DE10310342A1

DE10310342A1 - Einstellbarer Kondensator und Herstellungsverfahren hierfür

Info

Publication number: DE10310342A1
Application number: DE2003110342
Authority: DE
Inventors: Takeaki Shimanouchi; Masahiko Imai; Tadashi Nakatani; Tsutomu Miyashita; Yoshio Satoh
Original assignee: Fujitsu Ltd; Fujitsu Media Devices Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd; Fujitsu Media Devices Ltd
Priority date: 2002-03-25
Filing date: 2003-03-10
Publication date: 2003-11-13
Also published as: KR100643108B1; KR20030077405A; CN100477313C; US6992878B2; CN1447453A; JP2004006588A; US20030179535A1; JP3712123B2

Abstract

Der einstellbare Kondensator umfasst ein Substrat, eine stationäre Elektrode und eine bewegliche Elektrode, getragen durch das Substrat, piezoelektrische Stellantriebe, die durch das Substrat getragen werden und die bewegliche Elektrode antreiben, und eine dielektrische Schicht, die zwischen die stationäre Elektrode und die bewegliche Elektrode gesetzt ist.

Description

Hintergrund der Erfindung

1. Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft allgemein einstellbare Kondensatoren und insbesondere einen einstellbaren Kondensator unter Verwendung von MEMS-(mikroelektromechanische System-)Techniken und ein Herstellungsverfahren für einen solchen Kondensator.
Der einstellbare Kondensator ist eine Schlüsselkomponente in elektrischen Schaltungen, wie beispielsweise einem Oszillator mit variabler Frequenz (VCO), einem einstellbaren Verstärker, einen Phasenverschieber und einer Impedanzanpassungsschaltung. In jüngster Zeit werden einstellbare Kondensatoren zunehmend bei Mobiltelefonen eingesetzt.
Im Vergleich zu einer Varactordiode, die eine Art einstellbarer Kondensator, der gegenwärtig eingesetzt wird, ist, weist der einstellbare MEMS-Kondensator die Vorteile eines geringen Verlustes und eines hohen Q-Wertes auf. Deshalb wurden beträchtliche Aktivitäten in die Entwicklung praktischer einstellbarer MEMS-Kondensatoren gesetzt.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht eines einstellbaren Kondensators, der in Jae Y. Park et al., "MICROMACHINED RF MEMS TUNABLE CAPACITORS USING PIEZOELECTRIC ACTUATORS", IEEE International Microwave Symposium, 2002, beschrieben ist.
Dieser einstellbare Kondensator beinhaltet ein bewegliches Elektrodensubstrat 11 und ein stationäres Elektrodensubstrat 15. Das bewegliche Elektrodensubstrat 11 wird von einer unimorphen Art von piezoelektrischem Antrieb 12 und einer beweglichen Elektrode 13 gebildet. Eine stationäre Elektrode 16 ist auf dem stationären Elektrodensubstrat 15 vorhanden. Das stationäre Elektrodensubstrat 11 und das stationäre Elektrodensubstrat 15 sind durch Lötperlen 14 miteinander verbunden. Durch Betätigen der piezoelektrischen Stellantriebe 12 wird der Abstand zwischen der beweglichen Elektrode 13 und der stationäre Elektrode 16 verändert, so dass die Kapazität zwischen ihnen variiert werden kann.
Die Fig. 2A und 2B sind Querschnittsansichten eines einstellbaren Kondensators, der in Charles L. Goldsmith et al., "RF MEMS Variable Capacitors for Tunable Filters", Wiley RF Microwave Computer Aided Design, 1999, Seite 362-374 beschrieben ist.
Mit Bezug auf Fig. 2A ist eine stationäre Elektrode 20 auf einer Isolationsschicht auf einem Substrat 17 vorhanden. Eine dielektrische Schicht 19 bedeckt die stationäre Elektrode 20. Auf dem Isolationsfilm sind Abstandshalter 18 vorhanden. Eine bewegliche Membranelektrode 21 wird durch die Abstandshalter 18 gestützt, so dass sie zur stationären Elektrode 20 und zu dielektrischen Schicht 19 gerichtet ist. Es entwickelt sich zwischen der beweglichen Elektrode 21 und der stationären Elektrode 20, zwischen denen eine Gleichspannung angelegt wird, eine elektrostatische Anziehung. Die elektrostatische Anziehung bringt die bewegliche Membranelektrode in Kontakt mit der dielektrischen Schicht 19. Die elektrostatische Anziehung F, die darauf hinwirkt, den Abstand zwischen den parallelen Platten zu verringern, ist durch folgende Gleichung gegeben:

wobei S der Bereich der Platten ist, d der Abstand zwischen den Platten, ε₀ die Dielektrizitätskonstante im Vakuum, ε_r die relative Dielektrizitätskonstante zwischen den Platten und V die über den Platten angelegte Spannung. In dem Fall, dass eine dielektrische Schicht zwischen die Platten gesetzt ist, besteht zwischen der relativen Dielektrizitätskonstante er und dem Abstand d die folgende Relation:

wobei ε_dielectric und ε_air jeweils die relativen Dielektrizitätskonstanten der dielektrischen Schicht und der Luftschicht sind und d_dielectric und d_air jeweils die Dicken der dielektrischen Schicht und der Luftschicht sind.
Jedoch weist der herkömmliche einstellbare Kondensator, der in Fig. 1 gezeigt ist, die folgenden Nachteile auf: Es ist schwierig, den Spalt zwischen der beweglichen Elektrode 13 und der stationären Elektrode 16 zu reduzieren, da der Spalt durch die Lötperlen 14 bestimmt ist. Dies führt zu einer geringen Anfangskapazität der piezoelektrischen Stellantriebe 12. Es ist vorstellbar, den Grad der Verzerrung der piezoelektrischen Stellantriebe 12 zu erhöhen, um die elektrostatische Kapazität zu vergrößern. Jedoch verringert dieser Versuch die Federwirkung der piezoelektrischen Stellantriebe 12. Wenn ein externer Stoß auf den einstellbaren Kondensator zum Zeitpunkt seiner Anbringung auf einer elektronischen Vorrichtung, wie beispielsweise ein Mobiltelefon, erfolgt, kann die bewegliche Elektrode 13 in Kontakt mit der stationären Elektrode 16 kommen, so dass die Elektroden 13 und 16 kurzgeschlossen werden und zerbrechen. Deshalb kann die bewegliche Elektrode 13 nicht so eingestellt werden, dass sie nahe an der stationäre Elektrode 16 liegt, selbst nicht durch Verzerrung der piezoelektrischen Stellantriebe 12, so dass eine wünschenswerte Kapazität nicht erreicht werden kann.
Der herkömmliche einstellbare Kondensator, der in den Fig. 2A und 2B gezeigt ist weist folgende Nachteile auf: Im Fall, dass die dielektrische Schicht zwischen die parallelen Platten gesetzt ist, kann eine große Kapazität aufgrund der Funktion der dazwischen liegenden dielektrischen Schicht erhalten werden. Jedoch ändert sich die relative Dielektrizitätskonstante er, wenn sich der Abstand d verändert. Somit ist es schwierig, den Abstand zwischen den parallelen Platten zu steuern. Es folgt daraus, dass die bewegliche Elektrode 21 und die dielektrische Schicht 19 nur zwei Zustände einnehmen können, nämlich den beabstandeten Zustand und den Kontaktzustand. Das heißt, der einstellbare Kondensator hat nur zwei Kapazitätswerte. In einigen Fällen werden mehrere einstellbare Kondensatoren mit relativ kleiner Kapazität parallel geschaltet, um die Zielkapazität zu erreichen. Wenn jedoch der Verdrahtungs- oder Verbindungswiderstand zum Verbinden der mehreren einstellbaren Kondensatoren zunimmt, verringert dies den Q- Wert (der den Einschubverlust anzeigt und zunimmt, wenn der Verlust abnimmt).

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung wurde im Hinblick auf die obigen Umstände gemacht und hat die Aufgabe, die vorstehend erwähnten Nachteile zu eliminieren.

Eine spezifischere Aufgabe der Erfindung liegt darin, einen kompakten, stoßsicheren einstellbaren Kondensator zu schaffen, der einen breiten Einstellbereich, welcher fein einstellbar ist, und einen großen Q-Wert aufweist, und ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Die obigen Aufgaben der Erfindung werden durch einen einstellbaren Kondensator erreicht, welcher folgendes umfasst:
ein Substrat,
eine stationäre Elektrode und eine bewegliche Elektrode, getragen durch das Substrat;
piezoelektrische Stellantriebe, die vom Substrat getragen werden und die bewegliche Elektrode antreiben; und
eine dielektrische Schicht, die zwischen die stationäre Elektrode und die bewegliche Elektrode gesetzt ist.

Die obigen Aufgaben der Erfindung werden auch durch ein Verfahren zum Herstellen eines einstellbaren Kondensators gelöst, welches die folgenden Schritte umfasst: a) Ausbilden einer stationären Elektrode und einer beweglichen Elektrode, getragen von einem Substrat; b) Ausbilden von piezoelektrischen Stellantrieben, die vom Substrat getragen werden und die bewegliche Elektrode antreiben; c) Ausbilden einer dielektrischen Schicht, die zwischen die stationäre Elektrode und die bewegliche Elektrode gesetzt wird; d) Ausbilden einer Opferschicht, um einen Spalt zwischen der dielektrischen Schicht und der stationären Elektrode oder der beweglichen Elektrode auszubilden; und e) Entfernen der Opferschicht.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung zusammen mit den beigefügten Zeichnungen hervor. In den Zeichnungen sind:
Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen einstellbaren Kondensators;
Fig. 2A und 2B Querschnittsansichten eines anderen herkömmlichen einstellbaren Kondensators;
Fig. 3 eine perspektivische Explosionsansicht eines einstellbaren Kondensators gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 4A eine perspektivische Ansicht einer gemeinsamen Elektrode, die in der ersten Ausführungsform der Erfindung eingesetzt wird;
Fig. 4B eine Draufsicht auf die gemeinsame Elektrode, die in Fig. 4A gezeigt ist;
die Fig. 5A, 5B, 5C, 5D und 5E Querschnittsansichten, welche Schritte eines Verfahrens zum Herstellen des in Fig. 3 gezeigten einstellbaren Kondensators zeigen;
Fig. 6F, 6G, 6H, 6I und 6J Querschnittsansichten, welche Schritte des Verfahren zeigen, die der Abfolge von Schritten der Fig. 5A bis 5E folgen;
Fig. 7 veranschaulicht einen Unimorphismus;
Fig. 8A und 8B veranschaulichen einen Bimorphismus;
Fig. 9A und 9B beschreiben Effekte des einstellbaren Kondensators gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 10F, 10G, 10H, 10I und 10J sind Querschnittsansichten einer Folge von Schritten eines anderen Verfahrens zum Herstellen des in Fig. 3 gezeigten einstellbaren Kondensators;
Fig. 11 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines einstellbaren Kondensators gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 12 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie XII- XII, wie in Fig. 11 gezeigt;
Fig. 13 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines einstellbaren Kondensators, der einer Variation der zweiten Ausführungsform entspricht;
Fig. 14 ist eine Draufsicht auf den einstellbaren Kondensator von Fig. 13;
Fig. 15 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines einstellbaren Kondensators gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 16A, 16B, 16C, 16D und 16E sind Querschnittsansichten, die Schritte eines Verfahrens zum Herstellen des einstellbaren Kondensators von Fig. 13 und 14 zeigen;
Fig. 17F, 17G, 17H und 17I sind Querschnittsansichten, welche Schritte des Verfahrens zeigen, die der Folge von Schritten der Fig. 16A bis 16E folgen;
Fig. 18F, 18G, 18H und 18I sind Querschnittsansichten einer Folge von Schritten eines anderen Verfahrens zum Herstellen des einstellbaren Kondensators, der in den Fig. 13 und 14 gezeigt ist;
Fig. 19 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines einstellbaren Kondensators gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 20 ist eine Querschnittsansicht gemäß der Linie XX-XX von Fig. 19;
Fig. 21 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines einstellbaren Kondensators gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 22 ist eine Draufsicht auf den einstellbaren Kondensator von Fig. 21;
Fig. 23 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines einstellbaren Kondensators gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 24 ist eine Draufsicht auf den einstellbaren Kondensator von Fig. 23;
Fig. 25 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Teils des einstellbaren Kondensators, der in Fig. 23 gezeigt ist;
Fig. 26E, 26F, 26G, 26H, 26I und 26J sind Querschnittsansichten, welche Schritte des Verfahrens zeigen, die der Folge von Schritten der Fig. 16A bis 16E folgen;
Fig. 27 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines einstellbaren Kondensators gemäß einer siebten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 28 ist eine Draufsicht auf den einstellbaren Kondensator von Fig. 27;
Fig. 29 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Teils des einstellbaren Kondensators von Fig. 27;
Fig. 30 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines einstellbaren Kondensators gemäß einer achten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 31 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Teils des in Fig. 30 gezeigten einstellbaren Kondensators;
Fig. 32E, 32F, 32G, 32H, 32I und 32J sind Querschnittsansichten einer Folge von Schritten eines Verfahrens zum Herstellen des einstellbaren Kondensators, der in Fig. 30 gezeigt ist;
Fig. 33 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines einstellbaren Kondensators gemäß einer neunten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 34 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Teils des in Fig. 33 gezeigten einstellbaren Kondensators; und
die Fig. 35E, 35F, 35G, 35H, 35I und 35J sind Querschnittsansichten einer Folge von Schritten eines Verfahrens zum Herstellen des in Fig. 34 gezeigten einstellbaren Kondensators.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Nun werden Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

