JP5227566B2 - Actuator - Google Patents
Actuator Download PDFInfo
- Publication number
- JP5227566B2 JP5227566B2 JP2007288325A JP2007288325A JP5227566B2 JP 5227566 B2 JP5227566 B2 JP 5227566B2 JP 2007288325 A JP2007288325 A JP 2007288325A JP 2007288325 A JP2007288325 A JP 2007288325A JP 5227566 B2 JP5227566 B2 JP 5227566B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- actuator
- film
- electrode
- fixed electrode
- dielectric film
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Micromachines (AREA)
Description
本発明は、静電駆動方式または圧電駆動方式のマイクロスイッチや容量可変キャパシタ等のMEMS(Micro-electro-mechanical System)アクチュエータに関する。 The present invention relates to a micro-electro-mechanical system (MEMS) actuator such as an electrostatic drive type or piezoelectric drive type micro switch or a variable capacitor.
MEMS( Micro-electro-mechanical System)アクチュエータは、各種の光スイッチ、通信回路、電子機器に用いられるマイクロスイッチや容量可変キャパシタ等に応用されている。
静電力により駆動されるMEMSアクチュエータ(特許文献1)は、例えば、可動梁に形成された可動電極と、基板上に固定された固定電極と、可動電極と固定電極の間に設けられた誘電膜からなる静電駆動機構を有している。この誘電膜には、通常の半導体プロセスで多用される窒化シリコンや酸化シリコンの他、各種の膜を使用することができるが、その膜の配向性に関しては配慮されていない。
可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可動梁を動かし、駆動する。駆動時には、0.1μm〜1μm程度以下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る。この高電界によって、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、外部から印加される駆動電圧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)を著しくシフトさせる。さらに著しい場合には、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、いわゆるスティッキングと呼ばれる現象が生じる。これらの駆動電圧のシフトやスティッキング現象は、実用上の大きな問題となる。
2. Description of the Related Art MEMS (Micro-electro-mechanical System) actuators are applied to various optical switches, communication circuits, micro switches used in electronic devices, variable capacitance capacitors, and the like.
A MEMS actuator driven by an electrostatic force (Patent Document 1) includes, for example, a movable electrode formed on a movable beam, a fixed electrode fixed on a substrate, and a dielectric film provided between the movable electrode and the fixed electrode. It has an electrostatic drive mechanism consisting of As this dielectric film, various films can be used in addition to silicon nitride and silicon oxide frequently used in a normal semiconductor process, but the orientation of the film is not considered.
By applying a driving voltage between the movable electrode and the fixed electrode, both electrodes are attracted by an electrostatic force to move the movable beam and drive it. At the time of driving, a driving voltage of several tens of volts is applied to the dielectric film having a thickness of about 0.1 μm to 1 μm or less, so that the dielectric film is exposed to a high electric field. Due to this high electric field, charges are injected and trapped at the interface and inside of the dielectric film according to the driving time.
The injected charge exerts the same action on the electrostatic drive mechanism as the drive voltage applied from the outside. Therefore, a threshold voltage (pull-in voltage) for attracting the movable electrode to the fixed electrode, and a threshold voltage ( (Pullout voltage) is significantly shifted. In a more remarkable case, a so-called sticking phenomenon occurs, in which even if the drive voltage is set to 0, the electrode does not operate while the electrodes are fixed. These drive voltage shifts and sticking phenomena are serious practical problems.
一方、圧電力により駆動されるMEMSアクチュエータ(特許文献2)は、可動梁として、電極層で挟まれた圧電膜を用いたものであり、比較的低電圧で駆動できる特長を持つ。この圧電駆動方式のMEMSアクチュエータにおいては、圧電駆動電極層で挟まれた圧電膜からなる圧電駆動機構を可動梁に有している。この圧電駆動方式MEMSアクチュエータにおいて、可動梁を構成する圧電膜として、例えばAlN膜を用いることは知られている。駆動DC電圧は、圧電膜を挟む圧電駆動電極層間に印加されるため、圧電膜中に電荷の注入・トラップが生じても、駆動に与える影響はほとんどない。
しかしながら、圧電駆動方式のMEMSアクチュエータを使用した可変キャパシタ素子においても、基板上に形成されたRF信号用固定電極と、可動梁に設けられた可動電極(圧電駆動用電極と兼用する場合もある)の間に可変キャパシタの容量を形成する誘電膜が形成され、通常の半導体プロセスで多用される窒化シリコンや酸化シリコンが使用されている。そして、RF信号用固定電極と可動電極が誘電膜を介して接触している時にこれら電極間に大振幅のRF電圧が印加されると、誘電膜への電荷の注入・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ッキング現象が生じ、実用上の大きな問題となっている。
On the other hand, a MEMS actuator driven by piezoelectric power (Patent Document 2) uses a piezoelectric film sandwiched between electrode layers as a movable beam, and has a feature that it can be driven at a relatively low voltage. In this piezoelectric drive type MEMS actuator, the movable beam has a piezoelectric drive mechanism made of a piezoelectric film sandwiched between piezoelectric drive electrode layers. In this piezoelectric drive type MEMS actuator, it is known to use, for example, an AlN film as the piezoelectric film constituting the movable beam. Since the driving DC voltage is applied between the piezoelectric driving electrode layers sandwiching the piezoelectric film, even if charge injection / trapping occurs in the piezoelectric film, there is almost no influence on driving.
