(57)【要約】  高いＱ値及び低い動インピーダンスを有するＭＥＭＳ共振子が提供される。ＭＥＭＳ共振子は、対向する表面を有するシリコン層と、シリコン層の１つの表面の上方の圧電層と、圧電層の対向する表面に接してそれぞれ配置される一対の電極とを含む。さらに、圧電層は、ＭＥＭＳ共振子の垂直軸に対して斜めに延びる結晶軸を有する。【選択図】図３Ｂ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の表面及び前記第１の表面と対向する第２の表面を有するシリコン層と、
前記シリコン層の前記第１の表面の上方に配置され、前記シリコン層の前記第１の表面に直交する方向に対して５°に等しいか又はそれより大きい角度の方向に延びる結晶軸を有する、圧電層と、
前記圧電層の対向する表面に接してそれぞれ配置される一対の電極と、
を備え、
前記結晶軸は、前記圧電層の個々の結晶の軸の平均である、
ＭＥＭＳ共振子。
【請求項２】
前記ＭＥＭＳ共振子は、前記一対の電極が電流で励起されるとき、前記圧電層の主としてｘ、ｙ面内で振動する輪郭すべりモード共振子である、請求項１に記載のＭＥＭＳ共振子。
【請求項３】
前記輪郭すべりモード共振子はラーメモード共振子である、請求項２に記載のＭＥＭＳ共振子。
【請求項４】
前記結晶軸は、前記シリコン層の前記第１の表面に直交する前記方向に対して１０°に等しいか又はそれより大きい角度の方向に延びる、請求項１に記載のＭＥＭＳ共振子。
【請求項５】
前記結晶軸は、前記シリコン層の前記第１の表面に直交する方向に対して４０°〜７５°の間の角度の方向に延びる、請求項４に記載のＭＥＭＳ共振子。
【請求項６】
前記結晶軸は、前記シリコン層の前記第１の表面に直交する前記方向に対して５６°の角度の方向に延びる、請求項５に記載のＭＥＭＳ共振子。
【請求項７】
前記圧電層は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を含み、前記一対の電極はモリブデン（Ｍｏ）を含む、請求項１に記載のＭＥＭＳ共振子。
【請求項８】
前記圧電層の隣接する縁は、前記シリコン層の結晶軸に対して［１００］及び［０１０］方向に沿って配向される、請求項１に記載のＭＥＭＳ共振子。
【請求項９】
前記圧電層の隣接する縁は、前記シリコン層の結晶軸に対して［１１０］方向に沿って配向される、請求項１に記載のＭＥＭＳ共振子。
【請求項１０】
前記シリコン層、前記圧電層、及び前記一対の電極は、集合的に、ｘ、ｙ面内の矩形を形成する、請求項１に記載のＭＥＭＳ共振子。
【請求項１１】
前記ＭＥＭＳ共振子の前記矩形は、各々が２０μｍ〜３００μｍの間の長さを有する辺を有し、前記ＭＥＭＳ共振子の厚さは５μｍ〜３０μｍの間である、請求項１０に記載のＭＥＭＳ共振子。
【請求項１２】
前記シリコン層は、前記一対の電極のうちの１つを形成する、請求項１に記載のＭＥＭＳ共振子。
【請求項１３】
各々が、
第１の表面及び前記第１の表面と対向する第２の表面を有するシリコン層と、
前記シリコン層の前記第１の表面の上方に配置され、前記シリコン層の前記第１の表面に直交する方向に対して５°に等しいか又はそれより大きい角度の方向に延びる結晶軸を有する、圧電層と、
前記圧電層の対向する表面に接してそれぞれ配置される一対の電極と、
を有する、複数のＭＥＭＳ共振子を備え、
前記複数のＭＥＭＳ共振子の各々は、アレイとして互いに対して横方向に配置され、
前記結晶軸は、前記圧電層の個々の結晶の軸の平均である、
ＭＥＭＳ共振子アレイ。
【請求項１４】
前記ＭＥＭＳ共振子の各々は、前記一対の電極が電流で励起されるとき、前記圧電層の主としてｘ、ｙ面内で振動する輪郭すべりモード共振子である、請求項１３に記載のＭＥＭＳ共振子アレイ。
【請求項１５】
各々の輪郭すべりモード共振子はラーメモード共振子である、請求項１４に記載のＭＥＭＳ共振子アレイ。
【請求項１６】
各々のＭＥＭＳ共振子の前記結晶軸は、前記シリコン層の前記第１の表面に直交する前記方向に対して１０°に等しいか又はそれより大きい角度の方向に延びる、請求項１３に記載のＭＥＭＳ共振子アレイ。
【請求項１７】
各々のＭＥＭＳ共振子の前記結晶軸は、前記シリコン層の前記第１の表面に直交する前記方向に対して４０°〜７５°の間の角度の方向に延びる、請求項１３に記載のＭＥＭＳ共振子アレイ。
【請求項１８】
各々のＭＥＭＳ共振子の前記結晶軸は、前記シリコン層の前記第１の表面に直交する前記方向に対して５６°の角度の方向に延びる、請求項１７に記載のＭＥＭＳ共振子アレイ。
【請求項１９】
各々のＭＥＭＳ共振子の前記圧電層の隣接する縁は、前記シリコン層の結晶軸に対して［１００］及び［０１０］方向に沿って配向される、請求項１３に記載のＭＥＭＳ共振子アレイ。
【請求項２０】
各々のＭＥＭＳ共振子の前記圧電層の隣接する縁は、前記シリコン層の結晶軸に対して［１１０］方向に沿って配向される、請求項１３に記載のＭＥＭＳ共振子アレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願に対する相互参照
