JP3696193B2 - 可変キャパシタ及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は可変キャパシタに関し、特に、ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）技術を用いた可変キャパシタ及びその製造方法に関する。
【０００２】
可変キャパシタは、可変周波数発振器（ＶＦＯ）、同調増幅器、位相シフタ、インピーダンス整合回路などを含む電気回路において重要な部品で、近年、携帯機器への搭載が増えてきている。
【０００３】
また、現在使用されている可変キャパシタの１種であるバラクタダイオードに比べて、ＭＥＭＳ技術により作成された可変キャパシタは、損失を小さく、Ｑ値を高くできるため、開発が急がれている。以下、図を用いて従来の技術について説明する。
【０００４】
【従来の技術】
まず、図１に、非特許文献１に報告されている可変キャパシタの構造断面図を示す。
【０００５】
この可変キャパシタは、ユニモルフ型の圧電アクチュエータ１２と可動電極１３とからなる可動電極用基板１１と、固定電極１６を設置した固定電極用基板１５とを、可動電極１３及び固定電極１６が対向するようにソルダーバンプ１４で接合した構造である。圧電アクチュエータ１２を駆動することで、可動電極１３と固定電極１６との距離を変化させ、容量をコントロールする。
【０００６】
【非特許文献】
Jan Y.Park,et al.,”MICROMACHINED RF MEMS TUNABLE CAPACITORS USING PIEZOELECTRIC ACTUATORS”, IEEE International Microwave Symposium, 2001
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１に示す従来技術は次の問題点を有する。可動電極１３と固定電極１６との間隔をソルダーバンプ１４で制御するため、間隔を小さくすることができず、圧電アクチュエータ１２の初期状態の容量は小さくなる。
【０００８】
図２に示すように、静電容量Cとキャパシタを形成する電極間の距離ｄとの間には、Ｃ＝εεrS/d（ε、εrは誘電率および比誘電率、Sはキャパシタを形成する電極の面積。図２では、縦および横軸を、初期状態のｄおよびＣにより規格化してある。）の関係が有り、圧電アクチュエータの変化量が一定の場合、電極間が離れた状態より、近づいた状態の方が変化の割合が大きくなる。すなわち、初期状態の容量が小さいということは、容量変化の割合も小さくなる。
【０００９】
従って、本発明は上記従来技術の問題点を解決し、小型で容量、容量変化の割合が大きく、容量の微調整が可能な可変キャパシタ及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、請求項１に記載のように、基板と、該基板に支持されたキャパシタの２つの可動電極と、前記基板に支持され且つ前記可動電極を駆動する複数の圧電アクチュエータとを備え、前記２つの可動電極は同一形状であって対応する各辺が揃うように対向し、かつ複数のコーナー部を有しており、前記複数の圧電アクチュエータは各可動電極の各コーナー部を支持して設けられており、前記２つの可動電極の一方を駆動する１つの圧電アクチュエータと、他方を駆動する別の１つの圧電アクチュエータとは、前記基板の面に平行に隣り合うように配置されていることを特徴とする可変キャパシタである。キャパシタと圧電アクチュエータを同一基板で支持されるように形成したため小型で、また、キャパシタを構成する２つの電極は、両方とも可動電極可動であるため、容量と、容量変化の割合をともに大きく、容量の微調整が可能である。
【００１１】
また、請求項２に記載のように、キャパシタを構成する２つの電極間に誘電体を設置することで、容量と容量変化の割合を、更に大きくすることが可能である。
【００１２】
可変キャパシタにおいて、キャパシタを構成する２つの電極が、圧電アクチュエータにより基板に支持されている構成は、後述する第１、第２、第３及び第４実施形態として例示され、また、キャパシタを構成する２つの電極間に誘電体層が設置されている構成は、後述する第３及び４の実施形態として例示されている。
【００１５】
上記可変キャパシタにおいて、前記誘電体層は２つの前記可動電極のいずれか一方に支持されている構成とすることができる。
【００１６】
上記可変キャパシタにおいて、前記複数の圧電アクチュエータの各々は、一対の電極とこの間に設けられた圧電素子とを含み、前記基板上の空間内に位置している構成とすることができる。
【００１７】
上記可変キャパシタにおいて、前記複数の圧電アクチュエータの一対の電極の一方と前記可動電極とは、一体構成されている構成とすることができる。
【００１８】
上記可変キャパシタにおいて、前記圧電アクチュエータはユニモルフ型または、バイモルフ型である構成とすることができる。
【００１９】
上記可変キャパシタにおいて、前記可動電極は、前記誘電体層と前記可動電極との間に空気層が介在する状態から、前記誘電体層と前記可動電極とが接した状態までの可動範囲を有する構成とすることができる。
【００２０】
上記可変キャパシタにおいて、前記可動電極は、前記誘電体層と前記可動電極との間に空気層が介在する状態から、前記誘電体層と前記可動電極とが接した状態までの可動範囲を有する構成とすることができる。
【００２２】
上記可変キャパシタにおいて、前記２つの可動電極は略矩形であって、該２つの可動電極の４つの辺に沿って前記複数の圧電アクチュエータが配置されている構成とすることができる。
【００２３】
上記可変キャパシタにおいて、前記複数の可動電極の各々は、前記２つの可動電極のいずれか一方を駆動する構成とすることができる。
【００２５】
上記可変キャパシタにおいて、前記２つの可動電極のうち前記基板側に位置する可動電極は、前記基板に設けられた開口に面している構成とすることができる。
【００２６】
上記可変キャパシタにおいて、前記２つの可動電極のうち前記基板側に位置する可動電極は、前記基板に設けられた空隙を介して当該基板に面している構成とすることができる。
【００２７】
上記可変キャパシタにおいて、前記２つの可動電極は対向し、前記複数のアクチュエータは前記対向する２つの可動電極を同時に近接又は離間する方向に駆動する構成とすることができる。
【００２８】
本発明はまた、基板に支持されるキャパシタの２つの対向する同一形状の可動電極を、対応する各辺が揃うように形成する工程と、前記基板に支持されるとともに各可動電極が備えるコーナー部を支持して設けられ、かつ前記可動電極を駆動する圧電アクチュエータであって、前記２つの可動電極の一方を駆動する１つの圧電アクチュエータと、他方を駆動する別の１つの圧電アクチュエータとは、前記基板の面に平行に隣り合うように配置される圧電アクチュエータを形成する工程と、２つの可動電極との間に間隙を形成するための犠牲層を形成する工程と、前記犠牲層を除去する工程と、を含むことを特徴とする可変キャパシタの製造方法である。
【００２９】
本発明はまた、基板に支持されるキャパシタの２つの対向する同一形状の可動電極を、対応する各辺が揃うように形成する工程と、前記基板に支持されるとともに各可動電極が備えるコーナー部を支持して設けられ、かつ前記可動電極を駆動する圧電アクチュエータであって、前記２つの可動電極の一方を駆動する１つの圧電アクチュエータと、他方を駆動する別の１つの圧電アクチュエータとは、前記基板の面に平行に隣り合うように配置される圧電アクチュエータを形成する工程と、前記可動電極間に設けられた誘電体層を形成する工程と、前記可動電極のいずれか一方と誘電体層との間に間隙を形成するための犠牲層を形成する工程と、前記犠牲層を除去する工程と、を含むことを特徴とする可変キャパシタの製造方法である。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
