JP2004127973A

JP2004127973A - Variable capacitor and its manufacturing process

Info

Publication number: JP2004127973A
Application number: JP2002285717A
Authority: JP
Inventors: Takeaki Shimauchi; 島内　岳明; Tsutomu Miyashita; 宮下　勉; Yoshio Sato; 佐藤　良夫; Masahiko Imai; 今井　雅彦
Original assignee: Fujitsu Ltd; Fujitsu Media Devices Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd; Fujitsu Media Devices Ltd
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2022-09-30
Also published as: JP3696193B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a small variable capacitor having high capacitance and variation rate of capacitance in which the capacitance can be adjusted finely, and to provide its manufacturing process. <P>SOLUTION: The variable capacitor comprises a substrate (21), a lower movable electrode (35) and an upper movable electrode (37) supported on the substrate, and a plurality of actuators (27<SB>1</SB>-27<SB>4</SB>) for the lower movable electrode and actuators (29<SB>1</SB>-29<SB>4</SB>) for the upper movable electrode supported on the substrate and driving the movable electrodes. Since a capacitor and a piezoelectric actuator are formed to be supported on the same substrate, the size is reduced. Furthermore, both electrodes constituting the capacitor are movable, the capacitance and the variation rate thereof are high, and the capacitance can be adjusted finely. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は可変キャパシタに関し、特に、ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍ）技術を用いた可変キャパシタ及びその製造方法に関する。
【０００２】
可変キャパシタは、可変周波数発振器（ＶＦＯ）、同調増幅器、位相シフタ、インピーダンス整合回路などを含む電気回路において重要な部品で、近年、携帯機器への搭載が増えてきている。
【０００３】
また、現在使用されている可変キャパシタの１種であるバラクタダイオードに比べて、ＭＥＭＳ技術により作成された可変キャパシタは、損失を小さく、Ｑ値を高くできるため、開発が急がれている。以下、図を用いて従来の技術について説明する。
【０００４】
【従来の技術】
まず、図１に、非特許文献１に報告されている可変キャパシタの構造断面図を示す。
【０００５】
この可変キャパシタは、ユニモルフ型の圧電アクチュエータ１２と可動電極１３とからなる可動電極用基板１１と、固定電極１６を設置した固定電極用基板１５とを、可動電極１３及び固定電極１６が対向するようにソルダーバンプ１４で接合した構造である。圧電アクチュエータ１２を駆動することで、可動電極１３と固定電極１６との距離を変化させ、容量をコントロールする。
【０００６】
【非特許文献】
Ｊａｎ　Ｙ．Ｐａｒｋ，ｅｔ　ａｌ．，”ＭＩＣＲＯＭＡＣＨＩＮＥＤ　ＲＦ　ＭＥＭＳ　ＴＵＮＡＢＬＥ　ＣＡＰＡＣＩＴＯＲＳ　ＵＳＩＮＧ　ＰＩＥＺＯＥＬＥＣＴＲＩＣ　ＡＣＴＵＡＴＯＲＳ”，　ＩＥＥＥ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ，　２００１
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１に示す従来技術は次の問題点を有する。可動電極１３と固定電極１６との間隔をソルダーバンプ１４で制御するため、間隔を小さくすることができず、圧電アクチュエータ１２の初期状態の容量は小さくなる。
【０００８】
図２に示すように、静電容量Ｃとキャパシタを形成する電極間の距離ｄとの間には、Ｃ＝εε_ｒＳ／ｄ（ε、ε_ｒは誘電率および比誘電率、Ｓはキャパシタを形成する電極の面積。図２では、縦および横軸を、初期状態のｄおよびＣにより規格化してある。）の関係が有り、圧電アクチュエータの変化量が一定の場合、電極間が離れた状態より、近づいた状態の方が変化の割合が大きくなる。すなわち、初期状態の容量が小さいということは、容量変化の割合も小さくなる。
【０００９】
従って、本発明は上記従来技術の問題点を解決し、小型で容量、容量変化の割合が大きく、容量の微調整が可能な可変キャパシタ及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、請求項１に記載のように、基板と、該基板に支持されたキャパシタの２つの可動電極と、前記基板に支持され且つ前記可動電極を駆動する圧電アクチュエータとを備えることを特徴とする可変キャパシタである。キャパシタと圧電アクチュエータを同一基板で支持されるように形成したため小型で、また、キャパシタを構成する２つの電極は、両方とも可動電極可動であるため、容量と、容量変化の割合をともに大きく、容量の微調整が可能である。
【００１１】
また、請求項２に記載のように、キャパシタを構成する２つの電極間に誘電体を設置することで、容量と容量変化の割合を、更に大きくすることが可能である。
【００１２】
可変キャパシタにおいて、キャパシタを構成する２つの電極が、圧電アクチュエータにより基板に支持されている構成は、後述する第１、第２、第３及び第４実施形態として例示され、また、キャパシタを構成する２つの電極間に誘電体層が設置されている構成は、後述する第３及び４の実施形態として例示されている。
【００１３】
基板と、該基板に支持されたキャパシタの２つの可動電極と、前記基板に支持され且つ前記可動電極を駆動する複数の圧電アクチュエータとを備えることを特徴とする。
【００１４】
基板と、該基板に支持されたキャパシタの２つの可動電極と、前記基板に支持され且つ前記可動電極を駆動する複数の圧電アクチュエータと、２つの前記可動電極の間に設けられた誘電体層とを備えることを特徴とする。
【００１５】
前記誘電体層は２つの前記可動電極のいずれか一方に支持されていることを特徴とする。
【００１６】
前記複数の圧電アクチュエータの各々は、一対の電極とこの間に設けられた圧電素子とを含み、前記基板上の空間内に位置していることを特徴とする。
【００１７】
前記複数の圧電アクチュエータの一対の電極の一方と前記可動電極とは、一体構成されていることを特徴とする。
【００１８】
前記圧電アクチュエータはユニモルフ型または、バイモルフ型であることを特徴とする。
【００１９】
前記可動電極は、前記誘電体層と前記可動電極との間に空気層が介在する状態から、前記誘電体層と前記可動電極とが接した状態までの可動範囲を有することを特徴とする。
【００２０】
前記可動電極は、前記誘電体層と前記可動電極との間に空気層が介在する状態から、前記誘電体層と前記可動電極とが接した状態までの可動範囲を有することを特徴とする。
【００２１】
前記２つの可動電極は対向していることを特徴とする。
【００２２】
前記２つの可動電極は略矩形であって、該２つの可動電極の４つの辺に沿って前記複数の圧電アクチュエータが配置されていることを特徴とする。
【００２３】
前記複数の可動電極の各々は、前記２つの可動電極のいずれか一方を駆動することを特徴とする。
【００２４】
前記２つの可動電極の一方を駆動する１つの圧電アクチュエータと、他方を駆動する別の１つの圧電アクチュエータとは隣り合うように配置されていることを特徴とする。
【００２５】
前記２つの可動電極のうち前記基板側に位置する可動電極は、前記基板に設けられた開口に面していることを特徴とする。
【００２６】
前記２つの可動電極のうち前記基板側に位置する可動電極は、前記基板に設けられた空隙を介して当該基板に面していることを特徴とする。
【００２７】
前記２つの可動電極は対向し、前記複数のアクチュエータは前記対向する２つの可動電極を同時に近接又は離間する方向に駆動することを特徴とする。
【００２８】
基板に支持されるキャパシタの２つの可動電極を形成する工程と、前記基板に支持され且つ前記可動電極を駆動する圧電アクチュエータを形成する工程と、２つの可動電極との間に間隙を形成するための犠牲層を形成する工程と、前記犠牲層を除去する工程と、を含むことを特徴とする。
【００２９】
基板に支持されるキャパシタの２つの可動電極を形成する工程と、前記基板に支持され且つ前記可動電極を駆動する圧電アクチュエータを形成する工程と、前記可動電極間に設けられた誘電体層を形成する工程と、前記可動電極のいずれか一方と誘電体層との間に間隙を形成するための犠牲層を形成する工程と、前記犠牲層を除去する工程と、を含むことを特徴とする。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
【００３１】
（第１実施形態）
図３は、本発明の第１実施形態による可変キャパシタの分解斜視図である。基板２１上に絶縁層２３が設けられている。基板２１はシリコンや化合物半導体なで形成され、中央部に開口４０を有する。キャパシタは下部可動電極３５と上部可動電極３７とで構成され、下部可動電極３５および上部可動電極３７は、それぞれ４つの下部可動電極用アクチュエータ２７_１〜２７_４及び上部可動電極用アクチュエータ２９_１〜２９_４で駆動される。下部可動電極３５と上部可動電極３７はそれぞれ略同一大きさ、同一形状（矩形）のシート状であり、空気層を介して対向している。下部可動電極３５の４つのコーナ部分に、下部可動電極用アクチュエータ２７_１〜２７_４が連続するように設けられている。同様に、上部可動電極３７の４つのコーナ部分に、上部可動電極用アクチュエータ２９_１〜２９_４が連続するように設けられている。下部可動電極３５、下部可動電極用アクチュエータ２７_１〜２７_４及び上部可動電極用アクチュエータ２９_１〜２９_４は、基板２１に形成された開口４０に面している。つまり、基板２１の裏面から開口４０を介して、これらが望める。
【００３２】
下部可動電極用アクチュエータ２７（代表して１つの下部可動電極アクチュエータを説明する際には、単に参照番号２７を用いる）は圧電アクチュエータであって、下部絶縁層２３とアクチュエータ用下部電極３１Ａと圧電層３４とアクチュエータ用上部電極３３Ａとが下からこの順番に積層されたユニモルフ型の構成である。同様に、上部可動電極用アクチュエータ２９（代表して１つの上部可動電極アクチュエータを説明する際には、単に参照番号２９を用いる）は圧電アクチュエータであって、アクチュエータ用下部電極３１Ｂと圧電層３４とアクチュエータ用上部電極３３Ｂと上部絶縁層３９とが下からこの順番に積層されたユニモルフ型の構成である。アクチュエータ用下部電極３１Ｂと下部駆動電極３５とは、単一の部材で一体的に構成されている。同様に、アクチュエータ用上部電極３３Ｂはと上部駆動電極３７とは、単一の部材で一体的に構成されている。参照番号２５は、配線間絶縁層を示す。
【００３３】
各アクチュエータ用下部電極３１Ａは、外部接続用パッド１３１Ａに共通に接続されている。また、各アクチュエータ用下部電極３１Ｂは、外部接続用パッド１３１Ｂに共通に接続されている。また、各アクチュエータ用上部電極３３Ａは、外部接続用パッド１３３Ａに共通に接続されている。同様に、各アクチュエータ用上部３３Ｂは、外部接続用パッド１３３Ｂに共通に接続されている。
【００３４】
下部可動電極用アクチュエータ２７及び上部可動電極用アクチュエータ２９は各々、略Ｕ字上に屈曲しているアーム部分を含む。１つの下部可動用アクチュエータ２７と１つの上部可動用アクチュエータ２９とは、隣り合うように配置されている。
【００３５】
アクチュエータ用下部電極３１Ａ、３１Ｂとアクチュエータ用上部電極３３Ａ、３３Ｂとの間に電圧を加えることで、下部可動電極３５は上部可動電極３７側へ、また、下部可動電極３５と上部可動電極３７とは、同時に近接する方向に駆動される。このように、下部可動電極用アクチュエータ２７および上部可動電極用アクチュエータ２９を駆動することで、上部可動電極３７と下部可動電極３５との距離を変化させて、静電容量を変化させる。
【００３６】
なお、下部可動電極用アクチュエータ２７および上部可動電極用アクチュエータ２９はユニモルフに限定されるものではなく、図１３（Ａ）に示すパラレル接続型のバイモルフや、図１３（Ｂ）に示すシリーズ接続型のバイモルフであってもよい。図１３（Ａ）、（Ｂ）において、中間電極６３の上下に図示する矢印方向に分極された圧電素子５４_１ａと５４_１ｂが設けられている。圧電素子５４_１ａには下部駆動電極５３_１が設けられ、圧電素子５４_１ｂには上部駆動電極５５_１が設けられている。図示するように直流電圧Ｖを印加すると、バイモルフは変形する。
【００３７】
また、下部可動電極用アクチュエータ２７および上部可動電極用アクチュエータ２９をバイモルフにする場合は、アクチュエータ用下部電極３１またはアクチュエータ用上部電極３３に接している形成する下部絶縁層２３または上部絶縁層３９は不要となる。
【００３８】
