WO2007145290A1

WO2007145290A1 - 振動子、これを用いた共振器およびこれを用いた電気機械フィルタ

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Publication number: WO2007145290A1
Application number: PCT/JP2007/062033
Authority: WO
Inventors: Kunihiko Nakamura; Michiaki Matsuo; Yoshito Nakanishi; Akinori Hashimura
Original assignee: Panasonic Corporation
Priority date: 2006-06-14
Filing date: 2007-06-14
Publication date: 2007-12-21
Also published as: US8026779B2; CN101467348A; JP5225840B2; US20090195330A1; JPWO2007145290A1

Abstract

振動子の振動における振動エネルギの散逸が小さい、高Ｑ値の振動子および共振器を提供することを目的とし、梁構造の振動子の支持部の厚みを振動子の厚みよりも厚くかつ、支持部を梁の長さ方向に対して軸対称とする。この構成により、支持部の脆弱性を改善し、支持部からの振動エネルギの損失を低減するとともに、振動子表面の表面粗さに起因する振動エネルギの損失を低減することができるので、高Ｑ値を有する共振器を提供することが可能となる。

Description

振動子、これを用いた共振器およびこれを用いた電気機械フィルタ技術分野

[0001] 本発明は、振動子、これを用いた共振器およびこれを用いた電気機械フィルタに係り、特に高密度に集積化された電気回路内において、高性能のフィルタ回路を実現するものに関する。

背景技術

[0002] 微細加工技術を用いた機械共振器力近年注目されてヽる。

従来の機械共振器の一例について図 33を参照して説明する。図 33は非特許文献 1で提案されてヽるたわみ振動を用いた機械振動フィルタの構成を簡略ィ匕して示した図である。

[0003] このフィルタは、シリコン基板上に薄膜プロセスを用いてパターン形成を行うことで形成され、入力線路 104と、出力線路 105と、それぞれの線路に対して 1ミクロン以下の空隙をもって配置された両持ち梁 101、 102と、その 2つの梁を結合する結合梁 10 3とで構成されている。入力線路 104から入力した信号は、梁 101と容量的に結合し、梁 101に静電力を発生させる。信号の周波数が、梁 101、 102および結合梁 103 力もなる弾性構造体の共振周波数近傍と一致したときのみ機械振動が励振され、この機械振動をさらに出力線路 105と梁 102との間の静電容量の変化として検出することで、入力信号のフィルタリング出力を取り出すようにしたものである。

[0004] 矩形断面の両持ち梁の場合、弾性率 E、密度 p、厚み h、長さ Lとすると、たわみ振動の共振周波数 fは、次式となる。

材料をポリシリコンとすると E= 160GPa、 p = 2. 2 X 10³kgZm³、また寸法を L=4 O ^ m, h= l. とすると f=8. 2MHzとなり、約 8MHz帯のフィルタを構成することが可能である。コンデンサやコイルなどの受動回路で構成したフィルタに比べて機械共振を用いることで Q値の高、急峻な周波数選択特性を得ることができる。

[0006] し力しながら、上記構成では、さらに高い周波数帯域をもつフィルタを構成するには、以下のような制約がある。すなわち、（数 1)力も明らかなように、第 1に材料を変更して EZ を大きくすることが望ましいことがわかるが、 Eを大きくすると梁をたわませる力が同じであっても梁の変位量は小さくなつてしまい、梁の変位を検知することが難しくなる。

[0007] また、梁の曲がりやすさをあらわす指標を、両持ち梁の梁表面に静荷重を加えたときの梁中心部のたわみ量 dと梁の長さ Lの比 dZLとすると、 dZLは、次式の比例関係で表される。

[0008] [数 2] d ύ 1

L h³ Ε

[0009] これらから、 dZLの値を保ちながら共振周波数を上げるには、少なくとも Eは変更できず、密度 Pの低い材料を求める必要がある力ポリシリコンと同等のヤング率で密度が低い材料としては CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastics)等の複合材料を用いる必要がある。この場合、半導体プロセスで微小機械振動フィルタを構成することは難しくなる。

[0010] そこでこのような複合材料を用いない第 2の方法として、（数 1)において梁の寸法を変更して h'L—²を大きくする方法がある。しかし、梁の厚み hを大きくすることと梁の長さ Lを小さくすることは、たわみやすさの指標である（数 2)の dZLを小さくしてしまい、梁のたわみを検出することが困難となる。

[0011] (数 1)および (数 2)について log (L)と log (h)の関係を図 34に示すと、直線 aは（数 1)から求まる関係であり、直線 bは (数 2)力も求まる関係である。この図 34において、現寸法 A点を起点に傾き「2」の直線より上の範囲 (領域 A)の Lと hを選ぶと fは大きくなり、傾き「1」の直線より下の範囲 (領域 B)の Lと hを選ぶと dZLは大きくなる。従って、図中のハッチング部分 (領域 c)が梁のたわみ量も確保しつつ、共振周波数を上げることができる Lと hの範囲である。

[0012] 図 34より明らかなことは、機械振動フィルタの高周波化には、梁の長さ Lおよび梁の厚み h双方の寸法の微小化が必要条件であり、 Lおよび hを同じスケーリングで小型化すること、すなわち傾き 1の直線に乗りながら Lと hを小さくすることは、図 34のハツチング部分の十分条件である。

[0013] このように、従来の機械共振器では機械振動子の寸法を小型化することで、共振周波数を高くすることができる。しかし、概して寸法を小型化することで、機械的 Q値が低下し、望ましヽ周波数選択特性を得るために必要な Q値が得られなヽ場合が生じるという課題を有していた。

