JP5819766B2 - 微小メカニカル素子およびその作製方法 - Google Patents

Description

本発明は、高感度の各種センサやレゾネータとして用いられる微小メカニカル素子およびその作製技術に関するものである。

従来の微小メカニカル素子作製技術は、基板の上に予め設計されたレジストパターンを形成するリソグラフィ技術、レジストパターンを基板に転写するドライエッチング技術やウェットエッチング技術、場合によって基板の上に薄膜を形成する薄膜形成技術などにより、予定されたメカニカルな動作をする微小部分を形成し、更に電気回路と組み合わせるなどして微細な機械やセンサ素子を作製する技術であり、その詳細は例えば、非特許文献１に詳しく述べられている。

近年、上記の微小メカニカル素子の動作部分を更に微細にするなどして、論理演算をできるようにしたり、センサの感度を大幅に向上させたり、共振周波数を大幅にあげたりしたナノ電気機械システムが注目されている（例えば非特許文献２、非特許文献３、非特許文献４参照）。

メカニカルに動作する微小部分を形成する従来の技術として最も良く用いられている方法では、微小動作部の直下を、溶液を用いたウェットエッチングによりエッチングして、微小動作部の下面を基板から離す。具体的な作製方法の例を図１０を用いて説明する。図１０において、１０１は基板、１０２は薄膜、１０３はレジスト、１０４は反応性イオン、１０２ａは薄膜１０２からなる微小動作部、１０２ｂは微小動作部１０２ａを基板１０１に接続している支持部である。図１０（Ａ）〜図１０（Ｆ）は加工プロセスの順に従って加工された様子を示す素子の模式図で、図１１は図１０（Ｆ）中に破線１０５で示した平面で素子を切断した断面図である。

まず、図１０（Ａ）に示す基板１０１上に薄膜１０２を形成し（図１０（Ｂ））、更に薄膜１０２の上にレジスト１０３を塗布する（図１０（Ｃ））。リソグラフィ技術で、レジスト１０３に図１０（Ｄ）に示すように所望のパターンを形成した後、このレジスト１０３をマスクとして、真空中で反応性イオン１０４を照射してドライエッチングをする（図１０（Ｅ））。レジスト１０３を除去した後、基板１０１を良く溶解するが薄膜１０２を溶解しない溶液を用いて基板１０１を等方的にウェットエッチングすることにより、微小動作部１０２ａが形成される（図１０（Ｆ））。

しかし、この方法では、微小動作部１０２ａが元々薄膜１０２であったため一定の厚さにしかならず、更に微小動作部１０２ａを支える支持部１０２ｂの下の基板１０１までエッチングされ、図１１に示すように支持部１０２ｂが基板１０１から突き出た形状になってしまう。よって、微小動作部１０２ａが動く場合には、微小動作部１０２ａの全体が歪むことになり、かつ支持部１０２ｂも歪むため、動作が不安定になるという問題があった。より具体的な例としては、微小動作部１０２ａを共振させた場合に、振動エネルギーの一部が歪みに応じて微小動作部１０２ａ内の大きな部分で散逸してしまうことで、振動のＱ値が低下してしまうという問題があった。さらに、基板１０１から突き出ている支持部１０２ｂ付近も大きく歪むことで、振動エネルギーの散逸が更に大きくなるという問題があった。また、同様に基板１０１から突き出ている支持部１０２ｂが動くことで微小動作部１０２ａの共振周波数が低下するという問題があった。

メカニカルに動作する微小動作部を形成する従来の技術として、上述のようなウェットエッチングではなく、等方的なドライエッチングを用いた方法も知られている（例えば非特許文献５参照）。この方法でも等方的なエッチングを用いるため、上述の従来例と同様に、微小動作部の厚さが一定となり、かつ支持部が基板から突き出た形状となってしまうため、同様の問題がある。

また、メカニカルに動作する微小動作部の形状の例として、図１０（Ｆ）、図１１に示したような片持ち梁の形状ではなく、両持ち梁の形状や（例えば非特許文献２参照）、振動時の節付近を支持する形状などがある（例えば非特許文献６参照）。これらの形状の場合も、微小動作部の厚さが一定となり、かつ両持ち梁の場合には支持部が基板から突き出た形状となってしまうため、同様の問題がある。

江刺正喜監修，「マイクロマシン」，産業技術サービスセンター発行，２００２年，ＩＳＢＮ ４−９１５９５７−３８−１（Ｃ３０５３） I.Mahboob，et.al.，"Interconnect-free parallel logic circuits in a single mechanical resonator"，Nature Communications，Vol.2，p.198，2011 D.Rugar，et.al.，"Single spin detection by magnetic resonance force microscopy"，Nature，Vol.430，p.329-332，2004 Xue Ming Henry Huang，et.al.，"Nanodevice motion at microwave frequencies"，Nature，Vol.421，p.496-497，2003 A.N.Cleland，et.al.，"Fabrication of high frequency nanometer scale mechanical resonators from bulk Si crystals"，Applied Physics Letters，Vol.69，p.2653-2655，1996 Kun Wang，et.al.，"VHF Free-Free Beam High-Q Micromechanical Resonators"，Journal of Microelectromechanical systems，Vol.9，No.3，p.347-360，2000

以上の説明で明らかなように、従来の方法では微小メカニカル素子の微小動作部を作製する際に、薄膜の形成や等方的なエッチングを用いるために、微小動作部の厚さが一定となったり、支持部が基板から突き出た形状となったりしてしまう。そのため、微小動作部が振動する際に微小動作部全体と支持部とが歪み、その結果として振動のＱ値や共振周波数が低下してしまうという問題点があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、微小動作部の振動のＱ値や共振周波数を向上させることができる微小メカニカル素子およびその作製方法を提供することを目的とする。

本発明の微小メカニカル素子は、基板上に形成された支持部と、前記基板から離間した状態で、長さ方向に沿って寸法が変化するように形成された微小動作部と、前記支持部と前記微小動作部とを接続する接続部とを備え、前記微小動作部は、長さ方向に沿って厚さと幅が変化するように形成され、前記接続部は、前記支持部と前記微小動作部の厚さが大きい方の端部とを接続し、前記微小動作部よりも長さが小さく、前記微小動作部の最も幅が大きい部分よりも幅が小さく、前記微小動作部の厚さが大きい方の端部よりも厚さが小さいことを特徴とするものである。

