JP2006181670A

JP2006181670A - 細線の製造方法およびそれを用いた電気機械フィルタ

Info

Publication number: JP2006181670A
Application number: JP2004376534A
Authority: JP
Inventors: Akinori Hashimura; 昭範橋村
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-12-27
Filing date: 2004-12-27
Publication date: 2006-07-13

Abstract

【課題】細線の長さおよび厚さを安定して再現性よく提供することのできる細線の製造方法を提供する。また、安定で寸法精度の高い細線で接続された電気機械フィルタをも提供する。
【解決手段】表面が(110)面を有する単結晶シリコン基板に、異方性エッチングでエッチングされる深溝を形成することにより、(110)面に対して垂直に形成される深溝で囲まれた幅w3、深さd2の細線を形成する方法において、深溝の(311)面が現れる深さd1よりも細線の深さd2が浅くなるように、マスクレイアウトを設計するようにする。
【選択図】図５

Description

本発明は、細線の製造方法およびそれを用いた電気機械フィルタに係り、特に、単結晶シリコンの異方性エッチングでエッチング速度が最も遅い(111)面の方位依存性を用いた細線の製造方法、およびそれを用いた電気機械フィルタに関する。

従来の加工技術で、ナノメータサイズ(〜10nm)幅のシリコン細線を基板に形成する方法としては様々な例があげられるが、主にシリコン基板上にフォトレジストなどを塗布し、電子ビーム(EB)やステッパー装置で露光し、現像液で現像して、ナノメータサイズ（〜数100nm）のマスクを形成した後、基板の表面をRIE装置などのドライエッチングによってシリコンを除去する工程を用いていた。又、ドライエッチングによって形成されたシリコン細線を熱酸化し、酸化されたシリコン表面を等方的に除去することによって、細線幅を縮小して〜数10nm程度のシリコン細線を作成する方法が知られている。

又、最近の技術でDPN(Dip Pen Nanolithography)というリソグラフィー方法で、〜30nmの線幅を原子間力顕微鏡(AFM)用のプローブ先端を使用して直接基板上に形成する工程がある。この方法では、AFMプローブ先端に付着する水滴から働く毛細管力で、基板上に堆積された金属膜などに分子を移動させて微小な細線などを形成している。DPN方法はレジストなどの犠牲層を使用することなく、選択的に所望の場所に分子を移動させるため、若干、簡潔に細線を加工することができるという優位性を有する。

さらに、特許文献１では、表面および裏面が(110)面で側面が(111)面の結晶面を有する単結晶シリコンからなる慣性力センサおよびその製造方法を提供している。ここでは、単異方性エッチングを利用することで慣性力センサの梁、質量体、支柱及び固定電極の形状及び間隔を正確にコントロールすることができ、製造コストが低くさらに単純なプロセスを目的とした製造方法を提供している。

Alexander Holke, H. Thurman Henderson,"Ultra-deep anisotropic etching of (110) silicon", J. Micromech. Microengineering, 51-57, 1999.

特開平8-320342号公報

しかし従来の加工技術で、電子ビームやステッパー装置などで犠牲層の形状を形成し、RIE等でエッチングする方法では、側面にドライエッチングによるダメージが残るという問題がある。又、電子ビームやステッパー装置などを使用することによって製造コストが上がるという問題も考えられる。さらに、細線を熱酸化してそれを除去し、実効的に細線幅を縮小する方法では、熱酸化される細線の厚さや形状が細線側面に反映され、酸化膜の膜厚制御が困難になる他、細線幅の均一性にも影響があるという問題があった。又、非特許文献１の技術を用いたDPN方法では、基板上にAFMプローブなどを用いて細線形状を作成する工程を有するため、時間が掛かる上、生産効率も悪くなる。又、細線幅はAFMの走査速度や分子の移動度にも反映され、湿度の影響で分子の移動率が変化するため、正確な湿度制御も必要となる。

