JP4635023B2 - MEMS - Google Patents
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Description
本発明は、例えば、アクチュエータを用いたMEMS(Micro Electro Mechanical System)に関する。 The present invention relates to a micro electro mechanical system (MEMS) using an actuator, for example.
従来、MEMSとしてのアクチュエータを用いた可変容量キャパシタは、上部電極及び下部電極を有し、上部電極若しくは下部電極をアクチュエータにより上下に変動させることにより可変容量キャパシタとして機能させることができる。例えば、下部電極が基板上に配置されており、上部電極がアクチュエータに取り付けられて、アクチュエータにより上下に変動するものとする。このような構造を持つ可変容量キャパシタでは、アクチュエータに取り付けられた上部電極は、上部電極を構成する膜自身が持つ残留応力により、下部電極と反対側方向(以下、上方向と記す)、あるいは下部電極方向(以下、下方向と記す)に曲がってしまう。このため、アクチュエータを駆動していない初期状態において、上部電極が不適切な位置に配置されたり、上部電極の位置がばらつくという問題が生じている。 Conventionally, a variable capacitor using an actuator as a MEMS has an upper electrode and a lower electrode, and can function as a variable capacitor by moving the upper electrode or the lower electrode up and down by the actuator. For example, it is assumed that the lower electrode is disposed on the substrate, the upper electrode is attached to the actuator, and moves up and down by the actuator. In the variable capacitor having such a structure, the upper electrode attached to the actuator has a direction opposite to the lower electrode (hereinafter referred to as an upward direction) or a lower portion due to the residual stress of the film constituting the upper electrode itself. It will bend in the electrode direction (hereinafter referred to as the downward direction). For this reason, in the initial state where the actuator is not driven, there is a problem that the upper electrode is disposed at an inappropriate position or the position of the upper electrode varies.
なお、この種の関連技術として、MEMSとしてのアクチュエータを用いた可変容量キャパシタが種々提案されている(例えば、特許文献1参照)。
本発明は、アクチュエータを駆動していない初期状態において、アクチュエータに取り付けられた電極が残留応力により上方向あるいは下方向のいずれかの方向に曲がった場合でも、電極を所望の位置に配置することができるMEMSを提供することを目的とする。 According to the present invention, in the initial state where the actuator is not driven, the electrode can be arranged at a desired position even when the electrode attached to the actuator bends upward or downward due to residual stress. An object is to provide a MEMS that can be used.
本発明の一実施態様のMEMSは、基板上に設けられ、一端と他端を有し、前記一端が前記基板に対し固定されたアクチュエータと、前記基板上に配置された第1電極と、一端と他端を有し、前記一端は前記アクチュエータの他端に固定され、前記他端は自由端とされた第2電極と、前記第2電極の前記一端と前記他端との間に設けられ、前記第2電極の長手方向に直交し、かつ基板面に対して平行な方向に延伸した直線状の軸を有し、前記直線状の軸の端部が前記基板上で固定された固定軸とを具備し、前記第1電極は前記固定軸に対し前記第2電極の他端側で前記第2電極と対向し、前記固定軸は、前記第2電極と同一材料で一体に形成され、前記固定軸より前記第1電極側の前記第2電極の長さは、前記アクチュエータと前記固定軸との間の前記第2電極の長さより長く、前記第2電極が持つ残留応力によって、前記アクチュエータと前記固定軸との間の前記第2電極における前記固定軸の近傍部分は基板方向あるいは基板と反対方向のいずれか一方に変位し、前記固定軸より前記第1電極側の前記第2電極における前記固定軸の近傍部分は前記一方と反対の方向に変位しており、前記アクチュエータが動くことにより、前記アクチュエータと前記固定軸との間の前記第2電極は前記アクチュエータと同じ方向に変位し、前記固定軸より前記第1電極側の前記第2電極は前記アクチュエータと逆方向に変位することを特徴とする。 The MEMS of one embodiment of the present invention is provided on a substrate, has an end and an other end, the one end fixed to the substrate, a first electrode disposed on the substrate, and one end The other end of the actuator is fixed to the other end of the actuator, the other end is a free end, and is provided between the one end and the other end of the second electrode. A fixed shaft having a linear axis extending in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the second electrode and parallel to the substrate surface, and an end of the linear axis being fixed on the substrate The first electrode is opposed to the second electrode on the other end side of the second electrode with respect to the fixed shaft, and the fixed shaft is integrally formed of the same material as the second electrode, The length of the second electrode closer to the first electrode than the fixed shaft is determined by the actuator and the fixed shaft. Longer than the length of the second electrode between said depending second residual stresses electrode has the vicinity of the fixed shaft is a direction opposite to the direction of the substrate or substrate in the second electrode between the fixed shaft and the actuator The portion near the fixed shaft in the second electrode on the first electrode side from the fixed shaft is displaced in the opposite direction to the one, and the actuator moves, The second electrode between the actuator and the fixed shaft is displaced in the same direction as the actuator, and the second electrode on the first electrode side from the fixed shaft is displaced in the opposite direction to the actuator. To do.
