微小機械振動子とその製造方法
【課題】振動子内に共振周波数制御機構を組み込むことが容易で、かつ広い周波数帯域での共振周波数制御が可能な微小機械振動子を提供する。
【解決手段】微小機械振動子は、シリコン基板１上に形成されたシリコン酸化膜２と、シリコン酸化膜２上に形成された電極４，５と、一端が電極４に接続され、電極４およびシリコン酸化膜２で固定されていない一部が開口部６内に突出するように形成される振動子部７と、一端が電極５に接続され、電極５およびシリコン酸化膜２で固定されていない方の先端部が開口部６内に突出した振動子部７の先端部と対向するように形成される制御極部８とを備える。
【解決手段】微小機械振動子は、シリコン基板１上に形成されたシリコン酸化膜２と、シリコン酸化膜２上に形成された電極４，５と、一端が電極４に接続され、電極４およびシリコン酸化膜２で固定されていない一部が開口部６内に突出するように形成される振動子部７と、一端が電極５に接続され、電極５およびシリコン酸化膜２で固定されていない方の先端部が開口部６内に突出した振動子部７の先端部と対向するように形成される制御極部８とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、共振周波数を可逆的に制御することが可能な微小機械振動子とその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
微小機械振動子の共振周波数の可逆的な制御手法として、これまでのところ機械振動子加振時に付加デバイスを用いて静電吸引力を作用させ歪印加することにより電気的に周波数を制御する手法（非特許文献１）が報告されている。このような手法に加え、微小機械振動子の共振周波数の可逆的な制御手法として、探針を用いて振動子の実効的な長さを変化させ共振周波数を制御する手法（非特許文献２）や、カーボンナノチューブの構造特性を利用して共振周波数を制御する手法（非特許文献３）等が用いられていた。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】W.Y.Fung，E.N.Dattoli，and W.Lu，“Radio frequency nanowire resonators and in situ frequency tuning”，Appl.Phys.Lett.94，p.203104，2009
【非特許文献２】M.Zalalutdinov，B.Ilic，D.Czaplewski，A.Zehnder，H.G.Craighead，and J.M.Parpia，“Frequency-tunable micromechanical oscillator”，Appl.Phys.Lett.，Vol.77，No.20,p.3287-3289，2000
【非特許文献３】K.Jensen，C.Girit，W.Mickelson，and A.Zettl，“Tunable Nanoresonators Constructed from Telescoping Nanotubes”，PRL 96，p.215503，2006
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
非特許文献２、非特許文献３に開示された手法では、共振周波数変化率が数１００％に達する周波数制御が実現されているものの、センサ等のデバイスへ組み込むことが難しいという問題点があった。その理由は、振動子の実効的な長さを変化させたり振動子の構造を変化させたりする手法では大きな可動構造が必要であり、一つのデバイスとして作製するためには複雑な加工プロセスが必要となり、センサに組み込むことが難しくなるからである。特に、カーボンナノチューブを用いる場合には、カーボンナノチューブを選択的に配置することが難しく、作製はより困難となる。
【０００５】
また、非特許文献１に開示された手法では、デバイスへ組み込むことが容易であるものの、微小機械振動子の共振周波数変化率が数１０％程度であり、変化率１００％を超える広帯域の共振周波数制御は達成されていなかった。
デバイスに組み込んだ微小機械振動子の作製誤差を補正する場合や、微小機械振動子をセンシングデバイスに応用する場合には、デバイスに組み込むことが容易な電気的な手法でより広い周波数帯域の共振周波数制御を実現できることが必要である。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、振動子内に共振周波数制御機構を組み込むことが容易で、かつ広い周波数帯域での共振周波数制御が可能な微小機械振動子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】
【０００７】
本発明の微小機械振動子は、基板上に形成された絶縁層と、この絶縁層上に形成された第１の電極と、前記絶縁層上に形成された第２の電極と、両端もしくは一端が前記第１の電極に接続され、この第１の電極で固定されていない一部が前記絶縁層に形成された開口部内に突出するように前記絶縁層上に形成される振動子部と、一端が前記第２の電極に接続され、この第２の電極で固定されていない方の縁部が前記開口部内に突出した振動子部の縁部と対向するように前記絶縁層上に形成される制御極部とを備えることを特徴とするものである。
【０００８】
また、本発明の微小機械振動子は、基板上に形成された絶縁層と、前記基板上に形成された第１の電極と、前記絶縁層上に形成された第２の電極と、下面の一部が前記第１の電極に接続され、この第１の電極で固定されていない一部が前記第１の電極の周囲の絶縁層に形成された開口部内に突出するように前記第１の電極上に形成される振動子部と、一端が前記第２の電極に接続され、この第２の電極で固定されていない方の縁部が前記開口部内に突出した振動子部の縁部と対向するように前記絶縁層上に形成される制御極部とを備えることを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明の微小機械振動子の製造方法は、基板上に形成された絶縁層の上に第１、第２の電極を形成する電極形成工程と、前記第１、第２の電極間の領域もしくは前記第１、第２の電極で囲まれた領域の絶縁層をエッチングして開口部を形成する開口部形成工程と、両端もしくは一端が前記第１の電極に接続され、この第１の電極で固定されていない一部が前記絶縁層に形成された開口部内に突出する振動子部を前記開口部に露出した基板上に形成すると共に、一端が前記第２の電極に接続され、この第２の電極で固定されていない方の縁部が前記開口部内に突出した振動子部の縁部と対向する制御極部を前記開口部に露出した基板上に形成する振動子部および制御極部形成工程と、前記開口部内の露出している基板をエッチングして、前記開口部内に突出している振動子部と制御極部とが前記基板から浮いた状態になるように前記基板に凹部を形成する凹部形成工程とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の微小機械振動子の製造方法の１構成例において、前記振動子部および制御極部形成工程は、前記振動子部と前記制御極部とを連結する連結部を形成する工程を含み、さらに、前記凹部形成工程の後に、前記連結部を除去する連結部除去工程を備えることを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明の微小機械振動子の製造方法は、基板上に形成された絶縁層の上に第１、第２の電極を形成する電極形成工程と、両端もしくは一端が前記第１の電極に接続された振動子部を前記絶縁層上に形成すると共に、一端が前記第２の電極に接続され、この第２の電極に接続されていない方の縁部が前記振動子部の縁部と対向する制御極部を前記絶縁層上に形成する振動子部および制御極部形成工程と、前記第１、第２の電極間の領域もしくは前記第１、第２の電極で囲まれた領域の絶縁層をエッチングして、前記振動子部の前記第１の電極で固定されていない方の一部と前記制御極部の前記第２の電極で固定されていない方の一部とが前記基板から浮いた状態になるように前記絶縁層に開口部を形成する開口部形成工程とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の微小機械振動子の製造方法の１構成例において、前記振動子部および制御極部形成工程は、前記振動子部と前記制御極部とを連結する連結部を形成する工程を含み、さらに、前記開口部形成工程の後に、前記連結部を除去する連結部除去工程を備えることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、絶縁層上に形成された第１、第２の電極と、両端もしくは一端が第１の電極に接続され、この第１の電極で固定されていない一部が絶縁層に形成された開口部内に突出するように絶縁層上に形成される振動子部と、一端が第２の電極に接続され、この第２の電極で固定されていない方の縁部が開口部内に突出した振動子部の縁部と対向するように絶縁層上に形成される制御極部とを設けることにより、電気的な共振周波数制御を実現できるので、広い周波数帯域での微小機械振動子の共振周波数制御が可能となる。また、本発明では、微小機械振動子内に共振周波数制御機構を組み込むことが可能であり、広い周波数帯域での共振周波数制御が可能なナノ・マイクロスケールの微小機械振動子が作製可能となる。
