(57)【要約】【課題】      小型化、高集積化が可能で、高感度な信号検出が可能な電気機械フィルタを提供する。【解決手段】  検出部に量子素子を用い、微細でかつ高感度の検出を実現しようとするもので、入力される信号に対して共振可能な微小振動子１０１と、前記微小振動子と所定の間隔を隔てて配設された検出電極１０３を備え、前記微小振動子と前記検出電極との間の静電容量の変化を検出することで、従来実現困難であった高感度な検出機構を実現する。【選択図】          図１
2005341536.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力される信号に対して共振可能な微小振動子と、前記微小振動子と所定の間隔を隔てて配設された検出電極を備え、前記微小振動子と前記検出電極との間の静電容量の変化を検出することにより、前記微小振動子の電気信号として出力する量子素子とを備えた電気機械フィルタ。
【請求項２】
請求項１記載の電気機械フィルタであって、前記検出電極は、基板上の絶縁層上に形成された電荷励起電極と、前記電荷励起電極の前記微小振動子と対向する面上に形成された突起構造と、前記電荷励起電極上に絶縁層を介して形成され前記突起構造に接続された電位検出電極を具備した電気機械フィルタ。
【請求項３】
請求項１記載の電気機械フィルタであって、微小振動子は、前記微小振動子と所定の間隔を隔てて配設された駆動電極を備え、前記駆動電極との間で生起される静電力により前記微小振動子が励振されるようにした電気機械フィルタ。
【請求項４】
請求項３記載の電気機械フィルタであって、入力信号は前記駆動電極に入力される電気機械フィルタ。
【請求項５】
請求項１記載の電気機械フィルタであって、微小振動子は、磁界に配置され、前記磁界によるローレンツ力で励振されるようにした電気機械フィルタ。
【請求項６】
請求項５記載の電気機械フィルタであって、入力信号は微小振動子の一端に入力されるようにした電気機械フィルタ。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の電気機械フィルタであって、前記量子素子は、MOSFETである電気機械フィルタ。
【請求項８】
請求項７に記載の電気機械フィルタであって、前記検出電極は、前記量子素子のゲート電極として機能する電気機械フィルタ。
【請求項９】
請求項１乃至６のいずれかに記載の電気機械フィルタであって、前記量子素子は、SETである電気機械フィルタ。
【請求項１０】
請求項９記載の電気機械フィルタであって、前記検出電極は、前記量子素子の導電性島として機能する電気機械フィルタ。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれか記載の電気機械フィルタであって、前記微小共振子および前記量子素子は同一基板上に形成された電気機械フィルタ。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれか記載の電気機械フィルタであって、前記微小共振子および前記量子素子の検出電極は同一材料で構成された電気機械フィルタ。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれか記載の電気機械フィルタであって、前記量子素子の検出電極は半導体材料で構成された電気機械フィルタ。
【請求項１４】
請求項１記載の電気機械フィルタであって、信号出力ポート側に信号増幅手段を備えた電気機械フィルタ。
【請求項１５】
請求項１記載の電気機械フィルタであって、所望の信号増幅率を得るように、前記微小振動子に印加する電圧を調整する電圧調整手段を備えた電気機械フィルタ。
【請求項１６】
請求項１記載の電気機械フィルタであって、所望の信号増幅率を得るように、前記量子素子のゲート電圧を調整する電圧調整手段を備えた電気機械フィルタ。
【請求項１７】
請求項１記載の電気機械フィルタであって、信号出力ポート側にダウンコンバートした信号をアップコンバートして復元する回路と、ミキシングされた信号を最適化するように前記量子素子のソース・ドレイン電圧を調整する調整手段とを備え、前記量子素子をミキサーとして使用し得るようにした電気機械フィルタ。
【請求項１８】
請求項１記載の電気機械フィルタであって、複数個の前記微小振動子を機械的に結合させた電気機械フィルタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、共振器となる微小振動子、それを励振する機構、および信号を検出する量子素子を備える電気機械フィルタに関する。
【背景技術】
【０００２】
無線端末などの情報通信機器の普及に伴い、通信に使用される周波数は、携帯電話等の数百MHzから無線LAN等の数GHz帯と広帯域化が加速している。現在は、各種通信方式に対応した端末を独立に使用している状況であるが、将来的には、一つの無線端末で各種通信方式に対応した端末の実現が望まれている。
【０００３】
また、無線の端末の小型化に伴い、端末の筐体内に内蔵されるフィルタなどの受動部品の小型化が望まれている。近年、特に、無線通信でよく用いられているLC共振回路などによる電気的共振を利用したフィルタは、共振器サイズが電気長に依存するため、フィルタの小型化が難しいという問題があり、新たな信号選択の原理が模索されている。
【０００４】
その中で、MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）技術により作製されるRF-MEMSフィルタの開発が活発になっている。RF-MEMSフィルタとは、微小振動子の機械的振動を用いた電気機械フィルタである。その利点として、高周波信号の電気的振動を微小振動子の機械的振動に変換し、この機械的振動を再び電気的振動として出力信号を取り出すことができるため、共振器のサイズが電気長に依存することがなく、フィルタの小型化が可能であることが挙げられる。また、RF-ICと親和性の良いプロセスで製造可能であるため、フィルタをRF-ICに内蔵することも可能であり、無線部の小型化に大きく貢献する技術として期待されている。