次に、図４を用いて、上記可変キャパシタの製造方法を説明する。また、図４は図３のＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【００３９】
まず、図４（ａ）に示すよう、シリコンを材料とする基板２１上に、ＬＰＣＶＤ（Ｌｏｗ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により、低応力の窒化シリコンからなる下部絶縁層２３を形成し、その後、図４（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィー技術により所定形状に形成する。
【００４０】
次に、図４（ｃ）に示すように、下部絶縁層２３上にフォトリソグラフィー技術により、Ｐｔ／Ｔｉ（白金／チタン）の下部可動電極３５及びアクチュエータ用下部電極３１Ａ、３１Ｂを所定形状に同時形成する。Ｐｔ／Ｔｉの厚みは例えば４５００Å／５００Åである。パターニングはＣｌ_２／Ａｒ（塩素／アルゴン）系ガスを使用したＲＩＥやイオンミリングなどで行う。
【００４１】
そして、図４（ｄ）に示すように、スパッタリング法、ゾルゲル法、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ　ＣＶＤ）法又はレーザーアブレーション法などにより、アクチュエータ用電極３１Ａ，３１Ｂ上に、ニオブ酸リチウム、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸ビスマスなどを材料とする所定の形状の圧電層３４を形成する。パターニングはＣＣｌ４／ＣＦ４／Ａｒ系ガスを使用したＲＩＥや、イオンミリングなどで行う。
【００４２】
その後、図４（ｅ）、図４（ｆ）、図４（ｇ）に示すように、レジスト材料からなる犠牲層４１を形成した後、リソグラフィー技術により所定形状のＰｔの上部可動電極３７とアクチュエータ用上部電極３３Ａ、３３Ｂとを同時形成し、シリコン窒化膜やシリコン酸化膜などの上部絶縁層３９を形成する。なお、上部可動電極３７となる層には複数の開口４７が設けられている。この開口４７は、後のステップで犠牲層を効率的及び効果的に取り除くために形成されている。
【００４３】
ここで、下部絶縁層２３とアクチュエータ用下部電極３１Ａと圧電層３４とアクチュエータ用上部電極３３Ａの積層からなる下部可動電極用アクチュエータ２７と、アクチュエータ用下部電極３１Ｂと圧電層３４とアクチュエータ用上部電極３３Ｂと上部絶縁層３９の積層からなる上部可動電極用アクチュエータ２９が形成される。
【００４４】
図４（ｈ）に示すように、下部可動電極用アクチュエータ２７と上部可動電極用アクチュエータ２９と下部可動電極３５周辺の基板２１を基板２１側からＤＲＩＥ（Ｄｅｅｐ　Ｒｅａｃｔｉｖｅ　Ｉｏｎ　Ｅｔｃｈｉｎｇ）装置によりエッチングして開口４０を形成する。この場合のエッチングガスはＳＦ６（六フッ化硫黄）を用い、開口４０を形成するためのマスクはレジストである
【００４５】
最後に、図４（ｉ）に示すように、レジスト材料からなる犠牲層４１を除去し、下部可動電極３５と上部可動電極３７との間に間隙４２を確保することで、下部可動電極３５及びその下部の絶縁層２３が、下部可動電極用アクチュエータ２７を、また、上部可動電極３７が上部可動電極用アクチュエータ２９を介して基板２１に支持された構造の可変キャパシタを得る。
【００４６】
また、製造方法としては、図示はしないが、図４（ｇ）工程の後、レジスト材料からなる犠牲層４１を除去し、下部可動電極３５と上部可動電極３７との間に間隙４２を確保した後に、下部可動電極用アクチュエータ２７と上部可動電極用アクチュエータ２９と下部可動電極３５周辺の基板２１を基板２１側エッチングして開口４０を形成しても良い。
【００４７】
また、犠牲層材料としては、レジスト以外に酸化マグネシウム（ＭｇＯ）（除去は酢酸水溶液）、などの酸化物も利用出来る。
【００４８】
なお、図４において、断面の背後に見える層の表示は、図を分かり易くするために、適宜省略してある。
【００４９】
（第２実施形態）
図５は、本発明の第２実施形態による可変キャパシタの分解斜視図である。また、図６は、図５のＶＩ−ＶＩ線断面図で、本実施形態による可変キャパシタの製造方法を示す工程断面図である。
【００５０】
本実施形態は、下部可動電極３５およびその背面の下部絶縁層２３と基板２１との間に空間（空隙）５０を設けたことを特徴とする。
【００５１】
図５は、本発明の第２実施形態による可変キャパシタの分解斜視図である。基板２１上に下部絶縁層２３が設けられている。基板２１はシリコンや化合物半導体などで形成され、キャパシタは下部可動電極３５と上部可動電極３７とで構成され、下部可動電極３５および上部可動電極３７は、それぞれ４つの下部可動電極用アクチュエータ２７_１〜２７_４及び上部可動電極用アクチュエータ２９_１〜２９_４で駆動される。下部可動電極３５の背面の下部絶縁層２３、４つの下部可動電極用アクチュエータ２７_１〜２７_４および上部可動電極用アクチュエータ２９_１〜２９_４と基板２１との間には空間５０を有する。
【００５２】
本発明の第２実施形態は、前述した本発明の第１実施形態と同様に動作する。アクチュエータ用下部電極３１Ａ、３１Ｂとアクチュエータ用上部電極３３Ａ、３３Ｂとの間に電圧をかけることで、印加する電圧の大きさに応じて圧電素層３４はｄ３１方向に縮む。これにともない下部可動電極３５は、上部可動電極３７の方に移動し、また、上部可動電極３７は、下部可動電極３５の方に移動し、上部可動電極３７と下部可動電極３５との間の距離が変化する。そして、上部可動電極３７と下部可動電極３５との間の静電容量は大きく変化する。
【００５３】
次に、図６を参照して、上記第２実施形態による可変キャパシタの製造方法を説明する。
【００５４】
まず、図６（ａ）に示すようなシリコンを材料とする基板２１上に、リソグラフィー技術により、レジスト系材料やＭｇＯなどを用いて、図６（ｂ）に示すような所定形状の第１犠牲層２２を形成する。
【００５５】
図６（ｃ）に示すように所定形状の窒化シリコン又は酸化シリコンの下部絶縁層２３を形成する。次に、図６（ｄ）及び図６（ｅ）に示すように、フォトリソグラフィー技術により、所定の形状の下部可動電極３５及びアクチュエータ用下部電極３１Ａ、３１Ｂと圧電層３４を形成する。
【００５６】
そして、図６（ｆ）に示すように、レジスト材料やＭｇＯなどからなる第２犠牲層４４を下部可動電極３５及びその周辺に形成後、図６（ｇ）に示すように、上部可動電極３７およびアクチュエータ用上部電極３３Ａ、３３Ｂ、図６（ｈ）に示すように上部可動電極３７および上部可動電極３７と一体となったアクチュエータ用上部電極３３Ｂの一部に上部絶縁層３９を形成することで、下部絶縁層２３とアクチュエータ下部電極３１Ａと圧電層３４とアクチュエータ用上部電極３３Ａとからなるユニモルフ型の下部可動電極用アクチュエータ２７と、下部絶縁層２３とアクチュエータ下部電極３１Ｂと圧電層３４とアクチュエータ用上部電極３３Ｂと上部絶縁層３９とからなるユニモルフ型の上部可動電極用アクチュエータ２９とを形成する。
【００５７】
最後に、図６（ｉ）に示すように、第１犠牲層２２および第２犠牲層４４を除去することで、下部可動電極用アクチュエータ２７により基板２１に固定された下部可動電極３５、また、上部可動電極用アクチュエータ２９により基板２１に固定された上部可動電極３７を形成し、目的の可変キャパシタを得る。
【００５８】
（第３実施形態）
図７は、本発明の第３実施形態による可変キャパシタの分解斜視図である。また、図８は、図７のＩＩＸ−ＩＩＸ線断面図で、本実施形態による可変キャパシタの製造方法を示す工程断面図である。
【００５９】
本実施の形態は、誘電体層４６を下部可動電極３５と上部可動電極３７との間に設置したことを特徴とする。この点以外は、上記本発明の第１の実施形態と同様である。前記誘電体層４６は、下部可動電極３５側にあるいは、上部可動電極３７側に設置する。この絶縁層４６の設置により可動部分の質量が増すことで、共振周波数の低下あるいは可動スピードの低下などが若干おこるが、静電容量および容量の変化率を大幅に向上できる。
【００６０】
図１４は、誘電体層４６の効果を説明するための図である。上部可動電極３７側に誘電体層４６を設置した場合を例に挙げて説明する。図１４（Ａ）に示すように、誘電体層４６の厚みをｄ_{ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ}とし、誘電体層４６と下部可動電極３５との間に形成された空気層の厚みをｄ_ａｉｒとする。この場合、上部可動電極３７側と下部可動電極３５との間の距離ｄはｄ＝ｄ_{ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ}＋ｄ_ａｉｒとなる。図１４（Ｂ）は、下部可動電極３５または上部可動電極３７、あるいは下部可動電極３５及び上部可動電極３７の両方を駆動して空気層の厚みｄ_ａｉｒを変化させたときの容量Ｃ〔Ｆ〕の変化を示す図である。下部可動電極３５及び上部可動電極３７は正方形であって、その面積を２３０μｍ×２３０μｍとした。また、距離ｄをｄ＝０．７５μｍとし、空気層の厚みｄ_ａｉｒをｄ_ａｉｒ＝０．３μｍとし、ｄ_ａｉｒ／ｄ＝０．４とした。誘電体層３７は誘電損失の小さな材料であるアルミナＡｌ_２Ｏ_３（ε＝１０）を用いた。
【００６１】
また、比較例として誘電体層４６を取り除いた場合の容量Ｃの変化も測定した。図１４（Ｂ）に示すように、誘電体層４６を設けた可変キャパシタは初期状態で約１．３６ｐＦ、可動電極３９が誘電体層３７に接した状態で約１０．４ｐＦの容量を持ち、その比は約７．６倍である。このように、誘電体層４６の設置にともない容量および容量の可変範囲は極めて大きくできる。
【００６２】
下部可動電極３５側に誘電体層４６を形成する場合は、前記した第１実施形態の製造方法の図４（ｄ）の工程までは共通で、その後、図８（ｅ）および図８（ｆ）に示すように、フォトリソグラフィー技術により、下部可動電極３５上にアルミナＡｌ_２Ｏ_３を材料として、誘電体層４６を形成し、その後、誘電体層４６上にレジストやＭｇＯなどの犠牲層４１を形成する。
【００６３】
そして、図８（ｇ）および図８（ｈ）に示すように、圧電層３４上にアクチュエータ用上部電極３３Ａ、３３Ｂ、犠牲層４１上に上部可動電極３７を、更に、上部可動電極３７および上部可動電極３７と一体となったアクチュエータ用上部電極３３Ｂ上に上部絶縁層３９を形成する。
【００６４】
最後に、図８（ｉ）および図８（ｊ）に示すように、下部可動電極用アクチュエータ２７と上部可動電極用アクチュエータ２９と下部可動電極３５周辺の基板２１を基板２１側からエッチングして開口４０を形成後、犠牲層４１を除去して可変キャパシタを得る。
【００６５】
次に、上部可動電極３７側に誘電体層４６を形成する場合は、前記した第１実施形態の製造方法の図４（ｅ）の工程までは共通で、その後、図９（ｆ）、図９（ｇ）および図９（ｈ）に示すように、犠牲層４１上に誘電体層４６、更に、所定形状の上部可動電極３７およびアクチュエータ用上部電極３３Ａ、３３Ｂと上部絶縁層３９を順に形成する。
【００６６】
そして、図９（ｉ）および図９（ｊ）に示すように、下部可動電極用アクチュエータ２７と上部可動電極用アクチュエータ２９と下部可動電極３５周辺の基板２１を基板２１側からエッチングして開口４０を形成後、犠牲層４１を除去して可変キャパシタを得る。
【００６７】
また、下部可動電極３５側に誘電体層４６を形成する場合および上部可動電極３７側に誘電体層４６を形成する場合ともに、図示はしないが、犠牲層４１を除去し、下部可動電極３５と上部可動電極３７との間に間隙４２を確保した後に、下部可動電極用アクチュエータ２７と上部可動電極用アクチュエータ２９と下部可動電極３５周辺の基板２１を基板２１側エッチングして開口４０を形成しても良い。
【００６８】
（第４実施形態）
図１０は、本発明の第４実施形態による可変キャパシタの分解斜視図である。また、図１１は、図１０のＸＩ−ＸＩ線断面図で、本実施形態による可変キャパシタの製造方法を示す工程断面図である。
【００６９】
本実施の形態は、誘電体層４６を下部可動電極３５と上部可動電極３７との間に設置したことを特徴とする。この点以外は、上記本発明の第２の実施形態と同様である。また、誘電体層４６設置の効果については、上記本発明の第３の実施形態と同様である。
【００７０】
製造方法については、下部可動電極３５側に誘電体層４６を形成する場合は、前記した第２実施形態の製造方法の図６（ｅ）の工程までは共通で、その後、図１１（ｆ）に示すように下部可動電極３５上に誘電体層４６を形成し、そして、図１１（ｇ）、図１１（ｈ）、図１１（ｉ）に示すように、所定形状の第２犠牲層４４、上部可動電極３７及びアクチュエータ駆動用上部電極、上部絶縁層３９を順に形成後し、最後に、図１１（ｊ）に示すように、第１犠牲層２２および第２犠牲層４４を除去して目的の可変キャパシタを得る。
【００７１】
また、上部可動電極３７側に誘電体層４６を形成する場合は、前記した第２実施形態の製造方法の図６（ｆ）の工程までは共通で、その後、図１２（ｇ）、図１２（ｈ）および図１２（ｉ）に示すように、第２犠牲層４４上に誘電体層４６、更に、所定形状の上部可動電極３７およびアクチュエータ用上部電極３３と上部絶縁層３９を順に形成し、最後に、図１２（ｊ）に示すように、第１犠牲層２２および第２犠牲層４４を除去して目的の可変キャパシタを得る。
【００７２】
以上、本発明の実施の形態及びその変形例を説明した。本発明は上記実施の形態や変形例に限定されるものではなく、他の様々な実施の形態や変形例を含むものである。例えば、上記実施の形態や変形例では、可動電極と誘電体層との間の間隙が狭くなるように圧電アクチュエータを駆動する構成であった。この構成とは逆に、可動電極と誘電体層との間の間隙が広くなるように（静電容量が小さくなる方向に）圧電アクチュエータを駆動する構成であってもよい。この場合には、例えば図７に示すユニモルフ型の圧電アクチュエータの変形する方向が図７の変形方向と逆になるようにすればよい。つまり、分極方向を逆にし、印加する電圧Ｖを逆極性とすればよい。
【００７３】
また、上記第１から第４の実施形態の可変キャパシタをセラミックスなどのパッケージに収容してもよい。パッケージに設けられた外部接続端子と基板２１に設けられたパッドとを、ワイヤやバンプなどの接続手段で接続する。
