JP2016051942A - Mems振動子、電子機器および移動体 - Google Patents

Mems振動子、電子機器および移動体 Download PDF

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永田 和幸
Kazuyuki Nagata
和幸 永田
竜児 木原
Tatsuji Kihara
竜児 木原
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Abstract

【課題】Q値を向上させることができるMEMS振動子を提供すること、また、かかるMEMS振動子を備える電子機器および移動体を提供すること。
【解決手段】本発明のMEMS振動子1は、基板2と、基板2上に配置されている固定部534と、基板2に対向している振動部532を有する振動体と、固定部534と振動体とを接続していて、振動体を支持している支持部533と、を備え、基板2の厚さ方向から見た平面視で、固定部534と支持部533との接続部における固定部534の中心線と支持部533の中心線とが互いにずれている。
【選択図】図2

Description

本発明は、MEMS振動子、電子機器および移動体に関するものである。
MEMS(Micro Electro Mechanical System)技術を用いて製造したMEMS構造体は、可動部を有する様々な構造体(例えば、振動子、フィルター、センサー、モーター等)に適用されている。MEMS振動子は、水晶や誘電体を用いた振動子や共振子と比較して、半導体回路を組み込んで製造することが容易であり、微細化、高機能化の観点から有利であるという利点がある。
このようなMEMS振動子の一例である特許文献1に記載のMENS共振器は、基材と、基材の主表面に固定されたアンカ部と、接続部を介してアンカ部に接続された浮き構造体と、を備えている。このMEMS共振器では、Q値を高くする目的で、接続部の断面積が浮き構造体およびアンカ部に比べて小さくなっている。
しかし、特許文献1に記載のMEMS共振器は、Q値を十分に高めることができないという問題がある。
特開2012−178711号公報
本発明の目的は、Q値を向上させることができるMEMS振動子を提供すること、また、かかるMEMS振動子を備える電子機器および移動体を提供することにある。
このような目的は、下記の本発明により達成される。
[適用例1]
本発明のMEMS振動子は、基板と、
前記基板上に配置されている固定部と、
前記基板に対向している振動部を有する振動体と、
前記固定部と前記振動体とを接続していて、前記振動体を支持している支持部と、
を備え、
前記基板の厚さ方向から見た平面視で、前記固定部と前記支持部との接続部において前記固定部の中心線と前記支持部の中心線とが互いにずれていることを特徴とするMEMS振動子。
このようなMEMS振動子によれば、振動体が一方向に回転しやすいように支持部が形成されている場合、固定部と支持部との接続部において支持部の中心線を固定部の中心線に対してずらすことにより、振動体の振動に伴って固定部と支持部との接続部や支持部の屈曲部で発生した熱が固定部を通じて基板に逃げることを低減することができる。そのため、熱弾性損失を低減し、その結果、Q値を向上させることができる。
[適用例2]
本発明のMEMS振動子では、前記支持部は、前記平面視で屈曲または湾曲している屈曲部を有することが好ましい。
これにより、温度変化によって固定部に加わる応力を低減し、その結果、温度ヒステリシスを低減することができる。
[適用例3]
本発明のMEMS振動子では、前記平面視で、前記接続部における前記支持部の中心線が前記固定部の中心線に対して前記屈曲部の屈曲または湾曲している側にずれていることが好ましい。
支持部が屈曲部を有することにより、MEMS振動子の屈曲部が屈曲または湾曲している側とは反対側の方向へ振動体を回転しやすくすることができる。そのため、接続部における支持部の中心線を固定部の中心線に対して屈曲部の屈曲または湾曲している側にずらすことにより、振動体の振動に伴って固定部と支持部との接続部や支持部の屈曲部で発生した熱が固定部を通じて基板に逃げることを低減することができる。
[適用例4]
本発明のMEMS振動子では、前記平面視で、前記屈曲部の屈曲角度が15°以上60°以下の範囲内にあることが好ましい。
これにより、熱弾性損失を効果的に低減することができる。
[適用例5]
本発明のMEMS振動子では、前記屈曲部は、前記支持部の中間部よりも前記固定部側にあることが好ましい。
これにより、支持部により振動体を安定的に支持することができ、その結果、MEMS振動子の振動特性を優れたものとすることができる。その一方、このような場合、屈曲部が支持部の中間部よりも固定部とは反対側にある場合に比べて、振動体の振動に伴って支持部の屈曲部で発生した熱が固定部を通じて基板に逃げやすい。そのため、かかる場合に本発明を適用すると、その効果が顕著となる。すなわち、MEMS振動子の振動特性の向上と熱弾性損失の低減との両立を図ることができる。
[適用例6]
本発明のMEMS振動子では、前記基板上に配置されている基板側電極を備え、
前記振動部は、前記平面視で少なくとも一部が前記基板側電極に重なっていることが好ましい。
これにより、静電駆動方式のMEMS振動子を実現することができる。
[適用例7]
本発明のMEMS振動子では、前記振動体は、前記支持部に接続されている基部を有し、
前記振動部は、複数あり、前記基部から互いに異なる方向に延出していることが好ましい。
これにより、振動漏れを低減し、その結果、Q値を向上させることができる。
[適用例8]
本発明のMEMS振動子では、前記固定部および前記支持部がそれぞれ複数あることが好ましい。
これにより、振動体を複数の固定部および支持部により安定的に支持することができ、その結果、MEMS振動子の振動特性を優れたものとすることができる。
[適用例9]
本発明の電子機器は、本発明のMEMS振動子を備えることを特徴とする。
これにより、優れたQ値を有するMEMS振動子を備える電子機器を提供することができる。
[適用例10]
本発明の移動体は、本発明のMEMS振動子を備えることを特徴とする。
