特許 6839573 静電誘導装置用基板の製造方法及び静電誘導装置用基板

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6839573

(24)【登録日】2021年2月17日

(45)【発行日】2021年3月10日

(54)【発明の名称】静電誘導装置用基板の製造方法及び静電誘導装置用基板

(51)【国際特許分類】

   H01G 7/02 20060101AFI20210301BHJP

   H02N 1/00 20060101ALI20210301BHJP

   B81C 1/00 20060101ALI20210301BHJP

【ＦＩ】

   H01G7/02 E

   H02N1/00

   H01G7/02 D

   B81C1/00

【請求項の数】3

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2017-48450(P2017-48450)

(22)【出願日】2017年3月14日

(65)【公開番号】特開2018-152491(P2018-152491A)

(43)【公開日】2018年9月27日

【審査請求日】2019年12月13日

(73)【特許権者】

【識別番号】000001960

【氏名又は名称】シチズン時計株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100126583

【弁理士】

【氏名又は名称】宮島 明

(72)【発明者】

【氏名】池田 智夫

【審査官】 小池 秀介

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１４−１０７８９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−３０３７４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−１３８９３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−３４２７７４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｇ ５／００−７／０６

Ｂ８１Ｃ １／００

Ｈ０２Ｎ １／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

シリコン基板に溝及び凸部を形成する工程と、
加熱処理して凸部をすべてシリコン酸化膜にする加熱酸化工程と、
シリコン酸化膜を帯電させる帯電工程と、
前記シリコン酸化膜を厚さ方向に除去し、部分的に前記シリコン基板を露出させる工程を備え、
前記溝は、第１の幅を有する複数の第１の溝と、
前記第１の幅より広い第２の幅を有する複数の第２の溝を備え、
前記第２の溝に形成される前記シリコン酸化膜を、厚さ方向に完全に除去し、
前記第２の溝において、前記シリコン基板を露出させ、
前記第１の溝の前記シリコン酸化膜を、互いに独立した極形状とした
ことを特徴とする静電誘導装置用基板の製造方法。

【請求項2】

前記第１の溝の深さと前記第２の溝の深さは、同じである
ことを特徴とする請求項１に記載の静電誘導装置用基板の製造方法。

【請求項3】

互いに独立した極形状とした前記シリコン酸化膜を帯電させた
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の製造方法で製造された静電誘導装置用基板。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、静電誘導作用を利用して電気機械変換を行う静電誘導装置に用いる基板の製造方法及び静電誘導装置用基板に関する。

【背景技術】

【0002】

半永久的に電荷を保持する性質を持つエレクトレットを利用することで発生する静電的な相互作用により電力と動力の間の変換を行う電気機械変換器が知られている。（例えば、特許文献１参照）

【0003】

上記特許文献１には、電気機械変換器に用いる基板として、その表面にエレクトレット膜が形成された基板が開示されている。静電誘導作用を利用する電気機械変換器においては、エレクトレット膜の表面電位が高いことが要求されるが、従来の平坦な表面を熱酸化して形成したシリコン酸化膜によるエレクトレット膜では、十分高い表面電位を得ることができなかった。その原因は、単位面積当たりのシリコン酸化膜の体積が不足していることにある。単位面積当たりのシリコン酸化膜の体積を増やすにはシリコン酸化膜の厚みを大きくすることが有効であるが、そのためには長時間のシリコン酸化処理が必要となり、シリコン酸化膜の厚みを大きくすることは困難であった。

【0004】

この特許文献１による静電誘導装置用基板では、シリコン基板の表面に溝及び凸部を形成し、表面を熱酸化して形成したシリコン酸化膜に電荷を注入することによって、エレクトレット膜が形成されている。特許文献１においてシリコン基板の表面に溝及び凸部を形成した目的は、従来のシリコン基板の平坦な表面を熱酸化して形成したエレクトレット膜の欠点である表面電位の改善である。特許文献１においては、シリコン基板の平坦な表面に溝及び凸部を形成して、シリコン基板の表面に凹凸形状を設けることで表面積を増やした。すなわち、凸部の側面が新たに表面として加わることにより、表面積を増大させた。そして、シリコン基板の新たに表面として加わった表面も含めて、溝及び凸部の全部の表面を酸化することにより、表面電位の向上を図った。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特許第４５１４７８２号公報（第１８頁、図１、図４）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、特許文献１においては、凸部の内部の芯の部分は酸化されずにシリコンのままの状態で残っており、従って、この芯の部分はエレクトレット膜として寄与しない。よって、特許文献１による改善の効果は十分ではなく、更なる改善が望まれている。

