JP6028927B2 - 振動子の製造方法、振動子、および発振器 - Google Patents
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Description
本発明は、振動子の製造方法、振動子、および発振器に関する。
近年、基板上に、圧電体層を上下の電極で挟んだ圧電素子を備えた圧電振動子が開発されている。このような圧電振動子は、例えば、クロックモジュール等の発振器の発振部分（発振子）として用いられる。
例えば特許文献１には、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板上に駆動部となる圧電素子を形成し、ＳＯＩ基板のシリコン層に複数のビーム部（振動部）および空隙部を形成し、空隙部を通じてＳＯＩ基板の酸化物層を除去し、振動部の下に開口部（窪み部）を形成する工程が記載されている。さらに、特許文献１では、シリコン層に連続する第１支持部と、複数の振動部が接続されている第２支持部と、を有する支持部が開示されており、第２支持部は、複数の振動部の振動を第１支持部に伝播させない機能を有することが記載されている。このような機能を有するため、支持部の長さ（振動部の延出方向と平行な方向の長さ）は、圧電振動子の設計において、重要な要素である。
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、ＳＯＩ基板を用いているため、コストが高くなる。さらに、特許文献１に記載の技術において、仮に安価なシリコン基板を用いたとしても、特許文献１に記載の技術では、窪み部の深さを決定するためのエッチング工程と、支持部の長さを決定するためのエッチング工程と、を同一の工程で行っているため、窪み部の深さと支持部の長さとを個別に制御することが難しい。そのため、高精度な振動子を形成することができない場合がある。
本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、安価で、高い精度を有することができる振動子の製造方法を提供することにある。また、本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、安価で、高い精度を有することができる振動子、および該振動子を含む発振器を提供することにある。
本発明は前述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の態様又は適用例として実現することができる。
［適用例１］
本発明に係る振動子の製造方法の一態様は、
シリコン基板を覆う第１被覆層を成膜する工程と、
前記第１被覆層を所定形状にパターニングする工程と、
前記シリコン基板および前記第１被覆層を覆う半導体層を成膜する工程と、
前記半導体層をパターニングして、前記第１被覆層上に梁状となる振動部、および振動部を支持する支持部を形成する工程と、
前記振動部および前記支持部を避けて前記第１被覆層をパターニングして、前記シリコ
ン基板を露出させる開口部を形成する工程と、
前記開口部を通じて前記シリコン基板を除去し、前記振動部と重なる位置に窪み部を形成する工程と、
前記第１被覆層を除去する工程と、
を含み、
前記振動部および前記支持部を形成する工程では、
前記シリコン基板上に位置する第１部分と、前記第１部分と前記振動部とを接続し前記第１被覆層上に位置する第２部分と、を有する前記支持部を形成する。
本発明に係る振動子の製造方法の一態様は、
シリコン基板を覆う第１被覆層を成膜する工程と、
前記第１被覆層を所定形状にパターニングする工程と、
前記シリコン基板および前記第１被覆層を覆う半導体層を成膜する工程と、
前記半導体層をパターニングして、前記第１被覆層上に梁状となる振動部、および振動部を支持する支持部を形成する工程と、
前記振動部および前記支持部を避けて前記第１被覆層をパターニングして、前記シリコ
ン基板を露出させる開口部を形成する工程と、
前記開口部を通じて前記シリコン基板を除去し、前記振動部と重なる位置に窪み部を形成する工程と、
前記第１被覆層を除去する工程と、
を含み、
前記振動部および前記支持部を形成する工程では、
前記シリコン基板上に位置する第１部分と、前記第１部分と前記振動部とを接続し前記第１被覆層上に位置する第２部分と、を有する前記支持部を形成する。
このような振動子の製造方法によれば、第１被覆層を所定形状にパターニングする工程において、支持部の第１部分と第２部分との境界線の位置が決定される。さらに、第１被覆層上に梁状となる振動部を形成する工程において、振動部の根元（第２部分と振動部との境界線）の位置が決定される。以上により、支持部の第２部分の長さを決定することができる。さらに、このような振動子の製造方法では、窪み部を形成する工程において、窪み部の深さを決定することができる。したがって、このような振動子の製造方法では、支持部の第２部分の長さと、窪み部の深さと、を別個独立に（連動することなく）決定することができる。すなわち、第２部分の長さと、窪み部の深さと、を個別に制御することができる。よって、このような振動子の製造方法では、様々な設計要求に対応することができ、高い精度を有することができる振動子を得ることができる。
さらに、このような振動子の製造方法によれば、シリコン基板を用いている。そのため、ＳＯＩ基板を用いる場合に比べて、安価に振動子を形成することができる。
以上のように、このような振動子の製造方法によれば、安価で、高い精度を有することができる振動子を得ることができる。
［適用例２］
