JP2006066647A - Variable capacitor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高周波領域においても誘電損失が小さく良好に動作することができる可変コンデンサに関するものであり、特に直流バイアス電圧の印加により容量を大きく変化できるが、高周波信号による容量の変化,ノイズ,非線形歪みは小さく抑えることができる可変コンデンサに関するものである。 The present invention relates to a variable capacitor that can operate satisfactorily with low dielectric loss even in a high-frequency region. In particular, the capacitance can be changed greatly by applying a DC bias voltage. The present invention relates to a variable capacitor that can suppress distortion.
常誘電体であるチタン酸ストロンチウム(SrTiO3)薄膜や、強誘電体であるチタン酸ストロンチウムバリウム((Ba,Sr)TiO3)薄膜は、IC用誘電体薄膜コンデンサとして従来より使用されているSiO2薄膜,Si3N4薄膜,Ta2O5薄膜に比べ誘電率が高く、IC用誘電体薄膜コンデンサの小面積化に好適な誘電体材料として期待されている。 A strontium titanate (SrTiO 3 ) thin film that is a paraelectric material and a strontium barium titanate ((Ba, Sr) TiO 3 ) thin film that is a ferroelectric material are conventionally used as dielectric thin film capacitors for ICs. It is expected to be a dielectric material suitable for reducing the area of a dielectric thin film capacitor for ICs because it has a higher dielectric constant than two thin films, Si 3 N 4 thin films, and Ta 2 O 5 thin films.
そして、これらチタン酸ストロンチウムやチタン酸ストロンチウムバリウム等のペロブスカイト構造を有する強誘電体酸化物薄膜を誘電体層として用いた薄膜コンデンサが提案されている(例えば、特許文献1を参照。)。 A thin film capacitor using a ferroelectric oxide thin film having a perovskite structure such as strontium titanate or strontium barium titanate as a dielectric layer has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
特許文献1に開示された薄膜コンデンサでは、図20に断面図で示すように、支持基板201上に、第1電極層202と、薄膜誘電体層203と、第2電極層204とを順次被着形成している。具体的には、支持基板201上の略全面に第1電極層202となる導体層を被着形成した後、第1電極層202の電極形状にパターン加工を行ない、所定形状の第1電極層202を形成する。次に、第1電極層202上に薄膜誘電体層203を形成する。この薄膜誘電体層203は、所定位置にマスクを載置して薄膜形成法により形成したり、あるいはスピンコート法により形成し、その後、所定形状にパターニングしたりして形成する。なお、必要に応じて薄膜誘電体層203について加熱硬化を行なう。
In the thin film capacitor disclosed in
次に、第2電極層204は、薄膜誘電体層203上の略全面に導体層を形成した後、第2電極204の電極形状にパターン加工を施して形成する。なお、ここで、薄膜誘電体層203のうち、実際に第1電極層202と第2電極層204とで挟持される対向領域が容量発生領域となる。
Next, the
このような薄膜コンデンサ200は、実際の使用時においては、薄膜誘電体層203に所定のバイアス信号(バイアス電圧)を印加することにより、薄膜誘電体層203の誘電率を所望の値に制御することができ、もって容量特性を制御することができ、可変コンデンサとして機能するものとなる。
上述のような可変コンデンサを高周波用電子部品で用いる場合には、可変コンデンサには容量可変用の直流バイアス電圧と、高周波信号の電圧(高周波電圧)とが同時に印加されることになる。その際、高周波電圧が高い場合は、高周波電圧によっても可変コンデンサの容量が変化するようになる。このような可変コンデンサを高周波用電子部品に用いると、高周波電圧による容量変化のため、波形歪みや相互変調歪みに起因するノイズが生じるようになる。波形歪みや相互変調歪みに起因するノイズを小さくするには、高周波電界強度を下げ、高周波電圧による容量変化を小さくする必要があり、そのためには、誘電体層の厚みを厚くすることが有効であるが、誘電体層の厚みを厚くすると直流電界強度も小さくなるので、容量変化率も下がってしまうという問題点がある。 When the variable capacitor as described above is used in a high-frequency electronic component, a variable-capacitance DC bias voltage and a high-frequency signal voltage (high-frequency voltage) are simultaneously applied to the variable capacitor. At this time, when the high frequency voltage is high, the capacitance of the variable capacitor also changes depending on the high frequency voltage. When such a variable capacitor is used for a high-frequency electronic component, noise due to waveform distortion or intermodulation distortion occurs due to capacitance change due to a high-frequency voltage. In order to reduce noise caused by waveform distortion and intermodulation distortion, it is necessary to reduce the high-frequency electric field strength and to reduce the capacitance change due to the high-frequency voltage. For this purpose, it is effective to increase the thickness of the dielectric layer. However, if the thickness of the dielectric layer is increased, the DC electric field strength is also reduced, and the capacity change rate is also lowered.
また、高周波ではコンデンサには電流が流れやすくなるため、可変コンデンサを高周波で使用中にはコンデンサの損失抵抗により発熱して破壊されてしまうことがある。このような耐電力の問題に対しても、誘電体層の厚みを厚くし、単位体積当たりの発熱量を小さくすることが有効であるが、前述のように単純に誘電体層の厚みを厚くすると、直流電界強度も小さくなるため、直流バイアスによる容量変化率も下がってしまうという問題点がある。 In addition, since a current easily flows through a capacitor at a high frequency, the variable capacitor may be damaged due to heat generated by the loss resistance of the capacitor while the variable capacitor is used at a high frequency. It is effective to increase the thickness of the dielectric layer and reduce the amount of heat generated per unit volume in order to cope with such a problem of withstand power. However, as described above, the thickness of the dielectric layer is simply increased. Then, since the DC electric field intensity is also reduced, there is a problem that the capacity change rate due to the DC bias is also lowered.
本発明は,以上のような従来の技術における問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的は、印加される直流バイアス電圧を効率的に誘電体層に印加できるようにすることにより、直流バイアスによる容量変化率を大きくしつつも、高周波信号による容量変化率は小さく、相互変調歪みが小さく、耐電力に優れた可変コンデンサを提供することにある。 The present invention has been devised in view of the above problems in the prior art, and its object is to enable an applied DC bias voltage to be efficiently applied to a dielectric layer. An object of the present invention is to provide a variable capacitor that has a high capacitance change rate due to a DC bias, a low capacitance change rate due to a high-frequency signal, a low intermodulation distortion, and an excellent power resistance.
また、本発明の別の目的は、使用可能な周波数領域が広く、かつ小型集積化が可能な可変コンデンサを提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a variable capacitor that has a wide usable frequency range and can be miniaturized.
本発明の第1の可変コンデンサは、1)直列に接続された、直流バイアス電圧により容量の変化する複数の可変容量素子と、これら各可変容量素子に接続された、前記直流バイアス電圧を印加するバイアスラインとを具備する可変コンデンサであって、前記バイアスラインは抵抗成分およびインダクタンス成分の少なくとも一方を有するとともに前記抵抗成分および前記インダクタンス成分が高周波信号を遮断する大きさであり、かつ前記バイアスラインにかかる前記直流バイアス電圧の分圧は前記可変容量素子にかかる前記直流バイアス電圧の分圧よりも小さく、前記バイアスラインの抵抗値は温度が上がるとともに下がることを特徴とするものである。 The first variable capacitor according to the present invention is applied to 1) a plurality of variable capacitance elements that are connected in series and whose capacitance is changed by a DC bias voltage, and the DC bias voltage connected to each of these variable capacitance elements is applied. A variable capacitor having a bias line, the bias line having at least one of a resistance component and an inductance component, and having a size such that the resistance component and the inductance component block a high-frequency signal, and The divided voltage of the DC bias voltage is smaller than the divided voltage of the DC bias voltage applied to the variable capacitance element, and the resistance value of the bias line decreases as the temperature increases.
また、本発明の第1の可変コンデンサは、2)上記1)の構成において、前記バイアスラインの前記抵抗成分は、100MHz以上の高周波信号を遮断し、かつ使用温度範囲内で前記可変容量素子の絶縁抵抗の1/100以下の大きさであることを特徴とするものである。 The first variable capacitor of the present invention is 2) In the configuration of 1) above, the resistance component of the bias line blocks a high-frequency signal of 100 MHz or more, and the variable capacitance element of the variable capacitance element is within a use temperature range. It is characterized by having a magnitude of 1/100 or less of the insulation resistance.
また、本発明の第2の可変コンデンサは、3)直列に接続された、直流バイアス電圧により容量の変化する複数の可変容量素子と、これら各可変容量素子に接続された、前記直流バイアス電圧を印加する個別バイアスラインと、これら個別バイアスラインに接続された共通バイアスラインとを具備する可変コンデンサであって、前記共通バイアスラインおよび前記個別バイアスラインは、抵抗成分およびインダクタンス成分の少なくとも一方を有するとともに前記抵抗成分および前記インダクタンス成分が高周波信号を遮断する大きさであり、かつ前記共通バイアスラインおよび前記個別バイアスラインにかかる前記直流バイアス電圧の分圧は前記可変容量素子にかかる前記直流バイアス電圧の分圧よりも小さく、前記共通バイアスラインおよび前記個別バイアスラインの抵抗値は温度が上がるとともに下がることを特徴とするものである。 The second variable capacitor according to the present invention includes 3) a plurality of variable capacitance elements that are connected in series and whose capacitance is changed by a DC bias voltage, and the DC bias voltage connected to each of these variable capacitance elements. A variable capacitor having an individual bias line to be applied and a common bias line connected to the individual bias lines, wherein the common bias line and the individual bias line have at least one of a resistance component and an inductance component. The resistance component and the inductance component are sized to cut off a high-frequency signal, and the DC bias voltage applied to the common bias line and the individual bias line is divided by the DC bias voltage applied to the variable capacitance element. The common bias line is smaller than the pressure. Resistance of the fine the individual bias line is characterized in that the decrease with temperature rise.
また、本発明の第2の可変コンデンサは、4)上記3)の構成において、前記共通バイアスラインおよび前記個別バイアスラインの抵抗成分は、100MHz以上の高周波信号を遮断し、かつ使用温度範囲内で前記共通バイアスラインの前記個別バイアスラインに分配された抵抗成分と前記個別バイアスラインの抵抗成分との合計が前記可変容量素子の絶縁抵抗の1/100以下の大きさであることを特徴とするものである。 In the second variable capacitor of the present invention, 4) in the configuration of 3) above, the resistance component of the common bias line and the individual bias line cuts off a high frequency signal of 100 MHz or more and is within the operating temperature range. The sum of the resistance component distributed to the individual bias line of the common bias line and the resistance component of the individual bias line is 1/100 or less of the insulation resistance of the variable capacitance element. It is.
なお、本発明の第1および第2の可変コンデンサは、5)上記1)〜4)の構成のいずれかにおいて、前記可変容量素子は、(Bax,Sr1−x)yTi1−yO3−z(ただし、0<x<1,0<y<1,zは0よりわずかに大きい値であり、1よりかなり小さい値である。)からなる薄膜誘電体層を備えているものとするとよい。 The first and second variable capacitors of the present invention are 5) In any one of the above configurations 1) to 4), the variable capacitance element is (Ba x , Sr 1-x ) y Ti 1-y Provided with a thin film dielectric layer consisting of O 3-z (where 0 <x <1, 0 <y <1, z is a value slightly larger than 0 and considerably smaller than 1) It is good to do.
本発明の第1の可変コンデンサによれば、上記1)のように構成したので、直流バイアス電圧はバイアスラインを介して各可変容量素子に単独に印加されることになるため、直流的には複数の可変容量素子が並列に接続された可変コンデンサとなり、バイアス信号の直流バイアス電圧による各可変容量素子の容量変化率を最大限に利用することができる。一方、バイアス信号に加わる高周波信号は十分な大きさの抵抗成分およびインダクタンス成分の一方を有するバイアスラインにより遮断されるため、複数の可変容量素子がこの可変コンデンサに入力される高周波信号に対して高周波的には直列に接続された可変コンデンサとなる。従って、高周波電圧(高周波信号の電圧)は各可変容量素子に分圧されるため、高周波信号による容量変化を小さくすることができ、波形歪みや相互変調歪み等を抑制することができる。 According to the first variable capacitor of the present invention, since it is configured as described in 1) above, the DC bias voltage is applied to each variable capacitance element via the bias line. A variable capacitor in which a plurality of variable capacitance elements are connected in parallel is obtained, and the capacity change rate of each variable capacitance element due to the DC bias voltage of the bias signal can be utilized to the maximum. On the other hand, since the high-frequency signal applied to the bias signal is blocked by a bias line having one of a sufficiently large resistance component and inductance component, a plurality of variable capacitance elements have a high frequency with respect to the high-frequency signal input to the variable capacitor. It becomes a variable capacitor connected in series. Therefore, since the high frequency voltage (voltage of the high frequency signal) is divided by each variable capacitance element, the capacitance change due to the high frequency signal can be reduced, and waveform distortion, intermodulation distortion, and the like can be suppressed.
さらに、バイアスラインにかかる直流バイアス電圧の分圧は、可変容量素子にかかる直流バイアス電圧の分圧よりも小さくなっている。すなわち、バイアスラインの抵抗成分と可変容量素子の絶縁抵抗との抵抗値の比により直流バイアス電圧は分圧されるため、これにより、印加される直流バイアス電圧はより効率的に可変容量素子に印加され、良好な容量変化率を有するものとなる。 Further, the divided voltage of the DC bias voltage applied to the bias line is smaller than the divided voltage of the DC bias voltage applied to the variable capacitance element. In other words, since the DC bias voltage is divided by the ratio of the resistance value of the bias line resistance component and the insulation resistance of the variable capacitance element, the applied DC bias voltage is more efficiently applied to the variable capacitance element. And has a good capacity change rate.
