WO2012102119A1 - 可変容量素子 - Google Patents

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WO2012102119A1
WO2012102119A1 PCT/JP2012/050768 JP2012050768W WO2012102119A1 WO 2012102119 A1 WO2012102119 A1 WO 2012102119A1 JP 2012050768 W JP2012050768 W JP 2012050768W WO 2012102119 A1 WO2012102119 A1 WO 2012102119A1
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WO
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capacitance
electrode
forming portions
portions
movable
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Application number
PCT/JP2012/050768
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English (en)
French (fr)
Inventor
吉田康一
小中義宏
丹羽亮介
吉田順一
Original Assignee
株式会社村田製作所
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-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

Definitions

  • the present invention relates to a variable capacitance element using MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) driven by electrostatic force.
  • MEMS Micro Electro Mechanical Systems
  • FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of a conventional variable capacitance element.
  • the conventional variable capacitance element 101 includes substrates 111 and 121, through electrodes 112 and 122, a drive electrode 113, an RF capacitance electrode 123, a stopper 124, a movable electrode 115, an anchor portion 116, and a sealing frame 117. , 127.
  • the drive electrode 113 is provided on the upper surface of the substrate 111.
  • the RF capacitor electrode 123 is provided on the lower surface of the substrate 121 and is connected to the through electrode 122.
  • the stopper 124 is formed on the lower surface side of the RF capacitor electrode 123.
  • the movable electrode 115 is supported by the anchor portion 116 in a state of being separated from the substrates 111 and 121, and is connected to the through electrode 112 via the anchor portion 116.
  • the sealing frames 117 and 127 are provided on the outer peripheral portions of the substrates 111 and 121.
  • the movable electrode 115 and the anchor part 116 are made of metal.
  • variable capacitance element 101 an electrostatic attraction is generated between the drive electrode 113 and the movable electrode 115 by applying a drive voltage (DC voltage) to the drive electrode 113, and the movable electrode 115 is moved toward the support substrate 111. Be attracted. At this time, the value of the RF capacitance formed between the movable electrode 115 and the RF capacitive electrode 123 changes as the distance between the movable electrode 115 and the RF capacitive electrode 123 changes.
  • DC voltage DC voltage
  • the RF capacitance becomes the maximum value, and the maximum value is the minimum value of the distance between the movable electrode 115 and the RF capacitance electrode 123 defined by the stopper 124, It is determined according to the area facing the RF capacitor electrode 123 or the like.
  • the movable electrode 115 is thin and has low rigidity, the movable electrode 115 is warped to some extent due to contact with the stopper 124. Due to this warpage, the gap between each portion of the movable electrode 115 and the RF capacitor electrode 123 in a state where the movable electrode 115 and the stopper 124 are in contact with each other occurs, and the maximum value of the RF capacitance changes. Therefore, if there is a variation for each product in the warpage, the maximum value of the RF capacity also varies for each product.
  • an object of the present invention is to provide a variable capacitance element in which the movable beam has sufficient rigidity, and the variation and fluctuation of the maximum value of the RF capacitance can be extremely reduced.
  • the variable capacitance element of the present invention includes a movable beam and a support substrate.
  • the movable beam includes a plurality of capacitance forming portions, a connecting portion that connects the plurality of capacitance forming portions, is formed thinner than the plurality of capacitance forming portions, and a support portion to which the connecting portions are connected.
  • the support substrate has a support portion connected to the surface thereof, and includes an RF capacitance electrode formed on the surface and a drive electrode. Each of the plurality of capacitance forming portions faces either the RF capacitance electrode or the drive electrode.
  • a stopper that protrudes toward the support substrate is provided on the peripheral edge of the surface of the plurality of capacitor forming portions facing either the RF capacitor electrode or the drive electrode.
  • the movable beam since the movable beam includes a plurality of capacitance forming portions and a connecting portion formed thinner than the plurality of capacitance forming portions, the rigidity can be locally increased in each capacitance forming portion. Then, by providing a stopper on the peripheral edge of the surface of the plurality of capacitor forming portions facing either the RF capacitor electrode or the drive electrode, it is possible to reduce the warp generated in the capacitor forming portion, and Variations and fluctuations in the maximum value of the RF capacitance can be extremely reduced.
  • the plurality of capacitance forming portions are three capacitance forming portions arranged adjacent to each other from the support portion side to the distal end side of the movable beam.
  • the capacitance forming portion faces the RF capacitance electrode, the capacitance forming portions on both sides face the drive electrode, and the capacitance on both sides on the surface of the central capacitance forming portion facing the RF capacitance electrode It is preferable that a stopper is provided at the peripheral edge on the side adjacent to the forming portion.
  • variable capacitance element when the stopper is provided only at the peripheral edge opposite to the side adjacent to the central capacitance formation portion on the surface facing the drive electrode of the capacitance formation portion on both sides. Is preferred.
  • the capacity forming portions on both sides are not provided with a stopper on the center side. Then, it is possible to increase the accuracy with which the stopper of the central capacity forming portion is pressed against the opposing position.
  • the stopper is provided inside the end portion of the capacitance forming portion.
  • the warpage of the capacity forming portion can be further reduced. Further, since the warping direction of the capacity forming portion is reversed between the inside and the outside of the stopper, the increase and decrease of the capacity on both sides of the stopper are offset.
  • variable capacitance element it is preferable that three stoppers are provided in the central capacitance forming portion.
  • variable capacitance element it is preferable that the arrangement positions of the three stoppers are shifted in the width direction of the movable beam.
  • the movable beam has sufficient rigidity, and variation and fluctuation of the maximum value of the RF capacity can be extremely reduced.
  • variable capacitance element according to the present invention will be described with reference to the drawings.
  • the Z-axis direction is the thickness direction of the movable beam
  • the Y-axis direction is the longitudinal direction of the movable beam
  • the X-axis direction is the width direction of the movable beam.
  • FIG. 2 is a YZ plane cross-sectional view illustrating a schematic configuration of the variable capacitance element 1 according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is an XY plan view showing the internal space of the variable capacitance element 1 according to the first embodiment of the present invention. Note that FIG. 2 corresponds to a portion indicated by a broken line in FIG.
  • the variable capacitance element 1 includes a support substrate 11, a lid substrate 21, a sealing frame 12, joints 13 and 23, insulating protective films 14 and 24, and fixed electrodes 15A to 15C, 16, 17, 25A to 25C. , 26 and movable beams 31A to 31C.
  • the support substrate 11 is an insulating substrate mainly made of glass or sapphire, and a sealing frame 12 is formed along the outer periphery of the upper surface.
  • the sealing frame 12 has a structure in which a plurality of metal layers (not shown) are stacked, and a bonding portion 13 is formed on the upper surface.
  • the joining part 13 is a metal film used for sealing joining.
  • the lid substrate 21 is an insulating substrate whose main material is glass, sapphire, or the like, and a joint portion 23 is formed along the outer periphery of the lower surface.
  • the joining part 23 is a metal film used for sealing joining.
  • the support substrate 11 and the lid substrate 21 are bonded by the bonding portions 13 and 23 under an atmospheric pressure or a reduced pressure atmosphere. As a result, the fixed electrodes 15A to 15C, 16, 17, 25A to 25C, and the movable beams 31A to 31C are sealed in the internal space in an atmospheric pressure or reduced pressure atmosphere.
  • FIG. 3A is a plan view showing a state where the lid substrate 21 is removed from the variable capacitance element 1.
  • the sealing frame 12 and the joint portions 13 and 23 are omitted.
  • the movable beams 31A to 31C are cantilever beams extending from the support portion 32 in the Y-axis direction, and are integrally formed of a metal material such as Cu.
  • Each of the movable beams 31A to 31C includes coupling portions 33A, 33B, and 33C and capacitance forming portions 34A, 34B, and 34C, and is supported by the support portion 32 in a state of being separated from the support substrate 11 and the lid substrate 21.
  • the support part 32 is connected to the surface of the support substrate 11 and fixed.
  • the connecting portions 33A, 33B, 33C and the capacity forming portions 34A, 34B, 34C have different thicknesses (dimensions in the Z-axis direction), and the connecting portions 33A, 33B, 33C. Is thinner than the thickness of the capacity forming portions 34A, 34B, 34C.
