WO2006011449A1

WO2006011449A1 - Ｍｅｍｓフィルタ装置およびその製造方法

Info

Publication number: WO2006011449A1
Application number: PCT/JP2005/013582
Authority: WO
Inventors: Akinori Hashimura
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority date: 2004-07-27
Filing date: 2005-07-25
Publication date: 2006-02-02
Also published as: US7696843B2; US20080284544A1; JP2006041911A

Abstract

　設計に柔軟性があり、質量負荷の影響を無視することのできるＭＥＭＳフィルタの連結体を提供することを目的とし、カーボンナノチューブ（Carbon Nanotube;ＣＮＴ）など、マイクロサイズＭＥＭＳ共振器に比べて質量が非常に小さい、ナノサイズの連結体を連結部に使用することにより、質量負荷の影響がＭＥＭＳフィルタの特性に反映されない構造を提供する。

Description

明細書

MEMSフィルタ装置およびその製造方法

技術分野

[0001] 本発明は、 MEMSフィルタ装置およびその製造方法に係り、特に MEMS (Micro Electro Mechanical Systems)技術とナノチューブ ·ナノワイヤー技術を用いて形成した MEMSフィルタの連結構造に関するものである。

背景技術

[0002] MEMSフィルタにおいて主に使用されている材料としては、シリコン（単結晶、多結晶、アモルファスシリコン）があげられる。シリコンは ICプロセスとの親和性が良好であるだけでなぐ機械 ·電気特性が良好であることから広く使用されているが、フィルタの励振や検出方法としては、現在でも種々の方法が提案されている。これら多数の方法の中でも、静電容量型共振器を使用したフィルタはプロセス上、比較的簡単に微細構造を作製することが可能であることから、 GHz帯の MEMSフィルタの実現が期待されている。

[0003] 主に現在の静電容量型 MEMSフィルタの構成は、多数の MEMS共振器がマイク口サイズの梁などで機械的に連結された構造になっており、フィルタの中心周波数は連結した MEMS共振器の共振周波数で決定される。又、多数の MEMS共振器を連結させること〖こよって、 MEMS共振器と同じ数だけの周波数モードが、位相変化によって現れるようになつている。そして MEMSフィルタの周波数帯域幅は、各共振器を連結する連結体のばね定数 k と、 MEMS共振器と連結体の接続部位のばね定数 kと〖こよって決定される。

rc

[0004] 非特許文献 1は静電容量型 MEMSフィルタの例であり、 2つの多結晶シリコン製両持ち梁 MEMS共振器を、多結晶シリコン梁で連結した構造を用いている。フィルタの中心周波数は 8MHzで Q値力 0〜450、又、周波数帯域幅が 0. 2〜2. 5%、通過損失が 2dB以下という結果が達成されている。 MEMS共振器の設計仕様は、長さ 4 0. 8 m、幅 8 μ m、厚さ 1. 2 μ mで、連結梁は長さ 20. 35 μ m、幅 0. 75 m、厚さ 1. と、比較的共振器と近い寸法で構成されている。この非特許文献 1のように、 MEMS共振器とこれを連結する連結体としての連結梁とが、同等のマイクロサイズであって、弾性波えの 1/8以下の長さで構成された場合、その連結体の質量が M EMS共振器の質量に加算され、フィルタの中心周波数がずれてしまうことがある。このような質量負荷による影響 (mass loading effects)力フィルタ特性に反映されてしまうことで所望の通過波形を得ることができないことがある。

[0005] また、非特許文献 2では、 MEMS共振器を機械的に 3つ連結した例が示されており、この場合を図 28のブロック図で示す。第 1の MEMS共振器 10、第 2の MEMS共振器 12、第 3の MEMS共振器 14を含む構成であり、これらを接続する第 1の連結梁 16、第 2の連結梁 18を更に含む構成を示す。又、図 29は図 1の電気的等価回路を示しており、前記第 1および第 2の連結梁 16, 18が、 λ /8以下の長さで構成された時に対応する。 20, 22, 24は前記第 1乃至第 3の MEMS共振器 10, 12、 14を示し、 26, 28は前記第 1および第 2の連結梁 16, 18を示す。図 29の場合、第 1の連結梁 16の質量は、インダクター L26a、 26bで示され、第 2の連結梁 18の質量は、インダクター L28a、 28bで示され、各 Lの値は連結梁の静的質量の 1/2に等しくなる。

[0006] これを式 3で示すと、 Zはインダクター Lのインピーダンス、 wは共振周波数、 Mは

L 1 連結梁の静的質量に等しくなる。又、連結梁のばね定数 26c、 28cはコンデンサー C の逆数で表される。これを式 4で示すと、 Zはコンデンサー Cのインピーダンス、 kは

C 1 連結梁の静的ばね定数を表す。

[数 3]

π f 画

[0007] 図 30に、この 3段の MEMSフィルタの通過波形の 1例を示す。連結梁の質量を無視することができれば、通過波形は理想波形 30に近い波形を表すはずである力第 2の MEMS共振器 12が、左右に結合する第 1および第 2の連結梁 16, 18の質量の影響によって、第 1の MEMS共振器、第 3の MEMS共振器と比較して質量が増加し、その影響で歪んだ波形 32などを有する結果になる。このような問題力も非特許文献 2における著者は、 2つの方法を提案している。

[0008] その 1つは、連結体をえ /4の長さで設計することによって、図 29の等価回路で示す連結体 26の 26a,26b力 26cのコンデンサー Cのマイナスの値に置き換えられる。これによって、連結梁の質量が、 MEMSフィルタの特性に現れない方法を使用した。又、もう 1つの方法として、連結体と MEMS共振器が結合する配置を変え、共振時の振動振幅が小さい節に連結梁を結合することで、 MEMS共振器と連結体の接続部位にあたる MEMS共振器質量 mとばね定数 k 1S 連結梁の質量 m とばね定数 k

rc rc cij ci jに比べて、比較的大きい値が得られることから、この方法では、質量負荷の影響を低減することができる。

[0009] 特許文献 1では、振動周波数が〜 1GHzの円周等高（Radial Contour)モード円盤型 MEMS共振器を含む構造を有している。この円周等高モードでは、円盤型の中心を節とし水平面上で均一に振動するモードで、電極は円盤型の周りに設け、静電力で振動させ、振動容量変化比を検出している。円盤型共振器は MEMSフィルタにも応用でき、梁や U型を有する連結体を提供している。

