(57)【要約】【課題】懸架型ビームを含むメカニカル共振器は通常基板をエッチングする工程を不可避的に含んでいるため、他の電子素子と一緒に同一の基板上に同時的に形成することは困難であった。【解決手段】基板上に、アッシングより除去できるレジストによって形成されたペデスタルを設けておき、当該ペデスタル上に金属層を形成した後、ペデスタルの両端を除いてアッシングにより除去することにより、懸架型のビームを有するメカニカル共振器を得ることができる。当該メカニカル共振器は懸架部分を含む他の単電子トランジスタ等と一緒に形成できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板表面に、予め定められたレジストによって形成されたペデスタルを選択的に形成する第１の工程と、前記ペデスタル上に金属領域を形成する第２の工程と、前記レジスト台部を活性ガスに晒すことなく、アッシングにより除去して、前記ペデスタルの一部によって両端を支持されたビームを有する共振器を形成する第３の工程とを有することを特徴とするメカニカル共振器の製造方法。
【請求項２】
請求項１において、前記ビームは、前記基板上に形成される前記共振器以外の素子に使用される材料と同一の材料を用いて形成されることを特徴とするメカニカル共振器の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２において、前記共振器以外の素子と同じ工程中に形成されることを特徴とするメカニカル共振器の製造方法。
【請求項４】
請求項１において、前記第２の工程は、前記ペデスタル上を含む領域に互いに異なる第１、第２、及び第３のレジスト層を順に形成する工程と、前記第３のレジスト層をマスクとして、第２のレジスト層にパターンを形成する工程と、前記第３のレジスト層を除去すると共に、前記第１及び第２のレジスト層を選択的に除去することにより、マスクを形成する工程とを有することを特徴とするメカニカル共振器の製造方法。
【請求項５】
請求項４において、前記第２の工程は、前記マスクを形成する工程後、当該マスクを介して前記金属領域を前記ペデスタル上に形成する工程を含むことを特徴とするメカニカル共振器の製造方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかにおいて、前記第３の工程は、前記ビームの両端に位置する支持部分を残存させ、前記ビームの支持部分を構成するように、前記基板をエッチングすることなくアッシングを行なう工程であることを特徴とするメカニカル共振器の製造方法。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかにおいて、前記ペデスタルを構成する前記レジストはカリックスアレーンであることを特徴とするメカニカル共振器の製造方法。
【請求項８】
請求項４において、前記第１のレジスト層は、リフトオフレジストであり、前記第２のレジスト層はＧｅであり、且つ、前記第３のレジスト層はＰＭＭＡ（Polymethylmethacrylate）であることを特徴とするメカニカル共振器の製造方法。
【請求項９】
基板と、当該基板表面上に間隔をおいて配置され、予め定められたレジストによって形成され、間隔を置いて配置され２つの支持部と、当該２つの支持部分間に懸架され、金属によって形成されたビームとを有することを特徴とする共振器。
【請求項１０】
請求項９において、前記２つの支持部間に懸架されたビームは、前記支持部分上において、前記ビームより幅広の２つの電極領域を備えていることを特徴とするメカニカル共振器。
【請求項１１】
請求項１０において、前記ビーム下部に位置する前記基板表面は、エッチングされていないことを特徴とするメカニカル共振器。
【請求項１２】
請求項９〜１１のいずれかにおいて、前記支持部分を構成する前記予め定められたレジストは、カリックスアレーンであることを特徴とするメカニカル共振器。
【請求項１３】
請求項９〜１２のいずれかに示されたメカニカル共振器と、当該メカニカル共振器と同一基板上に配置され、同時に形成された電子素子を含むことを特徴とする電子回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、メカニカル共振器及びその製造方法に関し、特に、ナノエレクトロメカニカルシステム（ＮＥＭＳ）における共振器及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、膨大な量の計算を短時間に実行できる量子コンピュータが注目を浴びており、この量子コンピュータに用いられる各種量子素子の開発を盛んに行われている。これら量子コンピュータの量子素子としては、単電子トランジスタ、単電子ポンプ、単電子箱等の単電子構造の回路（単電子回路）、及び、ＳＱＵＩＤ等の量子ビット等があり、これら単電子回路、ＳＱＵＩＤ等は金属材料によって形成されることが多い。
【０００３】
