JP2006231489A - 振動子構造体及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 不要な振動モードによる機能的影響を低減できる振動子構造体を提供する。
【解決手段】 本発明の振動子構造体１００は、基板１０１と、該基板上に形成された固定電極１１０と、該固定電極上に間隙を介して対向配置される可動電極１２０と、該可動電極の外縁に接続され、前記可動電極を前記基板に対して支持する支持梁１２５とを有する振動子構造体において、前記可動電極には、前記可動電極の厚さを局部的に厚くする補強リブ１２２，１２３，１２４を有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は振動子構造体及びその製造方法に係り、特に、ＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical System)と呼ばれる半導体製造技術を用いて作製された微小な機能素子として構成する場合に好適な振動子の構造に関する。

一般に、共振子などの振動子デバイスは、その振動特性に応じて、基準信号を発生する発振器や所望帯域の電気信号を排除するためのフィルタ（例えば、バンドパスフィルタやローパスフィルタなど）等において利用されている。

近年、これまで主に使用されてきた水晶や誘電体を使用した振動子・共振子とは異なる新たな種類の振動子が種々提案されるようになってきており、その一つとしてＭＥＭＳ振動子がある。ＭＥＭＳは、Micro Electro Mechanical Systemの略称であり、その包含する概念範囲には種々の解釈があって、マイクロマシン、ＭＳＴ(Micro System Technology)と呼ばれる場合もあるが、通常、「半導体製造技術を用いて作製された微小な機能素子」を意味するものとされる。

ＭＥＭＳ振動子は微細加工されたシリコンにより構成される。その製法としては、ＳＯＩ(Semiconductor On Insulator)基板の表層半導体領域（表層シリコン）をエッチング等で加工することによって形成する方法、シリコン基板上に酸化膜や多結晶シリコンなどの表面構造体（薄膜）を形成し、この表面構造体をエッチング加工することによって形成する方法などが一般的である。このようにして形成されたＭＥＭＳ振動子は、ＭＥＭＳアクチュエータと同様の原理、例えば、静電駆動、電磁駆動、熱駆動などによって駆動される。

従来のＭＥＭＳ振動子の代表例としては、基板面方向に振動する櫛型（Ｃｏｍｂ型）振動子と、基板厚さ方向に振動するビーム型（梁型）振動子とがあり、いずれも技術文献等によって広く知られている。ビーム型振動子としては、基板上に下部電極を形成し、この下部電極の上方に間隔を有して配置され、下部電極を跨ぐように両端が固定された帯状の上部電極を有するもの(Clamped-Clamped Beam)が以下の特許文献１などに開示されている。また、図１６及び図１７に示すように、基板１上に固定電極２と、これに対向する可動電極３ａを設け、この可動電極３ａが幅狭の左右２組合計４本の支持梁３ｂで支持されてなるもの(Flee-Flee Beam)が以下の非特許文献１などに開示されている。支持梁３ｂは配線４上に絶縁材料で構成された支持固定部５に固定され、これによって、可動電極３が上下に弾性振動可能な状態で支持された構造となっている。

上記のビーム型振動子の駆動方法としては、可動状態で支持された可動電極と、この可動電極に対向配置された固定電極との間に電位差を与えることにより電界を形成し、これによって発生する静電吸引力によって駆動する静電駆動方式が多い。すなわち、可動電極と固定電極の間に駆動信号（交流電圧）を与えることによって生ずる静電吸引力の変化によって可動電極を振動させるようにしている。この場合、可動電極の材質、形状・寸法、支持構造などによって所定の固有振動数（共振周波数）が決定される。この共振周波数ｆは、概略、
ｆ＝（１／２π）・（ｋ／ｍ）^０．５ … （１）
によって決定される。ここで、ｋは可動電極の振動部分のばね定数、ｍは振動部分の質量である。
特開平７−３３３０７７号公報 ケー・ワング、他２名 「ＶＨＦ帯域フリー・フリー型高Ｑ値微小メカニカル共振子」マイクロエレクトロメカニカルシステムズ、第347〜360頁、第９巻、第３号、２０００年９月(K.Wang, A.C.Wong, and Clark T.C.Nguyen "VHF Flee-Flee Beam High-Q Micromechanical Resonators" Journal of Microelectromechanical Systems, Vol.9, No.3, September 2000)

ところで、上記のビーム型振動子においては、相互に対向配置された固定電極２と可動電極３ａとの間の静電引力によって可動電極３ａが振動するようになっているが、可動電極３ａが薄板構造となっているため、垂直方向に一体的に振動する縦方向の振動モード（基本振動モード）以外の他の振動モード（高次振動モード）、例えば、可動電極の横方向の振動モードやねじれ方向の振動モードなどが発生する虞がある。特に、固定電極２と可動電極３ａとの対向面積を確保しつつ、通常の製造プロセスにて振動子を製造しようとすると、可動電極３ａは薄板状に形成せざるを得ないため、上記の縦方向の振動モード以外の他の振動モードの発生を回避することは難しい。

