圧電型ＭＥＭＳ素子およびその製造方法
【課題】製造工程が簡易で歩留まり低コスト化を可能とする圧電駆動型ＭＥＭＳ素子を提供する。
【解決手段】第１の基板１０の可動部１６となる領域上に可動部１６の一部として設けられた圧電体膜２２と、圧電体膜２２を挟むようにして配設された一対の電極２１、２３とからなる圧電駆動部２０により駆動されて凸状に変位する可動部１６を一部に備え、該可動部１６の表面中央部に可動電極２５が設けられてなる第１の基板１０と、第１の基板１０に接合された、可動電極２５と所定間隔で対向する固定電極３５を支持する第２の基板３０とから、圧電駆動型ＭＥＭＳ素子１を構成する。
【解決手段】第１の基板１０の可動部１６となる領域上に可動部１６の一部として設けられた圧電体膜２２と、圧電体膜２２を挟むようにして配設された一対の電極２１、２３とからなる圧電駆動部２０により駆動されて凸状に変位する可動部１６を一部に備え、該可動部１６の表面中央部に可動電極２５が設けられてなる第１の基板１０と、第１の基板１０に接合された、可動電極２５と所定間隔で対向する固定電極３５を支持する第２の基板３０とから、圧電駆動型ＭＥＭＳ素子１を構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スイッチやバリアブルキャパシタなどとして用いられる圧電駆動型のＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical system:マイクロエレクトロメカニカルシステム）素子およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体プロセスを応用したＭＥＭＳ技術は、応用の範囲が大きく広がってきている。例えば高周波回路の分野においては、スイッチやバリアブルキャパシタとしての応用に期待が高まっている。
【０００３】
従来のＭＥＭＳスイッチやバリアブルキャパシタの駆動機構としては、静電力を用いた静電駆動機構が主として使用されてきた。これは材料や構造が単純でプロセスが容易なためである。典型的な構造は、静電力発生用の電極およびオーミック接触用の固定電極を備えた基板と、基板上に懸架された導電性の可動梁とを備えてなる。正電力発生用の電極と可動梁との間に電圧を印加し、静電力により吸引して、固定電極と可動梁の可動電極を接触させることにより、スイッチを開閉するよう構成されている。スイッチのアイソレーションを充分とるためには基板の固定電極と可動梁の可動電極との間は１μｍ以上隔てられていることが望ましい。静電力は電極間の距離の２乗に反比例して急減するので、バネ定数は比較的弱くするとともに、可動梁を１μｍ以上変位させるためには、静電駆動電圧として、通常は２０Ｖ以上の高い電圧が必要になる。固定電極と可動電極とが接触したときには、強い吸引力が発生するが、引き離し時はバネの力にのみに依存するため、引き離し力は弱く、接点が固着して信頼性が低いという問題がある。
【０００４】
一方、構造基板上に直接圧電膜を成膜する圧電膜成膜技術も近年発展しており、ＭＥＭＳスイッチの駆動機構として圧電力を用いた圧電駆動機構も検討されている。圧電駆動機構としては、固定電極を備えた基板と、基板上に懸架された可動電極および圧電素子を備えた圧電駆動型の可動梁とを備えてなるものが考えられる。圧電力は電圧に対して比例で、可動電極と固定電極間の距離には依存しない。また、圧電駆動は、静電駆動と比較して、低電圧で大きな変位をさせることができるので、その分バネ力を高くし、引き離し力を強くし、信頼性を向上させることができる。
【０００５】
例えば、特許文献１に圧電駆動型ＭＥＭＳ素子が提案されている。特許文献１では、信頼性が高く安定して作製することができる圧電駆動型ＭＥＭＳ素子として、両持ち梁型の可動部を備えた構造の素子が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−３１３２７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子は、その両持ち梁構造を作製するために、１）基板上に犠牲層を設ける、２）犠牲層上に両持ち梁構造部を形成する、３）基板裏面からエッチングで空洞を作る、４）犠牲層を除去する、などの煩雑な工程が必要であり、歩留まりの向上、低コスト化が難しいという問題がある。
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、製造工程が簡潔であり、歩留まりを向上させ、コストを抑制することが可能な圧電駆動型ＭＥＭＳ素子およびその製造方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子は、圧電駆動部により駆動されて凸状に変位する可動部を一部に備え、該可動部の表面中央部に可動電極が設けられてなる第１の基板と、
該第１の基板に接合された、前記可動電極と所定間隔で対向する固定電極を支持する第２の基板とを備え、
前記圧電駆動部が、前記第１の基板の前記可動部となる領域上に該可動部の一部として設けられた圧電体膜と、該圧電体膜を挟むようにして配設された一対の電極とを備えてなるものであることを特徴とするものである。
【００１０】
本発明の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子においては、前記第１の基板が、ダイアフラムを表面の一部として備えてなり、前記一対の電極が、前記第１の基板上に形成された下部電極と、該下部電極上に形成された前記圧電体膜上の、前記ダイアフラムの周縁に対応する領域に沿って形成された上部電極とからなり、前記可動部が、前記ダイアフラムと、該ダイアフラム上に設けられた前記下部電極および前記圧電体膜とから構成されていることが望ましい。
【００１１】
また、前記第２の基板が、一面に凹部を備え、該凹部の底面が前記第１の基板の表面に対向するように前記第１の基板と接合されており、前記固定電極が、該第２の基板の前記凹部の底面の、前記可動電極と対向する位置に設けられていることが望ましい。
【００１２】
本発明の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子としては、前記可動部の周縁が円形であり、前記上部電極が、該周縁に沿って形成された連続的もしくは断続的なリング型電極であることが望ましい。
【００１３】
また、前記可動部の周縁が円形である場合、前記リング型電極の外周径が、前記可動部の周縁の径より大きく、前記リング型電極の内周径が、前記ダイアフラムの周縁の径より小さいことが望ましい。
【００１４】
本発明の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子は、前記圧電体膜の自発分極が、前記下部電極側から前記上部電極側に向かう向きに配向しており、
前記下部電極および前記上部電極間に、前記下部電極の電位が前記上部電極の電位より高くなるように電圧が印加されることにより、前記可動部が、前記可動電極が前記固定電極に近づく方向に駆動変位されるものであることが望ましい。
【００１５】
本発明の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子は、前記一対の電極間に電圧が印加されることにより、前記可動部が駆動変位されて前記可動電極と前記固定電極とが接触するスイッチとして用いることができる。
【００１６】
また、本発明の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子は、前記一対の電極間に可変電圧が印加されることにより、前記可動部が駆動変位されて前記可動電極と前記固定電極との間隔が変化するバリアブルキャパシタとして用いることができる。
【００１７】
本発明の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子の製造方法は、ダイアフラムを表面の一部として備えた第１の基板を形成する工程と、
前記第１の基板上に下部電極を形成する工程と、
前記下部電極上に圧電体膜を形成する工程と、
前記圧電体膜上の、前記ダイアフラムの周縁に対応する領域に沿って上部電極を形成し、前記ダイアフラムの中央部に対応する領域に可動電極を形成する工程と、
一面に凹部を備え、該凹部の底面の中央部に固定電極を備えた第２の基板を形成する工程と、
