(57)【要約】  本発明は、ストリップ１１を備える機械振動子に関し、ストリップ１１は、１つの面の第１の方位Ｄｓ１に沿って延在する結晶格子を有する第１のシリコン層Ｃｓ１と、シリコンのものと反対の符号のヤング率の熱係数を有する材料で構成される熱補償層Ｃｏ１と、面の第２の方位Ｄｓ２に沿って延在する結晶格子を有する第２のシリコン層Ｃｓ２とを含み、第１の方位Ｄｓ１および第２の方位Ｄｓ２は、層の面内で４５°の角度でオフセットされており、熱補償層Ｃｏ１は、第１のシリコン層Ｃｓ１と第２のシリコン層Ｃｓ２との間に延在する。【選択図】図１
2018511032.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ストリップ（１１）を備える機械振動子であって、前記ストリップ（１１）は、
面の第１の方位に沿って延在する結晶格子を有する第１のシリコン層（Ｃｓ１）と、
シリコンのものと反対の符号のヤング率の熱係数を有する材料で作製される熱補償層（Ｃｏ１）と
を備え、前記ストリップ（１１）は、前記面の第２の方位に沿って延在する結晶格子を有する第２のシリコン層（Ｃｓ２）をさらに含み、
前記第１の方位（Ｄｓ１）および前記第２の方位（Ｄｓ２）は、前記層の前記面内で４５°の角度だけオフセットされており、
前記熱補償層（Ｃｏ１）は、前記第１のシリコン層と前記第２のシリコン層（Ｃｓ１、Ｃｓ２）との間に延在することを特徴とする機械振動子。
【請求項２】
前記ストリップ（１１）が、
前記第１のシリコン層の方位（Ｄｓ１）と平行な第３の方位（Ｄｓ３）に沿って延在する結晶格子を含む第３のシリコン層（Ｃｓ３）と、
前記シリコンのものと反対の符号のヤング率の熱係数を有する材料で作製される第２の熱補償層（Ｃｏ２）と
を含み、
各熱補償層（Ｃｏ１、Ｃｏ２）は、２つの重ね合わされるシリコン層（Ｃｓ１、Ｃｓ２、Ｃｓ３）の間に配置され、
他の２つのシリコン層（Ｃｓ１、Ｃｓ３）の間に配置される前記第２のシリコン層（Ｃｓ２）の方位は、前記他の２つのシリコン層（Ｃｓ１、Ｃｓ３）の方位に対して４５°の角度だけオフセットされていることを特徴とする請求項１記載の機械振動子。
【請求項３】
前記ストリップ（１１）が、前記シリコンのものと反対の符号のヤング率の熱係数を有する材料で作製される外側の熱補償層（Ｃｏｅ）を含むことを特徴とする請求項１または２記載の機械振動子。
【請求項４】
前記熱補償層（Ｃｏ１、Ｃｏ２、Ｃｏｅ）の前記材料が前記シリコンのものと反対の符号のヤング率の熱係数を有し、前記熱補償層（Ｃｏ１、Ｃｏ２、Ｃｏｅ）が、酸化シリコン（ＳｉＯ２）で作製されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の機械振動子。
【請求項５】
前記シリコンのものと反対の符号のヤング率の熱係数を有する前記材料と、前記シリコン層（Ｃｓ１、Ｃｓ２、Ｃｓ３）との間の体積比が、略２０℃の周囲温度で、２０％と３０％との間、好ましくは略２６％であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の機械振動子。
【請求項６】
前記機械振動子が、機械的なぜんまい仕掛けのアセンブリのロッカーアームを備えるように構成され、渦巻状のストリップ（１１）により形成されている渦巻ばねであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の機械振動子。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の機械振動子の製造方法であって、前記方法は、
前記機械振動子のパターンを、前記第１のシリコン層（Ｃｓ１）上、ならびに前記熱補償層（Ｃｏ１）および前記第２のシリコン層（Ｃｓ２）上にエッチングすること
を含むことを特徴とする製造方法。
【請求項８】
前記方法が、
第１の絶縁膜上シリコン（ＳＯＩ）ウェハの第１のシリコン層（Ｃｓ１）上に熱補償層（Ｃｏ１）を置くステップ（２１）と、
前記機械振動子の前記パターンを、前記熱補償層（Ｃｏ１）上および前記第１の絶縁膜上シリコン（ＳＯＩ）ウェハの前記第１のシリコン層（Ｃｓ１）上にエッチングするステップ（２２）と、
第２のシリコンウェハの第２のシリコン層（Ｃｓ２）が前記熱補償層（Ｃｏ１）と接触するように、第２の絶縁膜上シリコン（ＳＯＩ）ウェハを、前記第１のシリコンウェハに対して４５°の回転で、前記第１のシリコンウェハ上にシールするステップ（２３）と、
前記第１の絶縁膜上シリコン（ＳＯＩ）ウェハの基板（Ｓｕ１）および絶縁層（Ｃｉ１）を除去するステップ（２４）と、
前記第１のシリコン層（Ｃｓ１）をマスクとして用いて、前記第２のシリコンウェハの前記第２のシリコン層（Ｃｓ２）にエッチングを施すステップ（２５）と、
前記第２の絶縁膜上シリコン（ＳＯＩ）ウェハの基板（Ｓｕ２）および絶縁層（Ｃｉ２）を除去するステップ（２６）と
を含み、
前記第１および第２の絶縁膜上シリコン（ＳＯＩ）シリコンウェハは、絶縁層（Ｃｉ１、Ｃｉ２）に覆われ、その後単結晶の第１または第２の前記シリコン層（Ｃｓ１、Ｃｓ２）の１つに覆われる基板（Ｓｕ１、Ｓｕ２）により構成されることを特徴とする請求項７記載の機械振動子の製造方法。
【請求項９】
前記方法が、
第１の絶縁膜上シリコン（ＳＯＩ）ウェハの第１のシリコン層（Ｃｓ１）上に熱補償層（Ｃｏ１）の第１の部分（Ｃｏｐ１）を置くステップ（３２）と、
第２の絶縁膜上シリコン（ＳＯＩ）ウェハの第２のシリコン層（Ｃｓ２）上に前記熱補償層（Ｃｏ１）の第２の部分（Ｃｏｐ２）を置くステップ（３３）と、
