ナノシートトランスデューサ
【課題】静電容量型トランスデューサーの製造コストを抑制しつつ感度を高める。
【解決手段】基板層（１０１）と、基板層に積層された絶縁層（１０２）と、絶縁層に積層されたシリコン層（１０３）とを含むダイを備え、支持部１１ａと、支持部に少なくとも一辺が結合し基板層の主面と垂直である厚さ１μｍ未満のシート状の可撓電極１１ｂと、基板層の主面と平行な方向において可撓電極と対向し基板層の主面と垂直な側面を有する固定電極１０ａ、１０ｂとがシリコン層によって形成され、支持部と固定電極とが絶縁層によって前記基板層に結合され、可撓電極と基板層との間には絶縁層に対応する空隙（Ｇ）が形成されている、ナノシートトランスデューサ。
【解決手段】基板層（１０１）と、基板層に積層された絶縁層（１０２）と、絶縁層に積層されたシリコン層（１０３）とを含むダイを備え、支持部１１ａと、支持部に少なくとも一辺が結合し基板層の主面と垂直である厚さ１μｍ未満のシート状の可撓電極１１ｂと、基板層の主面と平行な方向において可撓電極と対向し基板層の主面と垂直な側面を有する固定電極１０ａ、１０ｂとがシリコン層によって形成され、支持部と固定電極とが絶縁層によって前記基板層に結合され、可撓電極と基板層との間には絶縁層に対応する空隙（Ｇ）が形成されている、ナノシートトランスデューサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコンからなる極めて薄いシート状の可撓電極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にはシリコン基板層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、感度を上げるために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、静電容量型トランスデューサーの製造コストを抑制しつつ感度を高めることを目的の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、基板層と、前記基板層に積層された絶縁層と、前記絶縁層に積層されたシリコン層とを含むダイを備え、支持部と、前記支持部に少なくとも一辺が結合し前記基板層の主面と垂直である厚さ１μｍ未満のシート状の可撓電極と、前記基板層の主面と平行な方向において前記可撓電極と対向し前記基板層の主面と垂直な側面を有する固定電極とが前記シリコン層によって形成され、前記支持部と前記固定電極とが前記絶縁層によって前記基板層に結合され、前記可撓電極と前記基板層との間には前記絶縁層に対応する空隙が形成されている。
シリコンから可撓電極を構成する場合、可撓電極が薄くなるほど曲げ強度が高くなる。本発明によると、可撓電極は厚さが１μｍ未満と極めて薄いため、曲げ強度が高い。また基板層の主面に対して垂直なシート状の可撓電極は、可撓電極の主面からの高さを高くすることにより面積を広くできる。この可撓電極と対向する固定電極の側面も主面からの高さを高くすることにより面積を広くできる。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、かつ安価な静電容量型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、短辺が前記支持部に結合している矩形でもよい。
可撓電極をその短辺が支持部に結合する矩形にすると、長辺が基板層の主面と平行に伸びることになる。これにより長辺に沿って可撓電極を撓ませることができるため、短辺に沿って可撓電極を撓ませる場合に比べて可撓電極の変位を大きくすることができる。したがって、出力や感度を高めることができる。
【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、前記可撓電極は、曲がったシート状であって、対向する二辺が前記支持部と結合していてもよい。
可撓電極の対向する二辺を支持部と結合すると、一辺を支持部と結合する場合に比べて可撓電極の共振周波数を高くすることができる。また可撓電極の対向する二辺を支持部と結合しても、可撓電極が曲がったシート状であれば、比較的小さな力で可撓電極を変形させることができる。
【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の製造方法は、基板層と、前記基板層に積層された絶縁層と、前記絶縁層に積層されたシリコン層とを含む積層体を準備する工程と、最小幅１μｍ以上の領域を保護する保護膜を前記シリコン層の主面に形成する工程と、前記シリコン層の前記保護膜から露出している領域を、前記絶縁層が露出するまで垂直方向にエッチングすることによって直柱体を形成する工程と、前記直柱体の内部に酸化されずに残る直柱体領域の横断面最小幅が１μｍ未満になるまで前記シリコン層を熱酸化する工程と、前記シリコン層に形成された酸化膜を除去することによって前記直柱体領域からなる前記支持部と前記可撓電極と前記固定電極とを形成する工程と、前記可撓電極と前記基板層との間の前記絶縁層を除去することによって前記空隙を形成する工程と、を含む。
本発明によると、シリコン層の主面を垂直方向にエッチングすることによって可撓電極の最終寸法より大きな直柱体の原形を形成する。このとき、可撓電極の原形を保護する保護膜の最小幅が１μｍ以上あるため、歩留まり高く可撓電極の原形を形成することができる。その後、可撓電極の原形の表層を熱酸化し、さらに酸化膜を除去することによって、可撓電極の原形の表層を除去する。熱酸化が進行する過程では、酸化膜の成長に伴って酸化レートが落ちるため、酸化膜の膜厚の制御性が高い。したがって、可撓電極の最終寸法の領域を正確に残して熱酸化することが可能である。すなわち、可撓電極となる横断面最大幅が１μｍ未満の直柱体領域を正確に形成することができる。このため本発明によると、厚さが１μｍ未満と極めて薄く、曲げ強度が高い可撓電極を製造することができる。したがって本発明によると、出力や感度が高く、強度も高く、かつ特性のばらつきが小さい静電容量型トランスデューサーを製造することができる。
【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の製造方法において、前記絶縁層は酸化シリコンからなり、前記酸化膜と前記絶縁層が同時に除去されてもよい。
この構成を採用すると、酸化膜と絶縁層を同時に除去できるため、製造コストを低減することができる。
【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１Ｃに示すＡ−Ａ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断面図であって図１Ｃに示すＢ−Ｂ線の断面図である。図１Ｃは本発明の第一実施形態にかかる平面図である。
【図２】図２Ａは本発明の第一実施形態にかかる断面図であって、図１Ｃに示すＡ−Ａ線の断面に対応している。図２Ｂは本発明の第一実施形態にかかる断面図であって図１Ｃに示すＢ−Ｂ線の断面図である。