本発明の他の実施態様のMEMSは、基板の上方に設けられ、可動部を有するアクチュエータと、前記基板上に形成された第1電極と、前記アクチュエータの前記可動部に固定され、前記第1電極と対向する位置に配置されると共に、前記アクチュエータの前記可動部と前記第1電極との間に、前記基板に対して固定された固定軸を有し、前記アクチュエータにより変位される第2電極とを具備し、前記固定軸は、前記第2電極の長手方向に直交し、かつ基板面に対して平行な方向に延伸した直線状の軸を有し、前記直線状の軸の端部が前記基板上で固定され、前記固定軸は、前記第2電極と同一材料で一体に形成され、
前記固定軸より前記第1電極側の前記第2電極の長さは、前記アクチュエータと前記固定軸との間の前記第2電極の長さより長く、前記第2電極が持つ残留応力によって、前記アクチュエータと前記固定軸との間の前記第2電極における前記固定軸の近傍部分は基板方向あるいは基板と反対方向のいずれか一方に変位し、前記固定軸より前記第1電極側の前記第2電極における前記固定軸の近傍部分は前記一方と反対の方向に変位しており、
前記アクチュエータが動くことにより、前記アクチュエータと前記固定軸との間の前記第2電極は前記アクチュエータと同じ方向に変位し、前記固定軸より前記第1電極側の前記第2電極は前記アクチュエータと逆方向に変位することを特徴とする。
The MEMS according to another embodiment of the present invention is provided above the substrate, and includes an actuator having a movable part, a first electrode formed on the substrate, the fixed part to the movable part of the actuator, and the first A second electrode disposed at a position facing the electrode and having a fixed shaft fixed to the substrate between the movable portion of the actuator and the first electrode, and displaced by the actuator And the fixed shaft has a linear shaft extending in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the second electrode and parallel to the substrate surface, and an end portion of the linear shaft is Fixed on the substrate, the fixed shaft is integrally formed of the same material as the second electrode;
The length of the second electrode on the first electrode side with respect to the fixed shaft is longer than the length of the second electrode between the actuator and the fixed shaft, and the actuator has a residual stress caused by the second electrode. The portion near the fixed axis of the second electrode between the fixed axis and the fixed axis is displaced in either the substrate direction or the direction opposite to the substrate, and in the second electrode on the first electrode side from the fixed axis . The vicinity of the fixed shaft is displaced in the opposite direction to the one,
As the actuator moves, the second electrode between the actuator and the fixed shaft is displaced in the same direction as the actuator, and the second electrode closer to the first electrode than the fixed shaft is opposite to the actuator. It is displaced in the direction.
本発明によれば、アクチュエータを駆動していない初期状態において、アクチュエータに取り付けられた電極が残留応力により上方向あるいは下方向のいずれかの方向に曲がった場合でも、電極を所望の位置に配置することができるMEMSを提供できる。 According to the present invention, in the initial state in which the actuator is not driven, the electrode is disposed at a desired position even when the electrode attached to the actuator is bent upward or downward due to residual stress. MEMS that can be provided can be provided.
以下、本発明の実施例について、図面を参照して説明する。各実施例のアクチュエータを用いたMEMSでは、圧電型アクチュエータを用いた可変容量キャパシタを例にとり説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the MEMS using the actuator of each embodiment, a variable capacitor using a piezoelectric actuator will be described as an example.
[実施例1]
