マイクロメカニカル共振器およびその製造方法
【課題】特性ばらつきが抑制され、高信頼性が確保できるマイクロメカニカル共振器およびその製造方法を提供する。
【解決手段】マイクロメカニカル共振器１００は、高誘電体基板２と、フレーム部４と、電極６，８とを備える。フレーム部４は、端部１０，１２と、端部１０，１２の間で振動可能に支持される共振ビーム１４とを有する。電極６は、共振ビーム１４に対して静電気力を及ぼすための対向部１６，１８と、対向部１６，１８を支持する脚部２０とを有する。フレーム部４および電極６，８は単結晶シリコンで形成される。好ましくは、脚部２４の共振ビーム１４に対向する側の面は、対向部２２の共振ビーム１４に対向する面よりも共振ビーム１４から離れる方向に後退して形成される。
【解決手段】マイクロメカニカル共振器１００は、高誘電体基板２と、フレーム部４と、電極６，８とを備える。フレーム部４は、端部１０，１２と、端部１０，１２の間で振動可能に支持される共振ビーム１４とを有する。電極６は、共振ビーム１４に対して静電気力を及ぼすための対向部１６，１８と、対向部１６，１８を支持する脚部２０とを有する。フレーム部４および電極６，８は単結晶シリコンで形成される。好ましくは、脚部２４の共振ビーム１４に対向する側の面は、対向部２２の共振ビーム１４に対向する面よりも共振ビーム１４から離れる方向に後退して形成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、マイクロメカニカル共振器およびその製造方法に関し、特に、共振ビームが単結晶シリコンで形成されるマイクロメカニカル共振器およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体分野における微細加工技術を利用して、微細な機械構造を電子回路と一体化して形成するＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術が開発されており、フィルターや共振器への応用が検討されている。
【０００３】
なかでもこのようなＭＥＭＳ技術で作成されたマイクロメカニカル共振器は、リモートキーレスエントリシステム、スペクトラム拡散通信等のＲＦ無線に好適に使用される。
【０００４】
このようなＭＥＭＳ技術で作成されたマイクロメカニカル共振器を利用した信号を生成するための装置および方法の一例が特表２００３−５３２３２０号公報（特許文献１）に開示されている。
【特許文献１】特表２００３−５３２３２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
たとえば、無線システム等では数百ＭＨｚを超える高い発振周波数を使用することがある。このとき、たとえば６００ＭＨｚの周波数を得るために、２００ＭＨｚの原発振器の出力を３逓倍して用いることもできる。しかし、逓倍時には、スプリアスが発生する。マイクロメカニカル共振器では、高い周波数を得るために共振器が発振する周波数を逓倍して使用するのではなく、必要とする周波数を直接発振することも可能となる。したがって、マイクロメカニカル共振器は、低位相ノイズが必要とされる製品に使用されることが期待されている。
【０００６】
しかしながら、共振ビームの材質によっては、膜厚等のばらつきにより発振周波数等の特性にばらつきが生じたり、共振ビームの形状に制約があったりする。したがって、共振ビームの材料選択や形成方法にも注意を払う必要がある。
【０００７】
また、屈曲型のＭＥＭＳ共振器の場合、電極および共振ビームの構造が最適化されていないと、所望の共振モードとは別の共振モードの発振が重畳され、共振器のＱ値の低下が問題となる場合がある。
【０００８】
この発明の目的は、特性ばらつきが抑制され、高信頼性が確保できるマイクロメカニカル共振器およびその製造方法を提供することである。また、この発明の他の目的は、所望の共振モードを他の共振モードよりも優位に立たせ、Ｑ値の低下を抑制したマイクロメカニカル共振器およびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明は、要約すると、マイクロメカニカル共振器であって、高誘電体基板と、フレーム部と、電極とを備える。フレーム部は、高誘電体基板上に設けられる第１、第２の端部と、第１、第２の端部の間で振動可能に支持される共振ビームとを有する。電極は、共振ビームの第１、第２の端部の間に位置する部分に対向し共振ビームに対して静電気力を及ぼすための対向部と、高誘電体基板上に設けられ対向部を支持する脚部とを有する。フレーム部および電極は単結晶シリコンで形成される。
【００１０】
好ましくは、共振ビームの断面形状は、高誘電体基板と垂直な方向の辺が高誘電体基板と平行な方向の辺よりも長い長方形である。
【００１１】
好ましくは、共振ビームは高誘電体基板から所定高さだけ離れて第１、第２の端部に支持される。電極の脚部は、電極の対向部を高誘電体基板から所定高さ離れるように支持する。電極の対向部の高誘電体基板と垂直方向の厚さは、共振ビームと等しい。脚部の共振ビームに対向する側の第１の面は、対向部の共振ビームに対向する第２の面よりも共振ビームから離れる方向に後退して形成される。
【００１２】
より好ましくは、第２の面から第１の面までの後退して形成される切込量は、５μｍ以上である。
【００１３】
この発明の他の局面に従うと、マイクロメカニカル共振器の製造方法であって、第１、第２の単結晶シリコン層の間に絶縁層が形成されたＳＯＩ基板の第２の単結晶シリコン層上に第１のマスキングパターンを形成する工程と、第１のマスキングパターンの形成後に第２のマスキングパターンをさらに形成する工程と、第２のマスキングパターンによりマスキングされた領域以外における第２の単結晶シリコン層を絶縁層まで深掘エッチングする工程と、第２のマスキングパターン除去後に第１のマスキングパターンによりマスキングされた領域以外の第２の単結晶シリコン層を絶縁層にいたる途中まで浅掘エッチングする工程と、第１のマスキングパターン除去後に第１のマスキングパターンでマスキングされていた第２の単結晶シリコン層の表面部に高誘電体基板を貼り付ける工程と、高誘電体基板貼り付け後に第１の単結晶シリコン層および絶縁層を除去する工程とを含む。
【００１４】
好ましくは、第２の単結晶シリコン層により、共振ビームおよび電極が形成される。高誘電体基板は、共振ビームおよび電極を支持する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、マイクロメカニカル共振器の特性ばらつきが改善される。さらに、Ｑ値の低下が抑制され、共振器の高Ｑ値化が図られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下において、同一または相当要素には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００１７】
図１は、本実施の形態に係るＭＥＭＳ共振器の構造を示す斜視図である。
図２は、本実施の形態に係るＭＥＭＳ共振器の構造を示す平面図である。
【００１８】
図１、図２を参照して、マイクロメカニカル共振器１００は、高誘電体基板２と、フレーム部４と、電極６，８とを備える。高誘電体基板２は、たとえば、ガラス基板が好適に用いられるが、他にガリウム砒素基板、セラミックス基板等も使用することが可能である。フレーム部４は、高誘電体基板２上に設けられる第１、第２の端部１０，１２と、第１、第２の端部１０，１２の間で振動可能に支持される共振ビーム１４とを有する。電極６は、共振ビーム１４の第１、第２の端部１０，１２の間に位置する部分に対向し共振ビーム１４に対して静電気力を及ぼすための対向部１６，１８と、高誘電体基板２上に設けられ対向部１６，１８を支持する脚部２０とを有する。電極８は、共振ビーム１４の第１、第２の端部１０，１２の間に位置する部分に対向し共振ビーム１４に対して静電気力を及ぼすための対向部２２と、高誘電体基板２上に設けられ対向部２２を支持する脚部２４とを有する。フレーム部４および電極６，８は単結晶シリコンで形成される。
