JP2005094568A

JP2005094568A - マイクロ電気機械システムの共振器およびその駆動方法および周波数フィルタ

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Publication number: JP2005094568A
Application number: JP2003327496A
Authority: JP
Inventors: Koji Nanbada; 康治難波田
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2003-09-19
Filing date: 2003-09-19
Publication date: 2005-04-07
Anticipated expiration: 2023-09-19
Also published as: JP4254445B2; CN1853345A

Abstract

【課題】出力の位相を１８０度異ならせることで、不平衡入力を平衡出力として出力することを可能とする。
【解決手段】信号を入力する入力電極１１と、不平衡入力信号を平衡出力信号で出力する出力電極（第１出力電極１２、第２出力電極１３）と、入力電極１１、第１出力電極１２、第２出力電極１３に対して空間２１を介して対向する振動子１４とを備えたマイクロ電気機械システムの共振器（ＭＥＭＳ共振器１）であって、第１出力電極１２は入力電極１１の位相と１８０度異なる位相の位置に配置され、第２出力電極１３は入力電極１１の位相と同位相の位置に配置されるものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、平行出力が容易なマイクロ電気機械システムの共振器およびその駆動方法および周波数フィルタに関するものである。

半導体プロセス技術を用いて形成された微小振動子は、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であること等の特徴により、無線通信デバイスの中でもＩＦ（中間周波）フィルタ、ＲＦ（ラジオ周波）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。その構造の代表例を図１２の概略構成断面図によって説明する。

図１２に示すように、微小振動子２０1は以下のような構成となっている。基板２１０上に設けられた出力電極２１１の上方に、空間２２１を介して振動子電極２１２が配置されているものである。上記振動子電極２１２には、電極２１３を介して入力電極２１４が接続されている。

次に、上記微小振動子の動作を以下に説明する。上記入力電極２１３に特定の周波数電圧が印加された場合、出力電極２１１上に空間２２１を介して設けられた振動子電極２１２のビーム（振動部）が固有振動周波数で振動し、出力電極２１１とビーム（振動部）との間の空間２２１で構成されるキャパシタの容量が変化し、これが出力電極２１１から電圧として出力される（例えば、非特許文献１参照）。

しかし、これまでに提案され、検証された微小振動子の共振周波数は最高でも２００ＭＨｚを超えず、従来の表面弾性波（ＳＡＷ）あるいは薄膜弾性波（ＦＢＡＲ）によるＧＨｚ（ギガヘルツ）領域のフィルタに対して、微小振動子の特性である高いＱ値をＧＨz帯周波数領域で提供することは困難となっている。

現在のところ、一般に高い周波数領域では出力信号としての共振ピークが小さくなる傾向があり、良好なフィルタ特性を得るためには、共振ピークのＳＮ比を向上する必要がある。ミシガン大学の文献（Ｄｉｓｋ型の例）（例えば、非特許文献１参照）によれば、出力信号のノイズ成分は、入出力電極間に構成される寄生容量を直接透過する信号によっており、この信号を小さくするために、直流（ＤＣ）を印加した振動電極を入出力電極間に配置することで、ノイズ成分の低減が図れるとされている。

一方でＤｉｓｋ型の振動子で、十分な出力信号を得るには、３０Ｖを超えるＤＣ電圧が必要であるために、実用的な構造としては両持ち梁を用いたビーム型の構造が望ましい。上記のノイズ成分の低減方法をビーム型の構造に対して適用した場合、一例として図１３に示すような電極配置となる。

図１３に示すように、シリコン基板上に酸化シリコン膜および窒化シリコン膜の積層膜を形成した基板３１０上に、離間した状態で入力電極３１１と出力電極３１２とが平行して配設され、その上空に微小な空間３２１を介して上記入力電極３１１および上記出力電極３１２を横切るようにビーム型振動子３１３が配設されているものである。