【０００５】
GHz帯の微小振動子を用いた電気機械フィルタとして、シリコン基板を用いたものが提案されている（例えば、非特許文献１）。この非特許文献１では、シリコン基板上に円盤型の微小振動子を構成し、微小振動子の機械的共振現象を利用して中心周波数1.14GHzのバンドパスフィルタを実現している。信号フィルタリングの仕組みは、信号入力ポートから駆動電極に入力された高周波信号により、駆動電極と微小振動子の間に静電力が生起せしめられ、高周波信号の周波数で微小振動子が励振される。微小振動子の機械的な自己共振周波数の信号が入力された場合、微小振動子は大きく励振され、微小振動子と検出電極間の距離の変化による静電容量の変化が生ずる。すると、微小振動子に電圧ＶＰが印加されているため、微小振動子の機械的振動を電気的振動として検出電極で取り出し、検出電極から信号出力ポートへと信号が出力される。つまり、微小振動子の自己共振周波数により設定された周波数の信号のみを、選択的に出力することができることになる。
【０００６】
現在、小型GHz帯電気機械フィルタにおいては、適応周波数の高周波化、高Q値（Quality Factor）化が試みられている。適応周波数の高周波化を実現するためには、微小振動子の自己共振周波数を高周波化する必要がある。そのためには、微小振動子のサイズを小さくする方法と、微小振動子の高次モードを使用する方法などが考えられる。
微小振動子のサイズを小さくしようとする場合、マイクロメートルオーダーからナノメートルオーダーへと微細化が進めば、その振動振幅はオングストロームオーダーへと微小となり、量子振動や熱振動のノイズレベルへと近づくため、量子限界の振動変位測定を可能とする超高感度の振動検出方法の実現が必要である。
【０００７】
【特許文献１】特表平10-512046
【非特許文献１】J. Wang, et al., IEEE RFIC Symp., 8-10 June, pp. 335-338, 2003.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、現在のところ、微小振動子の自己共振周波数の高周波化を図った場合、微小振動子の振動振幅が小さくなるため、そこから発生する微小な静電容量の変化を電気信号の出力として検出することが困難であるという問題がある。より高感度で微小振動子の微小振動を検出するためには、微小振動子と検出電極間の距離を小さくするか、微小振動子に印加する電圧ＶＰを高くする必要がある。例えば非特許文献１にみられる電気機械フィルタにおいては、半径20μm、厚さ2μmの円盤型の微小振動子において、微小振動子と検出電極間の距離は100nmであり、3μm深さの高アスペクト比エッチングにより形成している。今後、さらなる微小振動子と検出電極間の距離の微細化をはかろうとすると、製造方法の限界に達することが予想される。また、微小振動子に印加する電圧ＶＰは、12.9Vから30.54Vであり、無線端末に適用するには電圧が高いという問題もある。また、高い電圧のVPによって雑音指数が高くなる課題がある。
【０００９】
電気機械フィルタの適応周波数の高周波化を実現するには、製造可能な微小振動子と検出電極間の距離において、微小振動子の微小振動を無線端末に適応可能な微小振動子に印加する電圧ＶＰで検出する方法が必要であり、そのためには、微小振動子と検出電極間に励起される微小な電荷の変化を検出し、かつ電気信号として出力する方法が必要である。
特許文献１においては、MOSFETを用いて振動検出を行う方法が開示されている。本文献における構成においては、微小振動子と対向する振動検出表面の構造に課題がある。平坦な構造では、励起された微小量電荷が検出電極表面で分散していまい、MOSFETを制御するのに十分な電位が出力されない。
【００１０】
本発明は、前記実情に鑑みてなされたものであり、微細でかつ高感度の電気機械フィルタ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】
そこで本発明の電気機械フィルタでは、検出部に量子素子を用い、微細でかつ高感度の検出を実現しようとするもので、入力される信号に対して共振可能な微小振動子と、前記微小振動子と所定の間隔を隔てて配設された検出電極を備え、前記微小振動子と前記検出電極との間の静電容量の変化を検出することにより、前記微小振動子の電気信号として出力する量子素子とを備えたことを特徴とする。
この構成によれば、検出部に量子素子を用いているため、微量の電荷を検出することができ、高感度の検出が可能となる。なおここで量子素子とは、微量の電荷を検出できるように構成された素子をいい、MOSFETやSETなどの半導体素子を含む量子素子を指すものとする。本発明におけるSETの導電性島に電荷注入する方法においては、微小量電荷でSETを制御可能であるため、従来の電気機械フィルタにおいて高い電圧を要していたVPを低減することが可能となる。また、VPの低減によってNFを低くすることが可能となる。
また本発明の電気機械フィルタは、前記検出電極が、基板上の絶縁層上に形成された電荷励起電極と、前記電荷励起電極の前記微小振動子と対向する面上に形成された突起構造と、前記電荷励起電極上に絶縁層を介して形成され前記突起構造に接続された電位検出電極を具備したものを含む。
この構成により、突起構造に電荷を収集し、振動子と対向した微小領域に生ずる拡大された電位を出力、電位検出電極を介してMOSFETのゲートに電位を与えることが可能となる。また、SETの導電性島へ微小量電荷を効率良く注入することが可能となる。
【００１２】
また本発明の電気機械フィルタは、微小振動子が、前記微小振動子と所定の間隔を隔てて配設された駆動電極を備え、前記駆動電極との間で生起される静電力により前記微小振動子が励振されるようにしたものを含む。
この構成により、信号線路を両持ち梁とするなどの方法により、容易に変位可能である。
【００１３】