【図３】図３Ａは本発明の第一実施形態にかかる断面図であって、図１Ｃに示すＡ−Ａ線の断面に対応している。図３Ｂは本発明の第一実施形態にかかる断面図であって、図１Ｃに示すＤ−Ｄ線の断面に対応している。
【図４】図４Ａは本発明の第一実施形態にかかる断面図であって、図１Ｃに示すＡ−Ａ線の断面に対応している。図４Ｂは本発明の第一実施形態にかかる断面図であって、図１Ｃに示すＤ−Ｄ線の断面に対応している。
【図５】図５Ａは本発明の第一実施形態にかかる断面図であって、図１Ｃに示すＡ−Ａ線の断面に対応している。図５Ｂは本発明の第一実施形態にかかる断面図であって、図１Ｃに示すＤ−Ｄ線の断面に対応している。図５Ｃは図７Ａに破線で示す領域Ｃの拡大図である。
【図６】本発明の実施形態にかかるグラフである。
【図７】図７Ａは本発明の第一実施形態にかかる断面図であって、図１Ｃに示すＡ−Ａ線の断面に対応している。図７Ｂは本発明の第一実施形態にかかる断面図であって、図１Ｃに示すＤ−Ｄ線の断面に対応している。
【図８】本発明の他の実施形態にかかる平面図である。
【図９】図９Ａは本発明の他の実施形態にかかる平面図である。図９Ｂは図９Ａに示すＢ−Ｂ線の断面図である。
【図１０】図１０Ａおよび図１０Ｂは本発明の他の実施形態にかかる平面図である。
【図１１】本発明の他の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、半導体製造技術を用いて製造される図１に示すダイが図示しないパッケージに収容されているＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）である。ダイは、シリコンからなる基板層１０１と、酸化シリコンからなる絶縁層１０２と、不純物が導入されて導体として機能するシリコン層１０３とを含む。ダイには支持部１１ａと可撓電極１１ｂと固定電極１０ａ、１０ｂとがシリコン層１０３によって形成されている。
【００１６】
シリコン層１０３からなる支持部１１ａと可撓電極１１ｂとは、絶縁層１０２を介して基板層１０１に結合された一体の直柱体を構成している。
支持部１１ａ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。支持部１１ａの高さは可撓電極１１ｂの高さｈと等しい。支持部１１ａの上には金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）等の金属膜（導電膜）からなるボンディングパッド１０４ｂが形成されている。
【００１７】
可撓電極１１ｂは厚さｔが１μｍ未満のシート状の矩形に形成されている。可撓電極１１ｂは基板層１０１の主面１０１ａと垂直な姿勢で支持部１１ａに短辺の一方が結合している。可撓電極１１ｂと基板層１０１との間には絶縁層１０２に対応する空隙Ｇが形成されている。空隙Ｇは絶縁層１０２の厚さと等しい。絶縁層１０２の厚さを調整することによって空隙Ｇは任意に設定可能である。可撓電極１１ｂの長辺は基板層１０１の主面１０１ａと平行である。厚さｔとともに可撓電極１１ｂの機械的特性を支配する可撓電極１１ｂの高さｈと幅ｗ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、幅ｗを１００〜５００μｍに設定可能である。可撓電極１１ｂの高さｈと幅ｗは可撓電極１１ｂと固定電極１０ａ、１０ｂとによって形成される静電容量と比例関係にある。可撓電極１１ｂと図示しない外部回路とは、支持部１１ａの頂面に形成されたボンディングパッド１０４ｂに接合されるワイヤ１４ｂによって導通する。
【００１８】
シリコン層１０３からなる固定電極１０ａ、１０ｂは可撓電極１１ｂの両側に位置し、それぞれ実質的に剛体として振る舞うほぼ直柱体の部分であって、可撓電極１１ｂからも支持部１１ａからも離れている。固定電極１０ａ、１０ｂは絶縁層１０２を介して基板層１０１に結合されている。基板層１０１の主面１０１ａと垂直な固定電極１０ａ、１０ｂの側面は、基板層１０１の主面１０１ａと平行な方向において可撓電極１１ｂと対向している。固定電極１０ａと可撓電極１１ｂとの距離Ｄ１、固定電極１０ｂと可撓電極１１ｂとの距離Ｄ２は互いに独立して任意に設定することができる。距離Ｄ１は、固定電極１０ａと可撓電極１１ｂの静電容量と反比例の関係にある。距離Ｄ２は、固定電極１０ｂと可撓電極１１ｂの静電容量と反比例の関係にある。例えば距離Ｄ１、Ｄ２を等しく１０〜１００μｍに設定する。固定電極１０ａが可撓電極１１ｂと対向する面積は、固定電極１０ａと可撓電極１１ｂとによって形成される静電容量と比例関係にある。固定電極１０ｂが可撓電極１１ｂと対向する面積は、固定電極１０ｂと可撓電極１１ｂとによって形成される静電容量と比例関係にある。固定電極１０ａ、１０ｂが可撓電極１１ｂと対向する面積は、固定電極１０ａ、１０ｂの側面の形状と、固定電極１０ａ、１０ｂと可撓電極１１ｂとの位置関係によって定まる。固定電極１０ａ、１０ｂの側面の幅も固定電極１０ａ、１０ｂと可撓電極１１ｂとの位置関係も任意に設定可能であるため、これらを調整することによって静電容量を自由に設定することができる。
【００１９】
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１０ａ、１０ｂと可撓電極１１ｂとによって静電容量を形成できる。したがって可撓電極１１ｂ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音波や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、固定電極１０ａ、１０ｂと可撓電極１１ｂとにバイアス電圧を印加し、固定電極１０ａと可撓電極１１ｂとの距離Ｄ１、固定電極１０ｂと可撓電極１１ｂとの距離Ｄ２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１１ｂ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い。また、可撓電極１１ｂの厚さ方向の両側に固定電極１０ａ、１０ｂが配置され、可撓電極１１ｂと固定電極１０ａ、１０ｂとが対向する面積を広くとることができるため、大きな静電容量が得られる。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。
【００２０】
また固定電極１０ａ、１０ｂと可撓電極１１ｂとの間に電圧を印加すると、固定電極１０ａ、１０ｂと可撓電極１１ｂとの間に静電引力が発生する。したがって固定電極１０ａまたは固定電極１０ｂと可撓電極１１ｂとの間に電圧を印加することによって可撓電極１１ｂを２方向に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１１ｂのたわみ量を制御することができる。また、固定電極１０ａ、１０ｂと可撓電極１１ｂとの間に交流の駆動電圧を印加することによって可撓電極１１ｂを振動させることができる。したがってナノシートトランスデューサ１は、音波や振動や風を発生させるアクチュエーターとして利用することができる。そして可撓電極１１ｂ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い。また、可撓電極１１ｂの厚さ方向の両側に固定電極１０ａ、１０ｂが配置され、可撓電極１１ｂと固定電極１０ａ、１０ｂとが対向する面積を広くとることができる。したがって効率よく可撓電極１１ｂを駆動することが可能である。