【００１９】
ＭＥＭＳ共振器は、単結晶シリコン基板上に犠牲層を介在させてその上に多結晶シリコン（ポリシリコン）層を設け、しかる後に犠牲層をエッチングで除去してポリシリコン層を単結晶シリコン基板から浮かせた構造を形成し、このポリシリコン層を共振ビームにする場合が多い。これに対し、本実施の形態のＭＥＭＳ共振器は、後に図４以下で詳述するように、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）ウェーハを用いて単結晶シリコンで共振ビームを形成している。
【００２０】
したがって、本実施の形態のＭＥＭＳ共振器は、結晶欠陥等がないので特性が安定しており、ポリシリコン層を使用するものよりも長時間使用することができる。またポリシリコン層の形成プロセスのばらつきに起因する特性ばらつきも抑制される。さらに、厚さが一般的なポリシリコン層（膜厚２〜４μｍ程度）よりも厚い構造体を形成することもできる。
【００２１】
図２に示されるように、共振ビーム１４には、両端部を含む４つの領域に、他の領域よりも断面積が小さなくびれ部が形成されている。そして、３つの非くびれ部にはギャップを挟んで電極の対向部１６，２２，１８がそれぞれ対向している。電極に交流電圧が印加されると、共振ビームが振動する。くびれ部は、共振ビームの振動のちょうど節となる部分に形成されている。くびれ部が形成されていることにより、共振モードが３次で極大となり、１次の共振周波数よりも高い３次の共振周波数の信号を得やすくなる。つまり、リモートキーレスエントリシステム、スペクトラム拡散通信等のＲＦ無線のような高い周波数を用いる用途に向く共振器を実現することができる。なお、図２では、４つの領域にくびれ部を設け、３つの非くびれ部を有する共振ビームの例を示したが、さらに多くのくびれ部を設けてより高次の共振周波数を狙うようにしても良い。
【００２２】
図３は、図２の平面図のＩＩＩ−ＩＩＩ断面におけるＭＥＭＳ共振器の断面図である。
図２、図３を参照して、共振ビーム１４の断面形状は、高誘電体基板２と垂直な方向の辺１４Ｙが高誘電体基板２と平行な方向の辺１４Ｘよりも長い長方形である。
【００２３】
共振ビーム１４は高誘電体基板２から所定高さＨ１だけ離れて第１、第２の端部１０，１２に支持される。電極８の脚部２４は、電極８の対向部２２を高誘電体基板２から所定高さＨ１離れるように支持する。電極８の対向部２２の高誘電体基板２と垂直方向の厚さＨ２は、共振ビーム１４の厚さＨ２と等しい。脚部２４の共振ビーム１４に対向する側の第１の面２４Ａは、対向部２２の共振ビーム１４に対向する第２の面２２Ａよりも共振ビーム１４から離れる方向に後退して形成される。高さは、例えばＨ１＝２μｍ、Ｈ２＝１０μｍとすることができる。
【００２４】
より好ましくは、第２の面２２Ａから第１の面２４Ａまでの後退して形成される切込量αは、後に図１９で説明するように５μｍ以上である。
【００２５】
図４は、図２の平面図のＩＶ−ＩＶ断面におけるＭＥＭＳ共振器の断面図である。
図２、図４を参照して、共振ビーム１４の断面形状は、やはり、高誘電体基板２と垂直な方向の辺１４Ｙが高誘電体基板２と平行な方向の辺１４Ｘよりも長い長方形である。
【００２６】
共振ビーム１４は高誘電体基板２から所定高さＨ１だけ離れて第１、第２の端部１０，１２に支持される。電極６の脚部２０は、電極６の対向部１８を高誘電体基板２から所定高さＨ１離れるように支持する。電極６の対向部１８の高誘電体基板２と垂直方向の厚さＨ２は、共振ビーム１４の厚さＨ２と等しい。脚部２０の共振ビーム１４に対向する側の第１の面２０Ａは、対向部１８の共振ビーム１４に対向する第２の面１８Ａよりも共振ビーム１４から離れる方向に後退して形成される。
【００２７】
より好ましくは、第２の面１８Ａから第１の面２０Ａまでの後退して形成される切込量αは、後に図１９で説明するように５μｍ以上である。
【００２８】
図３、図４で示したように切込量αを設けることにより、共振ビーム１４は、他の方向の振動よりも高誘電体基板２に平行な面内方向の振動が強くなるので、高Ｑ値化が可能である。
【００２９】
図５は、本実施の形態のマイクロメカニカル共振器の製造方法を示したフローチャートである。
【００３０】
図５を参照して、まず工程Ｓ１において、ＳＯＩ基板に金属クロム膜を蒸着で５００オングストロームの膜厚で形成する。近年電気・電子機器の高性能化や携帯化が進むにつれて、従来の半導体デバイス材料であるバルクウェーハよりも高速、かつ低消費電力が期待できる新技術のウェーハ、すなわちＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウェーハが入手しやすくなってきている。
【００３１】
続いて、工程Ｓ２においてクロム層のパターニングが行なわれる。
図６は、クロム層のパターニング後のＳＯＩ基板の平面図である。
【００３２】
図７は、図６のＶＩＩ−ＶＩＩでの断面図である。
図７を参照して、基板１０２は、ＳＯＩウェーハであり、第１、第２の単結晶シリコン層１０４，１０８の間に絶縁層１０６が形成されたものである。ＳＯＩウェーハは、大きくＳＩＭＯＸ法とはり合わせ法で製造されるものがあるが、いずれの方法によるウェーハでもよい。はり合わせ法で得られるＳＯＩウェーハは、２枚のシリコンウェーハの一方、あるいは、両方を熱酸化により表面に所望の厚みの酸化膜を形成した後にはり合わせて、熱処理によりはり合わせ強度を上げた後、片側から研削と研磨などにより薄膜化を行って、所望の厚みの第２の単結晶シリコン層１０８を残すものである。以下、第２の単結晶シリコン層１０８を活性層とも呼ぶ。はり合わせ法は、活性層（第２の単結晶シリコン層１０８）、絶縁層１０６の膜厚の自由度が高いという点で、より好ましい。
【００３３】
第１、第２の単結晶シリコン層１０４，１０８、絶縁層１０６の厚さは、たとえば、それぞれ３５０μｍ、１２μｍ、１μｍである。
【００３４】
単結晶シリコン層１０８上に、クロム層１１０が５００オングストロームの膜厚で形成された後、レジストを用いたフォトリソグラフィによってクロムパターン１１０Ａ、１１０Ｂが形成される。クロムパターン１１０Ａ、１１０Ｂは、図２の電極６，８の脚部２０，２４にそれぞれ対応する領域に形成されている。その他にも、図６に示されるようにクロムパターン１１０Ｃ、１１０Ｄが同時に形成される。クロムパターン１１０Ｃ、１１０Ｄは、図２のフレーム部４の端部１０，１２にそれぞれ対応する領域に形成される。
【００３５】
再び図５を参照して、工程Ｓ３で金属アルミニウム層が膜厚１０００オングストローム蒸着により形成され、さらに工程Ｓ４においてアルミニウム層のパターニングが行なわれる。
【００３６】
図８は、アルミニウム層のパターニング後のＳＯＩ基板の平面図である。
図９は、図８のＩＸ−ＩＸでの断面図である。
【００３７】
図８、図９を参照して、パターニング後のクロムパターン１１０Ａ，１１０Ｂ等の上にさらに金属アルミニウム層１１２が１０００オングストロームの膜厚で形成された後、レジストを用いたフォトリソグラフィによってアルミニウムパターン１１２Ａ，１１２Ｂ，１１２Ｃが形成される。アルミニウムパターン１１２Ａは、図２の電極８の脚部２４および対向部２２に対応する領域に形成されている。アルミニウムパターン１１２Ｃは、図２の電極６の脚部２０および対向部１６，１８に対応する領域に形成されている。アルミニウムパターン１１２Ｂは、図２の共振ビーム１４に対応する領域に形成されている。
【００３８】
その他にも、図８に示されるようにアルミニウムパターン１１２Ｄ、１１２Ｅが同時に形成される。アルミニウムパターン１１２Ｄ、１１２Ｅは、図２のフレーム部４の端部１０，１２にそれぞれ対応する領域に形成される。