他方、これら量子コンピュータを構成する場合、単電子回路、量子ビット等のほかに、量子コンピュータを構成する回路素子として共振器が不可欠になるものと考えられる。量子コンピュータ等のように、極めて小形化の回路素子は、ナノエレクトロメカニカルシステム（ＮＥＭＳ）或いは、マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）技術を用いて形成される。
【０００４】
この種、ＮＥＭＳ技術等を用いて、共振器を形成する技術が例えば、非特許文献１、２、及び３で開示されている。
【０００５】
非特許文献１は、単結晶シリコン基板上に、懸架された構造を有する機械共振器を開示している。この場合、シリコン基板上に酸化膜を形成すると共に、当該酸化膜をマスクとして、酸化膜の下部をアンダーカットすることにより、懸架型シリコン構造を実現している。このようにして形成された懸架型シリコン構造を用いることにより、基本共振周波数７０．７２ＭＨｚで２×１０４のＱファクターを有するメカニカル共振器を構成することができる。
【０００６】
非特許文献２は、単結晶シリコンカーバイド（ＳｉＣ）を用いてナノメーターサイズのメカニカル共振器を構成することを開示している。ここでは、シリコン基板上にエピタキシャル成長されたシリコンカーバイド層上にＣｒ金属マスクを形成し、当該マスクパターンをシリコンカーバイド層に転写し、更に、シリコン基板を水平方向、垂直方向にエッチングすることにより、懸架構造の共振器を得ている。
【０００７】
更に、非特許文献３は単結晶チッカアルミニウムを用いて構成されたナノメカニカル共振器を開示している。ここでは、単結晶シリコン基板上に、チッカアルミニウム層を形成し、当該チッカアルミニウム層をパターニングすると共に、パターニングされたチッカアルミニウム層の下部のシリコン基板をアンダーエッチすることにより、懸架構造のビーム（梁）を備えたナノメカニカル共振器を構成している。
【０００８】
【非特許文献１】Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｈｉｇｈ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｎａｎｏｍｅｔｅｒ  ｓｃａｌｅ  ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ  ｆｒｏｍ  ｂｕｌｋ  Ｓｉ  ｃｒｙｓｔａｌｓ  （Ａ．Ｎ．  Ｃｌｅｌａｎｄ  ａｎｄ  Ｍ．Ｌ，  Ｒｏｕｋｅｓ），  （Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｅｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  ２８  Ｏｃｔｏｂｅｒ  １９９６）
【非特許文献２】Ｍｏｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｃａｒｂｉｄｅ  ｎａｎｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｓｙｓｔｅｍｓ  （Ｙ．Ｔ．Ｙａｎｇ  ｅｔ  ａｌ）（Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ｖｏｌｕｍｅ  ７８，Ｎｕｍｂｅｒ  ２，  ８  Ｊａｎｕａｒｙ  ２００１）
【非特許文献３】Ｓｉｎｇｌｅ−ｃｒｙｓｔａｌ  ａｌｕｍｉｎｕｍ  ｎｉｔｒｉｄｅ  ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ  （Ａ．Ｎ．Ｃｌｅｌａｎｄ）(Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  ２４  Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ  ２００１)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述したように、非特許文献１〜３で開示されたナノメカニカル共振器は、いずれもシリコン、シリコンカーバイド、チッカシリコン等の単結晶材料によって両端を支持されたビームを形成している。また、非特許文献１〜３は、これら単結晶材料をアンダーエッチングすることによって懸架構造の共振器を構成している。
【００１０】
しかしながら、非特許文献１〜３は、単に、メカニカル共振器を他の電子素子等とは切り離して別途作成することを企図している。更に、両端を支持され、懸架されたビームを形成するために、非特許文献１〜３はビームの下部に位置する基板をエッチングによりアンダーカットすることによって懸架構造を実現している。
【００１１】
基板をアンダーカットして懸架構造を形成する非特許文献１〜３において、懸架構造を得るためには、他の電子素子とは異なる工程及び異なる装置を用意してメカニカル共振器を製作する必要がある。このことは、同一のチップ上に、メカニカル共振器と他の電子素子とを実装して電子回路を構成する場合、メカニカル共振器と他の電子素子とを異なる処理工程で作成する必要がある。更に、メカニカル共振器の作成に基板をエッチングすることは、他の電子素子の作成を困難にしてしまう。