また、本発明の微小メカニカル素子は、基板上に形成された支持部と、前記基板から離間した状態で、長さ方向に沿って寸法が変化するように形成された微小動作部と、前記支持部と前記微小動作部とを接続する接続部と、複数の前記微小動作部を接続する連結部とを備え、前記複数の微小動作部は、それぞれ長さ方向に沿って厚さと幅が変化するように形成され、前記連結部は、前記微小動作部よりも長さが小さく、前記微小動作部の最も幅が大きい部分よりも幅が小さく、前記微小動作部の厚さが大きい方の端部よりも厚さが小さく、前記接続部は、前記複数の微小動作部と複数の前記支持部とに対応して複数設けられ、各接続部は、それぞれ対応する前記支持部と前記微小動作部の重心位置の部分とを接続し、前記微小動作部よりも長さが小さく、前記微小動作部の最も幅が大きい部分よりも幅が小さく、前記微小動作部の厚さが大きい方の端部よりも厚さが小さいことを特徴とするものである。

また、本発明の微小メカニカル素子の作製方法は、基板上に凸部を形成する凸部形成工程と、前記凸部の側面にマスクを形成するマスク形成工程と、前記基板の表面に平行な方向から前記凸部のドライエッチングを行うエッチング工程とを備え、前記マスクは、前記基板の表面と平行な方向に沿って厚さが変化する微小動作部形成用パターンと、この微小動作部形成用パターンと向かい合うように配置された支持部形成用パターンと、この支持部形成用パターンと前記微小動作部形成用パターンとを接続し、前記微小動作部形成用パターンよりも寸法が小さい接続部形成用パターンとが一体成形された形状であり、前記凸部のドライエッチングにより、基板上に形成された支持部と、長さ方向に沿って寸法が変化する微小動作部と、前記支持部と前記微小動作部とを接続する接続部とが形成されることを特徴とするものである。
また、本発明の微小メカニカル素子の作製方法の１構成例において、前記エッチング工程は、反応性イオンエッチング装置の中に前記基板を垂直に立てて、電界調整用基板を前記基板の周りに配置した上で、上方から反応性イオンで前記凸部をドライエッチングすることを特徴とするものである。

また、本発明の微小メカニカル素子の作製方法の１構成例において、前記マスクは、前記微小動作部形成用パターンと、この微小動作部形成用パターンの厚さが大きい方の端部と向かい合うように配置された前記支持部形成用パターンと、この支持部形成用パターンと前記微小動作部形成用パターンの厚さが大きい方の端部とを接続し、前記微小動作部形成用パターンよりも長さが小さく、前記微小動作部形成用パターンの厚さが大きい方の端部よりも厚さが小さい前記接続部形成用パターンとが一体成形された形状であり、前記微小動作部は、長さ方向に沿って厚さが変化するように形成され、前記接続部は、前記支持部と前記微小動作部の厚さが大きい方の端部とを接続し、前記微小動作部よりも長さが小さく、前記微小動作部の厚さが大きい方の端部よりも厚さが小さいことを特徴とするものである。

また、本発明の微小メカニカル素子の作製方法の１構成例において、前記マスクは、さらに、複数の前記微小動作部形成用パターンを接続する連結部形成用パターンを備え、前記複数の微小動作部形成用パターンと、この複数の微小動作部形成用パターンの下部にそれぞれ配置された複数の前記支持部形成用パターンと、前記微小動作部形成用パターンよりも長さが小さく、前記微小動作部形成用パターンの厚さが大きい方の端部よりも厚さが小さい複数の前記接続部形成用パターンと、前記微小動作部形成用パターンよりも長さが小さく、前記微小動作部形成用パターンの厚さが大きい方の端部よりも厚さが小さい前記連結部形成用パターンとが一体成形された形状であり、各接続部形成用パターンは、前記微小動作部の重心位置に対応する前記微小動作部形成用パターンの箇所と前記支持部形成用パターンとを接続し、前記凸部のドライエッチングにより、複数の前記支持部と、複数の前記微小動作部と、複数の前記接続部に加えて、前記複数の微小動作部を接続する連結部が形成され、前記複数の微小動作部は、それぞれ長さ方向に沿って厚さが変化するように形成され、前記連結部は、前記微小動作部よりも長さが小さく、前記微小動作部の厚さが大きい方の端部よりも厚さが小さく、各接続部は、それぞれ対応する前記支持部と前記微小動作部の重心位置の部分とを接続し、前記微小動作部よりも長さが小さく、前記微小動作部の厚さが大きい方の端部よりも厚さが小さいことを特徴とするものである。

また、本発明の微小メカニカル素子の作製方法の１構成例において、前記凸部形成工程は、少なくとも前記微小動作部と前記接続部とが形成される予定位置の凸部の上面に開口部を設ける工程を含むことを特徴とするものである。
また、本発明の微小メカニカル素子の作製方法の１構成例において、前記凸部形成工程は、少なくとも前記複数の接続部と前記連結部とが形成される予定位置の凸部の上面に開口部を設ける工程を含むことを特徴とするものである。

本発明によれば、接続部が微小動作部に比べて小さい寸法となっているので、微小動作部に振動などの動作をさせた際に、微小動作部の大部分は殆ど歪まず、寸法が小さい接続部のみが大きく歪むことになる。また、本発明では、微小動作部を支持する支持部が基板から水平方向に突出することはない。よって、本発明では、振動エネルギーの散逸を小さく抑えることができるため、微小動作部の振動のＱ値を向上させることができる。さらに、本発明では、支持部が動くことがないため、微小動作部の共振周波数を向上させ、設計通りの共振周波数を得ることができる。

また、本発明では、複数の微小動作部を連結部で接続する場合に、連結部を微小動作部に比べて小さい寸法とすることにより、微小動作部の振動のＱ値を向上させることができ、微小動作部の共振周波数を向上させて設計通りの共振周波数を得ることができる。また、本発明では、接続部によって支持部と微小動作部の重心位置の部分とを接続しているため、微小動作部を振動させた際に、微小動作部を支える部分にかかる力が小さくなり、この部分の歪みによるエネルギー散逸を小さくすることができる。

