JP2007125626A - Mems element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は,アクチュエータを有するMEMS素子に関する。 The present invention relates to a MEMS element having an actuator.
近年、集積回路等の半導体装置製造工程を利用して、電気的及び機械的な機能を有する微小部品(MEMS素子)の開発が盛んに行われるようになった。MEMS素子では、可動部が、膜厚、サイズ、あるいは材料特性等のばらつきによって変形が発生し、所望の仕様を満たせないという問題がある。 In recent years, micro parts (MEMS elements) having electrical and mechanical functions have been actively developed by using a semiconductor device manufacturing process such as an integrated circuit. In the MEMS element, there is a problem that the movable part is deformed due to variations in film thickness, size, material characteristics, or the like, and cannot satisfy a desired specification.
例えば、MEMS素子として片持ち梁構造のアクチュエータを有するマイクロスイッチが提案されている(例えば、特許文献1参照。)。また、片持ち梁構造のアクチュエータをMEMSバリアブルキャパシタに適用することも可能である。アクチュエータの可動部である梁には、駆動用の金属電極が設けられる。アクチュエータは、空中に支持され、長く薄い梁構造を有する。このため、梁に発生する僅かな応力で梁が上下に反るという問題がある。 For example, a microswitch having a cantilever actuator as a MEMS element has been proposed (see, for example, Patent Document 1). It is also possible to apply a cantilever actuator to a MEMS variable capacitor. A metal electrode for driving is provided on the beam which is a movable part of the actuator. The actuator is supported in the air and has a long and thin beam structure. For this reason, there is a problem that the beam is warped up and down by a slight stress generated in the beam.
例えば、梁には、梁や金属電極の材料の残留応力に起因して応力が発生する。また、梁及び金属電極の厚さや寸法の製造ばらつきにより、梁に発生する応力は変化する。製造ばらつきを制御・管理することは製造工程上限度がある。したがって、アクチュエータの梁の反りを制御して、駆動変位量を再現性良く高精度で制御することが困難となる。その結果、バリアブルキャパシタの電圧印加前後の容量値を設計通りに調整することや、マイクロスイッチの駆動電圧を一定値に設定すること等が困難である。 For example, stress is generated in the beam due to the residual stress of the material of the beam or the metal electrode. In addition, the stress generated in the beam changes due to manufacturing variations in the thickness and dimensions of the beam and the metal electrode. Controlling and managing the manufacturing variation has an upper limit of the manufacturing process. Therefore, it becomes difficult to control the warp of the beam of the actuator and control the drive displacement amount with high reproducibility and high accuracy. As a result, it is difficult to adjust the capacitance value of the variable capacitor before and after voltage application as designed, and to set the driving voltage of the microswitch to a constant value.
上記問題を解決する手段として、基板及び上部基板の間に可動部を挟みこむ構造としているものがある(例えば、特許文献2参照。)。可動部には信号用の上部電極が設けられ、上部基板に支持された梁に接続されている。上部基板上の駆動電極により、可動部が上下する構造となっている。この場合、可動部の上下動作のための空隙を形成する必要が有る。また、信号用の下部電極を有する基板を固定部を介して上部基板に接続しなければならない。このように、製造工程が複雑となりコストが上昇するという問題がある。また、梁には残留応力があるため、梁の反りを制御・管理することは困難である。
本発明は、残留応力に起因する反りを制御して、駆動変位量を再現性良く高精度で制御可能なアクチュエータを備えるMEMS素子を提供する。 The present invention provides a MEMS device including an actuator that can control a warp caused by a residual stress and control a drive displacement amount with high reproducibility and high accuracy.
本発明の態様によれば、(イ)固定電極を有する基板と、(ロ)固定電極と対向配置された可動電極を有するとともに、基板との間の少なくとも一部分で空隙を介しながら可動電極と固定電極とが対向配置された作用部とは離隔した固定部で基板に固定されてなる梁とを具備したMEMS素子であって、(ハ)梁を駆動させる前の初期状態で、基板と梁の作用部は互いに接触していることを特徴とするMEMS素子が提供される。 According to the aspects of the present invention, (a) a substrate having a fixed electrode, and (b) a movable electrode disposed opposite to the fixed electrode, and fixed to the movable electrode through a gap at least at a part between the substrate and the substrate. A MEMS element comprising a beam fixed to a substrate with a fixed portion spaced apart from a working portion opposed to an electrode, and (c) in an initial state before driving the beam, A MEMS device is provided in which the working parts are in contact with each other.
本発明によれば、残留応力に起因する反りを制御して、駆動変位量を再現性良く高精度で制御可能なアクチュエータを備えるMEMS素子を提供することが可能となる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to provide the MEMS element provided with the actuator which controls the curvature resulting from a residual stress and can control a drive displacement amount with high reproducibility and high precision.
