JP2016517236A - ナノ機械的共振器アレイ及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
本発明では、発振器に用いるのに適したナノ機械的共振器アレイ（１）及び前記ナノ機械的共振器アレイの製造方法を発展させている。前記共振器アレイ（１）は、ナノメータの大きさであって、垂直に配列され、ナノワイヤ又はナノチューブの形状が好ましい、少なくとも二つの共振器（２）と、前記共振器をその一端から機械的に結合する、少なくとも一つの結合膜（３）と、前記結合膜（３）をクランプすることによって機械的な結合を支持する、少なくとも一つのクランプ要素（４）と、を備えてもよい。前記共振器アレイ（１）は、作動され、その変位を検出してもよい。本発明によって、静電作動及び容量的読み出し用の前記共振器アレイ（１）を備えた発振器の周波数応答を発展させることができる。異なる周波数応答を有し、周波数操作回路要素に接続された複数の共振器アレイを含む発振器を同様に使用してもよい。シリコンベースシステムについて、前記製造方法は、デバイスのシリコン層上に２つのウインドウをパターニングし、それを露出させてボッシュ工程を用いてプラズマエッチングする工程と、さらに酸化を行って、酸化物エンベロープにナノワイヤを形成する工程と、さらに犠牲材料を堆積させる工程と、を含んでもよい。作動電極及び読み出し電極の統合は、電極材料を堆積させる工程と、自己整合マスク材料を堆積させる工程と、化学機械的研磨を行う工程と、電極材料をエッチングする工程と、犠牲材料及び前記酸化物エンベロープをエッチングして前記ナノワイヤを解放する工程と、を含む。非シリコンベースシステムについて、前記製造方法は、構造材料及び犠牲材料の堆積工程と、両材料のパターニング及びエッチング工程と、犠牲材料の等方的エッチング工程と、を含む。
Description
本発明は、発振器システムに用いるのに適したナノ機械的（ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ）共振器アレイ及びその製造方法に関する。
周波数基準として機能する発振器は、ほとんど全ての電子デバイスの基礎を構成している。発振器には主に３つのタイプがある。
シリコンクロックやＣＯＭＳ発振器は、すべて電子式であって、共振回路が周波数基準を提供する。これらの集積回路の発振器は、古典的なＲＣまたはＬＣ発振器ベースの回路に基づいている。そのシリコン互換性のために、それらは、サイズと価格が重要な要因であって周波数感度の問題の少ない用途で広く使用されている。オンチップ温度補償の最先端ではおよそ１００ｐｐｍの感度が報告されている。それらは衝撃を免れている。それらの電力消費は、石英対照物と比較してより高く、それらは、より低い品質係数を有している。
機械的発振器は、集積回路の発振器の代わりを形成する。機械的発振器の主な種類は、石英または他の圧電結晶を含む。特許文献ＵＳ７２９５０８８Ｂ２によれば、現在の高Ｑ共振器は、機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換して所望の周波数の信号を生成するか、または特性をフィルタリングする、すべて電気機械要素である、弾性表面波（ＳＡＷ）共振器、薄膜バルク音響波（ＦＢＡＲ）共振器、及び、水晶音叉である。材料の最終的な選択は、コストや用途に依存する性能要件に基づいている。
水晶は、最高のコストで安定性の面で最高の性能を提供する。水晶の結晶は、１９４０年代初頭以来、計時のために使用されている。石英は、その高い熱安定性と低消費電力によって、無線通信等の高精度の用途のために今日使用されている。
しかし、このような水晶発振器は、比較的大きなサイズとなり、小型化の余地を残している。また、他のマイクロシステムや電子機器との処理及び統合は、バッチ互換性がなく、小型化に対する、他の、さらに深刻な障壁につながる。後者は、所望の用途を実現するために、追加の電子機器と追加のボードレベルとの統合を意味する。そのような追加の電子機器の使用は、電力消費量だけでなく、ノイズレベルに加えて、全体的なコストを増加させる。
ＭＥＭＳ発振器は、第３の選択肢を形成する。それらは１０年以上の市場です。現在、ＭＥＭＳ発振器を供給する販売会社としては、Ａｂｒａｃｏｎ、Ｄｉｓｃｅｒａ、Ｅｃｌｉｐｔｅｋ、ＩＤＴ、ＩＱＤ、ＮＸＰ、Ｓａｎｄ９、シリコン・ラボラトリーズ、ＳｉＴｉｍｅ社、ＴＸＣ社が含まれる。これらは、通常、シリコン又は同様の材料から構成される小型の共振質量に基づいている。バッチ互換性の可能性と従来の微細加工の利用とによって、これらによって小型化と高集積化とが促進される。Ｈｓｕ、ＷＴ「シリコンＭＥＭＳ発振器における最近の進歩（"Recent Progress in silicon MEMS oscillators"）」４０ｔｈ Ａｎｎｕａｌ Ｐｒｅｃｉｓｅ Ｔｉｍｅ ａｎｄ Ｔｉｍｅ Ｉｎｔｅｒｖａｌ （ＰＴＴＩ） Ｍｅｅｔｉｎｇ、Ｖｉｒｇｉｎａ、ＵＳＡ、ｐｐ．１３５−１４５、２００８において、１０６を越える品質係数が既に報告されている。