【0007】

そこで、本発明においては、簡易な方法でシリコン酸化膜の厚みを大きくし、エレクトレット膜の表面電位を向上させる、静電誘導装置用基板の製造方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記課題を解決するため本発明の静電誘導装置用基板の製造工程は、
シリコン基板に溝及び凸部を形成する工程と、加熱処理して凸部をすべてシリコン酸化膜にする加熱酸化工程と、シリコン酸化膜を帯電させる帯電工程と、
前記シリコン酸化膜を厚さ方向に除去し、部分的に前記シリコン基板を露出させる工程を
備え、前記溝は、第１の幅を有する複数の第１の溝と、前記第１の幅より広い第２の幅を有する複数の第２の溝を備え、前記第２の溝に形成される前記シリコン酸化膜を、厚さ方向に完全に除去し、前記第２の溝において、前記シリコン基板を露出させ、前記第１の溝の前記シリコン酸化膜を、互いに独立した極形状としたことを特徴とする。

【0011】

第１の溝の深さと第２の溝の深さは、同じであることが好ましい。
また、本発明の静電誘導装置用基板は、互いに独立した極形状であるシリコン酸化膜を帯電させることが好ましい。

【発明の効果】

【0012】

上記の静電誘導装置用基板の製造方法によれば、凸部をすべてシリコン酸化膜にすることにより、厚いシリコン酸化膜を短時間で形成することができる。そのため表面電位が高いエレクトレット膜を得ることができ、高性能なエレクトレット膜を具備する静電誘導装置用基板を容易に得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の第１実施形態における、エレクトレット基板の製造工程を説明する断面図である。

【図2】本発明の第１実施形態における、エレクトレット基板の製造工程を説明する断面図である。

【図3】図１に示すエレクトレット基板の製造工程における加熱酸化工程で用いる酸化装置の概略構成図である。

【図4】図２に示すエレクトレット基板の製造工程における帯電工程で用いる帯電装置の概略構成図である。

【図5】本発明の第２実施形態における、エレクトレット基板の製造工程を説明する断面図である。

【図6】本発明の第２実施形態における、エレクトレット基板の製造工程を説明する断面図である。

【図7A】シリコン酸化膜形成の条件を説明するエレクトレット基板の断面図である。

【図7B】シリコン酸化膜形成の条件を説明するエレクトレット基板の断面図である。

【図7C】シリコン酸化膜形成の条件を説明するエレクトレット基板の断面図である。

【図8】シリコン酸化膜の膜厚と酸化時間の関係を示すグラフである。

【図9A】本発明の第３実施形態における、溝及び凸部のパターンの配置を示すエレクトレット基板の斜視図及び断面図である。

【図9B】本発明の第４実施形態における、溝及び凸部のパターンの配置を示すエレクトレット基板の斜視図及び断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

本発明の実施形態の説明においては、静電誘導装置用基板としてもっとも広く採用されているエレクトレット基板を事例として説明する。
以下、図面を用いて静電誘導装置用基板（以下「エレクトレット基板」と略記する。）の製造工程の具体的な実施形態を詳述する。
説明にあたっては、実施形態において用いる図面は模式図とし、寸法や形状や配置位置は実際の形状や状況を正確に反映したものではなく、図面を見やすく、また、理解しやすくするため一部誇張している。

【0015】

[第１実施形態におけるエレクトレット基板の製造工程の説明：図１、図２]
本発明の第１実施形態における、エレクトレット基板の製造工程は三つの工程を持つ。その三つの工程は、シリコン基板に溝及び凸部を形成する凹凸形成工程、凸部のすべてをシリコン酸化膜にする加熱酸化工程及びシリコン酸化膜を帯電させる帯電工程である。

【0016】

以下第１実施形態における、エレクトレット基板の製造工程を、図１〜図４を用いて説
明する。
図１及び図２は、第１実施形態における、エレクトレット基板の製造工程を示す断面図である。
エレクトレット基板の製造工程の第一番目の工程は、シリコン基板１の表面１ａに、溝３及び凸部２を形成する凹凸形成工程である。

【0017】

図１（ａ）を用いて、第一番目の工程であるシリコン基板１の表面１ａに、溝３及び凸部２を形成する凹凸形成工程を説明する。
溝３及び凸部２を形成する凹凸形成工程においては、まず、シリコン基板１の表面１ａにパターン化されたレジスト層（図示を省略）を配置する。レジスト層のパターンは、幅Ｐ１のレジスト層を隣り合うレジスト層との間に間隔Ｇ１を設けて配置した。本実施形態では、レジスト層のパターン幅Ｐ１を１μｍ、隣り合うレジスト層との間の間隔Ｇ１を１μｍとした。ここで、凸部２となる部分は、レジスト層が配置された部分であり、溝３となる部分は、レジスト層が無い部分である。

