JP2007515306A - 電子装置 - Google Patents

Abstract

マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）素子（１０１）は、基板（３０）上にある第１電極（３１）と、可動要素（４０）とを有する。これは、少なくとも部分的に第１電極（３１）に重なり、圧電アクチュエータを有する。可動要素（４０）は、ギャップにより基板（３０）から隔てられる第１位置と第２位置との間で、駆動電圧を印加することにより基板（３０）から及び基板（３０）に向かって移動可能である。ここで、上記圧電アクチュエータは、反対の表面にそれぞれ第２及び第３電極（２１，２２）を備えた圧電層（２５）を有する。該第２電極（２１）は基板（３０）に面し、該第３電極（２２）はＭＥＭＳ素子（１０１）の入力電極を形成し、かくして、ＭＥＭＳ素子（１０１）間の電流経路は、上記圧電層（２５）及び調整可能なギャップを有する。

Description

本発明は、マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）素子を備え、該ＭＥＭＳ素子は基板上にある第１電極と、少なくとも部分的に第１電極に重なり圧電アクチュエータを有する可動要素とを有し、該可動要素は該圧電アクチュエータへの駆動電圧の印加により、第１位置と第２位置との間を基板から及び／又は基板に向かって動くことができ、該第１位置では前記可動要素が基板からギャップにより隔てられている、電子装置に関する。

このような電子装置は、例えばＧＢ−Ａ２，３５３，４１０から知られている。この既知の電子装置は、圧電アクチュエータを備えた膜又はビームのような可動要素を有する。このアクチュエータは、駆動電極間に圧電材料の層を有する。可動要素は更に、基板上の第１電極に重なる第２電極を有する。駆動電圧を印加すると可動要素は湾曲し、第２電極は基板上の第１電極に向かって移動されるだろう。この第２の最終的な位置において、第２電極は第１電極に接触しうる。

可動要素の第２電極に別の層が必要とされることは、既知の電子装置の不利な点である。圧電材料の層は約６００から８００℃の高温で硬化されなければならないので、Ｐｔが一般に電極材料として利用される。しかしながら、この材料は相対的に大きな内部抵抗を持つ。とりわけ高周波用途ではこのような内部抵抗は、損失及び散逸ばかりでなく、おそらく切り替えの遅延を生じうるので好ましくない。おそらくこのため、既知の電子装置は別の第２電極を有する。しかしながら、このような別の第２電極の利用は作製工程の複雑さを増大させる。

それゆえ本発明の目的は、可動要素を持つ冒頭に記載されたような電子装置であって、作製工程の複雑さを軽減したアクチュエータを備え、同時に依然として許容できる高周波性能を持つような電子装置を供給することにある。

本目的は、圧電アクチュエータが、第２及び第３電極をそれぞれ反対側の表面に備える圧電層を有することで達成される。アクチュエータの第２電極は基板に面しているが、一方第３電極はＭＥＭＳ素子の入力電極を構成し、その結果ＭＥＭＳ素子間の電流経路は圧電層及び調整可能（tunable）なギャップを有する。

本発明の装置では作製工程の複雑さは、アクチュエータの電極の一つが、同時にＭＥＭＳ素子の第２位置において第１電極と接触させることができる前記第２電極であるようにして軽減される。前記高周波性能は、アクチュエータがＭＥＭＳ素子の一部であるコンデンサとして利用されることで維持される。実際にコンデンサが、そうでなければ必要とされる第３電極層における相互接続部の内部抵抗に代用される。圧電アクチュエータの容量は通常比較的大きいので、このコンデンサのインピーダンスは高周波性能に対して余り不利でない。アクチュエータを規定するためにかなりの表面面積が必要とされるだけでなく、圧電層は通常比較的高い誘電率を持つ。

第１実施例では第２の、可動要素の閉成位置において、第１電極が圧電層に接触するように、第１及び第２電極が配設される。接触する場所に第２電極がないことは、接触抵抗が低減されるという利点を持つ。その上第１及び第２電極は互いに絶縁され、所望であれば別々の電圧になりうる。

この実施例の変形において、可動要素がその第２の閉成位置にある場合、基板表面上に第２電極と接触する第４電極が存在する。ＭＥＭＳ素子は、そのように同時に入力に接続される２つの出力を備える。特に、ＭＥＭＳ素子の最大容量を増加させるために、並列に接続された２つのコンデンサがある。

