(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
通信信号ミキシング／フィルタリング・デバイスであって、
ａ）クランプされた両端を有する細長い振動可能な機械的共振素子を備え、該機械的共振素子は、絶縁材料で構成され、一方の面上に設けられた第１の導電層と、他方の面上に設けられた第２の導電層とを有し、
ｂ）前記第１の導電層に発振器信号（ＬＯ）を供給する手段と、
ｃ）前記第２の導電層に電力を供給する手段と、
ｄ）前記第１の導電層に近接して配置され、前記発振器信号（ＬＯ）の周波数と異なる周波数の入力信号（ＩＳ）が供給される第１の導体素子と、
ｅ）前記第２の導電層に近接して配置された第２の導体素子とを備え、前記機械的共振素子は、前記入力信号（ＩＳ）と発振器信号（ＬＯ）との電気的相互作用により発生した力に振動的に応答して、前記入力信号（ＩＳ）および前記発振器信号（ＬＯ）の混合周波数であり、且つ前記機械的共振素子の振動の固有周波数である周波数で振動し、該振動によるキャパシタンスの変動により前記第２の導体素子において、前記入力信号（ＩＳ）および前記発振器信号（ＬＯ）の混合周波数の出力信号（ＩＦ）を発生する、デバイス。
【請求項２】
前記機械的共振素子は、前記入力信号（ＩＳ）と発振器信号（ＬＯ）との電気的相互作用により発生した力に非線形的に応答して共振するバー状コアを有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記入力信号（ＩＳ）と発振器信号（ＬＯ）との電気的相互作用により発生した力は、前記入力信号（ＩＳ）が、前記発振器信号（ＬＯ）よりも高い周波数であるときに、前記入力信号（ＩＳ）の周波数と前記発振器信号（ＬＯ）の周波数との和の周波数および前記入力信号（ＩＳ）の周波数と前記発振器信号（ＬＯ）の周波数との差の周波数で発生し、前記バー状コアは、前記和の周波数および前記差の周波数のうちの一方の周波数で共振する、請求項２に記載のデバイス。
【請求項４】
前記デバイスは集積回路チップまたはウェハに埋め込まれている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
前記デバイスは、前記集積回路チップまたはウェハに設けられたトレンチ内に収容されてカプセル封止剤によりカプセル封止されており、前記カプセル封止剤は、前記機械的共振素子に接触しないように設けられている、請求項４に記載のデバイス。
【請求項６】
前記デバイスは、１ミクロンの厚さを有する、請求項４に記載のデバイス。
【請求項７】
前記機械的共振素子は、Ｓｉ３ Ｎ４ により構成され、前記機械的共振素子の両面に設けられた第１および第２の導電層は、それぞれ、Ｓｉ２ Ｃｏにより構成されている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項８】
前記第１の導体素子は、パラジウムの表面単分子層を有するクロムより構成される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項９】
前記第２の導体素子は、タングステンにより構成される、請求項８に記載のデバイス。
【請求項１０】
通信信号ミキシング／フィルタリング・デバイスであって、
ａ）クランプされた両端を有する細長い振動可能な機械的共振素子であって、該機械的共振素子は、絶縁材料で構成され、前記機械的共振素子は、一方の面上の第１の導電層と、反対側の他方の面上の第２の導電層とを有し、前記第１の導電層及び前記第２の導電層は、バイアスされるように電源に接続されている、前記機械的共振素子と、
ｂ）前記機械的共振素子の前記第２の導電層に近接したレベル内に並べて配置された第１の電極、第２の電極及び第３の電極であって、前記第１の電極は前記第２の電極と前記第３の電極の間に配置され、前記第１の電極に入力信号（ＩＳ）が供給され、前記第２の電極及び前記第３の電極に発振器信号（ＬＯ）が供給され、前記入力信号（ＩＳ）の周波数と前記発振器信号（ＬＯ）の周波数とが異なる、前記第１の電極、第２の電極及び第３の電極と、
ｃ）前記機械的共振素子の前記第１の導電層に近接して配置された出力電極とを備え、前記機械的共振素子は、前記入力信号（ＩＳ）および前記発振器信号（ＬＯ）の混合周波数であり且つ前記機械的共振素子の振動の固有周波数である周波数で振動し、該振動によるキャパシタンスの変動により前記出力電極において、前記入力信号（ＩＳ）および前記発振器信号（ＬＯ）の混合周波数の出力信号（ＩＦ）を発生する、デバイス。
【請求項１１】
前記デバイスは集積回路チップまたはウェハに埋め込まれている、請求項１０に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記入力信号（ＩＳ）が、前記発振器信号（ＬＯ）よりも高い周波数であるときに、前記機械的共振素子は、前記入力信号（ＩＳ）の周波数と前記発振器信号（ＬＯ）の周波数との和の周波数、及び前記入力信号（ＩＳ）の周波数と前記発振器信号（ＬＯ）の周波数との差の周波数のうちの一方の周波数で共振する、請求項１０に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記デバイスは、前記集積回路チップまたはウェハに設けられたトレンチ内に収容されてカプセル封止剤によりカプセル封止されており、前記カプセル封止剤は、前記機械的共振素子に接触しないように設けられている、請求項１０に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記デバイスは、１ミクロンの厚さを有する、請求項１３に記載のデバイス。
【請求項１５】