また本発明の電気機械フィルタは、微小振動子が、入力信号が前記駆動電極に入力されるものを含む。
この構成により、駆動電極に与える電位を調整することで共振周波数を容易に調整することができ、変調可能な電気機械フィルタを形成することができる。
【００１４】
また本発明の電気機械フィルタは、微小振動子が、磁界に配置され、前記磁界によるローレンツ力で励振されるようにしたものを含む。
この構成により、微小振動子を貫く磁界を、ローレンツ力により変化させることができ、容易に振動方向を変化させることができるため、検出電極のレイアウトに自由度をもたせることができる。
【００１５】
また本発明の電気機械フィルタは、入力信号が微小振動子の一端に入力されるようにしたものを含む。
この構成により、別途設けていた駆動電極が不要となり、構造が簡単でより小型化をはかることができる。
【００１６】
また本発明の電気機械フィルタは、前記量子素子が、MOSFETであるものを含む。
この構成により、容易に微細な電荷を検出することができる。
【００１７】
また本発明の電気機械フィルタは、前記検出電極が、前記量子素子のゲート電極として機能するものを含む。
この構成により、素子の微細化をはかることができるとともに、電荷の移動距離が少なく高速化が可能となる。
【００１８】
また本発明の電気機械フィルタは、前記量子素子が、SETであるものを含む。
この構成により、容易に微細な電荷を検出することができる。
【００１９】
また本発明の電気機械フィルタは、前記検出電極が、前記量子素子の導電性島として機能するものを含む。
この構成により、素子の微細化をはかることができるとともに、電荷の移動距離が少なく高速化が可能となる。
【００２０】
また本発明の電気機械フィルタは、前記微小共振子および前記量子素子が同一基板上に形成されたものを含む。
この構成により、より小型化を図ることができる。
【００２１】
また本発明の電気機械フィルタは、前記微小共振子および前記量子素子の検出電極は同一材料で構成されたものを含む。
この構成により、製造が容易でかつ信頼性の高いものとなる。
【００２２】
また本発明の電気機械フィルタは、前記量子素子の検出電極またはソース電極またはドレイン電極が半導体材料で構成されたものを含む。
この構成により、量子素子の半導体または導電性島などと同一工程で形成することができ、ドープドシリコンなどの半導体材料を用いることにより、プロセスの簡略化および信頼性の向上をはかることができる。
【００２３】
また本発明の電気機械フィルタは、信号出力ポート側に信号増幅手段を備えたものを含む。
【００２４】
また本発明の電気機械フィルタは、所望の信号増幅率を得るように、前記微小振動子に印加する電圧を調整する電圧調整手段を備えたものを含む。
【００２５】
また本発明の電気機械フィルタは、所望の信号増幅率を得るように、前記量子素子のゲート電圧を調整する電圧調整手段を備えたものを含む。
【００２６】
また本発明の電気機械フィルタは、信号出力ポート側にダウンコンバートした信号をアップコンバートして復元する回路と、ミキシングされた信号を最適化するように前記量子素子のソース・ドレイン電圧を調整する調整手段とを備え、前記量子素子をミキサーとして使用し得るようにしたものを含む。
【００２７】
また本発明の電気機械フィルタは、複数個の前記微小振動子を機械的に結合せたものを含む。
この構成により、微小振動子の共振周波数の帯域幅（バンド幅）や振動のQ値を制御することができ、電気機械フィルタの通過帯域幅や遮断帯域幅、及びQ値を制御することが可能となる。
このように、本発明電気機械フィルタは、微小振動子と、前記微小振動子の振動を電気信号として検出し出力する量子素子を備えることで、従来実現困難であった高感度な検出機構を実現することができる。
この構成により、信号フィルタリング機能を有する高感度の電気機械フィルタを実現することができる。
【発明の効果】
【００２８】
以上説明したように、本発明によれば、量子素子を用いることにより、微小振動子の微小振動の検出が可能となり、所定の周波数の信号のみを選択して出力するバンドパスフィルタ、所定の周波数の信号のみを選択して阻止するバンドストップフィルタ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】
【００２９】
以下、本発明の各実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１における電気機械フィルタを図１に示す。
図１（ａ）は、本発明の実施の形態１における電気機械フィルタの構成を模式的に示す斜視図、図１（ｂ）はその等価回路図である。
この電気機械フィルタ１００では、表面に絶縁層１１１が形成された基板１１２上に、ポスト１０９と、このポスト１０９間に架橋された微小振動子１０１と、スペーサ１１０と、このスペーサ１１２上に設けられた駆動電極１０２とが配設されている。駆動電極１０２には、信号を入力する信号入力ポートＩＮが接続されており、高周波信号が入力した場合、駆動電極１０２と微小振動子１０１との間に電位差が生じ、高周波信号と同じ周波数で振動子に静電力が印加される仕組みになっている。微小振動子１０１の電位は、微小振動子１０１に印加する電圧ＶＰにより制御される。
【００３０】
可動電極１０１の近傍には、可動電極１０１の変位を静電容量変化として検出する検出電極１０３が設けられており、検出電極１０３は、絶縁層１０８上に設けられたソース電極１０４、ドレイン電極１０５、半導体１０６、ゲート絶縁膜１０７からなるMOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）のゲート電極を構成している。そしてドレイン電極１０５には、信号を外部に出力する信号出力ポートＯＵＴが接続されている。このゲート電極としての検出電極１０３は、（アモルファスシリコン層からなる）半導体１０６の１側面にゲート絶縁膜１０７を介して形成されている。
【００３１】
次に、この電気機械フィルタ１００における微小振動子の振動検出方法と、信号フィルタリングの仕組みについて説明する。