また、本発明では、基板上の凸部の側面に形成するマスクを、基板の表面と平行な方向に沿って厚さが変化する微小動作部形成用パターンと、微小動作部形成用パターンと向かい合うように配置された支持部形成用パターンと、支持部形成用パターンと微小動作部形成用パターンとを接続し、微小動作部形成用パターンよりも寸法が小さい接続部形成用パターンとが一体成形された形状とし、基板の表面に平行な方向から凸部のドライエッチングを行うことにより、接続部が微小動作部に比べて小さい寸法となっている微小メカニカル素子を作製することができる。その結果、本発明では、微小動作部の振動のＱ値を向上させることができ、微小動作部の共振周波数を向上させて設計通りの共振周波数を得ることができる。

また、本発明では、反応性イオンエッチング装置の中に基板を垂直に立てて、電界調整用基板を基板の周りに配置した上で、上方から反応性イオンで凸部をドライエッチングすることにより、エッチング中の基板の上部付近の等電位面の曲がりを低減することができ、基板の表面に平行な方向から反応性イオンを照射して凸部のドライエッチングを行うことができる。

また、本発明では、少なくとも微小動作部と接続部とが形成される予定位置の凸部の上面に開口部を設けることにより、微小動作部を、長さ方向に沿って幅が大きく変化する構造とすることができ、また接続部の幅を、微小動作部の最も幅が大きい部分よりも小さくすることができる。

また、本発明では、少なくとも複数の接続部と連結部とが形成される予定位置の凸部の上面に開口部を設けることにより、微小動作部を、長さ方向に沿って幅が大きく変化する構造とすることができ、また各接続部の幅を、微小動作部の最も幅が大きい部分よりも小さくすることができ、連結部の幅を、微小動作部の最も幅が大きい部分よりも小さくすることができる。

本発明の第１の実施の形態に係る微小メカニカル素子の作製方法を示す模式図である。 本発明の第１の実施の形態に係る微小メカニカル素子の断面図である。 本発明の第１の実施の形態において凸部の側面に形成されたパターンの形状を示す側面図である。 本発明の第１の実施の形態において凸部の側面に基板の表面に平行な方向から反応性イオンを照射して凸部のドライエッチングを行う方法を説明する模式図である。 本発明の第１の実施の形態において凸部をドライエッチングした結果を示す電子顕微鏡写真である。 本発明の第１の実施の形態に係る微小メカニカル素子と従来の微小メカニカル素子について、微小動作部が共振振動する際の微小動作部の振幅と曲率を理論計算した結果を示す図、および微小動作部の熱弾性ダンピングによるエネルギー散逸を理論計算した結果を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る微小メカニカル素子の作製方法を示す模式図である。 本発明の第２の実施の形態に係る微小メカニカル素子の断面図である。 本発明の第２の実施の形態において凸部の側面に形成されたパターンの形状を示す側面図である。 従来の微小メカニカル素子の作製方法の例を示す模式図である。 従来の微小メカニカル素子の断面図である。

以下に図面を参照して本発明の実施の形態を詳しく説明する。
［第１の実施の形態］
図１（Ａ）〜図１（Ｈ）は、本発明の第１の実施の形態に係る微小メカニカル素子の作製方法を示す模式図である。図１において、１はシリコン等からなる基板、３はレジスト、４は反応性イオン、５は荷電粒子、１ａは微小動作部、１ｂは基板１から突出して微小動作部１ａを支える支柱となる支持部、１ｃは微小動作部１ａと支持部１ｂとを接続する接続部、１ｄは開口部、１ｆは基板１に形成された凸部、３ａ，３ｃはレジスト３の加工によって形成されたパターン、３ｂはパターン３ａに形成された開口部である。図１（Ａ）〜図１（Ｈ）は加工プロセスの順に従って加工された様子を示す素子の模式図である。図２（Ａ）は図１（Ｈ）中に破線８で示した平面で素子を切断した断面図、図２（Ｂ）は図１（Ｈ）中に一点鎖線９で示した平面で素子を切断した断面図である。

次に、本実施の形態の微小メカニカル素子の作製方法を説明する。まず、図１（Ａ）に示す基板１の表面上にレジスト３を塗布し（図１（Ｂ））、リソグラフィ技術で、レジスト３に図１（Ｃ）に示すように所望のパターン３ａを形成する。このパターン３ａは、例えば平面視四角形の形状で、四角形の内側に例えば三角形の開口部３ｂが形成され、開口部３ｂの底に基板１の表面が露出した形状となっている。なお、この開口部３ｂは、微小動作部１ａの形成が予定される側で幅が狭くなり（すなわち、マスクとしてのパターン３ａの幅が広くなる）、支持部１ｂの形成が予定される側で幅が広くなるように（すなわち、マスクとしてのパターン３ａの幅が狭くなる）、形成しておく必要がある。

次に、パターン３ａをマスクとし、真空中で基板１の表面に垂直な方向から反応性イオン４を照射して基板１のドライエッチングを行い、凸部１ｆを形成する（図１（Ｄ））。このとき、開口部３ｂの底に露出している基板１もエッチングされ、開口部１ｄが形成されることは言うまでもない。

次に、図１（Ｅ）に示すように基板１とパターン３ａの上に再びレジスト３を塗布するが、この際、基板１とパターン３ａの表面だけでなく、ドライエッチングで形成した凸部１ｆの側面にもレジスト３を均一に塗布することが重要である。基板１上に形成されたマイクロメータ級の寸法の凸部１ｆの垂直側面にレジスト３を均一に塗布する方法は、例えば文献「Kenji Yamazaki，et.al.，“Resist Coating on Vertical Side Faces Using Conventinal Spin Coating for Creating Three-Dimensional Nanostructures in Semiconductors”，Applied Physics Express，Vol.3，p.106501-1，2010」などに述べられている。

