CN101467348A - 振动器、使用该振动器的共振器以及使用该共振器的机电滤波器 - Google Patents
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Abstract
提供了一种振动器和共振器，该振动器在振动时具有小的振动能量散逸和高Q值。具有梁结构的振动器的支持部厚于振动器，且支持部沿梁的长度方向是不对称的。因此，由于支持部的脆弱性得到改善，振动能量从支持部的损耗可以减小，且由于表面粗糙导致的振动能量的损耗减小，具有高Q值的共振器被提供。
Description
技术领域
本发明涉及振动器、使用该振动器的共振器以及使用该共振器的机电滤波器，具体涉及在高密度集成的电子电路内部实施高性能的滤波器电路。
背景技术
使用微加工技术的机械共振器近年来受到关注。
传统机械共振器的一个示例将参考图33予以解释。图33的简化图示出了非专利文献1中提出的使用弯曲振动的机械振动滤波器的构造。
该滤波器是通过使用薄膜工艺在硅基板上图案化而形成的，且是由输入线路104、输出线路105、相对于相应线路以1μm以下的空气间隙布置的跨接梁101和102、以及用于耦合两个梁的耦合梁103。从输入线路104输入的信号电容性耦合到梁101并在梁101内产生静电力。输入信号的滤波输出构造成，仅在信号频率与由梁101、102和耦合梁103形成的弹性结构体的共振频率附近匹配时，通过激励机械振动并进一步探测该机械振动为输出线路105和梁102之间的电容变化，该滤波输出由此被取出。
对于具有矩形截面的跨接梁的情形，弹性模量设置为E，密度为ρ，厚度为h且长度为L时，弯曲振动的共振频率f由下式示出。
[数学式1]
当材料设置为多晶硅时，则E＝160GPa且ρ＝2.2×10kg/m3，此外当大小设置为L＝40μm且h＝1.5μm时，则f＝8.2MHz且具有约8MHz频带的滤波器可以由此构成。与使用诸如电容器或线圈的无源电路构成的滤波器相比，通过利用机械共振可以获得具有高Q值的陡峭频率选择特性。
然而，在上述构造中，对于构造具有更高频带的滤波器情形，存在下述限制。也就是说，(从数学式1)显而易见，首先期望改变材料并增大E/ρ，且当E增大时，即使弯曲梁的力相同，位移量变小，且变得难以探测梁的位移。
此外，当代表梁弯曲性的指标设置为梁的长度L和当施加静载荷到跨接梁的梁表面时梁中心的弯曲量d之间的比例d/L时，d/L由下式的比例关系来表示。
[数学式2]
由此，为了增大共振频率同时保持d/L的值，至少E不能改变且需要获得具有低密度ρ的材料，并且需要使用诸如CFRP(碳纤维增强塑料)的复合材料作为杨氏模量等于多晶硅的杨氏模量的低密度材料。这种情况下，难以在半导体工艺中构造微机械振动滤波器。
因此，不使用这种复合材料的第二种方法包括通过改变数学式1中梁的大小来增大h·L-2的方法。然而，增大梁的厚度h并减小梁的长度L，这导致数学式2中为弯曲性指标的d/L的减小，且难以探测梁的弯曲。
当关于数学式1和数学式2的log(L)和log(h)之间的关系示于图34时，直线a具有从数学式1得到的关系，且直线b具有从数学式2得到的关系。在图34中，使用现在的大小的点A作为初始点，对于在梯度2的直线以上的范围(区域A)内选择h和L的情形，f变得，且对于在梯度1的直线以下的范围(区域B)内选择h和L的情形，d/L变大。因此，图34中的阴影部分(区域C)落在能够增大共振频率同时保证梁的弯曲量的h和L范围内。
从图34显而易见，在更高频率的机械振动滤波器中，梁的长度L和梁的厚度h这两个大小的微型化是必要条件，且L和h相同比例的微型化，即，减小L和h同时落在梯度1的直线上，这是图34的阴影部分的充分条件。
通过微型化传统机械共振器中的机械振动器的大小，因此，共振频率可以增大。然而存在的问题为，通过一般地微型化大小，机械Q值减小且获得期望频率选择特性所需的Q值无法达到的情形会发生。
因此，使用单晶材料的共振器被考虑用作具有良好Q值的共振器。在单晶材料的振动器中，内部原子规则排布，使得与多晶材料相比可以得到更高Q值。例如，图35为非专利文献2所示的跨接梁结构，该跨接梁结构通过加工构成SOI(绝缘体上硅)基板的硅基板204的SOI层而制成。然而，在该结构中，通过使用氢氟酸除去SOI层下方的BOX(掩埋氧化物)层203，可以使梁振动，支持部205下方的BOX层也被除去且支持部变脆弱。结果，支持部205的振动变得不可忽略，且随着跨接梁的共振频率减小，振动能量从该支持部散逸，使得难以获得高Q值。