さらにまた、可変容量素子の抵抗成分の温度係数は通常は負であり、これとバイアスラインの抵抗値の温度係数はともに負であり、同じ符号をとるため、温度が変わってもバイアスラインの抵抗値と可変容量素子の絶縁抵抗との比を同程度に維持できるため、印加される直流バイアス電圧は、温度が変わっても効率的に可変容量素子に印加されることとなる。 Furthermore, the temperature coefficient of the resistance component of the variable capacitance element is normally negative, and the temperature coefficient of the resistance value of the bias line is both negative and takes the same sign, so even if the temperature changes, the resistance of the bias line Since the ratio between the value and the insulation resistance of the variable capacitance element can be maintained at the same level, the applied DC bias voltage is efficiently applied to the variable capacitance element even if the temperature changes.
また、本発明の第1の可変コンデンサによれば、上記2)のように構成したときには、100MHz以上の高周波信号を遮断することにより、100MHz以上の高周波領域において各可変容量素子が直列に接続されたものとみなせるため、近年の通信分野において活発に利用されているGHz帯の高周波領域において、波形歪みや相互変調歪みが小さく、かつ耐電力の優れた可変コンデンサとなる。 Also, according to the first variable capacitor of the present invention, when configured as in 2) above, each variable capacitance element is connected in series in a high frequency region of 100 MHz or higher by blocking a high frequency signal of 100 MHz or higher. Therefore, in a high frequency region of the GHz band that is actively used in the communication field in recent years, it becomes a variable capacitor with small waveform distortion and intermodulation distortion and excellent power durability.
さらに、使用温度範囲内でバイアスラインの抵抗成分を可変容量素子の絶縁抵抗の1/100以下とすることにより、印加される直流バイアスの95%以上を可変容量素子に印加することができ、より効率的に容量を変化させて所望の容量値を得ることができる。 Furthermore, by setting the resistance component of the bias line within the operating temperature range to 1/100 or less of the insulation resistance of the variable capacitance element, 95% or more of the applied DC bias can be applied to the variable capacitance element. A desired capacity value can be obtained by changing the capacity efficiently.
また、本発明の第2の可変コンデンサによれば、上記3)のように構成したので、本発明の第1の可変コンデンサと同様の効果を得ることができるとともに、複数の個別バイアスラインに共通に接続された共通バイアスラインを具備しており、それら共通バイアスラインおよび個別バイアスラインが抵抗成分およびインダクタンス成分の少なくとも一方を有するので、同じ大きさのバイアスラインの抵抗成分およびインダクタンス成分の少なくとも一方を、本発明の第1の可変コンデンサにおけるように可変容量素子に接続されたそれぞれの個別バイアスラインのみで構成するよりも、共通バイアスラインを含んで両者で確保する構成にした方が、それら抵抗成分およびインダクタンス成分を実現する部分の形状を小さくすることができるため、個別バイアスラインを作製する際に、個別バイアスラインの抵抗成分およびインダクタンス成分の少なくとも一方のそれを実現する部分の大きさを可変容量素子の素子形状等に対する制約のため大きくできない場合でも、それを補って十分な大きさの抵抗成分およびインダクタンス成分を確保することができる。 Further, according to the second variable capacitor of the present invention, since it is configured as in the above 3), the same effect as that of the first variable capacitor of the present invention can be obtained, and common to a plurality of individual bias lines. Since the common bias line and the individual bias line have at least one of a resistance component and an inductance component, at least one of the resistance component and the inductance component of the same size bias line is provided. In the first variable capacitor according to the present invention, the resistance component is configured to be secured by including both the common bias line and the individual bias lines, rather than only the individual bias lines connected to the variable capacitance elements. And the shape of the part that realizes the inductance component can be reduced. Even when the individual bias line is manufactured, even if the size of the part that realizes at least one of the resistance component and the inductance component of the individual bias line cannot be increased due to restrictions on the element shape of the variable capacitance element, etc. In addition, a sufficiently large resistance component and inductance component can be secured.
さらにまた、可変容量素子の抵抗成分の温度係数は通常は負であり、これと共通バイアスラインおよび個別バイアスラインの抵抗値の温度係数はともに負で同じ符号をとるため、温度が変わっても共通バイアスラインおよび個別バイアスラインの抵抗値と可変容量素子の絶縁抵抗との比を同程度に維持できるため、印加される直流バイアス電圧は、温度が変わっても効率的に可変容量素子に印加されることとなる。 Furthermore, the temperature coefficient of the resistance component of the variable capacitance element is normally negative, and the temperature coefficient of the resistance value of the common bias line and the individual bias line is both negative and has the same sign, so that it is common even if the temperature changes. Since the ratio between the resistance value of the bias line and the individual bias line and the insulation resistance of the variable capacitance element can be maintained at the same level, the applied DC bias voltage is efficiently applied to the variable capacitance element even if the temperature changes. It will be.
また、本発明の第2の可変コンデンサによれば、上記4)のように構成したときには、本発明の第1の可変コンデンサと同様に、近年の通信分野において活発に利用されているGHz帯の高周波領域において、波形歪みや相互変調歪みが小さく、かつ耐電力の優れた可変コンデンサとなる。さらに、使用温度範囲内で共通バイアスラインの個別バイアスラインに分配された抵抗成分と個別バイアスラインの抵抗成分との合計を可変容量素子の絶縁抵抗の1/100以下とすることにより、印加される直流バイアス電圧の95%以上を可変容量素子に印加することができ、より効率的に容量を変化させて所望の容量値を得ることができる。 Further, according to the second variable capacitor of the present invention, when configured as in the above 4), similarly to the first variable capacitor of the present invention, in the GHz band actively used in the recent communication field. In a high-frequency region, a variable capacitor having small waveform distortion and intermodulation distortion and excellent power durability is obtained. Furthermore, it is applied by making the sum of the resistance component distributed to the individual bias lines of the common bias line and the resistance component of the individual bias line within the operating temperature range be 1/100 or less of the insulation resistance of the variable capacitance element. 95% or more of the DC bias voltage can be applied to the variable capacitance element, and a desired capacitance value can be obtained by changing the capacitance more efficiently.
なお、本発明の第1および第2の可変コンデンサは、上記5)のように、可変容量素子が(Bax,Sr1−x)yTi1−yO3−zからなる薄膜誘電体層を備えているものとするとよく、これにより、可変容量素子の容量変化率を大きく、かつ損失が小さいものとすることができる。 The first and second variable capacitors of the present invention are thin film dielectric layers in which the variable capacitance element is made of (Ba x , Sr 1-x ) y Ti 1-y O 3 -z as in 5) above. Therefore, the capacitance change rate of the variable capacitance element can be increased and the loss can be reduced.
以下、本発明の可変コンデンサの実施の形態の例について、図面を用いて詳細に説明する。 Hereinafter, examples of embodiments of a variable capacitor of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、5個の可変容量素子が直列に接続されている場合の本発明の第1の可変コンデンサの実施の形態の一例を示す回路図である。図1において、C1,C2,C3,C4,C5は可変容量素子(第1の可変容量素子C1,第2の可変容量素子C2,第3の可変容量素子C3,第4の可変容量素子C4,第5の可変容量素子C5)であり、各々の絶縁抵抗はRc1,Rc2,Rc3,Rc4,Rc5となっている。また、B11,B12,B21,B22は抵抗成分およびインダクタ成分の少なくとも一方を有するバイアスライン(図では、抵抗成分R11,R12,R21,R22を示す。)である。また、図1では、高周波信号および直流バイアス電圧は共通端子から印加される構成となっており、符号Iは入力端子を、符号Oは出力端子を表わす。 FIG. 1 is a circuit diagram showing an example of an embodiment of a first variable capacitor according to the present invention when five variable capacitance elements are connected in series. In FIG. 1, C1, C2, C3, C4, and C5 are variable capacitance elements (first variable capacitance element C1, second variable capacitance element C2, third variable capacitance element C3, and fourth variable capacitance element C4. The fifth variable capacitance element C5) has insulation resistances Rc1, Rc2, Rc3, Rc4, and Rc5. B11, B12, B21, and B22 are bias lines having at least one of a resistance component and an inductor component (in the figure, resistance components R11, R12, R21, and R22 are shown). In FIG. 1, the high-frequency signal and the DC bias voltage are applied from a common terminal, where symbol I represents an input terminal and symbol O represents an output terminal.
そして、第1の可変容量素子C1の入力側端子部と、第2の可変容量素子C2−第3の可変容量素子C3の直列接続点および第4の可変容量素子C4−第5の可変容量素子C5の直列接続点との間に、抵抗成分R11,R12を有するバイアスラインB11,B12をそれぞれ設けている。 Then, the input-side terminal portion of the first variable capacitance element C1, the series connection point of the second variable capacitance element C2 to the third variable capacitance element C3, and the fourth variable capacitance element C4 to the fifth variable capacitance element. Bias lines B11 and B12 having resistance components R11 and R12 are respectively provided between the series connection points of C5.
また、第5の可変容量素子C5の出力側端子部と、第3の可変容量素子C3−第4の可変容量素子C4の直列接続点および第1の可変容量素子C1−第2の可変容量素子C2の直列接続点との間に、抵抗成分R21,R22を有するバイアスラインB21,B22をそれぞれ設けている。 The output side terminal portion of the fifth variable capacitance element C5, the series connection point of the third variable capacitance element C3 to the fourth variable capacitance element C4, and the first variable capacitance element C1 to the second variable capacitance element. Bias lines B21 and B22 having resistance components R21 and R22 are respectively provided between the series connection points of C2.
図1において、バイアスラインB11,B12,B21,B22の抵抗成分R11,R12,R21,R22は、直列接続した可変容量素子C1〜C5の高周波信号の周波数領域でのインピーダンスよりも大きな抵抗成分となっており、高周波信号を遮断するため、高周波信号は直列接続した可変容量素子C1〜C5を通り、直流バイアス電圧は各可変容量素子C1〜C5に独立に印加されることになる。 In FIG. 1, the resistance components R11, R12, R21, and R22 of the bias lines B11, B12, B21, and B22 are resistance components that are larger than the impedance in the frequency region of the high-frequency signal of the variable capacitance elements C1 to C5 connected in series. In order to cut off the high frequency signal, the high frequency signal passes through the variable capacitance elements C1 to C5 connected in series, and the DC bias voltage is independently applied to each of the variable capacitance elements C1 to C5.
これにより、直流バイアス電圧は各可変容量素子C1〜C5にそれぞれ単独に印加されることになるため、直流的には可変容量素子C1〜C5が並列に接続された可変コンデンサとなり、バイアス信号による各可変容量素子C1〜C5の容量変化率を最大限に利用することができる。一方、高周波信号はバイアスラインB11,B12,B21,B22により遮断されるため、高周波的には可変容量素子C1〜C5が直列に接続された可変コンデンサとなる。従って、高周波電圧は各可変容量素子C1〜C5に分圧されるため、高周波信号による容量変化を小さくでき、波形歪みや相互変調歪み等を抑制することができる。 As a result, the DC bias voltage is individually applied to each of the variable capacitance elements C1 to C5. Therefore, in terms of DC, the variable capacitance elements C1 to C5 become variable capacitors connected in parallel, and each of the bias signals is applied to each variable capacitance element C1 to C5. The capacitance change rate of the variable capacitance elements C1 to C5 can be utilized to the maximum. On the other hand, since the high frequency signal is cut off by the bias lines B11, B12, B21, and B22, the high frequency signal becomes a variable capacitor in which variable capacitance elements C1 to C5 are connected in series. Therefore, since the high frequency voltage is divided into the variable capacitance elements C1 to C5, the capacitance change due to the high frequency signal can be reduced, and waveform distortion, intermodulation distortion, and the like can be suppressed.
ここで、バイアスラインB11,B12,B21,B22の抵抗成分R11,R12,R21,R22が小さすぎると、高周波信号もバイアスラインB11,B12,B21,B22を流れることとなり、各可変容量素子C1〜C5の高周波信号による容量変化が大きくなり、位相が−90°より大きく離れて、Q値が低下することとなる。一方、バイアスラインB11,B12,B21,B22の抵抗成分R11,R12,R21,R22が大きすぎると、分圧により各可変容量素子C1〜C5に印加される直流バイアス電圧が減少し、容量変化が小さくなることとなる。従って、バイアスラインB11,B12,B21,B22の抵抗成分R11,R12,R21,R22の大きさは適切な範囲の大きさ、例えば次に例示するような大きさとする必要がある。 Here, if the resistance components R11, R12, R21, and R22 of the bias lines B11, B12, B21, and B22 are too small, the high-frequency signal also flows through the bias lines B11, B12, B21, and B22. The capacitance change due to the high frequency signal of C5 becomes large, the phase is more than -90 °, and the Q value is lowered. On the other hand, if the resistance components R11, R12, R21, and R22 of the bias lines B11, B12, B21, and B22 are too large, the DC bias voltage applied to each of the variable capacitance elements C1 to C5 decreases due to the voltage division, and the capacitance changes. It will be smaller. Therefore, the resistance components R11, R12, R21, and R22 of the bias lines B11, B12, B21, and B22 need to be in an appropriate range, for example, the following size.