【0018】

次に、Ｄ−ＲＩＥ（深堀反応性イオンエッチング）装置を用いて、エッチングを行う。すると、シリコン基板の表面１ａのレジスト層で覆われていない部分が深さ方向に除去されて溝３となる。そして、レジスト層で覆われた部分はエッチングされずに残り凸部２となる。溝３の深さｄは、Ｄ―ＲＩＥ装置によるエッチング時間で決定され、本実施形態においては、溝３の深さｄが５μｍ、すなわち凸部２の高さｄが５μｍとなるようエッチング時間を制御した。エッチング終了後にパターン化されたレジスト層を除去することによってシリコン基板１の表面１ａに凹凸形状が形成される。

【0019】

図１（ａ）においては、エッチング前の平坦な表面１ａが、凹凸形状に変化している。凹凸形状を作る面は、凸部２の上面２Ｕ、左側面２Ｌ、右側面２Ｒ及び溝３の底面３Ｂの４個の面である。しかし、凸部２の上面２Ｕ及び溝３の底面３Ｂは、エッチング前の表面１ａに対応するので、新たに増加した表面は、凸部２の左側面２Ｌと右側面２Ｒの２個の面である。この結果、シリコン基板１の表面積は、これら２個の面の分、増大する。

【0020】

次の、第二番目の工程は、凸部２のすべてをシリコン酸化膜にする加熱酸化工程である。加熱酸化工程で用いる装置は、図３に示す加熱酸化装置３０であり、まず、図３を用いて、加熱酸化装置３０の構成を説明する。
加熱酸化装置３０の構成要素は、窒素ガスボンベ３１、密閉容器３３、加熱酸化炉３６及び配管３２、３５である。
窒素ボンベ３１には、窒素ガスＮ_２が高圧力で充填されている。密閉容器３３は、水酸化カリウム水溶液３４を収納している。入力配管３２は、窒素ボンベ３１と密閉容器３３を繋ぎ、その端は水酸化カリウム水溶液の液中に配置する。出力配管３５は、密閉容器３３と加熱酸化炉３６を繋ぐ配管である。そして、出力配管３５の端の一方は、密閉容器３３の中にあって、水酸化カリウム水溶液３４の液面より上に配置し、他の端は加熱酸化炉３６の中に配置する。

【0021】

次に、加熱酸化工程を、図３で示す加熱酸化装置３０を使って説明する。
まず、シリコン基板１を、図３に示す加熱酸化炉３６の中に配置する。ごみの付着を抑えるために、図のように立てて配置するとよい。加熱酸化炉３５は加熱ヒーター（図示を省略）を用いて１０００℃に加熱する。
シリコン基板１の温度が十分に昇温されたのちに、窒素ボンベ３１のバルブ（図示を省略）を開いて窒素ガスＮ_２を入力配管３２に流す。すると、窒素ガスＮ_２は_、入力配管３２の他の端から水酸化カリウム水溶液３４の液中にバブリングされる。窒素ガスＮ_２は_、キャリアガスとして機能し、出力配管３５を介して、水酸化カリウムを含んだ水蒸気を加熱酸化炉３６に導入する。すると加熱されたシリコン基板１の表面は、水酸化カリウムの
アルカリイオンを含んだ雰囲気中で熱酸化されて、カリウムイオンを含んだシリコン酸化膜となる。

【0022】

次に、カリウムイオンを含んだシリコン酸化膜が成長する様子を、図１（ｂ）及び図１（ｃ）に示すシリコン基板１の断面図を用いて説明する。
図１（ｂ）は、加熱酸化工程の途中まで進行した状態であり、図１（ｃ）は、加熱酸化工程が終了した状態である。

【0023】

加熱酸化工程の説明に先立って、シリコン酸化膜の成長機構を説明する。シリコンの酸化は、シリコン原子の間に酸素原子やカリウム原子が入り込むことで行われるので、シリコンがシリコン酸化膜に変化するときに体積が増大する。この結果、シリコン酸化膜は、シリコン基板の凸部の外側の溝側と凸部の芯側の両側に向かって、その体積を増やしながら成長する。

【0024】

加熱酸化工程が途中まで進行したときのシリコン酸化膜の形状を、図１（ｂ）に示す。ここで、酸化前のシリコン基板１の凹凸形状は点線で示されている。
カリウムを含むシリコン酸化膜Ｄは、酸化前のシリコン基板１の凹凸形状の外側と内側の両側に成長する。

