JPWO2005011116A1 - Mems型共振器及びその製造方法、並びに通信装置 - Google Patents
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Abstract
Description
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)。
図15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。
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。
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。
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、入力電極となる振動電極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。
しかし、上述の図15の振動素子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6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。
C.T.−Nguyen,"Micromechanical components for miniaturized low−power communications(invited plenary)",proceedingS1999 IEEE MTT−S International Microwave Symposium RF MEMS Workshop,June,18,1999,pp.48−77. 一方、本出願人は、先に特願2003−11648号において、ノイズ成分の低減を図ったMEMS型共振器を提案した。図14は、このMEMS型共振器の概略を示す。基本的にはDCバイアスを印加したビームとなる振動電極を、入出力電極間に配置してノイズ成分の低減を図っている。本MEMS型共振器11は、図14に示すように、例えば表面に絶縁膜を有するシリコン半導体基板12上に所要の間隔を置いて高周波信号を入力する入力電極14と高周波信号を出力する出力電極15を形成し、これら入出力電極14、15上に空隙16を挟んで対向するビーム、即ち振動電極17を配置して成る。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。
このMEMS型共振器11では、振動電極17に所要のDCバイアス電圧V1が印加され、入力電極14に高周波信号S1が入力される。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例えば図14に示すように、2次の振動モードで振動電極17が共振する。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るので、入出力電極14及び15間の寄生容量C0を小さくすることができる。また、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との空隙16の間隔を小さくすることができる。このため、図15に比べて出力信号のノイズ成分を低減し、SN比の向上を図ることが可能になる。
ところで、図14のMEMS型共振器11においては、より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間の空隙16を小さくして行った場合、製造工程におけるウェットプロセス、特に犠牲層の除去工程で、振動電極17が基板12に吸着される虞れがある。また、多次の振動モードに適用するとき、所望次数の振動モードの選択が難しい。即ち、多次の振動モードが混在する虞れがある。
また、本発明は、このようなMEMS型共振器によるフィルタを備えた通信装置を提供するものである。
本発明に係るMEMS型共振器は、下部電極が形成された基板と、この基板上に形成されたビームとを備え、基板とビームの間に少なくとも1つの支柱を有して構成する。
支柱は、ビームの所望の振動モードの節に対応した位置に形成することができる。支柱は、その上下両端を基板及びビームと一体化して形成することができる。あるいは支柱は、その一端を基板又はビームと一体化し、その他端をビーム又は基板に接触しないように形成することができる。基板の下部電極としては、高周波信号の入力電極と、高周波信号の出力電極とから形成した構成とすることができる。
本発明のMEMS型共振器では、基板と振動するビームとの間に少なくとも1つの支柱を有するので、製造の際のウェットプロセス、特に犠牲層の除去工程でビームが基板に吸着するのを抑えることができる。即ち、実効的にビームの長さが短くなり、表面張力が減少し、ビームが基板に吸着しようとする力を弱めることができる。支柱を有するので、ビームと基板間の空隙の間隔をより小さく設定することが可能になる。
支柱を有するので、所望の振動モード以外の不要な振動モードが抑制される。即ち、支柱が所望の振動モードの節に対応する位置に設けられることにより、不要な次数の振動モードが抑制され、所望の次数の振動モードを選択できる。
本発明に係るMEMS型共振器の第1の製造方法は、基板上に下部電極を形成する工程と、下部電極を含む基板上に犠牲層を形成する工程と、犠牲層の支柱を形成すべき部分に基板に達する開孔を選択的に形成する工程と、犠牲層上にビームを形成すると共に、開孔内にビームと基板に一体化した支柱を形成する工程と、犠牲層を除去する工程とを有する。