[0010] 非特許文献 1： Frank Bannon III, John R. Clark, C.T.- C. Nguyen, "High- Q HF Micro mechanicalFilters , IEEE Journal of Solid— State Circuits, vol.35, no.4, 2000 非特許文献 2 : Ku Wang, C.T.-C. Nguyen, "Higher Order Medium Frequency Micro mechanicaltilectronic Filters , Journal of Microelectromechanical Systems, vol. 8, n o.4, 1999

特許文献 1 :米国特許 2003— 6628177号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0011] このように、多結晶シリコン連結梁を利用した上記 MEMSフィルタの構成では、フィルタを構成する共振器と連結梁が同じマイクロサイズであるため、質量負荷の影響がフィルタ特性に反映されるという課題があった。また、今後さらに高い周波数で MEM Sフィルタが設計される場合、 MEMS共振器の構造寸法がさらに小さくなることが考えられ、従来の構成では連結梁から発生する質量負荷の影響がさらに増加することが予想される。この課題を解決するために、さらに 2つの方法 (非特許文献 2参照）が提案されて、るが、、ずれの MEMSフィルタも高周波用のフィルタとして用いるためには課題が残されている。

[0012] また、上述した λ /4の長さの連結体を用いる方法では、連結梁を作製するための加工限界による製造誤差が影響して、実際に設計値の長さが得られないことが予想される。又、この方法では、連結梁の長さが設計上 1つの値に固定されるので、ばね定数を変えるには連結体の幅のみに依存してくる。一方、幅は通常 ICの製造工程で使用されるトップダウン技術の限界があるため、今後、高周波用のフィルタに必要なナノオーダーの幅を作製するのは困難になる。

[0013] 又、第 2の方法として、連結体が共振器の節となるように配置する手法を使用したが、これでは共振器の構造あるいは連結体の配置に厳しい限定力 Sかかってしまい、設計が複雑になる。さらには、連結体を共振器の節の付近に配置することによって、 Μ EMS共振器と連結体の接続部位のばね定数 kがある程度固定されてしまい、所望 rc

な MEMSフィルタの Q値、あるいは周波数帯域幅を得るには、連結体のばね定数 k のみで決定されてしまう。このように、ばね定数 k は、連結体の形状に依存するため

、設計の柔軟性に欠けている。

[0014] また特許文献 1で、振動周波数が〜 1GHzの円周等高モード円盤型 MEMS共振器を含む構造が提案されて、るが、この円周等高モードでは円盤型の中心を節として、水平面上で均一に振動する。このモードを使用した場合、 MEMS共振器と連結体の接続部位にあたる MEMS共振器のばね定数 kを増大するためには、連結体を rc

節の付近カゝら連結する必要がある。しかし、特許文献 1で示されている MEMS共振器を MEMSフィルタとして連結する場合、フォトリソグラフィー ·プロセスなどから製作される連結梁では、連結体を円盤型 MEMS共振器の中心部から連結させることが困難になる。し力も Q値が高い 1次円周等高モードで振動させると、各円盤型 MEM S共振器の半径が 2. 76 mにまで収縮され、結果、マイクロサイズの連結体を繋げれば、質量負荷の影響が大きくなつてしまうことが考えられる。

[0015] 本発明は、前記実情に鑑みてなされたもので、設計に柔軟性があり、質量負荷の影響を無視することのできる MEMSフィルタの連結体を提供することを目的とする。課題を解決するための手段

[0016] 上記目的を達成するため、本発明は、カーボンナノチューブ（Carbon Nano Tube;C NT)など、マイクロサイズ MEMS共振器に比べて質量が十分に小さい、ナノサイズの連結体を連結部に使用することにより、質量負荷の影響が MEMSフィルタの特性に反映されな、構造を提案するものである。なお従来の MEMS共振器の質量を参考にした上、連結体としては、 MEMS共振器に比べて十分に質量が小さぐ 1 X 10" 1⁵kg以下であるのが望まし、。

[0017] また、本発明では、カーボンナノチューブなどのナノサイズの連結体を連結部に使用することにより、トップダウン技術に頼るのではなぐ材料の自己組織ィ匕を利用したボトムアップ技術で製造可能であることを発見し、これに着目してなされたもので、ボトムアップ技術で製造することにより設計にも柔軟性をもたせることを可能とする。

[0018] 本発明は、 CNTあるいはこれと同程度のサイズをもつナノサイズの連結体を MEM Sフィルタの連結体として用い、機械的に結合させる方法である。現在の CNT製造技術は幅広く知られている力 MEMSフィルタに活用するために、 2つの連結方法を提案する。

[0019] まず本発明の第 1では、連結体となる CNTと MEMS共振器を集積させて構成する。製造に際しては、 MEMS共振器の製造工程後、次の工程として設計上、望ましい 2つ以上の MEMS共振器の間に CNTを成長させ、連結する。

また本発明の第 2では、連結体となる CNTと MEMS共振器の製造を分離して構成し、最後の工程で CNTと MEMS共振器を連結したものである。例えば、分離して構成された CNTを設計上、望ましい MEMS共振器周辺に移動させ、連結する。

[0020] すなわち、本発明の MEMSフィルタ装置は、機械的振動可能に形成された振動体と、前記振動体に対して所定の間隔を隔てて配設された電極とを有し、電気機械変換を可能にする電気機械共振器を、連結体を介して複数個連結してなり、前記連結体がナノサイズの線状体であることを特徴とする。

