーピング物質と、感圧ダイヤフラム基材を構成するベース材料とは、原子又は分子のレベルでドーピングされている、請求項２１に記載の方法。
【請求項２７】
前記局所領域は、１つ又は複数の略環状領域である、請求項２１に記載の方法。
【請求項２８】
前記局所領域は、１つ又は複数の略円状領域である、請求項２１に記載の方法。
【請求項２９】
前記感圧ダイヤフラム基材は、ＳＯＩウエハである、請求項２１に記載の方法。
【請求項３０】
前記感圧ダイヤフラム基材は、二酸化ケイ素層が形成されているシリコン基板である、請求項２１に記載の方法。
【請求項３１】
前記ステップ１は、感圧ダイヤフラム基材を洗浄して乾燥させるステップをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項３２】
前記ステップ２は、感圧ダイヤフラム基材にフォトレジストを塗布し、フォトレジストを部分的に除去してドーピングすべき前記局所領域を露出させるステップをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項３３】
ステップ２では、ドーピングは高温拡散で行われる、請求項２１に記載の方法。
【請求項３４】
前記高温拡散は、高温で高濃度ホウ素拡散を行うことである、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
ステップ２では、ドーピングはイオン注入で行われる、請求項２１に記載の方法。
【請求項３６】
前記イオン注入には、注入イオンはＢ、Ｐ、Ａｓから１つ又は複数選択される、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
感圧ダイヤフラムを製造するステップは、
ドーピング後、感圧ダイヤフラムを洗浄して感圧ダイヤフラムの表面における不純物を除去するステップ３と、
洗浄した感圧ダイヤフラムをアニーリングするステップ４と、をさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項３８】
感圧ダイヤフラムを製造するステップは、
蒸発法、スパッタリング法、化学気相堆積法、電気化学法、エピタキシャル成長法のうち一つを利用して、第１反射膜を感圧ダイヤフラムの一方側に形成するステップ５をさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項３９】
感圧ダイヤフラムを真空環境でベース部に結合する、請求項２１に記載の方法。
【請求項４０】
ベース部を製造するステップは、
ベース部にマスクを成長させるステップと、
マスクにフォトレジストを塗布するステップと、
一部のマスクを露出させるように、フォトレジストを部分的に除去するステップと、
一部のベース部を露出させるように、露出させたマスクを除去するステップと、
前記キャビティを形成するように、露出させたベース部をエッチングするステップと、を含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項４１】
ベース部を製造するステップは、キャビティの底部に第２反射膜を形成するステップをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項４２】
ベース部を製造するステップは、前記キャビティの底部に光ファイバー受け部を形成するステップをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項４３】
ＵＶ接着剤によって光ファイバーをベース部の光ファイバー受け部に装着するステップをさらに含む、請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
感圧ダイヤフラムをベース部に結合した後、ＳＯＩにおける厚いシリコン層及び二酸化ケイ素層を除去するステップをさらに含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項４５】
ファブリーペローセンサを複数形成するように、結合された感圧ダイヤフラムとベース部を切断するステップをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサの分野に関し、特に非線形補償設計及び最適化された構造を有するファブリーペローセンサ、及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバーセンサは、石油、航空、宇宙飛行、医療、海洋などのさまざまな産業で広く使用されており、且つ優れた性能を有し、たとえば過酷な環境への耐性、電磁放射への耐性、干渉防止、パッシブ防爆、小型で簡素の構造、広いダイナミックレンジ、準分布測定が実現可能や製造に使用される材料の量が少ないなどの利点がある。
【０００３】
光ファイバーセンサは、２つの技術が主に知られている。その１つは、ファイバーグレーティングを圧力モデルに粘着し、圧力が加えられたモデルの変形を通じて圧力測定が実行されることであり、もう１つは、ファブリーペローキャビティ（ＦＰキャビティと略称される）技術、すなわち、キャビティの長さの変化を通じて圧力又は温度を検知することである。後者の技術を採用した光ファイバーセンサは、光ファイバーファブリーペローセンサと呼ばれることもあるし、ファブリーペローセンサ、ＦＰセンサなどと略称されることもあり、特に圧力センサとして好適である。
【０００４】
特許ＵＳ７６８９０７１Ｂ２には、圧力を測定するためのファブリーペローセンサが開示されている。図１は、このような従来のファブリーペローセンサを例示的に示めしている。このファブリーペローセンサは、主にキャビティ１＿５を備えたガラスベース部１＿６と、このガラスベース部１＿６に固定された単層の感圧ダイヤフラム１＿４と、ガラスベース部１＿６のキャビティの底部に設けられた第１反射鏡１＿３と、感圧ダイヤフラム１＿４の下面に設けられた第２反射鏡１＿２と、光信号を伝導するための双方向光ファイバー１＿１とを備える。第１反射鏡１＿３、第２反射鏡１＿２及びキャビティ１＿５は、ファブリーペローキャビティを構成する。ファブリーペローキャビティの長さが圧力に対する陽関数であるため、感圧ダイヤフラム１＿４に加えられる圧力は、ファブリーペローキャビティの長さを取得することによって取得される。
【０００５】
上記のような単結晶薄膜構造を備えたファブリーペローセンサを採用する場合は、いくつかの問題がある。図３に示すように、圧力が増加するに伴い感圧ダイヤフラムのズレ量の増加が大幅に減少され、すなわち、感圧ダイヤフラムのズレが加えられた圧力に対する非線形関数になってしまう。感圧ダイヤフラムのズレが圧力測定レンジにわたってこのような強い非線形性になるため、より高い圧力範囲では、ファブリーペローセンサの感度が制限される。
【０００６】
上記のような技術的問題に対して、特許ＣＮ１０３５３４５６８Ｂには、バイアス圧力についての感度が最適化された、圧力を測定するためのファブリーペローセンサが開示されている。図２は、上記特許ＣＮ１０３５３４５６８Ｂに開示されているファブリーペローセンサの部分模式図を示している。具体的には、該ファブリーペローセンサは、ベース部２＿１とそれに装着された感圧ダイヤフラムとを備える。この感圧ダイヤフラムは、第１材料で構成された第１層２＿２と、第２材料で構成され内部応力が含まれる第２層２＿３とを含む。第２層２＿３が第１層２＿２に設置されることで、感圧ダイヤフラムを２層構造となるようにする。
【０００７】