【００７４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、小型で容量、容量変化の割合が大きく、容量の微調整が可能な耐衝撃性に優れた可変キャパシタ及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術による可変キャパシタの断面図である。
【図２】従来技術による可変キャパシタの特性図である。
【図３】本発明の第１実施形態による可変キャパシタの分解斜視図である。
【図４】本発明の第１実施形態による可変キャパシタの製造方法を示す工程断面図である。
【図５】本発明の第２実施形態による可変キャパシタの分解斜視図である。
【図６】本発明の第２実施形態による可変キャパシタの製造方法を示す工程断面図である。
【図７】本発明の第３実施形態による可変キャパシタの分解斜視図である。
【図８】本発明の第３実施形態による可変キャパシタの製造方法を示す工程断面図（その１）である。
【図９】本発明の第３実施形態による可変キャパシタの製造方法を示す工程断面図でその２）ある。
【図１０】本発明の第４実施形態による可変キャパシタの製造方法を示す工程断面図である。
【図１１】本発明の第４実施形態による可変キャパシタの製造方法を示す工程断面図（その１）である。
【図１２】本発明の第４実施形態による可変キャパシタの製造方法を示す工程断面図（その２）である。
【図１３】バイモルフを説明するための図である。
【図１４】本発明の第３および第２実施形態における誘電体層の効果を説明するための図である。
【符号の説明】
２１　　基板
２２　　　　第１犠牲層
２３　　下部絶縁層
２５　　　　配線間絶縁層
２７_１−２７_４　　下部可動電極用アクチュエータ
２９_１−２９_４　　上部可動電極用アクチュエータ
３１_１−３１_４　　アクチュエータ用下部電極
３３_１−３３_４　　アクチュエータ用上部電極
３４_１−３４_４　　圧電層
３５　　　　下部可動電極
３７　　　　上部可動電極
３９　　上部絶縁層
４０　　開口
４１　　　　犠牲層
４２　　間隙
４４　　第２犠牲層
４６　　　　誘電体層[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a variable capacitor, and more particularly, to a variable capacitor using MEMS (Micro Electro Mechanical System) technology and a method of manufacturing the same.
[0002]
A variable capacitor is an important component in an electric circuit including a variable frequency oscillator (VFO), a tuning amplifier, a phase shifter, an impedance matching circuit, and the like, and has recently been increasingly mounted on portable devices.
[0003]
In addition, compared to a varactor diode, which is one type of variable capacitor currently used, a variable capacitor manufactured by the MEMS technology can reduce the loss and increase the Q value, and therefore has been urgently developed. Hereinafter, the related art will be described with reference to the drawings.
[0004]
[Prior art]
First, FIG. 1 shows a structural sectional view of a variable capacitor reported in Non-Patent Document 1.
[0005]
The variable capacitor is configured such that the movable electrode substrate 11 including 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. This is a structure joined by solder bumps 14. By driving the piezoelectric actuator 12, the distance between the movable electrode 13 and the fixed electrode 16 is changed to control the capacitance.
[0006]
[Non-patent literature]
Jan Y. Park, et al. , "MICROMACHINED RF MEMS TUNABLE CAPACITORS USING PIEZOELECTRIC ACTUATORS", IEEE International Microwave Symposium, 2001.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, the prior art shown in FIG. 1 has the following problems. Since the distance between the movable electrode 13 and the fixed electrode 16 is controlled by the solder bump 14, the distance cannot be reduced, and the capacitance of the piezoelectric actuator 12 in the initial state is reduced.
[0008]
As shown in FIG. 2, C = εε between the capacitance C and the distance d between the electrodes forming the capacitor. _r S / d (ε, ε _r Is the permittivity and relative permittivity, and S is the area of the electrode forming the capacitor. In FIG. 2, the vertical and horizontal axes are normalized by d and C in the initial state. If the amount of change of the piezoelectric actuator is constant, the rate of change is greater in the approaching state than in the state of separation between the electrodes. That is, when the capacitance in the initial state is small, the rate of capacitance change is also small.
[0009]
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, and to provide a variable capacitor which is small in size, has a large capacitance and a large rate of capacitance change, and is capable of finely adjusting the capacitance, and a method of manufacturing the same.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The present invention includes a substrate, two movable electrodes of a capacitor supported on the substrate, and a piezoelectric actuator supported on the substrate and driving the movable electrode. Is a variable capacitor. Since the capacitor and the piezoelectric actuator are formed to be supported on the same substrate, the size is small. Also, since the two electrodes constituting the capacitor are both movable electrodes, both the capacitance and the rate of capacitance change are large. Can be fine-tuned.
[0011]
Further, by disposing a dielectric between the two electrodes constituting the capacitor, it is possible to further increase the ratio between the capacitance and the capacitance change.
[0012]
In a variable capacitor, a configuration in which two electrodes forming a capacitor are supported on a substrate by a piezoelectric actuator is exemplified as first, second, third, and fourth embodiments described later, and also forms a capacitor. The configuration in which a dielectric layer is provided between two electrodes is exemplified as third and fourth embodiments described later.
[0013]
It is characterized by comprising a substrate, two movable electrodes of a capacitor supported on the substrate, and a plurality of piezoelectric actuators supported on the substrate and driving the movable electrode.
[0014]
A substrate, two movable electrodes of a capacitor supported on the substrate, a plurality of piezoelectric actuators supported on the substrate and driving the movable electrode, and a dielectric layer provided between the two movable electrodes. It is characterized by having.
[0015]
The dielectric layer is supported on one of the two movable electrodes.
[0016]
Each of the plurality of piezoelectric actuators includes a pair of electrodes and a piezoelectric element provided therebetween, and is located in a space on the substrate.
[0017]
One of the pair of electrodes of the plurality of piezoelectric actuators and the movable electrode are integrally formed.
[0018]
The piezoelectric actuator is of a unimorph type or a bimorph type.
[0019]
The movable electrode has a movable range from a state where an air layer is interposed between the dielectric layer and the movable electrode to a state where the dielectric layer and the movable electrode are in contact with each other.
[0020]
The movable electrode has a movable range from a state where an air layer is interposed between the dielectric layer and the movable electrode to a state where the dielectric layer and the movable electrode are in contact with each other.
[0021]
The two movable electrodes face each other.
[0022]
