JP2011011325A - Ｍｅｍｓ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】可動部の反りを抑制することができる可変容量素子を提供する。
【解決手段】 第１の可動部７のＸ軸方向の両側には、第２の可動部１０をそれぞれ配置し、第１，第２の可動部７，１０を絶縁状態の連結梁９を用いて連結する。第２の可動部１０は、支持梁１２を用いて支持部５に連結する。第２の可動部１０、連結梁９および支持梁１２は、第１の可動部７を挟んでＸ軸方向に対して対称な形状に形成する。これにより、第１，第２の可動部７，１０の反りが累積するのを防止して、第１の可動部７および第２の可動部１０を合わせた全体の反り量を小さくすることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、厚さ方向に変位可能な可動部を備えたＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）素子に関する。

ＭＥＭＳ素子として、例えばバリキャップ、リレー素子、スイッチ素子等が知られている。このようなＭＥＭＳ素子として、第１，第２の基板の間に位置して厚さ方向に変位可能な可動部を備えたものが知られている（例えば、特許文献１，２参照）。これらのＭＥＭＳ素子では、厚さ方向の両側にそれぞれ駆動電極を設けると共に、これらの駆動電極を用いて可動部を厚さ方向の両側に変位させる構成としている。

特開２００４−４８１７６号公報 米国特許出願公開第２００４／００５６３２０号明細書

ところで、特許文献１に記載のＭＥＭＳ素子では、薄膜の誘電体層によって可動部を形成している。この場合、ＣＶＤ等によって成膜される誘電体層は、内部応力の制御が難しく、可動部の反りの制御が困難であるため、反り量の面内ばらつきが大きい。また、特許文献１によるＭＥＭＳ素子では、誘電体層の表面に信号線とグランド用の電極とからなるコプレーナ線路を形成している。このとき、誘電体層と信号線や電極とは熱膨張率が異なり、可動部は厚さ方向に対して線膨脹係数の異なる積層構造となっているから、周囲の雰囲気温度が変化すると、可動部に反りが生じる。

このように、特許文献１に記載のＭＥＭＳ素子では、可動部に反りが生じ易いから、例えばバリキャップを実現する場合には、電極間隔のばらつきが大きく、容量精度が悪いのに加え、容量可変の比率も大きくするのが難しいという問題がある。

一方、特許文献２に記載されたＭＥＭＳ素子としてのリレー素子は、可動部を、中心部に位置するシリコン領域と、その周辺部に位置する枠状のシリコン領域と、これらシリコン領域間に介在する酸化領域とによって構成している。この場合、中央部に位置するシリコン領域に、信号電極に相当する金属化領域を設けると共に、周辺部に位置するシリコン領域を駆動電極として機能させている。このような構成によれば、可動部に設けられた信号電極を流れる高周波信号の漏洩を酸化領域により抑制することができる。

しかしながら、特許文献２に記載のリレー素子では、Ｐ型シリコン基板上にエピタキシャル成長によって形成されたＰ＋＋エピ層およびＰ型エピ層を順次積層して３層基板を形成すると共に、該３層基板をエッチング加工することにより支持梁および可動部を形成している。この結果、可動部がその厚さ方向に対して対称な構造とならないため、可動部の反りの制御が容易でない。

また、３層基板を用いて可動部等を形成するから、可動部の形成工程が複雑で製造コストが嵩むのに加え、可動部の反りによって可動側の信号電極と固定側の信号電極との間で静電容量を高精度に設定することができない。

さらに、支持梁の厚さがＰ型エピ層の厚さで決まるため、支持梁のばね設計が制約される。これに加え、Ｐ＋＋エピ層をエッチングストップ層とした水酸化カリウム（ＫＯＨ）を用いたウェットエッチングにより可動部を形成しているため、可動部の加工精度が悪いという問題がある。

本発明は例えば上述したような問題に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、可動部の反りを抑制することができるＭＥＭＳ素子を提供することにある。

上述した課題を解決するために、請求項１の発明によるＭＥＭＳ素子は、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる３軸方向のうちＸ軸方向およびＹ軸方向に沿って広がり、Ｚ軸方向で互いに対向した第１の基板および第２の基板と、該第１の基板と第２の基板との間に設けられたシリコン基板と、該シリコン基板に形成され、前記第１の基板および第２の基板に固定された支持部と、前記シリコン基板に形成され、Ｚ軸方向に変位可能な第１の可動部と、該第１の可動部を挟んでＸ軸方向の両側にそれぞれ設けられ、連結梁を用いて該第１の可動部に連結された一対の第２の可動部と、該各第２の可動部と前記支持部との間を連結し、Ｚ軸方向に対する前記第１の可動部および第２の可動部の変位を許容する支持梁と、前記第２の可動部と対向して前記第１の基板に設けられた第１の固定側駆動電極と、該第１の固定側駆動電極と対向して前記第２の可動部に設けられ、該第１の固定側駆動電極との間に静電力を作用させるための第１の可動側駆動電極と、前記第２の可動部と対向して前記第２の基板に設けられた第２の固定側駆動電極と、該第２の固定側駆動電極と対向して前記第２の可動部に設けられ、該第２の固定側駆動電極との間に静電力を作用させるための第２の可動側駆動電極と、前記第１の可動部と対向して前記第２の基板に設けられた固定側信号電極と、該固定側信号電極と対向して前記第１の可動部に設けられた可動側信号電極とを備え、前記連結梁、第２の可動部および支持梁は、前記第１の可動部を挟んでＸ軸方向に対して対称な形状に形成し、前記第１の可動側駆動電極と第２の可動側駆動電極とは、同じ厚さ寸法の導電膜を用いて形成する構成としている。