図2はバイアスラインB11,B12,B21,B22の抵抗成分R11,R12,R21,R22の下限値を設定するために、図1において各可変容量素子C1〜C5の絶縁抵抗をRc1=Rc2=Rc3=Rc4=Rc5=10GΩとし、R11=R12=R21=R22=Rとして、バイアスラインB11,B12,B21,B22の抵抗成分R11,R12,R21,R22の大きさと、位相との関係をシミュレーションにより求めた結果を示す線図である。図2において、横軸は周波数Frequency(単位:Hz)を、縦軸は位相Phase(単位:deg)を表し、特性曲線はRをそれぞれ500kΩ,1MΩ,5MΩ,10MΩおよび50MΩに設定した場合の位相の周波数特性を示している。なお、図2中の横軸の1.0E+05とは、105すなわち100kを示し、1.0E+06とは、105すなわち1Mを示す。 FIG. 2 shows the insulation resistances of the variable capacitance elements C1 to C5 in FIG. 1 for setting the lower limit values of the resistance components R11, R12, R21, and R22 of the bias lines B11, B12, B21, and B22. = Rc4 = Rc5 = 10 GΩ, R11 = R12 = R21 = R22 = R, and the relationship between the magnitudes and phases of the resistance components R11, R12, R21, R22 of the bias lines B11, B12, B21, B22 is obtained by simulation It is a diagram which shows the result. In FIG. 2, the horizontal axis represents the frequency (unit: Hz), the vertical axis represents the phase (unit: deg), and the characteristic curves show the phases when R is set to 500 kΩ, 1 MΩ, 5 MΩ, 10 MΩ, and 50 MΩ, respectively. The frequency characteristics are shown. Note that the 1.0E + 05 on the horizontal axis in FIG. 2, 10 5 i.e. indicates 100k, and 1.0E + 06, indicating a 105 i.e. 1M.
図2に示す結果より、バイアスラインB11,B12,B21,B22の抵抗成分R11,R12,R21,R22が大きくなるほど、低周波領域においても位相が−90°に近づいていくことがわかる。そして、バイアスラインB11,B12,B21,B22の抵抗値Rが1MΩ以上のときには、100MHz以上の高周波信号はほぼ遮断され、高周波信号はバイアスラインB11,B12,B21,B22に漏れることなく直列接続された可変容量素子C1〜C5を通ることとなるため、近年の通信分野において活発に利用されているGHz帯の高周波領域においても、波形歪みや相互変調歪みが小さく、かつ耐電力の優れた可変コンデンサとなる。 From the results shown in FIG. 2, it can be seen that as the resistance components R11, R12, R21, and R22 of the bias lines B11, B12, B21, and B22 increase, the phase approaches −90 ° even in the low frequency region. When the resistance value R of the bias lines B11, B12, B21, and B22 is 1 MΩ or more, the high-frequency signal of 100 MHz or more is substantially cut off, and the high-frequency signal is connected in series to the bias lines B11, B12, B21, and B22 without leaking. Since the variable capacitance elements C1 to C5 are passed through, the variable capacitor having small waveform distortion and intermodulation distortion and excellent power durability even in the high frequency region of the GHz band which is actively used in the recent communication field. It becomes.
また、図3はバイアスラインB11,B12,B21,B22の抵抗成分R11,R12,R21,R22の上限値を設定するために、図1に示す構成において、各可変容量素子C1〜C5の絶縁抵抗Rc1〜Rc5の抵抗値RcとバイアスラインB11,B12,B21,B22の抵抗値Rとの比に対する、各可変容量素子C1〜C5に印加される直流バイアス電圧の電圧の割合の変化をシミュレーションにより求めた結果を示す線図である。すなわち、バイアスラインB11,B12,B21,B22の抵抗成分であるR11,R12,R21,R22により、入出力端子I,O間に印加された直流バイアス電圧は、バイアスラインB11,B12,B21,B22と各可変容量素子C1〜C5とに分圧されるが、その分圧比は、バイアスラインB11,B12,B21,B22の抵抗成分R11,R12,R21,R22の抵抗値Rと、各可変容量素子C1〜C5の絶縁抵抗Rc1〜Rc5の抵抗値Rcとの比で決定される。ここでは、Rc1=Rc2=Rc3=Rc4=Rc5=Rc、R11=R12=R21=R22=Rとし、各々の抵抗成分の比Rc/Rと、各可変容量素子C1〜C5に印加される直流バイアス電圧の電圧の割合の変化をシミュレーションにより求めた。なお、図3において、横軸は抵抗成分の比Rc/Rを、縦軸は可変容量素子に印加される電圧の割合を表し、黒点および特性曲線はその変化の様子を示している。 3 shows the insulation resistances of the variable capacitance elements C1 to C5 in the configuration shown in FIG. 1 in order to set the upper limit values of the resistance components R11, R12, R21, and R22 of the bias lines B11, B12, B21, and B22. The change in the ratio of the voltage of the DC bias voltage applied to each of the variable capacitance elements C1 to C5 with respect to the ratio of the resistance value Rc of Rc1 to Rc5 and the resistance value R of the bias lines B11, B12, B21, B22 is obtained by simulation. It is a diagram which shows the result. That is, the DC bias voltage applied between the input / output terminals I and O by the resistance components R11, R12, R21 and R22 of the bias lines B11, B12, B21 and B22 is the bias lines B11, B12, B21 and B22. Are divided into the variable capacitance elements C1 to C5, and the voltage division ratio is determined by the resistance values R of the resistance components R11, R12, R21, R22 of the bias lines B11, B12, B21, B22 and the variable capacitance elements. It is determined by the ratio of the resistance values Rc of the insulation resistances Rc1 to Rc5 of C1 to C5. Here, Rc1 = Rc2 = Rc3 = Rc4 = Rc5 = Rc, R11 = R12 = R21 = R22 = R, the resistance component ratio Rc / R, and the DC bias applied to each variable capacitance element C1 to C5 The change of the voltage ratio of the voltage was obtained by simulation. In FIG. 3, the horizontal axis represents the resistance component ratio Rc / R, the vertical axis represents the ratio of the voltage applied to the variable capacitance element, and the black dots and the characteristic curves indicate the change.
図3に示す結果より、Rc/Rが小さくなるほど、すなわち可変容量素子C1〜C5の絶縁抵抗Rc1〜Rc5が小さくなるほど、もしくはバイアスラインB11,B12,B21,B22の抵抗成分R11,R12,R21,R22が大きくなるほど、各可変容量素子C1〜C5に印加される直流バイアス電圧の割合が減少することがわかる。 From the results shown in FIG. 3, as Rc / R decreases, that is, as the insulation resistances Rc1 to Rc5 of the variable capacitors C1 to C5 decrease, or the resistance components R11, R12, R21 of the bias lines B11, B12, B21, B22, It can be seen that as R22 increases, the ratio of the DC bias voltage applied to each of the variable capacitance elements C1 to C5 decreases.
そして、可変容量素子C1〜C5の絶縁抵抗Rc1〜Rc5とバイアスラインB11,B12,B21,B22の抵抗成分R11,R12,R21,R22との比Rc/Rを5以上とすることにより、可変容量素子C1〜C5に印加される直流バイアス電圧の分圧がバイアスラインB11,B12,B21,B22に印加される直流バイアス電圧の分圧よりも大きくなるため、入出力端子I,O間に印加される直流バイアス電圧の半分以上は可変容量素子C1〜C5に印加され、所望の容量値を効率よく得ることができるものとなる。 Then, by setting the ratio Rc / R of the insulation resistances Rc1 to Rc5 of the variable capacitance elements C1 to C5 and the resistance components R11, R12, R21, and R22 of the bias lines B11, B12, B21, and B22 to 5 or more, the variable capacitance Since the divided voltage of the DC bias voltage applied to the elements C1 to C5 is larger than the divided voltage of the DC bias voltage applied to the bias lines B11, B12, B21, and B22, it is applied between the input / output terminals I and O. More than half of the DC bias voltage to be applied is applied to the variable capacitance elements C1 to C5, and a desired capacitance value can be obtained efficiently.
さらに、入出力端子I,O間に印加された直流バイアス電圧の95%以上が可変容量素子C1〜C5に印加され、これによって極めて効率よく所望の容量値を得るには、可変容量素子C1〜C5の絶縁抵抗Rc1〜Rc5とバイアスラインB11,B12,B21,B22の抵抗成分R11,R12,R21,R22との比Rc/Rを100以上、すなわち、バイアスラインB11,B12,B21,B22の抵抗成分R11,R12,R21,R22の大きさを、各可変容量素子C1〜C5の絶縁抵抗Rc1〜Rc5の1/100以下とする必要があることがわかった。 Further, 95% or more of the DC bias voltage applied between the input / output terminals I and O is applied to the variable capacitance elements C1 to C5, and in order to obtain a desired capacitance value very efficiently, the variable capacitance elements C1 to C1 can be obtained. The ratio Rc / R between the insulation resistances Rc1 to Rc5 of C5 and the resistance components R11, R12, R21, R22 of the bias lines B11, B12, B21, B22 is 100 or more, that is, the resistances of the bias lines B11, B12, B21, B22 It has been found that the sizes of the components R11, R12, R21, and R22 need to be 1/100 or less of the insulation resistances Rc1 to Rc5 of the variable capacitance elements C1 to C5.
以上、図2および図3に示す結果よりわかるように、図1に示す構成において、バイアスラインB11,B12,B21,B22の抵抗成分R11,R12,R21,R22の大きさを1MΩ以上とし、かつ各可変容量素子C1〜C5の絶縁抵抗Rc1〜Rc5の1/100以下とすればよい。 As can be seen from the results shown in FIGS. 2 and 3, in the configuration shown in FIG. 1, the resistance components R11, R12, R21, and R22 of the bias lines B11, B12, B21, and B22 are set to 1 MΩ or more, and The insulation resistances Rc1 to Rc5 of the variable capacitance elements C1 to C5 may be 1/100 or less.
これにより、近年の通信分野において活発に利用されているGHz帯の高周波領域において、波形歪みや相互変調歪みが小さく、かつ耐電力の優れた可変コンデンサとなるとともに、印加される直流バイアス電圧の95%以上を可変容量素子C1〜C5に印加することができ、より効率的に容量を変化させ、所望する容量値を得ることができる。 As a result, in a high frequency region in the GHz band, which is actively used in the recent communication field, a variable capacitor with small waveform distortion and intermodulation distortion and excellent power resistance is obtained, and the applied DC bias voltage is 95. % Or more can be applied to the variable capacitance elements C1 to C5, the capacitance can be changed more efficiently, and a desired capacitance value can be obtained.
次に、図4〜図8のそれぞれは、図1に示す構成に基づいて作製される実際の可変コンデンサ素子を示しており、図4は透視状態を示す平面図であり、図5は作製途中での平面図であり、図6は図4でのA−A’線における断面図であり、図7は図4でのB−B’線における断面図であり、図8は図4でのC−C’線における断面図である。 Next, each of FIGS. 4 to 8 shows an actual variable capacitor element manufactured based on the configuration shown in FIG. 1, FIG. 4 is a plan view showing a transparent state, and FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ in FIG. 4, FIG. 7 is a cross-sectional view taken along the line BB ′ in FIG. 4, and FIG. It is sectional drawing in CC 'line.