【００１２】
また、本発明では、基板上に形成された第１の電極と、絶縁層上に形成された第２の電極と、下面の一部が第１の電極に接続され、この第１の電極で固定されていない一部が第１の電極の周囲の絶縁層に形成された開口部内に突出するように第１の電極上に形成される振動子部と、一端が第２の電極に接続され、この第２の電極で固定されていない方の縁部が開口部内に突出した振動子部の縁部と対向するように絶縁層上に形成される制御極部とを設けることにより、電気的な共振周波数制御を実現できるので、広い周波数帯域での微小機械振動子の共振周波数制御が可能となる。また、本発明では、微小機械振動子内に共振周波数制御機構を組み込むことが可能であり、広い周波数帯域での共振周波数制御が可能なナノ・マイクロスケールの微小機械振動子が作製可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る微小機械振動子の作製プロセスを説明する平面図および断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る微小機械振動子の作製プロセスを説明する平面図および断面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る微小機械振動子を斜め上方から撮影した電子顕微鏡写真である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る微小機械振動子の共振周波数制御原理を説明する模式図および微小機械振動子の設計パラメータの定義を説明する図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る微小機械振動子の設計パラメータの定義を説明する平面図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係る微小機械振動子の共振周波数の測定結果を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係る微小機械振動子の斜視図、平面図および断面図である。
【図８】本発明の第３の実施の形態に係る微小機械振動子の斜視図、平面図および断面図である。
【図９】本発明の第４の実施の形態に係る微小機械振動子の斜視図、平面図および断面図である。
【図１０】本発明の第５の実施の形態に係る微小機械振動子の斜視図、平面図および断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
［第１の実施の形態］
以下、本発明を用いた実施の形態について詳細に説明する。本実施の形態では、電子ビーム露光技術、集束イオンビーム化学気相成長法（focused-ion-beam chemical vapor deposition：ＦＩＢ−ＣＶＤ）、及びウェットエッチング等の微細加工技術を用いて、ダイアモンドライクカーボン（diamond-like carbon：ＤＬＣ）からなる共振周波数可変振動子を作製した。
【００１５】
ＦＩＢ−ＣＶＤは、ＣＶＤの原料となるガスをガスノズルより噴射し、原料ガス分子を基板等に吸着させ、その吸着原料分子にガリウム集束イオンビームを照射することで原料分子を解離、堆積させ、微小構造を形成するものである（特開２００１−１０７２５２号公報、文献「S.Matsui,et.al.，“Three-dimensional nanostrecture fabrication by focused-ion-beam chemical vapor deposition”，J.Vac.Sci.Tech.B，Vol.18，No.6，p.3181-3184，2000」）。
【００１６】
本実施の形態における微小機械振動子の作製プロセスを、図１（Ａ）、図１（Ｃ）、図１（Ｅ）、図１（Ｇ）、図２（Ａ）、図２（Ｃ）の平面図および図１（Ｂ）、図１（Ｄ）、図１（Ｆ）、図１（Ｈ）、図２（Ｂ）、図２（Ｄ）の断面図で説明する。
まず、表面に厚さ２８０ｎｍのシリコン酸化膜２（絶縁層）が形成されたシリコン基板１上にレジスト３を塗布し（図１（Ａ）、図１（Ｂ））、電子ビーム露光によりレジスト３を図１（Ｃ）、図１（Ｄ）に示すような形状に加工する。そして、真空蒸着およびリフトオフプロセスを用いて、Ｔｉからなる２つの電極４，５をシリコン酸化膜２上に形成する（図１（Ｅ）、図１（Ｆ））。この電極４，５の厚さは、２４０ｎｍである。
【００１７】
続いて、電極４，５間のシリコン酸化膜２を集束イオンビームによりエッチングして開口部６を形成し、シリコン酸化膜２の下のシリコン基板１の表面を露出させる（図１（Ｇ）、図１（Ｈ））。次に、一方の側の端部がシリコン酸化膜２および電極４上に形成され他方の側が開口部６内に突出するようにシリコン基板１上に形成される振動子部７と、一方の側が開口部６内に突出した振動子部７の先端と近接するようにシリコン基板１上に形成され他方の側の端部がシリコン酸化膜２および電極５上に形成される制御極部８と、振動子部７と制御極部８とを連結するようにシリコン基板１上に形成される連結部９とからなる構造を、ＦＩＢ−ＣＶＤにより作製する（図２（Ａ）、図２（Ｂ））。このとき、振動子部７と制御極部８と連結部９とは、電極４，５間に架けられた架橋構造となる。
【００１８】
このＦＩＢ−ＣＶＤにより堆積・形成した振動子部７と制御極部８と連結部９の材料は、ＦＩＢ−ＣＶＤにおける原料ガスとしてフェナントレン（phenanthrene：Ｃ14Ｈ10）を用いたためＤＬＣである（文献「K.Kanda，et al.，“NEXAFS study on carbon-based material formed by focused-ion-beam chemical-vapor-deposition”，Radiation Physics and Chemistry 75，p.1850-1854，2006」）。なお、連結部９を後の工程で除去する必要があるため、加工のし易さを考慮して、連結部９を振動子部７および制御極部８よりも薄く形成している。
【００１９】
次に、水酸化テトラメチルアンモニウム（Tetramethylammonium hydroxide：ＴＭＡＨ）系ウェットエッチング溶液を用いて、開口部６内の露出しているシリコン基板１をウェットエッチングし、開口部６内に突出している振動子部７と制御極部８と連結部９とがシリコン基板１から浮いた状態になるようにシリコン基板１に凹部１０を形成する。そして、最後に連結部９を集束イオンビームを用いてエッチングし、振動子部７と制御極部８とを切り離す（図２（Ｃ）、図２（Ｄ））。
【００２０】
こうして、シリコン酸化膜２上に形成された２つの電極４，５と、一端が電極４に接続され、電極４およびシリコン酸化膜２で固定されていない一部が開口部６内に突出する振動子部７と、一端が電極５に接続され、電極５およびシリコン酸化膜２で固定されていない方の先端部が開口部６内に突出した振動子部７の先端部と対向する制御極部８とを備えた微小機械振動子が完成する。作製した微小機械振動子の電子顕微鏡写真を図３に示す。
【００２１】
図４（Ａ）は本実施の形態の微小機械振動子の共振周波数制御原理を説明する模式図である。本実施の形態の共振周波数制御原理は次のとおりである。外部から加えられた力に応じて振動する振動子部７とこれに対向する制御極部８との間に電極４，５を通じて電圧Ｖを印加し、振動子部７と制御極部８との間に静電引力Ｆを発生させる。これにより、静電引力Ｆの鉛直方向成分Ｆｙが振動子部７の振動の復元力に加算されるので、振動子部７の共振周波数が変化する。この原理に基づくと、振動子部７の振動振幅が十分小さい線形振動領域では、静電引力が作用する振動子部７の１次の共振周波数ｆは、近似的には次式（１）で表すことができる。
【００２２】
【数１】
【００２３】
ここで、図４（Ｂ）に示すように、Ｖは印加電圧、Ｓは振動子部７の先端部１１と対向する制御極部８の端面の面積、ε0は真空の誘電率、ρは振動子部７の密度、Ａは振動子部７の断面積、Ｅは振動子部７の構成材料のヤング率、Ｉは振動子部７の断面二次モーメント、ｌは振動子部７の先端部１１を除く梁部１２の長さ、ｍは振動子部７の先端部の質量、Δは振動子部７と制御極部８間の水平距離である。なお、式（１）は、梁部１２が１本の構成の場合を示している。
