(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
歪み印加層と、
この歪み印加層に比較して小さい格子定数を有する材料から構成され、前記歪み印加層の上に結晶成長により形成されて前記歪み印加層との格子不整合による引っ張り歪みが残留する振動部形成層と、
前記歪み印加層の側に空間を備えて前記振動部形成層に形成された振動部と、
前記歪み印加層より小さな格子定数を備えた材料から構成された基板と、
前記基板と前記歪み印加層との間に形成されて前記基板より大きい格子定数を備えた材料から構成されて臨界膜厚より厚いバッファ層と
を少なくとも備えることを特徴とする微小機械共振器。
【請求項２】
請求項１記載の微小機械共振器において、
前記歪み印加層は、前記基板の上に臨界膜厚より厚く形成されている
ことを特徴とする微小機械共振器。
【請求項３】
請求項１または２記載の微小機械共振器において、
前記振動部は、両端が支持された梁構造に形成されている
ことを特徴とする微小機械共振器。
【請求項４】
請求項１または２記載の微小機械共振器において、
前記振動部は、前記振動部形成層より構成されたメンブレンである
ことを特徴とする微小機械共振器。
【請求項５】
基板の上にバッファ層を介して歪み印加層が形成された状態とする第１工程と、
この歪み印加層に比較して小さい格子定数を有する材料から構成された振動部形成層が、前記歪み印加層との格子不整合による引っ張り歪みが残留するように前記歪み印加層の上に結晶成長により形成された状態とする第２工程と、
前記歪み印加層の側に空間を備えた振動部が前記振動部形成層に形成された状態とする第３工程と
を少なくとも備え、
前記基板は、前記歪み印加層より小さな格子定数を備えた材料から形成し、前記バッファ層は、前記基板より大きい格子定数を備えた材料から構成して臨界膜厚より厚く形成することを特徴とする微小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、機械的に振動する微小部分を備えた微小機械共振器およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図３は、従来より用いられいる微小な共振器の作製手順を示す工程図である。図３では、共振器の構造を模式的な斜視図で示している。この共振器の製造では、まず、図３（ａ）に示すように、シリコン基板３０１の上に、酸化シリコン層３０２および単結晶シリコン層３０３が形成された状態とする。例えば、イオン打ち込みやウエハボンディングなどの公知の技術を用いて形成されたいわゆるＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用いることができる。
【０００３】
次に、公知のフォトリソグラフィー技術や電子ビームリソグラフィーなどの微細なパターンの形成、および、形成したパターンをマスクとしたメサエッチングにより、酸化シリコン層３０２および単結晶シリコン層３０３を選択的に除去し、図３（ｂ）に示すように、シリコン基板３０１の上に細線構造３０４が形成された状態とする。
【０００４】
次に、フッ酸など、シリコンに比較して酸化シリコンをより選択的に溶解するエッチング溶液を用いたウエットエッチングより、細線構造３０４の下部の酸化シリコン層３０２を除去し、図３（ｃ）に示すように、２箇所の支持部３０５により支持された梁構造３０６が、シリコン基板３０１の上に離間して形成された状態とする。酸化シリコン層３０２が犠牲層となり、この上に形成された単結晶シリコン層３０３を加工した後、この下の酸化シリコン層３０２を部分的に除去することで、共振器構造となる梁構造３０６が形成できる。
【０００５】
このようにして作製された共振器では、梁構造３０６は、シリコン基板３０１より離隔して形成されているため、機械的に共振させることができる。この振動に対する共振を用いることにより、梁構造３０６を備えた共振器は、機械共振器として用いることができる（非特許文献１参照）。
【０００６】
断面の形状が矩形とされている梁構造３０６の共振周波数は、梁の部分の長さの二乗と、用いている材料の密度とに反比例し、梁の部分の厚さと材料のヤング率とに比例する。例えば、単結晶シリコンより構成されている梁構造３０６では、梁の部分の長さを５０μｍとし、梁の部分（単結晶シリコン層３０３）の厚さを１μｍとすると、共振周波数は約３ＭＨｚとなる。同様の構成は、梁の代わりにメンブレンを用いることでも可能である（非特許文献２参照）。
【０００７】
これらの機械共振器は、コンデンサやコイルなどを用いて構成した電気回路による共振器に比較し、機械共振を用いているので、高いＱ値と優れた周波数特性とを有している。また、上述したような機械共振器の共振周波数は、加えられた力により変化するため、共振周波数の変化を検出することにより、感度の非常に高い力検出素子を作製することが可能である（非特許文献３，４参照）。
【０００８】
【非特許文献１】D.W.Carr, et al., "Measurement of mechanical resonance and losses in nanometer scale silicon wires", Applied Physics Letters, Vol.75, No.7, pp.920-922, 1999.