図1は、本発明の実施例1に係る圧電型アクチュエータを用いた可変容量キャパシタの構造を示す平面図である。図2(a)は、図1に示した実施例1の可変容量キャパシタの2A−2A線に沿った断面図である。図2(b)は、前記可変容量キャパシタの2B−2B線に沿った断面図である。
[Example 1]
FIG. 1 is a plan view showing the structure of a variable capacitor using a piezoelectric actuator according to Embodiment 1 of the present invention. 2A is a cross-sectional view taken along
図1、図2(a)、図2(b)に示すように、半導体基板1上には絶縁層2が形成されている。ここで、半導体基板1には、例えば、Si、Ge等の真性半導体、GaAsやZnSe等の化合物半導体、これら半導体に不純物をドープした高導電性半導体等を用いることができる。また、半導体基板に代えて、SOI(Silicon On Insulator)基板、あるいはガラス基板等も用いることができる。また、絶縁層2は、例えば、シリコン酸化膜(SiO2)等から構成される。
As shown in FIGS. 1, 2 (a), and 2 (b), an
絶縁層2には、部分的に溝3が設けられている。この溝3内の半導体基板1上には、可変容量キャパシタの下部電極4が形成されている。そして、この下部電極4の表面は、例えば、シリコン窒化膜(SiN)等からなる絶縁層5によって覆われている。絶縁層5は、可変容量キャパシタの上部電極16と下部電極4との間の誘電体材料としての役割をもつ。ここで、下部電極4を形成する材料として、Al、Cu、W等が挙げられる。
The
絶縁層2及び溝3の上には、絶縁層6が設けられている。具体的には、絶縁層6の一端が絶縁層2上に形成され、絶縁層6の他端が絶縁層2上から溝3の上部へ突き出るように形成されている。ここで、絶縁層6に用いられる絶縁材料として、圧電型アクチュエータ7の動きに連動して簡単に可動する材料がよく、例えば、Si3N4、SiO2、AlN、Ta2O5、Al2O3等が挙げられる。この絶縁層6は、上記絶縁材料の単層でもよく、これらを複数組み合わせた積層構造をとってもよい。
An
絶縁層6上には、圧電型アクチュエータ7が設けられている。この圧電型アクチュエータ7では、絶縁層6上に、下部電極8、圧電層9、上部電極10が順次積層されている。ここでは、図2(a)に示すように、下部電極8の面積は、圧電層9及び上部電極10の面積よりも大きく形成されている。下部電極8の面積を圧電層9及び上部電極10の面積よりも大きくすることにより、下部電極8に接続されるコンタクトプラグ11の形成が容易になるという利点がある。なお、下部電極8と、圧電層9及び上部電極10との面積が同じでもよいし、下部電極8より、圧電層9及び上部電極10の面積の方が大きくてもよい。
A
また、圧電層9の面積も、上記下部電極8と同様に、下部電極8及び上部電極10の面積よりも大きくても小さくてもよいし、同じ面積でもよい。さらに、圧電層9の平面形状は、長方形とする場合が多い。しかし、圧電層9の平面形状は、様々な形状とすることができ、例えば、正方形や多角形等、さらにミアンダ形状としてもよい。
Further, the area of the
圧電型アクチュエータ7の下部電極8及び上部電極10の材料としては、例えば、Au、またAuにCoやNiを含む合金、またPt、Sr、Ru、Cr、Mo、W、Ti、Al、Cu、Ni等のうちいずれか1つを含む材料や、これら材料のうちいずれか1つを含んだ窒化物、導電性酸化物、また上記材料からなる化合物、若しくはこれらの材料、窒化物、導電性酸化物、化合物から選ばれた材料を積層したものがある。
The material of the
また、圧電層9の材料として、例えば、PZT(Pb(Zr、Ti)O3)、AlN、ZnO、PbTiO、BTO(BaTiO3)等のセラミック圧電材料や、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)等の高分子圧電材料等がある。
Moreover, as a material of the
圧電型アクチュエータ7及び絶縁層2上には、圧電型アクチュエータ7を覆うように絶縁層12が形成される。ここで、絶縁層12の材料として、SiO2等がある。圧電型アクチュエータ7の下部電極8の端部には、コンタクトプラグ11が絶縁層12を貫通して形成されている。そして、このコンタクトプラグ11は、絶縁層12上に形成されたコンタクト層13に接続されている。これにより、コンタクト層13から下部電極8に電圧を印加することができる。また、圧電型アクチュエータ7の上部電極10にも、コンタクトプラグ14が形成されている。そして、コンタクトプラグ14は、絶縁層12上に形成されたコンタクト層15に接続されている。これにより、コンタクト層15から上部電極10に電圧を印加することができる。ここで、コンタクトプラグ11,14やコンタクト層13,15に用いられる材料として、Al、Cu、W等がある。
An
可変容量キャパシタの上部電極16は、絶縁層6から下部電極4の上方に位置するところまで突き出すように形成されている。そして、この上部電極16の長手方向に直交する方向に、固定軸17が設けられている。この固定軸17は、上部電極16に接続され、あるいは上部電極16と同一材料で一体に形成され、可変容量キャパシタの下部電極4と圧電型アクチュエータ7との間に配置されている。また、図2(b)に示すように、上部電極16は、半導体基板1上に空洞を介して設けられている。溝3上の固定軸17は、半導体基板1上に空洞を介して配置され、絶縁層2上の固定軸17は、絶縁層2に固定されている。また、上部電極16に接続された固定軸17には、上部電極16が可変容量キャパシタとして、動作するために電位が与えられるコンタクト(図示せず)に接続されている。ここで、可変容量キャパシタの上部電極16及び固定軸17に用いる材料として、Si、Au、Cu、Alのいずれか、またAuにCoやNiを含む合金等がある。また、以降の説明では、上部電極16を、圧電型アクチュエータ7と固定軸17との間に位置する第1部分16Aと、固定軸17より下部電極4側に位置する第2部分16Bとに分ける。
The
