CN101232275A - 机电共振器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种机电共振器及其制造方法。该机电共振器包括一共振器部，该共振器部包含固定电极以及与该固定电极以间隙分离地形成的振动器。该间隙具有沿该固定电极的厚度方向布置的第一间隙区域和第二间隙区域。该第一间隙区域的宽度不同于该第二间隙区域的宽度。

Description

机电共振器及其制造方法
技术领域
本发明涉及使用MEMS(微机电系统)制作的机电共振器及其制造方法。
背景技术
在相关机电装置中，应用了使用各种驱动系统来使振动器工作的配置。相对于基板平行地平移的机电元件被用于许多装置。为了机械地操纵这种机电装置的振动器，需要一布置于振动器侧面上的固定电极的输入/输出端子。
人们已经提出通过改变机电装置内电极的厚度来改变振动模式的方法。
例如，提出如非专利文献1中所描述的机电共振器。
如图18A和18B所示，该机电共振器包括梁状的振动器，其两端被支撑成为自由段。均匀的空气间隙53形成于设于基板50上的固定电极51和振动器52之间。静电力作用于该空气间隙内以控制该振动器机械地振动。尽管共振频率主要由依赖于固定电极51电极布置的振动模式来决定，然而在如图18A所示的配置中，其中输入和输出端子的两个电极51布置于振动器52的下层内，二阶弯曲振动模式被激励(图18B)。当三个电极51布置于振动器52的下层内时，三阶弯曲振动模式在高于二阶模式的共振频率下被激励。电极布置的置位意味着，振动模式视电极51相对于振动波腹(antinode)位置的布置而不同。
因此，对于需要具有各种共振频率的机电共振器的情形，则需要使得固定电极的尺寸和布置依赖于将被激励的振动模式是可变的。此外，需要一种简单地制造这种电极的制造方法。
专利文献1描述了一种制造电子枪和纳米线的方法，并使用其中牺牲层和电极层形成于三角形截面结构的上层内的结构。该制造方法通过应用抗蚀剂厚膜并回蚀刻，使得电极的顶点凸出并除去电极的凸出部分以形成最终电极。电极形成于该结构的每个侧面上，且电极作为输入和输出端子。
使用如专利文献1所述的用于制作的制造方法，在使用一个工艺步骤形成的电极层内同时形成多个固定电极，则可以形成单一层内布置于振动器侧面上的固定电极。
[非专利文献]M.Demirci，C.T.-C.Nguyen，“Higher-mode Free-Free BeamMicromechanical Resonators，”Proceeding，2003 IEEE Int.Frequency ControlSymposium，Tampa，Florida，May 5-8，2003，pp.810-818.
[专利文献]JP-A-06-310029
非专利文献1中描述的垂直驱动类型的共振器依赖于固定电极的布置来决定选定振动模式的共振频率。在该配置中，电极仅形成于振动器的下层内。因此，电极被约束在受限的位置。
专利文献1使用这样的配置，其中电极布置于振动器的侧面上，且电极在基板上被平行地驱动。这种方法解决了非专利文献1的问题。然而，在专利文献1中，布置于该结构每个侧面上的电极的高度是由制造工艺中抗蚀剂回蚀刻的控制时间来决定，因此需要复杂的膜厚控制以改变电极高度。难以独立地控制多个固定电极的膜厚。通过这种方法，需要具有多层电极配置。多层配置增加了工艺数目而使制造方法变得复杂，制造成本增加。
对于平行驱动类型的机电共振器设有专利文献1的配置的情形，需要除去振动器下层内的牺牲层以形成释放的结构。图19示出该机电共振器的截面。振动器56下层内的牺牲层54在图19中被除去。对于电极56薄的情形，电极55下层内的牺牲层54同时被蚀刻。结果，电极内会发生底切。这导致的问题为，电极55粘附并固定到基板57且电极55被输入信号激励。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够根据需要改变电极高度并维持电极强度的平行驱动类型的机电共振器。
为了解决这些问题，本发明提供了一种机电共振器，其包括形成于单一层内的多个固定电极以及以间隙布置于该固定电极之间的振动器。该间隙的一部分大于该间隙的另一部分。换言之，本发明提供了一种机电共振器，其包括共振器部，该共振器部包含固定电极以及与该固定电极以间隙分离地形成的振动器。该间隙具有沿固定电极的厚度方向布置的第一间隙区域和第二间隙区域。该第一间隙区域的宽度不同于第二间隙区域的宽度。
固定电极的厚度方向是指固定电极的层叠方向，且对应于该间隙的长度方向。间隙的长度方向垂直于间隙的宽度方向。这允许自由选择显著的间隙宽度。因此仅通过调整间隙宽度可以形成具有期望共振频率的机电共振器。可以形成该固定电极而不减小其厚度。因此可以维持该固定电极的强度。这里不存在上述的电极粘附到基板或者固定电极被输入信号激励的这样缺点。
优选地，该第一间隙区域的宽度固定。该第二间隙区域具有足以忽略该固定电极和该振动器之间的电容的宽度。