【非特許文献２】J-P.Raskin, et al.,"A Nobel Parameter-Effect MEMS Amplifier", Journal of Microelectromechanical Systems, Vol.9, No.4, pp.528-537,2000.
【非特許文献３】A.N.Cleland and M.L.Roukes, "A nanometre-scale mechanical electrometer", Nature, Vol.392, pp.160-162, 1998.
【非特許文献４】H.L.C.Tilmans, M.Elewenspoek, and, J.H.Fluitman, Sensor and Actuators, A, 30, 35, 1998.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、共振器の特性を示す最も重要な指標としては、共振周波数ならびに性能指数（Ｑ値）がある。より速い動作速度の性能の優れた共振器を得るためには、より高い共振周波数ならびに大きなＱ値を持つ共振器を作製する必要がある。前述したような従来の技術では、より高い周波数帯の共振器を構成するためには、次に示す２つの方法がある。
【００１０】
第１に、ヤング率が高く密度の小さな材料を用いて梁やメンブレンなどの振動部を構成する。
第２に、振動部分を、短くかつ共振特性を損なわない範囲で厚くする。
【００１１】
しかしながら、まず、第１の方法において、振動する部分となる梁に用いる材料を大きく変更するためには、半導体プロセス上の制約があり、容易ではない。また、第２の方法において、より短い機械共振器構造を作製することには、リソグラフィーなどの作製技術上の限界がある。
【００１２】
一方、通常用いられている単結晶シリコンやＧａＡｓなどの化合物半導体を用いて作製した微小な機械共振器において、Ｑ値は、用いられている材料における熱弾性ダンピングと呼ばれる現象により決定され、室温では、せいぜい数千程度の値に留まる。この値は、材料固有の性質に基づくものであり、形状を変更することでは大きく変化させることができない。
【００１３】
以上に説明したように、上述したような従来の技術では、高い共振周波数ならびに大きなＱ値を備えた微小な機械共振器を得ることができないという問題があった。
【００１４】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、機械共振器の共振周波数をより高くし、加えて、Ｑ値をより高くできるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明に係る微小機械共振器は、歪み印加層と、この歪み印加層に比較して小さい格子定数を有する材料から構成され、歪み印加層の上に結晶成長により形成されて歪み印加層との格子不整合による引っ張り歪みが残留する振動部形成層と、歪み印加層の側に空間を備えて振動部形成層に形成された振動部とを少なくとも備えるものである。
【００１６】
上記微小機械共振器において、歪み印加層より小さな格子定数を備えた材料から構成された基板を用い、歪み印加層は、基板の上に臨界膜厚より厚く形成すればよい。ただし、歪み印加層より小さな格子定数を備えた材料から構成された基板を用い、基板と歪み印加層との間に、基板より大きい格子定数を備えた材料から構成されて臨界膜厚より厚いバッファ層を備える。
【００１７】
上記微小機械共振器において、振動部は、両端が支持された梁構造に形成されていればよい。また、振動部は、振動部形成層より構成されたメンブレンであってもよい。
【００１８】
本発明係る微小機械共振器の製造方法は、基板の上にバッファ層を介して歪み印加層が形成された状態とする第１工程と、この歪み印加層に比較して小さい格子定数を有する材料から構成された振動部形成層が、歪み印加層との格子不整合による引っ張り歪みが残留するように歪み印加層の上に結晶成長により形成された状態とする第２工程と、歪み印加層の側に空間を備えた振動部が振動部形成層に形成された状態とする第３工程とを備え、基板は、歪み印加層より小さな格子定数を備えた材料から形成し、バッファ層は、基板より大きい格子定数を備えた材料から構成して臨界膜厚より厚く形成するようにしたものである。
【発明の効果】
【００１９】
以上説明したように、本発明によれば、歪み印加層の上にこれより小さい格子定数の振動部形成層を結晶成長した後、振動部形成層に振動部を形成するようにしたので、機械共振器の共振周波数をより高くし、加えて、Ｑ値をより高くできるようになるという優れた効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における微小機械共振器の製造方法例を模式的に示す工程図である。図１では、微小機械共振器の構造を模式的な斜視図で示している。
