JP5965497B2 - Variable capacity array - Google Patents

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Description

本発明は、同一基板上に複数の可変容量素子を備えた可変容量アレイに関するものである。   The present invention relates to a variable capacitance array including a plurality of variable capacitance elements on the same substrate.

従来、シグナル線と容量電極との対向面積が相違する４つのデジタル可変容量素子で１６通りの静電容量を実現したＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）可変容量が知られている。このＭＥＭＳ可変容量では、４つのデジタル可変容量素子間で、容量電極に対して大小異なる開口部を１または複数形成することで、シグナル線との対向面積を相違させている（非特許文献１参照）。   2. Description of the Related Art Conventionally, a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) variable capacitor has been known in which 16 types of capacitance are realized by four digital variable capacitors having different facing areas between a signal line and a capacitor electrode. In this MEMS variable capacitor, one or a plurality of openings different in size with respect to the capacitor electrode are formed between the four digital variable capacitor elements, thereby making the opposed area to the signal line different (see Non-Patent Document 1). ).

株式会社東芝 セミコンダクター社 半導体研究開発センター、「インテリジェントバイポーラ駆動（ＩＢＡ）を用いたＲＦ−ＭＥＭＳ可変容量」、［online］、［平成２４年１１月６日検索］、インターネット<http://www.toshiba.co.jp/about/press/2008_02/0702/RF-MEMS.pdf>Toshiba Semiconductor Company Semiconductor Research and Development Center, “RF-MEMS Variable Capacitance Using Intelligent Bipolar Drive (IBA)”, [online], [searched November 6, 2012], Internet <http: // www. toshiba.co.jp/about/press/2008_02/0702/RF-MEMS.pdf>

しかしながら、従来のＭＥＭＳ可変容量（可変容量アレイ）では、４つのデジタル可変容量素子間で、容量電極に形成する開口部が大小異なることから、エッチング剤のまわり方等に違いが生じ、開口部を狙い通りに（マスクパターン通りに）形成することが困難であった。このような製造プロセス上のばらつきから、特にデジタル可変容量素子の数が多い場合に、デジタル可変容量素子間における対向面積の比（例えば１：２：４：８・・・）が不揃いとなる。したがって、ＭＥＭＳ可変容量が静電容量のリニアリティに劣るものとなっていた。
これに対し、同一構造の可変容量素子を、それぞれ例えば１個、２個、４個、８個備えた４組の可変容量部を設け、各可変容量部内で可変容量素子を同一動作させることで、従来のＭＥＭＳ可変容量と同様に、１６通りの静電容量を実現することが考えられる。しかしながら、この場合には、ＭＥＭＳ可変容量における静電容量のリニアリティは確保できるが、チップ面積が大きくなってしまう。However, in the conventional MEMS variable capacitor (variable capacitor array), the openings formed in the capacitor electrodes are different in size between the four digital variable capacitor elements. It was difficult to form as intended (according to the mask pattern). Due to such variations in the manufacturing process, particularly when the number of digital variable capacitance elements is large, the ratio of facing areas (for example, 1: 2: 4: 8...) Between the digital variable capacitance elements becomes uneven. Therefore, the MEMS variable capacitor is inferior to the linearity of the capacitance.
On the other hand, by providing four sets of variable capacitance units each having, for example, one, two, four, and eight variable capacitance elements having the same structure, the variable capacitance elements are operated in the same manner in each variable capacitance unit. As with the conventional MEMS variable capacitor, it is conceivable to realize 16 kinds of capacitance. However, in this case, the linearity of the capacitance in the MEMS variable capacitor can be ensured, but the chip area becomes large.

本発明は、チップ面積が大きくなることなく、静電容量のリニアリティに優れた可変容量アレイを提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a variable capacitance array having excellent capacitance linearity without increasing the chip area.

本発明の可変容量アレイは、同一基板上に設けられたｎ個の可変容量素子を、備え、各可変容量素子は、第１電極と、第１電極と対向する第２電極と、第１電極に対し、第２電極を離接させる駆動部と、を有し、第１電極および第２電極のうち一方の電極は、他方の電極と対向する対向面に、１個以上の突出部が突出形成され、ｎ個の可変容量素子間で、各突出部が同一の形状および大きさに形成されていると共に、突出部の個数が相違することを特徴とする。ただし、ｎは２以上の整数である。   The variable capacitance array of the present invention includes n variable capacitance elements provided on the same substrate, and each variable capacitance element includes a first electrode, a second electrode facing the first electrode, and a first electrode. In contrast, the first electrode and the second electrode have one or more projecting portions projecting on a facing surface facing the other electrode. The protrusions are formed in the same shape and size among the n variable capacitance elements, and the number of protrusions is different. However, n is an integer of 2 or more.

この構成によれば、一方の電極に突出部が形成されているため、各可変容量素子における第１電極と第２電極との近接時（ＯＮ時）の静電容量は、一方の電極に形成された突出部と他方の電極との対向面積で決まる。また、各突出部が、ｎ個の可変容量素子間で同一の形状および大きさ（面積）に形成されているため、ｎ個の可変容量素子間における対向面積の比は、突出部の個数の比と等しくなる。したがって、ｎ個の可変容量素子間における第１電極と第２電極との近接時（ＯＮ時）の静電容量の比は、突出部の個数の比と等しくなる。さらに、各突出部は、ｎ個の可変容量素子間で同一の形状および大きさであるため、エッチング剤のまわり方の違い等、製造プロセス上のばらつきの影響を受けることなく、各突出部を均等に形成することができる。これゆえ、ｎ個の可変容量素子間における第１電極と第２電極との近接時（ＯＮ時）の静電容量の比が、突出部の個数の比と正確に等しくなる。したがって、チップ面積が大きくなることなく、可変容量アレイにおける静電容量のリニアリティを高めることができる。   According to this configuration, since the protruding portion is formed on one of the electrodes, the capacitance when the first electrode and the second electrode in each variable capacitance element are close to each other (when ON) is formed on the one electrode. It is determined by the facing area between the projected portion and the other electrode. In addition, since each protrusion is formed in the same shape and size (area) among the n variable capacitance elements, the ratio of the facing area between the n variable capacitance elements is the number of the protrusions. Equal to the ratio. Therefore, the ratio of the capacitance when the first electrode and the second electrode are close (on) between the n variable capacitance elements is equal to the ratio of the number of protrusions. Furthermore, since each protrusion has the same shape and size among the n variable capacitance elements, each protrusion is not affected by variations in the manufacturing process, such as differences in the way the etching agent is wrapped. It can be formed evenly. For this reason, the capacitance ratio when the first electrode and the second electrode are close to each other among the n variable capacitance elements (when ON) is exactly equal to the ratio of the number of protrusions. Therefore, the linearity of capacitance in the variable capacitance array can be increased without increasing the chip area.