[0014] そこで、 Q値のすぐれた共振器として、単結晶材料を利用した共振器が考えられる。単結晶材料の振動子は内部の原子が規則正しく配列されているので、多結晶材料に比較して高い Q値を得ることができる。例えば図 35は非特許文献 2に示される、 S OI (Silicon on Insulator)基板を構成するシリコン基板 204の SOI層を力卩ェして作製した両持ち梁構造である。し力しこの構造において、梁は SOI層の下部の BOX (Buried Oxide)層 203をフッ酸で除去して振動可能としたものであり、支持部 205 下部の BOX層も除去され、支持部は脆弱となる。これにより支持部 205の振動は無視できないものとなり、両持ち梁の共振周波数の低下を伴い、かつ、支持部からの振動エネルギの散逸が生じるために大きな Q値を得ることが難しくなる。

[0015] そこで支持部 205の厚みを梁を構成する振動子 201の厚みより十分に厚くすることで、支持部 205の脆弱性を改善した例が非特許文献 3に開示されている。図 36は非特許文献 3に示される両持ち梁の支持部 205近傍の構造である。支持部 205の厚みはシリコン基板 204の厚みであり、梁の厚みはシリコン基板の厚みに対して十分薄く、従って支持部 205は強固な構造となっている。しかし、支持部構造は梁の長さ方向に対して軸対称ではないため、軸に対して片側の支持部 (たとえば A側）が梁長さ方向に後退するほど支持部 205は脆弱となる。支持部 205の A側、 A'側は 2回の個別のリソグラフィおよびドライエッチングで形成されるので、片側の後退を低減するためには 2度のリソグラフィの高精度のあわせが必要となる。このあわせ工程は、振動子の寸法が μ m力も nmオーダへと微細になるほど非常に難しくなる。

[0016] また、非特許文献 3の振動子の作製方法では、振動子 201に近接させて電極 202 を形成することが困難である。図 37は図 36の振動子と基板の断面を示した図である。（a)に示したように振動子と基板の間には開口部があるので、振動子 201の側面に近接した電極 202をスパッタ等の薄膜形成技術で形成しょうとしても、開口部があるために電極を基板に繋留させることができない、もしくは (b)のように開口部付近の電極厚みが極端に薄くなり、強固な電極構造を形成することができない。

[0017] シリコン基板表面力ボロンを拡散させ、シリコン基板の裏面力異方性エッチングを行、、ボロンの拡散層を異方性エッチングのエッチングストップ層として利用する技術もある（非特許文献 4)。ボロンの拡散領域を梁形状に作れば、図 38のように梁型の振動子を形成することもできる。異方性エッチングを行う前は、基板表面に開口部はないので、基板表面に電極を形成することができる。ただし、ボロンの拡散のむらによりエッチングストップの効果が異なるので、所定の寸法を有する梁形状を得ることが難しく共振周波数についても所望の値を得ることは極めて困難であった。また振動子の表面も平坦ではないため、表面粗さに起因する振動エネルギの損失が生じて Q 値が低くなつてしまう。

[0018] また、共振器の共振周波数を VHF帯や UHF帯まで高めるためには、より小さな振動子にしなければならない。これに伴い電極と振動子の対向面積もより縮小するため、静電容量は小さくなり、また、インピーダンスは高くなる。高周波信号では、インピーダンス不整合の度合、が高くなると RF信号のエネルギ損失が大きくなる。この解決法として、共振器を複数個並列に電気接続することでインピーダンスを低減し、整合状態に近づける方法がある。図 39 (a)は、アルミニウムを材料とした振動子で構成された共振器である。振動子 201は両持ち梁構造で両端を支持部 205で支持されている。振動子 201の両側面にはギャップを介して励振用電極 202aと検出用電極 20 2bが配置されている。この構成では振動子 201は励振用電極 202a方向にひきつけられる方向にたわみ振動を行い、その共振周波数は 35. 5MHzとなっている。図 39 (b)は（a)の共振器を電気的に複数個並列接続し、インピーダンスの低減をはかった構成である。 [0019] 図 40 (a)は、電気的に並列接続した共振器の個数 Nを 1、 10、 100としたときのインピーダンスを示して、る。ただし個々の共振器は極めて寸法精度が高く作られて、るために共振周波数のばらつきはほぼ 0となっている。図に示すように、個数 Nを増やすほど、共振特性を変化させずにインピーダンスを低減させることができる。

[0020] 図 40 (b)は、個々の共振器の共振周波数にばらつき (標準偏差で 0. 3MHz)を持つた場合のインピーダンスを示している。ばらつきを有すると共振器の個数 Nを 10、 1 00と増やすほど共振周波数でのピークがなまり、優れた共振器を構成することが難しくなる。

[0021] このように、インピーダンス低減のために複数個の共振器を電気的に並列接続するには個々の共振器を精度よく加工し、共振周波数のばらつきを抑えなければならない。両持ち梁の共振周波数は、たわみ振動では梁の長さと厚み、ねじり振動では梁の長さが支配的となるため、たわみ共振を用いる場合は梁の長さと厚みの管理が、ねじり共振を用いる場合は、梁の長さ管理が重要となる。

[0022] 非特許文献 1： Frank D.Bannon III, John R.Clark, and Clark T.- C.Nguyen, "High- Q HF Microelectromechanical Filters," IEEE Journal of Solid— State Circuits, Vol. 35, No.4, pp.512- 526, April 2000.

非特許文献 2 : Vincent Agache他， "CHARACTERIZATION OF VERTICAL VIBRA TION OF ELECTROSTATICALLY ACTUATED RESONATORS USING ATOMIC FORCE MICROSCOPE IN NONCONTACT MODE",Proc. of IEEE TRANSDUCERS '05, pp.2023— 2026

非特許文献 3 : A. Tixier-Mita 他， "SINGLE CRYSTAL NANO- RESONATORS AT 100 MHz FABRICATED BY ASIMPLE BATCH PROCESS", Proc. of IEEE TRANSD UCERS'05, pp.1388— 1391

非特許文献 4 : Chang- Jin Kim他, "Silicon- Processed Overhanging Microgripper , J ournal of Microelectromechanical Systems, Vol.1, No.l, 1992, pp.31— 36