このような構造を持つMEMS可変容量キャパシタでは、圧電型アクチュエータ7を駆動していない初期状態において、アクチュエータ7と固定軸17間の上部電極16の第1部分16Aと、固定軸17より下部電極4側の上部電極16の第2部分16Bとが、上部電極自身が持つ残留応力によって上方向あるいは下方向に曲がる。ここでは、図2(c)に示すように、上部電極16の第1部分16Aと第2部分16Bが上方向に曲がるものとする。このとき、上部電極16の第1部分16A側はアクチュエータ7の一端に固定されており、アクチュエータ7の他端が半導体基板1上の絶縁層2に固定されているので、第1部分16Aの変位の自由度は小さい。一方、上部電極16の第2部分16Bは、先端が自由端になっているため、第1部分16Aが上方向に曲がることで、第2部分16Bにおける固定軸17の近傍部分は下方向に変位することができる。この第2部分16Bの下方向への変位によって、第2部分16Bの上方向への変位量が低減される。これにより、上部電極16の第2部分16Bを所望の位置に配置することができる。
In the MEMS variable capacitor having such a structure, in the initial state where the
例えば、固定軸17がない場合には、初期状態において第1部分16Aと第2部分16Bとを合わせた上部電極16が残留応力によって上方向に曲がるため、上部電極16は上方向に大きく変位し、所望の位置から外れる場合がある。
For example, when the fixed
本実施例のように、第1部分16Aと第2部分16Bとの間に固定軸17が形成されている場合には、第1部分16Aと第2部分16Bとが残留応力によって上方向に曲がる。そして、第1部分16Aが上方向に曲がることにより、第1部分16Aにおける固定軸17の近傍部分が上方向に変位する。第2部分16Bにおける固定軸17の近傍部分でも、同様に上方向に変位しようとする力が生じるものの、第1部分16Aとは異なり、第2部分16Bの他端は自由端となっているため、第1部分16Aの上方向への変位により、第2部分16Bには固定軸17を中心に下方向へ回転しようとする力が容易に働き、結果的に第2部分16Bにおける固定軸17の近傍部分は下方向に変位する。このため、前述したように、第2部分16Bは残留応力によって上方向に曲がるが、固定軸17の近傍部分の下方向への変位により、第2部分16Bの上方向への変位量は低減される。これにより、下部電極4に対向する上部電極16の第2部分16Bを所望の位置に配置することができる。
When the fixed
また、MEMS可変容量キャパシタにおける容量を可変とするために、上部電極16を下部電極4に近づけるには、圧電型アクチュエータ7を上方向へ駆動することにより、上部電極16の第1部分16Aを上方向に変位させる。これにより、固定軸17を中心とした上部電極16の回転に基づき、第2部分16Bは初期状態の位置から下方向に変位し、可変容量キャパシタの容量を可変とすることができる。なお、本実施例は、上部電極16が残留応力により上方向(基板と反対側方向)に曲がる場合を説明したが、上部電極16が残留応力により下方向(基板方向)に曲がる場合にも適用できる。
In order to make the
実施例1に係る圧電型アクチュエータを用いた可変容量キャパシタは、次のような手順で製造することができる。図3(a)、図3(b)、図3(c)は、実施例1に係る可変容量キャパシタの製造方法を示す断面図である。 The variable capacitor using the piezoelectric actuator according to the first embodiment can be manufactured by the following procedure. FIG. 3A, FIG. 3B, and FIG. 3C are cross-sectional views illustrating the method for manufacturing the variable capacitor according to the first embodiment.
図3(a)に示すように、半導体基板1上に、例えば、CVD(Chemical Vapor Deposition)法を用いて絶縁層2を形成する。さらに、例えば、リソグラフィとRIE(Reactive Ion Etching)法を用いて、絶縁層2の一部に溝3を形成する。次に、この溝3内の半導体基板1上に、可変容量キャパシタの下部電極4と、この下部電極4を覆うように絶縁層5を形成する。そして、絶縁層2の一部に形成した溝3内に、例えば、CVD法を用いて、多結晶シリコン膜(犠牲膜)18を埋め込む。
As shown in FIG. 3A, the insulating
次に、図3(b)に示すように、絶縁層2及び多結晶シリコン膜18上に、前述した構成の圧電型アクチュエータ7と可変容量キャパシタの上部電極16を形成する。このとき、可変容量キャパシタの上部電極16の形成と同時に周知のパターニング技術により、上部電極16に接続された固定軸17、あるいは上部電極16と同一材料で一体に形成された固定軸17を加工すればよい。
Next, as shown in FIG. 3B, the
次に、圧電型アクチュエータ7及び絶縁層2上に、絶縁層12を形成する。そして、圧電型アクチュエータ7の上部電極10及び下部電極8に接続されたコンタクトプラグ11,14及びコンタクト層13,15を形成する。さらに、可変容量キャパシタの上部電極16及び下部電極4に接続されたコンタクト(図示せず)を形成する。
Next, the insulating
次に、図3(c)に示すように、フッ素ガス系のガス、例えば、XeF2を使用したCDE(Chemical Dry Etching)法を用いて、溝3内の多結晶シリコン膜(犠牲膜)18を除去する。ここで、多結晶シリコン膜(犠牲膜)18を除去したとき、前述したように、上部電極16の第1部分16Aと第2部分16Bとの間に固定軸17が形成されていることにより、上部電極16の残留応力による上方向への曲がりを抑制することができる。それでも、第1部分16Aと第2部分16Bは残留応力によってそれぞれ上方向に曲がるが、第1部分16Aが上方向に曲がると、第2部分16Bにおける固定軸17の近傍部分は下方向に変位する。この第2部分16Bの下方向への変位によって、第2部分16Bの上方向への変位量は低減される。この結果、上部電極16の第2部分16Bを所望の位置に配置することができる。以上により、本発明の実施例1に係る圧電型アクチュエータを用いた可変容量キャパシタを製造することができる。
Next, as shown in FIG. 3C, a polycrystalline silicon film (sacrificial film) 18 in the
前述した本発明の実施例1に係る可変容量キャパシタは、次のような操作で動作することができる。 The above-described variable capacitor according to the first embodiment of the present invention can be operated by the following operation.
