WO2005117042A1 - 可変キャパシタ及びその製造方法 - Google Patents

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WO2005117042A1
WO2005117042A1 PCT/JP2004/007493 JP2004007493W WO2005117042A1 WO 2005117042 A1 WO2005117042 A1 WO 2005117042A1 JP 2004007493 W JP2004007493 W JP 2004007493W WO 2005117042 A1 WO2005117042 A1 WO 2005117042A1
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electrode
movable electrode
variable capacitor
movable
electrodes
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PCT/JP2004/007493
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French (fr)
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Takeaki Shimanouchi
Masahiko Imai
Tadashi Nakatani
Original Assignee
Fujitsu Limited
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G5/00—Capacitors in which the capacitance is varied by mechanical means, e.g. by turning a shaft; Processes of their manufacture
    • H01G5/16—Capacitors in which the capacitance is varied by mechanical means, e.g. by turning a shaft; Processes of their manufacture using variation of distance between electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01G5/01—Details
    • H01G5/015—Current collectors

Definitions

  • the present invention relates to a variable capacitor and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a MEMS (Micro
  • the present invention relates to a variable capacitor having opposing movable electrodes using Electro Mechanical System (Technology) technology and a method of manufacturing the same.
  • variable capacitor is an important component in an electric circuit including a variable frequency oscillator, a tuning amplifier, a phase shifter, an impedance matching circuit, and the like.
  • a variable capacitor has been increasingly mounted on a portable device.
  • variable capacitors fabricated using MEMS technology have the advantage of lower loss and higher Q factor, and their development is urgent.
  • FIGS. 1A and 1B are a cross-sectional view and a plan view showing a configuration of a conventional variable capacitor (for example, see Non-Patent Document 1).
  • This variable capacitor is configured such that the movable electrode substrate 11 having the unimorph type piezoelectric actuator 12 and the movable electrode 13 and the fixed electrode substrate 15 on which the fixed electrode 16 is provided are arranged such that the movable electrode 13 and the fixed electrode 16 face each other. And solder bumps 14 joined together.
  • the movable electrode 13 is moved by driving the piezoelectric actuator 12, and the distance between the movable electrode 13 and the fixed electrode 16 is varied to control the capacitance of the capacitor.
  • Non-Patent Document 1 Jan Y. Park, et al, "MICROMACHINED RF MEMS TUNABLE CAPACITORS USING PIEZOELECTRIC ACTUATORS", IEEE International Microwave Symposium, 2001
  • the above-described conventional variable capacitor has the following problems. Since the movable electrode 13 and the fixed electrode 16 are joined by the solder bump 14, the distance between the two electrodes is controlled by the solder bump 14, and the distance is reduced to a state close to zero. Therefore, when the piezoelectric actuator 12 is in the initial state, the capacitance of the capacitor cannot be increased.
  • the movable electrode 13 and the piezoelectric actuator 12 are connected by a torsion bar 17, and the movable electrode 13 and the piezoelectric actuator are connected. It is integrally formed with and electrically connected to the drive electrodes for the electrodes 12. Since the narrow torsion bar 17 is included in the line up to the movable electrode 13 that constitutes the capacitor, this part becomes equivalent series resistance (ESR), causing resistance loss, and the force is also variable. Since the signal line electrically connected to the electrode and the drive electrode for the piezoelectric actuator 12 are also used, the signal line comes into contact with the piezoelectric element, which is a high dielectric substance, and dielectric loss occurs.
  • ESR equivalent series resistance
  • the Q value becomes very small.
  • the line up to the movable electrode 13 cannot perform impedance matching, and a loss of input energy, that is, an insertion loss occurs. Therefore, the present inventor has been promoting technology development for solving this problem.
  • the present inventor has proposed a variable capacitor in which both opposing electrodes can be driven by a piezoelectric actuator (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-127973).
  • a variable capacitor having a configuration in which two movable electrodes are opposed to each other, since no bump is provided, the distance between the two electrodes can be easily reduced. And the change in capacitance can be increased.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and even in a small configuration, the capacitance can be increased, the rate of change of the capacitance can be increased, and the fine adjustment of the capacitance can be performed. It is an object of the present invention to provide a variable capacitor having a high Q factor and a manufacturing method thereof. To do.
  • Another object of the present invention is to provide a variable capacitor capable of preventing energy loss (insertion loss) of a signal input from the outside and a method for manufacturing the same.
  • Still another object of the present invention is to provide a variable capacitor capable of obtaining a large capacitance and a large change in the capacitance even when the driving voltage of the piezoelectric actuator is small, and a method of manufacturing the same. .
  • the variable capacitor according to the present invention is a variable capacitor in which opposing electrodes are movable, wherein the substrate, a movable electrode having a first electrode portion and a second electrode portion, and a plurality of piezoelectric elements for driving the movable electrode are provided.
  • An actuator wherein the movable electrodes face each other to form a capacitor, and the movable electrodes and the signal pads are conductively connected.
  • the movable electrode and the piezoelectric actuator for driving the movable electrode are provided on the same substrate, so that the configuration is small.
  • the distance between the two movable electrodes can be reduced, a large capacitance and a large change in capacitance can be realized, and fine adjustment of the capacitance is also easy.
  • the first electrode portion corresponding to the line (signal line) up to the second electrode portion forming the capacitor and the driving electrode for driving the piezoelectric actuator are electrically separated, so that the first electrode portion is formed. The part does not contact the piezoelectric body (high dielectric substance) of the piezoelectric actuator, suppressing insertion loss and improving the Q value.
  • a variable capacitor according to the present invention is characterized in that the movable electrode has the first electrode portion and the second electrode portion, and the movable electrodes are arranged vertically.
  • the first electrode portion corresponding to the line to the second electrode portion forming the capacitor does not include a narrow width and a torsion bar unlike the conventional example, and is equivalent to the first electrode portion. Since the series resistance can be reduced, the Q value can be improved.
  • each of the plurality of piezoelectric actuators includes a driving electrode and a piezoelectric element provided between the driving electrodes, and the driving electrode and the movable electrode are separated from each other. It is characterized by being.
  • the line portion contacts the piezoelectric element (high dielectric) as in the conventional example. You Power S is lost, and Q value can be improved.
  • the piezoelectric actuator is provided on both sides of the first electrode portion of the movable electrode, and the first electrode portion and the driving electrode of the piezoelectric actuator constitute a CPW line. It is characterized by having been done.
  • impedance matching can be easily performed by adjusting the width of the first electrode portion and the interval between the first electrode portion and the drive electrode of the piezoelectric actuator in the CPW type line. Loss is eliminated and Q value can be improved.
  • variable capacitor according to the present invention is characterized in that a dielectric layer is provided between the second electrode portions facing the movable electrode.
  • the dielectric layer is provided between the second electrode portions forming the capacitor, the capacitance and the amount of change thereof can be further increased.
  • variable capacitor according to the present invention is characterized in that at least one of the movable electrodes is connected to a ground electrode and is laid.
  • stray capacitance is suppressed by connecting one movable electrode to the ground electrode.
  • variable capacitor according to the present invention is characterized in that one of the movable electrodes is electrically isolated in the vicinity of a boundary between the first electrode portion and the second electrode portion.
  • the signal input to the one first electrode portion Arrives at the end of the other first electrode portion after passing through the second electrode portion, and there is no reflection there, thereby reducing the energy loss (insertion loss) of the input signal.
  • a variable capacitor according to the present invention is a variable capacitor including a movable electrode movable in a facing direction thereof and a plurality of piezoelectric actuators for driving the movable electrode, wherein a voltage is applied between the movable electrodes.
  • Voltage applying means for applying the voltage wherein the voltage applying means applies a voltage between the movable electrodes in a state where the movable electrodes are brought close to each other by driving the piezoelectric actuator. It is characterized.
  • a voltage is applied between the pair of movable electrodes while the pair of movable electrodes is brought close to each other by driving the piezoelectric actuator to generate a voltage between the pair of movable electrodes.
  • the distance between the two movable electrodes is further reduced by the electrostatic attraction.
  • a step of forming a plurality of the piezoelectric actuators on a substrate Forming a movable electrode having a first electrode portion and a second electrode portion on the substrate, forming a sacrificial layer for forming a gap between the movable electrodes, and removing the sacrificial layer; And a step of separating portions of the plurality of piezoelectric actuators other than the ends of the first electrode portion of the movable electrode from the substrate.
  • a pair of movable electrodes and a piezoelectric actuator for driving them are easily formed on the same substrate.
  • the method for manufacturing a variable capacitor according to the present invention is a method for manufacturing a variable capacitor in which electrodes are movable by driving a piezoelectric actuator.
  • Forming a plurality of the piezoelectric actuators on a substrate forming a movable electrode having a first electrode portion and a second electrode portion on the substrate, forming a dielectric layer between the movable electrodes, Forming a sacrificial layer for forming a gap between any one of the movable electrodes and the dielectric layer; removing the sacrificial layer; removing end portions of the plurality of piezoelectric actuators; And separating the movable electrode except for the end of the first electrode portion with the substrate force.