図4〜図8において、1は支持基板であり、2は下部電極層であり、31,32,33,34はそれぞれ導体ラインであり、4は薄膜誘電体層であり、5は上部電極層であり、61,62,63,64はそれぞれ薄膜抵抗であり、7は絶縁層であり、8は引き出し電極層であり、9は保護層であり、10は半田拡散防止層であり、111,112はそれぞれ半田端子部である。なお、この半田拡散防止層10および半田端子部111,112で、入力端子I,出力端子Oを構成している。また、図4および図6において、C1〜C5は、それぞれ直流バイアス電圧により容量が変化する可変容量素子を示す。
4 to 8, 1 is a support substrate, 2 is a lower electrode layer, 31, 32, 33 and 34 are conductor lines, 4 is a thin film dielectric layer, and 5 is an upper electrode layer. 61, 62, 63 and 64 are thin film resistors, 7 is an insulating layer, 8 is an extraction electrode layer, 9 is a protective layer, 10 is a solder diffusion prevention layer, 111,
支持基板1は、アルミナ等のセラミック基板、あるいはサファイア等の単結晶基板等である。そして、支持基板1の上に下部電極層2、薄膜誘電体層4および上部電極層5を、順次、支持基板1の全面に成膜する。全層の成膜終了後、上部電極層5、薄膜誘電体層4および下部電極層2を、順次、所定の形状にエッチングする。
The
下部電極層2は、薄膜誘電体層4の形成に高温スパッタリングが必要となるため、高融点であることが必要である。具体的には、Pt,Pd等を用いればよい。さらに、下部電極層2は、スパッタリング終了後、薄膜誘電体層4のスパッタリング温度である700〜900℃へ加熱され、薄膜誘電体層4のスパッタリング開始まで一定時間保持することにより、平坦な膜となる。
The
下部電極層2の厚みは、出力端子(半田端子部112,半田拡散防止層10)から第5の可変容量素子C5までの抵抗成分や、第1の可変容量素子C1から第2の可変容量素子C2、第3の可変容量素子C3から第4の可変容量素子C4、第5の可変容量素子C5から第6の可変容量素子C6までの抵抗成分、および、下部電極層2の連続性を考慮した場合は、厚いほうが望ましいが、支持基板1との密着性を考慮した場合は、相対的に薄い方が望ましく、両方を考慮して決定される。具体的には、0.1μm〜10μmである。なぜなら、0.1μmよりも薄くなると、下部電極層2自身の抵抗が大きくなるほか、下部電極層2の連続性が確保できなくなる可能性があるからであり、一方、10μmより厚くすると、支持基板1との密着性が低下したり、支持基板1の反りを生じるおそれがあるからである。
The thickness of the
薄膜誘電体層4は、少なくともBa,Sr,Tiを含有するペロブスカイト型酸化物結晶粒子からなる高誘電率の誘電体層であることが好ましい。この薄膜誘電体層4は、上述の下部電極層2の表面に形成されている。例えば、ペロブスカイト型酸化物結晶粒子が得られる誘電体材料をターゲットとして、スパッタリングを所望の厚みになる時間まで行なう。基板温度を高く、例えば800℃としてスパッタリングを行なうことにより、スパッタリング後の熱処理を行なうことなく、高誘電率で容量変化率の大きい、低損失の薄膜誘電体層4が得られる。
The thin
上部電極層5の材料としては、電極の抵抗を下げるため、抵抗率の小さなAuが望ましいが、薄膜誘電体層4との密着性向上のために、Pt等を密着層として用いることが望ましい。この上部電極層5の厚みは0.1μm〜10μmとなっている。この厚みの下限については、下部電極層2と同様に、上部電極層5自身の抵抗を考慮して設定される。また、厚みの上限については、密着性を考慮して設定される。
The material of the
バイアスラインB11は、導体ライン32,33および薄膜抵抗61から構成されており、第1の可変容量素子C1の入力端子部である入力端子(半田端子部111,半田拡散防止層10)と、第2の可変容量素子C2と第3の可変容量素子C3との接続点、すなわち、第2の可変容量素子C2の上部電極層5と第3の可変容量素子C3の上部電極層5とを接続する引き出し電極層8との間に設けられている。同様に、バイアスラインB12は、導体ライン32、34および薄膜抵抗62から構成され、前記入力端子と、第4の可変容量素子C4と第5の可変容量素子C5との接続点との間に設けられている。
The bias line B11 includes
バイアスラインB21は、導体ライン31と薄膜抵抗63とから構成されており、第3の可変容量素子C3と第4の可変容量素子C4との接続点、すなわち、第3の可変容量素子C3および第4の可変容量素子C4の共通的な下部電極層2と、第5の可変容量素子C5の出力端部である出力端子(半田端子部112、半田拡散防止層10)との間に設けられている。同様に、バイアスラインB22は、導体ライン31と薄膜抵抗64とから構成され、第1の可変容量素子C1と第2の可変容量素子C2との接続点と、前記出力端子との間に設けられている。
The bias line B21 includes a
この導体ライン31,32,33,34は、上述の下部電極層2、薄膜誘電体層4および上部電極層5を形成した後、新たに成膜して得ることができる。その際には、リフトオフ法を用いることが望ましい。さらには、下部電極層2のパターニングの際に導体ライン31,32,33,34を有する形状にパターニングを行なうことによっても形成できる。
The conductor lines 31, 32, 33 and 34 can be obtained by forming a new film after forming the
この導体ライン31,32,33,34の材料としては、バイアスラインB11,B12,B21,B22の抵抗値のばらつきを抑制するために、低抵抗であるAu(金)が望ましいが、薄膜抵抗61〜64の抵抗が十分に高いので、Pt(白金)等の下部電極層2と同一の材料,同一工程で形成してもよい。
As a material of the conductor lines 31, 32, 33, 34, Au (gold) which is a low resistance is desirable in order to suppress variations in resistance values of the bias lines B11, B12, B21, B22. Since the resistance of ˜64 is sufficiently high, it may be formed by the same material and the same process as the
次に、バイアスラインB11,B12,B21,B22を構成する薄膜抵抗61〜64の材料は、その比抵抗が1Ωcm以上で、抵抗値の温度特性が負であることが望ましい。このような高抵抗の材料を用いることにより、バイアスラインB11,B12,B21,B22を付与しても素子の形状を大きくすることなく、素子を作製することができ、小型集積化に有利となる。薄膜抵抗61〜64の具体的な材料としては、窒化タンタル,TaSiN,Ta−Si−O,NiCrを例示することができる。例えば、窒化タンタルの場合であれば、Ta(タンタル)をターゲットとして窒素を加えてスパッタリングを行なうリアクティブスパッタリング法により、所望する組成比,抵抗率の抵抗膜を成膜することができる。このスパッタリングの条件を適宜選択することにより、比抵抗が1Ωcm以上の抵抗膜を作製することができる。さらに、スパッタリング終了後、レジストを塗布し、所定の形状に加工した後、反応性イオンエッチング(RIE)等のエッチングプロセスにより、簡便にパターニングすることができる。
Next, it is desirable that the material of the
また、図4に示す可変コンデンサにおいて、バイアスラインB11,B12,B21,B22の抵抗成分が100MHz以上の高周波信号を遮断し、かつ可変容量素子C1〜C5の絶縁抵抗の1/100以下の大きさとするには、薄膜抵抗61〜64の抵抗値は、可変容量素子C1〜C5の絶縁抵抗が1GΩとすると、10MΩ以下である必要がある。薄膜抵抗61〜64の材料として、その比抵抗が1Ωcm以上の材料を用いた場合には、前記抵抗値を実現するには、膜厚を40nmとして、アスペクト比(長さ/幅)を4以上40以下とすればよく、これにより素子形状を大きくすることなく実現可能なアスペクト比を有する薄膜抵抗61〜64を作製することができる。
Further, in the variable capacitor shown in FIG. 4, the resistance components of the bias lines B11, B12, B21, and B22 block a high frequency signal of 100 MHz or more and have a magnitude of 1/100 or less of the insulation resistance of the variable capacitance elements C1 to C5. For this purpose, the resistance values of the
これら薄膜抵抗61〜64を含むバイアスラインB11,B12,B21,B22は、支持基板1上に直接形成されている。これにより、薄膜抵抗61〜64を可変容量素子C1〜C5上に形成する際に必要となる、下部電極層2,上部電極層5および引き出し電極層8との絶縁を確保するための絶縁層が不要となり、可変コンデンサを構成する層の数を低減することが可能となる。
Bias lines B11, B12, B21, and B22 including these
次に、絶縁層7は、この上に形成する引き出し電極層8と下部電極層2との絶縁を確保するために必要である。さらに、この絶縁層7はバイアスラインB11,B12,B21,B22を被覆しており、これにより薄膜抵抗61〜64が酸化されるのを防止できるため、バイアスラインB11,B12,B21,B22の抵抗値を経時的に一定とすることができ、信頼性が向上する。絶縁層7の材料は耐湿性を向上させるために、例えば、窒化ケイ素および酸化ケイ素の少なくとも1種類よりなるものとすればよい。これらは、被覆性を考慮して、化学気相堆積(CVD)法等により成膜することが望ましい。
Next, the insulating
絶縁層7は、通常のレジストを用いるドライエッチング法等により、所望の形状にすることができる。そして、絶縁層7には、薄膜抵抗61,62と引き出し電極層8との結合を確保するために、導体ライン33,34の一部を露出させる貫通孔を設けている。その他でこの絶縁層7から露出させる部位としては、上部電極層5および半田端子部111,112のみとしておくことが、耐湿性向上の観点から好ましい。
The insulating
次に、引き出し電極層8は、第1の可変容量素子C1の上部電極層5と一方の半田端子部111、または上部電極層5同士を連結させて、第1の可変容量素子C1を半田端子部111に接続するとともに、第2の可変容量素子C2と第3の可変容量素子C3と、また第4の可変容量素子C4と第5の可変容量素子C5との各々を直列接続するものである。さらには、第2の可変容量素子C2と第3の可変容量素子C3と、また第4の可変容量素子C4と第5の可変容量素子C5との各々にまたがる引き出し電極層8は、絶縁層7の貫通孔によってそれぞれ導体ライン33,34と結合している。
Next, the
この引き出し電極層8の材料としては、Au,Cu(銅)等の低抵抗な金属を用いることが望ましい。また、絶縁層7との密着性を考慮して、Ti(チタン),Ni(ニッケル)等の密着層を使用してもよい。
As the material of the
次に、保護層9を形成する。保護層9は素子を外部から機械的に保護するほか、薬品等による汚染から保護する。この保護層9の形成時には、半田端子部111,112を露出するようにする。保護層9の材料としては、耐熱性が高く段差に対する被覆性が優れたものが良く、具体的には、ポリイミド樹脂やBCB(ベンゾシクロブテン)樹脂等を用いる。
Next, the
半田拡散防止層10は、半田端子部111,112を形成する際のリフローや実装の際に、半田の電極への拡散を防止するために形成する。材料としては、Niが好適である。また、半田拡散防止層10の表面には、半田濡れ性を向上させるために、半田濡れ性の高いAu,Cu等を0.1μm程度形成する場合もある。
The solder
最後に、半田端子部111,112を形成する。これは、実装を容易にするために形成する。半田拡散防止層10の上に半田ペーストを印刷した後、リフローを行なうことにより、形成するのが一般的である。
Finally,
以上のようにして作製される可変コンデンサは、直流バイアス電圧の印加により容量を大きく変化させることができるが、高周波信号による容量の変化,ノイズ,非線形歪みは小さく抑えることができる可変コンデンサとなる。 Although the variable capacitor manufactured as described above can change its capacitance greatly by applying a DC bias voltage, it becomes a variable capacitor that can suppress capacitance change, noise, and nonlinear distortion due to a high-frequency signal.
さらに、図9に、11個の可変容量素子が直列に接続されている場合の本発明の第1の可変コンデンサの実施の形態の別の一例を示す。この例によれば、直列に接続される可変容量素子が多くなることで、高周波的には誘電体層の膜厚を厚くしたのと同じ効果があり、より高周波信号による相互変調歪みなどが低減され、かつ耐電力が向上する。 Furthermore, FIG. 9 shows another example of the embodiment of the first variable capacitor of the present invention in the case where 11 variable capacitance elements are connected in series. According to this example, an increase in the number of variable capacitance elements connected in series has the same effect as increasing the thickness of the dielectric layer in terms of high frequency, and further reduces intermodulation distortion caused by high frequency signals. And withstand power is improved.
図9に示す例においては、C1,C2,C3,C4,C5,C6,C7,C8,C9,C10,C11はそれぞれ可変容量素子であり、各々の絶縁抵抗はRc1,Rc2,Rc3,Rc4,Rc5,Rc6,Rc7,Rc8,Rc9,Rc10,Rc11となっている。また、バイアスラインB11,B12,B13,B14,B15,B21,B22,B23,B24,B25は、抵抗成分およびインダクタ成分の少なくとも一方を有するバイアスライン(図では、抵抗成分R11,R12,R13,R14,R15,R21,R22,R23,R24,R25を示す。)である。また、図9に示す例では、高周波信号および直流バイアス電圧の印加は共通端子からとなっており、符号Iは入力端子、符号Oは出力端子をそれぞれ表わす。 In the example shown in FIG. 9, C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8, C9, C10, and C11 are variable capacitance elements, and the respective insulation resistances are Rc1, Rc2, Rc3, Rc4, Rc5, Rc6, Rc7, Rc8, Rc9, Rc10, Rc11. The bias lines B11, B12, B13, B14, B15, B21, B22, B23, B24, B25 are bias lines having at least one of a resistance component and an inductor component (in the figure, resistance components R11, R12, R13, R14). , R15, R21, R22, R23, R24, and R25. In the example shown in FIG. 9, the application of the high-frequency signal and the DC bias voltage is made from a common terminal, where symbol I represents an input terminal and symbol O represents an output terminal.
各バイアスラインB11,B12,B13,B14,B15,B21,B22,B23,B24,B25の接続方法等は、図4に示した5個の可変容量素子C1〜C5が直列に接続されている場合と同様である。 The connection method of each bias line B11, B12, B13, B14, B15, B21, B22, B23, B24, B25 is the case where the five variable capacitance elements C1 to C5 shown in FIG. 4 are connected in series. It is the same.
図9に示す例についても、図4に示す例についての場合と同様に、バイアスラインB11,B12,B13,B14,B15,B21,B22,B23,B24,B25の抵抗成分R11,R12,R13,R14,R15,R21,R22,R23,R24,R25の上下限値を求めた。 Also in the example shown in FIG. 9, the resistance components R11, R12, R13 of the bias lines B11, B12, B13, B14, B15, B21, B22, B23, B24, B25 are the same as in the example shown in FIG. The upper and lower limits of R14, R15, R21, R22, R23, R24, and R25 were determined.