適用例１において、
前記開口部を形成する工程の前に、
前記振動部および前記支持部を覆う第２被覆層を成膜する工程を含み、
前記開口部を形成する工程では、
前記第１被覆層および前記第２被覆層をパターニングして、前記開口部を形成し、
前記第１被覆層を除去する工程では、
前記第１被覆層および前記第２被覆層を除去してもよい。
適用例１において、
前記開口部を形成する工程の前に、
前記振動部および前記支持部を覆う第２被覆層を成膜する工程を含み、
前記開口部を形成する工程では、
前記第１被覆層および前記第２被覆層をパターニングして、前記開口部を形成し、
前記第１被覆層を除去する工程では、
前記第１被覆層および前記第２被覆層を除去してもよい。
このような振動子の製造方法によれば、窪み部を形成する工程において、支持部および振動部がエッチング液等に曝されることを抑制することができる。したがって、支持部および振動部がエッチングされることを抑制することができる。
［適用例３］
適用例１または２において、
前記振動部および前記支持部を形成する工程の前に、
前記半導体層上に圧電素子を形成する工程を含み、
前記振動部および前記支持部を形成する工程では、
前記振動部上に前記圧電素子が位置するように、前記半導体層をパターニングしてもよい。
適用例１または２において、
前記振動部および前記支持部を形成する工程の前に、
前記半導体層上に圧電素子を形成する工程を含み、
前記振動部および前記支持部を形成する工程では、
前記振動部上に前記圧電素子が位置するように、前記半導体層をパターニングしてもよい。
このような振動子の製造方法によれば、圧電素子の圧電効果によって、振動部を振動させることができる。
［適用例４］
適用例１ないし３のいずれか１例において、
前記振動部を形成する工程では、
片持ち梁状となる前記振動部を形成し、
前記開口部を形成する工程では、
前記開口部を、前記振動部の根元よりも先端側に形成してもよい。
適用例１ないし３のいずれか１例において、
前記振動部を形成する工程では、
片持ち梁状となる前記振動部を形成し、
前記開口部を形成する工程では、
前記開口部を、前記振動部の根元よりも先端側に形成してもよい。
このような振動子の製造方法によれば、例えば、窪み部を形成する際のオーバーエッチング量が大きくなったとしても、支持部の第１部分は、より確実に、シリコン基板に接していることができる。
［適用例５］
適用例１ないし４のいずれか１例において、
前記振動部および前記支持部を形成する工程では、
複数の前記振動部を形成し、
隣り合う前記振動部は、互いに反対方向に変位して前記シリコン基板の厚さ方向に振動してもよい。
適用例１ないし４のいずれか１例において、
前記振動部および前記支持部を形成する工程では、
複数の前記振動部を形成し、
隣り合う前記振動部は、互いに反対方向に変位して前記シリコン基板の厚さ方向に振動してもよい。
このような振動子の製造方法によれば、支持部の第２部分において、振動部の振動に起因する応力（ねじれ）を、緩和することができる。その結果、振動部の振動に起因する応力が、支持部の第１部分に伝達されることを抑制することができる。
［適用例６］
適用例１ないし５のいずれか１例において、
前記第１被覆層を所定形状にパターニングする工程におけるパターニング、および前記振動部および前記支持部を形成する工程におけるパターニングは、フォトリソグラフィーおよびエッチングにより行われてもよい。
適用例１ないし５のいずれか１例において、
前記第１被覆層を所定形状にパターニングする工程におけるパターニング、および前記振動部および前記支持部を形成する工程におけるパターニングは、フォトリソグラフィーおよびエッチングにより行われてもよい。
このような振動子の製造方法によれば、支持部の第２部分の長さのばらつきを、小さくすることができる。
［適用例７］
本発明に係る振動子の一態様は、
表面に窪み部が形成されているシリコン基板と、
前記窪み部の上方に空隙を介して形成された梁状の振動部、および前記表面に形成され前記振動部を支持する支持部を有する半導体層と、
を含み、
前記支持部は、
前記表面に固定された第１部分と、
前記第１部分と前記振動部とを接続し、前記表面の上方に空隙を介して形成された第２部分と、
を有し、
前記振動部は、前記第２部分から第１方向に延出し、
前記第２部分の前記第１方向と交差する第２方向の大きさは、前記振動部の前記第２方向の大きさよりも大きい。
本発明に係る振動子の一態様は、
表面に窪み部が形成されているシリコン基板と、
前記窪み部の上方に空隙を介して形成された梁状の振動部、および前記表面に形成され前記振動部を支持する支持部を有する半導体層と、
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前記支持部は、
前記表面に固定された第１部分と、
前記第１部分と前記振動部とを接続し、前記表面の上方に空隙を介して形成された第２部分と、
を有し、
前記振動部は、前記第２部分から第１方向に延出し、
前記第２部分の前記第１方向と交差する第２方向の大きさは、前記振動部の前記第２方向の大きさよりも大きい。
このような振動子によれば、安価で、高い精度を有することができる。
［適用例８］
本発明に係る発振器の一態様は、
適用例７に記載の振動子と、
前記振動部を駆動させるための回路部と、
を含む。
本発明に係る発振器の一態様は、
適用例７に記載の振動子と、
前記振動部を駆動させるための回路部と、
を含む。
このような発振器によれば、本発明に係る振動子を有するので、安価で、高い精度を有することができる。
