JP4857744B2

JP4857744B2 - Ｍｅｍｓ振動子の製造方法

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Publication number: JP4857744B2
Application number: JP2005351554A
Authority: JP
Inventors: 徹渡辺; 彰佐藤
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Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2005-12-06
Filing date: 2005-12-06
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2025-12-06
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Description

本発明は、ＭＥＭＳ振動子及びその製造方法に係り、特に、微小な機能素子として構成する場合に好適なＭＥＭＳ振動子の構造及び製造方法に関するものである。

一般に、共振子などのデバイスは、その振動特性に応じて、基準信号を発生する発振器や所望帯域の電気信号を排除するためのフィルタ（たとえば、バンドパスフィルタやローパスフィルタなど）等において利用されている。近年、これまで主に使用されてきた水晶や誘電体を材料とした振動子・共振子とは異なる新たな種類の振動子が種々提案されるようになってきており、その一つとしてＭＥＭＳ振動子がある。ＭＥＭＳは、Micro Electro Mechanical Systemの略称であり、その包含する概念範囲には種々の解釈があって、マイクロマシン、マイクロ構造体、ＭＳＴ（Micro System technology）と呼ばれる場合もある。現在では、ＭＥＭＳは、半導体製造技術を用いて製造された複数の微小な機械部品により構成される機能素子を意味するものとして一般的に知られるに至っている。

ＭＥＭＳの代表的な製造方法として、例えば、シリコン基板上に形成され、シリコン基板面に対して平行に振動するマイクロ構造体（ＭＥＭＳ）の製造方法が特許文献１に紹介されている。まず、シリコン基板の表面に、酸化膜と窒化膜を順次形成してから、この上に、固定電極を構成することになる多結晶シリコン膜を形成する。次に、フォトリソグラフィにより、多結晶シリコン薄膜をパターニングして所望の形状の固定電極（電極部）を形成する。次に、固定電極（電極部）の上に、リンガラス（ＰＳＧ）からなる第一の犠牲層を形成し、第一の犠牲層の上に、可動電極を構成することになる多結晶シリコン膜を形成してから、さらに多結晶シリコン膜の上に、第二の犠牲層を形成する。続いて、パターニングされたフォトレジストを通じて第二の犠牲層の一部をエッチングして除去してから、この第二の犠牲層をマスクとして可動電極の一部をエッチングして所望の形状にする。そして、第二の犠牲層、第一の犠牲層、窒化膜、及び酸化膜の所定箇所を除去するリリースエッチングを施すことにより、第一の犠牲層の上に形成された可動電極、及び窒化膜上に形成された固定電極のそれぞれの一部がリリースされる。これにより、可動電極は機械的に可動な状態となり、所望の方向に振動させることが可能となる。以上の製造方法により、所定の間隔を設けて一部を対峙させ、所定の方向に振動を発生させる可動電極と、固定電極とを備えたマイクロ構造体（ＭＥＭＳ）を得ることができる。

上記のようなＭＥＭＳ構造体の製造方法によって製造可能なＭＥＭＳ振動子の一例として、ディスク型ＭＥＭＳ振動子を図１１に示す。
ディスク型ＭＥＭＳ振動子２１０は、シリコンからなる半導体基板２０１上に、窒化膜２１１と、酸化膜からなる第一の犠牲層２１２と、第二の犠牲層２１３と配線層２１４が順次積層して形成され、第一及び第二の犠牲層２１２，２１３と配線層２１４の略中央部に、略円筒形状もしくは矩形状を有する開口部Ｃ３が設けられている。開口部Ｃ３の凹底部である窒化膜２１１上には、多結晶シリコンからなる円盤状の振動部２２１ａと、アンカー部２２２ａ〜２２２ｄとで構成される振動子構造体２２１が備えられている。振動子構造体２２１の中心の円盤状の振動部２２１ａ周辺は、第一及び第二の犠牲層２１２，２１３が除去され可動電極になっている。振動子構造体２２１の振動部２２１ａの外周から外側に梁部により放射状に形成されたアンカー部２２２ａ〜２２２ｄの終端は、周辺の第二の犠牲層２１３と配線層２１４に挟まれて支持されている。前記振動子構造体２２１は、窒化膜２１１との間に隙間を設けて備えられており、振動部２２１ａ周辺の第一の犠牲層２１２及び第二の犠牲層２１３を除去した場合に可動電極となる。また、振動子構造体２２１の振動部２２１ａを挟んだ二方向には、固定電極としての一対の電極構造体２３１ａ，２３１ｂが、それぞれの先端部を振動部２２１ａに向けて形成されている。各電極構造体２３１ａ，２３１ｂは、第二の犠牲層２１３を介して前記振動部２２１ａ端の一部と重なるように配置され、その後、振動部２２１ａ周辺の第一及び第二の犠牲層２１２，２１３を除去することで開口部Ｃ３に露出する先端部が可動状態となり、他端部は第二の犠牲層２１３と配線層２１４の間に挟まれて支持されるため、片持ち支持状態で形成される。各電極構造体２３１ａ，２３１ｂは、それぞれの先端部が振動部２２１ａの僅か手前で一旦垂直方向に屈曲してから、再び振動部２２１ａの中央部に向かって水平に屈曲して形成される。この様に各電極構造体２３１ａ，２３１ｂは、振動部２２１ａに接触しないように隙間を設けて形成されており、振動部２２１ａの構造体側面及び端部の天面との間に対向容量を有する構造となる。

