JP4341288B2 - Ｍｅｍｓ型共振器及びその製造方法、並びにフィルタ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＭＥＭＳ型共振器及びその製造方法、並びにＭＥＭＳ型共振器を有するフィルタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、マイクロマシン（ＭＥＭＳ：Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ、超小型電気的・機械的複合体）素子、及びＭＥＭＳ素子を組み込んだ小型機器が、注目されている。ＭＥＭＳ素子の基本的な特徴は、機械的構造として構成されている駆動体が素子の一部に組み込まれていることであって、駆動体の駆動は、電極間のクローン力などを応用して電気的に行われる。
【０００３】
半導体プロセスによるマイクロマニシング技術を用いて形成された微小振動素子は、デバイスの占有面積が小さいこと、高いＱ値を実現できること、他の半導体デバイスとの集積が可能なこと、という特長により、無線通信デバイスの中でも中間周波数（ＩＦ）フィルタ、高周波（ＲＦ）フィルタとしての利用がミシガン大学を始めとする研究機関から提案されている（非特許文献１参照）。
【０００４】
図１６は、非特許文献１に記載された高周波フィルタを構成する振動素子、即ちＭＥＭＳ型の振動素子の概略を示す。この振動素子１は、半導体基板２上に絶縁膜３を介して例えば多結晶シリコンによる入力側配線層４と出力電極５が形成され、この出力電極５に対向して空隙６を挟んで例えば多結晶シリコンによる振動可能なビーム、所謂ビーム型の振動電極７が形成されて成る。振動電極７は、両端のアンカー部（支持部）８〔８Ａ，８Ｂ〕にて支持されるように、出力電極５をブリッジ状に跨いで入力側配線層４に接続される。振動電極７は入力電極となる。入力側配線層４の端部には、例えば金（Ａｕ）膜９が形成される。この振動素子１では、入力側配線層４の金（Ａｕ）膜９より入力端子ｔ１ 、出力電極５より出力端子ｔ２ が導出される。
【０００５】
この振動素子１は、振動電極７と接地間にＤＣバイアス電圧Ｖ１ が印加された状態で、入力端子ｔ１ を通じて振動電極７に高周波信号Ｓ１ が供給される。即ち、入力端子ｔ１ からＤＣバイアス電圧Ｖ１ と高周波信号Ｓ１ が重畳された入力信号が供給される。目的周波数の高周波信号Ｓ１ が入力されると、長さＬで決まる固有振動数を有する振動電極７が、出力電極５と振動電極７間に生じる静電力で振動する。この振動によって、出力電極５と振動電極７との間の容量の時間変化とＤＣバイアス電圧に応じた高周波信号が出力電極５（したがって、出力端子ｔ２ ）から出力される。高周波フィルタでは振動電極７の固有振動数（共振周波数）に対応した信号が出力される。
【０００６】
【非特許文献１】
Ｃ．Ｔ．−Ｎｇｕｙｅｎ，″Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｆｏｒ ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚｅｄ ｌｏｗ−ｐｏｗｅｒ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ（ｉｎｖｉｔｅｄ ｐｌｅｎａｒｙ），″ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，１９９９ ＩＥＥＥ ＭＴＴ−Ｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ＲＦ ＭＥＭＳ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ，Ｊｕｎｅ，１８，１９９９，ｐｐ．４８−７７．
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、これまでに提案され、検証された微小振動子の共振周波数は、最高でも２００ＭＨｚを超えず、従来の表面弾性波（ＳＡＷ）あるいは薄膜弾性波（ＦＢＡＲ）によるＧＨｚ領域のフィルタに対して、微小振動子の特性である高いＱ値をＧＨｚ帯周波数領域で提供することができていない。
【０００８】
現在のところ、一般的に高い周波数領域では出力信号としての共振ピークが小さくなる傾向があり、良好なフィルタ特性を得るためには、共振ピークのＳＮ比を向上する必要がある。ミシガン大学の文献に係るディスク型の振動子によれば、出力信号のノイズ成分は、入力電極なる振動電極７と出力電極５間に構成される寄生容量Ｃ０ を直接透過する信号によっている。一方においてディスク型の振動子で、十分な出力信号を得るには、３０Ｖを超えるＤＣバイアス電圧が必要であるために、実用的な振動電極構造としては両持ち梁を用いたビーム型の構造であることが望ましい。
【０００９】
しかし、上述の図１６の振動子１の場合、振動電極７と出力電極５間の空隙６が小さく、両電極７及び５の対向面積も所要の大きさを持っているので、入力電極となる振動電極７と出力電極５間の寄生容量Ｃ０ が大きくなる。このため、寄生容量Ｃ０ のインピーダンスＺ０ と、共振系（抵抗Ｒｘ，インダクタンスＬｘ，容量Ｃｘ）のインピーダンスＺｘとの比Ｚ０ ／Ｚｘが小さくなり、出力信号のＳＮ比が小さくなる。振動電極７と出力電極５間の空隙を小さくして出力信号を大きく取ろうとすれば、寄生容量Ｃ０ も大きくなるという、ジレンマを抱える。
【００１０】
本発明は、上述の点に鑑み、出力信号のＳＮ比を向上させたＭＥＭＳ型共振器及びその製造方法を提供するものである。
また、本発明は、出力信号のＳＮ比を向上させたＭＥＭＳ型共振器を有するフィルタを提供するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るＭＥＭＳ型共振器は、基板の同一平面上に高周波信号を入力する第１の電極と、高周波信号を出力する第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間に配置された接地電位が供給される第４の電極と、第１電極、第２及び第４の電極に対して空間を挟んで配置された振動板となる第３の電極とを有して成る電極と第２の電極との間に、接地電位が供給される第４の電極を配置して成る。
【００１２】
本発明のＭＥＭＳ型共振器においては、基板の同一平面上に第１の電極すなわち入力電極と第２の電極即ち出力電極とが形成され、これら入出力電極に対向して第３の電極すなわち振動電極が形成されるので、入出力電極間の対向面積が小さくなり且つ入出力電極間の間隔が従来に比して大きくとることができる。従って、入出力電極間の寄生容量が低減し、入力電極から出力電極への寄生容量を介した信号の透過が抑制される。さらに、上記入力電極と上記出力電極との間に、接地電位が供給される第４の電極すなわち接地電極を配置されるので、入出力電極間の寄生容量が限りなく小さくなる。寄生容量を通して入出力電極間に流れんとする信号は、接地電極に流れることになる。従って、入力電極から出力電極への寄生容量を介した信号の透過がさらに抑制される。
【００１３】
本発明に係るフィルタは、基板の同一平面上に高周波信号を入力する第１の電極と、高周波信号を出力する第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間に配置された接地電位が供給される第４の電極と、第１、第２及び第４の電極に対して空間を挟んで配置された振動板となる第３の電極とからなるＭＥＭＳ型共振器を有して成る。
【００１４】
本発明のフィルタにおいては、基板の同一平面上に第１の電極すなわち入力電極と第２の電極即ち出力電極とが形成され、さらに入力電極と上記出力電極との間に、接地電位が供給される第４の電極すなわち接地電極が形成され、これら入出力電極及び接地電極に対向して第３の電極すなわち振動電極が形成されたＭＥＭＳ型共振器を有して構成される。これにより、上記のようにＭＥＭＳ型共振器における入出力電極間の寄生容量が低減し、入力電極から出力電極への寄生容量を介した信号の透過が抑制される。特に、入力電極と上記出力電極との間に、接地電位が供給される第４の電極すなわち接地電極が配置されるので、ＭＥＭＳ型共振器における入出力で間の寄生容量が限りなく小さくなり、入力電極から出力電極への寄生容量を介した信号の透過がさらに抑制される。
