(57)【要約】【課題】ＳｉＣが耐えうる極限環境でＳｉＣから構成した梁構造によるセンサが動作できるようにする。【解決手段】基板１０１，支持部１０２，梁部１０３は、単結晶のＳｉＣから構成されている。測定部１０４は、梁部１０３の変位を光学的に測定する。例えば、顕微分光装置を用い、微細な梁部１０３にビーム光源を照射することで光学測定を実施する。励振部１０５は、梁部１０３を励振する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化シリコンから構成された基板と、
炭化シリコンから構成されて前記基板の上に形成された支持部と、
炭化シリコンから構成されて一部が前記支持部で支持されて前記基板の上に離間して配置された梁部と、
前記梁部の変位を光学的に測定する測定手段と、
前記梁部を励振する励振手段と
を備えることを特徴とするセンサ。
【請求項２】
請求項１記載のセンサにおいて、
前記測定手段は、前記梁部に照射した光の反射光のラマン散乱を分光するラマン分光法により前記梁部の変位を測定する
ことを特徴とするセンサ。
【請求項３】
請求項１記載のセンサにおいて、
前記測定手段は、前記梁部に照射した光の反射率の波長依存性を測定する反射変調分光法により前記梁部の変位を測定する
ことを特徴とするセンサ。
【請求項４】
請求項１記載のセンサにおいて、
前記測定手段は、前記梁部に照射した光の反射光の状態をドップラー干渉測定法により測定することで前記梁部の変位を測定する
ことを特徴とするセンサ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のセンサにおいて、
前記励振手段は、ピエゾ素子から構成されていることを特徴とするセンサ。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のセンサにおいて、
前記励振手段は、
所定の波長の光を吸収する光吸収部と、
前記光吸収部に前記光を強度変調した強度変調光を照射する光源と
から構成されていることを特徴とするセンサ。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載のセンサにおいて、
前記基板，前記支持部，および前記梁部は、単結晶の炭化シリコンから構成されている
ことを特徴とするセンサ。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載のセンサにおいて、
前記支持部，前記梁部が配置される測定環境を分離する分離構造と、
前記分離構造に設けられた炭化シリコンから構成された光学窓と
を備え、
前記測定手段は、前記光学窓を介して前記梁部の変位を光学的に測定する
ことを特徴とするセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化シリコンより構成した微小な梁構造を用いたセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
高温、高圧、腐食性環境などの厳環境で動作可能な微小な梁構造などによるＭＥＭＳセンサデバイスの要望が高まっている。ワイドギャップ半導体の炭化シリコン（ＳｉＣ）は、６００℃の高温でも半導体ｐｎ接合の特性を維持し、高温でシリコン（Ｓｉ）よりも圧倒的に大きな降伏強度をもち、また、非常に高い耐食性を有しており、厳環境に対応するＭＥＭＳ材料として注目されている。
【０００３】
ＳｉＣより構成したＭＥＭＳとしては、Ｓｉ基板上に堆積した３Ｃ−ＳｉＣや多結晶ＳｉＣを用いたＭＥＭＳデバイスの研究が主流である。Ｓｉ基板上に堆積した３Ｃ−ＳｉＣ層、あるいはＳｉ基板上にＳｉＯ2層やＳｉＮx層を介して堆積したｐｏｌｙ−ＳｉＣ層は、加工、特にｐｏｌｙ−ＳｉＣ層の分離が容易という利点がある。しかしながら、Ｓｉ基板上に成膜した３Ｃ−ＳｉＣ層は、多数の積層欠陥を有するという問題や、ｐｏｌｙ−ＳｉＣ層は、結晶粒界を有するという問題があり、単結晶ＳｉＣの物性よりも劣ってしまう。また、基板であるＳｉや、ＳｉＯ2層，ＳｉＮx層が制約となり、動作環境が制限されるという問題もある。
【０００４】
発明者らは長年にわたって単結晶ＳｉＣのみでＭＥＭＳデバイスを作製することに取り組み、単結晶ＳｉＣによるカンチレバーの作製に成功した（非特許文献１参照）。この単結晶ＳｉＣカンチレバーをピエゾ素子上にマウントして励振することで、２００，０００を超える極めて高いＱ値を持つことが確認された。このＱ値は、従来のＳｉ基板上に形成した３Ｃ−ＳｉＣからなるカンチレバーの１０倍もの値である。これは、カンチレバー部を支持部、基板も含めてすべて単結晶ＳｉＣで形成している効果である。
【０００５】
また、発明者らは、上述した単結晶ＳｉＣカンチレバーの励振に成功している（非特許文献２参照）。基板，支持部，カンチレバーをｎｐｎ構造とし、ｎ型とした基板およびｎ型としたカンチレバーとの間の電気的絶縁を実現し、基板とカンチレバーとの間に交流電圧を印加することで励振を実現した。この電気的な励振においても、単結晶ＳｉＣカンチレバーのＱ値は２００，０００を超えることが確認されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】K. Adachi, N. Watanabe, H. Okamoto, H. Yamaguchi, T. Kimoto, J. Suda, "Single-crystalline 4H-SiC micro cantilevers with a high quality factor", Sensors and Actuators A: Physical, vpl.197, pp.122-125, 2013.