因此，通过加厚支持部205的厚度而充分厚于振动器201厚度来改善支持部205脆弱性的示例披露于非专利文献3。图36为非专利文献3所示跨接梁的支持部205附近的结构。支持部205的厚度为硅基板204的厚度，且梁的厚度相对于硅基板的厚度充分小，因此支持部205具有牢固结构。然而，支持部的结构相对于梁的长度方向不是轴对称的，使得当一侧(例如A侧)的支持部沿梁长度方向相对于轴后退时，支持部205变得脆弱。由于支持部205的A侧和A’侧通过干法蚀刻和两次分别光刻形成，两次光刻要求高精度对准，从而减小一侧的后退。随着振动器大小从μm量级到nm量级变得精细，极难进行该对准步骤。
此外，在非专利文献3的振动器的制作方法中，难以接近振动器201和形成电极202。图37为示出图36的基板和振动器的截面的图示。由于在基板和振动器之间存在开口部，如图37A所示，对于尝试通过诸如溅镀的薄膜形成技术形成靠近振动器201侧面的电极202的情形，存在该开口部，使得电极无法锚定到基板或者牢固电极结构无法形成，因为开口部的电极的厚度极薄，如图37B所示。
还存在这样的技术，其中硼从硅基板的表面扩散并从硅基板背面执行各向异性蚀刻，硼的扩散层用作各向异性蚀刻的蚀刻停止层(非专利文献4)。当硼的扩散区形成为梁形状时，梁型振动器也可以形成，如图38所示。电极可以形成于基板表面上，因为在进行各向异性蚀刻之前，基板表面上没有开口部。然而，蚀刻停止效应随着硼扩散的变化而变化，使得难以获得具有预定大小的梁形状，且极难获得相对于共振频率的期望值。此外，振动器的表面不平坦，使得由于表面粗糙导致的振动能量损耗发生且Q值减小。
此外，必需形成更小的振动器从而使共振器的共振频率增大至VHF频带或UHF频带。为此，振动器和电极的对向面积缩小，使得电容变小且阻抗还变高。在高频信号中，当阻抗失配程度高时，RF信号的能量损耗增大。对于该解决方法，存在通过并联电连接多个共振器来减小阻抗并接近匹配状态的方法。图39A为以铝为材料的振动器构成的共振器。振动器201具有跨接梁结构且由支持部205支持。激励用电极202a和探测用电极202b通过间隙置于振动器201的两个侧面上。在该构造中，振动器201产生沿着激励用电极202a方向的吸引方向的弯曲振动，且其共振频率为35.5MHz。图39B为并联电连接图39A的多个共振器并减小阻抗的构造。
图40A示出将并联电连接的共振器的数目N设置为1、10和100时的阻抗。然而，每个共振器以极高大小精度来制作，使得共振频率的变化基本上为0。如图40A所示，随着N增大，可以减小阻抗而不改变共振特性。
图40B示出各个共振器的共振频率发生变化(0.3MHz的标准偏差)情形下的阻抗。在具有变化的情形中，随着共振器的数目N增大到10和100，在共振频率的峰不锐并且难以构造良好的共振器。
必需通过高精度地加工每个共振器从而并联电连接多个共振器以由此减小阻抗，以此抑制共振频率变化。在跨接梁的共振频率中，梁的厚度和长度在弯曲振动中占主导且梁的长度在扭转振动中占主导，这使得在使用弯曲共振的情形中，管理梁的厚度和长度是重要的，且在使用扭转共振的情形中，管理梁的长度是重要的。
非专利文献1：Frank D.Bannon III，John R.Clark，and Clark T.-C.Nguyen，“High-Q HF Microelectromechanical Filters”，IEEE Journal of Solid-StateCircuits，Vol.35，No.4，pp.512-526，April 2000
非专利文献2：Vincent Agache et.al，“CHARACTERIZATION OFVERTICAL VIBRATION OF ELECTROST ATICALLYACTUATEDRESONATORS USING ATOMIC FORCE MICROSCOPE IN NONCONTACEMODE”，Proc.of IEEE TRANSDUCERS′05，pp.2023-2026
非专利文献3：Tixier-Mita and others，“SINGLE CRYSTALNANO-RESONATORS AT 100 MHz FABRICATED BY A SIMPLE BATCHPROCESS”，Proc.of IEEE TRANSDUCERS′05，PP.1388-1391
非专利文献4：Chang-Jin Kim and others，“Silicon-Processed OverhangingMicrogripper”，Journal of Microelectromechanical Systems，Vol.1，No.1，1992，pp.31-36
发明内容
本发明解决的问题
