(57)【要約】【課題】  従来技術のコンデンサのようなすべり接点が存在しない、マイクロコンデンサを製作する。【解決手段】  共通の極板に隣接して配置された様々な幅の梁または極板の組合せを有する、デジタル同調式コンデンサである。極板は、組み合わさって共通の極板に対して前後に直線移動し、調節可能な所望のキャパシタンスを実現する。【選択図】  図３ａ
2006128721.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロメカニカル・コンデンサにおいて、
基板の第１部分に形成された縦方向極板と、
前記縦方向極板および基板の第２部分の上に形成された誘電体層と、
前記誘電体層の上に形成され、その第１部分が基板の第２部分の上に形成された前記誘電体層と接触し、その第２部分が前記縦方向極板の上に形成された前記誘電体層を覆うように位置する横方向極板とを含み、
前記縦方向極板および横方向極板が前記コンデンサの電極となり、ならびに
前記横方向極板の第２部分が前記誘電体層から間隔を開けており、さらに
前記縦方向極板及び横方向極板に電圧を印加することにより該横方向極板を前記誘電体層に接触させるように変位させて前記コンデンサのキャパシタンスを微少な値から有意な値まで変化させることを特徴とするマイクロメカニカル・コンデンサ。
【請求項２】
マイクロメカニカル・コンデンサにおいて、
基板の第１部分に形成された縦方向極板と、
前記縦方向極板および基板の第２部分の上に形成された誘電体層と、
前記誘電体層の上に形成された複数の横方向極板であって、その各横方向極板の第１部分が基板の第２部分の上に位置する前記誘電体層と接触し、その各横方向極板の第２部分が前記縦方向極板の上に形成された前記誘電体層を覆うように配置された複数の横方向極板とを含み、
前記縦方向極板および前記複数の横方向極板の各極板が前記マイクロメカニカル・コンデンサの電極となり、ならびに
前記複数の横方向極板の各極板の第２部分が前記誘電体層から間隔を開けており、
前記縦方向極板と前記の複数の横方向極板の１つまたは複数の極板との間に電圧を印加することにより、前記複数の横方向極板の１つまたは複数の極板を前記誘電体層と接触させるようそれぞれ移動して、それにより前記コンデンサのキャパシタンスを無視できる値から選択された有意な値に変化させることを特徴とするマイクロメカニカル・コンデンサ。
【請求項３】
マイクロメカニカル・コンデンサにおいて、
基板と、
前記基板上に形成された第１縦方向極板と、
前記基板上に形成された第２縦方向極板と、
前記第１および第２縦方向極板の上に形成された誘電体層と、
前記誘電体層の上に形成された第１部分、および第２部分を有する、少なくとも１つの横方向極板とを含み、
前記の少なくとも１つの横方向極板の第１部分が前記第１の縦方向極板上に形成された前記誘電体層と接触し、および
前記少なくとも１つの横方向極板の第２部分が前記第２縦方向極板上に形成された前記誘電体層から間隔を開けて位置し、
前記第２縦方向極板および前記の少なくとも１つの横方向極板に接続された電源から電圧を印加することにより、前記少なくとも１つの横方向極板の第２部分を前記第２縦方向極板の上に形成された前記誘電体層と接触させるよう移動させて、それにより前記第１および第２縦方向極板の両端間のキャパシタンスを、無視できる値から選択した有意な値に変化させることを特徴とする  マイクロメカニカル・コンデンサ。
【請求項４】
集積回路を製作する技術を利用して基板上にマイクロマシニングされた請求項１〜３のいずれか１項に記載のマイクロメカニカル・コンデンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
背景
本発明は、マイクロマシニングした装置、具体的には基板上のマイクロメカニカル・コンデンサに関する。さらに詳細には、本発明は調節可能なキャパシタンスを有するこのようなコンデンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
発明の概要
本発明は、静電的に制御され、マイクロマシニングされた、調節可能な幅広い同調範囲を有するマイクロコンデンサである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