【非特許文献２】K. Sato, K. Adachi, H. Okamoto, H. Yamaguchi, Y. Kimoto, J. Suda, "Fabrication of electrostatically actuated 4H-SiC microcantilever resonators by using n/p/n epitaxial structures and doping-selective electrochemical etching", Material Science Forum, pp.780-783, 780, 2014.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上述した単結晶ＳｉＣカンチレバーによりＭＥＭＳセンサデバイスの基礎を築いたものの、ＳｉＣのプロセス技術はＳｉのプロセス技術と比べると未成熟であり、ＳｉＣによるＭＥＭＳの制御用の高温動作ＳｉＣ集積回路の技術も未確立である。このように、ＳｉＣを用いたＭＥＭＳセンサ集積デバイスを構築するには、さまざまな課題の解決が必要である。特に、上述したデバイスでは、金属から構成した電極を用いているため、過酷な環境では、電極が動作可能環境を制限することになる。この構成では、ＳｉＣが耐えうる極限環境であっても、ＳｉＣから構成した梁構造によるセンサを動作させることができないという問題がある。
【０００８】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、ＳｉＣが耐えうる極限環境でＳｉＣから構成した梁構造によるセンサが動作できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係るセンサは、炭化シリコンから構成された基板と、炭化シリコンから構成されて基板の上に形成された支持部と、炭化シリコンから構成されて一部が支持部で支持されて基板の上に離間して配置された梁部と、梁部の変位を光学的に測定する測定手段と、梁部を励振する励振手段とを備える。
【００１０】
上記センサにおいて、測定手段は、例えば、梁部に照射した光の反射光のラマン散乱を分光するラマン分光法により梁部の変位を測定する。また、測定手段は、例えば、梁部に照射した光の反射率の波長依存性を測定する反射変調分光法により梁部の変位を測定する。また、測定手段は、例えば、梁部に照射した光の反射光の状態をドップラー干渉測定法により測定することで梁部の変位を測定する。
【００１１】
上記センサにおいて、励振手段は、例えば、ピエゾ素子から構成されている。また、励振手段は、例えば、所定の波長の光を吸収する光吸収部と、光吸収部に上記光を強度変調した強度変調光を照射する光源とから構成されている。
【００１２】
上記センサにおいて、基板，支持部，および梁部は、単結晶の炭化シリコンから構成されていればよい。
【００１３】
上記センサにおいて、支持部，梁部が配置される測定環境を分離する分離構造と、分離構造に設けられた炭化シリコンから構成された光学窓とを備え、測定手段は、光学窓を介して梁部の変位を光学的に測定するようにしても良い。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように、本発明によれば、基板，支持部，および梁部を炭化シリコン（ＳｉＣ）から構成し、梁部の変位を光学的に測定するので、ＳｉＣが耐えうる極限環境でＳｉＣから構成した梁構造によるセンサが動作できるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本発明の実施の形態におけるセンサの構成を示す構成図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態におけるセンサを構成する支持部１０２，梁部１０３の形成を説明するための説明図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態におけるセンサの構成を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態におけるセンサの構成を示す構成図である。このセンサは、基板１０１，支持部１０２，梁部１０３，測定部１０４，励振部１０５を備える。