この構成により、質量負荷の影響を低減し、特性の優れたフィルタ装置を提供することが可能となる。

[0021] また、本発明の MEMSフィルタ装置は、前記連結体がカーボンナノチューブ (CN T)であるものを含む。

この構成〖こよれば、自己組織ィ匕により極めて微細な構造体を精度よく形成することができる。

[0022] また、本発明の MEMSフィルタ装置は、前記連結体はナノワイヤであるものを含むこの構成〖こよれば、自己組織ィ匕により極めて微細な構造体を精度よく形成することができる。

[0023] また、本発明の MEMSフィルタ装置は、前記振動体は、四角形をなし、少なくとも 1 つの節を有する MEMS共振器を構成すると共に、基板に支持せしめられる少なくとも 1つの支持機構を具備したものを含む。

この構成によれば、形状が安定しており、節での支持が容易である上、連結が容易である。

[0024] また、本発明の MEMSフィルタ装置は、前記連結体が複数本で構成されるものを含む。

この構成により、より強固な連結が可能となる。

[0025] また、本発明の MEMSフィルタ装置は、前記連結体が前記振動体の複数箇所を接続するものを含む。

この構成により、連結を強固にすることができる。また振動体の上下に連結体が形成される場合、ばね定数の低減が可能となる。

[0026] また、本発明の MEMSフィルタ装置は、前記連結体力コイル状体であるものを含む。

この構成により、ばね定数の低減が可能となり、設計に柔軟性を持たせることができる。

[0027] また、本発明の MEMSフィルタ装置は、前記支持機構がカーボンナノチューブで構成されているものを含む。

この構成により、振動に自由度を持たせることができるだけでなぐ通常の MEMS 共振器で、支持機構カゝら試作基板に逃げる弾性波損失による Q値の劣化も低減することができる。またこの支持機構と連結体とを兼ねるようにすれば、より高度の振動を実現することができる。

[0028] また、本発明の MEMSフィルタ装置は、前記連結体は前記振動体の節で連結されているものを含む。

この構成により、より質量負荷の影響を低減することができる。

[0029] また、本発明の MEMSフィルタ装置の製造方法は、機械的振動可能に形成された少なくとも 2つの振動体と、前記各振動体に対して所定の間隔を隔てて配設された電極とを有し、電気機械変換を可能にする電気機械共振器を、基板上に近接して配置形成する工程と、前記振動体を、ボトムアップ技術により、ナノサイズの線状体からなる連結体で接続する連結構造を形成する工程とを含むことを特徴とする。

この方法によれば、極めて容易に質量負荷の影響が少なぐ高精度の MEMSフィルタ装置を提供することができる。

[0030] また、本発明の MEMSフィルタ装置の製造方法は、前記連結構造を形成する工程力前記振動体の所定の位置に触媒を形成し、前記触媒から前記連結体を成長する工程を含むものを含む。

この構成によれば、触媒の形成箇所を特定することにより、極めて位置精度よく連結体を形成することができる。

[0031] また、本発明の MEMSフィルタ装置の製造方法は、前記連結構造を形成する工程力前記振動体の所定の位置で前記連結体を移動し配置する工程を含むものを含む。

この構成によれば、連結位置を調整し、より高精度の位置決めを実現することが可能となる。

[0032] また、本発明の MEMSフィルタ装置の製造方法は、前記連結構造を形成する工程力カーボンナノチューブを形成する工程を含むものを含む。

[0033] また、本発明の MEMSフィルタ装置の製造方法は、カーボンナノワイヤを形成する工程を含むものを含む。

この構成〖こよれば、自己組織ィ匕により、極めて微細な構造体を精度よく形成することがでさる。

[0034] また、本発明の MEMSフィルタ装置の製造方法は、前記連結構造を形成する工程 1S 第 1の MEMS共振器に負の DC電圧を印加するとともに、前記第 1の MEMS共振器に隣接して設けられた第 2の MEMS共振器には、正の DC電圧を印加せしめることによってカーボンナノチューブまたはカーボンナノワイヤを成長させる工程を含むことを特徴とする。

この構成によれば、連結体を効率よく成長させることができ、また、 MEMS共振器を連結配置し、交互に正および負の電圧を印加することにより、同時に多数の連結体を効率よく形成することができる。また多数個同時に連結しておき、成長後に適宜切断分離してもよい。

[0035] また、本発明の MEMSフィルタ装置の製造方法は、前記連結構造を形成する工程が、前記振動体の節に相当する位置に前記連結体を配置する工程を含むものを含む。

この構成によれば、位置合わせが容易で、より質量負荷の影響を低減した構造体を容易に形成することが可能となる。

[0036] また、本発明の MEMSフィルタ装置の製造方法は、前記連結構造を形成する工程力原子力顕微鏡 (AFM)のプローブを用いて前記連結体を前記振動体の所望の領域に配置する工程と、前記連結体の結合に先立ち、走査型トンネル顕微鏡 (STM )のプローブで生成されるパルスを用いて導電性粒子を前記振動体の所望の領域に移動させ配置する工程とを含む。

この方法によれば、より高精度の位置決めが可能となる。

[0037] また、本発明の MEMSフィルタ装置の製造方法は、前記連結構造を形成する工程力前記振動体の形状加工を行なう MEMS工程において犠牲層を除去し、前記振動体の形状加工を行なうに先立ち、実行される。

この構成によれば、振動体の形状加工により、より強固な接続が可能となる。

発明の効果

[0038] 本発明の MEMSフィルタによれば、簡易でかつ低コストで製造可能なナノサイズの CNTなどを MEMS共振器の機械的連結体に使用することにより、質量負荷の影響を MEMSフィルタの特性に反映させない構造を提供することができる。又、 CNTを活用することによって、 MEMSフィルタの Q値や周波数帯域幅の設計の際に、柔軟性を持たせることが可能となる。