前記機械的共振素子は、Ｓｉ３ Ｎ４ により構成され、前記機械的共振素子の両面に配置された第１および第２の導電層は、それぞれ、Ｓｉ２ Ｃｏにより構成されている、請求項１０に記載のデバイス。
【請求項１６】
シリコンウェハに設けられた集積回路カプセル封止通信信号ミキシング／フィルタリング・デバイスを製造する方法であって、
ａ）前記シリコンウェハの表面に第１マスキング層を設け、該第１マスキング層に、前記デバイスの目的サイズに相応した開口を形成する工程と、
ｂ）前記開口を介して前記シリコンウェハをエッチングして、前記デバイスの所定の厚さに一致する深さのトレンチを形成する工程と、
ｃ）低温ガラス層を設け、前記第１マスキング層を除去して、前記低温ガラス層を前記トレンチの底部に残しながら、前記シリコンウェハの表面から前記低温ガラス層をリフトオフし、前記低温ガラス層を加熱して、前記トレンチの底部上に延びる滑らかなガラス面を形成する工程と、
ｄ）前記シリコンウェハの表面に第２マスキング層を設けて、前記トレンチ内の前記滑らかなガラス面上に延びる第２マスキング層の部分を除去し、前記ガラス面上に、第１の導電層と第１の離型層と第２の導電層と絶縁層と第３の導電層と第２の離型層と第４の導電層よりなる積層を付着する工程と、
ｅ）前記第２マスキング層を除去して、前記第１の導電層と前記第１の離型層と前記第２の導電層と前記絶縁層と前記第３の導電層と前記第２の離型層と前記第４の導電層を前記トレンチ内に残しながら、前記シリコンウェハの表面から前記第１の導電層と前記第１の離型層と前記第２の導電層と前記絶縁層と前記第３の導電層と前記第２の離型層と前記第４の導電層をリフトオフする工程と、
ｆ）前記シリコンウェハの表面に第３マスキング層を設けて、前記トレンチ上に２個の開口を形成し、前記第１の導電層と前記第１の離型層と前記第２の導電層と前記絶縁層と前記第３の導電層と前記第２の離型層と前記第４の導電層のうち前記２個の開口により規定される部分を、前記ガラス面まで除去して、前記２個の開口に一致する２個のウェルを形成する工程と、
ｇ）前記２個のウェルの間にある前記第４の導電層の上面及び側壁に銅を付着して前記第４の導電層の厚さ及び幅を増大する工程と、
ｈ）前記厚さ及び幅を増大した第４の導電層の下側にある前記第１の離型層及び前記第２の離型層を除去して、前記第１の導電層と前記第２の導電層との間、及び前記第３の導電層と前記第４の導電層との間にギャップを形成する工程と、
ｉ）前記第２の導電層、前記絶縁層及び前記第３の導電層により構成される共振器構造に接触しないように、絶縁材料のカプセル封止剤を前記２個のウェル内及び前記厚さ及び幅を増大した第４の導電層に付着する工程とを含む方法。
【請求項１７】
前記工程ｇ）において、前記２個のウェルの間にある前記第４の導電層にパラジウム・シード層を付着して無電解銅メッキを行うことにより前記銅を付着する、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記工程ｈ）において、前記第１の離型層及び前記第２の離型層を反応性イオンプラズマにより除去する、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記低温ガラス層は、スパッタリングによって付着されたボロシリケートガラスよりなり、前記低温ガラス層を、３００℃の温度で溶融してから周囲温度に冷却する、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記第１の導電層は、タングステンよりなり、前記第２および第３の導電層は、それぞれ、Ｓｉ２ Ｃｏよりなり、前記第４の導電層は、パラジウムの表面単分子層を有するクロムよりなる、請求項１６に記載の方法。
【請求項２１】
前記第１及び第２の離型層は、それぞれ、ダイアモンドライク・カーボン（ＤＬＣ）よりなる、請求項１６に記載の方法。
【請求項２２】
前記絶縁層は、Ｓｉ３ Ｎ４ よりなり、前記第２および第３の導電層と共に、前記共振器構造を形成する、請求項１６に記載の方法。
【請求項２３】
前記工程ｆ）において、前記第１の導電層と前記第１の離型層と前記第２の導電層と前記絶縁層と前記第３の導電層と前記第２の離型層と前記第４の導電層のうち前記２個の開口により規定される部分を反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により除去する、請求項１６に記載の方法。
【請求項２４】
前記工程ｆ）において、前記第２および第３の導電層を、緩衝フッ化水素酸でウェットエッチングする、請求項１６に記載の方法。
【請求項２５】
前記工程ｈ）において、前記第１及び第２の離型層を、前記ダイアモンドライク・カーボンと反応する酸素プラズマに暴露させて、前記ダイアモンドライク・カーボンを、昇華するＣＯ２ に変換することによって除去する、請求項２１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カプセル封止されたマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスを利用した、通信信号のミキシングおよびフィルタリング装置および方法に関する。さらに、本発明は、また、簡単な単一構造のマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスを製造する方法に関する。この簡単な単一構造のマイクロ電気機械システム・デバイスは、信号ミキシングのステップと信号フィルタリングのステップとを組合わせ、技術上現在用いられている既存のデバイスよりも、小型で、安価で、構造および動作上より信頼できるものである。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術は、２００ＭＨｚより小さい周波数での種々の通信回路用の狭帯域通過フィルタ（高Ｑフィルタ）を製造するために、提供されてきた。通常、これらのフィルタは、非常に正確な周波数で信号を伝送し、他の周波数での信号およびノイズを同時に減衰するために、マイクロ共振器の固有振動周波数を用いている。
