JP2007256535A - 電気素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
駆動電圧の増加や電極間隔をより狭くした場合においても安定的に動作可能な電気素子及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】
絶縁体基板あるいは絶縁体膜に複数の電極を形成した電気素子において、該電気素子が筐体内に設置され、少なくとも一対の該電極間隔の最小値が２０μｍ以下であり、該電極間には乾燥窒素よりも絶縁性の高い気体が導入されていることを特徴とする。
特に、絶縁性の高い気体には、消弧性ガスを含むことが、より好ましい。
【選択図】なし

Description

本発明は、絶縁体基板あるいは絶縁体膜に複数の電極を形成した電気素子及びその製造方法に関し、特に、該電極間隔の最小値が２０μｍ以下である電気素子及びその製造方法に関する。

各種電子デバイスや半導体の微細加工技術を駆使して作製された微小な部品から構成される電気機械システムの総称であるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）デバイス、プリント基板、あるいは光通信分野で用いられる光制御デバイスなど、絶縁体基板上あるいは絶縁体膜上に複数の電極を形成する電気素子においては、消費電力の低減や生産性向上のために素子サイズの低減が図られてきており、電極幅と電極間隔の縮小が進んでいる。

電極幅の縮小は線路の電気抵抗の増大を招き駆動電圧が増大することから、低抵抗材料への置き換えが求められている。電極間隔が狭くなると、印加される電界が実質的に増大する。

また、特許文献１に示すように、高周波デバイスにおいては電極間にポリイミドやベンゾシクロブテンなどの低誘電率材料が埋め込まれ、配線間に発生する静電容量の低減を図ることが行なわれている。これら低誘電率材料は一般に絶縁性が高いため、低誘電率材料で充填された微細電極は高電界においても電極間の放電を抑制しうる。しかしながら、これら材料自身の製造コストが高く、また、微細化電極を形成するためには低誘電率材用のエッチング加工、あるいは微細な該電極間に気体を含泡することなく、かつ低応力条件で硬化した後に給電用に一部を露出する工程の技術開発が必須である。
特開２００１−６８３７５号公報

本発明が解決しようとする課題は、上述したような問題を解決し、駆動電圧の増加や電極間隔をより狭くした場合においても、製造工程の複雑化や製造コストの増加を抑制し、安定的に動作可能な電気素子及びその製造方法を提供することである。

請求項１に係る発明では、絶縁体基板あるいは絶縁体膜に複数の電極を形成した電気素子において、該電気素子が筐体内に設置され、少なくとも一対の該電極間隔の最小値が２０μｍ以下であり、該電極間には乾燥窒素よりも絶縁性の高い気体が導入されていることを特徴とする。
本発明における「電極間隔」とは、例えば、同一絶縁体基板上に形成された複数の電極との間隔を意味するだけでなく、同一絶縁体基板の表裏に各々形成された電極との間隔や、異なる絶縁体基板に各々形成された電極との間隔など、多様な形態を含むものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の電気素子において、該ガスは消弧性ガスを含むことを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項２に記載の電気素子において、該消弧性ガスがＳＦ_６であることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項２又は３に記載の電気素子において、該消弧性ガスの分圧が０．１気圧以上であることを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の電気素子において、該絶縁体基板又は該絶縁体膜が、圧電効果、焦電効果、または電気光学効果のいずれかを有することを特徴とする。

請求項６に係る発明は、請求項５に記載の電気素子において、該絶縁体基板または該絶縁体膜には光導波路が形成され、該電極は該光導波路を伝搬する光波を制御するための電極であることを特徴とする。

請求項７に係る発明は、絶縁体基板あるいは絶縁体膜に複数の電極が形成され、該電極間隔の最小値が２０μｍ以下である電気素子の製造方法において、該電気素子が筐体内に設置され、該筐体を真空パージし、その後、該筐体内を消弧性ガスを含むガスで充填させ、該筐体を封止することを特徴とする。

請求項８に係る発明は、請求項７に記載の電気素子の製造方法において、該筐体を真空パージした後、消弧性ガスの分圧が０．１気圧以上５気圧以下の気体中で放置し、該筐体内に消弧性を含むガスを充填させ、該筐体を封止することを特徴とする。

