(57)【要約】【課題】マスクの合わせずれに起因する支柱の位置ずれを無くすことにより、共振周波数の変動を防止し、歩留まりの向上を図った電気機械素子及びその製造方法、さらに電気機械素子による共振器を提供する。【解決手段】基板５上に空間２７を介して配置された可動子１０を有する電気機械素子２５において、電気機械素子２５を、空間２６を介して封止する保護膜１５を備え、保護膜１５と可動子１０が、可動子１０を貫通する支柱１６Ａ，１６Ｂにより支持されている。【選択図】図１
2008236386.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に空間を介して配置された可動子を有する電気機械素子において、
前記電気機械素子を、空間を介して封止する保護膜を備え、
前記保護膜と前記可動子が、前記可動子を貫通する支柱により支持されている
ことを特徴とする電気機械素子。
【請求項２】
前記支柱は導電層を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の電気機械素子。
【請求項３】
前記可動子及び前記支柱とが、同じ熱膨張係数を有する材料から成る
ことを特徴とする請求項１に記載の電気機械素子。
【請求項４】
基板上に空間を介して配置された可動子を有する電気機械素子において、
前記電気機械素子を、空間を介して封止する保護膜を備え、
前記保護膜と前記可動子が、前記可動子を貫通する支柱により支持されている
ことを特徴とする共振器。
【請求項５】
下部電極上に第１の犠牲層を介し、電気機械素子の可動子を形成する工程と、
前記可動子の上部に第２の犠牲層を形成する工程と、
前記第２の犠牲層、前記可動子及び前記第１の犠牲層に支柱形成用の貫通孔を形成する工程と、
前記貫通孔を含む前記第２の犠牲層上に保護膜と支柱を形成する工程と、
前記第１、第２の犠牲層を除去する工程とを有する
ことを特徴とする電気機械素子の製造方法。
【請求項６】
前記貫通孔を形成する工程は、複数段階のエッチング処理により行う
ことを特徴とする請求項５に記載の電気機械素子の製造方法。
【請求項７】
前記支柱を、ＣＶＤ法により形成する
ことを特徴とする請求項５に記載の電気機械素子の製造方法。
【請求項８】
前記支柱の一部又は全部を導電層で形成する
ことを特徴とする請求項５に記載の電気機械素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気機械素子とその製造方法、並びに共振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、基板上の微細化製造技術の進展に伴い、電気機械素子、いわゆるマイクロマシン（超小型電気的・機械的複合体：Micro Electro  Mechanical  Systems，以下、ＭＥＭＳという）や、そのＭＥＭＳ素子を組み込んだ小型機器等が注目されている。ＭＥＭＳ素子は、可動構造体である振動子と、その振動子の駆動を制御する半導体集積回路等とを、電気的・機械的に結合させた素子である。そして振動子が素子の一部に組み込まれており、その振動子の駆動を電極間のクーロン引力等を応用して電気的に行うようにしている。
【０００３】
このようなＭＥＭＳ素子のうち、特に半導体プロセスを用いて形成されたものは、デバイスの占有面積が小さいこと、高いＱ値（振動系の共振の鋭さを表す量）を実現できること、他の半導体デバイスとのインテグレーション（統合）が可能であること等の特徴を有することから、無線通信用の高周波フィルタとしての利用が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
ところで、ＭＥＭＳ素子を他の半導体デバイスとインテグレーションする場合には、そのＭＥＭＳ素子における振動子の部分をカプセル封止して、これによりさらに上層に配線等の配置を可能とすることが提案されている（例えば、特許文献１の第７頁、第１０頁参照）。ただし、振動子のカプセル封止にあたっては、その振動子の可動部周囲に空間を確保して、振動子を可動し得る状態にすることが必要である。この可動部周囲の空間確保は、通常、いわゆる犠牲層エッチングによって行われる（特許文献１参照）。
【０００５】
犠牲層エッチングとは、振動子の可動部周囲に予め薄膜を形成しておき、その後、この薄膜をエッチングにより取り除いて、当該可動部周囲に空間（隙間）を形成することをいう。また、犠牲層エッチングを行うために、可動部周囲に形成した薄膜を犠牲層という。
【０００６】
ＭＥＭＳ素子の研究開発は、高周波フィルタ以外にも、各種センサ、アクチュエータ、光学素子、その他のＭＥＭＳ素子など様々な分野に展開されている。
