JPWO2011001680A1 - 共振器およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
MEMS技術を用いた共振器において、電極形状の精度を向上させ、入出力間がショートしてしまうことを回避でき、共振器の信頼性を高めること。基板101と、基板101上に選択敵に形成された犠牲層である絶縁層102と、基板101上に空間を介して形成された梁103と、絶縁層102上に梁103と同じ材料で形成された第1の支持部104Aと、梁103と空間を介して形成された信号を入出力するための電極106と、を備えた共振器であって、梁103の長手方向に垂直な断面において、梁103の断面積と第1の支持部104Aの断面積とがほぼ等しくなるようにする。
Description
本発明は、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術を用いた共振器およびその製造方法に係り、特に電極形状の精度を向上させる共振器の構造に関する。
従来のMEMS共振器は例えば図5に示されるような構造を有していた。
図5は従来のMEMS共振器の要部斜視図(a)、上面図(b)、断面図(c)である。
図5において、共振器は支持基板701、犠牲層である第1の絶縁層702、梁703、梁703を支持する支持部704、犠牲層であるギャップ形成用の第2の絶縁層705、電極706から形成される。この第1の絶縁層702はスペーサとなる。図5では例えば単結晶シリコンからなる支持基板701上に熱酸化膜からなる第1の絶縁層702を形成し、単結晶シリコン層を貼り合わせて形成したSOI(Silicon On Insulator)基板を用いて構成され、第2の絶縁層705にTEOS(TetraEthyl Ortho Silicate)による酸化膜、電極706に多結晶シリコンが用いられる。
図5は従来のMEMS共振器の要部斜視図(a)、上面図(b)、断面図(c)である。
図5において、共振器は支持基板701、犠牲層である第1の絶縁層702、梁703、梁703を支持する支持部704、犠牲層であるギャップ形成用の第2の絶縁層705、電極706から形成される。この第1の絶縁層702はスペーサとなる。図5では例えば単結晶シリコンからなる支持基板701上に熱酸化膜からなる第1の絶縁層702を形成し、単結晶シリコン層を貼り合わせて形成したSOI(Silicon On Insulator)基板を用いて構成され、第2の絶縁層705にTEOS(TetraEthyl Ortho Silicate)による酸化膜、電極706に多結晶シリコンが用いられる。
梁703と支持部704を形成するために、異方性エッチングプロセスを用いて三角柱形状を形成する。次に、第2の絶縁層705となる酸化膜と電極706となる多結晶シリコンを成膜する。このとき、梁703と電極706との間では、第2の絶縁層705は除去され、ギャップを形成する。次に電極706をエッチングによって加工する。このとき、三角柱形状が突出した構造では、凹凸が大きいため、フォトリソグラフィを行うことが困難であり、レジストを所望の高さまで形成するプロセスが必要である。
その1つとして、電極706を形成した後にレジストを形成する方法が開示されている。図6はMEMS共振器のプロセスフロー図を示しており、左側が断面図、右側が上面図である。(a)は単結晶シリコンからなる支持基板801上に熱酸化膜からなる第1の絶縁層802を形成し、さらにこの第1の絶縁層802に単結晶シリコン層803sを貼り合わせて形成したSOI基板を示す。(b)は単結晶シリコン層803sを異方性エッチングによってパターンニングして単結晶シリコンからなる梁803と支持部804を形成した状態である。(c)はギャップとなるTEOSなどからなる第2の絶縁層805を成膜した状態である。(d)は電極となる多結晶シリコン層806sを成膜した状態である。(e)は所望の高さまでレジスト807を形成した状態である。ここでは、(d)から(e)にかけての工程において、例えば突出した梁803の厚みを3μm、第2の絶縁層805の厚みを0.3μm、電極用の多結晶シリコン層806sの厚みを1.0μmとする。電極806を梁803の高さの半分に形成しようとすると、2.4〜2.5μm厚みのレジスト807を形成することで三角の頂点のみが露出され、その他はレジスト807で覆われた構造を実現できる。このような従来の技術としては、例えば特許文献1に記載されたものが知られている。
あるいは梁803の突出部分が平坦化される状態になる程度の厚さまでレジスト807を形成し、レジスト807のエッチバックによって三角の頂点のみを露出させてレジスト807の開口部808を形成することもできる。例えば上記の膜厚で共振器を形成した場合、レジスト807の厚みは5〜6μm必要となる。このような従来の技術としては、例えば特許文献2に記載されたものが知られている。
その後、(f)の工程では、多結晶シリコン層806sをウェハ全面でエッチングを行って入出力用の電極を分断して入出力用の電極806を形成する。そして(g)の工程は、レジスト807を除去した後に、電極806をフォトリソグラフィによってパターンニングした状態、最後に(h)の工程において、第1の絶縁層802と第2の絶縁層805とを、気相のフッ酸にてエッチングすることによって中空構造を形成して、梁803を振動子とするMEMS共振器が完成する。
その後、(f)の工程では、多結晶シリコン層806sをウェハ全面でエッチングを行って入出力用の電極を分断して入出力用の電極806を形成する。そして(g)の工程は、レジスト807を除去した後に、電極806をフォトリソグラフィによってパターンニングした状態、最後に(h)の工程において、第1の絶縁層802と第2の絶縁層805とを、気相のフッ酸にてエッチングすることによって中空構造を形成して、梁803を振動子とするMEMS共振器が完成する。
しかしながら、特許文献1の方法では三角の頂点を露出させるために、粘性の低いレジストが必要となるが、これを塗布したときに、断面三角形状の裾野部分にレジストが溜まりやすく、レジストの開口部分の制御性に欠けるという問題がある。特に開口幅を狭くする場合はレジスト形成が困難である。また特許文献2のようにレジストエッチバックを適用した場合、図6(e)のような開口部808が曲線状となる。その原因としては、機械的な振動を行う梁803とこれを支持する支持部804でレジスト807を塗布したときの高さのばらつきと、レジストエッチバックによる高さのばらつきである。また梁803と支持部804とで、パターンの体積が異なり、放熱効率も異なるためである。換言すれば、梁803は幅の狭いパターンであるため、中心付近に熱が篭りやすく、結果としてエッチングレートは高くなるが、支持部804付近の梁803では、支持部804への放熱によってエッチングレートが低くなり、梁803と支持部804ではエッチングレートが不均一になる。したがってレジスト807の開口部808において所望の形状が得られなくなり、電極806をパターンニングしたときに形状異常の原因となってしまう。具体的には支持部804に近い部分ほど、レジストの開口部808は狭くなってしまい(工程(g)を参照)、プロセスのばらつきによっては、電極の端部分で入出力が接触してショートする可能性がある。
図7は従来のレジストエッチバックプロセスを用いて作製した電極の形状不良を示す図(SEM写真)である。電極は、支持部904に近づくほど平行度が悪くなり、電極906同士が近接するように電極906の角に向かって曲線を持った形状となっている。903は梁である。
本発明は前記実情に鑑みてなされたもので、高精度のパターン形成が可能な共振器構造を提供することを目的とする。
本発明は、基板と、前記基板上に選択的に配置された絶縁層と、空間を介して前記基板上に配置された梁と、前記絶縁層上に配置され、前記梁に連設して前記梁を支持する第1の支持部と、空間を介して前記梁上に配置され、それぞれの一端が前記梁の長手方向に沿って前記梁の上方で近接する2つの電極とを備えた共振器であって、前記梁の長手方向に垂直な断面において、前記梁の断面積と前記第1の支持部の断面積とはほぼ等しい共振器である。
また本発明は、基板と、前記基板上に配置された第1の絶縁層と、前記第1の絶縁層上に配置された単結晶シリコン層とを有するSOI基板を用意する工程と、前記単結晶シリコン層上に第1のレジストパターンを形成する工程と、前記第1のレジストパターンをマスクとして前記単結晶シリコン層に対し異方性エッチングを行い、梁と前記梁に連設された第1の支持部とを、前記梁の長手方向に垂直な断面において、前記梁の断面積と前記第1の支持部の断面積とがほぼ等しくなるように形成する工程と、前記第1の絶縁層、前記梁、および前記第1の支持部の上に、第2の絶縁層を形成する工程と、前記第2の絶縁層上に導電層を形成する工程と、前記導電層上に第2のレジストパターンを形成する工程と、前記第2のレジストパターンをマスクとして前記導電層に対しエッチングを行い、前記導電層からなる2つの電極であって、それぞれの一端が前記梁の長手方向に沿って前記梁の上方で近接する2つの電極を形成する工程と、前記第1の絶縁層および前記第2の絶縁層を部分的にエッチングにより除去し、前記2つの電極と前記梁との間、および、前記梁と前記基板との間に、空間を形成する工程とを含む共振器の製造方法である。