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0023] このように、従来の共振器では、梁の長さや、厚みを高精度に制御することは極めて困難であるのに対し、特に複数の振動子を接続して用いるような場合には、極めて高精度に制御された寸法を持つ振動子を用いる必要がある。しかしながら、振動子の振動エネルギの散逸を抑制し、高精度で高 Q値を持つ振動子を再現性よく得ることは極めて困難であった。

本発明は、前記実情に鑑みてなされたもので、振動子の振動における振動エネルギの散逸が小さい、高 Q値の振動子および共振器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

[0024] 上記課題を解決するため、本発明の共振器の振動子は、梁構造の振動子の支持部の厚みを振動子の厚みよりも厚くかつ、支持部を梁の長さ方向に対して軸対称とする。

この構成によれば、支持部の脆弱性を改善し、支持部からの振動エネルギの損失を低減できるので、高 Q値を有する共振器を提供することが可能となる。

また、同時に振動子を単結晶材料とし、振動子表面を結晶面とする。これにより振動子表面の表面粗さに起因する振動エネルギの損失を低減することができるので高 Q値を有する共振器を提供することが可能となる。表面粗さが粗いと、それだけ秩序正しく配列された原子 (振動子の深層部）に比べて秩序正しくなく配列されている原子 (振動子の表層部）の数が増大する。この表層部の原子は、深層部の原子とは運動の拘束のされかたが違うので、秩序正しく配列して調和して振動する深層部の原子の動きを阻害し、結果的に振動エネルギの損失要因となる。

[0025] すなわち、本発明の振動子は、単結晶基板の裏面に形成されたキヤビティと、前記キヤビティの底面と前記単結晶基板表面間の厚み内に、支持部によって少なくとも一端を支持せしめられるように形成された振動子とで構成され、前記振動子の厚みは、前記支持部よりも薄くかつ、支持部を梁の長さ方向に対して軸対称となるように構成される。

[0026] また、本発明の共振器は、単結晶基板と、前記単結晶基板の裏面に形成されたキャビティと、前記キヤビティの底面と前記単結晶基板表面間の厚み内に、支持部によつて少なくとも一端を支持せしめられるように形成された梁型の振動子と、前記梁型の振動子に静電力の励振力を与える電極とを備え、前記振動子の厚みは、前記支持部よりも薄くかつ、支持部を梁の長さ方向に対して軸対称となるように形成したことを特徴とする。

[0027] 上記構成によれば、梁型の振動子の厚みよりも厚膜の支持部を形成することができるとともに、支持部を梁の長さ方向に対して軸対称とすることができるので支持部を強固な構造とすることができる。また、支持性を高めつつ、振動特性を高めることも可能となる。また単結晶基板を異方性エッチングすることにより、制御性よくパターン形成をおこなうことができるとともに、同時に単結晶材料の振動子を得ることができるため、多結晶材料に見られるような結晶粒界における振動エネルギ損失をも低減することができる。また、振動子の表面はすべて結晶面となっているので、表面粗さに起因する振動エネルギの損失を低減する効果も有する。

[0028] また、本発明の共振器は、同一キヤビティの底面と前記単結晶基板表面間の厚み内に複数個の梁型の振動子を形成したものを含む。

この構成によれば、長さが等しい複数個の振動子を形成できるために、同一の共振周波数を有する複数個の共振器を隣接して並べることができる。従って、前期電極と振動子の間に形成される静電容量を電気的に並列に接続することで容量を増加させ、電気的なインピーダンスを低減させ、共振器を含む周辺の電気回路との電気的インピーダンスの整合を取りやすくすることができる。

[0029] また、本発明の共振器は、前記単結晶基板がシリコン基板であるものを含む。

この構成によれば、共振器を半導体製造装置で製造することができる。また同一シリコン基板上で共振器を他の能動素子を接続し集積ィ匕することが可能である。または

、共振器を他の能動素子内に作りこむことも可能である。

[0030] また、本発明の共振器は、前記単結晶基板は SOI基板の SOI層であるものを含む

。この構成によれば、マイクロメートルまたはナノメートルオーダの薄い SOI層から振動子を形成することができるので、極めて微小な UHF帯に共振点を有する梁型の振動子を形成することができる。

[0031] また、本発明の共振器は、前記梁型の振動子の断面形状が { 100}および { 111 }の結晶面に囲まれた三角形もしくは台形である共振器ものを含む。

この構成は、結晶異方性を有するエッチング溶液を用いて簡単に梁型の振動子を形成することができる。

[0032] また、本発明の共振器は、前記電極が、前記単結晶基板の表面に露出された梁型の振動子側面の幅方向全域に対して空隙を介して対向し、前記梁型の振動子との間に容量を形成したものを含む。

この構成によれば、電極と梁型の振動子の間に生じる静電力で梁型の振動子のたわみ振動モードを励起することができる。

[0033] また、本発明の共振器は、前記振動子の導電率が、梁長手方向のねじり中心軸に対して非対称であるものを含む。

この構成〖こよれば、同一共振周波数のねじり振動子を複数個、密に集積ィ匕することが可能となり、かつインピーダンスを低減することができる。

[0034] また、本発明の共振器は、前記電極が、前記単結晶基板の表面に露出された梁型の振動子側面の幅方向の約半分に対して空隙を介して対向し、前記梁型の振動子との間に容量を形成したものを含む。

この構成によれば、電極と梁型の振動子の間に生じる静電力で梁型の振動子のねじり振動モードを励起することができる。この空隙は、電極と振動子との間隔が所定の静電力を生起しうる値とし、その他の領域では相対向する電極がなくてもよいし、振動子との間隔が所定の値以上となり、静電力が他の領域よりも十分に小さくなるように

、空隙の大きさを調整するようにしてもよい。

[0035] また、本発明の共振器は、前記梁型の振動子の共振モード次数に従って前記電極の数を複数個備えたものを含む。

この構成によれば、振動の基本モード周波数のみではなぐ高次モードの共振周波数を利用した共振器を構成することができる。

[0036] また、本発明の共振器は、前記電極は、前記キヤビティ周縁の前記単結晶基板厚膜部上に絶縁膜を介して固定されたものを含む。

この構成によれば、電極が固定される基板部位の厚みは、梁の厚みに対して十分厚いため強固であるため、外部からの衝撃や、電極と振動子間との静電力により、電極自身が変位する量を低減することができる。