これにより、優れたQ値を有するMEMS振動子を備える移動体を提供することができる。
本発明の実施形態に係るMEMS振動子を示す断面図である。 図1に示すMEMS振動子が備える振動素子を示す図であって、(a)は断面図、(b)は平面図である。 図2に示す振動素子の固定部および支持部を示す部分拡大平面図である。 図1に示すMEMS振動子が備える振動素子の動作を説明するための斜視図である。 (a)は、熱弾性損失によるQ値を有限要素法で解析する際に用いた固定部、振動体および支持部の各寸法を示す平面図、(b)、(c)および(d)は、固定部と支持部との接続形態のパターンを示す図である。 図5(b)、(c)および(d)に示す接続形態ごとの熱分布の解析結果を示す図である。 支持部の屈曲角度θと熱弾性損失によるQ値QTEDとの関係を示すグラフであって、(a)は、図5(a)に示すL2が0.3μmである場合を示すグラフ、(b)は、図5(a)に示すL2が1.4μmである場合を示すグラフである。 図1に示すMEMS振動子の製造工程を示す図である。 図1に示すMEMS振動子の製造工程を示す図である。 図1に示すMEMS振動子の製造工程を示す図である。 本発明の電子機器の第1例であるモバイル型(またはノート型)のパーソナルコンピューターの構成を示す斜視図である。 本発明の電子機器の第2例である携帯電話機(PHSも含む)の構成を示す斜視図である。 本発明の電子機器の第3例であるディジタルスチルカメラの構成を示す斜視図である。 本発明の移動体の一例である自動車の構成を示す斜視図である。
以下、本発明のMEMS振動子、電子機器および移動体を添付図面に示す各実施形態に基づいて詳細に説明する。
1.MEMS振動子
図1は、本発明の実施形態に係るMEMS振動子を示す断面図である。図2は、図1に示すMEMS振動子が備える振動素子を示す図であって、図2(a)は断面図、図2(b)は平面図である。図3は、図2に示す振動素子の固定部および支持部を示す部分拡大平面図である。図4は、図1に示すMEMS振動子が備える振動素子の動作を説明するための斜視図である。
図1に示すMEMS振動子1は、基板2(基体)と、基板2上に配置されている振動素子5と、振動素子5を収納している空洞部S(キャビティ)を基板2との間に形成している積層構造体6と、を有している。本実施形態では、基板2と積層構造体お6との間には、導体層3が配置されている。以下これらの各部について順次説明する。
−基板2−
基板2は、半導体基板21と、半導体基板21の一方の面上に設けられた絶縁膜22と、絶縁膜22の半導体基板21とは反対側の面上に設けられた絶縁膜23と、を有している。
半導体基板21は、シリコン等の半導体で構成されている。なお、半導体基板21は、シリコン基板のような単一材料で構成された基板に限定されず、例えば、SOI基板のような積層構造を有する基板であってもよい。
絶縁膜22は、例えば、シリコン酸化膜であり、絶縁性を有する。また、絶縁膜23は、例えば、シリコン窒化膜であり、絶縁性を有するとともに、フッ酸を含むエッチング液に対する耐性をも有する。ここで、半導体基板21(シリコン基板)と絶縁膜23(シリコン窒化膜)との間に絶縁膜22(シリコン酸化膜)が介在していることにより、絶縁膜23の成膜時に生じた応力が半導体基板21に伝わるのを絶縁膜22により緩和することができる。また、絶縁膜22は、半導体基板21およびその上方に半導体回路を形成する場合、素子間分離膜として用いることもできる。なお、絶縁膜22、23は、前述した構成材料に限定されず、また、必要に応じて、絶縁膜22、23のうちのいずれか一方を省略してもよい。
このような基板2の絶縁膜23上には、パターニングされた導体層3が配置されている。この導体層3は、例えば、単結晶シリコン、多結晶シリコン(ポリシリコン)またはアモルファスシリコンにリン、ボロン等の不純物をドープ(拡散または注入)して構成されており、導電性を有する。また、導体層3は、図示しないが、振動素子5に電気的に接続される配線を構成する第1部分と、その第1部分と離間して電気的に絶縁された第2部分とを有するようにパターニングされている。
−振動素子5−
図2に示すように、振動素子5は、基板2の絶縁膜23上に配置されている4つの下部電極51および4つの下部電極52と、上部電極53と、各下部電極52と上部電極53との間に設けられたスペーサー54と、を有している。
4つの下部電極51(固定電極)は、基板2の厚さ方向から見た平面視(以下、単に「平面視」という)で、図2(b)中の左右方向(第1方向)に沿って並んでいる2つの下部電極51a、51bと、2つの下部電極51a、51間の領域を跨いで図2(b)中の上下方向(第1方向に直交する第2方向)に沿って並んでいる2つの下部電極51c、51dと、で構成されている。
4つの下部電極52は、平面視で、下部電極51a、51c間に対応して配置された下部電極52aと、下部電極51b、51d間に対応して配置された下部電極52bと、下部電極51b、51c間に対応して配置された下部電極52cと、下部電極51a、51d間に対応して配置された下部電極52dと、で構成されている。
下部電極51、52は、それぞれ、基板2に沿った板状またはシート状をなし、互いに離間して配置されている。また、図示しないが、4つの下部電極51は、それぞれ、前述した導体層3が有する配線に電気的に接続されている。同様に、4つの下部電極52のうちの少なくとも2つは、前述した導体層3が有する配線に電気的に接続されている。ここで、下部電極51は、「基板側電極」を構成しており、2つの下部電極51a、51bは、図示しない配線を介して互いに電気的に接続されていて、互いに同電位となるように構成されている。同様に、2つの下部電極51c、51dは、図示しない配線を介して互いに電気的に接続されていて、互いに同電位となるように構成されている。なお、下部電極51、52の平面視形状は、図示のものに限定されない。また、下部電極52は、下部電極51と一体で形成されていてもよいし、スペーサー54の高さによっては省略してもよい。
上部電極53は、基部531と、基部531から延出している4つの振動部532と、4つの固定部534と、基部531と4つの固定部534とを接続している4つの支持部533(梁部)と、を有している。ここで、基部531および4つの振動部532からなる構造体は、基板2に対向している「振動体」を構成している。