前記機械振動子の前記パターンを、前記熱補償層（Ｃｏ１）の前記第１の部分（Ｃｏｐ１）上および前記第１の絶縁膜上シリコン（ＳＯＩ）ウェハの前記第１のシリコン層（Ｃｓ１）上にエッチングするステップ（３４）と、
前記機械振動子の前記パターンを、前記熱補償層（Ｃｏ１）の前記第２の部分（Ｃｏｐ２）上および前記第２の絶縁膜上シリコン（ＳＯＩ）ウェハの前記第２のシリコン層（Ｃｓ２）上にエッチングするステップ（３５）と、
前記熱補償層（Ｃｏ１）の２つの部分（Ｃｏｐ１、Ｃｏｐ２）が接触するように、前記第２のシリコンウェハを、前記第１のシリコンウェハに対して４５°の回転で、前記第１のシリコンウェハ上にシールするステップ（３６）と、
前記第２の絶縁膜上シリコン（ＳＯＩ）ウェハの基板（Ｓｕ２）および絶縁層（Ｃｉ２）を除去するステップ（３７）と、
前記第１の絶縁膜上シリコン（ＳＯＩ）ウェハの基板（Ｓｕ１）および絶縁層（Ｃｉ１）を除去するステップ（３８）と
を含み、
前記第１および第２の絶縁膜上シリコン（ＳＯＩ）ウェハは、絶縁層（Ｃｉ１、Ｃｉ２）に覆われ、その後単結晶の第１または第２の前記シリコン層（Ｃｓ１、Ｃｓ２）の１つに覆われる基板（Ｓｕ１、Ｓｕ２）により構成されることを特徴とする請求項７記載の機械振動子の製造方法。
【請求項１０】
前記方法が、
前記機械振動子の前記パターンを、二重の絶縁膜上シリコン型（二重ＳＯＩ）のシリコンウェハの、第１のシリコン層（Ｃｓ１）、第２の絶縁層（Ｃｉ２）および第２のシリコン層（Ｃｓ２）上にエッチングするステップ（４１）と、
前記シリコンウェハの基板（Ｓｕ１）および第１の絶縁層（Ｃｉ１）を除去するステップ（４２）と
を含み、
第１の前記絶縁膜上シリコン（二重ＳＯＩ）ウェハは、第１の絶縁層（Ｃｉ１）、第１の単結晶シリコン層（Ｃｓ１）、第２の絶縁層（Ｃｉ２）に覆われ、その後第２の単結晶シリコン層（Ｃｓ２）に覆われる基板（Ｓｕ１）により構成され、前記二重の絶縁膜上シリコン（二重ＳＯＩ）ウェハの前記第１および第２のシリコン層（Ｃｓ１、Ｃｓ２）は、４５°の角度で方位がオフセットされている結晶格子を含むことを特徴とする請求項７記載の機械振動子の製造方法。
【請求項１１】
前記方法が、
前記機械振動子の前記パターンを、第１の二重の絶縁膜上シリコン（二重ＳＯＩ）ウェハの、第２のシリコン層（Ｃｓ２）および第２の絶縁層（Ｃｉ２）上にエッチングするステップ（５１）と、
第２のシリコンウェハ（Ｓｉ２）を前記第１のシリコンウェハの前記第２のシリコン層（Ｃｓ２）上にシールするステップ（５２）と、
前記第１のシリコンウェハの基板（Ｓｕ１）および第１の絶縁層（Ｃｉ１）を除去するステップ（５３）と、
前記機械振動子の前記パターンを、前記第１のシリコンウェハの第１のシリコン層（Ｃｓ１）上にエッチングするステップ（５４）と、
前記第２のシリコンウェハ（Ｓｉ２）を除去するステップ（５５）と
を含み、
前記第１の二重の絶縁膜上シリコン（二重ＳＯＩ）ウェハは、第１の絶縁層（Ｃｉ１）、第１の単結晶シリコン層（Ｃｓ１）、第２の絶縁層（Ｃｉ２）に覆われ、その後第２の単結晶シリコン層（Ｃｓ２）に覆われる基板（Ｓｕ１）により構成され、前記二重の絶縁膜上シリコン（二重ＳＯＩ）ウェハの前記第１および第２のシリコン層（Ｃｓ１、Ｃｓ２）は、４５°の角度で方位がオフセットされている結晶格子を含み、
前記第２のシリコンウェハ（Ｓｉ２）は、絶縁層に覆われても覆われなくてもよい単一のシリコン層により構成されることを特徴とする請求項７記載の機械振動子の製造方法。
【請求項１２】
前記方法が、
第１の絶縁膜上シリコン（ＳＯＩ）ウェハのシリコン層（Ｃｓ１）上に熱補償層（Ｃｏ１）を置くステップ（６１）と、
前記機械振動子の前記パターンを、前記熱補償層（Ｃｏ１）上および前記第１のシリコンウェハの前記シリコン層（Ｃｓ１）上にエッチングするステップ（６２）と、
第２のシリコンウェハ（Ｓｉ２）が前記熱補償層（Ｃｏ１）と接触するように、前記第２のシリコン層（Ｃｓ２）を含む第２のシリコンウェハ（Ｓｉ２）を、前記第１のシリコンウェハに対して４５°の回転で、前記第１のシリコンウェハ上にシールするステップ（６３）と、
前記第２のシリコンウェハ（Ｓｉ２）を薄くするステップ（６４）と、
前記機械振動子の前記パターンを前記第２のシリコンウェハ（Ｓｉ２）上にエッチングするステップ（６５）と、
前記第１のシリコンウェハの基板（Ｓｕ１）および絶縁層（Ｃｉ１）を除去するステップ（６６）と
を含み、
前記第１の絶縁膜上シリコン（ＳＯＩ）ウェハは、絶縁層（Ｃｉ１）に覆われ、その後単結晶シリコン層（Ｃｓ１）に覆われる基板（Ｓｕ１）により構成され、
前記第２のシリコンウェハ（Ｓｉ２）は、絶縁層に覆われても覆われなくてもよい単一のシリコン層により構成されることを特徴とする請求項７記載の機械振動子の製造方法。
【請求項１３】
前記方法が、
絶縁膜上シリコン（ＳＯＩ）ウェハの前記第２のシリコン層（Ｃｓ２）を形成する基板（Ｓｕ１）を薄くするステップ（７１）と、
前記機械振動子の前記パターンを前記シリコンウェハのシリコン層（Ｃｓ１）上にエッチングするステップ（７２）と、
前記シリコンウェハの前記基板（Ｓｕ１）上に構造化層（Ｃｓｔ）を置くステップ（７３）と、
前記第１のシリコン層をマスクとして用いて、前記シリコンウェハの基板（Ｓｕ１）および絶縁層（Ｃｉ１）上に前記機械振動子の前記パターンをエッチングするステップ（７４）と、
前記シリコンウェハの前記基板（Ｓｕ１）の前記構造化層（Ｃｓｔ）を除去するステップ（７５）と
を含み、
前記絶縁膜上シリコン（ＳＯＩ）ウェハは、絶縁層（Ｃｉ１）に覆われ、その後単結晶シリコン層（Ｃｓ１）に覆われるシリコン基板（Ｓｕ１）により構成され、前記絶縁膜上シリコン（ＳＯＩ）ウェハの前記第１のシリコン層（Ｃｓ１）および前記シリコン基板（Ｓｕ１）は、４５°の角度で方位がオフセットされている結晶格子を有することを特徴とする請求項７記載の機械振動子の製造方法。
