JP2012039507A - ディスク型ｍｅｍｓ振動子 - Google Patents
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Abstract
【課題】ディスク下面に犠牲層の残渣が発生せず、きれいに除去されるようにする。
【解決手段】ディスク型の振動子構造体１と、該振動子構造体１の両側に前記ディスク型振動子構造体の外周部に対して所定の空隙ｇを有して、それぞれ対向して配置される一対の駆動電極２，２と、該駆動電極２，２に同相の交流バイアス電圧を印加する手段と、前記ディスク型振動子構造体１と前記駆動電極２，２との間の静電容量に対応した出力を得る検出手段とを備えた静電駆動型のディスク型振動子において、前記ディスク型振動子構造体１がディスクの中心に貫通孔１ａを有し、ワイン・グラス・モードで振動される。
【選択図】図１
【解決手段】ディスク型の振動子構造体１と、該振動子構造体１の両側に前記ディスク型振動子構造体の外周部に対して所定の空隙ｇを有して、それぞれ対向して配置される一対の駆動電極２，２と、該駆動電極２，２に同相の交流バイアス電圧を印加する手段と、前記ディスク型振動子構造体１と前記駆動電極２，２との間の静電容量に対応した出力を得る検出手段とを備えた静電駆動型のディスク型振動子において、前記ディスク型振動子構造体１がディスクの中心に貫通孔１ａを有し、ワイン・グラス・モードで振動される。
【選択図】図１
Description
本発明は、ＭＥＭＳで製造されるディスク型振動子（レゾネータ）に係り、とくに本発明は、ディスクの中央に貫通孔を形成して、ディスク下面にエッチング液が浸透し易くした振動子に関する。
従来のディスク型ＭＥＭＳ振動子は、図４に示すように、ディスク（円盤）形状の振動体（ディスク）１０と、この振動体１０の両側に、この振動体１０の外周部１０ａに対して所定の空隙ｇを有して、それぞれ対向して配置された駆動電極２０，２０と、この駆動電極２０，２０に同相の交流バイアス電圧を印加する手段と、前記振動体１０と前記駆動電極２０，２０との間の静電容量に対応した出力を得る検出電極３０，３０とを備え、前記振動体１０は、その外周部１０ａに突出して形成された支持部４０，４０により支持されている。
そして、このようなディスク型振動子（レゾネータ；Resonator）は、半導体（シリコン）基板上にＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems の略、微小電気機械システム）によりシリコン膜を形成して製造される。
この種の従来のディスク型ＭＥＭＳ振動子の製造方法では、その製造方法の最終工程に、フッ酸系のエッチャント（エッチング液）を用いたエッチング処理等で先の工程で形成した犠牲層をエッチングして除去し、すでに形成した振動子構造体（ディスク型振動体）と駆動電極及び検出電極とを離間させ、さらに、振動子構造体の下面を半導体基板より離間させて静電振動子の振動子構造体を形成する工程がある。
しかしながら、犠牲層をウェットエッチングする工程において、ディスクには、開口等が形成されていないため、ディスク下面にエッチング液が十分浸透せず、ディスク下面にある犠牲層が除去し難くなり、その一部が残渣として残ってしまうという問題点があった。
上記した課題を解決するために、本発明のディスク型振動子では、ディスク型の振動子構造体と、該振動子構造体の両側に前記ディスク型振動子構造体の外周部に対して所定の空隙を有して、それぞれ対向して配置される一対の駆動電極と、該駆動電極に同相の交流バイアス電圧を印加する手段と、前記ディスク型振動子構造体と前記駆動電極との間の静電容量に対応した出力を得る検出手段とを備えた静電駆動型のディスク型振動子において、前記ディスク型振動子構造体がディスクの中心に貫通孔を有し、ワイン・グラス・モードで振動されることを特徴とする。
また、本発明では、前記貫通孔の横断面形状が、正方形、円形、十字形、または長方形であることを特徴とする。
さらに、本発明では、正方形、十字形または長方形の前記貫通孔の横断面形状が、各角部に丸みを有する横断面形状であることを特徴とする。
さらにまた、本発明では、前記貫通孔の各横断面形状の外径円の半径が、前記ディスクの半径の１／２０から１／１０であることを特徴とする。
さらに、本発明では、前記振動子構造体が、単結晶シリコン、多結晶シリコン、単結晶ダイヤモンドまたは多結晶ダイヤモンドからなることを特徴とする。
本発明では、前記ディスク型振動子が、ＭＥＭＳにより製造されることを特徴とする。
本発明は、ディスクの中心に貫通孔を形成したので、この貫通孔を介してエッチング液がディスクの下面に浸透し易くなり、ディスク下面に犠牲層の残渣が発生せず、きれいに除去されるようになる。
