(57)【要約】【課題】個々のＭＥＭＳ素子の電極面積を変えずに、大きなキャパシタンスを有する可変キャパシタンスを実現すること可能なＭＥＭＳ装置を提供する。【解決手段】実施形態に係るＭＥＭＳ装置は、基板１００に固定された第１の下部電極１１と、第１の下部電極の上方に設けられた可動な第１の上部電極１２とを含む第１の可変キャパシタ１０と、基板に固定された第２の下部電極２１と、第２の下部電極の上方に設けられた可動な第２の上部電極２２とを含む第２の可変キャパシタ２０と、第１の上部電極と第２の上部電極とを電気的及び機械的に接続する接続部６０と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に固定された第１の下部電極と、前記第１の下部電極の上方に設けられた可動な第１の上部電極とを含む第１の可変キャパシタと、
前記基板に固定された第２の下部電極と、前記第２の下部電極の上方に設けられた可動な第２の上部電極とを含む第２の可変キャパシタと、
前記第１の上部電極と前記第２の上部電極とを電気的及び機械的に接続する接続部と、
を備えたことを特徴とするＭＥＭＳ装置。
【請求項２】
前記接続部は、前記第１の上部電極及び前記第２の上部電極を同時に変位させるように構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳ装置。
【請求項３】
前記接続部は、導電体で形成されたバネを含む
ことを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳ装置。
【請求項４】
前記バネは、少なくとも１つの屈曲部を有する
ことを特徴とする請求項３に記載のＭＥＭＳ装置。
【請求項５】
前記バネは、直線状である
ことを特徴とする請求項３に記載のＭＥＭＳ装置。
【請求項６】
前記バネは、前記第１の上部電極及び前記第２の上部電極の材料と同一の材料で形成されている
ことを特徴とする請求項３に記載のＭＥＭＳ装置。
【請求項７】
前記第１の上部電極に接続された少なくとも１つの絶縁性バネをさらに備える
ことを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、ＭＥＭＳ（micro electro mechanical systems）装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＥＭＳ技術を用いた可変キャパシタが提案されている。しかしながら、ＭＥＭＳ素子の電極面積を変えると、キャパシタンス値以外の駆動特性も変化する。そのため、特性ばらつきの増加や、設計期間の増大などが生じる。したがって、個々のＭＥＭＳ素子の電極面積を変えずに、大きなキャパシタンスを有する可変キャパシタンスを実現すること可能なＭＥＭＳ装置が望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１１４９８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
個々のＭＥＭＳ素子の電極面積を変えずに、大きなキャパシタンスを有する可変キャパシタンスを実現すること可能なＭＥＭＳ装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態に係るＭＥＭＳ装置は、基板に固定された第１の下部電極と、前記第１の下部電極の上方に設けられた可動な第１の上部電極とを含む第１の可変キャパシタと、前記基板に固定された第２の下部電極と、前記第２の下部電極の上方に設けられた可動な第２の上部電極とを含む第２の可変キャパシタと、前記第１の上部電極と前記第２の上部電極とを電気的及び機械的に接続する接続部と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】図１は、実施形態に係るＭＥＭＳ装置の基本的な平面構成を模式的に示した平面図である。
【図２】図２は、実施形態に係るＭＥＭＳ装置の基本的な構成を模式的に示した断面図である。
【図３】図３は、実施形態の変更例に係るＭＥＭＳ装置の基本的な平面構成を模式的に示した平面図である。
【図４】図４は、実施形態の可変キャパシタをキャパシタバンクに適用したときの第１の構成例を示した電気回路図である。
【図５】図５は、実施形態の可変キャパシタをキャパシタバンクに適用したときの第２の構成例を示した電気回路図である。
