CN1480972A - 可变电容元件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的可变电容元件由具有柔性的梁、以及为了在与梁之间形成电容而与梁接近设置的电极构成，在梁与电极之间加上电压，利用静电力使梁挠曲，使两者之间的电容量变化。使挠曲的梁与电极隔着至少在一方的表面上形成的绝缘层接触，通过使接触面积变化，而使电容量变化。另外，将电极分成多个电极，在1个电极形成凹下部分，使其比其它电极表面的高度要低，在梁与凹部对应的电极之间加上电压，将梁吸入凹下部分内，通过这样能够消除摩擦。
Description
技术领域
本发明涉及机械式的可变电容元件，特别是涉及在高密度集成化的电路中的小型、高性能及高质量的可变电容元件及其制造方法。
背景技术
可变电容元件可用作为利用可变电容结构的微小机械开关。图1A～图2C为IEEE MTT-S Digest 1999，pp.1923-1926中介绍的微波开关。
在硅悬臂梁21的前端下部，隔着绝缘层25设置金的触点部分26，在与触点部分26相对的表面，设置利用与触点部分26接触而形成闭合回路的电路端子部分27、以及对触点部分26加上静电力使硅悬臂梁21弯曲的驱动电极28。硅悬臂梁21的长度约为200μ，宽度约为20μm，厚度约为2.5μm。触点部分26与电路端子部分27的间隙设定为1Dμm以下，对驱动电极28加上50V以上的电压，通过这样梁就弯曲，触点部分26与电路端子部分27接触，触点闭合。
但是，由于使触点闭合所需要的电压高达50V以上，因此必须安装专用的升压电路，这将阻碍开关元件的小型化。另外，硅悬臂梁21的前端形成的触点盘的面积越大，上下驱动时受到周围空气的粘性阻力、动作就越慢，难以进行数微秒级的高速开关动作。
图2为能够实现低电压驱动及数微秒级的开关速度的以往的梁结构。梁11的尺寸为宽W＝2μm、厚t＝2μm、长L＝500μm。在基板34上，与梁31隔着0.6μm的间隙配置表面上形成了膜厚0.1μm的绝缘层35的电极32。若在梁31与电极32之间加上电压V，则梁31因静电力向-Z方向挠曲。若达到吸引(pullin)电压以上，则静电力大于梁31的复原力，力增大，因此梁31急剧被吸附在绝缘层35上。若进一步增加电压，梁31一面增加与绝缘层35的接触面积，一面使梁31与电极32之间的电容量逐渐增加。
这样，通过加长梁31的长度，以减弱梁31的弹性，另外通过使梁的宽度变细，以减小空气的粘性阻力，这样能够达到低电压驱动及数微秒级的开关速度。在采用扬氏模量为77Gpa的铝作为梁31的材料时，在将梁31形成悬臂梁的情况下，吸引电压为0.25V，在将梁31形成双支承梁的情况下，吸引电压为1.72V。
但是，这样细长梁的形状明显的问题有：(1)残余应力，(2)热膨胀，(3)静摩擦。
首先叙述第1个残余应力问题。为了制成微小的梁，可以利用采用半导体工艺制成的薄膜结构或薄的轧制材料的接合结构等，但无论在什么情况下，梁内部的残余应力都是问题。该残余应力有两种，一种是沿梁的长度方向的压缩/拉伸应力，另一种是沿梁的厚度方向的应力梯度。
例如将图2的梁作为双支承梁的情况下，若在图中的X及Y方向残余过大的压缩应力，则Y方向的应力释放时对梁的形状虽不产生大的变化，但对于受到梁端面约束的X方向，想要释放应力，则引起纵弯曲，与静电力加与不加无关，梁产生弯曲。
反之，在残余拉伸应力时，看起来梁31虽没有变化，但残余拉伸应力越大，吸引电压就越大，梁的驱动特性明显变化。即，制造残余应力为0的梁虽是理想的，但在梁的制造步骤中若不能高精度地将内部应力控制在规定的值，则导致纵弯曲及吸引电压的离散性，元件的质量下降。
