ナノシートトランスデューサ
【課題】トランスデューサーの製造コストを低減する。
【解決手段】ナノシートトランスデューサ（１）は、溝（１００ａ）と前記溝によって互いに隔てられた電極支持部（１０１）と厚さ１μｍ未満のシート状の可撓電極（１０４）とが形成されたシリコンからなる基板（１００）と、前記電極支持部上に形成された導電膜からなる固定電極（１０３）と、前記固定電極と前記電極支持部との間に形成された絶縁層（１０２）と、を備え、前記可撓電極は前記基板の主面に対して垂直である。
【解決手段】ナノシートトランスデューサ（１）は、溝（１００ａ）と前記溝によって互いに隔てられた電極支持部（１０１）と厚さ１μｍ未満のシート状の可撓電極（１０４）とが形成されたシリコンからなる基板（１００）と、前記電極支持部上に形成された導電膜からなる固定電極（１０３）と、前記固定電極と前記電極支持部との間に形成された絶縁層（１０２）と、を備え、前記可撓電極は前記基板の主面に対して垂直である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコンからなる極めて薄いシート状弾性体を用いたトランスデューサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いた微小なトランスデューサが知られている。特許文献１にはカーボンナノチューブを林立させ、加わる力に応じて変化するカーボンナノチューブ群の電気抵抗を検出することによって加速度、質量、角加速度、圧力等を検出する技術が開示されている。特許文献２には弾性薄膜によって基端が支持された微小な柱状剛体に加わる力を弾性薄膜に設けたピエゾ抵抗素子によって検出する技術が開示されている。特許文献３、４にはシリコン基板上に支持されたダイヤフラムに設けた可撓電極と可撓電極に対向する固定電極とを備える静電容量型の音響トランスデューサが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１１９０２１号公報
【特許文献２】特開平１０−２０６２０２号公報
【特許文献３】特開昭６２−１２０２００号公報
【特許文献４】特開２００５−３２３１９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載されているようにカーボンナノチューブ同士が接触することによって生ずる電気抵抗の変化を利用して物理量を検出する場合、検出しようとする物理量とカーボンナノチューブ同士の接触の形態とが一対一に対応していることが必要となる。しかし、林立しているカーボンナノチューブ同士の接触形態は再現性が低いため、特許文献１に記載されている技術によって正確に物理量を検出することは困難であるという問題がある。
【０００５】
特許文献２に記載されているように微小な柱状剛体が受ける力に応じた弾性薄膜の変形を検出する場合、変形しやすく破損しにくい薄膜を設計することが要求される。しかし、薄膜を変形しやすく破損しにくくしようとすれば、薄膜の面積を広げる必要があるため、小型化して製造コストを低減することが困難になるという問題がある。
【０００６】
特許文献３、４に記載されている音響トランスデューサーでは可撓電極が設けられるダイヤフラムの面積に応じて感度と音圧が決まることになる。したがって、感度または音圧を増大させようとすれば、大型化するとともに製造コストが増大するという問題がある。
【０００７】
本発明はこれらの問題に鑑みて創作されたものであって、トランスデューサーの製造コストを低減することを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）上記目的を達成するためのナノシートトランスデューサは、溝と前記溝によって互いに隔てられた電極支持部と厚さ１μｍ未満のシート状の可撓電極とが形成されたシリコンからなる基板と、前記電極支持部上に形成された導電膜からなる固定電極と、前記固定電極と前記電極支持部との間に形成された絶縁層と、を備え、前記可撓電極は前記基板の主面に対して垂直である。
基板の主面に対して垂直なシート状の可撓電極は、基板に溝を深く形成することによって溝の底から立ち上がる可撓電極の高さを高く面積を広くできる。このため本発明によると、同一サイズのシリコンウエハから製造できるトランスデューサーの数を変えずに出力や感度を高めることができる。また可撓電極は厚さが１μｍ未満と極めて薄いため、"たわみ量／力"で表される係数が大きく、曲げ強度が高い。すなわち本発明によると、出力や感度が高く、強度も高く、かつ安価なトランスデューサーを実現することができる。
【０００９】
（２）上記目的を達成するためのナノシートトランスデューサにおいて、前記可撓電極は複数の短冊領域に分断されていてもよい。
可撓電極を複数の短冊領域に分断することによって、極めて薄い可撓電極が波打つような不安定な挙動を抑制することができる。
【００１０】
（３）上記目的を達成するためのナノシートトランスデューサにおいて、前記基板には、前記溝の底に開口する通孔を形成してもよい。
可撓電極を振動させることによって音波を電気信号に変換したり、電気信号を音波に変換したり、送風する実施形態では、電極支持部と可撓電極を隔てる溝の内部の圧力変動が可撓電極の動きを妨げる。したがって、溝に開口する通孔を形成して溝の内部の圧力変動を抑制することによって、ナノシートトランスデューサーの出力や感度を高めることができる。
【００１１】
（４）上記目的を達成するためのナノシートトランスデューサにおいて、前記固定電極は、前記可撓電極の両側にそれぞれ形成され、前記可撓電極の一方側に形成された前記固定電極と前記可撓電極の他方側に形成された前記固定電極とに逆相の駆動信号が印加されてもよい。
可撓電極の両側に位置する２つの固定電極に逆相の駆動信号を印加することによって、２つの静電容量のそれぞれに生ずる静電引力の合力を用いて可撓電極を駆動することができる。すなわち音などの波動や風を出力する実施形態においてこの構成を採用することにより、出力を高めることができる。
【００１２】
（５）上記目的を達成するためのナノシートトランスデューサにおいて、前記固定電極は、前記可撓電極の両側にそれぞれ形成され、前記可撓電極の撓み量に応じた信号が前記固定電極または前記可撓電極から取り出されてもよい。
この構成を採用する場合、可撓電極のたわみ量に応じて可撓電極と２つの固定電極とで形成される２つの静電容量がそれぞれ逆方向に変化する。したがって可撓電極のたわみ量に応じた信号を固定電極または可撓電極から取り出すことによって可撓電極を撓ませる物理量（圧力、加速度、傾斜角など）を感度良く検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１Ａは本発明の第一実施形態にかかる断面図であって図１Ｂに示す１Ａ−１Ａ線の断面図である。図１Ｂは本発明の第一実施形態にかかる平面図である。図１Ｃは本発明の第一実施形態にかかる模式図である。
【図２】本発明の第一実施形態にかかる断面図である。
【図３】本発明の第一実施形態にかかる断面図である。
【図４】本発明の第一実施形態にかかる断面図である。
【図５】本発明の第一実施形態にかかる断面図である。
【図６】本発明の実施形態にかかるグラフ。
【図７】本発明の第一実施形態にかかる断面図である。
【図８】本発明の第一実施形態にかかる断面図である。
【図９】本発明の第一実施形態にかかる断面図である。
【図１０】本発明の第一実施形態にかかる断面図である。
【図１１】図１１Ａは本発明の第一実施形態にかかる平面図である。図１１Ｂおよび図１１Ｃは本発明の第一実施形態にかかる側面図である。
【図１２】本発明の第一実施形態にかかる断面図である。
【図１３】本発明の第一実施形態にかかる断面図である。
【図１４】本発明の第一実施形態にかかる断面図である。
【図１５】本発明の第一実施形態にかかる断面図である。
【図１６】本発明の第一実施形態にかかる断面図である。
【図１７】本発明の第一実施形態にかかる断面図である。
【図１８】本発明の第二実施形態にかかる断面図である。
【図１９】本発明の第二実施形態にかかる断面図である。
【図２０】本発明の第二実施形態にかかる断面図である。
【図２１】本発明の第二実施形態にかかる断面図である。
【図２２】本発明の第二実施形態にかかる断面図である。
【図２３】本発明の第二実施形態にかかる平面図である。
【図２４】本発明の第二実施形態にかかる平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら以下の順に説明する。尚、各図において対応する構成要素には同一の符号が付され、重複する説明は省略される。
【００１５】
１．第一実施形態
本発明によるナノシートトランスデューサの第一実施形態を図１に基づいて説明する。ナノシートトランスデューサ１は、シリコン基板から製造されるＭＥＭＳである。シリコンからなる基板１００には直線的に伸びる溝１００ａが形成される。溝１００ａによって互いに隔てられた電極支持部１０１と可撓電極１０４とが基部１００ｃから突出している。基板１００は、導入されている不純物によって全体が導体として機能する。
