JP4602130B2 - 電気機械フィルタ - Google Patents
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Description
微小振動子のサイズを小さくしようとする場合、マイクロメートルオーダーからナノメートルオーダーへと微細化が進めば、その振動振幅はオングストロームオーダーへと微小となり、量子振動や熱振動のノイズレベルへと近づくため、量子限界の振動変位測定を可能とする超高感度の振動検出方法の実現が必要である。
特許文献1においては、MOSFETを用いて振動検出を行う方法が開示されている。本文献における構成においては、微小振動子と対向する振動検出表面の構造に課題がある。平坦な構造では、励起された微小量電荷が検出電極表面で分散してしまい、MOSFETを制御するのに十分な電位が出力されない。
この構成によれば、検出部に量子素子を用いているため、微量の電荷を検出することができ、高感度の検出が可能となる。なおここで量子素子とは、微量の電荷を検出できるように構成された素子をいい、MOSFETやSETなどの半導体素子を含む量子素子を指すものとする。本発明におけるSETの導電性島に電荷注入する方法においては、微小量電荷でSETを制御可能であるため、従来の電気機械フィルタにおいて高い電圧を要していたVPを低減することが可能となる。また、VPの低減によってNFを低くすることが可能となる。
また本発明の電気機械フィルタは、前記検出電極が、基板上の絶縁層上に形成された電荷励起電極と、前記電荷励起電極の前記微小振動子と対向する面上に形成された突起構造と、前記電荷励起電極上に絶縁層を介して形成され前記突起構造に接続された電位検出電極を具備しているため、突起構造に電荷を収集し、振動子と対向した微小領域に生ずる拡大された電位を出力、電位検出電極を介してMOSFETのゲートに電位を与えることが可能となる。また、SETの導電性島へ微小量電荷を効率良く注入することが可能となる。
この構成により、信号線路を両持ち梁とするなどの方法により、容易に変位可能である。
この構成により、駆動電極に与える電位を調整することで共振周波数を容易に調整することができ、変調可能な電気機械フィルタを形成することができる。
この構成により、微小振動子を貫く磁界を、ローレンツ力により変化させることができ、容易に振動方向を変化させることができるため、検出電極のレイアウトに自由度をもたせることができる。
この構成により、別途設けていた駆動電極が不要となり、構造が簡単でより小型化をはかることができる。
この構成により、容易に微細な電荷を検出することができる。
この構成により、素子の微細化をはかることができるとともに、電荷の移動距離が少なく高速化が可能となる。
この構成により、容易に微細な電荷を検出することができる。
この構成により、素子の微細化をはかることができるとともに、電荷の移動距離が少なく高速化が可能となる。
この構成により、より小型化を図ることができる。
この構成により、製造が容易でかつ信頼性の高いものとなる。
この構成により、量子素子の半導体または導電性島などと同一工程で形成することができ、ドープドシリコンなどの半導体材料を用いることにより、プロセスの簡略化および信頼性の向上をはかることができる。
この構成により、微小振動子の共振周波数の帯域幅(バンド幅)や振動のQ値を制御することができ、電気機械フィルタの通過帯域幅や遮断帯域幅、及びQ値を制御することが可能となる。
このように、本発明電気機械フィルタは、微小振動子と、前記微小振動子の振動を電気信号として検出し出力する量子素子を備えることで、従来実現困難であった高感度な検出機構を実現することができる。
この構成により、信号フィルタリング機能を有する高感度の電気機械フィルタを実現することができる。
(実施の形態1)
本発明の実施の形態1における電気機械フィルタを図1に示す。
図1(a)は、本発明の実施の形態1における電気機械フィルタの構成を模式的に示す斜視図、図1(b)はその等価回路図である。
この電気機械フィルタ100では、表面に絶縁層111が形成された基板112上に、ポスト109と、このポスト109間に架橋された微小振動子101と、スペーサ110と、このスペーサ112上に設けられた駆動電極102とが配設されている。駆動電極102には、信号を入力する信号入力ポートINが接続されており、高周波信号が入力した場合、駆動電極102と微小振動子101との間に電位差が生じ、高周波信号と同じ周波数で振動子に静電力が印加される仕組みになっている。微小振動子101の電位は、微小振動子101に印加する電圧VPにより制御される。