【図６】図６は、接続部の第１の構成例を模式的に示した平面図である。
【図７】図７は、接続部の第２の構成例を模式的に示した平面図である。
【図８】図８は、接続部の第３の構成例を模式的に示した平面図である。
【図９】図９は、接続部の第４の構成例を模式的に示した平面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、実施形態について図面を参照して説明する。
【０００８】
図１は、本実施形態に係るＭＥＭＳ装置の基本的な平面構成を模式的に示した平面図（平面パターン図）である。図２は、本実施形態に係るＭＥＭＳ装置の基本的な構成を模式的に示した断面図である。本実施形態に係るＭＥＭＳ装置は、可変キャパシタに用いられる。
【０００９】
図１及び図２に示すように、基板１００上に第１の可変キャパシタ１０及び第２の可変キャパシタ２０が形成されている。基板１００には、半導体基板、トランジスタ及び配線等を含む回路（例えば、可変キャパシタを制御及び駆動するための回路）、層間絶縁膜等が含まれる。
【００１０】
第１の可変キャパシタ１０は、基板１００に固定された第１の下部電極１１と、第１の下部電極１１の上方に設けられた可動な第１の上部電極１２とを含む。第２の可変キャパシタ２０は、基板１００に固定された第２の下部電極２１と、第２の下部電極２１の上方に設けられた可動な第２の上部電極２２とを含む。第１の下部電極１１上及び第２の下部電極２１上には誘電体膜１３が設けられている。
【００１１】
第１の可変キャパシタ１０では、第１の下部電極１１と第１の上部電極１２との間に適当な電圧を印加することで、第１の下部電極１１と第２の上部電極１２との間に静電気力が働き、第１の上部電極１２が変位する。その結果、第１の下部電極１１と第１の上部電極１２との距離が変化し、第１の可変キャパシタ１０のキャパシタンスが変化する。第１の可変キャパシタ１０は、第１の上部電極１２が誘電体膜１３に接している状態（プルイン状態）と、第１の上部電極１２が誘電体膜１３から離れている状態（プルアウト状態）をとることができる。したがって、第１の可変キャパシタ１０は、２値の可変キャパシタとして機能する。なお、上述した事項は、第２の可変キャパシタ２０についても同様である。
【００１２】
第１の上部電極１２には、少なくとも１つの絶縁性バネ４１が接続されている。同様に、第２の上部電極２２には、少なくとも１つの絶縁性バネ４２が接続されている。これら絶縁性バネ４１及び４２は、脆性材料で形成されている。例えば、この脆性材料にはシリコン窒化物（ＳｉＮ）が用いられる。絶縁性バネ４１及び４２はそれぞれ、アンカー５１及び５２によって支えられている。
【００１３】
第１の上部電極１２と第２の上部電極２２とは、第１の接続部６０によって電気的及び機械的に接続されている。第１の接続部６０は、導電体で形成されたバネによって構成されており、少なくとも１つの屈曲部を有している。また、第１の接続部（バネ）６０は、第１及び第２の上部電極１２及び２２を形成する工程と同一の工程で形成され、第１及び第２の上部電極１２及び２２の材料と同一の材料で形成されていることが好ましい。具体的には、バネ６０は、アルミニウム等の金属で形成されていることが好ましい。
【００１４】
第１の接続部（バネ）６０を設けることで、第１の可変キャパシタ１０の第１の上部電極１２と第２の可変キャパシタ２０の第２の上部電極２２とが電気的に接続される。その結果、並列に接続された第１の可変キャパシタ１０及び第２の可変キャパシタ２０によって、第１の可変キャパシタ１０を単独で使用した場合の２倍のキャパシタンス値を実現することが可能である。この場合、第１の可変キャパシタ１０及び第２の可変キャパシタ２０を同じ形状とし、且つ、第１の接続部６０のバネ定数を絶縁性バネ４１及び４２よりも十分小さくなるように設計する。これにより、第１の接続部６０によって並列接続されたキャパシタは、第１の可変キャパシタ１０を単独で使用した場合と同一の駆動特性を実現することが可能である。
【００１５】
第１の接続部６０は、第１の上部電極１２及び第２の上部電極２２を同時に変位させるように構成されていることが好ましい。第１の上部電極１２及び第２の上部電極２２が同時に変位することにより、第１の可変キャパシタ１０及び第２の可変キャパシタ２０を１つの可変キャパシタとして扱うことができる。第１の上部電極１２及び第２の上部電極２２を同時に変位させるようにするためには、第１の接続部６０のバネ定数が比較的高くなるように構成されていることが好ましい。この点については後述する。この場合も、第１の接続部６０のバネ定数を絶縁性バネ４１及び４２よりも十分小さくなるように設計することが好ましい。
