JP5122888B2 - 発振子、発振子の製造方法、及び発振器 - Google Patents
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Description
本発明は、共振周波数の温度による変化を補正する構造を備えた発振子及び該発振子の製造方法に関する。
デジタル機器のクロックパルス発生や、無線機器などにおいては、従来水晶発振子を用いた水晶発振器が利用されてきたが、より量産性が高く周波数の設計も容易なシリコンを採用したシリコン発振子を用いて発振器を製造しようという試みがなされている。
シリコン発振子は、揺動自在に保持された片持ち梁または両持ち梁の共振モードを利用するものである。共振周波数は梁の断面サイズや長さによって規定されるため設計が容易である。また、大口径のシリコン基板上に一括して素子を形成できるため、量産性が高く、従来のＣＭＯＳ ＩＣの製造ラインを流用して製造することも可能である。
しかし、シリコン発振子は温度による共振周波数の変化が大きいという欠点がある。そのため、特許文献１に示すように、温度特性の補正のための回路を組み込んだ発振器が提供されている。
図１５は従来の発振器の概略を示したブロック図である。この発振器３０は発振子３１、駆動回路３２、ＰＬＬ回路３３、温度センサ３４、温度特性補正回路３５及び補正データメモリ３６を備えている。
駆動回路３２からの信号により発振子３１が共振し、共振信号をＰＬＬ回路３３に出力する。また、発振子３１に近接して温度センサ３４が設けられており、測定した温度に対応する信号を温度特性補正回路３５に出力する。また、発振子３１の各温度における共振周波数の補正データが補正データメモリ３６に蓄えられており、温度特性補正回路３５は温度センサ３４から受け取った温度を元に、補正データメモリ３６から補正データを読み込み、ＰＬＬ回路３３に出力する。ＰＬＬ回路３３は補正データをもとに、発振子３１から入力された共振信号の周波数を変調し、外部に出力する。
これら駆動回路３２、ＰＬＬ回路３３、温度センサ３４、温度特性補正回路３５及び補正データメモリ３６はひとつのＣＭＯＳ ＩＣチップとして集積することも可能である。
特開２００４−２３６３４
しかしながら、上記構成の発振器３０では、次のような欠点があった。すなわち、発振器３０では、温度特性を補正するために、ＰＬＬ回路３３、温度センサ３４、温度特性補正回路３５及び補正データメモリ３６を搭載しなければならないが、発振子３１の温度特性がＰＬＬ回路３３で補正可能な範囲に収まるとは限らず、また個々の発振子３１ごとに温度特性が異なるため、効率的に温度特性補正ができない可能性がある。
また、ＰＬＬ回路で周波数を変調する方式では、温度特性補正データをデジタル処理するため、外部に出力される周波数の変動が急峻であり、効率的に温度特性補正ができない可能性がある。
本発明は、このような事情に考慮してなされたもので、その目的は、温度特性の補正が効率的に行われる発振子及び発振子の製造方法を提供することである。
本発明は、前記課題を解決するために以下の手段を提供する。
この発明に係る発振子は、所定の間隔をあけて配置された少なくとも２つ以上のアンカーと、該アンカーに接続されて揺動自在に保持された振動部と、該振動部と所定の間隔をあけて対向するように配置された駆動電極と、前記振動部と所定の間隔をあけて対向するように配置された検出電極と、前記アンカーに接続され、前記振動部を構成する材料よりも熱膨張係数が小さい材料からなる温度特性補正基板とを備えたことを特徴とするものである。
この発明に係る発振子においては、温度の変化により振動部の共振周波数が変化しようとするが、温度特性補正基板は振動部を構成する材料よりも熱膨張率が小さい材料からなるため、振動部に内部応力が加えられるので、温度の変化による振動部の共振周波数の変化を補正した発振子を得ることができる。
また、本発明に係る発振子は、上記本発明の発振子であって、前記アンカーは２つであり、前記振動部は直線状であり両端が前記アンカーに接続されていることを特徴とするものである。
この発明に係る発振子においては、振動部は直線状であるため、振動部と温度特性補正基板の熱膨張係数の違いにより発生する振動部の内部応力が軸方向のみになるため、温度の変化による振動部の共振周波数の変化を効率よく補正した発振子を得ることができる。
また、本発明に係る発振子は、上記本発明の発振子であって、前記振動部はシリコンからなり、前記温度特性補正基板は石英、窒化ケイ素、ダイヤモンド、インバーのうちいずれか１種類の材料からなることを特徴とするものである。
この発明に係る発振子においては、温度の変化による振動部の共振周波数の変化を補正できるとともに、振動部はシリコンからなるので、従来より半導体製造やマイクロマシン製造に用いられる加工技術を用いて形状を形成することができ、共振周波数精度の良い発振子を得ることができる。
また、本発明に係る発振子は、上記本発明の発振子であって、前記振動部はシリコンからなる活性層と酸化シリコンからなる埋め込み酸化膜層とシリコンからなる支持層とを備えるＳｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ基板の活性層から形成されることを特徴とするものである。
この発明に係る発振子においては、温度の変化による振動部の共振周波数の変化を補正できるとともに、振動部はＳｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ基板の活性層から形成されるので、厚さを精度良く加工することができ、精度の良い発振子を得ることができる。