【０００３】
基本的に、無線周波数（ＲＦ）の通信キャリア信号は、通常は、チャンネル選択，信号分離などのような処理のために、中間周波数（ＩＦ）に変換される。この特定の変は、一般に、キャリア信号を、非線形デバイスにおける発振器の正弦波出力とミキシングして、２つの入力信号の和または差のいずれかである出力信号を発生するようにすることによって行われる。この場合、処理のために、変換された所望の中間周波数（ＩＦ）キャリア信号を選択するために、帯域通過フィルタが採用されている。その後、中間周波数キャリア信号を除去して、例えば音声情報のような最終的な通信情報を抽出するために、第２の変換を行う。また、２つの同じ変換ステップを、伝送中に逆の順序で行うことができる。すなわち、音声信号から、中間周波数（ＩＦ）へ変換し、次に、最終通信無線周波数（ＲＦ）キャリア信号周波数へ変換する。
【０００４】
基本的には、スーパーヘテロダイン送受信機は、都合の良い中間周波数での信号処理のための精密な電気的フィルタリングおよびキャリア信号ミキシングに依存する。一般に、これらの回路は、３つの動作段階を有している。第１の段階では、無線周波数（ＲＦ）入力信号は、帯域通過フィルタを用いて分離され、そして増幅される。第２の段階では、この信号は、信号処理用にその周波数を減少させる（あるいはまた増大させる）ために、中間周波数発振器信号に対してビートされる。第３の段階では、処理後に、通信のための可聴周波数を得るために、この信号を他の発振器信号で変調することができる。これら３つの段階では、また、音声周波数から（ＲＦ）キャリア伝送への変換を、逆のシーケンスで行うこともできる。
【０００５】
本発明は、上述の第１および第２の段階の動作をユニークに利用する。これら段階の動作では、キャリア周波数は、信号に種々の作用を行うために、変化される。
【０００６】
上述した変換ステップおよびフィルタリング・ステップは、純粋の電子回路を介して、実施することができる。しかし、得られる中間キャリアは、通常、精密処理のための周波数範囲が、非常に広いと思われる。現在では、無線周波数（ＲＦ）フィルタは、通常、送信モードにおいて、外部水晶の励振で実現される。中間周波数（ＩＦ）は、通常、外部表面弾性波（ＳＡＷ）フィルタを使うことによって実現される。信号増幅および処理のために用いられる集積回路の外部に通常設けられているこれら２つの要素の使用は、システムの複雑性を増し、製造コストを増大させる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
典型的に、ＭＥＭＳ共振器フィルタ・デバイスは、標準的な集積回路のマスキング／付着／エッチングのプロセスを介して、製造される。例えば、ＭＥＭＳ帯域通過フィルタの製造および構造に関する詳細は、以下の文献に開示されている。
（１）“Micromachined Devices for Wirelss Communications”，C.T.-C. Nguyen, L.P.B. Katechi and G.M. Rebeiz, Proc. IEEE, 86, 1756-1768.
（２）“Surface Micromachining for Microelectromechanical Systems”, J.M. Bustillo, R.T. Howe and R.S. Muller, Proc. IEEE, 86, 1552-1574 (1998).
（３）“High-Q Micromechanical Oscillators and Filters for Communications”. C.T.-C. Nguyen, IEEE Intl. Symp. Circ. Sys., 2825-2828 (1997).
（４）A.-C. Wong, H.Ding, C.T.-C. Nguyen, “Micromechanical Mixer + Filter”, Tech. Dig. Of I.E.E.E./I.E.D.M., San Francisco, CA, Dec. 198, pp 471-474.
前述した文献によると、文献（１）〜（３）は、通信素子を交換するように構成される種々のＭＥＭＳデバイスを用いる一般的な分野に、主に関係している。これらの文献は、マイクロ・リソグラフィおよび集積回路処理を用いて構成できる種々の導体，フィルタなどを記述しており、基本的には、本発明のコンセプトに対する技術的背景を示すものであり、重要性は制限される。
【０００８】