【０００７】
しかしながら、ＭＥＭＳ素子と他の半導体デバイスとのインテグレーションは、幾つかの課題を抱えている。一般に、当該インテグレーションは、他の半導体デバイスについての製造プロセス（例えば、ＣＭＯＳプロセス）の最終工程に、ＭＥＭＳ素子（特に、その振動子）の製造プロセスを付加する形で行われる。従って、ＭＥＭＳ素子の製造プロセスにおいては、既に形成されている半導体デバイスへの悪影響を回避するために、高温での加工を行うことができない。つまり、低温で振動子を形成する必要があり、その加工が容易でないものとなってしまう虞れがある。
【０００８】
これに対して、ＭＥＭＳ素子における振動子の部分をカプセル封止した場合には、これによりさらに上層に配線層等の配置が可能となるので、高温で振動子を形成しても、その高温加工の悪影響が配線層等に及ぶのを回避することができる。ところが、その場合には、犠牲層エッチングにより形成した振動子の可動部周囲の空間を真空封止するために、絶縁材料等による特殊なパッケージング技術が必要となる（例えば、特許文献１参照）。つまり、真空封止のためのパッケージング工程が必要となるため、既存の半導体プロセス（例えば、ＣＭＯＳプロセス）の過程において行うことが困難である。結果としてＭＥＭＳ素子を含むデバイスの生産効率低下を招いてしまうことが考えられる。
【０００９】
図１２に、従来のカプセル封止した電気機械素子を示す。図１２は無線通信用の高周波フィルタとして利用される共振器に適用した例である。この電気機械素子１００は、例えばシリコン基板４１表面にシリコン酸化膜４２とシリコン窒化膜４３の積層膜からなる絶縁膜４４を形成して成る基板上３２に、下部電極となる出力電極３３と、この出力電極３３に空間３４を介して対向する振動子となる帯状のビーム３５とを有して構成される。ビーム３５は導電材料からなり、入力側の電極となる。ビーム３５は、基板３２上に形成した下部配線３９Ａ，３９Ｂに支持部４０Ａ，４０Ｂを介して支持され両持ち梁構造に形成される。下部配線３９Ａ，３９Ｂの外側上には絶縁膜の例えばシリコン酸化膜４６が形成され、その開口部４７を通じてスパッタ膜による外部配線層４８が形成される。
【００１０】
一方、出力電極３３及びビーム３５からなる共振器本体３６は、全体が空間３７を保持して例えばシリコン窒化膜による保護膜５８によって被覆され気密封止される。この保護膜５８は、製造上、空間３４及び３７に犠牲層が形成されている状態で全体にわたって成膜される。保護膜５８の成膜後に開口４９を形成し、開口４９を通じて犠牲層を選択的にエッチング除去し、空間３４及び３７が形成される。開口４９はスパッタ膜による封止膜５０にて封止される。
【００１１】
この電気機械素子１００では、振動子となるビーム３５に直流バイアス電圧が印加されると共に、特定の周波数電圧が印加されると、ビーム３５が固有振動周波数で振動し、出力電極３３とビーム３５との間の空間３４で構成されるキャパシタの容量が変化し、出力電極３３から特定の周波数信号が出力されるようになる。
【００１２】
一方、図１２に示したカプセル封止された電気機械素子１００においては、カプセル封止するための屋根となる保護膜５８の剛性が弱いと振動子となるビーム３５の上部に保護膜５８が接触してしまい、共振周波数が変化したり、最悪の場合は、共振しないことも考えられる。
【００１３】
このカプセル封止に関する保護膜５８の問題は、前述した高周波フィルタ以外のＭＥＭＳデバイスにおいても、可動子となるビームに保護膜が接触することによって動作不良などの不具合を生じることが考えられる。
【００１４】
【特許文献１】特開２００２−９４３２８号公報
【非特許文献１】C.T.-C.Nguyen,“ Micromechanical components for miniaturized low-power communications(invited plenary)，“proceedings,1999 IEEE MTT-S  International Microwave Symposium RFMEMS Workshop,june，18,1999,pp.48-77.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本願発明者は、以上の問題を解決するために先の発明で保護膜と可動子の間に支柱を設けた電気機械素子を提案した。その電気機械素子の構成の一例を図１０に示す。図１０において、図１２に対応する部分には同一符号を付し重複説明を省略する。
【００１６】