本出願は、引用によりその全体が本明細書に組み入れられる、２０１６年７月１２日出願の「高Ｑ値を有する圧電ＭＥＭＳ共振子」と題する米国特許非仮出願第１５／２０７，８０１号の利益を主張するものである。
【０００２】
本発明は、ＭＥＭＳ共振子に関し、より具体的には高Ｑ値を有するＭＥＭＳ共振子に関する。
【背景技術】
【０００３】
微小電気機械システム（「ＭＥＭＳ：Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｓｙｓｔｅｍ」）共振子は、高周波数で振動する小さい電気機械構造体であり、タイミング基準、信号フィルタリング、質量検出、生物学的検出、動作検出、及び他の用途に頻繁に使用される。ＭＥＭＳ共振子は、水晶タイミングデバイスに対する一般的な代替物と考えられる。一般に、水晶共振子は高Ｑ値及び圧電結合を有する。高Ｑ値は、共振子の蓄積エネルギーに対する低速度のエネルギー損失、即ち、振動がよりゆっくり減衰することを示す。しかし、水晶共振子の１つの限界は、それらをより小さいサイズに設計することが困難であることである。
【０００４】
典型的には、ＭＥＭＳ共振子は、リソグラフィをベースとする製造プロセス及びウェハレベルの加工技術を用いてシリコンから作製される。設計者及び製造者は、例えば、以下で確認される非特許文献１に記載されるように、多くの場合、純シリコン共振子は水晶と同程度の非常に高いＱ値を示すことを見出している。しかし、シリコンは圧電性ではなく、純シリコン共振子は、それらを、多くの用途において水晶共振子に取って代わるのには不適当な高い動インピーダンスを有する。
【０００５】
ＭＥＭＳ共振子の動インピーダンスを低くするために、例えば、以下で示す非特許文献２に記載されるように、幾つかの設計は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の薄膜の圧電層を有している。典型的な圧電ＭＥＭＳ共振子において、モリブデンの薄膜をシリコンの上にスパッタし、次いでＡｌＮの層及びモリブデンの付加的な層をスパッタすることができる。薄膜の堆積後、共振子形状を形成するように金属層、ＡｌＮ層及びシリコンがエッチングされる。結果として得られる設計により、モリブデンの上層及び下層が、共振子の機械的振動を励振し及び検出するための電極として機能する。
【０００６】
図１は、従来のフィルムバルク音響共振子を示す。図示されるように、フィルムバルク音響共振子１０は、振動空間２０を伴う一対の基板層１１及び１２、並びに振動空間２０に面するように配置される圧電積層構造体１４を含む。圧電積層構造体１４は、下部電極１５、圧電薄膜１６、及び上部電極１７を含み、これらは振動空間２０に近い側から順番に配置される。さらに、下部絶縁層１３が下部電極１５の下面に接触するように形成され、上部絶縁層２３が上部電極１７の上面に接触するように形成される。
【０００７】
図１に示されるフィルムバルク音響共振子１０の設計の１つの限界は、圧電膜１６並びに上の金属層１５及び１７の付加がフィルムバルク音響共振子１０の対称性を破ることである。換言すれば、基板層１１及び１２の頂部がそれらの層の底部と異なっている。
【０００８】
非対称設計は、共振子の厚さ方向に振動を引き起こし、これが共振子のエネルギー漏出をもたらす。典型的には、圧電ＭＥＭＳ共振子は、同じ周波数においてシリコン共振子より凡そ１桁低いＱ値を有する。この低いＱ値は、共振子用途においてノイズを大きくし、動インピーダンスを大きくする。
【０００９】
圧電ＭＥＭＳ共振子の低いＱ値を克服することを試みる１つの設計は、例えば、以下で確認される特許文献１に記載されるように、より高次の振動モードを用いることにより共振子のサイズを大きくすることである。より高次の振動モードは、動抵抗を直接減少させるが、これはまた共振子のサイズを大きくする。さらに、共振子の製造コストがサイズに比例するので、より大きな共振子サイズは好ましくない。加えて、より大きな共振子サイズでも、動インピーダンスは、依然として低ノイズ共振子用途に対しては不十分であり、より高いＱ値が必要である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Ｖ．カージャカリ（Ｖ．Ｋａａｊａｋａｒｉ）、Ｔ．マッティラ（Ｔ．Ｍａｔｔｉｌａ）、Ａ．オジャ（Ａ．Ｏｊａ）、Ｊ．キーハマキ（Ｊ．Ｋｉｉｈａｍａｅｋｉ）、及びＨ.セッパ（Ｈ.Ｓｅｐｐａｅ）、「スクエア‐エクステンショナル・モード・シングル‐クリスタル・シリコン・マイクロメカニカル・レゾネータ・フォー・ロー・フェーズ・ノイズ・オシレータ・アプリケーション（Ｓｑｕａｒｅ-ｅｘｔｅｎｓｉｏｎａｌ  ｍｏｄｅ  ｓｉｎｇｌｅ-ｃｒｙｓｔａｌ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｒｅｓｏｎａｔｏｒ  ｆｏｒ  ｌｏｗ  ｐｈａｓｅ  ｎｏｉｓｅ  ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ）」、ＩＥＥＥエレクトロン・デバイス・レターズ（ＩＥＥＥ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｄｅｖｉｃｅ  Ｌｅｔｔｅｒｓ）、２５巻、４号、ｐ．１７３−１７５、２００４年４月。