キャリア信号のミキシングおよびフィルタリングに関するマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスを用いるキャリア信号のミキシングおよびフィルタリングの問題を解決することに関する解答が、文献（４）に開示されている。このデバイスは、２本の平行なクランプ・ビーム共振器（カンチレバー）よりなり、両方の共振器は、絶縁性機械的ブリッジに結合されている。両方の共振器は、固有周波数ＩＦを有するように作製される。入力信号（ＲＦ）は、１つの共振器に容量的に結合され、共振器は、正弦波局部発振器（ＬＯ）に電気的に接続される。共振器の固有振動周波数は、ＲＦ−ＬＯである。共振器の非線形性の故に、共振器は、到来ＲＦ信号をＬＯ信号とミキシングし、機械的動きに変換する。この動きは、ブリッジを用いて、第２の共振器に機械的に結合され、第２の共振器は、ＤＣバイアスに電気的に接続されている。この共振器に生じる機械的な動きは、出力信号として、容量的に検出される。製造されたデバイスは、２７ＭＨｚの共振周波数で動作する。２つの導電性共振器の間に絶縁性結合ビームが必要とされる故に、デバイスはポリシリコンで構成され、イオン注入を用いて、ビームはドープされる。このことは、金属要素の抵抗をかなり越えて、ビームの抵抗を増大させ、したがって、金属要素が回路に用いられるとき、金属要素の挿入損失を増大させる。さらに、デバイスは、約２０μｍ×２０μｍであり、さらなるＩＣ処理に対する保護のためのカプセル封止を困難にする。前述の文献に加えて、電子ミキサ／フィルタに関する特許された従来のデバイスを、以下に説明するが、これらは、本発明によって意図されたものに類似するように、通信信号のミキシングおよびフィルタリング用のＭＥＭＳデバイスを用いるシステムおよび方法を提供することに失敗している。
【０００９】
例えば、U.S. Patent 4,516,271, “Microwave Mixer with Recovery of the Sum Frequency”は、ＲＦ信号をミキシングおよびフィルタリングするための導波キャビティの使用に関するものである。このデバイスの機能は、本発明のコンセプトの機能に類似しているが、電磁波の反射を用いて、ここで用いられる機械的共振器とは対照的に、信号を処理している。
【００１０】
U.S. Patent 5,083,139, “Pulse Reader and Components Therefor”は、電磁波の干渉を用いて、ＲＦ信号をミキシングおよびフィルタリングしている。
【００１１】
U.S. Patent 5,563,545, “Low Cost Monolithic GaAs Upconverter Chip”は、インダクタ，キャパシタ，可変抵抗よりなる標準“タンク回路（ｔａｎｋ−ｃｉｒｃｕｉｔ）”を用いて、ＲＦ信号のミキシングおよびフィルタリングを実現している。
【００１２】
Kennan U.S. Patent 5,649,312, “MMIC Downconverter for a Direct Broadcast Satellite Low Noise Block Downconverter”は、また、ミキシングおよびフィルタリングのために、標準電子回路要素を用いている。
【００１３】
U.S. Patent 5,918,168, “Double Super Tuner”は、フィルタリング用の誘電体層を用い、および類似の技術を用いる９件の他のU.S.Patentを引用している。
【００１４】
最後に、U.S. Patent 5,528,769, “High Electron Mobility Transistor Monolithic Integrated Circuit Receiver”は、局部発振器に対する入力ＲＦ信号のミキシングを発生する“ラット−リング（ｒａｔ−ｒｉｎｇ）”回路を用いている。この技術は、ＲＦミキサ／フィルタ・ステップを実施するために、標準回路要素を用いる方法である。
【００１５】
前記したU.S. Patentのいずれも、このプロセスに機械的振動を用いることを提案しておらず、したがって、本発明のコンセプトには適用できない。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、通信キャリア信号のミキシングおよびフィルタリングのステップを組み合わせた新規な電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスを提供することにある。
【００１７】
本発明の他の目的は、上側周波数変換および下側周波数変換の両方を可能にする、通信キャリア信号のミキシングおよびフィルタリングのステップを組み合わせる簡単な単一構造のマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスを提供することにある。
【００１８】
本発明のさらに他の目的は、集積回路チップに組み込むように構成され、これまでは別個に設けられたデバイス内の多数の電子要素を含む単一のマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスを提供することにある。
【００１９】
本発明のさらに他の目的は、通信キャリア信号のミキシングおよびフィルタリングの組み合わせに適合したマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスの製造方法を提供することにある。
【００２０】
したがって、従来技術のＭＥＭＳデバイスの構造および製造における制限と欠点とを除去するためには、本発明は、通信キャリア信号のミキシングおよびフィルタリングのステップを、簡単な単一構造のマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスに組み合わせる。ＭＥＭＳデバイスは、上側周波数変換および下側周波数変換の両方を可能にし、集積回路チップに収容できる単一ユニットを介して、同じ機能を実行するのに、現在では別個に採用されている多くの電子要素を包含し、他方では、サイズおよび複雑さをかなり低減でき、および製造を極めて簡単にでき、本発明によるＭＥＭＳデバイスを安価にし、かつ機能の信頼性を高める。
【００２１】
【発明の実施の形態】