4つの振動部532は、基部531および4つの振動部532からなる構造体(振動体)が略十字形状をなすように基部531から互いに異なる方向に延出している。
4つの振動部532は、前述した4つの下部電極51に対応して設けられており、それぞれ、対応する下部電極51に対して間隔を隔てて対向している。すなわち、4つの振動部532は、平面視で、基部531を挟んで図2(b)中の左右方向(第1方向)に沿って並んでいる2つの振動部532a、532bと、基部531を挟んで図2(b)中の上下方向(第1方向に直交する第2方向)に沿って並んでいる2つの振動部532c、532dと、で構成されている。
このように、各振動部532の少なくとも一部が、平面視で、基板2上に配置されている下部電極51に重なっていることにより、静電駆動方式のMEMS振動子1を実現することができる。
本実施形態では、各振動部532は、平面視で基部531から離れるにしたがって幅が小さくなる形状をなしている。これにより、振動部532の側面の根元(基部531側の端部)付近に振動に伴う応力が集中しやすくなるため、熱弾性損失を低減することができる。
4つの固定部534は、それぞれ、基板2上に配置されている。具体的には、4つの固定部534は、前述した4つの下部電極52に対応して設けられており、それぞれ、対応する下部電極52に対してスペーサー54を介して固定されている。すなわち、4つの固定部534は、下部電極52aに対してスペーサー54aを介して固定されている固定部534aと、下部電極52bに対してスペーサー54bを介して固定されている固定部534bと、下部電極52cに対してスペーサー54cを介して固定されている固定部534cと、下部電極52dに対してスペーサー54dを介して固定されている固定部534dと、で構成されている。
各固定部534は、平面視で四角形をなしている。また、各スペーサー54は、平面視で四角形、すなわち固定部534と相似形状をなしている。本実施形態では、各固定部534および各スペーサー54の平面視形状(四角形)が有する4つの辺は、対応する支持部533の固定部534側の端部の中心線に平行な1対の辺と直交する1対の辺とで構成されている。
4つの支持部533は、4つの固定部534に対応して設けられており、それぞれ、対応する固定部534と基部531とを接続している。すなわち、4つの支持部533は、固定部534aと基部531とを接続している支持部533aと、固定部534bと基部531とを接続している支持部533bと、固定部534cと基部531とを接続している支持部533cと、固定部534dと基部531とを接続している支持部533dと、で構成されている。
このように、固定部534および支持部533がそれぞれ複数あることにより、基部531および振動部532からなる構造体(振動体)を安定的に支持することができ、その結果、MEMS振動子1の振動特性を優れたものとすることができる。
また、各支持部533は、その途中で屈曲または湾曲している。これにより、温度変化によって固定部534に加わる応力を低減することができる。ここで、4つの支持部533は、平面視で、互いに同じ方向に屈曲または湾曲している。これにより、基部531を一方向に回転しやすくすることができる。その結果、温度変化によって固定部534に加わる応力を効果的に低減することができる。なお、以下、この基部531が回転しやすい方向を「基部531または振動体の回転方向」という。
ここで、各支持部533は、図3に示すように、基部531に接続されている第1梁部5331と、固定部534に接続されている第2梁部5332と、これらの間に設けられている屈曲部5333と、を有している。
第1梁部5331は、平面視で、基部531から中心線a1に沿って延びている。一方、第2梁部5332は、平面視で、固定部534から中心線a1に対して傾斜した中心線a2に沿って延びている。これにより、第1梁部5331と第2梁部5332との間には、屈曲角度θで屈曲または湾曲した屈曲部5333が形成されている。
また、第1梁部5331の基部531側の端部には、基部531側に向けて幅が連続的に大きくなるテーパー部5334が設けられている。これにより、かかる端部に応力が集中するのを低減することができる。
また、第2梁部5332は、平面視で、固定部534の角部側に偏った部位に接続している。すなわち、平面視で、固定部534と支持部533との接続部(以下、単に「接続部」ともいう)における固定部534の中心線a3と支持部533の中心線(すなわち第2梁部5332の中心線a2)とが互いにずれている。なお、接続部における支持部533の中心線(中心線a2)は、平面視で、第2梁部5332(支持部533の固定部534側の端部)の中心を通り、かつ、第2梁部5332(支持部533の固定部534側の端部)が延びる方向に沿った線分である。また、固定部534の中心線a3は、平面視で、固定部534の中心Cを通り、かつ、中心線a2に平行な線分である。
特に、前述したように、4つの支持部533は、基部531が一方向に回転しやすいように形成されているが、固定部534と支持部533との接続部において、支持部533の中心線a2は、固定部534の中心線a3に対して基部531の回転方向とは反対側にずれている。これにより、振動部532の振動に伴って固定部534と支持部533との接続部や支持部533の屈曲部5333で発生した熱が固定部534を通じて基板2に逃げることを低減することができる。そのため、熱弾性損失を低減し、その結果、Q値を向上させることができる。なお、この点については、後に詳述する。
このような下部電極51、52、上部電極53およびスペーサー54は、それぞれ、単結晶シリコン、多結晶シリコン(ポリシリコン)またはアモルファスシリコンにリン、ボロン等の不純物をドープ(拡散または注入)して構成されており、導電性を有する。なお、スペーサー54は、下部電極52または上部電極53と一体で形成されていてもよい。
