JP5030163B2 - Micromechanical resonator and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、機械的に振動する微小部分を備えた微小機械共振器およびその製造方法に関するものである。   The present invention relates to a micromechanical resonator having a minute portion that mechanically vibrates and a method of manufacturing the same.

図３は、従来より用いられいる微小な共振器の作製手順を示す工程図である。図３では、共振器の構造を模式的な斜視図で示している。この共振器の製造では、まず、図３（ａ）に示すように、シリコン基板３０１の上に、酸化シリコン層３０２および単結晶シリコン層３０３が形成された状態とする。例えば、イオン打ち込みやウエハボンディングなどの公知の技術を用いて形成されたいわゆるＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用いることができる。   FIG. 3 is a process diagram showing a procedure for manufacturing a minute resonator conventionally used. In FIG. 3, the structure of the resonator is shown in a schematic perspective view. In the manufacture of this resonator, first, as shown in FIG. 3A, a silicon oxide layer 302 and a single crystal silicon layer 303 are formed on a silicon substrate 301. For example, a so-called SOI (Silicon on Insulator) substrate formed using a known technique such as ion implantation or wafer bonding can be used.

次に、公知のフォトリソグラフィー技術や電子ビームリソグラフィーなどの微細なパターンの形成、および、形成したパターンをマスクとしたメサエッチングにより、酸化シリコン層３０２および単結晶シリコン層３０３を選択的に除去し、図３（ｂ）に示すように、シリコン基板３０１の上に細線構造３０４が形成された状態とする。   Next, the silicon oxide layer 302 and the single crystal silicon layer 303 are selectively removed by forming a fine pattern such as a known photolithography technique or electron beam lithography, and mesa etching using the formed pattern as a mask. As shown in FIG. 3B, a thin line structure 304 is formed on the silicon substrate 301.

次に、フッ酸など、シリコンに比較して酸化シリコンをより選択的に溶解するエッチング溶液を用いたウエットエッチングより、細線構造３０４の下部の酸化シリコン層３０２を除去し、図３（ｃ）に示すように、２箇所の支持部３０５により支持された梁構造３０６が、シリコン基板３０１の上に離間して形成された状態とする。酸化シリコン層３０２が犠牲層となり、この上に形成された単結晶シリコン層３０３を加工した後、この下の酸化シリコン層３０２を部分的に除去することで、共振器構造となる梁構造３０６が形成できる。   Next, the silicon oxide layer 302 under the thin wire structure 304 is removed by wet etching using an etching solution that dissolves silicon oxide more selectively than silicon, such as hydrofluoric acid, and FIG. As shown, the beam structures 306 supported by the two support portions 305 are formed on the silicon substrate 301 so as to be separated from each other. After the silicon oxide layer 302 is a sacrificial layer and the single crystal silicon layer 303 formed thereon is processed, the silicon oxide layer 302 below is partially removed, so that a beam structure 306 serving as a resonator structure is formed. Can be formed.

このようにして作製された共振器では、梁構造３０６は、シリコン基板３０１より離隔して形成されているため、機械的に共振させることができる。この振動に対する共振を用いることにより、梁構造３０６を備えた共振器は、機械共振器として用いることができる（非特許文献１参照）。   In the resonator manufactured as described above, the beam structure 306 is formed away from the silicon substrate 301, and therefore can be mechanically resonated. By using the resonance with respect to the vibration, the resonator including the beam structure 306 can be used as a mechanical resonator (see Non-Patent Document 1).

断面の形状が矩形とされている梁構造３０６の共振周波数は、梁の部分の長さの二乗と、用いている材料の密度とに反比例し、梁の部分の厚さと材料のヤング率とに比例する。例えば、単結晶シリコンより構成されている梁構造３０６では、梁の部分の長さを５０μｍとし、梁の部分（単結晶シリコン層３０３）の厚さを１μｍとすると、共振周波数は約３ＭＨｚとなる。同様の構成は、梁の代わりにメンブレンを用いることでも可能である（非特許文献２参照）。   The resonance frequency of the beam structure 306 having a rectangular cross-sectional shape is inversely proportional to the square of the length of the beam portion and the density of the material used, and depends on the thickness of the beam portion and the Young's modulus of the material. Proportional. For example, in the beam structure 306 made of single crystal silicon, if the length of the beam portion is 50 μm and the thickness of the beam portion (single crystal silicon layer 303) is 1 μm, the resonance frequency is about 3 MHz. . A similar configuration can be achieved by using a membrane instead of a beam (see Non-Patent Document 2).

これらの機械共振器は、コンデンサやコイルなどを用いて構成した電気回路による共振器に比較し、機械共振を用いているので、高いＱ値と優れた周波数特性とを有している。また、上述したような機械共振器の共振周波数は、加えられた力により変化するため、共振周波数の変化を検出することにより、感度の非常に高い力検出素子を作製することが可能である（非特許文献３，４参照）。   These mechanical resonators have a high Q value and excellent frequency characteristics because they use mechanical resonance as compared with a resonator using an electric circuit configured using a capacitor, a coil, or the like. In addition, since the resonance frequency of the mechanical resonator as described above changes depending on the applied force, it is possible to produce a force detection element with extremely high sensitivity by detecting the change in the resonance frequency ( Non-patent documents 3 and 4).