[0037] また、本発明の共振器は、前記梁型の振動子は両持ち梁であり、その両端に前記梁型の振動子とは逆導電型の不純物拡散領域からなる支持部を備え、前記梁型の振動子をチャネルとし、前記不純物拡散領域からなる支持部をソース領域およびドレイン領域とし、増幅器を構成するものを含む。

この構成によれば、振動子の共振現象を増幅器を介して電気的に出力することができるとともに、増幅器の内部に共振器を包含するので、共振器と増幅器間の信号線路を設けた場合に信号線路に重畳するノイズを低減することができる。

[0038] また、本発明の共振器は、電気的に並列に配置された複数個共振器を備えたものを含む。

この構成によれば、共振器の電気的インピーダンスをさらに低減することができる、また高度の寸法精度を得ることができることから、特性ばらつきを抑え、極めて信頼性の高、共振器を得る事が可能となる。

[0039] また、本発明の共振器は、前記共振器が、雰囲気を真空に封止したケース内に収納されたものを含む。

この構成によれば、共振器の保護製を向上させるとともに、振動子の振動が空気の粘性により阻害されることがない、高 Q値の共振器を提供することができる。

[0040] また、本発明のフィルタは、上記共振器を用いたものを含む。

発明の効果

[0041] 本発明の共振器の構成によれば、 Q値が高ぐ UHF帯で使用可能なフィルタを提供することができる。

図面の簡単な説明

[0042] [図 1]本発明の実施の形態 1におけるねじり共振器の斜視図

[図 2]本発明の実施の形態 1におけるねじり共振器の断面図

[図 3]本発明の実施の形態 1におけるねじり共振器の断面図

[図 4]本発明の実施の形態 1におけるねじり共振器の製造方法を示す説明図

[図 5]本発明の実施の形態 1におけるねじり共振器の製造方法を示す説明図

[図 6]本発明の実施の形態 1におけるねじり共振器の製造方法を示す説明図

[図 7]本発明の実施の形態 1におけるねじり共振器の製造方法を示す説明図

[図 8]本発明の実施の形態 1におけるねじり共振器の製造方法を示す説明図圆 9]本発明の実施の形態 1におけるねじり共振器の製造方法を示す説明図圆 10]本発明の実施の形態 1におけるねじり共振器の製造方法を示す説明図圆 11]本発明の実施の形態 1におけるねじり共振器の製造方法を示す説明図圆 12]本発明の実施の形態 1におけるねじり共振器の製造方法を示す説明図圆 13]本発明の実施の形態 1におけるねじり共振器の製造方法を示す説明図圆 14]本発明の実施の形態 2における台形断面梁によるねじり共振器の製造方法の説明図

圆 15]本発明の実施の形態 2における台形断面梁によるねじり共振器の製造方法の説明図

圆 16]本発明の実施の形態 2における台形断面梁によるねじり共振器の製造方法の説明図

圆 17]本発明の実施の形態 2における台形断面梁によるねじり共振器の製造方法の説明図

圆 18]本発明の実施の形態 2における台形断面梁によるねじり共振器の製造方法の説明図

圆 19]本発明の実施の形態 3における共振器を真空封止した状態の説明図圆 20]本発明の実施の形態 4におけるたわみ共振器の断面図

圆 21]本発明の実施の形態 5における 2次のたわみ振動を用いた共振器の斜視図 [図 22]本発明の実施の形態 6におけるねじり共振器を包含した MOSトランジスタの斜視図

[図 23]図 22の構成の断面図

圆 24]本発明の実施の形態 7におけるねじり共振器の斜視図

圆 25]本発明の実施の形態 7におけるねじり共振器の製造方法の説明図圆 26]本発明の実施の形態 7におけるねじり共振器の製造方法の説明図圆 27]本発明の実施の形態 7におけるねじり共振器の製造方法の説明図圆 28]本発明の実施の形態 7におけるねじり共振器の製造方法の説明図圆 29]本発明の実施の形態 7におけるねじり共振器の製造方法の説明図圆 30]本発明の実施の形態 7における共振器の変形例を示す断面図 [図 31]本発明の実施の形態 7における共振器の変形例を示す断面図

[図 32]本発明の実施の形態 7における共振器の別の変形例を示す断面図

[図 33]従来の機械共振器を用いたフィルタを示す概略図

[図 34]従来例における、機械共振器の寸法と高周波化の関係を示す特性図

[図 35]SOI基板を用いた従来の機械共振器の説明図

[図 36]シリコン基板を用いた従来の機械共振器の支持部の説明図

[図 37]シリコン基板を用いた従来の機械共振器に電極形成を行った状態を示す図

[図 38]ボロン拡散領域をエッチストップとした従来の振動子の作製方法の説明図

[図 39] (a)アルミニウムで作製した共振器単体例を示す図、 (b)複数個の共振器を電気的に並列接続した構成を示す図

[図 40] (a)共振周波数にばらつきがない場合の、並列接続個数とインピーダンスの関係を示す図、（b)共振周波数にばらつきがある場合の、並列接続個数とインピーダンスの関係を示す図

符号の説明

[0043] 1 振動子

2 電極

3 絶縁膜

4 基板

5 支持部

6 ギャップ

7 キヤビティ

101、 102 両持ち梁型の振動子

103 結合梁

104 入力線路

105 出力線路

発明を実施するための最良の形態

[0044] 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。

(実施の形態 1) 本実施の形態では、単結晶シリコン基板 4の異方性エッチングによってキヤビティ 7 を形成すると共に振動子 1を形成するに際し、前記キヤビティ 7の底面と前記単結晶基板 4表面間の厚み内に、支持部 5によって両端を支持せしめられるように振動子 1 が形成され、前記振動子 1の厚みが、前記支持部よりも薄くなるように構成される。

