JP2006041911A - Ｍｅｍｓフィルタ装置およびその製造方法 - Google Patents

Ｍｅｍｓフィルタ装置およびその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 設計に柔軟性があり、質量負荷の影響を無視することのできるＭＥＭＳフィルタの連結体を提供する。
【解決手段】 本発明は、カーボンナノチューブ（Carbon Nanotube;ＣＮＴ）など、マイクロサイズＭＥＭＳ共振器に比べて質量が非常に小さい、ナノサイズの連結体を連結部に使用することにより、質量負荷の影響がＭＥＭＳフィルタの特性に反映されない構造を提供する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＭＥＭＳフィルタ装置およびその製造方法に係り、特にＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術とナノチューブ・ナノワイヤー技術を用いて形成したＭＥＭＳフィルタの連結構造に関するものである。
ＭＥＭＳフィルタにおいて主に使用されている材料としては、シリコン（単結晶と多結晶）があげられる。シリコンはＩＣプロセスとの親和性が良好であるだけでなく、機械・電気特性が良好であることから広く使用されているが、フィルタの励振や検出方法としては、現在でも種々の方法が提案されている。これら多数の方法の中でも静電容量型共振器を使用したフィルタはプロセス上、比較的簡単に微細構造を作製することが可能であることから、ＧＨｚ帯のＭＥＭＳフィルタの実現が期待されている。
主に現在の静電容量型ＭＥＭＳフィルタの構成は、多数のＭＥＭＳ共振器がマイクロサイズの梁などで機械的に連結された構造になっており、フィルタの中心周波数は連結したＭＥＭＳ共振器の共振周波数で決定される。又、多数のＭＥＭＳ共振器を連結させることによってＭＥＭＳ共振器と同じ数だけの周波数モードが、位相変化によって現れるようになっている。そしてＭＥＭＳフィルタの周波数帯域幅は、各共振器を連結する連結体のばね定数ｋcijと、ＭＥＭＳ共振器と連結体の接続部位のばね定数ｋrcとによって決定される。
非特許文献１は静電容量型ＭＥＭＳフィルタの例であり、２つの多結晶シリコン製両持ち梁ＭＥＭＳ共振器を多結晶シリコン梁で連結した構造を用いている。フィルタの中心周波数は８ＭＨｚでＱ値が４０〜４５０、又、周波数帯域幅が０．２〜２．５％、通過損失が２ｄＢ以下という結果が達成されている。ＭＥＭＳ共振器の設計仕様は、長さ４０．８μｍ、幅８μｍ、厚さ１．２μｍで連結梁は長さ２０．３５μｍ、幅０．７５μｍ、厚さ１．２μｍと比較的共振器と近い寸法で構成されている。この非特許文献１のように、ＭＥＭＳ共振器とこれを連結する連結体としての連結梁とが同等のマイクロサイズであって、弾性波λの１/８以下の長さで構成された場合、その連結体の質量がＭＥＭＳ共振器の質量に加算され、フィルタの中心周波数がずれてしまうことがある。このような質量負荷による影響（mass loading effects）がフィルタ特性に反映されてしまうことで所望の通過波形を得ることができないことがある。
また、非特許文献２では、ＭＥＭＳ共振器を機械的に３つ連結した例が示されており、この場合を図２８のブロック図で示す。１０は第１のＭＥＭＳ共振器、１２は第２のＭＥＭＳ共振器、１４は第３のＭＥＭＳ共振器で表され、１６、１８は、それぞれこれらを接続する第１、第２の連結梁を示す。又、図２９は図１の電気的等価回路を示しており、前記第１および第２の連結梁１６，１８がλ/８以下の長さで構成された時に対応する。２０，２２，２４は前記第１乃至第３のＭＥＭＳ共振器１０，１２、１４を示し、２６，２８は前記第１および第２の連結梁１６，１８を示す。図２９の場合、第１の連結梁１６の質量は２６a,２６bのインダクターＬ、第２の連結梁１８の質量は２８a, ２８bのインダクターＬで示され、各Ｌの値は連結梁の静的質量の１/２に等しくなる。
これを式３で示すと、ZLはインダクターＬのインピーダンス、ｗは共振周波数、M１は連結梁の静的質量に等しくなる。又、連結梁のばね定数２６c、２８c はコンデンサーＣの逆数で表される。これを式４で示すと、ZCはコンデンサーＣのインピーダンス、ｋ１は連結梁の静的ばね定数を表す。
図３０にこの３段のＭＥＭＳフィルタの通過波形の１例を示す。連結梁の質量を無視することができれば、通過波形は理想波形３０に近い波形を表すはずであるが、第２のＭＥＭＳ共振器１２が左右に結合する第１および第２の連結梁１６，１８の質量の影響によって、第１のＭＥＭＳ共振器、第３のＭＥＭＳ共振器と比較して質量が増加し、その影響で歪んだ波形３２などを有する結果になる。このような問題から非特許文献２における著者は２つの方法を提案している。
その１つは連結体をλ/４の長さで設計することによって、図２９の等価回路で示す連結体２６の２６a,２６ｂが２６ｃのコンデンサーＣのマイナスの値に置き換えられ、これによって連結梁の質量がＭＥＭＳフィルタの特性に現れない方法を使用した。又、もう１つの方法として連結体とＭＥＭＳ共振器が結合する配置を変え、共振時の振動振幅が小さい節に連結梁を結合することで、ＭＥＭＳ共振器と連結体の接続部位にあたるＭＥＭＳ共振器質量ｍrcとばね定数ｋrcが、連結梁の質量ｍcij とばね定数ｋcijに比べて比較的大きい値が得られることから、この方法では、質量負荷の影響を低減することができる。
特許文献１では、振動周波数が〜1GHzの円周等高（Radial Contour）モード円盤型ＭＥＭＳ共振器を含む構造を有している。この円周等高モードでは円盤型の中心を節とし水平面上で均一に振動するモードで、電極は円盤型の周りに設け静電力で振動させ、振動容量変化比を検出している。円盤型共振器はＭＥＭＳフィルタにも応用でき、梁やＵ型を有する連結体を提供している。
