(57)【要約】【課題】    制御が容易で、駆動範囲が広く、駆動電圧が広い薄膜圧電アクチュエータを安定した構造で提供する。【解決手段】    逆極性に接続した複数の圧電駆動部を持つ両持ち梁構造の薄膜圧電アクチュエータにおいて、アクチュエータの圧電膜にアクチュエータの駆動軸に対して垂直方向に２個以上のヴィアホールを作成し、それぞれのヴィアホールの領域で第１の上部電極と第２の下部電極、あるいは第２の上部電極と第１の下部電極をオーバーラップさせて形成し接続する。【選択図】    図２
2005260208.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一端がアンカー部により支持された駆動部を備え、
前記駆動部は、
圧電膜と、  
前記圧電膜の下に設けられた第1の下部電極と、
前記圧電膜の下に設けられた第２の下部電極と、
前記圧電膜の上において前記第１の下部電極と対向して設けられた第１の上部電極と、
前記圧電膜の上において前記第２の下部電極と対向して設けられた第２の上部電極と、
前記圧電膜に設けられた第１のヴィアホールを介して記第１の下部電極と前記第２の上部電極とを電気的に接続する第１の接続部と、
前記圧電膜に設けられた第２のヴィアホールを介して前記第２の下部電極と前記第１の上部電極とを電気的に接続する第２の接続部と、
を有することを特徴とする薄膜圧電アクチュエータ。
【請求項２】
前記第１のヴィアホールと、前記第２のヴィアホールと、は、前記第１の下部電極と前記圧電膜と前記第１の上部電極よりなる第１の駆動部と、前記第２の下部電極と前記圧電膜と前記圧電膜と前記第２の上部電極よりなる第２の駆動部と、の境界線に沿って並置されたことを特徴とする請求項１記載の薄膜圧電アクチュエータ。
【請求項３】
前記駆動部は、
前記圧電膜の下に設けられた第３の下部電極と、
前記圧電膜の上において前記第３の下部電極と対向して設けられた第３の上部電極と、
前前記圧電膜に設けられた第３のヴィアホールを介して記第２の下部電極と前記第３の上部電極とを電気的に接続する第３の接続部と、
前記圧電膜に設けられた第４のヴィアホールを介して前記第３の下部電極と前記第２の上部電極とを電気的に接続する第２の接続部と、
をさらに有することを特徴とする請求項１または２に記載の薄膜圧電アクチュエータ。
【請求項４】
前記第２の駆動部は略円形に形成され、前記第１の駆動部は前記第２の駆動部の外側にドーナツ状の形状に形成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の薄膜圧電アクチュエータ。
【請求項５】
少なくとも一端がアンカー部により支持された駆動部を備え、
前記駆動部は、
第１の圧電膜と、  
前記第１の圧電膜の下に設けられた第1の下部電極と、
前記第１の圧電膜の下に設けられた第２の下部電極と、
前記第１の圧電膜の上において前記第１の下部電極と対向して設けられた第１の中間電極と、
前記第１の圧電膜の上において前記第２の下部電極と対向して設けられた第２の中間電極と、
前記第１及び第２の中間電極の上に設けられた第２の圧電膜と、
前記第２の圧電膜の上において前記第１の中間電極と対向して設けられた第１の上部電極と、
前記第２の圧電膜の上において前記第２の中間電極と対向して設けられた第２の上部電極と、
前記第１の圧電膜に設けられた第１のヴィアホールを介して前記第１の下部電極と前記第２の中間電極とを電気的に接続する第１の接続部と、
前記第１の圧電膜に設けられた第２のヴィアホールを介して前記第２の下部電極と前記第１の中間電極とを電気的に接続する第２の接続部と、
前記第２の圧電膜に設けられた第３のヴィアホールを介して前記第２の中間電極と前記第１の上部電極とを電気的に接続する第３の接続部と、
前記第２の圧電膜に設けられた第４のヴィアホールを介して前記第１の中間電極と前記第２の中間電極とを電気的に接続する第４の接続部と、
を有することを特徴とする薄膜圧電アクチュエータ。
【請求項６】
前記第１及び第３のヴィアホールと、前記第２及び第４のヴィアホールと、は、前記第１の下部電極と前記第１の圧電膜と前記第１の中間電極と前記第２の圧電膜と前記第１の上部電極よりなる第１の駆動部と、前記第２の下部電極と前記第１の圧電膜と前記第２の中間電極と前記第２の圧電膜と前記第２の上部電極よりなる第２の駆動部と、の境界線に沿って並置されたことを特徴とする請求項５記載の薄膜圧電アクチュエータ。
【請求項７】
前記第１の圧電膜と前記第２の圧電膜とが同一方向に分極可能とされたことを特徴とする請求項５または６に記載の薄膜圧電アクチュエータ。
【請求項８】
前記圧電膜は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ペロブスカイト構造を持つ強誘電体、のいずれかからなることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の薄膜圧電アクチュエータ。
【請求項９】
前記第１及び第２の下部電極と前記第１及び第２の上部電極は、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、のいずれかを主成分とすることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の薄膜圧電アクチュエータ。
【請求項１０】
前記第１及び第２の下部電極の端面の少なくともいずれかは、前記下部電極の主面に対して６０度以下のテーパー状に形成されたことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の薄膜圧電アクチュエータ。
【請求項１１】
前記圧電膜は、Ｃ軸に配向した窒化アルミニウム（ＡｌＮ）あるいは酸化亜鉛（ＺｎＯ）からなることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１つに記載の薄膜圧電アクチュエータ。
【請求項１２】
少なくとも一端がアンカー部により支持された駆動部を備え、
前記駆動部は、
下部電極と、
前記下部電極の上に積層され且つ前記下部電極のいずれかの端面を越えて延在した圧電膜と、  
前記圧電膜の少なくとも一部の上に設けられた上部電極と、
を有し、
前記圧電膜は、Ｃ軸に配向した窒化アルミニウム（ＡｌＮ）あるいは酸化亜鉛（ＺｎＯ）からなり、
前記下部電極の前記いずれかの端面は、前記下部電極の主面に対して６０度以下のテーパー状に形成されたことを特徴とする薄膜圧電アクチュエータ。
【請求項１３】
前記圧電膜は、Ｘ線ロッキングカーブにおける（０００１）ピークの半値幅が５度以下であることを特徴とする請求項１１または１２に記載の薄膜圧電アクチュエータ。
【請求項１４】
前記下部電極、前記圧電膜及び前記上部電極を貫通する貫通穴が設けられたことを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１つに記載の薄膜圧電アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜圧電アクチュエータに関し、特に、ＭＥＭＳ(Micro-electro-mechanical System)に適用して好適な、制御が容易で、駆動電圧が低く駆動範囲が広い圧電薄膜を使用した薄膜圧電アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のＭＥＭＳ技術による薄膜圧電アクチュエータを使用したマイクロスイッチやバリアブルキャパシタなどにおいては、駆動力として主に静電力を使用している。静電力を使用した薄膜圧電アクチュエータは、空間を隔てた一対の電極に駆動電圧を印加するだけという非常に簡単な動作機構で済むという長所がある（例えば、非特許文献１）。
【０００３】
その反面、静電力が距離のマイナス二乗に比例するという性質から、印加電圧と電子の移動量が非線型な初期間隔の約２／３以下では間隔が不連続に閉じてしまうプルインという現象が生じる。このため、駆動範囲が狭く、１μｍ以上の距離を駆動するためには一般に２０Ｖ以上の駆動電圧が必要になる。現状では、この駆動電圧が高いという問題点から、なかなか一般民生用機器には応用が及んでいない。  