The two movable electrodes are substantially rectangular, and the plurality of piezoelectric actuators are arranged along four sides of the two movable electrodes.
[0023]
Each of the plurality of movable electrodes drives one of the two movable electrodes.
[0024]
One piezoelectric actuator for driving one of the two movable electrodes and another piezoelectric actuator for driving the other are arranged so as to be adjacent to each other.
[0025]
The movable electrode located on the substrate side among the two movable electrodes faces an opening provided in the substrate.
[0026]
A movable electrode located on the substrate side of the two movable electrodes faces the substrate via a gap provided in the substrate.
[0027]
The two movable electrodes are opposed to each other, and the plurality of actuators simultaneously drive the opposed two movable electrodes in a direction to approach or separate from each other.
[0028]
Forming two movable electrodes of a capacitor supported on the substrate, forming a piezoelectric actuator supported on the substrate and driving the movable electrodes, and forming a gap between the two movable electrodes. Forming a sacrifice layer, and removing the sacrifice layer.
[0029]
Forming two movable electrodes of a capacitor supported on the substrate, forming a piezoelectric actuator supported on the substrate and driving the movable electrode, and forming a dielectric layer provided between the movable electrodes And forming a sacrifice layer for forming a gap between any one of the movable electrodes and the dielectric layer, and removing the sacrifice layer.
[0030]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
[0031]
(1st Embodiment)
FIG. 3 is an exploded perspective view of the variable capacitor according to the first embodiment of the present invention. An insulating layer 23 is provided on a substrate 21. The substrate 21 is made of silicon or a compound semiconductor, and has an opening 40 at the center. The capacitor is composed of a lower movable electrode 35 and an upper movable electrode 37. The lower movable electrode 35 and the upper movable electrode 37 are respectively connected to four lower movable electrode actuators 27. ₁ ~ 27 ₄ And upper movable electrode actuator 29 ₁ ~ 29 ₄ Driven by Each of the lower movable electrode 35 and the upper movable electrode 37 is a sheet having substantially the same size and the same shape (rectangular shape), and faces each other via an air layer. Actuators 27 for the lower movable electrode are provided at the four corners of the lower movable electrode 35. ₁ ~ 27 ₄ Are provided so as to be continuous. Similarly, the upper movable electrode actuator 29 is attached to the four corners of the upper movable electrode 37. ₁ ~ 29 ₄ Are provided so as to be continuous. Lower movable electrode 35, lower movable electrode actuator 27 ₁ ~ 27 ₄ And upper movable electrode actuator 29 ₁ ~ 29 ₄ Faces the opening 40 formed in the substrate 21. That is, these can be viewed from the back surface of the substrate 21 via the opening 40.
[0032]
The lower movable electrode actuator 27 (only one reference numeral 27 is used when describing one lower movable electrode actuator as a representative) is a piezoelectric actuator, and includes a lower insulating layer 23, an actuator lower electrode 31A, and a piezoelectric layer. 34 and an upper electrode for actuator 33A are stacked in this order from below in a unimorph configuration. Similarly, the upper movable electrode actuator 29 (typically, the reference numeral 29 is used when describing one upper movable electrode actuator) is a piezoelectric actuator, and the actuator lower electrode 31B, the piezoelectric layer 34, This is a unimorph structure in which the actuator upper electrode 33B and the upper insulating layer 39 are stacked in this order from the bottom. The actuator lower electrode 31B and the lower drive electrode 35 are integrally formed by a single member. Similarly, the actuator upper electrode 33B and the upper drive electrode 37 are integrally formed by a single member. Reference numeral 25 indicates an inter-wiring insulating layer.
[0033]
Each actuator lower electrode 31A is commonly connected to an external connection pad 131A. Further, each actuator lower electrode 31B is commonly connected to an external connection pad 131B. Each actuator upper electrode 33A is commonly connected to an external connection pad 133A. Similarly, each actuator upper portion 33B is commonly connected to an external connection pad 133B.
[0034]
Each of the lower movable electrode actuator 27 and the upper movable electrode actuator 29 includes an arm portion bent substantially U-shaped. One lower movable actuator 27 and one upper movable actuator 29 are arranged adjacent to each other.
[0035]
By applying a voltage between the actuator lower electrodes 31A, 31B and the actuator upper electrodes 33A, 33B, the lower movable electrode 35 moves toward the upper movable electrode 37, and the lower movable electrode 35 and the upper movable electrode 37 Are simultaneously driven in the approaching direction. As described above, by driving the lower movable electrode actuator 27 and the upper movable electrode actuator 29, the distance between the upper movable electrode 37 and the lower movable electrode 35 is changed to change the capacitance.
[0036]
The actuator 27 for the lower movable electrode and the actuator 29 for the upper movable electrode are not limited to the unimorph, and the parallel connection type bimorph shown in FIG. It may be a bimorph. 13A and 13B, a piezoelectric element 54 polarized in the direction of the arrow shown above and below the intermediate electrode 63 is shown. _1a And 54 _1b Is provided. Piezoelectric element 54 _1a Has a lower drive electrode 53 ₁ Is provided, and the piezoelectric element 54 is provided. _1b Has an upper drive electrode 55 ₁ Is provided. As shown, when a DC voltage V is applied, the bimorph is deformed.
[0037]
When the lower movable electrode actuator 27 and the upper movable electrode actuator 29 are bimorph, the lower insulating layer 23 or the upper insulating layer 39 formed in contact with the actuator lower electrode 31 or the actuator upper electrode 33 is unnecessary. It becomes.
[0038]
Next, a method for manufacturing the variable capacitor will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a sectional view taken along line IV-IV of FIG.