図面の簡単な説明

[図 1]本発明の実施の形態 1における MEMSフィルタ装置を示す図

[図 2]本発明の実施の形態 1を有限要素解析で表した MEMS共振器の静止状態を示す図

[図 3]本発明の実施の形態 1を有限要素解析で表した MEMS共振器の振動状態を示す図

[図 4]本発明の実施の形態 1における連結体の振動方向と縦振動モードを示す図 [図 5]本発明の実施の形態 1における MEMSフィルタ装置の製造工程を示す図 [図 6]本発明の実施の形態 1における MEMSフィルタ装置の製造工程を示す図 [図 7]本発明の実施の形態 1における MEMSフィルタ装置の製造工程を示す図 [図 8]本発明の実施の形態 1における MEMSフィルタ装置の製造工程を示す図 [図 9]本発明の実施の形態 1における MEMSフィルタ装置の製造工程を示す図 [図 10]本発明の実施の形態 1における MEMSフィルタ装置の製造工程を示す図 [図 11]本発明の実施の形態 1における連結体の形成工程を示す説明図

[図 12]本発明の実施の形態 1における連結体 38を上下の角に成長させた斜視図 [図 13]本発明の実施の形態 1における連結体 38に波形を有する図

[図 14]本発明の実施の形態 1における連結体 38を並列に複数並べる構成を有する図

[図 15]本発明の実施の形態 1における連結体 38の連結部（MEMS共振器の角に三角爪を構成した)の変形例を示す図

[図 16]本発明の実施の形態 1における連結体 38の連結部（MEMS共振器の角に力ンチレバーを構成した)の変形例を示す図

[図 17]本発明の実施の形態 2における MEMSフィルタ装置の製造工程を示す図 [図 18]本発明の実施の形態 2における MEMSフィルタ装置の製造工程を示す図 [図 19]本発明の実施の形態 2における MEMSフィルタ装置の製造工程を示す図 [図 20]本発明の実施の形態 2における MEMSフィルタ装置の製造工程を示す図 [図 21]本発明の実施の形態 2における MEMSフィルタ装置の製造工程を示す図 [図 22]本発明の実施の形態 2における MEMSフィルタ装置の製造工程を示す図 [図 23]本発明の実施の形態 3における MEMSフィルタ装置を示す図

[図 24]本発明の実施の形態 3における AFMを使用して連結体 74を移動する工程図 [図 25]本発明の実施の形態 3における STMを使用して連結体 74を導電体粒子 82 で付着する接続工程図

[図 26]本発明の実施の形態 3における連結体 74にコイル形を有する変形図

[図 27]本発明の実施の形態 3における連結体 74を第 2の MEMS共振器 72に接続する工程図

[図 28]従来例の MEMS共振器を機械的に 3つ連結したブロック図

圆 29]図 1の電気的等価回路図

[図 30]図 28の構造 3段の MEMSフィルタ通過波形図

符号の説明

10、 12、 14 第 1、 2、 3の MEMS共振器

16、 18 第 1、 2の連結梁

20 第 1の MEMS共振器の等価回路

22 第 2の MEMS共振器の等価回路

24 第 3の MEMS共振器の等価回路

26、 28 第 1、 2の連結梁の等価回路

30 理想波形

32 歪んだ波形

34、 36 第 1、 2の MEMS共振器

38、 40、 48 第 1、 2、 3の連結体

41 固定電極

42 支柱

43 破線

44、 46 第 3、 4の MEMS共振器

50 破線

52、 54 マイナス、プラス電気配線 56 バイアス直流電圧

58 触媒

70、 72 第 1、 2の MEMS共振器

74、 76 第 1、 2の連結体

78 AFMプローブ

80 STMプローブ

82、 88 第 1、 2導電体粒子

86 直流パルス電圧

90 SOI基板のシリコン層（ベース層）

92 SOI基板の酸化シリコン層

94 SOI基板のシリコン層（デバイス層）

96 溝

102 犠牲層

104 MEMS共振器 34と 36の角部分

106 触媒

110 96を構成するための犠牲層

112 CNT

114 CVD酸化シリコン膜

116 CVDポリシリコン

発明を実施するための最良の形態

[0041] 以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。

[0042] 本発明の実施の形態を説明するに先立ち、本発明の原理について説明する。

まず、 MEMSフィルタの周波数帯域幅は式（1)で表される。式（1)中、 Q は ME

MSフィルタの Q値、 BWは周波数帯域幅、 f は MEMSフィルタの中心周波数、 Cは正規化した結合係数、 kは CNTが連結する MEMS共振器の実効ばね定数、 k は

rc cij 連結体のばね定数を表す。ボトムアップ技術で製造可能な CNTなどを使用することにより、従来のトップダウン技術では製造が困難であった連結体の幅や直径がナノサィズで構成可能となる。さらに、連結体が縦振動モード (Extensional Mode)で結合される場合、 CNTのばね定数は式（2)で表される。式（2)中、 Eは CNTのヤング率、 A は断面面積、 Lは長さを表す。

[数 1]

Q_{F i} i _{t e r}= ί。/BW=Cij(k_rc/k_cij)

3BW = (f。/C_y)*(k_clJ/k_rc)

[数 2] k = F/AL = EA/L

[0043] 連結体の質量は CNTの密度力算出することができる力通常のマイクロサイズ M EMS共振器と比べると数桁以上の質量低減が可能となる（詳細は実施の形態 1で後述する)。本発明によれば、連結体の質量の影響が無視できるため、 λ/4の長さの制約がなくなり、 MEMS共振器と連結体の接続部位にあたる MEMS共振器質量 m が最大となる節の付近に、配置を限定する必要がなくなる。

[0044] これにより、連結体の位置を変えることができ、 kを広い範囲で可変とすることがで

rc

きるため、式（1)で示される k /k を自由に変えることができ、設計に自由度を持たせ

rc cij

ることが可能となる。又、数桁以上質量が軽い CNTを使用するため、 CNTを複数並列に連結することにより k を増加させ、コイル形や波形などの CNTを使用することにより k を減少、させることも可會である。