【００１１】
【非特許文献２】Ｇ．ピアザ（Ｇ．Ｐｉａｚｚａ）、Ｐ．Ｊ．ステファノー（Ｐ．Ｊ．Ｓｔｅｐｈａｎｏｕ）、Ａ．Ｐ．ピサノ（Ａ．Ｐ．Ｐｉｓａｎｏ）、「ピエゾエレクトリック・アルミナム・ニトライド・バイブレーティング・コンター‐モード・ＭＥＭＳレゾネータ（Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ａｌｕｍｉｎｕｍ  Ｎｉｔｒｉｄｅ  Ｖｉｂｒａｔｉｎｇ  Ｃｏｎｔｏｕｒ-Ｍｏｄｅ  ＭＥＭＳ  Ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ」、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）」、１５巻、６号、ｐ．１４０６−１４１８、２００６年１２月。
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】米国特許第７，９２４，１１９号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１３】
従って、本明細書で開示されるＭＥＭＳ共振子は、共振子サイズを増加させることなく、より低い動インピーダンスをもたらす共振子のＱ値を増加させる。
【００１４】
一実施形態において、ＭＥＭＳ共振子は、対向する表面を有するシリコン層、シリコン層の表面の一方の上方の圧電層、及び、圧電層の対向する表面に接してそれぞれ配置される一対の電極（例えば、金属層）を含む。さらに、圧電層は、ＭＥＭＳ共振子の垂直軸に対して斜め方向の結晶軸を有する。
【００１５】
実施形態において、ＭＥＭＳ共振子は、一対の電極が励振されるとき、圧電層のｘ、ｙ面内で主として振動する輪郭すべりモード共振子である。さらに別の態様においてＭＥＭＳ共振子は、ラーメモード共振子とすることができる。
【００１６】
好ましくは、圧電層の結晶軸は、シリコン層の第1の表面に直交する方向に対して１０°以上の角度となる。好ましくは、角度は、シリコン層の第１の表面に直交する方向に対して４０°〜７５°の間（及び理想的には５６°）である。
【００１７】
一実施形態において、圧電層は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を含み、一対の金属層はモリブデン（Ｍｏ）を含む。
【００１８】
別の実施形態において、圧電層の側面は、シリコン層の結晶軸に対して［１００］及び［０１０］方向に配向される。
【００１９】
別の実施形態において、圧電層の側面は、シリコン層の結晶軸に対して［１１０］方向に配向される。
【００２０】
シリコン層、圧電層、及び一対の金属層は、矩形を形成することが好ましい。さらに、ＭＥＭＳ共振子の矩形は、好ましくは各々が２０μｍ〜３００μｍの間の長さを有する辺を有する。さらに、ＭＥＭＳ共振子の厚さは５μｍ〜３０μｍの間にすることができる。
【００２１】
別の実施形態において、シリコン層は一対の電極のうちの１つを兼ねる。
【００２２】
別の実施形態において、複数のＭＥＭＳ共振子を備えるＭＥＭＳ共振子アレイを形成する。この実施形態において、ＭＥＭＳ共振子は、第１の表面、及び第１の表面に対向する第２の表面を有するシリコン層と、シリコン層の第１の表面の上方に配置され、シリコン層の第１の表面に直交する方向に対して０°より大きい角度の方向に延びる結晶軸を有する圧電層と、圧電層の対向する表面に接してそれぞれ配置される一対の金属層とを備える。さらに、複数のＭＥＭＳ共振子の各々は、配列として互いに横方向に配置される。
【００２３】
例示的な実施形態の上記の簡易要約は、本開示の基本的理解を与えるのに役立つ。この要約は、全ての考えられる態様の広範な概観ではなく、全ての態様のキー又は重要な要素を明らかにすることを意図したものでもなく、本開示の何れかの又は全ての態様の範囲を説明することを意図したものでもない。これの唯一の目的は、１つ又はそれ以上の態様を、以下の開示のより詳細な説明に対する導入部として、簡略化した形態で提示することである。上記のことの達成のために、本開示の１つ又はそれ以上の態様は、特許請求の範囲において説明され、特に指摘される特徴を含む。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
本明細書に組み込まれ、その一部分を構成する添付の図面は、本開示の１つ又はそれ以上の例示的実施形態を示し、詳細な説明とともに、それらの原理及び実施を説明するのに役立つ。与えられた図面は、例証目的のためだけであり、それ故に一定の縮尺で描かれてはいない。