上記のような２層以上の複合膜構造を用いたファブリーペローセンサにも、いくつかの問題があり、このような問題は、以下を含むが、それらに制限されない。第１の問題には、線形な感度のあるセンサのセグメントを伸ばすように応力のある追加の構造層が使用されるため、感圧ダイヤフラムは、非単層構造である必要があり、その結果、構造が複雑化になる。第２の問題には、多層膜の場合は、単層膜の場合と比べて、膜厚の増加によるセンサ全体の感度が低下する。第３の問題には、多層膜材料自体の長期安定性もセンサの長期的性能に対して、包括的に影響する。第４の問題には、サイズが小さいため、上記特許の製造方法では、第２層を第１層に設置するために複雑なプロセスとステップが必要となり、その結果、センサの製造コストが高まる。
【発明の概要】
【０００８】
本発明は、従来のセンサの設計にある上記問題に鑑みてなされたものであり、従来のセンサの設計にある上記問題を回避できるとともに、後述する利点を有する新型ファブリーペローセンサを提供する。
【０００９】
本発明は、ファブリーペローセンサであって、ベース部と、前記ベース部と感圧ダイヤフラムとの間に形成され、ベース部及び感圧ダイヤフラムにより密閉されたキャビティと、前記ベース部に固定され、１つ又は複数の局所領域を有する前記感圧ダイヤフラムであって、各局所領域が感圧ダイヤフラムのベース材料にドーピングされて応力を発生させるドーピング物質を有し、且ついずれの局所領域も感圧ダイヤフラムの厚さ方向の全体を貫通せず、前記応力の作用により波状構造となる感圧ダイヤフラムと、光信号を伝導することに用いられ、一端部がベース部の光ファイバー装着部に固定され、前記光ファイバー装着部がベース部の前記キャビティと対向する端部に位置する光ファイバーと、を備えるファブリーペローセンサを提供する。物質をドーピングすることで、センサの非線形を効果的に低減させ、さまざまな測定レンジへのセンサの適用性を高める。
【００１０】
あるいは、前記感圧ダイヤフラムは一体の単層構造である。ドーピング法によりダイヤフラムを波状構造にすることで、従来技術による二層ダイヤフラム構造にある前述した多数の問題を回避するとともに、多層ダイヤフラム構造を構成するための複雑な工程を省略する。
【００１１】
あるいは、前記感圧ダイヤフラムの厚さが１μｍ〜５μｍである。あるいは、前記ベース部の厚さが２００μｍ〜５００μｍである。あるいは、前記キャビティの直径が８０μｍ〜３００μｍである。即ち、本発明で限定される技術案は、特にマイクロセンサに適している。
【００１２】
あるいは、前記応力は引張応力である。あるいは、前記応力は圧縮応力である。
【００１３】
あるいは、前記１つ又は複数の局所領域は感圧ダイヤフラムの中央位置にある略円状領域を含む。あるいは、前記１つ又は複数の局所領域は、感圧ダイヤフラムの中央位置を囲んでいる略環状領域を含む。
【００１４】
あるいは、前記局所領域は、感圧ダイヤフラムのキャビティに近い部分の厚さ内にある。あるいは、前記局所領域は、感圧ダイヤフラムのキャビティから離れる部分の厚さ内にある。
【００１５】
あるいは、異なる局所領域に異なるドーピング物質がドーピングされている。あるいは、同一の局所領域に異なるドーピング物質がドーピングされている。
【００１６】
ドーピング法によりダイヤフラムに応力を集中させ、応力のタイプ及び集中された領域を合理的に設定することにより、最適で且つ合理的な波状構造を形成して、センサの性能を改善できる。
【００１７】
あるいは、前記感圧ダイヤフラムの前記ベース材料はシリコンである。
【００１８】
あるいは、前記ドーピング物質は、Ｐ、Ｂ、Ａｓ、Ａｌ、Ｇａ、Ｓｂ、Ｇｅ、Ｏ、Ａｕ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｍｇから一つ又は複数選択される。
【００１９】
あるいは、前記光ファイバーはＵＶ接着剤で光ファイバー受け部に固定される。
【００２０】
あるいは、前記ファブリーペローセンサは、第１反射膜と第２反射膜とをさらに備え、前記第１反射膜は感圧ダイヤフラムの一方側に位置し、第２反射膜は前記キャビティの底部に位置する。
【００２１】
あるいは、前記第１反射膜を形成する材料は、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｕ、Ａｇ、ＴａＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５から少なくとも一つ選択され、前記第２反射膜を形成する材料は、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｕ、Ａｇ、ＴａＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５から少なくとも一つ選択される。
【００２２】
あるいは、前記ベース部を形成する材料は、ガラス、単結晶シリコン、炭化ケイ素、サファイアから少なくとも一つ選択される。
【００２３】
あるいは、前記キャビティは真空キャビティである。
【００２４】
本発明は、感圧ダイヤフラムを製造する感圧ダイヤフラム基材を提供するステップ１と、１種又は複数種のドーピング物質を感圧ダイヤフラム基材の１つ又は複数の局所領域にドーピングして、いずれも感圧ダイヤフラムの厚さ方向の全体を貫通しない前記局所領域で応力を発生させるステップ２と、を含む感圧ダイヤフラムを製造するステップと、キャビティを有するベース部を製造するステップと、前記キャビティが感圧ダイヤフラム及びベース部により密閉されるように、感圧ダイヤフラムとベース部とを結合するステップと、を含む、ファブリーペローセンサの製造方法をさらに提供する。
【００２５】
あるいは、物質がドーピングされた感圧ダイヤフラムは一体の単層構造である。
【００２６】
あるいは、前記感圧ダイヤフラムの厚さが１μｍ〜５μｍ、前記ベース部の厚さが２００μｍ〜５００μｍである。
【００２７】
あるいは、前記応力は引張応力である。あるいは、前記応力は圧縮応力である。
【００２８】
あるいは、ステップ２では、前記ドーピング物質と感圧ダイヤフラム基材を構成するベース材料とは、原子又は分子のレベルでドーピングされている。
【００２９】
あるいは、前記局所領域は１つ又は複数の略環状領域である。あるいは、前記局所領域は１つ又は複数の略円状領域である。
【００３０】
あるいは、前記感圧ダイヤフラム基材はＳＯＩウエハである。
【００３１】
あるいは、前記感圧ダイヤフラム基材は、二酸化ケイ素層が形成されているシリコン基板である。
【００３２】
あるいは、前記ステップ１は、感圧ダイヤフラム基材を洗浄して乾燥させるステップをさらに含む。
【００３３】
あるいは、前記ステップ２は、感圧ダイヤフラム基材にフォトレジストを塗布し、フォトレジストを部分的に除去してドーピングすべき前記局所領域を露出させるステップをさらに含む。
【００３４】
あるいは、ステップ２では、ドーピングは高温拡散方式で行われる。
【００３５】
あるいは、前記高温拡散は、高温で高濃度ホウ素拡散を行うことである。
【００３６】
あるいは、ステップ２では、ドーピングはイオン注入で行われる。
【００３７】
あるいは、前記イオン注入には、注入イオンはＢ、Ｐ、Ａｓから一つ又は複数選択される。
【００３８】
あるいは、感圧ダイヤフラムを製造するステップは、ドーピング後、感圧ダイヤフラムを洗浄して感圧ダイヤフラムの表面における不純物を除去するステップ３と、洗浄した感圧ダイヤフラムをアニーリングするステップ４と、をさらに含む。
【００３９】
あるいは、感圧ダイヤフラムを製造するステップは、蒸発法、スパッタリング法、化学気相堆積法、電気化学法、エピタキシャル成長法のうち一つを利用して、第１反射膜を感圧ダイヤフラムの一方側に形成するステップ５をさらに含む。
【００４０】
あるいは、感圧ダイヤフラムを真空環境でベース部に結合する。
【００４１】
