CN103477405A - 电子设备及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

电子设备及其制造方法中,抑制电子设备的电特性随着周围的温度变化而变动。所述电子设备具备绝缘性基板(31)、形成于绝缘性基板(31)上的电极(33)、和设置于电极(33)的上方并利用由该电极(33)产生的静电力而弯曲的可弹性变形的可动上部电极(34),可动上部电极包含形状记忆合金膜(38)。

Description

电子设备及其制造方法
技术领域
本发明涉及电子设备及其制造方法。
背景技术
在移动电话等电子器件中,为了进行所搭载的电子设备的微细化和集成化,正在采用MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技术。作为由MEMS技术制成的电子设备,例如,有开关元件、可变电容器。
这些电子设备中,通过利用静电力等吸引金属薄膜,从而使金属薄膜承担作为可动部的功能。例如,开关元件中使用金属薄膜作为悬臂,使因静电力而弯曲的悬臂接触端子来进行切换。另外,可变电容器中使用金属薄膜作为电容器的可动电极,通过施加静电力来使电极彼此的间隔可变。
可动部的弯曲量可以根据施加的静电力的大小进行控制。而且,在具备这样的可动部的电子设备中,优选即便在周围的温度变化的情况下,要施加的静电力的大小也不变动,总是得到相同的电特性。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开平5-190617号公报
专利文献2:日本特开2006-55991号公报
专利文献3:日本特开平1-179286号公报
发明内容
电子设备及其制造方法的目的在于抑制电子设备的电特性因周围的温度变化而变动。
根据以下的公开的一个观点,提供一种电子设备,其具备基板、形成于上述基板上的第1电极、和设置于上述第1电极的上方并可弹性变形的可动部,上述可动部包含形状记忆合金膜。
另外,根据其公开的其他观点,提供一种电子设备的制造方法,具有:在基板上形成第1电极的工序;在上述基板和上述第1电极上形成上表面平坦的牺牲膜的工序;在上述牺牲膜的上述上表面形成包含形状记忆合金膜的可动部的工序;通过在上述平坦的上表面上对上述可动部进行热处理而使上述形状记忆合金膜记忆平坦形状的工序;和通过在上述热处理之后除去上述牺牲膜,从而使上述可动部能够以利用由上述第1电极产生的静电力而弯曲的方式弹性变形的工序。
附图说明
图1(a)、图1(b)是调查中使用的可变电容器的截面图。
图2(a)、图2(b)是调查中使用的开关元件的截面图。
图3是第1实施方式的可变电容器的立体图。
图4是沿图3的I-I线的截面图。
图5(a)、图5(b)是第1实施方式的可变电容器的制造中途的截面图(其1)。
图6(a)、图6(b)是第1实施方式的可变电容器的制造中途的截面图(其2)。
图7(a)、图7(b)是第1实施方式的可变电容器的制造中途的截面图(其3)。
图8(a)、图8(b)是第1实施方式的可变电容器的制造中途的截面图(其4)。
图9(a)、图9(b)是第2实施方式的可变电容器的截面图。
图10(a)、图10(b)是第3实施方式的可变电容器的截面图。
图11(a)、图11(b)是第3实施方式的可变电容器的制造中途的截面图(其1)。
图12(a)、图12(b)是第3实施方式的可变电容器的制造中途的截面图(其2)。
图13是第3实施方式的可变电容器的制造中途的截面图(其3)。
图14是第4实施方式的开关元件的立体图。
图15是沿图14的II-II线的截面图。
图16(a)、图16(b)是第4实施方式的开关元件的制造中途的截面图(其1)。
图17(a)、图17(b)是第4实施方式的开关元件的制造中途的截面图(其2)。
图18(a)、图18(b)是第4实施方式的开关元件的制造中途的截面图(其3)。
图19(a)、图19(b)是第4实施方式的开关元件的制造中途的截面图(其4)。
图20(a)、图20(b)是第5实施方式的开关元件的截面图。
图21(a)、图21(b)是第6实施方式的开关元件的截面图。
图22(a)、图22(b)是第6实施方式的开关元件的截面图(其1)。
图23(a)、图23(b)是第6实施方式的开关元件的截面图(其2)。
图24是第6实施方式的开关元件的截面图(其3)。
图25(a)、图25(b)是第7实施方式的可变电容器的制造中途的截面图(其1)。
图26(a)、图26(b)是第7实施方式的可变电容器的制造中途的截面图(其2)。
图27(a)、图27(b)是第7实施方式的可变电容器的制造中途的截面图(其3)。
图28(a)、图28(b)是第7实施方式的可变电容器的制造中途的截面图(其4)。
图29是第7实施方式的可变电容器的制造中途的截面图(其5)。
图30(a)、图30图(b)是示意地表示调查中使用的样本的截面图。
图31是形状记忆合金膜的DSC曲线(其1)。
图32是形状记忆合金膜的DSC曲线(其2)。
图33是表示伴随环境温度变化的可动上部电极的弯曲量的调查结果的图。
图34(a)、图34(b)是第8实施方式的可变电容器的截面图。
图35(a)、图35(b)是第8实施方式的可变电容器的制造中途的截面图(其1)。
图36(a)、图36(b)是第8实施方式的可变电容器的制造中途的截面图(其2)。
图37是第8实施方式的可变电容器的制造中途的截面图(其3)。
图38(a)、图38(b)是第9实施方式的开关元件的截面图。
图39(a)、图39(b)是第9实施方式的开关元件的制造中途的截面图(其1)。
图40(a)、图40(b)是第9实施方式的开关元件的制造中途的截面图(其2)。
图41(a)、图41(b)是第9实施方式的开关元件的制造中途的截面图(其3)。
具体实施方式
在说明本实施方式之前,对本申请发明人进行的调查进行说明。
由MEMS技术制成的电子设备中形成各种可动部。作为具备这样的可动部的电子设备有可变电容器和开关元件。
其中,最先对可变电容器进行说明。
图1(a)是可变电容器的截面图。
该可变电容器10具备绝缘性基板1、柱2、电极3以及可动上部电极4。
绝缘性基板1例如是玻璃基板,通过将在其上成膜的金膜进行图案化而形成电极3。
另外,柱2由维持在接地电位的金等导电性材料形成,在其上表面固定有用作可动部的可动上部电极4。该可动上部电极4例如由金膜等单层的金属膜形成。
应予说明,可以在可动上部电极4的下表面形成厚度为50nm~200nm左右的密合层。
这样的可变电容器10中,电极3与可动上部电极4之间形成电容C。而且,为了使电容C的大小可变,将柱2和可动上部电极4的电位维持在接地电位,同时对电极3施加正电位V,使电极3的周围产生静电场。
由此,如图1(a)的虚线所示,电位低于电极3的可动上部电极4被静电力吸引到电极3侧而弯曲,因此可动上部电极4与电极3的间隔D1变短,与静电位V施加前相比能够增大电容C。
电容C的大小可以通过对正电位V的大小进行微调来改变间隔D1而进行控制。
而且,理想的是,优选即便可变电容器10的周围的温度变化的情况下,对电极3给予相同大小的正电位V时,也总是得到相同大小的电容C。例如,即便温度变化,若未施加正电位V时可动上部电极4总是平坦的,则由平坦的状态到产生规定的弯曲量所需要的正电位V也总为相同大小,不论环境如何都可以对电容C进行微调。