[0045] 図 1は、本発明の実施の形態 1における共振器の要部斜視図である。図 2は図 1の A— A'の垂直方向の断面図、図 3は図 1の B— B'の垂直方向の断面図である。本実施の形態 1の共振器は、ねじり振動を行う梁型の振動子 1と、梁型の振動子 1の側面にギャップ 6を介して近接して配置された電極 2を有する。

ここで単結晶シリコン基板 4の裏面にはキヤビティ 7が形成され、キヤビティの上方に基板 4と同じ材料で振動子 1が加工されている。単結晶シリコン基板の加工によって振動子が形成されるため、支持部と振動子とは同じ単結晶材料で構成されており、多結晶材料の振動子に見られるような結晶粒界面での振動エネルギ損失がないため、高 Q値を有する振動子とすることができる。

[0046] 振動子 1の両端は支持部 5に固定されている。支持部 5の厚みは基板 4の厚みと一致しており、振動子 1の厚みよりも厚い。従って支持部の厚みが振動子の厚みと同一の場合に比べて支持部は強固となり、振動子 1が振動しても、支持部は振動されにくぐ振動子 1の振動が支持部に漏れて振動エネルギが散逸する量を抑える効果を得る。また、振動子 1の長さ方向の B—B'を軸に支持部 205と振動子 201の接続部付近は対称形となっているため、従来例の図 36に示したように支持部 205の一方が梁の長さ方向に後退することはないため、支持部はより強固な構造となっている。

[0047] 電極 2は多結晶シリコン膜で形成されている。図 2に示したように、電極 2は、梁型の振動子 1の側面の幅方向の約半分に対してギャップ 6を介して対向し、梁型の振動子 1との間に容量を構成している。これは対向する面間に静電力を与えて振動子が振動を起こすとき、静電力がねじり回転モーメントを有効に与えるためである。

[0048] 次に本発明の実施の形態 1における共振器の製造方法について図 4乃至図 13を用いて説明する。図 4乃至図 13において (a)は基板上方から要部を見た図、（b)は、 (a)の C— C '断面図である（図 5乃至図 13では C— C 'を省略した)。基板 4は単結晶シリコン基板であり、基板の表面および裏面は { 100}面、断面に見える面は { 110} 面である。基板の表面（図では下方）には酸ィ匕シリコン膜を形成している。基板の裏面には窒化シリコン膜を形成し、この窒化シリコン膜に四角形の窓を形成する。この窓の 4辺は { 111 }面に沿うように形成する。

[0049] 基板 4の裏面より KOHを用いてシリコンの異方性エッチングを行う。 { 111 }面のェツチング速度は他の面よりも大幅に遅いため、結果として図 5 (a)および (b)に示すように { 111 }面が露出するようにエッチングが進行する。 { 100}と { 111 }は 54. 7° の位置関係となる。キヤビティ 7の底面が基板 4の表面までは到達しな、時間内でエツチングを停止する。窒化シリコン膜を除去すると図 6 (a)および (b)の状態となる。

[0050] 次に梁型の振動子の作製工程に移行する。梁構造の作製にも異方性エッチングによる加工技術を利用する。これは非特許文献 5に紹介され、量子細線の生成にも用いられている方法を一部利用したものである。図 7 (a)および (b)は基板 4の裏面に再び窒化シリコン膜 8を堆積し、窒化シリコン膜 8に四角形の窓を形成する。このとき窓の一辺を図 7 (a)および (b)に示すようにキヤビティ 7を横断し、かつ { 111 }面に沿うように形成する。

[0051] 基板 4の裏面より KOHを用いてシリコンの異方性エッチングを行う。エッチングがシリコン基板 4の表面に到達するまで進行すると、図 8 (a)および (b)に示すようになる。次にシリコン基板 4の裏面でシリコンが露出している部分に局所的な酸ィ匕シリコン膜 (LOCOS)を形成する（図 9 (a)および (b) )。たとえば酸ィ匕炉でシリコン表面を酸ィ匕させる。（図 10 (a)および (b)に LOCOSを残して窒化シリコン膜を除去した状態を示す

[0052] LOCOSをマスクとして、再び KOHを用いてシリコンの異方性エッチングを行うと、図 11 (a)および (b)に示すように、三角形断面の両持ち梁の振動子を形成することができる。梁の 3つの側面は、 2つの { 111 }と 1つの { 100}で形成される。

そして図 12に示すようにシリコン基板 4の表面に対して酸ィ匕シリコン膜 3の上に電極 2を堆積しパターユングする。電極 2には例えば CVD (化学気相成長法)で形成した多結晶シリコン膜を用いる。このパター-ングは、電極 2が梁の幅の約半分まで梁側面と対向するように形成する。これは梁型の振動子 1をねじり振動子として用いる場合に有効である。これは振動子 1と電極 2間の静電力により振動子 1にねじりのモーメントを有効に作用させるためである。

[0053] 最後に酸ィ匕シリコン膜 3を除去する。これは例えばフッ酸を用いて除去可能である。

これにより図 13に示すように振動子 1と電極 2の間にギャップ 6が形成され、振動子 1 は振動可能な状態となり、かつ振動子 1と電極 2の間に容量を形成する。図 13は図 1 〜図 3の構成と同等である。

[0054] 非特千文献 5 : G. Hashiguchi and H. Mimura, Fabrication of； silicon quantum Wires

Using Separation by Implanted Oxygen Wafer", Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 33(1994), p p. L1649-1650.

