JP2005192146A - Mems resonator and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、MEMS共振器及びその作製方法に関する。 The present invention relates to a MEMS resonator and a manufacturing method thereof.
情報技術の発展に伴い、近年ネットワークを利用するデバイスの数は飛躍的に増加しており、使い勝手の面からも、無線ネットワーク技術に対する需要が高まっている。無線通信で用いられる高周波フロントエンドモジュールには、半導体チップの他に、高周波(RF)フィルタ用、中間周波数(IF)フィルタ用に表面弾性波(SAW)フィルタや誘電体フィルタなど、比較的サイズの大きな部品が存在している。これらの存在が高周波フロントエンドモジュールの小型化と低コスト化を阻んできた。これらのフィルタ機能を半導体チップの中に取り込むことが現在求められている。 With the development of information technology, the number of devices using a network has increased dramatically in recent years, and the demand for wireless network technology is increasing from the viewpoint of usability. The high-frequency front-end module used in wireless communication includes relatively large sizes such as surface acoustic wave (SAW) filters and dielectric filters for high-frequency (RF) filters and intermediate-frequency (IF) filters in addition to semiconductor chips. There are large parts. Their existence has hindered miniaturization and cost reduction of high-frequency front-end modules. It is currently required to incorporate these filter functions into a semiconductor chip.
半導体プロセスを用いて形成されたビーム型のMEMS(Micro Electro Mechanical Ystems)共振器は、デバイスの占有面積が小さいこと、高いQ値を実現きること、他の半導体デバイスとのインテグレーションが可能であること、という特長により、無線通信デバイスの中でも中間周波数(IF)フィルタ、高周波(RF)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期間から提案されている(非特許文献1参照)。 Beam-type MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) resonators formed using a semiconductor process have a small device footprint, a high Q value, and can be integrated with other semiconductor devices. In the wireless communication device, use as an intermediate frequency (IF) filter and a high frequency (RF) filter has been proposed from research periods including the University of Michigan (see Non-Patent Document 1).
図14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MEMS共振器の概略を示す。このMEMS共振器1は、半導体基板2上に絶縁膜3を介して例えば多結晶シリコンによる入力側配線層4と出力電極5が形成され、この出力電極5に対向して空間6を挟んで例えば多結晶シリコンによる振動可能なビーム(所謂ビーム型の振動電極)7が形成されて成る。ビーム7は、両端のアンカー部(支持部)8〔8A,8B〕にて支持されるように、出力電極5をブリッジ状に跨いで入力側配線層4に接続される。ビーム7は入力電極となる。入力側配線層4の端部には、例えば金(Au)膜9が形成される。このMEMS共振器1では、入力側配線層4の金(Au)膜9より入力端子t1 、出力電極5より出力端子t2 が導出される。
FIG. 14 shows an outline of a MEMS resonator constituting the high-frequency filter described in Non-Patent
このMEMS共振器1は、ビーム7と接地間にDCバイアス電圧が印加された状態で、入力端子t1 を通じてビーム7に高周波信号が供給される。即ち、入力端子t1 からDCバイアス電圧と高周波信号が重畳された入力信号が供給される。目的周波数の高周波信号が入力されると、ビームの長さLで決まる固有振動数を有するビーム7が、出力電極5とビーム7間に生じる静電力で振動する。この振動によって、出力電極5とビーム7との間の容量C0の時間変化とDCバイアス電圧に応じた高周波信号が出力電極5(したがって、出力端子t2 )出力される。高周波フィルタではビーム7の固有振動数(共振周波数)に対応した信号が出力される。
In the
ところで、複数のMEMS共振器を作製したとき、半導体プロセス上のばらつきにより、ビームの長さやビームの厚さにばらつきが生じ、MEMS共振器が所望の周波数からずれるという問題があった。一方、複数の共振周波数を持つ共振器群を作製する場合、共振周波数の組み合わせにより、複数種類の露光用マスクが必要になり、作製が煩雑になることがあった。 By the way, when a plurality of MEMS resonators are manufactured, there is a problem in that the length of the beam and the thickness of the beam vary due to variations in the semiconductor process, and the MEMS resonator deviates from a desired frequency. On the other hand, when a resonator group having a plurality of resonance frequencies is manufactured, a plurality of types of exposure masks are required depending on the combination of the resonance frequencies, and the manufacturing may be complicated.
