(57)【要約】【課題】電気機械共振器の共振周波数は、構造の振動モードで決定し、最適な入出力電極の配置が必要となる。必要に応じて電極の高さを可変でき、かつ電極強度を維持することのできる平行駆動型の電気機械共振器を提供することを目的とする。【解決手段】振動子の側面に同一レイヤで構成される複数の固定電極と、振動子と前記固定電極の間で構成されるギャップを有し、前記ギャップ間の幅の一部が広がる領域を有するようにしたことを特徴とする。すなわち本発明の電気機械共振器は、固定電極と、前記固定電極とギャップを介して形成された振動子とを具備した共振部を備え、前記固定電極の厚さ方向で、前記ギャップ幅が異なる領域を有する。【選択図】図１
2008206140.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定電極と、
前記固定電極とギャップを介して形成された振動子とを具備した共振部を備え、
前記固定電極の厚さ方向で、前記ギャップ幅が異なる領域を有する電気機械共振器。
【請求項２】
請求項１に記載の電気機械共振器であって、
前記ギャップは、その幅が一定である第１の領域と、前記固定電極と前記振動子との間の静電容量を無視しうる程度に大きい第２の領域をもつ電気機械共振器。
【請求項３】
請求項１に記載の電気機械共振器であって、
前記振動子は、第１及び第２の固定電極の間にギャップを介して配されている電気機械共振器。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の電気機械共振器であって、
前記ギャップがエアギャップのみである電気機械共振器
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれかに記載の電気機械共振器であって、
前記ギャップがエアギャップと誘電体ギャップとを含む電気機械共振器。
【請求項６】
請求項１乃至３のいずれかに記載の電気機械共振器であって、
前記ギャップが誘電体ギャップのみである電気機械共振器。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の電気機械共振器であって、
前記振動子は単結晶シリコンである電気機械共振器。  
【請求項８】
請求項１乃至６のいずれかに記載の電気機械共振器であって、
前記振動子はポリシリコンである電気機械共振器。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれかに記載の電気機械共振器であって、
前記固定電極は基板に所定のポストを介して形成され、
前記振動子の側面は前記基板表面に対して傾斜面を構成する電気機械共振器。  
【請求項１０】
請求項１乃至８のいずれかに記載の電気機械共振器であって、
前記固定電極は基板に所定のポストを介して形成され、
前記振動子の側面は前記基板表面に対して垂直である電気機械共振器。  
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれかに記載の電気機械共振器であって、
前記固定電極の厚さが前記振動子の厚さよりも厚い電気機械共振器。  
【請求項１２】
請求項１乃至１０のいずれかに記載の電気機械共振器であって、
前記固定電極の厚さが前記振動子の厚さと同等である電気機械共振器。  
【請求項１３】
請求項１乃至１０のいずれかに記載の電気機械共振器であって、
前記固定電極の厚さが前記振動子の厚さよりも薄い電気機械共振器。  
【請求項１４】
請求項１乃至１３のいずれかに記載の電気機械共振器であって、
基板上に、共振周波数の異なる複数の共振部を備えた電気機械共振器。
【請求項１５】
請求項２に記載の電気機械共振器であって、
前記共振部は
第１の共振部と、
第２の共振部とで構成され、
前記ギャップのうち幅が一定である第１の領域の長さが、前記第１及び第２の共振部で互いに異なる電気機械共振器。
【請求項１６】
基板に第１の電極を形成する工程と、
前記第１の電極の上層に絶縁膜を成膜する工程と、      
前記絶縁膜の上層に導電体層を形成し、これを平坦化して第２の電極を形成する工程と、前記第１の電極と第２の電極との間にギャップを形成する工程とを含み、
前記第１及び第２の電極のいずれか一方で構成された固定電極と、
前記固定電極とギャップを介して形成され、前記第１及び第２の電極の他方で構成された振動子とを具備した共振部を備え、
前記固定電極の厚さ方向で、前記ギャップ幅が異なる領域を有する電気機械共振器を形成するようにした電気機械共振器の製造方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の電気機械共振器の製造方法であって、
前記ギャップを形成する工程は、
前記電極に、前記第１および第２の電極の間の静電力を無視しうる程度にギャップ幅の大きい第２の領域となる溝を形成する工程と、
前記溝から連通する領域の前記絶縁膜を除去し第１の領域となるエアギャップを形成する電気機械共振器の製造方法。
【請求項１８】
請求項１６に記載の電気機械共振器の製造方法であって、
前記ギャップを形成する工程は、
前記電極に絶縁性不純物をドープし、誘電体化することにより、前記第１および第２の電極の間の静電力を無視しうる程度にギャップ幅の大きい第２の領域となる誘電体溝を形成する工程を含み、
前記誘電体溝から連通する領域の前記絶縁膜を第１の領域とし誘電体ギャップを形成する電気機械共振器の製造方法。
【請求項１９】
請求項１６に記載の電気機械共振器の製造方法であって、
前記ギャップを形成する工程は、
前記絶縁膜を除去しエアギャップを形成する工程と、
