(57)【要約】【課題】本発明は機械式の可変容量素子に関し、特に高密度に集積化された電気回路内において、小型で高性能、高品質の可変容量素子やスイッチを供することを目的とする。【解決手段】梁を静電力により撓ませる電極を複数個に分割し、それぞれに梁先端を支持する機能、交流信号ラインとしての機能、スティクションを解消する機能を付与することで、簡易な構成にて残留応力、熱膨張、スティクションによる品質や性能の劣化を抑制する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可撓性を有する梁と、前記梁との間にコンデンサを形成するために前記梁に近接して設置された電極とから構成され、前記梁と前記電極間に電圧をかけて前記梁を静電力で撓ませることで両者間の静電容量を変化させる可変容量素子であって、前記電極が複数個に分割されており、前記電極の一部が前記梁の自由端を静電力で吸着して支持されており、前記梁の自由端を静電力で支持する電極と梁との距離が、他の電極よりも梁に近接して配置されており、前記複数個の電極の一部を交流信号ラインとすることを特徴とする可変容量素子。
【請求項２】
請求項１に記載の可変容量素子を真空封止した可変容量素子。
【請求項３】
請求項１に記載の可変容量素子を利用したスイッチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は機械式の可変容量素子に関し、特に高密度に集積化された電気回路において、小型で高性能、高品質の可変容量素子とその形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の可変容量素子について、可変容量構造を利用した図１０の微小機械スイッチを参照して説明する。図１０はＩＥＥＥ  ＭＴＴ−Ｓ  Ｄｉｇｅｓｔ  １９９９、ｐｐ．１９２３−１９２６に紹介されているマイクロ波スイッチである。シリコン片持ち梁１の先端下部に絶縁層５を介して金の接点部６が設けられ、接点部６に相対する面には、接点部との接触により閉回路を形成する回路端子部７と、接点部６に静電力を与えてシリコン片持ち梁１を撓ませる駆動電極８が設けられている。シリコン片持ち梁の長さは約２００μｍ、幅は約２０μｍ、厚みは約２．５μｍである。接点部６と回路端子部７の隙間は１０μｍ以下に設定されおり、駆動電極８に５０Ｖ以上の電圧を加えることで梁１が撓んで接点部６が回路端子部７に接触し、接点が閉じられる。
【非特許文献１】ＩＥＥＥ  ＭＴＴ−Ｓ  Ｄｉｇｅｓｔ  １９９９、ｐｐ．１９２３−１９２６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、接点を閉じるために必要な電圧が５０Ｖ以上と高いために、専用の昇圧回路を搭載する必要があり、スイッチ素子の小型化を阻害していた。またシリコン梁先端に形成されているパッドは面積が広いほど上下に駆動するときに雰囲気の空気の粘性抵抗を受けて動作が遅くなり、数μｓレベルの高速スイッチング動作は難しくなる。
【０００４】
図１１は低電圧駆動と数μｓレベルのスイッチング速度を達成できる梁構造である。梁１の寸法は幅Ｗ＝２μｍ、厚さｔ＝２μｍ、長さＬ＝５００μｍである。梁１とは０．６μｍの空隙を介して膜厚０．１μｍの絶縁層５を表面に形成した電極２が基板４上に配置されている。梁１と電極２間に電圧Ｖを加えると、梁は静電力により−ｚ方向にたわむ。プルイン電圧（引き込み電圧）以上になると梁の復元力よりも静電力の方が圧倒して力を増すため、梁１は絶縁層５上に急激に吸着される。さらに電圧を上げると梁１は絶縁層５との接触面積を増やしながら梁−電極間の容量を漸増させる。このように梁の長さを長くすることで梁のバネ性を弱め、また梁の幅を細くすることで空気の粘性抵抗を小さくすることで、低電圧駆動と数μｓレベルのスイッチング速度が達成できる。梁の材料としてヤング率７７ＧＰａのアルミニウムを用いたとき、プルイン電圧は、梁を片持ちとした場合は０．２５Ｖ、両持ちとした場合は１．７２Ｖとなった。