【００２１】
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６を参照しながら説明する。
はじめに単結晶シリコンからなる基板層１０１と、酸化シリコンからなる絶縁層１０２と、シリコンからなるシリコン層１０３とを含む積層体であるＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウエハを準備する。シリコン層１０３の結晶方位は任意である。シリコン層１０３の不純物濃度はシリコン層１０３が導体として機能する程度に高く設定し、例えばリン（Ｐ）を１０１６ｃｍ-3の濃度で導入する。ＳＯＩウエハの代わりにシリコンウエハを準備して、シリコンウエハの一方の主面に絶縁層とシリコン層とを積層しても良い。シリコン層１０３の厚さは、ほぼそのまま可撓電極１１ｂおよび固定電極１０ａ、１０ｂの高さｈとなる。絶縁層１０２の厚さは、ほぼそのまま可撓電極１１ｂと基板層１０１との間の空隙Ｇの距離となる。尚、絶縁層１０２と酸化膜１０５がともに酸化シリコンからなる場合、後述するように酸化膜１０５と絶縁層１０２とを同時にエッチングできるため、製造工程を簡素化することができる。
【００２２】
次に、シリコン層１０３の表面にフォトレジストを塗布し、露光・現像することによって図２に示すフォトレジストからなる保護膜Ｒ１を形成する。保護膜Ｒ１が覆う領域の最小幅は歩留まりを上げるために１μｍ以上とすることが好ましい。
【００２３】
次に図３に示すようにシリコン層１０３の保護膜Ｒ１から露出している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がシリコン層１０３に形成される。このとき用いるエッチング方法は、エッチングによって形成される側壁とシリコン層１０３の主面が垂直になるＤｅｅｐ−ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法である。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。
【００２４】
次に図４に示すように、シリコン層１０３の主面上に所定形状のボンディングパッド１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ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シリコン層１０３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ボンディングパッド１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ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ボンディングパッド１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃを形成しても良い。
【００２５】
次に図５に示すように、シリコン層１０３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５に破線で示す酸化前の直柱体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。内方拡散領域１０５ａの厚さと膨張領域１０５ｂの厚さの比は４：６〜６：４程度となり、２つの領域の厚さはほぼ等しくなる。
【００２６】
熱酸化の処理時間は、酸化前の直柱体の内部に酸化されずに残る非酸化領域の厚さｔが可撓電極１１ｂ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を可撓電極１１ｂ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１１ｂ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１１ｂの目標厚さすなわち非酸化領域の厚さ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の厚さｔ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、酸化前の直柱体の厚さ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。
【００２７】
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１１ｂ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、酸化前の直柱体の側面の傾斜を垂直方向に補正することも可能である。
【００２８】
次に、可撓電極１１ｂになる部分から酸化膜１０５が完全に除去されるまで図７に示すように酸化膜１０５を除去する。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。このとき、可撓電極１１ｂになる非酸化領域と基板層１０１との間の絶縁層１０２も酸化シリコンからなるため酸化膜１０５とともに除去される。酸化膜１０５を完全に除去すると、非酸化領域が可撓電極１１ｂとして露出するとともに、可撓電極１１ｂと基板層１０１との間に空隙Ｇが形成される。
【００２９】
なお、図７においては可撓電極１１ｂと固定電極１０ａ、１０ｂとの間に露出している領域からは絶縁層１０２が完全に除去されているが、その領域に絶縁層１０２が薄く残っていても良い。例えば酸化膜１０５の厚さよりも絶縁層１０２の方が厚い場合であれば、その領域に絶縁層１０２が薄く残り得る。ただし、絶縁層１０２は、少なくとも可撓電極１１ｂと基板層１０１との間に空隙ができるまで除去されなければならない。すなわち、可撓電極１１ｂと絶縁層１０２とが完全に切り離されるまでは、酸化膜１０５とともに絶縁層１０２を除去する必要がある。
【００３０】
その後にダイシング、ワイヤボンディング、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。
【００３１】
既に述べたとおり、可撓電極１１ｂと固定電極１０ａ、１０ｂが対向する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１１ｂを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枚のウエハから多く製造することができる。また可撓電極１１ｂは、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥによって原形が形成されるため、高さｈと幅ｗを独立して自由に設計することができる。