本発明の一実施形態に係る可変容量アレイを示す平面図である。It is a top view which shows the variable capacitance array which concerns on one Embodiment of this invention. 図１のII−II切断線による可変容量素子の断面図である。It is sectional drawing of the variable capacitance element by the II-II cutting line of FIG. （ａ）は、可変容量素子における固定用容量電極および可動容量電極の平面図、（ｂ）は、（ａ）のｂ−ｂ切断線による断面図である。(A) is a top view of the fixed capacity electrode and movable capacity electrode in a variable capacity element, (b) is a sectional view by a bb cut line of (a). シリコン基板上に固定容量電極および固定側突出部を形成する製造プロセスの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the manufacturing process which forms a fixed capacity electrode and a fixed side protrusion part on a silicon substrate. シリコン基板上に固定容量電極および固定側突出部を形成する製造プロセスの他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of the manufacturing process which forms a fixed capacity electrode and a fixed side protrusion part on a silicon substrate. 可変容量素子の変形例であって、可動容量電極に可動側突出部が形成されたものを示す図である。FIG. 6 is a view showing a modification of the variable capacitance element, in which a movable side protrusion is formed on the movable capacitance electrode. 可変容量素子の変形例であって、容量側絶縁膜の形成箇所を変えたものを示す図である。It is a figure which is a modification of a variable capacitance element, Comprising: The thing which changed the formation location of the capacity side insulating film. 可変容量素子の変形例であって、固定容量電極を２つに分けたものを示す図である。It is a figure which is a modification of a variable capacitance element, Comprising: Fixed capacitance electrode divided into two. 可変容量素子の変形例であって、固定容量電極と可動電極の両側に突出部を形成したものを示す図である。FIG. 11 is a view showing a modification of the variable capacitance element, in which protrusions are formed on both sides of the fixed capacitance electrode and the movable electrode.

以下、添付の図面を参照して、本発明の一実施形態に係る可変容量アレイについて説明する。この可変容量アレイは、ＭＥＭＳデバイスであり、半導体集積回路作製技術を用いて、シリコン基板などの半導体基板上に、電子回路および機械構造を作り込むことで構成されている。   Hereinafter, a variable capacitance array according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. This variable capacitance array is a MEMS device, and is configured by forming an electronic circuit and a mechanical structure on a semiconductor substrate such as a silicon substrate using a semiconductor integrated circuit manufacturing technique.

図１に示すように、可変容量アレイ１は、６個の可変容量素子１０で構成されている。６個の可変容量素子１０は、同一のシリコン基板２において、Ｙ方向（図１の上下方向）に沿って並設されている。シリコン基板２の表面には、絶縁層３が成膜されており、この絶縁層３上に、６個の可変容量素子１０が形成されている。   As shown in FIG. 1, the variable capacitance array 1 includes six variable capacitance elements 10. The six variable capacitance elements 10 are arranged side by side along the Y direction (the vertical direction in FIG. 1) on the same silicon substrate 2. An insulating layer 3 is formed on the surface of the silicon substrate 2, and six variable capacitance elements 10 are formed on the insulating layer 3.

６個の可変容量素子１０は、後述する固定側突出部１４の個数が異なる点を除き、互いに同じ構成を有している。６個の可変容量素子１０は、詳細は後述するが、それぞれ、２ｍＣ［ｐＦ］（ｍは０〜５のいずれかの整数）とＣｍｉｎ［ｐＦ］（実質的に０［ｐＦ］）とで２値的に静電容量を可変する。これにより、可変容量アレイ１は、全体として、２６通り（６ビット）の静電容量を等間隔（Ｃ［ｐＦ］間隔）で可変できるようになっている。
なお、可変容量素子１０の個数は、２個以上であれば特に限定されるものではないが、可変容量素子１０の個数が多い（６個以上）ほど、従来の構成では製造プロセス上のばらつきの影響を受けやすいため、本発明が有用である。The six variable capacitance elements 10 have the same configuration except that the number of fixed-side protrusions 14 to be described later is different. Although the details of the six variable capacitance elements 10 will be described later, 2 m C [pF] (m is an integer of 0 to 5) and C min [pF] (substantially 0 [pF]), respectively. The capacitance is varied in a binary manner. As a result, the variable capacitance array 1 can change 26 (6 bits) electrostatic capacitances at equal intervals (C [pF] intervals) as a whole.
The number of variable capacitance elements 10 is not particularly limited as long as it is two or more. However, the larger the number of variable capacitance elements 10 (6 or more), the more variation in the manufacturing process in the conventional configuration. The present invention is useful because it is easily affected.

図１および図２に示すように、各可変容量素子１０は、絶縁層３上でＹ方向に延在する固定容量電極１１と、固定容量電極１１と対向する可動容量電極１２と、可動容量電極１２のＸ方向（図１の左右方向）の両外側に設けられた一対の静電アクチュエーター１３とを備えている。可動容量電極１２と静電アクチュエーター１３とは、絶縁体で構成された接続部１５を介して接続されている。固定容量電極１１は、単一のものが、６個の可変容量素子１０に共通して用いられる。また、詳細は後述するが、固定容量電極１１は、その上面（可動容量電極１２と対向する対可動対向面１１ａ）に、固定側突出部１４が突出形成されている。   As shown in FIGS. 1 and 2, each variable capacitance element 10 includes a fixed capacitance electrode 11 extending in the Y direction on the insulating layer 3, a movable capacitance electrode 12 facing the fixed capacitance electrode 11, and a movable capacitance electrode. 12 and a pair of electrostatic actuators 13 provided on both outer sides in the X direction (left and right direction in FIG. 1). The movable capacitive electrode 12 and the electrostatic actuator 13 are connected via a connecting portion 15 made of an insulator. A single fixed capacitance electrode 11 is commonly used for the six variable capacitance elements 10. Although the details will be described later, the fixed capacitor electrode 11 has a fixed-side protruding portion 14 formed on the upper surface thereof (a movable movable facing surface 11a facing the movable capacitor electrode 12).

