JP2004243462A

JP2004243462A - Microelectromechanical system (mems) element

Info

Publication number: JP2004243462A
Application number: JP2003035471A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Tada; 正裕多田; Takashi Kinoshita; 隆木下
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2003-02-13
Filing date: 2003-02-13
Publication date: 2004-09-02

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To adjust the natural frequency (resonance frequency) of the vibrator in a MEMS element having a beam type vibrator. <P>SOLUTION: The MEMS element is provided with the beam type vibrator 15 having integrated rising portions or falling portions 15a, 15b so as to be opposed to a fixed side electrode 13. The natural frequency of the beam 15 is adjusted by controlling the vibration of the rising portions or falling portions 15a, 15b of the beam 15 by electrostatic force (electrostatic force caused by control electrodes 17A, 17B) or mechanical fixing force. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ビーム型振動子を有するＭＥＭＳ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、マイクロマシン（ＭＥＭＳ：ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ、超小型電気的・機械的複合体）素子、及びＭＥＭＳ素子を組み込んだ小型機器が、注目されている。ＭＥＭＳ素子の基本的な特徴は、機械的構造として構成されている駆動体が素子の一部に組み込まれていることであって、駆動体の駆動は、電極間のクーロン力などを応用して電気的に行われる。
【０００３】
一方、半導体プロセスによるマイクロマニシング技術を用いて形成された微小振動素子は、デバイスの占有面積が小さいこと、高いＱ値を実現できること、他の半導体デバイスとの集積が可能なこと、という特長により、無線通信デバイスの中でも高周波フィルタとしての利用がミシガン大学を始めとする研究機関から提案されている（非特許文献１参照）。
【０００４】
図１１は、非特許文献１に記載された高周波フィルタを構成する振動素子、即ちＭＥＭＳ素子による振動素子の概略を示す。この振動素子１は、半導体基板２上に絶縁膜３を介して固定側電極４が形成され、この固定側電極４に対向して空隙５を挟んで振動可能なビーム（所謂ビーム型振動子）６が形成さて成る。ビーム６は、導電性を有し、両端のアンカー部（支持部）８〔８Ａ，８Ｂ〕にて支持されるように、固定側電極４をブリッジ状に跨いで配置される。
この振動素子１は、例えば配線層７より入力端子ｔ_ＩＮ、固定側電極４より出力端子ｔ_ＯＵＴが導出される。
【０００５】
この振動素子１は、固定側電極４とビーム６との間にＤＣバイアス電圧が印加された状態で、入力端子ｔ_ＩＮを通じてビーム６高周波信号（電圧）が供給され，固定側電極４とビーム６間に生じる静電力でビーム６が振動する。この振動によって、固定側電極４とビーム６との間の容量の時間変化やＤＣ電圧に応じた信号が固定側電極から出力される。高周波フィルタではビームの固有振動数（共振周波数）に対応した信号が出力される。
【０００６】
なお、振動子を有する可動側櫛歯電極と固定側櫛歯電極を同一平面に対向して配置し、振動子を上記同一平面の両電極間方向（Ｘ方向）に振動可能にすると共に、振動子と基板間に静電力を利用して振動子の共振周波数を調整する振動調整用電極を設けて成る共振素子が、特許文献１に示されている。
【０００７】
【非特許文献１】
Ｃ．Ｔ．−Ｃ．Ｎｇｕｙｅｎ，”Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｆｏｒｍｉｎｉａｔｕｒｉｚｅｄｌｏｗ−ｐｏｗｅｒｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ（ｉｎｖｉｔｅｄｐｌｅｎａｒｙ），”ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，１９９９ＩＥＥＥＭＴＴ−ＳＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＭｉｃｒｏｗａｖｅＳｙｍｐｏｓｉｕｍＲＦＭＥＭＳＷｏｒｋｓｈｏｐ，Ｊｕｎｅ，１８，１９９９，ｐｐ．４８−７７．
【特許文献１】
特開２００１ー１９４１５１号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、これまで提案され、検証されてきたＭＥＭＳ素子による微小振動素子は、その振動子の共振周波数が、振動子（振動部）の幅を制御することで決定されていた。このため、同一基板（ウェハ）上に異なる周波数の振動素子を作成することができるが、製造プロセスの変動の影響を受けて、必ずしも狙い通りの周波数が得えられないのが現状である。
【０００９】
特に、振動素子の高周波化のためには、振動子の長さ、即ちビームの長さを縮小する必要があるが、ビームの長さを縮小した場合、アンカー領域の影響で高周波化が阻害されるものであった。さらに図面を参照して詳述する。図１０は、上述の振動素子のビーム構造のシミュレーションである。図９と対応する部分には同一符号を付して示す。ビーム６の共振周波数ｆＲは数１で表される。
【００１０】
【数１】