【００２４】
上記した式（１）に基づくと、本実施の形態のように２本の梁部１２が先端部１１によって連結されている形状の振動子部７の場合、振動子部７の１次の共振周波数ｆは次式（２）のように表される。
【００２５】
【数２】
【００２６】
ここで、ＶFは作製過程において生じた振動子部７の梁部１２の反り返りを戻し、先端部１１を制御極部８に対向させるために必要な印加電圧である。また、図５に示すように、ｗ1は制御極部８および振動子部７の先端部１１の幅、ｗ2は振動子部７の梁部１２の幅、ｗ3は振動子部７の先端部１１の長さ、Ｌは振動子部７の梁部１２の長さ、ｔは振動子部７および制御極部８の厚さである。上記の面積Ｓはｗ1×ｔに相当する。なお、図３の電子顕微鏡写真に示した振動子のｗ1，ｗ2，ｗ3，Ｌ，ｔ，Δは、それぞれ８．８μｍ，９００ｎｍ，３μｍ，２３μｍ，１３０ｎｍ，３００ｎｍであった。
【００２７】
次に、本実施の形態の微小機械振動子の共振周波数を、電子ビーム法により評価した。電子ビーム法については、文献「H.Ashiba，et al.，“Evaluation Method of the Quality Factor of Micromechanical Resonators Using Electron Beams”，Jpn.J.Appl.Phys.，48，06FG08，2009」に開示されている。本実施の形態では、微小機械振動子の振動子部７の励振を、ピエゾ素子を用いて行った。また、微小機械振動子の電極４，５への電圧印加を、ソースメータを用いて行った。
【００２８】
図６は測定結果を示す図であり、横軸は印加電圧Ｖ、縦軸は共振周波数である。なお、図６における６０は測定データ、６１は印加電圧−共振周波数特性の理論線である。本実施の形態の微小機械振動子のＶF値は２０Ｖであった。Ｖ＝２０Ｖの電圧印加により振動子部７の梁部１２の反りが修正され、振動子部７の先端部１１と制御極部８とが対向した後、微小機械振動子の共振周波数は、上記した式（２）に従い、１０７ｋＨｚ（Ｖ＝２０Ｖ）から７８２ｋＨｚ（Ｖ＝５０Ｖ）の周波数帯域で調整可能であった。したがって、本実施の形態の微小機械振動子の共振周波数の変化率は、およそ５７０％であった。本実施の形態では、５０Ｖまでの電圧印加を行ったが、より大きな電圧印加により、より広い帯域での共振周波数制御が可能である。以上のように、上記の原理に基づく電気的な共振周波数制御法により、広い周波数帯域での微小機械振動子の共振周波数制御が可能であることを確認できた。
【００２９】
以上、詳細に説明したように、本実施の形態によれば、高精度な制御と高い応答性が期待できる電気的な共振周波数制御手法により、広い周波数帯域（周波数変化率５００％以上）での微小機械振動子の共振周波数制御が可能となる。また、本実施の形態では、電気的な共振周波数制御手法を用いるため、微小機械振動子内に共振周波数制御機構を組み込むことが可能であり、広い周波数帯域での共振周波数制御が可能なナノ・マイクロスケールの微小機械振動子が作製可能となる。
【００３０】
微小機械振動子は、その高速応答特性、高感度特性から次世代センサや次世代演算回路等の中核デバイスとして期待され、研究開発が進められている。それらの微小機械振動子を利用した次世代デバイス作製においては、微小機械振動子の動特性を制御し、作製誤差の補正（共振周波数のチューニング）や機能的な振動モードの励起が必要となる。デバイス中に組み込み可能な、本実施の形態の共振周波数制御機構は、上記した次世代デバイス実現の重要な要素技術となる可能性がある。
【００３１】
なお、微小機械振動子の動作特性（共振周波数、共振周波数制御帯域、共振周波数変化率）は、微小機械振動子の形状、寸法だけでなく、微小機械振動子の構造材料の機械材料物性（ヤング率および密度）によっても決定される。本実施の形態では、振動子部７および制御極部８の材料としてＤＬＣを用いているが、ＤＬＣに限るものではなく、微小機械振動子として使用し得る硬さの導電性材料であれば他の材料でも利用可能である。利用可能な材料としては、例えばダイヤモンド、グラファイト、シリコン（Ｓｉ）、二酸化シリコン（ＳｉＯ2）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、窒化シリコン（ＳｉＮ）等が考えられる。
【００３２】
なお、既存の超微細加工技術（電子ビーム露光技術、フォトリソグラフィー、ナノインプリント技術、ドライエッチング、ウェットエッチング、蒸着、スパッタリング、化学気相成長法等製膜技術など）を複数組み合わせて微小機械振動子を作製することも可能であり、微小機械振動子の作製方法は本実施の形態に限定するものではない。例えば、電子ビーム露光技術、フォトリソグラフィー、ナノインプリント技術等のリソグラフィーを利用し、本実施の形態で説明した電極４，５と振動子部７と制御極部８と連結部９の形状のパターニングを行うことが可能である。また、電極４，５と振動子部７と制御極部８と連結部９の構造材料となる金属薄膜やカーボン膜は、蒸着、スパッタリング、化学気相成長法などの製膜技術を用いても行うことができる。加えて、電極構造作製および振動子構造作製は、ドライエッチング、或いは本実施の形態とは異なる試薬を用いたウェットエッチングを用いても可能である。
【００３３】
なお、本実施の形態では、シリコン基板１に凹部１０を設けているが、凹部１０は必須の構成要件ではない。シリコン基板１上のシリコン酸化膜２などの絶縁層に振動子部７の動きを妨げないだけの十分な厚さがある場合には、絶縁層に開口部を設けるだけでよい。この場合には、振動子部７と制御極部８と連結部９とを設ける前に絶縁層に開口部を設けるのではなく、絶縁層上に電極４，５と振動子部７と制御極部８と連結部９とを形成した後に、電極４，５間の領域の絶縁層を例えばウェットエッチングして、振動子部７の電極４で固定されていない方の一部と制御極部８の電極５で固定されていない方の一部とがシリコン基板１から浮いた状態になるように絶縁層に開口部を形成し、開口部を形成した後に連結部９を除去すればよい。
【００３４】
また、本実施の形態では、振動子部７と制御極部８とを連結部９で連結した架橋構造を作製し、シリコン基板１に凹部１０を形成した後に連結部９を削除するようにしている。その理由は、凹部１０を形成するウェットエッチング工程の後でシリコン基板１を乾燥させる際に、ウェットエッチングで用いた液体の表面張力により振動子部７とシリコン基板１とが固着してしまう可能性があるからである。そこで、本実施の形態では、ウェットエッチングのときには振動子部７と制御極部８とを連結しておくようにしている。これに対して、ウェットエッチング後の乾燥工程において超臨界乾燥を用いるようにすれば、はじめから振動子部７と制御極部８とを分離した形で作製することが可能である。
【００３５】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。第１の実施の形態では、本発明の微小機械振動子の例として振動子部７および制御極部８を有する形状の振動子について説明したが、本発明は、第１の実施の形態の振動子構造に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形・応用が可能である。本実施の形態では、微小機械振動子の別の例について説明する。
【００３６】
図７（Ａ）は本実施の形態に係る微小機械振動子の斜視図、図７（Ｂ）は図７（Ａ）の微小機械振動子の平面図、図７（Ｃ）は図７（Ａ）の微小機械振動子の断面図である。
本実施の形態の微小機械振動子は、基板である導電層２０と、導電層２０に上に形成された二酸化シリコン等からなる絶縁層２１と、絶縁層２１に形成された開口部２２と、絶縁層２１上に形成された電極２３，２４，２５，２６と、両端が電極２５，２６および絶縁層２１で固定されることによって導電層２０から浮いた状態で支持される振動子部２７と、一端が電極２３，２４および絶縁層２１で固定されることによって導電層２０から浮いた状態で支持される制御極部２８，２９とを有する。
【００３７】
本実施の形態は、両持ち梁型の振動子部２７を有し、振動子部２７が外部から加えられた力に応じて図７（Ｃ）のように垂直方向に振動する例を示す。振動子部２７に電極２５，２６を通じて電圧を印加すると共に、制御極部２８，２９に電極２３，２４を通じて電圧を印加し、振動子部２７と制御極部２８との間および振動子部２７と制御極部２９との間に静電引力を発生させる。これにより、静電引力の鉛直方向成分が振動子部２７の振動の復元力に加算されるので、振動子部２７の共振周波数が変化する。こうして、本実施の形態では、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００３８】