采用这种配置，仅该第一间隙区域用做工作区域，因此可以有利于制作该机电共振器的设计。即使对于具有不同共振频率的多个共振器部形成于同一基板上的情形，仅通过调整凹槽等的宽度即可改变该第一间隙区域的尺寸并改变该共振频率，由此允许容易的设计工作。
优选地，该固定电极具有第一固定电极和第二固定电极。该振动器以间隙布置于该第一固定电极和该第二固定电极之间。
优选地，该间隙仅具有空气间隙。
优选地，该间隙具有空气间隙和介质间隙。
优选地，该间隙仅具有介质间隙。
优选地，该振动器是由单晶硅制成。
优选地，该振动器是由多晶硅制成。
优选地，该固定电极通过预定支持部形成于基板上。该振动器的侧面相对于该基板的表面倾斜。
优选地，该固定电极通过预定支持部形成于基板上。该振动器的侧面垂直于该基板的表面。
优选地，该固定电极的厚度大于该振动器的厚度。
优选地，该固定电极的厚度等于该振动器的厚度。
优选地，该固定电极的厚度小于该振动器的厚度。
优选地，形成于基板上的多个共振器部分别具有不同的共振频率。
优选地，该共振器部包含第一共振器部和第二共振器部，每个共振器部具有该固定电极和该振动器。该第一共振器部的第一间隙区域的宽度不同于该第二共振器部的第一间隙区域的宽度。
本发明提供了一种机电共振器的制造方法，包括：在基板上形成第一电极；在该第一电极上形成绝缘膜；在该绝缘膜上形成导电层并平整化该导电层以形成第二电极；以及在该第一电极和该第二电极之间形成间隙。该第一电极和该第二电极之一为固定电极，该第一电极和该第二电极的另一个为振动器。该间隙具有沿该固定电极的厚度方向布置的第一间隙区域和第二间隙区域。该第一间隙区域的宽度不同于该第二间隙区域的宽度。也就是说，该固定电极和该振动器之一被图案化以形成用于牺牲层的绝缘膜。用于另一电极的该导电层形成于该绝缘膜的上层内。随后，该绝缘膜被除去以形成固定宽度的间隙，且另外形成一凹槽从而形成宽度比固定宽度的该间隙宽的间隙。采用这种工艺，可以容易地形成间隙宽度沿厚度方向变化的机电共振器。尽管通常振动器首先被图案化，但固定电极可以首先被图案化。
本发明还包括工艺：在振动器的上层内形成绝缘膜；在该绝缘膜的上层内形成导电层并平整化该膜；在该电极层上形成掩模图案并沿与基板表面垂直的方向蚀刻该层以形成凹槽；在该凹槽的侧面上形成保护膜，以选择性除去该导电层并形成固定电极的图案。
本发明还包括工艺：在基板上形成凹槽；在该凹槽上形成膜；使用导电层填充该凹槽；以及通过沿该基板上的倾斜方向蚀刻该导电层，形成到达该绝缘层的该凹槽。
采用上述配置，提供了一种调适多个共振频率并具有高强度的固定电极的机电共振器。
采用上述配置，可以将具有多个共振频率的固定电极形成于同一层内，由此通过简化的工艺来降低成本。
优选地，间隙的形成工艺包括：在该导电层上形成凹槽；以及除去从该凹槽露出的该绝缘层以形成空气间隙。
优选地，间隙的形成工艺包括：将杂质掺入该导电层以形成与该第二间隙区域相对应的介质凹槽。介质间隙包括该第二间隙区域以及与连接该介质凹槽的该绝缘膜相对应的该第一间隙区域。
优选地，间隙的形成工艺包括：将绝缘杂质掺入该导电层以形成与该第二间隙区域相对应的介质凹槽，使得该介质凹槽与具有空气间隙的该第一间隙区域连接。
优选地，该方法还包括：蚀刻该基板以形成具有倾斜表面的三角形截面的振动器，随后在该振动器上形成绝缘层；在该绝缘层上形成导电层；以及沿垂直方向蚀刻该导电层以形成到达该绝缘层的凹槽。
优选地，间隙的形成工艺包括：在该基板上形成凹槽；在该凹槽上形成该绝缘层，使用该导电层填充该凹槽；以及沿倾斜方向蚀刻该导电层以形成到达该绝缘层的凹槽。
附图说明
通过参考附图来详细地描述本发明的优选示范性实施例，本发明的其它目的和优点将显而易见，附图中：
图1A和1B为第一实施例的机电共振器的剖面图；
图2A至2D为第一实施例的机电共振器的制造方法的剖面图；
图3A和3B示出第二实施例的机电共振器；
图4A和4B示出第三实施例的机电共振器；
图5A至5H为第三实施例的机电共振器的制造方法的剖面图；
图6示出第四实施例的机电共振器；
图7示出第四实施例的机电共振器；
图8A和8B示出第四实施例的机电共振器的变型；
图9A至9D示出第五实施例的机电共振器；
图10A和10B示出第五实施例的机电共振器的制造工艺；
图11示出第六实施例的机电共振器；
图12A至12F示出第六实施例的机电共振器的制造工艺；
图13示出第七实施例的机电共振器；
图14A至14E示出第七实施例的机电共振器的制造工艺；
图15A至15D示出第八实施例的机电共振器的制造工艺；
图16示出第九实施例的机电共振器；
图17A至17E示出第九实施例的机电共振器的制造工艺；
图18A和18B示出相关技术的机电共振器；以及
图19示出相关技术的机电共振器。
具体实施方式
参考附图描述本发明的实施例
第一实施例
图1A和1B示出第一实施例的机电共振器。图2A和2B示出第一实施例的机电共振器的制造方法。