また本発明は、基板と、前記基板上に配置された第1の絶縁層と、前記第1の絶縁層上に配置された単結晶シリコン層とを有するSOI基板を用意する工程と、前記単結晶シリコン層上に第1のレジストパターンを形成する工程と、前記第1のレジストパターンをマスクとして前記単結晶シリコン層に対し異方性エッチングを行い、梁と前記梁に連設された第1の支持部とを、前記梁の長手方向に垂直な断面において、前記梁の断面積と前記第1の支持部の断面積とがほぼ等しくなるように形成する工程と、前記第1の絶縁層、前記梁、および前記第1の支持部の上に、第2の絶縁層を形成する工程と、前記第2の絶縁層上に導電層を形成する工程と、前記導電層上に第2のレジストパターンを形成する工程と、前記第2のレジストパターンをマスクとして前記導電層に対しエッチングを行い、前記導電層からなる2つの電極であって、それぞれの一端が前記梁の長手方向に沿って前記梁の上方で近接する2つの電極を形成する工程と、前記第1の絶縁層および前記第2の絶縁層を部分的にエッチングにより除去し、前記2つの電極と前記梁との間、および、前記梁と前記基板との間に、空間を形成する工程とを含む共振器の製造方法である。
本発明によれば、電極形状の精度を向上させ、入出力電極間における短絡を回避でき、共振器の信頼性を高めることができる。
発明の実施の形態の説明に先立ち、本発明およびその作用効果について、説明する。
本発明者は種々の実験結果から、レジストエッチバックに際し、レジストがエッチングされる際に反応熱が発生するが、この熱の流れに起因して、梁の上方に温度分布が生じることを発見した。そのメカニズムは、以下の通りである。
レジスト塗布直後の状態は、パターンニングされた梁および第1の支持部と、その上方に電極となる導電層が全面に形成されており、その上方にレジストが全面に形成されている。実際には、梁や第1の支持部を構成する単結晶シリコンの膜厚が3um程度であるのに対して、導電層を構成する多結晶シリコンの膜厚が1um程度であるため、導電層が形成された後においても、下方の梁や第1の支持部のパターンニングによる凹凸は残っている。この導電層表面の凹凸を平坦化するようにレジストが塗布されている。
一般に、レジストに比べて、梁や第1の支持部を構成するシリコンや、導電層を構成する多結晶シリコンは比熱が大きい。したがって、レジストを全面エッチングしていく際に反応熱が発生するが、梁や第1の支持部の上方の領域は、その他の領域に比べて温度上昇が小さくなり、レジスト表面には温度分布が生じる。また、水平方向の熱の流れを考えると、この温度分布を緩和するように、梁や第1の支持部の上方の領域には、周囲の領域から熱が流れ込む。
ここで、梁の上方と、第1の支持部の上方とを比較する。梁の上方では、梁が細長い形状をしているため、周囲の領域から流れ込む熱に比べて梁の上方の領域が小さいため温度が上昇し易い。一方、第1の支持部の上方では、周囲の領域から流れ込む熱に比べ、第1の支持部の上方の領域が大きいため、梁の上方に比べて温度が上昇しにくい。したがって、レジスト表面においては、梁から第1の支持部にかけて温度が低くなるように温度分布が生じる。すなわち、梁の中央部の上方では温度が高く、梁の第1の支持部近傍では温度が低くなる。これにより、梁の端部上方では、梁の中央部上方よりもエッチングレートが小さくなるため、梁の端部においてレジストの開口幅が狭くなる。その結果、このレジストをマスクとしてパターニングされる電極の電極間距離が小さくなる。
これに対し本発明は、梁の端部上方でのエッチングレートが低下しないように、梁の長手方向の断面において、梁の断面積が、第1の支持部の断面積と等しくなるように構成している。これにより、梁の中央部および端部の上方において、エッチングレートを均一に維持することができる。
本発明者は種々の実験結果から、レジストエッチバックに際し、レジストがエッチングされる際に反応熱が発生するが、この熱の流れに起因して、梁の上方に温度分布が生じることを発見した。そのメカニズムは、以下の通りである。
レジスト塗布直後の状態は、パターンニングされた梁および第1の支持部と、その上方に電極となる導電層が全面に形成されており、その上方にレジストが全面に形成されている。実際には、梁や第1の支持部を構成する単結晶シリコンの膜厚が3um程度であるのに対して、導電層を構成する多結晶シリコンの膜厚が1um程度であるため、導電層が形成された後においても、下方の梁や第1の支持部のパターンニングによる凹凸は残っている。この導電層表面の凹凸を平坦化するようにレジストが塗布されている。
一般に、レジストに比べて、梁や第1の支持部を構成するシリコンや、導電層を構成する多結晶シリコンは比熱が大きい。したがって、レジストを全面エッチングしていく際に反応熱が発生するが、梁や第1の支持部の上方の領域は、その他の領域に比べて温度上昇が小さくなり、レジスト表面には温度分布が生じる。また、水平方向の熱の流れを考えると、この温度分布を緩和するように、梁や第1の支持部の上方の領域には、周囲の領域から熱が流れ込む。
ここで、梁の上方と、第1の支持部の上方とを比較する。梁の上方では、梁が細長い形状をしているため、周囲の領域から流れ込む熱に比べて梁の上方の領域が小さいため温度が上昇し易い。一方、第1の支持部の上方では、周囲の領域から流れ込む熱に比べ、第1の支持部の上方の領域が大きいため、梁の上方に比べて温度が上昇しにくい。したがって、レジスト表面においては、梁から第1の支持部にかけて温度が低くなるように温度分布が生じる。すなわち、梁の中央部の上方では温度が高く、梁の第1の支持部近傍では温度が低くなる。これにより、梁の端部上方では、梁の中央部上方よりもエッチングレートが小さくなるため、梁の端部においてレジストの開口幅が狭くなる。その結果、このレジストをマスクとしてパターニングされる電極の電極間距離が小さくなる。
これに対し本発明は、梁の端部上方でのエッチングレートが低下しないように、梁の長手方向の断面において、梁の断面積が、第1の支持部の断面積と等しくなるように構成している。これにより、梁の中央部および端部の上方において、エッチングレートを均一に維持することができる。
具体的な構成として、本発明は、基板と、この基板上に選択的に配置された絶縁層と、空間を介してこの基板上に配置された梁と、前記絶縁層上に配置され、前記梁に連設して前記梁を支持する第1の支持部と、空間を介して前記梁上に配置され、それぞれの一端が前記梁の長手方向に沿って前記梁の上方で近接する2つの電極とを備えた共振器であって、前記梁の長手方向に垂直な断面において、前記梁の断面積と前記第1の支持部の断面積とはほぼ等しいことを特徴とする。
この構成によれば、レジスト表面において、梁の中央部上方と梁の端部上方とで温度差が生じることを回避することができる。従って、支持部と梁のそれぞれの上方におけるエッチングレートが同程度となるため、梁の端部において電極間距離が小さくなることを防止できる。また、これに伴って発生するショートを回避できる。
この構成によれば、レジスト表面において、梁の中央部上方と梁の端部上方とで温度差が生じることを回避することができる。従って、支持部と梁のそれぞれの上方におけるエッチングレートが同程度となるため、梁の端部において電極間距離が小さくなることを防止できる。また、これに伴って発生するショートを回避できる。
また本発明において、前記梁の長手方向に垂直な断面において、前記梁の断面形状と前記第1の支持部の断面形状とがほぼ等しいことが好ましい。
この構成によれば、第1の支持部と梁とで温度分布はほぼ均一となり熱勾配は形成されないため、梁の端部近傍でのエッチングレートが低くなるのを防ぐことができる。また、マスクも単純な形状でよく、パターンニングも容易である。
この構成によれば、第1の支持部と梁とで温度分布はほぼ均一となり熱勾配は形成されないため、梁の端部近傍でのエッチングレートが低くなるのを防ぐことができる。また、マスクも単純な形状でよく、パターンニングも容易である。
また本発明において、前記第1の支持部上に、さらに第2の支持部を有することが好ましい。
また本発明において、前記第2の支持部は前記第1の支持部を覆うように配置されることが好ましい。
これらの構成によれば、機械的強度も高く、電気的接続を行う場合にも接触面積が高いことからコンタクト性も良好となる。
これらの構成によれば、機械的強度も高く、電気的接続を行う場合にも接触面積が高いことからコンタクト性も良好となる。
また本発明において、前記第2の支持部は前記第1の支持部と異なる材料で構成されていることが好ましい。
この構成によれば、材料の選択自由度も高く、信頼性の高い共振器を提供することができる。
この構成によれば、材料の選択自由度も高く、信頼性の高い共振器を提供することができる。
また本発明において、前記第2の支持部は前記電極と同一材料で構成されていることが好ましい。
この構成によれば、電極と第2の支持部とを同一工程で形成することができ、工数の増大を抑制することができる。
この構成によれば、電極と第2の支持部とを同一工程で形成することができ、工数の増大を抑制することができる。