【００３２】
また、可撓電極１１ｂの厚さは、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥによって形成する直柱体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以上の深さまでエッチングするとしても可撓電極１１ｂとなる直柱体の厚さを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、シリコンは薄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１１ｂ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、"撓み／力"の係数が大きく、破損しにくい可撓電極１１ｂを歩留まり良く形成することが可能である。
【００３３】
２．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、図８に示すナノシートトランスデューサ２のようにシート状の可撓電極１１ｂの片側にのみ固定電極１０を設けてもよい。ナノシートトランスデューサを加速度等を検出する慣性センサとして用いる場合には、錘として機能する部分を可撓電極１１ｂに付加しても良い。
【００３４】
また、図９に示すナノシートトランスデューサ３のように可撓電極１１ｂの両側の短辺を支持部１１ａ、１１ｃに結合してもよい。この場合、可撓電極１１ｂは両持ち梁の形態となる。可撓電極１１ｂを両持ち梁の形態にする場合には、図１０Ａ、図１０Ｂに示すように長辺（基板層１０１の主面と平行な辺）が曲線を描くようにシート状の可撓電極１１ｂをねじれのない曲がった状態に形成することが望ましい。図１０Ａに示すナノシートトランスデューサ４では、可撓電極１１ｂの支持部１１ａ、１１ｃと近い領域にそれぞれ屈曲部Ｎが形成されている。図１０Ｂに示すナノシートトランスデューサ５では、可撓電極１１ｂの長辺全体がゆるやかに曲がっている。ナノシートトランスデューサ４、５のように可撓電極１１ｂを曲げると、可撓電極１１ｂの任意の点が可撓電極１１ｂと固定電極１０ａ、１０ｂとが対向する方向に変位することによって発生する張力を低減することができる。したがって、両持ち梁形態の可撓電極を平坦に形成する場合に比べて、センサとしてのナノシートトランスデューサ４、５の感度を高め、またアクチュエータとしてのナノシートトランスデューサ４、５の出力を高めることができる。
【００３５】
図１１に示すナノシートトランスデューサ６においては、４枚のシート状の可撓電極を十字形に結合したような十字梁形態の可撓電極１１ｈを備えている。可撓電極１１ｈの４辺のそれぞれは支持部１１ｄ、１１ｅ、１１ｆ、１１ｇに結合されている。そして可撓電極１１ｈの近傍に複数の固定電極１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆが配置される。このようなナノシートトランスデューサ６においては、複数の固定電極１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆを用いて可撓電極１１ｈの駆動と可撓電極１１ｈの撓み検出とが可能である。駆動方向に対して垂直な方向の可撓電極１１ｈの撓みを検出する場合、ナノシートトランスデューサ５は振動型ジャイロスコープとして機能する。なお、電気的に接地された十字梁形態の可撓電極１１ｈは、固定電極１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆに印加する電圧を制御すると、中心部を回転させることも可能である。
【００３６】
また、絶縁層１０２と酸化膜１０５とが異質であってもよい。絶縁層１０２と酸化膜１０５とが異質である場合には、それぞれを別の工程でエッチングしてもよい。また、互いに異質である絶縁層１０２と酸化膜１０５の両方を同時にエッチングできるエッチャントを用いても良い。
【００３７】
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】
【００３８】
１…ナノシートトランスデューサ、２…ナノシートトランスデューサ、３…ナノシートトランスデューサ、４…ナノシートトランスデューサ、５…ナノシートトランスデューサ、６…ナノシートトランスデューサ、１０・１０ａ・１０ｂ・１０ｃ・１０ｄ・１０ｅ・１０ｆ…固定電極、１１ａ、１１ｄ…支持部、１１ｂ…可撓電極、１１ｈ…可撓電極、１４ａ、１４ｂ…ワイヤ、１０１…基板層、１０１ａ…主面、１０２…絶縁層、１０３…シリコン層、１０４ａ、１０４ｂ…ボンディングパッド、１０５…酸化膜、１０５ａ…内方拡散領域、１０５ｂ…膨張領域、Ｇ…空隙、Ｎ…屈曲部、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の可撓電極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にはシリコン基板層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、感度を上げるために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、静電容量型トランスデューサーの製造コストを抑制しつつ感度を高めることを目的の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、基板層と、前記基板層に積層された絶縁層と、前記絶縁層に積層されたシリコン層とを含むダイを備え、支持部と、前記支持部に少なくとも一辺が結合し前記基板層の主面と垂直である厚さ１μｍ未満のシート状の可撓電極と、前記基板層の主面と平行な方向において前記可撓電極と対向し前記基板層の主面と垂直な側面を有する固定電極とが前記シリコン層によって形成され、前記支持部と前記固定電極とが前記絶縁層によって前記基板層に結合され、前記可撓電極と前記基板層との間には前記絶縁層に対応する空隙が形成されている。
シリコンから可撓電極を構成する場合、可撓電極が薄くなるほど曲げ強度が高くなる。本発明によると、可撓電極は厚さが１μｍ未満と極めて薄いため、曲げ強度が高い。また基板層の主面に対して垂直なシート状の可撓電極は、可撓電極の主面からの高さを高くすることにより面積を広くできる。この可撓電極と対向する固定電極の側面も主面からの高さを高くすることにより面積を広くできる。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、かつ安価な静電容量型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、短辺が前記支持部に結合している矩形でもよい。
可撓電極をその短辺が支持部に結合する矩形にすると、長辺が基板層の主面と平行に伸びることになる。これにより長辺に沿って可撓電極を撓ませることができるため、短辺に沿って可撓電極を撓ませる場合に比べて可撓電極の変位を大きくすることができる。したがって、出力や感度を高めることができる。