Ｌ：ビーム（振動子構造）の長さ
ｈ：ビーム（振動子構造）の厚さ
Ｅ：ヤング率
Ｋ：電磁カップリング係数
ρ：膜密度
【００１１】
図１３は、ビーム６の幅を２μｍとしたときの固有振動数のビーム長依存性を示すグラフである。実線Ｉは計算値、■印はシミュレーションによる値である。図１３から明らかなように、ビーム長Ｌが１０μｍ以下になる程、ビーム６の固有振動数〔ＭＨｚ〕が低下する。この理由は、図１４の模式図で示すようにビーム６のアンカー領域８〔８Ａ，８Ｂ〕の影響による。ビーム振動時のアンカー領域（厳密にはビーム６の立ち下がり部）の振動が影響し、低周波化することが検証された。
【００１２】
一方、従来の表面弾性波（ＳＡＷ）あるいは薄膜弾性波（ＦＢＡＲ）によるＧＨｚ領域のフィルタは、膜厚で周波数の制御をする為、製造プロセスの変動の影響を受けにくいものの、同一基板（ウェハ）上には同一の周波数のものしか得られない。
【００１３】
本発明は、上述の点に鑑み、振動子の固有振動数（共振周波数）の調整を可能にし、併せて同一の基板上に異なる固有振動数（共振周波数）を持つ振動子の作製を可能にした、ビーム型振動子を有したＭＥＭＳ素子を提供するものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るＭＥＭＳ素子は、固定側電極に対向して、立ち上がり部又は立ち下がり部が一体に設けられたビーム型振動子を有するＭＥＭＳ素子であって、
前記ビームの立ち下がり部又は立ち上がり部の振動を、静電力又は機械的な固定力で抑制して、ビームの固有振動数を調整可能にした構成とする。
静電力を生じたせるためには、立ち上がり部又は立ち下がり部に対向して制御電極を設けることができる。
機械的な固定力を生じさせるためには、立ち上がり部又は立ち下がり部に当接して、立ち上がり部又は立ち下がり部を押圧する固定部材、好ましくは圧電素子を設けることができる。
【００１５】
本発明のＭＥＭＳ素子においては、ビームの立ち上がり部又は立ち下がり部の振動を、静電力又は機械的な固定力で抑制するので、その静電力又は固定力に応じてビームの固有振動数が変えられる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１７】
図１は、本発明に係るビーム型振動子を有したＭＥＭＳ素子の一実施の形態を示す。
本実施の形態に係るＭＥＭＳ素子１１は、基板１２上に固定側電極１３を形成し、この固定側電極１３をブリッジ状に跨ぐように、両端を支持部（いわゆるアンカー部）１４〔１４Ａ，１４Ｂ〕で一体に支持したビーム型振動子（以下、単にビームという）１５を配置し、両支持部（アンカー部）１４Ａ及び１４Ｂ上に絶縁膜１６を介してビーム１５からの立ち下がり部１５ａ，１５ｂに近接対向するように、立ち下がり部１５ａ，１５ｂの振動を静電力で制御する制御電極１７〔１７Ａ，１７Ｂ〕を設けて成る。固定側電極１３とビーム１５とは、その間に形成された空隙１９により電気的に絶縁される。ビーム１５の立ち下がり部１５ａ，１５ｂと制御電極１７Ａ，１７Ｂ〕とは、その間に形成された空隙２０により電気的に絶縁される。固定側電極１３は、所要の導電性膜、本例では不純物を含有した多結晶シリコン膜により形成される。ビーム１５及び支持部１４〔１４Ａ，１４Ｂ〕は、所要の導電性膜、本例では不純物を含有した多結晶シリコン膜により一体に形成される。制御電極１７〔１７Ａ，１７Ｂ〕は、所要の導電性膜、本例では不純物を含有した多結晶シリコン膜により一体に形成される。ビーム１５に一体の一方の支持部１４Ａ上には、配線層１８が接続される。固定側電極１３には、図示せざるも配線層が一体に接続される。
【００１８】
基板１２は、例えばシリコン（Ｓｉ）やガリウム砒素（ＧａＡｓ）などの半導体基板上に絶縁膜を形成した基板、石英基板やガラス基板のような絶縁性基板等が用いられる。本例では、シリコン基板２１上にシリコン酸化膜２２及びシリコン窒化膜２３を積層した基板１２が用いられる。絶縁膜１６は、例えばシリコン窒化膜、シリコン酸化膜などの所要の絶縁膜が用いられる。
【００１９】
本実施の形態に係るＭＥＭＳ素子１１では、当初のビーム１５を、その固有振動数が設計値より低くなるように形成して置く。この当初の固有振動数の設定は、ビームの長さ、幅、膜厚等、好ましくは長さ、幅等を制御してなされる。このＭＥＭＳ素子１１は、制御電極１７〔１７Ａ，１７Ｂ〕とビーム１５との間に所要の制御電圧を印加して、ビーム１５の固有振動数が設計値となるように調整される。即ち、図２に示すように、制御電極１７〔１７Ａ，１７Ｂ〕とビーム１５との間に所要の制御電圧が印加されると、発生する静電力によりビーム１５の立ち下がり部１５ａ，１５ｂが制御電極１７〔１７Ａ，１７Ｂ〕側に引きつけられる。このため、立ち下がり部１５ａ，１５ｂの振動（図の横方向の振動）が抑制されることになり、ビーム１５の固有振動数（共振周波数）が高くなる方向に可変調整される。
【００２０】
このように本実施の形態のＭＥＭＳ素子１１によれば、制御電極１７〔１７Ａ，１７Ｂ〕に印加する制御電圧に応じて、ビーム１５の固有振動数を変えることができる。従って、製造プロセスでのビーム１５の成膜、パターニングのばらつきによるビーム１５の長さ、幅、膜厚にばらつきが生じても、作製後の制御電極１７による調整によりビーム１５の固有振動数を設計値通りとしたＭＥＭＳ素子１１が得られる。また、基板（ウェハ）内で異なる固有振動数を持つ複数のＭＥＭＳ素子１１を一括して作製することができる。
【００２１】
このＭＥＭＳ素子１１は、例えば高周波フィルタの振動子として適用することができ、所望の共振周波数を有する振動子が得られる。この場合、固定電極１３の配線層に出力端子又は入力端子、本例では出力端子ｔ_ＯＵＴが導出され、ビーム１５の配線層１８に入力端子又は出力端子、本例では入力端子ｔ_ＩＮ導出される。高周波フィルタの振動子に適用されたＭＥＭＳ素子１１の動作は、前述と同様である。
【００２２】
図３は、本発明に係るビーム型振動子を有したＭＥＭＳ素子の他の実施の形態を示す。
本実施の形態に係るＭＥＭＳ素子２５は、基板１２上に固定側電極１３を形成し、この固定側電極１３をブリッジ状に跨ぐように、両支持部（いわゆるアンカー部）１４〔１４Ａ，１４Ｂ〕で一体に支持したビーム１５を配置し、両支持部１４Ａ及び１４Ｂ上にビーム１５の立ち下がり部１５ａ及び１５ｂに当接して機械的な固定力を発生させるための固定部材２６〔２６Ａ，２６Ｂ〕を設けて成る。固定側電極１３とビーム１５とは、その間に形成された空隙１９により電気的に絶縁される。固定部材２６は、絶縁膜２７、例えばシリコン窒化膜、シリコン酸化膜等により被覆される。ビーム１５に一体の一方の支持部１４Ａ上には、配線層１８が接続される。固定側電極１３には、図示せざるも配線層が一体に接続される。固定部材２６は、ビーム１５の立ち下がり部１５ａ及び１５ｂを機械的に押さえて、立ち下がり部１５ａ，１５ｂの振動（図の横方向の振動）を抑制するためのもので、本例では圧電素子が用いられる。固定部材となる圧電素子２６は、例えばＬｉＴａＯ３等の圧電材料３０の上下あるいは左右に、本例では上下に電極３０Ａ，３０Ｂを有して成り、電極３０Ａ，３０Ｂに電圧を印加したときに圧電材料３０がビーム方向に歪む、即ち圧電材料３０が立ち上がり部１５ａ，１５ｂ側に伸びるように構成される。印加電圧が大きくなる程、圧電素子２６による立ち上がり部に対する押圧力が大きくなり、立ち下がり部１５ａ，１５ｂの振動が抑えられる。
【００２３】
基板１２、固定側電極１３、ビーム１５及び支持部１４〔１４Ａ，１４Ｂ〕等は、上述と同様に構成される。本例では、基板１２はシリコン基板２１上にシリコン酸化膜２２及びシリコン窒化膜２３を積層した基板が用いられ、固定側電極１３は不純物を含有させた多結晶シリコン膜で形成され、ビーム１５及び支持部１４〔１４Ａ，１４Ｂ〕は同じく不純物を含有させた多結晶シリコン膜で形成される。
【００２４】
本実施の形態に係るＭＥＭＳ素子２５では、上述と同様に当初のビーム１５を、その固有振動数が設計値より低くなるように形成して置く。このＭＥＭＳ素子２５は、圧電素子２６〔２６Ａ，２６Ｂ〕に制御電圧を印加して、ビーム１５の固有振動数が設計値となるように調整される。即ち、図４に示すように、圧電素子２６〔２６Ａ，２６Ｂ〕の所要の電圧が印加されると、圧電材料がビーム１５側に歪み（伸びて）立ち下がり部１５ａ，１５ｂを機械的に押圧し、その押圧力（固定力）により立ち下がり部１５ａ，１５ｂの振動が抑制されることになり、部１５の固有振動数（共振周波数）が高くなる方向に可変調整される。
【００２５】
このように、本実施の形態のＭＥＭＳ素子２５によれば、圧電素子２６〔２６Ａ，２６Ｂ〕に印加する制御電圧に応じて、ビーム１５の固有振動数を変えることができる。従って、製造プロセスでのビーム１５の成膜、パターニングのばらつきによるビームの長さ、幅、膜圧電素子にばらつき生じても、作製後の圧電素子２６による調整によりビーム１５の固有振動数を設計値通りとしたＭＥＭＳ素子２５が得られる。また、基板（ウェハ）内で異なる固有振動数を持つ複数のＭＥＭＳ素子２５を一括して作製することができる。
【００２６】
このＭＥＭＳ素子２５は、上述と同様に例えば高周波フィルタの振動子として適用することができ、所望の共振周波数を有する振動子が得られる。
【００２７】
図５は、本発明に係るビーム型振動子を有したＭＥＭＳ素子の他の実施の形態を示す。本実施の形態に係るＭＥＭＳ素子２８は、基板１２上に固定側電極１３を形成し、固定側電極１３の上方に固定側電極１３を挟むように絶縁膜３０を介して制御電極２９〔２９Ａ，２９Ｂ〕を形成し、固定側電極１３に近接対向し、制御電極２９〔２９Ａ，２９Ｂ〕上面の絶縁膜３０上を経て固定側電極１３をブリッジ状に跨ぐように、両端を支持部１４〔１４Ａ，１４Ｂ〕で一体に支持したビーム１５を配置して成る。制御電極２９〔２９Ａ，２９Ｂ〕は、前述の制御電極１７〔１７Ａ，１７Ｂ〕と同様に、夫々ビーム１５の立ち上がり部１５ｃ及び１５ｄに近接対向しており、制御電極２９により発生する静電力で立ち上がり部１５ｃ，１５ｄの振動（図の横方向の振動）を制御する機能を有する。ビーム１５と固定側電極１３とは、その間に形成された空隙１９により電気的に絶縁され、ビーム１５の立ち上がり部１５ｃ，１５ｄと制御電極２９〔２９Ａ，２９Ｂ〕とは、その間に形成された空隙２０により電気的に絶縁される。ビーム１５に一体の一方の支持部１４Ａ上には、配線層１８が接続される。固定側電極１３には、図示せざるも配線層が一体に接続される。
