三洋電機株式会社 (〒77 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 Osaka, 57086, JP)
| 2つの部材が互いに対向して両部材間のギャップに応じた静電容量を有し、該静電容量に基づいて動作するマイクロエレクトロメカニカルデバイスにおいて、前記2つの部材の対向面には一対の熱酸化膜が形成されて、両熱酸化膜間に狭小化されたギャップを有することを特徴とするマイクロエレクトロメカニカルデバイス。 |
| 前記一対の部材の内、一方の部材は電極であり、他方の部材は共振子であって、高周波信号の入力により電極と共振子の間に交番静電気力を発生させて共振子に振動を与え、電極と共振子との間の静電容量の変化を高周波信号として出力する請求項1に記載のマイクロエレクトロメカニカルデバイス。 |
| 2つの部材が互いに対向して両部材間のギャップに応じた静電容量を有し、該静電容量に基づいて動作するマイクロエレクトロメカニカルデバイスの製造方法において、 前記2つの部材となるSi層に対し、フォトリソグラフィとエッチングを用いた加工を施して、前記ギャップとなる溝を形成する第1ギャップ形成工程と、 前記溝が形成されたSi層に対し、熱酸化処理を施して、前記溝の対向面に一対のSi熱酸化膜を形成し、両Si熱酸化膜間に狭小化されたギャップを形成する第2ギャップ形成工程とを有することを特徴とするマイクロエレクトロメカニカルデバイスの製造方法。 |
| 前記第1ギャップ形成工程では、前記溝を形成することによって、前記Si層からなる電極と共振子を成形し、前記第2ギャップ形成工程では、電極側のSi熱酸化膜と共振子側のSi熱酸化膜の対向面間に、前記狭小化されたギャップを形成する請求項3に記載のマイクロエレクトロメカニカルデバイスの製造方法。 |
本発明は、半導体分野における微細加工 術を利用して作製されるマイクロメカニカ 共振器やマイクロメカニカルキャパシタ等 マイクロエレクトロメカニカルデバイスの 造、並びにその製造方法に関するものであ 。
近年、半導体分野における微細加工技術 利用して、微細な機械構造を電子回路と一 化して形成する、所謂マイクロエレクトロ カニカルシステム(MEMS)技術が開発されてお 、フィルターや共振器への応用が検討され いる。
図6は、MEMS技術を用いた従来のマイクロ カニカル共振器を表わしている(非特許文献1 )。該マイクロメカニカル共振器は、図示の く基板(96)上に共振子(90)を具え、該共振子(90 )は、角柱状の共振ビーム(92)と、該共振ビー (92)の両端部を支持すべき4本の角柱状の支 ビーム(91)~(91)とから構成されており、各支 ビーム(91)の基端部はそれぞれアンカー(93)に よって基板(96)上に固定されている。これに って、共振子(90)は、基板(96)の表面から僅か に浮上した位置に保持されている。
又、共振子(90)の共振ビーム(92)の両側に 、共振ビーム(92)の中央部を挟んで入力電極( 94)と出力電極(95)が配備され、共振ビーム(92) 両電極(94)(95)との間に所定のギャップ部Gが 成されている。
そして、入力電極(94)には高周波電源(6)が 接続されると共に、1つのアンカー(93)には主 圧電源(7)が接続されている。
アンカー(93)を介して共振子(90)に直流電 Vpを印加した状態で、入力電極(94)に高周波 号Viを入力すると、入力電極(94)と共振ビー (92)との間にギャップ部Gを介して交番静電気 力が発生し、該静電気力によって共振子(90) 基板(96)の表面と平行な面内で振動する。こ 共振子(90)の振動により、共振ビーム(92)と 電極(95)(94)との間に形成される静電容量が変 化し、該静電容量の変化が出力電極(95)から 周波信号Ioとして出力される。