【0025】

シリコン酸化膜Ｄｉｎは、酸化前の凹凸形状の内側に向かって成長する酸化膜であり、その酸化の開始面である凸部２の上面２Ｕ、右側面２Ｒ及び左側面２Ｌの３面を出発面として凸部２の内部に向かって成長する。その結果、凸部２の内部のシリコンは酸化されてシリコン酸化膜となるので、凸部２の内部のシリコン部分は減少し、シリコンの芯２ａが残る形になる。
一方、シリコン酸化膜Ｄｏｕｔは、酸化前の凹凸形状の外側に向かって成長する酸化膜であり、その酸化の開始面である溝３の底面３Ｂ、凸部２の右側面２Ｒ及び左側面２Ｌの３面を出発面として溝３を埋める方向に成長する。その結果、溝の形状は酸化前の溝３の形状に比較してその幅が狭く、その深さが浅くなっている。

【0026】

さらに加熱酸化工程を進め、加熱酸化を開始してから１２時間経過後に加熱酸化工程を終了する。加熱酸化工程を終了した段階でのシリコン基板１の断面図を、図１（ｃ）に示す。
酸化膜Ｄｉｎは、凸部２の内部にさらに成長した結果、凸部２の内部に残ったシリコンの芯２ａの部分も酸化膜となり、凸部２の内部のすべてがカリウムイオンを含むシリコン酸化膜２Ｄで埋まった状態となる。
また、凸部２の外側となる溝３側に成長した酸化膜Ｄｏｕｔは、さらに成長して溝３ａを埋め尽くした結果、隣り合う凸部２の間はすべてカリウムイオンを含むシリコン酸化膜３Ｄとなる。
その結果、酸化前の凸部２のシリコン部分と溝３の空隙部分は、両者ともにシリコン酸化膜Ｄとなって一体となる。

【0027】

なお、カリウムイオンは正に帯電しているが、カリウムイオンはシリコン原子がもつ電子と対を作っているので、カリウムイオンの正電荷と電子の負電荷が打ち消しあって、電気的には中性である。
したがって、シリコン酸化膜Ｄは電気的に中性であり、表面電位を持たないので、エレクトレット膜としての性能を発現していない。

【0028】

上記加熱酸化工程の結果、図１（ｃ）に示されるシリコン酸化膜Ｄの厚さｔ１は、６μｍとなった。その内訳は、凸部２の高さｄの５μｍとシリコン基板１の表面の熱酸化膜の厚さｔ０の１μｍである。熱酸化膜の厚さｔ０の１μｍは、加熱酸化工程における１２時
間の加熱酸化処理によって作られた厚さである。
一方、シリコン基板の平坦な表面を熱酸化する方法で厚さが６μｍのシリコン酸化膜を得るには数百時間以上必要なので、実質的に製造が困難であり、第１実施形態によるシリコン酸化膜を形成する方法は、極めて効率がよい方法である。

【0029】

次の、第三番目の工程は、シリコン酸化膜を帯電させる工程であり、電気的に中性であるシリコン酸化膜Ｄを帯電させて、表面電位を有するエレクトレット膜の性質を発現させる工程である。
帯電工程で用いる装置は、図４に示す帯電装置４０であり、その構成要素は、帯電用電源４３、二つの電極である負極電極端子４１と正極電極板４２、及びスイッチ４４である。
ここで、正極電極板４２は、前の加熱酸化工程でシリコン酸化膜Ｄが形成されたシリコン基板１がその上に置かれる板である。そして、正極電極板４２には、帯電用電源４３の正極が接続され、もう一方の電極である負極電極端子４１には、スイッチ４４を介して帯電用電源４３の負極が接続されている。

【0030】

帯電工程を、図４の帯電装置４０及び図２を用いて説明する。
図２は、シリコン基板１の断面図であり、シリコン酸化膜Ｄの中のカリウムイオンの存在や電子の存在を模式的に示す。
まず、図２（ａ）に示すシリコン基板１を、図４に示す正極電極板４２に載せる。この時点でシリコン酸化膜Ｄの内部には、図２（ａ）に示すカリウムイオンＫが存在している。

【0031】

次に、シリコン酸化膜Ｄの表面に図４に示す負極電極端子４１を接触させて、スイッチ４４を閉じて通電する。帯電用電源４３の電圧は１ｋｖとした。
このとき、アルカリイオンであるカリウムイオンＫは、プラスに帯電しているので、図４に示されるように、シリコン酸化膜Ｄの内部で、負極となる負極電極端子４１に引き寄せられ、電子と結合して正電荷を失って中性になる。

【0032】

すると、図２（ｂ）に示すように、シリコン酸化膜Ｄの内部には、カリウムイオンＫが出て行ってしまった結果として、カリウムイオンＫと対を形成していた電子Ｅだけが残る。
電子Ｅは負電荷を持つので、シリコン酸化膜Ｄは負に帯電して、表面電位を有するエレクトレット膜２１となる。
このようにして、シリコン基板１は、エレクトレット膜２１を有するエレクトレット基板２０となる。