【００２８】
基板１２、固定側電極１３、ビーム１５及び支持部１４〔１４Ａ，１４Ｂ〕、制御電極２９〔２９Ａ，２９Ｂ〕等は、上述と同様に構成される。本例では、基板１２はシリコン基板２１上にシリコン酸化膜２２及びシリコン窒化膜２３を積層した基板が用いられ、固定側電極１３は不純物を含有させた多結晶シリコン膜で形成され、ビーム１５及び支持部１４〔１４Ａ，１４Ｂ〕は同じく不純物を含有させた多結晶シリコン膜で形成される。制御電極２９〔２９Ａ，２９Ｂ〕は、同じく不純物を含有させた多結晶シリコン膜で形成される。
【００２９】
本実施の形態に係るＭＥＭＳ素子２８では、当初のビーム１５を、上述と同様にその固有振動数が設計値より低くなるように形成して置く。このＭＥＭＳ素子２８では、制御電極２９〔２９Ａ，２９Ｂ〕とビーム１５との間に所要の制御電圧を印加して、ビーム１５の固有振動数が設計値となるように調整される。即ち、図６に示すように、制御電極２９〔２９Ａ，２９Ｂ〕とビーム１５との間に所要の制御電圧が印加されると、発生した静電力によりビーム１５の立ち上がり部１５ｃ及び１５ｄが制御電極２９〔２９Ａ，２９Ｂ〕側に引きつけられる。このため、立ち上がり部１５ｃ，１５ｄの振動が抑制されることになり、ビーム１５の固有振動数（共振周波数）が高くなる方向に調整される。
【００３０】
このように本実施の形態のＭＥＭＳ素子２８によれば、制御電極２９〔２９Ａ，２９Ｂ〕に印加する制御電圧に応じて、ビーム１５の固有振動数を変えることができる。従って、製造プロセスでのビーム１５の成膜、パターニングのばらつきによるビーム１５の長さ、幅、膜厚にばらつきが生じても、作製後の制御電極１７による調整によりビーム１５の固有振動数を設計値通りとしたＭＥＭＳ素子１１が得られる。また、基板（ウェハ）内で異なる固有振動数を持つ複数のＭＥＭＳ素子１１を一括して作製することができる。
【００３１】
このＭＥＭＳ素子２８は、例えば高周波フィルタの振動子として適用することができ、所望の共振周波数を有する振動子が得られる。この場合、固定電極１３の配線層に出力端子又は入力端子、本例では出力端子ｔ_ＯＵＴが導出され、ビーム１５の配線層１８に入力端子又は出力端子、本例では入力端子ｔ_ＩＮ導出される。高周波フィルタの振動子に適用されたＭＥＭＳ素子２８の動作は、前述と同様である。
【００３２】
図７〜図１０は、本発明のビーム型振動子を有するＭＥＭＳ素子の製造方法の一実施の形態を示す。本例は上述の図１のＭＥＭＳ素子１１の製造に適用した場合である。
【００３３】
先ず、図７Ａに示すように、半導体基板、例えばシリコン基板２１上に、絶縁膜、例えばシリコン酸化（ＳｉＯ_２）膜２２及びシリコン窒化（ＳｉＮ）膜２３を減圧ＣＶＤ（化学気相成長）法により形成して基板１２を形成する。
次に、図７Ｂに示すように、基板１２上に不純物の例えばリン（Ｐ）を含有した多結晶シリコン膜を形成した後、リソグラフィ技術を用いてレジストマスクを形成し、ドライエッチング装置によりこの多結晶シリコン膜をパターニングして、多結晶シリコン膜による固定側電極１３を形成する。
【００３４】
次に、図７Ｃに示すように、固定側電極１３を含む基板１２上に犠牲層材料膜、例えばシリコン酸化（ＳｉＯ_２）膜を減圧ＣＶＤ法により形成した後、リソグラフィ技術を用いてレジストマスクを形成し、ドライエッチング装置によりシリコン酸化膜をパターニングして、固定側電極１３表面のみを被覆するシリコン酸化膜による第１の犠牲層３２を形成する。
【００３５】
次に、図８Ｄに示すように、犠牲層３２を含む基板１２上に減圧ＣＶＤ法により導電性膜となる例えばリン（Ｐ）を含有した多結晶シリコン膜を形成し、リソグラフィ技術を用いてレジストマスクを形成し、ドライエッチング装置によりこの多結晶シリコン膜を犠牲層３２の上面及び側面と一部基板１２上に延長するようにパターニングし、多結晶シリコン膜によるビーム１５と、その両端のビーム１５からの立ち下がり部１５ａ，１５ｂと、支持部１４〔１４Ａ，１４Ｂ〕とを一体に形成する。
【００３６】
次に、図８Ｅに示すように、ビーム１５及び支持部１４〔１４Ａ，１４Ｂ〕を含む基板１２上に犠牲層材料膜、例えばシリコン酸化（ＳｉＯ_２）膜を減圧ＣＶＤ法により形成した後、リソグラフィ技術を用いてレジストマスクを形成し、ドライエッチング装置によりシリコン酸化膜をパターニングして、ビーム１５上面及び立ち下がり部１５ａ，１５ｂの表面のみを被覆するシリコン酸化膜による第２の犠牲層３３を形成する。
【００３７】
次に、図９Ｆに示すように、全面に絶縁膜の例えばシリコン窒化膜１６を減圧ＣＶＤ法により形成した後、リソグラフィ技術を用いてレジストマスクを形成し、ドライエッチング装置によりシリコン窒化膜１６をパターニングし、第２の犠牲層３３を除く部分のみにシリコン窒化膜１６を残す。
【００３８】
次に、図９Ｇに示すように、全面に不純物の例えばリン（Ｐ）を含有する多結晶シリコン膜を減圧ＣＶＤ法により形成した後、リソグラフィ技術を用いてレジストマスクを形成し、ドライエッチング装置によりこの多結晶シリコン膜をパターニングし、両支持部１４Ａ及び１４Ｂに対応するシリコン窒化膜１６上にビーム１５からの立ち下がり部１５ａ，１５ｂと第２の犠牲層３３を挟んで対向する多結晶シリコン膜による制御電極１７〔１７Ａ，１７Ｂ〕を形成する。
【００３９】
次に、図１０Ｈに示すように、一方の支持部１４Ａの一部が露出するようにシリコン窒化膜１６を選択的にエッチング除去する。次いで、全面に金属、例えばＡｕのシード層を形成した後、フォトリソグラフィ技術を用いてシード層上に配線形状に開口を有するレジストマスクを形成し、開口に臨むシード層上に同金属の例えばＡｕメッキ層を形成する。その後、レジストマスクを除去し、全面エッチバックしてパッド部を含む配線層１８を形成する。この配線層１８は一部支持部１４Ａ上に接続して形成される。
【００４０】
次に、図１０Ｉに示すように、例えばＢＨＦ溶液等のシリコン酸化（ＳｉＯ_２）膜を選択的に除去する溶液により、第１及び第２の犠牲層３２及び３３を除去し、ビーム１５、立ち下がり部１５ａ及び１５ｂと、固定側電極１３との間に空隙１９を形成すると共に、制御電極１７〔１７Ａ，１７Ｂ〕と、立ち下がり部１５ａ及び１５ｂとの間に空隙２０を形成して、目的のＭＥＭＳ素子１１を得る。
【００４１】
本実施の形態に係るＭＥＭＳ素子の製造方法によれば、図１に示すＭＥＭＳ素子１１を精度よく且つ容易に製造することができる。
【００４２】
上例では、ビームの固有振動数を設計値になるように可変調整する場合に適用したが、その他、ビームの固有振動数を適宜変更する場合の可変調整にも適用できる。
また、本発明のＭＥＭＳ素子は、フィルタ素子以外の用途において、振動数を変える必要のあるものにも適用することができる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明のＭＥＭＳ素子においては、ビームの立ち上がり部又は立ち下がり部の振動を、静電力又は機械的な固定力で抑制するので、その静電力又は固定力に応じてビームの固有振動数が変えられる。
【００４４】
本発明に係るＭＥＭＳ素子によれば、ビームの立ち上がり部又は立ち下がり部の振動を、静電力又は機械的な固定力で抑制するので、静電力又は固定力に応じてビームの固有振動数を可変調整することができる。
本発明に係るＭＥＭＳ素子によれば、ビームの立ち上がり部又は立ち下がり部に対向して静電力を発生させるための制御電極を設けるときは、制御電極に印加する制御電圧に応じて、ビームの固有振動数を可変調整することができる。
本発明に係るＭＥＭＳ素子によれば、ビームの立ち上がり部又は立ち下がり部に当接して機械的な固定力を発生させる固定部材を設けるときは、固定部材で立ち上がり部又は立ち下がり部を押圧する力（固定力）で立ち上がり部又は立ち下がり部の振動が抑制されるので、その押圧力（固定力）に応じてビームの固有振動数を可変調整することができる。
固定部材として圧電素子を用いるときは、圧電素子の電極に制御電圧が印加されると、圧電素子の圧電材料が歪み（ビーム側に伸び）立ち上がり部又は立ち下がり部への固定力で立ち上がり部又は立ち下がり部の振動が抑制されるので、圧電素子に印加する制御電圧に応じてビームの固有振動数を可変調整することができる。
【００４５】
従って、製造プロセスでのビームの成膜、パターニングのばらつきによるビームの長さ、幅、膜厚にばらつきが生じても、作製後の静電力又は機械的な固定力による調整によりビームの固有振動数を設計値通りとすることができる。また、基板（ウェハ）内で異なる固有振動数を持つ複数のＭＥＭＳ素子を一括して作製することができる。
本発明のＭＥＭＳ素子は、例えば高周波フィルタの振動子として適用することができ、所望の共振周波数を有する振動子を提供することがでる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るＭＥＭＳ素子の一実施の形態を示す構成図である。
【図２】図１のＭＥＭＳ素子の動作説明図である。
【図３】本発明に係るＭＥＭＳ素子の他の実施の形態を示す構成図である。
【図４】図３のＭＥＭＳ素子の動作説明図である。
【図５】本発明に係るＭＥＭＳ素子の他の実施の形態を示す構成図である。
【図６】図５のＭＥＭＳ素子の動作説明図である。
【図７】Ａ〜Ｃ本発明に係るＭＥＭＳ素子の製造方法の一実施の形態を示す製造工程図（その１）である。
【図８】Ｄ〜Ｅ本発明に係るＭＥＭＳ素子の製造方法の一実施の形態を示す製造工程図（その２）である。
【図９】Ｆ〜Ｇ本発明に係るＭＥＭＳ素子の製造方法の一実施の形態を示す製造工程図（その３）である。
【図１０】Ｈ〜Ｉ本発明に係るＭＥＭＳ素子の製造方法の一実施の形態を示す製造工程図（その４）である。
【図１１】従来のＭＥＭＳ素子を利用した振動素子の例を示す構成図である。
【図１２】図９の振動素子のビーム型振動子のシミュレーション図である。
【図１３】ビーム型振動子の固有振動数のビーム長依存性を示すグラフである。
【図１４】ビームの固有振動数が低減化を説明するための振動素子の模式図である。