在传统共振器中极难高精度地控制梁的厚度或长度，不过需要使用大小极高精度地受控的振动器，尤其是当多个振动器被连接和使用时。然而，极难抑制振动器的振动能量的散逸并高精度地再现获得具有高Q值的振动器。
鉴于上述实际情形进行了本发明，且本发明的目的是提供一种具有高Q值且振动器振动时振动能量的散逸小的共振器和振动器。
解决问题的手段
为了解决上述问题，在本发明的共振器的振动器中，梁结构振动器的支持部的厚度形成为厚于振动器的厚度，且支持部形成为相对于梁的长度方向是不对称的。
根据这种构造，支持部的脆弱性改善，且振动能量从支持部的损耗可以减小，使得具有高Q值的共振器可被提供。
此外，同时，振动器是由单晶材料形成且振动器的表面形成于晶面。结果，由于振动器表面的表面粗糙导致的振动能量的损耗可以减小，使得具有高Q值的共振器可被提供。当表面粗糙时，与规则排布的(振动器深层部分)原子的数目相比，不规则排布的(振动器的表面层部分)原子的数目相应地增大。由于该表面层部分的原子在受限运动状态方面不同于深层部分的原子，规则排布且在协调状态振动的深层部分的原子的运动受到约束，结果其成为振动能量损耗的原因。
也就是说，本发明的振动器由形成于单晶基板的背面内的腔体以及一振动器构成，该振动器形成为使得振动器的至少一个端部在该单晶基板的前表面和该腔体的底面之间的厚度内由支持部支持，其中该振动器的厚度小于该支持部的厚度，且该支持部相对于该振动器的梁的长度方向是不对称的。
此外，本发明的共振器包括：单晶基板；形成于该单晶基板的背面内的腔体，以及梁型振动器，该梁型振动器形成为使得振动器的至少一个端部在该单晶基板的前表面和该腔体的底面之间的厚度内由支持部支持；以及电极，该电极施加静电力的激励力到该梁型振动器，其中该振动器的厚度小于该支持部的厚度，且该支持部相对于该振动器的梁的长度方向是不对称的。
根据上述构造，膜的厚度大于梁型振动器的厚度的支持部可以形成，且此外该支持部可以形成为相对于梁的长度方向时不对称的，使得支持部可以形成牢固结构。此外，振动特性可以改善，同时改善支持性能。此外，通过进行单晶基板的各向异性蚀刻，可以具有良好控制性地形成图案，且同时，单晶材料的振动器可以得到，使得在多晶材料中看到的在晶粒边界的振动能量的损耗也可以减小。此外，振动器的所有表面形成于晶面，使得还具有减小振动能量从由于表面粗糙而损耗的效果。
此外，在本发明的共振器中，多个该梁型振动器形成在该单晶基板的前表面和该腔体的底面之间的厚度内。
根据这种构造，具有相同长度的多个振动器可以形成，使得具有相同共振频率的多个共振器可以相邻布置。因此，通过并联电连接形成于电极和振动器之间的电容，电容增大且电学阻抗减小，与包括该共振器的外围电子电路的电学阻抗匹配可以容易地获得。
此外，在本发明的共振器中，该单晶基板为硅基板。
根据这种构造，共振器可以通过半导体制造设备来制造。此外，该共振器通过连接其他有源元件可以集成在相同硅基板上。或者，该共振器可以搭载在其他有源元件内。
此外，在本发明的共振器中，该单晶基板为SOI基板的SOI层。根据这种构造，振动器可以由μm量级或者nm量级的薄SOI层形成，使得共振点位于非常小的UHF频带的梁型振动器可以形成。
此外，在该共振器中，该梁型振动器的截面形状为由{100}和{111}晶面围绕成的三角形形状或者梯形形状。
在这种构造中，梁型振动器可以简单地使用具有晶体各向异性的蚀刻溶液来形成。
此外，在该共振器中，该电极通过空气间隙与露出到该单晶基板的前表面的该梁型振动器的侧面的宽度方向的整个区域对向，以及电容形成于该梁型振动器和该电极之间。
根据这种构造，通过在电极和梁型振动器之间产生的静电力，可以激励梁型振动器的弯曲振动模式。
此外，在本发明的共振器中，该振动器的导电性相对于该梁型振动器的梁的纵向方向的扭转中心轴是不对称的。
根据这种构造，具有相同共振频率的多个扭转振动器可以致密地集成且阻抗可以减小。
此外，在本发明的共振器中，该电极通过空气间隙与露出到该单晶基板的前表面的该梁型振动器的侧面的宽度方向的大致一半区域对向，以及电容形成于该梁型振动器和该电极之间。
根据这种构造，通过在电极和梁型振动器之间产生的静电力，可以激励梁型振动器的扭转振动模式。该空气间隙设置在这样的值，其中电极和振动器之间的距离可以产生预定静电力，且对向电极不位于其他区域，以及该空气间隙的尺寸可以调整为使得到振动器的距离变为预定值以上且静电力充分小于其他区域的静电力。
此外，在本发明的共振器中，该多个电极与该梁型振动器的共振模式阶数相对应地布置。
根据这种构造，可以构成使用高阶模式共振频率以及振动的基模频率。
此外，在本发明的共振器中，该电极通过绝缘膜固定在该单晶基板的厚膜部上，该厚膜部布置在该腔体的外围边缘上。
