JP2005313276A - 圧電駆動型ｍｅｍｓ素子およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 信頼性が高く安定して作成することを可能にする。
【解決手段】 凹部２を有する基板１上に凹部を跨ぐように設けられた圧電膜８、圧電膜の両端に設けられ圧電膜を駆動する圧電駆動機構１２、および圧電膜の基板側の面の中央部に設けられた第１電極６を有する可動梁１１と、基板の凹部の平坦部に設けられ可動梁の第１電極と対向する第２電極３と、を備えたことを特徴とする。
【選択図】 図１
【解決手段】 凹部２を有する基板１上に凹部を跨ぐように設けられた圧電膜８、圧電膜の両端に設けられ圧電膜を駆動する圧電駆動機構１２、および圧電膜の基板側の面の中央部に設けられた第１電極６を有する可動梁１１と、基板の凹部の平坦部に設けられ可動梁の第１電極と対向する第２電極３と、を備えたことを特徴とする。
【選択図】 図１
Description
本発明は，圧電薄膜を使用した圧電駆動機構を有する圧電駆動型ＭＥＭＳ(Micro-electro-mechanical System)素子およびその製造方法に関する。
従来、バリアブルキャパシタとしては、Ｐ／Ｎ接合の空乏層厚さ変化を利用したバリアブルキャパシタ・ダイオードが使用されている。しかしながらバリアブルキャパシタ・ダイオードは、容量変化幅が高々５倍程度しか取れないこと、損失の小ささを表すＱ値が２０〜３０程度と小さいことから、用途が限られている。
一方、最近注目を集めているのがＭＥＭＳ技術で作成するバリアブルキャパシタである。 従来のＭＥＭＳ技術による圧電薄膜を使用したマイクロスイッチやバリアブルキャパシタなどにおいては、駆動力として主に静電力を使用している。静電力を使用した圧電薄膜ＭＥＭＳ素子は、空間を隔てた一対の電極に駆動電圧を印加するだけという非常に簡単な動作機構で済むという長所がある（例えば、非特許文献１）。
その反面、静電力が距離のマイナス二乗に比例するという性質から、印加電圧と電子の移動量が非線型な初期間隔の約２／３以下では間隔が不連続に閉じてしまうプルインという現象が生じる。このため、駆動範囲が狭く、１μｍ以上の距離を駆動するためには一般に２０Ｖ以上の駆動電圧が必要になる。現状では、この駆動電圧が高いという問題点から、なかなか一般民生用機器には応用が及んでいない。
"Smart Structure and Materials 2002: Smart Electronics, MEMSand Nanotechnology", V. K. Varadan, Editor, Proceedings of SPIE Vol. 4700 (2002), pp. 40-49
"Smart Structure and Materials 2002: Smart Electronics, MEMSand Nanotechnology", V. K. Varadan, Editor, Proceedings of SPIE Vol. 4700 (2002), pp. 40-49
そこで、基板上の空中に支持された、圧電薄膜を有する梁にバリアブルキャパシタの可動電極を、対向する基板上にバリアブルキャパシタの固定電極を作成し、梁を圧電力で駆動して、可動電極と固定電極の間の距離を変化させることによってバリアブルキャパシタを構成することが考えられる。
ＭＥＭＳ技術により空中に支持された梁構造を作成する通常の方法として、ＳＯＩ基板を使用し、Ｓｉ層の上に梁構造を作成し、次にＳｉ層の一部を除去して梁構造を空中に支持する方法や、Ｓｉ基板の上に梁構造を作成し、基板の裏面側からウェットエッチングやＲＩＥで表面まで達するトレンチを形成して梁構造を空中に支持する方法などが挙げられる。しかしながらこれらの方法では、可動梁と可動電極を形成することができるが、対向する固定電極を下地基板上に形成するのが困難である。
そこで、まず基板上に固定電極を形成し、その上に犠牲層を形成し、犠牲層を跨ぐように可動梁と可動電極を形成し、犠牲層を除去することで空中に支持された梁構造を作成する。このようにして、基板上から屈曲した片持ち梁や両持ち梁橋梁構造が作成される。