請求項１に係る発明により、絶縁体基板あるいは絶縁体膜に複数の電極を形成した電気素子にあって、該電極間隔の最小値が２０μｍ以下であっても、該電極間には乾燥窒素よりも絶縁性の高い気体が導入されていることにより、該電極間に低誘電率材料を充填しなくとも、電極間の放電を効果的に抑制できるため、電極の破断や破壊を生じず、従来よりも電極間隔をより狭くした高密度な電気素子を提供することが出来る。また、電極間に気体を導入するだけであるため、高アスペクト電極間などに対しても従来の低誘電率材料を電極間に埋め込む方法と比較して、極めて容易に導入することが出来る。

しかも、電気素子が筐体内に設置され、該筐体内を乾燥窒素よりも絶縁性の高いガスで充填するため、長期間に渡り電極間の放電現象を防止することが可能となる。また、筐体を用いるため、充填圧を大気圧よりも大きくとることが可能となり、より効果的に放電を抑制するとともに、実質的により高電界を印加可能な素子を提供することが可能となる。

請求項２に係る発明により、ガスは消弧性ガスを用いるため、極めて安定的に放電を抑制でき、仮に放電が生じても瞬時にこれを打ち消すため、電極の破断や破損を防止することが可能となる。

請求項３に係る発明により、消弧性ガスはＳＦ_６であるため、より効果的に放電を抑制することが可能となる。

請求項４に係る発明により、消弧性ガスの分圧が０．１気圧以上であるため、放電抑制効果を有効に発現させることが可能となる。

請求項５に係る発明により、絶縁体基板又は該絶縁体膜が、圧電効果、焦電効果、または電気光学効果のいずれかを有するため、放電現象が発生し易い電気素子に対しても、効果的に放電を抑制することが可能となる。

請求項６に係る発明により、電気素子において、絶縁体基板または該絶縁体膜には光導波路が形成され、該電極は該光導波路を伝搬する光波を制御するための電極であるため、
本発明を用いることにより、電極間隔を小さく設定することが可能となり、電界をより高効率に印加でき、低駆動電圧型光変調器の作製など、より大きな変調度を得ることが可能な電気素子を提供することができる。

請求項７に係る発明により、電気素子の製造方法において、電気素子を筐体内に設置し、該筐体を真空パージし、その後、該筐体内を消弧性ガスを含むガスで充填させ、該筐体を封止するため、電気素子が常に消弧性ガスと接触する雰囲気を形成できると共に、この状態を長期間に渡り維持することが可能なるため、放電現象を効果的に防止することが可能となる。

請求項８に係る発明により、筐体を真空パージした後、消弧性ガスの分圧が０．１気圧以上５気圧以下の気体中で放置し、該筐体内に消弧性を含むガスを充填させ、該筐体を封止するため、消弧性ガスを電気素子に必要十分に供給することが可能となると共に、消弧性ガスが液化するなどの不具合も防止することが可能なる。

以下、本発明を好適例を用いて詳細に説明する。
本発明は、絶縁体基板あるいは絶縁体膜に複数の電極を形成した電気素子において、該電気素子が筐体内に設置され、少なくとも一対の該電極間隔の最小値が２０μｍ以下であり、該電極間には乾燥窒素よりも絶縁性の高い気体が導入されていることを特徴とする。
特に、充填ガスが消弧性ガス（ＳＦ_６，Ｈ_２，ＣＯ_２）を含むものであることが好ましい。
なお、一般に空気や乾燥窒素も絶縁体とされるが、１ｃｍあたり５ｋＶ以上を印加すると放電を生じる。本発明に用いるガスは、このような乾燥窒素よりも高い絶縁性を有するガスに限定される。

本発明が適用される電気素子には、ＳＯＩ（silicon on Insulator）基板、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯなどの絶縁体基板上あるいは絶縁体膜上に複数の電極を形成した電子デバイス素子やＭＥＭＳ素子、又は、ガラスエポキシ樹脂上に形成されたプリント基板、電気光学効果を有する基板を用いた光変調器や光スイッチなどの光制御素子などがあり、より好適には、これら電気素子を筐体内に収容し、筐体内を気密封止するものであれば、特に限定されるものではない。

電気素子に用いる絶縁体基板又は該絶縁体膜が、圧電効果、焦電効果、または電気光学効果のいずれかを有する場合には、特に、本発明が利用可能である。
例えば、電気光学効果、圧電効果または焦電効果を有する基板として、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）、及び石英系の材料などが挙げられる。これらの基板は、温度変化に伴い、焦電効果や、圧力変化によるピエゾ効果が発生するが、電気素子を絶縁性の高いガスで取り囲んでいるため、蓄積した電荷による放電も効果的に抑制される。