【００２１】
まず、図１（ａ）に示すように、ＧａＡｓの結晶からなる基板１０１の上に、Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓからなる膜厚３μｍのバッファ層１０２が形成され、バッファ層１０２の上にＩｎ0.1Ａｌ0.9Ａｓからなる膜厚２μｍの歪み印加層１０３が形成され、歪み印加層１０３の上にＧａＡｓからなる膜厚２００ｎｍの振動部形成層１０４が形成された状態とする。これらは、よく知られた有機金属気相成長法，分子線エピタキシー法，液相エピタキシー法などの結晶成長方法により順次積層することで形成すればよい。
【００２２】
Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓの結晶は、ＧａＡｓよりも約０．７％大きな格子定数を持つため、ＧａＡｓからなる基板１０１の上に結晶成長されたバッファ層１０２は、約０．７％の圧縮歪みを備えた状態となる。ここで、このような格子不整合な状態であっても、臨界膜厚以上の十分に厚い膜を結晶成長することで、格子不整合から生じる歪みは緩和し、本来のＩｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓの格子定数を持った状態の膜が形成されるようになる。膜厚３μｍは、Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓの臨界膜厚より十分に大きいため、バッファ層１０２は、上述した歪みが緩和される条件を満たしている。従って、バッファ層１０２は、Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓ本来の格子定数を持って形成され、基板１０１よりも約０．７％大きな格子定数を備えた状態となっている。
【００２３】
このようにして形成されているバッファ層１０２の上に結晶成長されるＩｎ0.1Ａｌ0.9Ａｓからなる歪み印加層１０３は、バッファ層１０２に対して約０．１％大きな格子定数を有している。しかしながら、上述したことと同様に、臨界膜厚より厚いため、格子不整合から生じる歪みは緩和されており、歪み印加層１０３は、ＧａＡｓに対して約０．８％大きな格子定数を持つことになる。従って、歪み印加層１０３の上に、これより約０．８％小さな格子定数を備えて臨界膜厚より薄い膜厚２００ｎｍに形成された振動部形成層１０４は、面方向に０．８％程度の引っ張り歪み、すなわち張力のかかった状態とされている。言い換えると、振動部形成層１０４の下層には、振動部形成層１０４より大きな格子定数を有する材料から構成されて、振動部形成層１０４に対して引っ張り歪みを与える歪み印加層１０３が配置されていることになる。
【００２４】
なお、振動部形成層１０４は、歪み印加層１０３との格子不整合による引っ張り歪みが残留する状態に形成されていることが重要である。例えば、本実施の形態のように、臨界膜厚より薄い状態に振動部形成層１０４が形成されていればよい。なお、振動部形成層１０４が臨界膜厚程度に形成されていてもよい。このような場合でも、振動部形成層１０４の全てにおいて、歪みが緩和されるわけでなく、部分的に歪みが緩和されるようになる場合は、上述同様に引っ張り歪みが残留する状態が得られる。
【００２５】
以上のように、より大きな格子定数を備える歪み印加層１０３の上に、これより小さな格子定数を備える振動部形成層１０４を結晶成長させることで、張力のかかった状態の振動部形成層１０４が形成された後、公知のリソグラフィー技術による微細なパターンの形成、および、形成したパターンをマスクとしたメサエッチングにより、振動部形成層１０４および歪み印加層１０３を選択的に除去し、図１（ｂ）に示すように、基板１０１の上に細線構造１０５が形成された状態とする。
【００２６】
次に、フッ酸などエッチング選択性の高いエッチング溶液を用いたウエットエッチングより、細線構造１０５の下部の歪み印加層１０３を除去し、図１（ｃ）に示すように、２箇所の支持部１０６により支持された梁構造（振動部）１０７が、基板１０１の上に離間して振動（変形）可能に形成された状態とする。支持部１０６は、一部の歪み印加層１０３および一部の振動部形成層１０４により構成されている。以上のようにすることで梁構造１０７は、引っ張り歪みを備えた状態で形成される。このように、本実施の形態における微小機械共振器は、振動部となる梁構造１０７が、張力のかかった状態に形成されるようになり、より高い共振周波数を備えた状態となる。
【００２７】
なお、本実施の形態の場合、いわゆる犠牲層を用いた加工により振動部形成層１０４に振動部となる梁構造１０７を形成している。また、一般的に入手しやすいＧａＡｓ基板を用いている。これらのため、本実施の形態では、まず、Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓからなるバッファ層１０２を形成し、この上に、振動部形成層１０４より大きな格子定数を備えて選択エッチングを可能とする材料から構成された犠牲層として機能する歪み印加層１０３を形成している。