Erste Ausführungsform

Fig. 3 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines einstellbaren Kondensators gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Eine Isolationsschicht 32 ist auf einem Substrat 31 vorhanden, das beispielsweise aus Silikon oder einem Verbundhalbleiter hergestellt sein kann. Eine Öffnung 40 ist im Zentrum des Substrats 31 ausgebildet. Die Öffnung 40 ist auch in der Isolationsschicht 32 ausgebildet, so dass sie durch das Substrat 31 und die Isolationsschicht 32 geht. Ein Kondensator umfasst eine stationäre Elektrode 38, eine bewegliche Elektrode 39 und eine dielektrische Schicht 37, die von stationären Elektrode 38 getragen wird. Die bewegliche Elektrode 39 wird von vier piezoelektrischen Stellantrieben angetrieben. In Fig. 3 ist nur einem der vier piezoelektrischen Stellantrieben das Bezugszeichen 36 ₁ zugeordnet. Der piezoelektrische Stellantrieb 36 ₁ umfasst eine untere Antriebselektrode 33 ₁, ein piezoelektrisches Element 34 ₁ und eine obere Antriebselektrode 35 ₁. Die untere Antriebselektrode 33 ₁ und die obere Antriebselektrode 35 ₁ sind gepaart, und das piezoelektrische Element 34 ₁ ist zwischen diese gesetzt, so dass diese Komponenten vereinigt sind. Die anderen piezoelektrischen Stellantriebe sind wie vorstehend erwähnt konfiguriert. In der nachfolgenden Beschreibung können die piezoelektrischen Stellantriebe 36 ₁ bis 36 ₄ insgesamt als piezoelektrische Stellantriebe bezeichnet werden. In einem solchen Fall können die individuellen piezoelektrischen Stellantriebe 36 ₁ bis 36 ₄ als Antriebselemente bezeichnet werden.
Wie in Fig. 4 gezeigt, sind die unteren Antriebselektroden 33 ₁, 33 ₂, 33 ₃ und 33 ₄ der vier piezoelektrischen Stellantriebe 36 ₁, 36 ₂, 36 ₃ und 36 ₄ und die bewegliche Elektrode 39 durch eine gemeinsame Elektrode 41 eines einzigen Teils gebildet. Mit anderen Worten sind die unteren Antriebselektroden 33 ₁, 33 ₂, 33 ₃ und 33 ₄ und die bewegliche Elektrode 39 integral ausgebildet. Die Antriebselektroden 33 ₁, 33 ₂, 33 ₃ und 33 ₄ sind gemeinsam über die bewegliche Elektrode 39 verbunden und sind mit Ansätzen oder Stegen 38a, 33b, 33c und 33d versehen, welche auf den jeweiligen Enden vorhanden sind. Die Ansätze 33a bis 33d sind auf dem Isolationsfilm 32 auf dem Substrat 31 vorhanden. Die Ansätze 33a bis 33d können mit den Verbindungsleitungen verbunden sein, um externe Verbindungen oder Extraktionselektroden oder -leitungen auf der Isolationsschicht 32 auszubilden. Die unteren Antriebselektroden 33 ₁, 33 ₂, 33 ₃ und 33 ₄ und die bewegliche Elektrode 39 befinden sich oberhalb der Öffnung 40, die in dem Substrat 31 und der Isolationsschicht 32 ausgebildet ist. Wie nachstehend im Zusammenhang mit dem Herstellungsverfahren beschrieben werden wird, ist ein Isolationsfilm auf der Rückseite der gemeinsamen Elektrode 41 vorhanden.
Rechteckige piezoelektrische Elemente 34 ₁, 34 ₂, 34 ₃ und 34 ₄ sind jeweils auf den unteren Antriebselektroden 33 ₁, 33 ₂, 33 ₃ und 33 ₄ vorhanden. Die piezoelektrischen Elemente 34 ₁, 34 ₂, 34 ₃ und 34 ₄ können aus einer auf PZT (Bleizirkonattitanat: engl. Lead Zirconate Titanate) basierenden piezoelektrischen Substanz hergestellt sein und weisen die Eigenschaft auf, für den Antrieb in einer Richtung senkrecht zum elektrischen Feld zu expandieren und kontrahieren. Obere Antriebselektroden 35 ₁, 35 ₂, 35 ₃ und 35 ₄, welche getrennt vorhanden sind, sind auf den piezoelektrischen Elementen 34 ₁, 34 ₂, 34 ₃ bzw. 34 ₄ vorhanden. Wenn Spannungen an die unteren Elektroden 33 ₁, 33 ₂, 33 ₃ und 33 ₄ und die oberen Elektroden 35 ₁, 35 ₂, 35 ₃ und 35 ₄ angelegt werden, werden die piezoelektrischen Elemente 34 ₁, 34 ₂, 34 ₃ und 34 ₄ in den morphen Zustand gebracht, so dass die bewegliche Elektrode 39 sich in die Richtung im Wesentlichen senkrecht zum Substrat 31 bewegen kann.
Wie in Fig. 3 gezeigt, weist die stationäre Elektrode 38 zwei gebogene Abschnitte 38a und 38b auf, so dass der dazwischen liegende Abschnitt der stationären Elektrode 38 die bewegliche Elektrode 39 überbrückt. Beide Seiten der stationären Elektrode 38 sind auf der Isolationsschicht 32 vorhanden. Die dielektrische Schicht 37 ist an der inneren Oberfläche der stationären Elektrode 38 angebracht, die zwischen die gebogenen Abschnitte 38a und 38b gesetzt ist. Die dielektrische Schicht 37 weist eine Größe auf, die geringer ist als ein Zwischenraum, der von den oberen Antriebselektroden 35 ₁, 35 ₂, 35 ₃ und 35 ₄ umgeben ist. Ein flaches, plattenähnliches Element kann die stationäre Elektrode 38 bilden. In diesem Fall können zwei Abstandshalter auf der Isolationsschicht 32 in Logitudinalrichtung des Substrats 31 vorhanden sein, so dass die bewegliche Elektrode 39 sandwichartig zwischengeschichtet ist. Das flache plattenähnliche Element der stationären Elektrode 38 ist auf den Abstandshaltern angebracht.
Fig. 6J ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie VI-VI von Fig. 3. Es ist anzumerken, dass die Fig. 5A bis 5E und die Fig. 6F bis 6J ein Verfahren zur Herstellung des in Fig. 3 gezeigten einstellbaren Kondensators veranschaulichen. Mit Bezug auf Fig. 6J sind der piezoelektrische Stellantrieb 36 ₁ und der piezoelektrische Stellantrieb 36 ₃ gezeigt, welcher aus der unteren Antriebselektrode 33 ₃, dem piezoelektrischen Element 34 ₃ und der oberen Antriebselektrode 35 ₃ besteht. Die piezoelektrischen Stellantriebe 36 ₁ und 36 ₃ und die bewegliche Elektrode 39 stehen selbstständig oberhalb der Öffnung 40, die in dem Substrat 31 ausgebildet ist. Die anderen piezoelektrischen Stellantriebe 36 ₂ und 36 ₄ sind wie die Stellantriebe 36 ₁ und 36 ₃ konfiguriert. Die dielektrische Schicht 37, die von dem stationären Substrat 38 getragen wird, befindet sich innerhalb des Zwischenraums, der von den vier piezoelektrischen Stellantrieben 36 ₁ bis 36 ₄ umgeben ist, und sind über einen Spalt 42 zur beweglichen Elektrode 39 gerichtet. Durch Ansteuern der piezoelektrischen Stellantriebe 36 ₁ bis 36 ₄ kann die bewegliche Elektrode 39 aus dem in Fig. 6J gezeigten Zustand in einen anderen Zustand verschoben werden, in dem die bewegliche Elektrode 39 die dielektrische Schicht 37 berührt. Diese Verschiebung verändert den Abstand zwischen der stationären Elektrode 38 und der beweglichen Elektrode 39 und ändert somit die Kapazität. Da die dielektrische Schicht 37 zwischen die stationäre Elektrode 38 und die bewegliche Elektrode 39 gesetzt ist, verändert sich auch die Dielektrizitätskonstante, so dass die Kapazität zwischen der stationären Elektrode 38 und der beweglichen Elektrode 39 in weitem Ausmaß verändert werden kann.
Fig. 7 ist ein Diagramm, das die Wirkungsweise des piezoelektrischen Stellantriebs 36 ₁ veranschaulicht. Der piezoelektrische Stellantrieb 36 ₁ ist unimorph und aus der unteren Antriebselektrode 33 ₁, dem piezoelektrischen Element 34 ₁ und der oberen Antriebselektrode 35 ₁ zusammengesetzt. Das piezoelektrische Element 34 ₁ ist in der Richtung, die durch einen Pfeil veranschaulicht ist, polarisiert. Das piezoelektrische Element 34 ₁ ist freitragend. Eine Gleichspannung V wird über der unteren Antriebselektrode 33 ₁ und der oberen Antriebselektrode 35 ₁ angelegt, wobei der Abschnitt des piezolelektrischen Elements 34 ₁ auf der stationären Elektrode 38 in Richtung der piezoelektrischen Konstante d31 kontrahiert und der andere Abschnitt expandiert. Somit wird der piezoelektrische Stellantrieb 36 ₁ wie in Fig. 7 gezeigt deformiert. Wenn die Gleichspannung auf der Seite des Ansatzes 33a des piezoelektrischen Stellantriebes 36 ₁ angelegt wird, wie in Fig. 4 gezeigt, wird die andere Seite desselben (auf der die untere Antriebselektrode 33 ₁ mit der beweglichen Elektrode 39 verbunden ist) angehoben, und die bewegliche Elektrode 39, die einstückig mit der unteren Antriebselektrode 33 ₁ ausgebildet ist, bewegt sich gegen die dielektrische Schicht 37. Auf ähnliche Weise heben die anderen piezoelektrischen Stellantriebe 36 ₂ bis 36 ₄ die bewegliche Elektrode 39 an. Somit gelangt die bewegliche Elektrode 39 nahe an die dielektrische Schicht 37. Somit kann der Spalt kontrolliert werden, so dass die Kapazität einstellbar ist. Selbst wenn die piezoelektrischen Stellantriebe 36 ₁ bis 36 ₄ verschoben werden, so dass die bewegliche Elektrode 39 in Kontakt mit der dielektrischen Schicht 37 gebracht wird, berühren die oberen Antriebselektroden 35 ₁ bis 35 ₄ nicht die stationäre Elektrode 38.
Jede der folgenden Bedingungen sollte erfüllt werden, um die vorstehend beschriebene Wirkungsweise durch die in Fig. 7 gezeigte Struktur zu verwirklichen. Die untere Antriebselektrode 33 ₁ und die obere Antriebselektrode 35 ₁ sind aus verschiedenen Materialien hergestellt. Insbesondere ist die untere Antriebselektrode 33 ₁ aus einem Material hergestellt, welches ein Youngsches Modul aufweist, das kleiner ist als dasjenige der oberen Antriebselektrode 35 ₁. Beispielsweise ist die untere Antriebselektrode 33 ₁ aus einem Metall hergestellt, das Platin enthält, und die obere Antriebselektrode 35 ₁ ist aus Rutheniumoxid (RuO₂) hergestellt. Falls die untere Antriebselektrode 33 ₁ und die obere Antriebselektrode 35 ₁ aus demselben Material hergestellt sind, sind diese Elektroden dafür ausgebildet, unterschiedliche Dicken aufzuweisen (die untere Antriebselektrode 33 ₁ ist dicker als die obere Antriebselektrode 35 ₁). Beispielsweise ist die untere Antriebselektrode 33 ₁ dafür ausgebildet, eine Dicke von etwa gleich dem Zwei- bis Fünffachen der Dicke der oberen Antriebselektrode 35 ₁ aufzuweisen. Neben den vorstehend genannten Mitteln wird eine Schicht, die von der Antriebselektrode verschieden ist, entweder der unteren Antriebselektrode 33 ₁ oder der oberen Antriebselektrode 35 ₁ hinzugefügt. Beispielsweise wird ein Isolationsfilm der unteren Antriebselektrode 33 ₁ hinzugefügt. Dieses Mittel kann zusammen mit den zuvor erwähnten Mitteln eingesetzt werden. Wie nachstehend beschrieben werden wird, ist gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung die untere Antriebselektrode 33 ₁ auf dem Isolationsfilm 32 ausgebildet und ist ein Laminat aus Platin/Tantal (Pt/Ta) oder Platin/Titanium (Pt/Ti), wohingegen die obere Antriebselektrode 35 ₁ aus Rutheniumoxid hergestellt ist.
Die piezoelektrischen Stellantriebe 36 ₁ bis 36 ₄ sind nicht auf eine unimorphe Struktur begrenzt, sondern können auch eine bimorphe Struktur, welche parallel geschaltet ist, wie in Fig. 8A gezeigt, oder eine bimorphe Struktur, die in Reihe geschaltet ist, wie in Fig. 8B gezeigt, sein. In den Figur BA und 8B sind piezoelektrische Elemente 34 _1a und 34 _1b vorhanden, so dass eine dazwischenliegende Elektrode 43 sandwichartig eingefasst wird. Jedes der piezoelektrischen Elemente 34 _1a und 34 _1b ist in die Richtung polarisiert, welche durch Pfeile angedeutet ist. Die untere Antriebselektrode 33 ₁ ist mit dem piezoelektrischen Element 34 _1a versehen, und die obere Antriebselektrode 35 ₁ ist mit dem piezoelektrischen Element 34 _1b versehen. Wenn die Gleichspannung angelegt wird, wie in den Fig. 8A und 8B gezeigt, werden die bimorphen Strukturen verschoben.