【００２５】
【図１】従来のフィルムバルク音響共振子を示す。
【００２６】
【図２Ａ】例示的な一実施形態によるＭＥＭＳ共振子の上面図を示す。
【図２Ｂ】例示的な一実施形態によるＭＥＭＳ共振子の上面図を示す。
【００２７】
【図２Ｃ】例示的な実施形態によるＭＥＭＳ共振子の、コンピュータシミュレーションによる３次元の変位分布を示す。
【００２８】
【図３Ａ】例示的な一実施形態によるＭＥＭＳ共振子の断面図を示す。
【００２９】
【図３Ｂ】例示的な実施形態による、結晶ｃ軸がｘ軸方向に傾けられた圧電共振子の斜視図を示す。
【００３０】
【図４】従来のＭＥＭＳ共振子の圧電堆積物の断面図の比較例を示す。
【００３１】
【図５】例示的な実施形態の圧電層のｃ軸とシリコン表面に垂直な方向との角度に対する結合係数のシミュレーション結果を示すグラフを示す。
【００３２】
【図６Ａ】シリコン結晶軸に対する、例示的な共振子の方向を示す。
【図６Ｂ】シリコン結晶軸に対する、例示的な共振子の方向を示す。
【００３３】
【図７】別の例示的な実施形態による、ＭＥＭＳ共振子アレイを示す。
【００３４】
【図８】例示的な一実施形態による、ＭＥＭＳ共振子の例示的な製造方法のブロック図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
本明細書において、例示的な態様は、ＭＥＭＳ共振子又はＭＥＭＳ共振子アレイ、並びに、より具体的には、ラーメモード共振子、及び、振動方向が共振子のｘ、ｙ面内にあり、共振子が厚さ方向、即ち共振子のｚ方向で著しく変化しない他の輪郭すべりモード共振子、の文脈において、説明される。好ましくは、本明細書で説明されるＭＥＭＳデバイスは、高いＱ値から利益を得る、任意のＭＥＭＳをベースとするデバイス、例えば、ジャイロスコープ及びボロメータを含むセンサなどに使用することができる。
【００３６】
当業者であれば、以下の説明は例証的なものに過ぎず、決して限定することを意図したものではないことを理解するであろう。他の態様はそれら自体で、当業者に対して、この開示の利益を有することを容易に示唆するであろう。次に、添付の図面に示される例示的な態様の実施について詳細に言及することになる。同じ又は類似の項目を参照するために、図面及び以下の説明を通して、同じ参照符号が可能な範囲で使用されることになる。
【００３７】
図２Ａ及び２Ｂは、例示的な一実施形態による、ラーメモードのＭＥＭＳ共振子の上面図を示す。示されるように、図２Ａは、０°の位相角におけるラーメモード変形を有する共振子２００を示し、図２Ｂは、１８０°位相がずれた角度におけるラーメモード変形を有する共振子２００を示す。ラーメモードは、向き合う辺が連続的に膨張及び収縮するものとして特徴付けることができる。より具体的には、図２Ａに示されるように、共振子２００の上辺及び底辺、２０５ａ及び２０５ｂが膨張する（実線で示される）一方で、左辺及び右辺、２１０ａ及び２１０ｂが収縮する（点線で示される）。次に、励振中、図２Ｂに示される１８０°位相がずれた角度において、共振子２００の上辺及び底辺、２０５ａ及び２０５ｂが収縮する（点線で示される）一方で左辺及び右辺、２１０ａ及び２１０ｂが膨張する（実線で示される）。
【００３８】
例示的な実施形態により、共振子２００は、各辺の長さが２０μｍ〜３００μｍの間の矩形板から形成される。さらに、共振子２００は、５μｍ〜３０μｍの間の板の厚さを有することが好ましい。
【００３９】
図２Ｃは、例示的な実施形態によるＭＥＭＳ共振子２００のコンピュータシミュレートによる３次元の変位分布を示す。共振子板の矩形縁は、上記のように逆位相で曲がるので、励振中、板の体積が保存され、厚さ方向の運動及び変化は最小である。
【００４０】
慣例的に、単結晶シリコンから作製された純ラーメモード共振子は、非常に高いＱ値を示した。例えば、ラーメモード共振子に関するこのタイプの設計は、例えば静電的に作動されるＭＥＭＳ共振子に対して、５ＭＨｚにおいて１００万を超えるＱ値を達成することができる。残念ながら、ラーメモード共振子のために単結晶シリコンを使用することは、効果的な静電結合をもたらさない。例えば、結合係数は０.１％未満となる可能性があり、この値は多くの用途において確かに低過ぎ、大き過ぎる動インピーダンスをもたらす。
【００４１】
対照的に、圧電ＭＥＭＳ共振子は、改善された結合係数を与える。図１に関して上記したように、典型的な圧電ＭＥＭＳ共振子は、２つの金属電極の間に挟まれた窒化アルミニウム薄膜層を有する。典型的には、金属電極はモリブデンであるが、白金又はアルミニウムなどの他の材料を使用することもできる。圧電膜は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）又はドープされた窒化アルミニウムとすることができるが、ＰＺＴ又は酸化チタンとすることもできる。
【００４２】