また、下部電極51、52の膜厚は、それぞれ、特に限定されないが、例えば、0.1μm以上1.0μm以下であることが好ましい。また、上部電極53の膜厚は、特に限定されないが、例えば、0.1μm以上2.0μm以下であることが好ましい。また、スペーサー54の厚さは、振動部532の振動を許容し得るものであれば、特に限定されないが、例えば、0.1μm以上2.0μm以下であることが好ましい。
−積層構造体6−
積層構造体6は、振動素子5を収納している空洞部Sを画成するように形成されている。この積層構造体6は、基板2上に平面視で振動素子5を取り囲むように形成された層間絶縁膜61と、層間絶縁膜61上に形成された配線層62と、配線層62および層間絶縁膜61上に形成された層間絶縁膜63と、層間絶縁膜63上に形成され、複数の細孔642(開孔)が形成された被覆層641を有する配線層64と、配線層64および層間絶縁膜63上に形成された表面保護膜65と、被覆層641上に設けられた封止層66と、を有している。
層間絶縁膜61、63は、それぞれ、例えば、シリコン酸化膜である。また、配線層62、64および封止層66は、それぞれ、アルミニウム等の金属で構成されている。また、表面保護膜65は、例えば、シリコン窒化膜である。
なお、半導体基板21上およびその上方には、上述した構成以外に、半導体回路が作り込まれていてもよい。この半導体回路は、MOSトランジスタ等の能動素子、その他必要に応じて形成されたコンデンサ、インダクタ、抵抗、ダイオード、配線(下部電極51に接続されている配線や上部電極53に接続されている配線、配線層62、64を含む)等の回路要素を有している。また、図示しないが、配線層62と絶縁膜23との間には、前述した振動素子5に電気的に接続された配線が空洞部Sの内外を跨って配置されており、配線層62は、かかる配線に対して離間するように形成されている。
基板2と積層構造体6とによって画成された空洞部Sは、振動素子5を収容する収容部として機能している。また、空洞部Sは、密閉された空間である。本実施形態では、空洞部Sが真空状態(300Pa以下)となっている。これにより、振動素子5の振動特性を優れたものとすることができる。ただし、空洞部Sは、真空状態でなくてもよく、大気圧であってもよいし、大気圧よりも気圧が低い減圧状態であってもよいし、大気圧よりも気圧が高い加圧状態であってもよい。また、空洞部Sには、窒素ガス、希ガス等の不活性ガスが封入されていてもよい。
以上、MEMS振動子1の構成について簡単に説明した。
このように構成されたMEMS振動子1では、下部電極51a、51bと上部電極53との間に周期的に変化する第1電圧(交番電圧)が印加されるとともに、下部電極51c、51dと上部電極53との間に位相が180°ずれている以外は第1電圧と同様の第2電圧が印加される。
すると、振動部532a、532bが下部電極51a、51bに対して接近する方向と離間する方向とに交互に変位して屈曲振動するとともに、振動部532a、532bとは逆相で、振動部532c、532dが下部電極51c、51dに対して接近する方向と離間する方向とに交互に変位して屈曲振動する。すなわち、図4に示すように、振動部532a、532b、532c、532dが図4中の実線矢印で示す方向に変位する状態と、振動部532a、532b、532c、532dが図4中の破線矢印で示す方向に変位する状態と、を交互に繰り返す。
このように振動部532a、532bと振動部532c、532dとを逆相で振動させることにより、振動部532a、532bから基部531に伝わる振動と、振動部532c、532dから基部531に伝わる振動とを互いに相殺させることができる。その結果、これらの振動が基部531、支持部533および固定部534を介して外部(基板2)に漏れること、いわゆる振動漏れを低減し、MEMS振動子1の振動効率を高めることができる。このように、MEMS振動子1は、振動部532の数が複数であることにより、振動部532から外部への振動漏れを低減し、その結果、Q値を向上させることができる。
このようなMEMS振動子1は、例えば、発振回路(駆動回路)と組み合わせることにより、所定の周波数の信号を取り出す発振器として用いることができる。なお、かかる発振回路は、基板2上に半導体回路として設けることができる。また、MEMS振動子1は、ジャイロセンサー、圧力センサー、加速度センサー、傾斜センサー等の各種のセンサーにも適用できる。
(支持部)
以下、支持部533について詳述する。
支持部533は、前述したように、平面視で屈曲または湾曲している屈曲部5333を有している。これにより、温度変化によって固定部534に加わる応力を低減し、その結果、温度ヒステリシスを低減することができる。また、前述したように、4つの支持部533が平面視で互いに同じ方向に屈曲または湾曲している。これにより、基部531を一方向(具体的には、屈曲部5333が屈曲または湾曲している側とは反対側の方向)に回転しやすくして、温度変化によって固定部534に加わる応力を効果的に低減している。
このような前提のもと、本発明者らは、鋭意検討した結果、固定部534と支持部533との接続部において支持部533の中心線a2を固定部534の中心線a3に対して基部531の回転方向とは反対側にずらすことにより、熱弾性損失の低減によってQ値の向上が可能なことを見出した。以下、この点について詳述する。
図5(a)は、熱弾性損失によるQ値を有限要素法で解析する際に用いた固定部、振動体および支持部の各寸法を示す平面図、図5(b)、図5(c)および図5(d)は、固定部と支持部との接続形態のパターンを示す図である。
図5(a)に示すような各寸法で形成された振動素子について、図5(b)、図5(c)および図5(d)に示すような固定部と支持部との接続形態ごとに、有限要素法による解析を行った。
すなわち、図5(a)に示す寸法は、図2に示すMEMS振動子1において、平面視で、各振動部532の基部531側の端の幅が9.8μm、各振動部532の先端の幅が1μm、支持部533の幅が1μm、各固定部534の各辺の長さが3μm、各スペーサー54の各辺の長さが2μmである。また、かかる解析は、各支持部533の第1梁部5331の長さL1を4.2μm、各部の厚さを1.3μmとし、各接続形態ごとに、各支持部533の第2梁部5332の長さL2が0.3μmである場合と1.4μmである場合とのそれぞれについて、支持部533の屈曲部の屈曲角度θを0°〜60°の範囲で変更して行った。なお、屈曲角度θは、図3に示すように、平面視で中心線a1と中心線a2とのなす角度である。
