マイクロ電気機械式可変コンデンサ
【課題】 大きい静電容量変化及び同調範囲を示す多フィンガ相互嵌合３次元コーム駆動電極を用いるＭＥＭＳ可変コンデンサを提供する。
【解決手段】 同時に同じ基板上に形成された反対の極性の可動コーム電極が個別に作動される、３次元マイクロ電気−機械（ＭＥＭＳ）可変コンデンサが説明される。これらの電極は、デバイスの静電容量を最大にするために相互嵌合するように形成される。電極は、共同して又は個々に作動される。別個の作動電極及び接地平面電極が、可動電極を作動させる。２つの電極間の電位が、デバイスの主要な作動モードを与える。相互嵌合フィンガ間の側壁重なり面積の変化が、デバイスの期待された静電容量同調を与える。
【解決手段】 同時に同じ基板上に形成された反対の極性の可動コーム電極が個別に作動される、３次元マイクロ電気−機械（ＭＥＭＳ）可変コンデンサが説明される。これらの電極は、デバイスの静電容量を最大にするために相互嵌合するように形成される。電極は、共同して又は個々に作動される。別個の作動電極及び接地平面電極が、可動電極を作動させる。２つの電極間の電位が、デバイスの主要な作動モードを与える。相互嵌合フィンガ間の側壁重なり面積の変化が、デバイスの期待された静電容量同調を与える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、マイクロ−電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスに関し、より詳細には、現在の半導体製造工程に組み込むことができる３次元コーム駆動電極を用いる可変コンデンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
可変コンデンサ又はバラクターは、高周波数及び無線周波数（ＲＦ）回路において基本的な役割を果たす。この数年間、ＭＥＭＳ可変コンデンサには、それらの優れた電気的特性のために大きな関心が寄せられてきた。
【０００３】
ＭＥＭＳ技術を用いる可変コンデンサは、航空宇宙産業、家庭用電化製品、及び通信システムの用途のための標準的な半導体デバイスに容易に実装可能であるが、研究者らは、平行板電極によって達成される最大静電容量同調範囲が制限されることから、ＭＥＭＳ可変コンデンサの同調範囲を改善することを試みてきた。これは、作動の際に生じる非線形的な静電気力によるものである。平行板電極は、ギャップ距離の１／３のところで典型的な「引き下げ挙動」を呈し、それは１．５の最大同調静電容量をもたらすものとなっている。ほとんどの以前の手法は結果として、処理の複雑さが増すか、可動部品の数が多くなるか、またはその両方が生じ、信頼性が著しく低下することになる。さらに、ＭＥＭＳデバイスをパッケージし、それらをＣＭＯＳ集積回路に集積することは、大きな困難をもたらす。
【０００４】
非特許文献１において、Ａ．Ｄｅｃらは、可動電極の上及び下の２つの平行電極を用いて可動電極を作動させることによるＭＥＭＳ可変コンデンサの構成を説明している。可動上部と可動下部との間の個々の静電容量が直列である結果として、全静電容量同調範囲が著しく増強される。この手法を用いて達成可能な最大同調範囲は、比が２：１である。Ａ．Ｄｅｃらは、１．９：１ほどの高い同調範囲を達成することを報告している。この手法を用いると同調範囲は大きく改善されるが、それらの産業用途における有用性を大きく低下させるレベルにまで工程の複雑さが増加する。
【０００５】
特許文献１は、アクチュエータとしてコーム駆動電極を用いてマイクロ電気機械式バラクターを製造する方法を説明している。この手法は、同調範囲を増加させることを意図するものであるが、述べられているその構成は、デバイスを２つの別個の基板上に製造することに関係している。主要な作動モードは、デバイス内のフィン構造の間にある。さらに、デバイスは、３ポートバラクターであり、デバイスの同調範囲を増強させるための多数の作動モードを与えるものではない。
【０００６】
上記の考察を受けて、当該産業においては、構成が平行板デバイスとは大きく異なり、かつ製造方法が前述の従来の方法とは異なる可変コンデンサに対する別個の必要性がある。特に、要求されるのは、静電容量を感知するための可動コーム駆動電極と、可動コーム駆動電極を作動させるための別個の作動電極である。好ましくは、静電容量は、１つ又はそれ以上の電極フィンガを作動させ、それによりコーム電極間の重なり面積が変化することによって変化される。こうしたデバイスの静電容量同調範囲は、こうしたデバイスにおいて可能ならば多数の作動モードを十分に活用することによって大きく増強されることが要求される。多ポート（すなわち、ＤＣバイアスにおいては少なくとも２つのポート及びＲＦ信号においては２つのポート）のコンデンサが要求されるので、信号の静電容量は、従来の３ポートバラクターの場合のように結合解除を必要とするものであってはならない。デバイスはさらに、標準的な半導体製造技術を用いて製造され、半導体回路に容易に集積できるものでなければならない。
【０００７】
【特許文献１】米国特許第６，６６１，０６９号
【特許文献２】米国特許第６，６３５，５０６号
【非特許文献１】「ＲＦ ｍｉｃｒｏ−ｍａｃｈｉｎｅｄ ｖａｒａｃｔｏｒｓ ｗｉｔｈ ｗｉｄｅ ｔｕｎｉｎｇ ｒａｎｇｅ」、ＩＥＥＥ ＲＦ ＩＣ シンポジウムダイジェスト、１９９８年６月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、本発明の目的は、制御又は作動電極が、静電容量の変化につながる可動コーム駆動電極ビームの動きを個々に又は一斉に駆動する、感知用の多フィンガ相互嵌合（ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｔｅｄ）３次元コーム駆動電極を用いるＭＥＭＳ可変コンデンサを提供することである。
【０００９】
別の目的は、誘電体によってスイッチ接触部が分離されて、接地電極と作動電極との間に電気絶縁が与えられたＭＥＭＳバラクターを提供することである。
【００１０】
さらに別の目的は、大きい静電容量比又は同調範囲を得るために感知用コーム駆動電極を備えたＭＥＭＳ可変コンデンサを提供することである。
【００１１】
さらに別の目的は、複数のＭＥＭＳ可変コンデンサを種々の３次元形状で構成することである。
【００１２】
さらに別の目的は、重なり面積の大きな変化をもたらすコーム駆動電極フィンガの制御された応力勾配を有するＭＥＭＳバラクターを提供することである。
【００１３】
さらに別の目的は、駆動電圧が下がるように、可動コーム駆動フィンガの支持構造体の数及びタイプが変化されるＭＥＭＳ可変コンデンサを提供することである。
【００１４】
さらに別の目的は、ＭＥＭＳデバイスを同時に製造し、パッケージできるようにし、加工コストを低下させつつ製造ステップの数を最小に減らすことができ、適用されるＣＭＯＳ半導体デバイスと適合する製造技術を用いてＭＥＭＳ可変コンデンサを製造する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
ＭＥＭＳベースの可変コンデンサは、従来の固体バラクターを上回る多くの利点を与える。これらのデバイスは、高いＱ値で動作し、動作の際の損失が低くなる。ここでは２つのタイプのＭＥＭＳバラクター、すなわち平行板及びコーム駆動バラクターが説明される。
【００１６】
最も広く研究されているＭＥＭＳバラクターは、可動電極及び固定電極を備えた平行板コンデンサである。これらのＭＥＭＳデバイスを用いるときの主な欠点は、これらのデバイスの作動によって得られる動作同調範囲が制限されることである。電気機械式コンデンサに固有の態様は、同調範囲の制限を含み、可動電極の急降下（ｓｎａｐ ｄｏｗｎ）につながる。これは、「引き下げ不安定性効果」と呼ばれることが多い。可動電極に働く静電気力は、本質的に非線形であり、この効果を引き起こす。一方、コーム駆動電極においては、可動電極に働く静電気力は、線形であり（すなわち、距離に正比例し）、それは同調範囲を大きく増強する。しかしながら、コーム駆動電極は加工が難しく、得られる静電容量の変化は非常に小さい（利用可能な面積が少ないため）。