【非特許文献１】"Smart Structure and Materials 2002: Smart Electronics, MEMS and Nanotechnology", V. K. Varadan, Editor, Proceedings of SPIE Vol. 4700 (2002), pp. 40-49
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の圧電アクチュエータにおいては、圧電セラミックスとして非常に圧電性能の高いＰＺＴ系（ジルコン酸チタン酸鉛）の材料を使用することが可能であるため、様々な形状のものを作成することが可能であった。しかしながら、薄膜技術でＰＺＴ系の高性能の圧電薄膜を作成することは、鉛系の材料は融点や蒸気圧が高く成膜過程での組成制御が困難であったり、通常の半導体製造ラインでは鉛系の材料は使えないなどの問題点がある。
【０００５】
そこで、本発明の発明者は、薄膜法で作成可能な圧電体薄膜を種々検討した結果、ウルツ鉱型結晶系を持つ窒化アルミニウム（ＡｌＮ）ないしは酸化亜鉛（ＺｎＯ）のｃ軸配向膜が適していることを見出した。ただしＡｌＮやＺｎＯは、前述のＰＺＴ系に比較すると圧電性は１／１０以下と非常に小さい。このため、圧電アクチュエータ構造を作成する場合には、変位量を大きくとるために、アクチュエータの厚さを薄くし、長さを長く、すなわちアスペクト比を大きく取る必要がある。このようなアスペクト比の大きい構造を薄膜で作成すると、圧電セラミックを使用した圧電アクチュエータでよく使用される片持ち梁構造構造的に不安定になるため、両持ち梁構造の方が適している。
【０００６】
図４２は、本発明者が本発明に至る過程で検討した両持ち梁構造の薄膜圧電アクチュエータの断面構造を表す模式図である。両側のアンカー６０１に接して２組の上下電極６０２、６０３に挟まれた圧電体６０４からなる駆動部６０５と、バイモルフ構造を構成するための支持膜６０６からなる。この具体例は、このデバイスを容量型マイクロスイッチに応用した場合のもので、２つの駆動部６０５ではさまれた中央部６０７にはスイッチ用電極接点６０８、６０９が設けられている。
【０００７】
この両持ち梁構造の薄膜圧電アクチュエータの動作を図４３に表す。両側に作成した２つの駆動部６０５に同じ向きに駆動電圧を印加して凸状に変形させて駆動を行うが、このとき中央部６０７は逆向きに凹状に変形しスイッチ用電極が接触してスイッチＯＮ状態となる。このとき中央部６０７を変形させるためには、余分な駆動電圧の印加が必要となる（第１の問題点）。
【０００８】
両持ち梁構造の薄膜圧電アクチュエータをバリアブルキャパシタに応用した場合は、上記中央部６０７に、バリアブルキャパシタの第1の電極とこれに相対した第２の電極が設けられる。バリアブルキャパシタの場合も容量型マイクロスイッチ同様、薄膜圧電アクチュエータを図４３のように動作させて、キャパシタ電極間隔を変化させ容量を変化させる。しかし、バリアブルキャパシタの場合、上記中央部が湾曲してしまうため、基板と平面状の電極を平行に保ったまま、垂直に移動させることが困難である（第２の問題点）。
【０００９】
以上説明したように、従来の薄膜圧電アクチュエータはその応用デバイスにおいて、駆動電圧が高い、動作が非線形などの問題があり、この問題を解決するために考案されたデバイスにおいては配線技術に関する構造的な問題があった。
【００１０】
本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたものであり、制御が容易で、駆動範囲が広く、駆動電圧が広い薄膜圧電アクチュエータを、最も高性能を発揮するような構造を持つデバイスとして提供することにある。本発明の薄膜圧電アクチュエータを使用することにより、低電圧駆動のマイクロスイッチや、可変範囲の広いバリアブルキャパシタを提供することが可能になる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者はさらに検討を重ねた結果、極性の異なる２個以上の圧電アクチュエータを使用する構造を使用すれば、上記の第１の問題点や、第２の問題点を解決できることを見出した。  
図４４は、本発明の前提となる薄膜圧電アクチュエータをバリアブルキャパシタに応用した模式図である。
【００１２】
すなわち、このアクチュエータは、両側のアンカー７０１に接して第１の上下電極７０２、７０３に挟まれた圧電体７０４からなる第１の駆動部７０５と、第１の駆動部７０５に隣接して設置された、第２の上下電極７０６、７０７に挟まれた圧電体７０４からなる第２の駆動部７０８とバイモルフ構造を構成するための支持膜７０９からなり、第１の上部電極７０３と第２の下部電極７０６、および第２の上部電極７０７と第１の下部電極７０２が接続されている。第１および第２の駆動部は左右対称に２個づつ形成されている。またアクチュエータの中央部にはバリアブルキャパシタの第１の電極７１０が形成され、また基板中央には第１の電極７１０と相対して、誘電膜７１１にカバーされたバリアブルキャパシタの第２の電極７１２が形成されている。
【００１３】
図４５は、このアクチュエータの動作を説明するための模式図である。駆動電圧を加えた場合に第１の駆動部７０５と第２の駆動部７０８は逆向きに変形する。図４５の例では第１の駆動部７０５は上に凸に、第２の駆動部７０８は下に凸に変形し、それぞれの長さが同じであれば互いに面方位の傾きはキャンセルされ、アクチュエータに余分な負荷が加わらない。また、アクチュエータ中央部のバリアブルキャパシタの第１の電極７１０は常に平行に上下することが可能になり、電極７１０と７１２の間の容量は、離れた状態から面全体で接触する状態まで最も広い範囲で連続的に変化させることができる。
【００１４】
このように図４４に表したアクチュエータは理想的な駆動動作を示すが、このときに新たに問題となるのが、第１の上部電極７０３と第２の下部電極７０６、および第２の上部電極７０７と第１の下部電極７０２をどのように接続するかである。バルク材料を使用した圧電アクチュエータにおいては、外部配線をはんだなどにより接続することで容易に実現することができるが、薄膜アクチュエータでは外部配線を使用することはできない。また、接続することによってアクチュエータに余分な捩れなどを生じることは好ましくない。またさらに、接続することによってアクチュエータの構造的な強度が著しく弱くなることは好ましくない。
【００１５】
本発明者はこれらの点について試作検討を重ねた結果、本発明に至った。すなわち、本発明では、アクチュエータの圧電膜にアクチュエータの駆動軸に対して垂直方向に２個以上のヴィアホールを作成し、それぞれのヴィアホールの領域で第１の上部電極と第２の下部電極、あるいは第２の上部電極と第１の下部電極をオーバーラップさせて形成し接続する。
【００１６】
本発明によれば、少なくとも一端がアンカー部により支持された駆動部を備え、
前記駆動部は、
圧電膜と、  
前記圧電膜の下に設けられた第1の下部電極と、
前記圧電膜の下に設けられた第２の下部電極と、
前記圧電膜の上において前記第１の下部電極と対向して設けられた第１の上部電極と、
前記圧電膜の上において前記第２の下部電極と対向して設けられた第２の上部電極と、
前記圧電膜に設けられた第１のヴィアホールを介して記第１の下部電極と前記第２の上部電極とを電気的に接続する第１の接続部と、
前記圧電膜に設けられた第２のヴィアホールを介して前記第２の下部電極と前記第１の上部電極とを電気的に接続する第２の接続部と、
を有することを特徴とする薄膜圧電アクチュエータが提供される。
【００１７】
または、本発明によれば、少なくとも一端がアンカー部により支持された駆動部を備え、
前記駆動部は、
第１の圧電膜と、  
前記第１の圧電膜の下に設けられた第1の下部電極と、
前記第１の圧電膜の下に設けられた第２の下部電極と、
前記第１の圧電膜の上において前記第１の下部電極と対向して設けられた第１の中間電極と、
前記第１の圧電膜の上において前記第２の下部電極と対向して設けられた第２の中間電極と、
前記第１及び第２の中間電極の上に設けられた第２の圧電膜と、
前記第２の圧電膜の上において前記第１の中間電極と対向して設けられた第１の上部電極と、
前記第２の圧電膜の上において前記第２の中間電極と対向して設けられた第２の上部電極と、
