(57)【要約】      （修正有）【課題】チャージトランスファーを抑制することが可能な可変容量装置を提供する。【解決手段】可変容量装置１において、梁構造の可動板３を支持板２で支持する。可動板３と支持板２とに対向する電極を設け、一方の電極を主誘電体層８Ａで被覆する。そして、主誘電体層８Ａがギャップ空間に露出することを防ぐ副誘電体層８Ｂを設け、副誘電体層８Ｂと可動板３側の電極との電子親和力と仕事関数との差を、主誘電体層８Ａがギャップ空間に露出する構成よりも大きくする。【選択図】図２
2012028542.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持板と、
アンカー部によって前記支持板に接合され、前記支持板に対して平行に支持される可動板と、
バイアス電圧の印加により前記支持板に近接するように前記可動板を変形させ、前記可動板と前記支持板とが近接する領域面積に応じたＲＦ容量を生じる容量形成部と、
を備える可変容量装置であって、
前記容量形成部は、
前記可動板と対向して前記支持板に設けられる支持板側電極部と、
前記支持板側電極部と対向して前記可動板に設けられる可動板側電極部と、
前記支持板側電極部または前記可動板側電極部の表面に単層で積層される誘電体層と、
を備え、
前記誘電体層にギャップ空間を介して対向する前記支持板側電極部または前記可動板側電極部と、前記誘電体層とは、電子親和力と仕事関数との差が、窒化アルミニウムと導電性シリコンとの間での電子親和力と仕事関数との差よりも大きいことを特徴とする可変容量装置。
【請求項２】
支持板と、
アンカー部によって前記支持板に接合され、前記支持板に対して平行に支持される可動板と、
バイアス電圧の印加により前記支持板に近接するように前記可動板を変形させ、前記可動板と前記支持板とが近接する領域面積に応じたＲＦ容量を生じる容量形成部と、
を備える可変容量装置であって、
前記容量形成部は、
前記可動板と対向して前記支持板に設けられる支持板側電極部と、
前記支持板側電極部と対向して前記可動板に設けられる可動板側電極部と、
前記支持板側電極部または前記可動板側電極部の表面に積層される主誘電体層と、
電子親和力が前記主誘電体層よりも小さい構成材料からなり、前記主誘電体層の表面に積層される副誘電体層と、を備え、
前記副誘電体層にギャップ空間を介して対向する前記支持板側電極部または前記可動板側電極部と、前記副誘電体層とは、電子親和力と仕事関数との差が、二酸化珪素と導電性シリコンとの間の電子親和力と仕事関数との差よりも大きいことを特徴とする可変容量装置。
【請求項３】
前記主誘電体層の比誘電率が、前記副誘電体層の比誘電率よりも大きい、請求項３に記載の可変容量装置。
【請求項４】
前記誘電体層は前記支持板側電極部に積層されるものであり、前記可動板側電極部は前記可動板および前記支持板側電極部とは異なる構成材料であって、前記可動板および前記支持板側電極部よりも仕事関数が大きいものからなる、請求項１〜３のいずれかに記載の可変容量装置。
【請求項５】
前記副誘電体層は、前記容量形成部における前記支持板側電極部と前記可動板側電極部との対向領域に部分的に設けられる、請求項２〜４のいずれかに記載の可変容量装置。
【請求項６】
前記ギャップ空間に露出する誘電体層を二酸化珪素とした、請求項１〜５のいずれかに記載の可変容量装置。
【請求項７】
前記ギャップ空間に露出する誘電体層をアモルファス構造の窒化アルミニウムとした、請求項１〜５のいずれかに記載の可変容量装置。
【請求項８】
前記ギャップ空間に露出する誘電体層を、結晶のＣ軸配向方向が支持基板の法線方向からほぼ直交する構造の窒化アルミニウムとした、請求項１〜５のいずれかに記載の可変容量装置。
【請求項９】
前記ギャップ空間に露出する誘電体層を、結晶のＣ軸方向が支持基板の法線方向と一致する構造の窒化アルミニウムとし、
隣接して配置され同一の可動板側電極部に対向する２つの支持板側電極部の間に電圧が印加される構成とした、請求項１〜５のいずれかに記載の可変容量装置。
【請求項１０】
支持板と、
アンカー部によって前記支持板に接合され、前記支持板に対して平行に支持される可動板と、
バイアス電圧の印加により前記支持板に近接するように前記可動板を変形させ、前記可動板と前記支持板とが近接する領域面積に応じたＲＦ容量を生じる容量形成部と、
を備える可変容量装置であって、
前記容量形成部は、
前記可動板と対向して前記支持板に設けられる支持板側電極部と、
前記支持板側電極部と対向して前記可動板に設けられる可動板側電極部と、
前記支持板側電極部の表面に積層される支持板側誘電体層と、
前記可動板側電極部の表面に積層される可動板側誘電体層と、を備える可変容量装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、静電力によって駆動するＭＥＭＳアクチュエータを用いてＲＦ容量を制御する可変容量装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、静電力で駆動するMEMSアクチュエータを利用した可変容量素子やスイッチング素子が利用されてきている（特許文献１〜３参照。）。ＭＥＭＳアクチュエータでは、片持ち梁構造または両持ち梁構造の可動板を支持板に支持させ、可動板と支持板とに設けた対向電極対にバイアス電圧を印加することにより、両者の間に静電引力を作用させて可動板を支持板に近接させる。ＭＥＭＳアクチュエータを利用した可変容量素子では、可動板の軸方向に沿って長尺に対向電極対を設け、バイアス電圧によって可動板と支持板との近接面積を制御し、対向電極対に生じるＲＦ容量を可変する構成が採用される。ＭＥＭＳアクチュエータを利用したスイッチング素子では、バイアス電圧により可動板と支持板とを近接状態または離間状態に切り替え、対向電極対に生じるＲＦ容量や導通状態を切り替える構成が採用される。