請求項２の発明では、前記連結梁は、少なくともＺ軸方向の一側から前記シリコン基板を掘り込んだ溝部と対応した位置に配置され、その全てを酸化させる構成としている。

請求項３の発明では、前記支持部には、厚さ方向に貫通して前記第１，第２の可動側駆動電極に電気的に接続された可動側引出電極を設ける構成としている。

請求項１の発明によれば、連結梁、第２の可動部および支持梁は、第１の可動部を挟んでＸ軸方向に対して対称な形状に形成したから、Ｘ軸方向に対して第１，第２の可動部に反りが生じても、第１，第２の可動部の反りが累積するのを防止することができる。また、第１の可動側駆動電極と第２の可動側駆動電極とは、同じ厚さ寸法の導電膜を用いて形成した。このため、第１，第２の可動側駆動電極が設けられた第２の可動部は、厚さ方向（Ｚ軸方向）に対して対称な構造となり、厚さ方向の両側で線膨脹係数が等しくなる。この結果、温度変化等が生じても、第２の可動部に反りが生じることがなく、第１の可動部および第２の可動部を合わせた全体の反り量を小さくすることができる。

請求項２の発明によれば、連結梁はシリコン基板の溝部と対応した位置に形成したから、連結梁の厚さ寸法を薄くすることができる。これにより、例えば熱酸化等によって連結梁の全てを容易に酸化させることができ、連結梁全体を絶縁状態にすることができる。このため、例えば固定側信号電極に高周波信号を供給したときに、該高周波信号が可動側信号電極を通じて第１の可動部の内部に伝搬したとしても、第１の可動部から第２の可動部側への高周波信号の漏洩を連結梁によって阻止または抑制することができる。

請求項３の発明によれば、支持部には第１，第２の可動側駆動電極に電気的に接続された可動側引出電極を設ける構成としたから、２つの可動側駆動電極を単一の可動側引出電極を用いて外部に接続することができ、素子全体を小型化することができる。

本発明の第１の実施の形態による可変容量素子を示す縦断面図である。 可動部が上側ガラス基板に向けて変位した状態の可変容量素子を示す縦断面図である。 可動部が下側ガラス基板に向けて変位した状態の可変容量素子を示す縦断面図である。 図１中の矢示IV−IV方向から見た可変容量素子を示す縦断面図である。 図１中の矢示Ｖ−Ｖ方向から見た可変容量素子を示す横断面図である。 図１中の矢示VI−VI方向から見た可変容量素子を示す横断面図である。 図１中の矢示VII−VII方向から見た可変容量素子を示す横断面図である。 可変容量素子の連結梁を拡大して示す縦断面図である。 可変容量素子の支持梁を拡大して示す横断面図である。 第２の実施の形態によるリレー素子を示す縦断面図である。 変形例による可変容量素子を示す縦断面図である。

以下、本発明の実施の形態によるＭＥＭＳ素子を、添付図面を参照して詳細に説明する。

まず、図１ないし図９は第１の実施の形態を示し、本実施の形態では、ＭＥＭＳ素子として可変容量素子を例に挙げて述べる。

図において、可変容量素子１は、上側ガラス基板２と下側ガラス基板３との間にシリコン基板４を挟み込むことにより形成されている。また、上側ガラス基板２、下側ガラス基板３およびシリコン基板４は、互いに直交する３軸方向をＸ軸，Ｙ軸およびＺ軸としたときに、例えばＸ軸およびＹ軸に沿って水平方向に広がっている。

上側ガラス基板２は、第１の基板を構成し、例えば絶縁性を有するガラス材料により形成され、一辺の長さ寸法が例えば数ｍｍ程度の四角形状に形成されている。また、上側ガラス基板２の下面側（裏面側）には、例えばエッチングにより凹陥部２Ａが形成されている。さらに、上側ガラス基板２の下面の周縁部は、後述する固定側導電膜３２および可動側導電膜１５を介してシリコン基板４に接合されている。

下側ガラス基板３は、第２の基板を構成し、上側ガラス基板２とほぼ同様に、ガラス材料により四角形状に形成されている。また、下側ガラス基板３の上面側（表面側）には、エッチングにより凹陥部３Ａが形成されている。さらに、下側ガラス基板３の上面の周縁部は、後述する固定側導電膜３３および可動側導電膜１９を介してシリコン基板４に接合されている。

そして、上側ガラス基板２の凹陥部２Ａと下側ガラス基板３の凹陥部３Ａとの間には密閉空間Ｓが形成され、この密閉空間Ｓ内には後述する第１，第２の可動部７，１０、支持梁１２、引出電極配設部１３（図５参照）等が収容されている。なお、上側ガラス基板２および下側ガラス基板３を、絶縁性を有する他の材料により形成された基板にそれぞれ置き代えてもよい。

シリコン基板４は、例えば単結晶シリコンにより形成された単層の基板であり、シリコン基板４には、後述する支持部５、可動部７，１０、支持梁１２、引出電極配設部１３等が例えばＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma：誘導結合プラズマ）エッチング等のドライエッチングにより形成されている。

支持部５は、シリコン基板４に形成され、上側ガラス基板２および下側ガラス基板３に固定されている。支持部５は、図５に示すように、四角形の枠状に形成され、第１，第２の可動部７，１０を取り囲んでいる。また、支持部５は、図１に示すように、例えば５０μｍないし３００μｍ程度の厚さ寸法を有する。

また、支持部５の上面側、下面側、外側に向いた側面側、および内側に向いた側面側には、絶縁膜６が形成されている。即ち、支持部５は、後述する支持梁１２が接続された部位を除き、シリコン酸化膜からなる絶縁膜６により覆われている。絶縁膜６の厚さ寸法はおよそ２μｍである。

また、支持部５（絶縁膜６）の上面（表面）は、後述する可動側導電膜１５および固定側導電膜３２を介して上側ガラス基板２の下面周縁部と密着している。また、支持部５（絶縁膜６）の下面（裏面）は、後述する可動側導電膜１９および固定側導電膜３３を介して下側ガラス基板３の上面周縁部と密着している。

第１の可動部７は、シリコン基板４に形成されると共に、Ｘ軸方向の両側が後述する連結梁９を用いて第２の可動部１０に連結されている。この第１の可動部７は、図５に示すように四角形状の平板状に形成されている。また、第１の可動部７の厚さ寸法は、図１に示すように、例えば支持部５の厚さ寸法とほぼ等しい値に設定されている。ここで、第１の可動部７は、例えばＸ軸方向の中心位置に配置され、密閉空間Ｓ内において厚さ方向（Ｚ軸方向）に変位することができる。

また、第１の可動部７の上面側、下面側および側面側には、絶縁膜８が形成されている。即ち、第１の可動部７は、例えばシリコン酸化膜からなる絶縁膜８により覆われている。この絶縁膜８の厚さ寸法はおよそ２μｍである。