如图1A所示，本实施例的机电共振器包括共振器部，该共振器部具有固定电极以及与固定电极107以间隙分离地形成的振动器109。每个间隙具有：第一区域(113)，其沿固定电极107的厚度方向具有固定宽度；以及第二区域(111)，其足够大使得固定电极和振动器之间的电容可忽略。振动器109是由三角形截面的梁状主体形成。固定电极107以具有空气间隙的方式布置于振动器的两个侧面上，振动器109和固定电极107之间的该空气间隙包括变化间隙宽度(不固定间隙宽度)的部分。固定电极107的厚度形成为大于振动器109的厚度。精确地说，该空气间隙包括宽度宽的间隙111和宽度窄的间隙113。最大静电力产生于振动器109和固定电极107之间该空气间隙内的宽度窄的间隙113。作用于该电容内的静电力与该间隙的宽度的平方成正比。在宽度宽的间隙111内产生小的静电力，并获得小的驱动力。图1B示出由间隙间距(间隙宽度)激励的振动模式。对于宽度窄的间隙113交叠振动器109的一半厚度的情形，驱动力作用于该区域内，且因此，以三角形截面的梁为振动器而激励扭转振动。此外，固定电极107的厚度大于振动器109的厚度，由此增强固定电极的强度。为了增强固定电极107的强度，期望将电极膜厚设置为等于或大于机电共振器的结构的高度。
图2A至2D示出本发明第一实施例的共振器结构的制造方法。
首先，制备SOI基板，其中通过用作第一绝缘膜103的氧化硅层，单晶硅薄膜形成于用作材料基板101的硅基板的表面上。
接着，如图2A所示，通过光刻形成掩模图案。使用该掩模图案进行各向异性蚀刻，并形成振动器109，其具有倾斜侧面(倾斜角为54.7度)的三角形截面的梁状主体。用作第二绝缘膜105的氧化硅膜形成于振动器109的上层上。
如图2B所示，作为固定电极107的掺杂多晶硅层通过CVD方法形成于第二绝缘膜105上。期望使用减压CVD方法等以形成平坦膜。
如图2C所示，形成掩模图案，且在用作固定电极107的多晶硅层上形成凹槽以露出形成于振动器109上层内的第二绝缘膜105。
最后，如图2D所示，露出的第二绝缘膜105通过蚀刻而除去以形成间隙并除去第一绝缘膜103，由此形成机电共振器。
如此，可以形成图1所示具有良好加工性能的机电共振器。
在第一实施例中，固定电极107通过第一绝缘膜103形成为基板上的柱(post)。通过蚀刻除去与振动器109下方的柱相对应的部分，振动器109可以选择性地制成可移动的。
振动器109的侧面为倾斜表面。在第一区域，固定电极107沿振动器109的倾斜表面相隔一预定间距的间隙而与振动器109相对，从而在第一区域恰当地施加静电力。
在第二区域，固定电极107的侧面为垂直剖面，与振动器109的侧面分离大的距离。在第二区域，几乎不施加静电力。
每个这些侧面的形状可以根据需要改变，只要布置有固定间隙宽度且形成为足够窄以施加静电力的第一区域以及间隙宽度足够宽以忽略静电力的第二区域。
在本实施例中，用作振动器109的三角形截面的梁状主体是由单晶硅形成。该材料保证了通过硅的各向异性蚀刻而在振动器109图案化中具有出色控制性的形状加工。
尽管单晶硅基板结合在硅基板上的SOI基板用作开始材料的材料基板，不过可以使用多晶硅或非晶硅结合在硅基板上的SOI基板。这种情况下，没有控制使用依赖于单晶表面为蚀刻终点的各向异性蚀刻。
第二实施例
描述本发明的第二实施例。尽管第一实施例中的间隙为空气间隙，不过电容绝缘膜105可形成于振动器109上或者形成于该间隙内作为第一实施例的变型。
图3A和3B示出图1所示第一实施例的机电共振器的变型。在第二实施例的配置中，间隙宽的区域和间隙窄的区域之间的电容比例通过设于该间隙内的电容绝缘膜105而得以优化。图3B为图3A的主要部分的放大视图。
如图3A和3B所示，第二实施例的机电共振器是电容耦合类型的机电共振器，其使用第二绝缘膜105作为电容绝缘膜来执行激励和探测，其中该第二绝缘膜105仍留在振动器109上，而不是在第一实施例的机电共振器的制造工艺中那样第二绝缘膜被除去以形成间隙。
在本实施例中，硅基板101从其背面被蚀刻以利于振动器109的振动。
第三实施例
图4A和4B示出本发明第三实施例的机电共振器。图5A至5H为第三实施例的机电共振器的制造方法的解释视图。
第三实施例的机电共振器与第一实施例不同之处在于，固定电极107的厚度几乎等于振动器109的厚度。在该配置中，第三实施例的固定电极107的强度小于第一实施例的固定电极107的强度。然而，本实施例的固定电极107的厚度最大程度地被利用。