前記第１の圧電膜に設けられた第１のヴィアホールを介して前記第１の下部電極と前記第２の中間電極とを電気的に接続する第１の接続部と、
前記第１の圧電膜に設けられた第２のヴィアホールを介して前記第２の下部電極と前記第１の中間電極とを電気的に接続する第２の接続部と、
前記第２の圧電膜に設けられた第３のヴィアホールを介して前記第２の中間電極と前記第１の上部電極とを電気的に接続する第３の接続部と、
前記第２の圧電膜に設けられた第４のヴィアホールを介して前記第１の中間電極と前記第２の中間電極とを電気的に接続する第４の接続部と、
を有することを特徴とする薄膜圧電アクチュエータが提供される。
または、本発明によれば、少なくとも一端がアンカー部により支持された駆動部を備え、
前記駆動部は、
下部電極と、
前記下部電極の上に積層され且つ前記下部電極のいずれかの端面を越えて延在した圧電膜と、  
前記圧電膜の少なくとも一部の上に設けられた上部電極と、
を有し、
前記圧電膜は、Ｃ軸に配向した窒化アルミニウム（ＡｌＮ）あるいは酸化亜鉛（ＺｎＯ）からなり、
前記下部電極の前記いずれかの端面は、前記下部電極の主面に対して６０度以下のテーパー状に形成されたことを特徴とする薄膜圧電アクチュエータが提供される。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、圧電膜や電極の外形と接続部を同時にパターニングすることができるので、接続するための余分な加工工程が不要となる。また、各駆動部において圧電膜を隔てて上下電極が対向している駆動領域を、例えば長方形などの駆動軸に対して上下および左右対称形に作成することができるので、捩れなどが生じない。本発明の薄膜圧電アクチュエータは安定した構造、良好な制御性、および広い移動範囲を持つ。このような薄膜圧電アクチュエータをデバイスに応用することで、容量可変範囲の広いバリアブルキャパシタやスイッチ特性の良好なマイクロスイッチを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
【００２０】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施例の両持ち梁構造の薄膜圧電アクチュエータを応用したバリアブルキャパシタの平面図である。また、図２は、図１に表した平面図のＡ−Ａ断面図であり、図３は、Ｂ−Ｂ断面図である。なお、図１の平面図においては煩雑さを避けるため、上下電極およびアンカー部のみを表した。
【００２１】
図２、図３に示すように、基板１０１に設置された両側のアンカー１０２に接して第１の上下電極１０３、１０４とこれに挟まれた第１の圧電膜１０５からなる第１の駆動部１０６と、第１の駆動部１０６に隣接して設置された、第２の上下電極１０７、１０８とこれに挟まれた圧電膜１０５からなる第２の駆動部１０９と、バイモルフ構造を構成するための支持膜１１０とが設置されている。支持膜１１０は、電極１０４、１０８の上側ではなく、電極１０３、１０７の下側に設けてもよい。第１および第２の駆動部１０６、１０９は両持ち梁の駆動軸に沿って対称に２組ずつ設置されている。
【００２２】
圧電膜１０５は第１の駆動部１０６と第２の駆動部１０９との間に、駆動軸とは垂直方向に第１のヴィアホール１１１および第２のヴィアホール１１２が並べて形成されており、第１の下部電極１０３と第２の上部電極１０８は第１のヴィアホール１１１を通じて接続されており、第２の下部電極１０７と第１の上部電極１０４は第２のヴィアホール１１２を通じて接続されている。
【００２３】
また、アクチュエータの中央部にはバリアブルキャパシタの第１の電極１１３が形成されており、対向する基板１０１上にはバリアブルキャパシタの第２の電極１１４、および電極間が短絡するのを防ぐための誘電膜１１５が形成されている。
【００２４】
アクチュエータの第１、第２の上下電極１０３、１０４、１０７、１０８はＡｌで作成し、厚さは抵抗値などを勘案して例えば１０ｎｍから１μｍ程度から選ぶことができるが、本実施例では全て５０ｎｍとした。また、アクチュエータの圧電膜１０５はｃ軸配向させたＡｌＮで作成し、厚さは変位量を勘案して例えば１０ｎｍから１μｍ程度から選ぶことができるが、本実施例では全て５００ｎｍとした。支持膜１１０はＳｉＯ２膜で作成し、厚さは５０ｎｍとした。バリアブルキャパシタの等価面積は６４００μｍ2とし、また誘電膜１１５はＡｌＮで作成し、厚さは１０ｎｍとした。
【００２５】
本実施例によれば、ヴィアホールを介して接続することにより、圧電膜や電極の外形と接続部を同時にパターニングすることができるので、接続するための余分な加工工程が不要となる。また、各駆動部において圧電膜を隔てて上下電極が対向している駆動領域を、例えば長方形などの駆動軸に対して上下および左右対称形に作成することができるので、捩れなどが生じない。本発明の薄膜圧電アクチュエータは安定した構造、良好な制御性、および広い移動範囲を持つ。
【００２６】
そして、本実施例の薄膜圧電アクチュエータは、図４５に関して前述したものと同様に、広範囲に亘って理想的な動作をする。すなわち、駆動電圧を加えた場合に第１の駆動部１０６と第２の駆動部１０９とは逆向きに変形する。例えば、第１の駆動部１０６が上に凸に変形する時には、第２の駆動部１０９は下に凸に変形し、それぞれの長さが同じであれば互いに面方位の傾きはキャンセルされ、アクチュエータに余分な負荷が加わらない。また、アクチュエータ中央部のバリアブルキャパシタの第１の電極１１３は常に平行に上下することが可能になり、電極１１３と１１４との間の容量は、離れた状態から面全体で接触する状態まで最も広い範囲で連続的に変化させることができる。
【００２７】
この薄膜圧電アクチュエータを応用したバリアブルキャパシタに制御電圧（Ｖtune）を０〜３Ｖ加えて、バリアブルキャパシタの第１、第２の電極間のキャパシタ容量を測定したところ、最小０．３４ｐＦ、最大５１ｐＦで１５０倍の非常に大きな可変幅を連続して得ることができた。
【００２８】
図４に本発明の第１の実施例の両持ち梁構造の薄膜圧電アクチュエータを応用した容量型マイクロスイッチの平面図を示す。図４に示した平面図のＡ−Ａ断面を図５に、Ｂ−Ｂ断面を図６にそれぞれ示す。なお、図４の平面図においては煩雑さを避けるため、上下電極およびアンカー部のみを示している。
【００２９】
図５、図６に示すように、基板２０１に設置された両側のアンカー２０２に接して第１の上下電極２０３、２０４とこれに挟まれた圧電膜２０５からなる第１の駆動部２０６が２組設置され、中央部には、第２の上下電極２０７、２０８とこれに挟まれた圧電膜２０５からなる第２の駆動部２０９が設置されている。アクチュエータ上部にはバイモルフ構造を構成するための支持膜２１０が設置されている。
【００３０】
圧電膜２０５には第１の駆動部２０６と第２の駆動部２０９との間に、駆動軸とは垂直方向に第１のヴィアホール２１１および第２のヴィアホール２１２が並べて形成されており、第１の下部電極２０３と第２の上部電極２０８は第１のヴィアホール２１１を通じて接続されており、第２の下部電極２０７と第１の上部電極２０４は第２のヴィアホール２１２を通じて接続されている。
【００３１】
また、第２の駆動部２０９の第２の下部電極２０７はスイッチ用の電極を兼ねており、対向した基板２０１上にはオーミックコンタクトをとるためのスイッチ用電極接点２１３が設置されている。
【００３２】
アクチュエータの第１、第２の上下電極２０３、２０４、２０７、２０８はＡｕで作成し、厚さは抵抗値などを勘案して例えば１０ｎｍから１μｍ程度から選ぶことができるが、本実施例では全て５０ｎｍとした。また、アクチュエータの圧電膜２０５はｃ軸配向させたＡｌＮで作成し、厚さは変位量を勘案して例えば１０ｎｍから１μｍ程度から選ぶことができるが、本実施例では全て５００ｎｍとした。支持膜２１０はＳｉＯ２膜で作成し、厚さは５０ｎｍとした。スイッチ用電極接点２１３はＡｕで作成した。
【００３３】
この薄膜圧電アクチュエータを応用した容量型マイクロスイッチに制御電圧（Ｖtune）を０Ｖおよび３Ｖを加えて、第２の下部電極２０７およびスイッチ用電極接点２１３間の２ＧＨｚにおける伝送特性を測定したところ、スイッチオフ時のアイソレーションが−３８ｄＢ、オン時の挿入損失が−０．１４ｄＢと非常に優れたスイッチ特性を得ることができた。
【００３４】