根据这种构造，电极被固定的位置处的厚度充分厚于梁的厚度，使电极牢固且因此由于电极和振动器之间的静电力或者来自外部的冲击引起的电极本身的位移量可以减小
此外，在本发明的共振器中，该梁型振动器为跨接梁且其梁的两个端部装备有支持部，该支持部由导电类型与该梁型振动器的导电类型相反的杂质扩散区形成，并且放大器被构造，其中该梁型振动器用作沟道且由杂质扩散区形成的该支持部用作源极区和漏极区。
根据这种构造，振动器的共振现象可以通过放大器而电学输出，且共振器也被包含在放大器内部，使得在共振器和放大器之间布置信号线路时叠加在信号线路上的噪声可以减小。
此外，本发明的共振器包括电学并联布置的多个共振器。
根据这种构造，共振器的电学阻抗可以进一步减小且还可以获得高的大小精度，使得特性变化受到抑制且具有极高可靠性的共振器可以获得。
此外，在本发明的共振器中，该振动器收纳在壳体内，在该壳体中，气氛被真空密封。
根据这种构造，可以提供具有高Q值的共振器，其中振动器的振动能量不受到空气粘性约束同时改善共振器保护。
此外，本发明的滤波器包括装备有上述共振器的滤波器。
本发明的优点
根据本发明的共振器的构造，可以提供能够在UHF频带使用的具有高Q值的滤波器。
附图说明
图1为本发明第一实施例的扭转共振器的透视图。
图2为本发明第一实施例的扭转共振器的截面图。
图3为本发明第一实施例的扭转共振器的截面图。
图4A和4B为示出本发明第一实施例的扭转共振器的制造方法的说明图。
图5A和5B为示出本发明第一实施例的扭转共振器的制造方法的说明图。
图6A和6B为示出本发明第一实施例的扭转共振器的制造方法的说明图。
图7A和7B为示出本发明第一实施例的扭转共振器的制造方法的说明图。
图8A和8B为示出本发明第一实施例的扭转共振器的制造方法的说明图。
图9A和9B为示出本发明第一实施例的扭转共振器的制造方法的说明图。
图10A和10B为示出本发明第一实施例的扭转共振器的制造方法的说明图。
图11A和11B为示出本发明第一实施例的扭转共振器的制造方法的说明图。
图12A和12B为示出本发明第一实施例的扭转共振器的制造方法的说明图。
图13A和13B为示出本发明第一实施例的扭转共振器的制造方法的说明图。
图14A和14B为示出本发明第二实施例通过具有梯形截面的梁的扭转共振器的制造方法的说明图。
图15A和15B为示出本发明第二实施例通过具有梯形截面的梁的扭转共振器的制造方法的说明图。
图16A和16B为示出本发明第二实施例通过具有梯形截面的梁的扭转共振器的制造方法的说明图。
图17为示出本发明第二实施例通过具有梯形截面的梁的扭转共振器的制造方法的说明图。
图18为示出本发明第二实施例通过具有梯形截面的梁的扭转共振器的制造方法的说明图。
图19为将本发明第三实施例的共振器真空密封的状态的说明图。
图20为本发明第四实施例的弯曲共振器的截面图。
图21为本发明第五实施例的利用二阶弯曲振动的共振器的透视图。
图22为本发明第六实施例的包括扭转共振器的MOS晶体管的透视图。
图23为图22的构造的截面图。
图24为本发明第七实施例的扭转共振器的透视图。
图25A和25B为本发明第七实施例的扭转共振器的制造方法的说明图。
图26A和26B为本发明第七实施例的扭转共振器的制造方法的说明图。
图27A和27B为本发明第七实施例的扭转共振器的制造方法的说明图。
图28A和28B为本发明第七实施例的扭转共振器的制造方法的说明图。
图29为本发明第七实施例的扭转共振器的制造方法的说明图。
图30为示出本发明第七实施例的共振器的变型例的截面图。
图31为示出本发明第七实施例的共振器的变型例的截面图。
图32A至32E为示出本发明第七实施例的共振器的另一变型例的截面图。
图33为示出使用传统机械共振器的滤波器的示意图。
图34为示出传统示例的机械共振器的更高频率和大小之间关系的特性图。
图35为使用SOI基板的传统机械共振器的说明图。
图36为使用硅基板的传统机械共振器的支持部的说明图。
图37A和37B为示出使用硅基板的传统机械共振器的形成电极的状态的图示。
图38为传统振动器的制作方法的说明图，其中进行硼扩散区域的蚀刻停止。
图39A为示出由铝制作的共振器单体的示例的图示，图39B为示出并联电连接多个共振器的构造的图示。
图40A为示出共振频率无变化的情形中，阻抗和并联连接数目之间关系的图示，图40B为示出共振频率变化的情形中，阻抗和并联连接数目之间关系的图示。
符号说明
1 振动器
2 电极
3 绝缘膜
4 基板
5 支持部
6 间隙
7 腔体
101，102跨接梁型振动器
103 耦合梁