【００１７】
本発明の１つの態様においては、説明されるＭＥＭＳ可変コンデンサは、平行板コンデンサとコーム駆動コンデンサとの両方の手法を含み、したがって、それらをさらに検討した。３次元多層電極をコーム駆動構成に製造することによって、同調の間により大きい面積が利用可能にされる。平行板手法からの非線形の静電気力は、コーム駆動電極に独立した又は同時の作動を与えるために用いられる。可動及び固定電極は、単一ウェハー上に順次に加工される。フィルムスタック、金属層及び金属相互接続部に固有の応力勾配が、制御された形状の湾曲ビームを形成するのに用いられる。作動用の別個のＤＣポートと感知用のＲＦポートを有するデバイスが、この構成を用いて形成され、ＲＦ（信号）電極は、コーム駆動電極によって形成され、可動電極の下に形成されたアクチュエータ電極は、可動ビームに作動を与える。接地平面電極は、レベル間ビアの欠如により感知用コーム駆動電極から電気的に分離される。
【００１８】
加工が完了し、ＭＥＭＳ可変コンデンサがリリースされた後で、デバイスは、トレンチを有する第２基板、すなわち第２キャリアウェハーを用いてパッケージされ、誘電体の中に封入され、リリースされたＭＥＭＳ構造を完全に覆うように正確に位置合わせされることが好ましい。キャリアウェハーのトレンチの高さは、可動コーム駆動電極先端部の最大撓みによって決まる。最終的に、デバイスは、動作中のＭＥＭＳデバイスの制御可能な環境を与えるために、ポリマー材料で封入される。第２基板は、半導体基板または無機材料基板からなる。
【００１９】
本発明の第２の態様においては、可動コーム駆動電極の下にある作動電極が組み合わされて、同じ極性をもつ全ての電極に単一作動を与える。反対の極性をもつ電極が別に作動される。本発明の可変コンデンサは、４つの作動モードにおいて動作し、それにより４つのモードの各々における静電容量の変化がもたらされる。
【００２０】
本発明の第３の態様においては、可動コーム駆動電極の下にある作動電極は、反対の極性をもつ電極のために個々に作動され、それにより、それらは多くの作動状態又はモードを与える。各モードにおいて、従来の等価なデバイスと比べると、デバイスの静電容量が変化する。デバイスのための作動を徐々に段階的に行わせることによって、デバイスの静電容量の同調が大きく増強される。
【００２１】
本発明のこれらの及び他の目的、態様及び利点は、付属の図面とあわせたときに、本発明の詳細な好ましい実施形態からよく理解されることになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
好ましい実施形態が示されている図面を参照しながら、以下に本発明をより詳しく説明する。
【００２３】
図１を参照すると、本発明に係る３次元マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）可変キャパシタの断面図が示されている。デバイスは基板１１上に構築され、通常の半導体製造技術を用いて、基板上に、可動ビーム１０及び２０、並びに固定電極８６が順次に製造される。電極１０及び２０は、コーム駆動電極構成に構築され、コーム駆動フィンガの一方の端部は取り付けられ、他方の端部は自由に動く。２つの電極１０及び２０は反対の極性をもち、コンデンサの２つの電極を形成する。２つの電極間の静電容量は、２つの電極間の側壁重なり面積と、電極間のフィンガ間隔によって決まる。電極１０は、金属間ビア接続部によって接続された多層金属によって形成されることが好ましい。可動コーム駆動フィンガの下側電極８５は、作動電極８６のための接地平面電極として働く。電極８５及び８６は、空隙１１０によって分離された平行板電極として動作する。電極８６及び８５間に印加された電位は、コーム駆動電極１０を基板の方に引くのに必要な静電気力を発生させる。これは次に、電極１０及び２０間の側壁重なり面積の変化をもたらし、２つのフィンガ構造間の静電容量の変化をもたらす。接地平面電極８５及び作動電極８６は、絶縁層５６及び５５によって電気的に分離される。この分離は、作動時の電極８５及び８６間の電気的短絡を回避するのに必要である。可動電極１０及び２０は、それぞれ金属ストラップパッド５０及び６０に取り付けられ、それらはデバイスの静電容量の感知を可能にする。作動電極８６は、金属パッド５２として金属相互接続を介して接続されて、同時又は個々の作動を与える。金属ストラップパッド５０及び６０は、ＲＦ感知パッドとして用いられ、作動金属パッド５２及び６２は、ＤＣ作動パッドとして用いられる。本発明のバラクターは、２段（すなわち層）のみのコンデンサとして図示されている。当業者であれば、多くの他の段を追加して、容量性デバイスによって生み出される静電容量の量を増加させることができることを直ちに認識するであろう。
【００２４】
図２は、機能的なＭＥＭＳ可変コンデンサの上面図である。デバイスは、互いに所与のスペースだけ離間されたコーム駆動電極によって形成される。電極１０及び２０は、コンデンサの幅を横切って延びる。デバイスの長さは、電極１０及び２０の重なり長さによって決まる。ＭＥＭＳ可変コンデンサの２つの電極１０及び２０を形成する電極は、反対の極性をもち、電気的に分離されている。２つの電極１０及び２０を離間するギャップと、２つの電極間の側壁重なり面積が、デバイスの静電容量を決める。電極１０及び２０は、コーム駆動構成に形成され、金属ビア接続部３０及び４０によりフィンガ長さに沿ってさらに接続される。これらの金属ビア接続部３０及び４０は、コーム電極の側壁面積が最大になるように、作動電極１０及び２０の長さに沿って一定の間隔をおいて配置される。金属ビア相互接続部７０及び８０は、それぞれ金属ストラップ６０及び５０の幅及び長さにわたって配置される。形状１００によって定められる境界は、可動電極１０及び２０が形成される空隙１１０をもつキャビティ領域を示す。
【００２５】
図３は、線Ａ−Ａ’（図２参照）によって定められた切断部に沿って見た、３次元ＭＥＭＳ可変コンデンサの断面図を示す。電極２０は、ビア接続部４０によって互いに接続された複数の多段金属（ｍｕｌｔｉ−ｌｅｖｅｌ ｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ）によって形成される。コンデンサの側壁面積は、金属化ライン及びビア相互接続部の数によって決まる。デバイスの静電容量及びその同調（ｔｕｎｉｎｇ）は、電極の側壁面積によって決まる。可動電極２０、ビア相互接続部４０及び接地平面電極８６は、同一平面上にあり、境界２２によって定められた同じ誘電体２１に物理的に組み込まれる。さらに、可動ビーム２０と接地平面電極８６は、離間され、かつ電気的に分離されており、金属ビア接続部を備えない。図２及び図３に示されるように、同じ極性をもつ可動電極２０は全て、隣接する金属構造体５０に接続される。簡単にするために、金属構造体５０は、以下、金属ストラップと呼ぶ。金属ストラップ５０はまた、金属ビア接続部８０によって接続される。可動電極、接地平面電極及び金属ストラップは、一般にダマシン法と呼ばれる半導体製造法において典型的になされるように、誘電体２１の内部に挿入される。電極構造は、一方の端部において取り付けられ、他方の端部においては領域１１０によって定められた空隙キャビティ内で自由に動く。キャビティ１１０の形成は、特許文献２に詳細に説明されているので参照されたい。
【００２６】
好ましい実施形態においては、金属接続部及び電極は、銅と、Ｔａ、ＴａＮ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｗなどの適切なライナ及び障壁材料から形成されることが好ましい。電極２０における金属導体の各々は、およそ５０００Å〜８０００Åの厚さである。導体８５は、作動電極の例示的なものであり、電極８５及び８６を分離するギャップが、デバイスの作動電圧を決める。
【００２７】
