JP2009194291A - アクチュエータ - Google Patents
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Abstract
【課題】駆動電圧シフトや電極の固着の問題を解決し、それにより、経時変化の少ない、安定した駆動特性を有する圧電駆動方式のアクチュエータを提供する。
【解決手段】アクチュエータは、基板１１０と、基板１１０の主面１１２の上に設けられた固定電極１４０と、固定電極１４０の上に設けられ、結晶質からなる第１の誘電体膜１５０と、主面１１２に対向し、基板１１０の上方に間隙をあけて保持された可動梁２００と、可動梁２００の固定電極１４０に対向する面に設けられ、固定電極１４０との間で交流電圧が印加される可動電極２０２と、可動電極２０２の固定電極１４０に対向する面に設けられ、結晶質からなる第２の誘電体膜２５０と、を備えている。
【選択図】図１
【解決手段】アクチュエータは、基板１１０と、基板１１０の主面１１２の上に設けられた固定電極１４０と、固定電極１４０の上に設けられ、結晶質からなる第１の誘電体膜１５０と、主面１１２に対向し、基板１１０の上方に間隙をあけて保持された可動梁２００と、可動梁２００の固定電極１４０に対向する面に設けられ、固定電極１４０との間で交流電圧が印加される可動電極２０２と、可動電極２０２の固定電極１４０に対向する面に設けられ、結晶質からなる第２の誘電体膜２５０と、を備えている。
【選択図】図１
Description
本発明は、マイクロスイッチや容量可変キャパシタ等の圧電駆動方式のＭＥＭＳ(Micro-electro-mechanical System)アクチュエータに関する。
静電駆動方式や圧電駆動方式のＭＥＭＳ（Micro-electro-mechanical System）アクチュエータは、大きな可変容量比、高いＱ値、本質的に高い線型性などを有するため、特にＲＦ（高周波）機器分野で有望視され、高周波スイッチや容量可変キャパシタへの応用が大きく期待されている。
しかしながら、このＭＥＭＳアクチュエータにおいて、「スティクション」と呼ばれる問題がある。静電駆動方式や圧電駆動方式のＭＥＭＳアクチュエータにおける可動梁は、バネ定数が比較的小さいため、ＭＥＭＳ構造体を構成する誘電体の一部に電荷が注入された場合、注入電荷に由来する静電力が生じて可動梁が固定部に固着されやすくなる。この現象を、スティクションと呼んでいる。
しかしながら、このＭＥＭＳアクチュエータにおいて、「スティクション」と呼ばれる問題がある。静電駆動方式や圧電駆動方式のＭＥＭＳアクチュエータにおける可動梁は、バネ定数が比較的小さいため、ＭＥＭＳ構造体を構成する誘電体の一部に電荷が注入された場合、注入電荷に由来する静電力が生じて可動梁が固定部に固着されやすくなる。この現象を、スティクションと呼んでいる。
静電駆動方式のＭＥＭＳアクチュエータは、可動梁に形成された可動電極、基板上に固定された固定電極、及び、可動電極または固定電極表面に形成された誘電膜からなる静電駆動機構を有している。そして、可動電極（駆動電極）と固定電極の間に駆動電圧を印加することにより、両電極を静電力により吸引し、駆動される。しかしながら、駆動時には、通常０．１μｍから１μｍ程度の厚さの誘電膜に数十ボルトの駆動電圧が印加されるため、誘電膜は高電界にさらされ、駆動時間に応じて誘電膜界面や内部に電荷が注入・トラップされる。
この注入された電荷は、外部電圧が印加される時と同様の作用を静電駆動機構に及ぼすため、可動電極を固定電極に吸着する閾値電圧（プルイン電圧）や、開放するための閾値電圧（プルアウト電圧）をシフトさせる。そして、著しい場合には、駆動電圧をゼロにしても電極間が固着したまま動作しなくなる、スティクションと呼ばれる現象が生じ、実用上の問題となっている。
この注入された電荷は、外部電圧が印加される時と同様の作用を静電駆動機構に及ぼすため、可動電極を固定電極に吸着する閾値電圧（プルイン電圧）や、開放するための閾値電圧（プルアウト電圧）をシフトさせる。そして、著しい場合には、駆動電圧をゼロにしても電極間が固着したまま動作しなくなる、スティクションと呼ばれる現象が生じ、実用上の問題となっている。
一方、圧電駆動方式のＭＥＭＳアクチュエータでは、可動梁は、電極で挟まれた圧電膜からなる駆動機構を有しており、比較的低電圧で駆動されるために、圧電膜への電荷注入の影響は少ない。しかしながら、圧電駆動方式のＭＥＭＳアクチュエータも、可動梁に形成された可動電極、基板上に固定された固定電極、及び、可動電極または固定電極表面に形成された誘電膜を有しており、両電極が誘電膜を介して接触しているときに大きなＲＦ信号が印加された場合に、やはり誘電膜に電荷の注入・トラップが生じ、著しい場合には圧電駆動電圧を０にしても、電極間が固着したまま動作しなくなる、スティクションと呼ばれる現象が生じてしまい、実用上の問題となる。
なお、ＭＥＭＳアクチュエータにおいて、可動電極と固定電極との両方に誘電膜を設けた構造が特許文献１に開示されている。