第２実施例では、第２の、可動要素の閉成位置で、第１電極が第２電極に接触する。これによれば、ＭＥＭＳ素子はスイッチである。第１電極は単板として実施化できるが、しかし代わりに間隔をあけた複数のパッドとしても実施化されうる。これは、少なくともわずかに湾曲した可動要素でよい接触を得るための機会を増加させる。

第３電極は、他の素子との低インピーダンス結合を適切に備える。そのような低インピーダンス結合は、どんな種類の通常既知の相互接続でもありうる。第１の実施例では、第３電極は相互接続として横方向に延びる。この電極は通常圧電層の後に被着されるので、この選択は温度の制約条件に制限されない。特に、第３電極及び相互接続は十分な厚さを持つ金属層において規定される。十分な厚さとは、例えば第２電極の２倍の厚さであり、好ましくは少なくとも０．１ミクロンであって、より好ましくは０．５から３．０ミクロンのオーダーである。

有利なことに、相互接続はいかなるマイクロストリップとしても設計される。特に好ましいのは、第２電極が接地面の役割を果たす伝送線としての実施例である。しかしながらストリップラインの設計は除外されていない。

第２実施例では、相互接続は、圧電層から外に面した側で第３電極に結合される。この相互接続は、別の導電層でありうる。この導電層は第３電極に積層される又はそれに対してビアにより結合されうる。また相互接続は、１つ又はそれ以上のボンドワイヤーのような組み立てられた相互接合になりうる。

好ましくは、アクチュエータは、圧電層の湾曲する方向を規定するために利用されうるいかなる構造層もないものとする。そのかわり湾曲する方向は、第３電極が第２電極よりも厚くなることにより規定される。これは、可動要素の構成がかなり単純にできるという利点を持つ。理想的には両方の電極が同じ金属、特にＰｔを有する場合、第２電極の厚さは、第１電極の厚さの２倍と圧電層の厚さの半分との和に等しい。実際には、もし両方の電極の材料が同じであれば、その厚さの比率は４から１０の間になり、もし似ていない材料が使われているならば、その厚さは、曲げ抵抗の比率が厚さの比率が４から１０である同じ材料の２つの電極のものと同じになるように、調整されるべきである。

先行技術の文書ＧＢ−Ａ２，３５３，４１０と比較すると、この利点を説明しうる。ここで示された可動要素は、カンチレバービーム又は膜のような別の構造層を持つ可動要素である。その結果、所望の湾曲する方向という観点では、アクチュエータはビーム又は膜の低い側に位置される。アクチュエータの湾曲は、可動要素を基板に向かって移動するためにビーム又は膜に伝達されなければならない。これは機械的な応力に関連し、膜とアクチュエータとの間の界面を例えばひび又は薄片に裂けることのような機械的な故障に対して傷つきやすくする。そのうえ、ある程度の剛性を意味する構造層の要件及び十分な弾性を意味する膜の要件もまた満たさなければならないので、ビーム又は膜のような材料の選択は本来的に困難である。更にアクチュエータの電極との接続が、可動要素上で必要である。本発明の装置では、可動要素は基本的に三つの層から構成されうる。界面の数はこのように制限され、可動要素の複雑さは軽減される。

本実施例の別の利点は、本実施例が静電ＭＥＭＳの現行のプロセスにおける集積化を可能にする点である。適切なプロセスは、国際出願公開ＷＯ−Ａ２００４／５４０８８の特に図７において知られており、３つの金属層、すなわち基板上の第１金属層、可動要素における第２及び第３層を有する。第３金属層は、機械的な安定性を提供すると共にコイルの規定を可能にするために、０．５から３．０ミクロンのオーダーの十分な厚さをもつ。第２層は、ＭＥＭＳ素子のより適切な規定のために利用される。これは独立して、第３層よりも高い解像度(resolution)でパターン成形可能である。好適には、犠牲層としての２つの無機層で利用され、第２及び第３層は垂直な相互接続により接続される。ここで、厚い第３電極を持ち、別の構造層を持たない構成は、構造的に静電ＭＥＭＳ処理に類似している。事実、第２電極上での圧電層の被着及びパターン成形ステップを含むことにより、作製工程の流れは、実質的に変更されない。