【００１６】
電極支持部１０１は実質的に剛体として振る舞うほぼ直柱体の部分である。電極支持部１０１が基部１００ｃから突出する高さは可撓電極１０４が基部１００ｃから突出する高さｈと等しい。電極支持部１０１の上には金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）等の金属膜（導電膜）からなる固定電極１０３が形成されている。固定電極１０３は溝１００ａに近接している辺が可撓電極１０４と平行である。
【００１７】
電極支持部１０１の頂面には基板１００と固定電極１０３とを絶縁するための絶縁層１０２が形成されている。絶縁層１０２はシリコン酸化膜からなる。
【００１８】
可撓電極１０４は厚さｔが１μｍ未満のシート状に形成されている。電極支持部１０１から溝１００ａによって隔てられた可撓電極１０４は、電極支持部１０１の上に形成されている固定電極１０３の一辺に平行で基板１００の主面１００ｆに垂直である。可撓電極１０４が基部１００ｃから突出する高さｈは溝１００ａの深さと等しい。厚さｔとともに可撓電極１０４の機械的特性を支配する可撓電極１０４の高さｈは、任意に設定することができ、例えば厚さｔを５０ｎｍに設定する場合、高さｈを１０〜５０μｍに設定可能である。可撓電極１０４の幅Ｌも高さｈと同様に任意に設定可能である。可撓電極１０４の幅Ｌの長さは可撓電極１０４と固定電極１０３によって形成される静電容量と比例する。可撓電極１０４と外部回路との導通は基板１００のどこかに接続領域を設け、ワイヤボンディング等によって基板１００と外部回路とを導通させればよい。
【００１９】
溝１００ａは、例えば幅ｗを１〜１００μｍに設定し、長さＬを１０〜１００００μｍに設定する。溝１００ａの幅ｗは、固定電極１０３と可撓電極１０４との距離ｄを支配する。したがって、溝１００ａの幅ｗの固定電極１０３と可撓電極１０４とで形成される静電容量にほぼ反比例する。既に述べたとおり溝１００ａの深さは可撓電極１０４の高さｈと等しくなる。
【００２０】
次にナノシートトランスデューサ１の機能について説明する。
ナノシートトランスデューサ１においては、固定電極１０３と可撓電極１０４とによって静電容量を形成できる。したがって可撓電極１０４のたわみ量に応じて変化する静電容量を検出することによって圧力や加速度や傾斜角といった物理量を検出するセンサとしてナノシートトランスデューサ１を利用することができる。センサとして利用する場合、図１Ｃに示すように固定電極１０３と可撓電極１０４とにバイアス電圧を印加し、固定電極１０３と可撓電極１０４との距離ｄの変化に伴う静電容量の変化を検出すればよい。そして可撓電極１０４の厚さｔは１μｍ未満と極めて薄いため、"たわみ量／力"で表される係数が大きく、電荷が可撓電極１０４の先端部に集中しやすい。したがってナノシートトランスデューサ１は感度の高いセンサになる。
【００２１】
また固定電極１０３と可撓電極１０４とに電圧を印加すると、固定電極１０３と可撓電極１０４との間に静電引力が発生する。したがって固定電極１０３と可撓電極１０４とに電圧を印加することによって可撓電極１０４を撓ませることができ、電圧の大きさを変えることによって可撓電極１０４のたわみ量を制御することができる。また、固定電極１０３と可撓電極１０４とに交流の駆動電圧を印加することによって可撓電極１０４を振動させることができる。そして可撓電極１０４の厚さｔは１μｍ未満と極めて薄いため、電荷が可撓電極１０４の先端部に集中しやすい。したがって効率よく可撓電極１０４を駆動することが可能である。
【００２２】
また可撓電極１０４の基端部は徐々に厚さが増す。したがって可撓電極１０４の撓みによって発生する応力は可撓電極１０４の基端部の局所領域に集中しにくい。そしてシリコンは細くなればなるほど曲げ強度が顕著に高まることが知られ、可撓電極１０４の曲げ強度は薄ければ薄いほど高まる。すなわち可撓電極１０４は大きな撓みにも耐えられるため、衝撃に強くダイナミックレンジが広いナノシートトランスデューサ１を実現することができる。
【００２３】
次にナノシートトランスデューサ１の製造方法を図２から図８を参照しながら説明する。
はじめに不純物が導入された単結晶シリコンからなる基板１００を準備する。基板１００の結晶方位は任意である。基板１００の不純物濃度は基板１００が導体として機能する程度に高く設定し、例えばリン（Ｐ）が１０１６ｃｍ-3の濃度で導入されている基板１００を準備する。
【００２４】
次に図２に示すように、基板１００の一方の主面に絶縁層１０２としてシリコン酸化膜を形成する。具体的には例えば熱酸化法、ＣＶＤ法によって厚さ１μｍのシリコン酸化膜を絶縁層１０２として形成する。
【００２５】
次に図３に示すように、絶縁層１０２の表面上に所定形状の金属膜１０３ａ、１０３ｂを形成する。具体的には、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）などの耐食性の高い金属をスパッタリング法等で絶縁層１０２の表面全体に成膜し、フォトレジストを用いてエッチングすることによって所定パターンの金属膜１０３ａ、１０３ｂを形成する。リフトオフプロセスによって所定パターンの金属膜１０３ａ、１０３ｂを形成しても良い。
【００２６】
次に図４に示すように、金属膜１０３ａ、１０３ｂを保護膜として用いて、金属膜１０３ａ、１０３ｂの開口直下の基板１００および絶縁層１０２の領域を垂直方向にエッチングする。その結果、金属膜１０３ａ、１０３ｂのパターンと同一パターンの横断面を有する直柱体１０１ａ、１０４ａと溝１００ａ、１００ｂが形成される。このとき絶縁層１０２はフッ酸または希フッ酸によって基板１００が露出するまでエッチングし、基板１００のエッチングにはエッチングによって形成される側壁と基板１００の主面１００ｆが垂直になるＤｅｅｐ−ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法を用いる。Ｄｅｅｐ−ＲＩＥとしては、例えば、Ｃ４Ｆ８プラズマによる保護ステップと、ＳＦ６プラズマによるエッチングステップを短く交互に繰り返すボッシュプロセスを用いる。本工程で形成される溝１００ａの幅Ｗは、完成状態における溝１００ａの目標幅ｗよりも小さく設定しておく。後続工程における熱酸化と酸化膜の除去とによって溝１００ａは目標幅ｗまで拡幅するからである。
【００２７】
次に、基板１００を９００℃〜１２００℃程度の雰囲気において熱酸化する。加湿酸化、水蒸気酸化、パイロジェニック酸化等のウェット酸化法がドライ酸化法よりも酸化レートが速いため好ましい。熱酸化の結果、図４に示す酸化前の直柱体１０１ａ、１０４ａの表面から内部への酸素の拡散によって形成される内方拡散領域１０５ａと、酸化前の直柱体１０１ａ、１０４ａの表面より外側に成長する酸化シリコンによって形成される膨張領域１０５ｂとからなる酸化膜１０５が図５に示すように形成される。内方拡散領域１０５ａの深さｄ１と膨張領域１０５ｂの深さｄ２の比は４：６〜６：４程度となり、２つの領域の深さはほぼ等しくなる。
【００２８】
図４に示すようにＤｅｅｐ−ＲＩＥによって形成された直柱体１０４ａの側面と溝１００ａ、１００ｂの底面とが垂直に交わる交線近傍では、その交線から等距離に位置する点の集合が酸化膜１０５と非酸化領域１０４ｂとの界面１０５ｃを構成する。したがって、直柱体１０４ａの基端部では、酸化膜１０５と非酸化領域１０４ｂとの界面１０５ｃがフレア面になる。このフレア面の曲率半径は内方拡散領域１０５ａの厚さと等しくなるため、熱酸化の処理時間によって決めることができる。
【００２９】
熱酸化の処理時間は、直柱体１０４ａの内部に酸化されずに残る非酸化領域１０４ｂの厚さｔが可撓電極１０４の目標厚さと等しくなるように設定する。図６に示すように、シリコンの酸化膜厚は熱酸化の処理時間の平方根に比例する。すなわち、熱酸化の処理時間が長くなるほど酸化膜厚の制御性が向上する。また熱酸化の酸化レートはばらつきが小さいため、処理時間に応じた酸化膜厚を精度良く見積もることができる。したがってＤｅｅｐ−ＲＩＥによって形成する直柱体１０４ａを可撓電極１０４の目標厚さよりも十分厚く形成しておき、酸化膜を十分厚く形成した後に酸化膜を除去すれば、厚さが１μｍ未満の極めて薄い可撓電極１０４を高い寸法精度で形成することができる。つまり、可撓電極１０４の目標厚さすなわち非酸化領域１０４ｂの厚さｔよりも酸化膜を十分厚く形成するとよい。ただし、酸化せずに残す非酸化領域１０４ｂの厚さを１μｍ未満にするならば、熱酸化の処理時間が不必要なまでに長くならないように、酸化前の直柱体１０４ａの厚さＴは５μｍ未満にしておくことが望ましい。一方、酸化炉の温度が安定するまでは酸化膜厚の制御性が低いため、熱酸化の処理時間を少なくとも１時間以上に設定できるように直柱体１０４ａの厚さＴを可撓電極の目標厚さｔよりも十分厚く形成しておく必要がある。
【００３０】