【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、前記可撓電極は、曲がったシート状であって、対向する二辺が前記支持部と結合していてもよい。
可撓電極の対向する二辺を支持部と結合すると、一辺を支持部と結合する場合に比べて可撓電極の共振周波数を高くすることができる。また可撓電極の対向する二辺を支持部と結合しても、可撓電極が曲がったシート状であれば、比較的小さな力で可撓電極を変形させることができる。
【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の製造方法は、基板層と、前記基板層に積層された絶縁層と、前記絶縁層に積層されたシリコン層とを含む積層体を準備する工程と、最小幅１μｍ以上の領域を保護する保護膜を前記シリコン層の主面に形成する工程と、前記シリコン層の前記保護膜から露出している領域を、前記絶縁層が露出するまで垂直方向にエッチングすることによって直柱体を形成する工程と、前記直柱体の内部に酸化されずに残る直柱体領域の横断面最小幅が１μｍ未満になるまで前記シリコン層を熱酸化する工程と、前記シリコン層に形成された酸化膜を除去することによって前記直柱体領域からなる前記支持部と前記可撓電極と前記固定電極とを形成する工程と、前記可撓電極と前記基板層との間の前記絶縁層を除去することによって前記空隙を形成する工程と、を含む。
本発明によると、シリコン層の主面を垂直方向にエッチングすることによって可撓電極の最終寸法より大きな直柱体の原形を形成する。このとき、可撓電極の原形を保護する保護膜の最小幅が１μｍ以上あるため、歩留まり高く可撓電極の原形を形成することができる。その後、可撓電極の原形の表層を熱酸化し、さらに酸化膜を除去することによって、可撓電極の原形の表層を除去する。熱酸化が進行する過程では、酸化膜の成長に伴って酸化レートが落ちるため、酸化膜の膜厚の制御性が高い。したがって、可撓電極の最終寸法の領域を正確に残して熱酸化することが可能である。すなわち、可撓電極となる横断面最大幅が１μｍ未満の直柱体領域を正確に形成することができる。このため本発明によると、厚さが１μｍ未満と極めて薄く、曲げ強度が高い可撓電極を製造することができる。したがって本発明によると、出力や感度が高く、強度も高く、かつ特性のばらつきが小さい静電容量型トランスデューサーを製造することができる。
【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の製造方法において、前記絶縁層は酸化シリコンからなり、前記酸化膜と前記絶縁層が同時に除去されてもよい。
この構成を採用すると、酸化膜と絶縁層を同時に除去できるため、製造コストを低減することができる。
【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１Ｃに示すＡ−Ａ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断面図であって図１Ｃに示すＢ−Ｂ線の断面図である。図１Ｃは本発明の第一実施形態にかかる平面図である。
【図２】図２Ａは本発明の第一実施形態にかかる断面図であって、図１Ｃに示すＡ−Ａ線の断面に対応している。図２Ｂは本発明の第一実施形態にかかる断面図であって図１Ｃに示すＢ−Ｂ線の断面図である。
【図３】図３Ａは本発明の第一実施形態にかかる断面図であって、図１Ｃに示すＡ−Ａ線の断面に対応している。図３Ｂは本発明の第一実施形態にかかる断面図であって、図１Ｃに示すＤ−Ｄ線の断面に対応している。
【図４】図４Ａは本発明の第一実施形態にかかる断面図であって、図１Ｃに示すＡ−Ａ線の断面に対応している。図４Ｂは本発明の第一実施形態にかかる断面図であって、図１Ｃに示すＤ−Ｄ線の断面に対応している。
【図５】図５Ａは本発明の第一実施形態にかかる断面図であって、図１Ｃに示すＡ−Ａ線の断面に対応している。図５Ｂは本発明の第一実施形態にかかる断面図であって、図１Ｃに示すＤ−Ｄ線の断面に対応している。図５Ｃは図７Ａに破線で示す領域Ｃの拡大図である。
【図６】本発明の実施形態にかかるグラフである。
【図７】図７Ａは本発明の第一実施形態にかかる断面図であって、図１Ｃに示すＡ−Ａ線の断面に対応している。図７Ｂは本発明の第一実施形態にかかる断面図であって、図１Ｃに示すＤ−Ｄ線の断面に対応している。
【図８】本発明の他の実施形態にかかる平面図である。
【図９】図９Ａは本発明の他の実施形態にかかる平面図である。図９Ｂは図９Ａに示すＢ−Ｂ線の断面図である。
【図１０】図１０Ａおよび図１０Ｂは本発明の他の実施形態にかかる平面図である。
【図１１】本発明の他の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、半導体製造技術を用いて製造される図１に示すダイが図示しないパッケージに収容されているＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）である。ダイは、シリコンからなる基板層１０１と、酸化シリコンからなる絶縁層１０２と、不純物が導入されて導体として機能するシリコン層１０３とを含む。ダイには支持部１１ａと可撓電極１１ｂと固定電極１０ａ、１０ｂとがシリコン層１０３によって形成されている。
【００１６】
シリコン層１０３からなる支持部１１ａと可撓電極１１ｂとは、絶縁層１０２を介して基板層１０１に結合された一体の直柱体を構成している。
支持部１１ａ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。支持部１１ａの高さは可撓電極１１ｂの高さｈと等しい。支持部１１ａの上には金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）等の金属膜（導電膜）からなるボンディングパッド１０４ｂが形成されている。
【００１７】
可撓電極１１ｂは厚さｔが１μｍ未満のシート状の矩形に形成されている。可撓電極１１ｂは基板層１０１の主面１０１ａと垂直な姿勢で支持部１１ａに短辺の一方が結合している。可撓電極１１ｂと基板層１０１との間には絶縁層１０２に対応する空隙Ｇが形成されている。空隙Ｇは絶縁層１０２の厚さと等しい。絶縁層１０２の厚さを調整することによって空隙Ｇは任意に設定可能である。可撓電極１１ｂの長辺は基板層１０１の主面１０１ａと平行である。厚さｔとともに可撓電極１１ｂの機械的特性を支配する可撓電極１１ｂの高さｈと幅ｗ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、幅ｗを１００〜５００μｍに設定可能である。可撓電極１１ｂの高さｈと幅ｗは可撓電極１１ｂと固定電極１０ａ、１０ｂとによって形成される静電容量と比例関係にある。可撓電極１１ｂと図示しない外部回路とは、支持部１１ａの頂面に形成されたボンディングパッド１０４ｂに接合されるワイヤ１４ｂによって導通する。
【００１８】