【００１５】
本発明に係るＭＥＭＳ型共振器の製造方法は、基板上に入力となる第１の電極と、出力となる第２の電極と、接地される第４の電極と、第１、第２及び第４の電極の両側に位置する導電層とを選択的に形成する工程と、第１、第２、第４の電極及び導電層を含む全面上に犠牲層を形成し、この犠牲層を平坦化する工程と、導電層に一部接続されるように犠牲層上に振動板となる第３の電極を形成する工程と、犠牲層を選択的に除去する工程とを有する
【００１６】
本発明のＭＥＭＳ型共振器の製造方法においては、基板上に第１の電極すなわち入力電極、第２の電極すなわち出力電極、第４の電極即ち接地電極及び配線層を形成し、犠牲層を形成した後、犠牲層を平坦化する工程を有するので、第３の電極すなわち振動電極と入出力電極間の間隔（いわゆる空間）を精度よく制御できる。また振動電極が平坦に形成され、各振動モードに適した振動板として形成される。そして、上記一連の工程により、精度よく且つ容易に入出力電極間の寄生容量を限りなく小さくした目的のＭＥＭＳ型共振器の製造が可能になる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１８】
ＭＥＭＳ型の振動子によるＲＦ共振器は、図１０に示すような等価回路に置き換えることができる。即ち、入力端子ｔ１ と出力端子ｔ２ 間に、共振系を構成する抵抗ＲｘとインダクタンスＬｘと容量Ｃｘの直列回路と、入出力電極間の空隙による寄生容量Ｃ０ が並列に挿入される。振動系のインピーダンスをＺｘ、寄生容量Ｃ０ のインピーダンスをＺ０ とすると、出力信号のＳＮ比は、Ｚ０ ／Ｚｘに相当する。Ｚ０ ／Ｚｘの値が大きいほど共振系の信号は、寄生容量Ｃ０ を透過する信号に比べて大きく、１に近づくにつれ共振系を透過する信号と寄生容量Ｃ０ を透過する信号は同程度となる。また、Ｚ０ ／Ｚｘ∝１／Ｃ０ が成り立つ。従って、入力電極と出力電極間の容量Ｃ０ の低減は、ＳＮ比を向上させるために最も重要なポイントの一つである。
【００１９】
図１及び図２は、本発明に係るＭＥＭＳ型共振器の理解を容易にするための、参考例を示す。本参考例に係るＭＥＭＳ型共振器１１は、基板１２の同一平面上、即ち基板１２の少なくとも絶縁性を有する表面上に、互いに所要の間隔を置いて配置された高周波信号Ｓ２を入力する第１の電極（以下、入力電極という）１４と、高周波信号を出力する第２の電極（以下、出力電極という）１５と、これら入力電極１４及び出力電極１５に対して空間１６を挟んで配置された振動板となる第３電極（以下、振動電極という）１７とを有して成る。振動電極１７は、入出力電極１４、１５をブリッジ状に跨ぎ、入出力電極１４、１５の外側に配置した配線層１８に接続されるように、両端を支持部（いわゆるアンカー部）１９〔１９Ａ，１９Ｂ〕で一体に支持される。
【００２０】
基板１２は、例えばシリコン（Ｓｉ）やガリウム砒素（ＧａＡｓ）などの半導体基板上に絶縁膜を形成した基板、石英基板やガラス基板のような絶縁性基板等が用いられる。本例では、シリコン基板２１上にシリコン酸化膜２２及びシリコン窒化膜２３を積層した基板１２が用いられる。入力電極１４、出力電極１５及び配線層１８は、同じ導電材料で形成し、例えば多結晶シリコン膜、アルミニウム（Ａｌ）などの金属膜にて形成することができる。振動電極１７は、例えば多結晶シリコン膜、アルミニウム（Ａｌ）などの金属膜にて形成することができる。
【００２１】
入力電極１４には入力端子ｔ１ が導出され、入力端子ｔ１ を通じて入力電極１４に高周波信号Ｓ２ が入力されるようになす。出力電極１５には出力端子ｔ２ が導出され、出力端子ｔ２ から目的周波数の高周波信号が出力されるようになす。振動電極１７には所要のＤＣバイアス電圧Ｖ２ が印加されるようになす。
【００２２】
本参考例に係るＭＥＭＳ型共振器１１の動作は次の通りである。
振動電極１７には所要のＤＣバイアス電圧Ｖ２ が印加さる。入力端子ｔ１ を通じて高周波信号Ｓ２ が入力電極１４に入力される。目的周波数の高周波信号が入力されると、振動電極１７と入力電極１４間に生じる静電力で図３に示すように、２次の振動モード２５で振動電極１７が共振する。この振動電極１７の共振で出力電極１５から出力端子ｔ２ を通じて目的周波数の高周波信号が出力される。他の周波数の信号が入力されたときは振動電極１７が共振せず、出力端子ｔ２ からは信号が出力されない。
【００２３】
本参考例に係るＭＥＭＳ型共振器１１によれば、前述の図１６のＭＥＭＳ型の振動子１に比べて、入出力電極１４及び１５の対向面積が小さく且つ入出力電極１４及び１５間の間隔を大きくすることができので、入出力電極１４及び１５間の寄生容量Ｃ０ は小さくなる。一方、大きな出力信号を得るために振動電極１７と入出力電極１４、１５との空間１６を小さくすることができる。この空間１６を小さくすることは寄生容量Ｃ０ に影響を与えない。このため、本実施の形態のＭＥＭＳ型共振器１１は、図１６の従来のものに比べて出力信号のＳＮ比を向上させることができる。
【００２４】
上例では１つの入力電極１４と１つの出力電極１５を配置して２次振動モードのＭＥＭＳ型共振器を構成したが、その他、図示せざるも２つの入力電極と、両入力電極間に１つの出力電極を配置して３次振動モードにする等、入力電極及び出力電極の数、配置を変更して多次振動モードのＭＥＭＳ型共振器を構成することもできる。
【００２５】
図１２〜図１３は、上述のＭＥＭＳ型共振器１１の製造方法の一例を示す。
先ず、図１２Ａに示すように、基板１２上に電極となるべき導電膜４１を形成する。本例ではシリコン基板２１上に絶縁膜であるシリコン酸化膜２２及びシリコン窒化膜２３を積層した基板１２を用いる。導電膜４１としては、後の犠牲層とエッチング比がとれる材料で形成する必要があり、本例では多結晶シリコン膜で形成する。
【００２６】
次に、図１２Ｂに示すように、導電膜４１をパターニングして入力電極１４、出力電極１５及び外側の配線層１８を形成する。
次に、図１２Ｃに示すように、入力電極１４、出力電極１５及び配線層１８を含む全面に犠牲層４２を形成する。犠牲層４２は、下地の絶縁膜（本例ではシリコン窒化（ＳｉＮ）膜）及び多結晶シリコンによる各電極１４、１４、３２及び配線層１８とエッチング比がとれる材料、本例ではシリコン酸化（ＳｉＯ２）膜で形成する。
【００２７】
次に、図１２Ｄに示すように、例えば化学機械研磨（ＣＭＰ）法などにより犠牲層４２を平坦化する。
次に、図１３Ｅに示すように、両外側の配線層１８上の犠牲層４２に選択エッチングによりコンタクト孔４３を形成する。
【００２８】
次に、図１３Ｆに示すように、コンタクト孔４３内を含む犠牲層４２上に振動電極となる導電膜４４、本例では犠牲層４２とエッチング比が多結晶シリコン膜を形成する。その後、この導電膜４４をパターニングして外側の両配線層１８に接続された多結晶シリコン膜からなる振動電極１７を形成する。振動電極１７と配線層１８間の部分が振動電極１７を両持ち梁構造として支持する支持部（アンカー）１９〔１９Ａ，１９Ｂ〕となる。
【００２９】
次に、図１３Ｇに示すように、犠牲層４２をエッチング除去する。犠牲層４２のエッチング除去は、本例ではシリコン酸化膜であるので、フッ酸溶液によりウェットエッチングで行う。かくして目的のＭＥＭＳ型共振器３１を得る。
【００３０】
なお、電極１４、１５及び配線層１８を金属の例えばアルミニウム（Ａｌ）膜で形成し、犠牲層４２を非晶質シリコン層で形成するときは、犠牲層４２をＸｅＦ２ ガスによるドライエッチングで除去することができる。また、下地絶縁膜をシリコン酸化（ＳｉＯ２ ）膜とし、電極１４、１５及び配線層１８を多結晶シリコン膜またはアルミニウム（Ａｌ）膜とし、犠牲層４２をフォトレジスト膜としたときには、犠牲層４２を酸素Ｏ２プラズマによるドライエッチングで除去することができる。