概略表示された図面中の図１は、キャリア信号のミキシングおよびフィルタリング用に構成されたマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイス１０の側面図である。ＭＥＭＳデバイス１０は、中心バー１２を備え、この中心バーは、ブロック１８，２０で概略的に示されるように、その両端１４，１６でクランプされる。中心バー１２は、基本的には、絶縁コアよりなり、絶縁コアの両面は、導電層２２，２４で被覆されている。この実施例で示されるように、中心バー上には、導電材料よりなる固定プレート２６が配置され、この固定プレートは、到来信号（ＩＳ）源２８に接続されている。中心バー１２上の上側導電層２２は、局部発振器信号（ＬＯ）源３０に接続されている。中心バー１２は、下記の力に応答する。この力は、一般的に、入力信号ＩＳと発振器信号ＬＯの電気的相互作用により生じ、結果として、中心バーを振動させる。中心バー１２は、クランプ要素またはブロック１８，２０によって、両端でクランプされているので、中心バーは非線形的に応答し、信号ＩＳが信号ＬＯよりも高周波数であると仮定すると、共振力が周波数（ＩＳ＋ＬＯ）および（ＩＳ−ＬＯ）で発生する。中心バー１２は、これらの周波数の１つ、例えば（ＩＳ−ＬＯ）で共振するように構成されている。中心バー１２の下側では、下側導電層２４が、電源３２への接続によってバイアスされる。この導体には、固定ピックアップ・プレート３４が対向している。このプレートには、中心バー１２の振動によって引き起こされるキャパシタンスの変動によって、電荷が誘導される。中心バーは、狭い固有周波数の振動を有するので、この機械的特性は、機械的固有周波数に近いこれらの混合信号のみを分離するためのフィルタとして働く。図中、ＩＦによって示される出力信号、基本的に中間周波数は、到来信号ＩＳを発振信号ＬＯとミキシングし、振動中心バー１２の機械的特性でフィルタリングした結果である。
【００２２】
図２および図３に示される、マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイス４０の他の実施例を説明する。図２の上面図に示されるように、ＭＥＭＳミキサ／フィルタ・デバイス４０は、中心電極４２を与える。この中心電極は、到来すなわち入力信号ＩＳに接続され、中心電極は、両側に電極４４，４６をさらに有している。これら電極４４，４６は、局部発振器信号ＬＯに接続されている。電極４２および４４，４６は、それぞれ、図２に点線５０，５２によって示される、デバイス４０の絶縁振動バー４８に対向している。また、２個の外部ＤＣバイアス電極５４，５６が設けられている。これら電極は、ＭＥＭＳデバイス４０を同調させるために用いることができる。図３の側面図には、デバイスの３つのレベルを示している。なお、図３は、明瞭にするために、図２に対して９０゜回転した側面図を示している。下部には、入力電極４２，４４，４６および任意の同調電極５４，５６がある。中央部には、絶縁振動バー４８があり、その両端は、適切なクランプ・デバイス６０，６２によってクランプされており、バー４８は、その両面に導電被覆または層６４，６６が設けられている。これら導電層または被覆６４，６６は、バイアスできるように、電源に接続されている。到来または入力信号ＩＳおよび発振器信号ＬＯは、図１の実施例に関して説明したと同様に、振動バー４８を駆動する。バー４８の機械的固有周波数は、所望の結合された混合周波数、例えば（ＩＳ−ＬＯ）を選択する。中心振動バー４８の両面上の導電被覆または層６４，６６は、図３の上部に示される固定出力電極７０上に、このミキシングされフィルタリングされた信号（ＩＦ）を発生する。
【００２３】
ＭＥＭＳデバイス４０の前述した構成は、以下の点を除いて、図１のＭＥＭＳデバイス１０の構成と、実質的に類似している。すなわち、前述した構成は、実際にやや複雑であり、図１の簡単なＭＥＭＳデバイスでは実現できない、より複雑なミキシング−フィルタリング応用に適合されている。
【００２４】
次に、本発明のミキサ／フィルタ・デバイス、実際には、ミキシングとフィルタリングの両方を結合し、真空環境内でカプセル封止されるように構成されるマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスを製造する方法を、説明する。図４〜図１０に示される連続した製造工程を参照する。
【００２５】
図４〜図１０に示すように、ＭＥＭＳデバイスの構造は、標準の集積回路処理を用いることを容易にする。最終の製造されたＭＥＭＳデバイスは、半導体チップ表面下にあり、真空の周囲または環境状態でカプセル封止される。図示の状態は、最終の共振器またはＭＥＭＳデバイス構造の断面を示す。なお共振器は、図の面に対し垂直に向いている。
【００２６】
図４によれば、ＭＥＭＳデバイスは、標準的なシリコンウェハ８０上に構成されるものとする。
【００２７】
最初に、フォトレジストをウェハ表面８２に設け、開口８４を形成する。開口の長さは、所望の共振器長に一致する。開口の幅は、本発明の重要な要素ではない。というのは、開口の幅は、ＭＥＭＳデバイスのミキサ／フィルタ特性に無関係だからである。しかし典型的に、開口８４の幅は、開口８４の長さとほぼ同じにすることができる。開口８４をフォトレジストに形成した後、トレンチ８６を、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いて、シリコンウェハ表面８２にエッチングする。トレンチ８６の深さ８８は、一般に、全厚さ内で１ミクロンの大きさで、ＭＥＭＳデバイスの全ての連続する層を受入れるのに適切なように設計される。
【００２８】