[0039]
First, as shown in FIG. 4A, a lower insulating layer 23 made of low-stress silicon nitride is formed on a substrate 21 made of silicon by LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition). As shown in FIG. 4B, it is formed in a predetermined shape by photolithography.
[0040]
Next, as shown in FIG. 4C, the lower movable electrode 35 of Pt / Ti (platinum / titanium) and the lower electrodes 31A and 31B for the actuator are simultaneously formed in a predetermined shape on the lower insulating layer 23 by a photolithography technique. Form. The thickness of Pt / Ti is, for example, 4500 ° / 500 °. Patterning is Cl ₂ This is performed by RIE or ion milling using a / Ar (chlorine / argon) gas.
[0041]
Then, as shown in FIG. 4 (d), lithium niobate, barium titanate, titanate, A piezoelectric layer 34 having a predetermined shape made of a material such as lead, lead zirconate titanate, bismuth titanate, or the like is formed. The patterning is performed by RIE using a CCl4 / CF4 / Ar-based gas, ion milling, or the like.
[0042]
Thereafter, as shown in FIGS. 4 (e), 4 (f) and 4 (g), after forming a sacrificial layer 41 made of a resist material, the upper movable electrode 37 of Pt of a predetermined shape and the actuator are formed by lithography technology. The upper electrodes 33A and 33B are simultaneously formed to form an upper insulating layer 39 such as a silicon nitride film or a silicon oxide film. Note that a plurality of openings 47 are provided in a layer to be the upper movable electrode 37. The opening 47 is formed in order to efficiently and effectively remove the sacrificial layer in a later step.
[0043]
Here, an actuator 27 for a lower movable electrode, which is formed by laminating a lower insulating layer 23, an actuator lower electrode 31A, a piezoelectric layer 34, and an actuator upper electrode 33A, an actuator lower electrode 31B, a piezoelectric layer 34, and an actuator upper electrode 33B The upper movable electrode actuator 29 is formed by laminating the upper insulating layer 39 with the upper movable electrode.
[0044]
As shown in FIG. 4H, the lower movable electrode actuator 27, the upper movable electrode actuator 29, and the substrate 21 around the lower movable electrode 35 are etched from the substrate 21 side by a DRIE (Deep Reactive Ion Etching) apparatus and opened. Form 40. In this case, the etching gas uses SF6 (sulfur hexafluoride), and the mask for forming the opening 40 is a resist.
[0045]
Finally, as shown in FIG. 4 (i), the sacrificial layer 41 made of the resist material is removed, and a gap 42 is secured between the lower movable electrode 35 and the upper movable electrode 37. A variable capacitor having a structure in which the lower insulating layer 23 is supported by the substrate 21 via the lower movable electrode actuator 27 and the upper movable electrode 37 via the upper movable electrode actuator 29 is obtained.
[0046]
As a manufacturing method, although not shown, after the step shown in FIG. 4G, the sacrificial layer 41 made of a resist material is removed, and a gap 42 is secured between the lower movable electrode 35 and the upper movable electrode 37. Thereafter, the opening 21 may be formed by etching the substrate 21 around the lower movable electrode actuator 27, the upper movable electrode actuator 29, and the lower movable electrode 35 on the substrate 21 side.
[0047]
In addition, as the material of the sacrificial layer, an oxide such as magnesium oxide (MgO) (removal of acetic acid aqueous solution) or the like can be used other than the resist.
[0048]
It should be noted that in FIG. 4, the representation of the layers visible behind the cross section is omitted as appropriate to make the figure easier to understand.
[0049]
(2nd Embodiment)
FIG. 5 is an exploded perspective view of a variable capacitor according to a second embodiment of the present invention. FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the line VI-VI of FIG. 5 and a cross-sectional view illustrating the method for manufacturing the variable capacitor according to the present embodiment.
[0050]
The present embodiment is characterized in that a space (gap) 50 is provided between the substrate 21 and the lower movable electrode 35 and the lower insulating layer 23 on the back surface thereof.
[0051]
FIG. 5 is an exploded perspective view of a variable capacitor according to a second embodiment of the present invention. The lower insulating layer 23 is provided on the substrate 21. The substrate 21 is formed of silicon, a compound semiconductor, or the like, the capacitor is composed of a lower movable electrode 35 and an upper movable electrode 37, and the lower movable electrode 35 and the upper movable electrode 37 are respectively provided with four lower movable electrode actuators 27. ₁ ~ 27 ₄ And upper movable electrode actuator 29 ₁ ~ 29 ₄ Driven by Lower insulating layer 23 on the back of lower movable electrode 35, four lower movable electrode actuators 27 ₁ ~ 27 ₄ And upper movable electrode actuator 29 ₁ ~ 29 ₄ A space 50 is provided between the substrate and the substrate 21.
[0052]
The second embodiment of the present invention operates similarly to the above-described first embodiment of the present invention. By applying a voltage between the actuator lower electrodes 31A, 31B and the actuator upper electrodes 33A, 33B, the piezoelectric element layer 34 contracts in the d31 direction according to the magnitude of the applied voltage. Accordingly, the lower movable electrode 35 moves toward the upper movable electrode 37, and the upper movable electrode 37 moves toward the lower movable electrode 35, and the lower movable electrode 35 moves between the upper movable electrode 37 and the lower movable electrode 35. The distance changes. Then, the capacitance between the upper movable electrode 37 and the lower movable electrode 35 greatly changes.
[0053]
Next, a method for manufacturing the variable capacitor according to the second embodiment will be described with reference to FIG.
[0054]
First, a first sacrificial having a predetermined shape as shown in FIG. 6B is formed on a substrate 21 made of silicon as shown in FIG. The layer 22 is formed.
[0055]