本発明は、上述の点に鑑み、例えば半導体プロセス上のばらつきがあっても、所望の共振周波数にして特性の改善を可能にしたMEMS共振器及びその作製方法を提供するものである。
また、本発明は、任意の共振周波数の組み合わせを可能にしたMEMS共振器及びその作成方法を提供するものである。
In view of the above-described points, the present invention provides a MEMS resonator and a method for manufacturing the same that can improve characteristics at a desired resonance frequency even when there are variations in semiconductor processes, for example.
In addition, the present invention provides a MEMS resonator capable of combining any resonance frequency and a manufacturing method thereof.
本発明に係るMEMS共振器は、ビーム構造を有し複数種類の共振周波数を持つ共振器群のうち、強い信号の入力により所望の周波数の共振器以外の共振器が破壊された構成とする。 The MEMS resonator according to the present invention has a configuration in which a resonator other than a resonator having a desired frequency is destroyed by inputting a strong signal among resonator groups having a beam structure and a plurality of types of resonance frequencies.
本発明のMEMS共振器では、複数種類の共振周波数をもつ共振器群のうち、強い信号の入力により所望の共振周波数以外の共振器が破壊されているので、所望の共振周波数のみを有したMEMS共振器となる。 In the MEMS resonator of the present invention, a resonator other than the desired resonance frequency is destroyed by the input of a strong signal among the resonator group having a plurality of types of resonance frequencies, so that the MEMS having only the desired resonance frequency is used. It becomes a resonator.
本発明に係るMEMS共振器の作製方法は、ビーム構造を有する複数種類の共振周波数を持つMEMS共振器群を形成し、このMEMS共振器群に強い信号を入力して所望の周波数の共振器以外の共振器を破壊することを特徴とする。 The method for manufacturing a MEMS resonator according to the present invention forms a MEMS resonator group having a plurality of types of resonance frequencies having a beam structure, and inputs a strong signal to the MEMS resonator group to obtain a device other than a resonator having a desired frequency. It is characterized by destroying the resonator.
本発明のMEMS共振器の作製方法では、複数種類の共振周波数を持つMEMS共振器群に強い信号を入力することにより、所望の共振周波数を持った共振器のみが選択されて残り、他の共振周波数の共振器が除去される。これにより、所望の共振周波数のMEMS共振器が作製される。 In the method for manufacturing a MEMS resonator according to the present invention, by inputting a strong signal to a group of MEMS resonators having a plurality of types of resonance frequencies, only the resonator having a desired resonance frequency is selected and remains, and other resonances are generated. The frequency resonator is eliminated. Thereby, a MEMS resonator having a desired resonance frequency is manufactured.
本発明に係るMEMS共振器によれば、複数種類の共振周波数を持つ共振器群のうち、所望の共振周波数を持った共振器のみが選択されて残り、他の共振周波数の共振器が除去される。これにより、共振周波数にばらつきを持った共振器のうち、所望の共振周波数からのずれの大きな共振器を取り除くことができ、MEMS共振器の特性を改善することができる。従って、半導体プロセス上のばらつきがあっても、所望の共振周波数にしてMEMS共振器の特性を改善することができる。
任意の共振周波数の共振器を組み合わせたMEMS共振器群を容易に提供することができる。
According to the MEMS resonator of the present invention, only a resonator having a desired resonance frequency is selected from the resonator group having a plurality of types of resonance frequencies, and the resonators having other resonance frequencies are removed. The Thereby, among the resonators having variations in the resonance frequency, the resonator having a large deviation from the desired resonance frequency can be removed, and the characteristics of the MEMS resonator can be improved. Therefore, even if there are variations in the semiconductor process, the characteristics of the MEMS resonator can be improved to a desired resonance frequency.
A MEMS resonator group in which resonators having arbitrary resonance frequencies are combined can be easily provided.
