JP5231907B2 - 静電振動子 - Google Patents

Description

本発明は、各種電子機器の基準周波数発振器に使用される静電振動子に関する。

携帯電話等に代表される無線携帯機器や、パーソナルコンピュータ、時計等の電子機器の小型化と高精度化の要求が高まっている中で、このような電子機器には、小型でしかも安定な高周波信号源が必要不可欠である。この要求を満足させるための代表的な電子部品がＡＴカット水晶振動子（以下、単にＡＴカットと略す）である。

ＡＴカットは、良好な結晶の安定性から、発振素子としての品質の指標である共振先鋭度すなわちＱ値が極めて大きく、１００００を超えることが知られている。これが、無線携帯機器、パーソナルコンピュータ等の安定な高周波信号源として、広くＡＴカットが利用されている理由である。しかし、このＡＴカットは、近年の強い小型化の要求に関しては、十分に満足させることができないことも明らかになってきている。

すなわち、周知のとおり、ＡＴカット以外の高周波電子部品は、シリコンのＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical-System）技術の飛躍的な向上と共に、ＩＣとの一体形成及び接合形成が実現しており、ほぼワンチップ化されている。ところが、水晶単結晶とシリコン結晶の物理的接合が非常に困難であるために、一体形成や接合形成が不可能であるので、ＡＴカットも含めたワンチップ化は実現できていない。以上が、ＡＴカットが近年の小型化の要求を十分に満足させることができない理由である。

この問題を解決するために、近年とみに注目されている振動子が、シリコン単結晶とＭＥＭＳ技術を用いた静電振動子である。この静電振動子は、シリコンより形成された振動子の高Ｑ特性を持った機械振動を、静電力を介在して電気信号に変換する振動子であって、水晶振動子と同等な高Ｑ特性を持つインピーダンス特性を実現することができると共にＡＴカットに代表される水晶振動子では実現できないＩＣとの一体形成及び接合形成が実現できるという、非常に優れた特徴を持った振動子である（例えば非特許文献１参照）。

この静電振動子の製造は、図７にて示すＳＯＩウェハを用いて製造される。図７は前記ＳＯＩウェハの模式図である。ＳＯＩウェハはシリコン基板７０１、このシリコン基板７０１上に形成された酸化シリコン層すなわちボックス層７０２、このボックス層７０２上にされたシリコン層７０３の三層構造を持つウェハである。本発明に係る静電振動子は、ＤＲＩＥ等のＭＥＭＳ技術を用いて図７記載のシリコン層７０３部にて形成されている。
T.Mattila et al.，"14MHz Micromechanical Oscillator"，TRANSDUCERS'01 EUROSENSORS XV，The 11th International Conference on Solid-State Sensors and Actuators，Munich，Germany，2001

しかし、従来の静電振動子には、以下で説明するような問題があった。図８は従来の静電振動子の代表的な構造を示す斜視図であって、屈曲振動型静電振動子の斜視図である。固定部８０３と振動部８０４は、シリコン基板８０１上のボックス層８０２を介在して一体形成されている。二対の励振電極８０５は、振動部８０４において屈曲振動変位８０６を誘発するように配置されており、ボックス層８０２上に形成されている。ちなみに振動部８０４の長さ寸法はL、幅寸法はａである。この時、この静電振動子の固有周波数Ｆは、以下の（１）式で決定される。

ここで、E、ρはそれぞれシリコンのヤング率と密度であり、ａ、Lは、図８記載の振動子の幅寸法と長さ寸法である。

無線携帯機器、パーソナルコンピュータ等の安定な高周波信号源として利用される場合、そのデバイスの持つ固有周波数は目標周波数に対して、数十ｐｐｍ以内で一致している事が必要である。本発明に係るシリコンを用いた静電振動子や前述のＡＴカット水晶振動子においては、その振動部の機械的加工精度では、目標周波数に対する固有周波数のズレを数十ｐｐｍ以内に収める事は不可能である。この問題を解決するために、ＡＴカット水晶振動子においては、振動部に直接形成された励振電極をイオンミーリング等の方法で削る事によって、励振電極の質量を変化させ、固有周波数を微調整している。ところが、本発明に係る静電振動子においては、ＡＴカット水晶振動子と同一の高周波帯域においては、（１）式にて示すように、振動部８０４の面積が非常に小さくなるので、振動部８０４の質量を微調整する事が非常に困難である。

