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KR101424297B1 - 전자 소자, 가변 커패시터, 마이크로스위치, 마이크로스위치의 구동 방법, ｍｅｍｓ형 전자 소자, 마이크로 액추에이터 및 mems 광학 소자 - Google Patents

전자 소자, 가변 커패시터, 마이크로스위치, 마이크로스위치의 구동 방법, ｍｅｍｓ형 전자 소자, 마이크로 액추에이터 및 mems 광학 소자 Download PDF

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KR101424297B1
KR101424297B1 KR1020097002525A KR20097002525A KR101424297B1 KR 101424297 B1 KR101424297 B1 KR 101424297B1 KR 1020097002525 A KR1020097002525 A KR 1020097002525A KR 20097002525 A KR20097002525 A KR 20097002525A KR 101424297 B1 KR101424297 B1 KR 101424297B1
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driving
movable
plate
driving electrode
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히로시 고니시
준지 스즈키
Original Assignee
가부시키가이샤 니콘
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Abstract

풀인 전압보다 작은 구동 전압의 범위에서, 종래의 것과 동등하거나 또는 그 이상의 이동 범위에서의 구동을 가능하게 한다. 전자 소자(1)는 고정부(11, 13)와, 이 고정부(11, 13)에 대하여 이동할 수 있고 소정 위치에 복귀하고자 하는 스프링력이 발생하도록 설치된 가동부(12)를 구비한다. 고정부(11, 13)는, 제1 구동 전극(32) 및 제1 신호 전극(34)을 갖는다. 가동부(12)는, 제2 구동 전극(33) 및 제2 신호 전극(31)을 갖는다. 제1 구동 전극(32) 및 제2 구동 전극(33)간에 인가되는 전압에 의한 정전력이 스프링력에 대항하도록 발생한다. 그리고, 이 정전력이 제1 신호 전극(34) 및 제2 신호 전극(31)의 간격이 넓어지는 방향으로 생기도록, 제1 구동 전극(32), 제2 구동 전극(33), 제1 신호 전극(34) 및 제2 신호 전극(31)이 배치되어 있다.

Description

전자 소자, 가변 커패시터, 마이크로스위치, 마이크로스위치의 구동 방법, ＭＥＭＳ형 전자 소자, 마이크로 액추에이터 및 MEMS 광학 소자{ELECTRONIC ELEMENT, VARIABLE CAPACITOR, MICRO SWITCH, METHOD FOR DRIVING MICRO SWITCH, MEMS TYPE ELECTRONIC ELEMENT, MICRO ACTUATOR AND MEMS OPTICAL ELEMENT}
본 발명은 전자 소자, 가변 커패시터, 마이크로스위치, 마이크로스위치의 구동 방법, 및 MEMS형 전자 소자에 관한 것이다. 가변 커패시터는 액추에이터를 이용한다. 가변 커패시터는, 예컨대 무선 통신 장치 또는 RF 측정 장치 등에 이용할 수 있다. 또한, 마이크로스위치는, 소위 MEMS(Micro-Electro-Mechanical System) 스위치 등이다. 마이크로스위치에는, 예컨대 무선 통신 장치 또는 RF 측정 장치 등에 이용되는 고주파 스위치(RF 스위치)나, 직류 신호 또는 저주파 신호용 스위치가 포함된다.
휴대전화기 등을 이용한 무선 통신 기술은 진전하고, 고주파 회로 등에서 이용하는 가변 커패시터나 마이크로스위치의 중요성이 높아지고 있다.
종래, 고주파 회로 등에서 이용하는 가변 커패시터로서, 반도체 디바이스인 버랙터가 이용되고 있다. 그러나, 버랙터는 그 Q값이 작아, 여러 가지의 문제점이 생기고 있다.
하기 비특허 문헌 1은 Q값이 큰 가변 커패시터로서, MEMS(Micro-Electro- Mechanical System)의 기술을 이용하여 형성되는 가변 커패시터를 개시한다. 이 가변 커패시터는 평행 평판을 구성하도록 배치된 고정 전극 및 가동 전극을 구비한다. 가동부는 가요 구조의 지지부에 의해 지지되어 있고, 고정 전극으로부터 소정 간격(초기 간격)으로 이격되는 위치로부터, 고정 전극을 향해 이동할 수 있다. 가동부가 이동함으로써, 가변 커패시터의 용량이 변화된다.
양쪽 전극에 구동 전압이 인가되면, 가동부는 정전력에 의해 고정 전극을 향해 이동한다. 가동부가 이동하면, 가요 구조의 지지부가 휘어 스프링력을 발생시킨다. 이 스프링력은, 양쪽 전극의 간격을 소정 간격(초기 간격)으로 되돌리는 방향으로 발생한다. 이 때문에 양쪽 전극은, 정전력과 스프링력이 균형이 잡혔을 때 안정적이고, 출력으로서 이용해야 하는 용량을 형성한다. 즉, 양쪽 전극은, 용량 전극으로서 기능하며, 이 스프링력에 대항한 정전력을 발생시켜 양자의 간격을 조정하기 위한 구동 전극으로서도 기능한다. 이 가변 커패시터는, 스프링력과 정전력과의 밸런스에 의해 용량이 변화되기(제어되기) 때문에, 소비 전력이 작다고 하는 이점을 갖는다.
비특허 문헌 1: Darrin J.Young and Bernhard E.Boser, A micromachined variable capacitor for monolithic low-noise VCOs, Solid-State and Actuator Workshop, Hilton Head, June 1996 pp86-89
그러나, 비특허문헌 1에 개시된 가변 커패시터는, 낮은 가변 용량비(용량 변화율)를 갖는다. 이하에, 그 이유를 설명한다.
비특허 문헌 1에 개시된 가변 커패시터에 있어서, 가동 전극은 구동시, 고정 전극과 가동 전극 사이의 정전력과, 스프링력이 균형이 잡히는 위치에 정지한다. 이 스프링력은 양쪽 전극의 간격의, 초기 간격으로부터의 변화량에 비례한다. 스프링력은 양쪽 전극의 간격이 좁아질수록 커진다. 한편, 이 정전력은, 양쪽 전극간의 전압의 2승에 비례하고, 양쪽 전극의 간격의 2승에 반비례한다. 정전력은 양쪽 전극의 간격이 좁아질수록 커진다. 즉, 양쪽 전극의 간격이 변화되었을 때, 스프링력은 변화량에 비례하여 변화되는 데 대하여, 정전력은 변화량의 2승에 반비례하여 변화하게 된다. 이 때문에 스프링력과 정전력은 한정된 소정 간격 범위에서 서로 균형을 잡을 수 있지만, 그 범위를 초과했을 때에는 서로 균형을 잡을 수 없다.
그리고, 비특허 문헌 1에 개시된 가변 커패시터에서는, 스프링력과 정전력은, 양쪽 전극 사이에 인가된 전압에 의해, 초기 간격의 약 3분의 1의 간격까지는 안정적으로 서로 균형을 잡을 수 있다. 스프링력과 정전력은, 양쪽 전극의 간격의 초기 간격으로부터, 그 초기 간격의 약 3분의 1의 간격까지의 사이에서는, 안정적으로 서로 균형을 잡을 수 있다. 가동 전극은, 이 간격 범위 내에서는, 인가된 전압에 따른 전극 간격에서 안정적으로 정지할 수 있다.
그러나, 비특허 문헌 1에 개시된 가변 커패시터에 있어서, 양쪽 전극 사이에 인가하는 전압이 증대하여, 양쪽 전극의 간격이 초기 간격의 약 3분의 1의 간격보다 좁아지면, 스프링력과 정전력은, 안정적으로 서로 균형을 잡을 수 없게 된다. 즉, 양쪽 전극의 간격이 초기 간격의 약 3분의 1의 간격보다 좁아지는 어느 위치에서도, 정전력은, 각각의 위치에서의 스프링력을 상회한다. 그 결과, 양쪽 전극의 간격이 초기 간격의 약 3분의 1의 간격이 되는 전압 이상의 구동 전압에서는, 그 전압의 크기에 관계없이, 가동 전극은, 고정 전극에 가장 근접하는 한계 위치까지 이동된다. 가변 커패시터에서는, 전압에 의해 간격을 제어할 수 없는, 소위 풀인 현상이 생겨 버린다. 이하, 이 풀인 현상이 발생하기 시작하는 최소 전압을, 풀인 전압이라고 부른다.
이 때문에, 비특허 문헌 1에 개시된 가변 커패시터에서는, 양쪽 전극의 간격이 그 초기 간격의 약 3분의 1 이하의 간격의 범위로밖에, 구동 전압에 의해 양쪽 전극의 간격을 제어할 수 없다. 즉, 비특허 문헌 1에 개시된 가변 커패시터에서는, 실용상, 양쪽 전극간에 인가하는 전압에 의해 양쪽 전극의 간격을 연속적으로 조정할 수 있는 범위(연속 조정 범위)는, 초기 간격으로부터 그 약 3분의 1의 간격까지의 범위에 한정되어 버린다.
그리고, 비특허 문헌 1에 개시된 가변 커패시터에 있어서, 고정 전극 및 가동 전극은, 이들의 간격을 조정하기 위한 구동 전극으로서 이용되는 것뿐만 아니라, 출력해야 하는 용량을 형성하기 위한 용량 전극으로서도 겸하여 이용된다. 이 양쪽 전극간에 의해 형성되는 용량은, 양쪽 전극의 간격에 반비례한다. 양쪽 전극의 간격이 작아지면, 용량은 커진다. 전술한 바와 같이, 양쪽 전극의 간격은 초기 간격(가장 넓은 간격)으로부터 그 약 3분의 1의 간격까지의 범위에서 제어 가능하다. 따라서, 비특허 문헌 1에 개시된 가변 커패시터는, 구동 전압에 의한 제어에 의해, 초기 상태의 용량을 1로 했을 때, 약 1.17배의 용량까지 제어 가능하다. 이 가변 용량비(용량 변화율)는, 만약에 예를 들어 양쪽 전극의 간격이 대략 제로부터 유사한 전극 제어폭으로 제어한 경우에 얻어지는 것에 비해 각별히 낮다.
또한, 종래는 마이크로스위치로서, PIN-DIODE나 MOS-FET 등 반도체디바이스에 의한 스위치가 이용되고 있었다.
그러나, 이전의 무선 통신 기술의 진화에 의해, 무선 통신 기술에서 사용되는 주파수는, 수 GHz∼수 10 GHz의 높은 대역으로 되어 있다. 이 고주파 대역에서는 종래의 반도체 디바이스에 의한 스위치의 저 Q에 의한 전송 손실이 문제가 된다. 또한, 예컨대 장래의 휴대 단말에서는, 1대의 단말로 여러 가지의 주파수대를 커버하는 것을 요구할 가능성이 있고, 그 경우에는 주파수대를 전환하기 위해 사용하는 스위치의 개수가 증대할 것으로 예상된다. 이들 용도에서는, 반도체 디바이스에 의한 스위치가 높은 소비전력을 갖는 것이 하나의 문제로 되어 있다.
그래서, RF 스위치로서, 여러 가지의 구성의 MEMS 스위치가 제안되어 있다. MEMS형 RF 스위치는, MEMS 기술에 의해 스위칭을 행하기 때문에, 전송 손실을 충분히 낮게 억제할 수 있다. MEMS형 RF 스위치에는, 전송 선로에 대한 결선의 방법에 의해, 소위 직렬 결합 저항형 스위치(이하 직렬형 스위치라고 함)와, 병렬 결합 용량형 스위치(이하 병렬형 스위치라고 함)로 분류할 수 있다.
직렬형 스위치는, 예컨대 하기 특허문헌 1에 개시되어 있다. 직렬형 스위치는, 하나의 전송 선로에 대하여 직렬적으로 접속된다. 직렬형 스위치는, 고정부의 전기 접점과, 가동부의 전기 접점이 접리함으로써, 스위치로서 기능한다. 직렬형 스위치는 RF 스위치로서 이용할 수 있을 뿐만 아니라, 직류 신호 또는 저주파 신호용 스위치로서도 이용할 수 있다.
병렬형 스위치는, 예컨대 하기 특허 문헌 2에 개시되어 있다. 병렬형 스위치 는 용량을 가지며, 이 용량이 한 쌍의 고주파 전송 선로에 대하여 병렬적으로 접속된다. 병렬형 스위치는, 가동부의 고정부에 대한 거리를 변화시킴으로써, 그 용량을 변화시켜, 투과 신호 대역을 변화시킨다. 입력된 고주파 신호는, 그 용량의 크기에 따라서, 접지 도체에 션트(shunt)되거나, 션트되지 않거나 한다. 고주파 신호가 접지 도체에 션트되는 상태는, 스위치의 오프 상태에 대응한다. 션트되지 않는 상태는, 스위치의 온 상태에 대응한다.
특허 문헌 1: 일본 특허 공개 평5-2976호 공보
특허 문헌 2: 일본 특허 공개 제2004-6310호 공보
그리고, MEMS 스위치는, 스위칭 동작을 위한 가동부의 구동이 정전력에 의해 행해지는 정전 구동 방식을 채용하고 있기 때문에, 소비 전력이 낮은 전자 소자이다.
그러나, 정전 구동 방식을 채용한 종래의 MEMS형 RF 스위치는, 직렬형 스위치 및 병렬형 스위치 중 어느 것이어도, 높은 구동 전압을 필요로 한다. 이하, 그 이유를, 직렬형 스위치의 경우와 병렬형 스위치의 경우로 나눠 설명한다. 또한 직렬형 스위치는, RF 스위치로서 이용하는 경우라도, 또는 직류 신호 또는 저주파 신호용 스위치로서 이용하는 경우라도, 높은 구동 전압을 필요로 한다.
정전 구동 방식을 채용한 종래의 특허문헌 1의 직렬형 스위치는, 기판과 가동부를 갖는다. 가동부는, 지지부에 의해, 기판과 이격된 상태로 유지된다. 기판은, 가동부와 대향하는 부위에, 고정 구동 전극 및 고정 전기 접점을 갖는다. 가동부는, 기판과 대향하는 부위에, 가동 구동 전극 및 가동 전기 접점을 갖는다. 양쪽 구동 전극 사이는, 전압이 인가되면, 양쪽 접점의 간격이 좁아지도록 정전력을 발생한다. 이 정전력에 의해, 가동부는 변위하고, 판스프링으로서 기능한다. 판스프링의 복원력보다 큰 정전력이 생기도록 양쪽 구동 전극간에 소정 전압을 인가하면, 판스프링의 복원력에 대항하여 양쪽 접점이 접촉하여, 이 스위치가 온 상태가 된다.
가동부의 스프링력은 후크의 법칙에 따라서 발생하는 것이고, 양쪽 구동 전극의 간격에 대한, 초기 간격으로부터의 변화량에 비례한다. 한편, 정전력은 양쪽 구동 전극간의 전압의 2승에 비례하고 양쪽 구동 전극의 간격의 2승에 반비례한다. 직렬형 스위치의 양쪽 구동 전극에는, 판스프링의 복원력에 대항하여 양쪽 구동 전극을 접촉할 수 있는 전압으로서, 풀인 전압 또는 그 이상의 전압을 인가해야 한다.