As shown in FIG. 6C, a lower insulating layer 23 of silicon nitride or silicon oxide having a predetermined shape is formed. Next, as shown in FIGS. 6D and 6E, the lower movable electrode 35, the lower electrodes 31A and 31B for actuators, and the piezoelectric layer 34 having a predetermined shape are formed by photolithography.
[0056]
Then, as shown in FIG. 6F, after a second sacrificial layer 44 made of a resist material, MgO or the like is formed on the lower movable electrode 35 and its periphery, as shown in FIG. By forming the upper insulating layer 39 on the actuator upper electrodes 33A and 33B, the upper movable electrode 37 and a part of the actuator upper electrode 33B integrated with the upper movable electrode 37 as shown in FIG. , A lower electrode 27 of a unimorph type comprising a lower insulating layer 23, an actuator lower electrode 31A, a piezoelectric layer 34 and an actuator upper electrode 33A, a lower insulating layer 23, an actuator lower electrode 31B, a piezoelectric layer 34 and an actuator A unimorph type upper movable electrode actuator 29 composed of the upper electrode 33B and the upper insulating layer 39 is formed. .
[0057]
Finally, as shown in FIG. 6I, by removing the first sacrifice layer 22 and the second sacrifice layer 44, the lower movable electrode 35 fixed to the substrate 21 by the lower movable electrode actuator 27, The upper movable electrode 37 fixed to the substrate 21 by the upper movable electrode actuator 29 is formed to obtain a target variable capacitor.
[0058]
(Third embodiment)
FIG. 7 is an exploded perspective view of a variable capacitor according to a third embodiment of the present invention. FIG. 8 is a cross-sectional view taken along the line IIX-IIX of FIG. 7 and a cross-sectional view illustrating the method for manufacturing the variable capacitor according to the present embodiment.
[0059]
The present embodiment is characterized in that the dielectric layer 46 is provided between the lower movable electrode 35 and the upper movable electrode 37. Except for this point, it is the same as the first embodiment of the present invention. The dielectric layer 46 is provided on the lower movable electrode 35 side or on the upper movable electrode 37 side. When the mass of the movable portion is increased by the provision of the insulating layer 46, the resonance frequency or the movable speed is slightly reduced, but the capacitance and the rate of change of the capacitance can be greatly improved.
[0060]
FIG. 14 is a diagram for explaining the effect of the dielectric layer 46. FIG. The case where the dielectric layer 46 is provided on the upper movable electrode 37 side will be described as an example. As shown in FIG. 14A, the thickness of the dielectric layer 46 is set to d. _dialectic And the thickness of the air layer formed between the dielectric layer 46 and the lower movable electrode 35 is d _air And In this case, the distance d between the upper movable electrode 37 side and the lower movable electrode 35 is d = d _dialectic + D _air It becomes. FIG. 14B shows a state in which the lower movable electrode 35 or the upper movable electrode 37, or both the lower movable electrode 35 and the upper movable electrode 37 are driven and the thickness d of the air layer is increased. _air FIG. 7 is a diagram showing a change in capacitance C [F] when the capacitance is changed. The lower movable electrode 35 and the upper movable electrode 37 were square, and their area was 230 μm × 230 μm. The distance d is set to d = 0.75 μm, and the thickness d of the air layer is set. _air To d _air = 0.3 μm and d _air /D=0.4. The dielectric layer 37 is made of alumina Al which is a material having a small dielectric loss. ₂ O ₃ (Ε = 10) was used.
[0061]
Further, as a comparative example, a change in capacitance C when the dielectric layer 46 was removed was also measured. As shown in FIG. 14B, the variable capacitor provided with the dielectric layer 46 has a capacitance of about 1.36 pF in an initial state, and about 10.4 pF in a state where the movable electrode 39 is in contact with the dielectric layer 37. The ratio is about 7.6 times. As described above, the capacitance and the variable range of the capacitance can be extremely increased with the provision of the dielectric layer 46.
[0062]
When the dielectric layer 46 is formed on the lower movable electrode 35 side, the steps up to the step of FIG. 4D of the manufacturing method of the first embodiment described above are common, and thereafter, FIG. 8E and FIG. As shown in FIG. 3A), alumina Al is formed on the lower movable electrode 35 by photolithography. ₂ O ₃ Is formed as a material, and then a sacrifice layer 41 such as a resist or MgO is formed on the dielectric layer 46.
[0063]
Then, as shown in FIGS. 8 (g) and 8 (h), the upper electrodes 33A and 33B for the actuator are provided on the piezoelectric layer 34, the upper movable electrode 37 is provided on the sacrificial layer 41, and the upper movable electrode 37 and the upper movable electrode 37 are further provided. An upper insulating layer 39 is formed on the actuator upper electrode 33B integrated with the movable electrode 37.
[0064]
Finally, as shown in FIGS. 8 (i) and 8 (j), the substrate 21 around the lower movable electrode actuator 27, the upper movable electrode actuator 29 and the lower movable electrode 35 is etched from the substrate 21 side to form an opening. After forming 40, the sacrificial layer 41 is removed to obtain a variable capacitor.
[0065]
Next, when the dielectric layer 46 is formed on the upper movable electrode 37 side, the steps up to the step of FIG. 4E of the manufacturing method of the first embodiment are common, and thereafter, FIG. 9 (g) and FIG. 9 (h), a dielectric layer 46 is formed on the sacrificial layer 41, and an upper movable electrode 37, actuator upper electrodes 33A and 33B having a predetermined shape, and an upper insulating layer 39 are formed in this order. I do.
[0066]
9 (i) and 9 (j), the substrate 21 around the lower movable electrode actuator 27, the upper movable electrode actuator 29, and the lower movable electrode 35 is etched from the substrate 21 side to form an opening 40. Is formed, the sacrificial layer 41 is removed to obtain a variable capacitor.
[0067]