片持ち梁構造の場合は、梁を構成する材料の僅かな残留応力の有無で上下に反り、可動電極と固定電極の距離を一定に作成することが非常に困難であり、安定して作成することができないという問題がある。
両持ち梁橋梁構造の場合は、片持ち梁構造よりも幾分安定して作成することが可能であるが、やはり梁を構成する膜材料に圧縮の残留応力があると上側に反り、逆に引っ張りの残留応力があると下側に反るため、やはり可動電極と固定電極の距離を一定に作成することが非常に困難であり、安定して作成することができないという問題がある。
また、片持ち梁、両持ち梁の両者の構造に共通して、犠牲層の角の上に形成された屈曲構造のところで、後述するように、圧電駆動機構を構成する駆動電極の段切れや梁の割れが生じ、信頼性に問題があった。
本発明は，上記事情を考慮してなされたものであって、信頼性が高く安定して作成することのできる圧電駆動型ＭＥＭＳ素子を提供することを目的とする。
本発明の第１の態様による圧電駆動型ＭＥＭＳ素子は、凹部を有する基板上に前記凹部を跨ぐように設けられた圧電膜、前記圧電膜の両端に設けられ前記圧電膜を駆動する圧電駆動機構、および前記圧電膜の前記基板側の面の中央部に設けられた第１電極を有する可動梁と、前記基板の前記凹部の平坦部に設けられ、前記可動梁の前記第１電極と対向する第２電極と、を備えたことを特徴とする。
なお、前記圧電駆動機構は、前記圧電膜の前記基板側の面に設けられた第１駆動電極と、前記圧電膜の前記基板とは反対側の面に設けられた第２駆動電極とを備えていてもよい。
なお、前記圧電駆動機構は、前記圧電膜の前記基板側の面に設けられた第１および第２駆動電極と、前記圧電膜の前記基板とは反対側の面に前記第１および第２駆動電極と対向して設けられた第３および第４駆動電極と、前記圧電膜に設けられた第１ヴィアホールを介して前記第１駆動電極と前記第４駆動電極とを電気的に接続する第１接続部と、前記圧電膜に設けられた第２ヴィアホールを介して前記第２駆動電極と前記第３駆動電極とを電気的に接続する第２接続部と、を備えていてもよい。
なお、前記可動梁は、前記圧電膜を支持する支持膜とを備えてもよい。
なお、前記凹部は、十字形状であってもよい。
なお、前記圧電膜は、ウルツ鉱型の結晶を有する材料またはペロブスカイト系強誘電体のいずれかからなることが好ましい。
なお、前記駆動電極は、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）のいずれかを主成分とすることが好ましい。
また、本発明の第２の態様による移動体通信機は、上記のいずれかに記載の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子をバリアブルキャパシタとして有する電圧制御発振器を備えたことを特徴とする。
また、本発明の第３の態様による移動体通信機は、上記のいずれかに記載の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子をバリアブルキャパシタとして有するチューナブル整合回路を備えたことを特徴とする。
また、本発明の第４の態様による移動体通信機は、上記のいずれかに記載の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子を高周波スイッチとして有することを特徴とする。
また、本発明の第５の態様による圧電駆動型ＭＥＭＳ素子の製造方法は、基板に底部が平坦な凹部を形成する工程と、前記凹部の底部に第１電極を形成する工程と、前記凹部内に犠牲層を埋め込む工程と、前記基板の表面上の前記犠牲層を除去して前記基板の表面を平坦化する工程と、前記凹部を跨ぐように前記基板上に、少なくても圧電膜、この圧電膜を駆動する圧電駆動機構、および前記第１電極に対向する第２電極を有する可動梁を形成する工程と、前記犠牲層をエッチングにより除去する工程と、
を備えたことを特徴とする。