【００３１】
（第１実施形態）
図３は、本発明の第１実施形態による可変キャパシタの分解斜視図である。基板２１上に絶縁層２３が設けられている。基板２１はシリコンや化合物半導体なで形成され、中央部に開口４０を有する。キャパシタは下部可動電極３５と上部可動電極３７とで構成され、下部可動電極３５および上部可動電極３７は、それぞれ４つの下部可動電極用アクチュエータ２７１〜２７４及び上部可動電極用アクチュエータ２９１〜２９４で駆動される。下部可動電極３５と上部可動電極３７はそれぞれ略同一大きさ、同一形状（矩形）のシート状であり、空気層を介して対向している。下部可動電極３５の４つのコーナ部分に、下部可動電極用アクチュエータ２７１〜２７４が連続するように設けられている。同様に、上部可動電極３７の４つのコーナ部分に、上部可動電極用アクチュエータ２９１〜２９４が連続するように設けられている。下部可動電極３５、下部可動電極用アクチュエータ２７１〜２７４及び上部可動電極用アクチュエータ２９１〜２９４は、基板２１に形成された開口４０に面している。つまり、基板２１の裏面から開口４０を介して、これらが望める。
【００３２】
下部可動電極用アクチュエータ２７（代表して１つの下部可動電極アクチュエータを説明する際には、単に参照番号２７を用いる）は圧電アクチュエータであって、下部絶縁層２３とアクチュエータ用下部電極３１Ａと圧電層３４とアクチュエータ用上部電極３３Ａとが下からこの順番に積層されたユニモルフ型の構成である。同様に、上部可動電極用アクチュエータ２９（代表して１つの上部可動電極アクチュエータを説明する際には、単に参照番号２９を用いる）は圧電アクチュエータであって、アクチュエータ用下部電極３１Ｂと圧電層３４とアクチュエータ用上部電極３３Ｂと上部絶縁層３９とが下からこの順番に積層されたユニモルフ型の構成である。アクチュエータ用下部電極３１Ｂと下部駆動電極３５とは、単一の部材で一体的に構成されている。同様に、アクチュエータ用上部電極３３Ｂと上部駆動電極３７とは、単一の部材で一体的に構成されている。参照番号２５は、配線間絶縁層を示す。
【００３３】
各アクチュエータ用下部電極３１Ａは、外部接続用パッド１３１Ａに共通に接続されている。また、各アクチュエータ用下部電極３１Ｂは、外部接続用パッド１３１Ｂに共通に接続されている。また、各アクチュエータ用上部電極３３Ａは、外部接続用パッド１３３Ａに共通に接続されている。同様に、各アクチュエータ用上部３３Ｂは、外部接続用パッド１３３Ｂに共通に接続されている。
【００３４】
下部可動電極用アクチュエータ２７及び上部可動電極用アクチュエータ２９は各々、略Ｕ字状に屈曲しているアーム部分を含む。１つの下部可動用アクチュエータ２７と１つの上部可動用アクチュエータ２９とは、隣り合うように配置されている。
【００３５】
アクチュエータ用下部電極３１Ａ、３１Ｂとアクチュエータ用上部電極３３Ａ、３３Ｂとの間に電圧を加えることで、下部可動電極３５は上部可動電極３７側へ、また、下部可動電極３５と上部可動電極３７とは、同時に近接する方向に駆動される。このように、下部可動電極用アクチュエータ２７および上部可動電極用アクチュエータ２９を駆動することで、上部可動電極３７と下部可動電極３５との距離を変化させて、静電容量を変化させる。
【００３６】
なお、下部可動電極用アクチュエータ２７および上部可動電極用アクチュエータ２９はユニモルフに限定されるものではなく、図１３（Ａ）に示すパラレル接続型のバイモルフや、図１３（Ｂ）に示すシリーズ接続型のバイモルフであってもよい。図１３（Ａ）、（Ｂ）において、中間電極６３の上下に図示する矢印方向に分極された圧電素子５４1aと５４1bが設けられている。圧電素子５４1aには下部駆動電極５３1が設けられ、圧電素子５４1bには上部駆動電極５５1が設けられている。図示するように直流電圧Ｖを印加すると、バイモルフは変形する。
【００３７】
また、下部可動電極用アクチュエータ２７および上部可動電極用アクチュエータ２９をバイモルフにする場合は、アクチュエータ用下部電極３１またはアクチュエータ用上部電極３３に接している形成する下部絶縁層２３または上部絶縁層３９は不要となる。
【００３８】
次に、図４を用いて、上記可変キャパシタの製造方法を説明する。また、図４は図３のＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【００３９】
まず、図４（ａ）に示すよう、シリコンを材料とする基板２１上に、ＬＰＣＶＤ（Ｌｏｗ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により、低応力の窒化シリコンからなる下部絶縁層２３を形成し、その後、図４（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィー技術により所定形状に形成する。
【００４０】
次に、図４（ｃ）に示すように、下部絶縁層２３上にフォトリソグラフィー技術により、Ｐｔ／Ｔｉ（白金／チタン）の下部可動電極３５及びアクチュエータ用下部電極３１Ａ、３１Ｂを所定形状に同時形成する。Ｐｔ／Ｔｉの厚みは例えば４５００Å／５００Åである。パターニングはＣｌ2／Ａｒ（塩素／アルゴン）系ガスを使用したＲＩＥやイオンミリングなどで行う。
【００４１】
そして、図４（ｄ）に示すように、スパッタリング法、ゾルゲル法、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ ＣＶＤ）法又はレーザーアブレーション法などにより、アクチュエータ用電極３１Ａ，３１Ｂ上に、ニオブ酸リチウム、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸ビスマスなどを材料とする所定の形状の圧電層３４を形成する。パターニングはＣＣｌ４／ＣＦ４／Ａｒ系ガスを使用したＲＩＥや、イオンミリングなどで行う。
【００４２】
その後、図４（ｅ）、図４（ｆ）、図４（ｇ）に示すように、レジスト材料からなる犠牲層４１を形成した後、リソグラフィー技術により所定形状のＰｔの上部可動電極３７とアクチュエータ用上部電極３３Ａ、３３Ｂとを同時形成し、シリコン窒化膜やシリコン酸化膜などの上部絶縁層３９を形成する。なお、上部可動電極３７となる層には複数の開口４７が設けられている。この開口４７は、後のステップで犠牲層を効率的及び効果的に取り除くために形成されている。
【００４３】
ここで、下部絶縁層２３とアクチュエータ用下部電極３１Ａと圧電層３４とアクチュエータ用上部電極３３Ａの積層からなる下部可動電極用アクチュエータ２７と、アクチュエータ用下部電極３１Ｂと圧電層３４とアクチュエータ用上部電極３３Ｂと上部絶縁層３９の積層からなる上部可動電極用アクチュエータ２９が形成される。
【００４４】
図４（ｈ）に示すように、下部可動電極用アクチュエータ２７と上部可動電極用アクチュエータ２９と下部可動電極３５周辺の基板２１を基板２１側からＤＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching）装置によりエッチングして開口４０を形成する。この場合のエッチングガスはＳＦ６（六フッ化硫黄）を用い、開口４０を形成するためのマスクはレジストである
【００４５】
最後に、図４（ｉ）に示すように、レジスト材料からなる犠牲層４１を除去し、下部可動電極３５と上部可動電極３７との間に間隙４２を確保することで、下部可動電極３５及びその下部の絶縁層２３が、下部可動電極用アクチュエータ２７を、また、上部可動電極３７が上部可動電極用アクチュエータ２９を介して基板２１に支持された構造の可変キャパシタを得る。
