JP6085235B2

JP6085235B2 - 機械共振器の作製方法

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Publication number: JP6085235B2
Application number: JP2013176642A
Authority: JP
Inventors: 恒二小野満; 学満原; 山本　秀樹; 秀樹山本; 山口　浩司; 浩司山口
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2013-08-28
Filing date: 2013-08-28
Publication date: 2017-02-22
Anticipated expiration: 2033-08-28
Also published as: JP2015046754A

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の作製方法に関する。

微小機械共振器は、微細加工によって作製されたMEMS共振器であって、機械的に振動することから、例えば圧力、応力、流量、温度、または加速度などの検出器などに使用される（非特許文献１，２，３，４参照）。代表的な微小機械共振器を図３(c)に示す。図３(c)の微小機械共振器は、GaAs基板３０１、AlGaAs犠牲層３０２、GaAsもしくはAlGaAs振動部形成層３０３から構成され、振動部形成層３０３は、支持部３０５、梁構造３０６を有する。GaAs基板３０１と梁構造３０６との間には空間が存在しているため、梁構造３０６は機械的に振動する。

図３は、ＩＩＩ-Ｖ族化合物半導体を用いた微小機械共振器の従来の作製工程図である。GaAs基板を使った例を次に述べる。

まず図３（a）に示すように、GaAs基板３０１上にAl濃度６５％程度のAlGaAs犠牲層３０２を形成し、最表面の振動部形成層にGaAsもしくはAl濃度３５％以下のAlGaAs振動部形成層３０３を形成する。

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によって微細なパターンを形成し、形成したパターンをマスクとして、開口部をメサエッチングすることにより、AlGaAs犠牲層３０２およびGaAsもしくはAl濃度３５％以下のAlGaAs振動部形成層３０３を除去する。このようにして、図３（b）に示すように、GaAs基板３０１の上に細線構造３０４を形成する。

最後に、GaAsもしくはAl濃度３５％以下のAlGaAsと比較して、Al濃度６５％程度であるAlGaAsをより選択的に溶解するフッ酸などのエッチング溶液を用いたウエットエッチングより、Al濃度６５％程度のAlGaAs犠牲層３０２の表面に露出している部分を除去する。このようにして、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を、GaAs基板３０１の上に、GaAs基板３０１から離間して形成する。つまりAl濃度６５％程度であるAlGaAs３０２を犠牲層とし、この犠牲層を部分的に除去することによって梁構造３０６を形成する。上記はGaAs基板を用いた例であるが、Si基板を基板３０１に、SiO₂を犠牲層３０２に、Siを振動部形成層３０３として、上記と同じ加工方法で同様の梁構造を作製することが可能である。

このようにして作製した梁構造３０６は、基板３０１から離隔されて形成されているため、機械的に振動することができる。この振動の共振を用いることにより、梁構造３０６を備えた構造を、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）。同様の構造の試料を用いて、梁構造３０６の代わりにメンブレン構造を作製し、機械共振器として用いることも可能である（非特許文献２参照）。

共振器の特性を示す最も重要な指標として、共振周波数ならびに性能指数（Q値）がある。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と比較すると、機械共振を用いているため、高い性能指数（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、機械共振器に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）。

高い共振周波数ならびに大きなQを持つ共振器を得る手法として、機械振動子に引っ張り歪みを印加する方法があるが、ＩＩＩ-Ｖ族化合物半導体を用いる場合はＩＩＩ-Ｖ族化合物半導体に窒素をドープした層を振動部形成層として用い、機械振動子に引っ張り歪みを印加する方法が有望である（特許文献１参照）。

特願２０１２―１８０３８４号公報

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. 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. F. Ishikawa, S. Fuyuno, K. Higashi, M. Kondow, M. Machida et al. "Direct observation of N-(group V) bonding defects in dilute nitride semiconductors using hard x-ray photoelectron spectroscopy" Appl. Phys. Lett. 98, 121915 (2011) G. Mussler, J.-M. Chauveau, A. Trampert, M. Ramsteiner, L. D.aweritz, K.H. Ploog "Nitrogen-dependent optimum annealing temperature of Ga(As,N)" Journal of Crystal Growth 267 (2004) 60-66