另外，在悬臂梁的情况下，由于这种应力被释放，因此不产生纵弯曲及吸引电压的离散性。但是，在将梁31作为悬臂梁时，若沿Z方向、即梁的厚度方向存在应力梯度，则由于应力释放而导致梁上翘。例如，若梁内部沿Z方向存在正的应力梯度2Mpa/μm，则梁31的前端上翘约2μm。在梁的制造过程中若不能高精度地将该应力梯度的值控制在规定的值，则该翘曲的程度有离散性，不能抑制因梁31与电极32之间的距离增大而导致电容量减少的离散性及吸引电压增大的离散性。例如，在应力梯度为0、没有翘曲的情况下，吸引电压为0.25V，而在前端上翘2μm的状态下，吸引电压增大至1.2V。
在制造过程中，要控制梁的长度方向的压缩及拉伸应力或厚度方向的应力梯度是非常困难的。在制造步骤中，作为应力缓解的方法虽有“退火”的方法，该方法由于要将元件暴露在高温下，因此该温度对于构成元件的梁以外的构件有影响。例如，电极的金属或为了形成梁的架桥结构而暂时设置在梁的下部并最终被腐蚀的牺牲层材料等，若暴露在高温下，则其材料特性将变化。因此，不能将元件暴露在高温下，所以不能完全缓解应力。
在第2个热膨胀问题中，由于周围温度上升，梁在长度方向将引起热膨胀，在两端被约束的双支承梁结构中，梁产生纵弯曲，与静电力加与不加无关，梁产生弯曲。
下面叙述第3个静摩擦问题。图3是表示将图2的梁31作为双支承型的结构中将残余应力近似抑制为0时的电压与电容量的关系。若加上电压，则在1.72V产生吸引，若加上1.72V以上的电压，则梁31与电极32隔着绝缘层35接触，使接触面积增加，电容量增加。反之，若使电压下降，即使电压下降至0.64V，梁31与电极32也仍然保持接触。这是由于梁31的弹性、即弹簧的复原力较弱的缘故。这种情况意味着，即使电压返回至0V，若在接触区中存在通过气氛中的水分子的吸附力、或因微量残余电荷产生的吸附力、或van derWaals力等，则非常有可能梁31不能返回初始状态。为了避免这种情况，必须另外设置强制将梁31向离开电极32的方向驱动的机构，例如另外设置用静电力将图2的梁31的上表面吸回的电极等，必须采用这样复杂的结构。
作为避免静摩擦问题的可变电容量的以往电容器例子，有日本专利特开平9-63890号公报所述结构的元件。该结构中，与悬臂梁相对的电极分为靠近梁根部的驱动电极及位于梁的前端一侧的检测电极。对于利用静电力使梁挠曲的情况，起作用的仅仅是驱动电极，在梁与驱动电极之间在不引起吸引的电压范围内抑制梁的微小挠曲量，利用根据杠杆原理放大的梁前端附近的梁位移量，得到与检测电极之间的电容量变化。
在该结构中，由于进行控制使得梁与电极不产生接触，因此避免了静摩擦的问题。但是既使在该结构中，若在制造过程中不能控制前述的梁厚度方向的应力梯度，则梁前端的上翘量产生离散，与检测电极之间的电容量产生离散。另外，因上翘而使电容量减少，因此难以得到大的可变电容量变化。
发明内容
本发明的目的在于解决上述问题，在能够以低电压、高速驱动的机械式可变电容元件中，提供结构简单、高质量的可变电容元件。
本发明的可变电容元件由具有柔性的梁、以及为了与梁之间形成电容而与梁接近设置的电极构成，在梁与电极之间加上电压，利用静电力使梁挠曲，使两者之间的电容量变化。
另外，使挠曲的梁与电极隔着至少在一方的表面上形成的绝缘层接触，通过使接触面积变化，而使电容量变化。
另外，在绝缘层设置凹下部分，使所述电极的一部分比其它的电极表面的高度要低，通过在梁与其它电极之间加上电压，将梁拉向凹下的内部，就能够将会着在电极上的梁拉开，消除静摩擦。
另外，将利用静电力使梁挠曲的电极分割成多个电极，使其分别具有支承梁前端的功能、作为交流信号线的功能、以及消除静摩擦的功能，这样能够以简单的结构抑制残余应力、热膨胀及静摩擦而引起的质量及性能的下降。
附图说明
图1A表示以往的利用可变电容结构的微波开关结构平面图，图1B为图1A的A-A’线的剖视图，图1C为图1A的B-B’线的剖视图。
图2表示以往的能够以低电压、高速动作的梁结构立体图。