【請求項１４】
前記方法が前記ストリップの酸化というさらなるステップを含むことを特徴とする請求項８〜１３のいずれか１項に記載の機械振動子の製造方法。
【請求項１５】
前記方法が、第２の熱補償層（Ｃｏ２）および第３のシリコン層（Ｃｓ３）を取り付けることからなる、さらなるステップを含むことを特徴とする請求項８〜１４のいずれか１項に記載の機械振動子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械振動子の分野、および、そのような機械振動子を製造する方法に関する。本発明は、時計などの機械的なぜんまい仕掛けのアセンブリのロッカーアームに使用されることを意図される渦巻ばねへの適用が特に有利である。
【背景技術】
【０００２】
機械振動子は、力の影響下において、安定した点に対して維持される錘の移動を可能にする装置である。機械振動子によって錘に瞬間的に加えられる力は、機械振動子が構成される材料の剛性を含むいくつかのパラメータに依存する。従来、機械振動子は、直線部、螺旋状または渦巻状など、多数の形態をとり得るストリップにより構成される。
【０００３】
機械的なぜんまい仕掛けのアセンブリのロッカーアームを備えることを意図される渦巻ばねなど、特定の精密な用途は、温度の関数として変動する剛性が可能な限り少ない渦巻形状のストリップを必要とする。渦巻型のばねの剛性は、以下のように定められる。
【数１】
2018511032.tif 000003
（式中、φはばねのねじり角度、Ｍは渦巻ばねの戻しトルクである。）
【０００４】
特定の材料で構成されたストリップに対するこの戻しトルクに関する等式は、以下のように定められる。
【数２】
2018511032.tif 000004
（式中、Ｅはストリップに用いられた材料のヤング率、Ｌはストリップの長さ、ｗはストリップの幅、およびｔはストリップの厚さである。）
【０００５】
渦巻の固有の共振周波数は、その剛性の平方根に比例する。結果として、渦巻の周波数は、ストリップの材料のヤング率の平方根に比例する。ゆえに、ヤング率が温度の関数として変動すると、渦巻の周波数も温度の関数として変動する。従って、温度における変動が少ない場合、渦巻の周波数は、ヤング率の温度における変動の一次式に依存する。ゆえに、以下の等式が、温度の関数としてのヤング率の変動を示すと認識される。
【数３】
2018511032.tif 000005
（式中、αEはヤング率の熱係数、Ｅは温度Ｔでのヤング率、およびＥ0は温度Ｔ0でのヤング率である。）
【０００６】
構成要素の数（鉄、炭素、ニッケル、クロム、タングステン、モリブデン、ベリリウム、ニオブなど）の観点、ならびに、温度の影響および磁性収縮（磁化の影響下での磁性物の収縮）の影響などの２つの反対の影響を組み合わせることによって、金属の弾性係数における変動の自動補償を得るために用いられる治金処理の観点、の両方において複雑な合金を用いて機械振動子を製造することが知られている。しかしながら、これらの機械振動子は製造することが困難である。第１に、これは、合金を製造するために用いられる処理の複雑さによるものであり、金属の内在する機械的特性は、１つの生産と別の生産で一定ではない。また、調整、すなわち、振動子が正常であることを確実にすることを可能にする技術は、緻密で時間がかかる。
【０００７】
この操作は、多くの手動の動作を要し、多くの欠陥部品が廃棄されなければならない。これらの理由により、製造には費用がかかり、一定の品質を維持することは、現在も進行中の課題である。
【０００８】
また、デザインの不変性および精度を向上させるために、シリコンウェハをエッチングすることによって機械振動子を製造することも公知である。このような機械振動子を製造するための方法は、概して、単結晶シリコンウェハを用いる。それゆえ、これらの機械振動子は、用いられるシリコンウェハによってあらかじめ定められる単結晶方位を有し、たとえば、全て＜１００＞の方位を有する。しかしながら、単結晶シリコンのヤング率は、材料の全ての方位において同一ではなく、これは動作軸に応じた機械的挙動の差を生じさせる。
【０００９】
特許文献１は、単結晶シリコンウェハから製造される渦巻型の機械振動子に関する。渦巻状のストリップのヤング率の温度変動は、シリコンストリップ内に配置される２つの非晶質層によって補償され、非晶質層のヤング率の熱係数は、シリコンのものと反対である。この文献は、単結晶シリコンウェハの面の複数の方位において、ヤング率の温度変動を同一の方法では補償しない。
【００１０】
特許文献２および特許文献３も、単結晶シリコンウェハから製造される渦巻型の機械振動子を取り扱う。ヤング率の温度変動は、シリコンストリップの周りに巻かれた非晶質の酸化シリコンの層によって補償される。約２０℃の周囲温度で、シリコンに対するヤング率の熱係数は−６４．１０-6Ｋ-1であり、酸化シリコンに対するヤング率の熱係数は１８７，５．１０-6Ｋ-1である。
【００１１】
特許文献２は、ストリップにより予測される応力の関数としての、ストリップの幅の調整によって、面の複数の方位においてシリコンストリップのヤング率における変動を補償することを提案する。この解決策は、ストリップ上の予測される応力を全て把握し、それに応じてストリップの形状を適合させることを要することから、実施することがとりわけ複雑である。
【００１２】