D.W.Carr, et al., "Measurement of mechanical resonance and losses in nanometer scale silicon wires", Applied Physics Letters, Vol.75, No.7, pp.920-922, 1999.D.W.Carr, et al., "Measurement of mechanical resonance and losses in nanometer scale silicon wires", Applied Physics Letters, Vol.75, No.7, pp.920-922, 1999. J-P.Raskin, et al.,"A Nobel Parameter-Effect MEMS Amplifier", Journal of Microelectromechanical Systems, Vol.9, No.4, pp.528-537,2000.J-P. Raskin, et al., "A Nobel Parameter-Effect MEMS Amplifier", Journal of Microelectromechanical Systems, Vol.9, No.4, pp.528-537, 2000. A.N.Cleland and M.L.Roukes, "A nanometre-scale mechanical electrometer", Nature, Vol.392, pp.160-162, 1998.A.N.Cleland and M.L.Roukes, "A nanometre-scale mechanical electrometer", Nature, Vol.392, pp.160-162, 1998. H.L.C.Tilmans, M.Elewenspoek, and, J.H.Fluitman, Sensor and Actuators, A, 30, 35, 1998.H.L.C.Tilmans, M. Elewenspoek, and, J.H.Fluitman, Sensor and Actuators, A, 30, 35, 1998.

ところで、共振器の特性を示す最も重要な指標としては、共振周波数ならびに性能指数（Ｑ値）がある。より速い動作速度の性能の優れた共振器を得るためには、より高い共振周波数ならびに大きなＱ値を持つ共振器を作製する必要がある。前述したような従来の技術では、より高い周波数帯の共振器を構成するためには、次に示す２つの方法がある。   By the way, as the most important index indicating the characteristics of the resonator, there are a resonance frequency and a figure of merit (Q value). In order to obtain a resonator with higher performance at a higher operating speed, it is necessary to manufacture a resonator having a higher resonance frequency and a large Q value. In the conventional technique as described above, there are the following two methods for configuring a resonator of a higher frequency band.

第１に、ヤング率が高く密度の小さな材料を用いて梁やメンブレンなどの振動部を構成する。
第２に、振動部分を、短くかつ共振特性を損なわない範囲で厚くする。 First, a vibrating part such as a beam or a membrane is formed using a material having a high Young's modulus and a low density.
Secondly, the vibration part is made short and is thick as long as the resonance characteristics are not impaired.

しかしながら、まず、第１の方法において、振動する部分となる梁に用いる材料を大きく変更するためには、半導体プロセス上の制約があり、容易ではない。また、第２の方法において、より短い機械共振器構造を作製することには、リソグラフィーなどの作製技術上の限界がある。   However, first, in the first method, in order to greatly change the material used for the beam that becomes the vibrating portion, there are restrictions on the semiconductor process, which is not easy. In addition, in the second method, there is a limit on a manufacturing technique such as lithography for manufacturing a shorter mechanical resonator structure.

一方、通常用いられている単結晶シリコンやＧａＡｓなどの化合物半導体を用いて作製した微小な機械共振器において、Ｑ値は、用いられている材料における熱弾性ダンピングと呼ばれる現象により決定され、室温では、せいぜい数千程度の値に留まる。この値は、材料固有の性質に基づくものであり、形状を変更することでは大きく変化させることができない。   On the other hand, in a minute mechanical resonator manufactured using a compound semiconductor such as single crystal silicon or GaAs that is usually used, the Q value is determined by a phenomenon called thermoelastic damping in the material used, and at room temperature. At most, it stays at a few thousand. This value is based on the property specific to the material and cannot be changed greatly by changing the shape.

以上に説明したように、上述したような従来の技術では、高い共振周波数ならびに大きなＱ値を備えた微小な機械共振器を得ることができないという問題があった。   As described above, the conventional technology as described above has a problem that a minute mechanical resonator having a high resonance frequency and a large Q value cannot be obtained.

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、機械共振器の共振周波数をより高くし、加えて、Ｑ値をより高くできるようにすることを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and it is an object of the present invention to increase the resonance frequency of the mechanical resonator and to increase the Q value.

本発明に係る微小機械共振器は、歪み印加層と、この歪み印加層に比較して小さい格子定数を有する材料から構成され、歪み印加層の上に結晶成長により形成されて歪み印加層との格子不整合による引っ張り歪みが残留する振動部形成層と、歪み印加層の側に空間を備えて振動部形成層に形成された振動部とを少なくとも備えるものである。   The micro mechanical resonator according to the present invention includes a strain applying layer and a material having a lattice constant smaller than that of the strain applying layer, and is formed by crystal growth on the strain applying layer. At least a vibration part forming layer in which tensile strain due to lattice mismatch remains and a vibration part formed in the vibration part forming layer with a space on the strain application layer side are provided.

上記微小機械共振器において、歪み印加層より小さな格子定数を備えた材料から構成された基板を用い、歪み印加層は、基板の上に臨界膜厚より厚く形成すればよい。ただし、歪み印加層より小さな格子定数を備えた材料から構成された基板を用い、基板と歪み印加層との間に、基板より大きい格子定数を備えた材料から構成されて臨界膜厚より厚いバッファ層を備える。 In the micromechanical resonator, have use a substrate composed of a material having a smaller lattice constant than the strain applied layer, the strain applied layer may be thicker than the critical film thickness on the substrate. However, it has use a substrate composed of a material having a smaller lattice constant than the strain applied layer, between the substrate and the strain applied layer thicker than the critical film thickness is composed of a material having a larger lattice constant than the substrate Ru a buffer layer.