本発明のMEMS型共振器の第1の製造方法では、基板上に下部電極を形成し、下部電極を含む基板上に犠牲層を形成した後、犠牲層の支柱を形成すべき部分に基板に達する開孔を選択的に形成するので、その後のビーム形成と同時に開孔内にビーム及び基板に一体の支柱を形成することができる。支柱を基板及びビームと一体化して形成できるので、犠牲層を除去したときにビームが基板側に引きつけられるのを阻止することができる。
本発明に係るMEMS型共振器の第2の製造方法は、基板上に下部電極と支柱を形成する工程と、下部電極と支柱を含む基板上に犠牲層を形成する工程と、犠牲層上にビームを形成する工程と、犠牲層を除去する工程とを有する。
本発明のMEMS型共振器の第2の製造方法では、基板上に下部電極と支柱を形成するので、同じ材料層をパターニングして下部電極と支柱を同時に形成することができる。その後の犠牲層に開孔を形成する等の工程が不要になり、工程の簡略化が図れる。ビームを形成し、犠牲層を除去したときに、支柱は基板と一体化するも上端がビームに接触しない状態で形成される。
本発明に係るMEMS型共振器の第3の製造方法は、基板上に下部電極を形成する工程と、下部電極を含む基板上に犠牲層を形成する工程と、犠牲層の支柱を形成すべき部分に基板に達しない深さの開孔を選択的に形成する工程と、犠牲層上にビームを形成すると共に、開孔内にビームと一体化した支柱を形成する工程と、犠牲層を除去する工程とを有する。
本発明のMEMS型共振器の第3の製造方法では、犠牲層の支柱を形成すべき部分に基板に達しない深さの開孔を形成することにより、支柱がビームと一体化するも下端が基板に接触しない状態で形成される。開孔深さをコントロールすることにより、ビームと下部電極間の空隙よりも、支柱と基板間の空隙を小さくすること可能になり、犠牲層の除去時にビームが基板側に引きつけられるのを阻止できる。
本発明に係る通信装置は、送信信号及び/又は受信信号の帯域制限を行うフィルタを備えた通信装置において、フィルタとして上記MEMS共振器によるフィルタを用いて構成する。本発明の通信装置では、本発明に係るMEMS共振器によるフィルタを備えるので、このフィルタによって所望の周波数信号の選択が精度良くなされる。
上述したように、本発明に係るMEMS型共振器によれば、ビームと基板間に支柱を設置することにより、製造過程でのウェットプロセスにおけるビームの基板への吸着を抑制することができ、MEMS型共振器の歩留りを向上することができる。支柱を設置することにより、不要な次数の振動モードを抑制し、所望次数の振動モードの選択が可能になる。
即ち、支柱を所望の次数の振動モードの節に対応した位置に設置することにより、所望の振動モード以外の不要な振動モードを抑制することができる。従って、所望の周波数のみの信号が透過するようになり、共振器としての性能が向上する。
支柱を設置することにより、ビームが長くなったときにも、ビームの強度を維持することができる。また、ビームと下部電極との間の空隙間隔をより小さくすることが可能になり、大きな信号量を得ることができる。
支柱の上下両端がビーム及び基板と一体化しているときは、より確実に不要な次数の振動モードを抑制し、所望次数の振動モードのみを選択できる。
支柱の上下両端のいずれか一方がビーム又は基板と一体化されてなくとも、不要な次数の振動モードを抑制し、所望次数の振動モードのみを選択することができる。
基板の下部電極が高周波信号の入力電極と高周波信号の出力電極とから成るときは、支柱を有する効果に加えて、入出力間に構成される寄生容量を低減し、ノイズ成分を低減することができる。従って、SN比の高い共振器を提供できる。
本発明に係るMEMS型共振器の製造方法によれば、支柱を形成する工程を有することにより、ウェットプロセスにおけるビームの基板への吸着現象を抑制し、また所望次数の振動モードで駆動するMEMS型共振器を、歩留り良く製造することができる。
本発明に係る通信装置によれば、上述のMEMS型共振器によるフィルタを備えることにより、信頼性の高い通信装置を提供することができる。
図2は図1のMEMS型共振器の動作説明図である。
図3AはMEMS型共振器の周波数一信号透過量の説明図であり、図3Bは本発明のMEMS型共振器の周波数一信号透過量の説明図である。
図4は本発明に係るMEMS型共振器の他の実施の形態を示す構成図である。
図5は本発明に係るMEMS型共振器の他の実施の形態を示す構成図である。
図6は本発明に係るMEMS型共振器の他の実施の形態を示す構成図である。
図7A〜Dは図1のMEMS型共振器の製造工程図(その1)である。
図8A〜Cは図1のMEMS型共振器の製造工程図(その2)である。
図9A〜Dは図5のMEMS型共振器の製造工程図(その1)である。
図10A〜Cは図5のMEMS型共振器の製造工程図(その2)である。
図11A〜Dは図6のMEMS型共振器の製造工程図(その1)である。
図12A〜Cは図6のMEMS型共振器の製造工程図(その2)である。
図13は本発明の通信装置の一実施の形態を示す回路図である。
図14は先行技術に係るMEMS型共振器の構成図である。
図15は従来のMEMS型共振器の構成図である。
引用符号の説明
1・・振動素子
2・・半導体基板
3・・絶縁膜
4・・入力側配線層
11、27,28,31,32・・MEMS型共振器