この周波数調整の問題を解決するめに、従来のシリコン製静電振動子においては、その機械的固有周波数を調整するのではなく、発振回路にて出力させた周波数をＰＬＬ（Phase Locked Loop）を用いて規定の周波数に制御するという電気回路的な周波数調整方法が提案されている。図９は、この従来の静電振動子の周波数調整方法を示すブロック図である。図９記載の周波数調整方法は、静電振動子９０１と発振回路９０２にて発生した発振周波数はＰＬＬ部９０３に入力され、前もって外部入力されている周波数情報に基づいて、周波数調整されて信号が出力される。しかし、この従来の静電振動子の周波数調整方法にては、ＰＬＬ方式を採用していたために、回路規模が非常に大きくなり、ＬＳＩのコストが高くなるばかりか、位相雑音特性の劣化、大きな消費電流等の問題があった。それゆえ、この静電振動子は前述の如く、非常に優れた特徴を持っているにもかかわらず、いまだに実用化が困難な状況である。すなわち、本発明は、ＰＬＬ方式を採用せずとも周波数を調整できる静電振動子の構造とその周波数調整方法を提供する事を目的とする。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、両端固定型の振動境界条件をもったMEMS型静電駆動屈曲振動子の振動部の両端部と応力印加構造が一体形成されると共に、少なくとも前記応力印加構造部には酸化シリコン膜が形成されている構造を採用した事を特徴とする。

両端固定型の振動境界条件をもったMEMS型静電駆動屈曲振動子の振動部の両端部と応力印加構造が一体形成された構造において、酸化シリコン膜生成前後に生じる応力印加構造部の熱弾性変形に伴う残留応力を酸化シリコン膜のトリミングによって変化させると、振動部に印加される応力が変化し、その結果、振動部の固有周波数が変化する。この振動子構造を採用すれば、酸化シリコン膜が形成された応力印加構造部の面積は振動部の面積に比較して大きくする事ができるので、相対的にトリミングのスポット面積との比を小さくすることができる。それゆえ固有周波数の微調整が可能となり、静電振動子の固有周波数自体の周波数調整ができる。その結果、従来のＰＬＬ型の周波数調整方法に比較して回路規模が極めて小さくなるばかりか、消費電流も低減できる。さらには、ＰＬＬ制御が必要ないので、位相ノイズも低減できる。

以下、図面を参照し、本発明の実施形態とその作用を説明する。図１は、本発明の第一の実施形態による静電振動子の構造を示す斜視図である。シリコン基板１０１には、振動境界条件が両端固定型の二本の同一形状寸法の振動部よりなる長さL、幅ａの振動子が形成されている。この前記二本の振動部がそれぞれ振動部１０２と振動部１０３である。

振動子は固定部１０４と固定部１０５と一体形成されている。周波数調整ビーム１０６が第二のビームとして振動部１０２と振動部１０３中間位置に形成されており、さらにこれらの周波数調整ビーム１０６、振動部１０２及び振動部１０３は、固定部１０４と固定部１０５を介在して一体形成されている。固定部１０４はボックス層１０７を介在してシリコン基板１０１上に固定されている。それに対して固定部１０５とシリコン基板１０１との間は、ボックス層１０７の厚みに相当する空隙１０８が存在する。