[0045] (実施の形態 1)

次に本発明の実施の形態 1について説明する。図 1は、本発明の実施の形態 1の MEMSフィルタ装置を示す斜視図であり、 MEMSフィルタの第 1の連結方法に従つて連結したものである。図 2、 3において、図 1と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。

[0046] この MEMSフィルタ装置は、図 1に示すように、第 1および第 2の MEMS共振器 34 , 36を、 CNTで構成された第 1の連結体 38で接続したことを特徴とする。この第 1および第 2の MEMS共振器 34, 36は、同じ構造を有しており、図 1に示すように、四角形状の振動子を構成し、第 1の連結体 38によって機械的接続がなされている。円柱 42は各 MEMS共振器の中心部に接続されている。これは構造体 34と 36を支える支柱の役割をするもので、図示しな、基板に連結されて、る。

[0047] この各 MEMS共振器 34, 36の寸法は、縦、横カ^、ずれも 7 m、厚さ 2 mで、支柱 42の直径と高さは、ほぼ: m程度である。この MEMS共振器は、有限要素解析 (Finite Element Analysis; FEA)を使って算出した結果、共振周波数が水平振動の振動モードで〜 1GHzである。図 2ではこの MEMS共振器の静止状態を表し、図 3 では共振器の振動状態を示す。この振動モードでは、 1辺の中心と角の位相が 180 ° 異なるように共振し、各 MEMS共振器 34、 36の角も水平振動するため、図 1に示す第 1の連結体 38は縦振動で連結されることになる。各共振点の変位方位は矢印で示す。

[0048] この第 1の連結体 38は、要部拡大図を図 4に示すように中空糸形状をなしている。

この MEMSフィルタ装置では、左右に各 MEMS共振器が連結されるため、連結体 3 8は矢印の方向に振動する。図 1の MEMSフィルタ装置において、支柱 42は、 ME MS共振器 34, 36の共振時の節の付近に配置され、各 MEMS共振器の中心に位置している。

[0049] 次に、この MEMSフィルタ装置の操作について説明する。

まず、 MEMSフィルタ装置の操作時には、図 1に示すように、支柱 42を介して、大きさ Vpの DCバイアス電圧を印加し、第 1の MEMS共振器 34の各辺と所定の間隔を隔てて形成された固定電極 41に、 AC入力電圧を印加することによって、 MEMS共振器 34の振動子と固定電極 41の間に静電気力を生起せしめ、 MEMS共振器を振動させる。

この MEMSフィルタ装置の場合、第 2の MEMS共振器 36の固定電極 41から出力電流を検出することにより、最終的にこの装置の出力特性として測定する。なお、図 1 では第 1、 2の MEMS共振器と第 1の連結体 38のみで形成した MEMSフィルタ装置を示すが、さらに別の MEMS共振器を連結してもよい。

[0050] 次に、この MEMSフィルタ装置の製造工程について説明する。

図 5乃至 10は、図 1の破線 43で示す断面に沿って表された製造工程を示す。まず、ベース層 90としてのシリコン基板表面に、酸ィ匕シリコン膜からなる酸ィ匕膜 92 を介して、デバイス形成層としての所望のキャリア濃度のシリコン層 94を貼着した SO I ( Silicon-On-Insulator )基板に、フォトリソグラフィにより形成したマスクを介して反応性イオンエッチング (RIE)を用いた異方性エッチング工程を行、、溝 96を形成する（図 5)。ここでベース層 90の厚みは、第 1および第 2の MEMS共振器の高さに等しぐ酸ィ匕層 92の厚みは支柱 42の高さに等しくなるため、あら力じめ SOI基板の各層の厚みを選択する。例としてベース層 90が 2 μ m、酸化シリコン層 92が 1 μ m、デバイス層を構成するシリコン層 94が 300〜500 mとした SOI基板を用意する。またェツチングは CFを用いた異方性エッチングを用い、まず、シリコン層 94をエッチングし

4

、続いて酸ィ匕膜 92もエッチングをする。

[0051] 次に図 6に示すように、溝 96に支柱 42となるポリシリコン層を形成する。ここでは LP CVD法によりポリシリコン膜を成膜し、成膜後に、シリコン層 94上のポリシリコンをエツチバックし、除去する。

[0052] そして図 7に示すように、同様にフォトリソグラフィによってマスクパターンを形成した後、 RIEで異方性エッチングを行い、第 1および第 2の MEMS共振器 (の振動体） 34 と 36を形成する。この工程における断面図では表わされないが、図 1の検出電極 41 も同じ工程で形成することが可能である。

[0053] 次に図 8に示すように、犠牲層 102を形成する。この場合、犠牲層 102としては、例えばレジストなどを使用する。しかし、スピナ一等を用いてスピンコートする際、 MEM S共振器 34と 36の角に相当する部分 (以下角） 104が、他のレジスト膜厚より薄いことを有する。これについて、さまざまな方法が考えられる力例えばレジストの粘度が高い材料を使用したり、膜厚を MEMS共振器 34と 36の高さと比較してなるべく薄く積んだり、あるいはソフトベータ、ハードベータの温度と時間を最適化して、レジストをこの MEMS共振器の角力流れるように形成することが可能である。

[0054] そして図 9に示すように、 RIE等などでドライエッチングを行、、 MEMS共振器の角 104が表面に現れる程度に犠牲層 102を薄くする。

[0055] 次に、真空蒸着法により、角 104に白金などの触媒 106を数應程度の厚みで形成し、犠牲層 102とその上に堆積された蒸着物である触媒 106を、アセトンなどを充填した超音波容液器中で除去する（リフトオフ)。又、最後に MEMS共振器 34と 36を基板力も開放するため、 HF液で酸ィ匕膜層 92などを除去する（図 10参照)。