を備えたことを特徴とする。
なお、前記基板上に絶縁膜が形成されており、前記凹部は、前記絶縁膜の一部を除去することによって形成してもよい。
本発明によれば、信頼性が高く安定して作成することのできる圧電駆動型ＭＥＭＳ素子およびその製造方法を得ることができる。
まず、本発明の実施形態を説明する前に、本発明に想到するに至った経緯を説明する。 本発明者らは、従来から静電型アクチュエータなどで使用されている、犠牲層プロセスを使用して、ユニモルフ圧電駆動型アクチュエータを使用したシャント型ＭＥＭＳスイッチを試作し、検討を行った。
試作したＭＥＭＳスイッチの断面構造を図１３に示す。このＭＥＭＳスイッチは、絶縁基板５１に形成された固定電極５２と、犠牲層（図示せず）を選択エッチングにより除去して作製した空洞５３と、圧電アクチュエータの下部電極とスイッチの可動電極を兼ねた電極５４と、圧電体膜５５と、圧電アクチュエータの上部電極５６と、支持層５７とを備えている。
圧電膜５５として、ペロブスカイト系強誘電体であるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）やチタン酸バリウム（ＢＴＯ）、ウルツ鉱型圧電体である窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）などが考えられる。ペロブスカイト型強誘電体材料は、圧電性は非常に大きいが、その反面として結晶構造に起因した形状安定性に劣っているため、圧電アクチュエータのような薄くて長い橋梁構造を作製することが非常に困難である。そこで圧電体膜として、ウルツ鉱型結晶構造のＡｌＮをｃ軸に配向させた圧電膜を使用した。ＡｌＮはｃ軸方向にのみ圧電性を持つため、膜厚と垂直方向にｃ軸を配向させる必要があるためである。
図１３に示すような橋梁構造を持つＭＥＭＳスイッチを既知のプロセスで作製し、下部電極５４と上部電極５６の間にＤＣ電圧を加えてスイッチング動作をさせたところ、数回の動作で橋梁構造の屈曲部５８から破断を生じ、動作しなくなった。
圧電アクチュエータ部分の断面構造を詳細に検討した結果を図１４に示す。この検討結果によると、このような破断モードは、六方晶型結晶構造を持ちｃ軸配向させた圧電膜５５を使用して作製した、屈曲部５８を持つ橋梁構造の圧電アクチュエータにおいて、繰り返し曲げ動作を行った場合に特有の問題であることが判明した。
すなわち、図１５に模式的に示すように、ウルツ鉱型などの六方晶結晶６２は、基板６０に対してｃ軸に配向する性質を持ち、またｃ軸方向の成長速度も、ｃ軸方向と直交するａ軸やｂ軸方向よりもはるかに大きい。このような六方晶結晶材料の圧電膜を使用して屈曲部を持つ橋梁構造を作成した場合、図１４に示すように、ＡｌＮの結晶粒は下部電極５４の面に対して非常に強い柱状晶を形成し、屈曲部５８では柱状晶の方位が異なるために圧電膜５５が疎で非常に脆弱な面を形成することが明らかになった。この脆弱な面にスイッチング動作に伴う屈曲応力が加わると容易に亀裂を生じ、数回のスイッチング動作により亀裂が電極５４、５６にまで進展して破断にいたることがわかった。
すなわち、ウルツ鉱型結晶のＡｌＮやＺｎＯをｃ軸配向させた圧電膜を使用し、屈曲した橋梁を持つ圧電アクチュエータ構造を有する圧電駆動型ＭＥＭＳアクチュエータは、圧電駆動によりアクチュエータに曲げ応力を繰り返し印加すると破壊し、圧電アクチュエータとして適さないことが本発明者等によって初めて見出された。
本発明による圧電駆動型ＭＥＭＳ素子は、曲げ応力を繰り返し印加しても破壊しない構造を備えている。
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による圧電駆動型ＭＥＭＳ素子の構成を図１乃至図３に示す。ここの実施形態による圧電駆動型ＭＥＭＳ素子は、両持ち梁構造のバリアブルキャパシタである。図１は本実施形態による圧電駆動型ＭＥＭＳ素子の平面図、図２は図１に示す切断線Ａ−Ａで切断した断面図、図３は図１に示す切断線Ｂ−Ｂで切断した断面図である。