アクチュエータ7の上部電極10、下部電極8に電圧を印加する、例えば、下部電極8に接地電位0V、上部電極10に3Vの電圧を印加すると、アクチュエータ7の圧電層9は、横方向に収縮する。すると、アクチュエータ7は上方向あるいは下方向へ動く。ここでは、アクチュエータ7は上方向へ動くように構成されている。
When a voltage is applied to the
そして、アクチュエータ7の上方向の変位により、アクチュエータ7の可動部に接続された上部電極16の第1部分16Aが上方向へ変位する。このとき、本実施例では、上部電極16に固定軸17が設けられているので、固定軸17よりもアクチュエータ7側の第1部分16Aの上方向への変位により、固定軸17より下部電極4側の第2部分16Bは、下方向(下部電極4方向)へ変位する。すると、可変容量キャパシタの上部電極16と下部電極4との間の距離が小さくなり、可変容量キャパシタの容量が大きくなる。そして、上部電極16と下部電極4上の絶縁層5とが接触したときに、可変容量キャパシタの容量が最大となる。このように、アクチュエータ7の上方向への変位量を制御することにより、可変容量キャパシタの容量を可変とすることができる。
Then, due to the upward displacement of the
以上説明したように実施例1に係る圧電型アクチュエータを用いた可変容量キャパシタでは、可変容量キャパシタの上部電極16に固定軸17を設けることにより、アクチュエータを駆動していない初期状態において、アクチュエータに取り付けられた上部電極が残留応力により上方向あるいは下方向のいずれかの方向に曲がった場合でも、上部電極を所望の位置に配置することができる。
As described above, in the variable capacitor using the piezoelectric actuator according to the first embodiment, the fixed
[実施例2]
図4は、本発明の実施例2に係る圧電型アクチュエータを用いた可変容量キャパシタの構造を示す平面図である。
[Example 2]
FIG. 4 is a plan view showing the structure of the variable capacitor using the piezoelectric actuator according to the second embodiment of the present invention.
本実施例2の上記実施例1との違いを以下に述べる。実施例1では、可変容量キャパシタの上部電極16の長手方向と直交する方向に、上部電極16と接続した細長い固定軸17を設けていた。実施例2では、図4に示すように、固定軸17による上部電極16を固定する強度を大きくするため、固定軸17の一部に広い領域19を設けている。なお、その他の実施例1と同一の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
Differences between the second embodiment and the first embodiment will be described below. In the first embodiment, the elongated fixed
このような構成を有する可変容量キャパシタは、実施例1で示した製造方法において、上部電極16及び固定軸17を形成するときに、固定軸17の一部に広い領域19が形成されるようにパターニングを行うことにより、製造することができる。前記可変容量キャパシタのその他の部分の製造方法は、実施例1と同様であるため、説明は省略する。また、本実施例2に係る圧電型アクチュエータを用いた可変容量キャパシタの動作も、実施例1と同様であるので説明は省略する。
In the variable capacitor having such a configuration, when the
実施例2に係る圧電型アクチュエータを用いた可変容量キャパシタでは、可変容量キャパシタの上部電極16に固定軸17を設けることにより、アクチュエータを駆動していない初期状態において、アクチュエータに取り付けられた上部電極が残留応力により上方向あるいは下方向のいずれかの方向に曲がった場合でも、上部電極を所望の位置に配置することができる。
In the variable capacitor using the piezoelectric actuator according to the second embodiment, the fixed
さらに、実施例1では幅の細い材料からなる固定軸17の一部に、幅の広い領域19を設けることにより、上部電極16を固定する固定軸17の強度を上げることができる。これにより、可変容量キャパシタの初期状態における上部電極の配置位置のばらつきを小さくでき、初期状態における上部電極の位置を安定化することができる。
Furthermore, in Example 1, the strength of the fixed
ここで、可変容量キャパシタの上部電極16に接続された固定軸17をさらに強化する方法として、固定軸17の膜厚を厚く形成することもできる。また、固定軸17の幅を太くして固定軸17の強度を向上させることもできる。さらに、この固定軸17上に別の金属材料を堆積させ、固定軸17の強度を向上させることもできる。この別の金属材料として、可変容量キャパシタの上部電極16、下部電極4に用いられる材料と同一の材料を用いるのがよい。
Here, as a method for further strengthening the fixed
[実施例3]
図5は、本発明の実施例3に係る圧電型アクチュエータを用いた可変容量キャパシタの構造を示す平面図である。図6は、図5に示した可変容量キャパシタの6−6線に沿った断面図である。
[Example 3]
FIG. 5 is a plan view showing the structure of a variable capacitor using a piezoelectric actuator according to
本実施例3の上記実施例1との違いは、実施例1における上部電極16の長手方向の距離よりも、実施例3では、図5及び図6に示すように、上部電極16の長手方向の距離が大幅に長くなっている。なお、その他の実施例1と同一の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
The difference between the third embodiment and the first embodiment is that the distance in the longitudinal direction of the
ここで、例えば、アクチュエータ7が動作していない時の、上部電極16の端部と絶縁層5との距離をAとし、アクチュエータ7が動作した時の、アクチュエータ7下の絶縁層6の端部の変位をBとする。この場合、アクチュエータ7を構成する絶縁層6の端部と固定軸17との距離Cと、固定軸17と上部電極16の端部との距離Dは、D×B/C>Aの関係が成り立つように配置する。具体的には、上部電極16の端部と絶縁層5との距離Aが2μmであり、アクチュエータ7が動作することで、アクチュエータ7下の絶縁層6の端部が1μm変位した場合、固定軸17とアクチュエータ7を構成する絶縁層6の端部との距離Cを1μm、固定軸17と上部電極16の端部との距離Dを3μmにする。
Here, for example, the distance between the end of the