電気素子を収容する筐体は、機械的強度が高く、電気素子を構成する基板（絶縁体膜を利用する場合には、絶縁膜体自体又は絶縁体膜を支持する支持体）と同様な線膨張係数を持つ材料が好ましく、ＳＵＳ３０３やＳＵＳ３０４などのステンレス材料やコバール、樹脂パッケージなどが好適に利用可能である。筐体は、電気素子を収容した後、気密封止可能なようなように、ケースと蓋から構成されている。

電気素子を収納した筐体は、ケースと蓋とがシーム溶接され気密封止される。この際に、筐体内には、ＳＦ_６，Ｈ_２，ＣＯ_２などの消弧性ガスが充填される。
特に、ＳＦ_６ガスは、化学的に安定した、無毒・無臭なガスであり、空気の約３倍の絶縁性能と約１００倍の消弧能力（高温の放電（火花）を消す能力）を有している。使用方法としては、圧力を高めるほど消弧効果は高くなるが、充填圧力が高すぎると液化するため、０．３Ｐａから０．５ＭＰａの範囲で使用することが望ましい。

消弧能力は、消弧性ガスの絶対量が大きく影響するため、より好ましくは、消弧性ガスの分圧が０．１気圧以上とすることにより、消弧能力の発現が十分に期待できる。また、充填圧力の増加に伴い消弧性ガスが液化するのを防ぐため、５気圧以下（０．５ＭＰａ）で使用することが好ましい。
さらに、消弧性ガスと組合わせる他のガスとしては、ＣＯ_２，ＣＦ_４，Ｎ_２やＨｅが、消弧性ガスの性能を安定的に発現させる上で好ましい。また、これらのガスは、筐体の密閉状態を検査するリークテストにも使用でき、より好ましい気体である。また、Ｎ_２／ＣＯ_２／ＳＦ_６混合ガスでは、ＳＦ_６単独で使用する場合より、高い絶縁特性を持つ混合比があることも知られている。

なお、本発明が対象としている分野は、例えば、１ｋＶを超えるような大電圧を扱う変圧器や、断路器、遮断器、接地装置、避雷器等へガス封入された絶縁開閉装置などのように、外部から絶対的に大きな電圧が加えられ、これ自身が放電する現象の抑制を対象としたものではない。本発明に係る電気素子に印加される外部電圧は、概ね５０Ｖ以下程度である。しかしながら、電極間隔が２０μｍ以下と極めて狭いため、電極間に印加される電界は実質的に大きくなるような電気素子を対象としている。このような電気素子においては、電極を保護する機能が必要となるためである。

さらに、半導体を基板に用いたデバイスでは、基板自体に半導電性があるために基板内部にリーク電流が流れ、過電圧が印加された場合には、基板内部の絶縁層やｐｎ接合などが破壊されて故障に至る。一方、誘電体基板を用いたデバイスでは、電流のリークがほとんど無く、過電圧が印加された場合には、通電電極間の放電や、基板や膜界面に沿った沿面放電が発生する。小型、高周波デバイスの場合、大電圧、大電流が通電されることは無い。しかしながら、電極間隔が小さいために、印加電圧は低くとも電界は大きくなり放電が生じやすく、また電極の断面積が小さいために、微弱な放電が発生しただけでも電極が破壊し、デバイスが故障する。

一般に、放電を抑制するには、絶縁油、高絶縁性樹脂や絶縁性の高い気体で覆うことが有効である。絶縁油や絶縁性樹脂は、真空や気体に比べて、誘電率が大きく、高周波デバイスの設計、製作上で不利であるとともに、マイクロ波の損失が大きいといった欠点がある。一方、高絶縁性ガスは、絶縁油や絶縁性樹脂に比較して、誘電率が低く、損失も少ないうえ、不燃性、軽量といった利点があり、小型、高周波デバイスの作製に適している。また、放電の発生を抑えるには、単に雰囲気ガスの絶縁性を高めて放電を抑制するだけでなく、消弧性気体を用いて電荷を消去することが一層効果的である。

また、筐体内に消弧性ガスを含むガスを充填は、次の手順で行うことができる。
（１）電気素子を筐体内に設置する。
（２）筐体を真空容器内に収容し、真空パージを行う。好ましくは加熱しながら真空パージする方がより不要なガスを排出することが可能である。加熱時間は１〜６時間が好ましい。
（３）真空パージした真空容器内に、消弧性ガスの分圧が０．１気圧以上５気圧以下となる、消弧性ガスを含むガスを導入する。
（４）真空容器内に筐体を暫らく放置し、筐体内に消弧性ガスを含むガスを十分に充填する。
（５）筐体を封止し、筐体を真空容器から取り出す。