図５において、スパッタリングによって付着することのできるボロシリケートガラスのような低温ガラス９０の薄層を、トレンチ８６の底部９２に付着させる。図４において説明した、ウェハ表面上に付着されたフォトレジストを除去し、あらゆる箇所から（トレンチ内を除いて）、付着ガラスをリフトオフする。次に、シリコンウェハ８０を、ガラスを溶融するように、例えば３００℃に加熱して、ガラスが、トレンチ８６の底部９２を被覆する滑らかな面９４を形成するようにする。
【００２９】
図６に示すように、フォトレジストを再び設け、図４での説明に用いたのと同じ開口を形成する。その後、ミキサ／フィルタＭＥＭＳデバイスの連続層を、ガラス層９０上に、上方向に付着する。例えば、下側層９６は、タングステンで構成でき、下側離型層９８はダイアモンドライク・カーボン（ＤＬＣ）とすることができ、次の下側共振器導体層１００は、Ｓｉ2 Ｃｏとすることができ、共振器（振動プレート）１０２は、Ｓｉ3 Ｎ4 とすることができ、上側共振器導体層１０４は、Ｓｉ2 Ｃｏとすることができ、上側離型層１０６をＤＬＣとすることができ、上側共振器導体１０８を、パラジウムの表面単分子層を有するクロムとすることができる。図６に概略表示するように、付着された全ての層に続いて、これらの層をトレンチ内にのみ（実際には、チップまたはウェハの表面８２の下側）残すようにして、フォトレジストを除去する。
【００３０】
図７に示す次の製造工程において、上面８２にフォトレジストを設けて、トレンチ８６上のフォトレジスト内に２個の開口１１０，１１２を形成する。次に、ウェハをＲＩＥエッチングして、図に示すように、層内に延びる２個のトレンチ１１４，１１６を形成する。薄いＳｉ2 Ｃｏ層のような特定の層は、ＲＩＥエッチングに適さないかもしれない。ＲＩＥではなく、緩衝フッ化水素酸で、これらの特定の層をウェットエッチングすることができる。図７に示す最終構造は、トレンチ８６の底部上のガラス層９０の表面９４に延びる２個のウェルを形成する。
【００３１】
図８に示されるように、ウェハ８０に、銅１２０の無電解メッキを施す。この金属は、上側導電層１０８上に付着されるパラジウム・シード層１２２上に好適に付着される。この付着は、図８に示すように、デバイスの最上層を広くかつ厚くする。
【００３２】
その後、図９に示すように、デバイスを反応性イオンプラズマ、例えば酸素プラズマに暴露する。反応性イオンプラズマは、ＤＬＣ（ダイアモンドライク・カーボン）と反応して、カーボンを昇華するＣＯ2 に変換する。これにより、機械的共振器構造１０２の両面上に、ギャップ１２６，１２８を形成する。
【００３３】
最後に、図１０に示すように、絶縁材料１３０を付着して、デバイスをカプセル封止する。この付着は、例えば、離れたソースからの蒸着によるように、方向性が要求される。その結果、図８に示される前の製造工程において広げられた上側導電層１０８は、共振器１０２を付着材料から遮蔽する。これにより、付着された封止材１３０が共振器１０２に接触せず、共振器の機械的または振動運動を妨げない。
【００３４】
真空環境におけるミキサ／フィルタすなわちＭＥＭＳデバイスの前述したカプセル封止は、デバイスの製造の完了を促進する。種々の導電層の外部配線への接続は、図を明瞭にするために示していない。基本的に、ＭＥＭＳデバイスは、到来信号ＩＳを上側導体１０８に供給することによって動作する。このとき、局部発振器信号ＬＯは、上側共振器導体１０４に供給される。共振器の寸法（長さおよび厚さ）は、ビーム１０２が周波数ＲＦ−ＬＯで固有振動するように決定される。下側共振器導体１００には、ＤＣバイアスが供給され、ビーム１０２の固有機械共振によってフィルタリングされた混合（ＲＦ−ＬＯ）信号を、下側導体９６に導出させる。
【００３５】
以上の説明は、本発明の好適な実施例についてのものであるが、ＭＥＭＳデバイスは実施例に限定されるものではない。例えば、電気信号のシーケンスは、信号の変換を変更することなく、逆にすることができる。このことは、次のことを意味する。すなわち、到来信号ＩＳを層９６に供給することができ、信号ＬＯを層１００に供給することができ、ＤＣバイアスを層１０４に供給することができ、出力を層１０８で検出することができる。同様に、層１００，１０４に供給される信号を、マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスの動作の本質的性質を変えることなしに、逆にすることができる。このことは、単一のＭＥＭＳユニットにおける、結合通信信号のミキシングおよびフィルタリングを促進する。
【００３６】
前述したことから、本発明は、サイズが非常にコンパクトで、現在知られているおよび現在の技術に用いられているＭＥＭＳデバイスと比べて低製造コストの、簡単な単一構造のＭＥＭＳデバイスに関係している。
【００３７】
ここに開示した本発明は、前述した目的を実現することを十分に意図しているが、当業者によって多くの変形例，実施例を案出できることがわかるであろう。また、特許請求の範囲は、本発明の趣旨および範囲内にあるこのような変形例，実施例のすべてを含むことを意図している。
【００３８】
まとめとして、本発明の構成に関して以下の事項を開示する。
（１）単一構造の通信信号ミキシング／フィルタリング・デバイスであって、
ａ）クランプされた両端を有する細長い振動可能な機械的共振素子を備え、この共振素子は、絶縁材料で構成され、一方の面上に設けられた第１の導電層と、他方の面上に設けられた第２の導電層とを有し、
ｂ）前記第１の導電層に発振器信号（ＬＯ）を供給する手段と、
ｃ）前記第２の導電層に電力を供給する手段と、
ｄ）前記第１の導電層に近接して配置され、入力信号（ＩＳ）が供給される第１の導体素子と、
ｅ）前記第２の導電層に近接して配置された第２の導体素子とを備え、前記共振素子は、前記入力信号（ＩＳ）と発振器信号（ＬＯ）との電気的相互作用により発生した結合力に振動的に応答して、入力信号（ＩＳ）および発振器信号（ＯＳ）の混合周波数と、前記共振素子の振動の固有周波数とを示す出力信号（ＩＦ）を発生する、デバイス。