以上より構成される圧電型アクチュエータを用いた可変容量キャパシタは、絶縁層2に溝3を形成するときに、可変容量キャパシタの上部電極16を長手方向に長く形成できるように、溝3を上部電極16の長手方向に広く形成する。そして、上部電極16の形成では、上部電極16及び固定軸17を形成するときに、上部電極16の長手方向が大幅に長くなるようにパターニングを行う。これにより、本実施例3の圧電型アクチュエータを用いた可変容量キャパシタを形成することができる。前記可変容量キャパシタのその他の部分の製造方法は、実施例1と同様であるので、説明は省略する。また、本実施例3の圧電型アクチュエータを用いた可変容量キャパシタの動作も、実施例1と同様であるので説明は省略する。
In the variable capacitor using the piezoelectric actuator constructed as described above, when the
実施例3に係る圧電型アクチュエータを用いた可変容量キャパシタでは、可変容量キャパシタの上部電極16に固定軸17を設けることにより、アクチュエータを駆動していない初期状態において、アクチュエータに取り付けられた上部電極が残留応力により上方向あるいは下方向のいずれかの方向に曲がった場合でも、上部電極を所望の位置に配置することができる。
In the variable capacitor using the piezoelectric actuator according to the third embodiment, by providing the fixed
また、上部電極16に接続された固定軸17の位置を調整することにより、アクチュエータ7の小さな変位で、上部電極16を大きく変位させることができる。したがって、可変容量キャパシタの上部電極16の長手方向を、実施例1に比べて大幅に長くすることにより、圧電型アクチュエータ7の小さい変位量で上部電極16を下方向へ大きく変位させることができる。
Further, by adjusting the position of the fixed
[実施例4]
図7は、本発明の実施例4に係る圧電型アクチュエータを用いた可変容量キャパシタの構造を示す平面図である。図8は、図7に示した可変容量キャパシタの8−8線に沿った断面図である。
[Example 4]
FIG. 7 is a plan view showing the structure of a variable capacitor using a piezoelectric actuator according to
本実施例4の上記実施例3との違いは、本実施例4では、図7及び図8に示すように、上部電極16上に引張応力を有する膜20を成膜している。ここで、引張応力を有する膜20として、例えば、SiN、TiN、Pt、Ti、PZT、SrTiO3等がある。なお、その他の実施例3と同一の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
The difference between the fourth embodiment and the third embodiment is that a
本実施例4の可変容量キャパシタでは、上部電極16及び固定軸17を形成するときに、上部電極16及び固定軸17の材料となる金属膜を成膜した後、引張応力を有する膜20をこの金属膜上に成膜する。そして、前記金属膜と引張応力を有する膜20に対して、上部電極16及び固定軸17のパターニングを行うことにより、上部電極16上に引張応力を有する膜20が積層された可変容量キャパシタが形成される。前記可変容量キャパシタのその他の部分の製造方法は、実施例1と同様であるので、説明は省略する。また、本実施例4の可変容量キャパシタの動作も、実施例1と同様であるので説明は省略する。
In the variable capacitor according to the fourth embodiment, when the
本実施例4に係る可変容量キャパシタは、可変容量キャパシタの上部電極16上に引張応力を有する膜20を成膜することにより、絶縁層6から突き出した上部電極16の垂れ下がりを防ぐことができる。さらに、可変容量キャパシタの上部電極16に固定軸17を設けることにより、アクチュエータを駆動していない初期状態において、アクチュエータに取り付けられた上部電極が残留応力により上方向あるいは下方向のいずれかの方向に曲がった場合でも、上部電極を所望の位置に配置することができる。
In the variable capacitor according to the fourth embodiment, the
ここで、本実施例4では、可変容量キャパシタの上部電極16の形状として、実施例3と同様に、上部電極16を長手方向に長く形成していたが、実施例1のように、長手方向に長く形成しない場合にも適用することができる。
In the fourth embodiment, the
[実施例5]
図9は、本発明の実施例5に係る圧電型アクチュエータを用いた可変容量キャパシタの構造を示す平面図である。図10は、図9に示した可変容量キャパシタの10−10線に沿った断面図である。
[Example 5]
FIG. 9 is a plan view showing the structure of a variable capacitor using a piezoelectric actuator according to
本実施例の上記各実施例との違いを以下に述べる。上記各実施例では、上部電極16の一箇所に固定軸17を設けた。本実施例5では、図9、図10に示すように、下部電極22の2箇所に固定軸17,21を設けている。
Differences between this embodiment and the above embodiments will be described below. In each of the above embodiments, the fixed
本実施例5に係る可変容量キャパシタは、図10に示すように、溝3内の半導体基板1上に下部電極4を形成せず、アクチュエータ7に接続される電極が下部電極22となる。そして、下部電極22の上方に上部電極23が形成されている。上部電極23は、絶縁層24の下部に形成され、絶縁層25が上部電極23を覆うように形成されている。前記絶縁層24は、下部電極22と上部電極23との間が空洞になるように、絶縁層12及び絶縁層2上に設けられた支持層26により支えられている。
In the variable capacitor according to the fifth embodiment, as shown in FIG. 10, the
このような構造を持つMEMS可変容量キャパシタでは、圧電型アクチュエータ7を駆動していない初期状態において、下部電極22を構成する、アクチュエータ7と固定軸17間の第1部分22Aと、固定軸17と固定軸21間の第2部分22Bと、固定軸21より上部電極23側の第3部分22Cとが、下部電極自身が持つ残留応力によって上方向に曲がる。ここで、第1部分22Aが上方向に曲がると、第2部分22Bにおける固定軸17の近傍部分は下方向に変位する。この第2部分22Bの下方向への変位によって、第2部分22Bの上方向への変位量が低減される。ここでさらに、第2部分22Bが上方向に変位すると、第3部分22Cにおける固定軸21の近傍部分は下方向に変位する。この第3部分22Cの下方向への変位によって、第3部分22Cの上方向への変位量が低減される。この結果、下部電極22の第3部分22Cを所望の位置に配置することができる。
In the MEMS variable capacitor having such a structure, in the initial state where the
前述した本発明の実施例5に係る可変容量キャパシタは、次のような操作で動作することができる。 The above-described variable capacitor according to the fifth embodiment of the present invention can be operated by the following operation.