【符号の説明】
１１、２５、２８・・・ビーム型振動子を有するＭＥＭＳ素子、１２・・・基板１３・・・固定側電極、１４〔１４Ａ，１４Ｂ〕・・・支持部、１５・・・ビーム、１５ａ，１５ｂ・・・立ち下がり部、１５ｃ立ち上がり部、１６・・・絶縁膜、１７〔１７Ａ，１７Ｂ〕、２９〔２９Ａ，２９Ｂ〕・・・制御電極、１８・・・配線層、１９、２０・・・空隙、２１・・・シリコン基板、２２・・・シリコン酸化膜、２３・・・シリコン窒化膜、２６〔２６Ａ，２６Ｂ〕・・・圧電素子、２７・・・絶縁膜、３２、３３・・・犠牲層[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a MEMS device having a beam type vibrator.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, a micromachine (MEMS: Micro Electro Mechanical Systems) element and a small device incorporating a MEMS element have attracted attention. The basic feature of the MEMS element is that a driver configured as a mechanical structure is incorporated in a part of the element, and the driver is driven by applying Coulomb force between electrodes and the like. It is done electrically.
[0003]
On the other hand, micro-vibration elements formed using micro-machining technology based on semiconductor processes are characterized by the small area occupied by the device, high Q value, and integration with other semiconductor devices. Among wireless communication devices, use as a high-frequency filter has been proposed by research institutions such as the University of Michigan (see Non-Patent Document 1).
[0004]
FIG. 11 schematically shows a vibrating element constituting a high-frequency filter described in Non-Patent Document 1, that is, a vibrating element using a MEMS element. In the vibrating element 1, a fixed-side electrode 4 is formed on a semiconductor substrate 2 via an insulating film 3, and a beam (a so-called beam-type vibrator) that can vibrate across a gap 5 in opposition to the fixed-side electrode 4. 6 is formed. The beam 6 has conductivity, and is arranged so as to straddle the fixed-side electrode 4 in a bridge shape so as to be supported by anchor portions (support portions) 8 [8A, 8B] at both ends.
In the vibration element 1, for example, an input terminal t _IN is derived from the wiring layer 7, and an output terminal t _OUT is derived from the fixed electrode 4.
[0005]
The vibrating element 1 is supplied with a beam 6 high-frequency signal (voltage) through the input terminal t _IN in a state where a DC bias voltage is applied between the fixed-side electrode 4 and the beam 6. The beam 6 vibrates due to the electrostatic force generated therebetween. Due to this vibration, a signal corresponding to the time change of the capacitance between the fixed electrode 4 and the beam 6 and the DC voltage is output from the fixed electrode. The high frequency filter outputs a signal corresponding to the natural frequency (resonance frequency) of the beam.
[0006]
A movable comb electrode and a fixed comb electrode having a vibrator are arranged opposite to each other on the same plane to enable the vibrator to vibrate in the direction (X direction) between both electrodes on the same plane. Patent Document 1 discloses a resonance element including a vibration adjusting electrode that adjusts the resonance frequency of a vibrator using electrostatic force between a vibrator and a substrate.
[0007]
[Non-patent document 1]
C. T. -C. Nguyen, "Micromechanical components for minimized low-power communications (invited plenary),""procedings, 1999 IEEE MTT-SME International Society of Microwaves. 48-77.
[Patent Document 1]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-194151
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the micro-vibration element based on the MEMS element that has been proposed and verified, the resonance frequency of the vibrator is determined by controlling the width of the vibrator (vibrating part). For this reason, vibration elements having different frequencies can be formed on the same substrate (wafer). However, at present, a desired frequency cannot always be obtained due to the influence of fluctuations in the manufacturing process.
[0009]
In particular, in order to increase the frequency of the vibration element, it is necessary to reduce the length of the vibrator, that is, the length of the beam. However, when the length of the beam is reduced, the increase in the frequency is hindered by the influence of the anchor region. Was something. Further details will be described with reference to the drawings. FIG. 10 is a simulation of the beam structure of the above-described vibration element. Parts corresponding to those in FIG. 9 are denoted by the same reference numerals. The resonance frequency fR of the beam 6 is expressed by Equation 1.
[0010]
(Equation 1)