前記エアギャップに連結されるように前記電極に絶縁性不純物をドープし、誘電体化することにより第２の領域となる誘電体溝を形成する工程を含み、
前記エアギャップと誘電体溝とからなるギャップを形成する工程とを含む電気機械共振器の製造方法。
【請求項２０】
請求項１７に記載の電気機械共振器の製造方法であって、
傾斜面を持つようにエッチングし断面三角形の振動子を形成した後、この振動子の上層に絶縁層を成膜する工程と、
前記絶縁層の上層に導電体層を形成する工程と、  
前記導電体層を、垂直方向にエッチングすることにより前記絶縁層に到達する前記溝を形成する工程とを含む電気機械共振器の製造方法。
【請求項２１】
請求項１７に記載の電気機械共振器の製造方法であって、
基板に溝を形成する工程と、
前記溝に絶縁層を成膜する工程と、
前記溝に導電体層を充填する工程と、
前記導電体層を傾斜方向にエッチングすることにより前記絶縁層に到達する前記溝を形成する工程とを含む電気機械共振器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems) 技術を用いて作成する電気
機械共振器、及びその製造方法。
【背景技術】
【０００２】
従来の電気機械デバイスにおいて、さまざまな駆動方式で振動子を動作させる構成が用いられているが、その中でも基板に対して平行移動する電気機械素子は数多く応用されている。この様な電気機械デバイスの振動子を機械的に動作させるためには、構造の側面に固定電極を配置して駆動させる入出力端子が必要となる。
【０００３】
ところでこの電気機械デバイスにおいて、電極の厚みを変えて振動モードを変化させるという方法が提案されている。
例えば、非特許文献１に示すような電気機械共振器が提案されている。
この電気機械共振器は図１８に示すように、両端が自由端として支持される梁型振動子がある。基板５０に形成された固定電極５１と振動子５２の間には均一なエアギャップ５３が形成される。このエアギャップ間に静電力が働き、振動子が機械的に振動する。共振周波数は主に固定電極５１の電極配置によって決定する振動モードで決定するが、図１８(a)のように振動子５２の下層部に入力端子と出力端子の各１個の電極５１を配置する構成では、たわみ振動２次モードが励起する（図１８(b)）。又、振動子５２の下層部に電極５１を３個配置すると２次モードより高い共振周波数でたわみ振動３次モードが励起する。この電極配置の位置づけとは、電極５１を振動の腹にもってくることにより、励起される振動モードが異なることである。
【０００４】
このことから、異なる共振周波数を有する電気機械共振器が必要な場合、励起する振動モードによって固定電極のサイズや配置を可変させる必要がある。又、そのような電極を簡易に形成できる製造方法が必要となる。
【０００５】
特許文献１は電子銃および量子細線の製造方法であり、三角断面構造の上層に犠牲層と電極層を形成した構造である。この製造方法では、厚膜のレジストを塗布してエッチバックすることで、電極の頂点を突出させ、この突出した部分の電極を除去して電極を形成する工程を用いている。電極は構造の両側の側面に形成され、入出力端子として構成される。
【０００６】
特許文献１のように、構造の側面に配置する固定電極を同一レイヤ間で作成する製造方法を用いることにより、１回で成膜した電極層で複数の固定電極が同時に形成することを可能とする。
【０００７】
【非特許文献１】M.Demirci, C.T.-C. Nguyen, “Higher-mode Free-Free Beam Micromechanical Resonators,” Proceeding, 2003 IEEE Int. Frequency Control Symposium, Tampa, Florida, May 5-8, 2003, pp. 810-818.
【特許文献１】特開平6-310029号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
非特許文献１の垂直駆動型の共振器は、固定電極の配置によって、選択した振動モードの共振周波数が決定するが、この構成では電極が振動子の下層部のみに形成されるため、電極の配置に限定がかかる。
特許文献１では、振動子両側の側面に電極を配置し、基板上、平行に駆動する構成を用いるため、非特許文献1の課題が解決できる。しかし特許文献1で、構造の側面に配置する電極の高さは、製造工程のレジストエッチバックの制御時間で決定するため、高さを可変とするには高度な膜厚制御が課題となる。又、複数の固定電極を独立に制御して膜厚を変更することは難しく、これには電極層を多層化することが必要となる。一方、多層化すると工程数が増加して製造方法が複雑になる他、製造コストも上昇するという問題が発生する。
【０００９】
更に、特許文献１の構成で平行駆動型の電気機械共振器を実現する場合、振動子の下層部に存在する犠牲層を除去して中空構造を形成する必要がある。図１９にこの電気機械共振器の断面図を示す。図１９で振動子５６の下層部の犠牲層５４を除去するが、この時、電極５５が薄いと、電極５５の下層部の犠牲層５４も同時にエッチングされ電極にアンダーカットが生じる。これにより、電極５５が基板５７に引っ付いて離れなくなったり、入力信号により電極５５が励振する課題が発生する。
【００１０】
そこで、本発明では、必要に応じて電極の高さを可変でき、かつ電極強度を維持することのできる平行駆動型の電気機械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】
【００１１】