上記微小機械共振器において、振動部は、両端が支持された梁構造に形成されていればよい。また、振動部は、振動部形成層より構成されたメンブレンであってもよい。   In the micro mechanical resonator, the vibration part may be formed in a beam structure in which both ends are supported. The vibrating part may be a membrane composed of a vibrating part forming layer.

本発明係る微小機械共振器の製造方法は、基板の上にバッファ層を介して歪み印加層が形成された状態とする第１工程と、この歪み印加層に比較して小さい格子定数を有する材料から構成された振動部形成層が、歪み印加層との格子不整合による引っ張り歪みが残留するように歪み印加層の上に結晶成長により形成された状態とする第２工程と、歪み印加層の側に空間を備えた振動部が振動部形成層に形成された状態とする第３工程とを備え、基板は、歪み印加層より小さな格子定数を備えた材料から形成し、バッファ層は、基板より大きい格子定数を備えた材料から構成して臨界膜厚より厚く形成するようにしたものである。 The method for manufacturing a micromechanical resonator according to the present invention includes a first step in which a strain applying layer is formed on a substrate via a buffer layer, and a material having a lattice constant smaller than that of the strain applying layer. A second step in which the vibration part forming layer formed by crystal growth is formed on the strain applying layer so that tensile strain due to lattice mismatch with the strain applying layer remains. And a third step in which a vibrating portion having a space on the side is formed in the vibrating portion forming layer , the substrate is formed from a material having a lattice constant smaller than that of the strain applying layer, and the buffer layer is the substrate it is obtained by the so that to form thicker than the critical film thickness and made of a material having a larger lattice constant.

以上説明したように、本発明によれば、歪み印加層の上にこれより小さい格子定数の振動部形成層を結晶成長した後、振動部形成層に振動部を形成するようにしたので、機械共振器の共振周波数をより高くし、加えて、Ｑ値をより高くできるようになるという優れた効果が得られる。   As described above, according to the present invention, since the vibration part forming layer having a smaller lattice constant is grown on the strain applying layer, the vibration part is formed in the vibration part forming layer. An excellent effect is obtained in that the resonance frequency of the resonator can be increased, and in addition, the Q value can be further increased.

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における微小機械共振器の製造方法例を模式的に示す工程図である。図１では、微小機械共振器の構造を模式的な斜視図で示している。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a process diagram schematically showing an example of a method for manufacturing a micro mechanical resonator according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, the structure of the micromechanical resonator is shown in a schematic perspective view.

まず、図１（ａ）に示すように、ＧａＡｓの結晶からなる基板１０１の上に、Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓからなる膜厚３μｍのバッファ層１０２が形成され、バッファ層１０２の上にＩｎ0.1Ａｌ0.9Ａｓからなる膜厚２μｍの歪み印加層１０３が形成され、歪み印加層１０３の上にＧａＡｓからなる膜厚２００ｎｍの振動部形成層１０４が形成された状態とする。これらは、よく知られた有機金属気相成長法，分子線エピタキシー法，液相エピタキシー法などの結晶成長方法により順次積層することで形成すればよい。 First, as shown in FIG. 1A, a buffer layer 102 made of In 0.1 Ga 0.9 As and having a thickness of 3 μm is formed on a substrate 101 made of GaAs crystal, and In 0.1 Al is formed on the buffer layer 102. A strain application layer 103 made of 0.9 As and having a thickness of 2 μm is formed, and a vibration part forming layer 104 made of GaAs and having a thickness of 200 nm is formed on the strain application layer 103. These may be formed by sequentially laminating by a well-known crystal growth method such as metal organic vapor phase epitaxy, molecular beam epitaxy, or liquid phase epitaxy.

Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓの結晶は、ＧａＡｓよりも約０．７％大きな格子定数を持つため、ＧａＡｓからなる基板１０１の上に結晶成長されたバッファ層１０２は、約０．７％の圧縮歪みを備えた状態となる。ここで、このような格子不整合な状態であっても、臨界膜厚以上の十分に厚い膜を結晶成長することで、格子不整合から生じる歪みは緩和し、本来のＩｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓの格子定数を持った状態の膜が形成されるようになる。膜厚３μｍは、Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓの臨界膜厚より十分に大きいため、バッファ層１０２は、上述した歪みが緩和される条件を満たしている。従って、バッファ層１０２は、Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓ本来の格子定数を持って形成され、基板１０１よりも約０．７％大きな格子定数を備えた状態となっている。 Since the crystal of In 0.1 Ga 0.9 As has a lattice constant approximately 0.7% larger than that of GaAs, the buffer layer 102 grown on the substrate 101 made of GaAs has a compressive strain of approximately 0.7%. It will be ready. Here, even in such a lattice mismatch state, by growing a sufficiently thick film having a thickness larger than the critical film thickness, the distortion caused by the lattice mismatch is alleviated, and the original In 0.1 Ga 0.9 As A film having a lattice constant is formed. Since the film thickness of 3 μm is sufficiently larger than the critical film thickness of In 0.1 Ga 0.9 As, the buffer layer 102 satisfies the above-described conditions for relaxing the strain. Therefore, the buffer layer 102 is formed with the original lattice constant of In 0.1 Ga 0.9 As and has a lattice constant that is approximately 0.7% larger than that of the substrate 101.