また、本発明に係る発振子の製造方法は、所定の間隔をあけて配置された少なくとも２つ以上のアンカーと該アンカーに接続されて揺動自在に保持された振動部と該振動部と所定の間隔をあけて対向するように配置された駆動電極と前記振動部と所定の間隔をあけて対向するように配置された検出電極とを形成する振動部形成工程と、前記振動部を構成する材料よりも熱膨張係数が小さい材料からなる温度特性補正基板を前記アンカーに接合する接合工程と、を備えたことを特徴とするものである。
この発明に係る発振子の製造方法においては、温度の変化により振動部の共振周波数が変化しようとするが、温度特性補正基板は振動部を構成する材料よりも熱膨張率が小さい材料からなるため、振動部に内部応力が加えられるので、温度の変化による振動部の共振周波数の変化を補正した発振子を製造することができる。
また、本発明に係る発振子の製造方法は、上記本発明の発振子の製造方法であって、前記振動部形成工程において前記振動部、前記アンカー、前記駆動電極及び前記検出電極はシリコンから形成され、前記接合工程において石英、窒化ケイ素、ダイヤモンドまたはインバーのうちいずれか１種類の材料からなる温度特性補正基板を前記アンカーに接合することを特徴とするものである。
この発明に係る発振子の製造方法においては、温度の変化による振動部の共振周波数の変化を補正できるとともに、振動部はシリコンからなるので、従来より半導体製造やマイクロマシン製造に用いられる加工技術を用いて形状を形成することができ、精度の良い発振子を製造することができる。
また、本発明に係る発振子の製造方法は、上記本発明の発振子の製造方法であって、前記接合工程において、前記アンカーと前記温度特性補正基板とを接合する際に、該アンカー及び該温度特性補正基板の表面にプラズマまたはイオンビームを照射することにより表面を活性化させ、該アンカーと該温度特性補正基板とを接触させて接合する表面活性化接合法を用いることを特徴とするものである。
この発明に係る発振子の製造方法においては、アンカーと温度特性補正基板とを表面活性化接合法を用いて接合するので、室温から４００°Ｃ程度の温度で接合することができ、接合による残留応力が小さいため、振動部に加える応力による温度特性の補正を容易に行うことができる。
また、本発明に係る発振子の製造方法は、温度特性補正基板上に犠牲層と、前記温度特性補正基板よりも熱膨張係数の大きな材料からなるデバイス層とを成膜する成膜工程と、前記デバイス層を選択的に除去して、所定の間隔をあけて配置された少なくとも２つ以上のアンカーと、該アンカーに接続されて揺動自在に保持された振動部と、該振動部と所定の間隔をあけて対向するように配置された駆動電極と、前記振動部と所定の間隔をあけて対向するように配置された検出電極とを形成する振動部形成工程と、を備えたことを特徴とするものである。
この発明に係る発振子の製造方法においては、温度特性補正基板上に直接振動部を形成するため、デバイスの厚さを薄くすることができる。
また、本発明にかかる発振子の製造方法は、上記本発明の発振子の製造方法であって、前記成膜工程において前記温度特性補正基板は石英、窒化ケイ素、ダイヤモンドまたはインバーのうちいずれか１種類の材料からなり、前記犠牲層は酸化シリコンからなり、前記デバイス層はシリコンからなることを特徴とするものである。
この発明に係る発振子の製造方法においては、温度特性補正基板上に直接振動部を形成するため、デバイスの厚さを薄くすることができるとともに、振動部はシリコンからなるので、従来より半導体製造やマイクロマシン製造に用いられる加工技術を用いて形状を形成することができ、精度の良い発振子を製造することができる。
また、本発明に係る発振子の製造方法は、シリコンからなる活性層と酸化シリコンからなる埋め込み酸化膜層とシリコンからなる支持層とを備えるＳｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ基板の前記活性層を選択的に除去して、所定の間隔をあけて配置された少なくとも２つ以上のアンカーと該アンカーに接続されて揺動自在に保持された振動部と、該振動部と所定の間隔をあけて対向するように配置された駆動電極と、前記振動部と所定の間隔をあけて対向するように配置された検出電極とを形成する振動部形成工程と、前記振動部、前記アンカー、前記駆動電極及び前記検出電極をトランスファ基板に接合し、前記支持層を除去し、前記埋め込み酸化膜層を前記アンカー及び前記駆動電極並びに前記検出電極に接する領域以外の部分を除去するトランスファ工程と、シリコンよりも熱膨張係数の小さな材料からなる温度特性補正基板と、前記アンカー及び前記駆動電極並びに前記検出電極の領域に残された埋め込み酸化膜層とを接合し、前記トランスファ基板を除去する接合工程と、を備えたことを特徴とするものである。
この発明に係る発振子の製造方法においては、振動部はＳｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ基板の活性層から形成されるので、厚さを精度良く加工することができ、精度の良い発振子を得ることができる。また、トランスファ基板に接合して支持層を除去したのちに温度特性補正基板に接合するので、温度の変化による振動部の共振周波数の変化を補正できるとともにデバイスの厚さを薄くすることができる。