  • the connecting portions 33A, 33B, and 33C have a thickness of about 1.5 to 4.0 ⁇ m, for example, and the capacitance forming portions 34A, 34B, and 34C have a thickness of about 6.0 to 15.0 ⁇ m, for example.
  • the capacity forming portions 34A to 34C are arranged in the Y-axis direction.
  • the connecting portion 33A connects the support portion 32 and the capacity forming portion 34A.
  • the connecting part 33B connects the capacity forming part 34A and the capacity forming part 34B.
  • the connecting part 33C connects the capacity forming part 34B and the capacity forming part 34C.
  • the capacitance forming portions 34A, 34B, and 34C have a rectangular shape in plan view.
  • Four stoppers 35 projecting toward the support substrate 11 are provided on the peripheral portions of the lower surfaces of the capacitance forming portions 34A, 34B, and 34C.
  • four stoppers 35 that protrude toward the support substrate 11 are provided at the four corners of the lower surfaces of the capacitance forming portions 34A, 34B, and 34C.
  • the thickness of the stopper 35 (dimension in the Z-axis direction) is, for example, about 100 to 500 nm.
  • the fixed electrodes 15A to 15C are opposed to the capacitance forming portions 34A, 34B, and 34C through a space, and a desired space is secured on the lower surface side of the movable beams 31A to 31C.
  • the stopper 35 always forms a space between the capacity forming portions 34A, 34B, 34C and the fixed electrodes 15A to 15C. The size of the space and the maximum value of the RF capacity are controlled by the thickness of the stopper 35.
  • Fixed electrodes 15A to 15C, 16, and 17 are provided on the upper surface of the support substrate 11, and an insulating protective film mainly made of SiN, SiO2, or the like so as to cover the fixed electrodes 15A to 15C, 16, and 17 is provided. 14 is provided.
  • the insulating protective film 14 is provided to protect the fixed electrodes 15A to 15C, 16, and 17 from death while the brain between the movable beams 31A to 31C and the fixed electrodes 15A to 15C, 16, and 17 is brain-dead.
  • the fixed electrodes 15A to 15C, 16, and 17 are made of a material having low specific resistance such as Cu, Au, Al, W from the viewpoint of the skin depth, and the thickness (dimension in the Z-axis direction) is about 0.5 to 2 ⁇ m.
  • FIG. 3B is a plan view showing a state in which the lid substrate 21, the movable beams 31A to 31C, and the support portion 32 are removed from the variable capacitance element 1.
  • FIG. 3B the sealing frame 12 and the joint portions 13 and 23 are omitted. That is, FIG. 3B shows electrode patterns of the fixed electrodes 15A to 15C, 16, and 17.
  • the fixed electrode 15A is provided with the X-axis direction as a longitudinal direction so as to intersect the movable beams 31A to 31C, and is opposed to the capacitance forming portion 34A of the movable beams 31A to 31C.
  • the fixed electrode 15A is a drive electrode, and a drive DC voltage is applied.
  • the fixed electrode 15B is provided with the X-axis direction as a longitudinal direction so as to intersect the movable beams 31A to 31C, and is opposed to the capacitance forming portion 34B of the movable beams 31A to 31C.
  • the fixed electrode 15B is an RF capacitor electrode, and is connected to an RF signal input terminal or an RF signal output terminal. Note that the RF capacitor electrode desirably has a low resistance.
  • the fixed electrode 15C is provided with the X-axis direction as a longitudinal direction so as to intersect the movable beams 31A to 31C, and is opposed to the capacitance forming portion 34C of the movable beams 31A to 31C.
  • the fixed electrode 15C is a drive electrode, and a drive DC voltage is applied.
  • the fixed electrode 16 is provided in a meander shape so as to surround the fixed electrodes 15A to 15C, and faces the four corners (positions where the stoppers 35 are formed) of the capacitance forming portions 34A to 34C of the movable beams 31A to 31C. is doing.
  • the fixed electrode 17 is joined to the support portion 32 of the movable beams 31A to 31C and is electrically connected to the support portion 32, and is connected to the RF signal output terminal or the RF signal input terminal.
  • the fixed electrode 16 is set to the same potential as the fixed electrode 17 and the movable beams 31A to 31C in order to prevent an electric field from being applied to the region of the insulating protective film 14 with which the stopper 35 contacts. Thereby, unnecessary charging (charge-up) of the insulating protective film 14 and the occurrence of malfunction of the movable beams 31A to 31C due to this can be prevented.
  • the height of the meander pattern formed of a material having a high specific resistance such as NiCr, SiCr, TiN, TaN or the like.
  • the resistance electrode may be connected to the fixed electrodes 15A, 15C, 17 and the like.
  • fixed electrodes 25A to 25C and 26 are provided on the lower surface of the lid substrate 21, and SiN, SiO2 or the like is used as a main material so as to cover the fixed electrodes 25A to 25C and 26.
  • An insulating protective film 24 is provided.
  • the electrode patterns of the fixed electrodes 25A to 25C and 26 are not shown, they have substantially the same shape as the electrode patterns of the fixed electrodes 15A to 15C and 16 shown in FIG.
  • the insulating protective film 24 is provided to protect the fixed electrodes 25A to 25C and 26 from brain death when a short circuit occurs between the movable beams 31A to 31C and the fixed electrodes 25A to 25C and 26.
  • the fixed electrode 25A is provided with the X-axis direction as a longitudinal direction so as to intersect the movable beams 31A to 31C, and faces the capacitance forming portion 34A of the movable beams 31A to 31C.
  • the fixed electrode 25B is provided with the X-axis direction as a longitudinal direction so as to intersect the movable beams 31A to 31C, and faces the capacitance forming portion 34B of the movable beams 31A to 31C.
  • the fixed electrode 15C is provided with the X-axis direction as a longitudinal direction so as to intersect the movable beams 31A to 31C, and faces the capacitance forming portion 34C of the movable beams 31A to 31C.
  • the fixed electrodes 25A to 25C are drive electrodes and are applied with a drive DC voltage.
  • the fixed electrode 26 is provided in a meander shape so as to surround the fixed electrodes 25A to 25C, and faces the four corners of the capacitance forming portions 34A to 34C of the movable beams 31A to 31C.
  • the fixed electrode 26 is set to the same potential as the movable beams 31A to 31C in order to prevent an electric field from being applied to the region of the insulating protective film 24 with which the movable beams 31A to 31C come into contact. Thereby, unnecessary charging (charge-up) of the insulating protective film 24 and the occurrence of malfunction of the movable beams 31A to 31C due to this can be prevented.
  • the fixed electrode 26 is formed thicker than the fixed electrodes 25A to 25C, and functions as a stopper. Specifically, the thickness (dimension in the Z-axis direction) of the fixed electrodes 25A to 25C is, for example, 50 to 100 nm, and the thickness of the fixed electrode 26 is, for example, 100 to 500 nm.
  • the fixed electrode 26 a space is always formed between the capacitance forming portions 34A, 34B, 34C and the fixed electrodes 25A to 25C.
  • FIG. 4 is a YZ plane sectional view for explaining the operation of the variable capacitance element 1 according to the first embodiment of the present invention. 4 corresponds to the portion indicated by the broken line in FIG. 3, as in FIG.
  • a driving DC voltage is applied to the fixed electrodes 25A to 25C
  • an electrostatic attractive force is generated between the fixed electrodes 25A to 25C and the movable beams 31A to 31C, so that the movable beams 31A to 31C are attracted to the lid substrate 21 side.
  • FIG. 4A is a diagram showing a state in which a driving DC voltage is applied to the fixed electrodes 25A to 25C. In this state, the distance between the central capacitance forming portion 34B and the fixed electrode 15B which is the RF capacitance electrode is the widest, and the minimum value of the RF capacitance is obtained.
  • FIG. 4B is a diagram illustrating a state in which a driving DC voltage is applied to the fixed electrodes 15A and 15C. In this state, the distance between the central capacitance forming portion 34B and the fixed electrode 15B that is the RF capacitance electrode is the narrowest, and the maximum value of the RF capacitance is obtained.
  • the thick and highly rigid capacity forming portions 34A to 34C are not deformed so much, and the thin and lowly rigid connecting portions 33A to 33C are mainly deformed. Since each of the capacity forming portions 34A to 34C is supported by the stoppers 35 and the distance between the fulcrums is short, the capacity forming portions 34A to 34C hardly warp. Since the thickness of the stopper 35 can be set with high accuracy, the size of the interval between the capacitance forming portions 34A to 34C and the fixed electrodes 15A to 15C and the maximum value of the RF capacitance can be adjusted with high accuracy.