【００１７】
基板１０１，支持部１０２，梁部１０３は、炭化シリコン（ＳｉＣ）から構成されている。基板１０１，支持部１０２，梁部１０３は、単結晶のＳｉＣから構成されている。支持部１０２は、基板１０１の上に形成され、支持部１０２に梁部１０３が支持されている。梁部１０３は、一部が支持部１０２で支持されて基板１０１の上に離間して配置されている。
【００１８】
ここで、支持部１０２および梁部１０３の形成について簡単に説明する。まず、図２の（ａ）に示すように、ｐ型の単結晶ＳｉＣからなる基板１０１を用意する。例えば、基板１０１は、主表面を（０００１）面から２〜８°程度オフさせたオフ基板とすればよい。次に、基板１０１の表面に、ｎ型の単結晶のＳｉＣをエピタキシャル成長させてＳｉＣ層１３１を形成する。ＳｉＣ層１３１は、例えば、層厚１μｍ程度とすればよい。
【００１９】
次に、図２の（ｂ）に示すように、ＳｉＣ層１３１を貫通する開口領域１３２を形成する。例えば、よく知られたフォトリソグラフィー技術とエッチング技術とにより形成したＮｉマスクを用い、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によりＳｉＣ層１３１を選択的にエッチングすることで、開口領域１３２を形成すればよい。なお、開口領域１３２の形成に用いたＮｉマスクは、除去しておく。
【００２０】
次に、電気化学エッチングにより、開口領域１３２を介して基板１０１を選択的にエッチングすることで、図２の（ｃ）に示すように、支持部１０２，梁部１０３を形成する。電気化学エッチングを用いることで、ｐ型の基板１０１を、ｎ型のＳｉＣ層１３１に対して選択的にエッチングすることができる。
【００２１】
次に、測定部１０４について説明する。測定部１０４は、梁部１０３の変位を光学的に測定する。例えば、顕微分光装置を用い、微細な梁部１０３にビーム光源を照射することで光学測定を実施する。例えば、測定部１０４は、梁部１０３に照射した光の反射光のラマン散乱を分光するラマン分光法により梁部１０３の変位を測定するラマン分光測定装置から構成することができる。ビーム光源を梁部１０３の根元部に照射し、梁部１０３の歪み（変位）によるフォノン周波数の変化などラマン散乱を分光測定すれば良い。
【００２２】
また、測定部１０４は、梁部１０３に照射した光の反射率の波長依存性を測定する反射変調分光法により梁部１０３の変位を測定する反射変調分光測定装置から構成することができる。この場合においても、ビーム光源を梁部１０３の根元部に照射し、梁部１０３の変位による反射率の波長変化を分光測定すれば良い。
【００２３】
また、測定部１０４は、梁部１０３に照射した光の反射光の状態をドップラー干渉測定法により測定することで梁部１０３の変位を測定する干渉測定装置から構成することができる。例えば、ビーム光源の焦点を梁部１０３の先端部に合わせて照射し、梁部１０３の変位により発生する干渉あるいはドップラー干渉を測定すれば良い。
【００２４】
電気的な振動検出に比べると顕微分光は大がかりな装置になるが、例えば、ＳｉＣによる梁部が数百個集積化されたようなデバイスの場合、１台の顕微分光装置で、ビーム光源をスキャンして各梁部に光照射を行うことで数百本を測定できるので、有利である。また、ＳｉＣは光学的に透明であるので、ＳｉＯ2が利用できないＨＦ水溶液中のセンシングなどの場合は、光の光路に用いる窓の材料にＳｉＣを用いることができる。また、レンズを用いた集光光学系を用いることで、光路途中の窓部ではなく、梁部１０３の所望とする箇所に光を集光させて照射し、上述した光学的な測定をすることができる。また、集光光学系のレンズをＳｉＣから構成すれば、これらを測定対象の厳環境に配置することができる。
【００２５】