本発明の第１実施形態による圧電駆動型ＭＥＭＳ素子の構成を図１乃至図３に示す。ここの実施形態による圧電駆動型ＭＥＭＳ素子は、両持ち梁構造のバリアブルキャパシタである。図１は本実施形態による圧電駆動型ＭＥＭＳ素子の平面図、図２は図１に示す切断線Ａ−Ａで切断した断面図、図３は図１に示す切断線Ｂ−Ｂで切断した断面図である。
本実施形態による圧電駆動型ＭＥＭＳ素子は、基板１に形成された底部が平坦の凹部２の上記平坦部に設けられた固定電極３と、凹部２に設けられ固定電極３と電気的に接続された引き出し電極４と、基板１上に凹部２を跨ぐように設けられた両持ち梁構造の可動梁１１とを備えている。可動梁１１は、基板１を跨ぐように基板１上に設けられ凹部２の幅よりも狭い幅を有する平坦な圧電膜８と、圧電膜８上に設けられた上部電極９と、この上部電極９上に設けられ圧電膜８を支持する支持膜１０と、基板１と同じ側の圧電膜４の両端に設けられた下部電極７と、基板１側の圧電膜４の中央部に固定電極３に対向して設けられた可動電極６とを備えている。下部電極７と上部電極５とが圧電駆動機構１２を構成している。なお、本実施形態においては、固定電極３は２つに分割されているが、一体であってもよい。また、図１に示すように凹部２は十字形状となっている。
このような構成のＭＥＭＳ素子において、下部電極７と、上部電極９との間に電圧を印加すると、圧電膜８が撓むことにより可動電極６と固定電極３との間の距離が変化し、容量が変化する。
次に、本実施形態によるＭＥＭＳ素子の製造方法を、図４（ａ）乃至図５（ｃ）を参照して説明する。なお、図４（ａ）乃至図５（ｃ）は、図１に示す切断線Ｂ−Ｂで切断したときの工程断面図である。
図４（ａ）に示すように、表面が絶縁性の基板１にリソグラフィー技術を用いてエッチングし、端部がテーパー形状で中央部が平坦の浅い凹部２を形成する。エッチング方法ははウェットエッチングまたは反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などを使用することができる。なお、凹部の形成は、基板１上に絶縁膜（図示せず）を形成し、この絶縁膜の一部をエッチングすることにより形成してもよい。
次に、図４（ｂ）に示すように、凹部２の底部にバリアブルキャパシタの固定電極３およびその引き出し電極４（図１参照）を形成する。固定電極３および引き出し電極４をＡｌ、Ｔａ，Ｍｏなどの金属で形成した場合は、金属層の成膜後にリソグラフィー技術を用いてエッチングすることにより形成することができるし、ＡｕやＰｔなど貴金属の場合は、周知のリフトオフプロセスで形成することができる。本実施形態では厚さ２００ｎｍのＡｕ層をリフトオフプロセスで形成し、固定電極３および引き出し電極４とした。
次に、図４（ｃ）に示すように、凹部２を埋め込むように犠牲層５を成膜した。犠牲層としては、他の膜材料に対して選択エッチングが可能な、無機材料、金属材料、有機材料を使用することが可能であるが、本実施形態ではリンドープ酸化シリコン（ＰＳＧ）を使用した。続いて、図４（ｄ）に示すように、周知のＣＭＰ(Chemical Mechanical Etching)技術により、基板１の面が露出するまで表面を研磨し平坦化を行った。
次に、図５（ａ）に示すように、犠牲層５上にバリアブルキャパシタの可動電極６および圧電駆動機構の下部電極７を同時に形成した。これらの電極の材料がＡｌ、Ｔａ，Ｍｏなどの金属である場合は、金属層の成膜後にリソグラフィー技術を用いてエッチングすることにより形成することができるし、ＡｕやＰｔなど貴金属の場合は、周知のリフトオフプロセスで形成することができる。本実施形態では厚さ２００ｎｍのＡｕ層をリフトオフプロセスにより形成し、可動電極６および下部電極７とした。
次に、図５（ｂ）に示すように、圧電膜８、上部電極９、支持膜１０を順に形成した。本実施形態では圧電膜８としてｃ軸配向した膜厚５００ｎｍのＡｌＮ、上部電極９として膜厚２００ｎｍのＡｕ、支持膜１０として膜厚１μｍのポリシリコン層を使用した。
次に、図５（ｃ）に示すように、希フッ酸により犠牲層５を選択エッチングにより除去し、圧電膜８と、圧電駆動機構１２と、可動電極６を備えた平面状の可動梁１１を作成した。