【００４６】
また、製造方法としては、図示はしないが、図４（ｇ）工程の後、レジスト材料からなる犠牲層４１を除去し、下部可動電極３５と上部可動電極３７との間に間隙４２を確保した後に、下部可動電極用アクチュエータ２７と上部可動電極用アクチュエータ２９と下部可動電極３５周辺の基板２１を基板２１側エッチングして開口４０を形成しても良い。
【００４７】
また、犠牲層材料としては、レジスト以外に酸化マグネシウム（ＭｇＯ）（除去は酢酸水溶液）、などの酸化物も利用出来る。
【００４８】
なお、図４において、断面の背後に見える層の表示は、図を分かり易くするために、適宜省略してある。
【００４９】
（第２実施形態）
図５は、本発明の第２実施形態による可変キャパシタの分解斜視図である。また、図６は、図５のＶＩ−ＶＩ線断面図で、本実施形態による可変キャパシタの製造方法を示す工程断面図である。
【００５０】
本実施形態は、下部可動電極３５およびその背面の下部絶縁層２３と基板２１との間に空間（空隙）５０を設けたことを特徴とする。
【００５１】
図５は、本発明の第２実施形態による可変キャパシタの分解斜視図である。基板２１上に下部絶縁層２３が設けられている。基板２１はシリコンや化合物半導体などで形成され、キャパシタは下部可動電極３５と上部可動電極３７とで構成され、下部可動電極３５および上部可動電極３７は、それぞれ４つの下部可動電極用アクチュエータ２７１〜２７４及び上部可動電極用アクチュエータ２９１〜２９４で駆動される。下部可動電極３５の背面の下部絶縁層２３、４つの下部可動電極用アクチュエータ２７１〜２７４および上部可動電極用アクチュエータ２９１〜２９４と基板２１との間には空間５０を有する。
【００５２】
本発明の第２実施形態は、前述した本発明の第１実施形態と同様に動作する。アクチュエータ用下部電極３１Ａ、３１Ｂとアクチュエータ用上部電極３３Ａ、３３Ｂとの間に電圧をかけることで、印加する電圧の大きさに応じて圧電素層３４はｄ３１方向に縮む。これにともない下部可動電極３５は、上部可動電極３７の方に移動し、また、上部可動電極３７は、下部可動電極３５の方に移動し、上部可動電極３７と下部可動電極３５との間の距離が変化する。そして、上部可動電極３７と下部可動電極３５との間の静電容量は大きく変化する。
【００５３】
次に、図６を参照して、上記第２実施形態による可変キャパシタの製造方法を説明する。
【００５４】
まず、図６（ａ）に示すようなシリコンを材料とする基板２１上に、リソグラフィー技術により、レジスト系材料やＭｇＯなどを用いて、図６（ｂ）に示すような所定形状の第１犠牲層２２を形成する。
【００５５】
図６（ｃ）に示すように所定形状の窒化シリコン又は酸化シリコンの下部絶縁層２３を形成する。次に、図６（ｄ）及び図６（ｅ）に示すように、フォトリソグラフィー技術により、所定の形状の下部可動電極３５及びアクチュエータ用下部電極３１Ａ、３１Ｂと圧電層３４を形成する。
【００５６】
そして、図６（ｆ）に示すように、レジスト材料やＭｇＯなどからなる第２犠牲層４４を下部可動電極３５及びその周辺に形成後、図６（ｇ）に示すように、上部可動電極３７およびアクチュエータ用上部電極３３Ａ、３３Ｂ、図６（ｈ）に示すように上部可動電極３７および上部可動電極３７と一体となったアクチュエータ用上部電極３３Ｂの一部に上部絶縁層３９を形成することで、下部絶縁層２３とアクチュエータ下部電極３１Ａと圧電層３４とアクチュエータ用上部電極３３Ａとからなるユニモルフ型の下部可動電極用アクチュエータ２７と、下部絶縁層２３とアクチュエータ下部電極３１Ｂと圧電層３４とアクチュエータ用上部電極３３Ｂと上部絶縁層３９とからなるユニモルフ型の上部可動電極用アクチュエータ２９とを形成する。
【００５７】
最後に、図６（ｉ）に示すように、第１犠牲層２２および第２犠牲層４４を除去することで、下部可動電極用アクチュエータ２７により基板２１に固定された下部可動電極３５、また、上部可動電極用アクチュエータ２９により基板２１に固定された上部可動電極３７を形成し、目的の可変キャパシタを得る。
【００５８】
（第３実施形態）
図７は、本発明の第３実施形態による可変キャパシタの分解斜視図である。また、図８は、図７のＩＩＸ−ＩＩＸ線断面図で、本実施形態による可変キャパシタの製造方法を示す工程断面図である。
【００５９】
本実施の形態は、誘電体層４６を下部可動電極３５と上部可動電極３７との間に設置したことを特徴とする。この点以外は、上記本発明の第１の実施形態と同様である。前記誘電体層４６は、下部可動電極３５側にあるいは、上部可動電極３７側に設置する。この絶縁層４６の設置により可動部分の質量が増すことで、共振周波数の低下あるいは可動スピードの低下などが若干おこるが、静電容量および容量の変化率を大幅に向上できる。
【００６０】
図１４は、誘電体層４６の効果を説明するための図である。上部可動電極３７側に誘電体層４６を設置した場合を例に挙げて説明する。図１４（Ａ）に示すように、誘電体層４６の厚みをｄdielectricとし、誘電体層４６と下部可動電極３５との間に形成された空気層の厚みをｄairとする。この場合、上部可動電極３７側と下部可動電極３５との間の距離ｄはｄ＝ｄdielectric＋ｄairとなる。図１４（Ｂ）は、下部可動電極３５または上部可動電極３７、あるいは下部可動電極３５及び上部可動電極３７の両方を駆動して空気層の厚みｄairを変化させたときの容量Ｃ〔Ｆ〕の変化を示す図である。下部可動電極３５及び上部可動電極３７は正方形であって、その面積を２３０μｍ×２３０μｍとした。また、距離ｄをｄ＝０．７５μｍとし、空気層の厚みｄairをｄair＝０．３μｍとし、ｄair／ｄ＝０．４とした。誘電体層３７は誘電損失の小さな材料であるアルミナＡｌ2Ｏ3（ε＝１０）を用いた。
【００６１】
また、比較例として誘電体層４６を取り除いた場合の容量Ｃの変化も測定した。図１４（Ｂ）に示すように、誘電体層４６を設けた可変キャパシタは初期状態で約１．３６ｐＦ、可動電極３９が誘電体層３７に接した状態で約１０．４ｐＦの容量を持ち、その比は約７．６倍である。このように、誘電体層４６の設置にともない容量および容量の可変範囲は極めて大きくできる。
【００６２】
下部可動電極３５側に誘電体層４６を形成する場合は、前記した第１実施形態の製造方法の図４（ｄ）の工程までは共通で、その後、図８（ｅ）および図８（ｆ）に示すように、フォトリソグラフィー技術により、下部可動電極３５上にアルミナＡｌ2Ｏ3を材料として、誘電体層４６を形成し、その後、誘電体層４６上にレジストやＭｇＯなどの犠牲層４１を形成する。
【００６３】
そして、図８（ｇ）および図８（ｈ）に示すように、圧電層３４上にアクチュエータ用上部電極３３Ａ、３３Ｂ、犠牲層４１上に上部可動電極３７を、更に、上部可動電極３７および上部可動電極３７と一体となったアクチュエータ用上部電極３３Ｂ上に上部絶縁層３９を形成する。
【００６４】
最後に、図８（ｉ）および図８（ｊ）に示すように、下部可動電極用アクチュエータ２７と上部可動電極用アクチュエータ２９と下部可動電極３５周辺の基板２１を基板２１側からエッチングして開口４０を形成後、犠牲層４１を除去して可変キャパシタを得る。
【００６５】
次に、上部可動電極３７側に誘電体層４６を形成する場合は、前記した第１実施形態の製造方法の図４（ｅ）の工程までは共通で、その後、図９（ｆ）、図９（ｇ）および図９（ｈ）に示すように、犠牲層４１上に誘電体層４６、更に、所定形状の上部可動電極３７およびアクチュエータ用上部電極３３Ａ、３３Ｂと上部絶縁層３９を順に形成する。
【００６６】