窒素原子はV族元素の中で最小の原子半径を持つため、GaAs、InAs、GaSb、InSb、InP、GaPなどの２元ＩＩＩ-Ｖ族化合物半導体混晶ならびにこれらの２元ＩＩＩ-Ｖ族化合物半導体混晶を組み合わせた３元以上のＩＩＩ-Ｖ族化合物半導体混晶に、窒素原子をドープすることによって、上記のＩＩＩ-Ｖ族化合物半導体混晶のいずれの格子定数も小さくすることができる。ここでは、一例としてGaAsに窒素をドープしたGaNAsを振動部形成層として用いる場合について説明する。GaAsを基板とし、GaNAsを振動部形成層として用いる場合、GaAs基板よりもGaNAs振動部形成層の格子定数が小さいため、GaNAs振動部形成層が引っ張り歪を有することになる。ここで、GaNAs振動部形成層のAsサイトが１つの窒素原子によって置換された状態を、この窒素原子の理想的な状態とする。取り混まれた窒素の中には、Asサイトが２つの窒素原子によって置換された状態、AsサイトがAsと窒素の両方によって置換された状態、格子間に窒素が存在する状態など、理想的な状態で取り混まれていない窒素が存在することが知られている。これらの理想的な状態ではない窒素は、GaNAs振動部形成層において、トラップ、非発光再結合を引き起こすものとして作用することが知られている（非特許文献５、６）。機械振動器においては、これらの理想的ではない状態で存在する窒素が振動体の弾性エネルギーの散逸を増大させる原因となるため、ドープした窒素がすべて理想的な状態にない場合の機械振動器のQ値は、ドープした窒素がすべて理想的な状態にある場合よりも低くなるといった課題がある。

上記の例では、GaNAsを例にとって説明したが、GaAs、InAs、GaSb、InSb、InP、GaPなどの２元ＩＩＩ-Ｖ族化合物半導体混晶ならびにこれらの２元ＩＩＩ-Ｖ族化合物半導体混晶を組み合わせた３元以上のＩＩＩ-Ｖ族化合物半導体混晶のいずれに対して窒素原子をドープしても、理想的ではない状態で取り混まれる窒素が存在することが知られており、これらの窒素原子がドープされた材料を振動部形成層として用いた場合にも上記のGaNAsの場合と同様の課題がある。

本発明による微小機械共振器は、選択的にエッチングできる犠牲層と、すべてもしくは一部に窒素をドープしたＩＩＩ-Ｖ族化合物半導体を用いた振動部形成層と、犠牲層を選択エッチングしてできた空間と、振動部形成層に形成された振動部とから構成される。この振動部形成層のすべてもしくは一部を形成する窒素ドープＩＩＩ-Ｖ族化合物半導体において、V族サイトが１つの窒素によって置換された状態を理想的な状態とすると、理想的ではない状態で存在する窒素は共振器の弾性エネルギーの散逸を促進しQ値を低下させる。これらの理想的ではない状態で存在する窒素を、試料がウエハー状態のとき、もしくは微小機械共振器の製作工程の途中、もしくは微小機械共振器の製作工程終了後にアニール処理によって取り除くことで、きわめて高いＱ値を有する微小機械振動器を得ることができる。アニールは水素中で施すのが効果的であるが、窒素やアルゴンなどの不活性ガス中、真空中、真空中でAs照射下、As雰囲気中、大気中、もしくはこれらの混合ガス中で行っても効果がある。

