JP2011066156A - Memsデバイス - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の例に関わるMEMSデバイスは、第1及び第2の下部電極11,12と、静電容量C1を有する固定容量素子を下部電極11との間に形成する第1の駆動電極31と、静電容量C2を有する固定容量素子を下部電極12との間に形成する第2の駆動電極32と、基板上に設けられたアンカー部によって、駆動電極31,32上方に中空に支持され、駆動電極31,32に向かって動き、駆動電極31との間に可変な静電容量C3を有し、駆動電極32との間に可変な静電容量C4を有する上部電極2と、を具備し、下部電極11,12の間の容量値は、静電容量C1,C2,C3,C4が直列接続された合成容量の値で決定され、直列接続された合成容量の値が、可変容量値として用いられる。
【選択図】図2A
Description
また、駆動電極の面積を大きくして、大きな駆動力を得る場合には、チップ面積が増加し、製造コストが増大してしまう。
(1) 第1の実施形態
図1乃至図8を参照して、本発明の第1の実施形態に係るMEMSデバイスについて、説明する。
図1、図2A及び図2Bを用いて、本発明の第1の実施形態に係るMEMSデバイスの構造について、説明する。図1は、本実施形態に係るMEMSデバイスの平面構造を示している。また、図2A及び図2Bは、本実施形態に係るMEMSデバイスの断面構造を示している。図2Aは、図1のA−A’線に沿う断面構造を示し、図2Bは、図1のB−B’線に沿う断面構造を示している。
また、シリコン基板上の層間絶縁膜は、その寄生容量を小さくするため、誘電率の低い材料が用いられることが望ましい。例えば、層間絶縁膜には、TEOS(Tetra Ethyl Ortho Silicate)が、用いられる。また、寄生容量を小さくするためには、層間絶縁膜の膜厚は厚いほうが望ましく、基板1としての層間絶縁膜の膜厚は、例えば、10μm以上であることが好ましい。
シグナル電極11及びグランド電極12は、例えば、アルミニウム(Al)、銅(Cu)や金(Au)などの金属、又は、これらのいずれか1つを含む合金が用いられる。
第2のばね構造45に用いられる材料は、酸化シリコン、窒化シリコンのような絶縁性を有する材料を使用してもよいし、ポリシリコン(poly−Si)、シリコン(Si)及びシリコンゲルマニウム(SiGe)のような半導体材料、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、アルミニウム−チタニウム(AlTi)合金のような導電性を有する材料を使用してもよい。但し、本実施形態において、第2のばね構造45は、脆性材料以外の材料が用いられてもよいし、第1のばね構造と同じ材料(導電体)が用いられてもよい。
延性材料を用いたばね構造41は、複数回の駆動によって、クリープ現象が生じる。しかし、ばね構造41のばね定数k1は、脆性材料を用いたばね構造45のばね係数k2に比較して小さく設定されている。よって、up-state時における容量電極間の間隔に、延性材料を用いたばね構造41の形状の変化(たわみ)が、大きな影響を与えることはない。
このように、延性材料を用いたばね構造と脆性材料を用いたばね構造をMEMSデバイスに適用することによって、損失が低いという利点を保持しつつ、クリープ現象による特性劣化の小さいMEMSデバイス(MEMS可変容量デバイス)を提供できる。
尚、配線91及びダミー層93は、例えば、下部駆動電極31,32と同じ材料が用いられ、配線91及びダミー層93の膜厚は、下部駆動電極31,32の膜厚と同じになっている。また、配線91及びダミー層93をそれぞれ覆う絶縁膜92,94は、下部駆動電極31,32を覆う絶縁膜35,36と同じ材料が用いられ、絶縁膜92,94の膜厚は、絶縁膜35,36の膜厚と同じになっている。
図2A乃至図5を用いて、本発明の第1の実施形態に係るMEMSデバイスの動作について、説明する。
まず、図3を用いて、MEMS可変容量デバイス100を駆動させるための構成の概略について、説明する。
図3の(a)は、MEMS可変容量デバイス100を駆動させるための全体構成を模式的に示している。
これとは反対に、上部容量/駆動電極2にバイアス電位Vbが供給され、下部駆動電極31,32にグランド電位Vgndが供給されることによって、MEMS可変容量デバイス1を駆動してもよい。また、上部容量/駆動電極2及び下部駆動電極31,32にそれぞれ供給する電位を、バイアス電位Vbとグランド電位Vgndとで交互に入れ替えて駆動させてもよい。尚、2つの下部駆動電極31,32の両方に、同じ大きさ・極性の電位が供給されることに限定されない。