圧電駆動機構１２の上部電極９と下部電極７間に制御電圧（Ｖtune）を０Ｖ〜３Ｖ印加して、バリアブルキャパシタの２個の固定電極３に接続された引き出し電極４にワイヤボンディングにより端子を接続してキャパシタ容量を測定したところ、最小０．２２ｐＦ、最大５１ｐＦで２５０倍の非常に大きな可変幅が連続して得られた。
以上説明したように、本実施形態によれば、平坦な可動梁１１を有していることで、可動梁１１を構成する膜材料に若干の圧縮応力や、破断しない程度の引っ張り応力が残存した場合においても、平坦な形状を保つことが可能になる。このため、可動梁１１に形成した可動電極６と固定電極３との距離を一定に保持し、初期容量を一定に制御することが可能になる。
圧電駆動機構１２を有する可動梁構造としては、いわゆるバイモルフ構造と呼ばれる、上部電極と下部電極で挟んだ圧電膜と支持膜を積層した構造、上部電極と下部電極で挟んだ圧電膜を２層に重ねた構造、あるいはユニモルフ構造と呼ばれる、支持膜および支持膜上に横方向に分極した圧電膜および櫛型電極を積層した構造などを使用することができる。また上記のバイモルフないしユニモルフ構造を、梁の長手方向に極性を反転させて複数個並べた構造により、屈曲率を大きくすることが可能であるので、使用することができる。
圧電膜８に使用する圧電体として、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）などのウルツ鉱型の結晶を有する材料が安定で好ましく、またチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）やチタン酸バリウム（ＢＴＯ）などのペロブスカイト系強誘電体も使用することができる。
また、圧電駆動機構１２の上下電極７，９、可動電極６、および固定電極３の電極材料として、比抵抗値および薄膜としての作り易さから、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）などの低抵抗の金属であることが望ましい。
以上、説明したように、本実施形態によれば、可動梁が平坦となっているので、曲げ応力を繰り返し印加しても破壊せず、高い信頼性を得ることができる。また、圧電駆動機構の上下電極の電圧を調整することにより、可動電極と、固定電極との間の距離や容量を一定にすることが可能となり、信頼性が高く安定して作成可能な構造のバリアブルキャパシタを得ることができる。また、可動電極と固定電極の間隔を大きく変化できるので容量変化率を大きくとることができ、誘電体として空気あるいはガスを使用しているので非常に大きいＱ値が得られるなど多くの利点がある。
なお、本実施形態においては、ＭＥＭＳ素子としてバリアブルキャパシタを例にとって説明したが、バリアブルキャパシタ構造をそのまま使用して、可動電極と固定電極を直接接触させることでスイッチとして使用することも可能である。また特にＧＨｚ以上の高周波領域においては、ごく薄い誘電膜を挟んで可動電極と固定電極を直接接触させることでもスイッチとして使用することも可能である。スイッチとして用いることができる。この場合、スイッチの電極間の距離や動作電圧を一定にすることが可能になり、信頼性が高く安定して作成可能な構造のスイッチが実現できる。
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態による圧電駆動型ＭＥＭＳ素子を、図６乃至図８を参照して説明する。この実施形態の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子は、下部電極と上部電極で挟んだ圧電膜と支持膜を積層したバイモルフ構造を梁の長手方向に極性を反転させて複数個（この実施形態では２個）並べた構造を備えたバリアブルキャパシタであって、屈曲率を大きくすることができる。図６は本実施形態による圧電駆動型ＭＥＭＳ素子の平面図、図７は図６に示す切断線Ａ−Ａで切断した断面図、図７は図６に示す切断線Ｂ−Ｂで切断した断面図である。