104 输入线路
105 输出线路
具体实施方式
下面参考附图详细描述本发明的实施例。
(第一实施例)
在本实施例中，对于形成振动器1同时通过各向异性蚀刻单晶硅基板4来形成腔体7的情形，振动器1在单晶硅基板4的前表面和腔体7的底表面之间的厚度内形成为通过支持部5支持两端，且振动器1的厚度构造成比支持部的厚度薄。
图1为本发明第一实施例的共振器的主透视图。图2为沿图1的A-A’垂直方向的截面图，且图3为沿图1的B-B’垂直方向的截面图。第一实施例的共振器包含：用于产生扭转振动的梁型振动器1，以及通过间隙6置为邻近梁型振动器1侧面的电极2。
这里，腔体7形成于单晶硅基板4的背面内，且振动器1通过与基板4相同的材料加工形成于腔体上方。由于振动器是通过加工单晶硅基板形成，支持部和振动器由相同的单晶材料构成且不存在在多晶材料的振动器中看到的在晶粒边界表面的振动能量损耗，使得具有高Q值的振动器可以形成。
振动器1的两端固定到支持部5。支持部5的厚度等于基板4的厚度且厚于振动器1的厚度。因此，与支持部厚度等于振动器厚度的情形相比，支持部变得牢固，并且即使振动器1振动时，支持部对振动有抗性，并实现了抑制振动器1振动泄露到支持部且振动能量散逸的量的效果。此外，由于振动器1和支持部5之间连接部的附近相对于振动器1的长度方向的B-B’轴是对称的，支持部205的一侧并不像传统示例的图36所示沿梁长度方向后退，使得支持部具有更牢固结构。
电极2由多晶硅膜形成。如图2所示，电极2通过间隙6与梁型振动器1侧表面的宽度方向约一半区域相对，且电容构造于梁型振动器1和电极2之间。这是因为，当静电力施加到对向表面之间的间隙且振动器产生振动时，静电力有效地提供扭转旋转力矩。
接着，参考图4至13描述本发明第一实施例的共振器的制造方法。在图4至13中，A为从基板上方观察主要部件的图示，B为A的C-C’截面图(C-C’在图5至13中略去)。基板4为单晶硅基板，且基板的前表面和背面为{100}晶面，且在截面中看到的表面为{110}晶面。氧化硅膜形成于基板的前表面(图中下侧)上。氮化硅膜形成于硅基板的背面上，且四边形窗口形成于该氮化硅膜内。该窗口的四个边沿{111}晶面形成。
使用KOH从基板4背面进行硅的各向异性蚀刻。{111}晶面的蚀刻速率低于其他晶面的蚀刻速率，该蚀刻进行从而露出{111}晶面，如图5A和5B所示。{100}和{111}具有54.7°的位置关系。在腔体7的底面未到达基板的前表面的时间内，蚀刻停止。当氮化硅膜除去时，得到图6A和6B的状态。
接着，进行梁型振动器的制作步骤。在梁结构的制作中也使用通过各向异性蚀刻的加工技术。这在非专利文献5中予以介绍，且部分地利用在产生量子线中也使用的方法。在图7A和7B，氮化硅膜8再次沉积在基板4的背面上且四边形窗口形成于氮化硅膜8内。此时，窗口的一个边横贯腔体7并沿{111}晶面形成，如图7A和7B所示。
使用KOH从基板4的背面进行硅的各向异性蚀刻。当蚀刻进行直到达到硅基板4的前表面时，该状态示于图8A和8B。
接着，局部氧化硅膜(LOCOS)形成于其中硅露出到硅基板4背面的部分内(图9A和9B)。例如，硅表面通过氧化炉来氧化。图10A和10B示出这样的状态，其中LOCOS留下且氮化硅膜除去。
当以LOCOS为掩模利用KOH再次进行硅的各向异性蚀刻时，具有三角形截面的跨接梁的振动器可以形成，如图11A和11B所示。梁的三个侧面是由两个{111}晶面和一个{100}晶面形成。
随后，如图12所示，相对于硅基板4的前表面，电极2沉积在氧化硅膜3上并被图案化。通过例如CVD(化学气相沉积方法)形成的多晶硅膜用于电极2。该图案化进行为使得电极2与约一半的梁宽度的梁侧面对向。在使用梁型振动器1作为扭转振动器的情形中，这是有效的。这是因为，通过振动器1和电极2之间的静电力，扭转力矩被有效地致使作用于振动器1。
最后，氧化硅膜3除去。这可以通过例如氢氟酸来除去。结果，如图13所示，间隙6形成于振动器1和电极2之间，振动器1变为能够振动的状态且电容形成于振动器1和电极2之间。图13与图1至3的构造是等同的。
非专利文献5：G.Hashiguchi and H.Mimura，“Fabrication of SiliconQuantum Wires Using Separation by Implanted Oxygen Wafer”，Jpn.J.Appl.Phys.Vol.33(1994)，pp.L1649-1650