上記の高次振動モードが発生すると、可動電極３ａが大きく撓み、その結果、固定電極２と可動電極３ａが局所的に接触して電気的に短絡する虞がある。通常、固定電極２と可動電極３ａの間には上記の短絡を防止するために安全と考えられる程度の間隙を設ける必要があるが、振動子の出力は固定電極２と可動電極３ａの間の静電容量の変化によって得られるので、上記の間隙を大きくすると、容量変位量が低下し、振動子としての等価直列抵抗Ｒｘが増大することにより振動子性能が低下するため、高次振動モードによる不具合を防止するために上記間隙を大きく確保することは実際には困難である。

また、上記の振動子を回路中に組み込み、例えば発振回路として動作させた場合、上記基本振動モードと高次振動モードの共振周波数が近接していると、基本振動モードから高次振動モードへと発振ジャンプが生じる可能性がある。すなわち、本来、基本振動モードで動作するように設計されていても、高次振動モードで動作してしまう虞がある。

そこで、本発明は上記問題点を解決するものであり、その目的は、不要な振動モードによる機能的影響を低減できる振動子構造体を提供することにある。より具体的な目的としては、不要な振動モードが基本振動モードの近接周波数で生じにくくすることで、振動子構造体の動作安定性や振動子性能の向上を実現することが挙げられる。また、他の具体的な目的としては、不要な振動モードにおける可動電極の振幅量を低減することで設計マージンを確保できるようにすることにより、振動子構造の設計範囲を拡大することを通して振動子性能の向上を実現することが挙げられる。

斯かる実情に鑑み、本発明の振動子構造体は、基板と、該基板上に形成された固定電極と、該固定電極上に間隙を介して対向配置される可動電極と、該可動電極の外縁に接続され、前記可動電極を前記基板に対して支持する支持梁とを有する振動子構造体において、前記可動電極には、前記可動電極の厚さを局部的に厚くする補強リブを有することを特徴とする。

この発明によれば、補強リブを設けることによって断面２次モーメントを増大させ、可動電極の剛性を高めることができるので、基本振動モード以外の不要モードの振動の発生を抑制することができ、これによって振動子の動作安定性及び振動子性能の向上を図ることが可能になる。特に、可動電極全体の厚さを増大させなくても、或いは、可動電極の面積を縮小しなくても、補強リブを設けることによる断面形状の変化により剛性を高めることができるので、固定電極と可動電極の対向面積（電極対向面積）の低下や質量の増大による振動数の低下を抑制しつつ、不要モードを低減できるという利点がある。また、不要モードの振幅量を低減できるため、固定電極と可動電極の接触や短絡などを回避するための安全性を考慮した設計マージンを拡大できることにより、振動子構造の設計自由度が増大し、これによって振動性性能の向上を図ることが可能になる。

本発明において、前記補強リブは、前記可動電極の前記固定電極と対向する面とは反対側の面上に突設されていることが好ましい。補強リブは、本来、可動電極の表裏両面のいずれに形成されていても、或いは、双方に形成されていてもよい。しかし、補強リブが可動電極における固定電極と対向する面と反対側の面上に突設されていることにより、例えば、可動電極における固定電極に対向する面を平坦面に形成できるなど、固定電極と可動電極との間の相互作用に対して補強リブによる影響を与えずに済む。また、可動電極における固定電極に対向する面とは反対側の面に補強リブを形成すればよいので、製造が容易になる。

本発明において、前記補強リブは前記可動電極の外縁に沿った閉曲線状のリブ形状を含むことが好ましい。これによれば、可動電極の外縁に沿った閉曲線状のリブ形状を有することにより、可動電極の外縁部において発生しやすい周回方向の撓み変形を低減することができる。

本発明において、前記補強リブは前記可動電極の半径方向にそれぞれ伸びる複数の部分が放射状に配置されたリブ形状を含むことが好ましい。これによれば、半径方向に伸びる複数の部分が放射状に配置されたリブ形状を有することにより、半径方向の撓み変形を低減することができる。

本発明において、前記基板は半導体基板であり、前記基板若しくはその表面上に前記固定電極又は前記可動電極に導電接続された回路構造を有することが好ましい。これによれば、半導体基板上に振動子が構成され、しかも、振動子の固定電極と可動電極が半導体基板若しくはその表面上に形成された回路構造に接続されていることにより、振動子構造体を含む電子素子（半導体装置）をコンパクトに構成できる。

本発明の振動子構造体の製造方法は、基板と、該基板上に形成された固定電極と、該固定電極上に間隙を介して対向配置される可動電極と、該可動電極の外縁に接続され、前記可動電極を前記基板に対して支持する支持梁とを有する振動子構造体の製造方法において、前記可動電極を形成する工程を具備し、前記可動電極を形成する工程では、前記可動電極の原型となる電極層を形成する段階と、前記電極層の表面上に局部的に材料を積層することにより補強リブを形成する段階とを有することを特徴とする。