共振器が小型化されているので、空気分子による制動が働き、この制動を減らすために気密封止の必要性が生じる。別の現在の問題は、オンチップ・デジタルチューニングで補償された温度の不安定性である。このチューニングはまた、発振器の位相雑音をもたらす。
ＭＥＭＳ発振器の最も有望な用途の一つは、フィルタリングである。ＭＥＭＳフィルタは、様々な機械的（音響的）結合要素を使用して信号処理する基本的に機械的な共振器である。初期の巨視的な機械的なフィルタは、等価回路モデル化方法によってモデル化することができる。これらの巨視的な共振器内の機械的結合を２〜３ミリメートルで変化する直径を有するカップリングワイヤを介して達成される。等価回路モデリングのための同様のアプローチは、現在のＭＥＭＳ対応で採用されている。等価回路モデリングによって、所望のフィルタエレメントの思い通りのデザインを提供することができる。（バターワース（Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ）、チェビシェフ（Ｃｈｅｂｙｓｈｅｖ）など）等価回路が得られると、電気機械要素のシグナリング動作を観測することができる。結合発振器の動作モードを事前に定義する能力によって、それらを電気フィルタの他の種類を置換するための理想的な候補とする。
容量読み出しを伴う発振器の用途では、個々の共振器の運動に関連した電流を加算するための同一の共振器を配列することは、電極−共振器間のギャップの減少、及び、共振器に印加されるＤＣ電位を上げる等の動的インピーダンスを低減するための他の方法に代わるものとして提案されている。後者の二つは非常に有効な技術であるが、それらによって非線形性が導かれる。逆に、配列を使用し、並列共振器の出力を重ね合わせる方法は、直線性の面でうまく動作する。次のＭＥＭＳフィルタ用途は、このような結合を利用している。
第１のＭＥＭＳフィルタの一つは、Ｑ＝５９０であって、３００ｋＨｚで動作する３つの機械的に結合された共振器を備えた櫛形駆動構造によって実現される。設計（デザイン）と結合機構は、２０００年初めまで、櫛形駆動構造と等価回路モデル化手法と一緒に検討されていた。以前の巨視的なデバイスと同様の機械的フィルタ設計方法を持つことは、所望の特性を有するＭＥＭＳフィルタを実現するために多くの助けとなった。ＣＴＣ ＮｇｕｙｅｎおよびＲＴ Ｈｏｗｅは、２００１年にこの櫛形駆動構造の特許（ＵＳ６２３６２８１Ｂ１）を取得した。
およそ８ＭＨｚのフィルタ周波数と４０から４５０の間のＱ値とは、二つの機械的に結合され、二重クランプビーム（梁：ｂｅａｍ）共振器を持つ構成で実証されている。この研究はまた、有限要素解析と回路モデリングを利用して、上記のフィルタ設計法を利用する。曲げビーム（梁）共振器は、櫛形駆動トランスデューサよりも高い周波数を提供するので、ビーム共振器は様々な用途で検討されており、用途としては、ミキサー−フィルターと、改良された位相ノイズのための５、１０及び２０の共振器と結合されたフリー−フリービーム共振器アレイと、異なる結合長及びフィルタ出力信号を操作するためのスキームとを備えた共振器がある。結合された梁（ビーム）構造を含む１つの特許ＵＳ６９３０５６９Ｂ２は、２００５年に出願されている。
結合された正方形の曲げモード微小共振器を利用する幾分異なる構造が２００５年に発表されている。この研究では、７連結された正方形の曲げモード微小共振器が、９０００を超えるＱを有し、最大７０ＭＨｚで利用されている。２００６年には、正方形ではなく、ディスクアレイの微小共振器が実装されている。二重クランプされ、様々なＶ形の結合要素を備えたカンチレバービームは、上述した従来の設計手法を用いて研究されている。Ｕ字型の結合要素と同じ横方向フィルタは、２６ＭＨｚの動作周波数で実証されている。結合された中空のディスク共振器の設計および製造を含む特許文献（ＵＳ７２９５０８８Ｂ２）が出願されている。別の研究では、ワイングラスディスク共振器を配列してＱ値の向上が実証されている。本研究では、機械的結合により、高いＱの容量性トランスデューサと低インピーダンス圧電トランスデューサのハイブリッド使用を提供する。別の特許ＵＳ７２２７４３２Ｂ２は、三角形状、四角形状、六角形状に曲げ、呼吸モードを伴うリング等の別の機械的に結合された共振器の幾何学的形状について出願されている。