【０００３】
特許文献１はＭＥＭＳアクチュエータを利用したスイッチングキャパシタ素子に関するものであり、両持ち梁構造の可動板を低抵抗シリコン基板で構成し、支持基板上に設けた電極と低抵抗シリコン基板との間にバイアス電圧を印加する。支持基板上には窒化シリコン層を酸化シリコン膜で被覆する構成の絶縁層を積層していて、この絶縁層を介して低抵抗シリコン基板に静電引力を作用させる構成となっている。絶縁層に窒化シリコンを採用することによりイオン性帯電とよばれる種類の帯電を防ぐ技術が開示されていて、その窒化シリコン層を酸化シリコン膜で被覆することにより窒化シリコン層の加工ダメージを抑えている。
【０００４】
特許文献２はスイッチングキャパシタ素子に関するものであり、片持ち梁構造の可動板と、圧電性を有する窒化アルミニウム層を絶縁層として積層した支持板とが開示されている。窒化アルミニウム層には、配向半値全幅が４．６度以下の高配向な膜質のものを採用することで、窒化アルミニウム層内部での結晶粒界を少なくして結晶粒界での電荷のトラップによる帯電現象を防ぐ技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４０４５０９０号公報
【特許文献２】特開２００９−１１８６２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
絶縁層に電界が印加されることによって絶縁層で結晶の分極方向が揃い電気的エネルギーが蓄積されるが、その電界の印加される状態が長時間継続されると、絶縁層の持つ電子が接触する電極に移動し、絶縁層が不要に帯電するチャージトランスファーとよばれる種類の帯電現象が生じる。
【０００７】
図１は可変容量装置におけるチャージトランスファーの影響について説明する図である。図１（Ａ）には可変容量装置の容量−電圧特性の一例を示し、図１（Ｂ）には可変容量装置の容量−時間特性の一例を示す。可変容量装置ではバイアス電圧に応じてＲＦ容量が変化し、所定の制御電圧範囲を超えたバイアス電圧値ではＲＦ容量値が定常値となる。そのバイアス電圧（例えば20Ｖ）を印加した状態で長時間が経過すると、前述のチャージトランスファーが絶縁層で起こり、静電引力を低下させる不要な帯電が起こる。これにより、可動板と支持板とが離間してＲＦ容量の低下が生じるが、その後、再び一定時間が経過することでチャージトランスファーの緩和が起こり、ＲＦ容量が回復する。
【０００８】
図１（Ｃ）はチャージトランスファーによる容量−電圧特性の変化を説明する図である。図中の実線はチャージトランスファーの発生していない状態から、バイアス電圧を20Vに昇圧した場合の容量−電圧特性を示している。図中の破線は、前述の昇圧の後、400秒間バイアス電圧を20Vで維持してチャージトランスファーを発生させ、その状態から、バイアス電圧を0Vへ降圧した場合を示している。この場合、チャージトランスファーによってバイアス電圧のオフセットが生じ、ここでは容量−電圧特性が＋14V程度シフトしている。図中の一点鎖線は、前述の降圧の後、12秒間バイアス電圧を0Vで維持してチャージトランスファーを緩和させ、その状態からバイアス電圧を20Vに昇圧した場合のＣ−V特性を示している。この場合、チャージトランスファーによるオフセットが緩和され、容量−電圧特性のシフトは＋6V程度に減少する。
【０００９】
このように可変容量装置におけるチャージトランスファーの発生はＲＦ容量の制御精度に大きな影響を与え、したがって可変容量装置ではチャージトランスファーの発生を抑制することが望まれる。前述の特許文献１では、絶縁層の膜厚や接触面形状などの調整によってチャージトランスファーの発生程度をコントロールするとともに、チャージトランスファーとは逆極性の帯電が生じるイオン性帯電と呼ばれる帯電現象をコントロールし、チャージトランスファーによる不要な帯電を相殺していた。また、前述の特許文献２では、結晶粒界の少ない圧電結晶を利用することにより、不要な帯電現象の発生を抑制していた。
【００１０】
しかしながら、それらの対策によって帯電量を十分に抑制することは、装置構成に対する制約から難しい場合もあった。また特許文献１はスイッチングキャパシタ素子に関するものであり、絶縁層材料の比誘電率の低さから可変容量素子に必要な容量を得るためには素子サイズが大型化してしまうため、特許文献1の構成をそのまま可変容量素子に採用することは適切ではなかった。
【００１１】
また、特許文献２もスイッチングキャパシタ素子に関するものであり、高配向な窒化アルミニウム膜は圧電性を有し、電界の印加によって結晶歪が発生する。このような結晶歪みは素子を高周波回路に利用する際に相互変調歪みや混変調歪みの発生要因やハーモニック特性の劣化要因となるため、可変容量素子の利用範囲が限られてしまう。また、圧電性を有する誘電体層に電圧を印加すると電気機械結合係数によって、電気エネルギーから機械エネルギーへの変換が発生し、それによるエネルギーロスが発生する。また、結晶粒のグレインバウンダリーでリーク電流が流れやすい構成であり、リーク電流によって消費電流や発熱量が増大してしまう。このため、特許文献２の構成もそのまま可変容量素子に採用することも適切ではなかった。
【００１２】