このようにして形成されているバッファ層１０２の上に結晶成長されるＩｎ0.1Ａｌ0.9Ａｓからなる歪み印加層１０３は、バッファ層１０２に対して約０．１％大きな格子定数を有している。しかしながら、上述したことと同様に、臨界膜厚より厚いため、格子不整合から生じる歪みは緩和されており、歪み印加層１０３は、ＧａＡｓに対して約０．８％大きな格子定数を持つことになる。従って、歪み印加層１０３の上に、これより約０．８％小さな格子定数を備えて臨界膜厚より薄い膜厚２００ｎｍに形成された振動部形成層１０４は、面方向に０．８％程度の引っ張り歪み、すなわち張力のかかった状態とされている。言い換えると、振動部形成層１０４の下層には、振動部形成層１０４より大きな格子定数を有する材料から構成されて、振動部形成層１０４に対して引っ張り歪みを与える歪み印加層１０３が配置されていることになる。 The strain applying layer 103 made of In 0.1 Al 0.9 As grown on the buffer layer 102 thus formed has a lattice constant about 0.1% larger than that of the buffer layer 102. . However, as described above, since the thickness is larger than the critical film thickness, the strain resulting from lattice mismatch is relaxed, and the strain application layer 103 has a lattice constant that is about 0.8% larger than that of GaAs. Become. Therefore, the vibration part forming layer 104 formed on the strain applying layer 103 with a lattice constant smaller by about 0.8% than this and having a thickness of 200 nm thinner than the critical thickness is about 0.8% in the plane direction. Tension strain, that is, a tensioned state. In other words, a strain applying layer 103 made of a material having a lattice constant larger than that of the vibrating portion forming layer 104 and applying tensile strain to the vibrating portion forming layer 104 is disposed below the vibrating portion forming layer 104. Will be.

なお、振動部形成層１０４は、歪み印加層１０３との格子不整合による引っ張り歪みが残留する状態に形成されていることが重要である。例えば、本実施の形態のように、臨界膜厚より薄い状態に振動部形成層１０４が形成されていればよい。なお、振動部形成層１０４が臨界膜厚程度に形成されていてもよい。このような場合でも、振動部形成層１０４の全てにおいて、歪みが緩和されるわけでなく、部分的に歪みが緩和されるようになる場合は、上述同様に引っ張り歪みが残留する状態が得られる。   It is important that the vibration part forming layer 104 is formed in a state in which tensile strain due to lattice mismatch with the strain applying layer 103 remains. For example, as in the present embodiment, it is only necessary that the vibration part forming layer 104 be formed to be thinner than the critical film thickness. Note that the vibration part forming layer 104 may be formed to have a critical film thickness. Even in such a case, in all of the vibration portion forming layer 104, the strain is not alleviated, and when the strain is partially mitigated, a state in which tensile strain remains is obtained as described above. .

以上のように、より大きな格子定数を備える歪み印加層１０３の上に、これより小さな格子定数を備える振動部形成層１０４を結晶成長させることで、張力のかかった状態の振動部形成層１０４が形成された後、公知のリソグラフィー技術による微細なパターンの形成、および、形成したパターンをマスクとしたメサエッチングにより、振動部形成層１０４および歪み印加層１０３を選択的に除去し、図１（ｂ）に示すように、基板１０１の上に細線構造１０５が形成された状態とする。   As described above, the vibrating portion forming layer 104 having a smaller lattice constant is grown on the strain applying layer 103 having a larger lattice constant, so that the vibrating portion forming layer 104 in a tensioned state is formed. After the formation, the vibration part forming layer 104 and the strain applying layer 103 are selectively removed by forming a fine pattern by a known lithography technique and mesa etching using the formed pattern as a mask, and FIG. As shown in FIG. 2, the thin line structure 105 is formed on the substrate 101.

次に、フッ酸などエッチング選択性の高いエッチング溶液を用いたウエットエッチングより、細線構造１０５の下部の歪み印加層１０３を除去し、図１（ｃ）に示すように、２箇所の支持部１０６により支持された梁構造（振動部）１０７が、基板１０１の上に離間して振動（変形）可能に形成された状態とする。支持部１０６は、一部の歪み印加層１０３および一部の振動部形成層１０４により構成されている。以上のようにすることで梁構造１０７は、引っ張り歪みを備えた状態で形成される。このように、本実施の形態における微小機械共振器は、振動部となる梁構造１０７が、張力のかかった状態に形成されるようになり、より高い共振周波数を備えた状態となる。   Next, the strain applying layer 103 below the fine wire structure 105 is removed by wet etching using an etching solution having high etching selectivity such as hydrofluoric acid, and two support portions 106 are formed as shown in FIG. The beam structure (vibrating part) 107 supported by the above is formed on the substrate 101 so as to be able to vibrate (deform). The support unit 106 includes a part of the strain applying layer 103 and a part of the vibration part forming layer 104. As described above, the beam structure 107 is formed with a tensile strain. As described above, in the micro mechanical resonator according to the present embodiment, the beam structure 107 serving as the vibration part is formed in a tensioned state, and has a higher resonance frequency.