L: length of beam (vibrator structure) h: thickness of beam (vibrator structure) E: Young's modulus K: electromagnetic coupling coefficient ρ: film density
FIG. 13 is a graph showing the dependence of the natural frequency on the beam length when the width of the beam 6 is 2 μm. The solid line I is a calculated value, and the symbol ■ is a value obtained by simulation. As is clear from FIG. 13, the natural frequency [MHz] of the beam 6 decreases as the beam length L becomes 10 μm or less. This is due to the influence of the anchor area 8 [8A, 8B] of the beam 6, as shown in the schematic diagram of FIG. It was verified that the vibration of the anchor area (strictly, the falling part of the beam 6) at the time of the beam vibration affected and the frequency was lowered.
[0012]
On the other hand, a conventional filter in the GHz range using a surface acoustic wave (SAW) or a thin film elastic wave (FBAR) controls the frequency by the film thickness, so that it is hardly affected by fluctuations in the manufacturing process, but the same substrate (wafer). Only those with the same frequency can be obtained above.
[0013]
In view of the above, the present invention enables adjustment of the natural frequency (resonance frequency) of a vibrator, and also enables production of a vibrator having a different natural frequency (resonance frequency) on the same substrate. To provide a MEMS element having a beam-type vibrator.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
The MEMS element according to the present invention is a MEMS element having a beam-type vibrator in which a rising portion or a falling portion is integrally provided, facing the fixed-side electrode,
Vibration at the falling portion or rising portion of the beam is suppressed by electrostatic force or mechanical fixing force, so that the natural frequency of the beam can be adjusted.
In order to generate an electrostatic force, a control electrode can be provided opposite to the rising portion or the falling portion.
In order to generate a mechanical fixing force, it is possible to provide a fixing member, preferably a piezoelectric element, which comes into contact with the rising portion or the falling portion and presses the rising portion or the falling portion.
[0015]
In the MEMS device of the present invention, since the vibration of the rising portion or the falling portion of the beam is suppressed by the electrostatic force or the mechanical fixing force, the natural frequency of the beam can be changed according to the electrostatic force or the fixing force. .
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0017]
FIG. 1 shows an embodiment of a MEMS device having a beam type vibrator according to the present invention.
In the MEMS element 11 according to the present embodiment, the fixed-side electrode 13 is formed on the substrate 12, and both ends are supported by support portions (so-called anchor portions) 14 [14A, 14B so as to straddle the fixed-side electrode 13 in a bridge shape. And a falling

