JP2010232983A - Thin film vibrator and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、薄膜を用いた機械振動子構造を備える薄膜振動子およびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a thin film vibrator having a mechanical vibrator structure using a thin film and a manufacturing method thereof.
微小な振動子として、カンチレバー構造、あるいは両持ち梁構造がしばしば用いられる（非特許文献１〜３参照）。このような微細振動子は、よく知られた半導体製造プロセスを利用して形成されている。例えば、図６に示すように、基板６０１の上に犠牲層６０２を形成し、この上に振動子となる薄膜６０３を形成する。次いで、薄膜６０３を公知のフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術によりパターニングし、両持ち構造の梁部６３１を形成する。この後、形成した梁部６３１の両脇の開口領域より、犠牲層６０２の一部をエッチング除去することで、梁部６３１と基板６０１との間に下部空間６２１が形成された状態とする。なお、図６において、（ａ）は、平面図であり、（ｂ）は断面図である。 As a minute vibrator, a cantilever structure or a double-supported beam structure is often used (see Non-Patent Documents 1 to 3). Such a micro vibrator is formed by using a well-known semiconductor manufacturing process. For example, as shown in FIG. 6, a sacrificial layer 602 is formed on a substrate 601, and a thin film 603 to be a vibrator is formed thereon. Next, the thin film 603 is patterned by a known photolithography technique and etching technique to form a beam portion 631 having a both-end support structure. Thereafter, a part of the sacrificial layer 602 is removed by etching from the opening regions on both sides of the formed beam portion 631 so that a lower space 621 is formed between the beam portion 631 and the substrate 601. 6A is a plan view, and FIG. 6B is a cross-sectional view.
このように形成した微細振動子では、梁部６３１の両脇の薄膜６０３が、上記エッチング処理で残した犠牲層６０２により基板６０１の上に支持されている。また、犠牲層６０２の上に支持されている薄膜６０３に連結している梁部６３１は、基板６０１の上に下部空間６２１を介して離間し、変位（振動）可能な状態とされている。 In the micro vibrator formed as described above, the thin films 603 on both sides of the beam portion 631 are supported on the substrate 601 by the sacrificial layer 602 left by the etching process. The beam portion 631 connected to the thin film 603 supported on the sacrificial layer 602 is separated from the substrate 601 via the lower space 621 and can be displaced (vibrated).
しかしながら、上述しように作製する微細な振動子では、犠牲層６０２のエッチングにおいて、梁部６３１の延在方向に、梁部６３１の長さに等しい領域のみをエッチング除去することが容易ではない。この場合、梁部６３１の両脇より犠牲層６０２をエッチングし、このエッチングにより梁部６３１の下部の犠牲層を除去するため、当然ながら、梁部６３１を支持するための薄膜６０３の下部領域の犠牲層６０２も同様にエッチング除去される。このため、梁部６３１を支持するための薄膜６０３の端部には、庇部６３２が形成される。 However, in the fine vibrator manufactured as described above, in the etching of the sacrificial layer 602, it is not easy to etch and remove only a region equal to the length of the beam portion 631 in the extending direction of the beam portion 631. In this case, the sacrificial layer 602 is etched from both sides of the beam portion 631, and the sacrificial layer below the beam portion 631 is removed by this etching. Therefore, of course, the lower region of the thin film 603 for supporting the beam portion 631 is removed. The sacrificial layer 602 is also etched away. For this reason, the collar part 632 is formed in the edge part of the thin film 603 for supporting the beam part 631.
従って、上述した振動子においては、梁部６３１に限らず、梁部６３１に連続する庇部６３２も、振動する部分となる。このような振動子を形成する場合、梁部６３１を振動する部分として設計するが、上述したように、実際には設計とは異なる領域が振動する部分となる。この結果、梁部６３１の機械学的な特性は、設計とは異なる値を示すものとなる。この差は、構造が微細化されるほど大きくなるため、μｍ単位の微細な振動子では無視できない。特に、微細な振動子構造のヤング率等の物性定数を求める場合には、上述した点が無視できず、正確な物性定数の値を計測することが非常に困難になるという問題がある。 Therefore, in the above-described vibrator, not only the beam portion 631 but also the flange portion 632 continuous to the beam portion 631 is a portion that vibrates. When such a vibrator is formed, the beam portion 631 is designed as a vibrating portion. However, as described above, a region different from the design is actually a vibrating portion. As a result, the mechanical characteristic of the beam portion 631 shows a value different from the design. This difference becomes larger as the structure becomes finer, and thus cannot be ignored in a fine vibrator in units of μm. In particular, when obtaining physical constants such as Young's modulus of a fine vibrator structure, the above-described points cannot be ignored, and there is a problem that it is very difficult to measure an accurate physical constant value.