そして、図９（ｉ）および図９（ｊ）に示すように、下部可動電極用アクチュエータ２７と上部可動電極用アクチュエータ２９と下部可動電極３５周辺の基板２１を基板２１側からエッチングして開口４０を形成後、犠牲層４１を除去して可変キャパシタを得る。
【００６７】
また、下部可動電極３５側に誘電体層４６を形成する場合および上部可動電極３７側に誘電体層４６を形成する場合ともに、図示はしないが、犠牲層４１を除去し、下部可動電極３５と上部可動電極３７との間に間隙４２を確保した後に、下部可動電極用アクチュエータ２７と上部可動電極用アクチュエータ２９と下部可動電極３５周辺の基板２１を基板２１側エッチングして開口４０を形成しても良い。
【００６８】
（第４実施形態）
図１０は、本発明の第４実施形態による可変キャパシタの分解斜視図である。また、図１１は、図１０のＸＩ−ＸＩ線断面図で、本実施形態による可変キャパシタの製造方法を示す工程断面図である。
【００６９】
本実施の形態は、誘電体層４６を下部可動電極３５と上部可動電極３７との間に設置したことを特徴とする。この点以外は、上記本発明の第２の実施形態と同様である。また、誘電体層４６設置の効果については、上記本発明の第３の実施形態と同様である。
【００７０】
製造方法については、下部可動電極３５側に誘電体層４６を形成する場合は、前記した第２実施形態の製造方法の図６（ｅ）の工程までは共通で、その後、図１１（ｆ）に示すように下部可動電極３５上に誘電体層４６を形成し、そして、図１１（ｇ）、図１１（ｈ）、図１１（ｉ）に示すように、所定形状の第２犠牲層４４、上部可動電極３７及びアクチュエータ駆動用上部電極、上部絶縁層３９を順に形成後し、最後に、図１１（ｊ）に示すように、第１犠牲層２２および第２犠牲層４４を除去して目的の可変キャパシタを得る。
【００７１】
また、上部可動電極３７側に誘電体層４６を形成する場合は、前記した第２実施形態の製造方法の図６（ｆ）の工程までは共通で、その後、図１２（ｇ）、図１２（ｈ）および図１２（ｉ）に示すように、第２犠牲層４４上に誘電体層４６、更に、所定形状の上部可動電極３７およびアクチュエータ用上部電極３３と上部絶縁層３９を順に形成し、最後に、図１２（ｊ）に示すように、第１犠牲層２２および第２犠牲層４４を除去して目的の可変キャパシタを得る。
【００７２】
以上、本発明の実施の形態及びその変形例を説明した。本発明は上記実施の形態や変形例に限定されるものではなく、他の様々な実施の形態や変形例を含むものである。例えば、上記実施の形態や変形例では、可動電極と誘電体層との間の間隙が狭くなるように圧電アクチュエータを駆動する構成であった。この構成とは逆に、可動電極と誘電体層との間の間隙が広くなるように（静電容量が小さくなる方向に）圧電アクチュエータを駆動する構成であってもよい。この場合には、例えば図７に示すユニモルフ型の圧電アクチュエータの変形する方向が図７の変形方向と逆になるようにすればよい。つまり、分極方向を逆にし、印加する電圧Ｖを逆極性とすればよい。
【００７３】
また、上記第１から第４の実施形態の可変キャパシタをセラミックスなどのパッケージに収容してもよい。パッケージに設けられた外部接続端子と基板２１に設けられたパッドとを、ワイヤやバンプなどの接続手段で接続する。
【００７４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、小型で容量、容量変化の割合が大きく、容量の微調整が可能な耐衝撃性に優れた可変キャパシタ及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術による可変キャパシタの断面図である。
【図２】従来技術による可変キャパシタの特性図である。
【図３】本発明の第１実施形態による可変キャパシタの分解斜視図である。
【図４】本発明の第１実施形態による可変キャパシタの製造方法を示す工程断面図である。
【図５】本発明の第２実施形態による可変キャパシタの分解斜視図である。
【図６】本発明の第２実施形態による可変キャパシタの製造方法を示す工程断面図である。
【図７】本発明の第３実施形態による可変キャパシタの分解斜視図である。
【図８】本発明の第３実施形態による可変キャパシタの製造方法を示す工程断面図（その１）である。
【図９】本発明の第３実施形態による可変キャパシタの製造方法を示す工程断面図でその２）ある。
【図１０】本発明の第４実施形態による可変キャパシタの製造方法を示す工程断面図である。
【図１１】本発明の第４実施形態による可変キャパシタの製造方法を示す工程断面図（その１）である。
【図１２】本発明の第４実施形態による可変キャパシタの製造方法を示す工程断面図（その２）である。
【図１３】バイモルフを説明するための図である。
【図１４】本発明の第３および第２実施形態における誘電体層の効果を説明するための図である。
【符号の説明】
２１ 基板
２２ 第１犠牲層
２３ 下部絶縁層
２５ 配線間絶縁層
２７1−２７4 下部可動電極用アクチュエータ
２９1−２９4 上部可動電極用アクチュエータ
３１1−３１4 アクチュエータ用下部電極
３３1−３３4 アクチュエータ用上部電極
３４1−３４4 圧電層
３５ 下部可動電極
３７ 上部可動電極
３９ 上部絶縁層
４０ 開口
４１ 犠牲層
４２ 間隙
４４ 第２犠牲層
４６ 誘電体層
【発明の属する技術分野】
本発明は可変キャパシタに関し、特に、ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）技術を用いた可変キャパシタ及びその製造方法に関する。
【０００２】
可変キャパシタは、可変周波数発振器（ＶＦＯ）、同調増幅器、位相シフタ、インピーダンス整合回路などを含む電気回路において重要な部品で、近年、携帯機器への搭載が増えてきている。
【０００３】
また、現在使用されている可変キャパシタの１種であるバラクタダイオードに比べて、ＭＥＭＳ技術により作成された可変キャパシタは、損失を小さく、Ｑ値を高くできるため、開発が急がれている。以下、図を用いて従来の技術について説明する。
【０００４】
【従来の技術】
まず、図１に、非特許文献１に報告されている可変キャパシタの構造断面図を示す。
【０００５】
この可変キャパシタは、ユニモルフ型の圧電アクチュエータ１２と可動電極１３とからなる可動電極用基板１１と、固定電極１６を設置した固定電極用基板１５とを、可動電極１３及び固定電極１６が対向するようにソルダーバンプ１４で接合した構造である。圧電アクチュエータ１２を駆動することで、可動電極１３と固定電極１６との距離を変化させ、容量をコントロールする。
【０００６】
【非特許文献】
Jan Y.Park,et al.,”MICROMACHINED RF MEMS TUNABLE CAPACITORS USING PIEZOELECTRIC ACTUATORS”, IEEE International Microwave Symposium, 2001
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１に示す従来技術は次の問題点を有する。可動電極１３と固定電極１６との間隔をソルダーバンプ１４で制御するため、間隔を小さくすることができず、圧電アクチュエータ１２の初期状態の容量は小さくなる。
【０００８】
図２に示すように、静電容量Cとキャパシタを形成する電極間の距離ｄとの間には、Ｃ＝εεrS/d（ε、εrは誘電率および比誘電率、Sはキャパシタを形成する電極の面積。図２では、縦および横軸を、初期状態のｄおよびＣにより規格化してある。）の関係が有り、圧電アクチュエータの変化量が一定の場合、電極間が離れた状態より、近づいた状態の方が変化の割合が大きくなる。すなわち、初期状態の容量が小さいということは、容量変化の割合も小さくなる。
【０００９】