上部容量/駆動電極2と下部駆動電極31,32との間の電位差が小さい、又は、電位差が無い場合、図2Aに示すように、MEMS可変容量デバイス100Aは、上部容量/駆動電極2は、上へ上がった状態になっている。
よって、MEMS可変容量デバイス100Aのup-state時とMEMS可変容量デバイス100Bのdown-state時とで、可変容量素子を形成する上部容量/駆動電極2と下部容量電極1との間の電極間距離が、変化する。
上部容量電極2と下部容量電極11,12との間の電極間距離が変動することによって、対を成す2つの下部容量電極のうち、シグナル電極11の電位は、down-stateとup-stateとで、変化する。一方、MEMS可変容量デバイス100Aの動作時、2つの下部容量電極1のうちグランド電極12は、一定の電位(例えば、グランド電位)に固定されている。このため、グランド電極12の電位は、上部容量/駆動電極2が上下に動いても、変化しない。
このシグナル電極11とグランド電極12との電位差が、出力信号(RFパワー又はRF電圧)VRFとして、up-stateとdown-stateとが繰り返されるMEMS可変容量デバイス100Aの動作サイクルに応じて、外部へ出力される。この出力の周波数は、MEMS可変容量デバイス100Aの動作サイクルに応じた値になる。
これに対して、本実施形態のMEMS可変容量デバイス100Aは、図5の(a)に示されるように、各電極2,11,12,31,32間に、静電容量C1,C2,C3,C4を有する。
(式1A)に示されるように、電位差ΔV1は、C1/(2(C1+C3))に相関して、RF電圧VRFより小さくなる。
(式1B)に示されるように、電位差ΔV2は、C2/(2(C2+C4))に相関して、RF電圧VRFより小さくなる。
C13=C1×C3/(C1+C3)=C1/(1+C1/C3) ・・・(式2A)
これと同様に、直列接続された静電容量C2と静電容量C4との合成容量C24は、次の(式2B)で示される。
尚、(式1A)、(式1B)、(式2A)及び(式2B)における静電容量C3,C4は、可動な上部容量/駆動電極2と下部駆動電極31との容量結合の値なので、例えば、MEMS可変容量デバイス100Aがdown-stateである場合と、up-stateである場合で異なる。静電容量C3,C4は、可動な上部容量/駆動電極2と下部駆動電極31との間隔に反比例するので、静電容量C3,C4の容量値は、down-stateである場合にup-stateである場合より大きくなる。
それゆえ、(式1)に示されるように、上部容量/駆動電極2と下部駆動電極31,32との間の電位差ΔV1,ΔV2は、C1/(2×(C1+C3))又はC2/(2(C2+C4))の値に応じて、RF電圧VRFより小さくなる。上部容量/駆動電極2と下部駆動電極31,32との間の静電引力は、静電容量C3,C4と電位差ΔV1,ΔV2との積でそれぞれ示される。そのため、上部容量/駆動電極2に与えられる静電引力は、RF電圧VRFが上部容量/駆動電極2と下部容量電極11,12との間に直接印加されている場合に比較して、小さくなる。
図6及び図7を用いて、本発明の第1の実施形態に係るMEMSデバイスの検証結果について、説明する。
まず、MEMSデバイスのプルイン電圧Vpi及びプルアウト電圧Vpoの温度特性について、述べる。ここでは、第1の実施形態のMEMS可変容量デバイスと類似した構造を有する静電駆動型アクチュエータ200のプルイン/プルアウト電圧Vpi,Vpoが、測定される。図6は、その静電駆動型アクチュエータ200の構造を示している。図6の(a)は、静電型アクチュエータ200の平面構造を示し、図6の(b)は、図6の(a)のA−A’線に沿う断面構造を示している。
この結果より、積層電極構造を有するMEMS可変容量デバイス100Aが、35dBmのRFパワーが印加されている状態でホットスイッチングするためには、(式3)の条件を満たすことが好ましい。また、直列接続された固定の静電容量C2と可変な静電容量C4と静電容量比C4/C2も、(C3/C1)>0.5を満たすことが好ましい。尚、静電容量比(C3/C1)及び静電容量比C4/C2のうち、少なくとも一方が、0.5より大きくともよい。
以下、図8を用いて、第1の実施形態に係るMEMSデバイス(MEMS可変容量デバイス)の製造方法について、説明する。ここでは、MEMS可変容量デバイスの下部容量電極及び下部駆動電極が形成される領域を抽出して、MEMS可変容量デバイスの製造工程について、説明する。図8は、MEMS可変容量デバイスの製造工程の各工程において、図1のy方向に沿う断面構造をそれぞれ示している。