そこで本願発明は、上述の問題を回避してチャージトランスファーを抑制することが可能な可変容量装置を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】
本願発明者は、誘電体層と、誘電体層に離間／接触する電極材との間の電子親和力と仕事関数との差が大きいほど、誘電体層におけるチャージトランスファーの発生確率が低下することを見いだし、本願発明の創作に至った。なお、電子親和力とは、絶縁体や半導体材料等において原子に電子を与えた時に放出または吸収されるエネルギーを指す物性値のことであり、仕事関数とは金属材料において最外殻の電子を無限遠に引き離すために要するエネルギーを指す物性値のことである。
【００１４】
この発明の可変容量装置は、支持板と可動板と容量形成部とを備える。可動板はアンカー部によって支持板に接合され、支持板に対して平行に支持される。容量形成部はバイアス電圧の印加により支持板に近接するように可動板を変形させ、可動板と支持板とが近接する領域面積に応じたＲＦ容量を生じる。この容量形成部は、支持板側電極部と可動板側電極部と誘電体層とを備え、支持板側電極部は可動板と対向して支持板に設けられる。可動板側電極部は支持板側電極部と対向して可動板に設けられる。誘電体層は支持板側電極部又は可動板側電極部の表面に単層で積層される。ここで、誘電体層にギャップ空間を介して対向する支持板側電極部又は可動板側電極部と誘電体層とは、電子親和力と仕事関数との差が、窒化アルミニウムと導電性シリコンとの間での電子親和力と仕事関数との差よりも大きいことを特徴とする。
この構成では、窒化アルミニウムと導電性シリコンとが接触／離間する従来構成の可変容量装置（例えば特許文献２の構成）に比べて、ギャップ空間に露出する構成部材間の電子親和力と仕事関数との差を大きくでき、これにより、誘電体層におけるチャージトランスファーの発生確率を従来構成よりも低減できる。
【００１５】
この発明の可変容量装置は、支持板と可動板と容量形成部とを備える。可動板はアンカー部によって支持板に接合され、支持板に対して平行に支持される。容量形成部はバイアス電圧の印加により支持板に近接するように可動板を変形させ、可動板と支持板とが近接する領域面積に応じたＲＦ容量を生じる。この容量形成部は、支持板側電極部と可動板側電極部と誘電体層とを備える。支持板側電極部は可動板と対向して支持板に設けられる。可動板側電極部は支持板側電極部と対向して可動板に設けられる。誘電体層は支持板側電極部又は可動板側電極部の表面に積層される主誘電体層と、電子親和力が主誘電体層よりも小さい構成材料からなり、主誘電体層の表面に積層される副誘電体層と、を備える。ここで、副誘電体層にギャップ空間を介して対向する支持板側電極部または可動板側電極部と副誘電体層とは、電子親和力と仕事関数との差が、二酸化珪素と導電性シリコンとの間の電子親和力と仕事関数との差よりも大きいことを特徴とする。
この構成では、二酸化珪素と導電性シリコンとが接触／離間する従来構成の可変容量装置（例えば特許文献１の構成）に比べて、ギャップ空間に露出する構成部材間の電子親和力と仕事関数との差を大きくでき、これにより、誘電体層におけるチャージトランスファーの発生確率を従来構成よりも低減できる。また、主誘電体層にどのような構成材料を採用しても、確実にチャージトランスファーの発生を抑制できる。
【００１６】
上記構成においては、主誘電体層の比誘電率が副誘電体層の比誘電率よりも大きいと好適である。この構成により、誘電体層全体としての誘電率が高いものになり、可変容量装置として必要な容量値を実現するための装置サイズを小型化できる。
【００１７】
また上記構成においては、誘電体層は支持板側電極部に積層されるものであり、可動板側電極部は可動板および支持板側電極部とは異なる構成材料であって、可動板および支持板側電極部よりも仕事関数が大きいものからなると好適である。これにより、可動板側電極部と副誘電体層との間での電子親和力と仕事関数との差を極めて大きくすることができ、チャージトランスファーの発生確率を大幅に低下させることが可能になる。
【００１８】
また上記構成においては、副誘電体層は、前記容量形成部における前記支持板側電極部と可動板側電極部との対向領域に部分的に設けられると好適である。このようにすることで、副誘電体層と副誘電体層にギャップ空間を介して対向する他部材との間での接触面積を低減でき、これにより、チャージトランスファーをさらに抑制することができる。
【００１９】
上述の各構成においては、ギャップ空間に露出する誘電体層を二酸化珪素とすると好適である。二酸化珪素は電子親和力が顕著に小さく、これによりチャージトランスファーを大幅に抑制した可変容量装置を構成できる。
【００２０】
また上述の各構成においては、ギャップ空間に露出する誘電体層をアモルファス構造の窒化アルミニウムとすると好適である。窒化アルミニウムは顕著に電子親和力が小さく、これによりチャージトランスファーを大幅に抑制した可変容量素子を構成できる。さらには窒化アルミニウムをアモルファス構造とすることにより、窒化アルミニウムの結晶構造に基づく圧電性の発現を防ぐことができ、窒化アルミニウム層の変位歪みの発生と、電気機械結合変換の発生とを抑制できる。これにより電気的エネルギーのロスを抑制することができる。その上、高周波回路での相互変調歪みや混変調歪みの発生と、ハーモニクス特性の劣化とを防ぐこともできる。
【００２１】