However, even in a variable capacitor element using a piezoelectric actuator of a MEMS drive type, an RF signal fixed electrode formed on a substrate and a movable electrode provided on a movable beam (sometimes also used as a piezoelectric drive electrode) A dielectric film for forming the capacitance of the variable capacitor is formed between them, and silicon nitride or silicon oxide frequently used in a normal semiconductor process is used. When the RF signal fixed electrode and the movable electrode are in contact with each other through a dielectric film, if a large amplitude RF voltage is applied between these electrodes, charge injection / trapping to the dielectric film occurs, which is a significant case. However, even if the piezoelectric driving voltage is set to 0, a sticking phenomenon occurs in which the electrodes do not operate while the electrodes are fixed, which is a serious problem in practical use.
一方、薄膜圧電共振器において、圧電膜の下地にAl−Ta非晶質合金層を設けることにより、圧電膜の性能を向上する技術が報告されている(特許文献3)。
本発明は、上記の課題に基づいたものであり、その目的は、静電駆動方式や圧電駆動方式のアクチュエータにおいて、誘電膜への電荷注入や電荷トラップを解消し、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、安定した駆動特性を有するアクチュエータを提供することである。 The present invention is based on the above-mentioned problems, and its purpose is to eliminate charge injection and charge trapping in the dielectric film in an electrostatic drive type or piezoelectric drive type actuator, and drive voltage shift or electrode fixation. It is an object of the present invention to provide an actuator having stable driving characteristics.
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、前記固定電極と前記可動梁との間に設けられ、配向半値全幅が4.6度以下でc軸配向した窒化アルミニウムからなる誘電膜と、前記主面の上において前記固定電極の下に設けられアルミニウム化合物からなる下地膜と、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。 According to one aspect of the present invention, a substrate, a fixed electrode provided on the main surface of the substrate, a movable beam facing the main surface and held above the substrate with a gap therebetween, Provided between the fixed electrode and the movable beam, and provided with a dielectric film made of aluminum nitride having c-axis orientation with a full width at half maximum of 4.6 degrees or less, and on the main surface, below the fixed electrode. There is provided an actuator comprising: a base film made of an aluminum compound .
本発明の別の一態様によれば、基板と、前記基板の主面の上に設けられたRF信号用固定電極と、前記主面に対向し、前記基板の上方に間隔を空けて保持され、DC駆動用下部電極と、圧電膜と、DC駆動用上部電極と、を含む可動梁と、前記RF信号用固定電極と前記可動梁との間に設けられ、配向半値全幅が4.6度以下でc軸配向した窒化アルミニウムからなる誘電膜と、前記主面の上において前記RF信号用固定電極の下に設けられアルミニウム化合物からなる下地膜と、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。
According to another aspect of the present invention, the substrate, the RF signal fixed electrode provided on the main surface of the substrate, the counter electrode facing the main surface, and held above the substrate with a space therebetween. , A movable beam including a DC driving lower electrode, a piezoelectric film, and a DC driving upper electrode, and the RF signal fixed electrode and the movable beam. The full width at half maximum of the orientation is 4.6 degrees. Provided below is an actuator comprising: a dielectric film made of aluminum nitride with c-axis orientation; and a base film made of an aluminum compound provided below the RF signal fixed electrode on the main surface. Is done.
本発明によれば、静電駆動方式や圧電駆動方式のアクチュエータにおいて、誘電膜への電荷注入や電荷トラップを解消し、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、安定した駆動特性を有するアクチュエータが提供される。 According to the present invention, in an electrostatic drive type or piezoelectric drive type actuator, charge injection into a dielectric film or charge trap is eliminated, and problems of drive voltage shift and electrode sticking are solved, thereby enabling stable drive. An actuator having the characteristics is provided.
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の実施形態のアクチュエータ101は、基板110を有している。基板110の主面には下地膜130が設けられ、下地膜130の上には固定電極140が設けられ、さらに固定電極140の上に誘電膜150が設けられている。下地膜130は、例えば、アルミニウム/タンタル(Al/Ta)の非晶質合金や窒化アルミニウム(AlN)からなる膜を用いることができる。また、固定電極140としては、アルミニウムからなる膜を用いることができる。また、誘電膜150は、窒化アルミニウム膜からなり、配向半値全幅が小さくc軸配向したものを用いることができる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration of an actuator according to the first embodiment of the invention.