２００９年には、機械的に結合されたアレイの使用によって、デバイス間の共振周波数の変動を減少させることが示され、したがって微小共振器のバッチ製造が可能になることが示された。
他の現在特許出願、例えば、ＵＳ７３１９３７２Ｂ２、ＵＳ０１４１３５５Ａ１及びＵＳ７６９６８４３Ｂ２等は、質量負荷効果を防止するために、結合型ＭＥＭＳ音叉、バンドパスフィルタなどのＮ結合型微小共振器、及び、ＭＥＭＳフィルタ装置のための非常に低質量のナノスケール結合要素を含む。
より小さい機械的共振器に向かう原動力は、ノイズレベルを減らしたより高い周波数の追求によって加速される。したがって、ナノ電気機械システム（ＮＥＭＳ）ベースの共振器は、最も端のＵＨＦとマイクロ波帯での動作周波数での進化の次の段階を表しています。高動的インピーダンスは、ナノスケールでの課題である。機械的共振器のサイズが縮小すると、共振時でさえ含まれる変位は微少となり、動的インピーダンスが著しく増加する。このため、動きに依存する読み出し信号を検出することが非常に困難となる。そのようなアレイ化や過去の電気機械フィルタおよび他の電気周波数操作アプリケーションが提供する機械的結合などのいくつかの解決策によって、ナノスケール共振器の更なる進展を鼓舞することができる。現在のところ、個々の共振器の機械的結合およびアレイ化の両方のための解決策は、ナノスケールにおいて存在しない。
本発明において、発振器に用いるのに好適であるナノ共振器アレイとその共振器アレイの製造方法とを発展させている。共振器アレイは、ナノメートルの大きさであって、垂直方向に配列され、ナノワイヤーまたはナノチューブ状であることが好ましい、少なくとも２つの共振器を含む。少なくとも一つの結合膜は、共振器の端部と機械的に結合し、少なくとも一つのクランプ要素は、上記結合膜をクランプすることによって機械的結合を支持する。完全な電子互換性のために、ナノ共振器アレイは、作動用電極と読み出し要電極との一対の電極間に配置することができる。シリコンベースシステムの上記製造方法は、ボッシュプロセスを用いてシリコンナノワイヤの積層体を製造する工程と、装置のシリコン層に２つのウインドウをパターニングして、ボッシュプロセスの各サイクルが一つのシリコンラインを導く箇所をプラズマエッチングするために露出させることを通じてアレイの製造を達する工程と、酸化エンベロープのシリコンラインからナノワイヤを形成するための更なる酸化を行う工程と、酸化エンベロープをエッチングしてナノワイヤを放出する工程と、を含む。シリコンナノワイヤの上記製造方法は、酸化および犠牲酸化エッチングすることなく、ナノワイヤの積層体を得るために調整できる。非シリコンベースのシステムの製造方法は、構造的材料及び犠牲的材料の２つの材料の連続的な堆積工程と、２つの材料のパターニングと異方性エッチングとの工程と、犠牲材料の等方性選択エッチングによって構造材料からなるナノワイヤのアレイを得る工程と、を含む。この製造方法は、また、酸化又は同様の材料の堆積工程と、電極材料の堆積工程と、電極材料のパターニング及びエッチング工程と、酸化又は同様の材料のエッチングによって、ナノワイヤアレイの両側の一対の電極に非常に近接して配置されたナノワイヤを放出する工程と、を含む。
本発明によれば、共振器アレイは、相互に結合されるか、または全く結合しない。したがって、共振器の選択に応じて、共振器アレイの動的インピーダンスが減少し、品質係数が、（例えば、ノッチフィルタのように）増加するか、又は、異なる周波数を有する少なくとも２つの信号が、（バンドパスフィルタ等の）共振器アレイを通過することができる。
本発明の目的は、ナノメートルの大きさの複数の共振器を含む機械的共振器アレイを開発することである。
本発明の別の目的は、それがアレイを保持している基板の表面に垂直に配置されるようにアレイを製造することである。
本発明の別の目的は、複合共振器を得るために、ナノスケールの電気機械的共振器の機械的結合を開発することである。
本発明の別の目的は、完全な電子的互換性を確保するために、機械的共振器アレイのための作動および読み出しスキームを実装することである。
本発明の別の目的は、ナノメートルの大きさの間の機械的結合を有する、複数の機械的共振器を含む機械的共振器アレイの製造方法を開発することである。
本発明の別の目的は、機械的共振器アレイと、作動電極と読み出し電極との一対の電極との統合のための製造方法を開発することである。
本発明の別の目的は、機械的な結合を伴う機械的共振器アレイで測定した読み出し信号の予測電気機械的モデリング法を実証することである。