Frank Bannon III, John R. Clark, C.T.-C. Nguyen,"High-Q HF MicromechanicalFilters", IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol.35, no.4, 2000 Ku Wang, C.T.-C. Nguyen,"Higher Order Medium Frequency MicromechanicalElectronic Filters", Journal of Microelectromechanical Systems, vol.8, no.4, 1999 米国特許２００３−６６２８１７７号公報
このように、多結晶シリコン連結梁を利用した上記ＭＥＭＳフィルタの構成では、フィルタを構成する共振器と連結梁が同じマイクロサイズであるため、質量負荷の影響がフィルタ特性に反映されるという課題があった。また、今後さらに高い周波数でＭＥＭＳフィルタが設計される場合、ＭＥＭＳ共振器の構造寸法がさらに小さくなることが考えられ、従来の構成では連結梁から発生する質量負荷の影響がさらに増加することが予想される。この課題を解決するためにさらに２つの方法（非特許文献２参照）を提案しているが、いずれのMEMSフィルタも高周波用のフィルタとして用いるためには課題が残されている。
また、上述したλ/４の長さの連結体を用いる方法では、連結梁を作製するための加工限界による製造誤差が影響して実際に設計値の長さが得られないことが予想される。又、この方法では連結梁の長さが設計上１つの値に固定されるので、ばね定数を変えるには連結体の幅のみに依存してくる。一方、幅は通常ＩＣの製造工程で使用されるトップ・ダウン技術の限界があるため、今後、高周波用のフィルタに必要なナノオーダーの幅を作製するのは困難になる。
又、第２の方法として、連結体が共振器の節となるように配置する手法を使用したが、これでは共振器の構造あるいは連結体の配置に厳しい限定がかかってしまい、設計が複雑になる。さらには、連結体を共振器の節付近に配置することによってＭＥＭＳ共振器と連結体の接続部位のばね定数ｋrcがある程度固定されてしまい、所望なＭＥＭＳフィルタのＱ値、あるいは周波数帯域幅を得るには、連結体のばね定数ｋcijのみで決定されてしまう。このように、ばね定数ｋcijは、連結体の形状に依存するため、設計の柔軟性に欠けている。
また特許文献１で振動周波数が〜１ＧＨｚの円周等高モード円盤型ＭＥＭＳ共振器を含む構造が提案されているが、この円周等高モードでは円盤型の中心を節として、水平面上で均一に振動する。このモードを使用した場合、ＭＥＭＳ共振器と連結体の接続部位にあたるＭＥＭＳ共振器のばね定数ｋrcを増大するためには、連結体を節付近から連結する必要がある。しかし、特許文献１で示されているＭＥＭＳ共振器をＭＥＭＳフィルタとして連結する場合、フォトリソグラフィー・プロセスなどから製作される連結梁では、連結体を円盤型ＭＥＭＳ共振器の中心部から連結させることが困難になる。しかもＱ値が高い１次円周等高モードで振動させると、各円盤型ＭＥＭＳ共振器の半径が２．７６μｍにまで収縮され、結果、マイクロサイズの連結体を繋げれば、質量負荷の影響が大きくなってしまうことが考えられる。
本発明は、前記実情に鑑みてなされたもので、設計に柔軟性があり、質量負荷の影響を無視することのできるＭＥＭＳフィルタの連結体を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明は、カーボンナノチューブ（Carbon Nanotube;ＣＮＴ）など、マイクロサイズＭＥＭＳ共振器に比べて質量が十分に小さい、ナノサイズの連結体を連結部に使用することにより、質量負荷の影響がＭＥＭＳフィルタの特性に反映されない構造を提案するものである。なお従来のＭＥＭＳ共振器の質量を参考にした上、連結体としては、ＭＥＭＳ共振器に比べて十分に質量が小さく、１×１０-15kg以下であるのが望ましい。
また、本発明では、カーボンナノチューブなどのナノサイズの連結体を連結部に使用することにより、トップ・ダウン技術に頼るのではなく、材料の自己組織化を利用したボトム・アップ技術で製造可能であることを発見し、これに着目してなされたもので、ボトム・アップ技術で製造することにより設計にも柔軟性をもたせることを可能とする。
本発明は、ＣＮＴあるいはこれと同程度のサイズをもつナノサイズの連結体をＭＥＭＳフィルタの連結体として用い、機械的に結合させる方法である。現在のＣＮＴ製造技術は幅広く知られているが、ＭＥＭＳフィルタに活用するために、２つの連結方法を提案する。
まず本発明の第１では、連結体となるＣＮＴとＭＥＭＳ共振器を集積させて構成する。製造に際しては、ＭＥＭＳ共振器の製造工程後、次の工程として設計上、望ましい２つ以上のＭＥＭＳ共振器の間にＣＮＴを成長させ、連結する。
また本発明の第２では、連結体となるＣＮＴとＭＥＭＳ共振器の製造を分離して構成し、最後の工程でＣＮＴとＭＥＭＳ共振器を連結したものである。例えば、分離して構成されたＣＮＴを設計上、望ましいＭＥＭＳ共振器周辺に移動させ、連結する。
すなわち、本発明のＭＥＭＳフィルタ装置は、機械的振動可能に形成された振動体と、前記振動体に対して所定の間隔を隔てて配設された電極とを有し、電気機械変換を可能にする電気機械共振器を、連結体を介して複数個連結してなり、前記連結体がナノサイズの線状体であることを特徴とする。