但是,根据本申请发明人的调查可知,如图1(b)所示,如果可变电容器10的周围的温度上升,则可动上部电极4向远离绝缘性基板1的方向翘曲。考虑这是可动上部电极4因温度的上升而发生热膨胀的缘故。
这样,由于热而可动上部电极4向上方翘曲,与像图1(a)那样可动上部电极4平坦的情况相比,将可动上部电极4吸引到基板1侧所需要的正电位V的大小变大。
因此,即便对电极3施加与图1(a)的情况相同的正电位V,可动上部电极4与电极3的间隔D2也宽于图1(a)中的间隔D1,难以以正电位V对电容C的大小进行微调。
另外,可动上部电极4因热膨胀导致超过材料的塑性极限而发生翘曲时,也有可动上部电极4不返回到本来的形状,可变电容器10不工作的问题。
与此相同的问题也在开关元件中产生。
图2(a)是由MEMS技术制成的开关元件的截面图。
该开关元件20具备绝缘性基板1、柱7、电极8、导体图案9、接点11以及悬臂12。
其中,电极8和导体图案9可以通过将在绝缘性基板1上成膜的金膜进行图案化来形成。
另外,柱7由维持在接地电位的金等导电性材料形成,在其上表面固定有用作可动部的悬臂12。
悬臂12的一端为上下可动的自由端,在该自由端具有导电性的接点11。
这样的开关元件20中,通过对电极8给予正电位来使电极8的周围产生静电场,利用静电力将悬臂12吸引到基板1侧。由此,如虚线所示,端子11与导体图案9抵接,在端子11与导体图案9之间进行切换。
为提高该切换的可靠性,要求给予正电位V时,接点11可靠地与导体图案9抵接。
但是,如图2(b)所示,如果开关元件20的周围的温度上升,则悬臂12发生热膨胀,导致悬臂12向远离绝缘性基板1的方向翘曲。这样,即便对电极8给予正电位V,也在导体图案9与接点11之间产生缝隙,它们之间不能进行切换的危险性高。
此外,悬臂12因热膨胀导致超过材料的塑性极限而发生翘曲时,也有悬臂12的形状不返回到原来,无法使开关元件20处于on状态的问题。
本申请发明人基于这样的调查结果,想到以下说明的各实施方式。
(第1实施方式)
在本实施方式中,如下制成可变电容器作为电子设备。
图3是本实施方式的可变电容器的立体图。
该可变电容器30具备绝缘性基板31、柱32、电极33以及可动上部电极34。
其中,作为绝缘性基板31的材料,可以使用杂质浓度极低的高阻硅、玻璃以及陶瓷中的任一种。
另外,电极33例如作为高频信号SRF用的线路,在其两侧的绝缘性基板31上设置柱32。应予说明,作为高频信号SRF用的线路,有CPW(coplanar waveguide)、设置于绝缘性基板31的背面的与未图示的接地图案共同工作的微带线。
柱32如后所述通过镀金等形成。而且,在柱32的上表面,以可上下弹性变形的状态固定用作可动部的可动上部电极34的一部分34a,可动上部电极34介由柱32与基板31机械连接。
这样的可变电容器30中,电极33兼具电容器的下部电极的功能,在该电极33与上部可动电极34之间形成电容C。
该电容C的大小通过可动上部电极34如虚线那样弯曲来改变与电极33的间隔D而成为可变的。由于该弯曲,在可动上部电极34的中央部,与变形前相比,间隔D仅缩小约5μm~10μm左右的大小。
应予说明,可以在电极33的上表面设置与弯曲的上部电极34相接的介电膜。这时,可动电极34与介电膜接触时成为对电极33附加电容C的状态(ON状态)。而且,空气的介电常数与该介电膜的介电常数相比可以忽略,因此可动电极34与介电膜分离时,成为从电极33除去电容C的状态(OFF状态)。应予说明,作为这样的介电膜,例如有氧化铝膜。
在本实施方式中,因为这样使可动上部电极34弯曲,所以对供给电极33的高频信号SRF叠加约30V~100V的正的直流偏压VDC,利用该直流偏压VDC在电极33的周围产生静电场。由此,电位低于直流偏压VDC的可动上部电极34被静电力吸引到电极33,可使可动上部电极34弯曲。
而且,通过改变直流偏压VDC的大小来调节可动上部电极34的弯曲量,从而能够控制电容C的大小,能够进行用作高频信号SRF用的线路的电极33的阻抗整合,或进行高频信号SRF的变调等。
应予说明,在电极33的上表面形成介电膜时,通过使设定为适当值的恒定的直流偏压VDC为ON、OFF,从而能够对电容C的ON状态和OFF状态进行数字切换。
图4是沿图3的I-I线的截面图。
如图4所示,可动上部电极34是依次层叠金属膜37和形状记忆合金膜38而成的。应予说明,各膜37、38的层叠顺序并不限于此,可以在可动上部电极34的最上层和最下层的任一方或两方形成金属膜37。
作为该金属膜37的材料,优选使用电阻小的金属材料,在本实施方式中使用金。应予说明,可以使用铝和铜的任一纯金属代替金作为金属膜37的材料。
另一方面,形状记忆合金膜38具有在转变温度Tth以上的温度下即使承受变形也立刻恢复原来形状的性质,其恢复力远远大于纯金属。这样的性质也称为超弹性。特别是也将转变温度为常温左右或常温以下的形状记忆合金称为超弹性合金。
在本实施方式中,使用TiNi合金作为形状记忆合金膜38的材料,预先使形状记忆合金膜38记忆平坦的形状。该TiNi合金的转变温度Tth可以通过合金中的Ti与Ni的原子数比来进行控制,在本实施方式中使转变温度Tth为室温(25℃)以下,例如-20℃。应予说明,即便转变温度Tth比室温稍微高30℃~50℃左右,只要热膨胀的程度小,通过机械的弹力而膨胀受到抑制,则也没有特别的问题。
由此,如果在转变温度Tth(25℃~50℃)左右或其以上的温度下使用可变电容器30,则形状记忆合金膜38总是体现要返回到本来的平坦形状的强力。因此,即便金属膜37因热膨胀要翘曲,形状记忆合金膜38也以抑制其翘曲的方式发挥作用,能够防止可动上部电极34因周围的温度变化而发生翘曲。
其结果,即便周围的温度变化时,也能够通过对电极33施加的直流偏压VDC来对可动上部电极34的翘曲量进行精密控制,无论周围的温度如何变化都能够得到规定的电容C。
特别是,形状记忆合金膜38的防止翘曲的能力换算成每单位体积的功时,与双金属相比为25倍以上,因此是适于抑制可动上部电极34的翘曲的膜。
应予说明,为了使形状记忆合金膜38总是体现恢复力,如上所述,转变温度Tth优选为室温以下。其中,即便转变温度Tth比室温高出一定程度,只要是在直流偏压VDC的公差内,或在由热导致的变形以成为永久变形前的状态返回平坦的温度范围内,则实用上就没有问题。
另外,如果在高温环境下使用可变电容器30,则有时金属膜37因热膨胀导致超出弹性极限而发生塑性变形,金属膜37不返回到本来的形状。这样的情况下,为了能够以形状记忆合金膜38的恢复力强制地使可动上部电极34返回道平坦的形状,更优选将转变温度Tth设定为比金属膜37因热膨胀而超出弹性极限的温度T低的温度。
另外,可动上部电极34不但包含形状记忆合金膜38还包含金属膜37,因此能够利用该金属膜37减小可动上部电极34的电阻。
特别是,像本实施方式那样在电极33流过高频信号SRF时,高频电流因集肤效应而流向作为可动上部电极34的最下层的金属膜37,因此具有由金属膜37带来的电阻减少的实际效果。
应予说明,由电极33产生的静电力以远强于形状记忆合金膜38要返回到本来的形状的力的方式进行设定,因此由静电力引起的可动上部电极34的弯曲不会被形状记忆合金膜38阻碍。
接下来,对本实施方式的可变电容器的制造方法进行说明。
图5~图8是本实施方式的可变电容器的制造中途的截面图。
最初,如图5(a)所示,利用溅射法在绝缘性基板31上以1μm~3μm的厚度形成金膜等由纯金属构成的导电膜作为电极33。