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。
１． 振動子
まず、本実施形態に係る振動子について、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る振動子１００を模式的に示す平面図および断面図である。なお、図１（Ａ）は振動子１００の平面図を示し、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図を示し、図１（Ｃ）は図１（Ａ）のＣ−Ｃ線断面図を示している。また、図１（Ａ）では、互いに直交する３つの軸として、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸を図示している。以下では、Ｘ軸に平行な方向をＸ軸方向（第１方向）とし、Ｙ軸に平行な方向をＹ軸方向（第２方向）とし、Ｚ軸に平行な方向をＺ軸方向とする。
まず、本実施形態に係る振動子について、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る振動子１００を模式的に示す平面図および断面図である。なお、図１（Ａ）は振動子１００の平面図を示し、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図を示し、図１（Ｃ）は図１（Ａ）のＣ−Ｃ線断面図を示している。また、図１（Ａ）では、互いに直交する３つの軸として、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸を図示している。以下では、Ｘ軸に平行な方向をＸ軸方向（第１方向）とし、Ｙ軸に平行な方向をＹ軸方向（第２方向）とし、Ｚ軸に平行な方向をＺ軸方向とする。
振動子１００は、図１に示すように、シリコン基板１０と、半導体層２０と、圧電素子３０と、を含む。
シリコン基板１０は、例えば、シリコンからなる基板である。図示の例では、シリコン基板１０の平面形状（Ｚ軸方向から見た形状）は、矩形である。シリコン基板１０は、表面１２を有している。表面１２は、例えば、平坦な面である。
シリコン基板１０の表面１２には、窪み部１４が形成されている。窪み部１４の深さ（Ｚ軸方向の大きさ）Ｄは、例えば、０．１μｍ以上２００μｍ以下である。窪み部１４は、平面視において（Ｚ軸方向から見て）、半導体層２０の振動部２６と重なる位置に形成
されている。窪み部１４によって、振動部２６は、シリコン基板１０に接触することなく、振動することができる。
されている。窪み部１４によって、振動部２６は、シリコン基板１０に接触することなく、振動することができる。
半導体層２０は、シリコン基板１０上に形成されている。半導体層２０は、例えば、シリコン層である。より具体的には、半導体層２０の材質は、ポリシリコンである。半導体層２０は、支持部２１と、振動部２６と、を有している。支持部２１および振動部２６は、一体的に形成されている。
支持部２１は、シリコン基板１０の表面１２に形成されている。支持部２１は、振動部２６を支持している。支持部２１は、第１部分２２と、第２部分２４と、を有している。第１部分２２および第２部分２４は、一体的に形成されている。
支持部２１の第１部分２２は、シリコン基板１０の表面１２に固定されている。第１部分２２は、窪み部１４の縁（外周）１５から離間して形成されている。図示の例では、第１部分２２は、平面視において、窪み部１４を囲んで形成され、矩形の枠状の形状を有している。第１部分２２は、図１（Ｂ）に示すように、薄膜部と厚膜部とを有する略Ｌ字型の形状を有し、第２部分２４は、厚膜部に接続されている。
支持部２１の第２部分２４は、第１部分２２と振動部２６とを接続している。第２部分２４は、シリコン基板１０の表面１２の上方に空隙を介して形成されている。すなわち、支持部２１は、上方に向けて立ち上がった形状を有している。第２部分２４と表面１２との間の距離Ｔは、例えば、０．００１μｍ以上１０μｍ以下である。図示の例では、第２部分２４は、平面視において、窪み部１４を囲んで形成された第１部分２２から延出しており、矩形の枠状の形状を有している。
振動部２６は、第２部分２４に接続され、第２部分２４からＸ軸方向に延出している。振動部２６は、窪み部１４の上方に空隙を介して形成されている。図示の例では、振動部２６は、平面視において、窪み部１４の縁１５の内側に位置している。振動部２６の形状は、Ｘ軸方向を長手方向とする梁状である。振動部２６の平面形状は、例えば、矩形である。図示の例では、振動部２６の形状は、振動部２６の一方の端部が支持部２１に接続されている片持ち梁状である。すなわち、振動部２６は、カンチレバーである。なお、図示はしないが、振動部２６の形状は、振動部２６の両方の端部が支持部２１に接続されている両持ち梁状であってもよい。
振動部２６のＸ軸方向の大きさ（具体的は、振動部２６の先端２７と根元２８との間の距離）Ｌ１は、例えば、０．１μｍ以上１０００μｍ以下である。振動部２６の根元２８と、第１部分２２と第２部分２４との境界線２３と、の間の距離（Ｘ軸方向における距離）Ｌ２は、例えば、０．１μｍ以上５００μｍ以下である。Ｌ２は、Ｌ１以下である。Ｌ２は、振動部２６と第１部分２２とを接続する第２部分２４のＸ軸方向の大きさ（長さ）ともいえる。振動部２６の根元２８は、第２部分２４と振動部２６との境界線ともいえる。