また、本発明に係る発振子の製造方法は、上記本発明の発振子の製造方法であって、前記トランスファ工程において、前記振動部、前記アンカー、前記駆動電極及び前記検出電極と、前記トランスファ基板とを、紫外線の照射により結合力を失う接着樹脂により接合し、前記接合工程において紫外線の照射により前記接着樹脂の結合力を失わせて前記トランスファ基板を除去することを特徴とするものである。
この発明に係る発振子の製造方法においては、振動部はＳｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ基板の活性層から形成されるので、厚さを精度良く加工することができ、精度の良い発振子を得ることができる。また、トランスファ基板に接合して支持層を除去したのちに温度特性補正基板に接合するので、温度の変化による振動部の共振周波数の変化を補正できるとともにデバイスの厚さを薄くすることができる。さらに、トランスファ工程において振動部、アンカー、駆動電極及び検出電極と、トランスファ基板とを紫外線の照射により結合力を失う接着樹脂により接合するので、容易にトランスファ基板を除去することができる。
また、本発明に係る発振子の製造方法は、上記本発明の発振子の製造方法であって、前記接合工程において、前記アンカー及び前記駆動電極並びに前記検出電極の領域に残された前記埋め込み酸化膜層と前記温度特性補正基板とを接合する際に、該埋め込み酸化膜層及び該温度特性補正基板の表面にプラズマまたはイオンビームを照射することにより表面を活性化させ、該埋め込み酸化膜層と該温度特性補正基板とを接触させて接合する表面活性化接合法を用いることを特徴とするものである。
この発明に係る発振子の製造方法においては、振動部はＳｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ基板の活性層から形成されるので、厚さを精度良く加工することができ、精度の良い発振子を得ることができる。また、トランスファ基板に接合して支持層を除去したのちに温度特性補正基板に接合するので、温度の変化による振動部の共振周波数の変化を補正できるとともにデバイスの厚さを薄くすることができる。また、埋め込み酸化膜層と温度特性補正基板とを表面活性化接合法を用いて接合するので、室温から４００°Ｃ程度の温度で接合することができ、接合による残留応力が小さいため、振動部に加える応力による温度特性の補正を容易に行うことができる。
また、本発明に係る発振器は、上記本発明の発振子と、前記発振子の駆動電極に駆動信号を入力する駆動回路とを備えたことを特徴とする発振器である。
この発明に係る発振器においては、温度特性補正基板を有する発振子を有するので、温度特性の補正を効率的に行うことができる。
本発明にかかる発振子及び本発明に係る発振子の製造方法によれば、振動部と温度特性補正基板の熱膨張係数の違いにより振動部の共振周波数が補正されるので、温度特性の補正が効率的に行われる発振子を得ることができる。
（第１実施形態）
以下、本発明に係る第１実施形態を、２つのアンカー３に両端を接続されて揺動自在に保持された振動部２をもつ発振子１を例にあげて、図１から図７を参照して説明する。
以下、本発明に係る第１実施形態を、２つのアンカー３に両端を接続されて揺動自在に保持された振動部２をもつ発振子１を例にあげて、図１から図７を参照して説明する。
図１は第１実施形態に係る発振子１の平面図であり、図２は図１のＡＡ’線における発振子１の断面図を示している。なお、簡単のために図１では温度特性補正基板５を省略して示し、図２では駆動電極４及び検出電極１４を省略して示した。
なお、第１実施形態においては、発振子１を形成するための材料としてシリコンからなるＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板６を選択し、該ＳＯＩ基板６の活性層７を利用して発振子１を形成したものとした。
発振子１は、２つのアンカー３と、両端がアンカー３に接続され揺動自在に保持された振動部２と、振動部２に所定の間隔をあけて対向するように設けられた駆動電極４と、振動部２に所定の間隔をあけて対向するように設けられた検出電極１４と、アンカー３に接合され、振動部２を形成する材料であるシリコンよりも小さな熱膨張係数を持つ材料からなる温度特性補正基板５とからなるものである。
アンカー３及び駆動電極４並びに検出電極１４は、ＳＯＩ基板６の埋め込み酸化膜層８を介してＳＯＩ基板６の支持層９に固定されている。
また、図３は発振器２０を示すブロック図である。発振器２０は発振子１及び駆動回路２１から構成される。
駆動回路２１で生成された所定の周波数を持つ駆動信号は発振子１の駆動電極４に入力される。この駆動信号に従って振動部２が振動する。振動部２の振動を、振動部２と検出電極１４の間の静電容量の変動として電気信号を取り出し、外部に出力する。振動部２の共振周波数は式１によって決定される。
ここで、ｆ０は振動部２の共振周波数、Ｌは振動部２の長さ、Ｗは振動部２の幅、ＥＳｉはシリコンのヤング率、ａは振動部２の形状によって決まる係数、αＳｉはシリコンのヤング率を温度でテイラー展開した１次の係数、σは振動部２の軸方向の内部応力、ΔＴは所定の基準温度からの温度変化である。ヤング率が温度依存するために、共振周波数ｆ０が温度によって変化する。
温度による共振周波数ｆ０の変化を補正するためには、内部応力σを変化させ、式１の平方根の内部がＥＳｉだけになるようにすればよい。このときのσは式２で表される。