あるいは、ベース部を製造するステップは、ベース部にマスクを成長させるステップと、マスクにフォトレジストを塗布するステップと、一部のマスクを露出させるようにフォトレジストを部分的に除去するステップと、一部のベース部を露出させるように露出させたマスクを除去するステップと、前記キャビティを形成するように露出させたベース部をエッチングするステップと、を含む。
【００４２】
あるいは、ベース部を製造するステップは、キャビティの底部に第２反射膜を形成するステップをさらに含む。
【００４３】
あるいは、ベース部を製造するステップは、前記キャビティの底部に光ファイバー受け部を形成するステップをさらに含む。
【００４４】
あるいは、方法は、ＵＶ接着剤によって光ファイバーをベース部の光ファイバー受け部に装着するステップをさらに含む。
【００４５】
あるいは、方法は、感圧ダイヤフラムをベース部に結合した後、ＳＯＩの厚いシリコン層と二酸化ケイ素層を除去するステップをさらに含む。
【００４６】
あるいは、方法は、ファブリーペローセンサを複数形成するように結合された感圧ダイヤフラムとベース部を切断するステップをさらに含む。
【００４７】
以下、本発明の特徴及び利点を容易に理解できるように、図面を参照しながら本発明を実施するための最適な実施例を詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
本発明の実施例の技術案をより明確に説明するために、以下、本発明の実施例の図面を簡単に説明する。図面は、本発明のいくつかの実施例を示すために使用され、本発明のすべての実施例をこれに限定するものではない。
【図１】図１は、従来技術によるファブリーペローセンサの横断面模式図である。
【図２】図２は、従来技術による別のファブリーペローセンサの部分模式図である。
【図３】図３は、図１に示すファブリーペローセンサを用いる場合、圧力とセンサの感度との関係のグラフである。
【図４】図４は、従来のファブリーペローセンサを用いた場合に計測したグラフと比較して示される、本発明によるファブリーペローセンサを用いる場合の圧力とセンサの感度との関係のグラフである。
【図５Ａ】図５Ａは、本発明によるファブリーペローセンサの横断面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、該ファブリーペローセンサの２つの異なる構造の正面図及び上面図である。
【図６Ａ】図６Ａ及び６Ｂは、ファブリーペローセンサの感圧ダイヤフラムの中央部に物質をドーピングした場合の模式図である。
【図６Ｂ】図６Ａ及び６Ｂは、ファブリーペローセンサの感圧ダイヤフラムの中央部に物質をドーピングした場合の模式図である。
【図７Ａ】図７Ａ及び７Ｂは、本発明によるファブリーペローセンサの一実施例の横断面図であり、外圧が異なる場合、該ファブリーペローセンサの感圧ダイヤフラムにおける物質がドーピングされていない領域と物質がドーピングされた領域との変形の模式図である。
【図７Ｂ】図７Ａ及び７Ｂは、本発明によるファブリーペローセンサの一実施例の横断面図であり、外圧が異なる場合、該ファブリーペローセンサの感圧ダイヤフラムにおける物質がドーピングされていない領域と物質がドーピングされた領域との変形の模式図である。
【図８】図８は、ファブリーペローセンサのベース部の加工手順の模式図である。
【図９】図９は、ファブリーペローセンサの感圧ダイヤフラムの加工工程の模式図である。
【図１０】図１０は、ベース部と感圧ダイヤフラムとを真空下結合した場合の模式図である。
【図１１】図１１は、キャビティが感圧ダイヤフラム内に形成されている、本発明によるファブリーペローセンサの一実施例である。
【図１２Ａ】図１２Ａ及び１２Ｂは、感圧ダイヤフラムの一方側に浅い円状領域内で物質がドーピングされている、本発明によるファブリーペローセンサの２つの実施例である。
【図１２Ｂ】図１２Ａ及び１２Ｂは、感圧ダイヤフラムの一方側に浅い円状領域内で物質がドーピングされている、本発明によるファブリーペローセンサの２つの実施例である。
【図１３Ａ】図１３Ａ及び１３Ｂは、感圧ダイヤフラムの一方側に浅い環状領域内で物質がドーピングされている、本発明によるファブリーペローセンサの２つの実施例である。
【図１３Ｂ】図１３Ａ及び１３Ｂは、感圧ダイヤフラムの一方側に浅い環状領域内で物質がドーピングされている、本発明によるファブリーペローセンサの２つの実施例である。
【図１４Ａ】図１４Ａ及び１４Ｂは、同心となる円状領域と環状領域とに異なる物質がドーピングされている、本発明によるファブリーペローセンサの２つの実施例である
【図１４Ｂ】図１４Ａ及び１４Ｂは、同心となる円状領域と環状領域とに異なる物質がドーピングされている、本発明によるファブリーペローセンサの２つの実施例である
【図１５】図１５は、感圧ダイヤフラムの両側に応力が反対となる物質がドーピングされている、本発明によるファブリーペローセンサの一実施例である。
【発明を実施するための形態】
【００４９】
本発明の技術案の目的、技術案及び利点をより明確にするために、以下、本発明の実施例の図面を参照しながら本発明の実施例の技術案を明確かつ完全に説明する。図中、同じ部材には、同じ符号が付されている。なお、説明される実施例は、本発明の一部の実施例であり、すべての実施例ではない。説明される実施例に基づいて創造的な努力を必要とせずに当業者によって得られる他の実施例はすべて、本発明の特許範囲に属する。
【００５０】
特に定義されていない限り、ここで使用される技術用語又は科学用語は、当業者によって理解される通常の意味を持つものである。本発明の特許出願明細書及び特許請求の範囲で使用される「第１」、「第２」などのような用語は、順序、数量又は重要性を示さず、異なる構成要素を区別するためにのみ使用される。同様に、「１つ」又は「一」などのような用語は、必ずしも数量を制限するものではない。「含む」又は「備える」などのような用語は、この用語の前に記載される要素又は部品が、この用語の後に挙げられている要素又は部品及びその同等物をカバーするが、他の要素又は部品を除外しないことを意味する。「接続」又は「連結」などのような用語は、物理的又は機械的接続に限定されず、直接又は間接にかかわらず、電気的接続を含みうる。「上」、「下」、「左」、「右」などは、相対的な位置関係を示すためにのみ使用され、説明される対象の絶対位置が変化すると、該相対的な位置関係もその分変化する場合がある。
【００５１】
文脈から具体的な規定又は明確な説明がない限り、本明細書で使用される「略」という用語は、本分野における通常の許容範囲内であると理解されるべきである。文脈から特に明記されていない限り、本明細書で提供されるすべての数値は、「略」という用語によって補正されうる。
【００５２】
（１）ファブリーペローセンサの構造について
図５Ａ、図５Ｂ及び図１０は、本発明によるファブリーペローセンサ１１の模式図を示している。概して、ファブリーペローセンサ１１は、主に、ベース部６と、前記ベース部６に固定される感圧ダイヤフラム４と、前記ベース部６と前記感圧ダイヤフラムとの間に形成されそれらにより密閉されたキャビティ５と、感圧ダイヤフラム４及びベース部６にそれぞれ位置する第１反射膜２及び第２反射膜３と、前記ベース部６に固定され且つ光信号を伝導することに用いられる光ファイバー１と、を備える。前記キャビティ５は、ファブリーペローキャビティと呼ばれてもよい。図５Ａ、図５Ｂ及び図１０を例とする好適な実施例では、前記キャビティ５はベース部６内に設置されている。代替例として、図１１に示す実施例では、前記キャビティ５が感圧ダイヤフラム４内に加工されてもよい。通常、キャビティ５は真空状態に形成されている。キャビティは、図５Ｂに示すように、横断面が円状であるキャビティとしてもよいが、それに制限されない。
【００５３】