連結梁９は、図１に示すように、第１の可動部７のＸ軸方向の両側にそれぞれ設けられ、第１の可動部７と第２の可動部１０を連結している。この連結梁９は、Ｚ軸方向の下側からシリコン基板４を掘り込んだ例えば断面コ字状の溝部４Ａと対応した位置に配置されている。このとき、溝部４Ａは、シリコン基板４をＹ軸方向に横切って形成され、第１の可動部７と第２の可動部１０との間を区切っている。そして、連結梁９は、第１，第２の可動部７，１０よりも薄い平板状の薄肉部によって形成されている。

ここで、連結梁９は、Ｚ軸方向に対して撓み変形可能に形成され、第１の可動部７と第２の可動部１０がＺ軸方向に屈曲するのを許容する。これにより、連結梁９は、第１，第２の可動部７，１０に反りが生じても、これらの反りが累積するのを防止することができ、第１の可動部７および第２の可動部１０を合わせた全体の反り量を小さくすることができる。

また、連結梁９は、シリコン材料を熱酸化した酸化シリコンを用いて形成されている。ここで、シリコン基板を加熱処理してシリコン基板の外表面に熱酸化による絶縁膜（シリコン酸化膜）を形成する場合、絶縁膜の厚さ寸法がおよそ２μｍに達するまでは、熱酸化処理を継続する時間に対応して、形成される絶縁膜の厚さ寸法が増加する。しかし、絶縁膜の厚さ寸法がおよそ２μｍに達した後は、熱酸化処理を継続する時間に比して、形成される絶縁膜の厚さ寸法がほとんど増加しなくなる。この点を考慮し、本実施の形態による可変容量素子１では、図８に示すように、各連結梁９の厚さ寸法ｔを２μｍの２倍の４μｍ以下に設定し、各連結梁９の全部を短時間（製品の製造を効率良く行うのに許容される時間内）で酸化させ、各連結梁９の各所に絶縁性を持たせている。

第２の可動部１０は、図１に示すように、シリコン基板４に形成されると共に、第１の可動部７を挟んでＸ軸方向の両側にそれぞれ配置されている。これら一対の第２の可動部１０は、第１の可動部７とほぼ同様に、四角形状の平板状に形成され、支持部５の厚さ寸法とほぼ等しい厚さ寸法を有している。また、第２の可動部１０は、第１の可動部７と一緒に密閉空間Ｓ内に収容されている。そして、第２の可動部１０は、連結梁９を用いて第１の可動部７に連結され、第１の可動部７と一緒に厚さ方向（Ｚ軸方向）に変位する。

また、第２の可動部１０の上面側、下面側および側面側には、絶縁膜１１が形成されている。即ち、第２の可動部１０は、例えばシリコン酸化膜からなる絶縁膜１１により覆われている。この絶縁膜１１の厚さ寸法はおよそ２μｍである。

支持梁１２は、図５に示すように、支持部５と各第２の可動部１０との間に例えば２本ずつ合計４本設けられ、図１ないし図３に示すように第２の可動部１０を厚さ方向に変位可能に支持している。また、各支持梁１２は、その基端側が支持部５に連結されると共に、その先端側が上側ガラス基板２，３とほぼ平行に伸びて第２の可動部１０の角隅にそれぞれ連結されている。

また、各支持梁１２は、上側ガラス基板２、下側ガラス基板３とそれぞれ離間しており、厚さ方向に対して捩れ変形または撓み変形することにより、第１，第２の可動部７，１０を厚さ方向に変位させることができる。このため、各支持梁１２は、図５に示すように、厚さ方向に対して撓み変形等が容易な形状として、例えばクランク状またはミアンダ状に屈曲した形状を有している。そして、各支持梁１２の厚さ寸法は、支持部５の厚さ寸法とほぼ等しい値に設定されている。このとき、連結梁９、第２の可動部１０および支持梁１２は、第１の可動部７を挟んでＸ軸方向に対して対称な形状に形成されている。

また、各支持梁１２は、図９に示すように、その各所の幅寸法ｗが４μｍ以下、より具体的にはおよそ２μｍないし３μｍに設定されている。さらに、各支持梁１２は、その全部が酸化シリコンにより形成されており、各支持梁１２の各所が絶縁性を有する。そして、各支持梁１２は、シリコン基板４にＩＣＰエッチングを施し、幅寸法ｗを有するクランク状またはミアンダ状の形状を成形した後に熱酸化処理を施すことにより形成されている。

引出電極配設部１３は、図４、図５に示すように、上側ガラス基板２の凹陥部２Ａおよび下側ガラス基板３の凹陥部３Ａにより可変容量素子１の内部に形成された密閉空間Ｓ内に設けられ、支持部５に連結されている。この引出電極配設部１３は、後述する第１の固定側駆動電極１７に接続された第２の駆動用引出電極２９を配設するための部位である。また、引出電極配設部１３は、支持部５および第１，第２の可動部７，１０とほぼ同様に、およそ２μｍの厚さ寸法を有するシリコン酸化膜からなる絶縁膜１４により覆われている。

第１の可動側導電膜１５は、図１および図６に示すように、例えば金または金を含む合金等の金属材料により形成された導電性を有する薄膜であり、例えばスパッタ、蒸着法等を用いて形成されている。また、第１の可動側導電膜１５は、支持部５、可動部７，１０、支持梁１２および引出電極配設部１３の上面側に形成されている。そして、これら可動側導電膜１５のうち第１，第２の可動部７，１０の上面側に位置する部位は、第１の可動側駆動電極１６となり、後述する第１の固定側駆動電極１７と対向している。このとき、第１の可動側駆動電極１６は、第１，第２の可動部７，１０の反りを低減する機能も有するものである。

ここで、第１の可動側導電膜１５は、支持部５から各支持梁１２を介して可動部７，１０に至るまで途中で物理的に切断されることなく連続して形成されている。これにより、第１の可動側駆動電極１６は、各支持梁１２の上面側に設けられた可動側導電膜１５を介して支持部５の上面側に設けられた可動側導電膜１５に電気的に接続されている。さらに、支持部５の上面側に設けられた可動側導電膜１５は、後述する第１の駆動用引出電極２８に電気的に接続されている（図６参照）。一方、引出電極配設部１３の上面側に設けられた可動側導電膜１５は、他の部位に設けられた可動側導電膜１５（可動側駆動電極１６を含む）と物理的に切断され、かつ離間している。