振動部２と温度特性補正基板５はそれぞれアンカー３に接続されているので、温度が変化すると一体となって変形する。温度特性補正基板５は振動部２よりも熱膨張係数が小さいため、振動部２は温度特性補正基板５がアンカー３に接続されていないときに比べて伸びが小さくなり、軸方向の圧縮応力が発生し、その大きさσは式３によってあらわされる。
ここで、ＥＸは温度特性補正基板５を形成する材料のヤング率、ＣＳｉは振動部２を形成する材料であるシリコンの熱膨張係数、ＣＸは温度特性補正基板５を形成する材料の熱膨張係数である。
したがって、温度による共振周波数ｆ０の変化を補正するためには、式２及び式３で表される振動部２の内部応力の大きさσが一致するように温度特性補正基板５の材料、振動部２の長さＬ、幅Ｗを決定すればよい。
シリコンの熱膨張係数はおよそ３．３×１０＾−６ ／Ｋなので、温度特性補正基板５の材料として、例えば熱膨張係数ＣＸ＝０．５×１０＾−６ ／Ｋである石英や、ＣＸ＝３．１×１０＾−６ ／Ｋである窒化ケイ素、ＣＸ＝１．１×１０＾−６ ／Ｋであるダイヤモンド、ＣＸ＝２×１０＾−６ ／Ｋであるインバーなどを選択することができる。
温度特性補正基板５の材料として上記の各材料について、振動部２の幅Ｗが１０マイクロメートルであると仮定したときの振動部２の内部応力σの長さＬに対する関係を式２及び式３にしたがってプロットした。図４は石英、図５は窒化ケイ素、図６はダイヤモンド、図７はインバーの場合である。それぞれ式２及び式３の応力が等しくなる振動部２の長さＬが存在する。実際に発振子１を設計する際には、所定の共振周波数が得られ、かつ式２及び式３のσが等しくなるように振動部２の長さＬ及びＷを選択する。
次に、このように構成された第１実施形態の発振子１の製造方法について、図８及び図９を参照しながら説明する。図８及び図９は、図１のＡＡ’線に沿った断面図に対応する。また、発振子１は、同一基板上に多数の発振子１を一括して形成することが出来るが、本実施例においては簡単のため多数の発振子１のうち１つを抜き出したものとして説明する。
第１実施形態の製造方法は、振動部形成工程と接合工程とを適宜行って製造する方法である。
まず、振動部形成工程を行う。
図８（ａ）に示すように、シリコンからなるＳＯＩ基板６を準備する。
次に、図８（ｂ）に示すように、活性層７の所定の領域を所定の深さだけ選択的に除去し、可動ギャップ１０を形成する。活性層７の所定の位置を選択的に除去する方法としては種々の方法を選択することができるが、例えばリソグラフィ技術を用いて活性層７の表面にマスクを形成し、ＴＭＡＨ（Ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌ Ａｍｍｏｎｉｕｍ Ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ）水溶液や水酸化カリウム水溶液などの強アルカリ性のエッチャントによるウェットエッチングや、ＳＦ６のプラズマによるＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）を用いたドライエッチングなどの方法を選択して所定の領域を選択的に除去する。可動ギャップ１０の深さは振動部２が温度特性補正基板５に接触せず揺動自在に保持されるようにすればよく、例えば１マイクロメートル程度以上であれば良い。
次に、図８（ｃ）に示すように、活性層７の所定の領域を選択的に除去し、振動部２、アンカー３、図示しない駆動電極４及び図示しない検出電極１４を形成する。所定の領域を選択的に除去する方法としては、可動ギャップ１０を形成する場合と同様に強アルカリ性エッチャントによるウェットエッチングやＲＩＥによるドライエッチングなどを選択することができる。また、ボッシュプロセスを用いたＤｅｅｐ ＲＩＥ技術を用いると、高アスペクト比で側壁の角度を垂直に近い状態に保ってエッチングを行うことができる。また、本実施例においてはＳＯＩ基板６を用いているので、埋め込み酸化膜層８をエッチングストップとして用いることができる。
次に、図９（ａ）に示すように、振動部２と支持層９との間に存在する埋め込み酸化膜層８を選択的に除去し、振動部２がアンカー３によって揺動自在に保持された状態にする。埋め込み酸化膜層８を除去する方法としては、フッ化水素水溶液によるウェットエッチングや、フッ化水素ガスによるドライエッチングなどを選択することができる。
このとき、アンカー３及び駆動電極４並びに検出電極１４と支持層９との間に存在する埋め込み酸化膜層８が除去されないようにしなければならない。そのためには、相対的に振動部２よりもアンカー３及び駆動電極４並びに検出電極１４の面積や幅を大きくする、振動部２にフッ化水素エッチャントが通過できるような微細な穴を多数あけるなどの方法を選択することができる。
次に、接合工程を行う。
接合工程においては、まず石英や窒化ケイ素、ダイヤモンド、インバーのようにシリコンよりも熱膨張係数の小さな材料からなる温度特性補正基板５を準備する。
次に図９（ｂ）に示すように、温度特性補正基板５をアンカー３に接合し、発振子１を形成する。接合には各種の方法を選択することができる。
例えば、陽極接合法を用いる場合、アンカー３の接合面をシリコンまたはアルミニウムとし、温度特性補正基板５の表面にナトリウムなどのアルカリ金属イオンを含むホウケイ酸ガラス薄膜を成膜し、約２００°Ｃ以上に加熱してから、アンカー３を陽極に、温度特性補正基板５を陰極として２００Ｖから１０００Ｖの電圧を印加すると、陽極接合反応によりアンカー３と温度特性補正基板５とが強固に接合される。