以下図面を参照して、本発明の形態について説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号が付してある。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and the planar dimensions, the ratio of the thickness of each layer, and the like are different from the actual ones. Therefore, specific thicknesses and dimensions should be determined in consideration of the following description. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.
(第1の実施の形態)
本発明の第1の実施の形態に係るMEMS素子であるバリアブルキャパシタのアクチュエータは、図1及び図2に示すように、基板10上に固定された固定部42から作用部44まで延在する梁40を備える。バリアブルキャパシタの電極として、作用部44に配置された可動電極22と、可動電極22に対向して基板10上部に配置された固定電極14とを備える。梁40は、第1の絶縁膜18、第1の絶縁膜18上の駆動層24、駆動層24を覆うように設けられた第2の絶縁膜26等を有している。基板10の表面には下地層12が設けられている。固定部42は、下地層12の表面に配置されたアンカー16上に固定される。
(First embodiment)
As shown in FIGS. 1 and 2, the variable capacitor actuator, which is a MEMS element according to the first embodiment of the present invention, has a beam extending from a
固定電極14は、下地層12の表面に埋め込まれて配置される。可動電極22は、第1の絶縁膜18に埋め込まれて配置される。なお、第2の絶縁膜26で覆うように可動電極22を第1の絶縁膜18上に配置してもよい。
The
また、駆動層24は、第1の絶縁膜18上の下部電極30、下部電極30上の圧電膜32、及び圧電膜32を挟んで下部電極30と対向する上部電極34を備える。梁40の作用部44は、固定電極14及び下地層12に接触している。梁40は、アンカー16側では下地層12から空隙28により離間している。
The
例えば、基板10には、シリコン(Si)等の半導体基板等が用いられる。下地層12及びアンカー16には、酸化シリコン(SiO2)等の絶縁膜が用いられる。第1の絶縁膜18には、低圧化学気相成長法(LPCVD)による窒化シリコン(Si3N4)等の絶縁膜が用いられる。第2の絶縁膜26には、テトラエトキシシラン(TEOS)を用いたプラズマCVDによるSiO2やSi3N4等の絶縁膜が用いられる。
For example, the
また、固定電極14、可動電極22、下部及び上部電極30、34等には、白金(Pt)、ストロンチウム(Sr)、ルテニウム(Ru)、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)等の金属やこれらの金属の窒化物、これらの金属から選ばれた材料の化合物、酸化ストロンチウムルテニウム(SRO)等の導電性酸化物、あるいは、これらの金属や導電性酸化物等から選ばれた材料の積層構造が用いられる。また、圧電膜32には、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、チタン酸バリウム(BTO)、窒化アルミニウム(AlN)、酸化亜鉛(ZnO)等の圧電体、あるいは、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)等の高分子圧電材料が用いられる。
Further, the
第1の実施の形態に係るバリアブルキャパシタでは、駆動層24の下部及び上部電極30、34間に駆動電源から駆動電圧Vdrを印加して、図3に示すように、固定電極14及び可動電極22間の容量Cvarを制御する。駆動電圧Vdrが印加されると、圧電効果により圧電膜32が歪んで伸縮する。駆動層24の上下に設けられた第2の絶縁膜26、第1の絶縁膜18は圧電効果を示さない。
In the variable capacitor according to the first embodiment, the drive voltage Vdr is applied from the drive power supply between the lower and
また、圧電膜32の上の層である上部電極34と第2の絶縁膜26の厚さの和よりも、圧電膜32の下の層である下部電極30と第1の絶縁膜18の厚さの和を厚くしてある。例えば、駆動層24の下部及び上部電極30、34間に圧電膜32が縮むように駆動電圧Vdrを印加すると、梁40は縮みやすい膜厚方向、即ち、第2の絶縁膜26の方に湾曲する。その結果、可動電極22が固定電極14から離間する方向に変位し、容量Cvarが変化する。
Further, the thickness of the
一般に、図2に代表される梁構造のたわみは、次のたわみの基礎式で記述される。 In general, the deflection of the beam structure represented by FIG. 2 is described by the following basic equation of deflection.
d2y/dx2 = (1/ρ)(=−M/(EI)) (1)
ここで、梁の固定点を原点とし、梁の長手方向を(+x)、基板方向を(+y)とする。また、ρが曲率半径、Mが曲げモーメント、Eがヤング率、Iが断面2次モーメントを、それぞれ表している。梁が基板に向かって下に反るということは曲げモーメントがマイナスの符号を有するということである。曲げモーメントは梁を構成する材料の応力と膜厚の関数である。
d 2 y / dx 2 = (1 / ρ) (= − M / (EI)) (1)
Here, the fixed point of the beam is the origin, the longitudinal direction of the beam is (+ x), and the substrate direction is (+ y). Further, ρ represents a radius of curvature, M represents a bending moment, E represents a Young's modulus, and I represents a cross-sectional secondary moment. The fact that the beam warps down towards the substrate means that the bending moment has a negative sign. The bending moment is a function of the stress and film thickness of the material making up the beam.