振動部１０２と振動部１０３の振動変位はそれぞれ、振動変位１０９及び振動変位１１０であり、その振動振幅は互いに等しく、その位相は１８０°異なっている。このような振動変位を励起させるための励振電極が、図記載の励振電極１１１、励振電極１１２、励振電極１１３及び励振電極１１４であり、これらの励振電極もボックス層１０７を介在してシリコン基板１０１と一体形成されている。励振電極１１１と励振電極１１３は同一極性であり、励振電極１１２と励振電極１１４は励振電極１１１及び励振電極１１３に対して反転極性を持っている。また本発明に係る静電振動子の製造プロセスにおいては、少なくとも周波数調整ビーム１０６にはシリコン酸化膜が形成されている。

本図記載の静電振動子においては、イオンミーリング加工等を用いて選択的に周波数調整ビーム１０６に形成されたシリコン酸化膜をトリミングすることで、振動部１０２及び振動部１０３の固有周波数を調整する事ができる。シリコン基板１０１に設けられた空隙部１１５は、周波数調整ビーム１０６に形成された酸化膜を除去する際に用いられる空隙であって、周波数調整ビーム１０６の裏面の酸化膜をイオンミーリング加工等によって除去する際に必要な空隙である。

図２は、本発明に係る図１記載の静電振動子において、熱弾性変形が圧縮応力として振動部に印加される機構を説明するための図である。本図は、図１記載の本発明に係る振動部１０２、振動部１０３と、この振動部と固定部１０４と固定部１０５を介在して両振動部の中間位置に形成され、かつシリコン酸化膜が形成された周波数調整ビーム１０６よりなる静電振動子の正面図である。本図において周波数調整ビーム１０６に形成されているシリコン酸化膜をイオンビーム２０３によってトリミングする事によって、周波数調整ビーム１０６には熱弾性変形応力２０１が発生すると同時に振動部１０２と振動部１０３にも、振動部熱弾性応力２０２が発生する。この時、図１記載の静電振動子の固有周波数Ｆは、近似的に以下の（２）式で決定される。

ここで、Ｅ、ρはそれぞれシリコンのヤング率と密度であり、Ｗ、ａは、図１記載の振動子の幅寸法と長さ寸法である。さらにσ₀は図２記載の熱弾性応力２０２の大きさである。この応力は圧縮応力であるので負の値である。またｋは比例定数であって、振動部におけるシリコン酸化膜の有無によってその大きさは相違するが、本発明の作用には大きく影響しないので詳細説明は省略する。

図３は、図２記載の熱弾性応力２０２の大きさとシリコン酸化膜のトリミング量の関係を示した特性図であって、縦軸は熱弾性応力２０２の大きさσ₀、横軸はシリコン酸化膜のトリミング量Ｍである。本図は図１記載の振動部１０２、振動部１０３及び周波数調整ビーム１０６にシリコン酸化膜が熱焼成によって形成されている場合の特性図である。この場合、トリミング前、すなわちトリミング量が０のときは、熱弾性応力は発生せず、トリミング量の増加にしたがって、熱弾性応力は負の側に増加していく。この挙動を示したのが特性曲線３０１である。なお、熱焼成においては、本発明に係る振動部、周波数調整ビーム以外のシリコン基板１０１、励振電極１１１、励振電極１１２、励振電極１１３、励振電極１１４の表面にもシリコン酸化膜が形成されるが、本発明が課題とする周波数調整に関しては、大きな影響を与えないので、本図の説明に関しては図示する事を省略している。

図４は、図２記載の熱弾性応力２０２の大きさとシリコン酸化膜のトリミング量の関係を示した第二の特性図であって、縦軸は熱弾性応力２０２の大きさσ₀、横軸はシリコン酸化膜のトリミング量Ｍである。本図は図１記載の周波数調整ビーム１０６のみにシリコン酸化膜が形成されている場合の特性図である。この場合のシリコン酸化膜はＣＶＤ等の薄膜形成法で形成されている。なお、この薄膜形成においては膜形成時の温度条件によって、前述の熱弾性応力の大きさが変化するが、これは単なるプロセスの条件設定事項にすぎない。