図1(b)は、本発明実施の形態1における電気機械フィルタの構成を示す回路図である。信号入力ポートINより入力された信号は、駆動電極102に伝搬し、高周波信号の周波数で微小振動子101を励振する。微小振動子101の自己共振周波数の信号が入力された場合のみ、微小振動子101は大きな振幅で励振され、微小振動子101と検出電極103との間の距離が変化することによる静電容量CRの変化が生ずる。微小振動子101の振動方向をVで示す。その場合の静電容量CRの変化量をΔCRとすると、微小振動子101と検出電極103との間に生ずる電荷の変化量は、ΔQ=VPΔCRである。
このように、電気機械フィルタ100によれば、小型化が容易であり、所定の周波数の信号のみを選択して、出力することが可能である。
この様に、微小振動子101として、他にも片持ち梁、角盤等を用いることが可能である。
なお、本発明実施の形態1における電気+機械フィルタは、図4(b)に示すように中心周波数fCのバンドストップフィルタ特性を持つように形成することができる。これは図4(a)に示した中心周波数fCのバンドパスフィルタ特性をもつ電気機械フィルタを直列に接続することにより、中心周波数fCのバンドストップフィルタ特性を呈するようにすることが可能である。
また、最大の信号増幅率を得るために、微小振動子101に印加する電圧VPを調整することが可能である。
また、複数個の微小振動子を機械的に結合させることにより、信号の通過帯域幅を制御することが可能である。
なお図1および図2は模式的に示す斜視図であり、ゲート絶縁膜107および検出電極103は半導体106の側壁側のみに形成されているが、以下のプロセスでは、ゲート絶縁膜107および検出電極103をわずかに半導体106上までかかるようにし、マージンをとることにより断線や短絡を防止している。
図5(a)〜(d)、図6(e)〜(i)は、本発明の実施の形態1における電気機械フィルタの製造工程を段階的に説明する断面説明図である。
先ず、図5(a)に示すように、シリコン基板112上に、熱酸化により膜厚20nmの酸化シリコン膜を堆積し、表面絶縁層111を形成する。次に、CVD(Chemical Vapor Deposition)法により、絶縁層108、ポスト109、スペーサ110となる膜厚200nmの酸化シリコン膜を形成する。更に、その上にCVD法により微小振動子101、半導体106となる膜厚80nmのドープドアモルファスシリコンを、堆積する。ここでドーピングは、半導体の導電型およびキャリア濃度を調整するために行うものであり、成膜後にイオン注入などの方法によりP型であれば例えばボロンを、N型であれば例えば燐をドーピングすることによって形成可能である。又、ドーピングは、振動子のインピーダンスを下げる効果もある。なおドーピングは、成膜時に不純物を添加しつつ成膜することによっても形成可能である。また、アモルファスシリコンを成膜後、アニ−ルにより多結晶化し、多結晶シリコンとしてもよい。なお基板112としてはシリコン基板に限定されることなくガリウム砒素(GaAs)などの化合物半導体基板であってもよい。また熱酸化によって形成した酸化シリコン膜からなる絶縁層11は、CVD法やスパッタリングによって形成しても良いしまた、窒化シリコン膜など他の絶縁膜を用いてもよい。
図5(b)に示すように、微小振動子101、半導体106となるドープドシリコン層の上に、フォトレジストパターンR1を形成し、これを電子線ビームリソグラフィーやフォトリソグラフィーなどによりパターンニングし、ドライエッチングによりフォトレジストパターンから露呈するアモルファスシリコン層をパターニングし、振動子101およびMOSFETのチャネルとなる半導体106を形成する。