次に、凸部１ｆの側面のレジスト３に対して基板１の表面に平行な方向から荷電粒子５のビームを照射して、凸部１ｆの側面に所望のパターン３ｃを形成するリソグラフィを行う（図１（Ｆ））。図３は凸部１ｆの側面に形成されたパターン３ｃの形状を示す側面図である。図３に示すように、パターン３ｃは、基板１の表面と平行な方向に沿って厚さ（基板１の表面に垂直なｚ方向の寸法）が連続的に小さくなる微小動作部形成用パターン３ｄと、この微小動作部形成用パターン３ｄの厚さが大きい方の端部と向かい合うように配置され、下端が基板表面のレジスト３と接続するように形成された支持部形成用パターン３ｅと、支持部形成用パターン３ｅと微小動作部形成用パターン３ｄの厚さが大きい方の端部とを接続し、微小動作部形成用パターン３ｄよりも長さが小さく、微小動作部形成用パターン３ｄの厚さが大きい方の端部よりも厚さが小さい接続部形成用パターン３ｆとが一体成形された形状となっている。

なお、このパターン３ｃは、支持部形成用パターン３ｅ側の接続部形成用パターン３ｆの端部のｘ方向（基板１に平行な方向）の位置が、開口部１ｄの端部（図２（Ａ）の１ｇ）のｘ方向の位置と略一致し、かつ微小動作部形成用パターン３ｄの厚さが最も小さい先端部のｘ方向の位置が、微小動作部形成用パターン３ｄ側の開口部１ｄの端部（図２（Ａ）の１ｈ）のｘ方向の位置よりも凸部１ｆの端部側に突き出るように、形成しておく必要がある。

基板１上に形成されたマイクロメータ級の寸法の凸部１ｆの側面に、荷電粒子５のビームで精度良く描画を行う方法は、例えば文献「Kenji Yamazaki，et.al.，“Three-Dimensional alignment with 10 nm order accuracy in electron-beam lithography on rotated sample for three-dimensional nanofabrication”，Journal of Vacuum Science and Technology B，Vol.26，p.2529-2533，2008」などに述べられている。

次に、パターン３ｃを含むレジスト３をマスクとし、凸部１ｆの側面に基板１の表面に平行な方向から反応性イオン４を照射して凸部１ｆのドライエッチングを行う（図１（Ｇ））。この基板１の表面に平行な方向からドライエッチングを行う方法については後述する。

最後に、図１（Ｈ）に示すようにパターン３ｃを含むレジスト３を除去することで、微小動作部１ａと、基板１から突出して微小動作部１ａを支える支柱となる支持部１ｂと、微小動作部１ａと支持部１ｂとを接続する接続部１ｃとを備えた微小メカニカル素子が作製される。凸部１ｆに開口部１ｄが形成されているため、図２（Ａ）に示すように接続部１ｃは２つ形成されることになる。

図２（Ａ）、図２（Ｂ）において、微小動作部１ａの長さＬ１は４０μｍ、微小動作部１ａの最も広い箇所の幅Ｗ１が５μｍ、微小動作部１ａの最も厚い箇所の厚さＴ１は３μｍである。また、２つの接続部１ｃの長さＬ２は０．６μｍ、２つの接続部１ｃのうち一方の接続部の幅Ｗ２と他方の接続部の幅Ｗ３とを足した合計の幅は０．４６μｍ、２つの接続部１ｃの厚さＴ２は０．３μｍである。

本実施の形態では、基板表面に平行な方向から荷電粒子ビーム描画を行ってパターン３ｃを形成し、基板表面に平行な方向から凸部１ｆのドライエッチングを行うことにより、作製される微小動作部１ａは、図２（Ｂ）に示したように、長さ方向に沿って厚さが大きく変化する構造となっている。さらに、パターン３ａを形成し、基板表面に垂直な方向から基板１のドライエッチングを行うことにより、微小動作部１ａには開口部１ｄが形成されるので、微小動作部１ａは、図２（Ａ）に示したように、長さ方向に沿って幅が大きく変化する構造となっている。したがって、微小動作部１ａは、長さ方向に沿って厚さや幅が大きく変化する３次元的な構造となっている。

上記のとおり支持部形成用パターン３ｅ側の接続部形成用パターン３ｆの端部のｘ方向の位置は、支持部形成用パターン３ｅ側の開口部１ｄの端部（図２（Ａ）の１ｇ）のｘ方向の位置と一致しており、接続部形成用パターン３ｆは、微小動作部形成用パターン３ｄよりも長さが小さく、微小動作部形成用パターン３ｄの厚さが大きい方の端部よりも厚さが小さい。接続部１ｃは、このような接続部形成用パターン３ｆをマスクとして形成されるので、微小動作部１ａよりも長さが小さく、微小動作部１ａの最も幅が大きい部分よりも幅が小さく、微小動作部１ａの厚さが大きい方の端部よりも厚さが小さく、微小動作部１ａ全体に比べて桁違いに小さい寸法（幅、長さ、厚さ）になっている。また、本実施の形態では、微小動作部１ａを支持する支持部１ｂが基板１から水平方向に突出することはない。

図４（Ａ）、図４（Ｂ）は、基板１上に形成した凸部１ｆの側面に基板１の表面に平行な方向から反応性イオン４を照射して凸部１ｆのドライエッチングを行う方法を説明する模式図であり、図５は、図４（Ｂ）の条件で凸部１ｆをドライエッチングした結果を示す電子顕微鏡写真である。図４（Ａ）、図４（Ｂ）において、６は等電位面、７は電界調整用基板である。

図４（Ａ）に示したように、反応性イオンエッチング装置の中に、３ｍｍ以上の寸法の基板１を垂直に立てて、凸部１ｆの側面が反応性イオンエッチング装置の中で垂直方向を向くようにして、反応性イオン４で凸部１ｆをエッチングしようとすると、基板１によって等電位面６が基板１の上部付近で大きく曲がってしまう。反応性イオン４は、上方から下方に加速されて凸部１ｆに近づくが、曲った等電位面６によって、図４（Ａ）に示したように進行方向が曲げられる。したがって、反応性イオン４は、凸部１ｆに到達した時点で、基板１の表面に平行な方向とは大きく異なった角度から凸部１ｆに当たるため、基板１の表面に平行な方向でのエッチングをすることはできない。