次に、励振部１０５について説明する。励振部１０５は、梁部１０３を励振する。励振部１０５は、例えば、ピエゾ素子から構成されている。例えば、腐食性物質である測定対象が基板１０１の梁部１０３が形成されている一方の側に配置されている場合、基板１０１の他方の側にピエゾ素子からなる励振部１０５を配置し、梁部１０３を励振する。複数の梁部１０３（支持部１０２）を集積している構成において、各々の梁部１０３を個別に励振する必要がある場合、各々共振周波数が異なる梁部１０３を設けるようにすれば良い。この場合、全体を励振しても共振周波数が一致する特定の梁部１０３のみを励振することができる。単結晶ＳｉＣから構成した梁部１０３は、極めて高いＱ値を持つので、近接した周波数に設定しても個別励振することが可能であるという特徴がある。
【００２６】
また、励振部１０５は、所定の波長の光を吸収する光吸収部と、この光吸収部に光を強度変調した強度変調光を照射する光源とから構成することもできる。測定環境が高温環境にありピエゾ励振ができない場合は、耐熱性を有して所定の波長の光を吸収する大きな熱膨張係数を持つ物質から構成した光吸収部を、一方の面に梁部１０３が形成されている基板１０１の他方の面に形成し、この光吸収部に強度変調したレーザーパルスを照射することで励振すれば良い。
【００２７】
例えば、図３に示すように、測定対象のＨＦガスが輸送されるＳｉＣから構成した配管２０１の内側の一部壁面に支持部１０２および梁部１０３を形成することで、圧力センサとすることができる。このようなガスや液体が測定対象の場合、測定対象のガスや液体が存在する測定環境を分離する（閉じ込める）ことになるが、配管２０１は、支持部１０２および梁部１０３が配置される測定環境を分離する分離構造である。この場合、配管２０１が支持部１０２および梁部１０３を形成する基板となる。また、配管２０１の外側から、梁部１０３の変位を光学的に測定する測定部１０４を配置する。この場合、ＳｉＣから構成した配管２０１が、分離構造であり、かつ光学窓を兼ねるものとなる。なお、配管２０１の全体をＳｉＣから構成せずに、ＳｉＣからなる光学窓を一部に設けるようにしてもよい。
【００２８】
また、支持部１０２および梁部１０３を配置した箇所の配管２０１外側に、耐熱性を有して所定の波長の光を吸収する大きな熱膨張係数を持つ物質から構成した光吸収部２０２を配置する。また、光吸収部２０２に対し、光吸収部２０２が吸収する波長の光を強度変調して照射する光源２０３を用意する。光吸収部２０２と光源２０３とにより励振部１０５が構成される。
【００２９】
上述した構成とした圧力センサにおいて、まず、光源２０３より梁部１０３の共振周波数で断続する光（レーザー光）を光吸収部２０２に照射する。光吸収部２０２が、レーザー光を吸収することで膨張収縮し、これによる振動で梁部１０３が励振される。励振されている梁部１０３は、配管２０１内のＨＦガス圧に応じて減衰（Air damping）を受けるので圧力増大と共にＱ値が減少し、励振強度が一定であれば振幅が減少する。このように圧力で変化する梁部１０３の振動（振幅）変化の状態を、測定部１０４により、ラマンピークの周期的シフトの振れ幅あるいはピエゾリフレクタンスシグナルで測定することができる。ＨＦに接触する配管２０１，支持部１０２，梁部１０３は、ＳｉＣから構成しているので、ＨＦに対して耐食性があり、上述した圧力の測定が実施できる。
【００３０】
以上に説明したように、本発明によるセンサは、測定対象に接して配置されている梁部を励振手段で励振し、測定対象により受けた作用による梁部の振動状態の変化を測定部で測定することで、測定対象の状態を検出する。本発明によれば、基板，支持部，梁部をＳｉＣから構成し、梁部の変位を光学的に測定するようにしたので、ＳｉＣが耐えうる極限環境でＳｉＣから構成した梁構造によるセンサが動作できるようになる。
【００３１】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、梁部を片持ち梁構造（カンチレバー）としたが、これに限るものではなく、両持ちの梁（ブリッジ）構造でもよく、また、メンブレン構造であってもよい。
【符号の説明】
【００３２】
１０１…基板、１０２…支持部、１０３…梁部、１０４…測定部、１０５…励振部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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