上記課題を解決するため、本発明では、振動子の側面に同一レイヤで構成される複数の固定電極と、振動子と前記固定電極の間で構成されるギャップを有し、前記ギャップ間の幅の一部が広がる領域を有するようにしたことを特徴とする。すなわち本発明の電気機械共振器は、固定電極と、前記固定電極とギャップを介して形成された振動子とを具備した共振部を備え、前記固定電極の厚さ方向で、前記ギャップ幅が異なる領域を有する。
ここで固定電極の厚さ方向とは、固定電極の積層方向をいい、ギャップの長さ方向に相当するものとする。これにより、実質的なギャップ幅を自由に選択できるため、他を変更することなくギャップ幅の調整によってのみ所望の共振周波数をもつ電気機械共振器を、形成することができる。また、固定電極の厚さを薄くすることなく形成できるため、強度を維持することができ、上述したような、電極が基板に引っ付いたり、入力信号により固定電極が励振されたりするというような不都合はない。
【００１２】
また、上記電気機械共振器において、前記ギャップは、その幅が一定である第１の領域と、前記固定電極と前記振動子との間の静電容量を無視しうる程度に大きい第２の領域をもつようにしてもよい。この構成により、第１の領域のみを動作領域として用いることができ、設計が容易となる。また同一基板上に多数の異なる共振周波数をもつ共振部を形成するような場合にも、たとえば溝の幅を調整するだけで第１の領域の大きさを変更でき、共振周波数を変更できるなど、極めて容易に設計することが可能である。
【００１３】
また、本発明の電気機械共振器の製造方法では、基板に第１の電極を形成する工程と、前記第１の電極の上層に絶縁膜を成膜する工程と、前記絶縁膜の上層に導電体層を形成し、これを平坦化して第２の電極を形成する工程と、前記第１の電極と第２の電極との間にギャップを形成する工程とを含み、前記第１及び第２の電極のいずれか一方で構成された固定電極と、前記固定電極とギャップを介して形成され、前記第１及び第２の電極の他方で構成された振動子とを具備した共振部を備え、前記固定電極の厚さ方向で、前記ギャップ幅が異なる領域を有する電気機械共振器を形成する。つまり固定電極と振動子のうちの一方の電極をパターニングして犠牲層としての絶縁膜を形成し、さらにこの上層に他方の電極となる導電体層を形成したのち、この絶縁膜を除去して、一定幅のギャップを形成するとともに、溝を形成して、この一定幅のギャップよりも広い幅のギャップを形成することにより、容易に、厚さ方向でギャップ幅の異なる電気機械共振器を形成することができる。すなわち、通常振動子を先にパターニングするが、固定電極を先にパターニングしてもよい。
【００１４】
すなわち、本発明では、振動子の上層に絶縁層を成膜する工程と、前記絶縁層の上層に導電体層を形成しこれを平坦化する工程と、前記電極層にマスクパターンを形成して基板表面に垂直な方向にエッチングすることにより溝を形成する工程と、前記溝の側面に保護膜を形成して前記導電体層を選択的に除去し、固定電極のパターンを形成する工程とを含む。
また本発明では、基板に溝を形成する工程と、前記溝に絶縁膜を成膜する工程と、前記溝を導電体層で埋める工程と、前記基板の傾斜方向にエッチングすることにより前記絶縁層に到達する前記溝を形成する工程とを含む。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の構造により、複数の共振周波数に対応可能で、しかも強度の高い固定電極を有する電気機械共振器が実現する。
更に、本発明の製造方法により、同レイヤ間で複数の共振周波数をもつ固定電極の形成が可能となり、工程の簡略化によるコストの低減を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
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及び図２は、本発明の実施の形態１における電気機械共振器、及びその製造方法の断面図である。
本発明の電気機械共振器は、図１(a)に示すように、固定電極と、固定電極１０７とギャップを介して形成された振動子１０９とを具備した共振部を備え、この固定電極１０７の厚さ方向で、ギャップが、その幅が一定である第１の領域（１１３）と、前記固定電極と前記振動子との間の静電容量を無視しうる程度に大きい第２の領域（１１１）をもつことを特徴とするものである。振動子１０９は断面三角形の梁状体を形成しており、この振動子の２つの側面に固定電極１０７を配置し、振動子１０９と固定電極１０７の間のギャップ幅が一定でない部分を含むエアギャップで構成されている。ここで固定電極１０７の厚みは、振動子１０９の厚みよりも大きく形成されている。詳細には広い幅のギャップ１１１と狭い幅のギャップ１１３を有するエアギャップであり、振動子１０９と固定電極１０７の間で狭い幅のギャップ１１３に最大の静電力が発生する。容量間で働く静電力は幅の2乗に比例するため、広い幅のギャップ１１１では静電力が小さく、駆動力が弱い。図１(b)は、このギャップ間隔により励振される振動モードを示す。狭い幅のギャップ１１３が振動子１０９の厚さの半分まで重なる場合、その領域で駆動力が働き、その結果、三角断面梁を振動子とするねじり振動が励振される。更に、ここでは固定電極１０７の厚みは、振動子１０９の厚みよりも大きく形成したことで、固定電極の強度を高めることができる。固定電極１０７の強度を高めるため、電極膜厚は構造の高さ、あるいはそれ以上に設定するのが望ましい。
【００１７】
図２は本発明の実施の形態１における共振器構造の製造方法を示す。
まず、材料基板１０１としてシリコン基板表面に、第１の絶縁膜１０３としての酸化シリコン層を介して単結晶シリコン薄膜を形成したＳＯＩ基板を用意する。