一方、図４（Ｂ）に示したように、反応性イオンエッチング装置の中に、１ｍｍ程度以下の寸法の基板１を垂直に立てて、凸部１ｆの側面が反応性イオンエッチング装置の中で垂直方向を向くようにし、更に電界調整用基板７を基板１の周りに配置すると、エッチング中の基板１の上部付近の等電位面６の曲がりは大きく低減される。よって、反応性イオン４はほとんど曲げられることなく、凸部１ｆに到達する。実際、図４（Ｂ）の配置で反応性イオンエッチングを行い、凸部１ｆを電子顕微鏡で観察したところ、図５に示したとおり、２度という非常に小さい角度の誤差で、基板表面に平行にエッチングをすることができている。

電界調整用基板７は、寸法（幅、長さ、厚さ）が基板１の寸法と同じかそれ以上の大きさで、基板１と同じ材質の基板である。そして、基板１を反応性イオンエッチング装置の中に立てたときの基板１の高さ以下の距離だけ基板１から離れた位置に電界調整用基板７を配置すればよい。これにより、基板１の上部付近の等電位面６の曲がりを大きく低減することができる。

図６（Ａ）は本実施の形態の微小メカニカル素子と図１０（Ｆ）および図１１に示した従来の微小メカニカル素子について、微小動作部が共振振動する際の微小動作部の振幅Ｕ（ｘ）と曲率ｄ²Ｕ／ｄｘ²を、支持部からの距離ｘの関数として理論計算した結果を示す図、図６（Ｂ）は本実施の形態の微小メカニカル素子と従来の微小メカニカル素子について、微小動作部が共振振動する際の熱弾性ダンピングによるエネルギー散逸を、支持部からの距離ｘの関数として理論計算した結果を示す図である。本実施の形態の微小メカニカル素子については、接続部１ｃ側の支持部１ｂの端部の位置をｘ＝０とし、従来の微小メカニカル素子については、微小動作部１０２ａ側の支持部１０２ｂの端部の位置をｘ＝０としている。

図６（Ａ）、図６（Ｂ）において、６０は本実施の形態の微小メカニカル素子の振幅Ｕ（ｘ）を示し、６１は従来の微小メカニカル素子の振幅Ｕ（ｘ）を示し、６２は本実施の形態の微小メカニカル素子の曲率ｄ²Ｕ／ｄｘ²を示し、６３は従来の微小メカニカル素子の曲率ｄ²Ｕ／ｄｘ²を示している。また、６４は本実施の形態の微小メカニカル素子の熱弾性ダンピングによるエネルギー散逸を示し、６５は従来の微小メカニカル素子の熱弾性ダンピングによるエネルギー散逸を示している。

本実施の形態の微小メカニカル素子の寸法は上記のとおりである。従来の微小メカニカル素子の微小動作部１０２ａについては、本実施の形態の微小動作部１ａと同一の幅、同一の長さ、同一の共振周波数、同一の振動エネルギーを有するような寸法にした。具体的には、微小動作部１０２ａの長さ４０μｍを、幅を５μｍ、厚さを０．３μｍとした。ただし、従来の微小メカニカル素子についても、支持部１０２ｂが基板１０１から突き出ていない構造としている。また、図６（Ａ）、図６（Ｂ）の縦軸のスケールは各々の物理量の最大値で規格化している。熱弾性ダンピングによるエネルギー散逸の理論的な計算方法は、例えば文献「Ron Lifshitz，et.al.，“Thermoelastic damping in micro- and nanomechanical systems”，Physical Review B，Vol.61，p.5600-5609，2000」などに述べられている。

図６（Ａ）から明らかなように、従来の微小メカニカル素子では、ｘ方向（図１１の基板１０１に平行な方向）に沿って微小動作部１０２ａの厚さと幅が一定であるため、微小動作部１０２ａの歪み曲率も連続的に変化する。一方、本実施の形態の微小メカニカル素子においては、接続部１ｃの厚さと幅が小さいため、接続部１ｃの部分（図６（Ａ）のｘ＝０〜０．６μｍの部分）のみが大きく歪み（曲率が大きく）、微小動作部１ａの部分（ｘ≧０．６μｍの部分）はほとんど歪んでいないことが分かる。特に、微小動作部１ａのうち接続部１ｃに隣接する領域には振動する際に大きな力がかかるが、図２（Ｂ）からも明らかなように、微小動作部１ａのうち接続部１ｃに隣接する領域は、接続部１ｃに比べて桁違いに厚い構造となっているため、歪みおよび曲率を小さく抑えることができている。

その結果、図６（Ｂ）に示したように、従来の微小メカニカル素子では、微小動作部１０２ａ内の広い部分で熱弾性ダンピングによるエネルギー散逸が大きいのに対し、本実施の形態の微小メカニカル素子では、微小な接続部１ｃの部分（図６（Ｂ）のｘ＝０〜０．６μｍの部分）でのみ熱弾性ダンピングによるエネルギー散逸が大きく、微小動作部１ａのほとんどの部分（ｘ≧０．６μｍの部分）ではエネルギー散逸が小さく抑えられていることが分かる。

熱弾性ダンピングによる全エネルギー散逸は、エネルギー散逸をｘ方向について積分した値（図６（Ｂ）の各曲線６４，６５の下の面積）となり、本実施の形態の微小メカニカル素子の全エネルギー散逸は従来の微小メカニカル素子の全エネルギー散逸の約３０％に抑えられている。振動する微小動作部のエネルギー散逸は、熱弾性ダンピングによるもの以外に、主に微小動作部を支える部分の歪みによるもの、表面の微細運動によるものがあるが、本実施の形態の微小動作部１ａの形状を考えると、接続部１ｃの寸法（幅、厚さ）が従来の微小メカニカル素子に比べて桁違いに小さいこと、微小動作部１ａのほどんどの部分で歪みが小さく、寸法（表面積）が小さい接続部１ｃのみで歪みが大きいことから、微小動作部１ａを支える部分の歪みによるエネルギー散逸および表面の微細運動によるエネルギー散逸も、従来の微小メカニカル素子に比べて小さくなる。