另外,电极33的材料不限于纯金属,可以是在金、铝等中微量添加其他元素而成的合金。应予说明,可以在该金膜和绝缘性基板31之间形成钛(Ti)膜作为密合膜。
而且,在该电极33上形成第1抗蚀图案40后,使电极33为供电层,同时在抗蚀图案40的开口40a内用电解镀覆法生长镀金膜作为柱32。
柱32的高度没有特别限定。在本实施方式中,以5μm~6μm左右的高度形成柱32。
这样形成柱32后,除去第1抗蚀图案40。
接着,如图5(b)所示,通过离子铣削将电极33图案化,两个柱32之间线状地残留电极33。应予说明,电极33在柱32的下方也残留,但柱32的下方的电极33与两个柱33之间的电极33分离。
接下来,如图6(a)所示,在柱32上形成第2抗蚀图案41。而且,用第2抗蚀图案41保护柱32的上表面,同时分别在电极33和绝缘性基板31上利用溅射法形成铜膜作为种子层39。
应予说明,在电极33上形成介电膜时,用抗蚀图案保护电极33以外的区域,同时用溅射法等以100nm~500nm的厚度形成氧化铝膜作为介电膜,其后可以形成种子层39。
接着,如图6(b)所示,利用使用种子层39作为供电层的电解镀覆法在柱32以外的区域使镀铜膜生长至与柱32相同的高度作为牺牲膜42。应予说明,牺牲膜42的材料不限于铜,也可以是硅。
另外,这样形成的牺牲膜42的上表面变得平坦。
然后,通过除去第2抗蚀图案41,从而使柱32的上表面从其周围的牺牲膜42露出。
接着,如图7(a)所示,在牺牲膜42的平坦的上表面上和柱32上利用溅射法以1μm~2μm左右的厚度形成金膜作为金属膜37。应予说明,可以形成铝膜、铜膜来代替金膜。
另外,为了提高金属膜37与柱32的密合性,可以在金属膜37形成前,预先在柱32、牺牲膜42上形成钛膜、铬膜作为密合膜。
而且,在该金属膜37上用溅射法以300nm~500nm左右的厚度形成铬膜,该铬膜为导电性防扩散膜45。应予说明,该铬膜兼具作为提高金属膜37与柱32的密合性的密合膜的功能,作为这样的膜除了铬膜以外还有钛膜。另外,铬膜和钛膜中的任一种与铂膜的层叠膜也是良好的导电性防扩散膜45。
此外,在导电性防扩散膜45上用溅射法形成TiNi膜作为形状记忆合金膜38。
形状记忆合金膜38的膜厚没有特别限定,优选为与金属膜37相同程度的厚度,在本实施方式中为1μm~3μm左右。
另外,形成形状记忆合金膜38时的溅射法中,使用由TiNi合金构成的溅射靶,并且使用氩气作为溅射气体。
如已阐述的那样,形状记忆合金膜38的转变温度Tth由膜中的Ti与Ni的原子数比决定。其中,形状记忆合金膜38中的Ti与Ni的原子数比不限于与溅射靶中的相同,因此优选预先对得到规定的原子数比所需的溅射靶中的Ti与Ni的原子数比进行调查。
在本实施方式中,在进行这样的调查的基础上,以转变温度Tth为室温以下、例如-20℃的方式调节形状记忆合金膜38中的Ti与Ni的原子数比。
接着,在形状记忆合金膜38上用溅射法以300nm~500nm左右的厚度形成铬膜作为导电性防氧化膜46。
导电性防氧化膜46以防止形状记忆合金膜38被大气中的氧所氧化、抑制因氧化导致形状记忆合金膜38的原子数比偏离而其转变温度Tth发生变动的方式发挥作用。
另一方面,形状记忆合金膜38的下方的导电性防扩散膜45具有防止绝缘性基板31中的硅、柱32中的金等扩散到形状记忆合金膜38内、抑制形状记忆合金膜38中的Ti与Ni的原子数比变动的作用。
根据本申请发明人的调查,可知作为导电性防扩散膜45、导电性防氧化膜46形成的铬膜、铂膜与其他膜相比,对TiNi膜的防氧化、防扩散优异。
利用到此为止的工序,形成了层叠各膜37、45、38、46而成的可动上部电极膜34。
应予说明,金属膜37和形状记忆合金膜38的形成顺序可以与上述相反。此时,可以从下依次形成导电性防扩散膜45、形状记忆合金膜38、导电性防氧化膜46以及金属膜37。
接下来,如图7(b)所示,在氩等惰性气体的环境内或真空中对形状记忆合金膜38实施热处理,使形状记忆合金膜38记忆平坦的形状。
这样的热处理也称为形状记忆处理。在本实施方式中,在基板温度为350℃~500℃、处理时间为30分钟~60分钟的条件下进行该热处理。
另外,通过在惰性气体的环境内或真空中进行该形状记忆处理,从而能够防止形状记忆合金膜38氧化而其转变温度偏离预定的温度。
接着,如图8(a)所示,通过在可动上部电极34上涂布光致抗蚀剂,使其曝光、显影,从而形成平面形状为矩形的第2抗蚀图案48。
而且,将第2抗蚀图案48作为掩模,同时通过使用氩气的离子铣削对可动上部电极34进行图案化,将可动上部电极34的平面形状整形为矩形。
其后,除去第2抗蚀图案48。
应予说明,本工序中可以在对可动上部电极34进行图案化后进行图7(b)的形状记忆处理。
接下来,如图8(b)所示,利用RIE(Reactive Ion Etching)或湿式蚀刻除去牺牲膜42和种子层39。
牺牲膜42为硅膜时,通过使用SF6气体作为RIE的蚀刻气体,从而能够在不蚀刻柱32、可动上部电极膜34等的情况下除去牺牲膜42。
另外,牺牲膜42为铜膜时,可以通过使用氯化铁溶液、乙酸和过氧化氢水的混合溶液、铜氨络合物系的溶液等中的任一种作为蚀刻液来除去牺牲膜42。
通过这样除去牺牲膜42,从而可动上部电极34从牺牲膜42的束缚中释放,能够利用由电极33产生的静电力而向下方弯曲。
由以上能够得到本实施方式的可变电容器30的基本结构。
(第2实施方式)
上述第1实施方式中对可变电容器进行了说明。在本实施方式中,如下进行,改善可变电容器的电特性。
图9(a)、图9(b)是本实施方式的可变电容器的截面图。应予说明,图9(a)、图9(b)中,对与第1实施方式中说明的要素相同的要素附以相同的符号,以下省略其说明。
如图9(a)所示,本实施方式的可变电容器50中,可动上部电极34为第1金属膜51、形状记忆合金膜38以及第2金属膜52的层叠膜。
其中,作为第1金属膜51与第2金属膜52的材料,使用像金、铝以及铜等那样电阻小于形状记忆合金膜38的纯金属。
另一方面,形状记忆合金膜38与第1实施方式相同地为TiNi膜,以在转变温度Tth以上的温度返回到平坦的形状的方式实施形状记忆处理。该转变温度Tth为室温(25℃)左右或其以下,例如-20℃。
这样的可变电容器50以与第1实施方式相同的制造方法形成,通过依次形成各膜51、38、52后利用离子铣削将它们图案化,从而得到平面形状为矩形的可动上部电极34。
另外,如图9(b)所示,本实施方式中也对流过电极33的高频信号SRF叠加直流偏压VDC,由此使可动上部电极34弯曲,对由可动上部电极34和电极33形成的电容C的大小进行调节。
这里,如果对电极33供给高频信号SRF,则由于集肤效应而电流相比于可动上部电极34的中央优先流向其表层。
在本实施方式中,在因其集肤效应而电流集中的可动上部电极34的最上层和最下层设置电阻低的金属膜51、52,因此能够减少高频信号SRF的衰减,能够相对于第1实施方式改善可变电容器50的电特性。
(第3实施方式)
在本实施方式中,如下进行,进一步改善可变电容器的电特性。
图10(a)、图10(b)是本实施方式的可变电容器的截面图。应予说明,在图10(a)、图10(b)中,对与第1实施方式中说明的要素相同的要素附以相同的符号,以下省略其说明。
如图10(a)所示,本实施方式的可变电容器60也与第1实施方式相同,可动上部电极34的一部分34a被固定于柱32的上表面。
其中,在本实施方式中,可动上部电极34中只在从该一部分34a到电极33的上方的中途形成形状记忆合金膜38。