ここでは、固定容量電極１１は、ＲＦ（Radio Frequency）信号が流れる電極であり、可動容量電極１２は、グランド接続される電極である。各可変容量素子１０における固定容量電極１１と可動容量電極１２との距離が変動して、可変容量アレイ１における静電容量が変動すると、ＲＦ信号が流れる固定容量電極１１の電位が変化し、それに応じたＲＦ電圧が、固定容量電極１１および可動容量電極１２から出力される。   Here, the fixed capacitor electrode 11 is an electrode through which an RF (Radio Frequency) signal flows, and the movable capacitor electrode 12 is an electrode connected to the ground. When the distance between the fixed capacitance electrode 11 and the movable capacitance electrode 12 in each variable capacitance element 10 varies and the capacitance in the variable capacitance array 1 varies, the potential of the fixed capacitance electrode 11 through which the RF signal flows changes. A corresponding RF voltage is output from the fixed capacitor electrode 11 and the movable capacitor electrode 12.

静電アクチュエーター１３は、固定容量電極１１に対して可動容量電極１２を離接させる。静電アクチュエーター１３により、可動容量電極１２が固定容量電極１１に向かって駆動すると、可動容量電極１２の下面（固定容量電極１１と対向する対固定対向面１２ａ）を覆う容量側絶縁膜１６が、固定容量電極１１と接触する（図２（ｂ）参照）。すなわち、容量側絶縁膜１６は、固定容量電極１１と可動容量電極１２との接触による短絡を防止している。容量側絶縁膜１６の厚さ（Ｔｃ）は、数十ｎｍ程度である。なお、本実施形態では、可動容量電極１２は、一対の静電アクチュエーター１３により、両持ち構造（ブリッジ構造）となっているが、これを片持ち構造（カンチレバー構造）としてもよい。The electrostatic actuator 13 brings the movable capacitive electrode 12 into contact with the fixed capacitive electrode 11. When the movable capacitor electrode 12 is driven toward the fixed capacitor electrode 11 by the electrostatic actuator 13, the capacitor-side insulating film 16 covering the lower surface of the movable capacitor electrode 12 (the pair fixed opposing surface 12a facing the fixed capacitor electrode 11) It contacts the fixed capacitance electrode 11 (see FIG. 2B). That is, the capacitor-side insulating film 16 prevents a short circuit due to contact between the fixed capacitor electrode 11 and the movable capacitor electrode 12. The thickness (T c ) of the capacitor side insulating film 16 is about several tens of nm. In the present embodiment, the movable capacitive electrode 12 has a double-supported structure (bridge structure) by a pair of electrostatic actuators 13, but it may be a cantilever structure (cantilever structure).

各静電アクチュエーター１３は、絶縁層３上に形成された固定駆動電極２１と、固定駆動電極２１に対向する可動駆動電極２２とを備えている。可動駆動電極２２のＸ方向内側の端部は、接続部１５を介して可動容量電極１２に接続されている。一方、可動駆動電極２２のＸ方向外側には、バネ構造部２３が一体に形成されている。バネ構造部２３の端部は、絶縁層３上に突設されたアンカー２４に接続されている。   Each electrostatic actuator 13 includes a fixed drive electrode 21 formed on the insulating layer 3 and a movable drive electrode 22 facing the fixed drive electrode 21. An end portion on the inner side in the X direction of the movable drive electrode 22 is connected to the movable capacitance electrode 12 via the connection portion 15. On the other hand, on the outer side in the X direction of the movable drive electrode 22, a spring structure portion 23 is integrally formed. An end portion of the spring structure portion 23 is connected to an anchor 24 protruding on the insulating layer 3.

そして、静電アクチュエーター１３は、固定駆動電極２１と可動駆動電極２２との間に駆動電圧が印加されると、両電極間に静電気力が生じ、可動駆動電極２２が固定駆動電極２１に引き寄せられ、固定駆動電極２１の表面を覆う駆動側絶縁膜２５と接触する。これにより、可動駆動電極２２と接続された可動容量電極１２が固定容量電極１１に近づき、固定容量電極１１と可動容量電極１２との距離が短くなる（図２（ｂ）参照）。つまり、静電容量がＣｏｎ（後述する）［ｐＦ］へと変化する。When the drive voltage is applied between the fixed drive electrode 21 and the movable drive electrode 22, the electrostatic actuator 13 generates an electrostatic force between the two electrodes, and the movable drive electrode 22 is attracted to the fixed drive electrode 21. The driving side insulating film 25 covering the surface of the fixed driving electrode 21 comes into contact. As a result, the movable capacitance electrode 12 connected to the movable drive electrode 22 approaches the fixed capacitance electrode 11, and the distance between the fixed capacitance electrode 11 and the movable capacitance electrode 12 is shortened (see FIG. 2B). That is, the capacitance changes to C on (described later) [pF].

一方、固定駆動電極２１と可動駆動電極２２との間の駆動電圧の印加が解除されると、両電極間の静電気力がなくなり、バネ構造部２３のバネ力により、可動駆動電極２２が固定駆動電極２１から離れる。これにより、可動駆動電極２２と接続された可動容量電極１２が固定容量電極１１から離れ、固定容量電極１１と可動容量電極１２との距離が長くなる（図２（ａ）参照）。つまり、静電容量がＣｏｆｆ（後述する）［ｐＦ］へと変化する。On the other hand, when the application of the drive voltage between the fixed drive electrode 21 and the movable drive electrode 22 is released, the electrostatic force between the two electrodes disappears, and the movable drive electrode 22 is fixedly driven by the spring force of the spring structure portion 23. Separate from the electrode 21. As a result, the movable capacitance electrode 12 connected to the movable drive electrode 22 is separated from the fixed capacitance electrode 11, and the distance between the fixed capacitance electrode 11 and the movable capacitance electrode 12 is increased (see FIG. 2A). That is, the capacitance changes to C off (described later) [pF].