また上述の各構成においては、ギャップ空間に露出する誘電体層を結晶のＣ軸配向方向が支持基板の法線方向からほぼ直交する構造の窒化アルミニウムとすると好適である。窒化アルミニウムを結晶のＣ軸方向が支持基板の法線方向から直交する構造とすることにより、電界による窒化アルミニウム層の変位歪みの発生と、電気機械結合変換の発生とを抑制できる。これにより電気的エネルギーのロスを抑制することができる。その上、高周波回路での相互変調歪みや混変調歪みの発生と、ハーモニクス特性の劣化とを防ぐこともできる。
【００２２】
また上述の各構成においては、ギャップ空間に露出する誘電体層を、結晶のＣ軸方向が支持基板の法線方向と一致する構造の窒化アルミニウムとし、隣接して配置され同一の可動板側電極部に対向する２つの支持板側電極部の間に電圧が印加される構成とすると好適である。窒化アルミニウムを結晶のＣ軸方向が支持基板の法線方向と一致する構造とすることにより、窒化アルミニウムの結晶異方性により大電力投入時に変位歪が発生しようとするが、隣接して配置され同一の可動板側電極部に対向する２つの支持板側電極部の間に電圧が印加される構成とすることにより、各支持板側電極部と可動板側電極部との間での電界の方向が、各支持板側電極部でそれぞれ逆向きになる。これにより、変位歪の発生と、電気機械結合変換の発生とを抑制でき、また電気的エネルギーのロスを抑制することができる。その上、高周波回路での相互変調歪みや混変調歪みの発生と、ハーモニクス特性の劣化とを防ぐこともできる。
【００２３】
この発明の可変容量装置は、支持板と可動板と容量形成部とを備える。可動板はアンカー部によって支持板に接合され、支持板に対して平行に支持される。容量形成部はバイアス電圧の印加により支持板に近接するように可動板を変形させ、可動板と支持板とが近接する領域面積に応じたＲＦ容量を生じる。この容量形成部は、支持板側電極部と可動板側電極部と支持板側誘電体層と可動板側誘電体層とを備え、支持板側電極部は可動板と対向して支持板に設けられる。可動板側電極部は支持板側電極部と対向して可動板に設けられる。支持板側誘電体層は支持板側電極部の表面に積層される。可動板側誘電体層は可動板側電極部の表面に積層される。
この構成では、誘電体層と電極材とが直接接触／離間することがなくなり、チャージトランスファーの発生確率を従来構成よりも大幅に低減できる。
【発明の効果】
【００２４】
この発明では、可変容量装置においてギャップ空間に露出して設ける誘電体層と電極材料との電子親和力と仕事関数との差が誘電体層におけるチャージトランスファーの発生確率を左右する因子であることから、電子親和力と仕事関数との差が小さい構成部材がギャップ空間に露出して対向することを防ぐことで、チャージトランスファーの発生確率を従来よりも低減できる。これにより、可変容量装置における容量−時間特性の安定性を高め、精度良くＲＦ容量値を制御することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】可変容量装置における絶縁層のチャートランスファーの発生による影響を説明する図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る可変容量装置の構成例を示す図である。
【図３】本願構成と比較構成とのエネルギーバンド図である。
【図４】誘電体材料の電子親和力と、導電体材料の仕事関数とを説明する図である。
【図５】本願構成の製造方法を説明する模式図である。
【図６】誘電体層の表面の疎水化を説明する図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る可変容量装置を説明する図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る可変容量装置を説明する図である。
【図９】本発明の第４の実施形態に係る可変容量装置を説明する図である。
【図１０】本発明の第５の実施形態に係る可変容量装置を説明する図である。
【図１１】本発明の第６の実施形態に係る可変容量装置を説明する図である。
【図１２】本発明の第７の実施形態に係る可変容量装置を説明する図である。
【図１３】本発明の第８の実施形態に係る可変容量装置を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明の実施形態に係る可変容量装置の構成例について図を参照して説明する。なお図中に、可動板の厚み方向をＺ軸方向、可動板の主軸方向をＸ軸方向、可動板の幅方向をＹ軸方向とする直交座標形のＸ−Ｙ−Ｚ軸を付記する。
【００２７】
《第１の実施形態》
図２（Ａ）は第１の実施形態に係る可変容量装置１のＸ−Ｙ面図である。図２（Ｂ）は可変容量装置１のＸ−Ｚ面断面図である。図２（Ｃ）は可変容量装置１のＹ−Ｚ面断面図である。
【００２８】
可変容量装置１は、バイアス電圧の印加によって容量値が変化するＲＦ容量素子である。この可変容量装置１は、支持板２と可動板３と下容量電極４Ａ，４Ｂと下駆動電極５Ａ，５Ｂと上容量電極６と上駆動電極７Ａ，７Ｂと誘電体膜８Ａ，８Ｂとを備える。
支持板２は平面視して矩形状のガラス基板からなり、上面に下容量電極４Ａ，４Ｂと下駆動電極５Ａ，５Ｂとが形成され、下容量電極４Ａ，４Ｂと下駆動電極５Ａ，５Ｂとを覆うように誘電体膜８Ａ，８Ｂが形成されている。下容量電極４Ａ，４Ｂと下駆動電極５Ａ，５Ｂとは請求項に記載の支持板側電極部であってそれぞれＸ軸方向に長尺な線路状であり、下容量電極４Ａ，４Ｂの両脇に下駆動電極５Ａ，５Ｂを配置した構成としている。誘電体膜８Ａは請求項に記載の主誘電体層であって100nm〜300nm厚の五酸化タンタルからなり、下容量電極４Ａ，４Ｂと下駆動電極５Ａ，５Ｂとを覆うように矩形状で支持板２の上面に積層している。誘電体膜８Ｂは請求項に記載の副誘電体層であって10nm〜100nm厚の二酸化珪素からなり、誘電体膜８Ａを覆うように矩形状で積層している。