（２）マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスを備える、上記（１）に記載のデバイス。
（３）カプセル封止された帯域通過フィルタを備える、上記（１）に記載のデバイス。
（４）集積回路チップまたはウェハに形成されている、上記（３）に記載のデバイス。
（５）前記共振素子は、前記結合力に非線形的に応答するバー状コアを有する、上記（１）に記載のデバイス。
（６）前記結合力は、入力信号（ＩＳ）が、発振器信号（ＬＯ）よりも高い周波数または低い周波数のいずれかであるときに、（ＩＳ＋ＬＯ）および（ＩＳ−ＬＯ）の選択周波数で発生し、前記バー状コアは、前記選択周波数（ＩＳ＋ＬＯ）および（ＩＳ−ＬＯ）のうちの一方で共振する、上記（５）に記載のデバイス。
（７）前記第２の導電層は、所定の周波数での動作のために、デバイスの同調を促進する、上記（１）に記載のデバイス。
（８）集積回路チップまたはウェハに埋め込まれている、上記（１）に記載のデバイス。
（９）前記埋め込まれている通信信号ミキシング／フィルタリング・デバイスは、前記チップまたはウェハの上面の下に設けられるカプセル封止されたマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）帯域通過フィルタである、上記（８）に記載のデバイス。
（１０）約１ミクロンの厚さを有する、上記（８）に記載のデバイス。
（１１）前記共振素子は、Ｓｉ3 Ｎ4 により構成され、前記共振素子の両面に設けられた第１および第２の導電層は、それぞれ、Ｓｉ2 Ｃｏにより構成されている、上記（１）に記載のデバイス。
（１２）前記第１の導体素子は、パラジウムの表面単分子層を有するクロムより構成される、上記（１）に記載のデバイス。
（１３）前記第２の導体素子は、タングステンにより構成される、上記（１２）に記載のデバイス。
（１４）単一構造の通信信号ミキシング／フィルタリング・デバイスであって、
ａ）クランプされた両端を有する細長い振動可能な機械的共振素子を備え、この共振素子は、絶縁材料で構成され、前記共振素子は、一方の面上の第１の導電層と、反対側の他方の面上の第２の導電層とを有し、前記第２の導電層は、バイアスされるように電源に接続され、
ｂ）前記共振素子に近接して配置され、入力信号（ＩＳ）が供給される第１の電極と、
ｃ）前記第２の導電層に近接して配置された第２および第３の電極とを備え、前記第２および第３の電極は、それぞれ、前記第１の電極の両面に配置され、前記第２および第３の電極に共通に供給される発振器信号（ＬＯ）を有し、
ｄ）前記共振素子に近接して配置された出力電極を備え、前記共振素子は、前記入力信号（ＩＳ）と発振器信号（ＬＯ）との電気的相互作用により発生した結合力に振動的に応答して、出力信号（ＩＦ）を発生し、この出力信号は、前記入力信号（ＩＦ）および発振器信号（ＯＳ）の混合信号（ＩＦ−ＬＯ；ＩＦ＋ＬＯ）から導かれるミキシングおよびフィルタリングされた周波数を示し、前記共振素子の振動の固有周波数は、前記ミキシングされた周波数を選択し、前記ミキシングおよびフィルタリングされた信号（ＩＦ）を、前記出力電極に導出させる、デバイス。
（１５）マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスを備える、上記（１４）に記載のデバイス。
（１６）カプセル封止された帯域通過フィルタを備える、上記（１４）に記載のデバイス。
（１７）集積回路チップまたはウェハに形成されている、上記（１６）に記載のデバイス。
（１８）集積回路チップまたはウェハに埋め込まれている、上記（１４）に記載のデバイス。
（１９）前記結合力は、入力信号（ＩＳ）が、発振器信号（ＬＯ）よりも高い周波数または低い周波数のいずれかであるときに、（ＩＳ＋ＬＯ）および（ＩＳ−ＬＯ）の選択周波数で発生し、前記共振素子は、前記選択周波数（ＩＳ＋ＬＯ）および（ＩＳ−ＬＯ）のうちの一方で共振する、上記（１８）に記載のデバイス。
（２０）前記第２および第３の電極に近接して、他の電極を配置し、前記他の電極は、ＤＣ電流源に接続されて、前記デバイスを選択的に同調させるＤＣバイアス・コンタクトを与える、上記（１４）に記載のデバイス。
（２１）集積回路チップまたはウェハに埋め込まれている、上記（１４）に記載のデバイス。
（２２）前記埋め込まれている通信信号ミキシング／フィルタリング・デバイスは、前記チップまたはウェハの上面の下に設けられるカプセル封止されたマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）帯域通過フィルタである、上記（２１）に記載のデバイス。
（２３）前記デバイスは、約１ミクロンの厚さを有する、上記（２１）に記載のデバイス。
（２４）前記共振素子は、Ｓｉ3 Ｎ4 により構成され、前記共振素子の両面に配置された第１および第２の導電層は、それぞれ、Ｓｉ2 Ｃｏにより構成されている、上記（１４）に記載のデバイス。
（２５）前記第１の導体素子は、パラジウムの表面単分子層を有するクロムより構成される、上記（１４）に記載のデバイス。
（２６）前記第２の導体素子は、タングステンにより構成される、上記（２５）に記載のデバイス。
（２７）シリコンウェハに設けられた集積回路カプセル封止通信信号ミキシング／フィルタリング・デバイスを構成する方法であって、
ａ）前記ウェハの表面にマスキング層を設け、このマスキング層に、前記デバイスの目的サイズに相応した開口を形成する工程と、
ｂ）前記開口で、前記ウェハにトレンチをエッチングして、前記デバイスの所定の厚さに一致する深さのトレンチを形成する工程と、