[0056] このようにして、触媒の形成された MEM共振器 34, 36の振動体の角 104に、 CN T形成用の触媒 106を形成したのち、 CVDのチャンバ一内でその間隔に CNTを成長させ連結させ、各振動体を接続する。

[0057] 図 11は、本発明の実施の形態 1における MEMSフィルタ装置の製造に用いられる CNTの成長装置のブロック図を示す。第 1の連結方法で用 1ヽられる成長装置では、フィルタとなる MEMS共振器の形状力卩ェを行なった後、次の工程として CNTなどの製造方法を使用して、設計上、望ましい 2つ以上の MEMS共振器に触媒を設置し、 CVDのチャンバ一内で、その間隔に CNTを成長させ連結させる。この時、第 1、 2、 3、 4MEMS共振器 34, 36、 44、 46にノィァス直流電圧 56を印カロすることによって、電気配線 52がマイナス電位、電気配線 54がプラス電位となるようにし、それぞれに繁カ Sる第 1、 3MEMS#¾34, 44力 Sマイナス、第 2、 4MEMS#¾36, 46力 Sプラス電位になる。

[0058] これによつて、 CNT38、 40、 48はマイナスからプラス電極に成長する。成長方向を図 5の矢印で示す。破線 50は、この後にも前記連結体 40、 MEMS共振器 36の振動体と同様に、 MEMS共振器と連結体が続くことを示すが、本連結方法を活用することによって、複数の CNTを同時に成長させることが可能となり、時間やコストの低減も可能である。以上のボトムアップ技術により、高精度のナノサイズオーダーの連結体が製造可能となる。

[0059] なお、本実施の形態 1の MEMSフィルタ装置を形成する際には、 CNTで構成された連結体を切断すればよぐ多数個の MEMSフィルタ装置を同時形成することができる。

また 3個以上の MEMSフィルタを連結した MEMSフィルタ装置の実現も容易である。

[0060] 図 12、図 13、図 14に、本発明の実施の形態 1の変形例を示す。この例では、図 12 , 13, 14における連結体付近を拡大した図を示す。各図が連結体 38を変形した構成になっており、これによつて式（1)のばね定数 k を変えることを可能とする。図 12、

cij

図 13、図 14の連結体 38の寸法は設計によって変わり、又、 CNTが単層 CNT(SW CNT)か多層 CNT(MWCNT)にもよつて変わってくる力直径は約 lnmから 50nm 、長さは約 1 μ mから 5 μ mで成長が可能である。図 12は連結体 CNT38を上下の角の間に連結した構成で、触媒 58を両側の角に付着することによって作製される。

[0061] 図 12のように連結体 38が上下に配置された構成では、連結体の k を増加させることが可能となる。又、図 12の破線で示す円は触媒 58が下面に付着している事を示している。

[0062] 図 13は連結体 38の長さをより長くし、波形に垂れるような形状を有する構造である。もともと CNTは、溶けた触媒粒子と炭素系ガスの分子との化学反応によって成長することが知られて!/ヽる。また触媒 58として用いる材料の種類によって化学反応を起こす場所が異なり、例えば、触媒 58として鉄 (Fe)を用いた場合、化学反応を起こす場所は、最初のマイナス電極と CNTの境界面に現れ、その結果、 CNTがプラス電極に到達しても成長が続き、その結果、波形を有する形状を有することになる。図 13のように連結体 38に波形を有することにより k を減少させることが可能となり、式（1)で表される k /k の設計の柔軟性をもたせることができる。

rc cij

[0063] 図 14は、連結体 38を並列に複数並べる構成を有する。この構成は、図 12、 13の触媒 58と比べて大きな触媒 58を付着することによって連結体 38が複数成長し、結果、図 14の構成が可能となる。図 8の場合、 k の増加が可能となる。よって、図 12、

cij

図 13、図 14の構成では、連結体の k を変化させることができる。

cij

[0064] 図 12乃至図 14の CNTの寸法は、設計の k によって決定される。例えば、非特許

cij

文献 1の k = 113N/mを使用した場合、式（2)より、 CNTの長さ Lを: L mで計算すれば直径が 12nm、 Lを 3 μ mで計算すれば、直径が 20nmと算出される。ここで CNT のヤング率は E= lE12Paとした。又、 CNT質量は M= p XVで示され、 Mは質量、は密度、 Vは体積を表す。 CNTを円筒として考えると p = 1400kg/m³を使用することで、 Lがの場合は M= l. 13 IE - 22kg, Lが 3 mの場合は M= 1. 319E 18kgが算出できる。

[0065] これに対し、従来例で説明した非特許文献 1の多結晶シリコン連結梁の質量は、同様な方法を使用して算出すると、 M = 6. 670E— 14kgとなる。これらの比較によって CNTを連結体に使用することで、 4桁以上の質量減少が可能となることが明らかになる。

[0066] なお、図 12乃至図 14において、 CNTの位置は MEMS共振器の四角型の角に配置されたが、場所については限定することなぐ式（1)の設計値 kに等しくなるように

rc

すれば良い。

[0067] 又、 CNTの成長がしゃすい場所を選択することによってより、強固な連結構造を得ることが可能となる。例えば、図 15に示すように MEMS共振器の四角型の角を三角爪にしたり、あるいは図 16に示すように MEMS共振器の四角型の角に片持ち梁力ンチレバーを形成した構造にすることで、 1本の CNTをより所望の配置となるように成長させることが可會となる。

三角爪にすることにより、連結部の面積力 S小さくてもより強固な接続が可能となる。また片持ち梁カンチレバーを形成することにより、より確実な振動を実現することができる。