  • a pair of movable electrodes, a piezoelectric actuator for driving these, and a dielectric layer between the pair of movable electrodes are easily formed on the same substrate.
  • a method of manufacturing a variable capacitor according to the present invention is characterized in that the removing step and the separating step are performed simultaneously.
  • the capacitance can be increased, the rate of change of the capacitance can be increased, the capacitance can be finely adjusted, and the variable resistance excellent in impact resistance can be obtained.
  • Capacitors can be provided. Also, the movable electrode and the piezoelectric actuator are electrically separated. As a result, the structure of the torsion bar that causes the equivalent series resistance is eliminated, and a wide line portion (first electrode portion) is secured up to the capacitor forming portion (second electrode portion), so that a high Q value can be obtained.
  • the portion where the capacitor is formed and its surrounding portion are suspended from the substrate, the effect of the dielectric constant of the substrate and the like is eliminated, and a high Q value can be obtained.
  • one of the variable electrodes is electrically separated in the vicinity of the boundary between the first electrode portion and the second electrode portion, so that the energy loss ( ⁇ Loss).
  • a voltage is applied between the pair of movable electrodes in a state where the pair of movable electrodes is brought close to each other by driving the piezoelectric actuator, so that an electrostatic force generated between the pair of movable electrodes is generated.
  • the distance between the two movable electrodes can be further reduced by the attractive force, and a large capacitance and a large change in the capacitance can be obtained.
  • the electrostatic attractive force is generated in a state where the pair of movable electrodes are brought close to each other by driving the piezoelectric actuator, a large electrostatic attractive force can be generated with a small driving voltage.
  • FIG. 3 is a perspective view of the variable capacitor according to the first embodiment
  • FIG. 4 is an exploded perspective view of the variable capacitor.
  • reference numeral 21 denotes a substrate formed of silicon, a compound semiconductor, or the like.
  • a cross-shaped opening 40 is provided in the center of the substrate 21, and an insulating layer 23 is provided on the upper surface of the substrate 21.
  • reference numerals 35 and 37 denote a lower movable electrode and an upper movable electrode made of Al (aluminum).
  • the lower movable electrode 35 is composed of line portions 35a and 35a at both ends as a first electrode portion and a central capacitor portion 35b as a second electrode portion, and one end of the line portion 35a is an outer portion. It is connected to a signal pad 45 to which a signal is input from a high-frequency signal source (not shown), and the other end of the line portion 35a is connected to the insulating layer 23 and is electrically separated from the ground electrode 44.
  • the lower movable electrode 35 is supported by the substrate 21, and other parts of the lower movable electrode 35 except for these ends are located on the opening 40.
  • the upper movable electrode 37 is composed of line portions 37a, 37a at both ends as a first electrode portion and a central capacitor portion 37b as a second electrode portion, and the end portions of both line portions 37a, 37a are formed. Are connected to the ground electrode 44. At these ends, the upper movable electrode 37 is supported by the substrate 21, and other portions of the upper movable electrode 37 except these ends are located on the opening 40.
  • the lower movable electrode 35 and the upper movable electrode 37 are arranged in a cross shape in accordance with the opening 40 of the substrate 21, and the capacitor portion 35b of the lower movable electrode 35 and the capacitor portion 37b of the upper movable electrode 37 are connected to each other. Are opposed via an air space.
  • the opposing capacitor section 35b and capacitor section 37b function as a capacitor.
  • the lower movable electrode 35 and the upper movable electrode 37 which are electrically separated from each other may be used in a state where they are floated by a ground force. However, in order to reduce the stray capacitance, the upper movable electrode 37 is grounded. Connected to electrode 44.
  • the lower movable electrode 35 and the upper movable electrode 37 are driven by four lower movable electrode actuators 27a, 27b, 27c, 27d and upper movable electrode actuators 29a, 29b, 29c, 29d, respectively.
  • the lower movable electrode actuators 27a-27d and the upper movable electrode actuators 29a-29d face the opening 40 of the substrate 21.
  • the lower movable electrode actuator 27 (typically, only one reference numeral 27 will be used when describing one lower movable electrode actuator) and the upper movable electrode actuator 29 (typically, one upper movable electrode actuator) In the description, the reference numeral 29 is simply used) is a piezoelectric actuator in which an insulating layer 23, a lower electrode 31 for the actuator, a piezoelectric layer 34, and an upper electrode 33 for the actuator are laminated in this order from below. It has a unimorph configuration.
  • the lower electrode 31 for the actuator is made of Pt / Ti (platinum Z titanium), and the upper electrode 33 for the actuator is made of Pt, both of which are separate from the lower movable electrode 35 and the upper movable electrode 37. It is.
  • the signal input to the signal pad 45 from the high-frequency signal source passes through the line portion 35a of the lower movable electrode 35, and from the capacitor portion 35b via the air layer, the upper movable electrode 37 facing the capacitor portion 35b. Flows into the ground electrode 44 via the capacitor portion 37b and the line portion 37a.
  • Actuator for lower movable electrode 2 By reversing the polarization direction of the piezoelectric layer 34 of each of the actuator 7 and the upper movable electrode actuator 29, the moving directions at the time of driving the actuator are made to be opposite.
  • the lower movable electrode 35 By applying a voltage from a lower movable electrode driving power source (not shown) to the lower movable electrode driving pad 42 to the upper actuator electrode 33 of the lower movable electrode actuator 27, the lower movable electrode 35 By applying a voltage from a power supply (not shown) for driving the upper movable electrode to the upper electrode 33 for the actuator of the actuator for the upper movable electrode to the movable electrode 37 side to the upper movable electrode drive pad 43, the upper movable electrode is driven. 37 moves independently to the lower movable electrode 35 side.
  • the actuator 27 for the lower movable electrode and / or the actuator 29 for the upper movable electrode by driving the actuator 27 for the lower movable electrode and / or the actuator 29 for the upper movable electrode, the distance between the upper movable electrode 37 (the capacitor section 37b) and the lower movable electrode 35 (the capacitor section 35b) is changed. Accordingly, a desired capacitance can be obtained.
  • FIG. 5 shows a cross section taken along line BB and line CC in FIG.
  • the line portion 35a of the lower movable electrode 35 and the line portion 37a of the upper movable electrode 37 are sandwiched by the lower electrode 31 for actuator connected to the ground electrode 44.
  • these line portions 35a and 37a are CPW type lines, and by adjusting the distance wl between the lower electrode 31 for the actuator and the line portion 35a or 37a, and the width w2 of the line portion 35a or 37a, The insertion loss is eliminated by setting the impedance of 35a or 37a to 50 ⁇ .
  • FIGS. 6 and 7 show cross sections taken along the line AA in FIG.
  • LPCVD Low Pressure Chemical Vapor
  • a low-stress silicon nitride layer 23a is formed by the D-marked osition method, and then a Pt / Ti (for example, 0.5 ⁇ / 50 ⁇ ) layer 31a, lithium niobate, barium titanate, titanium
  • a piezoelectric layer 34a (for example, 0.5 zm thick) made of lead oxide, lead dinoleconate titanate, bismuth titanate, or the like is sequentially formed (FIG. 6 (a)).
  • the piezoelectric layer 34a and the lower electrode 31 for the actuator are formed from the piezoelectric layer 34a and the Pt / Ti layer 31a by the patterning process of the photolithography technique (FIGS. 6B and 6C).
  • a RIE Reactive Ion Etching
  • C12 / Ar chlorine / argon
  • an ion milling apparatus is used for the pattern Jung processing.
  • An upper electrode 33 for a Pt actuator is formed on the piezoelectric layer 34 by photolithography (FIG. 6 (d)), and the insulating layer 23 is obtained by patterning the silicon nitride layer 23a. (Fig. 6 (e)).
  • a silicon oxide layer formed by a sputtering method, a thermal oxidation method, or a CVD method may be used in addition to the silicon nitride layer.
  • the substrate 21 around the lower movable electrode 35, the upper movable electrode 37, the lower movable electrode actuator 27, and the upper movable electrode actuator 29 is etched from the back surface thereof by a DRIE (De-marked Reactive Ion Etching) apparatus.
  • a DRIE De-marked Reactive Ion Etching
  • an opening 40 is formed (FIG. 7 (i)).
  • the etching gas used in this process is, for example, SF6 (sulfur hexafluoride), and the mask for forming the opening 40 is a resist.
  • the sacrificial layer 41 is removed by etching to secure a gap 42 between the lower movable electrode 35 and the upper movable electrode 37, thereby producing a variable capacitor (FIG. 7).
  • the sacrificial layer 41 is first removed to secure a gap 42 between the lower movable electrode 35 and the upper movable electrode 37.
  • the substrate 21 may be etched to form the opening 40.