この電気機械素子３１においては、特に、保護膜３８と振動子であるビーム３５との間に保護膜３８の撓みを防ぐための支柱５２が設けられる。この支柱５２は、ビーム３５の１箇所以上の位置に対応して設けられる。支柱５２としては、保護膜３８と一体に形成し、１箇所以上の位置でビーム３５に接触するように、あるいは接触しないように、あるいはビームと一体化するようにして形成することができる。本例では、支柱５２がビーム３５の両端部分、すなわちビーム３５の共振周波数に寄与する可動部の長さで規定される部分よりも外側のいわゆる支持部４０Ａ，４０Ｂに対応する部分の２箇所で接触するように形成される。
【００１７】
以上の構成を有する電気機械素子によって、保護膜が支柱によって可動子に接触することがないので、カプセル封止における不具合が回避され、信頼性の向上をはかることができる。
【００１８】
しかしながら、以上の電気機械素子３１においては、支持部４０と支柱５２とは、個々に形成されるため、リソグラフィ技術では不可避であるマスクの合わせずれに起因する柱の位置ずれが生じる。図１１に、支持部４０と支柱５２を形成する際の概略製造工程を示す。図１１は、要部の拡大図である。
【００１９】
先ず、図１１Ａに示すように、基板３２上に形成された下部電極３３及び下部配線３９Ｂを埋めるように全面に第１の犠牲層６７、例えばシリコン酸化膜を形成し、この第１の犠牲層６７の下部配線３９Ｂに対応して、振動子となるビームの支持部を形成するための開口部６８を周知のリソグラフィ技術及びドライエッチング技術を利用して選択的にエッチング除去する。
【００２０】
次に、図１１Ｂに示すように、開口部６８を含んで第１の犠牲層６７上に例えば減圧ＣＶＤ法により不純物、例えば燐（Ｐ）を含有した多結晶シリコン膜を形成し、周知のリソグラフィ技術及びドライエッチング技術を利用してパターン加工し、帯状のビーム３５とビーム３５を支持する支持部４０Ｂを形成する。
【００２１】
次に、図１１Ｃに示すように、ビーム３５上を被覆するように例えば減圧ＣＶＤ法により第２の犠牲層６９、例えばシリコン酸化膜を全面に形成する。
続いて、図１１Ｄに示すように支柱形成用の開口部７１となるように周知のリソグラフィ技術及びドライエッチング技術を利用してパターン加工する。このとき、開口部７１は、支持部４０Ｂに対応する部分に形成されるが、マスクずれなどにより、必ずしも支持部４０Ｂに対応する部分に形成されず、図１１Ｄの破線で示すようにずれてしまう。ｄはずれ量である。開口部７１の形成がこのようにビーム３５の支持部４０Ｂとずれてしまうと、図１１Ｅに示す、保護膜３８の形成において、保護膜３８の支柱５２が、支持部４０Ｂとはずれた位置に形成されてしまう。
【００２２】
したがって、上述のようなビーム３５の支持部４０Ａ，４０Ｂと保護膜３８の支柱５２が個々のリソグラフィ技術及びドライエッチング技術によって形成される場合、支持部４０Ａ，４０Ｂと支柱５２の位置ズレに起因して、共振器の共振周波数がばらついてしまうという問題が起こる。また、支柱５２の固定の仕方によっては、ビーム３５の共振周波数が変動してしまう。
【００２３】
本発明は、上述の点に鑑み、マスクの合わせずれに起因する支柱の位置ずれを無くすことにより、共振周波数の変動を防止し、歩留まりの向上を図った電気機械素子及びその製造方法、さらに電気機械素子による共振器を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明の電気機械素子は基板上に空間を介して配置された可動子を有する電気機械素子において、電気機械素子を、空間を介して封止する保護膜を備え、保護膜と可動子が、可動子を貫通する支柱により支持されていることを特徴とする。
【００２５】
また、本発明の共振器は、基板上に空間を介して配置された可動子を有する電気機械素子において、電気機械素子を、空間を介して封止する保護膜を備え、保護膜と可動子が、可動子を貫通する支柱により支持されていることを特徴とする。
【００２６】
また、本発明の電気機械素子の製造方法は、下部電極上に第１の犠牲層を介し、電気機械素子の可動子を形成する工程と、可動子の上部に第２の犠牲層を形成する工程と、第２の犠牲層、可動子及び第１の犠牲層に支柱形成用の貫通孔を形成する工程と、貫通孔を含む第２の犠牲層上に保護膜と支柱を形成する工程と、第１、第２の犠牲層を除去する工程とを有することを特徴とする。
【００２７】
本発明の電気機械素子及び共振器では、可動子を貫通する支柱により、可動子と保護膜が支持されるので、可動子の上側と下側の固定部分にずれが生じる。
【００２８】
本発明の電気機械素子の製造方法では、ビーム及び保護膜を支持する支柱を形成するための貫通孔を一回の工程によって形成するので、可動子に対してマスクの合わせずれに起因する支柱の信号ずれが生じない。