このようにして、静電アクチュエーター１３は、可動容量電極１２を固定容量電極１１に対して離接させ、これにより、各可変容量素子１０における静電容量が２値的に変化する。なお、本実施形態では、可動容量電極１２を駆動するアクチュエーター（駆動部）として、静電型のものを用いたが、これに限定されるものではなく、例えば、圧電型、電磁型、熱型のものを用いてもよい。   Thus, the electrostatic actuator 13 moves the movable capacitive electrode 12 away from the fixed capacitive electrode 11, and thereby the electrostatic capacitance in each variable capacitive element 10 changes in a binary manner. In the present embodiment, an electrostatic actuator is used as an actuator (driving unit) for driving the movable capacitive electrode 12, but the actuator is not limited to this. For example, a piezoelectric type, an electromagnetic type, or a thermal type is used. May be used.

続いて、図３を参照して、固定容量電極１１に形成された固定側突出部１４について説明する。固定側突出部１４は、６個の可変容量素子１０において、それぞれ２ｍ個形成されている（ｍは、０から５のいずれかの整数であって、可変容量素子１０ごとに異なる数である）。すなわち、図１に示したように、６個の可変容量素子１０は、図示上側の可変容量素子１０から順に、１個、２個、４個、８個、１６個、３２個の固定側突出部１４を有している。各固定側突出部１４は、可動容量電極１２と対向する対可動対向面１１ａに突出形成されている。さらに、各固定側突出部１４は、６個の可変容量素子１０間で、同一の形状および大きさに形成されている。各固定側突出部１４の高さ（Ｔ１）は、例えば数百ｎｍ程度である。Next, with reference to FIG. 3, the fixed-side protrusion 14 formed on the fixed capacitor electrode 11 will be described. Each of the six variable capacitance elements 10 is formed with 2 m fixed-side protrusions 14 (m is an integer from 0 to 5 and is different for each variable capacitance element 10). ). That is, as shown in FIG. 1, the six variable capacitance elements 10 have one, two, four, eight, sixteen, and thirty-two fixed-side protrusions in order from the variable capacitance element 10 on the upper side in the drawing. Part 14. Each of the fixed-side protrusions 14 is formed to protrude from the movable opposing surface 11 a that faces the movable capacitor electrode 12. Furthermore, each fixed side protrusion 14 is formed in the same shape and size between the six variable capacitance elements 10. The height (T 1 ) of each stationary protrusion 14 is, for example, about several hundred nm.

なお、６個の可変容量素子１０における固定側突出部１４の個数のパターンは、これに限定されるものではなく任意であるが、２ｍ×ｐ個（例えば、３個、６個、１２個、２４個、４８個、９６個）であれば、６個の可変容量素子１０によって２６通りの静電容量を等間隔で得ることができる。また、本実施形態では、各固定側突出部１４は、四角柱状に形成されているが、これに限定されるものではなく、例えば円柱状であってもよい。Note that the pattern of the number of the fixed-side protrusions 14 in the six variable capacitance elements 10 is not limited to this, and is arbitrary, but 2 m × p (for example, 3, 6, 12) , 24, 48, 96), 26 variable capacitance elements 10 can obtain 26 different capacitances at equal intervals. Moreover, in this embodiment, although each fixed side protrusion part 14 is formed in square pillar shape, it is not limited to this, For example, a cylindrical shape may be sufficient.

ここで、各可変容量素子１０において、可動容量電極１２が固定容量電極１１から離れたＯＦＦ時の静電容量（Ｃｏｆｆ）、および可動容量電極１２が固定容量電極１１に近づいたＯＮ時の静電容量（Ｃｏｎ）は、それぞれ数式（１）、数式（２）で与えられる。

Figure 0005965497
Here, in each variable capacitance element 10, the electrostatic capacitance (C off ) when the movable capacitance electrode 12 is separated from the fixed capacitance electrode 11 and the static capacitance when ON when the movable capacitance electrode 12 approaches the fixed capacitance electrode 11. The electric capacity (C on ) is given by Equation (1) and Equation (2), respectively.
Figure 0005965497

数式（２）において、Ｔｃ／εｒｃ＜＜Ｔ１であるから、各可変容量素子１０におけるＯＮ時の静電容量（Ｃｏｎ）は、（Ｓ２）にはよらず、固定側突出部１４と可動容量電極１２との対向面積（Ｓ１）によって実質的に決定され、数式（３）で表される。

Figure 0005965497
各固定側突出部１４は、上述したように、６個の可変容量素子１０間で、同一の形状および大きさに形成されている。このため、６個の可変容量素子１０間における固定側突出部１４と可動容量電極１２との対向面積（Ｓ１）の比は、各可変容量素子１０に形成された固定側突出部１４の個数の比と等しく、１：２：４：８：１６：３２となる。したがって、各可変容量素子１０におけるＯＮ時の静電容量（Ｃｏｎ）は、上述したように２ｍＣ［ｐＦ］（ｍは０〜５のいずれかの整数）となり、その比が、１：２：４：８：１６：３２となる。In Equation (2), since T c / εr c << T 1 , the capacitance (C on ) when each variable capacitance element 10 is turned on does not depend on (S 2), but the fixed-side protruding portion 14. Is substantially determined by the facing area (S1) between the movable capacitor electrode 12 and the movable capacitor electrode 12, and is expressed by Expression (3).
Figure 0005965497
 As described above, each of the fixed-side protrusions 14 is formed in the same shape and size between the six variable capacitance elements 10. For this reason, the ratio of the opposing area (S1) between the fixed-side protrusion 14 and the movable capacitor electrode 12 between the six variable capacitance elements 10 is equal to the number of fixed-side protrusions 14 formed in each variable capacitance element 10. It is equal to the ratio and becomes 1: 2: 4: 8: 16: 32. Therefore, the electrostatic capacitance (C on ) at the time of ON in each variable capacitance element 10 is 2 m C [pF] (m is an integer of 0 to 5) as described above, and the ratio is 1: 2: 4: 8: 16: 32.