この装置には、軸上の極板が互いに平行に移動するコンデンサなどの従来技術のコンデンサのようなすべり接点が存在しない。マイクロメカニカル機構、すなわちコンデンサを作成するマイクロ機械加工の工程は、基本的に一般的な集積回路の場合の工程と同様である。ただし、マイクロマシニングの場合の応力は、集積回路技術の場合よりも有意かつ重大になる。これらのコンデンサは、集積回路自体を製作するために使用するのと同様の工程によって、集積回路中で製作することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、共通の極板に隣接して配置された様々な幅の梁または極板の組合せを有する、デジタル同調式コンデンサである。極板は、組み合わさって共通の極板に対して前後に直線移動し、調節可能な所望のキャパシタンスを実現する。
【０００５】
本発明は、同調可能な無線周波数回路およびマイクロ波回路に適用される。本発明は、インピーダンス整合集積回路用として、様々な周波数で動作する外部回路に使用される装置にも適用される。本発明は、増幅器で使用して調節可能な帯域幅を提供し、特定の周波数で最大利得を求めて信号を増幅する、またはその他の電子特性を調節することができる。例えば、同調可能な発振器で使用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
実施形態の説明
図１および図２ａないし図２ｃは、幅広い同調範囲を有する静電的に動作するマイクロメカニカル・コンデンサ１０を示す図である。コンデンサ１０は、重複または交互配置されたコンデンサの極板１２および１４を有する可変コンデンサの幅広い同調範囲を実現したマイクロメカニカル・バラクタ設計である。その同調は、金属または誘電体の渦巻きアームである時計状ばね１６の再現可能な動作で行う。固定した中央ポスト１８は、ばね１６を介して回転可能なコンデンサの極板１４を支持する。ポスト１８およびコンデンサの極板１４は基板２０上に形成され、これによって支持される。静止した状態では、極板１４は２対の極板１２の間に対称的に回転可能に配置されている。極板が重複しているとき、各極板１４は１対の極板１２の間に挟まれる。
【０００７】
図２ａの構成によれば、極板１４は可変コンデンサ１０の１つの電極となり、１対の極板１２はコンデンサ１０のもう１つの電極となる。極板１２および１４に信号が印加されない場合、各極板１４は回転可能に位置し、それぞれの極板１２の対の間に対称的に位置する。これは、極板１４の極板１２に対する釣り合い位置である。その釣り合いはばね１６によって行われる。極板１２および１４に電圧を印加すると、極板１２に対する極板１４の回転位置を変化させ、その結果コンデンサ１０の値を変化させる静電トルクが生じる。外力または静電力がない場合には、極板１２に対する極板１４の釣合い位置で、コンデンサ１０のキャパシタンスは最小値となる。
【０００８】
極板１２に対する極板１４の調節またはトリミング動作を引き起こすために使用される静電力は、（極板のキャパシタンスが影響を及ぼす可能性のある信号の周波数と比べて）低い周波数を有する電気信号によって、または直流電流（ＤＣ）によって生じる。コンデンサ１０へのこのコンデンサ極板位置制御信号（すなわちキャパシタンスのトリミングまたは調節信号）は、コンデンサ１０が処理するまたは影響を及ぼす信号に重ね合わせることができる。他方で、この処理されるまたは影響を受ける信号は、キャパシタンス制御ＤＣ、またはさらに低周波数（例えば１キロヘルツ）の信号に重ね合わせることができる。処理すべき信号はメガヘルツからギガヘルツの範囲にすることができる。これらの信号の電圧はマイクロボルトから数十ボルトの範囲にすることができる。
【０００９】
誘電体または金属の渦巻きアーム１６で中央極板１４を支持することによって、この構造を回転させるのに必要なトルクは最小限になり、極板１２および１４上に存在する低周波数信号またはＤＣ信号の静電力で容易に達成される。ばね１６は通常は極板１４と同じ金属で作成する。極板１２および１４は、金を塗布したニッケルや金を塗布した銅などの金属から作成する。極板１２および１４は２００から４００ミクロンの直径を有することができる。極板１２と隣接する極板１４の間の間隔は１から２ミクロンである。ばね１６は、極板１４に使用するのと同じ層にあるので、極板と同じ厚さを有する。ばね１６の幅は約０．５ミクロンであり、厚さは１から２ミクロンである。