[0055] 以上の製造方法によれば、図 1〜図 3に示したように、梁型の振動子 1の支持部 5 厚みを梁の厚みに比べて厚ぐ支持部を強固にすることができる。また、振動子 1の長さ方向の B— B'を軸に支持部と振動子の接続部付近は対称形となっているため、従来例の図 36に示すように支持部の一方が梁の長さ方向に後退することはな！/、ため、支持部はより強固な構造となっている。従って振動子 1の振動が支持部へ漏れる量を低減させることが可能であり、高い Q値を有する共振器を構成することができる。

[0056] また、梁型の振動子 1は基板 4と同じ単結晶材料であるので、多結晶材料の振動子に見られるような結晶粒界面での振動エネルギ損失がな、ので、高、Q値を有する共振器を構成することができる。

[0057] また、梁型の振動子 1の側面はシリコンの結晶面で構成されているので、極めて表面性状が滑らかであり、表面粗さに起因する振動エネルギの損失が低減され、高い Q値を有する共振器を構成することができる。

[0058] また、図 4乃至図 13に示す製造方法は、半導体プロセスにおけるパターユング幅の限界を越えた細さの構造物を形成できるため、数百 MHz〜数 GHzに共振周波数を有する微細な梁型の振動子の作製に有用な製造方法である。例えば梁の長さを 1 . 6 mとすると 1. 2GHzにねじり共振周波数を有する振動子を提供することができる。

[0059] なお、異方性エッチングには KOHのかわりに TMAH (Tetramethyl Ammoniu m Hydroxide)や EDP (エチレンジァミン、ピロ力テロール、水の混合物）を用いてちょい。 [0060] (実施の形態 2)

なお、梁型の振動子 1の断面は三角形としたが、台形とすることもできる。本発明の実施の形態 2としてこの台形状の振動子を持つ共振器の製造方法について説明する。

本実施の形態では、図 4乃至図 6までは同様に作製し、以降を図 14 (a)および (b) に示すように変更することで台形断面の振動子を形成することができる。図 14 (a)および (b)は基板 4の裏面（図では上方）に窒化シリコン膜を堆積し、窒化シリコン膜に四角形の窓を 2つ形成する。このときある幅を持つ直線状の窒化シリコン膜 8がキヤビティ 7を横断し、かつ { 111 }面に沿うように形成する。 KOHを用いてシリコンの異方性エッチングを行うと、図 15 (a)および (b)に示すように、台形断面の両持ち梁の振動子を形成することができる。台形の 4つの側面は、 2つの { 111 }と 2つの { 100}で形成される。図 16 ( (a)および (b)は窒化シリコン膜を除去した状態、図 17はシリコン基板 4の表面（図では下方）の上の酸ィ匕シリコン膜 3上に多結晶シリコンの電極 2を形成してパター-ングを行った状態である。このパター-ングは、電極 2が梁の幅の約半分まで対向するように形成する。これは振動子 1と電極 2間の静電力が振動子 1にねじりのモーメントを作用させるためであり、この構成によりねじり共振器を構成できる。最後に酸ィ匕シリコン膜を除去する（図 18)。これはたとえばフッ酸を用いて除去可能である。振動子 1と電極 2の間にギャップ 6が形成され、振動子 1は振動可能な状態となる。図 14乃至図 18の工程は三角形断面を得る図 4乃至図 13の工程よりも少ない工程数で共振器を形成することができるのが特徴である。

[0061] (実施の形態 3)

また、図 19に一例を示すように、この共振器が、雰囲気を真空に封止したケース内に収納されるようにしてもよい。この場合は、シリコン基板 4を接着剤等の接着層 10を介してシリコン基台 11に接合する。さらにシリコン基台 11とガラスキャップ 9の凹部で共振器を内包し、内部を真空吸引しながら、シリコン基台 11とガラスキャップ 9を陽極接合で接合する。この構成により、保護製の高い共振器を形成できるとともに、空気の粘性による振動子 1の振動エネルギの損失が低減された共振器を提供することができる。 [0062] (実施の形態 4)

また、図 1〜3に示したねじり共振器の電極の構成を変えることで、たわみ共振器を構成することもできる。図 20にたわみ共振器の断面図を示す。電極 2はギャップを介して振動子 1の側面の幅方向全域にわたって対向し、容量を形成している。本構成により振動子 1が基板厚み方向にたわみ振動する励振カを静電力で与えることができる。

[0063] (実施の形態 5)

また、振動子に対して励起したい共振モード次数に従って電極の数を複数個備えることによって振動子に対して高次の共振モードを励起することができる。図 21は図 1のねじり共振器の電極 2の数を 2個にした構成である。電極 2a、 2bは梁の 2次のねじり振動を励起するために、 2次のねじりモードの 2つの腹とその近傍に励振力を与える部位に位置している。すなわち、電極 2a、 2bと梁側面とが対向するのは、梁の長さの約半分、かつ梁の幅の約半分の部位としている。

この場合も、極めて高度の寸法精度をもち均一な梁を形成することができるため、信頼性の高、共振器を提供することが可能となる。

[0064] (実施の形態 6)

また、図 1とほぼ同等の構成で、共振器力も出力信号を取り出し、増幅する構成を追加することも可能である。図 22は図 1の共振器において、振動子 1の両端の支持部 5上に新たに 2つの電極を設けたものである。振動子 1上の電極をゲート電極 22、支持部 5上の一方をドレイン電極 23、もう一方をソース電極 24とする。図 23は図 22 の B— B'の縦方向の断面図である。基板 4および振動子 1は N型半導体であり、ドレイン電極 24下の基板には p+拡散領域力もなるドレイン領域 26が、ソース電極 23下の基板には P+拡散領域力もなるソース領域 25が形成されて、る。すなわち共振器全体が pチャネル MOSトランジスタであり、 MOS構造の酸化膜がギャップ 6に置き換わり、振動子 1の振動を可能とさせている。振動子 1はゲート電極 22との間の静電力を受け、共振周波数近傍で大きな振幅のねじり振動を行い、振動子 1内のチャネルの形成に変調を与え、結果それに伴うドレイン電流を得る。力かる構成によれは、共振器と増幅器を個別に作製して両者を配線で接続する場合に比べて素子の小型化をは力ることができるとともに、配線に起因する損失や雑音の重畳を低減することが可能となる。

[0065] 従来から、ゲート電極を振動させるゲート振動型 MOSFETは考案されていたが、通常、ゲート電極材料には多結晶シリコンまたは金属薄膜が用いられるため、結晶粒界における振動エネルギの損失が生じ、高い Q値の共振器を構成できな力つたが、このように振動子を単結晶シリコンで構成することにより、単結晶シリコンで構成したチャネルに相当する振動子が振動するので Q値の高い共振器および増幅器とすることがでさる。