本発明は、主に、たとえば前記感圧ダイヤフラムの厚さが１μｍ〜５μｍ、前記ベース部の厚さ（図５Ｂには、Ｈで示される）が２００μｍ〜５００μｍでありうるマイクロセンサと実施される。円状キャビティとされる場合、その直径が８０μｍ〜３００μｍでありうる。
【００５４】
前記ベース部６は、良好な光伝導性を実現するように、好ましくはガラスで構成されるが、たとえば単結晶シリコン、炭化ケイ素、サファイアなどを含むがそれらに制限されないほかの材料が採用されてもよい。ベース部６は、図５Ａに示すように、光ファイバー受け部１５を備える。
【００５５】
前記第１反射膜２及び前記第２反射膜３は、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｕ、Ａｇ、ＴａＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５、誘電体膜などを採用してもよいが、それらに制限されない。第１反射膜２は、感圧ダイヤフラム４に設置されており、感圧ダイヤフラム４のキャビティ５に近い側に設置されてもよく、感圧ダイヤフラム４のキャビティ５から離れる側に設置されてもよい。第２反射膜３は、キャビティ５の底部に設置されている。
【００５６】
前記光ファイバー１は、光ファイバー受け部１５においてベース部６に固定されており、マルチモード石英光ファイバー１を採用してもよいが、それに制限されない。好ましくは、光ファイバー１は、ＵＶ接着剤７によって固定される。ＵＶ接着剤７は、粘着及び光伝導の機能を兼ねて備えることにより、固定作用に加えて、良好な光伝導性が確保される。
【００５７】
感圧ダイヤフラム４は、圧力の変化に伴い、ベース部６に接近又は離間するように変形することにより、キャビティ５の長さ及び第１反射膜２と第２反射膜３との間隔を変えて、圧力を検知することができる。具体的には、圧力を計測する際に、計測光が光ファイバー１から導入される。一部の計測光は第１反射膜２によって反射信号を発生させ、残りの計測光は第２反射膜３によって反射されて第１反射膜２に戻り、第１反射膜２の下面で重なる。外圧の変化により感圧ダイヤフラム４が変形してキャビティ５の長さを変えることで、光路差を変える。光ファイバー１を経由して伝達されてきた光信号を検出して復調することで、感圧ダイヤフラム４の変形の大きさを取得できる。
【００５８】
前記のように、図１に示す従来のファブリーペローセンサの設計では、感圧ダイヤフラム４の変形は、特に感圧ダイヤフラム４の厚さが小さい、又は圧力測定レンジが大きい場合、非常に著しい非線形を示す。該特性により、センサ性能の向上及び用途が制限されてしまう。図２に示す従来のファブリーペローセンサの設計では、非線形がある程度改善されるが、第２層の追加が必要となる。その結果、感圧ダイヤフラム構造が複雑化になり、製造の難しさが高まり、全体的な感度が低下し、寿命が低減する多くの問題が生じる。
【００５９】
本発明は、図１に示す従来のファブリーペローセンサにある深刻な非線形の問題を改善し、また、図２に示す従来のファブリーペローセンサのように構造、感度や加工方法などの性能を犠牲にすることを回避するために、新しいセンサの設計及び製造方法を提案しており、物質をドーピングする方法によって感圧ダイヤフラム４の局所に応力集中領域を形成することで、単層の感圧ダイヤフラムの構造を変えずにセンサの非線形を低下させるという目的を達成させる。以下、応力集中領域を有する感圧ダイヤフラム４について詳しく説明する。
【００６０】
感圧ダイヤフラム４は、ベース材料を含み、且つ、１つ又は複数の局所領域８を有する。各局所領域８は感圧ダイヤフラム４のベース材料にドーピングされて応力を発生させるドーピング物質を有し、いずれの局所領域８も感圧ダイヤフラム４の厚さ方向の全体を貫通しない。前記感圧ダイヤフラム４は、前記応力の作用により波状構造となる。ドーピングされた材料がダイヤフラムの単層構造を変えないため、感圧ダイヤフラム４は、一体の単層構造のままである。このようにして、従来技術の二層ダイヤフラム構造による前述した多数の問題を回避することができ、また、二層ダイヤフラム構造を構成するための複雑な工程を省略することができる。物質がドーピングされた前記局所領域８は、ドーピング領域とも呼ばれる。
【００６１】
前記ドーピング領域には、ドーピングにより内部応力が生じる。感圧ダイヤフラム４は、該内部応力により図１２Ａ−１５に示す平坦ではない波状となり、少なくとも感圧ダイヤフラムの中央位置にある１つの山部と、該山部から径方向において離間した１つの環状谷部とを有する。図１２Ａ−１５に示す実施例では、感圧ダイヤフラムには、いずれも中央位置で上（即ちベース部から離れる）へ膨出して山部が形成されているが、中央位置で下（即ちベース部に向かう）へ膨出して谷部が形成されてもよい。すなわち、感圧ダイヤフラムは、中央位置にある１つの谷部と、該谷部から径方向において離間した１つの環状山部とを有してもよい。さらに、感圧ダイヤフラム４には、山部と谷部とが複数形成されてもよい。
【００６２】
試験したところ、局所領域にドーピングされるによる波状感圧ダイヤフラムは、二層構造のダイヤフラムに比べて、圧力の変化に伴う線形性がより良好であることがわかる。理論的な根拠がないであるが、試験結果を分析したところ、理由として、まず単層ダイヤフラムには最適化された波状形状があると考えられる。従来技術の二層構造のように応力をダイヤフラムの表面に印加するのではなく、ドーピングで応力を感圧ダイヤフラムの内部へ注入して、ダイヤフラム自体の波状変形の形状がより制御されやすくなり、その結果、より最適化された合理的な波状構造がより容易に形成される一方、追加の層構造がないため、追加の層構造による制限又は影響が波状構造に与えなくなり、すなわち、最適化された波状構造へ悪影響を与える要素をなくす。また、別の理由としては、二層構造による感圧ダイヤフラムの構造上のばらつきにより特定のダイヤフラム位置の状態でダイヤフラムの圧力へのさらなる応答を損なう観点から、本発明は上記問題を解決するので、性能が改善された。
【００６３】
局所の応力を放出するときにダイヤフラムが図１２Ａ−１５に示す波状構造を形成するために、前記局所領域８は、感圧ダイヤフラム４の厚さ方向の全体を貫通しないようにする。具体的には、前記局所領域は、感圧ダイヤフラム４のキャビティ５に近い部分の厚さ内にあるか、又は感圧ダイヤフラム４のキャビティ５から離れる部分の厚さ内にあるが、感圧ダイヤフラム４の全体を貫通しない。
【００６４】
ダイヤフラムの波状構造及びそれによる応力効果のため、同じ力を受ける場合、感圧ダイヤフラム４の非線形特性が改善される。図７Ａに示すように、外圧が小さい場合、感圧ダイヤフラム４では、物質がドーピングされていない領域の変形は大きく、物質がドーピングされた領域の変形は小さい。図７Ｂに示すように、外圧が大きい場合、感圧ダイヤフラム４では、物質がドーピングされていない領域の変形は小さく、物質がドーピングされた領域の変形は大きい。感圧ダイヤフラム４全体の変形変位はそれらを複合した結果であり、それにより、感度の非線形を改善できる。図４に示すように、破線は、本発明のファブリーペローセンサを用いる場合の感度の変化であり、応力のないファブリーペローセンサの場合に比べて、非線形が明らかに低下している。
【００６５】
感圧ダイヤフラム４を構成するベース材料は、単結晶シリコンを含むが、それらに制限されない。前記ドーピング材料は、Ｐ、Ｂ、Ａｓ、Ａｌ、Ｇａ、Ｓｂ、Ｇｅ、Ｏ、Ａｕ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｍｇを含み、好ましくはホウ素である。ドーピング材料は、半導体材料の格子における位置に応じて、置換型と侵入型とに分類される。そのうち、置換型ドーピング材料として、Ｐ、Ｂ、Ａｓ、Ａｌ、Ｇａ、Ｓｂ、Ｇｅなどが挙げられ、侵入型ドーピング材料として、Ｏ、Ａｕ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｍｇなどが挙げられる。