【００１６】
第１の上部電極１２には、バイアス線７０が接続されている。このバイアス線７０によって、第１の上部電極１２に所望の電圧を印加することができる。
【００１７】
以上のように、本実施形態では、第１の接続部６０によって第１の可変キャパシタ１０の第１の上部電極１２と第２の可変キャパシタ２０の第２の上部電極２２とが電気的に接続されているため、第１及び第２の可変キャパシタ１０及び２０によって大きなキャパシタンスを実現することができる。また、本実施形態では、第１の接続部６０によって第１の上部電極１２及び第２の上部電極２２を同時に変位させることにより、第１及び第２の可変キャパシタ１０及び２０を１つの可変キャパシタとして扱うことができ、大きなキャパシタンスを有する可変キャパシタを得ることができる。
【００１８】
図３は、本実施形態の変更例に係るＭＥＭＳ装置の基本的な平面構成を模式的に示した平面図（平面パターン図）である。なお、基本的な構成は、図１及び図２に示した実施形態の構成と同様であるため、図１及び図２で示した実施形態で述べた事項の説明は省略する。
【００１９】
本変更例では、第１の可変キャパシタ１０及び第２の可変キャパシタ２０に加えて、第３の可変キャパシタ３０を設けている。
【００２０】
第３の可変キャパシタ３０の基本的な構成は、第１の可変キャパシタ１０及び第２の可変キャパシタ２０の構成と同様である。すなわち、第３の可変キャパシタ３０は、基板に固定された第３の下部電極（図示せず）と、第３の下部電極の上方に設けられた可動な第３の上部電極３２とを含む。第３の下部電極上には、図２に示したような誘電体膜１３が設けられている。第３の可変キャパシタ３０の基本的な動作も、第１の可変キャパシタ１０及び第２の可変キャパシタ２０の動作と同様である。
【００２１】
第３の上部電極３２には、少なくとも１つの絶縁性バネ４３が接続されている。絶縁性バネ４３の構成や材料等についても、上述した実施形態で述べた絶縁性バネ４１及び４２と同様である。
【００２２】
第２の上部電極２２と第３の上部電極３２とは、第２の接続部６１によって電気的及び機械的に接続されている。この第２の接続部６１についても、上述した実施形態で述べた第１の接続部６０と同様である。
【００２３】
本変更例では、第１の接続部６０によって第１の可変キャパシタ１０の第１の上部電極１２と第２の可変キャパシタ２０の第２の上部電極２２とが電気的に接続されるとともに、第２の接続部６１によって第２の可変キャパシタ２０の第２の上部電極２２と第３の可変キャパシタ３０の第３の上部電極３２とが電気的に接続されているため、第１、第２及び第３の可変キャパシタ１０、２０及び３０によって大きなキャパシタンスを実現することができる。また、接続部によって第１、第２及び第３の上部電極１２、２２及び３２を同時に変位させることにより、第１、第２及び第３の可変キャパシタ１０、２０及び３０を１つの可変キャパシタとして扱うことができ、大きなキャパシタンスを有する可変キャパシタを得ることができる。
【００２４】
なお、上述した変更例では、第１及び第２の接続部６０及び６１によって３つの第１、第２及び第３の可変キャパシタ１０、２０及び３０を並列に接続したが、接続部によってさらに多くの可変キャパシタを並列に接続するようにしてもよい。
【００２５】
図４は、本実施形態の可変キャパシタをキャパシタバンクに適用したときの第１の構成例を示した電気回路図である。
【００２６】
図４に示したキャパシタバンクは、可変キャパシタ部Ｃ１、可変キャパシタ部Ｃ２、可変キャパシタ部Ｃ４及び可変キャパシタ部Ｃ８によって構成されている。可変キャパシタ部Ｃ１、Ｃ２及びＣ４はそれぞれ、単一の可変キャパシタＣ１ａ、Ｃ２ａ及びＣ４ａによって構成されている。可変キャパシタ部Ｃ８は、可変キャパシタＣ８ａ及びＣ８ｂによって構成されている。可変キャパシタＣ８ａ及び可変キャパシタＣ８ｂがそれぞれ、図１及び図２に示した第１の可変キャパシタ１０及び第２の可変キャパシタ２０に対応する。
【００２７】