As shown in FIG. 1, the
そして、基板110の主面に対向して、基板110と間隙をあけて可動梁170が配置されている。可動梁170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170は基板110と間隙をあけて保持される。
図1に表したアクチュエータは、下地膜130として、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ており、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る。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。
A
The actuator shown in FIG. 1 uses a film made of an aluminum / tantalum amorphous alloy or aluminum nitride as the
誘電膜150の配向半値全幅が小さくなり配向性が高くなると、誘電膜150中の電荷トラップの密度が減少し、結果として、誘電膜150への電荷の注入と電荷トラップを抑制できる。この機構を図2により説明する。
When the full width at half maximum of the alignment of the
図2は、誘電膜の配向性と誘電膜への電荷注入量の関係を例示する説明図である。
図2(a)に表したように、非晶質(アモルファス)の窒化シリコン(α−SiN)膜330には、トラップとなるダングリングボンドが多数存在する。このα−SiN膜を上電極310、下電極320に挟み電圧を印加すると、多量の電荷360が注入され、トラップされる。一方、図2(b)に表したように、多結晶(ポリ)の窒化アルミニウム(ポリAlN)膜340では、結晶サイズが比較的大きくなり、粒界が減少し、電荷360の注入量は減少する。さらに、図2(c)に表したように、高配向した窒化アルミニウム膜350の場合、さらに粒界が減少し、注入される電荷360の量を極めて少なくすることができる。このように、誘電膜への電荷の注入を減少させるためには、誘電膜中の粒界を減らし、トラップを減少させることが有効である。すなわち、誘電膜の配向半値全幅を小さくすることで電荷の注入が抑制できる。
FIG. 2 is an explanatory diagram illustrating the relationship between the orientation of the dielectric film and the amount of charge injected into the dielectric film.
As shown in FIG. 2A, the amorphous silicon nitride (α-SiN)
図1に例示したアクチュエータは、下地膜130として、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誘電膜150の配向性を高めることができ、電圧印加時に電荷が注入され難く、また、電荷のトラップの形成を抑制し、結果として、動作安定性の優れたアクチュエータが実現できる。
この時、実用的な動作安定性を確保するためには、AlNからなる誘電膜150の配向半値全幅は、5度以下が望ましい。
The actuator illustrated in FIG. 1 can improve the orientation of the
At this time, in order to ensure practical operational stability, the full width at half maximum of the orientation of the
なお、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。 An example of a method for highly aligning the AlN film is a method using an amorphous metal base. Further, it is possible to use a method in which the orientation of a single crystal substrate such as a silicon (111) substrate or a silicon (100) substrate is taken over and epitaxially grown thereon. Furthermore, there is also a method in which a highly oriented AlN film is grown by taking the orientation film as a highly oriented film and taking over the orientation, and various metals or insulating films can be used as the underlying film in this case. For example, a method using a (111) plane of an fcc type crystal structure such as Al or Au, a method using a (110) plane of a bcc type crystal structure such as Mo, W, or Ta, a hexagonal type such as Ti or AlN Examples include a method using the (0001) plane of the crystal structure. In these methods, the orientation of the AlN film is affected by the crystal orientation of the underlying material, and the orientation of the AlN film improves as the thickness of the underlying material increases. Moreover, the method which combined said each method can be utilized.
なお、可動梁170の固定電極140と対向する部分には、可動電極171を設けることができるが、可動梁170が導電性の場合は、可動梁170そのものを可動電極171とすることもできる。図1に例示したアクチュエータはその例であり、この場合、可動電極171は可動梁170と同一である。なお、可動電極171を可動梁170に別途設けることもできる。
Note that the
また、誘電膜150は、基板110の上に必ずしも設ける必要はなく、固定電極140と可動電極171(可動梁170)の間に設ければ良い。例えば、可動梁170の固定電極140に対向する部分に誘電膜150を設けても良い。また、可動梁170を圧電積層構造とした圧電駆動方式のアクチュエータの場合に、圧電膜としてAlNを用い、そのAlNを誘電膜150として利用しても良い。
The
図1に例示したアクチュエータは、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171(可動梁170)と固定電極(130)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、可動分部だけではなく、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。
The actuator illustrated in FIG. 1 can be used as a microswitch or a capacitor. In addition to the movable electrode 171 (movable beam 170) and the fixed electrode (130), various electrodes can be further provided, and a switch or a capacitor using the electrodes can be configured.
In the present specification, the “actuator” includes not only the movable portion but also various switches and various capacitors configured to include the movable portion.
(実施例1)
以下、実施例1により、詳細に説明する。
本発明の実施例1のアクチュエータは、図1に表した構造を有している。すなわち、基板110の主面に、下地膜130、固定電極140、誘電膜150が積層して設けられ、また、基板110の主面に対向して、基板110と間隙をあけて可動梁170が、アンカー部120によって保持されている。
Example 1
Hereinafter, the first embodiment will be described in detail.
The actuator of Example 1 of the present invention has the structure shown in FIG. That is, the
図3は、本発明の第1の実施例のアクチュエータの製造方法を表す各工程の模式断面図である。
まず、図3(a)に表すように、表面が絶縁性の基板110の主面に、LP‐CVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)法により窒化シリコン膜を成膜し、アンカー部120を形成した。
また、基板110の主面の他の一部に、下地膜130、固定電極140、誘電膜150をこの順に形成した。すなわち、下地膜130として、Al/Taからなる厚さ30nmの非晶質合金膜をスパッタ法により成膜し、その後、固定電極140として、厚さ500nmのAl膜をスパッタ法により成膜し、その後、誘電膜150として、厚さ500nmのAlN膜をスパッタ法により成膜した。そして、上記のアンカー部120、下地膜130、固定電極140、誘電膜150の所定形状への成形には、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。なお、上記の成膜及び成形の方法としては、上記で説明した方法に限らず、各種の方法を用いることができる。
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of each step showing the manufacturing method of the actuator of the first embodiment of the present invention.