【００６６】
ドーピングする際には、図６Ａ−Ｂに示すように、ドーピング物質と感圧ダイヤフラム基材を構成するベース材料とが原子又は分子のレベルでドーピングされている。利用可能なドーピング方式には、侵入型ドーピング、直接置換型ドーピング、空孔ドーピング、準格子間ドーピング、キックアウト（ｋｉｃｋ−ｏｕｔ）ドーピングやＦｒａｎｋ−Ｔｕｒｎｂｕｌｌ式ドーピングがある。好ましくは、空孔ドーピング又は準格子間ドーピングが使用される。空孔拡散は、図６Ａに示されるように、ドーピング材料の分子又は原子９がベース材料の分子又は原子１０の空孔で移動し、空孔拡散に必要な活性化エネルギーが小さいので、実施されやすい。準格子間拡散は、図６Ｂに示されるように、ドーピング材料の分子又は原子９が格子の位置を占め、当該格子の位置にあるベース材料の分子又は原子１０を侵入位置に移動させられて自己侵入分子又は原子となる。ドーピング領域には、分子又は原子間の作用力により前記応力を発生させる。前記応力は、引張応力であってもよいし、圧縮応力であってもよい。応力の大きさは、格子のミスマッチ程度、及びドーピングされた物質の濃度に依存する。
【００６７】
上記原理をもとに、ドーピング領域の位置及び応力の種類は適宜選択される。ドーピング領域は、感圧ダイヤフラム４の中央位置にある略円状領域、又は感圧ダイヤフラム４の中央位置を囲んでいる略環状領域、又は１つ又は複数の同心となる円状領域と環状領域の両方であってもよい。実現可能な実施例では、異なるドーピング領域に異なるドーピング材料、又は同一のドーピング領域に異なるドーピング材料があるようにしてもよい。
【００６８】
図１２Ａ−１５は、ファブリーペローセンサの複数の実現可能な実施例を示している。
【００６９】
図１２Ａに示すように、感圧ダイヤフラム４の中央位置にある円状領域には、引張応力を発生させる物質がドーピングされており、該円状領域は、感圧ダイヤフラム４の上部に位置し、感圧ダイヤフラム４の厚さ方向の全体を貫通していない。図１２Ｂに示すように、ファブリーペローセンサの感圧ダイヤフラム４の円状領域には、圧縮応力を発生させる物質がドーピングされており、該円状領域は、感圧ダイヤフラム４の下部に位置し、感圧ダイヤフラム４の厚さ方向の全体を貫通していない。
【００７０】
図１３Ａに示すように、ファブリーペローセンサの感圧ダイヤフラム４の環状領域には、圧縮応力を発生させる物質がドーピングされており、該環状領域は、感圧ダイヤフラム４の上部に位置し、感圧ダイヤフラム４の厚さ方向の全体を貫通していない。図１３Ｂに示すように、ファブリーペローセンサの感圧ダイヤフラム４の環状領域には、引張応力を発生させる物質がドーピングされており、該環状領域は、感圧ダイヤフラム４の下部に位置し、感圧ダイヤフラム４の厚さ方向の全体を貫通していない。
【００７１】
図１４Ａ−Ｂに示すように、円状領域と環状領域には異なる物質がドーピングされている。図１４Ａには、ファブリーペローセンサの感圧ダイヤフラム４の下部にある円状領域には、圧縮応力を発生させる物質がドーピングされており、感圧ダイヤフラム４の上部にある環状領域には、圧縮応力を発生させる物質がドーピングされている。図１４Ｂには、ファブリーペローセンサの感圧ダイヤフラム４の上部にある円状領域には、引張応力を発生させる物質がドーピングされており、感圧ダイヤフラム４の下部にある環状領域には、引張応力を発生させる物質がドーピングされている。
【００７２】
図１５に示すように、感圧ダイヤフラム４の円状領域の上部には引張応力を発生させる物質がドーピングされ、下部には圧縮応力を発生させる物質がドーピングされており、上下の２つの領域の合力によりダイヤフラムの中央部を上へ膨出する力を発生させる。
【００７３】
物質をドーピングすることにより形成された上記ファブリーペローセンサは、多数のメリットを有し、例えば、物質をドーピングすることによりセンサの非線形を効果的に低減させてセンサのさまざまな測定レンジへの適用性を向上させること、センサの非線形を低減させるとともにセンサダイヤフラムの単層構造を維持して従来技術の二層構造に起因する上記多数の問題を回避すること、また、ドーピングによって応力が感圧ダイヤフラムの内部に印加されるため、さらに最適化された波状変形を実現してさらに非線形を低減させることが挙げられるが、これらに制限されない。さらに、上記ファブリーペローセンサは、製造方法の点でもメリットがある。以下、詳しく説明する。
【００７４】
２）ファブリーペローセンサの製造方法について
図８〜図９は、本発明の前記ファブリーペローセンサ１１を製造するための好ましい方法のいくつかのステップを示している。ファブリーペローセンサ１１の製造には、主に、ベース部６の製造、感圧ダイヤフラム４の製造、ベース部６と感圧ダイヤフラム４との結合、切断、光ファイバー１の装着などのステップが含まれ、以下、それぞれ詳しく説明する。
【００７５】
なお、以下に記載のステップは、本発明の前記センサを製造する好ましいステップであり、必ずしも必須なステップではない。以下の記載に基づき、当業者が具体的な状況に応じて、ある特定の操作を変更又は省略したり、ある特定の操作を追加したり、１つ又は複数の操作ステップの順番を調整したりすることができる。
【００７６】
２．１  感圧ダイヤフラムの製造
ステップ１では、感圧ダイヤフラム４を製造する感圧ダイヤフラム基材を提供する。該感圧ダイヤフラム基材は、最終的に感圧ダイヤフラム４の本体部となる。通常、複数の感圧ダイヤフラム又は複数のセンサを一括して製造することができ、つまり、該感圧ダイヤフラム基材は切断されて複数の感圧ダイヤフラムとなる。
【００７７】
好ましくは、感圧ダイヤフラム基材として絶縁シリコン（ＳＯＩ）ウエハが使用される。前記ＳＯＩウエハは、薄いシリコン基板１２（感圧ダイヤフラム４の本体部）、二酸化ケイ素層１６及び厚いシリコン層１７（又はハンドル層とも呼ばれる）をサーマルボンディングして構成され、さまざまな厚さのシリコン基板を有するＳＯＩウエハが市販品として入手できる。
【００７８】
代替例として、感圧ダイヤフラム基材は、酸化ケイ素又は二酸化ケイ素層が形成されているシリコン基板を用いてもよい。具体的には、シリコン基板を洗浄した後、熱酸化成長によりシリコン基板に二酸化ケイ素層を形成する。ここで、前記熱酸化プロセスは、乾式酸素酸化、水蒸気酸化、湿式酸素酸化、Ｈ２とＯ２加熱酸化、ＲＴＯなどを使用できるが、それらに制限されない。
【００７９】
以下、主にＳＯＩウエハを用いて感圧ダイヤフラム４を製造する場合を例にして説明する。
【００８０】
該ステップ１は、ＳＯＩウエハを洗浄して、ウエハ表面における不純物を除去するステップを含み得る。ＳＯＩウエハの洗浄ステップは、Ｈ２ＳＯ４：Ｈ２Ｏ＝４：１の混合溶液で１２０℃の洗浄温度で１０ｍｉｎ洗浄して表面の有機物を除去するステップ、ＮＨ４ＯＨ（２８％）：Ｈ２Ｏ２（３０％）：Ｈ２Ｏ＝１：１：５の混合溶液で表面の埃を８０℃の洗浄温度で１０ｍｉｎ除去するステップ、ＨＣｌ：Ｈ２Ｏ２：Ｈ２Ｏ＝１：１：６の混合溶液で表面の金属イオンを８０℃の洗浄温度で１０ｍｉｎ除去するステップ、及びＨＦ：Ｈ２Ｏ＝１：５０の混合溶液で表面の酸化層を室温の洗浄温度で除去するステップのうち１つ又は複数を含み得る。
【００８１】
洗浄終了後、ＳＯＩウエハを乾燥させる。好ましくは、１００℃で１０分間プレベークする。
【００８２】
ステップ２では、感圧ダイヤフラム基材の局所領域に物質をドーピングして、前記局所領域で応力を発生させる。
【００８３】