【００１０】
コンデンサ１０のＱは数百単位である。コンデンサの切り換えまたは調節速度はミリ秒またはそれ未満の範囲であり、これはこのコンデンサのほぼ全ての応用について十分である。
【００１１】
極板１２と１４の組合せの間のキャパシタンスは、ピコファラドの範囲である。キャパシタンスをさらに大きくし、かつ／またはキャパシタンスをさらに大きく調節するために、コンデンサ１０を互いに並列に接続してアレイにすることができる。
【００１２】
コンデンサ１０については、図２ａないし図２ｃに示すようにいくつかの構成が可能である。上記で述べた図２ａの第１の構造の場合、金属製の渦巻きアーム１６を利用し、中央支持ポスト１８はコンデンサの片側として接続され、その他の構成のそれよりも大きなキャパシタンス値を与える。極板１２が１つの電極となり、極板１４がコンデンサ１０のもう１つの電極となる。電極接続は配線１３で示す。図２ｂに示す第２の構成の場合、誘電体製の渦巻きアーム１６を使用し、両側の極板１４は半径方向の金属製リング３８を介して互いに接続され、外部接続されない。極板１２の各対がコンデンサ１０の電極となる。電極接続は配線１５で示す。互いに直列に接続した２つの可変コンデンサでは、全体のキャパシタンスは第１の構成のそれよりも小さくなる。しかし、ばね１６の渦巻きを通る導電経路が除去されるので、この直列のインダクタンスは第１の構成のそれよりも小さくなる。第３の構成を図２ｃに示す。並置している極板１２の対の各極板は、絶縁体１９により互いに絶縁される。向かい側に配置された極板１４は、それぞれ互いに接続される。１つの電極は上側の極板１２であり、もう１つの電極は下側の極板１２である。電極接続は配線１７で示す。図２ｃのコンデンサの電気的特徴は、図２ｂのコンデンサのそれと同様である。
【００１３】
図３ａは、様々な幅３９の梁２１、２２、および２３を有するデジタル同調可能コンデンサ１１を示す図である。コンデンサ１１は２進数同調可能なコンデンサにすることができる。各梁は誘電体２５の表面から数ミクロン離れて正常に配置される部分２４を有する。梁２１、２２、および２３はばね状であり、部分３７で誘電体に固定される。電極２７と梁２１の端部２８、梁２２の端部２９、または梁２３の端部３０との間に電圧を印加すると、部分２４が移動して誘電体２５の表面と接触し、図３ｂの容量性スイッチ３１を事実上閉じ、電極すなわち端子２６と２７の間でそれぞれキャパシタンス３２、３３、または３４を接続する。各梁の部分３５は端子２８、２９、または３０と容量性スイッチ３１の間に直列に接続された抵抗器３５である。梁２１、２２、および２３の部分３６が梁と電極２６の間の容量性接続となる、または部分３６と電極２６の間の誘電体中に金属などの導電性材料を有するバイアが存在してもよい。他方で、端部２８、２９、または３０は、それぞれコンデンサ３２、３３、または３４の接続２６の代わりに電極として働くことができるが、直列の抵抗器３５によってコンデンサのＱが減少する。このような構成のＱは、抵抗器３５を金属など導電性の高い材料と交換することにより増大させることができる。どちらの接続構成の場合でも、制御信号および容量的に処理される信号はコンデンサ１０の場合と同様に結合される。接続２６が電極である場合には、部分３６と電極２６の間のキャパシタンスは事実上キャパシタンス３２、３３、または３４と直列になる。後者の接続構成では、上記で述べた前者の接続構成よりキャパシタンスが小さくなる。
【００１４】
リード２８、２９、または３０への制御信号を低周波数（例えば１ＫＨｚ）またはＤＣ電圧論理信号（５から２０ボルトの振幅を有する）にし、各梁２８、２９、または３０の部分２４を誘電体２５に向かって引き寄せ、部分２４と誘電体２５の間に実質的に存在する容量性スイッチに接近させることができる。
【００１５】
