JP5667391B2

JP5667391B2 - ディスク型ｍｅｍｓ振動子

Info

Publication number: JP5667391B2
Application number: JP2010180357A
Authority: JP
Inventors: 藤健史齊; 村悟利木
Original assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Priority date: 2010-08-11
Filing date: 2010-08-11
Publication date: 2015-02-12
Anticipated expiration: 2030-08-11
Also published as: US20130134829A1; WO2012020602A1; JP2012039557A

Description

本発明は、ＭＥＭＳで製造されるディスク型振動子（レゾネータ）に係り、とくに本発明は、その振動体の支持構造体に関する。

従来のディスク型ＭＥＭＳ振動子は、図１に示すように、本発明のディスク型ＭＥＭＳ振動子と同様の構成からなり、ディスク（円盤）形状の振動体（ディスク）１と、この振動体１の両側に、この振動体１の外周部に対して所定の空隙ｇを有して、それぞれ対向して配置された駆動電極２，２と、この駆動電極２，２に同相の交流バイアス電圧を印加する手段（交流電源）２ａと、前記振動体１と前記駆動電極２，２との間の静電容量に対応した出力を得る検出手段（検出電極３及び検出器３ａ）とを備え、前記振動体１は、その中心Ｏを、図６に示すように、円形断面を有する柱状の支持構造体１ｂにより支持されている。

そして、このようなディスク型振動子（レゾネータ）は、シリコン基板にＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems の略、微小電気機械システム）によりシリコン膜を形成して製造される。

特開２００７−１５２５０１号公報 M.A.Abdelmoneum, M.U.Demirci, and C.T.-O.Ngyen, "Stem-less wine-glass-mode disk micromechanical resonators," in Proc.IEEE Int, Conf ,Micro-Electro-Mechanical Systems,Kyoto.Japan,2003,pp698-701 M.A.Abdelmoneum, M.U.Demirci,and C.T.-C.Ngyen, "NickelVibrating Micromechanical Disk Resonator With Solid Dielectric Capacitive-Transducer Gap," in Proc.IEEE Int. Frequency Control Symp.,Miami,Florida, June 5-7,2006,pp839-847

しかしながら、この種の従来のディスク型ＭＥＭＳ振動子では、図６に示すように、振動体（ディスク）を支持する支持構造体を構成する柱状体の横断面形状が円形であったため、支持構造体の柱状体横断面の寸法精度のばらつきにより、振動体から得られる共振周波数のばらつきが大きくなり、かつ、支持構造体に漏洩するエネルギー損失が大となっていた。そのため、所定の共振周波数が得られなくなるとともに、Ｑ値が大巾に減少する問題点があった。

上記した課題を解決するために、本発明のディスク型ＭＥＭＳ振動子では、振動体の支持構造体の横断面の形状を非円形断面、例えば、正方形、十字（クロス）形、長方形、長円形断面のいずれかにして、支持構造体の横断面寸法のばらつきによる共振周波数のばらつきを小さくするとともに、支持構造体から漏洩するエネルギー損失を小さくする。

そのため、本発明のディスク型ＭＥＭＳ振動子は、ディスク型の振動体と、該振動体の両側に前記ディスク型振動体の外周部に対して所定の空隙を有して、それぞれ対向して配置される駆動電極と、該駆動電極に同相の交流バイアス電圧を印加する手段と、前記ディスク型振動体と前記駆動電極との間の静電容量に対応した出力を得る検出手段とを備えた静電駆動型のディスク型ＭＥＭＳ振動子において、前記ディスク型振動体が該ディスクの中心に直立して設けた柱状の支持構造体で支持され、かつ、該支持構造体の横断面形状が非円形であることを特徴とする。

また、本発明では、前記支持構造体の前記非円形の横断面形状が、正方形、十字形、長方形または長円形であることを特徴とする。

さらに、本発明では、前記駆動電極がＸ−Ｙ平面上にＹ軸対称で設けられているとき、前記支持構造体の前記横断面形状の各辺が、Ｘ軸とＹ軸との内角が４５°になるように、Ｚ軸廻りに回転して構成されていることを特徴とする。