図10は、バイアスラインB11,B12,B13,B14,B15,B21,B22,B23,B24,B25の抵抗成分R11,R12,R13,R14,R15,R21,R22,R23,R24,R25の下限値を設定するために、図9に示す例において各可変容量素子C1〜C11の絶縁抵抗をRc1=Rc2=Rc3=Rc4=Rc5=Rc6=Rc7=Rc8=Rc9=Rc10=Rc11=10GΩとし、R11=R12=R13=R14=R15=R21=R22=R23=R24=R25=Rとして、バイアスラインの抵抗成分の大きさと位相との関係をシミュレーションにより求めた結果を示す、図2と同様の線図である。図10において、横軸は周波数Frequency(単位:Hz)を、縦軸は位相Phase(単位:deg)を表し、特性曲線はRをそれぞれ1MΩ,5MΩ,10MΩ,20MΩ,30MΩおよび50MΩに設定した場合の位相の周波数特性を示している。 FIG. 10 shows the lower limit values of the resistance components R11, R12, R13, R14, R15, R21, R22, R23, R24, and R25 of the bias lines B11, B12, B13, B14, B15, B21, B22, B23, B24, and B25. 9 is set to Rc1 = Rc2 = Rc3 = Rc4 = Rc5 = Rc6 = Rc7 = Rc8 = Rc9 = Rc10 = Rc11 = 10 GΩ, and R11 = R12 = R13 = R14 = R15 = R21 = R22 = R23 = R24 = R25 = R is the same diagram as FIG. 2 and shows the result of the relationship between the magnitude of the resistance component of the bias line and the phase obtained by simulation. is there. In FIG. 10, the horizontal axis represents the frequency (unit: Hz), the vertical axis represents the phase (unit: deg), and the characteristic curves are set when R is set to 1 MΩ, 5 MΩ, 10 MΩ, 20 MΩ, 30 MΩ, and 50 MΩ, respectively. The frequency characteristic of the phase of is shown.
図10に示すように、バイアスラインの抵抗値Rが1MΩ以上のとき、100MHz以上の高周波信号はほぼ遮断されるため、高周波信号はバイアスラインB11,B12,B13,B14,B15,B21,B22,B23,B24,B25に漏れることなく直列接続された可変容量素子C1〜C11を通ることとなり、バイアスラインB11,B12,B13,B14,B15,B21,B22,B23,B24,B25の抵抗成分R11,R12,R13,R14,R15,R21,R22,R23,R24,R25の下限値は20MΩとなる。 As shown in FIG. 10, when the resistance value R of the bias line is 1 MΩ or more, the high-frequency signal of 100 MHz or higher is substantially cut off, so that the high-frequency signal is applied to the bias lines B11, B12, B13, B14, B15, B21, B22, The variable capacitance elements C1 to C11 connected in series without leaking to B23, B24, and B25 pass through, and the resistance components R11 of the bias lines B11, B12, B13, B14, B15, B21, B22, B23, B24, and B25, The lower limit value of R12, R13, R14, R15, R21, R22, R23, R24, R25 is 20 MΩ.
また、図11はバイアスラインB11,B12,B13,B14,B15,B21,B22,B23,B24,B25の抵抗成分R11,R12,R13,R14,R15,R21,R22,R23,R24,R25の上限値を設定するために、図9に示す例において、各可変容量素子C1〜C11の絶縁抵抗Rc1〜Rc11=RcとバイアスラインB11,B12,B13,B14,B15,B21,B22,B23,B24,B25の抵抗成分R11,R12,R13,R14,R15,R21,R22,R23,R24,R25の抵抗値Rとの比に対する、各可変容量素子C1〜C11に印加される直流バイアス電圧の変化をシミュレーションにより求めた結果を示す、図3と同様の線図である。ここでも、Rc1=Rc2=Rc3=Rc4=Rc5=Rc6=Rc7=Rc8=Rc9=Rc10=Rc11=Rcとし、R11=R12=R13=R14=R15=R21=R22=R23=R24=R25=Rとした。図11においても、横軸は抵抗成分の比Rc/Rを、縦軸は可変容量素子に印加される電圧の割合を表し、黒点および特性曲線はその変化の様子を示している。 FIG. 11 shows the upper limit of the resistance components R11, R12, R13, R14, R15, R21, R22, R23, R24, R25 of the bias lines B11, B12, B13, B14, B15, B21, B22, B23, B24, B25. In order to set the values, in the example shown in FIG. 9, the insulation resistances Rc1 to Rc11 = Rc of the variable capacitance elements C1 to C11 and the bias lines B11, B12, B13, B14, B15, B21, B22, B23, B24, Simulation of changes in the DC bias voltage applied to each of the variable capacitance elements C1 to C11 with respect to the ratio of the resistance components R11, R12, R13, R14, R15, R21, R22, R23, R24, and R25 to the resistance value R of B25 It is the same diagram as FIG. 3 which shows the result calculated | required by (3). Again, Rc1 = Rc2 = Rc3 = Rc4 = Rc5 = Rc6 = Rc7 = Rc8 = Rc9 = Rc10 = Rc11 = Rc, R11 = R12 = R13 = R14 = R15 = R21 = R22 = R23 = R24 = R25 = R did. Also in FIG. 11, the horizontal axis represents the resistance component ratio Rc / R, the vertical axis represents the ratio of the voltage applied to the variable capacitance element, and the black dots and the characteristic curves show the change.
図11に示すように、可変容量素子C1〜C11の絶縁抵抗RcとバイアスラインB11,B12,B13,B14,B15,B21,B22,B23,B24,B25の抵抗Rとの比Rc/Rを5以上とすることにより、可変容量素子C1〜C11に印加される直流バイアス電圧の分圧がバイアスラインB11,B12,B13,B14,B15,B21,B22,B23,B24,B25に印加される直流バイアス電圧の分圧よりも大きくなるため、入出力端子I,O間に印加される直流バイアス電圧の半分以上は可変容量素子C1〜C11に印加され、所望の容量値を効率よく得ることができる。さらに、入出力端子I,O間に印加された直流バイアス電圧の95%以上が可変容量素子C1〜C11に印加され、極めて効率よく所望の容量値を得るには、可変容量素子C1〜C11の絶縁抵抗RcとバイアスラインB11,B12,B13,B14,B15,B21,B22,B23,B24,B25の抵抗Rとの比を100以上とし、すなわち、バイアスラインB11,B12,B13,B14,B15,B21,B22,B23,B24,B25の抵抗成分R11,R12,R13,R14,R15,R21,R22,R23,R24,R25の大きさを、各可変容量素子C1〜C11の絶縁抵抗Rc1,Rc2,Rc3,Rc4,Rc5,Rc6,Rc7,Rc8,Rc9,Rc10,Rc11の1/100以下とする必要がある。 As shown in FIG. 11, the ratio Rc / R between the insulation resistance Rc of the variable capacitance elements C1 to C11 and the resistance R of the bias lines B11, B12, B13, B14, B15, B21, B22, B23, B24, B25 is 5 Thus, the DC bias voltage applied to the variable capacitance elements C1 to C11 is divided into the DC bias applied to the bias lines B11, B12, B13, B14, B15, B21, B22, B23, B24, and B25. Since it becomes larger than the divided voltage, more than half of the DC bias voltage applied between the input / output terminals I and O is applied to the variable capacitance elements C1 to C11, and a desired capacitance value can be obtained efficiently. Further, 95% or more of the DC bias voltage applied between the input / output terminals I and O is applied to the variable capacitance elements C1 to C11, and in order to obtain a desired capacitance value very efficiently, the variable capacitance elements C1 to C11 The ratio of the insulation resistance Rc to the resistance R of the bias lines B11, B12, B13, B14, B15, B21, B22, B23, B24, B25 is 100 or more, that is, the bias lines B11, B12, B13, B14, B15, The resistance components R11, R12, R13, R14, R15, R21, R22, R23, R24, and R25 of B21, B22, B23, B24, and B25 are set according to the insulation resistances Rc1, Rc2, Rc3, Rc4, Rc5, Rc6, Rc7, Rc8, Rc9, Rc10, and Rc11 must be 1/100 or less.
以上、図10および図11に示す結果より、図9に示す例において、バイアスラインB11,B12,B13,B14,B15,B21,B22,B23,B24,B25の抵抗成分R11,R12,R13,R14,R15,R21,R22,R23,R24,R25の大きさを20MΩ以上とし、各可変容量素子C1〜C11の絶縁抵抗Rc1,Rc2,Rc3,Rc4,Rc5,Rc6,Rc7,Rc8,Rc9,Rc10,Rc11の1/100以下とすればよい。これにより、近年の通信分野において活発に利用されているGHz帯の高周波領域において波形歪みや相互変調歪みが小さく、かつ耐電力の優れた可変コンデンサとなるとともに、印加される直流バイアスの約95%を可変容量素子C1〜C11に印加することができ、より効率的に容量を変化させ、所望する容量値を得ることができる。 From the results shown in FIGS. 10 and 11, the resistance components R11, R12, R13, R14 of the bias lines B11, B12, B13, B14, B15, B21, B22, B23, B24, B25 in the example shown in FIG. , R15, R21, R22, R23, R24, R25 have a size of 20 MΩ or more, and the insulation resistances Rc1, Rc2, Rc3, Rc4, Rc5, Rc6, Rc7, Rc8, Rc9, Rc10 of the variable capacitance elements C1 to C11, It may be 1/100 or less of Rc11. As a result, it becomes a variable capacitor with low waveform distortion and intermodulation distortion and excellent power resistance in the high frequency region of the GHz band which is actively used in the recent communication field, and about 95% of the applied DC bias. Can be applied to the variable capacitance elements C1 to C11, the capacitance can be changed more efficiently, and a desired capacitance value can be obtained.
図12および図13は、それぞれ図9に示す例に基づいて作製される実際の可変コンデンサ素子を示している。図12は図4と同様の透視状態を示す平面図であり、図13は図5と同様の作製途中での平面図である。 FIG. 12 and FIG. 13 show actual variable capacitor elements manufactured based on the example shown in FIG. 12 is a plan view showing a see-through state similar to FIG. 4, and FIG. 13 is a plan view in the middle of production similar to FIG.
これらの図において、図4および図5と同様の箇所には同じ符号を付してあり、それらについての説明は省略する。 In these drawings, the same portions as those in FIGS. 4 and 5 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
図12および図13において、C1〜C11は、直流バイアスにより容量が変化する奇数個の可変容量素子を示している。バイアスラインB11は、導体ライン32,33および薄膜抵抗61から、バイアスラインB12は、導体ライン32,34および薄膜抵抗62から、バイアスラインB13は、導体ライン32,35および薄膜抵抗63から、バイアスラインB14は、導体ライン32,36および薄膜抵抗64から、バイアスラインB15は、導体ライン32,37および薄膜抵抗65からそれぞれ構成されている。バイアスラインB11は、第1の可変容量素子C1の入力端子部である入力端子(半田端子部111,半田拡散防止層10)から第2の可変容量素子C2と第3の可変容量素子C3との接続点、すなわち、第2の可変容量素子C2の上部電極層5と第3の可変容量素子C3の上部電極層5とを接続する引き出し電極層8との間に設けられており、以下、バイアスラインB12〜B15についても同様である。
In FIG. 12 and FIG. 13, C1 to C11 indicate an odd number of variable capacitance elements whose capacitance changes due to a DC bias. The bias line B11 is from the conductor lines 32 and 33 and the
バイアスラインB21は、導体ライン31と薄膜抵抗66とから、バイアスラインB22は、導体ライン31と薄膜抵抗67とから、バイアスラインB23は、導体ライン31と薄膜抵抗68とから、バイアスラインB24は、導体ライン31と薄膜抵抗69とから、バイアスラインB25は、導体ライン31と薄膜抵抗70とからそれぞれ構成されている。バイアスラインB21は、第3の可変容量素子C3と第4の可変容量素子C4との接続点、すなわち、第3の可変容量素子C3および第4の可変容量素子C4の共通的な下部電極層2と、第5の可変容量素子C5の出力端子部である出力端子(半田端子部112,半田拡散防止層10)との間に設けられており、以下、バイアスラインB22〜B25についても同様である。
The bias line B21 is from the
図12および図13に示す例の可変コンデンサについても、図4〜図8に示す例の場合と同様に作製することにより、直流バイアス電圧の印加により容量を大きく変化させることができるが、高周波信号による容量の変化、ノイズ、非線形歪はさらに小さく抑えることができる可変コンデンサとなる。 The variable capacitors of the examples shown in FIGS. 12 and 13 can be made to change greatly by applying a DC bias voltage by making the same as in the case of the examples shown in FIGS. As a result, the capacitance change, noise, and nonlinear distortion caused by the variable capacitor can be further reduced.
図14は、5個の可変容量素子が直列に接続されている場合の本発明の第2の可変コンデンサの実施の形態の一例を示す回路図である。図14において、C1,C2,C3,C4,C5は可変容量素子(第1の可変容量素子C1,第2の可変容量素子C2,第3の可変容量素子C3,第4の可変容量素子C4,第5の可変容量素子C5)であり、各々の絶縁抵抗はRc1,Rc2,Rc3,Rc4,Rc5となっている。また、B11,B12,B21,B22は抵抗成分およびインダクタ成分の少なくとも一方を有する個別バイアスライン(図では、抵抗成分R11,R12,R21,R22を示す。)であり、BI,BOは抵抗成分およびインダクタ成分の少なくとも一方を有する共通バイアスライン(図では、抵抗成分RI,ROを示す。)である。 FIG. 14 is a circuit diagram showing an example of an embodiment of the second variable capacitor of the present invention in the case where five variable capacitance elements are connected in series. In FIG. 14, C1, C2, C3, C4 and C5 are variable capacitive elements (first variable capacitive element C1, second variable capacitive element C2, third variable capacitive element C3, fourth variable capacitive element C4. The fifth variable capacitance element C5) has insulation resistances Rc1, Rc2, Rc3, Rc4, and Rc5. B11, B12, B21 and B22 are individual bias lines having at least one of a resistance component and an inductor component (in the figure, resistance components R11, R12, R21 and R22 are shown), and BI and BO are resistance components and A common bias line having at least one of the inductor components (in the figure, resistance components RI and RO are shown).