  • an oxide such as Mg ⁇ (magnesium oxide) can be used in addition to the above-mentioned resist, and in this case, acetic acid or nitric acid may be used as an etchant.
  • FIG. 8 shows a modification of the method for manufacturing a variable capacitor.
  • the first half of the manufacturing process in this modified example is the same as the above-described example (FIGS. 6A and 7F).
  • Same material as substrate 21 A sacrificial layer 41 of a predetermined shape made of silicon is formed (FIG. 8A), and an upper movable electrode 37 of A1 of a predetermined shape is formed at a position facing the lower movable electrode 35 (FIG. 8B). .
  • the sacrifice layer 41 and the substrate 21 are simultaneously etched from the surface side of the substrate 21 using, for example, SF6 gas to form a cavity 47 (FIG. 8C).
  • SF6 gas SF6 gas
  • the remaining portions except the ends of the line portions 35a and 37a of the lower movable electrode 35 and the upper movable electrode 37, and the respective ends of the lower movable electrode actuator 27 and the upper movable electrode actuator 29 are removed.
  • the separation from the substrate 21 is the same as in the above-described example. Since the force is etched from the surface side of the substrate 21, the opening 47 is not formed as in the above-described example, and the cavity 47 is formed.
  • FIG. 9 shows an exploded perspective view of a variable capacitor manufactured according to this modification.
  • a cross-shaped cavity 47 is provided at the center of the substrate 21. Note that in FIG. 9, the same portions as those in FIGS. 3 and 4 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
  • FIG. 10 is an exploded perspective view of the variable capacitor according to the second embodiment
  • FIGS. 11 and 12 are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of the variable capacitor.
  • a space 50 is provided between the insulating layer 23 and the substrate 21.
  • the substrate 21 is made of a material other than silicon, such as glass, sapphire, alumina, glass ceramics, and gallium arsenide. Other configurations are the same as those of the first embodiment, and the same portions are denoted by the same reference numerals.
  • the layers 34a are sequentially formed (FIG. Ll (a)).
  • the piezoelectric layer 34, the lower electrode 31 for the actuator, the upper electrode 33 for the actuator, and the insulating layer 23 having a predetermined shape are obtained (FIGS. 11 (b)-(e)).
  • the sacrificial layer 41 is removed by etching to secure a gap 42 between the lower movable electrode 35 and the upper movable electrode 37 (FIG. 12 (i)), and the second sacrificial layer 51 is removed by etching.
  • a variable capacitor is manufactured by securing a space 50 between the substrate 21 and the lower movable electrode 35 and the insulating layer 23 (FIG. 121). Note that the same material may be used for the sacrificial layer 41 and the second sacrificial layer 51, and the etching of the sacrificial layer 41 and the etching of the second sacrificial layer 51 may be performed simultaneously.
  • the substrate 21 since the lower movable electrode 35 can be suspended in the air by the substrate 21 by etching the second sacrificial layer 51, the substrate 21 does not need to be etched and can be used as the substrate 21.
  • the types of materials will increase. For example, a material such as glass ceramic having a low dielectric constant and difficult to be etched can be used as the substrate 21. This makes it possible to further improve the Q value.
  • FIG. 13 is an exploded perspective view of the variable capacitor (only the movable electrode and the piezoelectric actuator) according to the third embodiment
  • FIGS. 14 and 15 are cross-sectional views showing the steps of manufacturing the variable capacitor.
  • the dielectric layer 46 is provided between the lower movable electrode 35 (capacitor portion 35b) and the upper movable electrode 37 (capacitor portion 37b).
  • Other configurations are the same as those of the first embodiment, and the same portions are denoted by the same reference numerals and description thereof will be omitted.
  • the dielectric layer 46 may be provided on the upper movable electrode 37 (capacitor portion 37b) side as shown in FIG. 13, or may be provided on the lower movable electrode 35 (capacitor portion 35b). It can be installed on the) side.
  • the installation of the dielectric layer 46 increases the mass of the movable part, which slightly lowers the resonance frequency or lowers the movable speed. However, as will be described later, the capacitance and the rate of change thereof can be greatly increased. .
  • FIG. 16 is a diagram showing the effect of the dielectric layer 46.
  • a dielectric layer 46 is provided on the capacitor portion 37b side of the upper movable electrode 37 as shown in FIG.
  • FIG. 16 (b) is a graph showing a change in capacitance C when the thickness of the air layer d2 is changed by moving the capacitor portion 35b and / or the capacitor portion 37b.
  • FIG. 16 (b) also shows the change of the capacitance C in the comparative example in which only the point that such a dielectric layer is not provided is different.
  • the initial state was about 1.36 pF
  • the capacitor portion 35b was in contact with the dielectric layer 46. It has a capacitance of about 10.4 pF in the state, and its rate of change is about 7.6 times.
  • the capacitance and its variable range can be extremely increased.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view showing an example of the manufacturing process of the variable capacitor according to the third embodiment (the dielectric layer 46 is provided on the upper movable electrode 37 (capacitor portion 37b) side).
  • the first half steps are the same as the above-described steps of the first embodiment (FIGS. 6 (a) to 7 (g)).
  • a photolithography technique is used to form a dielectric layer 46 made of A12 03 on the sacrificial layer 41 (FIG. 14 (a)), and a predetermined shape A1 is formed at a position facing the lower movable electrode 35.
  • An upper movable electrode 37 is formed (FIG. 14B).
  • the substrate 21 around the lower movable electrode 35, the upper movable electrode 37, the lower movable electrode actuator 27, and the upper movable electrode actuator 29 is etched from the back surface thereof with a DRIE device to form an opening 40 ( ( Figure 14 (c)).
  • the sacrificial layer 41 is removed by etching to secure a gap 42 between the lower movable electrode 35 and the dielectric layer 46, thereby producing a variable capacitor (FIG. 14D).
  • FIG. 15 is a cross-sectional view showing another example of the manufacturing process of the variable capacitor according to the third embodiment (the dielectric layer 46 is provided on the lower movable electrode 35 (capacitor portion 35b) side).
  • the first half of the process is the same as the above-described process of the first embodiment (FIGS. 6A and 7F).
  • a dielectric layer 46 made of A1233 is patterned on the lower movable electrode 35 by photolithography (FIG. 15A).
  • Place sacrificial layer 41 of resist material or MgO A fixed shape is formed (FIG. 15 (b)), and an upper movable electrode 37 made of a predetermined shape A1 is formed at a position facing the lower movable electrode 35 (FIG. 15 (c)).
  • the substrate 21 around the lower movable electrode 35, the upper movable electrode 37, the lower movable electrode actuator 27, and the upper movable electrode actuator 29 is etched from the back surface thereof by a DRIE device to form an opening 40 (FIG. 15 (d)).
  • the sacrificial layer 41 is removed by etching to secure a gap 42 between the dielectric layer 46 and the upper movable electrode 37, thereby producing a variable capacitor (FIG. 15E).
  • the sacrificial layer 41 is first removed and the gap 42 is secured.
  • the opening 21 may be formed by etching the substrate 21.
  • the material of the sacrificial layer 41 is the same as that of the substrate 21, and the sacrificial layer 41 and the substrate 21 are sequentially or simultaneously formed on the substrate. Etching may be performed from the surface side of 21.
  • FIG. 17 shows the fourth embodiment.
  • FIG. 17 (a) is a top view of the variable capacitor according to the fourth embodiment
  • FIG. 17 (b) is an enlarged view of a portion D in FIG. 17 (a). It is.
  • the capacitor portion 35b and the other line portion 35a are electrically separated.
  • the lower movable electrode 35 has passed a portion where the lower movable electrode 35 and the upper movable electrode 37 face each other to form a capacitor (a portion facing the capacitor portion 35b and the capacitor portion 37b).
  • the separated line portion 35a may be connected to the ground electrode 44 to be set to the ground potential.
  • the signal input from the signal pad 45 passes through the capacitor section 35b through the one line section 35a and reaches the end of the other line section 35a opposite to the signal pad 45.
  • the reflected signal is not reflected there, and such a reflected signal can be removed, so that the energy loss of the input signal can be prevented.
  • FIG. 18 is a top view of the variable capacitor according to the fifth embodiment.
  • a power supply circuit 48 is provided between the signal pad 45 and the ground electrode 44, and the signal pad 45 (below) is provided.
  • a voltage can be applied between the lower movable electrode 35) and the ground electrode 44 (the upper movable electrode 37).
  • the fifth embodiment relates to a method for adjusting the distance between the lower movable electrode 35 (capacitor portion 35b) and the upper movable electrode 37 (capacitor portion 37b).
  • the lower movable electrode 35 and the upper movable electrode are powered by the power supply circuit 48.
  • a voltage is applied between the two electrodes, and the distance between the two electrodes is further reduced by electrostatic attraction generated between the two electrodes.