この構成により、質量負荷の影響を低減し、特性の優れたフィルタ装置を提供することが可能となる。
また、本発明のＭＥＭＳフィルタ装置は、前記連結体がカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）であるものを含む。
この構成によれば、自己組織化により極めて微細な構造体を精度よく形成することができる。
また、本発明のＭＥＭＳフィルタ装置は、前記連結体はナノワイヤであるものを含む。
この構成によれば、自己組織化により極めて微細な構造体を精度よく形成することができる。
また、本発明のＭＥＭＳフィルタ装置は、前記振動体は、四角形をなし少なくとも１つの節を有するＭＥＭＳ共振器を構成すると共に、基板に支持せしめられる少なくとも１つの支持機構を具備したものを含む。
この構成によれば、形状が安定しており、節での支持が容易である上、連結が容易である。
また、本発明のＭＥＭＳフィルタ装置は、前記連結体が複数本で構成されるものを含む。
この構成により、より強固な連結が可能となる。
また、本発明のＭＥＭＳフィルタ装置は、前記連結体が前記振動体の複数箇所を接続するものを含む。
この構成により、連結を強固にすることができる。また振動体の上下に連結体が形成される場合、ばね定数の低減が可能となる。
また、本発明のＭＥＭＳフィルタ装置は、前記連結体がコイル状体であるものを含む。
この構成により、ばね定数の低減が可能となり、設計に柔軟性を持たせることができる。
また、本発明のＭＥＭＳフィルタ装置は、前記支持機構がカーボンナノチューブで構成されているものを含む。
この構成により、振動に自由度を持たせることができるだけでなく、通常のＭＥＭＳ共振器で支持機構から試作基板に逃げる弾性波損失によるＱ値の劣化も低減することができる。またこの支持機構と連結体とを兼ねるようにすれば、より高度の振動を実現することができる。
また、本発明のＭＥＭＳフィルタ装置は、前記連結体は前記振動体の節で連結されているものを含む。
この構成により、より質量負荷の影響を低減することができる。
また、本発明のＭＥＭＳフィルタ装置の製造方法は、機械的振動可能に形成された少なくとも２つの振動体と、前記各振動体に対して所定の間隔を隔てて配設された電極とを有し、電気機械変換を可能にする電気機械共振器を、基板上に近接して配置形成する工程と、前記振動体を、ボトムアップ技術により、ナノサイズの線状体からなる連結体で接続する連結構造を形成する工程とを含むことを特徴とする。
この方法によれば、極めて容易に質量負荷の影響が少なく、高精度のＭＥＭＳフィルタ装置を提供することができる。
また、本発明のＭＥＭＳフィルタ装置の製造方法は、前記連結構造を形成する工程が、前記振動体の所定の位置に触媒を形成し、前記触媒から前記連結体を成長する工程を含むものを含む。
この構成によれば、触媒の形成箇所を特定することにより、極めて位置精度よく連結体を形成することができる。
また、本発明のＭＥＭＳフィルタ装置の製造方法は、前記連結構造を形成する工程が、前記振動体の所定の位置で前記連結体を移動し配置する工程を含むものを含む。
この構成によれば、連結位置を調整し、より高精度の位置決めを実現することが可能となる。
また、本発明のＭＥＭＳフィルタ装置の製造方法は、前記連結構造を形成する工程が、 カーボンナノチューブを形成する工程を含むものを含む。
また、本発明のＭＥＭＳフィルタ装置の製造方法は、カーボンナノワイヤを形成する工程を含むものを含む。
この構成によれば、自己組織化により極めて微細な構造体を精度よく形成することができる。
また、本発明のＭＥＭＳフィルタ装置の製造方法は、前記連結構造を形成する工程が、第１のＭＥＭＳ共振器に負のＤＣ電圧を印加するとともに、前記第１のＭＥＭＳ共振器に隣接して設けられた第２のＭＥＭＳ共振器には、正のＤＣ電圧を印加せしめることによってカーボンナノチューブまたはカーボンナノワイヤを成長させる工程を含むことを特徴とする。
この構成によれば、連結体を効率よく成長させることができ、また、ＭＥＭＳ共振器を連結配置し、交互に正および負の電圧を印加することにより、同時に多数の連結体を効率よく形成することができる。また多数個同時に連結しておき、成長後に適宜切断分離してもよい。
また、本発明のＭＥＭＳフィルタ装置の製造方法は、前記連結構造を形成する工程が、前記振動体の節に相当する位置に前記連結体を配置する工程を含むものを含む。
この構成によれば、位置合わせが容易で、より質量負荷の影響を低減した構造体を容易に形成することが可能となる。
また、本発明のＭＥＭＳフィルタ装置の製造方法は、前記連結構造を形成する工程が、原子力顕微鏡（ＡＦＭ）のプローブを用いて前記連結体を前記振動体の所望の領域に配置する工程と、前記連結体の結合に先立ち、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）のプローブで生成されるパルスを用いて導電性粒子を前記振動体の所望の領域に移動させ配置する工程とを含む。
この方法によれば、より高精度の位置決めが可能となる。
また、本発明のＭＥＭＳフィルタ装置の製造方法は、前記連結構造を形成する工程が、前記振動体の形状加工を行なうＭＥＭＳ工程において犠牲層を除去し、前記振動体の形状加工を行なうに先立ち、実行される。
この構成によれば、振動体の形状加工により、より強固な接続が可能となる。
本発明のＭＥＭＳフィルタによれば、簡易でかつ低コストで製造可能なナノサイズのＣＮＴなどをＭＥＭＳ共振器の機械的連結体に使用することにより、質量負荷の影響をＭＥＭＳフィルタの特性に反映させない構造を提供することができる。又、ＣＮＴを活用することによって、ＭＥＭＳフィルタのＱ値や周波数帯域幅の設計の際に柔軟性を持たせることが可能となる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
本発明の実施の形態を説明するに先立ち、本発明の原理について説明する。
まず、ＭＥＭＳフィルタの周波数帯域幅は式（１）で表される。式（１）中、ＱＦｉｌｔｅｒはＭＥＭＳフィルタのＱ値、ＢＷは周波数帯域幅、ｆoはＭＥＭＳフィルタの中心周波数、Ｃijは正規化した結合係数、ｋrcはＣＮＴが連結するＭＥＭＳ共振器の実効ばね定数、ｋｃijは連結体のばね定数を表す。ボトム・アップ技術で製造可能なＣＮＴなどを使用することにより、従来のトップ・ダウン技術では製造が困難であった連結体の幅や直径がナノサイズで構成可能となる。さらに、連結体が縦振動モード（Extensional Mode）で結合される場合、ＣＮＴのばね定数は式（２）で表される。式（２）中、ＥはＣＮＴのヤング率、Ａは断面面積、Ｌは長さを表す。
連結体の質量はＣＮＴの密度から算出することができるが、通常のマイクロサイズＭＥＭＳ共振器と比べると数桁以上の質量低減が可能となる（詳細は実施の形態１で後述する）。本発明によれば、連結体の質量の影響が無視できるため、λ/４の長さの制約がなくなり、ＭＥＭＳ共振器と連結体の接続部位にあたるＭＥＭＳ共振器質量ｍrcが最大となる節付近に配置を限定する必要がなくなる。
これにより、連結体の位置を変えることができ、ｋrcを広い範囲で可変とすることができるため、式（１）で示されるｋrc/ｋcijを自由に変えることができ、設計に自由度を持たせることが可能となる。又、数桁以上質量が軽いＣＮＴを使用するため、ＣＮＴを複数並列に連結することによりｋcijを増加させ、コイル形や波形などのＣＮＴを使用することによりｋcijを減少させることも可能である。
（実施の形態１）
次に本発明の実施の形態１について説明する。図１は、本発明の実施の形態１のＭＥＭＳフィルタ装置を示す斜視図であり、ＭＥＭＳフィルタの第１の連結方法に従って連結したものである。図２、３において、図１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
このＭＥＭＳフィルタ装置は、図１に示すように、第１および第２のＭＥＭＳ共振器３４，３６を、ＣＮＴで構成された第１の連結体３８で接続したことを特徴とする。この第１および第２のＭＥＭＳ共振器３４，３６は、同じ構造を有しており、図１に示すように、四角形状の振動子を構成し、第１の連結体３８によって機械的接続がなされている。４２は各ＭＥＭＳ共振器の中心部に接続されている円柱を示し、これは構造体３４と３６を支える支柱の役割をするもので、図示しない基板に連結されている。
この各ＭＥＭＳ共振器３４，３６の寸法は、縦、横がいずれも７μｍ、厚さ２μｍで、支柱４２の直径と高さはほぼ１μｍ程度である。このＭＥＭＳ共振器は、有限要素解析（Finite Element Analysis; FEA）を使って算出した結果、共振周波数が水平振動の振動モードで〜１ＧＨｚである。図２ではこのＭＥＭＳ共振器の静止状態を表し、図３では共振器の振動状態を示す。この振動モードでは、１辺の中心と角の位相が１８０°異なるように共振し、各ＭＥＭＳ共振器３４、３６の角も水平振動するため、図１に示す第１の連結体３８は縦振動で連結されることになる。
この第１の連結体３８は要部拡大図を図４に示すように中空糸形状をなしている。このＭＥＭＳフィルタ装置では、左右に各ＭＥＭＳ共振器が連結されるため、連結体３８は矢印の方向に振動する。図１のＭＥＭＳフィルタ装置において、支柱４２は、ＭＥＭＳ共振器３４，３６の共振時の節付近に配置され、各ＭＥＭＳ共振器の中心に位置している。
次に、このＭＥＭＳフィルタ装置の操作について説明する。
まず、ＭＥＭＳフィルタ装置の操作時には、図１に示すように、支柱４２を介して、大きさVｐのDCバイアス電圧を印加し、第１のＭＥＭＳ共振器３４の各辺と所定の間隔を隔てて形成された固定電極４１にAC入力電圧を印加することによってＭＥＭＳ共振器３４の振動子と固定電極４１の間に静電気力を生起せしめ、ＭＥＭＳ共振器を振動させる。
このＭＥＭＳフィルタ装置の場合、第２のＭＥＭＳ共振器３６の固定電極４１から出力電流を検出することにより、最終的にこの装置の出力特性として測定する。なお、図１では第１、２のＭＥＭＳ共振器と第１の連結体３８のみで形成したＭＥＭＳフィルタ装置を示すが、さらに別のＭＥＭＳ共振器を連結してもよい。
次に、このＭＥＭＳフィルタ装置の製造工程について説明する。
図５乃至１０は、図１の破線４３で示す断面に沿って表された製造工程を示す。
まず、ベース層９０としてのシリコン基板表面に酸化シリコン膜からなる酸化膜９２を介して、デバイス形成層としての所望のキャリア濃度のシリコン層９４を貼着したＳＯＩ（ Silicon-On-Insulator ）基板に、フォトリソグラフィにより形成したマスクを介して反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いた異方性エッチング工程を行い、溝９６を形成する（図５）。ここでベース層９０の厚みは第１および第２のＭＥＭＳ共振器の高さ、酸化層９２の厚みは支柱４２の高さに等しくなるため、あらかじめＳＯＩ基板の各層の厚みを選択する。例としてベース層９０が２μｍ、酸化シリコン層９２が１μｍ、デバイス層を構成するシリコン層９４が３００〜５００μｍとしたＳＯＩ基板を用意する。またエッチングはＣＦ４を用いた異方性エッチングを用い、まず、シリコン層９４をエッチングし、続いて酸化膜９２もエッチングをする。
次に図６に示すように、溝９６に支柱４２となるポリシリコン層を形成する。ここではＬＰＣＶＤ法によりポリシリコン膜を成膜し、成膜後に、シリコン層９４上のポリシリコンをエッチバックし、除去する。
そして図７に示すように、同様にフォトリソグラフィによってマスクパターンを形成した後、ＲＩＥで異方性エッチングを行い、第１および第２のＭＥＭＳ共振器（の振動体）３４と３６を形成する。この工程における断面図では表わされないが、図１の検出電極４１も同じ工程で形成することが可能である。
次に図８に示すように、犠牲層１０２を形成する。この場合、犠牲層１０２としては、例えばレジストなどを使用するが、スピナー等を用いてスピンコートする際、ＭＥＭＳ共振器３４と３６の角に相当する部分（以下角）１０４が他のレジスト膜厚より薄いことを有する。これについて、さまざまな方法が考えられるが、例えばレジストの粘度が高い材料を使用したり、膜厚をＭＥＭＳ共振器３４と３６の高さと比較してなるべく薄く積んだり、あるいはソフトベーク、ハードベークの温度と時間を最適化して、レジストをこのＭＥＭＳ共振器の角から流れるように形成することが可能である。
そして図９に示すように、ＲＩＥ等などでドライエッチングを行い、ＭＥＭＳ共振器の角１０４が表面に現れる程度に犠牲層１０２を薄くする。
次に、真空蒸着法により角１０４に白金などの触媒１０６を数nm程度の厚みで形成し、犠牲層１０２とその上に堆積された蒸着物である触媒１０６をアセトンなどを充填した超音波容液器中で除去する（リフトオフ）。又、最後にＭＥＭＳ共振器３４と３６を基板から開放するため、HF液で酸化膜層９２などを除去する（図１０参照）。
このようにして、触媒の形成されたＭＥＭ共振器３４，３６の振動体の角１０４にＣＮＴ形成用の触媒１０６を形成したのち、ＣＶＤのチャンバー内でその間隔にＣＮＴを成長させ連結させ、各振動体を接続する。
図１１は、本発明の実施の形態１におけるＭＥＭＳフィルタ装置の製造に用いられるＣＮＴの成長装置のブロック図を示す。第１の連結方法で用いられる成長装置では、フィルタとなるＭＥＭＳ共振器の形状加工を行なった後、次の工程としてＣＮＴなどの製造方法を使用して、設計上、望ましい２つ以上のＭＥＭＳ共振器に触媒を設置し、ＣＶＤのチャンバー内でその間隔にＣＮＴを成長させ連結させる。この時、第１、２、３、４ＭＥＭＳ共振器３４，３６、４４、４６にバイアス直流電圧５６を印加することによって、電気配線５２がマイナス電位、電気配線５４がプラス電位となるようにし、それぞれに繋がる３４，４４がマイナス、３６、４６がプラス電位になる。
これによってＣＮＴ３８、４０、４８はマイナスからプラス電極に成長する。成長方向を図５の矢印で示す。破線５０はこの後にも前記連結体４０、ＭＥＭＳ共振器３６の振動体と同様に、ＭＥＭＳ共振器と連結体が続くことを示すが、本連結方法を活用することによって、複数のＣＮＴを同時に成長させることが可能となり、時間やコストの低減も可能である。以上のボトム・アップ技術により、高精度のナノサイズオーダーの連結体が製造可能となる。
なお、本実施の形態１のＭＥＭＳフィルタ装置を形成する際には、ＣＮＴで構成された連結体を切断すればよく、多数個のＭＥＭＳフィルタ装置を同時形成することができる。
また３個以上のＭＥＭＳフィルタを連結したＭＥＭＳフィルタ装置の実現も容易である。
図１２、図１３、図１４に、本発明の実施の形態１の変形例を示す。この例では、図１２，１３，１４における連結体付近を拡大した図を示す。各図が連結体３８を変形した構成になっており、これによって式（１）のばね定数ｋcijを変えることを可能とする。図１２、図１３、図１４の連結体３８の寸法は設計によって変わり、又、ＣＮＴが単層ＣＮＴ（ＳＷＣＮＴ）か多層ＣＮＴ（ＭＷＣＮＴ）にもよって変わってくるが、直径は約１ｎｍから５０ｎｍ、長さは約１μｍから５μｍで成長が可能である。図１２は連結体ＣＮＴ３８を上下の角の間に連結した構成で、触媒５８を両側の角に付着することによって作製される。
図１２のように連結体３８が上下に配置された構成では、連結体のｋcijを増加させることが可能となる。又、図１２の破線で示す円は触媒５８が下面に付着している事を示している。
図１３は連結体３８の長さをより長くし、波形に垂れるような形状を有する構造である。もともとＣＮＴは、溶けた触媒粒子と炭素系ガスの分子との化学反応によって成長することが知られている。また触媒５８として用いる材料の種類によって化学反応を起こす場所が異なり、例えば、触媒５８として鉄（Fe）を用いた場合、化学反応を起こす場所は最初のマイナス電極とＣＮＴの境界面に現れ、その結果、ＣＮＴがプラス電極に到達しても成長が続き、その結果、波形を有する形状を有することになる。図１３のように連結体３８に波形を有することによりｋcijを減少させることが可能となり、式（１）で表されるｋrc/ｋcijの設計の柔軟性をもたせることができる。
図１４は、３８を並列に複数並べる構成を有する。この構成は、図１２、１３の触媒５８と比べて大きな触媒５８を付着することによって３８が複数成長し、結果、図１４の構成が可能となる。図８の場合、ｋcijの増加が可能となる。よって、図１２、図１３、図１４の構成では、連結体のｋcijを変化させることができる。
図１２乃至図１４のＣＮＴの寸法は、設計のｋcijによって決定される。例えば、非特許文献１のkcij＝１１３Ｎ/ｍを使用した場合、式（２）より、ＣＮＴの長さＬを１μｍで計算すれば直径が１２nm、Ｌを３μｍで計算すれば、直径が２０nmと算出される。ここでＣＮＴのヤング率はＥ＝１Ｅ１２Ｐａとした。又、ＣＮＴ質量はＭ＝ρ*Ｖで示され、Ｍは質量、ρは密度、Ｖは体積を表す。ＣＮＴを円筒として考えるとρ＝１４００ｋｇ/ｍ３を使用することで、Ｌが１μｍの場合はＭ＝１．１３１Ｅ−２２ｋｇ，Ｌが３μｍの場合はＭ＝１．３１９Ｅ−１８ｋｇが算出できる。
これに対し、従来例で説明した非特許文献１の多結晶シリコン連結梁の質量は、同様な方法を使用して算出すると、Ｍ＝６．６７０Ｅ−１４ｋｇとなる。これらの比較によってＣＮＴを連結体に使用することで４桁以上の質量減少が可能となることが明らかになる。
なお、図１２乃至図１４においてＣＮＴの位置はＭＥＭＳ共振器の四角型の角に配置されたが、場所については限定することなく、式（１）の設計値ｋrcに等しくなるようにすればよい。
又、ＣＮＴの成長がしやすい場所を選択することによってより、強固な連結構造を得ることが可能となる。例えば、図１５に示すようにＭＥＭＳ共振器の四角型の角を三角爪にしたり、あるいは図１６に示すようにＭＥＭＳ共振器の四角型の角に片持ち梁カンチレバーを形成した構造にすることで１本のＣＮＴをより所望の配置となるように成長させることが可能となる。
三角爪にすることにより、連結部の面積が小さくてもより強固な接続が可能となる。また片持ち梁カンチレバーを形成することにより、より確実な振動を実現することができる。
式（１）の設計値ｋrcはＭＥＭＳ共振器によっても変化するが、例えば非特許文献１のＭＥＭＳ共振器で振幅が大きい付近では、ばね定数が低くｋrc＝１３６２Ｎ/ｍで表され、又、ばね定数が高い節付近ではｋrc＝９６０６１Ｎ／ｍで表される。設計上所望のｋrc/ｋｃijが要求される場合、たとえ実際のＣＮＴのばね定数ｋｃijが算出式(２)から相違しても、ｋrcが９４０００Ｎ／ｍ以上と広い範囲で変化できるため、ｋrc/ｋcijを設計上所望の値に設定することができる。
なお、本実施の形態１において、四角型のＭＥＭＳ共振器３４、３６を２個連結したが、図１１に示したように、ＭＥＭＳ共振器３４、３６、４４、４６を４個連結したまま用いてもよく、構造には限定はなく、連結体３８が成長し易い構成を用いるようにすれば良い。
（実施の形態２）
次に本発明の実施の形態２について説明する。
本発明の実施の形態１における支柱４２は、ポリシリコンで構成したが、本実施の形態では、この支柱に相当する部分をＣＮＴ１２で構成する例について説明する。
本実施の形態では、振動体の節に相当する部分に孔を形成しておき、この孔に挿通せしめられるように自然組織化によりＣＮＴを成長した後、振動体との接続部にポリシリコンなどを充填し、強固な接続を得るように形成することを特徴とする。
図１７乃至２２は図１の破線４３の断面に相当するで断面で表された製造工程を示す。図１７は図５と同様の工程で、図１７は図５において溝９６を形成するためのマスクとして用いたフォトレジストからなるの犠牲層１１０を除去する前を示す。
そして真空蒸着法により、触媒１０６を形成する（図１８）。この例では、蒸着装置を使用することで溝９６の側面に付着するのを避けるようにする。
そして図１９に示すように、リフトオフにより犠牲層１１０を除去する工程後、溝９６の底に残された触媒１０６にＣＮＴ１１２を成長させる。
又、図２０では、ＣＮＴ１１２の成長後、ＬＰＣＶＤ法により、溝９６内に酸化シリコン膜１１４を埋める。ここでは支柱４２の高さまで酸化シリコン膜１１４を形成する。又、ＬＰＣＶＤ法を用いても良いが、ＬＰＣＶＤ法を用いた場合はシリコン層９４の上に残った酸化シリコン膜はＣＭＰなどで除去する必要があるため、あらかじめ犠牲層を形成して沖，この上層にスパッタ法により酸化シリコン膜を成膜し、成膜後犠牲層を除去すると共に犠牲層上の酸化シリコン膜を除去するリフトオフ工程を行い、不要な場所には酸化膜が堆積されないようにしても良い。
なお、ここでは酸化シリコン膜を用いたが、材料には限定は無く、後の工程で除去できる膜質であれば良く、例えば真空蒸着法により、メタルを蒸着し、リフトオフにより犠牲層を除去して不要な場所にメタルが堆積されない方法をとっても良い。
次に図２１に示すように、ＭＥＭＳ共振器の部分となる溝９６をＬＰＣＶＤ法によりポリシリコンなどで埋めて、デバイス層を構成するシリコン層９４の上に残ったポリシリコンはＣＭＰなどで除去する。
最後に図２２は図１０で示したのと同様の工程を示し、振動子のパターニング、触媒の形成とともに酸化シリコン膜９２を除去し振動子を形成する図２０〜２２の製造工程を実行し、ＣＮＴを支柱に用いた振動子が形成される。
この構成により、ＣＮＴの形成とＭＥＭＳ工程を一体化することにより、製造が容易となる上、振動子と連結体との結合を強固にすることができ、位置合わせも極めて容易である。
（実施の形態３）
図２３は本発明の実施の形態３におけるＭＥＭＳフィルタの第２の連結方法を示す。図２４、２５、２６において、図２３と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
本実施の形態では、図２３に示すように、四角型を有する第１、２のＭＥＭＳ共振器７０、７２の節に相当する中心部を、ＣＮＴからなる第１の連結体７４で機械的に接続したことを特徴とするものである。他は図１に示した実施の形態１と同様であり、７６は各ＭＥＭＳ共振器の固定電極を示している。
また製造方法としては前述した第２の連結方法に相当するもので第１、２のＭＥＭＳ共振器７０、７２の振動子を形成したのち連結体７４で連結するという方法をとる。
また振動モードとして、実施の形態１のＭＥＭＳ共振器振動モードを使用することを前提とする。この振動モードでは四角型の中心を節としている。このため最適な構造として図２３に示すように支柱８４をＭＥＭＳ共振器７０，７２の下面中心から支える他、式（１）から示されるＭＥＭＳ共振器と連結体の接続部位にあたるＭＥＭＳ共振器ばね定数ｋrcを増加させるため、連結体７４を用いてＭＥＭＳ共振器７０，７２をその節付近で連結する。
図２４、２５、２６、２７では第２の連結方法を使用するが、構成を簡潔にするため、図２４、２５、２６で表す図は、図２３の実施の形態３で表される第１のＭＥＭＳ共振器７０と第１の連結体７４のみについて説明する。
なお第２の連結方法では、連結体とＭＥＭＳ共振器の製造を分離して構成し、最後の工程で連結体をＭＥＭＳ共振器に接続する方法を用い、ナノサイズの第１の連結体７４を移動する方法が必要となる。そこで図２２では、原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscope；ＡＦＭ）などにより、連結体７４とＡＦＭプローブ７８との間にファンデルワールス力を働かせ、吸着した連結体７４を四角型の中心点まで移動する。図２５は、さらに連結体７４をＭＥＭＳ共振器７０に近づけ所望の中心付近に接触させる。その場合、走査形プローブ顕微鏡(Scanning Tunneling Microscope; ＳＴＭ)８０などにより、接続部位に導電体粒子８２を設ける。ＳＴＭプローブ８０に直流電圧をパルス電圧で印加することで、その電界で働く静電力により、導電体粒子８２をプローブ８０の端部に蒸着し、これを接続部位に移動する。
また、ＳＴＭのプローブ８０に蒸着した導電体粒子８２を第１のＭＥＭＳ共振器７０と第１の連結体７４の接続部位に配置するには、同様に直流パルス電圧８６を印加することによって可能となる。図２７は図２５の続きで、第１の連結体７４を第２のＭＥＭＳ共振器７２に接続する工程を示す。ここでは、図２２でＡＦＭプローブ７８とＣＮＴの端部７４が接触している状態を保ち第２のＭＥＭＳ共振器７２の四角型中心部に移動させ、図２５で導電体粒子８２を移動させた方法と同様の手段を使用し、導電体粒子８８を第２のＭＥＭＳ共振器７２と第１の連結体７４の接続部位に配置する。この工程によって、第１と第２のＭＥＭＳ共振器７０、７２は第１の連結体７４によって接続される。図２６は図２５の変形図を示し、ＡＦＭプローブ７８の移動中、第１の連結体７４をコイル状に成形したものである。この構成により、式（１）のｋcijを減少することが可能となる。
なお、本実施の形態１乃至３において、ＭＥＭＳ共振器を連結する連結体をＣＮＴで構成した、例えばボトム・アップ技術で製造可能な他のナノワイヤーであっても良い。又、ＣＮＴの種類は、例えば単層ＣＮＴ（ＳＷＣＮＴ）、多層ＣＮＴ（ＭＷＣＮＴ）のどちらを使用しても良い。
本発明は前記実施の形態に限定されることなく、適宜変更可能である。
本発明にかかるＭＥＭＳフィルタは、簡易でしかも低コスト製造可能なナノサイズのＣＮＴなどをＭＥＭＳ共振器の機械的連結体に使用することによって、質量負荷の影響のないＭＥＭＳフィルタ特性を提供するとともに、設計に柔軟性を有する、小型、高性能の、モバイル端末を実現するものである。
本発明の実施の形態１におけるＭＥＭＳフィルタ装置を示す図 本発明の実施の形態１を有限要素解析で表したＭＥＭＳ共振器の静止状態を示す図 本発明の実施の形態１を有限要素解析で表したＭＥＭＳ共振器の振動状態を示す図 本発明の実施の形態１における連結体の振動方向と縦振動モードを示す図 本発明の実施の形態１におけるＭＥＭＳフィルタ装置の製造工程を示す図 本発明の実施の形態１におけるＭＥＭＳフィルタ装置の製造工程を示す図 本発明の実施の形態１におけるＭＥＭＳフィルタ装置の製造工程を示す図 本発明の実施の形態１におけるＭＥＭＳフィルタ装置の製造工程を示す図 本発明の実施の形態１におけるＭＥＭＳフィルタ装置の製造工程を示す図 本発明の実施の形態１におけるＭＥＭＳフィルタ装置の製造工程を示す図 本発明の実施の形態１における連結体の形成工程を示す説明図 本発明の実施の形態１における連結体３８を上下の角に成長させた斜視図 本発明の実施の形態１における連結体３８に波形を有する図 本発明の実施の形態１における連結体３８を並列に複数並べる構成を有する図 本発明の実施の形態１における連結体３８の連結部（ＭＥＭＳ共振器の角に三角爪を構成した）の変形例を示す図 本発明の実施の形態１における連結体３８の連結部（ＭＥＭＳ共振器の角にカンチレバーを構成した）の変形例を示す図 本発明の実施の形態２におけるＭＥＭＳフィルタ装置の製造工程を示す図 本発明の実施の形態２におけるＭＥＭＳフィルタ装置の製造工程を示す図 本発明の実施の形態２におけるＭＥＭＳフィルタ装置の製造工程を示す図 本発明の実施の形態２におけるＭＥＭＳフィルタ装置の製造工程を示す図 本発明の実施の形態２におけるＭＥＭＳフィルタ装置の製造工程を示す図 本発明の実施の形態２におけるＭＥＭＳフィルタ装置の製造工程を示す図 本発明の実施の形態３におけるＭＥＭＳフィルタ装置を示す図 本発明の実施の形態３におけるＡＦＭを使用して連結体７４を移動する工程図 本発明の実施の形態３におけるＳＴＭを使用して連結体７４を導電体粒子８２で付着する接続工程図 本発明の実施の形態３における連結体７４にコイル形を有する変形図 本発明の実施の形態３における連結体７４を第２のＭＥＭＳ共振器７２に接続する工程図 従来例のＭＥＭＳ共振器を機械的に３つ連結したブロック図 図１の電気的等価回路図 図２８の構造３段のＭＥＭＳフィルタ通過波形図
符号の説明
１０、１２、１４ 第１、２、３のＭＥＭＳ共振器
１６、１８ 第１、２の連結梁
２０ 第１のＭＥＭＳ共振器の等価回路
２２ 第２のＭＥＭＳ共振器の等価回路
２４ 第３のＭＥＭＳ共振器の等価回路
２６、２８ 第１、２の連結梁の等価回路
３０ 理想波形
３２ 歪んだ波形
３４、３６ 第１、２のＭＥＭＳ共振器
３８、４０、４８ 第１、２、３の連結体
４１ 固定電極
４２ 支柱
４３ 破線
４４、４６ 第３、４のＭＥＭＳ共振器
５０ 破線
５２、５４ マイナス、プラス電気配線
５６ バイアス直流電圧
５８ 触媒
７０、７２ 第１、２のＭＥＭＳ共振器
７４、７６ 第１、２の連結体
７８ ＡＦＭプローブ
８０ ＳＴＭプローブ
８２、８８ 第１、２導電体粒子
８６ 直流パルス電圧
９０ ＳＯＩ基板のシリコン層（ベース層）
９２ ＳＯＩ基板の酸化シリコン層
９４ ＳＯＩ基板のシリコン層（デバイス層）
９６ 溝
１０２ 犠牲層
１０４ ＭＥＭＳ共振器３４と３６の角部分
１０６ 触媒
１１０ ９６を構成するための犠牲層
１１２ ＣＮＴ
１１４ ＣＶＤ酸化シリコン膜
１１６ ＣＶＤポリシリコン

Claims (18)

  1. 機械的振動可能に形成された振動体と、前記振動体に対して所定の間隔を隔てて配設された電極とを有し、電気機械変換を可能にする電気機械共振器を、連結体を介して複数個連結してなり、
    前記連結体がナノサイズの線状体であることを特徴とするＭＥＭＳフィルタ装置。
  2. 請求項１に記載のＭＥＭＳフィルタ装置であって、
    前記連結体はカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）であることを特徴とするＭＥＭＳフィルタ装置。
  3. 請求項１に記載のＭＥＭＳフィルタ装置であって、
    前記連結体はナノワイヤであることを特徴とするＭＥＭＳフィルタ装置。
  4. 請求項１に記載のＭＥＭＳフィルタ装置であって、
    前記振動体は、四角形をなし少なくとも1つの節を有するＭＥＭＳ共振器を構成すると共に、基板に支持せしめられるように少なくとも１つの支持機構を具備したことを特徴とするＭＥＭＳフィルタ装置。
  5. 請求項１乃至４のいずれかに記載のＭＥＭＳフィルタ装置であって、
    前記連結体は複数本で構成されることを特徴とするＭＥＭＳフィルタ装置。
  6. 請求項１乃至４のいずれかに記載のＭＥＭＳフィルタ装置であって、
    前記連結体は前記振動体の複数箇所を接続するように構成されたことを特徴とするＭＥＭＳフィルタ装置。
  7. 請求項１乃至４のいずれかに記載のフィルタ装置であって、
    前記連結体はコイル状体であることを特徴とするＭＥＭＳフィルタ装置。
  8. 請求項４に記載のＭＥＭＳフィルタ装置であって、
    前記支持機構はカーボンナノチューブで構成されることを特徴とするＭＥＭＳフィルタ装置。
  9. 請求項１乃至８のいずれかに記載のＭＥＭＳフィルタ装置であって、
    前記連結体は前記振動体の節で連結されることを特徴とするＭＥＭＳフィルタ装置。
  10. 機械的振動可能に形成された少なくとも２つの振動体と、前記各振動体に対して所定の間隔を隔てて配設された電極とを有し、電気機械変換を可能にする電気機械共振器を、基板上に近接して配置形成する工程と、
    前記振動体を、ボトムアップ技術により、ナノサイズの線状体からなる連結体で接続する連結構造を形成する工程とを含むことを特徴とするＭＥＭＳフィルタ装置の製造方法。
  11. 請求項１０に記載のＭＥＭＳフィルタ装置の製造方法であって、
    前記連結構造を形成する工程は、前記振動体の所定の位置に触媒を形成し、前記触媒から前記連結体を成長する工程を含むことを特徴とするＭＥＭＳフィルタ装置の製造方法。
  12. 請求項１０または１１に記載のＭＥＭＳフィルタ装置の製造方法であって、
    前記連結構造を形成する工程は、前記振動体の所定の位置で前記連結体を移動し配置する工程を含むことを特徴とするＭＥＭＳフィルタ装置の製造方法。
  13. 請求項１０乃至１２のいずれかに記載のＭＥＭＳフィルタ装置の製造方法であって、
    前記連結構造を形成する工程は、
    カーボンナノチューブを形成する工程を含むことを特徴とするＭＥＭＳフィルタ装置の製造方法。
  14. 請求項１０乃至１２のいずれかに記載のＭＥＭＳフィルタ装置の製造方法であって、
    カーボンナノワイヤを形成する工程を含むことを特徴とするＭＥＭＳフィルタ装置の製造方法。
  15. 請求項１３乃至１４のいずれかに記載のＭＥＭＳフィルタ装置の製造方法であって、
    前記連結構造を形成する工程が、第１のＭＥＭＳ共振器に負のＤＣ電圧を印加するとともに、前記第１のＭＥＭＳ共振器に隣接して設けられた第２のＭＥＭＳ共振器には、正のＤＣ電圧を印加せしめることによってカーボンナノチューブまたはカーボンナノワイヤを成長させる工程を含むことを特徴とするＭＥＭＳフィルタ装置の製造方法。
  16. 請求項１０乃至１５のいずれかに記載のＭＥＭＳフィルタ装置の製造方法であって、
    前記連結構造を形成する工程は、前記振動体の節に相当する位置に前記連結体を配置する工程を含むことを特徴とするＭＥＭＳフィルタ装置の製造方法。
  17. 請求項１０乃至１５のいずれかに記載のＭＥＭＳフィルタ装置の製造方法であって、
    前記連結構造を形成する工程は、原子力顕微鏡（ＡＦＭ）のプローブを用いて前記連結体を前記振動体の所望の領域に配置する工程と、
    前記連結体の結合に先立ち、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）のプローブで生成されるパルスを用いて導電性粒子を前記振動体の所望の領域に移動させ配置する工程とを含むことを特徴とするフィルタ装置の製造方法。
  18. 請求項１０乃至１７のいずれかに記載のフィルタ装置の製造方法であって、
    前記連結構造を形成する工程は、前記振動体の形状加工を行なうＭＥＭＳ工程において犠牲層を除去し、前記振動体の形状加工を行なうに先立ち、実行されることを特徴とするＭＥＭＳフィルタ装置の製造方法。
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