First, as shown in FIG. 3A, a silicon nitride film was formed by LP-CVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition) on the main surface of a
A
次に、図3(b)に表したように、基板110の主面、アンカー部120、誘電膜150の上に犠牲層160を形成した後、CMP(Chemical Mechanical Polishing)技術によりアンカー部120が露出するまで表面研磨及び平坦化を行った。犠牲層160としては、多結晶シリコンを使用した。ただし、犠牲層160は、これに限らず、上記の下地膜130、固定電極140、誘電膜150等の他の膜材料に対して選択エッチングが可能な、各種無機材料、各種金属材料、各種有機材料を使用することができる。
Next, as shown in FIG. 3B, after the
次に、図3(c)に表したように、アンカー部120及び犠牲層160の上に、可動梁170を形成した。具体的には、厚さ500nmのAl層をスパッタ法により成膜し、リソグラフィー及びエッチングによりパターニングすることにより、所定の形状の可動梁170を形成した。
Next, as shown in FIG. 3C, the
次に、図3(d)に示すように、XeF2をエッチングガスとして用いた選択エッチングにより、犠牲層160を除去した。
このようにして、図1に表した構造のアクチュエータが作製された。
Next, as shown in FIG. 3D, the
In this way, an actuator having the structure shown in FIG. 1 was produced.
このような構造の実施例1のアクチュエータにおいては、下地膜としてAl/Ta非晶質合金を使用することにより、固定電極140が、(111)方位が高度に配向することが可能になる。固定電極140の配向性をωモードロッキングカーブ法により測定したところ、配向半値全幅(FWHM: Full Width at Half Maximum)は0.9度と非常に小さな値になり、高い配向性が確認できた。さらに、固定電極140の上に、誘電膜150となるAlN層を、ヘテロエピタキシャル成長させることにより、AlN層は高度にc軸方向に配向し、ωモードロッキングカーブ法により測定した配向半値全幅は1.6度であった。このようにして、下地膜としてAl/Ta非晶質合金を用いることによって、高い配向性を有するAlN膜からなる誘電膜150が得られた。
In the actuator of Example 1 having such a structure, by using an Al / Ta amorphous alloy as the base film, the fixed
(実施例2〜4)
次に実施例2〜4について説明する。
実施例2〜4は、実施例1に対して、下地膜130としてAlNを用いたことが異なっており、その他の条件は実施例1と同じである。そして、実施例2〜4の下地膜130の厚さは、それぞれ、1000nm、500nm、200nmとした。これら実施例2〜4のアクチュエータは、下地膜130として厚さ200〜1000nmのAlN膜を使用することにより、高い配向性を持つ固定電極140及び誘電膜150を設けることができる。
(Examples 2 to 4)
Next, Examples 2 to 4 will be described.
The second to fourth embodiments are different from the first embodiment in that AlN is used as the
以上説明した実施例1〜4についての下地膜130の種類と厚さ、及び固定電極140及び誘電膜150の配向半値全幅の関係を表1に示す。
表1に表したように、実施例1〜4のアクチュエータにおいては、誘電膜150は、配向半値全幅が1.6度〜4.6度であり、非常に高い配向性を示した。また、固定電極140は、配向半値全幅が0.9度〜3.8度であり、これも非常に高い配向性を示した。
As shown in Table 1, in the actuators of Examples 1 to 4, the
次に、このようにして作製した実施例1〜4のアクチュエータの動作試験を行った。
図4は、本発明の実施例のアクチュエータの動作試験条件を例示する説明図である。
図4に表したように、動作試験の方法は以下である。
(1)まず、固定電極140と可動電極171(可動梁170)の間に徐々に電圧を印加し、静電容量−印加電圧特性を測定し(C−V測定)、可動梁170が誘電膜150に接触するプルイン電圧の初期値を測定する。
(2)その後、負荷として、15Vの駆動電圧を1000秒間印加し、駆動電圧を除去する。
(3)その後、再び電圧を徐々に印加し、C−V測定を行い、負荷試験後のプルイン電圧を測定する。
このようにして、負荷試験前後のプルイン電圧の変化(シフト量ΔV)を求めた。
Next, an operation test of the actuators of Examples 1 to 4 manufactured as described above was performed.
FIG. 4 is an explanatory diagram illustrating the operation test conditions of the actuator according to the embodiment of the invention.
As shown in FIG. 4, the operation test method is as follows.
(1) First, a voltage is gradually applied between the fixed
(2) Thereafter, a drive voltage of 15 V is applied as a load for 1000 seconds, and the drive voltage is removed.
(3) Then, voltage is gradually applied again, CV measurement is performed, and the pull-in voltage after the load test is measured.
In this way, the change in the pull-in voltage (shift amount ΔV) before and after the load test was obtained.