梁40は、複数の膜で構成された複合材料である。通常、梁40に含まれる複数の膜のそれぞれには、成膜条件に起因する内部応力が発生する。そのため、梁40には、複数の膜の成膜後の残留歪による反りが生じる。また、残留歪には、製造プロセスの制御の範囲内でばらつきが生じる。更に、複数の膜それぞれの膜厚にも、製造プロセスの制御の範囲内でばらつきが発生する。したがって、梁40に発生する曲げモーメントを一定に、例えばゼロに制御することは困難である。このように、現行のアクチュエータでは、駆動電圧を印加しない初期状態で、固定電極14及び可動電極22間の距離を再現性良く高精度に制御することが困難である。その結果、バリアブルキャパシタの駆動電圧印加前の容量値を設計通りに調整することが困難となる。
The
第1の実施の形態では、第1及び第2の絶縁膜18、26として、LPCVDSi3N4膜及びプラズマCVDSiO2膜がそれぞれ用いられる。例えば、LPCVDSi3N4膜には、内部応力として約1GPaの引張応力(即ち、膜は縮みたい方向の応力)が発生する。プラズマCVDSiO2膜には、内部応力として約100MPaの圧縮応力(即ち、膜は伸びたい方向の応力)が発生する。その結果、梁40の曲げモーメントはマイナスになるため、図2に示すように、梁40を基板10側に湾曲させて作用部44を固定電極14に接触させることができる。したがって、駆動電圧Vdrを印加しない初期状態で、固定電極14及び可動電極22の間の距離は常に最小にできる。このように、残留歪による梁40の反りの影響を抑制し、バリアブルキャパシタの駆動電圧印加前の容量値を設計通りに調整することが可能となる。
In the first embodiment, an LPCVD Si 3 N 4 film and a plasma CVD SiO 2 film are used as the first and second insulating
この構造においては、初期状態で梁40を基板10側に湾曲させて作用部44を固定電極14に接触するように設計されていればよく、製造上の歪や膜厚のバラツキが発生したとしてもバリアブルキャパシタの性能上、問題は無い。また、梁40を構成する材料として、第1の実施の形態では、第1の絶縁膜18、駆動層24(駆動層24は下部電極30、圧電膜32、上部電極34で構成)、第2の絶縁膜26の合計5層の複合材料としているが、それぞれを構成する層が更に積層された複数の膜であっても構わない。全体として駆動電圧Vdrを印加しない初期状態で曲げモーメントがマイナスとなり、基板10側に梁40が曲がるような膜構成であればよく、駆動電圧Vdrを印加した際に圧電体の歪が梁40の曲げモーメントをプラスとするように設計されていれば良い。例えば、第2の絶縁膜26に対する第1の絶縁膜18の膜厚を約1.5倍以上にすることにより、初期状態で作用部44を固定電極14に接触させるように湾曲した梁40を、駆動電圧Vdrを印加して基板10から離間する方向に変位させることができる。
In this structure, it is sufficient that the
次に、本発明の第1の実施の形態に係るバリアブルキャパシタの製造方法を、図4〜図9に示す断面図を用いて説明する。ここで、説明に使用する断面図には、図1に示すA−A線に相当する断面が示されている。 Next, a variable capacitor manufacturing method according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to the cross-sectional views shown in FIGS. Here, the cross section corresponding to the AA line shown in FIG. 1 is shown in the cross sectional view used for the description.