如图4A所示，本实施例的机电共振器包括共振器部，其具有固定电极以及与固定电极107以间隙分离地形成振动器109。每个间隙具有：第一区域(113)，其沿固定电极107的厚度方向具有固定宽度；以及第二区域(111)，其足够大使得固定电极和振动器之间的电容可忽略。振动器109是由三角形截面的梁状主体形成。固定电极107以具有空气间隙的方式布置于振动器的两个侧面上，振动器109和固定电极107之间的该空气间隙包括变化间隙宽度(不固定间隙宽度)的部分。固定电极107的厚度形成为基本上等于振动器109的厚度。精确地说，该空气间隙包括宽度宽的间隙111和宽度窄的间隙113。最大静电力产生于振动器109和固定电极107之间空气间隙内的宽度窄的间隙113。作用于该电容内的静电力与该间隙的宽度的平方成正比。在宽度宽的间隙111内产生小的静电力，并获得小的驱动力。图4B示出由间隙间距(间隙宽度)激励的振动模式。对于宽度窄的间隙113交叠振动器109的一半厚度的情形，驱动力作用于该区域内，且因此，以三角形截面的梁为振动器而激励扭转振动。此外，固定电极107的厚度基本上等于振动器109的厚度，由此最大程度上利用了该结构的高度。
图5A至5H示出本发明第三实施例的共振器结构的制造方法。本实施例的制造方法与第一实施例中参考图2所述的制造方法不同之处在于，用于形成固定电极107的掺杂多晶硅层的厚度制成更大，并在形成间隙的步骤之前添加了使用氮化硅膜115涂覆或覆盖掺杂多晶硅层的侧壁以及执行回蚀刻直至振动器109的高度的步骤。
描述第三实施例的共振器结构的制造方法。
首先，制备SOI基板，其中通过用作第一绝缘膜103的氧化硅层，单晶硅薄膜形成于用作材料基板101的硅基板的表面上。
接着，如图5A所示，通过光刻形成掩模图案。使用该掩模图案进行各向异性蚀刻，并形成振动器109，其具有倾斜侧面(倾斜角为54.7度)的三角形截面的梁状主体。用作第二绝缘膜105的氧化硅膜形成于振动器109的上层上。
如图5B所示，作为固定电极107的掺杂多晶硅层通过CVD方法形成于第二绝缘膜105上。期望使用减压CVD方法等以形成平坦膜。
如图5C所示，形成掩模图案，且在用作固定电极107的多晶硅层上形成凹槽以露出形成于振动器109上层内的第二绝缘膜105。
之后，沉积由氮化硅膜组成的保护膜115(图5D)，并实施各向异性蚀刻以除去用于上层的保护膜115(图5E)。如图5F所示，用于形成固定电极107的多晶硅层被蚀刻以确定多晶硅层的膜厚。
最后，如图5G所示，露出的第二绝缘膜105通过蚀刻而除去以形成间隙并除去第一绝缘膜103，由此形成机电共振器，如图5H所示。
如此，可以形成图4所示具有良好加工性能的机电共振器。
在第三实施例中，与第一实施例相同，固定电极107通过第一绝缘膜103形成为基板上的柱。通过蚀刻除去与振动器109下方的柱相对应的部分，振动器109可以选择性地制成可移动的。
振动器109的侧面为倾斜表面。在第一区域，固定电极107沿振动器109的倾斜表面相隔一预定间距的间隙而与振动器109相对，从而在第一区域恰当地施加静电力。
在第二区域，固定电极107的侧面为垂直剖面，与振动器109的侧面分离大的距离。在第二区域，几乎不施加静电力。
每个这些侧面的形状可以根据需要改变，只要布置有固定间隙宽度且形成为足够窄以施加静电力的第一区域以及间隙宽度足够宽以忽略静电力的第二区域。
在本实施例中，用作振动器109的三角形截面的梁状主体是由单晶硅形成。该材料保证了通过硅的各向异性蚀刻而在振动器109图案化中具有出色控制性的形状加工。
尽管单晶硅基板结合在硅基板上的SOI基板用作开始材料的材料基板，不过可以使用多晶硅或非晶硅结合在硅基板上的SOI基板。这种情况下，没有控制使用依赖于单晶表面为蚀刻终点的各向异性蚀刻。
第四实施例
描述本发明的第四实施例。尽管第三实施例中的间隙为空气间隙，不过电容绝缘膜可形成于振动器109上或者形成于该间隙内作为其变型。
图6和7示出图4所示第三实施例的机电共振器的变型。在第四实施例的配置中，间隙宽的区域和间隙窄的区域之间的电容比例通过设于该间隙内的电容绝缘膜105以及该间隙的形状而得以优化，与第二实施例相类似。
如图6所示，本实施例的机电共振器是电容耦合类型的机电共振器，其使用第二绝缘膜作为电容绝缘膜来执行激励和探测，其中该第二绝缘膜105仍留在振动器109上，而不是在第三实施例的机电共振器的制造工艺中那样第二绝缘膜被除去以形成间隙。
一般而言，用于计算电容的表达式如下：
[表达式1]
C = e × S d = e 0 × e r × S d [ F ]
e0＝真空的介电常数＝8.854E-12F/m
er＝绝缘膜的相对介电常数
d＝电极之间的距离
S＝电容器面积
尽管空气的相对介电常数(er)约为1，氧化物膜(SiO2)的相对介电常数约为4.5且氮化物膜(Si3N4)的相对介电常数约为7.5。
在图7中，空气间隙区域内的绝缘膜105被除去以获得比图6更大的电容变化比例。