特許文献１では、単結晶シリコンの異方性エッチングを使用して、表面および裏面が(110)面で側面が(111)面の結晶面を有する慣性力センサおよびその製造方法を提供しているが、構造の小型化については、詳細には記載されていない。又、ここで<111>方位のエッチングを利用して慣性力センサの小型化を目的としても、１つの課題が想定される。それは表面と裏面が(110)面を有する結晶面と交差する２種類の(111)面のうち、交差角度が垂直な(111)側面が現れるように深溝を形成し、その(111)面のオーバーエッチで構造を形成しようとすると、形成した深溝に不要な(311)面が現れる場合がある。

これを図１乃至図４に示す。この場合、例えば表面と裏面が(110)面を有する単結晶シリコン基板１にまず絶縁膜２を堆積し、フォトリソグラフィーなどでレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとしてエッチングを行い絶縁膜２からなるマスクパターンを形成する（図１）。ここで、W₂は、細線を作製するためのマスクパターンの幅、W₁は、溝を掘るためのマスクパターンの開口幅を表わす。

次に、図２に示すように、所望の水溶液をエッチング液として用いて異方性エッチングを行うと<110>方位に深溝３が現れ始める。

そしてさらに、図３に示すようにエッチングを進行すると深溝３がさらに掘り続けられる他、W₁のマスクパターンの下方に<111>方位のアンダーカット４が次第に進行する。さらにエッチングを行い細線５の所望な線幅に近づくと、図４に示すように深溝３の底部に(311)面が現れ、この(311)面に囲まれた先端６が現れる。この時、所定の細線５の厚み(d2)より浅い位置(d1)で、(311)面が析出されることになる。非特許文献１では(110)結晶面に対して深溝を直角に形成する際に、深溝に(311)面が析出される距離を数式で表わしている。

又、d1の深溝が達成されると、(110)面のエッチング速度が急激に低下し、その結果その後は<311>方位でエッチングが行われるため、最終的に細線５の底部が安定した形状で形成されるのは困難となる。
このため、アスペクト比、特に深さ（厚さ）に対する細線幅の大きい深溝を高度の寸法精度を維持しながら再現性よく形成することは極めて困難であった。

本発明は前記実情に鑑みてなされたもので、細線の長さおよび厚さを安定して再現性よく提供することのできる細線の製造方法を提供することを目的とする。
また本発明は、安定で寸法精度の高い細線で接続された電気機械フィルタを提供することを目的とする。

そこで本発明では、不要な(311)面が細線５の底部に反映されないように所定の厚みd2がｄ１よりも小さくなるようにマスク幅、深溝の開口幅、深さを設定したことを特徴とする。

そして(111)面のアンダーカットで形成された所望の幅および厚さをもつ細線の製造方法、およびこの細線を含む小型化電気機械フィルタを提供する。
すなわち、表面が(110)面を有する単結晶シリコン基板に、異方性シリコンエッチングで<110>方位にエッチングされる深溝を形成することにより、(110)面に対して垂直に形成される深溝で囲まれた幅W3、深さd2の細線を形成する方法であって、前記深溝の(311)面が現れる深さd1よりも細線の深さd2が浅くなるように、マスクレイアウトを設計するようにしたことを特徴とする。

また本発明では、
下式を満たすように、マスクレイアウトを設計するようにしたことを特徴とする。
d1＞d2

エッチング速度は水溶液の種類、濃度、温度などにより変動するが、一般的に<111>方位は、<110>方位に対して70から100倍ほどエッチング速度が遅い0.01〜0.05μm/minほどでエッチングされる。<110>方位に対してはエッチストップ構造を利用して、<111>方位以外のエッチングを低減させることで、1分間で数10nmのエッチング速度制御が可能となり、この<111>方位のエッチング速度を利用して時間制御で簡潔にナノメートルサイズの細線を作成する他、(111)結晶面から得られる平滑な側面を有する細線を提供する。
しかし、図４に示すように、細線を形成する際、深溝に不要な(311)面が析出され、先端６を有することがあり、これが細線の底部に反映されることになる。そこで細線の所定の厚みd2を先端６が析出されるd1よりも浅い位置に設ける必要があるが、それにはd1の距離を予測することが重要となる。