图3表示在图1的微波开关中将梁作为残余应力近似为0的双支承梁时所加电压与电容量变化的关系的特性图。
图4表示本发明第1实施例的可变电容元件的立体图。
图5表示说明本发明第1实施例子可变电容元件由于梁内部应力释放而产生的梁形状变化的立体图。
图6表示在本发明第1实施例的可变电容元件中用静电力支承梁前端的状态的平面图。
图7表示在本发明第1实施例的可变电容元件中对交流信号线附加旁路型开关的状态的平面图。
图8说明在本发明第1实施例的可变电容元件中减少信号线的寄生电容的结构平面图。
图9A～图9G表示说明本发明第1实施例的可变电容元件制造步骤的剖视图。
图10表示本发明第1实施例的可变电容元件的双支承梁引起静摩擦的状态的立体图。
图11A及图11B表示说明在本发明第2实施例的可变电容元件中消除静摩擦结构的原理的剖面侧视图。
图12表示说明在本发明第2实施例的可变电容元件中在仅仅绝缘层的台阶部分形成凹下的结构的剖面侧视图。
标号说明
1 梁
2、2’、2a、2b、2b’、2b”电极
3 拉桩部分
4 基板
5 绝缘层
6 凹下部分
7、8 支承构件
9 硅基板
10 硅氧化膜
11 硅氮化膜
12 硅氧化膜
13 牺牲层
14 铝
15 光刻胶图形
16、19 梁
17 梁与基板之间的间隙
18、20 硅氮化膜
具体实施方式
1.第1实施形态
图4是本发明实施形态1有关的可变电容元件的示意图。梁1是其一端利用拉桩部分3固定在基板4上的悬臂梁，厚度t＝2μm，宽度W＝2μm，长度L＝500μm。这里，采用扬氏模量为77Gpa的铝作为梁的材料。电极2a及2b平行位于梁1的侧面，固定在基板4上。电极2a的长度1a约为50μm，电极2b的长度1b约为450μm，为了避免梁1与电极2的电气短路，在电极2的与梁相对的面上形成0.1μm左右的绝缘层5。这里，使电极2的上表面的高度h2比梁1的上表面的高度h1要高。
由于梁1是悬臂梁，因此能够释放X方向及Y方向的拉伸/压缩应力及Z方向上的应力梯度。图5所示为应力释放后的实际梁的形状。由于Z方向上的应力梯度还残余了2Mpa/μm左右，因此前端沿Z方向上翘2μm左右。由于电极2具有高度h2，具有完全弥补该上翘的高度，因此梁1与电极2之间的相对面积没有变化，所以电容量不减少。如图5所示，若将梁1接地，对电极2加上电压，则梁1被拉向Y方向，用0.25V产生吸引，若将电压稍微退回至0.20V，则如图6所示，梁1的前端部1a处于固定支承在电极2a上的状态。由于悬臂梁容易受外部振动的影响，因此通常对电极2加上电压，如图6所示维持两端固定支承状态，再根据需要去掉电极2的电压，返回悬臂梁状态，这样能够进行缓解因热膨胀而产生的内部应力的恢复动作。
在图4中，若使电极2的上表面高度h2与梁1的上表面高度h1相等，则由于应力释放引起梁1沿Z方向上翘，使梁1与电极2之间的相对面积减少，吸收电压升高至0.42V。由此可知，通过使该高度h2大于该高度h1，能够得到抑制吸引电压上升的效果。
在图5的结构，将对梁1加上静电力使其挠曲用的电极2一分为二，使一个电极2b具有作为设置输入口Pi及输出口Po的交流信号线的功能，形成交流信号电路。
将图5的结构考虑作为简单的执行器，设置与梁1连接的可动构件，则也能够用该可动构件形成交流信号专用的可变电容部分，但在该情况下，除了结构复杂，另外包含梁的可动构件的质量增加，因此动作速度、特别是用作为开关情况下的开关速度下降。所以，在实施例1中，如图5所示，采用使电极2的一部分兼用作交流信号线的结构，以使结构简化，达到高速开关动作。
若从图6的状态起再升高电压，则如图7所示，梁1与电极2b隔着绝缘层5增加接触面积，使电容量增加。由于梁1与电极2形成旁路型开关，因此如图7所示，在加上电压3.8V的状态下，梁1与电极2的相对面积的80％睡于接触状态，能够形成Pi～Po间的交流传输线因旁路而降至零电位的状态。