各種の設計上の自由度、デバイス化の場合の複合化の自由度等を考慮すれば、カンチレバーや両持ち梁構造が、μｍオーダーの振動子構造として優れている。しかしながら、これらの構造では、上述したようなオーバーエッチングの問題があるため、正確な構造を決定することが容易ではない。ここで、μｍ単位・ｎｍ単位の構造においては、振動子として薄膜を用いることになり、バルク材料の機械物性が通用しない。このため、微細な振動子においては、実際の構造の物性定数を知ることが重要となる。しかしながら、上述したように、梁構造の微細な振動子では、機械設計に欠かせないヤング率等の物性定数を決定することが困難である。 Considering various degrees of freedom in design and the degree of freedom in compounding in the case of devices, the cantilever and the double-supported beam structure are excellent as a vibrator structure on the order of μm. However, since these structures have the problem of over-etching as described above, it is not easy to determine an accurate structure. Here, in the structure of μm unit / nm unit, a thin film is used as the vibrator, and mechanical properties of the bulk material are not applicable. For this reason, it is important to know the physical constant of the actual structure in a fine vibrator. However, as described above, it is difficult to determine physical property constants such as Young's modulus, which are indispensable for mechanical design, with a fine vibrator having a beam structure.
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、振動子のヤング率などの物性定数がより容易に計測できるようにすることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to make it easier to measure physical constants such as Young's modulus of a vibrator.
本発明に係る薄膜振動子は、基板の上に形成された犠牲層と、この犠牲層の上に形成されて犠牲層に到達する貫通孔を備えた振動子層と、貫通孔を介して一部の犠牲層を等方的にエッチングすることで貫通孔の領域を超えて形成された振動子層の下の空間と、振動子層の空間の上部の領域の薄膜振動部とを少なくとも備える。 A thin film vibrator according to the present invention includes a sacrificial layer formed on a substrate, a vibrator layer having a through hole formed on the sacrificial layer and reaching the sacrificial layer, and a single through the through hole. At least a space below the vibrator layer formed beyond the region of the through hole by isotropically etching the sacrificial layer, and a thin film vibration portion in an area above the space of the vibrator layer.
上記薄膜振動子において、貫通孔は、平面視凸多角形、または平面視円形に形成されていればよい。また、空間は、平面視円形に形成されている。 In the thin film vibrator, the through hole may be formed in a convex polygon in plan view or a circular shape in plan view. The space is formed in a circular shape in plan view.
また、本発明に係る薄膜振動子の製造方法は、基板の上に犠牲層を形成する工程と、犠牲層の上に振動子層を形成する工程と、振動子層に、犠牲層に到達する貫通孔を形成する工程と、貫通孔を介して一部の犠牲層を等方的にエッチングすることで振動子層の下に貫通孔の領域を超える空間を形成し、振動子層の空間の上部の領域の薄膜振動部を形成する工程とを少なくとも備える。 The method for manufacturing a thin film vibrator according to the present invention includes a step of forming a sacrificial layer on a substrate, a step of forming a vibrator layer on the sacrificial layer, and the sacrificial layer reaching the vibrator layer. A step of forming a through hole and a part of the sacrificial layer isotropically etched through the through hole to form a space below the region of the through hole below the vibrator layer. Forming a thin-film vibrating portion in the upper region.
上記薄膜振動子の製造方法において、貫通孔は、平面視凸多角形、または平面視円形に形成すればよい。また、貫通孔は、振動子層に収束イオンビームを照射することで形成することができる。 In the method of manufacturing the thin film vibrator, the through hole may be formed in a convex polygon in plan view or a circular shape in plan view. Further, the through hole can be formed by irradiating the transducer layer with a focused ion beam.
以上説明したように、本発明によれば、振動子層に形成した貫通孔を介して一部の犠牲層を等方的にエッチングすることで振動子層の下に貫通孔の領域を超える空間を形成し、振動子層の空間の上部の領域の薄膜振動部を形成するようにしたので、振動子のヤング率などの物性定数がより容易に計測できるようになるという優れた効果が得られる。 As described above, according to the present invention, the space exceeding the region of the through hole under the vibrator layer by isotropically etching a part of the sacrificial layer through the through hole formed in the vibrator layer. Since the thin film vibration part in the upper region of the space of the vibrator layer is formed, an excellent effect that the physical constants such as the Young's modulus of the vibrator can be measured more easily is obtained. .
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
［実施の形態１］
始めに、本発明の実施の形態１について説明する。図１Ａ〜図１Ｄは、本実施の形態における薄膜振動子の製造方法を説明するための工程図である。図１Ａ〜図１Ｄでは、各工程における薄膜振動子の一部構成の断面を模式的に示している。
[Embodiment 1]
First, the first embodiment of the present invention will be described. 1A to 1D are process diagrams for explaining a method of manufacturing a thin film vibrator in the present embodiment. 1A to 1D schematically show a cross section of a partial configuration of the thin film vibrator in each step.
まず、図１Ａに示すように、主表面が（００１）面とされたＧａＡｓからなる基板１０１の上に、層厚５００ｎｍのＧａＡｓからなるバッファー層１０２を形成し、この上に層厚２μｍのＡｌＧａＡｓからなる犠牲層１０３を形成し、この上に層厚２００ｎｍのＧａＡｓからなる振動子層１０４を形成する。これらは、例えばＭＢＥ法を用いて順次に堆積（エピタキシャル成長）すればよい。また、犠牲層１０３に用いるＡｌＧａＡｓとしては、Ａｌ0.65Ｇａ0.35Ａｓを成長すればよい。 First, as shown in FIG. 1A, a buffer layer 102 made of GaAs having a thickness of 500 nm is formed on a substrate 101 made of GaAs having a main surface of (001) plane, and an AlGaAs having a thickness of 2 μm is formed thereon. A sacrificial layer 103 is formed, and a vibrator layer 104 made of GaAs having a layer thickness of 200 nm is formed thereon. These may be sequentially deposited (epitaxial growth) using, for example, the MBE method. As AlGaAs used for the sacrificial layer 103, Al 0.65 Ga 0.35 As may be grown.