12・・基板
14、14A、14B・・入力電極
5,15・・出力電極
6,16・・空隙
7,17・・振動電極
18・・配線層
8[8A,8B],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
24[24A,24B]・・支柱
25・・2次の振動モード
26・・3次の振動モード
41・・導電膜
42・・犠牲層
43・・コンタクト孔
44・・導電膜
45,47・・開口
31・・シリコン酸化膜
32・・シリコン窒化膜
33・・絶縁膜
34・・シリコン基板
S3・・高周波信号
t1・・入力端子
t2・・出力端子
V3・・DCバイアス電圧
36・・多結晶シリコン膜
37・・シリコン酸化膜
38・・開口
39・・犠牲層
41〔41A、41B〕・・開口
42・・導電材料層
201I、201Q・・デジタル/アナログ変換器
202I、202Q、211I、211Q・・バンド・パス・フィルタ
210・・変調器
212I、212Q・・ミキサ
203・・PLL回路
213・・移相器
214・・加算器
215・・バッファアンプ
204・・電力増幅器
205・・送受信切換器
206・・高周波フィルタ
207・・アンテナ
220・・高周波部
221・・低ノイズアンプ
244I、244Q・・バッファアンプ
222、232・・・バンド・パス・フィルタ
223、225、231、234・・バッファアンプ
224・・ミキサ
251・・チャンネル選択用PLL回路
233・・AGC回路
240・・復調器
252・・中間周波用PLL回路
242I・・ミキサ
243・・移相器
253I、253Q・・バンド・パス・フィルタ
254I、254Q・・アナログ/デジタル変換器
図1は、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27は、基板12の同一平面上に互いに所要の間隔を置いて配置された下部電極、即ち本例では高周波信号を入力する入力電極14と高周波信号を出力する出力電極15と、これら入出力電極14、15に対向して空隙16を挟んで配置されたビーム、すなわち振動電極17と、基板12と振動電極17間に設けた支柱24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。
支柱24は、振動電極17の所望の次数の振動モードに応じて1つ又は複数、本例では2次の振動モードに応じてその振動の節に対応した位置、即ち入力電極14と出力電極15との間の位置に1つ設けられる。支柱24はその上下両端が振動電極17及び基板12と一体化している。
基板12は、少なくとも絶縁性の表面を有した基板が用いられる。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)等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S1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V1が印加されるようになす。
このMEMS型共振器27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V1が印加される。入力端子t1を通じて高周波信号S1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。
そして、本実施の形態に係るMEMS型共振器27によれば、図2に示すように、2次の振動モード25の節に対応した位置に基板12及び振動電極17と一体化した支柱24を設けることにより、他の振動モード、例えば1次、3次等の振動モードが抑制され、2次の振動モード25のみを選択することができる。図3に示すように、1次、2次、3次の多次の振動モードのうち(図3A参照)、2次の振動モードのみを選択することができる(図3B参照)。この理由は、振動電極17の中央に支柱24があると、振動電極17が1次及び3次の振動モードでは振動できないため、1次と3次の信号は透過しなくなるためである。
このように、所望の周波数のみの信号が透過することができ、共振器としての性能が向上する。
また、支柱24を設置することにより、後述する製造工程中のウェットプロセスにおける振動電極17の基板12側への吸着を阻止することができる。これは、支柱24により実効的に振動電極17の長さが短くなることにより、表面張力が減少し、振動電極17が基板12側に吸着しようとする力が弱まるためである。振動電極17が吸着した共振器は動作しないため使用できない。しかし、本実施の形態のMEMS型共振器27は振動電極17の基板12側への吸着が減少し、この種の共振器の歩留りを向上することができる。
振動電極17の膜厚をより薄く、あるいは振動電極17と入出力電極14、15との間の空隙の間隔d2をより狭くすることが可能になる。間隔d2を小さくするほど信号量を大きくすることができる。従って、共振器としての性能を向上することができる。
また、支柱24を設置することにより、振動電極17が長くなったときにも、振動電極17の強度を維持することができる。
図4は、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28は、3次の振動モードが選択できるように構成した場合である。