次に、本発明の第２実施形態による圧電駆動型ＭＥＭＳ素子を、図６乃至図８を参照して説明する。この実施形態の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子は、下部電極と上部電極で挟んだ圧電膜と支持膜を積層したバイモルフ構造を梁の長手方向に極性を反転させて複数個（この実施形態では２個）並べた構造を備えたバリアブルキャパシタであって、屈曲率を大きくすることができる。図６は本実施形態による圧電駆動型ＭＥＭＳ素子の平面図、図７は図６に示す切断線Ａ−Ａで切断した断面図、図７は図６に示す切断線Ｂ−Ｂで切断した断面図である。
本実施形態による圧電駆動型ＭＥＭＳ素子は、第１の実施形態による圧電駆動型ＭＥＭＳ素子において、下部電極７および上部電極９を有する圧電駆動機構１２の代わりに、図７、図８に示すように、第１の駆動部２２および第２の駆動部２６を有する圧電駆動機構を設けた構成となっている。第１の駆動部２２は、支持膜２に接し、圧電膜４を挟む第１の上下電極２３、２５を備えている。第２の駆動部２６は、第１の駆動部２２に隣接して設置され、圧電膜４を挟む第２の上下電極２７、２９を備えている。第１および第２の駆動部２２、２６は両持ち梁の駆動軸に沿って対称に２組ずつ設置されている。
圧電膜４は第１の駆動部２２と第２の駆動部２６との間に、駆動軸とは垂直方向に第１のヴィアホール３１および第２のヴィアホール３２が並べて形成されており、第１の下部電極２３と第２の上部電極２９は第１のヴィアホール３１を通じて電気的に接続されており、第２の下部電極２７と第１の上部電極２５は第２のヴィアホール３１を通じて電気的に接続されている。
圧電駆動機構の第１、第２の上下電極２３、２５、２７、２９はＡｌで作成し、厚さは抵抗値などを勘案して例えば１０ｎｍから１μｍ程度から選ぶことができるが、本実施形態では全て５０ｎｍとした。また、圧電膜８はｃ軸配向させたＡｌＮで作成し、厚さは変位量を勘案して例えば１０ｎｍから１μｍ程度から選ぶことができるが、本実施形態では全て５００ｎｍとした。支持膜１０はＳｉＯ２膜で作成し、厚さは１μｍとした。バリアブルキャパシタの等価面積は６４００μｍ2とし、また
本実施形態によれば、ヴィアホールを介して接続することにより、圧電膜や電極の外形と接続部を同時にパターニングすることができるので、接続するための余分な加工工程が不要となる。また、各駆動部において圧電膜を隔てて上下電極が対向している駆動領域を、例えば長方形などの駆動軸に対して上下および左右対称形に作成することができるので、捩れなどが生じない。本実施形態による圧電駆動型ＭＥＭＳ素子は安定した構造、良好な制御性、および広い移動範囲を持つ。
本実施形態によれば、ヴィアホールを介して接続することにより、圧電膜や電極の外形と接続部を同時にパターニングすることができるので、接続するための余分な加工工程が不要となる。また、各駆動部において圧電膜を隔てて上下電極が対向している駆動領域を、例えば長方形などの駆動軸に対して上下および左右対称形に作成することができるので、捩れなどが生じない。本実施形態による圧電駆動型ＭＥＭＳ素子は安定した構造、良好な制御性、および広い移動範囲を持つ。
そして、本実施形態の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子は、広範囲に亘って理想的な動作をする。すなわち、駆動電圧を加えた場合に第１の駆動部２２と第２の駆動部２６とは逆向きに変形する。例えば、第１の駆動部２２が上に凸に変形する時には、第２の駆動部２６は下に凸に変形し、それぞれの長さが同じであれば互いに面方位の傾きはキャンセルされ、圧電駆動型ＭＥＭＳ素子に余分な負荷が加わらない。
また、中央部のバリアブルキャパシタの可動電極６は常に平行に上下することが可能になり、可動電極６と固定電極３との間の容量は、離れた状態から面全体で接触する状態まで最も広い範囲で連続的に変化させることができる。