次に、図１Ｂに示すように、公知のリソグラフィー技術により、振動子層１０４の上にレジストパターン１０５を形成する。レジストパターン１０５は、振動する部分となる領域の中央部に開口１０５ａを備える。 Next, as shown in FIG. 1B, a resist pattern 105 is formed on the vibrator layer 104 by a known lithography technique. The resist pattern 105 includes an opening 105a at the center of the region that becomes a vibrating portion.
次に、図１Ｃに示すように、レジストパターン１０５をマスクとし、例えば、よく知られた反応性イオン（ＲＩＥ）エッチングにより、振動子層１０４に犠牲層１０３に到達する貫通孔１０４ａを形成する。貫通孔１０４ａを形成した後、レジストパターン１０５は除去する。 Next, as shown in FIG. 1C, using the resist pattern 105 as a mask, a through hole 104a reaching the sacrificial layer 103 is formed in the vibrator layer 104 by, for example, well-known reactive ion (RIE) etching. After the through hole 104a is formed, the resist pattern 105 is removed.
次に、例えば希弗酸溶液を用い、貫通孔１０４ａを介して犠牲層１０３を等方的にエッチングし、図１Ｄに示すように、振動子層１０４とバッファー層１０２との層間に、貫通孔１０４ａの領域を超える空間１３１を形成する。例えば、レジストパターン１０５を除去した後、貫通孔１０４ａを備える振動子層１０４を備える基板１０１を希弗酸溶液に浸漬する。これにより、貫通孔１０４ａより浸入する希弗酸溶液により犠牲層１０３が等方的にエッチングされ、空間１３１が形成されるようになる。 Next, for example, using a dilute hydrofluoric acid solution, the sacrificial layer 103 is isotropically etched through the through hole 104a, and as shown in FIG. 1D, the through hole is formed between the vibrator layer 104 and the buffer layer 102. A space 131 exceeding the area 104a is formed. For example, after removing the resist pattern 105, the substrate 101 including the vibrator layer 104 including the through hole 104a is immersed in a dilute hydrofluoric acid solution. As a result, the sacrificial layer 103 is isotropically etched by the dilute hydrofluoric acid solution entering from the through hole 104a, and the space 131 is formed.
このような空間１３１の形成では、貫通孔１０４ａより浸入するエッチング種（エッチャント）が、浸入方向とは異なる横方向にも広がる等方的なエッチングが重要となる。よく知られているように、溶液を用いたウエットエッチングは、等方的なエッチングとなり、空間１３１の形成には好適である。なお、等方的なエッチングであれば、ウエットエッチングに限らず、ドライエッチングを用いてもよいことはいうまでもない。 In forming such a space 131, it is important to perform isotropic etching in which an etching species (etchant) entering from the through hole 104a extends in a lateral direction different from the penetration direction. As is well known, wet etching using a solution is isotropic etching and is suitable for forming the space 131. Needless to say, as long as isotropic etching is performed, not only wet etching but also dry etching may be used.
このような等方的なエッチングでは、貫通孔１０４ａを中心として振動子層１０４の平面方向にも等方的にエッチングが進行する。この結果、空間１３１は、平面視略円形に形成されるようになる。特に、貫通孔１０４ａを平面視円形に形成した場合は、空間１３１は、円形に形成されるようになる。また、貫通孔１０４ａの開口面積に対して空間１３１の平面視の領域を広く形成すればするほど、貫通孔１０４ａの平面形状によらずに、空間１３１の平面形状は円形に近づく。 In such isotropic etching, the etching proceeds isotropically in the planar direction of the vibrator layer 104 with the through hole 104a as the center. As a result, the space 131 is formed in a substantially circular shape in plan view. In particular, when the through hole 104a is formed in a circular shape in plan view, the space 131 is formed in a circular shape. In addition, the wider the area of the space 131 in plan view than the opening area of the through hole 104a, the closer the planar shape of the space 131 becomes to a circle regardless of the planar shape of the through hole 104a.
本実施の形態の薄膜振動子では、以上のようにして空間１３１を形成することで、振動子層１０４の空間１３１の上部領域に、薄膜振動部１４１を形成するところに特徴がある。なお、空間１３１は、この周囲を犠牲層１０３で囲われた閉空間である。この薄膜振動子によれば、振動する部分となる薄膜振動部１４１の領域（振動領域）は、エッチングにより形成した空間１３１の領域に等しいものとなる。従って、本実施の形態における薄膜振動子は、薄膜振動部１４１の平面形状が略円形となり、振動子のヤング率などの物性定数がより容易に計測できるようになる。なお、貫通孔１０４ａは、平面形状が円形もしくは、凸の多角形となっていればよい。特に、円形となっていれば、薄膜振動部１４１の径の大きさにかかわらず、この平面形状を円形にすることが容易である。 The thin film vibrator of the present embodiment is characterized in that the thin film vibrating portion 141 is formed in the upper region of the space 131 of the vibrator layer 104 by forming the space 131 as described above. The space 131 is a closed space surrounded by the sacrificial layer 103. According to this thin film vibrator, the region (vibration region) of the thin film vibration part 141 that becomes a vibrating portion is equal to the region of the space 131 formed by etching. Therefore, in the thin film vibrator according to the present embodiment, the planar shape of the thin film vibrating portion 141 is substantially circular, and physical constants such as the Young's modulus of the vibrator can be measured more easily. Note that the through hole 104a only needs to have a circular planar shape or a convex polygonal shape. In particular, if it is circular, it is easy to make this planar shape circular regardless of the diameter of the thin-film vibrating portion 141.