以上の構成を有する可変容量アレイ１は、ＭＥＭＳ技術を用いて適宜設計可能であるが、図４を参照して、シリコン基板２上に固定容量電極１１および固定側突出部１４を形成する製造プロセスの一例について説明する。まず、絶縁層３を形成したシリコン基板２上に、第１導電層３１および第２導電層３２を順に成膜する（図４（ａ）参照）。続いて、第２導電層３２上に、固定側突出部１４に対応した第２レジストパターン３４を形成する（図４（ｂ）参照）。続いて、第２レジストパターン３４をマスクにして、第２導電層３２をエッチングする。エッチングされた第２導電層３２が、固定側突出部１４となる（図４（ｃ）参照）。このとき、各固定側突出部１４（これに対応するマスクパターン）は、６個の可変容量素子１０間で同一の形状および大きさであるため、エッチング剤のまわり方の違い等による影響を受けることなく、各固定側突出部１４が均等に形成される。   The variable capacitance array 1 having the above configuration can be designed as appropriate using the MEMS technology. With reference to FIG. 4, a manufacturing process for forming the fixed capacitance electrode 11 and the fixed side protrusion 14 on the silicon substrate 2. An example will be described. First, the first conductive layer 31 and the second conductive layer 32 are sequentially formed on the silicon substrate 2 on which the insulating layer 3 is formed (see FIG. 4A). Subsequently, a second resist pattern 34 corresponding to the stationary protrusion 14 is formed on the second conductive layer 32 (see FIG. 4B). Subsequently, the second conductive layer 32 is etched using the second resist pattern 34 as a mask. The etched second conductive layer 32 becomes the fixed-side protruding portion 14 (see FIG. 4C). At this time, each of the fixed-side protrusions 14 (the corresponding mask pattern) has the same shape and size among the six variable capacitance elements 10, and therefore is affected by differences in the way the etching agent is wrapped around. Without any problem, the fixed-side protrusions 14 are evenly formed.

エッチング後、第２レジストパターン３４を除去すると共に、第１導電層３１および第２導電層３２（固定側突出部１４）上に、固定容量電極１１に対応した第１レジストパターン３３を形成する（図４（ｄ）参照）。続いて、第１レジストパターン３３をマスクにして、第１導電層３１をエッチングする。エッチングされた第１導電層３１が、固定容量電極１１となる（図４（ｅ）参照）。エッチング後、第１レジストパターン３３を除去し、シリコン基板２上に形成された固定容量電極１１および固定側突出部１４を得る（図４（ｆ）参照）。   After the etching, the second resist pattern 34 is removed, and a first resist pattern 33 corresponding to the fixed capacitor electrode 11 is formed on the first conductive layer 31 and the second conductive layer 32 (fixed side protrusion 14) ( (Refer FIG.4 (d)). Subsequently, the first conductive layer 31 is etched using the first resist pattern 33 as a mask. The etched first conductive layer 31 becomes the fixed capacitance electrode 11 (see FIG. 4E). After the etching, the first resist pattern 33 is removed to obtain the fixed capacitor electrode 11 and the fixed-side protrusion 14 formed on the silicon substrate 2 (see FIG. 4F).

さらに、図５を参照して、シリコン基板２上に固定容量電極１１および固定側突出部１４を形成する製造プロセスの他の例について説明する。まず、絶縁層３を形成したシリコン基板２上に、第１導電層３１を成膜する（図５（ａ）参照）。続いて、第１導電層３１上に、固定容量電極１１に対応した第１レジストパターン３３を形成する（図５（ｂ）参照）。続いて、第１レジストパターン３３をマスクにして、第１導電層３１をエッチングする。エッチングされた第１導電層３１が、固定容量電極１１となる（図５（ｃ）参照）。   Further, another example of the manufacturing process for forming the fixed capacitor electrode 11 and the fixed-side protrusion 14 on the silicon substrate 2 will be described with reference to FIG. First, the first conductive layer 31 is formed on the silicon substrate 2 on which the insulating layer 3 is formed (see FIG. 5A). Subsequently, a first resist pattern 33 corresponding to the fixed capacitor electrode 11 is formed on the first conductive layer 31 (see FIG. 5B). Subsequently, the first conductive layer 31 is etched using the first resist pattern 33 as a mask. The etched first conductive layer 31 becomes the fixed capacitance electrode 11 (see FIG. 5C).

エッチング後、第１レジストパターン３３を除去すると共に、絶縁層３および第１導電層３１（固定容量電極１１）上に、第２導電層３２を成膜する（図５（ｄ）参照）。続いて、第２導電層３２上に、固定側突出部１４に対応した第２レジストパターン３４を形成する（図５（ｅ）参照）。続いて、第２レジストパターン３４をマスクにして、第２導電層３２をエッチングする。エッチングされた第２導電層３２が、固定側突出部１４となる（図５（ｆ）参照）。ここでも、各固定側突出部１４（これに対応するマスクパターン）は、６個の可変容量素子１０間で同一の形状および大きさであるため、エッチング剤のまわり方の違い等による影響を受けることなく、各固定側突出部１４が均等に形成される。そして、エッチング後、第２レジストパターン３４を除去し、シリコン基板２上に形成された固定容量電極１１および固定側突出部１４を得る（図５（ｇ）参照）。
なお、この変形例においては、第２導電層３２のエッチングにおいて、第１導電層３１（固定容量電極１１）の周辺部に形成された第２導電層３２が、断面略扇形状の残部３２ａとなって残るため、形状が不安定となる。また、この残部３２ａが製造プロセス中に取れてトラブルを起こすおそれもある。このため、図４に示した製造プロセスのほうが、より好ましい。After the etching, the first resist pattern 33 is removed, and the second conductive layer 32 is formed on the insulating layer 3 and the first conductive layer 31 (fixed capacitance electrode 11) (see FIG. 5D). Subsequently, a second resist pattern 34 corresponding to the fixed-side protruding portion 14 is formed on the second conductive layer 32 (see FIG. 5E). Subsequently, the second conductive layer 32 is etched using the second resist pattern 34 as a mask. The etched second conductive layer 32 becomes the fixed-side protrusion 14 (see FIG. 5F). Also here, each of the fixed-side protrusions 14 (the mask pattern corresponding thereto) has the same shape and size among the six variable capacitance elements 10, and therefore is affected by differences in the way the etching agent is wrapped around. Without any problem, the fixed-side protrusions 14 are evenly formed. Then, after the etching, the second resist pattern 34 is removed, and the fixed capacitor electrode 11 and the fixed-side protrusion 14 formed on the silicon substrate 2 are obtained (see FIG. 5G).
In this modification, in the etching of the second conductive layer 32, the second conductive layer 32 formed in the peripheral portion of the first conductive layer 31 (fixed capacitance electrode 11) has a remaining section 32a having a substantially sectoral cross section. Since it remains, the shape becomes unstable. Further, the remaining portion 32a may be removed during the manufacturing process and cause trouble. For this reason, the manufacturing process shown in FIG. 4 is more preferable.