【発明の効果】
【００２９】
本発明に係る電気機械素子及び共振器によれば、可動子を固定する支柱の位置が上下間でずれので、位置ずれに起因する周波数変動が防止でき、歩留まりの向上が図られる。
【００３０】
本発明に係る電気機械素子の製造方法によれば、可動子の上下間で位置ずれのない支柱を形成できるので、周波数変動が生じない電気機械素子を歩留まりよく製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００３２】
図１に、本発明に係る電気機械素子の一実施の形態の概略構成を示す。図１における電気機械素子１は、無線通信用の高周波フィルタとして利用される共振器に適用した場合である。この電気機械素子１は、基板５上に下部電極となる出力電極７と、出力電極７に空間２７を介して対向する可動子、例えば振動子となる帯状のビーム１０とからなる電気機械素子本体２５（本例では共振器本体）を有し、さらに、この電気機械素子本体２５を、空間を介して封止する保護膜１５を有して構成される。
【００３３】
基板５は、例えば半導体基板上に絶縁膜を形成した基板、石英基板やガラス基板のような絶縁性基板を用いることができるが、本例では、他の半導体デバイスとのインテグレーションを可能にするために、単結晶シリコンからなる半導体基板２上にシリコン酸化（ＳｉＯ２）膜３及びシリコン窒化（ＳｉＮ）膜４の積層膜による絶縁膜を形成した基板５を用いる。
【００３４】
ビーム１０は、入力側の電極となるもので、導電材として例えば多結晶シリコン膜で形成される。ビーム１０はいわゆる振動電極として構成される。また、本例では、製造上、空間に犠牲層が形成されている状態で保護膜１５が形成され、保護膜１５が形成された後、周知のリソグラフィ技術及びドライエッチング技術によって、ビーム１０と保護膜１５に共通の支柱１６Ａ，１６Ｂが形成される。すなわち、基板５上に形成したそれぞれの下部配線６Ａ，６Ｂに共通の支柱１６Ａ，１６Ｂを介してビーム１０及び保護膜１５が支持される。ビーム１０はこれを貫通する支柱６Ａ，６Ｂの側面で接合されて支持される。支柱１６Ａ，１６Ｂと保護膜１５は同一の材料で形成されてもよく、その場合、ビーム１０と下部配線６Ａ，６Ｂとの導通を確保する為に、例えば燐（Ｐ）ドープの多結晶シリコンを用いる。不純物ドープの多結晶シリコンを用いるときは、支柱１６Ａ，１６Ｂは全て導電層として形成される。
その他の方法、例えば、支柱１６Ａ，１６Ｂに一部導電層を設けるなどして、ビーム１０と下部配線６Ａ，Ｂの導通が確保できる場合は、保護膜１５及び支柱１６Ａ，１６Ｂの材料は絶縁性のものであってもよい。
【００３５】
保護膜１５とビーム１０間には空間２６が形成され、ビーム１０と下部電極７間には空間２７が形成される。この空間２６、２７は、開口１７Ａ，１７Ｂを通じて犠牲層を選択エッチングで除去することにより形成される。その後、開口１７Ａ，１７Ｂが例えばスパッタ膜による封止膜１８Ａ，１８Ｂにより気密封止される。スパッタ膜としては、例えば、Ａｌ−Ｃｕ（アルミニウム−銅）膜またはＡｌ−Ｓｉ（アルミニウム−シリコン）膜などによるスパッタ膜を用いることができる。下部配線６Ａ，６Ｂも例えば多結晶シリコンで形成される。下部電極６Ａ，６Ｂの外側上には、絶縁膜の例えばシリコン酸化膜１９が形成され、そのシリコン酸化膜１９上に開口部３０を介して下部配線６Ａ，６Ｂに接続された例えばスパッタ膜による外部配線２９が形成される。
【００３６】
この本実施形態に係る電気機械素子１では、振動子となるビーム１０に下部配線６Ａ、６Ｂを通じて直流バイアス電圧が印加されると共に、特定の周波数信号が印加されると、ビーム１０が固有振動周波数で振動し、出力電極７とビーム１０との間の空間２７で構成されるキャパシタの容量が変化し、この特定の周波数信号が出力電極７から出力される。この電気機械素子１のビーム１０は、一次振動モードで振動する。
【００３７】
本実施形態に係る電気機械素子１は、高周波フィルタとして利用した場合、表面弾性波（ＳＡＷ）や薄膜弾性波（ＦＢＡＲ）を利用した高周波フィルタと比較して高いＱ値を実現することができる。
【００３８】
次に、図２〜図５を参照して本発明に係る電気機械素子の製造方法の一実施の形態を説明する。本実施形態の製造方法は、図１に示す電気機械素子の製造に適用した場合である。
【００３９】
先ず、図２Ａに示すように、基板、本例では単結晶シリコンによる半導体基板２上に、絶縁体としてシリコン酸化膜３及びシリコン窒化膜４を減圧ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により積層形成してなる基板５を用意する。
【００４０】
