JP2009190150A - マイクロエレクトロメカニカルデバイス及びその製造方法。 - Google Patents
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Abstract
【課題】ギャップを更に狭小化することが可能なマイクロエレクトロメカニカルデバイスの構造及びその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明に係るマイクロエレクトロメカニカルデバイスにおいては、共振子22と電極21が互いに対向し、その対向面には一対の熱酸化膜5、5が形成されて、両熱酸化膜間に狭小化されたギャップを有している。本発明に係るマイクロエレクトロメカニカルデバイスの製造工程においては、共振子22と電極21となるSi層に対し、フォトリソグラフィとエッチングを用いた加工を施して、ギャップとなる溝20を形成した後、該Si層に対し、熱酸化処理を施して、溝20の対向面に一対のSi熱酸化膜5、5を形成する。
【選択図】図3
【解決手段】本発明に係るマイクロエレクトロメカニカルデバイスにおいては、共振子22と電極21が互いに対向し、その対向面には一対の熱酸化膜5、5が形成されて、両熱酸化膜間に狭小化されたギャップを有している。本発明に係るマイクロエレクトロメカニカルデバイスの製造工程においては、共振子22と電極21となるSi層に対し、フォトリソグラフィとエッチングを用いた加工を施して、ギャップとなる溝20を形成した後、該Si層に対し、熱酸化処理を施して、溝20の対向面に一対のSi熱酸化膜5、5を形成する。
【選択図】図3
Description
本発明は、半導体分野における微細加工技術を利用して作製されるマイクロメカニカル共振器やマイクロメカニカルキャパシタ等のマイクロエレクトロメカニカルデバイスの構造、並びにその製造方法に関するものである。
近年、半導体分野における微細加工技術を利用して、微細な機械構造を電子回路と一体化して形成する、所謂マイクロエレクトロメカニカルシステム(MEMS)技術が開発されており、フィルターや共振器への応用が検討されている。
図6は、MEMS技術を用いた従来のマイクロメカニカル共振器を表わしている(非特許文献1)。該マイクロメカニカル共振器は、図示の如く基板(96)上に共振子(90)を具え、該共振子(90)は、角柱状の共振ビーム(92)と、該共振ビーム(92)の両端部を支持すべき4本の角柱状の支持ビーム(91)〜(91)とから構成されており、各支持ビーム(91)の基端部はそれぞれアンカー(93)によって基板(96)上に固定されている。これによって、共振子(90)は、基板(96)の表面から僅かに浮上した位置に保持されている。
又、共振子(90)の共振ビーム(92)の両側には、共振ビーム(92)の中央部を挟んで入力電極(94)と出力電極(95)が配備され、共振ビーム(92)と両電極(94)(95)との間に所定のギャップ部Gが形成されている。
そして、入力電極(94)には高周波電源(6)が接続されると共に、1つのアンカー(93)には主電圧電源(7)が接続されている。
そして、入力電極(94)には高周波電源(6)が接続されると共に、1つのアンカー(93)には主電圧電源(7)が接続されている。
アンカー(93)を介して共振子(90)に直流電圧Vpを印加した状態で、入力電極(94)に高周波信号Viを入力すると、入力電極(94)と共振ビーム(92)との間にギャップ部Gを介して交番静電気力が発生し、該静電気力によって共振子(90)が基板(96)の表面と平行な面内で振動する。この共振子(90)の振動により、共振ビーム(92)と両電極(95)(94)との間に形成される静電容量が変化し、該静電容量の変化が出力電極(95)から高周波信号Ioとして出力される。
上述のマイクロメカニカル共振器においては、図7に示す如く、共振ビーム(92)と両電極(94)(95)の間に形成される静電容量Coは、ギャップGの大きさによって決まり、ギャップGが小さい程、静電容量Coは大きくなり、挿入損失やインピーダンスなどの特性面においてもギャップGは小さいことが望ましい。
そこで、上述のマイクロメカニカル共振器の製造工程においては、共振ビーム(92)と左右の電極(94)(95)の間にギャップGを形成するために、フォトリソグラフィとエッチングを用いた溝加工が用いられている。
そこで、上述のマイクロメカニカル共振器の製造工程においては、共振ビーム(92)と左右の電極(94)(95)の間にギャップGを形成するために、フォトリソグラフィとエッチングを用いた溝加工が用いられている。
W.-T.Hsu,J.R.Clark, and C.T.-C.Nguyen,"Q-optimized lateral freee-free beam micromechanical resonators," Digest of Technical papers, the 11th Int. Conf. on Solid-State Sensors & Actuators(Transducers’01), Munich, Germany, June 10-14,2001, pp.1110-1113.
特表2002-535865号公報
ところで、マイクロメカニカル共振器の共振周波数を数百MHz帯からGHz帯に設定する場合、共振ビーム(92)と電極(94)(95)の間のギャップGはサブミクロンのオーダ(0.1〜0.5μm)に形成する必要がある。
しかしながら、従来のフォトリソグラフィとエッチングによる溝加工では、例えばi線露光機を用いた場合、0.35μm程度の溝幅を形成することが限界であり、それ以上の狭小化は困難であった。
しかしながら、従来のフォトリソグラフィとエッチングによる溝加工では、例えばi線露光機を用いた場合、0.35μm程度の溝幅を形成することが限界であり、それ以上の狭小化は困難であった。
そこで本発明は、ギャップを更に狭小化することが可能なマイクロエレクトロメカニカルデバイスの構造及びその製造方法を提供することである。
本発明に係るマイクロエレクトロメカニカルデバイスは、2つの部材が互いに対向して両部材間のギャップに応じた静電容量を有し、該静電容量に基づいて動作するものであって、前記2つの部材の対向面には一対の熱酸化膜が形成されて、両熱酸化膜間に狭小化されたギャップを有している。
具体的には、前記一対の部材の内、一方の部材は電極であり、他方の部材は共振子であって、高周波信号の入力により電極と共振子の間に交番静電気力を発生させて共振子に振動を与え、電極と共振子との間の静電容量の変化を高周波信号として出力する。
本発明のマイクロエレクトロメカニカルデバイスの製造方法においては、前記2つの部材の間に狭小化されたギャップを形成するために、
前記2つの部材となるSi層に対し、フォトリソグラフィとエッチングを用いた加工を施して、前記ギャップとなる溝を形成する第1ギャップ形成工程と、
前記溝が形成されたSi層に対し、熱酸化処理を施して、前記溝の対向面に一対のSi熱酸化膜を形成し、両Si熱酸化膜間に狭小化されたギャップを形成する第2ギャップ形成工程
とが実施される。
前記2つの部材となるSi層に対し、フォトリソグラフィとエッチングを用いた加工を施して、前記ギャップとなる溝を形成する第1ギャップ形成工程と、
前記溝が形成されたSi層に対し、熱酸化処理を施して、前記溝の対向面に一対のSi熱酸化膜を形成し、両Si熱酸化膜間に狭小化されたギャップを形成する第2ギャップ形成工程
とが実施される。
第1ギャップ形成工程では、例えばi線露光機を用いたフォトリソグラフィとエッチングによって、前記2つの部材の材料となるSi層に0.35μm程度の溝が形成される。
その後、前記溝が形成されたSi層に対し、熱酸化処理を施すことにより、前記溝の両側面にSi熱酸化膜が形成され、これらのSi熱酸化膜が互いに対向して、0.35μmよりも更に狭小化されたギャップ(例えば0.05〜0.30μm)が形成されることになる。
尚、熱酸化処理によれば、Si熱酸化膜は少なくとも0.01μm以上の厚さに形成することが出来る。
その後、前記溝が形成されたSi層に対し、熱酸化処理を施すことにより、前記溝の両側面にSi熱酸化膜が形成され、これらのSi熱酸化膜が互いに対向して、0.35μmよりも更に狭小化されたギャップ(例えば0.05〜0.30μm)が形成されることになる。
尚、熱酸化処理によれば、Si熱酸化膜は少なくとも0.01μm以上の厚さに形成することが出来る。
本発明に係るマイクロエレクトロメカニカルデバイス及びその製造方法によれば、従来よりも更にギャップを狭小化することが可能である。
以下、本発明を図6に示すMEMS共振器に実施した形態につき、図面に沿って具体的に説明する。
図1及び図2は、本発明に係るMEMS共振器の共振子及び左右の電極を形成するための工程P1〜P7を表わしている。尚、図1及び図2において、(A)は縦断面図、(B)及び(C)は平面図である。
図1及び図2は、本発明に係るMEMS共振器の共振子及び左右の電極を形成するための工程P1〜P7を表わしている。尚、図1及び図2において、(A)は縦断面図、(B)及び(C)は平面図である。
先ず図1の工程P1においては、基板となるSi層(1)の表面に、SiO2層(3)とSi層(2)を積層してなるSOIウエハを準備する。
次に工程P2においては、Si層(2)の表面にレジスト(4)を塗布する。そして、工程P3では、レジスト(4)に対してi線露光機を用いた露光と現像を施し、ギャップG′を有する溝パターンを形成する。ここで、ギャップG′としては0.35μmが限界である。
続いて工程P4では、Si層(2)にドライエッチングを施して、Si層(2)に溝(20)を加工する。
次に工程P2においては、Si層(2)の表面にレジスト(4)を塗布する。そして、工程P3では、レジスト(4)に対してi線露光機を用いた露光と現像を施し、ギャップG′を有する溝パターンを形成する。ここで、ギャップG′としては0.35μmが限界である。
続いて工程P4では、Si層(2)にドライエッチングを施して、Si層(2)に溝(20)を加工する。
図2の工程P5では、前記レジスト(4)を剥離し、更に工程P6では、SiO2層(3)にウエットエッチングを施す。これによって幅Wの共振子(22)と左右の電極(21)(21)が形成されることになる。尚、図2(C)は上のSi層(2)を省略してSiO2層(3)及び下のSi層(1)の表面を表わしている。
その後、工程P7では、水素ガスと酸素ガスの混合ガス雰囲気中で900〜1200℃の温度による熱酸化処理を施す。この熱酸化処理においては、水素が燃焼して水蒸気雰囲気中でSiが酸化される。
この結果、共振子(22)と両電極(21)(21)の対向面に一対のSi熱酸化膜(5)(5)が形成され、両Si熱酸化膜(5)(5)間にギャップGが形成されることになる。
この結果、共振子(22)と両電極(21)(21)の対向面に一対のSi熱酸化膜(5)(5)が形成され、両Si熱酸化膜(5)(5)間にギャップGが形成されることになる。
ここで、Siの酸化物であるSiO2は安定した材料であり、然も熱酸化処理によれば狭小な隙間にも高い精度で薄膜を形成することが出来るので、Si熱酸化膜(5)(5)の形成によって得られるギャップGは、高い精度を維持し、且つ狭小化が可能である。
又、Si熱酸化膜は、露出しているSi表面全体に形成されることになるが、説明簡略化のため、図面ではギャップ面のみ表示している。
又、Si熱酸化膜は、露出しているSi表面全体に形成されることになるが、説明簡略化のため、図面ではギャップ面のみ表示している。
上述の如くi線露光及びドライエッチングによる溝加工においては、図3(a)に示す如く溝(20)の幅を0.35μmに形成することが限界であるが、その後の熱酸化処理により、図3(b)の如く共振子(22)と両電極(21)(21)の間にそれぞれ、互いに対向する一対のSi熱酸化膜(5)(5)が形成されて、両Si熱酸化膜(5)(5)間のギャップを例えば0.1μm以下に狭小化することが出来る。
図4(a)(b)に示す如く電極(21)と共振子(22)の間の溝(20)の両側面にSi熱酸化膜(5)が形成される過程では、溝(20)の側面の内側へ向けて44%、外側へ向けて56%の割合でSi熱酸化膜(5)が成長し、互いに対向する一対のSi熱酸化膜(5)(5)の対向面間にギャップGが形成されることになる。
図4(b)に示す如く、電極(21)と共振子(22)の間の静電容量Cは、一対のSi熱酸化膜(5)(5)が対向して形成される真空ギャップの静電容量C1と、両Si熱酸化膜(5)(5)によって形成される2つの静電容量C2、C2の直列接続となるため、下記数式が成り立つ。
(数式1)
1/C=1/C2+1/C1+1/C2
(数式1)
1/C=1/C2+1/C1+1/C2
従来のMEMS共振器においては、図7に示す様に真空ギャップのみによる静電容量Coが形成され、その静電容量C0は、真空の誘電率をε0、対向面積をS、ギャップをd0として、下記数式により表わすことが出来る。
(数式2)
C0=ε0(S/d0)
(数式2)
C0=ε0(S/d0)
従って、図4に示す本発明のMEMS共振器における静電容量Cは、従来のMEMS共振器におけるギャップd0が0.35μmの場合の静電容量C0と、熱酸化後のギャップd1を用いて、下記数式で表わすことが出来る。
(数式3)
C=(931000/(141d1+437500))・C0
(数式3)
C=(931000/(141d1+437500))・C0
図5は、真空ギャップのみによる静電容量Coと、熱酸化膜のギャップと真空ギャップの組合せからなる静電容量Cについて、真空ギャップが0.35μmのときの静電容量を基準とする静電容量比の変化を表わしている。
図5中に破線で示す様に、0.35μmの真空ギャップを形成した後にそのギャップが0.067μmに狭小化されるまで熱酸化膜を形成すれば、0.2μmの真空ギャップのみを有するMEMS共振器と同等の静電容量が得られることになる。
図5中に破線で示す様に、0.35μmの真空ギャップを形成した後にそのギャップが0.067μmに狭小化されるまで熱酸化膜を形成すれば、0.2μmの真空ギャップのみを有するMEMS共振器と同等の静電容量が得られることになる。
この様に、本発明のMEMS共振器によれば、Si熱酸化膜(5)の形成によって、実質的なギャップを従来よりも更に狭小化することが出来、その結果、挿入損失やインピーダンスなどの特性を改善することが可能である。
尚、本発明の各部構成は上記実施の形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。
又、本発明は、MEMS共振器に限らず、MEMSキャパシタなどの種々のマイクロエレクトロメカニカルデバイスに実施することが出来る。
又、本発明は、MEMS共振器に限らず、MEMSキャパシタなどの種々のマイクロエレクトロメカニカルデバイスに実施することが出来る。
(1) Si層
(2) Si層
(3) SiO2層
(4) レジスト
(5) Si熱酸化膜
(20) 溝
(21) 電極
(22) 共振子
(2) Si層
(3) SiO2層
(4) レジスト
(5) Si熱酸化膜
(20) 溝
(21) 電極
(22) 共振子
Claims (4)
- 2つの部材が互いに対向して両部材間のギャップに応じた静電容量を有し、該静電容量に基づいて動作するマイクロエレクトロメカニカルデバイスにおいて、前記2つの部材の対向面には一対の熱酸化膜が形成されて、両熱酸化膜間に狭小化されたギャップを有することを特徴とするマイクロエレクトロメカニカルデバイス。
- 前記一対の部材の内、一方の部材は電極であり、他方の部材は共振子であって、高周波信号の入力により電極と共振子の間に交番静電気力を発生させて共振子に振動を与え、電極と共振子との間の静電容量の変化を高周波信号として出力する請求項1に記載のマイクロエレクトロメカニカルデバイス。
- 2つの部材が互いに対向して両部材間のギャップに応じた静電容量を有し、該静電容量に基づいて動作するマイクロエレクトロメカニカルデバイスの製造方法において、
前記2つの部材となるSi層に対し、フォトリソグラフィとエッチングを用いた加工を施して、前記ギャップとなる溝を形成する第1ギャップ形成工程と、
前記溝が形成されたSi層に対し、熱酸化処理を施して、前記溝の対向面に一対のSi熱酸化膜を形成し、両Si熱酸化膜間に狭小化されたギャップを形成する第2ギャップ形成工程
とを有することを特徴とするマイクロエレクトロメカニカルデバイスの製造方法。 - 前記第1ギャップ形成工程では、前記溝を形成することによって、前記Si層からなる電極と共振子を成形し、前記第2ギャップ形成工程では、電極側のSi熱酸化膜と共振子側のSi熱酸化膜の対向面間に、前記狭小化されたギャップを形成する請求項3に記載のマイクロエレクトロメカニカルデバイスの製造方法。
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