図6は、図5(b)、(c)および(d)に示す接続形態ごとの熱分布の解析結果を示す図である。なお、図6では、色が濃いほど温度が高いことを示している。
図5(b)に示す接続形態(Pattern1)の場合、すなわち、平面視で接続部における支持部533の中心線a2が固定部534の中心線a3に対して屈曲部5333の屈曲または湾曲している側(すなわち振動体の回転方向αとは反対側)にずれている場合、図6(a)に示すように、振動に伴って発生する熱により接続部の温度の高い部位と固定部534が固定されている部位との間の距離が遠くなるため、接続部で発生した熱が固定部534から漏れにくい。しかも、接続部の温度の高い部位と固定部534の温度の高い部位との距離が遠いため、固定部534における熱の移動が小さく、この点でも、接続部で発生した熱が固定部534から漏れにくい。このようなことから、振動部532の振動に伴って固定部534と支持部533との接続部や支持部533の屈曲部5333で発生した熱が固定部534を通じて基板2に逃げることを低減することができる。
これに対し、図5(c)に示す接続形態(Pattern2)の場合、すなわち、平面視で接続部における支持部533の中心線a2が固定部534の中心線a3に一致している場合、図6(b)に示すように、振動に伴って発生する熱により接続部の温度の高い部位と固定部534が固定されている部位との間の距離が近くなるため、接続部で発生した熱が固定部534から漏れやすくなってしまう。
また、図5(d)に示す接続形態(Pattern3)の場合、すなわち、平面視で接続部における支持部533の中心線a2が固定部534の中心線a3に対して屈曲部5333の屈曲または湾曲している側とは反対側(すなわち振動体の回転方向α側)にずれている場合、図6(c)に示すように、振動に伴って発生する熱により接続部の温度の高い部位と固定部534が固定されている部位との間の距離が近く、しかも、接続部の温度の高い部位と固定部534の温度の高い部位との距離が近くなるため、固定部534における熱の移動が大きく、接続部で発生した熱が固定部534から漏れやすくなってしまう。
図7は、支持部の屈曲角度θと熱弾性損失によるQ値QTEDとの関係を示すグラフであって、図7(a)は、図5(a)に示すL2が0.3μmである場合を示すグラフ、図7(b)は、図5(a)に示すL2が1.4μmである場合を示すグラフである。なお、図7に示すQTEDは、熱弾性損失のみを考慮したQ値である。
図7(a)、(b)に示すように、L2が0.3μmである場合および1.4μmである場合のいずれの場合でも、屈曲角度θの広範囲に亘って、図5(b)に示す接続形態(Pattern1)が、図5(c)および図5(d)に示す接続形態(Pattern2,Pattern3)に比べて、Q値が高いことがわかる。なお、前述した長さL1、L2に限定されず、第2梁部5332の長さL2が第1梁部5331の長さL1よりも短い場合において、図7に示す結果と同様の結果が得られることが有限要素法による解析により確認されている。
このように、図7に示す結果から、基部531が一方向に回転しやすいように支持部533が形成されている場合、固定部534と支持部533との接続部において支持部533の中心線a2を固定部534の中心線a3に対して振動体の回転方向αとは反対側にずらすことにより、振動部532の振動に伴って固定部534と支持部533との接続部や支持部533の屈曲部5333で発生した熱が固定部534を通じて基板2に逃げることを低減することができる。そのため、熱弾性損失を低減し、その結果、Q値を向上させることができる。
また、図7に示す結果から、平面視で屈曲部5333の屈曲角度θは、15°以上60°以下の範囲内にあることが好ましく、15°以上45°以下の範囲内にあることがより好ましい。これにより、熱弾性損失を効果的に低減することができる。
また、屈曲部5333が支持部533の中間部よりも固定部534側にある場合、すなわち、第2梁部5332の長さL2が第1梁部5331の長さL1よりも短い場合、屈曲部5333が支持部533の中間部よりも固定部534とは反対側(すなわち基部531側)にある場合に比べて、振動部532の振動に伴って支持部533の屈曲部5333で発生した熱が固定部534を通じて基板に逃げやすい。そのため、かかる場合に本発明を適用すると、その効果が顕著となる。また、屈曲部5333が支持部533の中間部よりも固定部534側にあることにより、支持部533により基部531を安定的に支持することができ、その結果、MEMS振動子1の振動特性を優れたものとすることができる。このようなことから、MEMS振動子1の振動特性の向上と熱弾性損失の低減との両立を図ることができる。
このような観点から、L2/L1は、1/10以下であることが好ましく、1/100以上1/10以下であることがより好ましく、1/100以上1/20以下であることがさらに好ましい。
また、支持部533の幅は、固定部534の幅(平面視で中心線a3に垂直な方向に沿った長さ)よりも小さい。これにより、基部531から支持部533を介して固定部534に振動が漏れる振動漏れを低減し、その結果、Q値を向上させることができる。
このような観点から、固定部534の幅は、支持部533の幅に対して、1.5倍以上10倍以下であることが好ましく、2倍以上5倍以下であることがより好ましい。これに対し、固定部534の幅が小さすぎると、前述したような熱弾性損失を低減する効果が減少する傾向を示す。一方、固定部534の幅が大きすぎると、MEMS振動子1の大型化を招いてしまう。
また、スペーサー54の幅(平面視で中心線a3に垂直な方向に沿った長さ)は、固定部534の幅よりも小さい。これにより、振動に伴って発生する熱により接続部の温度の高い部位と固定部534が固定されている部位との間の距離を大きくすることができる。