Die Fig. 9A und 9B zeigen die Effekte der vorliegenden Erfindung. Wie in Fig. 9A gezeigt, bezeichnet d_dielectric die Dicke der dielektrischen Schicht 37, und d_air bezeichnet die Dicke der Luftschicht zwischen der dielektrischen Schicht und der beweglichen Elektrode 39. Der Abstand d zwischen der stationären Elektrode 38 und der beweglichen Elektrode 39 beträgt d = d_dielectric+d_air. Fig. 9B zeigt eine Veränderung der Kapazität C [F] als Funktion der Dicke d_air der Luftschicht durch Antreiben der beweglichen Elektrode 39. Die bewegliche Elektrode 39 und die stationäre Elektrode 38 weisen eine Rechteckform und eine Fläche von 230 µm × 230 µm auf. Die Dicke d_air ist gleich 0,75 µm und d/d_air ist gleich 0,4. Die dielektrische Schicht 37 ist aus Aluminiumoxid (Al₂O₃ : ε = 10). Die bewegliche Elektrode 39, die in Fig. 9A gezeigt ist, ist Teil der gemeinsamen Elektrode 41 der Größe, die in Fig. 4B gezeigt ist. Die piezoelektrischen Stellantriebe 36 ₁ bis 36 ₄ sind wie folgt konfiguriert: Die oberen Antriebselektroden 35 ₁ bis 35 ₄ sind aus Platin und sind 0,5 µm dick. Die piezoelektrischen Elemente 34 ₁ bis 34 ₄ sind aus PZT und sind 1,0 µm dick. Die unteren Antriebselektroden 33 ₁ bis 33 ₄ sind aus Platin und sind 2,0 µm dick. Die Isolationsschicht 32 ist aus Si₃N₄ und ist 2,0 µm dick.
Es ist ein Vergleichsbeispiel gezeigt, bei dem die dielektrische Schicht 37 entfernt worden ist. Die Änderung der Kapazität des Vergleichsbeispiels ist in Fig. 9B gezeigt. Wie in dieser Figur gezeigt, weist der einstellbare Kondensator, der mit der dielektrischen Schicht 37 ausgestattet ist, eine Kapazität von etwa 1,36 pF im Anfangszustand auf (in dem die variable Elektrode 39 nicht verschoben ist), und in einem Zustand, in dem die bewegliche Elektrode 39 in Kontakt mit der dielektrischen Schicht 37 ist, eine Kapazität von etwa 10,4 pF. Das Verhältnis der Kapazität zwischen den beiden Zuständen ist etwa 7,6, und die Kapazitätszunahme ΔC beträgt etwa 660%. Im Gegensatz dazu weist das Vergleichsbeispiel nur eine geringe Veränderung der Kapazität auf. Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, dass der einstellbare Kondensator gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung eine extrem hohe Kapazität und einen extrem breiten Einstellbereich aufweist. Da die variable Elektrode 39 durch Expansion und Kontraktion der piezoelektrischen Stellantriebe 36 ₁ bis 36 ₄ gesteuert wird, kann die Dicke der Luftschicht d_air kontinuierlich verändert werden, sodass eine Feineinstellung der Kapazität erreicht werden kann.
Der einstellbare Kondensator gemäß der vorliegenden Ausführungsform weist die stationäre Elektrode 38, die bewegliche Elektrode 39 und die piezoelektrischen Stellantriebe 36 ₁ bis 36 ₄ auf, welche von dem einzelnen Substrat 31 getragen werden. Deshalb ist der einstellbare Kondensator kompakt und weniger teuer. Da die dielektrische Schicht 37 durch die stationäre Elektrode 38 getragen wird, ist die Masse des beweglichen Abschnitts nur gleich der Masse der variablen Elektrode 39. Dies verbessert die Stoßfestigkeit des einstellbaren Kondensators. Zusätzlich vermeidet das Vorhandensein der dielektrischen Schicht 37 die Möglichkeit eines Kurzschlusses zwischen der beweglichen Elektrode 39 und der stationären Elektrode 38 und verhindert einen Ausfall des einstellbaren Kondensators.
Nun wird mit Bezug auf die Fig. 5A bis 5E und 6F bis 6J ein Verfahren zum Herstellen des vorstehend erwähnten einstellbaren Kondensators gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Im Folgenden sind dort, wo der piezoelektrische Stellantrieb 36 ₃ veranschaulicht ist, die anderen piezoelektrischen Stellantriebe gleichzeitig ausgebildet. Die Fig. 5A bis 5E und 6F bis 6J sind Querschnittsansichten entlang der Linie VI-VI von Fig. 3.
Wie in Fig. 5A gezeigt, wird die Isolationsschicht 32 aus Silikonnitrid niedriger Belastung auf dem Substrat 31 aus Silikon durch LPCV (chemische Niederdruckbedampfung engl: Low Pressure Chemical Vapor Deposition) hergestellt.
Als nächstes, wie in Fig. 5B gezeigt, werden die bewegliche Elektrode 39 und die untere Antriebselektrode 33 ₃, von denen jede ein Laminat aus Pt/Ti (Platin/Titanium) ist, photolithographisch abgeschieden und gleichzeitig auf der Isolationsschicht 32 ausgeformt. Die Pt/Ti-Schichten sind 450 µm (4500 Å) bzw. 50 µm (500 Å) dick. Die Ausbildung des Musters wird durch RTE (Reaktives Ionenätzen engl. Reactive Ion Etching) unter Verwendung eines auf Cl₂O₂- basierenden (Chlor/Sauerstoff) Gases ausgeführt. Natürlich werden die anderen unteren Antriebselektroden 33 ₁, 33 ₂ und 33 ₄ gleichzeitig ausgebildet und als Muster ausgeformt.
Dann, wie in Fig. 5C gezeigt, wird das piezoelektrische Element 34 ₃ durch ein Sputter-, Sol-Gel-, MOCVD (metallorganische CVD) oder ein Laserabtragungsverfahren aufgebracht. Das piezoelektrische Element 34 ₃ kann beispielsweise aus Lithiumniobat, Bariumtitanat, Bleititanat, Bleizirkonattitanat oder Wismuttitanat hergestellt sein. Die Mustergebung wird durch RIE ausgeführt, unter Einsatz eines auf Cl₂O₂ basierenden Gases.
Danach wird, wie in Fig. 5D gezeigt, die obere Antriebselektrode 35 ₃ aus Rutheniumoxid oder Platin aufgebracht und als Muster ausgeformt und wird bei einer Temperatur von 650 bis 750°C geglüht. Dann wird die Isolationsschicht 32 gestaltet. Als Ergebnis davon wird der unimorphe piezoelektrische Stellantrieb 36 ₃ ausgebildet, der aus der unteren Antriebselektrode 33 ₃, dem piezoelektrischen Element 34 ₃ und der oberen Antriebselektrode 35 ₃ zusammengesetzt ist, wobei diese Schichten in der genannten Reihenfolge auf der Isolationsschicht 32 ausgebildet werden. Der piezoelektrische Stellantrieb 36 ₃ kann so definiert werden, dass er die Isolationsschicht 32, die untere Antriebselektrode 33 ₃, das piezoelektrische Element 34 ₃ und die obere Antriebselektrode 35 ₃ enthält. Der vorstehend erwähnte Glühprozess kann ausgeführt werden, nachdem das piezoelektrische Element 34 ₃ ausgebildet ist und bevor die obere Antriebselektrode 35 ₃ ausgebildet wird.
Dann werden, wie in den Fig. 6F, 6G und 6H gezeigt, eine Opferschicht 44 aus Resist, die dielektrische Schicht 37 und die stationäre Elektrode 38 nacheinander ausgebildet. Danach wird die Opferschicht 44 entfernt, so dass der Spalt 42 zwischen der dielektrischen Schicht 37 und der beweglichen Elektrode 39 begrenzt werden kann. Vorzugsweise ist die dielektrische Schicht 37 beispielsweise aus Berylliumoxid, Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Bariumtitanat, Magnesiumtitanat, Titanoxid, Glas oder Silikonnitrid hergestellt. Der Resist kann ein auf Polyimmid basierender Resist (entfernbar durch Resistentfernungsflüssigkeit), ein Metalloxid wie Magnesiumoxid (MgO) (entfernbar durch wässrige Essigsäure) oder ein Metalloxid (entfernbar durch Flusssäure) wie beispielsweise PSG (Phosphorsilikatglas) sein. Die Opferschicht 44 ist beispielsweise 0,3 µm dick.
Schließlich werden das Substrat 31 im Umfang der Isolationsschicht 32 unterhalb des piezoelektrischen Stellantriebs 36 ₃ und die bewegliche Elektrode 39 einem RIE- Verfahren von der Bodenseite derselben aus unterzogen, so dass die Öffnung 40 ausgebildet werden kann. Der so ausgebildete einstellbare Kondensator weist die bewegliche Elektrode 39 auf und die darunter liegende Isolationsschicht 32, welche durch das Substrat 31 über den piezoelektrischen Stellantrieb 36 ₃ getragen werden. Wenn das Substrat 31 aus Silikon ist, kann die Öffnung 40 durch Tiefen-RIE ausgebildet werden. In diesem Fall ist das Ätzgas SF₆ (Schwefelhexafluorid), und die Maske zum Ausbilden der Öffnung 4 ist Resist. Die Schichten für die piezoelektrischen Stellantriebe sind auf der (100)- oder (110 )-Oberfläche des Silikonsubstrats 31 ausgebildet und sind anisotrop geätzt. Das Ätzmittel ist beispielsweise Kaliumhydroxid (KOH), und die Maske kann aus SiO₂, Si₃N₄, Cr oder Au sein.
Gemäß dem vorstehend erwähnten Verfahren werden die Opferschicht 44 und die stationäre Elektrode 38 nach der thermischen Behandlung oder dem Glühen im Schritt von Fig. 5D ausgeführt. Es ist deshalb möglich, die Materialien für die Opferschicht 44 und die stationäre Elektrode 38 unabhängig von den Bedingungen für das Glühen auszuwählen. Vorstehend wurden die bewegliche Elektrode 39 und die piezoelektrischen Stellantriebe 36 ₁ bis 36 ₄ gleichzeitig ausgebildet. Es kann ein alternatives Verfahren eingesetzt werden, gemäß dem nur die oberen Antriebselektroden 35 ₁ bis 35 ₄ ausgebildet und geglüht werden und anschließend die bewegliche Elektrode, welche beispielsweise aus Cu oder Au hergestellt ist, ausgebildet wird. Da gemäß dem alternativen Verfahren die bewegliche Elektrode 39 nach dem Glühen der piezoelektrischen Stellantriebe ausgebildet wird, kann der Verdrahtungswiderstand verringert werden.
Die Fig. 10F bis 10J zeigen eine Variation des vorstehend erwähnten Herstellungsverfahrens. Diese Variation ist dazu gedacht, die Opferschicht 44 effizient und effektiv zu entfernen. Die Schritte der Fig. 10F bis 10J werden jeweils für diejenigen der Fig. 6F bis 6J eingesetzt. Der Schritt von Fig. 10F folgt demjenigen von Fig. 5E. Wie in Fig. 10F gezeigt, wird die Opferschicht 44 aus Resist auf der beweglichen Elektrode 39 aufgebracht.
Als nächstes, wie in Fig. 10G gezeigt, wird die dielektrische Schicht 37 ausgebildet, und mehrere Ätzlöcher 45 werden darin eingebracht. Die Ätzlöcher 45 werden ausgebildet, indem eine Maske auf der dielektrischen Schicht 37 ausgebildet wird, welche dann geätzt wird. Beispielsweise sind die Ätzlöcher 45 matrixartig angeordnet. Die Ätzlöcher 45 können gleich oder unterschiedlich groß sein. In dem in Fig. 10 gezeigten Beispiel weist ein Ätzloch 45c, das sich im Zentrum befindet, einen größeren Durchmesser auf als die Ätzlöcher am Umfang des Ätzloches 45c bzw. ist größer als diese. Ein zentraler Abschnitt der Opferschicht 44 wird über die Ätzlöcher 45 entfernt. In diesem Fall ist das Ätzloch 45c im Zentrum vergleichsweise groß und erleichtert das Entfernen der Opferschicht 44.
Dann wird die stationäre Elektrode 39, wie in Fig. 10H gezeigt, ausgebildet, und Ätzlöcher 46, die die Ätzlöcher 45 fortsetzen, werden in der stationären Elektrode 38 unter Verwendung einer Maske ausgebildet, welche dasselbe Muster hat wie die Maske im Verfahren von Fig. 10G. Danach wird die Opferschicht 44 entfernt, wie in Fig. 101 gezeigt. Zu jenem Zeitpunkt wird die Opferschicht 44, wie durch Pfeile angedeutet, nicht nur entlang den Seiten der stationären Elektrode 38, sondern auch über die Ätzlöcher entfernt. Es ist deshalb möglich, die Opferschicht 44 effizienter und effektiver zu entfernen.
Schließlich, wie in Fig. 10J gezeigt, wird das Substrat 31 im Umfang der Isolationsschicht 32 unterhalb des piezoelektrischen Stellantriebs 36 ₃ und der beweglichen Elektrode 39 einem RIE-Verfahren von der Bodenseite desselben aus unterzogen, so dass die Öffnung 40 ausgebildet werden kann. Der so ausgebildete einstellbare Kondensator weist die bewegliche Elektrode 39 und die darunter liegende Isolationsschicht 32 auf, welche durch das Substrat 31 über die piezoelektrischen Stellantriebe 36 ₁ bis 36 ₄ (genauer ausgedrückt, die unteren beweglichen Elektroden 33 ₁ bis 33 ₄) getragen werden, wobei die Löcher, welche die stationäre Elektrode 38 und die dielektrische Schicht 37 durchdringen, in Reihen und Spalten angeordnet sind. Die bewegliche Elektrode 39 wird durch das Substrat 31 über die piezoelektrischen Stellantriebe 36 ₁ bis 36 ₄ getragen.