該ステップ２では、具体的には、ＳＯＩウエハにフォトレジスト１４をスピンコーティングし、フォトレジスト１４にパターニング操作を行って、図９に示すように、フォトレジストを部分的に除去して物質をドーピングすべき局所領域を露出させる。具体的には、まず、研磨により厚いシリコン層１７の一部の厚さを除去し、次にＥＤＰ溶液で化学エッチングし、第１エッチングセルフストップ層とする二酸化ケイ素層１６までエッチングされると、エッチングレートを１００００倍以上減少させる。二酸化ケイ素層１６は、緩衝ＨＦ溶液でエッチングして除去される。ＨＦ溶液でのシリコンのエッチングレートが二酸化ケイ素よりも１００００倍低いため、シリコン基板１２（最終的に感圧ダイヤフラム４となる）はＨＦ溶液にエッチングされず、その結果、図９に示すように、物質をドーピングすべき局所領域を露出させる。該感圧ダイヤフラム基材が最終的には１つの感圧ダイヤフラムとなる場合、局所領域は、ドーピング及び最終的なダイヤフラムの波状構造の形成のため、１つの略円状領域、１つの略環状領域、又は同心となる円状領域と環状領域の組み合わせのみを含んでもよい。該感圧ダイヤフラム基材が最終的には切断されて複数の感圧ダイヤフラムとなる場合、該ステップでは、該感圧ダイヤフラム基材において互いに間隔を空けた複数の局所領域／局所領域の組み合わせが形成されて、最終的に複数の波状領域の形成に用いられる。前記複数の波状領域は、最終的に異なる感圧ダイヤフラムに含まれるように切断される。
【００８４】
あるいは、感圧ダイヤフラム４の厚さを研磨により正確に制御することもできる。
【００８５】
次に、露出させた領域へ物質をドーピングする。ドーピングには、高温拡散法、イオン注入法が使用され得るが、それらに制限されない。
【００８６】
高温拡散法では、固体源拡散（たとえばＢＮ）、液体源拡散（たとえばＢ、Ｐ）、気体源拡散、急速気相拡散、気体浸入レーザー拡散などが使用され得るが、これらに制限されず、拡散源は、Ｐ、Ｂ、Ａｓ、Ａｌ、Ｇａ、Ｓｂ、Ｇｅ、Ｏ、Ａｕ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｍｇを使用できるが、これらに制限されない。好ましい実施例では、高濃度ホウ素拡散又はリン拡散が使用される。拡散プロセスにおける拡散温度、拡散濃度、アニーリング温度などのパラメータは、ファブリーペローセンサの感度に影響を与え、好ましくは、高濃度ホウ素拡散では、拡散温度は９００℃〜１２００℃であり、拡散後の濃度は１０１７〜１０２１／ｃｍ３であり、リン拡散では、拡散温度は９００℃〜１２００℃であり、拡散後の濃度は１０１８〜５＊１０２１／ｃｍ３である。シリコン基板１２の場合、マスク及びリソグラフィー、現像などのプロセスを直接使用してドーピングすることもできる。 
【００８７】
イオン注入では、注入イオンとして、Ｂ、Ｐ、Ａｓが使用され得るが、それらに制限されず、イオン源として、ＢＦ３、ＰＨ３、ＡｓＨ３などが使用され得るが、それらに制限されない。
【００８８】
前記のとおり、ドーピングは、感圧ダイヤフラム４の一部の厚さ内で行われる。ドーピング材料に応じて、感圧ダイヤフラム４基材の局所領域８で形成される応力は引張応力又は圧縮応力でありうる。
【００８９】
ステップ３では、ドーピング後、感圧ダイヤフラム４を洗浄して、感圧ダイヤフラム４の表面の不純物を除去する。前記洗浄は、上記ステップ１での方法を利用して行われる。
【００９０】
ステップ４では、洗浄した感圧ダイヤフラム４をアニーリングして、イオン注入などのドーピングプロセスによる感圧ダイヤフラム４の損傷を取り除き、シリコン格子を元の完璧な結晶構造に回復させるとともに、物質が電気活性位置、即ち置換位置に入るようにする。高温アニーリングとして、熱アニーリング、急速熱処理、急速アニーリングなどが使用され得るが、これらに制限されない。熱アニーリングの温度は、４００℃〜１０００℃程度、急速アニーリングの温度は６００℃〜１１００℃程度である。
【００９１】
ステップ５では、図９に示すように、キャビティ５を形成し光学反射信号を得て干渉を形成するように、物質がドーピングされた感圧ダイヤフラム４の底部に反射膜２を成長させる。また、それにより、感圧ダイヤフラム４の内外面での共振キャビティの形成を回避できる。反射膜２の成長方法として、蒸発法、スパッタリング法、化学気相堆積法、電気化学法、エピタキシャル成長法などが使用され得るが、それらに制限されない。この反射膜２は、できるだけ薄くし、発生させる応力による影響をできるだけ低減させ、金属層であってもよく、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｕ、Ａｇ、ＴａＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５、誘電体膜などを利用できるが、それらに制限されない。この反射膜は高反射率を有する。
【００９２】
２．２  ベース部の製造
ステップ１では、未処理ベース部を提供する。複数のセンサを一括して製造する場合、提供される未処理ベース部は、最終的には切断されて複数のベース部６となる。ベース部は、好ましくはその厚さが２００−５００μｍである。ベース部６を洗浄して基板の表面の不純物を除去する。洗浄には、Ｈ２ＳＯ４：Ｈ２Ｏ＝４：１の混合溶液で表面の有機物を、１２０℃の洗浄温度で１０ｍｉｎ除去してもよい。洗浄終了後、１００℃でベース部６を１０ｍｉｎプレベークして乾燥させる。
【００９３】
ステップ２では、図８に示すように、ベース部６にはマスク１３を成長させる。マスク１３の成長方法には、蒸発法、スパッタリング法、化学気相堆積法、電気化学法、エピタキシャル成長法などが使用され得るが、それらに制限されない。該マスク１３には、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｗ、ＴｉＮ、ＴａＮ、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＯＮ、ＳｉＧｅ、金属合金から一つ又は複数の組み合わせが使用され得るが、それらに制限されない。好ましくは、ベース部６には厚さが１０００オングストロームであるクロム金属マスク１３を成長させる。
【００９４】
ステップ３では、図８に示すように、マスク１３にフォトレジスト１４をスピンコーティングし、当業者に公知の露光、現像技術により、フォトレジスト１４を部分的に除去して、特定の形状を有する露出領域を形成する。キャビティ５の直径がさまざまな寸法であり得るが、直径が約８０−３００μｍのキャビティ５が好ましく、このようにして、感圧ダイヤフラム４の良好な反射を確保するだけでなく、センサに良好な機械的特性を付与することができる。フォトレジスト１４が部分的に除去されると、露出させたマスク１３をＨＣｌとグリセリンとからなるクロムエッチング溶液で除去し、露出させたマスク１３を除去すると、ベース部６の一部を露出させる。
【００９５】
ステップ４では、図８に示すように、ベース部６をエッチングしてキャビティ５を形成する。エッチングとしては、ウェットエッチング、ドライエッチングが使用され得るが、これらに制限されない。ウェットエッチングの化学溶液は、ＨＦ、ＢＯＥ溶液を使用できるが、これらに制限されない。ドライエッチングは、スパッタリンググ及びイオンミリング、プラズマエッチング、反応性イオンエッチング、ＨＤＰ、ＩＣＰ、ＡＬＥ、ＩＣＰ−ＲＩＥ、ＨＷＰ、ＥＣＲを使用できるが、これらに制限されず、スパッタリング及びイオンミリングには、不活性ガス（たとえばＡｒ）を使用できるが、これらに制限されず、プラズマエッチングには、フルオロカーボン（たとえばＣＦ４、ＣＨＦ３、Ｃ２Ｆ６、Ｃ３Ｆ８等）を使用できるが、これらに制限されない。この例では、好ましくは、緩衝ＨＦ溶液で直径８０〜３００μｍ、深さ１９μｍ程度のキャビティ５がエッチングされる。緩衝ＨＦ溶液は、３ｍｌの水、及び４：１の配合比の２ｇのＮＨ４Ｆ混合溶液と４８％のＨＦ溶液を混合したものである。ベース部６内のキャビティ５の長さは、光干渉強度の要件を満たすために、所定の範囲に制御されるべきである。複数のセンサを一括して製造する場合、ベース部には複数のキャビティ５が形成され、最後に切断されると、ベース部ごとに１つだけのキャビティがある。