例えば、振動子（薄膜振動部１４１）をピエゾ振動子の上に搭載し、ピエゾ振動子に印加する信号の周波数を掃引しながら、既存のドップラー干渉計で振動を計測することにより、振動子の機械的共振特性を得ることが可能である。 For example, a vibrator (thin film vibrating portion 141) is mounted on a piezo vibrator and the vibration of the vibrator is measured by measuring the vibration with an existing Doppler interferometer while sweeping the frequency of a signal applied to the piezo vibrator. It is possible to obtain mechanical resonance characteristics.
また、図２は、本実施の形態による薄膜振動子の状態を光学顕微鏡で観察した結果を示す写真である。図２では、薄膜振動子の平面形状が示されている。この顕微鏡像を用いた測定により、薄膜振動部１４１が略円形であり、この直径が６５μｍであり、開口１０５ａの孔径が４μｍであることがわかる。 FIG. 2 is a photograph showing the result of observing the state of the thin film vibrator according to the present embodiment with an optical microscope. In FIG. 2, the planar shape of the thin film vibrator is shown. The measurement using this microscopic image shows that the thin-film vibrating portion 141 is substantially circular, the diameter is 65 μm, and the hole diameter of the opening 105a is 4 μm.
以上のようにして、基底状態の共振周波数が測定でき、円形に形成された薄膜振動部１４１の直径が測定できれば、例えば、以下の式（１）を用いることで、ヤング率Ｅを導出することができる。 As described above, if the resonance frequency of the ground state can be measured and the diameter of the thin-film vibrating portion 141 formed in a circle can be measured, the Young's modulus E can be derived by using the following equation (1), for example. Can do.
なお、式（１）において、ｈは振動子膜厚、ｄは振動子径、λmnは振動モード常数、νはポアソン比、ρは密度である。 In equation (1), h is the thickness of the vibrator, d is the diameter of the vibrator, λmn is the vibration mode constant, ν is the Poisson's ratio, and ρ is the density.
上述した本実施の形態における薄膜振動子では、犠牲層１０３をエッチングすることで形成した空間１３１の領域に対応する薄膜振動部１４１が振動子体となり、振動子体が、略円形になるところに特徴がある。従って、本実施の形態における薄膜振動子では、振動特性を決定する構造パラメータが、振動子膜厚と振動子径の２つで良いことになる。本実施の形態で示したような結晶エピタキシャル技術においては、形成する各層の膜厚は、よく知られているように、原子レベルで制御することが可能であり、本質的に膜厚（層厚）の精度は高い。 In the thin film vibrator in this embodiment described above, the thin film vibrating portion 141 corresponding to the region of the space 131 formed by etching the sacrificial layer 103 is a vibrator body, and the vibrator body is substantially circular. There are features. Therefore, in the thin film vibrator according to the present embodiment, two structural parameters for determining the vibration characteristics may be the vibrator film thickness and the vibrator diameter. In the crystal epitaxial technique as shown in the present embodiment, the film thickness of each layer to be formed can be controlled at the atomic level, as is well known. ) Is highly accurate.
また、本発明における薄膜振動子は、結晶エピタキシャル成長により形成する薄膜に限るものではない。例えば、よく知られたＳＯＩ基板における埋め込み酸化膜上のＳｉ層などであれば、光学的な手法で高精度に膜厚が決定することは容易であり、犠牲層（埋め込み酸化膜）との高い選択比を有する振動子層として、本発明を適用できることはいうまでもない。 The thin film vibrator in the present invention is not limited to a thin film formed by crystal epitaxial growth. For example, if it is a Si layer on a buried oxide film in a well-known SOI substrate, it is easy to determine the film thickness with high accuracy by an optical method, which is high with a sacrificial layer (buried oxide film). It goes without saying that the present invention can be applied as a vibrator layer having a selection ratio.
また、円形に形成された振動子体の直径についても、図２に示すように、光学顕微鏡による観察で、明瞭に決定することが可能である。これは、振動子体（薄膜振動部１４１）が本質的に薄いことに由来している。犠牲層１０３がエッチングされている空間１３１と、エッチングされずに残っている領域との光学的な反射率の大きな違いにより、振動子体の領域（薄膜振動部１４１）特定は非常に容易である。 Also, the diameter of the vibrator body formed in a circular shape can be clearly determined by observation with an optical microscope, as shown in FIG. This is because the vibrator body (thin film vibrating portion 141) is essentially thin. Due to the large difference in optical reflectance between the space 131 in which the sacrificial layer 103 is etched and the region that remains without being etched, it is very easy to specify the region of the vibrator body (thin film vibrating portion 141). .