上述のマイクロメカニカル共振器におい は、図7に示す如く、共振ビーム(92)と両電 (94)(95)の間に形成される静電容量Coは、ギャ プGの大きさによって決まり、ギャップGが さい程、静電容量Coは大きくなり、挿入損失 やインピーダンスなどの特性面においてもギ ャップGは小さいことが望ましい。
そこで、上述のマイクロメカニカル共振器
製造工程においては、共振ビーム(92)と左右
の電極(94)(95)の間にギャップGを形成するため
に、フォトリソグラフィとエッチングを用い
た溝加工が用いられている。
ところで、マイクロメカニカル共振器の 振周波数を数百MHz帯からGHz帯に設定する場 、共振ビーム(92)と電極(94)(95)の間のギャッ Gはサブミクロンのオーダ(0.1~0.5μm)に形成す る必要がある。
しかしながら、従来のフォトリソグラフ とエッチングによる溝加工では、例えばi線 露光機を用いた場合、0.35μm程度の溝幅を形 することが限界であり、それ以上の狭小化 困難であった。
そこで本発明は、ギャップを更に狭小化 ることが可能なマイクロエレクトロメカニ ルデバイスの構造及びその製造方法を提供 ることである。
本発明に係るマイクロエレクトロメカニ ルデバイスは、2つの部材が互いに対向して 両部材間のギャップに応じた静電容量を有し 、該静電容量に基づいて動作するものであっ て、前記2つの部材の対向面には一対の熱酸 膜が形成されて、両熱酸化膜間に狭小化さ たギャップを有している。
具体的には、前記一対の部材の内、一方 部材は電極であり、他方の部材は共振子で って、高周波信号の入力により電極と共振 の間に交番静電気力を発生させて共振子に 動を与え、電極と共振子との間の静電容量 変化を高周波信号として出力する。
本発明のマイクロエレクトロメカニカルデ
イスの製造方法においては、前記2つの部材
の間に狭小化されたギャップを形成するため
に、
前記2つの部材となるSi層に対し、フォトリ
グラフィとエッチングを用いた加工を施し
、前記ギャップとなる溝を形成する第1ギャ
ップ形成工程と、前記溝が形成されたSi層に
し、熱酸化処理を施して、前記溝の対向面
一対のSi熱酸化膜を形成し、両Si熱酸化膜間
に狭小化されたギャップを形成する第2ギャ
プ形成工程とが実施される。
第1ギャップ形成工程では、例えばi線露 機を用いたフォトリソグラフィとエッチン によって、前記2つの部材の材料となるSi層 0.35μm程度の溝が形成される。
その後、前記溝が形成されたSi層に対し 熱酸化処理を施すことにより、前記溝の両 面にSi熱酸化膜が形成され、これらのSi熱酸 膜が互いに対向して、0.35μmよりも更に狭小 化されたギャップ(例えば0.05~0.30μm)が形成さ ることになる。
尚、熱酸化処理によれば、Si熱酸化膜は なくとも0.01μm以上の厚さに形成することが 来る。
本発明に係るマイクロエレクトロメカニ ルデバイス及びその製造方法によれば、従 よりも更にギャップを狭小化することが可 である。
以下、本発明を図6に示すMEMS共振器に実 した形態につき、図面に沿って具体的に説 する。
図1及び図2は、本発明に係るMEMS共振器の 振子及び左右の電極を形成するための工程P 1~P7を表わしている。尚、図1及び図2において 、(A)は縦断面図、(B)及び(C)は平面図である。
先ず図1の工程P1においては、基板となるSi (1)の表面に、SiO 2 層(3)とSi層(2)を積層してなるSOIウエハを準備 る。
次に工程P2においては、Si層(2)の表面にレ ジスト(4)を塗布する。そして、工程P3では、 ジスト(4)に対してi線露光機を用いた露光と 現像を施し、ギャップG″を有する溝パター を形成する。ここで、ギャップG″としては0 .35μmが限界である。
続いて工程P4では、Si層(2)にドライエッチ ングを施して、Si層(2)に溝(20)を加工する。
図2の工程P5では、前記レジスト(4)を剥離し 更に工程P6では、SiO 2 層(3)にウエットエッチングを施す。これによ って幅Wの共振子(22)と左右の電極(21)(21)が形 されることになる。尚、図2(C)は上のSi層(2) 省略してSiO 2 層(3)及び下のSi層(1)の表面を表わしている。