本発明に係るMEMS共振器の作製方法によれば、共振周波数にばらつきを持った共振器のうち、所望の共振周波数からのずれの大きな共振器を取り除き、所望の共振周波数の共振器のみを残すことにより、所望の共振周波数のみを有する特性改善されたMEMS共振器を作製することができる。
複数種類の露光用マスクを作製することなく、任意の共振周波数の共振器群を作製することができる。例えば、90MHz〜110MHzの共振器を作製し、それらのいくつかを除去することにより、任意の共振周波数の組み合わせを有するMEMS共振器群を作製することができる。
According to the method for manufacturing a MEMS resonator according to the present invention, a resonator having a large deviation from a desired resonance frequency is removed from resonators having variations in the resonance frequency, and only a resonator having a desired resonance frequency is left. As a result, a MEMS resonator with improved characteristics having only a desired resonance frequency can be manufactured.
A resonator group having an arbitrary resonance frequency can be manufactured without preparing a plurality of types of exposure masks. For example, a MEMS resonator group having a combination of arbitrary resonance frequencies can be manufactured by manufacturing resonators of 90 MHz to 110 MHz and removing some of them.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1〜図3は、本発明に係るMEMS共振器及びその作製方法の一実施の形態を示す。
本実施の形態においては、図1に示すように、共通の基板21上にビーム構造を有する複数のMEMS共振器素子、即ち複数種類の共振周波数のMEMS共振器素子22〔221 、222 、223 〕を並列に形成し、その入力電極23を並列接続し、その出力電極24を並列接続してなるMEMS共振器群25を作製する。
本例では99MHzのMEMS共振器素子221 、100MHzのMEMS共振器素子222 、101MHzのMEMS共振器素子223 の3つの共振器素子からなる共振器群25を形成する。
1 to 3 show an embodiment of a MEMS resonator and a manufacturing method thereof according to the present invention.
In the present embodiment, as shown in FIG. 1, a plurality of MEMS resonator elements having a beam structure on a
In this example, a
各MEMS共振器素子22〔221 、222 、223 〕は、図1及び図11A,Bに示すように、基板21の同一平面上に入力電極23及び出力電極24を夫々3つに分岐して形成し、分岐された各対をなす入出力電極23、24に対向して空間26を挟んで各独立した振動板となるビーム(いわゆるビーム型の振動電極)27〔271 、272 、273 〕形成して構成される。本実施の形態では、この複数のMEMS共振器素子22を並列接続して1つのデバイスとしてMEMS共振器群25が構成される。
Each MEMS resonator element 22 [221, 222, 223] is formed by branching an
各ビーム27〔271 、272 、273 〕は、入出力電極23、24をブリッジ状に跨ぎ、入出力電極23、24の外側に配置した配線層28に接続されるように、両端を支持部(いわゆるアンカー部)29〔19A,29B〕で一体に支持される。ビーム27は両持ち梁構造となる。
基板21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上にシリコン窒化膜を形成した基板が用いられる。入力電極23、出力電極24、配線層28は、同じ導電材料で形成することができ、例えば多結晶シリコン膜、アルミニウム(Al)などの金属膜、さらには半導体基板に不純物を導入して形成した不純物半導体層、等にて形成することができる。ビーム27は、例えば多結晶シリコン膜、アルミニウム(Al)などの金属膜にて形成することができる。
Each beam 27 [271, 272, 273] spans the input /
As the
本実施の形態では、このMEMS共振器群25において、この中の特定の共振周波数の共振器素子を除去し、その他の共振周波数の共振器素子を残すようになす。即ち、本例では共振周波数が100MHzの共振器素子222 のみを除去し、その他の共振周波数の共振器素子221 、223 を残して目的のMEMS共振器20を作製する方法である。
In the present embodiment, in the