このような観点から、スペーサー54の幅は、固定部534の幅に対して、0.3倍以上0.9倍以下であることが好ましく、0.5倍以上0.8倍以下であることがより好ましい。これに対し、スペーサー54の幅が大きすぎると、前述したような熱弾性損失を低減する効果が減少する傾向を示す。一方、スペーサー54の幅が小さすぎると、スペーサー54の高さ等によっては、スペーサー54による固定部534の固定が不安定になったり、固定部534のスペーサー54よりも突出した部分が振動しやすくなったりして、MEMS振動子1の振動特性に悪影響を与える場合がある。
(MEMS振動子の製造方法)
次に、MEMS振動子1の製造方法を簡単に説明する。
図8〜図10は、図1に示すMEMS振動子の製造工程を示す図である。以下、これらの図に基づいて説明する。
[振動素子形成工程]
まず、図8(a)に示すように、半導体基板21(シリコン基板)を用意する。
なお、半導体基板21上およびその上方に半導体回路を形成する場合には、半導体基板21の上面のうち絶縁膜22および絶縁膜23を形成しない部分に、半導体回路のMOSトランジスタのソースおよびドレインをイオンドープして形成する。
次に、図8(b)に示すように、半導体基板21の上面に絶縁膜22(シリコン酸化膜)を形成する。
絶縁膜22(シリコン酸化膜)の形成方法としては、特に限定されず、例えば、熱酸化法(LOCOS法、STI法を含む)、スパッタリング法、CVD法等を用いることができる。なお、絶縁膜22は、必要に応じてパターニングしてもよく、例えば、半導体基板21の上面またはその上方に半導体回路を形成する場合には、半導体基板21の上面の一部が露出するように絶縁膜22をパターニングする。
その後、図8(c)に示すように、絶縁膜22上に絶縁膜23(シリコン窒化膜)を形成する。
絶縁膜23(シリコン窒化膜)の形成方法としては、特に限定されず、例えば、スパッタリング法、CVD法等を用いることができる。なお、絶縁膜23は、必要に応じてパターニングしてもよく、例えば、半導体基板21の上面またはその上方に半導体回路を形成する場合には、半導体基板21の上面の一部が露出するように絶縁膜23をパターニングする。
次に、図8(d)に示すように、絶縁膜23上に、導体層3および下部電極51、52を形成するための導体膜71を形成する。
具体的には、例えば、絶縁膜23上に、多結晶シリコンまたはアモルファスシリコンで構成されたシリコン膜をスパッタリング法、CVD法等により形成した後に、そのシリコン膜にリン等の不純物をドープすることにより導体膜71を形成する。なお、絶縁膜23の構成によっては、エピタキシャル成長させたシリコン膜にリン等の不純物をドープすることによって導体膜71を形成してもよい。
次に、導体膜71をパターニングして、図8(e)に示すように、導体層3および下部電極51、52を形成する。
具体的には、例えば、導体膜71上にフォトレジストを塗布し、導体層3および下部電極51、52の形状(平面視形状)にパターニングして、フォトレジスト膜を形成する。そして、そのフォトレジスト膜をマスクとして用いて、導体膜71をエッチングした後、フォトレジスト膜を除去する。これにより、導体層3および下部電極51、52が形成される。
なお、半導体基板21の上面またはその上方に半導体回路を形成する場合には、例えば、下部電極51、52等のパターンニングと同時に導体膜71をパターンニングして、半導体回路のMOSトランジスタのゲート電極を形成する。
次に、図9(f)に示すように、各下部電極52上にスペーサー54を形成する。
スペーサー54の形成は、前述した下部電極51、52および導体層3の形成と同様にして行うことができる。
次に、図9(g)に示すように、下部電極51、52および導体層3を覆うとともに、スペーサー54を露出させるようにして、犠牲層72を形成する。
本実施形態では、犠牲層72は、シリコン酸化膜であり、後述する工程において、一部が除去され、残部が層間絶縁膜61の一部となる。
また、犠牲層72の形成方法としては、特に限定されず、例えば、スパッタリング法またはCVD法等を用いることができる。また、犠牲層72を形成する際には、必要に応じて、エッチバックまたはCMP(chemical mechanical plishing)等による平坦化を行う。なお、犠牲層72は、下部電極51、52上およびその近傍の基板2上のみに形成し、導体層3上に形成しなくてもよい。この場合、後述する工程において犠牲層72のほとんどすべてが除去されることとなる。
次に、図9(h)に示すように、上部電極53を形成する。
具体的には、例えば、スペーサー54に接触するようにして犠牲層72上に、スパッタリング法、CVD法等により多結晶シリコンまたはアモルファスシリコンを堆積させてシリコン膜を形成した後に、そのシリコン膜にリン等の不純物をドープすることにより導体膜を形成し、その後、導体膜のパターニングを行う。なお、犠牲層72の構成によっては、エピタキシャル成長させたシリコン膜にリン等の不純物をドープすることによって導体膜を形成してもよい。また、シリコン膜は、エッチバックまたはCMP(chemical mechanical plishing)等により平坦化してもよい。
導体膜のパターニングでは、例えば、導体膜上にフォトレジストを塗布し、上部電極53の形状(平面視形状)にパターニングして、フォトレジスト膜を形成する。そして、そのフォトレジスト膜をマスクとして用いて、導体膜をエッチングした後、フォトレジスト膜を除去する。これにより、上部電極53が形成される。
以上のようにして、下部電極51、52、上部電極53およびスペーサー54を有する振動素子5が形成される。
[キャビティ形成工程]
図9(i)に示すように、犠牲層72上に、犠牲層73を形成する。
本実施形態では、犠牲層73は、シリコン酸化膜であり、後述する工程において、一部が除去され、残部が層間絶縁膜61の一部となる。
また、犠牲層73の形成は、前述した犠牲層72の形成と同様にして行うことができる。
次に、図9(j)に示すように、配線層62を形成する。
具体的には、例えば、犠牲層72、73からなる積層体をエッチングによりパターニングすることにより、配線層62に対応した形状をなす貫通孔を形成した後、その貫通孔を埋めるように、積層体上に、アルミニウムからなる膜をスパッタリング法、CVD法等により形成し、その膜をエッチングによりパターニング(不要部分を除去)することにより、配線層62を形成する。