本実施の形態のMEMS型共振器28においても、基板12上に入力電極14及び出力電極15が形成され、入出力電極14、15に対向して振動電極17が配置されて成る。そして、本実施の形態においては、特に、2つの支柱24〔24A,24B〕を3次の振動モード26の2つの節に対応した位置に夫々設置して構成される。その他の構成は、図1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。
本実施の形態に係るMEMS型共振器28によれば、2つの支柱24A,24Bを設置することにより、3次の振動モードを選択し、他の振動モードを抑制することがでる。また、振動電極17の強度を維持し、ウェットプロセスでの振動電極17の基板12側への吸着を阻止することができる等、図1の実施の形態と同様の効果を奏する。
MEMS型共振器では、振動電極17となるビーム厚が0.5μm以下、ビーム長10μm程度、ビーム17と下部電極14、15との間の間隔d2を100nm以下とするときには、ビーム17が基板12側に確実に吸着する。これに対し、本実施の形態では吸着を阻止することができ、同時に例えばRF共振器において多次の振動モードを用いるときに、高次の振動モードの選択が可能になる。
図7〜図8は、上述の図1に示すMEMS型共振器27の製造方法の例を示す。
先ず、図7A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。
次に、図7B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7C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)24及び多結晶シリコンによる各電極14、15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。
次に、図7D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8Aに示すように、犠牲層42を選択エッチングして、両外側の配線層18上にコンタクト孔43を形成すると共に、入出力電極14,15間の位置即ち、本例では2次の振動モードの節に対応する位置に基板12に達する深さの開口45を形成する。
次に、図8Bに示すように、コンタクト孔43,開口45内を含む犠牲層42上に振動電極及び支柱となる導電膜44、本例では、犠牲層42とエッチング比がとれる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と、開口45内に有して振動電極17と基板12とに一体化された支柱24と形成する。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。
次に、図8C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、本例では犠牲層42が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、ビームとなる振動電極17と基板12間に支柱24を一体に有した目的のMEMS共振器27を得る。
本実施の形態の製造方法によれば、図1に示すMEMS型共振器27を精度よく製造することが出来る。そして、振動電極17と基板12との間に、支柱24を形成することで、犠牲層42のウェットエッチング除去後に生じる振動電極17の基板12側の例えば、入力電極14、出力電極15への貼り付き(ステッキング)を防ぐことができる。従って、振動電極17と入出力電極14,15との間の空隙16を更に小さくして信号量を大としたMEMS型共振器27を精度良く製造することが出来る。
図5は、本発明に係るMEMS型共振器の他の実施の形態を示す。本実施の形態は前述の図1と同様に2次の振動モードの共振器に適用した場合である。
本実施の形態に係るMEMS型共振器31は、前述と同様に、基板12の同一平面上に互いに所要の間隔を置いて配置された下部電極、即ち本例では高周波信号を入力する入力電極14と高周波信号を出力する出力電極15と、これら入出力電極14、15に対向して空隙16を挟んで配置されたビーム、すなわち振動電極17と、基板12と振動電極17との間に設けた支柱24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。支柱24は、振動電極17の所望の次数の振動モードに応じて1つ又は複数、本例では2次の振動モードに応じてその振動の節に対応した位置である入力電極14と出力電極15との間に1つ設けられる。
そして、本実施の形態においては、特に、支柱24が、その一端を振動電極17に一体化すると共に、その他端を基板12に接触しないように基板12から僅かに離して構成される。この場合、支柱24の他端と基板12との間の隙間d1は、振動電極17と入出力電極14、15間の空隙16の間隔d2より小さく設定する。
その他の構成は、前述の図1と同様であるので、図1と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。
本実施の形態に係るMEMS型共振器31によれば、振動電極17と基板12間に2次の振動モードの節に対応した位置において、支柱24を形成したので、前述と同様に多次の振動モードのうち、2次の振動モードを選択することができ、所望の高周波信号のみを透過することができる。また、支柱24を有するので、振動電極17の強度を維持し、製造過程のウェットプロセスにおける振動電極17の基板12側への吸着を阻止することができる。従って、振動電極17の膜厚をより薄く、あるいは振動電極17と入出力電極14、15間の空隙16の間隔d2をより狭くすることが可能になる。従って、共振器としての性能を向上することができる。