【００２９】
可動板３は、Ｘ−Ｚ面を視て略Ｌ字状の高抵抗シリコン基板（絶縁材料）からなり、一端で支持板２に支持される片持ち梁構造であり、２本の連結部３Ｂと可動部３Ｃとアンカー部３Ａとラダー部３Ｄとを備える。アンカー部３Ａは、支持板２に接合されて連結部３Ｂと可動部３Ｃとを支持板２から離間した状態で支持する。ここでは、アンカー部３ＡはＹ軸方向に長尺な柱状としている。２本の連結部３Ｂは、アンカー部３ＡのＹ軸方向両端から支持板２と平行にＸ軸方向に立設し、先端側で可動部３Ｃを支持する。ここでは、連結部３ＢをそれぞれＸ軸に対して蛇行するミアンダライン状としていて、これにより可動板３の支持端を固定端ではなく回転端としている。可動部３ＣはＸ軸方向に長尺な平板状であり、Ｘ軸に沿って配列される複数の開口部からなる２列のラダー部３Ｄを設けた構成である。
【００３０】
上容量電極６および上駆動電極７Ａ，７Ｂはそれぞれ可動板３の下面に形成した請求項に記載の可動板側電極部であってタングステン電極からなり、それぞれＸ軸方向に長尺な線路状である。それらのうち上容量電極６は可動部３Ｃのラダー部３Ｄによって区画される中央の領域に、上駆動電極７Ａ，７Ｂは可動部３Ｃのラダー部３Ｄによって区画されるＹ軸方向両外側の領域に設けている。なお、上容量電極６は下容量電極４Ａ，４Ｂに対向配置していて、上駆動電極７Ａ，７Ｂは下駆動電極５Ａ，５Ｂに対向配置している。
【００３１】
上述の下駆動電極５Ａ，５Ｂにはバイアス電圧を印加するためのバイアス電圧端子を接続し、上駆動電極７Ａ，７Ｂにはグランド端子を接続する。また、下容量電極４ＡにはＲＦ信号の入力端子（または出力端子）を接続し、下容量電極４ＢにはＲＦ信号の出力端子（または入力端子）を接続する。このため、下駆動電極５Ａ，５Ｂはそれぞれ上駆動電極７Ａ，７Ｂおよび誘電体膜８の対向する領域とともに駆動容量部Ｃ２Ａ，Ｃ２Ｂを構成し、下容量電極４Ａ，４Ｂはそれぞれ上容量電極６および誘電体膜８の対向する領域とともにＲＦ容量部Ｃ１Ａ，Ｃ１Ｂを構成することになる。駆動容量部Ｃ２Ａ，Ｃ２Ｂは請求項に記載の容量形成部であって、バイアス電圧が印加されて生じる静電引力で可動板３を支持板２側に引き付け、可動板３を先端（Ｘ軸正方向側の端部）から誘電体膜８に接触させる駆動容量として機能する。また、ＲＦ容量部Ｃ１Ａ，Ｃ１Ｂは、互いが直列に接続される構成であり、数百MHz〜数GHzの高周波回路の中で使用され、可動板３と誘電体膜８との接触面積に応じて変化する容量可変なＲＦ容量として機能する。
【００３２】
本実施形態の可変容量装置１は、前述のように五酸化タンタルからなる主誘電体層８Ａと二酸化珪素からなる副誘電体層８Ｂとを備えることで、誘電体層全体として大きな誘電率を確保しながらバイアス電圧によるチャージトランスファーの発生を抑制する構成であり、これにより、大電圧を長時間印加した場合のチャージトランスファーによるＲＦ容量の変動を防いでいる。
【００３３】
ここで、バイアス電圧によるチャージトランスファーの発生しやすさを理解するために、ギャップ空間を介して接触／離間する部材間のエネルギーバンド図を説明する。図３（Ａ）は本願構成におけるエネルギーバンド図であり、図３（Ｂ）は比較構成におけるエネルギーバンド図であり、図３（Ｃ）は特許文献１で開示されている従来構成におけるエネルギーバンド図である。
【００３４】
本願構成では、二酸化珪素からなる副誘電体層とタングステンからなる可動板側電極部とが接触／離間する。タングステンはその仕事関数Efが4.6eVであり、二酸化珪素は電子親和力Ecが0.9eVである。そのため、本願構成におけるギャップ空間を介して離間／接触する部材間の仕事関数と電子親和力との差（φb：Ec−Ef）は3.7eVである。
比較構成では、副誘電体層を設けずに五酸化タンタルからなる主誘電体層とタングステンからなる可動板側電極部とを接触／離間させる。タングステンはその仕事関数Efが4.6eVであり、五酸化タンタルは電子親和力Ecが3.3eVであるため、比較構成におけるφbは1.3eVである。
従来構成では、窒化アルミニウムを二酸化珪素で被覆し、二酸化珪素を導電性シリコンからなる可動板と接触／離間させる。導電性シリコンはその仕事関数が4.0eVであり、二酸化珪素は電子親和力Ecが0.9eVであるため、従来構成におけるφbは3.1eVである。
【００３５】
このように本願構成では、ギャップ空間を介して離間／接触する部材間の仕事関数と電子親和力との差φbが3.7eVと、比較構成の1.3eVや従来構成の3.1eVよりも大きなものになる。φbは、半導体におけるショットキーバリア障壁と同様に、障壁を越えて電子が移動するために必要なエネルギー量に相当し、このため誘電体層に電子が移動するために必要なエネルギーが本願構成は比較構成や従来構成よりも大きく、本願構成ではチャージトランスファーの発生確率を比較構成や従来構成よりも低減することが可能になっている。
【００３６】
図４（Ａ）は誘電体材料の電子親和力と比誘電率とを説明する図であり、図４（Ｂ）は導電体材料の仕事関数と線膨張率とを説明する図である。
第1の実施形態では副誘電体層８Ｂを二酸化珪素とするが、副誘電体層８Ｂは、その他の構成材料を採用してもよく、主誘電体層８Ａの構成材料よりも電子親和力が小さいものであれば、主誘電体層８Ａがギャップ空間に直接露出する構成よりもチャージトランスファーを抑制できる。