［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。図８（Ａ）は本実施の形態に係る微小機械振動子の斜視図、図８（Ｂ）は図８（Ａ）の微小機械振動子の平面図、図８（Ｃ）は図８（Ａ）の微小機械振動子の断面図である。
本実施の形態の微小機械振動子は、基板である導電層３０と、導電層３０に上に形成された二酸化シリコン等からなる絶縁層３１と、絶縁層３１に形成された開口部３２と、絶縁層３１上に形成された電極３３，３４，３５，３６と、両端が電極３５，３６および絶縁層３１で固定されることによって導電層３０から浮いた状態で支持される振動子部３７と、一端が電極３３，３４および絶縁層３１で固定されることによって導電層３０から浮いた状態で支持される制御極部３８，３９とを有する。
【００３９】
本実施の形態は、両持ち梁型の振動子部３７を有し、振動子部３７が外部から加えられた力に応じて図８（Ｃ）のように水平方向に振動する例を示す。振動子部３７に電極３５，３６を通じて電圧を印加すると共に、制御極部３８，３９に電極３３，３４を通じて電圧を印加し、振動子部３７と制御極部３８との間および振動子部３７と制御極部３９との間に静電引力を発生させる。これにより、静電引力が振動子部３７の振動の復元力に加算されるので、振動子部３７の共振周波数が変化する。こうして、本実施の形態では、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００４０】
［第４の実施の形態］
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。図９（Ａ）は本実施の形態に係る微小機械振動子の斜視図、図９（Ｂ）は図９（Ａ）の微小機械振動子の平面図、図９（Ｃ）は図９（Ａ）の微小機械振動子の断面図である。
本実施の形態の微小機械振動子は、基板である導電層４０と、導電層４０に上に形成された二酸化シリコン等からなる絶縁層４１と、絶縁層４１に形成された開口部４２と、絶縁層４１上に形成された電極４３，４４と、導電層４０上に形成された電極４５と、下面の一部が電極４５に接続され、絶縁層４１および電極４５で支えられることによって導電層４０から浮いた状態で支持される振動子部４６と、周辺部が電極４３，４４および絶縁層４１で固定されることによって導電層４０から浮いた状態で支持される制御極部４７とを有する。
【００４１】
本実施の形態は、絶縁層４１および電極４５によって支持される円盤状の振動子部４６を有し、振動子部４６が外部から加えられた力に応じて図９（Ｃ）のように振動する例を示す。振動子部４６に導電層４０と電極４５を通じて電圧を印加すると共に、制御極部４７に電極４３，４４を通じて電圧を印加し、振動子部４６と制御極部４７との間に静電引力を発生させる。これにより、静電引力の鉛直方向成分が振動子部４６の振動の復元力に加算されるので、振動子部４６の共振周波数が変化する。こうして、本実施の形態では、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００４２】
［第５の実施の形態］
次に、本発明の第５の実施の形態について説明する。図１０（Ａ）は本実施の形態に係る微小機械振動子の斜視図、図１０（Ｂ）は図１０（Ａ）の微小機械振動子の平面図、図１０（Ｃ）は図１０（Ａ）の微小機械振動子の断面図である。
本実施の形態の微小機械振動子は、基板である導電層５０と、導電層５０に上に形成された二酸化シリコン等からなる絶縁層５１と、絶縁層５１に形成された開口部５２と、絶縁層５１上に形成された電極５３，５４，５５，５６と、両端が電極５５，５６および絶縁層５１で固定されることによって導電層５０から浮いた状態で支持される振動子部５７と、一端が電極５３，５４および絶縁層５１で固定されることによって導電層５０から浮いた状態で支持される制御極部５８，５９とを有する。
【００４３】
本実施の形態は、両持ち梁型の振動子部５７を有し、振動子部５７が外部から加えられた力に応じて図１０（Ｃ）のように捩じれるようにして振動する例を示す。振動子部５７に電極５５，５６を通じて電圧を印加すると共に、制御極部５８，５９に電極５３，５４を通じて電圧を印加し、振動子部５７と制御極部５８との間および振動子部５７と制御極部５９との間に静電引力を発生させる。これにより、静電引力の鉛直方向成分が振動子部５７の振動の復元力に加算されるので、振動子部５７の共振周波数が変化する。こうして、本実施の形態では、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は、センサ等に使用される微小機械振動子に適用することができる。
【符号の説明】
【００４５】
１…シリコン基板、２…シリコン酸化膜、３…レジスト、４，５，２３，２４，２５，２６，３３，３４，３５，３６，４３，４４，４５，５３，５４，５５，５６…電極、６，２２，３２，４２，５２…開口部、７，２７，３７，４６，５７…振動子部、８，２８，２９，３８，３９，４７，５８，５９…制御極部、９…連結部、１０…凹部、１１…先端部、１２…梁部、２０，３０，４０，５０…導電層、２１，３１，４１，５１…絶縁層。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、共振周波数を可逆的に制御することが可能な微小機械振動子とその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
微小機械振動子の共振周波数の可逆的な制御手法として、これまでのところ機械振動子加振時に付加デバイスを用いて静電吸引力を作用させ歪印加することにより電気的に周波数を制御する手法（非特許文献１）が報告されている。このような手法に加え、微小機械振動子の共振周波数の可逆的な制御手法として、探針を用いて振動子の実効的な長さを変化させ共振周波数を制御する手法（非特許文献２）や、カーボンナノチューブの構造特性を利用して共振周波数を制御する手法（非特許文献３）等が用いられていた。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】W.Y.Fung，E.N.Dattoli，and W.Lu，“Radio frequency nanowire resonators and in situ frequency tuning”，Appl.Phys.Lett.94，p.203104，2009
【非特許文献２】M.Zalalutdinov，B.Ilic，D.Czaplewski，A.Zehnder，H.G.Craighead，and J.M.Parpia，“Frequency-tunable micromechanical oscillator”，Appl.Phys.Lett.，Vol.77，No.20,p.3287-3289，2000
【非特許文献３】K.Jensen，C.Girit，W.Mickelson，and A.Zettl，“Tunable Nanoresonators Constructed from Telescoping Nanotubes”，PRL 96，p.215503，2006
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
非特許文献２、非特許文献３に開示された手法では、共振周波数変化率が数１００％に達する周波数制御が実現されているものの、センサ等のデバイスへ組み込むことが難しいという問題点があった。その理由は、振動子の実効的な長さを変化させたり振動子の構造を変化させたりする手法では大きな可動構造が必要であり、一つのデバイスとして作製するためには複雑な加工プロセスが必要となり、センサに組み込むことが難しくなるからである。特に、カーボンナノチューブを用いる場合には、カーボンナノチューブを選択的に配置することが難しく、作製はより困難となる。
【０００５】
また、非特許文献１に開示された手法では、デバイスへ組み込むことが容易であるものの、微小機械振動子の共振周波数変化率が数１０％程度であり、変化率１００％を超える広帯域の共振周波数制御は達成されていなかった。
デバイスに組み込んだ微小機械振動子の作製誤差を補正する場合や、微小機械振動子をセンシングデバイスに応用する場合には、デバイスに組み込むことが容易な電気的な手法でより広い周波数帯域の共振周波数制御を実現できることが必要である。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、振動子内に共振周波数制御機構を組み込むことが容易で、かつ広い周波数帯域での共振周波数制御が可能な微小機械振動子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】
【０００７】