梁２１、２２、または２３の幅は１から２００ミクロンにすることができる。部分２４の長さは１００から５００ミクロンに、部分３６の長さは５００から１０００ミクロンに、抵抗器３５の長さは１０から１００ミクロンにすることができる。梁２１、２２、または２３の部分２４の厚さは、１から２ミクロンにすることができる。デジタル同調可能コンデンサの隣接する梁は、２分の１または２倍となる相対的な幅３９を有することができる。例えば、２進数コンデンサ１１で、梁２２の幅３９は梁２１の幅３９のサイズの２分の１となり、梁２３の幅３９は梁２２の幅３９のサイズの２分の１となる、など。２７と、２８、２９、および／または３０などの両端間に印加された論理電圧信号によって所望のキャパシタンスを選択することができる。梁が６本あるコンデンサでは、最大の梁２１が端子２６と２７の両端間（図３ａおよび図３ｂ）に１単位の「オン」キャパシタンス値を有するものと想定すると、コンデンサ１１は、印加された６ビット論理信号の最下位ビット値の変化に応じて１／３２サイズの増分単位で変化できる、０、１ないし３１／３２単位から選択した値をとることができる。
【００１６】
デジタル同調可能コンデンサ１１は、固体コンデンサより損失が少ない。いくつかの固体コンデンサの損失は、その空乏幅が変化してキャパシタンスを変化させる、固体コンデンサとして働く逆バイアス・ダイオードなどの素子内の信号の振幅の変化によって生じる非線形性によるものである。１０／１のキャパシタンス変化の比を有する固体素子のＱは、１から３など、非常に小さくなる可能性がある。しかし、さらに小さいキャパシタンス変化比を有する固体コンデンサでは、Ｑを２０程度の大きさにすることができる。固体コンデンサは１マイクロ秒以内に選択したキャパシタンス値に同調することができるが、これはほとんどの適用分野で通常は必要とされない速度である。本デジタル同調可能コンデンサは数百マイクロ秒以内に選択したキャパシタンス値に同調することができる。これはほぼ全ての適用分野で十分な速度である。さらに、デジタル同調可能コンデンサ、例えば２進数同調可能コンデンサは、１００を超えるＱの値および１００を超えるキャパシタンス変化比を両方とも有することができる。
【００１７】
デジタル同調可能コンデンサ１１を製作する工程では、回転同調可能コンデンサ１０の場合と同様の基板上で、これと同様かつ同時の工程を使用することができる。図４ａに示すＧａＡｓ、サファイア、石英、または半絶縁シリコンである基板４０から開始する。基板４０の厚さは約６２５ミクロンにすることができる。二酸化ケイ素、窒化ケイ素、またはその他の誘電体材料からなる厚さ１から２ミクロンの誘電体組成の層４１を、図４ｂで基板４０上に形成する。その後層４１をフォト・レジストでマスクし、金属層にさらし、フォト・レジストを除去する。フォト・レジスト材料は一般的な市販の材料である。別法として、最初に金属を付着させ、その金属層をマスクし、金属のマスクされていない部分を除去またはエッチングし、その後フォト・レジストを除去することもできる。金属層は５００から４０００オングストロームの厚さに形成することができる。この金属はニッケル、ニクロム、金／銅、またはニッケル／銅にすることができる。どちらの工程でも、図４ｃの金属アイランド４２が生じる。この工程を繰り返し、図４ｃの抵抗器アイランド４３を作成する。抵抗器アイランド４３は、ニクロム、窒化タンタル、クロム／シリコン、またはその他の同様の組成にすることができる。抵抗器４３の厚さは約２０００オングストロームである。抵抗器４３およびいくつかの金属アイランド４２の一部をマスクした後で、約２０００オングストロームの厚さの誘電体層を付着させる。あるいは図４ｃの全ての露出表面上に誘電体を付着させ、その後抵抗器４３およびアイランド４２の一部を除くその領域の大部分をマスクし、マスクされていない領域にエッチングを実行する。マスキングが除去され、図４ｄに示すように残りの誘電体層４４が生じる。
【００１８】
次に、抵抗器４３の一部、および１つの誘電体領域４４の一部を除く全ての誘電体領域またはアイランド４４にフォト・レジストを塗布する。フォト・レジスト層で覆われているか否かに関わらず、全体に２から３ミクロンの犠牲層を付着させる。犠牲層は、バイアス・スパッタした石英（ＳｉＯ2）やポリイミドなど、エッチングが容易な材料から構成される。フォト・レジスト上に形成された犠牲層とともにフォト・レジストを除去する。あるいは犠牲層を塗布し、犠牲層をマスクし、その後犠牲層の一部をエッチングにより取り去ってからフォト・レジストを除去する。この結果、図４ｅに示すように、抵抗器４３の一部、および誘電体アイランドまたは領域４４の大部分の上に犠牲材料のアイランド４５が生じる。フォト・レジストを、犠牲層領域またはアイランド４５のある特定の部分にのみ塗布する。