ところで、本実施の形態では、薄膜振動部１４１の中央に配置されることになる貫通孔１０４ａを、レジストを使う通常のリソグラフィで作製している。このようなリソグラフィー技術では、たとえば、コンタクトリソグラフィでは、２μｍ程度の径の穴を形成するのが限界である。このような場合には、中央の穴の形状が、薄膜振動部１４１の平面形状に明確な影響を与えないように、振動子体の径も大きくする必要がある。例えば、貫通孔１０４ａの孔径が２μｍ程度の場合、薄膜振動部１４１は、直径が５０μｍを超えるものとすればよい。 By the way, in the present embodiment, the through hole 104a to be disposed at the center of the thin film vibrating portion 141 is manufactured by normal lithography using a resist. In such lithography technology, for example, in contact lithography, the limit is to form a hole with a diameter of about 2 μm. In such a case, it is necessary to increase the diameter of the vibrator body so that the shape of the hole at the center does not clearly affect the planar shape of the thin film vibrating portion 141. For example, when the hole diameter of the through-hole 104a is about 2 μm, the thin film vibrating portion 141 may have a diameter exceeding 50 μm.
また、本実施の形態では、基板としてＧａＡｓ、犠牲層としてＡｌxＧａ1-xＡｓ、振動子層としてＧａＡｓを用いたが、これに限るものではない。基板／犠牲層／振動子層という構成になっていれば、どの様な材料の組み合わせて用いてもよい。基本的には、犠牲層をエッチングする際に、エッチャントが犠牲層を選択的にエッチングできればよい。場合によっては、基板と犠牲層は同一材料でも構わない。微細な穴を通してエッチングを行うことを想定しているので、粘性の高いエッチング液、或いは、ドライエッチングは不向きであるが用いることは可能である。 In this embodiment, GaAs is used as the substrate, Al x Ga 1-x As is used as the sacrificial layer, and GaAs is used as the vibrator layer. However, the present invention is not limited to this. Any combination of materials may be used as long as the structure is substrate / sacrificial layer / vibrator layer. Basically, it is sufficient that the etchant can selectively etch the sacrificial layer when the sacrificial layer is etched. In some cases, the substrate and the sacrificial layer may be the same material. Since it is assumed that etching is performed through a fine hole, a highly viscous etching solution or dry etching is not suitable but can be used.
基板および犠牲層の材料系として、例えばシリコン、および、シリコン酸化膜を用い、振動子層としては、酸化膜のエッチング液、典型的には希弗酸に耐える材料であれば何でも良い。例えば、前述したように、ＳＯＩ(silicon on insulator)基板を用いれば、埋め込み絶縁層上の単結晶Ｓｉ層を振動子層として使える。シリコン表面に熱酸化膜を形成した基板を用いれば、例えば、ポリシリコンやカーボン系薄膜（グラフェン等）を堆積した後、穴形成・エッチングを行えば、簡便に振動子構造が得られる。 As the material system of the substrate and the sacrificial layer, for example, silicon and a silicon oxide film are used, and as the vibrator layer, any material can be used as long as it can withstand an oxide film etching solution, typically dilute hydrofluoric acid. For example, as described above, when an SOI (silicon on insulator) substrate is used, a single crystal Si layer on the buried insulating layer can be used as a vibrator layer. If a substrate having a thermal oxide film formed on the silicon surface is used, for example, after depositing polysilicon or a carbon-based thin film (graphene or the like), hole formation and etching can be performed to easily obtain a vibrator structure.
［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について説明する。図３Ａ〜図３Ｃは、本実施の形態における薄膜振動子の製造方法を説明するための工程図である。図３Ａ〜図３Ｃでは、各工程における薄膜振動子の一部構成の断面を模式的に示している。上述した実施の形態では、リソグラフィー技術により貫通孔１０４ａを形成したが、本実施の形態では、収束イオンビームを用いた直接リソグラフィー技術により開口を形成する。
[Embodiment 2]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. 3A to 3C are process diagrams for explaining a method of manufacturing a thin film vibrator in the present embodiment. 3A to 3C schematically show a cross section of a partial configuration of the thin film vibrator in each step. In the above-described embodiment, the through hole 104a is formed by the lithography technique. However, in this embodiment, the opening is formed by the direct lithography technique using the focused ion beam.
まず、図３Ａに示すように、主表面が（００１）面とされたＧａＡｓからなる基板３０１の上に、ＧａＡｓからなる層厚５００ｎｍのバッファー層３０２を形成し、この上に層厚２μｍのＡｌＧａＡｓからなる犠牲層３０３を形成し、この上に層厚２００ｎｍのＧａＡｓからなる振動子層３０４を形成する。これらは、例えばＭＢＥ法を用いて順次に堆積（エピタキシャル成長）すればよい。また、犠牲層３０３に用いるＡｌＧａＡｓとしては、Ａｌ0.65Ｇａ0.35Ａｓを成長すればよい。 First, as shown in FIG. 3A, a buffer layer 302 made of GaAs having a thickness of 500 nm is formed on a substrate 301 made of GaAs having a main surface of (001) plane, and an AlGaAs having a thickness of 2 μm is formed thereon. A sacrificial layer 303 is formed, and a vibrator layer 304 made of GaAs having a layer thickness of 200 nm is formed thereon. These may be sequentially deposited (epitaxial growth) using, for example, the MBE method. As AlGaAs used for the sacrificial layer 303, Al 0.65 Ga 0.35 As may be grown.
次に、収束イオンビームを照射することで、振動する部分としたい領域の中央部に、犠牲層３０３に到達する、径が５００ｎｍ程度の貫通孔３０４ａを形成する。 Next, by irradiating with a focused ion beam, a through-hole 304a having a diameter of about 500 nm that reaches the sacrificial layer 303 is formed in the center of the region that is desired to be a vibrating portion.