（実施例１）
電気素子として光制御素子を作製した。
ＬｉＮｂＯ_３基板上にＴｉ拡散法を用いて光導波路を形成した後、コプレナー型電極をレジストパターンをガイドとして電解メッキにより形成した。該Ａｕ電極の高さは２０μｍ、電極間隔の最小値は５μｍである。
ダイシングソーを用いて光制御素子へ切り分けた後、ＳＵＳ３０３製筐体内に該光素子を固定した。該光素子に接続される光ファイバーの導入孔はハンダを用いて密閉した。
該光素子を収納した筐体内には、ＳＦ_６ガスを充填した。充填圧力は１気圧とした。筐体を構成するケースと蓋とはシーム溶接され気密封止した。

（評価方法）
電極間にそれぞれ直流電圧を２０，５０，１００、２００Ｖで印加し、電極破断の有無を実体顕微鏡にて調べた。電極の破断状況を、以下の３段階で評価した。
○：電極に破断も破断もないもの
△：破損は確認されるが、素子の動作には影響がないもの
×：破断が確認され、素子の動作に影響を及ぼすもの

（比較例１）
電極間にポリイミドを充填すると共に、筐体内に封入するガスとして乾燥窒素を使用した以外は実施例１と同様に製作し、同様に評価した。

（比較例２）
筐体内に封入するガスをＨｅを僅かに含む合成空気とした以外は、実施例１と同様に製作し、同様に評価した。

評価結果を表１に示した。表１に示す評価結果より、本発明の実施例１は、従来の電極間にポリイミドを充填した場合（比較例１）と同じ程度に、電極の破断・破損が効果的に抑止できることが明らかとなった。

本実施例は、ＬｉＮｂＯ_３基板を用いた光制御素子を中心に説明したが、これに限らず、他の材料においても本発明が適用できることは言うまでもない。

以上説明したように、本発明によれば、絶縁体基板あるいは絶縁体膜に複数の電極を形成した電気素子及びその製造方法において、該電極間には乾燥窒素よりも絶縁性の高い気体が導入されていることによって、該電極間隔の最小値が２０μｍ以下であっても、より安定的に動作可能な電気素子及びその製造方法を提供することが可能となる。しかも、従来のポリイミドなどの低誘電率材料を用いる必要が無く、製造工程の複雑化や製造コストの増加を抑制することも可能となる。

Claims (8)

1. 絶縁体基板あるいは絶縁体膜に複数の電極を形成した電気素子において、
   該電気素子が筐体内に設置され、
   少なくとも一対の該電極間隔の最小値が２０μｍ以下であり、
   該電極間には乾燥窒素よりも絶縁性の高い気体が導入されていることを特徴とする電気素子。
2. 請求項１に記載の電気素子において、該ガスは消弧性ガスを含むことを特徴とする電気素子。
3. 請求項２に記載の電気素子において、該消弧性ガスがＳＦ_６であることを特徴とする電気素子。
4. 請求項２又は３に記載の電気素子において、該消弧性ガスの分圧が０．１気圧以上であることを特徴とする電気素子。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の電気素子において、該絶縁体基板又は該絶縁体膜が、圧電効果、焦電効果、または電気光学効果のいずれかを有することを特徴とする電気素子。
6. 請求項５に記載の電気素子において、該絶縁体基板または該絶縁体膜には光導波路が形成され、該電極は該光導波路を伝搬する光波を制御するための電極であることを特徴とする電気素子。
7. 絶縁体基板あるいは絶縁体膜に複数の電極が形成され、該電極間隔の最小値が２０μｍ以下である電気素子の製造方法において、
   該電気素子が筐体内に設置され、
   該筐体を真空パージし、
   その後、該筐体内を消弧性ガスを含むガスで充填させ、該筐体を封止することを特徴とする電気素子の製造方法。
8. 請求項７に記載の電気素子の製造方法において、該筐体を真空パージした後、消弧性ガスの分圧が０．１気圧以上５気圧以下の気体中で放置し、該筐体内に消弧性を含むガスを充填させ、該筐体を封止することを特徴とする電気素子の製造方法。