WO2011001680A1 - 共振器およびその製造方法 - Google Patents

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神山智英
岩崎智弘
山川岳彦
中村邦彦
大西慶治
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パナソニック株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a resonator using MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology and a manufacturing method thereof, and more particularly to a resonator structure that improves the accuracy of electrode shape.
  • MEMS Micro Electro Mechanical Systems
  • FIG. 5 is a perspective view (a), a top view (b), and a cross-sectional view (c) of a main part of a conventional MEMS resonator.
  • the resonator includes a support substrate 701, a first insulating layer 702 that is a sacrificial layer, a beam 703, a support portion 704 that supports the beam 703, a second insulating layer 705 for forming a gap that is a sacrificial layer, and an electrode. 706.
  • the first insulating layer 702 serves as a spacer.
  • a first insulating layer 702 made of a thermal oxide film is formed on a support substrate 701 made of single crystal silicon, and an SOI (Silicon On Insulator) substrate formed by bonding the single crystal silicon layers is used. Then, an oxide film made of TEOS (TetraEthyl Ortho Silicate) is used for the second insulating layer 705, and polycrystalline silicon is used for the electrode 706.
  • SOI Silicon On Insulator
  • a triangular prism shape is formed using an anisotropic etching process.
  • an oxide film to be the second insulating layer 705 and polycrystalline silicon to be the electrode 706 are formed.
  • the second insulating layer 705 is removed between the beam 703 and the electrode 706 to form a gap.
  • the electrode 706 is processed by etching. At this time, in the structure in which the triangular prism shape protrudes, since the unevenness is large, it is difficult to perform photolithography, and a process for forming the resist to a desired height is necessary.
  • FIG. 6 shows a process flow diagram of the MEMS resonator, where the left side is a sectional view and the right side is a top view.
  • A SOI in which a first insulating layer 802 made of a thermal oxide film is formed on a supporting substrate 801 made of single crystal silicon, and a single crystal silicon layer 803 s is bonded to the first insulating layer 802. The substrate is shown.
  • B shows a state in which a beam 803 made of single crystal silicon and a support portion 804 are formed by patterning the single crystal silicon layer 803 s by anisotropic etching.
  • (C) shows a state in which a second insulating layer 805 made of TEOS or the like serving as a gap is formed.
  • (D) shows a state in which a polycrystalline silicon layer 806s serving as an electrode is formed.
  • (E) shows a state in which the resist 807 is formed to a desired height.
  • the protruding beam 803 has a thickness of 3 ⁇ m
  • the second insulating layer 805 has a thickness of 0.3 ⁇ m
  • the electrode polycrystalline silicon layer 806s has a thickness of 1 0.0 ⁇ m.
  • a resist 807 having a thickness of 2.4 to 2.5 ⁇ m is formed so that only the apex of the triangle is exposed, and the rest is covered with the resist 807. realizable.
  • a conventional technique for example, one described in Patent Document 1 is known.
  • the resist 807 may be formed to a thickness that allows the protruding portion of the beam 803 to be flattened, and only the apex of the triangle may be exposed by etching back the resist 807 to form the opening 808 of the resist 807. .
  • the resist 807 needs to have a thickness of 5 to 6 ⁇ m.
  • the polycrystalline silicon layer 806s is etched on the entire surface of the wafer to divide the input / output electrodes to form the input / output electrodes 806.
  • the electrode 806 is patterned by photolithography.
  • the first insulating layer 802 and the second insulating layer 805 are formed.
  • a hollow structure is formed by etching with hydrofluoric acid in a gas phase, and a MEMS resonator having the beam 803 as a vibrator is completed.
