JP2008153944A - 圧電振動子およびその製造方法、並びに、ｍｅｍｓデバイスおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】様々な周波数の信号を出力することができる圧電振動子を提供する。
【解決手段】本発明に係る圧電振動子１００は，基体と、基体の一部からなる枠状の支持部４０と、複数の振動子部２００ａ，２００ｂ，２００ｃと、を含み、各振動子部は、基体の一部からなり、一端を支持部の内側に固定し他端を自由にした振動部１０ａ，１０ｂ，１０ｃと、振動部の屈曲振動を生成する駆動部２０ａ，２０ｂ，２０ｃと、を有し、各振動部の長さは異なり、各駆動部は、基体の上方に形成された第１電極と、第１電極の上方に形成された圧電体層と、圧電体層の上方に形成された第２電極と，を有する。
【選択図】図１
【解決手段】本発明に係る圧電振動子１００は，基体と、基体の一部からなる枠状の支持部４０と、複数の振動子部２００ａ，２００ｂ，２００ｃと、を含み、各振動子部は、基体の一部からなり、一端を支持部の内側に固定し他端を自由にした振動部１０ａ，１０ｂ，１０ｃと、振動部の屈曲振動を生成する駆動部２０ａ，２０ｂ，２０ｃと、を有し、各振動部の長さは異なり、各駆動部は、基体の上方に形成された第１電極と、第１電極の上方に形成された圧電体層と、圧電体層の上方に形成された第２電極と，を有する。
【選択図】図１
Description
本発明は、圧電振動子およびその製造方法、並びに、ＭＥＭＳデバイスおよびその製造方法に関する。
一般に、時計やマイコンなどの情報機器では、クロックモジュールの発振器部分に圧電振動子が用いられている。圧電振動子には、圧電効果で駆動する方式が広く用いられている。最近では、シリコン基板上に、圧電体薄膜を上下の電極で挟んだ駆動部を設けた圧電振動子が開発されている（例えば特許文献１参照）。
特開２００５−２４９３９５号公報
本発明の目的は、様々な周波数の信号を出力することができる圧電振動子およびその製造方法を提供することにある。また、本発明の他の目的は、この圧電振動子を備えるＭＥＭＳデバイスおよびその製造方法を提供することにある。
本発明に係る圧電振動子は、
基体と、
前記基体の一部からなる枠状の支持部と、
複数の振動子部と、を含み、
各前記振動子部は、
前記基体の一部からなり、一端を前記支持部の内側に固定し他端を自由にした振動部と、
前記振動部の屈曲振動を生成する駆動部と、を有し、
各前記振動部の長さは異なり、
各前記駆動部は、
前記基体の上方に形成された第１電極と、
前記第１電極の上方に形成された圧電体層と、
前記圧電体層の上方に形成された第２電極と、を有する。
基体と、
前記基体の一部からなる枠状の支持部と、
複数の振動子部と、を含み、
各前記振動子部は、
前記基体の一部からなり、一端を前記支持部の内側に固定し他端を自由にした振動部と、
前記振動部の屈曲振動を生成する駆動部と、を有し、
各前記振動部の長さは異なり、
各前記駆動部は、
前記基体の上方に形成された第１電極と、
前記第１電極の上方に形成された圧電体層と、
前記圧電体層の上方に形成された第２電極と、を有する。
本発明に係る圧電振動子は、前記複数の振動子部を有し、各前記振動子部は、それぞれ長さの異なる前記振動部を備えている。各前記振動部の長さが異なるため、各前記振動子部の屈曲振動の共振周波数も異なっている。従って、各前記振動子部のオンオフを組み合わせることで、１つの圧電振動子から様々な周波数の信号を出力することができる。
なお、本発明に係る記載では、「上方」という文言を、例えば、「特定のもの（以下「Ａ」という）の「上方」に形成された他の特定のもの（以下「Ｂ」という）」などと用いている。本発明に係る記載では、この例のような場合に、Ａ上に直接Ｂが形成されているような場合と、Ａ上に他のものを介してＢが形成されているような場合とが含まれるものとして、「上方」という文言を用いている。
本発明に係る圧電振動子において、
各前記振動部は、１本のビーム部から構成され、
各前記駆動部は、前記１本のビーム部に対して１つ設けられていることができる。
各前記振動部は、１本のビーム部から構成され、
各前記駆動部は、前記１本のビーム部に対して１つ設けられていることができる。
本発明に係る圧電振動子において、
各前記振動部は、基部および該基部を基端とする２本のビーム部から構成される音叉形状を有し、
各前記駆動部は、各前記ビーム部に対して１対ずつ設けられていることができる。
各前記振動部は、基部および該基部を基端とする２本のビーム部から構成される音叉形状を有し、
各前記駆動部は、各前記ビーム部に対して１対ずつ設けられていることができる。
本発明に係る圧電振動子において、
複数の前記振動部のうちの少なくとも一部は、自由端を対向させて配置されていることができる。
複数の前記振動部のうちの少なくとも一部は、自由端を対向させて配置されていることができる。
本発明に係る圧電振動子において、
対向する前記自由端の間の領域のうちの少なくとも２つの平面視における面積は、同じであることができる。
対向する前記自由端の間の領域のうちの少なくとも２つの平面視における面積は、同じであることができる。
本発明に係るＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）デバイスは、