  • FIG. 4C shows a state in which the movable beams 31A to 31C are attracted to the support substrate 11, but the support portion 32 side of the capacitance forming portion 34A is lifted. Since the movable beams 31A to 31C have elasticity, the closer to the distal end side or the proximal end side, the easier it is to lift from the support substrate 11 due to the spring force. For this reason, the fixed electrodes 15A and 15C, which are drive electrodes, are arranged on both sides of the fixed electrode 15B, which is an RF capacitor electrode, so that the fixed electrode 15B, which is an RF capacitor electrode, can be brought close to the capacitor forming portion 34B. Can be enhanced.
  • the shape of the movable beam 31A to 31C on the tip side from the capacity forming portion 34A is formed so as to be symmetrical with respect to the intermediate position in the longitudinal direction, thereby connecting the connecting portion to the capacity forming portion 34B.
  • An equal spring force can be applied from 33B and 33C, and this also increases the accuracy with which the fixed electrode 15B, which is an RF capacitor electrode, is brought close to the capacitor forming portion 34B.
  • the movable beam has sufficient rigidity, the interval between the capacitance forming portion and the fixed electrode can be made into a highly accurate and stable shape, and variations and fluctuations in the maximum value of the RF capacitance are extremely small. It can be made minute.
  • the example which comprises a movable beam by a cantilever beam was shown in this embodiment, you may comprise a movable beam by a cantilever beam.
  • the number of the capacitance forming portions may be any number, preferably an odd number, and the drive electrodes and the RF capacitance electrodes may be alternately opposed.
  • the example which comprises three movable beams integrally was shown, what kind of thing may be sufficient as the number of movable beams, and the maximum value of RF capacity
  • the fixed electrodes 16 and 26 having the same potential as the movable beams 31A to 31C are provided at positions facing the four corners of the capacitance forming portions 34A to 34C, they may be omitted. Further, the size and composition of each part are not limited to the above-described examples.
  • variable capacitance element 1 is manufactured by the variable capacitance element 1 according to this embodiment.
  • 5 and 6 are schematic cross-sectional views for explaining each manufacturing process of the variable capacitance element 1.
  • the support substrate 11 is prepared, and a protective film 41 is formed by forming a SiN film by CVD or sputtering (S1).
  • the protective film 41 is provided to protect the support substrate 11 and the like from later sacrificial layer etching.
  • a high resistance electrode 42 for cutting RF signals is formed with a thickness of about 15 to 50 nm by sputtering or vapor deposition (S2).
  • the fixed electrodes 15A to 15C, 16, and 17 are formed by a lift-off process using a sputtering method or a vapor deposition method (S3).
  • an insulating film 43 mainly composed of SiO2 or SiN is provided so as to embed the fixed electrodes 15A to 15C, 16, and 17. If the insulating film 43 is not provided, a wiring step is formed by the fixed electrodes 15A to 15C, 16, and 17, so that the strength of the movable beams 31A to 31C becomes insufficient when the movable beams 31A to 31C are formed. There is. Therefore, the wiring step is reduced by providing the insulating film 43 here. Note that even when a film of a material that is removed by sacrificial layer etching is provided instead of the insulating film 43, the wiring step can be similarly reduced.
  • an insulating protective film 14 is formed by depositing SiN by CVD or sputtering (S4).
  • the sacrificial layer 45 is formed in a predetermined pattern shape using the same kind of material as the sacrificial layer 44 by a lift-off process using a sputtering method or a vapor deposition method (S6).
  • the pattern shape of the sacrificial layer 45 defines the lower surface shape of the movable beams 31A to 31C, and the thickness of the sacrificial layer 45 defines the thickness of the stopper 35 provided on the lower surface of the movable beams 31A to 31C.
  • the sacrificial layer 44 and the insulating protective film 14 are removed from locations that become the support portions 32 of the movable beams 31A to 31C, locations that become the sealing frame 12, and the like (S7).
  • an electrode 46 for forming the connecting portions 33A to 33C of the movable beams 31A to 31C is formed (S8).
  • the movable beams 31A to 31C preferably have a low resistance because they are RF signal transmission paths, and a certain thickness (1.5 to 4 ⁇ m) is required to define the spring constant. Therefore, in this step, it is preferable to form the electrode 46 using Cu or Au as a main material by a lift-off process using a plating method or a vapor deposition method.
  • an electrode 47 for forming the capacitance forming portions 34A to 34C of the movable beams 31A to 31C is formed. Thereafter, depending on the surface roughness of the movable beams 31A to 31C, a chemical machine may be used for planarization. Polishing (CMP) is performed to form the joint 13 on the upper surface of the electrode 47 (S9).
  • CMP Polishing
  • heat treatment is performed to improve the strength of the movable beams 31A to 31C by forming grain of crystal grains, and then the sacrificial layer etching is performed to make the movable beams 31A to 31C movable (S10).
  • the heat treatment temperature is 200 to 300 ° C.
  • the heat treatment time is about 0.5 to 2 hours
  • the heat treatment is preferably performed in a vacuum or a nitrogen atmosphere in order to prevent oxidation of the metal structures such as the movable beams 31A to 31C and the sealing frame 12. It is.
  • lid substrate 21 side is formed in parallel with the formation on the support substrate 11 side.
  • the lid substrate 21 is prepared, and the fixed electrodes 25A to 25C and 26 are formed with a thickness of about 50 to 500 nm by vapor deposition or sputtering (S11).
  • a fixed electrode having a thickness of about 0.1 to 0.5 ⁇ m is formed by using a lift-off process using a vapor deposition method, a sputtering method, a CVD method and etching. 26 is laminated (S12).
  • an insulating protective film 24 is formed so as to cover the fixed electrodes 25A to 25C, 26 (S13).
  • the insulating protective film 24 is preferably formed using SiN, SiO2, or the like, which has good adhesion to the fixed electrodes 25A to 25C, 26, and the like as well as good pressure resistance.
  • the bonding between the bonding portion 13 and the bonding portion 23 is not limited to metal diffusion bonding of the bonding portions 13 and 23 made of Au, and other eutectic bonding such as a bonding portion 13 made of Au or Sn and 23 made of Sn or Au. Construction methods can also be used. Further, a sealing frame may be provided on the lid substrate 21 side.
  • the support substrate 11 and the lid substrate 21 are bonded via the bonding portions 13 and 23 (S15).
  • a temperature of about 300 ° C. and a load of about 5 to 15 MPa are required regardless of whether the metal diffusion bonding method or the eutectic bonding method is used.
  • the lid substrate 21 is ground to a thickness of about 100 to 200 ⁇ m using a grinder or the like, and a through via is formed in the lid substrate 21 by sandblasting or laser processing.
  • a wiring layer, a mounting electrode, and the like are formed on the inner surface of the through via (S16).
  • the wiring layer is preferably formed by a plating method from the viewpoint of coverage with respect to the through electrode.
  • the external dimensions of the capacity forming portions 34A to 34C are 80 ⁇ 80 ⁇ m, the interval between the stoppers 35 is 60 ⁇ m, and the thickness of the capacity forming portions 34A to 34C is different from 5 ⁇ m, 7.5 ⁇ m, and 10 ⁇ m.
  • FIG. 7 is a diagram showing setting of this test and an example of characteristic change. Note that the horizontal axis in the figure shows the stress gradient in the thickness direction of the capacity forming portions 34A to 34C. The larger the absolute value of the stress gradient, the larger the warpage. Positive and negative represent the direction of stress, that is, the direction of warpage.
  • FIG. 8 is a diagram showing setting of this test and an example of characteristic change.
  • FIG. 9 is an XY plan view showing the internal space of the variable capacitance element according to the present embodiment.
  • FIG. 9A is a plan view showing a state in which the lid substrate 21 is removed from the variable capacitor according to the present embodiment. In FIG. 9A, the sealing frame 12 and the joint portions 13 and 23 are omitted.
  • FIG. 9B is a plan view showing a state in which the lid substrate 21, the movable beams 31A to 31C, and the support portion 32 are removed from the variable capacitor according to the present embodiment. In FIG. 9B, the sealing frame 12 and the joint portions 13 and 23 are omitted.