次に、希弗酸溶液を用い、貫通孔３０４ａを介して犠牲層３０３を等方的にエッチングし、図３Ｃに示すように、振動子層３０４とバッファー層３０２との層間に、貫通孔３０４ａの領域を超える空間３３１を形成する。例えば、貫通孔３０４ａを形成した振動子層３０４を備える基板３０１を希弗酸溶液に浸漬する。これにより、貫通孔３０４ａより浸入する希弗酸溶液により犠牲層３０３が等方的にエッチングされ、空間３３１が形成されるようになる。本実施の形態においても、前述した実施の形態と同様に、平面視略円形の空間３３１が形成されるようになる。 Next, using a dilute hydrofluoric acid solution, the sacrificial layer 303 is isotropically etched through the through hole 304a, and the through hole 304a is interposed between the transducer layer 304 and the buffer layer 302 as shown in FIG. 3C. A space 331 exceeding the region is formed. For example, the substrate 301 including the vibrator layer 304 in which the through holes 304a are formed is immersed in a dilute hydrofluoric acid solution. As a result, the sacrificial layer 303 is isotropically etched by the dilute hydrofluoric acid solution entering from the through hole 304a, and the space 331 is formed. Also in the present embodiment, a space 331 having a substantially circular shape in plan view is formed as in the above-described embodiment.
本実施の形態の薄膜振動子でも、以上のようにして空間３３１を形成することで、振動子層３０４の空間３３１の上部領域に、薄膜振動部３４１を形成するところに特徴がある。なお、空間３３１は、この周囲を犠牲層３０３で囲われた閉空間である。この薄膜振動子によれば、振動する部分となる薄膜振動部３４１の領域（振動領域）は、エッチングにより形成した空間３３１の領域に等しいものとなる。従って、本実施の形態における薄膜振動子は、薄膜振動部３４１の平面形状が略円形となり、振動子のヤング率などの物性定数がより容易に計測できるようになる。 The thin film vibrator of the present embodiment is also characterized in that the thin film vibrating portion 341 is formed in the upper region of the space 331 of the vibrator layer 304 by forming the space 331 as described above. Note that the space 331 is a closed space surrounded by a sacrificial layer 303. According to this thin film vibrator, the region (vibration region) of the thin film vibration part 341 that becomes a vibrating portion is equal to the region of the space 331 formed by etching. Therefore, in the thin film vibrator according to the present embodiment, the planar shape of the thin film vibrating portion 341 is substantially circular, and physical constants such as the Young's modulus of the vibrator can be measured more easily.
本実施の形態によれば、上述した収束イオンビームや、最先端のＦＩＢ装置を用いた直接リソグラフィー技術により、貫通孔３０４ａの、１００ｎｍ以下の径の穴とすることも可能である。例えば、最上層のＧａＡｓ層厚を２０ｎｍ程度にすれば、貫通孔３０４ａの径を２０ｎｍ程度に形成することが可能である。このような径の貫通孔３０４ａを用いることで、５００ｎｍ程度の直径の薄膜振動部３４１を形成することも可能である。 According to the present embodiment, the through-hole 304a can be formed as a hole with a diameter of 100 nm or less by the above-described focused ion beam or a direct lithography technique using a state-of-the-art FIB apparatus. For example, if the thickness of the uppermost GaAs layer is about 20 nm, the diameter of the through hole 304a can be formed to about 20 nm. By using the through hole 304a having such a diameter, it is also possible to form the thin film vibrating portion 341 having a diameter of about 500 nm.
ところで、薄膜振動部３４１の直径の計測については、例えば５００ｎｍ程度まで微細化した場合は、光学顕微鏡での直径の計測は不可能となる。これに対し、振動子層３０４が薄層であるため、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）での直径計測が可能である。例えば、本実施の形態では、振動子層３０４の層厚が２００ｎｍ程度あるため、電子線の加速電圧を数ｋＶ以上とすることで、観察および計測が可能となる。 By the way, about the measurement of the diameter of the thin film vibration part 341, when it refines | miniaturizes to about 500 nm, for example, the measurement of the diameter with an optical microscope becomes impossible. On the other hand, since the vibrator layer 304 is a thin layer, the diameter can be measured with a scanning electron microscope (SEM). For example, in the present embodiment, since the layer thickness of the vibrator layer 304 is about 200 nm, observation and measurement can be performed by setting the acceleration voltage of the electron beam to several kV or more.
例えば、加速電圧３０ｋＶとしたＳＥＭにより、図４に示すように、ＳＥＭ像で明瞭に薄膜振動部３４１の状態を観察することができる。この観察により、薄膜振動部３４１は、直径２０μｍであり、貫通孔３０４ａの径が５００ｎｍであることがわかる。このようなＳＥＭによる観察で、薄膜振動部３４１の径が５００ｎｍ程度となっても、ＳＥＭの分解能から推定すれば、十分な精度で直径の計測ができることは明白である。 For example, as shown in FIG. 4, the state of the thin film vibrating portion 341 can be clearly observed with an SEM image by an SEM with an acceleration voltage of 30 kV. This observation shows that the thin film vibrating portion 341 has a diameter of 20 μm, and the diameter of the through hole 304a is 500 nm. It is obvious that even when the diameter of the thin film vibrating portion 341 is about 500 nm by observation with such an SEM, the diameter can be measured with sufficient accuracy if estimated from the resolution of the SEM.