在图6的状态即不因旁路而进行接地的状态下，在梁1与电极2b接近的A部分附近的电容作为寄生电容不能忽略时，可以采取图8的结构而解决寄生电容的问题。在图8中，使电极2a比电极2b更接近梁1，同时将电极2b分为电极2b’及电极2b”这两部分，将输入口Pi及输出口Po设置在位于远离A部分的电极2b”，使交流信号通过电极2b”。
根据图8的结构，由于梁1与电极2b’及电极2b’的距离离开了，因此能够抑制寄生电容分量。另外，由于电极2b’承担驱动梁1的任务，因此不能省略。
下面说明图4的可变电容元件的制造方法。图9A～图9G是用图4的A-A’剖面的工艺剖视图。如图9A所示，将高阻硅基板9进行加热氧化，在高阻硅基板9上形成膜厚为300nm的硅氧化膜10。然后，用减压CVD法淀积膜厚为200nm的硅氮化膜11。再用减压CVD法淀积膜厚为50nm的硅氧化膜12。
然后，如图9B所示，为了在硅氧化膜12上形成牺牲层13，旋涂膜厚为2μm的光刻胶，经曝光及显影后，用加热板进行140℃、10分钟的烘烤，形成牺牲层13。
这样之后，如图9C所示，在基板整个表面利用溅射淀积膜厚为2μm的铝14，利用光刻胶形成图形15a，使得在规定区域保留光刻胶，由光刻胶15a的通孔利用腐蚀使铝14的一部分的高度降低。
然后，如图9D所示，除去光刻胶15a后，在将铝14表面的高度降低的位置及其相邻位置再次利用光刻胶形成图形15b。
然后，如图9E所示，将图形15b作为掩膜，进行铝14的干法刻蚀，通过这样形成梁1b，再利用氧等离子除去图形15b及牺牲层13。通过这样，形成梁16，同时具有基板表面上的硅氧化膜12及间隙17，
再如图9F所示，在基板表面上的硅氧化膜12上及梁16的全部表面，利用等离子CVD淀积膜厚为50nm的硅氮化膜18，通过这样在基板表面的硅氧化膜12上及梁16的周边，形成硅氧化膜18。
最后，如图9G所示，对梁16的上表面及基板表面的硅氧化膜12上的不与梁16相对的部分的硅氮化膜18，利用具有各向异性的干法刻蚀法，以具有与硅氧化膜的选择比的条件下进行反复腐蚀为前述淀积膜厚以上的膜厚例如100nm。通过这样，形成上表面没有硅氮化膜而在侧面保留有氮化膜的梁19、以及在基板上与梁19相对位置作为绝缘膜20的硅氮化膜。为了对梁19加上电压，可以从去掉硅氮化膜18的上表面进行通电。
另外，在图9A～图9G中，作为基板是采用高阻硅基板9，但也可以用通常的硅基板、化合物半导体基板或绝缘材料基板。
另外，在高阻硅基板9上作为绝缘膜是形成硅氧化膜10、硅氮化膜11及硅氧化膜12，但在硅基板9的电阻为足够高时，也可以不形成这些绝缘膜。另外，在硅基板9上是形成了硅氧化膜10、硅氮化膜11及硅氧化膜12的3层结构的绝缘膜，但在硅氮化膜11的膜厚与梁上淀积的硅氮化膜相比有足够厚的膜厚、是即使经过所谓的反复腐蚀也不消失的膜厚的情况下，也可以省略硅氧化膜12的形成工艺。
另外，作为形成梁的材料采用的是铝，但也可以采用Mo、Ti、Au、Cu等其它们的金属材料、掺入高浓度杂质的半导体材料例如非晶态硅、或具有导电性的高分子材料等。
再有，作为成膜方法采用的是溅射，但也可以采用CVD法成镀膜法等形成。
2.第2实施形态
在图4的结构中将梁1形成用支承构件7及8的双支承梁时，如图10所示，在使梁1利用吸引与绝缘层5一旦接触后又去掉电压时，有的情况下因静摩擦使梁的中间部分不能与绝缘层5脱离。实施例2正是解决这种情况。
图11A是引起静摩擦的梁1的中间部分放大图，梁1与电极2上的绝缘层5进行面接触。对该接触面作用了通过气氛中的水分子的吸附力、因残余电荷引起的静电力或van del Walls力等。电极2’比电极2更离开梁1，形成凹下部分6，与梁1不接触。这里，若对电极2’加上电压，则如图11B所示，将梁1吸入凹入部分6，以形成台阶部分B为支点，能够产生使梁1脱离对电极2的附着的力，以消除静摩擦。图12的结构是，电极2及2’的表面都是在同一平面内，但仅在电极2’的绝缘层5处设置凹下部分6，这同样能够得到消除静摩擦的效果。