さらにまた、本発明では、前記振動体が、単結晶シリコン、または多結晶シリコンからなることを特徴とする。

本発明では、前記ディスク型振動子が、ＭＥＭＳにより製造されることを特徴とする。

振動体の支持構造体の横断面寸法のばらつきによる共振周波数のばらつきが小さくなるとともに、支持構造体から漏洩するエネルギー損失が小さくなる。

本発明のディスク型ＭＥＭＳ振動子の概念的構成図である。図１に示した本発明のディスク型ＭＥＭＳ振動子の振動体と支持構造体とを示す斜視図である。本発明のディスク型ＭＥＭＳ振動子の支持構造体の断面形状のａ寸法と共振周波数との関係を示すグラフである。本発明のディスク型ＭＥＭＳ振動子の支持構造体の各断面形状のＱ値の円形モデルに対する相対値を示すグラフである。本発明のディスク型ＭＥＭＳ振動子の製造工程を示す工程図である。従来のディスク型ＭＥＭＳ振動子の振動体と支持構造体とを示す斜視図である。

実施例
図１は、本発明のディスク型ＭＥＭＳ振動子の概念的構成図である。

図１に示すように、本発明のディスク型ＭＥＭＳ振動子Ｒは、弾性体からなるディスク形状の振動体（ディスク）１と、この振動体１の両側に、この振動体１の外周部に対して所定の空隙ｇを有して、それぞれ対向して配置された一対の駆動電極２，２と、これら一対の駆動電極２，２に同相の交流バイアス電圧を印加する交流電源２ａと、振動体１と駆動電極２，２との空隙ｇの静電容量に対応した出力を得る一対の検出電極３，３と検出手段３ａとを備え、振動体１は、その中心Ｏを、図２に示す非円形断面形状を有する柱状の支持構造体１ａに支持されている。このようなディスク型ＭＥＭＳ振動子では、所定の周波数を有する電気的な信号を図１に示す電源２ａから駆動電極２，２に印加すると、静電結合により、振動体（ディスク）１が前記した周波数でワイングラス振動モード（Wine-Glass-Vibrating-Mode）で振動する。また、検出電極３，３は、振動体１の電気的な振動を、静電結合により検出し、この検出した信号を検出器３ａに出力する。ここで、この振動体１の中心Ｏ及び４点の節（ノード）ｎは、振動しない。

本発明は、振動時に振動体１の振動しない中心Ｏを支持する支持構造体の横断面形状に関する。

本発明に用いる弾性体からなるディスク形状の振動体１は、単結晶シリコン、または多結晶シリコンから構成されている。

本発明のＭＥＭＳ振動子Ｒでは、各支持構造体の横断面形状と共振周波数との関連及び各支持構造体の横断面形状とＱ値の相対値の関係を実証するため、図１に示すディスク１の直径ｄを６４μｍ、その厚みを２μｍとし、相対して配置した駆動電極２の巾ｗを４０μｍとし、ディスク１の中心Ｏを支持構造体１ａにより支持した。

また、支持構造体１ａの横断面形状は、表１に示すように、正方形、十字（クロス）形、長方形、長方形の四隅を丸めた長円形、ならびに駆動電極２，２が、図１に示すＸ−Ｙ平面上にＹ軸対称で配置されているとした場合、前述した正方形、十字（クロス）形、長方形、長円形の各辺とＸ軸との内角が４５°になるようにＺ軸廻りに回転させた横断面形状を選んで支持構造体とした。なお、支持構造体は、前出正方形、十字形、長方形の各角部を丸めた横断面形状としてもよい。

試験例
本発明のディスク型ＭＥＭＳ振動子と従来のディスク型ＭＥＭＳ振動子（円形モデル）の各支持構造体の断面形状と共振周波数及びＱ値の相対値とを比較するため、表２に示すように、支持構造体１ａの各断面形状の外接円がリファレンスとした従来の円形の断面形状とほぼ一致するａ寸法を１μｍから５μｍまで１μｍずつ変更した５種類のＭＥＭＳ振動子を作製した。そして、それぞれのａ寸法からのずれに対する影響をこれらに対応する共振周波数（ｋＨｚ）を計測し、また、各支持構造体４ａの断面形状のａ寸法のずれ（ばらつき）が３μｍの際のＱ値（Quality Factor）を計測し、従来の円形断面をモデルとして比較し、各支持構造体断面形状の優劣を実証した。