以上のように、本実施形態の可変容量アレイ１によれば、固定容量電極１１に固定側突出部１４が形成されているため、各可変容量素子１０における固定容量電極１１と可動容量電極１２との近接時（ＯＮ時）の静電容量は、固定側突出部１４と可動容量電極１２との対向面積で決まる。また、各固定側突出部１４が、６個の可変容量素子１０間で、同一の形状および大きさ（面積）に形成されているため、６個の可変容量素子１０間における対向面積の比は、固定側突出部１４の個数の比と等しくなる。したがって、６個の可変容量素子１０間におけるＯＮ時の静電容量の比は、固定側突出部１４の個数の比と等しくなる。さらに、各固定側突出部１４は、６個の可変容量素子１０間で同一の形状および大きさであるため、エッチング剤のまわり方の違い等、製造プロセス上のばらつきの影響を受けることなく、各固定側突出部１４を均等に形成することができる。このため、６個の可変容量素子１０間におけるＯＮ時の静電容量の比が、固定側突出部１４の個数の比と正確に等しくなる。したがって、チップ面積が大きくなることなく、可変容量アレイ１における静電容量のリニアリティを高めることができる。   As described above, according to the variable capacitance array 1 of the present embodiment, since the fixed-side protruding portion 14 is formed on the fixed capacitance electrode 11, the fixed capacitance electrode 11 and the movable capacitance electrode 12 in each variable capacitance element 10. The capacitance at the time of proximity (ON) is determined by the facing area between the fixed protrusion 14 and the movable capacitance electrode 12. Further, since each fixed-side protrusion 14 is formed in the same shape and size (area) between the six variable capacitance elements 10, the ratio of the facing areas between the six variable capacitance elements 10 is as follows. This is equal to the ratio of the number of fixed-side protrusions 14. Therefore, the ratio of the capacitances when the variable capacitance elements 10 are turned on is equal to the ratio of the number of the fixed-side protrusions 14. Furthermore, since each fixed side protrusion 14 has the same shape and size among the six variable capacitance elements 10, it is not affected by variations in the manufacturing process, such as differences in the way the etching agent is wrapped, Each fixed side protrusion 14 can be formed uniformly. For this reason, the capacitance ratio at the time of ON among the six variable capacitance elements 10 becomes exactly equal to the ratio of the number of the fixed protrusions 14. Therefore, the linearity of the capacitance in the variable capacitance array 1 can be increased without increasing the chip area.

次に、図６ないし図８を参照して、可変容量素子１０の変形例について説明する。上記の実施形態では、固定容量電極１１の対可動対向面１１ａに固定側突出部１４を形成したが、これに代えて、可動容量電極１２の対固定対向面１２ａに可動側突出部１７を形成するようにしてもよい（図６参照）。この場合、固定側突出部１４と同様に、可動側突出部１７を、６個の可変容量素子１０において、それぞれ２ｍ個（ｍは、０から５のいずれかの整数であって、可変容量素子１０ごとに異なる数である）形成すると共に、６個の可変容量素子１０間で、同一の形状および大きさに形成する。なお、固定容量電極１１の対可動対向面１１ａには、容量側絶縁膜１６が形成される。Next, a modified example of the variable capacitor 10 will be described with reference to FIGS. In the above embodiment, the fixed-side protrusion 14 is formed on the pair of movable opposing surfaces 11 a of the fixed capacitance electrode 11. Instead, the movable-side protrusion 17 is formed on the pair of fixed opposing surfaces 12 a of the movable capacitor electrode 12. You may make it do (refer FIG. 6). In this case, in the same manner as the fixed-side protrusions 14, the movable-side protrusions 17 in each of the six variable capacitance elements 10 are 2 m pieces (m is an integer from 0 to 5, (The number is different for each element 10), and the same shape and size are formed among the six variable capacitance elements 10. A capacitance-side insulating film 16 is formed on the movable facing surface 11 a of the fixed capacitance electrode 11.

さらに、上記の実施形態では、容量側絶縁膜１６を、可動容量電極１２の対固定対向面１２ａに形成したが、容量側絶縁膜１６の位置はこれに限定されるものではない。例えば、容量側絶縁膜１６を、対固定対向面１２ａに代え、各固定側突出部１４の先端面に形成してもよく（図７（ａ１）（ａ２）参照）、対固定対向面１２ａに形成すると共に各固定側突出部１４の先端面に形成してもよい（図７（ｂ１）（ｂ２）参照）。なお、各固定側突出部１４の先端面に形成される容量側絶縁膜１６は、図７（ａ１）および図７（ｂ１）に示したように、複数の固定側突出部１４に亘って連続していてもよく、或いは、図７（ａ２）および図７（ｂ２）に示したように、各固定側突出部１４ごとに形成してもよい。   Furthermore, in the above-described embodiment, the capacitor-side insulating film 16 is formed on the pair-fixing facing surface 12a of the movable capacitor electrode 12, but the position of the capacitor-side insulating film 16 is not limited to this. For example, the capacitor-side insulating film 16 may be formed on the front end surface of each fixed-side protruding portion 14 instead of the pair-fixing facing surface 12a (see FIGS. 7A1 and 7A2). It may be formed on the front end surface of each fixed-side protruding portion 14 (see FIGS. 7B1 and 7B2). Note that the capacitor-side insulating film 16 formed on the front end surface of each fixed-side protrusion 14 is continuous over the plurality of fixed-side protrusions 14 as shown in FIGS. 7 (a1) and 7 (b1). Alternatively, as shown in FIG. 7 (a2) and FIG. 7 (b2), it may be formed for each fixed protrusion 14.