振動部２６のＸ軸方向と交差する方向（具体的にはＹ軸方向）の大きさＷ１は、例えば、０．１μｍ以上１０００μｍ以下である。振動部２６と第１部分２２とを接続する第２部分２４のＹ軸方向の大きさＷ２は、例えば、１μｍ以上１００００μｍ以下である。Ｗ２は、Ｗ１よりも大きい。Ｗ２は、矩形状の枠状の平面形状を有している第１部分２２において、Ｘ軸方向に延出している延出部分２２ａ，２２ｂ間の距離ともいえる。
振動部２６は、複数設けられている。図示の例では、振動部２６は、３つ設けられている。３つの振動部２６の間隔は、例えば、等しい。振動部２６は、圧電素子３０の圧電効
果（圧電素子３０に電圧を印加すると圧電素子３０が変形する現象）に応じて、シリコン基板１０の厚さ方向（Ｚ軸方向）に振動する。振動部２６ａ，２６ｂと、振動部２６ａ，２６ｂ間に位置する振動部２６ｃとは、互いに反対方向に変位する。すなわち、振動部２６ａ，２６ｂが＋Ｚ軸方向（上方）に変位する場合は、振動部２６ｃは−Ｚ軸方向（下方）に変位する。反対に、振動部２６ａ，２６ｂが−Ｚ軸方向に変位する場合は、振動部２６ｃは＋Ｚ軸方向に変位する。このように、振動部２６ａ，２６ｂと振動部２６ｃとが互いに反対方向に変位することにより、支持部２１の第２部分２４において、振動部２６ａ，２６ｂ，２６ｃの振動に起因する応力（ねじれ）を、緩和することができる。これにより、振動部２６ａ，２６ｂ，２６ｃの振動に起因する応力が、支持部２１の第１部分２２に伝達されることを抑制することができる。
果（圧電素子３０に電圧を印加すると圧電素子３０が変形する現象）に応じて、シリコン基板１０の厚さ方向（Ｚ軸方向）に振動する。振動部２６ａ，２６ｂと、振動部２６ａ，２６ｂ間に位置する振動部２６ｃとは、互いに反対方向に変位する。すなわち、振動部２６ａ，２６ｂが＋Ｚ軸方向（上方）に変位する場合は、振動部２６ｃは−Ｚ軸方向（下方）に変位する。反対に、振動部２６ａ，２６ｂが−Ｚ軸方向に変位する場合は、振動部２６ｃは＋Ｚ軸方向に変位する。このように、振動部２６ａ，２６ｂと振動部２６ｃとが互いに反対方向に変位することにより、支持部２１の第２部分２４において、振動部２６ａ，２６ｂ，２６ｃの振動に起因する応力（ねじれ）を、緩和することができる。これにより、振動部２６ａ，２６ｂ，２６ｃの振動に起因する応力が、支持部２１の第１部分２２に伝達されることを抑制することができる。
なお、図示はしないが、振動部２６の数は１つでもよく、この場合でも、支持部２１の第２部分２４において、振動部２６の振動に起因する応力を緩和することができるが、第２部分２４における応力緩和の効果は、上記のように、振動部２６が複数設けられ、隣り合う振動部２６が互いに反対方向に変位する場合に、特に有効である。
圧電素子３０は、振動部２６上に形成されている。圧電素子３０は、複数の振動部２６に対応して、複数形成されている。ここで、図２は、図１に示す領域ＩＩの拡大図であり、圧電素子３０を模式的に示す断面図である。圧電素子３０は、図２に示すように、第１電極層３２と、圧電体層３４と、第２電極層３６と、を有している。
圧電素子３０の第１電極層３２は、振動部２６上に形成されている。第１電極層３２の材質は、例えば、白金、イリジウム、ニッケル、またはこれらの導電性酸化物である。第１電極層３２は、圧電体層３４に電圧を印加するための一方の電極である。
圧電素子３０の圧電体層３４は、第１電極層３２上に形成されている。圧電体層３４の材質は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３：ＰＺＴ）、ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｏ３：ＰＺＴＮ）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）である。圧電体層３４は、圧電性を有することができ、電極層３２，３６によって電圧が印加されることで変形することができる。
圧電素子３０の第２電極層３６は、圧電体層３４上に形成されている。第２電極層３６の材質は、例えば、白金、イリジウム、ニッケル、またはこれらの導電性酸化物である。第２電極層３６は、圧電体層３４に電圧を印加するための他方の電極である。
圧電素子３０は、振動部２６上に形成されていれば、支持部２１上には形成されていなくてもよい。例えば、支持部２１上には、第１電極層３２に接続された第１配線（図示せず）、および第２電極層３６に接続された第２配線（図示せず）が形成されていてもよい。
なお、図示はしないが、振動部２６ａ上に形成された圧電素子３０の第１電極層３２と、振動部２６ｂ上に形成された圧電素子３０の第１電極層３２と、振動部２６ｃ上に形成された圧電素子３０の第２電極層３６とは、第１パッドに電気的に接続されている。また、振動部２６ａ上に形成された圧電素子３０の第２電極層３６と、振動部２６ｂ上に形成された圧電素子３０の第２電極層３６と、振動部２６ｃ上に形成された圧電素子３０の第１電極層３２とは、第２パッドに電気的に接続されている。これにより、第１パッドと第２パッドとの間に電圧（交番電圧）を印加することにより、上記のように、振動部２６ａ，２６ｂと、振動部２６ｃと、を互いに反対方向に変位させることができる。
振動子１００は、例えば、以下の特徴を有する。
振動子１００によれば、第２部分２４の長さＬ２と、窪み部１４の深さＤと、を個別に制御することができる（詳細は後述）。したがって、振動子１００は、高い精度を有することができる。さらに、振動子１００にでは、シリコン基板１０を用いている。そのため、振動子１００は、ＳＯＩ基板や、シリコン基板上に非常に厚い（例えば１．０μｍ以上の）酸化シリコン層を形成した基板を用いる場合に比べて、安価である。以上のように、振動子１００は、安価で高い精度を有することができる。
振動子１００によれば、振動部２６を支持する支持部２１は、シリコン基板１０の表面１２に固定された第１部分２２と、第１部分２２と振動部２６とを接続し、表面１２の上方に空隙を介して形成された第２部分２４と、を有している。そのため、例えば、振動部がシリコン基板の表面と接触している第２部分から延出している場合に比べて、振動部２６の先端２７と、窪み部１４の底面と、の距離を大きくすることができる。これにより、例えば、窪み部１４を洗浄する工程において、振動部２６が表面張力により、窪み部１４の底面に張り付いてしまうこと（スティッキング）を抑制することができる。
振動子１００によれば、支持部２１の第２部分２４は、窪み部１４の縁１５の上方に位置している。そのため、例えば、振動部２６が表面張力によって、窪み部１４の底面側に変位したとしても、第２部分２４が縁１５と接触することにより、スティッキングを抑制することができる。第２部分２４と縁１５との接触面積は、小さいため、第２部分２４が縁１５に張り付いてしまう可能性は低い。
２． 振動子の製造方法
次に、本実施形態に係る振動子の製造方法について、図面を参照しながら説明する。図３〜図１１は、本実施形態に係る振動子１００の製造工程を模式的に示す平面図および断面図である。なお、図３（Ａ）〜図１１（Ａ）は平面図を示し、図３（Ｂ）〜図１１（Ｂ）はそれぞれ図３（Ａ）〜図１１（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図を示し、図３（Ｃ）〜図１１（Ｃ）はそれぞれ図３（Ａ）〜図１１（Ａ）のＣ−Ｃ線断面図を示している。また、図３（Ａ）〜図１１（Ａ）では、互いに直交する３つの軸として、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸を図示している。
次に、本実施形態に係る振動子の製造方法について、図面を参照しながら説明する。図３〜図１１は、本実施形態に係る振動子１００の製造工程を模式的に示す平面図および断面図である。なお、図３（Ａ）〜図１１（Ａ）は平面図を示し、図３（Ｂ）〜図１１（Ｂ）はそれぞれ図３（Ａ）〜図１１（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図を示し、図３（Ｃ）〜図１１（Ｃ）はそれぞれ図３（Ａ）〜図１１（Ａ）のＣ−Ｃ線断面図を示している。また、図３（Ａ）〜図１１（Ａ）では、互いに直交する３つの軸として、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸を図示している。
図３に示すように、シリコン基板１０の表面１２を覆う第１被覆層４０を成膜する。第１被覆層４０は、例えば、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、スパッタ法により成膜される。第１被覆層４０の厚さは、第１被覆層４０に生じる膜ストレスや、第１被覆層４０をエッチングする際のエッチング残りを考慮して適宜決定される。具体的には、第１被覆層４０の厚さ（Ｚ軸方向の大きさ）は、支持部２１の第２部分２４と、シリコン基板１０の表面１２と、の間の距離Ｔ（図１参照）と同じである。第１被覆層４０は、シリコン基板１０および半導体層２０とのエッチング速度の比が大きい材質からなることが好ましい。具体的には、第１被覆層４０は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）層、窒化シリコン（ＳｉＮ）層、酸化窒化シリコン（ＳｉＯＮ）層である。
図４に示すように、第１被覆層４０を所定形状にパターニングする。パターニングは、フォトリソグラフィーおよびエッチングにより行われる。本工程により、シリコン基板１０の表面１２が露出する。図示の例では、第１被覆層４０を矩形状にパターニングし、露出した表面１２の平面形状は、矩形状の枠状となる。平面視において、支持部２１の第１部分２２と第２部分２４との境界線２３（図１参照）の位置は、第１被覆層４０の外縁４１の位置となる。すなわち、本工程により、境界線２３の位置が決定される。
図５に示すように、露出されたシリコン基板１０の表面１２、および第１被覆層４０を覆う半導体層２０を成膜する。半導体層２０は、例えば、ＣＶＤ法、スパッタ法により成
膜される。
膜される。
図６に示すように、第１被覆層４０を覆う圧電素子層３０ａを成膜する。圧電素子層３０ａは、圧電素子３０を構成する層である。圧電素子層３０ａは、半導体層２０上に、第１電極層３２、圧電体層３４、および第２電極層３６（図２参照）を、この順で成膜することより得られる。電極層３２，３６は、例えば、真空蒸着法、スパッタ法により成膜される。圧電体層３４は、例えば、スパッタ法、ゾルゲル法、レーザーアブレーション法により成膜される。
図７に示すように、圧電素子層３０ａを所定形状にパターニングする。パターニングは、フォトリソグラフィーおよびエッチングにより行われる。図示の例では、圧電素子層３０ａを矩形状にパターニングする。本工程により、半導体層２０上に圧電素子３０を形成することができる。
図８に示すように、半導体層２０をパターニングして、第１被覆層４０上に梁状となる振動部２６、および振動部２６を支持する支持部２１を形成する。具体的には、シリコン基板１０上に位置する第１部分２２と、第１部分２２と振動部２６とを接続し第１被覆層４０上に位置する第２部分２４と、を有する支持部２１を形成する。パターニングは、フォトリソグラフィーおよびエッチングにより行われる。本工程では、振動部２６上に圧電素子３０が位置するように、半導体層２０をパターニングする。さらに、本工程では、平面視において、第１被覆層４０の外縁４１の内側に振動部２６の根元２８が位置するように、半導体層２０をパターニングする。本工程により、振動部２６の根元（第２部分２４と振動部２６との境界線）２８の位置が決定される。