【００３９】
再び図５を参照して、工程Ｓ４のアルミニウム層のパターニングの後には、工程Ｓ５においてアルミニウム層をマスクとして、シリコン深掘エッチングが行なわれる。
【００４０】
図１０は、工程Ｓ５のシリコン深掘エッチング工程後の断面図である。
図１０を参照して、アルミニウムパターンが存在していない部分では、活性層１０８が絶縁層１０６に到達するまで、たとえば、誘導結合型反応性イオンエッチング（ＩＣＰ−ＲＩＥ：Inductive Coupled Plasma-Reactive Ion Etching）等による異方性ドライエッチングによって深掘される。エッチング深さは、活性層の厚さに等しく、たとえば１２μｍである。
【００４１】
その後図５の工程Ｓ６において深掘エッチングのマスクとして使用していたアルミニウムパターンを除去する。そして、残るクロムパターンをマスクとして、シリコン浅掘エッチングが行なわれる。
【００４２】
図１１は、工程Ｓ７のシリコン浅掘エッチング工程後の断面図である。
図１１を参照して、異方性ドライエッチングによってクロムパターンが存在していない部分では、活性層の表面がエッチングされる。このエッチング深さは、たとえば２μｍであり、図１０で示した深掘エッチングよりも浅い。これにより、電極となる単結晶シリコン層１０８Ａ，１０８Ｃの表面には段差が形成される。また、共振ビームとなる単結晶シリコン層１０８Ｂは、表面がエッチングされる。これにより、共振ビームは、後に表面部分に接着されるガラス等の高誘電体基板からわずかに浮いて支持され、また電極の対向部と共振ビームとは厚さが等しくなる。
【００４３】
その後図５の工程Ｓ８においてマスクとして使用していたクロムパターンを除去する。そして、工程Ｓ９において活性層の表面にガラス基板等の高誘電体基板を接合する。
【００４４】
図１２は、工程Ｓ９のガラス基板接合後の状態を示した断面図である。
図１２においては、図７，図９，図１０，図１１とは上下が逆転して示されている。高誘電体基板１１４は、ガラス基板が好適に用いられるが、他の高誘電体であっても良い。たとえば、ガリウム砒素基板、セラミック基板等を用いることも可能である。
【００４５】
高誘電体基板１１４の表面は平坦であるので、図１１において活性層の表面に形成された段差の凸部のみが高誘電体基板と接合される。接合は、たとえば、ガラスとシリコンとを加熱して高電圧を印加する陽極接合等を用いることができる。
【００４６】
さらに、図５の工程Ｓ１０のシリコンバックエッチングによって、単結晶シリコン層１０４と絶縁層１０６とが除去される。
【００４７】
図１３は、工程Ｓ１０のシリコンバックエッチング後の状態を示した断面図である。
図１３において、高誘電体基板１１４上に単結晶シリコンで形成された共振器が完成した状態が示される。単結晶シリコン層１０８Ｃは、図２の電極８の脚部２４と対向部２２が一体化されたものである。また、単結晶シリコン層１０８Ａは、図２の電極６の脚部２０と対向部１８が一体化されたものである。また、単結晶シリコン層１０８Ｂは、図２の端部１０，１２に支持されている共振ビーム１４である。
【００４８】
再び図５を参照して、本実施の形態のＭＥＭＳ共振器の製造方法についてまとめておく。このマイクロメカニカル共振器の製造方法は、第１、第２の単結晶シリコン層１０４，１０８の間に絶縁層１０６が形成されたＳＯＩ基板１０２の第２の単結晶シリコン層１０８上に第１のマスキングパターンであるクロムパターン１１０Ａ，１１０Ｂを形成する工程Ｓ１，Ｓ２と、第１のマスキングパターンの形成後に第２のマスキングパターンであるアルミニウムパターン１１２Ａ，１１２Ｂ，１１２Ｃをさらに形成する工程Ｓ３，Ｓ４と、第２のマスキングパターンによりマスキングされた領域以外における第２の単結晶シリコン層を絶縁層まで深掘エッチングする工程Ｓ５と、第２のマスキングパターン除去後に第１のマスキングパターンによりマスキングされた領域以外の第２の単結晶シリコン層を絶縁層にいたる途中まで浅掘エッチングする工程Ｓ７と、第１のマスキングパターン除去後に第１のマスキングパターン（クロムパターン１１０Ａ，１１０Ｂ）でマスキングされていた第２の単結晶シリコン層１０８の表面部に高誘電体基板１１４を貼り付ける工程Ｓ９と、高誘電体基板１１４貼り付け後に第１の単結晶シリコン層１０４および絶縁層１０６を除去する工程Ｓ１０とを含む。
【００４９】
好ましくは、第２の単結晶シリコン層１０８により、共振ビーム１４および電極６，８が形成される。高誘電体基板２は、共振ビーム１４および電極６，８を支持する。
【００５０】
図１４は、本願発明者らが試作したＭＥＭＳ共振器の走査電子顕微鏡写真である。
図１５は、共振ビームと電極の対向部とを拡大して示した走査電子顕微鏡写真である。
【００５１】
図１４、図１５でわかるように、共振ビーム１４は、ガラス基板上に浅掘エッチング２μｍ分浮上して支持されており、電極の対向部も同様にガラス基板上に浅掘エッチング２μｍ分浮上して支持されている。
【００５２】
図１６は、本実施の形態のＭＥＭＳ共振器の動作を説明するための図である。
図１６を参照して、２つの電極６，８には高周波電源から交流電圧ＶＩが印加される。端部１２にはコイルＬを介して主電圧電源から主電圧ＶＰが印加される。すると、共振ビーム１４と電極６，８との間に交番静電気力が発生し、その静電気力によって共振ビーム１４が高誘電体基板の表面と平行な面内で振動する。この共振ビーム１４の面内振動により、共振ビームと両電極との間の静電容量が変化し、端部１０およびキャパシタＣを経由して、一方端が接地された抵抗Ｒの他方端からその静電容量の変化が高周波信号ＶＯとして出力される。
【００５３】
図１７は、共振ビームの振動の方向について説明するための図である。
図１７を参照して、Ｘ−Ｘ方向の振動が高誘電体基板２に平行な面内での振動、つまり面内方向の横振動である。そしてＺ−Ｚ方向の振動が高誘電体基板２と直交する面内での振動、つまり縦振動である。
【００５４】
図１８は、本実施の形態のＭＥＭＳ共振器の特性を比較するための検討例の断面構造を示した概略図である。
【００５５】
図１８を参照して、この検討例では、共振ビーム５１４の両脇に電極５０８，５０６が配置されている。電極５０８の共振ビーム５１４に対向している面５０８Ａは、まっすぐ基板５０２に至っている。したがって、共振ビーム５１４よりも高さが低い部分からも電極５０８から共振ビーム５１４に向けて電気力線が延びている。その結果、共振ビーム５１４には斜め方向の力Ｆ０が働く。これにより、図１７で説明したＸ−Ｘ方向の面内方向横振動（所望の振動）以外にも、不要な共振モードであるＺ−Ｚ方向の縦振動も若干混じった振動が発生する。これは、Ｑ値を低くする原因となる。
【００５６】
図１９は、本実施の形態のＭＥＭＳ共振器の断面構造を示した概略図である。
図１９を参照して、本実施の形態のＭＥＭＳ共振器は、電極８の形状が最適化されている。すなわち、電極８は、共振ビーム１４に対向し、共振ビーム１４に対して静電気力を及ぼすための対向部２２と、高誘電体基板２上に設けられ対向部２２を支持する脚部２４とを含む。
【００５７】
好ましくは、共振ビーム１４の断面形状は、高誘電体基板２と垂直な方向の辺１４Ｙが高誘電体基板２と平行な方向の辺１４Ｘよりも長い長方形である。
【００５８】
共振ビーム１４は高誘電体基板２から所定高さＨ１だけ離れて図２の端部１０，１２に支持される。電極８の脚部２４は、電極８の対向部２２を高誘電体基板２から所定高さＨ１離れるように支持する。電極８の対向部２２の高誘電体基板２と垂直方向の厚さＨ２は、共振ビーム１４の厚さＨ２と等しい。脚部２４の共振ビーム１４に対向する側の第１の面２４Ａは、対向部２２の共振ビーム１４に対向する第２の面２２Ａよりも共振ビーム１４から離れる方向に後退して形成される。
【００５９】