本図において、トリミング前、すなわちトリミング量が０のとき熱弾性応力は負の値σ₁であり、トリミング量の増加にしたがって、熱弾性応力は正の側に増加し、完全にシリコン酸化膜が除去されるとその値は０になる。この挙動を示したのが特性曲線４０１である。以上の特性曲線３０１及び特性曲線４０１と（２）式から、本発明に係る静電振動子は、図１及び図２記載の周波数調整ビーム１０６に形成されているシリコン酸化膜をトリミングすると、周波数が変化する事が判明する。すなわち、図１記載の振動部１０２、振動部１０３及び周波数調整ビーム１０６にシリコン酸化膜が形成されている場合は、シリコン酸化膜のトリミングによって固有周波数は減少、図１記載の周波数調整ビーム１０６のみにシリコン酸化膜が形成されている場合は、シリコン酸化膜のトリミングによって固有周波数は増加する。本発明に係る酸化シリコン膜が形成された周波数調整ビームの面積は振動部の面積に比較して大きくする事ができるので、相対的にトリミングビームのスポット面積との比を小さくすることができる。それゆえ固有周波数の微調整が可能となり、静電振動子の固有周波数自体の周波数調整ができる。

図５は、本発明の第二の実施形態による静電振動子の構造を示す斜視図である。シリコン基板５０１には、振動境界条件が両端固定型の二本の同一形状寸法の振動部よりなる長さL、幅ａの振動子が形成されている。この前記二本の振動部がそれぞれ。振動部５０２と振動部５０３である。前記振動子は固定部５０４と固定部５０５と一体形成されている。また一対の周波数調整ビーム５０６が第二のビームとして振動部５０２と振動部５０３に対して平行な位置に形成されており、さらにこれらの周波数調整ビーム５０６、振動部５０２及び振動部５０３は、固定部５０４と固定部５０５を介在して一体形成されている。固定部５０４はボックス層５０７を介在してシリコン基板５０１上に固定されている。それに対して固定部５０５とシリコン基板５０１との間は、ボックス層５０７の厚みに相当する空隙５０８が存在する。振動部５０２と振動部５０３の振動変位はそれぞれ、振動変位５０９及び振動変位５１０であり、その振動振幅は互いに等しく、その位相は１８０°異なっている。

このような振動変位を励起させるための励振電極が、図記載の励振電極５１１と励振電極５１２であり、この両励振電極もボックス層５０７を介在してシリコン基板５０１と一体形成されている。振動部５０２と振動部５０３の外側にある一対の励振電極５１１と前記両振動部の内側にある励振電極５１２は互いに極性が異なるように電気的に接続されている。また本発明に係る静電振動子の製造プロセスにおいては、少なくとも一対の周波数調整ビーム５０６にはシリコン酸化膜が形成されている。

図６は、本発明に係る図５記載の静電振動子において、熱弾性変形が圧縮応力として振動部に印加される機構を説明するための図である。本図は、振動部５０２、振動部５０３と、この振動部と固定部５０４と固定部５０５を介在して平行な位置に一体形成された一対の周波数調整ビーム５０６よりなる静電振動子の正面図である。本図において周波数調整ビーム５０６に形成されているシリコン酸化膜をイオンビーム６０３でトリミングする事によって、周波数調整ビーム５０６には熱弾性変形応力６０１が発生すると同時に振動部５０２と振動部５０３にも、振動部熱弾性応力６０２が発生する。この時、図５記載の静電振動子の固有周波数Ｆは、図１記載の静電振動子と同じく先の（２）式で決定される。