前記上部電極および可動電極が設けられた前記第１の基板と前記第２の基板とを、前記固定電極と前記可動電極とが対向するように接合する工程とを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子は、圧電駆動部により駆動されて凸状に変位する可動部を一部に備え、該可動部の表面中央部に可動電極が設けられてなる第１の基板と、該第１の基板に接合された、前記可動電極と所定間隔で対向する固定電極を支持する第２の基板とを備えた簡単な構成であることから、その製造工程において、犠牲層の作製、除去のような工程を必要とせず、製造工程を簡潔なものとすることができるので、歩留まりを向上させ、製造コストを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第１の実施形態の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子の要部を示す断面図
【図２】図１に示すＭＥＭＳ素子の圧電体膜上に設けられた電極パターンを示す平面図
【図３】図１に示すＭＥＭＳ素子の固定電極が形成された第２の基板の一面を示す平面図
【図４Ａ】図１に示すＭＥＭＳ素子をスイッチとして用いた場合の駆動時の状態を示す断面図
【図４Ｂ】図１に示すＭＥＭＳ素子をバリアブルキャパシタとして用いた場合の駆動時の状態を示す断面図
【図５Ａ】第１の実施形態の圧電デバイスの製造工程を示す断面図（その１）
【図５Ｂ】第１の実施形態の圧電デバイスの製造工程を示す断面図（その２）
【図５Ｃ】第１の実施形態の圧電デバイスの製造工程を示す断面図（その３）
【図５Ｄ】第１の実施形態の圧電デバイスの製造工程を示す断面図（その４）
【図５Ｅ】第１の実施形態の圧電デバイスの製造工程を示す断面図（その４）
【図６Ａ】第１の基板の他の製造工程を示す断面図（その１）
【図６Ｂ】第１の基板の他の製造工程を示す断面図（その２）
【図６Ｃ】第１の基板の他の製造工程を示す断面図（その３）
【図７】上部電極の設計変更例を示す平面図
【図８】上部電極の他の設計変更例を示す平面図
【図９】第１の実施形態の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子を備えた電圧制御発振器の構成を示す回路図
【図１０】第１の実施形態の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子を備えた２バンド移動体通信機の構成を示す回路図
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００２１】
＜圧電駆動型ＭＥＭＳ素子＞
図１は、本発明の実施形態に係る圧電駆動型ＭＥＭＳ素子１の要部断面図（圧電素子の厚み方向の断面図）である。視認しやすくするため、構成要素の縮尺は実際のものとは適宜異ならせてある（以下の図面において同様。）。
【００２２】
本発明の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子１は、圧電駆動部２０により駆動されて凸状に変位する可動部１６を一部に備え、該可動部１６の表面中央部に可動電極２５が設けられてなる第１の基板１０と、第１の基板１０に接合されて、可動電極２５に対向する位置に固定電極３５を支持する第２の基板３０とから構成されている。
【００２３】
第１の基板１０は、ダイアフラム１５ａを表面の一部として備えている。ダイアフラム１５ａは、基板１０の厚みに対して十分に薄い薄板状部分（薄膜）により構成されている。なお、ダイアフラム１５ａを支持し、該ダイアフラム１５ａ下のキャビティ１５の周壁となる基板部分とによりダイアフラム構造が構成されている。ダイアフラム１５ａの平面形状は矩形、円形など任意であるが、振動時のストレス集中による劣化や破壊などを避けるため、本実施形態に示すように円形であることがより望ましい。
【００２４】
また、圧電駆動部２０は、第１の基板１０の可動部１６となる領域上に該可動部１６の一部として設けられた圧電体膜２２と、該圧電体膜２２を挟むようにして配設された一対の電極２１、２３とを備えてなる。一対の電極は、第１の基板１０のダイアフラム１５ａ上に形成された下部電極２１と、下部電極２１上に形成された圧電体膜２２上の、ダイアフラム１５ａの周縁１５ｅに対応する領域に沿って形成された上部電極２３とから構成されている。従って、可動部１６は、ダイアフラム１５ａと、ダイアフラム１５ａ上に設けられた下部電極２１と、圧電体膜２２とから構成されるものとなっており、可動電極２５は、上部電極２３と同様に、圧電体膜２２上に設けられている。
【００２５】
図２は、本実施形態のＭＥＭＳ素子１において、圧電体膜２２上に設けられている電極パターンを示す平面図である。
【００２６】
図２に示すように、上部電極２３は、圧電体膜２２上のダイアフラム１５ａの周縁１５ｅに対応する領域に沿ってＣ型状に形成されている。なお、Ｃ型状の電極は、断続的なリング型電極の一形態である。
また、本実施形態においては、上部電極（リング型電極）２３は、その外周径がダイアフラム１５ａの周縁１５ｅの直径より大きく、その内周径がダイアフラム１５ａの周縁１５ｅの直径以下となるように形成されている。このように、上部電極２３の外周がダイアフラム１５ａの周縁１５ｅよりも外側となるように設けることにより、駆動時のダイアフラム１５ａの変位量を十分なものとすることができる。
【００２７】
一方、可動電極２５は、圧電体膜２２上のダイアフラム１５ａの中央部に対応する領域、すなわち可動部１６の中央部であって、Ｃ型状の上部電極２３の内周径内側に、上部電極２３と離間して円形状に設けられている。
【００２８】
さらに、圧電体膜２２上には、Ｃ型状の上部電極２３を電源に接続するための引き出し配線２４と、可動電極２５からの引き出し配線２６が設けられている。
【００２９】
第２の基板３０は、一面に凹部３１を備え、該凹部３１の底面３１ａが第１の基板１０の表面に対向するように、第１の基板１０と接合されている。また、第２の基板３０の底面３１ａの、可動電極２５と対向する位置に固定電極３５が設けられている。
【００３０】
図３は、本実施形態のＭＥＭＳ素子の第２の基板３０の、凹部３１を備えた一面を示す平面図である。
図３に示すように、本実施形態の第２の基板３０は、矩形状の凹部３１と、この凹部３１と連結した配線用の溝部３２および３３が設けられており、その表面には全域に亘ってＳｉＯ２膜３４が形成されている。
【００３１】
固定電極３５は、凹部３１の底面３１ａの中央部に円形状に設けられており、さらに、固定電極３５からの引き出し配線３６が凹部３１の底面３１ａから溝部３２に沿って形成されている。
【００３２】
本実施形態のＭＥＭＳ素子１において、圧電体膜２２は、その自発分極が、下部電極２１側から上部電極２３側に向かう向きに配向しており、下部電極２１および上部電極２３間に、下部電極２１の電位が上部電極２３の電位より高くなるように電圧が印加されることにより、上部電極２３下の圧電体膜が収縮し、上部電極２３が形成されていない可動部１６内の圧電体膜が膜面方向に延び、その結果として可動部１６が、可動電極２５が固定電極３５に近づく方向に変位駆動される。なお、圧電体膜として、自発分極の向きが、本実施形態と逆向きで上部電極２３側から下部電極２１側に向かうものを用いた場合には、両電極間には、上部電極２３の電位が下部電極２１の電位より高くなるように電圧を印加するよう構成すればよい。
【００３３】
なお、基板１０、基板３０としては、その材料に制限なく、シリコン、ガラス、ステンレス（ＳＵＳ）、イットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、アルミナ、サファイヤ、シリコンカーバイド等の基板が挙げられる。また、ＳＯＩ基板等の積層基板を用いてもよい。
【００３４】
下部電極２１の主成分としては特に制限なく、Ａｕ，Ｐｔ，Ｉｒ，ＩｒＯ２，ＲｕＯ２，ＬａＮｉＯ３，及びＳｒＲｕＯ３等の金属又は金属酸化物、及びこれらの組合せが挙げられる。
【００３５】
上部電極２３、可動電極２５、固定電極３５の主成分としては特に制限なく、下部電極２１で例示した材料、Ａｌ，Ｔａ，Ｃｒ，及びＣｕ等の一般的に半導体プロセスで用いられている電極材料、及びこれらの組合せが挙げられる。各電極の厚みは特に制限なく、５０〜５００ｎｍであることが好ましい。
【００３６】
圧電体膜２２の組成は特に制限されず、既知のいかなる圧電体により構成されていてもよい。圧電体膜２２の膜厚は特に制限なく、通常１μｍ以上であり、例えば１〜１０μｍである。なお、下記一般式（Ｐ）で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物からなる（不可避不純物を含んでいてもよい）圧電体は、圧電特性が良好であり好ましい。
【００３７】
一般式ＡＢＯ３・・・（Ｐ）
（Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｐｂ，Ｂａ，Ｓｒ，Ｂｉ，Ｌｉ，Ｎａ，Ｃａ，Ｃｄ，Ｍｇ，Ｋ，及びランタニド元素からなる群より選ばれた少なくとも１種の元素を含む。
Ｂ：Ｂサイトの元素であり、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｎ，Ｍｇ，Ｓｃ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｇａ，Ｚｎ，Ｃｄ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｈｆ，及びＡｌからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素を含む。
Ｏ：酸素。
Ａサイト元素とＢサイト元素と酸素元素のモル比は１：１：３が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。）
圧電体膜２２の成膜方法は特に制限されず、スパッタ法、プラズマＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法、及びＰＬＤ法等の気相法；ゾルゲル法及び有機金属分解法等の液相法；及びエアロゾルデポジション法等が挙げられる。電極および圧電体膜を直接構造体に成膜することが量産、歩留まり向上の観点から好ましい。なお、圧電体膜のスパッタリングに際しては、例えば、特開２００８−０８１８０１号公報、特開２００８−０８１８０２号公報、特開２００８−１０６７０３号公報等に記載の成膜条件を用い、特開２００８−０８１８０３号公報に記載のスパッタ装置を用いることができる。これらの成膜条件およびスパッタ装置を用いたスパッタリング法により、非常に圧電特性の良好な、下部電極側から上部電極側に向かう自発分極Ｐの圧電体膜を得ることができる。圧電体膜はＰＺＴ系に限るものではなく成膜時に自発分極するものであれば如何なる圧電材料からなるものであってもよい。なお、圧電体膜の成膜にＰＬＤ法、ＣＶＤ法，ゾル・ゲル法等を用いても膜厚方向に非対称の電荷分布を有していれば、同様の自発分極を得ることができる（Applied Physics Letters, vol.６８、p.484; Journal of Japanese Applied Physics, vol.38, p.5364等参照）。
【００３８】
図４Ａは、図１に示した圧電駆動型ＭＥＭＳ素子１をスイッチとして用いる場合の、駆動時の断面図を示すものである。
圧電駆動型ＭＥＭＳ素子１をスイッチとして用いる場合、図４Ａ中に模式的に示すように、下部電極２１および上部電極２３は電源４０に接続され、両電極２１、２３間に、下部電極２１の電位が上部電極２３の電位より高くなるような電圧が圧電体膜２２に印加される。圧電体膜２２への電圧の印加に伴い、可動部１６が凸状に変位して、可動部１６の表面中央部の可動電極２５が固定電極３５と接触し、スイッチがオンの状態となる。スイッチのオン、オフは電極２１、２３間への電圧の印加のオン、オフにより切り替えられる。
【００３９】
本実施形態の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子１は、スイッチのみならず、バリアブルキャパシタとして用いることができる。図４Ｂは、図１に示した圧電駆動型ＭＥＭＳ素子１をバリアブルキャパシタとして用いる場合の、駆動時の断面図を示すものである。
【００４０】
バリアブルキャパシタとして用いる場合、図４Ｂ中に模式的に示すように、下部電極２１および上部電極２３は可変電源４２に接続される。本実施形態においても、下部電極２１が上部電極２３より電位が高くなるように電圧が印加される。両電極間２１、２３に印加する電圧を変化させると、ダイアフラム１５ａは駆動されて可動電極２５と固定電極３５との間隔ｄが変化して両者間のキャパシタ容量を変化する。
【００４１】
なお、本実施形態の構成の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子を用いて、印加電圧を０〜７Ｖと変化させると、その容量を１００ｐＦから１．５ｐＦまで変化させることができた。
【００４２】
＜圧電駆動型ＭＥＭＳ素子の製造方法＞
次に、本発明の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子１の製造方法の実施形態を説明する。ここでは、表面の一部をなすダイアフラム１５ａを備えた第１の基板１０と、第１の基板１０の表面の、ダイアフラム１５ａ上に形成された下部電極２１と、下部電極２１上に形成された圧電体膜２２と、圧電体膜２２上の、ダイアフラム１５ａの周縁に対応する領域に沿って形成された上部電極２３と、圧電体膜２２上の、ダイアフラム１５ａの中央部に対応する領域に形成された可動電極２５と、一面に凹部３１を備え、凹部３１の底面３１ａが第１の基板１０の表面に対向するように第１の基板１０のダイアフラム１５ａでない部分に固定された第２の基板３０と、第２の基板３０の凹部３１の底面３１ａの、可動電極２５と対向する位置に設けられた固定電極３５とを備えてなる圧電駆動型ＭＥＭＳ素子１の製造方法について説明する。図５Ａ〜図５Ｅは圧電駆動型ＭＥＭＳ素子１の製造工程を示す断面図である。
【００４３】
製造工程には、少なくとも、ダイアフラムを表面の一部として備えた第１の基板を形成する工程と、第１の基板上に下部電極を形成する工程と、下部電極上に圧電体膜を形成する工程と、圧電体膜上の、ダイアフラムの周縁に対応する領域に沿って上部電極を形成し、ダイアフラムの中央部に対応する領域に可動電極を形成する工程と、一面に凹部を備え、該凹部の底面の中央部に固定電極を備えた第２の基板を形成する工程と、上部電極および可動電極が設けられた第１の基板と第２の基板とを、固定電極と可動電極とが対向するように接合する工程とを含む。
【００４４】
まず、図５Ａ示すように、表面にＳｉＯ２膜１４を備えた、４μｍ厚のデバイスＳｉ層１３、０．３μｍ厚のＳｉＯ２層１２、３００μｍ厚のハンドル層１１からなるＳＯＩウエハ基板を第１の基板１０として用意する。
【００４５】
次に、図５Ｂに示すように、ＳＯＩウエハ基板１０裏面に深堀用パターンをリソグラフィし、ボッシュ法によりシリコン深堀を行って、エッチングストップ層であるＳｉＯ２層１２までエッチングしてキャビティ１５を形成する。キャビティ１５開口の直径は、一例として７００μｍとする。キャビティ１５上のＳｉＯ2層１２、デバイス層１３および表面のＳｉＯ2膜１４からなる表層部がダイアフラム１５aを構成する。
【００４６】
図５Ｃに示すように、次に、基板１０の表面に下部電極２１をスパッタ法により成膜する。下部電極２１は、一例として、Ｔｉ２０ｎｍ／Ｐｔ１００ｎｍとする。
下部電極２１上に圧電体膜２２を、マグネトロンスパッタ法により成膜する。圧電体膜２２としては、一例として、ＰＺＴ膜２μｍ厚とする。
【００４７】
さらに、圧電体膜２２上に上部電極層２３Ａを成膜する。
その後、リソグラフィ、エッチングを行って上部電極層２３Ａをパターン化する。上部電極層２３Ａは、一例として、Ｃｒ２０ｎｍ／Ａｕ（１５０ｎｍ）とであり、そのパターン化は、Ａｕ、Ｃｒを順次ウェットエッチングして行う。この上部電極層２３Ａから、図５Ｄに示すように、上部電極２３、上部電極用電気配線２４、可動電極（信号電極）２５、可動電極用電気配線２６および第２の基板との接合用の電極（図示せず）も同時に形成する。ここで、上部電極層２３Ａの表面層として、Ａｕを用いるのは、酸化しにくくコンタクト信頼性が高いという理由からである。
【００４８】
別工程において、第２の基板３０として、別途用意したシリコンウエハ基板の一面の、第１の基板１０の可動部１６に対応する領域に深さ１μｍ程度の凹部３１を設け、同時に配線用の溝部３２、３３を設ける（図３参照。）。シリコンウエハ基板３０の凹部３１が設けられた一面の表層にＳｉＯ2膜３４を形成し、その後、凹部３１の底面３１ａの中央部に固定電極３５を形成し、同時に固定電極３５からの引出し配線３６を形成する。固定電極３５および引出し配線３６は、凹部３１の底面３１ａに対して電極層を成膜後、リソグラフィ、エッチングを行ってパターン化することにより形成することができる。なお、同時に、第２の基板３０の、第１の基板との接合部には、接合用の電極（図示せず）を形成しておく。
【００４９】
図５Ｅに示すように、この固定電極３５および配線３６が形成されたシリコンウエハ基板からなる第２の基板３０を、可動部１６および圧電駆動部２０が形成されたＳＯＩウエハ基板からなる第１の基板１０上に、固定電極３５と可動電極２５が対向配置されるようにアライメント接合する。このとき、両者を位置決めして接触させた状態で、すなわち、両基板に設けられた接合電極同士を接触させた状態で、例えば、２５０℃、圧力４ＭＰａで４時間保つことにより両基板を接合することができる。