このような共振器では、振動子３１３は２次モードの振動となり、入力が不平衡の場合には出力も不平衡で出力される。このような共振器をフィルタに用いた場合、出力を平衡とするために、図１４に示すように、フィルタ４１１と前段の集積回路４２１との間に、不平衡入力を平衡出力にするバラン素子４３１を接続する必要がある。

フランクＤボノン３世（Frank D.Bonnon III）他著「High-Q HF Microelectromechanical Filters」ＩＥＥＥ（The Institute of Electrical and Electronics Engineers） JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS,VOL.35,NO.4,APRIL ２０００年ｐ．５１２−５２６

解決しようとする問題点は、従来のマイクロ電気機械システムの共振器では出力が不平衡になる点である。しかも、実際の用途として、不平衡で入力し平衡で出力する共振器を用いた周波数フィルタが求められており、出力が不平衡の場合、別途不平衡を平衡に変換するバラン素子が必要となる点である。

本発明のマイクロ電気機械システムの共振器は、信号を入力する入力電極と、信号を出力する出力電極と、前記入力電極および前記出力電極に対して空間を介して対向する振動子とを備えたマイクロ電気機械システムの共振器において、前記出力電極は不平衡で入力して平衡で出力する電極からなることを最も主要な特徴とする。

本発明のマイクロ電気機械システムの共振器の駆動方法は、信号を入力する入力電極と、信号を出力する出力電極と、前記入力電極および前記出力電極に対して空間を介して対向する振動子とを備えたマイクロ電気機械システムの共振器の駆動方法において、不平衡で入力して平衡で出力することを最も主要な特徴とする。

本発明の周波数フィルタは、信号を入力する入力電極と、信号を出力する出力電極と、前記入力電極および前記出力電極に対して空間を介して対向する振動子とを備えたマイクロ電気機械システムの共振器において、前記出力電極は不平衡で入力して平衡で出力する電極からなるマイクロ電気機械システムの共振器を備えたことを最も主要な特徴とする。

本発明のマイクロ電気機械システムの共振器（以下ＭＥＭＳ共振器と記す）およびその駆動方法は、出力電極は不平衡で入力して平衡で出力する電極を備えていることから、不平衡入力、平衡出力が可能になる。このため、本発明の周波数フィルタは、従来のビーム式共振器を用いたＲＦフィルタで必要であったバラン素子が必要なくなり、回路の単純化、小型化、低コスト化が可能となるという利点がある。

不平衡入力を平衡な出力にするという目的を、平衡で出力する電極を備えることで、バラン素子を用いずに実現した。

本発明のＭＥＭＳ共振器１に係る実施例１を、図１の概略構成断面図によって説明する。

図１に示すように、表面に絶縁膜（図示せず）が形成された基板１０上には、信号を入力する入力電極１１と、信号を出力する第１出力電極１２と第２出力電極１３とが並行に形成されている。かつ、上記第１出力電極１２は上記入力電極１１の位相と１８０度異なる位相の位置に配置され、上記第２出力電極１３は上記入力電極１１の位相と同位相の位置に配置されている。また、上記入力電極１１、第１出力電極１２および第２出力電極１３を挟むように振動子の電極３４が形成されている。上記入力電極１１、第１出力電極１２および第２出力電極１３上には、空間２１を介して対向するように、かつ電極３４に接続するように振動子１４が形成されている。上記入力電極１１、第１出力電極１２および第２出力電極１３と、振動子１３との間の空間２１は、例えば０．１μｍ程度の距離に形成されている。

このように構成されたＭＥＭＳ共振器１は、図２に示すような振動曲線を描いて振動子１４は３次モードで振動する。この結果、ＭＥＭＳ共振器１は、第１出力電極１２からの出力ｏｕｔ１と、この第１出力電極１２と位相が１８０度異なる第２出力電極１３からの出力ｏｕｔ２とを合わせて出力とすることによって、不平衡入力を平衡出力にすることを可能とする。