このため、上記MEMS共振器群25の入力電極23に、図2に示すような100MHzにピークを持ち、通常の共振器として動作させるパワーより大きいパワー、即ちMEMS共振器素子が破壊されない限界のパワーP1を超える大きいパワーP2 を有した強い高周波信号S1 を入力する。この高周波信号S1 が入力されると、100MHzの共振器素子222 のビーム272 が激しく振動し、弾性限界を超えてビーム272 が破断し、或いは支持部29が破損する。これにより、100MHzの共振器素子222 は共振器として動作しなくなり、図3に示すように、100MHzの共振器素子222 のみが破壊された構成へと変化する。このようにして、MEMS共振器群25から100MHzの共振器素子222 のみが取り除かれ、その他の99MHz、101MHzの共振器素子221 、223 が残った目的のMEMS共振器、即ちMEMS共振器群20が完成する。
For this reason, the
MEMS共振器素子22の通常の動作は次の通りである。ビーム27の所要のDCバイアス電圧が印加される。入力電極23に目的周波数の高周波信号が入力されると、ビーム27と入力電極23間に生じる静電力で、2次の振動モードでビーム27が共振する。このビーム27の共振で出力電極24から目的周波数の高周波信号が出力される。他の主は数の信号が入力されたときは、ビーム27が共振せず、出力電極24から信号が出力されない。
The normal operation of the
図4〜図6は、本発明に係るMEMS共振器及びその作製方法の他の実施の形態を示す。本実施の形態においては、図4に示すように、共通の基板21上にビーム構造を有する複数のMEMS共振器素子、即ち複数種類の共振周波数のMEMS共振器素子22〔221 、222 、223 〕を並列に形成し、その入力電極23を並列接続し、その出力電極24を並列接続してなるMEMS共振器群25を作製する。
本例では前述と同様に、99MHzのMEMS共振器素子221 、100MHzのMEMS共振器素子222 、101MHzのMEMS共振器素子223 の3つの共振器素子からなる共振器群25を形成する。
4 to 6 show another embodiment of the MEMS resonator and the manufacturing method thereof according to the present invention. In the present embodiment, as shown in FIG. 4, a plurality of MEMS resonator elements having a beam structure on a
In this example, similarly to the above, a
本実施の形態では、このMEMS共振器群25において、この中の特定の共振周波数の共振器素子のみを残し、それ以外の共振周波数の共振器素子を除去するようになす。本例では共振周波数が100MHzの共振器素子222 のみを残し、その他の共振周波数の共振器素子221 、223 を除去して目的のMEMS共振器30を作製する方法である。
In the present embodiment, in the
このため、上記MEMS共振器群25の入力電極23に、図5に示すような100MHzを除いて他の周波数のパワーP2 が通常の共振器として動作させるパワーより大きいパワー、即ちMEMS器素子が破壊されない限界のパワーP1を超える大きいパワーである強い高周波信号S2 を入力する。この高周波信号S2 が入力されると、99MHzと101MHzの共振器素子221 と223 が激しく振動し、弾性限界を超えてビーム271 、273 が破断し、或いはビーム271 、273 の支持部29が破損する。これにより、99MHzと101MHzの共振器素子221 と223 が共振器として動作しなくなり、図6に示すように、99MHzの共振器素子221 と101MHzの共振器素子223 が破壊された構成へと変化する。このようにして、MEMS共振器群25から100MHzの共振器素子222 のみが残り、それ以外の周波数の共振器素子221 、223 が取り除かれた目的のMEMS共振器、即ちMEMS共振器群30が完成する。
For this reason, the power P2 of other frequencies except for 100 MHz as shown in FIG. 5 is larger than the power to operate as a normal resonator, that is, the MEMS element is destroyed at the
上例では、3種類の共振周波数の3つの共振器素子221 〜223 を持つMEMS共振器群25から所要の共振周波数を持つ共振器素子のみを残し、その他の共振器素子を除去して目的のMEMS共振器20、30を構成したが、その他、2種類、或いは3種類以上共振周波数をもつ複数の共振器素子を有するMEMS共振器群を作製して、任意の共振器素子のみを残し、それ以外の共振器素子を除去して、MEMS共振器を構成することができる。
In the above example, only the resonator element having the required resonance frequency is left from the
上述の実施の形態によれば、複数の共振周波数を持つMEMS共振器群25に対し、強い信号を入力してMEMS共振器群25のうち、所望の共振周波数を持った共振器素子のみを選択して残し、その他の共振器素子を除去することにより、所望の共振周波数を持ったMEMS共振器20、30を構成することができる。また、例えば半導体プロセス上のばらつきでビーム27の長さ、厚さにばらつきを有する場合にも、所望の共振周波数からのずれの大きな共振器素子を取り除くことができ、MEMS共振器としての特性を改善することができる。