図１（ｂ）は、本発明実施の形態１における電気機械フィルタの構成を示す回路図である。信号入力ポートＩＮより入力された信号は、駆動電極１０２に伝搬し、高周波信号の周波数で微小振動子１０１を励振する。微小振動子１０１の自己共振周波数の信号が入力された場合のみ、微小振動子１０１は大きな振幅で励振され、微小振動子１０１と検出電極１０３との間の距離が変化することによる静電容量ＣＲの変化が生ずる。微小振動子１０１の振動方向をＶで示す。その場合の静電容量ＣＲの変化量をΔＣＲとすると、微小振動子１０１と検出電極１０３との間に生ずる電荷の変化量は、ΔＱ＝ＶＰΔＣＲである。
【００３２】
微小振動子１０１が極微でその振動振幅が小さいほどΔＱは小さく、その変化量を直接的に検出する従来の電気機械フィルタの振動検出方法では、信号を取り出すことは困難であった。そこで、本発明電気機械フィルタ１００では、検出電極１０３により検出された極微量の電荷変化量ΔＱをMOSFETのゲート電位に入力し、ドレイン電流の変化として検出し、信号を出力する新方式を導入する。
【００３３】
検出電極１０３は、MOSFETのゲート電極になっており、検出電極１０３により検出された極微量の電荷変化量ΔＱは、ゲート絶縁膜１０７との界面に電荷を励起する。図３にMOS接合のバンド図を示す。ソース電極１０４、ドレイン電極１０５間に配されるチャネルを構成する半導体１０６としてＰ型を用いる場合（図３（ａ））、絶縁膜１０７と半導体１０６との界面には、空乏層が形成されるが、検出電極１０３と絶縁膜１０７との界面に励起された電荷により、半導体１０６側に逆極性のキャリア（ホール）が誘導され、空乏層が減少していく。また、半導体１０６としてＮ型を用いる場合（図３（ｂ））、検出電極１０３と絶縁膜１０７との界面に励起された電荷により、検出電極１０３の電位が半導体１０６に対して相対的に降下し、半導体１０６のバンド構造が、絶縁膜１０７の界面において低エネルギー側へ引っ張られる形で変形する。この現象により、半導体１０６のフェルミ準位ＥＦ上に伝導バンドＥＣがかかり、絶縁膜１０７と半導体１０６との界面の空乏層が減少していく。この様にして半導体１０６の空乏層の減少が起きた場合、ソース電極１０４とドレイン電極１０５の間に印加されたソース・ドレイン電圧ＶＳＤによりソース・ドレイン電流が流れ、信号がドレイン電極１０５へ出力される。この信号のスイッチングは、ゲート電極である検出電極１０３の電荷変化量ΔＱの変化する周波数で起き、その周波数は、微小振動子１０１の自己共振周波数と同じである。つまり、微小振動子１０１の自己共振周波数の信号が信号入力ポートＩＮより入力された場合のみ、信号出力ポートＯＵＴへ同じ周波数の信号が出力されることになる。
【００３４】
図４（ａ）は、本発明実施の形態１における電気機械フィルタの信号フィルタリング特性を示す図である。中心周波数ｆＣのバンドパスフィルタ特性を有することが可能である。
このように、電気機械フィルタ１００によれば、小型化が容易であり、所定の周波数の信号のみを選択して、出力することが可能である。
【００３５】
次に本発明の実施の形態１の変形例について説明する。図２（ａ）は、図１の電気機械フィルタの変形例を模式的に示す斜視図である。図２（ａ）に示す電気機械フィルタ２００では、電気機械フィルタ１００において微小振動子１０１として両持ち梁を用いているのに対し、円盤を用いた点で異なる。図２（ｂ）は、図１の電気機械フィルタの変形例を示す回路図である。電気機械フィルタ１００と同様の構成で信号フィルタリングを可能とする。
【００３６】
なお、図２（ａ）の電気機械フィルタ２００において、図１（ａ）に示す電気機械フィルタ１００と同様の構成については、同名称および同符号を付して説明は省略する。
この様に、微小振動子１０１として、他にも片持ち梁、角盤等を用いることが可能である。
なお、本発明実施の形態１における電気+機械フィルタは、図４（ｂ）に示すように中心周波数ｆＣのバンドストップフィルタ特性を持つように形成することができる。これは図４（ａ）に示した中心周波数ｆＣのバンドパスフィルタ特性をもつ電気機械フィルタを直列に接続することにより、中心周波数ｆＣのバンドストップフィルタ特性を呈するようにすることが可能である。
【００３７】
また、信号出力ポートＯＵＴ側に、出力信号のパワーを増幅するためのパワーアンプ等を設けることが可能である。
また、最大の信号増幅率を得るために、微小振動子１０１に印加する電圧ＶＰを調整することが可能である。
また、複数個の微小振動子を機械的に結合させることにより、信号の通過帯域幅を制御することが可能である。
【００３８】
また、本発明電気機械フィルタを並列または直列に接続した多段フィルタ構成にすることが可能である。
【００３９】
次に、前記電気機械フィルタ１００の製造方法について説明する。
なお図１および図２は模式的に示す斜視図であり、ゲート絶縁膜１０７および検出電極１０３は半導体１０６の側壁側のみに形成されているが、以下のプロセスでは、ゲート絶縁膜１０７および検出電極１０３をわずかに半導体１０６上までかかるようにし、マージンをとることにより断線や短絡を防止している。
図５（ａ）〜（ｄ）、図６（ｅ）〜（ｉ）は、本発明の実施の形態１における電気機械フィルタの製造工程を段階的に説明する断面説明図である。
先ず、図５（ａ）に示すように、シリコン基板１１２上に、熱酸化により膜厚２０ｎｍの酸化シリコン膜を堆積し、表面絶縁層１１１を形成する。次に、CVD（Chemical Vapor Deposition）法により、絶縁層１０８、ポスト１０９、スペーサ１１０となる膜厚２００ｎｍの酸化シリコン膜を形成する。更に、その上にCVD法により微小振動子１０１、半導体１０６となる膜厚８０ｎｍのドープドアモルファスシリコンを、堆積する。ここでドーピングは、半導体の導電型およびキャリア濃度を調整するために行うものであり、成膜後にイオン注入などの方法によりＰ型であれば例えばボロンを、Ｎ型であれば例えば燐をドーピングすることによって形成可能である。又、ドーピングは、振動子のインピーダンスを下げる効果もある。なおドーピングは、成膜時に不純物を添加しつつ成膜することによっても形成可能である。また、アモルファスシリコンを成膜後、アニ−ルにより多結晶化し、多結晶シリコンとしてもよい。なお基板１１２としてはシリコン基板に限定されることなくガリウム砒素（GaAs）などの化合物半導体基板であってもよい。また熱酸化によって形成した酸化シリコン膜からなる絶縁層１１は、CVD法やスパッタリングによって形成しても良いしまた、窒化シリコン膜など他の絶縁膜を用いてもよい。