根据上述制造发，如图1至3所示，梁型振动器1的支持部5的厚度可以形成为厚于梁的厚度，且支持部可以牢固地形成。此外，由于振动器和支持部之间连接部的附近相对于振动器1的长度方向的B-B’轴是对称的，支持部205的一侧并不像传统示例的图36所示沿梁长度方向后退，使得支持部具有更牢固结构。因此，振动器1的振动泄露到支持部的量可以减小且具有高Q值的共振器可以形成。
此外，由于梁型振动器1的材料与基板4的单晶材料相同，因此不存在在多晶材料的振动器中看到的在晶粒边界表面的振动能量损耗，使得具有高Q值的共振器可以形成。
此外，由于梁型振动器1的侧面是由硅的晶面形成，表面结构非常平滑，由于表面粗糙导致的振动能量的损耗得以减小且具有高Q值的共振器可以形成。
此外，图4至13所示的制造方法是一种对于共振频率为几百MHz至若干GHz的精细梁型振动器的制作是有用的制造方法，因为可以形成细度(thinness)超出半导体工艺中图案化宽度的极限的结构对象。
此外，在各向异性蚀刻中可以使用TMAH(Tetramethyl ammoniumhydroxide，四甲基氢氧化铵)或者EDP(水、丙卡特罗(pyrocaterol)、乙二胺的混合物)替代KOH。
(第二实施例)
此外，梁型振动器1的截面形成为三角形形状，但是也可以形成为梯形形状。具有这种梯形形状的振动器的共振器的制造方法将作为本发明的第二实施例予以描述。
在本实施例中，具有梯形截面的振动器可以通过与图4至6类似地制作来形成，且可以如图14A和14B所示地随后进行变化。在图14A和14B中，氮化硅膜沉积在基板4的背面(图中的上侧)上且两个四边形窗口形成于氮化硅膜内。此时，具有特定宽度的线性氮化硅膜8横贯腔体7且沿{111}晶面形成。当使用KOH进行硅的各向异性蚀刻时，具有梯形截面的跨接梁的振动器可以形成，如图15A和15B所示。梯形的四个侧面由两个{111}晶面和两个{100}晶面形成。图16A和16B为其中氮化硅膜除去的状态，图17为多晶硅的电极2在前表面(图中的下侧)上形成于氧化硅膜3上并被图案化的状态。该图案化进行为使得电极2与约一半的梁宽度对向。这是因为，通过振动器1和电极2之间的静电力，扭转力矩被致使作用于振动器1，且扭转共振器可以通过这种构造来构成。最后，氧化硅膜除去(图18)。这可以通过例如氢氟酸来除去。间隙6形成于振动器1和电极2之间，且振动器1变为能够振动的状态。图14至18的步骤其特征在于，与获得三角形截面的图4至13的步骤相比，可以通过更少数目的步骤来形成该共振器。
(第三实施例)
此外，该共振器可以构造成收纳在其中气氛被真空密封的壳体内，如图19的一个示例所示。这种情况下，硅基板4通过例如粘合剂的粘合层10结合到硅底座11。此外，共振器包含在玻璃帽9的凹部以及硅底座11内，且玻璃帽9通过阳极结合并使内部为真空地结合到硅底座11。通过这种构造，用于减小振动器1的振动能量由于空气粘性而损耗的共振器可以被提供，且具有良好保护的共振器可以形成。
(第四实施例)
此外，通过改变图1至3所示的扭转共振器的电极构造，可以构成弯曲共振器。图20示出弯曲共振器的截面图。电极2通过间隙与振动器1的宽度方向的整个区域对向，且电容形成。振动器1沿基板厚度方向的弯曲振动的激励力可以通过静电力来施加。
(第五实施例)
此外，对于振动器，更高阶的共振模式可以被激励，因为与振动器的想要被激励的共振模式阶数相对应地存在多个电极。图21为这样的构造，其中图1的扭转共振器的电极数目为2。电极2a、2b置于激励力施加到二阶扭转模式的两个波腹(antinode)及其附近的位置，从而激励梁的二阶扭转振动。也就是说，电极2a、2b与梁侧面对向的部分设置在梁长度约一半以及梁宽度约一半的位置。
同样，在该情形中，具有极高的大小精度的均匀梁可以形成，使得具有高可靠性的共振器可被提供。
(第六实施例)
此外，可以按照与图1大致相同的构造来增加从共振器取出输出信号并放大该信号的构造。图22在图1的振动器1的两端的支持部5上新布置两个电极。振动器1上的电极设置在栅电极22，支持部5上的一个电极设置在漏电极24，且另一电极设置在源电极23。图23为图22的B-B’的纵向截面图。基板4和振动器1为N型半导体，由p+扩散区形成的漏极区26形成于漏电极24下方的基板内，且由p+扩散区形成的源极区25形成于源电极23下方的基板内。也就是说，整个共振器为p沟道MOS晶体管，MOS结构的氧化物膜被间隙6替代，且振动器1被使得可以振动。振动器1受到振动器1和栅电极22之间的静电力，大幅度的扭转振动产生于共振频率附近，且调制被赋予到振动器1内部的沟道的形成，其结果为得到所涉及的漏电流。根据这种构造，与分别制作共振器和放大器并通过布线来形成共振器和放大器之间的连接的情形相比，元件可以微型化为由于布线引起的噪声或损耗的叠加也可以减小。