ｃ）低温ガラス層を設け、前記マスキング層を除去して、前記ガラス層を前記トレンチの底部に残しながら、前記ウェハの表面から前記ガラス層をリフトオフし、前記ガラス層を加熱して、前記トレンチの底部上に延びる滑らかなガラス面を形成する工程と、
ｄ）前記ウェハの表面にマスクイング層を再び設けて、前記トレンチ内の前記滑らかなガラス面上に延びるマスキング層の部分を除去し、（ｉ）第１の導電層と（ii）第１の離型層と（iii ）第２の導電層と（iv）絶縁層と（ｖ）第３の導電層と（vi）第２の離型層と（vii ）第４の導電層よりなる複数の積層を付着する工程と、
ｅ）前記マスキング層を除去して、前記付着層を前記トレンチ内に残しながら、前記ウェハの表面から前記付着層をリフトオフする工程と、
ｆ）前記ウェハの表面にさらに他のマスキング層を設けて、トレンチ上に２個の開口を形成し、前記開口内の付着された積層を、前記ガラス層まで除去して、前記２個の開口に一致する２個のウェルを形成する工程と、
を含む方法。
（２８）前記ウェハに対して無電解銅メッキを行って、パラジウム・シード層上に銅を付着して、前記デバイスの最上層の第４の導電層（vii ）を広げかつ厚くする、上記（２７）に記載の方法。
（２９）前記層を反応性イオンプラズマ暴露して、前記第１および第２の離型層を除去して、前記第１の導電層と第２の導電層との間、および前記第３の導電層と第４の導電層との間に、それぞれ、ギャップを形成する、上記（２８）に記載の方法。
（３０）絶縁材料よりなるカプセル封止材を付着して、真空環境内で前記デバイスをカプセル封止し、他方、前記層（iii ，iv，ｖ）によって形成された共振器構造を、前記付着されたカプセル封止材により接触されることから遮蔽する、上記（２９）に記載の方法。
（３１）前記マスキング層の各々は、フォトレジストよりなる、上記（２７）に記載の方法。
（３２）前記ガラス層は、スパッタリングによって付着されたボロシリケートガラスよりなり、前記ガラス層を、３００℃の温度で溶融し、前記積層の付着の前に、周囲温度に冷却する、上記（２７）に記載の方法。
（３３）前記第１の導電層は、タングステンよりなり、前記第２および第３の導電層は、それぞれ、Ｓｉ2 Ｃｏよりなり、前記第４の導電層は、パラジウムの表面単分子層を有するクロムよりなる、上記（２７）に記載の方法。
（３４）前記離型層は、それぞれ、ダイアモンドライク・カーボン（ＤＬＣ）よりなる、上記（３３）に記載の方法。
（３５）前記絶縁層は、Ｓｉ3 Ｎ4 よりなり、前記第２および第３の導電層と一緒になって、機械的共振器構造を形成する、上記（３４）に記載の方法。
（３６）前記マスキング層を、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により除去する、上記（２７）に記載の方法。
（３７）前記第２および第３の導電層を、緩衝フッ化水素酸でウェットエッチングする、上記（３３）に記載の方法。
（３８）前記離型層を、前記ダイアモンドライク・カーボンと反応する酸素プラズマに暴露させて、前記ダイアモンドライク・カーボンを、昇華するＣＯ2 に変換することによって除去する、上記（３４）に記載の方法。
【図面の簡単な説明】
【図１】キャリア信号のミキシングおよびフィルタリングのための本発明によるＭＥＭＳデバイスの第１の実施例を示す図である。
【図２】本発明によるＭＥＭＳミキシング／フィルタリング・デバイスの第２の実施例の上面図である。
【図３】本発明によるＭＥＭＳミキシング／フィルタリング・デバイスの第２の実施例の側面図である。
【図４】本発明の典型的なＭＥＭＳデバイスの製造工程を示す図である。
【図５】本発明の典型的なＭＥＭＳデバイスの製造工程を示す図である。
【図６】本発明の典型的なＭＥＭＳデバイスの製造工程を示す図である。
【図７】本発明の典型的なＭＥＭＳデバイスの製造工程を示す図である。
【図８】本発明の典型的なＭＥＭＳデバイスの製造工程を示す図である。
【図９】本発明の典型的なＭＥＭＳデバイスの製造工程を示す図である。
【図１０】真空環境でミキサ／フィルタをカプセル封止する工程を示す図である。
【符号の説明】
１０  ＭＥＭＳデバイス
１２  中心バー
１４，１６  中心バーの両端
１８，２０  ブロック
２２，２４，６４，６６  導電層
２６  固定プレート
２８  到来信号（ＩＳ）源
３０  局部発振器信号（ＬＯ）源
４０  ＭＥＭＳミキサ／フィルタ・デバイス
４２  中心電極
４４，４６  電極
４８  絶縁振動バー
５４，５６  外部ＤＣバイアス電極
６０，６２  クランプ・デバイス
８０  シリコンウェハ
８２  ウェハ表面
８４，１１０，１１２  開口
８６  トレンチ
９０  ガラス層
９６  下側層
１００  下側共振器導体層
１０２  共振器
１０４  上側共振器導体層
１０８  上側導電層
１２０  銅
１２２  パラジウム・シード層
１２６，１２８  ギャップ
１３０  封止材
【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５】
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【図６】
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【図７】
0003823032.tif 000008
【図８】
0003823032.tif 000009
【図９】
0003823032.tif 000010
【図１０】
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