次いで、図２(a)に示すように、フォトリソグラフィによりマスクパターンを形成し、このマスクパターンを用いて異方性エッチングを行うことにより、（傾斜角５４．７度の）傾斜した側面をもつ断面三角形の梁状体からなる振動子１０９を形成し、この上層に、第２の絶縁膜１０５として酸化シリコン層を成膜する。
【００１８】
そして図２(b)に示すように、第２の絶縁膜１０５上に、ＣＶＤ法により、固定電極１０７となるドープト多結晶シリコン層を成膜する。このとき、平坦な膜を形成するように減圧ＣＶＤ法などを用いるのが望ましい。
次に図２(c)に示すように、この固定電極１０７となる多結晶シリコン層にマスクパターンを形成して溝を堀り、振動子１０９の上層に形成される第２の絶縁膜１０５を露出する。
【００１９】
最後に図２(ｄ)に示すように、表面に露呈する第２の絶縁膜１０５をエッチングにより除去し、ギャップを形成するとともに第１の絶縁膜１０３を除去し、電気機械共振器を形成する。
【００２０】
このようにして、図１に示した電気機械共振器を作業性よく形成することができる。
【００２１】
なお、前記実施の形態１では、固定電極１０７を基板上のポストとしての第１の絶縁膜１０３を介して形成しており、振動子１０９の下のこのポストに対応する部分をエッチング除去することにより、振動子１０９を選択的に可動にすることができる。
また、振動子１０９の側面は傾斜面であり、第1の領域では、この傾斜面に沿って所定の間隔のギャップを隔てて固定電極１０７が対向しており、良好に静電力が作用するように構成されている。
一方第２の領域では、固定電極１０７の側面が断面垂直となっており、振動子１０９の側面と大きく離間した構造となっており、この領域では静電力がほとんど作用しない構造となっている。
【００２２】
これら側面の形状については適宜変更可能であり、ギャップ幅が一定で、静電力を作用しうる程度に狭く形成した第１の領域と、静電力を考慮しなくてよい程度に広いギャップ幅を持つ第２の領域とが配設されていればよい。
なお前記実施の形態では、振動子１０９を構成する断面三角形の梁状体を単結晶シリコンで構成しているため、この振動子１０９のパターニングに際し、シリコンの異方性エッチングにより極めて制御性よく形状加工を行うことができる。
【００２３】
なお、本実施の形態では出発材料を構成する材料基板としてシリコン基板に単結晶シリコン基板を貼着して形成したＳＯＩ基板を用いたが、多結晶シリコンあるいはアモルファスシリコンを貼着したＳＯＩ基板を用いてもよいことはいうまでもない。このときは単結晶の結晶面に依存する異方性エッチングをエッチング終点として用いるという制御ができない。
【００２４】
(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。前記実施の形態では、ギャップはエアギャップとしたが、この変形例として、容量絶縁膜１０５が形成されていてもよい。
図３（ａ）及び（ｂ）は、図１に示した実施の形態１の電気機械共振器の変形例を示す図である。本実施の形態では、ギャップを更に工夫することにより、広がった領域と狭まっている領域の容量比を最適化するものである。図３（ｂ）は、図３（ａ）の要部拡大図である。
【００２５】
図３に示すように、本実施の形態の電気機械共振器は、前記実施の形態１の電気機械共振器の製造工程でギャップ形成のための犠牲層として用いた第２の絶縁膜１０５を成膜した状態でそのまま容量絶縁膜として用いて励振・検出を行う容量結合型の電気機械共振器である。
また、ここでは、シリコン基板１０１を背面からエッチングし、振動子をより振動し易いようにしている。
【００２６】
(実施の形態３)
図４及び図５は、本発明の実施の形態３における電気機械共振器、及びその製造方法の断面図である。
本発明の電気機械共振器が、前記実施の形態１の電気機械共振器と異なるのは、固定電極１０７と振動子１０９の厚さが略等しい点である。この構成により、固定電極の機械的強度は実施の形態１よりも小さいが、厚さを最大限に生かした構造である。すなわち、本発明の電気機械共振器は、図４(a)に示すように、固定電極と、固定電極１０７とギャップを介して形成された振動子１０９とを具備した共振部を備え、この固定電極１０７の厚さ方向で、ギャップが、その幅が一定である第１の領域（１１３）と、前記固定電極と前記振動子との間の静電容量を無視しうる程度に大きい第２の領域（１１１）をもつことを特徴とするものである。振動子１０９は断面三角形の梁状体を形成しており、この振動子の２つの側面に固定電極１０７を配置し、振動子１０９と固定電極１０７の間のギャップ幅が一定でない部分を含むエアギャップで構成されている。ここで固定電極１０７の厚みは、振動子１０９の厚みと略同等となるように形成されている。詳細には広い幅のギャップ１１１と狭い幅のギャップ１１３を有するエアギャップであり、振動子１０９と固定電極１０７の間で狭い幅のギャップ１１３に最大の静電力が発生する。容量間で働く静電力は幅の2乗に比例するため、広い幅のギャップ１１１では静電力が小さく、駆動力が弱い。図４(b)は、このギャップ間隔により励振される振動モードを示す。狭い幅のギャップ１１３が振動子１０９の厚さの半分まで重なる場合、その領域で駆動力が働き、その結果、三角断面梁を振動子とするねじり振動が励振される。更に、ここでは固定電極１０７の厚みは、振動子１０９の厚みと同等に形成したことで、高さを最大限に利用した構造である。
【００２７】
図５は本発明の実施の形態３における共振器構造の製造方法を示す。実施の形態１において図２を参照して説明した方法と異なるのは、固定電極１０７形成のためのドープト多結晶シリコン層の膜厚を大きくする点、およびギャップの形成に先立ち、窒化シリコン膜１１５でドープト多結晶シリコン層の側壁を被覆し、振動子１０９の高さまでエッチバックする工程を付加した点である。