図５記載の振動部５０２、振動部５０３及び周波数調整ビーム５０６にシリコン酸化膜が熱焼成によって形成されている場合、周波数調整ビーム５０６のトリミング前、すなわちトリミング量が０のときは、振動部５０２及び振動部５０３には熱弾性応力は発生せず、トリミング量の増加にしたがって熱弾性応力は負の側に増加していく。この挙動は、先に示した本発明に係る第一の実施例の機構を説明する図３記載の特性曲線３０１と同じとなる。なお、熱焼成においては、本発明に係る振動部、周波数調整ビーム以外のシリコン基板５０１、励振電極５１１及び励振電極５１２の表面にもシリコン酸化膜が形成されるが、本発明が課題とする周波数温度特性の改善に関しては、おおきな影響を与えないので、本図の説明に関しては図示する事を省略している。また、図５記載の周波数調整ビーム５０６のみにシリコン酸化膜が、ＣＶＤ等の薄膜形成法で形成されている場合、周波数調整ビーム５０６のトリミング量が０のとき熱弾性応力は負の値であり、トリミング量の増加にしたがって、熱弾性応力は正の側に増加し、完全にシリコン酸化膜が除去されるとその値は０になる。この挙動は、先に示した、本発明に係る第一の実施例の機構を説明する図４記載の特性曲線４０１と同じとなる。なお、本図に係る薄膜形成においても、膜形成時の温度条件によって、前述の熱弾性応力の大きさが変化するが、図４の説明と同じく、単なるプロセスの条件設定事項にすぎない。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。すなわち、両端固定型の振動境界条件をもったMEMS型静電駆動屈曲振動子の振動部の両端部と他の構造体が一体形成された静電振動子において、少なくとも前記構造体にはシリコン酸化膜が形成されると共に、前記構造体の熱弾性応力に起因する圧縮応力が前記振動部に印加される構造を採用する事によって、ＰＬＬ方式を採用せずとも、周波数を調整できる静電振動子構造が提供できる。

本発明に係る第一の実施形態による静電振動子の構造を示す斜視図 本発明に係る第一の実施形態における、圧縮応力印加機構を説明するための図 図２記載の熱弾性応力２０２の大きさとシリコン酸化膜のトリミング量の関係を示した特性図 図２記載の熱弾性応力２０２の大きさとシリコン酸化膜のトリミング量の関係を示した第二の特性図 本発明の第二の実施形態による静電振動子の構造を示す斜視図 本発明の第二の実施形態における圧縮応力印加機構を説明するための図 静電振動子の製造に関するＳＯＩウェハの概念図 従来の静電振動子の構造を示す片端部固定型屈曲振動型静電振動子の斜視図 従来の静電振動子の周波数調整方法を示すブロック図

符号の説明

１０１、５０１、７０１、８０１ シリコン基板
１０２、１０３、５０２、５０３、８０４ 振動部
１０４、１０５、５０４、５０５、８０３ 固定部
１０６、５０６ 周波数調整ビーム
１０７、５０７、７０２、８０２ ボックス層
１０８、５０８ 空隙
１０９、１１０、５０９、５１０ 振動変位
１１１、１１２、１１３、１１４、５１１、５１２、８０５ 励振電極
１１５ 空隙部
２０１、２０２、６０１、６０２ 熱弾性変形応力
２０３、６０３ イオンビーム
３０１、４０１ 特性曲線
７０３ シリコン層
８０６ 屈曲振動変位

Claims (4)

1. 両端固定型の振動境界条件をもったMEMS型静電駆動屈曲振動子の振動部の両端部と他の構造体が一体形成された静電振動子において、
   少なくとも前記他の構造体にはシリコン酸化膜が形成されると共に、前記他の構造体の熱弾性応力に起因する圧縮応力が前記振動部に印加される構造を有し、
   前記他の構造体は、前記振動部と平行な位置にシリコン酸化膜が形成されたビームであって、前記ビームの両端部と前記振動部の両端部が一体形成され、前記振動部の一方の端部のみがシリコン基板上に連結されていることを特徴とする静電振動子。
2. 前記シリコン酸化膜は熱焼成膜にて形成されている請求項１に記載の静電振動子。
3. 前記シリコン酸化膜はＣＶＤ膜で形成されている請求項１に記載の静電振動子。
4. 前記ビームに形成されている前記シリコン酸化膜をイオンミーリング等によって除去する事によって振動子の固有周波数を調整する請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の静電振動子。

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