【００２８】
従って、バッファ層として機能する層は必要なものではない。また、基板の上に歪み印加層を形成する必要もない。例えば、振動部形成層に対して格子定数が大きな材料からなる基板を用い、この基板の上に振動部形成層を形成すれば、基板が歪み印加層として機能し、基板の一部を除去すれば、歪み印加層としての基板の側に空間を備えた振動部が振動部形成層に形成された状態が得られる。
【００２９】
ここで、梁構造に内部歪みが存在する場合の共振周波数について説明する。一般に、両端が支持された両持ちの梁構造に内部歪みが存在する場合、この梁構造の共振周波数は、次の式（１）で与えられることが知られている。
【００３０】
【数１】
0005030163.tif 000002
【００３１】
なお、ｆ0は、歪みがかかっていない場合の共振周波数、σは引っ張り歪みによって発生する応力、Ｌは梁構造の長さ、Ｅは、梁構造の材料のヤング率、ｗは梁構造の幅である。
【００３２】
従って、梁構造に引っ張り歪みを加えることにより、同じ形状の梁構造であっても共振周波数を高くすることが可能である。これは、弦楽器の弦により高い張力を与えることで、より高い音を発生させる場合に同様である。同様の効果は、梁構造に限らず、メンブレン構造の機械共振器においても存在する。メンブレン構造の場合、太鼓などの膜鳴楽器における膜に張力を与えることに相当する。言い換えると、本実施の形態における微小機械共振器は、梁構造に限らず、振動部をメンブレンとしても同様の効果が得られる。
【００３３】
このように、機械的共振器の共振周波数の制御には、梁構造やメンブレンなどの共振器構造に与える張力を制御することが有効であり、既に同様の効果が報告されている（非特許文献４参照）。
【００３４】
ところで、前述したように、従来よりある共振器構造においても、犠牲層の上に形成した層を加工した後、歪み印加層を部分的に除去することで形成しているが、例えば、従来のように、酸化シリコンからなる犠牲層の上に形成されたシリコン層や、ＡｌＧａＡｓからなる犠牲層の上に形成されたＧａＡｓ層を用いて梁構造を形成した場合、形成された梁構造における内部歪みは非常に小さく、また、存在している小さな内部歪みを正確に制御することは困難である。
【００３５】
これに対し、本実施の形態における微小機械共振器によれば、互いに格子定数が異なる状態で、下層の上に振動部が形成される振動部形成層を単結晶成長させることで、振動部形成層に形成される梁構造の内部歪みを制御するようにした。この結果、振動部形成層に対して所望の値に歪みが印加された状態とすることができる。また、より大きな内部歪みを備えた状態の梁構造が容易に形成できるようになる。このように、本発明は、格子定数を制御した状態で梁構造を構成する層などを単結晶成長させることで、形成される梁構造の内部歪みを制御するところに特徴がある。また、本発明によれば、微細共振器が結晶から構成されるので、高い機械的強度を備えたものとなる。
【００３６】
図２は、本実施の形態における微小機械共振器（梁構造１０７）の共振特性を、梁構造１０７の長さの関数として測定した結果を示す特性図である。図２において、（ａ）引っ張り歪みがある場合が、本実施の形態における梁構造１０７を備えた微小機械共振器の特性を示している。また、図２において、（ｂ）歪みがない場合は、ＧａＡｓ基板の上に、バッファ層を用いずに、Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ａｓからなる膜厚３μｍの歪み印加層を結晶成長し、この上に膜厚２００ｎｍのＧａＡｓからなる振動部形成層を形成し、この振動部形成層より前述同様に梁構造を形成した機械共振器であり、振動部となる梁構造は、歪みを受けていない状態で形成されている。
【００３７】
図２に示す結果から明らかなように、梁構造を同じ長さとしても、本実施の形態による微小機械共振器の方が、２〜５倍高い共振周波数が得られている。
【００３８】
さらに、本実施の形態における微小機械共振器によれば、Ｑ値に関しても大きな改善が見られた。例えば、梁構造の長さを５０μｍとした場合、歪みがない状態で形成した梁構造による機械共振器では、真空中でのＱ値が１４００となるが、本実施の形態における引っ張り歪みをかけた梁構造１０７による微小機械共振器によれば、Ｑ値が１４０００となる。このように、本実施の形態によれば、共振器のＱ値の改善に対しても大きな効果が得られる。これは、共振周波数の増加により同じ振動振幅において蓄えられるエネルギーが増加したため、１周期あたりに散逸するエネルギーの割合が減少したためと考えられる。
【００３９】