【００１２】
本発明の主な課題は、単電子トランジスタ、ＳＱＵＩＤ等、種々の電子素子と同じ雰囲気中で作成できるメカニカル共振器の製造方法を提供することである。
【００１３】
本発明の具体的な課題は、基板をエッチングすることなくメカニカル共振器を製造できるメカニカル共振器の製造方法を提供することである。
【００１４】
本発明の他の課題は、金属材料によって形成されたビームを有する懸架型のメカニカル共振器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の第１の態様によれば、基板表面に、予め定められたレジストによって形成されたペデスタルを選択的に形成する第１の工程と、前記ペデスタル上に金属領域を形成する第２の工程と、前記レジスト台部を活性ガスに晒すことなく、アッシングにより除去して、前記ペデスタルの一部によって両端を支持されたビームを有する共振器を形成する第３の工程とを有することを特徴とするメカニカル共振器の製造方法が得られる。
【００１６】
本発明の第２の態様によれば、第１の態様において、前記ビームは、前記基板上に形成される前記共振器以外の素子に使用される材料と同一の材料を用いて形成されることを特徴とするメカニカル共振器の製造方法が得られる。
【００１７】
本発明の第３の態様によれば、第１又は第２の態様において、前記共振器以外の素子と同じ工程中に形成されることを特徴とするメカニカル共振器の製造方法がえられる。
【００１８】
本発明の第４の態様によれば、第１の態様において、前記第２の工程は、前記ペデスタル上を含む領域に互いに異なる第１、第２、及び第３のレジスト層を順に形成する工程と、前記第３のレジスト層をマスクとして、第２のレジスト層にパターンを形成する工程と、前記第３のレジスト層を除去すると共に、前記第１及び第２のレジスト層を選択的に除去することにより、マスクを形成する工程とを有することを特徴とするメカニカル共振器の製造方法が得られる。
【００１９】
本発明の第５の態様によれば、第４の態様において、前記第２の工程は、前記マスクを形成する工程後、当該マスクを介して前記金属領域を前記ペデスタル上に形成する工程を含むことを特徴とするメカニカル共振器の製造方法が得られる。
【００２０】
本発明の第６の態様によれば、第１〜５の態様いずれかにおいて、前記第３の工程は、前記ビームの両端に位置する支持部分を残存させ、前記ビームの支持部分を構成するように、前記基板をエッチングすることなくアッシングを行なう工程であることを特徴とするメカニカル共振器の製造方法が得られる。
【００２１】
本発明の第７の態様によれば、第１〜６の態様のいずれかにおいて、前記ペデスタルを構成する前記レジストはカリックスアレーンであることを特徴とするメカニカル共振器の製造方法が得られる。
【００２２】
本発明の第８の態様によれば、第４の態様において、前記第１のレジスト層は、リフトオフレジストであり、前記第２のレジスト層はＧｅであり、且つ、前記第３のレジスト層はＰＭＭＡ（Polymethylmethacrylate）であることを特徴とするメカニカル共振器の製造方法が得られる。
【００２３】
本発明の第９の態様によれば、基板と、当該基板表面上に間隔をおいて配置され、予め定められたレジストによって形成され、間隔を置いて配置され２つの支持部と、当該２つの支持部分間に懸架され、金属によって形成されたビームとを有することを特徴とする共振器が得られる。
【００２４】
本発明の第１０の態様によれば、第９の態様において、前記２つの支持部間に懸架されたビームは、前記支持部分上において、前記ビームより幅広の２つの電極領域を備えていることを特徴とするメカニカル共振器が得られる。
【００２５】
本発明の第１１の態様によれば、第１０の態様において、前記ビーム下部に位置する前記基板表面は、エッチングされていないことを特徴とするメカニカル共振器が得られる。
【００２６】
本発明の第１２の態様によれば、第９〜１１の態様のいずれかにおいて、前記支持部分を構成する前記予め定められたレジストは、カリックスアレーンであることを特徴とするメカニカル共振器が得られる。
【００２７】
本発明の第１３の態様によれば、第９〜１２のいずれかに示されたメカニカル共振器と、当該メカニカル共振器と同一基板上に配置され、同時に形成された電子素子を含むことを特徴とする電子回路が得られる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明では、懸架型ビームの下部に位置する基板表面にレジスト層を残しておき、基板をエッチングすることなく、アッシングによりレジスト層を除去することにより、メカニカル共振器を構成できる。この構成のメカニカル共振器は、単電子トランジスタ（ＳＥＴ）等の電子素子と同様な工程で作成できるため、量子回路等を実装するのに極めて有効である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