可変キャパシタ部Ｃ１のキャパシタンスの変動幅がΔＣ１、可変キャパシタ部Ｃ２のキャパシタンスの変動幅がΔＣ２、可変キャパシタ部Ｃ４のキャパシタンスの変動幅がΔＣ４、可変キャパシタ部Ｃ８のキャパシタンスの変動幅がΔＣ８、であるとする。この場合、
ΔＣ２＝２×ΔＣ１
ΔＣ４＝４×ΔＣ１
ΔＣ８＝８×ΔＣ１
という関係が成立する。
【００２８】
可変キャパシタＣ８ａ及び可変キャパシタＣ８ｂはいずれも、可変キャパシタＣ４ａと同一形状及び同一面積である。したがって、可変キャパシタＣ８ａ及び可変キャパシタＣ８ｂのキャパシタンスの変動幅はいずれも、ΔＣ４である。また、可変キャパシタＣ８ａの上部電極と可変キャパシタＣ８ｂの上部電極とは、同一形状及び同一面積である。そして、可変キャパシタＣ８ａの上部電極と可変キャパシタＣ８ｂの上部電極とは、同時に変位するように構成されている。
【００２９】
可変キャパシタ部Ｃ１、可変キャパシタ部Ｃ２、可変キャパシタ部Ｃ４、可変キャパシタ部Ｃ８（可変キャパシタＣ８ａ及び可変キャパシタＣ８ｂ）はいずれも、２値の可変キャパシタを構成する。したがって、図４に示したキャパシタバンクには、１６通りのキャパシタンス値を設定することができる。
【００３０】
ここで、可変キャパシタ部Ｃ８を構成する可変キャパシタＣ８ａと可変キャパシタＣ８ｂとが同時にプルインしないとすると、以下のような不具合が生じる。可変キャパシタＣ１ａ、Ｃ２ａ及びＣ４ａがプルインで、可変キャパシタＣ８ａ及びＣ８ｂがプルアウトである状態から、可変キャパシタＣ１ａ、Ｃ２ａ及びＣ４ａがプルアウトで、可変キャパシタＣ８ａ及びＣ８ｂがプルインである状態に移行する場合を考える。この場合、可変キャパシタＣ８ａ及び可変キャパシタＣ８ｂの一方がプルイン状態に移行しないと、キャパシタンス値は正規のキャパシタンス値（可変キャパシタＣ８ａ及び可変キャパシタＣ８ｂのいずれもプルイン状態であるときのキャパシタンス値）よりも小さくなってしまう。
【００３１】
本構成例では、可変キャパシタＣ８ａの上部電極と可変キャパシタＣ８ｂの上部電極とが同時に変位する。すなわち、可変キャパシタＣ８ａ及び可変キャパシタＣ８ｂが同時にプルイン状態に移行する。したがって、本実施形態では、上述したような問題を回避することができる。
【００３２】
図５は、本実施形態の可変キャパシタをキャパシタバンクに適用したときの第２の構成例を示した電気回路図である。
【００３３】
図５に示したキャパシタバンクは、可変キャパシタ部Ｃ１、可変キャパシタ部Ｃ２、可変キャパシタ部Ｃ４、可変キャパシタ部Ｃ８によって構成されている。可変キャパシタ部Ｃ１は、１つの可変キャパシタＣ１１によって構成されている。可変キャパシタ部Ｃ２は、２つの可変キャパシタＣ２１及びＣ２２によって構成されている。可変キャパシタ部Ｃ４は、４つの可変キャパシタＣ４１、Ｃ４２、Ｃ４３及びＣ４４によって構成されている。可変キャパシタ部Ｃ８は、８つの可変キャパシタＣ８１〜Ｃ８８によって構成されている。
【００３４】
可変キャパシタＣ２１及びＣ２２は、図１及び図２に示したような接続部６０によって接続されており、同時にプルイン状態に移行する。可変キャパシタＣ４１、Ｃ４２、Ｃ４３及びＣ４４についても同様に、図１及び図２に示したような接続部６０によって接続されている。すなわち、可変キャパシタＣ４１及びＣ４２が１つの接続部によって接続され、可変キャパシタＣ４２及びＣ４３が他の１つの接続部によって接続され、可変キャパシタＣ４３及びＣ４４がさらに他の１つの接続部によって接続されている。したがって、可変キャパシタＣ４１、Ｃ４２、Ｃ４３及びＣ４４が同時にプルイン状態に移行する。可変キャパシタＣ８１〜Ｃ８８についても同様に、隣接するキャパシタどうしが図１及び図２に示したような接続部によって接続されている。したがって、可変キャパシタＣ８１〜Ｃ８８全てが同時にプルイン状態に移行する。
【００３５】
可変キャパシタ部Ｃ１のキャパシタンスの変動幅がΔＣ１、可変キャパシタ部Ｃ２のキャパシタンスの変動幅がΔＣ２、可変キャパシタ部Ｃ４のキャパシタンスの変動幅がΔＣ４、可変キャパシタ部Ｃ８のキャパシタンスの変動幅がΔＣ８、であるとする。この場合、
ΔＣ２＝２×ΔＣ１
ΔＣ４＝４×ΔＣ１
ΔＣ８＝８×ΔＣ１
という関係が成立する。
【００３６】
また、図５に示した全ての可変キャパシタ（Ｃ１１、Ｃ２１、Ｃ２２、Ｃ４１、Ｃ４２、Ｃ４３、Ｃ４４及びＣ８１〜Ｃ８８）は、同一形状及び同一面積である。
【００３７】