また、図14に示す例では、高周波信号および直流バイアス電圧の印加は共通端子からとなっており、符号Iは入力端子、符号Oは出力端子をそれぞれ表わす。 In the example shown in FIG. 14, the application of the high-frequency signal and the DC bias voltage is made from a common terminal, where symbol I represents an input terminal and symbol O represents an output terminal.
そして、第1の可変容量素子C1の入力端子部と、第2の可変容量素子C2−第3の可変容量素子C3の直列接続点、第4の可変容量素子C4−第5の可変容量素子C5の直列接続点との間に、抵抗成分RIを有する共通バイアスラインBIを介して、抵抗成分R11,R12を有する個別バイアスラインB11,B12をそれぞれ設けている。 A series connection point of the input terminal portion of the first variable capacitance element C1 and the second variable capacitance element C2 to the third variable capacitance element C3, the fourth variable capacitance element C4 to the fifth variable capacitance element C5. Are provided with individual bias lines B11 and B12 having resistance components R11 and R12 through a common bias line BI having a resistance component RI.
また、第5の可変容量素子C5の出力端子部と、第3の可変容量素子C3−第4の可変容量素子C4の直列接続点、第1の可変容量素子C1−第2の可変容量素子C2の直列接続点との間に、抵抗成分ROを有する共通バイアスラインBOを介して、抵抗成分R21,R22を有するバイアスラインB21,B22をそれぞれ設けている。 In addition, the series connection point of the output terminal portion of the fifth variable capacitance element C5 and the third variable capacitance element C3 to the fourth variable capacitance element C4, the first variable capacitance element C1 to the second variable capacitance element C2. Bias lines B21 and B22 having resistance components R21 and R22 are provided via a common bias line BO having a resistance component RO.
図14に示す例において、バイアスラインB11,B12,B21,B22の抵抗成分R11,R12,R21,R22は、直列接続した可変容量素子C1〜C5の高周波信号の周波数領域でのインピーダンスよりも大きな抵抗成分となっており、高周波信号を遮断するため、高周波信号は直列接続した可変容量素子C1〜C5を通り、直流バイアス電圧は、各可変容量素子C1〜C5に独立に印加されることになる。 In the example shown in FIG. 14, the resistance components R11, R12, R21, and R22 of the bias lines B11, B12, B21, and B22 are resistances larger than the impedance in the frequency domain of the high-frequency signal of the variable capacitors C1 to C5 connected in series. In order to cut off the high frequency signal, the high frequency signal passes through the variable capacitance elements C1 to C5 connected in series, and the DC bias voltage is independently applied to each of the variable capacitance elements C1 to C5.
これにより、直流バイアス電圧は各可変容量素子C1〜C5に単独に印加されることになるため、直流的には奇数個の可変容量素子C1〜C5が並列に接続された可変コンデンサとなり、バイアス信号による各可変容量素子C1〜C5の容量変化率を最大限に利用することができる。一方、高周波信号はバイアスラインB11,B12,B21,B22により遮断されるため、可変容量素子C1〜C5が高周波的には直列に接続された可変コンデンサとなる。従って、高周波電圧は各可変容量素子C1〜C5に分圧されるため、高周波信号による容量変化を小さくでき、波形歪みや相互変調歪み等を抑制することができる。 As a result, the DC bias voltage is applied independently to each of the variable capacitance elements C1 to C5, so that a variable capacitor in which an odd number of variable capacitance elements C1 to C5 are connected in parallel becomes a DC signal. The capacity change rate of each of the variable capacitance elements C1 to C5 can be utilized to the maximum. On the other hand, since the high frequency signal is cut off by the bias lines B11, B12, B21, B22, the variable capacitance elements C1 to C5 are variable capacitors connected in series in terms of high frequency. Therefore, since the high frequency voltage is divided into the variable capacitance elements C1 to C5, the capacitance change due to the high frequency signal can be reduced, and waveform distortion, intermodulation distortion, and the like can be suppressed.
ここで、個別バイアスラインB11,B12,B21,B22の抵抗成分R11,R12,R21,R22が小さすぎると、高周波信号も個別バイアスラインB11,B12,B21,B22を流れることとなり、高周波信号による容量変化が大きくなり、位相が−90°より大きく離れてQ値が低下することとなる。一方、個別バイアスラインB11,B12,B21,B22の抵抗成分R11,R12,R21,R22および共通バイアスラインBI,BOの抵抗成分RI,ROが大きすぎると、分圧により各可変容量素子C1〜C5に印加される直流バイアス電圧が減少し、容量変化が小さくなることとなる。従って、個別バイアスラインB11,B12,B21,B22の抵抗成分R11,R12,R21,R22および共通バイアスラインBI,BOの抵抗成分RI,ROの大きさは、適切な範囲の大きさとする必要がある。 Here, if the resistance components R11, R12, R21, and R22 of the individual bias lines B11, B12, B21, and B22 are too small, the high-frequency signal also flows through the individual bias lines B11, B12, B21, and B22. The change becomes large, and the Q value is lowered when the phase is more than -90 °. On the other hand, if the resistance components R11, R12, R21, R22 of the individual bias lines B11, B12, B21, B22 and the resistance components RI, RO of the common bias lines BI, BO are too large, the variable capacitance elements C1 to C5 are divided by voltage division. The DC bias voltage applied to is reduced, and the capacitance change is reduced. Therefore, the resistance components R11, R12, R21, and R22 of the individual bias lines B11, B12, B21, and B22 and the resistance components RI and RO of the common bias lines BI and BO must be in an appropriate range. .
図15は、個別バイアスラインB11,B12,B21,B22の抵抗成分R11,R12,R21,R22および共通バイアスラインBI,BOの抵抗成分RI,ROの下限値を設定するために、図14に示す例において各可変容量素子C1〜C5の絶縁抵抗をRc1=Rc2=Rc3=Rc4=Rc5=10GΩ、RI=RO=R11=R12=R21=R22=Rとして、バイアスラインB11,B12,B21,B22,BI,BOの抵抗成分の大きさと位相との関係をシミュレ−ションにより求めた結果を示す、図2および図9と同様の線図である。なお、図15中の1.0E+05とは、105すなわち100kを示し、1.0 E+06とは、106すなわち1Mを示す。 FIG. 15 is shown in FIG. 14 in order to set the lower limit values of the resistance components R11, R12, R21, R22 of the individual bias lines B11, B12, B21, B22 and the resistance components RI, RO of the common bias lines BI, BO. In the example, the insulation resistances of the variable capacitance elements C1 to C5 are Rc1 = Rc2 = Rc3 = Rc4 = Rc5 = 10 GΩ, RI = RO = R11 = R12 = R21 = R22 = R, and bias lines B11, B12, B21, B22, FIG. 10 is a diagram similar to FIG. 2 and FIG. 9 showing the result of the relationship between the magnitude of the resistance component of BI and BO and the phase obtained by simulation. Note that the 1.0E + 05 in FIG. 15, 105 i.e. indicates 100k, and 1.0 E + 06, indicating a 106 i.e. 1M.
図15に示すように、バイアスラインB11,B12,B21,B22,BI,BOの抵抗成分Rが大きくなるほど、低周波領域においても位相が−90°に近づいていくことがわかる。そして、バイアスラインB11,B12,B21,B22,BI,BOの抵抗値Rが0.5MΩ以上のとき、100MHz以上の高周波信号はほぼ遮断され、高周波信号はバイアスラインB11,B12,B21,B22,BI,BOに漏れることなく直列接続された可変容量素子C1〜C5を通ることとなるため、近年の通信分野において活発に利用されているGHz帯の高周波領域においても、波形歪みや相互変調歪みが小さく、かつ耐電力の優れた可変コンデンサとなる。 As shown in FIG. 15, it can be seen that as the resistance component R of the bias lines B11, B12, B21, B22, BI, BO increases, the phase approaches -90 ° even in the low frequency region. When the resistance value R of the bias lines B11, B12, B21, B22, BI, BO is 0.5 MΩ or more, the high frequency signal of 100 MHz or higher is substantially cut off, and the high frequency signal is biased by the bias lines B11, B12, B21, B22, BI. Therefore, the waveform distortion and the intermodulation distortion are small even in the high frequency region of the GHz band that is actively used in the recent communication field. In addition, the variable capacitor has excellent power resistance.
さらに、前記の図1に示す例において共通バイアスラインBI,BOに抵抗成分のないときと比較して、下限値が1MΩから0.5MΩへと低減できている。これは、抵抗成分を有する共通バイアスラインBI,BOを設けた場合は、共通バイアスラインBI,BOの抵抗成分が個別バイアスラインB11,B12,B21,B22に分配され、共通バイアスラインBI,BOに抵抗成分のない場合において、バイアスラインB11,B12,B21,B22,BI,BOの抵抗値を{(個別バイアスラインの数)/2}+1倍とした場合と同等にできるためであり、実際の素子を作製する場合において、素子形状等によるバイアスラインB11,B12,B21,B22,BI,BOの抵抗値への制約に対して効果的である。 Further, in the example shown in FIG. 1, the lower limit value can be reduced from 1 MΩ to 0.5 MΩ, compared with the case where the common bias lines BI and BO have no resistance component. This is because when the common bias lines BI and BO having resistance components are provided, the resistance components of the common bias lines BI and BO are distributed to the individual bias lines B11, B12, B21, and B22, and are supplied to the common bias lines BI and BO. This is because the resistance values of the bias lines B11, B12, B21, B22, BI, and BO can be made equal to {(number of individual bias lines) / 2} +1 times when there is no resistance component. In the case of manufacturing the element, it is effective for the restriction on the resistance values of the bias lines B11, B12, B21, B22, BI, and BO depending on the element shape and the like.
また、図16は、個別バイアスラインB11,B12,B21,B22の抵抗成分R11,R12,R21,R22および共通バイアスラインBI,BOの抵抗成分RI,ROの上限値を設定するために、図14に示す例において、共通バイアスラインBI,BOの抵抗成分を個別バイアスラインB11,B12,B21,B22に分配した場合の抵抗成分と個別バイアスラインの抵抗成分との和と、各可変容量素子C1〜C5の絶縁抵抗RcとのバイアスラインB11,B12,B21,B22,BI,BOの抵抗値Rとの比に対する、各可変容量素子C1〜C5に印加される直流バイアス電圧の変化をシミュレ−ションにより求めた結果を示す線図である。ここでは、Rc1=Rc2=Rc3=Rc4=Rc5=Rc、RI=RO=R’、R11=R12=R21=R22=Rとし、抵抗成分の比Rc/(2R’+R)と、各可変容量素子C1〜C5に印加される直流バイアス電圧の割合の変化とをシミュレーションにより求めた。 FIG. 16 is a diagram for setting the upper limit values of the resistance components R11, R12, R21, R22 of the individual bias lines B11, B12, B21, B22 and the resistance components RI, RO of the common bias lines BI, BO. In the example shown in FIG. 4, the sum of the resistance component and the resistance component of the individual bias line when the resistance components of the common bias lines BI and BO are distributed to the individual bias lines B11, B12, B21, and B22, and the variable capacitance elements C1 to C1. The change in the DC bias voltage applied to each of the variable capacitance elements C1 to C5 with respect to the ratio of the insulation resistance Rc of C5 to the resistance value R of the bias lines B11, B12, B21, B22, BI, and BO is simulated. It is a diagram which shows the calculated | required result. Here, Rc1 = Rc2 = Rc3 = Rc4 = Rc5 = Rc, RI = RO = R ′, R11 = R12 = R21 = R22 = R, resistance component ratio Rc / (2R ′ + R), and each variable capacitance element The change in the ratio of the DC bias voltage applied to C1 to C5 was determined by simulation.