特開２００６−１４０２７１号公報
本発明は、上記の課題に基づいたものであり、その目的は、駆動電圧シフトや電極の固着の問題を解決し、それにより、経時変化の少ない、安定した駆動特性を有する圧電駆動方式のアクチュエータを提供することである。
本発明の一態様によれば、基板と、前記基板の主面の上に設けられた固定電極と、前記固定電極の上に設けられ、結晶質からなる第１の誘電体膜と、前記主面に対向し、前記基板の上方に間隙をあけて保持された可動梁と、前記可動梁の前記固定電極に対向する面に設けられ、前記固定電極との間で交流電圧が印加される可動電極と、前記可動電極の前記固定電極に対向する面に設けられ、結晶質からなる第２の誘電体膜と、を備えたことを特徴とするアクチュエータが提供される。
本発明によれば、駆動電圧シフトや電極の固着の問題を解決し、それにより、経時変化の少ない、安定した駆動特性を有する圧電駆動方式のアクチュエータが提供される。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るアクチュエータの構成を例示する断面模式図である。
図１に表したように、本発明の第１の実施形態に係るアクチュエータ１０は、基板１１０と、基板１１０の主面１１２に設けられた固定電極１４０と、固定電極１４０の上に設けられた固定電極誘電膜（第１の誘電体膜）１５０と、を備えている。
そして、基板１１０の主面１１２に対向して、基板１１０と間隙をあけて保持された可動梁２００と、可動梁２００の固定電極１４０に対向する面に設けられた可動電極２０２と、をさらに備える。なお、可動梁２００の一部は、基板１１０上に設けられたアンカー部１２０によって接合され、これにより可動梁２００は基板１１０と間隙をあけて保持される。そして、アクチュエータ１０は、可動電極２０２の固定電極１４０に対向する面に設けられた可動電極誘電膜（第２の誘電体膜）２５０をさらに備えている。
そして、固定電極１４０と可動電極２０２との間には、交流電圧が印加される。この交流電圧は、アクチュエータ１０が応用される各種のスイッチや各種のキャパシタにおけるＲＦ信号電圧であり、実質的に正負が対称の交流電圧である。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るアクチュエータの構成を例示する断面模式図である。
図１に表したように、本発明の第１の実施形態に係るアクチュエータ１０は、基板１１０と、基板１１０の主面１１２に設けられた固定電極１４０と、固定電極１４０の上に設けられた固定電極誘電膜（第１の誘電体膜）１５０と、を備えている。
そして、基板１１０の主面１１２に対向して、基板１１０と間隙をあけて保持された可動梁２００と、可動梁２００の固定電極１４０に対向する面に設けられた可動電極２０２と、をさらに備える。なお、可動梁２００の一部は、基板１１０上に設けられたアンカー部１２０によって接合され、これにより可動梁２００は基板１１０と間隙をあけて保持される。そして、アクチュエータ１０は、可動電極２０２の固定電極１４０に対向する面に設けられた可動電極誘電膜（第２の誘電体膜）２５０をさらに備えている。
そして、固定電極１４０と可動電極２０２との間には、交流電圧が印加される。この交流電圧は、アクチュエータ１０が応用される各種のスイッチや各種のキャパシタにおけるＲＦ信号電圧であり、実質的に正負が対称の交流電圧である。
図１に例示した本実施形態に係るアクチュエータ１０は、可動梁２００として、バイモルフ型の圧電駆動方式の可動梁を用いている。すなわち、可動梁２００は、下部電極２１０、下部圧電膜２１２、中間電極２１４、上部圧電膜２１６、及び上部電極２１８が積層された構造を有している。そして、この場合、下部電極２１０が可動電極２０２となっている。但し、本発明はこれには制限されず、適切なパターン設計によって、中間電極２１４を可動電極２０２とすることもできる。この時、下部圧電膜２１２に用いる層を可動電極誘電膜として用いることもできる。また、下部電極２１０、中間電極２１４及び上部電極２１８とは別に可動電極を設けることもできる。さらには、可動梁２００をモノモルフ型の圧電駆動方式の可動梁としても良い。
なお、下部電極２１０、中間電極２１４及び上部電極２１８には、アルミニウム（Ａｌ）を用い、また、下部圧電膜２１２と上部圧電膜２１６には窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を使用することができる。但し、本発明は、これには限定されない。
なお、下部電極２１０、中間電極２１４及び上部電極２１８には、アルミニウム（Ａｌ）を用い、また、下部圧電膜２１２と上部圧電膜２１６には窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を使用することができる。但し、本発明は、これには限定されない。
そして、本実施形態に係るアクチュエータ１０においては、可動電極誘電膜２５０と固定電極誘電膜１５０は、結晶質からなる。