電極１０の構造を描いた、区分Ｂ−Ｂ’（図２参照）に沿って見た断面図が、図４に示されている。この電極は、コンデンサの第２電極を形成する、他方の可動コーム駆動電極である。電極２０と同様に、可動電極１０の金属層は、金属ビア接続部３０によって接続される。それらはまた、隣接する金属構造体６０、すなわちこれらの電極の金属ストラップに取り付けられる。ストラップ６０の金属段は、金属ビア接続部７０を用いて電気的に接続される。ビア接続部３０は、規則的に離間され、コーム電極１０の側壁面積が最大になるように作動電極１０の長さに沿って十分に配置される。他方のコーム駆動電極２０と同様に、接地平面電極９６及び金属層１０は、電気的に分離されており、金属接続部をもたない。可動電極１０及び接地平面電極９６は、境界２２によって定められるように、誘電体２１の内部に形成される。電極９６及び作動電極９５は、それぞれ絶縁層５６及び５５によって電気的に分離される。
【００２８】
図３及び図４を参照すると、コーム駆動フィン１０及び２０の重なり面積は、典型的には１０００μｍ２のオーダーで大きく変化する。可動ビーム１０及び２０（図２）の長さは、２０μｍから２００μｍを超える範囲まで変化する。作動電極９５及び８５（図３及び図４）は、他方のコーム駆動電極に対する垂直位置をそれらに維持させるのに必要な作動を与える。作動電極９５及び９６間の引力は、これらの金属表面の重なり面積と、２つの表面間のギャップ距離に依存する。これらの作動電極の動きは、平行板電極の力学的挙動に従うことが期待される。作動電極８５及び８６は、同様の動き及び作動電圧をもつことが期待される。金属ビア接続部３０及び４０には、０．５〜２μｍ２の範囲の側壁面積が与えられる。各電極１０及び２０の全側壁面積は、０．５〜５０μｍ２の範囲であるが、その寸法は、電極１０の面積を最大にするためにより深くするか又はより長くすることによって変えることができる。作動電極９０及び９１の作動に起因する電極１０及び２０間の側壁重なり面積の変化は、ＭＥＭＳデバイスの静電容量の変化を決める。電極１０及び２０は、ＳｉＯ２及びＳｉＮの誘電体フィルムの組み合わせからなる誘電体２１の中に組み込まれる。絶縁フィルム５６及び５５は、典型的には、２００Å〜７００Åの範囲の厚さを有するＳｉＮ又はＳｉＣＮからなる。可動ビーム１０及び２０の最初の湾曲は、ビームの厚さに沿った固有の応力及び応力勾配によって決まる。それは、ビームの材料の蒸着条件及び厚さを変化させることによって制御することができる。ビーム材料は、銅から形成されることが好ましく、その蒸着条件、例えば電流密度、浴条件、及び温度といった条件を変化させることができる。さらに、関連するライナ材料の厚さを変化させて、ビームの最初の湾曲を制御することができる。
【００２９】
図５−図８は、ＭＥＭＳ可変コンデンサの同じ極性をもつ全ての可動電極が同時に作動される４つの異なる作動モードを示す概略図である。図５は、デバイスの最初の作動モードを示し、ここでは電極１０及び２０は作動されない。これは、デバイスの最初の静電容量を与える。図６は、可動電極２０が最大限度まで作動され、電極１０はその最初の状態に維持される状態を示す。図７は、電極１０が最大限度まで作動された状態を示し、最後に図８は、両方の電極１０及び２０が作動された状態を示す。最初の状態から各モードを通して段階的に作動させることにより、側壁重なり面積の変化が観測され、それがデバイスの静電容量の変化をもたらす。
【００３０】
図９は、図２の断面ＣＣ’を通るＭＥＭＳ可変コンデンサの断面図を示す。電極１０及び２０は、反対の極性をもち、互いに対向している。電極１０のフィンガ長に沿った多くのビア接続部３０の存在により、垂直平行板構成の電極が与えられる。電極１０及び２０を形成する金属は、それぞれビア３０及び４０によって接続される。さらに、これらのビアは、側壁重なり面積を最大にするように位置合わせされる。電極は、空隙キャビティ１１０内で一方の端部において支持構造体によって懸垂される。電極１０の金属段及び接地平面電極９５は、誘電体層２１の中に組み込まれる。ビア接続部３０及び４０は、絶縁誘電体によって、又はわずかな変位で導電率の大きな変化を呈する変形可能なエラストマー材料によって接続することができる。こうした導電性エラストマー材料の存在は、構造の機械的信頼性を大きく増加させるだけでなく、全側壁面積も増加させる。
【００３１】
図１０−１３は、電極が単独で作動されたときのデバイスの４つの異なる作動モードを示す。図１０は、コーム駆動電極が作動されていない、デバイスの最初の状態を示す。図１１は、可動電極１０に対応する作動電極が作動されている状態を示す。図１２は、可動電極２０に対応する電極が作動されている状態を示す。図１３は、両方の可動電極１０及び２０に対応する電極が同時に作動されている状態を示す。示された４つの作動モードは、コンデンサにおいて可能な作動の多くの異なる組み合わせのうちの幾つかのみを表すことに注意されたい。各作動状態においては、コーム駆動電極間の側壁面積は、最初の状態から変化する。一例として、デバイスが、図１０に示された最初の状態から図１１に示された状態に作動されたときに、静電容量の側壁面積の変化が観測される。さらに、１つ又はそれ以上の電極の順次的作動は、重なり面積、それにより静電容量の段階的増加又は減少をもたらす。
【００３２】
図１４は、全ての作動電極が相互接続部４３及び４２によってそれぞれ接続されている作動パッド５２及び６２を備えたＭＥＭＳ可変コンデンサの上から見た配置図である。図１５は、コーム駆動電極の各々の作動電極が連結されておらず、個々に作動されるようになっているデバイスの上から見た配置図を示す。
【００３３】
図１６は、電極の剛性を減少させるためにコーム駆動電極１０及び２０の支持構造３７及び３８が用いられているＭＥＭＳ可変コンデンサの上から見た配置図を示す。支持構造領域の所与の酸化物の幅及び金属の厚さにおいては、電極の機械的剛性が減少し、作動電圧が低くなる。
【００３４】
図１７は、コーム駆動電極の両方の端部が誘電体層に取り付けられて、可動ビームが固定ビーム構成にされているデバイス構造の別の実施形態を示す。この形で製造された駆動電極の機械的剛性は、前述のような片持ち梁ビーム形式で製造された電極より大きいことが期待される。図１８は、図１７の区分ＡＡ’に沿って見た、固定コーム駆動電極の断面図である。
【００３５】
図１９は、固定コーム駆動電極１０及び２０の剛性を減少させるために支持構造３７及び３８が用いられている、ＭＥＭＳ可変コンデンサ構造の上面図である。図２０は、線Ａ−Ａ’（図１９）に沿って見た、デバイス構造の断面図を示す。そこでは、一方の電極１０が作動されて、接地電極の引き下げ作用がもたらされ、反対の極性をもつ隣接する電極２０は作動されない。
【００３６】
図２１は、ある極性をもつ電極１０が固定構成に形成され、それと反対の極性をもつ電極２０が一方の端部において取り付けられているデバイス構造の上面図を示す。最後に、区分Ａ−Ａ’（図２１）に沿って見たデバイスの断面図が図２２に示されている。一方の端部において取り付けられた電極２０は作動状態であり、両方の端部において取り付けられた電極１０は最初の状態のままである。
【００３７】
本発明は、好ましい実施形態と併せて説明されたが、上記の詳細な説明に照らして、多くの変形、修正及び変更が、当業者には明らかとなることが理解される。したがって、本発明は、添付の請求項の精神及び範囲内に入るこうした変形、修正及び変更の全てを包含するように意図されている。ここに記載された又は付属の図面に示された全ての事象は、例示的なものであって制限する意味ではないと解釈されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】図２に示された線Ａ−Ａ’を通る切断部において見られる、２つのインターディジテイテッド電極、すなわち正電極と負電極を示す本発明のＭＥＭＳ可変コンデンサの断面図である。
【図２】本発明に係る機能的ＭＥＭＳ可変コンデンサの上面図である。
【図３】図１に示された線Ａ−Ａ’を通る切断部において見られる、図１に示されたデバイスの断面図である。
【図４】図１に示された線Ｂ−Ｂ’を通る切断部において見られる、図１に示されたデバイスの断面図である。
【図５】図４に示されたデバイスがゼロ作動のとき（モード１）のデバイスの概略的な断面図である。
【図６】図４に示されたデバイスの正電極が作動するとき（モード２）のデバイスの断面図である。