【００３１】
本参考例の形態の製造方法によれば、基板１２上に入力電極１４、出力電極１５及び配線層１８を同じ導電膜４１で形成し、犠牲層４２を形成した後、犠牲層４２を平坦化する工程を有するので、振動電極１７と入出力電極１４、１５との間に間隔（空間１６）を精度良く制御できる。また振動電極１７を平坦に形成することができ、各振動モードに適した振動板として形成することができる。そして、上記一連の工程により、精度よく且つ容易に入出力電極間の寄生容量Ｃ０ が低減し、ＳＮ比が向上した目的のＭＥＭＳ型共振器１１を製造することができる。
【００３２】
図４及び図５に、更にＳＮ比を向上させ本発明に係るＭＥＭＳ型共振器の一実施の形態を示す。本実施の形態に係るＭＥＭＳ型共振器３１は、基板１２の同一平面上、即ち基板１２の少なくとも絶縁性を有する表面上に、相互に所要の間隔を置いて配置された高周波信号Ｓ２を入力する第１電極である入力電極１４と、高周波信号を出力する第２の電極である出力電極１５と、入出力電極１４及び１５の間に配置された接地電位を供給する第４の電極（以下、接地電極という）３２と、これら入力電極１４、出力電極１５及び接地電極３２に対して空間１６を挟んで配置された振動板となる第３電極の振動電極１７とを有して成る。振動電極１７は、入出力電極１４、１５及び接地電極３２をブリッジ状に跨ぎ、入出力電極１４、１５、接地電極３２の外側に配置した配線層１８に接続されるように、両端を支持部（いわゆるアンカー部）１９〔１９Ａ，１９Ｂ〕で一体に支持される。ここで、振動電極１７と入出力電極１４，１５との間のギャップＸ１と、入出力電極１４，１５と接地電極３２との間のギャップＸ２は、Ｘ２＞Ｘ１とすることができる。
【００３３】
入力電極１４、出力電極１５、接地電極３２及び配線層１８は、同じ導電材料で形成し、例えば多結晶シリコン膜、アルミニウム（Ａｌ）などの金属膜にて形成することができる。振動電極１７は、例えば多結晶シリコン膜、アルミニウム（Ａｌ）などの金属膜にて形成することができる。入力電極１４には入力端子ｔ１ が導出され、入力端子ｔ１ を通じて入力電極１４に高周波信号Ｓ２ が入力されるようになす。振動電極１５には出力端子ｔ２ が導出され、出力端子ｔ２ から目的周波数の高周波信号が出力されるようになす。接地電極３２には接地（ＧＮＤ）電位が印加されるようになす。振動電極１７には所要のＤＣバイアス電圧Ｖ２ が印加されるようになす。
【００３４】
その他の構成は、前述の図１及び図２と同様であるので、対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
【００３５】
本実施の形態に係るＭＥＭＳ型共振器３１の動作は、図１及び図２の場合と同様である。即ち、振動電極１７には所要のＤＣバイアス電圧Ｖ２ が印加さる。入力端子ｔ１ を通じて高周波信号Ｓ２ が入力電極１４に入力される。目的周波数の高周波信号が入力されると、振動電極１７と入力電極１４間に生じる静電力で図６に示すように、２次の振動モード２５で振動電極１７が共振する。この振動電極１７の共振で出力電極１５から出力端子ｔ２ を通じて目的周波数の高周波信号が出力される。他の周波数の信号が入力されたときは振動電極１７が共振せず、出力端子ｔ２ からは信号が出力されない。
【００３６】
本実施の形態に係るＭＥＭＳ型共振器３１によれば、入力電極１４と出力電極１５との間に接地電極３２を配置することにより、図１１の等価回路に示すように、入力電極１４及び出力電極１５間の寄生容量Ｃ０ が限りなく小さくなる。即ち、この等価回路では、図１でのＭＥＭＳ型共振器１１に元々有った寄生容量Ｃ０ が、接地電極３２との間の容量Ｃ０１と容量Ｃ０２に分配された形になる。これにより、元々の寄生容量Ｃ０ を透過する信号が接地電極３２側に流れ、出力電極１５側に流れない。従って、入力された高周波信号の漏れがなくなり、出力信号のＳＮ比が向上する。信号の一部は接地側に流れるので、信号レベルは落ちるも、信号レベルは出力側の負荷抵抗Ｒ０ 等により電気的に補償するようになせばよい。従って、図１及び図２のＭＥＭＳ型共振器１１に比べてさらに寄生容量Ｃ０ を低減し、さらにＳＮ比を向上させることができる。
【００３７】
図１４〜図１５に、上述のＭＥＭＳ型共振器３１の製造方法の一例を示す。
先ず、図１４Ａに示すように、基板１２上に電極となるべき導電膜４１を形成する。本例ではシリコン基板２１上に絶縁膜であるシリコン酸化膜２２及びシリコン窒化膜２３を積層した基板１２を用いる。導電膜４１としては、後の犠牲層とエッチング比がとれる材料で形成する必要があり、本例では多結晶シリコン膜で形成する。
【００３８】
次に、図１４Ｂに示すように、導電膜４１をパターニングして入力電極１４、出力電極１５、両電極１４及び１５間の接地電極３２、外側の配線層１８を形成する。
次に、図１４Ｃに示すように、入力電極１４、出力電極１５、接地電極３２及び配線層１８を含む全面に犠牲層４２を形成する。犠牲層４２は、下地の絶縁膜（本例ではシリコン窒化（ＳｉＮ）膜）及び多結晶シリコンによる各電極１４、１４、３２及び配線層１８とエッチング比がとれる材料、本例ではシリコン酸化（ＳｉＯ２）膜で形成する。
【００３９】
次に、図１４Ｄに示すように、例えば化学機械研磨（ＣＭＰ）法などにより犠牲層４２を平坦化する。
【００４０】
次に、図１５Ｅに示すように、両外側の配線層１８上の犠牲層４２に選択エッチングによりコンタクト孔４３を形成する。
【００４１】
次に、図１５Ｆに示すように、コンタクト孔４３内を含む犠牲層４２上に振動電極となる導電膜４４、本例では犠牲層４２とエッチング比が多結晶シリコン膜を形成する。その後、この導電膜４４をパターニングして外側の両配線層１８に接続された多結晶シリコン膜からなる振動電極１７を形成する。振動電極１７と配線層１８間の部分が振動電極１７を両持ち梁構造として支持する支持部（アンカー）１９〔１９Ａ，１９Ｂ〕となる。
【００４２】
次に、図１５Ｇに示すように、犠牲層４２をエッチング除去する。犠牲層４２のエッチング除去は、本例ではシリコン酸化膜であるので、フッ酸溶液によりウェットエッチングで行う。かくして目的のＭＥＭＳ型共振器３１を得る。
【００４３】
なお、電極１４、１５、３２及び配線層１８となる導電膜４１、犠牲層４２、下地絶縁膜２３の材料の組み合わせ、さらに犠牲層４２のエッチャント等は、前述と同様のものを選択することができる。
【００４４】
本実施の形態の製造方法によれば、基板１２上に入力電極１４、出力電極１５、接地電極３２及び配線層１８を同じ導電膜４１で形成し、犠牲層４２を形成した後、犠牲層４２を平坦化する工程を有するので、振動電極１７と入出力電極１４、１５との間に間隔（空間１６）を精度良く制御できる。また振動電極１７を平坦に形成することができ、各振動モードに適した振動板として形成することができる。そして、上記一連の工程により、精度よく且つ容易に入出力電極間の寄生容量Ｃ０ が低減し、ＳＮ比が向上した目的のＭＥＭＳ型共振器３１を製造することができる。
【００４５】
図７及び図８に、本発明に係るＭＥＭＳ型共振器の他の実施の形態を示す。本実施の形態に係るＭＥＭＳ型共振器３５は、基板１２の同一平面上、即ち基板１２の少なくとも絶縁性を有する表面上に、相互に所要の間隔を置いて配置された高周波信号Ｓ２を入力する２つの入力電極１４〔１４Ａ，１４Ｂ〕と、高周波信号を出力する１つの出力電極１５と、入力電極１４Ａと出力電極１５間、入力電極１４Ｂと出力電極１５間に、それぞれ配置した接地電極３２〔３２Ａ，３２Ｂ〕と、これら入力電極１４〔１４Ａ，１４Ｂ〕、出力電極１５及び接地電極３２〔３２Ａ，３２Ｂ〕に対して空間１６を挟んで配置された振動電極１７とを有して成る。本例では中央に出力電極１５が配置され、これの両側に接地電極３２〔３２Ａ，３Ｂ〕、入力電極１４〔１４Ａ，１４Ｂ〕が配置される。振動電極１７は、入出力電極１４〔１４Ａ，１４Ｂ〕、１５及び接地電極３２〔３２Ａ，３２Ｂ〕をブリッジ状に跨ぎ、入出力電極１４、１５、接地電極３２の外側に配置した導電層１８に接続されるように、両端を支持部（いわゆるアンカー部）１９〔１９Ａ，１９Ｂ〕で一体に支持される。ここで、接地電極３２Ａ，３２Ｂは、後述するように振動電極１７の振動の節となる部分に近接して配置される。