第１の固定側駆動電極１７は、図１、図４および図６に示すように、例えばスパッタ、蒸着法等を用いて上側ガラス基板２の下面（凹陥部２Ａの底面）に形成された金属薄膜からなり、第１，第２の可動部７，１０と対向する位置に配置されている。この第１の固定側駆動電極１７は、例えば金または金を含む合金等の金属材料により形成された導電性を有する薄膜によって形成されている。

ここで、第１の固定側駆動電極１７と第１の可動側駆動電極１６とは隙間を挟んで対向している。また、第１の固定側駆動電極１７は、図４に示すように引出電極配設部１３の上面側に設けられた可動側導電膜１５と連結しており、これにより、両者は電気的に接続されている。さらに、引出電極配設部１３の上面側に設けられた可動側導電膜１５は、後述する第２の駆動用引出電極２９に電気的に接続されている（図４参照）。

上側ストッパ１８は、図１、図４および図６に示すように、上側ガラス基板２の下面（凹陥部２Ａの底面）にエッチングにより形成された絶縁性を有する複数の突起である。そして、上側ストッパ１８は、第１の固定側駆動電極１７よりも可動部７，１０側（下側）に向けて突出している。これにより、上側ストッパ１８は、第１の可動側駆動電極１６と第１の固定側駆動電極１７とが短絡するのを防止している。

一方、第２の可動側導電膜１９は、図１、図４および図７に示すように、第１の可動側導電膜１５と同様な金等の導電性金属材料により形成された薄膜であり、例えばスパッタ、蒸着法等を用いて形成されている。また、第２の可動側導電膜１９は、支持部５、可動部７，１０、支持梁１２および引出電極配設部１３の下面側に形成されている。そして、可動側導電膜１９のうち第１の可動部７の下面側に設けられた部位は、可動側信号電極２０となり、後述する固定側信号電極２２，２３と対向している。また、可動側導電膜１５のうち第２の可動部１０の下面側に位置する部位は、第２の可動側駆動電極２１となり、後述する第２の固定側駆動電極２４と対向している。

ここで、シリコン基板４の下面側には連結梁９を形成するための溝部４Ａが形成されているから、可動側導電膜１９は、図１に示すように、溝部４Ａが位置する第１の可動部７と第２の可動部１０との境界部分で物理的に切断されている。これにより、可動側信号電極２０は、第２の可動側駆動電極２１と電気的に遮断されている。また、引出電極配設部１３の下面側に設けられた可動側導電膜１９も、他の部位に設けられた可動側導電膜１９（可動側信号電極２０、第２の可動側駆動電極２１を含む）と物理的に切断され、かつ電気的に遮断されている。一方、支持部５の下面側に設けられた可動側導電膜１９は、後述する第１の駆動用引出電極２８に電気的に接続されている（図４参照）。

さらに、可動側信号電極２０および第２の可動側駆動電極２１は、第１の可動側駆動電極１６とはほぼ等しい厚さ寸法を有する。これにより、可動部７，１０の構造がその厚さ方向において対称となっている。

固定側信号電極２２，２３は、例えば金または金を含む合金等の金属材料により形成された導電性を有する薄膜であり、下側ガラス基板３の上面（凹陥部３Ａの底面）に、例えばスパッタ、蒸着法等を用いて設けられ、第１の可動部７と対向する位置に配置されている。そして、固定側信号電極２２，２３と可動側信号電極２０とは、隙間を挟んで対向している。また、固定側信号電極２２と固定側信号電極２３とは、互いに十分に離間しているため、高周波信号が固定側信号電極２２と固定側信号電極２３との間を、後述する信号経路を介さずに、直接的に伝搬したり、漏洩したりすることはない。

第２の固定側駆動電極２４は、図１および図７に示すように、例えばスパッタ、蒸着法等を用いて下側ガラス基板３の上面（凹陥部３Ａの底面）に形成された金属薄膜からなり、第２の可動部１０と対向する位置に配置されている。この第２の固定側駆動電極２４は、例えば金または金を含む合金等の金属材料により形成された導電性を有する薄膜によって形成されている。

ここで、第２の固定側駆動電極２４と第２の可動側駆動電極２１とは隙間を挟んで対向している。また、第２の固定側駆動電極２４は、Ｘ軸方向に離間して２つ設けられると共に、第２の可動部１０と対向した位置にそれぞれ配置されている。そして、これら２つの第２の固定側駆動電極２４は、これらと同じ金属薄膜からなる接続電極２４Ａを用いて互いに電気的に接続されている。

下側ストッパ２５は、図１、図４および図７に示すように、下側ガラス基板３の上面（凹陥部３Ａの底面）にエッチングにより形成された絶縁性を有する複数の突起である。そして、下側ストッパ２５は、固定側信号電極２２，２３および第２の固定側駆動電極２４よりも可動部７，１０側（上側）に向けて突出している。これにより、下側ストッパ２５は、可動側信号電極２０と固定側信号電極２２，２３とが短絡するのを防止すると共に、第２の可動側駆動電極２１と第２の固定側駆動電極２４とが短絡するのを防止している。また、下側ストッパ２５は、可動側信号電極２０と固定側信号電極２２，２３との間の静電容量の最大値を設定している。

信号用引出電極２６，２７は、図１に示すように、下側ガラス基板３を厚さ方向に貫通して穿設されたビアホール（スルーホール）内に銅等の導電性金属材料を充填することにより形成されている。信号用引出電極２６の上端側は、固定側信号電極２２に電気的に接続され、下端側は、外部の高周波回路（図示せず）等と接続可能な接続端子となっている。また、信号用引出電極２７の上端側は、固定側信号電極２３に電気的に接続され、下端側は、外部の高周波回路等と接続可能な接続端子となっている。