[0068] 式（1)の設計値 kは、 MEMS共振器によっても変化するが、例えば非特許文献 1

rc

の MEMS共振器で振幅が大きい付近では、ばね定数が低く k = 1362N/mで表さ

rc

れ、又、ばね定数が高い節の付近では k =96061NZmで表される。設計上所望

rc

の k /k が要求される場合、たとえ実際の CNTのばね定数 k が算出式 (2)力も相違 rc cij cij

しても、 kが 94000NZm以上と広い範囲で変化できるため、 k /k を設計上所望

rc rc cij

の値に設定することができる。

[0069] なお、本実施の形態 1において、四角型の MEMS共振器 34、 36を 2個連結したが、図 1 Uこ示したよう【こ、 MEMS共振器 34、 36、 44、 46を 4偶連結したまま用!ヽてもよぐ構造には限定はなぐ連結体 38が成長し易い構成を用いるようにすれば良い。

[0070] (実施の形態 2)

次に本発明の実施の形態 2について説明する。

本発明の実施の形態 1における支柱 42は、ポリシリコンで構成した力本実施の形態では、この支柱に相当する部分を CNT12で構成する例について説明する。

[0071] 本実施の形態では、振動体の節に相当する部分に孔を形成しておき、この孔に揷通せしめられるように、自然組織ィ匕により CNTを成長した後、振動体との接続部にポリシリコンなどを充填し、強固な接続を得るように形成することを特徴とする。 [0072] 図 17乃至 22は、図 1の破線 43の断面に相当する断面で表された製造工程を示す。図 17は図 5と同様の工程で、図 17は図 5において溝 96を形成するためのマスクとして用いたフォトレジストからなる犠牲層 110を除去する前を示す。

[0073] そして真空蒸着法により、触媒 106を形成する（図 18)。この例では、蒸着装置を使用することで溝 96の側面に付着するのを避けるようにする。

そして図 19に示すように、リフトオフにより犠牲層 110を除去する工程後、溝 96の底に残された触媒 106に CNT112を成長させる。

又、図 20では、 CNT112の成長後、 LPCVD法により、溝 96内に酸化シリコン膜 1 14を埋める。ここでは支柱 42の高さまで酸ィ匕シリコン膜 114を形成する。又、 LPCV D法を用いても良いが、 LPCVD法を用いた場合は、シリコン層 94の上に残った酸ィ匕シリコン膜は CMPなどで除去する必要があるため、あら力じめ犠牲層を形成しておき、この上層にスパッタ法により酸ィ匕シリコン膜を成膜し、成膜後犠牲層を除去すると共に犠牲層上の酸ィ匕シリコン膜を除去するリフトオフ工程を行い、不要な場所には酸ィ匕膜が堆積されな、ようにしても良、。

なお、ここでは酸ィ匕シリコン膜を用いたが、材料には限定は無ぐ後の工程で除去できる膜質であれば良ぐ例えば真空蒸着法により、メタルを蒸着し、リフトオフにより犠牲層を除去して不要な場所にメタルが堆積されない方法をとつても良い。

[0074] 次に図 21に示すように、 MEMS共振器の部分となる溝 96を LPCVD法によりポリシリコンなどで埋めて、デバイス層を構成するシリコン層 94の上に残ったポリシリコンは CMPなどで除去する。

[0075] 最後に図 22は図 10で示したのと同様の工程を示し、振動子のパターユング、触媒の形成とともに酸ィ匕シリコン膜 92を除去し振動子を形成する図 20〜22の製造工程を実行し、 CNTを支柱に用いた振動子が形成される。

この構成により、 CNTの形成と MEMS工程を一体ィ匕することにより、製造が容易となる上、振動子と連結体との結合を強固にすることができ、位置合わせも極めて容易である。

[0076] (実施の形態 3)

図 23は本発明の実施の形態 3における MEMSフィルタの第 2の連結方法を示す。図 24、 25、 26において、図 23と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。

[0077] 本実施の形態では、図 23に示すように、四角型を有する第 1、 2の MEMS共振器 7 0、 72の節に相当する中心部を、 CNTからなる第 1の連結体 74で機械的に接続したことを特徴とするものである。他は図 1に示した実施の形態 1と同様であり、各 MEMS 共振器の固定電極 76を含む構成である。

また製造方法としては前述した第 2の連結方法に相当するもので、第 1、 2の MEM S共振器 70、 72の振動子を形成したのち、連結体 74で連結するという方法をとる。

[0078] また振動モードとして、実施の形態 1の MEMS共振器振動モードを使用することを前提とする。この振動モードでは四角型の中心を節としている。このため最適な構造として図 23に示すように、支柱 84を MEMS共振器 70, 72の下面中心から支える他、式（1)から示される MEMS共振器と連結体の接続部位にあたる MEMS共振器ばね定数 kを増加させるため、連結体 74を用いて MEMS共振器 70, 72を、その節付 rc

近で連結する。

[0079] 図 24、 25、 26、 27では第 2の連結方法を使用する力構成を簡潔にするため、図 24、 25、 26で表す図は、図 23の実施の形態 3で表される第 1の MEMS共振器 70と第 1の連結体 74のみについて説明する。

なお第 2の連結方法では、連結体と MEMS共振器の製造を分離して構成し、最後の工程で連結体を MEMS共振器に接続する方法を用、、ナノサイズの第 1の連結体 74を移動する方法が必要となる。そこで図 22では、原子間力顕微鏡 (Atomic For ce Microscope ;AFM)などにより、連結体 74と AFMプローブ 78との間にファンデルワールスカを働かせ、吸着した連結体 74を四角型の中心点まで移動する。図 25は、さらに連結体 74を MEMS共振器 70に近づけ所望の中心付近に接触させる。その場合、走査形プローブ顕微鏡 (Scanning Tunneling Microscope; STM)80などにより、接続部位に導電体粒子 82を設ける。 STMプローブ 80に直流電圧をパルス電圧で印加することで、その電界で働く静電力により、導電体粒子 82をプローブ 80の端部に蒸着し、これを接続部位に移動する。