  • the beam 803 since the beam 803 has a narrow pattern, heat tends to be generated near the center, and as a result, the etching rate is increased. However, in the beam 803 near the support portion 804, the etching rate is caused by heat radiation to the support portion 804. And the etching rate of the beam 803 and the support portion 804 becomes non-uniform. Therefore, a desired shape cannot be obtained in the opening 808 of the resist 807, and when the electrode 806 is patterned, a shape abnormality is caused. Specifically, the portion closer to the support portion 804 has a narrower resist opening 808 (see step (g)), and depending on process variations, input / output contacts and shorts at the end portion of the electrode. there is a possibility.
  • FIG. 7 is a diagram (SEM photograph) showing a defective shape of an electrode manufactured using a conventional resist etch-back process.
  • the degree of parallelism of the electrodes decreases as they approach the support portion 904, and has a shape with a curve toward the corners of the electrodes 906 so that the electrodes 906 are close to each other.
  • Reference numeral 903 denotes a beam.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a resonator structure capable of forming a highly accurate pattern.
  • the present invention includes a substrate, an insulating layer selectively disposed on the substrate, a beam disposed on the substrate through a space, a beam disposed on the insulating layer, and continuous with the beam.
  • a resonance comprising a first support part for supporting the beam, and two electrodes arranged on the beam via a space, each end of which is close to the beam along the longitudinal direction of the beam.
  • the cross section of the beam and the cross section of the first support portion are substantially equal.
  • an SOI substrate having a substrate, a first insulating layer disposed on the substrate, and a single crystal silicon layer disposed on the first insulating layer; Forming a first resist pattern on the crystalline silicon layer; and performing anisotropic etching on the single crystal silicon layer using the first resist pattern as a mask to form a beam and a first connected to the beam Forming a support portion of the first support portion so that a cross-sectional area of the beam and a cross-sectional area of the first support portion are substantially equal in a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the beam; , A step of forming a second insulating layer on the beam and the first support portion, a step of forming a conductive layer on the second insulating layer, and a second step on the conductive layer.
  • a method for manufacturing a resonator including a process.
  • the accuracy of the electrode shape can be improved, a short circuit between the input and output electrodes can be avoided, and the reliability of the resonator can be improved.
  • FIG. 1A Top view of the resonator according to the first embodiment of the present invention
  • (b) Cross-sectional view of the resonator according to the first embodiment of the present invention (AA ′ cross-sectional view of (a))
  • (c) Sectional view of the resonator according to the first embodiment of the invention (cross-sectional view along BB ′ in FIG. 1A)
  • (A) to (h) are process flow diagrams of the resonator according to the first embodiment of the present invention.
  • Top view of the resonator according to the second embodiment of the present invention Top view of the resonator according to the third embodiment of the present invention
  • A Perspective view of a conventional resonator
  • b Top view of a conventional resonator
  • c Cross section of a conventional resonator
  • A) to (h) are process flow diagrams of a conventional resonator. The figure which shows the electrode shape formed by the conventional process
  • the present inventor has discovered that, during resist etchback, reaction heat is generated when the resist is etched, and due to this heat flow, a temperature distribution is generated above the beam. .
  • the mechanism is as follows. In the state immediately after the application of the resist, the patterned beam and the first support portion, and the conductive layer serving as the electrode are formed over the entire surface, and the resist is formed over the entire surface. Actually, the thickness of the single crystal silicon constituting the beam and the first support portion is about 3 ⁇ m, whereas the thickness of the polycrystalline silicon constituting the conductive layer is about 1 ⁇ m.
  • a resist is applied so as to flatten the irregularities on the surface of the conductive layer.
  • the specific heat of the silicon constituting the beam and the first support portion and the polycrystalline silicon constituting the conductive layer is larger than that of the resist. Therefore, reaction heat is generated when the resist is etched entirely, but the temperature rise in the region above the beam and the first support portion is smaller than the other regions, and the temperature distribution on the resist surface is small. Arise. Also, considering the heat flow in the horizontal direction, heat flows from the surrounding region into the region above the beam and the first support part so as to relax this temperature distribution. Here, the upper side of the beam is compared with the upper side of the first support portion.