また熱酸化の処理時間を十分長く設定すると、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥによって形成されたスキャロップの凹凸を平滑にならして可撓電極１０４の側面を滑らかに形成することもできる。さらに酸化温度を低く設定すると（例えば９００℃以下）、酸化膜の粘度が高くなり圧縮応力が上がるため、細い部分ほど酸化レートが落ち、その結果、酸化前の直柱体１０４ａの側面の傾斜を垂直方向に補正することも可能である。
【００３１】
次に、電極支持部１０１となる非酸化領域１０１ｂ上の絶縁層１０２が残存するように酸化膜１０５を図７に示すように除去する。酸化シリコンからなる酸化膜１０５はフッ酸（ＨＦ）または希フッ酸（ＢＨＦ）によって除去すればよい。例えば希フッ酸で酸化膜１０５を大部分除去した後に、残った薄い酸化膜１０５を蒸気フッ酸によって完全に除去するとよい。酸化膜１０５を完全に除去すると、非酸化領域１０４ｂ（図５参照）が可撓電極１０４として露出し、非酸化領域１０１ｂ（図５参照）が電極支持部１０１として露出する。なお、可撓電極１０４と金属膜１０３ｂとを結合していた絶縁層１０２の領域は、可撓電極１０４の厚さが薄いため、酸化膜１０５とともに除去することができる。その結果、金属膜１０３ｂは基板１００から剥離する。可撓電極１０４が基部１００ｃから突出する高さｈはＤｅｅｐ−ＲＩＥの深さと内方拡散領域１０５ａの深さによって決まり、任意に設定することが可能である。すなわち可撓電極１０４の厚さｔに対する高さｈの比は、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥによって非常に大きく（１００以上）設定することができる。
【００３２】
次に図８に示すように基板１００をダイシングによって分断する。基板１００のダイシングは溝１００ｂにおいて基部１００ｃが分断されるように実施する。ダイシングには例えばステルスダイサーが用いられる。さらにパッケージング等の後工程を実施すると、図１に示すナノシートトランスデューサ１が完成する。
【００３３】
既に述べたとおり、可撓電極１０４の幅Ｌと高さｈとによってナノシートトランスデューサ１の感度や出力が決まる。すなわち、可撓電極１０４の面積が広くなるほど、ナノシートトランスデューサ１の感度や出力が向上する。上述した製造方法によると、可撓電極１０４をシリコンウエハの主面に対して垂直に形成できるため、可撓電極をシリコンウエハの主面に対して平行に形成する場合に比べて、感度や出力が同等のトランスデューサを１枚のシリコンウエハから多く製造することができる。また可撓電極１０４は、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥによって原形が形成されるため、高さｈと横断面形状を独立して自由に設計することができる。
【００３４】
また可撓電極１０４の基端部側面は基部１００ｃに向かって広がるフレア面になるため、基部１００ｃの表面と可撓電極１０４の基端部側面とがフレア面を介して段差無くなだらかに連続する。したがって、既に述べたとおり破損しにくい可撓電極１０４を形成できる。可撓電極１０４の基端部側面の縦断面における曲率半径は、前述したとおり熱酸化の処理時間によって決まり、熱酸化の処理時間を長くするほど大きくなる。したがって、熱酸化の処理時間を長くするほど可撓電極１０４は破損しにくくなる。
【００３５】
また、可撓電極１０４の厚さは、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥによって形成する直柱体１０４ａの厚さと熱酸化の処理時間とによって決まるところ、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥによって１０μｍ以上の深さの溝１００ａを形成するとしても直柱体１０４ａの厚さを１μｍ程度にまで狭めることが可能であり、酸化膜は数μｍ程度の厚さに形成することが可能である。そして酸化膜の厚さは数ｎｍの公差で制御することができる。また、シリコンは細くなればなるほど曲げ強度が顕著に高まることが知られ、可撓電極１０４の曲げ強度は薄ければ薄いほど高まる。したがって、上述した方法によって製造すると、基部１００ｃから突出する高さｈが１０μｍ以上、厚さが１μｍ未満、アスペクト比（ｈ／ｗ）１００以上の破損しにくい可撓電極１０４を歩留まり良く形成することが可能である。
【００３６】
なお、酸化膜を除去した後に可撓電極１０４の先端部のみ異方性ウェットエッチングを実施すると、可撓電極１０４を先鋭化することができる。このようにして可撓電極１０４を先鋭化すると、先端の曲率半径を１０ｎｍ以下に形成することも可能である。
【００３７】
次にナノシートトランスデューサ１の利用方法について説明する。
図９および図１０に示すように流路を形成する管２０にナノシートトランスデューサ１を設置すると、管２０を流通する流体の圧力や流速をナノシートトランスデューサ１によって計測することができる。この場合、前述したように可撓電極１０４および固定電極１０３にバイアス電圧を印加して静電容量を形成しておき、圧力や流速に伴って可撓電極１０４が撓むことによる静電容量の変化を電気信号として取り出すと、流体の圧力や流速を計測することができる。
【００３８】
ごく薄い可撓電極１０４が流体に接している場合、脈動などによって可撓電極１０４が波打つ恐れがある。波打つような不安定な挙動を可撓電極１０４が起こすと圧力を正確に検出できなくなる。そこで、図１１に示すように基板１００の主面に対して垂直なスリット１０４ｓを可撓電極１０４に形成して可撓電極１０４を分断してもよい。具体的には例えば図１１Ｂに示すように基端部を残してスリット１０４ｓによって可撓電極１０４の上部だけを分断しても良いし、図１１Ｃに示すようにスリット１０４ｓによって完全に分断されてそれぞれが独立して撓む複数の可撓電極１０４ｆ、１０４ｂ、１０４ｃを形成しても良い。スリット１０４ｓを形成することによって、可撓電極１０４の圧力を受ける領域それぞれの幅（Ｌ方向の長さ）が小さくなり、又、スリット１０４ｓが流体の抜け道になることによって、なめらかに撓むことが可能になる。
【００３９】
また図１２に示すように、音を取り込むための通孔３０ａが形成されたケース３０にナノシートトランスデューサ１を収容すると、ナノシートトランスデューサ１によって音を電気信号に変換することができる。可撓電極１０４および固定電極１０３にバイアス電圧を印加すると静電引力によって可撓電極１０４と固定電極１０３の隙間の距離ｄが短くなるため、可撓電極１０４と固定電極１０３の隙間の音響抵抗が増大する。これにより、溝１００ａへの音波の回り込みが抑制されるため、感度が増大する。
【００４０】
またナノシートトランスデューサを音波を出力したり送風するアクチュエータとして用いる場合には、出力を高めるために両側から可撓電極１０４を駆動しても良い。図１３に示すナノシートトランスデューサ２は、可撓電極１０４の両側に電極支持部１０１ｃ、１０１ｄと固定電極１０３ｃ、１０３ｄとが設けられている。固定電極１０３ｃ、１０３ｄに逆相の駆動信号を印加すると、固定電極１０３ｃと固定電極１０３ｄとで交互に可撓電極１０４を引きつけることができる。これによりナノシートトランスデューサ２によって音波を出力したり送風する場合には、音圧や風量を増大することができる。
【００４１】
ところで可撓電極を振動させることによって音波を出力したり送風する場合には、可撓電極と電極支持部の間の溝の圧力が可撓電極を撓ませる力の反作用となる。例えば図１３に示す可撓電極１０４が溝１００ａを押しつぶす方向に撓むと、溝１００ａの圧力が高まるとともに溝１００ｂの圧力が低くなる。したがって溝１００ａ、１００ｂの圧力変動は可撓電極１０４を撓ませる際の反作用となり、可撓電極１０４の駆動効率を下げる要因になる。そこで、図１４に示すように溝１００ａ、１００ｂの底に開口する通孔１００ｄ、１００ｅを基部１００ｃに形成しても良い。ナノシートトランスデューサ３のように通孔１００ｄ、１００ｅを基部１００ｃに形成する場合、通孔１００ｄ、１００ｅを介して溝１００ａ、１００ｂと通ずる空洞を基部１００ｃに設けるとよい。なお、このような通孔は、可撓電極１０４の片側にのみ固定電極１０３を設ける場合であっても同様の効果を奏する。
【００４２】
また、図１５に示すナノシートトランスデューサ４では、可撓電極１０４の両側に形成する溝１００ａ、１００ｂの幅ｗ１、ｗ２を不均等にしている。溝１００ａ、１００ｂの幅ｗ１、ｗ２を不均等にすることで溝１００ａ、１００ｂの圧力変動の幅を不均等にできるため、可撓電極１０４を撓ませる際の反作用を抑えることもできる。
【００４３】