【００４６】
入力電極１４〔１４Ａ，１４Ｂ〕には入力端子ｔ１ が導出され、入力端子ｔ１ を通じて入力電極１４〔１４Ａ，１４Ｂ〕に高周波信号Ｓ２ が入力されるようになす。振動電極１５には出力端子ｔ２ が導出され、出力端子ｔ２ から目的周波数の高周波信号が出力されるようになす。接地電極３２〔３２Ａ，３２Ｂ〕には接地（ＧＮＤ）電位が印加されるようになす。振動電極１７には所要のＤＣバイアス電圧Ｖ２ が印加されるようになす。なお、２つの入力電極１４Ａ及び１４Ｂは１つの入力電極パッドから分岐して形成され、２つの接地電極３２Ａ及び３２Ｂは１つの接地電極パッドから分岐して形成される。
【００４７】
基板１２、入力電極１４〔１４Ａ，１４Ｂ〕、出力電極１５、接地電極３２〔３２Ａ，３２Ｂ〕及び導電層１８〔１８Ａ，１８Ｂ〕等、その他の構成は図４及び図５と同様であるので、対応する部分に同一符号を付して重複説明を省略する。
なお、上例では中央を出力電極１５とし、これを挟んで２つの入力電極１４Ａ，１４Ｂを配置し、入出力電極間に接地電極３２を配置した構成であるが、中央を入力電極１４とし、これを挟んで２つの出力電極１５を配置し、入出力で間に接地電極３２を配置した構成とすることもできる。
【００４８】
本実施の形態に係るＭＥＭＳ型共振器３５の動作は、図４及び図５の場合と同様である。即ち、振動電極１７には所要のＤＣバイアス電圧Ｖ２ が印加さる。入力端子ｔ１ を通じて高周波信号Ｓ２ が入力電極１４〔１４Ａ，１４Ｂ〕に入力される。目的周波数の高周波信号が入力されると、振動電極１７と入力電極１４〔１４Ａ，１４Ｂ〕間に生じる静電力で振動電極１７が共振する。この場合、図９に示すように、３次の振動モード２６で振動電極１７が共振する。この振動電極１７の共振で出力電極１５から出力端子ｔ２ を通じて目的周波数の高周波信号が出力される。他の周波数の信号が入力されたときは振動電極１７が共振せず、出力端子ｔ２ からは信号が出力されない。
【００４９】
本実施の形態に係るＭＥＭＳ型共振器３５によれば、入力電極１４〔１４Ａ，１４Ｂ〕と出力電極１５との間に夫々接地電極３２〔３２Ａ，３２Ｂ〕を配置することにより、入力電極１４及び出力電極１５間の寄生容量Ｃ０ を図４及び図５と同様に低減することができる。従って、ＭＥＭＳ型共振器１１に比べてさらにＳＮ比を向上させることができる。
【００５０】
本実施の形態に係るＭＥＭＳ型共振器３５の製造方法は、図１４Ａから図１５Ｇで示した前述のＭＥＭＳ型共振器３１の製造方法と同様にして製造することができる。
【００５１】
図１及び図２のＭＥＭＳ型共振器１１において、入力電極１４及び出力電極１５のいずれか一方の電極を中心に配し、他方の電極を一方の電極を中心としてリング状に配置し、振動電極１７を両電極１４、１５上に対向して配置するようにした構成とすることもできる。電極の形状は、円形、四角形状、その他の形状等、適宜選択できる。
図４及び図５のＭＥＭＳ型共振器３１、あるいは図７及び図８のＭＥＭＳ型共振器３５において、入力電極１４及び出力電極１５のいずれか一方の電極を中心に配し、他方の電極及び接地電極３２を一方の電極を中心としてリング状に配置し、振動電極１７を電極１４、１５及び３２上に対向して配置するようにした構成とすることもできる。電極の形状は、円形、四角形状、その他の形状等、適宜選択できる。
【００５２】
上述の実施の形態では、２次振動モード及び３次振動モードのＭＥＭＳ型共振器に適用したが、４次振動モード以上の多次振動モードのＭＥＭＳ型共振器にも適用可能である。
【００５３】
本発明は、上述の実施の形態に係るＭＥＭＳ型共振器３１あるいはＭＥＭＳ型共振器３５を有して高周波フィルタ、中間周波フィルタ等のフィルタを構成する。ＭＥＭＳ型共振器３１あるいは３５を有してフィルタを構成することにより、入出力電極１４及び１５間に接地電極３２が配置されるので、入出力電極間の寄生容量Ｃ０ を限りなく小さくなり、ＭＥＭＳ型共振器１１を有するフィルタに比べて、さらに出力信号のＳＮ比を向上することができる。
【００５４】
【発明の効果】
本発明に係るＭＥＭＳ型共振器によれば、基板の同一平面上に高周波信号を入力する第１の電極と高周波信号を出力する第２の電極と接地電位が供給される第４の電極を配置し、これら第１、第２、第４の電極に対向して振動板となる第３の電極を配置した構成とすることにより、第１及び第２の電極間、つまり入出力電極極間の寄生容量が限りなく小さくなり、出力信号のＳＮ比を向上することができる。
【００５５】
本発明に係るフィルタによれば、上記ＭＥＭＳ型共振器を有することにより、出力信号のＳＮ比を向上することができる。
【００５６】
本発明に係るＭＥＭＳ型共振器の製造方法によれば、入出力電極となる第１、第２の電極、及び接地電極となる第４の電極と振動板となる第３ので間の間隔を精度よく制御することができると共に、第３の電極を振動に適した平坦に形成することができる。そして入出力電極間の寄生容量を低減、あるいは限りなく小さくしたＭＥＭＳ型共振器を、精度良く且つ容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ＭＥＭＳ型共振器の参考例を示す構成図である。
【図２】 ＭＥＭＳ型共振器の参考例を示す平面図である。
【図３】 ＭＥＭＳ型共振器の参考例の振動モードを示す説明図である。
【図４】 本発明に係るＭＥＭＳ型共振器の一実施の形態を示す構成図である。
【図５】 本発明に係るＭＥＭＳ型共振器の一実施の形態を示す平面図である。
【図６】 本発明に係るＭＥＭＳ型共振器の一実施の形態の振動モードを示す説明図である。
【図７】 本発明に係るＭＥＭＳ型共振器の他の実施の形態を示す構成図である。
【図８】 本発明に係るＭＥＭＳ型共振器の他の実施の形態を示す平面図である。
【図９】 本発明に係るＭＥＭＳ型共振器の他の実施の形態の振動モードを示す説明図である。
【図１０】 ＭＥＭＳ型共振器の等価回路図である。
【図１１】 図４の実施の形態に係るＭＥＭＳ型共振器の等価回路図である。
【図１２】 Ａ〜Ｄ 参考例に係るＭＥＭＳ型共振器の製造方法を示す製造工程図（その１）である。
【図１３】 Ｅ〜Ｇ 参考例に係るＭＥＭＳ型共振器の製造方法を示す製造工程図（その２）である。
【図１４】 Ａ〜Ｄ 本発明に係るＭＥＭＳ型共振器の製造方法の実施の形態の一例を示す製造工程図（その１）である。
【図１５】 Ｅ〜Ｇ 本発明に係るＭＥＭＳ型共振器の製造方法の実施の形態の一例を示す製造工程図（その２）である。
【図１６】 従来のＭＥＭＳ型の振動子の例を示す構成図である。
【符号の説明】
１１、３１、３５・・ＭＥＭＳ型共振器、１２・・基板、１４、１４Ａ、１４Ｂ・・入力電極、１５・・出力電極、１６・・空間、１７・・振動電極、１８・・配線層、１９〔１９Ａ，１９Ｂ〕・・支持部、２１・・シリコン基板、２２・・シリコン酸化膜、２３・・シリコン窒化膜、３２、３２Ａ、３２Ｂ・・接地電極、４１・・導電膜、４２・・犠牲層、４３・・コンタクト孔、４４・・導電膜
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＭＥＭＳ型共振器及びその製造方法、並びにＭＥＭＳ型共振器を有するフィルタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、マイクロマシン（ＭＥＭＳ：Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ、超小型電気的・機械的複合体）素子、及びＭＥＭＳ素子を組み込んだ小型機器が、注目されている。ＭＥＭＳ素子の基本的な特徴は、機械的構造として構成されている駆動体が素子の一部に組み込まれていることであって、駆動体の駆動は、電極間のクローン力などを応用して電気的に行われる。