例えば、固定電極誘電膜１５０と可動電極誘電膜２５０とは、実質的に同じ材料によって形成される。例えば、固定電極誘電膜１５０と可動電極誘電膜２５０として、結晶質である窒化アルミニウムを用いることができる。
例えば、固定電極誘電膜１５０と可動電極誘電膜２５０とは、実質的に同じ材料によって形成される。例えば、固定電極誘電膜１５０と可動電極誘電膜２５０として、結晶質である窒化アルミニウムを用いることができる。
これにより、駆動電圧シフトや電極の固着の問題を解決し、それにより、経時変化の少ない、安定した駆動特性を有する圧電駆動方式のアクチュエータが実現できる。
すなわち、発明者は、ＭＥＭＳアクチュエータにおいて、固定電極１４０の表面の固定電極誘電膜１５０や可動電極２０２の表面の可動電極誘電膜２５０に電荷が注入・トラップされ、電極間が静電力により固着される現象を詳細に理論および実験により検討し、その結果、これら電極の片方の表面にのみ誘電膜が形成されており、電極間に大きなＲＦ電力が印加された場合に、固着が大きいことを見いだした。そして、これら電極の双方の表面が誘電膜に覆われている場合は、電極間に大きなＲＦ電力が印加された場合においても固着作用は小さいことを見いだした。特に、双方の電極の誘電膜が結晶質からなる場合は、非晶質からなる場合に比べて、誘電膜中のトラップが少ないため、固着作用が小さいことを見いだした。結晶質からなる材料として、例えばＡｌＮを用いることができる。
そして、さらに、双方の電極の誘電膜の誘電率が実質的に同じ時に固着現象が低減されることを見いだした。
具体的には、双方の誘電膜として同じ材料を用いることでこの固着現象を低減できる。本発明は、この検討結果に基づいてなされたものである。
後述するように、双方の誘電膜の膜厚を実質的に同じとすることでさらに固着現象は抑制できる。
そして、さらに、双方の電極として、実質的に同じ仕事関数を有する材料、例えば、実質的に同じ材料を用いることによって、さらに、この固着現象を発生し難くすることができる。
そして、さらに、双方の電極の誘電膜の誘電率が実質的に同じ時に固着現象が低減されることを見いだした。
具体的には、双方の誘電膜として同じ材料を用いることでこの固着現象を低減できる。本発明は、この検討結果に基づいてなされたものである。
後述するように、双方の誘電膜の膜厚を実質的に同じとすることでさらに固着現象は抑制できる。
そして、さらに、双方の電極として、実質的に同じ仕事関数を有する材料、例えば、実質的に同じ材料を用いることによって、さらに、この固着現象を発生し難くすることができる。
なお、特許文献１に、可動電極と固定電極の両方に誘電膜を設けた構造が開示されているが、これら誘電膜とスティクション現象との関係は、何ら考慮されていない。そして、特許文献１では、これら誘電膜の材料として、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、アルミナが例示されているが、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜は通常、非晶質である。そして、アルミナは、成膜方法や成膜温度によって結晶質または非晶質のどちらかになるが、特許文献１では、誘電膜に用いる材料の結晶性についてはなんら考慮されていない。そして、誘電膜に用いる材料の結晶性、及び、双方の誘電膜の材料の特性の一致性に関しては述べられておらず、これら誘電膜に異なる材料を用いて良い、とされている。従って、特許文献１に開示されている技術によっては、このスティクション現象は解決できない。
なお、本実施形態に係るアクチュエータ１０は、マイクロスイッチやキャパシタとして利用することができる。また、可動電極２０２と固定電極１４０とは別に、各種の電極をさらに設け、その電極を利用したスイッチやキャパシタをさらに構成することもできる。 なお、本願明細書において、「アクチュエータ」は、可動部分だけではなく、可動部分を含んで構成される各種のスイッチや各種のキャパシタも含む。
図２は、本発明の第１の実施形態に係るアクチュエータの特性を例示する要部の拡大模式断面図である。
なお、本願明細書と図２以降の各図については、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
なお、本願明細書と図２以降の各図については、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
図２に表したように、本発明の第１の実施形態に係るアクチュエータ１０では、固定電極１４０の表面に固定電極誘電膜１５０があり、可動電極２０２（圧電駆動バイモルフ構造の下部電極２１０）の表面には可動電極誘電膜２５０がある。すなわち、両電極の互いに対向する面に、それぞれ誘電膜が設けられている。そして、これらの誘電膜には結晶性の材料が用いられている。これにより、電極間に大電力のＲＦ信号が入力されて電荷注入が生じた場合に、双方の誘電膜内に注入され、トラップされる量が少ないため固着が実質的に生じない。