Zweite Ausführungsform

Fig. 11 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines einstellbaren Kondensators gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Fig. 12 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie XII-XII von Fig. 11.
Die zweite Ausführungsform der Erfindung weist eine Anordnung auf, gemäß der die dielektrische Schicht 37 auf der beweglichen Elektrode 39 vorhanden ist. Die anderen Abschnitte der zweiten Ausführungsform entsprechen denjenigen der ersten Ausführungsform. Obwohl die Anordnung der dielektrischen Schicht 37, die auf der beweglichen Elektrode 39 vorhanden ist, die Stoßfestigkeit im Vergleich zur ersten Ausführungsform geringfügig verschlechtern kann, weist die zweite Ausführungsform alle anderen Vorteile der ersten Ausführungsform auf. Der in den Fig. 11 und 12 gezeigte einstellbare Kondensator kann durch eine kleine Veränderung des Verfahrens für die erste Ausführungsform der Erfindung hergestellt werden. Genauer ausgedrückt werden die Schritte der Fig. 6F und 6G miteinander vertauscht. Das heißt, die dielektrische Schicht 37 wird anstelle der Opferschicht 44 von Fig. 6F ausgebildet und die Opferschicht 44 wird anstelle der dielektrischen Schicht 37 von Fig. 6G ausgebildet. Die verbleibenden Schritte sind die gleichen wie diejenigen, die zuvor beschrieben wurden. Die Ätzlöcher, die mit Bezug auf die Fig. 10F bis 10J beschrieben wurden, können bei dem einstellbaren Kondensator der Fig. 11 und 12 eingesetzt werden. In Fig. 10F wird die dielektrische Schicht 37 anstelle der Opferschicht 44 ausgebildet. In Fig. 10G wird die Opferschicht 44 anstelle der dielektrischen Schicht 37 ausgebildet. In Fig. 10H werden die Ätzlöcher 46 in der stationären Elektrode 38 ausgebildet. Die verbleibenden Herstellungsschritte entsprechen denjenigen der ersten Ausführungsform.
Fig. 13 ist eine perspektivische Explosionsansicht einer Variation der zweiten Ausführungsform der Erfindung, und Fig. 14 ist eine Draufsicht auf dieselbe. In diesen Figuren werden Teile, die gleich denjenigen der zuvor beschriebenen Figuren sind, mit denselben Bezugszeichen wie zuvor bezeichnet.
Gemäß der vorstehend erwähnten zweiten Ausführungsform werden separate obere Antriebselektroden 35 ₁ bis 35 ₄ eingesetzt, wohingegen bei dem in den Fig. 13 und 14 gezeigten einstellbaren Kondensator eine gemeinsame Elektrode 48 eingesetzt wird. Diese gemeinsame Elektrode 48 weist Armabschnitte auf, die auf den piezoelektrischen Elementen 34 ₁ bis 34 ₄ angeordnet sind, und angrenzende Abschnitte, die an die Armabschnitte angrenzen. Die gemeinsame Elektrode 48 ist mit einem Ansatz oder Steg 49 verbunden, der integral ausgebildet ist und dazu verwendet wird, eine Verbindung nach außen herzustellen. Der Ansatz 49 ist auf der Isolationsschicht 32 auf dem Substrat 31 ausgebildet. Ein Ansatz oder Steg 50 befindet sich auf der gegenüberliegenden Seite, so dass die stationäre Elektrode 38 zwischen die Ansätze 49 und 50 gesetzt ist. Der Ansatz 50 ist auf der Isolationsschicht 32 ausgebildet. Der Ansatz 50 ist mit der beweglichen Elektrode 39 und den unteren Antriebselektroden 33 ₁ bis 33 ₄ der piezoelektrischen Stellantriebe 36 ₁ bis 36 ₄ verbunden. Die stationäre Elektrode 38 weist Ansätze 47 auf ihren beiden Seiten in Longitudinalrichtung auf. Die Ansätze 47 werden dazu verwendet, Verbindungen nach außen mit der stationären Elektrode 38 zu schaffen. Die so hergestellte Variation weist dieselben Wirkungsweisen und Vorteile wie die zweite Ausführungsform der Erfindung auf.
Die gemeinsame Elektrode 48 kann bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Auch die Ansätze 47, 49 und 50 können bei der ersten Ausführungsform der Erfindung verwendet werden. Die Ansätze 47, 48 und 50 sind vergleichsweise weit ausgedehnt, was die Bearbeitbarkeit zur Herstellung von Verbindungen nach außen verbessert.