これにより、電極８の脚部２４の面２４Ａから共振ビーム１４に向かう電気力線の影響はほとんど無くなり、対向部２２の面２２Ａから共振ビーム１４に向かう電気力線の影響が支配的になる。これにより、所望の共振モードである面内方向の横振動が縦振動よりも優位になる。
【００６０】
図２０は、本実施の形態に示したマイクロメカニカル共振器の切込量αを変化させた場合の縦振動モードの減衰の変化を示した図である。
【００６１】
図２０において、横軸は、図１９の面２２Ａに対する面２４Ａの後退量である切込量αを示し、縦軸は縦振動（面外振動）の減衰比を示す。この結果は、ギャップをＧ＝１．５μｍに固定して、切込量αを変化させてコンピュータによるシミュレーションを行なって得たものである。
【００６２】
減衰比とは、α＝０の時の面外振動の変位を１としたときに、切込量αを変化させたときの面外振動の比である。すなわち切込量αがゼロの場合を基準とし、このときの減衰比が１である。これに対し、α＝５μｍで減衰比は０．２となっており十分に低下が見られる。そしてα＝１０μｍでは少しさらに減衰比が低下し、減衰比は０．１５となる。α＝３０μｍでは、減衰比０．１２であり、α＝２００μｍでは、減衰比０．１１である。つまり、α＝３０〜２００μｍでは、減衰比は０．１程度でほとんど変化しないことが分かる。
【００６３】
したがって、αは５μｍ以上であることがよく、１０μｍ以上であることが一層好ましい。
【００６４】
なお、切込量αは、単結晶シリコンを所定高さ（１２μｍ）だけエッチングするためのマスク重ね誤差に基づいて定められる設計ルール（通常は１〜２μｍ程度）よりも有意に大きく形成されるものであれば、従来技術の共振器より縦振動モードの影響を低減させる効果が得られる。
【００６５】
以上説明したように、本実施の形態によれば、多結晶シリコンではなく、結晶欠陥がなく特性的に優れる単結晶シリコンで共振ビームと電極を形成するので、信頼性に優れ特性ばらつきの少ないＭＥＭＳ共振器を実現することができる。
【００６６】
また、単結晶シリコンでは高さ方向の厚みが厚い構造体を形成することができるので、共振ビームおよび電極の高さ方向の厚みを厚くし、横方向の面内振動が起こしやすい屈曲型共振器の形状を実現することができる。
【００６７】
さらに、電極部分の脚部に切込を設け、共振ビームに対向する部分のみ共振ビームに近接し、脚部は共振ビームから遠ざかるように後退させているので、縦方向振動よりも横方向の面内振動が優位となり、共振器のＱ値を高くすることができる。加えて、脚部の切込を存在により、共振ビームの振動時に周囲の空気の流動性が向上するので、振動のダンピングも抑えられるという効果もある。
【００６８】
なお、図２では、４つの領域にくびれ部を設け、３つの非くびれ部を有する共振ビームの例を示したが、さらに多くのくびれ部を設けてより高次の共振周波数を狙うようにしても良い。また、一切くびれ部を設けない共振ビームにした場合でも、電極の脚部に切込を設けることによって、同様な効果が得られる。
【００６９】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本実施の形態に係るＭＥＭＳ共振器の構造を示す斜視図である。
【図２】本実施の形態に係るＭＥＭＳ共振器の構造を示す平面図である。
【図３】図２の平面図のＩＩＩ−ＩＩＩ断面におけるＭＥＭＳ共振器の断面図である。
【図４】図２の平面図のＩＶ−ＩＶ断面におけるＭＥＭＳ共振器の断面図である。
【図５】本実施の形態のマイクロメカニカル共振器の製造方法を示したフローチャートである。
【図６】クロム層のパターニング後のＳＯＩ基板の平面図である。
【図７】図６のＶＩＩ−ＶＩＩでの断面図である。
【図８】アルミニウム層のパターニング後のＳＯＩ基板の平面図である。
【図９】図８のＩＸ−ＩＸでの断面図である。
【図１０】工程Ｓ５のシリコン深掘エッチング工程後の断面図である。
【図１１】工程Ｓ７のシリコン浅掘エッチング工程後の断面図である。
【図１２】工程Ｓ９のガラス基板接合後の状態を示した断面図である。
【図１３】工程Ｓ１０のシリコンバックエッチング後の状態を示した断面図である。
【図１４】本願発明者らが試作したＭＥＭＳ共振器の走査電子顕微鏡写真である。
【図１５】共振ビームと電極の対向部とを拡大して示した走査電子顕微鏡写真である。
【図１６】本実施の形態のＭＥＭＳ共振器の動作を説明するための図である。
【図１７】共振ビームの振動の方向について説明するための図である。
【図１８】本実施の形態のＭＥＭＳ共振器の特性を比較するための検討例の断面構造を示した概略図である。
【図１９】本実施の形態のＭＥＭＳ共振器の断面構造を示した概略図である。
【図２０】本実施の形態に示したマイクロメカニカル共振器の切込量αを変化させた場合の縦振動モードの減衰の変化を示した図である。
【符号の説明】
【００７１】
２，１１４ 高誘電体基板、４ フレーム部、６，８ 電極、１０，１２ 端部、１４ 共振ビーム、１４Ｙ，１４Ｘ 辺、１６，１８，２２ 対向部、１８Ａ，２０Ａ，２２Ａ，２４Ａ 面、２０，２４ 脚部、１００ マイクロメカニカル共振器、１０２ 基板、１０４，１０８，１０８Ａ，１０８Ｂ，１０８Ｃ 単結晶シリコン層、１０６ 絶縁層、１１０Ａ〜１１０Ｄ クロムパターン、１１０ クロム層、１１２Ａ〜１１２Ｅ アルミニウムパターン。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、マイクロメカニカル共振器およびその製造方法に関し、特に、共振ビームが単結晶シリコンで形成されるマイクロメカニカル共振器およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体分野における微細加工技術を利用して、微細な機械構造を電子回路と一体化して形成するＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術が開発されており、フィルターや共振器への応用が検討されている。
【０００３】
なかでもこのようなＭＥＭＳ技術で作成されたマイクロメカニカル共振器は、リモートキーレスエントリシステム、スペクトラム拡散通信等のＲＦ無線に好適に使用される。
【０００４】
このようなＭＥＭＳ技術で作成されたマイクロメカニカル共振器を利用した信号を生成するための装置および方法の一例が特表２００３−５３２３２０号公報（特許文献１）に開示されている。
【特許文献１】特表２００３−５３２３２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
たとえば、無線システム等では数百ＭＨｚを超える高い発振周波数を使用することがある。このとき、たとえば６００ＭＨｚの周波数を得るために、２００ＭＨｚの原発振器の出力を３逓倍して用いることもできる。しかし、逓倍時には、スプリアスが発生する。マイクロメカニカル共振器では、高い周波数を得るために共振器が発振する周波数を逓倍して使用するのではなく、必要とする周波数を直接発振することも可能となる。したがって、マイクロメカニカル共振器は、低位相ノイズが必要とされる製品に使用されることが期待されている。
【０００６】
しかしながら、共振ビームの材質によっては、膜厚等のばらつきにより発振周波数等の特性にばらつきが生じたり、共振ビームの形状に制約があったりする。したがって、共振ビームの材料選択や形成方法にも注意を払う必要がある。
【０００７】
また、屈曲型のＭＥＭＳ共振器の場合、電極および共振ビームの構造が最適化されていないと、所望の共振モードとは別の共振モードの発振が重畳され、共振器のＱ値の低下が問題となる場合がある。
【０００８】