フォト・レジストで覆われているか否かに関わらず全体にめっき素地を塗布する。めっき素地は、約６００オングストロームの厚さがあり、金、チタン／金、またはチタンである。めっき素地は以下の金属めっきのための接着層である。金属めっきはめっき素地層上に約１から２ミクロンの厚さで付着させる。めっきの金属はニッケル、金、銅、ニッケル／銅にすることができる。フォト・レジスト上のめっき素地および金属めっきとともにフォト・レジストを除去すると、領域またはアイランド４６が生じる。フォト・レジストの除去により、図４ｆの右側にある２番目に大きなアイランドの領域５１にばね状の渦巻きも生じる。図４ｆの左から１番目および３番目の小型の２つのアイランド４６にフォト・レジストを塗布する。その後２から３ミクロンの第２犠牲層を塗布する。フォト・レジストを除去すると、図４ｇの比較的大きなアイランド４８が生じる。左側のアイランド４８の全体と、図４ｇの右側のアイランド４８の中央部分のみとにフォト・レジスト４９を塗布する。めっき素地を塗布した後で、そのめっき素地の上に第３金属層をめっきする。めっき素地および金属は上記と同様である。フォト・レジスト上の金属めっきおよびめっき素地とともにフォト・レジストを除去すると、図４ｈ＋の金属アイランド５０が残る。最後に、緩衝ＨＦや犠牲材料除去用の市販物質などの溶剤を使用して、犠牲層４９、４８、および４５を除去する、またはエッチングにより取り去る。その結果、デジタル同調式コンデンサ１１および回転同調式コンデンサ１０が生じる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】回転同調式のマイクロメカニカル・コンデンサを示す図である。
【図２ａ】様々な電極の接続を有する図１のコンデンサの断面図である。
【図２ｂ】様々な電極の接続を有する図１のコンデンサの断面図である。
【図２ｃ】様々な電極の接続を有する図１のコンデンサの断面図である。
【図３ａ】デジタル同調式のマイクロメカニカル・コンデンサを示す図である。
【図３ｂ】図３ａのコンデンサの概略図である。
【図４ａ】回転同調式およびデジタル同調式のマイクロメカニカル・コンデンサを作成する一連の工程段階を示す図である。
【図４ｂ】回転同調式およびデジタル同調式のマイクロメカニカル・コンデンサを作成する一連の工程段階を示す図である。
【図４ｃ】回転同調式およびデジタル同調式のマイクロメカニカル・コンデンサを作成する一連の工程段階を示す図である。
【図４ｄ】回転同調式およびデジタル同調式のマイクロメカニカル・コンデンサを作成する一連の工程段階を示す図である。
【図４ｅ】回転同調式およびデジタル同調式のマイクロメカニカル・コンデンサを作成する一連の工程段階を示す図である。
【図４ｆ】回転同調式およびデジタル同調式のマイクロメカニカル・コンデンサを作成する一連の工程段階を示す図である。
【図４ｇ】回転同調式およびデジタル同調式のマイクロメカニカル・コンデンサを作成する一連の工程段階を示す図である。
【図４ｈ】回転同調式およびデジタル同調式のマイクロメカニカル・コンデンサを作成する一連の工程段階を示す図である。
【図４ｉ】回転同調式およびデジタル同調式のマイクロメカニカル・コンデンサを作成する一連の工程段階を示す図である。
【符号の説明】
【００２０】
１１  コンデンサ
２１、２２、２３  梁
２５  誘電体
２６、２７  電極
【図１】
2006128721.tif 000003
【図２ａ】
2006128721.tif 000004
【図２ｂ】
2006128721.tif 000005
【図２ｃ】
2006128721.tif 000006
【図３ａ】
2006128721.tif 000007
【図３ｂ】
2006128721.tif 000008
【図４ａ】
2006128721.tif 000009
【図４ｂ】
2006128721.tif 000010
【図４ｃ】
2006128721.tif 000011
【図４ｄ】
2006128721.tif 000012
【図４ｅ】
2006128721.tif 000013
【図４ｆ】
2006128721.tif 000014
【図４ｇ】
2006128721.tif 000015
【図４ｈ】
2006128721.tif 000016
【図４ｉ】
2006128721.tif 000017