【００５０】
最後に、第１の基板１０と第２の基板３０が接合されてなるウエハをダイシングし、各チップに個片化することにより、本実施形態の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子を作製することができる。
【００５１】
上記製造方法は、特許文献１の素子の製造方法と比較して、犠牲層の作製、除去といった複雑な工程を必要とせず、簡単な工程により第１の実施形態の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子を製造することができるので、歩留まりを向上させ、製造コストを抑制することができる。
【００５２】
上記製造方法においては、ＳＯＩウエハ基板を裏面からエッチングしてキャビティ１５およびダイアフラム１５ａを形成するものとしたが、ダイアフラム１５aを備えた基板を製造する他の工程を図６Ａ〜図６Ｃに示す。
【００５３】
まず、図６Ａに示すように、シリコンウエハ基板５に上面に開口したキャビティ１５を設ける。
【００５４】
次に、図６Ｂに示すように、ハンドル層６、ＳｉＯ２層７およびデバイス層８からなるＳＯＩウエハ基板９のデバイス層８側がシリコンウエハ５の上面と接してキャビティ１５を閉じるように両ウエハ基板５、９を接合する。
【００５５】
最後に、図６Ｃに示すように、ＳＯＩウエハ基板９のハンドル層６を除去することにより、表面の一部を構成するダイアフラム１５ａを備えた、シリコンウエハ基板５、デバイス層８およびＳｉＯ２層７からなる第１の基板１０を作製することができる。
【００５６】
上記作製方法を用いれば、より精度が高く、均一性が良好なキャビティアレイを形成することができる。
【００５７】
上述の実施形態のＭＥＭＳ素子１としては、上部電極２３として、断続的なリング型電極の一形態であるＣ型状の電極を備えた例を説明したが、上部電極は、図７に示すように、連続的なリング型電極２３ａとして形成されていてもよいし、図８に示すように、２箇所以上で分断された断続的なリング型電極２３ｂ、２３ｂとして形成されていてもよい。なお、図７に示すように、リング型電極２３ａを上部電極として用いる場合には、上部電極の内径内側に配されている可動電極２５からの引き出し配線が、上部電極２３ａと接触しないように、両者間に絶縁膜２９を設ければよい。
【００５８】
＜応用例＞
以下、本実施形態の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子１の応用例について簡単に説明する。
【００５９】
図９は、上記圧電駆動型ＭＥＭＳ素子１をバリアブルキャパシタとして利用した電圧制御発振器（Voltage Controlled Oscillator : VCO）５０の回路図を示す。
図９に示すように、圧電駆動型ＭＥＭＳ素子１により構成されたバリアブルキャパシタ５４を、薄膜圧電共振器５３および増幅器５５と組み合わせることで、移動型通信機に用いられる電圧制御発振器５０として利用することができる。
【００６０】
図１０は、上記圧電駆動型ＭＥＭＳ素子１をスイッチおよびバリアブルキャパシタとしてそれぞれ利用した２バンド移動型通信機の構成を示す回路図である。
この２バンド移動帯通信機は、アンテナ７１と、チューナブル整合回路７２と、バンド切り替えスイッチ７３ａ、７３ｂと、送受信切り替え気７４ａ、７４ｂと、第１の受信回路７５ａと、第１の送信回路７６ａと、第２の受信回路７５ｂと、第２の送信回路７６ｂとを備えている。
【００６１】
チューナブル整合回路７２は、圧電駆動型ＭＥＭＳ素子１であるバリアブルキャパシタ７２ａとインダクタ素子７２ｂとを組み合わせて構成されており、このようなチューナブル整合回路７２を使用することにより、例えば単一のアンテナを使用しながら周波数の異なる複数の搬送波に対して高い利得を実現することが可能になる。
【００６２】
またここでは、圧電駆動型ＭＥＭＳ素子１が、バンド切り替えスイッチ７３ａ、７３ｂとしても用いられている。圧電駆動型ＭＥＭＳスイッチの使用により、通常の半導体素子を使用した高周波スイッチと比較したオン時の低い挿入損失とオフ時の高い絶縁分離特性を実現することが可能となる。
【符号の説明】
【００６３】
１ 圧電駆動型ＭＥＭＳ素子
１０ 第１の基板
１５ キャビティ
１５ａ ダイアフラム
１６ 可動部
２０ 圧電駆動部
２１ 下部電極
２２ 圧電体膜
２３ 上部電極
２５ 可動電極
３０ 第２の基板
３５ 固定電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スイッチやバリアブルキャパシタなどとして用いられる圧電駆動型のＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical system:マイクロエレクトロメカニカルシステム）素子およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体プロセスを応用したＭＥＭＳ技術は、応用の範囲が大きく広がってきている。例えば高周波回路の分野においては、スイッチやバリアブルキャパシタとしての応用に期待が高まっている。
【０００３】
従来のＭＥＭＳスイッチやバリアブルキャパシタの駆動機構としては、静電力を用いた静電駆動機構が主として使用されてきた。これは材料や構造が単純でプロセスが容易なためである。典型的な構造は、静電力発生用の電極およびオーミック接触用の固定電極を備えた基板と、基板上に懸架された導電性の可動梁とを備えてなる。正電力発生用の電極と可動梁との間に電圧を印加し、静電力により吸引して、固定電極と可動梁の可動電極を接触させることにより、スイッチを開閉するよう構成されている。スイッチのアイソレーションを充分とるためには基板の固定電極と可動梁の可動電極との間は１μｍ以上隔てられていることが望ましい。静電力は電極間の距離の２乗に反比例して急減するので、バネ定数は比較的弱くするとともに、可動梁を１μｍ以上変位させるためには、静電駆動電圧として、通常は２０Ｖ以上の高い電圧が必要になる。固定電極と可動電極とが接触したときには、強い吸引力が発生するが、引き離し時はバネの力にのみに依存するため、引き離し力は弱く、接点が固着して信頼性が低いという問題がある。
【０００４】
一方、構造基板上に直接圧電膜を成膜する圧電膜成膜技術も近年発展しており、ＭＥＭＳスイッチの駆動機構として圧電力を用いた圧電駆動機構も検討されている。圧電駆動機構としては、固定電極を備えた基板と、基板上に懸架された可動電極および圧電素子を備えた圧電駆動型の可動梁とを備えてなるものが考えられる。圧電力は電圧に対して比例で、可動電極と固定電極間の距離には依存しない。また、圧電駆動は、静電駆動と比較して、低電圧で大きな変位をさせることができるので、その分バネ力を高くし、引き離し力を強くし、信頼性を向上させることができる。
【０００５】
例えば、特許文献１に圧電駆動型ＭＥＭＳ素子が提案されている。特許文献１では、信頼性が高く安定して作製することができる圧電駆動型ＭＥＭＳ素子として、両持ち梁型の可動部を備えた構造の素子が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−３１３２７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子は、その両持ち梁構造を作製するために、１）基板上に犠牲層を設ける、２）犠牲層上に両持ち梁構造部を形成する、３）基板裏面からエッチングで空洞を作る、４）犠牲層を除去する、などの煩雑な工程が必要であり、歩留まりの向上、低コスト化が難しいという問題がある。
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、製造工程が簡潔であり、歩留まりを向上させ、コストを抑制することが可能な圧電駆動型ＭＥＭＳ素子およびその製造方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子は、圧電駆動部により駆動されて凸状に変位する可動部を一部に備え、該可動部の表面中央部に可動電極が設けられてなる第１の基板と、
該第１の基板に接合された、前記可動電極と所定間隔で対向する固定電極を支持する第２の基板とを備え、
前記圧電駆動部が、前記第１の基板の前記可動部となる領域上に該可動部の一部として設けられた圧電体膜と、該圧電体膜を挟むようにして配設された一対の電極とを備えてなるものであることを特徴とするものである。
【００１０】
本発明の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子においては、前記第１の基板が、ダイアフラムを表面の一部として備えてなり、前記一対の電極が、前記第１の基板上に形成された下部電極と、該下部電極上に形成された前記圧電体膜上の、前記ダイアフラムの周縁に対応する領域に沿って形成された上部電極とからなり、前記可動部が、前記ダイアフラムと、該ダイアフラム上に設けられた前記下部電極および前記圧電体膜とから構成されていることが望ましい。
【００１１】
また、前記第２の基板が、一面に凹部を備え、該凹部の底面が前記第１の基板の表面に対向するように前記第１の基板と接合されており、前記固定電極が、該第２の基板の前記凹部の底面の、前記可動電極と対向する位置に設けられていることが望ましい。
【００１２】
本発明の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子としては、前記可動部の周縁が円形であり、前記上部電極が、該周縁に沿って形成された連続的もしくは断続的なリング型電極であることが望ましい。
【００１３】
また、前記可動部の周縁が円形である場合、前記リング型電極の外周径が、前記可動部の周縁の径より大きく、前記リング型電極の内周径が、前記ダイアフラムの周縁の径より小さいことが望ましい。
【００１４】
本発明の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子は、前記圧電体膜の自発分極が、前記下部電極側から前記上部電極側に向かう向きに配向しており、
前記下部電極および前記上部電極間に、前記下部電極の電位が前記上部電極の電位より高くなるように電圧が印加されることにより、前記可動部が、前記可動電極が前記固定電極に近づく方向に駆動変位されるものであることが望ましい。
【００１５】
本発明の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子は、前記一対の電極間に電圧が印加されることにより、前記可動部が駆動変位されて前記可動電極と前記固定電極とが接触するスイッチとして用いることができる。
【００１６】
また、本発明の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子は、前記一対の電極間に可変電圧が印加されることにより、前記可動部が駆動変位されて前記可動電極と前記固定電極との間隔が変化するバリアブルキャパシタとして用いることができる。
【００１７】
本発明の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子の製造方法は、ダイアフラムを表面の一部として備えた第１の基板を形成する工程と、
前記第１の基板上に下部電極を形成する工程と、
前記下部電極上に圧電体膜を形成する工程と、
前記圧電体膜上の、前記ダイアフラムの周縁に対応する領域に沿って上部電極を形成し、前記ダイアフラムの中央部に対応する領域に可動電極を形成する工程と、
一面に凹部を備え、該凹部の底面の中央部に固定電極を備えた第２の基板を形成する工程と、
前記上部電極および可動電極が設けられた前記第１の基板と前記第２の基板とを、前記固定電極と前記可動電極とが対向するように接合する工程とを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子は、圧電駆動部により駆動されて凸状に変位する可動部を一部に備え、該可動部の表面中央部に可動電極が設けられてなる第１の基板と、該第１の基板に接合された、前記可動電極と所定間隔で対向する固定電極を支持する第２の基板とを備えた簡単な構成であることから、その製造工程において、犠牲層の作製、除去のような工程を必要とせず、製造工程を簡潔なものとすることができるので、歩留まりを向上させ、製造コストを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第１の実施形態の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子の要部を示す断面図
【図２】図１に示すＭＥＭＳ素子の圧電体膜上に設けられた電極パターンを示す平面図
【図３】図１に示すＭＥＭＳ素子の固定電極が形成された第２の基板の一面を示す平面図
【図４Ａ】図１に示すＭＥＭＳ素子をスイッチとして用いた場合の駆動時の状態を示す断面図
【図４Ｂ】図１に示すＭＥＭＳ素子をバリアブルキャパシタとして用いた場合の駆動時の状態を示す断面図
【図５Ａ】第１の実施形態の圧電デバイスの製造工程を示す断面図（その１）
【図５Ｂ】第１の実施形態の圧電デバイスの製造工程を示す断面図（その２）
【図５Ｃ】第１の実施形態の圧電デバイスの製造工程を示す断面図（その３）
【図５Ｄ】第１の実施形態の圧電デバイスの製造工程を示す断面図（その４）
【図５Ｅ】第１の実施形態の圧電デバイスの製造工程を示す断面図（その４）
【図６Ａ】第１の基板の他の製造工程を示す断面図（その１）
【図６Ｂ】第１の基板の他の製造工程を示す断面図（その２）
【図６Ｃ】第１の基板の他の製造工程を示す断面図（その３）
【図７】上部電極の設計変更例を示す平面図
【図８】上部電極の他の設計変更例を示す平面図
【図９】第１の実施形態の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子を備えた電圧制御発振器の構成を示す回路図
【図１０】第１の実施形態の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子を備えた２バンド移動体通信機の構成を示す回路図
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００２１】
＜圧電駆動型ＭＥＭＳ素子＞
図１は、本発明の実施形態に係る圧電駆動型ＭＥＭＳ素子１の要部断面図（圧電素子の厚み方向の断面図）である。視認しやすくするため、構成要素の縮尺は実際のものとは適宜異ならせてある（以下の図面において同様。）。
【００２２】
本発明の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子１は、圧電駆動部２０により駆動されて凸状に変位する可動部１６を一部に備え、該可動部１６の表面中央部に可動電極２５が設けられてなる第１の基板１０と、第１の基板１０に接合されて、可動電極２５に対向する位置に固定電極３５を支持する第２の基板３０とから構成されている。
【００２３】
第１の基板１０は、ダイアフラム１５ａを表面の一部として備えている。ダイアフラム１５ａは、基板１０の厚みに対して十分に薄い薄板状部分（薄膜）により構成されている。なお、ダイアフラム１５ａを支持し、該ダイアフラム１５ａ下のキャビティ１５の周壁となる基板部分とによりダイアフラム構造が構成されている。ダイアフラム１５ａの平面形状は矩形、円形など任意であるが、振動時のストレス集中による劣化や破壊などを避けるため、本実施形態に示すように円形であることがより望ましい。
【００２４】
また、圧電駆動部２０は、第１の基板１０の可動部１６となる領域上に該可動部１６の一部として設けられた圧電体膜２２と、該圧電体膜２２を挟むようにして配設された一対の電極２１、２３とを備えてなる。一対の電極は、第１の基板１０のダイアフラム１５ａ上に形成された下部電極２１と、下部電極２１上に形成された圧電体膜２２上の、ダイアフラム１５ａの周縁１５ｅに対応する領域に沿って形成された上部電極２３とから構成されている。従って、可動部１６は、ダイアフラム１５ａと、ダイアフラム１５ａ上に設けられた下部電極２１と、圧電体膜２２とから構成されるものとなっており、可動電極２５は、上部電極２３と同様に、圧電体膜２２上に設けられている。
【００２５】
図２は、本実施形態のＭＥＭＳ素子１において、圧電体膜２２上に設けられている電極パターンを示す平面図である。
【００２６】
図２に示すように、上部電極２３は、圧電体膜２２上のダイアフラム１５ａの周縁１５ｅに対応する領域に沿ってＣ型状に形成されている。なお、Ｃ型状の電極は、断続的なリング型電極の一形態である。
また、本実施形態においては、上部電極（リング型電極）２３は、その外周径がダイアフラム１５ａの周縁１５ｅの直径より大きく、その内周径がダイアフラム１５ａの周縁１５ｅの直径以下となるように形成されている。このように、上部電極２３の外周がダイアフラム１５ａの周縁１５ｅよりも外側となるように設けることにより、駆動時のダイアフラム１５ａの変位量を十分なものとすることができる。
【００２７】
一方、可動電極２５は、圧電体膜２２上のダイアフラム１５ａの中央部に対応する領域、すなわち可動部１６の中央部であって、Ｃ型状の上部電極２３の内周径内側に、上部電極２３と離間して円形状に設けられている。
【００２８】
さらに、圧電体膜２２上には、Ｃ型状の上部電極２３を電源に接続するための引き出し配線２４と、可動電極２５からの引き出し配線２６が設けられている。
【００２９】
第２の基板３０は、一面に凹部３１を備え、該凹部３１の底面３１ａが第１の基板１０の表面に対向するように、第１の基板１０と接合されている。また、第２の基板３０の底面３１ａの、可動電極２５と対向する位置に固定電極３５が設けられている。
【００３０】
図３は、本実施形態のＭＥＭＳ素子の第２の基板３０の、凹部３１を備えた一面を示す平面図である。
図３に示すように、本実施形態の第２の基板３０は、矩形状の凹部３１と、この凹部３１と連結した配線用の溝部３２および３３が設けられており、その表面には全域に亘ってＳｉＯ２膜３４が形成されている。
【００３１】
固定電極３５は、凹部３１の底面３１ａの中央部に円形状に設けられており、さらに、固定電極３５からの引き出し配線３６が凹部３１の底面３１ａから溝部３２に沿って形成されている。
【００３２】
本実施形態のＭＥＭＳ素子１において、圧電体膜２２は、その自発分極が、下部電極２１側から上部電極２３側に向かう向きに配向しており、下部電極２１および上部電極２３間に、下部電極２１の電位が上部電極２３の電位より高くなるように電圧が印加されることにより、上部電極２３下の圧電体膜が収縮し、上部電極２３が形成されていない可動部１６内の圧電体膜が膜面方向に延び、その結果として可動部１６が、可動電極２５が固定電極３５に近づく方向に変位駆動される。なお、圧電体膜として、自発分極の向きが、本実施形態と逆向きで上部電極２３側から下部電極２１側に向かうものを用いた場合には、両電極間には、上部電極２３の電位が下部電極２１の電位より高くなるように電圧を印加するよう構成すればよい。
【００３３】
なお、基板１０、基板３０としては、その材料に制限なく、シリコン、ガラス、ステンレス（ＳＵＳ）、イットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、アルミナ、サファイヤ、シリコンカーバイド等の基板が挙げられる。また、ＳＯＩ基板等の積層基板を用いてもよい。
【００３４】
下部電極２１の主成分としては特に制限なく、Ａｕ，Ｐｔ，Ｉｒ，ＩｒＯ２，ＲｕＯ２，ＬａＮｉＯ３，及びＳｒＲｕＯ３等の金属又は金属酸化物、及びこれらの組合せが挙げられる。
【００３５】
上部電極２３、可動電極２５、固定電極３５の主成分としては特に制限なく、下部電極２１で例示した材料、Ａｌ，Ｔａ，Ｃｒ，及びＣｕ等の一般的に半導体プロセスで用いられている電極材料、及びこれらの組合せが挙げられる。各電極の厚みは特に制限なく、５０〜５００ｎｍであることが好ましい。
【００３６】
圧電体膜２２の組成は特に制限されず、既知のいかなる圧電体により構成されていてもよい。圧電体膜２２の膜厚は特に制限なく、通常１μｍ以上であり、例えば１〜１０μｍである。なお、下記一般式（Ｐ）で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物からなる（不可避不純物を含んでいてもよい）圧電体は、圧電特性が良好であり好ましい。
【００３７】
一般式ＡＢＯ３・・・（Ｐ）
（Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｐｂ，Ｂａ，Ｓｒ，Ｂｉ，Ｌｉ，Ｎａ，Ｃａ，Ｃｄ，Ｍｇ，Ｋ，及びランタニド元素からなる群より選ばれた少なくとも１種の元素を含む。
Ｂ：Ｂサイトの元素であり、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｎ，Ｍｇ，Ｓｃ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｇａ，Ｚｎ，Ｃｄ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｈｆ，及びＡｌからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素を含む。
Ｏ：酸素。
Ａサイト元素とＢサイト元素と酸素元素のモル比は１：１：３が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。）
圧電体膜２２の成膜方法は特に制限されず、スパッタ法、プラズマＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法、及びＰＬＤ法等の気相法；ゾルゲル法及び有機金属分解法等の液相法；及びエアロゾルデポジション法等が挙げられる。電極および圧電体膜を直接構造体に成膜することが量産、歩留まり向上の観点から好ましい。なお、圧電体膜のスパッタリングに際しては、例えば、特開２００８−０８１８０１号公報、特開２００８−０８１８０２号公報、特開２００８−１０６７０３号公報等に記載の成膜条件を用い、特開２００８−０８１８０３号公報に記載のスパッタ装置を用いることができる。これらの成膜条件およびスパッタ装置を用いたスパッタリング法により、非常に圧電特性の良好な、下部電極側から上部電極側に向かう自発分極Ｐの圧電体膜を得ることができる。圧電体膜はＰＺＴ系に限るものではなく成膜時に自発分極するものであれば如何なる圧電材料からなるものであってもよい。なお、圧電体膜の成膜にＰＬＤ法、ＣＶＤ法，ゾル・ゲル法等を用いても膜厚方向に非対称の電荷分布を有していれば、同様の自発分極を得ることができる（Applied Physics Letters, vol.６８、p.484; Journal of Japanese Applied Physics, vol.38, p.5364等参照）。
【００３８】
図４Ａは、図１に示した圧電駆動型ＭＥＭＳ素子１をスイッチとして用いる場合の、駆動時の断面図を示すものである。
圧電駆動型ＭＥＭＳ素子１をスイッチとして用いる場合、図４Ａ中に模式的に示すように、下部電極２１および上部電極２３は電源４０に接続され、両電極２１、２３間に、下部電極２１の電位が上部電極２３の電位より高くなるような電圧が圧電体膜２２に印加される。圧電体膜２２への電圧の印加に伴い、可動部１６が凸状に変位して、可動部１６の表面中央部の可動電極２５が固定電極３５と接触し、スイッチがオンの状態となる。スイッチのオン、オフは電極２１、２３間への電圧の印加のオン、オフにより切り替えられる。
【００３９】
本実施形態の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子１は、スイッチのみならず、バリアブルキャパシタとして用いることができる。図４Ｂは、図１に示した圧電駆動型ＭＥＭＳ素子１をバリアブルキャパシタとして用いる場合の、駆動時の断面図を示すものである。
【００４０】
バリアブルキャパシタとして用いる場合、図４Ｂ中に模式的に示すように、下部電極２１および上部電極２３は可変電源４２に接続される。本実施形態においても、下部電極２１が上部電極２３より電位が高くなるように電圧が印加される。両電極間２１、２３に印加する電圧を変化させると、ダイアフラム１５ａは駆動されて可動電極２５と固定電極３５との間隔ｄが変化して両者間のキャパシタ容量を変化する。
【００４１】
なお、本実施形態の構成の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子を用いて、印加電圧を０〜７Ｖと変化させると、その容量を１００ｐＦから１．５ｐＦまで変化させることができた。
【００４２】
＜圧電駆動型ＭＥＭＳ素子の製造方法＞
次に、本発明の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子１の製造方法の実施形態を説明する。ここでは、表面の一部をなすダイアフラム１５ａを備えた第１の基板１０と、第１の基板１０の表面の、ダイアフラム１５ａ上に形成された下部電極２１と、下部電極２１上に形成された圧電体膜２２と、圧電体膜２２上の、ダイアフラム１５ａの周縁に対応する領域に沿って形成された上部電極２３と、圧電体膜２２上の、ダイアフラム１５ａの中央部に対応する領域に形成された可動電極２５と、一面に凹部３１を備え、凹部３１の底面３１ａが第１の基板１０の表面に対向するように第１の基板１０のダイアフラム１５ａでない部分に固定された第２の基板３０と、第２の基板３０の凹部３１の底面３１ａの、可動電極２５と対向する位置に設けられた固定電極３５とを備えてなる圧電駆動型ＭＥＭＳ素子１の製造方法について説明する。図５Ａ〜図５Ｅは圧電駆動型ＭＥＭＳ素子１の製造工程を示す断面図である。
【００４３】
製造工程には、少なくとも、ダイアフラムを表面の一部として備えた第１の基板を形成する工程と、第１の基板上に下部電極を形成する工程と、下部電極上に圧電体膜を形成する工程と、圧電体膜上の、ダイアフラムの周縁に対応する領域に沿って上部電極を形成し、ダイアフラムの中央部に対応する領域に可動電極を形成する工程と、一面に凹部を備え、該凹部の底面の中央部に固定電極を備えた第２の基板を形成する工程と、上部電極および可動電極が設けられた第１の基板と第２の基板とを、固定電極と可動電極とが対向するように接合する工程とを含む。
【００４４】
まず、図５Ａ示すように、表面にＳｉＯ２膜１４を備えた、４μｍ厚のデバイスＳｉ層１３、０．３μｍ厚のＳｉＯ２層１２、３００μｍ厚のハンドル層１１からなるＳＯＩウエハ基板を第１の基板１０として用意する。
【００４５】
次に、図５Ｂに示すように、ＳＯＩウエハ基板１０裏面に深堀用パターンをリソグラフィし、ボッシュ法によりシリコン深堀を行って、エッチングストップ層であるＳｉＯ２層１２までエッチングしてキャビティ１５を形成する。キャビティ１５開口の直径は、一例として７００μｍとする。キャビティ１５上のＳｉＯ2層１２、デバイス層１３および表面のＳｉＯ2膜１４からなる表層部がダイアフラム１５aを構成する。
【００４６】
図５Ｃに示すように、次に、基板１０の表面に下部電極２１をスパッタ法により成膜する。下部電極２１は、一例として、Ｔｉ２０ｎｍ／Ｐｔ１００ｎｍとする。
下部電極２１上に圧電体膜２２を、マグネトロンスパッタ法により成膜する。圧電体膜２２としては、一例として、ＰＺＴ膜２μｍ厚とする。
【００４７】
さらに、圧電体膜２２上に上部電極層２３Ａを成膜する。
その後、リソグラフィ、エッチングを行って上部電極層２３Ａをパターン化する。上部電極層２３Ａは、一例として、Ｃｒ２０ｎｍ／Ａｕ（１５０ｎｍ）とであり、そのパターン化は、Ａｕ、Ｃｒを順次ウェットエッチングして行う。この上部電極層２３Ａから、図５Ｄに示すように、上部電極２３、上部電極用電気配線２４、可動電極（信号電極）２５、可動電極用電気配線２６および第２の基板との接合用の電極（図示せず）も同時に形成する。ここで、上部電極層２３Ａの表面層として、Ａｕを用いるのは、酸化しにくくコンタクト信頼性が高いという理由からである。
【００４８】
別工程において、第２の基板３０として、別途用意したシリコンウエハ基板の一面の、第１の基板１０の可動部１６に対応する領域に深さ１μｍ程度の凹部３１を設け、同時に配線用の溝部３２、３３を設ける（図３参照。）。シリコンウエハ基板３０の凹部３１が設けられた一面の表層にＳｉＯ2膜３４を形成し、その後、凹部３１の底面３１ａの中央部に固定電極３５を形成し、同時に固定電極３５からの引出し配線３６を形成する。固定電極３５および引出し配線３６は、凹部３１の底面３１ａに対して電極層を成膜後、リソグラフィ、エッチングを行ってパターン化することにより形成することができる。なお、同時に、第２の基板３０の、第１の基板との接合部には、接合用の電極（図示せず）を形成しておく。
【００４９】
図５Ｅに示すように、この固定電極３５および配線３６が形成されたシリコンウエハ基板からなる第２の基板３０を、可動部１６および圧電駆動部２０が形成されたＳＯＩウエハ基板からなる第１の基板１０上に、固定電極３５と可動電極２５が対向配置されるようにアライメント接合する。このとき、両者を位置決めして接触させた状態で、すなわち、両基板に設けられた接合電極同士を接触させた状態で、例えば、２５０℃、圧力４ＭＰａで４時間保つことにより両基板を接合することができる。
【００５０】
最後に、第１の基板１０と第２の基板３０が接合されてなるウエハをダイシングし、各チップに個片化することにより、本実施形態の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子を作製することができる。
【００５１】
上記製造方法は、特許文献１の素子の製造方法と比較して、犠牲層の作製、除去といった複雑な工程を必要とせず、簡単な工程により第１の実施形態の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子を製造することができるので、歩留まりを向上させ、製造コストを抑制することができる。
【００５２】
上記製造方法においては、ＳＯＩウエハ基板を裏面からエッチングしてキャビティ１５およびダイアフラム１５ａを形成するものとしたが、ダイアフラム１５aを備えた基板を製造する他の工程を図６Ａ〜図６Ｃに示す。
【００５３】
まず、図６Ａに示すように、シリコンウエハ基板５に上面に開口したキャビティ１５を設ける。
【００５４】
次に、図６Ｂに示すように、ハンドル層６、ＳｉＯ２層７およびデバイス層８からなるＳＯＩウエハ基板９のデバイス層８側がシリコンウエハ５の上面と接してキャビティ１５を閉じるように両ウエハ基板５、９を接合する。
【００５５】
最後に、図６Ｃに示すように、ＳＯＩウエハ基板９のハンドル層６を除去することにより、表面の一部を構成するダイアフラム１５ａを備えた、シリコンウエハ基板５、デバイス層８およびＳｉＯ２層７からなる第１の基板１０を作製することができる。
【００５６】
上記作製方法を用いれば、より精度が高く、均一性が良好なキャビティアレイを形成することができる。
【００５７】
上述の実施形態のＭＥＭＳ素子１としては、上部電極２３として、断続的なリング型電極の一形態であるＣ型状の電極を備えた例を説明したが、上部電極は、図７に示すように、連続的なリング型電極２３ａとして形成されていてもよいし、図８に示すように、２箇所以上で分断された断続的なリング型電極２３ｂ、２３ｂとして形成されていてもよい。なお、図７に示すように、リング型電極２３ａを上部電極として用いる場合には、上部電極の内径内側に配されている可動電極２５からの引き出し配線が、上部電極２３ａと接触しないように、両者間に絶縁膜２９を設ければよい。
【００５８】
＜応用例＞
以下、本実施形態の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子１の応用例について簡単に説明する。
【００５９】
図９は、上記圧電駆動型ＭＥＭＳ素子１をバリアブルキャパシタとして利用した電圧制御発振器（Voltage Controlled Oscillator : VCO）５０の回路図を示す。
図９に示すように、圧電駆動型ＭＥＭＳ素子１により構成されたバリアブルキャパシタ５４を、薄膜圧電共振器５３および増幅器５５と組み合わせることで、移動型通信機に用いられる電圧制御発振器５０として利用することができる。
【００６０】
図１０は、上記圧電駆動型ＭＥＭＳ素子１をスイッチおよびバリアブルキャパシタとしてそれぞれ利用した２バンド移動型通信機の構成を示す回路図である。
この２バンド移動帯通信機は、アンテナ７１と、チューナブル整合回路７２と、バンド切り替えスイッチ７３ａ、７３ｂと、送受信切り替え気７４ａ、７４ｂと、第１の受信回路７５ａと、第１の送信回路７６ａと、第２の受信回路７５ｂと、第２の送信回路７６ｂとを備えている。
【００６１】
チューナブル整合回路７２は、圧電駆動型ＭＥＭＳ素子１であるバリアブルキャパシタ７２ａとインダクタ素子７２ｂとを組み合わせて構成されており、このようなチューナブル整合回路７２を使用することにより、例えば単一のアンテナを使用しながら周波数の異なる複数の搬送波に対して高い利得を実現することが可能になる。
【００６２】
またここでは、圧電駆動型ＭＥＭＳ素子１が、バンド切り替えスイッチ７３ａ、７３ｂとしても用いられている。圧電駆動型ＭＥＭＳスイッチの使用により、通常の半導体素子を使用した高周波スイッチと比較したオン時の低い挿入損失とオフ時の高い絶縁分離特性を実現することが可能となる。
【符号の説明】
【００６３】
１ 圧電駆動型ＭＥＭＳ素子
１０ 第１の基板
１５ キャビティ
１５ａ ダイアフラム
１６ 可動部
２０ 圧電駆動部
２１ 下部電極
２２ 圧電体膜
２３ 上部電極
２５ 可動電極
３０ 第２の基板
３５ 固定電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電駆動部により駆動されて凸状に変位する可動部を一部に備え、該可動部の表面中央部に可動電極が設けられてなる第１の基板と、
該第１の基板に接合された、前記可動電極と所定間隔で対向する固定電極を支持する第２の基板とを備え、
前記圧電駆動部が、前記第１の基板の前記可動部となる領域上に該可動部の一部として設けられた圧電体膜と、該圧電体膜を挟むようにして配設された一対の電極とを備えてなるものであることを特徴とする圧電駆動型ＭＥＭＳ素子。
【請求項２】
前記第１の基板が、ダイアフラムを表面の一部として備えてなり、