また本発明において、前記第2の支持部は前記電極と同一工程で形成されることが好ましい。
この構成によれば、工数を増大することなく、形成することができる。
この構成によれば、工数を増大することなく、形成することができる。
また本発明において、前記第2の支持部は前記梁と電気的に接続されていることが好ましい。
この構成によれば、梁に所望の電位を印加したい場合にも良好なコンタクトを形成することができる。
この構成によれば、梁に所望の電位を印加したい場合にも良好なコンタクトを形成することができる。
また本発明は、基板と、前記基板上に配置された第1の絶縁層と、前記第1の絶縁層上に配置された単結晶シリコン層とを有するSOI基板を用意する工程と、前記単結晶シリコン層上に第1のレジストパターンを形成する工程と、前記第1のレジストパターンをマスクとして前記単結晶シリコン層に対し異方性エッチングを行い、梁と前記梁に連設された第1の支持部とを、前記第1の支持部の長手方向に垂直な断面における前記第1の支持部の断面積が、前記梁の長手方向に垂直な断面における前記梁の断面積とほぼ等しいか、より小さくなるように形成する工程と、前記第1の絶縁層、前記梁、および前記第1の支持部の上に、第2の絶縁層を形成する工程と、前記第2の絶縁層上に導電層を形成する工程と、前記導電層上に第2のレジストパターンを形成する工程と、前記第2のレジストパターンをマスクとして前記導電層に対しエッチングを行い、前記導電層からなる2つの電極であって、それぞれの一端が前記梁の長手方向に沿って前記梁の上方で近接する2つの電極を形成する工程と、前記第1の絶縁層および前記第2の絶縁層を部分的にエッチングにより除去し、前記2つの電極と前記梁との間、および、前記梁と前記基板との間に、空間を形成する工程とを含む共振器の製造方法である。
本発明によれば、電極形状の精度を向上させ、入出力電極間における短絡を回避でき、共振器の信頼性を高めることができる。
本発明によれば、電極形状の精度を向上させ、入出力電極間における短絡を回避でき、共振器の信頼性を高めることができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
(実施の形態1)
図1は本発明の実施の形態1に係る共振器の構造を示す。
図1(a)は共振器上面図を示し、図1(b)はA−A’断面図、図1(c)はB−B’断面図を示している。図1は梁103の両端が支持された両持ち梁であり、ギャップ形成用の第2の絶縁層105をエッチングすることにより形成されたギャップを介して、入出力用の電極106が配置されている。そして、梁103と同じ材料で形成された第1の支持部104Aと第2の支持部104Bとからなる支持部104が、第1の絶縁層102と第2の絶縁層105を介して基板101に接合されている。
(実施の形態1)
図1は本発明の実施の形態1に係る共振器の構造を示す。
図1(a)は共振器上面図を示し、図1(b)はA−A’断面図、図1(c)はB−B’断面図を示している。図1は梁103の両端が支持された両持ち梁であり、ギャップ形成用の第2の絶縁層105をエッチングすることにより形成されたギャップを介して、入出力用の電極106が配置されている。そして、梁103と同じ材料で形成された第1の支持部104Aと第2の支持部104Bとからなる支持部104が、第1の絶縁層102と第2の絶縁層105を介して基板101に接合されている。
この共振器は、図1(a)乃至(c)に示すように、単結晶シリコンからなる基板101と、この基板101上に形成され、スペーサを構成する第1の絶縁層102と、前記第1の絶縁層を選択的に除去することで得られる空間を介して基板101上に形成された梁103と、前記第1の絶縁層102上に前記梁103に連設された第1の支持部104Aと、前記梁と所定幅のギャップを介して形成された信号を入出力するための電極106と、を備えた共振器であって、梁103における熱容量と第1の支持部104Aにおける熱容量がほぼ等しいことを特徴とする。電極106は、多結晶シリコンで構成される。この第1および第2の絶縁層102,105はギャップ形成のために後で除去される犠牲層として作用する。そしてこの梁103および第1の支持部104Aが断面三角形の梁状体を構成しており、第1の支持部104Aの上層には2面を覆うように多結晶シリコンからなる第2の支持部104Bが積層されている。ここで望ましくは第1の支持部104A上ではギャップ形成用の第2の絶縁層105を除去し、第1の支持部104Aと第2の支持部104Bとが直接コンタクトするように構成されている。
図2(a)乃至(h)は共振器のプロセスフロー図を示す。左側が断面図、右側が上面図である。以下、図2を用いて、本実施の形態の共振器の製造工程を説明する。
図2(a)はSOI基板を示しており、土台のシリコンからなる基板101の厚み725μm、熱酸化膜からなる第1の絶縁層102の厚み2μm、梁103となる単結晶シリコン103sの厚みが3μmのものを使用している。
図2(b)に示すように、SOI基板上に梁103を現像液であるTMAHを用いてシリコンの異方性エッチングによってパターンニングを行った状態であり、梁103の長さ(すなわち図2の奥行き方向)は100μmである。このとき、従来の製造方法と異なる点として、支持部となる部分は形成せずに断面三角形の梁103の両端をそのままの断面形状で延長し、第1の支持部104Aとしている。
続いて図2(c)に示すように、ギャップ形成用の犠牲層として用いる第2の絶縁層105と、図2(d)に示すように電極106を形成するための多結晶シリコン層(導電層)106sを連続で成膜し、(e)は膜厚の厚いレジスト107を形成してレジストエッチバックによって三角柱梁の高さの半分まで薄型化を行い、開口部108を形成した状態である。このときに使用したレジストは東京応化工業製のip5200という膜厚の大きい膜を形成するためのレジストである。
図2(f)に示すように、ウェハ全面をドライエッチングによって多結晶シリコン層(導電層)106sをパターンニングして、入出力用の電極106に分割された状態となる。従来は梁のパターンが長さ方向に不連続であり、梁と支持部とでレジストのエッチングレートが異なっていたが、本発明の構造のように一様な幅でかつ断面形状も同様となるようにし、梁103と第1の支持部104Aの部分の熱容量を等しくすることで上記課題を解決することができる。
図2(g)に示すように、レジスト107を剥離後にフォトリソグラフィによって導電層106をドライエッチングすることで入出力用の電極106と第2の支持部104Bを形成している。
最終工程では、図2(h)に示すように、第1の絶縁層102と第2の絶縁層105をエッチングによって除去して中空構造を形成する。
図2(a)はSOI基板を示しており、土台のシリコンからなる基板101の厚み725μm、熱酸化膜からなる第1の絶縁層102の厚み2μm、梁103となる単結晶シリコン103sの厚みが3μmのものを使用している。
図2(b)に示すように、SOI基板上に梁103を現像液であるTMAHを用いてシリコンの異方性エッチングによってパターンニングを行った状態であり、梁103の長さ(すなわち図2の奥行き方向)は100μmである。このとき、従来の製造方法と異なる点として、支持部となる部分は形成せずに断面三角形の梁103の両端をそのままの断面形状で延長し、第1の支持部104Aとしている。
続いて図2(c)に示すように、ギャップ形成用の犠牲層として用いる第2の絶縁層105と、図2(d)に示すように電極106を形成するための多結晶シリコン層(導電層)106sを連続で成膜し、(e)は膜厚の厚いレジスト107を形成してレジストエッチバックによって三角柱梁の高さの半分まで薄型化を行い、開口部108を形成した状態である。このときに使用したレジストは東京応化工業製のip5200という膜厚の大きい膜を形成するためのレジストである。
図2(f)に示すように、ウェハ全面をドライエッチングによって多結晶シリコン層(導電層)106sをパターンニングして、入出力用の電極106に分割された状態となる。従来は梁のパターンが長さ方向に不連続であり、梁と支持部とでレジストのエッチングレートが異なっていたが、本発明の構造のように一様な幅でかつ断面形状も同様となるようにし、梁103と第1の支持部104Aの部分の熱容量を等しくすることで上記課題を解決することができる。
図2(g)に示すように、レジスト107を剥離後にフォトリソグラフィによって導電層106をドライエッチングすることで入出力用の電極106と第2の支持部104Bを形成している。
最終工程では、図2(h)に示すように、第1の絶縁層102と第2の絶縁層105をエッチングによって除去して中空構造を形成する。