本発明の別の目的は、フィルタ等の高周波工学用途のための機械的結合を伴うまたは伴わない機械的共振器アレイを使用することである。
本発明の別の目的は、チップ上の超小型領域内の幅広い周波数選択をもたらす、独自の周波数シグネチャを伴う多数の機械的共振器アレイを導入することである。
本発明の別の目的は、同一チップ内に内蔵された多数の機械的共振器アレイを同一チップ上の周波数操作回路に接続することである。
本発明に基づいて開発された共振器アレイ及びその共振器アレイの製造方法は、添付図面に示されている。図中の部材には、個別に参照符号を付している。
高い動的インピーダンスの問題は、出力信号が含まれるナノ機械的共振器の数にほぼ比例して増大するナノ機械的共振器アレイの構成を使用することによって対処することができる。アレイ構成を採用することにより、現在の運動に寄与する共振器の数を増加させるという理由だけで、この信号のレベルは増加する。これは簡単に見えるが、寸法の無視できる程度の変化で二つの同一の共振器を製作することは、最先端の製造技術でさえ困難な作業である。位相不一致の共振モードが支配的になるので、共振器−共振器間の変動の結果として出力が乱れる。それは、個々の共振器が結合していないアレイではなく、固有モードの独自のセットを有する複合共振器を製造する手段を提供するので、この時点で、機械的な結合が重要になる。すべての共振素子が同相で振動するモードをピックアップすることができる場合には、出力信号の所望の増加を達成することができる。例えば、他の点では同一の２つのダブルクランプナノワイヤの直径の２８ナノメートルから３０ナノメートルまでの偏差によって、共振周波数の７％の偏差をもたらし、振動モードの有意なデカップリングをもたらす。さらに、フィルタ等の様々な周波数工学用途では、そのような用途のために機械的な共振器アレイを理想的なビルディング・ブロックに変える（機械的結合の有無にかかわらず）マルチ共振器の構成を必要とする。例えば、全く結合を使用しない場合、２つの共振器の２つの異なる周波数が十分に近いのであれば、バンドパスフィルタを形成することができるその少なくとも２つの共振器のアレイから取得することができる。
製造系の制限による振動モードのデカップリングに対する解決策は、最善の機械的結合によって解決される。本発明では、ダブルクランプナノ機械的共振器について、図１に示すように、機械的結合は、一次元のナノ機械的共振器の垂直アレイでの膜型の結合要素の使用を介して達成される。図２によって、作動電極（５）と読み出し電極（６）に囲まれた同じ配列の上面図を提供する。アレイ（１）が、読み出し電極（６）の近くに配置されている場合は、ナノ機械的共振器（２）の変位を直接に読み出し電流として変換することができる。４つのナノ機械的共振器（１）のアレイについて、すべての振動モードのうち第１のモードによって、含まれるすべてのナノ機械的共振器を同相で振動させることができる。これによって、振動体の容量変化の増加によって読み出し信号に大幅な増加がもたらされる。
本発明の共振器アレイ（１）は、ナノメートルの大きさであって、垂直方向に配列され、ナノワイヤ又はナノチューブの形態であることが好ましい少なくとも２つの共振器（２）と、前記共振器（２）をそれらの一端から機械的に結合する、少なくとも一つの結合膜（３）と、前記結合膜（３）をクランプすることによって、機械的な結合を支持する少なくとも１つのクランプ要素（４）と、を備える。カップリング膜（３）とクランプ要素（４）との結果、前記共振器（２）の機械的結合は、より安定となり、したがって、共振器アレイ（１）は、複合共振器のように動作する。また、共振器（２）がナノメートルの大きさであり、共振器（２）が垂直に配列されているので、共振器アレイ（１）と、前記共振器アレイ（１）が使用された発振器とは、回路内で占めるスペースがより少なくてすむ。共振器アレイ（１）の小ささによって、独自の周波数の特徴を有するマルチアレイを使用することができ、それによってチップ上の超小型領域での周波数の幅広い選択につながる。このようなアレイの各々は、同様に、同じチップ上の他の周波数操作回路に接続することができる。
図２に示す本発明の例示的な実施形態では、前記共振器アレイ（１）は、発振器システムにおける、少なくとも１つのアクチュエータ（例えば、作動電極（５）、磁気アクチュエータまたは熱アクチュエータ）と少なくとも１つの読み出し電極（６）との間に配置される。本実施形態では、電場は、作動電極（５）によって共振器アレイ（１）に配置された共振器（２）を振動させることによって作成され、従ってある周波数の信号は、読み出し電極（６）から出力される。