【図７】図４に示されたデバイスの負電極が作動するとき（モード３）のデバイスの断面図である。
【図８】図４に示されたデバイスの正及び負電極の両方が作動するとき（モード４）のデバイスの断面図である。
【図９】図２に示された線Ｃ−Ｃ’を通る切断部において見られる、多数のインターディジテイテッド電極、すなわち正電極と負電極を示すＭＥＭＳ可変コンデンサの断面図である。
【図１０】図２に示された線Ｃ−Ｃ’を通る切断部において見られる、全ての又は幾つかの正電極及び負電極が作動するときのＭＥＭＳ可変コンデンサの断面図である。
【図１１】図２に示された線Ｃ−Ｃ’を通る切断部において見られる、全ての又は幾つかの正電極及び負電極が作動するときのＭＥＭＳ可変コンデンサの断面図である。
【図１２】図２に示された線Ｃ−Ｃ’を通る切断部において見られる、全ての又は幾つかの正電極及び負電極が作動するときのＭＥＭＳ可変コンデンサの断面図である。
【図１３】図２に示された線Ｃ−Ｃ’を通る切断部において見られる、全ての又は幾つかの正電極及び負電極が作動するときのＭＥＭＳ可変コンデンサの断面図である。
【図１４】作動電極が単一のパッドに取り付けられたデバイスの上面図である。
【図１５】作動電極が別個の作動パッドに取り付けられたデバイスの上面図である。
【図１６】デバイスの作動電圧を低下させるために可動電極に支持構造が設けられたデバイスの上面図である。
【図１７】可動ビームが固定構成になるように可動電極が両方の端部において取り付けられているデバイスの上面図である。
【図１８】固定された固定ビーム電極を有するＭＥＭＳ可変コンデンサの断面図である。
【図１９】デバイスの作動電圧を低下させるために固定された固定可動電極が達成されるように支持構造が設けられたデバイスの上面図である。
【図２０】作動状態の一方の電極を示すＭＥＭＳ可変コンデンサの断面図である。
【図２１】一方の電極は両方の端部が絶縁体に取り付けられ、他方の電極は一方の端部においてのみ取り付けられた状態で製造された、ＭＥＭＳ可変コンデンサの上面図である。
【図２２】一方の端部において取り付けられた作動状態の電極と、非通電状態の固定電極とを備えた、ＭＥＭＳ可変コンデンサの断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０、２０：可動ビーム
１１：基板
５０、６０：ＲＦ感知パッド
５２、６２：ＤＣ作動パッド
５５、５６：絶縁層
８５：可動コーム駆動フィンガの下側電極
８６：固定電極
１１０：空隙
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、マイクロ−電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスに関し、より詳細には、現在の半導体製造工程に組み込むことができる３次元コーム駆動電極を用いる可変コンデンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
可変コンデンサ又はバラクターは、高周波数及び無線周波数（ＲＦ）回路において基本的な役割を果たす。この数年間、ＭＥＭＳ可変コンデンサには、それらの優れた電気的特性のために大きな関心が寄せられてきた。
【０００３】
ＭＥＭＳ技術を用いる可変コンデンサは、航空宇宙産業、家庭用電化製品、及び通信システムの用途のための標準的な半導体デバイスに容易に実装可能であるが、研究者らは、平行板電極によって達成される最大静電容量同調範囲が制限されることから、ＭＥＭＳ可変コンデンサの同調範囲を改善することを試みてきた。これは、作動の際に生じる非線形的な静電気力によるものである。平行板電極は、ギャップ距離の１／３のところで典型的な「引き下げ挙動」を呈し、それは１．５の最大同調静電容量をもたらすものとなっている。ほとんどの以前の手法は結果として、処理の複雑さが増すか、可動部品の数が多くなるか、またはその両方が生じ、信頼性が著しく低下することになる。さらに、ＭＥＭＳデバイスをパッケージし、それらをＣＭＯＳ集積回路に集積することは、大きな困難をもたらす。
【０００４】
非特許文献１において、Ａ．Ｄｅｃらは、可動電極の上及び下の２つの平行電極を用いて可動電極を作動させることによるＭＥＭＳ可変コンデンサの構成を説明している。可動上部と可動下部との間の個々の静電容量が直列である結果として、全静電容量同調範囲が著しく増強される。この手法を用いて達成可能な最大同調範囲は、比が２：１である。Ａ．Ｄｅｃらは、１．９：１ほどの高い同調範囲を達成することを報告している。この手法を用いると同調範囲は大きく改善されるが、それらの産業用途における有用性を大きく低下させるレベルにまで工程の複雑さが増加する。
【０００５】
特許文献１は、アクチュエータとしてコーム駆動電極を用いてマイクロ電気機械式バラクターを製造する方法を説明している。この手法は、同調範囲を増加させることを意図するものであるが、述べられているその構成は、デバイスを２つの別個の基板上に製造することに関係している。主要な作動モードは、デバイス内のフィン構造の間にある。さらに、デバイスは、３ポートバラクターであり、デバイスの同調範囲を増強させるための多数の作動モードを与えるものではない。
【０００６】
上記の考察を受けて、当該産業においては、構成が平行板デバイスとは大きく異なり、かつ製造方法が前述の従来の方法とは異なる可変コンデンサに対する別個の必要性がある。特に、要求されるのは、静電容量を感知するための可動コーム駆動電極と、可動コーム駆動電極を作動させるための別個の作動電極である。好ましくは、静電容量は、１つ又はそれ以上の電極フィンガを作動させ、それによりコーム電極間の重なり面積が変化することによって変化される。こうしたデバイスの静電容量同調範囲は、こうしたデバイスにおいて可能ならば多数の作動モードを十分に活用することによって大きく増強されることが要求される。多ポート（すなわち、ＤＣバイアスにおいては少なくとも２つのポート及びＲＦ信号においては２つのポート）のコンデンサが要求されるので、信号の静電容量は、従来の３ポートバラクターの場合のように結合解除を必要とするものであってはならない。デバイスはさらに、標準的な半導体製造技術を用いて製造され、半導体回路に容易に集積できるものでなければならない。
【０００７】
【特許文献１】米国特許第６，６６１，０６９号
【特許文献２】米国特許第６，６３５，５０６号
【非特許文献１】「ＲＦ ｍｉｃｒｏ−ｍａｃｈｉｎｅｄ ｖａｒａｃｔｏｒｓ ｗｉｔｈ ｗｉｄｅ ｔｕｎｉｎｇ ｒａｎｇｅ」、ＩＥＥＥ ＲＦ ＩＣ シンポジウムダイジェスト、１９９８年６月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、本発明の目的は、制御又は作動電極が、静電容量の変化につながる可動コーム駆動電極ビームの動きを個々に又は一斉に駆動する、感知用の多フィンガ相互嵌合（ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｔｅｄ）３次元コーム駆動電極を用いるＭＥＭＳ可変コンデンサを提供することである。
【０００９】
別の目的は、誘電体によってスイッチ接触部が分離されて、接地電極と作動電極との間に電気絶縁が与えられたＭＥＭＳバラクターを提供することである。
【００１０】
さらに別の目的は、大きい静電容量比又は同調範囲を得るために感知用コーム駆動電極を備えたＭＥＭＳ可変コンデンサを提供することである。
【００１１】
さらに別の目的は、複数のＭＥＭＳ可変コンデンサを種々の３次元形状で構成することである。
【００１２】
さらに別の目的は、重なり面積の大きな変化をもたらすコーム駆動電極フィンガの制御された応力勾配を有するＭＥＭＳバラクターを提供することである。
【００１３】
さらに別の目的は、駆動電圧が下がるように、可動コーム駆動フィンガの支持構造体の数及びタイプが変化されるＭＥＭＳ可変コンデンサを提供することである。
【００１４】
さらに別の目的は、ＭＥＭＳデバイスを同時に製造し、パッケージできるようにし、加工コストを低下させつつ製造ステップの数を最小に減らすことができ、適用されるＣＭＯＳ半導体デバイスと適合する製造技術を用いてＭＥＭＳ可変コンデンサを製造する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