副誘電体層８Ｂには、より電子親和力の小さい構成材料を採用することが望ましく、例示する誘電体材料のうちでは、副誘電体層８Ｂとして望ましい順にAlN，SiO2，Al2O3，Y2O3，La2O3，HfO2，ZrO2，Si3N4，Ta2O5，BaTiO3，SrTiO3，Siとなっている。特に、例示する誘電体材料のうちSiO2，Al2O3，AlNは電子親和力が顕著に小さく、これらは副誘電体層８Ｂとして特に望ましい構成材料といえる。
【００３７】
また、第1の実施形態では可動板側電極部（上容量電極６および上駆動電極７Ａ，７Ｂ）をタングステンとするが、可動板側電極部は、その他の構成材料を採用してもよく、より仕事関数が大きいほうがチャージトランスファーを抑制できる。例示する導電性材料のうちでは、可動板側電極部として望ましい順に、Pt，Ni，Pd，Au，Cu，W，Mo，Ta，Siとなっている。特に、例示する導電性材料のうちPt，Ni，Pd，Auは仕事関数が顕著に大きく、これらは可動板側電極部として特に望ましい構成材料といえる。
ただし、加熱時の可動板の反りなどを防ぐために、可動板側電極部として可動板の線膨張率と同等な構成材料を採用することが望ましく、第１の実施形態のように絶縁性シリコン（Si）を可動板の構成材料とする場合には、線膨張係数がSiの2.5×10-6/degに近いPt，W，Ni，Mo，Taなどを採用すると好適である。
【００３８】
少なくとも、図３で示したエネルギーバンド図で、ギャップ空間を介して離間／接触する部材間の仕事関数と電子親和力との差φbが、比較構成や従来構成よりも大きくなる、可動板側電極部と副誘電体層との構成材料の組み合わせを採用するとよい。
【００３９】
なお、第1の実施形態では主誘電体層８Ａを五酸化タンタルとするが、主誘電体層８Ａは、その他の構成材料を採用してもよく、副誘電体層８Ｂよりも比誘電率が大きいものであれば、誘電体層全体としての誘電率を確保しながらチャージトランスファーを抑制でき好適である。
主誘電体層８Ａには、より比誘電率が大きい構成材料を採用することが望ましく、例示する誘電体材料のうちでは、主誘電体層８Ａとして望ましい順にBaTiO3，SrTiO3，La2O3，Y2O3，Ta2O5，HfO2，Si，Al2O3，AlN，ZrO2，Si3N4，SiO2となっている。
【００４０】
なお、可変容量装置では可動板３として導電性材料を採用することも可能であるが、その場合、加工法や構造上の制約から、可動板に仕事関数が大きい構成材料を採用することが難しいこともある。そのため、可動板３は絶縁性材料で構成し、可動板側電極部を可動板とは別体に構成することにより、可動板側電極部として仕事関数の大きな導電性材料を採用することが可能になる。
【００４１】
また、支持板側電極部（下容量電極４Ａ，４Ｂおよび下駆動電極５Ａ，５Ｂ）は、本実施形態のように誘電体層と接触／離間する構成でない場合、仕事関数を考慮することなく構成材料を選定することができる。そのため、支持板側電極部を、可動板側電極部とは異なる仕事関数が小さな構成材料で構成してもよい。
【００４２】
次に、第1の実施形態に係る可変容量装置の製造プロセスについて説明する。第1の実施形態で採用する誘電体層の五酸化タンタルと二酸化珪素との組み合わせでは、可変容量装置１を簡易で低コストに作製することが可能である。図５は、第１の実施形態に係る可変容量装置１の製造プロセスの一部を説明する図である。
【００４３】
まず、支持板２の上面に支持板側電極部を形成する（Ａ）。
次に、主誘電体層８Ａとして五酸化タンタルを、反応性スパッタ法を用いて形成する（Ｂ）。そして、副誘電体層８Ｂとして二酸化珪素を、反応性スパッタ法を用いて形成する（Ｃ）。五酸化タンタルと二酸化珪素との組み合わせでは、上述の２つのステップを、マルチターゲット式のスパッタ装置を用いて石英ターゲットやTa2O5焼結ターゲットに対してArとO2とを用いた反応性スパッタを実施し、1回の成膜バッチで五酸化タンタルと二酸化珪素とを堆積できる。そのため真空開放を挟まず段取り時間を短くできる利点がある。
【００４４】
次に、主誘電体層８Ａおよび副誘電体層８ＢをRIE法により成形する（Ｄ）。五酸化タンタルと二酸化珪素との組み合わせでは、このステップでフッ素系ガスを用いたRIE法で両者をドライエッチングでき、一括でパターニングできる利点がある。
【００４５】
このように、五酸化タンタルと二酸化珪素との組み合わせでは、可変容量装置１を簡易で低コストに作製することも可能になる。
【００４６】
なお、上述のプロセスの後、200℃で1時間程度加熱し、その後気化させたシランカップリング剤（HMDS)が充満したチャンバー中に素子を入れて、副誘電体層８ＢにおけるSiO2表面を疎水化させる表面処理プロセスを実施しても好適である。図６はSiO2とシランとによる反応を説明する図である。
【００４７】
表面処理プロセスの前は、副誘電体層８Ｂ（SiO2）の表面には空気中の水蒸気などによって親水性の−ＯＨ基が形成されているが、前述の表面処理プロセスにより−ＯＨ基が疎水性の−O−(CH3)3Si基に置換され、副誘電体層８Ｂの表面を疎水化させることができる。これにより、副誘電体層８Ｂの表面に吸着する水分子を激減させ、水分子が原因となるスティキングやチャージアップの発生を大幅に抑制することが可能になる。
【００４８】
《第２の実施形態》
次に、第２の実施形態に係る可変容量装置の構成について説明する。