Dritte Ausführungsform

Fig. 15 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines einstellbaren Kondensators gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Die Erfindung weist einen Aufbau auf, gemäß dem die stationäre Elektrode auf der Substratseite vorhanden ist. In der folgenden Beschreibung wird auf Fig. 17I zusammen mit Fig. 15 Bezug genommen. Fig. 17I ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie XVII-XVII. Die Fig. 16A bis 16E und 17F bis 17I zeigen ein Verfahren zur Herstellung des in Fig. 15 gezeigten einstellbaren Kondensators.
Die Isolationsschicht 32 ist auf dem Substrat 31 vorhanden. Das Substrat 31 weist die Öffnung 40 auf. Die Isolationsschicht 32 ist so vorhanden, dass sie die Öffnung 40 überbrückt. Mit anderen Worten ist die Isolationsschicht 33 membranartig vorhanden. Damit ist sie von der Isolationsschicht, die in der ersten Ausführungsform der Erfindung eingesetzt ist, verschieden. Der Kondensator umfasst eine stationäre Elektrode 52, eine bewegliche Elektrode 59 und eine dielektrische Schicht 57, die durch die stationäre Elektrode 52 getragen wird. Die bewegliche Elektrode 59 wird von vier piezoelektrischen Stellantrieben angetrieben. In Fig. 17I sind nur zwei piezoelektrische Stellantriebe 56 ₁ und 56 ₃ veranschaulicht, und die verbleibenden beiden piezoelektrischen Stellantriebe 56 ₂ und 56 ₄ erscheinen nicht. Der piezoelektrische Stellantrieb 56 ₁ ist unimorph und aus einer unteren Antriebselektrode 53 ₁, einem piezoelektrischen Element 54 ₁ und einer oberen Antriebselektrode 56 ₁ zusammengesetzt. Auf ähnliche Weise ist der piezoelektrische Stellantrieb 56 ₃, wie in Fig. 17I gezeigt, aus einer unteren Antriebselektrode 53 ₃, einem piezoelektrischen Element 54 ₃ und einer oberen Antriebselektrode 56 ₃ zusammengesetzt. Die untere Antriebselektrode 53 ₃ befindet sich oberhalb der Öffnung, die in dem Substrat 31 über den Isolationsfilm 32 ausgebildet ist. Die anderen piezoelektrischen Stellantriebe 56 ₁, 56 ₂ und 56 ₃ sind wie vorstehend angegeben konfiguriert.
Die stationäre Elektrode 52 ist auf der Isolationsschicht 32 vorhanden. Die stationäre Elektrode 52 ist flach und deshalb von der stationären Elektrode 38 verschieden. Die dielektrische Schicht 57 ist auf der stationären Elektrode 52 vorhanden. Die bewegliche Elektrode 59 ist so vorhanden, dass sie über die Luftschicht hinweg zur dielektrischen Schicht 57 gerichtet ist. Die bewegliche Elektrode 59 ist ein Teil der gemeinsamen Elektrode 58. Die gemeinsame Elektrode 58 beinhaltet obere Antriebselektroden 55 ₁, 55 ₂, 55 ₃ und 55 ₄ und setzt sich zur beweglichen Elektrode 59 fort. Getrennte untere Antriebselektroden 53 ₁, 53 ₂, 53 ₂ und 53 ₄ sind so vorhanden, dass sie zu den oberen Antriebselektroden 55 ₁, 55 ₂, 55 ₃ und 55 ₄ gerichtet sind. Die unteren Antriebselektroden 53 ₁, 53 ₂, 53 ₃ und 53 ₄ sind integral mit vergleichsweise breiten Ansätzen auf der Isolationsschicht 32 vorhanden.
Die dritte Ausführungsform der Erfindung weist dieselben Funktionsweisen wie die erste Ausführungsform der Erfindung auf. Wenn eine Spannung über den unteren Antriebselektroden 53 ₁, 53 ₂, 53 ₃ und 53 ₄ und den oberen Antriebselektroden 55 ₁, 55 ₂, 55 ₃ und 55 ₄ angelegt wird, kontrahieren die piezoelektrischen Elemente 54 ₁ bis 54 ₄ in Richtung d31. Diese Kontraktion verschiebt die bewegliche Elektrode 59 gegen die stationäre Elektrode 52, so dass der Abstand zwischen der beweglichen Elektrode 59 und der stationären Elektrode 52 verändert werden kann. Die dazwischen liegende dielektrische Schicht 57 ändert die Dielektrizitätskonstante und verändert die elektrostatische Kapazität zwischen der beweglichen Elektrode 59 und der stationären Elektrode 53 in breitem Umfang.
Der einstellbare Kondensator gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung weist eine extrem große Kapazität und einen extrem großen Einstellbereich auf. Da die bewegliche Elektrode 59 durch Expansion/Kontraktion der piezoelektrischen Stellantriebe 56 ₁ bis 56 ₄ gesteuert wird, kann die Dicke der Luftschicht d_air kontinuierlich verändert werden, so dass eine Feineinstellung der Kapazität erreicht werden kann. Insbesondere ändert sich die Kapazität, wenn die bewegliche Elektrode 59 näher an die dielektrische Schicht 57gelangt, in größerem Umfang und der erhaltene Q-Wert ist diesmal extrem groß.
Da die stationäre Elektrode 52, die bewegliche Elektrode 59, die dielektrische Schicht 57 und die piezoelektrischen Stellantriebe 56 ₁ bis 56 ₄ durch dasselbe (einzelne) Substrat 31 getragen werden, ist der einstellbare Kondensator kompakt und preiswerter. Da die stationäre Elektrode 52 die dielektrische Schicht 57 trägt, ist darüber hinaus die Masse des beweglichen Teils nur gleich der Masse der beweglichen Elektrode 59, und die Stoßfestigkeit ist ausgezeichnet. Zusätzlich verhindert das Vorhandensein der dielektrischen Schicht 57 die Möglichkeit eines Kurzschlusses zwischen der beweglichen Elektrode 59 und der stationären Elektrode 52 und verhindert einen Ausfall des einstellbaren Kondensators.
Nun wird mit Bezug auf die Fig. 16A bis 16E und 17F bis 17I eine Beschreibung eines Herstellungsverfahrens für den einstellbaren Kondensator gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung gegeben. Die Fig. 16A bis 16E und 17F bis 17I sind Querschnittsansichten entlang der Linie XVII-XVII von Fig. 15.
Zunächst, wie in Fig. 16A gezeigt, wird die Isolationsschicht 32 aus Siliziumnitrid oder Siliziumoxid auf dem Substrat 31 aus Silizium ausgebildet. Als nächstes, wie in den Fig. 16B und 16C gezeigt, werden die stationäre Elektrode 52 und die dielektrische Schicht 57 auf der Isolationsschicht 32 durch Fotolithographietechniken ausgebildet.
Dann, wie in Fig. 16D gezeigt, wird eine Opferschicht 60 aus Resist auf der gesamten Oberfläche ausgebildet, und die unimorphen piezoelektrischen Stellantriebe 56 ₃ aus der unteren Antriebselektrode 53 ₁, dem piezoelektrischen Element 54 ₁ und der oberen Antriebselektrode 55 ₁ werden gemäß den Fig. 16E, 17F und 17G ausgebildet. Natürlich werden die anderen piezoelektrischen Stellantriebe 56 ₁, 56 ₂ und 56 ₄ gleichzeitig ausgebildet. Zusätzlich wird auch die bewegliche Elektrode 59 gleichzeitig ausgebildet.
Dann, wie in Fig. 17H gezeigt, wird die Opferschicht 60 entfernt, so dass der Spalt zwischen der dielektrischen Schicht 57 und der beweglichen Elektrode 59 begrenzt werden kann. Dann werden die piezoelektrischen Elemente 51 ₁ bis 54 ₄ geglüht.
Schließlich, wie in Fig. 17I gezeigt, wird das Substrat 31 im Umfang der Isolationsschicht 32 unterhalb der beweglichen Elektrode 59 durch die RIE-Vorrichtung von der Rückseite des Substrats 31 aus geätzt. Somit werden die stationäre Elektrode 52 und die darunter liegende Isolationsschicht 32 membranartig getragen. Auf diese Weise wird der einstellbare Kondensator erhalten.
Obwohl nicht veranschaulicht, wie im Fall der ersten Ausführungsform der Erfindung, berühren die obere Antriebselektrode 55 ₁ bis 55 ₄ und die stationäre Elektrode 52 einander selbst dann nicht, wenn die piezoelektrischen Stellantriebe 56 ₁ bis 56 ₄ so deformiert werden, dass die bewegliche Elektrode 59 in Kontakt mit der dielektrischen Schicht 57 gebracht wird.
Die Fig. 18F bis 18I veranschaulichen eine Variation des vorstehend erwähnten Herstellungsverfahrens. Diese Variation ist dazu gedacht, die Entfernung der Opferschicht 60 zu erleichtern. Die Fig. 18F bis 18I zeigen Schritte, die diejenigen der Fig. 17F bis 17I ersetzen. Der Schritt von Fig. 18F folgt dem Schritt von Fig. 17E. Wie in Fig. 18F gezeigt, werden die untere Antriebselektrode 53 ₃ und das piezoelektrische Element 54 ₃ nacheinander auf der Opferschicht 60 ausgebildet. Wie in Fig. 18G veranschaulicht, werden die obere Antriebselektrode 55 ₃ und die bewegliche Elektrode 59 ausgebildet, und Ätzlöcher, die beispielsweise matrixartig angeordnet sind, werden in der beweglichen Elektrode 59 ausgebildet.
Dann, wie in Fig. 18H gezeigt, wird die Opferschicht 60 entfernt, so dass ein Spalt zwischen der dielektrischen Schicht 57 und der beweglichen Elektrode 59 definiert ist. Danach werden die piezoelektrischen Elemente 54 ₁ bis 54 ₄ thermisch behandelt. Die Entfernung der Opferschicht 60 wird effizient und effektiv nicht nur entlang den Seiten der beweglichen Elektrode 59, sondern auch über die Ätzlöcher 61 ausgeführt. Schließlich, wie in Fig. 181 gezeigt, werden das Substrat 31 im Umfang der piezoelektrischen Stellantriebe 56 ₁ bis 56 ₄ und die Isolationsschicht 32 unterhalb der beweglichen Elektrode 59 durch die RIE- Vorrichtung von der Rückseite des Substrats 31 aus geätzt. Somit werden die stationäre Elektrode 52 und die darunter liegende Isolationsschicht 32 membranartig ausgebildet. Auf diese Weise wird der einstellbare Kondensator der vorliegenden Ausführungsform erhalten.