また、容量側絶縁膜１６を、各固定側突出部１４の基端部に形成してもよく（図７（ｃ１）（ｃ２）参照）、これに加え、各固定側突出部１４の先端面に形成してもよい（図７（ｄ１）（ｄ２）参照）。各固定側突出部１４の基端部に形成される容量側絶縁膜１６は、図７（ｃ１）および図７（ｄ１）に示したように、複数の固定側突出部１４に亘って連続していてもよく、或いは、図７（ｃ２）および図７（ｄ２）に示したように、各固定側突出部１４ごとに形成してもよい。また、図７（ｄ１）（ｄ２）に示したように、容量側絶縁膜１６を、各固定側突出部１４の先端面と基端部の双方に形成してもよい。さらに、容量側絶縁膜１６を、各固定側突出部１４の基端部と先端部との間に形成してもよい（図７（ｅ１）（ｅ２）参照）。この場合、容量側絶縁膜１６を間に挟んだ各固定側突出部１４の先端部と基端部とで、可動容量電極１２に対向する面積が等しくてもよく（図７（ｅ１）参照）、異なってもよい（図７（ｅ２）参照）。また、容量側絶縁膜１６を、各固定側突出部１４の基端部と先端部との間に加え、各固定側突出部１４の先端面および基端部の少なくとも一方に形成してもよい。なお、容量側絶縁膜１６に代えて、可動容量電極１２が固定容量電極１１（固定側突出部１４）に近接した際に、空隙（エアーギャップ）を形成する構成であってもよい。これらの変形例は、可動容量電極１２に可動側突出部１７を形成した場合にも、同様に適用可能である。   Further, the capacitor-side insulating film 16 may be formed on the base end portion of each fixed-side protrusion 14 (see FIGS. 7C1 and 7C), and in addition to this, the distal end surface of each fixed-side protrusion 14 (See FIGS. 7 (d1) and (d2)). As shown in FIGS. 7C1 and 7D1, the capacitor-side insulating film 16 formed at the base end portion of each fixed-side protruding portion 14 is continuous over the plurality of fixed-side protruding portions 14. Alternatively, as shown in FIG. 7 (c2) and FIG. 7 (d2), each fixed-side protrusion 14 may be formed. Further, as shown in FIGS. 7D1 and 7D2, the capacitor-side insulating film 16 may be formed on both the front end surface and the base end portion of each fixed-side protrusion 14. Further, the capacitor-side insulating film 16 may be formed between the base end portion and the tip end portion of each fixed-side protruding portion 14 (see FIGS. 7 (e1) and (e2)). In this case, the area facing the movable capacitor electrode 12 may be equal between the distal end portion and the proximal end portion of each fixed-side protruding portion 14 sandwiching the capacitor-side insulating film 16 therebetween (see FIG. 7 (e1)). May be different (see FIG. 7 (e2)). Further, the capacitor-side insulating film 16 may be formed between at least one of the distal end surface and the proximal end portion of each fixed-side protruding portion 14 between the proximal end portion and the distal end portion of each fixed-side protruding portion 14. . Instead of the capacitor-side insulating film 16, a configuration may be employed in which a gap (air gap) is formed when the movable capacitor electrode 12 approaches the fixed capacitor electrode 11 (fixed-side protruding portion 14). These modifications are also applicable to the case where the movable-side protruding portion 17 is formed on the movable capacitor electrode 12.

さらに、本実施形態では、各可変容量素子１０において、固定容量電極１１を単一のもので構成したが、図８に示すように、Ｘ方向に並設した２つの電極に分けてこれを構成してもよい。この場合、例えば、一方の固定容量電極１１を、ＲＦ信号が流れる電極とし、他方の固定容量電極１１を、グランド接続される電極とする。また、２つの固定容量電極１１には、それぞれ固定側突出部１４が形成される。各可変容量素子１０における静電容量は、一方の固定容量電極１１と可動容量電極１２との間の静電容量と、可動容量電極１２と他方の固定容量電極１１との間の静電容量とが直列接続されて構成される。６個の可変容量素子１０間において、この直接続された静電容量の比が、例えば、１：２：４：８：１６：３２となるようにする。この場合、固定側突出部１４の個数を、例えば、各可変容量素子１０における２つの固定容量電極１１間で同数ずつとし、且つ６個の可変容量素子１０間で、１：２：４：８：１６：３２の比となるように形成すればよい。   Further, in this embodiment, each variable capacitance element 10 has a single fixed capacitance electrode 11, but as shown in FIG. 8, it is divided into two electrodes arranged in parallel in the X direction. May be. In this case, for example, one fixed capacitance electrode 11 is an electrode through which an RF signal flows, and the other fixed capacitance electrode 11 is an electrode connected to the ground. The two fixed capacitance electrodes 11 are each formed with a fixed-side protruding portion 14. The capacitance in each variable capacitance element 10 is the capacitance between one fixed capacitance electrode 11 and the movable capacitance electrode 12, and the capacitance between the movable capacitance electrode 12 and the other fixed capacitance electrode 11. Are connected in series. The ratio of the directly connected capacitances among the six variable capacitance elements 10 is set to, for example, 1: 2: 4: 8: 16: 32. In this case, the number of the fixed-side protrusions 14 is, for example, the same number between the two fixed capacitance electrodes 11 in each variable capacitance element 10 and 1: 2: 4: 8 between the six variable capacitance elements 10. : 16:32 ratio may be formed.