  • the two-stage distance control of the piezoelectric actuator drive and the electrostatic actuator (attraction) drive is performed, so that both movable electrodes can be brought closer to each other and more static.
  • a large change in capacitance can be obtained. Since an electrostatic attractive force is generated in a state where both movable electrodes are brought close to each other by the piezoelectric actuator, a large capacitance and a large change in capacitance can be obtained.
  • a piezoelectric actuator since a piezoelectric actuator generates electrostatic attraction when both movable electrodes are close to each other, a large electrostatic bow force can be generated with a small driving voltage.
  • the lower movable electrode actuator 27 and the upper movable electrode actuator 29 have a unimorph-type force.
  • the present invention is not limited to this.
  • a parallel connection type bimorph shown in FIG. 19 (a) or a series connection type bimorph shown in FIG. 19 (b) is acceptable.
  • piezoelectric elements 54a and 54b polarized above and below the intermediate electrode 63 are provided in the directions indicated by arrows.
  • the piezoelectric element 54a is provided with a lower drive electrode 53
  • the piezoelectric element 54b is provided with an upper drive electrode 55.
  • the application of the DC voltage V deforms the neuromorph.
  • the actuator 27 for the lower movable electrode and the actuator 29 for the upper movable electrode are of the bimorph type, the insulating layer 23 in contact with the lower electrode 31 for the actuator is unnecessary in each of the above-described embodiments.
  • the present invention includes other various embodiments or modifications that are not limited to the above-described embodiments or modifications.
  • the distance between the two movable electrodes or the distance between the movable electrode and the dielectric layer is reduced (the capacitance is increased).
  • the piezoelectric actuator is driven as described above.
  • the piezoelectric actuator may be driven so that the distance between them is increased (the capacitance is reduced).
  • the direction in which the unimorph type piezoelectric actuator is deformed should be reversed.
  • the variable capacitor according to the above-described embodiment or the modified example may be housed in a ceramic package. In such a case, the external connection terminals provided on the package and various pads such as the signal pads 45 provided on the substrate 21 are connected by connection members such as wires or bumps.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view and a plan view showing a configuration of a conventional variable capacitor.
  • FIG. 2 is a graph showing a relationship between a capacitance of a capacitor and a distance between electrodes.
  • FIG. 3 is a perspective view of a variable capacitor according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is an exploded perspective view of the variable capacitor according to the first embodiment.
  • FIG. 5 is a sectional view taken along lines B_B and C_C in FIG. 3.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the variable capacitor according to the first embodiment.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the variable capacitor according to the first embodiment.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view showing a modification of the manufacturing process of the variable capacitor according to the first embodiment.
  • FIG. 9 is an exploded perspective view of a modification of the variable capacitor according to the first embodiment.
  • FIG. 10 is an exploded perspective view of a variable capacitor according to a second embodiment.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the variable capacitor according to the second embodiment.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view illustrating a process for manufacturing the variable capacitor according to the second embodiment.
  • FIG. 13 shows a variable capacitor according to a third embodiment (only the movable electrode and the piezoelectric actuator).
  • FIG. 1 A first figure.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view showing an example of the manufacturing process of the variable capacitor according to the third embodiment.
  • FIG. 15 is a cross-sectional view showing another example of the manufacturing process of the variable capacitor according to the third embodiment.
  • FIG. 16 illustrates the effect of the dielectric layer in the variable capacitor according to the third embodiment.
  • FIG. 18 is a top view of the variable capacitor according to the fifth embodiment.