図７は本実施形態の可変容量装置１１のＹ−Ｚ面断面図である。可変容量装置１１は誘電体層の構成が前述の可変容量装置１と相違し、主誘電体層１８Ａおよび副誘電体層１８Ｂを支持板側ではなく可動板側に積層形成している。また、支持板側電極部（下駆動電極５Ａ，５Ｂおよび下容量電極４Ａ，４Ｂ）の構成材料も前述の可変容量装置１と相違し、仕事関数がより大きい構成材料、例えばタングステン電極を採用している。なお、その他の構成は前述の可変容量装置１と同様である。
【００４９】
このような構成でも、前述の可変容量装置１と同様に、主誘電体層１８Ａ、副誘電体層１８Ｂ、および支持板側電極部の構成材料を適切に選定することにより、誘電体層全体としての誘電率を大きくしたまま、チャージトランスファーの発生確率を低減することができる。
【００５０】
《第３の実施形態》
次に、第３の実施形態に係る可変容量装置の構成について説明する。本実施形態では、支持板側電極部と可動板側電極部とをそれぞれ異なる誘電体層で覆うようにして、誘電体層と電極材料とが直接接触／離間することを防ぐ構成としている。
図８は本実施形態に係る可変容量装置２１のＹ−Ｚ面断面図である。可変容量装置２１は誘電体層の構成が前述の可変容量装置１と相違し、支持板側誘電体層２８Ａを支持板側に積層形成し、可動板側誘電体層２８Ｂを可動板側に積層形成している。なお、その他の構成は前述の可変容量装置１と同様である。
【００５１】
このような構成では、支持板側誘電体層２８Ａと可動板側誘電体層２８Ｂとのいずれも、電極材料と直接接触／離間することがなく、チャージトランスファーが殆ど発生し得ない。このため、支持板側誘電体層２８Ａ、可動板側誘電体層２８Ｂ、支持板側電極部、および可動板側電極部の構成材料を、電子親和力や仕事関数によらずに任意に選定することができる。
【００５２】
さらには、支持板側誘電体層２８Ａおよび可動板側誘電体層２８Ｂは、支持板側電極部および可動板側電極部に比べて結晶性が低く、アモルファスに近い結晶構造となるので、支持板側電極部および可動板側電極部に比べて表面の平坦性が得やすい。したがって、支持板側誘電体層２８Ａと可動板側誘電体層２８Ｂとがギャップ空間に露出する構成によって、露出面同士の接触によるエア噛みの発生が減り、このことからも安定した容量特性と大容量特性を得やすくなる。
【００５３】
《第４の実施形態》
図９（Ａ）は第４の実施形態に係る可変容量装置３１のＹ−Ｚ面断面図である。可変容量装置３１は誘電体層の構成が前述の実施形態と相違し、単層の誘電体層３８を支持板２側に積層形成している。そして可動板側電極部の構成材料をプラチナとしている。なお、その他の構成は前述の可変容量装置１と同様である。
【００５４】
図９（Ｂ）は本願構成におけるエネルギーバンド図であり、図９（Ｃ）は特許文献２で開示されている従来構成におけるエネルギーバンド図である。
【００５５】
本願構成では、二酸化珪素からなる誘電体層とプラチナからなる可動板側電極部とが接触／離間する。プラチナはその仕事関数Efが5.7eVであり、二酸化珪素は電子親和力Ecが0.9eVである。そのため、本願構成におけるギャップ空間を介して離間／接触する部材間の仕事関数と電子親和力との差（φb：Ec−Ef）は4.8eVである。
従来構成では、窒化アルミニウムを単層で用い、導電性シリコンからなる可動板と接触／離間させる。導電性シリコンはその仕事関数が4.0eVであり、窒化アルミニウムは電子親和力Ecが0.0eVであるため、従来構成におけるφbは4.0eVである。
【００５６】
このように本願構成では、ギャップ空間を介して離間／接触する部材間の仕事関数と電子親和力との差φbが4.8eVと、従来構成の4.0eVよりも大きなものになる。φbは、障壁を越えて電子が移動するために必要なエネルギー量に相当し、このため誘電体層に電子が移動するために必要なエネルギーが本願構成は従来構成よりも大きく、本願構成ではチャージトランスファーの発生確率を従来構成よりも低減することが可能になっている。
【００５７】
《第５の実施形態》
次に、第５の実施形態に係る可変容量装置の構成について説明する。
図１０（Ａ）は本実施形態の可変容量装置４１の可動板を除いた状態でのＸ−Ｙ面図であり、図１０（Ｂ）は可変容量装置４１のＹ−Ｚ面図である。
【００５８】
この可変容量装置４１は、誘電体層として主誘電体層４８Ａと副誘電体層４８Ｂとを設けていて、下駆動電極５Ａ，５Ｂの両脇を挟むように配置されるコの字形の同電位電極４９を支持板２上に備える。なお、その他の構成は前述の可変容量装置１と同様である。
【００５９】
同電位電極４９は、対向する上駆動電極７Ａ，７Ｂと同電位に接続される。主誘電体膜４８Ａは、分割溝５０によって複数の領域に分割されている。分割溝は同電位電極４９と下駆動電極５Ａ，５Ｂとの境界位置に設けている。副誘電体層４８Ｂはいくつかのパターン形状の分割領域からなり、線路状領域４８Ｂ１と円状領域４８Ｂ２と矩形状領域４８Ｂ３とを備えている。線路状領域4８Ｂ１は、主誘電体膜４８Ａの表面における、同電位電極４９に対向する位置に設けている。円形領域４８Ｂ２は、主誘電体膜４８Ａの表面における、下駆動電極５Ａ，５Ｂに対向する位置に設けている。矩形状領域４８Ｂ３は、主誘電体膜４８Ａの表面における、下容量電極４Ａ，４Ｂに対向する位置に設けている。
【００６０】
この構成でも、主誘電体層４８Ａ、副誘電体層４８Ｂ、および支持板側電極部の構成材料を適切に選定することにより、誘電体層全体としての誘電率を大きくしたまま、チャージトランスファーの発生確率を低減することができる。その上、副誘電体層４８Ｂに円状領域４８Ｂ２を設けて、円状領域４８Ｂ２と上駆動電極７Ａ，７Ｂとの接触面積を低減することにより、さらにチャージトランスファーの発生確率を低減することができる。