【０００５】
しかし、このような細長い梁形状で顕著になる問題は、（１）残留応力、（２）熱膨張、（３）スティクションである。
【０００６】
第一の残留応力の問題について述べる。微小な梁形成には、半導体プロセスを用いた薄膜構造や、薄い圧延材料の接合構造などが利用されるが、いずれの場合も梁内部の残留応力が問題となる。この残留応力には２種類があり、一つは梁の長さ方向への圧縮／引っ張り応力、もう一つは梁の厚み方向への応力勾配である。
【０００７】
例えば図１１の梁を両持ち梁とした場合、図中のｘおよびｙ方向に過度の圧縮応力が残留すると、ｙ方向の応力解放は梁形状に大きな変化はもたらさないが、梁端面の拘束を受けているｘ方向に関しては、応力を解放しようとして座屈を起こし、静電力の印加とは無関係に梁は撓んでしまう。逆に引っ張り応力が残留する場合は見かけ上梁１に変化はないが、図１２のグラフに示したように、残留引っ張り応力が大きくなるほどプルイン電圧が大きくなり、梁の駆動特性が著しく変化してしまう。すなわち、残留応力０で梁が生成されるのが理想であるが、梁の製造工程で内部応力を精度よく再現できないと、座屈やプルイン電圧のばらつきを招き、素子の品質が劣化する。なお、片持ち梁についてはこの種類の応力は解放されるので座屈やプルイン電圧のばらつきは生じない。
【０００８】
しかし、図１１の梁１を片持ち梁としたとき、ｚ方向、すなわち梁の厚み方向に応力勾配が存在すると、応力解放により梁が反り上がる。例えば梁内部にｚ方向に沿ってプラスの応力勾配２ＭＰａ／μｍが存在すると梁１の先端は約２μｍ反り上がる。この応力勾配の値を梁の製造工程で精度よく再現できないと、この反りの度合いがばらつき、梁１と電極２間距離が増すことによる容量減少のばらつきとプルイン電圧増大のばらつきを抑えることができなくなる。例えば応力勾配０で反りのない場合のプルイン電圧が０．２５Ｖであるのに対して、先端が２μｍそり上がった状態でのプルイン電圧は１．２Ｖまで増大する。
【０００９】
この梁の長さ方向の圧縮・引っ張り応力や厚み方向の応力勾配を製造工程で制御するのは非常に難しい。製造工程における応力緩和方法として「やきなまし」があるが、素子を高温に晒すためにその温度は、素子を構成する梁以外の他の各種部材、例えば電極の金属や、梁を架橋構造にするために一時的に梁の下部に設けられ最終的にエッチングされる犠牲層材料などがその材料特性を変化させない温度にまで制限されるため、完全に応力を緩和することはできない。
【００１０】
第二の熱膨張の問題について述べる。素子の周辺温度の上昇により梁は長さ方向に熱膨張を起こすが、両端を拘束される両持ち梁構造では梁が座屈を起こし、静電力の印加とは無関係に梁は撓んでしまう。
【００１１】
第三のスティクションの問題について述べる。図１３は図１１の梁１を両持ち型としたときの構成で、残留応力をほぼ０とおさえた場合の電圧と容量の関係をあらわしている。電圧を加えると１．７２Ｖでプルインを起こし、それ以上の電圧印加を行うと梁１と電極２は絶縁層５を介して接触し、接触面積を増加させて容量を増す。逆に電圧を下げていくと０．６４Ｖまで電圧を降下させても梁と電極の接触は解消されない。これは梁のバネ性、すなわちバネの復元力が弱いことに起因する。このことは、電圧を０Ｖに戻しても、接触領域において、雰囲気中の水分子を介した吸着力、またはわずかな残留電荷による吸着力、またはｖａｎ  ｄｅｒ  Ｗａａｌｓ力などが存在すると、梁は初期状態に戻れなくなる可能性が高いことを意味する。これを回避するには梁を電極から離す方向に強制的に梁を駆動する機構、例えば図１１の梁１の上面を静電力で引き戻す電極を新たに設けるなど、複雑な構造をとる必要がある。
【００１２】