本発明により、細線を形成する場合、<111>方位に対してのエッチング速度を考慮する必要がある。

また本発明では、前記シリコン基板は、表面からの深さが前記d1よりも浅い位置にエッチングストップ層を具備しており、前記エッチング工程は前記エッチングストップ層に到達するまでエッチングする第１の工程と、前記マスク幅よりも内側までエッチングするアンダーカットを進行させ、所望の細線幅Ｗ３となるまでエッチングする第２の工程とを含み、前記第１および第２の工程は連続工程であることを特徴とする。
この方法によれば、一旦深溝を形成した後、そのままエッチングを進行すれば、極めてエッチング速度の遅い異方性エッチングであるため、アンダーカットが進行し、細線の幅を高精度に制御することができる。また、側面が垂直でかつ平滑な表面を得ることができる。

また本発明では、前記シリコン基板は、シリコン基板表面に酸化膜を介して単結晶シリコン層を形成したSOI基板であり、前記エッチング工程は前記酸化膜をエッチングストップ層としてエッチングする工程であることを特徴とする。

また本発明では、前記細線の幅はナノメータサイズであることを特徴とする。

また本発明では、前記エッチング工程は、TMAHをエッチャントとしてエッチングする工程であることを特徴とする。

図５は、異方性エッチングにおけるエッチング形状の各パラメータを示す図である。ここで、Wxは深溝の(111)結晶面のアンダーカットの幅、W1は深溝の幅、Wtは(111)面のエッチング深溝の幅、W2は細線のマスクパターン幅、W3は細線の所定の幅、βは(110)面に対して(311)面が析出される角度を表わす。ここで通常βは、(311)面と(110)面の角度を表わしほぼ31.5°であることが知られているが、エッチングされる(111)面の側面粗さによっても多少変わることがある。又、ある水溶液を使用した時の<111>、<110>、<100>方位のエッチング速度が分かっており、式１の条件が満たされた場合、深溝に先端６が析出されるまでの時間、t1、およびその場合の距離d1も数式で表すことができる（式１）。以下、本発明での細線の形成を図６のフローチャートで説明する。

第１ステップS1：所望な細線の所定幅(W3)と所定の細線の厚み(d2)を指定する。
第２ステップS2：設計上の深溝のマスクパターン幅(W1)と細線のマスクパターン幅(W2)を指定する。
第３ステップS3：事前に分かっている<110>方位と<111>方位のエッチング速度[R(110),R(111)]と角度(β)を利用して式１の成立条件を確認する。その後、W1,W2,W3を使用して式１から深溝の(311)が現れる深さd1を求める。

このように、先端６が析出されるd1を算出できれば所定の細線の厚みd2と比較ができ、その結果、設計上の深溝のマスクパターン幅(W1)と細線のマスクパターン幅(W2)にフィードバックが反映できることになる。

本発明では、単結晶シリコンの異方性エッチングで不要な(311)面が細線の底部に形成されることなく、(111)面のアンダーカットでエッチング制御を簡潔に行い、ナノメートル幅を有する細線を製造する。これによって、細線の幅が10nm程度で高アスペクト比を有する細線の実現も可能となる。又、側面が平滑な形状を有するように形状加工することができるため、後処理が不要となり、製造コストの低減が可能となる。更には、所定の細線も幅と厚みに対して数式計算により<311>面が析出されないような寸法条件を抽出して、その位置にエッチストップ層を設けることで細線の底部を安定した形状で形成することができる。

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。
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１の図７から図１１では、幅が10nm、厚みが1μmでアスペクト比が1:100の細線を形成する際に必要なマスクパターンとその製造方法を示す。ここで所望な細線を形成する時の深溝とマスクパターンを図７で示し、図６のフローチャートを使用して求められた数値を示す。異方性エッチングに使用する水溶液は、TMAH(Tetramethyl Ammonium Hydroxide)を用いて濃度が20%の温度80℃のエッチング環境を想定した。まず始めにこのエッチング環境でそれぞれ結晶方位のエッチング速度が必要であるが、ここでは文献から知られている一般的な値を使用する。ここで、<100>方位は0.603μm/min、 <110>方位は1.114μm/min、 <111>方位は0.017μm/min、 <311>方位は1.223μm/minを利用する。又、(311)面と(110)面の角度を表わすβの定数は31.5°を利用した。以下、図６のフローチャートを利用して説明する。