実施例1〜4の誘電膜150の配向半値全幅と、負荷試験前後のプルイン電圧のシフト量ΔVの関係を説明する。
図5は、本発明の実施例1〜4のアクチュエータの動作試験結果を示すグラフ図である。
図5に表したように、実施例1〜4のアクチュエータは、いずれも誘電膜150の配向半値全幅は5度以下であり、また、プルイン電圧のシフト量ΔVは0.5V以下であった。このように、実施例1〜4のアクチュエータは、動作安定性が優れていることが確かめられた。
The relationship between the full width at half maximum of the
FIG. 5 is a graph showing the operation test results of the actuators of Examples 1 to 4 of the present invention.
As shown in FIG. 5, in each of the actuators of Examples 1 to 4, the full width at half maximum of the
次に、比較例について説明する。
(比較例1〜2)
比較例1のアクチュエータは、図1に表したアクチュエータにおいて、下地膜130として、厚さが100nmのAlNを用いたものである。また、比較例2は、下地膜を設けない構造である。
比較例1及び比較例2のアクチュエータの下地膜130の種類と厚さ、及び、固定電極140及び誘電膜150の配向半値全幅の値を表2に示す。
(Comparative Examples 1-2)
The actuator of Comparative Example 1 uses AlN having a thickness of 100 nm as the
Table 2 shows the types and thicknesses of the
表2に表したように、比較例1のアクチュエータは、下地膜130の膜厚が薄く、その上の固定電極140と誘電膜150の配向半値全幅は、それぞれ、5.1度と5.8度と共に大きい値を示した。また、比較例2のアクチュエータは、下地膜130が無く、固定電極140と誘電膜150の配向半値全幅は、それぞれ、6.2度と7.0度とさらに大きい値を示した。このように、下地膜が無い、または下地膜の膜厚が薄いと、誘電膜150の配向半値全幅が大きくなり、誘電膜150の配向性は低くなった。
As shown in Table 2, in the actuator of Comparative Example 1, the
また、実施例1〜4と同様の試験条件(ただし、負荷電圧の印加時間を100秒に短縮した)により、比較例1、2について、負荷試験前後のプルイン電圧のシフト量ΔVを求めた。その結果を、図5に示す。実施例1〜4に比べて負荷電圧の印加時間を1/10に短縮し負荷を軽減したにもかかわらず、比較例1では、プルイン電圧のシフト量ΔVは1.5Vと大きく、アクチュエータの信頼性に問題があることが分った。また、比較例2では、プルイン電圧のシフト量ΔVは3.1Vとさらに大きく、同様にアクチュエータの信頼性に問題があることが分った。 Moreover, the shift amount ΔV of the pull-in voltage before and after the load test was obtained for Comparative Examples 1 and 2 under the same test conditions as in Examples 1 to 4 (however, the load voltage application time was shortened to 100 seconds). The result is shown in FIG. Although the load voltage application time is reduced to 1/10 and the load is reduced as compared with Examples 1 to 4, in Comparative Example 1, the shift amount ΔV of the pull-in voltage is as large as 1.5 V, and the reliability of the actuator I found that there was a problem with sex. In Comparative Example 2, it was found that the shift amount ΔV of the pull-in voltage is further large as 3.1 V, and similarly there is a problem in the reliability of the actuator.
図5に表したように、誘電膜150の配向半値全幅が5度より大きくなると、プルイン電圧のシフト量ΔVが急激に大きくなっている。従って、誘電膜150の配向半値全幅は、4.6度以下であることが望ましい。また、表1に表したように、この時の固定電極140の配向半値全幅は、3.8度以下であることが望ましい。また、下地膜130としてAlNを用いた場合には、AlN膜の膜厚はある程度以上厚いことが必要で、具体的には、膜厚は200nm以上が望ましい。
As shown in FIG. 5, when the full width at half maximum of the
(比較例3)
比較例3のアクチュエータは、実施例1のアクチュエータにおいて、誘電膜150としてLP―CVD法で成膜した窒化シリコン膜を使用したものであり、それ以外は実施例1と同様である。
(Comparative Example 3)
The actuator of Comparative Example 3 is the same as that of Example 1 except that the silicon nitride film formed by the LP-CVD method is used as the
実施例1〜4と同様の試験条件(ただし、負荷電圧の印加時間を100秒に短縮)により、比較例3におけるプルイン電圧のシフト量ΔVを求めた。その結果、実施例1〜4に比べて負荷電圧の印加時間を1/10に短縮し負荷を軽減したにもかかわらず、比較例3のアクチュエータのシフト量ΔVは、6.7Vと大きく、大きな電荷注入が生じており、動作の安定性に問題があることが分った。これは、窒化シリコン膜には電荷に対する多くのトラップが形成されており、このため窒化シリコン誘電膜中に多量の電荷が注入され、またトラップされるためである。従って、誘電膜150には、AlN材料を用いることが望ましい。
Under the same test conditions as in Examples 1 to 4 (however, the load voltage application time was reduced to 100 seconds), the shift amount ΔV of the pull-in voltage in Comparative Example 3 was determined. As a result, although the load voltage application time was shortened to 1/10 and the load was reduced as compared with Examples 1-4, the shift amount ΔV of the actuator of Comparative Example 3 was as large as 6.7 V, which was large. It has been found that charge injection occurs and there is a problem in the stability of operation. This is because many traps for charges are formed in the silicon nitride film, so that a large amount of charges are injected and trapped in the silicon nitride dielectric film. Therefore, it is desirable to use an AlN material for the
(実施例5)
次に、本発明の第5の実施例のアクチュエータについて説明する。第5の実施例のアクチュエータは、静電駆動MEMSスイッチの一例であり、スイッチ用接点電極を別途設けた例である。
図6は、本発明の第5の実施例のアクチュエータの構造を例示する模式断面図である。 本実施例のアクチュエータ102においては、可動梁170の先端に、可動接点電極190が設けられている。そして、可動接点電極190に対向した固定接点電極180が、基板110上に設けられている。可動接点電極190と固定接点電極180とが、スイッチの接点を構成する。これら以外の構成は、実施例1と同様であり、同じ部品には同じ符号を付してある。可動接点電極190及び固定接点電極180は、例えばスパッタ法により作製したAu層であり、周知のリソグラフィー法及びリフトオフ法によりパターニングし、形成される。
(Example 5)
Next, an actuator according to a fifth embodiment of the present invention will be described. The actuator of the fifth embodiment is an example of an electrostatic drive MEMS switch, and is an example in which a switch contact electrode is separately provided.