次に、図10(k)に示すように、犠牲層73上および配線層62上に、犠牲層74、配線層64および表面保護膜65をこの順で形成する。
具体的には、犠牲層73上および配線層62上に、前述した犠牲層72、73の形成と同様にして、犠牲層74を形成した後、配線層62の形成と同様にして、配線層64を形成する。配線層64の形成後、スパッタリング法、CVD法等によりシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、ポリイミド膜、エポキシ樹脂等である表面保護膜65を形成する。
なお、このような層間絶縁膜と配線層との積層構造は、通常のCMOSプロセスにより形成され、その積層数は、必要に応じて適宜に設定される。すなわち、必要に応じてさらに多くの配線層が層間絶縁膜を介して積層される場合もある。また、半導体基板21の上面またはその上方に半導体回路を形成する場合には、例えば、配線層62、64の形成と同時に、半導体回路のMOSトランジスタのゲート電極等に電気的に接続される配線層を形成する。
次に、図10(l)に示すように、犠牲層72、73、74の一部を除去することにより、空洞部Sおよび層間絶縁膜61、63を形成する。
具体的には、被覆層641に形成された複数の細孔642を通じたエッチングにより、振動素子5の周囲、下部電極51と振動部532との間、および、基板2と基部531との間にある犠牲層72、73、74を除去する。これにより、振動素子5が収納される空洞部Sが形成されるとともに、下部電極51と振動部532との間、および、基板2と基部531との間に空隙が形成され、振動素子5が駆動し得る状態となる。
ここで、犠牲層72、73、74の除去(リリース工程)は、例えば、複数の細孔642からエッチング液としてのフッ酸、緩衝フッ酸等を供給するウェットエッチングや、複数の細孔642からエッチングガスとしてフッ化水素酸ガス等を供給するドライエッチングにより行うことができる。このとき、絶縁膜23および配線層62、64は、リリース工程において実施されるエッチングに対する耐性を有しており、いわゆるエッチングストップ層として機能する。また、振動素子5を構成する各部も、シリコンで構成されているため、リリース工程に用いるエッチングに対する耐性を有する。なお、エッチングの前に、必要に応じて、エッチングの対象となる部分を含む構造体の外表面にフォトレジスト等で保護膜を形成してもよい。
次に、図10(m)に示すように、被覆層641上に、封止層66を形成する。
具体的には、例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、Al、Cu、W、Ti、TiN等の金属膜等で構成された封止層66をスパッタリング法、CVD法等により形成し、各細孔642を封止する。
以上のような工程により、MEMS振動子1を製造することができる。
2.電子機器
次いで、本発明の振動片を適用した電子機器(本発明の電子機器)について、図11〜図13に基づき、詳細に説明する。
図11は、本発明の電子機器の第1例であるモバイル型(またはノート型)のパーソナルコンピューターの構成を示す斜視図である。この図において、パーソナルコンピューター1100は、キーボード1102を備えた本体部1104と、表示部2000を備えた表示ユニット1106とにより構成され、表示ユニット1106は、本体部1104に対しヒンジ構造部を介して回動可能に支持されている。このようなパーソナルコンピューター1100には、MEMS振動子1(発振器)が内蔵されている。
図12は、本発明の電子機器の第2例である携帯電話機(PHSも含む)の構成を示す斜視図である。この図において、携帯電話機1200は、複数の操作ボタン1202、受話口1204および送話口1206を備え、操作ボタン1202と受話口1204との間には、表示部2000が配置されている。このような携帯電話機1200には、MEMS振動子1(発振器)が内蔵されている。
図13は、本発明の電子機器の第3例であるディジタルスチルカメラの構成を示す斜視図である。なお、この図には、外部機器との接続についても簡易的に示されている。ここで、通常のカメラは、被写体の光像により銀塩写真フィルムを感光するのに対し、ディジタルスチルカメラ1300は、被写体の光像をCCD(Charge Coupled Device)などの撮像素子により光電変換して撮像信号(画像信号)を生成する。
ディジタルスチルカメラ1300におけるケース(ボディー)1302の背面には、表示部2000が設けられ、CCDによる撮像信号に基づいて表示を行う構成になっており、表示部2000は、被写体を電子画像として表示するファインダーとして機能する。また、ケース1302の正面側(図中裏面側)には、光学レンズ(撮像光学系)やCCDなどを含む受光ユニット1304が設けられている。
撮影者が表示部2000に表示された被写体像を確認し、シャッタボタン1306を押下すると、その時点におけるCCDの撮像信号が、メモリー1308に転送・格納される。また、このディジタルスチルカメラ1300においては、ケース1302の側面に、ビデオ信号出力端子1312と、データ通信用の入出力端子1314とが設けられている。そして、図示されるように、ビデオ信号出力端子1312にはテレビモニター1430が、デ−タ通信用の入出力端子1314にはパーソナルコンピューター1440が、それぞれ必要に応じて接続される。さらに、所定の操作により、メモリー1308に格納された撮像信号が、テレビモニター1430や、パーソナルコンピューター1440に出力される構成になっている。このようなディジタルスチルカメラ1300には、MEMS振動子1(発振器)が内蔵されている。
なお、本発明のMEMS振動子を備える電子機器は、図11のパーソナルコンピューター(モバイル型パーソナルコンピューター)、図12の携帯電話機、図13のディジタルスチルカメラの他にも、例えば、インクジェット式吐出装置(例えばインクジェットプリンター)、ラップトップ型パーソナルコンピューター、テレビ、ビデオカメラ、ビデオテープレコーダー、カーナビゲーション装置、ページャ、電子手帳(通信機能付も含む)、電子辞書、電卓、電子ゲーム機器、ワードプロセッサー、ワークステーション、テレビ電話、防犯用テレビモニター、電子双眼鏡、POS端末、医療機器(例えば電子体温計、血圧計、血糖計、心電図計測装置、超音波診断装置、電子内視鏡)、魚群探知機、各種測定機器、計器類(例えば、車両、航空機、船舶の計器類)、フライトシミュレーター等に適用することができる。