図5(c)に示ように、フォトレジストR1をアッシングにより除去した後、CVD法によりMOSFETのゲート絶縁膜107となる酸化シリコンをスパッタや堆積する。次いで、このゲート絶縁膜107上に、再度フォトレジストを塗布し、電子線ビームリソフィやフォトリソグラフィーなどによりパターンニングし、フォトレジストパターンR2を形成し、図5(d)に示すように、ドライエッチングによりゲート絶縁膜107のパターニングを行なう。なおこのゲート絶縁膜107としては酸化シリコン膜のほか窒化シリコンや、酸化シリコン膜と窒化シリコン膜との積層膜であるNO膜あるいはONO膜、チタン酸バリウム(BaTiO3)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)等の強誘電体膜を用いてもよい。
図6(e)に示すように、スパッタリング法により、アルミニウムなどの金属材料を堆積し、その上にフォトレジストR3を塗布し、電子線ビームリソグラフィーなどによりパターニングする。
微小振動子101の中空構造を形成する場合に行うエッチングにおいて、エッチング箇所以外の部分にダメージを与えないために、保護層を設ける。例えば、フォトレジスト塗布後、図6(g)に示すように、電子線ビームリソグラフィーやフォトリソグラフィーなどによりパターニングし、フォトレジストR4を形成する。
最後に、フォトレジストR4をアッシングにより除去し、図6(i)に示すように、中空構造の可動電極101部分を形成する。
また、前記実施の形態では、ゲート絶縁膜107のパターニングの後、図6(d)に示したように、異方性エッチングによる側壁残しにより側壁のみにゲート絶縁膜107を形成したが、図5(b)の工程で半導体106(ソース電極104、ドレイン電極105となる領域を含めて一体的に形成するのが望ましい)および微小振動子101をパターニングした後、堆積または表面酸化により絶縁膜を形成しこれをゲート絶縁膜107とする。そしてゲート電極としての検出電極103を形成しこれをパターニングし、この検出電極103をマスクとしてゲート絶縁膜107のパターニングおよびイオン拡散またはイオン注入によるソース電極104、ドレイン電極105の形成を行う。これにより、ゲート絶縁膜のパターニングのためのフォトリソグラフィー工程が不要となる。
図7(a)は、本発明実施の形態2における電気機械フィルタの構成を示す斜視図である。
図7(a)に示す電気機械フィルタ300では、微小振動子101については実施の形態1と同様に形成したが、検出素子としてのMOSFETに代えてSET(Single Electron Transistor)を用いたことを特徴とする。他部は実施の形態1と同様に形成した。すなわち表面に絶縁層111が形成された基板112上に、ポスト109間に架橋された微小振動子101と、スペーサ110上に設けられた駆動電極102が設けられている。駆動電極102には、信号を入力する信号入力ポートINが接続されており、高周波信号が入力した場合、駆動電極102と微小振動子101との間に電位差が生じ、高周波信号と同じ周波数で振動子に静電力が加わる仕組みになっている。微小振動子101の電位は、微小振動子101に印加する電圧VPにより制御される。
図7(b)は、本発明実施の形態2における電気機械フィルタの構成を示す回路図である。信号入力ポートINより入力された信号は、駆動電極102に伝搬し、高周波信号の周波数で微小振動子101を励振する。微小振動子101の自己共振周波数の信号が入力された場合のみ、微小振動子101は大きな振幅で励振され、微小振動子101と検出電極103との間の距離が変化することによる静電容量CRの変化が生ずる。微小振動子101の振動方向をVで示す。その場合の静電容量CRの変化量をΔCRとすると、微小振動子101と検出電極103との間に生ずる電荷の変化量は、ΔQ=VPΔCRである。
導電性島114は、ゲート電極との間にギャップを介して形成され低静電容量であるゲート静電容量CR、ソース電極104とドレイン電極105との間に絶縁膜107を介して形成される高抵抗のトンネル接合により電気的に分断されている。SETのソース電極104、ドレイン電極105間を流れる電流は、導電性島114に励起される電荷によって単一電子の電荷e単位で制御可能である。図9にSETのバンド図を示す。SETは、極めて高感度な電位計である。
このように、電気機械フィルタ300によれば、所定の周波数の信号のみを選択して、出力することを可能とする。また、本発明におけるSETの導電性島に電荷注入する方法においては、微小量電荷でSETを制御可能であるため、従来の電気機械フィルタにおいて高い電圧を要していたVPを低減することが可能となる。また、VPの低減によってNFを低くすることが可能となる。
また、本実施の形態2においても実施の形態1において図2(a)および(b)に変形例を示したのと同様、図8(a)および(b)に変形例を示すように微小振動子101を円盤にすることができる。
この様に、微小振動子101として、他にも片持ち梁、角盤等を用いることが可能である。
また、本発明実施の形態2における電気機械フィルタについても、図4(b)に示したように中心周波数fCのバンドストップフィルタ特性を有することも可能である。
また、最大の信号増幅率を得るために、微小振動子101に印加する電圧VPを調整することが可能である。
また、複数個の微小振動子を機械的に結合させることにより、信号の通過帯域幅を制御することが可能である。
また、本発明電気機械フィルタを並列または直列に接続した多段フィルタ構成にすることが可能である。
また、SETが例えば1kHz以下の低周波数を使うよう構成された場合、SETをミキサーとして使用することが可能である。その場合、局部発振器の電圧を、検出する信号の周波数f(微小振動子101の自己共振周波数)より1kHz以下の中間周波数fIF分オフセットをかけた周波数fLOでゲート電極115より入力し、ドレイン電極105から中間周波数fIF=|fLO−f|の信号を信号出力ポートOUTへ出力する。このようにして微小振動子101の振動を検出する場合、信号出力ポート側に出力信号の周波数をfIFからfへアップコンバートして復元する回路が必要である。また、ミキシングされた信号を最適化するために、ソース・ドレイン電圧VSDを調整するのがのぞましい。
次に本発明の実施の形態3について説明する。
実施の形態1では、信号入力ポートINを駆動電極102で構成したが、本実施の形態では微小振動子に直接入力ポートINを接続し、静電力に代えて、ローレンツ力により微小振動子を励振するものである。図10(a)は、本発明実施の形態3における電気機械フィルタの構成を示す斜視図である。
図10(a)に示す電気機械フィルタ500では、実施の形態1における電気機械フィルタ100、200では、微小振動子101を静電力により励振するのに対し、本実施の形態3における電気機械フィルタ500では、その励振方法が異なりローレンツ力により微小振動子101を励振する。他部については実施の形態1と同様に形成されている。
図10(b)は、本発明実施の形態3における電気機械フィルタの構成を示す回路図である。信号入力ポートINより入力された信号は、微小振動子101に伝搬し、高周波信号の周波数で微小振動子101を励振する。微小振動子101の自己共振周波数の信号が入力された場合のみ、微小振動子101は大きな振幅で励振され、微小振動子101と検出電極103との間の距離が変化することによる静電容量CRの変化が生ずる。以下については実施の形態1と同様である。
図11(a)は、本発明実施の形態4における電気機械フィルタの構成を示す斜視図である。
実施の形態2では、信号入力ポートINを駆動電極102で構成したが、本実施の形態では微小振動子に直接入力ポートINを接続し、静電力に代えて、ローレンツ力により微小振動子を励振するものである。他部の構成については前記実施の形態2と同様に形成されている。
可動電極101の近傍には、検出電極103が設けられており、検出電極103は、絶縁層108上に設けられたソース電極104、ドレイン電極105、絶縁膜107、導電性島114、ゲート電極115からなるSET(Single Electron Transistor)の導電性島114に接続されている。ドレイン電極105には、信号を外部に出力する信号出力ポートOUTが接続されている。
信号入力部については実施の形態3と同様であり、検出部の構成については実施の形態2と同様であるため説明を省略する。
図12(a)は、本実施の形態5における電気機械フィルタの検出電極の構成を示す上面図である。
図12(a)に示す検出電極103bは、電荷励起電極1031と電位検出電極1032で構成され、電位検出電極1032は、途中で2本に分岐され、電荷励起電極1031上に、絶縁膜1034を介して形成され、振動子101と対向する突起構造1033に接続された構造となっている。電位検出電極1032は、MOSFETのゲートもしくはSETの導電性島114に接続されている。