上記微小機械共振器において、振動部は梁もちの梁構造であっても片持ちの梁構造であっても、メンブレンであってもよい。

本発明によれば、振動部形成層のすべてもしくは一部に窒素をドープしたＩＩＩ-Ｖ族化合物半導体を用いた微小機械共振器の作製において、ウエハー状態、もしくは素子作製中、もしくは素子作製後にアニール処理を行うことにより、きわめて高いＱ値の微小機械振動器を得ることができる。

本発明の実施形態にかかる微小機械共振器の製造工程を示す模式図である。本発明の実施形態にかかる微小機械共振器の共振特性を、（a）アニール処理なしの試料、（b）水素中５００℃でアニールした試料、（c）水素中６００℃でアニールした試料、（d）水素中７００℃でアニールした試料をそれぞれ用いた場合のグラフである。従来の微小機械共振器の製造工程を示す模式図である。

図１は、本実施形態にかかる微小機械共振器の製造工程を示す模式図である。本実施形態では、微小機械共振器の基板としてGaAsを、犠牲層としてAlGaAsを、振動部形成層としてGaNAsを用いる。図１（a）に示すように、GaAs基板１０１上に、６５％程度の高濃度Alを含有するAlGaAs犠牲層１０２を形成し、最表面にGaNAsよる振動部形成層１０３を形成する。振動部形成層１０３には、積層方向で一部にのみGaNAsを用い、残りはGaAsを用いてもよい。これらの試料に対して、水素中でアニール処理を施し、理想的でない状態で存在する窒素を取り除く。次にメサエッチングを施し、図１（b）のような細線構造１０４を作成する。最後に、犠牲層をフッ化水素水により選択エッチングを施してAlGaAs犠牲層１０２の表面に露出している部分を除去することによって、図１（c）のような、支持部１０５に支えられた梁構造（振動部）１０６を形成することができる。

図２は、振動部形成層１０３を窒素濃度１%のGaNAsで形成した試料を用いて作製した微小機械振動器の共振特性である。図２（a）アニール処理を施さなかった場合、図２（b）は図１（a）の構造を作製する工程後に試料を水素中５００℃で1分間アニールした後に図１（b）の構造を作製する工程を行った場合、図２（c）は図２（b）の場合と同様であるが600℃で1分間、図２（d）は700℃で１分間アニールした場合の、作製した微小機械振動器の共振特性を示す。図２のグラフにおいて、点は実験値、曲線は実験値をローレンツ関数でフィッティングしたものである。Ｑ値は、フィッティングしたローレンツ関数より算出した。

図２（a）、（b）、（c）、（d）はいずれも、振動部形成層１０３を１００nm厚、全体の幅を１０μｍ、長さを２００μｍとした場合の機械振動器の振動特性である。図２をみても明らかなように、アニール処理を施すとQ値が上昇することがわかる。これは、Ａｓサイトに置換したＮ−Ｎ、Ｎ−Ａｓがアニールにより減少することで、機械振動器の弾性エネルギーの散逸が減少したためである。

本発明の機械振動子の製造方法は、上記のように窒素をドープしたＩＩＩ-Ｖ族化合物半導体に適時アニール処理を施すことにより機械振動器の弾性エネルギーの散逸を減少させることに特徴がある。窒素をドープしたＩＩＩ-Ｖ族化合物半導体に関しては、アニール処理によって発光特性が改善することが報告されており（非特許文献５、６）、この場合のアニールは非発光再結合中心の低減を狙ったものである。これに対して、本発明におけるアニール処理はフォノン振動数の分散が抑制されることによるものであり、従来技術とは目的ならびに効果が異なるものである。

本実施形態では、GaNAsを振動部形成層に用いた微小機械振動器について説明したが、GaAs、InAs、GaSb、InSb、InP、GaPなどの２元ＩＩＩ-Ｖ族化合物半導体混晶ならびにこれらの２元ＩＩＩ-Ｖ族化合物半導体混晶を組み合わせた３元以上のＩＩＩ-Ｖ族化合物半導体混晶に窒素をドープした場合、アニール処理によってGaNAsの場合と同様に理想的でない状態で取り混まれた窒素を低減できるため、本実施形態と同様の効果が得られることは明らかである。