  • the region above the beam is small compared to the heat flowing from the surrounding region, so the temperature is likely to rise.
  • the region above the first support portion is larger than the heat flowing from the surrounding region above the first support portion, the temperature is less likely to rise than above the beam. Therefore, a temperature distribution is generated on the resist surface so that the temperature decreases from the beam to the first support portion. That is, the temperature is high above the central portion of the beam, and the temperature is low near the first support portion of the beam.
  • the etching rate is lower in the upper part of the beam than in the upper part of the central part of the beam, so that the opening width of the resist becomes narrower at the end of the beam.
  • the present invention is configured such that the cross-sectional area of the beam is equal to the cross-sectional area of the first support portion in the cross-section in the longitudinal direction of the beam so that the etching rate above the end of the beam does not decrease. is doing. As a result, the etching rate can be kept uniform above the center and end of the beam.
  • the present invention includes a substrate, an insulating layer selectively disposed on the substrate, a beam disposed on the substrate through a space, and the insulating layer.
  • a first support portion that is connected to the beam and supports the beam; and is disposed on the beam via a space, and one end of each of which is adjacent to the upper side of the beam along the longitudinal direction of the beam
  • the cross-sectional shape of the said beam and the cross-sectional shape of the said 1st support part are substantially equal in the cross section perpendicular
  • a second support portion is further provided on the first support portion.
  • the said 2nd support part is arrange
  • the said 2nd support part is comprised with the material different from the said 1st support part. According to this configuration, it is possible to provide a highly reliable resonator with a high degree of freedom in material selection.
  • the said 2nd support part is comprised with the same material as the said electrode. According to this structure, an electrode and a 2nd support part can be formed in the same process, and the increase in a man-hour can be suppressed.
  • the said 2nd support part is formed in the same process as the said electrode. According to this structure, it can form, without increasing a man-hour.
  • the second support portion is electrically connected to the beam. According to this configuration, a good contact can be formed even when a desired potential is applied to the beam.
  • an SOI substrate having a substrate, a first insulating layer disposed on the substrate, and a single crystal silicon layer disposed on the first insulating layer; Forming a first resist pattern on the crystalline silicon layer; and performing anisotropic etching on the single crystal silicon layer using the first resist pattern as a mask to form a beam and a first connected to the beam.
  • the cross section area of the first support section in the cross section perpendicular to the longitudinal direction of the first support section is substantially equal to the cross section area of the beam in the cross section perpendicular to the longitudinal direction of the beam.
  • Forming a strike pattern and etching the conductive layer using the second resist pattern as a mask, and two electrodes made of the conductive layer, each having one end along the longitudinal direction of the beam Forming two adjacent electrodes above the beam; partially removing the first insulating layer and the second insulating layer by etching; and between the two electrodes and the beam; and
  • a method for manufacturing a resonator including a step of forming a space between the beam and the substrate.
  • FIG. 1 shows the structure of a resonator according to Embodiment 1 of the present invention.
  • 1A is a top view of the resonator
  • FIG. 1B is a cross-sectional view along AA ′
  • FIG. 1C is a cross-sectional view along BB ′.
  • FIG. 1 shows a doubly-supported beam in which both ends of a beam 103 are supported, and an input / output electrode 106 is arranged through a gap formed by etching the second insulating layer 105 for forming a gap. Yes.
  • the support portion 104 including the first support portion 104A and the second support portion 104B formed of the same material as the beam 103 is formed on the substrate 101 with the first insulating layer 102 and the second insulating layer 105 interposed therebetween. It is joined to.
  • the resonator includes a substrate 101 made of single crystal silicon, a first insulating layer 102 formed on the substrate 101 and constituting a spacer, and the first A beam 103 formed on the substrate 101 through a space obtained by selectively removing one insulating layer, and a first support connected to the beam 103 on the first insulating layer 102 104A, and a resonator provided with an electrode 106 for inputting and outputting a signal formed through a gap having a predetermined width with the beam, the heat capacity in the beam 103 and the heat capacity in the first support portion 104A Are substantially equal.