  • the present embodiment includes a stopper 55 and fixed electrodes 55A, 55C, and 56 that are provided in an arrangement and shape different from those of the first embodiment, and the other configurations are the same as those of the first embodiment.
  • stoppers 55 are provided at the four corners on the lower surface of the capacity forming portion 34B of the movable beams 31A to 31C, but the lower surfaces of the capacity forming portions 34A and 34C are on the side away from the capacity forming portion 34B. Stoppers 55 are provided only at the two corners. And in the position which opposes the two corners in the lower surface of the capacity
  • FIG. 10 is a diagram showing setting of this test and an example of characteristic change.
  • the shape of the space between the central capacitance forming portion 35B and the fixed electrode 15B that is the RF capacitance electrode is unstable.
  • the central capacitance formation This is probably because the shape of the space between the portion 35B and the fixed electrode 15B that is the RF capacitive electrode is more stable.
  • FIG. 11 is an XY plan view showing the internal space of the variable capacitance element according to the present embodiment.
  • FIG. 11A is a plan view showing a state in which the lid substrate 21 is removed from the variable capacitor according to the present embodiment.
  • the sealing frame 12 and the joint portions 13 and 23 are omitted.
  • FIG. 11B is a plan view showing a state in which the lid substrate 21, the movable beams 31A to 31C, and the support portion 32 are removed from the variable capacitor according to the present embodiment.
  • the sealing frame 12 and the joint portions 13 and 23 are omitted.
  • the present embodiment includes a stopper 65 and fixed electrodes 65B and 66 provided in a different arrangement and shape from those of the second embodiment, and the other configurations are the same as those of the second embodiment.
  • stoppers 65 are provided on the lower surface of the capacity forming portion 34B of the movable beams 31A to 31C at two corners on the distal end side and in the center on the proximal end side.
  • stoppers 65 are provided on the lower surfaces of the capacitance forming portions 34A and 34C only at the two corners on the side away from the capacitance forming portion 34B.
  • the fixed electrode 66 is not provided and the fixed electrode 65 ⁇ / b> B is provided at a position facing the two corners where the stopper is not provided on the lower surface of the capacitance forming portion 34 ⁇ / b> B.
  • the fixed electrode 65B has a larger area than the fixed electrode 15B of the first embodiment.
  • the fixed electrodes 66 are not provided at the positions facing the two corners where the stoppers are not provided on the lower surfaces of the capacitance forming portions 34A and 34C, and the fixed electrodes 55A and 55C. Is provided. That is, the fixed electrodes 55A and 55C have a larger area than the fixed electrodes 15A and 15C of the first embodiment. The present invention can be implemented even with such a configuration.
  • FIG. 12 is a diagram showing setting of this test and an example of characteristic change.

Abstract

　可変容量素子（１）は、可動梁（３１Ａ）と、支持基板（１１）とを備える。可動梁（３１Ａ）は、容量形成部（３４Ａ～３４Ｃ）と、連結部（３３Ａ～３３Ｃ）と、支持部（３２）とを備える。連結部（３３Ａ～３３Ｃ）は、容量形成部（３４Ａ～３４Ｃ）を連結し、容量形成部（３４Ａ～３４Ｃ）よりも薄く形成されている。支持基板（１１）は、表面に支持部（３２）が接続されており、表面に形成されたＲＦ容量電極（１５Ｂ）と、駆動電極（１５Ａ，１５Ｃ）とを備える。容量形成部（３４Ａ～３４Ｃ）は、それぞれ、ＲＦ容量電極（１５Ｂ）と駆動電極（１５Ａ，１５Ｃ）とのいずれかと対向しており、容量形成部（３４Ａ～３４Ｃ）のＲＦ容量電極（１５Ｂ）と駆動電極（１５Ａ，１５Ｃ）とのいずれかと対向している側の面における周縁部には、支持基板（１１）側に突出するストッパ（３５）が設けられている。

Description

可変容量素子
　この発明は、静電力により駆動するＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ）を用いた可変容量素子に関するものである。
　現在、携帯電話機などの無線通信機におけるＲＦ（Ｒａｄｉｏ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）回路に搭載される可変容量素子として、ＭＥＭＳを用いた可変容量素子が開発されている（例えば特許文献１参照）。図１は、従来の可変容量素子の構成例を説明する断面図である。