한편, 양쪽 구동 전극간에 전압이 인가되지 않으면, 양쪽 구동 전극간에 정전력이 발생하지 않게 되고, 스프링의 복원력에 의해 가동부가 초기 위치까지 되돌아오며, 양쪽 접점 사이가 떨어저 이 스위치가 오프 상태가 된다. 이와 같이 양쪽 구동 전극간에 인가하는 전압을 제어함으로써, 이 스위치의 온/오프를 전환하기 위해서는, 양쪽 구동 전극간의 전압을, 풀인 전압 또는 그 이상의 전압과, 무전압 사이에서 전환해야 한다.
또한, 이러한 종래의 직렬형 스위치에서는, 전기 접점끼리가 접촉된 상태(온 상태)에서는, 양쪽 전기 접점간의 신호의 통과 손실(접촉 저항에 의한 손실)이 발생한다. 이 통과 손실을 저감하기 위해서는, 양쪽 접점간의 접촉압을 크게 해야 하 고, 일반적으로는 온시의 정전력을 크게 하여 양쪽 접점간의 접촉압을 크게 하는 방법을 채용한다.
또한, 온 상태로부터 오프 상태로의 개방시, 가동 구동 전극은, 풀인 전압에 있어서 고정 구동 전극으로부터 떨어지지 않는다. 가동 구동 전극은, 풀인 전압보다 작은 전압에 있어서, 그 때의 스프링력(개방 스프링력)에 의해 고정 구동 전극으로부터 떨어진다. 가동 구동 전극의 인가 전압-변위 곡선은, 인가 전압보다 개방 전압이 낮은 히스테리시스 곡선이 된다.
이 때문에, 풀인 전압을 작게 하기 위해 판스프링의 스프링 상수를 작게 하면, 그 결과로서, 가동 구동 전극이 고정 구동 전극으로부터 떨어지기 때문에 충분한 개방 스프링력를 얻을 수 없게 되어 버린다. 충분한 개방 스프링력를 얻을 수 없는 경우, 가동 전기 접점은 고정 전기 접점으로부터 떨어지지 않게 되기 때문에, 직렬형 스위치는 스위치로서 기능하지 않게 된다.
따라서, 전기 접점의 개방이 확실하게 이루어지기 위해서는, 가동부의 스프링의 복원력은 어느 정도 크게 해야 한다. 이와 같이, 종래의 직렬형 스위치에서는, 신호 통과 특성(저손실)이나 동작 신뢰성의 관점에서, 풀인 전압이 어느 정도의 크기가 되도록 설계해야 하고, 또한, 스위치를 온 상태로 하는 구동 전압은, 그 풀인 전압 이상으로 해야 한다.
정전 구동 방식을 채용한 종래의 병렬형 스위치는, 기판과 가동부를 갖는다. 가동부는, 유전체를 통해 기판에 적층된다. 기판은, 판스프링으로서 기능하도록 기판으로부터 이격되어 지지되어 있고, 가동부와 대향하는 부위에, 고정 구동 전극 및 고정 용량 전극을 갖는다. 가동부는 기판과 대향하는 부위에, 가동 구동 전극 및 가동 용량 전극을 갖는다. 양쪽 구동 전극간에 전압이 인가되면, 정전력이 발생하고, 양쪽 용량 전극의 간격이 좁아진다. 양쪽 용량 전극에 의한 용량은, 고주파 전송 선로에 대하여 병렬적으로 설치된다. 판스프링의 복원력보다 큰 정전력을 발생하는 소정 전압(풀인 전압)이 양쪽 구동 전극간에 인가되면, 양쪽 용량 전극의 간격이 가장 좁아져, 양쪽 용량 전극간의 용량이 최대가 되고, 입력된 고주파 신호가 접지 도체에 션트되어, 이 스위치가 오프 상태가 된다. 한편, 양쪽 구동 전극간에 전압을 인가하지 않으면, 양쪽 구동 전극간에 정전력이 발생하지 않게 되고, 스프링의 복원력에 의해 가동부가 초기의 위치까지 되돌아오며, 양쪽 용량 전극의 간격이 커져, 양쪽 용량 전극에 의한 용량이 작아진다. 입력된 고주파 신호는, 접지 도체에 션트되지 않고 전송되어, 이 스위치가 온 상태가 된다. 이와 같이, 양쪽 구동 전극간의 전압을 제어함으로써, 이 스위치의 온/오프를 전환할 수 있다.
이러한 종래의 병렬형 스위치에서는, 온시의 양쪽 용량 전극의 간격이 큰 쪽이 용량이 작아지기 때문에, 이 스위치에 의한 삽입 손실을 낮출 수 있다. 또한, 오프시의 양쪽 용량 전극의 간격을 가능한 한 좁게 한 쪽이 용량이 커지기 때문에 고주파 신호의 차단 특성(아이솔레이션)을 높일 수 있다. 이 때문에, 병렬형 스위치에서는 초기의 양쪽 용량 전극의 간격을 크게 하는 것이 바람직하고, 가동 구동 전극은 크게 이동하는 것이 바람직하다. 이것은, 구동 전압을 상승시키는 하나의 원인이 된다. 이와 같이, 종래의 병렬형 스위치에서는, 신호 통과 특성의 관점에서, 초기의 양쪽 구동 전극의 간격을 크게 설계하여, 구동 전압을 크게 하지 않을 수가 없었다.
이상과 같이, 정전 구동 방식을 채용한 종래의 MEMS형 RF 스위치는, 직렬형 스위치 및 병렬형 스위치 중 어느 하나여도, 신호 통과 특성이나 신뢰성의 관점에서, 높은 구동 전압을 필요로 한다. 따라서, 종래의 MEMS형 RF 스위치는, 수 V 정도 이하의 낮은 전압으로 구동하는 것이 요구되는 휴대 단말 등에 대하여 탑재하는 것이 곤란했다. 또한, 직렬형 스위치는 RF 스위치로서 이용되는 경우뿐만 아니라, 직류 신호나 저주파 신호를 스위칭하기 위한 스위치로서 이용되는 경우에서도, 높은 구동 전압이 필요한 것에는 변함이 없다.
본 발명은, 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 정전력을 이용하여 용량을 가변으로 하면서, 가변 용량비를 높일 수 있는 가변 커패시터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 정전 구동 방식을 채용하는 데에도 상관없이, 특별한 문제점을 발생시키지 않고, 구동 전압을 작게 할 수 있는 마이크로스위치 및 그 구동 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 풀인 전압보다 작은 구동 전압의 범위에서, 종래의 것과 동등 또는 그 이상의 이동 범위에서의 구동이 가능한 전자 소자, 가변 커패시터, 마이크로스위치, 마이크로스위치의 구동 방법, 및 MEMS형 전자 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
(발명의 개시)
또한, 본 발명의 제1 형태에 따르면, 고정부와, 이 고정부에 대하여 이동할 수 있고 소정 위치에 복귀하고자 하는 스프링력이 생기도록 설치된 가동부를 구비하고, 상기 고정부는 제1 구동 전극 및 제1 신호 전극을 가지며, 상기 가동부는 제2 구동 전극 및 제2 신호 전극을 가지며, 상기 제1 구동 전극 및 상기 제2 구동 전극 사이에 인가되는 전압에 의해 상기 제1 구동 전극 및 상기 제2 구동 전극 사이에, 정전력이 상기 스프링력에 대항하도록 발생하고, 상기 제1 구동 전극 및 상기 제2 구동 전극 사이에 발생하는 상기 정전력이, 상기 제1 신호 전극 및 상기 제2 신호 전극의 간격이 넓어지는 방향으로 발생하도록, 상기 제1 구동 전극, 상기 제2 구동 전극, 상기 제1 신호 전극 및 상기 제2 신호 전극이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 전자 소자가 제공된다.
이 본 발명에 따른 전자 소자에서는, 풀인 전압보다 작은 구동 전압의 범위에서, 종래의 것과 동등 또는 그 이상의 이동 범위에서의 구동이 가능하다.
또한, 본 발명의 제2 형태에 따르면, 고정부와, 이 고정부에 대하여 이동할 수 있고 소정 위치에 복귀하고자 하는 스프링력이 발생하도록 설치된 가동부를 포함하고, 상기 고정부는 제1 구동 전극 및 제1 용량 전극을 가지며, 상기 가동부는 제2 구동 전극 및 제2 용량 전극을 가지며, 상기 제1 구동 전극 및 상기 제2 구동 전극 사이에 인가되는 전압에 의해 상기 제1 구동 전극 및 상기 제2 구동 전극 사이에, 정전력이 상기 스프링력에 대항하도록 발생하고, 상기 제1 구동 전극 및 상기 제2 구동 전극 사이에 발생하는 상기 정전력이, 상기 제1 용량 전극 및 상기 제2 용량 전극의 간격이 넓어지는 방향으로 발생하도록, 상기 제1 구동 전극, 상기 제2 구동 전극, 상기 제1 용량 전극 및 상기 제2 용량 전극이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 가변 커패시터가 제공된다.
또한, 본 발명에 따른 가변 커패시터에 있어서, 상기 제1 구동 전극 및 상기 제2 구동 전극 사이에 상기 정전력이 발생하지 않은 상태에서, 상기 제1 용량 전극 및 상기 제2 용량 전극의 간격이 상기 제1 구동 전극 및 상기 제2 구동 전극의 간격보다 좁아져 있어도 좋다.
또한, 본 발명에 따른 가변 커패시터에 있어서, 상기 고정부 또는 상기 가동부에, 상기 제1 용량 전극 및 제2 용량 전극의 최소 간격을 규정하는 돌기를 설치할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 가변 커패시터에 있어서, 상기 제1 용량 전극 및 상기 제2 용량 전극에 의해, 출력으로서 이용해야 하는 용량을 형성할 수 있다.
이상의 본 발명에 따른 가변 커패시터에서는, 정전력을 이용하여 용량을 가변으로 하면서, 가변 용량비를 높일 수 있다. 또한, 풀인 전압보다 작은 구동 전압의 범위에서, 종래의 것과 동등하거나 또는 그 이상의 이동 범위에서의 구동이 가능하다.
또한, 본 발명의 제3 형태에 따르면, 전술한 제2 형태에 따른 가변 커패시터를 포함하고, 상기 제1 용량 전극 및 상기 제2 용량 전극에 의한 용량이 고주파 신호 전송부와 접지 도체 사이의 용량을 이루도록, 상기 제1 용량 전극 및 상기 제2 용량 전극이 설치되며, 상기 제1 용량 전극 및 상기 제2 용량 전극에 의한 용량의 대소에 따라서, 고주파 신호 전송부를 흐르는 고주파 신호의 스위칭 동작을 행하는 것을 특징으로 하는 마이크로스위치가 제공된다.
또한, 본 발명의 제4 형태에 따르면, 전술한 제3 형태에 따른 마이크로스위치의 구동 방법으로서, 상기 제1 용량 전극 및 상기 제2 용량 전극에 의한 용량을 작게 하고 있는 정상적인 상태에서, 상기 제1 구동 전극 및 상기 제2 구동 전극 사이에, 풀인 전압보다 작은 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 마이크로스위치의 구동 방법이 제공된다.
또한, 본 발명의 제5 형태에 따르면, 고정부와, 이 고정부에 대하여 이동할 수 있고 소정 위치에 복귀하고자 하는 스프링력이 발생하도록 설치된 가동부를 구비하며, 상기 고정부는 제1 구동 전극 및 제1 전기 접점을 가지며, 상기 가동부는 제2 구동 전극 및 제2 전기 접점을 가지며, 상기 제1 구동 전극 및 상기 제2 구동 전극 사이에 인가되는 전압에 의해 상기 제1 구동 전극 및 상기 제2 구동 전극 사이에, 정전력이 상기 스프링력에 대항하도록 발생하고, 상기 제1 구동 전극 및 상기 제2 구동 전극 사이에 발생하는 상기 정전력이, 상기 제1 전기 접점 및 상기 제2 전기 접점의 간격이 넓어지는 방향으로 발생하도록, 상기 제1 구동 전극, 상기 제2 구동 전극, 상기 제1 전기 접점 및 상기 제2 전기 접점이 배치되고, 상기 제1 구동 전극 및 상기 제2 구동 전극 사이에 소정의 크기의 상기 정전력이 발생하고 있는 상태에서, 상기 제1 전기 접점 및 상기 제2 전기 접점 사이에 일정한 간격이 생기는 한편, 상기 제1 구동 전극 및 상기 제2 구동 전극 사이에 상기 정전력이 생기지 않은 상태에서, 상기 제1 전기 접점 및 상기 제2 전기 접점이 서로 접촉하는 것을 특징으로 하는 마이크로스위치가 제공된다.
또한, 본 발명의 제6 형태에 따르면, 전술한 제5 형태에 따른 마이크로스위 치를 구동하는 방법으로서, 상기 제1 전기 접점 및 상기 제2 전기 접점에 간격을 발생시키고 있는 정상적인 상태에서, 상기 제1 구동 전극 및 상기 제2 구동 전극 사이에, 풀인 전압보다 작은 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 마이크로스위치의 구동 방법이 제공된다.
이상의 본 발명에 의하면, 정전 구동 방식을 채용하는 데에도 상관없이, 신호 통과 특성을 희생으로 하거나, 신뢰성을 희생으로 하는 등의 특별한 문제점을 발생시키지 않고, 구동 전압을 작게 할 수 있는 마이크로스위치 및 그 구동 방법을 제공할 수 있다. 또한, 풀인 전압보다 작은 구동 전압의 범위에서, 종래의 것과 동등하거나 또는 그 이상의 이동 범위에서의 구동이 가능하다.
또한, 본 발명의 제7 형태에 따르면, 기판과, 상기 기판과 소정의 간격으로 이격하도록 상기 기판 위에 배치되고, 제1 신호 전극을 갖는 고정판과, 제2 신호 전극을 갖는 가동부와, 상기 기판과 상기 고정판 사이에 상기 가동부가 위치하며 상기 제1 신호 전극과 상기 제2 신호 전극이 대향하도록, 상기 기판에 대하여 상기 가동부를 반대측으로부터 지지하는 복수의 판스프링부와, 각 상기 판스프링부에 배치되는 복수의 제2 구동 전극과, 상기 기판에 있어서, 상기 복수의 제2 구동 전극과 대응하는 위치에 배치되는 제1 구동 전극을 가지며, 상기 판스프링부는, 2층 이상의 막을 적층함으로써 형성되고, 상기 가동부 및 그것을 반대측으로부터 지지하는 상기 복수의 판스프링부의 전체가, 상기 기판으로부터 상기 고정판을 향해 볼록하게 만곡되어 있는 것을 특징으로 하는 MEMS형 전자 소자가 제공된다.
또한, 본 발명에 따른 MEMS형 전자 소자에 있어서, 상기 판스프링부는, 상기 제2 구동 전극의 상측에서 인장 스트레스가 잔류하도록 성막되는 상측의 박막과, 상기 제2 구동 전극의 하측에서 압축 스트레스가 잔류하도록 성막되는 하측의 박막을 가지며, 이들 스트레스에 의해 발생하는 응력에 의해 상기 기판으로부터 상기 고정판을 향해 볼록하게 만곡되어 있어도 좋다.