3.移動体
図14は、本発明の移動体の一例である自動車の構成を示す斜視図である。
この図において、自動車1500(移動体)は、車体1501と、4つの車輪1502とを有しており、車体1501に設けられた図示しない動力源(エンジン)によって車輪1502を回転させるように構成されている。このような自動車1500には、MEMS振動子1(発振器)が内蔵されている。
なお、本発明の移動体は、自動車に限定されず、例えば、航空機、船舶、オートバイ等の各種移動体に適用可能である。
以上、本発明のMEMS振動子、電子機器および移動体を図示の各実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、他の任意の構成物が付加されていてもよい。
前述した実施形態では、支持部が1つの屈曲部を有する場合を例に説明したが、支持部が2以上の屈曲部を有していてもよい。この場合、最も固定部側の屈曲部について前述した条件を満たすことが好ましい。
また、前述した実施形態では、支持部の幅が長さ方向でのほぼ全域にわたって一定である場合を説明したが、支持部は、幅の異なる部分を有していてもよい。
また、前述した実施形態では、固定電極の平面視における面積が、可動電極の可動部の面積よりも大きい場合について説明したが、固定電極の平面視における面積は、可動電極の可動部の面積と同じであってもよいし、可動電極の可動部の面積よりも小さくてもよい。
また、前述した実施形態では、下部電極および上部電極をそれぞれ成膜により形成した場合を例に説明したが、これに限定されず、例えば、基板をエッチングすることにより下部電極または上部電極を形成してもよい。
1‥‥MEMS振動子
2‥‥基板
3‥‥導体層
5‥‥振動素子
6‥‥積層構造体
21‥‥半導体基板
22‥‥絶縁膜
23‥‥絶縁膜
51‥‥下部電極
51a‥‥下部電極
51b‥‥下部電極
51c‥‥下部電極
51d‥‥下部電極
52‥‥下部電極
52a‥‥下部電極
52b‥‥下部電極
52c‥‥下部電極
52d‥‥下部電極
53‥‥上部電極
54‥‥スペーサー
54a‥‥スペーサー
54b‥‥スペーサー
54c‥‥スペーサー
54d‥‥スペーサー
61‥‥層間絶縁膜
62‥‥配線層
63‥‥層間絶縁膜
64‥‥配線層
65‥‥表面保護膜
66‥‥封止層
71‥‥導体膜
72‥‥犠牲層
73‥‥犠牲層
74‥‥犠牲層
531‥‥基部
532‥‥振動部
532a‥‥振動部
532b‥‥振動部
532c‥‥振動部
532d‥‥振動部
533‥‥支持部
533a‥‥支持部
533b‥‥支持部
533c‥‥支持部
533d‥‥支持部
534‥‥固定部
534a‥‥固定部
534b‥‥固定部
534c‥‥固定部
534d‥‥固定部
641‥‥被覆層
642‥‥細孔
1100‥‥パーソナルコンピューター
1102‥‥キーボード
1104‥‥本体部
1106‥‥表示ユニット
1200‥‥携帯電話機
1202‥‥操作ボタン
1204‥‥受話口
1206‥‥送話口
1300‥‥ディジタルスチルカメラ
1302‥‥ケース
1304‥‥受光ユニット
1306‥‥シャッタボタン
1308‥‥メモリー
1312‥‥ビデオ信号出力端子
1314‥‥入出力端子
1430‥‥テレビモニター
1440‥‥パーソナルコンピューター
1500‥‥自動車
1501‥‥車体
1502‥‥車輪
2000‥‥表示部
5331‥‥第1梁部
5332‥‥第2梁部
5333‥‥屈曲部
5334‥‥テーパー部
a1‥‥中心線
a2‥‥中心線
a3‥‥中心線
C‥‥中心
S‥‥空洞部
α‥‥回転方向
θ‥‥屈曲角度

Claims (10)

  1. 基板と、
    前記基板上に配置されている固定部と、
    前記基板に対向している振動部を有する振動体と、
    前記固定部と前記振動体とを接続していて、前記振動体を支持している支持部と、
    を備え、
    前記基板の厚さ方向から見た平面視で、前記固定部と前記支持部との接続部において前記固定部の中心線と前記支持部の中心線とが互いにずれていることを特徴とするMEMS振動子。
  2. 前記支持部は、前記平面視で屈曲または湾曲している屈曲部を有する請求項1に記載のMEMS振動子。
  3. 前記平面視で、前記接続部における前記支持部の中心線が前記固定部の中心線に対して前記屈曲部の屈曲または湾曲している側にずれている請求項2に記載のMEMS振動子。
  4. 前記平面視で、前記屈曲部の屈曲角度が15°以上60°以下の範囲内にある請求項2または3に記載のMEMS振動子。
  5. 前記屈曲部は、前記支持部の中間部よりも前記固定部側にある請求項2ないし4のいずれか1項に記載のMEMS振動子。
  6. 前記基板上に配置されている基板側電極を備え、
    前記振動部は、前記平面視で少なくとも一部が前記基板側電極に重なっている請求項1ないし5のいずれか1項に記載のMEMS振動子。
  7. 前記振動体は、前記支持部に接続されている基部を有し、
    前記振動部は、複数あり、前記基部から互いに異なる方向に延出している請求項6に記載のMEMS振動子。
  8. 前記固定部および前記支持部がそれぞれ複数ある請求項1ないし7のいずれか1項に記載のMEMS振動子。
  9. 請求項1ないし8のいずれか1項に記載のMEMS振動子を備えることを特徴とする電子機器。
  10. 請求項1ないし8のいずれか1項に記載のMEMS振動子を備えることを特徴とする移動体。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10651819B2 (en) 2017-03-24 2020-05-12 Seiko Epson Corporation Vibrator device, oscillator, gyro sensor, electronic apparatus, and vehicle

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