【0033】

なお、上記帯電工程は、コロナ帯電で行ってもよい。コロナ帯電とは、高電圧で発生させたコロナ放電が生み出す電子をシリコン酸化膜に照射して、シリコン酸化膜に電子を注入して、シリコン酸化膜を帯電する方法である。

【0034】

[第２実施形態におけるエレクトレット基板の製造工程の説明：図５、図６]
本発明の第２実施形態における、エレクトレット基板の製造工程は四つの工程を持つ。
この四つの工程は、シリコン基板に溝及び凸部を形成する凹凸形成工程、凸部のすべてをシリコン酸化膜にする加熱酸化工程、シリコン酸化膜を厚さ方向に除去し、部分的にシリコン基板を露出させる極分離工程及びシリコン酸化膜を帯電させる帯電工程である。ここで、シリコン酸化膜を厚さ方向に除去し、部分的にシリコン基板を露出させる極分離工程は、第１実施形態にはなく、本実施形態の特徴となる工程である。

【0035】

次に第２実施形態における、エレクトレット基板の製造工程を、図５及び図６を用いて
説明する。図５及び図６は、第２実施形態における、エレクトレット基板の製造工程を示すシリコン基板１の断面図である。
第２実施形態によるエレクトレット基板の製造工程は、第１実施形態による製造工程とほぼ同様であり、相違点は、図５（ｃ）、（ｄ）で示す極分離工程が追加されたことである。すなわちシリコン酸化膜を厚さ方向に除去し、部分的にシリコン基板１を露出させる工程を備えたことである。

【0036】

第２実施形態での第一番目の工程は、シリコン基板１の表面１ａに、溝３と溝４及び凸部２を形成する凹凸形成工程であり、図５（ａ）を用いて説明する。
図５（ａ）は、凹凸形成工程を終了した段階でのシリコン基板１の断面図であり、溝３と溝４及び凸部２を形成する凹凸形成工程は、基本的に第１実施形態と同様であるので、同一要素には同一符号を付し、重複する部分の説明を省略する。

【0037】

まず、凸部２の幅に対応するストライプ状パターンのレジスト層をシリコン基板１の表面１ａに配置する。次に、Ｄ−ＲＩＥ装置を使ってシリコン基板１をエッチングする。すると、レジスト層で覆われていない部分は、シリコン基板１の厚み方向にエッチングされて溝３及び溝４となり、レジスト層で覆われてエッチングされずに残った部分が凸部２となる。
溝３と溝４及び凸部２の配置を、図５（ａ）に示す。３個の凸部２が互いに溝３で隔てられて配置された形のグループＴを作り、そのグループＴが溝４で隔てられた配置である。

【0038】

ここで、溝３と溝４及び凸部２の形状寸法を説明する。凸部２の幅Ｐ１を１μｍとし、溝３の幅Ｇ１は１μｍであり、溝４の幅Ｇ２は４μｍとした。そして、溝３及び溝４の深さを５μｍとしたので凸部２の高さｄも５μｍである。

【0039】

次の二番目の工程は、シリコン基板１の表面をシリコン酸化膜にする加熱酸化工程であり、図５（ｂ）を用いて説明する。
図５（ｂ）は加熱酸化工程が終了した状態を示すシリコン基板１の断面図であり、図５（ｂ）に示す第２実施形態による加熱酸化工程は、基本的に図１で説明した第１実施形態の加熱酸化工程と同様であるので、重複する部分の説明を省略する。

【0040】

図５（ｂ）は、加熱酸化を開始してから１２時間経過後に加熱酸化工程を終了したときのシリコン基板１の状態を示している。
第１実施形態と同様に、凸部２の内部のすべてがシリコン酸化膜２Ｄとなる。
また、溝３は、第１実施形態と同様に、溝３を両側から挟む凸部から成長してきた酸化膜で埋め尽くされて、シリコン酸化膜３Ｄとなる。
その結果、酸化前に、３個の凸部２が互いに溝３で隔てられて配置された形のグループＴにおいては、凸部２のシリコンと溝３の間隙は、すべてシリコン酸化膜となって一体となり、シリコン酸化膜Ｄとなる。
一方、溝４ａは、溝の幅が広いので、シリコン酸化膜で埋め尽くされることはなく、溝の形状を保っている。