図16に示す結果により、抵抗成分の比Rc/(2R’+R)が小さくなるほど、すなわち可変容量素子C1〜C5の絶縁抵抗Rcが小さくなるほど、もしくはバイアスラインB11,B12,B21,B22,BI,BOの抵抗が大きくなるほど、各可変容量素子C1〜C5に印加される直流バイアス電圧の割合が減少することがわかる。そして、可変容量素子C1〜C5の絶縁抵抗Rcと、共通バイアスラインBI,BOの各個別バイアスラインB11,B12,B21,B22に分配された抵抗成分と個別バイアスラインB11,B12,B21,B22の抵抗成分との合計との比Rc/Rを5以上とすることにより、可変容量素子C1〜C5に印加される直流バイアス電圧の分圧がバイアスラインB11,B12,B21,B22,BI,BOに印加される直流バイアス電圧の分圧よりも大きくなるため、入出力端子I,O間に印加される直流バイアス電圧の半分以上は可変容量素子C1〜C5に印加され、所望の容量値を効率よく得ることができる。さらに、入出力端子I,O間に印加された直流バイアス電圧の95%以上が可変容量素子C1〜C5に印加され、極めて効率よく所望の容量値を得るには、可変容量素子C1〜C5の絶縁抵抗Rcと、共通バイアスラインBI,BOの各個別バイアスラインB11,B12,B21,B22に分配された抵抗成分と個別バイアスラインB11,B12,B21,B22の抵抗成分との合計Rとの比Rc/Rを100以上、すなわち、共通バイアスラインBI,BOの各個別バイアスラインB11,B12,B21,B22に分配された抵抗成分2RI,2ROと個別バイアスラインB11,B12,B21,B22の抵抗成分R11,R12,R21,R22との合計を、各可変容量素子C1〜C5の絶縁抵抗Rc1,Rc2,Rc3,Rc4,Rc5の1/100以下とする必要がある。 According to the result shown in FIG. 16, the smaller the resistance component ratio Rc / (2R ′ + R), that is, the smaller the insulation resistance Rc of the variable capacitance elements C1 to C5, or the bias lines B11, B12, B21, B22, BI, It can be seen that the ratio of the DC bias voltage applied to each of the variable capacitance elements C1 to C5 decreases as the resistance of BO increases. Then, the insulation resistance Rc of the variable capacitance elements C1 to C5, the resistance component distributed to the individual bias lines B11, B12, B21, and B22 of the common bias lines BI and BO, and the individual bias lines B11, B12, B21, and B22. By setting the ratio Rc / R to the sum of the resistance components to 5 or more, the divided voltage of the DC bias voltage applied to the variable capacitance elements C1 to C5 is applied to the bias lines B11, B12, B21, B22, BI, BO. Since it is greater than the divided voltage of the applied DC bias voltage, more than half of the DC bias voltage applied between the input / output terminals I and O is applied to the variable capacitance elements C1 to C5, and a desired capacitance value is efficiently obtained. Obtainable. Furthermore, 95% or more of the DC bias voltage applied between the input / output terminals I and O is applied to the variable capacitance elements C1 to C5, and in order to obtain a desired capacitance value very efficiently, the variable capacitance elements C1 to C5 Ratio of the insulation resistance Rc to the total R of the resistance components distributed to the individual bias lines B11, B12, B21, B22 of the common bias lines BI, BO and the resistance components of the individual bias lines B11, B12, B21, B22 Rc / R is 100 or more, that is, the resistance components 2RI, 2RO distributed to the individual bias lines B11, B12, B21, B22 of the common bias lines BI, BO and the resistance components of the individual bias lines B11, B12, B21, B22 The sum of R11, R12, R21, and R22 needs to be 1/100 or less of the insulation resistances Rc1, Rc2, Rc3, Rc4, and Rc5 of the variable capacitance elements C1 to C5.
以上、図15および図16に示す結果より、図14に示す例において、共通および個別バイアスラインBI,BO,B11,B12,B21,B22の抵抗成分RI,RO,R11,R12,R21,R22の大きさは、0.5MΩ以上とすればよい。 From the results shown in FIGS. 15 and 16, the resistance components RI, RO, R11, R12, R21, and R22 of the common and individual bias lines BI, BO, B11, B12, B21, and B22 in the example shown in FIG. The size may be 0.5 MΩ or more.
これにより、近年の通信分野において活発に利用されているGHz帯の高周波領域において波形歪みや相互変調歪みが小さく、かつ耐電力の優れた可変コンデンサとなるとともに、印加される直流バイアス電圧の95%以上を可変容量素子C1〜C5に印加することができ、より効率的に容量を変化させ、所望する容量値を得ることができる。 As a result, it becomes a variable capacitor with low waveform distortion and intermodulation distortion and excellent power resistance in the high frequency region of the GHz band that is actively used in the recent communication field, and 95% of the applied DC bias voltage. The above can be applied to the variable capacitance elements C1 to C5, and the capacitance can be changed more efficiently to obtain a desired capacitance value.
一方、共通バイアスラインBI,BOの各個別バイアスラインB11,B12,B21,B22に分配された抵抗成分は、直列に接続される可変容量素子C1〜C5の個数、すなわち、個別バイアスラインの数により異なる。しかし、本発明の第2の可変コンデンサのように、可変容量素子C1〜C5との絶縁抵抗Rcと、共通バイアスラインBI,BOの各個別バイアスラインB11,B12,B21,B22に分配された抵抗成分と個別バイアスラインB11,B12,B21,B22の抵抗成分との合計Rとの比Rc/Rによって規定することにより、個別バイアスラインの数に関係なく、すなわち、直列接続される可変容量素子の数に関係なく、直流バイアス電圧がより効率的に可変容量素子に印加される条件を決定することができる。 On the other hand, the resistance component distributed to each individual bias line B11, B12, B21, B22 of the common bias line BI, BO depends on the number of variable capacitance elements C1 to C5 connected in series, that is, the number of individual bias lines. Different. However, like the second variable capacitor of the present invention, the insulation resistance Rc with the variable capacitance elements C1 to C5 and the resistance distributed to the individual bias lines B11, B12, B21, and B22 of the common bias lines BI and BO. By defining the ratio Rc / R of the component and the total R of the resistance components of the individual bias lines B11, B12, B21, and B22, regardless of the number of individual bias lines, that is, the variable capacitance elements connected in series Regardless of the number, the condition under which the DC bias voltage is more efficiently applied to the variable capacitance element can be determined.
図17は、このことを示すシミュレ−ション結果を示す線図であり、直列接続される可変容量素子の数を変化させ、その他の条件は、上述した図16におけるシミュレ−ションと同一にしている。 FIG. 17 is a diagram showing a simulation result indicating this, in which the number of variable capacitance elements connected in series is changed, and the other conditions are the same as those of the simulation in FIG. 16 described above. .
図17に示すように、直列接続される可変容量素子の数に関係なく、可変容量素子との絶縁抵抗Rcと、共通バイアスラインの各個別バイアスラインに分配された抵抗成分と個別バイアスラインの抵抗成分との合計Rとの比Rc/Rによって、直流バイアス電圧がより効率的に可変容量素子に印加される条件を決定することができる。 As shown in FIG. 17, regardless of the number of variable capacitance elements connected in series, the insulation resistance Rc with the variable capacitance element, the resistance component distributed to each individual bias line of the common bias line, and the resistance of the individual bias line The condition for applying the DC bias voltage to the variable capacitance element more efficiently can be determined by the ratio Rc / R with the sum R of the components.
図18および図19は、図14に示す例に基づいて作製される実際の可変コンデンサ素子を示している。図18は図4および図12と同様の透視状態の平面図であり、図19は図5および図13と同様の作製途中での平面図である。 18 and 19 show an actual variable capacitor element manufactured based on the example shown in FIG. 18 is a plan view in a transparent state similar to FIG. 4 and FIG. 12, and FIG. 19 is a plan view in the middle of production similar to FIG. 5 and FIG.
これらの図において、図4,図12および図5,図13と同様の箇所には同じ符号を付してあり、それらについての説明は省略する。 In these drawings, the same parts as those in FIGS. 4, 12, 5 and 13 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
図18および図19において、1は支持基板であり、2は下部電極層であり、31,32,33,34は導体ラインであり、4は薄膜誘電体層であり、5は上部電極層であり、61,62,63,64,65,66は薄膜抵抗であり、7は絶縁層であり、8は引き出し電極層であり、9は保護層であり、10は半田拡散防止層であり、111,112は半田端子部である。なお、この半田拡散防止層10および半田端子部111,112で、入力端子I,出力端子Oを構成している。また図18および図19において、C1〜C5は、直流バイアスにより容量が変化する可変容量素子を示す。
18 and 19, 1 is a support substrate, 2 is a lower electrode layer, 31, 32, 33, and 34 are conductor lines, 4 is a thin film dielectric layer, and 5 is an upper electrode layer. Yes, 61, 62, 63, 64, 65, 66 are thin film resistors, 7 is an insulating layer, 8 is a lead electrode layer, 9 is a protective layer, 10 is a solder diffusion prevention layer, 111 and 112 are solder terminal portions. The solder
支持基板1は、アルミナ等のセラミック基板、あるいはサファイア等の単結晶基板等である。そして、支持基板1の上に下部電極層2、薄膜誘電体層4および上部電極層5を、順次、支持基板1の全面に成膜する。全層成膜の終了後、上部電極層5、薄膜誘電体層4、下部電極層2を順次所定の形状にエッチングする。
The
下部電極層2は、薄膜誘電体層4の形成に高温スパッタリングが必要となるため、高融点であることが必要である。具体的には、Pt,Pd(パラジウム)等である。さらに、下部電極層2は、スパッタリング終了後、薄膜誘電体層4のスパッタリング温度である700〜900℃へ加熱され、薄膜誘電体層4のスパッタリング開始まで一定時間保持することにより、平坦な膜となる。
The
下部電極層2の厚みは、出力端子(半田端子部112,半田拡散防止層10)から第5の可変容量素子C5までの抵抗成分や、第1の可変容量素子C1から第2の可変容量素子C2、第3の可変容量素子C3から第4の可変容量素子C4、第5の可変容量素子C5から第6の可変容量素子C6までの抵抗成分、および下部電極層2の連続性を考慮した場合は厚いほうが望ましいが、支持基板1との密着性を考慮した場合は相対的に薄い方が望ましく、両方を考慮して決定される。具体的には、0.1μm〜10μmである。なぜなら、0.1μmよりも薄くなると、下部電極層2自身の抵抗が大きくなるほか、下部電極層2の連続性が確保できなくなる可能性があるからであり、一方、10μmより厚くすると、支持基板1との密着性が低下したり、支持基板1の反りを生じるおそれがあるからである。
The thickness of the
薄膜誘電体層4は、少なくともBa,Sr,Tiを含有するペロブスカイト型酸化物結晶粒子からなる高誘電率の誘電体層であることが好ましい。この薄膜誘電体層4は、上述の下部電極層2の表面に形成されている。例えば、ペロブスカイト型酸化物結晶粒子が得られる誘電体材料をタ−ゲットとして、スパッタリングを所望の厚みになる時間まで行なう。基板温度を高く、例えば800℃としてスパッタリングを行なうことにより、スパッタリング後の熱処理を行なうことなく、高誘電率で容量変化率の大きい、低損失の薄膜誘電体層4が得られる。
The thin
上部電極層5の材料としては、電極の抵抗を下げるため、抵抗率の小さなAuが望ましいが、薄膜誘電体層4との密着性向上のために、Pt等を密着層として用いることが望ましい。この上部電極層5の厚みは0.1μm〜10μmとなっている。厚みの下限については、下部電極層2と同様に、上部電極層5自身の抵抗を考慮して設定される。厚みの上限については、密着性を考慮して設定される。
The material of the
個別バイアスラインB11は、導体ライン32,33および薄膜抵抗63から構成されており、第1の可変容量素子C1の入力端子部である入力端子(半田端子部111,半田拡散防止層10)から第2の可変容量素子C2と第3の可変容量素子C3との接続点、すなわち、第2の可変容量素子C2の上部電極層5と第3の可変容量素子C3の上部電極層5とを接続する引き出し電極層8との間に設けられている。同様に、個別バイアスラインB12は、導体ライン32,34および薄膜抵抗64から構成され、前記入力端子Iから第4の可変容量素子C4と第5の可変容量素子C5との接続点との間に設けられている。
The individual bias line B11 is composed of
これら個別バイアスラインB11,B12と、入力端子Iとの間には、共用する共通バイアスラインBIが設けられている。共通バイアスラインBIは、導体ライン32と薄膜抵抗61とから構成されており、この共通バイアスラインBIを介して、個別バイアスラインB11とB12は、前記入力端子Iに対して並列に接続されている。
A common bias line BI is provided between the individual bias lines B11 and B12 and the input terminal I. The common bias line BI includes a
個別バイアスラインB21は、導体ライン31と薄膜抵抗65とから構成されており、第3の可変容量素子C3と第4の可変容量素子C4との接続点、すなわち、第3の可変容量素子C3および第4の可変容量素子C4の共通的な下部電極層2と、第5の可変容量素子C5の出力端部である出力端子(半田端子部112,半田拡散防止層10)との間に設けられている。同様に、個別バイアスラインB22は、導体ライン31と薄膜抵抗66とから構成され、第1の可変容量素子C1と第2の可変容量素子C2との接続点と、前記出力端子Oとの間に設けられている。
The individual bias line B21 includes a
これら個別バイアスラインB21、B22と、出力端子Oとの間には、共用する共通バイアスラインBOが設けられている。共通バイアスラインBOは、導体ライン31と薄膜抵抗62とから構成されており、この共通バイアスラインBOを介して、個別バイアスラインB21とB22は、前記入力端子Iに対して並列に接続されている。