【００２８】
以下の本実施の形態３の共振器構造の製造方法について説明する。
まず、材料基板１０１としてシリコン基板表面に、第１の絶縁膜１０３としての酸化シリコン層を介して単結晶シリコン薄膜を形成したＳＯＩ基板を用意する。
次いで、図５(a)に示すように、フォトリソグラフィによりマスクパターンを形成し、このマスクパターンを用いて異方性エッチングを行うことにより、（傾斜角５４．７度の）傾斜した側面をもつ断面三角形の梁状体からなる振動子１０９を形成し、この上層に、第２の絶縁膜１０５として酸化シリコン層を成膜する。
【００２９】
そして図５(b)に示すように、第２の絶縁膜１０５上に、ＣＶＤ法により、固定電極１０７となるドープト多結晶シリコン層を成膜する。このとき、平坦な膜を形成するように減圧ＣＶＤ法などを用いるのが望ましい。
次に図５(c)に示すように、この固定電極１０７となる多結晶シリコン層にマスクパターンを形成して溝を堀り、振動子１０９の上層に形成される第２の絶縁膜１０５を露出する。
【００３０】
その後、窒化シリコン膜からなる保護膜１１５を堆積し(図５(d))、異方性エッチングを実施すると、上面の保護膜１１５が除去される(図５(ｅ))。次に図５(f)に示すように固定電極１０７を形成するための多結晶シリコン層をエッチングして膜厚を決定する。
最後に図５(ｇ)に示すように、表面に露呈する第２の絶縁膜１０５をエッチングにより除去し、ギャップを形成するとともに第１の絶縁膜１０３を除去し、図５(ｈ)に示すように、電気機械共振器を形成する。
【００３１】
このようにして、図４に示した電気機械共振器を作業性よく形成することができる。
【００３２】
なお、本実施の形態においても前記実施の形態１と同様、固定電極１０７を基板上のポストとしての第１の絶縁膜１０３を介して形成しており、振動子１０９の下のこのポストに対応する部分をエッチング除去することにより、振動子１０９を選択的に可動にすることができる。
また、振動子１０９の側面は傾斜面であり、第1の領域では、この傾斜面に沿って所定の間隔のギャップを隔てて固定電極１０７が対向しており、良好に静電力が作用するように構成されている。
一方第２の領域では、固定電極１０７の側面が断面垂直となっており、振動子１０９の側面と大きく離間した構造となっており、この領域では静電力がほとんど作用しない構造となっている。
【００３３】
これら側面の形状については適宜変更可能であり、ギャップ幅が一定で、静電力を作用しうる程度に狭く形成した第１の領域と、静電力を考慮しなくてよい程度に広いギャップ幅を持つ第２の領域とが配設されていればよい。
なお前記実施の形態では、振動子１０９を構成する断面三角形の梁状体を単結晶シリコンで構成しているため、この振動子１０９のパターニングに際し、シリコンの異方性エッチングにより極めて制御性よく形状加工を行うことができる。
【００３４】
なお、本実施の形態では出発材料を構成する材料基板としてシリコン基板に単結晶シリコン基板を貼着して形成したＳＯＩ基板を用いたが、多結晶シリコンあるいはアモルファスシリコンを貼着したＳＯＩ基板を用いてもよいことはいうまでもない。このときは単結晶の結晶面に依存する異方性エッチングをエッチング終点として用いるという制御ができない。
【００３５】
(実施の形態４)
次に本発明の実施の形態４について説明する。前記実施の形態３では、ギャップはエアギャップとしたが、この変形例として、容量絶縁膜が形成されていてもよい。
図６及び図７は、図４に示した実施の形態３の電気機械共振器の変形例を示す図である。本実施の形態では、前記実施の形態２と同様、ギャップを更に工夫することにより、広がった領域と狭まっている領域の容量比を最適化するものである。
【００３６】
図６に示すように、本実施の形態の電気機械共振器は、前記実施の形態３の電気機械共振器の製造工程でギャップ形成のための犠牲層として用いた第２の絶縁膜１０５を成膜した状態でそのまま容量絶縁膜として用いて励振・検出を行う容量結合型の電気機械共振器である。
一般に容量の計算式は以下で表される。
【００３７】
【数１】
2008206140.tif 000003
【００３８】
eo  =  真空の誘電率 = 8.854E-12F/m
er  =  絶縁膜の比誘電率
d   = 電極間の距離
S   = 容量面積
【００３９】
ここで、空気の比誘電率(er)=1に対して、絶縁膜として良く使用する酸化膜(SiO2)は4.5、窒化膜(Si3N4)は7.5である。
図７は図６より更に容量変化比を稼ぐために、エアギャップ領域の絶縁膜１０５を除去した構成である。
【００４０】
更に、図８（ａ）に変形例を示すように、幾何学的なギャップ幅は同じとし、誘電率の異なる材料で誘電体ギャップを構成してもよい。つまり第２の絶縁膜１０５を、高い誘電率をもつ第１の誘電体１０５ａと、酸化シリコンなどの第２の誘電体１０５ｂで構成し、第１の誘電体ギャップ及び第２の誘電体ギャップとしてもよい。これにより、酸化シリコンなどからなる第１の領域と、強誘電体層となる酸化ハフニウムHFO2(er=80)、酸化チタンTiO2(er=80)、BST、BaSrTiO3(er=300)などからなる第２の領域とで構成すれば、同じギャップ幅でも、この誘電体ギャップ１０５ａ、１０５ｂは、高い容量比（２０〜６０）が確保でき、実質的にはギャップ幅の比が２０以上であるのと同様に作用することになり、最適な構成にすることも可能である。
【００４１】
また図８（ｂ）に別の変形例を示すように、エアギャップ２１３に隣接するように電極２０５に絶縁性不純物をドープし、誘電体化することにより誘電体溝からなる第２の領域２０１を形成することでエアギャップ２１３と誘電体ギャップとからなるギャップを形成するようにしてもよい。