  • FIG. 19 is a view for explaining a bimorph type piezoelectric actuator. Explanation of symbols

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Abstract

　両端側の線路部３５ａ，３５ａ及び中央側のキャパシタ部３５ｂを有する下部可動電極３５と、両端側の線路部３７ａ，３７ａ及び中央側のキャパシタ部３７ｂを有する上部可動電極３７とを、キャパシタ部３５ｂ，３７ｂが対向するように配置し、下部可動電極３５を駆動する下部可動電極用アクチュエータ２７ａ，２７ｂ，２７ｃ，２７ｄ及び上部可動電極３７を駆動する上部可動電極用アクチュエータ２９ａ，２９ｂ，２９ｃ，２９ｄの駆動電極を、下部可動電極３５及び上部可動電極３７とは電気的に分離して設ける。これらのアクチュエータ２７ａ～２７ｄ及び／または２９ａ～２９ｄにより、下部可動電極３５及び／または上部可動電極３７を移動させ、両キャパシタ部３５ｂ，３７ｂ間の距離を調整して静電容量を制御する。

Description

明 細 書
可変キャパシタ及びその製造方法
技術分野
[0001] 本発明は、可変キャパシタ及びその製造方法に関し、特に、 MEMS (Micro
Electro Mechanical System)技術を用いた対向する可動電極を有する可変キャパシタ 及びその製造方法に関する。
背景技術
[0002] 可変キャパシタは、可変周波数発振器、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あり、近年、携帯機器への搭 載が増えてきている。現在主に使用されているバラクダダイオードに比べて、 MEMS 技術を用いて作製された可変キャパシタは、損失が小さくて Q値を高くできるという利 点があり、その開発が急がれている。
[0003] 図 1 (a) , (b)は、従来の可変キャパシタの構成を示す断面図，平面図である（例え ば、非特許文献 1参照）。この可変キャパシタは、ュニモルフ型の圧電ァクチユエータ 12及び可動電極 13を有する可動電極用基板 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 1 4で接合させた構成をなしている。圧電ァクチユエータ 12の駆動によって可動電極 1 3を移動させ、可動電極 13及び固定電極 16間の距離を変動させてキャパシタの容 量を制御する。
非特許文献 1： Jan Y. Park, et al, "MICROMACHINED RF MEMS TUNABLE CAPACITORS USING PIEZOELECTRIC ACTUATORS", IEEE International Microwave Symposium, 2001
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0004] し力 ながら、上述した従来の可変キャパシタには、以下のような問題がある。可動 電極 13と固定電極 16とをソルダーバンプ 14で接合させているため、両電極間の距 離がソルダーバンプ 14で制御されることになり、その距離を 0に近い状態まで小さく することができず、圧電ァクチユエータ 12が初期状態であるときのキャパシタの静電 容量は大きくなれない。
[0005] キャパシタの静電容量 Cとキャパシタを構成する電極間の距離 dとの間には、 C = ε 0 ε r S/d ( ε 0：真空中の誘電率、 ε r：比誘電率、 S：電極の面積）の関係があり、 静電容量 C及び電極間距離 dとの関係を図 2に示す。図 2では、縦軸及び横軸の目 盛りを初期状態 C及び dで規格化している。圧電ァクチユエータの変化量が一定であ る場合、両電極が離れた状態よりも、近づいた状態の方が静電容量の変化の割合が 大きくなる。したがって、初期状態のときの静電容量が大きくなれない（小さい）という ことは、静電容量の変化も大きくなれない（小さい）ことになる。
[0006] この従来例の可変キャパシタでは、図 1 (b)に示すように、可動電極 1 3と圧電ァクチ ユエータ 1 2とがトーシヨンバー 1 7で接続されており、可動電極 1 3と圧電ァクチユエ一 タ 1 2用の駆動電極とは一体的に構成されて電気的に接続されている。キャパシタを 構成する可動電極 13までの線路に、幅が狭いトーシヨンバー 17が含まれているため 、この部分が等価直列抵抗（ESR : Equivalent Series Resistance)となって抵抗損失 が発生し、し力も可変キャパシタに電気的に接続される信号線路と圧電ァクチユエ一 タ 1 2用の駆動電極とが兼用されているため、この信号線路は高誘電体である圧電素 子と接触して誘電損失が発生し、 Q値が非常に小さくなるという問題がある。また可動 電極 1 3までの線路はインピーダンス整合が行えずに入力されたエネルギの損失、つ まり挿入損失も発生している。そこで、本発明者は、この問題を解決するための技術 開発を推し進めている。
[0007] なお、本発明者は、対向する 2つの電極を何れも圧電ァクチユエータにて駆動可能 な構成とした可変キャパシタを提案している（特開 2004—127973号公報)。このよう な 2つの可動電極を対向させた構成をなす可変キャパシタでは、バンプが設けられて いないため、両電極間の距離を容易に小さくできるので、小型の構成であっても大き な静電容量が得られると共に静電容量の変化を大きくできるという効果を奏する。
[0008] 本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、小型の構成であっても静電容量 を大きくできると共に静電容量の変化の割合を大きくでき、静電容量の微調整も可能 であり、し力、も Q値が高い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。
[0009] 本発明の他の目的は、外部から入力された信号のエネルギ損失 (挿入損失）を防 止できる可変キャパシタ及びその製造方法を提供することにある。
[0010] 本発明の更に他の目的は、圧電ァクチユエータの駆動電圧が小さくても大きな静電 容量と静電容量の大きな変化とを得ることができる可変キャパシタ及びその製造方法 を提供することにある。
課題を解決するための手段
[0011] 本発明に係る可変キャパシタは、対向する電極が移動可能である可変キャパシタ において、基板と、第 1電極部及び第 2電極部を有する可動電極と、前記可動電極を 駆動する複数の圧電ァクチユエ一タとを備え、前記可動電極が対向してキャパシタを 構成しており、前記可動電極と信号パッドとを導電接続してあることを特徴とする。
[0012] 本発明にあっては、可動電極と可動電極を駆動する圧電ァクチユエ一タとを同一の 基板に設けているため、小型の構成である。また、各可動電極を移動できるため、両 可動電極間の距離を小さくできて、大きな静電容量と静電容量の大きな変化とを実 現し、静電容量の微調整も容易である。また、キャパシタを構成する第 2電極部まで の線路 (信号線）に相当する第 1電極部と、圧電ァクチユエータを駆動するための駆 動電極とが電気的に分離しているため、第 1電極部が圧電ァクチユエータの圧電体（ 高誘電体）と接触せず、挿入損失を抑え、 Q値の向上を図れる。
[0013] 本発明に係る可変キャパシタは、前記可動電極は、前記第 1電極部と第 2電極部と を有しており、前記可動電極を上下に配置してあることを特徴とする。
[0014] 本発明にあっては、キャパシタを構成する第 2電極部への線路に相当する第 1電極 部には、従来例のような幅が狭レ、トーシヨンバーが含まれておらず、等価直列抵抗を 小さくできるため、 Q値の向上を図れる。
[0015] 本発明に係る可変キャパシタは、前記複数の圧電ァクチユエータ夫々は、駆動電 極と該駆動電極間に設けられた圧電素子とを含んでおり、前記駆動電極と前記可動 電極とは別体であることを特徴とする。
[0016] 本発明にあっては、キャパシタ用の可動電極と圧電ァクチユエータ用の駆動電極と を別体で構成しているため、従来例のように線路部が圧電素子（高誘電体）に接触す ること力 S無くなり、 Q値の向上を図れる。
[0017] 本発明に係る可変キャパシタは、前記可動電極の第 1電極部の両側に前記圧電ァ クチユエータを設けており、前記第 1電極部と前記圧電ァクチユエータの駆動電極と により CPW型線路を構成してあることを特徴とする。
[0018] 本発明にあっては、 CPW型線路における第 1電極部の幅と第 1電極部及び圧電ァ クチユエータの駆動電極の間隔とを調整することによりインピーダンス整合を容易に 行えるため、揷入損失が無くなり、 Q値の向上を図れる。
[0019] 本発明に係る可変キャパシタは、前記可動電極の対向する前記第 2電極部間に誘 電体層を設けてあることを特徴とする。
[0020] 本発明にあっては、キャパシタを構成する第 2電極部間に誘電体層を設置している ため、静電容量及びその変化量の更なる増大を図れる。
[0021] 本発明に係る可変キャパシタは、前記可動電極の少なくとも一方が接地電極に接 続されてレヽることを特徴とする。
[0022] 本発明にあっては、一方の可動電極を接地電極に接続させることにより、浮遊容量 を抑制する。
[0023] 本発明に係る可変キャパシタは、前記可動電極の何れか一方の前記第 1電極部と 前記第 2電極部との境界部近傍が電気的に分離されていることを特徴とする。
[0024] 本発明にあっては、一方の可動電極が第 1電極部と第 2電極部との境界部近傍で 電気的に分離されているため、一方の第 1電極部に入力された信号が第 2電極部を 通りすぎて他方の第 1電極部の端までたどり着き、そこで反射するようなことが無くなり 、入力信号のエネルギ損失 (挿人損失)を低減する。
[0025] 本発明に係る可変キャパシタは、その対向方向に移動可能である可動電極と、該 可動電極を駆動する複数の圧電ァクチユエ一タとを備えた可変キャパシタにおいて、 前記可動電極間に電圧を印加する電圧印加手段を備えており、前記圧電ァクチユエ ータの駆動にて前記可動電極を接近させた状態で、前記電圧印加手段にて前記可 動電極間に電圧を印加するように構成したことを特徴とする。
[0026] 本発明にあっては、圧電ァクチユエータの駆動により一対の可動電極を接近させた 状態で、一対の可動電極間に電圧を印加することにより、一対の可動電極間に発生 する静電引力によって両可動電極間の距離を更に小さくする。