第１の駆動用引出電極２８は、可動側引出電極を構成し、図４に示すように、下側ガラス基板３と支持部５との双方を厚さ方向に貫通して穿設されたビアホール（スルーホール）内に銅等の導電性金属材料を充填することにより形成されている。この第１の駆動用引出電極２８のうち上端側は、支持部５の上面側および各支持梁１２の上面に連続して設けられた第１の可動側導電膜１５を介して第１の可動側駆動電極１６に電気的に接続されている。また、第１の駆動用引出電極２８のうち長さ方向の途中位置は、支持部５の下面側および各支持梁１２の下面に連続して設けられた第２の可動側導電膜１９を介して第２の可動側駆動電極２１に電気的に接続されている。そして、第１の駆動用引出電極２８は、第１，第２の可動側駆動電極１６，２１を互いに接続し、これらに対して同電位（例えばグランド電位）の駆動電圧を供給するものである。

第２の駆動用引出電極２９は、下側ガラス基板３と引出電極配設部１３との双方を厚さ方向に貫通して穿設されたビアホール（スルーホール）内に銅等の導電性金属材料を充填することにより形成されている。第２の駆動用引出電極２９の上端側は、引出電極配設部１３の上面側に設けられた第１の可動側導電膜１５を介して第１の固定側駆動電極１７に電気的に接続されている。

第３の駆動用引出電極３０は、図１に示すように、下側ガラス基板３を厚さ方向に貫通して穿設されたビアホール（スルーホール）内に銅等の導電性金属材料を充填することにより形成されている。この第３の駆動用引出電極３０の上端側は、第２の固定側駆動電極２４に電気的に接続されている。

そして、第１〜第３の駆動用引出電極２８〜３０は、外部の駆動電圧供給回路３１に接続されている。このとき、駆動電圧供給回路３１は、第１の駆動用引出電極２８に第１の駆動電圧として例えばグランド電圧を供給すると共に、第２，第３の駆動用引出電極２９，３０のうちいずれか一方に他の駆動電圧として例えばプラス側の直流電圧を供給する。そして、駆動電圧供給回路３１は、第２の駆動用引出電極２９に駆動電圧を印加することによって、第１の可動側駆動電極１６と第１の固定側駆動電極１７との間に静電引力を発生させる。一方、駆動電圧供給回路３１は、第３の駆動用引出電極３０に駆動電圧を印加することによって、第２の可動側駆動電極２１と第２の固定側駆動電極２４との間に静電引力を発生させるものである。

第１の固定側導電膜３２は、上側ガラス基板２の下面の周縁部に、例えばスパッタ、蒸着法を用いて設けられている。そして、上側ガラス基板２は、第１の固定側導電膜３２と、支持部５の上面側に設けられた第１の可動側導電膜１５とを熱圧着することにより、支持部５と圧着接合されている。

第２の固定側導電膜３３は、下側ガラス基板３の上面の周縁部に、例えばスパッタ、蒸着法等を用いて設けられている。そして、下側ガラス基板３は、第２の固定側導電膜３３と、支持部５の下面側に設けられた第２の可動側導電膜１９とを熱圧着することにより、支持部５と圧着接合されている。

本発明の実施の形態による可変容量素子１は上述のような構成を有するものであり、次にその製造方法を説明する。

まず、シリコン基板４の下面側からエッチングを施し、シリコン基板４のうち連結梁９に対応する部位に溝部４Ａを形成する。次に、シリコン基板４の上面側から例えばＩＣＰエッチングを施し、支持部５、可動部７，１０、連結梁９、各支持梁１２、引出電極配設部１３の形状を成形する（シリコン基板成形工程）。また、この工程で、第１の駆動用引出電極２８を設けるためのビアホールを支持部５に形成すると共に、第２の駆動用引出電極２９を設けるためのビアホールを引出電極配設部１３に形成する。

次に、このシリコン基板４を加熱して熱酸化処理を施す。これにより、シリコン基板４には、厚さ寸法がおよそ２μｍの絶縁膜６，８，１１，１４を形成する。これと同時に、厚さ寸法が４μｍ以下の連結梁９を全て酸化させると共に、各所の幅寸法が４μｍ以下の各支持梁１２を全て酸化させる（酸化工程）。

次に、スパッタ、蒸着法等を用いて、支持部５、可動部７，１０、引出電極配設部１３のそれぞれの上面側および各支持梁１２の上面に可動側導電膜１５を設ける。このとき、メタルマスク等を用いて、可動側導電膜１５のうち引出電極配設部１３に対応した部位と、他の部位とを分離する。また、第１，第２の可動部７，１０の上面側には、第１の可動側駆動電極１６が形成される。

また、スパッタ、蒸着法等を用いて、支持部５、可動部７，１０、引出電極配設部１３等のそれぞれの下面側に可動側導電膜１９を設ける。このとき、可動側導電膜１９のうち引出電極配設部１３に対応した部位と、他の部位とを分離する。また、第１の可動部７の下面側には、可動側信号電極２０が形成される。さらに、第２の可動部１０の下面側には、第２の可動側駆動電極２１が形成される（可動側電極形成工程）。

一方、上側ガラス基板２にエッチングを施すことにより凹陥部２Ａおよび上側ストッパ１８を成形し、さらに、スパッタ、蒸着法等を用いて第１の固定側可動電極１７および第１の固定側導電膜３２を上側ガラス基板２に設ける（第１のガラス基板形成工程）。

他方、下側ガラス基板３にエッチングを施すことにより、凹陥部３Ａおよび下側ストッパ２５を成形する。また、レーザー加工、マイクロブラスト法等を用いて、信号用引出電極２６，２７および駆動用引出電極２８〜３０を設けるためのビアホールを下側ガラス基板３にそれぞれ形成する。さらに、スパッタ、蒸着法等を用いて、固定側信号電極２２，２３、第２の固定側駆動電極２４および第２の固定側導電膜３３を下側ガラス基板３に設ける（第２のガラス基板形成工程）。

次に、シリコン基板成形工程、酸化工程および可動側電極形成工程を経たシリコン基板４の上面側と、第１のガラス基板形成工程を経た上側ガラス基板２の下面側とを加圧した状態で互いに押付ける。これにより、第１の可動側導電膜１５と第１の固定側導電膜３２とが圧着接合される（第１の基板接合工程）。