此外，如图8A的变型所示，介质间隙可由具有不同相对介电常数的材料形成，而几何间隙宽度保持不变。更精确而言，第二绝缘膜105可由具有高介电常数的第一介质105a和诸如氧化硅的第二介质105b形成，从而提供第一介质间隙和第二介质间隙。介质间隙105a、105b可保证高的电容比例(20-60)而不改变间隙宽度且基本上按照与间隙宽度比例为20以上相同的方式工作，因此当介质间隙包括由氧化硅等组成的第一区域以及由用作铁电层的氧化铪HfO2(er＝80)、氧化钛TiO2(er＝80)、BST即BaSrTiO3(er＝300)等组成的第二区域时，提供了一种优化配置，保证高的电容比例(20-60)。
此外，如图8B的变型所示，绝缘杂质掺入与空气间隙213连接的导电层205的一部分，使得导电层205的一部分转变为介质部分201以形成由介质间隙201构成的第二区域。结果，形成由空气间隙213和介质间隙201构成的间隙。
第五实施例
描述本发明的第五实施例。
第五实施例的机电共振器的制造工艺示于图9A至9D。在本实施例中，使用未掺杂多晶硅层，替代第二区域内的宽间隙111。固定电极205是由重掺杂多晶硅层制成，且更大的距离基本上设于振动器109和固定电极205之间，由此形成与宽间隙相同的工作效应。在该机电共振器的制造中，例如，除了在一些区域之外，在掺杂之前可将高剂量的离子注入至多晶硅201，从而控制耦合面积(电容耦合面积)。
在制造中，与图5A所示的第三实施例相同，制备SOI基板，其中通过用作第一绝缘膜103的氧化硅层，单晶硅薄膜形成于用作材料基板101的硅基板的表面上。接着，通过光刻形成掩模图案。使用该掩模图案进行各向异性蚀刻，并形成振动器109，其具有倾斜角为54.7度的倾斜侧面的三角形截面的梁状主体。用作第二绝缘膜105的氧化硅膜形成于振动器109的上层上。
如图9A所示，作为固定电极的未掺杂多晶硅层201通过CVD方法形成于第二绝缘膜105上。期望使用减压CVD方法等以形成平坦膜。
接着，如图9B所示，在将形成宽间隙的区域内形成掩模203，且在将形成固定电极的多晶硅层201的区域露出。
之后，在掩模203保留的状态下进行离子注入(图9C)。如图9D所示，从掩模露出的该多晶硅层被重掺杂以形成固定电极205。覆盖有掩模203的未被掺杂的区域仍为未掺杂多晶硅层，其作为介质间隙201。
如此，可以形成具有良好加工性能的机电共振器。
在第一实施例中，固定电极通过第一绝缘膜103形成为基板上的柱。通过蚀刻除去与振动器109下方的柱相对应的部分，振动器109可以选择性地制成可移动的。用于除去设于振动器109下方的第一绝缘膜103的类似方式可以应用于第五实施例的机电共振器。
作为牺牲层的绝缘膜105可除去以形成空气间隙，或者绝缘膜105可留下而不除去以用于施加静电力。可以进行任一选择以提供电容耦合类型的机电共振器。
在形成间隙的工艺中，其制造工艺部分地示于图10A和10B，绝缘杂质可以掺入作为固定电极的掺杂多晶硅层205并将该掺杂多晶硅层转换成介质以形成由介质凹槽组成的第二区域201，且位于与该介质凹槽连接的区域内的绝缘膜可以用作第一区域以形成介质间隙。
采用这种配置，仅通过在掩模保留的状态下掺入绝缘杂质，即可容易地形成包含宽介质间隙的第二区域。
形成间隙的工艺可包括：在除去绝缘膜以形成空气间隙之后将绝缘杂质掺入与空气间隙连接的电极，并将该电极转换成介质以由此形成由介质凹槽组成的第二区域，从而形成包含空气间隙和介质间隙的间隙。
采用这种配置，可以除去部分牺牲层以提供空气间隙并将部分该空气间隙转换成介质间隙。
本实施例的机电共振器的制造方法包括步骤：进行蚀刻以提供倾斜表面并形成三角形截面的振动器，随后在该振动器的上层内形成绝缘层；在该绝缘层的上层内形成导电层；以及沿垂直方向蚀刻该导电层以形成到达该绝缘层的凹槽。
结果，到达该绝缘层的凹槽可以容易地形成为宽的空气间隙。通过除去绝缘层，可以提供固定宽度的空气间隙。
本实施例的机电共振器的制造方法可包括步骤：在材料基板上形成凹槽；在该凹槽上形成绝缘膜，使用导电层填充该凹槽；以及形成掩模图案并沿基板的倾斜方向蚀刻该导电层。
采用这种配置，可以容易地形成宽的空气间隙。使用导电层填充凹槽的步骤可以通过下述步骤容易地达成：形成凹槽且随后形成绝缘膜；形成导电层；以及通过回蚀刻或CSP平整化该层。在该示例中，填充到凹槽的该导电层构成振动器或固定电极。
第六实施例
描述本发明的第六实施例。尽管在第三实施例中单个共振器部布置于基板上，但是在第六实施例中，多个不同的共振器部布置于基板上。
图11示出第六实施例的机电共振器。图12A至12F为用于解释第六实施例的机电共振器的制造方法的剖面图。
图11为一机电共振器的构建图示，该机电共振器在单个基板上包括具有不同共振频率的多个机电共振器。数字121表示具有梯形截面的梁的第一振动器。参考数字123表示大尺寸矩形形状的第二振动器。固定电极107形成于同一层内。形成于第二振动器123和固定电极107之间的间隙具有固定宽度。形成于第一振动器121和固定电极107之间的间隙包括具有固定间隙宽度的第一区域和具有宽的间隙宽度的第二区域，与第一实施例相同。在第二区域内，振动器121和电极107之间的间隙更宽。