また、金−シリコン共晶接合法を用いる場合、アンカー３の接合面をシリコンとし、温度特性補正基板５に金薄膜を成膜する。次いで金とシリコンの共晶点以上の温度、例えば３５０°Ｃ以上に加熱してアンカー３と温度特性補正基板５とを接触させると、金とシリコンが共晶反応によって溶融し、強固に接合される。
また、金−スズ共晶接合法または銀−スズ共晶接合法を用いる場合、アンカー３と温度特性補正基板５の少なくとも一方に金及びスズからなる合金または銀及びスズからなる合金の薄膜を成膜し、金とスズの共晶点または銀とスズの共晶点以上の温度に加熱してアンカー３と温度特性補正基板５とを接触させると、金とスズまたは銀とスズからなる合金薄膜が共晶反応によって溶融し、強固に接合される。なお、金とスズの共晶点は約２７０°Ｃ、銀とスズの共晶点は約２５０°Ｃである。また、アンカー３と温度特性補正基板５の一方に金または銀からなる薄膜を成膜し、もう一方にスズからなる薄膜を成膜したのち、共晶点以上に加熱してアンカー３と温度特性補正基板５とを接触させても良い。
また、表面活性化接合法を用いる場合、アンカー３及び温度特性補正基板５の表面をアルゴンや酸素、窒素などのプラズマやイオンビームで照射し、表面を活性な官能基で修飾したり表面にダングリングボンドを形成させたのち、室温から４００°Ｃ程度の温度に加熱してアンカー３と温度特性補正基板５とを接触させると、接触面の間が化学結合し、強固に接合される。
また、エポキシ樹脂やポリイミド樹脂などを用いてアンカー３と温度特性補正基板５とを接着接合させてもよい。
以上に述べたように、本発明に係る第１実施形態においては、振動部２の材料であるシリコンよりも熱膨張係数の小さな材料からなる温度特性補正基板５が振動部２の両端に接続されたアンカー３に接合されているので、発振子１の温度が変化すると振動部２と温度特性補正基板５の熱膨張係数の違いにより振動部２に軸方向の応力が生じるため、式１から式３に示す関係に従って振動部２の共振周波数の温度変化を補正することができる。
（第２実施形態）
次に、本発明に係る第２実施形態を、図１０及び図１１を参照して説明する。なお、この第２実施形態においては、第１実施形態における構成要素と同一の部分については、同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
次に、本発明に係る第２実施形態を、図１０及び図１１を参照して説明する。なお、この第２実施形態においては、第１実施形態における構成要素と同一の部分については、同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
図１０は第２実施形態に係る発振子１の平面図であり、図１１は図１０のＢＢ’線における発振子１の断面図を示している。なお、簡単のために図１１では駆動電極４及び検出電極１４を省略して示した。
発振子１は、２つのアンカー３と、両端がアンカー３に接続され揺動自在に保持された振動部２と、振動部２に所定の間隔をあけて対向するように設けられた駆動電極４と、アンカー３に接合され、振動部２を形成する材料であるシリコンよりも小さな熱膨張係数を持つ材料からなる温度特性補正基板５とからなるものである。
アンカー３及び駆動電極４は、犠牲層１２を介して温度特性補正基板５に固定されている。
温度特性補正基板５は、振動部２の材料よりも温度膨張係数の小さな材料からなる。例えば振動部２の材料としてシリコンを選択する場合、シリコンの熱膨張係数はおよそ３．３×１０＾−６ ／Ｋなので、温度特性補正基板５の材料として、例えば熱膨張係数ＣＸ＝０．５×１０＾−６ ／Ｋである石英や、ＣＸ＝３．１×１０＾−６ ／Ｋである窒化ケイ素、ＣＸ＝１．１×１０＾−６ ／Ｋであるダイヤモンド、ＣＸ＝２×１０＾−６ ／Ｋであるインバーなどを選択することができる。
また、振動部２の材料としてゲルマニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、金属のうちいずれか１種類を選択することもできる。この場合、温度特性補正基板５の材料はこれらの材料よりも熱膨張率の小さな材料を選択しなければならない。
第１実施形態の場合と同様に、振動部２の共振周波数は式１に従って温度変化に対して変動する。この共振周波数の変動を打ち消すためには、振動部２に式２で表される軸方向への応力を印加すればよい。
ところでアンカー３に振動部２より熱膨張係数の小さな材料からなる温度特性補正基板５が接続されているので、振動部２には熱膨張係数の違いにより式３で表される軸圧縮応力が働く。従って、式２及び式３で表される軸方向への応力の大きさが等しくなるように材料を選択し、振動部２の長さＬ及び幅Ｗを選択すればよい。
次に、このように構成された第２実施形態の発振子１の製造方法について、図１２を参照しながら説明する。図１２は、図１０のＢＢ’線に沿った断面図に対応する。また、発振子１は、同一基板上に多数の発振子１を一括して形成することが出来るが、本実施例においては簡単のため多数の発振子１のうち１つを抜き出したものとして説明する。
第２実施形態の製造方法は、成膜工程と、振動部形成工程とを適宜行って製造する方法である。
まず、成膜工程を行う。
図１２（ａ）に示すように、石英や窒化ケイ素、ダイヤモンド、インバーのようにシリコンよりも熱膨張係数の小さな材料からなる温度特性補正基板５を準備する。
次に、図１２（ｂ）に示すように、所定の厚さの犠牲層１２を形成する。犠牲層１２は後述する振動部形成工程において振動部２が揺動自在になるように除去されるためのものである。従って、除去工程を用意に行うためには薄いほうが望ましい。しかし振動部２が揺動自在になるようにするためには振動部２が温度特性補正基板５に接触しないようにする必要があるため、犠牲層１２の厚さとしては例えば約０．５マイクロメートルから２マイクロメートル程度にする。