さらに、これらの誘電膜に、比誘電率が実質的に同じ材料を用いると、固定電極１４０と可動電極２０２との間にＲＦ電圧が印加された場合、双方の誘電膜に生じる電界は等しく（より正確には位相が１８０度ずれた状態で対称に）なり、電界によって加速されて双方の誘電膜内に電荷が注入されるが、その電荷（電荷１９１、１９２、２９１、２９２）の種類や量がほぼ同じになるため、誘電膜間には静電力が生じず、固着が実質的に生じない。
さらに、これらの誘電膜に、比誘電率が実質的に同じ材料を用いると、固定電極１４０と可動電極２０２との間にＲＦ電圧が印加された場合、双方の誘電膜に生じる電界は等しく（より正確には位相が１８０度ずれた状態で対称に）なり、電界によって加速されて双方の誘電膜内に電荷が注入されるが、その電荷（電荷１９１、１９２、２９１、２９２）の種類や量がほぼ同じになるため、誘電膜間には静電力が生じず、固着が実質的に生じない。
（第１の実施例）
本実施形態に係る第１の実施例のアクチュエータは、図１に例示した構造を有している。以下、本実施例のアクチュエータの製造方法について説明する。
図３は、本発明の第１の実施例に係るアクチュエータの製造方法を例示する工程順の断面模式図である。
図３（ａ）に表したように、まず、表面が絶縁性の基板１１０に、アンカー部１２０と固定電極１４０、及び、固定電極１４０の上の固定電極誘電膜１５０を形成した。アンカー部１２０には、ＬＰ‐ＣＶＤ（Low Pressure Chemical Vapor Deposition）法で作製した窒化シリコン膜を、また、固定電極１４０には、スパッタ法で作製したＡｌ膜を、固定電極誘電膜１５０には、スパッタ法で作製したＡｌＮ膜を使用した。これらのパターン加工には、リソグラフィーと反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）を用いたが、これに限らず、パターンが形成できる各種の方法を使用できる。なお、固定電極１４０の膜厚は５００ｎｍ、固定電極誘電膜１５０の厚さも５００ｎｍとした。
本実施形態に係る第１の実施例のアクチュエータは、図１に例示した構造を有している。以下、本実施例のアクチュエータの製造方法について説明する。
図３は、本発明の第１の実施例に係るアクチュエータの製造方法を例示する工程順の断面模式図である。
図３（ａ）に表したように、まず、表面が絶縁性の基板１１０に、アンカー部１２０と固定電極１４０、及び、固定電極１４０の上の固定電極誘電膜１５０を形成した。アンカー部１２０には、ＬＰ‐ＣＶＤ（Low Pressure Chemical Vapor Deposition）法で作製した窒化シリコン膜を、また、固定電極１４０には、スパッタ法で作製したＡｌ膜を、固定電極誘電膜１５０には、スパッタ法で作製したＡｌＮ膜を使用した。これらのパターン加工には、リソグラフィーと反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）を用いたが、これに限らず、パターンが形成できる各種の方法を使用できる。なお、固定電極１４０の膜厚は５００ｎｍ、固定電極誘電膜１５０の厚さも５００ｎｍとした。
次に、図３（ｂ）に表したように、基板１１０の主面１１２に犠牲層１６０を形成し、その上に、所定の形状でＡｌＮ膜からなる可動電極誘電膜２５０を形成した。犠牲層１６０としては、他の膜材料に対して選択エッチングが可能な、無機材料、金属材料、有機材料を使用することが可能であるが、本実施例では多結晶シリコンを使用した。なお、必要に応じて、犠牲層１６０を形成した後、その表面をＣＭＰ（Chemical Mechanical Polish）によって平坦化しても良い。
次に、図３（ｃ）に表したように、下部電極２１０、下部圧電膜２１２、中間電極２１４、上部圧電膜２１６、上部電極２１８からなる圧電駆動のバイモルフ型の可動梁２００を形成した。下部電極２１０、中間電極２１４及び上部電極２１８には、厚さ２００ｎｍのＡｌを、下部圧電膜２１２及び上部圧電膜２１６には、厚さ５００ｎｍのＡｌＮを使用し、いずれもスパッタにより作製し、リソグラフィーおよびエッチングによりパターニングした。
次に、図３（ｄ）に表したように、ＸｅＦ２をエッチングガスとして使用した選択エッチングにより犠牲層１６０を除去し、アクチュエータ１１を得た。
このようにして製作された本実施例に係るアクチュエータ１１では、例えば、下部電極２１０及び上部電極２１８を接地し、中間電極２１４に駆動電圧を印加することにより可動梁２００を上下に屈曲させることができる。そして、この屈曲により基板１１０上に設置された固定電極１４０と可動電極２０２（下部電極２１０）の距離が変化し、アクチュエータ１１は可変キャパシタとして機能する。
本実施例に係るアクチュエータ１１において、可動梁２００が下方に屈曲して、固定電極誘電膜１５０と可動電極誘電膜２５０とが接触する接触電圧は、２．３０Ｖであった。そして、固定電極誘電膜１５０と可動電極誘電膜２５０とが接触した状態で、固定電極１４０と可動電極２０２との間に振幅１０Ｖの交流電圧を１００秒間印加し、交流電圧を除去した後に圧電駆動電圧をスイープして接触電圧を測定した所、２．３２Ｖであり、接触電圧の初期値からのシフトは実質的になく、好適なアクチュエーション動作を実証することができた。
上記において、固定電極誘電膜１５０と可動電極誘電膜２５０とにＡｌＮを用いる例を示したが、本発明はこれに限らず、各種の結晶質の材料を用いることで固着現象を抑制できる。すなわち、誘電膜には、ＡｌＮの他に例えば、ＢｅＯ、ＭｇＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、ＣａＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＺｎＯ、ＺｒＯ２、ＣａＦ２等の結晶質の材料を用いることができる。
また、例えば、固定電極誘電膜１５０にＡｌＮを用い、例えば、可動電極誘電膜２５０にＡｌ２Ｏ３を用いても良く、または、その逆としても良い。このように、本実施形態に係るアクチュエータにおいては、固定電極誘電膜１５０と可動電極誘電膜２５０に結晶質の材料を用いれば良く、双方の誘電膜に異なる材料を用いても良い。
そして、固定電極誘電膜１５０に用いる材料と、可動電極誘電膜２５０に用いる材料の比誘電率が実質的に等しい時に、さらに、固着現象を低減できる。これら誘電膜に用いることができる誘電材料と比誘電率を例示すると以下の通りである。ＢｅＯ：７．３５、ＭｇＯ：９．６５、ＳｒＯ：１３．３、ＢａＯ：３４、ＣａＯ：１１．８、Ａｌ２Ｏ３：１０．５、ＴｉＯ２：１１０、Ｔａ２Ｏ５：５０、ＺｎＯ：８．１４、ＺｒＯ２：１２．５、ＡｌＮ：８．５、ＣａＦ２：６．８。そして、異なる材料であっても、比誘電率の比が１．５倍以内の材料の組み合わせを用いることで、固着現象を実用に良好な範囲内に抑制することができる。すなわち、固定電極誘電膜１５０の比誘電率に対する、可動電極誘電膜２５０の比誘電率の比が、０．６７〜１．５であると良い。例えば、Ａｌ２Ｏ３とＡｌＮの組み合わせの場合、比誘電率の比は０．８１または１．２４である。
そして、これら固定電極誘電膜１５０と可動電極誘電膜２５０に、同じ材料を用いるとさらに良い。
そして、これら固定電極誘電膜１５０と可動電極誘電膜２５０に、同じ材料を用いるとさらに良い。
（比較例）
図４は、比較例のアクチュエータの構成を例示する断面模式図である。
図４に表したように、比較例のアクチュエータ９０は、図１、図３に例示したアクチュエータ１０、１１において、可動電極誘電膜２５０を形成せず、固定電極誘電膜１５０の膜厚１５５をアクチュエータ１０の２倍、すなわち、１０００ｎｍにしたものである。その他の条件は、アクチュエータ１１と同様である。
比較例のアクチュエータ９０の接触電圧は、２．１９Ｖであり、第１の実施例のアクチュエータ１１の接触電圧とほぼ同じであった。
そして、固定電極誘電膜１５０と可動電極２０２とが接触した状態で、固定電極１４０と可動電極２０２との間に振幅１０Ｖの交流電圧を１００秒間印加し、交流電圧を除去した後に圧電駆動電圧をスイープして接触電圧を測定した所、１．１５Ｖと初期値からのシフトは大きかった。すなわち、比較例のアクチュエータ９０においては、電荷注入に伴う静電力が発生しており、動作の安定性に問題があることが分った。
図４は、比較例のアクチュエータの構成を例示する断面模式図である。
図４に表したように、比較例のアクチュエータ９０は、図１、図３に例示したアクチュエータ１０、１１において、可動電極誘電膜２５０を形成せず、固定電極誘電膜１５０の膜厚１５５をアクチュエータ１０の２倍、すなわち、１０００ｎｍにしたものである。その他の条件は、アクチュエータ１１と同様である。
比較例のアクチュエータ９０の接触電圧は、２．１９Ｖであり、第１の実施例のアクチュエータ１１の接触電圧とほぼ同じであった。
そして、固定電極誘電膜１５０と可動電極２０２とが接触した状態で、固定電極１４０と可動電極２０２との間に振幅１０Ｖの交流電圧を１００秒間印加し、交流電圧を除去した後に圧電駆動電圧をスイープして接触電圧を測定した所、１．１５Ｖと初期値からのシフトは大きかった。すなわち、比較例のアクチュエータ９０においては、電荷注入に伴う静電力が発生しており、動作の安定性に問題があることが分った。
図５は、比較例のアクチュエータの特性を例示する要部の拡大模式断面図である。
図５に表したように、比較例のアクチュエータ９０では、固定電極１４０の上のみに固定電極誘電膜１５０が設けられ、可動電極２０２が誘電膜で覆われていないので、固定電極１４０と可動電極２０２との間に大電力のＲＦ信号が入力されて電荷注入が生じた場合に、固定電極誘電膜１５０内に注入された電荷と等量の逆極性の電荷が、可動電極２０２の表面に誘起され、固定電極誘電膜１５０と可動電極２０２との間に静電力が生じるため、動作電圧が大きくシフトしたものと考えられる。
図５に表したように、比較例のアクチュエータ９０では、固定電極１４０の上のみに固定電極誘電膜１５０が設けられ、可動電極２０２が誘電膜で覆われていないので、固定電極１４０と可動電極２０２との間に大電力のＲＦ信号が入力されて電荷注入が生じた場合に、固定電極誘電膜１５０内に注入された電荷と等量の逆極性の電荷が、可動電極２０２の表面に誘起され、固定電極誘電膜１５０と可動電極２０２との間に静電力が生じるため、動作電圧が大きくシフトしたものと考えられる。