次に、本発明のＭＥＭＳ共振器１に係る製造方法の一例を、図３および図４の製造工程断面図によって説明する。

図３（１）に示すように、半導体基板３１に絶縁膜３２を形成する。半導体基板３１には、例えばシリコン基板を用い、絶縁膜３２には、例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）膜を用いる。この窒化シリコン膜は、例えば１μｍの厚さに形成する。なお、窒化シリコン膜の代わりに酸化シリコン膜と窒化シリコン膜との積層膜を用いてもよい。このように基板１０は、一例としてシリコン基板３１上に絶縁膜３２が形成されたものからなる。さらに、絶縁膜３２上に電極形成膜３３を形成する。この電極形成膜３３は、例えばポリシリコン膜で形成され、例えば０．５μｍの厚さに形成される。

次いで、図３（２）に示すように、レジスト塗布、リソグラフィー技術により入力電極と出力電極形状に上記電極形成膜３３を加工してレジストマスクを形成した後、このレジストマスクを用いてエッチング加工により、上記電極形成膜３３で入力電極１１と第１出力電極１２と第２出力電極１３とを形成する。同時に、上記電極形成膜３３で振動子の電極３４も形成する。このとき、上記第１出力電極１２は上記入力電極１１の位相と１８０度異なる位相の位置に配置され、上記第２出力電極１３は上記入力電極１１の位相と同位相の位置に配置される。また、上記振動子の電極３４は、入力電極１１、第１出力電極１２および第２出力電極１３の電極群を、間隔を置いて挟むように形成される。

次いで、図３（３）に示すように、上記入力電極１１、第１出力電極１２、第２出力電極１３および振動子の電極３４を被覆する様にかつ上記入力電極１１および出力電極１２よりも厚く犠牲層３５を形成する。この犠牲層３５は、例えば酸化シリコン膜で形成され、その厚さは例えば０．５μｍとする。この犠牲層３５は、上記絶縁膜３２、各電極に対して選択的にエッチングされる材料であればよい。

次いで、図３（４）に示すように、化学的機械研磨を用いて、上記犠牲層３５の表面を平坦化する。このとき、入力電極１１上、第１出力電極１２上および第２出力電極１３上に、犠牲層３５が薄く残るようにする。この残す厚さは、その後に形成される振動子と入力電極１１、第１出力電極１２および第２出力電極１３との間隔を決定することになるので、その間隔分だけ残す。例えば、入力電極１１上、第１出力電極１２上および第２出力電極１３上に犠牲層３５が０．１μｍの厚さだけ残るようにする。

次いで、図４（５）に示すように、通常のレジスト塗布、リソグラフィー技術によるエッチングマスクの形成およびそのエッチングマスクを用いたエッチングにより、犠牲層３５の一部をエッチング加工して上記電極３４の一部を露出させる開口部３６を形成する。

次いで、図４（６）に示すように、犠牲膜３５が形成されている側の全面に振動子形成膜３７を形成する。この振動子形成膜３７は、例えばポリシリコン膜で形成し、例えば０．５μｍの厚さに形成する。

次いで、図４（７）に示すように、通常のレジスト塗布、リソグラフィー技術によるエッチングマスクの形成およびそのエッチングマスクを用いたエッチング加工により、振動子形成膜３７をエッチング加工してビーム状の振動子１４を形成する。この振動子１４は、上記開口部３６を通して電極３４に接続されている。

次いで、図４（８）に示すように、ウエットエッチングによって、犠牲層３５〔前記図４（７）参照〕をエッチング除去する。ここでは、犠牲層３５を酸化シリコンで形成しているので、フッ酸を用いた。この結果、入力電極１１、第１出力電極１２、第２出力電極１３の各両側、および入力電極１１、第１出力電極１２、第２出力電極１３と振動子１４との各間に空間２１が形成される。この空間２１は、入力電極１１、第１出力電極１２および第２出力電極１３と振動子１４との間の距離が０．１μｍ程度となっている。このようにして、ＭＥＭＳ共振器１が形成される。