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view illustrating the structure of the actuator of the fifth example of the invention. In the
固定電極140と対向する可動電極171(可動梁170)の間に電圧を印加することによりアクチュエータを駆動する。このとき可動接点電極190及び固定接点電極180がオーミック接触し、高周波(RF: Radio Frequency)スイッチとして利用することが可能である。
The actuator is driven by applying a voltage between the movable electrode 171 (movable beam 170) facing the fixed
実施例1〜4と同様の試験条件によりプルイン電圧のシフト量ΔVを測定したところ、シフト量ΔVは0.3Vと小さく、安定した動作が確認できた。 When the shift amount ΔV of the pull-in voltage was measured under the same test conditions as in Examples 1 to 4, the shift amount ΔV was as small as 0.3 V, and stable operation could be confirmed.
(実施例6)
次に本発明の第6の実施例のアクチュエータについて説明する。本実施例のアクチュエータは、圧電駆動MEMS可変容量キャパシタの一例である。
図7は、本発明の第6の実施例のアクチュエータの構造を例示する模式断面図である。
図7に表したように、実施例6のアクチュエータ103は、実施例1における可動梁170の代わりに、バイモルフ型圧電駆動アクチュエータからなる可動梁200を用いている。すなわち、基板110上に対向してバイモルフ型の圧電可動梁200が設けられている。バイモルフ型可動梁200は、下部電極210、下部圧電膜220、中間電極230、上部圧電膜240、及び上部電極250が積層された構造を有している。そして、バイモルフ型可動梁200は、アンカー部120によって、基板110と間隙をあけて保持されている。下部電極210、中間電極230、上部電極250には、Alを用い、また、下部圧電膜220と上部圧電膜240にはAlNを使用し、リソグラフィー及びエッチング技術により、所定形状に形成される。バイモルフ型可動梁200以外の構成は、実施例1と同様であり、固定電極140及び誘電膜150は、高配向したAl膜及びAlN膜である。
(Example 6)
Next, an actuator according to a sixth embodiment of the present invention will be described. The actuator of the present embodiment is an example of a piezoelectric drive MEMS variable capacitor.
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view illustrating the structure of the actuator of the sixth example of the invention.
As illustrated in FIG. 7, the
本実施例のアクチュエータ103において、中間電極230を接地し、下部電極210及び上部電極250に駆動電圧を印加することにより、圧電可動梁200を上下に屈曲させることができる。この屈曲により、基板110の上に設けられた固定電極140と下部電極210の距離が変化し、容量可変キャパシタとして機能する。
なお、下部電極210が、固定電極140に対向する可動電極171の機能を果たす。
In the
Note that the
本実施例において圧電可動梁200が下方に屈曲して、下部電極210が誘電膜150に接触する時の電圧(接触電圧)は、2.8Vであった。下部電極210が誘電膜150に接触した状態で、固定電極140と下部電極210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ところ、2.9Vであり、接触電圧の初期値からのシフトは殆どなく、安定した動作が確認できた。
なお、本実施例では、可動梁は、2つの圧電膜が3つの電極によって積層された構造を有しているが、これに限らず、1つの圧電膜が2つの電極に挟持された構造や、3つ以上の圧電膜がそれぞれ電極によって挟まれた構造など、各種の構造の可動梁を用いることができる。
In this embodiment, the voltage (contact voltage) when the piezoelectric
In this embodiment, the movable beam has a structure in which two piezoelectric films are stacked by three electrodes. However, the present invention is not limited to this, and a structure in which one piezoelectric film is sandwiched between two electrodes or A movable beam having various structures such as a structure in which three or more piezoelectric films are sandwiched between electrodes can be used.