また、別の比較例として、固定電極誘電膜１５０と可動電極誘電膜２５０に、非結晶質の材料であるＳｉＮを用いた場合は、接触電圧の変動が生じた。
これに対して、既に説明したように、本実施形態に係るアクチュエータ１０、及び、本実施例に係るアクチュエータ１１においては、固定電極１４０と可動電極２０２の互いに対向する面に、結晶質の材料からなる誘電膜がそれぞれ設けられており、これにより、電極間に大電力のＲＦ信号が入力されて電荷注入が生じた場合に、双方の誘電膜内に注入される電荷の種類や量がほぼ同じになるため、誘電膜間には静電力が生じず、固着が実質的に生じない。
（第２の実施の形態）
図６は、本発明の第２の実施形態に係るアクチュエータの構成を例示する断面模式図である。
図６に表したように、本発明の第２の実施の形態に係るアクチュエータ２０においては、図１に例示したアクチュエータ１０と同様の構造を有しており、固定電極誘電膜１５０と可動電極誘電膜２５０とは実質的に同じ材料で形成され、固定電極誘電膜１５０の膜厚１５５と、可動電極誘電膜２５０の膜厚２５５とは、実質的に同じとされている。
例えば、固定電極誘電膜１５０と可動電極誘電膜２５０とは、共に結晶質のＡｌＮからなり、その膜厚は共に５００ｎｍである。
これにより、固定電極誘電膜１５０と可動電極誘電膜２５０との表面及び内部に注入される電荷の種類や量の差異は、さらに小さくなるため、誘電膜間には静電力がさらに生じず、さらに固着が生じ難くできる。すなわち、アクチュエータ２０によって、駆動電圧シフトや電極の固着の問題を解決し、それにより、経時変化の少ない、安定した駆動特性を有する圧電駆動方式のアクチュエータが提供できる。
図６は、本発明の第２の実施形態に係るアクチュエータの構成を例示する断面模式図である。
図６に表したように、本発明の第２の実施の形態に係るアクチュエータ２０においては、図１に例示したアクチュエータ１０と同様の構造を有しており、固定電極誘電膜１５０と可動電極誘電膜２５０とは実質的に同じ材料で形成され、固定電極誘電膜１５０の膜厚１５５と、可動電極誘電膜２５０の膜厚２５５とは、実質的に同じとされている。
例えば、固定電極誘電膜１５０と可動電極誘電膜２５０とは、共に結晶質のＡｌＮからなり、その膜厚は共に５００ｎｍである。
これにより、固定電極誘電膜１５０と可動電極誘電膜２５０との表面及び内部に注入される電荷の種類や量の差異は、さらに小さくなるため、誘電膜間には静電力がさらに生じず、さらに固着が生じ難くできる。すなわち、アクチュエータ２０によって、駆動電圧シフトや電極の固着の問題を解決し、それにより、経時変化の少ない、安定した駆動特性を有する圧電駆動方式のアクチュエータが提供できる。
（第３の実施の形態）
図７は、本発明の第３の実施形態に係るアクチュエータの構成を例示する断面模式図である。
図７に表したように、本発明の第３の実施の形態に係るアクチュエータ３０においては、図１、図６に例示したアクチュエータ１０、２０と同様の構造を有しており、固定電極誘電膜１５０と可動電極誘電膜２５０とは、実質的に同じ材料で、実質的に同じ膜厚で形成されている。すなわち、固定電極誘電膜１５０と可動電極誘電膜２５０とは、共に結晶質のＡｌＮからなり、その膜厚は共に５００ｎｍである。
そして、さらに、固定電極１４０と可動電極２０２（下部電極２１０）とは、実質的に同じ仕事関数を有する材料で形成されている。例えば、固定電極１４０と可動電極２０２とは、実質的に同じ材料、例えば、アルミニウムによって形成される。
すなわち、仕事関数が実質的に同じ材料を双方の電極に用いることで、電極から誘電膜に注入される電荷の挙動を実質的に同じにでき、これにより、さらに、固定電極誘電膜１５０と可動電極誘電膜２５０との表面及び内部に注入される電荷の種類や量の差異が、さらに小さくなるため、誘電膜間には静電力がさらに生じず、さらに固着が生じ難くできる。すなわち、アクチュエータ３０によって、駆動電圧シフトや電極の固着の問題を解決し、それにより、経時変化の少ない、安定した駆動特性を有する圧電駆動方式のアクチュエータを提供できる。
図７は、本発明の第３の実施形態に係るアクチュエータの構成を例示する断面模式図である。
図７に表したように、本発明の第３の実施の形態に係るアクチュエータ３０においては、図１、図６に例示したアクチュエータ１０、２０と同様の構造を有しており、固定電極誘電膜１５０と可動電極誘電膜２５０とは、実質的に同じ材料で、実質的に同じ膜厚で形成されている。すなわち、固定電極誘電膜１５０と可動電極誘電膜２５０とは、共に結晶質のＡｌＮからなり、その膜厚は共に５００ｎｍである。
そして、さらに、固定電極１４０と可動電極２０２（下部電極２１０）とは、実質的に同じ仕事関数を有する材料で形成されている。例えば、固定電極１４０と可動電極２０２とは、実質的に同じ材料、例えば、アルミニウムによって形成される。