次に、上述した本実施の形態２による薄膜振動子の振動計測について説明する。上述したような微細な薄膜振動子は、感度も高く有用であると思われる。ただし、これだけ小さな振動子の振動は、従来のドップラー干渉計を用いて計測することは不可能である。また、上述した薄膜振動子の構成上の制限のため、近接した励振用の電極を基板内に設けることは容易ではない。 Next, vibration measurement of the thin film vibrator according to the second embodiment will be described. The fine thin film vibrator as described above seems to be useful because of its high sensitivity. However, the vibration of such a small vibrator cannot be measured using a conventional Doppler interferometer. In addition, due to the limitations on the configuration of the thin film vibrator described above, it is not easy to provide a close excitation electrode in the substrate.
例えば、図６を用いて説明したような梁構造においては、梁構造の近傍にリソグラフィを用いて励振様の電極を設置することが原理的に可能である。これに対し、上述した実施の形態による構造では、全く別層のプロセスにより電極を作製することになり、現実的ではない。 For example, in the beam structure as described with reference to FIG. 6, it is possible in principle to install an excitation-like electrode using lithography in the vicinity of the beam structure. On the other hand, in the structure according to the above-described embodiment, the electrode is manufactured by a completely different process, which is not realistic.
これに対し、例えば走査プローブ顕微鏡を用いれば、本実施の形態２による薄膜振動子であっても、薄膜振動部の振動測定が可能である。例えば、図５に示すように、まず、ｘ，ｙ，ｚ方向に移動可能な走査ステージ機能を備える試料台５１１の上に、基板５０１，犠牲層５０２，振動子層５０３を備える本発明の薄膜振動子５００を固定する。この走査プローブ顕微鏡では、レーザダイオード５１４から出射して導電性走査プローブ５１２を反射させた反射光が、制御部５１６で制御された検出器５１５で検出される。このようにして検出される反射光の変位が、導電性走査プローブ５１２の変位（振動）として測定される。 On the other hand, for example, if a scanning probe microscope is used, even the thin film vibrator according to the second embodiment can measure the vibration of the thin film vibrating portion. For example, as shown in FIG. 5, first, the thin film of the present invention including a substrate 501, a sacrificial layer 502, and a vibrator layer 503 on a sample stage 511 having a scanning stage function movable in the x, y, and z directions. The vibrator 500 is fixed. In this scanning probe microscope, the reflected light emitted from the laser diode 514 and reflected by the conductive scanning probe 512 is detected by the detector 515 controlled by the control unit 516. The displacement of the reflected light detected in this way is measured as the displacement (vibration) of the conductive scanning probe 512.
以上のように薄膜振動子５００を試料台５１１に配置した状態で、導電性走査プローブ５１２をダイナミックフォースモードで制御し、薄膜振動子５００（振動子層５０３）に対してナノメートルオーダーまで近づける。ピエゾ素子５１３に周波数ｆｐを印加して加振し、導電性走査プローブ５１２の振幅の減衰量を一定に保ちながら振動子層５０３の表面との相対距離を一定に保つ。これにより、導電性走査プローブ５１２からの交番電界(ｆｍ)で、薄膜振動子５００の共振を励起することが可能である。 As described above, the conductive scanning probe 512 is controlled in the dynamic force mode in a state where the thin film vibrator 500 is arranged on the sample stage 511, and is brought close to the nanometer order with respect to the thin film vibrator 500 (the vibrator layer 503). The piezoelectric element 513 is vibrated by applying a frequency fp, and the relative distance from the surface of the transducer layer 503 is kept constant while keeping the amplitude attenuation of the conductive scanning probe 512 constant. Thereby, it is possible to excite the resonance of the thin film vibrator 500 with an alternating electric field (fm) from the conductive scanning probe 512.
以上のようにして励起した薄膜振動子５００（振動子層５０３）の振動は、走査プローブ顕微鏡の機能を用いてサブｎｍの精度で計測が可能である。導電性走査プローブ５１２による交番電界(ｆｍ)の周波数を掃引すれば、共振特性を得ることが可能であり、前述した式（１）による手法でヤング率Ｅを導出することが可能である。 The vibration of the thin film vibrator 500 (vibrator layer 503) excited as described above can be measured with sub-nm accuracy using the function of the scanning probe microscope. If the frequency of the alternating electric field (fm) by the conductive scanning probe 512 is swept, the resonance characteristic can be obtained, and the Young's modulus E can be derived by the above-described method (1).
ここで走査プローブ顕微鏡のプローブを用いる最大メリットは、電界印加用の電極を振動子にほぼ接触する寸前まで近づけることが可能な点である。ダイナミックフォースモードで制御されたプローブは、実効的に薄膜振動子との間に反発力が働く領域まで接近する。ただし、一般的には電気的には接触した状態には成らないため、電界を印加するすることが可能である。最近接距離はオングストロームオーダである。 Here, the maximum merit of using the probe of the scanning probe microscope is that the electrode for applying an electric field can be brought close to being almost in contact with the vibrator. The probe controlled in the dynamic force mode effectively approaches a region where a repulsive force acts between the probe and the thin film vibrator. However, in general, since it is not electrically in contact, it is possible to apply an electric field. The closest distance is in angstrom order.