特許文献３は、面の複数の方位において同様の機械的特徴を有する結晶軸｛１、１、１｝にしたがって配向される特異なシリコンストリップを用いることによってこの問題を解決することを提案する。この実施は、機械振動子の製造方法を大いに制限する非常に特異なシリコンを要する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】瑞国特許出願第６９９７８０号明細書
【特許文献２】欧州特許第１４２２４３６号明細書
【特許文献３】欧州特許第２２１５５３１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
それゆえ本発明の技術的課題は、製造が単純で、面の全ての方位において機械的特徴が同一である、単結晶シリコンの機械振動子を達成することからなる。さらに、本発明は、温度の関数としての機械的特徴における変動を削減することも目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本明細書に記載の発明は、熱補償層を介在させることにより結晶格子方位がオフセットされる２つの単結晶シリコンの層を作ることによって、この技術的課題に応じる。
【００１６】
第１の態様によれば、本発明は、面の第１の方位に沿って延在する結晶格子を含む第１のシリコン層と、シリコンのものと反対の符号のヤング率の熱係数を有する材料で作製される熱補償層と、面の第２の方位に沿って延在する結晶格子を有する第２のシリコン層とを有するストリップを設けられた機械振動子に関し、第１および第２の方位は、層の面内で４５°の角度でオフセットされており、熱補償層は、第１のシリコン層と第２のシリコン層との間に延在する。
【００１７】
本発明の目的のために、ストリップは、それゆえいくつかの材料の層を含む複合構造であって、一体型構造ではない。
【００１８】
本発明はゆえに、温度にかかわらず、面の全ての方位において機械的挙動が同一である機械振動子を得ることを可能にする。材料の複数の方向における、単結晶シリコンのヤング率の変動は、４５°オフセットされた２つの同一の単結晶シリコン層の存在によって補償される。温度の関数としての、機械的特徴に対するヤング率の熱係数の影響は、熱補償層によって削減される。ゆえに、ストリップは概して、検討中の面がどの方位でも、またどの温度でも、本質的に同様に動く。たとえば、面内で等方性（または非晶質）の熱補償層を選択することによって、層もまた、同様に等方性であるヤング率の熱係数を有する。ゆえにこの熱補償層は、ストリップの剛性における変動を均一に補償する。さらに、複雑な製造工程を要するであろう、面内で等方性の単結晶ネットワークを設けることは不要である。
【００１９】
一実施形態によれば、上述のストリップは、第１のシリコン層の方位と平行な第３の方位に沿って延在する結晶格子を含む第３のシリコン層と、シリコンのものと反対の符号のヤング率の熱係数を有する材料で作製される第２の熱補償層とを含み、各熱補償層は、２つの重ね合わされるシリコン層の間に配置され、他の２つのシリコン層の間に配置されるシリコン層の方位は、他の２つのシリコン層の方位に対して４５°の角度だけオフセットされている。この実施形態は、さらなる層を用いることによって各熱補償層の厚さを削減する。
【００２０】
一実施形態によれば、上述のストリップは、シリコンのものと反対の符号のヤング率の熱係数を有する材料で作製される外側の層を含む。第１のシリコン層と第２のシリコン層との間に延在する熱補償層を用いることにより、外側の層の厚さを削減することが可能となる。
【００２１】
一実施形態によれば、材料がシリコンのものと反対の符号のヤング率の熱係数を有する熱補償層は、酸化シリコンにより作製される。
【００２２】
酸化シリコンは空気と接触するかまたは酸化チャンバにあるシリコンから得られることから、この実施形態は機械振動子の製造方法を容易にする。
【００２３】
一実施形態によれば、シリコンのものと反対の符号のヤング率の熱係数を有する材料の、シリコン層に対する体積比は、材料の特質に依存する。たとえば、酸化シリコンについては、略２０℃の周囲温度で、２０％〜３０％、好ましくは略２６％である。この実施形態は、ストリップの熱の感度を効率的に補償することを可能にする。さらに、第１のシリコン層と第２のシリコン層との間に延在する熱補償層を用いることは、外側の層の厚さを削減することを可能にし、これは製造時間を減少させ、外側の層の品質を向上させる。
【００２４】
一実施形態によれば、機械振動子は、渦巻状のストリップにより構成されている機械的なぜんまい仕掛けのアセンブリのロッカーアームを備えるように構成される渦巻ばねである。本発明は、精密な時計を製造するために用いられる渦巻ばねに特に適している。また本発明は、たとえば音叉型の、他の機械的な振動子または共振器の製造にも適している。
【００２５】
第２の態様によれば、本発明は、上述のような機械振動子を製造するための方法に関する。
【００２６】
一実施形態によれば、方法は以下のステップ、すなわち、絶縁膜上シリコン型（silicon-on-insulator（ＳＯＩ））の第１のシリコンウェハのシリコン層上に熱補償層を置くステップ、機械振動子のパターンを熱補償層上および第１の絶縁膜上シリコンウェハのシリコン層上にエッチングするステップ、第２のシリコンウェハの１つのシリコン層が熱補償層と接触するように、第２の絶縁膜上シリコンウェハを、第１のシリコンウェハに対して４５°の回転で、第１のシリコンウェハ上にシールするステップ、第１の絶縁膜上シリコンウェハから基板および絶縁層を除去するステップ、第１のシリコン層をマスクとして用いて、第２のシリコンウェハのシリコン層にエッチングを施すステップ、および第２の絶縁膜上シリコンウェハから基板および絶縁層を除去するステップを含み、第１および第２の絶縁膜上シリコンウェハは、絶縁層に覆われ、その後単結晶シリコン層に覆われる基板を用いて製造される。