さらに、金属電極の厚さは、典型的には５０ｎｍ〜４００ｎｍであり、圧電膜の厚さは典型的には４００ｎｍ〜２μｍである。付加的な薄膜層をそれらの共振子に設けることもできる。例えば、共振子の周波数の温度係数を変化させるために二酸化シリコン薄膜を用いることができる。
【００４３】
しかし、従来のラーメモード共振子は、圧電薄膜によって効果的に作動されない。これはラーメモードが純せん断モードで動作するためであり、運動が純せん断変形であり、上記のように、共振子の体積が変化しないことを意味する。
【００４４】
本開示の例示的な一実施形態により、ＭＥＭＳ共振子には、ラーメモードである共振モードが与えられる。具体的には、圧電層のｃ軸（即ち、結晶軸）が、共振子２００を効果的に作動させるように形成される。
【００４５】
具体的に言えば、図３Ａが、例示的な一実施形態によるＭＥＭＳ共振子の断面図を示す。具体的には、ＭＥＭＳ共振子２００は、好ましくは、対向する第１及び第２の表面を有する、シリコンの構造層３１０を含む。好ましくは、構造層の厚さは３μｍ〜３０μｍの範囲にすることができる。さらに、これは、構造層３１０の上方に配置される圧電層３２０、及び、圧電層３２０の対向する表面上に配置される一対の金属電極層３３０ａ及び３３０ｂを含む。好ましくは、圧電層３２０は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から形成され、金属電極層３３０ａ及び３３０ｂはモリブデン（Ｍｏ）から形成される。別の態様により、シリコン層３１０は、シリコン層が縮退半導体で作製される場合、第２の電極３３０ｂとして機能することができる。さらに、図示されないが、構造層３１０は、例えば、寸法が２００μｍ〜６００μｍの間の機械的支持をもたらす基板の上に配置することができることを認識されたい。
【００４６】
現在の実施形態により、共振子２００は、圧電層３２０のｃ軸を、垂直軸（ｚ軸）に対して斜めに配向させることによって効果的に結合される。換言すれば、圧電層は、シリコン層の第１の表面の上方に配置され、シリコン層の第１の表面に直交する方向に対して斜めの方向に延びるｃ軸を有する。
【００４７】
以下でより詳しく説明されるように、低Q多結晶圧電膜に関して、及び高Q圧電膜に関してさえも、製造プロセス中に、個々の結晶配向に対して多少の僅かな変化があり得る。換言すれば、結晶の大部分は垂直軸に対してぴったりと配向するが、これは製造プロセスの直接的効果（以下で論じる）であり、結晶配向の平均が垂直軸方向でも異なる方向でも、個々の結晶成分には何らかの意図されない広がり／変化があるであろう。対照的に、以下で詳しく論じるように、例示的な実施形態による圧電層３２０は、垂直軸に対する結晶軸の方位が特定方向となるように、意図的に製造される。従って、効果的な結合係数を得るために、圧電層３２０の結晶整列に関する平均角度は少なくとも５°にする必要があるが、好ましい角度は図５に関連して以下で論じられることになる。この開示の目的のために、「結晶軸」及び／又は「ｃ軸」に言及するとき、言及される軸は、例示的な実施形態の圧電層３２０の個々の結晶の軸の平均であることを示す。
【００４８】
具体的には、図３Ａに示されるように、共振子２００は、垂直「ｚ」軸に対して傾斜された又は傾けられた（即ち、５°又はより大きく）ｃ軸を有する圧電層３２０が形成される。圧電層３２０のｃ軸は、参照数字３４０によって示される。例示的な実施形態により、共振子３００のｚ軸に対する圧電層３２０の平均ｃ軸方向を傾けることによって、共振子３００は、効果的な結合係数を有するラーメモード共振を達成する。
【００４９】
動作中、電気信号が一対の金属電極の間に加えられるとき、圧電薄膜は圧電効果により変形する。厚さ方向（ｚ軸）における変形が、従来、厚みモードで振動する薄いフィルムバルク音響モード共振子では厚さ方向（ｚ軸）における変形が用いられる。厚みモード共振子は、主として厚さ方向に振動し、そのモードは、２つの対向する表面（上面及び底面）が逆位相で上下に動くように可視化することができる。厚さ変形に加えて、圧電膜は横方向（ｘ及びｙ軸）にも変形する。従来の共振子デバイスにおいては、優先的な方向への横方向変形は存在せず、圧電効果によって生成される横方向応力は、ｘ、ｙ面内の全ての方向において等しい。さらに、圧電横効果は、拡がりモード共振子、例えば、縦モードビーム共振子及びｘ、ｙ面内で振動する拡がり平面共振子のために、用いられている
【００５０】
対照的に、輪郭すべりモード又はラーメモード共振などのせん断モード共振は、従来の構造体内には、圧電横効果に関して優先的方向が存在しないので、励振することができない。図２Ｃを参照すると、垂直方向に配向された圧電膜内のｘ及びｙ方向における応力は大きさが等しく、共振子体積を維持するせん断モードは励振されない。圧電薄膜３２０のｃ軸が、例示的な実施形態によりｚ軸から外れるように配向されるとき、対称性が壊され、ｘ、ｙ面内の歪みが均一でなくなる。
【００５１】