According to the above-described embodiment, a strong signal is input to the
図7〜図10は、本発明に係るMEMS共振器及びその作製方法の更に他の実施の形態を示す。本実施の形態においては、共通の基板21上に予め複数種類の共振周波数に定められ、夫々ビーム271 、272 、273 、274 、275 を有した複数のMEMS共振器素子32〔321 、322 、323 、324、325 〕を並列に形成し、その入力電極23を並列接続し、その出力電極24を並列接続してなるMEMS共振器群33を作製する。
本例では、99MHzのMEMS共振器素子221 、100MHzのMEMS共振器素子222 、101MHzのMEMS共振器素子223 、102MHzのMEMS共振器素子224 、103MHzのMEMS共振器素子225 の5つの共振器素子からなる共振器群33を形成する。
7 to 10 show still another embodiment of the MEMS resonator and the manufacturing method thereof according to the present invention. In this embodiment, a plurality of MEMS resonator elements 32 [321, 322, 323] having a plurality of types of resonance frequencies previously determined on the
In this example, the five resonator elements are a 99 MHz
本実施の形態では、このMEMS共振器群33を用いて、任意の共振周波数の組み合わせをもったMEMS共振器群を作製する方法である。
このため、第1の組み合わせのMEMS共振器群を構成するときは、上記MEMS共振器群33の入力電極23に、例えば、共振器素子221 、222 及び224 のみを残し、その他の共振器素子223 、225 を破壊するような強い高周波信号を入力する。これによって、図8に示すような99MHzの共振器素子221 と100MHzの共振器素子222 と102MHzの共振器素子224 を組み合わせたMEMS共振器群37を得る。
第2のMEMS共振器群を構成するときは、上記MEMS共振器群33の入力電極23に、例えば、共振器素子222 、223 及び225 のみを残し、その他の共振器素子221、222 を破壊するような強い高周波信号を入力する。これによって、図9に示すような100MHzの共振器素子222 と101MHzの共振器素子223 と103MHzの共振器素子225 を組み合わせたMEMS共振器群38を得る。
第3のMEMS共振器群を構成するときは、上記MEMS共振器群33の入力電極23に、例えば、共振器素子221 、224 及び225 のみを残し、その他の共振器素子222 、223 を破壊するような強い高周波信号を入力する。これによって、図10に示すような99MHzの共振器素子221 と102MHzの共振器素子224 と103MHzの共振器素子225 を組み合わせたMEMS共振器群39を得る。
In the present embodiment, this
Therefore, when configuring the first combination of MEMS resonator groups, for example, only the
When configuring the second MEMS resonator group, for example, only the
When configuring the third MEMS resonator group, for example, only the
本実施の形態によれば、複数種類の露光マスクを作製することなく、図7のMEMS共振器群33を形成するに必要な露光マスクのみで、任意の周波数の共振器素子を組み合わせた共振器群37、38、39を作製することができる。この場合、任意の周波数の共振器群の半導体プロセスが一回で済み、製造が容易になる。
According to the present embodiment, a resonator in which resonator elements of any frequency are combined with only an exposure mask necessary for forming the
次に、図12及び図13を用いて本実施の形態のMEMS共振器群25、33の製造方法を説明する。なお、図では要部のMEMS共振器素子の断面構造を示す。
本実施の形態においては、先ず、図12Aに示すように、シリコン基板51の上面に所要の膜圧の絶縁膜52を形成した基板22を用意する。本例ではシリコン基板51上に膜厚1μmのシリコン窒化膜(SiN)膜52を形成して基板22を形成する。
Next, a method for manufacturing the
In the present embodiment, first, as shown in FIG. 12A, a
次に、図12Bに示すように、基板22の絶縁膜52上に下部電極、即ち入出力電極となる所要の膜厚の導電性膜53を形成する。本例ではシリコン窒化膜52上に膜厚0.5μmの多結晶シリコン膜53を蒸着により形成する。
次いで、図12Cに示すように、多結晶シリコン膜53を選択エッチングによりパターニングして下部電極となる入力電極23及び出力電極24と、配線層28とを形成する。この入出力電極23、24及び配線層28のパターンは、前述の図1、図4、図7に対応したパターンに形成される。