また、本実施形態では、５００℃から７００℃でアニールした場合について示したが、８５０℃までは試料表面の劣化は起き難いため、８５０℃までの温度でのアニールした場合についても本実施形態と同様の効果が得られることは明らかである。

また、本実施形態では、水素中でアニール処理を施した場合について示したが、試料の表面処理を行うことにより水素中以外にも様々な雰囲気中でアニール処理することが可能であり、窒素に代表される不活性ガス雰囲気中、ヒ素雰囲気中、真空中、大気中、ならびに水素、窒素などの不活性ガス、ヒ素、大気の全てまたは一部混合した雰囲気中でアニール処理しても、理想的でない状態で取り混まれた窒素を低減できるため、本実施形態と同様の効果が得られることは明らかである。

また、本実施形態では、図１（a）の構造を作製する工程後にアニール処理し、その後図１（b）の構造を作製する工程を行ったが、図１（b）の構造を作製する工程後にアニール処理し、その後図１（c）の構造を作製する工程を行う場合、図１（ｃ）の構造を作製する工程後にアニール処理する場合についても同様に、本実施形態と同様の効果が得られることは明らかである。

１０１ GaAs基板
１０２ AlGaAs犠牲層
１０３ GaNAs振動部形成層
１０４細線構造
１０５支持部
１０６梁構造（振動部）
３０１ GaAs基板
３０２ AlGaAs犠牲層
３０３ GaAsもしくはAlGaAs振動部形成層
３０４細線構造
３０５支持部
３０６梁構造（振動部）

Claims

基板上に、犠牲層を形成する工程と、
前記犠牲層上に窒素をドーピングしたＩＩＩ-Ｖ族化合物半導体を含む振動部形成層を形成する工程と、
前記振動部形成層に振動部を形成する工程と、
エッチングにより、前記犠牲層の表面に露出している部分を除去する工程と
を備え、
前記犠牲層と、前記振動部形成層とが形成された前記基板をアニール処理する工程をさらに備えたことを特徴とする機械共振器の作製方法。
請求項１に記載の機械共振器の作製方法において、前記犠牲層は、GaAs、InAs、GaSb、InSb、InP、GaPの２元ＩＩＩ-Ｖ族化合物半導体混晶ならびにこれらの２元ＩＩＩ-Ｖ族化合物半導体混晶を組み合わせた３元以上のＩＩＩ-Ｖ族化合物半導体混晶のいずれかであることを特徴とする方法。
請求項１または２に記載の機械共振器の作製方法において、５００℃から８５０℃でアニール処理をすることを特徴とする方法。
請求項１乃至３のいずれかに記載の機械共振器の作製方法において、前記アニール処理する工程は、前記振動部形成層を形成する工程と前記振動部を形成する工程との間、または、前記振動部を形成する工程と前記除去する工程との間、または、前記除去する工程のあとのいずれかに行われることを特徴とする方法。
請求項１乃至４のいずれかに記載の機械共振器の作製方法において、前記アニール処理する工程は、水素雰囲気、または、不活性ガス雰囲気、または、砒素雰囲気、または、真空中、または、大気中のいずれかまたはいずれか２つ以上を混合した雰囲気中で行われることを特徴とする方法。
請求項１乃至５のいずれかに記載の機械共振器の作製方法において、前記振動部形成層は、積層方向で一部分が窒素をドーピングしたＩＩＩ-Ｖ族化合物半導体であり、前記振動部形成層の残りの部分は窒素をドーピングしていないＩＩＩ-Ｖ族化合物半導体であることを特徴とする方法。
請求項１乃至６のいずれかに記載の機械共振器の作製方法において、前記振動部は、梁構造、またはメンブレン構造のいずれかの構造をなしていることを特徴とする方法。