すなわち、仕事関数が実質的に同じ材料を双方の電極に用いることで、電極から誘電膜に注入される電荷の挙動を実質的に同じにでき、これにより、さらに、固定電極誘電膜１５０と可動電極誘電膜２５０との表面及び内部に注入される電荷の種類や量の差異が、さらに小さくなるため、誘電膜間には静電力がさらに生じず、さらに固着が生じ難くできる。すなわち、アクチュエータ３０によって、駆動電圧シフトや電極の固着の問題を解決し、それにより、経時変化の少ない、安定した駆動特性を有する圧電駆動方式のアクチュエータを提供できる。
なお、本実施形態に係るアクチュエータ３０では、固定電極１４０と可動電極２０２（下部電極２１０）とに同じ材料を用いた例であるが、本発明はこれに限らず、双方の電極に、仕事関数が実質的に同じ材料を用いることで、固着の発生を抑制できる。例えば、固定電極１４０や可動電極２０２に用いることができる導電材料とその仕事関数は以下の通りである。Ａｌ：４．２８ｅＶ、Ｔｉ：４．３３ｅＶ、Ｖ：４．３ｅＶ、Ｃｒ：４．５ｅＶ、Ｍｎ：４．１ｅＶ、Ｆｅ：４．５ｅＶ、Ｃｏ：５．０ｅＶ、Ｎｉ：５．１５ｅＶ、Ｃｕ：４．６５ｅＶ、Ｎｂ：４．３ｅＶ、Ｍｏ：４．６ｅＶ、Ａｇ：４．２６ｅＶ、Ｈｆ：３．９ｅＶ、Ｔａ：４．２５ｅＶ、Ｗ：４．５５ｅＶ、Ｉｒ：５．２７ｅＶ、Ｐｔ：５．６５ｅＶ、Ａｕ：５．１ｅＶ。そして、仕事関数の差が±０．５ｅＶの材料の組み合わせを双方の電極に用いることで、固着現象を実用的に良好な範囲内に低減できる。
そして、固定電極１４０と可動電極２０２（下部電極２１０）に、同じ材料を用いることがさらに良い。
そして、固定電極１４０と可動電極２０２（下部電極２１０）に、同じ材料を用いることがさらに良い。
（第４の実施の形態）
図８は、本発明の第４の実施形態に係るアクチュエータの構成を例示する断面模式図である。
図８に表したように、本発明の第４の実施の形態に係るアクチュエータ４０においては、図１、図６、図７に例示したアクチュエータ１０、２０、３０と同様の構造を有しており、固定電極誘電膜１５０と可動電極誘電膜２５０とは、窒化アルミニウムからなっている。例えば、配向半値全幅が５度以下のｃ軸配向を有する窒化アルミニウムを用いることができる。すなわち、これらの誘電膜として、電荷トラップが生じ難い結晶質のＡｌＮを用い、さらに、それを高度に配向させることで、さらに電荷トラップを減少させる。なお、この時、固定電極１４０と可動電極２０２（下部電極２１０）には、アルミニウムを用いることができる。
これにより、さらに、固定電極誘電膜１５０と可動電極誘電膜２５０との表面及び内部に注入される電荷の種類や量の差異がさら小さく、また電荷の量自体が現象でき、さらに生じず、さらに固着が生じ難くできる。すなわち、アクチュエータ４０によって、駆動電圧シフトや電極の固着の問題を解決し、それにより、経時変化の少ない、安定した駆動特性を有する圧電駆動方式のアクチュエータを提供できる。
図８は、本発明の第４の実施形態に係るアクチュエータの構成を例示する断面模式図である。
図８に表したように、本発明の第４の実施の形態に係るアクチュエータ４０においては、図１、図６、図７に例示したアクチュエータ１０、２０、３０と同様の構造を有しており、固定電極誘電膜１５０と可動電極誘電膜２５０とは、窒化アルミニウムからなっている。例えば、配向半値全幅が５度以下のｃ軸配向を有する窒化アルミニウムを用いることができる。すなわち、これらの誘電膜として、電荷トラップが生じ難い結晶質のＡｌＮを用い、さらに、それを高度に配向させることで、さらに電荷トラップを減少させる。なお、この時、固定電極１４０と可動電極２０２（下部電極２１０）には、アルミニウムを用いることができる。
これにより、さらに、固定電極誘電膜１５０と可動電極誘電膜２５０との表面及び内部に注入される電荷の種類や量の差異がさら小さく、また電荷の量自体が現象でき、さらに生じず、さらに固着が生じ難くできる。すなわち、アクチュエータ４０によって、駆動電圧シフトや電極の固着の問題を解決し、それにより、経時変化の少ない、安定した駆動特性を有する圧電駆動方式のアクチュエータを提供できる。
なお、上記において、固定電極１４０の下に、下地膜を設けることができる。この下地膜には、例えば、アルミニウム／タンタルの非晶質合金または窒化アルミニウムからなる膜を用いることで、その上に設けられた固定電極１４０の配向性を高くすることができ、そして、その上の。具体的には、配向半値全幅が５度以下のｃ軸配向が得られる。また、固定電極１４０の上に設けられた固定電極誘電膜１５０も、配向性が高くなり、配向半値全幅が５度以下のｃ軸配向が得られる。