従って、本発明は上記従来技術の問題点を解決し、小型で容量、容量変化の割合が大きく、容量の微調整が可能な可変キャパシタ及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、請求項１に記載のように、基板と、該基板に支持されたキャパシタの２つの可動電極と、前記基板に支持され且つ前記可動電極を駆動する複数の圧電アクチュエータとを備え、前記２つの可動電極は同一形状であって対応する各辺が揃うように対向し、かつ複数のコーナー部を有しており、前記複数の圧電アクチュエータは各可動電極の各コーナー部を支持して設けられており、前記２つの可動電極の一方を駆動する１つの圧電アクチュエータと、他方を駆動する別の１つの圧電アクチュエータとは、前記基板の面に平行に隣り合うように配置されていることを特徴とする可変キャパシタである。キャパシタと圧電アクチュエータを同一基板で支持されるように形成したため小型で、また、キャパシタを構成する２つの電極は、両方とも可動電極可動であるため、容量と、容量変化の割合をともに大きく、容量の微調整が可能である。
【００１１】
また、請求項２に記載のように、キャパシタを構成する２つの電極間に誘電体を設置することで、容量と容量変化の割合を、更に大きくすることが可能である。
【００１２】
可変キャパシタにおいて、キャパシタを構成する２つの電極が、圧電アクチュエータにより基板に支持されている構成は、後述する第１、第２、第３及び第４実施形態として例示され、また、キャパシタを構成する２つの電極間に誘電体層が設置されている構成は、後述する第３及び４の実施形態として例示されている。
【００１５】
上記可変キャパシタにおいて、前記誘電体層は２つの前記可動電極のいずれか一方に支持されている構成とすることができる。
【００１６】
上記可変キャパシタにおいて、前記複数の圧電アクチュエータの各々は、一対の電極とこの間に設けられた圧電素子とを含み、前記基板上の空間内に位置している構成とすることができる。
【００１７】
上記可変キャパシタにおいて、前記複数の圧電アクチュエータの一対の電極の一方と前記可動電極とは、一体構成されている構成とすることができる。
【００１８】
上記可変キャパシタにおいて、前記圧電アクチュエータはユニモルフ型または、バイモルフ型である構成とすることができる。
【００１９】
上記可変キャパシタにおいて、前記可動電極は、前記誘電体層と前記可動電極との間に空気層が介在する状態から、前記誘電体層と前記可動電極とが接した状態までの可動範囲を有する構成とすることができる。
【００２０】
上記可変キャパシタにおいて、前記可動電極は、前記誘電体層と前記可動電極との間に空気層が介在する状態から、前記誘電体層と前記可動電極とが接した状態までの可動範囲を有する構成とすることができる。
【００２２】
上記可変キャパシタにおいて、前記２つの可動電極は略矩形であって、該２つの可動電極の４つの辺に沿って前記複数の圧電アクチュエータが配置されている構成とすることができる。
【００２３】
上記可変キャパシタにおいて、前記複数の可動電極の各々は、前記２つの可動電極のいずれか一方を駆動する構成とすることができる。
【００２５】
上記可変キャパシタにおいて、前記２つの可動電極のうち前記基板側に位置する可動電極は、前記基板に設けられた開口に面している構成とすることができる。
【００２６】
上記可変キャパシタにおいて、前記２つの可動電極のうち前記基板側に位置する可動電極は、前記基板に設けられた空隙を介して当該基板に面している構成とすることができる。
【００２７】
上記可変キャパシタにおいて、前記２つの可動電極は対向し、前記複数のアクチュエータは前記対向する２つの可動電極を同時に近接又は離間する方向に駆動する構成とすることができる。
【００２８】
本発明はまた、基板に支持されるキャパシタの２つの対向する同一形状の可動電極を、対応する各辺が揃うように形成する工程と、前記基板に支持されるとともに各可動電極が備えるコーナー部を支持して設けられ、かつ前記可動電極を駆動する圧電アクチュエータであって、前記２つの可動電極の一方を駆動する１つの圧電アクチュエータと、他方を駆動する別の１つの圧電アクチュエータとは、前記基板の面に平行に隣り合うように配置される圧電アクチュエータを形成する工程と、２つの可動電極との間に間隙を形成するための犠牲層を形成する工程と、前記犠牲層を除去する工程と、を含むことを特徴とする可変キャパシタの製造方法である。
【００２９】
本発明はまた、基板に支持されるキャパシタの２つの対向する同一形状の可動電極を、対応する各辺が揃うように形成する工程と、前記基板に支持されるとともに各可動電極が備えるコーナー部を支持して設けられ、かつ前記可動電極を駆動する圧電アクチュエータであって、前記２つの可動電極の一方を駆動する１つの圧電アクチュエータと、他方を駆動する別の１つの圧電アクチュエータとは、前記基板の面に平行に隣り合うように配置される圧電アクチュエータを形成する工程と、前記可動電極間に設けられた誘電体層を形成する工程と、前記可動電極のいずれか一方と誘電体層との間に間隙を形成するための犠牲層を形成する工程と、前記犠牲層を除去する工程と、を含むことを特徴とする可変キャパシタの製造方法である。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
【００３１】
（第１実施形態）
図３は、本発明の第１実施形態による可変キャパシタの分解斜視図である。基板２１上に絶縁層２３が設けられている。基板２１はシリコンや化合物半導体なで形成され、中央部に開口４０を有する。キャパシタは下部可動電極３５と上部可動電極３７とで構成され、下部可動電極３５および上部可動電極３７は、それぞれ４つの下部可動電極用アクチュエータ２７１〜２７４及び上部可動電極用アクチュエータ２９１〜２９４で駆動される。下部可動電極３５と上部可動電極３７はそれぞれ略同一大きさ、同一形状（矩形）のシート状であり、空気層を介して対向している。下部可動電極３５の４つのコーナ部分に、下部可動電極用アクチュエータ２７１〜２７４が連続するように設けられている。同様に、上部可動電極３７の４つのコーナ部分に、上部可動電極用アクチュエータ２９１〜２９４が連続するように設けられている。下部可動電極３５、下部可動電極用アクチュエータ２７１〜２７４及び上部可動電極用アクチュエータ２９１〜２９４は、基板２１に形成された開口４０に面している。つまり、基板２１の裏面から開口４０を介して、これらが望める。
【００３２】
下部可動電極用アクチュエータ２７（代表して１つの下部可動電極アクチュエータを説明する際には、単に参照番号２７を用いる）は圧電アクチュエータであって、下部絶縁層２３とアクチュエータ用下部電極３１Ａと圧電層３４とアクチュエータ用上部電極３３Ａとが下からこの順番に積層されたユニモルフ型の構成である。同様に、上部可動電極用アクチュエータ２９（代表して１つの上部可動電極アクチュエータを説明する際には、単に参照番号２９を用いる）は圧電アクチュエータであって、アクチュエータ用下部電極３１Ｂと圧電層３４とアクチュエータ用上部電極３３Ｂと上部絶縁層３９とが下からこの順番に積層されたユニモルフ型の構成である。アクチュエータ用下部電極３１Ｂと下部駆動電極３５とは、単一の部材で一体的に構成されている。同様に、アクチュエータ用上部電極３３Ｂと上部駆動電極３７とは、単一の部材で一体的に構成されている。参照番号２５は、配線間絶縁層を示す。
【００３３】
各アクチュエータ用下部電極３１Ａは、外部接続用パッド１３１Ａに共通に接続されている。また、各アクチュエータ用下部電極３１Ｂは、外部接続用パッド１３１Ｂに共通に接続されている。また、各アクチュエータ用上部電極３３Ａは、外部接続用パッド１３３Ａに共通に接続されている。同様に、各アクチュエータ用上部３３Ｂは、外部接続用パッド１３３Ｂに共通に接続されている。