シリコン層１０３からなる固定電極１０ａ、１０ｂは可撓電極１１ｂの両側に位置し、それぞれ実質的に剛体として振る舞うほぼ直柱体の部分であって、可撓電極１１ｂからも支持部１１ａからも離れている。固定電極１０ａ、１０ｂは絶縁層１０２を介して基板層１０１に結合されている。基板層１０１の主面１０１ａと垂直な固定電極１０ａ、１０ｂの側面は、基板層１０１の主面１０１ａと平行な方向において可撓電極１１ｂと対向している。固定電極１０ａと可撓電極１１ｂとの距離Ｄ１、固定電極１０ｂと可撓電極１１ｂとの距離Ｄ２は互いに独立して任意に設定することができる。距離Ｄ１は、固定電極１０ａと可撓電極１１ｂの静電容量と反比例の関係にある。距離Ｄ２は、固定電極１０ｂと可撓電極１１ｂの静電容量と反比例の関係にある。例えば距離Ｄ１、Ｄ２を等しく１０〜１００μｍに設定する。固定電極１０ａが可撓電極１１ｂと対向する面積は、固定電極１０ａと可撓電極１１ｂとによって形成される静電容量と比例関係にある。固定電極１０ｂが可撓電極１１ｂと対向する面積は、固定電極１０ｂと可撓電極１１ｂとによって形成される静電容量と比例関係にある。固定電極１０ａ、１０ｂが可撓電極１１ｂと対向する面積は、固定電極１０ａ、１０ｂの側面の形状と、固定電極１０ａ、１０ｂと可撓電極１１ｂとの位置関係によって定まる。固定電極１０ａ、１０ｂの側面の幅も固定電極１０ａ、１０ｂと可撓電極１１ｂとの位置関係も任意に設定可能であるため、これらを調整することによって静電容量を自由に設定することができる。
【００１９】
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１０ａ、１０ｂと可撓電極１１ｂとによって静電容量を形成できる。したがって可撓電極１１ｂ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音波や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、固定電極１０ａ、１０ｂと可撓電極１１ｂとにバイアス電圧を印加し、固定電極１０ａと可撓電極１１ｂとの距離Ｄ１、固定電極１０ｂと可撓電極１１ｂとの距離Ｄ２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１１ｂ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い。また、可撓電極１１ｂの厚さ方向の両側に固定電極１０ａ、１０ｂが配置され、可撓電極１１ｂと固定電極１０ａ、１０ｂとが対向する面積を広くとることができるため、大きな静電容量が得られる。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。
【００２０】
また固定電極１０ａ、１０ｂと可撓電極１１ｂとの間に電圧を印加すると、固定電極１０ａ、１０ｂと可撓電極１１ｂとの間に静電引力が発生する。したがって固定電極１０ａまたは固定電極１０ｂと可撓電極１１ｂとの間に電圧を印加することによって可撓電極１１ｂを２方向に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１１ｂのたわみ量を制御することができる。また、固定電極１０ａ、１０ｂと可撓電極１１ｂとの間に交流の駆動電圧を印加することによって可撓電極１１ｂを振動させることができる。したがってナノシートトランスデューサ１は、音波や振動や風を発生させるアクチュエーターとして利用することができる。そして可撓電極１１ｂ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い。また、可撓電極１１ｂの厚さ方向の両側に固定電極１０ａ、１０ｂが配置され、可撓電極１１ｂと固定電極１０ａ、１０ｂとが対向する面積を広くとることができる。したがって効率よく可撓電極１１ｂを駆動することが可能である。
【００２１】
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６を参照しながら説明する。
はじめに単結晶シリコンからなる基板層１０１と、酸化シリコンからなる絶縁層１０２と、シリコンからなるシリコン層１０３とを含む積層体であるＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウエハを準備する。シリコン層１０３の結晶方位は任意である。シリコン層１０３の不純物濃度はシリコン層１０３が導体として機能する程度に高く設定し、例えばリン（Ｐ）を１０１６ｃｍ-3の濃度で導入する。ＳＯＩウエハの代わりにシリコンウエハを準備して、シリコンウエハの一方の主面に絶縁層とシリコン層とを積層しても良い。シリコン層１０３の厚さは、ほぼそのまま可撓電極１１ｂおよび固定電極１０ａ、１０ｂの高さｈとなる。絶縁層１０２の厚さは、ほぼそのまま可撓電極１１ｂと基板層１０１との間の空隙Ｇの距離となる。尚、絶縁層１０２と酸化膜１０５がともに酸化シリコンからなる場合、後述するように酸化膜１０５と絶縁層１０２とを同時にエッチングできるため、製造工程を簡素化することができる。
【００２２】
次に、シリコン層１０３の表面にフォトレジストを塗布し、露光・現像することによって図２に示すフォトレジストからなる保護膜Ｒ１を形成する。保護膜Ｒ１が覆う領域の最小幅は歩留まりを上げるために１μｍ以上とすることが好ましい。
【００２３】
次に図３に示すようにシリコン層１０３の保護膜Ｒ１から露出している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がシリコン層１０３に形成される。このとき用いるエッチング方法は、エッチングによって形成される側壁とシリコン層１０３の主面が垂直になるＤｅｅｐ−ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法である。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。
【００２４】
次に図４に示すように、シリコン層１０３の主面上に所定形状のボンディングパッド１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ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シリコン層１０３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ボンディングパッド１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ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ボンディングパッド１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃを形成しても良い。
【００２５】
次に図５に示すように、シリコン層１０３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５に破線で示す酸化前の直柱体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。内方拡散領域１０５ａの厚さと膨張領域１０５ｂの厚さの比は４：６〜６：４程度となり、２つの領域の厚さはほぼ等しくなる。