犠牲層１２の材料はプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）技術などで形成された酸化シリコン膜が通常用いられる。しかし、酸化シリコン膜を除去するためにはフッ化水素水溶液やフッ化水素ガスを用いる必要があるため、温度特性補正基板５の材料として石英や窒化ケイ素を用いる場合は、温度特性補正基板５がエッチングされないように、温度特性補正基板５の表面にシリコン薄膜などの保護膜を形成し、その上に犠牲層１２を積層する必要がある。
次に、図１２（ｃ）に示すように、所定の厚さのデバイス層１３を形成する。デバイス層１３は加工の容易性や量産性、振動部の振動特性を考慮して、ＬＰＣＶＤ（Ｌｏｗ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）技術やプラズマＣＶＤ技術で形成されたシリコン薄膜を用いることが多い。シリコン以外の材料を選択してデバイス層１３を形成する場合には、温度特性補正基板５の材料はデバイス層１３の材料よりも熱膨張係数の小さなものを選択する必要がある。
次に、振動部形成工程を行う。
まず、図１２（ｄ）に示すように、デバイス層１３の所定の領域を選択的に除去し、振動部２、アンカー３、図示しない駆動電極４及び図示しない検出電極１４を形成する。所定の領域を選択的に除去する方法としては、デバイス層１３の材料としてシリコン薄膜を選択する場合、第１実施形態の製造方法と同様に強アルカリ性エッチャントによるウェットエッチングやＲＩＥによるドライエッチングなどを選択することができる。また、ボッシュプロセスを用いたＤｅｅｐ ＲＩＥ技術を用いると、高アスペクト比で側壁の角度を垂直に近い状態に保ってエッチングを行うことができる。また、犠牲層１２の材料として酸化シリコン膜を選択すれば、犠牲層１２をエッチングストップとして用いることができる。
次に、図１２（ｅ）に示すように、振動部２と温度特性補正基板５との間に存在する犠牲層１２を選択的に除去し、振動部２がアンカー３によって揺動自在に保持された状態にする。犠牲層１２を除去する方法としては、犠牲層１２が酸化シリコン膜からなる場合、フッ化水素水溶液によるウェットエッチングや、フッ化水素ガスによるドライエッチングなどを選択することができる。
このとき、アンカー３及び駆動電極４並びに検出電極１４と支持層９との間に存在する犠牲層１２が除去されないようにしなければならない。そのためには、相対的に振動部２よりもアンカー３及び駆動電極４並びに検出電極１４の面積や幅を大きくする、振動部２にフッ化水素エッチャントが通過できるような微細な穴を多数あけるなどの方法を選択することができる。
以上に述べたように、本発明に係る第２実施形態においては、振動部２の材料であるシリコンよりも熱膨張係数の小さな材料からなる温度特性補正基板５が振動部２の両端に接続されたアンカー３に接合されているので、発振子１の温度が変化すると振動部２と温度特性補正基板５の熱膨張係数の違いにより振動部２に軸方向の応力が生じるため、式１から式３に示す関係に従って振動部２の共振周波数の温度変化を補正することができる。
また、第１実施形態の場合と異なり、温度特性補正基板５の上に振動部２が形成されるので総厚さが小さくなり、デバイスを小型化できるとともに製造工程を簡略化することができる。
（第３実施形態）
次に、本発明に係る第３実施形態の製造方法を、図１３及び図１４を参照して説明する。なお、第３実施形態の構成は第２実施形態の場合と同一であるので、構成及び機能についての詳細な説明は省略する。また、この第３実施形態の製造方法においては、第１実施形態の製造方法及び第２実施形態の製造方法における構成要素と同一の部分については、同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
次に、本発明に係る第３実施形態の製造方法を、図１３及び図１４を参照して説明する。なお、第３実施形態の構成は第２実施形態の場合と同一であるので、構成及び機能についての詳細な説明は省略する。また、この第３実施形態の製造方法においては、第１実施形態の製造方法及び第２実施形態の製造方法における構成要素と同一の部分については、同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
第３実施形態の製造方法は、振動部形成工程と、トランスファ工程と、接合工程とを適宜行って製造する方法である。
まず、振動部形成工程を行う。
図１３（ａ）に示すように、シリコンからなるＳＯＩ基板６を準備する。
次に、図１３（ｂ）に示すように、活性層７の所定の領域を選択的に除去し、振動部２、アンカー３、図示しない駆動電極４及び図示しない検出電極１４を形成する。所定の領域を選択的に除去する方法としては、可動ギャップ１０を形成する場合と同様に強アルカリ性エッチャントによるウェットエッチングやＲＩＥによるドライエッチングなどを選択することができる。また、ボッシュプロセスを用いたＤｅｅｐ ＲＩＥ技術を用いると、高アスペクト比で側壁の角度を垂直に近い状態に保ってエッチングを行うことができる。また、本実施例においてはＳＯＩ基板６を用いているので、埋め込み酸化膜層８をエッチングストップとして用いることができる。
次に、トランスファ工程を行う。