【００３４】
下部可動電極用アクチュエータ２７及び上部可動電極用アクチュエータ２９は各々、略Ｕ字状に屈曲しているアーム部分を含む。１つの下部可動用アクチュエータ２７と１つの上部可動用アクチュエータ２９とは、隣り合うように配置されている。
【００３５】
アクチュエータ用下部電極３１Ａ、３１Ｂとアクチュエータ用上部電極３３Ａ、３３Ｂとの間に電圧を加えることで、下部可動電極３５は上部可動電極３７側へ、また、下部可動電極３５と上部可動電極３７とは、同時に近接する方向に駆動される。このように、下部可動電極用アクチュエータ２７および上部可動電極用アクチュエータ２９を駆動することで、上部可動電極３７と下部可動電極３５との距離を変化させて、静電容量を変化させる。
【００３６】
なお、下部可動電極用アクチュエータ２７および上部可動電極用アクチュエータ２９はユニモルフに限定されるものではなく、図１３（Ａ）に示すパラレル接続型のバイモルフや、図１３（Ｂ）に示すシリーズ接続型のバイモルフであってもよい。図１３（Ａ）、（Ｂ）において、中間電極６３の上下に図示する矢印方向に分極された圧電素子５４1aと５４1bが設けられている。圧電素子５４1aには下部駆動電極５３1が設けられ、圧電素子５４1bには上部駆動電極５５1が設けられている。図示するように直流電圧Ｖを印加すると、バイモルフは変形する。
【００３７】
また、下部可動電極用アクチュエータ２７および上部可動電極用アクチュエータ２９をバイモルフにする場合は、アクチュエータ用下部電極３１またはアクチュエータ用上部電極３３に接している形成する下部絶縁層２３または上部絶縁層３９は不要となる。
【００３８】
次に、図４を用いて、上記可変キャパシタの製造方法を説明する。また、図４は図３のＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【００３９】
まず、図４（ａ）に示すよう、シリコンを材料とする基板２１上に、ＬＰＣＶＤ（Ｌｏｗ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により、低応力の窒化シリコンからなる下部絶縁層２３を形成し、その後、図４（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィー技術により所定形状に形成する。
【００４０】
次に、図４（ｃ）に示すように、下部絶縁層２３上にフォトリソグラフィー技術により、Ｐｔ／Ｔｉ（白金／チタン）の下部可動電極３５及びアクチュエータ用下部電極３１Ａ、３１Ｂを所定形状に同時形成する。Ｐｔ／Ｔｉの厚みは例えば４５００Å／５００Åである。パターニングはＣｌ2／Ａｒ（塩素／アルゴン）系ガスを使用したＲＩＥやイオンミリングなどで行う。
【００４１】
そして、図４（ｄ）に示すように、スパッタリング法、ゾルゲル法、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ ＣＶＤ）法又はレーザーアブレーション法などにより、アクチュエータ用電極３１Ａ，３１Ｂ上に、ニオブ酸リチウム、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸ビスマスなどを材料とする所定の形状の圧電層３４を形成する。パターニングはＣＣｌ４／ＣＦ４／Ａｒ系ガスを使用したＲＩＥや、イオンミリングなどで行う。
【００４２】
その後、図４（ｅ）、図４（ｆ）、図４（ｇ）に示すように、レジスト材料からなる犠牲層４１を形成した後、リソグラフィー技術により所定形状のＰｔの上部可動電極３７とアクチュエータ用上部電極３３Ａ、３３Ｂとを同時形成し、シリコン窒化膜やシリコン酸化膜などの上部絶縁層３９を形成する。なお、上部可動電極３７となる層には複数の開口４７が設けられている。この開口４７は、後のステップで犠牲層を効率的及び効果的に取り除くために形成されている。
【００４３】
ここで、下部絶縁層２３とアクチュエータ用下部電極３１Ａと圧電層３４とアクチュエータ用上部電極３３Ａの積層からなる下部可動電極用アクチュエータ２７と、アクチュエータ用下部電極３１Ｂと圧電層３４とアクチュエータ用上部電極３３Ｂと上部絶縁層３９の積層からなる上部可動電極用アクチュエータ２９が形成される。
【００４４】
図４（ｈ）に示すように、下部可動電極用アクチュエータ２７と上部可動電極用アクチュエータ２９と下部可動電極３５周辺の基板２１を基板２１側からＤＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching）装置によりエッチングして開口４０を形成する。この場合のエッチングガスはＳＦ６（六フッ化硫黄）を用い、開口４０を形成するためのマスクはレジストである
【００４５】
最後に、図４（ｉ）に示すように、レジスト材料からなる犠牲層４１を除去し、下部可動電極３５と上部可動電極３７との間に間隙４２を確保することで、下部可動電極３５及びその下部の絶縁層２３が、下部可動電極用アクチュエータ２７を、また、上部可動電極３７が上部可動電極用アクチュエータ２９を介して基板２１に支持された構造の可変キャパシタを得る。
【００４６】
また、製造方法としては、図示はしないが、図４（ｇ）工程の後、レジスト材料からなる犠牲層４１を除去し、下部可動電極３５と上部可動電極３７との間に間隙４２を確保した後に、下部可動電極用アクチュエータ２７と上部可動電極用アクチュエータ２９と下部可動電極３５周辺の基板２１を基板２１側エッチングして開口４０を形成しても良い。
【００４７】
また、犠牲層材料としては、レジスト以外に酸化マグネシウム（ＭｇＯ）（除去は酢酸水溶液）、などの酸化物も利用出来る。
【００４８】
なお、図４において、断面の背後に見える層の表示は、図を分かり易くするために、適宜省略してある。
【００４９】
（第２実施形態）
図５は、本発明の第２実施形態による可変キャパシタの分解斜視図である。また、図６は、図５のＶＩ−ＶＩ線断面図で、本実施形態による可変キャパシタの製造方法を示す工程断面図である。
【００５０】
本実施形態は、下部可動電極３５およびその背面の下部絶縁層２３と基板２１との間に空間（空隙）５０を設けたことを特徴とする。
【００５１】
図５は、本発明の第２実施形態による可変キャパシタの分解斜視図である。基板２１上に下部絶縁層２３が設けられている。基板２１はシリコンや化合物半導体などで形成され、キャパシタは下部可動電極３５と上部可動電極３７とで構成され、下部可動電極３５および上部可動電極３７は、それぞれ４つの下部可動電極用アクチュエータ２７１〜２７４及び上部可動電極用アクチュエータ２９１〜２９４で駆動される。下部可動電極３５の背面の下部絶縁層２３、４つの下部可動電極用アクチュエータ２７１〜２７４および上部可動電極用アクチュエータ２９１〜２９４と基板２１との間には空間５０を有する。
【００５２】
本発明の第２実施形態は、前述した本発明の第１実施形態と同様に動作する。アクチュエータ用下部電極３１Ａ、３１Ｂとアクチュエータ用上部電極３３Ａ、３３Ｂとの間に電圧をかけることで、印加する電圧の大きさに応じて圧電素層３４はｄ３１方向に縮む。これにともない下部可動電極３５は、上部可動電極３７の方に移動し、また、上部可動電極３７は、下部可動電極３５の方に移動し、上部可動電極３７と下部可動電極３５との間の距離が変化する。そして、上部可動電極３７と下部可動電極３５との間の静電容量は大きく変化する。
【００５３】
次に、図６を参照して、上記第２実施形態による可変キャパシタの製造方法を説明する。
【００５４】
まず、図６（ａ）に示すようなシリコンを材料とする基板２１上に、リソグラフィー技術により、レジスト系材料やＭｇＯなどを用いて、図６（ｂ）に示すような所定形状の第１犠牲層２２を形成する。