【００２６】
熱酸化の処理時間は、酸化前の直柱体の内部に酸化されずに残る非酸化領域の厚さｔが可撓電極１１ｂ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を可撓電極１１ｂ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１１ｂ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１１ｂの目標厚さすなわち非酸化領域の厚さ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の厚さｔ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、酸化前の直柱体の厚さ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。
【００２７】
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１１ｂ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、酸化前の直柱体の側面の傾斜を垂直方向に補正することも可能である。
【００２８】
次に、可撓電極１１ｂになる部分から酸化膜１０５が完全に除去されるまで図７に示すように酸化膜１０５を除去する。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。このとき、可撓電極１１ｂになる非酸化領域と基板層１０１との間の絶縁層１０２も酸化シリコンからなるため酸化膜１０５とともに除去される。酸化膜１０５を完全に除去すると、非酸化領域が可撓電極１１ｂとして露出するとともに、可撓電極１１ｂと基板層１０１との間に空隙Ｇが形成される。
【００２９】
なお、図７においては可撓電極１１ｂと固定電極１０ａ、１０ｂとの間に露出している領域からは絶縁層１０２が完全に除去されているが、その領域に絶縁層１０２が薄く残っていても良い。例えば酸化膜１０５の厚さよりも絶縁層１０２の方が厚い場合であれば、その領域に絶縁層１０２が薄く残り得る。ただし、絶縁層１０２は、少なくとも可撓電極１１ｂと基板層１０１との間に空隙ができるまで除去されなければならない。すなわち、可撓電極１１ｂと絶縁層１０２とが完全に切り離されるまでは、酸化膜１０５とともに絶縁層１０２を除去する必要がある。
【００３０】
その後にダイシング、ワイヤボンディング、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。
【００３１】
既に述べたとおり、可撓電極１１ｂと固定電極１０ａ、１０ｂが対向する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１１ｂを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枚のウエハから多く製造することができる。また可撓電極１１ｂは、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥによって原形が形成されるため、高さｈと幅ｗを独立して自由に設計することができる。
【００３２】
また、可撓電極１１ｂの厚さは、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥによって形成する直柱体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以上の深さまでエッチングするとしても可撓電極１１ｂとなる直柱体の厚さを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、シリコンは薄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１１ｂ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、"撓み／力"の係数が大きく、破損しにくい可撓電極１１ｂを歩留まり良く形成することが可能である。
【００３３】
２．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、図８に示すナノシートトランスデューサ２のようにシート状の可撓電極１１ｂの片側にのみ固定電極１０を設けてもよい。ナノシートトランスデューサを加速度等を検出する慣性センサとして用いる場合には、錘として機能する部分を可撓電極１１ｂに付加しても良い。
【００３４】
また、図９に示すナノシートトランスデューサ３のように可撓電極１１ｂの両側の短辺を支持部１１ａ、１１ｃに結合してもよい。この場合、可撓電極１１ｂは両持ち梁の形態となる。可撓電極１１ｂを両持ち梁の形態にする場合には、図１０Ａ、図１０Ｂに示すように長辺（基板層１０１の主面と平行な辺）が曲線を描くようにシート状の可撓電極１１ｂをねじれのない曲がった状態に形成することが望ましい。図１０Ａに示すナノシートトランスデューサ４では、可撓電極１１ｂの支持部１１ａ、１１ｃと近い領域にそれぞれ屈曲部Ｎが形成されている。図１０Ｂに示すナノシートトランスデューサ５では、可撓電極１１ｂの長辺全体がゆるやかに曲がっている。ナノシートトランスデューサ４、５のように可撓電極１１ｂを曲げると、可撓電極１１ｂの任意の点が可撓電極１１ｂと固定電極１０ａ、１０ｂとが対向する方向に変位することによって発生する張力を低減することができる。したがって、両持ち梁形態の可撓電極を平坦に形成する場合に比べて、センサとしてのナノシートトランスデューサ４、５の感度を高め、またアクチュエータとしてのナノシートトランスデューサ４、５の出力を高めることができる。
【００３５】
図１１に示すナノシートトランスデューサ６においては、４枚のシート状の可撓電極を十字形に結合したような十字梁形態の可撓電極１１ｈを備えている。可撓電極１１ｈの４辺のそれぞれは支持部１１ｄ、１１ｅ、１１ｆ、１１ｇに結合されている。そして可撓電極１１ｈの近傍に複数の固定電極１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆが配置される。このようなナノシートトランスデューサ６においては、複数の固定電極１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆを用いて可撓電極１１ｈの駆動と可撓電極１１ｈの撓み検出とが可能である。駆動方向に対して垂直な方向の可撓電極１１ｈの撓みを検出する場合、ナノシートトランスデューサ５は振動型ジャイロスコープとして機能する。なお、電気的に接地された十字梁形態の可撓電極１１ｈは、固定電極１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆに印加する電圧を制御すると、中心部を回転させることも可能である。
【００３６】