また、本発明の別の製造方法は、基板と、該基板上に形成された固定電極と、該固定電極上に間隙を介して対向配置される可動電極と、該可動電極の外縁に接続され、前記可動電極を前記基板に対して支持する支持梁とを有する振動子構造体の製造方法において、前記可動電極を形成する工程を具備し、前記可動電極を形成する工程では、前記可動電極の原型となる電極層を形成する段階と、前記電極層の一部表面を除去することにより、局部的に厚く形成された補強リブを形成する段階とを有することを特徴とする。

本発明において、前記可動電極を形成する工程では、前記電極層を形成する段階の前において前記電極層の下層位置に犠牲層を形成する段階と、前記補強リブが形成された後に前記犠牲層を除去して前記間隙を形成する段階とをさらに有することが好ましい。

次に、添付図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。図１（ａ）は本実施形態の振動子構造体１００を示す概略平面図、図１（ｂ）は同実施形態の振動子構造体１００の縦断面図である。

振動子構造体１００は、単結晶シリコン基板等で構成される基板１０１と、この表面上に設けられた構造とによって構成される。基板１０１の表面上には、酸化シリコン等で構成された絶縁層１０２が形成されている。絶縁層１０２上には、多結晶シリコンで構成された固定電極１１０及び配線１１１，１１４が形成されている。

配線１１４上には絶縁層１１５が形成され、この絶縁層１１５上に多結晶シリコンや金属等の導電体で可動電極１２０及びこの可動電極１２０を周囲から支持する支持梁１２５が形成されている。可動電極１２０は全体として薄板状（図示例では円盤状）に構成され、上記固定電極１１０の直上に配置されている。可動電極１２０の外縁部には複数（図示例では４つ）の支持梁１２５の内端が等角度間隔（図示例では９０度間隔）で接続されている。また、支持梁１２５は帯状若しくは棒状に構成され、その外端に設けられた被固定部１３５は上記絶縁層１１５によって構成される支持固定部に接続されている。さらに、複数の支持梁１２５の被固定部１３５はそれぞれ絶縁層１１５を貫通して上記配線１１４に導電接続されている。なお、複数の被固定部１３５は、図１（ａ）に示される通り、配線１１４により相互に接続されるが、配線１１４とは異なる階層に設けられたＣｕ，Ａｌ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｗ等の金属などからなる導電体（図示せず）により相互に接続されるように構成しても良い。

可動電極１２０は、板状に構成された基板部１２１と、この基板部１２１の上面（すなわち、固定電極１１０と対向する面と反対側の面）に突設された補強リブ１２２，１２３，１２４を備えている。補強リブ１２２は複数設けられ、それぞれ可動電極１２０の中央から半径方向に直線状に伸び、全体として放射状に配置されている。また、補強リブ１２３，１２４は、可動電極１２０の中心部の周りを周回する閉曲線状（図示例では円状或いは環状）に構成されている。ここで、補強リブ１２３は、可動電極１２０の中心部と外縁部の間、具体的には半径方向のほぼ中間位置に形成されている。また、補強リブ１２４は、可動電極１２０の外縁部において外縁部に沿った形で構成されている。

ここで、可動電極１２０は板状に構成され、支持梁１２５は梁状（細幅の帯状若しくは棒状）に構成されていることにより、可動電極１２０が後述するように固定電極１１０に対して接離する方向に移動するとき、主として支持梁１２５が撓み変形し、可動電極１２０は支持梁１２５に比べて変形しにくく構成されている。

上記の可動電極１２０についてより詳細に説明すると、基板部１２１は基本的に周囲の支持梁１２５と同層で同じ厚さを有するように構成され、この基板部１２１の上面の一部に上記補助リブ１２２，１２３，１２４が積層された構造となっている。すなわち、これらの補助リブ１２２，１２３，１２４は、可動電極１２０の厚さを局部的に厚く構成している。本実施形態の場合、可動電極１２０は円盤状に構成され、この中心周りに補助リブ１２２が基本的に可動電極１２０の中心に対して所定の回転対称性を有する形状に構成されている。また、補助リブ１２３，１２４は可動電極１２０の中心に対して同心円状に構成されている。

可動電極１２０は、支持梁１２５によって基板１０１上において下層の固定電極１１０との間に間隙を有する状態で支持され、その結果、可動電極１２０は、支持梁１２５の弾性変形によって基板１０１側に移動可能な状態となっている。

本実施形態では、固定電極１１０と配線１１４との間に周期的な変動電圧を印加することにより、固定電極１１０と可動電極１２０との間に静電引力が発生するとともに、この静電引力が周期的に変動するため、可動電極１２０を振動させることができる。この場合、公知のように、配線１１４に交流電圧を印加して、直流的に接地された固定電極１１０との間に周期的な電圧変動を発生させてもよく、或いは、固定電極１１０と配線１１４との間にＤＣバイアスを印加した状態で交流電圧を供給するようにしてもよい。例えば、固定電極１１０と配線１１４との間に所定のＤＣバイアス電圧を設定して、配線１１４に入力信号（交流電圧）を供給するように構成することができる。