또한, 본 발명에 따른 MEMS형 전자 소자에 있어서, 상기 고정판은, 상기 기판으로부터 상기 고정판을 향해 볼록하게 만곡되어 있는 상기 가동부를 상기 기판측으로 밀어 내리는 높이에 배치될 수 있다.
이상의 본 발명에 따른 MEMS형 전자 소자에서는, 풀인 전압보다 작은 구동 전압의 범위에서, 종래의 것과 동등하거나 또는 그 이상의 이동 범위에서의 구동이 가능하다.
도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 의한 가변 커패시터를 모식적으로 도시하는 개략 평면도이다.
도 2는 구동 전극간에 정전력이 생기지 않은 상태에서의 도 1중의 선 Y1-Y2를 따라 취한 개략 단면도이다.
도 3은 구동 전극간에 정전력이 생기는 상태에서의 도 1중의 선 Y1-Y2를 따라 취한 개략 단면도이다.
도 4는 도 1중의 선 Y3-Y4를 따라 취한 개략 단면도이다.
도 5의 (a) 및 (b)는 도 1에 도시하는 가변 커패시터의 제조 방법을 도시하는 공정도이다.
도 6의 (a) 및 (b)는 도 5에 계속되는 공정을 도시하는 공정도이다.
도 7의 (a) 및 (b)는 도 6에 계속되는 공정을 도시하는 공정도이다.
도 8의 (a) 및 (b)는 도 7에 계속되는 공정을 도시하는 공정도이다.
도 9의 (a) 및 (b)는 도 8에 계속되는 공정을 도시하는 공정도이다.
도 10의 (a) 및 (b)는 도 9에 계속되는 공정을 도시하는 공정도이다.
도 11의 (a) 및 (b)는 도 10에 계속되는 공정을 도시하는 공정도이다.
도 12의 (a) 및 (b)는 도 11에 계속되는 공정을 도시하는 공정도이다.
도 13은 도 1에 도시하는 가변 커패시터의 전기 회로를 도시하는 도면이다.
도 14는 본 발명의 제2 실시형태에 의한 마이크로스위치를 모식적으로 도시하는 개략 평면도이다.
도 15는 구동 전극간에 정전력이 생기지 않은 상태에서의 도 14중의 선Y5-Y6-Y7-Y8을 따라 취한 개략 단면도이다.
도 16은 구동 전극간에 정전력이 생기는 상태에서의 도 14중의 선 Y5-Y6-Y7-Y8을 따라 취한 개략 단면도이다.
도 17은 도 14중의 선 Y9-Y10을 따라 취한 개략 단면도이다.
도 18은 도 14중의 선 X1-X2을 따라 취한 개략 단면도이다.
도 19는 고주파 신호에 착안한 도 14에 도시하는 마이크로스위치의 전기 회로를 도시하는 도면이다.
도 20의 (a) 및 (b)는 도 14의 마이크로스위치에 있어서, 도 8에 계속되는 공정을 도시하는 공정도이다.
도 21의 (a) 및 (b)는 도 20에 계속되는 공정을 도시하는 공정도이다.
도 22는 도 21에 계속되는 공정을 도시하는 공정도이다.
도 23의 (a) 및 (b)는 도 22에 계속되는 공정을 도시하는 공정도이다.
도 24는 본 발명의 제3 실시형태에 의한 마이크로스위치를 모식적으로 도시하는 개략 평면도이다.
도 25는 구동 전극간에 정전력이 생기지 않은 상태에서의 도 24중의 선 Y11-Y12를 따라 취한 개략 단면도이다.
도 26은 구동 전극간에 정전력이 생기는 상태에서의 도 24중의 선Y11-Y12를 따라 취한 개략 단면도이다.
도 27은 고주파 신호에 착안한 도 24에 도시하는 마이크로스위치의 전기 회로를 도시하는 도면이다.
도 28의 (a) 및 (b)는 도 24에 도시하는 마이크로스위치의 제조방법을 도시하는 공정도이다.
도 29의 (a) 및 (b)는 도 28에 계속되는 공정을 도시하는 공정도이다.
(발명을 실시하기 위한 최선의 형태)
이하, 본 발명을 실시하는 최선의 실시형태에 대해서, 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은, 이하에 설명하는 실시형태에 한정되지 않는다. 제1 실시형태에서는, 전자 소자 및 MEMS형 전자 소자의 예로서, 가변 커패시터의 실시형태를 설명한다. 제2 실시형태에서는, 개폐식의 직렬형의 마이크로스위치를 설명한다. 제3 실시 형태에서는 신호선에 대하여 병렬로 접속된 가변 커패시터에 의한 병렬형의(고주파용의) 마이크로스위치를 설명한다.
[제1 실시형태]
도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 의한 가변 커패시터(1)를 모식적으로 도시하는 개략 평면도이다. 도 2 및 도 3은 각각 도 1중의 선 Y1-Y2를 따라 취한 개략 단면도이다. 도 2는 구동 전극(32, 33)간에 정전력이 발생하지 않은 상태를 도시하고 있다. 도 3은 구동 전극(32, 33)간에 정전력이 발생하는 상태를 도시하고 있다. 도 4는 도 1중의 선 Y3-Y4를 따라 취한 개략 단면도이다.
설명의 편의상, 도 1 내지 도 4에 도시하는 바와 같이, 서로 직교하는 X축, Y축 및 Z축을 정의한다. 가변 커패시터(1)의 기판(11)의 면이 XY 평면과 평행으로 되어 있다. 또한, Z 방향 중 화살표 방향을 +Z 방향 또는 +Z측, 그 반대 방향을 -Z 방향 또는 -Z측이라고 부르고, X 방향 및 Y 방향에 대해서도 마찬가지로 한다. 또한 Z 방향의 +측을 상측, Z 방향의 -측을 하측이라고 하는 경우가 있다.
또한, 이하에 설명하는 재료 등은 예시이고, 그 재료 등에 한정되는 것이 아니다.
제1 실시형태에 의한 가변 커패시터(1)는, 실리콘 기판 등의 기판(11)과, 기판(11)의 위쪽에 배치된 가동판(피구동부)(12)과, 가동판(12)의 위쪽에 가동판(12)과 대향하도록 배치된 고정판(13)을 구비한다. 가동판(12) 및 고정판(13) 외, 기판(11) 이외의 후술하는 각 구성 요소는, 박막으로 구성되어 있다. 또한, 도 2에 도시하는 범위에서, 기판(11)의 길이는 약 0.5 ㎜ 내지 2.0 ㎜이다. 또한, 기 판(11)은, 도 2에 도시하는 범위보다 크게 형성되고, 도 2에 도시하는 것 이외의 부분에 도시하지 않는 다른 전자 소자(예컨대 트랜지스터, 저항소자, 코일소자 등)가 형성되어 있어도 좋다.
제1 실시형태에서는, 가동판(12)은 4개의 단책형(短冊形)의 판스프링부(14)에 의해 고정판 위에서 변위 가능하게 지지되어 있다. 각 판스프링부(14)의 일단은, 접속부(15)를 통해 가동판(12)에 접속된다. 접속부(15)는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 판스프링부(14)보다 폭이 좁게 구성되고 후술하는 바와 같이 단층의 Al막(23)에 의해 형성되어 있기 때문에, 다른 부분보다 휘어지기 쉽고, 이 때문에 어느 정도 기계적인 자유도를 갖는다. 각 판스프링부(14)의 타단은, 다리부(앵커부)(17)에 의해 기판(11)에 고정된다. 다리부(17)는, 기판(11) 위에 형성된 Al막을 형성하는 배선 패턴(16)(도 1에서는 생략)을 통해 기판(11)으로부터 세워지는 기립부를 갖는다. 배선 패턴(16)은, 기판(11)에 형성된 절연막으로서 기능하는 하측의 SiN막(실리콘산화막)(18)과, 보호막으로서 기능하는 상측의 SiN막(19) 사이에 형성되어 있다.
각 판스프링부(14)는, 후술하는 구동 전극(32, 33)간에 정전력이 생기지 않은 경우, 도 2에 도시하는 바와 같이 위쪽으로(+Z 방향) 만곡한다. 제1 실시형태에서는 가동판(12), 판스프링부(14) 및 접속부(15)는 기판(11) 등의 고정부에 대하여 상하 방향으로 이동(변위)할 수 있고 도 2에 도시하는 상측 위치에 복귀하고자 하는 스프링력이 생기도록 설치되어 있으며, 가동부를 구성한다. 2조의 판스프링부(14), 접속부(15) 및 다리부(17)는 가동판(12)에 대하여 도 1에 도시하는 바와 같이 배치(Y 방향의 양측에 배치)된다. 즉, 각 조의 2개의 판스프링부(14)는 가동판(12)의 Y 방향 양측을 지지하고 있다. 이것에 의해, 가동판(12)의 양측에서 고르게 스프링력이 발생하기 때문에, 가동판(12)은, 기판(11)에 대하여 평행한 상태를 유지한 채로 상하로 이동할 수 있다. 가동판(12), 판스프링부(14) 및 접속부(15) 이외의 요소[기판(11), 고정판(13) 등]는 고정부를 구성한다.
가동판(12)은, 도 2 및 도 3에 도시하는 바와 같이, SiN막(21), Al막(22), Al막(23) 및 SiN막(24)이 하측으로부터 순서대로 적층된 구성을 갖는다. 상측의 SiN막(24)은, 후술하는 돌기(35)에 대응하는 지점에 개구를 갖는다. 제1 실시형태에서는, 가동판(12)에서의 Al막(22, 23)은, 가동측 용량 전극(제2 용량 전극)(31)을 구성한다. 가동판(12)의 주위 부근(외주부)에는, 도 2 및 도 3에 도시하는 바와 같이, 보강을 위한 단차(12a)가 형성된다. 이 단차(12a)는, 대략 사각형의 가동판(12)(가동 전극)의 외주부의 전체 둘레에 걸쳐 형성되어 있다. 이 때문에 가동판(12)은, 그 자체의 내부 응력에 의해 변형하기 어렵고, 스프링력에 의해 만곡하기 어려우며, 강한 스프링력이 생기는 상황 하에서도 대략 평면 상태를 유지할 수 있다.
단차(12a)의 외측에서 가동판(12)과 접속되는 접속부(15)는, 도 2 및 도 3에 도시하는 바와 같이, SiN막(28), Al막(23) 및 SiN막(24)이 하측으로부터 순서대로 적층된 구조를 갖는다. Al막(23) 및 SiN막(24)은, 가동판(12)으로부터 그대로 연속하여 연장되어 있다. 접속부(15)에서의 금속막은 Al막(23)의 1층이고, 2층의 Al막[23, 22(23, 26)]보다 구부러지기 쉽다.
접속부(15)에 의해 가동판(12)과 접속되는 판스프링부(14)은 SiN막(25), Al막(26), Al막(23) 및 SiN막(24)이 하측으로부터 순서대로 적층된 구조를 갖는다. Al막(23) 및 SiN막(24)은, 접속부(15)로부터 그대로 연속하여 연장되어 있다. 이들 막(25, 26, 23, 24)의 내부 응력에 의해서, 판스프링부(14)는 후술하는 구동 전극(32, 33)간에 정전력이 생기지 않은 상태에서, 도 2에 도시하는 바와 같이 위쪽(+Z 방향)으로 만곡한다. 판스프링부(14)에서의 Al막(23, 26), 특히 고정측 구동 전극(32)과 대향하는 영역의 Al막(23, 26)이, 가동측 구동 전극(제2 구동 전극)(33)이다.
막(25, 26, 23, 24)의 내부 응력은, 예컨대 판스프링부(14)에서 적층되는 2개의 SiN막(24, 25) 중, 금속막(26, 23)의 하측의 막(25)을 컴프레시브 스트레스(Compressive stress: 압축 스트레스)가 잔류하도록 성막하고, 금속막(26, 23)의 상측의 막(24)을 텐실 스트레스(Tensile stress: 인장 스트레스)가 잔류하도록 성막하면 좋다. 2개의 SiN막(24, 25)의 스트레스를 변화시키기 위해서는, 예컨대 성막시의 가스 성분비나 전력을 바꿈으로써 달성할 수 있다. 또한, 이 예에서는 2개의 막(24, 25)은 SiN으로부터 형성되지만, 이들을 서로 상이한 재료(예컨대 SiO2와 SiN)로 하여도 좋다. 이것에 의해, 판스프링부(14)는 후술하는 바와 같이 희생층을 제거하면, 위쪽으로 만곡한다. 이 외에도 예컨대 판스프링부(14)에서 Al막을 3층 이상으로 형성함으로써, 위쪽으로 만곡시키도록 하여도 좋다. 그 외에도 예를 더 들면, 하측의 막(25)의 성막 면적과 상측의 막(24)의 성막 면적을 상이하게 하고, 이것에 의해 위쪽으로 만곡시키도록 하여도 좋다.
판스프링부(14)의 타단은 다리부(17)에 접속된다. 다리부(17)는, SiN막(25), Al막(26), Al막(23) 및 SiN막(24)이 하측으로부터 순서대로 적층된 구조를 갖는다. SiN막(25), Al막(26), Al막(23) 및 SiN막(24)은, 판스프링부(14)를 구성하는 것이 그대로 연속하여 연장되어 있다. SiN막(25)은, 기판(11)과 접촉하는 부분에서 개구를 가지며, Al막(26)은, 이 개구를 통해 기판(11)의 배선 패턴(16)과 전기적으로 접속된다. 다리부(17)의 기립 부분의 외주면에는, 도 2 및 도 3에 도시하는 바와 같이, 보강을 위한 단차(17a)가 형성된다.
가동측 구동 전극(제2 구동 전극)(33)으로서 기능하는 판스프링부(14)의 아래쪽에는, 판스프링부(14)와 대향하는 영역에서, Al막을 포함하는 고정측 구동 전극(제1 구동 전극)(32)이 형성된다. 고정측 구동 전극(32)은, 기판(11) 위의 SiN막(18, 19) 사이에 형성되어 있다. 판스프링부(14)에서의 Al막(23, 26), 특히 고정측 구동 전극(32)과 대향하는 영역의 Al막(23, 26)이, 가동측 구동 전극(제2 구동 전극)(33)을 구성한다. 구동 전극(32, 33)간에 전압을 인가하면, 구동 전극(32, 33)간에 정전력이 생긴다. 가동부[판스프링부(14), 접속부(15) 및 가동판(12)]는 도 3에 도시하는 바와 같이, 아랫쪽으로 이동하고, 그 정전력과 판스프링부(14)에 의한 스프링력이 균형잡힌 위치에 정지한다.
이상의 설명으로부터 명백한 바와 같이, 제1 실시형태에서는 가동측 용량 전극(31) 및 가동측 구동 전극(33)은, 서로 전기적으로 공통으로 접속되고, 다리부(17)에서 기판(11)의 동일 배선 패턴(16)에 접속된다. 단, 양쪽 전극(31, 33)은 전기적으로 분리되어 있어도 좋다. 예컨대 판스프링부(14)에, 가동측 용량 전극(31)을 기판(11)의 배선 패턴(16)에 접속하기 위한 도체막을 가동측 구동 전극(33)과는 별도로 형성하고, 이 별도의 도체막을 가동측 구동 전극(33)과는 상이한 배선 패턴(16)에 전기적으로 접속함으로써, 양쪽 전극(31, 33)을 전기적으로 분리할 수 있다.