(イ)例えば、熱酸化等により、Si半導体等の基板10表面にSiO2膜等の下地層12が形成される。図4に示すように、フォトリソグラフィ、エッチング、及びスパッタ等により、下地層12の中にW等の金属膜を選択的に堆積して、固定電極14が形成される。
(A) For example, a
(ロ)図5に示すように、プラズマCVD、フォトリソグラフィ、及び反応性イオンエッチング(RIE)等により、下地層12の表面に、例えばSiO2等のアンカー16が形成される。LPCVD等により、多結晶Si(ポリSi)膜が、下地層12の表面にアンカー16等を覆うように堆積される。化学機械研磨法(CMP)により、アンカー16の表面が露出するようにポリSi膜の平坦化を行い、犠牲層128が形成される。
(B) As shown in FIG. 5, an
(ハ)図6に示すように、LPCVD等により、Si3N4等の第1の絶縁膜18をアンカー16及び犠牲層128の表面に、例えば約200nmの厚さで堆積する。フォトリソグラフィ、RIE、及びスパッタ等により、第1の絶縁膜18を選択的に除去してAl等の可動電極22を形成する。
(C) As shown in FIG. 6, a first insulating
(ニ)図7に示すように、スパッタリング等により、Pt等の下部電極30、PZT等の圧電膜32、及びPt等の上部電極34を順次堆積する。フォトリソグラフィ及びRIE等により、上部電極34、圧電膜32、及び下部電極30を選択的に除去して、駆動層24を形成する。
(D) As shown in FIG. 7, a
(ホ)図8に示すように、プラズマCVD等により、SiO2等の第2の絶縁膜26を、駆動層24を覆うように第1の絶縁膜18上に、約100nmの厚さで堆積する。フォトリソグラフィ及びRIE等により、犠牲層128の表面が露出するように、第2の絶縁膜26、第1の絶縁膜18が選択的に除去される。ケミカルドライエッチング(CDE)等により、犠牲層128が選択的に除去され、図9に示すように、固定部42がアンカー16上に固定され、作用部44が固定電極14と接するように梁40が形成される。固定部42及び作用部44の間の梁40は、空隙28を介して下地層12の上方に保持される。
(E) As shown in FIG. 8, a second insulating
第1の実施の形態に係るバリアブルキャパシタでは、梁40の第1の絶縁膜18のSi3N4及び第2の絶縁膜26のSiO2がそれぞれ、LPCVD及びプラズマCVDにより成膜される。LPCVDSi3N4膜及びプラズマCVDSiO2膜の内部応力は、それぞれ約1GPaの引張応力及び約100MPaの圧縮応力である。また、駆動層24の下部電極30、圧電膜32、及び上部電極34のそれぞれの内部応力は約100MPaである。その結果、梁40では、第1の絶縁膜18の引張応力が勝って、梁40を基板10側に湾曲させて作用部44を固定電極14に接触させることが可能となる。このように、例えば第1の絶縁膜18の引張応力が支配的になって梁40の作用部44が固定電極14に接するような曲げモーメントを梁40に生じさせるように、梁40に含まれる各膜の内部応力及び膜厚を制御すればよい。第1の実施の形態に係るバリアブルキャパシタでは、アクチュエータの駆動電圧を印加しない初期状態において、梁40が湾曲して固定電極14及び可動電極22間の距離を最小に制御することができ、バリアブルキャパシタの駆動電圧印加前の容量値を設計通りに調整することが可能となる。
In the variable capacitor according to the first embodiment, Si 3 N 4 of the first insulating
なお、第1の実施の形態では、第2の絶縁膜26として、圧縮応力を有する膜を用いている。しかし、内部応力が第1の絶縁膜18の引張応力より、例えば十分の一程度に小さければ、引張応力を有する膜であっても第2の絶縁膜26として用いることが可能である。また、内部応力が無視できる膜を第2の絶縁膜26として使用できることは、勿論である。一方梁40において、第2の絶縁膜26の圧縮応力が勝って梁40を基板10側に湾曲させるよう梁40に含まれる各膜の内部応力及び膜厚が制御されてもよく、梁40に含まれる各膜のいずれが梁40中で支配的となる内部応力を有する膜となっても構わない。
In the first embodiment, a film having compressive stress is used as the second insulating
また、第1の実施の形態では、アクチュエータは、圧電膜32の圧電効果により駆動される。しかし、アクチュエータの駆動は、圧電効果に限定されない。例えば、熱膨張係数の異なる材料を利用するバイメタル効果であってもよい。例えば、図10に示すように、梁40aの駆動層24aは、第1の絶縁膜18上に堆積された高膨張材料膜35及び低膨張材料膜36を備えるバイメタル構造膜である。高膨張材料膜35の熱膨張係数は、低膨張材料膜36より大きい。駆動電源から駆動電流を駆動層24aに印加して、駆動層24aに熱を発生させると、駆動層24aは、低膨張材料膜36側に湾曲する。その結果、可動電極22が固定電極14から離間するように梁40aを変位させることが可能となる。
In the first embodiment, the actuator is driven by the piezoelectric effect of the
また、アクチュエータとして、電磁力を用いることも可能である。例えば、図11及び図12に示すように、梁40bの駆動層24bは、第1の絶縁膜18上に堆積された磁性体である。駆動層24bに対向する下地層12の表面に電磁コイル37が配置される。電磁コイル37に駆動電源から駆動電流を印加することにより、駆動層24bが基板10から離間するような電磁力を発生させる。このようにして、可動電極22が固定電極14から離間するように梁40bを変位させることが可能となる。
An electromagnetic force can also be used as the actuator. For example, as shown in FIGS. 11 and 12, the
また、第1の実施の形態では、可動電極22は、作用部44に単独に配置されている。例えば、可動電極として、駆動層24の下部電極30を用いることも可能である。この場合、下部電極30を延在させて、作用部44において固定電極14と対向するようにすればよい。
In the first embodiment, the