なお、本実施例において、下部電極210、中間電極230、下部圧電膜220は、それぞれ、DC駆動用下部電極、DC駆動用上部電極、圧電膜の機能を果たす。また、中間電極230、上部電極250、上部圧電膜240は、それぞれ、別のDC駆動用下部電極、別のDC駆動用上部電極、別の圧電膜の機能を果たす。そして、固定電極150はRF信号用固定電極の機能を果たす。
In this embodiment, the
(実施例7)
次に本発明の第7の実施例のアクチュエータについて説明する。
図8は、本発明の第7の実施例のアクチュエータの構造を例示する模式断面図である。
図8に表したように、実施例7のアクチュエータ104は、図1に表した実施例1における可動梁170の代わりに、DC駆動用下部電極410と、圧電膜420と、DC駆動用上部電極430と、が積層された構成の可動梁400を用いたものである。そして、基板110の主面には、RF信号用固定電極141が下地層130を介して設けられ、RF信号用固定電極141と可動梁400との間に誘電膜150が設けられている。下地層130、RF信号用固定電極141、誘電膜150は、図1に例示した、下地層130、固定電極140、誘電膜150と同様のものを用いることができる。
アクチュエータ104において、DC駆動用下部電極410とDC駆動用上部電極430の間に駆動電圧を与え、圧電膜420に電圧を印加することにより、可動梁400が屈曲する。これにより、DC駆動用下部電極410と誘電膜150が接し、誘電膜150を介して、DC駆動用下部電極410とRF信号用固定電極141との間でキャパシタが形成される。
本実施例においては、誘電膜150として、高配向した(配向半値全幅が4.6度以下のc軸配向した)AlN膜を用いるので、誘電膜150への電荷の注入やトラップを抑制し、安定した駆動特性を有するアクチュエータを実現できる。
(Example 7)
Next, an actuator according to a seventh embodiment of the present invention will be described.
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view illustrating the structure of the actuator of the seventh example of the invention.
As shown in FIG. 8, the
In the
In this embodiment, since the highly oriented AlN film (the c-axis orientation with the full width at half maximum of 4.6 degrees or less) is used as the
(実施例8)
次に本発明の第8の実施例のアクチュエータについて説明する。
図9は、本発明の第8の実施例のアクチュエータの構造を例示する模式断面図である。 図9に表したように、実施例8のアクチュエータ105は、図7に表した実施例6のアクチュエータにおいて、固定電極140のそれぞれ下と上に設けられていた下地膜130と誘電膜150を設けず、また、下部電極210を固定電極140と対向する部分を除いて形成した点が異なっている。この構成において、固定電極140と対向する下部圧電膜220が、実施例1〜7における誘電膜の機能を果たす。また、中間電極230が可動電極231となる。
下部圧電膜220は、高配向した(配向半値全幅が4.6度以下のc軸配向した)AlN膜によって形成することができる。図9に例示したアクチュエータは、高配向したAlN膜からなる誘電膜を、固定電極140と可動電極231の間に設けているので、誘電膜への電荷の注入やトラップを抑制し、安定した駆動特性を有するアクチュエータを実現できる。
(Example 8)
Next, an actuator according to an eighth embodiment of the present invention will be described.
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view illustrating the structure of the actuator of the eighth example of the invention. As shown in FIG. 9, the
The lower
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10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10に表したように、本発明の実施形態のアクチュエータ105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。
By using the actuators of the embodiments and examples of the present invention described above, microswitches and capacitance variable capacitors can be formed, and various electronic circuits can be manufactured using them.
FIG. 10 is a schematic view illustrating an electronic circuit and an electronic device using the actuator of the embodiment of the invention.
As shown in FIG. 10, an
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。
The embodiments of the present invention have been described above with reference to specific examples. However, the present invention is not limited to these specific examples. For example, regarding the specific configuration of each element constituting the actuator, the scope of the present invention is within the scope of the present invention as long as a person skilled in the art can implement the present invention in the same manner by appropriately selecting from the well-known ranges and obtain the same effect. Is included.
Moreover, what combined any two or more elements of each specific example in the technically possible range is also included in the scope of the present invention as long as the gist of the present invention is included.
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。 In addition, all actuators that can be implemented by those skilled in the art based on the actuators described above as embodiments of the present invention are also within the scope of the present invention as long as they include the gist of the present invention.
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。 In addition, in the category of the idea of the present invention, those skilled in the art can conceive of various changes and modifications, and it is understood that these changes and modifications also belong to the scope of the present invention. .