고정판(13)은, 도 1 내지 도 3에 도시하는 바와 같이, 가동판(12)의 위쪽에 가동판(12)과 대향하도록 배치된다. 고정판(13)은, 도 1 및 도 4에 도시하는 바와 같이, 4개의 지지부(41)에 의해 기판(11)에 대하여 움직이지 않도록 기판(11)에 고정된다. 고정판(13)은, 기본적으로 Al막(27)을 포함한다. Al막(27)은, 고정측 용량 전극(제1 용량 전극)(34)으로서 기능한다. 고정판(13)은 돌기(35)를 갖는다. 돌기(35)는 Al으로 구성되고, 고정판(13)의 하면으로부터 아래쪽으로 돌출한다. 돌기(35)와 Al막(27)[고정측 용량 전극(34)] 사이에는, 이들을 전기적으로 절연하기 위한 SiN막을 포함하는 돌기 유지 부재(36)가 배치된다. 도 2에 도시하는 바와 같이, 스프링력에 의해 위쪽으로 만곡하는 가동판(12)은, 구동되어 있지 않은 상태에 있어서, 돌기(35)와 접촉한다. 이 접촉 상태에서, 가동측 용량 전극(31)과 고정측 용량 전극(34)과의 간격은 최소가 된다. 또한, 돌기(35)에 의해 고정판(13)과 가동판(12)과의 접촉 면적이 작아지기 때문에, 가동판(12)이 고정판(13)에 접합하여 떨어지지 않게 되는 스티킹이라고 불리는 현상이 생길 우려를 저감할 수 있다. 단, 본 발명에서는, 돌기(35)는 반드시 설치할 필요는 없다. 또한, 이러한 돌기(35)는 가동판(12)측에 설치하여도 좋다.
고정판(13)을 기판(11)으로부터 이격한 위치에 지지하는 각 지지부(41)는, 2개의 다리부(앵커)(41a)와, 지지 본체(41b)와, 접속부(41c)를 갖는다. 다리부(앵커)(41a)는, 기판(11) 위에 형성된 Al막을 포함하는 배선 패턴(20)(도 1에서는 생략)을 통해 기판(11)으로부터 세워지는 기립부를 갖는다. 지지 본체(41b)는 다리부(41a)에 의해 기판(11)에 대하여 고정된다. 접속부(41c)는 지지 본체(41b)와 고정판(13)을 접속한다. 배선 패턴(20)은, 기판(11)에 형성된 SiN막(18, 19) 사이에 형성된다.
접속부(41c)는, 도 4에 도시하는 바와 같이, 고정판(13)의 고정측 용량 전극(34)을 구성하는 Al막(27)이 그대로 연속하여 연장되는 것에 의해 구성된다. 지지 본체(41b)는, SiN막(51), Al막(52), Al막(53), SiN막(54) 및 Al막(27)이 아래쪽으로부터 순서대로 적층된 구조를 갖는다.
Al막(27)은, 접속부(41c)로부터 그대로 연속하여 연장되어 있다. SiN막(54)과 Al막(27) 사이에는, 공극(91)이 형성된다.
다리부(41a)는, 지지 본체(41b)를 구성하는 SiN막(51), Al막(52), Al막(53), Al막(27)이 그대로 연속하여 연장되는 것에 의해 구성되어 있다. Al막(51)은, 다리부(41a)에서 SiN막(51)에 형성된 개구를 통해 배선 패턴(20)에 전기적으로 접속되어 있다. 또한, Al막(27)은 다리부(41a)에서 SiN막(54)에 형성된 개구를 통해 Al막(53)에 전기적으로 접속되어 있다. 다리부(41a)가 세워진 주위 부근에는, 보강을 위한 단차가 형성되어 있다. 이것에 의해, 고정측 용량 전극(34)은 기판(11)의 배선 패턴(20)과 전기적으로 접속된다.
용량 전극(31, 34)간에, 출력으로서 이용해야 하는 용량이 형성된다. 따라서, 용량 전극(31, 34)에 각각 접속된 배선 패턴(16, 20)이 고주파 회로 등에 접속된다. 여기서, 제1 실시형태에 의한 가변 커패시터(1)의 전기 회로를, 도 13에 도시한다. 도 13에 도시하는 바와 같이, 제1 실시형태에 의한 가변 커패시터(1)는, 구동 전극(32, 33)간에 부여하는 직류적인 전압(예컨대 직류 전압, 전압의 직류 성분 등)에 의해 가동측 용량 전극(31)의 위치를 바꾼다. 이 위치의 변화에 의해, 용량 전극(31, 34)간의 용량은 변화한다. 그리고, 지지부(41)에 접속되는 배선 패턴(20)과 다리부(앵커부)(17)에 접속되는 배선 패턴(16) 사이의 용량이 변화된다. 구체적으로는, 구동 전극(32, 33)간에 구동 전압을 부여하지 않는 상태에서는, 도 2에 도시하는 바와 같이, 용량 전극(31)이 돌기(35)에 접촉하고, 용량 전극(31, 34)의 간격은 최소가 되며, 지지부(41)(도 1 참조)와 다리부(앵커부)(17) 사이[즉, 배선 패턴(16)과 배선 패턴(20)과의 사이]에 형성되는 가변 커패시터(1)의 용량은 최대가 된다. 또한, 구동 전극(32, 33)간에 소정의 직류적인 전압을 부여하면, 도 3에 도시하는 바와 같이, 스프링력에 대항하여 용량 전극(31, 34)의 간격이 넓어지고, 지지부(41)와 다리부(앵커부)(17) 사이[즉, 배선 패턴(16)과 배선 패턴(20)과의 사이]에 형성되는 가변 커패시터(1)의 용량은 작아진다. 또한, 도 3의 상태에서는, 구동 전극(32, 33)간의 이동 거리가 초기 위치로부터 1/3까지의 범위이기 때문에, 이 이동 상태에서는 소위 풀인 현상은 발생하지 않는다.
제1 실시형태에서는, 구동 전극(32, 33)간에 정전력이 생기지 않은 경우, 도 2에 도시하는 바와 같이, 가동판(12)이 고정판(13)의 돌기(24)에 접촉한다. 또한 그 때의 판스프링부(14)의 스프링력에 의해 가동판(12)이 돌기(35)에 압박되는 힘이 충분히 작아지도록, 판스프링부(14)의 응력 등이 설정되어 있다. 그리고, 제1 실시형태에서는, 이 도 2에 도시하는 상태에서, 용량 전극(31, 34)의 간격이 충분히 작아지도록 설계되어 있다. 이 간격은 적어도 구동 전극(32, 33)의 간격(제1 실시형태에서는, 평균 간격)보다 좁다. 가변 용량비를 높이기 위해서는, 구동 전극(32, 33)간에 정전력이 생기지 않은 상태에서의 용량 전극(31, 34)의 간격이 좁으면 좁을수록 바람직하다.
다음에, 제1 실시형태에 의한 가변 커패시터(1)의 제조방법의 일례에 대해서, 도 5 내지 도 12를 참조하여 간단히 설명한다. 도 5 내지 도 12는, 이 제조방법의 각 공정을 각각 모식적으로 도시하는 개략 단면도이고, 도 2 및 도 3의 거의 좌측 절반에 대응하고 있다. 이 제조방법은, 반도체 프로세스에 의해 MEMS를 제조하는 방법이다.
우선, 실리콘 기판(11)의 상면에 열산화에 의해 SiN막(18)을 성막한다. 그 위에 Al막을 증착 또는 스퍼터법 등에 의해 디포지션한다[도 5(a)]. 그 후, 포토리소에칭법에 의해, 그 Al막을 고정측 구동 전극(32), 배선 패턴(16, 20) 및 그 외의 배선 패턴의 형상으로 패터닝한다[도 5의 (b)].
계속해서, 도 5의 (b)에 도시하는 상태의 기판 위에, SiN막을 플라즈마 CVD법 등에 의해 디포지션한다. 소정의 포토리소에칭 공정을 실시하여, 그 SiN막을 상기 SiN막(19)의 형상으로 패터닝한다[도 6의 (a)]. 그 후, 희생층이 되는 포토레지스트(101, 102)를 코팅하고, 이들 포토레지스트(101, 102)에 소정의 포토리소에칭 공정을 실시한다[도 6의 (b)].
계속해서, 보강용 단차를 형성하기 위한 희생층이 되는 포토레지스트(103)를 코팅한다. 이것에 소정의 포토리소에칭 공정을 실시한다[도 7의 (a)].
그 후, 도 7의 (a)에 도시하는 상태의 기판 위에, SiN막을 플라즈마 CVD법 등에 의해 디포지션한다. 소정의 포토리소에칭 공정을 실시하여, 그 SiN막을 상기 SiN막(21, 25, 51)의 형상으로 패터닝한다[도 7의 (b)].
다음에, 도 7의 (b)에 도시하는 상태의 기판 위에, Al막을 스퍼터링 등에 의해 성막한다. 그 Al막을 상기 Al막(22, 26, 52)의 형상으로 패터닝한다[도 8의 (a)].
계속해서, 도 8의 (a)에 도시하는 상태의 기판 위에, SiN막을 플라즈마 CVD법 등에 의해 디포지션한다. 소정의 포토리소에칭 공정을 실시하여, 그 SiN막을 접속부(15)의 하측의 SiN막(28)의 형상으로 패터닝한다[도 8의 (b)].
계속해서, 도 8의 (b)에 도시하는 상태의 기판 위에, Al막을 스퍼터링 등에 의해 성막한다. 그 Al막을 상기 Al막(23, 53)의 형상으로 패터닝한다[도 9의 (a)].
그 후, 도 9의 (a)에 도시하는 상태의 기판 위에, SiN막을 플라즈마 CVD법 등에 의해 디포지션한다. 소정의 포토리소에칭 공정을 실시하고, 그 SiN막을 상기 SiN막(21, 25, 54)의 형상으로 패터닝한다[도 9의 (b)].
다음에, 구멍을 메우기 위해, 희생층이 되는 포토레지스트(104)를 코팅한다. 이것에 소정의 포토리소에칭 공정을 실시한다[도 10의 (a)].
계속해서, 희생층이 되는 포토레지스트(105)를 코팅한다. 이것에 소정의 포 토리소에칭 공정을 실시한다[도 10의 (b)].
계속해서, 보강용 단차를 형성하기 위한 희생층이 되는 포토레지스트(1O6)를 코팅한다. 이것에 소정의 포토리소에칭 공정을 실시한다[도 11의 (a)].
그 후, 도 11의 (a)에 도시하는 상태의 기판 위에, Al막을 스퍼터링 등에 의해 성막한다. 그 Al막을 상기 Al막(27) 및 돌기(35)의 형상으로 패터닝한다[도 11의 (b)].
다음에, 도 11의 (b)에 도시하는 상태의 기판 위에, SiN막을 플라즈마 CVD법 등에 의해 디포지션한다. 소정의 포토리소에칭 공정을 실시하여, 그 SiN막을 상기 돌기 유지 부재(36)의 형상으로 패터닝한다[도 12의 (a)].
마지막으로, 희생층인 포토레지스트(1O1∼1O6)를 산소 플라즈마로 애싱 제거한다[도 12의 (b)]. 이것에 의해, 제1 실시형태에 의한 가변 커패시터(1)가 완성된다. 또한 포토레지스트(101∼106)의 제거에 의해, 판스프링부(14)는 도 2에 도시하는 바와 같이 위쪽으로 만곡하지만, 도 12의 (b)에서는, 이해를 쉽게 하기 위해 판스프링부(14)를 만곡하지 않는 상태로 도시하고 있다.
또한, 포토레지스트(101∼106)의 제거 후에 상기 막(23∼26)의 내부 응력에 의해 판스프링부(14)가 도 2에 도시하는 바와 같이 위쪽으로 만곡하도록, 각 막(23∼26)의 성막 조건 등을 설정한다. 예컨대 전술과 같이, 판스프링부(14)에서 적층되는 2개의 SiN막(24, 25) 중의, 금속막(26, 23)의 하측의 막(25)을 컴프레시브 스트레스(Compressive stress: 압축 스트레스)가 잔류하도록 성막하고, 금속막(26, 23)의 상측의 막(24)을 텐실 스트레스(Tensile stress: 인장 스트레스)가 잔류하도 록 성막하면 좋다. 2개의 SiN막(24, 25)의 스트레스를 변화시키기 위해서는, 예컨대 성막시의 가스 성분비나 전력을 바꿈으로써 달성할 수 있다. 또한, 이 예에서는 2개의 막(24, 25)은 SiN으로부터 형성되지만, 이들을 서로 상이한 재료(예컨대 SiO2와 SiN)로 하도록 하여도 좋다. 이것에 의해, 판스프링부(14)는, 후술하는 바와 같이 희생층을 제거하면, 위쪽으로 만곡한다. 이 외에도 예컨대, 판스프링부(14)에 있어서 Al막을 3층 이상으로 형성함으로써, 위쪽으로 만곡시키도록 하여도 좋다. 그 외에도 예를 더 들면, 하측의 막(25)의 성막 면적과 상측의 막(24)의 성막 면적을 상이하게 하고, 이것에 의해 위쪽으로 만곡시키도록 하여도 좋다.
또한, 도면에는 도시하지 않지만, 포토레지스트(1O1∼1O6)의 제거를 완전히 행할 수 있도록, 적당한 지점에 에칭용 구멍을 마련해 둔다. 예컨대 고정판(13)의 고정측 용량 전극(34)을 구성하는 Al막(27)에는, 에칭용 구멍을 마련해 둔다.
또한, 고정판(13)을 지지하는 지지부(41)는, 도 5 내지 도 12에는 도시하지 않지만, 앞의 설명으로부터 이해되는 바와 같이, 도 5 내지 도 12에 도시하는 공정과 병행하여 동시에 형성된다.
제1 실시형태에서는, 앞의 설명으로부터 이해되는 바와 같이, 구동 전극(32, 33)과 용량 전극(31, 34)이 따로따로 설치되어 있다. 그리고 제1 실시형태에서는 고정측 구동 전극(32)이 상대적으로 아래에, 가동측 구동 전극(33)이 상대적으로 위에 배치되어 있는 데 대하여, 고정측 용량 전극(34)이 상대적으로 위에, 가동측 용량 전극(31)이 상대적으로 아래에 배치되어 있다. 구동 전극에서의 고정측(32)과 가동측(33)의 상하의 위치 관계와, 용량 전극에서의 고정측(34)과 가동측(31)의 상하의 위치 관계와는 반대이다. 이것에 의해, 제1 실시형태에서는 구동 전극(32, 33)간에 생기는 정전력이 가동 전극(31, 34)의 간격이 넓어지는 방향으로 생긴다.