トランスファ工程においては、まず図１３（ｃ）に示すように、振動部２、アンカー３、図示しない駆動電極４及び図示しない検出電極１４をトランスファ基板１１に接合する。
トランスファ基板１１の材料は特に限定されないが、後述する支持層９の研磨や埋め込み酸化膜層８の除去を行っても損傷しないことが望ましい。好適にはシリコンや石英、ホウ珪酸ガラスなどの材料からなる基板を選択することができる。
振動部２、アンカー３、駆動電極４及び検出電極１４をトランスファ基板１１に接合する方法としては、種々の方法を選択することができるが、支持層９の研磨や埋め込み酸化膜層８の除去プロセスを行っても剥離しないようにしなければならない。その一方で後述する接合工程において最終的にはトランスファ基板１１を容易に剥離できることが必要である。このような仮接合技術は近年各種の方法が開発されており、例えば紫外線の照射により接合力を失うような樹脂が提案されている。
次に、図１４（ａ）に示すように、支持層９を除去し、埋め込み酸化膜層８を露出させる。支持層９を除去する方法としては、機械的に研磨する、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）技術を採用する、ＲＩＥまたはＤｅｅｐ ＲＩＥによるドライエッチングを行うなどの方法を単独もしくは組み合わせて利用することができる。
次に、図１４（ｂ）に示すように、アンカー３及び図示しない駆動電極４並びに図示しない検出電極１４の領域以外の埋め込み酸化膜８を選択的に除去する。埋め込み酸化膜８を選択的に除去する方法としては、リソグラフィ技術を用いて除去しない領域にマスクを形成した後、フッ酸によるウェットエッチングやＲＩＥによるドライエッチングなどを利用すればよい。
また、本実施例では振動部２、アンカー３、駆動電極４及び検出電極１４を形成した後にトランスファ基板１１に接合し、支持層９を除去した後に埋め込み酸化膜８を除去する方法を説明したが、振動部２、アンカー３、駆動電極４及び検出電極１４を形成した後に、アンカー３及び駆動電極４並びに検出電極１４と支持層９に挟まれた領域以外の埋め込み酸化膜層をフッ酸によるウェットエッチングやＲＩＥによるドライエッチングで除去し、トランスファ基板１１に接合しても良い。このように構成すると、支持層９を除去した時点で埋め込み酸化膜８はアンカー３及び駆動電極４の部分にしか残っておらず、図１４（ａ）のように埋め込み酸化膜層８が強度の小さい状態で残ることがない。従って埋め込み酸化膜８を容易にアンカー３及び駆動電極４並びに検出電極１４の部分に選択的に残すことができる。
次に、接合工程を行う。
まず、シリコンよりも熱膨張係数の小さな材料からなる温度特性補正基板５を準備する。次に、図１４（ｃ）に示すように、アンカー３及び図示しない駆動電極４並びに図示しない検出電極１４に接続されて残された埋め込み酸化膜層８と温度特性補正基板５とを接合する。
接合方法としては、金−スズ共晶接合法または銀−スズ共晶接合法を用いる場合、アンカー３及び駆動電極４の表面に残された埋め込み酸化膜層８と温度特性補正基板５の少なくとも一方に金及びスズからなる合金または銀及びスズからなる合金の薄膜を成膜し、金とスズの共晶点または銀とスズの共晶点以上の温度に加熱して埋め込み酸化膜層８と温度特性補正基板５とを接触させると、金とスズまたは銀とスズからなる合金薄膜が共晶反応によって溶融し、強固に接合される。なお、金とスズの共晶点は約２７０°Ｃ、銀とスズの共晶点は約２５０°Ｃである。また、埋め込み酸化膜層８と温度特性補正基板５の一方に金または銀からなる薄膜を成膜し、もう一方にスズからなる薄膜を成膜したのち、共晶点以上に加熱して埋め込み酸化膜層８と温度特性補正基板５とを接触させても良い。
また、表面活性化接合法を用いる場合、埋め込み酸化膜層８及び温度特性補正基板５の表面をアルゴンや酸素、窒素などのプラズマやイオンビームで照射し、表面を活性な官能基で修飾したり表面にダングリングボンドを形成させたのち、室温から４００°Ｃ程度の温度に加熱して埋め込み酸化膜層８と温度特性補正基板５とを接触させると、接触面の間が化学結合し、強固に接合される。
また、エポキシ樹脂やポリイミド樹脂などを用いて埋め込み酸化膜層８と温度特性補正基板５とを接着接合させてもよい。
最後に、図１４（ｄ）に示すように、トランスファ基板１１を除去し、発振子１を得る。
以上に述べたように、本発明に係る第３実施形態においては、振動部２の材料であるシリコンよりも熱膨張係数の小さな材料からなる温度特性補正基板５が振動部２の両端に接続されたアンカー３に接合されているので、発振子１の温度が変化すると振動部２と温度特性補正基板５の熱膨張係数の違いにより振動部２に軸方向の応力が生じるため、式１から式３に示す関係に従って振動部２の共振周波数の温度変化を補正することができる。
また、第１実施形態の場合と異なり、温度特性補正基板５の上に振動部２が形成されるので総厚さが小さくなり、デバイスを小型化できるとともに製造工程を簡略化することができる。
また、振動部２、アンカー３、駆動電極４及び検出電極１４はＳＯＩ基板を利用して製造することができるので、第２実施形態の場合と比較して容易に振動部２、アンカー３、駆動電極４及び検出電極１４の厚さを制御できる。
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
１ 発振子
２ 振動部
３ アンカー
４ 駆動電極
５ 温度特性補正基板
６ ＳＯＩ基板
７ 活性層
８ 埋め込み酸化膜層
９ 支持層
１０ 可動ギャップ