上記のようにして入力信号に応じて可動電極１２０が振動したとき、種々の形で出力信号Ｉｏｕｔを取り出すことができる。例えば、上記振動によって可動電極１２０と固定電極１１０の間の静電容量が周期的に変動するので、この静電容量の変動に応じて固定電極１１０に電流Ｉｏｕｔが生ずる。この電流Ｉｏｕｔを固定電極１１０に接続された外部回路で電圧に変換し、この電圧若しくはこの電圧をさらに変換したものを出力信号とすることができる。

一般的には、ビーム型振動子の等価回路定数、すなわち、等価抵抗Ｒｘ、等価インダクタンスＬｘ、等価キャパシタンスＣｘは以下のようになる。
Ｒｘ＝（ｋ′・ｍ′）^０．５／（Ｑ・η^２） … （２）
Ｌｘ＝ｍ′／η^２ … （３）
Ｃｘ＝η^２／ｋ′ … （４）
ここで、上記ｋ′は振動子の有効ばね定数、ｍ′は振動子の有効質量、Ｑは振動子のＱ値、ηは機械電気変換係数で、δＣ／δｘを可動電極と固定電極間の容量変位とし、Ｖｓを可動電極と固定電極間の電位差とすれば、η＝Ｖｓ・（δＣ／δｘ）で表される。（セングバエ・リー、クラーク・ティー・シー・ノイエン、「メカニカル共振子の位相ノイズにおける自動レベル制御の影響」ＩＥＥＥ インターナショナル・フレクエンシー・コントロール・シンポジウム ２００３-Influence of Automatic level Control on Mechanical resonator oscillator phase noise, Seungbae Lee and Clark T.C.Nguyen, 2003 IEEE International Frequency Control Symposium-参照）

したがって、上記回路定数を有する本実施形態の振動子構造体を回路内に組み込むことによって、種々の発振回路、フィルタ回路などを構成することができる。なお、一般に、等価インダクタンスが大きいほど、また、等価抵抗が小さいほど、振動子は高いＱ値を示す。

なお、本実施形態において、上記基板１０１に半導体基板を用いる場合、上記可動電極を駆動するための駆動回路、出力信号を得るための出力回路、入力信号を導入するための入力回路、上記振動子構造体を組み込んだ発振回路などの種々の回路を半導体基板内、或いは、半導体基板上に形成することによって、振動子構造体を回路構造と一体化することができる。このような半導体装置の構成は、上記振動子構造体に相当する別の振動子素子を用いる場合や振動子構造体と回路構造とを別体に構成する場合に比べて、大幅なコンパクト化を可能にする。また、各回路間の配線における冗長性も排除できるため、特性の向上も期待出来る。

本実施形態では、可動電極１２０に補強リブ１２２，１２３，１２４が設けられることにより、可動電極１２０の断面２次モーメントが増大し、これにより、可動電極１２０全体を厚くしなくても、或いは、可動電極１２０の面積を小さくしなくても、可動電極１２０の剛性、特に撓み変形に対する剛性を高めることができる。したがって、支持梁１２５の変形によって可動電極１２０全体が上下方向に振動する基本振動モード以外の他の振動モードの発生を抑制することができるとともに、当該他の振動モードによる振動子性能の悪化を低減できる。

この場合、補強リブ１２２，１２３，１２４を形成することによる剛性の向上効果が高く、しかも、可動電極１２０の全体の厚さをなるべく小さくする上では、基板部１２１の厚さと、補強リブ１２２，１２３，１２４の厚さの比が０．６５〜１．３５の範囲内であることが好ましい。例えば、基板部１２１の厚さが０．５〜１．０μｍであるときには、補強リブ１２２，１２３，１２４の厚さ（補強リブが形成された領域の厚さから基板部１２１の厚さを減算した値）は０．５〜１．０μｍであることが好ましい。

なお、前記実施例では支持梁１２５が基板部１２１と同じ厚さである場合について言及しているが、その限りではない。支持梁１２５は例えば基板部１２１の厚みと補強リブ１２２，１２３，１２４の厚みとを合算した厚みであっても良い。

図２は、上記実施形態の可動電極１２０及び支持梁１２５の形状寸法に対応する振動子モデルから上記補強リブ１２２，１２３，１２４に相当する部分を除去した振動子モデル（補強リブ無し；以下、単に「比較例」という。）と、上記実施形態の可動電極１２０及び支持梁１２５の形状寸法に対応する振動子モデル（補強リブ有り；以下、単に「実施例」という。）とに対してそれぞれ有限要素法を適用し、振動モードの解析を行ったときの上記振動子構造体１００の共振周波数の値を振動モード別に示したものである。ここで、モード１は、基本振動モードであり、可動電極１２０全体が同相で上下に振動する場合を示す。また、モード２乃至モード６は、上記振動子モデルの他の振動モードのうち、共振周波数が上記基本振動モードに近いものを５つ抽出したものである。