図３Ｂは、例示的な実施形態による、結晶のｃ軸がｘ軸方向に傾けられた、圧電共振子の斜視図を示す。電場が、電極（３３０ａ及び３３０ｂ）の間に加えられるとき、圧電効果がｘ方向及びｙ方向に横方向応力を引き起こすが、ここでは応力の大きさが異なり、逆符号を有する可能性さえある。このように配向された圧電膜３２０は、ｘ及びｙ方向における運動が逆方向である面内せん断モードと効果的に結合することができる。最大結合のためには、ｚ軸を外れた傾きが共振子の側辺に沿って（即ち、図３Ｂに示されるようにｘ又はｙに沿って）整列されることが好ましい。
【００５２】
図４は、ＭＥＭＳ共振子４００の従来の圧電堆積物の断面図の比較例を示す。例えば、図１に示され、上記されたフィルムバルク音響共振子１０のような共振子のための典型的な圧電堆積物において、圧電層４２０のｃ軸は垂直軸（即ち、ｚ軸）に整列される。圧電層４２０のｃ軸は、圧電層４２０のｃ軸が基板によって定められる面に垂直となるように、圧電薄膜が、基板の上、直接下方のアルミニウム層の上に成長させられる（例えば、イオンビーム照射により）結果である。
【００５３】
そのようなＭＥＭＳ設計の圧電層４２０の垂直なｃ軸のために、上部及び底部電極、４３０ａ及び４３０ｂの間に電圧が加えられるとき、電場は、圧電薄膜４２０内に応力変形を引き起こす。この応力変形は、長さ拡がり、幅拡がり、又は輪郭拡がりモードなどの拡がりモードを効果的に作動させる。しかし、この設計のために、純輪郭すべりモード、例えば、ラーメモードは作動させることができない。
【００５４】
一般的には、圧電薄膜の堆積中、圧電膜のｃ軸はｚ軸に沿って配向する。この配向は、堆積基板の対称性及び堆積プロセスの物理的配置から得られる。一般的に、それらのいずれもなんらの方向性を有さず、圧電材料は平均的結晶がｚ方向に配向する結晶構造が優先的に成長する。
【００５５】
一般的に、高Qの圧電膜内で、結晶の大部分は、垂直軸からのズレが一般的に０．５°未満の個々の結晶配向の分布を伴って、ｚ軸方向に配向する。Qがより低い多結晶圧電膜内では、個々の結晶配向の分布は、膜成長条件に応じて、１５°にまでなる可能性があるが、平均的な配向方向は依然として典型的にはｚ方向にある。例示的な実施形態により本明細書で説明するように、堆積の物理的配置を変えることにより、例えば、圧電材料を試料表面に対して斜角に堆積させることによって、平均ｃ軸がｚ軸に対して傾くように圧電材料を成長させることが可能である。
【００５６】
対照的に、図３Ａ及び３Ｂを再び参照すると、例示的な実施形態の圧電層３２０のｃ軸は、垂直軸（ｚ軸）に対して斜めに設定され、これが効果的な結合係数を有するラーメモード共振を達成する。
【００５７】
図５は、例示的な実施形態の圧電層３２０のｃ軸角度に対する結合係数のシミュレーションによる結果を示すグラフを示す。グラフの方向（即ち、ｘ軸）は、層の垂直ｚ軸に対する圧電層３２０のｃ軸の方向を示す。図５に示されるように、垂直軸に対するｃ軸の配向が増加するに連れて、結合係数が著しく増加し、約５６°のｃ軸の配向において５．６％の最大結合係数となる。この開示の目的のために、用語「約」又は「実質的に」は本明細書においては、製造プロセスなどの間に起こり得る小さな変化を考慮に入れるために使用される。例えば、製造中、イオンビーム照射の方向を垂直軸に対して５６°に設定することができるが、このプロセスは、当業者には理解されることになるように、５６°より僅かに高いか又は低い圧電層のｃ軸をもたらす可能性がある。
【００５８】
例示的な一実施形態により、圧電層３２０のｃ軸は、ｚ又は垂直軸に対して４０°〜７５°の間にあることが好ましい。図５のグラフに示されるように、ｃ軸に関するこれらの角度は、約４.００％又はそれ以上の、ＭＥＭＳ共振子２００の結合係数をもたらすことになる。この例示的な実施形態の改良形により、圧電層３２０のｃ軸は、好ましくは５６°又は約５６°であり、これは、上記し及び図５に示されるように、５．６％の結合係数をもたらす。
【００５９】
例示的な実施形態により、圧電結晶の好ましいｃ軸は、４０°〜７５°の間にある。しかし、垂直軸に対してそのような大きな角度で成長する結晶は、製造の制約などのために経済的ではない可能性があることが認識される。図５に示されるように、効果的な圧電結合は、１０°より大きい角度、特に２０°より大きい角度において得ることができる。その結果、代替的実施形態により、ｚ軸に対する圧電層３２０の平均ｃ軸は、１０°より大きく、より好ましくは２０°より大きくすることである。
【００６０】
タイミングデバイス用途において実施されるＭＥＭＳ共振子に関して、当業者には理解されるているように、共振子が優れた温度安定性を有することが重要である。さらに、非補償型ラーメモード共振子は負の周波数温度係数（ＴＣＦ：ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｏｆ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）を示す。このＴＣＦは、シリコン基板をドーピングして、ＴＣＦをより正にすることによって補償することができる。