　従来の可変容量素子１０１は、基板１１１，１２１と、貫通電極１１２，１２２と、駆動電極１１３と、ＲＦ容量電極１２３と、ストッパ１２４と、可動電極１１５と、アンカー部１１６と、封止枠１１７，１２７とを備える。駆動電極１１３は、基板１１１の上面に設けられている。ＲＦ容量電極１２３は、基板１２１の下面に設けられており、貫通電極１２２と接続されている。ストッパ１２４は、ＲＦ容量電極１２３の下面側に形成されている。可動電極１１５は、アンカー部１１６によって基板１１１，１２１から離間した状態で支持されており、アンカー部１１６を介して貫通電極１１２と接続されている。封止枠１１７，１２７は、基板１１１，１２１の外周部に設けられている。可動電極１１５とアンカー部１１６とは、金属により形成されている。
　この可変容量素子１０１では、駆動電極１１３に駆動電圧（ＤＣ電圧）が印加されることで駆動電極１１３と可動電極１１５との間に静電引力が発生し、可動電極１１５が支持基板１１１側に引きつけられる。このとき、可動電極１１５とＲＦ容量電極１２３との間隔が変化することにより、可動電極１１５とＲＦ容量電極１２３との間に形成されるＲＦ容量の値が変化する。可動電極１１５がストッパ１２４に接触した状態においてＲＦ容量は最大値になり、その最大値は、ストッパ１２４により規定される可動電極１１５とＲＦ容量電極１２３との間隔の最小値や、可動電極１１５とＲＦ容量電極１２３との対向面積などに応じて定まる。
特開２００９－２１８４１８号公報
　上述のような構成では、可動電極１１５が薄く剛性が低いため、ストッパ１２４との接触により可動電極１１５には少なからず反りが発生する。この反りにより、可動電極１１５とストッパ１２４とが接触している状態における、可動電極１１５の各部分とＲＦ容量電極１２３との間隔にばらつきが発生し、ＲＦ容量の最大値が変化する。したがって、その反りの大きさに製品毎のばらつきがあれば、ＲＦ容量の最大値にも製品毎のばらつきが生じてしまう。
　また、ＲＦ信号の実効電力に応じた静電引力が可動電極１１５とＲＦ容量電極１２３との間に作用するセルフアクチュエーションが生じることで、可動電極１１５とストッパ１２４とが接触している状態における可動電極１１５の反り量が変化する。そして、ＲＦ信号の実効電力が変化すれば、セルフアクチュエーションによる静電引力の大きさや可動電極１１５の反り量、ＲＦ容量の最大値が変動してしまう。
　そこで本発明は、可動梁が十分な剛性を有するとともに、ＲＦ容量の最大値のばらつきや変動を極めて小さくすることができる可変容量素子の提供を目的とする。
　この発明の可変容量素子は、可動梁と、支持基板とを備える。可動梁は、複数の容量形成部と、複数の容量形成部を連結し、複数の容量形成部よりも薄く形成されている連結部と、連結部が接続されている支持部とを備える。支持基板は、表面に支持部が接続されており、表面に形成されたＲＦ容量電極と、駆動電極とを備える。複数の容量形成部は、それぞれ、ＲＦ容量電極と駆動電極とのいずれかと対向している。複数の容量形成部のＲＦ容量電極と駆動電極とのいずれかと対向している側の面における周縁部には、支持基板側に突出するストッパが設けられている。
　この構成では、可動梁が、複数の容量形成部と、複数の容量形成部よりも薄く形成されている連結部とを備えるので、各容量形成部で局所的に剛性を高めることができる。そして、複数の容量形成部のＲＦ容量電極と駆動電極とのいずれかと対向している側の面における周縁部にストッパを設けることによって、容量形成部に発生する反りを小さくすることができるとともに、ＲＦ容量の最大値のばらつきや変動を極めて小さくすることができる。
　上述の可変容量素子において、複数の容量形成部は、可動梁の支持部側から先端側に向けて隣接して配列された３つの容量形成部であり、３つの容量形成部のうち、中央の容量形成部はＲＦ容量電極と対向しており、両脇の容量形成部は駆動電極と対向しており、中央の容量形成部のＲＦ容量電極と対向している側の面における両脇の容量形成部に隣接する側の周縁部にストッパが設けられていると好適である。
　この構成では、中央の容量形成部が片側に浮き上がることを防ぐことができる。
　上述の可変容量素子において、両脇の容量形成部の駆動電極と対向している側の面における中央の容量形成部に隣接する側とは反対側の周縁部にのみストッパが設けられていると好適である。
　この構成では、両脇の容量形成部は中央側にストッパを設けないことになる。すると、中央の容量形成部のストッパを対向位置に押し当てる確度を高めることができる。
　上述の可変容量素子において、ストッパが、容量形成部の端部よりも内側に設けられると好適である。
　この構成では、ストッパの間隔が狭くなるので、容量形成部の反りをさらに小さくすることができる。また、ストッパよりも内側と外側とで容量形成部の反りの方向が逆になるので、ストッパの両側それぞれでの容量の増減が相殺されることになる。
　上述の可変容量素子において、中央の容量形成部には３つのストッパが設けられていると好適である。
　この構成では、３つのストッパ全てを対向位置に押し当てて、容量形成部のぐらつきを抑えることができる。
　上述の可変容量素子において、３つのストッパの配置位置が、可動梁の幅方向にずれていると好適である。
　この構成では、容量形成部の幅方向での反りを低減できる。
　この発明によれば、可動梁が十分な剛性を有するとともに、ＲＦ容量の最大値のばらつきや変動を極めて小さくすることができる
従来の可変容量素子の構成例を説明する断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る可変容量素子の断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る可変容量素子の内部空間を示す平面図である。 本発明の第１の実施形態に係る可変容量素子の動作を説明する断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る可変容量素子の製造方法を説明する断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る可変容量素子の製造方法を説明する断面図である。 第１の特性試験の設定と結果について説明する図である。 第１の特性試験の設定と結果について説明する図である。 本発明の第２の実施形態に係る可変容量素子の内部空間を示す平面図である。 第２の特性試験の設定と結果について説明する図である。 本発明の第３の実施形態に係る可変容量素子の内部空間を示す平面図である。 第３の特性試験の設定と結果について説明する図である。
　以下、本発明に係る可変容量素子について図を参照して説明する。なお、各図には適宜、直交座標形のＸ－Ｙ－Ｚ軸を付している。Ｚ軸方向は可動梁の厚み方向であり、Ｙ軸方向は可動梁の長手方向であり、Ｘ軸方向は可動梁の幅方向である。
《第１の実施形態》
　図２は、本発明の第１の実施形態に係る可変容量素子１の概略構成を説明するＹ－Ｚ面断面図である。また、図３は、本発明の第１の実施形態に係る可変容量素子１の内部空間を示すＸ－Ｙ平面図である。なお、図２は、図３中に破線で示す部分に対応している。
　可変容量素子１は、支持基板１１と、蓋基板２１と、封止枠１２と、接合部１３，２３と、絶縁保護膜１４，２４と、固定電極１５Ａ～１５Ｃ，１６，１７，２５Ａ～２５Ｃ，２６と、可動梁３１Ａ～３１Ｃとを備える。
　支持基板１１は、ガラスやサファイアなどを主材料とする絶縁基板であり、上面の外周に沿って封止枠１２が形成されている。封止枠１２は、複数の金属層（不図示）を積層した構造であり、上面に接合部１３が形成されている。接合部１３は、封止接合に用いられる金属膜である。蓋基板２１は、ガラスやサファイアなどを主材料とする絶縁基板であり、下面の外周に沿って接合部２３が形成されている。接合部２３は、封止接合に用いられる金属膜である。支持基板１１と蓋基板２１とは、大気圧下または減圧雰囲気下で、接合部１３，２３によって接合される。これにより、大気圧または減圧雰囲気にした内部空間に、固定電極１５Ａ～１５Ｃ，１６，１７，２５Ａ～２５Ｃ，２６と、可動梁３１Ａ～３１Ｃとが封止される。
　図３（Ａ）は、可変容量素子１において、蓋基板２１を取り除いた状態を示す平面図である。図３（Ａ）では、封止枠１２と接合部１３，２３とは省略されている。可動梁３１Ａ～３１Ｃは、図３（Ａ）に示すように、それぞれ支持部３２からＹ軸方向に延設される片持ち梁であり、Ｃｕなどの金属材料で一体に形成されている。可動梁３１Ａ～３１Ｃのそれぞれは、連結部３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃと容量形成部３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃとを備え、支持部３２により支持基板１１および蓋基板２１から離間した状態で支持されている。支持部３２は支持基板１１の表面に接続されて、固定されている。