このバリアブルキャパシタに制御電圧（Ｖtune）を０Ｖ〜３Ｖ加えて、バリアブルキャパシタの可動電極６と、固定電極８間のキャパシタ容量を測定したところ、最小０．３４ｐＦ、最大５１ｐＦで１５０倍の非常に大きな可変幅を連続して得ることができた。
この実施形態の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子も、第１実施形態と同様に、信頼性が高く安定して作成可能となる。
（変形例）
次に、第１および第２実施形態の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子の変形例を、図９乃至図１１を参照して説明する。この変形例は、引き出し電極４からパッドへの取りだし方を変えたものである。
次に、第１および第２実施形態の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子の変形例を、図９乃至図１１を参照して説明する。この変形例は、引き出し電極４からパッドへの取りだし方を変えたものである。
図９に示すように、基板１に形成された凹部２を可動梁の長手方向と直交する方向の掘りこみを基板１の端部まで延長するとともに、引き出し電極４も延長し、この引き出し電極４上にパッド３５を形成してもよい。
また、図１０に示すように、凹部２のテーパー部に形成された引き出し電極４にパッド３５が電気的に接続するように基板１上に形成するように構成してもよい。
また、図１１に示すように、基板１の凹部２の底面に形成された引き出し電極４と電気的に接続するために、図４（ｄ）に示す犠牲層５中にヴィアホールを設け、このヴィアホールを介して引き出し電極４と、基板１上に設けられたパッド３６とを電気的に接続するように構成してもよい。
なお、各変形例においては、犠牲層を選択的にエッチング除去する前に、パッドを形成する必要がある。
上記第１乃至第２実施形態および各変形例においては、圧電駆動型ＭＥＭＳ素子はバリアブルキャパシタを例にとって説明したが、マイクロスイッチにも応用可能である。
また、第１乃至第２実施形態で説明したバリアブルキャパシタは、図１２に示すように、このバリアブルキャパシタ４４を、薄膜圧電共振器４３および増幅器４５と組合せることで、移動体通信機の電圧制御発振器（Voltage Controlled Oscillator: VCO）４１として利用することができる。
また、第１乃至第２実施形態で説明したバリアブルキャパシタは、図１６に示すように、このバリアブルキャパシタ７２ａをインダクタ素子７２ｂと組み合わせることで、移動体通信機のチューナブル整合回路７２として利用することができる。チューナブル整合回路７２を使用することで、例えば単一のアンテナを使用しながら周波数の異なる複数の搬送波に対して高い利得を実現することが可能になる。なお、図１６は、第１乃至第２実施形態の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子の応用例である２バンド移動体通信機の構成を示す回路図である。この２バンド移動体通信機は、アンテナ７１と、チューナブル整合回路７２と、バンド切替えスイッチ７３ａ、７３ｂと、送受信切替え器７４ａ、７４ｂと、第１の受信回路７５ａと、第１の送信回路７６ａと、第２の受信回路７５ｂと、第２の送信回路７６ｂとを備えている。
また、第１乃至第２実施形態で説明した圧電駆動型ＭＥＭＳ素子をマイクロスイッチとして用いる場合は、図１６に示すように、移動体通信機の例えばバンド切替えスイッチ７３ａ、７３ｂとして利用することができる。圧電駆動型ＭＥＭＳスイッチの使用により、通常の半導体素子を使用した高周波スイッチと比較してオン時の低い挿入損失とオフ時の高い絶縁分離特性を実現することが可能になる。
１ 基板
２ 凹部
３ 固定電極
４ 引き出し電極
５ 犠牲層
６ 可動電極
７ 下部電極
８ 圧電膜
９ 上部電極
１０ 支持膜
１１ 可動梁
１２ 圧電駆動機構
２ 凹部
３ 固定電極
４ 引き出し電極
５ 犠牲層
６ 可動電極
７ 下部電極
８ 圧電膜
９ 上部電極
１０ 支持膜