【００２７】
本発明の目的のために、「材料の層を置く」という語句は、堆積により材料を付加すること、既存の層の成長および変換により材料を付加すること、または、補助層をシールすることにより補助層を移すこと、からなるプロセスを意味する。
【００２８】
一実施形態によれば、方法は以下のステップ、すなわち、第１の絶縁膜上シリコンウェハのシリコン層上に熱補償層の第１の部分を置くステップ、第２の絶縁膜上シリコンウェハのシリコン層上に熱補償層の第２の部分を置くステップ、機械振動子のパターンを、熱補償層の第１の部分上および第１の絶縁膜上シリコンウェハのシリコン層上にエッチングするステップ、機械振動子のパターンを、熱補償層の第２の部分上および第２の絶縁膜上シリコンウェハのシリコン層上にエッチングするステップ、熱補償層の２つの部分が接触するように、第２のシリコンウェハを、第１のシリコンウェハに対して４５°の回転で、第１のシリコンウェハ上にシールするステップ、第２の絶縁膜上シリコンウェハの基板および絶縁層を除去するステップ、および第１のＳＯＩウェハから基板および絶縁層を除去するステップを含み、第１および第２のＳＯＩウェハは、絶縁層に覆われ、その後単結晶シリコン層に覆われる基板により構成される。
【００２９】
一実施形態によれば、方法は以下のステップ、すなわち、機械振動子のパターンを、二重の絶縁膜上シリコン型の、第１のシリコン層、第２の絶縁層および第２のシリコン層上にエッチングするステップ、およびシリコンウェハから基板および第１の絶縁層を除去するステップを含み、第１の二重絶縁膜上シリコンウェハは、第１の絶縁層、第１の単結晶シリコン層、第２の絶縁層および第２の単結晶シリコン層に覆われる基板により構成され、二重絶縁膜上シリコンウェハの第１および第２のシリコン層は、方位が４５°の角度でオフセットされている結晶格子を有する。
【００３０】
一実施形態によれば、方法は以下のステップ、すなわち、機械振動子のパターンを、第１の二重の絶縁膜上シリコンウェハの、第２のシリコン層および第２の絶縁層上にエッチングするステップ、第２のシリコンウェハを第１のシリコンウェハの第２のシリコン層上にシールするステップ、第１のシリコンウェハから基板および第１の絶縁層を除去するステップ、機械振動子のパターンを、第１のシリコンウェハの第１のシリコン層上にエッチングするステップ、および第２のシリコンウェハを除去するステップを含み、第１の二重ＳＯＩウェハは、第１の絶縁層、第１の単結晶シリコン層、第２の絶縁層に覆われ、その後第２の単結晶シリコン層に覆われる基板からなり、二重絶縁膜上シリコンウェハの第１および第２のシリコン層は、方位が４５°の角度でオフセットされている結晶格子を有し、第２のシリコンウェハは、熱補償絶縁層に覆われても覆われなくてもよい単一のシリコン層によって構成される。
【００３１】
一実施形態によれば、方法は以下のステップ、すなわち、第１のＳＯＩウェハのシリコン層上に熱補償層を置くステップ、機械振動子のパターンを、熱補償層上および第１のシリコンウェハのシリコン層上にエッチングするステップ、第２のシリコンウェハが熱補償層と接触するように、第２のシリコンウェハを、第１のシリコンウェハに対して４５°の回転で、第１のシリコンウェハ上にシールするステップ、第２のシリコンウェハを薄くするステップ、機械振動子のパターンを第２のシリコンウェハ上にエッチングするステップ、および第１のシリコンウェハの基板および絶縁層を除去するステップを含み、第１の絶縁膜上シリコンウェハは、絶縁層に覆われ、その後単結晶シリコン層に覆われる基板により構成され、第２のシリコンウェハは、熱補償絶縁層に覆われても覆われなくてもよい単一のシリコン層により構成される。
【００３２】
一実施形態によれば、方法は以下のステップ、すなわち、絶縁膜上シリコンウェハの基板を薄くするステップ、機械振動子のパターンをシリコンウェハのシリコン層上にエッチングするステップ、シリコンウェハの基板上に構造化層を置くステップ、第１のシリコン層をマスクとして用いて、シリコンウェハの基板および絶縁層上に機械振動子のパターンをエッチングするステップ、およびシリコンウェハの基板の構造化層を除去するステップを含み、絶縁膜上シリコンウェハは、絶縁層に覆われ、その後単結晶シリコン層に覆われる基板により構成され、シリコンウェハの第１のシリコン層およびシリコン基板は、方位が４５°の角度でオフセットされている結晶格子を有する。
【００３３】
一実施形態によれば、方法は、ストリップの酸化という、さらなる段階を含む。
【００３４】
一実施形態によれば、少なくとも１つのシリコンウェハは、第１の絶縁層、第１の単結晶シリコン層、第２の絶縁層、第２の単結晶シリコン層に覆われ、その後第３の単結晶シリコン層に覆われる基板により構成される、三重の絶縁膜上シリコン型のものであり、二重の絶縁膜上シリコンウェハの第１および第２のシリコン層は、方位が４５°の角度でオフセットされている結晶格子を有する。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
本発明の実施形態の方法およびそこから生じる利点は、添付の図面を用いて、図１〜１２が次のことを示している以下の実施形態において前面に明らかとなるだろう。
【００３６】
【図１】本発明の第１の実施形態による機械振動子のストリップの断面図である。
【図２】＜１００＞型のシリコンウェハ上の、結晶格子の軸の様々な方位の概略図である。