【０００３】
半導体プロセスによるマイクロマニシング技術を用いて形成された微小振動素子は、デバイスの占有面積が小さいこと、高いＱ値を実現できること、他の半導体デバイスとの集積が可能なこと、という特長により、無線通信デバイスの中でも中間周波数（ＩＦ）フィルタ、高周波（ＲＦ）フィルタとしての利用がミシガン大学を始めとする研究機関から提案されている（非特許文献１参照）。
【０００４】
図１６は、非特許文献１に記載された高周波フィルタを構成する振動素子、即ちＭＥＭＳ型の振動素子の概略を示す。この振動素子１は、半導体基板２上に絶縁膜３を介して例えば多結晶シリコンによる入力側配線層４と出力電極５が形成され、この出力電極５に対向して空隙６を挟んで例えば多結晶シリコンによる振動可能なビーム、所謂ビーム型の振動電極７が形成されて成る。振動電極７は、両端のアンカー部（支持部）８〔８Ａ，８Ｂ〕にて支持されるように、出力電極５をブリッジ状に跨いで入力側配線層４に接続される。振動電極７は入力電極となる。入力側配線層４の端部には、例えば金（Ａｕ）膜９が形成される。この振動素子１では、入力側配線層４の金（Ａｕ）膜９より入力端子ｔ１ 、出力電極５より出力端子ｔ２ が導出される。
【０００５】
この振動素子１は、振動電極７と接地間にＤＣバイアス電圧Ｖ１ が印加された状態で、入力端子ｔ１ を通じて振動電極７に高周波信号Ｓ１ が供給される。即ち、入力端子ｔ１ からＤＣバイアス電圧Ｖ１ と高周波信号Ｓ１ が重畳された入力信号が供給される。目的周波数の高周波信号Ｓ１ が入力されると、長さＬで決まる固有振動数を有する振動電極７が、出力電極５と振動電極７間に生じる静電力で振動する。この振動によって、出力電極５と振動電極７との間の容量の時間変化とＤＣバイアス電圧に応じた高周波信号が出力電極５（したがって、出力端子ｔ２ ）から出力される。高周波フィルタでは振動電極７の固有振動数（共振周波数）に対応した信号が出力される。
【０００６】
【非特許文献１】
Ｃ．Ｔ．−Ｎｇｕｙｅｎ，″Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｆｏｒ ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚｅｄ ｌｏｗ−ｐｏｗｅｒ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ（ｉｎｖｉｔｅｄ ｐｌｅｎａｒｙ），″ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，１９９９ ＩＥＥＥ ＭＴＴ−Ｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ＲＦ ＭＥＭＳ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ，Ｊｕｎｅ，１８，１９９９，ｐｐ．４８−７７．
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、これまでに提案され、検証された微小振動子の共振周波数は、最高でも２００ＭＨｚを超えず、従来の表面弾性波（ＳＡＷ）あるいは薄膜弾性波（ＦＢＡＲ）によるＧＨｚ領域のフィルタに対して、微小振動子の特性である高いＱ値をＧＨｚ帯周波数領域で提供することができていない。
【０００８】
現在のところ、一般的に高い周波数領域では出力信号としての共振ピークが小さくなる傾向があり、良好なフィルタ特性を得るためには、共振ピークのＳＮ比を向上する必要がある。ミシガン大学の文献に係るディスク型の振動子によれば、出力信号のノイズ成分は、入力電極なる振動電極７と出力電極５間に構成される寄生容量Ｃ０ を直接透過する信号によっている。一方においてディスク型の振動子で、十分な出力信号を得るには、３０Ｖを超えるＤＣバイアス電圧が必要であるために、実用的な振動電極構造としては両持ち梁を用いたビーム型の構造であることが望ましい。
【０００９】
しかし、上述の図１６の振動子１の場合、振動電極７と出力電極５間の空隙６が小さく、両電極７及び５の対向面積も所要の大きさを持っているので、入力電極となる振動電極７と出力電極５間の寄生容量Ｃ０ が大きくなる。このため、寄生容量Ｃ０ のインピーダンスＺ０ と、共振系（抵抗Ｒｘ，インダクタンスＬｘ，容量Ｃｘ）のインピーダンスＺｘとの比Ｚ０ ／Ｚｘが小さくなり、出力信号のＳＮ比が小さくなる。振動電極７と出力電極５間の空隙を小さくして出力信号を大きく取ろうとすれば、寄生容量Ｃ０ も大きくなるという、ジレンマを抱える。
【００１０】
本発明は、上述の点に鑑み、出力信号のＳＮ比を向上させたＭＥＭＳ型共振器及びその製造方法を提供するものである。
また、本発明は、出力信号のＳＮ比を向上させたＭＥＭＳ型共振器を有するフィルタを提供するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るＭＥＭＳ型共振器は、基板の同一平面上に高周波信号を入力する第１の電極と、高周波信号を出力する第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間に配置された接地電位が供給される第４の電極と、第１電極、第２及び第４の電極に対して空間を挟んで配置された振動板となる第３の電極とを有して成る電極と第２の電極との間に、接地電位が供給される第４の電極を配置して成る。
【００１２】
本発明のＭＥＭＳ型共振器においては、基板の同一平面上に第１の電極すなわち入力電極と第２の電極即ち出力電極とが形成され、これら入出力電極に対向して第３の電極すなわち振動電極が形成されるので、入出力電極間の対向面積が小さくなり且つ入出力電極間の間隔が従来に比して大きくとることができる。従って、入出力電極間の寄生容量が低減し、入力電極から出力電極への寄生容量を介した信号の透過が抑制される。さらに、上記入力電極と上記出力電極との間に、接地電位が供給される第４の電極すなわち接地電極を配置されるので、入出力電極間の寄生容量が限りなく小さくなる。寄生容量を通して入出力電極間に流れんとする信号は、接地電極に流れることになる。従って、入力電極から出力電極への寄生容量を介した信号の透過がさらに抑制される。
【００１３】
本発明に係るフィルタは、基板の同一平面上に高周波信号を入力する第１の電極と、高周波信号を出力する第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間に配置された接地電位が供給される第４の電極と、第１、第２及び第４の電極に対して空間を挟んで配置された振動板となる第３の電極とからなるＭＥＭＳ型共振器を有して成る。
【００１４】
本発明のフィルタにおいては、基板の同一平面上に第１の電極すなわち入力電極と第２の電極即ち出力電極とが形成され、さらに入力電極と上記出力電極との間に、接地電位が供給される第４の電極すなわち接地電極が形成され、これら入出力電極及び接地電極に対向して第３の電極すなわち振動電極が形成されたＭＥＭＳ型共振器を有して構成される。これにより、上記のようにＭＥＭＳ型共振器における入出力電極間の寄生容量が低減し、入力電極から出力電極への寄生容量を介した信号の透過が抑制される。特に、入力電極と上記出力電極との間に、接地電位が供給される第４の電極すなわち接地電極が配置されるので、ＭＥＭＳ型共振器における入出力で間の寄生容量が限りなく小さくなり、入力電極から出力電極への寄生容量を介した信号の透過がさらに抑制される。
【００１５】
本発明に係るＭＥＭＳ型共振器の製造方法は、基板上に入力となる第１の電極と、出力となる第２の電極と、接地される第４の電極と、第１、第２及び第４の電極の両側に位置する導電層とを選択的に形成する工程と、第１、第２、第４の電極及び導電層を含む全面上に犠牲層を形成し、この犠牲層を平坦化する工程と、導電層に一部接続されるように犠牲層上に振動板となる第３の電極を形成する工程と、犠牲層を選択的に除去する工程とを有する