【００６１】
図６Ａ及び６Ｂは、例えば、タイミングデバイス用途に使用することができる、例示的な実施形態による例示的な共振子２００のシリコン結晶軸に関する方向を示す。典型的なシリコン加工において、シリコン表面は［００１］結晶方向にあるが、横方向のシリコン寸法はリソグラフィによって定められ、共振子の側壁は、任意の方向に整列させることができる。純ラーメモード共振子に関しては、共振子の側壁は［１００］シリコン結晶方向か又は［１１０］シリコン結晶方向のいずれかに整列させる必要がある。
【００６２】
図６Ａは、例示的な一実施形態による、縁が［１００］及び［０１０］方向に沿って配向されたラーメモード共振子６００ａを示す。この配向において、共振周波数は、以下である。
【数１】
2019525526.tif 000003
【００６３】
この場合、Ｌは共振子６００ａの辺の長さであり、ρはシリコンの密度である。一般に、シリコン共振子に対して、ＴＣＦは、主に弾性定数によって決定される。この配向により、温度依存性（即ち、ＴＣＦ）は、シリコンの弾性定数Ｃ１１及びＣ１２によって決定される。Ｃ１１＝１６．６０*１０11ｄｙｎ／ｃｍ2であること及びＣ１２＝６．４０*１０11ｄｙｎ／ｃｍ2であること、並びにこれらの定数はの負の温度係数を有することが知られている。従って、シリコン製の共振子は、負のＴＣＦを有する。ＴＣＦは、シリコンを、リン又は他のｎ型ドーパントで、高濃度でドーピングすることによって、より正にすることができる。共振子６００ａの好ましい実施形態において、リンのドーピング濃度は２*１０19ｌ／ｃｍ3を超える。
【００６４】
さらに、図６ｂは、縁が［１１０］方向に沿って配向される、ラーメモード共振子６００ｂの別の実施形態を示す。この実施形態において、純シリコン共振子の共振周波数はシリコンの弾性定数Ｃ４４（７.９６*１０11ｄｙｎ/ｃｍ2であることが知られている）によって次のように与えられる。
【数２】
2019525526.tif 000004
【００６５】
再び、Ｌは共振子の辺の長さであり、ρはシリコンの密度である。この配向により、弾性定数Ｃ４４の温度係数は、シリコンを、ホウ素又は他の型のｐ型ドーパントで、高濃度でドーピングすることによって、より正にすることができる。これは、より正のＴＣＦをもたらす。共振子６００ｂの好ましい一実施形態において、ホウ素のドーピング濃度は１０20ｌ／ｃｍ3を超える。
【００６６】
両方の共振子６００ａ及び６００ｂに関して、上記のように、共振周波数は、共振子厚によってではなく、主として横方向の共振子寸法、即ち、共振子６００ａ及び６００ｂの辺の長さＬによって決定されることを認識されたい。これは、周波数が横方向寸法ではなく、デバイスの厚さによって決定される、例えば、図１に示される薄膜バルク音響共振子１０のような厚みモード共振子とは著しく異なる。これは、上記のように、現在の共振子の厚さ方向の変位が最小であるためである。共振子の変位（モード形）は、厚さ方向（即ち、ｚ方向）に沿った位置ではなく、主として面内位置（ｘ、ｙ面内の位置）に依存する。純ラーメモードにおいて、変位は厚さ依存性を有しない。これは、変位が強い厚さ依存性を有し（即ち、変位がｚ軸に沿った位置に依存する）、共振周波数が主として共振子厚によって決定される厚みモード及び厚みすべりモード共振子とは対照的である。
【００６７】
さらに、厚みすべりモード共振子は、典型的には、構造層として単結晶シリコンを有しない。金属及び大部分の圧電薄膜、例えば、窒化アルミニウムは、正のＴＣＦを有し、このため厚みすべりモード共振子が、付加的な補償なしのタイミング基準用途に対して不適切となる。既に言及したように、シリコンのＴＣＦはシリコンをドーピングすることによって正にすることができる。薄膜特性に対して、シリコン厚及びドーピングレベルを調節することによって、共振子を殆んどゼロのＴＣＦを有するようにすることが可能である。典型的な用途において、シリコン厚は３μｍ〜３０μｍの範囲である。さらに、ＴＣＦをさらにより正にするために、二酸化シリコンの薄膜を共振子に形成することができる。
【００６８】
図７は、別の例示的な実施形態による、ＭＥＭＳ共振子アレイ７００の上面図を示す。特に、高周波数共振子用途のために、複数の共振子を並列に配列することが有益である。図７に示されるように、ＭＥＭＳ共振子アレイ７００は、４つのラーメモード共振子７００ａ、７００ｂ、７００ｃ、及び７００ｄを含み、ここで共振子は側縁で接続される。アレイ７００は並列に取り付けられた４つの共振子を有するデバイスを示すが、この実施形態は、決して特定の数の共振子に限定されるべきではないことを認識されたい。
【００６９】