【図３】結晶格子の中心線の面における方位による、図１のストリップの２つのシリコン層の１つの機械的特徴の代表図である。
【図４】本発明の第２の実施形態による機械振動子のストリップの断面図である。
【図５】本発明の第３の実施形態による機械振動子のストリップの断面図である。
【図６】本発明の第４の実施形態による機械振動子のストリップの断面図である。
【図７】１つの第１の実施形態による図１のストリップの製造方法の概略図である。
【図８】第２の実施形態による図１のストリップの製造方法の概略図である。
【図９】第３の実施形態による図１のストリップの製造方法の概略図である。
【図１０】第４の実施形態による図１のストリップの製造方法の概略図である。
【図１１】第５の実施形態による図１のストリップの製造方法の概略図である。
【図１２】第６の実施形態による図１のストリップの製造方法の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
図１は、たとえば、直線部、螺旋状または渦巻状の、３つの層のスタックを含む機械振動子のストリップ（１１）を示し、第１の単結晶シリコン層（Ｃｓ１）は熱補償層（Ｃｏ１）と直接接触し、熱補償層（Ｃｏ１）は第２の単結晶シリコン層（Ｃｓ２）と直接接触する。第１のシリコン層（Ｃｓ１）は、高さｈｓ１にわたって、およびストリップ（１１）の全幅Ｌにわたって延在する。第２のシリコン層（Ｃｓ２）は、高さｈｓ１と本質的に同一の高さｈｓ２にわたって、およびストリップ（１１）の全幅Ｌにわたって延在する。熱補償層（Ｃｏ１）は、２つの高さｈｓ１およびｈｓ２よりもかなり小さな高さｈｏ１にわたって、およびストリップ（１１）の全幅Ｌにわたって延在する。
【００３８】
２つのシリコン層（Ｃｓ１、Ｃｓ２）は、２つの同一の結晶格子を含む。各シリコン層（Ｃｓ１、Ｃｓ２）の各結晶格子は、所定の方位（Ｄｓ１、Ｄｓ２）を有する。シリコン層の「方位」という語は、対応するシリコン層（Ｃｓ１、Ｃｓ２）の面において結晶格子が最大のヤング率を有する結晶格子の方位を意味すると考えられる。
【００３９】
図１、４、５および６のハッチングは、方位（Ｄｓ１、Ｄｓ２およびＤｓ３）の間のオフセットの概略図を提供する。
【００４０】
しかしながら、方位（Ｄｓ１、Ｄｓ２およびＤｓ３）の間のオフセットは、シリコン層（Ｃｓ１、Ｃｓ２およびＣｓ３）の面内にあるので、ストリップ（１１）の写実的な断面図においては同様に見えない。「結晶格子が１つの方位に沿って延在する」という語句は、結晶格子が、最大のヤング率が所定の方位で得られる結晶構造を含むことを意味する。
【００４１】
図２は、３つの線形ばねに従ってモデリングされた第１のシリコン層（Ｃｓ１）の、＜１００＞型の単結晶網を示す。＜１００＞型の結晶格子に関して、ｘ軸の結晶方位［−１１０］およびｙ軸の結晶方位［−１−１０］における第１のシリコン層（Ｃｓ１）の機械的強度は、ｘ１軸の結晶方位［１００］およびｙ１軸の結晶方位［０１０］における機械的強度よりも大きい。図３は、一定の温度で＜１００＞型の結晶格子の面において識別される力Ｆの角度方向の関数としての、＜１００＞型のウェハの機械的特徴を示す。Ｅはヤング率の変動を表す。機械的な強さは、＜１１０＞および
2018511032.tif 000006
の方位で局所的な最大値を有し、＜１００＞および＜０１０＞の方位で局所的な最小値を有する。このため、第１のシリコン層（Ｃｓ１）の＜１００＞型の結晶格子の剛性は、ｘ［−１１０］およびｙ１［０１０］方位において異なると推定できる。この剛性は、ｘ［−１１０］方位とｙ［−１−１０］方位との間では同一である。
【００４２】
熱補償層（Ｃｏ１）の厚さがあるとすれば、ストリップ（１１）の機械的特性は、２つのシリコン層（Ｃｓ１、Ｃｓ２）の機械的特性に大いに依存する。２つのシリコン層（Ｃｓ１、Ｃｓ２）が、同一の結晶方位、およびｈｓ１＝ｈｓ２などの同一の高さを有する場合、ｘ［−１１０］方位におけるストリップ（１１）の強度ＦtotXは、２つのシリコン層（Ｃｓ１、Ｃｓ２）の強度（Ｆ１、Ｆ２）の合計に等しい。２つのシリコン層（Ｃｓ１、Ｃｓ２）の方位ｘ［−１１０］におけるヤング率Ｅ-110が同一である場合、強度Ｆ１およびＦ２も以下のように同一である。
【数４】
2018511032.tif 000007
（式中、εは歪み係数を示す。）
【００４３】
方位ｘ［−１１０］におけるストリップ（１１）の強度ＦtotXはそれゆえ、
【数５】
2018511032.tif 000008
である。
【００４４】
このｘ［−１１０］方位における強度ＦtotXは、単心渦巻である場合、Ｙ［−１−１０］方位においても同一である。
【００４５】
しかしながら、ｙ１［０１０］方位におけるストリップ（１１）の強度Ｆtoty1は、
【数６】
2018511032.tif 000009
である。
【００４６】
しかしながら、図３は、ｙ１［０１０］方位におけるシリコン層（Ｃｓ１、Ｃｓ２）のヤング率Ｅ010が、ｘ［−１１０］方位におけるシリコン層（Ｃｓ１、Ｃｓ２）のヤング率Ｅ-110よりも小さいことを示し、これはｘ［−１１０］およびｙ１［０１０］方位における強度に差を生じさせる。ゆえに、ｘ［−１１０］方位におけるストリップ（１１）の強度ＦtotXは、ｙ１［０１０］方位におけるストリップ（１１）の強度Ｆtoty1よりも大きい。ストリップ（１１）はゆえに、ｙ１［０１０］方位において強度が弱い。
【００４７】