上記振動モードの解析では、可動電極１２０の直径を例えば８０μｍ程度、基板部１２１の厚さを例えば１μｍ程度、補強リブ１２２，１２３，１２４の幅を例えば５μｍ程度、補強リブの厚さを例えば１μｍ程度、補強リブ１２３の中心部で計った直径を例えば４０μｍ程度、可動電極１２０の外縁から支持梁１２５の固定部分までの距離（梁の長さ）を例えば２０μｍ程度、幅を例えば５μｍ程度、厚さを例えば１μｍ程度とした。また、可動電極１２０及び支持梁１２５の材料はポリシリコンとし、一般的なシリコンの材料定数であるヤング率１７０ＧＰａ、ポアソン比０．２５、密度２３３０ｋｇ／ｍ^３に準じてこれらに近い値とした。

図２を見ると、本実施例では、比較例に比べて、基本振動モード（モード１）の共振周波数と、他の振動モード（モード２乃至６）の共振周波数との差が大きいことがわかる。また、基本振動モードの共振周波数に対する他の振動モードの共振周波数の比を図３に示す。図３を見ればわかるように、実施例では、基本振動モードの共振周波数に対する最も近いモード２及び３の共振周波数の比が２０〜３０％程度比較例に比べて大きくなっていることがわかる。

すなわち、実施例では、補強リブ１２２，１２３，１２４を設けることで断面２次モーメントが増大し、これによって可動電極１２０の剛性が高まり、その結果、基本振動モードの共振周波数と他の振動モードの共振周波数との差、或いは、基本振動モードの共振周波数に対する他の振動モードの共振周波数の比が大きくなる。したがって、基本振動モードによって動作する振動子構造体１００の動作安定性が向上するとともに、振動性性能も向上することがわかる。具体的には、振動子構造体１００において周波数ジャンプなどを招く虞が低減されるとともに、振動子のＱ値を高めることができる。

より具体的には、補強リブを付加した実施例では基本振動モードに対してモード５以降の高次の振動周波数が従来品よりも大きく離れている事が判る。この結果、例えば発振器の共振回路として使用した場合、高次モードにおける共振周波数が基本波のそれに対してより多くの差分が確保できるため、発振ジャンプの弊害が起こりにくくなる。すなわち、上記高次モードにおける共振周波数帯域が基本振動モードに対し十分に離れていれば、回路能動部の増幅利得は周波数上昇とともに低下するため、高次モードでの発振条件が満たされにくくなり、この結果、発振周波数のジャンプなどの弊害が起こりにくくなる。

なお、実施例において、モード２〜４の共振周波数が殆ど同様であるのは、これらのモードでほぼ同じ形態の振動が生じているためである。すなわち、モード２における可動電極の端部の変位量の大きい箇所に相当する箇所が、モード３や４では別の場所で生じているだけである。

図４乃至図８は、上記振動解析の結果として、上記実施例の各振動モードの振動態様を、可動電極１２０の斜視形状及びその上に描いた変形量の分布（等変形量線で示す。）で表す説明図、図９乃至図１１は上記比較例の各振動モードの振動態様を上記と同様の方法で表す説明図である。なお、各図において、複数の等変形量線間の関係を明らかにするために、図示実線によるハッチング部分はその振動モードにおける最も変形量（高さ方向の移動量）の大きい領域を示し、また、図示点線によるハッチング部分はその振動モードにおける最も変形量の小さい領域を示してある。

一般的に、基本振動モード（モード１）では、可動電極１２０全体が上下方向に振動し、このときの変位量は可動電極１２０の中心位置で最大になる。しかし、高次モード（例えば、モード２乃至５）では、振動の節が増加するとともに、変位量の最大箇所が中心部以外に現れる。例えば、比較例のモード２では可動電極１２０の相互に反対側の２つの端部で変位量が最大になり、比較例のモード５では変位量の最大値が可動電極１２０の端部４箇所で生ずる。

一方、実施例では、上記比較例と比べると、モード２及び５の双方で、可動電極１２０の高次モードでの変位が抑えられている事が判る。すなわち、実施例では、比較例よりも変位箇所が減少し、尚且つ面全体での変位量が低下している事が確認出来る。この様に、補強リブを形成する事で、可動電極が所望の振動モード以外の変位の大きい振動モードを抑圧するのに効果的である事がわかる。

上記のように不要モードの振動の変位量が低下すると、固定電極１１０と可動電極１２０の間の間隙を小さくしても固定電極１１０と可動電極１２０の接触・短絡による事故が発生しなくなる。したがって、上記間隙を小さくすることが可能になるので、電極間の静電引力を大きくすることができ、入力信号が小さくても基本振動モードの振幅を確保することが可能であるとともに、電極間の容量変化量を増大させることができるので、大きな出力信号を取り出すことが可能になる。