[0066] また、本実施の形態では基板 4の材料はシリコンとした力 SiGe等の半導体材料を禾 IJ用することちでさる。

また、本実施の形態の共振器を電気的に並列に配置することで、共振器の電気的インピーダンスを低減し、共振器外部の信号回路と共振器の電気的インピーダンスの整合性を高めることができる。

また、本実施の形態の振動子はシリコン基板をカ卩ェして形成した力 SOI (Silicon

On Insulator)基板の SOI層をカ卩ェして振動子を形成してもよい。 SOI基板はマイク口メートルまたはナノメートルオーダの薄い SOI層を有するものもあるため、極めて厚みの薄く長さも短い微小な UHF帯に共振点を有するような梁型の振動子を形成する場合に利用することができる。

[0067] (実施の形態 7)

次に本発明の実施の形態 7について説明する。実施の形態 1における図 1のねじり共振器では、キヤビティの底に 1個の振動子を形成していた力複数本を同時形成することができる。振動子を 2本形成した場合の斜視図を図 24に示す。各振動子に対して電極 2a、 2bをギャップを介して配置している。この場合はねじり共振器であるので、電極 2a、 2bともに梁型の振動子の幅方向の約半分まで電極が振動子と対向するように形成し、ねじり振動を効果的に励起する構成として、る。

[0068] 共振器は図 4乃至図 6の工程までは同様に作製し、以降を図 25のように変更することで形成することができる。図 25 (a)および (b)は基板 4の裏面（図では上方）に窒化シリコン膜を堆積し、窒化シリコン膜に四角形の窓を 2つ形成する。このときある幅を持つ直線状の窒化シリコン膜がキヤビティを横断し、かつ { 111 }面に沿うように形成する。 KOHを用いてシリコンの異方性エッチングを行うと、図 26 (a)および (b)のようになる。基板 4の裏面でシリコンが露出している部分に LOCOSを形成し（図 27 (a) および (b) )、窒化シリコン膜を除去し（図 28 (a)および (b) )、 LOCOSをマスクとして再び KOHを用いてシリコンの異方性エッチングを行うと、（図 29)に示すように三角形断面の 2本の梁型の振動子を並べて形成することができる。

[0069] 図 28 (a)および（b)に示した { 111 }面 aと { 111 }面 bは、結晶面であるので、これらを端面に持つ 2本の梁型の振動子は精度よく同一長さとなる。すなわち 2本の梁型の振動子の共振周波数は同一となる。たわみ振動の共振周波数は梁の長さと厚みに依存するが、特にねじり振動の共振周波数は長さ依存性に比べて厚み依存性は極めて小さいため、本構成は複数本の同一ねじり共振周波数を有する振動子を形成する場合に有効な手段となる。

[0070] 図 24に示した構成において、振動子が微細化するほど電極と振動子間の静電容量は小さくなり、電気的インピーダンスは大きくなり、電気的インピーダンスの不整合が生じやすぐ入力交流信号のエネルギが効率よく振動子の機械振動に変換されにくくなる。しかし、図 24のように複数個の同じ共振周波数を有する振動子および電極の対を複数個並列に接続することでインピーダンスを下げることができる。

[0071] なお、同一共振周波数を有するより多くの振動子を形成した場合の構成を図 30に示す。図 30は梁の断面が見えるような断面図である。ここでの特徴は第 1のキヤビティ C1を形成している点である。続いて第 1のキヤビティ C1の底面に対して、図 4乃至 6および図 25乃至図 29に示した振動子の形成方法を実施している。最終的に基板 4には第 1のキヤビティ C1および第 2のキヤビティ C2が形成され、第 2のキヤビティ C2 の底面と基板 4の表面との間に複数個の振動子を形成している。本構成によれば長さの等しい振動子を複数個形成できると同時に、電極 2の固定を強固にしている。すなわち、第 1のキヤビティの底面と基板 4の表面との間の厚み Z0は、梁の厚み Z1よりも十分に厚くすることができるので、電極 2を基板上の強固な部位に形成できる。これにより、外部からの衝撃や、電極と振動子間との静電力により、電極自身が変位する量を低減することができる。 [0072] (実施の形態 8)

次に本発明の実施の形態 8として、ねじり振動モードを用いた低インピーダンス共振器の他の構成を図 31に示す。図 31は図 24と同様、第 1のキヤビティの底面に対して複数個の振動子を形成したものである力図 24に示した実施の形態 7の低インピ一ダンス共振器と異なるのは、電極 2が振動子の幅方向の約半分までではなく幅方向全域と対向するように形成されている点である。そして、この電極 2と対向する振動子のうちの一部の電気的特性が他部と異なるようにし、実質的に静電力が電極 2の一部で他部よりも十分に大きくなるようにしたことを特徴とする。ここでは電気的特性を変えるために、振動子のうち電極 2に対向する領域の一部にのみ不純物拡散領域 Idを形成し、この不純物拡散領域 Idと電極 2とが対向する領域で大きい静電力が生起せしめられるように構成したことを特徴とする。従って、図 24のような電極 2のパタ一-ングが不要である。また、図 30において電極 2を支持するための厚み ZO部分が不要となるため、振動子をさらに高密度に集積ィ匕しゃすい。