【0041】

次の第三番目の工程は、シリコン酸化膜を厚さ方向に除去して、部分的にシリコン基板を露出させる極分離工程であり、図５（ｃ）、（ｄ）を用いて説明する。

【0042】

極分離工程においては、シリコン基板１にレジスト層を設けずにエッチングを行い、図５（ｃ）のハッチングで示したＥ１、Ｅ２のシリコン酸化膜を除去する。Ｅ１はグループＴの部分のシリコン酸化膜であり、Ｅ２は溝４ａの底の部分のシリコン酸化膜である。
ここで、エッチングの終了は、エッチングされる物質をモニターして判断する。すなわ
ち、エッチングの当初には酸化シリコンだけが検出されるが、エッチング時間が進むと酸化シリコンに加えて、シリコンが検出されだすので、この時点でエッチングを終了する。このモニターされたシリコンは、図５（ｄ）に示される溝４ｂの底面５において、シリコン基板１が露出されたことを意味する。
このようにして、シリコン酸化膜Ｄは溝４ｂで完全に隣同士が断ち切られ、互いに独立した極形状になる。

【0043】

次の第四番目の工程は、シリコン酸化膜Ｄを帯電させる帯電工程であり、シリコン基板１の断面図である図６を用いて説明するが、基本的に図４で説明した第１実施形態と同じ工程なので、重複する部分の説明を省略する。

【0044】

図６に示す帯電工程において、帯電電圧が印加される前は、シリコン酸化膜ＤにはカリウムイオンＫが含まれ、図６（ａ）に示されるように、このカリウムイオンＫは、シリコン原子の電子と対を作っている。帯電電圧の印加によって、カリウムイオンＫが出て行ってしまった後には、図６（ｂ）に示される電子Ｅだけが残る。電子Ｅは負電荷を持つので、シリコン酸化膜Ｄは負に帯電して、表面電位を発現するエレクトレット膜６１となる。

【0045】

このようにして、シリコン基板１は、極形状に分離されて配置されたエレクトレット膜６１を有するエレクトレット基板６０となる。
静電誘導作用を利用した電気機械変換器であるエレクトレットモーターやエレクトレット発電機においては、用いる基板は、分離配置されたエレクトレット膜を有することが必須であるので、分離配置されたエレクトレット膜６１を有するエレクトレット基板６０は最適な基板となる。

【0046】

[酸化膜を形成する寸法の条件の説明：図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃ]
次に第１実施形態及び第２実施形態における溝３、溝４及び凸部２を形成する寸法の条件を、図７Ａ、図７Ｂ及び図７Ｃを用いて説明する。
図７Ａ、図７Ｂ及び図７Ｃは、溝３と凸部２の寸法関係を示すシリコン基板１の断面図であり、（ａ）は溝３と凸部２を形成する凹凸形成工程を示し、（ｂ）はそのシリコン基板１を加熱処理してその表面をシリコン酸化膜にする加熱酸化工程を示す。

【0047】

図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃを用いての酸化膜形成説明の前に、シリコン酸化膜の膜厚と酸化時間の関係を図８により説明する。
シリコン酸化膜の厚さは、酸化時間に依存する。図８は、酸化時間とシリコン酸化膜の厚さの関係を示すグラフであり、横軸が酸化時間、縦軸がシリコン酸化膜の膜厚である。
加熱酸化時間が１２時間のとき、シリコン酸化膜の膜厚Ｔ１は１μｍとなる。さらに加熱酸化時間を長くすると、例えば、５０時間ではシリコン酸化膜の膜厚Ｔ２は２μｍ、２００時間ではシリコン酸化膜の膜厚Ｔ３は３μｍとなる。このように、酸化時間が長くなるにしたがって、シリコン酸化膜の厚さは増えるが、その増加分は小さくなる。したがって、シリコン基板の平坦な表面を熱酸化して厚いシリコン酸化膜を得ることは長時間を要し非常に難しい。

【0048】

図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃの各図において、酸化時間は１２時間であるので、シリコン基板１の表面に形成されるシリコン酸化膜の膜厚は１μｍである。
そして、溝３の深さ、すなわち凸部２の高さは５μｍとしたが、シリコン基板１の全ての面において１μの酸化膜が成長するので、この値は、下記に説明する酸化膜を形成する条件に影響を与えない。したがって、凸部２の高さを高くすることにより、厚い酸化膜を得ることができる。

【0049】

最初に、図７Ａを用いて、酸化膜を形成する条件を説明する。本条件は、図１に示す第
１実施形態と図５に示す第２実施形態に適用した条件である。
図７Ａ（ａ）において、凸部２の幅は１μｍ、溝３の幅も１μｍである。

【0050】

図７Ａ（ｂ）に示すように、加熱酸化時間が１２時間なので、シリコン基板１の表面の酸化膜の膜厚は１μｍであり、凸部２はその幅が１μｍなので、凸部２のシリコンは、そのすべてがシリコン酸化膜２Ｄとなる。
一方、溝３であるが、シリコンがシリコン酸化膜に変化するときにその体積が増大するので、溝３の空隙に向かって、両側の凸部２からシリコン酸化膜が成長する。ここで、酸化膜の表面は、溝を埋める方向に、表面の酸化膜の厚さ１μｍの半分の値である０．５μｍ成長していると考えられる。すると、溝幅が１μｍの溝３は、溝３の両側の凸部２からそれぞれ０．５μｍ成長したシリコン酸化膜により溝が埋められ、シリコン酸化膜３Ｄとなる。