本実施形態では、補強リブ１２２，１２３，１２４を可動電極１２０の上面、すなわち、固定電極１１０と対向する面とは反対側の面に設けている。これにより、固定電極１１０と可動電極１２０の対向面をそれぞれ平坦に構成できるので、従来構造と同様の電気的設計が可能になる。また、製造工程においても、固定電極１１０と対向する可動電極１２０の面を平坦に形成できるため、犠牲層の表面を加工処理する必要がなくなり、その結果、製造工程の工数の増加を抑制し、製造コストの上昇を抑止できる。

ただし、上記補強リブ１２２，１２３，１２４を可動電極１２０の下面、すなわち、固定電極１１０と対向する面に設けてもよい。さらに、上記補強リブを可動電極１２０の上下両面にそれぞれ設けても構わない。

また、上記補強リブ１２２，１２３，１２４は、可動電極１２０と同じ導電材料で構成されていてもよく、また、絶縁材料で構成されていてもよい。さらに、補強リブ１２２，１２３，１２４の全体が可動電極１２０の他の部分に固定されている必要はなく、部分的に接続されていても構わない。すなわち、補強リブが可動電極の他の部分の変形を抑制するように構成されていればよい。

次に、図１２乃至図１５を参照して、本発明に係る振動子構造体の製造方法について説明する。なお、この製造方法によって製造される振動子構造体２００は、基本的には上記実施形態の振動子構造体１００と同様に構成されているが、細部の構造及び配線構造などが異なる部分もあるので、各製造工程の説明においてその都度、振動子構造体２００の構造、或いは、振動子構造体１００の製造方法についても言及する。

最初に、図１２及び図１３を参照して、振動子構造体２００の基本構成について説明する。この製造方法は、基本的には比較例の振動子構造体をも製造することのできる方法であり、上記の補強リブの構成及び形成工程については図示及び説明を省略する。

本実施形態では、最初に図１２（ａ）に示す基板２０１を用意する。この基板２０１は半導体基板であることが好ましく、特に、単結晶シリコン基板であることが望ましい。

次に、図１２（ｂ）に示すように、この基板２０１の表面上には、スパッタリング法や熱酸化法などによって酸化シリコン（ＳｉＯ_２）などで構成される絶縁層２０２を形成する。この絶縁層２０２は基板表面に自然に形成される自然酸化膜で構成してもよい。

さらに、図１２（ｃ）に示すように、上記絶縁層２０２上にスパッタリング法やＣＶＤ法などにより窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）などで構成される絶縁層２０３を形成する。この絶縁層２０３は、上記振動子構造体１００には設けられていないが、主として製造上の観点で設けられるものであり、例えば、後述する犠牲層のエッチングを行う際のエッチングストップ層として機能するものである。

次に、図１２（ｄ）に示すように、絶縁層２０３上にＣＶＤ法などにより多結晶シリコン層を形成し、これをフォトリソグラフィ法やエッチング法などによってパターニングすることにより、固定電極２１０及びこれに接続された図示しない出力配線を形成する。なお、上記の振動子構造体１００では、固定電極１１０及び配線１１１と、配線１１４とが同時に形成される。この実施形態では、上記の振動子構造体１００とは異なり、可動電極に導電接続される配線が固定電極２１０と同時に形成されず、後述する他の工程において上層に形成される。ただし、上記振動子構造体１００と同様に固定電極２１０と、可動電極に接続される配線とを同時に形成しても構わない。

次に、図１２（ｅ）に示すように、窒化シリコンで構成された上記絶縁層２０３と、多結晶シリコンで構成された上記固定電極２１０の表面に熱酸化法によって酸化シリコン層２１２を形成する。この酸化シリコン層２１２は、絶縁層２０３及び固定電極２１０が酸化雰囲気中で加熱されることによって形成されるもので、図中で強調して描くように、窒化シリコンが多結晶シリコンよりも酸化されにくいことにより、絶縁層２０３上の部分は薄く、固定電極２１０上の部分は厚く形成される。

さらに、図１２（ｆ）に示すように、上記酸化シリコン層２１２上に酸化シリコンをＣＶＤ法などによって成膜し、酸化シリコン層２１３を形成する。酸化シリコン層２１２と２１３は、後述する可動電極２２０と基板２０１との間に間隙を形成するための犠牲層を構成するものである。この酸化シリコン層２１３の成膜処理は、犠牲層の厚さを十分に確保するとともに、当該厚さを設計値どおりに制御するために実施される。

また、犠牲層となる酸化シリコン層２１２及び２１３は、少なくとも後述する可動電極２２０の形成領域を含む領域に存在するようにパターニングされる。このとき、犠牲層が可動電極２２０の形成領域にのみ限定して存在するようにパターニングされることが望ましい。なお、振動子構造体１００を製造する場合には、上記のパターニング時において、固定電極１１０と同層に形成された配線１１４の一部を露出するためのコンタクトホールが上記の酸化シリコン層に形成される。