図９に示すように、支持部２１、振動部２６、および圧電素子３０を覆う第２被覆層４２を成膜する。第２被覆層４２は、例えば、第１被覆層４０と同じ方法で成膜される。第２被覆層４２は、シリコン基板１０および半導体層２０とのエッチング速度の比が大きい材質からなることが好ましい。具体的には、第２被覆層４２は、第１被覆層４０と同じ材質の層である。
図１０に示すように、支持部２１および振動部２６を避けて被覆層４０，４２をパターニングして、シリコン基板１０の表面１２を露出させる開口部４４を形成する。パターニングは、フォトリソグラフィーおよびエッチングにより行われる。図示の例では、開口部４４の平面形状は、Ｘ軸方向に延出する複数の突出部を有する櫛歯状であり、複数の突起部の間に、振動部２６が位置している。
図１１に示すように、開口部４４を通じてシリコン基板１０を除去し、平面視において振動部２６と重なる位置に窪み部１４を形成する。具体的には、開口部４４にエッチング液またはエッチングガスを通して、シリコン基板１０をエッチングし、窪み部１４を形成する。本工程におけるエッチングは、例えば、等方性のエッチングである。より具体的には、本工程におけるエッチングは、ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）やＫＯＨやＥＤＰ（エチレンジアミンピロカテコール）やＨＦ＋ＨＮＯ３＋ＣＨ３ＣＯＯＨやＸｅＦ２やＳＦ６を用いて行われる。本工程により、窪み部１４の深さＤが決定される。なお、窪み部１４を形成した後に、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）や水によって、窪み部１４を洗浄してもよい。
図１に示すように、被覆層４０，４２を除去する。被覆層４０，４２は、例えば、公知の方法により除去される。本工程により、支持部２１、振動部２６、および圧電素子３０が露出される。
以上の工程により、振動子１００を製造することができる。
振動子１００の製造方法は、例えば、以下の特徴を有する。
振動子１００の製造方法によれば、第１被覆層４０を所定形状にパターニングする工程と、シリコン基板１０および第１被覆層４０を覆う半導体層２０を成膜する工程と、半導体層２０をパターニングして、第１被覆層４０上に梁状となる振動部２６、および振動部を支持する支持部２１を形成する工程と、振動部２６および支持部２１を避けて第１被覆層４０をパターニングして、シリコン基板１０を露出させる開口部４４を形成する工程と、開口部４４を通じてシリコン基板１０を除去し、振動部２６と重なる位置に窪み部１４を形成する工程と、を含む。そのため、振動子１００の製造方法では、第１被覆層４０を所定形状にパターニングする工程において、第１部分２２と第２部分２４との境界線２３の位置が決定される。さらに、振動部２６および支持部２１を形成する工程において、振動部２６の根元（第２部分２４と振動部２６との境界線）２８の位置が決定される。以上により、支持部２１の第２部分２４の長さＬ２を決定することができる。さらに、振動子１００の製造方法では、窪み部１４を形成する工程において、窪み部１４の深さＤを決定することができる。
このように、振動子１００の製造方法では、支持部２１の第２部分２４の長さＬ２と、窪み部１４の深さＤと、を別個独立に（連動することなく）決定することができる。すなわち、第２部分２４の長さＬ２と、窪み部１４の深さＤと、を個別に制御することができる。したがって、振動子１００の製造方法では、様々な設計要求に対応することができ、高い精度を有することができる振動子１００を得ることができる。
さらに、振動子１００の製造方法によれば、シリコン基板１０を用いている。そのため、上記のように、ＳＯＩ基板等を用いる場合に比べて、安価に振動子１００を形成することができる。
以上のように、振動子１００の製造方法によれば、安価で、高い精度を有することができる振動子１００を得ることができる。
振動子１００の製造方法によれば、開口部４４を形成する工程の前に、支持部２１、振動部２６、および圧電素子３０を覆う第２被覆層４２を成膜する工程を含む。そのため、窪み部１４を形成する工程において、支持部２１、振動部２６、および圧電素子３０がエッチング液等に曝されることを抑制することができる。したがって、支持部２１、振動部２６、および圧電素子３０がエッチングされることを抑制することができる。
振動子１００の製造方法によれば、振動部２６および支持部２１を形成する工程の前に、半導体層２０上に、圧電素子３０を形成する工程を含む。これにより、圧電素子３０の圧電効果によって、振動部２６を振動させることができる。
振動子１００の製造方法によれば、振動部２６および支持部２１を形成する工程では、複数の振動部２６を形成し、隣り合う前記振動部は、互いに反対方向に変位して前記シリコン基板の厚さ方向に振動する。これにより、支持部２１の第２部分２４において、振動部２６の振動に起因する応力（ねじれ）を、緩和することができる。その結果、振動部２６の振動に起因する応力が、支持部２１の第１部分２２に伝達されることを抑制することができる。
振動子１００の製造方法によれば、上記のように、第１被覆層４０を所定形状にパターニングする工程と、振動部２６および支持部２１を形成する工程と、によって、支持部２