上記製造方法において成膜される各膜の成膜方法は、ＣＶＤ法、スパッタリング法、蒸着法等を採用することができる。また、上記した各膜厚は適宜設計されるものである。また、上記絶縁膜３２の最表面を酸化シリコンで形成し、各電極をポリシリコンで形成した場合には、上記犠牲膜３５は窒化シリコンで形成することができる。この場合の犠牲膜３５のウエットエッチングは熱リン酸を用いればよい。

上記製造方法によれば、不平衡入力を平衡出力することができる３次モードのＭＥＭＳ共振器１を得ることができる。

次に、本発明のＭＥＭＳ共振器１を周波数フィルタに用いた実施例を、図５の概略構成回路図によって説明する。

上記説明したように、本発明のＭＥＭＳ共振器１は不平衡入力が平衡出力となって出力されるため、この共振器１を周波数フィルタに用いた場合、不平衡入力を平衡出力とするバラン素子を用いる必要がない。すなわち、図５に示すように、本発明のＭＥＭＳ共振器１を用いた周波数フィルタ７１によって、不平衡入力が平衡出力となって出力される。そのため、周波数フィルタ７１に直接、前段の集積回路８１を接続することができる。

本発明のＭＥＭＳ共振器に係る実施例２を、図６の概略構成断面図によって説明する。このＭＥＭＳ共振器は、第１出力電極を第２出力電極の両側に設けた例である。

図６に示すように、表面に絶縁膜（図示せず）が形成された基板１０上には、信号を入力する入力電極１１と、信号を出力する第１出力電極１２（１２１）と第２出力電極１３と第１出力電極１２（１２２）が並行に形成されている。かつ、上記各第１出力電極１２は上記入力電極１１の位相と１８０度異なる位相の位置に配置され、上記第２出力電極１３は上記入力電極１１の位相と同位相の位置に配置され、第１出力電極１２１、１２２の間に第２出力電極１３が配置されている。また、上記入力電極１１、各第１出力電極１２および第２出力電極１３を挟むように振動子の電極３４が形成されている。上記入力電極１１、各第１出力電極１２および第２出力電極１３上には、空間２１を介して対向するように、かつ電極３４に接続するように振動子１４が形成されている。上記入力電極１１、各第１出力電極１２および第２出力電極１３と、振動子１３との間の空間２１は、例えば０．１μｍ程度の距離に形成されている。

このように構成されたＭＥＭＳ共振器２は、図７に示すような振動曲線を描いて振動子１４は４次モードで振動する。この結果、ＭＥＭＳ共振器２は、第１出力電極１２（１２１、１２２）からの出力ｏｕｔ１と、この第１出力電極１２と位相が１８０度異なる第２出力電極１３からの出力ｏｕｔ２とを合わせて出力とすることによって、不平衡入力を平衡出力にすることを可能とする。

上記ＭＥＭＳ共振器２の製造方法は、前記図３および図４によって説明した製造方法において、図８に示すように、電極形成膜３３を以下のようにパターニングして、入力電極１１と第１出力電極１２１と第２出力電極１３と第１出力電極１２２とをこの順に並行に形成する。すなわち、各第１出力電極１２１、１２２を上記入力電極１１の位相と１８０度異なる位相の位置に配置し、上記第２出力電極１３を上記入力電極１１の位相と同位相の位置に配置する。また、第１出力電極１２１、１２２の間に第２出力電極１３を配置する。さらに、振動子の電極３４を、上記入力電極１１、各第１出力電極１２１、１２２、第２出力電極１３の電極群を挟むように形成する。その他の工程は前記図３および図４によって説明した製造方法と同様である。