[0027] 本発明に係る可変キャパシタの製造方法は、電極が、圧電ァクチユエータの駆動に よって、移動可能である可変キャパシタを製造する方法において、基板に複数の前 記圧電ァクチユエータを形成する工程と、第 1電極部及び第 2電極部を有する可動 電極を前記基板に形成する工程と、前記可動電極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除去工程と、前記複数の前記圧電ァク チュエータの端部及び前記可動電極の第 1電極部の端部を除く部分を前記基板か ら切り離す切離し工程とを有することを特徴とする。
[0028] 本発明にあっては、同一の基板上に、一対の可動電極及びこれらを駆動する圧電 ァクチユエータを容易に形成する。
[0029] 本発明に係る可変キャパシタの製造方法は、電極が、圧電ァクチユエータの駆動に よって、移動可能である可変キャパシタを製造する方法にぉレ、て、
基板に複数の前記圧電ァクチユエータを形成する工程と、第 1電極部及び第 2電極 部を有する可動電極を前記基板に形成する工程と、前記可動電極間に誘電体層を 形成する工程と、前記可動電極の何れか一方及び前記誘電体層間に間隙を形成す 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除去工程と、前記複数の 前記圧電ァクチユエ一タの端部及び前記可動電極の第 1電極部の端部を除く部分を 前記基板力 切り離す切離し工程とを有することを特徴とする。
[0030] 本発明にあっては、同一の基板上に、一対の可動電極、これらを駆動する圧電ァク チユエータ及び一対の可動電極間の誘電体層を容易に形成する。
[0031] 本発明に係る可変キャパシタの製造方法は、前記除去工程及び前記切離し工程を 同時的に行うことを特徴とする。
[0032] 本発明にあっては、犠牲層の除去工程と端部を除いた可動電極及び圧電ァクチュ エータの基板からの切離し工程とを同時に行うことにより、作業効率が向上する。 発明の効果
[0033] 本発明では、小型の構成であっても静電容量を大きくできると共に静電容量の変化 の割合を大きくでき、静電容量の微調整も可能であり、耐衝撃性に優れた可変キャパ シタを提供することができる。また、可動電極と圧電ァクチユエ一タとを電気的に分離 して、等価直列抵抗の原因となるトーシヨンバーの構造を無くし、キャパシタ形成部（ 第 2電極部）までに幅広い線路部（第 1電極部）を確保したので、高い Q値を得ること ができる。
[0034] また、本発明では、キャパシタ形成部分及びその周囲部分を基板から宙に浮かせ た状態としたので、基板などの誘電率の影響が無くなり、高い Q値を得ることができる
[0035] また、本発明では、第 1電極部と第 2電極部との境界部近傍で一方の可変電極を 電気的に分離するようにしたので、外部から入力された信号のエネルギ損失 (揷入損 失）を防止することができる。
[0036] 更に、本発明では、圧電ァクチユエータの駆動により一対の可動電極を接近させた 状態で、一対の可動電極間に電圧を印加するようにしたので、一対の可動電極間に 発生する静電引力によって両可動電極間の距離を更に小さくすることができ、大きな 静電容量と静電容量の大きな変化とを得ることができる。また、圧電ァクチユエータの 駆動により一対の可動電極を接近させた状態で、静電引力を発生させるため、小さ な駆動電圧で大きな静電引力を発生できる。
発明を実施するための最良の形態
[0037] 本発明をその実施の形態を示す図面を参照して具体的に説明する。なお、本発明 は以下の実施の形態に限定されるものではない。
[0038] (第 1実施の形態）
図 3は第 1実施の形態に係る可変キャパシタの斜視図、図 4は同じくその分解斜視 図である。図中 21は、シリコン，化合物半導体などで形成される基板である。基板 21 の中央部に十字状の開口 40が設けられ、基板 21の上面には絶縁層 23が設けられ ている。
[0039] 図中、 35， 37は、何れも Al (アルミニウム）からなる下部可動電極，上部可動電極 である。下部可動電極 35は、第 1電極部としての両端側の線路部 35a, 35aと第 2電 極部としての中央のキャパシタ部 35bとから構成され、一方の線路部 35aの端部は外 部の高周波信号源（図示せず)から信号が入力される信号パッド 45に接続され、他 方の線路部 35aの端部は絶縁層 23上に接続されて接地電極 44とは電気的に分離 されている。これらの端部にて下部可動電極 35は基板 21に支持され、これらの端部 を除く下部可動電極 35の他の部分は開口 40上に位置している。また、上部可動電 極 37は、第 1電極部としての両端側の線路部 37a, 37aと第 2電極部としての中央の キャパシタ部 37bとから構成され、両方の線路部 37a， 37aの端部は何れも接地電極 44に接続されている。これらの端部にて上部可動電極 37は基板 21に支持され、こ れらの端部を除く上部可動電極 37の他の部分は開口 40上に位置している。
[0040] これらの下部可動電極 35及び上部可動電極 37は、基板 21の開口 40に合わせて 十字状に配置されており、下部可動電極 35のキャパシタ部 35bと上部可動電極 37 のキャパシタ部 37bとが空気層を介して対向されている。この対向するキャパシタ部 3 5b及びキャパシタ部 37bにてキャパシタとして機能する。なお、互いに電気的に分離 された下部可動電極 35及び上部可動電極 37は、何れもグランド力ゝら浮かせた状態 で使用しても良いが、浮遊容量を抑える目的から、上部可動電極 37を接地電極 44 に接続している。
[0041] 下部可動電極 35及び上部可動電極 37は、それぞれ 4つの下部可動電極用ァクチ ユエータ 27a, 27b, 27c, 27d及び上部可動電極用ァクチユエータ 29a, 29b, 29c , 29dで駆動される。これらの下部可動電極用ァクチユエータ 27a— 27d及び上部可 動電極用ァクチユエータ 29a— 29dは、基板 21の開口 40に面している。下部可動電 極用ァクチユエータ 27 (代表して 1つの下部可動電極用ァクチユエータを説明する際 には、単に参照符号 27を用いる）及び上部可動電極用ァクチユエータ 29 (代表して 1つの上部可動電極用ァクチユエータを説明する際には、単に参照符号 29を用いる )は、圧電ァクチユエータであって、絶縁層 23とァクチユエータ用下部電極 31と圧電 層 34とァクチユエータ用上部電極 33とがこの順に下方から積層されたュニモルフ型 の構成をなしてレ、る。ァクチユエータ用下部電極 31は Pt/Ti (白金 Zチタン)から形 成され、ァクチユエータ用上部電極 33は Ptから形成されており、何れも下部可動電 極 35,上部可動電極 37とは別体のものである。高周波信号源（図示せず）から信号 パッド 45に入力された信号は、下部可動電極 35の線路部 35aを通りキャパシタ部 35 bから空気層を介して、キャパシタ部 35bに対向した上部可動電極 37のキャパシタ部 37b、線路部 37aを経て接地電極 44に流れ込む。下部可動電極用ァクチユエータ 2 7及び上部可動電極用ァクチユエータ 29それぞれの圧電層 34の分極方向を逆にす ることにより、ァクチユエータ駆動時の移動方向を相反するようにする。
[0042] 下部可動電極用ァクチユエータ 27のァクチユエータ用上部電極 33に下部可動電 極駆動用電源（図示せず）から下部可動電極駆動パッド 42に電圧をカ卩えることにより 、下部可動電極 35は上部可動電極 37側へ、上部可動電極用ァクチユエータ 29の ァクチユエータ用上部電極 33に上部可動電極駆動用電源（図示せず)から上部可 動電極駆動パッド 43に電圧をカ卩えることにより、上部可動電極 37は下部可動電極 3 5側へ、それぞれ独立的に移動する。よって、下部可動電極用ァクチユエータ 27及 び/または上部可動電極用ァクチユエータ 29を駆動することにより、上部可動電極 3 7 (キャパシタ部 37b)と下部可動電極 35 (キャパシタ部 35b)との距離を変化させるこ とができ、所望の静電容量を得ることができる。
[0043] 本発明では、高周波信号源からの信号が流れる線路部及びキャパシタ部と、ァクチ ユエータを駆動するための駆動電極とが電気的に分離されている。そのため、線路 部及びキャパシタ部がァクチユエータ中の圧電層（高誘電体）と接触することが無ぐ し力も周囲が空気であるために誘電損失が無くて、 Q値を高くできる。図 5は、図 3の B - B線及び C - C線での断面を示している。下部可動電極 35の線路部 35a及び上 部可動電極 37の線路部 37aは、接地電極 44に接続されたァクチユエータ用下部電 極 31で挟まれるようになつている。即ち、これらの線路部 35a及び 37aは、 CPW型の 線路となり、ァクチユエータ用下部電極 31及び線路部 35aまたは 37aの間隔 wlと、 線路部 35aまたは 37aの幅 w2とを調節することにより、線路部 35aまたは 37aのイン ピーダンスを 50 Ωにすることで、挿入損失を無くしている。
[0044] 次に、図 6及び図 7を参照して、上記の構成を有する可変キャパシタの製造方法を 説明する。なお、図 6及び図 7では、図 3の A— A線での断面を示している。
[0045] シリコンを材料とする基板 21上に、 LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor
D印 osition)法により、低応力の窒化シリコン層 23aを形成し、その後、 Pt/Ti (例え ば、厚さ 0. 5 μ πι/50ηιη)層 31aと、ニオブ酸リチウム，チタン酸バリウム，チタン酸 鉛，チタン酸ジノレコン酸鉛，チタン酸ビスマスなどを材料とする圧電層 34a (例えば、 厚さ 0. 5 z m)とを順次形成する（図 6 (a) )。 [0046] そして、フォトリソグラフィ技術のパターニング処理により、圧電層 34a, Pt/Ti層 31 aから所定形状の圧電層 34，ァクチユエータ用下部電極 31を形成する（図 6 (b)， (c ) )。この際のパターユング処理には、 C12 /Ar (塩素/アルゴン）系ガスを使用した RIE (Reactive Ion Etching)装置またはイオンミリング装置などを使用する。
[0047] フォトリソグラフィ技術により、圧電層 34の上に Pt製のァクチユエータ用上部電極 3 3を形成すると共に（図 6 (d) )、窒化シリコン層 23aをパターユングして絶縁層 23を得 る（図 6 (e) )。なお、絶縁層 23としては、窒化シリコン層以外に、スパッタリング法、熱 酸化法、 CVD法により形成した酸化シリコン層を利用しても良い。
