JP2010166201A - Ｍｅｍｓデバイス及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＭＥＭＳデバイスの動作精度を向上させる。
【解決手段】本発明のＭＥＭＳデバイスは、基板１０と、該基板１０上に形成されたＭＥＭＳ構造体２０とを具備し、該ＭＥＭＳ構造体２０は、前記基板１０上に形成された支持部２２Ｓと、該支持部から延設されて前記基板１０上で動作可能に構成された可動部２２Ｍと、を備えた動作部構造２２を有し、該動作部構造２２は、前記可動部２２Ｍに前記動作部構造２２の前記支持部から前記可動部へ向かう方向と直交する断面の断面積が前記可動領域の断面積より小さい断面極小部２２Ｂを有し、該断面極小部は、平面パターン２０Ｕに設けられた境界パターン形状２２ｖにより形成されることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明はＭＥＭＳデバイス及びその製造方法に係り、特に、ＭＥＭＳ振動子の周波数精度を高める場合に好適な構造及び製造工程に関する。

ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）は微小構造体形成技術の一つで、例えばミクロンオーダー等の微細な電子機械システムを作る技術やその製品のことを言う。半導体チップはシリコン基板上にシリコン、酸化膜、金属等の薄膜を積み重ねて電子回路を作ることから、その回路構造は通常は平面的なパターンで構成されるが、ＭＥＭＳで上記半導体チップの製造技術、すなわち半導体製造技術を用いる場合には、基板上に薄膜を形成し、この薄膜をエッチングにより部分的に基板より分離することによって、ミクロンサイズの板ばね、鏡、回転軸などを形成するので、ＭＥＭＳ構造体は立体的な構造を有し、少なくとも一部には可動部を備えたものとされる。

ＭＥＭＳが注目されている分野として携帯電話機などを構成するための通信技術の分野がある。携帯電話機にはＬＳＩの他にフィルタ、アンテナ・スイッチ、送受信スイッチなど多くの部品が組み込まれている。Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈや無線ＬＡＮを利用するマルチバンド化が進めば、アンテナの切り替えスイッチやバンド切り替えスイッチなどの受動部品が増えるので、小型化、省消費電力化を進めるためには上記の部品を一つの半導体チップに収めて部品点数を減らすことが最も効率の良い対策となる。この対策では、配線が短くなり、ＭＥＭＳ部品がメカニカルに動作することからノイズに強く低損失化などの性能向上も見込めるという利点もある。また、半導体を用いることでＬＳＩと一体化させるなど、従来の既存の構成部品と合体させることも可能になる。特に、ＭＥＭＳ振動子では一体化により個別部品に比べて１０倍以上損失が小さいフィルタを実現することができる。このようなＭＥＭＳ振動子の一例としては、たとえば以下の特許文献１及び２に開示されているものがある。

ＭＥＭＳデバイスでは、たとえば、固定電極と可動電極とが間隔を介して対向し、両電極間に働く静電力によって可動電極の可動部が動作するように構成される場合がある。このとき、ＭＥＭＳデバイスの可動部の動作特性は、固定電極と可動電極の機械的構造と当該構造を構成する材料の弾性定数によって決定される。
特表２００７−５３５２７５号公報 特表２００７−５３３１８６号公報

しかしながら、従来のＭＥＭＳデバイスでは、前述のように動作特性が構造寸法によって定まるので、製造時に生ずる構造寸法のばらつきによって動作特性がばらつき、十分なデバイス精度が得られない場合がある。たとえば、ＭＥＭＳ振動子では周波数精度が高いほど振動子としての特性はよいとされるが、構造寸法の精度限界により、ＭＥＭＳ振動子の周波数特性を従来の水晶振動子の周波数精度（数ｐｐｍ程度）に対応する精度で形成することは一般に困難である。

そこで本発明は上記問題点を解決するものであり、その課題は、ＭＥＭＳデバイスの動作精度を向上させることのできる構造及びその製造方法を提供することにある。

斯かる実情に鑑み、本発明のＭＥＭＳデバイスは、基板と、該基板上に形成されたＭＥＭＳ構造体とを具備し、該ＭＥＭＳ構造体は、前記基板上に形成された支持部と、該支持部から延設されて前記基板上で動作可能に構成された可動部と、を備えた動作部構造を有し、該動作部構造は、前記可動部に、前記動作部構造の前記支持部から前記可動部へ向かう方向と直交する断面の断面積が前記可動領域の断面積より小さい断面極小部を有し、該断面極小部は、前記動作部構造の平面パターンに設けられた境界パターン形状により形成されることを特徴とする。

本発明によれば、動作部構造の可動部に、動作部構造の平面パターンに設けられた境界パターン形状により形成される断面極小部を設けることにより、その断面極小部の剛性がその両側よりも低下することとなるため、可動部の動作特性に対する断面極小部より支持部側の構造による影響が小さくなる。そして、上記断面極小部は境界パターン形状によって剛性が低下したものとされているので、動作部構造の可動部における境界パターン形状の平面パターン上のパターン精度で動作特性へ大きな影響を与える構造寸法が規定される。したがって、上記パターン精度以外の構造寸法の誤差やばらつき、たとえばパターンずれによる動作部構造の張り出し長さの誤差やばらつき、に起因する動作特性への影響を低減することができるため、ＭＥＭＳデバイスの動作精度を高めることが可能になる。