【００４０】
次いで、微小振動子１０１、半導体１０６の形成を行う。
図５（ｂ）に示すように、微小振動子１０１、半導体１０６となるドープドシリコン層の上に、フォトレジストパターンR１を形成し、これを電子線ビームリソグラフィーやフォトリソグラフィーなどによりパターンニングし、ドライエッチングによりフォトレジストパターンから露呈するアモルファスシリコン層をパターニングし、振動子１０１およびMOSFETのチャネルとなる半導体１０６を形成する。
【００４１】
次いで、絶縁膜１０７の形成を行う。
図５（ｃ）に示ように、フォトレジストR1をアッシングにより除去した後、CVD法によりMOSFETのゲート絶縁膜１０７となる酸化シリコンをスパッタや堆積する。次いで、このゲート絶縁膜１０７上に、再度フォトレジストを塗布し、電子線ビームリソフィやフォトリソグラフィーなどによりパターンニングし、フォトレジストパターンR2を形成し、図５（ｄ）に示すように、ドライエッチングによりゲート絶縁膜１０７のパターニングを行なう。なおこのゲート絶縁膜１０７としては酸化シリコン膜のほか窒化シリコンや、酸化シリコン膜と窒化シリコン膜との積層膜であるNO膜あるいはONO膜、チタン酸バリウム（BaTiO3）、チタン酸ストロンチウム（SrTiO3）等の強誘電体膜を用いてもよい。
【００４２】
ゲート絶縁膜として強誘電体膜を用いることにより、メモリ機能をもたせることも可能となる。
【００４３】
次いで、このフォトレジストR2をアッシングにより除去した後、駆動電極１０２、検出電極１０３、ソース電極１０４、ドレイン電極１０５の形成を行う。なおR2を除去した後異方性エッチングを行なうことにより半導体１０６の側壁にのみゲート酸化膜１０７を残留せしめるようにすれば、ゲート幅を半導体１０６の膜厚全体とすることができる。
図６（ｅ）に示すように、スパッタリング法により、アルミニウムなどの金属材料を堆積し、その上にフォトレジストR3を塗布し、電子線ビームリソグラフィーなどによりパターニングする。
【００４４】
次いで、金属材料をドライエッチングして、図６（ｆ）に示すように、駆動電極１０２、検出電極１０３、ソース電極１０４、ドレイン電極１０５を形成する。その後、フォトレジストR3をアッシングにより除去する。
【００４５】
なお、駆動電極１０２、検出電極１０３、ソース電極１０４、ドレイン電極１０５はリフトオフにより形成することも可能である。また、金属材料としてもアルミニウムに限定されることなく、金、銅など他の材料を用いてもよい。
【００４６】
次いで、微小振動子１０１の形成を行う。
微小振動子１０１の中空構造を形成する場合に行うエッチングにおいて、エッチング箇所以外の部分にダメージを与えないために、保護層を設ける。例えば、フォトレジスト塗布後、図６（ｇ）に示すように、電子線ビームリソグラフィーやフォトリソグラフィーなどによりパターニングし、フォトレジストR4を形成する。
【００４７】
次いで、図６（ｈ）に示すように、絶縁材料を微小振動子１０１となるシリコンに対する選択性を持つエッチング条件で除去し、微小振動子１０１を中空に解放する。エッチャントとして、ＨＦなどを用いる。
最後に、フォトレジストR4をアッシングにより除去し、図６（ｉ）に示すように、中空構造の可動電極１０１部分を形成する。
【００４８】
なお、高周波信号の基板１１２による損失の影響がないことが保障される場合には、絶縁層１１１を形成しないことが可能である。
【００４９】
また、微小振動子１０１の材料として、アモルファスシリコンのほか、単結晶シリコン、ポリシリコン、ガリウム砒素などの半導体、アルミニウム、金、銅などの金属、または超伝導体等を用いてもよい。また微小振動子１０１をMOSFETのチャネルを構成する半導体１０６と同一工程で形成したが、例えばソース・ドレイン電極と同一工程で形成するなどの変更も可能である。この場合は後続工程で別にドーピングし、所望の不純物濃度となるようにしてもよい。
【００５０】
なお、前記実施の形態１では、このゲート電極としての検出電極１０３は、半導体１０６の側面及び上面にかかるように形成されるが、図１に模式図で示したように、半導体１０６の１側面にのみゲート電極としての検出電極１０３がゲート絶縁膜１０７を介して配置されるようにしても良い。
【００５１】
製造に際しては、ソース・ドレイン電極と当接した状態で一体形成した半導体１０６の周りを酸化処理し、両側面および上面をゲート絶縁膜１０７を介してこの検出電極１０３で覆うようにすることにより容易に形成可能である。
また、前記実施の形態では、ゲート絶縁膜１０７のパターニングの後、図６（ｄ）に示したように、異方性エッチングによる側壁残しにより側壁のみにゲート絶縁膜１０７を形成したが、図５（ｂ）の工程で半導体１０６（ソース電極１０４、ドレイン電極１０５となる領域を含めて一体的に形成するのが望ましい）および微小振動子１０１をパターニングした後、堆積または表面酸化により絶縁膜を形成しこれをゲート絶縁膜１０７とする。そしてゲート電極としての検出電極１０３を形成しこれをパターニングし、この検出電極１０３をマスクとしてゲート絶縁膜１０７のパターニングおよびイオン拡散またはイオン注入によるソース電極１０４、ドレイン電極１０５の形成を行う。これにより、ゲート絶縁膜のパターニングのためのフォトリソグラフィー工程が不要となる。
【００５２】
このようにすれば、マスク合わせ工程を１工程減じることができ、プロセスが簡略化される。