なお、本実施の形態の場合、いわゆる犠牲層を用いた加工により振動部形成層１０４に振動部となる梁構造１０７を形成している。また、一般的に入手しやすいＧａＡｓ基板を用いている。これらのため、本実施の形態では、まず、Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓからなるバッファ層１０２を形成し、この上に、振動部形成層１０４より大きな格子定数を備えて選択エッチングを可能とする材料から構成された犠牲層として機能する歪み印加層１０３を形成している。 In the case of the present embodiment, the beam structure 107 serving as a vibration part is formed in the vibration part forming layer 104 by processing using a so-called sacrificial layer. Further, a GaAs substrate that is generally easily available is used. For these reasons, in this embodiment, first, a buffer layer 102 made of In 0.1 Ga 0.9 As is formed, and a material having a lattice constant larger than that of the vibration portion forming layer 104 and capable of selective etching is formed thereon. A strain applying layer 103 that functions as a configured sacrificial layer is formed.

従って、バッファ層として機能する層は必要なものではない。また、基板の上に歪み印加層を形成する必要もない。例えば、振動部形成層に対して格子定数が大きな材料からなる基板を用い、この基板の上に振動部形成層を形成すれば、基板が歪み印加層として機能し、基板の一部を除去すれば、歪み印加層としての基板の側に空間を備えた振動部が振動部形成層に形成された状態が得られる。   Therefore, a layer functioning as a buffer layer is not necessary. Further, it is not necessary to form a strain applying layer on the substrate. For example, if a substrate made of a material having a large lattice constant is used for the vibration part forming layer and the vibration part forming layer is formed on this substrate, the substrate functions as a strain applying layer, and a part of the substrate can be removed. For example, it is possible to obtain a state in which the vibration part having a space on the substrate side as the strain application layer is formed in the vibration part forming layer.

ここで、梁構造に内部歪みが存在する場合の共振周波数について説明する。一般に、両端が支持された両持ちの梁構造に内部歪みが存在する場合、この梁構造の共振周波数は、次の式（１）で与えられることが知られている。   Here, the resonance frequency when an internal strain exists in the beam structure will be described. In general, when an internal strain exists in a doubly supported beam structure in which both ends are supported, it is known that the resonance frequency of this beam structure is given by the following equation (1).

Figure 0005030163
Figure 0005030163

なお、ｆ0は、歪みがかかっていない場合の共振周波数、σは引っ張り歪みによって発生する応力、Ｌは梁構造の長さ、Ｅは、梁構造の材料のヤング率、ｗは梁構造の幅である。 Where f 0 is the resonance frequency when no strain is applied, σ is the stress generated by tensile strain, L is the length of the beam structure, E is the Young's modulus of the material of the beam structure, and w is the width of the beam structure. It is.

従って、梁構造に引っ張り歪みを加えることにより、同じ形状の梁構造であっても共振周波数を高くすることが可能である。これは、弦楽器の弦により高い張力を与えることで、より高い音を発生させる場合に同様である。同様の効果は、梁構造に限らず、メンブレン構造の機械共振器においても存在する。メンブレン構造の場合、太鼓などの膜鳴楽器における膜に張力を与えることに相当する。言い換えると、本実施の形態における微小機械共振器は、梁構造に限らず、振動部をメンブレンとしても同様の効果が得られる。   Therefore, by applying tensile strain to the beam structure, the resonance frequency can be increased even with the beam structure having the same shape. This is the same when a higher sound is generated by applying a higher tension to the string of the stringed instrument. Similar effects exist not only in the beam structure but also in a mechanical resonator having a membrane structure. In the case of a membrane structure, this corresponds to applying tension to the membrane of a membrane instrument such as a drum. In other words, the micro mechanical resonator according to the present embodiment is not limited to the beam structure, and the same effect can be obtained even if the vibrating portion is a membrane.

このように、機械的共振器の共振周波数の制御には、梁構造やメンブレンなどの共振器構造に与える張力を制御することが有効であり、既に同様の効果が報告されている（非特許文献４参照）。   Thus, for controlling the resonance frequency of the mechanical resonator, it is effective to control the tension applied to the resonator structure such as the beam structure or the membrane, and the same effect has already been reported (non-patent document). 4).

ところで、前述したように、従来よりある共振器構造においても、犠牲層の上に形成した層を加工した後、歪み印加層を部分的に除去することで形成しているが、例えば、従来のように、酸化シリコンからなる犠牲層の上に形成されたシリコン層や、ＡｌＧａＡｓからなる犠牲層の上に形成されたＧａＡｓ層を用いて梁構造を形成した場合、形成された梁構造における内部歪みは非常に小さく、また、存在している小さな内部歪みを正確に制御することは困難である。   By the way, as described above, even in the conventional resonator structure, the layer formed on the sacrificial layer is processed and then the strain applying layer is partially removed. Thus, when a beam structure is formed using a silicon layer formed on a sacrificial layer made of silicon oxide or a GaAs layer formed on a sacrificial layer made of AlGaAs, the internal strain in the formed beam structure Is very small and it is difficult to accurately control the small internal distortions that are present.