【００４２】
(実施の形態５)
次に本発明の実施の形態５について説明する。
本実施の形態では、図９（ａ）乃至（ｄ）にその製造工程を示すように、第２の領域の幅広ギャップ１１１に代えて、ノンドープの多結晶シリコン層で構成し、固定電極２０５を、一部を高濃度にドープされた多結晶シリコン層で構成し、実質的に振動子１０９と固定電極２０５の距離をとることにより、幅広ギャップと同等の働きをするようにしたものである。この電気機械共振器の製造に際しては、例えばドーピング前のポリシリコン２０１に一部の領域を残して高濃度のイオン注入を行うことで結合領域（容量結合領域）を制御することを可能とする。
【００４３】
製造に際しては、図５(a)に示した前記実施の形態１と同様に、材料基板１０１としてシリコン基板表面に第１の絶縁膜１０３としての酸化シリコン層を介して単結晶シリコン薄膜を形成したＳＯＩ基板を用意し、フォトリソグラフィによりマスクパターンを形成し、このマスクパターンを用いて異方性エッチングを行うことにより、傾斜角５４．７度の側面をもつ断面三角形の梁状体からなる振動子１０９を形成し、この上層に、第２の絶縁膜１０５として酸化シリコン層を成膜する。
【００４４】
そして図９（ａ)に示すように、第２の絶縁膜１０５上に、ＣＶＤ法により、固定電極となるノンドープの多結晶シリコン層２０１を成膜する。このとき、平坦な膜を形成するように減圧ＣＶＤ法などを用いるのが望ましい。
次に図9(ｂ)に示すように、幅広のギャップを形成すべき領域にマスク２０３を形成し固定電極を形成すべき領域の多結晶シリコン層２０１を露出する。
【００４５】
その後、このマスク２０３を介してイオン注入を行い(図９(ｃ))、図９(ｄ)に示すようにマスクから露呈する領域の多結晶シリコン層を高濃度にドープし固定電極２０５を形成する。一方マスク２０３で覆われてドーピングのなされなかった領域は、ノンドープの多結晶シリコン層のままで残留し、誘電体ギャップ（２０１）として働く。
【００４６】
このようにして、電気機械共振器を作業性よく形成することができる。
また前記実施の形態１では、基板上に形成された、ポストとしての第１の絶縁膜１０３を介して固定電極を、形成しており、振動子１０９の下のこのポストに対応する部分をエッチング除去することにより、振動子を選択的に可動にすることができる。
なお、犠牲層としての絶縁膜１０５は除去してエアギャップを形成しても、絶縁膜１０５を残したままでも静電力は働くため、いずれでもよく、適宜選択可能であり、容量結合型の電気機械共振器は成立することになる。
【００４７】
なお、ギャップを形成する工程は、図１０（ａ）および（ｂ）にその製造工程の一部を示すように、固定電極となるドープト多結晶シリコン層に絶縁性不純物をドープし、誘電体化することにより誘電体溝からなる第２の領域２０１を形成し、前記誘電体溝から連通する領域の絶縁膜１０５を第１の領域とし誘電体ギャップを形成するようにしてもよい。
この構成によれば、マスクを介して絶縁性不純物をドープするのみで容易に幅広の誘電体ギャップをもつ第２の領域２０１を形成することができる。
【００４８】
また、前記ギャップを形成する工程は、絶縁膜を除去してエアギャップを形成した後に前記エアギャップに連結されるように前記電極に絶縁性不純物をドープし、誘電体化することにより誘電体溝からなる第２の領域を形成する工程を含み、前記エアギャップと誘電体ギャップとからなるギャップを形成するようにしてもよい。
この構成によれば、一部の犠牲層を除去してエアギャップとし、一部を誘電体ギャップで構成することができる。
【００４９】
また、傾斜面を持つようにエッチングし断面三角形の振動子を形成した後、この振動子の上層に絶縁層を成膜する工程と、前記絶縁層の上層に導電体層を形成する工程と、前記導電体層を、垂直方向にエッチングすることにより前記絶縁層に到達する前記溝を形成する工程とを含む。
これにより、絶縁層に到達する溝が、幅広のエアギャップとなり、容易に形成可能である。この絶縁層を除去することにより一定幅のエアギャップを構成することができる。
【００５０】
また、材料基板に溝を形成する工程と、前記溝に絶縁膜を形成する工程と、前記溝を導電体層で埋める工程と、マスクパターンを形成して前記基板の傾斜方向に前記導電体層をエッチングするようにしてもよい。
この構成によっても、容易に幅広のエアギャップを形成することができる。なお溝を導電体層で埋める工程は、溝を形成し絶縁膜を形成した後、導電体層を形成し、エッチバックあるいはＣＳＰなどによって平坦化することで容易に形成可能である。ここではこの溝内に充填される導電体層が振動子または固定電極を構成することになる。
【００５１】
(実施の形態６)
次に本発明の実施の形態６について説明する。前記実施の形態３では、基板上にひとつの共振部をもつ例について説明したが、本実施の形態では、基板上に異なる複数の共振部をもつ例について説明する。
図１１は、本発明の実施の形態６における電気機械共振器、図１２はその製造方法の断面図である。
図１１は、この完成図であり、１枚の基板上に異なる共振周波数を有する電気機械共振器を複数並べて形成した構成を示す。１２１は台形断面梁を有する第１の振動子を表し、１２３はサイズが大きい四角形型の第２の振動子である。共に固定電極１０７は同レイヤ間で形成され、第２の振動子１２３と固定電極１０７との間に形成されるギャップは均一な幅を有する。一方、第１の振動子１２１のギャップは前記実施の形態１と同様に均一なギャップ幅をもつ第１の領域と、幅広のギャップ幅をもつ第２の領域とで構成されている。第２の領域では、振動子１２１と電極１０７の間隔が広がる領域が生じる。