図７に本発明の第２の実施例の両持ち梁構造の薄膜圧電アクチュエータを応用したバリアブルキャパシタの平面図を示す。図７に示した平面図のＡ−Ａ断面を図８に、Ｂ−Ｂ断面を図９にそれぞれ示す。なお、図７の平面図においては煩雑さを避けるため、上下電極およびアンカー部のみを示している。
【００３５】
図８、図９に示すように、基板３０１に設置された両側のアンカー３０２に接して第１の下部電極３０３、第１の圧電膜３０４、第１の中間電極３０５、第２の圧電膜３０６、第１の上部電極３０７からなる第１の駆動部３０８と、第１の駆動部３０８に隣接して設置された第２の下部電極３０９、第１の圧電膜３０４、第２の中間電極３１０、第２の圧電膜３０６、第２の上部電極３１１からなる第２の駆動部３１２と、が設置されている。図１などに例示したような支持膜１１０を下部電極の下側あるいは上部電極の上側に設けてもよい。第１および第２の駆動部３０８、３１２は、両持ち梁の駆動軸に沿って対称に２組ずつ設置されている。第１の圧電膜３０４と第２の圧電膜３０６とは、同一方向に分極可能とされている。
【００３６】
図７〜９に示すように、第１の圧電膜３０４には第１の駆動部３０８と第２の駆動部３１２との間に、駆動軸とは垂直方向に第１のヴィアホール３１４および第２のヴィアホール３１５が並べて形成されており、さらに第２の圧電膜３０６には第１および第２のヴィアホール３１４および３１５と同じ平面位置に第３および第４のヴィアホール３１６および３１７が並べて形成されている。
【００３７】
第１の下部電極３０３と第２の中間電極３１０は第１のヴィアホール３１４を通じて接続され、さらに第３のヴィアホール３１６を通じて第１の上部電極３０７と接続されている。また、第２の下部電極３０９と第１の中間電極３０５は第２のヴィアホール３１５を通じて接続され、さらに第４のヴィアホール３１７を通じて第２の上部電極３１１と接続されている。
【００３８】
また、アクチュエータの中央部にはバリアブルキャパシタの第１の電極３１８が形成されており、対向する基板３０１上にはバリアブルキャパシタの第２の電極３１９、および電極間が短絡するのを防ぐための誘電膜３２０が形成されている。
【００３９】
アクチュエータの第１、第２の上中下電極３０３、３０５、３０７、３０９、３１０、３１１およびバリアブルキャパシタの電極３１８、３１９は全てＡｌで作成し、厚さは５０ｎｍとした。バリアブルキャパシタの等価面積は６４００μｍ2とし、また、誘電膜３２０はＡｌＮで作成し、厚さは１０ｎｍとした。
【００４０】
この薄膜圧電アクチュエータを応用したバリアブルキャパシタの第１の中間電極と第１の上下電極間に制御電圧（Ｖtune）を０〜３Ｖ加えて、バリアブルキャパシタの第１の電極３１８および第２の電極３１９間の容量を測定したところ、最小０．２７ｐＦ、最大５５ｐＦで２０２倍の非常に大きな可変幅を連続して得ることができた。
【００４１】
図１０に本発明の第３の実施例の両持ち梁構造の薄膜圧電アクチュエータを応用したバリアブルキャパシタの平面図を示す。図１０に示した平面図のＡ−Ａ断面を図１１に、Ｂ−Ｂ断面を図１２に、Ｃ−Ｃ断面を図１３に、Ｄ−Ｄ断面を図１４にそれぞれ示す。なお、図１０の平面図においては煩雑さを避けるため、上下電極およびアンカー部のみを示している。
【００４２】
図１１〜１４に示すように、基板４０１に設置された両側のアンカー４０２に接して第１の下部電極４０３、第１の圧電膜４０４、第１の中間電極４０５、第２の圧電膜４０６、第１の上部電極４０７からなる第１の駆動部４０８と、第１の駆動部４０８に隣接して設置された第２の下部電極４０９、第１の圧電膜４０４、第２の中間電極４１０、第２の圧電膜４０６、第２の上部電極４１１からなる第２の駆動部４１２と、が設置されている。第１および第２の駆動部４０８、４１２は両持ち梁の駆動軸に沿って対称に２組ずつ設置されている。
【００４３】
図１０〜１４に示すように、第１の圧電膜４０４には第１の駆動部４０８と第２の駆動部４１２との間に、駆動軸とは垂直方向に第１のヴィアホール４１４および第２のヴィアホール４１５が形成されており、さらに第２圧電膜４０６には第１および第２のヴィアホール４１４および４１５とそれぞれ隣接して第３および第４のヴィアホール４１６および４１７が並べて形成されている。
【００４４】
第１の下部電極４０３と第２の中間電極４１０は第１のヴィアホール４１４を通じて接続され、さらに第３のヴィアホール４１６を通じて第１の上部電極４０７と接続されている。また、第２の下部電極４０９と第１の中間電極４０５は第２のヴィアホール４１５を通じて接続され、さらに第４のヴィアホール４１７を通じて第２の上部電極４１１と接続されている。
【００４５】
また、アクチュエータの中央部にはバリアブルキャパシタの第１の電極４１８が形成されており、対向する基板４０１上にはバリアブルキャパシタの第２の電極４１９、および電極間が短絡するのを防ぐための誘電膜４２０が形成されている。
【００４６】
アクチュエータの第１、第２の上中下電極４０３、４０５、４０７、４０９、４１０、４１１およびバリアブルキャパシタの電極４１８、４１９は全てＡｌで作成し、厚さは５０ｎｍとした。また、アクチュエータの第１、第２の圧電膜４０４、４０６はｃ軸配向させたＡｌＮで作成し、厚さは全て４００ｎｍとした。バリアブルキャパシタの等価面積は６４００μｍ2とし、また誘電膜４２０はＡｌＮで作成し、厚さは１０ｎｍとした。
【００４７】
この薄膜圧電アクチュエータを応用したバリアブルキャパシタの第１の中間電極と第１の上下電極間に制御電圧（Ｖtune）を０〜３Ｖ加えて、バリアブルキャパシタの第１の電極４１８および第２の電極４１９間の容量を測定したところ、最小０．３１ｐＦ、最大６８ｐＦで２１０倍の非常に大きな可変幅を連続して得ることができた。
【００４８】
本実施例では図７〜９に示す第２の実施例のアクチュエータとくらべて、第１〜４のヴィアホールが駆動軸に垂直方向に沿ってそれぞれ別の位置に形成されているので、ヴィアホール形成に伴う凹凸が少なくて済む。このため、接続時の段切れが防ぎやすく、またアクチュエータ全体の強度も向上する。
【００４９】
図１５に本発明の第４の実施例の薄膜圧電アクチュエータを応用したバリアブルキャパシタの平面図を示す。本実施例は実施例１〜３に示した直線両持ち梁構造の薄膜圧電アクチュエータに代わり、円状の薄膜圧電アクチュエータの例である。図１５に示した平面図のＡ−Ａ断面を図１６に、Ｂ−Ｂ断面を図１７にそれぞれ示す。なお、図１０の平面図においては煩雑さを避けるため、上下電極およびヴィアホール部のみを示している。
【００５０】
図１６、１７に示すように、基板５０１に設置された両側のアンカー５０２に接して第１の上下電極５０３、５０４とこれに挟まれた圧電膜５０５からなる第１の駆動部５０６と、第１の駆動部５０６に隣接して設置された、第２の上下電極５０７、５０８とこれに挟まれた圧電膜５０６からなる第２の駆動部５１０と、バイモルフ構造を構成するための支持膜５１０とが設置されている。 第１の駆動部５０６はドーナツ状に、第２の駆動部５０９は第１の駆動部５０６の内側に円状に設置されている。
【００５１】
圧電膜５０５には第１の駆動部５０６と第２の駆動部５０９との間に、放射状の駆動軸に沿った同心円上に第1のヴィアホール５１１と第２のヴィアホール５１２が形成されており、第１の下部電極５０３と第２の上部電極５０８は第１のヴィアホール５１１を通じて接続されており、第２の下部電極５０７と第１の上部電極５０４は第２のヴィアホール５１２を通じて接続されている。
【００５２】
また、アクチュエータの中央部にはバリアブルキャパシタの第１の電極５１３が形成されており、対向する基板５０１上にはバリアブルキャパシタの第２の電極５１４、および電極間が短絡するのを防ぐための誘電膜５１５が設置されている。
【００５３】
アクチュエータの第１、第２の上下電極５０３、５０４、５０７、５０８はＡｌで作成し、厚さは全て５０ｎｍとした。また、アクチュエータの圧電膜５０５はｃ軸配向させたＺｎＯで作成し、厚さは５００ｎｍとした。バリアブルキャパシタの等価面積は５８００μｍ2とし、また誘電膜５１５はＺｎＯで作成し、厚さは１０ｎｍとした。
【００５４】
この薄膜圧電アクチュエータを応用したバリアブルキャパシタの第１の上下電極間に制御電圧（Ｖtune）を０〜３Ｖ加えて、バリアブルキャパシタの第１の電極５１３および第２の電極５１４間の容量を測定したところ、最小０．２２ｐＦ、最大５１ｐＦで２５０倍の非常に大きな可変幅を連続して得ることができた。