これに対し、本実施の形態における微小機械共振器によれば、互いに格子定数が異なる状態で、下層の上に振動部が形成される振動部形成層を単結晶成長させることで、振動部形成層に形成される梁構造の内部歪みを制御するようにした。この結果、振動部形成層に対して所望の値に歪みが印加された状態とすることができる。また、より大きな内部歪みを備えた状態の梁構造が容易に形成できるようになる。このように、本発明は、格子定数を制御した状態で梁構造を構成する層などを単結晶成長させることで、形成される梁構造の内部歪みを制御するところに特徴がある。また、本発明によれば、微細共振器が結晶から構成されるので、高い機械的強度を備えたものとなる。   On the other hand, according to the micromechanical resonator in the present embodiment, the vibration part is formed by growing the vibration part forming layer in which the vibration part is formed on the lower layer in a state where the lattice constants are different from each other. The internal strain of the beam structure formed in the layer was controlled. As a result, a strain can be applied to a desired value with respect to the vibration part forming layer. In addition, a beam structure having a larger internal strain can be easily formed. As described above, the present invention is characterized in that the internal strain of the beam structure to be formed is controlled by growing a single crystal layer or the like constituting the beam structure in a state where the lattice constant is controlled. Further, according to the present invention, since the fine resonator is made of a crystal, it has high mechanical strength.

図２は、本実施の形態における微小機械共振器（梁構造１０７）の共振特性を、梁構造１０７の長さの関数として測定した結果を示す特性図である。図２において、（ａ）引っ張り歪みがある場合が、本実施の形態における梁構造１０７を備えた微小機械共振器の特性を示している。また、図２において、（ｂ）歪みがない場合は、ＧａＡｓ基板の上に、バッファ層を用いずに、Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ａｓからなる膜厚３μｍの歪み印加層を結晶成長し、この上に膜厚２００ｎｍのＧａＡｓからなる振動部形成層を形成し、この振動部形成層より前述同様に梁構造を形成した機械共振器であり、振動部となる梁構造は、歪みを受けていない状態で形成されている。 FIG. 2 is a characteristic diagram showing the result of measuring the resonance characteristics of the micro mechanical resonator (beam structure 107) in the present embodiment as a function of the length of the beam structure 107. In FIG. In FIG. 2, (a) the case where there is a tensile strain indicates the characteristics of the micromechanical resonator including the beam structure 107 in the present embodiment. In FIG. 2, (b) when there is no strain, a strain applying layer made of Al 0.7 Ga 0.3 As and having a thickness of 3 μm is grown on the GaAs substrate without using a buffer layer. This is a mechanical resonator in which a vibrating part forming layer made of GaAs having a thickness of 200 nm is formed, and a beam structure is formed from this vibrating part forming layer in the same manner as described above. Is formed.

図２に示す結果から明らかなように、梁構造を同じ長さとしても、本実施の形態による微小機械共振器の方が、２〜５倍高い共振周波数が得られている。   As is apparent from the results shown in FIG. 2, even when the beam structure has the same length, the micro mechanical resonator according to the present embodiment has a resonance frequency that is 2 to 5 times higher.

さらに、本実施の形態における微小機械共振器によれば、Ｑ値に関しても大きな改善が見られた。例えば、梁構造の長さを５０μｍとした場合、歪みがない状態で形成した梁構造による機械共振器では、真空中でのＱ値が１４００となるが、本実施の形態における引っ張り歪みをかけた梁構造１０７による微小機械共振器によれば、Ｑ値が１４０００となる。このように、本実施の形態によれば、共振器のＱ値の改善に対しても大きな効果が得られる。これは、共振周波数の増加により同じ振動振幅において蓄えられるエネルギーが増加したため、１周期あたりに散逸するエネルギーの割合が減少したためと考えられる。   Furthermore, according to the micromechanical resonator in the present embodiment, a great improvement was also observed with respect to the Q value. For example, when the length of the beam structure is 50 μm, the mechanical resonator with the beam structure formed without any distortion has a Q value in vacuum of 1400, but the tensile strain in this embodiment was applied. According to the micro mechanical resonator having the beam structure 107, the Q value is 14,000. Thus, according to the present embodiment, a great effect can be obtained also in improving the Q value of the resonator. This is considered to be because the ratio of the energy dissipated per cycle decreased because the energy stored at the same vibration amplitude increased due to the increase of the resonance frequency.

なお上述では、基板および梁構造をＧａＡｓから構成し、歪みを緩和させるためのバッファ層をＩｎＧａＡｓから構成し、歪み印加層をＩｎＡｌＡｓから構成したが、これに限るものではない。例えば、シリコン，ゲルマニウム，炭素およびこれらの混晶などのＩＶ族半導体を用いるようにしてもよい。また、ＩｎＰ，ＩｎＡｓ，ＧｓＰ，ＧａＡｓ，ＡｌＰ，ＡｌＡｓ，ＧａＮ，およびＡｌＮなどを始めとした、化合物半導体などを用いるようにしてもよい。また、半導体外の任意の固体材料を用いるようにしてもよい。   In the above description, the substrate and the beam structure are made of GaAs, the buffer layer for relaxing the strain is made of InGaAs, and the strain applying layer is made of InAlAs. However, the present invention is not limited to this. For example, a group IV semiconductor such as silicon, germanium, carbon, or a mixed crystal thereof may be used. In addition, compound semiconductors such as InP, InAs, GsP, GaAs, AlP, AlAs, GaN, and AlN may be used. Further, any solid material outside the semiconductor may be used.