特に第３層の設計では、第２又は第３電極が全体に延在するプレートのような構造である必要はない、ということが理解されている。特に２つ又は複数の固定ビームの場合、圧電層の湾曲する振る舞いは、圧電層の部分が異なるように駆動されるように１つ又は両方の電極の構造化により改善される。好適には構造層は３つの部分に構造化され、第１電極に対向する中間の部分及び２つの縁部分からなる。好ましくは第３電極の層が構造化される。より好ましくは両方の金属層が構造化される。この構造化は、公開されていない欧州特許出願番号ＥＰ０３１０４８９４．５（ＰＨＮＬ０３１５３１）においてより詳細に説明されている。

本発明の電子装置は、別の手法において製造されうる。一実施例では、犠牲層技術が利用され、第１及び第２電極の間のギャップが１つ又はそれ以上の犠牲層をエッチングすることによりつくられる。別の実施例では、先行技術特許出願ＧＢ−Ａ２，３５３，４１０で公開されているような組み立て技術が利用される。当該電子装置におけるＭＥＭＳ素子は、好適には別のパッケージ構造を備える。それは、好ましくはパッケージ構造における雰囲気が制御されるように、密閉して封入される。

本発明の方法の好ましい一実施例では、圧電層がペロブスカイト材料である。この例は、ＰｂＺｒＴｉＯ_３，Ｐｂ（Ｘ_０．３３Ｎｂ_０．６７）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３（Ｘ＝Ｍｇ、Ｚｎ、Ｎｉ又はその他）、Ｐｂ（Ｙ_０．５Ｎｂ_０．５）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３（Ｙ＝Ｓｃ、Ｍｎ、Ｉｎ、Ｙ又はその他）を含む、Ｌａ、Ｍｎ、Ｗ、Ｆｅ、Ｓｂ、Ｓｒ及びＮｉのような金属をドープされうる、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）族の材料である。これらの材料は、比較的穏やかな８００℃以下の焼結温度でのゾルゲル前駆体を通じた良好なプロセス可能性と、直径６インチかそれより大きな大型基板でプロセスされるならば、制御可能な微細構造とに鑑みて好ましい。他の使われうるペロブスカイト材料は、例えば、Ｓｒ_３ＴａＧａ_３Ｓｉ_２Ｏ_１４；Ｋ（Ｓｒ_１−ｘＢａ_ｘ）_２Ｎｂ_５Ｏ_１５、ただし（０≦ｘ≦１）；Ｎａ（Ｓｒ_１−ｘＢａ_ｘ）_２Ｎｂ_５Ｏ_１５、ただし（０≦ｘ≦１）；ＢａＴｉＯ_３；（Ｋ_１−ｘＮａ_ｘ）ＮｂＯ_３、ただし（０≦ｘ≦１）；（Ｂｉ，Ｎａ，Ｋ，Ｐｂ，Ｂａ）ＴｉＯ_３；（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ_３；Ｂｉ_７Ｔｉ_４ＮｂＯ_２１；（Ｋ_１−ｘＮａ_ｘ）ＮｂＯ_３−（Ｂｉ，Ｎａ，Ｋ，Ｐｂ，Ｂａ）ＴｉＯ_３，ただし（０≦ｘ≦１）；ａ（Ｂｉ_ｘＮａ_１−ｘ）ＴｉＯ_３−ｂ（ＫＮｂＯ_３−ｃ）１／２（Ｂｉ_２Ｏ_３−Ｓｃ_２Ｏ_３）、ただし（０≦ｘ≦１）かつ（ａ＋ｂ＋ｃ＝１）；（Ｂａ_ａＳｒ_ｂＣａ_ｃ）Ｔｉ_ｘＺｒ_１−ｘＯ_３、ただし（０≦ｘ≦１）かつ（ａ＋ｂ＋ｃ＝１）；（Ｂａ_ａＳｒ_ｂＬａ_ｃ）Ｂｉ_４Ｔｉ_４Ｏ_１５、ただし（ａ＋ｂ＋ｃ＝１）；Ｂｉ_４Ｔｉ_３Ｏ_１２；ＬｉＮｂＯ_３；Ｌａ_３Ｇａ_５．５Ｎｂ_０．５Ｏ_１４；Ｌａ_３Ｇａ_５ＳｉＯ_１４；Ｌａ_３Ｇａ_５．５Ｔａ_０．５Ｏ_１４；ＡｌＮ；ＺｎＯを含む。