【００１６】
本発明のＭＥＭＳ型共振器の製造方法においては、基板上に第１の電極すなわち入力電極、第２の電極すなわち出力電極、第４の電極即ち接地電極及び配線層を形成し、犠牲層を形成した後、犠牲層を平坦化する工程を有するので、第３の電極すなわち振動電極と入出力電極間の間隔（いわゆる空間）を精度よく制御できる。また振動電極が平坦に形成され、各振動モードに適した振動板として形成される。そして、上記一連の工程により、精度よく且つ容易に入出力電極間の寄生容量を限りなく小さくした目的のＭＥＭＳ型共振器の製造が可能になる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１８】
ＭＥＭＳ型の振動子によるＲＦ共振器は、図１０に示すような等価回路に置き換えることができる。即ち、入力端子ｔ１ と出力端子ｔ２ 間に、共振系を構成する抵抗ＲｘとインダクタンスＬｘと容量Ｃｘの直列回路と、入出力電極間の空隙による寄生容量Ｃ０ が並列に挿入される。振動系のインピーダンスをＺｘ、寄生容量Ｃ０ のインピーダンスをＺ０ とすると、出力信号のＳＮ比は、Ｚ０ ／Ｚｘに相当する。Ｚ０ ／Ｚｘの値が大きいほど共振系の信号は、寄生容量Ｃ０ を透過する信号に比べて大きく、１に近づくにつれ共振系を透過する信号と寄生容量Ｃ０ を透過する信号は同程度となる。また、Ｚ０ ／Ｚｘ∝１／Ｃ０ が成り立つ。従って、入力電極と出力電極間の容量Ｃ０ の低減は、ＳＮ比を向上させるために最も重要なポイントの一つである。
【００１９】
図１及び図２は、本発明に係るＭＥＭＳ型共振器の理解を容易にするための、参考例を示す。本参考例に係るＭＥＭＳ型共振器１１は、基板１２の同一平面上、即ち基板１２の少なくとも絶縁性を有する表面上に、互いに所要の間隔を置いて配置された高周波信号Ｓ２を入力する第１の電極（以下、入力電極という）１４と、高周波信号を出力する第２の電極（以下、出力電極という）１５と、これら入力電極１４及び出力電極１５に対して空間１６を挟んで配置された振動板となる第３電極（以下、振動電極という）１７とを有して成る。振動電極１７は、入出力電極１４、１５をブリッジ状に跨ぎ、入出力電極１４、１５の外側に配置した配線層１８に接続されるように、両端を支持部（いわゆるアンカー部）１９〔１９Ａ，１９Ｂ〕で一体に支持される。
【００２０】
基板１２は、例えばシリコン（Ｓｉ）やガリウム砒素（ＧａＡｓ）などの半導体基板上に絶縁膜を形成した基板、石英基板やガラス基板のような絶縁性基板等が用いられる。本例では、シリコン基板２１上にシリコン酸化膜２２及びシリコン窒化膜２３を積層した基板１２が用いられる。入力電極１４、出力電極１５及び配線層１８は、同じ導電材料で形成し、例えば多結晶シリコン膜、アルミニウム（Ａｌ）などの金属膜にて形成することができる。振動電極１７は、例えば多結晶シリコン膜、アルミニウム（Ａｌ）などの金属膜にて形成することができる。
【００２１】
入力電極１４には入力端子ｔ１ が導出され、入力端子ｔ１ を通じて入力電極１４に高周波信号Ｓ２ が入力されるようになす。出力電極１５には出力端子ｔ２ が導出され、出力端子ｔ２ から目的周波数の高周波信号が出力されるようになす。振動電極１７には所要のＤＣバイアス電圧Ｖ２ が印加されるようになす。
【００２２】
本参考例に係るＭＥＭＳ型共振器１１の動作は次の通りである。
振動電極１７には所要のＤＣバイアス電圧Ｖ２ が印加さる。入力端子ｔ１ を通じて高周波信号Ｓ２ が入力電極１４に入力される。目的周波数の高周波信号が入力されると、振動電極１７と入力電極１４間に生じる静電力で図３に示すように、２次の振動モード２５で振動電極１７が共振する。この振動電極１７の共振で出力電極１５から出力端子ｔ２ を通じて目的周波数の高周波信号が出力される。他の周波数の信号が入力されたときは振動電極１７が共振せず、出力端子ｔ２ からは信号が出力されない。
【００２３】
本参考例に係るＭＥＭＳ型共振器１１によれば、前述の図１６のＭＥＭＳ型の振動子１に比べて、入出力電極１４及び１５の対向面積が小さく且つ入出力電極１４及び１５間の間隔を大きくすることができので、入出力電極１４及び１５間の寄生容量Ｃ０ は小さくなる。一方、大きな出力信号を得るために振動電極１７と入出力電極１４、１５との空間１６を小さくすることができる。この空間１６を小さくすることは寄生容量Ｃ０ に影響を与えない。このため、本実施の形態のＭＥＭＳ型共振器１１は、図１６の従来のものに比べて出力信号のＳＮ比を向上させることができる。
【００２４】
上例では１つの入力電極１４と１つの出力電極１５を配置して２次振動モードのＭＥＭＳ型共振器を構成したが、その他、図示せざるも２つの入力電極と、両入力電極間に１つの出力電極を配置して３次振動モードにする等、入力電極及び出力電極の数、配置を変更して多次振動モードのＭＥＭＳ型共振器を構成することもできる。
【００２５】
図１２〜図１３は、上述のＭＥＭＳ型共振器１１の製造方法の一例を示す。
先ず、図１２Ａに示すように、基板１２上に電極となるべき導電膜４１を形成する。本例ではシリコン基板２１上に絶縁膜であるシリコン酸化膜２２及びシリコン窒化膜２３を積層した基板１２を用いる。導電膜４１としては、後の犠牲層とエッチング比がとれる材料で形成する必要があり、本例では多結晶シリコン膜で形成する。
【００２６】
次に、図１２Ｂに示すように、導電膜４１をパターニングして入力電極１４、出力電極１５及び外側の配線層１８を形成する。
次に、図１２Ｃに示すように、入力電極１４、出力電極１５及び配線層１８を含む全面に犠牲層４２を形成する。犠牲層４２は、下地の絶縁膜（本例ではシリコン窒化（ＳｉＮ）膜）及び多結晶シリコンによる各電極１４、１４、３２及び配線層１８とエッチング比がとれる材料、本例ではシリコン酸化（ＳｉＯ２）膜で形成する。
【００２７】
次に、図１２Ｄに示すように、例えば化学機械研磨（ＣＭＰ）法などにより犠牲層４２を平坦化する。
次に、図１３Ｅに示すように、両外側の配線層１８上の犠牲層４２に選択エッチングによりコンタクト孔４３を形成する。
【００２８】
次に、図１３Ｆに示すように、コンタクト孔４３内を含む犠牲層４２上に振動電極となる導電膜４４、本例では犠牲層４２とエッチング比が多結晶シリコン膜を形成する。その後、この導電膜４４をパターニングして外側の両配線層１８に接続された多結晶シリコン膜からなる振動電極１７を形成する。振動電極１７と配線層１８間の部分が振動電極１７を両持ち梁構造として支持する支持部（アンカー）１９〔１９Ａ，１９Ｂ〕となる。
【００２９】
次に、図１３Ｇに示すように、犠牲層４２をエッチング除去する。犠牲層４２のエッチング除去は、本例ではシリコン酸化膜であるので、フッ酸溶液によりウェットエッチングで行う。かくして目的のＭＥＭＳ型共振器３１を得る。
【００３０】
なお、電極１４、１５及び配線層１８を金属の例えばアルミニウム（Ａｌ）膜で形成し、犠牲層４２を非晶質シリコン層で形成するときは、犠牲層４２をＸｅＦ２ ガスによるドライエッチングで除去することができる。また、下地絶縁膜をシリコン酸化（ＳｉＯ２ ）膜とし、電極１４、１５及び配線層１８を多結晶シリコン膜またはアルミニウム（Ａｌ）膜とし、犠牲層４２をフォトレジスト膜としたときには、犠牲層４２を酸素Ｏ２プラズマによるドライエッチングで除去することができる。
【００３１】
本参考例の形態の製造方法によれば、基板１２上に入力電極１４、出力電極１５及び配線層１８を同じ導電膜４１で形成し、犠牲層４２を形成した後、犠牲層４２を平坦化する工程を有するので、振動電極１７と入出力電極１４、１５との間に間隔（空間１６）を精度良く制御できる。また振動電極１７を平坦に形成することができ、各振動モードに適した振動板として形成することができる。そして、上記一連の工程により、精度よく且つ容易に入出力電極間の寄生容量Ｃ０ が低減し、ＳＮ比が向上した目的のＭＥＭＳ型共振器１１を製造することができる。