【００５３】
（実施の形態２）
図７（ａ）は、本発明実施の形態２における電気機械フィルタの構成を示す斜視図である。
図７（ａ）に示す電気機械フィルタ３００では、微小振動子１０１については実施の形態１と同様に形成したが、検出素子としてのMOSFETに代えてSET（Single Electron Transistor）を用いたことを特徴とする。他部は実施の形態１と同様に形成した。すなわち表面に絶縁層１１１が形成された基板１１２上に、ポスト１０９間に架橋された微小振動子１０１と、スペーサ１１０上に設けられた駆動電極１０２が設けられている。駆動電極１０２には、信号を入力する信号入力ポートＩＮが接続されており、高周波信号が入力した場合、駆動電極１０２と微小振動子１０１との間に電位差が生じ、高周波信号と同じ周波数で振動子に静電力が加わる仕組みになっている。微小振動子１０１の電位は、微小振動子１０１に印加する電圧ＶＰにより制御される。
【００５４】
可動電極としての微小振動子１０１の近傍には、検出電極１０３が設けられており、検出電極１０３は、絶縁層１０８上に設けられたソース電極１０４、ドレイン電極１０５、絶縁膜１０７、導電性島１１４、ゲート電極１１５からなるSET（Single Electron Transistor）の導電性島１１４に接続されている。ドレイン電極１０５には、信号を外部に出力する信号出力ポートＯＵＴが接続されている。
【００５５】
次に、この電気機械フィルタ３００における微小振動子の振動検出方法と、信号フィルタリングの仕組みについて説明する。
図７（ｂ）は、本発明実施の形態２における電気機械フィルタの構成を示す回路図である。信号入力ポートＩＮより入力された信号は、駆動電極１０２に伝搬し、高周波信号の周波数で微小振動子１０１を励振する。微小振動子１０１の自己共振周波数の信号が入力された場合のみ、微小振動子１０１は大きな振幅で励振され、微小振動子１０１と検出電極１０３との間の距離が変化することによる静電容量ＣＲの変化が生ずる。微小振動子１０１の振動方向をＶで示す。その場合の静電容量ＣＲの変化量をΔＣＲとすると、微小振動子１０１と検出電極１０３との間に生ずる電荷の変化量は、ΔＱ＝ＶＰΔＣＲである。
【００５６】
微小振動子１０１が極微でその振動振幅が小さいほどΔＱは小さく、その変化量を直接的に検出する従来の電気機械フィルタの振動検出方法では、信号を取り出すことは困難である。そこで、本発明電気機械フィルタ３００では、検出電極１０３により検出された極微量の電荷変化量ΔＱをSETにより検出し、信号を出力する新方式を導入する。
導電性島１１４は、ゲート電極との間にギャップを介して形成され低静電容量であるゲート静電容量ＣＲ、ソース電極１０４とドレイン電極１０５との間に絶縁膜１０７を介して形成される高抵抗のトンネル接合により電気的に分断されている。SETのソース電極１０４、ドレイン電極１０５間を流れる電流は、導電性島１１４に励起される電荷によって単一電子の電荷e単位で制御可能である。図９にSETのバンド図を示す。SETは、極めて高感度な電位計である。
【００５７】
微小振動子１０１の振動は、微小振動子１０１と容量結合した検出電極１０３により検出され、SETの導電性島１１４にΔＱの電荷を励起する。電荷変化量ΔＱは極微であり、単一電子の電荷ｅに対して数えられる程度の電荷がSETの導電性島１１４に励起された場合、導電性島１１４の電子状態は変化し、導電性島１１４の量子化され離散化された電子バンド構造において、伝導バンドに電子が詰まったり詰まらなかったりする状態となる。それは、フェルミ粒子である電子において、同一エネルギー準位を二つの電子までしか占有することができないパウリの排他原理によって支配される。SETにおいては、ソース電極１０４とドレイン電極１０５の間に印加されたソース・ドレイン電圧ＶＳＤによって信号がドレイン電極１０５へ出力されるわけであるが、上記の微小振動子１０１の振動によるSETの導電性島１１４の電子状態の変化により、ソース電極１０４とドレイン電極１０５の間に流れるソース・ドレイン電流が変化する。この信号のスイッチングは、導電性島１１４に接続された検出電極１０３の電荷変化量ΔＱの変化する周波数で起き、その周波数は、微小振動子１０１の自己共振周波数と同じである。つまり、微小振動子１０１の自己共振周波数の信号が信号入力ポートＩＮより入力された場合のみ、信号出力ポートＯＵＴへ同じ周波数の信号が出力されるわけである。
【００５８】
本実施の形態２における電気機械フィルタ３００についても、実施の形態１と同様、図４（ａ）に示したよう信号フィルタリング特性を得ることができ、中心周波数ｆＣのバンドパスフィルタ特性を有することが可能である。
このように、電気機械フィルタ３００によれば、所定の周波数の信号のみを選択して、出力することを可能とする。また、本発明におけるSETの導電性島に電荷注入する方法においては、微小量電荷でSETを制御可能であるため、従来の電気機械フィルタにおいて高い電圧を要していたVPを低減することが可能となる。また、VPの低減によってNFを低くすることが可能となる。
また、本実施の形態２においても実施の形態１において図２（ａ）および（ｂ）に変形例を示したのと同様、図８（ａ）および（ｂ）に変形例を示すように微小振動子１０１を円盤にすることができる。
【００５９】
図８（ａ）は、図１の電気機械フィルタの変形例を示す斜視図である。図８（ａ）に示す電気機械フィルタ４００では、電気機械フィルタ３００において微小振動子１０１として両持ち梁を用いているのに対し、円盤を用いた例である。図８（ｂ）は、図１の電気機械フィルタの変形例を示す回路図である。電気機械フィルタ３００と同様の構成で信号フィルタリングを可能とする。
【００６０】
なお、図８（ａ）の電気機械フィルタ４００において、図７（ａ）に示す電気機械フィルタ３００と同様の構成については、同名称および同符号を付して説明は省略する。
この様に、微小振動子１０１として、他にも片持ち梁、角盤等を用いることが可能である。