特開２００４−２-７６２００号公報

上記のディスク型振動子の動作について先ず説明する。ここでは、電極構造体２３１ａを駆動電極，電極構造体２３１ｂを検出電極とする。また、前記中央の振動部２２１ａには適切な直列バイアス電圧が印加されているものとする。
ディスク型振動子２１０の駆動電極（電極構造体２３１ａ）に駆動電圧を注入すると、振動部２２１ａとの間に電位差が生じ、これに伴い電荷が蓄電される。従って、通常のキャパシタと同様に駆動電極（電極構造体２３１ａ）と振動部２２１ａとの間には電流が流れる。これは検出電極（電極構造体２３１ｂ）と振動部２２１ａの間においても同様であり、ディスク型ＭＥＭＳ振動子２１０全体には、２つのキャパシタを直列に接続した場合の静電容量値に相当した電流が流れる。これを式に表すと以下の通りとなる。

上式（数式１）において、ｖ(ｔ)はキャパシタに印加される交流電圧、ｑ（ｔ）はｖ（ｔ）の印加によりキャパシタに蓄電される電荷、Ｃはキャパシタの静電容量である。この様に、キャパシタを流れる電流値は蓄電される電荷の微分値で求められる。

一方で、振動部２２１ａは特定の周波数において固有の振動周波数を有する。ディスク型の振動子では高次の振動モードを動作に用いており、特定の周波数において平面方向へ屈曲が生じる。この場合、前述した駆動電極（電極構造体２３１ａ）及び検出電極（電極構造体２３１ｂ）と振動部２２１ａとの間の静電容量に変位が生ずる。これらの構造体間に形成されるキャパシタには電圧に相当した電荷が蓄電されているが、静電容量が変動した場合、キャパシタへの蓄電量Ｑ＝ＣＶを満足させるために電荷の移動が生ずる。これにより、振動部２２１ａの固有振動周波数においては、静電容量の変化に伴い電流が流れる。
この結果、ＭＥＭＳ型振動子２１０は特定の周波数において電流値が増加し、周波数特性においてピークを生じ、振動子として動作する。

前項で述べた振動子の動作を実現するためには、特定の固有振動周波数を有する振動部２２１ａとそれを駆動・検出するための電極構造体２３１ａ及び２３１ｂを振動部２２１ａの真横に一定の間隔を有した状態で配置すればよい。しかし、実際の製造プロセスにおいてはそれぞれの製版マスクが異なるため、位置ずれによる問題を回避するために、振動部と電極の双方の構造体間に一定のオーバーラップ部を設けるのが望ましい。この結果、本来必要となる振動部２２１ａと各電極構造体２３１ａ，２３１ｂとの間に形成される横方向の対向容量の他に、前記オーバーラップ部の存在による本来望まない縦方向の対向容量が形成される。
この場合、本来望まない容量成分が振動部２２１ａと各電極構造体２３１ａ，２３１ｂ間に形成され、尚且つ前記の通り、各電極構造体２３１ａ，２３１ｂはそれぞれが片持ち梁構造となるため、固有振動周波数を有する事となる。
従って、例えば、振動部２２１ａの振動周波数と電極構造体２３１ａ，２３１ｂの固有周波数が近くなった場合には、本来固定されるべき電極構造体２３１ａ，２３１ｂが振動し、この振動が固定電極としての電極構造体２３１ａ，２３１ｂから検出される振動周波数に悪影響を及ぼす虞がある。例えば、発振回路として使用した場合の発振周波数とび（周波数ジャンプ）が起こるなどの不具合を引き起こす可能性があった。

本発明は、このような従来の問題点を鑑みてなされたもので、その目的は、所望の振動特性を備えた振動子構造体（可動電極）と、本来振動を望まない駆動用途や検出用途の電極構造体（固定電極）を備えたＭＥＭＳ振動子において、固定電極の固有周波数が、可動電極の周波数特性に悪影響を及ぼさないように調整され、振動特性に優れたＭＥＭＳ振動子、及びその製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明では、半導体基板と、該半導体基板上に支持され機械的に可動な可動電極と、半導体基板に支持され一端が開放され他端が固定される片持ち支持構造の固定電極と、を有し、可動電極と固定電極の一端とが間隙を介して配置されるＭＥＭＳ振動子であって、固定電極における一端の開放されている部分の幅方向断面が階段形状を有することを主旨とする。