Vierte Ausführungsform

Fig. 19 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines einstellbaren Kondensators gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung. Fig. 20 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie XX-XX von Fig. 19.
Die vorliegende Ausführungsform weist eine Anordnung auf, gemäß der die dielektrische Schicht 57 an der Innenwand der beweglichen Elektrode 59 angebracht ist. Die anderen Teile sind gemäß der vorstehend erwähnten dritten Ausführungsform der Erfindung konfiguriert. Da die dielektrische Schicht 57 durch die bewegliche Elektrode 59 getragen wird, kann die Stoßfestigkeit geringfügig verschlechtert sein. Jedoch gelten die anderen Vorteile der dritten Ausführungsform auch für die vierte Ausführungsform. Der so konfigurierte einstellbare Kondensator kann durch Variieren des Verfahrens, das in den Fig. 16A bis 16E und 17F bis 17I gezeigt ist, indem zunächst die Opferschicht 60 und als nächstes die elektrische Schicht 57 ausgebildet werden, hergestellt werden.

Fünfte Ausführungsform

Fig. 21 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines einstellbaren Kondensators gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung, und Fig. 22 ist eine Draufsicht auf denselben. In den Fig. 21 und 22 sind Teile, die gleich denjenigen der zuvor beschriebenen Figuren sind, mit den selben Bezugszeichen wie zuvor bezeichnet.
Gemäß der fünften Ausführungsform der Erfindung befindet sich die stationäre Elektrode 52 auf dem Substrat 31. Eine gemeinsame Elektrode 70 umfasst die bewegliche Elektrode 59, die oberen Antriebselektroden 55 ₁ bis 55 ₄ und Ansätze oder Stege 72 und 73 zum Schaffen von Verbindungen nach aussen. Die Ansätze 72 und 73 sind symmetrisch um die bewegliche Elektrode 59 und diagonal angeordnet. Die unteren Antriebselektroden der vier piezoelektrischen Stellantriebe weisen eine gemeinsame Elektrode mit einem Ansatz 74 und eine gemeinsame Elektrode mit einem Ansatz 75 auf. Die gemeinsame Elektrode mit dem Ansatz 74 umfasst zwei untere Antriebselektroden. Eine dieser unteren Antriebselektroden verläuft gerade und in einem gefalteten Abschnitt, und die andere untere Antriebselektrode ist so gebogen, dass sie ein "L" bildet und verläuft entlang der kurzen Seite des Substrats 31. Die Ansätze 74 und 75 sind auf der anderen Diagonallinie der beweglichen Elektrode 59 angeordnet. Die dielektrische Schicht 57 ist auf der stationären Elektrode 52 vorhanden.
Die Ansätze 47, 48 und 50 sind vergleichsweise großflächig, was die Bearbeitbarkeit zum Herstellen von Verbindungen nach aussen verbessert. Das Verfahren zur Herstellung des in den Fig. 21 und 22 gezeigten einstellbaren Kondensators ist eine einfache Variation des in den Fig. 16A bis 18I gezeigten Verfahrens, weswegen eine Beschreibung desselben hier ausgelassen wird.

Sechste Ausführungsform

Fig. 23 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines einstellbaren Kondensators gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung, und Fig. 24 ist eine Draufsicht auf denselben. Fig. 25 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Teils des einstellbaren Kondensators, der in den Fig. 23 und 24 gezeigt ist.
Der einstellbare Kondensator weist ein Substrat 131, vier piezoelektrische Stellantriebe 136 ₁ bis 136 ₄, eine bewegliche Elektrode 139, eine dielektrische Schicht. 137 und eine stationäre Elektrode 138 auf. Die stationäre Elektrode 138 weist einen Abschnitt 138a auf, der die bewegliche Elektrode 139 überbrückt. Nachstehend wird der Abschnitt 138a als Brückenabschnitt bezeichnet. Dieser Brückenabschnitt 138a weist nahezu die gleiche Form wie die bewegliche Elektrode 139 auf und ist so vorhanden, dass er zur beweglichen Elektrode 139 über die dielektrische Schicht 137 hinweg gerichtet ist. Mit anderen Worten ist der Brückenabschnitt 138a der stationären Elektrode 138 nur zur beweglichen Elektrode 139 gerichtet. Ein Tragabschnitt 138b der stationären Elektrode 138 ist schräg in Bezug auf die Richtungen angeordnet, in der die piezoelektrischen Stellantriebe 136 ₁ bis 136 ₄ verlaufen, und ist entlang einer entsprechenden der vier Kanten der beweglichen Elektrode 139 angeordnet. Der Brückenabschnitt 138a verläuft in Bezug auf ein Ansatzteil 138c schräg, welches Teil auch dazu dient, den Brückenabschnitt 138a zu stützen. Der Brückenabschnitt 138a überbrückt nicht die piezoelektrischen Stellantriebe 136 ₁ bis 136 ₄.
Mit der stationären Elektrode 138 ist es möglich, die folgenden Probleme zu eliminieren. Wenn der Brückenabschnitt zu lang ist, um neben der beweglichen Elektrode einen anderen Bereich zu überbrücken, ist es wahrscheinlich, dass der einstellbare Kondensator durch verbleibende Belastungen beeinträchtigt wird, welche zum Zeitpunkt des Ausbildens der stationären Elektrode entwickeln, und durch eine Oberflächenspannung, welche sich nach dem Säubern entwickelt. Somit kann der Brückenabschnitt zur beweglichen Elektrode hin oder in umgekehrter Richtung deformiert werden. Es ist nicht länger möglich, den Spalt zwischen der stationären und der beweglichen Elektrode konstant zu halten. Dies führt zu einer Dispersion der elektrostatischen Kapazität und verringert die Produktionsausbeute. Insbesondere in dem Fall, dass eine Zugbelastung als verbleibende Belastung in der stationären Elektrode bleibt, werden die Spalte zwischen den oberen Antriebselektroden, welche die piezoelektrischen Stellantriebe bilden, und der stationären Elektrode verringert, weswegen sie miteinander in Kontakt gebracht werden können. Dies kann die piezoelektrischen Stellantriebe, beweglichen Elektroden oder die stationäre Elektrode beschädigen. Darüber hinaus kann, wenn die stationäre Elektrode einen der piezoelektrischen Stellantriebe überbrückt, eine parasitäre Kapazität zwischen der stationären Elektrode und dem überbrückten piezoelektrischen Stellantrieb ausgebildet werden.
Demgegenüber ist gemäß der sechsten Ausführungsform der Erfindung der Brückenabschnitt 138a der stationären Elektrode 138, der die bewegliche Elektrode 139 überbrückt, vergleichsweise kurz und mechanisch fest. Somit ist es möglich, jeglichen Einfluss der verbleibenden Belastungen zum Zeitpunkt des Ausbildens der stationären Elektrode und der Oberflächenspannung beim Reinigen zu vermeiden und somit einen einstellbaren Kondensator mit einer geringen Dispersion der elektrostatischen Kapazität und einer verbesserten Produktionsausbeute zu erhalten. Des weiteren besteht keine parasitäre Kapazität, da die stationäre Elektrode 138 die piezoelektrischen Stellantriebe 136 ₁ bis 136 ₄ nicht überbrückt.
Die anderen Teile des einstellbaren Kondensators gemäß der sechsten Ausführungsform der Erfindung sind wie folgt konfiguriert: Die dielektrische Schicht 137 ist am Brückenabschnitt 138a angebracht. Eine Öffnung 140 ist auf dem Substrat 131 ausgebildet, so dass sie zur Rückseite der beweglichen Elektrode 139 gerichtet ist (Fig. 25). Ein piezoelelektrischer Stellantrieb 136 ₁ ist aus einer unteren Antriebselektrode 133 ₁, einem piezoelektrischen Element 134 ₁ und einer oberen Antriebselektrode 135 ₁ zusammengesetzt. Auf ähnliche Weise sind die piezoelektrischen Stellantriebe 136 ₂, 136 ₃ und 136 ₄ aus unteren Antriebselektroden 133 ₂, 133 ₃ und 133 ₄, piezoelektrischen Elementen 134 ₂, 134 ₃ und 134 ₄ und oberen Antriebselektroden 135 ₂, 135 ₃ bzw. 135 ₄zusammengesetzt. Die bewegliche Elektrode 139 und die unteren Antriebselektroden 133 ₁ bis 133 ₄ sind integral als eine gemeinsame Elektrode ausgebildet. Diese gemeinsame Elektrode weist Ansätze 139a und 139b auf, welche dazu verwendet werden, Verbindungen nach aussen zu schaffen, und auf der Isolationsschicht 132 vorhanden sind. Die oberen Antriebselektroden 135 ₁ bis 135 ₄ sind integral ausgebildet und sind mit einem integral ausgebildeten Ansatz 148 zum Schaffen einer Verbindung nach aussen verbunden.
Die Fig. 26E bis 26J sind Querschnittsansichten der Schritte eines Verfahrens zum Herstellen des einstellbaren Kondensators gemäß der sechsten Ausführungsform der Erfindung, wobei diese Querschnittsansichten entlang einer Linie gemacht sind, welche entlang der kurzen Seite des einstellbaren Kondensators verläuft. Der Schritt von Fig. 26E folgt dem Schritt von Fig. 5D. Die piezoelektrischen Stellantriebe sind aus Gründen der Einfachheit aus den Fig. 26E bis 26J ausgelassen. Des weiteren wird eine Beschreibung der Verfahrensbedingungen und Materialien, die bereits beschrieben sind, an dieser Stelle ausgelassen.
Mit Bezug auf Fig. 26E ist die bewegliche Elektrode 139 auf der Isolationsschicht 132 ausgebildet, welche einen Schlitz oder eine Nut 143 umfasst, die bei der Formgebung ausgebildet wurden. Die bewegliche Elektrode 139 ist auf einem Bereich der Isolationsschicht ausgebildet, welcher von der Nut 143 umgeben ist.
Wie in Fig. 26F gezeigt, ist eine Opferschicht 144 auf der beweglichen Elektrode 139 ausgebildet. Gemäß diesem Verfahren wird die Opferschicht 144 in der Nut 143 abgeschieden.
Dann, wie in Fig. 26G gezeigt, wird die dielektrische Schicht 137 auf der Opferschicht 144 ausgebildet.
Danach, wie in Fig. 26H gezeigt, wird die stationäre Elektrode 138 auf der dielektrischen Schicht 137 und der Isolationsschicht 132 ausgebildet.
Dann, wie in Fig. 26I gezeigt, wird das Substrat 131 geätzt, so dass die Öffnung 140 unterhalb der beweglichen Elektrode 139 ausgebildet wird.
Schließlich wird die Opferschicht 144 entfernt, wie in Fig. 26J gezeigt.
In dem Verfahren der Fig. 266 bis 26H ist es vorzuziehen, mehrere Ätzlöcher auszubilden, gemäß denen, die bereits mit Bezug auf die Fig. 10G und 10H beschrieben wurden. Die Ätzlöcher erleichtern das Entfernen der Opferschicht 144 auf effizientere und effektivere Weise in dem Verfahren von Fig. 26J.