また、本発明実施の形態２における電気機械フィルタについても、図４（ｂ）に示したように中心周波数ｆＣのバンドストップフィルタ特性を有することも可能である。
【００６１】
なお、信号出力ポートＯＵＴ側に、出力信号のパワーを増幅するためのパワーアンプ等を設けることが可能である。
また、最大の信号増幅率を得るために、微小振動子１０１に印加する電圧ＶＰを調整することが可能である。
また、複数個の微小振動子を機械的に結合させることにより、信号の通過帯域幅を制御することが可能である。
また、本発明電気機械フィルタを並列または直列に接続した多段フィルタ構成にすることが可能である。
【００６２】
また、最大の信号増幅率を得るために、ゲート電圧ＶＧを調整することが可能である。
また、SETが例えば1kHz以下の低周波数を使うよう構成された場合、SETをミキサーとして使用することが可能である。その場合、局部発振器の電圧を、検出する信号の周波数ｆ（微小振動子１０１の自己共振周波数）より1kHz以下の中間周波数ｆＩＦ分オフセットをかけた周波数ｆＬＯでゲート電極１１５より入力し、ドレイン電極１０５から中間周波数ｆＩＦ＝｜ｆＬＯ−ｆ｜の信号を信号出力ポートＯＵＴへ出力する。このようにして微小振動子１０１の振動を検出する場合、信号出力ポート側に出力信号の周波数をｆＩＦからｆへアップコンバートして復元する回路が必要である。また、ミキシングされた信号を最適化するために、ソース・ドレイン電圧ＶＳＤを調整するのがのぞましい。
【００６３】
（実施の形態３）
次に本発明の実施の形態３について説明する。
実施の形態１では、信号入力ポートＩＮを駆動電極１０２で構成したが、本実施の形態では微小振動子に直接入力ポートＩＮを接続し、静電力に代えて、ローレンツ力により微小振動子を励振するものである。図１０（ａ）は、本発明実施の形態３における電気機械フィルタの構成を示す斜視図である。
図１０（ａ）に示す電気機械フィルタ５００では、実施の形態１における電気機械フィルタ１００、２００では、微小振動子１０１を静電力により励振するのに対し、本実施の形態３における電気機械フィルタ５００では、その励振方法が異なりローレンツ力により微小振動子１０１を励振する。他部については実施の形態１と同様に形成されている。
【００６４】
次に、電気機械フィルタ５００における微小振動子の励振方法について説明する。微小振動子１０１に振動させたい方向にローレンツ力が印加されるよう、外部磁場Ｈを微小振動子１０１に印加しておく。微小振動子１０１の振動方向をＶで示すが、この場合、外部磁場Ｈのベクトル方向は基板に対して垂直方向である。高周波信号が信号入力ポートＩＮより入力され、微小振動子１０１に高周波信号による交流電流が流れた場合、交流電流と外部磁場Ｈにより微小振動子１０１にローレンツ力が加えられる。そのローレンツ力の方向は、交流電流の方向により交互に切り替わるが、その周波数は、高周波信号の周波数である。このようにして高周波信号により微小振動子１０１にローレンツ力を印加し、微小振動子１０１を励振する。
【００６５】
次に、この電気機械フィルタ５００における微小振動子の振動検出方法と、信号フィルタリングの仕組みについて説明する。
図１０（ｂ）は、本発明実施の形態３における電気機械フィルタの構成を示す回路図である。信号入力ポートＩＮより入力された信号は、微小振動子１０１に伝搬し、高周波信号の周波数で微小振動子１０１を励振する。微小振動子１０１の自己共振周波数の信号が入力された場合のみ、微小振動子１０１は大きな振幅で励振され、微小振動子１０１と検出電極１０３との間の距離が変化することによる静電容量ＣＲの変化が生ずる。以下については実施の形態１と同様である。
【００６６】
（実施の形態４）
図１１（ａ）は、本発明実施の形態４における電気機械フィルタの構成を示す斜視図である。
実施の形態２では、信号入力ポートＩＮを駆動電極１０２で構成したが、本実施の形態では微小振動子に直接入力ポートＩＮを接続し、静電力に代えて、ローレンツ力により微小振動子を励振するものである。他部の構成については前記実施の形態２と同様に形成されている。
【００６７】
すなわち図１１（ａ）に示す電気機械フィルタ６００では、表面に絶縁層１１１が形成された基板１１２上に、ポスト１０９間に架橋された微小振動子１０１が設けられている。微小振動子１０１には、信号を入力する信号入力ポートＩＮが接続されている。微小振動子１０１の電位は、微小振動子１０１に印加する電圧ＶＰにより制御される。
可動電極１０１の近傍には、検出電極１０３が設けられており、検出電極１０３は、絶縁層１０８上に設けられたソース電極１０４、ドレイン電極１０５、絶縁膜１０７、導電性島１１４、ゲート電極１１５からなるSET（Single Electron Transistor）の導電性島１１４に接続されている。ドレイン電極１０５には、信号を外部に出力する信号出力ポートＯＵＴが接続されている。
【００６８】
図１１（ｂ）は、本発明実施の形態４における電気機械フィルタの構成を示す回路図である。
信号入力部については実施の形態３と同様であり、検出部の構成については実施の形態２と同様であるため説明を省略する。
【００６９】
（実施の形態５）
図１２（ａ）は、本実施の形態５における電気機械フィルタの検出電極の構成を示す上面図である。
図１２（ａ）に示す検出電極１０３ｂは、電荷励起電極１０３１と電位検出電極１０３２で構成され、電位検出電極１０３２は、途中で２本に分岐され、電荷励起電極１０３１上に、絶縁膜１０３４を介して形成され、振動子１０１と対向する突起構造１０３３に接続された構造となっている。電位検出電極１０３２は、MOSFETのゲートもしくはSETの導電性島１１４に接続されている。
【００７０】
電荷は、微小な領域に凝集し、エネルギー的に安定な状態をとる性質があるため、微小振動子１０１の振動により電荷励起電極１３０１上に励起された電荷１１６は、突起構造１０３３に集まる。突起構造１０３３と微小振動子１０１と対向した領域は微小であるため、同量の電荷量でも電位を拡大してMOSFETのゲートへ出力することが可能となる。