【００５５】
本実施例では、薄膜圧電アクチュエータを円状に形成することにより、アクチュエータの面積はやや大きくなるが、剛性や駆動力が向上して動作速度が向上する。
【００５６】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態として、圧電膜の下に設けられる電極の端部をテーパー状に形成した薄膜圧電アクチュエータについて説明する。
【００５７】
図１８は、本発明の第５の実施例の片持ち梁構造の薄膜圧電アクチュエータの平面図である。  
また、図１９は、図１８のＡ−Ａ断面である。なお、図１８の平面図においては、煩雑さを避けるため、上下電極および圧電膜に設置したビアホールのみを表した。
【００５８】
図１８、１９に示すように、基板４０の上に設置されたアンカー４２に接して第１の上下電極４５、４３に挟まれた圧電膜４４からなる第１の駆動部４６と、第１の駆動部に隣接して設置された、第２の上下電極４８、４７に挟まれた圧電膜４４からなる第２の駆動部４９と、非対称バイモルフ構造を構成するための支持膜５１と、が設置されている。
【００５９】
圧電膜４４には第１の駆動部４６と第２の駆動部４９の間に、駆動軸とは垂直方向に第１のヴィアホール５５および第２のヴィアホール５６が並べて形成されている。第１の上部電極４５と第２の下部電極４７は、第２のヴィアホール５６を通じて接続されている。第２の上部電極４８と第１の下部電極４３は、第１のヴィアホール５５を通じて接続されている。
【００６０】
また、アクチュエータの右端には、バリアブルキャパシタの可動電極５０が形成されており、対向する基板４０の上にはバリアブルキャパシタの２個の固定電極５２、５３、および電極間が短絡するのを防ぐための誘電膜５４が設置されている。
【００６１】
アクチュエータの上下電極は例えばＡｌ（アルミニウム）で作成し、厚さは抵抗値などを勘案して例えば１０ｎｍから１μｍ程度から選ぶことができる。本実施例では全て５０ｎｍとした。また、アクチュエータの圧電膜はｃ軸配向させたＡｌＮ（窒化アルミニウム）で作成し、厚さは変位量を勘案して、例えば１０ｎｍから１μｍ程度から選ぶことができる。本実施例では全て５００ｎｍとした。
【００６２】
支持膜５１はＳｉＯ２膜で作成し、厚さは５０ｎｍとした。バリアブルキャパシタの等価面積は６４００μｍ２とし、また誘電膜５４はＡｌＮで作成し、厚さは１０ｎｍとした。
【００６３】
図２０は、本具体例のアクチュエータの動作を説明するための模式図である。  
すなわち、本実施例のアクチュエータは第１のアクチュエータ部４６と第２のアクチュエータ部４９とが、それぞれ逆向きの変形を行うことにより、可動電極５０の「傾き」を打ち消し、アクチュエータの先端に作成されたバリアブルキャパシタの可動電極５０は平行に移動することが可能である。
【００６４】
そして、本実施例においては、圧電膜４４の下層をなす、電極４３、４７、５０の端部がテーパー状に形成されている。これは、例えば、符号５７により表した如くである。このように圧電膜の下層の端部をテーパー状に形成することにより、この部分で圧電膜に「割れ」や「クラック」などが生ずることを防止できる。以下、この点について、比較例を参照しつつ詳細に説明する。
【００６５】
図２１は、比較例の薄膜圧電アクチュエータの平面図である。  
また、図２２は、図２１のＡ−Ａ断面である。なお、図２１の平面図においても、煩雑さを避けるため、下部電極、上部電極および圧電膜に設置したビアホールのみを示した。
【００６６】
本比較例も、各要素の配置関係は、第５の実施例とほぼ同様である。  
すなわち、基板２１に設置したアンカー２２に接して上下電極２５，２３に挟まれた圧電体２４および支持膜３１からなる第１のアクチュエータ２６と、上下電極２８，２７を備えた第２のアクチュエータ２９を備えている。第２のアクチュエータの先端には絶縁分離されたバリアブルキャパシタの可動電極３０が設置されている。可動電極３０に対向して、基板上にバリアブルキャパシタの第１の固定電極３２および第２の固定電極３３を有する。固定電極３２，３３は可動電極との短絡を防ぐため誘電体膜３４で覆われている。また、第１の下部電極２３は圧電膜２４に作製されたビアホール３５を通して第２の上部電極２８に接続されており、第１の上部電極２５は圧電膜２４に作製されたビアホール３６を通して第２の下部電極２７に接続されている。
【００６７】
第１のアクチュエータの第１の上部電極２５と下部電極２３の間に電圧を印加することにより、第１のアクチュエータは上に凸に変形し、一方第２のアクチュエータは上下電極の極性が逆転するため下に凸に変形して、図２０に例示した「Ｓモード」のアクチュエータが実現し、可動電極３０は基板と平行に駆動される。
【００６８】
しかしながら、本発明者の試作検討の過程で、実際に上下電極としてＡｌを、圧電膜としてＡｌＮを、さらに支持膜としてＳｉＯ２を使用し、スパッタ法による成膜とパターニングを行い、バリアブルキャパシタを作成したところ、プロセス終了時や、バリアブルキャパシタの動作中において、第１の下部電極２３と第２の下部電極２７との境界付近３７や、第２の下部電極２７と可動電極３０の境界付近で「割れ」が発生して破壊してしまった。
【００６９】
図２３は、比較例において発生した「割れ」を例示する一部拡大模式断面図である。
【００７０】
すなわち、本比較例においては、下部電極２７の端部は、ほぼ垂直の段差を形成している。そして、この段差の部分において、圧電膜２４に亀裂が生じている。
【００７１】
このような「割れ」は、図１８乃至図２２に例示したような下部電極や上部電極を分割した構造の圧電アクチュエータにおいて生じやすく、このままでは、薄膜法による作製が非常に困難であることが初めて判明した。
【００７２】
本発明者は、どのような機構で割れが発生するのかについて実験と観察に基づいて詳細な検討を行った結果、以下の新しい事実が判明した。
（１）下部電極の端面からＡｌＮ圧電膜に生じた割れが起点となり破壊が生じる。  
（２）下部電極の端面が基板面に対して６０度以上傾いており、圧電膜がｃ軸配向したＡｌＮやＺｎＯであるときにのみ、圧電膜に割れが生じる。
【００７３】
すなわち、ＡｌＮやＺｎＯは六方晶構造を持っており、図２３に模式的に表したように、ｃ軸に配向した結晶成長を生じやすく、その際に下地面に垂直に結晶成長する傾向を持っている。パターニングした下部電極上にこれらの圧電膜を成膜した場合、下部電極の端面が基板面に対して６０度以上の垂直に近い場合は、端面の角において結晶成長方向が大きく乱れ、亀裂や隙間が生じて割れが生じることが判明した。
【００７４】
一方、下部電極の端面が基板面に対して３０度以下のテーパー形状をなしている場合には、端面の角付近においても結晶成長方向が緩やかに変化し、隙間や亀裂が生じないことが明らかになった。
【００７５】
図２４は、下層の端部をテーパー状に形成した構造における一部拡大断面図である。すなわち、同図は、図１９において符号５７で表した部分の拡大図に対応する。
【００７６】
下部電極の上面、テーパーを付けた端面、および下部電極を除去した部分から、ｃ軸配向したＡｌＮ圧電膜がほぼ均一に膜厚方向に成長しており、亀裂などは全く見られなかった。  本発明者は、下層の端部のテーパー角度（下層の端面が下層の主面となす角度）を種々に変化させ、圧電膜の「割れ」などの発生について調べた。
【００７７】
図２５乃至図２７は、本発明者が試作評価したアクチュエータの断面構造の一部を拡大して表す写真である。すなわち、図２５は下部電極の端部のテーパー角度を８０度とした場合、図２６はテーパー角度を６０度とした場合、図２７はテーパー角度を２５度とした場合をそれぞれ表す。
【００７８】
テーパー角度が８０度（図２５）と６０度（図２６）の場合には、下部電極の端部からアＡｌＮ圧電膜に明瞭な「割れ」が発生していることが分かる。これに対して、テーパー角度を２５度とした場合（図２７）には、ＡｌＮ圧電膜に「割れ」やクラックは観察されず、ｃ軸配向したＡｌＮ圧電膜がほぼ均一に膜厚方向に成長していることが分かる。また、このサンプルについて、Ｘ線回折によりオメガスキャンモードのロッキングカーブ配向半値幅を測定したところ、ＡｌＮ圧電膜からの（０００１）回折ピークの半値幅は１．２度であり、非常によく配向したＡｌＮ膜が形成されていることがわかった。