実施例
ディスク型ＭＥＭＳ振動子
図１は、本発明のディスク型ＭＥＭＳ振動子の概念的構成図である。
ディスク型ＭＥＭＳ振動子
図１は、本発明のディスク型ＭＥＭＳ振動子の概念的構成図である。
図１に示すように、本発明のディスク型ＭＥＭＳ振動子Ｒは、弾性体からなるディスク形状の振動体（ディスク；振動子構造体）１と、振動体１の外周部から突出し形成され、この振動体１を、例えば２点で支持する、支持部４と、この振動体１の両側に、この振動体１の外周部１ａに対して所定の空隙ｇを有して、それぞれ対向して配置された一対の駆動電極２，２と、これら一対の駆動電極２，２に同相の交流バイアス電圧を印加する交流電源（図示せず）と、振動体１と駆動電極２，２との空隙ｇの静電容量に対応した出力を得る一対の検出電極３，３を備え、振動体１の中心には、図２に示すような横断面形状を有する貫通孔１ａが形成されている。
このようなディスク型ＭＥＭＳ振動子では、所定の周波数を有する電気的な信号を交流電源から駆動電極２，２に印加すると、静電結合により、振動体（ディスク）１が所定の周波数でワイングラス振動モード（Wine-Glass-Vibrating-Mode）で振動する。また、検出電極３，３は、振動体１の電気的な振動を、静電結合により検出し、この検出した信号を検出器（図示せず）に出力する。ここで、この振動体１の中心及び２点の支持部４（節：ノード）は、振動しない。
本発明は、とくに振動時に振動体１の振動しない中心に貫通して形成した貫通孔１ａに関する。
本発明に用いる弾性体からなるディスク形状の振動体１は、単結晶シリコン、多結晶シリコン、単結晶ダイヤモンドまたは多結晶ダイヤモンドから構成されている。
また、本発明のディスク型ＭＥＭＳ振動子１の中心に、これを貫通して形成する貫通孔１ａの横断面形状は、図２に示すように、（ａ）円形、（ｂ）正方形、（ｃ）十字（クロス）形、（ｄ）長方形をしている。なお、図２（ｅ）に示すように、前出正方形、十字形、長方形の各角を丸めた横断面形状としてもよい。
さらに、図２に示す、貫通孔１ａの各横断面形状の外接円の半径ｒ1のディスク１の半径ｒ2に対する比率を１／２０から１／１０とする。
本発明のディスク型ＭＥＭＳ振動子１では、表１に示すような種類と、ディスク半径（ｒ2）、貫通孔半径（ｒ1）、ディスク厚（ｔ）をもつ従来例のディスク型振動子（図４参照、貫通孔１ａがないもの）と、ディスクの中心に半径ｒ1；２μｍの貫通孔１ａを形成してディスク型振動子（図１参照）を２種類ずつ（ディスク型振動子（貫通孔なし）Ａ，Ｂならびにディスク型振動子（貫通孔あり）Ａ，Ｂ）を用意した。
そして、表２に示すように、犠牲層除去工程における、エッチング不良（残渣不良、オーバーエッチング不良）の発生率を貫通孔のないディスク型振動子（図４参照）と中心に貫通孔を形成したディスク型振動子（図１参照）について、それぞれ任意にサンプリングした１００チップで比較した。この表２から明らかなように、本発明のように、ディスク１の中心に貫通孔１ａを形成したことにより、犠牲層の残渣不良を含めたエッチング不良率が３５％から２％に大巾に向上した。
また、表３に示すように、従来例のディスク型振動子と中心に貫通孔を形成したディスク型振動子の共振特性の比較をＲ1（Motional Resistance：動インピーダンス）を用いて実施した。
表３から明らかなように、表１に示す半径２７μｍ、３２μｍのディスク型振動子Ａ，Ｂに対して、それぞれ半径ｒ1；２μｍ（ディスクの半径ｒ2に対する比率が１／１０から１／２０）の円形横断面の貫通孔１ａを形成しても、共振特性の劣化は認められないことが確認できた。一方、ディスクの半径ｒ2に対し、半径ｒ1が１／１０〜１／２０の範囲を外れる貫通孔１ａをディスクに形成すると、共振特性が劣化することが確認できた。
以上の実証結果から見て、振動体（ディスク）１の中心に貫通孔１ａを形成することにより、ディスク型振動子の共振特性を劣化させずに、かつ、貫通孔１ａからエッチャント（エッチング液）がディスクの下面に浸透し易くなるので、犠牲層の除去に対して優れたエッチング効果を有するＭＥＭＳ振動子（レゾネータ）が得られるようになる。
ディスク型ＭＥＭＳ振動子の製造方法
次に、図３に示す工程図に基づいて、本発明のディスク型ＭＥＭＳ振動子のＭＥＭＳによる製造方法を説明する。
次に、図３に示す工程図に基づいて、本発明のディスク型ＭＥＭＳ振動子のＭＥＭＳによる製造方法を説明する。
まず、図３（ａ）に示すように、Ｓｉからなる半導体基板５を用意し、その表面５ａ上にＰＳＧ（リンシリケートガラス）等からなる第１絶縁膜６を成膜して形成し、この第１絶縁膜６の表面上に窒化シリコン等からなる第２絶縁膜７をＣＶＤ、スパッタリング等により成膜して形成する。