この構成によれば、一端が開放されて長手方向に延出された固定電極の、長手方向と垂直の方向である幅方向の断面が階段形状を有しているので、固定電極の長手方向にリブを立てたリブ構造と近似な効果を奏して剛性が向上される。これにより、本来振動を望まない固定電極の固有周波数を変化させることができ、本来振動を望む可動電極との振動周波数と、固定電極の固有周波数とを十分離すことが可能となる。従って、固定電極が共振などの振動を発生することを抑えることができるので、振動特性に優れたＭＥＭＳ振動子の提供に供することができる。

本発明では、固定電極の幅方向断面が、略等しい厚みを有して複数箇所を屈曲させた形状をとることにより断面階段形状を形成していることが好ましい。

ＭＥＭＳ振動子は、構造体形成材料や犠牲層材料などを、減圧気相成長（減圧ＣＶＤ）法などを用いて堆積させて薄膜を形成し積層させていく過程で、その一部をフォトリソグラフィ等により所望の形状に形成する半導体製造方法を用いて製造される。このため、可動電極や固定電極などの構造体を形成するときに、厚み方向の形状制御がし易いので、本発明の主旨である固定電極の幅方向断面を階段形状に形成することが比較的容易に可能である。また、固定電極の幅方向断面を階段形状にすることによる固有周波数軽減効果の度合いは、固定電極の厚み即ち固定電極の形成材料を成膜するときの厚みが薄いときほど顕著になるので、ＭＥＭＳ構造体全体の薄型化を図るのに有利となる。従って、振動特性に優れたＭＥＭＳ振動子を提供することができるとともに、ＭＥＭＳ振動子の薄型化にも寄与することが可能である。

本発明では、固定電極における一端の開放される部分の固有周波数が可動電極の振動周波数と異なるように調整されていることが好ましい。

発明者は、固定電極の幅方向断面を階段形状に形成するとき、例えば、固定電極の厚みを略均一とした場合には、断面階段形状の固定電極全体の厚み方向の長さを変えると、固定電極の固有周波数を変えられることを確認した。このような断面階段形状の調整により本来振動させたい可動電極の振動周波数と、振動を望まない固定電極の固有周波数を十分離すように調整することが可能であるので、共振などの不具合を回避することができる。従って、優れた振動特性を有するＭＥＭＳ振動子を提供することが可能となる。

本発明は、半導体基板と、該半導体基板上に支持され機械的に可動な可動電極と、半導体基板に支持され一端が開放され他端が固定される片持ち支持構造の固定電極と、を有し、可動電極と固定電極の一端とが間隙を介して配置されるＭＥＭＳ振動子の製造方法であって、半導体基板にエッチングストップ膜を形成する段階と、エッチングストップ膜上に第一の犠牲層を形成する段階と、第一の犠牲層上に可動電極を形成する段階と、第一の犠牲層上に第二の犠牲層を形成する段階と、第二の犠牲層の一部を除去することにより固定電極の形状の一部の原型となる凹部を形成する段階と、第二の犠牲層上に固定電極を形成する段階と、第一の犠牲層及び前記第二の犠牲層の一部をリリースエッチングすることにより、可動電極と、固定電極の一部とをリリースする段階と、を少なくとも有することを要旨とする。

この製造方法によれば、既存の半導体製造プロセスを用いた比較的簡便な工程にて、可動電極（振動子構造体）と、幅方向断面が階段形状を有する固定電極等（電極構造体）とを備えたＭＥＭＳ振動子を製造することができる。しかも、固定電極（電極構造体）の幅方向断面を階段形状に形成するときに、階段形状の各部の幅や高さなどを任意に変えることができるので、本来振動を望まない固定電極（電極構造体）の固有周波数を任意に調整することが可能である。これにより、固定電極が共振などの振動の発生を抑えることができるので、振動特性に優れたＭＥＭＳ振動子の製造に供することが可能となる。

（第１の実施形態）
以下、本発明のＭＥＭＳ振動子についてディスク型ＭＥＭＳ振動子を例にとり、具体化した実施形態について説明する。

図１（ａ）は、本発明に係るＭＥＭＳ振動子としてのディスク型ＭＥＭＳ振動子の構成を示す平面図であり、図１（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ線断面図、図１（ｃ）は同図（ａ）のＡ´―Ａ´線断面図である。