该可动上部电极34的弯曲形式与第1实施方式相同,像图10(b)那样,通过对流过电极33的高频信号SRF叠加正的直流偏压VDC,从而利用静电力使可动上部电极34弯曲,调节电容C的大小。
这里,像第1实施方式中说明的那样,如果可变电容器60的周围的温度上升,则金属膜37发生热膨胀,金属膜37要向上方翘曲。该翘曲产生时可动上部电极34中应力最集中的部分是固定于柱32的一部分34a。
因而,像本实施方式那样,通过以覆盖其一部分34a的方式形成形状记忆合金膜38,从而能够通过形状记忆合金膜38抑制金属膜37因热膨胀而要向上方翘曲,能够在无直流偏压VDC的状态下使可动上部电极膜34维持平坦。
并且,由于在电极33的上方从金属膜37的上表面除去形状记忆合金膜38,所以与在金属膜37的上侧整面存在电阻高的形状记忆合金膜38的情况相比,能够降低可动上部电极膜34的电阻。
其结果,比第2实施方式更能减少高频信号SRF的衰减,能够提高可变电容器60的电特性。
接下来,对本实施方式的可变电容器60的制造方法进行说明。
图11~图13是本实施方式的可变电容器60的制造中途的截面图。应予说明,对这些图中与第1实施方式中说明的要素相同的要素附以相同的符号,以下省略其说明。
制造可变电容器60时,首先,进行第1实施方式中说明的图5(a)~图6(b)的工序后,如图11(a)所示,在牺牲膜42的平坦的上表面上和柱32上利用溅射法以1μm~2μm左右的厚度形成金膜作为金属膜37。应予说明,可以形成铝膜、铜膜代替金膜。
另外,为了提高金属膜37与柱32的密合性,在金属膜37形成前,可以预先在柱32、牺牲膜42上形成钛膜或铬膜作为密合膜。
接着,如图11(b)所示,以第2抗蚀图案48为掩模,同时通过使用氩气的离子铣削将金属膜37图案化,将金属膜37的平面形状整形为矩形。
其后,除去第2抗蚀图案48。
接下来,如图12(a)所示,通过分别在金属膜37和牺牲膜42上涂布光致抗蚀剂,使其曝光、显影,从而在柱32的上方形成具备窗59a的第3抗蚀图案59。
而且,在该窗59a内和第3抗蚀图案59上利用溅射法以1μm~3μm左右的厚度形成TiNi膜作为形状记忆合金膜38。
形状记忆合金膜38的转变温度Tth由膜中的Ti与Ni的原子数比确定。通过适当地调节该原子数比,从而在本实施方式中使转变温度Tth为室温左右或其以下,例如-20℃。
接着,如图12(b)所示,通过除去第3抗蚀图案59,从而剥离形状记忆合金膜38,只在柱32的上方残留形状记忆合金膜38。
通过到此为止的工序,形成了具备金属膜37和形状记忆合金膜38的可动上部电极34。
其后,在基板温度为350℃~500℃、处理时间为30分钟~60分钟的条件下对形状记忆合金膜38进行形状记忆处理,使形状记忆合金膜38记忆平坦的形状。
接着,如图13所示,通过RIE或湿式蚀刻除去牺牲膜42和种子层39。如第1实施方式中说明的那样,牺牲膜42为硅膜时使用SF6气体作为RIE的蚀刻气体,牺牲膜42为铜膜时,使用氯化铁溶液等作为蚀刻液。
通过以上,完成了本实施方式的可变电容器60的基本结构。
(第4实施方式)
第1~第3实施方式中说明了可变电容器。与此相对,在本实施方式中对开关元件进行说明。
图14是本实施方式的开关元件70的立体图。
该开关元件70具备绝缘性基板31、柱72、电极73、第1和第2导体图案74、75、悬臂76以及接点77。
其中,作为绝缘性基板31的材料,与第1实施方式的可变电容器相同,可使用杂质浓度极低的高阻硅、玻璃以及陶瓷中的任一种。
另外,第1导体图案74和第2导体图案75在接点77的下方留出间隔而被隔开,用作例如高频信号的线路。
柱72如后所述地通过镀金等形成,在其上表面用作可动部的悬臂76以可弹性变形的状态设置。悬臂76的一部分76a作为固定端被固定于柱72上,与该一部分76a相反的一侧的端部为上下可动的自由端。
在本实施方式中,这样悬臂76介由柱72与基板31机械连接。
另外,柱72和悬臂76利用未图示的布线介由高电阻元件维持在接地电位。另外,可以在悬臂76和接点77之间设置未图示的绝缘层,利用该绝缘层使悬臂76与接点77相互绝缘。
这样的开关元件70中,通过对电极73赋予约30V的正电位V,从而电位低于电极73的悬臂76被吸引到基板31侧,接点77与各导体图案74、75抵接。由此,各导体图案74、75介由接点77电连接而开关成为on状态,电流在这些导体图案74、75间流过。
图15是沿图14的II-II线的截面图。
如图15所示,悬臂76是依次层叠金属膜78和形状记忆合金膜79而成的。应予说明,各膜78、79的层叠顺序并不局限于此,可以在悬臂76的最上层和最下层的任一方形成金属膜78。
作为该金属膜78的材料,优选使用电阻小的金属材料,在本实施方式中使用金、铝以及铜中的任一种纯金属。
另一方面,形状记忆合金膜79例如是TiNi合金膜,通过形状记忆处理预先记忆平坦的形状。TiNi合金的转变温度Tth可以根据合金中的Ti与Ni的原子数比进行控制,在本实施方式中转变温度Tth为室温(25℃)左右或其以下,例如-20℃。
由此,只要在转变温度Tth以上的温度使用开关元件70,则形状记忆合金膜79总是体现返回到本来的平坦形状的强力。因此,即便金属膜78因热膨胀等而要翘曲,形状记忆合金膜79也以抑制其翘曲的方式发挥作用,能够防止悬臂76因周围的温度变化而产生翘曲。
其结果,即便周围的温度变化时,也能够以施加于电极73的正电位V将悬臂76可靠地吸引到基板31侧,能够使开关处于on状态。
如第1实施方式中说明的那样,考虑到形状记忆合金膜79防止翘曲的能力换算成每单位体积的功时,与双金属相比为25倍以上,因此是适合抑制悬臂76的翘曲的膜。
这里,如果在高温环境下使用开关元件70,则有时金属膜78因热膨胀导致超出弹性极限而发生塑性变形,金属膜78不返回到本来的形状。这样的情况下,为了能够以形状记忆合金膜79的恢复力强制地使悬臂76返回到平坦的形状,优选将转变温度Tth设定为比金属膜79因热膨胀导致超出弹性极限的温度T低的温度。
另外,悬臂76不仅包含形状记忆合金膜79也包含金属膜78,因此能够利用该金属膜78减小悬臂79的电阻。
特别是,各导体图案74、75(图14)中流过高频信号时,因集肤效应而高频电流流向作为悬臂76的最下层的金属膜78,因此具有由金属膜78带来的电阻减少的实际效果。
应予说明,由电极73产生的静电力设定为远强于形状记忆合金膜79要返回到本来的形状的力,因此利用静电力的切换动作不会被形状记忆合金膜79阻碍。
接下来,对本实施方式的开关元件的制造方法进行说明。
图16~图19是本实施方式的开关元件的制造中途的截面图。
首先,如图16(a)所示,在绝缘性基板31上用溅射法以1μm~2μm左右的厚度形成金膜等由纯金属构成的导电膜,将其图案化而形成底座71、电极73以及第1导体图案74。
应予说明,本工序中也同时形成第2导体图案75(参照图14)。
接着,如图16(b)所示,分别在绝缘性基板31、底座71、电极73以及第1导体图案74上用溅射法以500nm左右的厚度形成铜膜作为种子层80。
其后,通过在种子层80上涂布光致抗蚀剂,使其曝光、显影,从而在第1导体图案74的上方形成具备窗81a的第1镀覆抗蚀剂81。
接下来,将种子层80作为供电层,同时通过电解镀覆在窗81a内形成镀铜膜作为第1牺牲膜83。而且,该镀铜膜生长到达窗81a的中途的深度后,结束第1牺牲膜83的形成,接着将种子层80作为供电层使用,同时在第1牺牲膜83上形成电解镀金膜作为接点77。