図9〜図10は、上述の図5に示すMEMS型共振器31の製造方法の例を示す。
先ず、図9A〜図9Dの工程は、前述の図7A〜図7Dの工程と同じである。即ち、図9A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上に多結晶シリコン膜による導電膜41を形成する。
次に、図9B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9C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)23及び多結晶シリコンによる各電極14、15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。
次に、図9D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10Aに示すように、犠牲層42を選択エッチングして両外側の配線層18上にコンタクト孔43を形成すると共に、入出力電極14,15間の位置、即ち、本例では2次の振動モードの節に対応する位置に基板12に達せず僅かに犠牲層42を残す深さの開口47を形成する。開口47内に残る犠牲層42の厚さd1は、入出力電極14,15上の犠牲層の膜厚d2より小に設定することが好ましい。
次に、図10Bに示すように、コンタクト孔43,開口47内を含む犠牲層42上に振動電極及び支柱となる導電膜44、本例では、犠牲層42とエッチング比がとれる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間の部分が支柱24を一体に有した振動電極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。
次に、図10C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、本例では犠牲層42が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、ビームとなる振動電極17と一体化され、基板12との間に少許の間隔d1を残して形成された支柱24を有して成る目的のMEMS共振器31を得る。
本実施の形態の製造方法によれば、図5に示すMEMS型共振器31を精度よく製造することができる。即ち、本例においても、振動電極17と基板12の間に支柱24を形成することで、犠牲層42のウェットエッチング除去後に生じる振動電極17の基板12側の例えば入力電極14、出力電極15への貼り付き(ステッキング)を防ぐことができる。従って、振動電極17と入出力電極14、15との間の空隙16を更に小さくして信号量を大きくしたMEMS型共振器31を精度良く製造することができる。
図6は、本発明に係るMEMS型共振器の他の実施の形態を示す。本実施の形態は前述の図1と同様に2次の振動モードの共振器に適用した場合である。
本実施の形態に係るMEMS型共振器32は、前述と同様に、基板12の同一平面上に互いに所要の間隔を置いて配置された下部電極、即ち本例では高周波信号を入力する入力電極14と高周波信号を出力する出力電極15と、これら入出力電極14、15に対向して空隙16を挟んで配置されたビーム、すなわち振動電極17と、基板12と振動電極17間に設けた支柱24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。支柱24は、振動電極17の所望の次数の振動モードに応じて1つ又は複数、本例では2次の振動モードに応じてその振動の節に対応した位置である入力電極14と出力電極15との間に1つ設けられる。
そして、本実施の形態においては、特に、支柱24が、その一端を基板12に一体化すると共に、その他端を振動電極17に接触しないように振動電極17から僅かに離して構成される。この場合、支柱24の他端と振動電極17間の間隔d3は、振動電極17と入出力電極14、15間の空隙16の間隔d2より小さく設定することが好ましい。なお、間隔d3は間隔d2と等しく設定することも可能である。
その他の構成は、前述の図1と同様であるので、図1と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。
本実施の形態に係るMEMS型共振器32によれば、振動電極17と基板12間に2次の振動モードの節に対応した位置において、支柱24を形成したので、前述と同様に多次の振動モードのうち、2次の振動モードを選択することができ、所望の高周波信号のみを透過することができる。また、支柱24を有するので、振動電極17の強度を維持し、製造過程のウェットプロセスにおける振動電極17の基板12側への吸着を阻止することができる。従って、振動電極17の膜厚をより薄く、あるいは振動電極17と入出力電極14、15との間の空隙16の間隔d2をより狭くすることが可能になる。従って、共振器としての性能を向上することができる。
図11〜図12は、上述の図6に示すMEMS型共振器32の製造方法の例を示す。
図11Aに示すように、前述の図7Aと同様に基板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上に導電膜41である多結晶シリコン膜で形成する。