図１において、ディスク型ＭＥＭＳ振動子１０は、シリコンからなる半導体基板１上に、窒化膜１１と、シリコン酸化膜からなる第一の犠牲層１２とが順次積層され、その上に振動部２１を形成する多結晶シリコンから成る第一の構造体層が形成され、その上に第二の犠牲層１３と第三の犠牲層１４が形成され、その上に各電極構造体３１ａ及び３１ｂが形成される多結晶シリコンからなる第２の構造体層が形成されている。さらに、第三の犠牲層１４上には、シリコン酸化膜などからなる配線層１５が積層されている。この配線層１５の内部には、図示しない複数の配線が形成されていて、各々対応する電極と接続されている。第一〜第三の犠牲層１２〜１４と配線層１５の略中央には、円筒形状もしくは矩形状の凹部である開口部Ｃ１が形成されている。開口部Ｃ１の略中央には、前記第一の構造体層からなる円盤状の振動部２１ａと、アンカー部２２ａ〜２２ｄとで構成される可動電極としての振動子構造体２１が備えられている。振動部２１ａは、その外周から外側に梁部により放射状に形成されたアンカー部２２ａ〜２２ｄの外側の各終端が第一の犠牲層１２と第二の犠牲層１３との間に挟まれて支持され、第一の犠牲層１２が除去されていることにより窒化膜１１と隙間を設けて平行に浮いた状態で設けられている。一方、図１（ａ）のＡ−Ａ線で示す振動部２１ａの中心線の延長線上には、振動部２１ａの両方向に前記第二の構造体層からそれぞれ形成された一対の固定電極としての電極構造体３１ａ，３１ｂが備えられている。電極構造体３１ａ，３１ｂは、それぞれの一端部が第三の犠牲層１４と配線層１５との間に挟まれて支持され、他端部（先端部）がそれぞれ振動部２１ａに向けて形成された片持ち支持構造となっている。さらに、各電極構造体３１ａ，３１ｂの先端部は、振動部２１ａの僅か手前で一旦上方に略垂直に屈曲してから、再び振動部２１ａの中央部に向かって略水平に屈曲されていて、第三の犠牲層１４が除去されていることにより振動部２１ａに接触しないように所定の隙間を設けて形成されている。

各電極構造体３１ａ，３１ｂは、所定の厚みをもった多結晶シリコンからなり、幅方向の断面形状は、底部略中央に所定の長さの平坦部を有し、該平坦部両端がそれぞれ一旦上方に略垂直に折れ曲って僅かに延びてから、さらに外側方向に略水平に折れ曲った階段形状を有している。

次に、上記の構成を有するディスク型ＭＥＭＳ振動子１０の動作について説明する。本実施形態では、電極構造体３１ａを駆動電極、電極構造体３１ｂを検出電極として説明する。また、前記中央の振動部２１ａには適切な直列バイアス電圧が印加されているものとする。
ディスク型ＭＥＭＳ振動子１０の駆動電極（電極構造体３１ａ）に駆動電圧を注入すると、振動部２１ａとの間に電位差が生じ、これに伴い電荷が蓄電され、通常のキャパシタと同様に駆動電極（電極構造体３１ａ）と振動部２１ａとの間には電流が流れる。これは検出電極（電極構造体３１ｂ）と振動部２１ａの間においても同様であり、ディスク型ＭＥＭＳ振動子１０全体には２つのキャパシタを直列に接続した場合の静電容量値に相当した電流が流れる。
一方で、振動部２１ａは特定の周波数において固有の振動周波数を有し、また、ディスク型の振動子では高次の振動モードを動作に用いており、特定の周波数において平面方向へ屈曲が生じる。この場合、前述した電極構造体３１ａ及び３１ｂと振動部２１ａとの間の静電容量に変位が生じ、各構造体間に形成されるキャパシタには電圧に相当した電荷が蓄電されているが、静電容量が変動した場合、キャパシタへの蓄電量Ｑ＝ＣＶを満足させるために電荷の移動が生ずる。この結果、振動部２１ａの固有振動周波数においては、静電容量の変化に伴い電流が流れる。振動部３１からの出力電流は一方の電極構造体３１ｂから検出される。

次に、上記のようなＭＥＭＳ振動子を発明するに至る解析結果について説明する。
本実施形態では、本来振動することを望まない固定電極（電極構造体）の幅方向断面が階段形状を有するときと、平板形状のときの振動解析を、固定電極（電極構造体）に見立てた構造体の厚みを変化させて行なった。以下にその解析結果を説明する。
図５は、本解析に用いた構造体のうち、幅方向断面が階段形状を有する構造体の形状を示しており、図５（ａ）は構造体４１の平面図、同図（ｂ）は断面図である。
図５に示すように、構造体４１の幅方向断面は、底部略中央に所定の長さの平坦部を有し、該平坦部両端がそれぞれ一旦上方に略垂直に折れ曲って僅かに延びてから、さらに外側方向に略水平に折れ曲った階段形状を有している。この構造体４１の一端部を固定部に固定し、他端部側が長さＬにて片持ち支持されるようにした。このとき、構造体４１と幅方向断面が平板形状の構造体の長さＬは２μｍで統一し、幅方向断面が平板形状の構造体の幅は、図５中の幅Ｗ１に合わせた。また、本実施形態の振動解析では、上記の構造体４１の上面から１ＭＰａの圧力を均等に印加し、そのときの構造体４１の厚み方向の振動変位量を解析した。なお、幅方向断面の形状が平板形状の構造体についても、同様の方法にて解析した。そして、構造体４１及び幅方向断面が平板形状の構造体のそれぞれの厚さＴ２を、０．３μｍ、０．５μｍ、０．８μｍ、１μｍ、１．５μｍ、２μｍとして解析した。
このときの解析結果を図６に示す。図６のグラフでは、横軸に構造体の厚みＴ２をとり、縦軸には、構造体４１及び幅方向断面が階段形状を有する構造体それぞれの、各厚み（Ｔ２）における、厚み方向の変位量の比（（幅方向断面が階段形状の構造体の変位量）／（幅方向断面が平板形状の構造体の変位量））を変位比率と定義してパーセンテージで示している。