これによって、基板1の溝Z内に、MEMS可変容量デバイスの下部容量電極11,12が、自己整合的に埋め込まれる。本実施形態のMEMS可変容量デバイスにおいて、下部容量電極11,12は、2つの電極(配線)が対をなして形成されている。具体的には、シグナル電極11とグランド電極12とから一対の下部容量電極が構成されている。シグナル線11とグランド線12との電位差が、MEMS可変容量デバイスの出力(RFパワー、RF電圧)となる。
犠牲層98上の導電体2は、例えば、フォトリソグラフィー技術及びRIE法を用いて、所定の形状に加工される。これによって、MEMS可変容量デバイスの上部容量電極2が形成される。尚、第1の実施形態に係るMEMS可変容量デバイスにおいて、上部電極2は、可変容量素子の容量電極として機能すると共に、アクチュエータの駆動電極としても機能する。
このように、動作及び出力に寄与するMIM容量素子の静電容量C1,C2のばらつきが、低減されるので、MEMS可変容量デバイスの動作を安定化できる。
図9、図10A及び図10Bを用いて、本発明の第2の実施形態に係るMEMSデバイスの構造について、説明する。図9は、本実施形態におけるMEMSデバイス(例えば、MEMS可変容量デバイス)の平面構造を示す平面図である。図10Aは、図9のA−A’線に沿う断面構造を示す断面図である。図9のB−B’線に沿う断面構造は、図2Bに示される構造と実質的に同じである。図10Bは、本実施形態のMEMS可変容量デバイスの駆動時の状態を示している。
ここでは、第2の実施形態に係るMEMSデバイスと第1の実施形態に係るMEMSデバイスとの相違点について、主に説明する。
例えば、図9及び図10に示されるように、上部容量/駆動電極2は、ばね構造45及びアンカー52部によって、中空に支持されている。このばね構造45は、外部から電気的に分離されている。または、ばね構造45に用いられている材料が、絶縁体である。そのため、ばね構造45を経由して、上部容量/駆動電極2に外部から電位が供給されない。そして、本実施形態のMEMS可変容量デバイス100Bにおいて、導電体が用いられ、且つ、外部と電気的に接続されたばね構造は、設けられていない。そのため、そのばね構造を経由して、上部容量/駆動電極2に電位が供給されることも無い。
2つ下部駆動電極31,32間に電位差が設けられると、一方の静電容量C3が保持する電荷量(電位)と他方の静電容量C4の電荷量に、差が生じる。その結果として、上部容量/駆動電極2の内部電位が変動する。この内部電位の変動によって、上部容量/駆動電極2と2つの下部駆動電極31,32との間に電位差が与えられ、静電引力が発生する。
図11、図12A、図12B及び図12Cを用いて、本発明の第3の実施形態に係るMEMSデバイス(例えば、MEMS可変容量デバイス)100Cの構造について、説明する。図11は、本実施形態におけるMEMS可変容量デバイスの平面構造を示す平面図である。図12Aは、図11のC−C’線に沿う断面構造を示す断面図である。図12Bは、図11のD−D’線に沿う断面構造を示す断面図である。また、図12Cは、本実施形態のMEMS可変容量デバイスの駆動時の状態を示している。
ここでは、第3の実施形態に係るMEMSデバイスと第1及び第2の実施形態に係るMEMSデバイスとの相違点について、主に説明する。
また、シグナル電極11A及びグランド電極12Aは、例えば、基板9表面に対して垂直方向において、上部容量/駆動電極2と上下に重ならない位置に配置されている。
第1の導電層33は、絶縁膜37を介して、シグナル電極11A上に積層されている。第1の導電層33は、開口部Q1を経由して、下部駆動電極31に直接接触する。
第2の導電層34は、絶縁膜38を介して、グランド電極12A上に積層されている。第2の導電層34は、開口部Q2を経由して、下部駆動電極32に直接接触する。尚、導電層33,34は、例えば、基板表面に対して垂直方向において、上部容量/駆動電極2と上下に重ならない位置に配置される。
可動な上部電極2が、up-stateからdown-stateになったときに、容量結合の静電容量C3,C4の大きさが変化する。その静電容量C3,C4の変化に伴って、一定の静電容量C1,C2を有するMIM容量素子の電位は変動する。その結果として、MIM容量素子の一方の電極であるシグナル電極11Aの電位が変動する。尚、グランド電極12Aの電位は、グランド電位に固定されているので、上部電極2が上下に動いても、変動しない。
このように、下部容量電極11Aが、上部容量電極2と上下に重ならない位置に配置されていても、下部容量電極11Aの電位が変動する。
それゆえ、第3の実施形態のMEMS可変容量デバイス100Cのように、下部駆動電極31,32が、シグナル電極11及びグランド電極12上に積層されていなくとも、第1及び第2の実施形態で述べたMEMS可変容量デバイスと等価な構成を、形成できる。よって、本実施形態のMEMS可変容量デバイス100Cは、ホットスイッチング特性を向上できる。