A shared common bias line BO is provided between the individual bias lines B21 and B22 and the output terminal O. The common bias line BO is composed of a
この導体ライン31,32,33,34は、上述の下部電極層2、薄膜誘電体層4および上部電極層5を形成した後、新たに成膜して得ることができる。その際には、リフトオフ法を用いることが望ましい。さらには、下部電極層2のパタ−ニングの際に導体ライン31,32,33,34を有する形状にパタ−ニングを行なうことによっても形成できる。
The conductor lines 31, 32, 33 and 34 can be obtained by forming a new film after forming the
この導体ライン31,32,33,34の材料としては、バイアスラインの抵抗値のばらつきを抑制するために、低抵抗であるAuが望ましいが、薄膜抵抗61〜66の抵抗が十分に高いので、Pt等の下部電極層2と同一の材料,同一工程で形成してもよい。
As the material of the conductor lines 31, 32, 33, 34, Au having a low resistance is desirable in order to suppress variation in the resistance value of the bias line, but the resistance of the
次に、バイアスラインB11,B12,B21,B22,BI,BOを構成する薄膜抵抗61〜66の材料は、その比抵抗が1Ωcm以上であることが望ましい。このような高抵抗の材料を用いることにより、バイアスラインB11,B12,B21,B22,BI,BOを付与しても素子の形状を大きくすることなく素子を作製することができ、小型集積化に有利となる。薄膜抵抗61〜66の具体的な材料として、窒化タンタル,TaSiN、Ta−Si−Oを例示することができる。例えば、窒化タンタルの場合であれば、Taをタ−ゲットとして、窒素を加えてスパッタリングを行なう、リアクティブスパッタリング法により、所望する組成比および抵抗率の抵抗膜を成膜することができる。このスパッタリングの条件を適宜選択することにより、比抵抗が1Ωcm以上の抵抗膜を作製することができる。さらに、スパッタリング終了後、レジストを塗布し、所定の形状にした後、反応性イオンエッチング(RIE)等のエッチングプロセスにより、簡便にパタ−ニングすることができる。
Next, the material of the
また、図18に示す例の可変コンデンサにおいて、バイアスラインB11,B12,B21,B22,BI,BOの抵抗成分が、100MHz以上の高周波信号を遮断し、かつ可変容量素子C1〜C5の絶縁抵抗の1/100以下の大きさとするには、薄膜抵抗の61〜66の抵抗値は、上述のように0.5MΩ以上である必要がある。薄膜抵抗61〜64の材料として、その比抵抗が1Ωcm以上の材料を用いた場合は、前記抵抗値を実現するには、膜厚を40nmとして、アスペクト比(長さ/幅)を2以上とすればよく、素子形状を大きくすることなく実現可能なアスペクト比を有する薄膜抵抗61〜66を作製することができる。
In the variable capacitor of the example shown in FIG. 18, the resistance components of the bias lines B11, B12, B21, B22, BI, and BO block high-frequency signals of 100 MHz or more, and the insulation resistance of the variable capacitors C1 to C5. In order to make the
これら薄膜抵抗61〜66を含むバイアスラインB11,B12,B21,B22,BI,BOは、支持基板1上に直接形成されている。これにより、薄膜抵抗61〜64を可変容量素子C1〜C5上に形成する際に必要となる、下部電極層2,上部電極層5および引き出し電極層8との絶縁を確保するための絶縁層が不要となり、可変コンデンサを構成する層の数を低減することが可能となる。
Bias lines B11, B12, B21, B22, BI, and BO including these
次に、絶縁層7は、この上に形成する引き出し電極層8と下部電極層2との絶縁を確保するために必要である。さらに、この絶縁層7は、バイアスラインB11,B12,B21,B22,BI,BOを被覆しており、薄膜抵抗61〜66が酸化されるのを防止できるため、バイアスラインB11,B12,B21,B22,BI,BOの抵抗値を経時的に一定とすることができ、信頼性が向上する。絶縁層7の材料は耐湿性を向上させるために、例えば、窒化ケイ素および酸化ケイ素の少なくとも1種類よりなるものとすればよい。これらは、被覆性を考慮して、化学気相堆積(CVD)法等により、成膜することが望ましい。
Next, the insulating
絶縁層7は、通常のレジストを用いるドライエッチング法等により、所望の形状にすることができる。そして、絶縁層7には、薄膜抵抗61、62と引き出し電極層8との結合を確保するために、導体ライン33,34の一部を露出させる貫通孔を設けている。その他でこの絶縁層7から露出させる部位としては、上部電極層5および半田端子部111,112のみとしておくことが、耐湿性向上の観点から好ましい。
The insulating
次に、引き出し電極層8は、第1の可変容量素子C1の上部電極層5と一方の端子形成部111、または上部電極層5同士を連結させて、第1の可変容量素子C1を端子形成部111に接続するとともに、第2の可変容量素子C2と第3の可変容量素子C3、第4の可変容量素子C4と第5の可変容量素子C5、各々を直列接続するものである。さらには、C2とC3、C4とC5の各々にまたがる引き出し電極層8は、絶縁層7の貫通孔によってそれぞれ導体ライン33、34と結合している。
Next, the
この引き出し電極層8の材料としては、Au,Cu等の低抵抗な金属を用いることが望ましい。また、絶縁層7との密着性を考慮して、Ti,Ni等の密着層を使用してもよい。
As the material of the
次に、保護層9を形成する。保護層9は、素子を外部から機械的に保護するほか、薬品等による汚染から保護する。この保護層9の形成時には、半田端子部111、112を露出するようにする。保護層9の材料としては、耐熱性が高く、段差に対する被覆性が優れたものが良く、具体的には、ポリイミド樹脂やBCB(ベンゾシクロブテン)樹脂等を用いる。
Next, the
半田拡散防止層10は、半田端子部111,112を形成する際のリフローや実装の際に、半田の電極への拡散を防止するために形成する。材料としては、Niが好適である。また、半田拡散防止層10の表面には、半田濡れ性を向上させるために、半田濡れ性の高いAu,Cu等を0.1μm程度形成する場合もある。
The solder
最後に、半田端子部111、112を形成する。これは、実装を容易にするために形成する。半田拡散防止層10の上に半田ペーストを印刷後、リフローを行なうことにより、形成するのが一般的である。
Finally,
以上のように、本発明によれば、直流バイアス電圧による容量変化率を大きくしつつも、高周波信号による容量変化率は小さく、相互変調歪みが小さく、耐電力に優れ、かつ使用可能な周波数領域が広く、かつ小型集積化が可能な可変コンデンサを提供できる。 As described above, according to the present invention, while the capacity change rate due to the DC bias voltage is increased, the capacity change rate due to the high-frequency signal is small, the intermodulation distortion is small, the power resistance is excellent, and the usable frequency region. And a variable capacitor that can be integrated in a small size.
次に、本発明の可変コンデンサをより具体化した実施例について説明する。実施例として、図18および図19に示す本発明の第2の可変コンデンサを例にとり説明する。 Next, a more specific embodiment of the variable capacitor of the present invention will be described. As an example, the second variable capacitor of the present invention shown in FIGS. 18 and 19 will be described as an example.
直列に接続された可変容量素子の個数を5個として以下のように作製した。 The number of variable capacitance elements connected in series was five, and was manufactured as follows.
支持基板1としてサファイアのR基板上に、下部電極層2としてPtを、基板温度500℃でスパッタリング法にて成膜した。薄膜誘電体層4として(Ba0.5Sr0.5)TiO3からなるターゲットを用い、基板温度は800℃,成膜時間は15分で、同一バッチで成膜した。成膜開始前に、Pt電極の平坦化のためのアニールとして800℃で15分間保持した。その上に上部電極層5としてPtを同一バッチで成膜した。次に、フォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィの手法によりこのフォトレジストを所定の形状に加工した後、ECR装置により上部電極層5をエッチングした。その後、同様に薄膜誘電体層4、下部電極層2をエッチングした。下部電極層2の形状は、導体ライン31〜34を含むものとした。次に、薄膜抵抗61〜66として、窒化タンタルをスパッタ法にて100℃で成膜した。スパッタリング後、フォトレジストをフォトリソグラフィにより所定の形状にした後、RIE装置を用いてエッチングを行ない、フォトレジストの層を除去した。薄膜抵抗61〜66のアスペクト比は全て2.5とした。
On the sapphire R substrate as the
次に、絶縁層7として、SiO2膜をTEOSガスを原料とするCVD装置により成膜した。レジストを加工した後、RIE装置により所定の形状にエッチングを行なった。
Next, as the insulating
次に、引き出し電極層8として、PtおよびAuをスパッタリングにて成膜し、所定の形状に加工した。
Next, as the
最後に保護層9、半田拡散防止層10、半田端子部111,112を順次形成した。保護層9にはポリイミド樹脂を、半田拡散防止層10にはNiをそれぞれ用いた。
Finally, the
薄膜抵抗61〜66の膜厚は43nmであり、25℃の室温でシート抵抗値を別途測定した結果、510kΩ/□であった。これにより、薄膜抵抗61〜66の比抵抗は約2Ωcmであり、薄膜抵抗61〜66の抵抗値は1.2MΩであることが確認された。さらに、共通バイアスラインBI,BOの各個別バイアスラインB11,B12,B21,B22に分配した抵抗と、個別バイアスラインB11,B12,B21,B22の抵抗との合計は3.5MΩとなった。
The film thickness of the
さらに、同じ雰囲気温度で、可変容量素子C1〜C5の絶縁抵抗を測定したところ、DC3V印加時の絶縁抵抗値は1GΩであった。 Furthermore, when the insulation resistances of the variable capacitance elements C1 to C5 were measured at the same atmospheric temperature, the insulation resistance value when DC 3 V was applied was 1 GΩ.
従って、共通バイアスラインBI,BOの各個別バイアスラインB11,B12,B21,B22に分配した抵抗と、個別バイアスラインB11,B12,B21,B22の抵抗との合計は3.5MΩであるため、DC3V印加時の絶縁抵抗値1GΩの1/285となり、1/100以下であった。 Therefore, since the total of the resistance distributed to the individual bias lines B11, B12, B21, and B22 of the common bias lines BI and BO and the resistance of the individual bias lines B11, B12, B21, and B22 is 3.5 MΩ, DC3V is applied. The insulation resistance value at that time was 1/285 of 1 GΩ, which was 1/100 or less.
上記素子の抵抗値を、雰囲気温度を変えて測定した。−30℃の場合、前記バイアスラインB11,B12,B21,B22の抵抗値の合計は7.8MΩであり、DC3V印加時の可変容量素子C1〜C5の絶縁抵抗値は5GΩであった。この場合、両抵抗値の比Rc/Rは1/641となり、1/100以下であった。 The resistance value of the element was measured by changing the ambient temperature. In the case of −30 ° C., the total resistance value of the bias lines B11, B12, B21, and B22 was 7.8 MΩ, and the insulation resistance values of the variable capacitance elements C1 to C5 when DC 3 V was applied were 5 GΩ. In this case, the ratio Rc / R of both resistance values was 1/641, which was 1/100 or less.
雰囲気温度が85℃の場合は、前記バイアスラインB11,B12,B21,B22,BI,BOの抵抗値Rcの合計は1.5MΩであり、DC3V印加時の可変容量素子C1〜C5の絶縁抵抗値Rは0.25GΩであった。この場合、両抵抗値の比Rc/Rは1/166となり、1/100以下であった。 When the ambient temperature is 85 ° C., the total resistance value Rc of the bias lines B11, B12, B21, B22, BI and BO is 1.5 MΩ, and the insulation resistance values R of the variable capacitors C1 to C5 when DC3V is applied. Was 0.25 GΩ. In this case, the ratio Rc / R of both resistance values was 1/166, which was 1/100 or less.
使用温度範囲内で、可変容量素子C1〜C5の絶縁抵抗RcとバイアスラインB11,B12,B21,B22,BI,BOの抵抗はともに温度が上がるとともに下がっており、両者の抵抗値の比Rc/Rは1/100以下であった。そのため、可変容量素子C1〜C5に印加される直流バイアス電圧は、−30℃の場合は供給電圧の99%、25℃の場合は98%、85℃の場合は97%といずれも高く、しかも、使用温度範囲内でほぼ等しくすることができた。 Within the operating temperature range, the insulation resistance Rc of the variable capacitance elements C1 to C5 and the resistances of the bias lines B11, B12, B21, B22, BI, BO all decrease as the temperature rises, and the ratio Rc / R was 1/100 or less. Therefore, the DC bias voltage applied to the variable capacitance elements C1 to C5 is 99% of the supply voltage at −30 ° C., 98% at 25 ° C., and 97% at 85 ° C., respectively. It was possible to make it almost equal within the operating temperature range.
以上のように、本実施例においても、本発明の可変コンデンサが直流バイアス電圧による容量変化率を大きくしつつも、高周波信号による容量変化率は小さく、相互変調歪みが小さく、耐電力に優れ、かつ使用可能な周波数領域が広く、かつ小型集積化が可能であることを確認できた。 As described above, also in the present embodiment, while the variable capacitor of the present invention increases the capacitance change rate due to the DC bias voltage, the capacitance change rate due to the high frequency signal is small, the intermodulation distortion is small, and the power resistance is excellent. In addition, it was confirmed that the usable frequency range was wide and small integration was possible.
1・・・支持基板
2・・・下部電極層
31,32,33,34,35,36,37・・・導体ライン
4・・・薄膜誘電体層
5・・・上部電極層
61,62,63,64,65,66,67,68,69,70・・・薄膜抵抗
7・・・絶縁体層
8・・・引き出し電極層
9・・・保護層
10・・・半田拡散防止層
111,112・・・半田端子部
C1,C2,C3,C4,C5,C6,C7,C8,C9,C10,C11・・・可変容量素子
B11,B12,B13,B14,B15・・・バイアスラインもしくは個別バイアスライン
B21,B22,B23,B24,B25・・・バイアスラインもしくは個別バイアスライン
BI,BO・・・共通バイアスライン
R11,R12,R13,R21,R22,R23,RI,RO・・・バイアスラインの抵抗成分
Rc1,Rc2,Rc3,Rc4,Rc5,Rc6,Rc7,Rc8,Rc9,Rc10,Rc11・・・可変容量素子の絶縁抵抗
I・・・入力端子
O・・・出力端子
1 ...
31, 32, 33, 34, 35, 36, 37 ...
61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70 ...
10 ... Solder diffusion prevention layer
111, 112... Solder terminals C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8, C9, C10, C11... Variable capacitance elements B11, B12, B13, B14, B15. Or individual bias lines B21, B22, B23, B24, B25... Bias lines or individual bias lines BI, BO... Common bias lines R11, R12, R13, R21, R22, R23, RI, RO. Line resistance component Rc1, Rc2, Rc3, Rc4, Rc5, Rc6, Rc7, Rc8, Rc9, Rc10, Rc11 ... Insulation resistance of variable capacitance element I ... Input terminal O ... Output terminal
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