ＭＥＭＳベースの可変コンデンサは、従来の固体バラクターを上回る多くの利点を与える。これらのデバイスは、高いＱ値で動作し、動作の際の損失が低くなる。ここでは２つのタイプのＭＥＭＳバラクター、すなわち平行板及びコーム駆動バラクターが説明される。
【００１６】
最も広く研究されているＭＥＭＳバラクターは、可動電極及び固定電極を備えた平行板コンデンサである。これらのＭＥＭＳデバイスを用いるときの主な欠点は、これらのデバイスの作動によって得られる動作同調範囲が制限されることである。電気機械式コンデンサに固有の態様は、同調範囲の制限を含み、可動電極の急降下（ｓｎａｐ ｄｏｗｎ）につながる。これは、「引き下げ不安定性効果」と呼ばれることが多い。可動電極に働く静電気力は、本質的に非線形であり、この効果を引き起こす。一方、コーム駆動電極においては、可動電極に働く静電気力は、線形であり（すなわち、距離に正比例し）、それは同調範囲を大きく増強する。しかしながら、コーム駆動電極は加工が難しく、得られる静電容量の変化は非常に小さい（利用可能な面積が少ないため）。
【００１７】
本発明の１つの態様においては、説明されるＭＥＭＳ可変コンデンサは、平行板コンデンサとコーム駆動コンデンサとの両方の手法を含み、したがって、それらをさらに検討した。３次元多層電極をコーム駆動構成に製造することによって、同調の間により大きい面積が利用可能にされる。平行板手法からの非線形の静電気力は、コーム駆動電極に独立した又は同時の作動を与えるために用いられる。可動及び固定電極は、単一ウェハー上に順次に加工される。フィルムスタック、金属層及び金属相互接続部に固有の応力勾配が、制御された形状の湾曲ビームを形成するのに用いられる。作動用の別個のＤＣポートと感知用のＲＦポートを有するデバイスが、この構成を用いて形成され、ＲＦ（信号）電極は、コーム駆動電極によって形成され、可動電極の下に形成されたアクチュエータ電極は、可動ビームに作動を与える。接地平面電極は、レベル間ビアの欠如により感知用コーム駆動電極から電気的に分離される。
【００１８】
加工が完了し、ＭＥＭＳ可変コンデンサがリリースされた後で、デバイスは、トレンチを有する第２基板、すなわち第２キャリアウェハーを用いてパッケージされ、誘電体の中に封入され、リリースされたＭＥＭＳ構造を完全に覆うように正確に位置合わせされることが好ましい。キャリアウェハーのトレンチの高さは、可動コーム駆動電極先端部の最大撓みによって決まる。最終的に、デバイスは、動作中のＭＥＭＳデバイスの制御可能な環境を与えるために、ポリマー材料で封入される。第２基板は、半導体基板または無機材料基板からなる。
【００１９】
本発明の第２の態様においては、可動コーム駆動電極の下にある作動電極が組み合わされて、同じ極性をもつ全ての電極に単一作動を与える。反対の極性をもつ電極が別に作動される。本発明の可変コンデンサは、４つの作動モードにおいて動作し、それにより４つのモードの各々における静電容量の変化がもたらされる。
【００２０】
本発明の第３の態様においては、可動コーム駆動電極の下にある作動電極は、反対の極性をもつ電極のために個々に作動され、それにより、それらは多くの作動状態又はモードを与える。各モードにおいて、従来の等価なデバイスと比べると、デバイスの静電容量が変化する。デバイスのための作動を徐々に段階的に行わせることによって、デバイスの静電容量の同調が大きく増強される。
【００２１】
本発明のこれらの及び他の目的、態様及び利点は、付属の図面とあわせたときに、本発明の詳細な好ましい実施形態からよく理解されることになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
好ましい実施形態が示されている図面を参照しながら、以下に本発明をより詳しく説明する。
【００２３】
図１を参照すると、本発明に係る３次元マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）可変キャパシタの断面図が示されている。デバイスは基板１１上に構築され、通常の半導体製造技術を用いて、基板上に、可動ビーム１０及び２０、並びに固定電極８６が順次に製造される。電極１０及び２０は、コーム駆動電極構成に構築され、コーム駆動フィンガの一方の端部は取り付けられ、他方の端部は自由に動く。２つの電極１０及び２０は反対の極性をもち、コンデンサの２つの電極を形成する。２つの電極間の静電容量は、２つの電極間の側壁重なり面積と、電極間のフィンガ間隔によって決まる。電極１０は、金属間ビア接続部によって接続された多層金属によって形成されることが好ましい。可動コーム駆動フィンガの下側電極８５は、作動電極８６のための接地平面電極として働く。電極８５及び８６は、空隙１１０によって分離された平行板電極として動作する。電極８６及び８５間に印加された電位は、コーム駆動電極１０を基板の方に引くのに必要な静電気力を発生させる。これは次に、電極１０及び２０間の側壁重なり面積の変化をもたらし、２つのフィンガ構造間の静電容量の変化をもたらす。接地平面電極８５及び作動電極８６は、絶縁層５６及び５５によって電気的に分離される。この分離は、作動時の電極８５及び８６間の電気的短絡を回避するのに必要である。可動電極１０及び２０は、それぞれ金属ストラップパッド５０及び６０に取り付けられ、それらはデバイスの静電容量の感知を可能にする。作動電極８６は、金属パッド５２として金属相互接続を介して接続されて、同時又は個々の作動を与える。金属ストラップパッド５０及び６０は、ＲＦ感知パッドとして用いられ、作動金属パッド５２及び６２は、ＤＣ作動パッドとして用いられる。本発明のバラクターは、２段（すなわち層）のみのコンデンサとして図示されている。当業者であれば、多くの他の段を追加して、容量性デバイスによって生み出される静電容量の量を増加させることができることを直ちに認識するであろう。
【００２４】
図２は、機能的なＭＥＭＳ可変コンデンサの上面図である。デバイスは、互いに所与のスペースだけ離間されたコーム駆動電極によって形成される。電極１０及び２０は、コンデンサの幅を横切って延びる。デバイスの長さは、電極１０及び２０の重なり長さによって決まる。ＭＥＭＳ可変コンデンサの２つの電極１０及び２０を形成する電極は、反対の極性をもち、電気的に分離されている。２つの電極１０及び２０を離間するギャップと、２つの電極間の側壁重なり面積が、デバイスの静電容量を決める。電極１０及び２０は、コーム駆動構成に形成され、金属ビア接続部３０及び４０によりフィンガ長さに沿ってさらに接続される。これらの金属ビア接続部３０及び４０は、コーム電極の側壁面積が最大になるように、作動電極１０及び２０の長さに沿って一定の間隔をおいて配置される。金属ビア相互接続部７０及び８０は、それぞれ金属ストラップ６０及び５０の幅及び長さにわたって配置される。形状１００によって定められる境界は、可動電極１０及び２０が形成される空隙１１０をもつキャビティ領域を示す。
【００２５】
図３は、線Ａ−Ａ’（図２参照）によって定められた切断部に沿って見た、３次元ＭＥＭＳ可変コンデンサの断面図を示す。電極２０は、ビア接続部４０によって互いに接続された複数の多段金属（ｍｕｌｔｉ−ｌｅｖｅｌ ｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ）によって形成される。コンデンサの側壁面積は、金属化ライン及びビア相互接続部の数によって決まる。デバイスの静電容量及びその同調（ｔｕｎｉｎｇ）は、電極の側壁面積によって決まる。可動電極２０、ビア相互接続部４０及び接地平面電極８６は、同一平面上にあり、境界２２によって定められた同じ誘電体２１に物理的に組み込まれる。さらに、可動ビーム２０と接地平面電極８６は、離間され、かつ電気的に分離されており、金属ビア接続部を備えない。図２及び図３に示されるように、同じ極性をもつ可動電極２０は全て、隣接する金属構造体５０に接続される。簡単にするために、金属構造体５０は、以下、金属ストラップと呼ぶ。金属ストラップ５０はまた、金属ビア接続部８０によって接続される。可動電極、接地平面電極及び金属ストラップは、一般にダマシン法と呼ばれる半導体製造法において典型的になされるように、誘電体２１の内部に挿入される。電極構造は、一方の端部において取り付けられ、他方の端部においては領域１１０によって定められた空隙キャビティ内で自由に動く。キャビティ１１０の形成は、特許文献２に詳細に説明されているので参照されたい。