また、第1の実施の形態に係るMEMS素子として、バリアブルキャパシタを用いた例を説明している。MEMS素子は、バリアブルキャパシタ以外にも、例えばマイクロスイッチ等に適用できる。例えば、図1に示した同様の構造で、作用部44の可動電極22を第1の絶縁膜18を貫通するように形成して、固定電極14と接触させることによりノーマリオン型スイッチとして用いることもできる。
In addition, an example in which a variable capacitor is used as the MEMS element according to the first embodiment is described. The MEMS element can be applied to, for example, a microswitch in addition to the variable capacitor. For example, with the same structure as shown in FIG. 1, the
(第2の実施の形態)
本発明の第2の実施の形態に係るMEMS素子であるバリアブルキャパシタは、図13に示すように、第1の梁40c及び第2の梁40dを含むアクチュエータを備える。第1及び第2の梁40c、40dは、それぞれアンカー16上の固定部42a、42bから空隙28の領域に配置され、作用部44aに接続されている。第1の梁40cでは、下部電極配線56a及び上部電極配線58aが、固定部42aからアンカー16上に延在するように配置されている。下部及び上部電極配線56a、58aには、それぞれパッド64a、66aが配置されている。第2の梁40dでは、下部電極配線56b及び上部電極配線58bが、固定部42bからアンカー16上に延在するように配置されている。下部及び上部電極配線56b、58bには、それぞれパッド64b、66bが配置されている。
(Second Embodiment)
As shown in FIG. 13, the variable capacitor, which is a MEMS element according to the second embodiment of the present invention, includes an actuator including a
また、第2の実施の形態に係るバリアブルキャパシタは、第3の梁40eを備える。第3の梁40eは、アンカー16上の固定部42cから空隙28の領域に配置され、アクチュエータの作用部44aに接続されている。作用部44aを挟んで第3の梁40eと対向するように第1の信号配線60が配置されている。第1の信号配線60及び第3の梁40eの固定部42cには、パッド68a、68bが配置されている。
Further, the variable capacitor according to the second embodiment includes a
第1及び第2の梁40c、40dは、図14に示すように、アンカー16上にそれぞれ固定部42a、42bが固定され、空隙28上に懸架されている。作用部44aの可動電極22に対向するように、保護膜13で覆われた固定電極14が、基板10上の下地層12の表面に配置されている。作用部44aは、固定電極14上で保護膜13に接している。
As shown in FIG. 14, the first and
第1及び第2の梁40c、40dには、第1の絶縁膜18表面に駆動層24a、24bがそれぞれ配置されている。駆動層24a、24bは、絶縁膜20で覆われている。絶縁膜20上には第2の絶縁膜26が設けられている。絶縁膜20表面に設けられた可動電極22は、第2の絶縁膜26で覆われている。
In the first and
駆動層24aは、第1の絶縁膜18上の下部電極30a、下部電極30a上の圧電膜32a、及び圧電膜32aを挟んで下部電極30aと対向する上部電極34aを備える。下部及び上部電極30a、34aは、絶縁膜20を通して下部及び上部電極配線56a、58aに接続されている。
The
駆動層24bは、第1の絶縁膜18上の下部電極30b、下部電極30b上の圧電膜32b、及び圧電膜32bを挟んで下部電極30bと対向する上部電極34bを備える。下部及び上部電極30b、34bは、絶縁膜20を通して設けられた下部及び上部電極配線56b、58bに接続されている。
The
第3の梁40eは、図15に示すように、第1の絶縁膜18、第1の絶縁膜18上の絶縁膜20、絶縁膜20上の第2の信号配線62、及び第2の信号配線62を覆うように設けられた第2の絶縁膜26を有している。第2の信号配線62は、作用部44aの可動電極22及び固定部42cのパッド68bを接続するように延在している。第3の梁40eに対向して第1の信号配線60は、絶縁膜20、第1の絶縁膜18、アンカー16、及び保護膜13を通して固定電極14に接続するように設けられている。
As shown in FIG. 15, the
第2の実施の形態に係るバリアブルキャパシタは、アクチュエータとして第1及び第2の梁40c、40dを備え、作用部44aで第1及び第2の梁40c、40dに接続された第3の梁40eを備える点が、第1の実施の形態と異なる。他の構成は、第1の実施の形態と同様であるので、重複する記載は省略する。
The variable capacitor according to the second embodiment includes first and
第2の実施の形態では、第1〜第3の梁40c〜40eに第1の実施の形態と同様引張応力を有する第1の絶縁膜18が設けられている。駆動電圧Vdrを印加しない初期状態で、第1〜第3の梁40c〜40eを基板10側に湾曲させて固定電極14及び可動電極22の距離を常に最小にできる。このように、残留歪による第1〜第3の梁40c〜40eの反りの影響を抑制し、バリアブルキャパシタの駆動電圧印加前の容量値を設計通りに調整することが可能となる。
In the second embodiment, the first insulating
次に、第2の実施の形態に係るバリアブルキャパシタの製造方法を、図16〜図22に示す平面図及び断面図を用いて説明する。ここで、説明に使用する断面図には、図13に示すC−C線に相当する断面が示されている。 Next, a variable capacitor manufacturing method according to the second embodiment will be described with reference to plan views and cross-sectional views shown in FIGS. Here, in the cross-sectional view used for the description, a cross-section corresponding to the line CC shown in FIG. 13 is shown.