[0048] 次いで、所定形状の A1からなる下部可動電極 35を基板 21上に形成した後（図 7 (f ) )、レジスト材料力もなる所定形状の犠牲層 41を形成し（図 7 (g) )、下部可動電極 3 5に対向する位置に所定形状の A1からなる上部可動電極 37を形成する（図 7 (h) )。
[0049] そして、下部可動電極 35と上部可動電極 37と下部可動電極用ァクチユエータ 27と 上部可動電極用ァクチユエータ 29との周辺の基板 21を、その裏面から DRIE (De印 Reactive Ion Etching)装置によりエッチングして、開口 40を形成する（図 7 (i) )。この エッチングにより、下部可動電極 35及び上部可動電極 37の各線路部 35a及び 37a の端部と下部可動電極用ァクチユエータ 27及び上部可動電極用ァクチユエータ 29 の各端部とを除く残りの部分力 基板 21から切り離される。なお、この処理でのエッチ ングガスは例えば SF6 (六フッ化硫黄）を使用し、開口 40を形成するためのマスクは レジストである。
[0050] 最後に、犠牲層 41をエッチング除去して、下部可動電極 35と上部可動電極 37との 間に間隙 42を確保することにより、可変キャパシタを作製する（図 7 ）。
[0051] なお、上述した製造順序とは異なり、図 7 (h)の工程後に、まず犠牲層 41を除去し て下部可動電極 35と上部可動電極 37との間に間隙 42を確保してから、基板 21をェ ツチングして開口 40を形成するようにしても良レ、。また、犠牲層 41の材料としては、 上記レジスト以外に、 Mg〇（酸化マグネシウム）などの酸化物も利用でき、この場合の エツチャントには酢酸または硝酸を使用すれば良い。
[0052] 図 8は、可変キャパシタの製造方法の変形例を示している。この変形例における前 半の製造工程は上述した例（図 6 (a) 図 7 (f) )と同じである。基板 21と同一材料で あるシリコンからなる所定形状の犠牲層 41を形成し（図 8 (a) )、下部可動電極 35 に対向する位置に所定形状の A1からなる上部可動電極 37を形成する（図 8 (b) )。
[0053] そして、基板 21の表面側から例えば SF6ガスを使用して、犠牲層 41と基板 21とを 同時にエッチングして、キヤビティ 47を形成する（図 8 (c) )。このエッチングにより、下 部可動電極 35及び上部可動電極 37の各線路部 35a及び 37aの端部と下部可動電 極用ァクチユエータ 27及び上部可動電極用ァクチユエータ 29の各端部とを除く残り の部分が、基板 21から切り離されることは、上述した例と同様である力 基板 21の表 面側からエッチングするため、上述した例のように開口とならず、キヤビティ 47が形成 される。
[0054] この変形例によって作製された可変キャパシタの分解斜視図を図 9に示す。基板 2 1の中央部に十字状のキヤビティ 47が設けられている。なお、図 9において、図 3,図 4と同一部分には同一符号を付してそれらの説明を省略する。
[0055] (第 2実施の形態）
図 10は第 2実施の形態に係る可変キャパシタの分解斜視図、図 11及び図 12はこ の可変キャパシタの製造工程を示す断面図である。
[0056] 第 2実施の形態では、下部可動電極 35,上部可動電極 37,下部可動電極用ァク チユエータ 27及び上部可動電極用ァクチユエータ 29の周辺において、下部可動電 極 35,上部可動電極 37及び絶縁層 23と基板 21との間に空間 50を有している。また 、基板 21は、シリコン製ではなぐガラス，サファイア，アルミナ，ガラスセラミックス，ガ リウム砒素などの材料から形成されている。これら以外の構成は、第 1実施の形態と 同様であり、同一部分には同一符号を付している。
[0057] 例えばガラスを材料とする基板 21上に、スパッタリング法によりシリコンからなる第 2 犠牲層 51を形成した後、第 1実施の形態と同様に、窒化シリコン層 23a， PtZTi層 3 la,圧電層 34aを順次形成する（図 l l (a) )。そして、第 1実施の形態と同様に、所定 形状の圧電層 34，ァクチユエータ用下部電極 31，ァクチユエータ用上部電極 33及 び絶縁層 23を得る（図 11 (b)—（e) )。
[0058] 次いで、所定形状の A1からなる下部可動電極 35を第 2犠牲層 51上に形成した後（ 図 12 (f) )、レジスト材料力 なる犠牲層 41を全域に形成し（図 12 (g) )、下部可動電 極 35に対向する位置に所定形状の Alからなる上部可動電極 37を形成する（図 12 ( h) ) 0
[0059] そして、犠牲層 41をエッチング除去して、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（図 12 (i) )、また、第 2犠牲層 51をエッチング除去して、基板 2 1と下部可動電極 35及び絶縁層 23との間に空間 50を確保することにより、可変キヤ パシタを作製する（図 12①）。なお、犠牲層 41と第 2犠牲層 51との材料を同じにして 、この犠牲層 41のエッチング及び第 2犠牲層 51のエッチングを同時に行っても良い
[0060] 第 2実施の形態では、第 2犠牲層 51のエッチングにより下部可動電極 35を基板 21 力、ら宙に浮かすことができるため、基板 21をエッチングする必要が無くなり、基板 21 として使用できる材料の種類が増えることになる。例えば、誘電率が低ぐエッチング が難しいガラスセラミックなどの材料も、基板 21として利用できるようになる。これによ り、 Q値をより向上させることが可能となる。
[0061] (第 3実施の形態）
図 13は第 3実施の形態に係る可変キャパシタ（可動電極及び圧電ァクチユエータ のみ）の分解斜視図、図 14及び図 15はこの可変キャパシタの製造工程を示す断面 図である。
[0062] 第 3実施の形態では、下部可動電極 35 (キャパシタ部 35b)と上部可動電極 37 (キ ャパシタ部 37b)との間に誘電体層 46を設けている。他の構成は、第 1実施の形態と 同様であり、同一部分には同一符号を付してそれらの説明を省略する。
[0063] この誘電体層 46は、図 13に示すように上部可動電極 37 (キャパシタ部 37b)側に 設けても良レ、し、図示はしなレ、が下部可動電極 35 (キャパシタ部 35b)側に設けても 良レ、。誘電体層 46の設置によって可動部分の質量が増加して、共振周波数の低下 または可動速度の低下などが若干起こるが、後述するように静電容量及びその変化 率を大幅に増大することができる。
[0064] 図 16は、誘電体層 46の効果を示す図である。図 16 (a)に示すように、上部可動電 極 37のキャパシタ部 37b側に誘電体層 46を設ける場合について説明する。誘電体 層 46の厚さを dl、誘電体層 46と下部可動電極 35のキャパシタ部 35bとの間に形成 される空気層の厚さを d2とすると、キャパシタ部 37bとキャパシタ部 35bとの間の距離 dは、 d=dl +d2となる。
[0065] 図 16 (b)は、キャパシタ部 35b及び/またはキャパシタ部 37bを移動させて、空気 層の厚さ d2を変化させた場合の静電容量 Cの変化を示すグラフである。キャパシタ 部 35b及びキャパシタ部 37bは正方形（一辺： 230 μ m)であり、初期状態の電極間 距離 d及び空気層の厚さ d2を d=0. 及び d2 =0. 3 x m (d2 /d=0. 4)と し、誘電体層 46は誘電損失が小さい材料である A12 03 (アルミナ）（誘電率 ε = 10 )を用いた。また、このような誘電体層を設けない点のみを異ならせた比較例における 静電容量 Cの変化も図 16 (b)に併せて示す。
[0066] 図 16 (b)に示すように、誘電体層 46を設けた本発明例の可変キャパシタにあって は、初期状態で約 1. 36pF、キャパシタ部 35bが誘電体層 46に接した状態で約 10. 4pFの静電容量を有しており、その変化率は約 7. 6倍である。このように、誘電体層 46を設けることにより、静電容量及びその可変範囲を極めて大きくできる。
[0067] 図 14は第 3実施の形態の可変キャパシタの製造工程の一例（上部可動電極 37 (キ ャパシタ部 37b)側に誘電体層 46を設置）を示す断面図である。前半の工程は、前 述した第 1実施の形態の工程（図 6 (a)—図 7 (g) )と同じである。
[0068] フォトリソグラフィ技術により、 A12 03を材料とする誘電体層 46を犠牲層 41上にパ ターン形成し（図 14 (a) )、下部可動電極 35に対向する位置に所定形状の A1からな る上部可動電極 37を形成する（図 14 (b) )。そして、下部可動電極 35と上部可動電 極 37と下部可動電極用ァクチユエータ 27と上部可動電極用ァクチユエータ 29との 周辺の基板 21を、その裏面から DRIE装置によりエッチングして、開口 40を形成し（ 図 14 (c) )。最後に、犠牲層 41をエッチング除去して、下部可動電極 35と誘電体層 4 6との間に間隙 42を確保することにより、可変キャパシタを作製する（図 14 (d) )。
[0069] 図 15は第 3実施の形態の可変キャパシタの製造工程の他の例（下部可動電極 35 ( キャパシタ部 35b)側に誘電体層 46を設置）を示す断面図である。前半の工程は、前 述した第 1実施の形態の工程（図 6 (a) 図 7 (f) )と同じである。
[0070] フォトリソグラフィ技術により、 A12 03を材料とする誘電体層 46を下部可動電極 35 上にパターン形成する（図 15 (a) )。レジスト材料または MgOからなる犠牲層 41を所 定形状に形成し（図 15 (b) )、下部可動電極 35に対向する位置に所定形状の A1から なる上部可動電極 37を形成する（図 15 (c) )。そして、下部可動電極 35と上部可動 電極 37と下部可動電極用ァクチユエータ 27と上部可動電極用ァクチユエータ 29と の周辺の基板 21を、その裏面から DRIE装置によりエッチングして、開口 40を形成し (図 15 (d) )。最後に、犠牲層 41をエッチング除去して、誘電体層 46と上部可動電極 37との間に間隙 42を確保することにより、可変キャパシタを作製する（図 15 (e) )。