また、図１６に示すナノシートトランスデューサ５では、可撓電極１０４の基端に支持部１０６が形成されている。支持部１０６は可撓電極１０４より厚く剛体として振る舞うほぼ直柱体の領域である。支持部１０６を形成することによって可撓電極１０４の機械的性質を変えずに溝１００ａ、１００ｂの容積を大きくすることができる。可撓電極１０４を撓ませる際の反作用は溝１００ａ、１００ｂの容積を大きくするほど小さくなる。したがってナノシートトランスデューサ５では、可撓電極１０４の機械的性質を変えずに、可撓電極１０４を撓ませる際の反作用を抑制することができる。このような支持部１０６は、Ｄｅｅｐ−ＩＲＥによって溝１００ａ、１００ｂを形成する際のマイクロローディング効果によって形成することができる。すなわち、溝１００ａ、１００ｂの原形を形成するための保護膜の開口を幅が異なる複数のスリットによって形成すると、開口直下に形成される溝はスリットの幅に応じた不均等な深さになる。このように形成する溝を熱酸化と酸化膜の除去とによって拡幅すると、溝の間に残存した領域が除去されるため、図１６に示すようにステップ状の底部を有する溝１００ａ、１００ｂを形成できるのである。
【００４４】
また、図１７に示すように可撓電極を２つ以上設けても良い。図１７に示すナノシートトランスデューサ６は、２つの可撓電極１０４ｄ、１０４ｅと２つの固定電極１０３ｃ、１０３ｄとを備えている。固定電極１０３ｃと可撓電極１０４ｄとで１つの静電容量が形成され、固定電極１０３ｄと可撓電極１０４ｅとで別の１つの静電容量が形成される。可撓電極１０４ｄ、１０４ｅは基部１００ｃを介して導通しているため同電位となる。
【００４５】
ナノシートトランスデューサ６をアクチュエータとして用いる場合、固定電極１０３ｃ、１０３ｄには逆相の駆動信号を印加しても良いし、同相の駆動信号を印加しても良い。ナノシートトランスデューサ６を加速度、傾斜等を検出するセンサとして用いる場合、検出対象の物理量に応じて可撓電極１０４ｄ、１０４ｅが撓む方向は一致する。したがって、バイアス電圧が印加された固定電極１０３ｃと可撓電極１０４ｄとで形成される静電容量の変化と、バイアス電圧が印加された固定電極１０３ｄと可撓電極１０４ｅとで形成される静電容量の変化との差分をとると感度が２倍になる。このように可撓電極を２つ以上設けることによって、ナノシートトランスデューサの感度または出力を高めることができる。
【００４６】
２．第二実施形態
本発明によるナノシートトランスデューサの製造方法の第二実施形態を図１８から図２２を参照しながら説明する。
第一実施形態と同様に、不純物が導入された単結晶シリコンからなる基板１００をはじめに準備する。
次に図１８に示すように基板１００の一方の主面上に所定形状に露光・現像されたフォトレジストからなる保護膜Ｒ１を形成する。
【００４７】
次に図１９に示すように保護膜Ｒ１の開口直下の基板１００の領域を垂直方向にエッチングする。その結果、保護膜Ｒ１のパターンと同一パターンの横断面を有する直柱体１０１ａ、１０４ａと溝１００ａ、１００ｂが形成される。このとき用いるエッチング方法は、第一実施形態と同様にＤｅｅｐ−ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法である。本工程で形成される溝１００ａの幅Ｗは、第一実施形態と同様に完成状態の溝１００ａの目標幅ｗよりも小さく設定しておき、後続工程における熱酸化と酸化膜の除去とによって溝１００ａを目標幅ｗまで拡幅させる。
【００４８】
次に、保護膜Ｒ１を除去し、基板１００を９００℃〜１２００℃程度の雰囲気において熱酸化する。熱酸化の結果、図２０に示すように第一実施形態と同様に、酸化前の直柱体１０１ａ、１０４ａの表面から内部への酸素の拡散によって形成される内方拡散領域１０５ａと、酸化前の直柱体１０１ａ、１０４ａの表面より外側に成長する酸化シリコンによって形成される膨張領域１０５ｂとからなる酸化膜１０５が形成される。
【００４９】
次に図２１に示すように、電極支持部１０１となる直柱体１０１ａの上方に当たる酸化膜１０５の表面領域に所定パターンの金属膜１０３ａを形成する。具体的には、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）などの耐食性の高い金属をスパッタリング法等で絶縁層１０２の表面に成膜し、フォトレジストを用いてエッチングすることによって所定パターンの金属膜１０３ａを形成してもよいし、リフトオフプロセスによって所定パターンの金属膜１０３ａを形成しても良い。第二実施形態では、このようにして形成された金属膜１０３ａが固定電極となる。
【００５０】
その後、第一実施形態と同様に酸化膜１０５を除去し、基板１００をダイシングによって分断し、パッケージング等の後工程を実施すると、図２２に示すナノシートトランスデューサ７が完成する。
【００５１】
本実施形態によると、電極支持部１０１の平面視形状と固定電極１０３の平面視形状とを別個独立に設計することができる。したがって、可撓電極１０４と対向する固定電極１０３の辺を除く領域を狭く設計することによって、固定電極１０３と基板１００との間に生ずる寄生容量を低減することができる。
【００５２】
なお、電極支持部１０１の形状については、図２３のナノシートトランスデューサ８のように可撓電極１０４の周りを一周させても良いし、図２４に示すナノシートトランスデューサ９のように可撓電極１０４の両側に独立して２つの電極支持部１０１ｃ、１０１ｄを形成しても良い。既に述べたように可撓電極１０４の両側において生ずる圧力変動が出力や感度を落とす要因となるため、可撓電極１０４の周りを一周する電極支持部１０１を形成する場合には、可撓電極１０４の両側に形成される溝１００ａ、１００ｂとの間における流体の移動抵抗を小さくすると良い。すなわち、ナノシートトランスデューサ８では、可撓電極１０４の幅方向における電極支持部１０１との間隔ｓをなるべく広くとることが好ましい。なお、図９に示すナノシートトランスデューサ９は固定電極１０３ｃ、１０３ｄを極小化して寄生容量を低減する形態の一例をも示している。
【００５３】
３．他の実施形態
本発明の技術的範囲は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば固定電極と基板とを絶縁するための絶縁層は多層でもよい。また、可撓電極上に絶縁層と金属膜とを残存させて感度を上げるための付加質量として利用しても良い。また、可撓電極上に残存させる絶縁層にスルーホールを形成しておけば、可撓電極上に残る金属膜と基板とを導通させることも不可能ではない。この場合、固定電極と可撓電極上の金属膜との距離を短くすることができる。
また、上記実施形態で示した材質や寸法やエッチング方法やパターン転写方法はあくまで例示であるし、当業者であれば自明である工程の追加や削除や工程順序の入れ替えについては説明が省略されている。
【符号の説明】
【００５４】
１、２、３、４、５、６、７、８、９…ナノシートトランスデューサ、２０…管、３０…ケース、３０ａ…通孔、１００…基板、１００…基板、１００ａ…溝、１００ｂ…溝、１００ｃ…基部、１００ｄ…通孔、１００ｆ…主面、１０１…電極支持部、１０１ａ…直柱体、１０１ｂ…非酸化領域、１０１ｃ、１０１ｄ…電極支持部、１０２…絶縁層、１０３…固定電極、１０３ａ、１０３ｂ…金属膜、１０３ｃ、１０３ｄ…固定電極、１０４…可撓電極、１０４ａ…直柱体、１０４ｂ…非酸化領域、１０４ｄ、１０４ｅ、１０４ｆ…可撓電極、１０４ｓ…スリット、１０５…酸化膜、１０５ａ…内方拡散領域、１０５ｂ…膨張領域、１０５ｃ…界面、１０６…支持部、Ｒ１…保護膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコンからなる極めて薄いシート状弾性体を用いたトランスデューサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いた微小なトランスデューサが知られている。特許文献１にはカーボンナノチューブを林立させ、加わる力に応じて変化するカーボンナノチューブ群の電気抵抗を検出することによって加速度、質量、角加速度、圧力等を検出する技術が開示されている。特許文献２には弾性薄膜によって基端が支持された微小な柱状剛体に加わる力を弾性薄膜に設けたピエゾ抵抗素子によって検出する技術が開示されている。特許文献３、４にはシリコン基板上に支持されたダイヤフラムに設けた可撓電極と可撓電極に対向する固定電極とを備える静電容量型の音響トランスデューサが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１１９０２１号公報
【特許文献２】特開平１０−２０６２０２号公報
【特許文献３】特開昭６２−１２０２００号公報
【特許文献４】特開２００５−３２３１９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載されているようにカーボンナノチューブ同士が接触することによって生ずる電気抵抗の変化を利用して物理量を検出する場合、検出しようとする物理量とカーボンナノチューブ同士の接触の形態とが一対一に対応していることが必要となる。しかし、林立しているカーボンナノチューブ同士の接触形態は再現性が低いため、特許文献１に記載されている技術によって正確に物理量を検出することは困難であるという問題がある。