用于振动栅电极的栅极振动型MOSFET在传统已被设计，但是多晶硅或金属薄膜通常用作栅电极材料，使得在晶粒边界发生振动能量的损耗且无法构成具有高Q值的共振器，但是通过构造单晶硅的振动器，与由单晶硅构成的沟道相对应的该振动器振动，使得放大器以及具有高Q值的共振器可以形成。
此外，在本实施例中，对于基板4的材料，硅被使用，不过诸如SiGe的半导体材料也可以被使用。
此外，通过并联地电学布置本实施例的共振器，共振器的电学阻抗减小且共振器和共振器外部的信号电路之间的电学阻抗匹配可以改善。
此外，本实施例的振动器通过加工硅基板而形成，但是该振动器可通过加工SOI(绝缘体上硅)基板的SOI层来形成。由于还存在具有μm量级或者nm量级的薄SOI层的SOI基板，其可以用于下述情形，即，形成共振点位于非常小的UHF频带的，厚度极薄且长度短的梁型振动器。
(第七实施例)
接着描述本发明的第七实施例。在第一实施例的图1的扭转共振器中，一个共振器形成于腔体的底部，不过多个振动器可以同时形成。图24示出形成两个振动器的情形的透视图。对于每个振动器，电极2a、2b通过间隙来布置。这种情况下，其为扭转共振器，使得电极2a、2b形成为将电极与梁型振动器的宽度方向约一半区域的振动器对向，并构造成有效地激励扭转振动。
该共振器可以通过与图4至6的步骤类似地制作且随后如图25所示改变来形成。在图25A和25B，氮化硅膜沉积在基板4的背面(图中的上侧)上且两个四边形窗口形成于氮化硅膜内。此时，具有特定宽度的线性氮化硅膜横贯腔体并沿{111}晶面形成。当使用KOH进行硅的各向异性蚀刻时，状态示于图26A和26B。LOCOS形成于其中硅露出到基板4背面的部分内(图27A和27B)且氮化硅膜除去(图28A和28B)，以及当以LOCOS为掩模利用KOH再次进行硅的各向异性蚀刻时，具有三角形截面的双梁型振动器可被排布并形成，如图29所示。
由于图28A和28B所示的{111}面a和{111}面b为晶面，在端面上具有这些晶面的双梁型振动器高精度地具有相同长度。也就是说，双梁型振动器的共振频率相同。弯曲振动的共振频率取决于梁的厚度和长度，但是特别是在扭转振动的共振频率中，厚度依存性比长度依存性小得多，使得在形成具有相同扭转共振频率的多个振动器中，这种构造成为有效的手段。
在图24所示构造中，随着振动器变得更加精细，电极和振动器之间的电容变小且电学阻抗变大，电学阻抗失配趋于发生且输入AC信号的能量到振动器的机械振动的有效转换受到抵抗。然而，如图24所示，通过将多对的多个电极及具有相同共振频率的振动器并联连接，可以减小阻抗。
此外，图30示出形成具有相同共振频率的更多共振器的情形的构造。图30为其中梁的截面被看到的截面图。这里的特征为第一腔体C1形成。随后，对第一腔体C1的底面进行图4至6和图25至29所示的振动器形成方法。最后，第一腔体C1和第二腔体C2形成于基板4内，且多个振动器形成于第二腔体C2的底面和基板4的前表面之间。根据这种构造，电极2牢固地固定且具有相同长度的多个振动器可以形成。也就是说，第一腔体的底面和基板4的前表面之间的厚度Z0显著厚于梁的厚度Z1，使得电极2可以形成于基板上的牢固位置。结果，由于电极和振动器之间的静电力或者来自外部的冲击引起的电极本身的位移量可以减小。
(第八实施例)
接着，图31示出使用扭转振动模式的低阻抗共振器的另一构造，作为本发明的第八实施例。在图31，多个振动器按照与图24相似的方式相对于第一腔体的底面形成，图31的低阻抗共振器与图24所示第七实施例的低阻抗共振器不同在于，电极2形成为与振动器的宽度方向的整个区域对向，而不是与振动器的宽度方向的约一半区域对向。于是，其特征在于被构造成使得，与该电极2对向的这部分振动器的电学特性不同于其他部分振动器的电学特性，且在电极2这部分内的静电力显著大于其余部分内的静电力。这里为了改变电学特性，其特征在于被构造成使得，杂质扩散区域1d形成于振动器间与电极2对向的区域的仅一部分内，且大的静电力产生于其中该杂质扩散区域1d与电极2对向的区域内。因此不需要图24所示的电极2的图案化。此外，不需要图30中用于支持电极2的厚度为Z0的部分，使得振动器趋于更高密度地集成。