[0071] なお、上述した図 14，図 15の製造順序とは異なり、図 14 (b) ,図 15 (c)の工程後 に、まず犠牲層 41を除去して間隙 42を確保してから、基板 21をエッチングして開口 40を形成するようにしても良い。また、この第 3実施の形態にあっても、前述したよう に（図 8参照）、犠牲層 41の材料を基板 21と同じにして、犠牲層 41と基板 21とを順 番にまたは同時に基板 21の表面側からエッチングするようにしても良い。
[0072] (第 4実施の形態）
図 17は第 4実施の形態を示しており、図 17 (a)は第 4実施の形態に係る可変キヤ パシタの上面図、図 17 (b)は図 17 (a)の D部における拡大図である。
[0073] 第 4実施の形態にあっては、一方の線路部 35aが信号パッド 45に接続されている 下部可動電極 35において、そのキャパシタ部 35bと他方の線路部 35aとが、電気的 に分離されている。つまり、信号パッド 45からみて下部可動電極 35が、下部可動電 極 35と上部可動電極 37とが対向してキャパシタが構成されている部分（キャパシタ 部 35b及びキャパシタ部 37bの対向部分）を過ぎたところで、電気的に 2つに分離さ れている。また、分離された線路部 35aは、接地電極 44を接続してグランド電位とし ても良い。
[0074] 第 4実施の形態では、信号パッド 45から入った信号が、一方の線路部 35aを通じて キャパシタ部 35bを通りすぎて他方の線路部 35aの信号パッド 45と反対側の端にた どり着き、そこで反射されるようなことが無くなり、このような反射信号を除去できるため 、入力信号のエネルギ損失を防ぐことができる。
[0075] (第 5実施の形態）
図 18は第 5実施の形態に係る可変キャパシタの上面図である。図 18にあって、信 号パッド 45及び接地電極 44間に電源回路 48が設けられており、信号パッド 45 (下 部可動電極 35)と接地電極 44 (上部可動電極 37)との間に電圧を印加できるように なっている。
[0076] 第 5実施の形態は、下部可動電極 35 (キャパシタ部 35b)と上部可動電極 37 (キヤ パシタ部 37b)との間隔を調整する方法に関する。下部可動電極用ァクチユエータ 2 7及び/または上部可動電極用ァクチユエータ 29を駆動して、キャパシタ部 35bとキ ャパシタ部 37bとの間隔を小さくした後に、電源回路 48により下部可動電極 35と上 部可動電極 37との間に電圧を印加し、両電極間に発生する静電引力で両電極間の 距離を更に小さくする。
[0077] このように第 5実施の形態では、圧電ァクチユエータ駆動と静電ァクチユエータ（引 力）駆動という 2段階の距離制御を行うようにしており、両可動電極をより近付けること ができ、より静電容量の大きな変化が得られるようになる。圧電ァクチユエータにて両 可動電極を接近させた状態で、静電引力を発生させるので、大きな静電容量と容量 変化とが得られるという効果を奏する。また、圧電ァクチユエータによって両可動電極 が接近した状態で静電引力を発生させるため、小さな駆動電圧で大きな静電弓 [力を 発生できる。
[0078] なお、上述した例では、下部可動電極用ァクチユエータ 27及び上部可動電極用ァ クチユエータ 29がュニモルフ型であった力 これに限定されることは無い。例えば、 図 19 (a)に示すパラレル接続型のバイモルフ、または、図 19 (b)に示すシリーズ接続 型のバイモルフであっても良レ、。図 19 (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 54a, 54bが設けられている。圧電素子 54a には下部駆動電極 53が設けられ、圧電素子 54bには上部駆動電極 55が設けられて いる。そして、図示するように、直流電圧 Vを印加することにより、ノ ィモルフは変形す る。下部可動電極用ァクチユエータ 27及び上部可動電極用ァクチユエータ 29をバイ モルフ型とする場合には、上述した各実施の形態においてァクチユエータ用下部電 極 31に接している絶縁層 23は不要となる。
[0079] 本発明は、上述した各実施の形態または変形例に限定されるものではなぐ他の種 々の実施の形態または変形例を含む。例えば、上述した例では、両可動電極間の距 離、または、可動電極と誘電体層との間の距離を小さくする（静電容量が大きくなる） ように圧電ァクチユエータを駆動するようにしたが、これとは逆に、これらの距離を大き くする（静電容量が小さくなる）ように圧電ァクチユエータを駆動するようにしても良レ、 。この場合には、ュニモルフ型の圧電ァクチユエータが変形する方向が逆になるよう にすれば良レ、。また、上述した実施の形態または変形例での可変キャパシタをセラミ ック製のパッケージに収容しても良い。このような場合、パッケージに設けられた外部 接続端子と基板 21に設けられた信号パッド 45などの各種パッドとを、ワイヤまたはバ ンプなどの接続部材で接続する。
図面の簡単な説明
[図 1]従来の可変キャパシタの構成を示す断面図及び平面図である。
[図 2]キャパシタの静電容量と電極間距離との関係を示すグラフである。
[図 3]第 1実施の形態に係る可変キャパシタの斜視図である。
[図 4]第 1実施の形態に係る可変キャパシタの分解斜視図である。
[図 5]図 3の B_B線及び C_C線での断面図である。
[図 6]第 1実施の形態に係る可変キャパシタの製造工程を示す断面図である。
[図 7]第 1実施の形態に係る可変キャパシタの製造工程を示す断面図である。
[図 8]第 1実施の形態に係る可変キャパシタの製造工程の変形例を示す断面図であ る。
[図 9]第 1実施の形態に係る可変キャパシタの変形例の分解斜視図である。
[図 10]第 2実施の形態に係る可変キャパシタの分解斜視図である。
[図 11]第 2実施の形態に係る可変キャパシタの製造工程を示す断面図である。
[図 12]第 2実施の形態に係る可変キャパシタの製造工程を示す断面図である。
[図 13]第 3実施の形態に係る可変キャパシタ（可動電極及び圧電ァクチユエータのみ
)の分解斜視図である。
[図 14]第 3実施の形態に係る可変キャパシタの製造工程の一例を示す断面図である
[図 15]第 3実施の形態に係る可変キャパシタの製造工程の他の例を示す断面図であ る。
[図 16]第 3実施の形態に係る可変キャパシタにおける誘電体層の効果を説明するた めの図である。
園 17]第 4実施の形態に係る可変キャパシタの上面図及び拡大図である。 園 18]第 5実施の形態に係る可変キャパシタの上面図である。
[図 19]バイモルフ型の圧電ァクチユエータを説明するための図である。 符号の説明
21 基板
23 絶縁層
27, 27a, 27b, 27c, 27d 下部可動電極用ァクチユエータ
29, 29a, 29b, 29c, 29d 上部可動電極用ァクチユエータ
31 ァクチユエータ用下部電極
33 ァクチユエータ用上部電極
34 圧電層
35 下部可動電極
37 上部可動電極
35a, 37a 線路部（第 1電極部）
35b, 37b キャパシタ部（第 2電極部）
40 開口
41 犠牲層
44 接地電極
45 信号パッド
46 誘電体層
47 キヤビティ
48 電源回路
50 空間
51 第 2犠牲層

Claims

請求の範囲
[1] 対向する電極が移動可能である可変キャパシタにおいて、
基板と、第 1電極部及び第 2電極部を有する可動電極と、前記可動電極を駆動する 複数の圧電ァクチユエ一タとを備え、前記可動電極が対向してキャパシタを構成して おり、前記可動電極と信号パッドとを導電接続してあることを特徴とする可変キャパシ タ。
[2] 前記可動電極は、前記第 1電極部と第 2電極部とを有しており、前記可動電極を上 下に配置してあることを特徴とする請求項 1記載の可変キャパシタ。
[3] 前記複数の圧電ァクチユエータ夫々は、駆動電極と該駆動電極間に設けられた圧 電素子とを含んでおり、前記駆動電極と前記可動電極とは別体であることを特徴とす る請求項 1または 2記載の可変キャパシタ。
[4] 前記可動電極の第 1電極部の両側に前記圧電ァクチユエータを設けており、前記 第 1電極部と前記圧電ァクチユエータの駆動電極とにより CPW型線路を構成してあ ることを特徴とする請求項 3記載の可変キャパシタ。
[5] 前記可動電極の対向する前記第 2電極部間に誘電体層を設けてあることを特徴と する請求項 1乃至 4の何れかに記載の可変キャパシタ。
[6] 前記可動電極の少なくとも一方が接地電極に接続されていることを特徴とする請求 項 1乃至 5の何れかに記載の可変キャパシタ。
[7] 前記可動電極の何れか一方の前記第 1電極部と前記第 2電極部との境界部近傍 が電気的に分離されていることを特徴とする請求項 1乃至 6の何れかに記載の可変 キャパシタ。
[8] その対向方向に移動可能である可動電極と、該可動電極を駆動する複数の圧電ァ クチユエ一タとを備えた可変キャパシタにおいて、
前記可動電極間に電圧を印加する電圧印加手段を備えており、前記圧電ァクチュ エータの駆動にて前記可動電極を接近させた状態で、前記電圧印加手段にて前記 可動電極間に電圧を印加するように構成したことを特徴とする可変キャパシタ。
[9] 電極が、圧電ァクチユエータの駆動によって、移動可能である可変キャパシタを製 造する方法において、 基板に複数の前記圧電ァクチユエータを形成する工程と、第 1電極部及び第 2電極 部を有する可動電極を前記基板に形成する工程と、前記可動電極間に間隙を形成 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除去工程と、前記複数 の前記圧電ァクチユエ一タの端部及び前記可動電極の第 1電極部の端部を除く部 分を前記基板から切り離す切離し工程とを有することを特徴とする可変キャパシタの 製造方法。
[10] 電極が、圧電ァクチユエータの駆動によって、移動可能である可変キャパシタを製 造する方法において、
基板に複数の前記圧電ァクチユエータを形成する工程と、第 1電極部及び第 2電極 部を有する可動電極を前記基板に形成する工程と、前記可動電極間に誘電体層を 形成する工程と、前記可動電極の何れか一方及び前記誘電体層間に間隙を形成す 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除去工程と、前記複数の 前記圧電ァクチユエ一タの端部及び前記可動電極の第 1電極部の端部を除く部分を 前記基板力 切り離す切離し工程とを有することを特徴とする可変キャパシタの製造 方法。
[11] 前記除去工程及び前記切離し工程を同時的に行うことを特徴とする請求項 9また は 10記載の可変キャパシタの製造方法。
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