この発明の目的は、特性ばらつきが抑制され、高信頼性が確保できるマイクロメカニカル共振器およびその製造方法を提供することである。また、この発明の他の目的は、所望の共振モードを他の共振モードよりも優位に立たせ、Ｑ値の低下を抑制したマイクロメカニカル共振器およびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明は、要約すると、マイクロメカニカル共振器であって、高誘電体基板と、フレーム部と、電極とを備える。フレーム部は、高誘電体基板上に設けられる第１、第２の端部と、第１、第２の端部の間で振動可能に支持される共振ビームとを有する。電極は、共振ビームの第１、第２の端部の間に位置する部分に対向し共振ビームに対して静電気力を及ぼすための対向部と、高誘電体基板上に設けられ対向部を支持する脚部とを有する。フレーム部および電極は単結晶シリコンで形成される。
【００１０】
好ましくは、共振ビームの断面形状は、高誘電体基板と垂直な方向の辺が高誘電体基板と平行な方向の辺よりも長い長方形である。
【００１１】
好ましくは、共振ビームは高誘電体基板から所定高さだけ離れて第１、第２の端部に支持される。電極の脚部は、電極の対向部を高誘電体基板から所定高さ離れるように支持する。電極の対向部の高誘電体基板と垂直方向の厚さは、共振ビームと等しい。脚部の共振ビームに対向する側の第１の面は、対向部の共振ビームに対向する第２の面よりも共振ビームから離れる方向に後退して形成される。
【００１２】
より好ましくは、第２の面から第１の面までの後退して形成される切込量は、５μｍ以上である。
【００１３】
この発明の他の局面に従うと、マイクロメカニカル共振器の製造方法であって、第１、第２の単結晶シリコン層の間に絶縁層が形成されたＳＯＩ基板の第２の単結晶シリコン層上に第１のマスキングパターンを形成する工程と、第１のマスキングパターンの形成後に第２のマスキングパターンをさらに形成する工程と、第２のマスキングパターンによりマスキングされた領域以外における第２の単結晶シリコン層を絶縁層まで深掘エッチングする工程と、第２のマスキングパターン除去後に第１のマスキングパターンによりマスキングされた領域以外の第２の単結晶シリコン層を絶縁層にいたる途中まで浅掘エッチングする工程と、第１のマスキングパターン除去後に第１のマスキングパターンでマスキングされていた第２の単結晶シリコン層の表面部に高誘電体基板を貼り付ける工程と、高誘電体基板貼り付け後に第１の単結晶シリコン層および絶縁層を除去する工程とを含む。
【００１４】
好ましくは、第２の単結晶シリコン層により、共振ビームおよび電極が形成される。高誘電体基板は、共振ビームおよび電極を支持する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、マイクロメカニカル共振器の特性ばらつきが改善される。さらに、Ｑ値の低下が抑制され、共振器の高Ｑ値化が図られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下において、同一または相当要素には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００１７】
図１は、本実施の形態に係るＭＥＭＳ共振器の構造を示す斜視図である。
図２は、本実施の形態に係るＭＥＭＳ共振器の構造を示す平面図である。
【００１８】
図１、図２を参照して、マイクロメカニカル共振器１００は、高誘電体基板２と、フレーム部４と、電極６，８とを備える。高誘電体基板２は、たとえば、ガラス基板が好適に用いられるが、他にガリウム砒素基板、セラミックス基板等も使用することが可能である。フレーム部４は、高誘電体基板２上に設けられる第１、第２の端部１０，１２と、第１、第２の端部１０，１２の間で振動可能に支持される共振ビーム１４とを有する。電極６は、共振ビーム１４の第１、第２の端部１０，１２の間に位置する部分に対向し共振ビーム１４に対して静電気力を及ぼすための対向部１６，１８と、高誘電体基板２上に設けられ対向部１６，１８を支持する脚部２０とを有する。電極８は、共振ビーム１４の第１、第２の端部１０，１２の間に位置する部分に対向し共振ビーム１４に対して静電気力を及ぼすための対向部２２と、高誘電体基板２上に設けられ対向部２２を支持する脚部２４とを有する。フレーム部４および電極６，８は単結晶シリコンで形成される。
【００１９】
ＭＥＭＳ共振器は、単結晶シリコン基板上に犠牲層を介在させてその上に多結晶シリコン（ポリシリコン）層を設け、しかる後に犠牲層をエッチングで除去してポリシリコン層を単結晶シリコン基板から浮かせた構造を形成し、このポリシリコン層を共振ビームにする場合が多い。これに対し、本実施の形態のＭＥＭＳ共振器は、後に図４以下で詳述するように、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）ウェーハを用いて単結晶シリコンで共振ビームを形成している。
【００２０】
したがって、本実施の形態のＭＥＭＳ共振器は、結晶欠陥等がないので特性が安定しており、ポリシリコン層を使用するものよりも長時間使用することができる。またポリシリコン層の形成プロセスのばらつきに起因する特性ばらつきも抑制される。さらに、厚さが一般的なポリシリコン層（膜厚２〜４μｍ程度）よりも厚い構造体を形成することもできる。
【００２１】
図２に示されるように、共振ビーム１４には、両端部を含む４つの領域に、他の領域よりも断面積が小さなくびれ部が形成されている。そして、３つの非くびれ部にはギャップを挟んで電極の対向部１６，２２，１８がそれぞれ対向している。電極に交流電圧が印加されると、共振ビームが振動する。くびれ部は、共振ビームの振動のちょうど節となる部分に形成されている。くびれ部が形成されていることにより、共振モードが３次で極大となり、１次の共振周波数よりも高い３次の共振周波数の信号を得やすくなる。つまり、リモートキーレスエントリシステム、スペクトラム拡散通信等のＲＦ無線のような高い周波数を用いる用途に向く共振器を実現することができる。なお、図２では、４つの領域にくびれ部を設け、３つの非くびれ部を有する共振ビームの例を示したが、さらに多くのくびれ部を設けてより高次の共振周波数を狙うようにしても良い。
【００２２】
図３は、図２の平面図のＩＩＩ−ＩＩＩ断面におけるＭＥＭＳ共振器の断面図である。
図２、図３を参照して、共振ビーム１４の断面形状は、高誘電体基板２と垂直な方向の辺１４Ｙが高誘電体基板２と平行な方向の辺１４Ｘよりも長い長方形である。
【００２３】
共振ビーム１４は高誘電体基板２から所定高さＨ１だけ離れて第１、第２の端部１０，１２に支持される。電極８の脚部２４は、電極８の対向部２２を高誘電体基板２から所定高さＨ１離れるように支持する。電極８の対向部２２の高誘電体基板２と垂直方向の厚さＨ２は、共振ビーム１４の厚さＨ２と等しい。脚部２４の共振ビーム１４に対向する側の第１の面２４Ａは、対向部２２の共振ビーム１４に対向する第２の面２２Ａよりも共振ビーム１４から離れる方向に後退して形成される。高さは、例えばＨ１＝２μｍ、Ｈ２＝１０μｍとすることができる。
【００２４】
より好ましくは、第２の面２２Ａから第１の面２４Ａまでの後退して形成される切込量αは、後に図１９で説明するように５μｍ以上である。
【００２５】
図４は、図２の平面図のＩＶ−ＩＶ断面におけるＭＥＭＳ共振器の断面図である。
図２、図４を参照して、共振ビーム１４の断面形状は、やはり、高誘電体基板２と垂直な方向の辺１４Ｙが高誘電体基板２と平行な方向の辺１４Ｘよりも長い長方形である。
【００２６】
共振ビーム１４は高誘電体基板２から所定高さＨ１だけ離れて第１、第２の端部１０，１２に支持される。電極６の脚部２０は、電極６の対向部１８を高誘電体基板２から所定高さＨ１離れるように支持する。電極６の対向部１８の高誘電体基板２と垂直方向の厚さＨ２は、共振ビーム１４の厚さＨ２と等しい。脚部２０の共振ビーム１４に対向する側の第１の面２０Ａは、対向部１８の共振ビーム１４に対向する第２の面１８Ａよりも共振ビーム１４から離れる方向に後退して形成される。
【００２７】
より好ましくは、第２の面１８Ａから第１の面２０Ａまでの後退して形成される切込量αは、後に図１９で説明するように５μｍ以上である。
【００２８】