たとえば、ＭＥＭＳ振動子の場合には、可動部を振動させた場合に上記断面極小部が振動の節となり、これによって、可動部の平面形状による影響が大きくなり、断面極小部より支持部側の構造による影響が低減されるので、周波数精度を高めることができる。

本発明の一の態様においては、前記境界パターン形状は、前記動作部構造の側縁に形成された切り込みにより構成される。動作部構造の側縁、すなわち、支持部から可動部へと伸びる動作部構造の縁部に設けられた切り込みで境界パターン形状が構成されることにより、平面パターンの外縁形状を変えるだけで断面極小部の剛性を容易に低下させることができる。

この場合にはさらに、前記切り込みは前記動作部構造の両側縁にそれぞれ形成されることが好ましい。切り込みを動作部構造の両側縁にそれぞれ形成することにより、断面極小部の剛性をさらに低下させることができる。

本発明の他の態様においては、前記動作部構造は、前記可動部が前記支持部により片持ち支持されてなる片持ち梁状に構成されることが好ましい。可動部は支持部により動作可能な状態で支持されていれば足りるため、本発明では、可動部を両側から支持部が支持する構造とされていても構わないが、支持部が可動部を片持ち梁状に支持することにより、動作部構造を簡易に構成することができるため、設計や製造が容易になり、製造コストも低減できる。

本発明の別の態様においては、前記支持部は前記可動部より広幅に構成される。支持部を可動部より広幅に構成することにより、可動部に対する支持部の剛性が高まるので、可動部以外の構造によるＭＥＭＳデバイスの動作特性への影響をさらに低減できる。たとえば、ＭＥＭＳ振動子では、可動部の振動の節が断面極小部に確実かつ正確に生じるようになるため、共振周波数の変動を低減することができる。

また、上記構成では支持部の幅を可動部の幅より大きくすることで、単に剛性が高められるだけでなく、構造の意図しないねじれ等を防止し、可動部の本来の動作態様以外の動作態様を抑制できるなど、動作態様の安定性を高めることができる。

本発明の或る態様においては、前記動作部構造は、前記基板上に固定された固定電極と、該固定電極上に間隙を介して対向する少なくとも前記可動部を含む可動電極とを有し、前記固定電極と前記可動電極の間の静電力により前記可動部が前記間隙を増減させる態様で動作する。このような構成は、静電振動子、静電スイッチ、静電アクチュエータなどに用いることができる。

上記各発明において、前記ＭＥＭＳ構造体は、前記可動部が振動する振動子を構成するＭＥＭＳ振動子であることが好ましい。これによれば、断面極小部に振動の節が生じることで、周波数特性のばらつきを低減し、周波数精度を高めることができる。

次に、本発明のＭＥＭＳデバイスの製造方法は、基板上にＭＥＭＳ構造体を形成する工程を具備し、該ＭＥＭＳ構造体は、前記基板上に形成された支持部と、該支持部から延設されて前記基板上で動作可能に構成された可動部と、を備えた動作部構造を有するＭＥＭＳデバイスの製造方法であって、前記ＭＥＭＳ構造体を形成する工程では、前記基板上に犠牲層を形成する段階と、該犠牲層上に前記可動部を配置してなる前記動作部構造を形成する段階と、前記犠牲層を除去する段階とが順次に実施され、前記動作部構造を形成する段階では、前記可動部に、前記動作部構造の前記支持部から前記可動部へ向かう方向と直交する断面の断面積が前記可動領域の断面積より小さい断面極小部が、当該動作部構造を構成する平面パターンに境界パターン形状を設けることにより形成されることを特徴とする。

この発明によれば、断面極小部の剛性が低下するので、可動部と境界パターン形状との間のパターン精度以外の構造寸法の精度やばらつきによる動作特性への影響を低減できるため、ＭＥＭＳデバイスの動作精度を向上させることができるとともに、動作部構造を構成する平面パターンに境界パターン形状を設けることで断面極小部の剛性を低下させるようにしていることにより、単にパターニング形状を変えるだけで製造できるため、製造プロセスの複雑化や製造コストの増大を招くことなく対応することが可能になる。

本発明の一の態様においては、前記可動部の平面形状と前記境界パターン形状とが同一のパターニング処理によって形成される。これによれば、断面極小部から先の可動部の構造寸法を高精度に形成できるので、動作精度をさらに向上させることができる。この場合に、前記可動部の平面形状、前記境界パターン形状、及び、前記支持部の平面形状が同一のパターニング処理によって形成されることがさらに望ましい。可動部や境界領域だけでなく支持部の平面形状についても同一のパターニング処理によって形成されることで、可動部に近い支持部をも含め動作部構造の平面形状の再現性をさらに高めることができるので、動作精度を向上させる上で有利である。

本発明のＭＥＭＳデバイス及びその製造方法によれば、ＭＥＭＳデバイスの動作精度を向上させることができ、また、製造プロセスの複雑化や製造コストの増大を回避できるという優れた効果を奏し得る。

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。まず、図１及び図９乃至図１２を参照して本発明のＭＥＭＳデバイス及びその製造方法について説明する。図１は本実施形態のＭＥＭＳデバイスの概略平面図（ａ）及び概略縦断面図（ｂ）、図９乃至図１２は、それぞれ本実施形態のＭＥＭＳデバイスの製造方法の各工程を模式的に示す概略平面図（ａ）及び概略工程断面図（ｂ）である。なお、以下に説明するＭＥＭＳデバイスはＭＥＭＳ振動子であるが、後述するように、本発明はＭＥＭＳ振動子に限定されるものではない。

図１に示すように、本実施形態は、単結晶シリコン等の半導体等からなる基板（ウエハ）１０を基体とし、この基板１０上にＭＥＭＳ構造体２０を形成してなるＭＥＭＳデバイスである。ただし、基板１０は半導体に限らず、ガラス、セラミックス、樹脂などの種々の素材で構成されたものを用いることが可能である。

図９に示すように、基板１０の表面上には必要に応じて酸化シリコン等よりなる絶縁膜１１が形成され、基板１０との絶縁が確保される。もっとも、基板１０がガラス、セラミックス、樹脂、低ドーピングの半導体などの絶縁性の高い素材で構成されている場合、あるいは、表面に絶縁膜を形成済みの基板（例えばＳＯＩ基板など）を用いる場合には当該絶縁膜１１は不要である。

また、基板１０の表面上には後述するリリースエッチング等のエッチング工程に耐性を有する下地層１２が形成される。一般的なシリコンをベースとした半導体製造技術を用いる場合には、下地層１２はＣＶＤ法などで形成される窒化シリコン膜で構成される。この下地層１２は上記エッチング工程において必要とされる範囲に限定的に形成されることが好ましい。

次に、図１０に示すように、基板１０上には、所定のパターニングにより導電体よりなる下層パターン２０Ｌが形成され、固定電極（及び、必要な場合にはその配線部）として機能しうる下側構造部２１と、この下側構造部２１と離間して絶縁された下側支持部２２ＳＬとが形成される。また、この下側構造部２１上には酸化シリコン等よりなる犠牲層２３が形成される。図示例では犠牲層２３は下側構造部２１全体を被覆した状態に形成されている。これが上記の基板上に犠牲層を形成する段階である。この場合、犠牲層２３はＣＶＤ法やスパッタリング法などで成膜することにより形成することもできるが、下側構造部２１を表面酸化することによって形成してもよい。たとえば、下側構造部２１がシリコン層で構成される場合、熱酸化法によって形成されるシリコン熱酸化膜を犠牲層２３とすることができる。

次に、図１１に示すように、上記犠牲層２３及び下側支持部２２ＳＬ上に導電体よりなる上層パターン２０Ｕを形成する。この上層パターン２０Ｕは、犠牲層２３上に形成される可動部２２Ｍと、この可動部２２Ｍを支持する上側支持部２２ＳＵとを有し、可動部２２Ｍには、上層パターン２０Ｕの幅方向の側縁に切り込み２２ｖを備えている。この切り込み２２ｖは上層パターン２０Ｕの側縁から幅方向内側に凹状に形成される。図示例の場合、上層パターン２０Ｕの両側縁にはそれぞれ切り込み２２ｖが互いに対向するように形成されている。このように上層パターン２０Ｕを下層パターン２０Ｌ上に形成することによって、上側構造部２２が完成される。

上側構造部２２は下側支持部２２ＳＬと上側パターン２０Ｕとで構成される。そして、この上側構造部２２は、犠牲層２３上に配置される可動部２２Ｍと、下側支持部２２ＳＬと上側支持部２２ＳＵよりなる支持部２２Ｓとを有する上記の動作部構造に相当している。また、上記の切り込み２２ｖは、上層パターン２０Ｕのパターニング時、たとえば、上層パターンの成膜段階の後のパターニング段階（パターンエッチング）において、可動部２２Ｍや上側支持部２２ＳＵのパターン形状と同時に形成される。以上が犠牲層上に可動部２２Ｍを配置してなる動作部構造を形成する段階である。これによって、ＭＥＭＳ構造体２０が完成される。

上記のＭＥＭＳ構造体２０において、図示例の場合、可動部２２Ｍは下側構造部２１に対して犠牲層２３を介して対向している。この可動部２２Ｍは図１１の状態では基板１０上に固定されているが、後述する工程を経て最終的に動作可能な状態とされる。また、本実施形態では下層パターン２０Ｌ及び上層パターン２０Ｕが導電体で構成されるが、ＭＥＭＳ構造体２０を機能させるには少なくとも下側構造部２１及び可動部２２Ｍが導電体で構成されていればよい。

上記導電体を構成する素材としては、導電性を付与したシリコンを用いることが好ましい。たとえば、リンなどのｎ型ドーパントを不純物として導入した多結晶シリコン若しくはアモルファスシリコンである。ドーパントとしてはｎ型ドーパントに限らず、ホウ素などのｐ型ドーパントを用いることも可能である。このような素材はＣＶＤ法、スパッタリング法等により容易に成膜することができる。ただし、上記の素材としては、ＭＥＭＳ構造体２０の動作に必要な程度の導電性を有する導電体であれば如何なるものであってもよく、たとえば、アルミニウム等の金属であってもよい。

次に、図１２に示すように、必要に応じて上記構造の表面に開口１３ａを有する保護膜１３を形成し、この開口１３ａによりＭＥＭＳ構造体２０の少なくとも上記犠牲層２３が外部に露出した状態とする。図示例では、開口１３ａは下地層１２の形成範囲内において上記可動部２２Ｍ及び犠牲層２３が露出するように形成され、しかも、下地層１２の形成範囲外は全て保護膜１３により被覆されるように構成される。この保護膜１３は特に限定されないが、たとえば、感光性レジストを塗布し、露光、現像を行うことによって上記開口１３ａを形成してなるレジストマスクを用いることができる。この保護膜１３は以下に説明するリリース工程時のエッチングが不要な部分を保護する。

次に、弗酸や緩衝弗酸などのエッチング液を用いて、上記開口１３を通して上記の犠牲層２３を除去する。これが上記の犠牲層を除去する段階（リリース段階）である。この段階により、ＭＥＭＳ構造体２０の可動部２２Ｍは犠牲層２３から解放され、動作可能な状態、すなわち、振動可能な状態とされる。

上記のように構成されたＭＥＭＳ構造体２０では、基板１０上に形成された支持部２２Ｓと、該支持部２２Ｓから延設されて基板１０上で動作可能に構成（支持）された可動部２２Ｍと、を備えている。ここで、上層パターン２０Ｕに設けられた可動部２２Ｍが下層パターン２０Ｌに設けられた下側構造部２１と間隙ｇを介して対向配置される。これによって可動部２２Ｍは可動状態とされるので、固定電極である下側構造部２１と可動電極である上側構造部２２との間に交流信号を与えると、静電力により可動部２２Ｍが上記間隙ｇを増減する態様で図示上下方向に振動する。

図１に示すように、本実施形態のＭＥＭＳデバイスにおいて、可動部２２Ｍは、長さｌ、厚みｔ、幅ｗによって規定される帯状の平面パターン形状を有する。上層パターン２０Ｕの可動部２２Ｍと支持部２２Ｓの幅ｗは同一に構成される。また、下側構造部２１は長さｌ′、幅ｗ′の帯状の平面パターン形状を有する。

この下側構造部２１は可動部２２Ｍの形成範囲全体と平面的に重なるように配置され、さらに可動部２２Ｍの側縁と重なる平面位置より幅方向両側へそれぞれ張り出している。この上側構造部２２（可動部２２Ｍ）に対する下側構造部２１の幅方向両側への張り出し量は、後述する幅方向のパターンずれによる動作特性への影響が問題とならないように十分に確保される。

上記のように、上下方向に見ると、下側構造部２１と可動部２２Ｍの間には上記犠牲層２３の厚みに相当する間隙ｇが設けられる。すなわち、この間隙ｇを介して可動部２２Ｍは下側構造部２１と対向している。そして、可動部２２Ｍには上記切り込み２２ｖによって幅が縮小されることで断面極小部２２Ｂが形成されている。図示例の場合、上下方向の間隙ｇは可動部２２Ｍ、断面極小部２２Ｂ及び上側支持部２２ＳＵの全体に亘り一定となっている。一方、基板１０の表面に沿った長さ方向に見ると、下側構造部２１は可動部２２Ｍと平面的に重なる領域から上記断面極小部２２Ｂを越えて上側支持部２２ＳＵと平面的に重なる領域にまで延在している。また、下側構造部２１と下側支持部２２ＳＬとの間には上記長さ方向の間隙ｈが存在している。

切り込み２２ｖは、境界領域２２Ｂにおいて上層パターン２０Ｕの側縁より幅方向内側に向けて形成され、深さｄを有する。図示例では切り込み２２ｖは平面視Ｖ字状に形成されている。そして、この切り込み２２ｖは、上層パターン２０Ｕの平面パターンの断面極小部２２Ｂに設けられた境界パターン形状として設けられている。これらの切り込み２２ｖを形成することにより、断面極小部２２Ｂはその両側の可動部２２Ｍ及び支持部２２ＳＵ、２２ＳＬよりも断面積が縮小され、その結果、断面極小部２２Ｂの剛性は局所的に低下している。

図２は上記ＭＥＭＳデバイスの変形例を示す概略平面図（ａ）及び概略縦断面図（ｂ）である。この例では、図１と基本構成について共通し、たとえば、可動部２２Ｍの断面極小部２２Ｂに切り込み２２ｖが設けられている点で同様となっているが、断面極小部２２Ｂが下側構造部２１と平面的に重なる範囲の外側に配置されている点で異なる。すなわち、切り込み２２ｖが設けられる断面極小部２２Ｂは、下側構造部２１と下側支持部２２ＳＬとの間の間隙ｈの上方に配置される。このような構造でも、切り込み２２ｖを形成することにより、断面極小部２２Ｂはその両側の可動部２２Ｍ及び支持部２２Ｓより断面積が縮小された断面極小部となり、その結果、断面極小部２２Ｂの剛性は局所的に低下している。

図３は上記ＭＥＭＳデバイスの別の変形例を示す概略平面図（ａ）及び概略断面図（ｂ）である。この例では、下側支持部２２ＳＬと上層パターン２０Ｕによって構成される動作部構造（上側構造部２２）において、可動部２２Ｍの幅ｗより支持部２２Ｓの幅ｗ″が大きくなるように構成される。図示例の場合、下側支持部２２ＳＬと上側支持部２２ＳＵとは幅方向に一致して設けられ、これらの幅は共に同一の幅ｗ″とされる。また、図示例の場合、支持部２２Ｓの幅方向の側縁は可動部２２Ｍの幅方向両側に張り出し、これによって上側構造部２２は平面視Ｔ字状とされている。また、支持部２２Ｓは可動部２２Ｍの側縁から幅方向両側に同一の張り出し量を有している。

なお、図３に示すＭＥＭＳデバイスにおいて、図示例では、図１に示すものと同様に、境界領域２２Ｂが下側構造部２１の上方において下側構造部２１と平面的に重なる範囲内に配置されているが、図２に示すものと同様に、境界領域２２Ｂが下側構造部２１と平面的に重なる範囲外に配置されていてもよい。

図４は、本実施形態のＭＥＭＳデバイスの共振周波数の依存性を示すグラフである。このグラフにおいては、本実施形態に係る実施例１、２、３を比較例と対比して示してある。

ここで、実施例１は、図１に示す構造において、可動部２２Ｍの先端部から切り込み２２ｖの先端側の境界位置までの長さｌ＝４３μｍ、厚みｔ＝２μｍ、幅ｗ＝１０μｍ、切り込み２２ｖの深さｄ＝３μｍ、切り込み２２ｖの側縁上の幅ｓ＝２μｍ、切り込み２２ｖの支持部２２Ｓ側の境界位置から下側構造部２１の端縁までの平面方向の距離ｐ＝５μｍ、間隙ｈ＝２μｍ、支持部２２Ｓの長さｑ＝１０μｍとしたものである。ここで、可動部２２Ｍの長さは支持部２２Ｓから張り出した張り出し長さＬ＝ｌ＋ｓ＋ｐ＋ｈとなる。また、実施例２は、切り込み２２ｖの深さｄ＝４μｍとした以外は上記実施例１と同じ構造寸法を有する。さらに、実施例３は、図３に示す構造において、支持部２２Ｓの幅ｗ″を２０μｍとし、可動部２２Ｍの幅方向両側に支持部２２Ｓを等しい量だけ張り出させた以外は上記実施例１と同様の構造寸法を有するものである。

また、比較例は、図６（ａ）及び（ｂ）に模式的に示すように、上層パターンと下層パターンで構成された下側構造部及び上側構造部を有し、上側構造部には可動部と支持部が設けられている。そして、切り込み２２ｖを形成していない以外は実施例１の構造寸法と同じ寸法を有している。ただし、この比較例では、切り込み２２ｖを設けないことで断面極小部２２Ｂが存在しないので、上側構造部における支持部からの張り出し長さ（すなわち、可動部の長さ）Ｌを、実施例１における可動部２２Ｍの先端部と切り込み２２ｖとの間の長さｌと、切り込み２２ｖの幅ｓと、上記距離ｐと、間隙ｈとの合計値と一致するように構成してある。

なお、図４のグラフは、上記実施例１〜３及び比較例において、上記張り出し長さ（すなわち、可動部の長さ）Ｌ（＝ｌ＋ｓ＋ｐ＋ｈ）の変化に対する共振周波数の変化を構造解析によりコンピューターで計算した結果を示すものである。なお、上記張り出し長さＬ（＝ｌ＋ｓ＋ｐ＋ｈ）はいずれの場合でも５２μｍを基準値とし、張り出し長さＬが基準値に対して１μｍ増加した場合と、１μｍ減少した場合とでそれぞれ構造解析を行って共振周波数を求めることで、張り出し長さＬの変化に起因する共振周波数の変動態様を導出した。

図４に示すように、比較例では張り出し長さＬが変化すると共振周波数が大きく変化するのに対し、実施例１〜３では共振周波数の変化が比較例よりも小さくなっている。特に、比較例では張り出し長さＬが２μｍ変化すると共振周波数が６２ｋＨｚ変化するのに対し、実施例３では張り出し長さＬが２μｍ変化しても共振周波数の変化量は３５ｋＨｚ程度と大幅に小さい。したがって、本実施形態では、切り込み２２ｖを設けることで、共振周波数の変化量を低減できることがわかる。

また、図４において比較例と実施例１及び２を対比すればわかるように、切り込み２２ｖを設けると共振周波数が低下する。一方、実施例３では共振周波数が増大していることから、支持部の幅ｗ″を可動部２２Ｍの幅ｗより大きくすることで、切り込み２２ｖを設けたことによる共振周波数の低下を補償することができることがわかる。

上記の共振周波数の変化を確認するために、実施例１（上記張り出し長さＬを上記基準値としたもの）をベースとし、支持部２２Ｓの幅ｗ″以外は実施例１と同じ構成とした実施例３において支持部２２Ｓの幅ｗ″を徐々に増大させて共振周波数を計算した。この結果を図５に示す。図５は共振周波数の支持部２２Ｓの幅ｗ″に対する依存性を示すグラフである。図５からわかるように、支持部２２Ｓの幅ｗ″を可動部２２Ｍの幅ｗより大きくしていくと共振周波数が増大し、やがて幅ｗ″が幅ｗの３倍前後に近づくと共振周波数が飽和し、ほぼ一定の値となる。

したがって、切り込み２２ｖを設けることによる周波数の低下が支持部２２Ｓの幅ｗ″によって補償されるように、すなわち、ｗ＜ｗ″となる幅ｗ″の値を設計することで、切り込み２２ｖを設けない場合に対して共振周波数を変化させずに周波数精度を高めることができる。また、支持部２２Ｓの幅ｗ″を可動部２２Ｍの幅ｗの３倍以上とすることで、共振周波数を安定させることができ、共振周波数のさらなる高精度化や再現性の向上を図ることができる。

上記の計算結果により示される動作特性（周波数特性）が得られる理由は以下のように考えられる。ＭＥＭＳ構造体２０の共振周波数Ｆｒは、上側構造部２２の支持部からの張り出し長さをＬ、厚みをｔとし、幅ｗの影響を無視すると、以下の数式１で表わされる。

ここで、Ｅは可動部２２Ｍのヤング率、ρは可動部２２Ｍの密度である。

上記の数式１から、上側構造部２２の張り出し長さＬが変化すると、厚みｔが変化した場合に比べて桁違いに共振周波数Ｆｒが大きく変化することがわかる。また、幅ｗについては共振周波数Ｆｒへの影響が厚みｔよりさらに小さいことがわかっている。したがって、ＭＥＭＳデバイスの共振周波数その他の周波数特性への影響は、ＭＥＭＳ構造体２０の構造寸法のうち上記の張り出し長さＬがきわめて大きく、この張り出し長さＬによる影響を低減することがＭＥＭＳデバイスの周波数精度の向上に効果的である。

そして、上記の張り出し長さＬは、下層パターン２０Ｌに対する上層パターン２０Ｕの当該長さ方向へのパターンずれによって変化する。このパターンずれは、例えば、フォトリソグラフィ技術によって各パターンを形成する場合には、主として、露光段階における露光パターンのずれ（露光マスクのずれ）によって生じる。図７（ａ）〜（ｃ）はこのパターンずれによる比較例への影響を説明するための説明用平面図、図８（ａ）〜（ｃ）は実施例への影響を説明するための説明用平面図である。

図７（ａ）〜（ｃ）に示すように、上記比較例においては、下層パターン２０Ｌに対して上層パターン２０Ｕが長さ方向にずれると、その長さ方向のずれ量と等しい量だけ上側構造部の張り出し長さＬが変化する。したがって、上記切り込み２２ｖが存在しない場合には、上記数式１に示すように、上記パターンずれの量の約２乗に反比例する態様で共振周波数Ｆｒが変化することになる。

一方、本実施形態においては、図８（ａ）〜（ｃ）に示すように、上層パターン２０Ｕに切り込み２２ｖが含まれていると、上側構造部２２の張り出し長さＬは比較例と同様に変化するが、可動部２２Ｍの先端部と切り込み２２ｖとの間の長さｌには上記パターンずれによる影響はない。また、この場合には、切り込み２２ｖが設けられることで断面極小部２２Ｂの剛性が低下するため、振動の節が断面極小部２２Ｂに生ずることとなるので、共振周波数は張り出し長さＬによる影響を受けにくくなり、主として可動部２２Ｍの先端部と切り込み２２ｖとの間の長さｌによって定まることとなる。そして、上層パターン２０Ｕ内のパターン精度は一般に上記パターンずれに比べると遥かに小さい。このため、実施例における共振周波数の変動（ばらつき）は比較例の場合に比べて小さくなるものと思われる。

なお、ＭＥＭＳデバイスの周波数特性は、上側構造部（可動電極）２２の下側構造部（固定電極）２１に対する重なり範囲のばらつきによっても影響を受ける。すなわち、図８に示す場合でも、厳密にいえば、上側構造部２２の下側構造部２１に対する重なり範囲（長さ範囲）、例えば、上記張り出し長さＬから図１に示す間隙ｈを差し引いた長さ（＝Ｌ−ｈ）は変動し、これに伴って上側構造部２２が受ける静電力も変化する。しかしながら、共振周波数はあくまでも可動部２２Ｍの先端部と切り込み２２ｖとの間の長さｌその他の構造寸法と素材の弾性定数によって定まるので、周波数精度の向上に大きな支障はない。このことは、上記図１及び図３に示す構造と、上記図２に示す構造とで、動作精度（周波数精度）の向上効果に関しては本質的な差異がないことを意味する。

また、製造プロセスでは上記の長さ方向のパターンずれ以外に幅方向のパターンずれも生じうるが、当該幅方向のパターンずれは、上記実施形態のように、下側構造部（固定電極）２１が上側構造部（可動電極）２２に対して幅方向に十分な余裕を持って広がるように形成されていれば、ＭＥＭＳデバイスの周波数特性に大きな影響を与えるものではない。

以上のように、本実施形態では、上側構造部２２（動作部構造）において可動部２２Ｍに切り込み２２ｖを設けて断面極小部２２Ｂを構成し、これによって断面極小部２２Ｂの剛性を低下させているので、ＭＥＭＳデバイスの振動の節が断面極小部２２Ｂに生ずるため、下層パターン２０Ｌに対する上層パターン２０Ｕのパターンずれによる周波数特性への影響を抑制することができる。

特に、上記切り込み２２ｖは上層パターン２０Ｕの一部とされ、上層パターン２０Ｕの形成工程（パターニング工程）において同時に形成されるため、上層パターン２０Ｕ内のパターン精度によって可動部２２Ｍの先端部と切り込み２２ｖとの間の長さｌが決定されることから、当該長さｌに依存する周波数精度を上記パターン精度に対応する程度まで高めることができるという利点がある。

さらに、本実施形態では、上層パターン２０Ｕのパターン形状を変更するだけで製造できるので、製造プロセスの複雑化や製造コストの増大を招くことなく対応できるという利点も有する。

図１３は、断面極小部２２Ｂに設ける境界パターン形状の他の例を示す概略平面図（ａ）〜（ｃ）である。これらの境界パターン形状は、上記切り込み２２ｖ以外の断面極小部２２Ｂのパターン形状を例示するものである。たとえば、図１３（ａ）に示す例では、断面極小部２２Ｂにおいて、上記切り込み２２ｖの平面視Ｖ字状ではなく、平面視半円状或いは平面視Ｕ字状の切り込み２２ｖ′が設けられている。また、図１３（ｂ）に示す例では、平面視矩形状或いは平面視多角形状の切り込み２２ｖ″が形成される。このように、切り込みの平面形状は任意であり、結果的に断面極小部２２Ｂの剛性低下に寄与するパターン形状であればよい。

また、図１３（ｃ）に示す例では、上側構造部２２（上層パターン２０Ｕ）の側縁には切り込みが設けられておらず、その代りに、断面極小部２２Ｂにおいて開口２２ｗが設けられている。図示例の場合、断面極小部２２Ｂにおいて幅方向に沿って複数の開口２２ｗが形成される。このように開口２２ｗを設けることでも断面極小部２２Ｂの剛性低下に寄与することができる。すなわち、境界パターン形状によって可動部に断面極小部２２Ｂが設けられていればよく、そのパターン形状そのものは特に限定されない。

本実施形態ではさらに、支持部２２Ｓの幅ｗ″を可動部２２Ｍの幅ｗより大きくすることで、支持部２２Ｓの剛性が高められ、支持部２２Ｓと断面極小部２２Ｂとの剛性の差が増大するので、可動部の振動の節が断面極小部２２Ｂに確実かつ正確に生じるようになるため、共振周波数の変動を低減することができるという利点がある。たとえば、上述のように境界パターン形状を設けたことによる共振周波数の変動を補償できる。また、支持部２２Ｓの剛性向上により、可動部２２Ｍの振動の安定性が向上し、本来の振動モード以外の他の振動モードの発生を抑制できる。

尚、本発明のＭＥＭＳデバイスの製造方法は、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。たとえば、上記実施形態ではＭＥＭＳデバイスとして片持ち梁状の動作部構造を有するＭＥＭＳデバイスを例に説明したが、本発明のＭＥＭＳデバイスとしては、可動部の両側に支持部がそれぞれ接続されてなる両持ち梁状の動作部構造を有するものであっても良く、さらには、可動部の周囲に３以上の支持部がそれぞれ接続されてなる動作部構造を有するものであっても構わない。これらの場合には、可動部にそれぞれ境界パターン形状による上記断面極小部を設ければよい。

また、上記実施形態ではＭＥＭＳ振動子を例示して説明を行ったが、本発明は、支持部によって動作可能に支持された可動部を有するものであれば、たとえば、ＭＥＭＳアクチュエータ、ＭＥＭＳスイッチ、ＭＥＭＳセンサ（加速度センサや圧力センサなど）のように、種々のＭＥＭＳデバイスに広く適用できるものである。これらの各種のＭＥＭＳデバイスにおいても、可動部に断面極小部を設けることで可動部の動作特性が可動部の構造寸法以外によって影響されにくくなり、上記パターンずれによる影響を低減できるので、可動部の動作特性、たとえば、可動部の加速度、移動方向、移動抵抗などのばらつきを軽減することが可能になり、ＭＥＭＳデバイスの動作精度を高めることが可能になる。

実施形態のＭＥＭＳデバイスの概略平面図（ａ）及び概略縦断面図（ｂ）。 他の実施形態のＭＥＭＳデバイスの概略平面図（ａ）及び概略縦断面図（ｂ）。 さらに他の実施形態のＭＥＭＳデバイスの概略平面図（ａ）及び概略縦断面図（ｂ）。 実施例１〜３と比較例の共振周波数の張り出し長さに対する依存性を対比して示すグラフ。 実施例の共振周波数の支持部の幅に対する依存性を示すグラフ。 比較例の構造を模式的に示す概略平面図（ａ）及び概略縦断面図（ｂ）。 比較例のパターンずれによる張り出し長さの変化態様を示す説明用平面図（ａ）〜（ｃ）。 実施例のパターンずれによる張り出し長さの変化態様を示す説明用平面図（ａ）〜（ｃ）。 実施形態のＭＥＭＳデバイスの製造方法を模式的に示す概略工程断面図。 実施形態のＭＥＭＳデバイスの製造方法を模式的に示す概略工程断面図。 実施形態のＭＥＭＳデバイスの製造方法を模式的に示す概略工程断面図。 実施形態のＭＥＭＳデバイスの製造方法を模式的に示す概略工程断面図。 境界パターン形状の他の例を示す概略平面図（ａ）〜（ｃ）。

１０…基板、１１…絶縁膜、１２…下地層、１３…保護膜、１３ａ…開口、２０…ＭＥＭＳ構造体、２０Ｌ…下層パターン、２０Ｕ…上層パターン、２１…下側構造部、２２…上側構造部、２２Ｍ…可動部、２２Ｂ…断面極小部、２２Ｓ…支持部、２２ＳＬ…下側支持部、２２ＳＵ…上側支持部、２２ｖ、２２ｖ′、２２ｖ″…切り込み（境界パターン形状）、２２ｗ…開口（境界パターン形状）、２３…犠牲層

Claims (9)

1. 基板と、該基板上に形成されたＭＥＭＳ構造体とを具備し、
   該ＭＥＭＳ構造体は、前記基板上に形成された支持部と、該支持部から延設されて前記基板上で動作可能に構成された可動部と、を備えた動作部構造を有し、
   該動作部構造は、前記可動部に、前記動作部構造の前記支持部から前記可動部へ向かう方向と直交する断面の断面積が前記可動領域の断面積より小さい断面極小部を有し、該断面極小部は、前記動作部構造の平面パターンに設けられた境界パターン形状により形成されることを特徴とするＭＥＭＳデバイス。
2. 前記境界パターン形状は、前記動作部構造の側縁に形成された切り込みにより構成されることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
3. 前記切り込みは前記動作部構造の両側縁にそれぞれ形成されることを特徴とする請求項２に記載のＭＥＭＳデバイス。
4. 前記動作部構造は、前記可動部が前記支持部により片持ち支持されてなる片持ち梁状に構成される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ＭＥＭＳデバイス。
5. 前記支持部は前記可動部より広幅に構成されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のＭＥＭＳデバイス。
6. 前記動作部構造は、前記基板上に固定された固定電極と、該固定電極上に間隙を介して対向する少なくとも前記可動部を含む可動電極とを有し、前記固定電極と前記可動電極の間の静電力により前記可動部が前記間隙を増減させる態様で動作することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のＭＥＭＳデバイス。
7. 前記ＭＥＭＳ構造体は、前記可動部が振動する振動子を構成するＭＥＭＳ振動子であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載のＭＥＭＳデバイス。
8. 基板上にＭＥＭＳ構造体を形成する工程を具備し、該ＭＥＭＳ構造体は、前記基板上に形成された支持部と、該支持部から延設されて前記基板上で動作可能に構成された可動部と、を備えた動作部構造を有するＭＥＭＳデバイスの製造方法であって、
   前記ＭＥＭＳ構造体を形成する工程では、前記基板上に犠牲層を形成する段階と、該犠牲層上に前記可動部を配置してなる前記動作部構造を形成する段階と、前記犠牲層を除去する段階とが順次に実施され、
   前記動作部構造を形成する段階では、前記可動部に、前記動作部構造の前記支持部から前記可動部へ向かう方向と直交する断面の断面積が前記可動領域の断面積より小さい断面極小部が、当該動作部構造を構成する平面パターンに境界パターン形状を設けることにより形成されることを特徴とするＭＥＭＳデバイスの製造方法。
9. 前記可動部の平面形状と前記境界パターン形状とが同一のパターニング処理によって形成されることを特徴とする請求項８に記載のＭＥＭＳデバイスの製造方法。

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