可変キャパシタ部Ｃ１、可変キャパシタ部Ｃ２、可変キャパシタ部Ｃ４、可変キャパシタ部Ｃ８はいずれも、２値の可変キャパシタを構成する。したがって、図５に示したキャパシタバンクには、１６通りのキャパシタンス値を設定することができる。
【００３８】
本構成例では、可変キャパシタ部Ｃ２を構成するキャパシタＣ２１及びＣ２２が同時にプルイン状態に移行する。また、可変キャパシタ部Ｃ４を構成するキャパシタＣ４１、Ｃ４２、Ｃ４３、Ｃ４４が同時にプルイン状態に移行する。また、可変キャパシタ部Ｃ８を構成するキャパシタＣ８１〜Ｃ８８が同時にプルイン状態に移行する。したがって、本構成例でも、第１の構成例と同様の効果を得ることができる。さらに、本構成例では、全ての可変キャパシタ（Ｃ１１、Ｃ２１、Ｃ２２、Ｃ４１、Ｃ４２、Ｃ４３、Ｃ４４及びＣ８１〜Ｃ８８）が、同一形状及び同一面積であるため、設計や製造工程の簡単化をはかることが可能である。
【００３９】
次に、第１の接続部６０の種々の構成例について説明する。
【００４０】
図６は、第１の接続部６０の第１の構成例を模式的に示した平面図（平面パターン図）である。本構成例では、第１の接続部６０が単一のバネで構成され、バネが少なくとも１つの屈曲部を有している。このように、バネに屈折部を設けることで、座屈を抑制することが可能である。
【００４１】
図７は、第１の接続部６０の第２の構成例を模式的に示した平面図（平面パターン図）である。本構成例では、第１の接続部６０が複数のバネで構成され、各バネが少なくとも１つの屈曲部を有している。すなわち、本構成例では、図６の第１の構成例に対して、第１の接続部６０に追加のバネが含まれている。追加のバネは、導電体で形成されていてもよいし、絶縁体で形成されていてもよい。したがって、第１の接続部６０に含まれる少なくとも１つのバネが導電体で形成されていればよい。このように、本構成例においても、バネに屈折部を設けることで、座屈を抑制することが可能である。また、第１の接続部６０を複数のバネで構成することにより、硬い接続部を構成することができる。硬い接続部を構成することにより、キャパシタンス値を変更する際、複数の可変キャパシタを同時に変位させやすくなる。
【００４２】
図８は、第１の接続部６０の第３の構成例を模式的に示した平面図（平面パターン図）である。本構成例では、第１の接続部６０が単一のバネで構成され、バネが直線状になっている。このように、バネを直線状にすることで、硬い接続部を構成することができる。これにより、キャパシタンス値を変更する際、複数の可変キャパシタを同時に変位させやすくなる。
【００４３】
図９は、第１の接続部６０の第４の構成例を模式的に示した平面図（平面パターン図）である。本構成例では、第１の接続部６０が複数のバネで構成され、各バネが直線状になっている。すなわち、本構成例では、図８の第３の例に対して、第１の接続部６０に追加のバネが含まれている。追加のバネは、導電体で形成されていてもよいし、絶縁体で形成されていてもよい。したがって、第１の接続部６０に含まれる少なくとも１つのバネが導電体で形成されていればよい。このように、複数の直線状のバネを設けることで、より硬い接続部を構成することができる。これにより、キャパシタンス値を変更する際、複数の可変キャパシタを同時に変位させやすくなる。
【００４４】
また、硬い接続部を構成するためには、接続部に含まれるバネの幅を大きくすることが好ましい。
【００４５】
なお、上述した実施形態では、同一形状及び同一面積のキャパシタを接続部によって接続するようにしたが、接続部によって接続されるキャパシタは、異なった形状であってもよいし、異なった面積であってもよい。
【００４６】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４７】
１０…第１の可変キャパシタ      １１…第１の下部電極      １２…第１の上部電極
１３…誘電体膜
２０…第２の可変キャパシタ      ２１…第２の下部電極      ２２…第２の上部電極
３０…第３の可変キャパシタ      ３２…第３の上部電極
４１、４２、４３…絶縁性バネ      ５１、５２…アンカー
６０…第１の接続部      ７０…バイアス線      １００…基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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