【００９６】
ステップ５では、図８に示すように、より良好な光学コントラストの信号を得るために、キャビティ５の底部に反射膜３をキャビティ５の第１反射鏡として成長させる。反射膜３の成長方法には、蒸発法、スパッタリング法、化学気相堆積法、電気化学法、エピタキシャル成長法などが使用され得るが、それらに制限されない。該第１反射鏡３の材料は、さまざまな酸化物であってもよく、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｒ、ＴａＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５、誘電体膜等などを使用できるが、それらに制限されない。
【００９７】
ステップ６では、反射膜３を成長させた後、Ｈ２ＳＯ４：Ｈ２Ｏ＝４：１の混合溶液でベース部６の表面の有機物を、好ましくは１２０℃の洗浄温度で１０分間洗浄して除去する。洗浄終了後、ベース部６を１００℃で１０ｍｉｎプレベークすることで乾燥させる。
【００９８】
ステップ７では、光ファイバー１のアラインメント及び固定のし易さから、ベース部６の底部に光ファイバー受け部１５を形成する。光ファイバー受け部１５の形成方式として、レーザー加工、ウェットエッチング、ドライエッチング、機械的掘削が使用され得るが、それらに制限されない。光ファイバー受け部１５の夾角は１５°より大きいようにしてもよい。代替例として、より高い粘着強度を得るために、孔開け方式の代わりに、光ファイバー１との接触面積を大きくするガラスキャピラリーを粘着材料として使用してもよい。
【００９９】
２．３  感圧ダイヤフラム４とベース部６との結合
上記ステップに従って感圧ダイヤフラム４とベース部６との初期の製造が完了した後、感圧ダイヤフラム４とベース部６とを結合する。具体的には、下記ステップを含み得る。
【０１００】
ステップ１では、製造された感圧ダイヤフラム４とベース部６とを真空環境で結合する。感圧ダイヤフラム４とベース部６とがアラインメントされて、キャビティ５を感圧ダイヤフラム４とベース部６とにより密閉されるようにする。結合方式としては、低温真空静電気によるボンディング、ガラスペーストによるボンディング、陽極ボンディング、金属拡散ボンディング、金属共晶ボンディング、ポリマー接着剤によるボンディング、プラズマボンディングなどが使用され得るが、それらに制限されない。この例では、好ましくは、低温真空静電気によるボンディング又は陽極ボンディングが使用される。
【０１０１】
ステップ２では、ＳＯＩの厚いシリコン層１７と二酸化ケイ素層１６を除去する。具体的には、水素化カリウム又はＴＭＡＨを用いて厚いシリコン層１７をエッチングし、次にフッ化水素酸を用いて二酸化ケイ素層１６をエッチングする。厚いシリコン層１７と二酸化ケイ素層１６が除去されると、感圧ダイヤフラムは波状構造となる。
【０１０２】
２．４  切断
複数のセンサを一括して製造する場合、結合された感圧ダイヤフラムとベース部とを切断する必要がある。図５Ｂに示すように、切断形態には、四角形、六角形又は八角形に切断されるなどが含まれる。あるいは、紫外線１９３ｎｍレーザーを用いてレーザー切断を行い、円状片にするようにしてもよい。
【０１０３】
２．５  光ファイバーの装着
光ファイバー１をベース部６の光ファイバー受け部１５にアラインメントさせて固定する。好ましくは、ＵＶ接着剤７による粘着固定方式で光ファイバー１を固定する。前記固定方式には、ガラスはんだ粘着、電磁加熱、レーザー加熱、レーザー溶接が使用され得るが、それらに制限されない。
【０１０４】
上記方法は、多数のメリットを有する。メリットは、以下を含むが、それらに制限されない。
【０１０５】
複数のセンサを一括して製造できるため、製造コストを低下させること、
センサ製品の一貫性が良好であること、
感圧ダイヤフラムに物質をドーピングすることにより、センサの最適化された構造を確保するとともに、センサの非線形を低減させ、さまざまな測定レンジへのセンサの適用性を向上させること、及び、
ドーピングによって内部応力を形成させることで、操作方式がシンプルであり、多層の該構造、特にマイクロセンサの多層構造を形成する場合に比べて、製造や操作の点でより簡単になり、実現されやすいことである。
【０１０６】
本発明によるファブリーペローセンサは、複数の分野、たとえば、特に医療分野に適用できる。さらに、ほかの計測にも適用できる。
【０１０７】
以上、好ましい実施例を参照して本発明の例示的な実施形態を詳細に説明したが、当業者は、本発明の主旨から逸脱することなく、上記特定の実施例に様々な変更や変形を加えることができ、本発明の特許範囲を超えることなく、本発明によって提案される様々な技術的特徴、構造の様々な組み合わせが可能であることを理解すべきである。本発明の特許範囲は、添付の特許請求の範囲によって定められている。
【符号の説明】
【０１０８】
１＿１  光ファイバー
１＿２  第１反射膜
１＿３  第２反射膜
１＿４  感圧ダイヤフラム
１＿５  キャビティ
１＿６  ベース部
１＿７  ＵＶ接着剤
２＿１  ベース部
２＿２  感圧ダイヤフラムの第１層
２＿３  感圧ダイヤフラムの第２層
１  光ファイバー
２  第１反射膜
３  第２反射膜
４  感圧ダイヤフラム
５  キャビティ
６  ベース部
７  ＵＶ接着剤
８  局所領域
９  ベース材料の分子又は原子
１０  ドーピング材料の分子又は原子
１１  ファブリーペローセンサ
１２  シリコン基板
１３  マスク
１４  フォトレジスト
１５  光ファイバー受け部
１６  二酸化ケイ素層
１７  厚いシリコン層
【図１】
2021505913.tif 000003
【図２】
2021505913.tif 000004
【図３】
2021505913.tif 000005
【図４】
2021505913.tif 000006
【図５Ａ】
2021505913.tif 000007
【図５Ｂ】
2021505913.tif 000008
【図６Ａ】
2021505913.tif 000009
【図６Ｂ】
2021505913.tif 000010
【図７Ａ】
2021505913.tif 000011
【図７Ｂ】
2021505913.tif 000012
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2021505913.tif 000016
【図１２Ａ】
2021505913.tif 000017
【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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【手続補正書】
【提出日】令和2年8月5日(2020.8.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ファブリーペローセンサであって、
ベース部と、
前記ベース部と感圧ダイヤフラムとの間に形成され、ベース部及び感圧ダイヤフラムにより密閉されたキャビティと、
前記ベース部に固定され、１つ又は複数の局所領域を有する前記感圧ダイヤフラムであって、それぞれの前記局所領域が感圧ダイヤフラムのベース材料にドーピングされて応力を発生させるドーピング物質を有し、且ついずれの前記局所領域も感圧ダイヤフラムの厚さ方向の全体を貫通せず、前記応力の作用により波状形状を有する構造となる前記感圧ダイヤフラムと、