なお上述では、基板および梁構造をＧａＡｓから構成し、歪みを緩和させるためのバッファ層をＩｎＧａＡｓから構成し、歪み印加層をＩｎＡｌＡｓから構成したが、これに限るものではない。例えば、シリコン，ゲルマニウム，炭素およびこれらの混晶などのＩＶ族半導体を用いるようにしてもよい。また、ＩｎＰ，ＩｎＡｓ，ＧｓＰ，ＧａＡｓ，ＡｌＰ，ＡｌＡｓ，ＧａＮ，およびＡｌＮなどを始めとした、化合物半導体などを用いるようにしてもよい。また、半導体外の任意の固体材料を用いるようにしてもよい。
【００４０】
例えば、シリコンおよびゲルマニウムならびにこれらの混晶を用いることで、いわゆるＣＭＯＳを基本とした大規模集積回路との融合が可能となり、応用上の利点は大きい。例えば、シリコン基板を用い、この上に、シリコンよりも格子定数が大きいＳｉ0.8Ｇｅ0.2からなる薄膜で歪み印加層を構成し、この上にシリコンを結晶成長させることで振動部形成層を形成すればよい。この場合、Ｓｉ0.8Ｇｅ0.2の層は、バッファ層としても機能し、臨界膜厚以上に形成して歪みを緩和させておく。このようにして形成したＳｉ0.8Ｇｅ0.2層の上に、結晶成長により、例えば臨界膜厚以下にシリコン層を形成すれば、このシリコン層は、引っ張り歪みが残留した状態となる。
【００４１】
このようにして振動部形成層としてのシリコン層を形成した後、このシリコン層の所定深さにイオン打ち込みにより酸化シリコン層を形成すれば、この酸化シリコン層を犠牲層として用いることができる。イオン打ち込みにより形成した酸化シリコンからなる犠牲層を部分的にフッ酸を用いて選択的に除去すれば、この上のシリコンの層に、前述した実施の形態と同様に、歪み印加層としてのＳｉ0.8Ｇｅ0.2層側に空間を備えた梁構造やメンブレン構造の振動部を形成することができる。
【００４２】
また、共振器の共振周波数をさらに高くするためには、質量が小さく、弾性定数の高い窒化物半導体を用いればよい。例えば、ＳｉＣからなる基板を用い、この上に、歪み印加層としてＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎからなる薄膜を臨界膜厚以上に形成し、この上に、振動部形成層としてＧａＮの薄膜を形成すればよい。また、歪み印加層としてＩｎ0.1Ａｌ0.9Ｎからなる薄膜を臨界膜厚以上に形成してもよい。これらの場合、歪み印加層が、バッファ層としても機能する。また、ＳｉＣ基板の上に、まず、Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎからなるバッファ層を形成し、この上に、Ｉｎ0.1Ａｌ0.9Ｎからなる歪み印加層を形成し、この上に、ＧａＮからなる振動部形成層を形成してもよい。いずれにしても、バッファ層および歪み印加層においては、内部の歪みが緩和され、振動部形成層に対して大きな格子定数を備えた状態に形成されていればよい。
【００４３】
この例において、窒化物半導体はウエットエッチングによる選択エッチングが容易ではないため、振動部形成層で梁構造を形成するためには、異方性を有するドライエッチングで行う。例えば、振動部形成層の平面の法線方向より所定の角度を備えた斜め方向より、異方性を有するドライエッチングを行うことで、断面視、斜めに溝部分を形成することができる。このような斜め溝を、エッチングの方向が振動部形成層の表面の下で交差するように離間した２箇所から形成することで、歪み印加層の側に空間を備える両持ちの梁構造を形成することができる。
【００４４】
さらに、ｎｍスケールの微細な梁構造を精度よく作製するためには、異なる格子定数を有する薄膜間の界面平坦性を高くすることが重要となる。このためには、結晶成長方法として、分子線エピタキシー、化学的気相成長法、液相エピタキシーなどの界面制御性に優れた結晶成長技術を用いることが極めて有効である。
【００４５】
なお、上述では、微小機械構造による共振特性について説明したが、本実施の形態における微小機械共振器によれば、周波数フィルターに適用可能であり、また、一般的な共振器と同様に、振動部分に加わる力を検出する様々な検出器に対応可能であり、また、検出特定を向上させることができることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施の形態における微小機械共振器の製造方法例を模式的に示す工程図である。
【図２】本実施の形態における微小機械共振器の共振特性を、梁構造１０７の長さの関数として測定した結果を示す特性図である。
【図３】従来より用いられいる微小な共振器の作製手順を示す工程図である。
【符号の説明】
【００４７】
１０１…基板、１０２…バッファ層、１０３…歪み印加層、１０４…振動部形成層、１０５…細線構造、１０６…支持部、１０７…梁構造（振動部）。
【図１】
0005030163.tif 000003
【図２】
0005030163.tif 000004
【図３】
0005030163.tif 000005