(イ)例えば、熱酸化等により、Si半導体等の基板10表面にSiO2膜等の下地層12が形成される。図16に示すように、スパッタ、フォトリソグラフィ、及びエッチング等により、下地層12表面にW等の金属膜を約100nmの厚さで選択的に堆積して、固定電極14が形成される。CVD等により、下地層12上にSi3N4等の保護膜13を約200nmの厚さで固定電極14を覆うように堆積する。なお、固定電極14は、矩形状で約25μm×約70μmの寸法である。
(A) For example, a
(ロ)プラズマCVD、フォトリソグラフィ、及び反応性イオンエッチング(RIE)等により、保護膜13の表面に、例えばSiO2等のアンカー16が約1μmの厚さで形成される。LPCVD等により、多結晶Si(poly−Si)膜が、保護膜13の表面にアンカー16等を覆うように堆積される。図17に示すように、化学機械研磨法(CMP)により、アンカー16の表面が露出するようにpoly−Si膜の平坦化を行い、アンカー16で囲まれたT字形状の犠牲層128が形成される。犠牲層128は、幅が約40μmで、図の横方向に延在する領域の長さが約200μm、縦方向に延在する領域の長さが約100μmである。犠牲層128は、横方向に延在する領域の中央部で、固定電極14と横方向に約70μm、縦方向に約20μmの幅で対向する。
(B) An
(ハ)図18に示すように、LPCVD等により、Si3N4等の第1の絶縁膜18をアンカー16及び犠牲層128の表面に、例えば約200nmの厚さで堆積する。
(C) As shown in FIG. 18, a first insulating
(ニ)スパッタリング等により、第1の絶縁膜18表面に厚さが約2.5nm/約10nm/約100nm/約10nmのTi/SRO/Pt/Ti等の下部金属膜、厚さが約70nmのPZT等の圧電体、及び厚さが約70nm/約10nmのPt/SRO等の上部金属膜を順次堆積する。図19(a)及び図19(b)に示すように、フォトリソグラフィ及びRIE等により、上部金属膜、圧電体、及び下部金属膜を選択的に除去して、下部電極30a、30b、圧電膜32a、32b、及び上部電極34a、34bを有する駆動層24a、24bを形成する。駆動層24a、24bはそれぞれ、犠牲層128の横方向に延在する領域の上方から、犠牲層128の両端を越えてアンカー16側の上方に配置される。
(D) A lower metal film such as Ti / SRO / Pt / Ti having a thickness of about 2.5 nm / about 10 nm / about 100 nm / about 10 nm on the surface of the first insulating
(ホ)プラズマCVD等により、SiO2等の絶縁膜20を第1の絶縁膜18の表面に駆動層24a、24bを覆うように、例えば、約50nmの厚さで堆積する。フォトリソグラフィ及びRIE等により、図20(a)及び図20(b)に示すように、絶縁膜20を選択的に除去してビアホール50a、52a、50b、52b、54を形成する。ビアホール50a、52aのそれぞれには、駆動層24aの下部及び上部電極30a、34aの表面が露出している。ビアホール50b、52bのそれぞれには、駆動層24bの下部及び上部電極30b、34bの表面が露出している。ビアホール54には、固定電極14の表面が露出している。
(E) An insulating
(ヘ)スパッタ等により、絶縁膜20表面にTiN/Ti/AlCu/Ti/TiN等の金属膜を堆積する。図21(a)及び図21(b)に示すように、フォトリソグラフィ及びRIE等により、下部電極配線56a、56b、上部電極配線58a、58b、第1の信号配線60、第2の信号配線62、及び可動電極22を形成する。下部及び上部電極配線56a、58aは、図20(a)及び図20(b)に示したビアホール50a、52aを埋め込んで下部及び上部電極30a、34aにそれぞれ接続される。下部及び上部電極配線56b、58bは、ビアホール50b、52bを埋め込んで下部及び上部電極30b、34bにそれぞれ接続される。第1の信号配線60は、ビアホール54を埋め込んで固定電極14と接続される。第2の信号配線62は、可動電極22と接続される。可動電極22は、犠牲層128の上方で固定電極14と対向する。可動電極22は、矩形状で約20μm×約70μmの寸法である。
(F) A metal film such as TiN / Ti / AlCu / Ti / TiN is deposited on the surface of the insulating
(ト)プラズマCVD等により、SiO2等の第2の絶縁膜26を、下部及び上部電極配線56a、56b、58a、58b、第1及び第2の信号配線60、62、及び可動電極22を覆うように絶縁膜20上に、約100nmの厚さで堆積する。図22(a)及び図22(b)に示すように、フォトリソグラフィ及びRIE等により、第2の絶縁膜26が選択的に除去され、パッド64a、64b、66a、66b、68a、68bが形成される。更に、フォトリソグラフィ及びRIE等により、犠牲層128の表面が露出するように、第2の絶縁膜26、絶縁膜20、第1の絶縁膜18が選択的に除去される。ケミカルドライエッチング(CDE)等により、犠牲層128が選択的に除去され、固定部42a、42b、42cがアンカー16上に固定され、作用部44aが固定電極14上の保護膜13と接するように第1〜第3の梁40c、40d、40eが形成される。固定部42a、42b、42c及び作用部44の間の第1〜第3の梁40c〜40eは、空隙28を介して保護膜13の上方に保持される。
(G) The second insulating