次に、図11B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、外側の配線層18及び支柱24を形成する。
次に、図11Cに示すように、入力電極14、出力電極15、配線層18及び支柱24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)23及び多結晶シリコンによる入出力電極14、15、配線層18及び支柱24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。
次に、図11D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12A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。
次に、図12B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とエッチング比がとれる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。
次に、図12C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、本例では犠牲層42が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、基板12と一体化され、ビームとなる振動電極17との間に少許の間隔d3を残して形成された支柱24を有してなる、目的のMEMS型共振器32を得る。
本実施の形態の製造方法によれば、図6に示すMEMS型共振器32を精度よく製造することができる。即ち、本例においても、振動電極17と基板12の間に支柱24を形成することで、犠牲層42のウェットエッチング除去後に生じる振動電極17の、基板12側の例えば入力電極14、出力電極15への貼り付き(ステッキング)を防ぐことができる。従って、振動電極17と入出力電極14、15との間の空隙16を更に小さくして信号量を大きくしたMEMS型共振器32を精度良く製造することができる。
上述においては、基板12上に振動電極17に対向して入力電極14及び出力電極15を配置したMEMS型共振器に適用したが、本発明の支柱は図15に示すMEMS型共振器の基板2と振動電極7間に設けることも可能である。
上述した各実施の形態のMEMS型共振器によるフィルタは、高周波(RF)フィルタ、中間周波(IF)フィルタ等として用いることができる。
本発明は、上述した実施の形態のMEMS型共振器によるフィルタを用いて構成される携帯電話機、無線LAN機器、無線トランシーバ、テレビチューナ、ラジオチューナ等の、電磁波を利用して通信する通信装置を提供することができる。
次に、上述した本発明の実施の形態のフィルタを適用した通信装置の構成例を、図13を参照して説明する。
まず送信系の構成について説明すると、Iチャンネルの送信データとQチャンネルの送信データを、それぞれデジタル/アナログ変換器(DAC)201I及び201Qに供給してアナログ信号に変換する。変換された各チャンネルの信号は、バンド・パス・フィルタ202I及び202Qに供給して、送信信号の帯域以外の信号成分を除去し、バンド・パス・フィルタ202I及び202Qの出力を、変調器210に供給する。
変調器210では、各チャンネルごとにバッファアンプ211I及び211Qを介してミキサ212I及び212Qに供給して、送信用のPLL(phase−locked loop)回路203から供給される送信周波数に対応した周波数信号を混合して変調し、両混合信号を加算器214で加算して1系統の送信信号とする。この場合、ミキサ212Iに供給する周波数信号は、移相器213で信号位相を90°シフトさせてあり、Iチャンネルの信号とQチャンネルの信号とが直交変調されるようにしてある。
加算器214の出力は、バッファアンプ215を介して電力増幅器204に供給し、所定の送信電力となるように増幅する。電力増幅器204で増幅された信号は、送受信切換器205と高周波フィルタ206を介してアンテナ207に供給し、アンテナ207から無線送信させる。高周波フィルタ206は、この通信装置で送信及び受信する周波数帯域以外の信号成分を除去するバンド・パス・フィルタである。
受信系の構成としては、アンテナ207で受信した信号を、高周波フィルタ206及び送受信切換器205を介して高周波部220に供給する。高周波部220では、受信信号を低ノイズアンプ(LNA)221で増幅した後、バンド・パス・フィルタ222に供給して、受信周波数帯域以外の信号成分を除去し、除去された信号をバッファアンプ223を介してミキサ224に供給する。そして、チャンネル選択用PLL回路251から供給される周波数信号を混合して、所定の送信チャンネルの信号を中間周波信号とし、その中間周波信号をバッファアンプ225を介して中間周波回路230に供給する。
中間周波回路230では、供給される中間周波信号をバッファアンプ231を介してバンド・パス・フィルタ232に供給して、中間周波信号の帯域以外の信号成分を除去し、除去された信号を自動ゲイン調整回路(AGC回路)233に供給して、ほぼ一定のゲインの信号とする。自動ゲイン調整回路233でゲイン調整された中間周波信号は、バッファアンプ234を介して復調器240に供給する。