また、図１、図２、図６、図７および図８では、固定容量電極１１および可動容量電極１２の一方のみに、突出部（固定側突出部１４または可動側突出部１７）のある構造をしめしたが、図９のように、固定容量電極１１および可動容量電極１２の双方に突出部（固定側突出部１４および可動側突出部１７）があってもよい。この場合、各可変容量素子１０において、可動容量電極１２が固定容量電極１１から離れたＯＦＦ時の静電容量（Ｃｏｆｆ）、および可動容量電極１２が固定容量電極１１に近づいたＯＮ時の静電容量（Ｃｏｎ）は、それぞれ数式（４）、数式（５）で与えられる。

Figure 0005965497
1, FIG. 2, FIG. 6, FIG. 7, and FIG. 8, a structure in which only one of the fixed capacitor electrode 11 and the movable capacitor electrode 12 has a protrusion (the fixed-side protrusion 14 or the movable-side protrusion 17). However, as shown in FIG. 9, both the fixed capacitor electrode 11 and the movable capacitor electrode 12 may have protrusions (the fixed protrusion 14 and the movable protrusion 17). In this case, in each variable capacitance element 10, the electrostatic capacitance (C off ) when the movable capacitance electrode 12 is separated from the fixed capacitance electrode 11 and the static capacitance when the movable capacitance electrode 12 approaches the fixed capacitance electrode 11. The electric capacity (C on ) is given by Equation (4) and Equation (5), respectively.
Figure 0005965497

数式（５）において、Ｔｃ／εｒｃ＜＜Ｔ１、且つＴｃ／εｒｃ＜＜Ｔ２であるから、各可変容量素子１０におけるＯＮ時の静電容量（Ｃｏｎ）は、（Ｓ２）、（Ｓ３）および（Ｓ４）にはよらず、固定側突出部１４と可動側突出部１７との対向面積（Ｓ１）によって実質的に決定され、数式（６）で表される。

Figure 0005965497
この構成における固定側突出部１４および可動側突出部１７は、特許請求の範囲における「突出部」および「凸部」の一例である。In Equation (5), since T c / εr c << T 1 and T c / εr c << T 2 , the capacitance (C on ) when each variable capacitance element 10 is turned on is (S2 ), (S3), and (S4), which are substantially determined by the facing area (S1) between the fixed-side protruding portion 14 and the movable-side protruding portion 17, and are expressed by Equation (6).
Figure 0005965497
 The fixed-side protrusion 14 and the movable-side protrusion 17 in this configuration are examples of “protrusion” and “convex” in the claims.

１：可変容量アレイ、１０：可変容量素子、１１：固定容量電極、１１ａ：対可動対向面、１２：可動容量電極、１２ａ：対固定対向面、１３：静電アクチュエーター、１４：固定側突出部、１６：容量側絶縁膜、１７：可動側突出部   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1: Variable capacity | capacitance array, 10: Variable capacity | capacitance element, 11: Fixed capacity | capacitance electrode, 11a: A movable opposing surface, 12: A movable capacitive electrode, 12a: A fixed opposing surface, 13: Electrostatic actuator, 14: Fixed side protrusion part 16: Capacitance side insulating film, 17: Movable side protrusion

Claims (8)

同一基板上に設けられたｎ個の可変容量素子を、備え、
前記各可変容量素子は、
第１電極と、
前記第１電極と対向する第２電極と、
前記第１電極に対し、前記第２電極を離接させる駆動部と、を有し、
前記第１電極および前記第２電極のうち一方の電極は、他方の電極と対向する対向面に、１個以上の突出部が突出形成され、
前記ｎ個の可変容量素子間で、前記各突出部が同一の形状および大きさに形成されていると共に、前記突出部の個数が相違することを特徴とする可変容量アレイ。
ただし、ｎは２以上の整数である。N variable capacitance elements provided on the same substrate,
Each of the variable capacitance elements is
A first electrode;
A second electrode facing the first electrode;
A drive unit for separating and contacting the second electrode with respect to the first electrode;
One of the first electrode and the second electrode has one or more protruding portions formed on the opposing surface facing the other electrode,
The variable capacitor array, wherein the protrusions are formed in the same shape and size between the n variable capacitor elements, and the number of the protrusions is different.
However, n is an integer of 2 or more. 前記他方の電極は、前記突出部が形成された前記一方の電極と対向する対向面に、絶縁膜が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の可変容量アレイ。   2. The variable capacitance array according to claim 1, wherein the other electrode has an insulating film formed on an opposing surface facing the one electrode on which the protruding portion is formed. 前記一方の電極は、前記各突出部の先端面に、絶縁膜が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の可変容量アレイ。   3. The variable capacitance array according to claim 1, wherein the one electrode has an insulating film formed on a tip surface of each of the protrusions. 前記一方の電極は、前記各突出部の基端部に、絶縁膜が形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の可変容量アレイ。   4. The variable capacitance array according to claim 1, wherein an insulating film is formed on a base end portion of each of the projecting portions of the one electrode. 前記一方の電極は、前記各突出部の基端部と先端部との間に、絶縁膜が形成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の可変容量アレイ。   5. The variable capacitance array according to claim 1, wherein the one electrode has an insulating film formed between a base end portion and a tip end portion of each projecting portion. 前記他方の電極は、前記突出部が形成された前記一方の電極と対向する対向面に、前記各突出部と対応する１個以上の凸部が突出形成されており、
前記ｎ個の可変容量素子間で、前記各凸部が同一の形状および大きさに形成されていると共に、前記凸部の個数が相違することを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の可変容量アレイ。The other electrode has one or more protrusions corresponding to the protrusions protruding on the facing surface facing the one electrode on which the protrusions are formed,
6. The n number of variable capacitors, wherein each of the convex portions is formed in the same shape and size, and the number of the convex portions is different. The variable capacitance array described. 前記各可変容量素子は、前記突出部を、２ｍ×ｐ個有することを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の可変容量アレイ。
ただし、ｍは、０から（ｎ−１）のいずれかの整数であって、前記可変容量素子ごとに異なる数である。ｐは、１以上の整数であって、前記ｎ個の可変容量素子に共通の数である。The variable capacitance array according to claim 1, wherein each of the variable capacitance elements has 2 m × p protrusions.
Here, m is an integer from 0 to (n−1), and is a different number for each variable capacitance element. p is an integer of 1 or more, and is a number common to the n variable capacitance elements. 前記駆動部が、静電アクチュエーターであることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の可変容量アレイ。   8. The variable capacitance array according to claim 1, wherein the driving unit is an electrostatic actuator.
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