采用这种配置，第一振动器121和第二振动器123按不同振动模式被激励，并具有不同共振频率。因此可以容易地提供支持多个频率的机电共振器。
尽管在本实施例中具有不同共振频率的两个共振器并排布置，但是可以任意改变形成于同一层内的固定电极和振动器之间发生的固定间隙宽度的交叠区域，使得可以布置三个以上的机电共振器。
本发明第六实施例的机电共振器的制造方法示于图12A至12F。除了不同的光掩模用于图案化振动器之外，可以通过与图2A至2D所示的第一实施例的工艺相同的工艺来实施该制造方法，因此相应的描述被省略。第六实施例与第一实施例不同之处为，形成梯形截面的梁121、123，而不是如第三实施例所示的三角形截面的梁109。
第七实施例
图13示出本发明第七实施例的机电共振器。图14A至14E为用于解释第七实施例的机电共振器的制造方法的剖面图。
尽管在第一至第四实施例中，三角形截面的梁被用作振动器且间隙形成于倾斜表面上，但是在本实施例中，振动器153、155、157的侧面垂直于基板表面，且固定电极151的端面制成渐缩截面作为将形成宽间隙的区域。除了上述不同，本实施例中的机电共振器与第六实施例相同。
在本实施例中，示出一机电共振器，其中凹槽171形成于多晶硅层(导电层)151上，多晶硅层151通过第一绝缘膜103形成于硅基板101上以形成矩形截面的振动器153、155、157。为了相对这些振动器布置对于共振器的共振频率是最优的固定电极151，电极使用具有宽度宽和宽度窄的间隙的倾斜。
第七实施例的机电共振器的制造方法示于图14A至14E。在图14A中，与第一实施例相同，SOI基板用作开始材料，且凹槽171形成于多晶硅层151上以形成由氮化硅制成的第一保护膜173。
接着，如图14B所示，沉积作为振动器的多晶硅层(导电层)175，并通过回蚀刻除去表面层。
之后，如图14C所示，形成并通过光刻来图案化由氮化硅膜组成的第二保护膜177。
使用第二保护膜177为掩模进行蚀刻。在该工艺中，形成正渐缩的截面形状。例如通过离子束蚀刻(IBE)或晶体各向异性蚀刻的工艺可以容易地实现(图14D)。
最后，第一保护膜173和第一绝缘膜103被除去以将振动器153以基板101分离。
如此，形成一机电共振器，其包括间隙宽度窄的第一区域163和间隙宽度宽的第二区域161。
本示例中使用的第一和第二保护膜可以任意材料作为蚀刻掩模，而不限于绝缘材料。对于第一保护膜173不被除去而留下形成介质间隙的情形，则应使用期望介电常数的介质膜。
第八实施例
描述本发明的第八实施例。尽管在第六实施例中多个不同共振器部布置于基板上，但是在本实施例中，固定电极的厚度大于按类似结构构成共振器的振动器的厚度。
图15A至15D为解释第八实施例的机电共振器的制造方法的剖面图。
图15D为一机电共振器的构建图示，该机电共振器在单个基板上包括具有不同共振频率的多个机电共振器。数字121表示具有梯形截面的梁的第一振动器。参考数字123表示大尺寸矩形形状的第二振动器。固定电极107形成于同一层内。形成于第二振动器123和固定电极107之间的间隙具有固定宽度。形成于第一振动器121和固定电极107之间的间隙包括具有固定间隙宽度的第一区域和具有宽的间隙宽度的第二区域，与第一实施例相同。在第二区域内，振动器121和电极107之间的间隙更宽。
采用这种配置，第一振动器121和第二振动器123按不同振动模式被激励，并具有不同共振频率。因此可以容易地提供支持多个频率的机电共振器。
尽管在本实施例中具有不同共振频率的两个共振器并排布置，但是可以任意改变形成于同一层内的固定电极和振动器之间发生的固定间隙宽度的交叠区域，使得可以布置三个以上的机电共振器。
第八实施例的机电共振器的制造方法示于图15A至15D。除了不同的光掩模用于图案化振动器之外，可以通过与图2A至2D所示的第一实施例的工艺相同的工艺来实施该制造方法，因此相应的描述被省略。第八实施例与第一实施例不同之处为，形成梯形截面的梁121、123，而不是如第一实施例所示的三角形截面的梁109。
第九实施例
图16示出本发明第九实施例的机电共振器。图17A至17E为用于解释第九实施例的机电共振器的制造方法的剖面图。
尽管在第一实施例中固定电极107的厚度约等于振动器的厚度，但是在本实施例的机电共振器中，固定电极107的厚度小于振动器的厚度。
如图16所示，本实施例的机电共振器包括共振器部，该共振器部具有固定电极107以及与固定电极107以间隙分离地形成振动器109。该机电共振器包括：第一区域，沿振动器的厚度方向自固定电极107具有固定宽度的间隙，固定电极107的厚度小于振动器109的厚度；以及第二区域，足够大使得固定电极和振动器之间的电容可以忽略，因为不存在固定电极。振动器109形成三角形截面的梁状主体。固定电极107布置直至该振动器的两个侧面的预定高度，振动器109的一部分为包括固定电极107不彼此相对的一部分的空气间隙。精确地说，该空气间隙包括宽度宽的间隙111和宽度窄的间隙113。在振动器109和固定电极107之间，最大静电力产生于宽度窄的间隙113。作用于该电容内的静电力与该间隙的宽度的平方成正比。在宽度宽的间隙111内几乎不产生静电力，并获得小的驱动力。