【００３２】
図４及び図５に、更にＳＮ比を向上させ本発明に係るＭＥＭＳ型共振器の一実施の形態を示す。本実施の形態に係るＭＥＭＳ型共振器３１は、基板１２の同一平面上、即ち基板１２の少なくとも絶縁性を有する表面上に、相互に所要の間隔を置いて配置された高周波信号Ｓ２を入力する第１電極である入力電極１４と、高周波信号を出力する第２の電極である出力電極１５と、入出力電極１４及び１５の間に配置された接地電位を供給する第４の電極（以下、接地電極という）３２と、これら入力電極１４、出力電極１５及び接地電極３２に対して空間１６を挟んで配置された振動板となる第３電極の振動電極１７とを有して成る。振動電極１７は、入出力電極１４、１５及び接地電極３２をブリッジ状に跨ぎ、入出力電極１４、１５、接地電極３２の外側に配置した配線層１８に接続されるように、両端を支持部（いわゆるアンカー部）１９〔１９Ａ，１９Ｂ〕で一体に支持される。ここで、振動電極１７と入出力電極１４，１５との間のギャップＸ１と、入出力電極１４，１５と接地電極３２との間のギャップＸ２は、Ｘ２＞Ｘ１とすることができる。
【００３３】
入力電極１４、出力電極１５、接地電極３２及び配線層１８は、同じ導電材料で形成し、例えば多結晶シリコン膜、アルミニウム（Ａｌ）などの金属膜にて形成することができる。振動電極１７は、例えば多結晶シリコン膜、アルミニウム（Ａｌ）などの金属膜にて形成することができる。入力電極１４には入力端子ｔ１ が導出され、入力端子ｔ１ を通じて入力電極１４に高周波信号Ｓ２ が入力されるようになす。振動電極１５には出力端子ｔ２ が導出され、出力端子ｔ２ から目的周波数の高周波信号が出力されるようになす。接地電極３２には接地（ＧＮＤ）電位が印加されるようになす。振動電極１７には所要のＤＣバイアス電圧Ｖ２ が印加されるようになす。
【００３４】
その他の構成は、前述の図１及び図２と同様であるので、対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
【００３５】
本実施の形態に係るＭＥＭＳ型共振器３１の動作は、図１及び図２の場合と同様である。即ち、振動電極１７には所要のＤＣバイアス電圧Ｖ２ が印加さる。入力端子ｔ１ を通じて高周波信号Ｓ２ が入力電極１４に入力される。目的周波数の高周波信号が入力されると、振動電極１７と入力電極１４間に生じる静電力で図６に示すように、２次の振動モード２５で振動電極１７が共振する。この振動電極１７の共振で出力電極１５から出力端子ｔ２ を通じて目的周波数の高周波信号が出力される。他の周波数の信号が入力されたときは振動電極１７が共振せず、出力端子ｔ２ からは信号が出力されない。
【００３６】
本実施の形態に係るＭＥＭＳ型共振器３１によれば、入力電極１４と出力電極１５との間に接地電極３２を配置することにより、図１１の等価回路に示すように、入力電極１４及び出力電極１５間の寄生容量Ｃ０ が限りなく小さくなる。即ち、この等価回路では、図１でのＭＥＭＳ型共振器１１に元々有った寄生容量Ｃ０ が、接地電極３２との間の容量Ｃ０１と容量Ｃ０２に分配された形になる。これにより、元々の寄生容量Ｃ０ を透過する信号が接地電極３２側に流れ、出力電極１５側に流れない。従って、入力された高周波信号の漏れがなくなり、出力信号のＳＮ比が向上する。信号の一部は接地側に流れるので、信号レベルは落ちるも、信号レベルは出力側の負荷抵抗Ｒ０ 等により電気的に補償するようになせばよい。従って、図１及び図２のＭＥＭＳ型共振器１１に比べてさらに寄生容量Ｃ０ を低減し、さらにＳＮ比を向上させることができる。
【００３７】
図１４〜図１５に、上述のＭＥＭＳ型共振器３１の製造方法の一例を示す。
先ず、図１４Ａに示すように、基板１２上に電極となるべき導電膜４１を形成する。本例ではシリコン基板２１上に絶縁膜であるシリコン酸化膜２２及びシリコン窒化膜２３を積層した基板１２を用いる。導電膜４１としては、後の犠牲層とエッチング比がとれる材料で形成する必要があり、本例では多結晶シリコン膜で形成する。
【００３８】
次に、図１４Ｂに示すように、導電膜４１をパターニングして入力電極１４、出力電極１５、両電極１４及び１５間の接地電極３２、外側の配線層１８を形成する。
次に、図１４Ｃに示すように、入力電極１４、出力電極１５、接地電極３２及び配線層１８を含む全面に犠牲層４２を形成する。犠牲層４２は、下地の絶縁膜（本例ではシリコン窒化（ＳｉＮ）膜）及び多結晶シリコンによる各電極１４、１４、３２及び配線層１８とエッチング比がとれる材料、本例ではシリコン酸化（ＳｉＯ２）膜で形成する。
【００３９】
次に、図１４Ｄに示すように、例えば化学機械研磨（ＣＭＰ）法などにより犠牲層４２を平坦化する。
【００４０】
次に、図１５Ｅに示すように、両外側の配線層１８上の犠牲層４２に選択エッチングによりコンタクト孔４３を形成する。
【００４１】
次に、図１５Ｆに示すように、コンタクト孔４３内を含む犠牲層４２上に振動電極となる導電膜４４、本例では犠牲層４２とエッチング比が多結晶シリコン膜を形成する。その後、この導電膜４４をパターニングして外側の両配線層１８に接続された多結晶シリコン膜からなる振動電極１７を形成する。振動電極１７と配線層１８間の部分が振動電極１７を両持ち梁構造として支持する支持部（アンカー）１９〔１９Ａ，１９Ｂ〕となる。
【００４２】
次に、図１５Ｇに示すように、犠牲層４２をエッチング除去する。犠牲層４２のエッチング除去は、本例ではシリコン酸化膜であるので、フッ酸溶液によりウェットエッチングで行う。かくして目的のＭＥＭＳ型共振器３１を得る。
【００４３】
なお、電極１４、１５、３２及び配線層１８となる導電膜４１、犠牲層４２、下地絶縁膜２３の材料の組み合わせ、さらに犠牲層４２のエッチャント等は、前述と同様のものを選択することができる。
【００４４】
本実施の形態の製造方法によれば、基板１２上に入力電極１４、出力電極１５、接地電極３２及び配線層１８を同じ導電膜４１で形成し、犠牲層４２を形成した後、犠牲層４２を平坦化する工程を有するので、振動電極１７と入出力電極１４、１５との間に間隔（空間１６）を精度良く制御できる。また振動電極１７を平坦に形成することができ、各振動モードに適した振動板として形成することができる。そして、上記一連の工程により、精度よく且つ容易に入出力電極間の寄生容量Ｃ０ が低減し、ＳＮ比が向上した目的のＭＥＭＳ型共振器３１を製造することができる。
【００４５】
図７及び図８に、本発明に係るＭＥＭＳ型共振器の他の実施の形態を示す。本実施の形態に係るＭＥＭＳ型共振器３５は、基板１２の同一平面上、即ち基板１２の少なくとも絶縁性を有する表面上に、相互に所要の間隔を置いて配置された高周波信号Ｓ２を入力する２つの入力電極１４〔１４Ａ，１４Ｂ〕と、高周波信号を出力する１つの出力電極１５と、入力電極１４Ａと出力電極１５間、入力電極１４Ｂと出力電極１５間に、それぞれ配置した接地電極３２〔３２Ａ，３２Ｂ〕と、これら入力電極１４〔１４Ａ，１４Ｂ〕、出力電極１５及び接地電極３２〔３２Ａ，３２Ｂ〕に対して空間１６を挟んで配置された振動電極１７とを有して成る。本例では中央に出力電極１５が配置され、これの両側に接地電極３２〔３２Ａ，３Ｂ〕、入力電極１４〔１４Ａ，１４Ｂ〕が配置される。振動電極１７は、入出力電極１４〔１４Ａ，１４Ｂ〕、１５及び接地電極３２〔３２Ａ，３２Ｂ〕をブリッジ状に跨ぎ、入出力電極１４、１５、接地電極３２の外側に配置した導電層１８に接続されるように、両端を支持部（いわゆるアンカー部）１９〔１９Ａ，１９Ｂ〕で一体に支持される。ここで、接地電極３２Ａ，３２Ｂは、後述するように振動電極１７の振動の節となる部分に近接して配置される。
【００４６】
入力電極１４〔１４Ａ，１４Ｂ〕には入力端子ｔ１ が導出され、入力端子ｔ１ を通じて入力電極１４〔１４Ａ，１４Ｂ〕に高周波信号Ｓ２ が入力されるようになす。振動電極１５には出力端子ｔ２ が導出され、出力端子ｔ２ から目的周波数の高周波信号が出力されるようになす。接地電極３２〔３２Ａ，３２Ｂ〕には接地（ＧＮＤ）電位が印加されるようになす。振動電極１７には所要のＤＣバイアス電圧Ｖ２ が印加されるようになす。なお、２つの入力電極１４Ａ及び１４Ｂは１つの入力電極パッドから分岐して形成され、２つの接地電極３２Ａ及び３２Ｂは１つの接地電極パッドから分岐して形成される。