　図２に示すように、可動梁３１Ａ～３１Ｃにおいて、連結部３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃと容量形成部３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃとは厚み（Ｚ軸方向の寸法）が異なり、連結部３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃの厚みは容量形成部３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃの厚みよりも薄い。連結部３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃの厚みは例えば約1.5～4.0μｍであり、容量形成部３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃの厚みは例えば約6.0～15.0μｍである。容量形成部３４Ａ～３４ＣはＹ軸方向に配列されている。連結部３３Ａは、支持部３２と容量形成部３４Ａとを連結している。連結部３３Ｂは、容量形成部３４Ａと容量形成部３４Ｂとを連結している。連結部３３Ｃは、容量形成部３４Ｂと容量形成部３４Ｃとを連結している。
　容量形成部３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃは、平面視して方形状である。容量形成部３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃのそれぞれの下面における周縁部には、支持基板１１側に突出する４つのストッパ３５が設けられている。具体的には、容量形成部３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃのそれぞれの下面における四隅には、支持基板１１側に突出する４つのストッパ３５が設けられている。ストッパ３５の厚み（Ｚ軸方向の寸法）は、例えば約100～500nmである。これらのストッパ３５により、固定電極１５Ａ～１５Ｃは容量形成部３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃと空間を介して対向し、可動梁３１Ａ～３１Ｃの下面側には所望の空間が確保される。具体的には、ストッパ３５により、容量形成部３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃと固定電極１５Ａ～１５Ｃとの間には常に空間が形成されることになる。このストッパ３５の厚みにより、上記空間の大きさおよびＲＦ容量の最大値が制御されることになる。
　支持基板１１の上面には、固定電極１５Ａ～１５Ｃ，１６，１７が設けられているとともに、固定電極１５Ａ～１５Ｃ，１６，１７を覆うように、SiNやSiO2等を主材料とする絶縁保護膜１４が設けられている。絶縁保護膜１４は、可動梁３１Ａ～３１Ｃと固定電極１５Ａ～１５Ｃ，１６，１７との短絡を脳死するとともに、固定電極１５Ａ～１５Ｃ，１６，１７を保護するために設けられている。固定電極１５Ａ～１５Ｃ，１６，１７は、表皮深さの観点からCu, Au, Al, W等の比抵抗の低い材料からなり、厚み（Ｚ軸方向の寸法）が0.5～2um程度であると好適である。図３（Ｂ）は、可変容量素子１において、蓋基板２１と、可動梁３１Ａ～３１Ｃと、支持部３２とを取り除いた状態を示す平面図である。図３（Ｂ）では、封止枠１２と接合部１３，２３とは省略されている。すなわち、図３（Ｂ）には、固定電極１５Ａ～１５Ｃ，１６，１７の電極パターンを示している。
　固定電極１５Ａは、可動梁３１Ａ～３１Ｃに交差するようにＸ軸方向を長手として設けられており、可動梁３１Ａ～３１Ｃの容量形成部３４Ａと対向している。固定電極１５Ａは駆動電極であり、駆動ＤＣ電圧が印加される。
　固定電極１５Ｂは、可動梁３１Ａ～３１Ｃに交差するようにＸ軸方向を長手として設けられており、可動梁３１Ａ～３１Ｃの容量形成部３４Ｂと対向している。固定電極１５ＢはＲＦ容量電極であり、ＲＦ信号入力端子またはＲＦ信号出力端子に接続されている。なお、ＲＦ容量電極は低抵抗であることが望ましい。
　固定電極１５Ｃは、可動梁３１Ａ～３１Ｃに交差するようにＸ軸方向を長手として設けられており、可動梁３１Ａ～３１Ｃの容量形成部３４Ｃと対向している。固定電極１５Ｃは駆動電極であり、駆動ＤＣ電圧が印加される。
　固定電極１６は、固定電極１５Ａ～１５Ｃを囲むようにメアンダ状に設けられており、可動梁３１Ａ～３１Ｃの容量形成部３４Ａ～３４Ｃのそれぞれの四隅（ストッパ３５が形成されている位置）に対向している。
　固定電極１７は、可動梁３１Ａ～３１Ｃの支持部３２が接合されるとともに、支持部３２と電気的に接続されており、ＲＦ信号出力端子またはＲＦ信号入力端子に接続されている。
　なお、固定電極１６は、ストッパ３５が接触する絶縁保護膜１４の領域に電界が印加されることを防ぐために、固定電極１７および可動梁３１Ａ～３１Ｃと同電位にされている。これにより、絶縁保護膜１４の不要な帯電（チャージアップ）と、それによる可動梁３１Ａ～３１Ｃの動作不良の発生とを防ぐことができる。
　また、ここでは図示していないが、ＲＦ信号が駆動ラインやグランドラインに漏洩しないようにするために、NiCrやSiCr、TiN、TaN等の比抵抗の高い材料で形成されたメアンダ状パターンの高抵抗電極を固定電極１５Ａ，１５Ｃ，１７などに接続してもよい。
　また、図２に示すように、蓋基板２１の下面には、固定電極２５Ａ～２５Ｃ，２６が設けられているとともに、固定電極２５Ａ～２５Ｃ，２６を覆うように、SiNやSiO2等を主材料とする絶縁保護膜２４が設けられている。なお、固定電極２５Ａ～２５Ｃ，２６の電極パターンについては図示を省くが、図３（Ｂ）に示した固定電極１５Ａ～１５Ｃ，１６の電極パターンと略同様の形状を有している。絶縁保護膜２４は、可動梁３１Ａ～３１Ｃと固定電極２５Ａ～２５Ｃ，２６との短絡を脳死するとともに、固定電極２５Ａ～２５Ｃ，２６を保護するために設けられている。固定電極２５Ａは、可動梁３１Ａ～３１Ｃに交差するようにＸ軸方向を長手として設けられており、可動梁３１Ａ～３１Ｃの容量形成部３４Ａと対向している。固定電極２５Ｂは、可動梁３１Ａ～３１Ｃに交差するようにＸ軸方向を長手として設けられており、可動梁３１Ａ～３１Ｃの容量形成部３４Ｂと対向している。固定電極１５Ｃは、可動梁３１Ａ～３１Ｃに交差するようにＸ軸方向を長手として設けられており、可動梁３１Ａ～３１Ｃの容量形成部３４Ｃと対向している。固定電極２５Ａ～２５Ｃは駆動電極であり、駆動ＤＣ電圧が印加される。固定電極２６は、固定電極２５Ａ～２５Ｃを囲むようにメアンダ状に設けられており、可動梁３１Ａ～３１Ｃの容量形成部３４Ａ～３４Ｃのそれぞれの四隅に対向している。固定電極２６は、可動梁３１Ａ～３１Ｃが接触する絶縁保護膜２４の領域に電界が印加されることを防ぐために、可動梁３１Ａ～３１Ｃと同電位にされている。これにより、絶縁保護膜２４の不要な帯電（チャージアップ）と、それによる可動梁３１Ａ～３１Ｃの動作不良の発生とを防ぐことができる。また、固定電極２６は、固定電極２５Ａ～２５Ｃよりも厚く形成されており、ストッパとして機能する。具体的には、固定電極２５Ａ～２５Ｃの厚み（Ｚ軸方向の寸法）は例えば50～100nmであり、固定電極２６の厚みは例えば100～500nmである。固定電極２６により、容量形成部３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃと固定電極２５Ａ～２５Ｃとの間には常に空間が形成されることになる。
　以上のような構成を有する可変容量素子１は次のように動作する。図４は、本発明の第１の実施形態に係る可変容量素子１の動作を説明するＹ－Ｚ面断面図である。図４は、図２と同様に、図３中に破線で示す部分に対応している。固定電極２５Ａ～２５Ｃに駆動ＤＣ電圧を印加すると、固定電極２５Ａ～２５Ｃと可動梁３１Ａ～３１Ｃとの間に静電引力が発生することにより、可動梁３１Ａ～３１Ｃは蓋基板２１側に引きつけられる。図４（Ａ）は、固定電極２５Ａ～２５Ｃに駆動ＤＣ電圧を印加した状態を示す図である。この状態では、中央の容量形成部３４ＢとＲＦ容量電極である固定電極１５Ｂとの間隔が最も広くなり、ＲＦ容量の最小値が得られる。
　また、固定電極１５Ａ，１５Ｃに駆動ＤＣ電圧を印加すると、固定電極１５Ａ，１５Ｃと可動梁３１Ａ～３１Ｃとの間に静電引力が発生することにより、可動梁３１Ａ～３１Ｃは支持基板１１側に引きつけられる。図４（Ｂ）は、固定電極１５Ａ，１５Ｃに駆動ＤＣ電圧を印加した状態を示す図である。この状態では、中央の容量形成部３４ＢとＲＦ容量電極である固定電極１５Ｂとの間隔が最も狭くなり、ＲＦ容量の最大値が得られる。