本発明の微小機械振動子は、基板上に形成された絶縁層と、この絶縁層上に形成された第１の電極と、前記絶縁層上に形成された第２の電極と、両端もしくは一端が前記第１の電極に接続され、この第１の電極で固定されていない一部が前記絶縁層に形成された開口部内に突出するように前記絶縁層上に形成される振動子部と、一端が前記第２の電極に接続され、この第２の電極で固定されていない方の縁部が前記開口部内に突出した振動子部の縁部と対向するように前記絶縁層上に形成される制御極部とを備えることを特徴とするものである。
【０００８】
また、本発明の微小機械振動子は、基板上に形成された絶縁層と、前記基板上に形成された第１の電極と、前記絶縁層上に形成された第２の電極と、下面の一部が前記第１の電極に接続され、この第１の電極で固定されていない一部が前記第１の電極の周囲の絶縁層に形成された開口部内に突出するように前記第１の電極上に形成される振動子部と、一端が前記第２の電極に接続され、この第２の電極で固定されていない方の縁部が前記開口部内に突出した振動子部の縁部と対向するように前記絶縁層上に形成される制御極部とを備えることを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明の微小機械振動子の製造方法は、基板上に形成された絶縁層の上に第１、第２の電極を形成する電極形成工程と、前記第１、第２の電極間の領域もしくは前記第１、第２の電極で囲まれた領域の絶縁層をエッチングして開口部を形成する開口部形成工程と、両端もしくは一端が前記第１の電極に接続され、この第１の電極で固定されていない一部が前記絶縁層に形成された開口部内に突出する振動子部を前記開口部に露出した基板上に形成すると共に、一端が前記第２の電極に接続され、この第２の電極で固定されていない方の縁部が前記開口部内に突出した振動子部の縁部と対向する制御極部を前記開口部に露出した基板上に形成する振動子部および制御極部形成工程と、前記開口部内の露出している基板をエッチングして、前記開口部内に突出している振動子部と制御極部とが前記基板から浮いた状態になるように前記基板に凹部を形成する凹部形成工程とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の微小機械振動子の製造方法の１構成例において、前記振動子部および制御極部形成工程は、前記振動子部と前記制御極部とを連結する連結部を形成する工程を含み、さらに、前記凹部形成工程の後に、前記連結部を除去する連結部除去工程を備えることを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明の微小機械振動子の製造方法は、基板上に形成された絶縁層の上に第１、第２の電極を形成する電極形成工程と、両端もしくは一端が前記第１の電極に接続された振動子部を前記絶縁層上に形成すると共に、一端が前記第２の電極に接続され、この第２の電極に接続されていない方の縁部が前記振動子部の縁部と対向する制御極部を前記絶縁層上に形成する振動子部および制御極部形成工程と、前記第１、第２の電極間の領域もしくは前記第１、第２の電極で囲まれた領域の絶縁層をエッチングして、前記振動子部の前記第１の電極で固定されていない方の一部と前記制御極部の前記第２の電極で固定されていない方の一部とが前記基板から浮いた状態になるように前記絶縁層に開口部を形成する開口部形成工程とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の微小機械振動子の製造方法の１構成例において、前記振動子部および制御極部形成工程は、前記振動子部と前記制御極部とを連結する連結部を形成する工程を含み、さらに、前記開口部形成工程の後に、前記連結部を除去する連結部除去工程を備えることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、絶縁層上に形成された第１、第２の電極と、両端もしくは一端が第１の電極に接続され、この第１の電極で固定されていない一部が絶縁層に形成された開口部内に突出するように絶縁層上に形成される振動子部と、一端が第２の電極に接続され、この第２の電極で固定されていない方の縁部が開口部内に突出した振動子部の縁部と対向するように絶縁層上に形成される制御極部とを設けることにより、電気的な共振周波数制御を実現できるので、広い周波数帯域での微小機械振動子の共振周波数制御が可能となる。また、本発明では、微小機械振動子内に共振周波数制御機構を組み込むことが可能であり、広い周波数帯域での共振周波数制御が可能なナノ・マイクロスケールの微小機械振動子が作製可能となる。
【００１２】
また、本発明では、基板上に形成された第１の電極と、絶縁層上に形成された第２の電極と、下面の一部が第１の電極に接続され、この第１の電極で固定されていない一部が第１の電極の周囲の絶縁層に形成された開口部内に突出するように第１の電極上に形成される振動子部と、一端が第２の電極に接続され、この第２の電極で固定されていない方の縁部が開口部内に突出した振動子部の縁部と対向するように絶縁層上に形成される制御極部とを設けることにより、電気的な共振周波数制御を実現できるので、広い周波数帯域での微小機械振動子の共振周波数制御が可能となる。また、本発明では、微小機械振動子内に共振周波数制御機構を組み込むことが可能であり、広い周波数帯域での共振周波数制御が可能なナノ・マイクロスケールの微小機械振動子が作製可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る微小機械振動子の作製プロセスを説明する平面図および断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る微小機械振動子の作製プロセスを説明する平面図および断面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る微小機械振動子を斜め上方から撮影した電子顕微鏡写真である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る微小機械振動子の共振周波数制御原理を説明する模式図および微小機械振動子の設計パラメータの定義を説明する図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る微小機械振動子の設計パラメータの定義を説明する平面図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係る微小機械振動子の共振周波数の測定結果を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係る微小機械振動子の斜視図、平面図および断面図である。
【図８】本発明の第３の実施の形態に係る微小機械振動子の斜視図、平面図および断面図である。
【図９】本発明の第４の実施の形態に係る微小機械振動子の斜視図、平面図および断面図である。
【図１０】本発明の第５の実施の形態に係る微小機械振動子の斜視図、平面図および断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
［第１の実施の形態］
以下、本発明を用いた実施の形態について詳細に説明する。本実施の形態では、電子ビーム露光技術、集束イオンビーム化学気相成長法（focused-ion-beam chemical vapor deposition：ＦＩＢ−ＣＶＤ）、及びウェットエッチング等の微細加工技術を用いて、ダイアモンドライクカーボン（diamond-like carbon：ＤＬＣ）からなる共振周波数可変振動子を作製した。
【００１５】
ＦＩＢ−ＣＶＤは、ＣＶＤの原料となるガスをガスノズルより噴射し、原料ガス分子を基板等に吸着させ、その吸着原料分子にガリウム集束イオンビームを照射することで原料分子を解離、堆積させ、微小構造を形成するものである（特開２００１−１０７２５２号公報、文献「S.Matsui,et.al.，“Three-dimensional nanostrecture fabrication by focused-ion-beam chemical vapor deposition”，J.Vac.Sci.Tech.B，Vol.18，No.6，p.3181-3184，2000」）。
【００１６】
本実施の形態における微小機械振動子の作製プロセスを、図１（Ａ）、図１（Ｃ）、図１（Ｅ）、図１（Ｇ）、図２（Ａ）、図２（Ｃ）の平面図および図１（Ｂ）、図１（Ｄ）、図１（Ｆ）、図１（Ｈ）、図２（Ｂ）、図２（Ｄ）の断面図で説明する。