図６のグラフでは、どの厚みにおいても、構造体の変位比率は８０％以下であり、幅方向断面が階段形状を有する構造体の変位の方が平板形状の構造体に比べて小さいことがわかる。また、構造体の変位比率は、構造体の厚みが薄いときには小さく、厚くなると大きくなっていて、特にその傾向は、本解析結果においては１μｍ以上の厚みになると顕著になっている。つまり、構造体の幅方向断面が平板形状であっても、ある程度の厚みを有しているときにはそれ自体の剛性によって変位量が小さくなるが、構造体の厚みが薄くなるほど、構造体の幅方向断面が階段形状を有することによる変位量抑制効果が顕著に現れていると言える。このことにより、構造体の幅方向断面を階段形状にすることによって構造体の剛性が増し、固有周波数を変化させることが可能であり、これは構造体の厚みを薄くした場合ほど有効であることがわかる。
上記の解析結果から、ＭＥＭＳ振動子においては、本来振動を望まない固定電極が片持ち構造となって固有周波数を有する場合に、その幅方向断面を階段形状にすることによって固有周波数を変化させる効果を奏することがわかる。また、発明者の解析結果によれば、図５に示す構造体４１の階段形状の高さＴ１を調整することによって、構造体４１の固有周波数をある程度任意に調整することが可能であることも確認された。

以下、第１の実施形態の効果を記載する。
ディスク型ＭＥＭＳ振動子１０は、シリコンからなる半導体基板１上に順次積層された窒化膜１１、第一の犠牲層１２、第二の犠牲層１３、第三の犠牲層１４、及び配線層１５の略中央に、開口部Ｃ１を形成した。そして、開口部Ｃ１の凹底部の窒化膜１１上の略中央に、アンカー部２２ａ〜２２ｄで支持されることにより窒化膜１１と隙間を介して略平行に設けられた振動部２１ａを備えた振動子構造体２１を設けた。さらに、第三の犠牲層１４と配線層１５に一端部が挟まれて支持され、他端部（先端部）を振動部２１ａに向けて片持ち支持構造で設けた電極構造体３１ａ，３１ｂを、幅方向断面が階段形状になるようにして形成した。
この構成によれば、電極構造体３１ａ，３１ｂは片持ち支持されているため一定の固有周波数を有するが、その幅方向断面が階段形状を有した所謂リブ構造と近似な補強構造を備えている。これにより、例えば電極構造体３１ａ，３１ｂの幅方向断面が平板形状の場合よりも剛性が増すので、固有周波数を変化させることができる。これにより、本来振動させたい振動子構造体２１の振動周波数と、電極構造体３１ａ，３１ｂの固有周波数を十分離すことが可能となり、振動子構造体２１の振動に対して電極構造体３１ａ，３１ｂの振動による影響を回避することが可能となる。また、リブ構造と近似な補強構造を有することにより、電極構造体３１ａ，３１ｂの基板厚み方向への振動量を抑圧できるため、スプリアスの発生量を抑えることができる。従って、優れた振動特性を有するＭＥＭＳ振動子（ディスク型ＭＥＭＳ振動子１０）を得ることができる。

（第２の実施形態）
次に、振動子構造体と電極構造体を備えたＭＥＭＳ振動子の製造方法について説明する。ＭＥＭＳ振動子の製造においては、半導体プロセスが用いられている。図２、図３、図４は、ＭＥＭＳ振動子の一例としてのディスク型ＭＥＭＳ振動子１０の製造工程を示す概略断面図である。なお、図２、図３、図４は、特に電極構造体３１の幅方向断面の階段形状に形成する方法を説明する便宜上、図１（ｃ）と同じ位置の断面を示している。

先ず、図２（ａ）に示すように、シリコンからなる半導体基板１上に、スパッタリング法やＣＶＤ（化学気相成長）法などにより窒化シリコン（ＳｉＮ）などで構成される窒化膜１１を形成する。この窒化膜１１は、後述するリリースエッチングを行なう際のエッチングストップ層として機能するものである。次に、窒化膜１１上に、スパッタリング法などによって酸化シリコン（ＳｉＯ₂）などの酸化膜からなる第一の犠牲層１２を形成する。