【０００５】
特許文献２に記載されているように微小な柱状剛体が受ける力に応じた弾性薄膜の変形を検出する場合、変形しやすく破損しにくい薄膜を設計することが要求される。しかし、薄膜を変形しやすく破損しにくくしようとすれば、薄膜の面積を広げる必要があるため、小型化して製造コストを低減することが困難になるという問題がある。
【０００６】
特許文献３、４に記載されている音響トランスデューサーでは可撓電極が設けられるダイヤフラムの面積に応じて感度と音圧が決まることになる。したがって、感度または音圧を増大させようとすれば、大型化するとともに製造コストが増大するという問題がある。
【０００７】
本発明はこれらの問題に鑑みて創作されたものであって、トランスデューサーの製造コストを低減することを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）上記目的を達成するためのナノシートトランスデューサは、溝と前記溝によって互いに隔てられた電極支持部と厚さ１μｍ未満のシート状の可撓電極とが形成されたシリコンからなる基板と、前記電極支持部上に形成された導電膜からなる固定電極と、前記固定電極と前記電極支持部との間に形成された絶縁層と、を備え、前記可撓電極は前記基板の主面に対して垂直である。
基板の主面に対して垂直なシート状の可撓電極は、基板に溝を深く形成することによって溝の底から立ち上がる可撓電極の高さを高く面積を広くできる。このため本発明によると、同一サイズのシリコンウエハから製造できるトランスデューサーの数を変えずに出力や感度を高めることができる。また可撓電極は厚さが１μｍ未満と極めて薄いため、"たわみ量／力"で表される係数が大きく、曲げ強度が高い。すなわち本発明によると、出力や感度が高く、強度も高く、かつ安価なトランスデューサーを実現することができる。
【０００９】
（２）上記目的を達成するためのナノシートトランスデューサにおいて、前記可撓電極は複数の短冊領域に分断されていてもよい。
可撓電極を複数の短冊領域に分断することによって、極めて薄い可撓電極が波打つような不安定な挙動を抑制することができる。
【００１０】
（３）上記目的を達成するためのナノシートトランスデューサにおいて、前記基板には、前記溝の底に開口する通孔を形成してもよい。
可撓電極を振動させることによって音波を電気信号に変換したり、電気信号を音波に変換したり、送風する実施形態では、電極支持部と可撓電極を隔てる溝の内部の圧力変動が可撓電極の動きを妨げる。したがって、溝に開口する通孔を形成して溝の内部の圧力変動を抑制することによって、ナノシートトランスデューサーの出力や感度を高めることができる。
【００１１】
（４）上記目的を達成するためのナノシートトランスデューサにおいて、前記固定電極は、前記可撓電極の両側にそれぞれ形成され、前記可撓電極の一方側に形成された前記固定電極と前記可撓電極の他方側に形成された前記固定電極とに逆相の駆動信号が印加されてもよい。
可撓電極の両側に位置する２つの固定電極に逆相の駆動信号を印加することによって、２つの静電容量のそれぞれに生ずる静電引力の合力を用いて可撓電極を駆動することができる。すなわち音などの波動や風を出力する実施形態においてこの構成を採用することにより、出力を高めることができる。
【００１２】
（５）上記目的を達成するためのナノシートトランスデューサにおいて、前記固定電極は、前記可撓電極の両側にそれぞれ形成され、前記可撓電極の撓み量に応じた信号が前記固定電極または前記可撓電極から取り出されてもよい。
この構成を採用する場合、可撓電極のたわみ量に応じて可撓電極と２つの固定電極とで形成される２つの静電容量がそれぞれ逆方向に変化する。したがって可撓電極のたわみ量に応じた信号を固定電極または可撓電極から取り出すことによって可撓電極を撓ませる物理量（圧力、加速度、傾斜角など）を感度良く検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１Ａは本発明の第一実施形態にかかる断面図であって図１Ｂに示す１Ａ−１Ａ線の断面図である。図１Ｂは本発明の第一実施形態にかかる平面図である。図１Ｃは本発明の第一実施形態にかかる模式図である。
【図２】本発明の第一実施形態にかかる断面図である。
【図３】本発明の第一実施形態にかかる断面図である。
【図４】本発明の第一実施形態にかかる断面図である。
【図５】本発明の第一実施形態にかかる断面図である。
【図６】本発明の実施形態にかかるグラフ。
【図７】本発明の第一実施形態にかかる断面図である。
【図８】本発明の第一実施形態にかかる断面図である。
【図９】本発明の第一実施形態にかかる断面図である。
【図１０】本発明の第一実施形態にかかる断面図である。
【図１１】図１１Ａは本発明の第一実施形態にかかる平面図である。図１１Ｂおよび図１１Ｃは本発明の第一実施形態にかかる側面図である。
【図１２】本発明の第一実施形態にかかる断面図である。
【図１３】本発明の第一実施形態にかかる断面図である。
【図１４】本発明の第一実施形態にかかる断面図である。
【図１５】本発明の第一実施形態にかかる断面図である。
【図１６】本発明の第一実施形態にかかる断面図である。
【図１７】本発明の第一実施形態にかかる断面図である。
【図１８】本発明の第二実施形態にかかる断面図である。
【図１９】本発明の第二実施形態にかかる断面図である。
【図２０】本発明の第二実施形態にかかる断面図である。
【図２１】本発明の第二実施形態にかかる断面図である。
【図２２】本発明の第二実施形態にかかる断面図である。
【図２３】本発明の第二実施形態にかかる平面図である。
【図２４】本発明の第二実施形態にかかる平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら以下の順に説明する。尚、各図において対応する構成要素には同一の符号が付され、重複する説明は省略される。
【００１５】
１．第一実施形態
本発明によるナノシートトランスデューサの第一実施形態を図１に基づいて説明する。ナノシートトランスデューサ１は、シリコン基板から製造されるＭＥＭＳである。シリコンからなる基板１００には直線的に伸びる溝１００ａが形成される。溝１００ａによって互いに隔てられた電極支持部１０１と可撓電極１０４とが基部１００ｃから突出している。基板１００は、導入されている不純物によって全体が導体として機能する。
【００１６】
電極支持部１０１は実質的に剛体として振る舞うほぼ直柱体の部分である。電極支持部１０１が基部１００ｃから突出する高さは可撓電極１０４が基部１００ｃから突出する高さｈと等しい。電極支持部１０１の上には金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）等の金属膜（導電膜）からなる固定電極１０３が形成されている。固定電極１０３は溝１００ａに近接している辺が可撓電極１０４と平行である。
【００１７】
電極支持部１０１の頂面には基板１００と固定電極１０３とを絶縁するための絶縁層１０２が形成されている。絶縁層１０２はシリコン酸化膜からなる。
【００１８】
可撓電極１０４は厚さｔが１μｍ未満のシート状に形成されている。電極支持部１０１から溝１００ａによって隔てられた可撓電極１０４は、電極支持部１０１の上に形成されている固定電極１０３の一辺に平行で基板１００の主面１００ｆに垂直である。可撓電極１０４が基部１００ｃから突出する高さｈは溝１００ａの深さと等しい。厚さｔとともに可撓電極１０４の機械的特性を支配する可撓電極１０４の高さｈは、任意に設定することができ、例えば厚さｔを５０ｎｍに設定する場合、高さｈを１０〜５０μｍに設定可能である。可撓電極１０４の幅Ｌも高さｈと同様に任意に設定可能である。可撓電極１０４の幅Ｌの長さは可撓電極１０４と固定電極１０３によって形成される静電容量と比例する。可撓電極１０４と外部回路との導通は基板１００のどこかに接続領域を設け、ワイヤボンディング等によって基板１００と外部回路とを導通させればよい。
【００１９】
溝１００ａは、例えば幅ｗを１〜１００μｍに設定し、長さＬを１０〜１００００μｍに設定する。溝１００ａの幅ｗは、固定電極１０３と可撓電極１０４との距離ｄを支配する。したがって、溝１００ａの幅ｗの固定電極１０３と可撓電極１０４とで形成される静電容量にほぼ反比例する。既に述べたとおり溝１００ａの深さは可撓電極１０４の高さｈと等しくなる。
【００２０】
次にナノシートトランスデューサ１の機能について説明する。
ナノシートトランスデューサ１においては、固定電極１０３と可撓電極１０４とによって静電容量を形成できる。したがって可撓電極１０４のたわみ量に応じて変化する静電容量を検出することによって圧力や加速度や傾斜角といった物理量を検出するセンサとしてナノシートトランスデューサ１を利用することができる。センサとして利用する場合、図１Ｃに示すように固定電極１０３と可撓電極１０４とにバイアス電圧を印加し、固定電極１０３と可撓電極１０４との距離ｄの変化に伴う静電容量の変化を検出すればよい。そして可撓電極１０４の厚さｔは１μｍ未満と極めて薄いため、"たわみ量／力"で表される係数が大きく、電荷が可撓電極１０４の先端部に集中しやすい。したがってナノシートトランスデューサ１は感度の高いセンサになる。