この構成により、第１の振動子１２１と第２の振動子１２３は異なる振動モードで励起されるため共振周波数が異なり、その結果、複数の周波数に対応可能な電気機械共振器を容易に実現することができる。
【００５２】
なお、本発明の実施の形態では、共振周波数が異なる共振器を2個並べた実施例である
が、同レイヤ間で形成する固定電極と振動子との間で生じる一定ギャップ幅のオーバーラップ領域は自由に変更できるため、２個以上の並列化も可能である。
【００５３】
本発明の実施の形態６の電気機械共振器の製造方法を図１２(a)乃至図１２(ｆ)で示す。この製造方法については、振動子のパターニングのためのフォトマスクが異なるのみで、図２に示した実施の形態１と同様の工程で実現可能なため、説明を省略する。ここで実施の形態３に示した断面三角梁１０９に代えて断面台形の梁１２１，１２３を形成する点が実施の形態１と異なる点である。
【００５４】
(実施の形態７)
図１３及び図１４は、本発明の実施の形態７における電気機械共振器、およびその製造方法の断面図である。
前記実施の形態１乃至４では、振動子として断面三角梁を用い、傾斜面にギャップを形成したが本実施の形態では、振動子１５３，１５５，１５７の側面は基板表面に対して垂直であるようにし、幅広のギャップを構成すべき領域のみを固定電極１５１の端面をテーパ断面となるようにしている。その他については前記実施の形態６の電気機械共振器と同様である。
【００５５】
本実施の形態では、シリコン基板１０１表面に第１の絶縁膜１０３を介して多結晶シリコン層（導電体層）１５１に溝１７１を掘り、断面矩形の振動子１５３、１５５、１５７を形成した電気機械共振器を示す。固定電極１５１は、これら振動子に対し、共振器の共振周波数に最適な電極配置が行うため、広い幅と狭い幅のギャップを有する傾斜を用いた電極を形成する。
【００５６】
図１４(a)乃至１４(e)にその製造方法を示す。図１４(a)では、前記実施の形態１と同
様にＳＯＩ基板を出発材料とし、多結晶シリコン層１５１に溝１７１を掘り、窒化シリコン膜からなる第１の保護膜１７３を形成する。
【００５７】
次に図１４(ｂ)に示すように、振動子となる多結晶シリコン層（導電体層）１７５を堆積し、エッチバックにより上面層を除去する。
その後、図１４(ｃ)に示すように、窒化シリコン膜からなる第２の保護膜１７７を成膜しフォトリソグラフィによりパターニングする。
【００５８】
そしてこの第２の保護膜１７７をマスクとして、エッチングを行い、この時、正のテ―パ断面形状を形成する。これは、例えばイオンビームエッチング（IBE）や結晶異方性エッチングなどによる工程で簡易に実現可能である(図１４(d))。
最後に第１の保護膜１７３と第１の絶縁膜１０３を除去して、振動子１５３を基板１０１から開放する。
【００５９】
このようにして狭ギャップ幅の第１の領域１６３と、広いギャップの第２の領域１６１とを備えた電気機械共振器が形成される。
ここで用いた第１及び第２の保護膜は、エッチングのマスクとなる材料であればよく、絶縁性材料に限定されるものではない。また、第１の保護膜１７３を除去することなく残留させて誘電体ギャップとして用いる場合には所望の誘電率を持つ誘電体膜を用いるようにすればよい。
【００６０】
(実施の形態８)
次に本発明の実施の形態８について説明する。前記実施の形態６では、基板上に異なる複数の共振部をもつ例について説明したが、本実施の形態では、同様の構造において、固定電極の厚さを、共振部を構成する振動子の厚さより厚く構成した例について説明する。
図１５は、本発明の実施の形態８における電気機械共振器の製造方法の断面図である。
図１５（ｄ）は、この完成図であり、１枚の基板上に異なる共振周波数を有する電気機械共振器を複数並べて形成した構成を示す。１２１は台形断面梁を有する第１の振動子を表し、１２３はサイズが大きい四角形型の第２の振動子である。共に固定電極１０７は同レイヤで形成され、第２の振動子１２３と固定電極１０７との間に形成されるギャップは均一な幅を有する。一方、第１の振動子１２１のギャップは前記実施の形態１と同様に均一なギャップ幅をもつ第１の領域と、幅広のギャップ幅をもつ第２の領域とで構成されている。第２の領域では、振動子１２１と電極１０７の間隔が広がる領域が生じる。
この構成により、第１の振動子１２１と第２の振動子１２３は異なる振動モードで励起されるため共振周波数が異なり、その結果、複数の周波数に対応可能な電気機械共振器を容易に実現することができる。
【００６１】
なお、本発明の実施の形態では、共振周波数が異なる共振器を2個並べた実施例であるが、同レイヤ間で形成する固定電極と振動子との間で生じる一定ギャップ幅のオーバーラップ領域は自由に変更できるため、２個以上の並列化も可能である。
【００６２】
本発明の実施の形態８の電気機械共振器の製造方法を図１５(a)乃至図１５(ｄ)で示す。この製造方法については、振動子のパターニングのためのフォトマスクが異なるのみで、図２に示した実施の形態１と同様の工程で実現可能なため、説明を省略する。ここで実施の形態１に示した断面三角梁１０９に代えて断面台形の梁１２１，１２３を形成する点がの実施の形態１と異なる点である。
【００６３】
(実施の形態９)
図１６及び図１７は、本発明の実施の形態９における電気機械共振器、及びその製造方法の断面図である。
本実施の形態の電気機械共振器は、前記実施の形態１では、固定電極１０７の厚さと振動子の厚さとが略等しい場合について説明したが、本実施の形態では、固定電極１０７の厚さが振動子の厚さよりも小さい場合について説明する。