次に、シリコン基板４の下面側と、第２のガラス基板形成工程を経た下側ガラス基板３の上面側とを加圧した状態で互いに押付ける。これにより、第２の可動側導電膜１９と第２の固定側導電膜３３とが圧着接合される（第２の基板接合工程）。これら第１，第２の基板接合工程によって、例えばウェハレベルでのパッケージが実現できる。

次に、支持部５と下側ガラス基板３とを貫通するように形成されたビアホールに、第１の駆動用引出電極２８を設ける。また、引出電極配設部１３と下側ガラス基板３とを貫通するように形成されたビアホールに、第２の駆動用引出電極２９を設ける。また、下側ガラス基板３において第２の固定側駆動電極２４の下側に形成されたビアホールに、第３の駆動用引出電極３０を設ける。さらに、下側ガラス基板３において固定側信号電極２２，２３の下側にそれぞれ形成されたビアホールに、信号用引出電極２６，２７をそれぞれ設ける（引出電極形成工程）。

本実施の形態による可変容量素子１は上述のような製造方法を用いて製造されるもので、次にその基本動作について説明する。

まず、駆動電圧供給回路３１は、第１の駆動用引出電極２８を介して第１，第２の可動側駆動電極１６，２１に接続され、第２の駆動用引出電極２９を介して第１の固定側駆動電極１７に接続されると共に、第３の駆動用引出電極３０を介して第２の固定側駆動電極２４に接続されている。このとき、第１の駆動用引出電極２８は、駆動電圧供給回路３１を通じてグランドに接続される。一方、駆動電圧供給回路３１は、第２，第３の駆動用引出電極２９，３０のうちいずれか一方に対して選択的にプラス側の駆動電圧を印加する。

また、高周波回路の一方の端子は信号用引出電極２６を介して固定側信号電極２２に接続され、他方の端子は信号用引出電極２７を介して固定側信号電極２３に接続されている。

そして、駆動電圧供給回路３１が第２の駆動用引出電極２９に駆動電圧を供給したときには、第１の可動側駆動電極１６と第１の固定側駆動電極１７との間に静電引力が生じ、第１，第２の可動部７，１０は、上側ガラス基板２に近付くように変位する。これにより、図２に示すように、可動部７，１０の上面側が上側ストッパ１８に当接した状態で、可動部７，１０は静止する。

このとき、固定側信号電極２２と可動側信号電極２０との間の隙間寸法および固定側信号電極２３と可動側信号電極２０との間の隙間寸法がそれぞれ大きくなるから、固定側信号電極２２と固定側信号電極２３との間の静電容量は小さくなる。このため、高周波信号は、可動側信号電極２０と固定側信号電極２２，２３との間で遮断される。

一方、駆動電圧供給回路３１が第３の駆動用引出電極３０に駆動電圧を供給したときには、第２の可動側駆動電極２１と第２の固定側駆動電極２４との間に静電引力が生じ、第１，第２の可動部７，１０は、下側ガラス基板３に近付くように変位する。これにより、図３に示すように、可動部７，１０の下面側が下側ストッパ２５に当接した状態で、可動部７，１０は静止する。

このとき、固定側信号電極２２と可動側信号電極２０との間の隙間寸法および固定側信号電極２３と可動側信号電極２０との間の隙間寸法はそれぞれ小さくなるから、固定側信号電極２２と固定側信号電極２３との間の静電容量は大きくなる。これにより、高周波信号は、図３中の矢示Ａで示すように、固定側信号電極２２、可動側信号電極２０および固定側信号電極２３を順次直列に接続した信号経路を通じて伝送する。

このように、本実施形態の可変容量素子１は、第１の可動部７の位置に応じて高周波信号の伝送、停止を切り換えるスイッチ素子として機能する。

かくして、本実施の形態による可変容量素子１によれば、第１の可動部７のＸ軸方向の両側に連結梁９、第２の可動部１０および支持梁１２をそれぞれ設けると共に、これらの連結梁９、第２の可動部１０および支持梁１２は、第１の可動部７を挟んでＸ軸方向に対して対称な形状に形成した。このため、Ｘ軸方向に対して第１，第２の可動部７，１０に反りが生じても、連結梁９が撓み変形することによって、第１，第２の可動部７，１０の反りが累積するのを防止することができる。

また、第１の可動側駆動電極１６と第２の可動側駆動電極２１とは、同じ厚さ寸法の第１，第２の可動側導電膜１５，１９を用いて形成した。このため、第１，第２の可動側駆動電極１６，２１が設けられた第２の可動部１０は、厚さ方向（Ｚ軸方向）に対して対称な構造となり、厚さ方向の両側で線膨脹係数が等しくなる。これに加えて、第１の可動部７のＺ軸方向の両側にも、同じ厚さ寸法の第１の可動側駆動電極１６と可動側信号電極２０とが形成されている。このため、第１の可動部７も、厚さ方向（Ｚ軸方向）に対して対称な構造となっている。この結果、温度変化等が生じても、第１，第２の可動部７，１０に反りが生じることがなく、第１の可動部７および第２の可動部１０を合わせた全体の反り量を小さくすることができる。

また、特許文献２に記載されたＭＥＭＳ素子のように、中央側に位置する中央可動部の周囲を四角形の枠状をなす枠状可動部によって取囲んだ場合、枠状可動部は、中央可動部の水平方向の両側で分離されていない。このため、枠状可動部はその全体で反りが生じるから、中央可動部と枠状可動部とを梁によって連結しても、中央可動部および枠状可動部の反り量は、ほとんど低減することができない。

これに対し、本実施の形態では、第１の可動部７と、該第１の可動部７を挟む一対の第２の可動部１０とは、連結梁９によって区切られているから、第１，第２の可動部７，１０の反りは、連結梁９によって互いに分離されている。この結果、第１の可動部７の反りおよび第２の可動部１０の反りが累積することがなく、第１の可動部７および第２の可動部１０を合わせた全体の反り量を小さくすることができる。