따라서, 제1 실시형태에서는, 구동 전극(32, 33)간에 전압이 인가되지 않기 때문에 구동 전극(32, 33)간에 정전력이 생기지 않은 상태에서는, 도 2에 도시하는 바와 같이, 용량 전극(31, 34)의 간격은 최소가 되어, 용량 전극(31, 34)에 의한 정전 용량은 최대가 된다. 구동 전극(32, 33)간의 전압을 증대하면, 구동 전극(32, 33)의 간격이 초기 간격으로부터 그 약 3분의 1의 간격이 될 때까지는, 상기 스프링력과 구동 전극(32, 33)간에 생기는 정전력이 안정적으로 균형이 잡힌다. 이 때문에 도 3에 도시하는 바와 같이, 인가한 전압에 따라서 좁아진 전극(32, 33)의 간격에서 가동측 구동 전극(33)이 안정적으로 정지하고, 이것에 의해, 인가 전압의 크기에 따라서 넓어진 전극(31, 34)의 간격에 있어서, 가동측 용량 전극(31)이 안정적으로 정지한다.
소위 풀인 현상을 위해, 구동 전극(32, 33)의 간격을 연속적으로 조정할 수 있는 범위(즉, 간격이 구동 전압의 크기와 상관을 가지고 변화되는 범위)는, 초기 간격(최대 간격)부터 그 약 3분의 1의 간격까지의 범위(즉 초기 간격을 1로 했을 때, 약 0.67부터 1까지의 범위)로 한정된다. 그런데, 제1 실시형태에서는, 그 범위 내에서, 용량 전극(31, 34)의 간격이 최소가 되는 간격으로부터, 어느 정도 넓어진 간격까지 연속적으로 조정할 수 있다. 또한 가동판(12) 및 2조의 판스프링부(14)가 전체적으로 위로 볼록하게 만곡되어 있기 때문에, 가동판(12)으로부터 기판(11)까 지의 거리, 즉 가동판(12)의 가동 범위가, 예컨대 8 내지 5 마이크로미터로 확보된다. 구동 전극(32, 33)의 간격을 연속적으로 조정할 수 있는 이 범위는, 희생층의 제거에 의해 형성되는 종래의 가동 범위에 비해, 각별히 넓어져 있다.
따라서, 제1 실시형태에 의하면, 용량 전극(31, 34)간의 최소 간격[즉 구동 전극(32, 33)간에 전압이 인가되지 않기 때문에 구동 전극(32, 33)간에 정전력이 생기지 않은 상황에서의, 용량 전극(31, 34)의 간격]을 충분히 좁혀 놓으면, 풀인 현상의 제약을 받지 않고, 용량 전극(31, 34)의 간격을 제로에 가깝게 할 수 있으며, 또한 그 제로에 가까운 범위에서 용량 전극(31, 34)간의 용량을 연속적으로 조정할 수 있다. 이 때문에, 전술한 비특허 문헌 1에 개시된 가변 커패시터에 비해, 가변 용량비가 높아진다. 또한, 전술한 비특허 문헌 1에 개시된 가변 커패시터에 비해, 작은 면적으로써 동등한 용량을 얻는 것이 가능해지고, 그 용량을 기준으로서 용량을 크게 변화시킬 수 있다. 고성능인 가변 커패시터를 얻을 수 있다.
또한, 필요에 따라서, 구동 전극(32, 33)간에 이니셜 바이어스 전압을 인가하여, 용량 전극(31, 34)간의 초기 간격을 조정하도록 하여도 좋다.
이상, 본 발명의 제1 실시형태에 대해서 설명했지만, 본 발명은 이 제1 실시형태에 한정되는 것이 아니다.
예컨대, 각부의 막 구성(층수, 재료 등)은, 전술한 예에 한정되는 것이 아니다.
또한, 상기 제1 실시형태와는 상이하고, 고정측 구동 전극(32)을 상대적으로 위에, 가동측 구동 전극(33)을 상대적으로 아래에 배치하고, 고정측 용량 전극(34) 을 상대적으로 아래에, 가동측 용량 전극(31)을 상대적으로 위에 배치하도록 하여도 좋다. 이 변형예에서도, 구동 전극(32, 33)간에 생기는 정전력은, 가동 전극(31, 34)의 간격이 넓어지는 방향으로 생긴다.
상기 제1 실시형태에서는, 가동측 용량 전극(31)은 구동 전압을 인가하지 않는 초기 상태에서, 고정측 용량 전극(34)에 설치된 돌기(35)에 접촉하고, 가동판(12)은, 고정판(13)에 의해 아래쪽으로 약간 밀려 내려가 있다. 이것에 의해, 구동 전압을 인가하지 않는 초기 상태에 있어서, 초기 스프링력이 발생하고 있다. 이 외에도 예컨대, 가동측 용량 전극(31)은, 구동 전압을 인가하지 않는 초기 상태에서, 돌기(35)로부터 이격되는 위치로 되어 있어도 좋다. 단, 이와 같이 초기 상태에서 가동측 용량 전극(31)이 돌기(35)로부터 이격되어 있는 경우, 그 상태에서의 초기 용량값이 전술한 응력 등에 의한 제조 변동의 영향을 받기 쉬워진다. 이 때문에, 예컨대 초기 상태에서의 용량값의 정밀도가 중요해지는 용도에 있어서는, 초기 상태에서 가동판(12)이 고정판(13)에 의해 아래쪽으로 약간 밀려 내려가 변위하도록 하는 것이 좋다.
[제2 실시형태]
도 14는, 본 발명의 제2 실시형태에 의한 마이크로스위치(본 실시형태에서는, MEMS 스위치)(301)를 모식적으로 도시하는 개략 평면도이다. 도 15 및 도 16은, 각각 도 14중의 선 Y5-Y6-Y7-Y8를 따라 취한 단면을 -X측으로부터 +X측으로 본 개략 단면도이다. 도 15는 구동 전극(32, 33)간에 정전력이 생기지 않은 상태를 도시하고 있다. 도 16은 구동 전극(32, 33)간에 정전력이 생기는 상태를 도시하고 있 다. 도 17은 도 14중의 선 Y9-Y10을 따라 취한 개략 단면도이다. 도 18은 도 14중의 선 X1-X2를 따라 취한 개략 단면도이다.
설명의 편의상, 도 14 내지 도 18에 도시하는 바와 같이, 상호 직교하는 X축, Y축 및 Z축을 정의한다. 마이크로스위치(301)의 기판(11)의 면이 XY 평면과 평행해진다. 또한, Z 방향 중 화살표 방향을 +Z 방향 또는 +Z측, 그 반대 방향을 -Z방향 또는 -Z측이라고 부르고, X 방향 및 Y 방향에 대해서도 마찬가지로 한다. 또한, Z 방향의 +측을 상측, Z방향의 -측을 하측이라고 하는 경우가 있다.
또한, 이하에 설명하는 재료 등은 예시이고, 그 재료 등에 한정되는 것이 아니다.
제2 실시형태에 의한 마이크로스위치(301)는, 직렬형 스위치로서 구성된다. 이 마이크로스위치(301)는, 실리콘 기판 등의 기판(11)과, 기판(11)의 위쪽에 배치된 가동판(12)과, 가동판(12)의 위쪽에 가동판(12)과 대향하도록 배치된 고정판(13)을 구비한다. 가동판(12) 및 고정판(13) 외, 기판(11) 이외의 후술하는 각 구성 요소는, 박막으로 구성되어 있다.
제2 실시형태에서는, 가동판(12)은, 4개의 단책형의 판스프링부(14)에 의해 지지된다. 각 판스프링부(14)의 일단은, 접속부(15)를 통해 가동판(12)에 접속된다. 접속부(15)는, 도 14에 도시하는 바와 같이, 판스프링부(14)보다 폭이 좁게 구성됨으로써, 또한 후술하는 바와 같이 Al막(23)이 1층인 것에 의해, 다른 부분보다 휘어지기 쉽고, 또한 어느 정도 기계적인 자유도를 갖는다. 각 판스프링부(14)의 타단은, 다리부(앵커부)(17)에 의해 기판(11)에 고정된다. 다리부(앵커부)(17)는, 기판(11) 위에 형성된 Al막을 포함하는 배선 패턴(16)(도 14에서는 생략)을 통해, 기판(11)으로부터 세워지는 기립부를 갖는다. 배선 패턴(16)은, 기판(11)에 형성된 절연막을 이루는 하측의 SiN막(실리콘 산화막)(18)과, 보호막을 이루는 상측의 SiN막(19) 사이에 형성된다. 각 배선 패턴(16) 중 하나의 배선 패턴(16)은, 고주파 신호를 전송하는 전송선(200a)이고, 도시하지 않는 고주파 회로에 접속된다. 제2 실시 형태에서는, 도 14에 도시하는 바와 같이, 전송선(200a)의 양측에[전송선(200a)을 사이에 끼우도록], Al막을 포함하는 접지 도체 패턴(201)이 형성된다. 이것에 의해, 기판(11)에는 코플래너 전송선이 형성된다. 접지 도체 패턴(201)도 SiN막(18, 19) 사이에 형성된다. 접지 도체 패턴은, 접지되는 도체 패턴이다.
각 판스프링부(14)는, 후술하는 구동 전극(32, 33)간에 정전력이 생기지 않은 경우, 도 15에 도시하는 바와 같이 위쪽으로(+Z 방향) 만곡한다. 제2 실시형태에서는, 가동판(12), 판스프링부(14) 및 접속부(15)가 가동부를 구성한다. 이 가동부는, 기판(11) 등의 고정부에 대하여 상하 방향으로 이동할 수 있고, 도 15에 도시하는 상측 위치로 복귀하고자 하는 스프링력이 생기도록 설치되어 있다. 4조의 판스프링부(14), 접속부(15) 및 다리부(17)가 가동판(12)에 대하여 도 14에 도시하는 바와 같이 배치되는 것에 의해, 가동판(12)은, 기판(11)에 대하여 평행한 상태를 유지한 채로 상하 방향으로 이동할 수 있다. 가동판(12), 판스프링부(14) 및 접속부(15) 이외의 요소[기판(11), 고정판(13) 등]에 의해, 고정부가 구성된다.
가동판(12)은, 도 15 및 도 16에 도시하는 바와 같이, SiN막(21), Al막(22), Al막(23) 및 SiN막(24)이 하측으로부터 순서대로 적층된 구조를 갖는다. 상측의 SiN막(24)은, 후술하는 고정판(13)의 전기 접점(135)에 대응하는 지점에, 가동판(12)의 전기 접점(136)을 노출하기 위한 개구가 형성된다. 여기서는, 가동판(12)에서의 Al막(22, 23)을, 가동판 도체부(31)라고 부른다. 가동판(12)의 주위 부근(외주부)에는, 도 15 및 도 16에 도시하는 바와 같이, 보강을 위한 단차(12a)가 형성된다. 이 단차(12a)는, 대략 사각형의 가동판(12)(가동 전극)의 외주부의 전체 둘레에 걸쳐 형성된다. 이것에 의해, 가동판(12)은 스프링력에 의해 잘 만곡되지 않게 되어 있다.
접속부(15)는, 도 15 및 도 16에 도시하는 바와 같이, SiN막(28), Al막(23) 및 SiN막(24)이 하측으로부터 순서대로 적층된 구조를 갖는다. Al막(23) 및 SiN막(24)은, 가동판(12)으로부터 그대로 연속하여 연장되어 있다.
판스프링부(14)는, SiN막(25), Al막(26), Al막(23) 및 SiN막(24)이 하측으로부터 순서대로 적층된 구조를 갖는다. Al막(23) 및 SiN막(24)은, 접속부(15)로부터 그대로 연속하여 연장되어 있다. 이들 막(25, 26, 23, 24)의 내부 응력에 의해서, 판스프링부(14)는, 후술하는 구동 전극(32, 33)간에 정전력이 생기지 않은 경우, 도 15에 도시하는 바와 같이 위쪽으로(+Z 방향) 만곡한다.
가동측 구동 전극(제2 구동 전극)(33)으로서 기능하는 판스프링부(14)의 아래쪽에는, 판스프링부(14)와 대향하는 영역에서, Al막을 포함하는 고정측 구동 전극(제1 구동 전극)(32)이 형성된다. 고정측 구동 전극(32)은, 기판(11) 위의 SiN막(18, 19) 사이에 형성된다. 판스프링부(14)에서의 Al막(23, 26), 특히 고정측 구동 전극(32)과 대향하는 영역의 Al막(23, 26)이, 가동측 구동 전극(제2 구동 전 극)(33)을 구성한다. 구동 전극(32, 33)간에 전압을 인가하면, 구동 전극(32, 33)간에 정전력이 생긴다. 이것에 의해, 도 16에 도시하는 바와 같이, 가동부[판스프링부(14), 접속부(15) 및 가동판(12)]는, 아래쪽으로 이동하고, 그 정전력과 판스프링부(14)에 의한 스프링력이 균형잡힌 위치에 정지한다.
다리부(17)는, SiN막(25), Al막(26), Al막(23) 및 SiN막(24)이 하측으로부터 순서대로 적층된 구조를 갖는다. SiN막(25), Al막(26), Al막(23) 및 SiN막(24)은 판스프링부(14)를 구성하는 것이 그대로 연속하여 연장되어 있다. SiN막(25)은, 다리부(17)에서 개구를 가지며, Al막(26)은, 이 개구를 통해 배선 패턴(16)[그 중 하나는, 전송선(200a)]에 전기적으로 접속된다. 다리부(17)의 기립 부분의 외주에는, 도 15 및 도 16에 도시하는 바와 같이, 보강을 위한 단차(17a)가 형성된다.
이상의 설명으로부터 명백한 바와 같이, 제2 실시형태에서는, 가동판 도체부(31) 및 구동 전극(33)은, 서로 전기적으로 공통으로 접속되고, 다리부(17)에서 기판(11)의 동일 배선 패턴(16)[그 중의 하나는, 전송선(200a)]에 접속된다.
고정판(13)은, 도 14 내지 도 16에 도시하는 바와 같이 가동판(12)의 위쪽에 가동판(12)과 대향하도록 배치된다. 고정판(13)은, 도 14 및 도 17에 도시하는 바와 같이 4개의 지지부(41)에 의해 기판(11)에 대하여 움직이지 않도록 기판(11)에 고정된다. 고정판(13)은, 기본적으로, Al막(27)을 포함하는 고정판 도체부(34)로 구성된다. 고정판(13)은, 아래쪽으로 돌출한 Al막(27)을 포함하는 전기 접점(135)을 갖는다. 또한, 고정판 도체부(34)의 상면 및 하면에는, 전기 접점(135)의 지점을 제외하고 SiN막을 형성하여도 좋다. 전기 접점(135)은, 후술하는 바와 같이, 가 동판(12)의 전기 접점(136)과 접리한다. 제2 실시형태에서는, 가동판(12)의 전기 접점(136)은, 가동판 도체(12)에서의 고정판(13)의 전기 접점(135)과 접리하는 지점[구체적으로는, 전기 접점(135)에 대응하여 SiN막(24)에 형성된 개구를 통해 접점(135)과 대향하는 Al막(23)의 지점]이다. 따라서, 가동판(12)의 전기 접점(136)은, 가동판 도체부(31), 접속부(15), 판스프링부(14) 및 다리부(17)를 통해, 전송선(200a)과 전기적으로 접속된다.