なお、固定電極誘電膜１５０や可動電極誘電膜２５０に用いられるＡｌＮ膜を高配向させるための方法としては、非晶質金属下地を使用する方法が例示できる。また、シリコン（１１１）基板やシリコン（１００）基板など単結晶基板の方位を引き継いで利用して、その上にエピタキシャル成長させる方法を用いることもできる。さらには、下地膜を高配向膜にして、その上に配向性を引き継いで高配向ＡｌＮを成長させる方法もあり、この場合の下地膜としては、各種の金属あるいは絶縁膜等を使用できる。例えば、ＡｌやＡｕ等のｆｃｃ型結晶構造の（１１１）面を使用する方法、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ等のｂｃｃ型結晶構造の（１１０）面を使用する方法、ＴｉやＡｌＮ等の六方晶型結晶構造の（０００１）面を使用する方法等が例示できる。なお、これらの方法の場合、ＡｌＮ膜の配向性は、下地材料の結晶配向性に影響され、下地材料の厚さが厚くなるとＡｌＮ膜の配向性は向上する。また上記の各手法を組み合わせた手法を利用することができる。
上に説明した本発明の実施形態及び実施例のアクチュエータにより、マイクロスイッチや容量可変キャパシタを形成し、それらを用いて各種の電子回路を作製することができる。
図９は、本発明の実施形態のアクチュエータを利用した電子回路と電子機器を例示する模式図である。
図９に表したように、本発明の実施形態のアクチュエータにより作製された容量可変キャパシタを組み込んで、周波数が可変のフィルタを内蔵する電子回路５００を作製できる。また、この電子回路５００は、例えば、携帯電話等の各種電子機器６００に用いることができる。
図９は、本発明の実施形態のアクチュエータを利用した電子回路と電子機器を例示する模式図である。
図９に表したように、本発明の実施形態のアクチュエータにより作製された容量可変キャパシタを組み込んで、周波数が可変のフィルタを内蔵する電子回路５００を作製できる。また、この電子回路５００は、例えば、携帯電話等の各種電子機器６００に用いることができる。
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、アクチュエータを構成する各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
その他、本発明の実施の形態として上述したアクチュエータを基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全てのアクチュエータも、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
１０、１１、２０、３０、４０、９０ アクチュエータ
１１０ 基板
１１２ 主面
１２０ アンカー部
１４０ 固定電極
１５０ 固定電極誘電膜（第１の誘電体膜）
１５５、２５５ 膜厚
１６０ 犠牲層
１９１、１９２、２９１、２９２ 電荷
２００ 可動梁
２０２ 可動電極
２１０ 下部電極
２１２ 下部圧電膜
２１４ 中間電極
２１６ 上部圧電膜
２１８ 上部電極
２５０ 可動電極誘電膜（第２の誘電体膜）
５００ 電子回路
６００ 電子機器
１１０ 基板
１１２ 主面
１２０ アンカー部
１４０ 固定電極
１５０ 固定電極誘電膜（第１の誘電体膜）
１５５、２５５ 膜厚
１６０ 犠牲層
１９１、１９２、２９１、２９２ 電荷
２００ 可動梁
２０２ 可動電極
２１０ 下部電極
２１２ 下部圧電膜
２１４ 中間電極
２１６ 上部圧電膜
２１８ 上部電極
２５０ 可動電極誘電膜（第２の誘電体膜）
５００ 電子回路
６００ 電子機器
Claims (7)
- 基板と、
前記基板の主面の上に設けられた固定電極と、
前記固定電極の上に設けられ、結晶質からなる第１の誘電体膜と、
前記主面に対向し、前記基板の上方に間隙をあけて保持された可動梁と、
前記可動梁の前記固定電極に対向する面に設けられ、前記固定電極との間で交流電圧が印加される可動電極と、
前記可動電極の前記固定電極に対向する面に設けられ、結晶質からなる第２の誘電体膜と、
を備えたことを特徴とするアクチュエータ。 - 前記第１の誘電体膜の誘電率に対する、前記第２の誘電体膜の誘電率の比が、０．６７〜１．５であることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
- 前記第１の誘電体膜と前記第２の誘電体膜とは、実質的に同じ材料からなることを特徴とする請求項１または２に記載のアクチュエータ。
- 前記第１の誘電体膜と前記第２の誘電体膜は、窒化アルミニウムからなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のアクチュエータ。
- 前記第１の誘電体膜の膜厚と第２の誘電体膜の膜厚とは、実質的に同じであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のアクチュエータ。
- 前記可動電極は、前記固定電極を構成する材料の仕事関数との差が±０．５ｅＶの範囲の仕事関数を有する材料からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載のアクチュエータ。
- 前記固定電極と前記可動電極とは、実質的に同じ材料からなることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載のアクチュエータ。
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