図１（ａ）〜（ｄ）を参照して、本発明の一実施形態に係るメカニカル共振器の製造方法を工程順に説明する。まず、図１（ａ）に示すように、シリコン基板１０を用意する。図示されたシリコン基板１０は、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）、シリコン窒化膜等の絶縁膜（図示せず）によって表面を被覆されているものとして説明するが、本発明は、表面を酸化されていないシリコン基板にも適用できる。更に、シリコン基板１０の図示されない部分には、Ａｕ、Ａｌ等によって形成されたコプレーナ型導波路が設けられているものとする。
【００３０】
図示されたシリコン基板１０上には、ネガティブレジストの一種であるカリックスアレーン（ｃａｌｉｘａｒｅｎｅ）によって形成されたペデスタル１２が設けられている。図示されたペデスタル１２はカリックスアレーン（ｃａｌｉｘａｒｅｎｅ）をシリコン基板１０及びコプレーナ型導波路上にスピンコートによりシリコン基板１０上に被着した後、ベークし、電子ビーム露光を行い、続いて、アッシングによりカリックスアレーンを選択的に除去することによって形成される（第１の工程）。この場合、シリコン基板１０の表面はエッチングされない。ペデスタル１２は約１３０ｎｍの厚さである。
【００３１】
続いて、選択的に形成されたペデスタル１２上に、第１、第２、及び、第３のレジスト膜２０、２２、及び２４からなる３層のレジスト膜が、ペデスタル１２、基板表面等に形成される。図示された例では、第１、第２、及び第３のレジスト膜２０、２２、及び、２４として、ＬＯＲ（ｌｉｆｔ  ｏｆｆ  ｒｅｓｉｓｔ）、Ｇｅ、及び、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）がそれぞれ使用されている。第１、第２、及び第３のレジスト膜２０、２２、及び２４であるＬＯＲ（ｌｉｆｔ  ｏｆｆ  ｒｅｓｉｓｔ）、Ｇｅ、及び、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）は図示された例では、それぞれ、２００ｎｍ、２０ｎｍ、及び、５０ｎｍの厚さを有していた。
【００３２】
図１（ａ）に示された状態で、電子ビーム露光が行われ、図１（ｂ）に示された状態が得られる。具体的に説明すると、第３のレジスト膜２４、即ち、ＰＭＭＡを通して、第２のレジスト膜２２であるＧｅ膜にパターンを形成すると共に、第１のレジスト膜２０をリフトオフにより選択的に除去した後、第３のレジスト膜２４を除去することによって、図１（ｂ）の構造が得られる。この場合、ドライエッチング及びウェットエッチングが使用され、第２のレジスト膜２２であるＧｅには、マスク２２’が形成され、第１のレジスト膜２０であるＬＯＲには、図示されるように、マスク２２’上でアンダーカットされたＬＯＲ２０’が形成される。
【００３３】
続いて、Ｇｅマスク２２’を通して、Ａｌ、Ａｕ等の金属が蒸着され、ペデスタル１２上に、ビーム（梁）形状の金属層２６が形成される。更に、Ｎ−メチル−１−２−ピロリドン（Ｎ−ｍｅｔｈｙｌ−１−２−ｐｙｒｒｏｌｉｄｏｎｅ）中でリフトオフが行われ、このリフトオフの結果、ＬＯＲ２０’はＧｅマスク２２’と共に除去され、図１（ｃ）のように、ペデスタル１２上に、金属層２６だけが残された構造が得られる（第２の工程）。尚、このリフトオフ工程中に、基板１０はエッチングされることなく、有機材料であるＬＯＲ２０’だけが除去される。
【００３４】
次に、低電力プラズマ中でアッシングが行われ、ペデスタル１２を形成するカリックスアレーンが除去され、図１（ｄ）に示す構造が得られる（第３の工程）。この場合、アッシング時間を制御することにより、ビーム形状の金属層２６直下のペデスタル１２を完全に除去すると共に、ビーム形状の金属層２６における両端には、ペデスタルの一部が残され、当該金属層２６を支持する支持（クランプ）部分２６ａ、２６ｂが形成できると共に、金属層２６は支持部分２６ａ、２６ｂ間に懸架されたビーム３０が形成される。
【００３５】
図１に示された製造方法によって作成されたメカニカル共振器の一例が図２に示されている。図２を参照すると、メカニカル共振器のビーム３０を構成する部分の両端は、カリックスアレーンによって形成された支持部分２６ａ、２６ｂによって支持されたビーム３０が基板１０上に懸架されている。即ち、基板１０とビーム３０との間には、空間が残されている。図示された例の場合、メカニカル共振器のビーム３０を挟む金属層２６によって構成された電極は−３ｄＢ減衰器３２ａ、３２ｂを介して、ネットワーク分析器３４に接続されている。ここで、メカニカル共振器及び−３ｄＢ減衰器３２ａ、３２ｂは４．２Ｋの真空中に置かれ、他方、ネットワーク分析器３４は同軸ケーブルを介して室温に置かれている。
【００３６】