【００２６】
好ましい実施形態においては、金属接続部及び電極は、銅と、Ｔａ、ＴａＮ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｗなどの適切なライナ及び障壁材料から形成されることが好ましい。電極２０における金属導体の各々は、およそ５０００Å〜８０００Åの厚さである。導体８５は、作動電極の例示的なものであり、電極８５及び８６を分離するギャップが、デバイスの作動電圧を決める。
【００２７】
電極１０の構造を描いた、区分Ｂ−Ｂ’（図２参照）に沿って見た断面図が、図４に示されている。この電極は、コンデンサの第２電極を形成する、他方の可動コーム駆動電極である。電極２０と同様に、可動電極１０の金属層は、金属ビア接続部３０によって接続される。それらはまた、隣接する金属構造体６０、すなわちこれらの電極の金属ストラップに取り付けられる。ストラップ６０の金属段は、金属ビア接続部７０を用いて電気的に接続される。ビア接続部３０は、規則的に離間され、コーム電極１０の側壁面積が最大になるように作動電極１０の長さに沿って十分に配置される。他方のコーム駆動電極２０と同様に、接地平面電極９６及び金属層１０は、電気的に分離されており、金属接続部をもたない。可動電極１０及び接地平面電極９６は、境界２２によって定められるように、誘電体２１の内部に形成される。電極９６及び作動電極９５は、それぞれ絶縁層５６及び５５によって電気的に分離される。
【００２８】
図３及び図４を参照すると、コーム駆動フィン１０及び２０の重なり面積は、典型的には１０００μｍ２のオーダーで大きく変化する。可動ビーム１０及び２０（図２）の長さは、２０μｍから２００μｍを超える範囲まで変化する。作動電極９５及び８５（図３及び図４）は、他方のコーム駆動電極に対する垂直位置をそれらに維持させるのに必要な作動を与える。作動電極９５及び９６間の引力は、これらの金属表面の重なり面積と、２つの表面間のギャップ距離に依存する。これらの作動電極の動きは、平行板電極の力学的挙動に従うことが期待される。作動電極８５及び８６は、同様の動き及び作動電圧をもつことが期待される。金属ビア接続部３０及び４０には、０．５〜２μｍ２の範囲の側壁面積が与えられる。各電極１０及び２０の全側壁面積は、０．５〜５０μｍ２の範囲であるが、その寸法は、電極１０の面積を最大にするためにより深くするか又はより長くすることによって変えることができる。作動電極９０及び９１の作動に起因する電極１０及び２０間の側壁重なり面積の変化は、ＭＥＭＳデバイスの静電容量の変化を決める。電極１０及び２０は、ＳｉＯ２及びＳｉＮの誘電体フィルムの組み合わせからなる誘電体２１の中に組み込まれる。絶縁フィルム５６及び５５は、典型的には、２００Å〜７００Åの範囲の厚さを有するＳｉＮ又はＳｉＣＮからなる。可動ビーム１０及び２０の最初の湾曲は、ビームの厚さに沿った固有の応力及び応力勾配によって決まる。それは、ビームの材料の蒸着条件及び厚さを変化させることによって制御することができる。ビーム材料は、銅から形成されることが好ましく、その蒸着条件、例えば電流密度、浴条件、及び温度といった条件を変化させることができる。さらに、関連するライナ材料の厚さを変化させて、ビームの最初の湾曲を制御することができる。
【００２９】
図５−図８は、ＭＥＭＳ可変コンデンサの同じ極性をもつ全ての可動電極が同時に作動される４つの異なる作動モードを示す概略図である。図５は、デバイスの最初の作動モードを示し、ここでは電極１０及び２０は作動されない。これは、デバイスの最初の静電容量を与える。図６は、可動電極２０が最大限度まで作動され、電極１０はその最初の状態に維持される状態を示す。図７は、電極１０が最大限度まで作動された状態を示し、最後に図８は、両方の電極１０及び２０が作動された状態を示す。最初の状態から各モードを通して段階的に作動させることにより、側壁重なり面積の変化が観測され、それがデバイスの静電容量の変化をもたらす。
【００３０】
図９は、図２の断面ＣＣ’を通るＭＥＭＳ可変コンデンサの断面図を示す。電極１０及び２０は、反対の極性をもち、互いに対向している。電極１０のフィンガ長に沿った多くのビア接続部３０の存在により、垂直平行板構成の電極が与えられる。電極１０及び２０を形成する金属は、それぞれビア３０及び４０によって接続される。さらに、これらのビアは、側壁重なり面積を最大にするように位置合わせされる。電極は、空隙キャビティ１１０内で一方の端部において支持構造体によって懸垂される。電極１０の金属段及び接地平面電極９５は、誘電体層２１の中に組み込まれる。ビア接続部３０及び４０は、絶縁誘電体によって、又はわずかな変位で導電率の大きな変化を呈する変形可能なエラストマー材料によって接続することができる。こうした導電性エラストマー材料の存在は、構造の機械的信頼性を大きく増加させるだけでなく、全側壁面積も増加させる。
【００３１】
図１０−１３は、電極が単独で作動されたときのデバイスの４つの異なる作動モードを示す。図１０は、コーム駆動電極が作動されていない、デバイスの最初の状態を示す。図１１は、可動電極１０に対応する作動電極が作動されている状態を示す。図１２は、可動電極２０に対応する電極が作動されている状態を示す。図１３は、両方の可動電極１０及び２０に対応する電極が同時に作動されている状態を示す。示された４つの作動モードは、コンデンサにおいて可能な作動の多くの異なる組み合わせのうちの幾つかのみを表すことに注意されたい。各作動状態においては、コーム駆動電極間の側壁面積は、最初の状態から変化する。一例として、デバイスが、図１０に示された最初の状態から図１１に示された状態に作動されたときに、静電容量の側壁面積の変化が観測される。さらに、１つ又はそれ以上の電極の順次的作動は、重なり面積、それにより静電容量の段階的増加又は減少をもたらす。
【００３２】
図１４は、全ての作動電極が相互接続部４３及び４２によってそれぞれ接続されている作動パッド５２及び６２を備えたＭＥＭＳ可変コンデンサの上から見た配置図である。図１５は、コーム駆動電極の各々の作動電極が連結されておらず、個々に作動されるようになっているデバイスの上から見た配置図を示す。
【００３３】
図１６は、電極の剛性を減少させるためにコーム駆動電極１０及び２０の支持構造３７及び３８が用いられているＭＥＭＳ可変コンデンサの上から見た配置図を示す。支持構造領域の所与の酸化物の幅及び金属の厚さにおいては、電極の機械的剛性が減少し、作動電圧が低くなる。
【００３４】
図１７は、コーム駆動電極の両方の端部が誘電体層に取り付けられて、可動ビームが固定ビーム構成にされているデバイス構造の別の実施形態を示す。この形で製造された駆動電極の機械的剛性は、前述のような片持ち梁ビーム形式で製造された電極より大きいことが期待される。図１８は、図１７の区分ＡＡ’に沿って見た、固定コーム駆動電極の断面図である。
【００３５】
図１９は、固定コーム駆動電極１０及び２０の剛性を減少させるために支持構造３７及び３８が用いられている、ＭＥＭＳ可変コンデンサ構造の上面図である。図２０は、線Ａ−Ａ’（図１９）に沿って見た、デバイス構造の断面図を示す。そこでは、一方の電極１０が作動されて、接地電極の引き下げ作用がもたらされ、反対の極性をもつ隣接する電極２０は作動されない。
【００３６】
図２１は、ある極性をもつ電極１０が固定構成に形成され、それと反対の極性をもつ電極２０が一方の端部において取り付けられているデバイス構造の上面図を示す。最後に、区分Ａ−Ａ’（図２１）に沿って見たデバイスの断面図が図２２に示されている。一方の端部において取り付けられた電極２０は作動状態であり、両方の端部において取り付けられた電極１０は最初の状態のままである。
【００３７】