　この際、厚くて剛性が高い容量形成部３４Ａ～３４Ｃはあまり変形せず、薄くて剛性が低い連結部３３Ａ～３３Ｃが主として変形する。容量形成部３４Ａ～３４Ｃはそれぞれストッパ３５を支点に支えられ、支点間の間隔が短いため、各容量形成部３４Ａ～３４Ｃにはほとんど反りが生じない。そして、ストッパ３５の厚みを高精度に設定することができるため、容量形成部３４Ａ～３４Ｃと固定電極１５Ａ～１５Ｃとの間隔の大きさやＲＦ容量の最大値を高精度に調整できる。
　また、図４（Ｃ）には、可動梁３１Ａ～３１Ｃが支持基板１１側に引きつけられている状態ではあるが、容量形成部３４Ａの支持部３２側が浮き上がっている状態を示す。可動梁３１Ａ～３１Ｃは弾性を有しているため、バネ力の関係で、先端側や基端側に近いほど支持基板１１から浮き上がり易い。そのため、駆動電極である固定電極１５Ａ，１５Ｃを、ＲＦ容量電極である固定電極１５Ｂの両脇に配置する構成とすることで、ＲＦ容量電極である固定電極１５Ｂを容量形成部３４Ｂに近接させる確度を高められる。また、可動梁３１Ａ～３１Ｃにおける容量形成部３４Ａよりも先端側の形状を、長手方向の中間位置を境に対称形になるように各部を形成することで、容量形成部３４Ｂに対して連結部３３Ｂ，３３Ｃから均等なバネ力を作用させることができ、このことでもＲＦ容量電極である固定電極１５Ｂを容量形成部３４Ｂに近接させる確度を高められる。
　このように本実施形態の構成では、可動梁は十分な剛性を有し、容量形成部と固定電極との間隔を高精度かつ安定な形状にでき、ＲＦ容量の最大値のばらつきや変動を極めて微小にできる。
　なお、本実施形態では可動梁を片持ち梁で構成する例を示したが、可動梁を両持ち梁で構成しても良い。また、可動梁が３つの容量形成部を備える例を示したが、容量形成部の個数はいくつでもよく、好適には奇数にして交互に駆動電極とＲＦ容量電極とに対向させるとよい。さらには、３本の可動梁を一体に構成する例を示したが、可動梁の本数はどのようなものでもよく、好適には複数にすることによってＲＦ容量の最大値を高めることできる。
　また、容量形成部３４Ａ～３４Ｃのそれぞれの四隅に対向している位置に可動梁３１Ａ～３１Ｃと同電位である固定電極１６，２６を設ける例を示したが、それらは省いても良い。また各部の寸法および組成も上述した例に限定されるものではない。
《製造方法》
　次に、本実施形態に係る可変容量素子１の製造方法の概略を説明する。図５，６は可変容量素子１の各製造工程を説明するための模式的断面図である。
　まず支持基板１１を用意し、CVD法もしくはスパッタリング法によりSiN膜を成膜して保護膜４１を形成する（Ｓ１）。保護膜４１は、支持基板１１等を後の犠牲層エッチングから保護するために設けられる。
　次に、ＲＦ信号カット用の高抵抗電極４２をスパッタリング法もしくは蒸着法などにより厚み15～50nm程度で形成する（Ｓ２）。
　次に、固定電極１５Ａ～１５Ｃ，１６，１７をスパッタリング法もしくは蒸着法を用いたリフトオフ・プロセスにより形成する（Ｓ３）。また、ここでは、固定電極１５Ａ～１５Ｃ，１６，１７を埋め込むように、SiO2やSiNを主材料とする絶縁膜４３を設ける。仮に、絶縁膜４３を設けなければ、固定電極１５Ａ～１５Ｃ，１６，１７による配線段差ができるため、可動梁３１Ａ～３１Ｃを形成する際に、可動梁３１Ａ～３１Ｃの強度が不十分となることがある。そのため、ここでは絶縁膜４３を設けることで配線段差を小さくしている。なお、絶縁膜４３ではなく、犠牲層エッチングにより除去される材料の膜を設けても、同様に配線段差を緩和することができる。
　次に、CVD法もしくはスパッタリング法によりSiNを成膜して絶縁保護膜１４を形成する（Ｓ４）。
　次に、希HF水溶液でエッチング可能なSiO2やTiなどの無機材料、あるいは有機溶剤や酸素アッシングでエッチング可能なポリイミドなどの有機材料からなる犠牲層４４を、スパッタリング法やCVD法、あるいはスピンコート等を用いて形成する（Ｓ５）。
　次に、スパッタリング法もしくは蒸着法を用いたリフトオフ・プロセスにより、犠牲層４４と同種の材料を用いて所定パターン形状で犠牲層４５を形成する（Ｓ６）。この犠牲層４５のパターン形状が可動梁３１Ａ～３１Ｃの下面形状を規定し、犠牲層４５の厚みが可動梁３１Ａ～３１Ｃの下面に設けるストッパ３５の厚みを規定する。
　次に、可動梁３１Ａ～３１Ｃの支持部３２となる箇所や、封止枠１２などとなる箇所の犠牲層４４および絶縁保護膜１４を除去する（Ｓ７）。
　続いて、可動梁３１Ａ～３１Ｃの連結部３３Ａ～３３Ｃを形成するための電極４６を形成する（Ｓ８）。なお、可動梁３１Ａ～３１ＣはＲＦ信号の伝送経路となるため低抵抗があることが望ましく、また、そのバネ定数を規定するためにある程度の厚み(1.5～4um)が必要となる。このため、この工程では、めっき法あるいは蒸着法を用いたリフトオフ・プロセスでCuもしくはAuを主材料として電極４６を形成すると好適である。
　次に、可動梁３１Ａ～３１Ｃの容量形成部３４Ａ～３４Ｃを形成するための電極４７を形成し、その後、可動梁３１Ａ～３１Ｃの表面粗さによっては平坦化のために必要に応じて化学機械研磨（CMP）を行い、電極４７の上面に接合部１３を形成する（Ｓ９）。
　次に、結晶粒のグレインを形成させて可動梁３１Ａ～３１Ｃの強度を向上させるために熱処理を行い、その後、犠牲層エッチングを行って可動梁３１Ａ～３１Ｃを可動にする（Ｓ１０）。熱処理温度は200～300℃で熱処理時間は0.5～2時間程度とし、可動梁３１Ａ～３１Ｃや封止枠１２などの金属構造体の酸化を防止するために真空もしくは窒素雰囲気で熱処理を行うと好適である。
　また支持基板１１側の形成と平行して蓋基板２１側の形成を行う。
　まず、蓋基板２１を用意し、固定電極２５Ａ～２５Ｃ，２６を蒸着法もしくはスパッタリング法により厚み50～500nm程度で形成する（Ｓ１１）。
　次に、固定電極２６を用いてストッパを構成するために、蒸着法を用いたリフトオフ・プロセスやスパッタリング法やＣＶＤ法とエッチングなどを用いて金属あるいは絶縁膜を厚み0.1～0.5um程度で固定電極２６に積層形成する（Ｓ１２）。
　次に、固定電極２５Ａ～２５Ｃ，２６を覆うように絶縁保護膜２４を形成する（Ｓ１３）。絶縁保護膜２４は、固定電極２５Ａ～２５Ｃ，２６などとの密着性や耐圧性が良好なSiNやSiO2等を主材料として形成するが望ましい。
　そして、接合部２３を形成する（Ｓ１４）。接合部１３と接合部２３との接合は、Auからなる接合部１３，２３の金属拡散結合の他、AuまたはSnからなる接合部１３とSnまたはAuからなる２３との共晶接合などその他の工法を利用することもできる。また、この蓋基板２１側にも封止枠を設けるようにしても良い。
　次に、支持基板１１と蓋基板２１とを接合部１３，２３を介して接合する（Ｓ１５）。この際、金属拡散接合と共晶接合のどちらの工法を用いても300℃程度の温度および5～15MPa程度の荷重が必要となる。
　そして、グラインダー等を用いて蓋基板２１を100～200um厚程度まで研削し、サンドブラストやレーザ加工によって蓋基板２１に貫通ビアを形成する。貫通ビアの内面等に、配線層および実装用電極などの形成を行う（Ｓ１６）。蓋基板２１を研削しておくことで、貫通電極が過度に大きくなることを防ぐことができる。配線層は貫通電極に対するカバレッジ性からめっき法で形成することが望ましい。最後に、必要に応じて配線層の保護膜や素子低背化のための支持基板１１基板の研削などを行い、ダイシングやレーザ加工等による個片化を行うことで可変容量素子１が完成する。
《第１の特性試験》
　次に、第１の実施形態の可変容量素子１と同様な構成で各部寸法を異ならせた特性変化試験について説明する。
　ここでは、容量形成部３４Ａ～３４Ｃの外形を80×80μm、ストッパ３５の間隔を60μmとし、容量形成部３４Ａ～３４Ｃの厚みを５μｍ、7.5μｍ、10μｍと異ならせ、容量形成部３４Ａ～３４Ｃの反り量とＲＦ容量の容量変動率との関係を確認した。図７は、この試験の設定と特性変化例とを示す図である。なお、図中の横軸には容量形成部３４Ａ～３４Ｃの厚み方向の応力勾配を示しているが、この応力勾配の絶対値が大きいほど反り量が大きい状態になる。また正負は応力の方向すなわち反りの方向を表す。
　この試験によれば、どのような圧力勾配であっても、容量形成部３４Ａ～３４Ｃが厚いほど容量変動率が小さい関係がみられた。このことは、容量形成部３４Ａ～３４Ｃが厚くなることで剛性が増し、容量形成部３４Ａ～３４Ｃの反り量が小さくなってＲＦ容量の容量値への影響が小さくなったためと考えられる。
　次に、容量形成部３４Ａ～３４Ｃの外形を80×80μm、容量形成部３４Ａ～３４Ｃの厚みを7.5μmとし、ストッパ３５の間隔を60μm、40μm、30μmと異ならせ、容量形成部３４Ａ～３４Ｃの反り量とＲＦ容量の容量変動率との関係を確認した。図８は、この試験の設定と特性変化例とを示す図である。