각 지지부(41)는, 2개의 다리부(앵커)(41a)와, 지지 본체(41b)와, 접속부(41c)를 갖는다. 다리부(앵커)(41a)는, 기판(11)으로부터 세워지는 기립부를 갖는다. 지지 본체(41b)는, 이들 다리부(41a)에 의해 기판(11)에 대하여 고정된다. 접속부(41c)는, 지지 본체(41b)와 고정판(13)을 접속한다. 도 17에 도시하는 바와 같이, 접속부(41c)는, 고정판(13)의 고정판 도체부(34)를 구성하는 Al막(27)이 그대로 연속하여 연장되는 것에 의해 구성된다. 지지 본체(41b)는, SiN막(51), Al막(52), Al막(53), SiN막(54) 및 Al막(27)이 하측으로부터 순서대로 적층된 구조를 갖는다. Al막(27)은, 접속부(41c)로부터 그대로 연속하여 연장되어 있다. SiN막(54)과 Al막(27) 사이에는, 공극(91)이 형성된다. 다리부(41a)는 SiN막(51), Al막(52), Al막(53) 및 Al막(27)이 하측으로부터 순서대로 적층된 구조를 갖는다. SiN막(51), Al막(52), Al막(53) 및 Al막(27)은, 지지 본체(41b)를 구성하는 것이 그대로 연속하여 연장되는 것에 의해 구성된다. 다리부(41a)의 기립 부분의 외주에는, 보강을 위한 단차가 형성되어 있다.
도 14 및 도 18에 도시하는 바와 같이, 고정판(13)의 고정판 도체부(34)는, 접속부(61)를 통해, 고주파 신호를 전송하는 전송선(200b)과 전기적으로 접속된다. 전송선(200b)은, 기판(11) 위의 SiN막(18, 19) 사이에 형성된다. 전송선(200b)은 Al막을 포함하는 배선 패턴이고, 도시하지 않는 고주파 회로에 접속된다. 제2 실시형태에서는 전송선(200b)의 양측에, 전송선(200b)을 사이에 끼우도록 Al막을 포함하는 접지 도체 패턴(201)이 형성된다. 이것에 의해, 기판(11)에는, 코플래너 전송선이 구성된다.
접속부(61)는, 다리부(앵커부)(61a)와, 1단째의 접속판부(61b)와, 다리부(61c)와, 2단째의 접속판부(61d)를 갖는다. 다리부(앵커부)(61a)는, 전송선(200b)을 통해 기판(11)으로부터 세워지는 기립부를 갖는다. 1단째의 접속판부(61b)는, -X측의 단부가 다리부(61a)를 통해 기판(11)에 고정된다. 다리부(61c)는, 접속판부(61b)의 +X측의 지점으로부터 세워지는 기립부를 갖는다. 2단째의 접속판부(61d)는 -X측의 단부가 다리부(61c)를 통해 접속판부(61b)에 고정되고, +X측의 단부가 고정판(13)의 -X측에 접속된다.
도 18에 도시하는 바와 같이, 접속판부(61d) 및 다리부(61c)는, 고정판(13)의 고정판 도체부(34)를 구성하는 Al막(27)이 그대로 연속하여 연장되는 것에 의해 형성되어 있다. 접속판부(61b)는, SiN막(71), Al막(72), Al막(73) 및 SiN막(74)이 아래쪽으로부터 순서대로 적층된 구조를 갖는다. SiN막(74)은, 접속판부(61b)에서 개구가 형성되고, 다리부(61c)의 Al막(27)은 이 개구를 통해 Al막(73)[나아가서는 Al막(72)]에 전기적으로 접속된다. 다리부(61a)는, SiN막(71), Al막(72), Al막(73) 및 SiN막(74)이 아래쪽으로부터 순서대로 적층된 구조를 갖는다. SiN막(71), Al 막(72), Al막(73) 및 SiN막(74)은 접속판부(61b)를 구성하는 것이 그대로 연속하여 연장되어 있다. SiN막(71)은, 다리부(61a)에서 개구가 형성되고, Al막(72)은 이 개구를 통해 전송선(200b)에 전기적으로 접속된다.
이상의 설명으로부터 이해되는 바와 같이, 제2 실시형태에서 고정판(13)의 전기 접점(135)은, 고정판(13)의 고정판 도체부(34) 및 접속부(61)를 통해, 전송선(200b)과 전기적으로 접속된다.
여기서, 고주파 신호에 착안한 제2 실시형태에 의한 마이크로스위치(301)의 전기 회로를, 도 19에 도시한다. 도 19에 도시하는 바와 같이, 고정판의 전기 접점(135)과 가동판(12)의 전기 접점(136)이 접리함으로써, 양쪽 접점(135, 136) 사이가 도통 및 차단한다. 이 온 및 오프에 의해, 한쪽 전송선(200a)에 입력된 고주파 신호는 다른쪽 전송선(200b)에 전송되거나, 차단된다.
또한, 전기 접점(135)을 돌출시키지 않고 전기 접점(136)을 돌출시키거나, 양쪽 접점(135, 136) 모두 돌출시키거나 하여도 좋은 것은, 물론이다. 이 변형예에서도, 고정판 도체부(34)와 가동 도체부(31)가 접합하여 떨어지지 않게 되는 스티킹이라고 불리는 현상이 생길 우려를 저감할 수 있다.
제2 실시형태에서는, 구동 전극(32, 33)간에 정전력이 생기지 않은 경우, 도 15에 도시하는 바와 같이, 가동판(12)의 전기 접점(136)이 고정판(13)의 전기 접점(135)에 접촉한다. 또한 그 접촉 상태에서, 판스프링부(14)의 스프링력에 의해 전기 접점(136)이 전기 접점(135)에 압박되는 힘(접촉압)은, 판스프링부(14)의 응력 등에 의해, 삽입 손실[접점(135, 136) 사이의 접촉 저항에 의한 손실]이 충분히 작아진다. 즉, 가동판(12)은, 초기 상태에 있어서 고정판(13)에 의해 아래쪽으로 약간 밀려 내려가 변위하고, 이것에 의해 초기 스프링력이 발생하며, 접촉압이 높아진다. 판스프링부(14)의 스프링계수를 올리지 않고, 접촉압을 높일 수 있다.
구동 전극(32, 33)간에 전압이 인가되어 있지 않고 이들 사이에 정전력이 생기지 않은 상태에서는, 도 15에 도시하는 바와 같이, 가동판(12)의 전기 접점(136)과 고정판(13)의 전기 접점(135)은, 일정한 접촉압으로 접촉한다. 그 결과, 이 마이크로스위치(301)는 온 상태가 된다. 한쪽 전송선(200a)에 입력되는 고주파 신호는, 전기 접점(135, 136)을 통해 다른쪽 전송선(200b)에 전송된다.
구동 전극(32, 33)간에 전압을 인가하여 이들 사이에 정전력을 생기게 하면, 도 16에 도시하는 바와 같이, 스프링력에 대항하여 가동부[판스프링부(14), 접속부(15) 및 가동판(12)]가 아래쪽으로 이동하고, 가동판(12)의 전기 접점(136)은, 고정판(13)의 전기 접점(135)으로부터 떨어진다. 그 결과, 이 마이크로스위치(301)는, 오프 상태가 된다. 고주파 신호는 전송선(200a)으로부터 전송선(200b)에 전송되지 않게 된다.
이상의 설명으로부터 명백한 바와 같이, 제2 실시형태에서는, 고정측 구동 전극(32)이 상대적으로 아래에, 가동측 구동 전극(33)이 상대적으로 위에 배치되어 있는 데 대하여, 고정측 전기 접점(135)이 상대적으로 위에, 가동측 전기 접점(136)이 상대적으로 아래에 배치되어 있다. 구동 전극(32, 33)의 고정측과 가동측의 상하의 위치 관계와, 전기 접점(135, 136)의 고정측과 가동측의 상하 위치 관계는, 반대로 되어 있다. 이것에 의해, 제2 실시형태에서는 전극(32, 33) 및 전기 접점(135, 136)은, 구동 전극(32, 33)간에 생기는 정전력이 전기 접점(135, 136)의 간격을 넓히는 방향으로 생긴다.
따라서, 제2 실시형태에서는 구동 전극(32, 33)간의 인가 전압이 풀인 전압보다 훨씬 낮은 전압이어도, 가동부[판스프링부(14), 접속부(15) 및 가동판(12)]가 아래로 이동하고, 전기 접점(135, 136) 사이가 떨어진다. 마이크로스위치(301)는, 온 상태로부터 오프 상태가 되고, 스위칭 기능을 다할 수 있다. 따라서, 오프시의 전기 접점(135, 136)의 간격의 크기가 고주파 신호의 아이솔레이션 성능을 결정하게 되지만, 제2 실시형태에서는 이 아이솔레이션을 충분히 유지하는 만큼의 가동 거리를 설계함으로써, 풀인 현상을 이용하지 않고 스위칭할 수 있다. 구체적으로는, 도 15에 도시하는 상태의 구동 전극(32, 33)간의 거리[보다 엄밀하게는, 고정판(13)이 없다고 가정한 상태로, 구동 전극(32, 33)간에 정전력이 생기지 않은 경우의, 구동 전극(32, 33)간의 거리]의 약 3분의 1의 거리 이하의 거리가, 아이솔레이션을 유지할 수 있는 거리가 되도록 설계하면 좋다.
이와 같이, 제2 실시형태에 의하면, 구동 전극(32, 33)의 고정측과 가동측의 상하의 위치 관계와, 전기 접점(135, 136)의 고정측과 가동측의 상하의 위치 관계가 반대로 되어 있기 때문에, 풀인 현상을 이용하지 않아도 접촉압 부족에 의한 삽입 손실의 증대를 방지할 수 있고, 또한 전압 제어에 따른 스위칭 동작을 하게 할 수 있다. 따라서, 제2 실시형태에 의하면, 특별한 문제점을 발생시키지 않고, 풀인 전압보다 낮은 구동 전압으로 스위칭 동작을 행할 수 있다. 제2 실시형태에 의한 마이크로스위치(301)를 구동하는 경우, 오프 상태로 하기 위해 전기 접점(135, 136) 사이에 간격을 생기게 할 때 및 그 후에 그 간격을 생기게 하고 있는 정상적인 상태에서, 구동 전극(32, 33)간에 그 사이가 풀인되지 않는 전압(풀인 전압보다 낮은 구동 전압)을 인가할 수 있다.
다음에, 제2 실시형태에 의한 마이크로스위치(301)의 제조방법의 일례에 대해서, 도 20 내지 도 23을 참조하여 간단히 설명한다. 도 20 내지 도 23은 이 제조방법의 후반의 각 공정을 각각 모식적으로 도시하는 개략 단면도이고, 도 15 및 도 16의 거의 좌측 절반에 대응하고 있다. 또한, 마이크로스위치(301)의 도 20까지의 전반의 공정은, 제1 실시형태의 가변 커패시터(1)의 제조 공정의 도 5 내지 도 8과 동일하고, 도시를 생략한다.
우선, 실리콘 기판(11)의 상면에 열산화에 의해 SiN막(18)을 성막한다. 그 위에 Al막을 증착 또는 스퍼터법 등에 의해 디포지션한다[도 5의 (a)]. 그 후, 포토리소에칭법에 의해, 그 Al막을 고정측 구동 전극(32), 전송선(200a, 200b), 접지 도체 패턴(201), 배선 패턴(16) 및 그 외의 배선 패턴의 형상으로 패터닝한다[도 5의 (b)].
계속해서, 도 5의 (b)에 도시하는 상태의 기판 위에, SiN막을 플라즈마 CVD법 등에 의해 디포지션한다. 소정의 포토리소에칭 공정을 실시하고, 그 SiN막을 상기 SiN막(19)의 형상으로 패터닝한다[도 6의 (a)]. 그 후, 희생층이 되는 포토레지스트(101, 102)를 코팅하고, 이들 포토레지스트(101, 102)에 소정의 포토리소에칭 공정을 실시한다[도 6의 (b)].
계속해서, 보강용 단차를 형성하기 위한 희생층이 되는 포토레지스트(103)를 코팅한다. 이것에 소정의 포트리소에칭 공정을 실시한다[도 7의 (a)].
그 후, 도 7의 (a)에 도시하는 상태의 기판 위에, SiN막을 플라즈마 CVD법 등에 의해 디포지션한다. 소정의 포토리소에칭 공정을 실시하여 그 SiN막을 상기 SiN막(21, 25, 51, 71)의 형상으로 패터닝한다[도 7의 (b)].
다음에, 도 7의 (b)에 도시하는 상태의 기판 위에, Al막을 스퍼터링 등에 의해 성막한다. 그 Al막을 상기 Al막(22, 26, 52, 72)의 형상으로 패터닝한다[도 8의 (a)].
계속해서, 도 8의 (a)에 도시하는 상태의 기판 위에, SiN막을 플라즈마 CVD법 등에 의해 디포지션한다. 소정의 포트리소에칭 공정을 실시하여, 그 SiN막을 접속부(15) 하측의 SiN막(28)의 형상으로 패터닝한다[도 8의 (b)].
계속해서, 도 8의 (b)에 도시하는 상태의 기판 위에, Al막을 스퍼터링 등에 의해 성막한다. 그 Al막을 상기 Al막(23, 53, 73) 형상으로 패터닝한다[도 20의 (a)].
그 후, 도 20의 (a)에 도시하는 상태의 기판 위에, SiN막을 플라즈마 CVD법 등에 의해 디포지션한다. 소정의 포토리소에칭 공정을 실시하여, 그 SiN막을 상기 SiN막(21, 25, 54, 74)의 형상으로 패터닝한다[도 20의 (b)].
다음에, 구멍을 메우기 위해, 희생층이 되는 포토레지스트(104)를 코팅한다. 이것에 소정의 포토리소에칭 공정을 실시한다[도 21의 (a)].
계속해서, 희생층이 되는 포토레지스트(105)를 코팅한다. 이것에 소정의 포토리소에칭 공정을 실시한다[도 21의 (b)].
계속해서, 보강용 단차를 형성하기 위한 희생층이 되는 포토레지스트(106)를 코팅한다. 이것에 소정의 포토리소에칭 공정을 실시한다(도 22).
그 후, 도 22에 도시하는 상태의 기판 위에, Al막을 스퍼터링 등에 의해 성막한다. 그 Al막을 상기 Al막(27)의 형상으로 패터닝한다[도 23의 (a)].
마지막으로, 희생층인 포토레지스트(1O1∼1O6)를 산소 플라즈마로 애싱 제거한다[도 23의 (b)]. 이것에 의해, 제2 실시형태에 의한 마이크로스위치(301)가 완성된다. 또한, 포토레지스트(101∼106)의 제거에 의해, 판스프링부(14)는, 실제로는 도 15에 도시하는 바와 같이 위쪽으로 만곡하지만, 도 23의 (b)에서는, 이해를 쉽게 하기 위해 판스프링부(14)를 만곡하지 않는 상태로 도시하고 있다.