まず、表面に厚さ２８０ｎｍのシリコン酸化膜２（絶縁層）が形成されたシリコン基板１上にレジスト３を塗布し（図１（Ａ）、図１（Ｂ））、電子ビーム露光によりレジスト３を図１（Ｃ）、図１（Ｄ）に示すような形状に加工する。そして、真空蒸着およびリフトオフプロセスを用いて、Ｔｉからなる２つの電極４，５をシリコン酸化膜２上に形成する（図１（Ｅ）、図１（Ｆ））。この電極４，５の厚さは、２４０ｎｍである。
【００１７】
続いて、電極４，５間のシリコン酸化膜２を集束イオンビームによりエッチングして開口部６を形成し、シリコン酸化膜２の下のシリコン基板１の表面を露出させる（図１（Ｇ）、図１（Ｈ））。次に、一方の側の端部がシリコン酸化膜２および電極４上に形成され他方の側が開口部６内に突出するようにシリコン基板１上に形成される振動子部７と、一方の側が開口部６内に突出した振動子部７の先端と近接するようにシリコン基板１上に形成され他方の側の端部がシリコン酸化膜２および電極５上に形成される制御極部８と、振動子部７と制御極部８とを連結するようにシリコン基板１上に形成される連結部９とからなる構造を、ＦＩＢ−ＣＶＤにより作製する（図２（Ａ）、図２（Ｂ））。このとき、振動子部７と制御極部８と連結部９とは、電極４，５間に架けられた架橋構造となる。
【００１８】
このＦＩＢ−ＣＶＤにより堆積・形成した振動子部７と制御極部８と連結部９の材料は、ＦＩＢ−ＣＶＤにおける原料ガスとしてフェナントレン（phenanthrene：Ｃ14Ｈ10）を用いたためＤＬＣである（文献「K.Kanda，et al.，“NEXAFS study on carbon-based material formed by focused-ion-beam chemical-vapor-deposition”，Radiation Physics and Chemistry 75，p.1850-1854，2006」）。なお、連結部９を後の工程で除去する必要があるため、加工のし易さを考慮して、連結部９を振動子部７および制御極部８よりも薄く形成している。
【００１９】
次に、水酸化テトラメチルアンモニウム（Tetramethylammonium hydroxide：ＴＭＡＨ）系ウェットエッチング溶液を用いて、開口部６内の露出しているシリコン基板１をウェットエッチングし、開口部６内に突出している振動子部７と制御極部８と連結部９とがシリコン基板１から浮いた状態になるようにシリコン基板１に凹部１０を形成する。そして、最後に連結部９を集束イオンビームを用いてエッチングし、振動子部７と制御極部８とを切り離す（図２（Ｃ）、図２（Ｄ））。
【００２０】
こうして、シリコン酸化膜２上に形成された２つの電極４，５と、一端が電極４に接続され、電極４およびシリコン酸化膜２で固定されていない一部が開口部６内に突出する振動子部７と、一端が電極５に接続され、電極５およびシリコン酸化膜２で固定されていない方の先端部が開口部６内に突出した振動子部７の先端部と対向する制御極部８とを備えた微小機械振動子が完成する。作製した微小機械振動子の電子顕微鏡写真を図３に示す。
【００２１】
図４（Ａ）は本実施の形態の微小機械振動子の共振周波数制御原理を説明する模式図である。本実施の形態の共振周波数制御原理は次のとおりである。外部から加えられた力に応じて振動する振動子部７とこれに対向する制御極部８との間に電極４，５を通じて電圧Ｖを印加し、振動子部７と制御極部８との間に静電引力Ｆを発生させる。これにより、静電引力Ｆの鉛直方向成分Ｆｙが振動子部７の振動の復元力に加算されるので、振動子部７の共振周波数が変化する。この原理に基づくと、振動子部７の振動振幅が十分小さい線形振動領域では、静電引力が作用する振動子部７の１次の共振周波数ｆは、近似的には次式（１）で表すことができる。
【００２２】
【数１】
【００２３】
ここで、図４（Ｂ）に示すように、Ｖは印加電圧、Ｓは振動子部７の先端部１１と対向する制御極部８の端面の面積、ε0は真空の誘電率、ρは振動子部７の密度、Ａは振動子部７の断面積、Ｅは振動子部７の構成材料のヤング率、Ｉは振動子部７の断面二次モーメント、ｌは振動子部７の先端部１１を除く梁部１２の長さ、ｍは振動子部７の先端部の質量、Δは振動子部７と制御極部８間の水平距離である。なお、式（１）は、梁部１２が１本の構成の場合を示している。
【００２４】
上記した式（１）に基づくと、本実施の形態のように２本の梁部１２が先端部１１によって連結されている形状の振動子部７の場合、振動子部７の１次の共振周波数ｆは次式（２）のように表される。
【００２５】
【数２】
【００２６】
ここで、ＶFは作製過程において生じた振動子部７の梁部１２の反り返りを戻し、先端部１１を制御極部８に対向させるために必要な印加電圧である。また、図５に示すように、ｗ1は制御極部８および振動子部７の先端部１１の幅、ｗ2は振動子部７の梁部１２の幅、ｗ3は振動子部７の先端部１１の長さ、Ｌは振動子部７の梁部１２の長さ、ｔは振動子部７および制御極部８の厚さである。上記の面積Ｓはｗ1×ｔに相当する。なお、図３の電子顕微鏡写真に示した振動子のｗ1，ｗ2，ｗ3，Ｌ，ｔ，Δは、それぞれ８．８μｍ，９００ｎｍ，３μｍ，２３μｍ，１３０ｎｍ，３００ｎｍであった。
【００２７】
次に、本実施の形態の微小機械振動子の共振周波数を、電子ビーム法により評価した。電子ビーム法については、文献「H.Ashiba，et al.，“Evaluation Method of the Quality Factor of Micromechanical Resonators Using Electron Beams”，Jpn.J.Appl.Phys.，48，06FG08，2009」に開示されている。本実施の形態では、微小機械振動子の振動子部７の励振を、ピエゾ素子を用いて行った。また、微小機械振動子の電極４，５への電圧印加を、ソースメータを用いて行った。
【００２８】
図６は測定結果を示す図であり、横軸は印加電圧Ｖ、縦軸は共振周波数である。なお、図６における６０は測定データ、６１は印加電圧−共振周波数特性の理論線である。本実施の形態の微小機械振動子のＶF値は２０Ｖであった。Ｖ＝２０Ｖの電圧印加により振動子部７の梁部１２の反りが修正され、振動子部７の先端部１１と制御極部８とが対向した後、微小機械振動子の共振周波数は、上記した式（２）に従い、１０７ｋＨｚ（Ｖ＝２０Ｖ）から７８２ｋＨｚ（Ｖ＝５０Ｖ）の周波数帯域で調整可能であった。したがって、本実施の形態の微小機械振動子の共振周波数の変化率は、およそ５７０％であった。本実施の形態では、５０Ｖまでの電圧印加を行ったが、より大きな電圧印加により、より広い帯域での共振周波数制御が可能である。以上のように、上記の原理に基づく電気的な共振周波数制御法により、広い周波数帯域での微小機械振動子の共振周波数制御が可能であることを確認できた。
【００２９】
以上、詳細に説明したように、本実施の形態によれば、高精度な制御と高い応答性が期待できる電気的な共振周波数制御手法により、広い周波数帯域（周波数変化率５００％以上）での微小機械振動子の共振周波数制御が可能となる。また、本実施の形態では、電気的な共振周波数制御手法を用いるため、微小機械振動子内に共振周波数制御機構を組み込むことが可能であり、広い周波数帯域での共振周波数制御が可能なナノ・マイクロスケールの微小機械振動子が作製可能となる。
【００３０】
微小機械振動子は、その高速応答特性、高感度特性から次世代センサや次世代演算回路等の中核デバイスとして期待され、研究開発が進められている。それらの微小機械振動子を利用した次世代デバイス作製においては、微小機械振動子の動特性を制御し、作製誤差の補正（共振周波数のチューニング）や機能的な振動モードの励起が必要となる。デバイス中に組み込み可能な、本実施の形態の共振周波数制御機構は、上記した次世代デバイス実現の重要な要素技術となる可能性がある。
【００３１】
なお、微小機械振動子の動作特性（共振周波数、共振周波数制御帯域、共振周波数変化率）は、微小機械振動子の形状、寸法だけでなく、微小機械振動子の構造材料の機械材料物性（ヤング率および密度）によっても決定される。本実施の形態では、振動子部７および制御極部８の材料としてＤＬＣを用いているが、ＤＬＣに限るものではなく、微小機械振動子として使用し得る硬さの導電性材料であれば他の材料でも利用可能である。利用可能な材料としては、例えばダイヤモンド、グラファイト、シリコン（Ｓｉ）、二酸化シリコン（ＳｉＯ2）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、窒化シリコン（ＳｉＮ）等が考えられる。
【００３２】