図1に示した本発明の実施の形態では、SOI基板を用いた単結晶シリコンの梁103を想定しているため、梁103の下側には必ず第1の絶縁層102となる熱酸化膜が存在する。ここで梁103をリリースしたときに支持部分が抜けてしまい、梁103が基板101へ接触してしまうため、第2の支持部104Bによって第1の支持部104Aを包含した構造とすることが好ましい。このとき、梁103にバイアス電圧を印加するために、梁103と第2の支持領域104Bを導通させる必要があり、図2では図示していないが、ギャップとなる第2の絶縁層105を形成した後に、第1の支持部104A上の第2の絶縁層105を除去している。なお、図2では支持部が2層から構成されているが、より強固な支持部とするために、3層以上としてもよい。また通常のシリコン基板に第1の絶縁層102となる熱酸化膜を成膜し、その上に梁103を多結晶シリコンなどで形成してもよい。その際は、予め第1の絶縁層102を梁103の下にのみ残すようにパターンニングを施しておけば、第2の支持部104Bを多層にする必要はない。また支持部104の強度をより堅固なものとするために、電極106と第2の支持部104Bを異なる材料を用いて別工程で形成してもよい。
なおプロセスばらつきによる誤差によって、梁103と第1の支持部104Aとの熱容量が異なる場合、例えばパターンニング精度や成膜する膜厚の精度など、ばらつきが生じてもプロセスばらつき程度の小さい誤差であれば、梁103と第1の支持部104Aの熱容量が同じとみなすことができるため、本発明の効果を奏する(許容範囲)。また第1の支持部104Aの体積を減らして梁103の熱容量より低い構造とした場合、温度上昇は大きくなるため、支持部104Aのエッチングレートが高くなる。このとき梁103上のレジストの開口部108は支持部104へ近づくほど開口部分が広くなるため、電極106をパターンニングした際にショートすることは回避でき、熱容量が同程度である場合と同様の効果を得ることができる。
また、図2に示すように、製造工程において梁103を形成した後に第2の支持部104Bを形成することで、共振周波数のばらつきを低減できるという効果も得られる。なぜならば、TMAHによるパターンニングはウェットエッチングを用いているため、梁103を形成したときに長さのばらつきが大きい。一方、本発明で開示された製造方法では、梁103をパターンニングしたときに梁103の長さがばらついたとしても、(g)で示している第2の支持部104Bのパターンニング工程によって、梁103の実質的な長さが規定されるためである。
なお、上記共振器において、第1の支持部104Aの上層、前記第1の支持部を機械的に補強するための第2の支持部104Bを形成しているが、第2の絶縁層105を除去して形成した場合には、電気的に接続可能となり、梁を所望の電位に保持したい場合はより効率よく電気的接続を行うことが可能となる。
特に、第2の支持部104Bは、第1の支持部104Aを覆うように形成することで、接触面積も増大し、コンタクト抵抗の低減を図ることができる。また、梁の振動を安定に支持することができる。
なお、入出力用の電極は多結晶シリコンで構成したが、アルミニウムなどの金属で構成してもよいことは言うまでもない。また第2の支持部104Bを多結晶シリコンで構成し、第1の支持部104Aは単結晶シリコンとするなど、異なる材料で構成してもよい。
また、第2の支持部は電極と同一材料で構成してもよく、この場合は、同一工程で成膜することができる。
さらにまた、前記実施の形態において用いた絶縁層、電極、レジスト材料などは一例であり、これに限定されることなく適宜選択可能である。
さらにまた、前記実施の形態において用いた絶縁層、電極、レジスト材料などは一例であり、これに限定されることなく適宜選択可能である。
(実施の形態2)
図3は他の本発明の実施の形態2に係る共振器の上面図であり、図2における(g)の工程、すなわち電極506を形成した状態である。梁503と一体形成される第1の支持部504Aの先端が第2の支持部504Bの外側へ突出した構造である。ここで501は基板、504は支持部である。他部については前記実施の形態1の共振器と同様である。
係る構成によれば、第1の支持部504Aが必ずしも第2の支持部504Bに覆われている必要はなく、図3に示すように第1の支持部504Aが第2の支持部504Bの外側へ突出していてもよく、梁503の支持部として十分な強度を保つことができれば、形状、寸法、材料などは自由に設定することができる。
図3は他の本発明の実施の形態2に係る共振器の上面図であり、図2における(g)の工程、すなわち電極506を形成した状態である。梁503と一体形成される第1の支持部504Aの先端が第2の支持部504Bの外側へ突出した構造である。ここで501は基板、504は支持部である。他部については前記実施の形態1の共振器と同様である。
係る構成によれば、第1の支持部504Aが必ずしも第2の支持部504Bに覆われている必要はなく、図3に示すように第1の支持部504Aが第2の支持部504Bの外側へ突出していてもよく、梁503の支持部として十分な強度を保つことができれば、形状、寸法、材料などは自由に設定することができる。
(実施の形態3)
図4は他の本発明の実施の形態3に係る共振器の上面図であり、図2における(g)の工程、すなわち電極606を形成した状態である。梁603と一体形成される第1の支持部604Aが第2の支持部604Bによって包含された構造である。ここで601は基板、604は支持部である。他部については、実施の形態1および2と同様である。
本実施の形態においても実施の形態2と同様、図4に示すように第1の支持部604Aと第2の支持部604Bの間隔によって、梁603の長さが規定されている状態であれば、第1の支持部604Aと第2の支持部604Bの水平方向に対する位置関係は不問であり、第1の支持部604Aの端部(垂直方向)が完全に第2の支持部604Bに覆われていてもよい。さらに一方の第1の支持部604Aが第2の支持部604Bから突出しており、もう一方の第1の支持部604Aが第2の支持部604Bの内側に配置されている構成としてもよい。本実施の形態においても実施の形態2と同様、図4に示すように第1の支持部604Aと第2の支持部604Bとの位置関係は不問であり、第2の支持部604Bによって梁603の支持部として、十分な強度を保つことができれば、形状、寸法、材料などは自由に設定することができる。
図4は他の本発明の実施の形態3に係る共振器の上面図であり、図2における(g)の工程、すなわち電極606を形成した状態である。梁603と一体形成される第1の支持部604Aが第2の支持部604Bによって包含された構造である。ここで601は基板、604は支持部である。他部については、実施の形態1および2と同様である。
本実施の形態においても実施の形態2と同様、図4に示すように第1の支持部604Aと第2の支持部604Bの間隔によって、梁603の長さが規定されている状態であれば、第1の支持部604Aと第2の支持部604Bの水平方向に対する位置関係は不問であり、第1の支持部604Aの端部(垂直方向)が完全に第2の支持部604Bに覆われていてもよい。さらに一方の第1の支持部604Aが第2の支持部604Bから突出しており、もう一方の第1の支持部604Aが第2の支持部604Bの内側に配置されている構成としてもよい。本実施の形態においても実施の形態2と同様、図4に示すように第1の支持部604Aと第2の支持部604Bとの位置関係は不問であり、第2の支持部604Bによって梁603の支持部として、十分な強度を保つことができれば、形状、寸法、材料などは自由に設定することができる。
本出願は、2009年06月30日出願の日本特許出願(特願2009−155292)に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
本発明に係るMEMS共振器は電極形状の精度を向上させ、入出力電極間における短絡を回避でき、共振器の信頼性を高めることができる。そのためMEMS共振器を用いた共振器や発振器、フィルタ、センサー、光スキャナ、質量検出素子等への幅広い産業用途に展開可能である。
101、701、801 基板
102、702、802 第1の絶縁層
103、703、803、903 梁
104、704、804、904 支持部
104A、404A 第1の支持部
104B 第2の支持部
105、705、805 第2の絶縁層
106、706、806、906 電極
107、807 レジスト
108、808 開口部
102、702、802 第1の絶縁層
103、703、803、903 梁
104、704、804、904 支持部
104A、404A 第1の支持部
104B 第2の支持部
105、705、805 第2の絶縁層
106、706、806、906 電極
107、807 レジスト
108、808 開口部
本発明は、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術を用いた共振器およびその製造方法に係り、特に電極形状の精度を向上させる共振器の構造に関する。
従来のMEMS共振器は例えば図5に示されるような構造を有していた。
図5は従来のMEMS共振器の要部斜視図(a)、上面図(b)、断面図(c)である。
図5において、共振器は支持基板701、犠牲層である第1の絶縁層702、梁703、梁703を支持する支持部704、犠牲層であるギャップ形成用の第2の絶縁層705、電極706から形成される。この第1の絶縁層702はスペーサとなる。図5では例えば単結晶シリコンからなる支持基板701上に熱酸化膜からなる第1の絶縁層702を形成し、単結晶シリコン層を貼り合わせて形成したSOI(Silicon On Insulator)基板を用いて構成され、第2の絶縁層705にTEOS(Tetra Ethyl Ortho Silicate)による酸化膜、電極706に多結晶シリコンが用いられる。