また、絶縁層１０２と酸化膜１０５とが異質であってもよい。絶縁層１０２と酸化膜１０５とが異質である場合には、それぞれを別の工程でエッチングしてもよい。また、互いに異質である絶縁層１０２と酸化膜１０５の両方を同時にエッチングできるエッチャントを用いても良い。
【００３７】
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】
【００３８】
１…ナノシートトランスデューサ、２…ナノシートトランスデューサ、３…ナノシートトランスデューサ、４…ナノシートトランスデューサ、５…ナノシートトランスデューサ、６…ナノシートトランスデューサ、１０・１０ａ・１０ｂ・１０ｃ・１０ｄ・１０ｅ・１０ｆ…固定電極、１１ａ、１１ｄ…支持部、１１ｂ…可撓電極、１１ｈ…可撓電極、１４ａ、１４ｂ…ワイヤ、１０１…基板層、１０１ａ…主面、１０２…絶縁層、１０３…シリコン層、１０４ａ、１０４ｂ…ボンディングパッド、１０５…酸化膜、１０５ａ…内方拡散領域、１０５ｂ…膨張領域、Ｇ…空隙、Ｎ…屈曲部、Ｒ１…保護膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板層と、
前記基板層に積層された絶縁層と、
前記絶縁層に積層されたシリコン層とを含むダイを備え、
支持部と、前記支持部に少なくとも一辺が結合し前記基板層の主面と垂直である厚さ１μｍ未満のシート状の可撓電極と、前記基板層の主面と平行な方向において前記可撓電極と対向し前記基板層の主面と垂直な側面を有する固定電極とが前記シリコン層によって形成され、
前記支持部と前記固定電極とが前記絶縁層によって前記基板層に結合され、
前記可撓電極と前記基板層との間には前記絶縁層に対応する空隙が形成されている、
ナノシートトランスデューサ。
【請求項２】
前記可撓電極は、短辺が前記支持部に結合している矩形である、
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】
前記可撓電極は、曲がったシート状であって、対向する二辺が前記支持部と結合している、
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】
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の製造方法であって、
前記基板層と、前記基板層に積層された前記絶縁層と、前記絶縁層に積層された前記シリコン層とを含む積層体を準備する工程と、
最小幅１μｍ以上の領域を保護する保護膜を前記シリコン層の主面に形成する工程と、
前記シリコン層の前記保護膜から露出している領域を、前記絶縁層が露出するまで垂直方向にエッチングすることによって直柱体を形成する工程と、
前記直柱体の内部に酸化されずに残る直柱体領域の横断面最小幅が１μｍ未満になるまで前記シリコン層を熱酸化する工程と、
前記シリコン層に形成された酸化膜を除去することによって前記直柱体領域からなる前記支持部と前記可撓電極と前記固定電極とを形成する工程と、
前記可撓電極と前記基板層との間の前記絶縁層を除去することによって前記空隙を形成する工程と、
を含むナノシートトランスデューサの製造方法。
【請求項５】
前記絶縁層は酸化シリコンからなり、
前記酸化膜と前記絶縁層が同時に除去される、
請求項４に記載のナノシートトランスデューサの製造方法。
【請求項１】
基板層と、
前記基板層に積層された絶縁層と、
前記絶縁層に積層されたシリコン層とを含むダイを備え、
支持部と、前記支持部に少なくとも一辺が結合し前記基板層の主面と垂直である厚さ１μｍ未満のシート状の可撓電極と、前記基板層の主面と平行な方向において前記可撓電極と対向し前記基板層の主面と垂直な側面を有する固定電極とが前記シリコン層によって形成され、
前記支持部と前記固定電極とが前記絶縁層によって前記基板層に結合され、
前記可撓電極と前記基板層との間には前記絶縁層に対応する空隙が形成されている、
ナノシートトランスデューサ。
【請求項２】
前記可撓電極は、短辺が前記支持部に結合している矩形である、
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】
前記可撓電極は、曲がったシート状であって、対向する二辺が前記支持部と結合している、
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】
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の製造方法であって、
前記基板層と、前記基板層に積層された前記絶縁層と、前記絶縁層に積層された前記シリコン層とを含む積層体を準備する工程と、
最小幅１μｍ以上の領域を保護する保護膜を前記シリコン層の主面に形成する工程と、
前記シリコン層の前記保護膜から露出している領域を、前記絶縁層が露出するまで垂直方向にエッチングすることによって直柱体を形成する工程と、
前記直柱体の内部に酸化されずに残る直柱体領域の横断面最小幅が１μｍ未満になるまで前記シリコン層を熱酸化する工程と、
前記シリコン層に形成された酸化膜を除去することによって前記直柱体領域からなる前記支持部と前記可撓電極と前記固定電極とを形成する工程と、
前記可撓電極と前記基板層との間の前記絶縁層を除去することによって前記空隙を形成する工程と、
を含むナノシートトランスデューサの製造方法。
【請求項５】
前記絶縁層は酸化シリコンからなり、
前記酸化膜と前記絶縁層が同時に除去される、
請求項４に記載のナノシートトランスデューサの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−９６３３６（Ｐ２０１２−９６３３６Ａ）
【公開日】平成２４年５月２４日（２０１２．５．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２４８０２９（Ｐ２０１０−２４８０２９）
【出願日】平成２２年１１月５日（２０１０．１１．５）
【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 社団法人電気学会発行の「第２７回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム論文集」２０１０年１０月１４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５月２４日（２０１２．５．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月５日（２０１０．１１．５）
【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 社団法人電気学会発行の「第２７回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム論文集」２０１０年１０月１４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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