【００５５】
図６（ｃ）に示すように所定形状の窒化シリコン又は酸化シリコンの下部絶縁層２３を形成する。次に、図６（ｄ）及び図６（ｅ）に示すように、フォトリソグラフィー技術により、所定の形状の下部可動電極３５及びアクチュエータ用下部電極３１Ａ、３１Ｂと圧電層３４を形成する。
【００５６】
そして、図６（ｆ）に示すように、レジスト材料やＭｇＯなどからなる第２犠牲層４４を下部可動電極３５及びその周辺に形成後、図６（ｇ）に示すように、上部可動電極３７およびアクチュエータ用上部電極３３Ａ、３３Ｂ、図６（ｈ）に示すように上部可動電極３７および上部可動電極３７と一体となったアクチュエータ用上部電極３３Ｂの一部に上部絶縁層３９を形成することで、下部絶縁層２３とアクチュエータ下部電極３１Ａと圧電層３４とアクチュエータ用上部電極３３Ａとからなるユニモルフ型の下部可動電極用アクチュエータ２７と、下部絶縁層２３とアクチュエータ下部電極３１Ｂと圧電層３４とアクチュエータ用上部電極３３Ｂと上部絶縁層３９とからなるユニモルフ型の上部可動電極用アクチュエータ２９とを形成する。
【００５７】
最後に、図６（ｉ）に示すように、第１犠牲層２２および第２犠牲層４４を除去することで、下部可動電極用アクチュエータ２７により基板２１に固定された下部可動電極３５、また、上部可動電極用アクチュエータ２９により基板２１に固定された上部可動電極３７を形成し、目的の可変キャパシタを得る。
【００５８】
（第３実施形態）
図７は、本発明の第３実施形態による可変キャパシタの分解斜視図である。また、図８は、図７のＩＩＸ−ＩＩＸ線断面図で、本実施形態による可変キャパシタの製造方法を示す工程断面図である。
【００５９】
本実施の形態は、誘電体層４６を下部可動電極３５と上部可動電極３７との間に設置したことを特徴とする。この点以外は、上記本発明の第１の実施形態と同様である。前記誘電体層４６は、下部可動電極３５側にあるいは、上部可動電極３７側に設置する。この絶縁層４６の設置により可動部分の質量が増すことで、共振周波数の低下あるいは可動スピードの低下などが若干おこるが、静電容量および容量の変化率を大幅に向上できる。
【００６０】
図１４は、誘電体層４６の効果を説明するための図である。上部可動電極３７側に誘電体層４６を設置した場合を例に挙げて説明する。図１４（Ａ）に示すように、誘電体層４６の厚みをｄdielectricとし、誘電体層４６と下部可動電極３５との間に形成された空気層の厚みをｄairとする。この場合、上部可動電極３７側と下部可動電極３５との間の距離ｄはｄ＝ｄdielectric＋ｄairとなる。図１４（Ｂ）は、下部可動電極３５または上部可動電極３７、あるいは下部可動電極３５及び上部可動電極３７の両方を駆動して空気層の厚みｄairを変化させたときの容量Ｃ〔Ｆ〕の変化を示す図である。下部可動電極３５及び上部可動電極３７は正方形であって、その面積を２３０μｍ×２３０μｍとした。また、距離ｄをｄ＝０．７５μｍとし、空気層の厚みｄairをｄair＝０．３μｍとし、ｄair／ｄ＝０．４とした。誘電体層３７は誘電損失の小さな材料であるアルミナＡｌ2Ｏ3（ε＝１０）を用いた。
【００６１】
また、比較例として誘電体層４６を取り除いた場合の容量Ｃの変化も測定した。図１４（Ｂ）に示すように、誘電体層４６を設けた可変キャパシタは初期状態で約１．３６ｐＦ、可動電極３９が誘電体層３７に接した状態で約１０．４ｐＦの容量を持ち、その比は約７．６倍である。このように、誘電体層４６の設置にともない容量および容量の可変範囲は極めて大きくできる。
【００６２】
下部可動電極３５側に誘電体層４６を形成する場合は、前記した第１実施形態の製造方法の図４（ｄ）の工程までは共通で、その後、図８（ｅ）および図８（ｆ）に示すように、フォトリソグラフィー技術により、下部可動電極３５上にアルミナＡｌ2Ｏ3を材料として、誘電体層４６を形成し、その後、誘電体層４６上にレジストやＭｇＯなどの犠牲層４１を形成する。
【００６３】
そして、図８（ｇ）および図８（ｈ）に示すように、圧電層３４上にアクチュエータ用上部電極３３Ａ、３３Ｂ、犠牲層４１上に上部可動電極３７を、更に、上部可動電極３７および上部可動電極３７と一体となったアクチュエータ用上部電極３３Ｂ上に上部絶縁層３９を形成する。
【００６４】
最後に、図８（ｉ）および図８（ｊ）に示すように、下部可動電極用アクチュエータ２７と上部可動電極用アクチュエータ２９と下部可動電極３５周辺の基板２１を基板２１側からエッチングして開口４０を形成後、犠牲層４１を除去して可変キャパシタを得る。
【００６５】
次に、上部可動電極３７側に誘電体層４６を形成する場合は、前記した第１実施形態の製造方法の図４（ｅ）の工程までは共通で、その後、図９（ｆ）、図９（ｇ）および図９（ｈ）に示すように、犠牲層４１上に誘電体層４６、更に、所定形状の上部可動電極３７およびアクチュエータ用上部電極３３Ａ、３３Ｂと上部絶縁層３９を順に形成する。
【００６６】
そして、図９（ｉ）および図９（ｊ）に示すように、下部可動電極用アクチュエータ２７と上部可動電極用アクチュエータ２９と下部可動電極３５周辺の基板２１を基板２１側からエッチングして開口４０を形成後、犠牲層４１を除去して可変キャパシタを得る。
【００６７】
また、下部可動電極３５側に誘電体層４６を形成する場合および上部可動電極３７側に誘電体層４６を形成する場合ともに、図示はしないが、犠牲層４１を除去し、下部可動電極３５と上部可動電極３７との間に間隙４２を確保した後に、下部可動電極用アクチュエータ２７と上部可動電極用アクチュエータ２９と下部可動電極３５周辺の基板２１を基板２１側エッチングして開口４０を形成しても良い。
【００６８】
（第４実施形態）
図１０は、本発明の第４実施形態による可変キャパシタの分解斜視図である。また、図１１は、図１０のＸＩ−ＸＩ線断面図で、本実施形態による可変キャパシタの製造方法を示す工程断面図である。
【００６９】
本実施の形態は、誘電体層４６を下部可動電極３５と上部可動電極３７との間に設置したことを特徴とする。この点以外は、上記本発明の第２の実施形態と同様である。また、誘電体層４６設置の効果については、上記本発明の第３の実施形態と同様である。
【００７０】
製造方法については、下部可動電極３５側に誘電体層４６を形成する場合は、前記した第２実施形態の製造方法の図６（ｅ）の工程までは共通で、その後、図１１（ｆ）に示すように下部可動電極３５上に誘電体層４６を形成し、そして、図１１（ｇ）、図１１（ｈ）、図１１（ｉ）に示すように、所定形状の第２犠牲層４４、上部可動電極３７及びアクチュエータ駆動用上部電極、上部絶縁層３９を順に形成後し、最後に、図１１（ｊ）に示すように、第１犠牲層２２および第２犠牲層４４を除去して目的の可変キャパシタを得る。
【００７１】
また、上部可動電極３７側に誘電体層４６を形成する場合は、前記した第２実施形態の製造方法の図６（ｆ）の工程までは共通で、その後、図１２（ｇ）、図１２（ｈ）および図１２（ｉ）に示すように、第２犠牲層４４上に誘電体層４６、更に、所定形状の上部可動電極３７およびアクチュエータ用上部電極３３と上部絶縁層３９を順に形成し、最後に、図１２（ｊ）に示すように、第１犠牲層２２および第２犠牲層４４を除去して目的の可変キャパシタを得る。
【００７２】
以上、本発明の実施の形態及びその変形例を説明した。本発明は上記実施の形態や変形例に限定されるものではなく、他の様々な実施の形態や変形例を含むものである。例えば、上記実施の形態や変形例では、可動電極と誘電体層との間の間隙が狭くなるように圧電アクチュエータを駆動する構成であった。この構成とは逆に、可動電極と誘電体層との間の間隙が広くなるように（静電容量が小さくなる方向に）圧電アクチュエータを駆動する構成であってもよい。この場合には、例えば図７に示すユニモルフ型の圧電アクチュエータの変形する方向が図７の変形方向と逆になるようにすればよい。つまり、分極方向を逆にし、印加する電圧Ｖを逆極性とすればよい。