次に、図１３（ａ）に示すように、酸化シリコン層２１３上にＣＶＤ法などにより多結晶シリコンや金属などの導電体を成膜し、これをパターニングすることによって、可動電極２２０及び支持梁２２５を形成する。このとき、上記振動子構造体１００を製造する場合には、上記の酸化シリコン層に形成されたコンタクトホールの内部にも成膜材料が充填され、これによって、可動電極１２０と配線１１４とが導電接続された状態となる。この工程が終了すると、基板２０１上には振動子構造体２００を構成する全ての構造要素が形成される。

次に、図１３（ｂ）に示すように、熱酸化法やＣＶＤ法などで酸化シリコン等からなる層間絶縁膜２１６を形成し、この層間絶縁膜２１６に上記支持梁２２５の一部を露出するコンタクトホール２１６ａを形成する。その後、層間絶縁膜２１６上にアルミニウム等の金属を成膜することによって配線２１４（或いは、当該配線２１４に接続されるべき電極端子でもよい。）を形成する。このとき、配線２１４は上記コンタクトホール２１６ａを通して支持梁２２５に導電接続される。

さらに、基板２０１上をアクリル樹脂等の保護膜２１７で被覆し、この保護膜２１７における上記可動電極２２０及び支持梁２２５の可動部分にほぼ対応する領域に開口部２１７ａを形成する。なお、保護膜２１７をスクリーン印刷などによって予め開口部２１７ａを備えたものとして形成することも可能である。

そして、フッ化水素酸系のエッチング液を用いてウエットエッチングを施すことにより、開口部２１７ａに対応する部分において上記犠牲層（酸化シリコン層２１２，２１３）が除去される。このとき、ウエットエッチングは絶縁層２０３にて停止する。これによって、可動電極２２０及び支持梁２２５と、絶縁層２０３との間に所定の間隙が確保される。なお、図示例の場合には、上記酸化シリコン層２１２の厚さが異なることにより、可動電極２２０と固定電極２１０の間隔が周囲の支持梁２２５と絶縁層２０３の間隔と異なるもの（より大きなもの）とされる。

なお、上記酸化シリコン層２１２，２１３のうち、支持梁２２５の下層に存在する部分（アンカー部分）は上記ウエットエッチングで除去されずに残され、支持梁２２５を基板２０１上に固定するための支持固定部２１５となる。

本発明の製造方法の概略工程は以上のとおりであるが、次に、図１４及び図１５を参照して、可動電極２２０に補強リブ２２２，２２３，２２４を形成する工程の詳細について説明する。なお、上記図１４及び図１５及び以下の説明では、補強リブと直接関係のない構成、すなわち、支持梁２２５、配線２１４、支持固定部２１５等については省略する。

図１４は、補強リブを形成する一つの方法を示す概略工程図である。この方法では、上述の可動電極２２０を形成する工程として、以下に示す各段階を実施する。最初に、図１４（ａ）に示すように電極層２２０Ｘを形成した後、図１４（ｂ）に示すように熱酸化法やＣＶＤ法等により層間絶縁膜２１６を形成する。

次に、上記の層間絶縁膜２１６における上記電極層２２０Ｘの上方にある部分に、図１４（ｃ）に示すように、補強リブに対応する平面パターンの開口２１８ａを備えたレジスト２１８を形成する。そして、このレジスト２１８上に、例えば、多結晶シリコン、Ｔｉ等の金属、窒化シリコンなどのような層間絶縁膜２１６の除去工程で残存する材料で構成された被覆層２１９を形成する。その後、図１４（ｄ）に示すように、この被覆層２１９のうち開口２１８ａ内に形成された部分以外をレジスト２１８とともに除去することにより、補強リブの平面パターンと一致する被覆パターン２２６を形成する。

その後、上記図１３に示す方法と同じ方法で、層間絶縁膜２１６のうち上記被覆パターン２２６で覆われていない部分とともに犠牲層となる酸化シリコン層２１２，２１３を除去することによって、図１４（ｅ）に示すように、上記被覆パターン２１６と対応する平面形状を有する補強リブ２２２，２２３，２２４を備えた可動電極２２０が固定電極２１０の上方に間隙をもって形成される。

図１５は、補強リブを形成する他の方法を示す概略工程図である。最初に、図１５（ａ）に示すように、厚い電極層２２０Ｙ、例えば、可動電極２２０の補強リブ２２２，２２３，２２４の形成部位と同じ厚さを有するものを形成する。その後、図１５（ｂ）に示すように、この電極層２２０Ｙ上における補強リブを形成すべき領域にレジスト２２７を配置する。換言すると、電極層２２０Ｙの補強リブを形成しない領域に開口２２７ａを有するレジスト２２７を配置する。

そして、上記レジスト２２７を用いて電極層２２０Ｙをエッチングし、その後、レジスト２２７を除去することにより、図１５（ｃ）に示すように、補強リブ２２２，２２３，２２４を備えた可動電極２２０を形成する。その後、上記と同様に犠牲層を除去することによって、図１５（ｄ）に示すように、可動電極２２０と固定電極２１０との間に間隙を形成する。