　この試験によれば、どのような圧力勾配であっても、ストッパ３５の間隔が小さいほど容量変動率が小さい関係がみられた。このことは、ストッパ３５の間隔が小さくなることで、容量形成部３４Ａ～３４Ｃの最大変位が小さくなってＲＦ容量の容量値への影響が小さくなるとともに、ストッパ３５の内側と外側で反り方向が反対になってＲＦ容量の容量変動がキャンセルされるためと考えられる。
　以上のように各部寸法を異ならせた特性変化試験によって、容量形成部３４Ａ～３４Ｃの厚みが厚いほど、また、ストッパ３５の間隔が小さいほど、ＲＦ容量の変動を小さくできることが確認された。
《第２の実施形態》
　次に、本発明の第２の実施形態に係る可変容量素子について説明する。図９は、本実施形態に係る可変容量素子の内部空間を示すＸ－Ｙ平面図である。図９（Ａ）は、本実施形態に係る可変容量素子において、蓋基板２１を取り除いた状態を示す平面図である。図９（Ａ）では、封止枠１２と接合部１３，２３とは省略されている。図９（Ｂ）は、本実施形態に係る可変容量素子において、蓋基板２１と、可動梁３１Ａ～３１Ｃと、支持部３２とを取り除いた状態を示す平面図である。図９（Ｂ）では、封止枠１２と接合部１３，２３とは省略されている。本実施形態では、第１の実施形態と相違する配置および形状で設けられたストッパ５５および固定電極５５Ａ，５５Ｃ，５６を備え、その他の構成は第１の実施形態と同じである。
　具体的には、可動梁３１Ａ～３１Ｃの容量形成部３４Ｂの下面には四隅にストッパ５５が設けられているが、容量形成部３４Ａ，３４Ｃの下面には、容量形成部３４Ｂから離れた側の二隅にのみストッパ５５が設けられている。そして、支持基板１１における、容量形成部３４Ａ，３４Ｃの下面におけるストッパが設けられていない二隅と対向する位置には、固定電極５６が設けられておらず、固定電極５５Ａ，５５Ｃが設けられている。すなわち、固定電極５５Ａ，５５Ｃは、第１の実施形態の固定電極１５Ａ，１５Ｃよりも面積が大きい。このような構成であっても、本発明は実施できる。
《第２の特性試験》
　次に、第１の実施形態の構成と第２の実施形態の構成とを比較した特性変化試験について説明する。ここでは、容量形成部３４Ａ～３４Ｃの外形を80×80μm、厚みを7.5μm、ストッパ３５，５５の間隔を60μmとし、擬似的にセルフアクチュエーションの影響を確認する為に各実施形態の構成のＲＦ容量電極である固定電極１５Ｂにバイアス電圧を印加した場合の、バイアス電圧とＲＦ容量の変化率との関係を確認した。図１０は、この試験の設定と特性変化例とを示す図である。
　この試験によれば、第１の実施形態のように両脇の容量形成部３４Ａ，３４Ｃにも四隅にストッパ３５を設ける場合には、ＲＦバイアスの増加によって急峻にＲＦ容量の容量値が変化する例が確認された。一方、第２の実施形態のように両脇の容量形成部３４Ａ，３４Ｃの中央の容量形成部３４ＡＢとは逆側の二隅のみにストッパ５５を設ける場合には、ＲＦバイアスの増加によって急峻にＲＦ容量の容量値が変化する例は確認されず、緩やかに容量値が増加する例しか確認されなかった。第１の実施形態の構成では、中央の容量形成部３５ＢとＲＦ容量電極である固定電極１５Ｂとの間の空間の形状が不安定であり、第２の実施形態の構成では、中央の容量形成部３５ＢとＲＦ容量電極である固定電極１５Ｂとの間の空間の形状がより安定であるためであると考えられる。
《第３の実施形態》
　次に、本発明の第３の実施形態に係る可変容量素子について説明する。図１１は、本実施形態に係る可変容量素子の内部空間を示すＸ－Ｙ平面図である。図１１（Ａ）は、本実施形態に係る可変容量素子において、蓋基板２１を取り除いた状態を示す平面図である。図１１（Ａ）では、封止枠１２と接合部１３，２３とは省略されている。図１１（Ｂ）は、本実施形態に係る可変容量素子において、蓋基板２１と、可動梁３１Ａ～３１Ｃと、支持部３２とを取り除いた状態を示す平面図である。図１１（Ｂ）では、封止枠１２と接合部１３，２３とは省略されている。本実施形態では、第２の実施形態と相違する配置および形状で設けられたストッパ６５および固定電極６５Ｂ，６６を備え、その他の構成は第２の実施形態と同じである。
　具体的には、可動梁３１Ａ～３１Ｃの容量形成部３４Ｂの下面には先端側二隅と基端側中央とに合計三つのストッパ６５が設けられている。容量形成部３４Ａ，３４Ｃの下面には、第２の実施形態と同様に、容量形成部３４Ｂから離れた側の二隅にのみストッパ６５が設けられている。そして、支持基板１１における、容量形成部３４Ｂの下面におけるストッパが設けられていない二隅と対向する位置には、固定電極６６が設けられておらず、固定電極６５Ｂが設けられている。すなわち、固定電極６５Ｂは、第１の実施形態の固定電極１５Ｂよりも面積が大きい。また、第２の実施形態と同様に、容量形成部３４Ａ，３４Ｃの下面におけるストッパが設けられていない二隅と対向する位置には、固定電極６６が設けられておらず、固定電極５５Ａ，５５Ｃが設けられている。すなわち、固定電極５５Ａ，５５Ｃは、第１の実施形態の固定電極１５Ａ，１５Ｃよりも面積が大きい。このような構成であっても、本発明は実施できる。
《第３の特性試験》
　次に、第２の実施形態の構成と第３の実施形態の構成とを比較した特性変化試験について説明する。ここでは、容量形成部３４Ａ～３４Ｃの外形を80×80μm、厚みを7.5μm、ストッパ５５，６５の間隔を60μmとし、擬似的にセルフアクチュエーションの影響を確認する為に各実施形態の構成のＲＦ容量電極である固定電極１５Ｂ，６５Ｂにバイアス電圧を印加した場合の、バイアス電圧とＲＦ容量の変化率との関係を確認した。図１２は、この試験の設定と特性変化例とを示す図である。
　この試験によれば、第２の実施形態のように容量形成部３４Ｂに四つのストッパ５５を設ける場合に比べ、第３の実施形態のように容量形成部３４Ｂに三つのストッパ６５を設ける場合のほうが、ＲＦバイアスの増加によるＲＦ容量の容量値の変化率は小さいことが確認された。このことは、第３の実施形態の構成では、同一面に３点のストッパを設けることで容量形成部３４Ｂのぐらつきを抑えて安定させる効果が得られること、また、容量形成部３４Ｂの幅方向での反りを低減する効果が得られることなどによると考えられる。
　以上の各実施形態で示したように本発明は実施できるが、その他にも特許請求の範囲の記載と均等の範囲内の多様な構成でも本発明は実施できる。
１…可変容量素子
１１，２１…基板
１２…封止枠
１３，２３…接合部
１４，２４…絶縁保護膜
１５Ａ～１５Ｃ，１６，１７，２５Ａ～２５Ｃ，２６…固定電極
３１Ａ～３１Ｃ…可動梁
３２…支持部
３３Ａ～３３Ｃ…連結部
３４Ａ～３４Ｃ…容量形成部
３５，５５，６５…ストッパ

Claims (6)

  1. 　複数の容量形成部と、前記複数の容量形成部を連結し、前記複数の容量形成部よりも薄く形成されている連結部と、前記連結部が接続されている支持部とを備える可動梁と、
    　表面に前記支持部が接続されており、表面に形成されたＲＦ容量電極と、駆動電極とを備える支持基板とを備え、
    　前記複数の容量形成部は、それぞれ、前記ＲＦ容量電極と前記駆動電極とのいずれかと対向しており、
    　前記複数の容量形成部の前記ＲＦ容量電極と前記駆動電極とのいずれかと対向している側の面における周縁部には、前記支持基板側に突出するストッパが設けられていることを特徴とする可変容量素子。
  2. 　前記複数の容量形成部は、前記可動梁の支持部側から先端側に向けて隣接して配列された３つの容量形成部であり、
    　前記３つの容量形成部のうち、中央の容量形成部は前記ＲＦ容量電極と対向しており、両脇の容量形成部は前記駆動電極と対向しており、
    　前記中央の容量形成部の前記ＲＦ容量電極と対向している側の面における前記両脇の容量形成部に隣接する側の周縁部に前記ストッパが設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の可変容量素子。
  3. 　前記両脇の容量形成部の前記駆動電極と対向している側の面における前記中央の容量形成部に隣接する側とは反対側の周縁部にのみ前記ストッパが設けられていることを特徴とする、請求項２に記載の可変容量素子。
  4. 　前記ストッパが、前記容量形成部の端部よりも内側に設けられた、請求項１乃至３のいずれかに記載の可変容量素子。
  5. 　前記中央の容量形成部には３つの前記ストッパが設けられていることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の可変容量素子。
  6. 　前記３つのストッパの配置位置が、前記可動梁の幅方向にずれている、請求項５に記載の可変容量素子。
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