第2の実施の形態に係るバリアブルキャパシタでは、第1〜第3の梁40c〜40eの第1の絶縁膜18のSi3N4及び第2の絶縁膜26のSiO2がそれぞれ、LPCVD及びプラズマCVDにより成膜される。LPCVDSi3N4膜及びプラズマCVDSiO2膜の内部応力は、それぞれ約1GPaの引張応力及び約100MPaの圧縮応力である。また、駆動層24a、24bの下部電極30a、30b、圧電膜32a、32b、上部電極34a、34b、絶縁膜20、及び第2の信号配線62のそれぞれの内部応力は約100MPaである。その結果、第1〜第3の梁40c〜40eでは、第1の絶縁膜18の引張応力が勝って、作用部44aを基板10側に湾曲させて固定電極14上の保護膜13に接触させることが可能となる。このように、第2の実施の形態に係るバリアブルキャパシタでは、アクチュエータの駆動電圧を印加しない初期状態において、第1〜第3の梁40c〜40eが湾曲して固定電極14及び可動電極22間の距離を最小に制御することができ、バリアブルキャパシタの駆動電圧印加前後の容量値を設計通りに調整することが可能となる。
In the variable capacitor according to the second embodiment, the Si 3 N 4 of the first insulating
第2の実施の形態に係るバリアブルキャパシタのアクチュエータは、図13に示したように、第1及び第2の梁40c、40dは、作用部44aを挟んで直線上に配置されている。また、第3の梁40eは、第1及び第2の梁40c、40dと作用部44aで直交するように配置されている。しかし、第1〜第3の梁40c〜40eの配置は、限定されない。例えば、図23に示すように、第1〜第3の梁40c〜40eのそれぞれが、作用部44aにおいて120度の角度で接続されるように配置してもよい。第1〜第3の梁40c〜40eを略等角度間隔で配置することにより、可動電極22aの領域の反りや歪等を緩和することができ、固定電極14aとの間隔を均一にすることが可能となる。
In the variable capacitor actuator according to the second embodiment, as shown in FIG. 13, the first and
また、アクチュエータの梁を2以上の複数にしてもよい。例えば、図24に示すように、第1の梁40c、40f、及び第2の梁40d、40gを第1及び第2の信号配線60、62に関して対称に配置する。アクチュエータの梁が4本となり、駆動力が増加する。また、4方向から可動電極22aが保持されるため、外部からの振動やノイズの影響を抑制することが可能となる。
Further, the actuator beam may be two or more. For example, as shown in FIG. 24, the
また、第2の実施の形態では、第2の信号配線62が配置される第3の梁40eは矩形状であるが、形状は限定されない。例えば、図25に示すように、蛇行形状の第3の梁40hを用いてもよい。アクチュエータの第1及び第2の梁40c、40dに対して、第2の信号配線62が配置された第3の梁40hの機械的ばね定数を小さくでき、アクチュエータの駆動電圧を下げることが可能となる。なお、第2の信号配線62として、ボンディングワイヤを用いることもできる。この場合、第3の梁は不要となる。
In the second embodiment, the
(応用例)
本発明の第1及び第2の実施の形態の応用例に係るMEMS装置100は、図26に示すように、マイクロプロセッサ(MPU)82と、メモリ84、参照固定容量86、駆動電源88、及びMEMS素子90を備える。MPU82には、入力端子80が接続される。MEMS素子90には、出力端子92が接続される。
(Application examples)
As shown in FIG. 26, a
MEMS素子90には、例えば、第1及び第2の実施の形態に係るバリアブルキャパシタが用いられる。駆動電源88は、駆動電圧をMEMS素子90に印加する。MPU82は、メモリ84に記憶された駆動電圧と容量値との関係に基づいて、駆動電源88を制御してMEMS素子90の容量値を設定する。また、MPU82は、参照固定容量86を参照して、駆動電源88から印加される駆動電圧及びMEMS素子90の容量値の関係を取得する。駆動電圧と容量値の関係はメモリ84に格納される。
For example, the variable capacitor according to the first and second embodiments is used for the
例えば、入力端子80に初期化信号が入力されると、MPU82は、駆動電源88に駆動電圧供給信号を伝達する。駆動電源88は、駆動電圧供給信号に対応する駆動電圧をMEMS素子90に出力する。MPU82は、MEMS素子90の容量値信号を取得し、参照固定容量86を参照して容量値を判定する。取得された駆動電圧対容量値の関係がメモリ84に格納される。
For example, when an initialization signal is input to the
入力端子80に容量値要求信号が入力されると、MPU82は、メモリ84に格納された駆動電圧対容量値の関係に基づいて、対象容量値に対応する対象駆動電圧の駆動電圧供給信号を決定して駆動電源88に伝達する。駆動電源88から出力された対象駆動電圧がMEMS素子90に印加される。その結果、MEMS素子90から対象容量値が出力端子92に出力される。
When the capacitance value request signal is input to the
このように、応用例に係るMEMS装置100では、初期化信号によりMEMS素子90の駆動電圧対容量値の関係が予め取得される。また、要求される容量値に対応する駆動電圧は、較正された駆動電圧対容量値の関係に基づいて決定される。したがって、MEMS素子90の製造上のばらつきによる容量値の設計値からのずれを較正することができ、要求された容量値を再現性よく高精度に制御することが可能となる。