図３、図４で示したように切込量αを設けることにより、共振ビーム１４は、他の方向の振動よりも高誘電体基板２に平行な面内方向の振動が強くなるので、高Ｑ値化が可能である。
【００２９】
図５は、本実施の形態のマイクロメカニカル共振器の製造方法を示したフローチャートである。
【００３０】
図５を参照して、まず工程Ｓ１において、ＳＯＩ基板に金属クロム膜を蒸着で５００オングストロームの膜厚で形成する。近年電気・電子機器の高性能化や携帯化が進むにつれて、従来の半導体デバイス材料であるバルクウェーハよりも高速、かつ低消費電力が期待できる新技術のウェーハ、すなわちＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウェーハが入手しやすくなってきている。
【００３１】
続いて、工程Ｓ２においてクロム層のパターニングが行なわれる。
図６は、クロム層のパターニング後のＳＯＩ基板の平面図である。
【００３２】
図７は、図６のＶＩＩ−ＶＩＩでの断面図である。
図７を参照して、基板１０２は、ＳＯＩウェーハであり、第１、第２の単結晶シリコン層１０４，１０８の間に絶縁層１０６が形成されたものである。ＳＯＩウェーハは、大きくＳＩＭＯＸ法とはり合わせ法で製造されるものがあるが、いずれの方法によるウェーハでもよい。はり合わせ法で得られるＳＯＩウェーハは、２枚のシリコンウェーハの一方、あるいは、両方を熱酸化により表面に所望の厚みの酸化膜を形成した後にはり合わせて、熱処理によりはり合わせ強度を上げた後、片側から研削と研磨などにより薄膜化を行って、所望の厚みの第２の単結晶シリコン層１０８を残すものである。以下、第２の単結晶シリコン層１０８を活性層とも呼ぶ。はり合わせ法は、活性層（第２の単結晶シリコン層１０８）、絶縁層１０６の膜厚の自由度が高いという点で、より好ましい。
【００３３】
第１、第２の単結晶シリコン層１０４，１０８、絶縁層１０６の厚さは、たとえば、それぞれ３５０μｍ、１２μｍ、１μｍである。
【００３４】
単結晶シリコン層１０８上に、クロム層１１０が５００オングストロームの膜厚で形成された後、レジストを用いたフォトリソグラフィによってクロムパターン１１０Ａ、１１０Ｂが形成される。クロムパターン１１０Ａ、１１０Ｂは、図２の電極６，８の脚部２０，２４にそれぞれ対応する領域に形成されている。その他にも、図６に示されるようにクロムパターン１１０Ｃ、１１０Ｄが同時に形成される。クロムパターン１１０Ｃ、１１０Ｄは、図２のフレーム部４の端部１０，１２にそれぞれ対応する領域に形成される。
【００３５】
再び図５を参照して、工程Ｓ３で金属アルミニウム層が膜厚１０００オングストローム蒸着により形成され、さらに工程Ｓ４においてアルミニウム層のパターニングが行なわれる。
【００３６】
図８は、アルミニウム層のパターニング後のＳＯＩ基板の平面図である。
図９は、図８のＩＸ−ＩＸでの断面図である。
【００３７】
図８、図９を参照して、パターニング後のクロムパターン１１０Ａ，１１０Ｂ等の上にさらに金属アルミニウム層１１２が１０００オングストロームの膜厚で形成された後、レジストを用いたフォトリソグラフィによってアルミニウムパターン１１２Ａ，１１２Ｂ，１１２Ｃが形成される。アルミニウムパターン１１２Ａは、図２の電極８の脚部２４および対向部２２に対応する領域に形成されている。アルミニウムパターン１１２Ｃは、図２の電極６の脚部２０および対向部１６，１８に対応する領域に形成されている。アルミニウムパターン１１２Ｂは、図２の共振ビーム１４に対応する領域に形成されている。
【００３８】
その他にも、図８に示されるようにアルミニウムパターン１１２Ｄ、１１２Ｅが同時に形成される。アルミニウムパターン１１２Ｄ、１１２Ｅは、図２のフレーム部４の端部１０，１２にそれぞれ対応する領域に形成される。
【００３９】
再び図５を参照して、工程Ｓ４のアルミニウム層のパターニングの後には、工程Ｓ５においてアルミニウム層をマスクとして、シリコン深掘エッチングが行なわれる。
【００４０】
図１０は、工程Ｓ５のシリコン深掘エッチング工程後の断面図である。
図１０を参照して、アルミニウムパターンが存在していない部分では、活性層１０８が絶縁層１０６に到達するまで、たとえば、誘導結合型反応性イオンエッチング（ＩＣＰ−ＲＩＥ：Inductive Coupled Plasma-Reactive Ion Etching）等による異方性ドライエッチングによって深掘される。エッチング深さは、活性層の厚さに等しく、たとえば１２μｍである。
【００４１】
その後図５の工程Ｓ６において深掘エッチングのマスクとして使用していたアルミニウムパターンを除去する。そして、残るクロムパターンをマスクとして、シリコン浅掘エッチングが行なわれる。
【００４２】
図１１は、工程Ｓ７のシリコン浅掘エッチング工程後の断面図である。
図１１を参照して、異方性ドライエッチングによってクロムパターンが存在していない部分では、活性層の表面がエッチングされる。このエッチング深さは、たとえば２μｍであり、図１０で示した深掘エッチングよりも浅い。これにより、電極となる単結晶シリコン層１０８Ａ，１０８Ｃの表面には段差が形成される。また、共振ビームとなる単結晶シリコン層１０８Ｂは、表面がエッチングされる。これにより、共振ビームは、後に表面部分に接着されるガラス等の高誘電体基板からわずかに浮いて支持され、また電極の対向部と共振ビームとは厚さが等しくなる。
【００４３】
その後図５の工程Ｓ８においてマスクとして使用していたクロムパターンを除去する。そして、工程Ｓ９において活性層の表面にガラス基板等の高誘電体基板を接合する。
【００４４】
図１２は、工程Ｓ９のガラス基板接合後の状態を示した断面図である。
図１２においては、図７，図９，図１０，図１１とは上下が逆転して示されている。高誘電体基板１１４は、ガラス基板が好適に用いられるが、他の高誘電体であっても良い。たとえば、ガリウム砒素基板、セラミック基板等を用いることも可能である。
【００４５】
高誘電体基板１１４の表面は平坦であるので、図１１において活性層の表面に形成された段差の凸部のみが高誘電体基板と接合される。接合は、たとえば、ガラスとシリコンとを加熱して高電圧を印加する陽極接合等を用いることができる。
【００４６】
さらに、図５の工程Ｓ１０のシリコンバックエッチングによって、単結晶シリコン層１０４と絶縁層１０６とが除去される。
【００４７】
図１３は、工程Ｓ１０のシリコンバックエッチング後の状態を示した断面図である。
図１３において、高誘電体基板１１４上に単結晶シリコンで形成された共振器が完成した状態が示される。単結晶シリコン層１０８Ｃは、図２の電極８の脚部２４と対向部２２が一体化されたものである。また、単結晶シリコン層１０８Ａは、図２の電極６の脚部２０と対向部１８が一体化されたものである。また、単結晶シリコン層１０８Ｂは、図２の端部１０，１２に支持されている共振ビーム１４である。
【００４８】
再び図５を参照して、本実施の形態のＭＥＭＳ共振器の製造方法についてまとめておく。このマイクロメカニカル共振器の製造方法は、第１、第２の単結晶シリコン層１０４，１０８の間に絶縁層１０６が形成されたＳＯＩ基板１０２の第２の単結晶シリコン層１０８上に第１のマスキングパターンであるクロムパターン１１０Ａ，１１０Ｂを形成する工程Ｓ１，Ｓ２と、第１のマスキングパターンの形成後に第２のマスキングパターンであるアルミニウムパターン１１２Ａ，１１２Ｂ，１１２Ｃをさらに形成する工程Ｓ３，Ｓ４と、第２のマスキングパターンによりマスキングされた領域以外における第２の単結晶シリコン層を絶縁層まで深掘エッチングする工程Ｓ５と、第２のマスキングパターン除去後に第１のマスキングパターンによりマスキングされた領域以外の第２の単結晶シリコン層を絶縁層にいたる途中まで浅掘エッチングする工程Ｓ７と、第１のマスキングパターン除去後に第１のマスキングパターン（クロムパターン１１０Ａ，１１０Ｂ）でマスキングされていた第２の単結晶シリコン層１０８の表面部に高誘電体基板１１４を貼り付ける工程Ｓ９と、高誘電体基板１１４貼り付け後に第１の単結晶シリコン層１０４および絶縁層１０６を除去する工程Ｓ１０とを含む。