図６の第１では所望の細線の所定幅(W3)と所定の細線の厚み(d2)を指定するが、最終的、望ましい細線の幅と高さのアスペクト比を考慮する。ここではW3は10nm、d2は1μmでアスペクト比が1:100の細線を形成する。

第２では設計上の深溝のマスクパターン幅(W1)と細線のマスクパターン幅(W2)を指定するが、ここでのマスクパターン幅の最小限度はプロセスのリソグラフィー工程によって決定する。そこで、製造コストなどを考慮し、マスクアライナー装置を使用して可能なマスクパターンの形成を考え、W2が1μm、W1が10μmを指定する。

第３ではまず、式（１）が成立しているか否かの確認を行う。
ここでR(110)>R(311)cosβ 式（２）は
1.114>1.043と算出され、式（２）が成立することを確認する。又、前記式（１）を使用して深溝の(311)面が現れる深さd1を算出し、52.7μmを算出する。

第４では細線の所定の厚みd2と算出したd1を比較して、d2(1μm)がd1(52.7μm)より短い距離であるため、所定な細線の底部は安定した形状で形成されることを確認する。

第５では細線幅(W3)が形成されるまでの<111>方位のエッチング時間(t0)を式（３）から算出する。
t0 = (W2-W3)/[2R(111)] （式３）
以上のようにして、所望の細線を形成するのに必要なマスクパターン幅を決定する。
次に、実施の形態１でこの細線を形成する製造方法を説明する。

図８から図１１では、前記実施の形態１で幅が10nmで厚みが1μmの細線を形成するための製造方法を示す。図８では、まず始めに表面と裏面が(110)面を有する単結晶シリコン基板１０を用いるが、ここで基板の種類としてFZ-type(float zone)が望ましい。FZ-typeのシリコン基板は主に、結晶中に微細な酸化物（酸素析出欠陥）が含まれていることが少ないため、異方性エッチングを行うと、エッチング形状がより平滑に形成される。しかしFZ-typeのシリコン基板は製造コストがかかる他、製造方法も困難なため、現在ではCZ-type(Czochralski zone)が主に使用されている。もしCZ-typeの(110)面シリコン基板１０を使用するならば、事前に基板を高温度(>1300℃以上)で長時間(>8時間)の熱処理（イントリンシックゲッタリング処理）を行うのが望ましく、単結晶シリコン中に存在する酸化物を除去することで、より平滑なエッチング形状を形成することができる。

このようにして、基板の種類を指定した後は、最初の工程としてRIE等のドライエッチなどで裏面に溝１１を形成する。ここで、所定の細線厚みd2を形成するために基板１０は表面から１μmの厚さまで裏面からエッチングし、溝１１を得る。この工程の後、絶縁膜１２を堆積するが、この絶縁膜１２としては、例えば異方性エッチングのマスク用に適しているLPCVD窒化膜などを用いるとさらに良い。膜厚は前記第３で求めた<111>方位のオーバーエッチ時間(t0)を考慮した上で決定する必要があるが、LPCVD窒化膜を用いた場合、膜厚は100nm程度で十分である。

次に図９に示すように、シリコン基板１０の表面に堆積した絶縁膜１２のリソグラフィー工程を示す。ここで細線のマスクパターン幅(W2)と深溝のマスクパターン幅(W1)はそれぞれ１３と１４で表わし、１３は図６に示したフローチャートの第２ステップS2で指定した１μm、１４は10μmで形成される。

この後、図１０に示すように、本実施の形態で指定した異方性エッチングに使用する水溶液(TMAH)のエッチング環境(濃度20%,温度80℃)を整え、シリコン基板１０を水溶液の中に入れ、深溝１５を形成する。

さらに、図１１に示すように、<111>方位のオーバーエッチ１６を時間制御するため、図６に示したフローチャートの第５ステップS5で求めたt0の時間(29分7秒)を正確に計測し、異方性エッチングを行う。ここで細線の厚みは事前に形成した深溝１１で決定されているため、シリコン基板１０の裏面に堆積されている絶縁膜１２が<110>方位に対してのエッチストップになる。