portion

15a, 15b from the beam 15 via an insulating film 16 on both support portions (anchor portions) 14A and 14B. And a control electrode 17 [17A, 17B] for controlling the vibration of the falling

portions

15a, 15b by electrostatic force. The fixed side electrode 13 and the beam 15 are electrically insulated by a gap 19 formed therebetween. The falling

portions

15a, 15b of the beam 15 and the

control electrodes

17A, 17B] are electrically insulated by the gap 20 formed therebetween. The fixed electrode 13 is formed of a required conductive film, in this example, a polycrystalline silicon film containing impurities. The beam 15 and the support 14 [14A, 14B] are integrally formed of a required conductive film, in this example, a polycrystalline silicon film containing impurities. The control electrodes 17 [17A, 17B] are integrally formed of a required conductive film, in this example, a polycrystalline silicon film containing impurities. A wiring layer 18 is connected to one support portion 14A integral with the beam 15. A wiring layer (not shown) is integrally connected to the fixed electrode 13.
[0018]
As the substrate 12, for example, a substrate in which an insulating film is formed on a semiconductor substrate such as silicon (Si) or gallium arsenide (GaAs), or an insulating substrate such as a quartz substrate or a glass substrate is used. In this example, a substrate 12 in which a silicon oxide film 22 and a silicon nitride film 23 are stacked on a silicon substrate 21 is used. As the insulating film 16, a required insulating film such as a silicon nitride film or a silicon oxide film is used.
[0019]
In the MEMS element 11 according to the present embodiment, the initial beam 15 is formed so that its natural frequency is lower than a design value. The initial setting of the natural frequency is performed by controlling the length, width, film thickness, etc. of the beam, preferably the length, width, etc. The MEMS element 11 is adjusted such that a required control voltage is applied between the control electrode 17 [17A, 17B] and the beam 15 so that the natural frequency of the beam 15 becomes a design value. That is, as shown in FIG. 2, when a required control voltage is applied between the control electrode 17 [17A, 17B] and the beam 15, the falling

portions

15a, 15b of the beam 15 are controlled by the generated electrostatic force. It is attracted to the electrode 17 [17A, 17B] side. Therefore, the vibrations of the falling

portions

15a and 15b (lateral vibrations in the drawing) are suppressed, and the natural frequency (resonance frequency) of the beam 15 is variably adjusted in a direction to increase.
[0020]
As described above, according to the MEMS element 11 of the present embodiment, the natural frequency of the beam 15 can be changed according to the control voltage applied to the control electrode 17 [17A, 17B]. Therefore, even if the length, width, and film thickness of the beam 15 vary due to variations in the film formation and patterning of the beam 15 in the manufacturing process, the natural frequency of the beam 15 is designed by adjustment by the control electrode 17 after fabrication. The MEMS element 11 having the value is obtained. In addition, a plurality of MEMS elements 11 having different natural frequencies within a substrate (wafer) can be manufactured collectively.
[0021]
The MEMS element 11 can be applied, for example, as a vibrator of a high-frequency filter, and a vibrator having a desired resonance frequency can be obtained. In this case, an output terminal or an input terminal, in this example, an output terminal t _OUT is derived from the wiring layer of the fixed electrode 13, and an input terminal or an output terminal, in this example, the input terminal t _{IN is} derived from the wiring layer 18 of the beam 15. . The operation of the MEMS element 11 applied to the vibrator of the high frequency filter is the same as described above.
[0022]
FIG. 3 shows another embodiment of the MEMS device having the beam type vibrator according to the present invention.
In the MEMS element 25 according to the present embodiment, the fixed-side electrode 13 is formed on the substrate 12, and both support portions (so-called anchor portions) 14 [14A, 14B] so as to straddle the fixed-side electrode 13 in a bridge shape. A fixing member 26 [26A, 26B] for generating a mechanical fixing force by contacting the falling

parts

15a and 15b of the beam 15 on both the supporting

parts

14A and 14B by disposing the beam 15 integrally supported by Is provided. The fixed side electrode 13 and the beam 15 are electrically insulated by a gap 19 formed therebetween. The fixing member 26 is covered with an insulating film 27, for example, a silicon nitride film, a silicon oxide film, or the like. A wiring layer 18 is connected to one support portion 14A integral with the beam 15. A wiring layer (not shown) is integrally connected to the fixed electrode 13. The fixing member 26 is for mechanically pressing down the falling

portions

15a and 15b of the beam 15 to suppress vibrations (lateral vibrations in the drawing) of the falling

portions

15a and 15b. Is used. The piezoelectric element 26 serving as a fixing member has

electrodes

30A and 30B on the upper and lower sides or right and left sides of a piezoelectric material 30 such as LiTaO3, for example, and in this example, upper and lower electrodes, and when a voltage is applied to the

electrodes

30A and 30B, The piezoelectric material 30 is configured to be distorted in the beam direction, that is, the piezoelectric material 30 extends toward the rising

portions

15a and 15b. As the applied voltage increases, the pressing force of the piezoelectric element 26 on the rising portion increases, and the vibration of the falling

portions

15a and 15b is suppressed.
[0023]
The substrate 12, the fixed-side electrode 13, the beam 15, and the support portions 14 [14A, 14B] are configured in the same manner as described above. In this example, a substrate 12 is used in which a silicon oxide film 22 and a silicon nitride film 23 are stacked on a silicon substrate 21, the fixed electrode 13 is formed of a polycrystalline silicon film containing impurities, The supporting portions 14 [14A, 14B] are also formed of a polycrystalline silicon film containing impurities.
[0024]
In the MEMS element 25 according to the present embodiment, the initial beam 15 is formed and placed so that its natural frequency is lower than the design value, as described above. The MEMS element 25 is adjusted such that a control voltage is applied to the piezoelectric element 26 [26A, 26B] so that the natural frequency of the beam 15 becomes a design value. That is, as shown in FIG. 4, when a required voltage of the piezoelectric element 26 [26A, 26B] is applied, the piezoelectric material mechanically presses the falling

portions

15a, 15b toward the beam 15 by strain (extending). Then, the vibration of the falling