図示された例では、メカニカル共振器には、Ｂで示されたようにビーム３０に対して直交する方向に、磁界が印加されると共に、ネットワーク分析器３４から交流電流が供給される。この構成では、ビームを横切る方向にローレンツ力が働き、ビームに沿って起電力ＶＥＭＦが生じ、この起電力ＶＥＭＦはネットワーク分析器３４によって測定できる。
【００３７】
図示されたメカニカル共振器は、次式（１）で表される基本屈曲周波数ｆ０を有している。
【００３８】
ｆ０＝（２π／Ｌ２）［ＥＩ／３ρＡ（１＋（Ｌ２Ｔ０／４π２ＥＩ）］１／２    
（１）
【００３９】
ここで、Ｌはビーム３０の長さ、Ｅはヤング率、ρはビーム材料の密度、Ｉは面積慣性モーメント、Ａはビームの断面積、Ｔ０は残留張力である。
【００４０】
実験によれば、ビーム３０の材料としてＡｌを使用し、ビーム３０の長さ、幅、厚みがそれぞれ５；０．１；０．２μｍである場合、３９．４４ＭＨｚの共振周波数で、Ｑファクターが９４２０であるメカニカル共振器を得ることができた。
【００４１】
図３を参照して、本発明に係るメカニカル共振器の応用例を説明する。ここでは、懸架型単電子トランジスタ（ＳＥＴ）と本発明に係るメカニカル共振器が同一の基板上に形成され、電子回路を構成している例が示されている。図示された例の場合、図３に示された懸架型単電子トランジスタ（ＳＥＴ）４０は、シリコン基板１０上に懸架されたワイヤ状構造を備え、懸架された部分に、２つのトンネル接合４２、両トンネル接合４２によって挟まれた島電極４４を有している。また、島電極４４はトンネル接合４２を介してソース４６及びドレイン４８と結合されている。更に、ＳＥＴの懸架された部分は、メカニカル共振器のビーム３０と同時に作成されると共に、選択的に残されたレジストによって構成される脚部５２ａ、５２ｂによって支持されている。
【００４２】
図示された島電極４４は容量的にゲート５４と結合されており、ゲート５４に与えられるゲート電圧によって、島電極４４の静電ポテンシャルを制御し、トンネル接合４２を介して、量子ビットの状態遷移を制御できる。図示されたゲート５４は、下部に残されたカリックスアレーンによって構成された支持部５２ｃによって支持されている。
【００４３】
図示された例では、島電極４４に隣接し、当該島電極４４に容量結合された本発明に係るメカニカル共振器が設けられている。
【００４４】
図示されたＳＥＴ４０はメカニカル共振器と同一の工程で同時に作成できる。この場合、懸架型単電子トランジスタ（ＳＥＴ）４０は、その島電極４４及びトンネル接合４２を活性の強いＣＦ４等のガスに晒すことなく、懸架型量子素子構造を実現できる。
【００４５】
上に述べた実施形態では、基板１０上に選択的に残され、且つ、アッシングにより除去できるレジストとして、カリックスアレーンを用いた例を説明した。しかし、本発明は何等これに限定されることなく、原理的には、ネガティブレジストであるＮＥＢ３１（商品名）によって置き換えることができる。ＮＥＢ３１は、カリックスアレーンに比較して、１／１０の露光ドーズ量ですむため、露光時間を１／１０にすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明は、メカニカル共振器を含む各種の電子回路、特に、超伝導状態で使用される電子回路に適用できるため、量子コンピュータを構成するのに有効に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、及び（ｄ）は、本発明に係るメカニカル共振器の製造方法を工程順に示す断面図である。
【図２】本発明に係る実施形態に係るメカニカル共振器の構造及び測定系を示す斜視図である。
【図３】本発明に係るメカニカル共振器の応用例を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００４８】
１０                    基板
１２                    ペデスタル
２０、２２、２４        第１、第２、第３のレジスト膜
２０’                  アンダーカットされたＬＯＲ（第１のレジスト膜）
２２’                  Ｇｅ（第２のレジスト幕）によって形成されたマスク
２８ａ、２８ｂ          支持部
３０                    ビーム
３２ａ、３２ｂ          −３ｄＢ減衰器
３４                    ネットワーク分析器
２４                    第３のレジスト膜
４０                    懸架型単電子トランジスタ（ＳＥＴ）
４２                    トンネル接合
４６                    ソース電極
４８                    ドレイン電極
５４                    ゲート電極
【図１】
2009182561.tif 000003
【図２】
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【図３】
2009182561.tif 000005