上述の圧電振動子と、
前記圧電振動子の出力をフィードバックして、該出力の周波数を制御する制御回路と、を含む。
上述の圧電振動子と、
前記圧電振動子の出力をフィードバックして、該出力の周波数を制御する制御回路と、を含む。
本発明に係るＭＥＭＳデバイスの製造方法は、
上述の圧電振動子、および、該圧電振動子の出力をフィードバックして、該出力の周波数を制御する制御回路を有するＭＥＭＳウェハを形成する工程と、
前記ＭＥＭＳウェハにおける前記圧電振動子および前記制御回路を動作させて、前記圧電振動子の出力の周波数を測定する工程と、を含む。
上述の圧電振動子、および、該圧電振動子の出力をフィードバックして、該出力の周波数を制御する制御回路を有するＭＥＭＳウェハを形成する工程と、
前記ＭＥＭＳウェハにおける前記圧電振動子および前記制御回路を動作させて、前記圧電振動子の出力の周波数を測定する工程と、を含む。
本発明に係る圧電振動子の製造方法は、
基板、該基板の上方に形成された第１層、および該第１層の上方に形成された第２層を有する基体を用意する工程と、
前記基体の上方に、複数の振動子部のそれぞれが有する振動部の屈曲振動を生成する駆動部を形成する工程と、
前記第２層をパターニングして、枠状の支持部、該支持部の内側を基端とし他端を該支持部に接しないように設けられた各前記振動部、前記振動部同士を連続させる接続部、および前記第１層を露出させる開口部を形成する工程と、
前記開口部により露出した部分から前記第１層の一部をウェットエッチングにより除去して、少なくとも前記振動部の下方に空隙部を形成する工程と、
前記空隙部を形成した後に、前記接続部をドライエッチングにより除去する工程と、を含み、
前記駆動部を形成する工程は、
前記基体の上方に第１電極を形成する工程と、
前記第１電極の上方に圧電体層を形成する工程と、
前記圧電体層の上方に第２電極を形成する工程と、を有し、
各前記振動部は、長さが異なるように形成され、
複数の前記振動部のうちの少なくとも一部は、自由端を対向させて配置され、
前記接続部は、対向する前記自由端の間の領域に設けられ、
少なくとも２つの前記接続部は、平面視における面積が同じとなるように形成される。
基板、該基板の上方に形成された第１層、および該第１層の上方に形成された第２層を有する基体を用意する工程と、
前記基体の上方に、複数の振動子部のそれぞれが有する振動部の屈曲振動を生成する駆動部を形成する工程と、
前記第２層をパターニングして、枠状の支持部、該支持部の内側を基端とし他端を該支持部に接しないように設けられた各前記振動部、前記振動部同士を連続させる接続部、および前記第１層を露出させる開口部を形成する工程と、
前記開口部により露出した部分から前記第１層の一部をウェットエッチングにより除去して、少なくとも前記振動部の下方に空隙部を形成する工程と、
前記空隙部を形成した後に、前記接続部をドライエッチングにより除去する工程と、を含み、
前記駆動部を形成する工程は、
前記基体の上方に第１電極を形成する工程と、
前記第１電極の上方に圧電体層を形成する工程と、
前記圧電体層の上方に第２電極を形成する工程と、を有し、
各前記振動部は、長さが異なるように形成され、
複数の前記振動部のうちの少なくとも一部は、自由端を対向させて配置され、
前記接続部は、対向する前記自由端の間の領域に設けられ、
少なくとも２つの前記接続部は、平面視における面積が同じとなるように形成される。
以下、本発明に好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。
１． まず、本実施形態に係る圧電振動子１００について説明する。図１は、本実施形態に係る圧電振動子１００を概略的に示す平面図であり、図２は、圧電振動子１００を概略的に示す断面図である。なお、図２は、図１のII−II線断面図である。
圧電振動子１００は、図１および図２に示すように、基体１と、支持部４０と、振動子部２００と、を含む。
基体１は、例えば図２に示すように、基板２と、基板２上に形成された第１層３と、第１層３上に形成された第２層４と、を有する。第１層３は、例えば絶縁層であり、第２層４は、例えば半導体層である。基体１としては、例えばＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板などを用いることができる。例えば、基板２としてシリコン基板、第１層（以下「絶縁層」ともいう）３として酸化シリコン層、第２層（以下「半導体層」ともいう）４としてシリコン層を用いることができる。半導体層４内には各種の半導体回路を作り込むことができる。半導体層４としてシリコン層を用いることが、一般的な半導体製造技術を利用できる点で有利である。絶縁層３の厚さは、例えば２μｍ〜４μｍであり、半導体層４の厚さは、例えば４μｍ〜２０μｍである。
支持部４０は、基体１の一部からなる。支持部４０は、例えば図示のように、半導体層４の一部からなる。支持部４０は、振動部１０を支持することができる。支持部４０は、枠状であり、例えば図示のような矩形（正方形である場合を含む）の枠状である。