【００７９】
表１は、本発明者が実施した試作実験によりテーパー角度とＡｌＮ圧電膜の「割れ」の有無との関係をまとめたものである。
【表１】
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端面のテーパー角度が３０度を超えて６０度未満の場合は、壊れるものと壊れないものが混在していた。すなわち、端面の角度は望ましくは３０度以下、少なくても６０度以下にする必要があった。
【００８０】
なお、薄膜圧電アクチュエータの電極に使用される材料としては、比抵抗値および薄膜としての作りやすさから、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）などの低抵抗の金属であることが望ましい。これらの電極の端面は、後に詳述する手法によりテーパーエッチングすることが可能である。
【００８１】
また、圧電膜としては、上述したように、ＡｌＮあるいはＺｎＯが望ましく、圧電性を十分引き出す観点から、圧電性が生じる六方晶結晶のｃ軸方向に強く配向していることが望ましい。具体的には、Ｘ線回折によるオメガモードで計測したロッキングカーブの配向半値幅において、少なくても５°以下、望ましくは２°以下であることが望ましい。５°以上の配向半値幅であると、圧電性が十分引き出せないことと、ウェハ面内における圧電膜の圧電性のバラツキが大きくなり、ひいてはデバイスの性能バラツキとなり歩留まりを低下させるからである。
【００８２】
次に、本実施例の薄膜圧電アクチュエータの製造方法について説明する。  
図２８は、本実施例の薄膜圧電アクチュエータの製造方法の要部を表す工程断面図である。
【００８３】
まず図２８（ａ）に示すように、表面に酸化膜４１を形成したＳｉ基板４０に、既知のＣＶＤ法による成膜とパターニングにより、ＳｉＮからなるアンカー４２を作製する。同様に、スパッタ法とパターニングによりＡｌ製の固定電極５２、５３を作製した後、さらにＣＶＤ法とパターニングにより、固定電極の表面に誘電膜５４を作製する。
【００８４】
次に、同図（ｂ）に示すように、ＣＶＤ法によりポリシリコン層５８をコンフォーマルに作製した後、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）により表面を平坦化するとともにアンカー４２を表面に露出させる。
【００８５】
次に、同図(ｃ)に示すように、スパッタ法により電極膜を成膜し、パターニングを行い、第１の下部電極４３、第２の下部電極４７、およびバリキャップの可動電極５０を作製した。このとき、下部電極の端部を３０°以下の角度にするため、テーパー形状のレジストを使用したテーパーエッチングを行った。    
具体的には、ノボラック系のポジレジストを塗布し、プリベーク、露光を行った後、１８０℃でベーキングを行い、レジストの端部を２０°のテーパー形状にリフローさせた。このテーパー付レジストを使用して、塩素系のエッチングガスを使用した反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法により、レジストを後退させながらエッチングを行った結果、下部電極の端部は２５°の角度にテーパーが形成された。
【００８６】
次に、同図(ｄ)に示すように、スパッタ法による成膜とパターニングにより、高配向したＡｌＮ圧電膜４４、Ａｌからなる第１および第２の上部電極４５および４８、酸化シリコンからなる支持膜５１を作製した。さらにキセノンフロライドをエッチャントとしたドライエッチングにより、犠牲層５８を選択的にエッチング除去した。なお、酸化シリコン支持膜はアモルファス構造であるため、上部電極をテーパーエッチングしなくても角部における亀裂などは発生しない。
【００８７】
作成後の下部電極端部５７の断面構造は、図２７に表した如くであった。すなわち、下部電極の上面、テーパーを付けた端面、および下部電極を除去した部分から、ｃ軸配向したＡｌＮ圧電膜がほぼ均一に膜厚方向に成長しており、亀裂などは全く見られなかった。
【００８８】
また、Ｘ線回折によりオメガスキャンモードのロッキングカーブ配向半値幅を測定したところ、（０００１）ピークの半値幅は１．２度であり、非常によく配向したＡｌＮが形成されていることがわかった。
【００８９】
アクチュエータへの制御電圧（Ｖtune）を第１の下部電極４３および第１の上部電極４５間に０〜３Ｖ加えて、第１の固定電極５２および第２の固定電極５３間のバリアブルキャパシタ容量を測定したところ、最小０．３４ｐＦ、最大５１ｐＦで１５０倍の非常に大きな可変幅が連続して得られた。
【００９０】
次に、本発明の第６の実施例として、第１および第２の圧電膜を使用した、対称バイモルフアクチュエータについて説明する。  
図２９は、本実施例の両持ち梁構造の薄膜圧電アクチュエータの平面図である。  
また、図３０は、図２９のＡ−Ａ断面を表す模式図である。  
また、図３１は、図２９のＢ−Ｂ断面を表す模式図である。  
また、図３２は、図２９のＣ−Ｃ断面を表す模式図である。  
さらに、図３３は、図２９のＤ−Ｄ断面を表す模式図である。  
なお、図２９の平面図においては、煩雑さを避けるため、上・中・下電極のみを示している。
【００９１】
本実施例においては、図２９〜図３３に示すように、基板７０に設置された両側のアンカー７１に接して第１の上部電極７２、第１の圧電膜７４、第１の中間電極７３、第２の圧電膜７６、第１の下部電極７５で構成される第１の駆動部７７と、第１の駆動部に隣接して設置された、第２の上部電極７８、第１の圧電膜７４、第２の中間電極７９、第２の圧電膜７６、第２の下部電極８０で構成される第２の駆動部８１と、が設置されている。第１および第２の駆動部は、両持ち梁の駆動軸に沿って対称に２組ずつ設置されている。
【００９２】
図２９に示すように、第１の圧電膜７４には第１の駆動部７７と第２の駆動部８１の間に、駆動軸とは垂直方向に第１のヴィアホール８２および第２のヴィアホール８３が並べて形成されている。さらに、第２の圧電膜７６には、第１および第２のヴィアホール８２および８３に隣接して第３および第４のヴィアホール８４および８５が形成されている。
【００９３】
第１の上部電極７２と第２の中間電極７９は、第１のヴィアホール８２を通じて接続され、さらに第３のヴィアホール８４を通じて第１の下部電極７５と接続されている。また、第２の上部電極７８と第１の中間電極７３は第２のヴィアホール８３を通じて接続され、さらに第４のヴィアホール８５を通じて第２の下部電極８０と接続されている。
【００９４】
また、アクチュエータの中央部にはバリアブルキャパシタの可動電極８６が形成されており、対向する基板７０上にはバリアブルキャパシタの固定電極８８、および電極間が短絡するのを防ぐための誘電膜８７が設置されている。
【００９５】
このように、本実施例においては、第１〜第４のヴィアホールが駆動軸に垂直方向に沿ってそれぞれ別の位置に形成されているので、ヴィアホール形成に伴う凹凸が少なくて済むため、接続時の段切れが防ぎやすく、またアクチュエータ全体の強度も向上するという利点がある。
【００９６】
第１および第２の下部電極７５、８０、およびバリアブルキャパシタの可動電極８６の端面は、第１の実施例と同様にすぐ上層の第２の圧電膜７６の亀裂を防ぐために、基板に対して２５°の角度でテーパーエッチング加工され、同様に第１および第２の中間電極７３、７９の端面は、すぐ上層の第１の圧電膜７４の亀裂を防ぐために、基板に対して２５°の角度でテーパーエッチング加工されている。
【００９７】
アクチュエータの駆動電極およびバリアブルキャパシタの電極は、全てＡｌで作成し、本実施例では全て５０ｎｍとした。また、アクチュエータの圧電膜は全てｃ軸配向させたＺｎＯで作成し、厚さは全て４００ｎｍとした。バリアブルキャパシタの等価面積は６４００μｍ２とし、また誘電膜８７はＡｌＮで作成し、厚さは１０ｎｍとした。
【００９８】
アクチュエータの第１の中間電極と第１の上下電極間に制御電圧（Ｖtune）を０〜３Ｖ加えて、バリアブルキャパシタの可動電極８６および固定電極８８間のバリアブルキャパシタ容量を測定したところ、最小０．３１ｐＦ、最大６８ｐＦで２１０倍の非常に大きな可変幅が連続して得られた。