本発明の好ましい実施形態では、共振器アレイ（１）の各共振器（２）は同一（または、製造に起因してほぼ同じ）である。本実施形態では、共振器（２）は同一であるので、全ての共振器（２）の共振周波数は同じである。そこで、共振器（２）が作動電極（５）によって振動した場合、全ての共振器（２）の運動電流（ｍｏｔｉｏｎａｌ ｃｕｒｒｅｎｔ）は、読み出し電極（６）で加算され、出力信号の電流は増大する。言い換えれば、共振器アレイ（１）の動的インピーダンスが減少する。
本発明の別の好ましい実施形態では、共振器アレイ（１）の少なくとも二つの共振器（２）は同一ではない。本実施形態では、少なくとも２つの共振器（２）の共振周波数は、互いに異なっている。そのため、共振器アレイ（１）は、作動電極（５）によって作動された場合に、少なくとも２つの異なる信号を読み出し電極（６）から出力することができる。換言すれば、異なる周波数を有する少なくとも２つの信号は、共振器アレイ（１）を通過することができる。本実施形態では、共振器アレイ（１）は、バンドパスフィルタとして使用される。
本発明の別の好ましい実施形態では、共振器アレイ（１）の少なくとも二つの共振器（２）は、同一ではなく、結合膜（３）を介して結合されている。本実施形態では、少なくとも二つの共振器（２）の共振周波数は互いに異なっているが、共振器アレイは、明確に規定された振動モードを有する単一の複合共振器として機能する。
本発明の別の好ましい実施形態では、同一でない共振器（２）と、カップリング膜（３）とを有する共振器アレイ（１）は、作動電極（５）によって作動する。第一のモードが他のモードから十分に遠い場合には、単一の周波数が読み出し電極（６）から出力される。本実施形態では、共振器アレイ（１）は、ノッチフィルタとして使用される。
本発明の別の好ましい実施形態では、同一でない共振器（２）と、カップリング膜（３）とを有する共振器アレイ（１）は、作動電極（５）によって作動する。振動モードが互いに近接している場合、周波数範囲が読み出し電極（６）から出力される。本実施形態では、共振器アレイ（１）は、バンドパスフィルタとして使用される。
本発明の別の好ましい実施形態では、少なくとも２つの共振器（２）は、共振器アレイ（１）の近くの作動電極（５）により作動される。読み出しは、ドップラー振動計、干渉計または位置敏感型検出器などの光検出器によって行われる。
本発明の別の好ましい実施形態では、電流が共振器アレイ（１）の共振器（２）を通過し、共振器アレイ（１）が外部磁場中に配置される場合に、ローレンツ力が作動のために使用される。読み出しは、近くの電極（６）によって容量的に行われる。
本発明の別の好ましい実施形態では、電流が共振器アレイ（１）の共振器（２）を通過し、共振器アレイ（１）が外部磁場中に配置される場合に、ローレンツ力が作動のために使用される。読み出しは、ドップラー振動計、干渉計または位置敏感型検出器などの光検出器によって行われる。
本発明の別の好ましい実施形態では、共振器アレイ（１）内の共振器（２）の外部加熱機構を介して熱作動が使用される。読み出しは、近くの電極（６）またはドップラ振動計、干渉計または位置敏感型検出器などの光検出器によって容量的に行われる。
図３は、図１の共振器アレイ（１）の４つのナノ機械的共振器（２）が１０μｍの長さと、８５ｎｍから１００ｎｍの範囲の直径とを有する場合の寸法変化の影響を示す。結合の非存在下で得られた共振現象によって、電極（６）からの出力電流として測定されたこれらの同一でない共振器の各モードを反映した周波数スペクトルが示される。どの時点でも含まれるナノ機械的共振器の限られた数のみが読み出し電流に寄与するため、このデカップリングによって結果としてより低い再生信号レベルとなる。それどころか、共振器アレイ（１）のこれらの４つの非同一のナノ機械的共振器（２）は、図１に示すように、共振器（２）の両端に膜支持体（３）を介して結合している場合には、完全に異なる共振挙動が得られる。図３は、共振器アレイ（１）の全てのナノワイヤの共振器（２）が同相で振動するモードは、より低い周波数で得られることを示す。この場合、共振器アレイ（１）は、十分に規定された第１モードの共振周波数を有する複合共振器として機能する。また、読み出し電極（６）の信号レベルは、ほぼ３倍に増加する。１３０ｎｍの厚さの支持膜（３）の外形は、５．０μｍの長さと１．６μｍの深さで使用される。
図４は、読み出し電極（６）からの出力信号の大きさに関連するナノ機械的共振器（２）の数（Ｎ）の効果を示している。したがって、関連する機械的共振器（２）の数が増加すると、予想どおりに質量の増加によって周波数が低下し、出力信号が増加する。関連するナノ機械的共振器の数の増加によって、構造を理想的なノッチフィルタ、バンドパスフィルタ及び周波数混合器等の多くの周波数工学用途のうちの一つに変化させるので、さらに重要なことは、品質係数の増加である。