次に、図２Ｂに示すように、基板５上に選択エッチング可能な導電性膜、本例では不純物例えばリン（Ｐ）を含有した多結晶シリコン膜を形成する。この多結晶シリコンを周知のリソグラフィ技術及びドライエッチング技術を利用してパターニングし、下部電極となる出力電極７と下部配線６Ａ，６Ｂを形成する。
【００４１】
次に、図２Ｃに示すように、出力電極７と下部配線６Ａ，６Ｂ上を埋めるように、且つ、出力電極７上に所要の膜厚ｔ１が形成されるように、全面例えばシリコン酸化膜８を形成する。このシリコン酸化膜８の一部は、後述する第１の犠牲層となるものである。
【００４２】
次に、図２Ｄに示すように、シリコン酸化膜８上に、例えばリン（Ｐ）を含有した多結晶シリコン膜を形成し、周知のリソグラフィ技術及びドライエッチング技術を利用してパターン加工し、多結晶シリコン膜からなり、後に帯状のビーム１０となる膜を形成する。
【００４３】
次に、図３Ｅに示すように、ビーム１０上を被覆するように、例えば減圧ＣＶＤ法によりシリコン酸化膜１１を全面に形成する。このシリコン酸化膜１１も一部が第２の犠牲層として機能し、少なくともビーム１０上に所要の膜厚ｔ２で形成される。ここで、積層されたシリコン酸化膜８及び１１をまとめてシリコン酸化膜１２とする。
【００４４】
次に、図３Ｆに示すように、シリコン酸化膜１２及びビーム１０を周知のリソグラフィ技術及びドライエッチング技術を利用して、パターン加工し、後に支柱に対応する部分に下部配線６Ａ，６Ｂに達する貫通孔１３Ａ，１３Ｂを形成する。貫通孔１３Ａ，１３Ｂは、後のビーム１０及び保護膜１５に共通の支柱形成用の貫通孔となるものである。また、この貫通孔１３Ａ，１３Ｂを形成するためのエッチング処理では、シリコン酸化膜１２とビーム１０においてはその材料が異なる為、段階別にエッチングが行われるが、マスク合わせは例えば第２の犠牲層上に形成したレジストマスクを用いて共通に行われるので、マスク合わせずれなどの問題は起こらない。また、下部配線６Ａ，６Ｂ上の犠牲層となるシリコン酸化膜１２に開口１４Ａ，１４Ｂを形成する。
【００４５】
次に、図３Ｇに示すように、貫通孔１３Ａ，１３Ｂ、開口１４Ａ，１４Ｂを含んで、犠牲層として機能するシリコン酸化膜１２上の全面に例えば減圧ＣＶＤ法により例えば、燐（Ｐ）がドープされた多結晶シリコン膜９０を形成する。この多結晶シリコン膜９０は保護膜１５として機能するものである。また、この多結晶シリコン膜は貫通孔１３Ａ，１３Ｂを通じて、ビーム１０と保護膜１５の共通の支柱１６Ａ，１６Ｂとして機能する。すなわち、ビーム１０を貫通する支柱１６Ａ，１６Ｂがビーム１０と保護膜１５を支持する。支柱１６Ａ，１６Ｂの形成が減圧ＣＶＤ法により行われることによって、支柱構造がボイドレスとすることができるので、機械的強度のばらつきを抑制することができる。
また、この燐（Ｐ）がドープされた多結晶シリコンからなる支柱１６Ａ，１６Ｂを介して、下部配線６Ａ，６Ｂから、ビーム１０に導通がとられる。さらに、ビーム１０と支柱１６Ａ，１６Ｂが同じ熱膨張係数を有する材料で形成することが望ましい。支柱とビームを熱膨張係数が同じ材料とすることで、熱膨張係数の差に起因するデバイス特性の温度依存性を小さくすることができる。
【００４６】
次に、図３Ｈに示すように、保護膜１５として機能する多結晶シリコン膜９０の一部を、周知のリソグラフィ技術及びドライエッチング技術を利用して選択的にエッチング除去し、犠牲層へ通じる開口１７Ａ，１７Ｂを形成する。その後、開口１７Ａ，１７Ｂを用いて犠牲層９Ａ及び９Ｂを選択的にエッチング除去し、ビーム１０の上下部に空間２６及び２７を形成する。
【００４７】
次に、図４Ｉに示すように、減圧下における成膜処理で開口１７Ａ，１７Ｂに封止膜１８Ａ，１８Ｂを形成して電気機械素子本体２５を気密封止する。すなわち、例えば、真空中にてスパッタリングにより成膜処理を行い開口１７Ａ，１７Ｂを封止するスパッタ膜により封止膜１８Ａ，１８Ｂを形成する。このとき用いる反応ガスとしては、アルゴン（Ａｒ）ガスが挙げられる。また、スパッタ膜としては、Ａｌ−Ｃｕ膜、Ａｌ−Ｓｉ膜等といった、金属または金属化合物による薄膜が挙げられる。スパッタ膜を形成したら、周知のリソグラフィ技術及びドライエッチング技術を利用して、封止膜１８Ａ，１８Ｂを残すパターニング処理を行う。なお、このスパッタ膜のパターニング工程で、封止膜１８Ａ，１８Ｂと同時に、他の配線層等も形成することもできる。また、他の配線等を形成しない場合は、絶縁膜（シリコン酸化膜）１９で表面を保護する。
【００４８】