本発明は、このように低電圧・高速駆動が可能な機械的な可変容量素子において、簡易な構成で高品質の可変容量機能を具現し、例えば微小機械スイッチとして提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、可撓性を有する梁と、梁との間にコンデンサを形成するために梁に近接して設置された電極とから構成され、梁と電極間に電圧をかけて梁を静電力で撓ませることで両者間の静電容量を変化させることを特徴とする可変容量素子であり、撓ませた前記梁と電極とを、少なくとも一方の表面上に形成された絶縁層を介して接触させて接触面積を変化させることで静電容量を変化させることを特徴とし、前記電極が複数個に分割されていることを特徴とする。また、前記電極の一部が他の電極表面の高さよりも低い凹部を絶縁層に設け、凹部の前記梁と他の電極との間に電圧を加え、凹部内部に梁を引き寄せることにより、凹部の一部である段差発生部を支点とした梁の反対部位を電極から離す力を発生させることを特徴とする。したがって、梁を静電力により撓ませる電極を複数個に分割し、それぞれに梁先端を支持する機能、交流信号ラインとしての機能、スティクションを解消する機能を付与することで、簡易な構成にて残留応力、熱膨張、スティクションによる品質や性能の劣化を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１４】
以上のように本発明によれば、電極を複数個に分割し、それぞれに梁先端を支持する機能、交流信号ラインとしての機能、スティクションを解消する機能を付与することで、簡易な構成にて残留応力、熱膨張、スティクションによる品質や性能の劣化を抑制することができるという効果を有する。これにより低電圧・高速駆動が可能な小型・高品質の可変容量素子やこれを応用したＲＦスイッチの実現ができるという効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について、図１から図９を用いて説明する。
【００１６】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に関わる可変容量素子の概要図である。梁１はその一端をアンカー部３により基板４上に固定された片持ち梁であり、厚みｔ＝２μｍ、幅Ｗ＝２μｍ、長さＬ＝５００μｍである。ここでは梁の材料としてヤング率７７ＧＰａのアルミニウムを用いている。電極２ａ、２ｂは梁１の側面に平行に位置して基板４上に固定されている。電極２ａの長さｌａは約５０μｍ、電極２ｂの長さはｌｂは約４５０μｍとなっており、梁１と電極２の電気的短絡を避けるために、絶縁層５が電極２の梁との対向面上に０．１μｍほど形成されている。ここでは梁１上面の高さｈ１よりも電極２の上面高さｈ２を高くしている。
【００１７】
梁１は片持ち梁であるため、ｘ方向、ｙ方向の引っ張り／圧縮応力や、ｚ方向への応力勾配を解放することができる。図２に応力解放後の実際の梁の形状を示す。ｚ方向への応力勾配は２ＭＰａ／μｍほど残留していたため、先端は約２μｍほどｚ方向に反り上がっている、電極２の高さはそれを充分補うだけの高さｈ２を有しているために、梁１と電極２間の対向面積は変化せず、従って静電容量の減少はない。図２のように梁１を接地、電極２に電圧を印加すると、梁はｙ方向に引き寄せられて０．２５Ｖでプルインを起こし、０．２０Ｖに電圧を若干戻すことで図３の上面図に示すように梁先端部は電極２ａ上に固定支持された状態となる。片持ち梁は外部振動の影響を受けやすいので、通常は図３の両端固定支持状態を維持し、必要に応じて電圧を解放して片持ち梁状態に戻して、熱膨張による内部応力の発生を緩和させるリフレッシュ動作を行うことができる。
【００１８】
もし図１でｈ２をｈ１と等しくすると、応力解放による梁１のｚ方向への反りにより、梁１と電極２間の対向面積が減少し、プルイン電圧は０．４２Ｖと高くなってしまう。このことからｈ２をｈ１よりも高くすることでプルイン電圧の上昇を抑制する効果が得られることがわかる。
【００１９】