以上のように、本実施の形態では、振動エネルギーの散逸を小さく抑えることができるため、微小動作部１ａの振動のＱ値を向上させることができる。更に、本実施の形態では、支持部１ｂが動くことがないため、微小動作部１ａの共振周波数を向上させ、設計通りの共振周波数を得ることができる。
本実施の形態では、微小動作部１ａが片持ち梁構造である場合を示したが、微小動作部が両持ち梁構造や他の動作可能な構造でも良いことは言うまでもない。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図７（Ａ）〜図７（Ｈ）は、本発明の第２の実施の形態に係る微小メカニカル素子の作製方法を示す模式図である。図７において、４は反応性イオン、５は荷電粒子、１０はシリコン等からなる基板、１３はレジスト、１０ａ，１０ｂは微小動作部、１０ｃ，１０ｄは基板１０から突出して微小動作部１０ａ，１０ｂを支える支柱となる支持部、１０ｅ，１０ｆは微小動作部１０ａ，１０ｂと支持部１０ｃ，１０ｄとを接続する基板接続部、１０ｇ，１０ｈ，１０ｉは開口部、１０ｊは基板１０に形成された凸部、１０ｋは微小動作部１０ａと微小動作部１０ｂとを接続する連結部、１３ａ，１３ｅはレジスト１３の加工によって形成されたパターン、１３ｂ，１３ｃ，１３ｄはパターン１３ａに形成された開口部である。図７（Ａ）〜図７（Ｈ）は加工プロセスの順に従って加工された様子を示す素子の模式図である。図８（Ａ）は図７（Ｈ）中に破線１４で示した平面で素子を切断した断面図、図８（Ｂ）は図７（Ｈ）中に一点鎖線１５で示した平面で素子を切断した断面図である。

次に、本実施の形態の微小メカニカル素子の作製方法を説明する。まず、図７（Ａ）に示す基板１０の表面上にレジスト１３を塗布し（図７（Ｂ））、リソグラフィ技術で、レジスト１３に図７（Ｃ）に示すように所望のパターン１３ａを形成する。このパターン１３ａは、例えば平面視四角形の形状で、その内側に例えば四角形の開口部１３ｂ，１３ｃ，１３ｄが形成され、開口部１３ｂ，１３ｃ，１３ｄの底に基板１０の表面が露出した形状となっている。このとき、開口部１３ｂはその直下に形成される予定の微小動作部１０ａの重心付近の位置に形成され、開口部１３ｃはその直下に形成される予定の微小動作部１０ｂの重心付近の位置に形成され、開口部１３ｄは連結部１０ｋが形成される予定の位置に形成される。

次に、パターン１３ａをマスクとし、真空中で基板１０の表面に垂直な方向から反応性イオン４を照射して基板１０のドライエッチングを行い、凸部１０ｊを形成する（図７（Ｄ））。このとき、開口部１３ｂ，１３ｃ，１３ｄの底に露出している基板１０もエッチングされ、開口部１０ｇ，１０ｈ，１０ｉが形成されることは言うまでもない。

次に、図７（Ｅ）に示すように基板１０とパターン１３ａの上に再びレジスト１３を塗布するが、この際、基板１０とパターン１３ａの表面だけでなく、ドライエッチングで形成した凸部１０ｊの側面にもレジスト１３を均一に塗布することが重要である。

次に、凸部１０ｊの側面のレジスト１３に対して基板１０の表面に平行な方向から荷電粒子５のビームを照射して、凸部１０ｊの側面に所望のパターン１３ｅを形成するリソグラフィを行う（図７（Ｆ））。図９は凸部１０ｊの側面に形成されたパターン１３ｅの形状を示す側面図である。図９に示すように、パターン１３ｅは、基板１０の表面と平行な方向に沿って厚さ（基板１０の表面に垂直なｚ方向の寸法）が連続的に小さくなる微小動作部形成用パターン１３ｆと、微小動作部形成用パターン１３ｆと反対の方向に向かって厚さが連続的に小さくなる微小動作部形成用パターン１３ｇと、微小動作部形成用パターン１３ｆの下部に配置され、下端が基板表面のレジスト１３と接続するように形成された支持部形成用パターン１３ｈと、微小動作部形成用パターン１３ｇの下部に配置され、下端が基板表面のレジスト１３と接続するように形成された支持部形成用パターン１３ｉと、微小動作部形成用パターン１３ｆと支持部形成用パターン１３ｈとを接続し、微小動作部形成用パターン１３ｆよりも長さが小さく、微小動作部形成用パターン１３ｆの厚さが大きい方の端部よりも厚さが小さい基板接続部形成用パターン１３ｊと、微小動作部形成用パターン１３ｇと支持部形成用パターン１３ｉとを接続し、微小動作部形成用パターン１３ｇよりも長さが小さく、微小動作部形成用パターン１３ｇの厚さが大きい方の端部よりも厚さが小さい基板接続部形成用パターン１３ｋと、微小動作部形成用パターン１３ｆと微小動作部形成用パターン１３ｇとを接続し、微小動作部形成用パターン１３ｆ，１３ｇよりも長さが小さく、微小動作部形成用パターン１３ｆ，１３ｇの厚さが大きい方の端部よりも厚さが小さい連結部形成用パターン１３ｌとが一体成形された形状となっている。

なお、このパターン１３ｅは、基板接続部形成用パターン１３ｊのｘ方向（基板１０に平行な方向）の位置が、微小動作部形成用パターン１３ｆの内側に形成される予定の微小動作部１０ａの重心のｘ方向の位置と略一致し（すなわち、開口部１０ｇのｘ方向の位置と略一致する）、基板接続部形成用パターン１３ｋのｘ方向の位置が、微小動作部形成用パターン１３ｇの内側に形成される予定の微小動作部１０ｂの重心のｘ方向の位置と略一致し（すなわち、開口部１０ｈのｘ方向の位置と略一致する）、連結部形成用パターン１３ｌのｘ方向の位置が、開口部１０ｉのｘ方向の位置と略一致するように、形成しておく必要がある。

次に、パターン１３ｅを含むレジスト１３をマスクとし、凸部１０ｊの側面に基板１０の表面に平行な方向から反応性イオン４を照射して凸部１０ｊのドライエッチングを行う（図７（Ｇ））。

最後に、図７（Ｈ）に示すようにパターン１３ｅを含むレジスト１３を除去することで、微小動作部１０ａ，１０ｂと、基板１０から突出して微小動作部１０ａ，１０ｂを支える支柱となる支持部１０ｃ，１０ｄと、微小動作部１０ａ，１０ｂと支持部１０ｃ，１０ｄとを接続する基板接続部１０ｅ，１０ｆと、微小動作部１０ａと微小動作部１０ｂとを接続する連結部１０ｋとを備えた微小メカニカル素子が作製される。凸部１０ｊに開口部１０ｇ，１０ｈ，１０ｉが形成されているため、図８（Ａ）に示すように連結部１０ｋは２つ形成されることになり、基板接続部１０ｅ，１０ｆは２つずつ形成されることになる。