また、本構成により、SETの導電性島114へ微小量電荷を効率良く供給することが可能となる。
電荷励起電極1031上に形成された電位検出電極1032との間には、絶縁層1034が形成されており、両電極間の絶縁をとっている。本構造は、実施の形態1および実施の形態2で示した製造方法と同様に作製可能であり、材料堆積、パターニング工程を用いる。突起構造1033の形成においては、電位検出電極1032と同じ材料で、同じマスクを用い、マスクパターンの変更により形状を変えることが可能である。
101 微小振動子
102 駆動電極
103、103b 検出電極
1031 電荷励起電極
1032 電位検出電極
1033 突起構造
104 ソース電極
105 ドレイン電極
106 半導体
107 (ゲート)絶縁膜
108、111、1034 絶縁層
109 ポスト
110 スペーサ
112 基板
113 フォトレジスト
114 導電性島
115 ゲート電極
116 電荷
Claims (13)
- 入力信号に対して共振可能な微小振動子と、前記微小振動子と所定の間隔を隔てて配設された検出電極を備え、前記微小振動子と前記検出電極との間の静電容量の変化を検出することにより、前記微小振動子の電気信号として出力する量子素子とを備え、
前記検出電極は、基板上の絶縁層上に形成された電荷励起電極と、前記電荷励起電極の前記微小振動子と対向する面上に形成された突起構造と、前記電荷励起電極上に絶縁層を介して形成され前記突起構造に接続された電位検出電極とを具備した電気機械フィルタ。 - 請求項1記載の電気機械フィルタであって、前記微小振動子は、前記微小振動子と所定の間隔を隔てて配設された駆動電極を備え、前記駆動電極との間で生起される静電力により前記微小振動子が励振されるようにした電気機械フィルタ。
- 請求項2記載の電気機械フィルタであって、前記入力信号は前記駆動電極に入力される電気機械フィルタ。
- 請求項1記載の電気機械フィルタであって、前記微小振動子は、磁界に配置され、前記磁界によるローレンツ力で励振されるようにした電気機械フィルタ。
- 入力信号に対して共振可能な微小振動子と、前記微小振動子と所定の間隔を隔てて配設された検出電極を備え、前記微小振動子と前記検出電極との間の静電容量の変化を検出することにより、前記微小振動子の電気信号として出力する量子素子とを備え、
前記微小振動子は、磁界に配置され、前記磁界によるローレンツ力で励振され、
前記入力信号は前記微小振動子の一端に入力されるようにした電気機械フィルタ。 - 請求項1乃至5のいずれか1項に記載の電気機械フィルタであって、前記量子素子は、MOSFETである電気機械フィルタ。
- 入力信号に対して共振可能な微小振動子と、前記微小振動子と所定の間隔を隔てて配設された検出電極を備え、前記微小振動子と前記検出電極との間の静電容量の変化を検出することにより、前記微小振動子の電気信号として出力する量子素子とを備え、
前記量子素子は、MOSFETであり、
前記検出電極は、前記量子素子のゲート電極として機能する電気機械フィルタ。 - 請求項1乃至5のいずれか1項に記載の電気機械フィルタであって、前記量子素子は、SETである電気機械フィルタ。
- 入力信号に対して共振可能な微小振動子と、前記微小振動子と所定の間隔を隔てて配設された検出電極を備え、前記微小振動子と前記検出電極との間の静電容量の変化を検出することにより、前記微小振動子の電気信号として出力する量子素子とを備え、
前記量子素子は、SETであり、
前記検出電極は、前記量子素子の導電性島として機能する電気機械フィルタ。 - 請求項1乃至9のいずれか1項に記載の電気機械フィルタであって、前記微小振動子および前記量子素子は同一基板上に形成された電気機械フィルタ。
- 請求項1乃至10のいずれか1項に記載の電気機械フィルタであって、前記微小振動子および前記量子素子の検出電極は同一材料で構成された電気機械フィルタ。
- 請求項1乃至11のいずれか1項に記載の電気機械フィルタであって、前記量子素子の検出電極は半導体材料で構成された電気機械フィルタ。
- 請求項1記載の電気機械フィルタであって、前記量子素子には、信号を外部に出力する信号出力ポートが接続されており、前記信号出力ポート側に信号増幅手段を備えた電気機械フィルタ。
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