该接点77的厚度例如为0.5μm~1μm左右。
然后,除去第1镀覆抗蚀剂81。
接着,对得到如图17(a)所示的截面结构为止的工序进行说明。
首先,通过在种子层80和接点77上涂布光致抗蚀剂,使其曝光、显影,从而形成第2镀覆抗蚀剂85。该第2镀覆抗蚀剂85在底座71的上方具备窗85a。
接下来,对从窗85a露出的种子层80进行蚀刻后,对种子层80进行供电,同时通过电解镀覆在窗85a内的底座71上使镀金膜生长作为柱72。
柱72的高度没有特别限定,在本实施方式中以3μm~4μm左右的高度使柱72a生长。
其后,除去第2镀覆抗蚀剂85。
接着,如图17(b)所示,在柱72和端子77上形成第3镀覆抗蚀剂82。而且,再次使用种子层80作为供电层,同时在该种子层80上形成上表面平坦的镀铜膜,将该镀铜膜作为第2牺牲膜86。
其后,除去第3镀覆抗蚀剂82。
接下来,对到得到如图18(a)所示的截面结构为止的工序进行说明。
首先,分别在第2牺牲膜86的平坦的上表面上、柱72和端子77上,利用溅射法以1μm~2μm左右的厚度形成金膜作为金属膜78。应予说明,可以形成铝膜、铜膜,也可以形成它们的层叠膜来代替金膜。
另外,为了提高金属膜78与柱72的密合性,在金属膜78形成前,可以预先在柱72、第2牺牲膜86上形成钛膜或铬膜作为密合膜。
接着,在金属膜78上以300nm~500nm左右的厚度形成铬膜,将该铬膜作为导电性防扩散膜88。
此外,使用由TiNi合金构成的溅射靶,并且使用氩气作为溅射气体,在导电性防扩散膜88上用溅射法形成TiNi膜作为形状记忆合金膜79。
形状记忆合金膜79的膜厚没有特别限定,优选为与金属膜78相同的程度的厚度,在本实施方式中为2μm~3μm左右。
与第1实施方式相同,本实施方式中,也以转变温度Tth为室温左右或其以下、例如-20℃的方式调节形状记忆合金膜79中的Ti与Ni的原子数比。
接着,在形状记忆合金膜79上用溅射法以300nm~500nm左右的厚度形成铬膜作为导电性防氧化膜89。
导电性防氧化膜89以抑制形状记忆合金膜79氧化而其转变温度Tth变动的方式发挥作用。应予说明,可以在转变温度的变动不成为问题时省去导电性防氧化膜89。
另一方面,形状记忆合金膜79的下方的导电性防扩散膜88具有防止绝缘性基板31中的硅、柱72中的金等扩散到形状记忆合金膜88内、抑制形状记忆合金膜79中的Ti与Ni的原子数比变动的功能。
接下来,如图18(b)所示,在氩等惰性气体的环境内或真空中对形状记忆合金膜79进行形状记忆处理,使形状记忆合金膜79记忆平坦的形状。
该形状记忆处理的条件没有特别限定。作为其条件,例如采用基板温度350℃~500℃、处理时间30分钟~60分钟。
接着,如图19(a)所示,在形状记忆合金膜79上形成第1抗蚀图案93。而且,将第1抗蚀图案93作为掩模,同时利用使用氩气的离子铣削将形状记忆合金膜79和金属膜78图案化,将这些膜的平面形状整形为矩形。
其后,除去第1抗蚀图案93。
通过到此为止的工序,形成了层叠金属膜78和形状记忆合金膜79而成的悬臂76。
其后,如图19(b)所示,通过湿式蚀刻除去种子层80和各牺牲膜83、86。各牺牲膜83、86为铜膜时,作为本工序中可使用的蚀刻液,有氯化铁溶液、乙酸和过氧化氢水的混合溶液、铜氨络合物系的溶液等中的任一种。
另外,可以通过RIE代替湿式蚀刻来进行本工序。
通过这样除去各牺牲膜83、86,从而悬臂76从牺牲膜83、86的束缚中释放,能够利用由电极73产生的静电力而向下方弯曲。
通过以上,完成本实施方式的开关元件70的基本结构。
(第5实施方式)
上述第4实施方式中对开关元件进行了说明。在本实施方式中,如下进行,改善开关元件的电特性。
图20(a)、图20(b)是本实施方式的开关元件的截面图。应予说明,图20(a)、图20(b)中,对与第4实施方式中说明的要素相同的要素附以与第4实施方式相同的符号,以下省略其说明。
如图20(a)所示,本实施方式的开关元件90中,悬臂76为第1金属膜91、形状记忆合金膜79以及第2金属膜92的层叠膜。
其中,作为第1金属膜91和第2金属膜92的材料,使用像金、铝以及铜等那样电阻小于形状记忆合金膜79的纯金属。
另一方面,形状记忆合金膜79与第4实施方式相同地为TiNi膜,以在转变温度Tth以上的温度返回到平坦的形状的方式实施形状记忆处理。其转变温度Tth为室温(25℃)左右或其以下,例如-20℃。
这样的开关元件90以与第4实施方式相同的制造方法形成,通过依次形成各膜91、79、92后通过离子铣削将它们图案化,从而得到平面形状为矩形的悬臂76。
另外,如图20(b)所示,本实施方式中也通过对电极73施加正电位V而使悬臂76弯曲。由此,第1导体图案74和第2导体图案75(参照图14)分别与接点77抵接,在各导体图案74、75之间开关为on状态。
这里,供给各导体图案74、75的信号为高频信号时,开关为on状态下,因集肤效应而电流相比于悬臂76的中央优先流向其表层。
在本实施方式中,由于在因其集肤效应而电流集中的悬臂76的最上层和最下层设置电阻低的金属膜91、92,所以能够减少高频信号的衰减,相比于第4实施方式改善开关元件90的电特性。
(第6实施方式)
在本实施方式中,如下进行,进一步改善开关元件的电特性。
图21(a)、图21(b)是本实施方式的开关元件的截面图。应予说明,图21(a)、图21(b)中,对与第4实施方式中说明的要素相同的要素附以相同的符号,以下省略其说明。
如图21(a)所示,本实施方式的开关元件100中,也与第4实施方式相同,悬臂76的一部分76a被固定于柱72的上表面。
其中,在本实施方式中,悬臂76中只在从该一部分76a到电极73的上方的中途形成形状记忆合金膜79。
悬臂76的弯曲形式与第4实施方式相同,通过像图21(b)那样对电极73给予正电位,从而利用静电力使悬臂76弯曲来进行切换。
这里,开关元件100的周围的温度上升时,金属膜78因热膨胀而向上方翘曲,因为该翘曲所以悬臂76中应力最集中的部分是固定于柱72的一部分76a。
因此,通过像本实施方式那样以覆盖其一部分76a的方式形成形状记忆合金膜79,从而能够利用形状记忆合金膜79抑制金属膜78因热膨胀而向上方翘曲,能够在未施加正电位V的状态下平坦地维持悬臂76。
此外,在接点77的周围从金属膜78的上表面除去形状记忆合金膜79,因此与在金属膜78的上侧整面存在电阻高的形状记忆合金膜79的情况相比能够降低悬臂76的电阻。
因而,在各导电图案74、75(参照图14)流过高频信号,即便电流因集肤效应而流向悬臂76时,也能够防止该电流在悬臂76内衰减,能够提高开关元件100的电特性。
接下来,对该开关元件100的制造方法进行说明。
图22~图24是本实施方式的开关元件100的制造中途的截面图。应予说明,这些图中,对与第4实施方式中说明的要素相同的要素附以相同的符号,以下省略其说明。
制造开关元件100时,首先,进行第4实施方式中说明的图16(a)~图17(b)的工序。
而且,如图22(a)所示,分别在第2牺牲膜86的平坦的上表面上、柱72和接点77上利用溅射法以1μm~2μm左右的厚度形成金膜作为金属膜78。应予说明,可以形成铝膜、铜膜,也可以形成它们的层叠膜来代替金膜。
此外,为了提高金属膜78与柱72的密合性,在金属膜78形成前,可以预先在柱72、第2牺牲膜86上形成钛膜或铬膜作为密合膜。