【0051】

この結果、溝３を埋め尽くしたシリコン酸化膜３Ｄと凸部２の内部のシリコン酸化膜２Ｄは一体となり、シリコン基板１の上面全体がシリコン酸化膜Ｄとなる。
図７Ａの条件においては、シリコン基板１の表面に形成されるシリコン酸化膜の厚さは６μｍとなる。これは、凸部２の高さ５μｍとシリコン基板の表面に形成された酸化膜の厚さ１μｍの和である。

【0052】

次に、図７Ｂを用いて、酸化膜を形成する条件を説明する。本条件は、図５（ｂ）に示す第２の実施形態に適用した条件である。
図７Ｂ（ａ）において、凸部２の幅は１μｍであり、溝３の幅は２μｍである。
図７Ｂ（ｂ）に示される加熱酸化工程においては、凸部２はその幅が１μｍなので、凸部２のすべてのシリコンは酸化され、シリコン酸化膜２Ｄとなる。
一方、溝３はその幅が２μｍなので、溝３の空隙に、両側の凸部２からのシリコン酸化膜が成長しても、その空隙を埋めきることはできず、溝３ａとして空隙が残る。

【0053】

このように、図７Ｂの条件で酸化膜を形成すると酸化膜Ｄの間に溝を形成すことができる。したがって、第２実施形態の図６で説明した、酸化膜Ｄの間の溝にある酸化膜を除去する工程を加えることで、シリコン基板の表面に形成されたシリコン酸化膜を完全に極形状に配置することができる。
極形状に配置されたシリコン酸化膜を帯電処理して得られるエレクトレット膜を有するエレクトレット基板は、静電誘導作用を利用した電気機械変換器用の極を形成するエレクトレット基板として有用である。

【0054】

次に、図７Ｃを用いて、酸化膜を形成する条件を説明する。本条件は、本願に対する参考例の条件を示すものである。
図７Ｃ（ａ）において、凸部２の幅は２μｍであり、溝３の幅は１μｍである。
図７Ｃ（ｂ）に示される加熱酸化処理後においては、凸部２はその幅が２μｍなので、凸部２の芯の部分２ａは酸化されずにシリコンとしてそのまま残る。一方、溝３はその幅が１μｍなので、両側の凸部２からのシリコン酸化膜が成長して溝３空隙が埋められてシリコン酸化膜３Ｄとなる。
すると、シリコン酸化膜Ｄはその内部にシリコン部分を有する酸化膜となるので、酸化膜を帯電してエレクトレット膜としたときに不均一なエレクトレット膜となり、表面電位の均一性が得られない。
上記のようにシリコン基板１の表面に厚くて一様な酸化膜を形成するには、図７Ａ、図７Ｂのような形成条件が重要となる。

【0055】

[第３実施形態及び第４実施形態における溝及び凸部のパターン配置の説明：図９Ａ、図９Ｂ]
本発明においては、シリコン基板の表面に多数の溝及び凸部を形成するので、製造工程においてシリコン基板に反り返りが発生し、シリコン酸化膜の均一性が低下する懸念がある。とくにサイズの大きい大判シリコン基板を用いる場合には、この反り返りが大きくなり、対策が必要となる。
第３実施形態及び第４実施形態は大判シリコン基板を用いる場合における、反り返り対策が目的である。

【0056】

本発明の第３実施形態による溝及び凸部のパターンの配置を、図９Ａを用いて説明する。
図９Ａ（ａ）は、大判のシリコン基板９０に形成した溝及び凸部のパターンの配置を示す斜視図であり、図９Ａ（ｂ）は、加熱酸化工程後における図９Ａ（ａ）のＡ−Ａ’断面図であり、図９Ａ（ｃ）は、同様に加熱酸化工程後の図９Ａ（ａ）のＢ−Ｂ’断面図である。

【0057】

図９Ａ（ａ）を用いて、シリコン基板９０に形成する溝及び凸部のパターン配置を説明する。
シリコン基板９０の上の面９０ｕには、その長手方向がＹ軸に平行な溝及び凸部のパターンＰｕを形成し、下の面９０ｄには、その長手方向がＸ軸に平行な溝及び凸部のパターンＰｄを設ける。したがって、溝及び凸部のパターンの長手方向は、シリコン基板９０の上の面９０ｕと下の面９０ｄにおいて直交している。
そして、溝及び凸部の形状寸法は、図７Ａで説明した条件であり、溝の幅及び凸部の幅が１μｍ、溝の深さ及び凸部の高さが５μｍである。