Although not shown, in both the case where the dielectric layer 46 is formed on the lower movable electrode 35 side and the case where the dielectric layer 46 is formed on the upper movable electrode 37 side, the sacrificial layer 41 is removed and the lower movable electrode 35 is formed. After securing a gap 42 between the upper movable electrode 37 and the lower movable electrode actuator 27, the upper movable electrode actuator 29, and the substrate 21 around the lower movable electrode 35, the substrate 21 is etched to form an opening 40. Is also good.
[0068]
(Fourth embodiment)
FIG. 10 is an exploded perspective view of a variable capacitor according to a fourth embodiment of the present invention. FIG. 11 is a cross-sectional view along the line XI-XI of FIG. 10 and a cross-sectional view showing the method for manufacturing the variable capacitor according to the present embodiment.
[0069]
The present embodiment is characterized in that the dielectric layer 46 is provided between the lower movable electrode 35 and the upper movable electrode 37. Except for this point, it is the same as the second embodiment of the present invention. The effect of providing the dielectric layer 46 is similar to that of the third embodiment of the present invention.
[0070]
As for the manufacturing method, when the dielectric layer 46 is formed on the lower movable electrode 35 side, the steps up to the step of FIG. 6E of the manufacturing method of the second embodiment are common, and thereafter, FIG. 11 (g), 11 (h) and 11 (i), a dielectric layer 46 is formed on the lower movable electrode 35 as shown in FIG. After forming the upper movable electrode 37, the actuator driving upper electrode, and the upper insulating layer 39 in order, finally, as shown in FIG. 11 (j), the first sacrifice layer 22 and the second sacrifice layer 44 are removed. Obtain the desired variable capacitor.
[0071]
In the case where the dielectric layer 46 is formed on the upper movable electrode 37 side, the steps up to the step of FIG. 6F of the manufacturing method of the second embodiment are common, and thereafter, FIG. As shown in (h) and FIG. 12 (i), a dielectric layer 46 is formed on the second sacrificial layer 44, and an upper movable electrode 37, an actuator upper electrode 33, and an upper insulating layer 39 having a predetermined shape are sequentially formed. Finally, as shown in FIG. 12 (j), the first sacrifice layer 22 and the second sacrifice layer 44 are removed to obtain a target variable capacitor.
[0072]
The embodiments of the present invention and the modifications have been described above. The present invention is not limited to the above embodiments and modifications, but includes other various embodiments and modifications. For example, in the above-described embodiment and modified examples, the configuration is such that the piezoelectric actuator is driven such that the gap between the movable electrode and the dielectric layer is reduced. Contrary to this configuration, a configuration may be adopted in which the piezoelectric actuator is driven so that the gap between the movable electrode and the dielectric layer is widened (in a direction in which the capacitance decreases). In this case, for example, the direction in which the unimorph type piezoelectric actuator shown in FIG. 7 is deformed may be set to be opposite to the deformation direction shown in FIG. That is, the polarization direction may be reversed, and the applied voltage V may have the opposite polarity.
[0073]
Further, the variable capacitors according to the first to fourth embodiments may be housed in a package such as a ceramic. The external connection terminals provided on the package and the pads provided on the substrate 21 are connected by connection means such as wires and bumps.
[0074]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a variable capacitor which is small, has a large capacitance and a large rate of change in capacitance, and is excellent in impact resistance capable of finely adjusting the capacitance, and a method of manufacturing the same.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a conventional variable capacitor.
FIG. 2 is a characteristic diagram of a conventional variable capacitor.
FIG. 3 is an exploded perspective view of the variable capacitor according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a process sectional view illustrating the method for manufacturing the variable capacitor according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 5 is an exploded perspective view of a variable capacitor according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a process sectional view illustrating the method for manufacturing the variable capacitor according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is an exploded perspective view of a variable capacitor according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a process sectional view (part 1) illustrating the method for manufacturing the variable capacitor according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a process sectional view showing the method for manufacturing the variable capacitor according to the third embodiment of the present invention, (Part 2).
FIG. 10 is a process sectional view illustrating the method of manufacturing the variable capacitor according to the fourth embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a process cross-sectional view (part 1) illustrating the method for manufacturing the variable capacitor according to the fourth embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a process sectional view (part 2) illustrating the method for manufacturing the variable capacitor according to the fourth embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a diagram illustrating a bimorph.
FIG. 14 is a diagram for explaining an effect of a dielectric layer in the third and second embodiments of the present invention.
[Explanation of symbols]
21 Substrate
22 First sacrifice layer
23 Lower insulating layer
25 Insulation layer between wiring
27 ₁ −27 ₄ Actuator for lower movable electrode
29 ₁ −29 ₄ Actuator for upper movable electrode
31 ₁ −31 ₄ Lower electrode for actuator
33 ₁ −33 ₄ Upper electrode for actuator
34 ₁ −34 ₄ Piezoelectric layer
35 Lower movable electrode
37 Upper movable electrode
39 Upper insulating layer
40 opening
41 Sacrificial layer
42 gap
44 Second sacrificial layer
46 Dielectric layer