１１ トランスファ基板
１２ 犠牲層
１３ デバイス層
１４ 検出電極
２０ 発振器
２１ 駆動回路
３０ 従来の発振器モジュール
３１ 発振器
３２ 駆動回路
３３ ＰＬＬ回路
３４ 温度センサ
３５ 温度特性補正回路
３６ 補正データメモリ
２ 振動部
３ アンカー
４ 駆動電極
５ 温度特性補正基板
６ ＳＯＩ基板
７ 活性層
８ 埋め込み酸化膜層
９ 支持層
１０ 可動ギャップ
１１ トランスファ基板
１２ 犠牲層
１３ デバイス層
１４ 検出電極
２０ 発振器
２１ 駆動回路
３０ 従来の発振器モジュール
３１ 発振器
３２ 駆動回路
３３ ＰＬＬ回路
３４ 温度センサ
３５ 温度特性補正回路
３６ 補正データメモリ
Claims (11)
- 所定の間隔をあけて配置された少なくとも２つ以上のアンカーと、
前記アンカーの底面に接続され当該アンカーを固定する固定部と、
該アンカーに接続されて揺動自在に保持された振動部と、
該振動部と所定の間隔をあけて対向するように配置された駆動電極と、
前記振動部と所定の間隔をあけて対向するように配置された検出電極と、
前記アンカーに接続され、前記振動部を構成する材料よりも熱膨張係数が小さい材料からなる温度特性補正基板とを備え、
前記温度特性補正基板は、前記アンカーの前記固定部と対向する面に接続されることを特徴とする発振子。 - 前記アンカーは２つであり、
前記振動部は直線状であり両端が前記アンカーに接続されていることを特徴とする請求項１に記載の発振子。 - 前記振動部はシリコンからなり、
前記温度特性補正基板は石英、窒化ケイ素、ダイヤモンド、インバーのうちいずれか１種類の材料からなることを特徴とする請求項１または２に記載の発振子。 - 前記振動部はシリコンからなる活性層と酸化シリコンからなる埋め込み酸化膜層とシリコンからなる支持層とを備えるＳｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ基板の活性層から形成され、前記固定部は前記酸化膜層と前記支持層とから形成されることを特徴とする請求項３に記載の発振子。
- 所定の間隔をあけて配置された少なくとも２つ以上のアンカーと該アンカーに接続されて揺動自在に保持された振動部と該振動部と所定の間隔をあけて対向するように配置された駆動電極と前記振動部と所定の間隔をあけて対向するように配置された検出電極とを形成する振動部形成工程と、
前記振動部を構成する材料よりも熱膨張係数が小さい材料からなる温度特性補正基板を前記アンカーに接合する接合工程と、を備えたことを特徴とする発振子の製造方法。 - 前記振動部形成工程において前記振動部、前記アンカー、前記駆動電極及び前記検出電極はシリコンから形成され、
前記接合工程において石英、窒化ケイ素、ダイヤモンドまたはインバーのうちいずれか１種類の材料からなる温度特性補正基板を前記アンカーに接合することを特徴とする請求項５に記載の発振子の製造方法。 - 前記接合工程において、前記アンカーと前記温度特性補正基板とを接合する際に、該アンカー及び該温度特性補正基板の表面にプラズマまたはイオンビームを照射することにより表面を活性化させ、該アンカーと該温度特性補正基板とを接触させて接合する表面活性化接合法を用いることを特徴とする請求項５または６に記載の発振子の製造方法。
- シリコンからなる活性層と酸化シリコンからなる埋め込み酸化膜層とシリコンからなる支持層とを備えるＳｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ基板の前記活性層を選択的に除去して、所定の間隔をあけて配置された少なくとも２つ以上のアンカーと該アンカーに接続されて揺動自在に保持された振動部と、該振動部と所定の間隔をあけて対向するように配置された駆動電極と、前記振動部と所定の間隔をあけて対向するように配置された検出電極とを形成する振動部形成工程と、
前記振動部、前記アンカー、前記駆動電極及び前記検出電極をトランスファ基板に接合し、前記支持層を除去し、前記埋め込み酸化膜層を前記アンカー及び前記駆動電極並びに前記検出電極に接する領域以外の部分を除去するトランスファ工程と、
シリコンよりも熱膨張係数の小さな材料からなる温度特性補正基板と、前記アンカー及び前記駆動電極並びに前記検出電極の領域に残された埋め込み酸化膜層とを接合し、前記トランスファ基板を除去する接合工程と、を備えたことを特徴とする発振子の製造方法。 - 前記トランスファ工程において、前記振動部、前記アンカー、前記駆動電極及び前記検出電極と、前記トランスファ基板とを、紫外線の照射により結合力を失う接着樹脂により接合し、
前記接合工程において紫外線の照射により前記接着樹脂の結合力を失わせて前記トランスファ基板を除去することを特徴とする請求項８に記載の発振子の製造方法。 - 前記接合工程において、前記アンカー及び前記駆動電極並びに前記検出電極の領域に残された前記埋め込み酸化膜層と前記温度特性補正基板とを接合する際に、該埋め込み酸化膜層及び該温度特性補正基板の表面にプラズマまたはイオンビームを照射することにより表面を活性化させ、該埋め込み酸化膜層と該温度特性補正基板とを接触させて接合する表面活性化接合法を用いることを特徴とする請求項８または９に記載の発振子の製造方法。
- 請求項１〜４のいずれか１項に記載の発振子と、
前記発振子の駆動電極に駆動信号を入力する駆動回路とを備えたことを特徴とする発振器。
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