振動子部２００は、複数設けられている。振動子部２００は、例えば図示のように３つ（第１振動子部２００ａ、第２振動子部２００ｂ、および第３振動子部２００ｃ）設けられることができる。各振動子部２００ａ，２００ｂ，２００ｃは、振動部１０と、駆動部２０と、を有する。即ち、第１振動子部２００ａは、第１振動部１０ａと、第１駆動部２０ａと、を有する。また、第２振動子部２００ｂは、第２振動部１０ｂと、第２駆動部２０ｂと、を有する。また、第３振動子部２００ｃは、第３振動部１０ｃと、第３駆動部２０ｃと、を有する。なお、振動子部２００の数は、図示のような３つに限定されるわけではない。
振動部１０は、基体１の一部からなる。振動部１０は、例えば図示のように、半導体層４の一部からなる。各振動部１０ａ，１０ｂ，１０ｃの一端は、支持部４０の内側に固定されており、他端は自由にされている。各振動部１０ａ，１０ｂ，１０ｃは、例えば図示のように、１本のビーム部から構成されている。各振動部１０ａ，１０ｂ，１０ｃの平面形状は、例えば矩形であり、図示の例では長方形である。
各振動部１０ａ，１０ｂ，１０ｃの長さは、図１に示すように、異なっている。例えば図示のように、第１振動部１０ａ、第２振動部１０ｂ、第３振動部１０ｃの順に長さが短くなっている。なお、本発明において、振動部の長さとは、平面視における固定端１２から自由端１４までの距離をいう。また、振動部の長さ方向（Ｘ方向）に直交する方向（Ｙ方向）の振動部の両端の距離を、振動部の幅という。
振動部１０は、図２に示すように、基体１の絶縁層３の一部を除去して形成された空隙部８０上に形成されている。空隙部８０の平面形状は、例えば矩形であり、図示の例では長方形であり、その長手方向は、振動部１０の長さ方向と同じ方向（Ｘ方向）である。振動部１０の周りには、振動部１０の振動を許容する開口部４２が形成されている。開口部４２および振動部１０は、平面視（図１）において一体的に見ると、例えば空隙部８０に一致している。
駆動部２０は、振動部１０の屈曲振動を生成する。各駆動部２０ａ，２０ｂ，２０ｃは、図１に示すように、１本のビーム部に対して１つ設けられている。各駆動部２０ａ，２０ｂ，２０ｃの平面形状は、例えば矩形であり、図示の例では長方形であり、その長手方向は、振動部１０の長さ方向と同じ方向（Ｘ方向）である。各駆動部２０ａ，２０ｂ，２０ｃは、図２に示すように、基体１（より具体的には半導体層４）の上方に形成された第１電極２２と、第１電極２２上に形成された圧電体層２４と、圧電体層２４上に形成された第２電極２６と、を有する。各駆動部２０ａ，２０ｂ，２０ｃは、さらに、半導体層４と第１電極２２との間に形成された下地層５を有することができる。駆動部２０の主要部は、例えば図１および図２に示すように、振動部１０の固定端側の上に形成されている。駆動部２０の一部（より具体的には下地層５および第１電極２２）は、例えば支持部４０の上にも形成されている。
下地層５は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）層、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）層等の絶縁層である。下地層５は、例えば２層以上の複合層で構成されていても良い。下地層５の厚さは、例えば１μｍである。
第１電極２２は、例えばＰｔなどの電極材料からなることができる。第１電極２２の厚さは、十分に低い電気抵抗値が得られる厚さであれば良く、例えば１０ｎｍ以上５μｍ以下とすることができる。
圧電体層２４は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ(Ｚｒ，Ｔｉ)Ｏ３：ＰＺＴ）、ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｏ３：ＰＺＴＮ）などの圧電材料からなることができる。圧電体層２４の厚さは、例えば０．１μｍ〜２０μｍとすることができる。
第２電極２６は、例えばＰｔなどの電極材料からなることができる。第２電極２６の厚さは、十分に低い電気抵抗値が得られる厚さであれば良く、例えば１０ｎｍ以上５μｍ以下とすることができる。
なお、図示の例では、駆動部２０において、第１電極２２と第２電極２６の間には圧電体層２４のみが存在するが、両電極２２，２６間に圧電体層２４以外の層を有していても良い。圧電体層２４の膜厚は、共振条件に応じて適宜変更することができる。
本実施形態に係る圧電振動子１００では、各駆動部２０ａ，２０ｂ，２０ｃに交互に逆向きの電界を印加することにより、振動部１０ａ，１０ｂ，１０ｃを上下方向（Ｚ方向）に屈曲振動させることができる。
２． 次に、本実施形態に係る圧電振動子１００の製造方法の一例について図面を参照しながら説明する。図３、図５〜図７は、本実施形態の圧電振動子１００の一製造工程を概略的に示す断面図であり、図４は、圧電振動子１００の一製造工程を概略的に示す平面図である。なお、図３、図６、および図７は、図２に示す断面図に対応しており、図５は、図４のＶ−Ｖ線断面図である。
（１）まず、図３に示すように、基板２上に絶縁層３および半導体層４がこの順に配置された基体１を用意する。
（２）次に、基体１上に、駆動部２０を形成する。具体的には、基体１上に駆動部２０を構成する下地層５、第１電極２２、圧電体層２４、および第２電極２６を順次形成する。
下地層５は、熱酸化法、ＣＶＤ法、スパッタ法などにより形成される。下地層５は、例えば、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いてパターニングされ、所望の形状に形成されることができる。