図5は従来のMEMS共振器の要部斜視図(a)、上面図(b)、断面図(c)である。
図5において、共振器は支持基板701、犠牲層である第1の絶縁層702、梁703、梁703を支持する支持部704、犠牲層であるギャップ形成用の第2の絶縁層705、電極706から形成される。この第1の絶縁層702はスペーサとなる。図5では例えば単結晶シリコンからなる支持基板701上に熱酸化膜からなる第1の絶縁層702を形成し、単結晶シリコン層を貼り合わせて形成したSOI(Silicon On Insulator)基板を用いて構成され、第2の絶縁層705にTEOS(Tetra Ethyl Ortho Silicate)による酸化膜、電極706に多結晶シリコンが用いられる。
梁703と支持部704を形成するために、異方性エッチングプロセスを用いて三角柱形状を形成する。次に、第2の絶縁層705となる酸化膜と電極706となる多結晶シリコンを成膜する。このとき、梁703と電極706との間では、第2の絶縁層705は除去され、ギャップを形成する。次に電極706をエッチングによって加工する。このとき、三角柱形状が突出した構造では、凹凸が大きいため、フォトリソグラフィを行うことが困難であり、レジストを所望の高さまで形成するプロセスが必要である。
その1つとして、電極706を形成した後にレジストを形成する方法が開示されている。図6はMEMS共振器のプロセスフロー図を示しており、左側が断面図、右側が上面図である。(a)は単結晶シリコンからなる支持基板801上に熱酸化膜からなる第1の絶縁層802を形成し、さらにこの第1の絶縁層802に単結晶シリコン層803sを貼り合わせて形成したSOI基板を示す。(b)は単結晶シリコン層803sを異方性エッチングによってパターンニングして単結晶シリコンからなる梁803と支持部804を形成した状態である。(c)はギャップとなるTEOSなどからなる第2の絶縁層805を成膜した状態である。(d)は電極となる多結晶シリコン層806sを成膜した状態である。(e)は所望の高さまでレジスト807を形成した状態である。ここでは、(d)から(e)にかけての工程において、例えば突出した梁803の厚みを3μm、第2の絶縁層805の厚みを0.3μm、電極用の多結晶シリコン層806sの厚みを1.0μmとする。電極806を梁803の高さの半分に形成しようとすると、2.4〜2.5μm厚みのレジスト807を形成することで三角の頂点のみが露出され、その他はレジスト807で覆われた構造を実現できる。このような従来の技術としては、例えば特許文献1に記載されたものが知られている。
あるいは梁803の突出部分が平坦化される状態になる程度の厚さまでレジスト807を形成し、レジスト807のエッチバックによって三角の頂点のみを露出させてレジスト807の開口部808を形成することもできる。例えば上記の膜厚で共振器を形成した場合、レジスト807の厚みは5〜6μm必要となる。このような従来の技術としては、例えば特許文献2に記載されたものが知られている。
その後、(f)の工程では、多結晶シリコン層806sをウェハ全面でエッチングを行って入出力用の電極を分断して入出力用の電極806を形成する。そして(g)の工程は、レジスト807を除去した後に、電極806をフォトリソグラフィによってパターンニングした状態、最後に(h)の工程において、第1の絶縁層802と第2の絶縁層805とを、気相のフッ酸にてエッチングすることによって中空構造を形成して、梁803を振動子とするMEMS共振器が完成する。
その後、(f)の工程では、多結晶シリコン層806sをウェハ全面でエッチングを行って入出力用の電極を分断して入出力用の電極806を形成する。そして(g)の工程は、レジスト807を除去した後に、電極806をフォトリソグラフィによってパターンニングした状態、最後に(h)の工程において、第1の絶縁層802と第2の絶縁層805とを、気相のフッ酸にてエッチングすることによって中空構造を形成して、梁803を振動子とするMEMS共振器が完成する。
しかしながら、特許文献1の方法では三角の頂点を露出させるために、粘性の低いレジストが必要となるが、これを塗布したときに、断面三角形状の裾野部分にレジストが溜まりやすく、レジストの開口部分の制御性に欠けるという問題がある。特に開口幅を狭くする場合はレジスト形成が困難である。また特許文献2のようにレジストエッチバックを適用した場合、図6(e)のような開口部808が曲線状となる。その原因としては、機械的な振動を行う梁803とこれを支持する支持部804でレジスト807を塗布したときの高さのばらつきと、レジストエッチバックによる高さのばらつきである。また梁803と支持部804とで、パターンの体積が異なり、放熱効率も異なるためである。換言すれば、梁803は幅の狭いパターンであるため、中心付近に熱が篭りやすく、結果としてエッチングレートは高くなるが、支持部804付近の梁803では、支持部804への放熱によってエッチングレートが低くなり、梁803と支持部804ではエッチングレートが不均一になる。したがってレジスト807の開口部808において所望の形状が得られなくなり、電極806をパターンニングしたときに形状異常の原因となってしまう。具体的には支持部804に近い部分ほど、レジストの開口部808は狭くなってしまい(工程(g)を参照)、プロセスのばらつきによっては、電極の端部分で入出力が接触してショートする可能性がある。
図7は従来のレジストエッチバックプロセスを用いて作製した電極の形状不良を示す図(SEM写真)である。電極は、支持部904に近づくほど平行度が悪くなり、電極906同士が近接するように電極906の角に向かって曲線を持った形状となっている。903は梁である。
本発明は前記実情に鑑みてなされたもので、高精度のパターン形成が可能な共振器構造を提供することを目的とする。
本発明は、基板と、前記基板上に選択的に配置された絶縁層と、空間を介して前記基板上に配置された梁と、前記絶縁層上に配置され、前記梁に連設して前記梁を支持する第1の支持部と、空間を介して前記梁上に配置され、それぞれの一端が前記梁の長手方向に沿って前記梁の上方で近接する2つの電極とを備えた共振器であって、前記梁の長手方向に垂直な断面において、前記梁の断面積と前記第1の支持部の断面積とはほぼ等しい共振器である。
また本発明は、基板と、前記基板上に配置された第1の絶縁層と、前記第1の絶縁層上に配置された単結晶シリコン層とを有するSOI基板を用意する工程と、前記単結晶シリコン層上に第1のレジストパターンを形成する工程と、前記第1のレジストパターンをマスクとして前記単結晶シリコン層に対し異方性エッチングを行い、梁と前記梁に連設された第1の支持部とを、前記梁の長手方向に垂直な断面において、前記梁の断面積と前記第1の支持部の断面積とがほぼ等しくなるように形成する工程と、前記第1の絶縁層、前記梁、および前記第1の支持部の上に、第2の絶縁層を形成する工程と、前記第2の絶縁層上に導電層を形成する工程と、前記導電層上に第2のレジストパターンを形成する工程と、前記第2のレジストパターンをマスクとして前記導電層に対しエッチングを行い、前記導電層からなる2つの電極であって、それぞれの一端が前記梁の長手方向に沿って前記梁の上方で近接する2つの電極を形成する工程と、前記第1の絶縁層および前記第2の絶縁層を部分的にエッチングにより除去し、前記2つの電極と前記梁との間、および、前記梁と前記基板との間に、空間を形成する工程とを含む共振器の製造方法である。
また本発明は、基板と、前記基板上に配置された第1の絶縁層と、前記第1の絶縁層上に配置された単結晶シリコン層とを有するSOI基板を用意する工程と、前記単結晶シリコン層上に第1のレジストパターンを形成する工程と、前記第1のレジストパターンをマスクとして前記単結晶シリコン層に対し異方性エッチングを行い、梁と前記梁に連設された第1の支持部とを、前記梁の長手方向に垂直な断面において、前記梁の断面積と前記第1の支持部の断面積とがほぼ等しくなるように形成する工程と、前記第1の絶縁層、前記梁、および前記第1の支持部の上に、第2の絶縁層を形成する工程と、前記第2の絶縁層上に導電層を形成する工程と、前記導電層上に第2のレジストパターンを形成する工程と、前記第2のレジストパターンをマスクとして前記導電層に対しエッチングを行い、前記導電層からなる2つの電極であって、それぞれの一端が前記梁の長手方向に沿って前記梁の上方で近接する2つの電極を形成する工程と、前記第1の絶縁層および前記第2の絶縁層を部分的にエッチングにより除去し、前記2つの電極と前記梁との間、および、前記梁と前記基板との間に、空間を形成する工程とを含む共振器の製造方法である。
本発明によれば、電極形状の精度を向上させ、入出力電極間における短絡を回避でき、共振器の信頼性を高めることができる。
発明の実施の形態の説明に先立ち、本発明およびその作用効果について、説明する。
本発明者は種々の実験結果から、レジストエッチバックに際し、レジストがエッチングされる際に反応熱が発生するが、この熱の流れに起因して、梁の上方に温度分布が生じることを発見した。そのメカニズムは、以下の通りである。