次いで、図３（ｂ）に示すように、前出の第２絶縁膜７の表面上に、導電性を付与するためにリンまたはボロンをドープしたポリシリコン膜（Doped poly Si）等からなる第１導電層８をＣＶＤ、スパッタリング等で成膜して形成し、次いで、レジスト塗布、露光、現像によるパターニングマスクの形成工程及びこのパターニングマスクを用いたエッチング工程を含むパターニング処理でパターニングすることにより、所定形状のそれぞれ一対の駆動電極２及び検出電極３が位置する部位を形成する。
また、図３（ｃ）に示すように、ＰＳＧ等からなる犠牲層９を導電層８の表面上にＣＶＤ、スパッタリング等により成膜し、その表面にポリシリコン膜（Doped poly Si）等からなる導電層１０をＣＶＤ等で成膜し、さらに、導電層１０の表面にＮＳＧ（非ドープシリケートガラス）からなる第１酸化膜１１をＣＶＤ、スパッタリング等で形成する。その後、上述したのと同様に、パターニング処理を施して、ディスク状の振動子構造体を形成する。同時に振動子構造体の中心に所定寸法の貫通孔をエッチング等により形成する。なお、この工程（ｃ）において、犠牲層９の表面を化学機械研磨法（ＣＭＰ）等で平坦化してもよい。
次に、図３（ｄ）に示すように、ＮＳＧからなる第２酸化膜１２を第１酸化膜１１の表面上にＣＶＤ、スパッタリング等で形成した後、上述したと同様のパターニング処理を施す。
さらに、図３（ｅ）に示すように、リン等をドープしたポリシリコン膜からなる第２導電層１３を第２酸化膜１２の表面にＣＶＤ、スパッタリング等で成膜し、上述と同様のパターニング処理を施して駆動電極２及び検出電極３を形成する。
最後に、図３（ｆ）に示すように、フッ酸系のエッチャントを用いたエッチング処理等で犠牲層９ならびに第１酸化膜１１及び第２酸化膜１２を除去して、振動子構造体（振動体１）１０と駆動電極２及び検出電極３とを離間するとともに、前出工程で、振動子構造体１０の上面から下面を貫通して所定形状及び寸法の貫通孔が形成されているので、振動子構造体１０の下面を十分エッチングして、犠牲層９の残渣を除去して、振動子構造体１０の下面を基板５の上面より離間して振動子構造体Ｒ（ディスク型ＭＥＭＳ振動子）が製造される。
本発明のディスク型ＭＥＭＳ振動子は、共振器、ＳＡＷデバイス、センサー、アクチュエータ等に広く利用できる。
Ｒ ディスク型ＭＥＭＳ振動子（レゾネータ）
１，１０ 振動体（ディスク）
２，２０ 駆動電極
３，３０ 検出電極
４，４０ 支持部
５ 基板
６ 第１絶縁膜
７ 第２絶縁膜
８ 第１導電層
９ 犠牲層
１０ 振動子構造体
１１ 第１酸化膜
１２ 第２酸化膜
１３ 第２導電層
１，１０ 振動体（ディスク）
２，２０ 駆動電極
３，３０ 検出電極
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Claims (6)
- ディスク型の振動子構造体と、該振動子構造体の両側に前記ディスク型振動子構造体の外周部に対して所定の空隙を有して、それぞれ対向して配置される一対の駆動電極と、該駆動電極に同相の交流バイアス電圧を印加する手段と、前記ディスク型振動子構造体と前記駆動電極との間の静電容量に対応した出力を得る検出手段とを備えた静電駆動型のディスク型振動子において、前記ディスク型振動子構造体がディスクの中心に貫通孔を有し、ワイン・グラス・モードで振動されることを特徴とするディスク型振動子。
- 前記貫通孔の横断面形状が、正方形、円形、十字形または長方形であることを特徴とする請求項１に記載のディスク型振動子。
- 正方形、十字形または長方形の前記貫通孔の横断面形状が、各角部に丸みを有する横断面形状であることを特徴とする請求項２に記載のディスク型振動子。
- 前記貫通孔の各横断面形状の外径円の半径が、前記ディスクの半径の１／２０から１／１０であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のディスク型振動子。
- 前記振動子構造体が、単結晶シリコン、多結晶シリコン、単結晶ダイヤモンドまたは多結晶ダイヤモンドからなることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のディスク型振動子。
- 前記ディスク型振動子が、ＭＥＭＳにより製造されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のディスク型振動子。
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