また、発振器の全体の面積は、共振器アレイ（１）内のナノ機械的共振器（２）の数によって変化しないため、基板の面では、不動産（ｒｅａｌ ｅｓｔａｔｅ）は同じままである。この方法では、ナノ機械的共振器（２）の数は、ナノ機械的共振器（２）が配置されたナノ機械的共振器（２）とデバイス層との間の直径と間隔に制限される。
本発明の別の好ましい実施形態では、共振器アレイ（１）の所定の数は、固有の特徴を有する各アレイ（１）が周波数選択の多様性を生じさせる、チップ上の超小型領域内に作製される。
本発明の別の好ましい実施形態では、チップ上の超小型領域内に作製した複数の共振器アレイ（１）は、同一チップ上に配置された周波数操作回路に接続されている。ナノ機械的共振器アレイ（１）の対応する電気的モデリング手順を図５に示す。図５の左側の列で、単一のナノ機械的共振器（２）のためのモデルが示されている。ダブルクランプ単一ナノ機械的共振器（２）は、分析技術又は有限要素解析（ＦＥＡ）プログラムを使用してモデル化される。従ってＦＥＡモデルから得られた第１モード周波数ｆ０は、Ｑ因子及び他のレイアウトパラメータと一緒に使用され、数値計算ツール（ＮＣＴ）によって、曲げの単一のナノ機械的共振器（２）の電気的等価Ｒ、Ｌ、Ｃ値を計算する。（計算は、ジョンソン、ＲＡ、「エレクトロニクスにおける機械的フィルタ」、ジョン・ウイリー＆サン（John Wiley＆Sons）、ニューヨーク、１９８３年、及び、バノンＩＩＩ、Ｆ．Ｄ．、クラーク、Ｊ．Ｒ．、グエン、Ｃ．Ｔ−Ｃ．、「高周波数マイクロ機械的フィルタ」、ＩＥＥＥ Ｊ．Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ、第３５巻、Ｎｏ．4、第５１２−５２６頁、２０００に基づく。）、システム全体の等価電気回路は、回路シミュレーションプログラム（ＣＳＰ）を使用してシミュレートされ、電極−電極間（フィードスルー）の容量（Ｃｆ）、および電極−共振器の静電容量（Ｃ０）を組み込みをＦＥＡプログラムによって計算する。これによって、第１のモードにおける単一ナノ機械的共振器（２）の信号レベルが得られる。
図５の右側の列では、ｎ個のナノ機械的共振器（２）を含む共振器アレイ（１）の全体についてのモデリングが示されている。結合されたナノ機械的共振器アレイ（１）について、ナノ機械的共振器（２）の両端で膜（３）を介して得られた機械的結合は、ＦＥＡ固有振動数解析ツールを用いてモデリングされている。関連するすべてのナノ機械的共振器（２）の同相共振をもたらす相対的に薄い膜（３）を介して機械的結合を得た後、ｎ個のモードの共振周波数が決定される。ナノ機械的共振器（２）のＲＬＣ電気的発振器への変換と同様に、インピーダンスの類推に従って、膜（３）の質量と剛性は、それぞれ、インダクタとキャパシタンス（容量）、ＬｃとＣＣとしてモデル化されている。各結合要素におけるＬｃとＣＣとは、共振器アレイ（１）における結合されたｎ個のナノワイヤ共振器（２）の機械的モードと一致するように調整される。インダクタンスの増加は、質量の増加に対応し、容量増加は、機械的要素の剛性の低下に相当する。この方法は、すべてのｎ個のモードの周波数が一致しており、結合された共振器アレイ（１）の電気機械モデリングが達成される。添字ｉは、ｉ番目の共振器（２）を参照するか、共振器アレイ（１）のｉ番目の結合要素を参照する。図６は、４つ（ｎ＝４）のナノ機械的共振器（２）について対応する回路を示している。図６において、Ｃｐは、寄生容量を示している。
図７は、本発明の振動子アレイ（１）の製造方法を示している。ナノ機械的共振器の垂直配列を得るために様々な方法を使用することができる。シリコン・ベースのアプローチの場合（図７の左側の列）、ボッシュプロセスを用いてＳｉナノワイヤのスタックが製造される。アレイの製造は、デバイスのシリコン層上に、露出させてプラズマエッチングするための２つの窓をパターン形成することによって達成される。これらのウィンドウは、その後のボッシュプロセス中の分割マスクの中心線に沿って両側から扇形（ｓｃａｌｌｏｐｓ）のエッチングの一致（ｍｅｅｔｉｎｇ）を容易にするのに十分に近くなければならない。そこで、ナノワイヤの数は、利用するエッチサイクルの数と等しい。ナノワイヤ間の距離は、化学エッチング工程の時間によって決定される。あるいは、扇形（ｓｃａｌｌｏｐｓ）が分割シリコン列を介して完全にエッチングしない程度に二つのウィンドウの間の距離を保つことができる。さらに、酸化プロセスは、酸化物エンベロープでナノワイヤを形成するために行われる。ナノワイヤは、その後、酸化エンベロープをエッチングすることにより解放される。また、プロセスのパラメータによって、断面および他の幾何学的パラメータのナノワイヤの直径、形状を決定する。（狭い、及び、幅の広いマスクを有する）両方の場合において、さらに、シリコンを酸化した後、必要に応じてさらなるナノワイヤの直径を減少させるために酸化物をエッチングすることができる。酸化物または類似のコーティングは、電極材料が堆積された場合に、ナノワイヤスタック上に犠牲層及び保護層を形成する必要がある。