図３は、表１に示したＸ軸に各支持構造体のａ寸法、Ｙ軸に共振周波数をとって、各横断面形状毎に、表２に示した当該計測した共振周波数をＹ軸上にプロットしたものを示している。この図３から、支持構造体１ａの断面形状が円形（従来例）よりも、非円形の断面形状（正方形、クロス（十字）形、長方形、長円（楕円）形）の方がａ寸法のばらつきに対する共振周波数の変化量が小さく、とくに、正方形の横断面形状が最もその変化量が小さいことが実証された。また、同じ横断面形状同一と比較すると、Ｚ軸廻りに４５°回転させた断面形状の方が、ａ寸法のばらつきに対する共振周波数の変化量が小さいことが実証された。

また、図４に支持構造体の横断面形状が円形（従来例）のＭＥＭＳ振動子（円形モデル）のＱ値を１００％としたときの、表２に示すａ寸法がそれぞれ３μｍ（１μｍ〜５μｍの中間値）の場合、各断面形状の支持構造体をもつ振動子のＱ値の相対値を示す。

この図４から明らかなように、支持構造体の横断面形状が円形（従来例）よりも、非円形断面形状（正方形、十字（クロス）形、長方形、長円（楕円）形）の方がＱ値が大きいことが実証された。

以上述べた試験例から、支持構造体の横断面形状は、円形（従来例）よりも、非円形、例えば、正方形、十字（クロス）形、長方形、長円形のいずれの場合においても、ａ寸法精度のずれ（バラツキ）に対する共振周波数のばらつきが小さくなるとともに、Ｑ値も大となることが実証された。

これらのことから、本発明のディスク型ＭＥＭＳ振動子によれば、従来の支持構造体が円形横断面形状を有するディスク型ＭＥＭＳ振動子よりも共振周波数の変化量が少なく、かつ、Ｑ値が大きいディスク型ＭＥＭＳ振動子を提供できるようになる。

ディスク型ＭＥＭＳ振動子の製造方法
次に、図５に示す工程図に基づいて、本発明のディスク型ＭＥＭＳ振動子のＭＥＭＳによる製造方法を説明する。

まず、図５（ａ）に示すように、Ｓｉからなる半導体基板６を用意し、その表面６ａ上にＰＳＧ（リンシリケートガラス）等からなる第１絶縁膜７を成膜して形成し、この第１絶縁膜７の表面上に窒化シリコン等からなる第２絶縁膜８をＣＶＤ、スパッタリング等により成膜して形成する。

次いで、図５（ｂ）に示すように、前出の第２絶縁膜８の表面上に、導電性を付与するためにリンまたはボロンをドープしたポリシリコン膜（Doped poly Si）等からなる導電層１０をＣＶＤ、スパッタリング等で成膜して形成し、レジスト９ａの塗布、露光、現像によるパターニングマスクの形成工程、及びこのパターニングマスクを用いたエッチング工程を含むパターニング処理でパターニングすることにより、図１に示すような、所定形状のそれぞれ一対の駆動電極２，２及び検出電極３，３が位置する部位を残す。

また、図５（ｃ）に示すように、ＰＳＧ等からなる犠牲層１１を導電層１０の表面上にＣＶＤ、スパッタリング等の成膜により成膜し、前出図５（ｂ）に示したと同様にレジスト９ｂ塗布等のパターニング処理を施して、図１に示したＭＥＭＳ振動子の振動体（ディスク）１に支持構造体１ａが位置する一部の犠牲層１１をエッチングにより除去する。なお、この工程において、犠牲層１１の表面（上面）を化学機械研磨（ＣＭＰ）等により平坦化してもよい。併せて、レジスト９ｂの剥離処理をする。