第１電極２２は、蒸着法、スパッタ法、めっき法などにより形成される。第１電極２２は、例えば、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いてパターニングされ、所望の形状に形成されることができる。
圧電体層２４は、レーザーアブレーション法、蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法、溶液法（ゾルゲル法）などにより形成される。例えば、レーザーアブレーション法を用いてチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電体層２４を形成する場合には、レーザー光をＰＺＴ用ターゲット、例えばＰｂ１．０５Ｚｒ０．５２Ｔｉ０．４８ＮｂＯ３のターゲットに照射する。そして、このターゲットから鉛原子、ジルコニウム原子、チタン原子、および酸素原子をアブレーションによって放出させ、レーザーエネルギーによってプルームを発生させ、このプルームを基体１に向けて照射する。これにより、第１電極２２上にＰＺＴからなる圧電体層２４が成膜される。圧電体層２４は、例えば、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いてパターニングされ、所望の形状に形成される。
第２電極２６は、蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法などにより形成される。第２電極２６は、例えば、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いてパターニングされ、所望の形状に形成される。
（３）次に、図４および図５に示すように、基体１の半導体層４を所望の形状にパターニングして、支持部４０、複数の振動部１０、接続部３０、および第１開口部４４を形成する。支持部４０、振動部１０、および接続部３０は、半導体層４を刳り貫いて絶縁層３を露出させる第１開口部４４を形成することにより得られる。各振動部１０ａ，１０ｂ，１０ｃは、支持部４０の内側を基端１２として、振動部１０のその他の端が支持部４０に接しないように設けられる。接続部３０は、例えば、支持部４０と振動部１０を連続させ、かつ、後述する絶縁層３のウェットエッチング工程において、空隙部８０が所望の位置に形成されるように設けられれば良い。具体的には、例えば図４および図５に示すように、第１接続部３０ａは、第１振動部１０ａの先端（自由端）１４と支持部４０とを長さ方向（Ｘ方向）に沿って連続させるように設けられる。また、第２接続部３０ｂは、第２振動部１０ｂの先端（自由端）と支持部４０とをＸ方向に沿って連続させるように設けられる。また、第３接続部３０ｃは、第３振動部１０ｃの先端（自由端）と支持部４０とをＸ方向に沿って連続させるように設けられる。
各振動部１０ａ，１０ｂ，１０ｃの長さは異なるため、各接続部３０ａ，３０ｂ，３０ｃの長さ方向（Ｘ方向）の長さも異なる。図示のように、第１振動部１０ａ、第２振動部１０ｂ、第３振動部１０ｃの順に長さが短くなる場合には、例えば、第１接続部３０ａ、第２接続部３０ｂ、第３接続部３０ｃの順に長さを長くすることができる。各振動部１０ａ，１０ｂ，１０ｃと、それに対する接続部３０ａ，３０ｂ，３０ｃは、それぞれ例えば図４に示すような一体的な矩形の平面形状となるように形成される。各振動部１０の幅と各接続部３０の幅は、例えば図４に示すように、同じである。
半導体層４は、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いてパターニングされる。エッチング技術としては、ドライエッチング法やウェットエッチング法を用いることができる。本パターニング工程においては、基体１の絶縁層３をエッチングストッパ層として用いることができる。即ち、半導体層４をエッチングする際には、絶縁層（第１層）３のエッチング速度は、半導体層（第２層）４のエッチング速度よりも遅い。
（４）次に、第１開口部４４により露出した部分から基体１の絶縁層３をウェットエッチングして、図６に示すように、少なくとも振動部１０の下に空隙部８０を形成する。空隙部８０は、接続部３０を除去した状態（接続部３０の除去については後述する）で振動部１０が屈曲振動できるように形成される。空隙部８０は、例えば、振動部１０、接続部３０、および第１開口部４４の下に形成される。絶縁層３が酸化シリコンからなる場合には、例えばフッ化水素酸を用いて絶縁層３をウェットエッチングにより除去することができる。本工程では、例えば、基板２および半導体層４をエッチングストッパ層として用いることにより、フォトリソグラフィ技術を用いることなく絶縁層３をウェットエッチングすることができる。即ち、絶縁層３をエッチングする際には、半導体層（第２層）４のエッチング速度は、絶縁層（第１層）３のエッチング速度よりも遅い。
（５）次に、接続部３０をドライエッチングにより除去する。まず、基体１上の全面にレジストを塗布した後、フォトリソグラフィ法により該レジストをパターニングすることにより、図７に示すように、接続部３０以外の領域を覆うレジスト層９０を形成する。接続部３０上には、レジストに開けられたレジスト開口部９２が形成される。レジスト層９０は、例えば空隙部８０および第１開口部４４を埋め込むことができる。次に、レジスト層９０をマスクとして、ドライエッチングにより接続部３０を除去する。その後、レジスト層９０をアッシングにより除去する。
（５）次に、接続部３０をドライエッチングにより除去する。まず、基体１上の全面にレジストを塗布した後、フォトリソグラフィ法により該レジストをパターニングすることにより、図７に示すように、接続部３０以外の領域を覆うレジスト層９０を形成する。接続部３０上には、レジストに開けられたレジスト開口部９２が形成される。レジスト層９０は、例えば空隙部８０および第１開口部４４を埋め込むことができる。次に、レジスト層９０をマスクとして、ドライエッチングにより接続部３０を除去する。その後、レジスト層９０をアッシングにより除去する。
本工程において、接続部３０を除去することにより、振動部１０の自由端１４に対する機械的拘束力が無くなり、振動部１０が十分に振動できるようになる。また、本工程により、図１および図２に示すように、開口部（第２開口部）４２が形成される。
（６）以上の工程により、図１および図２に示すように、本実施形態の圧電振動子１００が形成される。
３． 本実施形態の圧電振動子１００は、複数の振動子部２００を有し、各振動子部２００ａ，２００ｂ，２００ｃは、それぞれ長さの異なる振動部１０ａ，１０ｂ，１０ｃを備えている。各振動部１０ａ，１０ｂ，１０ｃの長さが異なるため、各振動子部２００ａ，２００ｂ，２００ｃの屈曲振動の共振周波数も異なっている。従って、各振動子部２００ａ，２００ｂ，２００ｃのオンオフを組み合わせることで、１つの圧電振動子１００から様々な周波数の信号を出力することができる。
また、本実施形態の圧電振動子１００によれば、１つの圧電振動子１００から様々な周波数の信号を出力することができるため、例えば複数の圧電振動子１００を製造する場合に、振動部１０のパターニングに用いられるマスクパターンを変えずに同じものを用いることができる。即ち、本実施形態の圧電振動子１００の製造方法によれば、異なるマスクパターンを用いることなく複数の圧電振動子１００を製造して、これらの圧電振動子１００から異なる周波数の信号を出力させることができる。
また、本実施形態の圧電振動子１００の製造方法では、空隙部８０をウェットエッチングにより形成する工程において、振動部１０は接続部３０によって支持部４０に固定されている。例えば、振動部１０が固定されていない状態でウェットエッチングを行うと、振動部１０の自由端１４側の下面が空隙部８０の底面（基板２の上面）または振動部１０の左右のパターンに貼り付いて剥がれなくなる問題（いわゆるスティッキング）が生じる場合がある。これに対し、本実施形態の圧電振動子１００の製造方法によれば、振動部１０が接続部３０によって支持部４０に固定されているため、上記の問題が生じることがない。その結果、圧電振動子１００の製造歩留まりの向上を図ることができる。
また、本実施形態の圧電振動子１００の製造方法によれば、接続部３０のＸ方向の長さを適宜変更することにより、振動部１０の長さを変更することができる。即ち、接続部３０をドライエッチングにより除去する工程において、レジスト開口部９２のＸ方向の長さを変更することにより、振動部１０の長さを自由に変更することができる。従って、本実施形態の圧電振動子１００の製造方法によれば、空隙部８０を形成するウェットエッチング工程までを共通のプロセスとして、その後のドライエッチング工程のレジストパターンを変えるだけで、任意の長さの振動部１０を容易に得ることができる。
４． 次に、本実施形態に係るＭＥＭＳデバイス１４０について説明する。図８は、本実施形態のＭＥＭＳデバイス１４０を概略的に示す回路図であり、図９は、本実施形態のＭＥＭＳデバイス１４０における信号処理の実行フローを説明するための図である。
本実施形態のＭＥＭＳデバイス１４０は、図８に示すように、上述した本実施形態の圧電振動子１００と、圧電振動子１００の出力をフィードバックして、該出力の周波数を制御する制御回路１１０と、を含む。制御回路１１０は、例えば、図８に示すように、周波数調整回路と、スイッチと、駆動電源と、フィードバック回路と、Ａ／Ｄ変換回路と、コンパレータと、を含むことができる。また、ＭＥＭＳデバイス１４０は、例えば周辺回路（図示せず）を有することができる。制御回路１１０や周辺回路は、例えば半導体層４（図２参照）内に作り込まれることができる。
本実施形態に係るＭＥＭＳデバイス１４０における信号処理の実行フローは、例えば以下の通りである（図９参照）。
まず、周波数調整回路の初期化を行う（ステップＳ１０）。周波数調整回路としては、例えばアップダウンカウンタなどを用いることができる。周波数調製回路の初期化は、例えば、アップダウンカウンタに初期値を入力することで行われる。
次に、圧電振動子１００の出力電圧と基準電圧を比較する（ステップＳ１２，Ｓ１４，Ｓ１６）。圧電振動子１００の出力電圧は、例えば、フィードバック回路によりＡ／Ｄ変換回路に入力され、デジタル値に変換されて、コンパレータにより基準信号の電圧と比較されることができる。なお、電圧の比較ではなく、例えばインピーダンスの比較であっても良い。また、デジタル値の比較ではなく、アナログ値の比較であっても良く、この場合には、Ａ／Ｄ変換回路は不要となる。
比較した結果、圧電振動子１００の出力電圧が基準電圧よりも高かった場合には、圧電振動子１００の出力周波数を低くするように周波数調整回路の出力を決定する（ステップＳ１８）。即ち、圧電振動子１００の出力周波数を低くするようにスイッチＳａ，Ｓｂ，Ｓｃのオンオフが決定される。例えばスイッチＳａがオンになると、駆動電源から第１振動子部２００ａに電力が入力されて、第１振動子部２００ａが動作する。また、例えばスイッチＳｂがオンになると、駆動電源から第２振動子部２００ｂに電力が入力されて、第２振動子部２００ｂが動作する。また、例えばスイッチＳｃがオンになると、駆動電源から第３振動子部２００ｃに電力が入力されて、第３振動子部２００ｃが動作する。スイッチＳａ，Ｓｂ，Ｓｃとしては、例えば、オペアンプ、スイッチングトランジスタなどを用いることができる。
より具体的には、例えば、第２振動子部２００ｂのみが動作している状態から圧電振動子１００の出力周波数を低くするためには、例えば、スイッチＳｂをオフ、スイッチＳａをオンにして、振動部１０の長さが長い方の第１振動子部２００ａのみを動作させれば良い。なお、この周波数の調整例は一例であって、これに限定されるわけではない。例えば、複数のスイッチをオンにして、複数の振動子部２００を同時に動作させることも可能である。スイッチＳａ，Ｓｂ，Ｓｃのうちの少なくとも１つは、オンになるようにすることができる。
また、比較した結果、逆に圧電振動子１００の出力電圧が基準電圧よりも低かった場合には、圧電振動子１００の出力周波数を高くするように周波数調整回路の出力を決定する（ステップＳ２０）。即ち、圧電振動子１００の出力周波数を高くするようにスイッチＳａ，Ｓｂ，Ｓｃのオンオフが決定される。
より具体的には、例えば、第２振動子部２００ｂのみが動作している状態から圧電振動子１００の出力周波数を高くするためには、例えば、スイッチＳｂをオフ、スイッチＳｃをオンにして、振動部１０の長さが短い方の第３振動子部２００ｃのみを動作させれば良い。なお、この周波数の調整例は一例であって、これに限定されるわけではない。例えば、複数のスイッチをオンにして、複数の振動子部２００を同時に動作させることも可能である。スイッチＳａ，Ｓｂ，Ｓｃのうちの少なくとも１つは、オンになるようにすることができる。
圧電振動子１００の出力周波数を低くするように周波数調整回路の出力を決定（ステップ１８）した後、または、圧電振動子１００の出力周波数を高くするように周波数調整回路の出力を決定（ステップ２０）した後は、再び圧電振動子１００の出力電圧と基準電圧を比較するステップＳ１２に戻ることができる。
圧電振動子１００の出力電圧と基準電圧を比較（ステップ１２）した結果、例えば同じであった場合には、終了となり、圧電振動子１００は、所望の周波数の信号を出力することができる。即ち、基準電圧としては、所望の周波数の出力に対応する値がコンパレータに入力されている。また、圧電振動子１００の出力電圧と基準電圧が同じにならなくても、上述した実行フローにより、圧電振動子１００の出力周波数を所望の周波数に近付けることが可能である。従って、圧電振動子１００の出力周波数が所望の周波数に近付いた時点で終了させることもできる。また、圧電振動子１００の出力周波数は、所望の周波数に近付いた後、所望の周波数付近で高低を繰り返す場合があり、例えば実行フローを終了させずに、その状態で圧電振動子１００を使用することもできる。この場合でも、圧電振動子１００は、所望の周波数に近い周波数の信号を出力することができる。
上述したようにして、圧電振動子１００の出力はフィードバックされ、該出力の周波数は制御されることができる。
５． 次に、本実施形態に係るＭＥＭＳデバイス１４０の製造方法の一例について図面を参照しながら説明する。図１０は、本実施形態のＭＥＭＳデバイス１４０の一製造工程を概略的に示す平面図である。
（１）まず、上述した本実施形態の圧電振動子および制御回路を有するＭＥＭＳウェハ１２０を形成する。ＭＥＭＳウェハ１２０には、例えば、上述した本実施形態のＭＥＭＳデバイスとなるチップ領域１４２が複数設けられている。ＭＥＭＳウェハ１２０は、例えば、１枚の基板内やその上に本実施形態の圧電振動子や制御回路などが複数作り込まれたものである。
（２）次に、図１０に示すように、例えば、各チップ領域１４２にプローブ１６０を接触させ、ＭＥＭＳウェハ１２０における圧電振動子および制御回路を動作させて、圧電振動子から出力される信号の周波数を測定する（検査工程）。
（３）次に、例えば、ＭＥＭＳウェハ１２０のダイシングを行って、ＭＥＭＳウェハ１２０を１個１個のＭＥＭＳデバイスチップに分離することができる。
（４）以上の工程により、本実施形態のＭＥＭＳデバイス１４０が形成される。
６． 本実施形態のＭＥＭＳデバイス１４０では、基準信号の入力を変えることにより様々な周波数の信号を出力することができる。
また、本実施形態のＭＥＭＳデバイス１４０では、基準信号の入力を一定にすることにより、例えば、振動部１０のパターニング精度やＭＥＭＳデバイス１４０の動作環境などによりばらつくことのある圧電振動子１００の出力周波数を自己補正することができる。
また、本実施形態のＭＥＭＳデバイス１４０の製造方法では、ウェハ状態で圧電振動子１００および制御回路１１０を動作させて、圧電振動子１００から出力される信号の周波数を測定する（検査工程）。これにより、ウェハ段階で各チップ領域１４２の圧電振動子１００が所望の周波数を出力できるか否かを判断することができる。
また、本実施形態のＭＥＭＳデバイス１４０によれば、様々な周波数の信号を出力することができるため、例えば１つの周波数しか出力できないものに比べ、上記検査工程の不良率を下げることができる。従って、本実施形態のＭＥＭＳデバイス１４０の製造方法によれば、検査工程において圧電振動子１００および制御回路１１０を動作させることにより、製造歩留まりを向上させることができる。
７． 次に、本実施形態の圧電振動子およびその製造方法の変形例について説明する。なお、上述した圧電振動子１００およびその製造方法（以下「圧電振動子１００の例」という）と異なる点について説明し、同様の点については説明を省略する。
（１）まず、第１の変形例について説明する。
上述した圧電振動子１００の例では、まず、基体１の半導体層４を所望の形状にパターニングして、振動部１０および接続部３０を形成し（図４および図５参照）、その後、接続部３０を除去している（図７参照）。しかしながら、例えば、半導体層４をパターニングする際に接続部３０を形成しないこともできる。これにより、接続部３０の除去工程は不要となる。
（２）次に、第２の変形例について説明する。図１１は、本変形例の圧電振動子３００を概略的に示す平面図である。
本変形例の圧電振動子３００は、複数の振動子部４００を有し、複数の振動部１０のうちの少なくとも一部は、自由端を対向させて配置されている。図示の例では、圧電振動子３００は、６つの振動子部４００ａ，４００ｂ，４００ｃ，４００ｄ，４００ｅ，４００ｆを有する。そして、第１振動部１０ａと第４振動部１０ｄとが自由端を対向させており、第２振動部１０ｂと第５振動部１０ｅとが自由端を対向させており、第３振動部１０ｃと第６振動部１０ｆとが自由端を対向させている。本変形例では、対向する自由端の間の領域３３０のうちの少なくとも２つの平面視における面積は同じであることができる。図示の例では、対向する自由端の間の領域３３０ａ，３３０ｂ，３３０ｃのうちの３つ（即ち、すべて）の平面視における面積が同じである。図示の例では、対向する自由端の間の領域３３０ａ，３３０ｂ，３３０ｃの平面形状は、矩形である。
また、本変形例の圧電振動子３００の製造方法では、例えば、対向する自由端の間の領域３３０ａ，３３０ｂ，３３０ｃに接続部（以下、符合３３０ａ，３３０ｂ，３３０ｃを付す）を設けることができる。この接続部３３０ａ，３３０ｂ，３３０ｃは、対向する振動部１０同士を連続させることができる。本変形例では、少なくとも２つの接続部３３０は、平面視における面積が同じとなるように形成されることができる。図示の例では、接続部３３０ａ，３３０ｂ，３３０ｃのうちの３つ（即ち、すべて）の平面視における面積が同じである。
本変形例の圧電振動子３００によれば、平面視において同じデバイス面積で圧電振動子１００の例と比較すると、それぞれ長さの異なる振動部１０をより多く形成することができる。従って、１つの圧電振動子３００からより多くの周波数の信号を出力することができる。また、例えば、上述したＭＥＭＳデバイス１４０に本変形例の圧電振動子３００を適用することにより、出力される周波数の精度を向上させることができる。
また、本変形例の圧電振動子３００の製造方法によれば、圧電振動子１００の例に比べ、平面視における接続部３３０の面積を小さくすることができる。これにより、接続部３３０の除去工程におけるエッチングによる圧電振動子３００へのダメージを低減することができる。
また、本変形例の圧電振動子３００の製造方法によれば、少なくとも２つの接続部３３０の平面視における面積を同じとすることができるため、同じ面積の接続部３３０の除去において、エッチングのばらつきを抑えることができる。
（３）次に、第３の変形例について説明する。図１２は、本変形例の圧電振動子５００を概略的に示す平面図である。
本変形例では、各振動子部６００ａ，６００ｂ，６００ｃの有する振動部５１０ａ，５１０ｂ，５１０ｃが、基部５１２および基部５１２を基端とする２本のビーム部５１４，５１６から構成される音叉形状を有する。基部５１２は、支持部４０とビーム部５１４，５１６とを接続している。基部５１２の平面形状は、例えば図１２に示すような矩形である。２本のビーム部５１４，５１６は、長さ方向（Ｘ方向）に平行に所定間隔（基部５１２の幅）をおいて配置されている。ビーム部５１４，５１６の平面形状は、例えば図１２に示すような矩形である。
駆動部５２０は、各ビーム部５１４，５１６に対して１対ずつ設けられる。第１ビーム部５１４上には、第１駆動部５２０ａと第２駆動部５２０ｂとが、第１ビーム部５１４の長さ方向に沿って、互いに平行に形成されている。同様に、第２ビーム部５１６上には、第３駆動部５２０ｃと第４駆動部５２０ｄとが、第２ビーム部５１６の長さ方向に沿って、互いに平行に形成されている。第１ビーム部５１４の外側に配置された第１駆動部５２０ａと、第２ビーム部５１６の外側に配置された第４駆動部５２０ｄとは、配線（図示せず）により電気的に接続されている。第１ビーム部５１４の内側に配置された第２駆動部５２０ｂと、第２ビーム部５１６の内側に配置された第３駆動部５２０ｃとは、配線（図示せず）により電気的に接続されている。