本発明は、好ましい実施形態と併せて説明されたが、上記の詳細な説明に照らして、多くの変形、修正及び変更が、当業者には明らかとなることが理解される。したがって、本発明は、添付の請求項の精神及び範囲内に入るこうした変形、修正及び変更の全てを包含するように意図されている。ここに記載された又は付属の図面に示された全ての事象は、例示的なものであって制限する意味ではないと解釈されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】図２に示された線Ａ−Ａ’を通る切断部において見られる、２つのインターディジテイテッド電極、すなわち正電極と負電極を示す本発明のＭＥＭＳ可変コンデンサの断面図である。
【図２】本発明に係る機能的ＭＥＭＳ可変コンデンサの上面図である。
【図３】図１に示された線Ａ−Ａ’を通る切断部において見られる、図１に示されたデバイスの断面図である。
【図４】図１に示された線Ｂ−Ｂ’を通る切断部において見られる、図１に示されたデバイスの断面図である。
【図５】図４に示されたデバイスがゼロ作動のとき（モード１）のデバイスの概略的な断面図である。
【図６】図４に示されたデバイスの正電極が作動するとき（モード２）のデバイスの断面図である。
【図７】図４に示されたデバイスの負電極が作動するとき（モード３）のデバイスの断面図である。
【図８】図４に示されたデバイスの正及び負電極の両方が作動するとき（モード４）のデバイスの断面図である。
【図９】図２に示された線Ｃ−Ｃ’を通る切断部において見られる、多数のインターディジテイテッド電極、すなわち正電極と負電極を示すＭＥＭＳ可変コンデンサの断面図である。
【図１０】図２に示された線Ｃ−Ｃ’を通る切断部において見られる、全ての又は幾つかの正電極及び負電極が作動するときのＭＥＭＳ可変コンデンサの断面図である。
【図１１】図２に示された線Ｃ−Ｃ’を通る切断部において見られる、全ての又は幾つかの正電極及び負電極が作動するときのＭＥＭＳ可変コンデンサの断面図である。
【図１２】図２に示された線Ｃ−Ｃ’を通る切断部において見られる、全ての又は幾つかの正電極及び負電極が作動するときのＭＥＭＳ可変コンデンサの断面図である。
【図１３】図２に示された線Ｃ−Ｃ’を通る切断部において見られる、全ての又は幾つかの正電極及び負電極が作動するときのＭＥＭＳ可変コンデンサの断面図である。
【図１４】作動電極が単一のパッドに取り付けられたデバイスの上面図である。
【図１５】作動電極が別個の作動パッドに取り付けられたデバイスの上面図である。
【図１６】デバイスの作動電圧を低下させるために可動電極に支持構造が設けられたデバイスの上面図である。
【図１７】可動ビームが固定構成になるように可動電極が両方の端部において取り付けられているデバイスの上面図である。
【図１８】固定された固定ビーム電極を有するＭＥＭＳ可変コンデンサの断面図である。
【図１９】デバイスの作動電圧を低下させるために固定された固定可動電極が達成されるように支持構造が設けられたデバイスの上面図である。
【図２０】作動状態の一方の電極を示すＭＥＭＳ可変コンデンサの断面図である。
【図２１】一方の電極は両方の端部が絶縁体に取り付けられ、他方の電極は一方の端部においてのみ取り付けられた状態で製造された、ＭＥＭＳ可変コンデンサの上面図である。
【図２２】一方の端部において取り付けられた作動状態の電極と、非通電状態の固定電極とを備えた、ＭＥＭＳ可変コンデンサの断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０、２０：可動ビーム
１１：基板
５０、６０：ＲＦ感知パッド
５２、６２：ＤＣ作動パッド
５５、５６：絶縁層
８５：可動コーム駆動フィンガの下側電極
８６：固定電極
１１０：空隙
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）の可変コンデンサであって、
基板上に形成された固定電極と、
互いに対向する２つの可動ビームと、
を備え、前記可動ビームの各々は、それぞれその少なくとも一方の端部において前記基板に固定されており、前記可動ビームは、複数の導電性ビアによって相互に接続された同一平面上の金属ラインによって形成され、前記導電性ビア及び前記金属ラインは、絶縁材料の中に組み込まれており、前記可動ビームはさらに、前記絶縁材料の底面上に形成され前記固定電極に対向する下側電極を備え、静電容量が、互いに回転する前記２つの可動ビームの側壁重なり面積の関数として変化する、ＭＥＭＳ可変コンデンサ。
【請求項２】
前記固定電極が、前記可動ビームを引き下げるための作動電極である、請求項１に記載のＭＥＭＳ可変コンデンサ。
【請求項３】
前記絶縁材料が、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣＯＨ、及びＳｉＣＮからなる群から選択される、請求項１に記載のＭＥＭＳ可変コンデンサ。
【請求項４】
前記電極は、ライナによって囲まれた銅からなり、前記ライナは、Ｔａ、ＴａＮ、Ｔｉ、ＴｉＮ及びＷからなる群から選択される材料からなる、請求項１に記載のＭＥＭＳ可変コンデンサ。
【請求項５】
前記可動ビームが多層金属構造を形成する、請求項１に記載のＭＥＭＳ可変コンデンサ。
【請求項６】
前記可動ビームの１つにおける前記ビア相互接続部が、側壁面積及び機械的安定性の増加のために他方の前記可動ビームの前記ビア相互接続部に対向する、請求項１に記載のＭＥＭＳ可変コンデンサ。
【請求項７】
前記下側電極が前記同一平面上の金属ラインから電気的に絶縁され、前記固定電極と前記下側電極との間に印加された電圧が引力を発生させて、前記可動ビームを移動させる、請求項１に記載のＭＥＭＳ可変コンデンサ。
【請求項８】
前記２つの可動ビームが、コンデンサの２つの極板を形成する、請求項１に記載のＭＥＭＳ可変コンデンサ。
【請求項９】
前記電極が作動されないときに、前記下側電極から前記固定電極を分離するスペースは空気である、請求項１に記載のＭＥＭＳ可変コンデンサ。
【請求項１０】
前記固定電極及び前記下側電極には、これら電極が作動されたときに互いに電気的に絶縁するための絶縁層が設けられている、請求項１に記載のＭＥＭＳ可変コンデンサ。
【請求項１１】
前記可動電極は、前記コンデンサの側壁面積を増加させるために、前記ビア相互接続部によって高密度に配置される、請求項１に記載のＭＥＭＳ可変コンデンサ。
【請求項１２】
前記同一平面上の金属ラインの数は、前記可変コンデンサの全静電容量を増加させるために最大にされる、請求項１に記載のＭＥＭＳ可変コンデンサ。
【請求項１３】
マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）可変コンデンサであって、
基板上に互いに平行に形成された複数の固定電極と、
互いに対向し、かつ前記固定電極の一つに対向する可動ビームと
を備え、前記可動ビームの各々は、それぞれその少なくとも一方の端部において前記基板に固定されており、前記可動ビームは、複数の導電性ビアによって相互に接続された同一平面上の金属ラインによって形成され、前記導電性ビア及び前記金属ラインは、絶縁材料の中に組み込まれており、前記可動ビームはさらに、前記絶縁材料の底面上に形成され前記固定電極に対向する可動電極を備え、静電容量が、前記可動ビームの全側壁重なり面積の関数として変化する、ＭＥＭＳ可変コンデンサ。
【請求項１４】
一方の極性の交互配置された可動電極が第１金属ストラップに取り付けられ、残りの反対極性の可動電極が第２金属ストラップに取り付けられた、請求項１３に記載のＭＥＭＳ可変コンデンサ。
【請求項１５】
複数の可動電極をさらに備え、前記可動電極の少なくとも１つは、前記少なくとも１つの可動電極とそれに対応する可動ビームとの間に信号路を与え、多ポートＭＥＭＳ可変コンデンサを形成する、請求項１３に記載のＭＥＭＳ可変コンデンサ。
【請求項１６】
前記可動電極は、前記基板に複数取り付けられる、請求項１３に記載のＭＥＭＳ可変コンデンサ。
【請求項１７】
前記基板に取り付けられた前記可動電極は、同じ極性をもつ前記可動電極を同時に作動させるために作動パッドに接続される、請求項１６に記載のＭＥＭＳ可変コンデンサ。
【請求項１８】