レジスト塗布直後の状態は、パターンニングされた梁および第1の支持部と、その上方に電極となる導電層が全面に形成されており、その上方にレジストが全面に形成されている。実際には、梁や第1の支持部を構成する単結晶シリコンの膜厚が3um程度であるのに対して、導電層を構成する多結晶シリコンの膜厚が1um程度であるため、導電層が形成された後においても、下方の梁や第1の支持部のパターンニングによる凹凸は残っている。この導電層表面の凹凸を平坦化するようにレジストが塗布されている。
一般に、レジストに比べて、梁や第1の支持部を構成するシリコンや、導電層を構成する多結晶シリコンは比熱が大きい。したがって、レジストを全面エッチングしていく際に反応熱が発生するが、梁や第1の支持部の上方の領域は、その他の領域に比べて温度上昇が小さくなり、レジスト表面には温度分布が生じる。また、水平方向の熱の流れを考えると、この温度分布を緩和するように、梁や第1の支持部の上方の領域には、周囲の領域から熱が流れ込む。
ここで、梁の上方と、第1の支持部の上方とを比較する。梁の上方では、梁が細長い形状をしているため、周囲の領域から流れ込む熱に比べて梁の上方の領域が小さいため温度が上昇し易い。一方、第1の支持部の上方では、周囲の領域から流れ込む熱に比べ、第1の支持部の上方の領域が大きいため、梁の上方に比べて温度が上昇しにくい。したがって、レジスト表面においては、梁から第1の支持部にかけて温度が低くなるように温度分布が生じる。すなわち、梁の中央部の上方では温度が高く、梁の第1の支持部近傍では温度が低くなる。これにより、梁の端部上方では、梁の中央部上方よりもエッチングレートが小さくなるため、梁の端部においてレジストの開口幅が狭くなる。その結果、このレジストをマスクとしてパターニングされる電極の電極間距離が小さくなる。
これに対し本発明は、梁の端部上方でのエッチングレートが低下しないように、梁の長手方向の断面において、梁の断面積が、第1の支持部の断面積と等しくなるように構成している。これにより、梁の中央部および端部の上方において、エッチングレートを均一に維持することができる。
本発明者は種々の実験結果から、レジストエッチバックに際し、レジストがエッチングされる際に反応熱が発生するが、この熱の流れに起因して、梁の上方に温度分布が生じることを発見した。そのメカニズムは、以下の通りである。
レジスト塗布直後の状態は、パターンニングされた梁および第1の支持部と、その上方に電極となる導電層が全面に形成されており、その上方にレジストが全面に形成されている。実際には、梁や第1の支持部を構成する単結晶シリコンの膜厚が3um程度であるのに対して、導電層を構成する多結晶シリコンの膜厚が1um程度であるため、導電層が形成された後においても、下方の梁や第1の支持部のパターンニングによる凹凸は残っている。この導電層表面の凹凸を平坦化するようにレジストが塗布されている。
一般に、レジストに比べて、梁や第1の支持部を構成するシリコンや、導電層を構成する多結晶シリコンは比熱が大きい。したがって、レジストを全面エッチングしていく際に反応熱が発生するが、梁や第1の支持部の上方の領域は、その他の領域に比べて温度上昇が小さくなり、レジスト表面には温度分布が生じる。また、水平方向の熱の流れを考えると、この温度分布を緩和するように、梁や第1の支持部の上方の領域には、周囲の領域から熱が流れ込む。
ここで、梁の上方と、第1の支持部の上方とを比較する。梁の上方では、梁が細長い形状をしているため、周囲の領域から流れ込む熱に比べて梁の上方の領域が小さいため温度が上昇し易い。一方、第1の支持部の上方では、周囲の領域から流れ込む熱に比べ、第1の支持部の上方の領域が大きいため、梁の上方に比べて温度が上昇しにくい。したがって、レジスト表面においては、梁から第1の支持部にかけて温度が低くなるように温度分布が生じる。すなわち、梁の中央部の上方では温度が高く、梁の第1の支持部近傍では温度が低くなる。これにより、梁の端部上方では、梁の中央部上方よりもエッチングレートが小さくなるため、梁の端部においてレジストの開口幅が狭くなる。その結果、このレジストをマスクとしてパターニングされる電極の電極間距離が小さくなる。
これに対し本発明は、梁の端部上方でのエッチングレートが低下しないように、梁の長手方向の断面において、梁の断面積が、第1の支持部の断面積と等しくなるように構成している。これにより、梁の中央部および端部の上方において、エッチングレートを均一に維持することができる。
具体的な構成として、本発明は、基板と、この基板上に選択的に配置された絶縁層と、空間を介してこの基板上に配置された梁と、前記絶縁層上に配置され、前記梁に連設して前記梁を支持する第1の支持部と、空間を介して前記梁上に配置され、それぞれの一端が前記梁の長手方向に沿って前記梁の上方で近接する2つの電極とを備えた共振器であって、前記梁の長手方向に垂直な断面において、前記梁の断面積と前記第1の支持部の断面積とはほぼ等しいことを特徴とする。
この構成によれば、レジスト表面において、梁の中央部上方と梁の端部上方とで温度差が生じることを回避することができる。従って、支持部と梁のそれぞれの上方におけるエッチングレートが同程度となるため、梁の端部において電極間距離が小さくなることを防止できる。また、これに伴って発生するショートを回避できる。
この構成によれば、レジスト表面において、梁の中央部上方と梁の端部上方とで温度差が生じることを回避することができる。従って、支持部と梁のそれぞれの上方におけるエッチングレートが同程度となるため、梁の端部において電極間距離が小さくなることを防止できる。また、これに伴って発生するショートを回避できる。
また本発明において、前記梁の長手方向に垂直な断面において、前記梁の断面形状と前記第1の支持部の断面形状とがほぼ等しいことが好ましい。
この構成によれば、第1の支持部と梁とで温度分布はほぼ均一となり熱勾配は形成されないため、梁の端部近傍でのエッチングレートが低くなるのを防ぐことができる。また、マスクも単純な形状でよく、パターンニングも容易である。
この構成によれば、第1の支持部と梁とで温度分布はほぼ均一となり熱勾配は形成されないため、梁の端部近傍でのエッチングレートが低くなるのを防ぐことができる。また、マスクも単純な形状でよく、パターンニングも容易である。
また本発明において、前記第1の支持部上に、さらに第2の支持部を有することが好ましい。
また本発明において、前記第2の支持部は前記第1の支持部を覆うように配置されることが好ましい。
これらの構成によれば、機械的強度も高く、電気的接続を行う場合にも接触面積が高いことからコンタクト性も良好となる。
これらの構成によれば、機械的強度も高く、電気的接続を行う場合にも接触面積が高いことからコンタクト性も良好となる。
また本発明において、前記第2の支持部は前記第1の支持部と異なる材料で構成されていることが好ましい。
この構成によれば、材料の選択自由度も高く、信頼性の高い共振器を提供することができる。
この構成によれば、材料の選択自由度も高く、信頼性の高い共振器を提供することができる。
また本発明において、前記第2の支持部は前記電極と同一材料で構成されていることが好ましい。
この構成によれば、電極と第2の支持部とを同一工程で形成することができ、工数の増大を抑制することができる。
この構成によれば、電極と第2の支持部とを同一工程で形成することができ、工数の増大を抑制することができる。
また本発明において、前記第2の支持部は前記電極と同一工程で形成されることが好ましい。
この構成によれば、工数を増大することなく、形成することができる。
この構成によれば、工数を増大することなく、形成することができる。
また本発明において、前記第2の支持部は前記梁と電気的に接続されていることが好ましい。
この構成によれば、梁に所望の電位を印加したい場合にも良好なコンタクトを形成することができる。
この構成によれば、梁に所望の電位を印加したい場合にも良好なコンタクトを形成することができる。
また本発明は、基板と、前記基板上に配置された第1の絶縁層と、前記第1の絶縁層上に配置された単結晶シリコン層とを有するSOI基板を用意する工程と、前記単結晶シリコン層上に第1のレジストパターンを形成する工程と、前記第1のレジストパターンをマスクとして前記単結晶シリコン層に対し異方性エッチングを行い、梁と前記梁に連設された第1の支持部とを、前記第1の支持部の長手方向に垂直な断面における前記第1の支持部の断面積が、前記梁の長手方向に垂直な断面における前記梁の断面積とほぼ等しいか、より小さくなるように形成する工程と、前記第1の絶縁層、前記梁、および前記第1の支持部の上に、第2の絶縁層を形成する工程と、前記第2の絶縁層上に導電層を形成する工程と、前記導電層上に第2のレジストパターンを形成する工程と、前記第2のレジストパターンをマスクとして前記導電層に対しエッチングを行い、前記導電層からなる2つの電極であって、それぞれの一端が前記梁の長手方向に沿って前記梁の上方で近接する2つの電極を形成する工程と、前記第1の絶縁層および前記第2の絶縁層を部分的にエッチングにより除去し、前記2つの電極と前記梁との間、および、前記梁と前記基板との間に、空間を形成する工程とを含む共振器の製造方法である。