次に、図４Ｊに示すように、下部配線６Ａに達するように、絶縁膜（例えばシリコン酸化膜）１９、保護膜１５、及びその下のシリコン酸化膜１２を周知のリソグラフィ技術及びドライエッチング技術を利用して開口３０を形成し、その後、上記と同様のスパッタ膜を形成し、これを周知のリソグラフィ技術及びドライエッチング技術を利用してパターニングし、下部配線６Ａに接続した外部配線２９を形成する。なお、電気機械素子本体２５の周囲に形成されたシリコン酸化膜は、図１で説明した絶縁膜に相当する。このようにして、電気機械素子本体２５が保護膜１５で気密封止されると共に、保護膜１５とビーム１０が共通の支柱１６Ａ，１６Ｂにより支持される。このようにして、本実施形態の電気機械素子１が完成する。
【００４９】
本実施形態によれば、１回のリソグラフィ工程により、ビームと保護膜を支持する支柱のための貫通孔を形成することができるので、従来のように、ビームの支持部と保護膜の支柱の位置がずれるという問題が無くなり、ビームの周波数変動を防止することができ、歩留まりの向上が図られる。すなわち、ビームを貫通する支柱により可動子と保護膜が支持されるので、ビームの上側と下側でずれが生じない。
また、ビーム及び保護膜を支持する支柱を形成するための貫通孔を一回の工程によって形成するので、可動子に対してマスクの合わせずれに起因する支柱の信号ずれが生じない。そして、リソグラフィが一回の工程で行われるので、マスク枚数が削減され、コストが削減される。
【００５０】
ところで、上述した本実施形態においては、下部配線６Ａ，６Ｂとビーム１０の導通を確保するために、保護膜１５と支柱１６Ａ，１６Ｂは、燐（Ｐ）をドープした多結晶シリコンとした。この電気機械素子１は、保護膜１５で全体が気密封止されている為に、電気機械素子１の図示されない端部で、出力電極７の外部導出部と入力電極となるビーム１０に繋がる保護膜１５が交差する部分が存在する場合があり、そのまま交差してしまうと、ショートの原因となる。
【００５１】
図５に、本実施形態の電気機械素子１において、図１の紙面に直交する断面において、保護膜１５が基板５に封止される部分の概略構成を示す。本実施形態のように、保護膜１５及び支柱１６Ａ，１６Ｂの材料として、導電性の材料を用いた場合は、図５に示すように、出力電極７を、保護膜１５が基板５側に気密に封止されている部分において、下層に形成した配線層２２に繋げる構成とする。図５に示す例では、出力電極７は、Ａｌ等よりなる電極パッド２３を介して、半導体基板２内に形成した下層の配線層２２（いわゆる不純物拡散層）に導通され、その後、上部に保護膜１５が無い位置で、取り出し電極２４を介して出力される。このように、下層の配線層２２を用いることによって、保護膜１５と下部電極７内でショートすることがない。
【００５２】
以上のように、本実施形態においては、保護膜１５及び支柱１６Ａ、１６Ｂに導電性の材料を用いたが、絶縁性のものを用いてもよい。図６に、保護膜に絶縁性の材料を用いた場合の、保護膜を形成した段階における概略構成を示す。この場合は、上部電極となるビーム１０と下部配線６Ａ，６Ｂとの導通を得るために、図６に示すように、支柱１６Ａ，１６Ｂを形成する際の貫通孔１３Ａ，１３Ｂにおいて、導電性のサイドウォール２１を形成する。このサイドウォール２１は、貫通孔１３Ａ、１３Ｂが形成された後、例えば燐（Ｐ）をドープした多結晶シリコンを埋め込み、エッチバックにより形成する。その後、例えばノンドープのシリコン膜により絶縁性の保護膜２０を形成することによって、ビーム１０と下部配線６Ａ，６Ｂの導通が得られ、且つ、保護膜２０がノンドープシリコン膜で形成されるので、上部電極と下部電極のショートも起こらない。
【００５３】
また、本実施形態においては、支柱を介して上部電極となるビームに給電を行う構成としたが、他の実施形態として、保護膜１５及び共通の支柱１６Ａ，１６Ｂをノンドープの多結晶シリコンで形成し、支柱１６Ａ，１６Ｂとは別の経路により、例えばビームと下部配線間に形成した導電部により、下部配線からビームに給電する構成を有するものとすることもできる。
さらに、本実施形態においては、ビーム及び保護膜の支柱１６Ａ，１６Ｂは、それぞれ１本ずつであるが、図７に示すように、すだれ状に複数形成してもよい。このようにすだれ状の複数の貫通孔１６Ａ，１６Ｂを形成する場合、ここに導電性の材料を充填して支柱１６Ａ，１６Ｂを形成して、その後、保護膜となる部分を絶縁性の材料で形成すればよい。この場合、支柱１６Ａ，１６Ｂを導電性材料で形成した後、ＣＭＰ処理等により平坦化するのが望ましい。
また、本実施形態において、犠牲層をシリコン酸化膜で形成する例を示したが、シリコン酸化膜又は多結晶シリコン膜のいずれか、もしくは両方を用いる構成としても良い。
【００５４】