在图31中，振动器的导电性设置为相对于梁的纵向方向的扭转中心轴不对称，从而激励扭转振动模式。图32示出使导电性具有不对称性的制造步骤的示例。图32A与第二实施例中所描述的制作具有梯形截面的梁的说明图的图14大致上相似，但是形成于腔体底面上的氮化硅膜掩模的图案数目设置为多个图案。当对腔体底面进行各向异性蚀刻时，状态示于图32B。这里，在留下氮化硅膜掩模时，一种导电类型的杂质离子诸如磷注入到露出的硅表面，进行退火，且由此形成杂质扩散区域(图32C)。对于形成杂质扩散区域的情形，SOG(旋涂玻璃)或离子注入可用作扩散源。接着，在氧化硅膜的保护膜形成于杂质扩散到其中的硅表面上之后，再进行各向异性蚀刻且除去氮化硅膜时，具有导电性不对称性的三角形截面的梁形成，如图32D所示。这里，图32D为放大图。当电极2形成于氧化硅膜3(图中氧化硅膜的下侧)上且氧化硅膜3通过氢氟酸除去时，得到图32E的结构，即，利用图31所示的扭转振动模式的低阻抗共振器。当电压施加在振动器和电极之间时，如图32E所示，由于振动器的导电性不对称性，电压施加在电极和具有高导电性的位置即杂质扩散区域之间，静电力产生且旋转激励力(力矩)因此选择性地施加到该杂质扩散区域，扭转振动模式可被激励。
通过上述，在图31的构造中，梁的长度相同，使得无共振频率漂移的多个振动器可以致密地并行布置在同一腔体内部，低阻抗可以实现，且使用具有高Q值的扭转振动模式的高Q共振器可以实现。
此外，上述实施例构造成通过扩散一种导电类型的杂质例如磷来部分地改变振动器的导电性，但是扭转振动也可以通过注入氧离子等使振动器的一部分绝缘来产生。这种情况下，氧离子的注入区域被绝缘并成为对产生静电力具有抗性的区域，且旋转激励力(力矩)因此施加到未注入氧离子的区域，扭转振动模式可被激励。
工业应用性
本发明的共振器构造成使得能够在半导体工艺中制作的极精细结构体主要通过静电力来激励，且特别是对于梁型振动器，支持部形成为牢固结构且振动器的表面形成为平坦晶面，且振动能量散逸减小的具有高Q值的共振器由此被提供。该共振器可用作高密度集成的且载入便携无线终端的高频电路等。此外，其可以应用于通过机械共振的质量分析或者超声波段或声音波段内的光谱分析的医疗环境领域等的应用。
Claims (16)
1.一种振动器，由形成于单晶基板的背面内的腔体以及一振动器构成，该振动器形成为使得振动器的至少一个端部在该单晶基板的前表面和该腔体的底面之间的厚度内由支持部支持，其中该振动器的厚度小于该支持部的厚度，且该支持部相对于该振动器的梁的长度方向是不对称的。
2.一种共振器，包括：
单晶基板；
形成于该单晶基板的背面内的腔体，以及梁型振动器，该梁型振动器形成为使得振动器的至少一个端部在该单晶基板的前表面和该腔体的底面之间的厚度内由支持部支持；以及
电极，该电极施加静电力的激励力到该梁型振动器，
其中该振动器的厚度小于该支持部的厚度，且该支持部相对于该振动器的梁的长度方向是不对称的。
3.如权利要求2所述的共振器，其中多个该梁型振动器形成在该单晶基板的前表面和该腔体的底面之间的厚度内。
4.如权利要求2或3所述的共振器，其中该单晶基板为硅基板。
5.如权利要求4所述的共振器，其中该单晶基板为SOI基板的SOI层。
6.如权利要求4所述的共振器，其中该梁型振动器的截面形状为由{100}和{111}晶面围绕成的三角形形状。
7.如权利要求4所述的共振器，其中该梁型振动器的截面形状为由{100}和{111}晶面围绕成的梯形形状。
8.如权利要求2至7任意一项所述的共振器，其中该电极通过空气间隙与露出到该单晶基板的前表面的该梁型振动器的侧面的宽度方向的整个区域对向；以及
其中电容形成于该梁型振动器和该电极之间。
9.如权利要求8所述的共振器，其中在扭转共振器中，该振动器的导电性相对于该梁型振动器的梁的纵向方向的扭转中心轴是不对称的。
10.如权利要求2至7任意一项所述的共振器，其中该电极通过空气间隙与露出到该单晶基板的前表面的该梁型振动器的侧面的宽度方向的大致一半区域对向；以及
其中电容形成于该梁型振动器和该电极之间。
11.如权利要求2至10任意一项所述的共振器，其中该多个电极与该梁型振动器的共振模式阶数相对应地布置。
12.如权利要求2至11任意一项所述的共振器，其中该电极通过绝缘膜固定在该单晶基板的厚膜部上，该厚膜部布置在该腔体的外围边缘上。
13.如权利要求2至12任意一项所述的共振器，其中该梁型振动器为跨接梁且其梁的两个端部装备有支持部，该支持部由导电类型与该梁型振动器的导电类型相反的杂质扩散区形成，并且
该共振器还包括：
放大器，其中该梁型振动器用作沟道且由杂质扩散区形成的该支持部用作源极区和漏极区。
14.如权利要求2至13任意一项所述的共振器，包括电学并联布置的多个共振器。
15.如权利要求2至14任意一项所述的共振器，其中该振动器收纳在壳体内，在该壳体中，气氛被真空密封。
16.一种机电滤波器，构造成通过使用如权利要求2至15任意一项所述的共振器来通过或阻挡期望频带的信号。
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