本発明のＭＥＭＳ共振器に係る実施例３を、図９の概略構成断面図によって説明する。このＭＥＭＳ共振器は、入力電極と第１出力電極とを交互に設けた例である。

図９に示すように、表面に絶縁膜（図示せず）が形成された基板１０上には、信号を入力する入力電極１１（１１１）と、信号を出力する第１出力電極１２（１２１）と、入力電極１１１と同位相の信号を入力する入力電極１１（１１２）と、信号を出力する第１出力電極１２（１２２）と、第２出力電極１３とがこの順にが並行に形成されている。かつ、上記各第１出力電極１２は上記入力電極１１の位相と１８０度異なる位相の位置に配置され、入力電極１１１、１１２と第１出力電極１２１、１２２とが交互に配置され、第２出力電極１３は各入力電極１１と各第１出力電極１２の配列の最も端に設けられた第１出力電極１２（１２２）の入力電極１１とは反対側に配置されかつ入力電極１１の位相と同位相の位置に配置されている。また、上記各入力電極１１、各第１出力電極１２および第２出力電極１３を挟むように振動子の電極３４が形成されている。上記各入力電極１１、各第１出力電極１２および第２出力電極１３上には、空間２１を介して対向するように、かつ電極３４に接続するように振動子１４が形成されている。上記入力電極１１、各第１出力電極１２および第２出力電極１３と、振動子１３との間の空間２１は、例えば０．１μｍ程度の距離に形成されている。

このように構成されたＭＥＭＳ共振器３は、図１０に示すような振動曲線を描いて振動子１４は５次モードで振動する。この結果、共振器３は、第１出力電極１２（１２１、１２２）からの出力ｏｕｔ１と、この第１出力電極１２と位相が１８０度異なる第２出力電極１３からの出力ｏｕｔ２とを合わせて出力とすることによって、不平衡入力を平衡出力にすることを可能とする。

上記ＭＥＭＳ共振器３の製造方法は、前記図３および図４によって説明した製造方法において、図１１に示すように、電極形成膜３３を以下のようにパターニングして、入力電極１１１と第１出力電極１２１と入力電極１１２と第１出力電極１２２と第２出力電極１３とを、この順に並行に形成する。すなわち、上記各入力電極１１１、１１２を同位相となる位置に配置し、上記各第１出力電極１２１、１２２を上記各入力電極１１１、１１２の位相と１８０度異なる位相の位置に配置するとともに各入力電極１１１、１１２と各第１出力電極１２１、１２２とを交互に配置し、上記第２出力電極１３を各入力電極１１１、１１２と各第１出力電極１２１、１２２との配列の最も端に設けられた第１出力電極１２２の入力電極１１２とは反対側でかつ入力電極１１１、１１２の位相と同位相の位置に配置する。さらに、振動子の電極３４を、上記各入力電極１１１、１１２、各第１出力電極１２１、１２２、第２出力電極１３の電極群を挟むように形成する。その他の工程は前記図３および図４によって説明した製造方法と同様である。

上記ＭＥＭＳ共振器２、３も上記ＭＥＭＳ共振器１と同様に、前記図５によって説明した周波数フィルタに用いることができる。

上記各実施例では、入力電極１１、第１出力電極１２、第２出力電極１３、電極３４等の各電極はポリシリコン以外に金属を用いることができる。この金属としては、例えばアルミニウム、金、銅、タングステン等の半導体装置に金属配線として用いる材料を用いることができる。

本発明のマイクロ電気機械システムの共振器およびその駆動方法は、周波数フィルタ（ＲＦフィルタ、ＩＦフィルタ等）、発振器等の用途に適用できる。

本発明のＭＥＭＳ共振器に係る実施例１を示す概略構成断面図である。図１に示したＭＥＭＳ共振器の振動子の振動モードを示す振動曲線図である。本発明に係るＭＥＭＳ共振器の製造方法の一例を示す製造工程断面図である。本発明に係るＭＥＭＳ共振器の製造方法の一例を示す製造工程断面図である。本発明のフィルタを用いた概略構成回路図である。本発明のＭＥＭＳ共振器に係る実施例２を示す概略構成断面図である。図６に示したＭＥＭＳ共振器の振動子の振動モードを示す振動曲線図である。実施例２に係るＭＥＭＳ共振器の製造方法の一例を示す製造工程断面図である。本発明のＭＥＭＳ共振器に係る実施例３を示す概略構成断面図である。図９に示したＭＥＭＳ共振器の振動子の振動モードを示す振動曲線図である。実施例３に係るＭＥＭＳ共振器の製造方法の一例を示す製造工程断面図である。従来のＭＥＭＳ共振器の概略構成断面図である。従来のＭＥＭＳ共振器の概略構成断面図である。従来のＭＥＭＳ共振器を用いたフィルタ回路の等価回路図である。