本発明の電気機械共振器は、図１６に示すように、固定電極１０７と、固定電極１０７とギャップを介して形成された振動子１０９とを具備した共振部を備え、固定電極１０７の厚さが振動子１０９よりも薄いことから、結果的に振動子の厚さ方向で、固定電極１０７とのギャップが、その幅が一定である第１の領域と、固定電極が存在しない結果、固定電極と振動子との間の静電容量を無視しうる程度に大きい第２の領域をもつことを特徴とするものである。振動子１０９は断面三角形の梁状体を形成しており、この振動子の２つの側面の所定高さまで固定電極１０７を配置し、振動子１０９の一部には固定電極１０７が対向していない部分を含むエアギャップで構成されている。詳細には広い幅のギャップ１１１と狭い幅のギャップ１１３を有するエアギャップであり、振動子１０９と固定電極１０７の間で狭い幅のギャップ１１３に最大の静電力が発生する。容量間で働く静電力は幅の2乗に比例するため、広い幅のギャップ１１１では静電力がほとんど生じず、駆動力が弱い。
【００６４】
図１７は本発明の実施の形態９における共振器構造の製造方法を示す。
まず、材料基板１０１としてシリコン基板表面に、第１の絶縁膜１０３としての酸化シリコン層を介して単結晶シリコン薄膜を形成したＳＯＩ基板を用意する。
次いで、フォトリソグラフィによりマスクパターンを形成し、このマスクパターンを用いて異方性エッチングを行うことにより、（傾斜角５４．７度の）傾斜した側面をもつ断面三角形の梁状体からなる振動子１０９を形成し、この上層に、第２の絶縁膜１０５として酸化シリコン層を成膜する。
そして図１７(ａ)に示すように、第２の絶縁膜１０５上に、ＣＶＤ法により、固定電極１０７となるドープト多結晶シリコン層を成膜する。このとき、段差上にも均一な膜を形成しうるようにＣＶＤ法などを用いるのが望ましい。
【００６５】
そして図１７(b)に示すように、固定電極１０７となるドープト多結晶シリコン層上に、レジストＲを塗布する。
【００６６】
そして図１７(ｃ)に示すように、振動子表面の頂上部のみ固定電極１０７となるドープト多結晶シリコン層が露呈するように、レジストエッチバック法によりレジストを所定の深さまで除去する。
【００６７】
この後図１７(ｄ)に示すように、このレジストＲをマスクとして、ドープト多結晶シリコン層を除去する。
【００６８】
最後に図１７(ｄ)に示すように、表面に露呈する第２の絶縁膜１０５をエッチングにより除去し、ギャップを形成するとともに第１の絶縁膜１０３を除去し、電気機械共振器を形成する。
【００６９】
このようにして、図１６に示した電気機械共振器を作業性よく形成することができる。
【００７０】
なお、前記実施の形態９では、固定電極１０７を基板上のポストとしての第１の絶縁膜１０３を介して形成しており、振動子１０９と対向する固定電極の厚さを薄くし、振動子の側壁に沿うように形成することで、所望の幅の静電力生成領域を形成することができる。
固定電極の厚さが振動子の厚さよりも薄いため、強度的には劣るが、マスク変更により、容易に対向領域を決定することができるという利点がある。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明は、複数の共振周波数に対応可能で、同レイヤ間で形成可能な機械的強度が高い入出力電極を有する電気機械共振器であり、小型化に加え、工程簡略化による製造コストの低減をはかることができることから、携帯端末をはじめ通信機器に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の実施の形態１における電気機械共振器の断面図
【図２】本発明の実施の形態１における電気機械共振器の製造方法を示す断面図
【図３】本発明の実施の形態２における電気機械共振器を示す図
【図４】本発明の実施の形態３における電気機械共振器を示す図
【図５】本発明の実施の形態３における電気機械共振器製造方法を示す断面図
【図６】本発明の実施の形態４における電気機械共振器を示す図
【図７】本発明の実施の形態４における電気機械共振器を示す図
【図８】本発明の実施の形態４における電気機械共振器の製造工程を示す図
【図９】本発明の実施の形態５における電気機械共振器を示す図
【図１０】本発明の実施の形態５における電気機械共振器の製造工程を示す図
【図１１】本発明の実施の形態６における電気機械共振器を示す図
【図１２】本発明の実施の形態６における電気機械共振器の製造工程を示す図
【図１３】本発明の実施の形態７における電気機械共振器を示す図
【図１４】本発明の実施の形態７における電気機械共振器の製造工程を示す図
【図１５】本発明の実施の形態８における電気機械共振器の製造工程を示す図
【図１６】本発明の実施の形態９における電気機械共振器を示す図
【図１７】本発明の実施の形態９における電気機械共振器の製造工程を示す図
【図１８】従来例の電気機械共振器を示す図
【図１９】従来例の電気機械共振器を示す図
【符号の説明】
【００７３】
１０１  基板
１０３  第１の絶縁膜
１０５  第２の絶縁膜
１０７  固定電極  
１０９  振動子  
１１１  広い幅のギャップ（第２の領域）
１１３  狭い幅のギャップ（第１の領域）
１１５  保護膜
１２１  台形断面梁の振動子
１２３  四角形型の振動子
【図１】
2008206140.tif 000004
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2008206140.tif 000018
【図１６】
2008206140.tif 000019
【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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