Claims

基板と、該基板に支持されたキャパシタの２つの可動電極と、前記基板に支持され且つ前記可動電極を駆動する複数の圧電アクチュエータとを備えることを特徴とする可変キャパシタ。A variable capacitor comprising: a substrate; two movable electrodes of a capacitor supported on the substrate; and a plurality of piezoelectric actuators supported on the substrate and driving the movable electrode.

基板と、該基板に支持されたキャパシタの２つの可動電極と、前記基板に支持され且つ前記可動電極を駆動する複数の圧電アクチュエータと、２つの前記可動電極の間に設けられた誘電体層とを備えることを特徴とする可変キャパシタ。A substrate, two movable electrodes of a capacitor supported on the substrate, a plurality of piezoelectric actuators supported on the substrate and driving the movable electrode, and a dielectric layer provided between the two movable electrodes. A variable capacitor comprising:

前記誘電体層は２つの前記可動電極のいずれか一方に支持されていることを特徴とする請求項２記載の可変キャパシタ。3. The variable capacitor according to claim 2, wherein the dielectric layer is supported on one of the two movable electrodes.

前記複数の圧電アクチュエータの各々は、一対の電極とこの間に設けられた圧電素子とを含み、前記基板上の空間内に位置していることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の可変キャパシタ。4. The device according to claim 1, wherein each of the plurality of piezoelectric actuators includes a pair of electrodes and a piezoelectric element provided therebetween, and is located in a space on the substrate. 5. A variable capacitor as described.

前記複数の圧電アクチュエータの一対の電極の一方と前記可動電極とは、一体構成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の可変キャパシタ。The variable capacitor according to any one of claims 1 to 4, wherein one of the pair of electrodes of the plurality of piezoelectric actuators and the movable electrode are integrally formed.

前記圧電アクチュエータはユニモルフ型または、バイモルフ型であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載の可変キャパシタ。The variable capacitor according to any one of claims 1 to 5, wherein the piezoelectric actuator is a unimorph type or a bimorph type.

前記可動電極は、前記誘電体層と前記可動電極との間に空気層が介在する状態から、前記誘電体層と前記可動電極とが接した状態までの可動範囲を有することを特徴とする請求項２から６のいずれか一項記載の可変キャパシタ。The movable electrode has a movable range from a state in which an air layer is interposed between the dielectric layer and the movable electrode to a state in which the dielectric layer and the movable electrode are in contact with each other. Item 7. The variable capacitor according to any one of items 2 to 6.

前記２つの可動電極は対向していることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項記載の可変キャパシタ。The variable capacitor according to any one of claims 1 to 7, wherein the two movable electrodes face each other.

前記２つの可動電極は略矩形であって、該２つの可動電極の４つの辺に沿って前記複数の圧電アクチュエータが配置されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項記載の可変キャパシタ。The said two movable electrodes are substantially rectangular, The said several piezoelectric actuator is arrange | positioned along four sides of these two movable electrodes, The Claim 1 characterized by the above-mentioned. Variable capacitor.

前記複数の可動電極の各々は、前記２つの可動電極のいずれか一方を駆動することを特徴とする請求項１から９のいずれか一項記載の可変キャパシタ。10. The variable capacitor according to claim 1, wherein each of the plurality of movable electrodes drives one of the two movable electrodes. 11.

前記２つの可動電極の一方を駆動する１つの圧電アクチュエータと、他方を駆動する別の１つの圧電アクチュエータとは隣り合うように配置されていることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項記載の可変キャパシタ。11. The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein one piezoelectric actuator that drives one of the two movable electrodes and another piezoelectric actuator that drives the other are arranged adjacent to each other. The variable capacitor according to the item.

前記２つの可動電極のうち前記基板側に位置する可動電極は、前記基板に設けられた開口に面していることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項記載の可変キャパシタ。The variable capacitor according to any one of claims 1 to 11, wherein a movable electrode located on the substrate side of the two movable electrodes faces an opening provided in the substrate.

前記２つの可動電極のうち前記基板側に位置する可動電極は、前記基板に設けられた空隙を介して当該基板に面していることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項記載の可変キャパシタ。The movable electrode located on the substrate side of the two movable electrodes faces the substrate via a gap provided in the substrate. 12. Variable capacitor.

前記２つの可動電極は対向し、前記複数のアクチュエータは前記対向する２つの可動電極を同時に近接又は離間する方向に駆動することを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項記載の可変キャパシタ。14. The variable capacitor according to claim 1, wherein the two movable electrodes face each other, and the plurality of actuators simultaneously drive the two facing movable electrodes in a direction to approach or separate from each other. 15. .

基板に支持されるキャパシタの２つの可動電極を形成する工程と、前記基板に支持され且つ前記可動電極を駆動する圧電アクチュエータを形成する工程と、２つの可動電極との間に間隙を形成するための犠牲層を形成する工程と、前記犠牲層を除去する工程とを含むことを特徴とする可変キャパシタの製造方法。Forming two movable electrodes of a capacitor supported on a substrate, forming a piezoelectric actuator supported on the substrate and driving the movable electrodes, and forming a gap between the two movable electrodes. Forming a sacrifice layer, and removing the sacrifice layer.

基板に支持されるキャパシタの２つの可動電極を形成する工程と、前記基板に支持され且つ前記可動電極を駆動する圧電アクチュエータを形成する工程と、前記可動電極間に設けられた誘電体層を形成する工程と、前記可動電極のいずれか一方と誘電体層との間に間隙を形成するための犠牲層を形成する工程と、前記犠牲層を除去する工程と、を含むことを特徴とする可変キャパシタの製造方法。Forming two movable electrodes of a capacitor supported on the substrate, forming a piezoelectric actuator supported on the substrate and driving the movable electrode, and forming a dielectric layer provided between the movable electrodes And forming a sacrificial layer for forming a gap between any one of the movable electrodes and the dielectric layer, and removing the sacrificial layer. A method for manufacturing a capacitor.