なお、既存の超微細加工技術（電子ビーム露光技術、フォトリソグラフィー、ナノインプリント技術、ドライエッチング、ウェットエッチング、蒸着、スパッタリング、化学気相成長法等製膜技術など）を複数組み合わせて微小機械振動子を作製することも可能であり、微小機械振動子の作製方法は本実施の形態に限定するものではない。例えば、電子ビーム露光技術、フォトリソグラフィー、ナノインプリント技術等のリソグラフィーを利用し、本実施の形態で説明した電極４，５と振動子部７と制御極部８と連結部９の形状のパターニングを行うことが可能である。また、電極４，５と振動子部７と制御極部８と連結部９の構造材料となる金属薄膜やカーボン膜は、蒸着、スパッタリング、化学気相成長法などの製膜技術を用いても行うことができる。加えて、電極構造作製および振動子構造作製は、ドライエッチング、或いは本実施の形態とは異なる試薬を用いたウェットエッチングを用いても可能である。
【００３３】
なお、本実施の形態では、シリコン基板１に凹部１０を設けているが、凹部１０は必須の構成要件ではない。シリコン基板１上のシリコン酸化膜２などの絶縁層に振動子部７の動きを妨げないだけの十分な厚さがある場合には、絶縁層に開口部を設けるだけでよい。この場合には、振動子部７と制御極部８と連結部９とを設ける前に絶縁層に開口部を設けるのではなく、絶縁層上に電極４，５と振動子部７と制御極部８と連結部９とを形成した後に、電極４，５間の領域の絶縁層を例えばウェットエッチングして、振動子部７の電極４で固定されていない方の一部と制御極部８の電極５で固定されていない方の一部とがシリコン基板１から浮いた状態になるように絶縁層に開口部を形成し、開口部を形成した後に連結部９を除去すればよい。
【００３４】
また、本実施の形態では、振動子部７と制御極部８とを連結部９で連結した架橋構造を作製し、シリコン基板１に凹部１０を形成した後に連結部９を削除するようにしている。その理由は、凹部１０を形成するウェットエッチング工程の後でシリコン基板１を乾燥させる際に、ウェットエッチングで用いた液体の表面張力により振動子部７とシリコン基板１とが固着してしまう可能性があるからである。そこで、本実施の形態では、ウェットエッチングのときには振動子部７と制御極部８とを連結しておくようにしている。これに対して、ウェットエッチング後の乾燥工程において超臨界乾燥を用いるようにすれば、はじめから振動子部７と制御極部８とを分離した形で作製することが可能である。
【００３５】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。第１の実施の形態では、本発明の微小機械振動子の例として振動子部７および制御極部８を有する形状の振動子について説明したが、本発明は、第１の実施の形態の振動子構造に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形・応用が可能である。本実施の形態では、微小機械振動子の別の例について説明する。
【００３６】
図７（Ａ）は本実施の形態に係る微小機械振動子の斜視図、図７（Ｂ）は図７（Ａ）の微小機械振動子の平面図、図７（Ｃ）は図７（Ａ）の微小機械振動子の断面図である。
本実施の形態の微小機械振動子は、基板である導電層２０と、導電層２０に上に形成された二酸化シリコン等からなる絶縁層２１と、絶縁層２１に形成された開口部２２と、絶縁層２１上に形成された電極２３，２４，２５，２６と、両端が電極２５，２６および絶縁層２１で固定されることによって導電層２０から浮いた状態で支持される振動子部２７と、一端が電極２３，２４および絶縁層２１で固定されることによって導電層２０から浮いた状態で支持される制御極部２８，２９とを有する。
【００３７】
本実施の形態は、両持ち梁型の振動子部２７を有し、振動子部２７が外部から加えられた力に応じて図７（Ｃ）のように垂直方向に振動する例を示す。振動子部２７に電極２５，２６を通じて電圧を印加すると共に、制御極部２８，２９に電極２３，２４を通じて電圧を印加し、振動子部２７と制御極部２８との間および振動子部２７と制御極部２９との間に静電引力を発生させる。これにより、静電引力の鉛直方向成分が振動子部２７の振動の復元力に加算されるので、振動子部２７の共振周波数が変化する。こうして、本実施の形態では、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００３８】
［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。図８（Ａ）は本実施の形態に係る微小機械振動子の斜視図、図８（Ｂ）は図８（Ａ）の微小機械振動子の平面図、図８（Ｃ）は図８（Ａ）の微小機械振動子の断面図である。
本実施の形態の微小機械振動子は、基板である導電層３０と、導電層３０に上に形成された二酸化シリコン等からなる絶縁層３１と、絶縁層３１に形成された開口部３２と、絶縁層３１上に形成された電極３３，３４，３５，３６と、両端が電極３５，３６および絶縁層３１で固定されることによって導電層３０から浮いた状態で支持される振動子部３７と、一端が電極３３，３４および絶縁層３１で固定されることによって導電層３０から浮いた状態で支持される制御極部３８，３９とを有する。
【００３９】
本実施の形態は、両持ち梁型の振動子部３７を有し、振動子部３７が外部から加えられた力に応じて図８（Ｃ）のように水平方向に振動する例を示す。振動子部３７に電極３５，３６を通じて電圧を印加すると共に、制御極部３８，３９に電極３３，３４を通じて電圧を印加し、振動子部３７と制御極部３８との間および振動子部３７と制御極部３９との間に静電引力を発生させる。これにより、静電引力が振動子部３７の振動の復元力に加算されるので、振動子部３７の共振周波数が変化する。こうして、本実施の形態では、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００４０】
［第４の実施の形態］
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。図９（Ａ）は本実施の形態に係る微小機械振動子の斜視図、図９（Ｂ）は図９（Ａ）の微小機械振動子の平面図、図９（Ｃ）は図９（Ａ）の微小機械振動子の断面図である。
本実施の形態の微小機械振動子は、基板である導電層４０と、導電層４０に上に形成された二酸化シリコン等からなる絶縁層４１と、絶縁層４１に形成された開口部４２と、絶縁層４１上に形成された電極４３，４４と、導電層４０上に形成された電極４５と、下面の一部が電極４５に接続され、絶縁層４１および電極４５で支えられることによって導電層４０から浮いた状態で支持される振動子部４６と、周辺部が電極４３，４４および絶縁層４１で固定されることによって導電層４０から浮いた状態で支持される制御極部４７とを有する。
【００４１】
本実施の形態は、絶縁層４１および電極４５によって支持される円盤状の振動子部４６を有し、振動子部４６が外部から加えられた力に応じて図９（Ｃ）のように振動する例を示す。振動子部４６に導電層４０と電極４５を通じて電圧を印加すると共に、制御極部４７に電極４３，４４を通じて電圧を印加し、振動子部４６と制御極部４７との間に静電引力を発生させる。これにより、静電引力の鉛直方向成分が振動子部４６の振動の復元力に加算されるので、振動子部４６の共振周波数が変化する。こうして、本実施の形態では、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００４２】
［第５の実施の形態］
次に、本発明の第５の実施の形態について説明する。図１０（Ａ）は本実施の形態に係る微小機械振動子の斜視図、図１０（Ｂ）は図１０（Ａ）の微小機械振動子の平面図、図１０（Ｃ）は図１０（Ａ）の微小機械振動子の断面図である。
本実施の形態の微小機械振動子は、基板である導電層５０と、導電層５０に上に形成された二酸化シリコン等からなる絶縁層５１と、絶縁層５１に形成された開口部５２と、絶縁層５１上に形成された電極５３，５４，５５，５６と、両端が電極５５，５６および絶縁層５１で固定されることによって導電層５０から浮いた状態で支持される振動子部５７と、一端が電極５３，５４および絶縁層５１で固定されることによって導電層５０から浮いた状態で支持される制御極部５８，５９とを有する。
【００４３】
本実施の形態は、両持ち梁型の振動子部５７を有し、振動子部５７が外部から加えられた力に応じて図１０（Ｃ）のように捩じれるようにして振動する例を示す。振動子部５７に電極５５，５６を通じて電圧を印加すると共に、制御極部５８，５９に電極５３，５４を通じて電圧を印加し、振動子部５７と制御極部５８との間および振動子部５７と制御極部５９との間に静電引力を発生させる。これにより、静電引力の鉛直方向成分が振動子部５７の振動の復元力に加算されるので、振動子部５７の共振周波数が変化する。こうして、本実施の形態では、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は、センサ等に使用される微小機械振動子に適用することができる。
【符号の説明】
【００４５】