図13、図14A及び図14Bを用いて、本発明の第4の実施形態に係るMEMSデバイス(MEMS可変容量デバイス)の構造について、説明する。図13は、本実施形態に係るMEMS可変容量デバイス100Dの平面構造を示す平面図である。図14Aは、図13のE−E’線に沿う断面構造を示す断面図である。図14Bは、本実施形態のMEMS可変容量デバイスの駆動時の状態を示している。
ここでは、第4の実施形態に係るMEMS可変容量デバイスと第1乃至第3の実施形態に係るMEMS可変容量デバイスとの相違点について、主に説明する。
下部駆動電極31の表面は、絶縁膜35によって覆われている。
上部容量/駆動電極2Aは、下部容量電極(シグナル電極2A)と1対の容量電極を形成すると共に、下部駆動電極31と1対の駆動電極を形成する。
本実施形態において、上部容量/駆動電極2Aは、グランド電極12Bに接続されているので、上部容量/駆動電極2Aの電位は、グランド電位に設定されている。
図14Bに示すように、上部容量/駆動電極2Aを下方(下部駆動電極31側)に動かす場合、グランド電極12Bと下部駆動電極31との間の電位差がプルイン電圧以上になるように、バイアス電位が、下部駆動電極31に供給される。
この電位差によって、上部容量/駆動電極2と下部駆動電極31との間に、静電引力が発生する。発生した静電引力によって、上部容量/駆動電極2が下方にたわむ。このため、上部容量/駆動電極2とシグナル電極11Bとの間隔が小さくなる。また、静電容量C3の値が変わる。これによって、シグナル電極11Bの電位が変動する。シグナル電極11Bとグランド電極12Bとの電位差が、RF電圧(RFパワー)として、外部に出力される。
図15を用いて、本発明の実施形態に係るMEMSデバイスの応用例について、説明する。図15は、本応用例におけるMEMSデバイスの平面構造を示す平面図である。
それゆえ、そのMEMS可変容量デバイスを用いた容量バンク500も、ホットスイッチング特性が向上するのは、もちろんである。
本発明の例は、上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、各構成要素を変形して具体化できる。また、上述の実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を構成できる。例えば、上述の実施形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよいし、異なる実施形態の構成要素を適宜組み合わせてもよい。
Claims (5)
- 第1及び第2の下部電極と、
第1の静電容量を有する固定容量素子を、前記第1の下部電極との間に形成する第1の駆動電極と、
第2の静電容量を有する固定容量素子を、前記第2の下部電極との間に形成する第2の駆動電極と、
基板上に設けられたアンカー部によって、前記第1及び第2の駆動電極上方に中空に支持され、前記第1及び第2の駆動電極に向かって動き、前記第1の駆動電極との間に可変可能な第3の静電容量を有し、前記第2の駆動電極との間に可変可能な第4の静電容量を有する上部電極と、を具備し、
前記第1及び第2の下部電極の間の容量値は、前記第1、第2、第3及び第4の静電容量が直列接続された合成容量の値で決定され、
前記直列接続された合成容量の値が、可変容量値として用いられる、
ことを特徴とするMEMSデバイス。 - 前記第1及び第2の駆動電極は、絶縁膜を介して、前記第1及び第2の下部電極上にそれぞれ積層されている、ことを特徴とする請求項1に記載のMEMSデバイス。
- 前記第1及び第2の駆動電極は、前記第1及び第2の下部電極に前記基板表面に対して平行方向に隣接してそれぞれ配置されている、ことを特徴とする請求項1に記載のMEMSデバイス。
- 前記第1乃至第4の静電容量が、C1、C2、C3及びC4でそれぞれ示される場合、前記第1の静電容量と前記第3の静電容量との容量比C3/C1及び前記第2の静電容量と前記第4の静電容量比との容量比C4/C2の少なくとも一方が、0.5以上であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のMEMSデバイス。
- 前記上部電極及び前記第1及び第2の駆動電極のそれぞれに、ローパスフィルタが接続され、前記ローパスフィルタを経由して、前記上部電極及び前記駆動電極のそれぞれに、電位が供給される、ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載のMEMSデバイス。
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