その後、工程P7では、水素ガスと酸素ガ の混合ガス雰囲気中で900~1200℃の温度による 熱酸化処理を施す。この熱酸化処理において は、水素が燃焼して水蒸気雰囲気中でSiが酸 される。
この結果、共振子(22)と両電極(21)(21)の対 面に一対のSi熱酸化膜(5)(5)が形成され、両Si 熱酸化膜(5)(5)間にギャップGが形成されるこ になる。
ここで、Siの酸化物であるSiO 2 は安定した材料であり、然も熱酸化処理によ れば狭小な隙間にも高い精度で薄膜を形成す ることが出来るので、Si熱酸化膜(5)(5)の形成 よって得られるギャップGは、高い精度を維 持し、且つ狭小化が可能である。
又、Si熱酸化膜は、露出しているSi表面全 体に形成されることになるが、説明簡略化の ため、図面ではギャップ面のみ表示している 。
上述の如くi線露光及びドライエッチング による溝加工においては、図3(a)に示す如く (20)の幅を0.35μmに形成することが限界である が、その後の熱酸化処理により、図3(b)の如 共振子(22)と両電極(21)(21)の間にそれぞれ、 いに対向する一対のSi熱酸化膜(5)(5)が形成さ れて、両Si熱酸化膜(5)(5)間のギャップを例え 0.1μm以下に狭小化することが出来る。
図4(a)(b)に示す如く電極(21)と共振子(22)の の溝(20)の両側面にSi熱酸化膜(5)が形成され 過程では、溝(20)の側面の内側へ向けて44%、 外側へ向けて56%の割合でSi熱酸化膜(5)が成長 、互いに対向する一対のSi熱酸化膜(5)(5)の 向面間にギャップGが形成されることになる
図4(b)に示す如く、電極(21)と共振子(22)の間
静電容量Cは、一対のSi熱酸化膜(5)(5)が対向
て形成される真空ギャップの静電容量C1と
両Si熱酸化膜(5)(5)によって形成される2つの
電容量C 2
、C 2
の直列接続となるため、下記数式が成り立つ
。
(数式1)
1/C=1/C 2
+1/C 1
+1/C 2
従来のMEMS共振器においては、図7に示す様
真空ギャップのみによる静電容量Coが形成さ
れ、その静電容量C 0
は、真空の誘電率をε 0
、対向面積をS、ギャップをd 0
として、下記数式により表わすことが出来る
。
(数式2)
C 0
=ε 0
(S/d 0
)
従って、図4に示す本発明のMEMS共振器にお
る静電容量Cは、従来のMEMS共振器におけるギ
ャップd 0
が0.35μmの場合の静電容量C 0
と、熱酸化後のギャップd 1
を用いて、下記数式で表わすことが出来る。
(数式3)
C=(931000/(141d 1
+437500))・C 0
図5は、真空ギャップのみによる静電容量Co
、熱酸化膜のギャップと真空ギャップの組
せからなる静電容量Cについて、真空ギャッ
プが0.35μmのときの静電容量を基準とする静
容量比の変化を表わしている。
図5中に破線で示す様に、0.35μmの真空ギャ
プを形成した後にそのギャップが
0.067μmに狭小化されるまで熱酸化膜を形成す
ば、0.2μmの真空ギャップのみを有するMEMS共
振器と同等の静電容量が得られることになる
。
この様に、本発明のMEMS共振器によれば、 Si熱酸化膜(5)の形成によって、実質的なギャ プを従来よりも更に狭小化することが出来 その結果、挿入損失やインピーダンスなど 特性を改善することが可能である。
尚、本発明の各部構成は上記実施の形態 限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範 内で種々の変形が可能である。
又、本発明は、MEMS共振器に限らず、MEMS ャパシタなどの種々のマイクロエレクトロ カニカルデバイスに実施することが出来る
(1) Si層
(2) Si層
(3) SiO 2
層
(4) レジスト
(5) Si熱酸化膜
(20) 溝
(21) 電極
(22) 共振子