復調器240では、供給される中間周波信号をバッファアンプ241を介してミキサ242I及び242Qに供給して、中間周波用PLL回路252から供給される周波数信号を混合して、受信したIチャンネルの信号成分とQチャンネルの信号成分を復調する。この場合、I信号用のミキサ242Iには、移相器243で信号位相を90°シフトさせた周波数信号を供給するようにしてあり、直交変調されたIチャンネルの信号成分とQチャンネルの信号成分を復調する。
復調されたIチャンネルとQチャンネルの信号は、それぞれバッファアンプ244I及び244Qを介してバンド・パス・フィルタ253I及び253Qに供給して、Iチャンネル及びQチャンネルの信号以外の信号成分を除去し、除去された信号をアナログ/デジタル変換器(ADC)254I及び254Qに供給してサンプリングしてデジタルデータ化し、Iチャンネルの受信データ及びQチャンネルの受信データを得る。
ここまで説明した構成において、各バンド・パス・フィルタ202I、202Q、206、222、232、253I、253Qの一部又は全てとして、上述した実施の形態の構成のフィルタを適用して帯域制限することが可能である。
本発明の通信装置によれば、前述した性能の良いフィルタを備えるので、信頼性の高い通信装置を提供することができる。
図13の例では、各フィルタをバンド・パス・フィルタとして構成したが、所定の周波数よりも下の周波数帯域だけを通過させるロー・パス・フィルタや、所定の周波数よりも上の周波数帯域だけを通過させるハイ・パス・フィルタとして構成して、それらのフィルタに上述した各実施の形態の構成のフィルタを適用してもよい。また図13の例では、無線送信及び無線受信を行う通信装置としたが、有線の伝送路を介して送信及び受信を行う通信装置が備えるフィルタに適用してもよく、さらに送信処理だけを行う通信装置や受信処理だけを行う通信装置が備えるフィルタに、上述した実施の形態の構成のフィルタを適用してもよい。
また、本発明は、このようなMEMS型共振器によるフィルタを備えた通信装置を提供するものである。
支柱を設置することにより、ビームが長くなったときにも、ビームの強度を維持することができる。また、ビームと下部電極との間の空隙間隔をより小さくすることが可能になり、大きな信号量を得ることができる。
支柱の上下両端のいずれか一方がビーム又は基板と一体化されてなくとも、不要な次数の振動モードを抑制し、所望次数の振動モードのみを選択することができる。
振動電極17には所要のDCバイアス電圧V1が印加される。入力端子t1を通じて高周波信号S1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。
このように、所望の周波数のみの信号が透過することができ、共振器としての性能が向上する。
本実施の形態のMEMS型共振器28においても、基板12上に入力電極14及び出力電極15が形成され、入出力電極14、15に対向して振動電極17が配置されて成る。そして、本実施の形態においては、特に、2つの支柱24〔24A,24B〕を3次の振動モード26の2つの節に対応した位置に夫々設置して構成される。その他の構成は、図1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。
先ず、図7A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。
本実施の形態に係るMEMS型共振器31は、前述と同様に、基板12の同一平面上に互いに所要の間隔を置いて配置された下部電極、即ち本例では高周波信号を入力する入力電極14と高周波信号を出力する出力電極15と、これら入出力電極14、15に対向して空隙16を挟んで配置されたビーム、すなわち振動電極17と、基板12と振動電極17との間に設けた支柱24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。支柱24は、振動電極17の所望の次数の振動モードに応じて1つ又は複数、本例では2次の振動モードに応じてその振動の節に対応した位置である入力電極14と出力電極15との間に1つ設けられる。
その他の構成は、前述の図1と同様であるので、図1と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。
先ず、図9A〜図9Dの工程は、前述の図7A〜図7Dの工程と同じである。即ち、図9A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上に多結晶シリコン膜による導電膜41を形成する。
本実施の形態に係るMEMS型共振器32は、前述と同様に、基板12の同一平面上に互いに所要の間隔を置いて配置された下部電極、即ち本例では高周波信号を入力する入力電極14と高周波信号を出力する出力電極15と、これら入出力電極14、15に対向して空隙16を挟んで配置されたビーム、すなわち振動電極17と、基板12と振動電極17間に設けた支柱24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。支柱24は、振動電極17の所望の次数の振動モードに応じて1つ又は複数、本例では2次の振動モードに応じてその振動の節に対応した位置である入力電極14と出力電極15との間に1つ設けられる。
その他の構成は、前述の図1と同様であるので、図1と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。