本実施の形態では、基板表面に平行な方向から荷電粒子ビーム描画を行ってパターン１３ｅを形成し、基板表面に平行な方向から凸部１０ｊのドライエッチングを行うことにより、作製される微小動作部１０ａ，１０ｂは、図８（Ｂ）に示したように、長さ方向に沿って厚さが大きく変化する構造となっている。さらに、パターン１３ａを形成し、基板表面に垂直な方向から基板１のドライエッチングを行うことにより、微小動作部１０ａ，１０ｂには開口部１０ｇ，１０ｈが形成されるので、微小動作部１０ａ，１０ｂは、図８（Ａ）に示したように、長さ方向に沿って幅が大きく変化する構造となっている。したがって、微小動作部１０ａ，１０ｂは、長さ方向に沿って厚さや幅が大きく変化する３次元的な構造となっている。

上記のとおり基板接続部形成用パターン１３ｊ，１３ｋのｘ方向（基板１０に平行な方向）の位置は、開口部１０ｇ，１０ｈのｘ方向の位置と一致しており、基板接続部形成用パターン１３ｊ，１３ｋは、微小動作部形成用パターン１３ｆ，１３ｇよりも長さが小さく、微小動作部形成用パターン１３ｆ，１３ｇの厚さが大きい方の端部よりも厚さが小さい。基板接続部１０ｅ，１０ｆは、このような基板接続部形成用パターン１３ｊ，１３ｋをマスクとして形成されるので、微小動作部１０ａ，１０ｂよりも長さが小さく、微小動作部１０ａ，１０ｂの最も幅が大きい部分よりも幅が小さく、微小動作部１０ａ，１０ｂの厚さが大きい方の端部よりも厚さが小さく、微小動作部１０ａ，１０ｂ全体に比べて桁違いに小さい寸法（幅、長さ、厚さ）になっている。

また、連結部形成用パターン１３ｌのｘ方向の位置は、開口部１０ｉのｘ方向の位置と一致しており、連結部形成用パターン１３ｌは、微小動作部形成用パターン１３ｆ，１３ｇよりも長さが小さく、微小動作部形成用パターン１３ｆ，１３ｇの厚さが大きい方の端部よりも厚さが小さい。連結部１０ｋは、このような連結部形成用パターン１３ｌをマスクとして形成されるので、微小動作部１０ａ，１０ｂよりも長さが小さく、微小動作部１０ａ，１０ｂの最も幅が大きい部分よりも幅が小さく、微小動作部１０ａ，１０ｂの厚さが大きい方の端部よりも厚さが小さく、微小動作部１０ａ，１０ｂ全体に比べて桁違いに小さい寸法（幅、長さ、厚さ）になっている。また、本実施の形態では、微小動作部１０ａ，１０ｂを支持する支持部１０ｃ，１０ｄが基板１０から水平方向に突出することはない。

したがって、本実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、熱弾性ダンピングによるエネルギー散逸、微小動作部１０ａ，１０ｂを支える部分の歪みによるエネルギー散逸および表面の微細運動によるエネルギー散逸が、従来の微小メカニカル素子に比べて小さくなる。また、本実施の形態では、微小動作部１０ａ，１０ｂを支持する基板接続部１０ｅ，１０ｆのｘ方向の位置がそれぞれ微小動作部１０ａ，１０ｂの重心のｘ方向の位置と略一致しているため、微小動作部１０ａ，１０ｂを機械振動させた際に、第１の実施の形態と比べて微小動作部１０ａ，１０ｂを支える部分にかかる力が小さくなり、この部分の歪みによるエネルギー散逸を更に小さくすることができる。

以上のように、本実施の形態では、振動エネルギーの散逸を小さく抑えることができるため、微小動作部１０ａ，１０ｂの振動のＱ値を向上させることができる。更に、本実施の形態では、支持部１０ｃ，１０ｄが動くことがないため、微小動作部１０ａ，１０ｂの共振周波数を向上させ、設計通りの共振周波数を得ることができる。

上記第１、第２の実施の形態では、ドライエッチングのマスクとしてレジストを用いたが、レジストパターンを転写した薄膜や、リフトオフプロセスにより形成した薄膜など別の種類のマスクを用いても良い。また、第１、第２の実施の形態では、微小動作部が基板と同じ１種類の材質からなるが、あらかじめ基板表面に薄膜を積層させておくことで、微小動作部や接続部や支持部が層構造となっていても良い。
第１、第２の実施の形態では、微小メカニカル素子の材質としてシリコン（Ｓｉ）を例に挙げて説明しているが、これに限るものではなく、ＧａＡｓ、ＳｉＣ、ＧａＮなどの化合物半導体や、ＳｉＯ₂などの化合物および各種金属を含む、ドライエッチングで加工できる各種材料に本発明を適用可能である。

以上に挙げた本発明の実施の形態は、本発明により考え得る例の極一部であり、ドライエッチングの方法やリソグラフィの方法、目的とする微小メカニカル素子の機能・構造によって、本発明は多数の実施の形態を取り得るものである。
具体的な組み合わせは、用いるマスクやドライエッチングの方法、目的とする微小メカニカル素子の機能・構造に応じて最適なものを選択するべきであるが、適切な組み合わせにより同様の効果が得られるものである。

本発明は、高感度の各種センサやレゾネータに適用することができる。

１，１０…基板、１ａ，１０ａ，１０ｂ…微小動作部、１ｂ，１０ｃ，１０ｄ…支持部、１ｃ…接続部、１ｄ，１０ｇ，１０ｈ，１０ｉ…開口部、１ｆ，１０ｊ…凸部、３，１３…レジスト、３ａ，３ｃ，１３ａ，１３ｅ…パターン、３ｂ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ…開口部、３ｄ，１３ｆ，１３ｇ…微小動作部形成用パターン、３ｅ，１３ｈ，１３ｉ…支持部形成用パターン、３ｆ…接続部形成用パターン、４…反応性イオン、５…荷電粒子、６…等電位面、７…電界調整用基板、１０ｅ，１０ｆ…基板接続部、１０ｋ…連結部、１３ｊ，１３ｋ…基板接続部形成用パターン、１３ｌ…連結部形成用パターン。