また、シリコン基板４として単層のシリコン基板を用いたことにより、厚さ方向において対称な構造を有する第１，第２の可動部７，１０の形成が容易となり、可動部７，１０の反りの制御をし易くすることができる。例えば、第１，第２の可動部７，１０の上面側には、絶縁膜８，１１および第１の可動側駆動電極１６を可動部７，１０の上面全部を覆うようにそれぞれ形成する。一方、第１，第２の可動部７，１０の下面側には、絶縁膜８，１１および可動側信号電極２０、第２の可動側駆動電極２１を可動部７，１０の下面全部を覆うようにそれぞれ形成する。このとき、可動部７，１０の上面側と下面側とにおいて絶縁膜８，１１の厚さ寸法を互いにほぼ等しくすると共に、第１の可動側駆動電極１６の厚さ寸法と可動側信号電極２０、第２の可動側駆動電極２１の厚さ寸法とを互いにほぼ等しくする。これにより、可動部７，１０をその厚さ方向において対称な構造とすることができる。

従って、可動部７，１０の上面と下面との間で熱応力等を同程度にすることができるから、可動部７，１０の反りを最低限に抑制することができる。これにより、可動側信号電極２０と固定側信号電極２２，２３との間を設計通りの狭い隙間で密着させることができ、可動側信号電極２０と固定側信号電極２２，２３との間で静電容量を高精度に設定することができると共に、高い容量可変比を実現することができる。さらに、単層のシリコン基板４を用いて可動部７，１０等を形成するから、例えば３層基板を用いた場合に比べて、可動部７，１０の形成工程を簡略化して製造コストを低減することができる。

また、本実施の形態では、凹陥部２Ａの深さ寸法によって、第１の可動側駆動電極１６と第１の固定側駆動電極１７との間の隙間寸法を設定することができる。これに加えて、凹陥部３Ａの深さ寸法によって、第２の可動側駆動電極２１と第２の固定側駆動電極２４との間の隙間寸法を設定することができる。このため、凹陥部２Ａ，３Ａの深さ寸法を適宜設定することによって、駆動電極１６，１７間の隙間寸法と駆動電極２１，２４間の隙間寸法を互いに独立して設定することができる。この結果、駆動電極１６，１７間の隙間寸法と駆動電極２１，２４間の隙間寸法をいずれも小さい値（例えば数μｍ〜数十μｍ程度）に設定することができ、駆動電圧を小さくすることができる。

さらに、本実施の形態では、第１の可動部７は、そのＸ軸方向の両側が連結梁９を用いて第２の可動部１０に連結されている。このため、第１の可動部７は、そのＸ軸方向の両側がＺ軸方向に対して柔軟性を有しているから、第１の可動部７はＸ軸とほぼ平行な水平状態を維持しつつ、Ｚ軸方向に変位する。これにより、第１の可動部７がＸ軸に対して傾斜して２つの固定側信号電極２２，２３のうち一方にだけ接近する片当り状態を防止することができ、可動側信号電極２０と固定側信号電極２２，２３との間の容量精度を高めることができる。

また、連結梁９はシリコン基板４の溝部４Ａと対応した位置に形成したから、連結梁９の厚さ寸法を薄くすることができる。これにより、例えば熱酸化等によって連結梁９の全てを容易に酸化させることができ、連結梁９全体を絶縁状態にすることができる。このため、第１の可動部７の寄生成分を小さくすることができるから、固定側信号電極２２，２３に供給された高周波信号が可動側信号電極２０を通じて可動部７の内部に伝搬したとしても、可動部７から第２の可動部１０側への高周波信号の漏洩を支持梁によって阻止または抑制することができる。

この高周波信号の漏洩抑制効果について詳しく説明すると、可変容量素子１の各連結梁９はその全部が酸化し、各連結梁９の各所が絶縁性を有している。従って、図８中の矢示Ｂ上に×印を付することにより明示した通り、固定側信号電極２２、可動側信号電極２０および固定側信号電極２３からなる信号経路に供給された高周波信号の漏洩は、各連結梁９により、第１の可動部７と第２の可動部１０との間で遮断され、または制限される。これにより、第１の可動部７と第１の駆動用引出電極２８との間のアイソレーションが向上している。

また、支持部５には第１，第２の可動側駆動電極１６，２１に電気的に接続された第１の駆動用引出電極２８を設ける構成としたから、２つの可動側駆動電極１６，２１を単一の駆動用引出電極２８を用いて外部に接続することができ、素子全体を小型化することができる。

また、単層のシリコン基板４を用いて可動部７，１０および支持梁１２を形成するから、可動部７，１０等を形成するときには、例えばＩＣＰエッチング等のドライエッチングによってシリコン基板４を加工することができる。このため、ウェットエッチングを用いた場合に比べて、可動部７，１０および支持梁１２を高精度に加工することができ、例えば幅寸法ｗが４μｍ以下の細い支持梁１２を容易かつ高精度の形成することができる。

これにより、支持梁１２のばね定数を高精度に設定することができ、支持梁１２の設計自由度を高めることができる。また、支持梁１２は、ドライエッチングによる成形後に例えば加熱処理等を行うことによって容易に酸化処理を施すことができる。このため、複雑で機械的な剛性の弱い微細な支持梁１２であっても、その全てを確実に酸化させることができ、支持梁１２の全部を絶縁状態にして、第２の可動部１０と支持部５との間のアイソレーションを高めることができる。

さらに、信号用引出電極２６，２７および第１〜第３の駆動用引出電極２８〜３０はいずれも下側ガラス基板３の下面側に引き出す構成としたから、下側ガラス基板３の下面側だけで駆動電圧供給回路３１や高周波回路と接続することができる。このため、下側ガラス基板３の下面側に加えて、上側ガラス基板２の上面側に引出電極を設けた場合に比べて、外部の回路との接続が容易になる。

次に、図１０は本発明による第２の実施の形態を示し、本実施の形態の特徴は、金属−金属コンタクト型のリレー素子に適用したことにある。なお、本実施の形態では前記第１の実施の形態と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。

ＭＥＭＳ素子としてのリレー素子４１は、第１の実施の形態とほぼ同様に、上側ガラス基板２、下側ガラス基板３、シリコン基板４、支持部５、第１，第２の可動部７，１０、連結梁９、支持梁１２、第１，第２の可動側駆動電極１６，２１、第１，第２の固定側駆動電極１７，２４、可動側信号電極２０、固定側信号電極２２，２３等によって大略構成されている。