【００７３】
また、上記第１から第４の実施形態の可変キャパシタをセラミックスなどのパッケージに収容してもよい。パッケージに設けられた外部接続端子と基板２１に設けられたパッドとを、ワイヤやバンプなどの接続手段で接続する。
【００７４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、小型で容量、容量変化の割合が大きく、容量の微調整が可能な耐衝撃性に優れた可変キャパシタ及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術による可変キャパシタの断面図である。
【図２】従来技術による可変キャパシタの特性図である。
【図３】本発明の第１実施形態による可変キャパシタの分解斜視図である。
【図４】本発明の第１実施形態による可変キャパシタの製造方法を示す工程断面図である。
【図５】本発明の第２実施形態による可変キャパシタの分解斜視図である。
【図６】本発明の第２実施形態による可変キャパシタの製造方法を示す工程断面図である。
【図７】本発明の第３実施形態による可変キャパシタの分解斜視図である。
【図８】本発明の第３実施形態による可変キャパシタの製造方法を示す工程断面図（その１）である。
【図９】本発明の第３実施形態による可変キャパシタの製造方法を示す工程断面図でその２）ある。
【図１０】本発明の第４実施形態による可変キャパシタの製造方法を示す工程断面図である。
【図１１】本発明の第４実施形態による可変キャパシタの製造方法を示す工程断面図（その１）である。
【図１２】本発明の第４実施形態による可変キャパシタの製造方法を示す工程断面図（その２）である。
【図１３】バイモルフを説明するための図である。
【図１４】本発明の第３および第２実施形態における誘電体層の効果を説明するための図である。
【符号の説明】
２１ 基板
２２ 第１犠牲層
２３ 下部絶縁層
２５ 配線間絶縁層
２７1−２７4 下部可動電極用アクチュエータ
２９1−２９4 上部可動電極用アクチュエータ
３１1−３１4 アクチュエータ用下部電極
３３1−３３4 アクチュエータ用上部電極
３４1−３４4 圧電層
３５ 下部可動電極
３７ 上部可動電極
３９ 上部絶縁層
４０ 開口
４１ 犠牲層
４２ 間隙
４４ 第２犠牲層
４６ 誘電体層
Claims (15)
- 基板と、該基板に支持されたキャパシタの２つの可動電極と、前記基板に支持され且つ前記可動電極を駆動する複数の圧電アクチュエータとを備え、
前記２つの可動電極は同一形状であって対応する各辺が揃うように対向し、かつ複数のコーナー部を有しており、
前記複数の圧電アクチュエータは各可動電極の各コーナー部を支持して設けられており、
前記２つの可動電極の一方を駆動する１つの圧電アクチュエータと、他方を駆動する別の１つの圧電アクチュエータとは、前記基板の面に平行に隣り合うように配置されていることを特徴とする可変キャパシタ。 - 基板と、該基板に支持されたキャパシタの２つの可動電極と、前記基板に支持され且つ前記可動電極を駆動する複数の圧電アクチュエータと、２つの前記可動電極の間に設けられた誘電体層とを備え、
前記２つの可動電極は同一形状であって各辺が揃うように対向し、かつ複数のコーナー部を有しており、
前記複数の圧電アクチュエータは各可動電極の各コーナー部を支持して設けられており、
前記２つの可動電極の一方を駆動する１つの圧電アクチュエータと、他方を駆動する別の１つの圧電アクチュエータとは、前記基板の面に平行に隣り合うように配置されていることを特徴とする可変キャパシタ。 - 前記誘電体層は２つの前記可動電極のいずれか一方に支持されていることを特徴とする請求項２記載の可変キャパシタ。
- 前記複数の圧電アクチュエータの各々は、一対の電極とこの間に設けられた圧電素子とを含み、前記基板に形成された開口の上の空間内に位置していることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の可変キャパシタ。
- 前記複数の圧電アクチュエータの一対の電極の一方と前記可動電極とは、一体構成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の可変キャパシタ。
- 前記圧電アクチュエータはユニモルフ型または、バイモルフ型であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載の可変キャパシタ。
- 前記可動電極は、前記誘電体層と前記可動電極との間に空気層が介在する状態から、前記誘電体層と前記可動電極とが接した状態までの可動範囲を有することを特徴とする請求項２から６のいずれか一項記載の可変キャパシタ。
- 前記２つの可動電極は対向していることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項記載の可変キャパシタ。
- 前記２つの可動電極の４つの辺に沿って前記複数の圧電アクチュエータが配置されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項記載の可変キャパシタ。
- 前記２つの可動電極の各々は、前記２つの可動電極のいずれか一方を駆動することを特徴とする請求項１から９のいずれか一項記載の可変キャパシタ。
- 前記２つの可動電極のうち前記基板側に位置する可動電極は、前記基板に設けられた開口に面していることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項記載の可変キャパシタ。
- 前記２つの可動電極のうち前記基板側に位置する可動電極は、前記基板に設けられた空隙を介して当該基板に面していることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項記載の可変キャパシタ。
- 前記２つの可動電極は対向し、前記複数のアクチュエータは前記対向する２つの可動電極を同時に近接又は離間する方向に駆動することを特徴とする請求項１から９のいずれか一項記載の可変キャパシタ。
- 基板に支持されるキャパシタの２つの対向する同一形状の可動電極を、対応する各辺が揃うように形成する工程と、前記基板に支持されるとともに各可動電極が備えるコーナー部を支持して設けられ、かつ前記可動電極を駆動する圧電アクチュエータであって、前記２つの可動電極の一方を駆動する１つの圧電アクチュエータと、他方を駆動する別の１つの圧電アクチュエータとは、前記基板の面に平行に隣り合うように配置される圧電アクチュエータを形成する工程と、２つの可動電極との間に間隙を形成するための犠牲層を形成する工程と、前記犠牲層を除去する工程とを含むことを特徴とする可変キャパシタの製造方法。
- 基板に支持されるキャパシタの２つの対向する同一形状の可動電極を、対応する各辺が揃うように形成する工程と、前記基板に支持されるとともに各可動電極が備えるコーナー部を支持して設けられ、かつ前記可動電極を駆動する圧電アクチュエータであって、前記２つの可動電極の一方を駆動する１つの圧電アクチュエータと、他方を駆動する別の１つの圧電アクチュエータとは、前記基板の面に平行に隣り合うように配置される圧電アクチュエータを形成する工程と、前記可動電極間に設けられた誘電体層を形成する工程と、前記可動電極のいずれか一方と誘電体層との間に間隙を形成するための犠牲層を形成する工程と、前記犠牲層を除去する工程と、を含むことを特徴とする可変キャパシタの製造方法。
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