【００６１】
なお、本実施形態では同電位電極４９と副誘電体層４８Ｂの線路状領域４８Ｂ１とを設けていて、線路状領域４８Ｂ１は同電位の電極によって挟まれることになる。このため、線路状領域４８Ｂ１には電界が印加されることが殆ど無く、チャージトランスファーなどの帯電現象が殆ど生じることがない。このため、本実施形態の可変容量装置４１では、チャージトランスファーの影響を回避しながら、ＲＦ容量を精緻に設定することが可能になる。
【００６２】
《第６の実施形態》
次に、第６の実施形態に係る可変容量装置の構成について説明する。図１１（Ａ）は、本実施形態に係る可変容量装置５１の構成を説明する図である。可変容量装置５１は、前述の第１の実施形態と異なり窒化アルミニウム（AlN）を採用してなる副誘電体層５８Ｂを備える。窒化アルミニウムはその結晶構造によっては圧電性を持つことがあり、その場合、電界の印加により結晶ひずみが生じることがある。そのため、本実施形態では副誘電体層５８Ｂに採用する窒化アルミニウムの結晶構造をアモルファスにすることで結晶ひずみの発生を防いでいる。
【００６３】
この可変容量装置の製造プロセスでは、窒化アルミニウムの成膜工程でのガス圧を1Pa以上に高くし、これにより窒化アルミニウムをアモルファスに近い結晶構造とすることができる。図１１（Ｂ）は、成膜工程でのガス圧を異ならせて窒化アルミニウムの結晶構造を変化させ、Ｘ線回折法により結晶構造の配向評価を行った結果を説明する図である。ガス圧0.2Paで得られる窒化アルミニウムでは、32〜33degreeの間、および36〜37degreeの間に回折ピークが現れている。またガス圧1.7Paで得られる窒化アルミニウムでは、回折ピークが現れずロッキングカーブ半値幅が測定できないほどブロードな検出データが得られている。アモルファス構造では結晶構造に配向が無く、Ｘ線回折法による回折ピークが現れることはない。このため、成膜工程におけるガス圧を1.7Pa程度と十分に大きくすることにより、窒化アルミニウムの結晶構造をよりアモルファスに近づけることができ、例えば、ロッキングカーブ半値幅が4.6度以上で、十分にアモルファス状となった結晶構造が得られる。
【００６４】
《第７の実施形態》
次に、第７の実施形態に係る可変容量装置の構成について説明する。図１２は、本実施形態に係る可変容量装置６１の構成を説明する図である。可変容量装置６１は、前述の実施形態と異なり圧電性を発現するような結晶構造の窒化アルミニウム（AlN）を採用してなる副誘電体層６８Ｂを備える。圧電性を持つ結晶構造の窒化アルミニウムでは電界の印加により結晶ひずみを生じることになるが、結晶のＣ軸配向方向に対して電界方向が直交する場合には結晶ひずみの発生が抑えられる。そのため、本実施形態では副誘電体層５８Ｂに採用する窒化アルミニウムにおけるＣ軸配向方向を電界方向に直交する方向、即ち、Ｚ軸に直交するＸ−Ｙ面内の方向となるようにして、結晶ひずみの発生を防いでいる。
【００６５】
《第８の実施形態》
次に、第８の実施形態に係る可変容量装置の構成について説明する。図１３は、本実施形態に係る可変容量装置７１の構成を説明する図である。可変容量装置７１は、圧電性を発現するような結晶構造であって、電界方向に対して平行なＣ軸配向方向の窒化アルミニウム（AlN）を採用してなる副誘電体層７８Ｂを備える。また、第１の駆動容量部を構成する下駆動電極７５Ｂ１，７５Ｂ２と、第２の駆動容量部を構成する下駆動電極７５Ａ１，７５Ａ２とを備え、各駆動容量部では、下駆動電極間にバイアス電圧が印加されて、上駆動電極と各下駆動電極との間に容量が発生する。このような構成では、窒化アルミニウムにＣ軸配向方向の結晶ひずみが発生することになるが、各駆動容量部において、各下駆動電極と上駆動電極との間に発生する電界の方向が逆向きになり、結晶歪みが打ち消し合う。このため、ＲＦ容量部にまで結晶歪みの影響が及ぶことが無くなり、高周波回路で可変容量装置７１を利用する際の相互変調歪みや混変調歪みの発生、ハーモニクス特性の劣化を抑制できる。
【００６６】
以上の各実施形態で説明したように本発明は実施できるが、本発明の範囲は上述の実施形態の記載に制限されるものではなく、本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図されるものである。
【符号の説明】
【００６７】
Ｃ１Ａ，Ｃ１Ｂ…ＲＦ容量部
Ｃ２Ａ，Ｃ２Ｂ…駆動容量部
１…可変容量装置
２…支持板
３…可動板
３Ａ…支持部
３Ｂ…連結部
３Ｃ…可動部
３Ｄ…ラダー部
３Ｅ…矩形薄肉部
４Ａ，４Ｂ…下容量駆動電極
６…上容量電極
５Ａ，５Ｂ…下駆動電極
７Ａ，７Ｂ…上駆動電極
８Ａ…主誘電体層
８Ｂ…副誘電体層
【図１】
2012028542.tif 000003
【図２】
2012028542.tif 000004
【図３】
2012028542.tif 000005
【図４】
2012028542.tif 000006
【図５】
2012028542.tif 000007
【図６】
2012028542.tif 000008
【図７】
2012028542.tif 000009
【図８】
2012028542.tif 000010
【図９】
2012028542.tif 000011
【図１０】
2012028542.tif 000012
【図１２】
2012028542.tif 000013
【図１３】
2012028542.tif 000014
【図１１】
2012028542.tif 000015