As described above, in the
(その他の実施の形態)
上記のように、本発明の実施の形態を記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者にはさまざまな代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
(Other embodiments)
Although the embodiments of the present invention have been described as described above, it should not be understood that the descriptions and drawings constituting a part of this disclosure limit the present invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art.
本発明の第1及び第2の実施の形態においては、ユニモルフ構造の圧電アクチュエータが用いられている。しかし、圧電アクチュエータとして、バイモルフ構造を用いてもよい。バイモルフ構造を有する圧電アクチュエータでは、下部及び上部電極の間に第1の圧電膜、中間電極、及び第2の圧電膜が設けられる。下部及び上部電極を共通として、中間電極との間に駆動電圧が印加される。 In the first and second embodiments of the present invention, a unimorph piezoelectric actuator is used. However, a bimorph structure may be used as the piezoelectric actuator. In a piezoelectric actuator having a bimorph structure, a first piezoelectric film, an intermediate electrode, and a second piezoelectric film are provided between a lower electrode and an upper electrode. A driving voltage is applied between the lower electrode and the upper electrode in common with the intermediate electrode.
このように、本発明はここでは記載していないさまざまな実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係わる発明特定事項によってのみ定められるものである。 As described above, the present invention naturally includes various embodiments that are not described herein. Accordingly, the technical scope of the present invention is defined only by the invention specifying matters according to the scope of claims reasonable from the above description.
10 基板
12 下地層
13 保護膜
14 固定電極
16 アンカー
18 第1の絶縁膜
22 可動電極
24 駆動層
26 第2の絶縁膜
28 空隙
30 下部電極
32 圧電膜
34 上部電極
40、40a、40b 梁
40c 第1の梁
40d 第2の梁
40e 第3の梁
42 固定部
44 作用部
128 犠牲層
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記固定電極と対向配置された可動電極を有するとともに、前記基板との間の少なくとも一部分で空隙を介しながら前記可動電極と前記固定電極とが対向配置された作用部とは離隔した固定部で前記基板に固定されてなる梁とを具備したMEMS素子であって、
前記梁を駆動させる前の初期状態で、前記基板と前記梁の作用部は互いに接触していることを特徴とするMEMS素子。 A substrate having fixed electrodes;
The movable electrode disposed opposite to the fixed electrode, and a fixed portion spaced apart from the working portion disposed opposite to the movable electrode and the fixed electrode through a gap in at least a portion between the substrate and the substrate. A MEMS device comprising a beam fixed to a substrate,
The MEMS device according to claim 1, wherein the substrate and the action portion of the beam are in contact with each other in an initial state before the beam is driven.
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