本発明は、シリコン層（Ｃｓ１、Ｃｓ２）の面においてシリコン層（Ｃｓ１およびＣｓ２）の方位（Ｄｓ１、Ｄｓ２）を４５°の角度だけシフトすることによって、この強度における差を補う。ゆえに、所定の方位におけるヤング率は、２つの層（Ｃｓ１およびＣｓ２）の間で異なる。たとえば、ｙ１［０１０］方位において、第１のシリコン層（Ｃｓ１）のヤング率Ｅ-110は、第２のシリコン層（Ｃｓ２）のヤング率Ｅ010とは異なる。方位ｘ［−１１０］におけるストリップ（１１）の強度ＦtotXはそれゆえ、
【数７】
2018511032.tif 000010
である。
【００４８】
ｙ１［０１０］方位におけるストリップ（１１）の強度Ｆtoty1は、
【数８】
2018511032.tif 000011
である。
【００４９】
Ｅ1-10がＥ-110と等しいと仮定すると、強度は２つの方位ｘ［−１１０］およびｙ１［０１０］において同一である。図１のストリップ（１１）の構造は、ゆえに、結晶格子の全ての方位ｘ、ｙおよびｙ１で同一の機械的特徴をもたらす。
【００５０】
熱補償層（Ｃｏ１）は、温度の関数としてのシリコン層（Ｃｓ１、Ｃｓ２）の機械的強度における変動が少なくとも部分的に熱補償層（Ｃｏ１）によって補われるように、シリコンのものと反対の符号のヤング率の熱係数を有する材料で構成される。熱補償層（Ｃｏ１）は、好ましくは酸化シリコンから作られる。約２０℃の周囲温度で、シリコンに対するヤング率の熱係数は−６４．１０-6Ｋ-1である一方で、酸化シリコンに対するヤング率の熱係数は１８７，５．１０-6Ｋ-1である。ゆえに、少なくとも部分的に、温度の関数としてのシリコン層（Ｃｓ１、Ｃｓ２）の機械的強度における変動を補うためには、熱補償層（Ｃｏ１）とシリコン層（Ｃｓ１、Ｃｓ２）との間の体積比が約２０℃の周囲温度で少なくとも２０％である。図１において、ｈｏ１．Ｌ部分の表面積は、それゆえ、Ｌ．ｈｓ１部分およびＬ．ｈｓ２部分の表面積の少なくとも２０％である。
【００５１】
図４は、ストリップ（１１）が、２つの熱補償層（Ｃｏ１、Ｃｏ２）によって分散された３つのシリコン層（Ｃｓ１、Ｃｓ２、Ｃｓ３）を含む本発明の変形例を示す。第１および第３のシリコン層（Ｃｓ１、Ｃｓ３）は、同一の方位（Ｄｓ１、Ｄｓ３）に向けられた結晶格子を有する。第１および第３のシリコン層（Ｃｓ１、Ｃｓ３）の間に配置される第２のシリコン層Ｃｓ２は、方位（Ｄｓ２）が方位（Ｄｓ１、Ｄｓ３）に対して４５°の角度でオフセットされた結晶格子を含む。結晶格子の全ての方位（ｘ、ｙおよびｙ１）において同一の機械的特徴を得るために、第２のシリコン層（Ｃｓ２）の高さｈｓ２は、他の２つのシリコン層（Ｃｓ１、Ｃｓ３）の高さｈｓ１およびｈｓ３の合計と等しくなければならない。少なくとも部分的に温度変動を補うために、高さｈｏ１およびｈｏ２の合計は、酸化シリコンの場合、高さｈｓ１、ｈｓ２およびｈｓ３の合計の少なくとも２０％でなければならない。
【００５２】
図５および６は、熱補償層が図１および４のストリップ（１１）の周りにも配置されている変形例を示す。この実施形態は、シリコン層（Ｃｓ１、Ｃｓ２）の間に位置する熱補償層（Ｃｏ１）の厚さを削減することを可能にする。たとえば、図５の場合、熱補償層の表面積は以下の面積を含む。
・ｈｏ１．Ｌ、ストリップ（１１）の上部の、外側の層（Ｃｏｅ）の面積
・Ｌｏ１．Ｈ、ストリップ（１１）の左側の、外側の層（Ｃｏｅ）の面積
・Ｌｏ２．Ｈ、ストリップ（１１）の右側の、外側の層（Ｃｏｅ）の面積
・ｈｏ３．Ｌ、ストリップ（１１）の下部の、外側の層（Ｃｏｅ）の面積
・ｈｏ２．Ｌ、シリコン層（Ｃｓ１、Ｃｓ２）の間の層（Ｃｏ１）の面積
【００５３】
これらの表面積の合計も、酸化シリコンの場合は、温度変動を補うためにシリコン層（Ｃｓ１、Ｃｓ２）の表面ｈｓ１．Ｌｓおよびｈｓ２．Ｌｓの合計の少なくとも２０％でなければならない。ゆえに、熱補償層、すなわち、内部の層（Ｃｏ１）および外側の層（Ｃｏｅ）の厚さは、図１の実施形態よりも小さい。図６は、図４に示されたようにストリップが３つのシリコン層（Ｃｓ１、Ｃｓ２およびＣｓ３）を含む同一の実施形態を示す。
【００５４】
図７〜１２は、図１のストリップ（１１）の製造方法を示す。図７の方法は、絶縁膜上シリコン型（ＳＯＩ）の２つのシリコンウェハを用いる。各絶縁膜上シリコン（ＳＯＩ）ウェハは、絶縁層（Ｃｉ１、Ｃｉ２）に覆われ、その後単結晶シリコン層（Ｃｓ１、Ｃｓ２）に覆われる基板（Ｓｕ１、Ｓｕ２）を含む。基板（Ｓｕ１、Ｓｕ２）はシリコンから作られ得る。第１のステップ（２１）において、熱補償層（Ｃｏ１）は、第１のＳＯＩウェハのシリコン層（Ｃｓ１）上に置かれる。第２のステップ（２２）において、機械振動子のパターンが、熱補償層（Ｃｏ１）上およびシリコン層（Ｃｓ１）上にエッチングされる。第３のステップ（２３）において、第２のウェハのシリコン層（Ｃｓ２）が熱補償層（Ｃｏ１）上にシールされる。第２のウェハは、このシールステップ（２３）の前に、第１のウェハに対して４５°の角度だけオフセットされるので、結晶格子の方位（Ｄｓ１、Ｄｓ２）も４５°の角度だけオフセットされる。１つのステップ（２４）では、アセンブリは反転され、第１のウェハの基板（Ｓｕ１）および絶縁層（Ｃ１）が除去される。１つのステップ（２５）では、第２のウェハのシリコン層（Ｃｓ２）は、第１のシリコン層をエッチングマスクとして用いて、機械振動子のパターンでエッチングを施される。エッチングは、深堀反応性イオンエッチング技術（ＤＲＩＥ、「深掘り反応性イオンエッチング（Deep Reactive Ion Etching）」としても知られる）によって実施され得る。第２のシリコンウェハの基板（Ｓｕ２）および絶縁層（Ｃｉ２）は、その後、機械的振動子を自由にするためにステップ（２６）において除去される。
【００５５】