Siebte Ausführungsform

Fig. 27 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines einstellbaren Kondensators gemäß einer siebten Ausführungsform der Erfindung, und Fig. 28 ist eine Draufsicht auf denselben. Fig. 29 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Teils des in Fig. 27 gezeigten einstellbaren Kondensators. In diesen Figuren sind den Teilen, die gleich denjenigen der Fig. 23 bis 25 sind, die gleichen Bezugszeichen zugeordnet.
Der einstellbare Kondensator umfasst eine stationäre Elektrode 238 zusätzlich zu dem zuvor erwähnten Substrat 131, vier piezoelektrische Stellantriebe 136 ₁ bis 136 ₄, die bewegliche Elektrode 139 und die dielektrische Schicht 137. Die stationäre Elektrode 238 weist im Vergleich zur sechsten Ausführungsform eine andere Struktur auf. Die stationäre Elektrode 238 umfasst einen Brückenabschnitt 238a, einen Tragabschnitt 238b, einen Ansatzabschnitt 238c, der als Stütze des Brückenabschnitts 238a wirkt, und Tragabschnitte 238d und 238e. Der Brückenabschnitt 238a wird an vier Stellen durch die Tragabschnitte 238b, 238c, 238d und 238e auf der Isolationsschicht 132 auf dem Substrat 131 getragen. Die Tragabschnitte 238b bis 238e sind entlang den vier Seiten der beweglichen Elektrode 139 angeordnet. Die stationäre Elektrode 238 entspricht einer Variation, die durch Hinzufügen der Tragabschnitte 238d und 238e an die beiden Seiten der stationären Elektrode 138, die in den Fig. 23 bis 25 gezeigt ist, erhalten wird. Da die Brückenabschnitte an vier Stellen gestützt werden, kann die Festigkeit weiter erhöht werden. Der Brückenabschnitt 238a kann variiert werden, so dass er an drei oder fünf oder mehr Stellen gestützt wird.

Achte Ausführungsform

Fig. 30 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines einstellbaren Kondensators gemäß der achten Ausführungsform der Erfindung, und Fig. 31 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Teils des einstellbaren Kondensators, der in Fig. 30 gezeigt ist. In diesen Figuren sind den Teilen, die gleich denjenigen der Fig. 23 bis 25 sind, die gleichen Bezugszeichen zugeordnet.
Der einstellbare Kondensator umfasst eine dielektrische Schicht 237 zusätzlich zu dem zuvor erwähnten Substrat 131, vier piezoelektrische Stellantriebe 136 ₁ bis 136 ₄, die bewegliche Elektrode 139 und die stationäre Elektrode 138. Die Struktur der dielektrischen Schicht 237 unterscheidet sich von derjenigen der dielektrischen Schicht 137, die in der sechsten Ausführungsform der Erfindung eingesetzt ist. Die dielektrische Schicht 237 überbrückt die bewegliche Elektrode 139, ebenso wie das Brückenteil 138a der stationären Elektrode 138. Die dielektrische Schicht 237 weist Tragabschnitte 237a und 237b entlang zweier gegenüberliegender Seiten auf. Die Tragabschnitte 237a und 237b sind auf dem Substrat 131 vorhanden und werden von diesem getragen. Die Tragabschnitte 237a und 237b verstärken die Festigkeit des Brückenabschnitts 138a.
Die Fig. 32E bis 32J veranschaulichen ein Verfahren zum Herstellen des in den Fig. 30 und 31 gezeigten einstellbaren Kondensators. Der Schritt von Fig. 32E folgt demjenigen der Fig. 5D. Die piezoelektrischen Stellantriebe sind aus Gründen der Einfachheit in den Fig. 32E bis 32J weggelassen. Des weiteren wird eine Beschreibung der bereits beschriebenen Prozessbedingungen und Materialien hier ausgelassen.
Wie in Fig. 32E gezeigt, ist die bewegliche Elektrode 139 auf der Isolationsschicht 132 vorhanden, welche die Nut 143 aufweist, die durch Formgebung ausgebildet ist. Die bewegliche Elektrode 139 ist auf einem Bereich auf der Isolationsschicht 132 ausgebildet, der von der Nut 143 umgeben ist.
Als nächstes, wie in Fig. 32F gezeigt, wird die Opferschicht 144 auf der beweglichen Elektrode 139 ausgebildet. In diesem Verfahren wird die Opferschicht 144 in der Nut 143 abgeschieden.
Dann, wie in Fig. 32G gezeigt, wird die dielektrische Schicht 237 auf der Opferschicht 144 ausgebildet. Die Seitenabschnitte der dielektrischen Schicht 237 treten in die Nut 143 ein und berühren die Isolationsschicht 132.
Danach, wie in Fig. 32H gezeigt, wird die stationäre Elektrode 138 auf der dielektrischen Schicht 237 und der Isolationsschicht 132 ausgebildet.
Dann, wie in Fig. 32I gezeigt, wird das Substrat 131 geätzt, um die Öffnung 140 unterhalb der beweglichen Elektrode 139 auszubilden.
Schließlich wird die Opferschicht 144 entfernt, wie in Fig. 32J gezeigt.
In dem Verfahren der Fig. 32G und 32H ist es vorzuziehen, mehrere Ätzlöcher, wie beispielsweise diejenigen, die in Bezug auf die Fig. 10G und 10H beschrieben wurden, auszubilden. Die Ätzlöcher erleichtern das Entfernen der Opferschicht 144 auf effizientere und effektivere Weise in dem Verfahren von Fig. 32J.

Neunte Ausführungsform

Fig. 33 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines einstellbaren Kondensators gemäß einer neunten Ausführungsform der Erfindung, und Fig. 34 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Teils des in Fig. 33 gezeigten einstellbaren Kondensators. In diesen Figuren ist den Teilen, die gleich denjenigen der Fig. 27 bis 29 sind, das jeweils gleiche Bezugszeichen wie dort zugeordnet.
Der einstellbare Kondensator umfasst eine dielektrische Schicht 237A und eine stationäre Elektrode 238 zusätzlich zu dem zuvor erwähnten Substrat 131, vier piezoelektrische Stellantriebe 136 ₁ bis 136 ₄ und eine bewegliche Elektrode 139. Die Struktur der dielektrischen Schicht 237A unterscheidet sich von der dielektrischen Schicht 137 der siebten Ausführungsform und der dielektrischen Schicht 237 der achten Ausführungsform. Die dielektrische Schicht 237A entspricht einer Variation, die durch Hinzufügen von Tragabschnitten 237c und 237c an zwei Seiten der dielektrischen Schicht 137 erzeugt wird. Die dielektrische Schicht 237A wird auf dem Substrat 131 an vier Stellen gestützt und überbrückt die bewegliche Elektrode 139. Da sowohl die stationäre Elektrode 238 als auch die dielektrische Schicht 237 auf dem Substrat 138 an vier Stellen gestützt werden, kann die Festigkeit des Brückenabschnitts weiter verstärkt werden. Die dielektrische Schicht 237A kann variiert werden, so dass sie an drei oder fünf oder mehr Stellen gestützt wird.

Andere Ausführungsformen

Die bei den vorstehend erwähnten Ausführungsformen der Erfindung eingesetzten stationären Elektroden weisen eine Einzellagenstruktur auf. Die stationären Elektroden können auch eine mehrlagige Struktur aufweisen. Es ist anzumerken, dass die verbleibende Belastung des dünnen Films stark vom Verfahren des Ausbildens des dünnen Films und den Bedingungen des Aufbringens abhängt. Somit kann die verbleibende Belastung der stationären Elektrode verringert werden, indem eine Schicht auflaminiert wird, in der eine Zugspannung entsteht, und eine andere Schicht, in der wiederum eine Gegenspannung entsteht. Dies trägt dazu bei, die Dispersion des Spaltes zwischen der stationären Elektrode und der beweglichen Elektrode zu unterdrücken.
Die Fig. 35E bis 35J veranschaulichen eine Variation der sechsten Ausführungsform der Erfindung, gemäß der die stationäre Elektrode 138 aus zwei Schichten 138 ₁ und 138 ₂zusammengesetzt ist. In dem Verfahren von Fig. 35H sind die zwei Schichten 138 ₁ und 138 ₂ in dieser Reihenfolge laminiert. Die Schichten 138 ₁ und 138 ₂ können leitende Schichten oder eine Kombination von leitenden Schichten und Isolationsschichten sein. Allgemein entwickelt sich eine Zugspannung wahrscheinlich in Cu, Al, Ti, Cr, Mo, Ni, Au oder Pt, und eine Kontraktionsspannung entwickelt sich wahrscheinlich in SiO₂, Al₂O₃, Ru oder Ta. Die verbleibende Belastung in der stationären Elektrode wird als Ganzes abgebaut, indem ein oder mehrere Zugspannungsfilme und ein oder mehrere Kontraktionsspannungsfilme kombiniert und die Filmdicken verändert werden.
Im Schritt von Fig. 35H wird beispielsweise Cu mit einer Dicke von 1 µm abgeschieden, und SiO₂ wird mit einer Dicke von 0,3 µm bei einer Spannung von 1 kV und einem Gasdruck von 0,64 Pa durch eine Magnetron-Sputtereinrichtung abgeschieden.
Drei oder mehr Schichten können die stationäre Elektrode bilden. In dem Fall, dass die stationäre Elektrode aus drei Schichten besteht, kann eine von ihnen eine leitende Schicht sein, und die verbleibenden Schichten können Isolationsschichten sein. In jedem Fall ist es wichtig, mehrere Schichten aus unterschiedlichen Materialien zu kombinieren, um somit die verbleibende Belastung insgesamt zu reduzieren.
Selbst wenn die stationäre Elektrode durch eine einzelne Schicht gebildet wird, können verbleibende Belastungen als ganzer Brückenabschnitt einschließlich der daran angebrachten dielektrischen Schicht abgebaut werden. Wenn beispielsweise die stationäre Elektrode 138, die in Fig. 26 gezeigt ist, aus Cu (Zugbelastung) hergestellt ist, und die dielektrische Schicht 137 aus Al₂O₃ (Kontraktionsbelastung), kann die verbleibende Belastung im gesamten Brückenabschnitt abgebaut werden.
Die in der ersten bis neunten Ausführungsform der Erfindung eingesetzten stationären Elektroden können ein Laminat aus verschiedenen Schichten sein, wie im Fall, der in den Fig. 35A bis 35J gezeigt ist.
Die stationäre Elektrode eines Laminats vergrößert dessen Dicke, und eine vergrößerte Dicke verstärkt die Festigkeit des Brückenabschnitts. Des weiteren kann der Grad an Auswahl an Materialien für die stationäre Elektrode erhöht werden. Darüber hinaus können der Verdrahtungswiderstand verringert und der Q-Wert verbessert werden.
Die Erfindung ist nicht auf die spezifisch offenbarten Ausführungsformen und Variationen beschränkt, sondern kann andere Ausführungsformen, Variationen und Modifikationen beinhalten. Beispielsweise werden die piezoelektrischen Stellantriebe so angesteuert, dass der Spalt zwischen der beweglichen Elektrode und der dielektrischen Schicht (oder stationären Schicht) verringert wird. Alternativ dazu können die piezoelektrischen Stellantriebe so konfiguriert und angesteuert werden, dass der Spalt zwischen der beweglichen Elektrode und der dielektrischen Schicht erweitert wird (wodurch die elektrostatische Kapazität verringert wird). In diesem Fall werden die unimorphen Piezostellantriebe, die in den Fig. 7A und 7B gezeigt sind, so variiert, dass sie in umgekehrte Richtung verbogen werden. Dies kann durch Polarisieren des piezoelektrischen Elements in umgekehrte Richtung und Umkehren der Polarität der angelegten Spannung V erreicht werden.
Die einstellbaren Kondensatoren der ersten bis neunten Ausführungsform der Erfindung können auf Platten aus Keramik oder anderen Materialien montiert werden. Verbindungsanschlüsse nach außen, die auf der Platte vorhanden sind, sind mit den Ansätzen auf dem Substrat des einstellbaren Kondensators durch Drähte oder Anschlüsse verbunden.
Die vorliegende Erfindung basiert auf den japanischen Patentanmeldungen 2002-084690 und 2002-258559, eingereicht am 25. März 2002 bzw. 4. September 2002, und die gesamte Offenbarung derselben soll hierin durch Bezugnahme enthalten sein.