图17A至17E示出本发明第九实施例的共振器结构的制造方法。
首先，制备SOI基板，其中通过用作第一绝缘膜103的氧化硅层，单晶硅薄膜形成于用作材料基板101的硅基板的表面上。
接着，通过光刻形成掩模图案。使用该掩模图案进行各向异性蚀刻，并形成振动器109，其具有倾斜侧面(倾斜角为54.7度)的三角形截面的梁状主体。用作第二绝缘膜105的氧化硅膜形成于振动器109的上层上。
如图17A所示，作为固定电极107的掺杂多晶硅层通过CVD方法形成于第二绝缘膜105上。期望使用减压CVD方法等以形成平坦膜。
如图17B所示，抗蚀剂R应用至作为固定电极107的掺杂多晶硅层。
如图17C所示，通过抗蚀剂回蚀刻而移除该抗蚀剂至预定深度，从而使作为固定电极107的该掺杂多晶硅层仅在振动器表面的顶点露出。
接着，如图17D所示，使用抗蚀剂R为掩模，除去该掺杂多晶硅层。
最后，如图17E所示，露出的第二绝缘膜105通过蚀刻而除去以形成间隙并除去第一绝缘膜103，由此形成机电共振器。
如此，可以形成图16所示具有良好加工性能的机电共振器。
在第九实施例中，固定电极107通过第一绝缘膜103形成为基板上的柱。与振动器109相对的该固定电极的厚度减小，且该固定电极沿振动器的侧壁形成以形成具有期望宽度的静电力产生区域。
由于固定电极的厚度薄于振动器的厚度，强度降低，但是通过改变掩模可以容易地确定该相对区域。
本发明提供了一种机电共振器，其支持多个共振频率且包括可以形成于同一层内的具有高机械强度的输入和输出端子。该机电共振器通过简化的工艺来提供紧凑设计并降低制造成本，使其可应用于包括便携终端的通信装置。

Claims (21)

1.一种机电共振器，包括：
共振器部，包含固定电极以及与所述固定电极以间隙分离地形成的振动器，
其中所述间隙具有沿所述固定电极的厚度方向布置的第一间隙区域和第二间隙区域，以及
其中所述第一间隙区域的宽度不同于所述第二间隙区域的宽度。
2.如权利要求1所述的机电共振器，其中所述第一间隙区域的宽度固定，以及
其中所述第二间隙区域具有足以忽略所述固定电极和所述振动器之间的电容的宽度。
3.如权利要求1所述的机电共振器，其中所述固定电极具有第一固定电极和第二固定电极，以及
其中所述振动器以间隙布置于所述第一固定电极和所述第二固定电极之间。
4.如权利要求1所述的机电共振器，其中所述间隙仅具有空气间隙。
5.如权利要求1所述的机电共振器，其中所述间隙具有空气间隙和介质间隙。
6.如权利要求1所述的机电共振器，其中所述间隙仅具有介质间隙。
7.如权利要求1所述的机电共振器，其中所述振动器是由单晶硅制成。
8.如权利要求1所述的机电共振器，其中所述振动器是由多晶硅制成。
9.如权利要求1所述的机电共振器，其中所述固定电极通过预定支持部形成于基板上，以及
其中所述振动器的侧面相对于所述基板的表面倾斜。
10.如权利要求1所述的机电共振器，其中所述固定电极通过预定支持部形成于基板上，以及
其中所述振动器的侧面垂直于所述基板的表面。
11.如权利要求1所述的机电共振器，其中所述固定电极的厚度大于所述振动器的厚度。
12.如权利要求1所述的机电共振器，其中所述固定电极的厚度等于所述振动器的厚度。
13.如权利要求1所述的机电共振器，其中所述固定电极的厚度小于所述振动器的厚度。
14.如权利要求1所述的机电共振器，其中形成于基板上的多个共振器部分别具有不同的共振频率。
15.如权利要求2所述的机电共振器，其中所述共振器部包含第一共振器部和第二共振器部，每个共振器部具有所述固定电极和所述振动器，以及
其中所述第一共振器部的第一间隙区域的宽度不同于所述第二共振器部的第一间隙区域的宽度。
16.一种机电共振器的制造方法，包括：
在基板上形成第一电极；
在所述第一电极上形成绝缘膜；
在所述绝缘膜上形成导电层并平整化所述导电层以形成第二电极；以及
在所述第一电极和所述第二电极之间形成间隙，
其中所述第一电极和所述第二电极之一为固定电极，所述第一电极和所述第二电极的另一个为振动器，
其中所述间隙具有沿所述固定电极的厚度方向布置的第一间隙区域和第二间隙区域，以及
其中所述第一间隙区域的宽度不同于所述第二间隙区域的宽度。
17.如权利要求16所述的制造方法，其中间隙的形成工艺包括：
在所述导电层上形成凹槽，所述凹槽对应于具有足以忽略所述固定电极和所述振动器之间的电容的宽度的所述第二间隙区域；以及
除去从所述凹槽露出的所述绝缘层以形成对应于所述第一间隙区域的空气间隙。
18.如权利要求16所述的制造方法，其中间隙的形成工艺包括：
将杂质掺入所述导电层以形成介质凹槽，所述介质凹槽对应于具有足以忽略所述固定电极和所述振动器之间的电容的宽度的所述第二间隙区域，
其中与所述介质凹槽连通的所述绝缘膜对应于所述第一间隙区域。