【００４９】
好ましくは、第２の単結晶シリコン層１０８により、共振ビーム１４および電極６，８が形成される。高誘電体基板２は、共振ビーム１４および電極６，８を支持する。
【００５０】
図１４は、本願発明者らが試作したＭＥＭＳ共振器の走査電子顕微鏡写真である。
図１５は、共振ビームと電極の対向部とを拡大して示した走査電子顕微鏡写真である。
【００５１】
図１４、図１５でわかるように、共振ビーム１４は、ガラス基板上に浅掘エッチング２μｍ分浮上して支持されており、電極の対向部も同様にガラス基板上に浅掘エッチング２μｍ分浮上して支持されている。
【００５２】
図１６は、本実施の形態のＭＥＭＳ共振器の動作を説明するための図である。
図１６を参照して、２つの電極６，８には高周波電源から交流電圧ＶＩが印加される。端部１２にはコイルＬを介して主電圧電源から主電圧ＶＰが印加される。すると、共振ビーム１４と電極６，８との間に交番静電気力が発生し、その静電気力によって共振ビーム１４が高誘電体基板の表面と平行な面内で振動する。この共振ビーム１４の面内振動により、共振ビームと両電極との間の静電容量が変化し、端部１０およびキャパシタＣを経由して、一方端が接地された抵抗Ｒの他方端からその静電容量の変化が高周波信号ＶＯとして出力される。
【００５３】
図１７は、共振ビームの振動の方向について説明するための図である。
図１７を参照して、Ｘ−Ｘ方向の振動が高誘電体基板２に平行な面内での振動、つまり面内方向の横振動である。そしてＺ−Ｚ方向の振動が高誘電体基板２と直交する面内での振動、つまり縦振動である。
【００５４】
図１８は、本実施の形態のＭＥＭＳ共振器の特性を比較するための検討例の断面構造を示した概略図である。
【００５５】
図１８を参照して、この検討例では、共振ビーム５１４の両脇に電極５０８，５０６が配置されている。電極５０８の共振ビーム５１４に対向している面５０８Ａは、まっすぐ基板５０２に至っている。したがって、共振ビーム５１４よりも高さが低い部分からも電極５０８から共振ビーム５１４に向けて電気力線が延びている。その結果、共振ビーム５１４には斜め方向の力Ｆ０が働く。これにより、図１７で説明したＸ−Ｘ方向の面内方向横振動（所望の振動）以外にも、不要な共振モードであるＺ−Ｚ方向の縦振動も若干混じった振動が発生する。これは、Ｑ値を低くする原因となる。
【００５６】
図１９は、本実施の形態のＭＥＭＳ共振器の断面構造を示した概略図である。
図１９を参照して、本実施の形態のＭＥＭＳ共振器は、電極８の形状が最適化されている。すなわち、電極８は、共振ビーム１４に対向し、共振ビーム１４に対して静電気力を及ぼすための対向部２２と、高誘電体基板２上に設けられ対向部２２を支持する脚部２４とを含む。
【００５７】
好ましくは、共振ビーム１４の断面形状は、高誘電体基板２と垂直な方向の辺１４Ｙが高誘電体基板２と平行な方向の辺１４Ｘよりも長い長方形である。
【００５８】
共振ビーム１４は高誘電体基板２から所定高さＨ１だけ離れて図２の端部１０，１２に支持される。電極８の脚部２４は、電極８の対向部２２を高誘電体基板２から所定高さＨ１離れるように支持する。電極８の対向部２２の高誘電体基板２と垂直方向の厚さＨ２は、共振ビーム１４の厚さＨ２と等しい。脚部２４の共振ビーム１４に対向する側の第１の面２４Ａは、対向部２２の共振ビーム１４に対向する第２の面２２Ａよりも共振ビーム１４から離れる方向に後退して形成される。
【００５９】
これにより、電極８の脚部２４の面２４Ａから共振ビーム１４に向かう電気力線の影響はほとんど無くなり、対向部２２の面２２Ａから共振ビーム１４に向かう電気力線の影響が支配的になる。これにより、所望の共振モードである面内方向の横振動が縦振動よりも優位になる。
【００６０】
図２０は、本実施の形態に示したマイクロメカニカル共振器の切込量αを変化させた場合の縦振動モードの減衰の変化を示した図である。
【００６１】
図２０において、横軸は、図１９の面２２Ａに対する面２４Ａの後退量である切込量αを示し、縦軸は縦振動（面外振動）の減衰比を示す。この結果は、ギャップをＧ＝１．５μｍに固定して、切込量αを変化させてコンピュータによるシミュレーションを行なって得たものである。
【００６２】
減衰比とは、α＝０の時の面外振動の変位を１としたときに、切込量αを変化させたときの面外振動の比である。すなわち切込量αがゼロの場合を基準とし、このときの減衰比が１である。これに対し、α＝５μｍで減衰比は０．２となっており十分に低下が見られる。そしてα＝１０μｍでは少しさらに減衰比が低下し、減衰比は０．１５となる。α＝３０μｍでは、減衰比０．１２であり、α＝２００μｍでは、減衰比０．１１である。つまり、α＝３０〜２００μｍでは、減衰比は０．１程度でほとんど変化しないことが分かる。
【００６３】
したがって、αは５μｍ以上であることがよく、１０μｍ以上であることが一層好ましい。
【００６４】
なお、切込量αは、単結晶シリコンを所定高さ（１２μｍ）だけエッチングするためのマスク重ね誤差に基づいて定められる設計ルール（通常は１〜２μｍ程度）よりも有意に大きく形成されるものであれば、従来技術の共振器より縦振動モードの影響を低減させる効果が得られる。
【００６５】
以上説明したように、本実施の形態によれば、多結晶シリコンではなく、結晶欠陥がなく特性的に優れる単結晶シリコンで共振ビームと電極を形成するので、信頼性に優れ特性ばらつきの少ないＭＥＭＳ共振器を実現することができる。
【００６６】
また、単結晶シリコンでは高さ方向の厚みが厚い構造体を形成することができるので、共振ビームおよび電極の高さ方向の厚みを厚くし、横方向の面内振動が起こしやすい屈曲型共振器の形状を実現することができる。
【００６７】
さらに、電極部分の脚部に切込を設け、共振ビームに対向する部分のみ共振ビームに近接し、脚部は共振ビームから遠ざかるように後退させているので、縦方向振動よりも横方向の面内振動が優位となり、共振器のＱ値を高くすることができる。加えて、脚部の切込を存在により、共振ビームの振動時に周囲の空気の流動性が向上するので、振動のダンピングも抑えられるという効果もある。
【００６８】
なお、図２では、４つの領域にくびれ部を設け、３つの非くびれ部を有する共振ビームの例を示したが、さらに多くのくびれ部を設けてより高次の共振周波数を狙うようにしても良い。また、一切くびれ部を設けない共振ビームにした場合でも、電極の脚部に切込を設けることによって、同様な効果が得られる。
【００６９】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本実施の形態に係るＭＥＭＳ共振器の構造を示す斜視図である。
【図２】本実施の形態に係るＭＥＭＳ共振器の構造を示す平面図である。
【図３】図２の平面図のＩＩＩ−ＩＩＩ断面におけるＭＥＭＳ共振器の断面図である。
【図４】図２の平面図のＩＶ−ＩＶ断面におけるＭＥＭＳ共振器の断面図である。
【図５】本実施の形態のマイクロメカニカル共振器の製造方法を示したフローチャートである。
【図６】クロム層のパターニング後のＳＯＩ基板の平面図である。
【図７】図６のＶＩＩ−ＶＩＩでの断面図である。
【図８】アルミニウム層のパターニング後のＳＯＩ基板の平面図である。
【図９】図８のＩＸ−ＩＸでの断面図である。
【図１０】工程Ｓ５のシリコン深掘エッチング工程後の断面図である。
【図１１】工程Ｓ７のシリコン浅掘エッチング工程後の断面図である。
【図１２】工程Ｓ９のガラス基板接合後の状態を示した断面図である。
【図１３】工程Ｓ１０のシリコンバックエッチング後の状態を示した断面図である。
【図１４】本願発明者らが試作したＭＥＭＳ共振器の走査電子顕微鏡写真である。