【００２１】
また固定電極１０３と可撓電極１０４とに電圧を印加すると、固定電極１０３と可撓電極１０４との間に静電引力が発生する。したがって固定電極１０３と可撓電極１０４とに電圧を印加することによって可撓電極１０４を撓ませることができ、電圧の大きさを変えることによって可撓電極１０４のたわみ量を制御することができる。また、固定電極１０３と可撓電極１０４とに交流の駆動電圧を印加することによって可撓電極１０４を振動させることができる。そして可撓電極１０４の厚さｔは１μｍ未満と極めて薄いため、電荷が可撓電極１０４の先端部に集中しやすい。したがって効率よく可撓電極１０４を駆動することが可能である。
【００２２】
また可撓電極１０４の基端部は徐々に厚さが増す。したがって可撓電極１０４の撓みによって発生する応力は可撓電極１０４の基端部の局所領域に集中しにくい。そしてシリコンは細くなればなるほど曲げ強度が顕著に高まることが知られ、可撓電極１０４の曲げ強度は薄ければ薄いほど高まる。すなわち可撓電極１０４は大きな撓みにも耐えられるため、衝撃に強くダイナミックレンジが広いナノシートトランスデューサ１を実現することができる。
【００２３】
次にナノシートトランスデューサ１の製造方法を図２から図８を参照しながら説明する。
はじめに不純物が導入された単結晶シリコンからなる基板１００を準備する。基板１００の結晶方位は任意である。基板１００の不純物濃度は基板１００が導体として機能する程度に高く設定し、例えばリン（Ｐ）が１０１６ｃｍ-3の濃度で導入されている基板１００を準備する。
【００２４】
次に図２に示すように、基板１００の一方の主面に絶縁層１０２としてシリコン酸化膜を形成する。具体的には例えば熱酸化法、ＣＶＤ法によって厚さ１μｍのシリコン酸化膜を絶縁層１０２として形成する。
【００２５】
次に図３に示すように、絶縁層１０２の表面上に所定形状の金属膜１０３ａ、１０３ｂを形成する。具体的には、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）などの耐食性の高い金属をスパッタリング法等で絶縁層１０２の表面全体に成膜し、フォトレジストを用いてエッチングすることによって所定パターンの金属膜１０３ａ、１０３ｂを形成する。リフトオフプロセスによって所定パターンの金属膜１０３ａ、１０３ｂを形成しても良い。
【００２６】
次に図４に示すように、金属膜１０３ａ、１０３ｂを保護膜として用いて、金属膜１０３ａ、１０３ｂの開口直下の基板１００および絶縁層１０２の領域を垂直方向にエッチングする。その結果、金属膜１０３ａ、１０３ｂのパターンと同一パターンの横断面を有する直柱体１０１ａ、１０４ａと溝１００ａ、１００ｂが形成される。このとき絶縁層１０２はフッ酸または希フッ酸によって基板１００が露出するまでエッチングし、基板１００のエッチングにはエッチングによって形成される側壁と基板１００の主面１００ｆが垂直になるＤｅｅｐ−ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法を用いる。Ｄｅｅｐ−ＲＩＥとしては、例えば、Ｃ４Ｆ８プラズマによる保護ステップと、ＳＦ６プラズマによるエッチングステップを短く交互に繰り返すボッシュプロセスを用いる。本工程で形成される溝１００ａの幅Ｗは、完成状態における溝１００ａの目標幅ｗよりも小さく設定しておく。後続工程における熱酸化と酸化膜の除去とによって溝１００ａは目標幅ｗまで拡幅するからである。
【００２７】
次に、基板１００を９００℃〜１２００℃程度の雰囲気において熱酸化する。加湿酸化、水蒸気酸化、パイロジェニック酸化等のウェット酸化法がドライ酸化法よりも酸化レートが速いため好ましい。熱酸化の結果、図４に示す酸化前の直柱体１０１ａ、１０４ａの表面から内部への酸素の拡散によって形成される内方拡散領域１０５ａと、酸化前の直柱体１０１ａ、１０４ａの表面より外側に成長する酸化シリコンによって形成される膨張領域１０５ｂとからなる酸化膜１０５が図５に示すように形成される。内方拡散領域１０５ａの深さｄ１と膨張領域１０５ｂの深さｄ２の比は４：６〜６：４程度となり、２つの領域の深さはほぼ等しくなる。
【００２８】
図４に示すようにＤｅｅｐ−ＲＩＥによって形成された直柱体１０４ａの側面と溝１００ａ、１００ｂの底面とが垂直に交わる交線近傍では、その交線から等距離に位置する点の集合が酸化膜１０５と非酸化領域１０４ｂとの界面１０５ｃを構成する。したがって、直柱体１０４ａの基端部では、酸化膜１０５と非酸化領域１０４ｂとの界面１０５ｃがフレア面になる。このフレア面の曲率半径は内方拡散領域１０５ａの厚さと等しくなるため、熱酸化の処理時間によって決めることができる。
【００２９】
熱酸化の処理時間は、直柱体１０４ａの内部に酸化されずに残る非酸化領域１０４ｂの厚さｔが可撓電極１０４の目標厚さと等しくなるように設定する。図６に示すように、シリコンの酸化膜厚は熱酸化の処理時間の平方根に比例する。すなわち、熱酸化の処理時間が長くなるほど酸化膜厚の制御性が向上する。また熱酸化の酸化レートはばらつきが小さいため、処理時間に応じた酸化膜厚を精度良く見積もることができる。したがってＤｅｅｐ−ＲＩＥによって形成する直柱体１０４ａを可撓電極１０４の目標厚さよりも十分厚く形成しておき、酸化膜を十分厚く形成した後に酸化膜を除去すれば、厚さが１μｍ未満の極めて薄い可撓電極１０４を高い寸法精度で形成することができる。つまり、可撓電極１０４の目標厚さすなわち非酸化領域１０４ｂの厚さｔよりも酸化膜を十分厚く形成するとよい。ただし、酸化せずに残す非酸化領域１０４ｂの厚さを１μｍ未満にするならば、熱酸化の処理時間が不必要なまでに長くならないように、酸化前の直柱体１０４ａの厚さＴは５μｍ未満にしておくことが望ましい。一方、酸化炉の温度が安定するまでは酸化膜厚の制御性が低いため、熱酸化の処理時間を少なくとも１時間以上に設定できるように直柱体１０４ａの厚さＴを可撓電極の目標厚さｔよりも十分厚く形成しておく必要がある。
【００３０】
また熱酸化の処理時間を十分長く設定すると、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥによって形成されたスキャロップの凹凸を平滑にならして可撓電極１０４の側面を滑らかに形成することもできる。さらに酸化温度を低く設定すると（例えば９００℃以下）、酸化膜の粘度が高くなり圧縮応力が上がるため、細い部分ほど酸化レートが落ち、その結果、酸化前の直柱体１０４ａの側面の傾斜を垂直方向に補正することも可能である。
【００３１】
次に、電極支持部１０１となる非酸化領域１０１ｂ上の絶縁層１０２が残存するように酸化膜１０５を図７に示すように除去する。酸化シリコンからなる酸化膜１０５はフッ酸（ＨＦ）または希フッ酸（ＢＨＦ）によって除去すればよい。例えば希フッ酸で酸化膜１０５を大部分除去した後に、残った薄い酸化膜１０５を蒸気フッ酸によって完全に除去するとよい。酸化膜１０５を完全に除去すると、非酸化領域１０４ｂ（図５参照）が可撓電極１０４として露出し、非酸化領域１０１ｂ（図５参照）が電極支持部１０１として露出する。なお、可撓電極１０４と金属膜１０３ｂとを結合していた絶縁層１０２の領域は、可撓電極１０４の厚さが薄いため、酸化膜１０５とともに除去することができる。その結果、金属膜１０３ｂは基板１００から剥離する。可撓電極１０４が基部１００ｃから突出する高さｈはＤｅｅｐ−ＲＩＥの深さと内方拡散領域１０５ａの深さによって決まり、任意に設定することが可能である。すなわち可撓電極１０４の厚さｔに対する高さｈの比は、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥによって非常に大きく（１００以上）設定することができる。
【００３２】
次に図８に示すように基板１００をダイシングによって分断する。基板１００のダイシングは溝１００ｂにおいて基部１００ｃが分断されるように実施する。ダイシングには例えばステルスダイサーが用いられる。さらにパッケージング等の後工程を実施すると、図１に示すナノシートトランスデューサ１が完成する。
【００３３】
既に述べたとおり、可撓電極１０４の幅Ｌと高さｈとによってナノシートトランスデューサ１の感度や出力が決まる。すなわち、可撓電極１０４の面積が広くなるほど、ナノシートトランスデューサ１の感度や出力が向上する。上述した製造方法によると、可撓電極１０４をシリコンウエハの主面に対して垂直に形成できるため、可撓電極をシリコンウエハの主面に対して平行に形成する場合に比べて、感度や出力が同等のトランスデューサを１枚のシリコンウエハから多く製造することができる。また可撓電極１０４は、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥによって原形が形成されるため、高さｈと横断面形状を独立して自由に設計することができる。