Claims (8)

1. 基板上に形成された支持部と、
   前記基板から離間した状態で、長さ方向に沿って寸法が変化するように形成された微小動作部と、
   前記支持部と前記微小動作部とを接続する接続部とを備え、
   前記微小動作部は、長さ方向に沿って厚さと幅が変化するように形成され、
   前記接続部は、前記支持部と前記微小動作部の厚さが大きい方の端部とを接続し、前記微小動作部よりも長さが小さく、前記微小動作部の最も幅が大きい部分よりも幅が小さく、前記微小動作部の厚さが大きい方の端部よりも厚さが小さいことを特徴とする微小メカニカル素子。
2. 基板上に形成された支持部と、
   前記基板から離間した状態で、長さ方向に沿って寸法が変化するように形成された微小動作部と、
   前記支持部と前記微小動作部とを接続する接続部と、
   複数の前記微小動作部を接続する連結部とを備え、
   前記複数の微小動作部は、それぞれ長さ方向に沿って厚さと幅が変化するように形成され、
   前記連結部は、前記微小動作部よりも長さが小さく、前記微小動作部の最も幅が大きい部分よりも幅が小さく、前記微小動作部の厚さが大きい方の端部よりも厚さが小さく、
   前記接続部は、前記複数の微小動作部と複数の前記支持部とに対応して複数設けられ、各接続部は、それぞれ対応する前記支持部と前記微小動作部の重心位置の部分とを接続し、前記微小動作部よりも長さが小さく、前記微小動作部の最も幅が大きい部分よりも幅が小さく、前記微小動作部の厚さが大きい方の端部よりも厚さが小さいことを特徴とする微小メカニカル素子。
3. 基板上に凸部を形成する凸部形成工程と、
   前記凸部の側面にマスクを形成するマスク形成工程と、
   前記基板の表面に平行な方向から前記凸部のドライエッチングを行うエッチング工程とを備え、
   前記マスクは、前記基板の表面と平行な方向に沿って厚さが変化する微小動作部形成用パターンと、この微小動作部形成用パターンと向かい合うように配置された支持部形成用パターンと、この支持部形成用パターンと前記微小動作部形成用パターンとを接続し、前記微小動作部形成用パターンよりも寸法が小さい接続部形成用パターンとが一体成形された形状であり、
   前記凸部のドライエッチングにより、基板上に形成された支持部と、長さ方向に沿って寸法が変化する微小動作部と、前記支持部と前記微小動作部とを接続する接続部とが形成されることを特徴とする微小メカニカル素子の作製方法。
4. 請求項３記載の微小メカニカル素子の作製方法において、
   前記エッチング工程は、反応性イオンエッチング装置の中に前記基板を垂直に立てて、電界調整用基板を前記基板の周りに配置した上で、上方から反応性イオンで前記凸部をドライエッチングすることを特徴とする微小メカニカル素子の作製方法。
5. 請求項３または４記載の微小メカニカル素子の作製方法において、
   前記マスクは、前記微小動作部形成用パターンと、この微小動作部形成用パターンの厚さが大きい方の端部と向かい合うように配置された前記支持部形成用パターンと、この支持部形成用パターンと前記微小動作部形成用パターンの厚さが大きい方の端部とを接続し、前記微小動作部形成用パターンよりも長さが小さく、前記微小動作部形成用パターンの厚さが大きい方の端部よりも厚さが小さい前記接続部形成用パターンとが一体成形された形状であり、
   前記微小動作部は、長さ方向に沿って厚さが変化するように形成され、
   前記接続部は、前記支持部と前記微小動作部の厚さが大きい方の端部とを接続し、前記微小動作部よりも長さが小さく、前記微小動作部の厚さが大きい方の端部よりも厚さが小さいことを特徴とする微小メカニカル素子の作製方法。
6. 請求項３または４記載の微小メカニカル素子の作製方法において、
   前記マスクは、さらに、複数の前記微小動作部形成用パターンを接続する連結部形成用パターンを備え、前記複数の微小動作部形成用パターンと、この複数の微小動作部形成用パターンの下部にそれぞれ配置された複数の前記支持部形成用パターンと、前記微小動作部形成用パターンよりも長さが小さく、前記微小動作部形成用パターンの厚さが大きい方の端部よりも厚さが小さい複数の前記接続部形成用パターンと、前記微小動作部形成用パターンよりも長さが小さく、前記微小動作部形成用パターンの厚さが大きい方の端部よりも厚さが小さい前記連結部形成用パターンとが一体成形された形状であり、
   各接続部形成用パターンは、前記微小動作部の重心位置に対応する前記微小動作部形成用パターンの箇所と前記支持部形成用パターンとを接続し、
   前記凸部のドライエッチングにより、複数の前記支持部と、複数の前記微小動作部と、複数の前記接続部に加えて、前記複数の微小動作部を接続する連結部が形成され、
   前記複数の微小動作部は、それぞれ長さ方向に沿って厚さが変化するように形成され、
   前記連結部は、前記微小動作部よりも長さが小さく、前記微小動作部の厚さが大きい方の端部よりも厚さが小さく、
   各接続部は、それぞれ対応する前記支持部と前記微小動作部の重心位置の部分とを接続し、前記微小動作部よりも長さが小さく、前記微小動作部の厚さが大きい方の端部よりも厚さが小さいことを特徴とする微小メカニカル素子の作製方法。
7. 請求項５記載の微小メカニカル素子の作製方法において、
   前記凸部形成工程は、少なくとも前記微小動作部と前記接続部とが形成される予定位置の凸部の上面に開口部を設ける工程を含むことを特徴とする微小メカニカル素子の作製方法。
8. 請求項６記載の微小メカニカル素子の作製方法において、
   前記凸部形成工程は、少なくとも前記複数の接続部と前記連結部とが形成される予定位置の凸部の上面に開口部を設ける工程を含むことを特徴とする微小メカニカル素子の作製方法。