[0073] 図 31においてねじり振動モードを励起させるために、振動子の導電率を梁長手方向のねじり中心軸に対して非対称とさせる。導電率に非対称性を持たせる製造工程例を図 32に示す。図 32 (a)は実施の形態 2で説明した台形断面の梁を作成する説明図である図 14とほぼ同様である力キヤビティの底面に形成した窒化シリコン膜マスクのパターン数を複数個としている。キヤビティの底面に異方性エッチングを行うと図 32このようになる。ここで窒化シリコン膜マスクを残したまま、露出したシリコン面にリンなどの一導電型の不純物イオンを注入し、ァニールを行うことで不純物拡散領域を形成する（図 32 (c) )。不純物拡散領域の形成に際し、拡散源としては SOG (スピンオングラス）を用いてもイオン'インプランテーションを用いてもょ、。次に不純物を拡散したシリコン面に酸ィ匕シリコン膜の保護膜を形成し、窒化シリコン膜を除去後、再び異方性エッチングを行うと、図 32 (d)のように、導電率に非対称性を有する三角形断面の梁が形成される。ここで図 32 (d)は拡大図である。電極 2を酸ィ匕シリコン膜 3 上（図では酸ィ匕シリコン膜の下方）に形成し、フッ酸で酸ィ匕シリコン膜 3を除去すると、図 32 (e)の構造、すなわち図 31に示したねじり振動モードを用、た低インピーダンス共振器を得る。振動子と電極の間に電圧を加えると、振動子の導電率の非対称性により、図 32 (e)のように、電極と振動子の導電率の高い部位すなわち不純物拡散領域との間に電圧がかかり、静電力が生起されることで、この不純物拡散領域に選択的に回転性の励振力（モーメント）が加わり、ねじり振動モードを励起することができる。

[0074] 以上により、図 31の構成では、梁の長さが同じであるため共振周波数ずれのない複数の振動子を同一キヤビティ内に密に並列配置することができ、低インピーダンス化が可能であり、かつ Q値の高いねじり振動モードを利用した高 Q共振器を実現することができる。

[0075] なお、前記実施の形態では、リンなどの一導電型の不純物を拡散することで、振動子の導電率を一部変化させるようにしたが、酸素イオンなどの注入により、振動子の一部を絶縁ィ匕することによつてもねじり振動を生起することが可能となる。この場合は、酸素イオンの注入された領域が絶縁化され、静電力を生起されにくい領域となることで、この酸素イオンの注入されていない領域に回転性の励振力（モーメント）が加わり、ねじり振動モードを励起することができる。

産業上の利用可能性

[0076] 本発明に力かる共振器は、半導体プロセスで作製可能な極めて微細な構造体が主に静電力で励振されるようにしたものであって、特に梁型の振動子に対して、支持部を強固な構造とし、かつ振動子表面を平坦な結晶面とすることで、振動エネルギの散逸が低減された高 Q値の共振器を提供するものである。本共振器は携帯型無線端末に積載される高密度に集積化された高周波フィルタ回路等として有用である。また、音声帯域や超音波帯域におけるスペクトル解析や、機械共振による質量分析等の医療用や環境分野等の用途にも適用可能である。

Claims

請求の範囲

[1] 単結晶基板の裏面に形成されたキヤビティと、前記キヤビティの底面と前記単結晶基板表面間の厚み内に、支持部によって少なくとも一端を支持せしめられるように形成された振動子とで構成され、

前記振動子の厚みは、前記支持部よりも薄ぐ前記支持部は、前記振動子の梁の長さ方向に対して軸対称である振動子。

[2] 単結晶基板と、

前記単結晶基板の裏面に形成されたキヤビティと、前記キヤビティの底面と前記単結晶基板表面間の厚み内に、支持部によって少なくとも一端を支持せしめられるように形成された梁型の振動子と、

前記梁型の振動子に静電力の励振力を与える電極とを備え、

前記振動子の厚みは、前記支持部よりも薄ぐかつ前記支持部は、前記振動子の梁の長さ方向に対して軸対称である共振器。

[3] 請求項 2に記載の共振器であって、

同一キヤビティの底面と前記単結晶基板表面間の厚み内に複数個の梁型の振動子を形成した共振器。

[4] 請求項 2または 3に記載の共振器であって、

前記単結晶基板がシリコン基板である共振器。

[5] 請求項 4に記載の共振器であって、

前記単結晶基板は SOI基板の SOI層である共振器。

[6] 請求項 4に記載の共振器であって、

前記梁型の振動子の断面形状が { 100}および { 111 }の結晶面に囲まれた三角形である共振器。

[7] 請求項 4に記載の共振器であって、

前記梁型の振動子の断面形状が { 100}および { 111 }の結晶面に囲まれた台形である共振器。

[8] 請求項 2乃至 7の、ずれかに記載の共振器であって、

前記電極が、前記単結晶基板の表面に露出された梁型の振動子側面の幅方向全域に対して空隙を介して対向し、前記梁型の振動子との間に容量を形成した共振器

[9] 請求項 8記載の共振器であって、

前記振動子の導電率が、梁長手方向のねじり中心軸に対して非対称である、ねじり共振器。

[10] 請求項 2乃至 7の、ずれかに記載の共振器であって、

前記電極が、前記単結晶基板の表面に露出された梁型の振動子側面の幅方向の約半分に対して空隙を介して対向し、前記梁型の振動子との間に容量を形成した共振器。

[11] 請求項 2乃至 10のいずれかに記載の共振器であって、

前記電極は、前記梁型の振動子の共振モード次数に対応して複数個配設された共振器。

[12] 請求項 2乃至 11のいずれかに記載の共振器であって、

前記電極は、前記キヤビティ周縁の前記単結晶基板厚膜部上に絶縁膜を介して固定された共振器。

[13] 請求項 2乃至 12のいずれかに記載の共振器であって、

前記梁型の振動子は両持ち梁であり、その両端に前記梁型の振動子とは逆導電型の不純物拡散領域力なる支持部を備え、前記梁型の振動子をチャネルとし、前記不純物拡散領域力なる支持部をソース領域およびドレイン領域とした、増幅器を具備した共振器。

[14] 請求項 2乃至 13のいずれかに記載の共振器であって、

電気的に並列に配置された複数個の共振器を備えた共振器。

[15] 請求項 2乃至 14のいずれかに記載の共振器であって、

前記振動子が、雰囲気を真空に封止したケース内に収納された共振器。

[16] 請求項 2乃至 15のいずれかに記載の共振器を用い、所望の周波数帯域の信号を通過または阻止するように構成した電気機械フィルタ。