次に、<111>方位のアンダーエッチ１６のエッチング時間経過後、すばやくシリコン基板１０を水溶液から取り出し、水洗洗浄を行い、シリコンエッチングを停止する。

最後に、絶縁膜１２を除去する工程を行うが、ここでRIEやDRIE等のドライエッチング装置を使用すると形成したシリコン細線１７がエッチングされてしまうため、熱リン酸(>150℃)などのウェットエッチングを用いる。又、熱リン酸(>150℃)より簡潔に行えるフッ酸などを使用し、時間をかけて絶縁膜（窒化膜）を除去する方法を用いても良い。

（実施の形態２）
実施の形態２では本発明で形成された細線を含む電気機械フィルタとその製造方法を示す。図１２ではSOI(Silicon-on-Insulator)基板を用いており、２０はシリコン下層としてのシリコン基板、２１は酸化膜、２２はシリコン上層としての単結晶シリコン層を表わすが、前記シリコン上層２２は細線の所定の厚みd2と等しくなるため、正確な厚みをもったSOI基板が必要となる。例えば、現在のSOI基板は前記シリコン上層２２の厚さが50nmから100μmまでであるものがおもに使用されている。又、酸化膜２１もさまざまな厚さをもつSOI基板があり、100nmから3μmmなどの厚さが現在では一般的に知られている。

図１２で２４は多結晶シリコン入力電極、２５は多結晶シリコン出力電極、３５は電極２４、２５の電極パッド、２６と２７はそれぞれ本発明で形成された細線から構成される第１電気機械共振器と第２電器機械共振器、そして２８は本発明で形成された細線から構成される２６と２７を機械的連結する構造体を示す。又、絶縁膜２３は電極２４、２５とシリコン上層２２との間に介在しており、電極２４と２５に入出力する電気信号がシリコン上層２２と結合するのを低減するように作用する。

図１２において細線２６，２７，２８を用いる電気機械フィルタを操作するには、まず２２のシリコン上層にDCバイアス電圧Vpを与え、入力電極２４にはAC入力信号Viを与えることによって電極２４と第１電気機械共振器２６の間に静電力が働く。この時、入力電極２４に、第１共振器２６の共振周波数と等しいAC電圧を入力すると、電極２４と第１電気機械共振器２６の間に最大の静電力が働き、その結果、振動振幅がQ値の倍率分に等しい値で増幅する。

このようにして第１電気機械共振器２６が振動せしめられると、機械的振動が細線から構成されている連結構造体２８を通して第２電気機械共振器２７に伝搬し、出力電極２５では第２電気機械共振器２７と出力電極２５との間の容量変化を出力電流Ioとして検出することになる。

この電気機械フィルタの製造方法を図１２の破線２９を沿った断面図を使用して説明する。図１３から図２０はその断面図を表わし、ここでまず所望の厚さおよび材質の前記シリコン下層２０、酸化膜２１、シリコン上層２２層を含むSOI基板を選択する。ここで第１および第２電気機械共振器２６、２７の厚さと連結構造体２８の厚さを１μmとしたため、シリコン上層２２は厚さ1μmのものを使用する。又、第１電気機械共振器２６と第２電器機械共振器２８幅は200nm、連結構造体２８の幅は100nmとする。他にSOI基板の層は、シリコン下層２０が〜500μm、酸化膜２１が〜1μm程度の厚さを有する基板を用いる。

まず、図１３に示すよう、SOI基板に絶縁膜２３を堆積する。ここで絶縁膜２３は電極２４と２５に通過する電気信号がシリコン上層２２と結合するのを低減する他、本発明で形成される細線２６、２７，２８の形状加工のためのマスクパターンにも利用されることになる。そこで絶縁膜２３はLPCVD窒化膜を使用し、厚みは100nm〜300nmとする。又、さらに電気信号の結合を低減するために、膜厚を増加することもできるが、LPCVD窒化膜は一般的に内部応力が高いため、LPCVD窒化膜の前工程で酸化膜などを堆積して絶縁層を厚くする方法を用いるのが良い。

次に、絶縁膜２３のリソグラフィー工程を実施するが、ここでは電極２４、２５を形成するのに必要な深溝幅３１を指定する他、連結構造体２８の長さも考慮したマスクパターン３２を形成する必要がある。そこで深溝幅３１は3〜5μm, マスクパターン３２は1〜3μmとする。この工程後マスクパターン３２をマスクとして異方性エッチングを行い、深溝３３を形成する。ここでは酸化膜２１がエッチストップ層として作用するため、所望の厚さの深溝３３が正確に形成される。

次に薄いLPCVD酸化膜３４などを堆積し（図１４）、第１共振器と電極２４、又、第２共振器２７と電極２５のそれぞれの間隔を決定する膜層を形成する。ここで膜厚は〜100nmが望ましい。又、酸化膜を堆積した後にドーピング工程を行うが、例えばP-typeでは拡散炉でジボラン(B₂H₆)を導入した後950℃で加熱処理し、又、N-typeではフォスフィン(PH₃)を導入した後1050℃などの条件で加熱処理を行うのが望ましい。

次に図１５に示すように、電極２４、２５を形成するための多結晶シリコンを堆積する。ここでは、LPCVD装置を使用し、例えば2μmの膜厚を588℃の温度で堆積することによって、内部応力を低減させた高品質膜の堆積が可能となる。膜厚は溝３３が完全に埋まる程度で良いがそれには溝３３以上の厚さで堆積する必要があるため、2〜3μmの厚さが良い。

その後、SOI基板の表面を研磨やRIE等などでエッチバックし、絶縁膜２３に堆積された多結晶シリコンを除去する。その後、絶縁膜２３に堆積された酸化膜３４もエッチバックし、絶縁膜２３を露出する。

次に図１６に示すように、エッチバックの工程後、同様の方法で第２の多結晶シリコンを堆積する。ここでは、前工程で溝３３に堆積した多結晶シリコンと今回、絶縁膜２３の上に堆積する多結晶シリコンとを結合させるために、電極３５の多結晶シリコンを堆積する。ここで膜厚は1μｍ程度が良い。

次に、前工程でドーピングした酸化膜３４の熱処理を行うが、ドーピング後の工程で熱処理を行うことによって、堆積した多結晶シリコンの抵抗値を低減する役目を果たす。ここでP-typeの場合、1050℃の１時間、又、N-typeの場合、950℃の１時間という条件で熱処理を行う。

この工程後、堆積された多結晶シリコンをパター二ングする第２のリソグラフィー工程を行い、その直後にRIE方法でドライエッチングし、電極３５を形成する。

次に図１７に示す第３のリソグラフィー工程で、溝３６を形成するための絶縁膜２３のパターニングと絶縁膜２３のエッチングをRIE等などで行い、その後、単結晶シリコン２２の異方性エッチングを行い、溝３６を掘る。

次に図１８では、本発明の細線２６、２７、２８の形成を行うために<111>方位のアンダーカット３７を行うが、ここで実施の形態１で使用したTMAH水溶液を用いて濃度が20%の温度が80℃のエッチング環境を成立する。この工程で、連結構造体２８は両側から<111>方位にエッチングされるが、第１共振器２６と第２共振器２７はそれぞれ片側からしかエッチングされないため、その結果、連結構造体２８の幅は第１共振器と第２共振器２６，２７の1/2に等しくなるように形成される。ここでは、細線幅が100nm、第１共振器２６と第２共振器２７の幅がどちらも200nmの細線を形成する。

次に図１９に示す細線２６，２７，２８の上面に残された絶縁膜２３を除去する必要があるが、実施の形態１でも示したとおり、窒化膜はRIE等などのドライエッチング装置を使用するとシリコンも多少エッチングされてしまうことになる。そこで、熱リン酸やフッ酸などのウェットエッチングを用いて窒化膜が露出されている部分３８を除去する方法が良い。最後に、図２０では、フッ酸などを使用して第１共振器２６と電極２４、又、第２共振器２７と電極２５それぞれの電極間に有する酸化膜３４を除去し、100nm程度のギャップ間を形成する。ここで、細線２６、２７，２８の下部にあたるSOI基板層の酸化膜２１も除去し、最終的な構造を解放する。

なお、実施の形態２の電気機械フィルタの第１共振器２６と第２共振器２７は共に本発明の細線を使用したが、構造には限定は無く、例えば第１共振器２６と第２共振器２７は四角形など他の形状を有し、連結構造体２８のみが本発明の細線を含む構造を有する電気機械フィルタを用いるようにしても良い。

（実施の形態３）
実施の形態３では本発明の製造方法で形成された細線を光学素子に応用した例を示す。光学素子に最も重要な特性の１つは光を反射させる表面の面精度であるが、本発明の製造方法を使用することによって表面粗さの課題を改善している。図２１は光反射器の例を表し、４２は本発明で形成された幅がナノメータサイズで高アスペクト比を有するシリコン板であり、これをマイクロミラーに使用するようにしたもので、このシリコン基板は支持部４１に固定されている。又、電極４０に電圧(Vd1,Vd2)を加えることによって静電力でシリコン板４２を変位させ、反射角度(θ₁)を変化させるようになっている。

図２２乃至２４は本発明の製造方法で形成された細線を１次元フォトニック結晶に適用した例を示す。図２２はフォトニック結晶の原理を示す図である。ここで細線は断面は線であるが、図５の幅W3の細線がこの幅と垂直な方向に長さL3をもつ薄板を構成したものであると考える。この薄板（シリコン薄板４３）が所定の間隔で連結された構造をなすように形成して得られるフォトニック結晶は、光と干渉する周期構造を組み合わせたもので、これによって禁制帯を実現させたものである。

図２２で示すシリコン板４３の屈折率がn1、空気中の屈折率がn2、シリコン板の厚さがd1、シリコン板のギャップ間がd2の場合、このシリコン板４３と空気層とを交互に配置させ光を垂直に入射すると、例えばλ₀が禁制帯内の波長であると完全に反射してしまい、透過することができなくなる。

しかし、λ₁がシリコン板に反射された場合、禁制帯の外の波長をもつ光としてシリコン板を通過することになる。ここで反射されたλ₀は式（４）で表され、実際にはλ₀を含むある波長範囲の光が透過されなくなる。
λ=3(n1d1+n2d2) =λ₀（４）

図２３と図２４はフォトニック結晶の応用例を表し、いずれも本発明の製造方法で作製されたシリコン板４３を用いている。この場合、図２１と同様の電極４０を形成することでシリコン板を自由に変位させ、フォトニック結晶の禁制帯をシリコン板４３のギャップ間d2を変えて帯域を調整することを可能とする特徴を有する。

この場合もアスペクト比の大きいエッチングを精度よく実現することにより、容易に形状加工を行うことが可能となる。
なおこの電極４０はエッチングによって形成しても良いし、形状加工後接合して、ハイブリッド構造をとるようにしてもよい。

本発明にかかる細線の製造方法およびそれを用いた電気機械フィルタは、ナノメートルのエッチング制御を簡潔に低コストで行い、数式計算により<311>面が析出されない細線の厚さを抽出することによって、細線の幅がナノメートルで高アスペクト比を有する細線も可能となる他、側面が平滑な形状を有し、小型、高性能のモバイル端末を実現するものである。

(311)面を有する細線の製造方法工程図 (311)面を有する細線の製造方法工程図 (311)面を有する細線の製造方法工程図 (311)面を有する細線の製造方法工程図細線を形成するための結晶面を示す図細線の形成過程をまとめたフローチャート図実施の形態１における細線の深溝とマスクパターン図実施の形態１における細線の製造方法の工程図 (311)面を有する細線の製造方法工程図 (311)面を有する細線の製造方法工程図 (311)面を有する細線の製造方法工程図本発明の実施の形態２における細線を含む電気機械フィルタの斜視図本発明の実施の形態２における製造方法を示す工程図本発明の実施の形態２における製造方法を示す工程図本発明の実施の形態２における製造方法を示す工程図本発明の実施の形態２における製造方法を示す工程図本発明の実施の形態２における製造方法を示す工程図本発明の実施の形態２における製造方法を示す工程図本発明の実施の形態２における製造方法を示す工程図本発明の実施の形態２における製造方法を示す工程図本発明の実施の形態３における細線を含む光学系に応用した装置の斜視図本発明の実施の形態３における細線を含む光学系に応用した装置の斜視図本発明の実施の形態３における細線を含む光学系に応用した装置の斜視図本発明の実施の形態３における細線を含む光学系に応用した装置の斜視図

符号の説明

１ (110)面を有する単結晶シリコン基板
２絶縁膜
３深溝
４ <111>方位のアンダーカット
５シリコン細線
６先端
１０ (110)面を有する単結晶シリコン基板
１１深溝
１２絶縁膜
１３細線のマスクパターン幅
１４深溝のマスクパターン幅
１５深溝
１６ <111>方位のアンダーカット
１７シリコン細線
２０ SOI基板シリコン下層
２１ SOI基板酸化膜層
２２ SOI基板シリコン上層
２３絶縁膜
２４多結晶シリコン入力電極
２５多結晶シリコン出力電極
２６第１電気機械共振器
２７第２電気機械共振器
２８連結構造体
２９破線
３１深溝の幅
３２連結構造体のマスクパターン
３３深溝
３４酸化膜
３５電極２４、２５の電極パッド
３６深溝
３７ <111>方位のアンダーカット
３８窒化膜が露出されている場所

Claims

表面が(110)面を有する単結晶シリコン基板に、異方性エッチングで<110>方位にエッチングされる深溝を形成することにより、(110)面に対して垂直に形成される深溝で囲まれた幅W3、深さd2の細線を形成する方法であって、
前記深溝の(311)面が現れる深さd1よりも細線の深さd2が浅くなるように、マスクレイアウトを設計するようにしたことを特徴とする細線の製造方法。
請求項１に記載の細線の製造方法であって、
下式を満たすように、マスクレイアウトを設計するようにしたことを特徴とする細線の製造方法。
d1＞d2
請求項２に記載の細線の製造方法であって、
前記シリコン基板は、表面からの深さが前記d1よりも浅い位置にエッチングストップ層を具備しており、
前記エッチング工程は前記エッチングストップ層に到達するまでエッチングする第１の工程と、前記マスク幅よりも内側までエッチングするアンダーカットを進行させ、所望の細線幅Ｗ３となるまでエッチングする第２の工程とを含み、前記第１および第２の工程は連続工程であることを特徴とする細線の製造方法。
請求項２に記載の細線の製造方法であって、
前記シリコン基板は、シリコン基板表面に酸化膜を介して単結晶シリコン層を形成したSOI基板であり、前記エッチング工程は前記酸化膜をエッチングストップ層としてエッチングする工程であることを特徴とする細線の製造方法。
請求項１乃至４のいずれかに記載の細線の製造方法であって、
前記細線の幅はナノメータサイズであることを特徴とする細線の製造方法。
請求項１乃至５のいずれかに記載の細線の製造方法であって、
前記エッチング工程は、TMAH (Tetramethyl Ammonium Hydroxide)をエッチャントとしてエッチングする工程であることを特徴とする細線の製造方法。
請求項１乃至６のいずれかに記載の細線で構成され、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含むことを特徴とするＭＥＭＳフィルタ装置。
請求項７に記載のＭＥＭＳフィルタ装置であって、
前記電気機械共振器が、連結体を介して複数個連結され、
前記連結体が前記細線で構成されたことを特徴とするＭＥＭＳフィルタ装置。
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、請求項１乃至６のいずれかに記載の細線で構成された連結体を介して複数個連結してなることを特徴とするＭＥＭＳフィルタ装置。
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、請求項１乃至６のいずれかに記載の細線で構成された連結体を介して複数個連結してなることを特徴とするＭＥＭＳフィルタ装置。
請求項１乃至６のいずれかに記載の細線を連続形成してなる、薄板を所定の間隔で複数毎配列してなる光学装置。