Claims

1. Einstellbarer Kondensator, aufweisend:
ein Substrat (31; 131);
eine stationäre Elektrode (38; 52; 138; 238) und eine bewegliche Elektrode (39; 59; 139), getragen durch das Substrat;
piezoelektrische Stellantriebe (36 ₁, 36 ₂, 36 ₃, 36 ₄; 56 ₁, 56 ₂, 56 ₃, 56 ₄; 136 ₁, 136 ₂, 136 ₃, 136 ₄), die durch das Substrat getragen werden und die bewegliche Elektrode antreiben; und
eine dielektrische Schicht (37; 57; 137), die zwischen die stationäre Elektrode und die bewegliche Elektrode gesetzt ist.

2. Einstellbarer Kondensator nach Anspruch 1, wobei die dielektrische Schicht durch die stationäre Elektrode oder die bewegliche Elektrode getragen wird.

3. Einstellbarer Kondensator nach Anspruch 1, wobei jeder der piezoelektrischen Stellantriebe ein Paar Elektroden (33 ₁, 35 ₁, 33 ₂, 35 ₂, 33 ₃, 35 ₃, 33 ₄, 35 ₄) und ein piezoelektrisches Element (34 ₁, 34 ₂, 34 ₃, 34 ₄), das zwischen dieselben gesetzt ist, umfasst und in einem Raum oberhalb des Substrats angeordnet ist.

4. Einstellbarer Kondensator nach Anspruch 3, wobei das Elektrodenpaar und das piezoelektrische Element integriert sind.

5. Einstellbarer Kondensator nach Anspruch 1, wobei die dielektrische Schicht an der stationären Elektrode angebracht ist und über die Luftschicht hinweg zur beweglichen Elektrode gerichtet ist.

6. Einstellbarer Kondensator nach Anspruch 1, wobei die dielektrische Schicht an der beweglichen Elektrode angebracht ist und über eine Luftschicht hinweg zur stationären Elektrode gerichtet ist.

7. Einstellbarer Kondensator nach Anspruch 1, wobei die stationäre Elektrode einen Brückenabschnitt (138a; 238a) aufweist, der die bewegliche Elektrode überbrückt, und die dielektrische Schicht, die am Brückenabschnitt angebracht ist, über eine Luftschicht hinweg zur beweglichen Elektrode gerichtet ist.

8. Einstellbarer Kondensator nach Anspruch 1, wobei die stationäre Elektrode einen Brückenabschnitt (138a; 238a) aufweist, der die bewegliche Elektrode überbrückt, und die dielektrische Schicht an der beweglichen Elektrode angebracht ist und über eine Luftschicht hinweg zur stationären Elektrode gerichtet ist.

9. Einstellbarer Kondensator nach Anspruch 1, wobei:
die stationäre Elektrode auf einer Isolationsschicht auf dem Substrat vorhanden ist;
die dielektrische Schicht auf der stationären Elektrode vorhanden ist; und
die bewegliche Elektrode über eine Luftschicht hinweg zur dielektrischen Schicht gerichtet ist.

10. Einstellbarer Kondensator nach Anspruch 1, wobei die stationäre Elektrode auf einer Isolationsschicht auf dem Substrat ausgebildet ist, und die dielektrische Schicht an der beweglichen Elektrode angebracht ist und über eine Luftschicht hinweg zur stationären Elektrode gerichtet ist.

11. Einstellbarer Kondensator nach Anspruch 1, wobei die stationäre Elektrode durch das Substrat über eine Isolationsschicht auf dem Substrat getragen wird.

12. Einstellbarer Kondensator nach Anspruch 1, wobei die piezoelektrischen Stellantriebe eine unimorphe Struktur aufweisen.

13. Einstellbarer Kondensator nach Anspruch 1, wobei die piezoelektrischen Stellantriebe eine bimorphe Struktur aufweisen.

14. Einstellbarer Kondensator nach Anspruch 1, wobei die stationäre Elektrode und die beweglichen Elektroden jeweilige Ansätze aufweisen, die auf einer Isolationsschicht auf dem Substrat vorhanden sind.

15. Einstellbarer Kondensator nach Anspruch 1, wobei:
die piezoelektrischen Stellantriebe Antriebselemente umfassen, von denen jedes ein Paar Elektroden und ein dazwischen gesetztes piezoelektrisches Element aufweisen;
das Elektrodenpaar ein Ansatz für eine Verbindung nach außen aufweist; und
das Ansatz auf einer Isolationsschicht auf dem Substrat vorhanden ist.

16. Einstellbarer Kondensator nach Anspruch 1, wobei jeder der piezoelektrischen Stellantriebe ein jeweiliges Elektrodenpaar aufweist, und eine der Elektroden jedes der piezoelektrischen Stellantriebe gemeinsam mit der beweglichen Elektrode verbunden ist.

17. Einstellbarer Kondensator nach Anspruch 1, wobei jeder der piezoelektrischen Stellantriebe ein jeweiliges Elektrodenpaar aufweist, und eine der Elektroden jedes der piezoelektrischen Stellantriebe eine getrennte Elektrode ist.

18. Einstellbarer Kondensator nach Anspruch 1, wobei die piezoelektrischen Stellantriebe mehrere gemeinsame Elektroden aufweisen, von denen jede eine aus einem Elektrodenpaar in jedem der piezoelektrischen Stellantriebe ist.

19. Einstellbarer Kondensator nach Anspruch 1, wobei die stationäre Elektrode einen Brückenabschnitt aufweist, der die bewegliche Elektrode überbrückt, und der Brückenabschnitt eine Form aufweist, die näherungsweise identisch mit derjenigen der beweglichen Elektrode ist, und über die dielektrische Schicht hinweg zur beweglichen Elektrode gerichtet ist.

20. Einstellbarer Kondensator nach Anspruch 1, wobei:
die stationäre Elektrode einen Brückenabschnitt aufweist, der die bewegliche Elektrode überbrückt;
der Brückenabschnitt eine Form aufweist, die näherungsweise identisch derjenigen der beweglichen Elektrode ist, und über die dielektrische Schicht hinweg zur beweglichen Elektrode gerichtet ist; und
die stationäre Elektrode drei oder mehr Tragabschnitte aufweist, die auf einer Isolationsschicht auf dem Substrat vorhanden sind.

21. Einstellbarer Kondensator nach Anspruch 1, wobei:
die stationäre Elektrode einen Brückenabschnitt aufweist, der die bewegliche Elektrode überbrückt;
der Brückenabschnitt eine Form aufweist, die näherungsweise identisch mit derjenigen der beweglichen Elektrode ist, und über die dielektrische Schicht hinweg zur beweglichen Elektrode gerichtet ist; und
die dielektrische Schicht an der stationären Elektrode angebracht ist und die bewegliche Elektrode überbrückt.

22. Einstellbarer Kondensator nach Anspruch 1, wobei die stationäre Elektrode eine Mehrschichtstruktur aufweist, welche eine erste Schicht, in der sich eine Zugspannung entwickelt, und eine zweite Schicht, in der sich eine Kontraktionsspannung entwickelt, umfasst.

23. Einstellbarer Kondensator nach Anspruch 1, wobei die dielektrische Schicht Berylliumoxid, Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Bariumtitanat, Magnesiumtitanat, Titanoxid, Glas oder Silikonnitrid umfasst.

24. Einstellbarer Kondensator nach Anspruch 1, wobei die bewegliche Elektrode sich in einem Bereich von ersten Zustand, in dem eine Luftschicht zwischen der dielektrischen Schicht und der stationären Schicht oder zwischen der dielektrischen Schicht und der beweglichen Schicht besteht, zu einem zweiten Zustand, in dem die stationäre Elektrode, die dielektrische Elektrode und die bewegliche Elektrode in Kontakt gebracht sind, bewegt.

25. Einstellbarer Kondensator nach Anspruch 1, wobei die dielektrische Schicht an der stationären Elektrode angebracht ist und die dielektrische Schicht und die stationäre Elektrode Durchgangslöcher (45; 46) aufweisen, welche beide durchdringen.

26. Einstellbarer Kondensator nach Anspruch 1, wobei die dielektrische Schicht an der stationären Elektrode angebracht ist und die bewegliche Elektrode Durchgangslöcher aufweist, die sie durchdringen.

27. Einstellbarer Kondensator nach Anspruch 1, wobei vier piezoelektrische Stellantriebe vorhanden sind.

28. Einstellbarer Kondensator nach Anspruch 1, wobei das Substrat eine Öffnung (40; 140) aufweist und die stationäre Elektrode, die bewegliche Elektrode, die dielektrische Schicht und die piezoelektrischen Stellantriebe oberhalb der Öffnung vorhanden sind.

29. Einstellbarer Kondensator nach Anspruch 1, wobei das Substrat eine Öffnung (40; 140) aufweist und der einstellbare Kondensator eine Isolationsschicht aufweist, welche die Öffnung überbrückt.

30. Verfahren zum Herstellen eines einstellbaren Kondensators, aufweisend die folgenden Verfahrensschritte:

a) Ausbilden einer stationären Elektrode und einer beweglichen Elektrode, getragen von einem Substrat;

b) Ausbilden von piezoelektrischen Stellantrieben, die von dem Substrat getragen werden und die bewegliche Elektrode antreiben;

c) Ausbilden einer dielektrischen Schicht, die zwischen die stationäre Elektrode und die bewegliche Elektrode gesetzt wird;

d) Ausbilden einer Opferschicht (44; 144), um einen Spalt zwischen der dielektrischen Schicht und der stationären Elektrode oder der beweglichen Elektrode auszubilden; und

e) Entfernen der Opferschicht.

31. Verfahren nach Anspruch 30, aufweisend den Schritt des Ausbildens von Ätzlöchern in einer Schicht auf der Opferschicht vor dem Entfernen der Opferschicht.

32. Verfahren nach Anspruch 30, wobei in Schritt d) die Opferschicht auf der beweglichen Elektrode ausgebildet wird.

33. Verfahren nach Anspruch 30, wobei in Schritt d) die Opferschicht auf der dielektrischen Schicht ausgebildet wird.

34. Verfahren nach Anspruch 30, aufweisend einen Schritt des Ausbildens von Ätzlöchern in der dielektrischen Schicht und der stationären Elektrode auf der Opferschicht vor dem Entfernen der Opferschicht.

35. Verfahren nach Anspruch 30, aufweisend einen Schritt des Ausbildens von Ätzlöchern in der beweglichen Elektrode auf der Opferschicht vor dem Entfernen der Opferschicht.

36. Verfahren nach Anspruch 30, aufweisend einen Schritt des Ausbildens einer Öffnung in dem Substrat durch Ätzen in einer Position, an der zumindest die bewegliche Elektrode und die piezoelektrischen Stellantriebe sich oberhalb der Öffnung befinden.

37. Verfahren nach Ansprüch 36, wobei:
das Substrat Silikon umfasst;
das Substrat durch tiefenreaktives Ionenätzen geätzt wird, wobei ein Ätzgas aus Schwefelhexafluorid eingesetzt wird, und die Ätzmaske aus Resist hergestellt ist.