本変形例によれば、駆動部５２０が空隙部８０の外縁から離れて設けられているため、空隙部８０を形成する工程におけるウェットエッチングによるサイドエッチングの影響を駆動部５２０が受けるのを防ぐことができる。
（４）次に、第４の変形例について説明する。図１３は、本変形例の圧電振動子７００を概略的に示す断面図である。
本変形例の圧電振動子７００は、図１３に示すように、例えば基体１の一部を裏面側から除去して形成された開口部８２を有することができる。開口部８２は、平面視において、例えば圧電振動子１００の例における空隙部８０と同じ位置に設けられることができる。開口部８２は、例えば、基体１の一部であって、基体１の裏面から振動部１０の下面までの部分を基体１から除去することにより形成される。
（５）なお、上述した変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば、各変形例を適宜組み合わせることも可能である。例えば、第１の変形例と第２の変形例とを組み合わせることができる。
８． 上記のように、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できよう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。
１ 基体、２ 基板、３ 絶縁層、４ 半導体層、５ 下地層、１０ 振動部、１２ 固定端、１４ 自由端、２０ 駆動部、２２ 第１電極、２４ 圧電体層、２６ 第２電極、３０ 接続部、４０ 支持部、４２ 開口部、４４ 第１開口部、８０ 空隙部、８２ 開口部、９０ レジスト層、９２ レジスト開口部、１００ 圧電振動子、１１０ 制御回路、１２０ ＭＥＭＳウェハ、１４０ ＭＥＭＳデバイス、１４２ チップ領域、１６０ プローブ、２００ 振動子部、３００ 圧電振動子、３３０ 接続部、４００ 振動子部、５００ 圧電振動子、５１２ 基部、５１４ 第１ビーム部、５１６ 第２ビーム部、５２０ 駆動部，７００ 圧電振動子
Claims (8)
- 基体と、
前記基体の一部からなる枠状の支持部と、
複数の振動子部と、を含み、
各前記振動子部は、
前記基体の一部からなり、一端を前記支持部の内側に固定し他端を自由にした振動部と、
前記振動部の屈曲振動を生成する駆動部と、を有し、
各前記振動部の長さは異なり、
各前記駆動部は、
前記基体の上方に形成された第１電極と、
前記第１電極の上方に形成された圧電体層と、
前記圧電体層の上方に形成された第２電極と、を有する、圧電振動子。 - 請求項１において、
各前記振動部は、１本のビーム部から構成され、
各前記駆動部は、前記１本のビーム部に対して１つ設けられている、圧電振動子。 - 請求項１において、
各前記振動部は、基部および該基部を基端とする２本のビーム部から構成される音叉形状を有し、
各前記駆動部は、各前記ビーム部に対して１対ずつ設けられている、圧電振動子。 - 請求項１乃至３のいずれかにおいて、
複数の前記振動部のうちの少なくとも一部は、自由端を対向させて配置されている、圧電振動子。 - 請求項４において、
対向する前記自由端の間の領域のうちの少なくとも２つの平面視における面積は、同じである、圧電振動子。 - 請求項１乃至５のいずれかに記載の圧電振動子と、
前記圧電振動子の出力をフィードバックして、該出力の周波数を制御する制御回路と、を含む、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）デバイス。 - 請求項１乃至５のいずれかに記載の圧電振動子、および、該圧電振動子の出力をフィードバックして、該出力の周波数を制御する制御回路を有するＭＥＭＳウェハを形成する工程と、
前記ＭＥＭＳウェハにおける前記圧電振動子および前記制御回路を動作させて、前記圧電振動子の出力の周波数を測定する工程と、を含む、ＭＥＭＳデバイスの製造方法。 - 基板、該基板の上方に形成された第１層、および該第１層の上方に形成された第２層を有する基体を用意する工程と、
前記基体の上方に、複数の振動子部のそれぞれが有する振動部の屈曲振動を生成する駆動部を形成する工程と、
前記第２層をパターニングして、枠状の支持部、該支持部の内側を基端とし他端を該支持部に接しないように設けられた各前記振動部、前記振動部同士を連続させる接続部、および前記第１層を露出させる開口部を形成する工程と、
前記開口部により露出した部分から前記第１層の一部をウェットエッチングにより除去して、少なくとも前記振動部の下方に空隙部を形成する工程と、
前記空隙部を形成した後に、前記接続部をドライエッチングにより除去する工程と、を含み、
前記駆動部を形成する工程は、
前記基体の上方に第１電極を形成する工程と、
前記第１電極の上方に圧電体層を形成する工程と、
前記圧電体層の上方に第２電極を形成する工程と、を有し、
各前記振動部は、長さが異なるように形成され、
複数の前記振動部のうちの少なくとも一部は、自由端を対向させて配置され、
前記接続部は、対向する前記自由端の間の領域に設けられ、
少なくとも２つの前記接続部は、平面視における面積が同じとなるように形成される、圧電振動子の製造方法。
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