アクチュエータ7の上部電極10、下部電極8に電圧を印加する、例えば、下部電極8に接地電位0V、上部電極10に3Vの電圧を印加すると、アクチュエータ7の圧電層9は、横方向に収縮する。すると、アクチュエータ7は上方向あるいは下方向へ動く。ここでは、アクチュエータ7は上方向へ動くように構成されている。
When a voltage is applied to the
そして、アクチュエータ7の上方向の変位により、アクチュエータ7の可動部に接続された下部電極22の第1部分22Aが上方向へ変位する。この上方向の変位により、下部電極22の第2部分22Bは、下方向へ変位する。さらに、この下方向の変位により、下部電極22の第3部分22Cは上方向へ変位する。以上により、下部電極22と上部電極23との間の距離が小さくなり、可変容量キャパシタの容量が大きくなる。そして、下部電極22と上部電極23上の絶縁層25とが接触したときに、可変容量キャパシタの容量が最大となる。このように、アクチュエータ7の上方向への変位量を制御することにより、可変容量キャパシタの容量を可変とすることができる。
Then, due to the upward displacement of the
以上説明したように実施例5に係る圧電型アクチュエータを用いた可変容量キャパシタでは、可変容量キャパシタの下部電極22の2箇所に固定軸17、21を設けることにより、アクチュエータ7を駆動していない初期状態において、アクチュエータ7に取り付けられた下部電極22が残留応力により上方向あるいは下方向のいずれかの方向に曲がった場合でも下部電極22を所望の位置に配置することができる。なお、ここでは可変容量キャパシタの電極に設けた固定軸の数を2箇所としたが、さらに固定軸の数を3箇所以上に増やしてもよい。
As described above, in the variable capacitor using the piezoelectric actuator according to the fifth embodiment, the fixed
本発明の実施例に係る圧電型アクチュエータを用いた可変容量キャパシタでは、アクチュエータに取り付けられた電極に固定軸を設けることにより、アクチュエータを駆動していない初期状態において、アクチュエータに取り付けられた電極が残留応力により上方向あるいは下方向のいずれかの方向に曲がった場合でも、電極を所望の位置に配置することができるMEMSが提供可能である。 In the variable capacitor using the piezoelectric actuator according to the embodiment of the present invention, the electrode attached to the actuator remains in the initial state where the actuator is not driven by providing a fixed shaft on the electrode attached to the actuator. It is possible to provide a MEMS in which an electrode can be arranged at a desired position even when it is bent in either an upward direction or a downward direction due to stress.
なお、本発明は、上述したような実施例に何ら限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変形して実施することができる。例えば、上記各実施例では、圧電型アクチュエータを用いて可変容量キャパシタを構成していたが、それ以外のアクチュエータ、例えば、静電型、熱式、磁性型等のアクチュエータも上記各実施例に用いることができる。また、上記各実施例では、MEMS技術を用いた可変容量キャパシタを例に説明したが、電極間の誘電体材料をなくすことによって、スイッチにも用いることができる。 The present invention is not limited to the embodiments described above, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, in each of the above embodiments, the variable capacitance capacitor is configured using a piezoelectric actuator, but other actuators such as electrostatic, thermal, and magnetic actuators are also used in each of the above embodiments. be able to. In each of the above embodiments, a variable capacitor using MEMS technology has been described as an example. However, it can also be used for a switch by eliminating the dielectric material between the electrodes.