ナノワイヤ領域は、アレイ形成を達成するために狭くなっているのに対し、膜は、扇形（ｓｃａｌｌｏｐｓ）がそれを介して切断することにより、膜の完全性を破壊することを禁じるより広いエッチングマスクを有することによって得られる。この方法によれば、所望の効果的な膜厚がレイアウト上で達成される。
アレイの形成は、電極のパターニング（図８）によって得られる。電極材料の堆積は、自己整合マスク材料の塗布の後に続ける。その後、ナノワイヤのスタック上に電極材料の化学機械研磨およびエッチングを行う。最終段階は、ナノワイヤのスタック上の犠牲保護コーティングおよび／または酸化物層のエッチングである。このようにして一対の電極が得られる。各電極と共振器スタックとの間の距離は、犠牲保護コーティング及び／又は酸化物層の厚さに等しい。
非シリコンベースのシステム（図７における右側の列）について、２つの異なる材料の順次的方法におけるエピタキシャルまたは同様の成長（一方の構造的なものと他方の犠牲的なもの）によって、垂直アレイを提供できる。犠牲材料の等方的及び選択的エッチングの後、異方性エッチングを介して列をパターニングして、アレイ状に互いにナノ機械的共振器を分離する。作動電極および検出電極の適切な製造によって、図８に示すようにＳｉ系の代替と同じデバイスのスキームを提供する。図７において、第１の犠牲材料（Ｓ１）が堆積され、同様に、図８で最後の解放ステップの間に除去される場合に、第２の犠牲材料（Ｓ２）を保つことができる。
１ 共振器アレイ
２ 共振器
３ 結合（ｃｏｕｐｌｉｎｇ）膜
４ クランプ部材
５ 作動電極（ａｃｔｕａｔｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）
６ 読出電極
Ｃ 共振器キャパシタンス
Ｒ 共振器抵抗
Ｌ 共振器インダクタンス
Ｌａ 作動のための電気機械変換インダクタンス
Ｌｒ 読み出しのための電気機械変換インダクタンス
Ｌｃ 結合要素インダクタンス
Ｃｃ 結合要素キャパシタンス
ＲＤｒｉｖｅ 入力抵抗
ＲＬｏａｄ 出力抵抗
ＶＡＣ 作動電圧
Ｃｆ 電極間（貫通）キャパシタンス
Ｃｏ 電極−共振器間キャパシタンス
Ｃｐ 寄生容量
ｆｏ 第１モード周波数
ＦＥＡ 有限要素解析
ＮＣＴ 数値計算ツール
ＣＳＰ 回路シミュレーションプログラム
ＲＥＳ 共振器の回路表現
ＡＣＴ 作動伝達の回路表現
ＲＯ 読み出し伝達の回路表現
ＣＰ 結合の回路表現（CP
Ｍ マスク
Ｓｉ シリコン
Ｅ エッチストップ
Ｏ 酸化物
Ｓ１ 第１犠牲材料
Ｓ２ 第２犠牲材料
Ｎ 構造材料
Ｃ 電極材料
Ｄ 自己整列マスク材
Ｐ 電極統合
２ 共振器
３ 結合（ｃｏｕｐｌｉｎｇ）膜
４ クランプ部材
５ 作動電極（ａｃｔｕａｔｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）
６ 読出電極
Ｃ 共振器キャパシタンス
Ｒ 共振器抵抗
Ｌ 共振器インダクタンス
Ｌａ 作動のための電気機械変換インダクタンス
Ｌｒ 読み出しのための電気機械変換インダクタンス
Ｌｃ 結合要素インダクタンス
Ｃｃ 結合要素キャパシタンス
ＲＤｒｉｖｅ 入力抵抗
ＲＬｏａｄ 出力抵抗
ＶＡＣ 作動電圧
Ｃｆ 電極間（貫通）キャパシタンス
Ｃｏ 電極−共振器間キャパシタンス
Ｃｐ 寄生容量
ｆｏ 第１モード周波数
ＦＥＡ 有限要素解析
ＮＣＴ 数値計算ツール
ＣＳＰ 回路シミュレーションプログラム
ＲＥＳ 共振器の回路表現
ＡＣＴ 作動伝達の回路表現
ＲＯ 読み出し伝達の回路表現
ＣＰ 結合の回路表現（CP
Ｍ マスク
Ｓｉ シリコン
Ｅ エッチストップ
Ｏ 酸化物
Ｓ１ 第１犠牲材料
Ｓ２ 第２犠牲材料
Ｎ 構造材料
Ｃ 電極材料
Ｄ 自己整列マスク材
Ｐ 電極統合
Claims (17)
- 発振器に用いるのに適した共振器アレイ（１）であって、
ナノメータの大きさであって、垂直に配列された、少なくとも二つの共振器（２）と、
前記共振器をクランプすることによって支持する、少なくとも一つのクランプ要素（４）と、