前記基板に取り付けられた前記可動電極は、反対の極性をもつ可動電極が独立に作動させられるように別個の作動パッドに接続された、請求項１６に記載のＭＥＭＳ可変コンデンサ。
【請求項１９】
前記可動電極は、前記金属ライン及び前記関連する絶縁材料における残留応力の緩和によって上方に又は下方に曲がる、請求項１３に記載のＭＥＭＳ可変コンデンサ。
【請求項２０】
前記可動電極は、一方の端部において取り付けられて、片持ち梁式ビームを形成する、請求項１３に記載のＭＥＭＳ可変コンデンサ。
【請求項２１】
前記可動電極は、両方の端部において取り付けられて固定ビームを形成する、請求項１３に記載のＭＥＭＳ可変コンデンサ。
【請求項２２】
第２基板が、前記可変コンデンサを誘電体中に封入する、請求項１３に記載のＭＥＭＳ可変コンデンサ。
【請求項２３】
前記第２基板が無機材料又は半導体材料からなる、請求項２２に記載のＭＥＭＳ可変コンデンサ。
【請求項１】
マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）の可変コンデンサであって、
基板上に形成された固定電極と、
互いに対向する２つの可動ビームと、
を備え、前記可動ビームの各々は、それぞれその少なくとも一方の端部において前記基板に固定されており、前記可動ビームは、複数の導電性ビアによって相互に接続された同一平面上の金属ラインによって形成され、前記導電性ビア及び前記金属ラインは、絶縁材料の中に組み込まれており、前記可動ビームはさらに、前記絶縁材料の底面上に形成され前記固定電極に対向する下側電極を備え、静電容量が、互いに回転する前記２つの可動ビームの側壁重なり面積の関数として変化する、ＭＥＭＳ可変コンデンサ。
【請求項２】
前記固定電極が、前記可動ビームを引き下げるための作動電極である、請求項１に記載のＭＥＭＳ可変コンデンサ。
【請求項３】
前記絶縁材料が、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣＯＨ、及びＳｉＣＮからなる群から選択される、請求項１に記載のＭＥＭＳ可変コンデンサ。
【請求項４】
前記電極は、ライナによって囲まれた銅からなり、前記ライナは、Ｔａ、ＴａＮ、Ｔｉ、ＴｉＮ及びＷからなる群から選択される材料からなる、請求項１に記載のＭＥＭＳ可変コンデンサ。
【請求項５】
前記可動ビームが多層金属構造を形成する、請求項１に記載のＭＥＭＳ可変コンデンサ。
【請求項６】
前記可動ビームの１つにおける前記ビア相互接続部が、側壁面積及び機械的安定性の増加のために他方の前記可動ビームの前記ビア相互接続部に対向する、請求項１に記載のＭＥＭＳ可変コンデンサ。
【請求項７】
前記下側電極が前記同一平面上の金属ラインから電気的に絶縁され、前記固定電極と前記下側電極との間に印加された電圧が引力を発生させて、前記可動ビームを移動させる、請求項１に記載のＭＥＭＳ可変コンデンサ。
【請求項８】
前記２つの可動ビームが、コンデンサの２つの極板を形成する、請求項１に記載のＭＥＭＳ可変コンデンサ。
【請求項９】
前記電極が作動されないときに、前記下側電極から前記固定電極を分離するスペースは空気である、請求項１に記載のＭＥＭＳ可変コンデンサ。
【請求項１０】
前記固定電極及び前記下側電極には、これら電極が作動されたときに互いに電気的に絶縁するための絶縁層が設けられている、請求項１に記載のＭＥＭＳ可変コンデンサ。
【請求項１１】
前記可動電極は、前記コンデンサの側壁面積を増加させるために、前記ビア相互接続部によって高密度に配置される、請求項１に記載のＭＥＭＳ可変コンデンサ。
【請求項１２】
前記同一平面上の金属ラインの数は、前記可変コンデンサの全静電容量を増加させるために最大にされる、請求項１に記載のＭＥＭＳ可変コンデンサ。
【請求項１３】
マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）可変コンデンサであって、
基板上に互いに平行に形成された複数の固定電極と、
互いに対向し、かつ前記固定電極の一つに対向する可動ビームと
を備え、前記可動ビームの各々は、それぞれその少なくとも一方の端部において前記基板に固定されており、前記可動ビームは、複数の導電性ビアによって相互に接続された同一平面上の金属ラインによって形成され、前記導電性ビア及び前記金属ラインは、絶縁材料の中に組み込まれており、前記可動ビームはさらに、前記絶縁材料の底面上に形成され前記固定電極に対向する可動電極を備え、静電容量が、前記可動ビームの全側壁重なり面積の関数として変化する、ＭＥＭＳ可変コンデンサ。
【請求項１４】
一方の極性の交互配置された可動電極が第１金属ストラップに取り付けられ、残りの反対極性の可動電極が第２金属ストラップに取り付けられた、請求項１３に記載のＭＥＭＳ可変コンデンサ。
【請求項１５】
複数の可動電極をさらに備え、前記可動電極の少なくとも１つは、前記少なくとも１つの可動電極とそれに対応する可動ビームとの間に信号路を与え、多ポートＭＥＭＳ可変コンデンサを形成する、請求項１３に記載のＭＥＭＳ可変コンデンサ。
【請求項１６】
前記可動電極は、前記基板に複数取り付けられる、請求項１３に記載のＭＥＭＳ可変コンデンサ。
【請求項１７】
前記基板に取り付けられた前記可動電極は、同じ極性をもつ前記可動電極を同時に作動させるために作動パッドに接続される、請求項１６に記載のＭＥＭＳ可変コンデンサ。
【請求項１８】
前記基板に取り付けられた前記可動電極は、反対の極性をもつ可動電極が独立に作動させられるように別個の作動パッドに接続された、請求項１６に記載のＭＥＭＳ可変コンデンサ。
【請求項１９】
前記可動電極は、前記金属ライン及び前記関連する絶縁材料における残留応力の緩和によって上方に又は下方に曲がる、請求項１３に記載のＭＥＭＳ可変コンデンサ。
【請求項２０】
前記可動電極は、一方の端部において取り付けられて、片持ち梁式ビームを形成する、請求項１３に記載のＭＥＭＳ可変コンデンサ。
【請求項２１】
前記可動電極は、両方の端部において取り付けられて固定ビームを形成する、請求項１３に記載のＭＥＭＳ可変コンデンサ。
【請求項２２】
第２基板が、前記可変コンデンサを誘電体中に封入する、請求項１３に記載のＭＥＭＳ可変コンデンサ。
【請求項２３】
前記第２基板が無機材料又は半導体材料からなる、請求項２２に記載のＭＥＭＳ可変コンデンサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【公開番号】特開２００６−１９７３７（Ｐ２００６−１９７３７Ａ）
【公開日】平成１８年１月１９日（２００６．１．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１８９５８８（Ｐ２００５−１８９５８８）
【出願日】平成１７年６月２９日（２００５．６．２９）
【出願人】（３９０００９５３１）インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーション (4,084)
【氏名又は名称原語表記】ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ ＢＵＳＩＮＥＳＳ ＭＡＳＣＨＩＮＥＳ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１月１９日（２００６．１．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年６月２９日（２００５．６．２９）
【出願人】（３９０００９５３１）インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーション (4,084)
【氏名又は名称原語表記】ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ ＢＵＳＩＮＥＳＳ ＭＡＳＣＨＩＮＥＳ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ
【Ｆターム（参考）】
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