ＭＥＭＳ素子は異なる手法で解釈されうる。効果的にはビームである圧電素子は1つの固定ビーム、２つの固定ビーム及び複数の固定ビームとして実施されうる。１つの固定ビームの場合、ビームに予備応力を加えることが有益である。これはゼロ駆動電圧で既定の湾曲が与えられることを意味する。駆動電圧の印加により圧電層は、印加された電場の方向と実質的に垂直な方向の伸張を見せるだろう。したがって、湾曲は小さくなり、第１及び第２ＭＥＭＳ電極間の容量は増加する又は第１及び第２電極間の電気的な接触が確立されるだろう。実験は、この平坦化が実際に達成されうることを示した。

本発明の装置のこれら及び他の態様は、図を参照して更に説明されるだろう。

図１は、本発明の装置の第１実施例の断面を概略図で示す。該装置は、ＭＥＭＳ素子１０１に限って示されている。これは本質的に、機械的なサポート３８を通じて相互に接続された基板３０及び可動要素４０を有する。この実施例ではＭＥＭＳ素子１０１は、基板３０に可動要素４０を組み立てることによって形成される。

可動要素４０はアクチュエータとして利用され、圧電層２５、第２電極２１及び第３電極２２を備える。それは、基板３０の上に存在するサポート(support)３８を通じて機械的に支持される。装置１００は更に、基板３０の上に第１電極３１を有する。示されていないが、第２電極がアクチュエータには実質的に寄与しないように、可動要素には更なる電極がありえる。例えば第２及び第３電極２１，２２の間にアクチュエータ４０への駆動電圧を印加すると、可動要素は第１電極３１へ及び又は第１電極３１から移動することができる。ビーム状の圧電素子を動かすという別の選択肢もある。通常可動要素は、駆動電圧を印加すると第１電極３１に向かって移動され、駆動電圧を取り除いた後では基板３０から離れた位置へ緩和されるだろう。

図１に示されたＭＥＭＳ素子１０１は、ビーム状の圧電素子の担持層として圧電層２５を持つ。この場合圧電層２５は、Ｐｂ_１．０２Ｌａ_０．０５Ｚｒ_０．５３Ｔｉ_０．４Ｏ_３なる組成の鉛ランタンジルコンチタンを有し、核となる層として鉛ジルコンチタンの第１層を含む。第３電極２２を接続するように、垂直な相互接続２３は圧電層２５にある。この相互接続２３は湿式ケミカルエッチング、例えば米国特許ＵＳ４，７５９，８２３に記載の方法で形成される。第３電極２２はＴｉ／Ｐｔを有し、第２電極２１はＴｉＷ及びＡｌの２つの副層を有する。可動要素４０は更に、この場合は窒化シリコンの構造層１３と、この場合はＴｉＯ_２のバリア層２４とを有する。ボンドパッド(bond pad)２６は、第２電極２１の層に規定され、はんだ付け可能な金属（この場合Ｓｎ及びＴｉＷ／Ａｕの層１５，１６，３６，３５で、それぞれ１から５マイクロメートルのオーダーの厚さを持つ）に覆われる。ＴｉＷ／Ａｌ、ＴｉＷ／Ａｕの接続のため、ボンドパッド構造は、良い機械的安定性を持つ。ＴｉＷ／Ａｌを利用しているので、垂直相互接続２３の導電性は非常に良い。

基板３０は、この場合には熱酸化層３２で覆われたシリコン基板であり、ＭＥＭＳ素子１０１を駆動するために必要とされる能動素子、並びに所望の集積回路及びフィルタに集積化されうる他の能動素子及び受動素子を有する。当業者が理解するように、ＭＥＭＳ素子１０１のための駆動電子は、部分的とはいえ取り除かれると、担持層に設けることができる。これは設計の問題であり、駆動電子を設けるために、必要とされる基板材料の品質及び、必要とされる機能の量に依存する。ＭＥＭＳ素子１０１は、可動要素（示されていない）の担体が少なくとも部分的に取り除かれることで形成される。特にそれが完全に表面から取り除かれる場合、組み立ての後にだけ担体を取り除くのが好ましい。取り除く場合、それ自体が既知の技術を利用することができる。特に窒化シリコンの構造層１３もまたエッチング阻止層の役目を果たす。

図１に示された実施例は、コンデンサである。更にそれは、可動要素４０の上の第２電極２１及び基板３０の上の第１電極３１が、垂直に投影した場合に一方が他方と重ならないように配置されるという特徴をもつ。