  • the electrode 106 is made of polycrystalline silicon.
  • the first and second insulating layers 102 and 105 serve as sacrificial layers that are later removed to form gaps.
  • the beam 103 and the first support portion 104A constitute a beam-like body having a triangular cross section, and the second support portion made of polycrystalline silicon so as to cover two surfaces on the upper layer of the first support portion 104A.
  • 104B is laminated.
  • the second insulating layer 105 for forming the gap is removed on the first supporting portion 104A, and the first supporting portion 104A and the second supporting portion 104B are in direct contact with each other. .
  • FIG. 2A shows an SOI substrate, in which the thickness of the substrate 101 made of base silicon is 725 ⁇ m, the thickness of the first insulating layer 102 made of a thermal oxide film is 2 ⁇ m, and the thickness of the single crystal silicon 103 s that becomes the beam 103. The thing of 3 micrometers is used. As shown in FIG.
  • the beam 103 is patterned on the SOI substrate by anisotropic etching of silicon using TMAH as a developer, and the length of the beam 103 (that is, FIG. 2). In the depth direction) is 100 ⁇ m.
  • TMAH TMAH
  • the length of the beam 103 is 100 ⁇ m.
  • a portion serving as a support portion is not formed, and both ends of the beam 103 having a triangular cross section are extended in the same cross-sectional shape to form the first support portion 104A.
  • a second insulating layer 105 used as a gap forming sacrificial layer, and a polycrystalline silicon layer (conductive layer) for forming the electrode 106 as shown in FIG.
  • (E) is a state in which a thick resist 107 is formed and thinned to half the height of the triangular beam by resist etch back, and an opening 108 is formed. .
  • the resist used at this time is a resist for forming a film having a large thickness called ip5200 manufactured by Tokyo Ohka Kogyo.
  • the polycrystalline silicon layer (conductive layer) 106s is patterned on the entire surface of the wafer by dry etching to be divided into input / output electrodes 106.
  • the beam pattern is discontinuous in the length direction, and the resist etching rate is different between the beam and the support part.
  • the width and the cross-sectional shape are the same as in the structure of the present invention.
  • the above problems can be solved by making the heat capacities of the beam 103 and the first support portion 104A equal.
  • the conductive layer 106 is dry-etched by photolithography to form the input / output electrode 106 and the second support portion 104B.
  • the first insulating layer 102 and the second insulating layer 105 are removed by etching to form a hollow structure.
  • the second support portion 104B includes the first support portion 104A.
  • a second insulating layer 105 serving as a gap is formed. After that, the second insulating layer 105 on the first support portion 104A is removed.
  • the support part is comprised from 2 layers in FIG. 2, in order to make a stronger support part, it is good also as 3 or more layers.
  • a thermal oxide film to be the first insulating layer 102 may be formed on a normal silicon substrate, and the beam 103 may be formed of polycrystalline silicon or the like thereon. In that case, if the patterning is performed in advance so that the first insulating layer 102 is left only under the beam 103, the second support portion 104B does not need to be multilayered.
  • the electrode 106 and the second support portion 104B may be formed in different steps using different materials.
  • the heat capacity of the beam 103 and the first support portion 104A differs due to an error due to process variations, even if variations occur, such as patterning accuracy and film thickness accuracy, the error may be as small as the process variation.
  • the heat capacities of the beam 103 and the first support portion 104A can be regarded as the same, and thus the effect of the present invention is achieved (allowable range).
  • the volume of the first support portion 104A is reduced to make the structure lower than the heat capacity of the beam 103, the temperature rise increases, so the etching rate of the support portion 104A increases.
  • the upper layer of the first support part 104A and the second support part 104B for mechanically reinforcing the first support part are formed.
  • the electrical connection can be made more efficiently.
  • the contact area can be increased and the contact resistance can be reduced. Further, the vibration of the beam can be stably supported.