図２の構成では、梁１に静電力を加えて撓ませるための電極２を分割して、その一部である電極２ｂに入力ポートＰｉと出力ポートＰｏを設けた交流信号ラインとしての機能も持たせ、交流信号回路を形成している。図２の構成を単なるアクチュエータと考え、梁１に連結する可動部材を設けて、この可動部材で交流信号専用の可変容量部を形成することも可能であるが、構造が複雑となる上、梁１を含めた可動部材の質量が増えてしまうために動作速度、特にスイッチとして用いる場合のスイッチング速度が低下してしまうという問題がある。そのため、本発明の実施例では、図２のように、電極２の一部を交流信号ラインとして兼用する構造をとり、構成の簡素化を図り、高速スイッチングを達成している。
【００２０】
図３の状態からさらに電圧を加えると梁１と電極２ｂは絶縁層５を介して接触面積を増やし静電容量は増加する。梁１と電極２ｂはシャント型のスイッチを形成しているため、図４のように電圧３．８Ｖを印加した状態では、梁１と電極２の対向面積の８０％が接触状態となり、Ｐｉ−Ｐｏ間の交流伝送線路をシャントでゼロ電位に落とした状態を作ることができる。
【００２１】
図３の状態、すなわちシャントによる接地を行わない状態において、梁１と電極２ｂが近接しているＡ部近辺の容量が寄生容量として無視できない場合は、図５の構成をとることで解消することができる。ここでは電極２ａを２ｂよりも梁１に近接させるとともに、電極２ｂを２ｂ’と２ｂ”に分割し、交流信号はＡ部より遠い位置にある電極２ｂ”を通過するようにする。図５の構成により梁１と電極２ｂとの距離が離れるので寄生容量成分を抑制することができる。このとき電極２ｂ’は梁を駆動する役割を担うために省くことはできない。
【００２２】
次に本実施例の概要図である図１を構成するために用いた製作工程を示す。図６は図１のＡ−Ａ’断面を用いた工程断面図である。高抵抗シリコン基板９上に熱酸化することで、シリコン酸化膜１０を３００ｎｍの膜厚で形成する。その後、シリコン窒化膜１１を減圧ＣＶＤ法を用いて２００ｎｍの膜厚で堆積する。さらにシリコン酸化膜１２を５０ｎｍの膜厚で減圧ＣＶＤ法を用いて堆積する。図６ａ）参照。
【００２３】
しかる後、シリコン酸化膜１２にフォトレジストからなる犠牲層を膜厚２μｍでスピンコート、露光、現像したのち、ホットプレートで１４０℃１０分のベークを行うことで犠牲層１３を形成する。図６ｂ）参照。
【００２４】
しかる後、図６ｃ）に示すごとく、基板全面にアルミニウム１４をスパッタにより２μｍの膜厚で堆積し、所定の領域にレジストが残るようにフォトレジストによるパターン１５ａの形成を行い、レジストパターン１５ａの貫通穴よりアルミニウム１４の一部の高さをエッチングにより低くする。
【００２５】
次に図６ｄ）に示すように再びフォトレジストによるパターン１５ｂを形成する。
【００２６】
次に、前記フォトレジストからなるパターン１５ｂをマスクとしてアルミニウムのドライエッチングを行うことで、梁１６を形成し、さらに酸素プラズマによりフォトレジストからなるパターン１５ｂならびに犠牲層１３を除去する。これにより基板表面と間隙１７を有する梁が形成される。図６ｅ）参照。
【００２７】
さらに、図６ｆ）に示すごとく全面にプラズマＣＶＤによりシリコン窒化膜１８を膜厚５０ｎｍで堆積することで、基板表面のシリコン酸化膜１２上ならびに梁１６の周辺にシリコン窒化膜１８が形成される。
【００２８】
最後に図６ｇ）に示すようにシリコン窒化膜を異方性を有するドライエッチング法にて前記堆積膜厚以上の膜厚例えば１００ｎｍでシリコン酸化膜と選択比を有する条件でエッチバックすることで、上面にシリコン窒化膜がなく側面に窒化膜が残った梁１９を形成し、梁上面から電気的導通をとることができるようになる。
【００２９】
なお本実施の形態では基板に関して、高抵抗シリコン基板を用いたが、通常のシリコン基板、化合物半導体基板、絶縁材料基板を用いても良い。
【００３０】