【0058】

次に、図９Ａ（ｂ）及び図９Ａ（ｃ）を用いて、加熱酸化工程におけるシリコン酸化膜の形状を説明する。
図９Ａ（ｂ）では、図７Ａによる酸化膜形成の条件で説明したように、パターンＰｕの溝はシリコン酸化膜で埋まり、凸部は芯までシリコン酸化膜となり、両者が一体化したシリコン酸化膜ＰｕＳとなる。パターンＰｄの溝及び凸部も同様に一体化してシリコン酸化膜ＰｄＳとなる。
図９Ａ（ｃ）においても、溝及び凸部の両者はシリコン酸化膜となって一体化し、シリコン酸化膜ＰｕＳ及びＰｄＳとなる。

【0059】

本パターン配置により、上下面にその長手方向が直交する溝及び凸部を形成することで、凹凸形成加工によって発生する応力が緩和され、加熱酸化工程での加熱時に生じる、シリコン基板の反り返りが緩和される。その結果、シリコン基板の表面は平坦で均一に酸化され、均質なシリコン酸化膜を得ることができる。
さらに、本パターン配置によると、一枚の基板の両面にエレクトレット膜を形成することができるので、とくに、エレクトレット基板でその両面にエレクトレット膜を持つ基板が要求される静電誘導作用を利用した電気機械変換器用の基板として有用である。

【0060】

次に、本発明の第４実施形態による溝及び凸部のパターンの配置を、図９Ｂを用いて説明する。
図９Ｂ（ａ）は、大判のシリコン基板９１に形成した溝及び凸部のパターンの配置を示す斜視図であり、図９Ｂ（ｂ）は加熱酸化工程後の図９Ｂ（ａ）におけるＣ−Ｃ’断面図である。
第４実施形態における溝及び凸部のパターン配置は、図９Ｂ（ａ）に示すように、その長手方向がＸ軸に平行な溝及び凸部のパターンＰｘと、Ｙ軸に平行な溝及び凸部のパターンＰｙが互い違いである。したがって、溝及び凸部のパターンの長手方向は、隣接パターンにおいて、互いに直交している。

【0061】

図９Ｂ（ｂ）を用いて、加熱酸化工程のシリコン酸化膜の形状を説明する。
図７Ａによる酸化膜形成の条件で説明したように、パターンＰｙの溝はシリコン酸化膜で埋まり、凸部は芯までシリコン酸化膜となり、両者が一体化したシリコン酸化膜ＰｙＳとなる。パターンＰｘの溝及び凸部も同様に一体化してシリコン酸化膜ＰｘＳとなる。

【0062】

本パターン配置により、溝及び凸部のパターンの長手方向が、隣接パターンにおいて、互いに直交することで、凹凸形成加工によって発生する応力が緩和され、加熱酸化工程での加熱時に生じる、シリコン基板の反り返りが緩和される。その結果、シリコン基板の表面は平坦で均一に酸化され、均質なシリコン酸化膜を得ることができる。
とくに、エレクトレット基板でその片面にエレクトレット膜を持つ基板が要求される静電誘導作用を利用した電気機械変換器用の基板として有用である。

【0063】

以上、説明したとおり、本発明による静電誘導装置用基板の製造方法によれば、溝及び凸部をすべてシリコン酸化膜にすることにより、厚みが大きなシリコン酸化膜を短時間で形成することができるので、シリコン酸化膜からなる、表面電位が高いエレクトレット膜を得ることができ、その結果、高性能なエレクトレット膜を具備する静電誘導装置用基板を容易に得ることができる。

【符号の説明】

【0064】

１、９０、９１ シリコン基板
１ａ シリコン基板の表面
２ 凸部
２Ｄ、３Ｄ、Ｄ、Ｄｉｎ、Ｄｏｕｔ、ＰｄＳ、ＰｕＳ、ＰｘＳ、ＰｙＳ シリコン酸化膜２Ｌ、２Ｒ、２Ｕ 凸部２の面
３、３ａ、４、４ａ、４ｂ 溝
３Ｂ 溝３の底面
５ 溝４ｂの底面
２０、６０ エレクトリック基板
２１、６１ エレクトレット膜
３０ 熱酸化装置
３６ 加熱酸化炉
４０ 帯電装置
Ｅ 電子
Ｇ１ 溝３の幅
Ｇ２ 溝４の幅
Ｋ カリウムイオン
Ｐ１ 凸部２の幅
Ｐｄ、Ｐｕ、Ｐｘ、Ｐｙ 溝及び凸部のパターン

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7A】

【図7B】

【図7C】

【図8】

【図9A】

【図9B】