【００９９】
次に、本発明の第７の実施例として、片持ち梁構造で、対称バイモルフ構造を有し、さらに、空気抜き穴が設けられた薄膜圧電アクチュエータについて説明する。
【０１００】
次に、本発明の第６の実施例として、第１および第２の圧電膜を使用した、対称バイモルフアクチュエータについて説明する。  
図３４は、本実施例の片持ち梁構造の薄膜圧電アクチュエータの平面図である。  
また、図３５は、図２９のＡ−Ａ断面を表す模式図である。  
また、図３６は、図２９のＢ−Ｂ断面を表す模式図である。  
また、図３７は、図２９のＣ−Ｃ断面を表す模式図である。  
さらに、図３８は、図２９のＤ−Ｄ断面を表す模式図である。  
なお、図３４の平面図においても、煩雑さを避けるため、上・中・下電極のみを示している。また、これらの図面については、図２９乃至図３３に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【０１０１】
すなわち、本実施例においては、図３４〜図３８に示すように、基板７０の一端に設置されたアンカー７１から第１の駆動部７７と、第２の駆動部８１と、が設置されている。片持ち梁構造である点を除けば、その積層構造は、図２９乃至図３３に関して前述したものと同様である。
【０１０２】
本実施例においても、第１〜第４のヴィアホール８２、８３、８４、８５が駆動軸に垂直方向に沿ってそれぞれ別の位置に形成されているので、ヴィアホール形成に伴う凹凸が少なくて済むため、接続時の段切れが防ぎやすく、またアクチュエータ全体の強度も向上するという利点がある。
【０１０３】
そして、第１および第２の下部電極７５、８０、およびバリアブルキャパシタの可動電極８６の端面は、第１の実施例と同様にすぐ上層の第２の圧電膜７６の亀裂を防ぐために、基板に対して３０°以下の角度でテーパーエッチング加工され、同様に第１および第２の中間電極７３、７９の端面は、すぐ上層の第１の圧電膜７４の亀裂を防ぐために、基板に対して２５°の角度でテーパーエッチング加工されている。これらテーパーエッチング加工により、圧電膜７６、７４の「割れ」を防いで安定的な動作が可能となる。
【０１０４】
またさらに、本実施例においては、第１及び第２の駆動部７７、８１と、可動電極８６の部分において、複数の貫通穴８９が設けられている。これら貫通穴８９は、第１及び第２の駆動部７７、８１においては、上部電極７２、７８から下部電極７５、８０を貫通して設けられている。また、同様に、貫通穴８９は、圧電膜７４から可動電極８６を貫通して設けられている。
【０１０５】
このような貫通穴８９を設けることにより、アクチュエータの運動に対する空気抵抗を大幅に低減させ、円滑な高速動作が可能となる。すなわち、アクチュエータの動作周波数あるいはスイッチング周波数を上げることができ、応用範囲を大幅に拡大させることができる。
【０１０６】
具体的には、本発明者の試作の結果によれば、本実施例の薄膜圧電アクチュエータにおける動作速度は、１３マイクロ秒であるのに対して、貫通穴８９を設けない場合の動作速度は、３８マイクロ秒であった。このように、本実施例によれば、空気抜きとなる貫通穴８９を設けることにより、動作速度を大幅に上げることができる。
【０１０７】
以上説明したように、本発明によれば、構造的に安定で、製造歩留まりが高く、かつ制御が容易であり、駆動範囲が広く、駆動電圧が広い圧電薄膜アクチュエータを提供できる。本発明の薄膜圧電アクチュエータを使用することにより、低電圧駆動のマイクロスイッチや、可変範囲の広いバリアブルキャパシタが実現できる。
【０１０８】
上記実施例２〜７の薄膜圧電アクチュエータはその応用デバイスとしてバリアブルキャパシタを例に説明したが、実施例１で示した容量型マイクロスイッチにも、もちろん応用可能である。
【０１０９】
また、本発明の薄膜圧電アクチュエータを応用したバリアブルキャパシタは、携帯機器などのＶＣＯ（電圧制御発振器）の周波数調整用に利用すると、効果は絶大である。
【０１１０】
図３９は、携帯電話システム等で用いられる周波数シンセサイザの基準周波数を発生するＰＬＬ（Phase Locked Loop）回路の一例を表すブロック図である。  
同図のＰＬＬ回路は、周波数可変フィルタ２０３０、増幅器２０３１およびバッファ増幅器２０３２からなる電圧制御発振器２０４１と、分周器２０４２と、位相比較器２０４３と、チャージポンプ２０４４と、ループフィルタ２０４５と、低雑音アンプ（ＬＮＡ）２０４６と、周波数可変フィルタ２００１と、ミキサ２０４７と、を備えている。
【０１１１】
図４０は、電圧制御発振器２０４１の内部の回路構成の一例を表す模式図である。  
同図に表したように、電圧制御発振器は、周波数可変フィルタ２０３０と、増幅器２０３１と、バッファ増幅器２０３２と、を有し、周波数可変フィルタ２０３０を通過した周波数成分のみを増幅器２０３１の入力にフィードバックする。この電圧制御発振器２０４１の中に本発明の実施の形態にかかる薄膜圧電アクチュエータ２０、容量可変キャパシタＣ１、Ｃ２が用いられている。
【０１１２】
図３９に表したＰＬＬ回路は、電圧制御発振器２０４１の発振周波数が所望の周波数よりも大きすぎる場合、あるいは小さすぎる場合には、その周波数差を検出し、直流制御電圧として、電圧制御発振器２０４１を構成する周波数可変フィルタ２００１内の可変容量素子Ｃ１にフィードバックする。したがって、このフィードバックループが正常に作動し、安定状態に達し、位相がロックした場合、電圧制御発振器２０４１の発振周波数を所望の周波数に一致させることができる。
【０１１３】
図３９のＰＬＬ回路は、電圧制御発振器２０４１を構成する周波数可変フィルタ２０３０と同一の周波数可変フィルタ２００１を通信信号濾波用の通過帯域フィルタとして利用する。低雑音アンプ２０４６の出力信号を周波数可変フィルタ２００１に入力し、この周波数可変フィルタ２００１の出力信号は、ダウンコンバージョン用のミキサ２０４７に入力される。
【０１１４】
一方、電圧制御発振器で２０４１で発生された基準信号は、局部発振信号（ＬＯ）として、ミキサ２０４７のもう一方の入力端子に入力される。これにより、高周波信号は、ベースバンド信号に周波数変換される。  
本具体例によれば、周波数可変フィルタ２００１と、電圧制御発振器内の周波数可変フィルタ２０３０に対し、ともにループフィルタ２０１０により発生した同一の制御電圧が加えられることにある。これにより、電圧制御発振器２０４１の発振周波数を周波数可変フィルタ２００１の通過帯域の中心周波数と一致させることができる。
【０１１５】
以上説明したＰＬＬ回路は、例えば、図４１に例示したような携帯電話１０００に搭載して好適である。すなわち、本発明の薄膜圧電アクチュエータを応用したバリアブルキャパシタ１００を携帯電話１０００のＶＣＯ（電圧制御発振器）の周波数調整用に利用すると、効果は絶大である。
【０１１６】
以上、具体例を例示しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。  
例えば、第１乃至第７実施例として前述したそれぞれの薄膜圧電アクチュエータが有する特徴は、相互に組み合わせることができ、このようにして得られる薄膜圧電アクチュエータも本発明の範囲に包含される。具体的には、例えば、第５乃至第７実施例に関して前述したように、圧電膜の下層の端部をテーパー状とする特徴は、第１乃至第４実施例においても同様に実施して同様の作用効果が得られる。また、第７実施例に関して前述した空気抜きの貫通穴８９は、第１乃至第６実施例においても同様に実施して同様の作用効果を得ることができる。
【０１１７】
また、本発明において用いる駆動電極、圧電膜、支持膜、キャパシタ電極、誘電膜などの具体的な材料に関しては、上記の具体例に限定されず、その作用が同様な材料に置換したものも本発明の範囲に包含される。
【図面の簡単な説明】
【０１１８】
【図１】本発明の第1の実施例の薄膜圧電アクチュエータを用いたバリアブルキャパシタの上面図である。
【図２】本発明の第1の実施例の薄膜圧電アクチュエータを用いたバリアブルキャパシタの断面図（図１のＡ−Ａ断面）である。
【図３】本発明の第1の実施例の薄膜圧電アクチュエータを用いたバリアブルキャパシタの断面図（図１のＢ−Ｂ断面）である。