前記一対の電極が、前記第１の基板上に形成された下部電極と、該下部電極上に形成された前記圧電体膜上の、前記ダイアフラムの周縁に対応する領域に沿って形成された上部電極とからなり、
前記可動部が、前記ダイアフラムと、該ダイアフラム上に設けられた前記下部電極および前記圧電体膜とから構成されていることを特徴とする請求項１記載の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子。
【請求項３】
前記第２の基板が、一面に凹部を備え、該凹部の底面が前記第１の基板の表面に対向するように前記第１の基板と接合されており、
前記固定電極が、該第２の基板の前記凹部の底面の、前記可動電極と対向する位置に設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子。
【請求項４】
前記可動部の周縁が円形であり、前記上部電極が、該周縁に沿って形成された連続的もしくは断続的なリング型電極であることを特徴とする請求項２または３記載の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子。
【請求項５】
前記リング型電極の外周径が、前記可動部の周縁の径より大きく、前記リング型電極の内周径が、前記可動部の周縁の径より小さいことを特徴とする請求項４記載の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子。
【請求項６】
前記圧電体膜の自発分極が、前記下部電極側から前記上部電極側に向かう向きに配向しており、
前記下部電極および前記上部電極間に、前記下部電極の電位が前記上部電極の電位より高くなるように電圧が印加されることにより、前記可動部が、前記可動電極が前記固定電極に近づく方向に駆動変位されるものであることを特徴とする請求項２から５いずれか１項記載の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子。
【請求項７】
前記一対の電極間に電圧が印加されることにより、前記可動部が駆動変位されて前記可動電極と前記固定電極とが接触するスイッチとして機能するものであることを特徴とする請求項１から５いずれか１項記載の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子。
【請求項８】
前記一対の電極間に可変電圧が印加されることにより、前記可動部が駆動変位されて前記可動電極と前記固定電極との間隔が変化するバリアブルキャパシタとして機能するものであることを特徴とする請求項１から５いずれか１項記載の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子。
【請求項９】
ダイアフラムを表面の一部として備えた第１の基板を形成する工程と、
前記第１の基板上に下部電極を形成する工程と、
前記下部電極上に圧電体膜を形成する工程と、
前記圧電体膜上の、前記ダイアフラムの周縁に対応する領域に沿って上部電極を形成し、前記ダイアフラムの中央部に対応する領域に可動電極を形成する工程と、
一面に凹部を備え、該凹部の底面の中央部に固定電極を備えた第２の基板を形成する工程と、
前記上部電極および可動電極が設けられた前記第１の基板と前記第２の基板とを、前記固定電極と前記可動電極とが対向するように接合する工程とを含むことを特徴とする圧電駆動型ＭＥＭＳ素子の製造方法。
【請求項１】
圧電駆動部により駆動されて凸状に変位する可動部を一部に備え、該可動部の表面中央部に可動電極が設けられてなる第１の基板と、
該第１の基板に接合された、前記可動電極と所定間隔で対向する固定電極を支持する第２の基板とを備え、
前記圧電駆動部が、前記第１の基板の前記可動部となる領域上に該可動部の一部として設けられた圧電体膜と、該圧電体膜を挟むようにして配設された一対の電極とを備えてなるものであることを特徴とする圧電駆動型ＭＥＭＳ素子。
【請求項２】
前記第１の基板が、ダイアフラムを表面の一部として備えてなり、
前記一対の電極が、前記第１の基板上に形成された下部電極と、該下部電極上に形成された前記圧電体膜上の、前記ダイアフラムの周縁に対応する領域に沿って形成された上部電極とからなり、
前記可動部が、前記ダイアフラムと、該ダイアフラム上に設けられた前記下部電極および前記圧電体膜とから構成されていることを特徴とする請求項１記載の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子。
【請求項３】
前記第２の基板が、一面に凹部を備え、該凹部の底面が前記第１の基板の表面に対向するように前記第１の基板と接合されており、
前記固定電極が、該第２の基板の前記凹部の底面の、前記可動電極と対向する位置に設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子。
【請求項４】
前記可動部の周縁が円形であり、前記上部電極が、該周縁に沿って形成された連続的もしくは断続的なリング型電極であることを特徴とする請求項２または３記載の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子。
【請求項５】
前記リング型電極の外周径が、前記可動部の周縁の径より大きく、前記リング型電極の内周径が、前記可動部の周縁の径より小さいことを特徴とする請求項４記載の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子。
【請求項６】
前記圧電体膜の自発分極が、前記下部電極側から前記上部電極側に向かう向きに配向しており、
前記下部電極および前記上部電極間に、前記下部電極の電位が前記上部電極の電位より高くなるように電圧が印加されることにより、前記可動部が、前記可動電極が前記固定電極に近づく方向に駆動変位されるものであることを特徴とする請求項２から５いずれか１項記載の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子。
【請求項７】
前記一対の電極間に電圧が印加されることにより、前記可動部が駆動変位されて前記可動電極と前記固定電極とが接触するスイッチとして機能するものであることを特徴とする請求項１から５いずれか１項記載の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子。
【請求項８】
前記一対の電極間に可変電圧が印加されることにより、前記可動部が駆動変位されて前記可動電極と前記固定電極との間隔が変化するバリアブルキャパシタとして機能するものであることを特徴とする請求項１から５いずれか１項記載の圧電駆動型ＭＥＭＳ素子。
【請求項９】
ダイアフラムを表面の一部として備えた第１の基板を形成する工程と、
前記第１の基板上に下部電極を形成する工程と、
前記下部電極上に圧電体膜を形成する工程と、
前記圧電体膜上の、前記ダイアフラムの周縁に対応する領域に沿って上部電極を形成し、前記ダイアフラムの中央部に対応する領域に可動電極を形成する工程と、
一面に凹部を備え、該凹部の底面の中央部に固定電極を備えた第２の基板を形成する工程と、
前記上部電極および可動電極が設けられた前記第１の基板と前記第２の基板とを、前記固定電極と前記可動電極とが対向するように接合する工程とを含むことを特徴とする圧電駆動型ＭＥＭＳ素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図５Ｄ】
【図５Ｅ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図５Ｄ】
【図５Ｅ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１１−７６７２５（Ｐ２０１１−７６７２５Ａ）
【公開日】平成２３年４月１４日（２０１１．４．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２２３７３８（Ｐ２００９−２２３７３８）
【出願日】平成２１年９月２９日（２００９．９．２９）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年４月１４日（２０１１．４．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月２９日（２００９．９．２９）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
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