次に、図２（ｂ）に示すように、第一の犠牲層１２上に、ＣＶＤ法などにより多結晶シリコン膜２０（第一の構造体層）を形成する。そして、この多結晶シリコン膜２０をフォトリソグラフィ法やエッチング法などによってパターニングすることにより、図２（ｃ）に示すように振動子構造体２１を形成する。

次に、図２（ｄ）に示すように、ＣＶＤ法などによって酸化シリコンなどの酸化膜からなる第二の犠牲層１３を形成する。そして、この第二の犠牲層１３をフォトリソグラフィ法やエッチング法などによってパターニングすることにより、図２（ｅ）に示すように、後述する電極構造体３１の底辺部分の幅および階段形状の底部の立ち上がり高さ等の原型となる凹部Ｓ１を形成する。そして、図３（ａ）に示すように、スパッタリング法などによって酸化シリコン（ＳｉＯ₂）などで構成される第三の犠牲層１４を堆積させると、第三の犠牲層１４は、上記のように凹部Ｓ１が形成された第二の犠牲層１３の形状に沿って堆積される。これにより、第三の犠牲層１４は、電極構造体３１の断面階段形状の底辺部分の幅及び底片部両端からの立ち上がり高さの原型となる凹部Ｓ２と、上記振動子構造体２１と電極構造体３１の所定の隙間の原型を形成する。

次に、図３（ｂ）に示すように、上記の凹部Ｓ２が形成された第三の犠牲層１４上に、ＣＶＤ法などによって多結晶シリコン膜３０（第二の構造体層）を形成する。そして、この多結晶シリコン膜３０をフォトリソグラフィ法やエッチング法などによってパターニングすることにより、図３（ｃ）に示す幅方向断面が階段形状を有する電極構造体３１を形成する。

次に、図３（ｄ）に示すように、スパッタリング法などによって酸化シリコン（ＳｉＯ₂）などで構成される配線層１５を形成する。なお、配線層１５の内部には複数の配線が形成され、このために配線層１５は複数の酸化シリコン層が積層して構成されるが、図示を省略している。続いて、図４（ａ）に示すように、配線層１５上に、スピンコート法などによってフォトレジスト１０１を塗布する。そして、フォトレジスト１０１をフォトリソグラフィ法によってパターニングすることにより、後述する開口部Ｃ１を形成するためのフォトレジスト１０１パターンを形成する（図４（ｂ））。

次に、図４（ｃ）に示すように、上記のフォトレジストパターンを介して、反応性ガス例えばＣＨＦ₃を用いたＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）法により、配線層１５を所定の深さまでドライエッチングする。ＲＩＥ法によるドライエッチングは異方性に優れており、フォトレジスト１０１パターンの端部直下の配線層１５がエッチングされる所謂アンダーカットも起こりにくいので、略鉛直方向にエッチングを進めることができる。また、本実施形態では、電極構造体３１が平面視で最大面積となっている部分の深さまでの配線層１５をエッチングしているが、ウェットエッチング法を用いた場合などはこの限りでなく、もっと下方までエッチングすることも可能である。

続いて、フッ化水素系のエッチング液を用いたウェットエッチング法により、振動子構造体２１及び電極構造体３１の周辺部を覆っている第一の犠牲層１２、第二の犠牲層１３、第三の犠牲層１４、及び上記ドライエッチングで残っている配線層１５を除去するリリースエッチングを行なう。リリースエッチングは、フッ化水素系のエッチング液に難溶でエッチングストップ層として機能する窒化膜１１によって、厚み方向のエッチングが止まる。すると、図４（ｄ）に示すように、第一の犠牲層１２、第二の犠牲層１３、第三の犠牲層１４、及び配線層１５の略中央部に円筒形状の凹である開口部Ｃ１が形成される。また、振動子構造体２１が、窒化膜１１と略平行な隙間を設けてリリースされる。さらに、幅方向断面が階段形状となった電極構造体３１の先端側（振動部２１ａ側）が、振動子構造体２１との間に所定の隙間を設けて片持ち支持されるように形成される。
最後に、フォトレジスト１０１を剥離することにより、振動子構造体２１、及び電極構造体３１を備えたディスク型ＭＥＭＳ振動子１０が得られる。

上記の製造方法によれば、既存の半導体製造プロセスによる比較的簡便な工程にて、可動電極としての振動子構造体２１と、幅方向断面が階段形状を有する固定電極としての電極構造体３１（３１ａ，３１ｂ）を備えたディスク型ＭＥＭＳ振動子１０（ＭＥＭＳ振動子）を製造することができる。しかも、電極構造体３１（３１ａ，３１ｂ）の幅方向断面の階段形状の各部の幅や高さなどを任意に変えることが可能であるため、本来振動を望まない電極構造体３１（３１ａ，３１ｂ）の固有周波数を調整することができる。例えば、図５（ｂ）におけるリブの高さＴ１を変えることにより、振動子構造体２１の振動周波数と、電極構造体３１（３１ａ，３１ｂ）の固有周波数を十分離れた値に調整することができる。これにより、振動子構造体２１の振動周波数に対して、電極構造体３１ａ，３１ｂが共振などの振動の発生を回避することができるので、振動特性に優れたＭＥＭＳ振動子の製造に供することが可能となる。