図11Aに示すように、前述の図7Aと同様に基板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上に導電膜41である多結晶シリコン膜で形成する。
まず送信系の構成について説明すると、Iチャンネルの送信データとQチャンネルの送信データを、それぞれデジタル/アナログ変換器(DAC)201I及び201Qに供給してアナログ信号に変換する。変換された各チャンネルの信号は、バンド・パス・フィルタ202I及び202Qに供給して、送信信号の帯域以外の信号成分を除去し、バンド・パス・フィルタ202I及び202Qの出力を、変調器210に供給する。
2・・半導体基板
3・・絶縁膜
4・・入力側配線層
11、27,28,31,32・・MEMS型共振器
12・・基板
14・・入力電極
5,15・・出力電極
6,16・・空隙
7,17・・振動電極
18・・配線層
8[8A,8B],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
24[24A,24B]・・支柱
25・・2次の振動モード
26・・3次の振動モード
41・・導電膜
42・・犠牲層
43・・コンタクト孔
44・・導電膜
45,47・・開口
34・・シリコン基板
S1・・高周波信号
t1・・入力端子
t2・・出力端子
V1・・DCバイアス電圧
201I、201Q・・デジタル/アナログ変換器
202I、202Q、211I、211Q・・バンド・パス・フィルタ
210・・変調器
212I、212Q・・ミキサ
203・・PLL回路
213・・移相器
214・・加算器
215・・バッファアンプ
204・・電力増幅器
205・・送受信切換器
206・・高周波フィルタ
207・・アンテナ
220・・高周波部
221・・低ノイズアンプ
244I、244Q・・バッファアンプ
222、232・・・バンド・パス・フィルタ
223、225、231、234・・バッファアンプ
224・・ミキサ
251・・チャンネル選択用PLL回路
233・・AGC回路
240・・復調器
252・・中間周波用PLL回路
242I・・ミキサ
243・・移相器
253I、253Q・・バンド・パス・フィルタ
254I、254Q・・アナログ/デジタル変換器
Claims (13)
- 下部電極が形成された基板と該基板上に形成されたビームとを備え、前記基板と前記ビームの間に少なくとも1つの支柱を有して成ることを特徴とするMEMS型共振器。
- 前記支柱は、前記ビームの所望の振動モードの節に対応した位置に形成されて成ることを特徴とする請求の範囲第1項記載のMEMS型共振器。
- 前記支柱の上下両端が、前記基板及び前記ビームと一体化されて成ることを特徴とする請求の範囲第1項記載のMEMS型共振器。
- 前記支柱は、一端が前記基板又は前記ビームと一体化され、他端が前記ビーム又は基板と接触しないように形成されて成ることを特徴とする請求の範囲第1項記載のMEMS型共振器。
- 前記基板の下部電極が、高周波信号の入力電極と、高周波信号の出力電極とから成ることを特徴とする請求の範囲第1項記載のMEMS型共振器。
- 基板上に下部電極を形成する工程と、前記下部電極を含む前記基板上に犠牲層を形成する工程と、前記犠牲層の支柱を形成すべき部分に前記基板に達する開孔を選択的に形成する工程と、前記犠牲層上にビームを形成すると共に、前記開孔内に前記ビームと前記基板に一体化した支柱を形成する工程と、前記犠牲層を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。
- 基板上に下部電極と支柱を形成する工程と、前記下部電極と前記支柱を含む前記基板上に犠牲層を形成する工程と、前記犠牲層上にビームを形成する工程と、前記犠牲層を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。
- 基板上に下部電極を形成する工程と、前記下部電極を含む前記基板上に犠牲層を形成する工程と、前記犠牲層の支柱を形成すべき部分に前記基板に達しない深さの開孔を選択的に形成する工程と、前記犠牲層上にビームを形成すると共に、前記開孔内にビームと一体化した支柱を形成する工程と、前記犠牲層を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。
- 送信信号及び/又は受信信号の帯域制限を行うフィルタを備えた通信装置において、前記フィルタとして、下部電極が形成された基板と該基板上に形成されたビームとを備え、前記基板と前記ビームの間に少なくとも1つの支柱を有してしてなるMEMS共振器によるフィルタが用いられて成ることを特徴とする通信装置。
- 前記フィルタにおける前記支柱は、前記ビームの所望の振動モードの節に対応した位置の形成されて成ることを特徴とする請求の範囲第9項記載の通信装置。
- 前記フィルタにおける前記支柱の上下両端が、前記基板及び前記ビームと一体化されて成ることを特徴とする請求の範囲第9項記載の通信装置。
- 前記フィルタにおける前記支柱は、一端が前記基板又は前記ビームと一体化され、他端が前記ビーム又は前記基板と接触しないように形成されて成ることを特徴とする請求の範囲第9項記載の通信装置。
- 前記フィルタにおける前記基板の下部電極が、所要周波数信号の入力電極と、所要周波数信号の出力電極とから成る
ことを特徴とする請求の範囲第9項記載の通信装置。
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