１の第２部分２４の長さＬ２を決定することができる。両工程のパターニングは、フォトリソグラフィーおよびエッチングで行われる。したがって、第２部分２４長さＬ２のばらつきを、小さくすることができる。その結果、高い精度を有する振動子１００を得ることができる。
１の第２部分２４の長さＬ２を決定することができる。両工程のパターニングは、フォトリソグラフィーおよびエッチングで行われる。したがって、第２部分２４長さＬ２のばらつきを、小さくすることができる。その結果、高い精度を有する振動子１００を得ることができる。
３． 変形例
次に、本実施形態の変形例に係る振動子について、図面を参照しながら説明する。図１２は、本実施形態の変形例に係る振動子２００を模式的に示す平面図および断面図である。図１３は、本実施形態の変形例に係る振動子２００の製造工程を模式的に示す平面図および断面図であって、図１０に対応している。なお、図１２（Ａ），１３（Ａ）は平面図を示し、図１２（Ｂ），１３（Ｂ）はそれぞれ図１２（Ａ），１３（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図を示し、図１２（Ｃ），１３（Ｃ）はそれぞれ図１２（Ａ），１３（Ａ）のＣ−Ｃ線断面図を示している。また、図１２（Ａ）および図１３（Ａ）では、互いに直交する３つの軸として、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸を図示している。
次に、本実施形態の変形例に係る振動子について、図面を参照しながら説明する。図１２は、本実施形態の変形例に係る振動子２００を模式的に示す平面図および断面図である。図１３は、本実施形態の変形例に係る振動子２００の製造工程を模式的に示す平面図および断面図であって、図１０に対応している。なお、図１２（Ａ），１３（Ａ）は平面図を示し、図１２（Ｂ），１３（Ｂ）はそれぞれ図１２（Ａ），１３（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図を示し、図１２（Ｃ），１３（Ｃ）はそれぞれ図１２（Ａ），１３（Ａ）のＣ−Ｃ線断面図を示している。また、図１２（Ａ）および図１３（Ａ）では、互いに直交する３つの軸として、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸を図示している。
以下、本実施形態の変形例に係る振動子２００において、本実施形態に係る振動子１００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
振動子１００では、図１に示すように、窪み部１４の縁１５の上方に支持部２１の第２部分２４が位置し、縁１５の上方には、振動部２６は位置していなかった。これに対し、振動子２００では、図１２に示すように、縁１５の上方に振動部２６が位置している。すなわち、平面視において、振動部２６は、縁１５と重なっている。そのため、振動子２００では、縁１５と、支持部２１の第１部分２２と、の間の距離（具体的には、縁１５と、根元２８から最も近い第１部分２２と、の間の距離）Ｌ３を、振動子１００に比べて、大きくすることができる。
振動子２００の製造方法では、図１３に示すように、開口部４４を形成する工程において、開口部４４を、片持ち梁状となる振動部２６の根元２８よりも先端２７側に形成する。図示の例では、開口部４４を、平面視において振動部２６を二等分にする仮想直線Ｐよりも、先端２７に形成する。仮想直線Ｐは、Ｙ軸に平行な直線である。
上記のこと以外は、振動子２００の製造方法は、振動子１００の製造方法と基本的に同じである。したがって、その詳細な説明を省略する。
振動子２００の製造方法は、例えば、以下の特徴を有する。
振動子２００の製造方法によれば、例えば振動子１００に比べて、Ｌ３を大きくすることができる。そのため、例えば、窪み部１４を形成する際のオーバーエッチング量が大きくなったとしても、支持部２１の第１部分２２は、より確実に、シリコン基板１０の表面１２に接していることができる。
振動子２００の製造方法によれば、窪み部１４の縁１５の上方に振動部２６を形成する。そのため、振動子２００では、例えば、窪み部１４を洗浄する工程において、振動部２６が表面張力により窪み部１４の底面側に変位したとしても、振動部２６の先端２７が窪み部１４の底面に接触する前に、より確実に、振動部２６は縁１５に接触する。したがって、振動子２００では、より確実に、スティッキングを抑制することができる。
４． 発振器
次に、本実施形態に係る発振器について、図面を参照しながら説明する。図１４は、本
実施形態に係る発振器３００を示す回路図である。
次に、本実施形態に係る発振器について、図面を参照しながら説明する。図１４は、本
実施形態に係る発振器３００を示す回路図である。
発振器３００は、図１３に示すように、例えば、本発明に係る振動子と、反転増幅回路（回路部）３１０と、を含む。以下では、本発明に係る振動子として振動子１００を含む発振器３００について、説明する。
振動子１００は、例えば、上述した第１パッドと電気的に接続された第１端子１００ａと、上述した第２パッドと電気的に接続された第２端子１００ｂと、を有している。第１端子１００ａは、反転増幅回路３１０の出力端子３１０ｂと少なくとも交流的に接続する。第２端子１００ｂは、反転増幅回路３１０の入力端子３１０ａと少なくとも交流的に接続する。反転増幅回路３１０は、振動子１００の振動部２６を駆動させるための回路を構成している。
図示の例では、反転増幅回路３１０は、１つのインバーターから構成されているが、所望の発振条件が満たされるように、複数のインバーター（反転回路）や増幅回路を組み合わせて構成されていてもよい。
発振器３００は、反転増幅回路３１０に対する帰還抵抗を含んで構成されていてもよい。図１４に示す例では、反転増幅回路３１０の入力端子と出力端子とが抵抗３２０を介して接続されている。
発振器３００は、反転増幅回路３１０の入力端子３１０ａと基準電位（接地電位）との間に接続された第１キャパシター３３０と、反転増幅回路３１０の出力端子３１０ｂと基準電位（接地電位）との間に接続された第２キャパシター３３２と、を含んで構成されている。これにより、振動子１００とキャパシター３３０，３３２とで共振回路を構成する発振回路とすることができる。発振器３００は、この発振回路で得られた発振信号ｆを出力する。
発振器３００を構成するトランジスターやキャパシター等の素子（図示せず）は、例えば、シリコン基板１０上に（図１参照）形成されていてもよい。これにより、振動子１００と反転増幅回路３１０をモノリシックに形成することができる。
なお、発振器３００は、図１５に示すように、さらに、分周回路３４０を有していてもよい。分周回路３４０は、発振回路の出力信号Ｖｏｕｔを分周し、発振信号ｆを出力する。これにより、発振器３００は、例えば、出力信号Ｖｏｕｔの周波数よりも低い周波数の出力信号を得ることができる。
発振器３００は、振動子１００を含む。したがって、発振器３００は、安価で、高い精度を有することができる。
上述した実施形態および変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば、各実施形態および各変形例を適宜組み合わせることも可能である。
本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
１０…シリコン基板、１２…表面、１４…窪み部、１５…縁、２０…半導体層、２１…支持部、２２…第１部分、２２ａ，２２ｂ…延出部分、２３…境界線、２４…第２部分、２６…振動部、２７…先端、２８…根元、３０…圧電素子、３０ａ…圧電素子層、３２…第１電極層、３４…圧電体層、３６…第２電極層、４０…第１被覆層、４１…外縁、４２…第２被覆層、４４…開口部、１００，２００…振動子、３００…発振器、３１０…反転増幅回路、３１０ａ…入力端子、３１０ｂ…出力端子、３２０…抵抗、３３０…第１キャパシター、３３２…第２キャパシター、３４０…分周回路
Claims (8)
- シリコン基板を覆う第１被覆層を成膜する工程と、
前記第１被覆層を所定形状にパターニングする工程と、
前記シリコン基板および前記第１被覆層を覆う半導体層を成膜する工程と、
前記半導体層をパターニングして、前記第１被覆層上に梁状となる振動部、および振動部を支持する支持部を形成する工程と、
前記振動部および前記支持部を避けて前記第１被覆層をパターニングして、前記シリコン基板を露出させる開口部を形成する工程と、
前記開口部を通じて前記シリコン基板を除去し、前記振動部と重なる位置に窪み部を形成する工程と、
前記第１被覆層を除去する工程と、
を含み、
前記振動部および前記支持部を形成する工程では、
前記シリコン基板上に位置する第１部分と、前記第１部分と前記振動部とを接続し前記第１被覆層上に位置する第２部分と、を有する前記支持部を形成する、振動子の製造方法。 - 請求項１において、
前記開口部を形成する工程の前に、
前記振動部および前記支持部を覆う第２被覆層を成膜する工程を含み、
前記開口部を形成する工程では、
前記第１被覆層および前記第２被覆層をパターニングして、前記開口部を形成し、
前記第１被覆層を除去する工程では、
前記第１被覆層および前記第２被覆層を除去する、振動子の製造方法。 - 請求項１または２において、
前記振動部および前記支持部を形成する工程の前に、
前記半導体層上に圧電素子を形成する工程を含み、
前記振動部および前記支持部を形成する工程では、
前記振動部上に前記圧電素子が位置するように、前記半導体層をパターニングする、振動子の製造方法。 - 請求項１ないし３のいずれか１項において、
前記振動部を形成する工程では、
片持ち梁状となる前記振動部を形成し、
前記開口部を形成する工程では、
前記開口部を、前記振動部の根元よりも先端側に形成する、振動子の製造方法。 - 請求項１ないし４のいずれか１項において、
前記振動部および前記支持部を形成する工程では、
複数の前記振動部を形成し、
隣り合う前記振動部は、互いに反対方向に変位して前記シリコン基板の厚さ方向に振動する、振動子の製造方法。 - 請求項１ないし５のいずれか１項において、
前記第１被覆層を所定形状にパターニングする工程におけるパターニング、および前記振動部および前記支持部を形成する工程におけるパターニングは、フォトリソグラフィーおよびエッチングにより行われる、振動子の製造方法。 - 表面に窪み部が形成されているシリコン基板と、
前記窪み部の上方に空隙を介して形成された梁状の振動部、および前記表面に形成され前記振動部を支持する支持部を有する半導体層と、
を含み、
前記支持部は、
前記表面に固定された第１部分と、
前記第１部分と前記振動部とを接続し、前記表面の上方に空隙を介して形成された第２部分と、
を有し、
前記振動部は、前記第２部分から第１方向に延出し、
前記第２部分の前記第１方向と交差する第２方向の大きさは、前記振動部の前記第２方向の大きさよりも大きい、振動子。 - 請求項７に記載の振動子と、
前記振動部を駆動させるための回路部と、
を含む、発振器。
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