1…半導体基板、2…絶縁層、3…溝、4…下部電極(可変容量キャパシタ)、5…絶縁層(可変容量キャパシタ)、6…絶縁層、7…圧電型アクチュエータ、8…下部電極、9…圧電層、10…上部電極、11…コンタクトプラグ、12…絶縁層、13…コンタクト層、14…コンタクトプラグ、15…コンタクト層、16…上部電極(可変容量キャパシタ)、16A…上部電極16の第1部分、16B…上部電極16の第2部分、17…固定軸、18…多結晶シリコン膜(犠牲膜)、19…固定軸17の広い領域、20…引張応力を有する膜、21…固定軸、22…下部電極(可変容量キャパシタ)、22A…下部電極22の第1部分、22B…下部電極22の第2部分、22C…下部電極22の第3部分、23…上部電極(可変容量キャパシタ)、24…絶縁層、25…絶縁層(可変容量キャパシタ)、26…支持層。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Semiconductor substrate, 2 ... Insulating layer, 3 ... Groove, 4 ... Lower electrode (variable capacitor), 5 ... Insulating layer (variable capacitor), 6 ... Insulating layer, 7 ... Piezoelectric actuator, 8 ... Lower electrode, DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記基板上に配置された第1電極と、
一端と他端を有し、前記一端は前記アクチュエータの他端に固定され、前記他端は自由端とされた第2電極と、
前記第2電極の前記一端と前記他端との間に設けられ、前記第2電極の長手方向に直交し、かつ基板面に対して平行な方向に延伸した直線状の軸を有し、前記直線状の軸の端部が前記基板上で固定された固定軸とを具備し、
前記第1電極は前記固定軸に対し前記第2電極の他端側で前記第2電極と対向し、
前記固定軸は、前記第2電極と同一材料で一体に形成され、
前記固定軸より前記第1電極側の前記第2電極の長さは、前記アクチュエータと前記固定軸との間の前記第2電極の長さより長く、
前記第2電極が持つ残留応力によって、前記アクチュエータと前記固定軸との間の前記第2電極における前記固定軸の近傍部分は基板方向あるいは基板と反対方向のいずれか一方に変位し、前記固定軸より前記第1電極側の前記第2電極における前記固定軸の近傍部分は前記一方と反対の方向に変位しており、
前記アクチュエータが動くことにより、前記アクチュエータと前記固定軸との間の前記第2電極は前記アクチュエータと同じ方向に変位し、前記固定軸より前記第1電極側の前記第2電極は前記アクチュエータと逆方向に変位することを特徴とするMEMS。 An actuator provided on a substrate, having one end and the other end, the one end fixed to the substrate;
A first electrode disposed on the substrate;
A second electrode having one end and the other end, the one end being fixed to the other end of the actuator, and the other end being a free end;
A linear axis provided between the one end and the other end of the second electrode and extending in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the second electrode and parallel to the substrate surface; A linear shaft having an end portion fixed on the substrate;
The first electrode is opposed to the second electrode on the other end side of the second electrode with respect to the fixed axis,
The fixed shaft is integrally formed of the same material as the second electrode,
The length of the second electrode closer to the first electrode than the fixed shaft is longer than the length of the second electrode between the actuator and the fixed shaft,
Due to the residual stress of the second electrode , the vicinity of the fixed shaft in the second electrode between the actuator and the fixed shaft is displaced in either the substrate direction or the direction opposite to the substrate, and the fixed shaft More, the vicinity of the fixed shaft in the second electrode on the first electrode side is displaced in the opposite direction to the one,
As the actuator moves, the second electrode between the actuator and the fixed shaft is displaced in the same direction as the actuator, and the second electrode closer to the first electrode than the fixed shaft is opposite to the actuator. A MEMS characterized by being displaced in a direction.
前記基板上に形成された第1電極と、
前記アクチュエータの前記可動部に固定され、前記第1電極と対向する位置に配置されると共に、前記アクチュエータの前記可動部と前記第1電極との間に、前記基板に対して固定された固定軸を有し、前記アクチュエータにより変位される第2電極とを具備し、
前記固定軸は、前記第2電極の長手方向に直交し、かつ基板面に対して平行な方向に延伸した直線状の軸を有し、前記直線状の軸の端部が前記基板上で固定され、
前記固定軸は、前記第2電極と同一材料で一体に形成され、
前記固定軸より前記第1電極側の前記第2電極の長さは、前記アクチュエータと前記固定軸との間の前記第2電極の長さより長く、
前記第2電極が持つ残留応力によって、前記アクチュエータと前記固定軸との間の前記第2電極における前記固定軸の近傍部分は基板方向あるいは基板と反対方向のいずれか一方に変位し、前記固定軸より前記第1電極側の前記第2電極における前記固定軸の近傍部分は前記一方と反対の方向に変位しており、
前記アクチュエータが動くことにより、前記アクチュエータと前記固定軸との間の前記第2電極は前記アクチュエータと同じ方向に変位し、前記固定軸より前記第1電極側の前記第2電極は前記アクチュエータと逆方向に変位することを特徴とするMEMS。 An actuator provided above the substrate and having a movable part;
A first electrode formed on the substrate;
A fixed shaft fixed to the substrate between the movable part of the actuator and the first electrode, and is fixed to the movable part of the actuator and disposed at a position facing the first electrode. And a second electrode displaced by the actuator,
The fixed shaft has a straight shaft extending in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the second electrode and parallel to the substrate surface, and an end portion of the straight shaft is fixed on the substrate. And
The fixed shaft is integrally formed of the same material as the second electrode,
The length of the second electrode closer to the first electrode than the fixed shaft is longer than the length of the second electrode between the actuator and the fixed shaft,
Due to the residual stress of the second electrode , the vicinity of the fixed shaft in the second electrode between the actuator and the fixed shaft is displaced in either the substrate direction or the direction opposite to the substrate, and the fixed shaft More, the vicinity of the fixed shaft in the second electrode on the first electrode side is displaced in the opposite direction to the one,
As the actuator moves, the second electrode between the actuator and the fixed shaft is displaced in the same direction as the actuator, and the second electrode closer to the first electrode than the fixed shaft is opposite to the actuator. A MEMS characterized by being displaced in a direction.
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