また、本構成により、SETの導電性島１１４へ微小量電荷を効率良く供給することが可能となる。
【００７１】
微小振動子１０１が、幅120nm、厚み75nm、長さ1μmの1GHz帯振動子、微小振動子１０１と電荷励起電極１０３１間のギャップが100nm、微小振動子１０１の共振時の振動振幅が１オングストローム、励起電荷量が10e（e：電気素量）、単一構成からなる検出電極１０３の振動子１０１に対向する幅が500nmの場合、検出される電位は0.5Vであるのに対し、本実施の形態５における検出電極１０３ｂにおいては、電荷励起電極の幅500nm、電位検出電極の幅50nmとすることにより電位を10倍の5Vと拡大することが可能である。
【００７２】
なお、突起構造１０３３は、単数、または複数個設けることが可能であり、電荷１１６が突起構造１０３３に集まることが可能である距離、数10nm〜数100nm間隔で形成することができる。電荷は広域な領域に対し微小な領域に集まる性質があるため、突起構造１０３３の形状は周囲に対し微小な領域を形成できていれば良いが、三角形のような鋭敏な先端部を有する構造が、電荷をさらに微小領域に凝集する上では望ましい。
【００７３】
図１２（ｂ）は、本実施の形態５における電気機械フィルタの検出電極の構成を示す断面図である。
電荷励起電極１０３１上に形成された電位検出電極１０３２との間には、絶縁層１０３４が形成されており、両電極間の絶縁をとっている。本構造は、実施の形態１および実施の形態２で示した製造方法と同様に作製可能であり、材料堆積、パターニング工程を用いる。突起構造１０３３の形成においては、電位検出電極１０３２と同じ材料で、同じマスクを用い、マスクパターンの変更により形状を変えることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明に係る電気機械フィルタは、量子素子を用いることにより、微小振動子の微小振動を検出することを可能にすることができ、高感度な検出機構を備えた高周波信号のフィルタリング機能を有する電気機械フィルタとして有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明の実施の形態１における電気機械フィルタを示す図であり、（ａ）はこの電気機械フィルタの構成を示す斜視図、（ｂ）はこの電気機械フィルタの構成を示す回路図である。
【図２】本発明の実施の形態１の変形例の電気機械フィルタを示す図であり、（ａ）はこの電気機械フィルタの斜視図、（ｂ）はこの電気機械フィルタの構成を示す回路図である。
【図３】本発明の実施の形態１の変形例の電気機械フィルタのバンド図であり、（ａ）はMOS接合のバンド図（半導体（Ｐ型）を用いた場合）（ｂ）はMOS接合のバンド図（半導体（Ｎ型）を用いた場合）である。
【図４】本発明の実施の形態１乃至４の電気機械フィルタのフィルタリング特性を示す図であり、（ａ）はバンドストップフィルタ特性を示す図、（ｂ）はバンドストップフィルタ特性を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態１における電気機械フィルタの製造工程を段階的に説明する断面図である。
【図６】本発明の実施の形態１における電気機械フィルタの製造工程を段階的に説明する断面図である。
【図７】本発明の実施の形態２における電気機械フィルタを示す図であり、（ａ）はこの電気機械フィルタの構成を示す斜視図、（ｂ）はこの電気機械フィルタの構成を示す回路図である。
【図８】本発明の実施の形態２の変形例の電気機械フィルタを示す図であり、（ａ）はこの電気機械フィルタの斜視図、（ｂ）はこの電気機械フィルタの構成を示す回路図である。
【図９】実施の形態２および実施の形態４における電気機械フィルタのSETのバンド図である。
【図１０】本発明の実施の形態３における電気機械フィルタを示す図であり、（ａ）はこの電気機械フィルタの構成を示す斜視図、（ｂ）はこの電気機械フィルタの構成を示す回路図である。
【図１１】本発明の実施の形態４における電気機械フィルタを示す図であり、（ａ）はこの電気機械フィルタの構成を示す斜視図、（ｂ）はこの電気機械フィルタの構成を示す回路図である。
【図１２】本実施の形態５における電気機械フィルタの検出電極の構成を示す図であり、（ａ）はこの検出電極の構成を示す上面図、（ｂ）はこの検出電極の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００７６】
１００、２００、３００、４００、５００、６００  電気機械フィルタ
１０１  微小振動子
１０２  駆動電極
１０３、１０３ｂ  検出電極
１０３１  電荷励起電極
１０３２  電位検出電極
１０３３  突起構造
１０４  ソース電極
１０５  ドレイン電極
１０６  半導体
１０７  （ゲート）絶縁膜
１０８、１１１、１０３４  絶縁層
１０９  ポスト
１１０  スペーサ
１１２  基板
１１３  フォトレジスト
１１４  導電性島
１１５  ゲート電極
１１６  電荷
【図１】
2005341536.tif 000003
【図２】
2005341536.tif 000004
【図３】
2005341536.tif 000005
【図４】
2005341536.tif 000006
【図５】
2005341536.tif 000007
【図６】
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【図７】
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【図８】
2005341536.tif 000010
【図９】
2005341536.tif 000011
【図１０】
2005341536.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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