또한, 포토레지스트(101∼106)의 제거 후에 상기 막(23∼26)의 내부 응력에 의해 판스프링부(14)가 도 15에 도시하는 바와 같이 위쪽으로 만곡하도록, 각 막(23∼26)의 성막 조건 등은 설정된다. 예컨대 막(25, 26, 23, 24)의 내부 응력은, 예컨대 판스프링부(14)에서 적층되는 2개의 SiN막(24, 25) 중의, 금속막(26, 23)의 하측의 막(25)을 컴프레시브 스트레스(Compressive stress: 압축 스트레스)가 잔류하도록 성막하고, 금속막(26, 23)의 상측의 막(24)을 텐실 스트레스(Tensile stress: 인장 스트레스)가 잔류하도록 성막하면 좋다. 2개의 SiN막(24, 25)의 스트레스를 변화시키기 위해서는, 예컨대 성막시의 가스 성분비나 전력을 바꿈으로써 달성할 수 있다. 또한, 이 예에서는 2개의 막(24, 25)은 SiN으로 형성되지만, 이들을 서로 상이한 재료(예컨대 SiO2와 SiN)로 하도록 하여도 좋다. 이것에 의해, 판스프링부(14)는, 후술하는 바와 같이 희생층을 제거하면, 위쪽으로 만곡한다. 이 외에도 예컨대, 판스프링부(14)에서 Al막을 3층 이상으로 형성함으로써, 위쪽으로 만곡시키도록 하여도 좋다. 그 외에도 예를 더 들면, 하측의 막(25)의 성막 면적과 상측의 막(24)의 성막 면적을 상이하게 하고, 이것에 의해 위쪽으로 만곡시키도록 하여도 좋다.
또한, 도면에는 도시하지 않지만, 포토레지스트(101∼106)의 제거를 완전히 행할 수 있도록, 적당한 지점에 에칭용 구멍을 마련해 둔다. 예컨대 고정판(13)의 고정판 도체부(34)를 구성하는 Al막(27)에는, 에칭용 구멍을 마련해 둔다.
또한, 지지부(41) 및 접속부(61)는 도 5 내지 도 23에는 도시하지 않지만, 앞의 설명으로 이해되는 바와 같이, 도 5 내지 도 23에 도시하는 공정과 병행하여 동시에 형성된다.
제2 실시형태에 의하면, 전술한 바와 같이, 삽입 손실이 증대되는 특별한 문제점을 생기지 않고, 종래에 비해 낮은 구동 전압(풀인 전압보다 낮은 구동 전압)으로 스위칭 동작을 행할 수 있다고 하는 이점을 얻을 수 있다.
또한, 제2 실시형태에 의한 마이크로스위치(301)는, 고주파 스위치로서 뿐만 아니라, 직류나 저주파의 신호를 스위칭하는 스위치로서도 이용할 수 있다.
[제3 실시형태]
도 24는, 본 발명의 제3 실시형태에 의한 마이크로스위치(본 실시형태에서는, MEMS 스위치)(401)를 모식적으로 도시하는 개략 평면도이다. 도 25 및 도 26은, 각각 도 24중의 선 Y11-Y12를 따라 취한 개략 단면도이다. 도 25는, 구동 전 극(32, 33)간에 정전력이 생기지 않은 상태를 도시하고 있다. 도 26은 구동 전극(32, 33)간에 정전력이 생기는 상태를 도시하고 있다. 도 24중의 선 Y13-Y14를 따라 취한 단면은, 도 14중의 선 Y9-Y10을 따라 취한 단면(도 17 참조)과 동일해진다. 도 24중의 선 X3-X4를 따라 취한 단면은, 도 14중의 선 X1-X2를 따라 취한 단면(도 18 참조)과 동일해진다. 도 24중의 선 X6-X7을 따라 취한 단면은, 도 14중의 선 X1-X2를 따라 취한 단면(도 18 참조)과 같아지지만, 전송선(200b) 대신에 전송선(200c)이 나타난다. 도 24 내지 도 26에서, 제2 실시형태에 의한 마이크로스위치를 설명하는 도 14 내지 도 18중의 요소와 동일 또는 대응하는 요소에는 동일 부호를 붙이고, 그 중복하는 설명은 생략한다.
제3 실시형태에 의한 마이크로스위치(401)는, 상기 제2 실시형태에 의한 마이크로스위치(301)를 개변하여, 병렬형 스위치로서 구성한 것이다. 본 실시형태가 상기 제2 실시형태와 상이한 곳은, 이하에 설명하는 점뿐이다.
제3 실시형태에서는, 가동판(12)에서의 Al막(22, 23)은, 가동측 용량 전극(제2 용량 전극)(38)이다. 고정판(13)의 고정판 도체부(34)는, 고정측 용량 전극(제1 용량 전극)(39)이다. 가동측 용량 전극과 고정측 용량 전극에 의해, 가변 커패시터의 용량(가변 용량)이 형성된다. 고정판(13)에는 전기 접점(135)이 설치되어 있지 않고, 그에 따른 가동판(12)에도 전기 접점(136)은 존재하지 않으며, 가동측 용량 전극(38)과 고정측 용량 전극(39)이 전기적으로 접촉하지 않는다.
제3 실시형태에서는, 고정판(13)에는, 아래쪽으로 돌출한 Al막을 포함하는 돌기(35)가 설치된다. 돌기(35)와 고정측 용량 전극(39)간을 전기적으로 절연하기 위해, 고정측 용량 전극(39)과 돌기(35) 사이에 SiN막을 포함하는 돌기 유지 부재(36)가 설치된다. 도 25에 명백한 바와 같이, 돌기(35)는, 가동판(12)과 접촉하는 것, 이것에 의해 가동측 용량 전극(38)과 고정측 용량 전극(39)간의 최소 간격이 규정된다. 돌기(35)에 의해 고정판(13)과 가동판(12) 사이의 접촉 면적이 작아지기 때문에, 고정판(13)과 가동판(12)이 접합하여 떨어지지 않게 되는 스티킹이라고 불리는 현상이 생길 우려를 저감할 수 있다. 단, 본 발명에서는, 돌기(35)는 반드시 설치할 필요는 없다. 또한, 이러한 돌기는 가동판(12)측에 설치하여도 좋다. 또한 가동판(12)에서의 SiN막(24)에는, 돌기(35)에 대응하는 지점에 개구가 형성되어 있다.
상기 제2 실시형태에서는, 각 배선 패턴(16) 중 하나의 배선 패턴(16)이 고주파 신호를 전송하는 전송선(200a)으로 되어있는 데 대하여, 제3 실시형태에서는, 그 대신에 그 배선 패턴(16)은 접지 도체 패턴(202)으로 되어 있다. 따라서, 제3 실시형태에서는 가동측 용량 전극(38)은 접지 도체 패턴(202)에 전기적으로 접속된다.
또한, 상기 제2 실시형태에서는, 고정판(13)의 고정측 용량 전극(39)의 -X측 부분이 접속부(61)를 통해, 고주파 신호를 전송하는 전송선(200b)과 전기적으로 접속되어 있을 뿐이었지만, 제3 실시형태에서는, 이에 추가로, 고정판(13)의 고정측 용량 전극(39)의 +X측 부분이 접속부(61)를 통해, 고주파 신호를 전송하는 전송선(200c)과 전기적으로 접속된다. 전송선(200c)은, 기판(11) 위의 SiN막(18, 19) 사이에 형성된 Al막을 포함하는 배선 패턴이고, 도시하지 않는 고주파 회로에 접속 된다. 제3 실시형태에서는, 전송선(200c)의 양측에 Al막을 포함하는 접지 도체 패턴(201)이 형성된다. 이것에 의해, 기판(11)에는 코플래너 전송선이 구성된다.
여기서, 고주파 신호에 착안한 제3 실시형태에 의한 마이크로스위치(401)의 전기 회로를, 도 27에 도시한다. 도 27에 도시하는 바와 같이, 제3 실시형태에 의한 마이크로스위치(401)는, 고주파 전송 선로에 대하여 병렬적으로 설치된 커패시터(용량)를 갖는다. 가동측 용량 전극(38)의 위치를 바꿈으로써 용량 전극(38, 39)간의 용량을 변화시키고, 용량의 대소에 의해, 한쪽 전송선(200a)에 입력된 고주파 신호를 접지 도체 패턴(202)에 션트하는 상태(오프 상태)와 션트하지 않는 상태(온 상태) 사이에서 전환한다. 이것에 의해, 한쪽 전송선(200c)에 입력된 고주파 신호는, 다른쪽 전송선(200b)에 전송되거나, 되지 않거나 한다.
제3 실시형태에서는, 구동 전극(32, 33)간에 정전력이 생기지 않은 경우, 도 15에 도시하는 바와 같이, 가동판(12)이 고정판(13)의 돌기(35)에 접촉한다. 또한 이 때에 판스프링부(14)의 스프링력에 의해 가동판(12)이 돌기(35)에 압박되는 힘은 비교적 작아지도록, 판스프링부(14)의 응력 등이 설정되어 있다. 그리고, 제3 실시형태에서는, 이 도 15에 도시하는 상태에서, 용량 전극(38, 39)의 간격이 충분히 작아지도록 설계되어 있다. 오프 상태일 때에 고주파 신호를 충분히 션트하여 아이솔레이션을 충분히 크게 하기 위해서는, 구동 전극(32, 33)간에 정전력이 생기지 않은 상태에서의 용량 전극(38, 39)간의 용량이 클수록 바람직하다. 따라서, 구동 전극(32, 33)간에 정전력이 생기지 않은 상태에서의 용량 전극(38, 39)의 간격은, 좁을수록 바람직하다. 이 실시형태에서, 이 간격은 적어도 구동 전극(32, 33) 의 간격(본 실시형태에서는 평균 간격)보다 좁다.
구동 전극(32, 33)간에 전압을 인가하지 않고 이들 사이에 정전력이 생기지 않은 상태에서는, 도 15에 도시하는 바와 같이, 용량 전극(38, 39)의 간격이 충분히 작아지고, 또한 용량 전극(38, 39)간의 용량이 충분히 커진다. 그 결과, 이 마이크로스위치(401)는 오프 상태가 된다. 한쪽 전송선(200c)으로부터 입력되는 고주파 신호는, 용량 전극(38, 39)간의 용량에 의해 접지 도체 패턴(202)에 션트되고, 다른쪽 전송선(200b)에 전송되지 않는다.
구동 전극(32, 33)간에 전압을 인가하여 이들 사이에 정전력을 생기게 하면, 도 16에 도시하는 바와 같이, 가동부[판스프링부(14), 접속부(15) 및 가동판(12)]가 아래쪽으로 이동하고, 용량 전극(38, 39)의 간격이 커지며, 용량 전극(38, 39)간의 용량이 작아진다. 그 결과, 이 마이크로스위치(401)는 온 상태가 된다. 한쪽 전송선(200c)으로부터 입력되는 고주파 신호는, 용량 전극(38, 39)간의 용량에 의해 접지 도체 패턴(202)에 션트되지 않게 되고, 다른쪽 전송선(200b)에 전송된다.
앞의 설명으로부터 명백한 바와 같이, 제3 실시형태에서는, 고정측 구동 전극(32)이 상대적으로 아래에, 가동측 구동 전극(33)이 상대적으로 위에 배치되어 있는 데 대하여, 고정측 용량 전극(39)이 상대적으로 위에, 가동측 용량 전극(38)이 상대적으로 아래에 배치되어 있고, 구동 전극의 고정측과 가동측의 상하의 위치 관계와, 용량 전극의 고정측과 가동측의 상하의 위치 관계는, 반대로 되어 있다. 제3 실시형태에서는, 이것에 의해, 구동 전극(32, 33)간에 생기는 정전력이 용량 전극(38, 39)의 간격을 넓히는 방향으로 생긴다.
따라서, 제3 실시형태에서는, 오프 상태에서, 풀인 현상을 이용하지 않고, 용량 전극(38, 39)의 간격을 충분히 좁게 하여, 아이솔레이션을 충분히 높일 수 있다. 또한, 구동 전극(32, 33)간에 정전력이 생기지 않은 상태에서, 용량 전극(38, 39)의 간격을 충분히 좁게 하여 용량 전극(38, 39)간의 용량을 충분히 크게 할 수 있기 때문에, 풀인 현상이 생기지 않는 범위 내의 구동 전압을 구동 전극(32, 33)간에 인가함으로써, 그 때에 얻어지는 용량과, 구동 전극(32, 33)간에 정전력이 생기지 않은 상태로 얻어지는 용량과의 비를 충분히 크게 할 수 있다. 이것은, 온 상태에서, 풀인 현상을 이용하지 않아도, 용량 전극(38, 39)간의 용량을 충분히 작게 할 수 있는 것을 의미한다. 따라서, 제3 실시형태에서는, 온 상태에서, 풀인 현상을 이용하지 않고, 용량 전극(38, 39)간의 용량을 충분히 작게 하여, 이 마이크로스위치(401)에 의한 삽입 손실[온 상태에서, 한쪽 전송선(200c)으로부터 다른쪽 전송선(200b)에 전송되지 않고 상기 용량을 통해 접지 도체 패턴(202)을 흐르는 성분에 상당.]을 충분히 낮출 수 있다.
이와 같이, 제3 실시형태에 의하면, 구동 전극(32, 33)과 용량 전극(38, 39)으로 고정측과 가동측 상하의 위치 관계가 반대로 되어 있다. 이 때문에 풀인 현상을 이용하지 않아도, 아이솔레이션이 저하되거나 삽입 손실이 증대하는 특별한 문제점을 발생시키지 않고, 스위칭 동작을 행할 수 있다. 따라서, 제3 실시형태에 의하면, 특별한 문제점을 발생시키지 않고, 풀인 전압보다 낮은 구동 전압으로 스위칭 동작을 행할 수 있다. 제3 실시형태에 의한 마이크로스위치(401)를 구동하는 경우, 온 상태로 하기 위해 용량 전극(38, 39)간의 용량을 작게 할 때에, 및 그 후에 그 용량을 작게 하고 있는 정상적인 상태에서, 구동 전극(32, 33)간에 그 사이가 풀인되지 않는 전압(풀인 전압보다 낮은 구동 전압)을 인가한다.
다음에, 제3 실시형태에 의한 마이크로스위치(401)의 제조방법의 일례에 대해서, 도 28 및 도 29를 참조하여 간단히 설명한다. 도 28 및 도 29는 이 제조방법의 각 공정을 각각 모식적으로 도시하는 개략 단면도이고, 도 25 및 도 26의 거의 좌측 절반에 대응하고 있다.
우선, 전술한 실시형태 2에서의 도 5의 (a) 내지 도 22까지의 마이크로스위치(301)의 제조 공정과 기본적으로 같은 공정을 행한다. 도 28의 (a)는 여기까지의 공정을 경유한 상태를 도시하고 있다.
다음에, 도 28의 (a)에 도시하는 상태의 기판 위에, Al막을 스퍼터링 등에 의해 성막한다. 그 Al막을 상기 Al막(27) 및 돌기(35)의 형상으로 패터닝한다(도 28의 (b)].
그 후, 도 28의 (b)에 도시하는 상태의 기판 위에, SiN막을 플라즈마 CVD법 등에 의해 디포지션한다. 소정의 포토리소에칭 공정을 실시하고, 그 SiN막을 상기 돌기 유지 부재(36)의 형상으로 패터닝한다[도 29의 (a)].