19.如权利要求16所述的制造方法，其中间隙的形成工艺包括：
除去所述绝缘膜以形成空气间隙；以及
将绝缘杂质掺入与所述空气间隙连通的所述导电层的一部分，以形成与所述第二间隙区域相对应的介质凹槽。
20.如权利要求17所述的制造方法，还包括：
蚀刻所述基板以形成具有倾斜表面的三角形截面的振动器，随后在所述振动器上形成绝缘层；
在所述绝缘层上形成导电层；以及
沿垂直方向蚀刻所述导电层以形成到达所述绝缘层的凹槽。
21.如权利要求17所述的制造方法，其中间隙的形成工艺包括：
在基板上形成凹槽；
在所述凹槽上形成绝缘层；
使用导电层填充所述凹槽；以及
沿倾斜方向蚀刻所述导电层，以形成到达所述绝缘层的凹槽。
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Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5230810B2 (ja) * 2009-06-30 2013-07-10 パナソニック株式会社 共振器およびその製造方法
JP2013055647A (ja) * 2011-08-05 2013-03-21 Panasonic Corp Ｍｅｍｓ共振器およびそれを用いた電気機器
JP2014072876A (ja) * 2012-10-02 2014-04-21 Seiko Epson Corp Ｍｅｍｓ素子および発振器
DE112013006687B4 (de) * 2013-03-28 2022-02-17 Intel Corporation Resonanzkanaltransistor mit mehreren gates
WO2017200621A2 (en) * 2016-02-29 2017-11-23 The Regents Of The University Of Michigan Assembly processes for three-dimensional microstructures

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06310029A (ja) 1993-02-26 1994-11-04 Nippon Steel Corp 電子銃および量子細線の製造方法
FR2768324B1 (fr) * 1997-09-12 1999-12-10 Jacques Seguin Instrument chirurgical permettant, par voie percutanee, de fixer l'une a l'autre deux zones de tissu mou, normalement mutuellement distantes
US7169160B1 (en) * 1998-07-28 2007-01-30 Medtronic, Inc. Device for anchoring tubular element
US6391048B1 (en) * 2000-01-05 2002-05-21 Integrated Vascular Systems, Inc. Integrated vascular device with puncture site closure component and sealant and methods of use
FR2811163B1 (fr) * 2000-06-30 2002-10-04 Centre Nat Rech Scient Filtre nono-electromecanique
US6767356B2 (en) * 2000-09-01 2004-07-27 Angiolink Corporation Advanced wound site management systems and methods
US6940370B2 (en) * 2002-05-06 2005-09-06 The Regents Of The University Of California MEMS resonator and method of making same
JP4513366B2 (ja) * 2003-03-25 2010-07-28 パナソニック株式会社 機械共振器、フィルタおよび電気回路
JP4602130B2 (ja) * 2004-04-28 2010-12-22 パナソニック株式会社 電気機械フィルタ
WO2008070669A2 (en) * 2006-12-05 2008-06-12 Miradia Inc. Method and apparatus for mems oscillator

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