101、102、103、104、105 アクチュエータ
110 基板
120 アンカー部
130 下地膜
140 固定電極
141 RF信号用固定電極
150 誘電膜
160 犠牲層
170、200、400 可動梁
171、231 可動電極
210 下部電極
220 下部圧電膜
230 中間電極
240 上部圧電膜
250 上部電極
310 上電極
320 下電極
410 DC駆動用下部電極
420 圧電膜
430 DC駆動用上部電極
500 電子回路
600 電子機器
101, 102, 103, 104, 105
Claims (6)
前記基板の主面の上に設けられた固定電極と、
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、
前記固定電極と前記可動梁との間に設けられ、配向半値全幅が4.6度以下でc軸配向した窒化アルミニウムからなる誘電膜と、
前記主面の上において前記固定電極の下に設けられアルミニウム化合物からなる下地膜と、
を備えたことを特徴とするアクチュエータ。 A substrate,
A fixed electrode provided on the main surface of the substrate;
A movable beam facing the main surface and held above the substrate with a gap;
A dielectric film made of aluminum nitride provided between the fixed electrode and the movable beam and having a full width at half maximum of 4.6 degrees or less and c-axis orientation;
A base film made of an aluminum compound provided on the main surface under the fixed electrode;
An actuator comprising:
前記基板の主面の上に設けられたRF信号用固定電極と、
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、DC駆動用下部電極と、圧電膜と、DC駆動用上部電極と、を含む可動梁と、
前記RF信号用固定電極と前記可動梁との間に設けられ、配向半値全幅が4.6度以下でc軸配向した窒化アルミニウムからなる誘電膜と、
前記主面の上において前記RF信号用固定電極の下に設けられアルミニウム化合物からなる下地膜と、
を備えたことを特徴とするアクチュエータ。 A substrate,
An RF signal fixed electrode provided on the main surface of the substrate;
A movable beam facing the main surface and held above the substrate with a gap, and including a DC driving lower electrode, a piezoelectric film, and a DC driving upper electrode;
A dielectric film made of aluminum nitride provided between the RF signal fixed electrode and the movable beam and having an orientation full width at half maximum of 4.6 degrees or less and c-axis orientation;
A base film made of an aluminum compound provided on the main surface under the RF signal fixed electrode;
An actuator comprising:
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007288325A JP5227566B2 (en) | 2007-11-06 | 2007-11-06 | Actuator |
US12/266,245 US20090135541A1 (en) | 2007-11-06 | 2008-11-06 | Actuator and electronic circuit based thereon |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007288325A JP5227566B2 (en) | 2007-11-06 | 2007-11-06 | Actuator |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2009118627A JP2009118627A (en) | 2009-05-28 |
JP5227566B2 true JP5227566B2 (en) | 2013-07-03 |
Family
ID=40785121
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2007288325A Expired - Fee Related JP5227566B2 (en) | 2007-11-06 | 2007-11-06 | Actuator |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP5227566B2 (en) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2011132532A1 (en) * | 2010-04-23 | 2011-10-27 | 株式会社村田製作所 | Piezoelectric actuator and manufacturing method for piezoelectric actuator |
WO2022153696A1 (en) * | 2021-01-12 | 2022-07-21 | ローム株式会社 | Mems switch |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP4496091B2 (en) * | 2004-02-12 | 2010-07-07 | 株式会社東芝 | Thin film piezoelectric actuator |
JP4373936B2 (en) * | 2005-02-02 | 2009-11-25 | 株式会社東芝 | Thin film piezoelectric resonator and manufacturing method thereof |
JP2006294866A (en) * | 2005-04-11 | 2006-10-26 | Toshiba Corp | Semiconductor device |
-
2007
- 2007-11-06 JP JP2007288325A patent/JP5227566B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2009118627A (en) | 2009-05-28 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8022599B2 (en) | Actuator | |
JP4496091B2 (en) | Thin film piezoelectric actuator | |
US7459827B2 (en) | Piezoelectric-driven MEMS device and method for manufacturing the same | |
KR100983441B1 (en) | Mems device and portable communication terminal with said mems device | |
US10587241B2 (en) | Temperature compensated acoustic resonator device having thin seed interlayer | |
US7675393B2 (en) | MEMS switch | |
US6992878B2 (en) | Tunable capacitor and method of fabricating the same | |
JP4109182B2 (en) | High frequency MEMS switch | |
Giacomozzi et al. | A flexible fabrication process for RF MEMS devices | |
CN108964631B (en) | Bulk acoustic wave resonator | |
JP2007005909A (en) | Electromechanical signal selection element, manufacturing method thereof, and electric apparatus using the method | |
US20090135541A1 (en) | Actuator and electronic circuit based thereon | |
JP5821967B2 (en) | Electric equipment having movable electrodes | |
JP5881635B2 (en) | MEMS equipment | |
JP5227566B2 (en) | Actuator | |
US20140183014A1 (en) | Electric equipment having movable portion, and its manufacture | |
US20140284730A1 (en) | Mems device and method of manufacturing the same | |
Kawakubo et al. | RF-MEMS tunable capacitor with 3 V operation using folded beam piezoelectric bimorph actuator | |
KR100348270B1 (en) | microwave film bulk acoustic resonator and method for fabricating the same | |
US20120048709A1 (en) | Rf mems switch with a grating as middle electrode | |
JP2007259669A (en) | Piezoelectric actuator, micromechanical device using same, variable-capacitance capacitor, and switch | |
JP4628275B2 (en) | Microswitching device and method for manufacturing microswitching device | |
JP5545410B2 (en) | Electronic device having variable capacitance element and manufacturing method thereof | |
US20210098681A1 (en) | Semiconductor structure and method for manufacturing thereof | |
KR100557316B1 (en) | Electro active polymer based bulk acoustic resonator |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20101014 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20120516 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20120522 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20120720 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20130222 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20130318 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20160322 Year of fee payment: 3 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |