振子、振荡器、电子设备以及移动体的制作方法_2

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形成所需的层后,通过蚀刻被去除。通过去除牺牲层,在上下和周围的各层之间形成所需的间隙和空洞,或分离地形成所需的结构体。
[0050]以下,对MEMS振子100的结构进行说明。关于MEMS振子100的制造方法,在后述的实施方式中进行说明。
[0051]MEMS振子100构成为包含:基板I ;下部电极10(第I下部电极11、第2下部电极12),其设置在基板I的主面上;支承部26,其经由下部电极10(第2下部电极12)连接在基板I上;上部电极20(基部22和振动部24 —体化而成),其具有连接在支承部26上的基部22等。
[0052]作为优选例,基板I使用硅基板。在基板I上,依次层叠有氧化膜2、氮化膜3,在基板I的主面侧(氮化膜3的表面)的上部,形成有下部电极10 (第I下部电极11、第2下部电极12)、支承部26、上部电极20等。
[0053]此处,以在基板I的厚度方向上、在基板I的主面上依次层叠氧化膜2以及氮化膜3的方向为上方向来进行说明。
[0054]下部电极10中的第2下部电极12是将支承部26固定在基板I上、并经由支承部26对上部电极20施加电位的固定电极,利用光刻(包含蚀刻加工,以下相同)对层叠在氮化膜3上的第I导电体层4进行构图,由此形成为图1的(a)所示那样。此外,第2下部电极12通过布线12a与外部电路(省略图示)连接。
[0055]支承部26在俯视时为矩形,与上部电极20的基部22重合,并连接于基部22的与基板I相对的一侧的面。此外,支承部26被配置为与位于基部22中的振动波节重合。此夕卜,支承部26配置在第2下部电极12的中央部。支承部26是利用光刻对层叠在第I导电体层4上的第2导电体层5进行构图而形成的。作为优选例,第I导电体层4以及第2导电体层5分别使用导电性的多晶硅,但不限于此。。
[0056]上部电极20构成为包含基部22和从基部22朝彼此不同的方向延伸的多个振动部24。具体而言,如图1的(a)所示,上部电极20是通过从上部电极20的基部22延伸的4个振动部24而呈十字形状的可动电极,由设置在基部22下方的支承部26支承,与基板I分尚。此外,在相邻的振动部24之间、即振动部连接的部分,具有曲面40。
[0057]上部电极20是利用光刻对第3导电体层6进行构图而形成的,其中,第3导电体层6层叠在构成支承部26的第2导电体层5的上层和层叠在第I导电体层4上的牺牲层的上层。即,在上部电极20中,基部22和4个振动部24形成为一体。此外,在俯视基板I时,第2下部电极12和十字形状的上部电极20以各自的中心部大致一致的方式重合,从上部电极20的基部22沿横方向(B-B方向)延伸的两个振动部24与第2下部电极12 (除了后述的缝S2的部分)重合地配置。此外,作为优选例,第3导电体层6与第I导电体层4以及第2导电体层5同样使用导电性的多晶硅,但不限于此。
[0058]下部电极10中的第I下部电极11是固定电极,第I下部电极11是利用光刻对层叠在氮化膜3上的第I导电体层4进行构图而形成的,在俯视基板I时与第I下部电极11重合的上部电极20和第I下部电极11之间被施加交流电压。第I下部电极11以在从正面观察图1的(a)时与从上部电极20的基部22沿纵方向(A-A方向)延伸的两个振动部24重合的方式设置在2个部位,通过布线Ila与外部电路(省略图示)连接。
[0059]第I下部电极11由与第2下部电极12相同层的第I导电体层4形成。因此,在第I下部电极11与作为对上部电极20施加电位的固定电极的第2下部电极12之间,需要电绝缘,各自的图案(第I下部电极11和第2下部电极12)分离。用于实现该分离的间隙的阶梯差(凹凸)作为凹凸形状转印到由第3导电体层6形成的上部电极20上,其中,该第3导电体层6经由层叠在第I导电体层4的上层的牺牲层而层叠。具体而言,如图1的
(a)、图1的(b)所示,在图案的分离部(缝SI)的部分处,在上部电极20形成凹凸形状。
[0060]在MEMS振子100中,在第2下部电极12上设置虚设的缝图案,使得从上部电极20的基部22沿纵方向(A-A方向)延伸的振动部24与沿横方向(B-B方向)延伸的振动部24的刚度没有差异。具体而言,在上部电极20重合的区域中的沿横方向(B-B方向)延伸的第2下部电极12上设置虚设的缝S2,该虚设的缝S2以与缝SI使上部电极20的沿纵方向(A-A方向)延伸的两个振动部24反映的凹凸形状相同的方式,使上部电极20的沿横方向(B-B方向)延伸的两个振动部24产生凹凸形状。即,缝S2的宽度(B-B方向的长度)与缝SI的宽度(A-A方向的长度)大致相同,在俯视时,以从上部电极20的中心点到缝S2的距离与从上部电极20的中心点到缝SI的距离大致相同的方式形成缝S2。
[0061]通过这样设置虚设的缝S2,包含凹凸部而构成上部电极20。此外,缝S2不是出于使第2下部电极12电绝缘的目的而形成的,因此,在俯视时,在缝S2的与上部电极20不重合的两端部的区域,第2下部电极12是连续的。
[0062]在这样的结构中,MEMS振子100构成为静电振子,通过从外部电路经由布线11a、12a而施加在第I下部电极11和上部电极20之间的交流电压,上部电极20的4个振动部24的末端区域作为振动的波腹进行振动。在图1的(a)中,(+/-)的记号以包含其振动的相位的关系的方式示出作为振动的波腹而在上下方向(基板I的厚度方向)上振动的部分。此外,相邻的振动部24的相位不同。例如示出了,在+的振动部24为朝上方向(远离基板I的方向)的运动的情况下,相邻的振动部24为朝-的下方向(接近基板I的方向)的运动。即,作为可动电极的上部电极20在与包含作为固定电极的下部电极10(第I下部电极11、第2下部电极12)的平面相交的方向上振动。
[0063]此处,夹着基部22而从基部22朝不同方向延伸的两个振动部24被视作包含基部22的大致矩形的梁。因此,在两个振动部24的末端朝上方向振动时,基部22产生朝下方向振动的在振动部24的厚度方向上具有位移的弯曲振动。此外,关于相邻的振动部24、基部22以及夹着基部22从基部22朝不同方向延伸的两个振动部24构成的梁,在两个振动部24的末端朝下方向振动时,基部22产生朝上方向振动的弯曲振动。因此,在两个梁同时振动时,基部22的上下方向的位移被抵消,振动被抑制,基部22的中心部和从该中心部到在相邻的振动部24之间连接的部分的区域成为几乎没有振动位移的状态,通过支承该部分,能够简便地提供振动效率更高、抑制了振动泄漏、静电型的梁型MEMS振子100。
[0064]另外,振子的Q值通常由作为朝向支承部的振动能量泄漏的振动泄漏、伴随空气粘性的损耗以及作为热弹性损耗的由热导致的损耗等决定的。此外,各损耗的大小随着振子的形状,振动模式以及环境等而不同,不能一概说哪个损耗带来的影响较大。因此,通过对振子进行真空封装,能够忽视空气粘性的影响,能够通过优化振子的结构来降低振动泄漏,着眼于作为热弹性损耗的由热导致的损耗,确认振子的结构与热弹性损耗之间的关系,从而研究出热弹性损耗小、具有高Q值的振子的结构。
[0065]对本实施方式的振子的上部电极20的结构与热弹性损耗之间的关系进行详细说明。
[0066]图2是用于对伴随振动的热分布进行分析的振子的上部电极的俯视图,图2的(a)是现有的振子,图2的(b)是本发明第I实施方式的振子。此外,图3是利用有限元法对现有的振子的伴随振动的热分布进行分析的分析结果,图3的(a)是示出热分布的立体图,图3的(b)是图3的(a)的C部的放大图。图4是利用有限元法对本发明第I实施方式的振子的伴随振动的热分布进行分析的分析结果,图4的(a)是示出热分布的立体图,图4的
(b)是图4的(a)的D部的放大图。在图3、图4中,白色的部分表示温度高,黑色的部分表示温度低。振动的位移方向反转时,白色的部分变为黑色,温度变低,黑色的部分变为白色,温度变高。
[0067]在图2的(a)所示的现有的振子的上部电极120中,在4个振动部24中各自相邻的振动部24之间为大致直角的形状,在图2的(b)所示的第I实施方式的振子的上部电极20中,在4个相邻的振动部24之间分别设置有曲面40。针对具有这两个上部电极120、20的振子,利用有限元法对伴随振动的热分布进行了分析。有限元法中的振子的分析条件为:图2的(a)、图2的(b)中的振动部24的宽度尺寸W为14.29 μ m,长度尺寸L为10 μ m,板厚为1.3 μ m,支承部26的尺寸Hl和H2分别为I μ m。此外,图2的(b)中的设置在相邻的振动部24之间的曲面40的曲率半径R为2 μ m。
[0068]根据作为分析结果的图3的(a)、图3的(b)可知,在图2的(a)的现有的振子中,在相邻的振动部24相接的部分,白色的温度较高的区域和黑色的温度较低区域的间隔较窄而大致相接,Q值为257000。与此相对,根据作为分析结果的图4的(a)、图4的(b)可知,在图2的(b)的第I实施方式的振子中,在相邻的振动部24分别与曲面40相接的部分,白色的温度较高的区域和黑
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