ここで、固定側信号電極２２，２３の表面には、第１の実施の形態のストッパ１８に代えて、導電性材料により形成された突起状の接点部４２が複数個突設されている。

これらの接点部４２は、リレー素子４１の第２の固定側駆動電極２４に駆動電圧を印加したときに、可動側信号電極２０と接触した状態に保持され、固定側信号電極２２，２３と可動側信号電極２０とを接続している。また、リレー素子４１の第１の固定側駆動電極１７に駆動電圧を印加したときには、可動側信号電極２０が各接点部４２から離れる方向に変位し、固定側信号電極２２，２３と可動側信号電極２０とが互いに絶縁された状態となる。

このように、金属−金属コンタクト型のリレー素子４１は、電圧印加の有無に応じて各接点部４２を可動側信号電極２０に接触させ、または可動側信号電極２０から離間させることにより、固定側信号電極２２，２３と可動側信号電極２０との間を接続，遮断する構成となっている。

かくして、このように構成される本実施の形態でも、第１の実施の形態とほぼ同様の作用効果を得ることができ、ＭＥＭＳ素子として、金属−金属コンタクト型のリレー素子４１にも適用範囲を広げることができる。また、第１の可動部７はそのＸ軸方向の両側がＺ軸方向に対して柔軟性を有しているから、第１の可動部７はＸ軸とほぼ平行な水平状態を維持しつつ、Ｚ軸方向に変位する。このため、第１の可動部７が下側ガラス基板３側に変位したときには、可動側信号電極２０を２つの固定側信号電極２２，２３の接点部４２に確実に接触させることができ、接触不良を防止することができる。

なお、前記各実施の形態では、各連結梁９の厚さ寸法を４μｍよりも小さく設定したが、連結梁を例えば支持梁１２と同様にクランク状またはミアンダ状に形成し、その幅寸法を４μｍ以下に設定してもよい。

また、前記各実施の形態では、各支持梁１２の全てを酸化させて絶縁状態にする構成としたが、連結梁９が絶縁状態になっていれば、支持梁１２は全てを酸化させる必要はない。

また、前記各実施の形態では、第２の可動部１０は、第１の可動部７を挟んでＸ軸方向の両側に２個設ける構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、第２の可動部１０は、第１の可動部７を挟んでＸ軸方向に対称に配置されていればよく、例えば第１の可動部７のＸ軸方向の両側に２個ずつ合計４個設ける構成としてもよく、第１の可動部７のＸ軸方向の両側に３個以上ずつ設ける構成としてもよい。

また、前記各実施の形態では、シリコン基板４の下面側から溝部４Ａを設けて連結梁９を形成したが、例えば図１１に示す変形例による可変容量素子１′のように、シリコン基板４の両面側から溝部４Ａ′を設けて連結梁９′を形成してもよい。また、シリコン基板の上面側から溝部を設けて連結梁を形成してもよい。この場合、第２の可動側導電膜を形成するときに、可動側信号電極と第２の可動側駆動電極とを分離する必要がある。

さらに、前記各実施の形態では、２つの固定側信号電極２２，２３を備える構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、下側ガラス基板の上面に単一の固定側信号電極を設けると共に、該固定側信号電極の幅方向両側にグランド電極をそれぞれ設け、これらの固定側信号電極とグランド電極とによってコプレーナ線路を形成する構成としてもよい。

１，１′ 可変容量素子
２ 上側ガラス基板（第１の基板）
３ 下側ガラス基板（第２の基板）
４ シリコン基板
４Ａ，４Ａ′ 溝部
５ 支持部
７ 第１の可動部
９，９′ 連結梁
１０ 第２の可動部
１２ 支持梁
１６ 第１の可動側駆動電極
１７ 第１の固定側駆動電極
２０ 可動側信号電極
２１ 第２の可動側駆動電極
２２，２３ 固定側信号電極
２４ 第２の固定側駆動電極
２６，２７ 信号用引出電極
２８ 第１の駆動用引出電極（可動側引出電極）
２９ 第２の駆動用引出電極
３０ 第３の駆動用引出電極
４１ リレー素子

Claims (3)

1. 互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる３軸方向のうちＸ軸方向およびＹ軸方向に沿って広がり、Ｚ軸方向で互いに対向した第１の基板および第２の基板と、
   該第１の基板と第２の基板との間に設けられたシリコン基板と、
   該シリコン基板に形成され、前記第１の基板および第２の基板に固定された支持部と、
   前記シリコン基板に形成され、Ｚ軸方向に変位可能な第１の可動部と、
   該第１の可動部を挟んでＸ軸方向の両側にそれぞれ設けられ、連結梁を用いて該第１の可動部に連結された一対の第２の可動部と、
   該各第２の可動部と前記支持部との間を連結し、Ｚ軸方向に対する前記第１の可動部および第２の可動部の変位を許容する支持梁と、
   前記第２の可動部と対向して前記第１の基板に設けられた第１の固定側駆動電極と、
   該第１の固定側駆動電極と対向して前記第２の可動部に設けられ、該第１の固定側駆動電極との間に静電力を作用させるための第１の可動側駆動電極と、
   前記第２の可動部と対向して前記第２の基板に設けられた第２の固定側駆動電極と、
   該第２の固定側駆動電極と対向して前記第２の可動部に設けられ、該第２の固定側駆動電極との間に静電力を作用させるための第２の可動側駆動電極と、
   前記第１の可動部と対向して前記第２の基板に設けられた固定側信号電極と、
   該固定側信号電極と対向して前記第１の可動部に設けられた可動側信号電極とを備え、
   前記連結梁、第２の可動部および支持梁は、前記第１の可動部を挟んでＸ軸方向に対して対称な形状に形成し、
   前記第１の可動側駆動電極と第２の可動側駆動電極とは、同じ厚さ寸法の導電膜を用いて形成する構成としてなるＭＥＭＳ素子。
2. 前記連結梁は、少なくともＺ軸方向の一側から前記シリコン基板を掘り込んだ溝部と対応した位置に配置され、その全てを酸化させる構成としてなる請求項１に記載のＭＥＭＳ素子。
3. 前記支持部には、厚さ方向に貫通して前記第１，第２の可動側駆動電極に電気的に接続された可動側引出電極を設ける構成としてなる請求項１または２に記載のＭＥＭＳ素子。

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