通过将本实施例2的可变电容元件进行真空封装，由于能够减少因气氛中的水分子而引起的静摩擦，因此消除静摩擦的效果更大。
如上所述，根据本发明，将电极分成多个电极，使其分别具有支承梁前端的功能、作为交流信号线的功能及消除静摩擦的功能，通过这样具有能够以简单的结构抑制残余应力、热膨胀及静摩擦而引起的质量及性能的下降的效果。这样，能够得到可实现能以低电压及高速驱动的小型、高质量的可变电容元件及应用该元件的RF开关的效果。
Claims (19)
1.一种可变电容元件，其特征在于，
由具有柔性的梁及接近梁设置的电极构成，在梁与电极之间加上电压，利用静电力使梁挠曲，使两者之间的电容量变化。
2.如权利要求1所述的可变电容元件，其特征在于，
使挠曲的梁与电极隔着至少在一方的表面上形成的绝缘层接触，使其接触面积变化。
3.如权利要求1所述的可变电容元件，其特征在于，
将所述电极分成多个电极。
4.如权利要求3所述的可变电容元件，其特征在于，
所述电极一分为二，在第1电极上形成设置输入口及输出口的交流信号线，在第2电极与梁之间加上电压。
5.如权利要求4所述的可变电容元件，其特征在于，
第2电极用静电力吸附并支承梁的自由端。
6.如权利要求4所述的可变电容元件，其特征在于，
配置第2电极，使其比第1电极更接近梁。
7.如权利要求1所述的可变电容元件，其特征在于，
所述电极表面与处于释放残余应力而挠曲的状态下的梁的挠曲方向及长度方向平行，电极形状大于与电极相对的梁的侧面形状。
8.如权利要求1所述的可变电容元件，其特征在于，
所述梁是悬臂梁。
9.如权利要求1所述的可变电容元件，其特征在于，
将可变电容元件进行真空封装。
10.一种开关，其特征在于，
是利用如权利要求1所述的可变电容元件的可变电容结构的开关。
11.如权利要求1所述的可变电容元件，其特征在于，
所述梁是双支承梁，所述电极分成多个电极，形成分开的1个电极表面比其它电极表面更离开所述梁的表面。
12.如权利要求11所述的可变电容元件，其特征在于，
分割多个的电极的各自表面设置绝缘层，形成1个电极的绝缘层表面比其它电极的绝缘层表面更离开梁的表面。
13.如权利要求12所述的可变电容元件，其特征在于，
除去1个电极的与梁相对的面的绝缘层，所述的1个电极比其它电极的绝缘层表面更离开梁的表面。
14.如权利要求11所述的可变电容元件，其特征在于，
通过使1个电极的绝缘层表面比其它电极的绝缘层表面更离开梁的表面，在1个电极与梁之间形成凹下部分，在所述1个电极与梁之间加上电压，将梁吸入凹下内部，通过这样将凹下的一部分的台阶形成部分作为支点，产生使梁的相反部位脱离电极的力。
15.如权利要求11所述的可变电容元件，其特征在于，
将可变电容元件进行真空封装。
16.一种开关，其特征在于，
是利用如权利要求11所述的可变电容元件的可变电容结构的开关。
17.一种可变电容元件的制造方法，其特征在于，包括下述步骤：
在基板上形成牺牲层的步骤，
利用溅射在所述基板全部表面形成图形的步骤，
将所述图形作为掩膜形成干法刻蚀而形成梁的步骤，以及
除去所述图形及牺牲层的步骤。
18.如权利要求17所述的制造方法，其特征在于，还包括
在基板上形成第1硅氧化膜后再淀积硅氮化膜的步骤，在所述硅氮化膜上形成牺牲层。
19.如权利要求18所述的制造方法，其特征在于，包括
在硅氮化膜上再淀积第2硅氧化膜的步骤，在所述第2硅氧化膜上形成牺牲层。
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