さらに、図５（ｄ）に示すようにドープされたポリシリコン膜等で形成された導電膜を犠牲層１１上にＣＶＤ、スパッタリング等で成膜し振動子構造体形成層１の表面（上面）にＮＳＧ（非ドープシリケートガラス）等からなる酸化膜１２をＣＶＤ、スパッタリング等で成膜して形成した後、前出の工程と同様のレジスト９ｃ塗布等のパターニング処理を施して、支持構造体１ａを含むディスク形状の振動子構造体１（図１参照）を形成する。なお、この工程において、導電膜１の表面（上面）を化学機械研磨（ＣＭＰ）等により平坦化してもよい。併せて、レジスト９ｃの剥離処理をする。

次に、図５（ｅ）に示すように、ＮＳＧからなる酸化膜１３を先に形成した振動子構造体形成層１の表面（上面）にＣＶＤ、スパッタリング等で形成し、レジスト９ｄ塗布等の前出の工程と同様のパターニング処理を施す。併せて、レジスト９ｄの剥離処理をする。

さらに、図５（ｆ）に示すように、ドープされたポリシリコン膜からなる別の導電層２，３をＣＶＤ、スパッタリング等で図５（ｅ）に示す工程でレジスト９ｄを剥離した跡に成膜し、前出工程と同様のパターニング処理を施して、駆動電極２及び検出電極３を形成する。

最後に、図５（ｇ）に示すように、フッ酸系のエッチャントを用いたエッチング処理等により犠牲層１１及び酸化膜１２、１３を除去することにより、振動子構造体１（ディスク）の外周部と駆動電極２、検出電極３とが所定の空隙ｇを保って離間し、かつ、振動子構造体形成層１（ディスク）の下面を半導体基板６から離間した振動子構造体Ｒ（ディスク型ＭＥＭＳ振動子）が製造される。

本発明のディスク型ＭＥＭＳ振動子は、共振器、ＳＡＷデバイス、センサー、アクチュエータ等に広く利用できる。

Ｒディスク型ＭＥＭＳ振動子
１振動体（ディスク）（振動子構造体形成層）
１ａ，１ｂ支持構造体
２駆動電極
２ａ交流電源
３検出電極
３ａ検出器
６半導体基板
７第１絶縁膜
８第２絶縁膜
９ａ〜９ｄレジスト膜
１０導電層
１１犠牲層
１２酸化膜
１３酸化膜

Claims

ディスク型の振動体と、該振動体の両側に前記ディスク型振動体の外周部に対して所定の空隙を有して、それぞれ対向して配置される駆動電極と、該駆動電極に同相の交流バイアス電圧を印加する手段と、前記ディスク型振動体と前記駆動電極との間の静電容量に対応した出力を得る検出手段とを備えた静電駆動型のディスク型ＭＥＭＳ振動子において、前記ディスク型振動体が該ディスクの中心に直立して設けた柱状の支持構造体で支持され、かつ、該支持構造体の横断面形状が、十字形または長方形であることを特徴とするディスク型振動子。
十字形または長方形の前記支持構造体の横断面形状が、各角部に丸みを有する横断面形状であることを特徴とする請求項１に記載のディスク型振動子。
ディスク型の振動体と、該振動体の両側に前記ディスク型振動体の外周部に対して所定の空隙を有して、それぞれ対向して配置される駆動電極と、該駆動電極に同相の交流バイアス電圧を印加する手段と、前記ディスク型振動体と前記駆動電極との間の静電容量に対応した出力を得る検出手段とを備えた静電駆動型のディスク型ＭＥＭＳ振動子において、前記ディスク型振動体が該ディスクの中心に直立して設けた柱状の支持構造体で支持され、かつ、該支持構造体の横断面形状が、正方形、十字形または長方形である、ディスク型振動子であって、前記駆動電極がＸ−Ｙ平面状にＹ軸対称で設けられているとき、前記支持構造体の前記横断面形状の各辺が、Ｘ軸とＹ軸との内角が４５°になるようにＺ軸廻りに回転して構成されていることを特徴とするディスク型振動子。
前記振動体が、単結晶シリコンまたは多結晶シリコンからなることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のディスク型振動子。
前記ディスク型ＭＥＭＳ振動子が、ＭＥＭＳにより製造されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のディスク型振動子。