光信号を伝導することに用いられ、一端部がベース部の光ファイバー装着部に固定され、前記光ファイバー装着部がベース部の前記キャビティと対向する端部に位置する光ファイバーと、を備えるファブリーペローセンサ。
【請求項２】
前記感圧ダイヤフラムは、前記感圧ダイヤフラムの厚さが１μｍ〜５μｍで、前記ベース部の厚さが２００μｍ〜５００μｍで、前記キャビティの直径が８０μｍ〜３００μｍである一体の単層構造である、請求項１に記載のファブリーペローセンサ。
【請求項３】
前記応力は引張応力または圧縮応力である、請求項１に記載のファブリーペローセンサ。
【請求項４】
前記１つ又は複数の局所領域は、感圧ダイヤフラムの中央位置にある略円状領域または略環状領域を含む、請求項１に記載のファブリーペローセンサ。
【請求項５】
前記局所領域は、感圧ダイヤフラムのキャビティに近い部分の厚さ内にあり、あるいは、感圧ダイヤフラムのキャビティから離れる部分の厚さ内にある、請求項１に記載のファブリーペローセンサ。
【請求項６】
異なる局所領域、または同一の局所領域には、異なるドーピング物質がドーピングされている、請求項１に記載のファブリーペローセンサ。
【請求項７】
前記感圧ダイヤフラムの前記ベース材料は、シリコンであり、且つ、前記ドーピング物質は、Ｐ、Ｂ、Ａｓ、Ａｌ、Ｇａ、Ｓｂ、Ｇｅ、Ｏ、Ａｕ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｍｇから１つ又は複数選択される、請求項１に記載のファブリーペローセンサ。
【請求項８】
前記光ファイバーはＵＶ接着剤で光ファイバー受け部に固定されており、前記ファブリーペローセンサは、感圧ダイヤフラムの一方側に位置する第１反射膜、及び前記キャビティの底部に位置する第２反射膜をさらに備え、前記第１反射膜を形成する材料は、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｕ、Ａｇ、ＴａＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５から少なくとも一つ選択され、第２反射膜を形成する材料は、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｕ、Ａｇ、ＴａＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５から少なくとも一つ選択される、請求項１に記載のファブリーペローセンサ。
【請求項９】
前記ベース部を形成する材料は、ガラス、単結晶シリコン、炭化ケイ素、サファイアから少なくとも一つ選択される、請求項１に記載のファブリーペローセンサ。
【請求項１０】
前記キャビティは、真空キャビティである、請求項１に記載のファブリーペローセンサ。
【請求項１１】
ファブリーペローセンサの製造方法であって、
感圧ダイヤフラムを製造する感圧ダイヤフラム基材を提供するステップ１と、
１種又は複数種のドーピング物質を感圧ダイヤフラム基材の１つ又は複数の局所領域にドーピングして、いずれも感圧ダイヤフラムの厚さ方向の全体を貫通しない前記局所領域で応力を発生させるステップ２と、を含む感圧ダイヤフラムを製造するステップと、
キャビティを有するベース部を製造するステップと、
前記キャビティが感圧ダイヤフラム及びベース部により密閉されるように、感圧ダイヤフラムとベース部とを結合するステップと、を含むファブリーペローセンサの製造方法。
【請求項１２】
物質がドーピングされた感圧ダイヤフラムは、前記感圧ダイヤフラムの厚さが１μｍ〜５μｍで、前記ベース部の厚さが２００μｍ〜５００μｍで、前記応力が引張応力または圧縮応力である一体の単層構造である、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
ステップ２では、前記ドーピング物質と、感圧ダイヤフラム基材を構成するベース材料とは、原子又は分子のレベルでドーピングされている、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記局所領域は、１つ又は複数の略環状領域であってもよく、１つ又は複数の略円状領域であってもよく、且つ、前記感圧ダイヤフラム基材は、ＳＯＩウエハであってもよく、二酸化ケイ素層が形成されているシリコン基板であってもよい請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記ステップ１は、感圧ダイヤフラム基材を洗浄して乾燥させるステップをさらに含み、前記ステップ２は、感圧ダイヤフラム基材にフォトレジストを塗布し、フォトレジストを部分的に除去してドーピングすべき前記局所領域を露出させるステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
ステップ２では、ドーピングは高温拡散で行われ、前記高温拡散は、高温で高濃度ホウ素拡散を行うことである、請求項１１に記載の方法。
【請求項１７】
ステップ２では、ドーピングはイオン注入で行われ、前記イオン注入において、注入イオンとしてＢ、Ｐ、Ａｓから１つ又は複数選択される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１８】
感圧ダイヤフラムを製造するステップは、
ドーピング後、感圧ダイヤフラムを洗浄して感圧ダイヤフラムの表面における不純物を除去するステップ３と、
洗浄した感圧ダイヤフラムをアニーリングするステップ４と、
蒸発法、スパッタリング法、化学気相堆積法、電気化学法、エピタキシャル成長法のうち一つを利用して、第１反射膜を感圧ダイヤフラムの一方側に形成するステップ５とをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１９】
ベース部を製造するステップは、
ベース部にマスクを成長させるステップと、
マスクにフォトレジストを塗布するステップと、
一部のマスクを露出させるように、フォトレジストを部分的に除去するステップと、
一部のベース部を露出させるように、露出させたマスクを除去するステップと、
前記キャビティを形成するように、露出させたベース部をエッチングするステップと、
キャビティの底部に第２反射膜を形成するステップと、
前記キャビティの底部に光ファイバー受け部を形成するステップと、を含み、
ＵＶ接着剤によって光ファイバーをベース部の光ファイバー受け部に装着する、請求項１１に記載の方法。
【請求項２０】
感圧ダイヤフラムを真空環境でベース部に結合するステップと、
感圧ダイヤフラムをベース部に結合した後、ＳＯＩにおける厚いシリコン層及び二酸化ケイ素層を除去するステップと、
ファブリーペローセンサを複数形成するように、結合された感圧ダイヤフラムとベース部を切断するステップとをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【手続補正書】
【提出日】令和2年8月11日(2020.8.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
2021505913.tif 000024
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
2021505913.tif 000025
【国際調査報告】
2021505913.tif 000026
2021505913.tif 000027
2021505913.tif 000028
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