符号の説明

１…ＭＥＭＳ共振器、１１…入力電極、１２…第１出力電極、１３…第２出力電極、１４…振動子、２１…空間

Claims

信号を入力する入力電極と、
信号を出力する出力電極と、
前記入力電極および前記出力電極に対して空間を介して対向する振動子と
を備えたマイクロ電気機械システムの共振器において、
前記出力電極は不平衡で入力して平衡で出力する電極からなる
ことを特徴とするマイクロ電気機械システムの共振器。
前記出力電極は前記入力電極の一方側に間隔を置いて設けた第１出力電極と第２出力電極とからなり、
前記第１出力電極は前記入力電極の位相と１８０度異なる位相の位置に配置され、
前記第２出力電極は入力電極の位相と同位相の位置に配置される
ことを特徴とする請求項１記載のマイクロ電気機械システムの共振器。
前記第１出力電極は前記第２出力電極の両側に設けられている
ことを特徴とする請求項２記載のマイクロ電気機械システムの共振器。
前記出力電極は第１出力電極と第２出力電極とからなり、
前記入力電極は複数の入力電極からなり、
前記第１出力電極は前記複数の入力電極と同数設けられていて前記第１出力電極と前記複数の入力電極とは交互にかつ前記入力電極の位相と１８０度異なる位相の位置に配置され、
前記第２出力電極は前記入力電極と前記第１出力電極の配列の最も端に設けられた前記第１出力電極の前記入力電極とは反対側に配置されかつ前記入力電極の位相と同位相の位置に配置される
ことを特徴とする請求項１記載のマイクロ電気機械システムの共振器。
信号を入力する入力電極と、
信号を出力する出力電極と、
前記入力電極および前記出力電極に対して空間を介して対向する振動子と
を備えたマイクロ電気機械システムの共振器の駆動方法において、
不平衡で入力して平衡で出力する
ことを特徴とするマイクロ電気機械システムの共振器の駆動方法。
前記出力電極は前記入力電極の一方側に間隔を置いて設けた第１出力電極と第２出力電極とからなり、
前記第１出力電極は前記入力電極の位相と１８０度異なる位相の位置に配置され、
前記第２出力電極は入力電極の位相と同位相の位置に配置される
ことを特徴とする請求項５記載のマイクロ電気機械システムの共振器の駆動方法。
前記第１出力電極は前記第２出力電極の両側に設けられている
ことを特徴とする請求項６記載のマイクロ電気機械システムの共振器の駆動方法。
前記出力電極は第１出力電極と第２出力電極とからなり、
前記入力電極は複数の入力電極からなり、
前記第１出力電極は前記複数の入力電極と同数設けられていて前記第１出力電極と前記複数の入力電極とは交互にかつ前記入力電極の位相と１８０度異なる位相の位置に配置され、
前記第２出力電極は前記入力電極と前記第１出力電極の配列の最も端に設けられた前記第１出力電極の前記入力電極とは反対側に配置されかつ前記入力電極の位相と同位相の位置に配置される
ことを特徴とする請求項５記載のマイクロ電気機械システムの共振器の駆動方法。
信号を入力する入力電極と、
信号を出力する出力電極と、
前記入力電極および前記出力電極に対して空間を介して対向する振動子と
を備えたマイクロ電気機械システムの共振器において、
前記出力電極は不平衡で入力して平衡で出力する電極からなる
マイクロ電気機械システムの共振器を備えた
ことを特徴とする周波数フィルタ。
前記出力電極は前記入力電極の一方側に間隔を置いて設けた第１出力電極と第２出力電極とからなり、
前記第１出力電極は前記入力電極の位相と１８０度異なる位相の位置に配置され、
前記第２出力電極は入力電極の位相と同位相の位置に配置される
ことを特徴とする請求項９記載の周波数フィルタ。