接着,如图22(b)所示,将第1抗蚀图案93作为掩模,同时通过使用氩气的离子铣削将金属膜78图案化,将金属膜78的平面形状整形为矩形。
其后,除去第1抗蚀图案93。
接下来,如图23(a)所示,通过分别在金属膜78和第2牺牲膜86上涂布光致抗蚀剂,使其曝光、显影,从而在柱72的上方形成具备窗95a的第2抗蚀图案95。
而且,在该窗95a内和第2抗蚀图案95上用溅射法以1μm~3μm左右的厚度形成TiNi膜作为形状记忆合金膜79。
适当地调节该形状记忆合金膜79中的Ti与Ni的原子数比,在本实施方式中形状记忆合金膜79的转变温度Tth为室温以下,例如-20℃。
接着,如图23(b)所示,通过除去第2抗蚀图案95,从而剥离形状记忆合金膜79,只在柱72的上方残留形状记忆合金膜79。
通过到此为止的工序,形成了具备金属膜78和形状记忆合金膜79的悬臂76。
其后,在基板温度为350℃~500℃、处理时间为30分钟~60分钟的条件下对形状记忆合金膜79进行形状记忆处理,使形状记忆合金膜79记忆平坦的形状。
接着,如图24所示,使用氯化铁溶液等蚀刻液通过湿式蚀刻除去种子层80和各牺牲膜83、86。
通过以上,完成本实施方式的开关元件100的基本结构。
(第7实施方式)
在本实施方式中,形成可变电容器作为电子设备。
第1实施方式中,如图3所示,通过对高频信号SRF叠加直流偏压VDC,从而使电极33担负作为高频信号SRF用的线路的功能和作为用于使可动上部电极34弯曲的驱动电极的功能这两方。
与此相对,在本实施方式中,像以下那样将线路和驱动电极分离。
图25~图29是本实施方式的可变电容器的制造中途的截面图。
最初,如图25(a)所示,准备陶瓷基板等绝缘性基板101。在绝缘性基板101设置以铜为材料的贯通布线106,在绝缘性基板101的背面形成铜膜等接地层102。
而且,在该绝缘性基板101的上表面用溅射法以50nm~100nm左右的厚度形成钛(Ti)膜作为密合膜后,在其上用溅射法以200nm~1000nm左右的厚度形成金膜,将这些金膜和钛膜作为导电膜103。
接下来,如图25(b)所示,利用在镀覆抗蚀剂中使用未图示的抗蚀图案的加成法,通过电解镀金形成柱108和线路110。该线路110与接地层102共同工作而成为微带线的一部分。
应予说明,柱108的高度为5μm~6μm左右,线路110的高度为2μm~3μm左右。如此形成高度不同的两种图案时,可以再次形成镀覆抗蚀剂,进行2次上述的加成法。
另外,可以在线路110的形成中使用的镀覆抗蚀剂残存的状态下用溅射法形成氧化铝膜等介电膜112。通过在介电膜112形成后除去该镀覆抗蚀剂,从而能够只在线路110的上表面选择性地形成介电膜112。
应予说明,该介电膜112的膜厚为例如200nm~500nm左右。
接着,如图26(a)所示,用第1抗蚀图案115保护柱108和介电膜112各自的上表面,同时通过离子铣削将导电膜103图案化,在柱108和线路110之间形成驱动电极103。
然后,除去第1抗蚀图案115。
接着,如图26(b)所示,用第2抗蚀图案120覆盖柱108的上表面,同时在绝缘性基板101的上侧整面用溅射法以50nm~100nm左右的厚度形成未图示的铜膜作为种子层。
而且,通过将该种子层作为供电层,同时进行电解镀铜,从而使上表面平坦的镀铜膜生长至柱108的高度作为牺牲膜121。
其后,除去第2抗蚀图案120。
接着,如图27(a)所示,在牺牲膜121的平坦的上表面上和柱108上,用溅射法以1μm~2μm左右的厚度形成金膜作为金属膜123。应予说明,在形成金属膜123前,可以在柱108和牺牲膜121上用溅射法以50nm~100nm左右的厚度形成钛膜作为密合膜。
接下来,对到得到如图27(b)所示的截面结构为止的工序进行说明。
首先,在金属膜123上用溅射法以300nm~500nm左右的厚度形成铬膜,将该铬膜作为导电性防扩散膜124。
而且,在导电性防扩散膜124上用溅射法交替地多层层叠钛膜和镍膜作为形状记忆合金膜125。此时,钛膜和镍膜的膜厚均为5nm~100nm左右。另外,这样层叠得到的形状记忆合金膜125的膜厚为1μm~3μm左右。
而且,形状记忆合金膜125中的最终的钛与镍的原子数比可以通过钛膜与镍膜的各自的膜厚之比来调整。
通过这样将钛膜与镍膜的层叠膜作为形状记忆合金膜125,从而形状记忆合金膜的原子数比的控制变得容易。
应予说明,也可以利用调整了钛与镍的原子数比的形状记忆合金的溅射靶代替上述的层叠膜,用溅射法形成单层的TiNi合金作为形状记忆合金膜125。
其后,利用溅射法在形状记忆合金膜125上再次以300nm~500nm左右的厚度形成铬膜,将该铬膜作为导电性防氧化膜126。
该导电性防氧化膜126以防止形状记忆合金膜125被大气中的氧所氧化,抑制因氧化引起形状记忆合金膜125的原子数比偏离而其转变温度Tth变动的方式发挥作用。
另一方面,形状记忆合金膜125的下方的导电性防扩散膜124具有防止绝缘性基板101中的硅、柱108中的金等扩散到形状记忆合金膜125内,抑制形状记忆合金膜125中的Ti与Ni的原子数比变动的功能。
通过到此为止的工序,形成了层叠各膜123~126而成的可动上部电极130。
接着,如图28(a)所示,通过真空炉中的加热对形状记忆合金膜125进行形状记忆处理,使形状记忆合金膜125记忆平坦的形状。作为该形状记忆合金处理的条件,例如采用基板温度300℃~500℃、处理时间30分钟~60分钟。
另外,该形状记忆合金处理也兼具对形状记忆合金膜125的固溶处理,通过形状记忆合金处理,形状记忆合金膜125中的钛膜和镍膜合金化。
接下来,如图28(b)所示,通过在可动上部电极130上涂布光致抗蚀剂,使其曝光、显影,从而形成平面形状为矩形的第3抗蚀图案131。
而且,将第3抗蚀图案131作为掩模,同时通过使用氩气的离子铣削使可动上部电极130图案化,将可动上部电极130的平面形状整形为矩形。
其后,除去第3抗蚀图案131。
应予说明,也可以这样将可动上部电极131图案化后,进行上述的形状记忆处理(参照图28(a))。
接下来,如图29所示,通过湿式蚀刻除去牺牲膜121。以铜为材料的牺牲膜121可以通过使用氯化铁溶液、乙酸和过氧化氢水的混合溶液、铜氨络合物系的溶液等中的任一种作为蚀刻液来选择性除去。
而且,通过这样除去牺牲膜121,从而可动上部电极130从牺牲膜121束缚中释放,能够利用由驱动电极103a产生的静电力而向下方弯曲。
通过以上,得到本实施方式的可变电容器140的基本结构。
该可变电容器140中,通过在线路110和可动上部电极130之间形成电容C,可动上部电极130向下方弯曲,从而附加于线路110的电容C的大小成为可变的。由此,能够改变线路110的分布常数,能够改变高频电路的电磁波传播长。这样的可变电容器140适合用于例如可变滤波器。
另外,在本实施方式中,除了线路110还另外设置驱动电极103a,对该驱动电极103a施加直流电压而产生用于吸引可动上部电极130的静电力。因而,不需要对线路110施加用于产生静电力的直流电压,能够防止由于该直流电压而导致介电膜112充电。
此外,即便不形成介电膜112时,通过控制施加于驱动电极103a的直流电压,也能够减少线路110和可动上部电极130接触的危险性。
另外,在本实施方式中,由于将镍膜和钛膜的层叠膜作为形状记忆合金膜125,所以通过控制镍膜和钛膜的膜厚之比,从而能够简单控制形状记忆合金膜125中的镍与钛的原子数比。