例えば、シリコンおよびゲルマニウムならびにこれらの混晶を用いることで、いわゆるＣＭＯＳを基本とした大規模集積回路との融合が可能となり、応用上の利点は大きい。例えば、シリコン基板を用い、この上に、シリコンよりも格子定数が大きいＳｉ0.8Ｇｅ0.2からなる薄膜で歪み印加層を構成し、この上にシリコンを結晶成長させることで振動部形成層を形成すればよい。この場合、Ｓｉ0.8Ｇｅ0.2の層は、バッファ層としても機能し、臨界膜厚以上に形成して歪みを緩和させておく。このようにして形成したＳｉ0.8Ｇｅ0.2層の上に、結晶成長により、例えば臨界膜厚以下にシリコン層を形成すれば、このシリコン層は、引っ張り歪みが残留した状態となる。 For example, by using silicon and germanium and mixed crystals thereof, it is possible to fuse with a large-scale integrated circuit based on a so-called CMOS, and the application advantage is great. For example, using a silicon substrate, a strain applying layer is formed of a thin film made of Si 0.8 Ge 0.2 having a lattice constant larger than that of silicon, and a crystal is grown thereon to form a vibration part forming layer. That's fine. In this case, the Si 0.8 Ge 0.2 layer also functions as a buffer layer, and is formed to have a thickness greater than the critical thickness to alleviate strain. If, for example, a silicon layer having a critical film thickness or less is formed on the Si 0.8 Ge 0.2 layer thus formed by crystal growth, the silicon layer is in a state where tensile strain remains.

このようにして振動部形成層としてのシリコン層を形成した後、このシリコン層の所定深さにイオン打ち込みにより酸化シリコン層を形成すれば、この酸化シリコン層を犠牲層として用いることができる。イオン打ち込みにより形成した酸化シリコンからなる犠牲層を部分的にフッ酸を用いて選択的に除去すれば、この上のシリコンの層に、前述した実施の形態と同様に、歪み印加層としてのＳｉ0.8Ｇｅ0.2層側に空間を備えた梁構造やメンブレン構造の振動部を形成することができる。 If the silicon oxide layer is formed by ion implantation at a predetermined depth of the silicon layer after forming the silicon layer as the vibration part forming layer in this manner, the silicon oxide layer can be used as a sacrificial layer. If the sacrificial layer made of silicon oxide formed by ion implantation is selectively removed partially using hydrofluoric acid, the silicon layer on top of this is formed into Si as a strain applying layer, as in the above-described embodiment. A vibrating portion of a beam structure or a membrane structure having a space on the 0.8 Ge 0.2 layer side can be formed.

また、共振器の共振周波数をさらに高くするためには、質量が小さく、弾性定数の高い窒化物半導体を用いればよい。例えば、ＳｉＣからなる基板を用い、この上に、歪み印加層としてＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎからなる薄膜を臨界膜厚以上に形成し、この上に、振動部形成層としてＧａＮの薄膜を形成すればよい。また、歪み印加層としてＩｎ0.1Ａｌ0.9Ｎからなる薄膜を臨界膜厚以上に形成してもよい。これらの場合、歪み印加層が、バッファ層としても機能する。また、ＳｉＣ基板の上に、まず、Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎからなるバッファ層を形成し、この上に、Ｉｎ0.1Ａｌ0.9Ｎからなる歪み印加層を形成し、この上に、ＧａＮからなる振動部形成層を形成してもよい。いずれにしても、バッファ層および歪み印加層においては、内部の歪みが緩和され、振動部形成層に対して大きな格子定数を備えた状態に形成されていればよい。 In order to further increase the resonance frequency of the resonator, a nitride semiconductor having a small mass and a high elastic constant may be used. For example, if a substrate made of SiC is used, a thin film made of In 0.1 Ga 0.9 N is formed as a strain applying layer to a thickness greater than the critical thickness, and a GaN thin film is formed thereon as a vibration part forming layer. Good. Further, a thin film made of In 0.1 Al 0.9 N may be formed as a strain applying layer with a thickness greater than the critical thickness. In these cases, the strain applying layer also functions as a buffer layer. Further, first, a buffer layer made of In 0.1 Ga 0.9 N is formed on the SiC substrate, a strain applying layer made of In 0.1 Al 0.9 N is formed thereon, and a vibrating part made of GaN is formed thereon. A formation layer may be formed. In any case, the buffer layer and the strain applying layer need only be formed in a state in which internal strain is alleviated and a large lattice constant is provided with respect to the vibration part forming layer.

この例において、窒化物半導体はウエットエッチングによる選択エッチングが容易ではないため、振動部形成層で梁構造を形成するためには、異方性を有するドライエッチングで行う。例えば、振動部形成層の平面の法線方向より所定の角度を備えた斜め方向より、異方性を有するドライエッチングを行うことで、断面視、斜めに溝部分を形成することができる。このような斜め溝を、エッチングの方向が振動部形成層の表面の下で交差するように離間した２箇所から形成することで、歪み印加層の側に空間を備える両持ちの梁構造を形成することができる。   In this example, since selective etching by wet etching is not easy for the nitride semiconductor, in order to form a beam structure with the vibration portion forming layer, dry etching having anisotropy is performed. For example, by performing dry etching having anisotropy from an oblique direction having a predetermined angle with respect to the normal direction of the plane of the vibration part forming layer, the groove portion can be formed obliquely in a sectional view. By forming such oblique grooves from two locations that are separated so that the etching direction intersects below the surface of the vibration portion forming layer, a double-supported beam structure having a space on the strain applying layer side is formed. can do.