さらに、各々の共振子７００ａ、７００ｂ、７００ｃ、及び７００ｄは、上記の、図２及び３に示される共振子２００に対応することができることを認識されたい。さらに、共振子７００ａ、７００ｂ、７００ｃ、及び７００ｄの各々、並びに、それらの間の圧電変換器要素は、シリコン層３１０のような共通基板層を備えることができる。共通層は、共振子７００ａ、７００ｂ、７００ｃ、及び７００ｄを、ＳＯＩウェーハ（即ち、構造層）の同じ層から加工することができることを意味する。例示的な実施形態により、ＭＥＭＳ共振子デバイス７００のために複数の共振子要素を使用することにより、共振子サイズを大きくし、動インピーダンスを低下させることができる。
【００７０】
図８は、例示的な一実施形態による例示的な製造方法のブロック図を示す。デバイスは、シリコン層３１０及びＡｌＮ層３２０のみ示される。図示されるように、製造プロセスは、イオン源８１０及びスパッタ源８２０を含む。好ましくは、ＡｌＮ層３２０はイオンビームアシストＲＦマグネトロンスパッタリングによって製造される。例えば、アルミニウム金属標的を、スパッタ源８２０によって与えられるＮ2／Ａｒ雰囲気中でスパッタすることができる。例示的な実施形態により、イオン源８１０によって生成されるイオンビームは、アルミニウム金属標的の上に、結果として得られる圧電膜の傾いたｃ軸を形成するように、斜めに与えられ、この圧電膜が、結果のＭＥＭＳ共振子３００を形成するように、シリコン層３１０の上に堆積させられる。
【００７１】
代替の実施形態により、イオンビーム照射中、金属試料を斜めに配置することができ、又はイオンを他のイオンビームで向け直すことができることを認識されたい。例示的な実施形態により、スパッタリングの入射角度を斜めに変えさえすれば、結果として得られる圧電層のｃ軸は傾けられることになる。
【００７２】
最後に、例示的な実施形態によるラーメモード共振子の利益は、デバイスが輪郭すべりモード共振子であることであることを認識されたい。上記のように、共振子の体積は、振動サイクル中には変化せず、従って、共振子のＱ値は、典型的は拡がりモード共振子よりも遥かに大きくなり得る。さらに、輪郭すべりモードのＴＣＦは、ゼロの一次ＴＣＦを達成するために、図６ａ及び６ｂに関して上記したようにはドーパント濃度を高くする必要がないので、拡がりモードよりも、より容易に補償される。さらに、一態様によりシリコン層が縮退半導体で作製される場合、シリコン層は第２の電極として機能することができる。
【００７３】
明瞭さのために、実施形態の、必ずしも全ての慣例的な特徴が、本明細書に開示されてはいない。本開示の如何なる実際の実施の発展においても、設計者の特定の目標を達成するために、多くの実施特有の決定を行う必要があり、これらの特有の目標は、異なる実施及び異なる設計者に対して変化することになることを認識されたい。そのような設計努力は、複雑で時間が掛る可能性があるが、それにも関わらず、当業者に対しては、本開示の利益を有する、工学の慣例的な仕事となるであろう。
【００７４】
さらに、本明細書で使用される述語又は用語は、本明細書の用語又は述語が、本明細書で与えられる教示及びガイダンスを当業者の知識と組みわせて考慮することで、当業者によって理解されるように、説明のためであり、限定のためではないことを理解されたい。さらに、明細書又は請求項中の如何なる用語も、特にそのように明白に示されない限り、稀な又は特別の意味に帰されることを意図したものではない。
【００７５】
前述のことは、例示的な実施形態に関連して説明されたが、用語「例示的な」は、単に一例を意味するにすぎないことが理解されよう。従って、本出願は、本明細書で開示されるＭＥＭＳ共振子の趣旨及び範囲に含まれる得る代替物、変更物及び等価物を包含することが意図されている。
【符号の説明】
【００７６】
２００、６００ａ、６００ｂ：ＭＥＭＳ共振子
【００７７】
２０５ａ、２０５ｂ、２１０ａ、２１０ｂ：ＭＥＭＳ共振子の縁
【００７８】
３１０：シリコン層
【００７９】
３２０：圧電層
【００８０】
３３０ａ、３３０ｂ：金属層
【００８１】
３４０：圧電層のｃ軸
【００８２】
７００：ＭＥＭＳアレイ
【００８３】
８１０：イオン源
【００８４】
８２０：スパッタ源
【図１】
2019525526.tif 000005
【図２Ａ】
2019525526.tif 000006
【図２Ｂ】
2019525526.tif 000007
【図２Ｃ】
2019525526.tif 000008
【図３Ａ】
2019525526.tif 000009
【図３Ｂ】
2019525526.tif 000010
【図４】
2019525526.tif 000011
【図５】
2019525526.tif 000012
【図６Ａ】
2019525526.tif 000013
【図６Ｂ】
2019525526.tif 000014
【図７】
2019525526.tif 000015
【図８】
2019525526.tif 000016
【国際調査報告】
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