本発明は、前記各実施形態に限定されるものではなく、以下の変形例を実施することもできる。

（変形例１）上記第２の実施形態では、第一〜第三の犠牲層１２〜１４を堆積させて一部をパターニングすることにより、振動子構造体２１及び幅方向断面が階段形状を有する電極構造体３１ａ，３１ｂを備えたＭＥＭＳ振動子１０を製造する方法を説明した。これに限らず、下記に説明する方法で、振動子構造体及び幅方向断面が階段形状を有する電極構造体を備えたＭＥＭＳ振動子を製造することも可能である。

図７、図８、図９は、ＭＥＭＳ振動子の製造方法の第３の実施形態を説明するための、ディスク型ＭＥＭＳ振動子の製造工程を示す概略断面図である。なお、本第３の実施形態のディスク型ＭＥＭＳ振動子８０の製造方法の説明のうち、上述した第２の実施形態と同様の構成については説明を省略する。

まず、図７（ａ）に示すように、半導体基板１上に窒化膜５１及び第一の犠牲層５２を順次積層して形成する。次に、第一の犠牲層５２上に多結晶シリコン膜を形成してからパターニングすることにより、図７（ｂ）に示すように振動子構造体６１を形成する。
次に、図７（ｃ）に示すように、振動子構造体６１が形成された第一の犠牲層５２上に、第二の犠牲層５３をやや厚めの所定厚みにて堆積させたのち、その上にフォトレジスト１１１を塗布する。この第二の犠牲層５３は、後述する電極構造体７１の下側の外形、及び電極構造体７１と振動子構造体６１との所定の隙間を形成するための犠牲層となる。まず、図７（ｄ）に示すようにフォトレジスト１１１をパターニングして所望のフォトレジスト１１１パターンを形成してから、第二の犠牲層５３をフォトリソグラフィ法やエッチング法などによってパターニングする。この時、第二の犠牲層５３のエッチング量を制御することで、図８（ａ）に示すように電極構造体７１の幅方向断面の階段形状の底辺部分の幅、及び底辺部分の両端部の立ち上がり高さ等の原型となる凹部Ｓ３が形成される。
次に、図８（ｂ）に示すように、上記凹部Ｓ３が形成された第二の犠牲層５３上に、多結晶シリコン膜７０を積層させたのち、フォトレジスト１２１を塗布してからフォトリソグラフィ法により所定のレジストパターンを形成する。そして、この多結晶シリコン膜７０をフォトレジスト１２１パターンを介してエッチングすることにより、図８（ｃ）に示すように、幅方向断面が階段形状を有する電極構造体７１を形成する。
次に、図８（ｄ）に示すように、スパッタリング法などによって配線層５４を形成したのち、図９（ａ）に示すように、フォトレジスト１３１を塗布する。そして、フォトレジスト１３１をフォトリソグラフィ法によってパターニングして、後述する開口部Ｃ２を形成するためのフォトレジスト１３１パターンを形成する（図９（ｂ））。
次に、図９（ｃ）に示すように、上記のフォトレジスト１３１パターンを介して、配線層５４を、少なくとも電極構造体７１が露出する深さまでエッチングする。
続いて、ウェットエッチング法により、振動子構造体６１及び電極構造体７１の周辺部を覆っている第一の犠牲層５２、第二の犠牲層５３、及び上記ドライエッチングで残っている配線層５４を除去するリリースエッチングを行なう。すると、図９（ｄ）に示すように、第一の犠牲層５２、第二の犠牲層５３、及び配線層５４の略中央部に開口部Ｃ２が形成されるとともに、振動子構造体６１が、窒化膜５１と略平行な隙間を設けてリリースされる。さらに、幅方向断面が階段形状となった電極構造体７１が、振動子構造体６１との間に所定の隙間を設けて片持ち支持されるように形成される。そして最後に、フォトレジスト１３１を剥離することにより、振動子構造体６１、及び電極構造体７１を備えたディスク型ディスク型ＭＥＭＳ振動子８０が得られる。