さらに、ｎｍスケールの微細な梁構造を精度よく作製するためには、異なる格子定数を有する薄膜間の界面平坦性を高くすることが重要となる。このためには、結晶成長方法として、分子線エピタキシー、化学的気相成長法、液相エピタキシーなどの界面制御性に優れた結晶成長技術を用いることが極めて有効である。   Furthermore, in order to produce a fine beam structure on the nanometer scale with high accuracy, it is important to increase the interface flatness between thin films having different lattice constants. For this purpose, it is extremely effective to use a crystal growth technique having excellent interface controllability such as molecular beam epitaxy, chemical vapor deposition, and liquid phase epitaxy as a crystal growth method.

なお、上述では、微小機械構造による共振特性について説明したが、本実施の形態における微小機械共振器によれば、周波数フィルターに適用可能であり、また、一般的な共振器と同様に、振動部分に加わる力を検出する様々な検出器に対応可能であり、また、検出特定を向上させることができることは言うまでもない。   In the above description, the resonance characteristics by the micromechanical structure have been described. However, according to the micromechanical resonator in the present embodiment, it can be applied to a frequency filter, and, like a general resonator, a vibration portion. Needless to say, it is possible to cope with various detectors that detect the force applied to the sensor, and to improve the detection specification.

本発明の実施の形態における微小機械共振器の製造方法例を模式的に示す工程図である。It is process drawing which shows typically the example of the manufacturing method of the micro mechanical resonator in embodiment of this invention. 本実施の形態における微小機械共振器の共振特性を、梁構造１０７の長さの関数として測定した結果を示す特性図である。It is a characteristic view showing the result of having measured the resonance characteristic of the micro mechanical resonator in this embodiment as a function of the length of beam structure 107. 従来より用いられいる微小な共振器の作製手順を示す工程図である。It is process drawing which shows the preparation procedure of the micro resonator used conventionally.

符号の説明Explanation of symbols

１０１…基板、１０２…バッファ層、１０３…歪み印加層、１０４…振動部形成層、１０５…細線構造、１０６…支持部、１０７…梁構造（振動部）。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Board | substrate, 102 ... Buffer layer, 103 ... Strain application layer, 104 ... Vibrating part formation layer, 105 ... Fine wire structure, 106 ... Supporting part, 107 ... Beam structure (vibrating part).

Claims (5)

歪み印加層と、
この歪み印加層に比較して小さい格子定数を有する材料から構成され、前記歪み印加層の上に結晶成長により形成されて前記歪み印加層との格子不整合による引っ張り歪みが残留する振動部形成層と、
前記歪み印加層の側に空間を備えて前記振動部形成層に形成された振動部と、
前記歪み印加層より小さな格子定数を備えた材料から構成された基板と、
前記基板と前記歪み印加層との間に形成されて前記基板より大きい格子定数を備えた材料から構成されて臨界膜厚より厚いバッファ層と
を少なくとも備えることを特徴とする微小機械共振器。 A strain applying layer;
A vibration part forming layer that is made of a material having a smaller lattice constant than the strain applying layer, is formed by crystal growth on the strain applying layer, and tensile strain due to lattice mismatch with the strain applying layer remains. When,
A vibration part provided in the vibration part forming layer with a space on the strain applying layer side ;
A substrate made of a material having a lattice constant smaller than that of the strain applying layer;
A micromechanical resonator comprising at least a buffer layer formed between a material having a lattice constant larger than that of the substrate formed between the substrate and the strain applying layer and having a thickness larger than a critical film thickness . 請求項１記載の微小機械共振器において、
前記歪み印加層は、前記基板の上に臨界膜厚より厚く形成されている
ことを特徴とする微小機械共振器。 The micromechanical resonator according to claim 1, wherein
Before Kiyugami application layer, micromechanical resonators, characterized in that it is thicker than the critical film thickness on the substrate. 請求項１または２記載の微小機械共振器において、
前記振動部は、両端が支持された梁構造に形成されている
ことを特徴とする微小機械共振器。 The micromechanical resonator according to claim 1 or 2 ,
The vibration part is formed in a beam structure in which both ends are supported. 請求項１または２記載の微小機械共振器において、
前記振動部は、前記振動部形成層より構成されたメンブレンである
ことを特徴とする微小機械共振器。 The micromechanical resonator according to claim 1 or 2 ,
The vibration part is a membrane composed of the vibration part forming layer. 基板の上にバッファ層を介して歪み印加層が形成された状態とする第１工程と、
この歪み印加層に比較して小さい格子定数を有する材料から構成された振動部形成層が、前記歪み印加層との格子不整合による引っ張り歪みが残留するように前記歪み印加層の上に結晶成長により形成された状態とする第２工程と、
前記歪み印加層の側に空間を備えた振動部が前記振動部形成層に形成された状態とする第３工程と
を少なくとも備え、
前記基板は、前記歪み印加層より小さな格子定数を備えた材料から形成し、前記バッファ層は、前記基板より大きい格子定数を備えた材料から構成して臨界膜厚より厚く形成することを特徴とする微小機械共振器の製造方法。 A first step in which a strain applying layer is formed on a substrate via a buffer layer ;
Crystal growth on the strain applying layer is such that a vibration part forming layer made of a material having a lattice constant smaller than that of the strain applying layer remains tensile strain due to lattice mismatch with the strain applying layer. A second step of forming a state formed by
And at least a third step in which a vibrating part having a space on the strain applying layer side is formed in the vibrating part forming layer ,
The substrate is formed from a material having a smaller lattice constant than the strain applied layer, the buffer layer, characterized that you thicker than the critical film thickness and made of a material with a larger lattice constant than the substrate A method for manufacturing a micromechanical resonator.
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