本発明によれば、電極形状の精度を向上させ、入出力電極間における短絡を回避でき、共振器の信頼性を高めることができる。
本発明によれば、電極形状の精度を向上させ、入出力電極間における短絡を回避でき、共振器の信頼性を高めることができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
(実施の形態1)
図1は本発明の実施の形態1に係る共振器の構造を示す。
図1(a)は共振器上面図を示し、図1(b)はA−A’断面図、図1(c)はB−B’断面図を示している。図1は梁103の両端が支持された両持ち梁であり、ギャップ形成用の第2の絶縁層105をエッチングすることにより形成されたギャップを介して、入出力用の電極106が配置されている。そして、梁103と同じ材料で形成された第1の支持部104Aと第2の支持部104Bとからなる支持部104が、第1の絶縁層102と第2の絶縁層105を介して基板101に接合されている。
(実施の形態1)
図1は本発明の実施の形態1に係る共振器の構造を示す。
図1(a)は共振器上面図を示し、図1(b)はA−A’断面図、図1(c)はB−B’断面図を示している。図1は梁103の両端が支持された両持ち梁であり、ギャップ形成用の第2の絶縁層105をエッチングすることにより形成されたギャップを介して、入出力用の電極106が配置されている。そして、梁103と同じ材料で形成された第1の支持部104Aと第2の支持部104Bとからなる支持部104が、第1の絶縁層102と第2の絶縁層105を介して基板101に接合されている。
この共振器は、図1(a)乃至(c)に示すように、単結晶シリコンからなる基板101と、この基板101上に形成され、スペーサを構成する第1の絶縁層102と、前記第1の絶縁層を選択的に除去することで得られる空間を介して基板101上に形成された梁103と、前記第1の絶縁層102上に前記梁103に連設された第1の支持部104Aと、前記梁と所定幅のギャップを介して形成された信号を入出力するための電極106と、を備えた共振器であって、梁103における熱容量と第1の支持部104Aにおける熱容量がほぼ等しいことを特徴とする。電極106は、多結晶シリコンで構成される。この第1および第2の絶縁層102,105はギャップ形成のために後で除去される犠牲層として作用する。そしてこの梁103および第1の支持部104Aが断面三角形の梁状体を構成しており、第1の支持部104Aの上層には2面を覆うように多結晶シリコンからなる第2の支持部104Bが積層されている。ここで望ましくは第1の支持部104A上ではギャップ形成用の第2の絶縁層105を除去し、第1の支持部104Aと第2の支持部104Bとが直接コンタクトするように構成されている。
図2(a)乃至(h)は共振器のプロセスフロー図を示す。左側が断面図、右側が上面図である。以下、図2を用いて、本実施の形態の共振器の製造工程を説明する。
図2(a)はSOI基板を示しており、土台のシリコンからなる基板101の厚み725μm、熱酸化膜からなる第1の絶縁層102の厚み2μm、梁103となる単結晶シリコン103sの厚みが3μmのものを使用している。
図2(b)に示すように、SOI基板上に梁103を現像液であるTMAHを用いてシリコンの異方性エッチングによってパターンニングを行った状態であり、梁103の長さ(すなわち図2の奥行き方向)は100μmである。このとき、従来の製造方法と異なる点として、支持部となる部分は形成せずに断面三角形の梁103の両端をそのままの断面形状で延長し、第1の支持部104Aとしている。
続いて図2(c)に示すように、ギャップ形成用の犠牲層として用いる第2の絶縁層105と、図2(d)に示すように電極106を形成するための多結晶シリコン層(導電層)106sを連続で成膜し、(e)は膜厚の厚いレジスト107を形成してレジストエッチバックによって三角柱梁の高さの半分まで薄型化を行い、開口部108を形成した状態である。このときに使用したレジストは東京応化工業製のip5200という膜厚の大きい膜を形成するためのレジストである。
図2(f)に示すように、ウェハ全面をドライエッチングによって多結晶シリコン層(導電層)106sをパターンニングして、入出力用の電極106に分割された状態となる。従来は梁のパターンが長さ方向に不連続であり、梁と支持部とでレジストのエッチングレートが異なっていたが、本発明の構造のように一様な幅でかつ断面形状も同様となるようにし、梁103と第1の支持部104Aの部分の熱容量を等しくすることで上記課題を解決することができる。
図2(g)に示すように、レジスト107を剥離後にフォトリソグラフィによって導電層106をドライエッチングすることで入出力用の電極106と第2の支持部104Bを形成している。
最終工程では、図2(h)に示すように、第1の絶縁層102と第2の絶縁層105をエッチングによって除去して中空構造を形成する。
図2(a)はSOI基板を示しており、土台のシリコンからなる基板101の厚み725μm、熱酸化膜からなる第1の絶縁層102の厚み2μm、梁103となる単結晶シリコン103sの厚みが3μmのものを使用している。
図2(b)に示すように、SOI基板上に梁103を現像液であるTMAHを用いてシリコンの異方性エッチングによってパターンニングを行った状態であり、梁103の長さ(すなわち図2の奥行き方向)は100μmである。このとき、従来の製造方法と異なる点として、支持部となる部分は形成せずに断面三角形の梁103の両端をそのままの断面形状で延長し、第1の支持部104Aとしている。
続いて図2(c)に示すように、ギャップ形成用の犠牲層として用いる第2の絶縁層105と、図2(d)に示すように電極106を形成するための多結晶シリコン層(導電層)106sを連続で成膜し、(e)は膜厚の厚いレジスト107を形成してレジストエッチバックによって三角柱梁の高さの半分まで薄型化を行い、開口部108を形成した状態である。このときに使用したレジストは東京応化工業製のip5200という膜厚の大きい膜を形成するためのレジストである。
図2(f)に示すように、ウェハ全面をドライエッチングによって多結晶シリコン層(導電層)106sをパターンニングして、入出力用の電極106に分割された状態となる。従来は梁のパターンが長さ方向に不連続であり、梁と支持部とでレジストのエッチングレートが異なっていたが、本発明の構造のように一様な幅でかつ断面形状も同様となるようにし、梁103と第1の支持部104Aの部分の熱容量を等しくすることで上記課題を解決することができる。
図2(g)に示すように、レジスト107を剥離後にフォトリソグラフィによって導電層106をドライエッチングすることで入出力用の電極106と第2の支持部104Bを形成している。
最終工程では、図2(h)に示すように、第1の絶縁層102と第2の絶縁層105をエッチングによって除去して中空構造を形成する。
図1に示した本発明の実施の形態では、SOI基板を用いた単結晶シリコンの梁103を想定しているため、梁103の下側には必ず第1の絶縁層102となる熱酸化膜が存在する。ここで梁103をリリースしたときに支持部分が抜けてしまい、梁103が基板101へ接触してしまうため、第2の支持部104Bによって第1の支持部104Aを包含した構造とすることが好ましい。このとき、梁103にバイアス電圧を印加するために、梁103と第2の支持領域104Bを導通させる必要があり、図2では図示していないが、ギャップとなる第2の絶縁層105を形成した後に、第1の支持部104A上の第2の絶縁層105を除去している。なお、図2では支持部が2層から構成されているが、より強固な支持部とするために、3層以上としてもよい。また通常のシリコン基板に第1の絶縁層102となる熱酸化膜を成膜し、その上に梁103を多結晶シリコンなどで形成してもよい。その際は、予め第1の絶縁層102を梁103の下にのみ残すようにパターンニングを施しておけば、第2の支持部104Bを多層にする必要はない。また支持部104の強度をより堅固なものとするために、電極106と第2の支持部104Bを異なる材料を用いて別工程で形成してもよい。
なおプロセスばらつきによる誤差によって、梁103と第1の支持部104Aとの熱容量が異なる場合、例えばパターンニング精度や成膜する膜厚の精度など、ばらつきが生じてもプロセスばらつき程度の小さい誤差であれば、梁103と第1の支持部104Aの熱容量が同じとみなすことができるため、本発明の効果を奏する(許容範囲)。また第1の支持部104Aの体積を減らして梁103の熱容量より低い構造とした場合、温度上昇は大きくなるため、支持部104Aのエッチングレートが高くなる。このとき梁103上のレジストの開口部108は支持部104へ近づくほど開口部分が広くなるため、電極106をパターンニングした際にショートすることは回避でき、熱容量が同程度である場合と同様の効果を得ることができる。