[0080] また、 STMのプローブ 80に蒸着した導電体粒子 82を第 1の MEMS共振器 70と第 1の連結体 74の接続部位に配置するには、同様に直流パルス電圧 86を印加することによって可能となる。図 27は図 25の続きで、第 1の連結体 74を第 2の MEMS共振器 72に接続する工程を示す。ここでは、図 22で AFMプローブ 78と CNTの端部 7 4が接触している状態を保ち、第 2の MEMS共振器 72の四角型中心部に移動させ、図 25で導電体粒子 82を移動させた方法と同様の手段を使用し、導電体粒子 88を第 2の MEMS共振器 72と第 1の連結体 74の接続部位に配置する。この工程によつて、第 1と第 2の MEMS共振器 70、 72は、第 1の連結体 74によって接続される。図 2 6は図 25の変形図を示し、 AFMプローブ 78の移動中、第 1の連結体 74をコイル状に成形したものである。この構成により、式（1)の k を減少することが可能となる。

[0081] なお、本実施の形態 1乃至 3において、 MEMS共振器を連結する連結体を CNT で構成した、例えばボトムアップ技術で製造可能な他のナノワイヤであっても良、。又、 CNTの種類は、例えば単層 CNT(SWCNT)、多層 CNT(MWCNT)のどちらを使用しても良い。

[0082] 本発明は前記実施の形態に限定されることなぐ適宜変更可能である。

産業上の利用可能性

[0083] 本発明に力かる MEMSフィルタは、簡易でし力も低コスト製造可能なナノサイズの CNTなどを、 MEMS共振器の機械的連結体に使用することによって、質量負荷の影響のない MEMSフィルタ特性を提供するとともに、設計に柔軟性を有する、小型、高性能の、モパイル端末を実現するものである。

Claims

請求の範囲

[1] 機械的振動可能に形成された振動体と、前記振動体に対して所定の間隔を隔てて配設された電極とを有し、電気機械変換を可能にする電気機械共振器を、連結体を介して複数個連結してなり、

前記連結体がナノサイズの線状体である MEMSフィルタ装置。

[2] 請求項 1に記載の MEMSフィルタ装置であって、

前記連結体はカーボンナノチューブ（CNT)である MEMSフィルタ装置。

[3] 請求項 1に記載の MEMSフィルタ装置であって、

前記連結体はナノワイヤである MEMSフィルタ装置。

[4] 請求項 1に記載の MEMSフィルタ装置であって、

前記振動体は、四角形をなし、少なくとも 1つの節を有する MEMS共振器を構成すると共に、基板に支持せしめられるように少なくとも 1つの支持機構を具備した ME MSフィルタ装置。

[5] 請求項 1に記載の MEMSフィルタ装置であって、

前記連結体は複数本で構成される MEMSフィルタ装置。

[6] 請求項 1に記載の MEMSフィルタ装置であって、

前記連結体は前記振動体の複数箇所を接続するように構成された MEMSフィルタ装置。

[7] 請求項 1に記載のフィルタ装置であって、

前記連結体はコイル状体である MEMSフィルタ装置。

[8] 請求項 4に記載の MEMSフィルタ装置であって、

前記支持機構はカーボンナノチューブで構成される MEMSフィルタ装置。

[9] 請求項 1に記載の MEMSフィルタ装置であって、

前記連結体は前記振動体の節で連結される MEMSフィルタ装置。

[10] 機械的振動可能に形成された少なくとも 2つの振動体と、前記各振動体に対して所定の間隔を隔てて配設された電極とを有し、電気機械変換を可能にする電気機械共振器を、基板上に近接して配置形成する工程と、

前記振動体を、ボトムアップ技術により、ナノサイズの線状体からなる連結体で接続する連結構造を形成する工程とを含む MEMSフィルタ装置の製造方法。

[11] 請求項 10に記載の MEMSフィルタ装置の製造方法であって、

前記連結構造を形成する工程は、前記振動体の所定の位置に触媒を形成し、前記触媒力前記連結体を成長する工程を含む MEMSフィルタ装置の製造方法。

[12] 請求項 10に記載の MEMSフィルタ装置の製造方法であって、

前記連結構造を形成する工程は、前記振動体の所定の位置で前記連結体を移動し配置する工程を含む MEMSフィルタ装置の製造方法。

[13] 請求項 10に記載の MEMSフィルタ装置の製造方法であって、

前記連結構造を形成する工程は、

カーボンナノチューブを形成する工程を含む MEMSフィルタ装置の製造方法。

[14] 請求項 10に記載の MEMSフィルタ装置の製造方法であって、

カーボンナノワイヤを形成する工程を含む MEMSフィルタ装置の製造方法。

[15] 請求項 13乃至 14のいずれかに記載の MEMSフィルタ装置の製造方法であって、前記連結構造を形成する工程が、第 1の MEMS共振器に負の DC電圧を印加するとともに、前記第 1の MEMS共振器に隣接して設けられた第 2の MEMS共振器には、正の DC電圧を印加せしめることによってカーボンナノチューブまたはカーボンナノワイヤを成長させる工程を含む MEMSフィルタ装置の製造方法。

[16] 請求項 10に記載の MEMSフィルタ装置の製造方法であって、

前記連結構造を形成する工程は、前記振動体の節に相当する位置に前記連結体を配置する工程を含む MEMSフィルタ装置の製造方法。

[17] 請求項 10に記載の MEMSフィルタ装置の製造方法であって、

前記連結構造を形成する工程は、原子力顕微鏡 (AFM)のプローブを用いて前記連結体を前記振動体の所望の領域に配置する工程と、

前記連結体の結合に先立ち、走査型トンネル顕微鏡 (STM)のプローブで生成されるパルスを用いて導電性粒子を前記振動体の所望の領域に移動させ配置するェ程とを含むフィルタ装置の製造方法。

[18] 請求項 10に記載のフィルタ装置の製造方法であって、

前記連結構造を形成する工程は、前記振動体の形状加工を行なう MEMS工程において犠牲層を除去し、前記振動体の形状加工を行なうに先立ち、実行される ME MSフィルタ装置の製造方法。