【００３４】
また可撓電極１０４の基端部側面は基部１００ｃに向かって広がるフレア面になるため、基部１００ｃの表面と可撓電極１０４の基端部側面とがフレア面を介して段差無くなだらかに連続する。したがって、既に述べたとおり破損しにくい可撓電極１０４を形成できる。可撓電極１０４の基端部側面の縦断面における曲率半径は、前述したとおり熱酸化の処理時間によって決まり、熱酸化の処理時間を長くするほど大きくなる。したがって、熱酸化の処理時間を長くするほど可撓電極１０４は破損しにくくなる。
【００３５】
また、可撓電極１０４の厚さは、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥによって形成する直柱体１０４ａの厚さと熱酸化の処理時間とによって決まるところ、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥによって１０μｍ以上の深さの溝１００ａを形成するとしても直柱体１０４ａの厚さを１μｍ程度にまで狭めることが可能であり、酸化膜は数μｍ程度の厚さに形成することが可能である。そして酸化膜の厚さは数ｎｍの公差で制御することができる。また、シリコンは細くなればなるほど曲げ強度が顕著に高まることが知られ、可撓電極１０４の曲げ強度は薄ければ薄いほど高まる。したがって、上述した方法によって製造すると、基部１００ｃから突出する高さｈが１０μｍ以上、厚さが１μｍ未満、アスペクト比（ｈ／ｗ）１００以上の破損しにくい可撓電極１０４を歩留まり良く形成することが可能である。
【００３６】
なお、酸化膜を除去した後に可撓電極１０４の先端部のみ異方性ウェットエッチングを実施すると、可撓電極１０４を先鋭化することができる。このようにして可撓電極１０４を先鋭化すると、先端の曲率半径を１０ｎｍ以下に形成することも可能である。
【００３７】
次にナノシートトランスデューサ１の利用方法について説明する。
図９および図１０に示すように流路を形成する管２０にナノシートトランスデューサ１を設置すると、管２０を流通する流体の圧力や流速をナノシートトランスデューサ１によって計測することができる。この場合、前述したように可撓電極１０４および固定電極１０３にバイアス電圧を印加して静電容量を形成しておき、圧力や流速に伴って可撓電極１０４が撓むことによる静電容量の変化を電気信号として取り出すと、流体の圧力や流速を計測することができる。
【００３８】
ごく薄い可撓電極１０４が流体に接している場合、脈動などによって可撓電極１０４が波打つ恐れがある。波打つような不安定な挙動を可撓電極１０４が起こすと圧力を正確に検出できなくなる。そこで、図１１に示すように基板１００の主面に対して垂直なスリット１０４ｓを可撓電極１０４に形成して可撓電極１０４を分断してもよい。具体的には例えば図１１Ｂに示すように基端部を残してスリット１０４ｓによって可撓電極１０４の上部だけを分断しても良いし、図１１Ｃに示すようにスリット１０４ｓによって完全に分断されてそれぞれが独立して撓む複数の可撓電極１０４ｆ、１０４ｂ、１０４ｃを形成しても良い。スリット１０４ｓを形成することによって、可撓電極１０４の圧力を受ける領域それぞれの幅（Ｌ方向の長さ）が小さくなり、又、スリット１０４ｓが流体の抜け道になることによって、なめらかに撓むことが可能になる。
【００３９】
また図１２に示すように、音を取り込むための通孔３０ａが形成されたケース３０にナノシートトランスデューサ１を収容すると、ナノシートトランスデューサ１によって音を電気信号に変換することができる。可撓電極１０４および固定電極１０３にバイアス電圧を印加すると静電引力によって可撓電極１０４と固定電極１０３の隙間の距離ｄが短くなるため、可撓電極１０４と固定電極１０３の隙間の音響抵抗が増大する。これにより、溝１００ａへの音波の回り込みが抑制されるため、感度が増大する。
【００４０】
またナノシートトランスデューサを音波を出力したり送風するアクチュエータとして用いる場合には、出力を高めるために両側から可撓電極１０４を駆動しても良い。図１３に示すナノシートトランスデューサ２は、可撓電極１０４の両側に電極支持部１０１ｃ、１０１ｄと固定電極１０３ｃ、１０３ｄとが設けられている。固定電極１０３ｃ、１０３ｄに逆相の駆動信号を印加すると、固定電極１０３ｃと固定電極１０３ｄとで交互に可撓電極１０４を引きつけることができる。これによりナノシートトランスデューサ２によって音波を出力したり送風する場合には、音圧や風量を増大することができる。
【００４１】
ところで可撓電極を振動させることによって音波を出力したり送風する場合には、可撓電極と電極支持部の間の溝の圧力が可撓電極を撓ませる力の反作用となる。例えば図１３に示す可撓電極１０４が溝１００ａを押しつぶす方向に撓むと、溝１００ａの圧力が高まるとともに溝１００ｂの圧力が低くなる。したがって溝１００ａ、１００ｂの圧力変動は可撓電極１０４を撓ませる際の反作用となり、可撓電極１０４の駆動効率を下げる要因になる。そこで、図１４に示すように溝１００ａ、１００ｂの底に開口する通孔１００ｄ、１００ｅを基部１００ｃに形成しても良い。ナノシートトランスデューサ３のように通孔１００ｄ、１００ｅを基部１００ｃに形成する場合、通孔１００ｄ、１００ｅを介して溝１００ａ、１００ｂと通ずる空洞を基部１００ｃに設けるとよい。なお、このような通孔は、可撓電極１０４の片側にのみ固定電極１０３を設ける場合であっても同様の効果を奏する。
【００４２】
また、図１５に示すナノシートトランスデューサ４では、可撓電極１０４の両側に形成する溝１００ａ、１００ｂの幅ｗ１、ｗ２を不均等にしている。溝１００ａ、１００ｂの幅ｗ１、ｗ２を不均等にすることで溝１００ａ、１００ｂの圧力変動の幅を不均等にできるため、可撓電極１０４を撓ませる際の反作用を抑えることもできる。
【００４３】
また、図１６に示すナノシートトランスデューサ５では、可撓電極１０４の基端に支持部１０６が形成されている。支持部１０６は可撓電極１０４より厚く剛体として振る舞うほぼ直柱体の領域である。支持部１０６を形成することによって可撓電極１０４の機械的性質を変えずに溝１００ａ、１００ｂの容積を大きくすることができる。可撓電極１０４を撓ませる際の反作用は溝１００ａ、１００ｂの容積を大きくするほど小さくなる。したがってナノシートトランスデューサ５では、可撓電極１０４の機械的性質を変えずに、可撓電極１０４を撓ませる際の反作用を抑制することができる。このような支持部１０６は、Ｄｅｅｐ−ＩＲＥによって溝１００ａ、１００ｂを形成する際のマイクロローディング効果によって形成することができる。すなわち、溝１００ａ、１００ｂの原形を形成するための保護膜の開口を幅が異なる複数のスリットによって形成すると、開口直下に形成される溝はスリットの幅に応じた不均等な深さになる。このように形成する溝を熱酸化と酸化膜の除去とによって拡幅すると、溝の間に残存した領域が除去されるため、図１６に示すようにステップ状の底部を有する溝１００ａ、１００ｂを形成できるのである。
【００４４】
また、図１７に示すように可撓電極を２つ以上設けても良い。図１７に示すナノシートトランスデューサ６は、２つの可撓電極１０４ｄ、１０４ｅと２つの固定電極１０３ｃ、１０３ｄとを備えている。固定電極１０３ｃと可撓電極１０４ｄとで１つの静電容量が形成され、固定電極１０３ｄと可撓電極１０４ｅとで別の１つの静電容量が形成される。可撓電極１０４ｄ、１０４ｅは基部１００ｃを介して導通しているため同電位となる。
【００４５】
ナノシートトランスデューサ６をアクチュエータとして用いる場合、固定電極１０３ｃ、１０３ｄには逆相の駆動信号を印加しても良いし、同相の駆動信号を印加しても良い。ナノシートトランスデューサ６を加速度、傾斜等を検出するセンサとして用いる場合、検出対象の物理量に応じて可撓電極１０４ｄ、１０４ｅが撓む方向は一致する。したがって、バイアス電圧が印加された固定電極１０３ｃと可撓電極１０４ｄとで形成される静電容量の変化と、バイアス電圧が印加された固定電極１０３ｄと可撓電極１０４ｅとで形成される静電容量の変化との差分をとると感度が２倍になる。このように可撓電極を２つ以上設けることによって、ナノシートトランスデューサの感度または出力を高めることができる。
【００４６】
２．第二実施形態
本発明によるナノシートトランスデューサの製造方法の第二実施形態を図１８から図２２を参照しながら説明する。
第一実施形態と同様に、不純物が導入された単結晶シリコンからなる基板１００をはじめに準備する。
次に図１８に示すように基板１００の一方の主面上に所定形状に露光・現像されたフォトレジストからなる保護膜Ｒ１を形成する。
【００４７】