【００４７】
基板１２、入力電極１４〔１４Ａ，１４Ｂ〕、出力電極１５、接地電極３２〔３２Ａ，３２Ｂ〕及び導電層１８〔１８Ａ，１８Ｂ〕等、その他の構成は図４及び図５と同様であるので、対応する部分に同一符号を付して重複説明を省略する。
なお、上例では中央を出力電極１５とし、これを挟んで２つの入力電極１４Ａ，１４Ｂを配置し、入出力電極間に接地電極３２を配置した構成であるが、中央を入力電極１４とし、これを挟んで２つの出力電極１５を配置し、入出力で間に接地電極３２を配置した構成とすることもできる。
【００４８】
本実施の形態に係るＭＥＭＳ型共振器３５の動作は、図４及び図５の場合と同様である。即ち、振動電極１７には所要のＤＣバイアス電圧Ｖ２ が印加さる。入力端子ｔ１ を通じて高周波信号Ｓ２ が入力電極１４〔１４Ａ，１４Ｂ〕に入力される。目的周波数の高周波信号が入力されると、振動電極１７と入力電極１４〔１４Ａ，１４Ｂ〕間に生じる静電力で振動電極１７が共振する。この場合、図９に示すように、３次の振動モード２６で振動電極１７が共振する。この振動電極１７の共振で出力電極１５から出力端子ｔ２ を通じて目的周波数の高周波信号が出力される。他の周波数の信号が入力されたときは振動電極１７が共振せず、出力端子ｔ２ からは信号が出力されない。
【００４９】
本実施の形態に係るＭＥＭＳ型共振器３５によれば、入力電極１４〔１４Ａ，１４Ｂ〕と出力電極１５との間に夫々接地電極３２〔３２Ａ，３２Ｂ〕を配置することにより、入力電極１４及び出力電極１５間の寄生容量Ｃ０ を図４及び図５と同様に低減することができる。従って、ＭＥＭＳ型共振器１１に比べてさらにＳＮ比を向上させることができる。
【００５０】
本実施の形態に係るＭＥＭＳ型共振器３５の製造方法は、図１４Ａから図１５Ｇで示した前述のＭＥＭＳ型共振器３１の製造方法と同様にして製造することができる。
【００５１】
図１及び図２のＭＥＭＳ型共振器１１において、入力電極１４及び出力電極１５のいずれか一方の電極を中心に配し、他方の電極を一方の電極を中心としてリング状に配置し、振動電極１７を両電極１４、１５上に対向して配置するようにした構成とすることもできる。電極の形状は、円形、四角形状、その他の形状等、適宜選択できる。
図４及び図５のＭＥＭＳ型共振器３１、あるいは図７及び図８のＭＥＭＳ型共振器３５において、入力電極１４及び出力電極１５のいずれか一方の電極を中心に配し、他方の電極及び接地電極３２を一方の電極を中心としてリング状に配置し、振動電極１７を電極１４、１５及び３２上に対向して配置するようにした構成とすることもできる。電極の形状は、円形、四角形状、その他の形状等、適宜選択できる。
【００５２】
上述の実施の形態では、２次振動モード及び３次振動モードのＭＥＭＳ型共振器に適用したが、４次振動モード以上の多次振動モードのＭＥＭＳ型共振器にも適用可能である。
【００５３】
本発明は、上述の実施の形態に係るＭＥＭＳ型共振器３１あるいはＭＥＭＳ型共振器３５を有して高周波フィルタ、中間周波フィルタ等のフィルタを構成する。ＭＥＭＳ型共振器３１あるいは３５を有してフィルタを構成することにより、入出力電極１４及び１５間に接地電極３２が配置されるので、入出力電極間の寄生容量Ｃ０ を限りなく小さくなり、ＭＥＭＳ型共振器１１を有するフィルタに比べて、さらに出力信号のＳＮ比を向上することができる。
【００５４】
【発明の効果】
本発明に係るＭＥＭＳ型共振器によれば、基板の同一平面上に高周波信号を入力する第１の電極と高周波信号を出力する第２の電極と接地電位が供給される第４の電極を配置し、これら第１、第２、第４の電極に対向して振動板となる第３の電極を配置した構成とすることにより、第１及び第２の電極間、つまり入出力電極極間の寄生容量が限りなく小さくなり、出力信号のＳＮ比を向上することができる。
【００５５】
本発明に係るフィルタによれば、上記ＭＥＭＳ型共振器を有することにより、出力信号のＳＮ比を向上することができる。
【００５６】
本発明に係るＭＥＭＳ型共振器の製造方法によれば、入出力電極となる第１、第２の電極、及び接地電極となる第４の電極と振動板となる第３ので間の間隔を精度よく制御することができると共に、第３の電極を振動に適した平坦に形成することができる。そして入出力電極間の寄生容量を低減、あるいは限りなく小さくしたＭＥＭＳ型共振器を、精度良く且つ容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ＭＥＭＳ型共振器の参考例を示す構成図である。
【図２】 ＭＥＭＳ型共振器の参考例を示す平面図である。
【図３】 ＭＥＭＳ型共振器の参考例の振動モードを示す説明図である。
【図４】 本発明に係るＭＥＭＳ型共振器の一実施の形態を示す構成図である。
【図５】 本発明に係るＭＥＭＳ型共振器の一実施の形態を示す平面図である。
【図６】 本発明に係るＭＥＭＳ型共振器の一実施の形態の振動モードを示す説明図である。
【図７】 本発明に係るＭＥＭＳ型共振器の他の実施の形態を示す構成図である。
【図８】 本発明に係るＭＥＭＳ型共振器の他の実施の形態を示す平面図である。
【図９】 本発明に係るＭＥＭＳ型共振器の他の実施の形態の振動モードを示す説明図である。
【図１０】 ＭＥＭＳ型共振器の等価回路図である。
【図１１】 図４の実施の形態に係るＭＥＭＳ型共振器の等価回路図である。
【図１２】 Ａ〜Ｄ 参考例に係るＭＥＭＳ型共振器の製造方法を示す製造工程図（その１）である。
【図１３】 Ｅ〜Ｇ 参考例に係るＭＥＭＳ型共振器の製造方法を示す製造工程図（その２）である。
【図１４】 Ａ〜Ｄ 本発明に係るＭＥＭＳ型共振器の製造方法の実施の形態の一例を示す製造工程図（その１）である。
【図１５】 Ｅ〜Ｇ 本発明に係るＭＥＭＳ型共振器の製造方法の実施の形態の一例を示す製造工程図（その２）である。
【図１６】 従来のＭＥＭＳ型の振動子の例を示す構成図である。
【符号の説明】
１１、３１、３５・・ＭＥＭＳ型共振器、１２・・基板、１４、１４Ａ、１４Ｂ・・入力電極、１５・・出力電極、１６・・空間、１７・・振動電極、１８・・配線層、１９〔１９Ａ，１９Ｂ〕・・支持部、２１・・シリコン基板、２２・・シリコン酸化膜、２３・・シリコン窒化膜、３２、３２Ａ、３２Ｂ・・接地電極、４１・・導電膜、４２・・犠牲層、４３・・コンタクト孔、４４・・導電膜
Claims (3)
- 基板の同一平面上に高周波信号を入力する第１の電極と、
高周波信号を出力する第２の電極と、
前記第１の電極と第２の電極との間に配置された接地電位が供給される第４の電極と
前記第１、第２及び第４の電極に対して空間を挟んで配置された振動板となる第３の電極とを有して成る
ことを特徴とするＭＥＭＳ共振器。 - 基板の同一平面上に高周波信号を入力する第１の電極と、
高周波信号を出力する第２の電極と、
前記第１の電極と第２の電極との間に配置された接地電位が供給される第４の電極と、
前記第１、第２及び第４の電極に対して空間を挟んで配置された振動板となる第３の電極とからなるＭＥＭＳ型共振器を有して成る
ことを特徴とするフィルタ。 - 基板上に高周波信号を入力する第１の電極と、高周波信号を出力する第２の電極と、接地電位が供給される第４の電極と、前記第１、第２及び第４の電極の両側に位置する導電層とを選択的に形成する工程と、
前記第１、第２、第４の電極及び導電層を含む全面上に犠牲層を形成し、該犠牲層を平坦化する工程と、
前記導電層に一部接続されるように前記犠牲層上に振動板となる第３の電極を形成する工程と、
前記犠牲層を選択的に除去する工程とを有する
ことを特徴とするＭＥＭＳ型共振器の製造方法。
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