마지막으로, 희생층인 포토레지스트(1O1∼1O6)를 산소 플라즈마로 애싱 제거한다[도 29의 (b)]. 이것에 의해, 제3 실시형태에 의한 마이크로스위치(401)가 완성된다. 또한 포토레지스트(101∼106)의 제거에 의해, 판스프링부(14)는 도 25에 도시하는 바와 같이 위쪽으로 만곡하지만, 도 29의 (b)에서는, 이해를 쉽게 하기 위해, 판스프링부(14)를 만곡시키지 않고 도시하고 있다.
제3 실시형태에 의하면, 전술한 바와 같이, 아이솔레이션이 저하되거나 삽입 손실이 증대하도록 하는 특별한 문제점을 발생시키지 않고, 종래에 비해 낮은 구동 전압(풀인 전압보다 낮은 구동 전압)으로 스위칭 동작을 행할 수 있다고 하는 이점을 얻을 수 있다.
이상, 본 발명의 구체적인 실시형태에 대해서 설명하였지만, 본 발명은 이 실시형태에 한정되는 것이 아니다.
예컨대 각 부의 막 구성(층수, 재료 등)은, 전술한 예에 한정되는 것이 아니다.
제1 실시형태, 제2 실시형태 및 제3 실시형태에서, 가동판(12)은 그 양측으로부터 2조의 판스프링부(14)에 의해 지지되어 있다. 이 외에도 가동판(12)은, 그 양측으로부터 1조의 판스프링부(14)에 의해 지지되어 있어도, 또는 3조 이상의 판스프링부(14)에 의해 지지되어 있어도 좋다. 또한, 복수조의 판스프링부(14) 중의 1부의 조는, X 방향에서 가동판(12)을 지지하여도 좋다.
제1 실시형태는 MEMS형의 가변 커패시터(1)의 예이고, 제2 실시형태 및 제3 실시형태는 MEMS형의 마이크로스위치(301, 401)의 예이다. 이 외에도 예컨대, 이들 MEMS형 전자 소자는, 고정부(13)에 제1 신호 전극부를 설치하고, 가동부(12)에 제2 신호 전극부를 설치함으로써, 가변 커패시터 및 마이크로스위치 이외의 전자 소자에 있어서, 제1 신호 전극부와 제2 신호 전극부와의 간격의 제어에 의해 전기 특성 등을 가변 제어하기 때문에 이용할 수 있다.
그 외에도 예를 더 들면, 본 발명의 MEMS의 구조는, 전자 소자 이외에도, 예 컨대 렌즈, 미러 등의 광학 부재(피구동부)를 구동하는 액추에이터로서 이용 가능하다. 구체적으로는 예컨대, 가동부(12)에 광학 부재(피구동부)를 배치하고, 제1 구동 전극부 및 제2 구동 전극부 사이에 인가되는 전압에 의해, 제1 구동 전극부 및 제2 구동 전극부 사이에 상기 스프링력에 대항하도록 정전력을 생기게 함으로써, 광학 부재(피구동부)를 구동할 수 있다. 이 경우, 고정부(13)에는 다른 렌즈, 미러 등의 광학 부재가 배치되어 있어도 좋고, 또는 고정부(13)가 없는 것이어도 좋다. 예컨대 고정부(13)와 가동부(12)에 렌즈를 설치함으로써 포커싱 기구를 구축할 수 있고, 또한 고정부(13)와 가동부(12)에 미러를 설치함으로써 간섭계로서 기능시킬 수 있다. 이와 같이 본 발명의 MEMS의 구조를 액추에이터로서 이용한 경우, 풀인 전압보다 작은 전압 범위에서 구동하면서, 종래의 MEMS 구조의 것과 동등 또는 그 이상의 이동 범위에서의 구동이 가능하다. 가동부(12) 및 그 양측의 판스프링부(14)가 내부 응력에 의해 전체적으로 볼록하게 만곡하고 있기 때문에, 가동부(12)와 기판(11)과의 간격이 넓어지고, 그 만큼, 이동 범위가 넓어진다. 액추에이터의 용도에 따라서 용량 전극(신호 전극)은 생략할 수 있다. 또한, 액추에이터는 반도체 제조 프로세스를 응용한 MEMS의 기술 이외에 의해 형성되어 있어도 좋다.
또한, 실시형태 1 내지 3에 도시하는 MEMS형 전자 소자에서는, 판스프링부(14)는, 박막이 적층된 구조를 가지며, Al막(23, 26)의 하측의 박막(25)은 압축 스트레스가 잔류하도록 성막되고, Al막(23, 26)의 상측의 박막(24)이 인장 스트레스가 잔류하도록 성막되며, 이들 스트레스에 의해 생기는 응력에 의해 2조의 판스 프링부(14)의 전체가, 기판(11)으로부터 고정판(13)을 향해 볼록하게 만곡되어 있다. 따라서, MEMS의 제조기술에 의해, 이 볼록한 만곡을 형성할 수 있다. 반도체칩 등에서, 이 MEMS형 전자 소자를 이용하여, 가변 커패시터나 스위치 등을 실현할 수 있다.
본 발명에 의한 가변 커패시터의 용도는 특별히 한정되는 것이 아니지만, 예컨대 임피던스 정합, 가변 필터, 이상기(移相器), VCO(전압 제어 발진기) 등에서 이용할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 마이크로스위치를 RF 스위치로서 이용하는 경우, 그 용도는 특별히 한정되는 것이 아니지만, 예컨대 송수신 회로의 신호 전환 스위치, 가변 필터 전환 스위치 등에 이용할 수 있다.

Claims (16)

  1. 제1 구동 전극 및 제2 구동 전극을 포함하는 전자 소자로서,
    고정부와, 이 고정부에 대하여 이동할 수 있고 정해진 위치에 복귀하고자 하는 스프링력이 생기도록 설치된 가동부를 포함하고,
    상기 고정부는 제1 구동 전극 및 제1 신호 전극을 포함하며,
    상기 가동부는 제2 구동 전극 및 제2 신호 전극을 포함하고,
    상기 제1 구동 전극 및 상기 제2 구동 전극 사이에 인가되는 전압에 의해 상기 제1 구동 전극 및 상기 제2 구동 전극 사이에, 정전력이 상기 스프링력에 대항하도록 발생하며,
    상기 제1 구동 전극 및 상기 제2 구동 전극 사이에 발생하는 상기 정전력이, 상기 제1 신호 전극 및 상기 제2 신호 전극의 간격이 넓어지는 방향으로 생기도록, 상기 제1 구동 전극, 상기 제2 구동 전극, 상기 제1 신호 전극 및 상기 제2 신호 전극이 배치되고,
    상기 가동부는 가동판 및 미리 결정된 방향에서 상기 가동판의 양측을 지지하는 복수의 판스프링부를 포함하고, 상기 가동판은 상기 제2 신호 전극을 포함하고, 상기 복수의 판스프링부는 각각 상기 제2 구동 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 소자.
  2. 고정부와, 이 고정부에 대하여 이동할 수 있고 정해진 위치에 복귀하고자 하는 스프링력이 생기도록 설치된 가동부를 포함하고,
    상기 고정부는 제1 구동 전극 및 제1 용량 전극을 포함하며,
    상기 가동부는 제2 구동 전극 및 제2 용량 전극을 포함하고,
    상기 제1 구동 전극 및 상기 제2 구동 전극 사이에 인가되는 전압에 의해 상기 제1 구동 전극 및 상기 제2 구동 전극 사이에, 정전력이 상기 스프링력에 대항하도록 생기며,
    상기 제1 구동 전극 및 상기 제2 구동 전극 사이에 생기는 상기 정전력이, 상기 제1 용량 전극 및 상기 제2 용량 전극의 간격이 넓어지는 방향으로 생기도록, 상기 제1 구동 전극, 상기 제2 구동 전극, 상기 제1 용량 전극 및 상기 제2 용량 전극이 배치되고,
    상기 가동부는 가동판 및 미리 결정된 방향에서 상기 가동판의 양측을 지지하는 복수의 판스프링부를 포함하고, 상기 가동판은 상기 제2 용량 전극을 포함하고, 상기 복수의 판스프링부는 각각 상기 제2 구동 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 커패시터.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 구동 전극 및 상기 제2 구동 전극 사이에 상기 정전력이 생기지 않은 상태에서, 상기 제1 용량 전극 및 상기 제2 용량 전극의 간격이 상기 제1 구동 전극 및 상기 제2 구동 전극의 간격보다 좁은 것을 특징으로 하는 가변 커패시터.
  4. 제2항에 있어서, 상기 고정부 또는 상기 가동부에, 상기 제1 용량 전극 및 상기 제2 용량 전극의 최소 간격을 규정하는 돌기가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 가변 커패시터.
  5. 제2항에 있어서, 상기 제1 용량 전극 및 상기 제2 용량 전극에 의해, 출력으로서 이용해야 하는 용량이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 가변 커패시터.
  6. 제2항에 기재한 가변 커패시터를 포함하고,
    상기 제1 용량 전극 및 상기 제2 용량 전극에 의한 용량이 고주파 신호 전송부와 접지 도체 사이의 용량을 이루도록, 상기 제1 용량 전극 및 상기 제2 용량 전극이 설치되며,
    상기 제1 용량 전극 및 상기 제2 용량 전극에 의한 용량의 대소에 따라서, 고주파 신호 전송부를 흐르는 고주파 신호의 스위칭 동작을 행하는 것을 특징으로 하는 마이크로스위치.
  7. 제6항에 기재한 마이크로스위치의 구동 방법으로서,
    상기 제1 용량 전극 및 상기 제2 용량 전극에 의한 용량을 작게 하고 있는 정상적인 상태에 있어서, 상기 제1 구동 전극 및 상기 제2 구동 전극 사이에, 풀인 전압보다 작은 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 마이크로스위치의 구동 방법.
  8. 고정부와, 이 고정부에 대하여 이동할 수 있고 정해진 위치에 복귀하고자 하는 스프링력이 생기도록 설치된 가동부를 포함하고,
    상기 고정부는 제1 구동 전극 및 제1 전기 접점을 포함하며,
    상기 가동부는 제2 구동 전극 및 제2 전기 접점을 포함하고,
    상기 제1 구동 전극 및 상기 제2 구동 전극 사이에 인가되는 전압에 의해 상기 제1 구동 전극 및 상기 제2 구동 전극 사이에, 정전력이 상기 스프링력에 대항하도록 생기며,
    상기 제1 구동 전극 및 상기 제2 구동 전극 사이에 생기는 상기 정전력이, 상기 제1 전기 접점 및 상기 제2 전기 접점의 간격이 넓어지는 방향으로 생기도록, 상기 제1 구동 전극, 상기 제2 구동 전극, 상기 제1 전기 접점 및 상기 제2 전기 접점이 배치되고,
    상기 제1 구동 전극 및 상기 제2 구동 전극 사이에 정해진 크기의 상기 정전력이 생기고 있는 상태에서, 상기 제1 전기 접점 및 상기 제2 전기 접점 사이에 일정한 간격이 생기는 한편, 상기 제1 구동 전극 및 상기 제2 구동 전극 사이에 상기 정전력이 생기지 않은 상태에서, 상기 제1 전기 접점 및 상기 제2 전기 접점이 서로 접촉하고,
    상기 가동부는 가동판 및 미리 결정된 방향에서 상기 가동판의 양측을 지지하는 복수의 판스프링부를 포함하고, 상기 가동판은 상기 제2 전기 접점을 포함하고, 상기 복수의 판스프링부는 각각 상기 제2 구동 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로스위치.
  9. 제8항에 기재한 마이크로스위치를 구동하는 방법으로서,
    상기 제1 전기 접점 및 상기 제2 전기 접점에 간격을 생기게 하고 있는 정상적인 상태에서, 상기 제1 구동 전극 및 상기 제2 구동 전극 사이에, 풀인 전압보다 작은 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 마이크로스위치의 구동 방법.
  10. 기판과,
    상기 기판과 정해진 간격으로 이격되도록 상기 기판 위에 배치되고, 제1 신호 전극을 포함하는 고정판과,
    제2 신호 전극을 포함하는 가동판과,
    상기 기판과 상기 고정판 사이에 상기 가동판이 위치하며 상기 제1 신호 전극과 상기 제2 신호 전극이 대향하도록, 상기 기판에 대하여 상기 가동판을 반대측으로부터 지지하는 복수의 판스프링부와,
    각 상기 판스프링부에 배치되는 복수의 제2 구동 전극과,
    상기 기판에서, 상기 복수의 제2 구동 전극과 대응하는 위치에 배치되는 제1 구동 전극
    을 포함하고,
    상기 판스프링부는 2층 이상의 막을 적층함으로써 형성되며,
    상기 가동판 및 이 가동판을 반대측으로부터 지지하는 상기 복수의 판스프링부의 전체가, 상기 기판으로부터 상기 고정판을 향해 볼록하게 만곡되어 있고,
    상기 복수의 판스프링부는 미리 결정된 방향에서 상기 가동판의 양측을 지지하는 것을 특징으로 하는 MEMS형 전자 소자.
  11. 제10항에 있어서, 상기 판스프링부는, 상기 제2 구동 전극의 상측에서 인장 스트레스가 잔류하도록 성막되는 상측의 박막과, 상기 제2 구동 전극의 하측에서 압축 스트레스가 잔류하도록 성막되는 하측의 박막을 포함하고, 이들 스트레스에 의해 생기는 응력에 의해 상기 기판으로부터 상기 고정판을 향해 볼록하게 만곡되어 있는 것을 특징으로 하는 MEMS형 전자 소자.
  12. 제11항에 있어서, 상기 고정판은,
    상기 기판으로부터 상기 고정판을 향해 볼록하게 만곡되어 있는 상기 가동판을 상기 기판측으로 밀어 내리는 높이에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 MEMS형 전자 소자.
  13. 기판과, 상기 기판과 정해진 간격으로 이격되도록 상기 기판 위에 배치된 고정판을 구비하는 고정부와,
    상기 고정부에 대하여 이동할 수 있고 정해진 위치에 복귀하고자 하는 스프링력이 생기도록 설치된 가동부
    를 포함하고,
    상기 고정부는 제1 구동 전극을 포함하며,
    상기 가동부는 제2 구동 전극을 포함하고,
    상기 제1 구동 전극 및 상기 제2 구동 전극 사이에 인가되는 전압에 의해 상기 제1 구동 전극 및 상기 제2 구동 전극 사이에, 정전력이 상기 스프링력에 대항하여 발생하도록, 상기 제1 구동 전극 및 상기 제2 구동 전극이 배치되어 있고,
    상기 가동부는 가동판 및 미리 결정된 방향에서 상기 가동판의 양측을 지지하는 복수의 판스프링부를 포함하고, 상기 복수의 판스프링부는 각각 상기 제2 구동 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 액추에이터.
  14. 제13항에 있어서, 상기 가동부는, 상기 기판으로부터 상기 고정판을 향해 볼록하게 만곡되어 있는 것을 특징으로 하는 마이크로 액추에이터.
  15. 제13항에 있어서, 상기 고정판은, 상기 가동부를 상기 기판측으로 밀어 내리는 높이에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 마이크로 액추에이터.
  16. 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 기재한 마이크로 액추에이터와,
    상기 마이크로 액추에이터의 가동부에 배치된 광학 소자
    를 포함하는 MEMS 광학 소자.
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