また、図2に示すように、製造工程において梁103を形成した後に第2の支持部104Bを形成することで、共振周波数のばらつきを低減できるという効果も得られる。なぜならば、TMAHによるパターンニングはウェットエッチングを用いているため、梁103を形成したときに長さのばらつきが大きい。一方、本発明で開示された製造方法では、梁103をパターンニングしたときに梁103の長さがばらついたとしても、(g)で示している第2の支持部104Bのパターンニング工程によって、梁103の実質的な長さが規定されるためである。
なお、上記共振器において、第1の支持部104Aの上層、前記第1の支持部を機械的に補強するための第2の支持部104Bを形成しているが、第2の絶縁層105を除去して形成した場合には、電気的に接続可能となり、梁を所望の電位に保持したい場合はより効率よく電気的接続を行うことが可能となる。
特に、第2の支持部104Bは、第1の支持部104Aを覆うように形成することで、接触面積も増大し、コンタクト抵抗の低減を図ることができる。また、梁の振動を安定に支持することができる。
なお、入出力用の電極は多結晶シリコンで構成したが、アルミニウムなどの金属で構成してもよいことは言うまでもない。また第2の支持部104Bを多結晶シリコンで構成し、第1の支持部104Aは単結晶シリコンとするなど、異なる材料で構成してもよい。
また、第2の支持部は電極と同一材料で構成してもよく、この場合は、同一工程で成膜することができる。
さらにまた、前記実施の形態において用いた絶縁層、電極、レジスト材料などは一例であり、これに限定されることなく適宜選択可能である。
さらにまた、前記実施の形態において用いた絶縁層、電極、レジスト材料などは一例であり、これに限定されることなく適宜選択可能である。
(実施の形態2)
図3は他の本発明の実施の形態2に係る共振器の上面図であり、図2における(g)の工程、すなわち電極506を形成した状態である。梁503と一体形成される第1の支持部504Aの先端が第2の支持部504Bの外側へ突出した構造である。ここで501は基板、504は支持部である。他部については前記実施の形態1の共振器と同様である。
係る構成によれば、第1の支持部504Aが必ずしも第2の支持部504Bに覆われている必要はなく、図3に示すように第1の支持部504Aが第2の支持部504Bの外側へ突出していてもよく、梁503の支持部として十分な強度を保つことができれば、形状、寸法、材料などは自由に設定することができる。
図3は他の本発明の実施の形態2に係る共振器の上面図であり、図2における(g)の工程、すなわち電極506を形成した状態である。梁503と一体形成される第1の支持部504Aの先端が第2の支持部504Bの外側へ突出した構造である。ここで501は基板、504は支持部である。他部については前記実施の形態1の共振器と同様である。
係る構成によれば、第1の支持部504Aが必ずしも第2の支持部504Bに覆われている必要はなく、図3に示すように第1の支持部504Aが第2の支持部504Bの外側へ突出していてもよく、梁503の支持部として十分な強度を保つことができれば、形状、寸法、材料などは自由に設定することができる。
(実施の形態3)
図4は他の本発明の実施の形態3に係る共振器の上面図であり、図2における(g)の工程、すなわち電極606を形成した状態である。梁603と一体形成される第1の支持部604Aが第2の支持部604Bによって包含された構造である。ここで601は基板、604は支持部である。他部については、実施の形態1および2と同様である。
本実施の形態においても実施の形態2と同様、図4に示すように第1の支持部604Aと第2の支持部604Bの間隔によって、梁603の長さが規定されている状態であれば、第1の支持部604Aと第2の支持部604Bの水平方向に対する位置関係は不問であり、第1の支持部604Aの端部(垂直方向)が完全に第2の支持部604Bに覆われていてもよい。さらに一方の第1の支持部604Aが第2の支持部604Bから突出しており、もう一方の第1の支持部604Aが第2の支持部604Bの内側に配置されている構成としてもよい。本実施の形態においても実施の形態2と同様、図4に示すように第1の支持部604Aと第2の支持部604Bとの位置関係は不問であり、第2の支持部604Bによって梁603の支持部として、十分な強度を保つことができれば、形状、寸法、材料などは自由に設定することができる。
図4は他の本発明の実施の形態3に係る共振器の上面図であり、図2における(g)の工程、すなわち電極606を形成した状態である。梁603と一体形成される第1の支持部604Aが第2の支持部604Bによって包含された構造である。ここで601は基板、604は支持部である。他部については、実施の形態1および2と同様である。
本実施の形態においても実施の形態2と同様、図4に示すように第1の支持部604Aと第2の支持部604Bの間隔によって、梁603の長さが規定されている状態であれば、第1の支持部604Aと第2の支持部604Bの水平方向に対する位置関係は不問であり、第1の支持部604Aの端部(垂直方向)が完全に第2の支持部604Bに覆われていてもよい。さらに一方の第1の支持部604Aが第2の支持部604Bから突出しており、もう一方の第1の支持部604Aが第2の支持部604Bの内側に配置されている構成としてもよい。本実施の形態においても実施の形態2と同様、図4に示すように第1の支持部604Aと第2の支持部604Bとの位置関係は不問であり、第2の支持部604Bによって梁603の支持部として、十分な強度を保つことができれば、形状、寸法、材料などは自由に設定することができる。
本出願は、2009年06月30日出願の日本特許出願(特願2009−155292)に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
本発明に係るMEMS共振器は電極形状の精度を向上させ、入出力電極間における短絡を回避でき、共振器の信頼性を高めることができる。そのためMEMS共振器を用いた共振器や発振器、フィルタ、センサー、光スキャナ、質量検出素子等への幅広い産業用途に展開可能である。
101、701、801 基板
102、702、802 第1の絶縁層
103、703、803、903 梁
104、704、804、904 支持部
104A 第1の支持部
104B 第2の支持部
105、705、805 第2の絶縁層
106、706、806、906 電極
107、807 レジスト
108、808 開口部
102、702、802 第1の絶縁層
103、703、803、903 梁
104、704、804、904 支持部
104A 第1の支持部
104B 第2の支持部
105、705、805 第2の絶縁層
106、706、806、906 電極
107、807 レジスト
108、808 開口部
Claims (9)
- 基板と、
前記基板上に選択的に配置された絶縁層と、
空間を介して前記基板上に配置された梁と、
前記絶縁層上に配置され、前記梁に連設して前記梁を支持する第1の支持部と、
空間を介して前記梁上に配置され、それぞれの一端が前記梁の長手方向に沿って前記梁の上方で近接する2つの電極と、
を備えた共振器であって、
前記梁の長手方向に垂直な断面において、前記梁の断面積と前記第1の支持部の断面積とはほぼ等しい、共振器。 - 前記梁の長手方向に垂直な断面において、前記梁の断面形状と前記第1の支持部の断面形状とはほぼ等しい、請求項1に記載の共振器。
- 前記第1の支持部上に、さらに第2の支持部を有する、請求項1または2に記載の共振器。
- 前記第2の支持部は前記第1の支持部を覆うように配置された、請求項3に記載の共振器。
- 前記第2の支持部は前記第1の支持部と異なる材料で構成されている、請求項3または4に記載の共振器。
- 前記第2の支持部は前記電極と同一材料で構成されている、請求項3〜5のいずれか1項に記載の共振器。
- 前記第2の支持部は前記電極と同一工程により形成される、請求項6に記載の共振器。
- 前記第2の支持部は前記梁と電気的に接続されている、請求項3〜7のいずれか1項に記載の共振器。
- 基板と、前記基板上に配置された第1の絶縁層と、前記第1の絶縁層上に配置された単結晶シリコン層とを有するSOI基板を用意する工程と、
前記単結晶シリコン層上に第1のレジストパターンを形成する工程と、
前記第1のレジストパターンをマスクとして前記単結晶シリコン層に対し異方性エッチングを行い、梁と前記梁に連設された第1の支持部とを、前記梁の長手方向に垂直な断面において、前記梁の断面積と前記第1の支持部の断面積とがほぼ等しくなるように形成する工程と、
前記第1の絶縁層、前記梁、および前記第1の支持部の上に、第2の絶縁層を形成する工程と、
前記第2の絶縁層上に導電層を形成する工程と、
前記導電層上に第2のレジストパターンを形成する工程と、
前記第2のレジストパターンをマスクとして前記導電層に対しエッチングを行い、前記導電層からなる2つの電極であって、それぞれの一端が前記梁の長手方向に沿って前記梁の上方で近接する2つの電極を形成する工程と、
前記第1の絶縁層および前記第2の絶縁層を部分的にエッチングにより除去し、前記2つの電極と前記梁との間、および、前記梁と前記基板との間に、空間を形成する工程と、
を含む共振器の製造方法。
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