コンデンサは以下のように動作する。駆動電圧を印加すると可動要素４０は、基板３０側に向かって湾曲するだろう。そして圧電層２５は、第１電極３１に接触するだろう。その結果コンデンサは、実質的に第３電極２２、圧電層２５及び第１電極３１で構成される。

このコンデンサの利点は、ＭＥＭＳ素子１０１が開放される場合に良い絶縁状態であり、それでもなお電気的な損失は低い。これは、圧電層２５を通じた漏洩電流が非常に制限され、圧電層２５が例えば２０から１５０Ｖという高い絶縁破壊電圧を持つことで達成される。これらの有利な特性は、圧電層２５の無孔構造及び密度、並びに好ましくは２００ナノメートル以上のその厚さに起因する。

図２は、図１に示された原理の他の実現を示す。前記素子１０１は、可動要素４０を有し、とりわけ高周波入力１０２及び高周波出力１０３を有する。示された構造は、厚さ０．５マイクロメートルの圧電層２５（この場合実質的にＰｂＺｒ_０．５３Ｔｉ_０．４７Ｏ_３で構成され、比誘電率は約１０００）を備える。第３電極２２は、厚さ１マイクロメートルのＴｉＷ／Ａｌ又はＡｌの層である。第２電極２１は０．３マイクロメートルのＰｔの層である。前記素子は、閉成状態での容量が、典型的に５ナノメートル以上のオーダーである接触部２１、３１の表面の粗さにより制限される容量性のスイッチである。これはコンデンサ密度に負の影響を与える。高い誘電率の誘電体を用いることにより、結果としてのコンデンサは、平均誘電率が依然としてかなり大きいので、それでもなお十分な密度を持つ。

同じ構造は、直流電気のスイッチにも利用されうる。このスイッチの背景にある考えは、第３電極２２が抵抗損失を低減させながら高周波信号を伝送するために使われるだろうということである。高周波信号は誘電体を通過しなければならないがこれは、コンデンサのエリアは完全な可動要素４０と同じ大きさであるという事実、高い周波数及び高誘電性を考慮すると実際には不利ではない。

図１は、装置の第１実施例の断面図を示す。 図２は、装置の第２実施例の断面図を示す。

Claims (10)

1. マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）素子を備える電子装置であって、
   − 基板の表面上に存在する第１電極と、
   − この第１電極に少なくとも部分的に重なると共に圧電アクチュエータを有する可動要素であって、駆動電圧を印加することにより、ギャップにより前記基板から隔てられた第１位置と第２位置との間において該基板から及び該基板に向かって移動可能な可動要素と、
   を有する電子装置において、
   前記圧電アクチュエータは、第２及び第３電極がそれぞれ反対側の表面に備えられている圧電層を有し、該第２電極が前記基板に面し、該第３電極が前記ＭＥＭＳ素子の入力電極を形成し、これにより、該ＭＥＭＳ素子間の電流経路が前記圧電層及び調整可能な前記ギャップを有する電子装置。
2. 前記第１及び前記第２電極は、前記可動要素の閉じた第２位置において前記第１電極が誘電体層に接触するように構成される、請求項１に記載の電子装置。
3. 前記基板の表面上に第４電極が存在し、該第４電極は前記可動要素が前記閉じた第２位置にある場合に前記第２電極と接触する、請求項２に記載の電子装置。
4. 前記可動装置の閉じた第２位置において、前記第１電極が前記第２電極と接触する、請求項１に記載の電子装置。
5. 前記可動要素がいかなる追加の構造層も持たず、前記第３電極の層及び前記圧電層の少なくとも１つが、該可動要素の担持層を構成する、請求項１に記載の電子装置。
6. 前記第３電極が当該装置内の他の要素に対する相互接続部として横方向に延びる、請求項１又は５に記載の電子装置。
7. 前記第３電極が伝送線として機能するように前記第２電極が接地される、請求項６に記載の電子装置。
8. 前記第２電極が、前記第３電極の厚さのせいぜい半分の厚さを持つ、請求項１又は２に記載の電子装置。
9. 前記第２電極の厚さが前記第３電極の厚さのせいぜい５分の１である、請求項８に記載の電子装置。
10. 前記第２及び前記第３電極の層の少なくとも１つが、前記圧電層の部分に異なる駆動電圧を与えることができるように構造化される、請求項１又は５に記載の電子装置。

Images