プローブの振幅は１０ｎｍ程度まで小さくすることが可能であるため、実効的にこの振幅よりも近接した電極から電界を印加していることになる。このように近接した電極は、通常のリソグラフィでは形成することができないため、リソグラフィを含むプロセスで作製する近接電極よりも効果的である。 Since the amplitude of the probe can be reduced to about 10 nm, an electric field is effectively applied from an electrode closer to the amplitude. Such a close electrode cannot be formed by ordinary lithography, and thus is more effective than a close electrode manufactured by a process including lithography.
以上に説明したように、実施の形態２によれば、収束イオンビーム加工法を用いることにより微小な振動子を従来法よりも遙かに簡便に作製することが可能である。また、本実施の形態によれば、微小な穴径の精密な制御も可能であるため、穴径を意図的に変化させることにより、最終的な振動子径を制御することも可能である。 As described above, according to the second embodiment, it is possible to manufacture a minute vibrator much more easily than the conventional method by using the focused ion beam processing method. Further, according to the present embodiment, it is possible to precisely control a minute hole diameter, and therefore it is possible to control the final vibrator diameter by intentionally changing the hole diameter.
また、振動計測に走査プローブ顕微鏡を用いることにより、実施の形態１で説明した、薄膜振動子の下にピエゾ素子を用意する必要もなく、プローブから直接励振し、同時に高さ計測を行い、効率的に特性を得ることが可能である。また、プローブ顕微鏡の走査機能を用いることにより振幅の分布を得ることも可能である。振幅の分布により、振動モードの解析も可能であるというメリットがある。 In addition, by using a scanning probe microscope for vibration measurement, there is no need to prepare a piezo element under the thin film vibrator described in the first embodiment. Characteristic can be obtained. It is also possible to obtain an amplitude distribution by using the scanning function of the probe microscope. There is an advantage that the vibration mode can be analyzed by the amplitude distribution.
以上に説明した本発明によれば、微小な薄膜振動子の物性定数を計測する際の誤差が軽減でき、正確な計測が可能となる。 According to the present invention described above, the error in measuring the physical constant of a minute thin film vibrator can be reduced, and accurate measurement can be performed.
１０１…基板、１０２…バッファー層、１０３…犠牲層、１０４…振動子層、１０４ａ…貫通孔、１０５…レジストパターン、１０５ａ…開口、１４１…薄膜振動部。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Board | substrate, 102 ... Buffer layer, 103 ... Sacrificial layer, 104 ... Vibrator layer, 104a ... Through-hole, 105 ... Resist pattern, 105a ... Opening, 141 ... Thin film vibration part.
Claims (6)
この犠牲層の上に形成されて前記犠牲層に到達する貫通孔を備えた振動子層と、
前記貫通孔を介して一部の前記犠牲層を等方的にエッチングすることで前記貫通孔の領域を超えて形成された前記振動子層の下の空間と、
前記振動子層の前記空間の上部の領域の薄膜振動部と
を少なくとも備えることを特徴とする薄膜振動子。 A sacrificial layer formed on the substrate;
A vibrator layer having a through hole formed on the sacrificial layer and reaching the sacrificial layer;
A space below the vibrator layer formed beyond the region of the through hole by isotropically etching a part of the sacrificial layer through the through hole;
A thin film vibrator comprising at least a thin film vibrating portion in an upper region of the space of the vibrator layer.
前記貫通孔は、平面視凸多角形、または平面視円形に形成されている
ことを特徴とする薄膜振動子。 The thin film vibrator according to claim 1,
The through-hole is formed in a convex polygon in plan view or a circular shape in plan view.
前記空間は、平面視円形に形成されている
ことを特徴とする薄膜振動子。 The thin film vibrator according to claim 1 or 2,
The thin film vibrator is characterized in that the space is formed in a circular shape in plan view.
前記犠牲層の上に振動子層を形成する工程と、
前記振動子層に、前記犠牲層に到達する貫通孔を形成する工程と、
前記貫通孔を介して一部の前記犠牲層を等方的にエッチングすることで前記振動子層の下に前記貫通孔の領域を超える空間を形成し、前記振動子層の前記空間の上部の領域の薄膜振動部を形成する工程と
を少なくとも備えることを特徴とする薄膜振動子の製造方法。 Forming a sacrificial layer on the substrate;
Forming a vibrator layer on the sacrificial layer;
Forming a through hole reaching the sacrificial layer in the vibrator layer;
A portion of the sacrificial layer isotropically etched through the through-hole to form a space under the vibrator layer that exceeds the region of the through-hole. Forming a thin-film vibrating portion in the region. At least a method for manufacturing a thin-film vibrator.
前記貫通孔は、平面視凸多角形、または平面視円形に形成する
ことを特徴とする薄膜振動子の製造方法。 In the manufacturing method of the thin film vibrator according to claim 4,
The through-hole is formed in a convex polygon in plan view or a circular shape in plan view.
前記貫通孔は、前記振動子層に収束イオンビームを照射することで形成する
ことを特徴とする薄膜振動子の製造方法。 In the manufacturing method of the thin film vibrator according to claim 4 or 5,
The through hole is formed by irradiating the vibrator layer with a focused ion beam. A method of manufacturing a thin film vibrator.
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