１１ 可動梁
１２ 圧電駆動機構
Claims (12)
- 凹部を有する基板上に前記凹部を跨ぐように設けられた圧電膜、前記圧電膜の両端に設けられ前記圧電膜を駆動する圧電駆動機構、および前記圧電膜の前記基板側の面の中央部に設けられた第１電極を有する可動梁と、
前記基板の前記凹部の平坦部に設けられ、前記可動梁の前記第１電極と対向する第２電極と、
を備えたことを特徴とする圧電駆動型ＭＥＭＳ素子。 - 前記圧電駆動機構は、前記圧電膜の前記基板側の面に設けられた第１駆動電極と、前記圧電膜の前記基板とは反対側の面に設けられた第２駆動電極とを備えたことを特徴とする請求項１記載の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子。
- 前記圧電駆動機構は、
前記圧電膜の前記基板側の面に設けられた第１および第２駆動電極と、
前記圧電膜の前記基板とは反対側の面に前記第１および第２駆動電極と対向して設けられた第３および第４駆動電極と、
前記圧電膜に設けられた第１ヴィアホールを介して前記第１駆動電極と前記第４駆動電極とを電気的に接続する第１接続部と、
前記圧電膜に設けられた第２ヴィアホールを介して前記第２駆動電極と前記第３駆動電極とを電気的に接続する第２接続部と、
を備えたことを特徴とする請求項１記載の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子。 - 前記可動梁は、前記圧電膜を支持する支持膜を備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子。
- 前記凹部は、十字形状であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子。
- 前記圧電膜は、ウルツ鉱型の結晶を有する材料またはペロブスカイト系強誘電体のいずれかからなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子。
- 前記駆動電極は、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）のいずれかを主成分とすることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子。
- 請求項１乃至７のいずれかに記載の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子をバリアブルキャパシタとして有する電圧制御発振器を備えたことを特徴とする移動体通信機。
- 請求項１乃至７のいずれかに記載の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子をバリアブルキャパシタとして有するチューナブル整合回路を備えたことを特徴とする移動体通信機。
- 請求項１乃至７のいずれかに記載の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子を高周波スイッチとして有することを特徴とする移動体通信機。
- 基板に底部が平坦な凹部を形成する工程と、
前記凹部の底部に第１電極を形成する工程と、
前記凹部内に犠牲層を埋め込む工程と、
前記基板の表面上の前記犠牲層を除去して前記基板の表面を平坦化する工程と、
前記凹部を跨ぐように前記基板上に、少なくても圧電膜、この圧電膜を駆動する圧電駆動機構、および前記第１電極に対向する第２電極を有する可動梁を形成する工程と、
前記犠牲層をエッチングにより除去する工程と、
を備えたことを特徴とする圧電駆動型ＭＥＭＳ素子の製造方法。 - 前記基板上に絶縁膜が形成されており、前記凹部は、前記絶縁膜の一部を除去することによって形成されることを特徴とする請求項１１記載の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子の製造方法。
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