尚、本実施形態はビーム１０を両持梁構造とした電気機械素子を例としたが、片持ち梁構造など、これに類する構造についても同様に考えられることは言うまでもない。また、本実施形態においては、一次振動モードで振動する電気機械素子を用いたが、二次振動モードで振動する電気機械素子においても同様の構成とすることができる。
【００５５】
図８に、二次振動モードで振動する電気機械素子の実施の形態を示す。本実施形態に係る電気機械素子９２は、下部電極として、入力電極７Ａと出力電極７Ｂを形成し、ビーム１０に直流バイアス電圧を印加するように構成される。その他の構成は、図１と同様であるから、図８において、図１に対応する部分には同一符号を付し重複説明を省略する。本実施の形態においても、前述の図５、図６、図７の構成を通用することができる。
【００５６】
本実施形態の電気機械素子９２では入力電極７Ａに所要の周波数信号が入力されると、ビーム１０が共振し、出力電極７Ｂから上記所要の周波数信号が出力される。このとき、ビームは二次振動モードで振動する。
【００５７】
本実施形態の電気機械素子９２においても、ビーム１０及び保護膜１５に対する支持が貫通した共通の支柱１６Ａ，１６Ｂでなされるので、前述と同様に、周波数変動が防止され、歩留まりの向上がはかられる。
【００５８】
本実施形態の電気機械素子及びその製造方法は、高周波フィルタ等の共振器以外の、各種センサ、アクチュエータ、光学素子（光変調素子となるＧＬＶ素子を含む）、その他等の様々な分野に用いられる電気機械素子に適用できる。
【００５９】
上述した実施の形態の電気機械素子は、例えば共振器は、高周波（ＲＦ）フィルタ、中間周波数（ＩＦ）フィルタなどの帯域信号フィルタとして用いることができる。
また、本発明の他の実施の形態として、このような電気機械素子によるフィルタを用いた通信装置を提供できる。すなわち、上述の実施の形態に係る電気機械素子によるフィルタを用いて構成される携帯電話、無線ＬＡＮ機器、無線トランシーバ、テレビチューナ、ラジオチューナ等の電磁波を利用して通信する通信装置を提供することもできる。
【００６０】
次に、本例のフィルタを適用した通信装置の構成例を、図９を参照して説明する。
まず送信系の構成について説明すると、Ｉチャンネルの送信データとＱチャンネルの送信データを、それぞれデジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）２０１Ｉ及び２０１Ｑに供給してアナログ信号に変換する。変換された各チャンネルの信号は、バンド・パス・フィルタ２０２Ｉ及び２０２Ｑに供給して、送信信号の帯域以外の信号成分を除去し、バンド・パス・フィルタ２０２Ｉ及び２０２Ｑの出力を、変調器２１０に供給する。
【００６１】
変調器２１０では、各チャンネルごとにバッファアンプ２１１Ｉ及び２１１Ｑを介してミキサ２１２Ｉ及び２１２Ｑに供給して、送信用のＰＬＬ（phase-locked loop）回路２０３から供給される送信周波数に対応した周波数信号を混合して変調し、両混合信号を加算器２１４で加算して１系統の送信信号とする。この場合、ミキサ２１２Ｉに供給する周波数信号は、移相器２１３で信号位相を９０°シフトさせてあり、Ｉチャンネルの信号とＱチャンネルの信号とが直交変調されるようにしてある。
【００６２】
加算器２１４の出力は、バッファアンプ２１５を介して電力増幅器２０４に供給し、所定の送信電力となるように増幅する。電力増幅器２０４で増幅された信号は、送受信切換器２０５と高周波フィルタ２０６を介してアンテナ２０７に供給し、アンテナ２０７から無線送信させる。高周波フィルタ２０６は、この通信装置で送信及び受信する周波数帯域以外の信号成分を除去するバンド・パス・フィルタである。
【００６３】
受信系の構成としては、アンテナ２０７で受信した信号を、高周波フィルタ２０６及び送受信切換器２０５を介して高周波部２２０に供給する。高周波部２２０では、受信信号を低ノイズアンプ（ＬＮＡ）２２１で増幅した後、バンド・パス・フィルタ２２２に供給して、受信周波数帯域以外の信号成分を除去し、除去された信号をバッファアンプ２２３を介してミキサ２２４に供給する。そして、チャンネル選択用ＰＬＬ回路２５１から供給される周波数信号を混合して、所定の送信チャンネルの信号を中間周波信号とし、その中間周波信号をバッファアンプ２２５を介して中間周波回路２３０に供給する。
【００６４】
中間周波回路２３０では、供給される中間周波信号をバッファアンプ２２５を介してバンド・パス・フィルタ２３２に供給して、中間周波信号の帯域以外の信号成分を除去し、除去された信号を自動ゲイン調整回路（ＡＧＣ回路）２３３に供給して、ほぼ一定のゲインの信号とする。自動ゲイン調整回路２３３でゲイン調整された中間周波信号は、バッファアンプ２３４を介して復調器２４０に供給する。