を備えた、共振器アレイ（１）。 - 前記共振器をその一端から機械的に結合する、少なくとも一つの結合膜（３）と、
前記結合膜（３）をクランプすることによって機械的な結合を支持する、少なくとも一つのクランプ要素（４）と、
をさらに備えた、請求項１に記載の共振器アレイ（１）。 - 前記共振器アレイ（１）の全ての前記共振器（２）は同一である、請求項１又は２に記載の共振器アレイ（１）。
- 前記共振器アレイ（１）の少なくとも二つの共振器（２）は同一でない、請求項１又は２に記載の共振器アレイ（１）。
- 請求項１から４のいずれか一項に記載の共振器アレイ（１）を有する発振器であって、前記発振器は、少なくとも前記共振器アレイを作動させるアクチュエータを備えた、発振器。
- 前記アクチュエータは、作動電極である、請求項５に記載の発振器。
- 前記アクチュエータは、熱アクチュエータである、請求項５に記載の発振器。
- 前記アクチュエータは、磁気アクチュエータである、請求項５に記載の発振器。
- 前記発振器は、前記共振器アレイ（１）の動きを検出する、少なくとも一つの読出電極（６）を備えた、請求項６から８のいずれか一項に記載の発振器。
- 前記発振器は、前記共振器アレイ（１）の動きを検出する、少なくとも一つの光学的検出器を備えた、請求項６から８のいずれか一項に記載の発振器。
- 前記発振器は、異なる周波数応答を有する少なくとも二つの共振器アレイ（１）を備えた、請求項５から１０のいずれか一項に記載の発振器。
- 前記発振器は、少なくとも一つの周波数操作回路構成を備え、各アレイの出力は、前記周波数操作回路構成と接続されている、請求項１１に記載の発振器。
- 請求項１から４のいずれか一項に記載の共振器アレイ（１）の製造方法であって、
デバイスのシリコン層上に２つのウインドウをパターニングし、それを露出させてボッシュ工程を用いてプラズマエッチングする工程と、
さらに酸化を行って、幅広マスクの場合に酸化物エンベロープにナノワイヤを形成する工程と、
前記酸化物エンベロープをエッチングして前記ナノワイヤを解放する工程と、
を含む、共振器アレイ（１）の製造方法。 - 請求項５から１２のいずれか一項に記載の発振器の製造方法であって、
デバイスのシリコン層上に２つのウインドウをパターニングし、それを露出させてボッシュ工程を用いてプラズマエッチングする工程と、
さらに酸化を行って、幅広マスクの場合に酸化物エンベロープにナノワイヤを形成する工程と、
酸化物又は同様の犠牲材料を堆積させてナノワイヤをさらに覆う工程と、
電極材料を堆積させる工程と、
自己整合マスク材料を堆積させる工程と、
電極材料が露出するまで化学機械的研磨を行う工程と、
電極材料をエッチングする工程と、
前記酸化物エンベロープ及び／又は他の犠牲材料をエッチングして前記ナノワイヤを解放する工程と、
を含む、発振器の製造方法。 - 請求項１から４のいずれか一項に記載の共振器アレイ（１）の製造方法であって、
犠牲層と構造層との堆積を互いの上面に順次繰り返して多層構造を形成する工程と、
前記多層構造の上面をパターニングする工程と、
前記多層構造の異方性エッチングを行う工程と、
異方性エッチングによって前記犠牲層を除去してナノワイヤを解放する工程と、
を含む、共振器アレイ（１）の製造方法。 - 請求項５から１２のいずれか一項に記載の発振器の製造方法であって、
犠牲層と構造層との堆積を互いの上面に順次繰り返して多層構造を形成する工程と、
前記多層構造の上面をパターニングする工程と、
前記多層構造の異方性エッチングを行う工程と、
新たな等角の犠牲層を堆積させる工程と、
電極材料を堆積させる工程と、
自己整合マスク材料を堆積させる工程と、
電極材料が露出するまで化学機械的研磨を行う工程と、
電極材料をエッチングする工程と、
異方性エッチングによって全ての前記犠牲層を除去してナノワイヤを解放する工程と、
を含む、発振器の製造方法。 - 請求項５から１２のいずれか一項に記載の発振器の製造方法であって、
犠牲層と構造層との堆積を互いの上面に順次繰り返して多層構造を形成する工程と、
前記多層構造の上面をパターニングする工程と、
前記多層構造の異方性エッチングを行う工程と、
前記犠牲層の等方性エッチングを行う工程と、
新たな等角の犠牲層を堆積させる工程と、
電極材料を堆積させる工程と、
自己整合マスク材料を堆積させる工程と、
電極材料が露出するまで化学機械的研磨を行う工程と、
電極材料をエッチングする工程と、
異方性エッチングによって前記犠牲層を除去してナノワイヤを解放する工程と、
を含む、発振器の製造方法。
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