  • the input / output electrodes are made of polycrystalline silicon, it goes without saying that they may be made of metal such as aluminum. Further, the second support portion 104B may be made of polycrystalline silicon, and the first support portion 104A may be made of different materials such as single crystal silicon.
  • the second support portion may be made of the same material as the electrode, and in this case, the film can be formed in the same process.
  • the insulating layer, the electrode, the resist material, and the like used in the above embodiment are examples, and can be appropriately selected without being limited thereto.
  • FIG. 3 is a top view of another resonator according to the second embodiment of the present invention, in which the step (g) in FIG. 2, that is, the electrode 506 is formed.
  • the first support portion 504A integrally formed with the beam 503 has a structure in which the tip of the first support portion 504A protrudes to the outside of the second support portion 504B.
  • reference numeral 501 denotes a substrate
  • 504 denotes a support portion.
  • Other parts are the same as those of the resonator according to the first embodiment.
  • the first support portion 504A does not necessarily need to be covered with the second support portion 504B, and the first support portion 504A is located outside the second support portion 504B as shown in FIG.
  • the shape, size, material, and the like can be freely set as long as sufficient strength can be maintained as a support portion of the beam 503.
  • FIG. 4 is a top view of a resonator according to another embodiment 3 of the present invention, in which the step (g) in FIG. 2, that is, the electrode 606 is formed.
  • the first support portion 604A formed integrally with the beam 603 is included in the second support portion 604B.
  • reference numeral 601 denotes a substrate
  • 604 denotes a support portion.
  • Other parts are the same as those in the first and second embodiments.
  • the present embodiment as in the second embodiment, as long as the length of the beam 603 is defined by the distance between the first support portion 604A and the second support portion 604B as shown in FIG.
  • the positional relationship of the first support portion 604A and the second support portion 604B in the horizontal direction is not questioned, and the end portion (vertical direction) of the first support portion 604A is completely covered by the second support portion 604B. It may be. Furthermore, one first support portion 604A may protrude from the second support portion 604B, and the other first support portion 604A may be disposed inside the second support portion 604B. Also in the present embodiment, as in the second embodiment, the positional relationship between the first support portion 604A and the second support portion 604B is not questioned as shown in FIG. 4, and the beam 603 is not affected by the second support portion 604B. If sufficient strength can be maintained as the support portion, the shape, dimensions, material, and the like can be freely set.
  • the MEMS resonator according to the present invention can improve the accuracy of the electrode shape, can avoid a short circuit between the input and output electrodes, and can improve the reliability of the resonator. Therefore, it can be developed for a wide range of industrial applications such as a resonator using a MEMS resonator, an oscillator, a filter, a sensor, an optical scanner, and a mass detection element.

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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

共振器およびその製造方法
　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。
　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。
日本国特開２００７－３１２３７３号公報 日本国特開平６－３１００２９号公報
　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。
　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。
（ａ）本発明の実施の形態１に係る共振器の上面図（ｂ）本発明の実施の形態１に係る共振器の断面図(（ａ）のＡ－Ａ’断面図)（ｃ）本発明の実施の形態１に係る共振器の断面図(（ａ）のＢ－Ｂ’断面図) （ａ）～（ｈ）は本発明の実施の形態１に係る共振器のプロセスフロー図 本発明の実施の形態２に係る共振器の上面図 本発明の実施の形態３に係る共振器の上面図 （ａ）従来の共振器の斜視図　（ｂ）従来の共振器の上面図　（ｃ）従来の共振器の断面図 （ａ）～（ｈ）は従来の共振器のプロセスフロー図 従来のプロセスによって形成された電極形状を示す図
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　（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。
　（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。
　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

Claims (9)

  1. 　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。
  2. 　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。
  3. 　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。
  4. 　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。
  5. 　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。
  6. 　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。
  7. 　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。
  8. 　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。
  9. 　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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