以下,对这样形成的形状记忆合金膜125的物性本申请发明人进行了调查,对此进行说明。
图30(a)、图30(b)是示意地表示该调查中使用的样本的截面图。
如图30(a)所示,在该调查中,在以铜为材料的牺牲膜121上用溅射法形成铬膜作为导电性防扩散膜124。
而且,在该导电性防扩散膜124上,厚度为15nm的钛膜125a和厚度为10nm的镍膜125b交替地层叠而形成形状记忆合金膜125。
该形状记忆合金膜125中,钛膜125a和镍膜125b为一组,层叠120组的钛膜125a和镍膜125b。由此,形状记忆合金膜125的总计的厚度为3μm,形状记忆合金膜125中的原子数比为Ti:Ni=48:52。
接着,如图30(b)所示,在真空炉中对形状记忆合金膜125在基板温度为300℃~500℃、处理时间为30分钟~60分钟的条件下进行形状记忆处理。如上述那样,该形状记忆处理兼具对形状记忆合金膜125的固溶处理,通过形状记忆合金处理使多个钛膜125a和镍膜125b分别合金化。
图31是表示通过使完成后的样本升温而得到的形状记忆合金膜125的DSC(Differential Scanning Calorimetry)曲线的图,横轴表示温度(℃),纵轴表示差示热量(mW)。
如图31所示,该形状记忆合金膜125在385℃固溶。
另外,图32是表示该形状记忆合金膜125的另一DSC曲线的图。
图32的下侧的DSC曲线是通过在得到图31的DSC曲线后冷却形状记忆合金膜125而得到的,图32的上侧的DSC曲线是其冷却后再次使形状记忆合金膜125升温而得到的。
如图32所示,可知形状记忆合金膜125的Af点为33℃,Ms点为31℃,具有几乎室温的转变温度。
接下来,对本申请发明人进行的其它调查进行说明。
该调查中,调查了伴随环境温度变化的可动上部电极130的弯曲量。作为该可动上部电极130的一部分形成的形状记忆合金膜125的膜厚为2μm,其转变温度为47℃。
另外,作为比较例,准备不形成形状记忆合金膜125而只将金属膜123作为可动上部电极130的样本。该样本中,形成厚度为1μm的金膜作为金属膜123。应予说明,在该金属膜123的下表面形成厚度为50nm的钛膜作为密合膜。
将该调查结果示于图33。
图33的各曲线图的横轴表示从柱108(参照图29)向基板横方向测定的可动上部电极130的长度(μm),纵轴是从任意的基准点向基板垂直方向测定的可动上部电极130的高度(μm)。
应予说明,图33中,在本实施方式和比较例的各个中,从室温时开始可动上部电极130的中央部向上方位移的量以弯曲量Δ表示。
如图33所示,在本实施方式中,从室温~120℃可动上部电极130的弯曲量Δ为0μm。
与此相对,比较例中,120℃时弯曲量Δ为约9μm。
因此,可确认像本实施方式那样在可动上部电极130的一部分使用形状记忆合金膜125,对抑制由于环境温度的变化而引起的可动上部电极130的弯曲是有效的。
(第8实施方式)
上述第1~第7实施方式中,利用静电力使可动部弯曲。与此相对,在本实施方式中,利用压电元件使可动部弯曲。
图34(a)、图34(b)是本实施方式的可变电容器170的截面图。应予说明,图34(a)、图34(b)中,对与第7实施方式中说明的要素相同的要素附以相同的符号,以下省略其说明。
如图34(a)所示,本实施方式的可变电容器170具有可动上部电极160。
该可动上部电极160是依次形成金属膜123、形状记忆合金膜125、上部金属膜127、第1电极151、压电元件152以及第2电极153而成的。
其中,作为压电元件152,可形成例如厚度约1μm~2μm左右的PZT(lead zirconate titanate)膜。另外,作为上部金属膜127的材料,使用像金、铝以及铜等那样电阻小于形状记忆合金膜125的纯金属。
而且,作为第1电极151和第2电极153,均可形成厚度约300nm左右的铂膜。
这样的可变电容器170中,如图34(b)所示,通过对第1电极151施加负的电压,对第2电极153施加正的电压,从而压电元件152弯曲。而且,利用该压电元件152的弯曲,可动上部电极160也弯曲,能够调节由可动上部电极160和线路110形成的电容C的大小。
此外,因为可动上部电极160具有形状记忆合金膜125,所以即便金属膜123、127因热膨胀而要翘曲,形状记忆合金膜125也以抑制其翘曲的方式发挥作用,能够防止可动上部电极160因周围的温度变化而发生翘曲。
其结果,即便周围的温度变化,也能够通过第1电极151和第2电极153之间的电位差来对可动上部电极160的翘曲量进行精密控制,无论周围的温度如何变化都能够得到规定的电容C。
接下来,对该可变电容器170的制造方法进行说明。
图35~图37是本实施方式的可变电容器的制造中途的截面图。
为了制造该可变电容器,首先,进行第7实施方式中说明的图25(a)~图28(a)的工序。
应予说明,在本实施方式中,如上述那样利用压电元件152使可动上部电极160弯曲,所以不需要用于产生静电力的驱动电极103a(参照图26(a))。
此外,像参照图27(b)说明的那样,分别在形状记忆合金膜125的下表面和上表面形成导电性防扩散膜124和导电性防氧化膜126。
应予说明,该导电性防氧化膜126兼具作为防止之后形成的压电元件152(参照图34(a))的构成原子扩散到形状记忆合金膜125中的防扩散膜的功能。
接着,如图35(b)所示,用溅射法等形成金膜作为第2金属膜127后,如图36(a)所示,在该第2金属膜127上形成第3抗蚀图案131。
而且,将第3抗蚀图案131作为掩模,同时通过离子铣削分别将金属膜123、形状记忆合金膜125以及上部金属膜127图案化。
然后,除去第3抗蚀图案131。
接下来,对到得到如图36(b)所示的截面结构为止的工序进行说明。
首先,在绝缘性基板101的上侧整面用溅射法以约300nm的厚度形成铂膜作为第1电极151。
接着,在该第1电极151上用溶胶-凝胶法以1μm~2μm的厚度形成PZT涂膜,通过灯退火使该PZT涂膜固化,形成压电元件152。
而且,在压电元件152上用溅射法以约300nm的厚度形成铂膜,将该铂膜作为第2电极153。
其后,通过离子铣削等将第1电极151、压电元件152以及第2电极153图案化。
通过到此为止的工序,形成了包含形状记忆合金膜125和压电元件152的可动上部电极160。
接下来,如图37所示,通过湿式蚀刻除去牺牲膜121。以铜为材料的牺牲膜121可以通过使用氯化铁溶液、乙酸和过氧化氢水的混合溶液、铜氨络合物系的溶液等中的任一种作为蚀刻液来选择性地除去。
而且,通过这样除去牺牲膜121,从而可动上部电极160从牺牲膜121的束缚中释放,可动上部电极160能够利用压电元件152向下方弯曲。
通过以上,得到本实施方式的可变电容器170的基本结构。
(第9实施方式)
上述的第8实施方式中,对具备压电元件152和形状记忆合金膜125的可变电容器进行了说明。
与此相对,在本实施方式中,对具备压电元件和形状记忆合金膜的开关元件进行说明。
图38(a)、图38(b)是本实施方式的开关元件的截面图。应予说明,图38(a)、图38(b)中,对与第5实施方式和第9实施方式中说明的要素相同的要素附以与这些实施方式相同的符号,以下省略其说明。
如图38(a)所示,本实施方式的开关元件190具有接点77、悬臂180以及绝缘体181。