この構成によれば、第２の実施形態の製造方法よりも積層させる犠牲層が少なくて済むので、ＭＥＭＳ振動子製造における工程数を減らすことができる。

（変形例２）
上記第１及び第２の実施形態、あるいは変形例１で示した電極構造体３１ａ，３１ｂの幅方向断面の階段形状は、これに限らず次のような形状としてもよい。
図１０は、ＭＥＭＳ振動子における、電極構造体の幅方向断面形状の他例を概念的に示す、幅方向の断面図である。
図１０（ａ）の電極構造体１５１は、上記第１及び第２の実施形態、あるいは変形例１の電極構造体３１ａ，３１ｂ、７１の幅方向断面の形状を、上下逆さまにした形状を有している。
図１０（ｂ）の電極構造体１６１は、上記第１及び第２の実施形態、あるいは変形例１の電極構造体３１ａ，３１ｂ、７１の幅方向断面が二段階の階段形状であるのに対して、三段階の階段形状を有している。
また、図１０（ｃ）の電極構造体１７１は、図１０（ｂ）とは上下逆さまにした断面形状を有している。
上記の構成の電極構造体は、上記第２の実施形態及び変形例１で説明した製造方法によって製造可能であり、各電極構造体１５１，１６１，１７１の断面形状各部の寸法を調整することによって、片持ち支持された部分の固有周波数を調整して製造することが可能である。従って、振動特性に優れたＭＥＭＳ振動子の提供に寄与することができる。

（変形例３）
上記第１〜３の実施形態では、ディスク型ＭＥＭＳ振動子１０の構造、及びディスク型ＭＥＭＳ振動子１０，８０の製造方法について説明したが、これに限定されない。ＭＥＭＳ振動子として広く知られた櫛型（Ｃｏｍｂ型）振動子、あるいはビーム型（梁型）振動子などの振動子を備えたＭＥＭＳ振動子の構造、及びその製造方法としても有効である。換言すれば、所望の振動特性を備えた振動子構造体（可動電極）と、本来振動を望まない駆動用途や検出用途の電極構造体（固定電極）を備えたＭＥＭＳ振動子において、本発明は前述した効果を奏するものである。

（ａ）は、本発明のＭＥＭＳ振動子の一例であるディスク型ＭＥＭＳ振動子の概略構造を説明する平面図。同図（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図。同図（ｃ）は、図１（ａ）のＡ´―Ａ´線断面図。（ａ）〜（ｅ）は、第２の実施形態のＭＥＭＳ振動子の製造方法を説明する概略断面図。（ａ）〜（ｄ）は、第２の実施形態のＭＥＭＳ振動子の製造方法を説明する概略断面図。（ａ）〜（ｄ）は、第２の実施形態のＭＥＭＳ振動子の製造方法を説明する概略断面図。（ａ）は、図５の変位率分布の解析に用いた構造体の平面図。同図（ｂ）は、図５（ａ）の断面図。幅方向断面が階段形状を有する構造体と平板状の構造体の変位量の比を解析した結果を示すグラフ。（ａ）〜（ｄ）は、第３の実施形態のＭＥＭＳ振動子の製造方法を説明する概略断面図。（ａ）〜（ｄ）は、第３の実施形態のＭＥＭＳ振動子の製造方法を説明する概略断面図。（ａ）〜（ｄ）は、第３の実施形態のＭＥＭＳ振動子の製造方法を説明する概略断面図。（ａ）〜（ｃ）は、電極構造体の幅方向断面形状の変形例を示す断面図。（ａ）は、ＭＥＭＳ振動子の一例であるディスク型ＭＥＭＳ振動子の構造の従来例を示す平面図。同図（ｂ）は、図１１（ａ）のＢ−Ｂ線断面図。

符号の説明

１…半導体基板、１０，８０，２１０…ＭＥＭＳ振動子の一例であるディスク型ＭＥＭＳ振動子、２１，６１，１２１…可動電極としての振動子構造体、２１ａ，１２１ａ…可動電極としての振動子構造体の振動部、３１ａ，３１ｂ，７１，１３１ａ，１３１ｂ…固定電極としての電極構造体、４１…固定電極の固有周波数の確認に用いられた構造体、１１，５１，２１１…エッチングストップ層としての窒化膜、１２，５２，２１２…第一の犠牲層、１３，５３、２１３…第二の犠牲層、Ｓ１，Ｓ２…電極構造体の断面階段形状の原型となる第二の犠牲層の凹部、１５，５４，２１４…保護層としての配線層。

Claims

半導体基板と、該半導体基板上に支持され機械的に可動な可動電極と、前記半導体基板に支持され一端が開放され他端が固定される片持ち支持構造の固定電極と、を有し、前記可動電極と前記固定電極の一端とが間隙を介して配置されるＭＥＭＳ振動子の製造方法であって、
前記半導体基板にエッチングストップ膜を形成する段階と、前記エッチングストップ膜上に第一の犠牲層を形成する段階と、前記第一の犠牲層上に前記可動電極を形成する段階と、前記第一の犠牲層上に第二の犠牲層を形成する段階と、前記第二の犠牲層の一部を除去することにより前記固定電極の形状の一部の原型となる凹部を形成する段階と、前記第二の犠牲層上に前記固定電極を形成する段階と、前記第一の犠牲層及び前記第二の犠牲層の一部をリリースエッチングすることにより、前記可動電極と、前記固定電極の一部とをリリースする段階と、を少なくとも有することを特徴とするＭＥＭＳ振動子の製造方法。