Next, as shown in FIG. 12B, a
Next, as shown in FIG. 12C, the
次に、図12Dに示すように、入出力電極23、24及び配線層28の上面を含む基板22の全面に所要の膜厚の犠牲層54を形成する。本例では犠牲層となる膜厚0.5μmのシリコン参加(SiO2)膜54を蒸着により形成する。
次に、図12Eに示すように、犠牲層54を平坦化処理して、入出力電極24、25上の犠牲層54の膜厚を所要の膜厚に設定する。この犠牲層54の膜厚は前述のビーム27と入出力電極23、24との間の空間26の高さに相当する。本例ではCMP(化学機械研磨)法を用いて犠牲層のシリコン酸化膜54を平坦化し、入出力電極23、24の上に膜厚0.1μmにシリコン酸化膜54が残るようにする。
Next, as shown in FIG. 12D, a
Next, as shown in FIG. 12E, the
次に、図13Fに示すように、犠牲層54の一部を選択エッチングして配線層28の一部が露出するコンタクト孔55を形成する。
次に、図13Gに示すように、犠牲層54上にビームとなる所要の膜厚の導電性膜56を形成する。このとき、導電性膜56の一部はコンタクト孔55を通じて配線層28に接続される。本例ではビームとなる膜厚0.5μmの多結晶シリコン膜56を蒸着により形成する。
なお、前述の多結晶シリコン膜53、56、シリコン酸化膜54は、化学蒸着法であるCVD(化学気相成長)法で形成することができるが、物理蒸着法で形成することも可能である。
Next, as shown in FIG. 13F, a part of the
Next, as shown in FIG. 13G, a
The
次に、図13Hに示すように、導電性膜である多結晶シリコン膜56をパターニングしてビーム27を形成する。このビーム27のパターンは、前述の図1、図4、図7に対応したパターンに形成される。
Next, as shown in FIG. 13H, the
次に、図13Iに示すように、犠牲層54を選択的に除去する。本例では犠牲層であるシリコン酸化膜54をフッ酸により除去する。これにより、入力電極23及び出力電極24に対して所要の空間26を挟んでビーム27が配置された、図1、図4又は図7に示すMEMS共振器群25又は33を得る。
Next, as shown in FIG. 13I, the
20、30、37、38、39・・MEMS共振器、21・・基板、22〔221 、222 、223 、224 、225 〕・・MEMS共振器素子、23・・入力電極、24・・出力電極、25、33・・MEMS共振器群、27〔271 、272 、273 、274 、275 〕・・ビーム、S1 ,S2 ・・強い入力信号 20, 30, 37, 38, 39 .. MEMS resonator, 21 .. Substrate, 22 [221, 222, 223, 224, 225] .. MEMS resonator element, 23 .. Input electrode, 24 .. Output electrode , 25, 33 .. MEMS resonator group, 27 [271, 272, 273, 274, 275] .. Beam, S1, S2 .. Strong input signal
Claims (4)
ことを特徴とするMEMS共振器。 A MEMS resonator, wherein a resonator other than a resonator having a desired frequency is destroyed by inputting a strong signal from a group of resonators having a beam structure and having a plurality of types of resonance frequencies.
ことを特徴とする請求項1記載のMEMS共振器。 The MEMS resonator according to claim 1, wherein the resonator group includes a plurality of types of resonators connected in parallel.
前記MEMS共振器群に強い信号を入力して所望の周波数の共振器以外の共振器を破壊する
ことを特徴とするMEMS共振器の作製方法。 Forming a MEMS resonator group having a plurality of types of resonance frequencies having a beam structure;
A method for manufacturing a MEMS resonator, comprising: inputting a strong signal to the MEMS resonator group to destroy resonators other than a resonator having a desired frequency.
ことを特徴とする請求項3記載のMEMS共振器の作製方法。 The method of manufacturing a MEMS resonator according to claim 3, wherein the MEMS resonator group is a resonator group in which resonators having a plurality of types of resonance frequencies are connected in parallel.
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