尚、本発明の振動子構造体は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、上記各実施形態では、円盤状の可動電極に放射状及び同心円状の補強リブを形成したが、可動電極の平面形状や補強リブの平面パターンは任意であり、例えば、矩形状の可動電極に格子状やストライプ状の補強リブを形成しても構わない。

また、上記実施形態の可動電極は、基板部の表面上に細幅の補強リブを積層した構造を有するが、基基板部の表面に細幅の凹溝を形成する場合でも、比較的広幅の補強リブが形成されていることになり、断面２次モーメントが増大するので、上記と同様の効果を奏することができる。さらに、上記補強リブや凹溝は所定方向に伸びる延長形状を有するものに限らず、可動電極に厚さの変化をもたらす凹凸形状を有するもの、すなわち、可動電極の断面２次モーメントを増大させるものであれば、如何なる形状のものであっても構わない。

実施形態の振動子構造体１００の概略平面図（ａ）及び概略縦断面図（ｂ）。 実施例と比較例のモデル振動子の複数の振動モードの共振周波数を対比して示すグラフ。 実施例と比較例のモデル振動子の基本振動モードの共振周波数に対する他の振動モードの共振周波数の比を示すグラフ。 実施例の基本振動モード（モード１）の振動態様を示す説明図。 実施例の第２振動モード（モード２）の振動態様を示す説明図。 実施例の第３振動モード（モード３）の振動態様を示す説明図。 実施例の第４振動モード（モード４）の振動態様を示す説明図。 実施例の第５振動モード（モード５）の振動態様を示す説明図。 比較例の基本振動モード（モード１）の振動態様を示す説明図。 比較例の第２振動モード（モード２）の振動態様を示す説明図。 比較例の第５振動モード（モード３）の振動態様を示す説明図。 実施形態の製造方法の概略構成を示す概略工程図（ａ）〜（ｆ）。 実施形態の製造方法の概略構成を示す概略工程図（ａ）〜（ｄ）。 実施形態の補強リブの製造方法の一例を示す概略工程図（ａ）〜（ｄ）。 実施形態の補強リブの製造方法の他の例を示す概略工程図（ａ）〜（ｅ）。 従来のビーム型振動子の概略斜視図。 従来のビーム型振動子の概略縦断面図。

符号の説明

１００…振動子構造体、１０１…基板、１０２，１０３…絶縁層、１１０…固定電極、１１４…配線、１１５…絶縁層、１２０…可動電極、１２１…基板部、１２２，１２３，１２４…補強リブ、１２５…被固定部

Claims (8)

1. 基板と、該基板上に形成された固定電極と、該固定電極上に間隙を介して対向配置される可動電極と、該可動電極の外縁に接続され、前記可動電極を前記基板に対して支持する支持梁とを有する振動子構造体において、
   前記可動電極には、前記可動電極の厚さを局部的に厚くする補強リブを有することを特徴とする振動子構造体。
2. 前記補強リブは前記可動電極の前記固定電極と対向する面とは反対側の面上に突設されていることを特徴とする請求項１に記載の振動子構造体。
3. 前記補強リブは前記可動電極の外縁に沿った閉曲線状のリブ形状を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の振動子構造体。
4. 前記補強リブは前記可動電極の半径方向にそれぞれ伸びる複数の部分が放射状に配置されたリブ形状を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の振動子構造体。
5. 前記基板は半導体基板であり、前記基板若しくはその表面上に前記固定電極又は前記可動電極に導電接続された回路構造を有することを特徴とする振動子構造体。
6. 基板と、該基板上に形成された固定電極と、該固定電極上に間隙を介して対向配置される可動電極と、該可動電極の外縁に接続され、前記可動電極を前記基板に対して支持する支持梁とを有する振動子構造体の製造方法において、
   前記可動電極を形成する工程を具備し、
   前記可動電極を形成する工程では、前記可動電極の原型となる電極層を形成する段階と、前記電極層の表面上に局部的に材料を積層することにより補強リブを形成する段階とを有することを特徴とする振動子構造体の製造方法。
7. 基板と、該基板上に形成された固定電極と、該固定電極上に間隙を介して対向配置される可動電極と、該可動電極の外縁に接続され、前記可動電極を前記基板に対して支持する支持梁とを有する振動子構造体の製造方法において、
   前記可動電極を形成する工程を具備し、
   前記可動電極を形成する工程では、前記可動電極の原型となる電極層を形成する段階と、前記電極層の一部表面を除去することにより、局部的に厚く形成された補強リブを形成する段階とを有することを特徴とする振動子構造体の製造方法。
8. 前記可動電極を形成する工程では、前記電極層を形成する段階の前において前記電極層の下層位置に犠牲層を形成する段階と、前記補強リブが形成された後に前記犠牲層を除去して前記間隙を形成する段階とをさらに有することを特徴とする請求項５又は６に記載の振動子構造体の製造方法。
   

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