１…シリコン基板、２…シリコン酸化膜、３…レジスト、４，５，２３，２４，２５，２６，３３，３４，３５，３６，４３，４４，４５，５３，５４，５５，５６…電極、６，２２，３２，４２，５２…開口部、７，２７，３７，４６，５７…振動子部、８，２８，２９，３８，３９，４７，５８，５９…制御極部、９…連結部、１０…凹部、１１…先端部、１２…梁部、２０，３０，４０，５０…導電層、２１，３１，４１，５１…絶縁層。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された絶縁層と、
この絶縁層上に形成された第１の電極と、
前記絶縁層上に形成された第２の電極と、
両端もしくは一端が前記第１の電極に接続され、この第１の電極で固定されていない一部が前記絶縁層に形成された開口部内に突出するように前記絶縁層上に形成される振動子部と、
一端が前記第２の電極に接続され、この第２の電極で固定されていない方の縁部が前記開口部内に突出した振動子部の縁部と対向するように前記絶縁層上に形成される制御極部とを備えることを特徴とする微小機械振動子。
【請求項２】
基板上に形成された絶縁層と、
前記基板上に形成された第１の電極と、
前記絶縁層上に形成された第２の電極と、
下面の一部が前記第１の電極に接続され、この第１の電極で固定されていない一部が前記第１の電極の周囲の絶縁層に形成された開口部内に突出するように前記第１の電極上に形成される振動子部と、
一端が前記第２の電極に接続され、この第２の電極で固定されていない方の縁部が前記開口部内に突出した振動子部の縁部と対向するように前記絶縁層上に形成される制御極部とを備えることを特徴とする微小機械振動子。
【請求項３】
基板上に形成された絶縁層の上に第１、第２の電極を形成する電極形成工程と、
前記第１、第２の電極間の領域もしくは前記第１、第２の電極で囲まれた領域の絶縁層をエッチングして開口部を形成する開口部形成工程と、
両端もしくは一端が前記第１の電極に接続され、この第１の電極で固定されていない一部が前記絶縁層に形成された開口部内に突出する振動子部を前記開口部に露出した基板上に形成すると共に、一端が前記第２の電極に接続され、この第２の電極で固定されていない方の縁部が前記開口部内に突出した振動子部の縁部と対向する制御極部を前記開口部に露出した基板上に形成する振動子部および制御極部形成工程と、
前記開口部内の露出している基板をエッチングして、前記開口部内に突出している振動子部と制御極部とが前記基板から浮いた状態になるように前記基板に凹部を形成する凹部形成工程とを備えることを特徴とする微小機械振動子の製造方法。
【請求項４】
請求項３記載の微小機械振動子の製造方法において、
前記振動子部および制御極部形成工程は、前記振動子部と前記制御極部とを連結する連結部を形成する工程を含み、
さらに、前記凹部形成工程の後に、前記連結部を除去する連結部除去工程を備えることを特徴とする微小機械振動子の製造方法。
【請求項５】
基板上に形成された絶縁層の上に第１、第２の電極を形成する電極形成工程と、
両端もしくは一端が前記第１の電極に接続された振動子部を前記絶縁層上に形成すると共に、一端が前記第２の電極に接続され、この第２の電極に接続されていない方の縁部が前記振動子部の縁部と対向する制御極部を前記絶縁層上に形成する振動子部および制御極部形成工程と、
前記第１、第２の電極間の領域もしくは前記第１、第２の電極で囲まれた領域の絶縁層をエッチングして、前記振動子部の前記第１の電極で固定されていない方の一部と前記制御極部の前記第２の電極で固定されていない方の一部とが前記基板から浮いた状態になるように前記絶縁層に開口部を形成する開口部形成工程とを備えることを特徴とする微小機械振動子の製造方法。
【請求項６】
請求項５記載の微小機械振動子の製造方法において、
前記振動子部および制御極部形成工程は、前記振動子部と前記制御極部とを連結する連結部を形成する工程を含み、
さらに、前記開口部形成工程の後に、前記連結部を除去する連結部除去工程を備えることを特徴とする微小機械振動子の製造方法。
【請求項１】
基板上に形成された絶縁層と、
この絶縁層上に形成された第１の電極と、
前記絶縁層上に形成された第２の電極と、
両端もしくは一端が前記第１の電極に接続され、この第１の電極で固定されていない一部が前記絶縁層に形成された開口部内に突出するように前記絶縁層上に形成される振動子部と、
一端が前記第２の電極に接続され、この第２の電極で固定されていない方の縁部が前記開口部内に突出した振動子部の縁部と対向するように前記絶縁層上に形成される制御極部とを備えることを特徴とする微小機械振動子。
【請求項２】
基板上に形成された絶縁層と、
前記基板上に形成された第１の電極と、
前記絶縁層上に形成された第２の電極と、
下面の一部が前記第１の電極に接続され、この第１の電極で固定されていない一部が前記第１の電極の周囲の絶縁層に形成された開口部内に突出するように前記第１の電極上に形成される振動子部と、
一端が前記第２の電極に接続され、この第２の電極で固定されていない方の縁部が前記開口部内に突出した振動子部の縁部と対向するように前記絶縁層上に形成される制御極部とを備えることを特徴とする微小機械振動子。
【請求項３】
基板上に形成された絶縁層の上に第１、第２の電極を形成する電極形成工程と、
前記第１、第２の電極間の領域もしくは前記第１、第２の電極で囲まれた領域の絶縁層をエッチングして開口部を形成する開口部形成工程と、
両端もしくは一端が前記第１の電極に接続され、この第１の電極で固定されていない一部が前記絶縁層に形成された開口部内に突出する振動子部を前記開口部に露出した基板上に形成すると共に、一端が前記第２の電極に接続され、この第２の電極で固定されていない方の縁部が前記開口部内に突出した振動子部の縁部と対向する制御極部を前記開口部に露出した基板上に形成する振動子部および制御極部形成工程と、
前記開口部内の露出している基板をエッチングして、前記開口部内に突出している振動子部と制御極部とが前記基板から浮いた状態になるように前記基板に凹部を形成する凹部形成工程とを備えることを特徴とする微小機械振動子の製造方法。
【請求項４】
請求項３記載の微小機械振動子の製造方法において、
前記振動子部および制御極部形成工程は、前記振動子部と前記制御極部とを連結する連結部を形成する工程を含み、
さらに、前記凹部形成工程の後に、前記連結部を除去する連結部除去工程を備えることを特徴とする微小機械振動子の製造方法。
【請求項５】
基板上に形成された絶縁層の上に第１、第２の電極を形成する電極形成工程と、
両端もしくは一端が前記第１の電極に接続された振動子部を前記絶縁層上に形成すると共に、一端が前記第２の電極に接続され、この第２の電極に接続されていない方の縁部が前記振動子部の縁部と対向する制御極部を前記絶縁層上に形成する振動子部および制御極部形成工程と、
前記第１、第２の電極間の領域もしくは前記第１、第２の電極で囲まれた領域の絶縁層をエッチングして、前記振動子部の前記第１の電極で固定されていない方の一部と前記制御極部の前記第２の電極で固定されていない方の一部とが前記基板から浮いた状態になるように前記絶縁層に開口部を形成する開口部形成工程とを備えることを特徴とする微小機械振動子の製造方法。
【請求項６】
請求項５記載の微小機械振動子の製造方法において、
前記振動子部および制御極部形成工程は、前記振動子部と前記制御極部とを連結する連結部を形成する工程を含み、
さらに、前記開口部形成工程の後に、前記連結部を除去する連結部除去工程を備えることを特徴とする微小機械振動子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図３】
【図２】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−２４４３４９（Ｐ２０１２−２４４３４９Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１１５２１（Ｐ２０１１−１１１５２１）
【出願日】平成２３年５月１８日（２０１１．５．１８）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【出願人】（５０４１３７９１２）国立大学法人 東京大学 (1,942)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月１８日（２０１１．５．１８）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【出願人】（５０４１３７９１２）国立大学法人 東京大学 (1,942)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]