portions

15a and 15b is suppressed by the pressing force (fixing force), and the natural frequency (resonance frequency) of the portion 15 is variably adjusted in a direction to increase.
[0025]
As described above, according to the MEMS element 25 of the present embodiment, the natural frequency of the beam 15 can be changed according to the control voltage applied to the piezoelectric element 26 [26A, 26B]. Therefore, even if the beam length, width, and film piezoelectric element vary due to variations in film formation and patterning of the beam 15 in the manufacturing process, the natural frequency of the beam 15 is adjusted to the design value by adjustment by the piezoelectric element 26 after fabrication. As a result, the MEMS element 25 is obtained. In addition, a plurality of MEMS elements 25 having different natural frequencies can be collectively manufactured in a substrate (wafer).
[0026]
This MEMS element 25 can be applied, for example, as a vibrator of a high-frequency filter in the same manner as described above, and a vibrator having a desired resonance frequency can be obtained.
[0027]
FIG. 5 shows another embodiment of the MEMS device having the beam type vibrator according to the present invention. In the MEMS element 28 according to the present embodiment, the fixed electrode 13 is formed on the substrate 12, and the control electrode 29 [29 A, 29 A, 29B], and is opposed to the fixed-side electrode 13 so as to bridge the fixed-side electrode 13 via the insulating film 30 on the upper surface of the control electrode 29 [29A, 29B]. , 14B]. The control electrodes 29 [29A, 29B] are in close proximity to the rising portions 15c and 15d of the beam 15, similarly to the above-described control electrodes 17 [17A, 17B], and rise by the electrostatic force generated by the control electrodes 29. It has a function of controlling the vibrations (horizontal vibrations in the drawing) of the parts 15c and 15d. The beam 15 and the fixed-side electrode 13 are electrically insulated by a gap 19 formed therebetween, and the rising portions 15c and 15d of the beam 15 and the control electrode 29 [29A, 29B] are separated by a gap formed therebetween. 20 electrically insulates. A wiring layer 18 is connected to one support portion 14A integral with the beam 15. A wiring layer (not shown) is integrally connected to the fixed electrode 13.
[0028]
The substrate 12, the fixed-side electrode 13, the beam 15, the support 14 [14A, 14B], the control electrode 29 [29A, 29B], and the like are configured in the same manner as described above. In this example, a substrate 12 is used in which a silicon oxide film 22 and a silicon nitride film 23 are stacked on a silicon substrate 21, the fixed electrode 13 is formed of a polycrystalline silicon film containing impurities, The supporting portions 14 [14A, 14B] are also formed of a polycrystalline silicon film containing impurities. The control electrode 29 [29A, 29B] is formed of a polycrystalline silicon film also containing impurities.
[0029]
In the MEMS element 28 according to the present embodiment, the initial beam 15 is formed and placed so that its natural frequency is lower than the design value, as described above. In the MEMS element 28, a required control voltage is applied between the control electrode 29 [29A, 29B] and the beam 15 so that the natural frequency of the beam 15 is adjusted to a design value. That is, as shown in FIG. 6, when a required control voltage is applied between the control electrode 29 [29A, 29B] and the beam 15, the rising portions 15c and 15d of the beam 15 are controlled by the generated electrostatic force. It is attracted to the 29 [29A, 29B] side. Therefore, the vibration of the rising portions 15c and 15d is suppressed, and the beam 15 is adjusted in a direction in which the natural frequency (resonance frequency) increases.
[0030]
As described above, according to the MEMS element 28 of the present embodiment, the natural frequency of the beam 15 can be changed according to the control voltage applied to the control electrode 29 [29A, 29B]. Therefore, even if the length, width, and film thickness of the beam 15 vary due to variations in the film formation and patterning of the beam 15 in the manufacturing process, the natural frequency of the beam 15 is designed by adjustment by the control electrode 17 after fabrication. The MEMS element 11 having the value is obtained. In addition, a plurality of MEMS elements 11 having different natural frequencies within a substrate (wafer) can be manufactured collectively.
[0031]
This MEMS element 28 can be applied, for example, as a vibrator of a high-frequency filter, and a vibrator having a desired resonance frequency can be obtained. In this case, an output terminal or an input terminal, in this example, an output terminal t _OUT is derived from the wiring layer of the fixed electrode 13, and an input terminal or an output terminal, in this example, the input terminal t _{IN is} derived from the wiring layer 18 of the beam 15. . The operation of the MEMS element 28 applied to the vibrator of the high frequency filter is the same as described above.
[0032]
7 to 10 show one embodiment of a method for manufacturing a MEMS device having the beam type vibrator of the present invention. This example is a case where the present invention is applied to the manufacture of the MEMS element 11 of FIG.
[0033]
First, as shown in FIG. 7A, an insulating film, for example, a silicon oxide (SiO ₂ ) film 22 and a silicon nitride (SiN) film 23 are formed on a semiconductor substrate, for example, a silicon substrate 21 by a low pressure CVD (chemical vapor deposition) method. Then, the substrate 12 is formed.
Next, as shown in FIG. 7B, after forming a polycrystalline silicon film containing an impurity such as phosphorus (P) on the substrate 12, a resist mask is formed using lithography technology, and the polycrystalline silicon film is formed using a dry etching apparatus. The crystalline silicon film is patterned to form a fixed electrode 13 of a polycrystalline silicon film.
[0034]
Next, as shown in FIG. 7C, a sacrificial layer material film, for example, a silicon oxide (SiO ₂ ) film is formed on the substrate 12 including the fixed electrode 13 by a low pressure CVD method, and a resist mask is formed by a lithography technique. Then, the silicon oxide film is patterned by a dry etching apparatus to form a first sacrificial layer 32 of the silicon oxide film covering only the surface of the fixed electrode 13.
[0035]
Next, as shown in FIG. 8D, a polycrystalline silicon film containing, for example, phosphorus (P) serving as a conductive film is formed on the substrate 12 including the sacrificial layer 32 by a low-pressure CVD method, and the resist is formed using a lithography technique. A mask is formed, and the polycrystalline silicon film is patterned by a dry etching apparatus so as to extend over the upper surface and side surfaces of the sacrificial layer 32 and a part of the substrate 12, and a beam 15 of the polycrystalline silicon film and beams 15 at both ends thereof are formed. The falling

portions

15a and 15b from the base and the supporting portions 14 [14A and 14B] are integrally formed.
[0036]
Next, as shown in FIG. 8E, a sacrifice layer material film, for example, a silicon oxide (SiO ₂ ) film is formed on the substrate 12 including the beam 15 and the support portions 14 [14A, 14B] by a low-pressure CVD method, and then lithography is performed. A resist mask is formed by using a technique, and a silicon oxide film is patterned by a dry etching apparatus to form a second sacrificial layer 33 of a silicon oxide film covering only the upper surface of the beam 15 and the surfaces of the falling