【図１５】共振ビームと電極の対向部とを拡大して示した走査電子顕微鏡写真である。
【図１６】本実施の形態のＭＥＭＳ共振器の動作を説明するための図である。
【図１７】共振ビームの振動の方向について説明するための図である。
【図１８】本実施の形態のＭＥＭＳ共振器の特性を比較するための検討例の断面構造を示した概略図である。
【図１９】本実施の形態のＭＥＭＳ共振器の断面構造を示した概略図である。
【図２０】本実施の形態に示したマイクロメカニカル共振器の切込量αを変化させた場合の縦振動モードの減衰の変化を示した図である。
【符号の説明】
【００７１】
２，１１４ 高誘電体基板、４ フレーム部、６，８ 電極、１０，１２ 端部、１４ 共振ビーム、１４Ｙ，１４Ｘ 辺、１６，１８，２２ 対向部、１８Ａ，２０Ａ，２２Ａ，２４Ａ 面、２０，２４ 脚部、１００ マイクロメカニカル共振器、１０２ 基板、１０４，１０８，１０８Ａ，１０８Ｂ，１０８Ｃ 単結晶シリコン層、１０６ 絶縁層、１１０Ａ〜１１０Ｄ クロムパターン、１１０ クロム層、１１２Ａ〜１１２Ｅ アルミニウムパターン。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高誘電体基板と、
前記高誘電体基板上に設けられる第１、第２の端部と、前記第１、第２の端部の間で振動可能に支持される共振ビームとを有するフレーム部と、
前記共振ビームの前記第１、第２の端部の間に位置する部分に対向し前記共振ビームに対して静電気力を及ぼすための対向部と、前記高誘電体基板上に設けられ前記対向部を支持する脚部とを有する電極とを備え、
前記フレーム部および前記電極は単結晶シリコンで形成される、マイクロメカニカル共振器。
【請求項２】
前記共振ビームの断面形状は、前記高誘電体基板と垂直な方向の辺が前記高誘電体基板と平行な方向の辺よりも長い長方形である、請求項１に記載のマイクロメカニカル共振器。
【請求項３】
前記共振ビームは前記高誘電体基板から所定高さだけ離れて前記第１、第２の端部に支持され、
前記電極の脚部は、前記電極の対向部を前記高誘電体基板から前記所定高さ離れるように支持し、
前記電極の対向部の前記高誘電体基板と垂直方向の厚さは、前記共振ビームと等しく、
前記脚部の前記共振ビームに対向する側の第１の面は、前記対向部の前記共振ビームに対向する第２の面よりも前記共振ビームから離れる方向に後退して形成される、請求項１または２に記載のマイクロメカニカル共振器。
【請求項４】
前記第２の面から前記第１の面までの後退して形成される切込量は、５μｍ以上である、請求項１〜３のいずれか１項に記載のマイクロメカニカル共振器。
【請求項５】
第１、第２の単結晶シリコン層の間に絶縁層が形成されたＳＯＩ基板の前記第２の単結晶シリコン層上に第１のマスキングパターンを形成する工程と、
前記第１のマスキングパターンの形成後に第２のマスキングパターンをさらに形成する工程と、
前記第２のマスキングパターンによりマスキングされた領域以外における前記第２の単結晶シリコン層を前記絶縁層まで深掘エッチングする工程と、
前記第２のマスキングパターン除去後に前記第１のマスキングパターンによりマスキングされた領域以外の前記第２の単結晶シリコン層を前記絶縁層にいたる途中まで浅掘エッチングする工程と、
前記第１のマスキングパターン除去後に前記第１のマスキングパターンでマスキングされていた前記第２の単結晶シリコン層の表面部に高誘電体基板を貼り付ける工程と、
前記高誘電体基板貼り付け後に前記第１の単結晶シリコン層および前記絶縁層を除去する工程とを含む、マイクロメカニカル共振器の製造方法。
【請求項６】
前記第２の単結晶シリコン層により、共振ビームおよび電極が形成され、
前記高誘電体基板は、前記共振ビームおよび電極を支持する、請求項５に記載のマイクロメカニカル共振器の製造方法。
【請求項１】
高誘電体基板と、
前記高誘電体基板上に設けられる第１、第２の端部と、前記第１、第２の端部の間で振動可能に支持される共振ビームとを有するフレーム部と、
前記共振ビームの前記第１、第２の端部の間に位置する部分に対向し前記共振ビームに対して静電気力を及ぼすための対向部と、前記高誘電体基板上に設けられ前記対向部を支持する脚部とを有する電極とを備え、
前記フレーム部および前記電極は単結晶シリコンで形成される、マイクロメカニカル共振器。
【請求項２】
前記共振ビームの断面形状は、前記高誘電体基板と垂直な方向の辺が前記高誘電体基板と平行な方向の辺よりも長い長方形である、請求項１に記載のマイクロメカニカル共振器。
【請求項３】
前記共振ビームは前記高誘電体基板から所定高さだけ離れて前記第１、第２の端部に支持され、
前記電極の脚部は、前記電極の対向部を前記高誘電体基板から前記所定高さ離れるように支持し、
前記電極の対向部の前記高誘電体基板と垂直方向の厚さは、前記共振ビームと等しく、
前記脚部の前記共振ビームに対向する側の第１の面は、前記対向部の前記共振ビームに対向する第２の面よりも前記共振ビームから離れる方向に後退して形成される、請求項１または２に記載のマイクロメカニカル共振器。
【請求項４】
前記第２の面から前記第１の面までの後退して形成される切込量は、５μｍ以上である、請求項１〜３のいずれか１項に記載のマイクロメカニカル共振器。
【請求項５】
第１、第２の単結晶シリコン層の間に絶縁層が形成されたＳＯＩ基板の前記第２の単結晶シリコン層上に第１のマスキングパターンを形成する工程と、
前記第１のマスキングパターンの形成後に第２のマスキングパターンをさらに形成する工程と、
前記第２のマスキングパターンによりマスキングされた領域以外における前記第２の単結晶シリコン層を前記絶縁層まで深掘エッチングする工程と、
前記第２のマスキングパターン除去後に前記第１のマスキングパターンによりマスキングされた領域以外の前記第２の単結晶シリコン層を前記絶縁層にいたる途中まで浅掘エッチングする工程と、
前記第１のマスキングパターン除去後に前記第１のマスキングパターンでマスキングされていた前記第２の単結晶シリコン層の表面部に高誘電体基板を貼り付ける工程と、
前記高誘電体基板貼り付け後に前記第１の単結晶シリコン層および前記絶縁層を除去する工程とを含む、マイクロメカニカル共振器の製造方法。
【請求項６】
前記第２の単結晶シリコン層により、共振ビームおよび電極が形成され、
前記高誘電体基板は、前記共振ビームおよび電極を支持する、請求項５に記載のマイクロメカニカル共振器の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図１４】
【図１５】
【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１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２００９−８８８５４（Ｐ２００９−８８８５４Ａ）
【公開日】平成２１年４月２３日（２００９．４．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２５４４２７（Ｐ２００７−２５４４２７）
【出願日】平成１９年９月２８日（２００７．９．２８）
【出願人】（０００００１８８９）三洋電機株式会社 (18,308)
【出願人】（５９３００６６３０）学校法人立命館 (359)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年４月２３日（２００９．４．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月２８日（２００７．９．２８）
【出願人】（０００００１８８９）三洋電機株式会社 (18,308)
【出願人】（５９３００６６３０）学校法人立命館 (359)
【Ｆターム（参考）】
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