其中,悬臂180是依次形成第1电极151、压电元件152、第2电极153、第1金属膜91、形状记忆合金膜79以及第2金属膜92而成的。
另外,绝缘体181设置于悬臂180的前端,在该绝缘体181的下表面设置接点77。
这样的开关元件190,如图38(b)所示,通过对第1电极151施加负的电压,对第2电极153施加正的电压,从而压电元件152弯曲。而且,通过该压电元件152的弯曲而悬臂180向绝缘性基板31侧弯曲,因此接点77与第1导体图案74抵接,开关元件190成为on状态。
此外,因为悬臂180具有形状记忆合金膜79,所以即便各金属膜91、92因热膨胀而要向远离绝缘性基板31的方向翘曲,形状记忆合金膜79也以抑制其翘曲的方式发挥作用。
因此,即便周围的温度变化,也能够利用第1电极151和第2电极153之间的电位差来控制悬臂180的翘曲量,无论周围的温度如何变化都能够使接点77和第1导体图案74可靠地接触。
接下来,对该开关元件190的制造方法进行说明。
图39~图41是本实施方式的开关元件的制造中途的截面图。
最初,对到得到图39(a)所示的截面结构为止的工序进行说明。
首先,通过进行第4实施方式中说明的图16(a)~图17(b)的工序,从而用第2牺牲膜86埋入柱72和接点77的周围。
应予说明,在本实施方式中,形成第2牺牲膜86前,在接点77上用溅射法选择性形成氧化硅膜作为绝缘体181。
接下来,分别在柱72、第2牺牲膜86以及绝缘体181上用溅射法以约300nm的厚度形成铂膜作为第1电极151。
接着,在该第1电极151上用溶胶-凝胶法以1μm~2μm的厚度形成PZT涂膜,通过灯退火使该PZT涂膜固化,形成压电元件152。
此外,在压电元件152上用溅射法以约300nm的厚度形成铂膜,将该铂膜作为第2电极153。
接着,如图39(b)所示,在第2电极153上利用溅射法以1μm~2μm左右的厚度形成金膜作为第1金属膜91。应予说明,可以形成铝膜、铜膜,也可以形成它们的层叠膜来代替金膜。
而且,在第1金属膜91上以300nm~500nm左右的厚度形成铬膜,将该铬膜作为导电性防扩散膜88。
此外,使用由TiNi合金构成的溅射靶,并且使用氩气作为溅射气体,在导电性防扩散膜88上用溅射法以2μm~3μm左右的厚度形成TiNi膜作为形状记忆合金膜79。
该形状记忆合金膜79,通过调节膜中的Ti与Ni的原子数比,从而使转变温度Tth为室温左右或其以下,例如-20℃。
接着,在形状记忆合金膜79上用溅射法以300nm~500nm左右的厚度形成铬膜作为导电性防氧化膜89。
接下来,如图40(a)所示,在氩等惰性气体的环境内或真空中对形状记忆合金膜79进行形状记忆处理,使形状记忆合金膜79记忆平坦的形状。
该形状记忆处理的条件没有特别限定。作为该条件,例如,采用基板温度350℃~500℃、处理时间30分钟~60分钟。
接着,如图40(b)所示,在形状记忆合金膜79上形成金膜作为第2金属膜92。
接下来,如图41(a)所示,在第2金属膜92上形成第1抗蚀图案93。而且,将第1抗蚀图案93作为掩模,同时通过使用氩气的离子铣削,从第2金属膜92到第1电极151进行图案化,形成悬臂180。
其后,除去第1抗蚀图案93。
其后,如图41(b)所示,通过湿式蚀刻除去种子层80和各牺牲膜83、86。各牺牲膜83、86为铜膜时,作为本工序中可使用的蚀刻液,有氯化铁溶液、乙酸和过氧化氢水的混合溶液、铜氨络合物系的溶液等中的任一种。
另外,可以利用RIE代替湿式蚀刻来进行本工序。
通过这样除去各牺牲膜83、86,从而悬臂180从牺牲膜83、86的束缚中释放,悬臂180能够利用压电元件152向下方弯曲。
通过以上,完成本实施方式的开关元件190的基本结构。

Claims (18)

1.一种电子设备,其特征在于,
具备:基板、形成于所述基板上的第1电极、和设置于所述第1电极的上方并可弹性变形的可动部,
所述可动部包含形状记忆合金膜。
2.根据权利要求1所述的电子设备,其特征在于,所述可动部包含第2电极,通过在所述第1电极和所述第2电极间产生的静电力而所述可动部弯曲。
3.根据权利要求1所述的电子设备,其特征在于,所述可动部包含被第3电极和第4电极夹持的压电元件,通过所述压电元件的弯曲而所述可动部弯曲。
4.根据权利要求2所述的电子设备,其特征在于,
所述可动部具备防扩散膜和防氧化膜,
所述形状记忆合金膜被所述防扩散膜和所述防氧化膜夹持。
5.根据权利要求4所述的电子设备,其特征在于,所述防扩散膜和所述防氧化膜的至少一方含有铬。
6.根据权利要求4所述的电子设备,其特征在于,所述防扩散膜和所述防氧化膜的至少一方含有铂。
7.根据权利要求2所述的电子设备,其特征在于,所述形状记忆合金膜是钛膜和镍膜的层叠膜、或者是对钛膜和镍膜的层叠膜进行热处理而得的膜。
8.根据权利要求2所述的电子设备,其特征在于,
所述可动部的一部分与所述基板机械连接,
所述形状记忆合金膜只在从所述一部分到所述电极的上方的中途形成。
9.根据权利要求2所述的电子设备,其特征在于,所述可动部是包含所述形状记忆合金膜和金属膜的层叠膜。
10.根据权利要求9所述的电子设备,其特征在于,所述金属膜在所述层叠膜的最下层或最上层的任一方形成、或者在该最下层和该最上层这两方形成。
11.根据权利要求1~10中任1项所述的电子设备,其特征在于,所述形状记忆合金膜的转变温度为低于50℃的温度。
12.根据权利要求2所述的电子设备,其特征在于,所述可动部是依次形成第1金属膜、所述形状记忆合金膜和第2金属膜而成的。
13.根据权利要求1~12中任1项所述的电子设备,其特征在于,
所述第1电极是电容器的下部电极,
形成于所述可动部侧的电极中与所述第1电极最接近的电极是所述电容器的上部电极,
通过所述可动部弯曲,从而所述电容器的电容成为可变。
14.根据权利要求1~12中任1项所述的电子设备,其特征在于,
在所述基板上进一步具有与所述第1电极隔开间隔而形成的线路,
通过所述可动部弯曲,从而所述线路和所述最接近的电极之间的电容成为可变。
15.根据权利要求1~12中任1项所述的电子设备,其特征在于,
进一步具有在所述基板上形成的第1导体图案、和在所述基板上与所述第1导体图案隔开间隔而形成的第2导体图案,
通过所述可动部弯曲而分别与所述第1导体图案和所述第2导体图案抵接,从而所述第1导体图案和所述第2导体图案介由所述可动部电连接。
16.一种电子设备的制造方法,其特征在于,具有:
在基板上形成第1电极的工序;
在所述基板和所述第1电极上形成上表面平坦的牺牲膜的工序;
在所述牺牲膜的所述上表面形成包含形状记忆合金膜的可动部的工序;
通过在所述平坦的上表面上对所述可动部进行热处理,从而使所述形状记忆合金膜记忆平坦的形状的工序;和
通过在所述热处理后除去所述牺牲膜,从而使所述可动部能够以利用由所述第1电极产生的静电力而弯曲的方式弹性变形的工序。
17.根据权利要求16所述的电子设备的制造方法,其特征在于,
在形成所述可动部的工序中,层叠钛膜和镍膜而形成所述形状记忆合金膜,
并且通过所述热处理将所述钛膜和所述镍膜合金化。
18.根据权利要求16或17所述的电子设备的制造方法,其特征在于,形成所述可动部的工序具有:
在所述牺牲膜的所述上表面的上方形成防扩散膜的工序,
在所述第1防扩散膜上形成所述形状记忆合金膜的工序,和
在所述形状记忆合金膜上形成防氧化膜的工序。
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