portions

15a and 15b. I do.
[0037]
Next, as shown in FIG. 9F, after an insulating film, for example, a silicon nitride film 16 is formed on the entire surface by a low pressure CVD method, a resist mask is formed using a lithography technique, and the silicon nitride film 16 is patterned by a dry etching apparatus. Then, the silicon nitride film 16 is left only in the portion excluding the second sacrificial layer 33.
[0038]
Next, as shown in FIG. 9G, after a polycrystalline silicon film containing an impurity such as phosphorus (P) is formed on the entire surface by a low-pressure CVD method, a resist mask is formed by a lithography technique, and the dry etching apparatus is used. The polycrystalline silicon film is patterned, and the polycrystalline silicon film facing the falling

portions

15a and 15b from the beam 15 and the second sacrifice layer 33 on the silicon nitride film 16 corresponding to both the supporting

portions

14A and 14B. To form the control electrode 17 [17A, 17B].
[0039]
Next, as shown in FIG. 10H, the silicon nitride film 16 is selectively etched away so that a part of the one support portion 14A is exposed. Next, after forming a seed layer of a metal, for example, Au on the entire surface, a resist mask having an opening in a wiring shape is formed on the seed layer by using photolithography technology, and the same metal, for example, Au, is formed on the seed layer facing the opening. Form a plating layer. Thereafter, the resist mask is removed, and the entire surface is etched back to form a wiring layer 18 including a pad portion. This wiring layer 18 is formed so as to be partially connected to the supporting portion 14A.
[0040]
Next, as shown in FIG. 10I, the first and second sacrifice layers 32 and 33 are removed by a solution for selectively removing a silicon oxide (SiO ₂ ) film such as a BHF solution, and the beam 15 is turned on. A gap 19 is formed between the falling

portions

15a and 15b and the fixed electrode 13, and a gap 20 is formed between the control electrode 17 [17A, 17B] and the falling

portions

15a and 15b. Is obtained.
[0041]
According to the method for manufacturing the MEMS device according to the present embodiment, the MEMS device 11 shown in FIG. 1 can be manufactured accurately and easily.
[0042]
In the above example, the present invention is applied to the case where the natural frequency of the beam is variably adjusted to be a design value. However, the present invention is also applicable to the case where the natural frequency of the beam is appropriately changed.
Further, the MEMS element of the present invention can be applied to an element requiring a change in frequency in applications other than the filter element.
[0043]
【The invention's effect】
In the MEMS device of the present invention, since the vibration of the rising portion or the falling portion of the beam is suppressed by the electrostatic force or the mechanical fixing force, the natural frequency of the beam can be changed according to the electrostatic force or the fixing force. .
[0044]
According to the MEMS device of the present invention, the vibration of the rising portion or the falling portion of the beam is suppressed by the electrostatic force or the mechanical fixing force, so that the natural frequency of the beam can be changed according to the electrostatic force or the fixing force. Can be adjusted.
According to the MEMS device of the present invention, when the control electrode for generating the electrostatic force is provided to face the rising portion or the falling portion of the beam, the characteristic of the beam depends on the control voltage applied to the control electrode. The frequency can be variably adjusted.
According to the MEMS element of the present invention, when a fixing member that generates a mechanical fixing force by contacting the rising portion or the falling portion of the beam is provided, the force that presses the rising portion or the falling portion with the fixing member. Since the vibration of the rising portion or the falling portion is suppressed by the (fixing force), the natural frequency of the beam can be variably adjusted according to the pressing force (fixing force).
When a piezoelectric element is used as the fixing member, when a control voltage is applied to the electrodes of the piezoelectric element, the piezoelectric material of the piezoelectric element is distorted (extends to the beam side) and the rising portion or the rising portion is fixed by the fixing force to the rising portion or the falling portion. Since the vibration of the falling portion is suppressed, the natural frequency of the beam can be variably adjusted according to the control voltage applied to the piezoelectric element.
[0045]
Therefore, even if the beam length, width, and film thickness vary due to variations in the film formation and patterning of the beam in the manufacturing process, the natural frequency of the beam is adjusted by the electrostatic force or the mechanical fixing force after fabrication. Can be set as designed values. In addition, a plurality of MEMS elements having different natural frequencies can be collectively manufactured in a substrate (wafer).
The MEMS element of the present invention can be applied, for example, as a vibrator of a high-frequency filter, and can provide a vibrator having a desired resonance frequency.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing one embodiment of a MEMS device according to the present invention.
FIG. 2 is an operation explanatory diagram of the MEMS device of FIG. 1;
FIG. 3 is a configuration diagram showing another embodiment of the MEMS device according to the present invention.
FIG. 4 is an operation explanatory diagram of the MEMS device of FIG. 3;
FIG. 5 is a configuration diagram showing another embodiment of the MEMS device according to the present invention.
6 is an operation explanatory diagram of the MEMS device of FIG. 5;
7A to 7C are manufacturing process diagrams (part 1) illustrating one embodiment of a method for manufacturing a MEMS device according to the present invention.
8A to 8E are manufacturing process diagrams (part 2) illustrating one embodiment of a method for manufacturing a MEMS device according to the present invention.
9A to 9G are manufacturing process diagrams (No. 3) showing one embodiment of a method for manufacturing a MEMS device according to the present invention.
10A to 10H are manufacturing process diagrams (part 4) illustrating one embodiment of a method for manufacturing a MEMS device according to the present invention.
FIG. 11 is a configuration diagram showing an example of a vibration element using a conventional MEMS element.
FIG. 12 is a simulation diagram of a beam type vibrator of the vibrating element of FIG. 9;
FIG. 13 is a graph showing the beam length dependence of the natural frequency of the beam type vibrator.
FIG. 14 is a schematic diagram of a vibrating element for explaining reduction of a natural frequency of a beam.
[Explanation of symbols]
11, 25, 28: MEMS element having beam type vibrator, 12: substrate 13, fixed electrode, 14 [14A, 14B]: support, 15: beam, 15a, 15b falling part, 15c rising part, 16 ... insulating film, 17 [17A, 17B], 29 [29A, 29B] ... control electrode, 18 ... wiring layer, 19, 20 ...・ Void, 21: silicon substrate, 22: silicon oxide film, 23: silicon nitride film, 26 [26A, 26B]: piezoelectric element, 27: insulating film, 32, 33・ Sacrificial layer

Claims

A MEMS element having a beam-type vibrator in which a rising portion or a falling portion is integrally provided, facing the fixed-side electrode,
A MEMS device characterized in that the vibration of the rising portion or the falling portion of the beam is controlled by electrostatic force or mechanical fixing force to adjust the natural frequency of the beam.

2. The MEMS device according to claim 1, wherein a control electrode for generating the electrostatic force is provided to face a rising portion or a falling portion of the beam.

2. The MEMS device according to claim 1, wherein a fixing member for generating the mechanical fixing force is provided in contact with a rising portion or a falling portion of the beam.

The MEMS device according to claim 3, wherein the fixing member is formed of a piezoelectric device.