また、高抵抗シリコン基板９上に絶縁膜としてシリコン酸化膜１０、シリコン窒化膜１１、シリコン酸化膜１２を形成したが、基板の抵抗が十分高い場合これら絶縁性膜の形成を省略しても良い。また、シリコン基板上にシリコン酸化膜１０、シリコン窒化膜１１、シリコン酸化膜１２と３層構造の絶縁膜としたが、前記シリコン窒化膜１１の膜厚が、梁上に堆積するシリコン窒化膜と比較して十分厚い膜厚、いわゆるエッチバック工程を経ても消失しない膜厚である場合、シリコン酸化膜１２形成工程は省略することが可能である。
【００３１】
なお、本実施の形態では梁を形成する材料としてアルミニウムを用いたが、他の金属材料Ｍｏ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｃｕ、ならびに高濃度に不純物導入された半導体材料例えばアモルファスシリコン、導電性を有する高分子材料などを用いても良い。さらに成膜方法としてスパッタを用いたがＣＶＤ法、メッキ法などを用いて形成しても良い。
【００３２】
（実施の形態２）
図７は図１１の構成で梁１を両持ち梁とし、梁１を一度プルインにより絶縁層５に接触させた後に電圧を解除したが、スティクションにより梁中央部が絶縁層５から離脱できない状態を示している。これを解決する本発明の実施例を図８に示す。図８（ａ）はスティクションを起こしている梁１の中央部の拡大図であり、梁１は電極２上の絶縁層５に面接触している。この接触面には雰囲気中の水分子を介した吸着力や残留電荷による静電力やvan del Walls力などが作用している。電極２’は電極２よりも梁から離れて凹部を形成しており、梁との接触はない。ここで電極２’に電圧を印加すると図８（ｂ）に示すように凹部に梁１を引きこみ、段差発生部Ｂを支点として梁１の電極２への付着を引き離す力を及ぼし、スティクションを解消することができる。図９は電極２、２’ともに表面は同一面内にあるが、絶縁層のみに凹部を設けている構造であり、同様にスティクション解消の効果を得ることができる。
【００３３】
なお、本実施例の可変容量素子を真空封止することで雰囲気中の水分子によるスティクションを低減することができるので、本実施例で示した構造のスティクション解消機能はさらに効果的になる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】第１の実施例における可変容量素子の外観図
【図２】梁内部応力の解放による梁の形状変化をあらわす図
【図３】第１の実施例において梁先端を静電力で支持した状態をあらわす上面図
【図４】第１の実施例において交流信号ラインにシャント型のスイッチを付与した状態をあらわす上面図
【図５】第１の実施例において信号ラインの寄生容量を減らす構造をあらわす上面図
【図６】第１の実施例における構成の薄膜作製技術による製作工程図
【図７】両持ち梁がスティクションを起こした状態をあらわす図
【図８】第２の実施例におけるスティクション解消構造の原理図
【図９】第２の実施例において絶縁層のみの段差で凹部を形成した構造をあらわす図
【図１０】従来の可変容量構造を応用したマイクロ波スイッチの構造を示す図
【図１１】従来の低電圧・高速動作が可能な可変容量構造を示す図
【図１２】両持ち梁とした図１０の構造において、梁内部のｘ、ｙ方向の内部残留応力とプルイン電圧の関係をあらわす図
【図１３】残留応力がほぼ０の両持ち梁とした図１０の構造において、印加電圧と容量変化の関係をあらわす図
【符号の説明】
【００３５】
１    梁
２    電極
３    アンカー部
４    基板
５    絶縁層
６    接点部
７    回路端子部
８    駆動電極
９    シリコン基板
１０    シリコン酸化膜
１１    シリコン窒化膜
１２    シリコン酸化膜
１３    犠牲層
１４    アルミニウム
１５    レジストパターン
１６    梁
１７    梁−基板間の間隙
１８    シリコン窒化膜
１９    上面の窒化膜が除かれた梁
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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