図８は、同様に２つのＳＯＩウェハを用いる実施形態の方法を示す。ステップ（３２および３３）において、熱補償層（Ｃｏ１）の２つの部分（Ｃｏｐ１、Ｃｏｐ２）は、２つのＳＯＩウェハの各シリコン層（Ｃｓ１、Ｃｓ２）上にそれぞれ置かれる。
【００５６】
ステップ（３４および３５）において、振動子のパターンは、その後、熱補償層（Ｃｏ１）の２つの部分（Ｃｏｐ１、Ｃｏｐ２）上、および２つのウェハの２つのシリコン層（Ｃｓ１、Ｃｓ２）上にエッチングされる。ステップ（３６）において、２つの部分（Ｃｏｐ１、Ｃｏｐ２）はその後、完全な熱補償層（Ｃｏ１）を形成するために、ウェハの間に４５°のオフセットでシールされる。ステップ（３７、３８）は、機械振動子を自由にするために、２つの基板（Ｓｕ１、Ｓｕ２）および２つの絶縁層（Ｃｉ１、Ｃｉ２）を除去することを基礎とする。
【００５７】
図９は、単一の二重ＳＯＩウェハを用いる実施形態の方法を示す。二重ＳＯＩウェハは、第１の絶縁層（Ｃｉ１）、第１の単結晶シリコン層（Ｓｉ１）、第２の絶縁層（Ｃｉ２）に覆われ、その後第２の単結晶シリコン層（Ｓｉ２）に覆われる基板（Ｓｕ１）からなる。第２の絶縁層（Ｃｉ２）はそれゆえ、ストリップ（１１）の熱補償層（Ｃｏ１）の機能を果たす。第１のシリコン層（Ｃｓ１）および第２のシリコン層（Ｃｓ２）は、方位が４５°の角度だけオフセットされる結晶格子を含む。第１のステップ（４１）は、第１のシリコン層（Ｃｓ１）、第２の絶縁層（Ｃｉ２）および第２のシリコン層（Ｃｓ２）上に機械振動子のパターンをエッチングすることからなる。第２のステップ（４２）は、機械振動子を自由にするために、基板（Ｓｕ１）および第１の絶縁層（Ｃｉ１）を除去することを基礎とする。
【００５８】
図１０は、二重ＳＯＩウェハを用いる図９の方法の変形例を示す。第１のステップ（５１）は、第２のシリコン層（Ｃｓ２）および第２の絶縁層（Ｃｉ２）上に機械振動子のパターンをエッチングすることを基礎とする。第２のステップ（５２）において、シリコンウェハ（Ｓｉ２）は第２のシリコン層（Ｃｓ２）上にシールされる。このシリコンウェハ（Ｓｉ２）は、構造物のための媒介物としてのみ作用する犠牲的な層であって、後続のステップにおいては除去される。ステップ（５３）において、アセンブリは反転させられ、第１のウェハの基板（Ｓｕ１）および第１の絶縁層（Ｃｉ１）は除去される。機械振動子のパターンは、ステップ（５４）において第１のシリコン層（Ｃｓ１）上にエッチングされ、ステップ（５５）においてシリコンウェハ（Ｓｉ２）は機械振動子を自由にするために除去される。
【００５９】
図９における方法の変形例は、ストリップ（１１）が厚過ぎてエッチングステップ（４１）により第１のシリコン層（Ｃｓ１）にエッチングが適切に施され得ない場合に実施され得る。
【００６０】
図１１は、ＳＯＩウェハおよびシリコンウェハ（Ｓｉ２）を用いる実施形態の方法を示す。第１のステップ（６１）において、熱補償層（Ｃｏ１）は、第１のＳＯＩウェハのシリコン層（Ｃｓ１）上に置かれる。第２のステップ（６２）において、熱補償層（Ｃｏ１）上およびシリコン層（Ｃｓ１）上に機械振動子のパターンがエッチングされる。シリコンウェハ（Ｓｉ２）はその後ステップ（６３）において、熱補償層（Ｃｏ１）上に４５°のオフセットでシールされる。ステップ（６４）は、図１のストリップ（１１）の第２のシリコン層（Ｃｓ２）に望まれる高さｈｓ２が得られるまで、シリコンウェハ（Ｓｉ２）を薄くすることを基礎とする。ステップ（６５）において、機械振動子のパターンは、シリコンウェハ（Ｓｉ２）により形成される第２のシリコン層（Ｃｓ２）上にエッチングされ、ステップ（６６）において、基板（Ｓｕ１）および絶縁層（Ｃｉ１）は、機械振動子を自由にするために除去される。
【００６１】
図１２は、基板（Ｓｕ１）がシリコンから作られて図１の第２のシリコン層（Ｃｓ２）を形成する、ＳＯＩ型の単一のウェハを用いる実施形態の方法を示す。熱補償層（Ｃｏ１）は、絶縁層（Ｃｉ１）によって形成され、好ましくは酸化シリコンで作られる。第１のステップ（７１）は、図１のストリップ（１１）の第２のシリコン層（Ｃｓ２）に望まれる高さｈｓ２が得られるまで、基板（Ｓｕ１）を薄くすることを基礎とする。ステップ（７２）において、機械的振動子のパターンがシリコン層（Ｃｓ１）上にエッチングされる。構造化層（Ｃｓｔ）はその後ステップ（７３）において、構造物を強化するために、薄くされた基板（Ｓｕ１）上に置かれ、その後機械的振動子のパターンは、ステップ（７４）において絶縁層（Ｃｉ１）および基板（Ｓｕ１）上にエッチングされる。ステップ（７５）において、構造化層（Ｃｓｔ）は機械振動子を自由にするために除去される。
【００６２】
これらの方法の変形例は、図４〜６の変形例の１つを実施するように改変され得る。たとえば、外側の熱補償層（Ｃｏｅ）は、シリコン酸化チャンバにおいて製造されてもよく、ゆえにストリップ（１１）の周りに酸化シリコンの層を形成する。第２の熱補償層（Ｃｏ２）および第３のシリコン層（Ｃｓ３）は、たとえば、絶縁膜上シリコン型の第３のウェハをシールし、対応する付加的なエッチングステップを実施することによって製造されてもよい。本発明は、ゆえに、ストリップのサイズを増加させることなく、また面において等方性のシリコン層を用いることなく、その剛性が面内で等方性で、かつ、温度に依存しない、機械振動子を得ることを可能にする。
【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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【国際調査報告】
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