【図４】本発明の第1の実施例の薄膜圧電アクチュエータを用いた容量型マイクロスイッチの上面図である。
【図５】本発明の第1の実施例の薄膜圧電アクチュエータを用いた容量型マイクロスイッチの断面図（図４のＡ−Ａ断面）である。
【図６】本発明の第1の実施例の薄膜圧電アクチュエータを用いた容量型マイクロスイッチの断面図（図４のＢ−Ｂ断面）である。
【図７】本発明の第２の実施例の薄膜圧電アクチュエータを用いたバリアブルキャパシタの上面図である。
【図８】本発明の第２の実施例の薄膜圧電アクチュエータを用いたバリアブルキャパシタの断面図（図７のＡ−Ａ断面）である。
【図９】本発明の第２の実施例の薄膜圧電アクチュエータを用いたバリアブルキャパシタの断面図（図７のＢ−Ｂ断面）である。
【図１０】本発明の第３の実施例の薄膜圧電アクチュエータを用いたバリアブルキャパシタの上面図である。
【図１１】本発明の第３の実施例の薄膜圧電アクチュエータを用いたバリアブルキャパシタの断面図（図１０のＡ−Ａ断面）である。
【図１２】本発明の第３の実施例の薄膜圧電アクチュエータを用いたバリアブルキャパシタの断面図（図１０のＢ−Ｂ断面）である。
【図１３】本発明の第３の実施例の薄膜圧電アクチュエータを用いたバリアブルキャパシタの断面図（図１０のＣ−Ｃ断面）である。
【図１４】本発明の第３の実施例の薄膜圧電アクチュエータを用いたバリアブルキャパシタの断面図（図１０のＤ−Ｄ断面）である。
【図１５】本発明の第４の実施例の薄膜圧電アクチュエータを用いたバリアブルキャパシタの上面図である。
【図１６】本発明の第４の実施例の薄膜圧電アクチュエータを用いたバリアブルキャパシタの断面図（図１５のＡ−Ａ断面）である。
【図１７】本発明の第４の実施例の薄膜圧電アクチュエータを用いたバリアブルキャパシタの断面図（図１５のＢ−Ｂ断面）である。
【図１８】本発明の第５の実施例の片持ち梁構造の薄膜圧電アクチュエータの平面図である。
【図１９】図１８のＡ−Ａ断面である。
【図２０】第５具体例のアクチュエータの動作を説明するための模式図である。
【図２１】比較例の薄膜圧電アクチュエータの平面図である。
【図２２】図２１のＡ−Ａ断面である。
【図２３】比較例において発生した「割れ」を例示する一部拡大模式断面図である。
【図２４】下層の端部をテーパー状に形成した構造における一部拡大断面図である。
【図２５】本発明者が試作評価したアクチュエータの断面構造の一部を拡大して表す写真である。
【図２６】本発明者が試作評価したアクチュエータの断面構造の一部を拡大して表す写真である。
【図２７】本発明者が試作評価したアクチュエータの断面構造の一部を拡大して表す写真である。
【図２８】第５実施例の薄膜圧電アクチュエータの製造方法の要部を表す工程断面図である。
【図２９】本発明の第６実施例の両持ち梁構造の薄膜圧電アクチュエータの平面図である。
【図３０】図２９のＡ−Ａ断面を表す模式図である。
【図３１】図２９のＢ−Ｂ断面を表す模式図である。
【図３２】図２９のＣ−Ｃ断面を表す模式図である。
【図３３】図２９のＤ−Ｄ断面を表す模式図である。
【図３４】本発明の第７実施例の片持ち梁構造の薄膜圧電アクチュエータの平面図である。
【図３５】図２９のＡ−Ａ断面を表す模式図である。
【図３６】図２９のＢ−Ｂ断面を表す模式図である。
【図３７】図２９のＣ−Ｃ断面を表す模式図である。
【図３８】図２９のＤ−Ｄ断面を表す模式図である。
【図３９】携帯電話システム等で用いられる周波数シンセサイザの基準周波数を発生するＰＬＬ（Phase Locked Loop）回路の一例を表すブロック図である。
【図４０】電圧制御発振器２０４１の内部の回路構成の一例を表す模式図である。
【図４１】本発明のバリアブルキャパシタを用いた携帯電話のイメージ図である。
【図４２】本発明者が本発明に至る過程で検討した薄膜圧電アクチュエータの断面図である。
【図４３】図４２に示す薄膜圧電アクチュエータの動作状態を示す図である。
【図４４】本発明の前提となる薄膜電圧アクチュエータの電圧印加状態を示す、薄膜電圧アクチュエータの断面図である。
【図４５】図４４に示す薄膜圧電アクチュエータの動作状態を示す図である。
【符号の説明】
【０１１９】
２１、４０、７０ 基板
２２、４２、７１ アンカー
２３、２７、４３、４７、７５、８０ 下部電極
２３、５４、８７ 誘電膜
２４、４４、７４、７６ 圧電膜
２５、２８、４５、４８、７８ 上部電極
３０、５０、８６ 可動電極
３２、３３、８８ 固定電極
３１、５１ 支持膜（誘電体膜）
３５、３６ ビアホール
４１ 酸化膜
５２、５３ 固定電極
５５、５６ ヴィアホール
５７ 下部電極端部
５８ ポリシリコン層（犠牲層）
７３、７９ 中間電極
８２、８３、８４、８５ ヴィアホール
８９ 貫通穴
１０２、２０２、３０２、４０２、５０２、６０１、７０１  アンカー部
１０３、２０３、３０３、４０３、５０３、６０２、７０２  第１の下部電極
１０４、２０４、３０７、４０７、５０４、６０３、７０３  第１の上部電極
１０５、２０５、５０５、６０４、７０４    圧電膜
１０７、２０７、３０９、４０９、５０７、７０６   第２の下部電極
１０８、２０８、３１１、４１１、５０８、７０７   第２の上部電極
１１１、２１１、３１４、４１４、５１１    第１のヴィアホール
１１２、２１２、３１５、４１５、５１２    第２のヴィアホール
１１０、２１０、５１０、６０６、７０９  支持膜
１０６、２０６、３０８、４０８、５０６、７０５   第１の駆動部
１０９、２０９、３１２、４１２、５０９、７０８   第２の駆動部
１１３、１１４、３１８、３１９、４１８、４１９、５１３
５１４、７１０、７１２       キャパシタ電極
１１５、３２０、４２０、５１５、７１１    誘電膜
２１３、６０８、６０９       スイッチ電極
３０５、４０５        第１の中間電極
３０４、４０４        第１の圧電膜
３０６、４０６        第２の圧電膜
３１６、４１６        第３のヴィアホール
３１７、４１７        第４のヴィアホール
【図１】
2005260208.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2005260208.tif 000008
【図６】
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【図７】
2005260208.tif 000010
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
2005260208.tif 000021
【図１９】
2005260208.tif 000022
【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２８】
2005260208.tif 000028
【図２９】
2005260208.tif 000029
【図３０】
2005260208.tif 000030
【図３１】
2005260208.tif 000031
【図３２】
2005260208.tif 000032
【図３３】
2005260208.tif 000033
【図３４】
2005260208.tif 000034
【図３５】
2005260208.tif 000035
【図３６】
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【図３７】
2005260208.tif 000037
【図３８】
2005260208.tif 000038
【図３９】
2005260208.tif 000039
【図４０】
2005260208.tif 000040
【図４１】
2005260208.tif 000041
【図４２】
2005260208.tif 000042
【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
2005260208.tif 000045
【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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