【００６５】
復調器２４０では、供給される中間周波信号をバッファアンプ２４１を介してミキサ２４２Ｉ及び２４２Ｑに供給して、中間周波用ＰＬＬ回路２５２から供給される周波数信号を混合して、受信したＩチャンネルの信号成分とＱチャンネルの信号成分を復調する。この場合、Ｉ信号用のミキサ２４２Ｉには、移相器２４３で信号位相を９０°シフトさせた周波数信号を供給するようにしてあり、直交変調されたＩチャンネルの信号成分とＱチャンネルの信号成分を復調する。
【００６６】
復調されたＩチャンネルとＱチャンネルの信号は、それぞれバッファアンプ２４４Ｉ及び２４４Ｑを介してバンド・パス・フィルタ２５３Ｉ及び２５３Ｑに供給して、Ｉチャンネル及びＱチャンネルの信号以外の信号成分を除去し、除去された信号をアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）２５４Ｉ及び２５４Ｑに供給してサンプリングしてデジタルデータ化し、Ｉチャンネルの受信データ及びＱチャンネルの受信データを得る。
【００６７】
ここまで説明した構成において、各バンド・パス・フィルタ２０２Ｉ，２０２Ｑ，２０６，２２２，２３２，２５３Ｉ，２５３Ｑの一部又は全てとして、本例の構成のフィルタを適用して帯域制限することが可能である。図９の例では、各フィルタをバンド・パス・フィルタとして構成したが、所定の周波数よりも下の周波数帯域だけを通過させるロー・パス・フィルタや、所定の周波数よりも上の周波数帯域だけを通過させるハイ・パス・フィルタとして構成して、それらのフィルタに本例の構成のフィルタを適用してもよい。また、図９の例では、無線送信及び無線受信を行う通信装置としたが、有線の伝送路を介して送信及び受信を行う通信装置が備えるフィルタに適用してもよく、さらに送信処理だけを行う通信装置や受信処理だけを行う通信装置が備えるフィルタに、本例の構成のフィルタを適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明に係る電気機械素子の一実施形態例を示す概略断面構成図である。
【図２】Ａ〜Ｄ  本発明に係る電気機械素子の製造方法の一実施形態例を示す製造工程図（その１）である。
【図３】Ｅ〜Ｈ  本発明に係る電気機械素子の製造方法の一実施形態例を示す製造工程図（その２）である。
【図４】Ｉ，Ｊ  本発明に係る電気機械素子の製造方法の一実施形態例を示す製造工程図（その３）である。
【図５】本発明に係る電気機械素子の一実施形態例の他の概略断面構成図を示す。
【図６】本発明に係る電気機械素子の他の実施形態例に係る概略断面構成図を示す。
【図７】本発明に係る電気機械素子の他の実施形態例に係る概略断面構成図を示す。
【図８】本発明に係る電気機械素子の他の実施形態例の他の概略断面構成図を示す。
【図９】本発明に係る電気機械素子を帯域フィルタとして備えた通信装置の一実施形態を示す回路図である。
【図１０】先行例に係る電気機械素子の概略断面構成図である。
【図１１】先行例に係る電気機械素子の製造方法の一例を示す製造工程図である。
【図１２】従来例に係る電気機械素子の概略断面構成図である。
【符号の説明】
【００６９】
１，３１，１００・・電気機械素子、２・・半導体基板、３，８，１１，１９，１２，４２，６７，６９・・シリコン酸化膜、４，４３・・シリコン窒化膜、５，３２・・基板、６Ａ，６Ｂ，３９Ａ，３９Ｂ・・下部配線、７，３３・・出力電極、１０，３５・・ビーム、１３Ａ，１３Ｂ・・貫通孔、１４Ａ，１４Ｂ，６８・・開口、３０・・開口部、１５，３８，５８・・保護膜、２５・・電気機械素子本体、２７，３４，３７・・空間、１６Ａ，１６Ｂ，５２・・支柱、１７Ａ，１７Ｂ・・開口、１８Ａ，１８Ｂ，５０・・封止膜、２２・・配線層、２３・・電極パッド、２４・・取り出し電極、２５・・電気機械素子本体、４０Ａ，４０Ｂ・・支持部、４８・・外部配線層、２０１Ｉ，２０１Ｑ・・デジタル／アナログ変換器、２０２Ｉ，２０２Ｑ，２２２，２３２，２５３Ｉ，２５３Ｑ・・バンド・パス・フィルタ、２０４・・電力増幅器、２０５・・送受信切換器、２０６・・高周波フィルタ、２０７・・アンテナ、２１０・・変調器、２１１Ｉ，２１１Ｑ，２２５，２４１・・バッファアンプ、２１２Ｉ，２１２Ｑ，２２４，２４２，２４２Ｑ・・ミキサ、２１３・・移相器、２１４・・加算器、２２０・・高周波部、２２１・・低ノイズアンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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