次に図１９に示すように保護膜Ｒ１の開口直下の基板１００の領域を垂直方向にエッチングする。その結果、保護膜Ｒ１のパターンと同一パターンの横断面を有する直柱体１０１ａ、１０４ａと溝１００ａ、１００ｂが形成される。このとき用いるエッチング方法は、第一実施形態と同様にＤｅｅｐ−ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法である。本工程で形成される溝１００ａの幅Ｗは、第一実施形態と同様に完成状態の溝１００ａの目標幅ｗよりも小さく設定しておき、後続工程における熱酸化と酸化膜の除去とによって溝１００ａを目標幅ｗまで拡幅させる。
【００４８】
次に、保護膜Ｒ１を除去し、基板１００を９００℃〜１２００℃程度の雰囲気において熱酸化する。熱酸化の結果、図２０に示すように第一実施形態と同様に、酸化前の直柱体１０１ａ、１０４ａの表面から内部への酸素の拡散によって形成される内方拡散領域１０５ａと、酸化前の直柱体１０１ａ、１０４ａの表面より外側に成長する酸化シリコンによって形成される膨張領域１０５ｂとからなる酸化膜１０５が形成される。
【００４９】
次に図２１に示すように、電極支持部１０１となる直柱体１０１ａの上方に当たる酸化膜１０５の表面領域に所定パターンの金属膜１０３ａを形成する。具体的には、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）などの耐食性の高い金属をスパッタリング法等で絶縁層１０２の表面に成膜し、フォトレジストを用いてエッチングすることによって所定パターンの金属膜１０３ａを形成してもよいし、リフトオフプロセスによって所定パターンの金属膜１０３ａを形成しても良い。第二実施形態では、このようにして形成された金属膜１０３ａが固定電極となる。
【００５０】
その後、第一実施形態と同様に酸化膜１０５を除去し、基板１００をダイシングによって分断し、パッケージング等の後工程を実施すると、図２２に示すナノシートトランスデューサ７が完成する。
【００５１】
本実施形態によると、電極支持部１０１の平面視形状と固定電極１０３の平面視形状とを別個独立に設計することができる。したがって、可撓電極１０４と対向する固定電極１０３の辺を除く領域を狭く設計することによって、固定電極１０３と基板１００との間に生ずる寄生容量を低減することができる。
【００５２】
なお、電極支持部１０１の形状については、図２３のナノシートトランスデューサ８のように可撓電極１０４の周りを一周させても良いし、図２４に示すナノシートトランスデューサ９のように可撓電極１０４の両側に独立して２つの電極支持部１０１ｃ、１０１ｄを形成しても良い。既に述べたように可撓電極１０４の両側において生ずる圧力変動が出力や感度を落とす要因となるため、可撓電極１０４の周りを一周する電極支持部１０１を形成する場合には、可撓電極１０４の両側に形成される溝１００ａ、１００ｂとの間における流体の移動抵抗を小さくすると良い。すなわち、ナノシートトランスデューサ８では、可撓電極１０４の幅方向における電極支持部１０１との間隔ｓをなるべく広くとることが好ましい。なお、図９に示すナノシートトランスデューサ９は固定電極１０３ｃ、１０３ｄを極小化して寄生容量を低減する形態の一例をも示している。
【００５３】
３．他の実施形態
本発明の技術的範囲は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば固定電極と基板とを絶縁するための絶縁層は多層でもよい。また、可撓電極上に絶縁層と金属膜とを残存させて感度を上げるための付加質量として利用しても良い。また、可撓電極上に残存させる絶縁層にスルーホールを形成しておけば、可撓電極上に残る金属膜と基板とを導通させることも不可能ではない。この場合、固定電極と可撓電極上の金属膜との距離を短くすることができる。
また、上記実施形態で示した材質や寸法やエッチング方法やパターン転写方法はあくまで例示であるし、当業者であれば自明である工程の追加や削除や工程順序の入れ替えについては説明が省略されている。
【符号の説明】
【００５４】
１、２、３、４、５、６、７、８、９…ナノシートトランスデューサ、２０…管、３０…ケース、３０ａ…通孔、１００…基板、１００…基板、１００ａ…溝、１００ｂ…溝、１００ｃ…基部、１００ｄ…通孔、１００ｆ…主面、１０１…電極支持部、１０１ａ…直柱体、１０１ｂ…非酸化領域、１０１ｃ、１０１ｄ…電極支持部、１０２…絶縁層、１０３…固定電極、１０３ａ、１０３ｂ…金属膜、１０３ｃ、１０３ｄ…固定電極、１０４…可撓電極、１０４ａ…直柱体、１０４ｂ…非酸化領域、１０４ｄ、１０４ｅ、１０４ｆ…可撓電極、１０４ｓ…スリット、１０５…酸化膜、１０５ａ…内方拡散領域、１０５ｂ…膨張領域、１０５ｃ…界面、１０６…支持部、Ｒ１…保護膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溝と前記溝によって互いに隔てられた電極支持部と厚さ１μｍ未満のシート状の可撓電極とが形成されたシリコンからなる基板と、
前記電極支持部上に形成された導電膜からなる固定電極と、
前記固定電極と前記電極支持部との間に形成された絶縁層と、
を備え、
前記可撓電極は前記基板の主面に対して垂直である、
ナノシートトランスデューサ。
【請求項２】
前記可撓電極は複数の短冊領域に分断されている、
請求項１に記載のナノシートトランスデューサ。
【請求項３】
前記基板には、前記溝の底に開口する通孔が形成されている、
請求項１または２に記載のナノシートトランスデューサ。
【請求項４】
前記固定電極は、前記可撓電極の両側にそれぞれ形成され、
前記可撓電極の一方側に形成された前記固定電極と前記可撓電極の他方側に形成された前記固定電極とに逆相の駆動信号が印加される、
請求項１から３のいずれか一項に記載のナノシートトランスデューサ。
【請求項５】
前記固定電極は、前記可撓電極の両側にそれぞれ形成され、
前記可撓電極の撓み量に応じた信号が前記固定電極または前記可撓電極から取り出される、
請求項１から３のいずれか一項に記載のナノシートトランスデューサ。
【請求項１】
溝と前記溝によって互いに隔てられた電極支持部と厚さ１μｍ未満のシート状の可撓電極とが形成されたシリコンからなる基板と、
前記電極支持部上に形成された導電膜からなる固定電極と、
前記固定電極と前記電極支持部との間に形成された絶縁層と、
を備え、
前記可撓電極は前記基板の主面に対して垂直である、
ナノシートトランスデューサ。
【請求項２】
前記可撓電極は複数の短冊領域に分断されている、
請求項１に記載のナノシートトランスデューサ。
【請求項３】
前記基板には、前記溝の底に開口する通孔が形成されている、
請求項１または２に記載のナノシートトランスデューサ。
【請求項４】
前記固定電極は、前記可撓電極の両側にそれぞれ形成され、
前記可撓電極の一方側に形成された前記固定電極と前記可撓電極の他方側に形成された前記固定電極とに逆相の駆動信号が印加される、
請求項１から３のいずれか一項に記載のナノシートトランスデューサ。
【請求項５】
前記固定電極は、前記可撓電極の両側にそれぞれ形成され、
前記可撓電極の撓み量に応じた信号が前記固定電極または前記可撓電極から取り出される、
請求項１から３のいずれか一項に記載のナノシートトランスデューサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【公開番号】特開２０１２−６１５２８（Ｐ２０１２−６１５２８Ａ）
【公開日】平成２４年３月２９日（２０１２．３．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２０５６１５（Ｐ２０１０−２０５６１５）
【出願日】平成２２年９月１４日（２０１０．９．１４）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 社団法人電気学会発行の「電気学会研究会資料」プラズマ研究会 ＰＳＴ−１０−００１〜００８、２０１０年５月７日発行
【出願人】（０００００４０７５）ヤマハ株式会社 (5,930)
【出願人】（５９２２１６３８４）兵庫県 (258)
【出願人】（５０３３６０１１５）独立行政法人科学技術振興機構 (1,734)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月２９日（２０１２．３．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月１４日（２０１０．９．１４）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 社団法人電気学会発行の「電気学会研究会資料」プラズマ研究会 ＰＳＴ−１０−００１〜００８、２０１０年５月７日発行
【出願人】（０００００４０７５）ヤマハ株式会社 (5,930)
【出願人】（５９２２１６３８４）兵庫県 (258)
【出願人】（５０３３６０１１５）独立行政法人科学技術振興機構 (1,734)
【Ｆターム（参考）】
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